冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環方法及び装置
【課題】液循環方式の冷凍装置の低圧受液器と液ポンプ及び蒸発器となる空気冷却器の配置の制約をなくし、液循環方式の冷凍装置を設けた冷却施設の建築コストの低減を図る。
【解決手段】被冷却室Ｒに設けられた空気冷却器１４と同一高さで液面形成容器３４を設け、空気冷却器１４と液面形成容器３４とを往路３６及び復路４０で接続する。往路３６に冷媒供給管１８を接続し、復路４０に冷媒戻り管２０を接続する。液面形成容器３４の内部に空気冷却器１４内で形成された冷媒液面レベルと同じ高さの冷媒液面レベルＬを形成させる。復路４０に接続された冷媒戻り管２０にはガス冷媒のみが還流し、冷媒戻り管２０に液柱が形成されないので、空気冷却器１４の冷媒蒸発圧力を上昇させない。また被冷却室Ｒの室温を検出し、コントローラ５０で冷媒液面レベルＬを設定値に維持することで、空気冷却器１４の冷却能力を調整する。
【解決手段】被冷却室Ｒに設けられた空気冷却器１４と同一高さで液面形成容器３４を設け、空気冷却器１４と液面形成容器３４とを往路３６及び復路４０で接続する。往路３６に冷媒供給管１８を接続し、復路４０に冷媒戻り管２０を接続する。液面形成容器３４の内部に空気冷却器１４内で形成された冷媒液面レベルと同じ高さの冷媒液面レベルＬを形成させる。復路４０に接続された冷媒戻り管２０にはガス冷媒のみが還流し、冷媒戻り管２０に液柱が形成されないので、空気冷却器１４の冷媒蒸発圧力を上昇させない。また被冷却室Ｒの室温を検出し、コントローラ５０で冷媒液面レベルＬを設定値に維持することで、空気冷却器１４の冷却能力を調整する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクルを構成する蒸気圧縮式冷凍装置において、低圧受液器又は二次冷媒システムの液溜器から液ポンプを使用して空気冷却器（エアクーラ）等の冷却器への冷媒液の供給を制御する方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、建物の各室の空調や冷凍室等の冷凍のために、冷凍サイクルを構成する蒸気圧縮式冷凍装置が使用されている。この冷凍装置は、例えば、低圧受液器に低圧低温の液冷媒を貯留し、この液冷媒を液ポンプで空気冷却器（蒸発器）に循環する方式や、一次冷媒の循環路と二次冷媒の循環路とを液化器（カスケードコンデンサ）で組み合わせ、二次冷媒の循環路に液溜器と液ポンプを設け、液溜器に貯留した二次冷媒を液ポンプで空気冷却器に循環する液循環方式のものが広く使用されている。
【０００３】
この方式の冷凍装置は、特許文献１〜４に開示されている。蒸発器となる空気冷却器（エアクーラ）は、フィンコイルと送風機を一体に組み込んだユニットクーラが多く使用されている。空気冷却器で蒸発したガス冷媒を含む気液二相流が低圧受液器又は液溜器に戻される。
【０００４】
前記液循環方式の冷凍装置のうち、ＮＨ３を一次冷媒として用い、ＣＯ２ブラインを二次冷媒として用いた冷凍装置の従来例が特許文献１に開示されている。この冷凍装置を図４に示す。図４において、一階の機械室Ｍに、ＮＨ３を冷媒とし、ＣＯ２ブラインの二次冷媒を冷却液化する冷凍サイクルを構成するアンモニア冷凍装置１００が設置されている。アンモニア冷凍装置１００は、ＮＨ３冷媒の循環路１０２と、該循環路１０２に設けられた圧縮機１０４、凝縮器１０６、膨脹弁１０８、及びＮＨ３冷媒をＣＯ２ブラインと熱交換して液化させる液化器（蒸発器）１１０とから構成されている。
【０００５】
機械室Ｍ内の半地下階ＧＬに、ＣＯ２ブラインの液溜器１１２と、液ポンプ１１６とが設置されている。１階から４階の各階の室０１〜０４に夫々空気冷却器１１８ａ〜ｄが設けられ、空気冷却器１１８ａ〜ｄで各室内の空気を冷却している。また、液溜器１１２と液化器１１０間にＣＯ２ブラインの循環路１１４が接続され、液溜器１１２と、空気冷却器１１８ａ〜ｄ間にＣＯ２ブラインの循環路１２０が接続されている。該循環路１２０の往路１２０ａに液ポンプ１１６が介設され、ＣＯ２ブライン液を液溜器１１２から空気冷却器１１８に供給している。往路１２０ａの各空気冷却器１１８ａ〜ｄの入口部に流量調整弁１２２が設けられている。
【０００６】
かかる構成により、液溜器１１２の低温低圧のＣＯ２ブライン液を空気冷却器１１８ａ〜ｄに供給し、空気冷却器１１８でＣＯ２ブライン液と室内空気とを熱交換させ、ＣＯ２ブライン液の一部を気化させて室内空気を冷却している。そして、熱交換後の気液二相流のＣＯ２ブラインを液溜器１１２に戻している。
【０００７】
図５には、特許文献２に記載されている液循環方式の冷凍装置を示す。この冷凍装置は、低圧受液器と蒸発器とを循環路で接続し、液ポンプで低圧受液器と蒸発器間に冷媒を循環させる液冷媒循環式の蒸発器を備えた冷凍装置の従来例である。図５において、一階の機械室Ｍに冷凍サイクルを構成する冷凍装置１３０が設置されている。冷凍装置１３０は、冷媒循環路１３２に圧縮機１３４、凝縮器１３６、膨脹弁１３８及び低圧受液器１４０が介設されている。
【０００８】
機械室Ｍ内の半地下階ＧＬに低圧受液器１４０と液ポンプ１４２とが設けられている。１階から４階の各階１Ｆ〜４Ｆの室０１〜０４に空気冷却器１４４ａ〜ｄが設けられ、低圧受液器１４０と空気冷却器１４４ａ〜ｄ間を接続する冷媒循環路１４６が設けられている。該冷媒循環路１４６の往路１４６ａに液ポンプ１４２が介設され、液ポンプ１４２によって冷媒を液溜器１１２から空気冷却器１４４ａ〜ｄに供給している。往路１４６ａの空気冷却器１４４ａ〜ｄの入口部に流量調整弁１４８が設けられている。
【０００９】
かかる構成により、低圧受液器１４０の低温低圧の冷媒液を空気冷却器１４４ａ〜ｄに供給し、空気冷却器１４４ａ〜ｄで冷媒液と室内空気とを熱交換させ、冷媒の一部を気化させて室内空気を冷却している。そして、熱交換後の気液二相流の冷媒液を低圧受液器１４０に戻している。
【００１０】
図６（Ａ）に、従来の液循環式冷凍装置での空気冷却器と低圧受液器又は液溜器との配置関係を示す。図６（Ａ）において、空気冷却器１５０のケーシング１５１の内部では、ケーシング１５１出口に設けられたファン１５２により空気流ａが形成されている。ケーシング１５１の内部には、冷媒供給ヘッダー１５４と冷媒排出ヘッダー１５６とが設けられている。そして、図示省略の多数のフィン付き熱交換管が冷媒供給ヘッダー１５４と冷媒排出ヘッダー１５６間に接続されている。該フィン付き熱交換管に内部を流れる冷媒液と空気流ａ間で熱交換が行なわれ、空気冷却器１５０が設けられた被冷却室内の空気を冷却している。
【００１１】
空気冷却器１５０と低圧受液器（液溜器）１５８間に、冷媒供給管１６０ａと冷媒戻り管１６０ｂとからなる冷媒循環路１６０が接続されている。冷媒供給管１５６ａに液ポンプ１６２が介設されている。液ポンプ１６２は空気冷却器１５０で蒸発する冷媒量（最小必要冷媒量）の２〜３倍の液冷媒を供給している。前記フィン付き熱交換管内で生成される気体を含む液冷媒が低圧受液器（液溜器）１５８に還流されるように、低圧受液器（液溜器）１５８と液ポンプ１６２は、蒸発器となる空気冷却器１５０より下方に配置される。
【００１２】
低圧受液器（液溜器）１５８が空気冷却器１５０より上方に配置されると、戻り管１６０ｂに余剰の液冷媒による液柱が発生し、この液柱の重量が空気冷却器１５０の冷媒に負荷され、空気冷却器１５０で発生したガス冷媒が空気冷却器１５０から冷媒戻り管１６０ｂに排出されなくなる。
【００１３】
図６（Ｂ）は、低圧受液器（液溜器）１５８と液ポンプ１６２とを、蒸発器となる空気冷却器１５０より上方に配置した場合を示す。この場合、液ポンプ１６２は空気冷却器１５０で蒸発する冷媒量（最小必要冷媒量）の２〜３倍の液冷媒（冷却装置によっては３〜５倍の液冷媒）を供給する。戻り管１６０ｂを流れる冷媒は、空気冷却器１５０で蒸発した気体と余剰の液冷媒が混相した気液二相流となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００６／０３８３５４再公表特許公報
