JP5194619B2

JP5194619B2 - 冷却加熱装置

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Publication number: JP5194619B2
Application number: JP2007201559A
Authority: JP
Inventors: 健松原; 和哉中山; 学上野; 克之大澤; 新二佐藤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2027-08-02
Also published as: JP2009036459A

Description

本発明は、例えばカップなどの飲料容器に飲料を注入して提供するカップ式自動販売機に備えられ、圧縮機から供給される冷媒を利用して湯、冷水、氷を作る冷却加熱装置に関するものである。

従来からコーヒー豆原料に高温の湯を供給して抽出したコーヒー飲料やシロップを希釈して氷を投入したシロップ飲料を販売するカップ式自動販売機が知られている。カップ式自動販売機は、貨幣が投入され、例えば、コーヒー飲料の選択ボタンが押されると、貯蔵しているコーヒー豆をミルで挽いた挽き豆に温水タンクで貯留している高温の湯を供給して抽出した温かいコーヒー飲料をカップ供給装置から供給されたカップに注入して販売口から利用者に販売する。また、メロン飲料の選択ボタンが押されると、冷却水槽で冷やされたメロンシロップと炭酸水がカップに注入され、さらに製氷機に貯蔵している氷が投入されて冷たいメロン飲料となり、販売口から利用者に販売される。このように、カップ式自動販売機にはコーヒー飲料などのホット飲料を調製する際に使用する湯を高温（例えば９４〜９７℃）に加熱して貯留する温水タンクや、メロン飲料などのアイス飲料を調製する原料としてのシロップや炭酸水を冷やす冷却水槽と、氷を製造する製氷機と、その冷却水槽と製氷機を冷却する冷媒回路を備えている。
カップ式自動販売機を示す概念図を図４に示す。カップ式自動販売機２は、カップ供給装置（図示せず）から供給されてベンドステージＳに載置した飲料容器であるカップＣに、その機内で調製したホット飲料またはコールド飲料を注入して販売する装置であり、希釈液供給部３、冷却水槽１５、製氷機３０、温水タンク３４、ミキシングボウル４０、４１、コーヒーブリュア４２、原料容器４３、４５、４７、ミル４６などを備えている。

希釈液供給部３は、冷水、炭酸水などの希釈液をカップＣに注入するためのもので、水リザーバ１０、水ポンプ１１、給水弁１２を有している。給水弁１２を開くと水道水は水リザーバ１０に貯えられ、水ポンプ１１を駆動することによって圧送された水は冷水回路１３または温水回路３３に供給される。冷水回路１３に供給された水は、冷却水槽１５に貯留する冷却水１５ａに浸漬している水冷却コイル１６を通流することにより冷却される。図には明示していないが冷却水１５ａにはコイル状の蒸発管（蒸発器）が浸漬してあり、蒸発管に冷媒を循環させることにより冷媒が蒸発する際の蒸発熱により蒸発管の周囲に着氷したアイスバンク（氷魂）の蓄熱量を利用した熱交換により冷却水１５ａを略０℃に保つようにしている。水冷却コイル１６には給水弁１７と冷水管路１８とが接続してある。また、給水弁１７には、カップＣに炭酸水を供給するカーボネータ１９が接続してあり、水ポンプ１１を駆動して給水弁１７を開くとカーボネータ１９に冷水が供給される。冷水管路１８には、冷水弁２０を介して冷水ノズル２１が接続してあり、コールド飲料注出時（販売時）には水ポンプ１１を駆動して冷水弁２０を開くと、冷水ノズル２１からカップＣに冷水を注入する。
カーボネータ１９は、冷却水槽１５に貯留する冷却水１５ａに浸漬してあり、炭酸ガスボンベ２２から供給される炭酸ガスが冷水に溶解して炭酸水となる。カーボネータ１９には、炭酸水弁２３を介して炭酸水ノズル２４が接続してあり、炭酸水弁２３を開くと、炭酸ガスボンベ２２から供給される炭酸ガスの圧力でカーボネータ１９から押し出された炭酸水を炭酸水ノズル２４からカップＣに注入する。また、冷却水槽１５に貯留する冷却水１５ａには、複数のシロップ冷却コイル２５が浸漬してあり、シロップ飲料の原液となる各種のシロップがそれぞれ貯蔵してある複数のシロップコンテナ２６がシロップ売切装置２７を介して接続してある。シロップコンテナ２６には炭酸ガスボンベ２２から炭酸ガスが供給され、シロップ冷却コイル２５にはシロップ弁２８を介してシロップノズル２９が接続されている。そして、シロップ弁２８を開くと、シロップコンテナ２６に貯蔵してあるシロップが炭酸ガスボンベ２２から供給される炭酸ガスの圧力で押し出され、シロップ売切装置２７を介して通流されてシロップ冷却コイル２５で冷却されたシロップをシロップノズル２９からカップＣに注入する。

