JP6694151B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、窒素ガス等の冷媒ガス冷凍サイクルを用いた冷却装置に関する。

種々の素材や加工品並びに生鮮食料品等を保存するために倉庫等の被冷却室に適用される冷却装置が広く知られている。このような冷却装置にあっては、従来、フロン等の冷媒を利用していたが、近年、環境保全の観点から空気や窒素ガス等の冷媒ガスを用いた冷却装置が求められている。

冷媒ガスを用いた冷却装置としては、冷媒ガスが循環する冷媒ガス循環路において、冷媒ガス循環路内の冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮機により圧縮された高圧高温の冷媒ガスを冷却する水冷式熱交換器（冷却器）と、水冷式熱交換器により冷却された高圧低温の冷媒ガスを膨張させる膨張機と、膨張機により膨張された低温低圧の冷媒ガスにより冷却対象物を冷却するブラインクーラ（熱交換器）と、が設けられる密閉型の冷却装置が知られている。尚、圧縮機及び膨張機は、モータの単一駆動軸に連結される圧縮膨張ユニットとして構成されたものがある（特許文献１参照）。

このような密閉型の冷却装置にあっては、冷媒ガスが流れる冷媒ガス循環路内の容積が一定であるため、モータの回転数が低下した状態においては、通常運転時に比べて圧縮機における冷媒ガスの圧縮比が低くなっており、圧縮機吐出側から膨張機吸入側まで配設される高圧の配管機器系統（以下、高圧系統という）の冷媒ガスの圧力が相対的に低くなる。また、膨張機における冷媒ガスの膨張（減圧）が十分に行われず、膨張機吐出側から圧縮機吸入側まで配設される低圧の配管機器系統（以下、低圧系統という）の冷媒ガスの圧力が相対的に高くなるため、低圧系統を構成する低圧用の配管や機器に負荷がかかり、低圧系統内の冷媒ガスの一部を外部放出して圧力を低減する場合もあった。一方で、モータの回転数が上昇した状態においては、圧縮機における冷媒ガスの圧縮比が高くなっており、高圧系統の冷媒ガスの圧力が相対的に高くなるとともに、膨張機における冷媒ガスの膨張（減圧）が過剰に行われ、低圧系統の冷媒ガスの圧力が相対的に低くなり、場合によっては低圧系統が大気圧よりも低い圧力となるため、低圧系統を構成する配管や機器に外気が入り込む虞が生じていた。

そこで、特許文献１の密閉型の冷却装置は、冷媒ガスが密閉される密閉容器と、密閉容器と高圧系統とを繋ぐ回収路（高圧接続路）、及び密閉容器と低圧系統とを繋ぐ補給路（低圧接続路）から主に構成される密閉系冷媒ガス給排装置と、低圧系統を流れる冷媒ガスの圧力を検出する圧力センサと、補給路及び回収路にそれぞれ設けられる電磁弁（開閉弁）の開閉制御を行うコントローラと、を備えている。よって例えば、モータの回転数の低下により低圧系統を流れる冷媒ガスの圧力が設計上の上限値を上回った場合には、コントローラにより回収路に設けられる電磁弁を開放し、回収路を介して高圧系統の冷媒ガスの一部を密閉容器内に回収することにより、膨張機により膨張される冷媒ガスの量を制限して低圧系統における圧力の上昇を抑えることで圧力調整を行なっている。また、モータの回転数の上昇により低圧系統を流れる冷媒ガスの圧力が設計上の下限値を下回った場合には、コントローラにより補給路に設けられる電磁弁を開放し、補給路を介して密閉容器内の冷媒ガスを低圧系統に供給することにより、圧縮機及び膨張機に流入する冷媒ガスの量を増加させ、低圧系統における圧力を上昇させることで圧力調整を行なっている。

特許第５９３４４８２号公報（第６頁、第１図）

しかしながら、特許文献１の冷却装置にあっては、密閉容器と低圧系統とを繋ぐ補給路が低圧系統に配置される熱交換器よりも下流側の圧縮機吸入側の近傍に接続されているため、補給路を介して密閉容器内から低圧系統に供給された冷媒ガスが圧縮機及び膨張機を経由して再び低圧系統に吐出され圧力調整が行われるまでの間、低圧系統の上流側に設置される熱交換器は、冷媒ガスの圧力変化の影響を受け続けることとなり、故障や破損等が発生しやすくなるという問題があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、低圧系統に配置される熱交換器を、冷媒ガスの圧力変化に対し応答性高く且つ確実に保護することができる冷却装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の冷却装置は、
低圧系統から吸入される冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮され高圧系統に吐出される冷媒ガスを冷却する冷却器と、前記冷却器により冷却された冷媒ガスを膨張させる膨張機と、前記膨張機により膨張され前記低圧系統に吐出される冷媒ガスで冷却対象物を冷却する熱交換器と、を備えた冷却装置であって、
冷媒ガスが密閉される密閉容器と、前記密閉容器と前記低圧系統とを接続する低圧接続路と、前記低圧接続路を開閉する低圧開閉弁と、を少なくとも備え、
前記低圧接続路は、前記熱交換器よりも上流側で前記低圧系統と接続されていることを特徴としている。
この特徴によれば、低圧系統の冷媒ガスが設計上の圧力範囲を超えた場合に、低圧開閉弁を開放し低圧系統と密閉容器とを連通し、低圧系統における冷媒ガスの量を調整することで、低圧接続路よりも下流側に設置される熱交換器に流入する冷媒ガスの圧力変化に対し、応答性高く且つ確実に保護することができる。

