冷凍装置

本発明は、冷凍装置に関する。

氷蓄熱を採用した冷凍装置として、フロン冷媒又は代替フロン冷媒を用いた冷凍装置が知られている。しかし、これらの冷媒は、オゾン層の破壊、地球温暖化などの問題を抱えている。文献1には、地球環境に対する負荷が極めて小さい冷媒として水を用いた冷凍装置が記載されている。

図8に示すように、文献1の冷凍装置300は、水冷媒ターボ製氷機と、蓄氷/解氷設備とで構成されている。水冷媒ターボ製氷機は、圧縮機、蒸発器、凝縮器、氷スラリーポンプなどによって構成されている。蓄氷/解氷設備は、氷蓄熱槽、解氷ポンプなどで構成されている。蓄氷運転時には、蒸発器で生成された氷スラリーが氷スラリーポンプによって氷蓄熱槽に搬送され、蓄えられる。冷房運転時には、氷蓄熱槽の冷水が解氷ポンプによって搬送され、冷房用冷熱源として使用される。

エレクトロヒート,27巻4号(2006),30−37頁

文献1の冷凍装置300は、通常のターボ冷凍機と比較して、ランニングコストの削減を可能にする。その反面、氷蓄熱槽、氷スラリーポンプなどの付帯設備が必要なので、イニシャルコストは増加する。

上記事情に鑑み、本発明は、冷凍装置の部品点数及びイニシャルコストを削減することを目的とする。

すなわち、本開示は、 冷媒の潜熱を利用し、内部に蓄熱する容器と、 前記容器に接続され、前記冷媒の潜熱を発生させる圧縮機と、 熱交換器と、前記熱交換器の入口と前記容器とを接続する送り流路と、前記熱交換器の出口と前記容器とを接続する戻し流路とを有し、前記熱交換器を経由して、前記容器に貯留された冷媒液を循環させる熱交換循環路と、 前記容器に蓄熱するための蓄熱運転で使用される流路であって、前記送り流路と前記戻し流路とを接続し、前記容器から流出した前記冷媒液が前記熱交換器を経由することなく前記容器に戻されるように構成された蓄熱流路と、 前記蒸発器から流出した前記冷媒液を流すべき流路として、前記熱交換循環路と前記蓄熱流路とのいずれか一方を選択する流路切替機構と、 を備えた、冷凍装置を提供する。

上記の技術によれば、冷凍装置の部品点数及びイニシャルコストを削減することができる。

本発明の第1実施形態に係る冷凍装置の構成図

変形例1に係る冷凍装置の構成図

変形例2に係る冷凍装置の構成図

変形例3に係る冷凍装置の構成図

変形例4に係る冷凍装置の構成図

参考例1に係る冷凍装置の構成図

本発明の第2実施形態に係る冷凍装置の構成図

従来の冷凍装置の構成図

本開示の第1態様は、 冷媒の潜熱を利用し、内部に蓄熱する容器と、 前記容器に接続され、前記冷媒の潜熱を発生させる圧縮機と、 熱交換器と、前記熱交換器の入口と前記容器とを接続する送り流路と、前記熱交換器の出口と前記容器とを接続する戻し流路とを有し、前記熱交換器を経由して、前記容器に貯留された冷媒液を循環させる熱交換循環路と、 前記容器に蓄熱するための蓄熱運転で使用される流路であって、前記送り流路と前記戻し流路とを接続し、前記容器から流出した前記冷媒液が前記熱交換器を経由することなく前記容器に戻されるように構成された蓄熱流路と、 前記蒸発器から流出した前記冷媒液を流すべき流路として、前記熱交換循環路と前記蓄熱流路とのいずれか一方を選択する流路切替機構と、 を備えた、冷凍装置を提供する。

上記の冷凍装置においては、容器の内部に熱(冷熱を含む)が蓄えられる。容器に貯留された冷媒液は、熱交換循環路において容器と熱交換器との間で循環する。熱交換器において、冷却又は加熱能力が発揮される。このように、第1態様の冷凍装置によれば、容器が蓄熱槽の役割も担っているので、蓄熱槽を省略できる。故に、冷凍装置の部品点数及びイニシャルコストを削減することができる。

本開示の第2態様は、第1態様に加え、前記容器は、前記冷媒液を貯留する蒸発器であり、前記圧縮機は、前記蒸発器から冷媒蒸気を吸入することによって前記蒸発器に貯留された前記冷媒液を蒸発させ、前記蒸発器から吸入した前記冷媒蒸気を圧縮し、前記蓄熱流路は、前記冷媒液の蒸発潜熱を利用して前記蒸発器に冷熱を蓄えるための蓄冷運転で使用される蓄冷流路である、冷凍装置を提供する。第2態様によれば、蒸発器に冷熱が蓄えられる。蓄えられた冷熱を使用して、対象物(室内の空気など)を冷却できる。

本開示の第3態様は、第2態様に加え、前記圧縮機は、前記蒸発器から前記冷媒蒸気を吸入することによって、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液を前記蒸発器の内部で凝固させ、前記蓄冷運転において、前記蒸発器の内部に固体の前記冷媒が蓄えられる、冷凍装置を提供する。第3態様によれば、固体の冷媒が蒸発器に蓄えられる。蒸発器に貯留された残余の冷媒液は、固体の冷媒によって冷却される。この冷却された冷媒液は、熱交換循環路において蒸発器と熱交換器との間で循環する。熱交換器において、冷却能力が発揮される。このように、第3態様の冷凍装置によれば、蒸発器が蓄冷槽の役割も担っているので、蓄冷槽を省略できる。故に、冷凍装置の部品点数及びイニシャルコストを削減することができる。特に、第3態様によれば、蒸発器の内部に固体の冷媒が蓄えられるので、高い蓄冷密度を達成できる。

