JP5585003B2 - 冷凍装置 - Google Patents

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Description

本発明は、食品等の冷凍や冷蔵に用いる冷凍装置に関する。更に詳しくは、冷却と同時に給湯を行うことができる冷凍装置に関する。
従来この種の冷凍装置として、圧縮機、放熱器、減圧器及び蒸発器からなり、フロンガス等を冷媒とする、蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用した冷凍装置が広く利用されている。即ち、蒸気圧縮式冷凍サイクル装置の蒸発器における冷媒の蒸発により食品等を冷却して冷凍、冷蔵するものである。しかし、一般に広く利用されている冷凍装置においては、冷凍サイクルからの冷却廃熱は放熱器から大気等に捨てられている。その一方で、同一施設内で利用するお湯をボイラー等により別の熱源を利用して供給することが行われている。このように、従来から広く利用されいる冷凍装置では、冷却廃熱が有効に利用されていないという問題があった。また、従来の冷凍装置における放熱器からの放熱は、冷凍装置の周囲の温度を上昇させるので、都市部における環境温度の上昇をもたらす原因のひとつとして指摘されている。
このような状況において、冷凍サイクルの冷却廃熱を有効に利用して給湯を行い、省エネルギーを図ろうという試みがなされている(例えば、特許文献1)。前記特許文献1記載の従来技術は、大気を熱源としたヒートポンプサイクル(第1冷媒回路を流通する第1冷媒)により給湯用水を加熱することに加えて、ショーケースを冷却する冷凍機からの廃熱(第2冷媒回路を流通する第2冷媒)によっても前記給湯用水を加熱することにより、給湯用水の温度を短時間で上昇させることを可能としている。
このように蒸気圧縮式冷凍サイクル(ヒートポンプサイクル)を用いて冷却とその廃熱を利用した加熱を同時に行う場合、冷却と加熱の能力比は、冷凍サイクル理論上概ね決まった値となる。そのため、冷却と加熱の実際の負荷に応じてシステム系外への放熱や吸熱を効率的に行うことが必要になる。 特に、スーパーマーケット等で食品の冷凍、冷蔵を行うシステムでは、給湯負荷に対して冷却負荷が大きくなるので、機器構成の複雑化や機器設置面積の増大を避けつつ効率的な放熱手段を設け、冷却能力を向上させることが重要な問題となる。そしてまた、冷凍サイクル効率そのものを向上させて、更なる省エネルギーを図る必要もあり、特に、冷却効率を向上させることが求められている。
特開2007−303698号公報
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、食品等を冷却するときの廃熱を有効に利用して給湯を行うことができ、且つ冷却能力及び冷却効率を向上させることができると共に、冷却と給湯の負荷変動に対応した高効率な運転を行うことが可能な冷凍装置を提供することを目的とする。
第1発明の冷凍装置は、第一圧縮機、第一放熱器、過冷却器、第一減圧器及び蒸発器を冷媒管で順次つないで形成された第一の冷凍サイクル回路と、第二圧縮機、第二放熱器、第二減圧器及び前記過冷却器を冷媒管で順次つないで形成された第二の冷凍サイクル回路と、を備え、前記過冷却器において前記第二の冷凍サイクル回路の冷媒の蒸発作用により前記第一の冷凍サイクル回路の冷媒を過冷却すると共に、前記第二放熱器において前記第二の冷凍サイクル回路の冷媒の放熱作用により加温した給湯水を貯える給湯タンクを設け、前記第一放熱器を出た冷媒の一部を分岐して、その分岐した冷媒を前記第一圧縮機の圧縮行程の途中に吸入させる補助冷媒回路と、前記補助冷媒回路上に設けられ、前記分岐された冷媒を前記第一圧縮機の吸入圧力より高く吐出圧力より低い中間圧力に減圧する補助絞り手段と、前記補助絞り手段により減圧された後の前記分岐された冷媒と前記第一放熱器で冷却され前記過冷却器へと流入する冷媒との間で熱交換を行う補助熱交換器と、を設け、前記補助絞り手段の開度は、前記給湯タンクに貯えられた湯量が多いときは大きく、湯量が少ないときは小さくなるように制御して、給湯タンクに貯えられた湯量の多少に応じて前記第二の冷凍サイクル回路の前記補助熱交換器における前記第一の冷凍サイクル回路の能力を調整することを特徴とする
第2発明の冷凍装置は、前記第一圧縮機及び第一放熱器を収納する冷凍ユニットと、前記第一減圧器及び蒸発器を収納するショーケースと、前記第二圧縮機、第二放熱器、第二減圧器及び過冷却器を収納する過冷却給湯装置と、前記過冷却給湯装置の第二放熱器に水配管を介して接続される給湯タンクを備える貯湯装置と、からなることを特徴とする。
第3発明の冷凍装置は、前記第二放熱器と並列に配置される第三放熱器を備え、前記第三放熱器において冷媒から大気への放熱を行うことを特徴とする。
第4発明の冷凍装置は、前記給湯水の加温が不要である場合に、前記第三放熱器における冷媒から大気への放熱を行うことを特徴とする。
第5発明の冷凍装置は、前記第二放熱器に水配管を介して接続される水放熱器を設け、前記水放熱器において給湯水から大気への放熱を行うことを特徴とする。
第6発明の冷凍装置は、前記給湯水の加温が不要である場合に、前記水放熱器における給湯水から大気への放熱を行うことを特徴とする。
発明の冷凍装置は、第二の冷凍サイクル回路に封入される冷媒が二酸化炭素であって、前記第二放熱器はガスクーラとして作用することを特徴とする。
第1発明の冷凍装置によれば、前記過冷却器において前記第二の冷凍サイクル回路の冷媒の蒸発作用により前記第一の冷凍サイクル回路の冷媒を過冷却すると共に、前記第二放熱器において前記第二の冷凍サイクル回路の冷媒の放熱作用により加温した給湯水を貯える給湯タンクを設け、前記第一放熱器を出た冷媒の一部を分岐して、その分岐した冷媒を前記第一圧縮機の圧縮行程の途中に吸入させる補助冷媒回路と、前記補助冷媒回路上に設けられ、前記分岐された冷媒を前記第一圧縮機の吸入圧力より高く吐出圧力より低い中間圧力に減圧する補助絞り手段と、前記補助絞り手段により減圧された後の前記分岐された冷媒と前記第一放熱器で冷却され前記過冷却器へと流入する冷媒との間で熱交換を行う補助熱交換器と、を設け、前記補助絞り手段の開度は、前記給湯タンクに貯えられた湯量が多いときは大きく、湯量が少ないときは小さくなるように制御して、給湯タンクに貯えられた湯量の多少に応じて前記第二の冷凍サイクル回路の前記補助熱交換器における前記第一の冷凍サイクル回路の能力を調整するので、前述の過冷却相当分、即ち冷凍能力増大分、の冷却を行った廃熱を有効に利用して給湯を行うことができる 更に前記補助熱交換器において、前記第一の冷凍サイクル回路の第一放熱器を出た後に分岐され減圧された冷媒(補助回路側冷媒)により、前記第一放熱器で冷却され前記過冷却器へと流入する冷媒(主回路側冷媒)を冷却することができるので、第一の冷凍サイクルの冷凍効果が増大し、冷凍能力を向上させることができる。また、前記主回路側冷媒を冷却した後の前記補助回路側冷媒は、第一圧縮機の吸入圧力より高く吐出圧力よりも低い圧縮行程の途中に吸入されるので、全ての冷媒を分岐せずに吸入圧力から吐出圧力まで圧縮する場合に比べ圧縮動力が小さくなり、その結果、冷凍サイクルの効率が向上する。
そして、前記補助絞り手段の開度が、前記給湯タンクに貯えられた湯量が多いときは大きく、湯量が少ないときは小さくなるように制御されるので、給湯負荷の変動に応じた好適で高効率な運転を行うことができる。即ち、給湯タンクが湯で満たされ給湯水の加温を必要としない状況では、前記補助絞り手段の開度を大きくして、前記補助熱交換器における前記主回路側冷媒を冷却する効果を大きくするこにより、冷却能力と冷凍効率の向上を図る。他方、給湯タンクの湯量が少なく給湯水の加温を必要とする場合には、前記補助絞り手段の開度を小さくして前記補助熱交換器における前記主回路側冷媒を冷却する効果を小さくすることにより、過冷却器に流入する冷媒の温度と比エンタルピを高く維持する。これにより過冷却器での交換熱量、即ち第二の冷凍サイクルの吸熱量が増大すると共に、第二の冷凍サイクルの蒸発温度が上昇する。その結果、第二の冷凍サイクルの加熱能力と給湯効率を向上させることができる。
第2発明の冷凍装置によれば、冷凍装置を、前記第一圧縮機及び第一放熱器を収納する冷凍ユニットと、前記第一減圧器及び蒸発器を収納するショーケースと、前記第二圧縮機、第二放熱器、第二減圧器及び過冷却器を収納する過冷却給湯装置と、前記過冷却給湯装置の第二放熱器に水配管を介して接続される給湯タンクを備える貯湯装置と、からなる構成としたので、各構成装置を必要数組み合わせることにより、冷却負荷と給湯負荷に適合し、冷却性能が優れ、且つ冷却廃熱を利用した給湯を行うことができる省エネルギーな冷凍装置を容易に構築することができる。また更に、既設の冷凍装置を利用して、エネルギー消費の削減が可能な高効率冷凍装置を容易に構築することができる。即ち、既設のショーケースと冷凍ユニットに過冷却給湯装置と貯湯装置を追加設置することにより、既設設備の冷凍能力と冷凍効率を向上させ、且つ冷却廃熱を有効に利用した給湯が可能になる。
第3発明の冷凍装置によれば、前記第二の冷凍サイクル回路に、前記第二放熱器と並列に配置される第三放熱器を備え、前記第三放熱器において冷媒から大気への放熱を行うこができるので、大気を熱源として、第一の冷凍サイクルの冷媒を過冷却することができる。これにより、給湯能力を増大させることなく冷却能力を増大させ、冷却効率を向上させることができる。その結果、給湯負荷と冷却負荷の変動に対応した高効率な運転を行うことが可能となる。
第4発明の冷凍装置によれば、前記給湯水の加温が不要である場合に、前記第三放熱器における冷媒から大気への放熱を行うこととしたので、給湯タンク内の残湯量が十分である状態、即ち給湯水の沸き上げが必要ない状態、であっても、第一の冷凍サイクルより蒸発温度が高く冷却効率が高い第二の冷凍サイクルにより、第一の冷凍サイクルの過冷却を行って冷凍能力と冷却効率を向上させることができる。
第5発明の冷凍装置によれば、前記第二放熱器に水配管を介して接続される水放熱器を設け、前記水放熱器において給湯水から大気への放熱を行うことことができるので、湯を増加させることなく第二の冷凍サイクル回路により第一の冷凍サイクル回路の過冷却を行うこうとができる。これにより、給湯能力を増大させることなく冷却能力を増大させ、冷却効率を向上させることができる。その結果、給湯負荷と冷却負荷の変動に対応した高効率な運転を行うことが可能となる。