【特許文献２】特開２００４−２４５４９７公開特許公報
【特許文献３】特開平０３−００７８５４公開特許公報
【特許文献４】特公昭４８−０２１９８５公告特許公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
図６（Ｂ）の配置では、戻り管１６０ｂに余剰の液冷媒による液柱が発生する。空気冷却器１５０で蒸発したガス冷媒は、この液柱に封じられて、空気冷却器１５０から排出されなくなる。即ち、冷却施設の冷却空間を維持する室温に相当する空気冷却器１５０の冷媒飽和圧力がＰパスカルの時、戻り管１６０ｂ中の余剰の液冷媒による液柱圧力ΔＰパスカルが加わると、実際の空気冷却器１５０のガス冷媒の飽和圧力は（Ｐ＋ΔＰ）パスカルとなる。そのため、空気冷却器１５０での冷媒の蒸発が阻害され、冷凍装置の冷却能力が低下する。
【００１６】
その結果、被冷却室の設定室温よりΔＰパスカルに相当する温度だけ室温が上昇し、冷却施設の冷却空間は冷却不良となってしまい、保管物等に重大な影響を与えてしまう問題が起きる。
空気冷却器１５０内のガス冷媒の飽和圧力が（Ｐ＋ΔＰ）パスカル以上に上昇すると、戻り管１６０ｂ内のガス冷媒は低圧受液器（液溜器）１５８に還流する。しかし、空気冷却器１５０の飽和圧力が（Ｐ＋ΔＰ）パスカル以上に上昇すると、冷凍装置（圧縮機）は、室温の冷却不足を解消するために、空気冷却器１５０の蒸発圧力を液柱の圧力ΔＰパスカル分だけ低下させなければならなくなる。そのため、本来の冷却装置の定格運転から外れた運転を強いられ、余分な動力が必要になると共に、ＣＯＰが低下するという問題が起こる。
【００１７】
そのため、従来の液ポンプを使用する液循環方式の冷凍装置においては、空気冷却器で生成される気体を含む液冷媒が戻り管で液柱を発生しないように、低圧受液器（液溜器）と液ポンプは、蒸発器となる空気冷却器より下方に配置されていた。しかし、低圧受液器（液溜器）と液ポンプを蒸発器となる空気冷却器より下部に配置するため、低圧受液器（液溜器）と液ポンプを一階に設けられる機械室の中に半地下階を設けて設置したり、地階に設けられた機械室に設置することになる。こうして、半地下階や地階を余分に設けるため、冷却施設の建築コストが上昇する要因のひとつとなっている。
【００１８】
そこで、本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、建築コストを削減するため、低圧受液器（液溜器）と液ポンプを蒸発器となる空気冷却器の上部、たとえば屋上階に設置しても冷却能力に支障が生じない液循環方式の冷凍装置を実現し、これによって、半地下階や地階を不要し、建築コストを削減することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
かかる課題を解決するため、本発明の冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環方法は、
冷凍サイクル構成機器を備えた冷凍装置で、低圧受液器から液ポンプにより冷媒液を冷却器に送り、該冷却器から気液二相状態の冷媒を低圧受液器に戻すようにした冷媒循環方法において、
前記冷却器と同一高さに設けられると共に、該冷却器と冷媒循環路で接続された液面形成容器に、冷却器の冷媒液面と同一高さの冷媒液面及び該冷媒液面の上方に気相部を形成させる工程と、
冷却器で気化したガス冷媒を含む気液二相状態の冷媒を該冷媒循環路又は液面形成容器の気相部に接続された戻り路からガス冷媒のみを低圧受液器に戻す工程と、からなるものである。
【００２０】
本発明方法では、冷却器と同一高さに設けられた液面形成容器に冷却器の冷媒液面と同一高さの冷媒液面を形成させると共に、低圧受液器と、冷却器及び液面形成容器を接続する冷媒循環路又は液面形成容器の気相部とを接続する戻り管からガス冷媒のみを低圧受液器に戻すようにしているので、該戻り管に液冷媒の液柱が形成されない。そのため、冷却器内のガス冷媒が液柱に封じられて、空気冷却器から排出されなくなる虞がない。従って、空気冷却器の冷媒の蒸発が阻害されず、冷凍装置の冷却能力が低下する虞がない。
【００２１】
これによって、低圧受液器及び液ポンプの設置場所に制約がなくなり、これらを蒸発器となる空気冷却器の上部、例えば、屋上階や中間階等、自由にその設置位置を選択できるようになる。そのため、低圧受液器と液ポンプを一階の機械室の半地下階又は地階の機械室に設置する必要がなくなるため、コストがかかる半地下階や地階を設ける必要がなくなり、建築コストを節減できる。
【００２２】
本発明方法において、液面形成容器の冷媒液面レベルを検出し、この冷媒液面レベルを調整して冷却器の冷却能力を調整するようにするとよい。これによって、液面形成容器の冷媒液面レベルを調整するだけで、冷却器の冷却能力を調整できるので、冷却器の冷却能力の調整が容易になる。
【００２３】
なお、本発明方法は、前記冷凍装置が、一次冷媒の循環路と二次冷媒の循環路とを液化器（カスケードコンデンサ）で組み合わせ、二次冷媒の循環路に液溜器と液ポンプを設け、該液溜器に貯留した二次冷媒を液ポンプで空気冷却器に循環する液循環方式の冷凍装置であり、前記低圧受液器が前記液溜器である冷凍装置にも適用できる。
また、高温側の冷媒循環路と低温側の冷媒循環路とをカスケードコンデンサで組み合わせ、低温側冷媒循環路に介設した低圧受液器に液冷媒を貯留し、該低圧受液器から液冷媒を冷却器に液ポンプで循環するように構成した二元冷凍装置にも適用可能である。
【００２４】
前記本発明方法の実施に直接使用可能な本発明の冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環装置は、
冷凍サイクル構成機器と、低圧受液器と、該低圧受液器と冷媒循環路を介して接続された冷却器とを備え、該低圧受液器と冷却器間に冷媒を循環させるようにした冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環装置において、
前記冷却器と同一高さに設けられると共に該冷却器と冷媒循環路で接続され、内部に冷却器と同一高さの冷媒液面及び該冷媒液面の上方に気相部を形成した液面形成容器と、
該冷媒循環路のうち冷媒を冷却器から該液面形成容器に戻す冷媒復路又は該液面形成容器の気相部と前記低圧受液器とを接続するガス冷媒戻し路と、を備え、
該冷媒戻し路を通る冷媒の気液二相流からガス冷媒を分離し、ガス冷媒のみを該ガス冷媒戻し路を介して低圧受液器に戻すように構成したものである。
【００２５】
本発明装置では、前記液面形成容器を設けると共に、該液面形成容器の内部に冷却器に形成される冷媒液面と同一高さの冷媒液面を形成させるようにしたので、冷却器と液面形成容器とを接続する冷媒循環路の復路、又は液面形成容器の気相部に接続された前記ガス冷媒戻し路からガス冷媒のみを低圧受液器に還流できるようになる。これによって、該戻り管に液冷媒の液柱が形成されないため、冷却器内のガス冷媒が液柱に封じられて、空気冷却器から排出されなくなる虞がない。従って、空気冷却器の冷媒の蒸発が阻害されず、冷凍装置の冷却能力が低下する虞がない。
【００２６】
これによって、低圧受液器及び液ポンプを蒸発器となる空気冷却器の上部、例えば、屋上階や中間階等、自由にその設置位置を選択できるようになるため、低圧受液器と液ポンプは、一階の機械室の半地下階又は地階の機械室に設置するという制約を受けなくなる。従って、建築コストがかかる半地下階や地階を設ける必要がないので、建築コストを削減できる。
【００２７】
本発明装置において、液面形成容器に設けられた液面検出器と、低圧受液器から冷却器に液冷媒を供給する冷媒供給路に設けられた流量調整弁と、該液面検出器の冷媒液面レベル検出値に基づいて該流量調整弁を制御して冷却器内の冷媒液面レベルを調整するコントローラと、を備え、該コントローラで該冷媒液面レベルを調整して冷却器の冷却能力を調整するように構成するとよい。これによって、液面形成容器の冷媒液面レベルを調整するだけで、冷却器の冷却能力を調整できるので、冷却器の冷却能力の調整が容易になる。
【００２８】