製氷機３０は、製氷用水導入配管３０ａを通じて水リザーバ１０から供給された水を用いて氷を製造し、当該氷をストッカに貯蔵する。図には明示しないが製氷機３０は、製氷部としての円筒状のパイプの外周面に蒸発管（蒸発器）を螺旋状に巻回させてあり、蒸発管に冷媒を循環させることにより供給された水をパイプ内壁面に着氷させる。パイプの内部にはスクリュ形状のオーガが配設してあり、モータによって回転駆動したオーガでパイプの内壁面に着氷させた氷を切削しつつ上方に押し上げる。パイプの上部には、固定刃が設けてあり、この固定刃によってオーガで押し上げられた氷を圧縮してチップ状の氷にする。また、パイプの上方には、製造したチップ状の氷を貯蔵するストッカが設けてある。そして、製氷機３０によって製造された氷は、アイス飲料を販売するときにアイスダクト３０ｂを通じて飲料調整に必要とする量がカップＣに投入される。
水ポンプ１１を駆動すると同時に給水弁３２を開放して温水回路３３に供給された水は、温水タンク３４に貯えられ、温水タンク３４でヒータ（図示せず）により加熱されて高温（例えば９４〜９７℃）の湯になる。温水タンク３４には、複数の湯弁３５が配設してある。各湯弁３５は、湯管路３６によってミキシングボール４０、４１またはコーヒーブリュア４２に接続してあり、湯弁３５を開放すると湯管路３６を通った湯がミキシングボール４０、４１またはコーヒーブリュア４２に供給される。ミキシングボール４０は、原料容器４３から供給された原料と温水タンク３４から供給された湯を攪拌してホット飲料を調製してホット飲料ノズル４４からカップＣに注入する。コーヒーブリュア４２は、コーヒー豆を収容している原料容器４５から供給されたコーヒー豆をミル４６で挽いた挽き豆に温水タンク３４から供給された湯を注いで攪拌混合してコーヒー飲料を抽出する。コーヒー飲料の抽出滓は滓バケツ４９に廃棄される。また、コーヒーブリュア４２には、ミキシングボール４１が接続してあり、砂糖、クリームなどを収容している原料容器４７から供給された原料とコーヒー飲料を攪拌してコーヒー飲料ノズル４８からカップＣに注入する。

このようなカップ式自動販売機では、湯、冷水、氷を作る冷媒回路に、冷媒を高温高圧の状態に圧縮する圧縮機と、高温高圧状態の冷媒と給湯用の水とを熱交換させて湯を作る温水用熱交換器と、冷媒と機外空気とを熱交換させて放熱させる空気用熱交換器（放熱器）と、冷媒を膨張させることでその温度および圧力を低下させる膨張弁と、冷媒と冷却用の水とを熱交換させて冷却水を作る冷却水用熱交換器（蒸発器）と、冷媒と製氷用の水と熱交換させて氷を作る製氷用熱交換器（蒸発器）とを設け、圧縮機から供給される冷媒により温水加熱および冷却を行い、湯、冷水または氷を作るようにしたものがある（例えば、特許文献１（第２の実施の形態）参照）。
特開２００２−８１７７２号公報

この冷媒回路では、湯を作るときは、圧縮機からの冷媒を温水用熱交換器、空気側膨張弁、空気用熱交換器（放熱器）に順次循環させる温水モードのサイクルを形成し、冷却水を作るときは、圧縮機からの冷媒を空気用熱交換器、空気側膨張弁、冷却水側膨張弁、冷却水用熱交換器（蒸発器）に順次循環させる冷却水モードのサイクルを形成し、氷を作るときは、圧縮機からの冷媒を空気用熱交換器、空気側膨張弁、製氷側膨張弁、製氷用熱交換器（蒸発器）に順次循環させる製氷モードのサイクルを形成し、冷媒は内部熱交換器を介して圧縮機に戻るようにしている。
圧縮機から高温高圧の状態で吐出された冷媒は空気用熱交換器（放熱器）でその周囲温度に近い温度まで冷却され、その後、内部熱交換器で蒸発器から圧縮機に戻る低温（例えば−５〜−１５℃）低圧の冷媒と熱交換が行われ、１０〜２０℃の低温冷媒になる。この内部熱交換器の役割は、周囲温度に近い温度の高圧冷媒をさらに冷却し、比エンタルピを低下させ、冷却能力を増加させる。また、蒸発器で蒸発しきれなかった液体状態の冷媒を周囲温度に近い温度の高圧冷媒と熱交換させることにより気体状態に相変化させ、冷媒が液体の状態で圧縮機に流入することを防止している。
しかしながら、周囲温度が低い場合には、空気用熱交換器（放熱器）で冷媒の放熱がされすぎ、内部熱交換器に流入する高圧冷媒の温度が下がりすぎて蒸発器から戻ってくる低圧冷媒との間で十分な熱交換がされないために、蒸発器から戻ってくる低圧冷媒の温度が低い状態で圧縮機に流入し、圧縮機で圧縮されて吐出された冷媒の温度が上がらず、温水用熱交換器で水を必要な温度まで加熱することができない。また、冷媒温度が低すぎると冷媒が液体の状態で圧縮機に戻ってしまい、圧縮機を破損する虞がある。