本開示の第4態様は、第1〜第3態様のいずれか1つに加え、前記熱交換循環路は、前記容器に接続された上流端を有し、前記蓄熱流路は、前記容器から流出した前記冷媒液が前記熱交換器をバイパスして前記容器に戻されるように、前記熱交換器の前記入口と前記熱交換循環路の前記上流端との間で前記熱交換循環路から分岐している流路である、冷凍装置を提供する。熱交換器をバイパスするように蓄熱流路に冷媒液を流すことによって、冷媒液の圧力損失を減らすことができる。流路切替機構によれば、所望の流路に冷媒液を選択的に流すことができるので、運転モードを確実に切り替えることができる。

本開示の第5態様は、第4態様に加え、前記流路切替機構は、前記熱交換循環路と前記蓄熱流路との分岐点に設けられた三方弁を含む、冷凍装置を提供する。部品点数の増加を抑制する観点で三方弁を使用することは望ましい。

本開示の第6態様は、第4態様に加え、前記流路切替機構は、前記熱交換循環路と前記蓄熱流路との分岐点よりも前記熱交換器の近くで前記熱交換循環路に設けられた開閉弁と、前記蓄熱流路に設けられた他の開閉弁とを含む、冷凍装置を提供する。開閉弁は、三方弁よりも安価であり、信頼性も高い。特に、冷凍装置が大気圧よりも低い圧力条件で運転される場合、信頼性をより高める観点で開閉弁を使用することが望ましい。

本開示の第7態様は、第1〜第6態様のいずれか1つに加え、前記熱交換循環路又は前記蓄熱流路を経由して前記容器に戻された前記冷媒液が前記容器の内部において上から下に降り注がれる、冷凍装置を提供する。このようにすれば、冷媒の蒸発又は凝縮が効率的に進行しうる。例えば、蒸発器の内部に十分な量の固体の冷媒が蓄えられたとしても、蓄えられた固体の冷媒の上に冷媒液が次々と降り注がれる。そのため、固体の冷媒の生成に必要な気液界面が確保され続ける。

本開示の第8態様は、第2又は第3態様に加え、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液を吸入及び吐出するポンプと、前記圧縮機の運転を停止しつつ前記熱交換器を経由して前記熱交換循環路に前記冷媒液を循環させる解凍運転と、前記圧縮機を運転することによって前記蒸発器に貯留された前記冷媒液を冷却しながら前記熱交換器を経由して前記熱交換循環路に前記冷媒液を循環させる追い掛け運転とが選択的に実施されるように、前記ポンプ及び前記圧縮機を制御する制御装置と、をさらに備えた、冷凍装置を提供する。制御装置の働きによって、冷凍装置を適切な運転モードで運転することができる。

本開示の第9態様は、第8態様に加え、前記制御装置は、さらに、前記圧縮機を運転することによって前記蒸発器の内部で前記冷媒液を冷却及び凝固させながら前記蓄冷流路を経由して前記冷媒液を循環させる蓄冷運転が選択的に実施されるように、前記ポンプ及び前記圧縮機を制御する、冷凍装置を提供する。制御装置の働きによって、冷凍装置を適切な運転モードで運転することができる。

本開示の第10態様は、第2又は第3態様に加え、前記熱交換器で冷却された熱媒体を加熱する吸熱用熱交換器を有し、前記吸熱用熱交換器を経由して前記熱媒体を循環させる吸熱循環路をさらに備えた、冷凍装置を提供する。吸熱循環路によれば、熱交換循環路の全長を短くすることができる。このことは、冷凍装置が大気圧よりも低い圧力条件で運転される場合に意義がある。

本開示の第11態様は、第10態様に加え、前記吸熱用熱交換器は、室内の冷房を行うために前記室内に配置されるべき室内熱交換器である、冷凍装置を提供する。吸熱循環路は、熱交換循環路から独立している。従って、吸熱循環路の流路を室外から室内へと延長することに技術上の困難性は無く、吸熱用熱交換器は室内の冷房を行うための室内熱交換器に適している。

本開示の第12態様は、第2又は第3態様に加え、前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器に貯留された前記冷媒液又は前記凝縮器で加熱された他の熱媒体を冷却する放熱用熱交換器を有し、前記放熱用熱交換器を経由して前記冷媒液又は前記他の熱媒体を循環させる放熱循環路と、をさらに備えた、冷凍装置を提供する。凝縮器及び放熱循環路によれば、圧縮機の吐出圧力を大気圧よりも十分に低い圧力に設定することができるため、圧縮機の仕事が大幅に減少し、冷凍装置の効率も向上する。

本開示の第13態様は、第1〜第12態様のいずれか1つに加え、前記容器の内部に配置された蓄熱材をさらに備え、前記蓄熱体は、前記冷媒の融点とは異なる融点を有する潜熱蓄熱材を含む、冷凍装置を提供する。第13態様によれば、冷媒の蒸発潜熱又は凝縮潜熱を利用して、蓄熱体に熱又は冷熱を蓄えることができる。

本開示の第14態様は、第1態様に加え、前記容器は、前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器であり、前記蓄熱流路は、前記冷媒液の凝縮潜熱を利用して前記凝縮器に熱を蓄えるための蓄熱運転で使用される、冷凍装置を提供する。第14態様によれば、凝縮器に熱が蓄えられる。蓄えられた熱を使用して、対象物(室内の空気など)を加熱できる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態によって本発明が限定されるものではない。また、本明細書において、「蓄熱」の用語は、熱を蓄えること及び冷熱を蓄えることの両方の意味で使用される。

(第1実施形態) 図1に示すように、本実施形態の冷凍装置100は、主回路2、放熱循環路3、熱交換循環路4、吸熱循環路5、蓄冷流路6(蓄熱流路)及び制御装置24を備えている。放熱循環路3の両端は主回路2に接続されている。熱交換循環路4の両端も主回路2に接続されている。

