JP5405015B2

JP5405015B2 - 冷却装置

Info

Publication number: JP5405015B2
Application number: JP2007327771A
Authority: JP
Inventors: 和芳関
Original assignee: Hoshizaki Electric Co Ltd
Current assignee: Hoshizaki Electric Co Ltd
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2027-12-19
Also published as: JP2009150588A; TW200936970A; EP2233861A4; EP2233861B1; AU2008336946B2; CN101903712A; AU2008336946A1; EP2233861A1; US20110232873A1; TWI420063B; WO2009078218A1

Description

この発明は、熱交換部と蒸発器との間の温度勾配を利用して、冷媒を自然対流させる自然循環回路を備えた冷却装置に関するものである。

冷媒を自然対流させるサーモサイフォンを用いた冷却装置が、冷蔵庫等の貯蔵設備や空調設備に採用されている。図９に示すように、サーモサイフォンを用いた第１従来例の冷却装置は、気化冷媒を凝縮して液化冷媒とする凝縮器１０２と、この凝縮器１０２の下方に配置されて、液化冷媒を蒸発させて気化冷媒とする蒸発器１０４とを有し、液化冷媒を凝縮器１０２から蒸発器１０４へ液配管１０６を介して流下させると共に、気化冷媒を蒸発器１０４から凝縮器１０２へガス配管１０８を介して流通させる自然循環回路１００が構成される。

前記凝縮器１０２および蒸発器１０４では、内部に設けた冷媒経路１０２ａ,１０４ａを流通する冷媒が外気や水等の他の媒体と熱交換することで、冷媒が凝縮または蒸発するようになっている。すなわち、冷却装置の冷却効率は、冷媒と他の媒体との間で交換される熱量に依存するので、図９に示す第１従来例の冷却装置では、凝縮器１０２および蒸発器１０４に蛇行状の冷媒経路１０２ａ,１０４ａを設けることで、冷媒経路１０２ａ,１０４ａと他の媒体との接触面積(以下、熱交換面積という)を大きくしている。また、図１０に示す第２従来例の冷却装置のように、１本の液配管１０６から並行に分岐して２本の冷媒経路１０４ａ,１０４ａを蒸発器１０４に設けると共に、２本の冷媒経路１０４ａ,１０４ａを合流させて１本のガス配管１０８に纏めて凝縮器１０２に接続する構成も提案されている(例えば、特許文献１)。

また図１１に示すように、１基の凝縮器１０２に対して３基の蒸発器１０４を設けた第３従来例の冷却装置もあり、複数の蒸発器１０４によって複数の対象物の冷却を図る構成も提案されている(例えば、特許文献２参照)。第３従来例の冷却装置では、凝縮器１０２に接続する液配管１０６から各蒸発器１０４に対応する液支管１０６ａを分岐して、この液支管１０６ａを介して蒸発器１０４の冷媒経路１０４ａに液化冷媒を供給し、各蒸発器１０４の冷媒経路１０４ａの流出端に接続するガス支管１０８ａがガス配管１０８に合流して、ガス配管１０８で纏められた気化冷媒が凝縮器１０２に還流するようになっている。
特開２００５−２８３０２２号公報特開２００４−６０９５６号公報

しかし、第１従来例の冷却装置では、所要の冷却効率が得られる熱交換面積を確保するために必要な配管長を設定すると、冷媒経路１０２ａ,１０４ａが長くなって該経路１０２ａ,１０４ａにおける冷媒の流通抵抗が大きくなると共に、長くなる冷媒経路１０２ａ,１０４ａをコンパクトにするのに冷媒経路１０２ａ,１０４ａの屈曲部分が多くなるので、冷媒の流通抵抗が更に大きくなる。第１従来例の冷却装置の如くサーモサイフォンを用いた方式では、凝縮器１０２と蒸発器１０４との間の温度勾配を利用して冷媒を自然対流する構成であるから、冷媒をポンプ等で強制循環させる方式と比べて冷媒の循環力が弱く、僅かな圧力損失や冷媒に対する流れ抵抗によって、冷媒の円滑な流動が大きく妨げられる。そして、冷媒経路１０２ａ,１０４ａにおいて、冷媒の流動が円滑に行なわれなくなると、蒸発器１０４を含む自然循環回路１００内での冷媒の循環が悪くなったり、冷媒が逆流したりして冷熱の運搬能力が低下し、対象を効率よく冷却できない問題が生じる。そこで、第１従来例の冷却装置では、冷却効率を低下させないために冷媒の循環量に応じて冷媒経路１０２ａ,１０４ａの断面積を大きく設定して冷媒の流通抵抗を減少させることで、僅かな圧力損失に大きな影響を受ける冷媒の流動状態を安定させる必要がある。しかし、冷媒経路１０２ａ,１０４ａを構成する配管が大径化することで、冷媒経路を形成する上での制約が大きくなると共に、凝縮器１０２や蒸発器１０４の大型化を招き、コストの上昇に繋がってしまう。

また、第２従来例の冷却装置のように、蒸発器１０４の中で冷媒経路１０４ａ,１０４ａが分岐する構成として、冷媒経路１０４ａの屈曲部分を減らすことで圧力損失を小さくすることはできるが、分岐した各冷媒経路１０４ａ,１０４ａにバランスよく冷媒を分流させるのが難しい。同様に、第３従来例の冷却装置にように、複数の蒸発器１０４を並列的に設けた場合であっても、各蒸発器１０４の冷媒経路１０４ａへバランスよく冷媒を分流させるのが難しい。そして、冷媒経路１０４ａに偏った量の冷媒が循環すると、冷媒の供給量が少なくなった冷媒経路１０４ａで冷却効率が低下するだけではなく、自然循環回路全体の循環バランスに大きく影響して、全体として冷却効率が低下することになる。そこで、第３従来例の冷却装置では、管路を開閉する制御弁１１０を、蒸発器１０４に接続する液支管１０６ａに介挿し、蒸発器１０４の入口側の冷媒温度と蒸発器１０４の出口側の冷媒温度に基づいて制御手段Ｃで各制御弁１１０を開閉制御することで、各蒸発器１０４の冷媒経路１０４ａに供給される冷媒量を調節している。しかし、第３従来例の冷却装置では、制御弁１１０、冷媒温度を測定するセンサＴＨおよび制御手段Ｃ等の機器が必要となり、冷却装置の構成が複雑になり、コストの上昇を招く不都合がある。このように、サーモサイフォンを用いた冷却装置では、冷媒経路１０２ａ,１０４ａにおける冷媒の流通抵抗を減少させる目的で冷媒経路１０２ａ,１０４ａを分流しても、この目的を達成するために必須の条件となる冷媒経路間の均等な冷媒の流通を担保することが非常に難しく、冷媒経路１０２ａ,１０４ａを分流することで各冷媒経路１０２ａ,１０４ａにおける冷媒の流通抵抗を減らすことは技術的に非常な困難性を伴う。

すなわち本発明は、従来の技術に係る冷却装置に内在する前記問題に鑑み、これらを好適に解決するべく提案されたものであって、サーモサイフォンを用いて冷媒が自然対流する自然循環回路において、所望の冷却効率を維持したまま、冷媒の流通抵抗、該回路内の冷媒充填量および各経路の断面積の増加を招くことなく、安価でコンパクトな冷却装置を提供することを目的とする。

