JP5901775B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、二元冷凍サイクルを備えた冷凍装置に関するものである。

従来の二元冷凍サイクルを備えた冷凍装置では、低温側循環回路の蒸発器の霜取運転が行われる際、制御部が、高温側循環回路の冷媒の循環を稼働状態にしている。
また、従来の二元冷凍サイクルを備えた冷凍装置では、低温側循環回路の運転が停止（いわゆる、サーモオフ）された後に再稼働される際、制御部が、高温側循環回路の冷媒の循環を所定の時間だけ先行して稼働させる。
つまり、従来の二元冷凍サイクルを備えた冷凍装置は、低温側循環回路の冷媒の循環が停止した際に生じる低温側循環回路の圧力の上昇を、高温側循環回路の冷媒の循環を稼働状態に制御することで抑制している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１９０９１７号公報（段落［００３５］、［００５７］）

１回の霜取運転に要する時間は、約３０〜４０分程度である。
また、霜取運転は、１日に約４〜５回程度実施される。
そのため、従来の二元冷凍サイクルを備えた冷凍装置のように、低温側循環回路の冷媒の循環が停止した際に生じる低温側循環回路の圧力の上昇を、高温側循環回路の冷媒の循環を稼働状態に制御することで抑制する場合には、多量のエネルギが消費されるという問題点があった。

また、低温側循環回路の運転が停止された後に再稼働される際には、高温側循環回路の冷媒の循環が、数１０秒〜数分程度、先行して稼働される必要がある。
そのため、従来の二元冷凍サイクルを備えた冷凍装置のように、低温側循環回路の冷媒の循環が停止した際に生じる低温側循環回路の圧力の上昇を、高温側循環回路の冷媒の循環を稼働状態に制御することで抑制する場合には、低温側循環回路の運転が再稼働されてから目標の温度に到るまでの時間（いわゆる、プルダウン時間）が、長いという問題点があった。

また、低温側循環回路の運転が長時間停止された場合には、外気の温度と略等しい温度まで、低温側循環回路の冷媒の温度が上昇する。
その際、制御部は、低温側循環回路の圧力が、設計時の想定圧力（３〜４ＭＰａ）以上になると、安全弁を開放して冷媒を放出し、再稼働の前に冷媒を補充する必要がある。
そして、制御部は、冷媒を放出し補充することを、低温側循環回路の運転が長時間停止される度に行う。
そのため、従来の二元冷凍サイクルを備えた冷凍装置のように、低温側循環回路の冷媒の循環が停止した際に生じる低温側循環回路の圧力の上昇を、高温側循環回路の冷媒の循環を稼働状態に制御することで抑制する場合には、冷媒を放出し補充する機構が必要となり、構造が複雑化されるという問題点があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、低温側循環回路の冷媒の循環が停止した際に生じる低温側循環回路の圧力の上昇を、多量のエネルギを消費することなく抑制する、二元冷凍サイクルを備えた冷凍装置を得るものである。
また、本発明は、低温側循環回路の冷媒の循環が停止した際に生じる低温側循環回路の圧力の上昇を、低温側循環回路の運転が再稼働されてから目標の温度に到るまでの時間を長くすることなく抑制する、二元冷凍サイクルを備えた冷凍装置を得るものである。
また、本発明は、低温側循環回路の冷媒の循環が停止した際に生じる低温側循環回路の圧力の上昇を、構造を複雑化することなく抑制する、二元冷凍サイクルを備えた冷凍装置を得るものである。

本発明に係る冷凍装置は、第１圧縮機、第１凝縮器、第１絞り装置、及び第１蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる第１冷媒回路と、第２圧縮機、第２凝縮器、受液器、第２絞り装置、及び第２蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる第２冷媒回路と、前記第１蒸発器と前記第２凝縮器とで構成され、前記第１蒸発器を流れる冷媒と前記第２凝縮器を流れる冷媒とが熱交換を行うカスケードコンデンサと、前記受液器の冷媒を冷却する冷却手段と、を備え、前記第２凝縮器の出口側と前記第２圧縮機の入口側とが、第１開閉弁、第４絞り装置、補助蒸発器及び第２開閉弁を介して、配管接続され、前記補助蒸発器は、補助タンク内に設けられ、前記第１開閉弁から前記第２開閉弁までの間の配管であって前記補助タンク内に配置された配管と前記受液器とが、配管接続され、前記第１開閉弁と前記第２開閉弁とは、通電開方式の弁であることを特徴とするものである。