第6発明の冷凍装置によれば、前記給湯水の加温が不要である場合に、前記水放熱器における給湯水から大気への放熱を行うこととしたので、給湯タンクが湯で満たされた状態、即ち給湯が必要ない状態であっても、第一の冷凍サイクルより蒸発温度が高く冷却効率が高い第二の冷凍サイクルにより、第一の冷凍サイクルの過冷却を行って冷凍能力と冷却効率を向上させることができる。
第7発明の冷凍装置によれば、前記第二の冷凍サイクル回路に封入される冷媒が二酸化炭素であって、前記第二放熱器はガスクーラとして作用するので、高温の湯を高効率に沸き上げることができる。
本発明の第1の実施形態に係る冷凍装置の概略構成図である。 本発明の第2の実施形態に係る冷凍装置の概略構成図である。 本発明の第3の実施形態に係る冷凍装置の概略構成図である。 本発明の第4の実施形態に係る冷凍装置の概略構成図である。 本発明の冷凍サイクルを示した圧力・エンタルピ線図である。
以下、本発明の実施形態に係る冷凍装置を図面に基づき詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る冷凍装置の概略構成図である。第1の実施形態に係る冷凍装置は、第一の冷凍サイクル回路91、第二の冷凍サイクル回路92及び給湯回路93を備える。また、冷凍回路を構成する冷凍機器(要素部品)を収容してユニット化することにより、冷凍ユニット10、過冷却給湯装置30、ショーケース40及び貯湯装置50が構成される。
第一の冷凍サイクル回路91は、第一圧縮機1、第一放熱器2、過冷却器5の第一の冷凍サイクル回路側流路5a、内部熱交換器6の高圧側流路、ストレーナ9、第一減圧器としての膨張弁3、蒸発器4、内部熱交換器6の低圧側流路、及びアキュームレータ8を順番に冷媒が流通し、第一圧縮機1に戻る閉回路を形成するよう冷媒配管で接続され構成されている。第一冷凍サイクルの冷媒としては、R404Aを採用しているが、その他の冷媒、例えばR407CやR134a等のフルオロカーボン系冷媒や、二酸化炭素(R744)やアンモニア(R717)等の自然冷媒を採用しうる。
第一圧縮機1は、冷媒を圧縮するためのもので、公知の圧縮機、例えば、スクロール式や往復式、スクリュー式、ロータリー式等の圧縮機を用いることができる。本実施形態では、スクロール式の圧縮機を採用している。また、第一圧縮機1は、2台以上設けることが可能で、そのことにより冷却負荷に応じた容量制御(台数制御)を行うことが可能となる。また、本実施形態に係る第一圧縮機1はインバータ駆動方式であるが、定速式も採用可能である。インバータ駆動方式では、冷却負荷に応じて圧縮機の回転数を変更することが可能となり、圧縮機の発停を繰り返す定速式圧縮機の台数制御に比べて高効率な運転が可能となる。
第一放熱器2は、冷媒の熱を大気に放出するための熱交換器で、例えば、フィンアンドチューブ式の熱交換器を採用しうる。また、第一放熱器2は、冷媒と熱交換を行う空気を供給するためのファン2fを備える。また、第一放熱器2の出口側配管21には、放熱器出口冷媒温度を検出するための冷媒温度センサT1が設けられている。
過冷却器5は、第一放熱器2で大気に放熱することにより冷却された第一の冷凍サイクル回路91の冷媒を更に冷却するための熱交換器である。過冷却器5は、第一の冷凍サイクル回路側流路5aと第二の冷凍サイクル回路側流路5bを備え、当該流路を流れる冷媒が熱交換可能に構成されている。前記各流路は、冷媒の流れ方向が対向するように構成されており、このことにより、熱交換の効率が向上し、第一の冷凍サイクル回路側の冷媒の過冷却度、即ち過冷却器5aの出入口温度差を大きくすることができる。本実施形態に係る過冷却器5は、プレート式熱交換器を用いている。過冷却器5としては、プレート式の他、二重管式やチューブ接触式等の種々の熱交換器を採用しうる。プレート式熱交換器は、熱交換の効率が高く、熱交換器の占有スペースを小さくできるという点で優れており、二重管式やチューブ接触式は、製造加工が容易で、また、耐圧強度を容易に高くできる点で優れている。
内部熱交換器6は、過冷却器5を出た高圧冷媒と、蒸発器4から流出する低圧冷媒との間で熱交換を行い、高圧冷媒を冷却し低圧冷媒を加熱するための熱交換器である。内部熱交換器6は、高圧側流路と低圧側流路を備え、当該流路を流れる冷媒が熱交換可能に、且つ冷媒の流れ方向が対向するように構成されている。本実施形態に係る内部熱交換器6は、プレート式熱交換器を用いているが、その他の形式、例えば、二重管式やチューブ接触式等の種々の熱交換器を採用しうる。また、簡便な方法として、冷媒往き管22と冷媒戻り管23を接触させて施工することによって内部熱交換器6を構成するこもできる。
ストレーナ9は、冷媒回路中の異物を除去し、膨張弁3の詰まり等の不具合を防止するためのものであり、膨張弁3の上流側冷媒配管に設けられている。フルオロカーボン系冷媒を使用する場合には、冷媒回路中の水分を除去するドライヤを備えることもできる。
第一減圧器としての膨張弁3は、冷媒往き管22を通り流入する高圧低温の冷媒を絞り膨張により減圧して、低圧低温の冷媒(通常気液二相状態)とするためのもので、キャピラリーチューブ、温度式膨張弁、電動膨張弁等を採用しうる。本実施形態に係る冷凍装置では、電動膨張弁を用いている。そして、制御装置97により、蒸発器4の出口側冷媒の過熱度、即ち後述する蒸発器出口冷媒温度センサT7で検出された蒸発器4出口の冷媒温度と、後述する蒸発器入口冷媒温度センサT6で検出された蒸発器4入口の冷媒温度との差が所定の値になるように膨張弁3の開度が制御されている。
蒸発器4は、冷媒の蒸発作用による吸熱により食品等を冷却するための熱交換器であり、フィンアンドチューブ式の熱交換器を採用している。蒸発器4の入口配管には、蒸発器4の入口の冷媒温度を検出するための蒸発器入口冷媒温度センサT6が設けられており、蒸発器4の出口配管には、蒸発器4の出口の冷媒温度を検出する蒸発器出口冷媒温度センサT7が設けられている。また、蒸発器4は、冷媒と熱交換を行い冷却される空気を供給するためのファン4fを備えている。蒸発器4において、ファン4fにより供給された空気は、冷媒の蒸発により冷却されて低温となり、その後、食品等の保冷スペースに供給される。
アキュームレータ8は、第一圧縮機1に液冷媒が吸入されることを防止するためのものであり、内部で気液分離を行い、一時的に液冷媒を貯留する機能を有する。特に、起動時や、除霜運転時等で機能を発揮する。また、アキュームレータ8から圧縮機の吸入口へつながる配管19上には、圧縮機吸入冷媒の圧力を検出するための圧力センサP1が取り付けられている。
次に、第二の冷凍サイクル回路92の構成について説明する。第二の冷凍サイクル回路92は、第二圧縮機31、第二放熱器32の冷媒流路32a、第二減圧器としての膨張弁33、過冷却器5の第二の冷凍サイクル回路側流路5b、及びアキュームレータ38を順番に冷媒が流通して第二圧縮機31に戻る閉回路からなる。
本実施形態に係る冷凍装置では、第二の冷凍サイクルの冷媒として二酸化炭素が封入されている。二酸化炭素冷媒を用いた冷凍サイクルでは、高圧側が冷媒の臨界圧力を超える遷臨界サイクルとなるので、水を高温度に且つ高効率に加熱できるという利点を有する。尚、第一の冷凍サイクルと同様に、その他の冷媒を採用することも可能である。
第二圧縮機31は、低圧の冷媒を高圧の状態に圧縮するためのものである。本実施形態に係る冷凍装置では、冷媒として二酸化炭素を用いているので、第二圧縮機31から吐出される冷媒の圧力は臨界圧力を超える圧力となる。第二圧縮機31は、低圧側圧縮要素、即ち一段目圧縮要素と、高圧側圧縮要素、即ち二段目圧縮要素、を備える、ロータリー式の二段圧縮式である。二段圧縮式とすることで、各段の圧縮要素の圧力比を小さくすることができ、高効率に冷媒を高圧力まで圧縮できるという利点を有する。尚、第二圧縮機31として、スクロール式やロータリー式の一段圧縮方式等、その他の形式の圧縮機を採用することも可能である。また、第二圧縮機31は、インバータにより駆動されており、運転回転数を変更することが可能である。これにより冷凍負荷に応じて過冷却能力及び給湯能力を変更することができ、高効率な能力制御が可能となる。また、第二圧縮機31の吐出配管35には、第二圧縮機31から吐出された冷媒の温度を検出するための吐出冷媒温度センサT3が設けられている。
第二放熱器32は、冷媒と水との間で熱交換を行い、給湯水を加温してお湯を沸かすための熱交換器である。第二放熱器32の冷媒流路32aと水流路32bは、熱交換可能に、且つ流れ方向が対向するように構成されている。第二放熱器32の冷媒流路32a内部での冷媒圧力は臨界圧力を超えているので、第二放熱器32はガスクーラとして作用する。即ち、第二放熱器32の冷媒流路32aの内部で冷媒は凝縮せず、水に熱を与えて冷却されるに従ってその温度が低下する。従って、前述の通り、冷媒と水の流れが対向するように各流路を構成することにより、高温度の水を高効率に沸き上げることが可能となる。第二放熱器32の冷媒流路32aは、高圧力に耐えうるように細円管を複数本用いている。水流路32bは、2枚の板状部材を重ね合わせ、周囲を互いに接合することにより形成された、前記板部材で挟まれた空間である。該空間には、流れをガイドする仕切り部材が設けられており、また、水の入口部と出口部が形成されている。そして冷媒流路32aとなる細管が水流路32bを形成する前記板部材の外面に熱交換可能に接合されている。尚、ガスクーラとしては、その他の形式、例えば二重管式やチューブ接合式等、の熱交換器を採用することも可能である。
第二減圧器としての膨張弁33は、高圧の冷媒を低圧の状態に絞り膨張させるためのものである。膨張弁33は、電動式膨張弁であり、吐出冷媒温度センサT3で検出された第二圧縮機31の吐出冷媒温度が所定の値になるように、制御装置96により、その開度が制御される。これにより、高効率に給湯を行うことが可能となる。尚、膨張弁33として、温度式膨張弁や定圧膨張弁、キャピラリーチューブ等、その他の形式の絞り装置を採用することもできる。
前述の通り、過冷却器5は、第一の冷凍サイクル回路91の冷媒と第一の冷凍サイクル回路92の冷媒とで熱交換を行い、第一の冷凍サイクル回路91の冷媒を過冷却するための熱交換器である。過冷却器5の構成については、既に説明した通りである。第二の冷凍サイクル回路側流路5bは、第二の冷凍サイクルの蒸発器として機能し、その内部において冷媒は吸熱して蒸発する。尚、過冷却器5の第一の冷凍サイクル側流路5aの出口配管には、過冷却された後の第一の冷凍サイクルの冷媒の温度を検出するための過冷却温度センサT4が設けられている。