前記低圧接続路は、前記熱交換器及び、該熱交換器からの戻り冷媒ガスを用いる排熱回収熱交換器よりも上流側で前記低圧系統と接続されていることを特徴としている。
この特徴によれば、熱交換器に加え、低圧接続路よりも下流側に設置される排熱回収熱交換器に流入する冷媒ガスの圧力変化に対し、応答性高く且つ確実に保護することができる。

前記低圧開閉弁は、前記圧縮機の駆動軸の回転数に基づき開閉制御されることを特徴としている。
この特徴によれば、冷媒ガスの圧力変化の発端となる圧縮機の駆動軸の回転数の変動に基づき、低圧開閉弁を開閉制御できるため、冷媒ガスの圧力変化に対して極めて応答性高く熱交換器を保護できる。

前記低圧接続路に、該低圧接続路を流通する冷媒ガスの流量を調整する流量調整部が設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、低圧系統の冷媒ガスが低圧開閉弁を介し密閉容器内から短時間に且つ大量に流出してしまう虞を解消し、当該冷媒ガスが流量調整部で流量調整されるため、急激な圧力変動が抑制され、圧力制御の精度を高めることができる。

前記密閉容器と前記高圧系統とを接続する高圧接続路と、前記高圧接続路を開閉する高圧開閉弁と、を更に備えることを特徴としている。
この特徴によれば、低圧系統の冷媒ガスの圧力が設計上の上限値を上回った場合には、高圧開閉弁を開放することで、高圧系統の冷媒ガスを密閉容器内に迅速に回収することができる。

前記高圧接続路は、前記熱交換器からの戻り冷媒ガスを用いる排熱回収熱交換器よりも上流側で前記高圧系統と接続されていることを特徴としている。
この特徴によれば、排熱回収熱交換器を通過する前の冷媒ガスを、高圧接続路を介して密閉容器内に回収することができるため、この密閉容器内の冷媒ガスを低圧接続路を介し低圧系統に供給することで、昇温用バイパスラインの一部として利用することができる。

前記高圧開閉弁は、前記圧縮機の駆動軸の回転数に基づき開閉制御されることを特徴としている。
この特徴によれば、冷媒ガスの圧力変動の発端となる圧縮機の駆動軸の回転数の変動に基づき、高圧開閉弁を開閉制御できるため、冷媒ガスの圧力変化に対して極めて応答性高く熱交換器を保護できる。

前記高圧系統と前記低圧系統との間を接続するバイパス流路と、前記バイパス流路を開閉可能なバランス弁と、を備え、
前記バイパス流路は、前記高圧接続路よりも上流側で前記高圧系統に接続されていることを特徴としている。
この特徴によれば、バイパス流路に設けられるバランス弁を開放することにより、高圧系統から低圧系統に高圧接続路よりも上流側で冷媒ガスを迂回させることができるため、密閉容器による冷媒ガスの流動の影響を抑え且つ迅速にサージングを防止することができる。

前記高圧接続路に、該高圧接続路を流通する冷媒ガスの流量を調整する流量調整部が設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、高圧系統の冷媒ガスが高圧開閉弁を介し密閉容器内に短時間に且つ大量に流入してしまう虞を解消し、当該冷媒ガスが流量調整部で流量調整されるため、急激な圧力変動が抑制され、圧力制御の精度を高めることができる。

前記高圧接続路に、該高圧接続路を流通する冷媒ガスを圧縮して前記密閉容器に送出する冷媒圧縮部が設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、高圧系統に存在する冷媒の圧力を、冷媒圧縮部により強制的に高め更なる高圧状態として密閉容器に蓄圧できるため、密閉容器の内容量を小さくすることができる。

前記密閉容器には、冷媒ガス補充用のボンベが開閉弁を介して接続されていることを特徴としている。
この特徴によれば、密閉容器内の冷媒ガスの圧力が低下した場合には、開閉弁を開放しボンベから冷媒ガスを補充することができるため、密閉容器内の冷媒ガスの圧力を低圧系統よりも高い状態に維持することができる。

本発明の実施例における冷媒ガス冷凍サイクルを用いた冷却装置を示す図である。 実施例における制御装置の構成を示すブロック図である。 実施例における制御装置による第１電磁弁及び第２電磁弁の開閉制御のフローチャートを示す図である。 本発明の第１の変形例における冷媒ガス冷凍サイクルを用いた冷却装置の一部を示す拡大図である。 本発明の第２の変形例における冷媒ガス冷凍サイクルを用いた冷却装置の一部を示す拡大図である。 本発明の第３の変形例における冷媒ガス冷凍サイクルを用いた冷却装置の一部を示す拡大図である。

本発明に係る冷媒ガス冷凍サイクルを用いた冷却装置を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例に係る冷媒ガス冷凍サイクルを用いた冷却装置につき、図１から図３を参照して説明する。

図１に示されるように、本実施例における冷却装置１は、種々の素材や加工品並びに生鮮食料品等を保存する冷凍庫等の冷却対象物を冷却するために、後述する循環路内に密封された冷媒ガスを利用した、冷媒ガス冷凍サイクルを構成している。尚、この冷却装置１は、系の温度・圧力の違いにより、冷凍用、冷蔵用、空調冷房用等に適用でき、冷却対象に応じて好適な冷却温度領域の冷凍システムに適用される。更に尚、本実施例では冷媒ガスとして乾燥窒素ガスを適用しているが、密閉された循環路内を循環可能な冷媒であればこれに限らず、種々のガスや空気を適用することができる。

冷却装置１は、コンプレッサＣ（圧縮機）、水冷熱交換器３（冷却器）、排熱回収熱交換器４、膨張タービンＥ（膨張機）、ブライン冷却器５（熱交換器）を主に備え、これらの機器が後述する冷媒ガス循環路として各種配管により密閉状に接続されている。

