JP5316973B2 - 二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システム、およびその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システム、およびその運転方法に関し、より詳細には、システムの簡素化およびコストダウンを図りつつ、除霜完了まで負荷側冷却器の除霜を連続的に可能とする二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システム、およびその運転方法に関する。

昨今、室内の空調設備や物品の冷却あるいは冷凍に用いる冷凍装置の冷媒として、フロンの代わりに、万一放出されてもオゾン層や地球温暖化への影響が少ない自然冷媒が注目を集めている。
自然冷媒として、アンモニアおよび二酸化炭素を用いた自然冷媒冷却システムが、たとえば特許文献１に開示されている。

この自然冷媒冷却システムは、毒性の高いアンモニアによる冷熱を負荷側冷却器に直接供給するのでなく、カスケードコンデンサーを通じて互いに熱交換を行う、アンモニア冷媒を用いる１次冷媒回路と、二酸化炭素冷媒を用いる２次冷媒回路とを有し、二酸化炭素冷媒による冷熱により負荷側冷却器を冷却し、たとえば冷凍倉庫内を冷却するようにしている。
より詳細には、この自然冷媒冷却システムは、負荷側冷却器と、カスケードコンデンサーと、アンモニアを冷媒とし、アンモニア冷媒がカスケードコンデンサーを通って循環するアンモニア１次冷媒回路と、二酸化炭素を冷媒とし、二酸化炭素冷媒が負荷側冷却器とカスケードコンデンサーを通って循環される二酸化炭素２次冷媒回路とを備え、二酸化炭素２次冷媒回路は、カスケードコンデンサーから液化二酸化炭素を負荷側冷却器に送る冷却往路と、負荷側冷却器から二酸化炭素ホットガスをカスケードコンデンサーに送る二酸化炭素冷媒復路とを有し、冷却往路には、液化二酸化炭素レシーバーが設けられ、これにより、カスケードコンデンサーにより二酸化炭素冷媒とアンモニア冷媒との熱交換を行い、二酸化炭素冷媒を冷却して冷媒液に変えるとともに、アンモニア冷媒を加熱して気化させるように構成される。

一方、この自然冷媒冷却システムは、負荷側冷却器を冷却する二酸化炭素冷媒を用いて、負荷側冷却器を除霜しており、そのためにデフロスト回路を備える。このデフロスト回路は、油分離器から排出されたアンモニア１次冷媒回路内のアンモニア冷媒に生じる発熱により二酸化炭素冷媒を気化させてホットガス化するデフロスト用熱交換器と、デフロスト用熱交換器から二酸化炭素ホットガスを負荷側冷却器に送るデフロスト往路と、負荷側冷却器から液化二酸化炭素をデフロスト用熱交換器に送るデフロスト復路とを有し、このデフロスト復路は、液化二酸化炭素をいったん液化二酸化炭素レシーバーに戻し、そこからデフロスト用熱交換器に液化二酸化炭素を液送している。
しかしながら、このような冷却および除霜システムには、２次冷媒回路とデフロスト回路とが一部共用されていることに起因して、以下のような技術的問題点が存する。

第１に、かえって、システムの大型化、複雑化、ひいてはコスト増を招く点である。より詳細には、負荷側冷却器からの液化二酸化炭素をいったん冷却回路の液化二酸化炭素レシーバーに戻し、そこからデフロスト用熱交換器に送っており、デフロスト回路の一部を冷却回路と共用化することにより、独立の閉回路を構成せず、そのヘッド差（数ＭＰａ）ゆえに大型ポンプが必要となったり、あるいはこのような大型ポンプの設置を回避するとすれば、液化二酸化炭素のリザーバタンクを液化二酸化炭素レシーバーの下流側に設置する必要が生じ、それゆえ除霜を行うのに液化二酸化炭素の保有量が増大する。