アキュームレータ38は、第一圧縮機1に液冷媒が吸入されることを防止するためのものであり、その機能は第一の冷凍サイクル回路91のアキュームレータ8と同じである。
次に、給湯回路93の構成について説明する。給湯回路93は、給湯タンク51、循環ポンプ52、及び第二放熱器32の水流路32bを順番に給湯水が流れ給湯タンク51に戻るように配管が接続され構成されている。ここで、循環ポンプ52の吸入側に接続される配管59は、給湯タンク51の下方に接続されており、これにより低温の水を第二放熱器32に供給することが可能となる。また、第二放熱器32の水流路32b出口に接続される配管60は、給湯タンク51の上部に接続されている。これにより、第二放熱器32で加熱された高温の湯は、給湯タンク51の上部に戻されることになり、給湯タンク51内部に温度成層上にお湯を貯えることが可能となる。
給湯回路93の給湯タンク51の上部には逆止弁56を介して給湯配管58が接続されており、給湯タンク51の下部には減圧弁54と逆止弁55を介して給水配管57が接続されている。給湯配管58は湯を必要とする給湯負荷設備に給湯タンク51から湯を供給するための配管であり、給水配管57は給湯タンク51に市水を供給するためのものである。給湯負荷設備で給湯弁を開くと、給湯タンク51の上部から給湯配管58内を流通して高温の湯が供給され、それに伴い、給水配管57内を流れて給湯タンク51の下部に冷たい水が供給される。尚、給湯負荷設備に供給する湯を所定の温度にするために、混合弁を更に設け、給湯タンク51の下部から取り出した低温の湯(水)とタンク51の上部から取り出した高温の湯とを混合することもできる。
給湯タンク51の外表面には、タンク内に貯えられた給湯水の温度を検出する温度センサT9が、高さを変えて複数個取り付けられている。これにより給湯タンク51内の温度分布を計測できるようになり、その温度分布を基に給湯タンク51内部の高温の湯量を把握することができる。また、第二放熱器32の水流路32b出口側の配管60には、第二放熱器32で加温された湯の温度を検出するための温度センサT8が取り付けられている。
また、給湯回路93は、低温配管59と高温配管60を接続するバイパス配管と、三方弁53と、を備える。三方弁53は、循環ポンプに流れる水を、給湯タンク51につながる低温配管59側から供給するか、前記のバイパス配管側から供給するかを切り替えるものである。通常第二の冷凍サイクルによりお湯を沸き上げる運転を行う場合、三方弁53は、給湯タンク51につながる冷温配管59側から水を供給するように切り替えられている。三方弁53を前記バイパス配管側からの水が流通するように切り替えることで、循環ポンプ52で押出された水が第二放熱器32の水流路32bを流れ、三方弁53を通り、循環ポンプ52に戻る閉回路が形成される。このような閉回路を形成するのは、第二の冷凍サイクルによる沸き上げ運転を開始した直後や運転停止後である。
次に、各冷凍機器を収納したユニットの構成について説明する。冷凍ユニット10は、冷媒を圧縮する第一圧縮機1、第一圧縮機1で圧縮され高温高圧となった冷媒の熱を大気に放熱する第一放熱器2、及び第一圧縮機1への液冷媒の吸入を防止するためのアキュームレータ8を備える。前述の通り、第一圧縮機1の冷媒吐出配管15は前記第一放熱器2に冷媒が流通可能に接続され、第一圧縮機1の冷媒吸入配管19は前記アキュームレータ8に接続されている。また、冷凍ユニット10は、制御装置95、放熱器出口冷媒温度センサT1、吸入圧力センサP1、及びその他の図示しない温度センサや圧力センサ等を含む。そして、冷凍ユニット10は、第一放熱器2の冷媒出口側配管21につながる冷媒往き配管接続口と、アキュームレータ8につながる冷媒戻り配管接続口を備えている。
ショーケース40は、高圧の冷媒を減圧する膨張弁3、冷媒の蒸発作用により食品等を冷却するための蒸発器4、及び冷媒回路中の異物を除去するストレーナ9を備える。また、ショーケース40は、制御装置97、蒸発器入口冷媒温度センサT6、蒸発器出口冷媒温度センサT7、及びその他の冷媒温度センサ類、並びに食品等を保存するためのスペースや展示棚等を備えている。そして、ショーケース40は、ストレーナ9につながる冷媒入口配管接続口と、蒸発器4の出口側に接続される冷媒出口配管接続口を備えている。必要に応じてショーケース40を複数台設けることが可能であり、各々のショーケース40は、ショーケース40の冷媒入口管接続口が冷媒往き管22に接続され、冷媒出口管接続口が冷媒戻り管23に接続される。尚、ショーケース40は、必ずしも被冷却物を陳列展示するものに限らず、展示を目的としない保冷庫とすることもできる。
過冷却給湯装置30は、過冷却器5を含む第二の冷凍サイクル回路92を構成する冷凍機器、即ち、第二圧縮機31、第二放熱器32、第二減圧器としての膨張弁33、過冷却器5、及びアキュームレータ38を備える。また、過冷却給湯装置30は、制御装置96、吐出冷媒温度センサT3、過冷却温度センサT4、及びその他の冷媒温度センサや圧力センサ類を備えている。更に、過冷却給湯装置30は、過冷却される第一の冷凍サイクルの冷媒が流入する配管21の接続口、過冷却後の冷媒が流出するための配管の接続口、第二放熱器32に流入する給湯水(冷水)配管の接続口、第二放熱器32で加熱された後の給湯水(湯)が流出するための配管60の接続口を備えている。
貯湯装置50は、給湯タンク51、三方弁53、循環ポンプ52を備える。また、貯湯装置50は、制御装置98、温度センサT8、温度センサT9及びその他の温度センサ類、並びに減圧弁54、逆止弁55、逆止弁56を含む。尚、給湯タンク51は、貯湯すべき湯量に応じて、直列又は並列に複数個設けることも可能である。
このように本実施形態に係る冷凍装置は、各々ユニット化された、冷凍ユニット10、過冷却給湯装置30、ショーケース40及び貯湯装置50から構成されるので、設置工事を容易に行えるという利点を有する。即ち、施工現場において、冷凍ユニット10、過冷却給湯装置30、ショーケース40及び貯湯装置50を設置した後、第一の冷凍サイクル回路91、第二の冷凍サイクル回路92及び給湯回路93を構成するようにユニット化された各装置の配管接続口を配管により接続すれば良い。この場合において、設置現場で要求される冷却負荷や給湯負荷に応じて、各ユニット化された装置の設置台数を選定して、各々必要台数組み合わせることができる。これにより、冷却負荷や給湯負荷に適合した好適な冷凍装置を構築することができる。
また、既設の設備を改造して本実施形態の冷凍装置を構築することも容易に行うことができる。例えば、既設の冷凍機(冷凍ユニット10に相当)とショーケース(ショーケース40に相当)をそのまま利用して、過冷却給湯装置30と貯湯装置50を新規に追加設置し、既設の冷媒往き管(高圧冷媒管)の一部を切断し、過冷却給湯装置30の冷媒配管接続口に接続することにより、本発明の冷凍装置を構成することができる。
次に、第1の実施形態に係る冷凍装置の動作について説明する。
第一の冷凍サイクル回路91において、低温の冷媒蒸気が第一圧縮機1に吸入され高温高圧の冷媒蒸気となり吐出される。この冷媒は、第一放熱器2に流入し、大気と熱交換を行い冷却される。本実施形態では第一の冷凍サイクルの冷媒としてR404Aを用いているので、第一放熱器2において冷却された冷媒は、凝縮して高圧低温の液冷媒となる。
第一放熱器2で冷却された冷媒は、過冷却器5の第一の冷凍サイクル回路側流路5aへと流れ込み、そこで、第二の冷凍サイクル回路側流路5bを流れる第二の冷凍サイクルの冷媒の蒸発作用により過冷却される。このことにより冷媒の比エンタルピが更に小さくなり、過冷却器5で過冷却されない場合に比して、冷凍効果が大きくなる。
過冷却器5から流出した高圧低温の液冷媒は、内部熱交換器6の高圧側流路を流れ、そこで低圧側流路を流れる低圧低温の冷媒と熱交換を行い冷却される。内部熱交換器6により、高圧冷媒が冷やされるので冷媒往き管22内部でのフラッシュガス発生防止になり、低圧冷媒が加熱されるので第一圧縮機1の湿り圧縮を防止する効果がある。また、内部熱交換器6の採用により、蒸発器4の内部に熱伝達率が高い二相領域を多く確保できるので、蒸発器4の伝熱性能が向上し、サイクル性能を向上させることができる。
内部熱交換器6の高圧側流路から流出した冷媒は、冷媒往き配管22を流通し、ストレーナ9を通過した後、膨張弁3により絞り膨張(等エンタルピ膨張)し、蒸発器4へと流れる。蒸発器4に流入する冷媒は、低圧の気液二相状態である。蒸発器4において、冷媒は、ファン4fによって供給された被冷却空気と熱交換を行い、空気を冷やし、液相部分が蒸発する。蒸発器4の出口において、冷媒は、僅かに過熱された蒸気となる。蒸発器4への冷媒の供給は、制御装置97によって、膨張弁3の開度を制御することにより調整されており、前述のごとく、蒸発器4の出口において僅かに過熱状態となるように制御されている。
蒸発器4から流れ出た冷媒は、冷媒戻り管23を通り、内部熱交換器6の低圧側流路に流れ込み、そこで高圧側流路を流れる高圧液冷媒と熱交換を行い、過熱される。そして、冷媒は、アキュームレータ8を通過し、そこで確実に気液分離された後、第一圧縮機1の吸入口へと流れ、圧縮される。以上説明の通り第一の冷凍サイクルが連続的に動作し、蒸発器4において冷凍能力が発揮される。そして、蒸発器4で冷却された空気が保冷スペースを循環し、食品等被冷却物の冷凍、冷蔵が行われる。
尚、第一圧縮機1の運転は、冷凍ユニット10に内蔵された制御装置95により制御されている。具体的には、吸入冷媒配管19に設けられた吸入圧力センサP1により検出された低圧冷媒の圧力が所定の圧力範囲になるように第一圧縮機1の回転数制御及び発停制御を行っている。ショーケース40に設けられた制御装置97との通信によって被冷却空間の保冷設定温度を読み取り、好適な冷凍サイクルとなるように、前記所定の圧力範囲を定めている。これにより、冷却負荷に対応した高効率な冷却が行われる。
