JP5944058B2 - 冷凍装置の昇華デフロストシステム及び昇華デフロスト方法 - Google Patents

Description

本開示は、冷凍庫内に設けられた冷却器にＣＯ_２冷媒を循環させて冷凍庫内を冷却する冷凍装置に適用され、該冷却器に設けられた熱交換管に付着した霜を溶解させずに昇華除去するための昇華デフロストシステム及び昇華デフロスト方法に関する。

オゾン層破壊防止や温暖化防止等の観点から、室内の空調や食品などの冷凍に用いる冷凍装置の冷媒として、ＮＨ_３やＣＯ_２等の自然冷媒が見直されている。そこで、冷却性能は高いが毒性があるＮＨ_３を一次冷媒とし、無毒及び無臭のＣＯ_２を二次冷媒とした冷凍装置が広く用いられつつある。

前記冷凍装置は、一次冷媒回路と二次冷媒回路とをカスケードコンデンサで接続し、該カスケードコンデンサでＮＨ_３冷媒とＣＯ_２冷媒との熱の授受を行う。ＮＨ_３冷媒によって冷却され凝縮したＣＯ_２冷媒は冷凍庫の内部に設けられた冷却器に送られる。冷却器に設けられた伝熱管を介して冷凍庫内の空気を冷却する。そこで一部が気化したＣＯ_２冷媒は、二次冷媒回路を介してカスケードコンデンサに戻り、カスケードコンデンサで再冷却され液化される。
冷凍装置の運転中、冷却器に設けられた熱交換管には霜が付着し、熱伝達効率が低下するので、定期的に冷凍装置の運転を中断させ、デフロストする必要がある。

従来、冷却器に設けられた熱交換管のデフロスト方法は、熱交換管に散水したり、熱交換管を電気ヒータで加熱する等の方法を行っている。しかし、散水によるデフロストは新たな霜発生源を作り出すものであり、電気ヒータによる加熱は貴重な電力を消費するという点で省エネに反している。特に、散水によるデフロストは、大容量の水槽と大口径の給水配管及び排水配管が必要となるため、プラント施工コストの増加を招く。

特許文献１及び２には、かかる冷凍装置のデフロストシステムが開示されている。特許文献１に開示されたデフロストシステムは、ＮＨ_３冷媒に生じる発熱によりＣＯ_２冷媒を気化させる熱交換器を設け、該熱交換器で生成されるＣＯ_２ホットガスを冷却器内の熱交換管に循環させ除霜するものである。
特許文献２に開示されたデフロストシステムは、ＮＨ_３冷媒の排熱を吸収した冷却水でＣＯ_２冷媒を加熱する熱交換器を設け、加熱されたＣＯ_２冷媒を冷却器内の熱交換管に循環させ除霜するものである。

特許文献３には、冷却器に冷却用チューブとは別個独立に加熱用チューブを設け、デフロスト運転時に該加熱用チューブに温水や温ブラインを流して前記冷却用チューブに付着した霜を溶解、除去する手段が開示されている。
また、理想的なデフロスト方法として昇華デフロストがある。この方法は、熱交換管の表面を均一に０℃を超えないように、即ち、霜が水にならないように加熱し、霜を昇華させて熱交換管の表面から除去するものである。この方法が実現すれば、ドレンが発生しないため、ドレンパン及び排水設備が不要となり、設備費を大幅に低コスト化できる。
本出願人は、先に、庫内空気を０℃以下の温度に冷却すると共に、吸着式除湿装置によって除湿された低水蒸気雰囲気中で冷却器の熱交換管に付着した霜を昇華除去する方法を提案している（特許文献４）。

特開２０１０−１８１０９３号公報 特開２０１３−１２４８１２号公報 特開２００３−３２９３３４号公報 特開２０１２−０７２９８１号公報

特許文献１及び２に開示されたデフロストシステムは、冷却システムとは別系統のＣＯ_２冷媒やＮＨ_３冷媒の配管を現地で施工する必要があり、プラント施工コストの増加を招くおそれがある。また、前記熱交換器は冷凍庫の外部に別置きで設置されるため、熱交換器を設置するための余分な設置スペースが必要となる。
特許文献２のデフロストシステムにおいては、熱交換管のサーマルショック（急激な加熱・冷却）を防ぐために加圧・減圧調整手段が必要になる。また、冷却水とＣＯ_２冷媒とを熱交換する熱交換器の凍結防止のため、デフロスト運転終了後に熱交換器の冷却水を抜く操作が必要となり、操作が煩雑となる等の問題がある。

特許文献３に開示されたデフロスト手段は、冷却用チューブを外側からプレートフィンなどを介して加熱するため、熱伝達効率は高くならないという問題がある。
また、ＮＨ_３冷媒が循環し、冷凍サイクル構成機器を有する一次冷媒回路と、ＣＯ_２冷媒が循環し、該一次冷媒回路とカスケードコンデンサを介して接続されると共に、冷凍サイクル構成機器を有する二次冷媒回路とからなる二元冷凍機では、二次冷媒回路に高温高圧のＣＯ_２ガスが存在する。そのため、ＣＯ_２ホットガスを冷却器の熱交換管に循環させるデフロストが可能になると考えられる。しかし、切替え弁や分岐配管等を設けることによる装置の複雑化及び高コスト化や、高元／低元のヒートバランスに起因する運転制御の不安定化が課題となっている。

前述の昇華デフロストは、熱交換管表面の霜を０℃を超えないように均一に加熱する必要がある。一方、特許文献４に開示されたデフロスト方法で用いている通常のヒータなどによる加熱方法では、冷却器の熱交換管表面を０℃を超えないように均一に加熱することは困難であるため、昇華デフロストは現状実用化に至っていない。

本発明は、前記問題点に鑑みなされたものであり、前述の昇華デフロスト方法を実用化することで、冷凍装置のデフロストに要するイニシャルコスト及びランニングコストの低減と省エネを可能にすることを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る昇華デフロストシステムは、
冷凍庫の内部に設けられ、ケーシング及び該ケーシングの内部に設けられた熱交換管を有する冷却器と、
ＣＯ_２冷媒を冷却液化するための冷凍機と、
前記熱交換管に接続され、前記冷凍機で冷却液化されたＣＯ_２冷媒を前記熱交換管に循環させるための冷媒回路と、を有する冷凍装置の昇華デフロストシステムであって、
前記冷凍庫の庫内空気を除湿するための除湿装置と、
前記熱交換管の入口路及び出口路に接続された循環路形成路によって形成され前記熱交換管を含むＣＯ_２循環路と、
前記熱交換管の入口路及び出口路に設けられ、デフロスト時に閉じて前記ＣＯ_２循環路を閉回路とするための開閉弁と、
前記ＣＯ_２循環路に設けられたＣＯ_２冷媒の循環手段と、
第１加熱媒体であるブラインと前記ＣＯ_２循環路を循環するＣＯ_２冷媒とを熱交換させるように構成された第１熱交換部と、
デフロスト時に前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒の凝縮温度が前記冷凍庫の庫内空気中の水蒸気の氷点以下の凝縮温度となるように、前記ＣＯ_２冷媒の圧力を調整する圧力調整部と、を備え、
ドレン受け部を設けずにデフロストを可能にする。

前記構成（１）において、デフロストを行う場合、前記冷凍庫の庫内空気が飽和水蒸気分圧となっているなら、まず、前記除湿装置により庫内空気を除湿し、水蒸気分圧を低下させる。次に、前記開閉弁を閉じて前記ＣＯ_２循環路を閉回路とする。
その後、前記圧力調整部によって、前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒が冷凍庫の庫内空気中の水蒸気の氷点以下の凝縮温度となるように圧力調整する。そして、前記循環手段によって前記閉回路でＣＯ_２冷媒を循環させる。
なお、前記循環手段とは、例えば、閉回路でＣＯ_２冷媒液を循環させるために前記ＣＯ_２循環路に設けられる液ポンプなどを言う。また、前記圧力調整部は、例えば、ＣＯ_２冷媒の圧力を検出する圧力センサ、又はＣＯ_２冷媒の温度を検出し、該温度検出値に相当するＣＯ_２冷媒の飽和圧力を換算することで、ＣＯ_２冷媒の圧力を求める手段を有している。

次に、前記第１熱交換部で加熱媒体としての温ブラインで前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒を加熱し、ＣＯ_２冷媒を気化する。そして、閉回路内で気化したＣＯ_２冷媒を循環させ、前記熱交換管の外表面に付着した霜をＣＯ_２冷媒ガスの熱で昇華除去する。霜に熱を与えたＣＯ_２冷媒は液化し、その後、前記第１熱交換部で再度加熱され気化する。
なお、ここで「冷凍庫」とは冷蔵庫その他冷却空間を形成するものをすべて含むものであり、前記熱交換管の入口路及び出口路とは、前記冷却器のケーシングの隔壁付近から前記ケーシングの外側であって前記冷凍庫の内部に設けられる熱交換管の範囲を言う。