第２に、負荷側冷却器の連続的な除霜が困難な点である。より詳細には、液化二酸化炭素のリザーバタンクを液化二酸化炭素レシーバーの下流側に設置する必要が生じ、それゆえデフロストモードがリザーバタンクに溜められた液化二酸化炭素の量により制限を受け、バッチ処理となってしまう。
このような技術的問題点は、アンモニア１次冷媒回路により低熱源を提供して液化された液化二酸化炭素により負荷側冷却器を冷却するとともに、アンモニア１次冷媒回路により高熱源を提供して気化された気化二酸化炭素により負荷側冷却器を除霜する場合に限定される固有の問題ではなく、二酸化炭素冷媒を負荷側冷却器の冷却に用いるとともに、負荷側冷却器の除霜にも用いる場合に提起される技術的課題である。
特開２０１０−１８１０９３

以上の技術的問題点に鑑み、本発明の目的は、システムの簡素化およびコストダウンを図りつつ、除霜完了まで負荷側冷却器の除霜を連続的に可能とする二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システム、およびその運転方法を提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明の二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システムは、
負荷側冷却器を二酸化炭素冷媒により冷却する冷却回路と、該冷却回路において冷却に用いる二酸化炭素冷媒を利用して負荷側冷却器を除霜するデフロスト回路と、前記冷却回路による冷却モードと前記デフロスト回路によるデフロストモードとの間を切り替える切り替え手段とを有する、二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システムにおいて、
前記冷却回路は、低温熱源からの熱媒体により二酸化炭素冷媒を冷却する冷却用熱交換器と、該冷却用熱交換器から液化二酸化炭素を前記負荷側冷却器に送る冷却往路と、前記負荷側冷却器から二酸化炭素ホットガスを該冷却用熱交換器に送る二酸化炭素冷媒復路とを有し、
前記デフロスト回路は、高温熱源からの熱媒体により二酸化炭素冷媒を加熱するデフロスト用熱交換器と、該デフロスト用熱交換器から二酸化炭素ホットガスを前記負荷側冷却器に送るデフロスト往路と、前記負荷側冷却器から液化二酸化炭素を該デフロスト用熱交換器に直接送るデフロスト復路とを有し、それにより、前記冷却回路と独立の閉回路を構成し、
前記デフロスト回路は、冷却モード完了後において前記負荷側冷却器内に残存する液化二酸化炭素を用いて、前記負荷側冷却器の除霜完了まで前記負荷側冷却器を連続的に除霜することが可能である、構成としている。

以上の構成を有する二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システムによれば、切り替え手段により冷却モードに切り替えることにより、冷却用熱交換器において、低温熱源からの熱媒体により冷却されて液化二酸化炭素となった二酸化炭素冷媒は、冷却往路を通じて冷却用熱交換器から負荷側冷却器に送られ、液化された二酸化炭素冷媒が負荷側冷却器の冷却を行い、二酸化炭素冷媒は加熱されてガス化する。二酸化炭素ホットガスは二酸化炭素冷媒復路を通じて冷却用熱交換器に送られ、再度低温熱源により冷却され、上記のサイクルを繰り返して冷却回路内で二酸化炭素冷媒を循環させることにより、負荷側冷却器を冷却することが可能である。
それに対して、切り替え手段によりデフロストモードに切り替えることにより、冷却モード完了後において負荷側冷却器内に残存する液化二酸化炭素を用いることを前提に、デフロスト用熱交換器において、高温熱源からの熱媒体により加熱されてホットガスとなった二酸化炭素冷媒は、デフロスト往路を通じてデフロスト用熱交換器から負荷側冷却器に送られ、ホットガスとなった二酸化炭素冷媒が負荷側冷却器を除霜し、二酸化炭素冷媒は冷却されて液化する。液化二酸化炭素はデフロスト復路を通じて直接デフロスト用熱交換器に送られ、再度高温熱源により加熱され、上記のサイクルを繰り返してデフロスト回路内で二酸化炭素冷媒を循環させることにより、負荷側冷却器を除霜することが可能である。
この場合、デフロスト回路のデフロスト復路について、負荷側冷却器から液化二酸化炭素をデフロスト用熱交換器に直接送る態様とし、それにより、デフロスト回路を冷却回路とは独立の閉回路としており、従来のように、デフロスト回路の一部を冷却回路と共用化することにより、独立の閉回路を構成せず、たとえば負荷側冷却器からの液化二酸化炭素をいったん冷却回路の液化二酸化炭素レシーバーに戻し、そこからデフロスト用熱交換器に送るとすれば、そのヘッド差（数ＭＰａ）ゆえに大型ポンプが必要となったり、あるいはこのような大型ポンプの設置を回避するとすれば、液化二酸化炭素のリザーバタンクを液化二酸化炭素レシーバーの下流側に設置する必要が生じ、それゆえ除霜を行うのに液化二酸化炭素の保有量が増大するとともに、デフロストモードがリザーバタンクに溜められた液化二酸化炭素の量により制限を受け、バッチ処理となってしまうところ、本件発明によれば、このような大型ポンプ等の設置を不要とすることで冷却および除霜システムの簡素化を図りつつ、液化二酸化炭素の保有量の増大を回避するとともに、負荷側冷却器の除霜完了まで負荷側冷却器の除霜が連続的に可能となる。