前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本願の請求項１に係る発明の冷却装置は、
凝縮経路に流通する気化冷媒を凝縮して液化冷媒とする熱交換部と、この熱交換部の下方に配置され、蒸発経路に流通する液化冷媒を蒸発させて気化冷媒とする蒸発器とを有し、液化冷媒を熱交換部の凝縮経路から蒸発器の蒸発経路へ液配管を介して流下させると共に、気化冷媒を蒸発器の蒸発経路から熱交換部の凝縮経路へガス配管を介して流通させる自然循環回路を備え、該自然循環回路が、冷媒を強制循環させる機械圧縮式の一次側の回路に前記熱交換部を介して熱的に接続された冷却装置において、
複数の前記熱交換部に対して１つの前記蒸発器が設けられ、
複数の自然循環回路を互いに独立するよう構成し、
互いに異なる自然循環回路をなす前記蒸発経路が前記蒸発器に設けられ、
前記自然循環回路は、前記蒸発器に設けられる複数の蒸発経路と、前記複数の熱交換部に振り分けて設けられ、前記複数の蒸発経路と同数の凝縮経路とを備え、
前記凝縮経路の流出端に接続する液配管を、当該凝縮経路の流入端に連結したガス配管が接続している蒸発経路と別の蒸発経路に接続すると共に、蒸発経路の流出端に接続するガス配管を、当該蒸発経路の流入端に連結した液配管が接続している凝縮経路と別の凝縮経路に接続して、１つの自然循環回路を構成したことを特徴とする。
請求項１に係る発明によれば、複数の熱交換部に対して１つの蒸発器が設けられる場合において、夫々の自然循環回路が、凝縮経路の流出端に接続する液配管を当該凝縮経路の流入端に連結したガス配管が接続している蒸発経路と別の蒸発経路に接続し、蒸発経路の流出端に接続するガス配管を当該蒸発経路の流入端に連結した液配管が接続している凝縮経路と別の凝縮経路に接続することで、経路や配管の分岐を伴わず互いに独立して１つの回路を構成するように、凝縮経路と蒸発経路とが液配管およびガス配管で接続されている。そして、熱交換部および蒸発器において要求される熱交換面積に応じた数の自然循環回路を冷却装置に設けることで、必要とされる凝縮経路および蒸発経路を熱交換部および蒸発器に適宜に配置することができ、装置全体として必要とされる熱交換面積が担保される。これにより、凝縮経路および蒸発経路の１本当たりに必要とされる熱交換面積が小さくなり、各凝縮経路および各蒸発経路の必要長さを抑えることができる。各凝縮経路および各蒸発経路の長さが短くなることから、経路の長さに由来する流通抵抗が小さくなると共に、蛇行させる回数を減らして経路の屈曲部分に由来する流通抵抗を減らすことも可能となる。この結果、従来では流通抵抗が大きくなり過ぎて不可能であった従来と比して小さい断面積で各凝縮経路および各蒸発経路を設定でき、各凝縮経路および各蒸発経路に流通させる冷媒量を減少させることができる。このように、各凝縮経路および各蒸発経路の長さや断面積を減じることが可能であるので、熱交換部や蒸発器をコンパクトにできると共に、循環する冷媒量を低減することで、回路の圧力上昇を緩和する膨張タンクの容量等の付帯設備も小さくなるので、全体としてコンパクトにすることができ、コストダウンも可能となる。しかも、各自然循環回路は互いに独立しているので、冷媒の偏流が生じ難く、冷媒を円滑に自然対流させることができる。
更に、所謂二次ループ式冷凍回路を構成した設備における二次側として自然循環回路を用いることで、所望の冷却効率を損なうことなく、設備全体をコンパクトで安価な構成とすることができる。

請求項２に係る発明では、前記蒸発経路が直線状に形成されたことを要旨とする。

本発明に係る冷却装置によれば、所望の冷却効率を維持したまま、冷媒の流通抵抗、該回路内の冷媒充填量および各経路の断面積の増加を招くことなく、安価でコンパクトにすることができる。

昨今では、冷蔵庫や冷凍庫等の冷却装置を備えた設備において、冷媒としてのフロンの使用が地球温暖化防止の観点から制限されている。特に、業務用冷凍機器等の大型な設備では、フロンの使用量が多いことから、その使用量の削減またはノンフロン化への要望が非常に大きい。そこで、ノンフロン化を推進する上で有利な回路構成である二次ループ式冷凍回路が注目されている。二次ループ式冷凍回路は、冷媒を強制循環させる機械圧縮式の一次側の回路とサーモサイフォンを用いて冷媒を自然対流させる二次側の回路との独立した２つの回路を熱交換器を介して接続したものであって、各回路に循環させる冷媒としてフロン以外の熱媒体を用いることができる。しかしながら、従来の二次ループ式冷凍回路は、冷媒としてフロンを使用した機械圧縮式の冷凍回路と比較して、装置全体が大型化して大きな設置面積を要すると共にコストの上昇を伴う欠点を有しており、従来のフロンを用いた設備に対して大きさおよび価格的な競争力がなく、ノンフロン化の促進への妨げになっている。そこで、発明者は、所望の冷却効率を損なうことなく、コンパクトで安価な構成の本発明に係る冷却装置を発明した。例えば、本発明に係る冷却装置を二次ループ式冷凍回路に適用することで、従来のフロンを用いた設備と同等の大きさおよびコストで二次ループ式冷凍回路を備えた設備を設計することが可能となり、前記欠点が解消されて市場での競争力を獲得することができる。すなわち、本発明に係る冷却装置は、地球温暖化防止の観点から重要視されている二次ループ式冷凍回路によるノンフロン化技術の普及を推進する上で、有効な技術的な位置付けを有している。このように、本発明に係る冷却装置は、二次ループ式冷凍回路に適用することで、従来の二次ループ式冷凍回路の大型である欠点や高価である欠点を解消し、一般に普及し得る技術とすることができる非常に有意義な発明である。

次に、本発明に係る冷却装置につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照して以下に説明する。実施例では、店舗等の業務用途に用いられ、野菜や肉等の物品を多量に収納し得る大型の冷蔵庫を例に挙げ、この冷蔵庫の冷却設備として、本発明に係る冷却装置を二次側の回路に用いた所謂二次ループ冷凍回路を採用した場合について説明する。

図１に示すように、冷蔵庫１０は、収納室１４を内部画成した断熱構造の箱体１２と、この箱体１２の上方に設けられ、金属パネル１８により外壁を構成したキャビネット１６とを備えている。箱体１２には、前側に開放して物品の出し入れ口となる開口部１２ａが収納室１４に連通して開設され、この開口部１２ａは、図示しないヒンジにより箱体１２の前部に開閉可能に支持された断熱扉２２で塞がれる。

前記キャビネット１６の内部には、収納室１４を冷却するための冷却設備３１の一部および該冷却設備３１を制御する制御用電装箱(図示せず)が配設される機械室２０が画成される。機械室２０の底部には、箱体１２の天板１２ｂに載置されて、該機械室２０に配設する機器の共通基板となる台板２４が設置されている。そして、キャビネット１６の外壁をなす金属パネル１８には、機械室２０に連通する空気流通孔(図示せず)が適宜部位に開設され、この空気流通孔を介して機械室２０内の雰囲気と外気とが入替わるようになっている。

前記収納室１４の上部には、箱体１２における天板１２ｂの下面から所定間隔離間して冷却ダクト２６が配設され、この冷却ダクト２６と、箱体１２の天板１２ｂに開設した切欠口１２ｃを介して収納室１４側に臨む台板２４との間に冷却室２８が画成される。この冷却室２８は、冷却ダクト２６の底部前側に形成した吸込口２６ａおよび後側に形成した冷気吹出口２６ｂを介して収納室１４に連通している。吸込口２６ａには送風ファン３０が配設され、該送風ファン３０を駆動することで、吸込口２６ａから収納室１４の空気を冷却室２８に取込み、冷気吹出口２６ｂから冷却室２８の冷気が収納室１４に送出される。天板１２ｂの切欠口１２ｃは、台板２４で気密的に塞がれて、収納室１４(冷却室２８)と機械室２０とは、台板２４で区切られて互いに独立した空間となっている(図１参照)。