前記熱交換管の外表面に付着した霜を昇華させるための条件は、（１）庫内空気の水蒸気分圧が飽和水蒸気分圧まで高くないこと、及び（２）霜の温度が氷点以下であることである。さらに、必須ではないが望ましい条件として、（３）熱交換器の外表面に空気流を形成して昇華した水蒸気を放散させる。これらの条件下で霜に熱を与えることで霜を昇華できる。

前記構成（１）によれば、前記熱交換管の外表面に付着した霜を前記熱交換管内を流れるＣＯ_２冷媒の熱で加熱するので、熱交換管全域で均一加熱が可能になる。また、前記閉回路を圧力調整することで、ＣＯ_２冷媒の凝縮温度を制御するので、閉回路を流れるＣＯ_２冷媒ガスの温度を精度良く制御でき、これによって、霜を氷点以下の温度に正確に加熱できるので、昇華デフロストが可能になる。
こうして、熱交換管に付着した霜は融解せずに昇華するので、ドレンパン及び該ドレンパンに溜まったドレンの排水設備が不要になり、冷凍装置を大幅に低コスト化できる。また、前記熱交換管に付着した霜を熱交換管の管壁のみを通して内部から加熱するので、熱交換効率を向上でき省エネが可能になる。
また、ＣＯ_２冷媒を庫内水蒸気の氷点以下の凝縮温度に相当する低圧状態でデフロストできるので、ＣＯ_２循環路などの配管系機器に耐圧強度を付与する必要がなく、高コストとならない。

（２）幾つかの実施形態では、前記構成（１）において、
前記循環路形成路は、前記熱交換管の入口路及び出口路から分岐したデフロスト回路であり、
前記熱交換部は前記デフロスト回路に形成される。
前記構成（２）によれば、前記デフロスト回路を設けることで、前記第１熱交換部の設置場所の自由度を広げることができる。

（３）幾つかの実施形態では、前記構成（１）において、
前記循環路形成路は、前記熱交換管の入口路及び出口路間に接続されたバイパス路であり、
前記熱交換部は前記熱交換管の一部領域に形成される。
前記構成（３）によれば、前記ＣＯ_２循環路は前記バイパス路を除き前記熱交換管のみで構成できる。そのため、前記ＣＯ_２循環路を形成するために前記バイパス路を除き新たな管路を設ける必要がなくなり、コスト高とならない。

（４）幾つかの実施形態では、前記構成（１）〜（３）のいずれかにおいて、
前記ＣＯ_２循環路は高低差をもって形成されると共に、前記第１熱交換部は前記ＣＯ_２循環路の下方領域に形成され、
前記循環手段は、デフロスト時に前記閉回路でＣＯ_２冷媒をサーモサイフォン作用により自然循環させるものである。
前記構成（４）において、前記第１熱交換部において、加熱媒体としての前記ブラインで前記熱交換管の下部領域に存在するＣＯ_２冷媒を加熱し気化させる。気化したＣＯ_２冷媒はサーモサイフォン作用で閉回路を上昇する。閉回路の上部領域に上昇したＣＯ_２冷媒は、熱交換管の外表面に付着した霜を加熱して昇華除去し、ＣＯ_２冷媒自体は液化する。液化したＣＯ_２冷媒は重力で下降する。

前記構成（４）によれば、ＣＯ_２冷媒をサーモサイフォン作用で閉回路を自然循環できるので、閉回路でＣＯ_２冷媒を強制循環させる手段を必要とせず、強制循環するための装備及び動力が不要となり低コスト化できる。

（５）幾つかの実施形態では、前記構成（１）〜（４）のいずれかにおいて、
前記ブラインを第２加熱媒体で加熱するための第２熱交換部と、
前記第１熱交換部及び前記第２熱交換部とに接続され、前記第２熱交換部で加熱された前記ブラインを前記第１熱交換部に循環させるためのブライン回路と、
をさらに備えている。
前記第２加熱媒体は、例えば、冷凍機を構成する圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒ガス、工場の温排水、ボイラから発せられる熱又はオイルクーラの保有熱を吸収した媒体等、任意の加熱媒体を用いることができる。
前記構成（５）によれば、前記第２熱交換部及び前記ブライン回路を備えたことで、加熱されたブラインを前記第１熱交換部に供給できると共に、前記ブライン回路を前記第１熱交換部の設置場所に追従させて配置することで、前記第１熱交換部の設置場所の自由度を広げることができる。

（６）幾つかの実施形態では、前記構成（５）において、
前記熱交換管は前記冷却器の内部で高低差をもって配置され、
前記ブライン回路は前記冷却器の内部で前記熱交換管の下部領域に配設され、
前記第１熱交換部は前記ブライン回路と前記熱交換管の下部領域との間で形成される。
前記構成（６）においては、前記熱交換管の下部領域で気化したＣＯ_２冷媒をサーモサイフォン作用により自然循環させながら、熱交換管の外表面に付着した霜を昇華除去できる。そのため、前記熱交換管以外の配管を必要とせず、かつＣＯ_２冷媒を強制循環させるための装備を必要としないので、冷却器を低コスト化できる。
また、前記ブライン回路を熱交換管の上部領域に配設しないので、冷却器の内部で空気流を形成するためのファンの動力を低減できると共に、上部領域の余ったスペースに熱交換管を設けることができるので、冷却器の冷却能力を高めることができる。

（７）幾つかの実施形態では、前記構成（５）において、
前記熱交換管及び前記ブライン回路は前記冷却器の内部で高低差をもって配置されると共に、前記ブライン回路で前記ブラインが下方から上方へ流れるように構成され、
前記ブライン回路の上下方向の中間部位に流量調整弁が設けられ、該流量調整弁より上流側の前記ブライン回路で前記第１熱交換部が形成される。
前記構成（７）において、前記流量調整弁でブラインの流量を絞り、ブライン回路の上部領域に流入するブラインの流量を制限することで、前記第１熱交換部の形成を熱交換管の下部領域のみに制限できる。こうして、前記構成（６）と同様に、熱交換管の内部でサーモサイフォン作用によりＣＯ_２冷媒を自然循環させながら霜を昇華除去できる。

そのため、特許文献３に開示された冷却器のように、温ブラインなどが循環する加熱チューブが熱交換管の上下方向全域に配設された既存の冷却器であっても、熱交換管に流量調整弁を付設するだけの簡単な改造によって、熱交換管に付着した霜を昇華除去できる。

（８）幾つかの実施形態では、前記構成（５）において、
前記ブライン回路の入口及び出口に夫々設けられ、前記入口及び前記出口を流れる前記ブラインの温度を検出するための第１温度センサ及び第２温度センサをさらに備えている。
前記構成（８）において、前記２つの温度センサの検出値の差が小さくなった時は、霜の融解量が減少し、デフロストがほぼ完了したことを示している。前記熱交換部はブラインによる顕熱加熱を行うため、前記２つの温度センサの検出値の差を求めることで、デフロスト運転終了のタイミングを正確に判定できる。
そのため、冷凍庫内の過剰な加熱や過剰な加熱による水蒸気拡散を防ぐことができる。従って、さらなる省エネを達成できると共に、庫内温度を安定化でき、冷凍庫に保冷された食品の品質向上を実現できる。

（９）幾つかの実施形態では、前記構成（１）において、
前記圧力調整部は、
前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒の圧力を検出するための圧力センサと、
前記熱交換管の出口路に設けられた圧力調整弁と、
前記圧力センサの検出値が入力され、前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒の凝縮温度が前記冷凍庫の庫内空気中の水蒸気の氷点以下の凝縮温度となるように前記圧力調整弁の開度を制御するための制御装置と、で構成されている。
前記構成（９）によれば、前記制御装置によって前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒の圧力を精度良く制御できる。

（１０）幾つかの実施形態では、前記構成（１）において、
前記冷凍機は、
ＮＨ_３冷媒が循環し冷凍サイクル構成機器が設けられた一次冷媒回路と、
ＣＯ_２冷媒が循環し、前記冷却器に導設されると共に、前記一次冷媒回路とカスケードコンデンサを介して接続された二次冷媒回路と、
前記二次冷媒回路に設けられ、前記カスケードコンデンサで液化されたＣＯ_２冷媒を貯留するためのＣＯ_２受液器、及び該ＣＯ_２受液器に貯留されたＣＯ_２冷媒を前記冷却器に送る液ポンプとを有している。

前記構成（１０）によれば、ＮＨ_３及びＣＯ_２の自然冷媒を用いた冷凍機であるので、オゾン層破壊防止や温暖化防止等に寄与できる。また、冷却性能は高いが毒性があるＮＨ_３を一次冷媒とし、無毒かつ無臭のＣＯ_２を二次冷媒としているので、高い冷却性能を保持しつつ、室内の空調や食品などの冷凍に用いることができる。