本発明装置において、第２冷媒循環路のうち液冷媒を液面形成容器から冷却器に供給する冷媒往路に前記冷媒供給路を接続すると共に、該冷媒往路と冷媒供給路との接続部と液面形成容器との間の冷媒往路に、液冷媒が液面形成容器に逆流するのを防止した逆止弁を設けるようにするとよい。これによって、冷媒循環路を簡素化できると共に、液面形成容器から液冷媒が該冷媒往路を通って冷却器に向かい、冷媒の気液二相流が冷却器から冷却復路を通って液面形成容器に向う冷媒循環流を確実に形成できる。そのため、液面形成容器での冷媒液面の形成と該冷媒液面レベルの調整が容易になる。
【００２９】
本発明装置において、冷却器が空気冷却器であり、被冷却空気の温度を検出する温度センサを設け、該温度センサの温度検出値を前記コントローラに入力し、該コントローラで前記冷媒液面レベルを調整して被冷却空気の温度を設定範囲に調整するようにするとよい。これによって、液面形成容器の冷媒液面レベルを調整するだけで、被冷却空気の温度を設定範囲に調整できるので、被冷却空気の温度調整が容易になる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明方法によれば、冷凍サイクル構成機器を備えた冷凍装置で、低圧受液器から液ポンプにより冷媒液を冷却器に送り、該冷却器で気化したガス冷媒を含む気液二相状態の冷媒を低圧受液器に戻すようにした冷媒循環方法において、冷却器と同一高さに設けられると共に、該冷却器と冷媒循環路で接続された液面形成容器に、冷却器の冷媒液面と同一高さの冷媒液面及び該冷媒液面の上方に気相部を形成させる工程と、冷却器で気化したガス冷媒を含む気液二相状態の冷媒を該冷媒循環路又は液面形成容器の気相部に接続された戻り路からガス冷媒のみを低圧受液器に戻す工程と、からなることにより、冷却器から低圧受液器に向う冷媒の戻り路に冷媒液柱が形成されなくなるので、液循環方式の冷凍装置の低圧受液器と液ポンプ及び蒸発器となる空気冷却器の配置の制約をなくすことができる。従って、液循環方式の冷凍装置による冷却施設の建築コストの低減を達成できる。
【００３１】
本発明装置によれば、冷凍サイクル構成機器と、低圧受液器と、該低圧受液器と冷媒循環路を介して接続された冷却器とを備え、該低圧受液器と冷却器間に冷媒を循環させるようにした冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環装置において、冷却器と同一高さに設けられると共に該冷却器と冷媒循環路で接続され、内部に冷却器と同一高さの冷媒液面及び該冷媒液面の上方に気相部を形成した液面形成容器と、該冷媒循環路のうち冷媒を冷却器から該液面形成容器に戻す冷媒復路又は該液面形成容器の気相部と前記低圧受液器とを接続するガス冷媒戻し路と、を備え、該冷媒戻し路を通る冷媒の気液二相流からガス冷媒を分離し、ガス冷媒のみを該ガス冷媒戻し路を介して低圧受液器に戻すように構成したことにより、前記本発明方法と同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の冷凍装置の一実施形態に係る系統図である。
【図２】前記実施形態に係る冷凍装置の空気冷却器１４の背面側から視た拡大図である。
【図３】図２中のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】従来のアンモニア冷凍サイクル／ＣＯ２ブライン液溜器による液循環式冷却施設の回路図である。
【図５】従来の低圧受液器を備えた液循環式冷却施設の回路図である。
【図６】従来の液循環式冷凍装置に係り、（Ａ）は低圧受液器（液溜器）と液ポンプを空気冷却器より下方に配置した説明図であり、（Ｂ）は低圧受液器（液溜器）と液ポンプを空気冷却器より上方に配置した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
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。
【００３４】
本発明の低圧受液器への冷媒循環方法及び装置の一実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。まず、図１を用いて本実施形態に係る液循環方式の冷凍装置の基本構成を説明する。図１に、本実施形態に係る冷凍装置１０の一部を示す。冷凍装置１０は、図４に示すような、ＮＨ３を冷媒とした蒸気圧縮式の高温側冷凍サイクル装置と、冷却負荷を有する低温側二次冷媒（ＣＯ２ブライン）の循環流路とを組み合わせた冷凍装置である。図１では、高温側冷凍サイクル装置の構成機器の図示は省略されている。
【００３５】
図１において、ＣＯ２ブライン等の二次冷媒又は低圧低温の液冷媒を保持する液溜器１２と、液溜器１２の下部に設置され冷媒供給管１８に介設されて、蒸発器となる空気冷却器１４に液冷媒を送液する液ポンプ１６と、冷却施設の被冷却室Ｒ内に設けられ、被冷却室Ｒ内の空間を冷却するための空気冷却器１４と、液溜器１２から空気冷却器１４に液冷媒を送る冷媒供給管１８と、空気冷却器１４から液溜器１２に空気冷却器１４で蒸発したガス冷媒のみを送る冷媒戻り管２０と、を備えている。
【００３６】
図２及び図３により、空気冷却器１４の構成を説明する。図２は図１の空気冷却器１４を背面側から視た拡大図である。空気冷却器１４は、ケーシング２２の内部の空気流通路出口側に設けられ、空気流ａを形成する送風機２４と、該空気流通路に設けられ外側に熱交換促進用の多数のフィン２６が間隔を空けて並列に設けられた熱交換管２８と、冷媒供給管１８と接続され液冷媒を熱交換管２８に分配導入するための冷媒供給ヘッダー３０と、冷媒戻り管２０に接続され熱交換管２８から蒸発する気相を集合するための冷媒排出ヘッダー３２と、から構成されている。
【００３７】
空気冷却器１４の近傍でかつ空気冷却器１４と同一高さに液面形成容器３４が設けられている。液面形成容器３４は、上下方向に長い柱状をなし、空気冷却器１４と冷媒循環路３５で接続されている。液面形成容器３４の下部が冷媒循環路３５の往路３６を介して冷媒供給ヘッダー３０と接続され、冷媒循環路３５の上部で復路４０を介して冷媒排出ヘッダー３２と接続している。復路４０に前記冷媒戻り管２０が接続されている。
【００３８】
液面形成容器３４は、空気冷却器１４と同一高さに配置されているため、液面形成容器３４の内部で、空気冷却器１４の冷媒供給ヘッダー３０及び冷媒排出ヘッダー３２の内部で形成された冷媒液面レベルと同一高さの冷媒液面レベルＬを形成できる。往路３６には冷媒供給管１８が接続され、復路４０には冷媒戻り管２０が接続されている。冷媒供給管１８には流量調整弁４２とオンオフ式の給液調整弁４４が介設されている。往路３６には、冷媒供給管１８との接続部より液面形成容器３４寄りに、矢印ｂ方向にのみ冷媒を通す逆止弁３８が介設されている。
【００３９】
液面形成容器３４には、液面形成容器３４内の冷媒液面レベルを検出するフロート式の液面検知器４６が設けられている。
図１において、冷凍装置１０が図４に示すようなアンモニア冷凍装置１００であれば、図示のように、液化器１１０と接続する循環路１１４が接続され、冷凍装置１０が図５に示すような液循環方式の冷凍装置１３０であれば、冷媒循環路１３２が接続される。
【００４０】
被冷却室Ｒは、図４又は図５に図示したように、建物の各階に設けられた室０１から０４か、あるいは、冷却設備の冷凍庫であり、空気冷却器１４はこれらの被冷却室Ｒの室内を冷却する。被冷却室Ｒの内部に温度センサ４８が設けられている。液面検出器４６の冷媒液面レベル検出値及び温度センサ４８の室温検出値はコントローラ５０に入力される。コントローラ５０は、これらの検出値に基づいて、給液調整弁４４をオンオフ動作させる。
【００４１】
給液調整弁４４が「開」の時、液溜器１２の液冷媒は、冷媒供給管１８から往路３６を介して冷媒供給ヘッダー３０に供給される。冷媒供給管１８の液冷媒は、逆止弁３８があるため、液面形成容器３４には供給されない。空気冷却器１４に設定液面までの液冷媒が導入されると、コントローラ５０がこの冷媒液面レベル検出値の信号を入力し、この信号によりコントローラ５０が給液調整弁４４を作動させ、液面検出器４６を「閉」にする。これによって、液面検出器４６への液冷媒の供給は停止する。