主回路2、放熱循環路3、熱交換循環路4及び蓄冷流路6には、常温(日本工業規格:20℃±15℃/JIS Z8703)での飽和蒸気圧が負圧(絶対圧で大気圧よりも低い圧力)の冷媒が充填されている。常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒としては、水、アルコール又はエーテルを主成分として含む冷媒が挙げられる。「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。複数の種類の冷媒を含む混合冷媒を使用してもよい。冷凍装置100の運転時において、冷媒の圧力は、例えば、主回路2の全ての位置で大気圧よりも低い。

主回路2は、冷媒を循環させる回路であり、蒸発器11、圧縮機12、凝縮器13及び流路2a〜2cを含む。蒸発器11、圧縮機12及び凝縮器13は、流路2a〜2cによって環状に接続されている。蒸発器11及び凝縮器13は流路2cによって接続されている。詳細には、蒸発器11の底部と凝縮器13の底部とが流路2cによって接続されている。流路2cは、凝縮器13に貯留された冷媒液を蒸発器11に戻すための冷媒戻し路である。冷媒戻し路には、キャピラリ、膨張弁などの減圧機構が設けられていてもよい。流路2a〜2cは、それぞれ、1又は複数の配管(冷媒管)によって形成されている。後述する流路3a〜3d、流路4a〜4d及び流路5a〜5cも同様である。

圧縮機12は、流路2aによって蒸発器11に接続され、流路2bによって凝縮器13に接続されている。圧縮機12は、蒸発器11からほぼ飽和状態の冷媒蒸気を吸入し、圧縮する。凝縮器13に向けて、高温及び過熱状態の冷媒蒸気が圧縮機12から吐出される。圧縮機12は、容積型圧縮機であってもよいし、速度型圧縮機であってもよい。直列又は並列に接続された複数の圧縮機によって圧縮機12が構成されていてもよい。圧縮機12として、直列に接続された複数の圧縮機が使用されている場合、各圧縮機の間に冷媒蒸気を冷却する中間冷却器が設けられていてもよい。中間冷却器は、空冷式であってもよいし、水冷式であってもよい。中間冷却器が設けられていると、圧縮仕事を減らすことができるので冷凍装置100の効率が向上する。また、圧縮機12の吐出温度が低下するので、圧縮機12の信頼性も高まる。

蒸発器11は、例えば、断熱性を有する耐圧容器(真空容器)によって形成されている。本実施形態において、蒸発器11は、冷媒液を貯留する役割だけでなく、蓄冷槽(典型的には蓄氷槽)の役割も担っている。蒸発器11には熱交換循環路4の上流端及び下流端が接続されている。詳細には、蒸発器11の上部に熱交換循環路4の下流端が接続され、蒸発器11の底部に熱交換循環路4の上流端が接続されている。蒸発器11は、熱交換循環路4から蒸発器11に戻された冷媒液が蒸発器11の内部空間を流下するように構成されている。冷媒液は、熱交換循環路4の下流端から蒸発器11の内部空間に向けて噴霧されてもよい。熱交換循環路4の下流端から吐出された冷媒液は、圧縮機12の減圧作用によって蒸発する。冷媒の一部が気化するとき、残りの冷媒(冷媒液)は、蒸発潜熱によって直接的に冷却される。蒸発器11の内部の温度が冷媒の凝固温度を下回ると、蒸発器11に貯留された冷媒液の一部が蒸発器11の内部で凝固する。これにより、固体の冷媒(例えば氷)が蒸発器11の中に蓄えられる。言い換えれば、蒸発器11には、冷媒の潜熱(冷媒液の蒸発潜熱)を利用して、内部に冷熱が蓄えられる。圧縮機12は、冷媒の潜熱を発生させる。

特に、本実施形態では、熱交換循環路4の下流端が蒸発器12の上部に位置しており、熱交換循環路4を循環して蒸発器11に戻された冷媒液が蒸発器11の内部において上から下に降り注がれる。このようにすれば、蒸発器11の内部に十分な量の固体の冷媒が蓄えられたとしても、蓄えられた固体の冷媒の上に冷媒液が次々と降り注がれる。そのため、固体の冷媒の生成に必要な気液界面が確保され続ける。

蒸発器11の内部には、熱交換循環路4の下流端から吐出された冷媒液から液膜を形成するための充填物が配置されていてもよい。充填物として、規則充填材及び不規則充填材のいずれも使用可能である。規則充填材として、波板状の表面を有する複数のプレートを積層することによって得られた規則充填材を使用できる。不規則充填材として、中空かつ筒状の複数の構造物を不規則に組み合わせることによって得られた不規則充填材を使用できる。

蒸発器11の下部には、フィルタ11aが設けられている。フィルタ11aによって、固体の冷媒が熱交換循環路4に吸い込まれることを防止できる。フィルタ11aの例は、金属、樹脂などの耐食性材料で作られたメッシュである。シャーベット状の固体の冷媒が存在する可能性はあるものの、フィルタ11aよりも下には概ね冷媒液のみが貯留されている。熱交換循環路4の上流端(入口)は、鉛直方向においてフィルタ11aよりも下に位置している。このような位置関係によれば、冷媒液のみを選択的に熱交換循環路4に供給できる。熱交換循環路4の入口が固体の冷媒で塞がれることを防止するために、蒸発器11の底部(例えば、フィルタ11aよりも下)には、貯留された冷媒液を撹拌するための撹拌機が設けられていてもよい。なお、流路2aの入口は、鉛直方向において熱交換循環路4の下流端よりも上に位置している。これにより、圧縮機12に冷媒液が直接吸い込まれることを防止できる。