（１１）幾つかの実施形態では、前記構成（１）において、
前記冷凍機は、
ＮＨ_３冷媒が循環し冷凍サイクル構成機器が設けられた一次冷媒回路と、
前記ＣＯ_２冷媒が循環し、前記冷却器に導設されると共に、前記一次冷媒回路とカスケードコンデンサを介して接続され、冷凍サイクル構成機器が設けられた二次冷媒回路と、を有するＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機である。
前記構成（１１）によれば、自然冷媒を用いることで、オゾン層破壊防止や温暖化防止等に寄与できると共に、無毒かつ無臭のＣＯ_２を二次冷媒としているので、高い冷却性能を保持しつつ、室内の空調や食品などの冷凍に用いることができる。さらに、二元冷凍機であるため、冷凍機のＣＯＰを向上できる。

（１２）幾つかの実施形態では、前記構成（１０）又は（１１）において、
前記一次冷媒回路に前記冷凍サイクル構成機器の一部として設けられた凝縮器に導設された冷却水回路をさらに備え、
前記第２熱交換部は、前記冷却水回路及び前記ブライン回路が導設され、前記凝縮器で加熱された冷却水で前記ブライン回路を循環するブラインを加熱するための熱交換器である。

前記構成（１２）によれば、凝縮器で加熱された冷却水でブラインを加熱できるので、冷凍装置外の加熱源が不要になる。
また、デフロスト運転時に前記ブラインで冷却水の温度を低下できるので、冷凍運転時のＮＨ_３冷媒の凝縮温度を下げることができ、冷凍機のＣＯＰを向上できる。
さらに、前記冷却水回路が凝縮器と冷却塔との間に配設される例示的な実施形態では、前記第２熱交換部を冷却塔内に設けることもでき、これによって、デフロストに使用される装置の設置スペースを縮小できる。

（１３）幾つかの実施形態では、前記構成（１０）又は（１１）において、
前記一次冷媒回路に前記冷凍サイクル構成機器の一部として設けられた凝縮器に導設された冷却水回路と、
前記冷却水回路を循環する冷却水を散布水と熱交換させて冷却するための冷却塔と、
をさらに備え、
前記第２熱交換部は、
前記冷却塔と一体に設けられ、前記散布水が導入され該散布水と前記ブライン回路を循環する前記ブラインとを熱交換するための加熱塔で構成されている。
前記構成（１３）によれば、加熱塔を冷却塔と一体にすることで、第２熱交換部の設置スペースを縮小できる。

（１４）本発明の少なくとも一実施形態に係る昇華デフロスト方法は、
前記構成（１）〜（１３）を有する昇華デフロストシステムを用いた昇華デフロスト方法であって、
前記除湿装置によって前記冷凍庫の庫内空気を飽和水蒸気分圧とならないように除湿する第１工程と、
デフロスト時に前記開閉弁を閉じて前記閉回路を形成する第２工程と、
前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒が前記冷凍庫の庫内空気中の水蒸気の氷点以下の凝縮温度となるように前記ＣＯ_２冷媒を圧力調整する第３工程と、
加熱媒体としての前記ブラインと前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒とを熱交換させて前記ＣＯ_２冷媒を気化する第４工程と、
前記第４工程で気化した前記ＣＯ_２冷媒を前記閉回路を循環させ、前記熱交換管の外表面に付着した霜を前記ＣＯ_２冷媒の熱で昇華除去する第５工程と、を含むものである。

前記（１４）によれば、前記熱交換管の外表面に付着した霜を前記熱交換管内を流れるＣＯ_２冷媒の熱で加熱するので、熱交換管全域で均一加熱が可能になる。また、前記閉回路を圧力調整することで、ＣＯ_２冷媒の凝縮温度を制御するので、閉回路を流れるＣＯ_２冷媒ガスの温度を精度良く制御でき、これによって、霜を氷点以下の温度に正確に加熱できるので、昇華デフロストが可能になる。
こうして、熱交換管に付着した霜は融解せずに昇華するので、ドレンパン及び該ドレンパンに溜まったドレンの排水設備が不要になり、冷凍装置を大幅に低コスト化できる。また、前記熱交換管に付着した霜を熱交換管の管壁のみを通して内部から加熱するので、熱交換効率を向上でき省エネが可能になる。

（１５）幾つかの実施形態では、前記構成（１４）において、
前記第４工程は、高低差をもって形成された前記閉回路の下部領域で、前記ブラインと前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒とを熱交換させるものであり、
前記第５工程は、前記閉回路で前記ＣＯ_２冷媒をサーモサイフォン作用によって自然循環させるものである。
前記構成（１５）によれば、前記閉回路でＣＯ_２冷媒をサーモサイフォン作用により自然循環させるので、ＣＯ_２冷媒を強制循環させる手段を必要とせず、低コスト化できる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、冷却器の熱交換管表面に付着した霜を昇華デフロストすることが可能になるので、ドレンパン及びドレン排出設備が不要となる。また、ドレン排出作業が不要となるので、デフロストに要するイニシャルコスト及びランニングコストの低減と省エネが可能になる。

一実施形態に係る冷凍装置の系統図である。 一実施形態に係る冷凍装置の系統図である。 図２に示す冷凍装置の冷却器の断面図である。 一実施形態に係る冷却器の断面図である。 一実施形態に係る冷凍装置の系統図である。 図５に示す冷凍装置の冷却器の断面図である。 一実施形態に係る冷凍機の系統図である。 一実施形態に係る冷凍機の系統図である。 一実施形態に係る冷凍装置の系統図である。 一実施形態に係る冷凍装置の配置図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１〜図９は、本発明の幾つかの実施形態に係るデフロストシステムを示している。
これらの実施形態に用いられる冷凍装置１０Ａ〜１０Ｄは、冷凍庫３０ａ及び３０ｂの内部に夫々設けられる冷却器３３ａ及び３３ｂと、ＣＯ_２冷媒を冷却液化する冷凍機１１Ａ〜１１Ｄと、該冷凍機で冷却液化したＣＯ_２冷媒を冷却器３３ａ及び３３ｂに循環させる冷媒回路（二次冷媒回路１４が相当）とを備えている。冷却器３３ａ及び３３ｂはケーシング３４ａ及び３４ｂと該ケーシングの内部に配設された熱交換管４２ａ及び４２ｂとを有している。図１〜図９に示す冷凍装置１０Ａ〜１０Ｄでは、冷凍運転時、冷凍庫３０ａ及び３０ｂの内部は例えば−２５℃の低温に保持される。

前記各実施形態の例示的な構成では、熱交換管４２ａ及び４２ｂは、ケーシング３４ａ及び３４ｂの外部からケーシング３４ａ及び３４ｂの内部に導設されている。
ここでは、ケーシング３４ａ及び３４ｂの隔壁から外側で冷凍庫３０ａ及び３０ｂの内部に配置される熱交換管４２ａ及び４２ｂの領域を入口管４２ｃ及び出口管４２ｄと言う。

冷凍庫３０ａ及び３０ｂの内部には、庫内空気を除湿するための除湿装置３８ａ及び３８ｂが設けられている。除湿装置３８ａ及び３８ｂは、図１〜図９に示す幾つかの実施形態では、吸着式除湿装置である。吸着式除湿装置とは、例えば、表面に吸着剤を担持した回転式ロータで構成され、該回転式ロータの一部の領域で庫内空気から水蒸気を吸着する工程と、他の領域で吸着した水蒸気を脱離させる工程とを同時連続的に行うデシカントロータ式除湿装置である。除湿装置３８ａ及び３８ｂには外気ａが供給され、庫内空気から水蒸気ｓを吸着し外部に排出すると共に、庫内に低温乾燥空気ｄを出す。

また、熱交換管４２ａ及び４２ｂの入口管４２ｃ及び出口管４２ｄに接続される循環路形成路によって、ＣＯ_２循環路が形成される。前記循環路形成路は、図１及び図９に示す実施形態では、熱交換管４２ａ及び４２ｂの入口管及び出口管に接続されたデフロスト回路５０ａ及び５０ｂであり、図２〜図６に示す実施形態では、熱交換管４２ａ及び４２ｂの入口管及び出口管に接続されたバイパス管７２ａ及び７２ｂである。
熱交換管４２ａ及び４２ｂの入口管４２ｃ及び出口管４２ｄには、デフロスト時に前記ＣＯ_２循環路を閉回路とするための開閉弁が設けられている。前記開閉弁は、図１〜図９に示す幾つかの実施形態では、電磁開閉弁５４ａ及び５４ｂである。