本発明に係る冷凍装置は、受液器の冷媒を冷却する冷却手段を備えることで、低温側循環回路の冷媒の循環が停止した際に生じる低温側循環回路の圧力の上昇を、多量のエネルギを消費することなく抑制することができる。
また、本発明に係る冷凍装置は、受液器の冷媒を冷却する冷却手段を備えることで、低温側循環回路の冷媒の循環が停止した際に生じる低温側循環回路の圧力の上昇を、低温側循環回路の運転が再稼働されてから目標の温度に到るまでの時間を長くすることなく抑制することができる。
また、本発明に係る冷凍装置は、受液器の冷媒を冷却する冷却手段を備えることで、低温側循環回路の冷媒の循環が停止した際に生じる低温側循環回路の圧力の上昇を、構造を複雑化することなく抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の、概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の、低温側循環回路における回路内容積と回路内圧力との関係を表す図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の、概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る冷凍装置の、概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る冷凍装置の、低温側循環回路におけるモリエル線図である。 本発明の実施の形態３に係る冷凍装置の、低温側循環回路における回路内容積と回路内圧力との関係を、実施の形態１に係る冷凍装置と比較した結果を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る冷凍装置の、概略構成を示す図である。

以下、本発明に係る冷凍装置について、図面を用いて説明する。
なお、細かい構造については、適宜図示を簡略化又は省略している。
また、重複する説明については、適宜簡略化又は省略している。

実施の形態１．
以下に、実施の形態１に係る冷凍装置を説明する。
（冷凍装置の構成）
実施の形態１に係る冷凍装置の構成について説明する。
図１は、実施の形態１に係る冷凍装置の、概略構成を示す図である。
図１に示すように、冷凍装置１は、高温側循環回路１１と、低温側循環回路２１と、カスケードコンデンサ５１と、制御部６１と、を有する。
高温側循環回路１１は、本発明における「第１冷媒回路」に相当する。
低温側循環回路２１は、本発明における「第２冷媒回路」に相当する。

高温側循環回路１１は、高温側圧縮機１２と、高温側凝縮器１３と、高温側膨張弁１４と、高温側蒸発器１５と、を有する。
高温側圧縮機１２は、本発明における「第１圧縮機」に相当する。
高温側凝縮器１３は、本発明における「第１凝縮器」に相当する。
高温側膨張弁１４は、本発明における「第１絞り装置」に相当する。
高温側蒸発器１５は、本発明における「第１蒸発器」に相当する。
高温側圧縮機１２と高温側凝縮器１３と高温側膨張弁１４と高温側蒸発器１５とは、直列に接続される。

低温側循環回路２１は、低温側圧縮機２２と、補助コンデンサ２３と、低温側凝縮器２４と、水冷式凝縮器３１と、冷却ユニット４１と、を有する。
低温側圧縮機２２は、本発明における「第２圧縮機」に相当する。
低温側凝縮器２４は、本発明における「第２凝縮器」に相当する。
低温側圧縮機２２と補助コンデンサ２３と低温側凝縮器２４と水冷式凝縮器３１と冷却ユニット４１とは、直列に接続される。
水冷式凝縮器３１と冷却ユニット４１とは、液配管２５で連結される。
液配管２５は、本発明における「延長配管」に相当する。
冷却ユニット４１と低温側圧縮機２２とは、ガス配管２６で連結される。

水冷式凝縮器３１は、受液器３２と、水配管３３と、低温側第１電磁弁３４と、を有する。
水配管３３は、本発明における「冷却手段」に相当する。
水配管３３は、受液器３２に組み込まれる。
低温側第１電磁弁３４は、水配管３３に設けられる。

冷却ユニット４１は、低温側第２電磁弁４２と、低温側第１流量調整弁４３と、低温側蒸発器４４と、を有する。
低温側第１流量調整弁４３は、本発明における「第２絞り装置」に相当する。
低温側蒸発器４４は、本発明における「第２蒸発器」に相当する。
低温側第２電磁弁４２と低温側第１流量調整弁４３と低温側蒸発器４４とは、直列に接続される。
蒸発器４４は、冷凍室に設けられる。
冷凍室には、例えば、スーパーマーケットに設置される冷凍庫のショーケース又は食品加工場に設置されるユニットクーラの冷凍室等が含まれる。
低温側第１流量調整弁４３は、例えば、電子式膨張弁である。
低温側第１流量調整弁４３は、温度式自動膨張弁でもよい。

高温側蒸発器１５と低温側凝縮器２４とは、カスケードコンデンサ５１を構成する。
カスケードコンデンサ５１は、高温側循環回路１１の冷媒と低温側循環回路２１の冷媒との熱交換を行う。
カスケードコンデンサ５１は、例えば、プレート式熱交換器である。