【００４２】
逆に、液面形成容器３４内の冷媒液面レベルＬが設定液面より低下すると、コントローラ５０にこの冷媒液面レベル信号が入力され、コントローラ５０によって給液調整弁４４が「開」となる。これによって、冷媒供給管１８から冷媒供給ヘッダー３０に液冷媒が供給される。こうして、冷媒供給ヘッダー３０や冷媒排出ヘッダー３２の冷媒液面レベルを上昇させることで、液面形成容器３４内の冷媒液面レベルＬを設定液面に戻す。
【００４３】
空気冷却器１４で蒸発したガス冷媒を含む気液二相流は、冷媒排出ヘッダー３２から復路４０を介して液面形成容器３４に戻る。冷媒戻り管２０の接続口は復路４０の管壁の上部にあるので、ガス冷媒のみが液冷媒と分離して冷媒戻り管２０に還流する。そして、ガス冷媒が復路４０から液溜器１２に還流する。液冷媒は復路４０から液面形成容器３４に還流する。
【００４４】
本実施形態によれば、冷媒戻り管２０内のガス冷媒は液冷媒を含まないため、冷媒が冷媒戻り管２０から液溜器１２に還流する間に、冷媒戻り管２０の内部で液柱が生成されない。そのため、空気冷却器１４で蒸発した気相は、従来のように、余剰液冷媒の封鎖の影響を受けずに容易に液溜器１２に還流する。従って、空気冷却器１４での冷媒の蒸発が阻害されず、空気冷却器１４の冷媒供給ヘッダー３０や冷媒排出ヘッダー３２で冷媒の蒸発圧力が上昇しないので、冷凍装置１０の冷却能力が低下しない。その結果、被冷却室Ｒの室温を設定温度に維持することができる。
【００４５】
そのため、本来の冷凍装置１０の定格運転を維持することができ、冷凍装置１０の設定ＣＯＰを維持できる。これによって、液溜器１１２や液ポンプ１６の設置場所に制約がなくなるため、これらの機器類を設置するための半地下階や地階を設ける必要がなくなり、冷却施設の建築コストが上昇するという問題を解消できる。
【００４６】
また、液面検出器４６を設けて液面形成容器３４の冷媒液面レベルＬを検出し、流量調整弁４２と給液調整弁４４のオンオフ動作によって冷媒液面レベルＬを調整することにより、空気冷却器１４の冷却能力を容易に調整できる。
【００４７】
また、往路３６に冷媒供給管１８を接続し、往路３６と冷媒供給管１８との接続部と液面形成容器３４との間の往路３６に逆止弁３８を設けたことにより、冷媒循環路を簡素化できると共に、液面形成容器３４から液冷媒が往路３６を通って空気冷却器１４に向かい、冷媒の気液二相流が空気冷却器１４から復路４０を通って液面形成容器３４に向う冷媒循環流を確実に形成できる。そのため、液面形成容器３４での冷媒液面レベルＬの形成と該冷媒液面レベルＬの調整が容易になる。
【００４８】
また、温度センサ４８を設け、温度センサ４８の温度検出値をコントローラ５０に入力し、コントローラ５０で冷媒液面レベルＬを調整して被冷却空気の温度を設定範囲に調整しているので、液面形成容器３４の冷媒液面レベルＬを調整するだけで、被冷却空気の温度を設定範囲に調整できる。そのため、被冷却空気の温度調整が容易になる。
【００４９】
なお、前記実施形態では、復路４０に冷媒戻り管２０を接続していたが、この代わりに、液面形成容器３４の上部に形成される気相部に連通するように冷媒戻り管２０を設けてもよい。これによって、冷媒戻り管２０にガス冷媒のみを還流することができ、冷媒の液柱を形成しなくて済む。
【００５０】
本発明は、図５に図示される液冷媒循環方式の冷凍サイクル装置や、高温側の冷媒循環路と低温側の冷媒循環路とをカスケードコンデンサで組み合わせ液冷媒循環方式の二元冷凍装置にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明によれば、液循環方式の冷凍装置の低圧受液器と液ポンプ及び蒸発器となる空気冷却器の配置の制約をなくすことにより、液循環方式の冷凍装置を設けた冷却施設の建築コストの低減を図ることができ、自然冷媒の冷却システムの代表的なアンモニア／ＣＯ２ブライン冷却方式等の普及に有益なものとなる。
【符号の説明】
【００５２】
１０、１００，１３０ 冷凍装置
１２，１１２ 液溜器
１４０，１５８ 低圧受液器
１４、１１８ａ〜ｄ、１４４ａ〜ｄ、１５０ 空気冷却器
１６，１１６，１４２、１６２ 液ポンプ
１８，１６０ａ 冷媒供給管
２０，１６０ｂ 冷媒戻り管
２２ ケーシング
２４ 送風機
２６ フィン
２８ 熱交換管
３０ 冷媒供給ヘッダー
３２ 冷媒排出ヘッダー
３４ 液面形成容器
３５，１４６ 冷媒循環路
３６ 往路（第２冷媒循環路）
３８ 逆止弁
４０ 復路（第２冷媒循環路）
４２ 流量調整弁
４４ 給液調整弁
４６ 液面検出器
４８ 温度センサ
５０ コントローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクルを構成する蒸気圧縮式冷凍装置において、低圧受液器又は二次冷媒システムの液溜器から液ポンプを使用して空気冷却器（エアクーラ）等の冷却器への冷媒液の供給を制御する方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、建物の各室の空調や冷凍室等の冷凍のために、冷凍サイクルを構成する蒸気圧縮式冷凍装置が使用されている。この冷凍装置は、例えば、低圧受液器に低圧低温の液冷媒を貯留し、この液冷媒を液ポンプで空気冷却器（蒸発器）に循環する方式や、一次冷媒の循環路と二次冷媒の循環路とを液化器（カスケードコンデンサ）で組み合わせ、二次冷媒の循環路に液溜器と液ポンプを設け、液溜器に貯留した二次冷媒を液ポンプで空気冷却器に循環する液循環方式のものが広く使用されている。
【０００３】
この方式の冷凍装置は、特許文献１〜４に開示されている。蒸発器となる空気冷却器（エアクーラ）は、フィンコイルと送風機を一体に組み込んだユニットクーラが多く使用されている。空気冷却器で蒸発したガス冷媒を含む気液二相流が低圧受液器又は液溜器に戻される。
【０００４】
前記液循環方式の冷凍装置のうち、ＮＨ３を一次冷媒として用い、ＣＯ２ブラインを二次冷媒として用いた冷凍装置の従来例が特許文献１に開示されている。この冷凍装置を図４に示す。図４において、一階の機械室Ｍに、ＮＨ３を冷媒とし、ＣＯ２ブラインの二次冷媒を冷却液化する冷凍サイクルを構成するアンモニア冷凍装置１００が設置されている。アンモニア冷凍装置１００は、ＮＨ３冷媒の循環路１０２と、該循環路１０２に設けられた圧縮機１０４、凝縮器１０６、膨脹弁１０８、及びＮＨ３冷媒をＣＯ２ブラインと熱交換して液化させる液化器（蒸発器）１１０とから構成されている。
【０００５】
機械室Ｍ内の半地下階ＧＬに、ＣＯ２ブラインの液溜器１１２と、液ポンプ１１６とが設置されている。１階から４階の各階の室０１〜０４に夫々空気冷却器１１８ａ〜ｄが設けられ、空気冷却器１１８ａ〜ｄで各室内の空気を冷却している。また、液溜器１１２と液化器１１０間にＣＯ２ブラインの循環路１１４が接続され、液溜器１１２と、空気冷却器１１８ａ〜ｄ間にＣＯ２ブラインの循環路１２０が接続されている。該循環路１２０の往路１２０ａに液ポンプ１１６が介設され、ＣＯ２ブライン液を液溜器１１２から空気冷却器１１８に供給している。往路１２０ａの各空気冷却器１１８ａ〜ｄの入口部に流量調整弁１２２が設けられている。
【０００６】
かかる構成により、液溜器１１２の低温低圧のＣＯ２ブライン液を空気冷却器１１８ａ〜ｄに供給し、空気冷却器１１８でＣＯ２ブライン液と室内空気とを熱交換させ、ＣＯ２ブライン液の一部を気化させて室内空気を冷却している。そして、熱交換後の気液二相流のＣＯ２ブラインを液溜器１１２に戻している。
【０００７】
図５には、特許文献２に記載されている液循環方式の冷凍装置を示す。この冷凍装置は、低圧受液器と蒸発器とを循環路で接続し、液ポンプで低圧受液器と蒸発器間に冷媒を循環させる液冷媒循環式の蒸発器を備えた冷凍装置の従来例である。図５において、一階の機械室Ｍに冷凍サイクルを構成する冷凍装置１３０が設置されている。冷凍装置１３０は、冷媒循環路１３２に圧縮機１３４、凝縮器１３６、膨脹弁１３８及び低圧受液器１４０が介設されている。
【０００８】