本発明は、上記実情に鑑みて、周囲温度が低い場合にも必要とする温水加熱が行え、圧縮機に不具合を生じさせることのない冷却加熱装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る冷却加熱装置は、冷媒を圧縮して高温高圧にさせる圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された高温高圧の冷媒と水とを熱交換させて湯を作る温水用熱交換器と、前記温水用熱交換器から供給される冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器から供給される冷媒を断熱膨張させる膨張機構と、前記膨張機構から供給される冷媒を蒸発させて前記圧縮機に帰還させる蒸発器とを接続した冷媒循環回路を形成した冷却加熱装置において、
前記冷媒循環回路を循環する冷媒を前記放熱器から迂回させる冷媒連通回路と、前記冷媒連通回路および前記放熱器に接続される冷媒循環回路に備えられる開閉弁と、前記放熱器および前記冷媒連通回路を空冷する送風手段と、前記圧縮機から吐出された冷媒の温度を検出して温度信号を出力する冷媒温度センサと、前記冷媒温度センサが出力する冷媒温度に基づいて前記開閉弁を開閉制御し、且つ、前記送風手段の空冷能力を制御して前記圧縮機から吐出される冷媒を所定の温度とする制御手段と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明の請求項２に係る冷却加熱装置は、上記請求項１において、前記制御手段は、前記送風手段のファン回転数制御または間欠回転制御により前記放熱器および前記冷媒連通回路を空冷する空冷能力を変化させることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る冷却加熱装置は、上記請求項１または請求項２において、前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、冷媒循環回路を循環する冷媒を放熱器から迂回させる冷媒連通回路と、冷媒連通回路および放熱器に接続される冷媒循環回路に備えられる開閉弁と、放熱器および冷媒連通回路を空冷する送風手段と、圧縮機から吐出された冷媒の温度を検出して温度信号を出力する冷媒温度センサと、冷媒温度センサが出力する冷媒温度に基づいて開閉弁を開閉制御し、且つ、送風手段の空冷能力を制御して圧縮機から吐出される冷媒を所定の温度とする制御手段と、を備えているので、放熱器周囲温度が下がり、圧縮機から吐出された冷媒の温度が所定の温度より下がると、冷媒温度センサが検出して出力した冷媒の温度に基づいて、制御手段が送風手段のファン回転数を下げて放熱器の放熱量を減少させて圧縮機から吐出される冷媒温度を所定の温度にすることができる。また、放熱器周囲温度が低下して送風手段のファン回転を停止しても自然空冷による冷媒冷却（放熱）熱量が大きくなり圧縮機から吐出された冷媒温度が所定温度より低い場合には、温水用熱交換器から吐出した冷媒を冷媒連通回路に流入させ、冷媒を放熱器を迂回させて内部熱交換器に直接流入させ、放熱器での冷却（放熱）をなくして冷媒温度の低下を最小限にすることができる。さらに、冷媒連通回路を送風装置の送風位置に配置することにより、冷媒連通回路での空冷（放熱）熱量を変化させることができるので、温水用熱交換器に流入する冷媒温度が温水加熱に必要とする高温に維持されて、周囲温度が低い場合にも必要とする温水加熱が行え、また、冷媒が液体の状態で圧縮機に戻ることがなくなるので、圧縮機に不具合を生じさせることのない冷却加熱装置を提供することができる。
また、請求項２の発明によれば、制御手段は、送風手段のファン回転数制御または間欠回転制御により放熱器および冷媒連通回路を空冷する空冷能力を変化させると、温水用熱交換器に流入する冷媒温度が温水加熱に必要とする高温に維持されて、周囲温度が低い場合にも必要とする温水加熱が行え、また、冷媒が液体の状態で圧縮機に戻ることがなくなるので、圧縮機に不具合を生じさせることのない冷却加熱装置を提供することができる。