凝縮器13は、例えば、断熱性を有する耐圧容器(真空容器)によって形成されている。凝縮器13は、圧縮機11によって圧縮された冷媒蒸気を凝縮させる役割を担っている。凝縮器13に放熱循環路3の上流端及び下流端が接続されている。詳細には、凝縮器13の上部に放熱循環路3の下流端が接続され、凝縮器13の底部に放熱循環路3の上流端が接続されている。凝縮器13は、放熱循環路3から凝縮器13に戻された冷媒液が凝縮器13の内部空間を流下するように構成されている。圧縮機11から吐出された過熱状態の冷媒蒸気は、蒸発器11の内部空間を流下する冷媒液に直接接触して凝縮する。冷媒蒸気が液化するとき、蒸発器11の内部空間を流下する冷媒液に潜熱が与えられる。これにより、高温の冷媒液が生成される。つまり、冷媒液の凝縮潜熱を利用して、凝縮器13に熱が蓄えられる。冷媒液は、放熱循環路3の下流端から凝縮器13の内部空間に向けて噴霧されてもよい。凝縮器13の内部には、蒸発器11と同様の充填物が配置されていてもよい。

放熱循環路3は、ポンプ15、室外熱交換器14(放熱用熱交換器)及び流路3a〜3cによって形成されている。凝縮器13に貯留された冷媒液は、ポンプ15の働きによって、室外熱交換器14を経由して放熱循環路3を循環する。冷媒液は、室外熱交換器14において外気に放熱し、冷却される。室外熱交換器14として、送風機を備えたフィンチューブ熱交換器を好適に使用できる。室外熱交換器14として、プレート熱交換器を使用してもよい。例えば、冷却塔からプレート熱交換器に供給された冷水で冷媒液を冷却することができる。ポンプ15は、容積型ポンプであってもよいし、速度型ポンプであってもよい。気泡の発生を抑制する観点から、鉛直方向において凝縮器13よりも下にポンプ15が配置されていることが望ましい。ポンプ15として、直列又は並列に接続された複数のポンプを使用してもよい。

後述するように、圧縮機12に吸入された冷媒蒸気に相当する量の冷媒を蒸発器11に逐次供給すれば、凝縮器13、放熱循環路3及び流路2cを省略することもできる。しかし、凝縮器13、放熱循環路3及び流路2cによれば、圧縮機12の吐出圧力を大気圧よりも十分に低い圧力に設定することができるため、圧縮機12の仕事が大幅に減少し、冷凍装置100の効率も向上する。

なお、凝縮器13は、必ずしも直接接触式の熱交換器である必要はなく、間接式の熱交換器であってもよい。この場合、凝縮器13の内部で加熱された熱媒体が放熱循環路3を循環し、室外熱交換器14において冷却される。熱媒体としては、水、エチレングリコール、これらの混合物などを使用できる。さらに、凝縮器13は、エジェクタ及び抽出容器によって構成されていてもよい。エジェクタは、圧縮機12で圧縮された冷媒蒸気と、室外熱交換器14から流出した冷媒液とを用いて冷媒混合物を生成する役割を担う。抽出容器は、エジェクタから冷媒混合物を受け取り、冷媒混合物から冷媒液を抽出する役割を担う。

熱交換循環路4は、ポンプ16、熱交換器20及び流路4a〜4dによって形成されている。熱交換循環路4には、三方弁17が配置されている。熱交換循環路4は、熱交換器20を経由して、蒸発器11に貯留された冷媒液を循環させる循環路である。後述するように、熱交換循環路4を使用することによって、冷房運転(解凍運転)と追い掛け運転とを選択的に実施できる。流路4a〜4cは、熱交換器20の入口と蒸発器11(詳細には、蒸発器11の下部)とを接続する送り流路を形成している。流路4dは、熱交換器20の出口と蒸発器11(詳細には、蒸発器11の上部)とを接続する戻し流路を形成している。蓄冷流路6は、送り流路と戻し流路とを接続している。

ポンプ16は、蒸発器11に貯留された冷媒液を吸入及び吐出する。先に説明したように、熱交換循環路4には、ほぼ冷媒液のみが供給されるので、ポンプ16が特殊なポンプ(例えば、スラリーポンプ)である必要はない。このことは、冷凍装置100のコストの削減に寄与する。ポンプ16は、容積型ポンプであってもよいし、速度型ポンプであってもよい。気泡の発生を抑制する観点から、鉛直方向において蒸発器11よりも下にポンプ16が配置されていることが望ましい。ポンプ16として、直列又は並列に接続された複数のポンプを使用してもよい。

ポンプ16から吐出された冷媒液は、三方弁17の働きによって、熱交換器20及び蓄冷流路6のいずれかに選択的に供給される。すなわち、三方弁17は、冷媒液の流路を切り替える流路切替機構としての役割を担っている。流路切替機構は、蒸発器11から流出した冷媒液を流すべき流路として、熱交換循環路4と蓄熱流路6とのいずれか一方を選択する。熱交換器20は、例えば、プレート熱交換器である。

蓄冷流路6は、蒸発器11に固体の冷媒を蓄えるための蓄冷運転で使用される流路である。蓄冷流路6は、蒸発器11から流出した冷媒液が熱交換器20を経由することなく蒸発器11に戻されるように構成されている。本実施形態では、蒸発器11から流出した冷媒液が熱交換器20をバイパスして蒸発器11に戻されるように、熱交換循環路4の上流端と熱交換器20の入口との間で蓄冷流路6が熱交換循環路4から分岐している。流路切替機構としての三方弁17は、蒸発器11から流出した冷媒液を流すべき流路として、熱交換循環路4と蓄冷流路6とのいずれか一方を選択する役割を担う。言い換えれば、三方弁17は、蒸発器11から流出した冷媒液が熱交換器20に供給される運転モード(冷房運転又は追い掛け運転)と、蒸発器11から流出した冷媒液が蓄冷流路6に供給される運転モード(蓄冷運転)とを相互に切り替えるために使用される。熱交換器20をバイパスするように蓄冷流路6に冷媒液を流すことによって、冷媒液の圧力損失を減らすことができる。三方弁17などの流路切替機構によれば、所望の流路に冷媒液を選択的に流すことができるので、運転モードを確実に切り替えることができる。