図１〜図９に示す実施形態の例示的な構成では、ケーシング３４ａ及び３４ｂに通風用の開口が２箇所形成され、該開口のひとつにファン３５ａ及び３５ｂが設けられている。ファン３５ａ及び３５ｂの稼働によりケーシング３４ａ及び３４ｂの内外に流通する空気流が形成される。熱交換管４２ａ及び４２ｂは、例えば、水平方向及び上下方向に蛇行形状で配置される。

また、デフロスト時に前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒の圧力を貯留空間するための圧力調整部４５ａ及び４５ｂが設けられている。デフロスト時、圧力調整部４５ａ及び４５ｂによって前記閉回路のＣＯ_２冷媒は冷凍庫３０ａ及び３０ｂの内部に存在する水蒸気の氷点（例えば０℃）より低温の凝縮温度を有するように圧力調整される。
図１〜図９に示す幾つかの実施形態の例示的な構成では、圧力調整部４５ａ及び４５ｂは、前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒の圧力を検出するための圧力センサ４６ａ及び４６ｂと、出口管４２ｄに設けられた圧力調整弁４８ａ及び４８ｂと、圧力センサ４６ａ及び４６ｂの検出値が入力され、前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒の凝縮温度が冷凍庫３０ａ及び３０ｂの庫内空気中の水蒸気の氷点以下の凝縮温度となるように圧力調整弁４８ａ及び４８ｂの開度を制御する制御装置４７ａ及び４７ｂとで構成されている。

前記実施形態の例示的な構成では、圧力調整弁４８ａ及び４８ｂは電磁開閉弁５２ａ及び５２ｂに並列に設けられている。
圧力センサ４６ａ及び４６ｂは圧力調整弁４８ａ及び４８ｂの上流側の出口管４２ｄに設けられている。制御装置４７ａ及び４７ｂは、該圧力センサの検出値に応じて、前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒の凝縮温度が冷凍庫３０ａ及び３０ｂの庫内空気中の水蒸気の氷点以下の凝縮温度となるように圧力調整弁４８ａ及び４８ｂの開度を制御し、ＣＯ_２冷媒を圧力調整する。

また、デフロスト時に電磁開閉弁５２ａ及び５２ｂを閉じて前記ＣＯ_２循環路を閉回路としたとき、前記閉回路で循環手段によってＣＯ_２冷媒を循環させる。前記循環手段は、例えば、前記ＣＯ_２循環路に設けられた液ポンプであり、あるいは図１〜図１０に示す幾つかの実施形態で採用されているように、強制的な循環手段ではなく、ＣＯ_２冷媒をサーモサイフォン作用で自然循環させるものである。

また、加熱媒体としてブラインを用い、このブラインでＣＯ_２循環路を循環するＣＯ_２冷媒を加熱し気化させる第１熱交換部が設けられる。この第１熱交換部は、図１及び図９に示す実施形態では、デフロスト回路５０ａ及び５０ｂとブライン回路６０から分岐したブライン分岐回路６１ａ及び６１ｂとが導設された熱交換器７０ａ及び７０ｂである。図２〜図６に示す実施形態では、熱交換管４２ａ及び４２ｂの下部領域と該下部領域に導設されたブライン分岐回路６３ａ、６１ｂ又は８０ａ、８０ｂとで構成される熱交換部である。
前記ブラインとして、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール等の水溶液を用いることができる。

図１及び図９に示す実施形態では、前記循環路形成路は、デフロスト回路５０ａ及び５０ｂが設けられ、前記第１熱交換部として熱交換器７０ａ及び７０ｂが設けられている。
図２〜図６に示す実施形態では、前記循環路形成路としてバイパス管７２ａ及び７２ｂが設けられ、前記第１熱交換部として熱交換管４２ａ及び４２ｂの下部領域と該下部領域に導設されたブライン分岐回路６１ａ及び６１ｂとで構成される熱交換部が形成される。

図１〜図９に示す実施形態では、前記ＣＯ_２循環路は上下方向に高低差をもって形成されると共に、前記第１熱交換部はＣＯ_２循環路の下部領域に形成される。
即ち、図１及び図９に示す実施形態では、デフロスト回路５０ａ及び５０ｂが冷却器３３ａ及び３３ｂの下方に配置されることで、ＣＯ_２循環路に高低差が付けられる。図２〜図６に示す実施形態では、ＣＯ_２循環路を形成する熱交換管４２ａ及び４２ｂが高低差をもって配置されている。

かかる高低差を有するＣＯ_２循環路では、デフロスト時に形成される閉回路でＣＯ_２冷媒をサーモサイフォン作用により自然循環させることができる。即ち、第１熱交換部で気化したＣＯ_２冷媒ガスはサーモサイフォン作用によって上昇する。上昇したＣＯ_２冷媒ガスは熱交換管４２ａ及び４２ｂ又は該熱交換管の上部領域で該熱交換器の外表面に付着した霜と熱交換して該霜を昇華除湿する。一方、ＣＯ_２冷媒は保有熱を奪われて液化し、液化したＣＯ_２冷媒は重力でＣＯ_２循環路を下降する。こうして、ループ型サーモサイフォンが作動し、ＣＯ_２冷媒は前記閉回路を自然循環する。

図１〜図６に示す幾つかの実施形態では、ブラインと加熱媒体（冷却水）とを熱交換させ、前記ブラインを加熱するための第２熱交換部（熱交換器５８が相当）と、該第２熱交換部と前記第１熱交換部とに接続され、第２熱交換部で加熱されたブラインを第１熱交換部に循環させるブライン回路６０（破線表示）が設けられている。ブライン回路６０は冷凍庫３０ａ及び３０ｂの外部でブライン分岐回路６１ａ及び６１ｂ（破線表示）に分岐している。
図１及び図９に示す実施形態では、ブライン分岐回路６１ａ及び６１ｂは熱交換器７０ａ及び７０ｂに導設され、図２〜図６に示す実施形態では、接続部６２を介して冷凍庫３０ａ及び３０ｂの内部に設けられたブライン分岐回路６３ａ、６３ｂ又は８０ａ、８０ｂ（破線表示）に接続されている。

図２及び図３に示す少なくとも一つの実施形態では、熱交換管４２ａ及び４２ｂは冷却器３３ａ及び３３ｂの内部で高低差をもって配置されている。ブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂは、冷却器３３ａ及び３３ｂの内部に導設されると共に、熱交換管４２ａ及び４２ｂの下部領域に配置されている。例えば、ブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂは熱交換管４２ａ及び４２ｂが配置された領域の１／３〜１／５の下部領域に配置される。
前記第１熱交換部はブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂと熱交換管４２ａ及び４２ｂの下部領域との間で形成される。

なお、図３に示す冷却器３３ａの例示的な構成では、通風用開口がケーシング３４ａの上面及び側面（不図示）に形成され、庫内空気ｃは該側面から流入し、該上面から流出する。
図４に示す冷却器３３ａの例示的な構成では、通風用開口が両側の側面に形成され、庫内空気ｃは該両側面を通してケーシング３４ａを出入りする。

図５及び図６に示す少なくとも一つの実施形態では、熱交換管４２ａ、４２ｂ及びブライン分岐回路８０ａ、８０ｂは冷却器３３ａ及び３３ｂの内部で高低差をもって配置されている。また、ブライン分岐回路８０ａ、８０ｂではブラインが下方から上方へ流れるように構成されている。そして、ブライン分岐回路６１ａ及び６１ｂの上下方向中間位置に流量調整弁８２ａ及び８２ｂが設けられている。
かかる構成では、流量調整弁８２ａ及び８２ｂの開度を絞ることで、流量調整弁８２ａ及び８２ｂの上流側領域、即ち、流量調整弁８２ａ及び８２ｂより下方の熱交換管４２ａ及び４２ｂに前記第１熱交換部を形成できる。

図１〜図９に示す幾つかの実施形態では、ブライン回路６０の入口及び出口に夫々温度センサ６６及び６８が設けられ、これらの温度センサで該入口及び出口を流れるブラインの温度を計測できる。これら温度センサの検出値の差が縮まれば、デフロストが完了に近いと判定できる。従って、前記検出値の差に閾値（例えば２〜３℃）を設定し、検出値の差が該閾値以下となった時、デフロストが完了したと判定すればよい。
図２〜図６に示す実施形態では、ブライン回路６０の往路にブラインを一時的に貯留するレシーバ（開放型ブライン槽）６４及びブラインを循環するブラインポンプ６５が設けられている。
図９に示す実施形態では、レシーバ６４の代わりに、圧力変動の吸収及びブラインの流量調整等のために膨張タンク９２が設けられている。