第二の冷凍サイクル回路92においては、低温の冷媒蒸気が第二圧縮機31に吸入され高温高圧に圧縮される。第二の冷凍サイクルでは、冷媒として二酸化炭素を用いているので、圧縮器31から吐出される冷媒の圧力は臨界圧力を超えている。第二圧縮機31で圧縮された冷媒は、第二放熱器32の冷媒流路32aへと流れ、そこで水流路32bを流れる給湯水と熱交換を行い冷却される。第二放熱器32において冷媒は、超臨界状態であるので凝縮せず、水との熱交換により冷却されるに従ってその温度が低下する。前述のごとく、第二放熱器32の冷媒流路32aと水流路32bは、各々の流れが対向するように構成されているので、熱交換に伴う温度勾配をもつ超臨界冷媒と、水との効率的な熱交換が可能となる。そして、本発明の冷凍サイクルは、遷臨界サイクルとなる二酸化炭素冷媒を用いているので、高圧側熱交換器内において一定温度の下で凝縮するフルオロカーボン系冷媒を用いる場合に比べて、高温の湯を高効率に沸かすことが可能であるという点で有利である。
第二放熱器32で冷却された高圧超臨界冷媒は、膨張弁33によって絞られ、等エンタルピ膨張した後、過冷却器5の第二の冷凍サイクル回路側流路5bに流入する。過冷却器5に流入する冷媒は気液二相状態である。過冷却器5において、第二の冷凍サイクル回路92の冷媒は、第一の冷凍サイクル回路側流路5aを流れる第一の冷凍サイクルの冷媒と熱交換を行い、液相部分が蒸発する。第一の冷凍サイクルの冷媒は、第二の冷凍サイクルの冷媒の蒸発作用により過冷却されることとなる。
過冷却器5の第二の冷凍サイクル回路側流路5bを流出した低温蒸気冷媒は、アキュームレータ38に流入し、そこで確実に気液分離された後、第二圧縮機31の吸入口へと流れ込み再び圧縮される。以上説明の動作が連続して行われ、第二の冷凍サイクルによる第一の冷凍サイクルの過冷却と、その廃熱を用いた給湯水の加熱が可能となる。
尚、過冷却給湯装置30に設けられた制御装置96により、第二圧縮機31の回転数及び膨張弁33の開度が制御されている。第二圧縮機31の回転数は、過冷却器5の第一の冷凍サイクル回路側出口に設けられた過冷却温度センサT4により検出された過冷却後の第一の冷凍サイクルの冷媒温度が所定の値になるように調整される。これにより冷却負荷に対応した適切な過冷却度を実現でき、高効率な冷却運転が可能となる。また、過冷却給湯装置30の制御装置96は、冷凍ユニット10に設けられた制御装置95と通信を行い、第一の冷凍サイクル回路91の第一圧縮機1の発停に連動して、第二圧縮機31の発停を制御している。これにより第一の冷凍サイクル回路91の第一圧縮機1が停止した場合の不必要な過冷却運転を防止できる。
膨張弁33の開度は、吐出配管35に設けられた吐出冷媒温度センサT3で検出した吐出冷媒温度が所定の値になるように調整される。これにより所定の温度に湯を沸き上げるための好適なサイクル条件を維持することができ、高効率な過冷却と給湯を行うことができる。
給湯回路93においては、給湯タンク51の下部より取り出された冷たい水が、低温配管59を流通し、三方弁53を通過し、循環ポンプ52により押出されて、第二放熱器32の水流路32bへと流れ込む。前述のごとく、第二放熱器32において、当該水は、第二の冷凍サイクルの高温高圧冷媒と熱交換をして加熱される。そして、高温に加熱された給湯水は、高温配管60を流通し、給湯タンク51の上部よりタンク内部に流入する。
沸き上げられる湯の温度は、予め定められた所定の温度となるように、貯湯装置50の制御装置98により調整されている。具体的には、高温配管60に取り付けられた温度センサT8により検出した第二放熱器32b出口水温が所定の値になるように、循環ポンプ52の回転数を変更して、循環する給湯水の流量をコントロールしている。尚、循環水流量を調整する方法として、循環ポンプ52の回転数を制御する方法に代えて、別途設けられた流量調整弁による流量調整を行うことも可能である。
以上説明のごとく、本発明の冷凍装置によれば、過冷却器50において第二の冷凍サイクル回路92の冷媒の蒸発作用により第一の冷凍サイクル回路91の冷媒を過冷却するので、第一の冷凍サイクルの冷凍効果が増大し、冷凍能力が増加する。そして、第一の冷凍サイクルより蒸発温度(蒸発圧力)が高い第二の冷凍サイクルにより前記過冷却相当分の冷凍を行えるので、冷凍装置の冷却効率が向上する。そして更に、第二放熱器32において第二の冷凍サイクル回路92の冷媒の放熱作用により給湯水を加温するので、前述の過冷却相当分、即ち冷凍能力増大分、の冷却を行った廃熱を有効に利用して給湯を行うことができる。
また、本実施例に係る冷凍装置では、冷凍機器をユニット化して、冷凍ユニット10と、ショーケース40と、過冷却給湯装置30と、貯湯装置50と、からなる構成としたので、各構成装置を必要数組み合わせることにより、冷却負荷と給湯負荷に適合し、冷却性能が優れ、且つ冷却廃熱を利用した給湯を行うことができる省エネルギーな冷凍装置を容易に構築することができる。また更に、既設の冷凍装置を利用して、エネルギー消費の削減が可能な高効率冷凍装置を容易に構築することができる。即ち、既設のショーケース(ショーケース40に相当)と冷凍機(冷凍ユニット10に相当)に、過冷却給湯装置30と貯湯装置50を追加設置することにより、既設設備の冷凍能力と冷凍効率を向上させ、且つ冷却廃熱を有効に利用した給湯が可能になる。
次に、本発明の他の実施形態である第2の実施形態に係る冷凍装置について、図面に基づき詳細に説明する。
図2は、本発明の第2の実施形態に係る冷凍装置の概略構成図である。図2において、第1の実施形態に係る冷凍装置と同一若しくは同様の作用、効果を奏する構成要素については、同じ番号を付している。第2の実施形態に係る冷凍装置は、第二の冷凍サイクル回路192に、冷媒から大気へと熱を放出するための手段を設けている。この点が、前述の第1の実施形態に係る冷凍装置との相違点である。第一の冷凍サイクル回路91及び給湯回路93、並びに、これらを構成する機器を収納した冷凍ユニット10、ショーケース40及び貯湯装置50は、既に説明した第1の実施形態に係る冷凍装置と同一の構成で同一の作用、効果を奏するので、その説明を省略し、第1の実施形態との相違点についてのみ詳細に説明する。
第2の実施形態に係る第二の冷凍サイクル回路192は、第二圧縮機131、切替弁74、第二放熱器32の冷媒流路32a、第二減圧器としての膨張弁33、過冷却器5の第二の冷凍サイクル回路側流路5b、内部熱交換器64の低圧側流路、及びアキュームレータ38を順番に冷媒が流通して第二圧縮機131の一段目圧縮要素吸入口へ戻る閉回路を備える。この閉回路(以下、給湯サイクル回路と言う)により構成される冷凍サイクル(以下、給湯サイクルと言う)により、第一の冷凍サイクルの過冷却を行い、同時にその廃熱を利用した給湯を行うことができる。
これに加えて、本実施形態に係る第二の冷凍サイクル回路192は、第二圧縮機131の中間圧力部、即ち一段目圧縮要素、から吐出された冷媒を流す配管36、切替弁76、中間冷却器67、切替弁77を順番に冷媒が流通して第二圧縮機131の二段目圧縮要素の吸入部へと戻る冷媒回路を備える。また更に、本実施形態に係る第二の冷凍サイクル回路192は、第二圧縮機131の吐出配管35に設けられた分岐部71から分岐して、切替弁73、第三放熱器62、内部熱交換器64の高圧側流路、第三減圧器としての膨張弁63、を順番に冷媒が流れ、配管34に設けられた合流点72へと至る冷媒回路を備える。
また、第二の冷凍サイクル回路192は、切替弁75を介して、第二圧縮機131の一段目吐出口の配管36と二段目吸入口の配管37を接続するバイパス配管を備えている。当該バイパス配管は、給湯サイクル回路を構成するときに、中間冷却器67をバイパスして冷媒を流通させるための配管である。
更に、第二の冷凍サイクル回路192は、切替弁78を介して、中間冷却器67の出口側配管と第二のガスクーラ出口側配管69とを接続する配管を備えている。当該接続配管は、給湯サイクル回路を構成する際に、切替弁76と切替弁77により封止された中間冷却器67部の空間と、第三放熱器62部分の空間とを接続するための配管である。これにより給湯サイクル運転時の中間冷却器67部の貯留冷媒量を調整することが可能となり、当該部分の異常高圧を防止できると共に、給湯サイクル内の循環冷媒量を好適に維持してサイクル性能を向上させることができる。尚、当該接続配管の接続箇所は、中間冷却器67の出口側配管を中間冷却器67の入口側配管とすることができ、配管69側を切替弁73から第二圧縮機131の一段目吸入口までの配管上の任意の箇所とすることができる。
以上説明の追加された冷媒回路により、給湯水の加温が必要でない場合に大気に放熱を行う冷凍サイクル回路(以下、大気放熱サイクル回路と言う。また、この回路により実現される冷凍サイクルを大気放熱サイクルと呼ぶ)を構成することができる。
大気放熱サイクル回路は、第二圧縮機131の一段目圧縮要素に吸入され圧縮された冷媒が、一段目吐出口から吐出され、中圧吐出配管36、切替弁76、中間冷却器67、切替弁77、中圧吸入配管37、第二圧縮機131の二段目吸入口へと順番に流れ、二段目圧縮要素で圧縮された後、高圧吐出配管35、分岐点71、切替弁73、第三放熱器62、内部熱交換器64の高圧側流路、膨張弁63、合流点72、過冷却器5の第二の冷凍サイクル回路側流路5b、内部熱交換器64の低圧側流路、アキュームレータ38、と順番に流れて第二圧縮機131の一段目吸入口へと戻るように構成される。尚、このとき、切替弁73、76及び77は開かれ、切替弁74、75及び78は閉じられている。
本実施形態に係る冷凍装置では、第1の実施形態に係る冷凍装置と同じく、第一の冷凍サイクル回路192の冷媒として二酸化炭素が封入されている。二酸化炭素冷媒を用いた冷凍サイクルでは、高圧側が冷媒の臨界圧力を超える遷臨界サイクルとなるので、水を高温度に且つ高効率に加熱できるいう利点を有する。尚、その他の冷媒を採用することも可能である。
第二圧縮機131は、第1の実施形態と同様に、ロータリー式の二段圧縮式である。相違点は、一段目圧縮要素で圧縮した後の冷媒を吐出する一段目吐出口と、二段目圧縮要素の吸入口を設けた点である。これにより中間冷却器67を接続することが可能となり、その結果、冷却効率を向上させることができる。尚、中間冷却器67は必須の構成要素ではないので、中間冷却器67を設けないことも可能である。その場合、第二圧縮機131は、一段目吐出口を備えない第1の実施形態と同様の第二圧縮機31や、スクロール式やロータリー式一段圧縮方式等、その他の形式の圧縮機を採用することも可能である。
また、第二圧縮機131は、第1の実施形態と同様に、インバータにより駆動されており、運転回転数を変更することが可能である。これにより冷凍負荷に応じて過冷却能力及び給湯能力を変更することができ、高効率な能力制御が可能となる。