また、請求項３の発明によれば、冷媒として二酸化炭素を用いることにより、環境負荷が小さく、安全である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る冷却加熱装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、従来と同一構成に関しては同一符号を用いる。
図１は本発明に係る冷却加熱装置をカップ式自動販売機に備えた実施の形態を示す概念図である。冷却加熱装置１における温水タンク７０に貯留している温水の加熱、冷却水槽１５に貯留している冷却水１５ａの冷却および製氷機３０の氷の製造には冷媒回路５０が適用してある。冷媒回路５０は、圧縮機５１、温水用熱交換器５２、ガスクーラ（放熱器）５３、内部熱交換器５４、電子膨張弁（膨張機構）５５、および蒸発器５６、５７、並びにこれらを接続する冷媒循環回路Ｌにより構成され、冷媒を循環させて加熱および冷却を行うものである。ここで、冷媒としては、不燃性、安全性、不腐食性を有し、更にオゾン層への影響が少ない二酸化炭素を用いている。
圧縮機５１は、内部熱交換器５４からの冷媒（二酸化炭素）を圧縮して高温高圧の状態にするものである。この圧縮機５１は、２回に分けて冷媒圧縮を行う２段式圧縮機であり、１回目の冷媒圧縮を行う第１圧縮機５１ａと、２回目の冷媒圧縮を行う第２圧縮機５１ｂとを有し、これらの間に中間熱交換器５８を備えている。中間熱交換器５８は、第１圧縮機５１ａによる１回目の冷媒圧縮により圧縮された冷媒を冷却、すなわち放熱させて該冷媒を第２圧縮機５１ｂに送るものである。このように、冷媒を２回に分けて圧縮を行う２段式圧縮機の第１圧縮機５１ａと第２圧縮機５１ｂとの間に冷媒を冷却する中間熱交換器５８を備えて冷媒圧縮を行うと、第２圧縮機５１ｂの負荷を低減して効率の向上を図ることができるので、消費電力を低減して冷媒を所望の高温高圧の状態に圧縮することが可能になる。圧縮機５１には、圧縮機５１を運転するための電源の周波数を変換するインバータ５１ｃが接続してあり、飲料供給装置１の熱負荷に見合った適切な電源周波数で圧縮機５１を運転する。この圧縮機５１としては、レシプロ圧縮機、ロータリー圧縮機、スクロール圧縮機などが適宜適用される。

冷媒循環回路Ｌには、第１圧縮機５１ａで圧縮させた高温高圧の冷媒を放熱させて第２圧縮機５１ｂに供給させる中間熱交換器５８を備えた第１冷媒回路Ｌ１と、第１圧縮機５１ａで圧縮させた高温高圧の冷媒を第２圧縮機５１ｂに直接供給させる第２冷媒回路Ｌ２とを備え、第１冷媒回路Ｌ１には弁を開閉して冷媒の通流および停止をさせる電磁弁６２を備え、第２冷媒回路Ｌ２には弁を開閉して冷媒の通流および停止をさせる電磁弁６３を備えている。そして、冷却水の冷却能力や製氷能力を強く要求される場合には、電磁弁６２を開く一方、電磁弁６３を閉じて圧縮機５１を運転すると、第１圧縮機５１ａで圧縮された温度６０℃〜７０℃、圧力３〜５ＭＰａの冷媒は中間熱交換器５８に送られてここで放熱されて温度４０〜５０℃、圧力３〜５ＭＰａの冷媒となって第２圧縮機５１ｂへ供給されるので第２圧縮機５１ｂの負荷が軽減され、第２圧縮機５１ｂによる２回目の圧縮動作により圧縮された冷媒は温度７０〜８０℃、圧力８〜９ＭＰａとなり、温水用熱交換器５２へ供給される。
このように、第１圧縮機５１ａで圧縮された冷媒を中間熱交換器５８で放熱させて第２圧縮機５１ｂで圧縮すると、第２圧縮機５１ｂの冷媒圧縮動作の負荷が軽減され、冷却効率が改善される。さらに冷却水冷却時や製氷時に発生する冷媒の廃熱を利用して低温の温水を温水用熱交換器５２で加熱することができるので消費電力を低減することができる。また、温水タンク７０に貯留している温水の加熱能力を強く要求される場合には、電磁弁６２を閉じる一方、電磁弁６３を開いて圧縮機５１を運転すると、第１圧縮機５１ａで圧縮された温度６０〜７０℃、圧力３〜５ＭＰａの冷媒が中間熱交換器５８で放熱されることなく第２圧縮機５１ｂへ直接供給されて圧縮されると、第２圧縮機５１ｂによる２回目の圧縮動作により圧縮された冷媒は温度１１０〜１２０℃、圧力１０〜１２ＭＰａの高温高圧の状態になる。

温水用熱交換器５２は、第１圧縮機５１ａで圧縮された冷媒が第２圧縮機５１ｂに直接送られることにより２回目の圧縮によって１１０〜１２０℃の高温になった冷媒を温水タンク７０から送出された３０〜６０℃の低温の温水と熱交換させて約９５℃の高温の温水を作るもので、その内部には、第２圧縮機５１ｂで圧縮された高温高圧の冷媒が通流する冷媒管路５２ａと、給湯用の水が通流する温水管路５２ｂとが、互いに熱交換可能な態様で配設してあり、温水管路５２ｂを通流する温水の移動方向と冷媒管路５２ａを通流する冷媒の移動方向とが逆方向となるように配設してある。冷媒管路５２ａに流入してきた１１０〜１２０℃の高温の冷媒が温水タンク７０から送出されて温水管路５２ｂに流入してきた３０〜６０℃の低温の温水と熱交換して冷媒管路５２ａから流出するときには５０〜６０℃の温度に下がるが、互いに熱交換可能な態様で配設してある温水管路５２ｂを通流する温水の移動方向と冷媒管路５２ａを通流する冷媒の移動方向とを逆方向となるように配設してあるので、冷媒との熱交換で徐々に温められた温水が温水管路５２ｂから流出する直前で冷媒管路５２ａに流入してきた１１０〜１２０℃の高温の冷媒と熱交換されて加熱されるので、温水管路５２ｂから流出する温水を効率よく約９５℃の高温の温水とすることができる。

