冷却装置
【課題】この発明は、低温側循環回路に蓄熱回路を設けることで、冷却運転時や霜取時の電力を有効に利用できる冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却装置１００は、高温側装置１０と、低温側装置２０と、高温側冷媒と低温側冷媒との間の熱交換を行う冷媒間熱交換器３０と、低温側圧縮機２１の吸入側圧力を検知する手段２８と、低温側装置に設けられ、蓄熱を行う蓄熱回路５６と、蓄熱された冷熱を過冷却に利用するための連結管５８と、冷却装置の各機器を制御する制御装置４０とを備える。
【解決手段】冷却装置１００は、高温側装置１０と、低温側装置２０と、高温側冷媒と低温側冷媒との間の熱交換を行う冷媒間熱交換器３０と、低温側圧縮機２１の吸入側圧力を検知する手段２８と、低温側装置に設けられ、蓄熱を行う蓄熱回路５６と、蓄熱された冷熱を過冷却に利用するための連結管５８と、冷却装置の各機器を制御する制御装置４０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、家庭用・業務用冷凍冷蔵庫、超低温冷蔵庫、冷凍冷蔵ショーケース冷却システム等に利用できる冷却装置に関するものであって、特に、複数の冷媒循環回路を多段構成した多元冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば高温側として冷媒循環回路を形成する高温側装置と、低温側として冷媒循環回路を形成する低温側装置とをそれぞれ形成して多段で構成した冷却装置がある（ここでは二段構成の二元冷却装置として記述する）。このような二元冷却装置では、高温側装置の蒸発器での冷媒の蒸発熱と低温側装置の凝縮器での冷媒の凝縮熱とを熱交換しながら、最終段となる低温側装置の蒸発器において冷却対象との熱交換を行うことにより冷却運転を行っている。これにより、低温側装置の蒸発器において、マイナス数十度の低温度の蒸発熱を効率良く得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１９０９１７号公報（第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の二元冷却装置においては、夜間等の冷却負荷の軽い時に、通常の冷却運転を行う場合、冷却負荷に合わせた低い出力で低温側装置の圧縮機を駆動させると、圧縮機として効率の悪い運転となってしまう。また、圧縮機を効率が良いとされる出力で駆動させた場合、冷却負荷に対して不必要に大きな出力となってしまう。また、必要な時だけ圧縮機を駆動させるようにした場合においては、起動と停止を繰り返すこととなってしまう。いずれの場合においても、二元冷却装置においては、無駄に電力を消費することとなっていた。
【０００５】
また、低温側装置の蒸発器において霜取を行う場合、例えば所定時間毎に冷却運転を停止し、低温側装置の蒸発器を霜取ヒータ等により加熱して、霜を溶かしている。このとき、霜取時にヒータを作動させることによって周囲温度が上昇して冷媒の温度が上昇し、冷媒の圧力が上昇してしまう。特に、特許文献１のように低温側装置の冷媒として二酸化炭素（以下、ＣＯ２）を用いている場合、霜取時に高温側の循環回路を停止させることでＣＯ２冷媒の圧力が上昇して臨界圧力を超えてしまう可能性がある。そのため、霜取時に高温側の冷媒循環回路の圧縮機を動作させて、低温側装置の凝縮器を冷却することで、低温側冷媒の圧力上昇を防いでいる。
【０００６】
また、一般的な冷却装置では、霜取時間は、例えば１回あたり３０〜４０分程度必要とし、定期的に１日あたり４〜５回程度の霜取を行う。したがって、高温側装置の圧縮機は１日あたり２〜３時間程度、余分に駆動することになり、無駄に電力を消費することとなっていた。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、冷却運転時や霜取時において、電力を有効に利用することができる冷却装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る冷却装置は、
高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側絞り装置および高温側蒸発器を配管接続して、高温側冷媒を循環させる高温側循環回路を形成する高温側装置と、
低温側圧縮機、低温側凝縮器、受液器、第１開閉手段、低温側絞り装置および低温側蒸発器を配管接続して、低温側冷媒を循環させる低温側循環回路を形成する低温側装置と、
高温側蒸発器および低温側凝縮器により構成し、高温側冷媒と低温側冷媒との間の熱交換を行う冷媒間熱交換器と、
受液器と第一開閉手段とを接続する配管から分岐され、第２開閉手段、蓄熱用絞り装置、蓄熱タンク内に封入された蓄熱媒体と熱交換を行う蓄熱用蒸発器、および第３開閉手段を順次配管接続して、低温側蒸発器と低温側圧縮機とを接続する配管に接続する蓄熱回路と、
蓄熱用蒸発器と第３開閉手段とを接続する配管から分岐され、逆止弁を介して第１開閉手段と低温側絞り装置とを接続する配管に接続する連結管と、
少なくとも、高温側圧縮機、高温側絞り装置、低温側圧縮機、第１開閉手段、低温側絞り装置、第２開閉手段、蓄熱用絞り装置、蓄熱用蒸発器、および第３開閉手段を制御する制御装置と
を備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の冷却装置によれば、低温側循環回路に蓄熱回路を設けたので、冷却負荷の軽い時の冷却運転では、余剰冷媒を利用して冷却運転を行いながら蓄熱を行い、また、霜取時には低温側蒸発器の加熱を行いつつ蓄熱を行うことができ、蓄熱された熱量を冷却運転時に過冷却に利用できる。従って、冷却装置の電力を有効に利用することができて、冷却装置の電力の平準化を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１における二元冷却装置の、通常冷却運転時の冷媒回路を表す図である。
【図２】この発明の実施の形態１における二元冷却装置の、蓄熱冷却運転時の動作を説明するフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態１における二元冷却装置の、蓄熱冷却運転時の冷媒回路を表す図である。
【図４】この発明の実施の形態１における二元冷却装置の、過冷却運転時の動作を説明するフローチャートである。
【図５】この発明の実施の形態１における二元冷却装置の、過冷却運転時の冷媒回路を表す図である。
【図６】この発明の実施の形態１における二元冷却装置の、運転状態による各機器の作動を示す表である。
【図７】この発明の実施の形態１における二元冷却装置の、通常冷却運転時と過冷却運転時の冷媒状態の推移を説明するｐ−ｈ線図である。
【図８】この発明の実施の形態１における二元冷却装置の、冷却運転停止時の冷媒回路を表す図である。
【図９】この発明の実施の形態２における二元冷却装置の、霜取時の一連の動作を説明するフローチャートである。
【図１０】この発明の実施の形態２における二元冷却装置の、ポンプダウン運転を行う時の冷媒回路を表す図である。
【図１１】この発明の実施の形態２における二元冷却装置の、第１の蓄熱霜取運転時の冷媒回路を表す図である。
【図１２】この発明の実施の形態２における二元冷却装置の、第２の蓄熱霜取運転時の冷媒回路を表す図である。
【図１３】この発明の実施の形態２における二元冷却装置の、運転状態による各機器の作動を示す表である。
【図１４】この発明の実施の形態３における二元冷却装置の冷媒回路構成を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明の本実施の形態における二元冷却装置の冷媒回路を表す図である。図１に示すように、本実施の形態における二元冷却装置１００は、高温側装置１０と低温側装置２０とを有し、それぞれ独立して冷媒を循環させる冷媒循環回路を構成する。高温側装置１０は、高温側圧縮機１１と、高温側凝縮器１２と、高温側絞り装置１３と、高温側蒸発器１４とを直列に配管で接続し、冷媒を循環させる高温側循環回路１ａを構成している。一方、低温側装置２０は、低温側圧縮機２１と、低温側凝縮器２２と、受液器２３と、第１開閉手段２４と、低温側絞り装置２５と、低温側蒸発器２６とを直列に配管で接続し、冷媒を循環させる低温側循環回路２ａを構成している。そして、高温側循環回路１ａおよび低温側循環回路２ａを二段構成とするために、高温側蒸発器１４と低温側凝縮器２２とを、それぞれ通過する冷媒間での熱交換を可能にするよう構成した冷媒間熱交換器としてのカスケードコンデンサ３０を設けている。また、二元冷却装置１００全体の運転制御を行う制御装置４０を有している。
【００１２】
更に、受液器２３と第１開閉手段２４とを接続する配管から分岐されて、第２開閉手段５１と、蓄熱用絞り装置５２と、冷熱が蓄熱される蓄熱媒体５５が封入された蓄熱タンク５０内に配置された蓄熱用蒸発器５３と、第３開閉手段５４とを直列に配管で接続し、低温側圧縮機２１の吸入側配管に接続される蓄熱回路５６が形成されている。さらに、蓄熱タンク５０と第３開閉手段５４とを接続する配管から分岐され、冷媒の流れを一方向にのみ許容する逆止弁５７を介し、逆止弁５７の冷媒流れ方向下流側で、第１開閉手段２４と低温側絞り装置２５とを接続する配管に接続される連結管５８が形成される。
【００１３】
このような構成の二元冷却装置１００において、高温側循環回路１ａを循環する冷媒（以下、高温側冷媒という）として、例えばＲ４１０Ａ、Ｒ３２、Ｒ４０４Ａ、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、プロパン、イソブタン、二酸化炭素、アンモニア等が用いられる。地球温暖化に対する影響が小さい他の自然冷媒や、冷媒量を極力抑えた、効率のよい他のＨＦＣ冷媒等を用いてもよい。また、低温側循環回路２ａを循環する冷媒（以下、低温側冷媒という）として上記冷媒を用いてもよいが、本実施の形態では、地球温暖化に対する影響が小さい二酸化炭素（ＣＯ２）を用いる。一般的に、ＣＯ２は、飽和圧が高く、臨界点が低い（３１℃）ため、二元冷却装置での低温側冷媒に適しており、冷却温度として極低温が得られやすい。
【００１４】