機械室Ｍ内の半地下階ＧＬに低圧受液器１４０と液ポンプ１４２とが設けられている。１階から４階の各階１Ｆ〜４Ｆの室０１〜０４に空気冷却器１４４ａ〜ｄが設けられ、低圧受液器１４０と空気冷却器１４４ａ〜ｄ間を接続する冷媒循環路１４６が設けられている。該冷媒循環路１４６の往路１４６ａに液ポンプ１４２が介設され、液ポンプ１４２によって冷媒を液溜器１１２から空気冷却器１４４ａ〜ｄに供給している。往路１４６ａの空気冷却器１４４ａ〜ｄの入口部に流量調整弁１４８が設けられている。
【０００９】
かかる構成により、低圧受液器１４０の低温低圧の冷媒液を空気冷却器１４４ａ〜ｄに供給し、空気冷却器１４４ａ〜ｄで冷媒液と室内空気とを熱交換させ、冷媒の一部を気化させて室内空気を冷却している。そして、熱交換後の気液二相流の冷媒液を低圧受液器１４０に戻している。
【００１０】
図６（Ａ）に、従来の液循環式冷凍装置での空気冷却器と低圧受液器又は液溜器との配置関係を示す。図６（Ａ）において、空気冷却器１５０のケーシング１５１の内部では、ケーシング１５１出口に設けられたファン１５２により空気流ａが形成されている。ケーシング１５１の内部には、冷媒供給ヘッダー１５４と冷媒排出ヘッダー１５６とが設けられている。そして、図示省略の多数のフィン付き熱交換管が冷媒供給ヘッダー１５４と冷媒排出ヘッダー１５６間に接続されている。該フィン付き熱交換管に内部を流れる冷媒液と空気流ａ間で熱交換が行なわれ、空気冷却器１５０が設けられた被冷却室内の空気を冷却している。
【００１１】
空気冷却器１５０と低圧受液器（液溜器）１５８間に、冷媒供給管１６０ａと冷媒戻り管１６０ｂとからなる冷媒循環路１６０が接続されている。冷媒供給管１５６ａに液ポンプ１６２が介設されている。液ポンプ１６２は空気冷却器１５０で蒸発する冷媒量（最小必要冷媒量）の２〜３倍の液冷媒を供給している。前記フィン付き熱交換管内で生成される気体を含む液冷媒が低圧受液器（液溜器）１５８に還流されるように、低圧受液器（液溜器）１５８と液ポンプ１６２は、蒸発器となる空気冷却器１５０より下方に配置される。
【００１２】
低圧受液器（液溜器）１５８が空気冷却器１５０より上方に配置されると、戻り管１６０ｂに余剰の液冷媒による液柱が発生し、この液柱の重量が空気冷却器１５０の冷媒に負荷され、空気冷却器１５０で発生したガス冷媒が空気冷却器１５０から冷媒戻り管１６０ｂに排出されなくなる。
【００１３】
図６（Ｂ）は、低圧受液器（液溜器）１５８と液ポンプ１６２とを、蒸発器となる空気冷却器１５０より上方に配置した場合を示す。この場合、液ポンプ１６２は空気冷却器１５０で蒸発する冷媒量（最小必要冷媒量）の２〜３倍の液冷媒（冷却装置によっては３〜５倍の液冷媒）を供給する。戻り管１６０ｂを流れる冷媒は、空気冷却器１５０で蒸発した気体と余剰の液冷媒が混相した気液二相流となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００６／０３８３５４再公表特許公報
【特許文献２】特開２００４−２４５４９７公開特許公報
【特許文献３】特開平０３−００７８５４公開特許公報
【特許文献４】特公昭４８−０２１９８５公告特許公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
図６（Ｂ）の配置では、戻り管１６０ｂに余剰の液冷媒による液柱が発生する。空気冷却器１５０で蒸発したガス冷媒は、この液柱に封じられて、空気冷却器１５０から排出されなくなる。即ち、冷却施設の冷却空間を維持する室温に相当する空気冷却器１５０の冷媒飽和圧力がＰパスカルの時、戻り管１６０ｂ中の余剰の液冷媒による液柱圧力ΔＰパスカルが加わると、実際の空気冷却器１５０のガス冷媒の飽和圧力は（Ｐ＋ΔＰ）パスカルとなる。そのため、空気冷却器１５０での冷媒の蒸発が阻害され、冷凍装置の冷却能力が低下する。
【００１６】
その結果、被冷却室の設定室温よりΔＰパスカルに相当する温度だけ室温が上昇し、冷却施設の冷却空間は冷却不良となってしまい、保管物等に重大な影響を与えてしまう問題が起きる。
空気冷却器１５０内のガス冷媒の飽和圧力が（Ｐ＋ΔＰ）パスカル以上に上昇すると、戻り管１６０ｂ内のガス冷媒は低圧受液器（液溜器）１５８に還流する。しかし、空気冷却器１５０の飽和圧力が（Ｐ＋ΔＰ）パスカル以上に上昇すると、冷凍装置（圧縮機）は、室温の冷却不足を解消するために、空気冷却器１５０の蒸発圧力を液柱の圧力ΔＰパスカル分だけ低下させなければならなくなる。そのため、本来の冷却装置の定格運転から外れた運転を強いられ、余分な動力が必要になると共に、ＣＯＰが低下するという問題が起こる。
【００１７】
そのため、従来の液ポンプを使用する液循環方式の冷凍装置においては、空気冷却器で生成される気体を含む液冷媒が戻り管で液柱を発生しないように、低圧受液器（液溜器）と液ポンプは、蒸発器となる空気冷却器より下方に配置されていた。しかし、低圧受液器（液溜器）と液ポンプを蒸発器となる空気冷却器より下部に配置するため、低圧受液器（液溜器）と液ポンプを一階に設けられる機械室の中に半地下階を設けて設置したり、地階に設けられた機械室に設置することになる。こうして、半地下階や地階を余分に設けるため、冷却施設の建築コストが上昇する要因のひとつとなっている。
【００１８】
そこで、本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、建築コストを削減するため、低圧受液器（液溜器）と液ポンプを蒸発器となる空気冷却器の上部、たとえば屋上階に設置しても冷却能力に支障が生じない液循環方式の冷凍装置を実現し、これによって、半地下階や地階を不要し、建築コストを削減することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
かかる課題を解決するため、本発明の冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環方法は、
冷凍サイクル構成機器を備えた冷凍装置で、低圧受液器から液ポンプにより冷媒液を冷却器に送り、該冷却器から気液二相状態の冷媒を低圧受液器に戻すようにした冷媒循環方法において、
前記冷却器と同一高さに設けられると共に、該冷却器と冷媒循環路で接続された液面形成容器に、冷却器の冷媒液面と同一高さの冷媒液面及び該冷媒液面の上方に気相部を形成させる工程と、
冷却器で気化したガス冷媒を含む気液二相状態の冷媒を該冷媒循環路又は液面形成容器の気相部に接続された戻り路からガス冷媒のみを低圧受液器に戻す工程と、からなるものである。
【００２０】
本発明方法では、冷却器と同一高さに設けられた液面形成容器に冷却器の冷媒液面と同一高さの冷媒液面を形成させると共に、低圧受液器と、冷却器及び液面形成容器を接続する冷媒循環路又は液面形成容器の気相部とを接続する戻り管からガス冷媒のみを低圧受液器に戻すようにしているので、該戻り管に液冷媒の液柱が形成されない。そのため、冷却器内のガス冷媒が液柱に封じられて、空気冷却器から排出されなくなる虞がない。従って、空気冷却器の冷媒の蒸発が阻害されず、冷凍装置の冷却能力が低下する虞がない。
【００２１】
これによって、低圧受液器及び液ポンプの設置場所に制約がなくなり、これらを蒸発器となる空気冷却器の上部、例えば、屋上階や中間階等、自由にその設置位置を選択できるようになる。そのため、低圧受液器と液ポンプを一階の機械室の半地下階又は地階の機械室に設置する必要がなくなるため、コストがかかる半地下階や地階を設ける必要がなくなり、建築コストを節減できる。
【００２２】
本発明方法において、液面形成容器の冷媒液面レベルを検出し、この冷媒液面レベルを調整して冷却器の冷却能力を調整するようにするとよい。これによって、液面形成容器の冷媒液面レベルを調整するだけで、冷却器の冷却能力を調整できるので、冷却器の冷却能力の調整が容易になる。
【００２３】
なお、本発明方法は、前記冷凍装置が、一次冷媒の循環路と二次冷媒の循環路とを液化器（カスケードコンデンサ）で組み合わせ、二次冷媒の循環路に液溜器と液ポンプを設け、該液溜器に貯留した二次冷媒を液ポンプで空気冷却器に循環する液循環方式の冷凍装置であり、前記低圧受液器が前記液溜器である冷凍装置にも適用できる。