温水タンク７０は、タンク本体７１の内部に仕切り板７２、湯温センサ７３、ヒータ７４、低湯温センサ８１を備えている。そして、給水弁１２を開いて水リザーバ１０に貯えられた水道水は、水ポンプ１１を駆動すると同時に給水弁３２を開くと温水回路３３を通流して温水タンク７０の底部から仕切り板７２の下部に供給され、湯量センサ（図示せず）が満水信号を出力すると水ポンプ１１を停止するとともに給水弁３２を閉じて給水を停止する。供給された水道水は仕切り板７２の下部に貯留されて３０〜６０℃の比較的低温の温水となり、仕切り板７２の上部に貯留されている高温（例えば９４〜９７℃）の温水とは区分された状態で貯留される。このように温水タンク７０に仕切り板７２を備えると、水道水の流入による流動や水の密度の温度依存による対流を抑制するとともに、熱伝導を遮断することができるので、仕切り板７２上部の高温域に貯留している高温の温水の温度低下を防ぐことができる。
温水用熱交換器５２の冷媒管路５２ａを通流する冷媒と熱交換可能な態様で配設されている温水管路５２ｂ入口側（図中上側）に連通する温水管路７６は温水ポンプ７５を介して温水タンク７０の底部に接続され、温水管路５２ｂ出口側（図中下側）に連通する温水管路７７には通流する温水の湯温を測定して湯温信号を出力する湯温センサ７８が設けられ、温水管路７７の流出口の一方は電磁弁７９を介して仕切り板７２下部の低温域に接続され、他方は電磁弁８０を介して高温水７０ａの上部空間にその流出口が配設される。温水ポンプ７５の駆動により温水タンク７０から温水用熱交換器５２に送出された３０〜６０℃の低温水が温水管路５２ｂを通流する際に冷媒管路５２ａを通流する１１０〜１２０℃の冷媒と熱交換されて約９５℃の高温水となって温水管路７７を通流してくると、湯温センサ７８が出力する温度信号に基づいて制御部（制御手段）９１が電磁弁７９を閉じて電磁弁８０を開くと温水タンク７０の仕切り板７２上部の高温域に流出して貯留される。温水管路７６、７７は断熱材で周囲を覆うなどして断熱され、加熱された高温の温水の温度低下を最小限に抑えるようにしている。そして湯弁３５が開くと高温域の温水が調理部（図示せず）に供給されて飲料が調製される。

また、冷却水槽１５に貯留している冷却水１５ａを冷却する場合や製氷機３０を冷却して氷を製造する場合などには、第１圧縮機５１ａで圧縮された冷媒が中間熱交換器５８で放熱されて第２圧縮機５１ｂで圧縮されて冷媒管路５２ａに供給されるときの温度は７０〜８０℃となり、冷媒と熱交換して温水管路５２ｂから流出する温水は６０〜７０℃の温度となるので、湯温センサ７８が出力する温度信号に基づいて制御部９１が電磁弁７９を開いて電磁弁８０を閉じると温水タンク７０の仕切り板７２下部の低温域に送出されて、高温域の温水の温度低下を防止することができる。また、湯温センサ７３は温水タンク７０に貯留されている湯温の検出信号を制御部９１に出力し、湯温が所定の下限温度（例えば９４℃）を下回ると制御部９１はヒータ７４に通電して所定の上限温度（例えば９７℃）まで加熱するようにしている。
ガスクーラ５３は、温水用熱交換器５２から供給された冷媒をその周囲温度に近い温度まで冷却（放熱）させるものであり、第２圧縮機５１ｂ下流側の冷媒循環回路Ｌには第２圧縮機５１ｂが吐出する冷媒の温度を検出して冷媒温度信号を制御部（制御手段）９１に出力する冷媒温度センサ６６を備え、制御部９１は、冷媒温度センサ６６が出力する冷媒温度に基づいてガスクーラ５３を空冷する送風装置（送風手段）６７の冷却（空冷）能力を制御するようにしている。また、ガスクーラ５３を迂回させて温水用熱交換器５２と内部熱交換器５４とを直接接続させる冷媒連通回路Ｌ３を冷媒循環回路Ｌに配設し、ガスクーラ５３に接続する冷媒循環回路Ｌには弁を開閉してガスクーラ５３への冷媒の通流および停止をさせる電磁弁（開閉弁）６４を備え、冷媒連通回路Ｌ３には弁を開閉して冷媒連通回路Ｌ３への冷媒の通流および停止をさせる電磁弁（開閉弁）６５を備えている。