二元冷却装置１００の各構成機器についてさらに詳しく説明する。高温側圧縮機１１は、高温側冷媒を吸入して圧縮し、高温・高圧の状態にして吐出するものであって、例えばインバータ等により回転数を制御し、高温側冷媒の吐出量を調整可能な圧縮機で構成するとよい。高温側凝縮器１２は、送風機（図示せず）により供給される空気と高温側冷媒との間で熱交換を行い、高温側冷媒を凝縮させて液化させるものである。
【００１５】
高温側絞り装置１３は、制御装置４０からの指示に基づいて開度調整される流量制御装置で構成され、高温側冷媒を膨張させて減圧させるものである。例えば、電子式膨張弁等で構成することが最適であるが、毛細管（キャピラリチューブ）、感温式膨張弁等で構成してもよい。高温側蒸発器１４は、カスケードコンデンサ３０において高温側冷媒が通過する伝熱管等であって、低温側冷媒との熱交換により高温側冷媒を蒸発させてガス化するものである。
【００１６】
一方、低温側装置２０において、低温側圧縮機２１は、低温側冷媒を吸入して圧縮し、高温・高圧の状態にして吐出するものであって、例えばインバータ等により回転数を制御し、低温側冷媒の吐出量を調整可能な圧縮機で構成するとよい。低温側圧縮機２１の吸入側配管には、低温側冷媒の圧力を検知する圧力検知手段としての吸入側圧力センサー２８が設けられている。
【００１７】
低温側凝縮器２２は、カスケードコンデンサ３０において低温側冷媒が通過する伝熱管等であって、高温側冷媒との熱交換により低温側冷媒を凝縮させて液化するものである。
【００１８】
受液器２３は、余剰冷媒を溜めておくためのものであり、低温側循環回路２ａ内の全冷媒を回収可能な容量を有している。また、第１開閉手段２４は、開閉によって低温側循環回路２ａにおける低温側冷媒の流れを制御するものであって、電磁弁等が用いられる。
【００１９】
低温側絞り装置２５は、制御装置４０からの指示に基づいて開度調整される流量制御装置で構成され、低温側冷媒を膨張させて減圧させるものである。例えば、電子式膨張弁等で構成することが最適であるが、毛細管（キャピラリチューブ）、感温式膨張弁等で構成してもよい。
【００２０】
低温側蒸発器２６は、送風機（図示せず）から供給される負荷側の空気と低温側冷媒との間で熱交換を行い、低温側冷媒を蒸発してガス化するものであり、それによりショーケースの庫内等、冷却対象（負荷）を冷却する。また、加熱手段としての霜取ヒータ２７は、低温側蒸発器２６に直接、またはドレンパン等の周辺部分に取り付けられ、霜取時に通電されることで発熱して、低温側蒸発器２６およびその周辺部分に付いた霜を溶かす。
【００２１】
カスケードコンデンサ３０は、高温側蒸発器１４と低温側凝縮器２２とを有して、高温側冷媒と低温側冷媒とを熱交換可能にするものであり、例えばプレート熱交換器や二重管熱交換器等で構成される。
【００２２】
第２開閉手段５１、第３開閉手段５４は、開閉によって蓄熱回路５６における低温側冷媒の流れを制御するものであって、電磁弁等が用いられる。蓄熱用絞り装置５２は、制御装置４０からの指示に基づいて開度調整を行う流量制御装置で構成され、低温側冷媒を膨張させて減圧させるものである。例えば、電子式膨張弁等で構成することが最適であるが、毛細管（キャピラリチューブ）、感温式膨張弁等で構成してもよい。
【００２３】
蓄熱用蒸発器５３は、蓄熱タンク５０内に配置され、蓄熱タンク５０内に封入された蓄熱媒体５５と熱交換して、低温側冷媒を蒸発ガス化するものである。一方の蓄熱媒体５５は、低温側冷媒と熱交換して冷熱を蓄熱する。なお、本実施の形態では、蓄熱タンク５０内の蓄熱媒体５５として水を使用するが、ブライン等を用いても良い。
【００２４】
なお、蓄熱用蒸発器５３として、圧力損失の大きい分配器や分流管等を使用しないことが望ましい。これは、蓄熱媒体５５として水を使用した時、熱伝導率が低い氷が伝熱面に生成して着氷量が増加して氷自体が熱抵抗体として作用し、運転の経過とともに伝熱特性が悪化して、装置の運転効率が低下するという問題があるからである。
【００２５】
制御装置４０は、二元冷却装置１００における各機器の動作を制御する。ここで、各機器とは、高温側圧縮機１１、高温側絞り装置１３、低温側圧縮機２１、第１開閉手段２４、低温側絞り装置２５、霜取ヒータ２７、吸入側圧力センサー２８、第２開閉手段５１、蓄熱用絞り装置５２、蓄熱用蒸発器５３、第３開閉手段５４などである。なお、制御装置４０は、高温側装置１０、低温側装置２０をそれぞれ制御する２台の制御装置で構成するようにしてもよいし、二元冷却装置１００の外部から通信などで制御を行うようにしても良い。
【００２６】
次に、二元冷却装置１００の通常冷却運転時の動作について説明する。通常冷却運転は、高温側循環回路１ａおよび低温側循環回路２ａにおいて、図１で矢印で示すように冷媒が流れ、低温側蒸発器２６の蒸発熱によって負荷を冷却する運転を行う。高温側循環回路１ａでは高温側冷媒は、高温側圧縮機１１から高温高圧の状態で吐出され、高温側凝縮器１２で凝縮液化される。更に、高温側絞り装置１３で膨張減圧されて、高温側蒸発器１４で、低温側凝縮器２２に流れる低温側冷媒と熱交換して蒸発ガス化されて、高温側圧縮機１１に戻り吸入される。
【００２７】
一方、低温側循環回路２ａでは低温側冷媒は、低温側圧縮機２１から高温高圧の状態で吐出され、低温側凝縮器２２に流入し、高温側蒸発器１４に流れる高温側冷媒と熱交換して凝縮液化され、受液器２３に蓄えられる。受液器２３を出た液冷媒は、開放された第１開閉手段２４を通り、低温側絞り装置２５で減圧された後、低温側蒸発器２６で蒸発ガス化されて、低温側圧縮機２１に戻り吸入される。通常冷却運転時は、第２開閉手段５１は閉止されており、蓄熱回路５６および連結管５８に低温側冷媒は流れない。このとき、第３開閉手段５４は閉止しても良いが、開放したままとしておくことで、不必要に開閉動作をさせずに済むため、本実施の形態では、第３開閉手段５４は開放しておく。
【００２８】
次に、冷却負荷が軽い時や、各電力会社が割安に設定している夜間（夜１０時から朝８時まで）に、発生している余剰冷媒を利用して冷熱を蓄熱しつつ負荷の冷却を行う蓄熱冷却運転を行う時の動作について説明する。一般的に、夜間は昼間と比較して冷却負荷が軽いため、二元冷却装置１００の冷凍能力を１００％利用する必要が無く、余剰冷媒が発生していることが多い。
【００２９】
本実施の形態の蓄熱冷却運転時の動作を表す図２のフローチャートを用いて、二元冷却装置１００の動作について説明する。また、このときの高温側循環回路１ａおよび低温側循環回路２ａにおける冷媒の流れを、図３において矢印で示す。図６は、二元冷却装置１００における各機器の、運転状態毎の作動を表に示したものである。
【００３０】
高温側循環回路１ａにおいては、通常冷却運転時と同様、高温側圧縮機１１から吐出された高温側冷媒は、高温側凝縮器１２で凝縮液化され、高温側絞り装置１３で減圧された後、高温側蒸発器１４で蒸発ガス化されて、高温側圧縮機１１に戻る。
【００３１】
まず、吸入側圧力センサー２８により、低温側圧縮機２１の吸入側圧力（低圧圧力）Ｐｓを検知する（Ｓ１）。そして、制御装置４０は、予め算出され、負荷側温度（低温側蒸発器２６の表面温度）の維持のために必要な基準圧力Ｐｎと、検知した吸入側圧力Ｐｓを比較し、吸入側圧力Ｐｓが基準圧力Ｐｎ未満のときは、余剰冷媒があると判断する（Ｓ２）。吸入側圧力Ｐｓが基準圧力Ｐｎ以上のときは、通常冷却運転を継続する。
【００３２】
このとき、第２開閉手段５１を開放し、蓄熱用絞り装置５２の開度を調整して、蓄熱冷却運転を実施する（Ｓ３）。このとき、低温側循環回路２ａにおいては、低温側圧縮機２１から吐出された低温側冷媒が、低温側凝縮器２２で凝縮液化され、受液器２３を通過した後に分流される。分流された低温側冷媒の一方は、第１開閉手段２４を通過して、低温側絞り装置２５で減圧され、低温側蒸発器２６で蒸発ガス化された後、低温側圧縮機２１に戻る。また、分流された低温側冷媒の他方は、蓄熱回路５６に流入し、第２開閉手段５１を通過して、蓄熱用絞り装置５２で減圧され、蓄熱用蒸発器５３で蒸発ガス化される。そして、第３開閉手段５４を通過した後、低温側蒸発器２６で蒸発ガス化された低温側冷媒と合流して、低温側圧縮機２１に戻る。尚、連結管５８には逆止弁５７があるため、圧力差により低温側冷媒は流れることはない。
【００３３】
また、蓄熱用絞り装置５２の開度は、余剰冷媒量に応じて調整すればよい。そして、蓄熱タンク５０内に設置され、蓄熱媒体の蓄熱量を検知する蓄熱量検知センサー（図示せず）によって検知された蓄熱量Ｔｓが、予め設定された限界蓄熱量Ｔｎに達したら（Ｓ４）、制御装置４０は蓄熱タンク５０には十分に冷熱が蓄熱されたと判断して、蓄熱冷却運転を終了し、通常冷却運転に戻る。蓄熱量検知センサーは、蓄熱媒体５５に水を使用していれば、例えば、水位を検知する水位センサーなどを利用すると良い。
【００３４】
次に、蓄熱された冷熱を利用して、昼間や冷却負荷が高い時に、過冷却運転を行う動作について、図４のフローチャートを用いて説明する。また、このときの高温側循環回路１ａおよび低温側循環回路２ａにおける冷媒の流れを、図５において矢印で示す。このとき、高温側循環回路１ａにおいては、通常冷却運転時と同様、高温側圧縮機１１から吐出された高温側冷媒は、高温側凝縮器１２で凝縮液化され、高温側絞り装置１３で減圧された後、高温側蒸発器１４で蒸発ガス化されて、高温側圧縮機１１に戻る。
【００３５】
低温側循環回路２ａにおいては、まず、吸入側圧力センサー２８により、低温側圧縮機２１の吸入側圧力Ｐｓを検知する（Ｓ１１）。そして、制御装置４０は、基準圧力Ｐｎよりも大きい所定圧力Ｐｍと、検知した吸入側圧力Ｐｓを比較し、吸入側圧力Ｐｓが所定圧力Ｐｍ以上のときは、冷却負荷が高くなっていると判断する（Ｓ１２）。
【００３６】
次に、制御装置４０は、蓄熱タンク５０内に設置された蓄熱量検知センサー（図示せず）によって検知された蓄熱量Ｔｓが、予め設定された基準蓄熱量Ｔｈ以上のとき、過冷却運転を行うのに充分な冷熱が蓄熱タンク５０に蓄熱されていると判断し（Ｓ１３）、第１開閉手段２４および第３開閉手段５４を閉止し、第２開閉手段５１を開放して蓄熱用絞り装置５２を開放し、過冷却運転を実施する（Ｓ１４）。このとき、蓄熱用蒸発器５３は、蒸発器ではなく、熱交換器として作用する。
【００３７】