また、さらに、アンモニア冷媒が前記低温熱源として二酸化炭素冷媒を冷却するアンモニア冷媒回路と、冷却水が前記高温熱源として二酸化炭素冷媒を加熱する冷却水回路とを有し、 前記アンモニア冷媒回路は、アンモニア冷媒の排熱により冷却水を加熱する冷却水加熱用熱交換器を有し、該冷却水加熱用熱交換器から液化アンモニアを前記冷却用熱交換器に送る往路と、前記冷却用熱交換器からアンモニアホットガスを前記冷却水加熱用熱交換器に送る復路とを有し、
前記冷却水回路は、前記デフロスト用熱交換器において冷却された冷却水を前記冷却水加熱用熱交換器に送る往路と、前記冷却水加熱用熱交換器において加熱された冷却水を前記デフロスト用熱交換器に送る復路とを有するのが好ましい。

さらに、負荷側冷却器の除霜初期に二酸化炭素ホットガスが負荷側冷却器内に供給される量を調整することにより、サーマルショックによる負荷側冷却器に対する健全性を維持可能なように、負荷側冷却器内を徐々に加圧するための加圧調整手段を有するのが好ましい。
さらにまた、負荷側冷却器の除霜終了時に負荷側冷却器内の二酸化炭素ホットガスを前記冷却用熱交換器側へ逃がすことにより、サーマルショックによる負荷側冷却器に対する健全性を維持可能なように、負荷側冷却器内を徐々に減圧するための減圧調整手段を有するのが好ましい。
加えて、サーマルショックによる負荷側冷却器に対する健全性を維持可能なように、かつ二酸化炭素ホットガスの負荷側冷却器内での異常沸騰を防止可能なように、負荷側冷却器の除霜終了後所定時間に亘って、負荷側冷却器の運転を待機させるのが好ましい。

上記課題を達成するために、本発明の二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システムの運転方法は、
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の冷却および除霜システムにおいて、複数の負荷側冷却器それぞれに対して、前記デフロスト用熱交換器が設けられ、
複数の負荷側冷却器のいずれかの冷却モードと、複数の負荷側冷却器の他のいずれかのデフロストモードとを同時併行で実行する、構成としている。

上記課題を達成するために、本発明の二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システムの運転方法は、
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の冷却および除霜システムにおいて、複数の負荷側冷却器間で、単一の前記デフロスト用熱交換器が設けられ、
複数の負荷側冷却器のいずれかの冷却モードと、複数の負荷側冷却器の他のいずれかのデフロストモードとを同時併行で実行する、構成としている。