図１〜図６に示す幾つかの実施形態において、冷凍装置１０Ａ〜１０Ｃは冷凍機１１Ａを備えている。冷凍機１１Ａは、ＮＨ_３冷媒が循環し、冷凍サイクル構成機器が設けられた一次冷媒回路１２と、ＣＯ_２冷媒が循環し、冷却器３３ａ及び３３ｂまで延設される二次冷媒回路１４とを有している。二次冷媒回路１４は一次冷媒回路１２とカスケードコンデンサ２４を介して接続される。
一次冷媒回路１２に設けられた冷凍サイクル構成機器は、圧縮機１６、凝縮器１８、ＮＨ_３受液器２０、膨張弁２２及びカスケードコンデンサ２４からなる。
二次冷媒回路１４には、カスケードコンデンサ２４で液化されたＣＯ_２冷媒液が一時貯留されるＣＯ_２受液器３６と、ＣＯ_２受液器３６に貯留されたＣＯ_２冷媒液を熱交換管４２ａ及び４２ｂに循環させるＣＯ_２液ポンプ３７とが設けられている。

また、カスケードコンデンサ２４とＣＯ_２受液器３６との間にＣＯ_２循環路４４が設けられている。ＣＯ_２受液器３６からＣＯ_２循環路４４を介してカスケードコンデンサ２４に導入されたＣＯ_２冷媒ガスは、カスケードコンデンサ２４でＮＨ_３冷媒によって冷却され液化してＣＯ_２受液器３６に戻る。

冷凍機１１Ａでは、ＮＨ_３及びＣＯ_２の自然冷媒を用いているので、オゾン層破壊防止や温暖化防止等に寄与できる。また、冷却性能は高いが毒性があるＮＨ_３を一次冷媒とし、無毒かつ無臭のＣＯ_２を二次冷媒としているので、室内の空調や食品などの冷凍に用いることができる。

図７に示す少なくとも一つの例示的な実施形態では、冷凍機１１Ａの代わりに冷凍機１１Ｂを設けることができる。冷凍機１１Ｂは、ＮＨ_３冷媒が循環する一次冷媒回路１２に低段圧縮機１６ｂ及び高段圧縮機１６ａが設けられ、低段圧縮機１６ｂと高段圧縮機１６ａの間の一次冷媒回路１２に中間冷却器８４が設けられている。凝縮器１８の出口で一次冷媒回路１２から分岐路１２ａが分岐し、分岐路１２ａに中間膨張弁８６が設けられている。
分岐路１２ａを流れるＮＨ_３冷媒は中間膨張弁８６で膨張して冷却し、中間冷却器８４に導入される。中間冷却器８４で、低段圧縮機１６ｂから吐出されたＮＨ_３冷媒は分岐路１２ａから導入されたＮＨ_３冷媒で冷却される。中間冷却器８４を設けることで、冷凍機１１ＢのＣＯＰ（成績係数）を向上できる。

カスケードコンデンサ２４でＮＨ_３冷媒と熱交換して冷却液化されたＣＯ_２冷媒液は、ＣＯ_２受液器３６に貯留され、その後、ＣＯ_２受液器３６からＣＯ_２液ポンプ３７で冷凍庫３０の内部に設けられた冷却器３３に循環される。

図８に示す少なくとも一つの例示的な実施形態では、冷凍機１１Ａの代わりに冷凍機１１Ｃを設けることができる。冷凍機１１Ｃは二元冷凍サイクルを構成している。ＮＨ_３冷媒が循環する一次冷媒回路１２に高元圧縮機８８ａ及び膨張弁２２ａが設けられている。一次冷媒回路１２とカスケードコンデンサ２４を介して接続され、ＣＯ_２冷媒が循環する二次冷媒回路１４には、低元圧縮機８８ｂ及び膨張弁２２ｂが設けられている。
冷凍機１１Ｃは、一次冷媒回路１２及び二次冷媒回路１４で夫々機械圧縮式冷凍サイクルを構成した二元冷凍機であるため、冷凍機のＣＯＰを向上できる。

図１〜図６に示す幾つかの実施形態では、冷凍装置１０Ａ〜１０Ｃは冷凍機１１Ａを備えている。冷凍機１１Ａでは、凝縮器１８に冷却水回路２８が導設されている。冷却水回路２８には冷却水ポンプ５７を有する冷却水分岐回路５６が分岐し、冷却水分岐回路５６及びブライン回路６０（破線表示）は前記第２熱交換部としての熱交換器５８に導設されている。
冷却水回路２８を循環する冷却水は、凝縮器１８でＮＨ_３冷媒によって加熱される。加熱された冷却水は、前記加熱媒体として、デフロスト時に熱交換器５８においてブライン回路６０を循環するブラインを加熱する。

冷却水分岐回路５６から熱交換器５８に導入される冷却水の温度が例えば２０〜３０℃であれば、この冷却水でブラインを１５〜２０℃に加熱できる。
別な実施形態では、前記加熱媒体として、前記冷却水以外に、例えば、圧縮機１６から吐出された高温高圧のＮＨ_３冷媒ガス、工場の温排水、ボイラから発せられる熱又はオイルクーラの保有熱を吸収した媒体等、任意の加熱媒体を用いることができる。

前記幾つかの実施形態の例示的な構成として、冷却水回路２８は凝縮器１８と密閉式冷却塔２６との間に設けられる。冷却水は冷却水ポンプ２９によって冷却水回路２８を循環する。凝縮器１８でＮＨ_３冷媒の排熱を吸収した冷却水は、密閉式冷却塔２６で外気と接触しつつ散布される水の蒸発潜熱によって冷却される。
密閉式冷却塔２６は、冷却水回路２８に接続された冷却コイル２６ａと、外気ａを冷却コイル２６ａに通風させるファン２６ｂと、冷却コイル２６ａに冷却水を散布する散水管２６ｃ及びポンプ２６ｄを有している。散水管２６ｃから散布される冷却水の一部は蒸発しその蒸発潜熱を利用して冷却コイル２６ａを流れる冷却水を冷却する。

図９に示す少なくとも一つの実施形態において、冷凍装置１０Ｄに設けられる冷凍機１１Ｄは、密閉式冷却塔２６と密閉式加熱塔９１とが一体になった密閉式冷却加熱ユニット９０を有している。密閉式冷却塔２６は冷却水回路２８を循環する冷却水を散布水で冷却するものであり、その基本的構成は、図１〜図６に示す密閉式冷却塔２６と同一である。

密閉式加熱塔９１は、密閉式冷却塔２６で冷却水回路２８を循環する冷却水の冷却に供された散布水を導入し、該散布水とブライン回路６０を循環するブラインとを熱交換させる。密閉式加熱塔９１は、ブライン回路６０に接続された加熱コイル９１ａと、冷却コイル９１ａに冷却水を散布する散水管９１ｃ及びポンプ９１ｄを有している。密閉式冷却塔２６の内部と密閉式加熱塔９１の内部とは共有ハウジングの下部で連通している。
一次冷媒回路１２を循環するＮＨ_３冷媒の排熱を吸収した散布水は、散水管９１ｃから冷却コイル９１ａに散布され、加熱コイル９１ａ及びブライン回路６０を循環するブラインを加熱する加熱媒体となる。

図１〜図９に示す幾つかの実施形態では、冷凍庫３０ａ及び３０ｂの外部で、二次冷媒回路１４はＣＯ_２分岐回路４０ａ及び４０ｂに分岐する。ＣＯ_２分岐回路４０ａ及び４０ｂは、冷凍庫３０ａ及び３０ｂの外部で熱交換管４２ａ及び４２ｂの入口管及び出口管に接続される。
熱交換器５８から冷凍庫３０ａ及び３０ｂ付近に延設されたブライン回路６０は、冷凍庫３０ａ及び３０ｂの外部でブライン分岐回路６１ａ及び６１ｂ（破線表示）に分岐する。

図１に示す冷凍装置１０Ａでは、ブライン分岐回路６１ａ及び６１ｂは、冷凍庫３０ａ及び３０ｂの内部に設けられた熱交換器７０ａ及び７０ｂに導設される。
冷凍装置１０Ａで昇華デフロストするとき、まず、冷凍庫３０ａ及び３０ｂの庫内空気が飽和水蒸気分圧を有しているなら、除湿装置３８ａ及び３８ｂを作動させ、低水蒸気分圧となるように除湿する。次に、電磁開閉弁５２ａ及び５２ｂを閉じ、熱交換管４２ａ及び４２ｂとデフロスト回路５０ａ及び５０ｂとで構成されるＣＯ_２循環路を閉回路とする。
さらに、制御装置４７ａ及び４７ｂに圧力センサ４６ａ及び４６ｂの検出値が入力され、制御装置４７ａ及び４７ｂは該検出値に基づいて圧力調整弁４８ａ及び４８ｂを操作し、閉回路を循環するＣＯ_２冷媒が庫内空気中の水蒸気の氷点（例えば０℃）以下の凝縮温度となるようにＣＯ_２冷媒を圧力調整する。例えば、ＣＯ_２冷媒を３．０ＭＰａ（凝縮温度−５℃）まで昇圧する。