冷媒ガス循環路について詳しくは、コンプレッサＣの下流側（吐出側）には、配管７ａを介して水冷熱交換器３の高温側配管３ａが接続されている。水冷熱交換器３の高温側配管３ａの下流側には、配管７ｂを介して排熱回収熱交換器４の高温側配管４ａが接続されており、排熱回収熱交換器４の高温側配管４ａの下流側には、配管７ｃを介して膨張タービンＥが接続されており、膨張タービンＥの下流側（吐出側）には、配管７ｄを介してブライン冷却器５の冷媒ガス配管５ａが接続されている。ブライン冷却器５の冷媒ガス配管５ａの下流側には、配管７ｅを介して排熱回収熱交換器４の低温側配管４ｂが接続されており、排熱回収熱交換器４の低温側配管４ｂの下流側には、配管７ｆを介してコンプレッサＣが接続されている。

尚、本実施例においては、冷媒ガスを圧縮するコンプレッサＣの下流側（吐出側）から膨張タービンＥの上流側（吸入側）までの間に配設される配管７ａ、水冷熱交換器３（高温側配管３ａ）、配管７ｂ、排熱回収熱交換器４（高温側配管４ａ）及び配管７ｃにより高圧系統が構成され、また、冷媒ガスを膨張させる膨張タービンＥの下流側（吐出側）からコンプレッサＣの上流側（吸入側）までの間に配設される配管７ｄ、ブライン冷却器５（冷媒ガス配管５ａ）、配管７ｅ、排熱回収熱交換器４（低温側配管４ｂ）及び配管７ｆにより低圧系統が構成されるものとして説明する。

また、高圧系統を構成する配管７ｂには、バイパス配管１６ａ（バイパス流路）が接続され、バイパス配管１６ａは、バランス弁１４により流路を開閉可能に構成されている。バイパス配管１６ａに設けられるバランス弁１４の下流側には、三方切換弁１５が設けられ、三方切換弁１５から分岐する一方の分岐バイパス配管１６ｂが低圧系統を構成する配管７ｆと接続され、他方の分岐バイパス配管１６ｃが低圧系統を構成する配管７ｄと接続されている。尚、三方切換弁１５から分岐する他方の分岐バイパス配管１６ｃは、高圧系統を構成する配管７ｂから低圧系統を構成する配管７ｄに高温の冷媒ガスを直接供給することにより低圧系統の除霜等を行うための昇温用バイパスラインとして機能する。

また、高圧系統を構成する配管７ｂには、バイパス配管１６ａよりも下流側の位置に接続配管６ａ（高圧接続路）が接続されるとともに、低圧系統を構成する配管７ｄには、三方切換弁１５から分岐する他方の分岐バイパス配管１６ｃを介して接続配管６ｂ（低圧接続路）が接続されることにより、高圧系統と低圧系統との間に接続配管６ａ，６ｂを介して密閉容器としての膨張タンク６が接続されている。また、接続配管６ａは、第１電磁弁８（高圧開閉弁）により流路を開閉可能に構成されるとともに、接続配管６ｂは、第２電磁弁９（低圧開閉弁）により流路を開閉可能に構成されている。

コンプレッサＣ及び膨張タービンＥは、モータ１０により駆動される。このモータ１０は、同軸上に延びる一対の駆動軸１０ａ，１０ｂを備え、それぞれにコンプレッサＣと膨張タービンＥとが接続されており、膨張タービンＥの上流側（吸入側）の高圧冷媒ガスにより生じる該膨張タービンＥの回転動力が、駆動軸１０ｂを介してコンプレッサＣの駆動軸１０ａに伝達されることで、動力回収がなされるように構成されている。

また、モータ１０には、空冷用のファンＦにより空気が循環する空冷用循環流路１２が接続されており、ファンＦ及び空冷用循環流路１２によりモータ１０が冷却されるようになっている。また、空冷用循環流路１２には、空冷用循環流路１２内の空気と熱交換するラジエータ１３が接続されている。

また、モータ１０には、コンプレッサＣの駆動軸１０ａ（以下、単に駆動軸１０ａともいう）の回転数を検出するための回転数計が設けられている。回転数を検出する方法としてはロータリエンコーダ式、パルス式等があるが、本実施例ではロータリエンコーダ式を例に取り説明する。図２に示されるように、モータ１０には、駆動軸１０ａの回転数を検出するためのロータリエンコーダ１１が設けられ、ロータリエンコーダ１１は、モータ１０の駆動を制御する制御装置２に接続されている。この制御装置２は、ロータリエンコーダ１１により検出された駆動軸１０ａの回転数に基づき、前述した第１電磁弁８及び第２電磁弁９に制御信号を送ることにより、第１電磁弁８及び第２電磁弁９の開閉制御を行うことができるようになっている。また、制御装置２は、コンプレッサＣの駆動軸１０ａの回転数の変動と低圧系統の圧力の変動との対応データのテーブルを記憶した図示しない記憶部に接続されている。尚、本実施例では、制御装置２は、高圧系統及び低圧系統の適所に設けられた圧力センサ（図示略）にも接続されており、これらの圧力センサにより検出された高圧系統及び低圧系統の内部圧力に基づき、第１電磁弁８及び第２電磁弁９の開閉制御を行うこともできるようになっている。

水冷熱交換器３は、コンプレッサＣにより圧縮された冷媒ガスが流れる高温側配管３ａと、高温側配管３ａとは別系統であり冷却水が循環する低温側配管３ｂと、を備えており、高温側配管３ａと低温側配管３ｂとの間で熱交換を行うことにより、高温側配管３ａ内を流れる冷媒ガスを冷却できるようになっている。尚、ここでいう高温側配管３ａ及び低温側配管３ｂとは、水冷熱交換器３において熱交換を行う２つの配管の内部を流れる冷媒ガスの温度を比較したときの高温側、低温側に基づくものである。