本実施形態では、流路切替機構として、熱交換循環路4と蓄冷流路6との分岐点に設けられた三方弁17が使用されている。後述するように、三方弁17は、2つの開閉弁で代用することが可能である。しかし、部品点数の増加を抑制する観点で三方弁17を使用することは望ましい。

本実施形態において、蓄冷流路6は、ポンプ16の出口と熱交換器20の入口との間で熱交換循環路4から分岐している。このような位置に分岐点がある場合、1つのポンプ16で蓄冷流路6及び熱交換器20に選択的に冷媒液を供給できる。このことは、ポンプの台数の削減、ひいては冷凍装置100のコストの削減に寄与する。もちろん、蓄冷流路6及び熱交換循環路4のそれぞれに専用のポンプが設けられていてもよい。

本実施形態において、蓄冷流路6は、熱交換器20の出口と熱交換循環路4の下流端との間で熱交換循環路4に合流している。このような構成によれば、熱交換循環路4及び蓄冷流路6の合計長さを短くすることができる。ただし、蓄冷流路6の下流端が蒸発器11に直接接続されていてもよい。

吸熱循環路5は、ポンプ18、負荷側熱交換器19(吸熱用熱交換器)及び流路5a〜5cによって形成されている。吸熱循環路5の上流端及び下流端は、それぞれ、熱交換器20に接続されている。吸熱循環路5には、ブラインなどの液体の熱媒体が充填されている。ブラインの典型例は、エチレングリコール水溶液である。ポンプ18の働きによって、熱媒体は、負荷側熱交換器19及び熱交換器20を経由して吸熱循環路5を循環する。熱媒体は、熱交換器20において、冷媒に放熱し、冷却される。熱交換器20で冷却された熱媒体は、負荷側熱交換器19において加熱される。負荷側熱交換器19として、送風機を備えたフィンチューブ熱交換器を好適に使用できる。負荷側熱交換器19は、輻射を使用した放射パネルであってもよい。負荷側熱交換器19は、室内の冷房を行うために室内に配置されるべき室内熱交換器でありうる。ポンプ18は、容積型ポンプであってもよいし、速度型ポンプであってもよい。ポンプ18として、直列又は並列に接続された複数のポンプを使用してもよい。

吸熱循環路5によれば、熱交換循環路4の全長(流路4a〜4dの合計長さ)を短くすることができる。このことは、冷凍装置100が大気圧よりも低い圧力条件で運転される場合に意義がある。他方、吸熱循環路5はブラインなどの液体の熱媒体が循環する循環路であり、熱交換循環路4、主回路2及び放熱循環路3から独立している。従って、吸熱循環路5の流路5a及び5bを室外から室内へと延長することに技術上の困難性は無く、負荷側熱交換器19は室内の冷房を行うための室内熱交換器に適している。

制御装置24は、圧縮機12、ポンプ15、ポンプ16、ポンプ18及び三方弁17を制御する。制御装置24として、A/D変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むDSP(Digital Signal Processor)を使用できる。制御装置24には、冷凍装置100を適切に運転するためのプログラムが格納されている。

冷凍装置100は、さらに、蓄冷センサ22を備えている。本実施形態において、蓄冷センサ22は、温度センサであり、蒸発器11に貯留された冷媒液の温度を測定するように、蒸発器11の内部に配置されている。詳細には、蓄冷センサ22は、フィルタ11aよりも下に配置されている。蒸発器11に固体の冷媒が蓄えられているとき、蓄冷センサ22の検出値は、冷媒の融点付近の温度を示す。固体の冷媒が溶け切ると、冷媒液の温度が上昇するので、蓄冷センサ22の検出値は、冷媒の融点よりも高い温度を示す。蓄冷センサ22が固体の冷媒によって被覆されるほど過剰な量の固体の冷媒が蒸発器11に蓄えられた場合、蓄冷センサ22の検出値は、冷媒の融点よりも低い温度を示す。このように、蓄冷センサ22による検出温度を監視することによって、蒸発器11の中の状況を知ることができる。

蓄冷センサ22の出力信号は制御装置24に入力される。制御装置24は、蓄冷センサ22の検出結果に基づき、ある運転モードから別の運転モードへと運転モードを切り替えることができる。また、制御装置24は、蓄冷センサ22の検出結果に基づき、冷凍装置100の運転を停止させることもできる。

次に、冷凍装置100の運転について説明する。

冷凍装置100は、蓄冷運転、冷房運転(解凍運転)及び追い掛け運転のいずれかのモードで運転される。一般的には、夜間に蓄冷運転が実施され、昼間に冷房運転が実施される。蓄冷運転は、圧縮機12を運転することによって蒸発器11の内部で冷媒液を冷却及び凝固させながら蓄冷流路6を経由して冷媒液を循環させる運転である。冷房運転は、圧縮機12の運転を停止しつつ熱交換器20を経由して熱交換循環路4に冷媒液を循環させる運転である。追い掛け運転は、圧縮機12を運転することによって蒸発器11に貯留された冷媒液を冷却しながら熱交換器20を経由して熱交換循環路4に冷媒液を循環させる運転である。蓄冷運転、冷房運転及び追い掛け運転が選択的に実施されるように、制御装置24は、ポンプ15、ポンプ16、ポンプ18、三方弁17及び圧縮機12を制御する。制御装置24の働きによって、冷凍装置100を適切な運転モードで運転することができる。