また、高温側の冷媒循環路と低温側の冷媒循環路とをカスケードコンデンサで組み合わせ、低温側冷媒循環路に介設した低圧受液器に液冷媒を貯留し、該低圧受液器から液冷媒を冷却器に液ポンプで循環するように構成した二元冷凍装置にも適用可能である。
【００２４】
前記本発明方法の実施に直接使用可能な本発明の冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環装置は、
冷凍サイクル構成機器と、低圧受液器と、該低圧受液器と冷媒循環路を介して接続された冷却器とを備え、該低圧受液器と冷却器間に冷媒を循環させるようにした冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環装置において、
前記冷却器と同一高さに設けられると共に該冷却器と冷媒循環路で接続され、内部に冷却器と同一高さの冷媒液面及び該冷媒液面の上方に気相部を形成した液面形成容器と、
該冷媒循環路のうち冷媒を冷却器から該液面形成容器に戻す冷媒復路又は該液面形成容器の気相部と前記低圧受液器とを接続するガス冷媒戻し路と、を備え、
該冷媒戻し路を通る冷媒の気液二相流からガス冷媒を分離し、ガス冷媒のみを該ガス冷媒戻し路を介して低圧受液器に戻すように構成したものである。
【００２５】
本発明装置では、前記液面形成容器を設けると共に、該液面形成容器の内部に冷却器に形成される冷媒液面と同一高さの冷媒液面を形成させるようにしたので、冷却器と液面形成容器とを接続する冷媒循環路の復路、又は液面形成容器の気相部に接続された前記ガス冷媒戻し路からガス冷媒のみを低圧受液器に還流できるようになる。これによって、該戻り管に液冷媒の液柱が形成されないため、冷却器内のガス冷媒が液柱に封じられて、空気冷却器から排出されなくなる虞がない。従って、空気冷却器の冷媒の蒸発が阻害されず、冷凍装置の冷却能力が低下する虞がない。
【００２６】
これによって、低圧受液器及び液ポンプを蒸発器となる空気冷却器の上部、例えば、屋上階や中間階等、自由にその設置位置を選択できるようになるため、低圧受液器と液ポンプは、一階の機械室の半地下階又は地階の機械室に設置するという制約を受けなくなる。従って、建築コストがかかる半地下階や地階を設ける必要がないので、建築コストを削減できる。
【００２７】
本発明装置において、液面形成容器に設けられた液面検出器と、低圧受液器から冷却器に液冷媒を供給する冷媒供給路に設けられた流量調整弁と、該液面検出器の冷媒液面レベル検出値に基づいて該流量調整弁を制御して冷却器内の冷媒液面レベルを調整するコントローラと、を備え、該コントローラで該冷媒液面レベルを調整して冷却器の冷却能力を調整するように構成するとよい。これによって、液面形成容器の冷媒液面レベルを調整するだけで、冷却器の冷却能力を調整できるので、冷却器の冷却能力の調整が容易になる。
【００２８】
本発明装置において、第２冷媒循環路のうち液冷媒を液面形成容器から冷却器に供給する冷媒往路に前記冷媒供給路を接続すると共に、該冷媒往路と冷媒供給路との接続部と液面形成容器との間の冷媒往路に、液冷媒が液面形成容器に逆流するのを防止した逆止弁を設けるようにするとよい。これによって、冷媒循環路を簡素化できると共に、液面形成容器から液冷媒が該冷媒往路を通って冷却器に向かい、冷媒の気液二相流が冷却器から冷却復路を通って液面形成容器に向う冷媒循環流を確実に形成できる。そのため、液面形成容器での冷媒液面の形成と該冷媒液面レベルの調整が容易になる。
【００２９】
本発明装置において、冷却器が空気冷却器であり、被冷却空気の温度を検出する温度センサを設け、該温度センサの温度検出値を前記コントローラに入力し、該コントローラで前記冷媒液面レベルを調整して被冷却空気の温度を設定範囲に調整するようにするとよい。これによって、液面形成容器の冷媒液面レベルを調整するだけで、被冷却空気の温度を設定範囲に調整できるので、被冷却空気の温度調整が容易になる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明方法によれば、冷凍サイクル構成機器を備えた冷凍装置で、低圧受液器から液ポンプにより冷媒液を冷却器に送り、該冷却器で気化したガス冷媒を含む気液二相状態の冷媒を低圧受液器に戻すようにした冷媒循環方法において、冷却器と同一高さに設けられると共に、該冷却器と冷媒循環路で接続された液面形成容器に、冷却器の冷媒液面と同一高さの冷媒液面及び該冷媒液面の上方に気相部を形成させる工程と、冷却器で気化したガス冷媒を含む気液二相状態の冷媒を該冷媒循環路又は液面形成容器の気相部に接続された戻り路からガス冷媒のみを低圧受液器に戻す工程と、からなることにより、冷却器から低圧受液器に向う冷媒の戻り路に冷媒液柱が形成されなくなるので、液循環方式の冷凍装置の低圧受液器と液ポンプ及び蒸発器となる空気冷却器の配置の制約をなくすことができる。従って、液循環方式の冷凍装置による冷却施設の建築コストの低減を達成できる。
【００３１】
本発明装置によれば、冷凍サイクル構成機器と、低圧受液器と、該低圧受液器と冷媒循環路を介して接続された冷却器とを備え、該低圧受液器と冷却器間に冷媒を循環させるようにした冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環装置において、冷却器と同一高さに設けられると共に該冷却器と冷媒循環路で接続され、内部に冷却器と同一高さの冷媒液面及び該冷媒液面の上方に気相部を形成した液面形成容器と、該冷媒循環路のうち冷媒を冷却器から該液面形成容器に戻す冷媒復路又は該液面形成容器の気相部と前記低圧受液器とを接続するガス冷媒戻し路と、を備え、該冷媒戻し路を通る冷媒の気液二相流からガス冷媒を分離し、ガス冷媒のみを該ガス冷媒戻し路を介して低圧受液器に戻すように構成したことにより、前記本発明方法と同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の冷凍装置の一実施形態に係る系統図である。
【図２】前記実施形態に係る冷凍装置の空気冷却器１４の背面側から視た拡大図である。
【図３】図２中のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】従来のアンモニア冷凍サイクル／ＣＯ２ブライン液溜器による液循環式冷却施設の回路図である。
【図５】従来の低圧受液器を備えた液循環式冷却施設の回路図である。
【図６】従来の液循環式冷凍装置に係り、（Ａ）は低圧受液器（液溜器）と液ポンプを空気冷却器より下方に配置した説明図であり、（Ｂ）は低圧受液器（液溜器）と液ポンプを空気冷却器より上方に配置した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
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。
【００３４】
本発明の低圧受液器への冷媒循環方法及び装置の一実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。まず、図１を用いて本実施形態に係る液循環方式の冷凍装置の基本構成を説明する。図１に、本実施形態に係る冷凍装置１０の一部を示す。冷凍装置１０は、図４に示すような、ＮＨ３を冷媒とした蒸気圧縮式の高温側冷凍サイクル装置と、冷却負荷を有する低温側二次冷媒（ＣＯ２ブライン）の循環流路とを組み合わせた冷凍装置である。図１では、高温側冷凍サイクル装置の構成機器の図示は省略されている。
【００３５】
図１において、ＣＯ２ブライン等の二次冷媒又は低圧低温の液冷媒を保持する液溜器１２と、液溜器１２の下部に設置され冷媒供給管１８に介設されて、蒸発器となる空気冷却器１４に液冷媒を送液する液ポンプ１６と、冷却施設の被冷却室Ｒ内に設けられ、被冷却室Ｒ内の空間を冷却するための空気冷却器１４と、液溜器１２から空気冷却器１４に液冷媒を送る冷媒供給管１８と、空気冷却器１４から液溜器１２に空気冷却器１４で蒸発したガス冷媒のみを送る冷媒戻り管２０と、を備えている。
【００３６】