図２は、二次側の回路として前提例１に係る二次冷却装置(冷却装置)７０を備える冷却設備３１を示す概略回路図である。図２に示す如く、冷却設備３１は、冷媒を強制循環する機械圧縮式の一次冷却装置(一次側の回路)３４と、冷媒が自然対流するサーモサイフォンからなる二次冷却装置７０とを、熱交換器ＨＥを介して熱交換するように熱的に接続(カスケード接続)した二次ループ冷凍回路が採用される。熱交換器ＨＥは、機械室２０に設置され、一次冷却装置３４を構成する一次熱交換部３６と、この一次熱交換部３６と別系統に形成されて、二次冷却装置７０を構成する二次熱交換部(熱交換部)４６とを備えている。すなわち、一次冷却装置３４および二次冷却装置７０には、独立した冷媒が循環する回路が夫々形成され、二次冷却装置７０を循環する二次冷媒(冷媒)としては、毒性、可燃性および腐食性を有していない安全性の高い二酸化炭素が採用される。これに対し、一次冷却装置３４を循環する一次冷媒としては、蒸発熱や飽和圧等の冷媒としての特性に優れているブタンやプロパン等のＨＣ系の冷媒またはアンモニアなどが採用され、前提例１ではプロパンが用いられている。すなわち、冷却設備３１は、冷媒としてフロンを使用する必要はない。なお、熱交換器ＨＥとしては、例えばプレート式、二重管式およびその発展型またはそれに類するものが採用される。

前記一次冷却装置３４は、気相一次冷媒を圧縮する圧縮機ＣＭと、圧縮した一次冷媒を液化する凝縮器ＣＤと、液相一次冷媒の圧力を低下させる膨張弁ＥＶと、液相一次冷媒を気化する熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６とを冷媒配管３８で接続して構成される(図２参照)。圧縮機ＣＭおよび凝縮器ＣＤは、機械室２０において台板２４上に共通的に配設され、凝縮器ＣＤを強制冷却する凝縮器ファンＦＭも、該凝縮器ＣＤに対向して台板２４上に配設されている。一次冷却装置３４では、圧縮機ＣＭによる一次冷媒の圧縮により、圧縮機ＣＭ、凝縮器ＣＤ、膨張弁ＥＶ、熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６および圧縮機ＣＭの順に、一次冷媒が強制循環され、各機器の作用下に一次熱交換部３６において所要の冷却を行なうようになっている(図２参照)。

前記二次冷却装置７０は、気相二次冷媒(気化冷媒)を液化する熱交換器ＨＥの二次熱交換部４６と、液相二次冷媒(液化冷媒)を気化する蒸発器ＥＰとを備え、二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとが１対１の関係で対応している(図２参照)。また二次冷却装置７０は、二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとを接続する液配管４８およびガス配管５０を備え、液配管４８を介して二次熱交換部４６から蒸発器ＥＰへ重力の作用下に液相二次冷媒を供給し、ガス配管５０を介して蒸発器ＥＰから二次熱交換部４６へ気相二次冷媒を還流させる自然循環回路７２が設けられる。そして、前提例１の二次冷却装置７０には、互いに独立した複数(図示の例では３回路)の自然循環回路７２が並列に構築される。なお、二次熱交換部４６は、機械室２０に配設される一方、蒸発器ＥＰは、当該機械室２０の下方に位置する冷却室２８に配設され、台板２４を挟んで二次熱交換部４６より下方に蒸発器ＥＰが配置される。

前記二次熱交換部４６には、凝縮経路４７(特に区別する場合は、符号４７にα,β,γ…を追加する。)が、並列して複数(前提例１では３本)設けられている。また蒸発器ＥＰには、蒸発管(蒸発経路)５２が、並列して複数(前提例１では３本であって、特に区別する場合は、符号５２にα,β,γ…を追加する。)設けられている。図２では、凝縮経路４７をガス配管５０に接続する流入端４７ａから液配管４８に接続する流出端４７ｂまで直線的な経路で表わすと共に、蒸発管５２を液配管４８に接続する流入端５２ａからガス配管５０に接続する流出端５２ｂまで直線的な経路で表わしているが、凝縮経路４７および蒸発管５２を蛇行させても、直線状に形成してもよい。ここで、二次冷却装置７０では、複数の凝縮経路４７、複数の蒸発管５２、複数の液配管４８(特に区別する場合は、符号４８にα,β,γ…を追加する。)および複数のガス配管５０(特に区別する場合は、符号５０にα,β,γ…を追加する。)が同数となる。各自然循環回路７２において、液配管４８は、上端(始端)を二次熱交換部４６における凝縮経路４７の流出端４７ｂに接続して台板２４を貫通して配管され、冷却室２８側に位置する下端(終端)が蒸発器ＥＰにおける蒸発管５２の流入端５２ａに接続される。各自然循環回路７２において、ガス配管５０は、冷却室２８側に位置する下端(始端)が蒸発器ＥＰにおける蒸発管５２の流出端５２ｂに接続して台板２４を貫通して配管され、機械室２０側に位置する上端(終端)が二次熱交換部４６における凝縮経路４７の流入端４７ａに接続される。なお、符号７４は、各自然循環回路７２に冷媒を充填するために設けられた冷媒チャージポートである。

前記二次冷却装置７０では、各自然循環回路７２において、強制冷却される一次熱交換部３６との熱交換により冷却される二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとの間に温度勾配が形成され、二次冷媒が二次熱交換部４６、液配管４８、蒸発器ＥＰおよびガス配管５０を自然対流して二次熱交換部４６に再び戻る冷媒の循環サイクルが形成される。なお、図２では、複数の蒸発管５２が上下の関係となっているが、水平方向に並列させてもよい。

次に、前提例１に係る二次冷却装置７０を備えた冷却設備３１の作用について説明する。冷却設備３１では、冷却運転を開始すると、一次冷却装置３４および二次冷却装置７０の夫々で冷媒の循環が開始される。先ず、一次冷却装置３４について説明すると、圧縮機ＣＭおよび凝縮器ファンＦＭが駆動され、圧縮機ＣＭで気相一次冷媒が圧縮されて、この一次冷媒を冷媒配管３８を介して凝縮器ＣＤに供給して、凝縮器ファンＦＭによる強制冷却により凝縮液化することで液相とする。液相一次冷媒は、膨張手段ＥＶで減圧され、熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６において二次熱交換部４６を流通する二次冷媒から熱を奪って(吸熱)一挙に膨張気化する。このように一次冷却装置３４は、熱交換器ＨＥにおいて、一次熱交換部３６により二次熱交換部４６を強制冷却するように機能している。そして、一次熱交換部３６で蒸発した気相一次冷媒は、冷媒配管３８を経て圧縮機ＣＭに帰還する強制循環サイクルを繰返す。

前記二次冷却装置７０では、二次熱交換部４６が一次熱交換部３６により冷却されているから、各自然循環回路７２において二次熱交換部４６の各凝縮経路４７を流通する過程で気相二次冷媒が放熱して凝縮し、気相から液相に状態変化することで比重が増加するので、重力の作用下に二次熱交換部４６の各凝縮経路４７に沿って液相二次冷媒が流下する。二次冷却装置７０では、二次熱交換部４６を機械室２０に配置する一方、蒸発器ＥＰを機械室２０の下方に位置する冷却室２８に配設することで、二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとの間に落差を設けてある。すなわち、各自然循環回路７２において、液相二次冷媒を、二次熱交換部４６の下部に接続した液配管４８を介して、蒸発器ＥＰへ向けて重力の作用下に自然流下させることができる。液相二次冷媒は、蒸発器ＥＰの各蒸発管５２を流通する過程で該蒸発器ＥＰの周囲雰囲気から熱を奪って蒸発して気相に移行する。気相二次冷媒は、ガス配管５０を介して蒸発器ＥＰから二次熱交換部４６へ還流し、二次冷却装置７０ではポンプやモータ等の動力を用いることなく、各自然循環回路７２において、簡単な構成で二次冷媒が自然循環するサイクルが繰返される。