低温側循環回路２１の冷媒として、例えば、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が１であるＣＯ_２冷媒が使用される。
高温側循環回路１１は、低温側循環回路２１と異なり、液配管２５及びガス配管２６を有さない。
つまり、高温側循環回路１１は、短い回路である。
そのため、高温側循環回路１１の冷媒の量は、少ない。
また、高温側循環回路１１は、閉じた回路である。
よって、高温側循環回路１１の冷媒として、ＣＯ_２冷媒に対して地球温暖化係数（ＧＷＰ）が大きく、且つ、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が比較的小さい冷媒（例えば、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１３４ａ、Ｒ３２、ＨＦＯ冷媒等）が使用される。

制御部６１には、少なくとも、高温側圧縮機１２と、低温側圧縮機２２と、低温側第１電磁弁３４と、低温側第２電磁弁４２と、低温側第１流量調整弁４３と、が接続される。

（冷凍装置の動作）
実施の形態１に係る冷凍装置の動作について説明する。
まず、高温側循環回路１１の動作について説明する。
高温側圧縮機１２から吐出された高温高圧で気相状態の冷媒は、高温側凝縮器１３へ流入する。
高温側凝縮器１３へ流入した冷媒は、外気との熱交換によって凝縮液化され、高圧で液相状態の冷媒となる。
この高圧で液相状態の冷媒は、高温側膨張弁１４で減圧され、低温低圧で気液二相状態の冷媒となる。
この低温低圧で気液二相状態の冷媒は、カスケードコンデンサ５１で低温側循環回路２１の冷媒によって加熱されて（低温側循環回路２１の冷媒を冷却して）蒸発し、低圧で気相状態の冷媒となる。
この低圧で気相状態の冷媒は、高温側圧縮機１２へ流入する。

次に、低温側循環回路２１の動作について説明する。
低温側圧縮機２２から吐出された高温高圧で気相状態の冷媒は、補助コンデンサ２３で冷却され、カスケードコンデンサ５１へ流入する。
カスケードコンデンサ５１へ流入した冷媒は、高温側循環回路１１の冷媒によって凝縮液化され、高圧で液相状態の冷媒となる。
この高圧で液相状態の冷媒は、受液器３２と液配管２５と低温側第２電磁弁４２とを通って、低温側第１流量調整弁４３に流入する。
低温側第１流量調整弁４３に流入した高圧で液相状態の冷媒は、減圧され、低温低圧で気液二相状態の冷媒となる。
この低温低圧で気液二相状態の冷媒は、低温側蒸発器４４で冷凍室の室内空気によって加熱されて（冷凍室の室内空気を冷却して）蒸発し、低圧で気相状態の冷媒となる。
この低圧で気相状態の冷媒は、ガス配管２６を通って低温側圧縮機２２へ流入する。

次に、制御部６１の動作を説明する。
制御部６１は、例えば、低温側蒸発器４４の霜取運転を行うに際して、又は、低温側循環回路２１の運転を停止するに際して、低温側循環回路２１の冷媒の循環を停止する。
制御部６１は、低温側循環回路２１の冷媒の循環を停止している状態で、低温側第１電磁弁３４を開状態にする。
低温側第１電磁弁３４が開状態になると、冷水（５℃程度）が、受液器３２内の水配管３３に供給される。

（冷凍装置の作用）
実施の形態１に係る冷凍装置の作用について説明する。
従来の冷凍装置では、制御部が、低温側循環回路２１の冷媒の循環を停止している状態で、高温側循環回路１１の冷媒の循環を稼働状態とする。
このような場合には、高温側循環回路１１の冷媒の循環の稼働に伴って、多量のエネルギが消費されるという問題点がある。
また、低温側循環回路２１の運転が再稼働されてから目標の温度に到るまでの時間が、長いという問題点がある。
また、冷媒を放出し補充する機構が必要となり、構造が複雑化されるという問題点がある。

一方、高温側循環回路１１の冷媒の循環が稼働状態とされない場合には、低温側循環回路２１の冷媒の温度が上昇し、低温側循環回路２１の圧力が上昇してしまう。
そのような場合には、低温側循環回路２１の圧力が上昇してもよいように、低温側循環回路２１の設計時の想定圧力が高く設定されればよいが、次に示すように、配管の肉厚等が増加し、冷凍装置が高価格となってしまう。

低温側蒸発器４４が、プレートフィンチューブ式であり、低温側循環回路２１の設計時の想定圧力が、冷媒にＲ４１０Ａが使用された場合と同程度の４．１５ＭＰａである場合には、低温側蒸発器４４の内部に通される銅配管（ヘアピン）の肉厚は、０．３５ｍｍ（φ９．５２ｍｍ）程度である。
一方、低温側蒸発器４４が、プレートフィンチューブ式であり、低温側循環回路２１の設計時の想定圧力が、８．５ＭＰａである場合には、低温側蒸発器４４の内部に通される銅配管（ヘアピン）の肉厚は、０．８ｍｍ（φ９．５２ｍｍ）程度である。
つまり、低温側循環回路２１の設計時の想定圧力が高いと、低温側蒸発器４４の材料費は、倍程度となる。
また、低温側圧縮機２２と補助コンデンサ２３と低温側凝縮器２４と受液器３２と液配管２５とガス配管２６等の材料費も、倍程度となる。