中間冷却器67は、第二圧縮機131の一段目圧縮要素から吐出された冷媒と大気との間で熱交換を行い、冷媒を冷却するための熱交換器である。これにより第二圧縮機131の圧縮動力を低減し、冷却効率を向上させることができる。中間冷却器67は、フィンアンドチューブ式の熱交換器であり、冷媒と熱交換を行う空気を供給するためのファンは、後述する第三放熱器62のファン62fを利用している。また、中間冷却器67は、第三放熱器62と冷却フィンを共有し、一体的に構成されている。
第三放熱器62は、第二圧縮機131の二段目圧縮要素から吐出された冷媒と大気との間で熱交換を行い、冷媒を冷却するための熱交換器である。第三放熱器62は、フィンアンドチューブ式の熱交換器であり、冷媒と熱交換を行う空気を供給するためのファン62fを備えている。尚、中間冷却器67及び第三放熱器62の熱交換器の形式は、これに限定されるものではない。
また、中間冷却器67及び第三放熱器62は、過冷却給湯装置130に含めてユニット化しても良いし、過冷却給湯装置130とは別のユニットとして装置を構成しても良い。中間冷却器67及び第三放熱器62を過冷却給湯装置130とは別のユニットとして構成することにより、設置する施設の冷却負荷と給湯負荷に応じて必要数の熱交換器ユニットを選定して設置することができる。
内部熱交換器64は、第三放熱器62を出た高圧冷媒と、過冷却器5の第二の冷凍サイクル回路側流路5bから流出する低圧冷媒との間で熱交換を行い、高圧冷媒を冷却し低圧冷媒を加熱するための熱交換器である。内部熱交換器64は、高圧側流路と低圧側流路を備え、当該流路を流れる冷媒が熱交換可能に、且つ冷媒の流れ方向が対向するように構成されている。本実施形態に係る内部熱交換器64は、プレート式熱交換器を用いているが、その他の形式、例えば、二重管式やチューブ接触式等の種々の熱交換器を採用しうる。
第三減圧器としての膨張弁63は、高圧の冷媒を低圧の状態に絞り膨張させるためのものである。膨張弁63は、電動式膨張弁であり、吐出冷媒温度センサT3で検出された第二圧縮機131の吐出冷媒温度が所定の値になるように、制御装置96により、その開度が制御される。これにより、高効率に第一の冷凍サイクルの過冷却を行うことが可能となる。尚、膨張弁63として、温度式膨張弁や定圧膨張弁、キャピラリーチューブ等、その他の形式の絞り装置を採用することもできる。
尚、本実施形態に係る第二の冷凍サイクル回路192を構成する第二放熱器32、膨張弁33、過冷却器5及びアキュームレータ38は第1の実施形態に係る冷凍装置と同一であるので、詳細な説明を省略する。
次に、第2の実施形態に係る冷凍装置の動作について説明する。
本実施形態に係る冷凍装置は、給湯水の沸き上げが必要であるか否かの判別をして、第二の冷凍サイクル回路192の冷媒流路を切り替えている。給湯水の沸き上げが必要であるか否かの判断は、貯湯装置50の制御装置98によって、給湯タンク51に設けられた温度センサT9で検出された給湯タンク51内の湯温度から給湯タンク51内の湯量を求めることにより行われる。即ち、制御装置98は、給湯タンク51内の湯量が所定の湯量より少ない場合は給湯水の加温が必要であると判別し、所定の湯量より多い場合は加温が不要であると判断する。所定の湯量は、予め定めておくことも可能であるし、使用湯量を計測して制御装置98の学習機能により設定することも可能である。
給湯水の沸き上げが必要な場合、第二の冷凍サイクル回路192は、給湯サイクル回路を構成し、第一の冷凍サイクルの過冷却を行うと共に、給湯水の加温を行う。他方、給湯水の沸き上げが不要の場合、第二の冷凍サイクル回路192は、大気放熱サイクル回路を構成し、大気を放熱源として、第一の冷凍サイクルの過冷却を行う。
給湯を行う給湯サイクル回路を構成するには、切替弁73、76及び77を閉じて、切替弁74、75、78及び膨張弁63を開く。これにより、第二圧縮機131、切替弁74、第二放熱器32の冷媒流路32a、第二減圧器としての膨張弁33、過冷却器5の第二の冷凍サイクル回路側流路5b、内部熱交換器64の低圧側流路、及びアキュームレータ38を順番に冷媒が流通して第二圧縮機131の一段目圧縮要素吸入口へ戻る給湯サイクル回路が構成される。尚、切替弁の切替動作は、過冷却給湯装置130の制御装置96によって行われ、その制御装置96は、切替弁の操作を行うにあたり、貯湯装置50の制御装置98から通信により給湯沸き上げの要否の信号を受け取る。
また、給湯サイクルで使用しない第三放熱器62と中間冷却器67部の空間は低圧側回路に接続されることになる。ここで、切替弁73と膨張弁63を適宜開閉することで、当該空間内に貯留される冷媒量を調節することが可能であり、その結果、サイクル内を循環する冷媒量を適切に維持しサイクル性能を向上させるここができる。
給湯水を加温を行いつつ、第一の冷凍サイクルの過冷却を行う給湯サイクルの動作については、既に説明した第1の実施形態に係る冷凍装置を同じであり、作用、効果も同様であるので、詳細な説明は省略する。尚、本実施形態では、内部熱交換器64を備えているが、給湯サイクル回路では、内部熱交換器64の高圧側流路内の冷媒は流れていないので、ここで冷媒間の熱交換は行われない。よって、冷凍サイクルの効果としては、内部熱交換器64は、ないものとして考えることができる。
大気に対して放熱を行う大気放熱サイクル回路を構成するには、切替弁73、76、77及び膨張弁33を開いて、切替弁74、75及び78を閉じる。これにより、第二圧縮機131の一段目圧縮要素に吸入され圧縮された冷媒が、一段目吐出口から吐出され、中圧吐出配管36、切替弁76、中間冷却器67、切替弁77、中圧吸入配管37、第二圧縮機131の二段目吸入口へと順番に流れ、二段目圧縮要素で圧縮された後、高圧吐出配管35、分岐点71、切替弁73、第三放熱器62、内部熱交換器64の高圧側流路、膨張弁63、合流点72、過冷却器5の第二の冷凍サイクル回路側流路5b、内部熱交換器64の低圧側流路、アキュームレータ38、と順番に流れて第二圧縮機131の一段目吸入口へと戻る大気放熱サイクル回路が形成される。尚、前述の通り、切替弁の切替動作は、貯湯装置50の制御装置98からの給湯要否信号に基づき、過冷却給湯装置130の制御装置96によって行われる。
また、大気放熱サイクルで使用しない第二放熱器32の冷媒流路32a部の空間は低圧側回路に接続されることになる。ここで、切替弁74と膨張弁33を適宜開閉することで、当該空間内に貯留される冷媒量を調節することが可能であり、その結果、サイクル内を循環する冷媒量を適切に維持しサイクル性能を向上させるここができる。
大気放熱サイクルでは、低温低圧の冷媒蒸気が、第二圧縮機131の一段目吸入口から吸入され、第二圧縮機131の一段目圧縮要素で圧縮され高温中圧となった後、一段目吐出配管36へ吐出される。その冷媒は、切替弁76を通過して、中間冷却器67に入り、中間冷却器67で大気と熱交換を行い冷却される。中間冷却器67において中間圧力の冷媒が冷却されることにより、第二圧縮機131からの吐出冷媒温度を低く抑えることができると共に、圧縮機の圧縮動力が低減され、サイクル効率が向上する。
中間冷却器67で冷却された冷媒は、切替弁77を通過し、第二圧縮機131の二段目吸入口から吸入される。第二圧縮機131の二段目圧縮要素により、冷媒は、高温高圧の状態に圧縮され、配管35へと吐出される。第二の冷凍サイクル回路192の冷媒として二酸化炭素を用いているので、この状態での冷媒の圧力は臨界圧力を超える場合がある。その後、冷媒は、切替弁73を通過して第三放熱器62に流入し、大気と熱交換を行い冷却される。第三放熱器62において冷却された冷媒は高圧低温の冷媒となる。尚、当該熱交換器内での冷媒圧力が臨界圧力を超えている場合には、冷媒は凝縮せず、冷却されるに従って温度が低下する。
第三放熱器62で冷却された冷媒は、内部熱交換器64の高圧側流路を流れ、そこで低圧側流路を流れる低圧低温の冷媒と熱交換を行い冷却される。内部熱交換器64により低圧冷媒が加熱されるので、第二圧縮機131の湿り圧縮による不具合を防止することができる。また、内部熱交換器64を採用することにより、高圧冷媒が冷やされ、過冷却器5の第二の冷凍サイクル回路側流路5bの入口における冷媒の比エンタルピが小さくなり、当該熱交換器流路5b出口における冷媒の過熱度を小さくできる。その結果、蒸発器として作用する過冷却器5の第二の冷凍サイクル回路側流路5b内部に熱伝達率が高い気液二相領域を多く確保できるので、過冷却器5の伝熱性能が向上し、サイクル性能を向上させることができる。
内部熱交換器64の高圧側流路から流出した冷媒は、膨張弁63により絞り膨張(等エンタルピ膨張)し、過冷却器5の第二の冷凍サイクル回路側流路5bへと流れる。過冷却器5に流入する冷媒は、低圧の気液二相状態である。過冷却器5の第二の冷凍サイクル回路側流路5bにおいて、冷媒は、第一の冷凍サイクル回路側流路5aを流れる第一の冷凍サイクルの冷媒と熱交換を行い、第一の冷凍サイクルの冷媒を冷やし、液相部分が蒸発する。第一の冷凍サイクルの冷媒は、第二の冷凍サイクルの冷媒の蒸発作用により過冷却されることとなる。
過冷却器5の第二の冷凍サイクル回路側流路5bを流出した低圧低温の蒸気冷媒は、内部熱交換器64の低圧側流路を流れ、そこで高圧側流路を流れる高圧低温の冷媒と熱交換を行い加熱される。そして、その冷媒は、アキュームレータ38に流入し、そこで確実に気液分離された後、第二圧縮機131の一段目吸入口へと流れ込み再び圧縮される。以上説明の動作が連続して行われ、大気を熱源とした、第二の冷凍サイクルによる第一の冷凍サイクルの過冷却が可能となる。
尚、過冷却給湯装置130に設けられた制御装置96により、第二圧縮機131の回転数及び膨張弁63の開度が制御されている。第二圧縮機131の回転数は、過冷却器5の第一の冷凍サイクル回路側出口に設けられた過冷却温度センサT4により検出された過冷却後の第一の冷凍サイクルの冷媒温度が所定の値になるように調整される。これにより冷却負荷に対応した適切な過冷却度を実現でき、高効率な冷却運転が可能となる。また、過冷却給湯装置130の制御装置96は、冷凍ユニット10に設けられた制御装置95と通信を行い、第一の冷凍サイクル回路91の第一圧縮機1の発停に連動して、第二圧縮機131の発停を制御している。これにより第一の冷凍サイクル回路91の第一圧縮機1が停止した場合の不必要な過冷却運転を防止できる。
膨張弁63の開度は、吐出配管35に設けられた吐出冷媒温度センサT3で検出した吐出冷媒温度が所定の値になるように調整される。これにより遷臨界冷凍サイクルにおける好適な高圧側圧力を維持することが可能となり、高効率な過冷却を行うことができる。