図２及び図３により、空気冷却器１４の構成を説明する。図２は図１の空気冷却器１４を背面側から視た拡大図である。空気冷却器１４は、ケーシング２２の内部の空気流通路出口側に設けられ、空気流ａを形成する送風機２４と、該空気流通路に設けられ外側に熱交換促進用の多数のフィン２６が間隔を空けて並列に設けられた熱交換管２８と、冷媒供給管１８と接続され液冷媒を熱交換管２８に分配導入するための冷媒供給ヘッダー３０と、冷媒戻り管２０に接続され熱交換管２８から蒸発する気相を集合するための冷媒排出ヘッダー３２と、から構成されている。
【００３７】
空気冷却器１４の近傍でかつ空気冷却器１４と同一高さに液面形成容器３４が設けられている。液面形成容器３４は、上下方向に長い柱状をなし、空気冷却器１４と冷媒循環路３５で接続されている。液面形成容器３４の下部が冷媒循環路３５の往路３６を介して冷媒供給ヘッダー３０と接続され、冷媒循環路３５の上部で復路４０を介して冷媒排出ヘッダー３２と接続している。復路４０に前記冷媒戻り管２０が接続されている。
【００３８】
液面形成容器３４は、空気冷却器１４と同一高さに配置されているため、液面形成容器３４の内部で、空気冷却器１４の冷媒供給ヘッダー３０及び冷媒排出ヘッダー３２の内部で形成された冷媒液面レベルと同一高さの冷媒液面レベルＬを形成できる。往路３６には冷媒供給管１８が接続され、復路４０には冷媒戻り管２０が接続されている。冷媒供給管１８には流量調整弁４２とオンオフ式の給液調整弁４４が介設されている。往路３６には、冷媒供給管１８との接続部より液面形成容器３４寄りに、矢印ｂ方向にのみ冷媒を通す逆止弁３８が介設されている。
【００３９】
液面形成容器３４には、液面形成容器３４内の冷媒液面レベルを検出するフロート式の液面検知器４６が設けられている。
図１において、冷凍装置１０が図４に示すようなアンモニア冷凍装置１００であれば、図示のように、液化器１１０と接続する循環路１１４が接続され、冷凍装置１０が図５に示すような液循環方式の冷凍装置１３０であれば、冷媒循環路１３２が接続される。
【００４０】
被冷却室Ｒは、図４又は図５に図示したように、建物の各階に設けられた室０１から０４か、あるいは、冷却設備の冷凍庫であり、空気冷却器１４はこれらの被冷却室Ｒの室内を冷却する。被冷却室Ｒの内部に温度センサ４８が設けられている。液面検出器４６の冷媒液面レベル検出値及び温度センサ４８の室温検出値はコントローラ５０に入力される。コントローラ５０は、これらの検出値に基づいて、給液調整弁４４をオンオフ動作させる。
【００４１】
給液調整弁４４が「開」の時、液溜器１２の液冷媒は、冷媒供給管１８から往路３６を介して冷媒供給ヘッダー３０に供給される。冷媒供給管１８の液冷媒は、逆止弁３８があるため、液面形成容器３４には供給されない。空気冷却器１４に設定液面までの液冷媒が導入されると、コントローラ５０がこの冷媒液面レベル検出値の信号を入力し、この信号によりコントローラ５０が給液調整弁４４を作動させ、液面検出器４６を「閉」にする。これによって、液面検出器４６への液冷媒の供給は停止する。
【００４２】
逆に、液面形成容器３４内の冷媒液面レベルＬが設定液面より低下すると、コントローラ５０にこの冷媒液面レベル信号が入力され、コントローラ５０によって給液調整弁４４が「開」となる。これによって、冷媒供給管１８から冷媒供給ヘッダー３０に液冷媒が供給される。こうして、冷媒供給ヘッダー３０や冷媒排出ヘッダー３２の冷媒液面レベルを上昇させることで、液面形成容器３４内の冷媒液面レベルＬを設定液面に戻す。
【００４３】
空気冷却器１４で蒸発したガス冷媒を含む気液二相流は、冷媒排出ヘッダー３２から復路４０を介して液面形成容器３４に戻る。冷媒戻り管２０の接続口は復路４０の管壁の上部にあるので、ガス冷媒のみが液冷媒と分離して冷媒戻り管２０に還流する。そして、ガス冷媒が復路４０から液溜器１２に還流する。液冷媒は復路４０から液面形成容器３４に還流する。
【００４４】
本実施形態によれば、冷媒戻り管２０内のガス冷媒は液冷媒を含まないため、冷媒が冷媒戻り管２０から液溜器１２に還流する間に、冷媒戻り管２０の内部で液柱が生成されない。そのため、空気冷却器１４で蒸発した気相は、従来のように、余剰液冷媒の封鎖の影響を受けずに容易に液溜器１２に還流する。従って、空気冷却器１４での冷媒の蒸発が阻害されず、空気冷却器１４の冷媒供給ヘッダー３０や冷媒排出ヘッダー３２で冷媒の蒸発圧力が上昇しないので、冷凍装置１０の冷却能力が低下しない。その結果、被冷却室Ｒの室温を設定温度に維持することができる。
【００４５】
そのため、本来の冷凍装置１０の定格運転を維持することができ、冷凍装置１０の設定ＣＯＰを維持できる。これによって、液溜器１１２や液ポンプ１６の設置場所に制約がなくなるため、これらの機器類を設置するための半地下階や地階を設ける必要がなくなり、冷却施設の建築コストが上昇するという問題を解消できる。
【００４６】
また、液面検出器４６を設けて液面形成容器３４の冷媒液面レベルＬを検出し、流量調整弁４２と給液調整弁４４のオンオフ動作によって冷媒液面レベルＬを調整することにより、空気冷却器１４の冷却能力を容易に調整できる。
【００４７】
また、往路３６に冷媒供給管１８を接続し、往路３６と冷媒供給管１８との接続部と液面形成容器３４との間の往路３６に逆止弁３８を設けたことにより、冷媒循環路を簡素化できると共に、液面形成容器３４から液冷媒が往路３６を通って空気冷却器１４に向かい、冷媒の気液二相流が空気冷却器１４から復路４０を通って液面形成容器３４に向う冷媒循環流を確実に形成できる。そのため、液面形成容器３４での冷媒液面レベルＬの形成と該冷媒液面レベルＬの調整が容易になる。
【００４８】
また、温度センサ４８を設け、温度センサ４８の温度検出値をコントローラ５０に入力し、コントローラ５０で冷媒液面レベルＬを調整して被冷却空気の温度を設定範囲に調整しているので、液面形成容器３４の冷媒液面レベルＬを調整するだけで、被冷却空気の温度を設定範囲に調整できる。そのため、被冷却空気の温度調整が容易になる。
【００４９】
なお、前記実施形態では、復路４０に冷媒戻り管２０を接続していたが、この代わりに、液面形成容器３４の上部に形成される気相部に連通するように冷媒戻り管２０を設けてもよい。これによって、冷媒戻り管２０にガス冷媒のみを還流することができ、冷媒の液柱を形成しなくて済む。
【００５０】
本発明は、図５に図示される液冷媒循環方式の冷凍サイクル装置や、高温側の冷媒循環路と低温側の冷媒循環路とをカスケードコンデンサで組み合わせ液冷媒循環方式の二元冷凍装置にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明によれば、液循環方式の冷凍装置の低圧受液器と液ポンプ及び蒸発器となる空気冷却器の配置の制約をなくすことにより、液循環方式の冷凍装置を設けた冷却施設の建築コストの低減を図ることができ、自然冷媒の冷却システムの代表的なアンモニア／ＣＯ２ブライン冷却方式等の普及に有益なものとなる。
【符号の説明】
【００５２】
１０、１００，１３０ 冷凍装置
１２，１１２ 液溜器
１４０，１５８ 低圧受液器
１４、１１８ａ〜ｄ、１４４ａ〜ｄ、１５０ 空気冷却器
１６，１１６，１４２、１６２ 液ポンプ
１８，１６０ａ 冷媒供給管
２０，１６０ｂ 冷媒戻り管
２２ ケーシング
２４ 送風機
２６ フィン
２８ 熱交換管
３０ 冷媒供給ヘッダー
３２ 冷媒排出ヘッダー
３４ 液面形成容器
３５，１４６ 冷媒循環路
３６ 往路（第２冷媒循環路）
３８ 逆止弁
４０ 復路（第２冷媒循環路）
４２ 流量調整弁
４４ 給液調整弁
４６ 液面検出器
４８ 温度センサ
５０ コントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍サイクル構成機器を備えた冷凍装置で、低圧受液器から液ポンプにより冷媒液を冷却器に送り、該冷却器で気化したガス冷媒を含む気液二相状態の冷媒を低圧受液器に戻すようにした冷媒循環方法において、
前記冷却器と同一高さに設けられると共に、該冷却器と冷媒循環路で接続された液面形成容器に、冷却器の冷媒液面と同一高さの冷媒液面及び該冷媒液面の上方に気相部を形成させる工程と、