前記送風ファン３０により吸込口２６ａから冷却室２８に吸引された収納室１４の空気を、冷却された蒸発器ＥＰに吹付けることで、蒸発器ＥＰと熱交換した空気が冷気となる。そして冷気を、冷却室２８から冷気吹出口２６ｂを介して収納室１４に送出することで、収納室１４が冷却される。冷気は、収納室１４の内部を循環して、吸込口２６ａを介して再び冷却室２８内に戻るサイクルを反復する。

前記二次冷却装置７０では、夫々の自然循環回路７２が、経路や配管の分岐を伴わず互いに独立して１つの回路を構成するように、凝縮経路４７と蒸発管５２とが液配管４８およびガス配管５０で接続されている。このように、各自然循環回路７２は、互いに独立しているから、凝縮経路４７,４７同士および蒸発管５２,５２同士または凝縮経路４７と蒸発管５２との間で二次冷媒が偏在することを抑制でき、各凝縮経路４７および各蒸発管５２を流通する二次冷媒の量を一致させることができる。

また、二次冷却装置７０に作用する外気温の変動等の外因によって、各自然循環回路７２を循環する二次冷媒が凝縮経路４７や蒸発管５２の何れかに偏在する場合もある。しかるに、各自然循環回路７２は、互いに独立したサーモサイフォンが構成されているので、各凝縮経路４７および各蒸発管５２における二次冷媒の量が一致するように、二次冷媒のバランスが自然に調節される。従って、各凝縮経路４７および各蒸発管５２において、二次冷媒の偏在自体が起きにくく、例え二次冷媒の偏在が生じても当該凝縮経路４７および蒸発管５２を流通する二次冷媒の量を一致させるよう調節力が作用するので、二次冷媒のバランスを調節するために弁等の調節手段を設ける必要がなく、二次冷却装置７０の構成を簡易にできる。しかも、自然循環回路７２において、二次冷媒が円滑に自然対流するから、蒸発器ＥＰにおける冷却効率を向上することができる。そして、熱交換部４６および蒸発器ＥＰにおいて要求される熱交換面積に応じた数の自然循環回路７２を冷却装置７０に設けることで、必要とされる凝縮経路４７および蒸発管５２を熱交換部４６および蒸発器ＥＰに配置することができ、装置全体として必要とされる熱交換面積が担保される。

前記二次冷却装置７０では、熱交換器４６および蒸発器ＥＰの夫々に凝縮経路４７および蒸発管５２を複数配置することができる。すなわち、１本当たりの凝縮経路４７および蒸発管５２に要求される熱交換面積が小さくなり、各凝縮経路４７および各蒸発管５２の配管長を短くすることが可能となる。これにより、各凝縮経路４７および各蒸発管５２において、必要とされる配管長を稼ぐために蛇行させる回数を少なくでき、流通抵抗となる屈曲部分を減らせるから、当該凝縮経路４７および蒸発管５２を流通する二次冷媒の圧力損失を小さくすることができる。また各自然循環回路７２は、液配管４８、ガス配管５０、凝縮経路４７および蒸発管５２を分岐させることなく、１つの冷媒の経路で構成しているから、配管等の分岐部に起因する圧力損失が発生しない。更に各自然循環回路７２では、凝縮経路４７と蒸発管５２との間で自然対流に必要とされる二次冷媒のヘッド差を小さくできるので、凝縮経路４７と蒸発管５２との間で要求される落差が小さくなり、二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとの上下の配置間隔を狭くすることが可能となり、二次冷却装置７０をコンパクトにできる。また、各自然循環回路７２において、二次冷媒の圧力損失が小さいので、液配管４８およびガス配管５０として従来と比較して細い管径を選定しても、同一量の二次冷媒を回路内に循環させることができ、回路全体として充填する二次冷媒の量を削減することが可能となる。

このように、各凝縮経路４７および各蒸発管５２の長さや断面積を減じることが可能であるので、二次熱交換部４６や蒸発器ＥＰをコンパクトにできると共に、循環する冷媒量を低減することで、自然循環回路７２の圧力上昇を緩和する膨張タンク(図示せず)の容量等の付帯設備も小さくなるので、二次冷却装置７０全体としてコンパクトにすることができ、コストダウンも可能となる。また液配管４８、ガス配管５０および蒸発管５２等の配管を細径化することで、これらの配管４８,５０,５２において耐圧性能を確保するために必要な肉厚を減ずることが可能となる。すなわち、各配管４８,５０,５２が細径化したことだけでなく、各配管４８,５０,５２の肉厚が減少することとの相乗によって、配管重量を一層削減することができ、コストを更に低減し得る。

ここで、液配管４８、ガス配管５０および蒸発管５２等の配管の細径化によるコストの低減について具体的に説明する。
例えば、耐圧性能Ｐを有する配管の肉厚ｔは、以下の式で求められる。なお、σは材料の許容応力であり、Ｄは配管の外径である。
ｔ＝ＰＤ／２(σ＋Ｐ)…(イ)
長さＬの配管重量Ｍは、以下の式で求められる。なお、Ｃは材料の比重であり、Ｄ_ｉは配管の内径である。
Ｍ＝πＬＣ(Ｄ^２−Ｄ_ｉ ^２)／４…(ロ)
また、Ｄ_ｉ＝Ｄ−２ｔと表わすことができるので、これを(ロ)式に代入すると、以下の式が導き出される。
Ｍ＝πＬＣ(Ｄｔ−ｔ^２)…(ハ)
そして(ハ)式に(イ)式を代入すると、以下の式が導き出される。
Ｍ＝(１−Ｐ／２(σ＋Ｐ))×πＬＣＰＤ^２／２(σ＋Ｐ)…(ニ)
前記(ニ)式は、耐圧性能Ｐを有する配管の重量を示している。(ニ)式において、Ｄ以外の条件は不変とすると、π、Ｌ、Ｃ、Ｐ、σの条件は定数として扱うことができる。よって、耐圧性能Ｐを有する配管重量(配管の外径Ｄ)は、以下の式で表わすことができる。
Ｍ＝｛(１−Ｐ／２(σ＋Ｐ))×πＬＣＰ／２(σ＋Ｐ)｝×Ｄ^２…(ホ)
(ホ)式における｛｝内は前述の如く定数であるから、Ｍ＝ＡＤ^２と表わすことができる。
そして、耐圧性能Ｐを有する外径Ｄ_１の配管の配管重量ＭＤ_１は、ＡＤ_１ ^２であり、耐圧性能Ｐを有する外径Ｄ_２の配管の配管重量ＭＤ_２は、ＡＤ_２ ^２である。
更に、配管重量ＭＤ_１と配管重量ＭＤ_２との比は、以下のように表わされる。
ＭＤ_２／ＭＤ_１＝Ｄ_２ ^２／Ｄ_１ ^２…(ヘ)