以上説明のごとく、本発明の冷凍装置によれば、第二の冷凍サイクル回路192に、第二放熱器32と並列に配置される第三放熱器62を備え、第三放熱器62で冷媒から大気への放熱を行うことができるので、給湯水を加熱することなく第二の冷凍サイクル回路192により第一の冷凍サイクル回路91の過冷却を行うこうとができる。これにより、給湯タンク51の残湯量が十分である状態、即ち給湯水の沸き上げが必要ない状態、であっても、第一の冷凍サイクルより蒸発温度が高く冷却効率が高い第二の冷凍サイクルにより、第一の冷凍サイクルの過冷却を行って冷凍能力と冷却効率を向上させることができる。
次に、本発明の他の実施形態である第3の実施形態に係る冷凍装置について、図面に基づき詳細に説明する。
図3は、本発明の第3の実施形態に係る冷凍装置の概略構成図である。図3において、第1の実施形態に係る冷凍装置と同一若しくは同様の作用、効果を奏する構成要素については、同じ番号を付している。第3の実施形態に係る冷凍装置は、給湯回路193に、給湯水から大気へと熱を放出するための手段を設けている。この点が、前述の第1の実施形態に係る冷凍装置との相違点である。本実施形態に係る冷凍装置では、前記第2の実施形態に係る冷凍装置とは別の手段により、大気を熱源とした過冷却運転(大気放熱運転)を行うことができる。第一の冷凍サイクル回路91及び第二の冷凍サイクル回路92、並びに、これらを構成する機器を収納した冷凍ユニット10、過冷却給湯装置30、ショーケース40及び貯湯装置50は、既に説明した第1の実施形態に係る冷凍装置と同一の構成で同一の作用、効果を奏するので、その説明を省略し、第1の実施形態との相違点についてのみ詳細に説明する。
第3の実施形態に係る冷凍装置では、給湯回路193に水放熱器85を備えることが特徴である。水放熱器85は、第二放熱器32へ供給される給湯水と大気との間で熱交換を行い、給湯水を冷却するための熱交換器で、循環ポンプ52と第二放熱器32の水流路32bとをつなぐ水配管に設けられている。水放熱器85は、フィンアンドチューブ式の熱交換器であり、水と熱交換を行う空気を供給するためのファン85fを備えている。尚、熱交換器の形式はこれに限定されるものではない。
水放熱器85を備えることにより、給湯回路193は、給湯タンク51の下から取り出された給湯水が三方弁53、循環ポンプ52、水放熱器85、第二放熱器32の水流路32b、配管60を順番に流通して給湯タンク51の上部へ戻る閉回路(以下、給湯用回路という)を形成する。また、三方弁53を切り替えることにより、給湯回路193は、 循環ポンプ52で押出された給湯水が、水放熱器85、第二放熱器32の水流路32b、バイパス配管及び三方弁53を順番に流通して循環ポンプ52へ戻る閉回路(大気放熱用回路)を形成する。
水放熱器85は、冷凍ユニット10、過冷却給湯装置30、ショーケース40及び貯湯装置50とは別のユニットとして装置を構成することができる。このことにより、設置する施設の冷却負荷と給湯負荷に応じて必要数の熱交換器ユニットを設置することができる。
次に、第3の実施形態に係る冷凍装置の動作について説明する。
本実施形態に係る冷凍装置は、第2の実施形態に係る冷凍装置と同様の方法により、給湯水の沸き上げが必要であるか否かの判別する。そして、三方弁53を切り替えて、給湯水の加温が必要である場合は前記の給湯用回路を構成し、給湯水の沸き上げが必要でない場合は前記の大気放熱用回路を構成する。そして更に、給湯水の加温が必要な場合は、水放熱器85のファン85fを停止し、給湯水の加温が不要で、且つ第一の冷凍サイクルの過冷却が必要な場合は、ファン85fを運転する。尚、これらの制御は、過冷却給湯装置30の制御装置96及び貯湯装置50の制御装置98によって行われる。
給湯水の沸き上げが必要な場合、前述の通り、ファン85fが停止しているので、水放熱器85で給湯水と外気との熱交換は行われない。そして、給湯回路193は給湯用回路を形成しているので、第二放熱器32において第二の冷凍サイクルの回路92の冷媒によって加温された給湯水が給湯タンク51に貯えられる給湯運転が行われることになる。この場合の冷凍装置の動作は、既に説明した第1の実施形態に係る冷凍装置と同一である。
給湯水の加熱が不要で、且つ第一の冷凍サイクルの過冷却が必要な場合は、前述の通り、大気放熱用回路を形成し、ファン85fが運転される。これにより第二放熱器32において冷媒から熱を奪い高温となった給湯水は、給湯タンク51へは戻らずに、三方弁53、循環ポンプ52を流れて水放熱器85へと流れ込む。そして、水放熱器85において、高温の給湯水は、ファン85fにより供給された外気と熱交換を行い冷却される。水放熱器85において冷却され低温となった給湯水は、第二放熱器32の水流路32bへと流れ込み、そこで冷媒流路32aを流れる第二の冷凍サイクルの冷媒と熱交換を行い、第二の冷凍サイクルの冷媒を冷却することができる。
大気放熱運転を行う場合、第二放熱器32で沸き上げられる給湯水の温度(温度センサT8で検出)は、給湯が必要な場合に比べて低い温度で良い。また、第二の冷凍サイクル回路92の圧縮機吐出冷媒温度(温度センサT3で検出)も低く設定することができる。これにより第二の冷凍サイクルの過冷却効率を向上させることができる。
尚、給湯水の沸き上げが不要である場合に三方弁53を切り替えて大気放熱用回路とする前述の方法を採用する場合には、水放熱器85を第二放熱器32の出口側の高温配管60に設けることも可能である。
また、より簡便な方法として、大気放熱運転時においても三方弁53の切り替えを行わずに、給湯用回路と同一の回路構成とすることもできる。給湯タンク51が湯で満たされ、低温配管59から高温の湯が流れ出す状態になったら、水放熱器85のファン85fを運転すれば良い。ファン85fの発停の判断は、前述の通り、給湯タンク51に設けられた温度センサT9により検出される温度を基に行っても良いし、別途水放熱器85の入口側配管に設置した温度センサ(図示せず)により検出される温度を基に行っても良い。尚、このような方法により大気放熱運転を行う場合には、温度センサT8で検出される第二放熱器32出口の湯温が給湯のための所定の温度になるように給湯水の循環量を制御する必要があり、第二の冷凍サイクル回路92の圧縮機吐出冷媒温度も、給湯運転を行う場合と同様に、高温度に設定する必要がある。
以上説明の通り、本発明に係る冷凍装置は、第二の冷凍サイクル回路92の第二放熱器32と給湯タンク51の間の水配管に接続配置される水放熱器85を更に設け、当該水放熱器85で給湯水から大気への放熱を行うことができるので、湯を増加させることなく第二の冷凍サイクル回路92により第一の冷凍サイクル回路91の過冷却を行うこうとができる。これにより、給湯タンク51が湯で満たされた状態、即ち給湯が必要ない状態、であっても、第一の冷凍サイクルより蒸発温度が高く冷却効率が高い第二の冷凍サイクルにより、第一の冷凍サイクルの過冷却を行って冷凍能力と冷却効率を向上させることができる。
次に、本発明の他の実施形態である第4の実施形態に係る冷凍装置について、図面に基づき詳細に説明する。
図4は、本発明の第4の実施形態に係る冷凍装置の概略構成図である。図4において、第1乃至第3の実施形態に係る冷凍装置と同一若しくは同様の作用、効果を奏する構成要素については、同じ番号を付している。第4の実施形態に係る冷凍装置は、第一の冷凍サイクル回路191に中間冷却器7と補助熱交換器14を備えている。この点が、前述の第1乃至第3の実施形態に係る冷凍装置との相違点である。本実施形態に係る冷凍装置は、第一の冷凍サイクルの冷却効率を更に向上させることが可能であり、特に高圧サイドにおいて冷媒の圧力が臨界圧力を超える遷臨界サイクルにおいて効果が大きい。第二の冷凍サイクル回路92若しくは192、給湯回路93若しくは193、並びに、これらを構成する機器を収納した過冷却給湯装置30若しくは130、ショーケース40及び貯湯装置50は、既に説明した第1乃至第3の実施形態に係る冷凍装置と同一の構成で同一の作用、効果を奏するので、その説明を省略し、第1乃至第3の実施形態との相違点についてのみ詳細に説明する。
第4の実施形態に係る第一の冷凍サイクル回路191は、第一圧縮機101の中間圧力部、即ち一段目圧縮要素、から吐出された冷媒を流す配管16、中間冷却器7及び配管17を順番に冷媒が流通して第一圧縮機101の二段目圧縮要素の吸入部へと戻る冷媒回路を備える。
また更に、本実施形態に係る第一の冷凍サイクル回路191は、補助冷媒回路として、第一放熱器2の出口側配管21に設けられた分岐部81から分岐して、配管21b、補助絞り手段としての補助膨張弁13、補助熱交換器14の補助回路側流路14b及び配管17bを順番に冷媒が流れ、配管17に設けられた合流点82へと至る冷媒回路を備える。前記補助熱交換器14の主回路側流路14aは、第一放熱器2の出口側配管に設けられた分岐点81の下流側配管21aに設けられている。
以上説明の追加された冷媒回路により、本実施形態に係る冷凍装置の第一の冷凍サイクル回路191は、主冷媒回路として、第一圧縮機101の一段目圧縮要素に吸入され圧縮された冷媒が、一段目吐出口から吐出され、中圧吐出配管16、中間冷却器7、配管17、第一圧縮機101の二段目吸入口へと順番に流れ、二段目圧縮要素で圧縮された後、高圧吐出配管15、第一放熱器2、分岐点81、配管21a、補助熱交換器14の主回路側流路14a、過冷却器5の第一の冷凍サイクル回路側流路5a、内部熱交換器6の高圧側流路、ストレーナ9、第一減圧器としての膨張弁3、蒸発器4、内部熱交換器6の低圧側流路、及びアキュームレータ8を順番に流通し、第一圧縮機101の一段目吸入口へと戻るように冷媒回路が構成されると共に、補助冷媒回路として、分岐点81で分岐した冷媒が、配管21b、補助絞り手段としての補助膨張弁13、補助熱交換器14の補助回路側流路14b及び配管17bを順番に流れ、合流点82へと至る冷媒回路を構成する。
本実施形態に係る第一冷凍サイクルの冷媒としては、二酸化炭素(R744)を採用しているが、その他の冷媒、例えばR404AやR407C、R134a等のフルオロカーボン系冷媒やアンモニア(R717)等の自然冷媒を採用しうる。冷凍サイクルの高圧側で臨界圧力を超えることがある二酸化炭素冷媒では、外気温度の上昇により冷凍能力及び冷凍効率が著しく低下するので、本実施形態による冷却性能改善の効果が大きい。