(蓄冷運転) 蓄冷運転では、蒸発器11に固体の冷媒が蓄えられる。蓄冷運転では、圧縮機12、ポンプ15及びポンプ16が運転される。三方弁17は、ポンプ16から吐出された冷媒液が熱交換器20をバイパスして蓄冷流路6に流れる状態に設定される。冷媒液が熱交換器20をバイパスして蓄冷流路6を流れるので、冷媒液の圧力損失を減らすことができる。つまり、ポンプ16に必要な動力を減らすことができ、ひいては冷凍装置100の効率が向上する。圧縮機12の回転数は、蒸発器11の内部の温度が冷媒の融点以下(例えば0℃以下)となるように調節される。蒸発器11の内部で冷媒液が凝固し、冷媒の潜熱(及び顕熱)に相当する冷凍能力が蓄えられる。蓄冷運転は、例えば、圧縮機12の運転時間が設定時間に達した場合に終了する。蓄冷センサ22の検出結果に基づいて蓄冷運転を終了すべきかどうかを判断してもよい。

(冷房運転) 冷房運転では、蒸発器11に蓄えられた固体の冷媒が溶けることによって得られた低温の冷媒液を使用して室内の空気を冷却する。冷房運転では、ポンプ16及びポンプ18が運転される。三方弁17は、ポンプ16から吐出された冷媒液が熱交換器20を経由して熱交換循環路4を循環する状態に設定される。蒸発器11の内部で固体の冷媒が溶けることによって低温の冷媒液が生成する。低温の冷媒液は、ポンプ16によって熱交換器20に搬送され、吸熱循環路5の中の熱媒体(例えば、ブライン)を冷却する。熱交換器20で冷却された熱媒体は、ポンプ18によって負荷側熱交換器19に搬送され、室内の空気から熱を奪う。これにより、室内の温度が下がる。蒸発器11に貯留された冷媒液の温度が所定温度(例えば4℃)に達するまで冷房運転が選択される。先に説明したように、蒸発器11に貯留された冷媒液の温度は、蓄冷センサ22によって検出される。

なお、冷房運転を終了すべきかどうかを判断するための指標として、蒸発器11に貯留された冷媒液の温度に代えて、別の温度を使用してもよい。例えば、蒸発器11の冷媒液出口から熱交換器20の入口までの流路4a〜4cにおける冷媒液の温度又は流路4a〜4cを形成している冷媒管の温度を上記の指標として使用できる。場合によっては、吸熱循環路5の上流端から負荷側熱交換器19の入口までの流路5a及び5bにおける熱媒体の温度を上記の指標として使用してもよい。さらに、これらの温度から蒸発器11に貯留された冷媒液の温度を推定し、推定された温度を上記の指標として使用してもよい。

(追い掛け運転) 追い掛け運転では、圧縮機12、ポンプ15、ポンプ16及びポンプ18が運転される。三方弁17は、ポンプ16から吐出された冷媒液が熱交換器20を経由して熱交換循環路4を循環する状態に設定される。冷房負荷が存在し、かつ蒸発器11に貯留された冷媒液の温度が所定温度(例えば4℃)以上である場合、冷凍サイクル装置100の運転モードとして追い掛け運転が選択される。「冷房負荷が存在する場合」とは、冷房を継続する必要がある場合を意味する。追い掛け運転において、圧縮機12の回転数は、蒸発器11に貯留された冷媒液の温度が所定温度(例えば4℃)に近づくように調節される。もちろん、蒸発器11に貯留された冷媒液の温度に代えて、先に説明した別の温度を使用して圧縮機12の制御を行ってもよい。

なお、冷房運転を実施しているときに蒸発器11に貯留された冷媒液の温度が上昇し、所定温度(例えば4℃)に達した場合、冷房運転を終了し、圧縮機12を起動することによって追い掛け運転を実施することができる。すなわち、運転モードが冷房運転から追い掛け運転へと切り替わる。

以上の通り、本実施形態の冷凍装置100によれば、図8に示す従来の冷凍装置300と比較して、蓄氷/解氷設備一式及びポンプを1台削減できる。また、固体の冷媒を搬送するためのスラリーポンプも必須ではない。従って、部品点数を削減することによる冷凍サイクル装置100のコストの削減を期待できる。

以下、冷凍装置のいくつかの変形例を説明する。図1に示す冷凍装置100と各変形例とで共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略する。すなわち、冷凍装置100に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、以下の変形例にも適用されうる。

(変形例1) 図2に示すように、本変形例の冷凍装置102は、運転モードを切り替えるときに使用される流路切替機構として、三方弁17に代えて、開閉弁26及び28を備えている。一方の開閉弁26は、熱交換循環路4と蓄冷流路6との分岐点Pよりも熱交換器20の近くで熱交換循環路4に設けられている。本実施形態では、分岐点Pよりも下流側において、ポンプ16の出口と熱交換器20の入口とを接続している流路4bに開閉弁26が設けられている。他方の開閉弁28は、蓄冷流路6に設けられている。これらの位置に開閉弁26及び28が設けられている場合、分岐点Pよりも上流側において熱交換循環路4にポンプ16を配置することによって、全ての運転モードを実施することができる。また、開閉弁は、三方弁よりも安価であり、信頼性も高い。特に、冷凍装置102が大気圧よりも低い圧力条件で運転される場合、信頼性をより高める観点で開閉弁を使用することが望ましい。

(変形例2) 図3に示すように、本変形例の冷凍装置104は、吸熱循環路5を備えていない点で図1に示す冷凍装置100と相違する。すなわち、熱交換循環路4の熱交換器20を室内熱交換器として使用できる。吸熱循環路5が省略されているので、本変形例は、部品点数の観点で有利である。ただし、真空ラインをなるべく短くするための手段として、吸熱循環路5は有効である。冷凍装置104のその他の構造は、冷凍装置100と同じである。