このとき、低温側循環回路２ａにおいては、低温側圧縮機２１から吐出された低温側冷媒は、低温側凝縮器２２で凝縮液化され、受液器２３を通過する。そして、低温側冷媒は、開放された第２開閉手段５１および蓄熱用絞り装置５２を通過して、蓄熱タンク５０に流入し、蓄熱された冷熱によって過冷却される。そして、連結管５８に設けられた逆支弁５７を通過した後、低温側絞り装置２５で減圧膨張され、低温側蒸発器２６で蒸発ガス化されて、低温側圧縮機２１に戻る。
【００３８】
そして、制御装置４０は、蓄熱タンク５０内に設置された蓄熱量検知センサー（図示せず）によって検知された蓄熱量Ｔｓが、予め設定された基準蓄熱量Ｔｈ未満となったら、蓄熱タンク５０の冷熱が全て消費されたと判断し（Ｓ１５）、第１開閉手段２４および第３開閉手段５４を開放し、第２開閉手段５１を閉止して、通常冷却運転に戻る（Ｓ１６）。なお、過冷却運転を行わない通常冷却運転時に吸入側圧力Ｐｓが上昇して、予め設定され、所定圧力Ｐｍよりも大きい限界圧力Ｐｍａｘを超えると、二元冷却装置１００は異常停止するようにされている。Ｐｍａｘは、低温側循環回路２ａにおいて、内圧上昇によって配管が破壊されない程度に予め設定された値（例えば、４ＭＰａ）である。
【００３９】
本実施の形態によれば、夜間や冷却負荷の軽い時の余剰冷媒を利用して蓄熱冷却運転を実施し、昼間などの冷却負荷の高い時に過冷却として利用できるので、電力を有効に消費することができるうえ、電力の負荷を平準化できる冷却システムを得ることができる。
【００４０】
なお、低温側循環回路２ａ内に蓄熱用蒸発器５３を備えているので、負荷としての冷却対象が日配や生鮮等の冷蔵用途である場合、低温側蒸発器２６の蒸発温度がマイナス１０℃程度であるため、氷が生成しやすく、氷蓄熱を行うには効果的である。このとき、高温側蒸発器１４の蒸発温度は５〜１５℃程度であるため、氷の生成には適切な温度でなく、高温側循環回路１ａに蓄熱用蒸発器を配置しても効果はあまりない。また、マイナス４０℃以下の温度帯で使用する冷凍用途であっても、蓄熱用蒸発器５３の出口側に蒸発圧力を調整する調整弁等を備えることで、氷蓄熱を効果的に行うことができる。
【００４１】
冷媒の相変化と圧力の関係を示す図７のｐ−ｈ線図にしたがって、通常冷却運転時と過冷却運転時の冷媒状態の推移を説明する。通常冷却運転時、低温側冷媒は、低温側圧縮機２１に吸入されるＡ１の状態から、低温側圧縮機２１により圧縮されてＡ２の状態となり、低温側凝縮器２２で凝縮液化されてＡ３の状態となる。さらに、受液器２３を通り、低温側絞り装置２５で減圧膨張されてＡ４の状態となり、低温側蒸発器２６で蒸発ガス化されてＡ１の状態に戻る。このとき、二元冷却装置１００としての冷凍効果は、Ａ１とＡ４（Ａ３）とのエンタルピ（熱含量）の差ｑ１となる。
【００４２】
一方、過冷却運転時、低温側冷媒は、低温側圧縮機２１に吸入されるＡ１の状態から、低温側圧縮機２１により圧縮されてＡ２の状態となり、低温側凝縮器２２で凝縮液化されてＡ３の状態となる。そして、受液器２３を通った後、第２開閉手段５１および蓄熱用絞り装置５２を介して、蓄熱用蒸発器５３を通過する。このとき、蓄熱タンク５０内の蓄熱媒体５５に蓄熱された冷熱によって冷却され、Ｂ３の状態となる。つまり、過冷却されるのである。過冷却された低温側冷媒は、低温側絞り装置２５で減圧膨張されてＢ４の状態となり、低温側蒸発器２６で蒸発ガス化されてＡ１の状態に戻る。このとき、二元冷却装置１００としての冷凍効果は、Ａ１とＢ４（Ｂ３）とのエンタルピの差ｑ２となる。
【００４３】
このように、低温側循環回路２ａに蓄熱回路５６を設けることで、霜取時の低温側冷媒の圧力上昇を抑えながら蓄熱し、蓄熱された冷熱を過冷却運転に利用することができる。通常冷却運転時と比較して本発明の過冷却運転では、冷凍効果はｑ１とｑ２の差（ｑ２−ｑ１）分だけ向上させることができ、その結果、二元冷却装置１００における冷却能力（一般的に、約２０％）も向上させることができるのである。
【００４４】
ここで、本実施の形態における蓄熱タンク５０について説明する。ここでは、蓄熱媒体５５として、水を使用することとする。また、二元冷却装置１００の容量が、一般的によく使われる冷却機容量の１５ｋＷ（２０馬力）程度とする。この二元冷却装置１００を、冷却対象の負荷が生鮮や日配等冷蔵用途で使用する場合、低温側蒸発器２６の蒸発温度の平均は約マイナス１０度のため、二元冷却装置１００の冷凍能力は約４０ｋＷである。夜間の負荷は、一般的に約６０％程度であって、このとき二元冷却装置１００は約２４ｋＷの冷凍能力が必要であるので、残り約１６ｋＷ分の冷凍能力を蓄熱冷却運転に利用することができる。
【００４５】
仮に、冷凍能力１６ｋＷで、夜間１０時間、蓄熱冷却運転を継続したとすると、１６（ｋＷ）×１０（時間）×３６００（秒）＝５７６ＭＪの熱量が得られることとなる。したがって、氷の融解の潜熱が３３３．５５（ｋＪ／ｋｇ）であるので、５７６（ＭＪ）／３３３．５５（ＭＪ／ｋｇ）＝１７２７（ｋｇ）の氷を生成することができる。つまり、蓄熱タンク５０内に１７２７ｋｇの水を封入しておけば、蓄熱冷却運転を夜間中継続することができる。
【００４６】
したがって、蓄熱タンク５０に１７２７ｋｇの水を封入したとすると、蓄熱タンク５０の筐体は、仮に横幅、奥行きがそれぞれ１ｍとすると高さが１．７２７ｍとなる。一般的な二元冷却装置の大きさが横幅１〜２ｍ、高さが１．５ｍ程度であるので、蓄熱タンク５０は、二元冷却装置１００と近接させて並べて設置したり、蓄熱タンク５０を設置した上に二元冷却装置１００を載置する等するのがよく、これにより設置スペースを有効に利用することができる。もちろん、蓄熱タンク５０の容量は、必要な蓄熱量に応じて変えればよいことは言うまでもなく、後述する実施の形態２、３でも同様である。
【００４７】
なお、二元冷却装置１００を運転する必要が無い場合、第１開閉手段２４および第２開閉手段５１を閉止し、第３開閉手段５４を開放としておくのがよい。冷却運転停止時の、二元冷却装置１００の冷媒回路を図８に示す。これは、二元冷却装置１００が停止中も、蓄熱用蒸発器５３の低温側冷媒の温度または圧力を検知しておけば、蓄熱された冷熱により低温側冷媒が冷却されるため、低温側循環回路２ａ内の圧力上昇を防ぐことができるからである。また、二元冷却装置１００を停止させる前に、後述するポンプダウン運転を行うようにすれば、低温側冷媒を回収してから停止するので、低温側冷媒の圧力上昇を抑制することができ、長期間停止させることができる。
【００４８】
実施の形態２．
以上の実施の形態１では、冷却負荷が軽い時や、各電力会社が割安に設定している夜間に、蓄熱回路５６を用いて蓄熱冷却運転を行い、冷却負荷が高い時や昼間に、蓄熱冷却運転で蓄熱された冷熱を過冷却として活用する場合について記述した。本実施の形態では、低温側蒸発器２６の霜取を行いながら冷熱を蓄熱する蓄熱霜取運転について説明する。なお、実施の形態１と同じものについては、同じ符号を付している。
【００４９】
霜取運転の一連の運転動作を表す図９のフローチャートを用いて、本実施の形態における二元冷却装置１００の動作について説明する。また、このときの高温側循環回路１ａおよび低温側循環回路２ａにおける冷媒の流れを、図１０、図１１、および図１２において矢印で示す。図１３は、二元冷却装置１００における各機器の、運転状態毎の作動を表に示したものである。
【００５０】
まず、霜取運転の開始が制御装置４０から指示されると、低温側蒸発器２６および配管内に残った液冷媒を受液器２３に回収する、いわゆるポンプダウン運転を行う。制御装置４０が、例えば低温側圧縮機２１において冷却運転開始からの運転積算時間が所定時間（例えば、４時間）を経過したものと判断すると（Ｓ２１）、高温側圧縮機１１を停止し、第１開閉手段２４を閉止して、受液器２３からの低温側冷媒を低温側蒸発器２６に流入させないようにする（Ｓ２２）。
【００５１】
そして、吸入側圧力センサー２８により検知した吸入側圧力Ｐｓが予め設定された規定圧力Ｐｅ（例えば、１〜２ＭＰａ）以下になると判断するまで、低温側圧縮機２１を駆動させる（Ｓ２３）。これにより、低温側蒸発器２６において低温側冷媒を蒸発させ、できる限り低温側冷媒を流出させるようにする。流出した低温側冷媒は、低温側圧縮機２１から吐出されて、低温側凝縮器２２に流入し凝縮液化して、受液器２３で回収される。
【００５２】
霜取前にポンプダウン運転を行うことで、低温側蒸発器２６内の低温側冷媒が低減された状態で低温側蒸発器２６を加熱するため、低温側冷媒の圧力上昇を最小限に抑えることができる。また、霜取時の低温側蒸発器２６内の低温側冷媒の量を減らすことができるので、低温側冷媒に奪われる霜取ヒータ２７の熱量が少なく、霜取ヒータ２７を少ない熱量で作動させることができて、電力消費を抑えることができる。
【００５３】
吸入側圧力Ｐｓが規定圧力Ｐｅ以下になると、制御装置４０は、受液器２３に低温側冷媒が適切に回収されたと判断して、低温側圧縮機２１を停止して、低温側絞り装置２５を閉止し、霜取ヒータ２７に通電して低温側蒸発器２６を加熱し、霜取を行う（Ｓ２４）。このとき、低温側蒸発器２６および周辺の配管に残った低温側冷媒は、霜取ヒータ２７の加熱により温度が上昇するが、第３開閉手段５４を介して蓄熱タンク５０内に流入し、蓄熱媒体５５と熱交換して冷熱を蓄熱する。これにより、高温側圧縮機１１および低温側圧縮機２１を停止していても、霜取時の低温側冷媒の圧力上昇を防ぎつつ、霜取ヒータ２７による電力を有効に利用して冷熱を蓄熱することができる。
【００５４】
次に、制御装置４０は、予め設定された所定圧力Ｐｍと、吸入側圧力Ｐｓを比較し、圧力Ｐｓが所定圧力Ｐｍ以上になったと判断したら（Ｓ２５）、第２開閉手段５１を開放して蓄熱用絞り装置５２の開度を調整し、低温側圧縮機２１を駆動させ、第１の蓄熱霜取運転を行う（Ｓ２６）。所定圧力Ｐｍは、例えば、蓄熱タンク５０に蓄熱された冷熱が全て消費され、低温側圧縮機２１の吸入側圧力が上昇し始めるときの値であるとする。
【００５５】
このとき、低温側冷媒は、受液器２３の液冷媒が第２開閉手段５１を介して蓄熱用絞り装置５２に流れて減圧膨張され、蓄熱タンク５０内に配置された蓄熱用蒸発器５３に流入する。蓄熱用蒸発器５３に流入した低温側冷媒は、蓄熱タンク５０内に封入された蓄熱媒体５５と熱交換されて蒸発ガス化され、第３開閉手段５４を介して低温側圧縮機２１に戻る。このとき、高温側圧縮機１１は停止させているため、低温側圧縮機２１は凝縮温度が急激に上昇してしまわない程度の周波数で駆動する。これにより、高温側圧縮機１１を駆動させずに、蓄熱を行いながら霜取を行うことができ、不要な電力を消費させずに済む。