第一圧縮機101は、第1の実施形態と同様に、ロータリー式の二段圧縮式である。相違点は、一段目圧縮要素で圧縮した後の冷媒を吐出する一段目吐出口と、二段目圧縮要素の吸入口を設けた点である。これにより中間冷却器7を接続することが可能となり、その結果、冷却効率を向上させることができる。尚、中間冷却器7は必須の構成要素ではないので、中間冷却器7を設けないことも可能である。その場合、第一圧縮機101は、一段目吐出口を備えない第1の実施形態と同様の第一圧縮機1や、スクロール式やロータリー式一段圧縮方式等、その他の形式の圧縮機を採用することも可能である。
また、第一圧縮機101は、第1の実施形態と同様に、インバータにより駆動されており、運転回転数を変更することが可能である。これにより冷凍負荷に応じて冷却能力を変更することができ、高効率な能力制御が可能となる。また、第一圧縮機101の二段目吐出配管15には、第一圧縮機101から吐出される冷媒の温度を検出するための吐出冷媒温度センサT2が設けられている。
中間冷却器7は、第一圧縮機101の一段目圧縮要素から吐出された冷媒と大気との間で熱交換を行い、冷媒を冷却するための熱交換器である。これにより第一圧縮機101の圧縮動力を低減し、冷却効率を向上させることができる。中間冷却器7は、フィンアンドチューブ式の熱交換器であり、冷媒と熱交換を行う空気を供給するためのファンは、第一放熱器2のファン2fを利用している。また、中間冷却器7は、第一放熱器2と冷却フィンを共有し、一体的に構成されている。
補助絞り手段としての膨張弁13は、高圧の冷媒を中間圧力の状態に絞り膨張させるためのものである。膨張弁13は、電動式膨張弁であり、吐出冷媒温度センサT2で検出された第一圧縮機101の吐出冷媒温度が所定の値になるように、制御装置95により、その開度が制御される。これにより、補助冷媒回路の冷媒流量が好適に調整され、高効率な冷却を行うことが可能となる。尚、膨張弁13として、温度式膨張弁や定圧膨張弁、キャピラリーチューブ等、その他の形式の絞り装置を採用することもできる。また、吐出冷媒温度センサT2で検出された冷媒温度の代わりに、別途設けられた温度センサにより検出された、補助熱交換器14の主回路側流路14a出口の冷媒温度や、補助回路側流路14bの入口、補助回路側流路14bの出口、第一圧縮機101の二段目吸入口冷媒温度、又は第一圧縮機101の中間圧力(配管16、17、17b部等の圧力)等を基準に、補助膨張弁13の開度を制御することもできる。
補助熱交換器14は、第一放熱器2を出て過冷却器5へと流入する主回路側の冷媒と、分岐点81で分岐した後補助膨張弁13で減圧された補助回路側冷媒との間で熱交換を行い、主回路側冷媒を冷却し補助回路側冷媒を加熱するための熱交換器である。補助熱交換器14は、主回路側流路14aと補助回路側流路14bを備え、当該流路を流れる冷媒が熱交換可能に、且つ冷媒の流れ方向が対向するように構成されている。本実施形態に係る補助熱交換器14は、プレート式熱交換器を用いているが、その他の形式、例えば、二重管式やチューブ接触式等の種々の熱交換器を採用しうる。
尚、本実施形態に係る第一の冷凍サイクル回路191を構成する第一放熱器2、過冷却器5、内部熱交換器6、ストレーナ9、第一減圧器としての膨張弁3、蒸発器4及びアキュームレータ8は第1の実施形態に係る冷凍装置と同一であるので、詳細な説明を省略する。
次に、第4の実施形態に係る冷凍装置の動作を説明する。
図5は、本発明に係る冷凍装置の冷凍サイクルを示す圧力−比エンタルピ線図である。図において、符号1Cが第一の冷凍サイクル、2Cが第二の冷凍冷凍サイクルである。第一の冷凍サイクル回路191では、図5において状態aで示される低温の冷媒蒸気が第一圧縮機101の一段目吸入口から吸入され、一段目圧縮要素により圧縮され、高温中圧の冷媒蒸気となって吐出される。この状態での冷媒は、図5において状態bで示される。この冷媒は、中間冷却器7に入り、そこで大気と熱交換を行い冷却され、温度が低下して状態cになる。このように中間冷却器7によって、第一圧縮機101の一段目圧縮要素から吐出される冷媒が冷却されるので、第一圧縮機101の二段目圧縮要素から吐出される冷媒の温度を低く抑えることが可能となり、圧縮機等の異常高温による不具合を防止できる。また、中間冷却器7を採用することにより、第一圧縮機101の圧縮動力を低減することができるので、冷却効率を向上させることができる。
中間冷却器7を出た状態cで示される冷媒は、合流点82において、補助回路側(配管17b側)から流れてきた状態nで示される低温の冷媒と合流する。合流後の冷媒は、状態dで示される。前記合流後の冷媒は、第一圧縮機101の二段目吸入口から吸入され、第一圧縮機101の二段目圧縮要素により圧縮され、高温高圧の冷媒(状態e)となって吐出される。本実施形態では第一の冷凍サイクルの冷媒として二酸化炭素を用いているので、第一圧縮機101から吐出される冷媒の圧力は、図5状態eのごとく、臨界圧力を超える場合がある。
第一圧縮機101から吐出された冷媒は、第一放熱器2に流入し、大気と熱交換を行い冷却される。図5で示されるように、第一放熱器2における冷媒の圧力が臨界圧力を超えている場合には、そこで冷却された冷媒は、凝縮せずに、冷却されるに従ってその温度が低下する。第一放熱器2によって冷却された冷媒は、状態fで示される。
第一放熱器2を出た冷媒は、分岐点81で分岐される。分岐点81を通過した後の主回路側冷媒は、配管21aを流れ、補助熱交換器14の主回路側流路14aへと流れる。他方、分岐点81で分岐した補助回路側冷媒は、配管21bを流れ、補助膨張弁13を通過することによって絞り膨張(等エンタルピ膨張)して、圧縮機器101の一段目吸入圧力より高く二段目吐出圧力より低い中間圧力まで減圧される。補助膨張弁13で減圧された後の冷媒は、状態mで表わされ、臨界圧力以下である場合には、気液二相状態である。そして、補助膨張弁13で減圧された冷媒は、補助熱交換器14の補助回路側流路14bへと流れ込む。
補助熱交換器14において、主回路側流路14aを流れる冷媒と補助回路側流路14bを流れる冷媒は熱交換を行い、主回路側冷媒は冷やされ状態fから状態gに、補助回路側冷媒は加熱され状態mから状態nに、各々変化する。よって、交換熱量のバランスより、主回路側冷媒の流量に状態fと状態gとの比エンタルピ差を乗じた値と、補助回路側冷媒の流量に状態mと状態nとの比エンタルピ差を乗じた値は等しくなる。補助熱交換器14において主回路側冷媒が冷やされることにより、状態fと状態gとの比エンタルピ差に相当する分、蒸発器4における冷凍効果が増大することになる。
補助熱交換器14で熱交換を行った後の状態nの補助回路側冷媒は、前述の通り中間冷却器7で冷却された後の状態cの冷媒と分岐点82において合流して、状態dになる。そして、第一圧縮機101の二段目吸入口から吸入される。補助回路を流れる中間圧力の冷媒が圧縮行程の途中、即ち二段圧縮の二段目吸入部、に戻されるため、当該冷媒を一段目吸入部へ戻す場合に比べ、一段目圧縮要素の圧縮動力を低減することができる。その結果、冷凍サイクルの冷凍効率を向上させることができる。
他方、補助熱交換器14において冷却された状態gの主回路側冷媒は、過冷却器5の第一の冷凍サイクル回路側流路5aへと流れ込み、そこで、第二の冷凍サイクル回路側流路5bを流れる第二の冷凍サイクルの冷媒の蒸発作用により過冷却される。この状態の冷媒は、状態hである。このことにより冷媒の比エンタルピが更に小さくなり、過冷却器5で過冷却されない場合に比して、状態gと状態hとの比エンタルピ差に相当する分、冷凍効果が大きくなる。
過冷却器5から流出した高圧低温の状態hの液冷媒は、内部熱交換器6の高圧側流路を流れ、そこで低圧側流路を流れる低圧低温の冷媒と熱交換を行い冷却される。即ち、主回路高圧側の冷媒は状態hから状態iに変化し、主回路低圧側の冷媒は状態kから状態aに変化する。内部熱交換器6により、高圧冷媒が冷やされるので冷媒往き管22内部でのフラッシュガス発生防止になり、低圧冷媒が加熱されるので第一圧縮機101の湿り圧縮を防止する効果がある。また、内部熱交換器6の採用により、蒸発器4の内部に熱伝達率が高い二相領域を多く確保できるので、蒸発器4の伝熱性能が向上し、サイクル性能を向上させることができる。
内部熱交換器6の高圧側流路から流出した冷媒は、冷媒往き配管22を流通し、ストレーナ9を通過した後、膨張弁3により絞り膨張(等エンタルピ膨張)し、蒸発器4へと流れる。蒸発器4に流入する冷媒は、状態jで表わされ、低圧の気液二相状態である。蒸発器4において、冷媒は、ファン4fによって供給された被冷却空気と熱交換を行い、空気を冷やし、液相部分が蒸発する。蒸発器4の出口において、冷媒は僅かに過熱した蒸気であり、状態kで表わされる。
蒸発器4から流れ出た冷媒は、冷媒戻り管23を通り、内部熱交換器6の低圧側流路に流れ込み、そこで高圧側流路を流れる高圧冷媒と熱交換を行い、加熱される。この状態での冷媒は、状態aである。そして、冷媒は、アキュームレータ8を通過し、そこで確実に気液分離された後、第一圧縮機101の一段目吸入口へと流れ、圧縮される。以上説明の通り第一の冷凍サイクルが連続的に動作し、蒸発器4において冷凍能力が発揮される。そして、蒸発器4で冷却された空気が保冷スペースを循環し、食品等被冷却物の冷凍、冷蔵が行われる。
尚、第一圧縮機101の運転は、第1の実施形態に係る冷凍装置と同様に、冷凍ユニットに内蔵された制御装置95により、圧力センサP1で検出した低圧圧力を基準に制御されている。また、膨張弁3の制御についても、第1の実施形態に係る冷凍装置と同様に、ショーケース40の制御装置97による、蒸発器4の過熱度を基準とした制御である。
補助絞り手段としての補助膨張弁13の開度は、配管15に取り付けられた吐出冷媒温度センサT2で検出された第一圧縮機101から吐出される冷媒の温度が所定の値になるように、制御装置95によって、制御されている。即ち、吐出冷媒温度が所定の目標値より高ければ補助膨張弁13の開度を大きくし、吐出冷媒温度が所定の値より低ければ補助膨張弁13の開度を小さくする制御を行う。このことにより補助冷媒回路を流れる冷媒の流量が適切に維持され、高効率な冷却運転が可能となる。
ここで、補助膨張弁13の開度が大きいと、補助熱交換器14における交換熱量が大きくなり、補助熱交換機14で冷却された後の主回路冷媒の温度が低くなり、比エンタルピが小さくなる。即ち、状態gは、圧力−比エンタルピ線図上で左側にずれる。これとは逆に、補助膨張弁13の開度が小さいと、補助熱交換器14における交換熱量が小さくなり、補助熱交換器14で冷却された後の主回路冷媒の温度は高くなり、比エンタルピが大きくなる。即ち、状態gは、圧力−比エンタルピ線図上で右側にずれる。そこで、給湯水の加熱が必要な場合には、補助膨張弁13の開度を小さくし、給湯水の加熱が必要でない場合は、補助膨張弁13の開度を大きくするという制御を行っている。