排熱回収熱交換器４は、水冷熱交換器３で冷却された冷媒ガスが流れる高温側配管４ａと、ブライン冷却器５からの戻り冷媒ガスが流れる低温側配管４ｂと、を備えており、高温側配管４ａと低温側配管４ｂとの間で熱交換を行うことにより、高温側配管４ａ内を流れる冷媒ガスを冷却できるようになっている。尚、ここでいう高温側配管４ａ及び低温側配管４ｂとは、排熱回収熱交換器４において熱交換を行う２つの配管の内部を流れる冷媒ガスの温度を比較したときの高温側、低温側に基づくものである。

ブライン冷却器５は、膨張タービンＥで膨張させた低圧の冷媒ガスが流れる配管７ｄに接続された冷媒ガス配管５ａと、冷媒ガス配管５ａとは別系統でありブラインが循環するブライン配管５ｂと、を備えており、冷媒ガス配管５ａとブライン配管５ｂとの間で熱交換を行うことにより、ブライン配管５ｂ内を流れるブラインを冷却できるようになっている。尚、ブライン配管５ｂは、図示しない冷却対象物である冷凍庫の内部に配設される熱交換管と接続されており、冷却されたブラインが熱交換管を流れることにより、冷凍庫内を冷却できるようになっている。

膨張タンク６は、所定の内部容量で密閉状に構成され、高圧系統の冷媒ガスを収容可能な耐圧性能を備えている。膨張タンク６内には、冷却装置１の冷媒ガス循環路に供給された冷媒ガスと同じく乾燥窒素ガスが封入されている。尚、膨張タンク６内の乾燥窒素ガスの封入圧力は、少なくとも接続配管６ｂを介して接続される低圧系統を構成する配管７ｄ内の冷媒ガスの圧力よりも高くなるように設定されている。

次に、冷却装置１の通常運転である冷却運転時の動作について説明する。尚、以下の説明において、配管７ｆ内の冷媒ガスＡ１（例えば約４ｋＰａ、約３５℃）を基準とし、高圧とは、冷媒ガスＡ１と比べて高圧であることを指し、低圧とは、冷媒ガスＡ１と略同圧（誤差５ｋＰａ以内）であることを指し、常温とは、冷媒ガスＡ１と略同温（誤差５℃以内）であることを指し、高温、低温とは、常温よりも高温、低温であることを指す。尚、高圧・低圧系統の各所における冷媒ガスの圧力、温度の数値は、例示に過ぎず当該数値に限られるものではない。また、本実施例においては、冷媒ガスの圧力の数値は大気圧（約１０１ｋＰａ）との差であり、０ｋＰａは大気圧を示している。

冷却運転時において、モータ１０が駆動すると、コンプレッサＣは、配管７ｆ内の低圧常温の冷媒ガスＡ１（約４ｋＰａ、約３５℃）を吸引して圧縮する。コンプレッサＣにより圧縮され昇温した高圧高温冷媒ガスＡ２（約８１ｋＰａ、約１１９℃）は、配管７ａを通って水冷熱交換器３の高温側配管３ａに吐出される。

冷却運転時には、水冷熱交換器３の低温側配管３ｂ内を冷却水が循環しているため、水冷熱交換器３の高温側配管３ａに吐出された高圧高温冷媒ガスＡ２は、水冷熱交換器３の低温側配管３ｂ内を流れる冷却水と熱交換され、高圧高温冷媒ガスＡ３（約８０ｋＰａ、約４３℃）となり、排熱回収熱交換器４の高温側配管４ａに吐出される。

排熱回収熱交換器４の高温側配管４ａに吐出された高圧高温冷媒ガスＡ３は、排熱回収熱交換器４の低温側配管４ｂ内を流れる後述する低圧低温冷媒ガスＡ６と熱交換され、高圧低温冷媒ガスＡ４（約７９ｋＰａ、約−７７℃）となり、膨張タービンＥに吐出される。

膨張タービンＥに吐出された高圧低温冷媒ガスＡ４は、膨張タービンＥにより膨張され、低圧低温冷媒ガスＡ５（約７ｋＰａ、約−１００℃）となり、ブライン冷却器５の冷媒ガス配管５ａに吐出される。

冷却運転時には、ブライン冷却器５のブライン配管５ｂ内をブラインが循環しているため、ブライン冷却器５の冷媒ガス配管５ａに吐出された低圧低温冷媒ガスＡ５は、ブライン冷却器５のブライン配管５ｂ内を流れるブラインと熱交換され、低圧低温冷媒ガスＡ６（約６ｋＰａ、約−８５℃）となり、排熱回収熱交換器４の低温側配管４ｂに吐出される。

排熱回収熱交換器４の低温側配管４ｂに吐出された低圧低温冷媒ガスＡ６は、排熱回収熱交換器４の高温側配管４ａ内を流れる前述した高圧高温冷媒ガスＡ３と熱交換され、低圧常温冷媒ガスＡ１（約４ｋＰａ、約３５℃）となり、配管７ｆに吐出される。

尚、上述した冷却装置１の冷却運転時の空気冷凍サイクルにおける圧力及び温度は、モータ１０（コンプレッサＣの駆動軸１０ａ）の回転数が約１９０００ｒｐｍの条件のものを例に説明している。

冷却運転時において、制御装置２は、常時、ロータリエンコーダ１１により検出されるモータ１０の回転数を監視して前述したコンプレッサＣの駆動軸１０ａの回転数の変動と低圧系統の圧力の変動との対応データのテーブルを記憶した記憶部と照会しており、ロータリエンコーダ１１により検出されるコンプレッサＣの駆動軸１０ａの回転数の変動値が上限基準値を上回った場合、あるいは下限基準値を下回った場合に、制御信号を送信して第１電磁弁８、あるいは第２電磁弁９を開放できるようになっている。