【００５６】
さらに、制御装置４０は、予め設定された限界圧力Ｐｍａｘと、吸入側圧力Ｐｓを比較し、吸入側圧力Ｐｓが限界圧力Ｐｍａｘ以上になったと判断したら（Ｓ２７）、高温側圧縮機１１を駆動させ、第２の蓄熱霜取運転を行う（Ｓ２８）。これにより、高温側蒸発器１４で低温側冷媒を冷却して圧力上昇を抑えながら、霜取をしつつ、最大の出力で蓄熱を行うことができる。
【００５７】
このように、ポンプダウン運転後の霜取時に、吸入側圧力センサー２８の検知圧力に応じて高温側圧縮機１１および低温側圧縮機２１を適宜駆動させるので、低温側冷媒の圧力上昇を防ぎつつ、圧縮機の駆動による無駄な電力消費を防ぎ、有効に電力を利用することができる。
【００５８】
なお、本実施の形態では、吸入側圧力センサー２８の検知圧力に基づいて段階的に高温側圧縮機１１および低温側圧縮機２１の駆動を制御したが、唯一の所定圧力値に基づいて制御してももちろん構わない。なお、蓄熱タンク５０内に十分に冷熱が蓄熱されている時は、それ以上の蓄熱を行う必要が無いため、高温側圧縮機１１と低温側圧縮機２１の運転を停止してもよく、このようにしても、蓄熱媒体５５に蓄熱された冷熱によって、低温側冷媒の圧力上昇を抑制することができる。
【００５９】
そして、例えば、低温側蒸発器２６の表面温度を検知する温度センサー（図示せず）が所定温度以上を検知したら（Ｓ２９）、制御装置４０は霜取が終了したと判断し、霜取ヒータ２７の通電を停止する（Ｓ３０）。そして、通常冷却運転に戻る。なお、霜取が終了したと判断する低温側蒸発器２６表面の所定温度は、例えば、１０℃以上としている。これは、低温側蒸発器２６の表面が０℃以上となって霜が溶けても、例えばドレンパン（図示せず）等の周辺に霜が残っていたり、残った水が再び凍ってしまわないように、しばらく霜取ヒータ２７を加熱して、確実に霜を溶かすためである。
【００６０】
なお、Ｓ２４およびＳ２６の後において、低温側蒸発器２６の霜取が完了すれば、通常冷却運転に戻るのは言うまでもなく、低温側蒸発器２６の表面温度を検知する温度センサー（図示せず）による検知温度で判断する。霜取が終了したら、通常冷却運転に戻る。または、冷却負荷が高いと判断した場合は、霜取後すぐに過冷却運転を行うようにしてもよい。過冷却運転については、実施の形態１と同様である。
【００６１】
以上のように、本実施の形態に係る二元冷却装置１００においては、低温側蒸発器２６を加熱して霜取しつつ、低温側循環回路２ａ内に蓄熱回路を備えて蓄熱霜取運転を行うことで、冷却運転時には蓄熱タンク５０に蓄熱された冷熱を低温側循環回路２ａの過冷却運転に利用できるので、二元冷却装置１００として有効に電力を利用することができるのである。
【００６２】
また、低温側蒸発器２６の霜取時の圧力上昇を監視しながら冷熱を蓄熱するので、ＣＯ２冷媒の臨界圧力を超えてしまうようなことがない。つまり、霜取時であっても、低温側循環回路２ａ内の冷媒圧力を、例えば従来から使用しているＨＦＣ冷媒程度の圧力（例えば、４ＭＰａ）以下に抑えることができる。したがって、設計においては、低温側蒸発器２６の低温側冷媒の耐圧を低く見積もることができ、低温側蒸発器２６の伝熱管として使用する銅配管の肉厚を例えば約半分にすることができて、安価で、現地冷媒工事も容易な二元冷却装置を提供することができる。
【００６３】
また、従来は、霜取時に低温側装置の冷媒圧力を上昇させない他の方法として、低温側装置に安全弁を設けて圧力上昇時に大気放出を行ったり、冷却装置の近傍に膨張タンクを設置したり、低温側装置に温度を保持する用途としての冷却機を別に設置する等の対策が考えられていたが、本実施の形態では簡易な構成で、霜取時の冷媒圧力の上昇を抑えることができる。
【００６４】
また、本実施の形態では、低温側蒸発器２６の霜取時、霜取ヒータ２７に通電させることで加熱して、霜を溶かすようにしたが、例えば、低温側圧縮機２１から吐出される高温高圧の低温側冷媒を低温側蒸発器２６に流すことで、低温側蒸発器２６を凝縮器として作用させ、凝縮熱により霜を溶かすようにしてもよい（ホットガスデフロスト）。
【００６５】
実施の形態３．
図１４は、本実施の形態に係る二元冷却装置２００を示すものであって、蓄熱タンク５０内に過冷却コイル６０を設け、過冷却コイル６０の一端を高温側凝縮器１２の冷媒流出側配管に接続し、他端を高温側絞り装置１３の冷媒流入側配管に接続するよう構成したものである。なお、実施の形態１、２と同じものについては、同じ符号を付している。
【００６６】
このように構成することで、低温側循環回路２ａにおいて霜取時や夜間等の冷却負荷の軽い時に蓄熱された冷熱を、高温側循環回路１ｂの過冷却にも利用することができるので、高温側圧縮機１１を容量が小さいもので賄うことができ、電力を有効に活用できる。また、高温側循環回路１ｂに循環させる冷媒充填量を少なくすることができるため、ＣＯ２やアンモニア等の自然冷媒に比べて、効率は良いが比較的地球温暖化係数（ＧＷＰ）の高いＨＦＣ系冷媒を利用しても、環境負荷を低減することができる。
【００６７】
なお、過冷却コイル６０は、蓄熱タンク５０に蓄熱された冷熱と熱交換するよう構成していればよく、蓄熱タンク５０内に設置しなくてもよい。また、高温側循環回路１ｂから過冷却コイル６０と接続される配管の長さは、極力短くするのが良く、高温側凝縮器１２と蓄熱タンク５０を近接して配置する方がよい。つまり、蓄熱タンク５０を二元冷却装置２００に併設する等、近接して配置するのが良い。
【００６８】
上述の実施の形態は、霜取時と、夜間等の冷却負荷の軽い時に蓄熱を行う形態を個別に説明したが、必要に応じて各動作（通常冷却運転、蓄熱冷却運転、霜取蓄熱運転、運転停止、および過冷却運転）を組合せて冷却装置を動作させても良く、これにより、より無駄な電力消費を防ぎ、電力を有効に利用できる。また、上述の実施の形態は、二元冷却装置で説明したが多段構成の多元冷却装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１０ 高温側装置、１１ 高温側圧縮機、１２ 高温側凝縮器、１３ 高温側絞り装置、１４ 高温側蒸発器、２０ 低温側装置、２１ 低温側圧縮機、２２ 低温側凝縮器、２３ 受液器、２４ 第１開閉手段、２５ 低温側絞り装置、２６ 低温側蒸発器、２７ 霜取ヒータ、２８ 吸入側圧力センサー、３０ カスケードコンデンサ、５０ 蓄熱タンク、５１ 第２開閉手段、５２ 蓄熱用絞り装置、５３ 蓄熱用蒸発器、５４ 第３開閉手段、５５ 蓄熱媒体、５６ 蓄熱回路、５７ 逆止弁、５８ 連結管、６０ 過冷却コイル。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、家庭用・業務用冷凍冷蔵庫、超低温冷蔵庫、冷凍冷蔵ショーケース冷却システム等に利用できる冷却装置に関するものであって、特に、複数の冷媒循環回路を多段構成した多元冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば高温側として冷媒循環回路を形成する高温側装置と、低温側として冷媒循環回路を形成する低温側装置とをそれぞれ形成して多段で構成した冷却装置がある（ここでは二段構成の二元冷却装置として記述する）。このような二元冷却装置では、高温側装置の蒸発器での冷媒の蒸発熱と低温側装置の凝縮器での冷媒の凝縮熱とを熱交換しながら、最終段となる低温側装置の蒸発器において冷却対象との熱交換を行うことにより冷却運転を行っている。これにより、低温側装置の蒸発器において、マイナス数十度の低温度の蒸発熱を効率良く得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１９０９１７号公報（第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の二元冷却装置においては、夜間等の冷却負荷の軽い時に、通常の冷却運転を行う場合、冷却負荷に合わせた低い出力で低温側装置の圧縮機を駆動させると、圧縮機として効率の悪い運転となってしまう。また、圧縮機を効率が良いとされる出力で駆動させた場合、冷却負荷に対して不必要に大きな出力となってしまう。また、必要な時だけ圧縮機を駆動させるようにした場合においては、起動と停止を繰り返すこととなってしまう。いずれの場合においても、二元冷却装置においては、無駄に電力を消費することとなっていた。
【０００５】
また、低温側装置の蒸発器において霜取を行う場合、例えば所定時間毎に冷却運転を停止し、低温側装置の蒸発器を霜取ヒータ等により加熱して、霜を溶かしている。このとき、霜取時にヒータを作動させることによって周囲温度が上昇して冷媒の温度が上昇し、冷媒の圧力が上昇してしまう。特に、特許文献１のように低温側装置の冷媒として二酸化炭素（以下、ＣＯ２）を用いている場合、霜取時に高温側の循環回路を停止させることでＣＯ２冷媒の圧力が上昇して臨界圧力を超えてしまう可能性がある。そのため、霜取時に高温側の冷媒循環回路の圧縮機を動作させて、低温側装置の凝縮器を冷却することで、低温側冷媒の圧力上昇を防いでいる。
【０００６】
また、一般的な冷却装置では、霜取時間は、例えば１回あたり３０〜４０分程度必要とし、定期的に１日あたり４〜５回程度の霜取を行う。したがって、高温側装置の圧縮機は１日あたり２〜３時間程度、余分に駆動することになり、無駄に電力を消費することとなっていた。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、冷却運転時や霜取時において、電力を有効に利用することができる冷却装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る冷却装置は、
高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側絞り装置および高温側蒸発器を配管接続して、高温側冷媒を循環させる高温側循環回路を形成する高温側装置と、
低温側圧縮機、低温側凝縮器、受液器、第１開閉手段、低温側絞り装置および低温側蒸発器を配管接続して、低温側冷媒を循環させる低温側循環回路を形成する低温側装置と、
高温側蒸発器および低温側凝縮器により構成し、高温側冷媒と低温側冷媒との間の熱交換を行う冷媒間熱交換器と、
受液器と第一開閉手段とを接続する配管から分岐され、第２開閉手段、蓄熱用絞り装置、蓄熱タンク内に封入された蓄熱媒体と熱交換を行う蓄熱用蒸発器、および第３開閉手段を順次配管接続して、低温側蒸発器と低温側圧縮機とを接続する配管に接続する蓄熱回路と、
