JP5585003B2 - 冷凍装置 - Google Patents

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。

第７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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