前記(ヘ)式に具体的な数字を当てはめて説明する。一般的な冷却装置では、蒸発管の外径は９．５２ｍｍに設定されることが多い。これに対して、前提例１の冷却装置であれば、条件によっても変わるが外径６．３５ｍｍの蒸発管を用いることができる。これらの条件を前記(へ)式に当てはめると、以下のようになる。
ＭＤ_{φ６．３５}／ＭＤ_{φ９．５２}＝(６．３５)^２／(９．５２)^２＝０．４４
また、前提例１の冷却装置において、外径４．７６ｍｍの蒸発管を用いた場合は、以下のようになる。
ＭＤ_{φ４．７６}／ＭＤ_{φ９．５２}＝(４．７６)^２／(９．５２)^２＝０．２５
すなわち、配管の重量比は、配管の材料価格の比であるともいえるから、前提例１の二次冷却装置７０によれば、従来の冷却装置と比較して配管が細径化することにより大幅なコスト削減を達成し得ることは明らかである。

前記冷却設備３１は、一次冷却装置３４と二次冷却装置７０とを熱交換器ＨＥで接続し、この熱交換器ＨＥにおいて、一次冷却装置３４の一次冷媒と二次冷却装置７０の二次冷媒とが蒸発および凝縮作用下に熱交換を行なう。すなわち、顕熱のみによる熱交換と比べて、非常に高い熱伝達率を持つので、一次冷却装置３４と二次冷却装置７０との間の伝熱面積を小さくすることができる。また、一次冷媒および二次冷媒は共に、潜熱により熱の輸送を行なうため、比較的少量で、多くの熱量を伝達することができるから、熱交換器ＨＥにおける熱交換量を低下させることなく、一次冷却装置３４および二次冷却装置７０の内容積を小さくすることが可能となる。従って、一次冷却装置３４の一次冷媒量および二次冷却装置７０の二次冷媒量を何れも低減でき、コストダウンや、一次冷却装置３４および二次冷却装置７０の小型化による冷却設備３１の省スペース化を図り得る。

前記一次冷却装置３４に必要とされる一次冷媒量が少ないから、法令等で規定された冷媒の使用上限量以下とすることができ、一次冷媒として使用する冷媒の種類についての選択肢の幅が広がる。また機械室２０は、凝縮器ＣＤおよび圧縮機ＣＭを空冷する都合上、空気が入替えられる開放された空間とされる。このような機械室２０に一次冷却装置３４を配設してあるから、一次冷媒が万が一漏出したとしても、機械室２０に留まるおそれはない。また、機械室２０は、台板２４により閉鎖空間である収納室１４と気密的に区切られているから、漏出した一次冷媒が収納室１４に流入することはなく、収納室１４に収納した物品に由来するアンモニアや硫化水素等の腐食性ガスが、機械室２０に流入することもない。しかも、冷却設備３１を一次冷却装置３４と二次冷却装置７０との二次ループ式冷凍回路で構成することで、安全性に優れている二酸化炭素等を二次冷媒として選択することが可能となる。すなわち、二次冷却装置７０では、蒸発器ＥＰが収納室１４(冷却室２８)に臨むが、例えば二次冷媒が収納室１４に漏出したとしても、使用者に対する安全を担保し得る。

前記一次冷却装置３４および二次冷却装置７０は、熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６と二次熱交換部４６とで熱的に接続されているが、冷媒の循環経路として互いに独立している。冷却設備３１を停止(圧縮機ＣＭ：停止)した際に、一次冷却装置３４には凝縮器ＣＤから高温の液相一次冷媒が一次熱交換部３６に流入する。これにより熱交換器ＨＥは昇温されるものの、二次冷却装置７０は独立しているから、蒸発器ＥＰは昇温されることはなく、冷却設備３１を停止した際の収納室１４の温度上昇が緩やかになる。すなわち、冷却設備３１により収納室１４を所要の設定温度まで冷却することで、冷却設備３１を停止した後、冷却設備３１を再度駆動するまでの時間を長くすることができる。よって、冷却設備３１の稼働率が低下するので、消費電力量の削減に繋がる。

このように、前提例１の二次冷却装置７０を二次ループ式冷凍回路からなる冷却設備３１に適用することで、従来のフロンを用いた冷却設備と同等の大きさおよびコストで当該冷却設備３１を設計することが可能となり、冷媒としてフロンを使用した機械圧縮式の冷凍回路と比較して、装置全体が大型化して大きな設置面積を要すると共にコストの上昇を伴う欠点が解消されて市場での競争力を獲得することができる。すなわち、前提例１に係る二次冷却装置７０は、地球温暖化防止の観点から重要視されている二次ループ式冷凍回路によるノンフロン化技術の普及を推進する上で、有効な技術的な位置付けを有している。

図３は、二次側の回路として前提例２に係る二次冷却装置(冷却装置)４４を備える冷却設備３２を示す概略回路図である。なお、前提例２の冷却設備３２は、前提例１で説明した冷蔵庫１０に設置される。

図３に示す如く、前提例２に係る冷却設備３２は、冷媒を強制循環する機械圧縮式の一次冷却装置(一次側の回路)３４と、冷媒が自然対流するサーモサイフォンからなる二次冷却装置(冷却装置)４４とを、熱交換器ＨＥを介して熱交換するように熱的に接続(カスケード接続)した二次ループ冷凍回路が採用される。熱交換器ＨＥは、機械室２０に設置され、一次冷却装置３４を構成する一次熱交換部３６と、この一次熱交換部３６と別系統に形成されて、二次冷却装置４４を構成する二次熱交換部(熱交換部)４６とを備えている。すなわち、一次冷却装置３４および二次冷却装置４４には、独立した冷媒が循環する回路が夫々形成され、二次冷却装置４４を循環する二次冷媒(冷媒)としては、毒性、可燃性および腐食性を有していない安全性の高い二酸化炭素が採用される。これに対し、一次冷却装置３４を循環する一次冷媒としては、蒸発熱や飽和圧等の冷媒としての特性に優れているブタンやプロパン等のＨＣ系の冷媒またはアンモニアなどが採用され、前提例２ではプロパンが用いられている。すなわち、冷却設備３２は、冷媒としてフロンを使用する必要はない。なお、熱交換器ＨＥとしては、例えばプレート式、二重管式およびその発展型またはそれに類するものが採用される。

前記一次冷却装置３４は、気相一次冷媒を圧縮する圧縮機ＣＭと、圧縮した一次冷媒を液化する凝縮器ＣＤと、液相一次冷媒の圧力を低下させる膨張弁ＥＶと、液相一次冷媒を気化する熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６とを冷媒配管３８で接続して構成される(図３参照)。圧縮機ＣＭおよび凝縮器ＣＤは、機械室２０において台板２４上に共通的に配設され、凝縮器ＣＤを強制冷却する凝縮器ファンＦＭも、該凝縮器ＣＤに対向して台板２４上に配設されている。一次冷却装置３４では、圧縮機ＣＭによる一次冷媒の圧縮により、圧縮機ＣＭ、凝縮器ＣＤ、膨張弁ＥＶ、熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６および圧縮機ＣＭの順に、一次冷媒が強制循環され、各機器の作用下に一次熱交換部３６において所要の冷却を行なうようになっている(図３参照)。

前記二次冷却装置４４は、気相二次冷媒(気化冷媒)を液化する熱交換器ＨＥの二次熱交換部４６と、液相二次冷媒(液化冷媒)を気化する蒸発器ＥＰとを備え、二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとが１対１の関係で対応している(図３参照)。また二次冷却装置４４は、二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとを接続する液配管４８およびガス配管５０を備え、液配管４８を介して二次熱交換部４６から蒸発器ＥＰへ重力の作用下に液相二次冷媒を供給し、ガス配管５０を介して蒸発器ＥＰから二次熱交換部４６へ気相二次冷媒を還流させる自然循環回路４５が設けられる。前述した如く、二次熱交換部４６は、機械室２０に配設される一方、蒸発器ＥＰは、当該機械室２０の下方に位置する冷却室２８に配設され、台板２４を挟んで二次熱交換部４６より下方に蒸発器ＥＰが配置される。なお、符号７４は、自然循環回路４５に冷媒を充填するために設けられた冷媒チャージポートであって、前提例２の二次冷却装置４４では、自然循環回路４５が単一であるから、冷媒チャージポート７４および安全弁や膨張タンク(何れも図示せず)等の付帯設備が１組で足りる。