図２は、実施の形態１に係る冷凍装置の、低温側循環回路における回路内容積と回路内圧力との関係を表す図である。
なお、図２は、以下の条件で計算された関係である。
低温側循環回路２１の冷媒は、ＣＯ_２冷媒である。
低温側循環回路２１の低温側圧縮機２２の称呼出力は、約１０馬力（２８ｋＷ）程度である。
液配管２５及びガス配管２６の延長距離は、約７０ｍである。
低温側蒸発器４４には、８台のショーケース（８尺（約２．４ｍ）のショーケースが６台、６尺（約１．８ｍ）のショーケースが２台）が接続され、８台のショーケースの合計の内容積は、約７２リットルである。
外気の温度（周囲温度）は、４６℃である。
液配管２５には、液相状態の冷媒が満たされる。
低温側循環回路２１の冷媒の量は、約３０ｋｇである。

また、図２に示すように、低温側循環回路２１における回路内容積と回路内圧力とは、反比例の関係にある。
そのため、従来の冷凍装置のように、高温側循環回路１１の冷媒の循環が稼働状態とされなくても、低温側循環回路２１の回路内容積が大きければ、低温側循環回路２１の圧力の上昇が抑制される。
しかし、次に示すように、大容積の膨張タンク等が必要となるため、冷凍装置が大型及び高価格となってしまう。

例えば、低温側循環回路２１の設計時の想定圧力が、冷媒にＲ４１０Ａが使用された場合と同程度の４．１５ＭＰａである場合には、低温側循環回路２１の必要とされる回路内容積は、約４００リットルである。
低温側圧縮機２２と補助コンデンサ２３と低温側凝縮器２４と受液器３２（１０馬力（２８ｋＷ）クラスでは約４０リットル）と液配管２５とガス配管２６と低温側蒸発器４４等の内容積の合計は、約１６０リットルである。
よって、低温側循環回路２１には、約２４０リットル（＝約４００リットル−約１６０リットル）の膨張タンクが設けられる必要がある。
約２４０リットルの膨張タンクは、外径が約２７０ｍｍ、肉厚が約８ｍｍ、長さが約１５００ｍｍのタンクを、３本必要とし、冷凍装置が大型となり、且つ、高価格となる。

これらに対し、実施の形態１に係る冷凍装置では、制御部６１が、低温側循環回路２１の冷媒の循環を停止している状態で、低温側第１電磁弁３４を開状態にする。
その結果、受液器３２にある冷媒が冷却され、低温側循環回路２１の圧力の上昇が抑制される。
そのため、高温側循環回路１１の冷媒の循環が稼働状態に制御されなくてもよく、また、低温側循環回路２１の設計時の想定圧力が低くても、つまり冷媒にＲ４１０Ａが使用された場合と同程度の４．１５ＭＰａ以下であってもよく、大容積の膨張タンク等が設けられなくてもよい。

（変形例）
実施の形態１に係る冷凍装置では、水配管３３に低温側第１電磁弁３４が設けられているが、低温側第１電磁弁３４に換えて手動式開閉弁が設けられ、低温側循環回路２１の冷媒の循環が停止している状態で、使用者が手動で手動式開閉弁を開状態にしてもよい。

実施の形態１に係る冷凍装置の冷凍室が、例えば、スーパーマーケットに設置される冷凍庫のショーケース又は食品加工場に設置されるユニットクーラの冷凍室等である場合には、他の熱源のチラーで使用される冷水が水配管３３に導かれてもよい。

実施の形態１に係る冷凍装置では、受液器３２にある冷媒が、水配管３３に供給された冷水、つまり水冷式で冷却されているが、受液器３２にある冷媒が、例えば冷気又は冷たい他の液体等を用いた他の方式で冷却されてもよい。
受液器３２にある冷媒が水冷式で冷却される場合には、他の熱源のチラーで使用される冷水が使用可能であり、また、安定した冷却性能が得られる。
また、例えば、カスケードコンデンサ５１に水配管３３が組み込まれる等、受液器３２以外にある冷媒が冷却されてもよい。
受液器３２にある冷媒が冷却される場合には、低温側循環回路２１の冷媒の多くが、例えば上述の例では、１／４（＝約４０リットル／約１６０リットル）程度が冷却され、効率がよい。