モータ１０の回転数の上昇値が上限基準値を上回った状態においては、コンプレッサＣにおける冷媒ガスの圧縮比が高くなり、配管７ｆからコンプレッサＣに吸引された冷媒ガスが過剰に圧縮され、高圧系統の冷媒ガスの圧力が相対的に高くなるとともに、膨張タービンＥにおける冷媒ガスの膨張（減圧）が過剰に行われ、低圧系統の冷媒ガスの圧力が相対的に低くなり、低圧系統を流れる冷媒ガスの圧力が相対的に大きく低下する。このとき、低圧系統の冷媒ガスの圧力が設計上の下限値（例えば大気圧）を下回った場合、低圧系統を構成する配管や機器に外気が入り込む虞がある。

そのため、ロータリエンコーダ１１により検出されるモータ１０の回転数の上昇値が上限基準値を上回った場合、制御装置２により第２電磁弁９を開放することにより、膨張タンク６と低圧系統を構成する配管７ｄとが接続配管６ｂ及び他方の分岐バイパス配管１６ｃを介して連通され、膨張タンク６内に封入されていた冷媒ガスが低圧系統を構成する配管７ｄに供給し、低圧系統を流れる冷媒ガスの圧力を上昇させ、大気圧よりも大きい圧力（０ｋＰａ＜低圧系統の冷媒ガスの圧力）に調整することができる。

一方で、モータ１０の回転数の下降値が下限基準値を下回った状態においては、コンプレッサＣにおける冷媒ガスの圧縮比が低くなり、配管７ｆからコンプレッサＣに吸引された冷媒ガスが十分に圧縮されず、高圧系統の冷媒ガスの圧力が相対的に低くなるとともに、膨張タービンＥにおける冷媒ガスの膨張（減圧）が十分に行われず、低圧系統を流れる冷媒ガスの圧力が相対的に大きく上昇する。低圧系統を構成する配管や機器は、その耐圧性能が低圧仕様であることから、低圧系統の冷媒ガスの圧力が設計上の上限値（例えば１０ｋＰａ）を上回った場合、破損する虞がある。

そのため、ロータリエンコーダ１１により検出されるモータ１０の回転数の下降値が下限基準値を下回った場合、制御装置２により第１電磁弁８が開放されることにより、膨張タンク６と高圧系統を構成する配管７ｂとが接続配管６ａを介して連通され、高圧系統から膨張タンク６内に冷媒ガスが回収されることにより、膨張タービンＥにおいて吸入・吐出される冷媒ガスの量を制限し、低圧系統を流れる冷媒ガスの圧力を低下させ、耐圧性能を満たす圧力（例えば低圧系統の冷媒ガスの圧力＜１０ｋＰａ）に調整することができる。

次に、制御装置２における第１電磁弁８及び第２電磁弁９の開閉による圧力調整に関わるシステムフローについて図３を用いて説明する。図３に示されるように、制御装置２は、先ずステップＳＡ１において、ロータリエンコーダ１１からモータ１０の回転数データ（回転数の変動値）を取得すると、ステップＳＡ２に移り、取得した回転数データの値（上昇値）が上限基準値よりも大きいか否かの判断をし、上限基準値よりも大きい場合、ステップＳＡ３に移り、制御信号を送信して第１電磁弁８を開放する。そして、ステップＳＡ４に移り、再度ロータリエンコーダ１１からモータ１０の回転数データを取得すると、ステップＳＡ５に移り、取得した回転数データの値（上昇値）が上限基準値近傍の所定の設定値以下か否かの判断をし、当該設定値以下の場合、ステップＳＡ６に移り、制御信号を送信して第１電磁弁８を閉塞する。尚、上記した所定の設定値として、上限基準値自体を設定してもよい。

更に尚、ステップＳＡ５において、取得した回転数データの値（上昇値）が当該設定値よりも大きい場合、モータ１０の回転数の変動値が設定範囲内に戻っていないと判断し、ステップＳＡ４に戻る。

また、ステップＳＡ２において、取得した回転数データの値（下降値）が上限基準値よりも小さいと判断した場合、ステップＳＡ２’に移り、取得した回転数データの値（下降値）が下限基準値よりも小さいか否かの判断をし、下限基準値よりも小さい場合、ステップＳＡ３’に移り、制御信号を送信して第２電磁弁９を開放する。そして、ステップＳＡ４’に移り、再度ロータリエンコーダ１１からモータ１０の回転数データを取得すると、ステップＳＡ５’に移り、取得した回転数データの値（下降値）が下限基準値近傍の所定の設定値以上か否かの判断をし、当該設定値以上の場合、モータ１０の回転数の変動値が設定範囲内であると判断し、ステップＳＡ６’に移り、制御信号を送信して第２電磁弁９を閉塞する。尚、上記した所定の設定値として、下限基準値自体を設定してもよい。

尚、ステップＳＡ５’において、取得した回転数データの値（下降値）が当該設定値よりも小さい場合、モータ１０の回転数が設定範囲内に戻っていないと判断し、ステップＳＡ４’に戻る。

また、ステップＳＡ２’において、取得した回転数データの値（下降値）が下限基準値よりも小さいか否かの判断をし、下限基準値よりも大きい場合、モータ１０の回転数の変動値は、設定範囲内であると判断し、ステップＳＡ１に戻る。