前記二次熱交換部４６には、凝縮経路４７(特に区別する場合は、符号４７にα,β,γ…を追加する。)が、並列して複数(前提例２では３本)設けられている。また蒸発器ＥＰには、蒸発管(蒸発経路)５２が、並列して複数(前提例２では３本であって、特に区別する場合は、符号５２にα,β,γ…を追加する。)設けられている。図３では、凝縮経路４７をガス配管５０に接続する流入端４７ａから液配管４８に接続する流出端４７ｂまで直線的な経路で表わすと共に、蒸発管５２を液配管４８に接続する流入端５２ａからガス配管５０に接続する流出端５２ｂまで直線的な経路で表わしているが、凝縮経路４７および蒸発管５２を蛇行させても、直線状に形成してもよい。ここで、二次冷却装置４４では、複数の凝縮経路４７、複数の蒸発管５２、複数の液配管４８(特に区別する場合は、符号４８にα,β,γ…を追加する。)および複数のガス配管５０(特に区別する場合は、符号５０にα,β,γ…を追加する。)が同数に設定されている。液配管４８は、上端(始端)を二次熱交換部４６における凝縮経路４７の流出端４７ｂに接続して台板２４を貫通して配管され、冷却室２８側に位置する下端(終端)が蒸発器ＥＰにおける蒸発管５２の流入端５２ａに接続される。そして、ガス配管５０は、冷却室２８側に位置する下端(始端)が蒸発器ＥＰにおける蒸発管５２の流出端５２ｂに接続して台板２４を貫通して配管され、機械室２０側に位置する上端(終端)が二次熱交換部４６における凝縮経路４７の流入端４７ａに接続される。

前記二次冷却装置４４では、凝縮経路４７の流出端４７ｂに接続する液配管４８を、当該凝縮経路４７の流入端４７ａに連結したガス配管５０が接続している蒸発管５２と別の蒸発管５２に接続するよう構成される。また二次冷却装置４４では、蒸発管５２の流出端５２ｂに接続するガス配管５０を、当該蒸発管５２の流入端５２ａに連結した液配管４８が接続している凝縮経路４７と別の凝縮経路４７に接続して、複数の凝縮経路４７、複数の蒸発管５２、複数の液配管４８および複数のガス配管５０によって、全体として１つの自然循環回路４５が構成される。そして、二次冷却装置４４には、強制冷却される一次熱交換部３６との熱交換により冷却される二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとの間に温度勾配が形成され、二次冷媒が二次熱交換部４６、液配管４８、蒸発器ＥＰおよびガス配管５０を自然対流して二次熱交換部４６に再び戻る冷媒の循環サイクルが形成される。なお、図３では、複数の蒸発管５２が上下の関係となっているが、水平方向に並列させてもよい。

前記二次冷却装置４４に構成される自然循環回路４５について、図３を参照してより具体的に説明する。前提例２の二次冷却装置４４では、二次熱交換部４６に冷媒経路として３本の凝縮経路４７α,４７β,４７γが設けられ、蒸発器ＥＰに冷媒経路として３本の蒸発管５２α,５２β,５２γが設けられている。第１凝縮経路４７αの流出端４７ｂには、第１液配管４８αの始端が接続され、該第１液配管４８αの終端が第１蒸発管５２αの流入端５２ａに接続され、第１凝縮経路４７αから第１液配管４８αを介して第１蒸発管５２αに二次液化冷媒が供給される。第１蒸発管５２αの流出端５２ｂには、第１ガス配管５０αの始端が接続され、該第１ガス配管５０αの終端が第２凝縮経路４７βの流入端４７ａに接続され、第１蒸発管５２αから第１ガス配管５０αを介して第２凝縮経路４７βに二次気化冷媒が戻される。第２凝縮経路４７βの流出端４７ｂには、第２液配管４８βの始端が接続され、該第２液配管４８βの終端が第２蒸発管５２βの流入端５２ａに接続され、第２凝縮経路４７βから第２液配管４８βを介して第２蒸発管５２βに二次液化冷媒が供給される。第２蒸発管５２βの流出端５２ｂには、第２ガス配管５０βの始端が接続され、該第２ガス配管５０βの終端が第３凝縮経路４７γの流入端４７ａに接続され、第２蒸発管５２βから第２ガス配管５０βを介して第３凝縮経路４７γに二次気化冷媒が戻される。第３凝縮経路４７γの流出端４７ｂには、第３液配管４８γの始端が接続され、該第３液配管４８γの終端が第３蒸発管５２γの流入端５２ａに接続され、第３凝縮経路４７γから第３液配管４８γを介して第３蒸発管５２γに二次液化冷媒が供給される。第３蒸発管５２γの流出端５２ｂには、第３ガス配管５０γの始端が接続され、該第３ガス配管５０γの終端が第１凝縮経路４７αの流入端４７ａに接続され、第３蒸発管５２γから第３ガス配管５０γを介して第１凝縮経路４７αに二次気化冷媒が戻され、二次冷媒が自然循環回路４５内を一巡する。

次に、前提例２に係る二次冷却装置４４を備えた冷却設備３２の作用について説明する。冷却設備３２では、冷却運転を開始すると、一次冷却装置３４および二次冷却装置４４の夫々で冷媒の循環が開始される。なお、一次冷却装置３４の作用は、段落［００２３］で説明しているので省略する。

前記二次冷却装置４４では、二次熱交換部４６が一次熱交換部３６により冷却されているから、二次熱交換部４６の各凝縮経路４７を流通する過程で気相二次冷媒が放熱して凝縮し、気相から液相に状態変化することで比重が増加するので、重力の作用下に二次熱交換部４６の各凝縮経路４７に沿って液相二次冷媒が流下する。二次冷却装置４４では、二次熱交換部４６を機械室２０に配置する一方、蒸発器ＥＰを機械室２０の下方に位置する冷却室２８に配設することで、二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとの間に落差を設けてある。すなわち、液相二次冷媒を、二次熱交換部４６の下部に接続した液配管４８を介して、蒸発器ＥＰへ向けて重力の作用下に自然流下させることができる。液相二次冷媒は、蒸発器ＥＰの各蒸発管５２を流通する過程で該蒸発器ＥＰの周囲雰囲気から熱を奪って蒸発して気相に移行する。気相二次冷媒は、ガス配管５０を介して蒸発器ＥＰから二次熱交換部４６へ還流し、二次冷却装置４４ではポンプやモータ等の動力を用いることなく、簡単な構成で二次冷媒が自然循環するサイクルが繰返される。

前記二次冷却装置４４に構成した自然循環回路４５では、複数の凝縮経路４７とこの凝縮経路４７と同数の蒸発管５２とを互い違いに接続することで、１本の凝縮経路４７と１本の蒸発管５２とに交互に二次冷媒を流通させる１つのサーモサイフォンを形成してある。すなわち、自然循環回路４５によれば、液配管４８、ガス配管５０、凝縮経路４７および蒸発管５２を分岐させることなく、１つの回路の中に複数の凝縮経路４７および複数の蒸発管５２を設けることができる。このように、自然循環回路４５が全体として１つの冷媒の経路で構成されているから、凝縮経路４７,４７同士および蒸発管５２,５２同士または凝縮経路４７と蒸発管５２との間で二次冷媒が偏在することを抑制でき、各凝縮経路４７および各蒸発管５２を流通する二次冷媒の量を一致させることができる。