蓄熱用蒸発器と第３開閉手段とを接続する配管から分岐され、逆止弁を介して第１開閉手段と低温側絞り装置とを接続する配管に接続する連結管と、
少なくとも、高温側圧縮機、高温側絞り装置、低温側圧縮機、第１開閉手段、低温側絞り装置、第２開閉手段、蓄熱用絞り装置、蓄熱用蒸発器、および第３開閉手段を制御する制御装置と
を備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の冷却装置によれば、低温側循環回路に蓄熱回路を設けたので、冷却負荷の軽い時の冷却運転では、余剰冷媒を利用して冷却運転を行いながら蓄熱を行い、また、霜取時には低温側蒸発器の加熱を行いつつ蓄熱を行うことができ、蓄熱された熱量を冷却運転時に過冷却に利用できる。従って、冷却装置の電力を有効に利用することができて、冷却装置の電力の平準化を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１における二元冷却装置の、通常冷却運転時の冷媒回路を表す図である。
【図２】この発明の実施の形態１における二元冷却装置の、蓄熱冷却運転時の動作を説明するフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態１における二元冷却装置の、蓄熱冷却運転時の冷媒回路を表す図である。
【図４】この発明の実施の形態１における二元冷却装置の、過冷却運転時の動作を説明するフローチャートである。
【図５】この発明の実施の形態１における二元冷却装置の、過冷却運転時の冷媒回路を表す図である。
【図６】この発明の実施の形態１における二元冷却装置の、運転状態による各機器の作動を示す表である。
【図７】この発明の実施の形態１における二元冷却装置の、通常冷却運転時と過冷却運転時の冷媒状態の推移を説明するｐ−ｈ線図である。
【図８】この発明の実施の形態１における二元冷却装置の、冷却運転停止時の冷媒回路を表す図である。
【図９】この発明の実施の形態２における二元冷却装置の、霜取時の一連の動作を説明するフローチャートである。
【図１０】この発明の実施の形態２における二元冷却装置の、ポンプダウン運転を行う時の冷媒回路を表す図である。
【図１１】この発明の実施の形態２における二元冷却装置の、第１の蓄熱霜取運転時の冷媒回路を表す図である。
【図１２】この発明の実施の形態２における二元冷却装置の、第２の蓄熱霜取運転時の冷媒回路を表す図である。
【図１３】この発明の実施の形態２における二元冷却装置の、運転状態による各機器の作動を示す表である。
【図１４】この発明の実施の形態３における二元冷却装置の冷媒回路構成を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明の本実施の形態における二元冷却装置の冷媒回路を表す図である。図１に示すように、本実施の形態における二元冷却装置１００は、高温側装置１０と低温側装置２０とを有し、それぞれ独立して冷媒を循環させる冷媒循環回路を構成する。高温側装置１０は、高温側圧縮機１１と、高温側凝縮器１２と、高温側絞り装置１３と、高温側蒸発器１４とを直列に配管で接続し、冷媒を循環させる高温側循環回路１ａを構成している。一方、低温側装置２０は、低温側圧縮機２１と、低温側凝縮器２２と、受液器２３と、第１開閉手段２４と、低温側絞り装置２５と、低温側蒸発器２６とを直列に配管で接続し、冷媒を循環させる低温側循環回路２ａを構成している。そして、高温側循環回路１ａおよび低温側循環回路２ａを二段構成とするために、高温側蒸発器１４と低温側凝縮器２２とを、それぞれ通過する冷媒間での熱交換を可能にするよう構成した冷媒間熱交換器としてのカスケードコンデンサ３０を設けている。また、二元冷却装置１００全体の運転制御を行う制御装置４０を有している。
【００１２】
更に、受液器２３と第１開閉手段２４とを接続する配管から分岐されて、第２開閉手段５１と、蓄熱用絞り装置５２と、冷熱が蓄熱される蓄熱媒体５５が封入された蓄熱タンク５０内に配置された蓄熱用蒸発器５３と、第３開閉手段５４とを直列に配管で接続し、低温側圧縮機２１の吸入側配管に接続される蓄熱回路５６が形成されている。さらに、蓄熱タンク５０と第３開閉手段５４とを接続する配管から分岐され、冷媒の流れを一方向にのみ許容する逆止弁５７を介し、逆止弁５７の冷媒流れ方向下流側で、第１開閉手段２４と低温側絞り装置２５とを接続する配管に接続される連結管５８が形成される。
【００１３】
このような構成の二元冷却装置１００において、高温側循環回路１ａを循環する冷媒（以下、高温側冷媒という）として、例えばＲ４１０Ａ、Ｒ３２、Ｒ４０４Ａ、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、プロパン、イソブタン、二酸化炭素、アンモニア等が用いられる。地球温暖化に対する影響が小さい他の自然冷媒や、冷媒量を極力抑えた、効率のよい他のＨＦＣ冷媒等を用いてもよい。また、低温側循環回路２ａを循環する冷媒（以下、低温側冷媒という）として上記冷媒を用いてもよいが、本実施の形態では、地球温暖化に対する影響が小さい二酸化炭素（ＣＯ２）を用いる。一般的に、ＣＯ２は、飽和圧が高く、臨界点が低い（３１℃）ため、二元冷却装置での低温側冷媒に適しており、冷却温度として極低温が得られやすい。
【００１４】
二元冷却装置１００の各構成機器についてさらに詳しく説明する。高温側圧縮機１１は、高温側冷媒を吸入して圧縮し、高温・高圧の状態にして吐出するものであって、例えばインバータ等により回転数を制御し、高温側冷媒の吐出量を調整可能な圧縮機で構成するとよい。高温側凝縮器１２は、送風機（図示せず）により供給される空気と高温側冷媒との間で熱交換を行い、高温側冷媒を凝縮させて液化させるものである。
【００１５】
高温側絞り装置１３は、制御装置４０からの指示に基づいて開度調整される流量制御装置で構成され、高温側冷媒を膨張させて減圧させるものである。例えば、電子式膨張弁等で構成することが最適であるが、毛細管（キャピラリチューブ）、感温式膨張弁等で構成してもよい。高温側蒸発器１４は、カスケードコンデンサ３０において高温側冷媒が通過する伝熱管等であって、低温側冷媒との熱交換により高温側冷媒を蒸発させてガス化するものである。
【００１６】
一方、低温側装置２０において、低温側圧縮機２１は、低温側冷媒を吸入して圧縮し、高温・高圧の状態にして吐出するものであって、例えばインバータ等により回転数を制御し、低温側冷媒の吐出量を調整可能な圧縮機で構成するとよい。低温側圧縮機２１の吸入側配管には、低温側冷媒の圧力を検知する圧力検知手段としての吸入側圧力センサー２８が設けられている。
【００１７】
低温側凝縮器２２は、カスケードコンデンサ３０において低温側冷媒が通過する伝熱管等であって、高温側冷媒との熱交換により低温側冷媒を凝縮させて液化するものである。
【００１８】
受液器２３は、余剰冷媒を溜めておくためのものであり、低温側循環回路２ａ内の全冷媒を回収可能な容量を有している。また、第１開閉手段２４は、開閉によって低温側循環回路２ａにおける低温側冷媒の流れを制御するものであって、電磁弁等が用いられる。
【００１９】
低温側絞り装置２５は、制御装置４０からの指示に基づいて開度調整される流量制御装置で構成され、低温側冷媒を膨張させて減圧させるものである。例えば、電子式膨張弁等で構成することが最適であるが、毛細管（キャピラリチューブ）、感温式膨張弁等で構成してもよい。
【００２０】
低温側蒸発器２６は、送風機（図示せず）から供給される負荷側の空気と低温側冷媒との間で熱交換を行い、低温側冷媒を蒸発してガス化するものであり、それによりショーケースの庫内等、冷却対象（負荷）を冷却する。また、加熱手段としての霜取ヒータ２７は、低温側蒸発器２６に直接、またはドレンパン等の周辺部分に取り付けられ、霜取時に通電されることで発熱して、低温側蒸発器２６およびその周辺部分に付いた霜を溶かす。
【００２１】
カスケードコンデンサ３０は、高温側蒸発器１４と低温側凝縮器２２とを有して、高温側冷媒と低温側冷媒とを熱交換可能にするものであり、例えばプレート熱交換器や二重管熱交換器等で構成される。
【００２２】
第２開閉手段５１、第３開閉手段５４は、開閉によって蓄熱回路５６における低温側冷媒の流れを制御するものであって、電磁弁等が用いられる。蓄熱用絞り装置５２は、制御装置４０からの指示に基づいて開度調整を行う流量制御装置で構成され、低温側冷媒を膨張させて減圧させるものである。例えば、電子式膨張弁等で構成することが最適であるが、毛細管（キャピラリチューブ）、感温式膨張弁等で構成してもよい。
【００２３】
蓄熱用蒸発器５３は、蓄熱タンク５０内に配置され、蓄熱タンク５０内に封入された蓄熱媒体５５と熱交換して、低温側冷媒を蒸発ガス化するものである。一方の蓄熱媒体５５は、低温側冷媒と熱交換して冷熱を蓄熱する。なお、本実施の形態では、蓄熱タンク５０内の蓄熱媒体５５として水を使用するが、ブライン等を用いても良い。
【００２４】
なお、蓄熱用蒸発器５３として、圧力損失の大きい分配器や分流管等を使用しないことが望ましい。これは、蓄熱媒体５５として水を使用した時、熱伝導率が低い氷が伝熱面に生成して着氷量が増加して氷自体が熱抵抗体として作用し、運転の経過とともに伝熱特性が悪化して、装置の運転効率が低下するという問題があるからである。
【００２５】
制御装置４０は、二元冷却装置１００における各機器の動作を制御する。ここで、各機器とは、高温側圧縮機１１、高温側絞り装置１３、低温側圧縮機２１、第１開閉手段２４、低温側絞り装置２５、霜取ヒータ２７、吸入側圧力センサー２８、第２開閉手段５１、蓄熱用絞り装置５２、蓄熱用蒸発器５３、第３開閉手段５４などである。なお、制御装置４０は、高温側装置１０、低温側装置２０をそれぞれ制御する２台の制御装置で構成するようにしてもよいし、二元冷却装置１００の外部から通信などで制御を行うようにしても良い。
【００２６】
次に、二元冷却装置１００の通常冷却運転時の動作について説明する。通常冷却運転は、高温側循環回路１ａおよび低温側循環回路２ａにおいて、図１で矢印で示すように冷媒が流れ、低温側蒸発器２６の蒸発熱によって負荷を冷却する運転を行う。高温側循環回路１ａでは高温側冷媒は、高温側圧縮機１１から高温高圧の状態で吐出され、高温側凝縮器１２で凝縮液化される。更に、高温側絞り装置１３で膨張減圧されて、高温側蒸発器１４で、低温側凝縮器２２に流れる低温側冷媒と熱交換して蒸発ガス化されて、高温側圧縮機１１に戻り吸入される。