その後、熱交換器７０ａ及び７０ｂでブラインとＣＯ_２冷媒とを熱交換させ、ＣＯ_２冷媒を気化する。次に、気化した前記ＣＯ_２冷媒を閉回路内で循環させ、熱交換管４２ａ及び４２ｂの外表面に付着した霜をＣＯ_２冷媒の凝縮潜熱（−５℃／３．０ＭＰａで２４９ｋＪ／ｋｇ）で昇華除去する。
霜を昇華させるために調整されるＣＯ_２冷媒の凝縮温度の下限値は、庫内温度（例えば−２５℃）である。冷却運転時には庫内温度以下の温度のＣＯ_２冷媒（例えば−３０℃）を熱交換管４２ａ及び４２ｂに循環させて庫内を冷却する。そのため、霜の温度も庫内温度以下（例えば−２５℃〜−３０℃）となるので、昇華デフロスト時にＣＯ２冷媒の凝縮温度が庫内温度から庫内に存在する水蒸気の氷点までの範囲であれば、霜を加熱して昇華できる。

本実施形態では、デフロスト回路５０ａ及び５０ｂは熱交換管４２ａ及び４２ｂの下方に設けられ、ＣＯ_２循環路は高低差を有している。そのため、熱交換器７０ａ及び７０ｂで気化したＣＯ_２冷媒はサーモサイフォン作用により熱交換管４２ａ及び４２ｂまで上昇する。熱交換管４２ａ及び４２ｂまで上昇したＣＯ_２冷媒ガスは、その保有熱で熱交換管４２ａ及び４２ｂの外表面に付着した霜を昇華させ、ＣＯ_２冷媒は液化する。液化したＣＯ_２冷媒は重力でデフロスト回路５０ａ及び５０ｂを下降し、熱交換器７０ａ及び７０ｂで再び気化する。

図２及び図３に示す冷凍装置１０Ｂ及び図５及び図６に示す冷凍装置１０Ｃでは、冷却器３３ａ及び３３ｂの内部で、熱交換管４２ａ、４２ｂ及びブライン分岐回路６３ａ、６３ｂ又は８０ａ、８０ｂは高低差をもって配置されている。
また、ケーシング３４ａ及び３４ｂの外部で、熱交換管４２ａ及び４２ｂの入口管及び出口管の間にバイパス管７２ａ及び７２ｂが接続され、バイパス管７２ａ及び７２ｂには電磁開閉弁７４ａ及び７４ｂが設けられている。
前記入口管ではバイパス管５２ａ及び５２ｂの上流側に電磁開閉弁５４ａ及び５４ｂが設けられ、前記出口管ではバイパス管５２ａ及び５２ｂの下流側に電磁開閉弁５４ａ及び５４ｂが設けられている。

冷凍装置１０Ｂでは、熱交換管４２ａ及び４２ｂの下部領域にブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂが導設され、熱交換管４２ａ及び４２ｂの下部領域とブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂとで熱交換部が形成されている。
冷凍装置１０Ｃでは、実質的に熱交換管４２ａ及び４２ｂが配置された領域の全領域にブライン分岐回路８０ａ及び８０ｂが配設され、ブライン分岐回路８０ａ及び８０ｂの上下方向中間部位に流量調整弁８２ａ及び８２ｂが設けられている。ブライン分岐回路８０ａ及び８０ｂはブラインｂが下部領域から上方領域へ流れる流路を形成する。

冷却器３３ａ及び３３ｂの例示的な構成は、図３又は図６に示す冷却器３３ａを例に取ると、熱交換管４２ａ、４２ｂ及びブライン分岐回路６３ａ、６３ｂ及び８０ａ、８０ｂは蛇行形状で水平方向に向けて配置され、かつ上下方向に配置される。ブライン分岐回路８０ａ及び８０ｂはブラインｂが下部領域から上方領域へ流れる流路を形成する。
熱交換管４２ａは冷却器３３ａの外部で入口管４２ｃ及び出口管４２ｄにヘッダ４３ａ及び４３ｂを有している。ブライン分岐回路６３ａ及び８０ａは冷却器３３ａの入口及び出口にヘッダ７８ａ及び７８ｂが設けられている。

冷却器３３ａの内部に上下方向に多数のプレートフィン７６ａが設けられている。熱交換管４２ａ及びブライン分岐回路６３ａ又は８０ａは、プレートフィン７６ａに形成された多数の孔に嵌挿され、プレートフィン７６ａによって支持される。プレートフィン７６ａを設けることで、前記配管の支持強度を高めることができると共に、熱交換管４２ａ及びブライン分岐回路６３ａ又は８０ａ間の熱伝達が促進される。

冷凍運転時、ファン３５ａによって、冷却器３３ａで冷却された庫内空気ｃを冷凍庫３２ａの内部に拡散している。なお、デフロスト時溶解水は発生しないため、ケーシング３４ａの下方にドレンパンは設けられていない。以上の冷却器３３ａの構成は冷却器３３ｂも同様である。

冷凍機１１Ｂ及び１１Ｃにおいて、熱交換管４２ａ及び４２ｂの入口管４２ｃ及び出口管４２ｄは冷凍庫３０ａ及び３０ｂの外部で接続部４１を介してＣＯ_２分岐回路４０ａ及び４０ｂに接続される。ブライン分岐回路６３ａ、６３ｂ及び８０ａ、８０ｂは、冷凍庫３０ａ及び３０ｂの外部で接続部６２を介してブライン分岐回路６１ａ及び６１ｂに接続される。
冷凍装置１０Ｂで、冷凍庫３０ａ及び３０ｂのケーシング３４ａ及び３４ｂ、入口管４２ｃ及び出口管４２ｄを含む熱交換管４２ａ及び４２ｂ、ブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂ、及びバイパス管７２ａ及び７２ｂは、一体に構成された冷却ユニット３１ａ及び３１ｂを構成する。

冷凍装置１０Ｃで、冷凍庫３０ａ及び３０ｂのケーシング３４ａ及び３４ｂ、入口管４２ｃ及び出口管４２ｄを含む熱交換管４２ａ及び４２ｂ、及びブライン分岐回路８０ａ及び８０ｂ、及びバイパス管７２ａ及び７２ｂは、一体に構成された冷却ユニット３２ａ及び３２ｂを構成する。
冷却ユニット３１ａ、３１ｂ又は３２ａ、３２ｂは、接続部４１及び６２を介してＣＯ_２分岐回路４０ａ、４０ｂ及びブライン分岐回路６１ａ、６１ｂと着脱可能に接続される。

冷凍装置１０Ｂ及び１０Ｃにおいて、冷凍運転時、電磁開閉弁７４ａ及び７４ｂは閉鎖され、電磁開閉弁５２ａ及び５２ｂは開放される。デフロスト時、電磁開閉弁７４ａ及び７４ｂは開放され、電磁開閉弁５２ａ及び５２ｂは閉鎖され、熱交換管４２ａ及び４２ｂ及びバイパス管７２ａ及び７２ｂからなる閉回路が形成される。
冷凍装置１０Ｂでは、デフロスト時、熱交換管４２ａ及び４２ｂの下部領域で、ＣＯ_２冷媒はブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂを流れるブラインの保有熱で気化する。気化したＣＯ_２冷媒は熱交換管４２ａ及び４２ｂの上部領域に上昇し、該上部領域で熱交換管４２ａ及び４２ｂの外表面に付着した霜を昇華除去する。霜を昇華除湿したＣＯ_２冷媒は液化し、重力で下降し、下部領域で再び気化する。このように、閉回路内でＣＯ_２冷媒はサーモサイフォン作用によって自然循環する。

冷凍装置１０Ｃでは、デフロスト時に流量調整弁８２ａ及び８２ｂの開度を絞り、ブラインｂの流量を制限することで、流量調整弁８２ａ及び８２ｂの上流側領域（下方領域）のみにＣＯ_２冷媒とブラインとを熱交換させる熱交換部を形成できる。
そのため、流量調整弁８２ａ及び８２ｂの上流側領域及び下流側領域に相当する熱交換管４２ａ及び４２ｂの領域間で、サーモサイフォン作用によりＣＯ_２冷媒が自然循環し、循環するＣＯ_２冷媒の保有熱で霜を昇華除去することができる。

図１〜図１０に示す幾つかの実施形態によれば、熱交換管４２ａ及び４２ｂの外表面に付着した霜を該熱交換管内を流れるＣＯ_２冷媒の熱で加熱するので、該熱交換管全域で均一加熱が可能になる。また、前記閉回路を圧力調整することで、ＣＯ_２冷媒の凝縮温度を制御するため、該閉回路を流れるＣＯ_２冷媒ガスの温度を精度良く制御でき、これによって、霜を氷点以下の温度に正確に加熱できるので、昇華デフロストが可能になる。
デフロスト時、ファン３５ａ及び３５ｂの稼働によりケーシング３４ａ及び３４ｂの内外に流通する空気流を形成することで、昇華を促進できる。