冷却器で気化したガス冷媒を含む気液二相状態の冷媒を該冷媒循環路又は液面形成容器の気相部に接続された戻り路からガス冷媒のみを低圧受液器に戻す工程と、からなることを特徴とする冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環方法。
【請求項２】
前記液面形成容器の冷媒液面レベルを検出し、この冷媒液面レベルを調整して前記冷却器の冷却能力を調整することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環方法。
【請求項３】
前記冷凍装置が、一次冷媒の循環路と二次冷媒の循環路とを液化器で組み合わせ、二次冷媒の循環路に液溜器と液ポンプを設け、該液溜器に貯留した二次冷媒を液ポンプで空気冷却器に循環する液循環方式の冷凍装置であり、前記低圧受液器が前記液溜器であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環方法。
【請求項４】
冷凍サイクル構成機器と、低圧受液器と、該低圧受液器と冷媒循環路を介して接続された冷却器とを備え、該低圧受液器と冷却器間に冷媒を循環させるようにした冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環装置において、
前記冷却器と同一高さに設けられると共に該冷却器と第２冷媒循環路で接続され、内部に冷却器と同一高さの冷媒液面及び該冷媒液面の上方に気相部を形成した液面形成容器と、
該第２冷媒循環路のうち冷媒を冷却器から該液面形成容器に戻す冷媒復路又は該液面形成容器の気相部と前記低圧受液器とを接続するガス冷媒戻し路と、を備え、
該冷媒戻し路を通る冷媒の気液二相流からガス冷媒を分離し、ガス冷媒のみを該ガス冷媒戻し路を介して低圧受液器に戻すように構成したことを特徴とする冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環装置。
【請求項５】
前記液面形成容器に設けられた液面検出器と、低圧受液器から冷却器に液冷媒を供給する冷媒供給路に設けられた流量調整弁と、該液面検出器の冷媒液面レベル検出値に基づいて該流量調整弁を制御して冷却器内の冷媒液面レベルを調整するコントローラと、を備え、
該コントローラで該冷媒液面レベルを調整して冷却器の冷却能力を調整するように構成したことを特徴とする請求項４に記載の冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環装置。
【請求項６】
前記第２冷媒循環路のうち液冷媒を液面形成容器から冷却器に供給する冷媒往路に前記冷媒供給路を接続すると共に、該冷媒往路と冷媒供給路との接続部と液面形成容器との間の冷媒往路に、液冷媒が液面形成容器に逆流するのを防止した逆止弁を設けたことを特徴とする請求項５に記載の冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環装置。
【請求項７】
前記冷却器が空気冷却器であり、被冷却空気の温度を検出する温度センサを設け、該温度センサの温度検出値を前記コントローラに入力し、該コントローラで前記冷媒液面レベルを調整して被冷却空気の温度を設定範囲に調整するようにしたことを特徴とする請求項５又は６に記載の冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環装置。
【請求項１】
冷凍サイクル構成機器を備えた冷凍装置で、低圧受液器から液ポンプにより冷媒液を冷却器に送り、該冷却器で気化したガス冷媒を含む気液二相状態の冷媒を低圧受液器に戻すようにした冷媒循環方法において、
前記冷却器と同一高さに設けられると共に、該冷却器と冷媒循環路で接続された液面形成容器に、冷却器の冷媒液面と同一高さの冷媒液面及び該冷媒液面の上方に気相部を形成させる工程と、
冷却器で気化したガス冷媒を含む気液二相状態の冷媒を該冷媒循環路又は液面形成容器の気相部に接続された戻り路からガス冷媒のみを低圧受液器に戻す工程と、からなることを特徴とする冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環方法。
【請求項２】
前記液面形成容器の冷媒液面レベルを検出し、この冷媒液面レベルを調整して前記冷却器の冷却能力を調整することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環方法。
【請求項３】
前記冷凍装置が、一次冷媒の循環路と二次冷媒の循環路とを液化器で組み合わせ、二次冷媒の循環路に液溜器と液ポンプを設け、該液溜器に貯留した二次冷媒を液ポンプで空気冷却器に循環する液循環方式の冷凍装置であり、前記低圧受液器が前記液溜器であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環方法。
【請求項４】
冷凍サイクル構成機器と、低圧受液器と、該低圧受液器と冷媒循環路を介して接続された冷却器とを備え、該低圧受液器と冷却器間に冷媒を循環させるようにした冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環装置において、
前記冷却器と同一高さに設けられると共に該冷却器と第２冷媒循環路で接続され、内部に冷却器と同一高さの冷媒液面及び該冷媒液面の上方に気相部を形成した液面形成容器と、
該第２冷媒循環路のうち冷媒を冷却器から該液面形成容器に戻す冷媒復路又は該液面形成容器の気相部と前記低圧受液器とを接続するガス冷媒戻し路と、を備え、
該冷媒戻し路を通る冷媒の気液二相流からガス冷媒を分離し、ガス冷媒のみを該ガス冷媒戻し路を介して低圧受液器に戻すように構成したことを特徴とする冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環装置。
【請求項５】
前記液面形成容器に設けられた液面検出器と、低圧受液器から冷却器に液冷媒を供給する冷媒供給路に設けられた流量調整弁と、該液面検出器の冷媒液面レベル検出値に基づいて該流量調整弁を制御して冷却器内の冷媒液面レベルを調整するコントローラと、を備え、
該コントローラで該冷媒液面レベルを調整して冷却器の冷却能力を調整するように構成したことを特徴とする請求項４に記載の冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環装置。
【請求項６】
前記第２冷媒循環路のうち液冷媒を液面形成容器から冷却器に供給する冷媒往路に前記冷媒供給路を接続すると共に、該冷媒往路と冷媒供給路との接続部と液面形成容器との間の冷媒往路に、液冷媒が液面形成容器に逆流するのを防止した逆止弁を設けたことを特徴とする請求項５に記載の冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環装置。
【請求項７】
前記冷却器が空気冷却器であり、被冷却空気の温度を検出する温度センサを設け、該温度センサの温度検出値を前記コントローラに入力し、該コントローラで前記冷媒液面レベルを調整して被冷却空気の温度を設定範囲に調整するようにしたことを特徴とする請求項５又は６に記載の冷凍装置における低圧受液器への冷媒循環装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−３８７０４（Ｐ２０１１−３８７０４Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８６８１９（Ｐ２００９−１８６８１９）
【出願日】平成２１年８月１１日（２００９．８．１１）
【出願人】（０００１４８３５７）株式会社前川製作所 (267)
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１１日（２００９．８．１１）
【出願人】（０００１４８３５７）株式会社前川製作所 (267)
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