【００２７】
一方、低温側循環回路２ａでは低温側冷媒は、低温側圧縮機２１から高温高圧の状態で吐出され、低温側凝縮器２２に流入し、高温側蒸発器１４に流れる高温側冷媒と熱交換して凝縮液化され、受液器２３に蓄えられる。受液器２３を出た液冷媒は、開放された第１開閉手段２４を通り、低温側絞り装置２５で減圧された後、低温側蒸発器２６で蒸発ガス化されて、低温側圧縮機２１に戻り吸入される。通常冷却運転時は、第２開閉手段５１は閉止されており、蓄熱回路５６および連結管５８に低温側冷媒は流れない。このとき、第３開閉手段５４は閉止しても良いが、開放したままとしておくことで、不必要に開閉動作をさせずに済むため、本実施の形態では、第３開閉手段５４は開放しておく。
【００２８】
次に、冷却負荷が軽い時や、各電力会社が割安に設定している夜間（夜１０時から朝８時まで）に、発生している余剰冷媒を利用して冷熱を蓄熱しつつ負荷の冷却を行う蓄熱冷却運転を行う時の動作について説明する。一般的に、夜間は昼間と比較して冷却負荷が軽いため、二元冷却装置１００の冷凍能力を１００％利用する必要が無く、余剰冷媒が発生していることが多い。
【００２９】
本実施の形態の蓄熱冷却運転時の動作を表す図２のフローチャートを用いて、二元冷却装置１００の動作について説明する。また、このときの高温側循環回路１ａおよび低温側循環回路２ａにおける冷媒の流れを、図３において矢印で示す。図６は、二元冷却装置１００における各機器の、運転状態毎の作動を表に示したものである。
【００３０】
高温側循環回路１ａにおいては、通常冷却運転時と同様、高温側圧縮機１１から吐出された高温側冷媒は、高温側凝縮器１２で凝縮液化され、高温側絞り装置１３で減圧された後、高温側蒸発器１４で蒸発ガス化されて、高温側圧縮機１１に戻る。
【００３１】
まず、吸入側圧力センサー２８により、低温側圧縮機２１の吸入側圧力（低圧圧力）Ｐｓを検知する（Ｓ１）。そして、制御装置４０は、予め算出され、負荷側温度（低温側蒸発器２６の表面温度）の維持のために必要な基準圧力Ｐｎと、検知した吸入側圧力Ｐｓを比較し、吸入側圧力Ｐｓが基準圧力Ｐｎ未満のときは、余剰冷媒があると判断する（Ｓ２）。吸入側圧力Ｐｓが基準圧力Ｐｎ以上のときは、通常冷却運転を継続する。
【００３２】
このとき、第２開閉手段５１を開放し、蓄熱用絞り装置５２の開度を調整して、蓄熱冷却運転を実施する（Ｓ３）。このとき、低温側循環回路２ａにおいては、低温側圧縮機２１から吐出された低温側冷媒が、低温側凝縮器２２で凝縮液化され、受液器２３を通過した後に分流される。分流された低温側冷媒の一方は、第１開閉手段２４を通過して、低温側絞り装置２５で減圧され、低温側蒸発器２６で蒸発ガス化された後、低温側圧縮機２１に戻る。また、分流された低温側冷媒の他方は、蓄熱回路５６に流入し、第２開閉手段５１を通過して、蓄熱用絞り装置５２で減圧され、蓄熱用蒸発器５３で蒸発ガス化される。そして、第３開閉手段５４を通過した後、低温側蒸発器２６で蒸発ガス化された低温側冷媒と合流して、低温側圧縮機２１に戻る。尚、連結管５８には逆止弁５７があるため、圧力差により低温側冷媒は流れることはない。
【００３３】
また、蓄熱用絞り装置５２の開度は、余剰冷媒量に応じて調整すればよい。そして、蓄熱タンク５０内に設置され、蓄熱媒体の蓄熱量を検知する蓄熱量検知センサー（図示せず）によって検知された蓄熱量Ｔｓが、予め設定された限界蓄熱量Ｔｎに達したら（Ｓ４）、制御装置４０は蓄熱タンク５０には十分に冷熱が蓄熱されたと判断して、蓄熱冷却運転を終了し、通常冷却運転に戻る。蓄熱量検知センサーは、蓄熱媒体５５に水を使用していれば、例えば、水位を検知する水位センサーなどを利用すると良い。
【００３４】
次に、蓄熱された冷熱を利用して、昼間や冷却負荷が高い時に、過冷却運転を行う動作について、図４のフローチャートを用いて説明する。また、このときの高温側循環回路１ａおよび低温側循環回路２ａにおける冷媒の流れを、図５において矢印で示す。このとき、高温側循環回路１ａにおいては、通常冷却運転時と同様、高温側圧縮機１１から吐出された高温側冷媒は、高温側凝縮器１２で凝縮液化され、高温側絞り装置１３で減圧された後、高温側蒸発器１４で蒸発ガス化されて、高温側圧縮機１１に戻る。
【００３５】
低温側循環回路２ａにおいては、まず、吸入側圧力センサー２８により、低温側圧縮機２１の吸入側圧力Ｐｓを検知する（Ｓ１１）。そして、制御装置４０は、基準圧力Ｐｎよりも大きい所定圧力Ｐｍと、検知した吸入側圧力Ｐｓを比較し、吸入側圧力Ｐｓが所定圧力Ｐｍ以上のときは、冷却負荷が高くなっていると判断する（Ｓ１２）。
【００３６】
次に、制御装置４０は、蓄熱タンク５０内に設置された蓄熱量検知センサー（図示せず）によって検知された蓄熱量Ｔｓが、予め設定された基準蓄熱量Ｔｈ以上のとき、過冷却運転を行うのに充分な冷熱が蓄熱タンク５０に蓄熱されていると判断し（Ｓ１３）、第１開閉手段２４および第３開閉手段５４を閉止し、第２開閉手段５１を開放して蓄熱用絞り装置５２を開放し、過冷却運転を実施する（Ｓ１４）。このとき、蓄熱用蒸発器５３は、蒸発器ではなく、熱交換器として作用する。
【００３７】
このとき、低温側循環回路２ａにおいては、低温側圧縮機２１から吐出された低温側冷媒は、低温側凝縮器２２で凝縮液化され、受液器２３を通過する。そして、低温側冷媒は、開放された第２開閉手段５１および蓄熱用絞り装置５２を通過して、蓄熱タンク５０に流入し、蓄熱された冷熱によって過冷却される。そして、連結管５８に設けられた逆支弁５７を通過した後、低温側絞り装置２５で減圧膨張され、低温側蒸発器２６で蒸発ガス化されて、低温側圧縮機２１に戻る。
【００３８】
そして、制御装置４０は、蓄熱タンク５０内に設置された蓄熱量検知センサー（図示せず）によって検知された蓄熱量Ｔｓが、予め設定された基準蓄熱量Ｔｈ未満となったら、蓄熱タンク５０の冷熱が全て消費されたと判断し（Ｓ１５）、第１開閉手段２４および第３開閉手段５４を開放し、第２開閉手段５１を閉止して、通常冷却運転に戻る（Ｓ１６）。なお、過冷却運転を行わない通常冷却運転時に吸入側圧力Ｐｓが上昇して、予め設定され、所定圧力Ｐｍよりも大きい限界圧力Ｐｍａｘを超えると、二元冷却装置１００は異常停止するようにされている。Ｐｍａｘは、低温側循環回路２ａにおいて、内圧上昇によって配管が破壊されない程度に予め設定された値（例えば、４ＭＰａ）である。
【００３９】
本実施の形態によれば、夜間や冷却負荷の軽い時の余剰冷媒を利用して蓄熱冷却運転を実施し、昼間などの冷却負荷の高い時に過冷却として利用できるので、電力を有効に消費することができるうえ、電力の負荷を平準化できる冷却システムを得ることができる。
【００４０】
なお、低温側循環回路２ａ内に蓄熱用蒸発器５３を備えているので、負荷としての冷却対象が日配や生鮮等の冷蔵用途である場合、低温側蒸発器２６の蒸発温度がマイナス１０℃程度であるため、氷が生成しやすく、氷蓄熱を行うには効果的である。このとき、高温側蒸発器１４の蒸発温度は５〜１５℃程度であるため、氷の生成には適切な温度でなく、高温側循環回路１ａに蓄熱用蒸発器を配置しても効果はあまりない。また、マイナス４０℃以下の温度帯で使用する冷凍用途であっても、蓄熱用蒸発器５３の出口側に蒸発圧力を調整する調整弁等を備えることで、氷蓄熱を効果的に行うことができる。
【００４１】
冷媒の相変化と圧力の関係を示す図７のｐ−ｈ線図にしたがって、通常冷却運転時と過冷却運転時の冷媒状態の推移を説明する。通常冷却運転時、低温側冷媒は、低温側圧縮機２１に吸入されるＡ１の状態から、低温側圧縮機２１により圧縮されてＡ２の状態となり、低温側凝縮器２２で凝縮液化されてＡ３の状態となる。さらに、受液器２３を通り、低温側絞り装置２５で減圧膨張されてＡ４の状態となり、低温側蒸発器２６で蒸発ガス化されてＡ１の状態に戻る。このとき、二元冷却装置１００としての冷凍効果は、Ａ１とＡ４（Ａ３）とのエンタルピ（熱含量）の差ｑ１となる。
【００４２】
一方、過冷却運転時、低温側冷媒は、低温側圧縮機２１に吸入されるＡ１の状態から、低温側圧縮機２１により圧縮されてＡ２の状態となり、低温側凝縮器２２で凝縮液化されてＡ３の状態となる。そして、受液器２３を通った後、第２開閉手段５１および蓄熱用絞り装置５２を介して、蓄熱用蒸発器５３を通過する。このとき、蓄熱タンク５０内の蓄熱媒体５５に蓄熱された冷熱によって冷却され、Ｂ３の状態となる。つまり、過冷却されるのである。過冷却された低温側冷媒は、低温側絞り装置２５で減圧膨張されてＢ４の状態となり、低温側蒸発器２６で蒸発ガス化されてＡ１の状態に戻る。このとき、二元冷却装置１００としての冷凍効果は、Ａ１とＢ４（Ｂ３）とのエンタルピの差ｑ２となる。
【００４３】
このように、低温側循環回路２ａに蓄熱回路５６を設けることで、霜取時の低温側冷媒の圧力上昇を抑えながら蓄熱し、蓄熱された冷熱を過冷却運転に利用することができる。通常冷却運転時と比較して本発明の過冷却運転では、冷凍効果はｑ１とｑ２の差（ｑ２−ｑ１）分だけ向上させることができ、その結果、二元冷却装置１００における冷却能力（一般的に、約２０％）も向上させることができるのである。
【００４４】
ここで、本実施の形態における蓄熱タンク５０について説明する。ここでは、蓄熱媒体５５として、水を使用することとする。また、二元冷却装置１００の容量が、一般的によく使われる冷却機容量の１５ｋＷ（２０馬力）程度とする。この二元冷却装置１００を、冷却対象の負荷が生鮮や日配等冷蔵用途で使用する場合、低温側蒸発器２６の蒸発温度の平均は約マイナス１０度のため、二元冷却装置１００の冷凍能力は約４０ｋＷである。夜間の負荷は、一般的に約６０％程度であって、このとき二元冷却装置１００は約２４ｋＷの冷凍能力が必要であるので、残り約１６ｋＷ分の冷凍能力を蓄熱冷却運転に利用することができる。
【００４５】
仮に、冷凍能力１６ｋＷで、夜間１０時間、蓄熱冷却運転を継続したとすると、１６（ｋＷ）×１０（時間）×３６００（秒）＝５７６ＭＪの熱量が得られることとなる。したがって、氷の融解の潜熱が３３３．５５（ｋＪ／ｋｇ）であるので、５７６（ＭＪ）／３３３．５５（ＭＪ／ｋｇ）＝１７２７（ｋｇ）の氷を生成することができる。つまり、蓄熱タンク５０内に１７２７ｋｇの水を封入しておけば、蓄熱冷却運転を夜間中継続することができる。