内部熱交換器５４は、ガスクーラ５３から供給された周囲温度に近い温度の冷媒と、蒸発器５６、５７から環流する低温低圧の冷媒とを熱交換させるものであり、その内部には、ガスクーラ５３で放熱させた冷媒が通流する冷媒管路５４ａと、蒸発器５６、５７で蒸発させた冷媒が通流する冷媒管路５４ｂとが、互いに熱交換可能な態様で配設してある。
電子膨張弁５５は、内部熱交換器５４で熱交換させた冷媒を断熱膨張させ、該冷媒を減圧して低温低圧の状態に調整するもので、蒸発温度センサ９１ａ、水温センサ９１ｂ、庫内温度センサ９１ｃから出力される検出信号に基づいて制御部９１が予めメモリ（図示せず）に格納しているプログラムやデータに従って、電子膨張弁５５の弁開閉量を可変制御する。
蒸発器５６、５７は、電子膨張弁５５で低温低圧の状態に断熱膨張させた冷媒を蒸発させるものであり、冷却水槽１５および製氷機３０のそれぞれの冷熱源として配設してある。冷却水槽１５に貯留している冷却水１５ａ中には蒸発管をコイル状にした蒸発器５６を配設してある。製氷機３０では、円筒状のパイプ（図示せず）の外周面に蒸発管を螺旋状に巻回することにより蒸発器５７を配設してある。これら蒸発器５６、５７は、電子膨張弁５５から２方に分岐したそれぞれの回路に接続してある。分岐したそれぞれの回路において、蒸発器５６の上流側には電磁弁５９が備えてあり、蒸発器５７の上流側には電磁弁６０が備えてある。そして、電磁弁５９を開くことで、蒸発器５６に電子膨張弁５５で断熱膨張させた冷媒が送出され、電磁弁６０を開くことで、蒸発器５７に電子膨張弁５５で断熱膨張させた冷媒が送出される。また、蒸発器５６、５７の下流側の回路は、互いに集合して内部熱交換器５４を介して第１圧縮機５１ａに接続してある。

なお、製氷機３０の蒸発器５７と電磁弁６０との間の回路、および蒸発器５７の下流側で集合する手前の回路には、継手手段であるセルフシールカップリング６１、６１が備えてある。そして、メンテナンス時には、セルフシールカップリング６１、６１を取り外すことで製氷機３０が冷媒循環回路Ｌから脱着可能になっている。
以上のような構成を有する冷却加熱装置１の基本動作について説明する。
まず、図２を参照して、温水タンク７０の仕切り板７２下部に貯留している低温水を温水用熱交換器５２に送出して高温の冷媒と熱交換して高温の湯とするとともに冷却水槽１５に貯留している冷却水１５ａを冷却する場合を説明する。この場合、第１冷媒回路Ｌ１に備えている電磁弁６２と、冷媒連通回路Ｌ３に備えている電磁弁６５と、蒸発器５７に接続している冷媒循環回路Ｌに備えている電磁弁６０を閉じる一方、第２冷媒回路Ｌ２に備えている電磁弁６３と、ガスクーラ５３に接続する冷媒循環回路Ｌに備えている電磁弁６４と、蒸発器５６に接続している電磁弁５９を開いて圧縮機５１を運転すると、第１圧縮機５１ａで圧縮された温度６０〜７０℃、圧力３〜５ＭＰａの冷媒が中間熱交換器５８で放熱されることなく第２圧縮機５１ｂへ直接供給されて圧縮され、第２圧縮機５１ｂによる２回目の圧縮動作により圧縮された冷媒は温度１１０〜１２０℃、圧力１０〜１２ＭＰａの高温高圧の状態になり、温水用熱交換器５２の冷媒管路５２ａに供給される。

温水ポンプ７５の駆動により温水タンク７０から温水用熱交換器５２に送出された３０〜６０℃の低温水は温水管路５２ｂを通流して冷媒管路５２ａを通流する１１０〜１２０℃の高温の冷媒と熱交換されると約９５℃の高温水となって温水管路７７を通流してくると、湯温センサ７８が出力する温度信号に基づいて制御手段が電磁弁７９を閉じて電磁弁８０を開くと温水タンク７０の仕切り板７２上部の高温域に流出して貯留される。
温水用熱交換器５２の冷媒管路５２ａを通流して温水と熱交換して５０〜６０℃の温度に冷却された冷媒はガスクーラ５３を通流している間に送風装置６７のファン回転で周囲温度に近い温度（例えば周囲温度が２５〜３５℃の場合のガスクーラ５３吐出口冷媒温度は３０〜４０℃）まで冷却（放熱）されて、内部熱交換器５４で蒸発器５６、５７から環流してきた低温（例えば−５〜−１５℃）低圧の冷媒と熱交換が行われて低温（例えば１０〜２０℃）冷媒となり、電子膨張弁５５で減圧されて断熱膨張して低温（例えば−１０〜−１５℃）低圧の状態になり、開放状態にある電磁弁５９を介して蒸発器５６に送出される。蒸発器５６に送出された冷媒は冷却水槽１５の冷却水１５ａから熱を与えられて蒸発する。冷却水１５ａは冷媒が蒸発する際の蒸発熱により蒸発器５６の周囲に着氷したアイスバンク（氷魂）の蓄熱量を利用した熱交換により略０℃に保たれる。