実施の形態１に係る冷凍装置では、制御部６１が、低温側循環回路２１の冷媒の循環を停止している状態で、低温側第１電磁弁３４を開状態にするが、そのような制御に限定されない。
例えば、制御部６１が、高温側循環回路１１の冷媒の循環を稼働状態にしつつ、低温側第１電磁弁３４を開状態にしてもよい。
また、制御部６１が低温側第１電磁弁３４を開状態にすることと、低温側循環回路２１の設計時の想定圧力が高く設定されること及び大容積の膨張タンク等が設けられることの少なくともいずれか一方とが、共に実施されてもよい。

実施の形態２．
以下、実施の形態２に係る冷凍装置について説明する。
なお、実施の形態１に係る冷凍装置と重複する説明は、適宜簡略化又は省略している。
（冷凍装置の構成）
実施の形態２に係る冷凍装置の構成について説明する。
図３は、実施の形態２に係る冷凍装置の、概略構成を示す図である。
図３に示すように、冷凍装置２は、高温側循環回路１１と、低温側循環回路２１と、カスケードコンデンサ５１と、温度センサ７１と、制御部６２と、を有する。

温度センサ７１は、外気の温度（周囲温度）を検出するセンサである。
制御部６２には、少なくとも、高温側圧縮機１２と、低温側圧縮機２２と、低温側第１電磁弁３４と、低温側第２電磁弁４２と、低温側第１流量調整弁４３と、温度センサ７１と、が接続される。

（冷凍装置の動作）
実施の形態２に係る冷凍装置の動作について説明する。
制御部６２は、例えば、低温側蒸発器４４の霜取運転を行うに際して、又は、低温側循環回路２１の運転を停止するに際して、低温側循環回路２１の冷媒の循環を停止する。
制御部６２は、低温側循環回路２１の冷媒の循環を停止している状態で、温度センサ７１で検出された温度を予め設定された所定温度と比較する。
制御部６２は、温度センサ７１で検出された温度が所定温度以上である場合には、低温側第１電磁弁３４を開状態にする。
低温側第１電磁弁３４が開状態になると、冷水（５℃程度）が、受液器３２内の水配管３３に供給される。

（冷凍装置の作用）
実施の形態２に係る冷凍装置の作用について説明する。
実施の形態２に係る冷凍装置では、制御部６２が、低温側循環回路２１の冷媒の循環を停止している状態で、外気の温度が所定温度以上である場合のみ、低温側第１電磁弁３４を開状態にする。
そのため、必要な場合のみ、低温側循環回路２１の冷媒が冷却され、エネルギの消費が抑制される。

（変形例）
実施の形態２に係る冷凍装置では、制御部６２が、低温側第１電磁弁３４を開状態と閉状態に制御しているが、低温側第１電磁弁３４が流量調整弁であり、制御部６２が、温度センサ７１で検出された温度に応じて流量調整弁の開度を制御してもよい。

実施の形態２に係る冷凍装置では、制御部６２が、温度センサ７１で検出された温度を所定温度と比較しているが、温度センサ７１が設けられず、制御部６２が、時間帯又は季節等に応じて低温側第１電磁弁３４を制御してもよい。

実施の形態３．
以下、実施の形態３に係る冷凍装置について説明する。
なお、実施の形態１及び実施の形態２に係る冷凍装置と重複する説明は、適宜簡略化又は省略している。
（冷凍装置の構成）
実施の形態３に係る冷凍装置の構成について説明する。
図４は、実施の形態３に係る冷凍装置の、概略構成を示す図である。
図４に示すように、冷凍装置３は、高温側循環回路１１と、低温側循環回路２７と、カスケードコンデンサ５１と、制御部６３と、を有する。

低温側循環回路２７は、低温側圧縮機２２と、補助コンデンサ２３と、低温側凝縮器２４と、水冷式凝縮器３１と、冷却ユニット４１と、を有する。
低温側圧縮機２２と補助コンデンサ２３と低温側凝縮器２４と水冷式凝縮器３１と冷却ユニット４１とは、直列に接続される。
水冷式凝縮器３１と冷却ユニット４１とは、液配管２５で連結される。
液配管２５の入口側には、低温側第２流量調整弁２８が設けられる。
低温側第２流量調整弁２８は、本発明における「第３絞り装置」に相当する。
冷却ユニット４１と低温側圧縮機２２とは、ガス配管２６で連結される。

制御部６３には、少なくとも、高温側圧縮機１２と、低温側圧縮機２２と、低温側第１電磁弁３４と、低温側第２流量調整弁２８と、低温側第２電磁弁４２と、低温側第１流量調整弁４３と、が接続される。