【００４６】
したがって、蓄熱タンク５０に１７２７ｋｇの水を封入したとすると、蓄熱タンク５０の筐体は、仮に横幅、奥行きがそれぞれ１ｍとすると高さが１．７２７ｍとなる。一般的な二元冷却装置の大きさが横幅１〜２ｍ、高さが１．５ｍ程度であるので、蓄熱タンク５０は、二元冷却装置１００と近接させて並べて設置したり、蓄熱タンク５０を設置した上に二元冷却装置１００を載置する等するのがよく、これにより設置スペースを有効に利用することができる。もちろん、蓄熱タンク５０の容量は、必要な蓄熱量に応じて変えればよいことは言うまでもなく、後述する実施の形態２、３でも同様である。
【００４７】
なお、二元冷却装置１００を運転する必要が無い場合、第１開閉手段２４および第２開閉手段５１を閉止し、第３開閉手段５４を開放としておくのがよい。冷却運転停止時の、二元冷却装置１００の冷媒回路を図８に示す。これは、二元冷却装置１００が停止中も、蓄熱用蒸発器５３の低温側冷媒の温度または圧力を検知しておけば、蓄熱された冷熱により低温側冷媒が冷却されるため、低温側循環回路２ａ内の圧力上昇を防ぐことができるからである。また、二元冷却装置１００を停止させる前に、後述するポンプダウン運転を行うようにすれば、低温側冷媒を回収してから停止するので、低温側冷媒の圧力上昇を抑制することができ、長期間停止させることができる。
【００４８】
実施の形態２．
以上の実施の形態１では、冷却負荷が軽い時や、各電力会社が割安に設定している夜間に、蓄熱回路５６を用いて蓄熱冷却運転を行い、冷却負荷が高い時や昼間に、蓄熱冷却運転で蓄熱された冷熱を過冷却として活用する場合について記述した。本実施の形態では、低温側蒸発器２６の霜取を行いながら冷熱を蓄熱する蓄熱霜取運転について説明する。なお、実施の形態１と同じものについては、同じ符号を付している。
【００４９】
霜取運転の一連の運転動作を表す図９のフローチャートを用いて、本実施の形態における二元冷却装置１００の動作について説明する。また、このときの高温側循環回路１ａおよび低温側循環回路２ａにおける冷媒の流れを、図１０、図１１、および図１２において矢印で示す。図１３は、二元冷却装置１００における各機器の、運転状態毎の作動を表に示したものである。
【００５０】
まず、霜取運転の開始が制御装置４０から指示されると、低温側蒸発器２６および配管内に残った液冷媒を受液器２３に回収する、いわゆるポンプダウン運転を行う。制御装置４０が、例えば低温側圧縮機２１において冷却運転開始からの運転積算時間が所定時間（例えば、４時間）を経過したものと判断すると（Ｓ２１）、高温側圧縮機１１を停止し、第１開閉手段２４を閉止して、受液器２３からの低温側冷媒を低温側蒸発器２６に流入させないようにする（Ｓ２２）。
【００５１】
そして、吸入側圧力センサー２８により検知した吸入側圧力Ｐｓが予め設定された規定圧力Ｐｅ（例えば、１〜２ＭＰａ）以下になると判断するまで、低温側圧縮機２１を駆動させる（Ｓ２３）。これにより、低温側蒸発器２６において低温側冷媒を蒸発させ、できる限り低温側冷媒を流出させるようにする。流出した低温側冷媒は、低温側圧縮機２１から吐出されて、低温側凝縮器２２に流入し凝縮液化して、受液器２３で回収される。
【００５２】
霜取前にポンプダウン運転を行うことで、低温側蒸発器２６内の低温側冷媒が低減された状態で低温側蒸発器２６を加熱するため、低温側冷媒の圧力上昇を最小限に抑えることができる。また、霜取時の低温側蒸発器２６内の低温側冷媒の量を減らすことができるので、低温側冷媒に奪われる霜取ヒータ２７の熱量が少なく、霜取ヒータ２７を少ない熱量で作動させることができて、電力消費を抑えることができる。
【００５３】
吸入側圧力Ｐｓが規定圧力Ｐｅ以下になると、制御装置４０は、受液器２３に低温側冷媒が適切に回収されたと判断して、低温側圧縮機２１を停止して、低温側絞り装置２５を閉止し、霜取ヒータ２７に通電して低温側蒸発器２６を加熱し、霜取を行う（Ｓ２４）。このとき、低温側蒸発器２６および周辺の配管に残った低温側冷媒は、霜取ヒータ２７の加熱により温度が上昇するが、第３開閉手段５４を介して蓄熱タンク５０内に流入し、蓄熱媒体５５と熱交換して冷熱を蓄熱する。これにより、高温側圧縮機１１および低温側圧縮機２１を停止していても、霜取時の低温側冷媒の圧力上昇を防ぎつつ、霜取ヒータ２７による電力を有効に利用して冷熱を蓄熱することができる。
【００５４】
次に、制御装置４０は、予め設定された所定圧力Ｐｍと、吸入側圧力Ｐｓを比較し、圧力Ｐｓが所定圧力Ｐｍ以上になったと判断したら（Ｓ２５）、第２開閉手段５１を開放して蓄熱用絞り装置５２の開度を調整し、低温側圧縮機２１を駆動させ、第１の蓄熱霜取運転を行う（Ｓ２６）。所定圧力Ｐｍは、例えば、蓄熱タンク５０に蓄熱された冷熱が全て消費され、低温側圧縮機２１の吸入側圧力が上昇し始めるときの値であるとする。
【００５５】
このとき、低温側冷媒は、受液器２３の液冷媒が第２開閉手段５１を介して蓄熱用絞り装置５２に流れて減圧膨張され、蓄熱タンク５０内に配置された蓄熱用蒸発器５３に流入する。蓄熱用蒸発器５３に流入した低温側冷媒は、蓄熱タンク５０内に封入された蓄熱媒体５５と熱交換されて蒸発ガス化され、第３開閉手段５４を介して低温側圧縮機２１に戻る。このとき、高温側圧縮機１１は停止させているため、低温側圧縮機２１は凝縮温度が急激に上昇してしまわない程度の周波数で駆動する。これにより、高温側圧縮機１１を駆動させずに、蓄熱を行いながら霜取を行うことができ、不要な電力を消費させずに済む。
【００５６】
さらに、制御装置４０は、予め設定された限界圧力Ｐｍａｘと、吸入側圧力Ｐｓを比較し、吸入側圧力Ｐｓが限界圧力Ｐｍａｘ以上になったと判断したら（Ｓ２７）、高温側圧縮機１１を駆動させ、第２の蓄熱霜取運転を行う（Ｓ２８）。これにより、高温側蒸発器１４で低温側冷媒を冷却して圧力上昇を抑えながら、霜取をしつつ、最大の出力で蓄熱を行うことができる。
【００５７】
このように、ポンプダウン運転後の霜取時に、吸入側圧力センサー２８の検知圧力に応じて高温側圧縮機１１および低温側圧縮機２１を適宜駆動させるので、低温側冷媒の圧力上昇を防ぎつつ、圧縮機の駆動による無駄な電力消費を防ぎ、有効に電力を利用することができる。
【００５８】
なお、本実施の形態では、吸入側圧力センサー２８の検知圧力に基づいて段階的に高温側圧縮機１１および低温側圧縮機２１の駆動を制御したが、唯一の所定圧力値に基づいて制御してももちろん構わない。なお、蓄熱タンク５０内に十分に冷熱が蓄熱されている時は、それ以上の蓄熱を行う必要が無いため、高温側圧縮機１１と低温側圧縮機２１の運転を停止してもよく、このようにしても、蓄熱媒体５５に蓄熱された冷熱によって、低温側冷媒の圧力上昇を抑制することができる。
【００５９】
そして、例えば、低温側蒸発器２６の表面温度を検知する温度センサー（図示せず）が所定温度以上を検知したら（Ｓ２９）、制御装置４０は霜取が終了したと判断し、霜取ヒータ２７の通電を停止する（Ｓ３０）。そして、通常冷却運転に戻る。なお、霜取が終了したと判断する低温側蒸発器２６表面の所定温度は、例えば、１０℃以上としている。これは、低温側蒸発器２６の表面が０℃以上となって霜が溶けても、例えばドレンパン（図示せず）等の周辺に霜が残っていたり、残った水が再び凍ってしまわないように、しばらく霜取ヒータ２７を加熱して、確実に霜を溶かすためである。
【００６０】
なお、Ｓ２４およびＳ２６の後において、低温側蒸発器２６の霜取が完了すれば、通常冷却運転に戻るのは言うまでもなく、低温側蒸発器２６の表面温度を検知する温度センサー（図示せず）による検知温度で判断する。霜取が終了したら、通常冷却運転に戻る。または、冷却負荷が高いと判断した場合は、霜取後すぐに過冷却運転を行うようにしてもよい。過冷却運転については、実施の形態１と同様である。
【００６１】
以上のように、本実施の形態に係る二元冷却装置１００においては、低温側蒸発器２６を加熱して霜取しつつ、低温側循環回路２ａ内に蓄熱回路を備えて蓄熱霜取運転を行うことで、冷却運転時には蓄熱タンク５０に蓄熱された冷熱を低温側循環回路２ａの過冷却運転に利用できるので、二元冷却装置１００として有効に電力を利用することができるのである。
【００６２】
また、低温側蒸発器２６の霜取時の圧力上昇を監視しながら冷熱を蓄熱するので、ＣＯ２冷媒の臨界圧力を超えてしまうようなことがない。つまり、霜取時であっても、低温側循環回路２ａ内の冷媒圧力を、例えば従来から使用しているＨＦＣ冷媒程度の圧力（例えば、４ＭＰａ）以下に抑えることができる。したがって、設計においては、低温側蒸発器２６の低温側冷媒の耐圧を低く見積もることができ、低温側蒸発器２６の伝熱管として使用する銅配管の肉厚を例えば約半分にすることができて、安価で、現地冷媒工事も容易な二元冷却装置を提供することができる。
【００６３】
また、従来は、霜取時に低温側装置の冷媒圧力を上昇させない他の方法として、低温側装置に安全弁を設けて圧力上昇時に大気放出を行ったり、冷却装置の近傍に膨張タンクを設置したり、低温側装置に温度を保持する用途としての冷却機を別に設置する等の対策が考えられていたが、本実施の形態では簡易な構成で、霜取時の冷媒圧力の上昇を抑えることができる。
【００６４】
また、本実施の形態では、低温側蒸発器２６の霜取時、霜取ヒータ２７に通電させることで加熱して、霜を溶かすようにしたが、例えば、低温側圧縮機２１から吐出される高温高圧の低温側冷媒を低温側蒸発器２６に流すことで、低温側蒸発器２６を凝縮器として作用させ、凝縮熱により霜を溶かすようにしてもよい（ホットガスデフロスト）。
【００６５】
実施の形態３．
図１４は、本実施の形態に係る二元冷却装置２００を示すものであって、蓄熱タンク５０内に過冷却コイル６０を設け、過冷却コイル６０の一端を高温側凝縮器１２の冷媒流出側配管に接続し、他端を高温側絞り装置１３の冷媒流入側配管に接続するよう構成したものである。なお、実施の形態１、２と同じものについては、同じ符号を付している。
【００６６】
このように構成することで、低温側循環回路２ａにおいて霜取時や夜間等の冷却負荷の軽い時に蓄熱された冷熱を、高温側循環回路１ｂの過冷却にも利用することができるので、高温側圧縮機１１を容量が小さいもので賄うことができ、電力を有効に活用できる。また、高温側循環回路１ｂに循環させる冷媒充填量を少なくすることができるため、ＣＯ２やアンモニア等の自然冷媒に比べて、効率は良いが比較的地球温暖化係数（ＧＷＰ）の高いＨＦＣ系冷媒を利用しても、環境負荷を低減することができる。