こうして、熱交換管４２ａ及び４２ｂに付着した霜は融解せずに昇華するので、ドレンパン及び該ドレンパンに溜まったドレンの排水設備が不要になり、冷凍装置を大幅に低コスト化できる。また、熱交換管４２ａ及び４２ｂに付着した霜を該熱交換管の管壁のみを通して内部から加熱するので、熱交換効率を向上でき省エネが可能になる。
また、ＣＯ_２冷媒を低圧状態としてデフロストできるので、ＣＯ_２循環路などの配管系機器に耐圧強度を付与する必要がなく、高コストとならない。
従って、着霜や結露による性能低下が著しいことから、冷凍庫用冷却器への適用が難しいとされるマイクロチャンネル熱交換管の採用も昇華デフロストの実現に可能となる。また、冷凍庫以外にも、バッチ式の凍結庫やノンデフロストで長時間の連続運転が要求されるフリーザ向けのデフロスト方法としても適用可能である。

図１に示す冷凍装置１０Ａでは、デフロスト回路５０ａ及び５０ｂを設けてＣＯ_２循環路を形成するので、該ＣＯ_２循環路に形成される第１熱交換部の設置場所の自由度を広げることができる。
図２及び図３に示す冷凍装置１０Ｂでは、バイパス管７２ａ及び７２ｂを除き熱交換管４２ａ及び４２ｂのみでＣＯ_２循環路を形成するので、新たな管路を設ける必要がなく、高コストとならない。

図１〜図９に示す幾つかの実施形態によれば、ＣＯ_２冷媒をサーモサイフォン作用で前記閉回路を自然循環できるので、前記閉回路でＣＯ_２冷媒を強制循環させる手段を必要とせず、強制循環するための装備及び動力（ポンプ動力など）が不要となり低コスト化できる。
また、ブライン回路６０を備えたことで、加熱されたブラインをＣＯ_２冷媒と熱交換させる熱交換部の設置場所に追従させて配置でき、そのため、前記熱交換部の設置場所の自由度を広げることができる。

また、図２及び図３に示す実施形態では、熱交換管４２ａ及び４２ｂの下部領域でブラインとの熱交換部を形成し、かつサーモサイフォン作用によりＣＯ_２冷媒を自然循環させるので、バイパス管７２ａ及び７２ｂ以外に新たな配管を必要とせず、かつ強制循環させるための装備を必要としないので、冷却器３３ａ及び３３ｂを低コスト化できる。
また、ブライン分岐回路６３ａ及び６３ｂを熱交換管４２ａ及び４２ｂの上部領域に配設しないので、冷却器３３ａ及び３３ｂの内部で空気流を形成するためのファン３５ａ及び３５ｂの動力を低減できる。また、上部領域の余ったスペースに熱交換管４２ａ及び４２ｂを設けることができ、冷却器３３ａ及び３３ｂの冷却能力を高めることができる。

また、図５及び図６に示す実施形態によれば、ブライン分岐回路８０ａ及び８０ｂを熱交換管４２ａ及び４２ｂの上下方向全域に設けたままで、流量調整弁８２ａ及び８２ｂでブライン流量を絞ることで、熱交換部の形成を熱交換管４２ａ及び４２ｂの下部領域のみに制限できる。そのため、既存の冷却器に流量調整弁８２ａ及び８２ｂを付設するだけの簡単な改造によって、昇華デフロストが可能になる。
また、図１〜図９に示す幾つかの実施形態によれば、ブライン回路６０の入口及び出口に夫々設けた温度センサ６６及び６８の検出値の差から、デフロスト完了時期を正確に求めることができる。これによって、冷凍庫内の過剰な加熱や過剰な加熱による水蒸気拡散を防ぐことができると共に、さらなる省エネを達成でき、かつ庫内温度を安定化でき、冷凍庫に保冷された食品の品質向上を図ることができる。

また、図１〜図９に示す幾つかの実施形態によれば、前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒の圧力調整手段として圧力調整部４５ａ及び４５ｂを設けたことで、簡易かつ低コスト化で精度良い圧力調整が可能になる。
また、図１〜図５に示す幾つかの実施形態によれば、熱交換器５８に冷却水回路２８が導設され、凝縮器１８で加熱された冷却水をブラインを加熱する加熱媒体としているので、冷凍装置外の加熱源が不要になる。また、デフロスト時にブラインで冷却水の温度を低下できるので、冷凍運転時のＮＨ_３冷媒の凝縮温度を下げることができ、冷凍機のＣＯＰを向上できる。
さらに、熱交換器５８を密閉式冷却塔２６の内部に設けることもでき、これによって、デフロストに使用される装置の設置スペースを縮小できる。

また、図９に示す実施形態では、加熱媒体とブラインとの熱交換を密閉式冷却塔２６と一体の密閉式加熱塔９１で行うようにしたので、第２熱交換部の設置スペースを縮小できる。また、密閉式冷却塔２６の散布水をブラインの熱源とすることで、外気からの採熱も可能となる。なお、冷凍装置１０Ｄが空冷方式の場合は、加熱塔単独で外気による冷却水の冷却及び外気を熱源としたブラインの加熱が可能になる。
さらに、前記構成の冷却ユニット３１ａ、３１ｂ及び３２ａ、３２ｂを用いることで、冷凍庫３０ａ及び３０ｂへのデフロスト装置付き冷却器３３ａ及び３３ｂの取付けが容易になると共に、これらの冷却ユニットを予め一体に組立てておくことで、冷凍庫３０ａ及び３０ｂへの取付けがさらに容易になる。

図１０は、さらに別な実施形態であり、この実施形態の冷凍庫３０には荷捌き室１００が隣接している。冷凍庫３０の内部には前記構成の複数の冷却器３３が設けられている。例えば、冷却器３３には、前記構成のケーシング３４、熱交換管４２、ブライン分岐回路６１、６３、及びＣＯ_２分岐回路４０等を備えている。
冷凍庫３０及び荷捌き室１００の内部には、夫々例えばデシカント除湿機のような除湿装置３８が設けられ、除湿装置３８によって、室外から外気ａを導入し、室内から水蒸気ｓを排出することで、室内に低温乾燥空気ｄを供給している。

荷捌き室１００は例えば＋５℃に保温され、荷捌き室１００から冷凍庫３０に出入りする入口には電動式の断熱扉１０２が設けられ、扉開閉時の冷凍庫３０への水蒸気注入を最小限に抑えている。
例えば、冷凍庫３０の温度を−２５℃に冷却し、冷凍庫３０の容積を７，５００ｍ^３としたとき、相対湿度１００％で絶対湿度０．４ｇ／ｋｇであり、相対湿度２５％で絶対湿度０．１ｇ／ｋｇである。そのため、この絶対湿度差に冷凍庫３０の容積を掛けた数値２．２５ｋｇが保有可能な水蒸気量となる。従って、庫内空気の相対湿度を２５％とすることで、昇華デフロストが十分可能である。

本発明によれば、昇華デフロストを実現したことで、冷凍装置のデフロストに要するイニシャルコスト及びランニングコストの低減と省エネを実現できる。

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ 冷凍装置
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ 冷凍機
１２ 一次冷媒回路
１４ 二次冷媒回路
１６ 圧縮機
１６ａ 高段圧縮機
１６ｂ 低段圧縮機
１８ 凝縮器
２０ ＮＨ_３受液器
２２、２２ａ、２２ｂ 膨張弁
２４ カスケードコンデンサ
２６ 密閉式冷却塔
２８ 冷却水回路
２９、５７ 冷却水ポンプ
３０、３０ａ、３０ｂ 冷凍庫
３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ 冷却ユニット
３３、３３ａ、３３ｂ 冷却器
３４、３４ａ、３４ｂ ケーシング
３５ａ、３５ｂ ファン
３６ ＣＯ_２受液器
３７ ＣＯ_２液ポンプ
３８、３８ａ、３８ｂ 除湿装置
４０、４０ａ、４０ｂ ＣＯ_２分岐回路
４１，６２ 接続部
４２、４２ａ、４２ｂ 熱交換管
４２ｃ 入口管
４２ｄ 出口管
４３ａ、４３ｂ、７８ａ、７８ｂ ヘッダ
４４ ＣＯ_２循環路
４５ａ、４５ｂ 圧力調整部
４６ａ、４６ｂ 圧力センサ
４７ａ、４７ｂ 制御装置
４８ａ、４８ｂ 圧力調整弁
５０ａ、５０ｂ デフロスト回路
５２ａ、５２ｂ、７４ａ、７４ｂ 電磁開閉弁
５６ 冷却水分岐回路
５８ 熱交換器（第２熱交換部）
６０ ブライン回路
６１、６１ａ、６１ｂ、６３、６３ａ、６３ｂ、８０ａ、８０ｂ ブライン分岐回路
６４ レシーバ
６５ ブラインポンプ
６６ 温度センサ（第１温度センサ）
６８ 温度センサ（第２温度センサ）
７０ 熱交換器（第１熱交換部）
７２ａ、７２ｂ バイパス管
７６ａ プレートフィン
８２ａ、８２ｂ 流量調整弁
８４ 中間冷却器
８６ 中間膨張弁
８８ａ 高元圧縮機
８８ｂ 低元圧縮機
９０ 密閉式冷却加熱ユニット
９１ 密閉式加熱塔
９２ 膨張タンク
１００ 荷捌き室
１０２ 断熱扉
ａ 外気
ｂ ブライン
ｃ 庫内空気
ｄ 低温乾燥空気