（冷凍装置の動作）
実施の形態３に係る冷凍装置の動作について説明する。
低温側循環回路２１の動作について説明する。
低温側圧縮機２２から吐出された高温高圧で気相状態の冷媒は、補助コンデンサ２３で冷却され、カスケードコンデンサ５１へ流入する。
カスケードコンデンサ５１へ流入した冷媒は、高温側循環回路１１の冷媒によって凝縮液化され、高圧で液相状態の冷媒となる。
この高圧で液相状態の冷媒は、受液器３２を通って、低温側第２流量調整弁２８に流入する。
低温側第２流量調整弁２８に流入した高圧で液相状態の冷媒は、減圧され、中圧で気液二相状態の冷媒となる。
この中圧で気液二相状態の冷媒は、液配管２５と低温側第２電磁弁４２とを通って、低温側第１流量調整弁４３に流入する。
低温側第１流量調整弁４３に流入した中圧で気液二相状態の冷媒は、減圧され、低温低圧で気液二相状態の冷媒となる。
この低温低圧で気液二相状態の冷媒は、低温側蒸発器４４で冷凍室の室内空気によって加熱されて（冷凍室の室内空気を冷却して）蒸発し、低圧で気相状態の冷媒となる。
この低圧で気相状態の冷媒は、ガス配管２６を通って低温側圧縮機２２へ流入する。

図５は、実施の形態３に係る冷凍装置の、低温側循環回路におけるモリエル線図である。
図５において、Ａ点は、低温側圧縮機２２から吐出された冷媒の状態、Ｂ点は、カスケードコンデンサ５１の出口における冷媒の状態、Ｃ点は、液配管２５における冷媒の状態、Ｄ点は、低温側蒸発器４４の入口における冷媒の状態、Ｅ点は、低温側圧縮機２２の入口における冷媒の状態に相当する。

（冷凍装置の作用）
実施の形態３に係る冷凍装置の作用について説明する。
実施の形態１に係る冷凍装置では、液配管２５に流入する冷媒は、液相状態である。
それに対して、実施の形態３に係る冷凍装置では、液配管２５に流入する冷媒は、気液二相状態である。
そして、液配管２５に気液二相状態の冷媒が流入することで、次に示すように、低温側循環回路２１の圧力の上昇が抑制される。

気液二相状態の冷媒では、液相状態の冷媒と気相状態の冷媒とが相対速度を生じつつ流れる。
そして、例えば、気液二相状態の冷媒の乾き度が０．１〜０．２程度である場合には、液配管２５の断面における液相状態の冷媒と気相状態の冷媒との占める割合は、それぞれ０．５程度になる。
つまり、気液二相状態の冷媒の乾き度が０．１〜０．２程度である場合には、液配管２５における平均密度は、完全な液相状態の冷媒が流入する場合の平均密度に対して、半分程度となる。
そのため、気液二相状態の冷媒が流入する場合の液配管２５内の必要冷媒量は、完全な液相状態の冷媒が流れる場合の必要冷媒量に対して、半分程度となる。

すなわち、液配管２５に気液二相状態の冷媒が流入する場合には、液配管２５内の冷媒量を半減することができ、例えば上述の例では、低温側循環回路内の冷媒量を約３０ｋｇから約２６ｋｇに削減することができる。
図６は、実施の形態３に係る冷凍装置の、低温側循環回路における回路内容積と回路内圧力との関係を、実施の形態１に係る冷凍装置と比較した結果を示す図である。
その結果、図６に示すように、低温側循環回路２１の内容積を増加せずに、低温側循環回路２１の圧力の上昇を抑制することが可能となる。

（変形例）
実施の形態３に係る冷凍装置は、液配管２５に流入する気液二相状態の冷媒の乾き度が０．１〜０．２程度である場合に限定されない。
制御部６３が、低温側第２流量調整弁２８の開度を制御して、液配管２５に流入する気液二相状態の冷媒の乾き度を制御してもよい。
その場合には、実施の形態２に係る冷凍装置のように、制御部６３に温度センサ７１が接続され、制御部６３が、温度センサ７１で検出された温度に応じて、低温側第２流量調整弁２８の開度を制御してもよい。
また、制御部６３に低温側第２流量調整弁２８が接続されず、低温側第２流量調整弁２８の開度が、使用者によって手動で調整されてもよく、また、固定されていてもよい。

実施の形態３に係る冷凍装置では、制御部６３が、低温側循環回路２１の冷媒の循環を停止している状態で、低温側第１電磁弁３４を開状態にするが、低温側第１電磁弁３４が設けられず、制御部６３が、低温側第１電磁弁３４を制御しなくてもよい。
実施の形態３に係る冷凍装置のように、液配管２５に気液二相状態の冷媒が流入し、且つ、制御部６３が低温側第１電磁弁３４を制御する場合には、低温側循環回路２１の圧力の上昇が更に抑制される。