(変形例3) 図4に示すように、本変形例の冷凍装置106は、蒸発器11の内部に配置された複数の蓄熱体34を備えている。蓄熱体34は、例えば、容器と、容器に収容された潜熱蓄熱材とで構成されている。容器としては、ラミネートフィルムで作られた容器、樹脂で作られたカプセルなどが挙げられる。潜熱蓄熱材の融点は、冷媒の融点とは異なる。本変形例では、潜熱蓄熱材の融点は、冷媒の融点よりも高い。例えば、冷媒の融点が0℃であるとき、5〜10℃の範囲に融点を有する潜熱蓄熱材を蓄熱体34に使用できる。本変形例によれば、冷媒の蒸発潜熱を利用して冷媒液及び蓄冷体34を冷却し、蓄熱体34に冷熱を蓄えることができる。特に、本変形例によれば、蒸発器11に貯留された冷媒液の温度が冷媒の融点よりも高い場合でも、蓄熱体34の潜熱蓄熱材を凝固させることができる。つまり、冷凍サイクルの低圧側の圧力を上げて圧縮機12の仕事量を減らすことができる。また、本変形例によれば、必要に応じて蓄熱体34の潜熱蓄熱材の種類を変更できるので、冷凍装置106の設計の自由度は高い。

(変形例4) 図5に示すように、本変形例の冷凍装置108は、凝縮器13、放熱循環路3及び流路2cを備えていない点で図1に示す冷凍装置100と相違する。圧縮機12の出口圧力は大気圧に等しい。つまり、冷凍装置108には、圧縮された冷媒蒸気を大気下に放出する開放サイクルが採用されている。冷媒戻し路としての流路2cの代わりに、蒸発器11に冷媒液(例えば、水)を逐次補給するための冷媒補給路32が蒸発器11に接続されている。

(参考例1) 図6に示すように、参考例1の冷凍装置110は、蓄冷流路6が熱交換循環路4から分離されている点で図1〜5を参照して説明した冷凍装置100,102,104,106及び108と相違する。蓄冷流路6(蓄熱循環路)は、ポンプ30、流路6a及び流路6bによって形成されている。ポンプ30は、蓄冷流路6に専用のポンプである。蓄冷流路6の上流端は蒸発器11の底部に接続され、下流端は蒸発器11の上部に接続されている。他方、熱交換循環路4の構造は、三方弁17が省略されている点を除き、図1を参照して説明した通りである。ポンプ16は、熱交換循環路4に専用のポンプである。このように、本変形例において、蓄冷流路6は、熱交換循環路4と流路及びポンプを共有していない。本変形例によれば、三方弁、開閉弁などの流路切替機構が不要である。

熱交換循環路4を循環して蒸発器11に戻された冷媒液が蒸発器11の内部において上から下に降り注がれる。同様に、蓄冷流路6(蓄冷循環路)を循環して蒸発器11に戻された冷媒液も蒸発器11の内部において上から下に降り注がれる。従って、本変形例の冷凍装置106は、先に説明した冷凍装置100と同じように3つの運転モードで運転されうる。

ただし、熱交換器20よりも下流側において、蓄冷流路6が熱交換循環路4に合流していてもよい。すなわち、蓄冷流路6の流路6bが熱交換循環路4の流路4cに接続されていてもよい。この場合、蒸発器11の内部に冷媒液を戻すための流路を一本化できるので、蒸発器11の内部における配管の構造を簡素なものとすることができる。

以下、本発明の第2実施形態を説明する。第1実施形態と第2実施形態とで共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略する。すなわち、第1実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、第2実施形態にも適用されうる。

(第2実施形態) 先に説明したように、第1実施形態の冷凍装置100は、冷媒の蒸発潜熱を利用し、蒸発器11の内部に熱(冷熱)を蓄えるように構成されている。これに対し、本実施形態の冷凍装置200は、冷媒の凝縮潜熱を利用し、凝縮器13の内部に熱を蓄えるように構成されている。

図7に示すように、本実施形態において、放熱循環路3は、ポンプ15、熱交換器14(室内熱交換器)及び流路3a〜3dによって形成されている。放熱循環路3には、三方弁38が配置されている。放熱循環路3は、熱交換器14を経由して、凝縮器13に貯留された冷媒液を循環させる循環路である。流路3a〜3cは、熱交換器14の入口と凝縮器13(詳細には、凝縮器13の下部)とを接続する送り流路を形成している。流路3dは、熱交換器14の出口と凝縮器13(詳細には、凝縮器13の上部)とを接続する戻し流路を形成している。送り流路及び戻し流路は、蓄熱流路40によって接続されている。ポンプ15から吐出された冷媒液は、三方弁38の働きによって、熱交換器14及び蓄熱流路40のいずれかに選択的に供給される。すなわち、三方弁38は、冷媒液の流路を切り替える流路切替機構としての役割を担っている。

冷凍装置200は、さらに、蓄熱センサ42を備えている。本実施形態において、蓄熱センサ42は、温度センサであり、凝縮器13に貯留された冷媒液の温度を測定するように、凝縮器13の内部に配置されている。

蓄熱流路40は、凝縮器13に高温の冷媒液を蓄えるための蓄熱運転で使用される流路である。蓄熱流路40は、凝縮器13から流出した冷媒液が熱交換器14を経由することなく凝縮器13に戻されるように構成されている。本実施形態では、凝縮器13から流出した冷媒液が熱交換器14をバイパスして凝縮器13に戻されるように、放熱循環路3(熱交換循環路)の上流端と熱交換器14の入口との間で蓄熱流路40が放熱循環路3から分岐している。流路切替機構としての三方弁38は、凝縮器13から流出した冷媒液を流すべき流路として、放熱循環路3と蓄熱流路40とのいずれか一方を選択する役割を担う。言い換えれば、三方弁38は、凝縮器13から流出した冷媒液が熱交換器14に供給される運転モード(暖房運転又は追い掛け運転)と、凝縮器13から流出した冷媒液が蓄熱流路40に供給される運転モード(蓄熱運転)とを相互に切り替えるために使用される。熱交換器14をバイパスするように蓄熱流路40に冷媒液を流すことによって、冷媒液の圧力損失を減らすことができる。三方弁38などの流路切替機構によれば、所望の流路に冷媒液を選択的に流すことができるので、運転モードを確実に切り替えることができる。