このように、制御装置２は、ロータリエンコーダ１１からモータ１０の回転数データを取得し、モータ１０の回転数の変動値が設定範囲内となるまで、第１電磁弁８及び第２電磁弁９の開閉制御を行うことができるため、低圧系統を流れる冷媒ガスの圧力を所定の設定範囲（０ｋＰａ＜低圧系統の冷媒ガスの圧力＜１０ｋＰａ）内に調整することができる。

尚、制御装置２は、低圧系統の適所に設けられた圧力センサにより検出される低圧系統の冷媒ガスの圧力が、所定の設定範囲（０ｋＰａ＜低圧系統の冷媒ガスの圧力＜１０ｋＰａ）内となった場合に、制御信号を送信して第１電磁弁８及び第２電磁弁９を閉塞するように構成されてもよい。

更に尚、制御装置２は、低圧系統の適所に設けられた圧力センサにより検出される低圧系統の冷媒ガスの圧力が、低圧系統の設計上の上限値を上回った場合、あるいは設計上の下限値を下回った場合に、制御信号を送信して第１電磁弁８、あるいは第２電磁弁９を開放するように構成されてもよい。

以上説明したように、本発明に係る冷却装置１によれば、低圧系統の冷媒ガスの圧力が設計上の上限値を上回った場合には、第１電磁弁８（高圧開閉弁）を開放し高圧系統の冷媒ガスを膨張タンク６（密閉容器）内に回収することで、低圧系統における冷媒ガスの量を制限して低圧系統における圧力の上昇を抑えることができ、また、低圧系統の冷媒ガスの圧力が設計上の下限値を下回った場合には、第２電磁弁９（低圧開閉弁）を開放し膨張タンク６内の冷媒ガスを低圧系統に供給することで、接続配管６ｂ（低圧接続路）よりも下流側に設置されるブライン冷却器５（熱交換器）に流入する冷媒ガスの圧力を速やかに上昇させることができるため、低圧系統に配置されるブライン冷却器５、及び排熱回収熱交換器４に流入する冷媒ガスの圧力変化に対し、応答性高く且つ確実に保護することができる。

また、第１電磁弁８（高圧開閉弁）、及び第２電磁弁９（低圧開閉弁）は、コンプレッサＣ（圧縮機）の駆動軸１０ａの回転数に基づき開閉制御されることで、冷媒ガスの圧力変動の発端となるコンプレッサＣの駆動軸１０ａの回転数の変動に基づき、第１電磁弁８及び第２電磁弁９を開閉制御できるため、冷媒ガスの圧力変化に対して極めて応答性高くブライン冷却器５、及び排熱回収熱交換器４を保護できる。

また、接続配管６ａ（高圧接続路）は、ブライン冷却器５（熱交換器）からの戻り冷媒ガスを用いる排熱回収熱交換器４よりも上流側で高圧系統と接続されていることで、排熱回収熱交換器４を通過する前の比較的高温の冷媒ガスを、接続配管６ａを介して膨張タンク６内に回収することができるため、この膨張タンク６内の冷媒ガスを接続配管６ｂ（低圧接続路）及び他方の分岐バイパス配管１６ｃを介し低圧系統に供給することで、低圧系統の除霜等の際に使用される昇温用バイパスラインの一部として利用することができる。

また、高圧系統と低圧系統との間を接続するバイパス配管１６ａ（バイパス流路）は、接続配管６ａ（高圧接続路）よりも上流側で高圧系統に接続されていることで、バイパス配管１６ａに設けられるバランス弁１４を開放することにより、接続配管６ａよりも上流側で冷媒ガスを迂回させることができるため、膨張タンク６による冷媒ガスの流動の影響を抑え且つ迅速にサージングを防止することができる。

また、膨張タンク６は、接続配管６ａ（高圧接続路）により水冷熱交換器３（冷却器）の高温側配管３ａよりも下流側で高圧系統に接続されていることで、水冷熱交換器３において冷却された冷媒ガスＡ３（約４３℃）を回収することができるため、膨張タンク６による冷媒ガスの管理を行いやすい。

次に、第１の変形例に係る冷却装置につき、図４を参照して説明する。本変形例の冷却装置は、後述する膨張タンク６に接続される機器を除き、他の構成機器は上述した実施例と同様であるため、その説明を省略する。本変形例の膨張タンク６には、上記した実施例と同じく接続配管６ａ、第１電磁弁８、接続配管６ｂ、第２電磁弁９が接続されるほか、供給配管１７ａを介して乾燥窒素ガスが封入されるボンベ１７が接続されている。また、供給配管１７ａは、電磁弁１８（開閉弁）により流路を開閉可能に構成されている。更に、膨張タンク６には、その内部の圧力を検知する圧力センサ１９が接続されている。また、電磁弁１８及び圧力センサ１９は、制御装置２に接続されている。

制御装置２は、圧力センサ１９により検出された膨張タンク６内の圧力が所定値を下回った場合、電磁弁１８を開放する制御信号を送ることにより、ボンベ１７内の乾燥窒素ガスを膨張タンク６内に補充し、この膨張タンク６内の圧力を高める制御を行う。

このように、膨張タンク６に、冷媒ガス補充用のボンベ１７が電磁弁１８（開閉弁）を介して接続されていることで、膨張タンク６内の冷媒ガスの圧力が低下した場合には、電磁弁１８を開放しボンベ１７から冷媒ガスを補充することができるため、膨張タンク６内の冷媒ガスの圧力を低圧系統よりも高い状態に維持することができる。