さらに、冷却モードにおいて、前記デフロスト用熱交換器への冷却水の供給を停止するとともに、冷却水の前記往路または前記復路を介して、前記デフロスト用熱交換器内の冷却水を抜くのが好ましい。
また、前記デフロスト復路において、液化二酸化炭素が重力差により負荷側冷却器から前記デフロスト用熱交換器に向かって流れ、それにより前記デフロスト往路において、圧縮機なしに、二酸化炭素ホットガスが前記デフロスト用熱交換器から負荷側冷却器に向かって流れるように、前記デフロスト用熱交換器を負荷側冷却器の設置レベルより下方に配置するのがよい。

さらにまた、前記切り替え手段は、前記冷却回路において、前記冷却往路および前記二酸化炭素冷媒復路それぞれに設けられた切り替え弁を有し、前記デフロスト回路において、前記デフロスト往路および前記デフロスト復路それぞれに設けられた切り替え弁を有するのがよい。
加えて、負荷側冷却器には、一端が前記冷却往路および前記デフロスト往路それぞれに接続され、他端が前記二酸化炭素冷媒復路および前記デフロスト復路に接続される冷却用および除霜用コイルが、負荷側冷却器の内部全体に及ぶように配置され、負荷側冷却器の下方には、ドレンパンが設けられ、該ドレンパンの下面には、一端が前記デフロスト往路に接続され、他端が前記デフロスト復路に接続されるＵ字状除霜用コイルがドレンパンの全体に及ぶように密着形態で設けられ、二酸化炭素ホットガスにより、コイル、ドレンパンおよびケーシングを除霜するのがよい。

さらにまた、前記加圧または減圧圧力調整手段はそれぞれ、圧力調整配管と、該圧力調整配管を通る前記冷媒量を調整する調整弁とを有するのがよい。

負荷側冷却器により冷凍倉庫を冷却する場合を例として、本発明の第１実施形態に係る二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システム１０を、図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。
図１に示すように、二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システム１０は、冷却モードにより冷却の対象とされ、デフロストモードにより除霜の対象とされる負荷側冷却器１２と、負荷側冷却器１２を二酸化炭素冷媒により冷却する二酸化炭素冷媒回路１４と、二酸化炭素冷媒回路１４において冷却に用いる二酸化炭素冷媒を利用して負荷側冷却器１２を除霜するデフロスト回路１６と、二酸化炭素冷媒回路１４による冷却モードとデフロスト回路１６によるデフロストモードとの間を切り替える切り替え手段１８と、アンモニア冷媒が低温熱源として二酸化炭素冷媒を冷却するアンモニア冷媒回路２０と、冷却水が高温熱源として二酸化炭素冷媒を加熱する冷却水回路２２と、システム全体を決められた手順に従って制御する演算回路で構成される制御部２４とから概略構成される。