本実施形態においても、流路切替機構として、放熱循環路3と蓄熱流路40との分岐点に設けられた三方弁38が使用されている。先に説明したように、三方弁38は、2つの開閉弁で代用することが可能である。

本実施形態において、蓄熱流路40は、ポンプ15の出口と熱交換器14の入口との間で放熱循環路3から分岐している。このような位置に分岐点がある場合、1つのポンプ15で蓄熱流路40及び熱交換器14に選択的に冷媒液を供給できる。このことは、ポンプの台数の削減、ひいては冷凍装置200のコストの削減に寄与する。もちろん、蓄熱流路40及び放熱循環路3のそれぞれに専用のポンプが設けられていてもよい。

本実施形態において、蓄熱流路40は、熱交換器14の出口と放熱循環路3の下流端との間で放熱循環路3に合流している。このような構成によれば、放熱循環路3及び蓄熱流路40の合計長さを短くすることができる。ただし、蓄熱流路40の下流端が凝縮器13に直接接続されていてもよい。

凝縮器13の内部には、複数の蓄熱体36が配置されている。蓄熱体36は、例えば、容器と、容器に収容された潜熱蓄熱材とで構成されている。容器としては、ラミネートフィルムで作られた容器、樹脂で作られたカプセルなどが挙げられる。例えば、40〜50℃の範囲に融点を有する潜熱蓄熱材を蓄熱体36に使用できる。本実施形態によれば、冷媒の凝縮潜熱を利用して蓄熱体36を加熱し、蓄熱体36に熱を蓄えることができる。また、潜熱蓄熱材の潜熱を利用できるので、冷媒液の顕熱のみを利用する場合と比較して、凝縮器13を小型化できる可能性がある。ただし、冷凍装置200にとって、蓄熱体36は必須ではない。冷媒の凝縮潜熱を利用して凝縮器13の内部に高温の冷媒液を蓄え、冷媒液の顕熱を利用して後述する暖房運転を行ってもよい。

なお、第1実施形態と同様、本実施形態においても、放熱循環路3とは別に熱交換循環路が設けられていてもよい。

(蓄熱運転) 蓄熱運転では、凝縮器13に高温の冷媒液が蓄えられる。蓄熱運転では、圧縮機12、ポンプ15及びポンプ18が運転される。三方弁38は、ポンプ15から吐出された冷媒液が熱交換器14をバイパスして蓄熱流路40に流れる状態に設定される。冷媒液が熱交換器14をバイパスして蓄熱流路40を流れるので、冷媒液の圧力損失を減らすことができる。つまり、ポンプ15に必要な動力を減らすことができ、ひいては冷凍装置200の効率が向上する。凝縮器13の内部で冷媒蒸気が凝縮し、冷媒の凝縮潜熱に相当する加熱能力が蓄えられる。蓄熱運転は、例えば、圧縮機12の運転時間が設定時間に達した場合に終了する。蓄冷センサ42の検出結果に基づいて蓄熱運転を終了すべきかどうかを判断してもよい。

(暖房運転) 暖房運転では、凝縮器13に蓄えられた高温の冷媒液及び蓄熱体36を使用して室内の空気を加熱する。暖房運転では、ポンプ15が運転される。三方弁38は、ポンプ15から吐出された冷媒液が熱交換器14を経由して放熱循環路3を循環する状態に設定される。高温の冷媒液は、ポンプ15によって熱交換器14に搬送され、室内の空気を加熱する。これにより、室内の温度が上がる。凝縮器13に貯留された冷媒液の温度が所定温度(例えば35℃)以下になるまで暖房運転が選択される。この所定温度は、蓄熱体36に使用された潜熱蓄熱材の融点よりも低い温度でありうる。つまり、暖房運転では、潜熱蓄熱材の潜熱を使用できる。

なお、暖房運転を終了すべきかどうかを判断するための指標として、凝縮器13に貯留された冷媒液の温度に代えて、別の温度を使用してもよい。例えば、凝縮器13の冷媒液出口から熱交換器14の入口までの流路3a〜3cにおける冷媒液の温度又は流路3a〜3cを形成している冷媒管の温度を上記の指標として使用できる。さらに、これらの温度から凝縮器13に貯留された冷媒液の温度を推定し、推定された温度を上記の指標として使用してもよい。

(追い掛け運転) 追い掛け運転では、圧縮機12、ポンプ15及びポンプ18が運転される。三方弁38は、ポンプ15から吐出された冷媒液が熱交換器14を経由して放熱循環路3を循環する状態に設定される。暖房負荷が存在し、かつ凝縮器13に貯留された冷媒液の温度が所定温度(例えば35℃)以下である場合、冷凍サイクル装置200の運転モードとして追い掛け運転が選択される。「暖房負荷が存在する場合」とは、暖房を継続する必要がある場合を意味する。

なお、暖房運転を実施しているときに凝縮器13に貯留された冷媒液の温度が低下し、所定温度(例えば35℃)以下になった場合、暖房運転を終了し、圧縮機12を起動することによって追い掛け運転を実施することができる。すなわち、運転モードが暖房運転から追い掛け運転へと切り替わる。

以上の通り、本実施形態の冷凍装置200によれば、部品点数を削減することによる冷凍サイクル装置200のコストの削減を期待できる。

本明細書に開示された技術は、家庭用エアコン、業務用エアコンなどの空気調和装置に有用である。