【００６７】
なお、過冷却コイル６０は、蓄熱タンク５０に蓄熱された冷熱と熱交換するよう構成していればよく、蓄熱タンク５０内に設置しなくてもよい。また、高温側循環回路１ｂから過冷却コイル６０と接続される配管の長さは、極力短くするのが良く、高温側凝縮器１２と蓄熱タンク５０を近接して配置する方がよい。つまり、蓄熱タンク５０を二元冷却装置２００に併設する等、近接して配置するのが良い。
【００６８】
上述の実施の形態は、霜取時と、夜間等の冷却負荷の軽い時に蓄熱を行う形態を個別に説明したが、必要に応じて各動作（通常冷却運転、蓄熱冷却運転、霜取蓄熱運転、運転停止、および過冷却運転）を組合せて冷却装置を動作させても良く、これにより、より無駄な電力消費を防ぎ、電力を有効に利用できる。また、上述の実施の形態は、二元冷却装置で説明したが多段構成の多元冷却装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１０ 高温側装置、１１ 高温側圧縮機、１２ 高温側凝縮器、１３ 高温側絞り装置、１４ 高温側蒸発器、２０ 低温側装置、２１ 低温側圧縮機、２２ 低温側凝縮器、２３ 受液器、２４ 第１開閉手段、２５ 低温側絞り装置、２６ 低温側蒸発器、２７ 霜取ヒータ、２８ 吸入側圧力センサー、３０ カスケードコンデンサ、５０ 蓄熱タンク、５１ 第２開閉手段、５２ 蓄熱用絞り装置、５３ 蓄熱用蒸発器、５４ 第３開閉手段、５５ 蓄熱媒体、５６ 蓄熱回路、５７ 逆止弁、５８ 連結管、６０ 過冷却コイル。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側絞り装置および高温側蒸発器を配管接続して、高温側冷媒を循環させる高温側循環回路を形成する高温側装置と、
低温側圧縮機、低温側凝縮器、受液器、第１開閉手段、低温側絞り装置および低温側蒸発器を配管接続して、低温側冷媒を循環させる低温側循環回路を形成する低温側装置と、
前記高温側蒸発器および前記低温側凝縮器により構成し、前記高温側冷媒と前記低温側冷媒との間の熱交換を行う冷媒間熱交換器と、
前記受液器と前記第一開閉手段とを接続する配管から分岐され、第２開閉手段、蓄熱用絞り装置、蓄熱タンク内に封入された蓄熱媒体と熱交換を行う蓄熱用蒸発器、および第３開閉手段を順次配管接続して、前記低温側蒸発器と前記低温側圧縮機とを接続する配管に接続する蓄熱回路と、
前記蓄熱用蒸発器と前記第３開閉手段とを接続する配管から分岐され、逆止弁を介して前記第１開閉手段と前記低温側絞り装置とを接続する配管に接続する連結管と、
少なくとも、前記高温側圧縮機、前記高温側絞り装置、前記低温側圧縮機、前記第１開閉手段、前記低温側絞り装置、前記第２開閉手段、前記蓄熱用絞り装置、前記蓄熱用蒸発器、および前記第３開閉手段を制御する制御装置と
を備えた冷却装置。
【請求項２】
前記低温側蒸発器の加熱を行う加熱手段を備え、
前記制御装置は、前記第１開閉手段を閉止し、前記第２開閉手段および前記第３開閉手段を開放して、前記加熱手段により前記低温側蒸発器を加熱するとともに、前記低温側圧縮機を駆動させる請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記低温側圧縮機吸入側の前記低温側冷媒の圧力を検知する圧力検知手段を備え、
前記制御装置は、前記圧力検知手段により検知された圧力に応じて、前記低温側圧縮機および前記高温側圧縮機の駆動を制御する請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記冷却装置が運転を停止している時、前記制御装置は、前記第１開閉手段および前記第２開閉手段を閉止し、前記第３開閉手段を開放する請求項１に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記低温側蒸発器の加熱を行う加熱手段と、
前記低温側圧縮機吸入側の前記低温側冷媒の圧力を検知する圧力検知手段とを備え、
前記制御装置は、前記圧力検知手段により検知された圧力が、予め設定された規定圧力未満の時、前記加熱手段により前記低温側蒸発器を加熱する請求項４に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記低温側圧縮機吸入側の前記低温側冷媒の圧力を検知する圧力検知手段を備え、
前記冷却装置が、負荷を冷却する運転を行っている時、
前記制御装置は、前記圧力検知手段で検知された圧力が、前記低温側蒸発器の蒸発温度の維持に必要な圧力未満の場合は、前記第１開閉手段、前記第２開閉手段、および前記第３開閉手段を開放する請求項１に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記蓄熱媒体に蓄熱された冷熱と熱交換を行う過冷却コイルを備え、
前記過冷却コイルの一端を前記高温側凝縮器の冷媒流出側配管に接続し、他端を前記高温側絞り装置の冷媒流入側配管に接続する請求項１に記載の冷却装置。
【請求項８】
前記蓄熱媒体に冷熱が蓄熱された状態で、前記冷却装置が、負荷を冷却する運転を行う時、
前記制御装置は、前記第１開閉手段および前記第３開閉手段を閉止し、前記第２開閉手段を開放する請求項１ないし３、６、７のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項９】
前記低温側冷媒が、二酸化炭素である請求項１ないし７のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項１】
高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側絞り装置および高温側蒸発器を配管接続して、高温側冷媒を循環させる高温側循環回路を形成する高温側装置と、
低温側圧縮機、低温側凝縮器、受液器、第１開閉手段、低温側絞り装置および低温側蒸発器を配管接続して、低温側冷媒を循環させる低温側循環回路を形成する低温側装置と、
前記高温側蒸発器および前記低温側凝縮器により構成し、前記高温側冷媒と前記低温側冷媒との間の熱交換を行う冷媒間熱交換器と、
前記受液器と前記第一開閉手段とを接続する配管から分岐され、第２開閉手段、蓄熱用絞り装置、蓄熱タンク内に封入された蓄熱媒体と熱交換を行う蓄熱用蒸発器、および第３開閉手段を順次配管接続して、前記低温側蒸発器と前記低温側圧縮機とを接続する配管に接続する蓄熱回路と、
前記蓄熱用蒸発器と前記第３開閉手段とを接続する配管から分岐され、逆止弁を介して前記第１開閉手段と前記低温側絞り装置とを接続する配管に接続する連結管と、
少なくとも、前記高温側圧縮機、前記高温側絞り装置、前記低温側圧縮機、前記第１開閉手段、前記低温側絞り装置、前記第２開閉手段、前記蓄熱用絞り装置、前記蓄熱用蒸発器、および前記第３開閉手段を制御する制御装置と
を備えた冷却装置。
【請求項２】
前記低温側蒸発器の加熱を行う加熱手段を備え、
前記制御装置は、前記第１開閉手段を閉止し、前記第２開閉手段および前記第３開閉手段を開放して、前記加熱手段により前記低温側蒸発器を加熱するとともに、前記低温側圧縮機を駆動させる請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記低温側圧縮機吸入側の前記低温側冷媒の圧力を検知する圧力検知手段を備え、
前記制御装置は、前記圧力検知手段により検知された圧力に応じて、前記低温側圧縮機および前記高温側圧縮機の駆動を制御する請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記冷却装置が運転を停止している時、前記制御装置は、前記第１開閉手段および前記第２開閉手段を閉止し、前記第３開閉手段を開放する請求項１に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記低温側蒸発器の加熱を行う加熱手段と、
前記低温側圧縮機吸入側の前記低温側冷媒の圧力を検知する圧力検知手段とを備え、
前記制御装置は、前記圧力検知手段により検知された圧力が、予め設定された規定圧力未満の時、前記加熱手段により前記低温側蒸発器を加熱する請求項４に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記低温側圧縮機吸入側の前記低温側冷媒の圧力を検知する圧力検知手段を備え、
前記冷却装置が、負荷を冷却する運転を行っている時、
前記制御装置は、前記圧力検知手段で検知された圧力が、前記低温側蒸発器の蒸発温度の維持に必要な圧力未満の場合は、前記第１開閉手段、前記第２開閉手段、および前記第３開閉手段を開放する請求項１に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記蓄熱媒体に蓄熱された冷熱と熱交換を行う過冷却コイルを備え、
前記過冷却コイルの一端を前記高温側凝縮器の冷媒流出側配管に接続し、他端を前記高温側絞り装置の冷媒流入側配管に接続する請求項１に記載の冷却装置。
【請求項８】
前記蓄熱媒体に冷熱が蓄熱された状態で、前記冷却装置が、負荷を冷却する運転を行う時、
前記制御装置は、前記第１開閉手段および前記第３開閉手段を閉止し、前記第２開閉手段を開放する請求項１ないし３、６、７のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項９】
前記低温側冷媒が、二酸化炭素である請求項１ないし７のいずれかに記載の冷却装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−８３４０７（Ｐ２０１３−８３４０７Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２４６２９（Ｐ２０１１−２２４６２９）
【出願日】平成２３年１０月１２日（２０１１．１０．１２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１２日（２０１１．１０．１２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
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