実施の形態４．
以下に、実施の形態４に係る冷凍装置を説明する。
なお、実施の形態１乃至実施の形態３に係る冷凍装置と重複する説明は、適宜簡略化又は省略している。
（冷凍装置の構成）
実施の形態４に係る冷凍装置の構成について説明する。
図７は、実施の形態４に係る冷凍装置の、概略構成を示す図である。
図７に示すように、冷凍装置４は、高温側循環回路１１と、低温側循環回路２１と、カスケードコンデンサ５１と、補助タンク７２と、低温側第３電磁弁７３と、低温側第３流量調整弁７４と、補助蒸発器７５と、低温側第４電磁弁７６と、低圧側圧力センサ７７と、制御部６４と、を有する。
低温側第３電磁弁７３は、本発明における「第１開閉弁」に相当する。
低温側第３流量調整弁７４は、本発明における「第４絞り装置」に相当する。
低温側第４電磁弁７６は、本発明における「第２開閉弁」に相当する。

補助タンク７２は、受液器３２の上方に設けられる。
補助タンク７２の内部には、水が満たされる。
補助タンク７２の内部には、補助蒸発器７５が設けられる。
低温側凝縮器２４の出口側と補助蒸発器７５とが、低温側第３電磁弁７３と低温側第３流量調整弁７４とを介して連結される。
補助蒸発器７５と低温側圧縮機２２の吸入側とが、低温側第４電磁弁７６を介して連結される。
低温側第３電磁弁７３と低温側第４電磁弁７６とは、通電時には開状態となり、停電時には閉状態となる弁、つまり通電開方式の電磁弁である。
配管７８が、低温側第１流量調整弁７４の入口側と受液器３２とを連通するように設けられる。
配管７９が、補助蒸発器７５の出口側と受液器３２とを連通するように設けられる。

制御部６４には、少なくとも、高温側圧縮機１２と、低温側圧縮機２２と、低温側第１電磁弁３４と、低温側第２電磁弁４２と、低温側第１流量調整弁４３と、低温側第３電磁弁７３と、低温側第３流量調整弁７４と、低温側第４電磁弁７６と、低圧側圧力センサ７７と、が接続される。

（冷凍装置の動作）
実施の形態４に係る冷凍装置の動作について説明する。
制御部６４は、低圧側圧力センサ７７で検出された低温側循環回路２１の低圧側圧力を予め設定された所定圧力と比較する。
制御部６４は、低圧側圧力センサ７７で検出された低圧側圧力が所定圧力以下である場合には、低温側第３電磁弁７３と低温側第４電磁弁７６とを開状態にする。
低温側第３電磁弁７３と低温側第４電磁弁７６とが開状態になると、カスケードコンデンサ５１によって凝縮液化された高圧で液相状態の冷媒が、低温側第３流量調整弁７４に流入する。
低温側第３流量調整弁７４に流入した高圧で液相状態の冷媒は、減圧され、低温低圧で気液二相状態の冷媒となる。
この低温低圧で気液二相状態の冷媒は、補助蒸発器７５で補助タンク７２内の水によって加熱されて（補助タンク７２内の水を冷却して）蒸発し、低圧で気相状態の冷媒となる。
この低圧で気相状態の冷媒は、低温側圧縮機２２へ流入する。
制御部６４は、低圧側圧力センサ７７で検出された低圧側圧力が所定圧力に対して大きくなった場合には、低温側第３電磁弁７３と低温側第４電磁弁７６とを閉状態にする。

（冷凍装置の作用）
夜間等では、冷凍室の負荷、つまり低温側蒸発器４４の負荷が低下する。
その際、低圧側圧力センサ７７で検出される低圧側圧力が低下するため、制御部６４は、低圧側圧力センサ７７で検出される低圧側圧力を監視することで、低温側蒸発器４４の負荷が低下していることを認識する。
そして、制御部６４が、低温側蒸発器４４の負荷が低下している時に、低温側第３電磁弁７３と低温側第４電磁弁７６とを開状態にすることで、補助タンク７２内の水が冷却されて氷となり、氷蓄熱が行われる。