蒸発器５６で蒸発した冷媒は内部熱交換器５４に送出され、ガスクーラ５３から送られてきた３０〜４０℃程度の冷媒と熱交換を行い１０〜２０℃程度に加熱された後、第１圧縮機５１ａに送出され、第１圧縮機５１ａおよび第２圧縮機５１ｂで圧縮されて１１０〜１２０℃の高温の冷媒となり、上記移動を繰り返して循環することになる。
そして、ガスクーラ５３周囲温度が低く（例えば５℃程度）、送風装置６７のファン回転を停止させても自然空冷による冷媒冷却（放熱）熱量が大きく第２圧縮機５１ｂから吐出される冷媒温度が所定温度より低い場合には、図３に示すように、制御部９１が電磁弁６４を閉じて電磁弁６５を開いて温水用熱交換器５２から吐出した冷媒を冷媒連通回路Ｌ３に流入させ、冷媒をガスクーラ５３を迂回させて内部熱交換器５４に直接流入させるようにすると、ガスクーラ５３での冷却（放熱）がなくなり、冷媒温度の低下を最小限にすることができるので、第１圧縮機５１ａおよび第２圧縮機５１ｂの圧縮動作により冷媒を１１０〜１２０℃の高温高圧の状態して温水用熱交換器５２の冷媒管路５２ａに供給することができるようになる。
なお、冷媒温度を１１０〜１２０℃に高めて温水と熱交換して約９５℃の高温の湯とすると同時に冷媒を蒸発器５６に送出して冷却水槽１５の冷却水１５ａを冷却する実施例で説明しているが、温水を約９５℃の高温の湯とすると同時に冷媒を蒸発器５７に送出して製氷機３０で製氷することもできる。

さらに、冷媒連通回路Ｌ３に電磁弁６５を備え、ガスクーラ５３に接続する冷媒循環回路Ｌに電磁弁６４を備えた実施例で説明しているが、冷媒連通回路Ｌ３とガスクーラ５３に接続する冷媒循環回路Ｌの分岐点に三方弁を備えて冷媒の通流回路を切り替えるようにしてもよい。
このように、冷媒がその管路内を通流する間に冷媒温度を周囲温度に近い温度まで冷却可能な冷却（放熱）能力を得ることができるように、ガスクーラ５３は、例えば銅管とアルミフィンとで構成したフィンチューブタイプで作られている。そして、ガスクーラ５３の周囲温度が高い（例えば２５〜３５℃）時は送風装置６７を所定の送風量（所定のファン回転数）で連続運転するとガスクーラ５３吐出口での冷媒温度は３０〜４０℃程度になり、内部熱交換器５４で蒸発器５６、５７から圧縮機５１に戻る−５〜−１５℃程度の低温低圧の冷媒と熱交換が行われて１０〜２０℃まで冷やされる。その後、電子膨張弁５５で断熱膨張することにより−１０〜−１５℃程度の低温低圧冷媒となり、蒸発器５６，５７で冷却水の冷却および製氷機での製氷により熱交換を行い、内部熱交換器５４でガスクーラ５３から送られてきた３０〜４０℃程度の冷媒と熱交換を行い１０〜２０℃程度に加熱される。