次に、第２の変形例に係る冷却装置につき、図５を参照して説明する。本変形例の冷却装置は、後述する膨張タンク６に接続される機器を除き、他の構成機器は上述した実施例と同様であるため、その説明を省略する。本変形例の膨張タンク６には、上記した実施例と同じく接続配管６ａ、第１電磁弁８、接続配管６ｂ、第２電磁弁９が接続されるほか、接続配管６ａ（高圧接続路）において第１電磁弁８のフランジと膨張タンク６のフランジとの間に、冷媒の流量調整用の第１オリフィスフランジ２１が介設され、これらが締結部材２５で締結されている。また接続配管６ｂ（低圧接続路）において第２電磁弁９のフランジと膨張タンク６のフランジとの間に、同じく冷媒の流量調整用の第２オリフィスフランジ２２が介設され、これらが締結部材２５で締結されている。すなわち、これら第１オリフィスフランジ２１及び第２オリフィスフランジ２２は、本発明の流量調整部を構成している。

第１オリフィスフランジ２１は、ＳＵＳ等の鋼材からなる略円形のフランジ板であり、第１電磁弁８及び膨張タンク６のフランジに締結する締結部材用の複数のボルト孔と、当該フランジ板の中心部に貫通形成された小径のオリフィス孔２１ａとを備える。オリフィス孔２１ａの孔径は、接続配管６ａの内径よりも十分に小径であり、当該配管に接続されるフランジ板の外径に対し概ね５％〜１５％程度の範囲で適宜設定されると好ましく、例えば外径φ１００のフランジ板の場合、オリフィス孔２１ａの孔径はφ５，φ７．５，φ１０若しくはφ１２．５の中から選定されるとよい。

また第２オリフィスフランジ２２は、上記した第１オリフィスフランジ２１と同様の構成を有し、フランジ板の中心部に貫通形成され、接続配管６ｂの内径よりも十分に小径のオリフィス孔２２ａを備えるものであるが、この第２オリフィスフランジ２２のオリフィス孔２２ａは、第１オリフィスフランジ２１のオリフィス孔２１ａと異なる孔径であってもよく、例えば低圧系統の冷媒の流量を調整する第２オリフィスフランジ２２のオリフィス孔２２ａは、高圧系統の冷媒の流量を調整する第１オリフィスフランジ２１のオリフィス孔２１ａよりも大径に形成されてもよい。

このように、第１電磁弁８と膨張タンク６との間に、冷媒の流量調整用の第１オリフィスフランジ２１が介設されていることで、上記実施例で説明したように、制御装置２が、ロータリエンコーダ１１からモータ１０の回転数データを取得し、モータ１０の回転数の変動値が設定範囲内となるまで、第１電磁弁８を開放する際に、高圧系統の冷媒ガスが第１電磁弁８を介し膨張タンク６内に短時間に且つ大量に流入してしまう虞を解消し、当該冷媒ガスが第１オリフィスフランジ２１のオリフィス孔２１ａで流量調整され、一定時間をかけて少量ずつ膨張タンク６内に流入される。よって、急激な圧力変動が抑制され、モータの１０の回転数に基づく圧力制御の精度を高めることができる。

またこのように、第２電磁弁９と膨張タンク６との間に、冷媒の流量調整用の第２オリフィスフランジ２２が介設されていることで、上記実施例で説明したように、制御装置２が、ロータリエンコーダ１１からモータ１０の回転数データを取得し、モータ１０の回転数の変動値が設定範囲内となるまで、第２電磁弁９を開放する際に、低圧系統の冷媒ガスが第２電磁弁９を介し膨張タンク６内から短時間に且つ大量に流出してしまう虞を解消し、当該冷媒ガスが第２オリフィスフランジ２２のオリフィス孔２２ａで流量調整され、一定時間をかけて少量ずつ膨張タンク６内から流出される。よって、急激な圧力変動が抑制され、モータの１０の回転数に基づく圧力制御の精度を高めることができる。

なお、本変形例では、接続配管６ａ（高圧接続路）に流量調整部としての第１オリフィスフランジ２１が設けられ、且つ、接続配管６ｂ（低圧接続路）に流量調整部としての第２オリフィスフランジ２２が設けられているが、必ずしもこれらが併設されるに限られず、接続配管６ａ（高圧接続路）のみに流量調整部が設けられてもよいし、あるいは接続配管６ｂ（低圧接続路）のみに流量調整部が設けられても構わない。また流量調整部は、必ずしも第１，第２電磁弁８，９と膨張タンク６との間に設けられるものに限られず、高圧接続路，低圧接続路を構成する配管部であれば、適宜の箇所に設けることができる。また本変形例２に係る流量調整部の構成と、上記した変形例１に係るボンベ１７、及び電磁弁１８に係る構成とを併設しても構わない。

次に、第３の変形例に係る冷却装置につき、図６を参照して説明する。本変形例の冷却装置は、また膨張タンク２６が上記した実施例の膨張弁６よりも小容量であり、また後述する膨張タンク２６に接続される機器を除き、他の構成機器は上述した実施例と同様であるため、その説明を省略する。本変形例の膨張タンク２６には、上記した実施例と同じく接続配管６ａ、第１電磁弁８、接続配管６ｂ、第２電磁弁９が接続されるほか、接続配管６ａ（高圧接続路）において第１電磁弁８のフランジと膨張タンク２６のフランジとの間に、高圧系統の冷媒を圧縮して圧力を更に高め、膨張タンク２６に送出する第２コンプレッサ２７が介設され、これらが締結部材で締結されている。すなわち、この第２コンプレッサ２７は、本発明の冷媒圧縮部を構成している。

本変形例の第２コンプレッサ２７は、いわゆるロータリブロワ式の圧縮機であり、ケーシング２８内に配設された一対のロータ２９，２９が、互いに接しながら反対方向に回転することで、ケーシング２８の吸気口２８ａから吸入された高圧系統の冷媒が、ケーシング２８内壁と相互のロータ２９，２９とに形成される領域を通じて排気口２８ｂに向けて強制的に送出され、この排気口２８ｂに接続された膨張タンク２６内の冷媒が漸次更なる高圧状態となる構造となっている。