また、二次冷却装置４４に作用する外気温の変動等の外因によって、自然循環回路４５を循環する二次冷媒が凝縮経路４７や蒸発管５２の何れかに偏在する場合もある。しかるに、自然循環回路４５は、１つのサーモサイフォンから構成されているので、各凝縮経路４７および各蒸発管５２における二次冷媒の量が一致するように、二次冷媒のバランスが自然に調節される。従って、各凝縮経路４７および各蒸発管５２において、二次冷媒の偏在自体が起きにくく、例え二次冷媒の偏在が生じても当該凝縮経路４７および蒸発管５２を流通する二次冷媒の量を一致させるよう調節力が作用するので、二次冷媒のバランスを調節するために弁等の調節手段を設ける必要がなく、二次冷却装置４４の構成を簡易にできる。しかも、自然循環回路４５において、二次冷媒が円滑に自然対流するから、蒸発器ＥＰにおける冷却効率を向上することができる。従って、二次熱交換部４６および蒸発器ＥＰに凝縮経路４７および蒸発管５２を複数設けることができ、凝縮経路４７および蒸発管５２を屈曲や分岐することなく、熱交換面積を稼ぐことができる。

前記二次冷却装置４４では、熱交換器４６および蒸発器ＥＰの夫々に凝縮経路４７および蒸発管５２を複数配置することができる。すなわち、１本当たりの凝縮経路４７および蒸発管５２に要求される熱交換面積が小さくなり、各凝縮経路４７および各蒸発管５２の配管長を短くすることが可能となる。これにより、各凝縮経路４７および各蒸発管５２において、必要とされる配管長を稼ぐために蛇行させる回数を少なくでき、流通抵抗となる屈曲部分を減らせるから、当該凝縮経路４７および蒸発管５２を流通する二次冷媒の圧力損失を小さくすることができる。また、二次冷却装置４４は、液配管４８、ガス配管５０、凝縮経路４７および蒸発管５２を分岐させることなく、自然循環回路４５を全体として１つの冷媒の経路で構成しているから、配管等の分岐部に起因する圧力損失が発生しない。自然循環回路４５では、凝縮経路４７と蒸発管５２との間で自然対流に必要とされる二次冷媒のヘッド差を小さくできるので、凝縮経路４７と蒸発管５２との間で要求される落差が小さくなり、二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとの上下の配置間隔を狭くすることが可能となり、二次冷却装置４４をコンパクトにできる。また、自然循環回路４５において、二次冷媒の圧力損失が小さいので、液配管４８およびガス配管５０として従来と比較して細い管径を選定しても、同一量の二次冷媒を回路内に循環させることができ、回路全体として充填する二次冷媒の量を削減することが可能となる。

このように、各凝縮経路４７および各蒸発管５２の長さや断面積を減じることが可能であるので、二次熱交換部４６や蒸発器ＥＰをコンパクトにできると共に、循環する冷媒量を低減することで、自然循環回路４５の圧力上昇を緩和する膨張タンク(図示せず)の容量等の付帯設備も小さくなるので、二次冷却装置４４全体としてコンパクトにすることができ、コストダウンも可能となる。また液配管４８、ガス配管５０および蒸発管５２等の配管を細径化することで、これらの配管４８,５０,５２において耐圧性能を確保するために必要な肉厚を減ずることが可能となる。すなわち、各配管４８,５０,５２が細径化したことだけでなく、各配管４８,５０,５２の肉厚が減少することとの相乗によって、配管重量を一層削減することができ、コストを更に低減し得る。更に、前提例２の冷却設備３２であっても、段落［００３０］〜［００３５］で説明した作用効果を奏する。

前提例２の二次冷却装置４４は、単一の自然循環回路４５で構成されているので、冷媒チャージポート７４や圧力の過剰な上昇を防ぐ安全弁や膨張タンク(何れも図示せず)等の付帯設備を、該自然循環回路４５に対応した数だけ設けるだけでよい。すなわち、前提例１の二次冷却装置７０の如く、独立した複数の自然循環回路７２を備える構成と比較して、二次冷媒の偏流の防止や配管径の細径化等のメリットを維持しつつ、付帯設備がコンパクトになり、コストを低減し得る。また、前提例２の二次冷却装置４４は、製造工程やメンテナンスにおける冷媒の充填作業を、単一の自然循環回路４５に対し行なうだけなので、作業性およびメンテナンス性を向上し得る。

前述した前提例２の二次冷却装置は、以下の如く変更することも可能である。なお以下の参考例１〜３、前提例３および実施例において、特に説明しない構成は前提例２の構成が採用される。

(１)図４は、参考例１の冷却装置６０の概略図である。参考例１の冷却装置６０は、複数(３基)の二次熱交換部４６Ａ,４６Ｂ,４６Ｃと、この二次熱交換部４６Ａ,４６Ｂ,４６Ｃと同数(３基)の蒸発器ＥＰ１,ＥＰ２,ＥＰ３を備えている。また、各二次熱交換部４６Ａ,４６Ｂ,４６Ｃには、凝縮経路４７が１本ずつ設けられると共に、各蒸発器ＥＰ１,ＥＰ２,ＥＰ３には、蒸発管５２が１本ずつ設けられている。参考例１の自然循環回路は、凝縮経路４７の流出端４７ｂに接続する液配管４８を、当該凝縮経路４７の流入端４７ａに連結したガス配管５０が接続している蒸発管５２と別の蒸発管５２に接続すると共に、蒸発管５２の流出端５２ｂに接続するガス配管５０を、当該蒸発管５２の流入端５２ａに連結した液配管４８が接続している凝縮経路４７と別の凝縮経路４７に接続して、全体として１つの回路として構成されている。ここで、参考例１の冷却装置６０では、液化冷媒の供給を受けた凝縮経路４７を有する二次熱交換部４６とは別の二次熱交換部４６の凝縮経路４７へ各蒸発器ＥＰの蒸発管５２から気化冷媒を還流するよう構成される。また、参考例１の冷却装置６０では、気化冷媒の供給を受けた蒸発管５２を有する蒸発器ＥＰとは別の蒸発器ＥＰの蒸発管５２へ各二次熱交換部４６の凝縮経路４７から液化冷媒を供給するようになっている。

参考例１の冷却装置６０によれば、前提例２で説明した前述の作用効果と同様の作用効果を示す。また、二次熱交換部４６および蒸発器ＥＰを複数備えていても、凝縮経路４７と蒸発管５２とが１対１の関係で液配管４８およびガス配管５０で接続され、自然循環回路全体に対する各液配管４８および各ガス配管５０の寸法が短くなり、各液配管４８および各ガス配管５０における冷媒の流通抵抗が減少するので、圧力損失を小さくすることができる。

(２)図５は、参考例２の冷却装置６２の概略図である。参考例２の冷却装置６２は、１基の二次熱交換部４６と、複数(３基)の蒸発器ＥＰ１,ＥＰ２,ＥＰ３を備えている。また、各蒸発器ＥＰ１,ＥＰ２,ＥＰ３には、蒸発管５２が１本ずつ設けられると共に、二次熱交換部４６には、蒸発管５２の総数と同数の凝縮経路４７が設けられている。参考例２の自然循環回路は、凝縮経路４７の流出端４７ｂに接続する液配管４８を、当該凝縮経路４７の流入端４７ａに連結したガス配管５０が接続している蒸発管５２と別の蒸発管５２に接続すると共に、蒸発管５２の流出端５２ｂに接続するガス配管５０を、当該蒸発管５２の流入端５２ａに連結した液配管４８が接続している凝縮経路４７と別の凝縮経路４７に接続して、全体として１つの回路として構成されている。ここで、参考例２の冷却装置６２では、気化冷媒の供給を受けた蒸発管５２を有する蒸発器ＥＰとは別の蒸発器ＥＰの蒸発管５２へ二次熱交換部４６の各凝縮経路４７から液化冷媒を供給するようになっている。