このようにして１０〜２０℃程度に加熱された冷媒が第１圧縮機５１ａに戻ることにより圧縮機５１は温水用熱交換器５２で温水を約９５℃に加熱するのに必要とする１１０〜１２０℃の冷媒温度とすることができる。しかしながら、ガスクーラ５３周囲温度が低下すると、ガスクーラ５３の吐出冷媒温度が下がり内部熱交換器５４での交換熱量が減少し、その結果、蒸発器５６、５７から第１圧縮機５１ａに戻る低圧冷媒の加熱量が減少して最適な温度まで加熱されることなく低い温度の状態で第１圧縮機５１ａへ流入し、第２圧縮機５１ｂから吐出される冷媒温度が低下して温水用熱交換器５２での交換熱量が不足して温水加熱が不十分となると、温水を９５℃の高温に加熱することができなくなるが、第２圧縮機５１ｂから吐出される冷媒の温度を検出して冷媒温度信号を出力する冷媒温度センサ６６を第２圧縮機５１ｂ下流側の冷媒循環回路Ｌに備え、冷媒温度センサ６６が出力する冷媒温度に基づいてガスクーラ５３を空冷する送風装置６７の空冷能力を制御部９１が制御するようにしたので、ガスクーラ５３周囲温度が下がり、第２圧縮機５１ｂが吐出する冷媒の温度が下がると、冷媒温度センサ６６が検出して出力した冷媒の温度に基づいて、制御部９１が送風装置６７のファン回転数を下げてガスクーラ５３の空冷（放熱）熱量を減少させて吐出冷媒温度を所定の温度（例えば３０〜４０℃）に維持することができるので、温水用熱交換器５２に流入する冷媒温度を１１０〜１２０℃に維持することができ、周囲温度が低い場合にも必要とする温水加熱が行え、また、冷媒が液体の状態で圧縮機に戻ることがなくなるので、圧縮機に不具合を生じさせることのない冷却加熱装置を提供することができるようになる。

また、ガスクーラ５３周囲温度が低く（例えば５℃程度）、送風装置６７のファン回転を停止させても自然空冷による冷媒冷却（放熱）熱量が大きく第２圧縮機５１ｂから吐出する冷媒温度が所定温度より低い場合には、電磁弁６４を閉じて電磁弁６５を開いて温水用熱交換器５２から吐出した冷媒を冷媒連通回路Ｌ３に流入させ、冷媒をガスクーラ５３を迂回させて内部熱交換器５４に直接流入させると、ガスクーラ５３での冷却（放熱）がなくなるので、冷媒温度の低下を最小限にすることができる。
さらに、冷媒連通回路Ｌ３を送風装置６７の送風位置に配置することにより、送風装置６７のファン回転数制御または間欠回転により冷媒連通回路Ｌ３での空冷（放熱）熱量を変化させることができる。
なお、制御部９１が送風装置６７のファン回転数を変化させて空冷（放熱）能力を制御するようにしているが、送風装置６７のファンを間欠回転するようにしてもよい。

本発明の実施の形態である冷却加熱装置の実施の形態を示した概念図である。図１に示した冷却加熱装置で温水加熱、水槽冷却をしている概念図である。図２に示した冷却加熱装置で冷媒をガスクーラ５３から迂回させた概念図である。従来のカップ式自動販売機を示す図である。

符号の説明

１冷却加熱装置
２カップ式自動販売機
１５冷却水槽
３０製氷機
５０冷媒回路
５１圧縮機
５１ａ第１圧縮機
５１ｂ第２圧縮機
５２温水用熱交換器
５２ａ冷媒管路
５２ｂ温水管路
５３ガスクーラ（放熱器）
５４内部熱交換器
５５電子膨張弁（膨張機構）
５６蒸発器
５７蒸発器
５８中間熱交換器
５９電磁弁（開閉弁）
６０電磁弁（開閉弁）
６２電磁弁（開閉弁）
６３電磁弁（開閉弁）
６４電磁弁（開閉弁）
６５電磁弁（開閉弁）
６６冷媒温度センサ
６７送風装置（送風手段）
７０温水タンク
７１タンク本体
７２仕切り板
７３湯温センサ
７４ヒータ
７５温水ポンプ
７６温水管路
７７温水管路
７８湯温センサ
７９電磁弁（開閉弁）
８０電磁弁（開閉弁）
９１制御部（制御手段）
Ｌ冷媒循環回路
Ｌ１第１冷媒回路
Ｌ２第２冷媒回路
Ｌ３冷媒連通回路

Claims

冷媒を圧縮して高温高圧にさせる圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された高温高圧の冷媒と水とを熱交換させて湯を作る温水用熱交換器と、前記温水用熱交換器から供給される冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器から供給される冷媒を断熱膨張させる膨張機構と、前記膨張機構から供給される冷媒を蒸発させて前記圧縮機に帰還させる蒸発器とを接続した冷媒循環回路を形成した冷却加熱装置において、
前記冷媒循環回路を循環する冷媒を前記放熱器から迂回させる冷媒連通回路と、前記冷媒連通回路および前記放熱器に接続される冷媒循環回路に備えられる開閉弁と、前記放熱器および前記冷媒連通回路を空冷する送風手段と、前記圧縮機から吐出された冷媒の温度を検出して温度信号を出力する冷媒温度センサと、前記冷媒温度センサが出力する冷媒温度に基づいて前記開閉弁を開閉制御し、且つ、前記送風手段の空冷能力を制御して前記圧縮機から吐出される冷媒を所定の温度とする制御手段と、を備えたことを特徴とする冷却加熱装置。
前記制御手段は、前記送風手段のファン回転数制御または間欠回転制御により前記放熱器および前記冷媒連通回路を空冷する空冷能力を変化させることを特徴とする請求項１に記載の冷却加熱装置。
前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷却加熱装置。