万一の停電時には、低温側第３電磁弁７３と低温側第４電磁弁７６とが閉状態となる。
その結果、受液器３２とその上方に位置する補助蒸発器７５と配管７８と配管７９とでヒートパイプが形成され、受液器３２にある冷媒が冷却される。
つまり、停電時には、受液器３２にある冷媒は、外気によって暖められ、気相状態となる。
そして、気相状態となった冷媒は、配管７８及び配管７９を通って、補助タンク７２内に導かれる。
補助タンク７２内に導かれた冷媒は、補助タンク７２内の氷によって冷却され液相状態となり、配管７８及び配管７９を通って受液器３２に戻る。
このように、実施の形態４に係る冷凍装置は、万一の停電時にも、低温側循環回路２１の冷媒を冷却することができ、低温側循環回路２１の圧力の上昇を抑制することが可能である。

（変形例）
実施の形態４に係る冷凍装置では、補助蒸発器７５が受液器３２の上方に設けられているが、配管７８と配管７９の内部に毛細管構造が設けられる場合には、補助蒸発器７５が受液器３２の上方に設けられなくてもよい。

実施の形態４に係る冷凍装置では、制御部６４が、低温側循環回路２１の冷媒の循環を停止している状態で、低温側第１電磁弁３４を開状態にするが、低温側第１電磁弁３４が設けられず、制御部６４が、低温側第１電磁弁３４を制御しなくてもよい。
実施の形態４に係る冷凍装置のように、制御部６４が、低温側第３電磁弁７３と低温側第４電磁弁７６とを制御し、且つ、低温側第１電磁弁３４を制御する場合には、低温側循環回路２１の圧力の上昇が確実に抑制される。

実施の形態４に係る冷凍装置では、受液器３２と補助蒸発器７５と配管７８と配管７９とが、停電時にのみヒートパイプとして機能するが、制御部６４が、低温側循環回路２１の冷媒の循環を停止している状態で、低温側第３電磁弁７３と低温側第４電磁弁７６とを閉状態にし、受液器３２と補助蒸発器７５と配管７８と配管７９とを、停電時以外にヒートパイプとして機能させてもよい。
実施の形態４に係る冷凍装置のように、停電時にのみヒートパイプとして機能する場合には、氷蓄熱が不十分な状態で停電になることが避けられ、低温側循環回路２１の圧力の上昇が確実に抑制される。

以上、実施の形態１乃至実施の形態４について説明したが、本発明は各実施の形態の説明に限定されない。
例えば、各実施の形態又は各変形例を組み合わせることも可能である。

１、２、３、４ 冷凍装置、１１ 高温側循環回路、１２ 高温側圧縮機、１３ 高温側凝縮器、１４ 高温側膨張弁、１５ 高温側蒸発器、２１、２７ 低温側循環回路、２２ 低温側圧縮機、２３ 補助コンデンサ、２４ 低温側凝縮器、２５ 液配管、２６ ガス配管、２８ 低温側第２流量調整弁、３１ 水冷式凝縮器、３２ 受液器、３３ 水配管、３４ 低温側第１電磁弁、４１ 冷却ユニット、４２ 低温側第２電磁弁、４３ 低温側第１流量調整弁、４４ 低温側蒸発器、５１ カスケードコンデンサ、６１、６２、６３、６４ 制御部、７１ 温度センサ、７２ 補助タンク、７３ 低温側第３電磁弁、７４ 低温側第３流量調整弁、７５ 補助蒸発器、７６ 低温側第４電磁弁、７７ 低圧側圧力センサ、７８、７９ 配管。

Claims (6)

1. 第１圧縮機、第１凝縮器、第１絞り装置、及び第１蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる第１冷媒回路と、
   第２圧縮機、第２凝縮器、受液器、第２絞り装置、及び第２蒸発器を配管接続し、冷媒を循環させる第２冷媒回路と、
   前記第１蒸発器と前記第２凝縮器とで構成され、前記第１蒸発器を流れる冷媒と前記第２凝縮器を流れる冷媒とが熱交換を行うカスケードコンデンサと、
   前記受液器の冷媒を冷却する冷却手段と、
   を備え、
   前記第２凝縮器の出口側と前記第２圧縮機の入口側とが、第１開閉弁、第４絞り装置、補助蒸発器及び第２開閉弁を介して、配管接続され、
   前記補助蒸発器は、補助タンク内に設けられ、
   前記第１開閉弁から前記第２開閉弁までの間の配管であって前記補助タンク内に配置された配管と前記受液器とが、配管接続され、
   前記第１開閉弁と前記第２開閉弁とは、通電開方式の弁であることを特徴とする冷凍装置。
2. 前記冷却手段は、水冷式である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記受液器の出口側と前記第２絞り装置の入口側とが、延長配管で接続され、
   前記延長配管の入口側には、第３絞り装置が設けられた、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍装置。
4. 前記第２冷媒回路の冷媒は、二酸化炭素である、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷凍装置。
5. 前記補助タンクは、前記受液器の上方に設けられた、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷凍装置。
6. 前記補助タンク内に、水が設けられた、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷凍装置。

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