このようにすることで、高圧系統に存在する冷媒の圧力を、第２コンプレッサ２７により強制的に高め、更なる高圧状態として膨張タンク２６に蓄圧できるため、本変形例の膨張タンク２６の内容量を上述した実施例の膨張タンク６よりも小さくでき、すなわち本変形例の膨張タンク２６を小型化することができる。

なお、本発明の冷媒圧縮部として、必ずしもロータリブロワ式の圧縮機に限られず、例えば容積形の回転式若しくは往復式等に属する種々のタイプの圧縮機を適用することができる。

また、また本変形例３に係る冷媒圧縮部の構成と、上記した変形例１に係るボンベ１７及び電磁弁１８に係る構成、及び／又は変形例２に係る流量調整部の構成とを併設しても構わない。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例では、膨張タンク６は、接続配管６ａを介して高圧系統を構成する配管７ｂに接続されている態様として説明したが、膨張タンク６は、接続配管６ａにより高圧系統を構成する配管７ａ，７ｂ，７ｃのいずれかに接続されていればよい。

また、前記実施例では、膨張タンク６は、接続配管６ｂ及び他方の分岐バイパス配管１６ｃを介して低圧系統を構成する配管７ｄに接続されている態様として説明したが、膨張タンク６は、接続配管６ｂにより低圧系統を構成する配管７ｄに直接接続されていてもよい。

また、前記実施例では、制御装置２は、モータ１０の駆動と第１電磁弁８及び第２電磁弁９の開閉の両方を制御する態様として説明したが、モータ１０の駆動と第１電磁弁８及び第２電磁弁９の開閉を制御する制御装置はそれぞれ別体に構成されていてもよい。

また、膨張タンク６は、接続配管６ｂ（低圧接続路）により低圧系統のみに接続され、高圧系統には接続されなくてもよく、この場合、膨張タンク６には、冷媒ガス補充用のボンベが接続されることが好ましい。

１ 冷却装置
２ 制御装置
３ 水冷熱交換器（冷却器）
４ 排熱回収熱交換器
５ ブライン冷却器（熱交換器）
６ 膨張タンク（密閉容器）
６ａ 接続配管（高圧接続路）
６ｂ 接続配管（低圧接続路）
７ａ〜７ｃ 配管（高圧系統の配管）
７ｄ〜７ｆ 配管（低圧系統の配管）
８ 第１電磁弁（高圧開閉弁）
９ 第２電磁弁（低圧開閉弁）
１０ モータ
１０ａ，１０ｂ 駆動軸
１１ ロータリエンコーダ
１４ バランス弁
１６ａ バイパス配管（バイパス流路）
１７ ボンベ
１８ 電磁弁（開閉弁）
２１ 第１オリフィスフランジ（流量調整部）
２１ａ オリフィス孔
２２ 第２オリフィスフランジ（流量調整部）
２２ａ オリフィス孔
２６ 膨張タンク（密閉容器）
２７ 第２コンプレッサ（冷媒圧縮部）
Ｃ コンプレッサ（圧縮機）
Ｅ 膨張タービン（膨張機）

Claims (11)

1. 低圧系統から吸入される冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮され高圧系統に吐出される冷媒ガスを冷却する冷却器と、前記冷却器により冷却された冷媒ガスを膨張させる膨張機と、前記膨張機により膨張され前記低圧系統に吐出される冷媒ガスで冷却対象物を冷却する熱交換器と、を備えた冷却装置であって、
   冷媒ガスが密閉される密閉容器と、前記密閉容器と前記低圧系統とを接続する低圧接続路と、前記低圧接続路を開閉する低圧開閉弁と、を少なくとも備え、
   前記低圧接続路は、前記熱交換器よりも上流側で前記低圧系統と接続されていることを特徴とする冷却装置。
2. 前記低圧接続路は、前記熱交換器及び、該熱交換器からの戻り冷媒ガスを用いる排熱回収熱交換器よりも上流側で前記低圧系統と接続されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記低圧開閉弁は、前記圧縮機の駆動軸の回転数に基づき開閉制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
4. 前記低圧接続路に、該低圧接続路を流通する冷媒ガスの流量を調整する流量調整部が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の冷却装置。
5. 前記密閉容器と前記高圧系統とを接続する高圧接続路と、前記高圧接続路を開閉する高圧開閉弁と、を更に備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の冷却装置。
6. 前記高圧接続路は、前記熱交換器からの戻り冷媒ガスを用いる排熱回収熱交換器よりも上流側で前記高圧系統と接続されていることを特徴とする請求項５に記載の冷却装置。
7. 前記高圧開閉弁は、前記圧縮機の駆動軸の回転数に基づき開閉制御されることを特徴とする請求項５または６に記載の冷却装置。
8. 前記高圧系統と前記低圧系統との間を接続するバイパス流路と、前記バイパス流路を開閉可能なバランス弁と、を備え、
   前記バイパス流路は、前記高圧接続路よりも上流側で前記高圧系統に接続されていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の冷却装置。
9. 前記高圧接続路に、該高圧接続路を流通する冷媒ガスの流量を調整する流量調整部が設けられていることを特徴とする請求項５ないし８のいずれかに記載の冷却装置。
10. 前記高圧接続路に、該高圧接続路を流通する冷媒ガスを圧縮して前記密閉容器に送出する冷媒圧縮部が設けられていることを特徴とする請求項５ないし９のいずれかに記載の冷却装置。
11. 前記密閉容器には、冷媒ガス補充用のボンベが開閉弁を介して接続されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の冷却装置。

Images