具体的には、制御装置95は、貯湯装置50の制御装置98及び過冷却給湯装置30若しくは130の制御装置96から通信によって受け取った給湯運転有無の信号を基に、補助膨張弁13を制御する基準となる目標吐出温度値を設定している。目標とする吐出冷媒温度を高くすれば、膨張弁13の開度は小さく制御され、補助回路冷媒の流量は少なくなる。他方、目標とする吐出冷媒温度を低くすれば、膨張弁13の開度は大きく制御され、補助回路冷媒の流量は多くなる。
これにより、給湯水の加温が必要な場合は、補助熱交換器14における主回路冷媒の冷却量を少なくして、補助熱交換器14を出て過冷却器5に流入する冷媒の温度を高く、比エンタルピを大きくすることができるので、過冷却器5における交換熱量を大きくすることができる。その結果、第二の冷凍サイクルによる給湯能力と加熱効率を向上させることができる。
これとは逆に、給湯水の加温が不要である場合には、第一の冷凍サイクルが好適な条件となるように、補助冷媒回路を流れる冷媒量を多くする。これにより第一圧縮機101の圧縮動力を削減すると共に、補助熱交換器14における主回路冷媒の冷却量を大きくして、過冷却器5に流入する冷媒の温度を低く、比エンタルピを小さくすることができるので、第一の冷凍サイクル回路191の冷凍能力と冷凍効率を向上させることができる。
図5において、符号2Cは、第二の冷凍サイクルを表わしている。第二の冷凍サイクル回路92若しくは192の動作は、既に説明した第1乃至第3の実施形態に係る冷凍装置と同じである。図5の圧力−比エンタルピ線図を参照しながら、給湯水を加熱する場合について説明する。
第二の冷凍サイクル回路192においては、状態vで表わされる低温の冷媒蒸気が第二圧縮機131に吸入され高温高圧に圧縮される。給湯サイクル運転を行う場合、第二圧縮機131の一段目圧縮要素で圧縮された冷媒は、中間冷却器67で冷却されることなく、バイパス弁75を通過し、二段目圧縮要素で高圧圧力まで圧縮される。この状態での冷媒は状態wである。第二の冷凍サイクルでは、冷媒として二酸化炭素を用いているので、状態wでの冷媒の圧力は臨界圧力を超えている。第二圧縮機131で圧縮された冷媒は、第二放熱器32の冷媒流路32aへと流れ、そこで水流路32bを流れる給湯水と熱交換を行い冷却される。第二放熱器32において冷媒は、超臨界状態であるので凝縮せず、水との熱交換により冷却されるに従ってその温度が低下する。即ち、第二放熱器32はガスクーラとして作用する。前述のごとく、第二放熱器32の冷媒流路32aと水流路32bは、各々の流れが対向するように構成されているので、熱交換に伴う温度勾配をもつ超臨界冷媒と、水との効率的な熱交換が可能となる。そして、高圧側熱交換器内において一定温度の下で凝縮するフルオロカーボン系冷媒を用いる場合に比べて、遷臨界サイクルとなる二酸化炭素冷媒を用いた本発明のサイクルは、高温の湯を高効率に沸かすことが可能であるという点で有利である。第二放熱器32で冷却された後の冷媒は状態xとなる。
第二放熱器32で冷却された低温の超臨界冷媒は、膨張弁33によって絞られ、等エンタルピ膨張した後、状態yとなって、過冷却器5の第二の冷凍サイクル回路側流路5bに流入する。過冷却器5に流入する状態yの冷媒は気液二相状態である。過冷却器5において、第二の冷凍サイクル回路192の冷媒は、第一の冷凍サイクル回路側流路5aを流れる第一の冷凍サイクルの冷媒と熱交換を行い、液相部分が蒸発し状態vとなる。第一の冷凍サイクルの冷媒は、第二の冷凍サイクルの冷媒の蒸発作用により過冷却されることとなる。よって、第一の冷凍サイクル回路191の主冷媒回路の冷媒流量に状態gと状態hとの比エンタルピ差を乗じた値と、第二の冷凍サイクル回路192の冷媒流量に状態yと状態vとの比エンタルピ差を乗じた値は等しい。
過冷却器5の第二の冷凍サイクル回路側流路5bを流出した低温蒸気冷媒は、内部熱交換器64においては熱交換せずに、アキュームレータ38に流入し、そこで確実に気液分離された後、第二圧縮機131の吸入口へと流れ込み再び圧縮される。以上説明の動作が連続して行われ、第二の冷凍サイクルによる第一の冷凍サイクルの過冷却と、その廃熱を用いた給湯水の加熱が可能となる。
尚、第二圧縮機131の回転数及び膨張弁33の開度は、第1乃至第3の実施形態に係る冷凍装置と同様に制御されている。
以上説明のごとく、本発明の冷凍装置によれば、第一の冷凍サイクル回路191の第一放熱器2を出た後に分岐され減圧された冷媒、即ち補助回路側冷媒、により、第一放熱器2を出て過冷却器5に流入する冷媒、即ち主回路側冷媒、を冷却することができるので、第一の冷凍サイクルの冷凍効果が増大し、冷凍能力を向上させることができる。また、主回路側冷媒を冷却した後の補助回路側冷媒は、第一圧縮機101の吸入圧力より高く吐出圧力よりも低い圧縮行程の途中に吸入されるので、全ての冷媒を分岐せずに吸入圧力から吐出圧力まで圧縮する場合に比べ圧縮動力が小さくなり、その結果、冷凍サイクルの効率が向上する。
また、補助膨張弁13の開度が、給湯タンク51に貯えられた湯量が多い場合は大きく、湯量が少ないときは小さくなるように制御されるので、給湯負荷の変動に応じた好適で高効率な運転を行うことができる。即ち、給湯タンク51内の残湯量が十分あり、給湯水の加温を必要としない状況では、補助膨張弁13の開度を大きくして補助熱交換器14における主回路側冷媒を冷却する効果を大きくするこにより冷却能力と冷凍効率の向上を図る。他方、給湯タンク51の湯量が少なく給湯水の加温を必要とする場合には、補助膨張弁13の開度を小さくして補助熱交換器における主回路側冷媒を冷却する効果を小さくすることにより、過冷却器に流入する冷媒の温度と比エンタルピを高く維持する。これにより過冷却器5での交換熱量、即ち第二の冷凍サイクルの吸熱量、が増大すると共に、第二の冷凍サイクルの蒸発温度が上昇する。その結果、第二の冷凍サイクルの加熱能力と給湯効率を向上させることができる。
尚、前記第1乃至第4の実施形態に係る冷凍装置では、各々ユニット化された、冷凍ユニット10若しくは110、過冷却給湯装置30若しくは130、ショーケース40及び貯湯装置50に、制御装置95乃至98が各々内蔵されているものとして、その構成と制御動作を説明したが、制御装置の構成はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の冷凍装置全体を統合してコントロールする統合制御装置を別途設け、当該統合制御装置のみによって、或いは当該統合制御装置と制御装置95乃至98との連携によって、冷凍装置の制御を行うことも可能である。
本発明の冷凍装置は、スーパーマーケット、コンビニエンスストア及び飲食店等において、食品等を冷凍、冷蔵するための冷凍装置として、また、冷却と給湯を必要とする他の用途においても利用することが可能である。
1、101・・・第一圧縮機
2・・・第一放熱器
3・・・第一膨張弁(第一減圧器)
4・・・蒸発器
5・・・過冷却器
10、110・・・冷凍ユニット
13・・・補助膨張弁(補助絞り手段)
14・・・補助熱交換器
17b、21b・・・補助冷媒回路
30、130・・・過冷却給湯装置
31、131・・・第二圧縮機
32・・・第二放熱器
33・・・第二膨張弁(第二減圧器)
40・・・ショーケース
50・・・貯湯装置
51・・・給湯タンク
62・・・第三放熱器
85・・・水放熱器
91、191・・・第一の冷凍サイクル回路
92、192・・・第二の冷凍サイクル回路




































Claims (7)

  1. 第一圧縮機、第一放熱器、過冷却器、第一減圧器及び蒸発器を冷媒管で順次つないで形成された第一の冷凍サイクル回路と、第二圧縮機、第二放熱器、第二減圧器及び前記過冷却器を冷媒管で順次つないで形成された第二の冷凍サイクル回路と、を備え、前記過冷却器において前記第二の冷凍サイクル回路の冷媒の蒸発作用により前記第一の冷凍サイクル回路の冷媒を過冷却すると共に、前記第二放熱器において前記第二の冷凍サイクル回路の冷媒の放熱作用により加温した給湯水を貯える給湯タンクを設け、前記第一放熱器を出た冷媒の一部を分岐して、その分岐した冷媒を前記第一圧縮機の圧縮行程の途中に吸入させる補助冷媒回路と、前記補助冷媒回路上に設けられ、前記分岐された冷媒を前記第一圧縮機の吸入圧力より高く吐出圧力より低い中間圧力に減圧する補助絞り手段と、前記補助絞り手段により減圧された後の前記分岐された冷媒と前記第一放熱器で冷却され前記過冷却器へと流入する冷媒との間で熱交換を行う補助熱交換器と、を設け、前記補助絞り手段の開度は、前記給湯タンクに貯えられた湯量が多いときは大きく、湯量が少ないときは小さくなるように制御して、給湯タンクに貯えられた湯量の多少に応じて前記第二の冷凍サイクル回路の前記補助熱交換器における前記第一の冷凍サイクル回路の能力を調整することを特徴とする冷凍装置。
  2. 前記第一圧縮機及び第一放熱器を収納する冷凍ユニットと、前記第一減圧器及び蒸発器を収納するショーケースと、前記第二圧縮機、第二放熱器、第二減圧器及び過冷却器を収納する過冷却給湯装置と、前記過冷却給湯装置の第二放熱器に水配管を介して接続される給湯タンクを備える貯湯装置と、からなることを特徴とする請求項1記載の冷凍装置。
  3. 前記第二放熱器と並列に配置される第三放熱器を備え、前記第三放熱器において冷媒から大気への放熱を行うことを特徴とした請求項1乃至請求項2何れか一項記載の冷凍装置。
  4. 前記給湯水の加温が不要である場合に、前記第三放熱器における冷媒から大気への放熱を行うことを特徴とした請求項3記載の冷凍装置。
  5. 前記第二放熱器に水配管を介して接続される水放熱器を設け、前記水放熱器において給湯水から大気への放熱を行うことを特徴とした請求項1乃至請求項2何れか一項記載の冷凍装置。
  6. 前記給湯水の加温が不要である場合に、前記水放熱器における給湯水から大気への放熱を行うことを特徴とした請求項5記載の冷凍装置。
  7. 前記第二の冷凍サイクル回路に封入される冷媒が二酸化炭素であって、前記第二放熱器はガスクーラとして作用することを特徴とする請求項1乃至請求項6何れか一項記載の冷凍装置
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