Claims (15)

1. 冷凍庫の内部に設けられ、ケーシング及び該ケーシングの内部に設けられた熱交換管を有する冷却器と、
   ＣＯ_２冷媒を冷却液化するための冷凍機と、
   前記熱交換管に接続され、前記冷凍機で冷却液化されたＣＯ_２冷媒を前記熱交換管に循環させるための冷媒回路と、を有する冷凍装置の昇華デフロストシステムであって、
   前記冷凍庫の庫内空気を除湿するための除湿装置と、
   前記熱交換管の入口路及び出口路に接続された循環路形成路によって形成され前記熱交換管を含むＣＯ_２循環路と、
   前記熱交換管の入口路及び出口路に設けられ、デフロスト時に閉じて前記ＣＯ_２循環路を閉回路とするための開閉弁と、
   前記ＣＯ_２循環路に設けられたＣＯ_２冷媒の循環手段と、
   第１加熱媒体であるブラインと前記ＣＯ_２循環路を循環するＣＯ_２冷媒とを熱交換させるように構成された第１熱交換部と、
   デフロスト時に前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒の凝縮温度が前記冷凍庫の庫内空気中の水蒸気の氷点以下の凝縮温度となるように、前記ＣＯ_２冷媒の圧力を調整する圧力調整部と、を備え、
   ドレン受け部を設けずにデフロストを可能にしたことを特徴とする冷凍装置の昇華デフロストシステム。
2. 前記循環路形成路は、前記熱交換管の入口路及び出口路から分岐したデフロスト回路であり、
   前記第１熱交換部は前記デフロスト回路に形成されるものであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置の昇華デフロストシステム。
3. 前記循環路形成路は、前記熱交換管の入口路及び出口路間に設けられたバイパス路であり、
   前記第１熱交換部は前記熱交換管の一部領域に形成されるものであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置の昇華デフロストシステム。
4. 前記ＣＯ_２循環路は高低差をもって形成されると共に、前記第１熱交換部は前記ＣＯ_２循環路の下方領域に形成され、
   前記循環手段は、デフロスト時に前記閉回路でＣＯ_２冷媒をサーモサイフォン作用により自然循環させるものであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の冷凍装置の昇華デフロストシステム。
5. 前記ブラインを第２加熱媒体で加熱するための第２熱交換部と、
   前記第１熱交換部及び前記第２熱交換部に接続され、前記第２熱交換部で加熱された前記ブラインを前記第１熱交換部に循環させるためのブライン回路と、をさらに備えていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の冷凍装置の昇華デフロストシステム。
6. 前記熱交換管は前記冷却器の内部で高低差をもって配置され、
   前記ブライン回路は前記冷却器の内部で前記熱交換管の下部領域に配設され、
   前記第１熱交換部は前記ブライン回路と前記熱交換管の下部領域との間で形成されることを特徴とする請求項５に記載の冷凍装置の昇華デフロストシステム。
7. 前記熱交換管及び前記ブライン回路は前記冷却器の内部で高低差をもって配置されると共に、前記ブライン回路で前記ブラインが下方から上方へ流れるように構成され、
   前記ブライン回路の上下方向の中間部位に流量調整弁が設けられ、該流量調整弁より上流側の前記ブライン回路で前記第１熱交換部が形成されることを特徴とする請求項６に記載の冷凍装置の昇華デフロストシステム。
8. 前記ブライン回路の入口及び出口に夫々設けられ、前記入口及び前記出口を流れる前記ブラインの温度を検出するための第１温度センサ及び第２温度センサをさらに備えていることを特徴とする請求項５に記載の冷凍装置の昇華デフロストシステム。
9. 前記圧力調整部は、
   前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒の圧力を検出するための圧力センサと、
   前記熱交換管の出口路に設けられた圧力調整弁と、
   前記圧力センサの検出値が入力され、前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒の凝縮温度が前記冷凍庫の庫内空気中の水蒸気の氷点以下の凝縮温度となるように前記圧力調整弁の開度を制御するための制御装置と、で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置の昇華デフロストシステム。
10. 前記冷凍機は、
    ＮＨ_３冷媒が循環し冷凍サイクル構成機器が設けられた一次冷媒回路と、
    ＣＯ_２冷媒が循環し、前記冷却器に導設されると共に、前記一次冷媒回路とカスケードコンデンサを介して接続された二次冷媒回路と、
    前記二次冷媒回路に設けられ、前記カスケードコンデンサで液化されたＣＯ_２冷媒を貯留するためのＣＯ_２受液器、及び該ＣＯ_２受液器に貯留されたＣＯ_２冷媒を前記冷却器に送る液ポンプと、を有していることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の冷凍装置の昇華デフロストシステム。
11. 前記冷凍機は、
    ＮＨ_３冷媒が循環し冷凍サイクル構成機器が設けられた一次冷媒回路と、
    前記ＣＯ_２冷媒が循環し、前記冷却器に導設されると共に、前記一次冷媒回路とカスケードコンデンサを介して接続され、冷凍サイクル構成機器が設けられた二次冷媒回路と、を有するＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の冷凍装置の昇華デフロストシステム。
12. 前記ブラインを第２加熱媒体で加熱するための第２熱交換部と、
    前記第１熱交換部及び前記第２熱交換部に接続され、前記第２熱交換部で加熱された前記ブラインを前記第１熱交換部に循環させるためのブライン回路と、
    前記一次冷媒回路に前記冷凍サイクル構成機器の一部として設けられた凝縮器に導設された冷却水回路をさらに備え、
    前記第２熱交換部は、前記冷却水回路及び前記ブライン回路が導設され、前記凝縮器で加熱された冷却水で前記ブライン回路を循環するブラインを加熱するための熱交換器であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の冷凍装置の昇華デフロストシステム。
13. 前記ブラインを第２加熱媒体で加熱するための第２熱交換部と、
    前記第１熱交換部及び前記第２熱交換部に接続され、前記第２熱交換部で加熱された前記ブラインを前記第１熱交換部に循環させるためのブライン回路と、
    前記一次冷媒回路に前記冷凍サイクル構成機器の一部として設けられた凝縮器に導設された冷却水回路と、
    前記冷却水回路を循環する冷却水を散布水と熱交換させて冷却するための冷却塔と、をさらに備え、
    前記第２熱交換部は、前記冷却塔と一体に設けられ、前記散布水が導入され該散布水と前記ブライン回路を循環する前記ブラインとを熱交換するための加熱塔で構成されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の冷凍装置の昇華デフロストシステム。
14. 請求項１乃至１３に記載された冷凍装置の昇華デフロストシステムを用いた昇華デフロスト方法であって、
    前記除湿装置によって前記冷凍庫の庫内空気を飽和水蒸気分圧とならないように除湿する第１工程と、
    デフロスト時に前記開閉弁を閉じて前記閉回路を形成する第２工程と、
    前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒が前記冷凍庫の庫内空気中の水蒸気の氷点以下の凝縮温度となるように前記ＣＯ_２冷媒を圧力調整する第３工程と、
    加熱媒体としての前記ブラインと前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒とを熱交換させて前記ＣＯ_２冷媒を気化する第４工程と、
    前記第４工程で気化した前記ＣＯ_２冷媒を前記閉回路を循環させ、前記熱交換管の外表面に付着した霜を前記ＣＯ_２冷媒の熱で昇華除去する第５工程と、を含むことを特徴とする冷凍装置の昇華デフロスト方法。
15. 前記第４工程は、高低差をもって形成された前記閉回路の下部領域で、前記ブラインと前記閉回路を循環するＣＯ_２冷媒とを熱交換させるものであり、
    前記第５工程は、前記閉回路で前記ＣＯ_２冷媒をサーモサイフォン作用によって自然循環させるものであることを特徴とする請求項１４に記載の冷凍装置の昇華デフロスト方法。

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