参考例２の冷却装置６２によれば、前提例２で説明した前述の作用効果と同様の作用効果を示す。また、複数の蒸発器ＥＰを設けても、各蒸発器ＥＰの蒸発管５２に供給される液化冷媒の量が一致しているから、複数の蒸発器ＥＰによって別々の対象をバランスよく冷却することができる。なお、複数の蒸発器ＥＰに設ける蒸発管５２は１本に限られず、図６に示す参考例３の冷却装置６４の如く、２本以上の複数本としても、蒸発器ＥＰ毎に本数を異ならしてもよい。

(３)図７は、前提例３の冷却装置６６の概略図である。なお、前提例３の冷却装置では、１つの自然循環回路を備える構成であるが、前提例３の冷却装置における自然循環回路を独立して複数備えるように変更した構成が、本発明に係る冷却装置の実施例である。前記冷却装置６６は、複数(３基)の二次熱交換部４６Ａ,４６Ｂ,４６Ｃと、１基の蒸発器ＥＰを備えている。また、各二次熱交換部４６Ａ,４６Ｂ,４６Ｃには、凝縮経路４７が１本ずつ設けられると共に、蒸発器ＥＰには、凝縮経路４７の総数と同数(３本)の蒸発管５２が設けられている。前提例３の自然循環回路は、凝縮経路４７の流出端４７ｂに接続する液配管４８を、当該凝縮経路４７の流入端４７ａに連結したガス配管５０が接続している蒸発管５２と別の蒸発管５２に接続すると共に、蒸発管５２の流出端５２ｂに接続するガス配管５０を、当該蒸発管５２の流入端５２ａに連結した液配管４８が接続している凝縮経路４７と別の凝縮経路４７に接続して、全体として１つの回路として構成されている。ここで、前提例３の冷却装置６６では、液化冷媒の供給を受けた凝縮経路４７を有する二次熱交換部４６とは別の二次熱交換部４６の凝縮経路４７へ蒸発器ＥＰの各蒸発管５２から気化冷媒を還流するよう構成される。

前提例３の冷却装置６６によれば、前提例２で説明した前述の作用効果と同様の作用効果を示す。また、複数の二次熱交換部４６を設けても、各二次熱交換部４６の凝縮経路４７に循環する気化冷媒の量が一致しているから、冷媒が偏在することを回避して、蒸発器ＥＰにおいて対象を効率よく冷却することができる。なお、複数の二次熱交換部４６に設ける凝縮経路４７は１本に限られず、図８に示す如く、２本以上の複数本としても、二次熱交換部４６毎に本数を異ならしてもよい。

(イ)本発明の冷却装置は、空調設備等の冷却装置にも適用可能である。
(ロ)蒸発器は、箱体の内部を壁で区切ることで冷媒経路を形成したタイプの蒸発器であってもよい。
(ハ)本発明の冷却装置は、冷凍庫、冷凍・冷蔵庫、ショーケースおよびプレハブ庫等の所謂貯蔵庫に対しても適用し得る。
(ニ)熱交換器は、一次熱交換部と二次熱交換部とを別体で構成したり、他の方式の熱交換器であってもよい。
(ホ)実施例では、一次冷却装置において液化冷媒を減圧する手段として膨張弁を用いたが、これに限られず、キャピラリーチューブまたはその他の減圧手段を採用し得る。
(ヘ)実施例では、二次ループ式冷凍回路を備える冷却設備の二次側に本発明に係る冷却装置を用いる例を挙げている。前述の如く、二次ループ式冷凍回路を備えた冷却設備の欠点を解消し得ることから、本発明に係る冷却装置を二次ループ式冷凍回路に適用することは非常に有用である。
(ト)前提例１の冷却装置において、１つの熱交換部に対して複数の蒸発器を設けてもよい。すなわち、複数の冷媒循環回路の各凝縮経路が１つの熱交換部に設けられると共に、各蒸発器に対応の冷媒循環回路の蒸発経路が設けられる。また前提例１の冷却装置において、複数の熱交換部に対して１つの蒸発器を設けてもよい。すなわち、複数の冷媒循環回路の各蒸発経路が１つの蒸発器に設けられると共に、各熱交換部に対応の冷媒循環回路の凝縮経路が設けられる。

本発明の実施例の前提となる前提例１に係る冷却装置を冷却設備の二次回路として備えた冷蔵庫を示す側断面図である。本発明の実施例の前提となる前提例１に係る冷却装置を二次回路として備えた冷却設備の要部を示す概略回路図である。本発明の実施例の前提となる前提例２に係る冷却装置を二次回路として備えた冷却設備の要部を示す概略回路図である。参考例１の冷却装置を示す概略回路図である。参考例２の冷却装置を示す概略回路図である。参考例３の冷却装置を示す概略回路図である。実施例の前提となる前提例３の冷却装置を示す概略回路図である。前提例３の冷却装置における変更例を示す概略回路図である。第１従来例の冷却装置を示す概略回路図である。第２従来例の冷却装置を示す概略回路図である。第３従来例の冷却装置を示す概略回路図である。

３４一次冷却装置(一次側の回路)，４５,７２自然循環回路，
４６二次熱交換部(熱交換部)，４７凝縮経路，４７ｂ流出端，４７ａ流入端，
４８液配管，５０ガス配管，５２蒸発管(蒸発経路)，５２ａ流入端，
５２ｂ流出端，ＥＰ蒸発器

Claims

凝縮経路(47)に流通する気化冷媒を凝縮して液化冷媒とする熱交換部(46)と、この熱交換部(46)の下方に配置され、蒸発経路(52)に流通する液化冷媒を蒸発させて気化冷媒とする蒸発器(EP)とを有し、
液化冷媒を熱交換部(46)の凝縮経路(47)から蒸発器(EP)の蒸発経路(52)へ液配管(48)を介して流下させると共に、気化冷媒を蒸発器(EP)の蒸発経路(52)から熱交換部(46)の凝縮経路(47)へガス配管(50)を介して流通させる自然循環回路(45)を備え、該自然循環回路(45)が、冷媒を強制循環させる機械圧縮式の一次側の回路(34)に前記熱交換部(46)を介して熱的に接続された冷却装置において、
複数の前記熱交換部(46)に対して１つの前記蒸発器(EP)が設けられ、
複数の自然循環回路(45)を互いに独立するよう構成し、
互いに異なる自然循環回路(45)をなす前記蒸発経路(52)が前記蒸発器(EP)に設けられ、
前記自然循環回路(45)は、前記蒸発器(EP)に設けられる複数の蒸発経路(52)と、前記複数の熱交換部(46)に振り分けて設けられ、前記複数の蒸発経路(52)と同数の凝縮経路(47)とを備え、
前記凝縮経路(47)の流出端(47b)に接続する液配管(48)を、当該凝縮経路(47)の流入端(47a)に連結したガス配管(50)が接続している蒸発経路(52)と別の蒸発経路(52)に接続すると共に、蒸発経路(52)の流出端(52b)に接続するガス配管(50)を、当該蒸発経路(52)の流入端(52a)に連結した液配管(48)が接続している凝縮経路(47)と別の凝縮経路(47)に接続して、１つの自然循環回路(45)を構成した
ことを特徴とする冷却装置。
前記蒸発経路(52)が直線状に形成された請求項１記載の冷却装置。