二酸化炭素冷媒回路１４は、低温熱源からの熱媒体により二酸化炭素冷媒を冷却する冷却用熱交換器２６と、冷却用熱交換器２６から液化二酸化炭素を負荷側冷却器１２に送る二酸化炭素冷媒往路２７と、負荷側冷却器１２から二酸化炭素ホットガスを冷却用熱交換器２６に送る二酸化炭素冷媒復路２８とを有する。
二酸化炭素冷媒復路２８には、液化された二酸化炭素冷媒を蓄えておく二酸化炭素レシーバー３０が設置され、二酸化炭素冷媒往路２７には、二酸化炭素レシーバー３０内の二酸化炭素を負荷側冷却器に供給する二酸化炭素冷媒用ポンプ３２が設けられている。
さらに、負荷側冷却器の運転を、冷却モードまたはデフロストモードの何れか一方の運転に切り換えるための電動弁３４Ａ，Ｂが、二酸化炭素冷媒復路２８および二酸化炭素冷媒往路２７それぞれに設置されるとともに、二酸化炭素冷媒往路２７には、庫内温度指示調節器３６が、一方二酸化炭素冷媒復路２８には、二酸化炭素冷媒圧力指示調節器３８がそれぞれ、設けられ、各調節器で検出した庫内温度および二酸化炭素圧力検出信号が、制御部２４に送られて、運転モードを制御するようにしている。
本実施形態では、除霜初期時及び除霜終了時に負荷側冷却器１２及びその周辺設備をサーマルショック等から保護するための手段が設けられている。
すなわち、負荷側冷却器１２の除霜初期に二酸化炭素ホットガスが負荷側冷却器１２内に供給される量を調整することにより、サーマルショック（急な加熱）による負荷側冷却器１２に対する健全性を維持可能なように、負荷側冷却器１２内を徐々に加圧するための加圧調整手段を有するとともに、負荷側冷却器１２の除霜終了時に負荷側冷却器１２内の二酸化炭素ホットガスを冷却用熱交換器２６側へ逃がすことにより、サーマルショック（急な冷却）による負荷側冷却器１２に対する健全性を維持可能なように、負荷側冷却器内を徐々に減圧するための減圧調整手段をさらに有する。
加圧または減圧圧力調整手段はそれぞれ、圧力調整配管と、圧力調整配管を通る冷媒量を調整する調整弁とを有し、より詳細には、一端部側を調整弁４１を介してデフロスト往路４２の上流側に接続するとともに、他端部側を調整弁４１を介してデフロスト往路４２の下流側に接続してなるホットガスバイパス３９を設け、二酸化炭素冷媒圧力指示調節計３８によって二酸化炭素冷媒電動弁４３を自動的に開閉調整するようにしている。

次に、デフロスト回路１６は、高温熱源からの熱媒体により二酸化炭素冷媒を加熱するデフロスト用熱交換器４０と、デフロスト用熱交換器４０から二酸化炭素ホットガスを負荷側冷却器１２に送るデフロスト往路４２と、負荷側冷却器１２から液化二酸化炭素をデフロスト用熱交換器４０に直接送るデフロスト復路４４とを有し、それにより、二酸化炭素冷媒回路１４と独立の閉回路を構成し、後に詳細に説明するように、デフロスト回路１６は、冷却モード完了後において負荷側冷却器１２内に残存する液化二酸化炭素を用いて、負荷側冷却器１２の除霜完了まで負荷側冷却器１２を連続的に除霜することが可能であるようにしている。
デフロスト用熱交換器４０は、冷却水加熱用熱交換器５０において、アンモニア冷凍機ユニット４５から排出されたアンモニア冷媒で生じる熱により、冷却水回路２２の冷却水を加熱して、デフロスト用熱交換器４０中の二酸化炭素冷媒を気化させて二酸化炭素冷媒ホットガスを生成するように構成されている。

デフロスト回路１６のデフロスト往路４２には、負荷側冷却器１２とデフロスト用熱交換器４０の間に、二酸化炭素冷媒ホットガス調整弁５１Ａ，５３Ａ、二酸化炭素冷媒圧力指示調節器３８、およびホットガスバイパス３９が設けられている。デフロスト往路４２の開度を調整することにより、二酸化炭素冷媒ホットガスの負荷側冷却器１２に供給される量を全閉を含めて任意に調整できるようになっている。
なお、本実施例では、デフロスト用熱交換器４０は、負荷側冷却器１２より低いレベルに設置されており、それにより、液化二酸化炭素が重力差により負荷側冷却器１２からデフロスト用熱交換器４０に向かって流れ、デフロスト往路４２において、圧縮機なしに、二酸化炭素ホットガスがデフロスト用熱交換器４０から負荷側冷却器１２に向かって流れるようにしている。
また、デフロスト往路４２およびデフロスト復路４４それぞれには、電動弁５３Ａ，Ｂが、設けられ、これらは、電動弁３４Ａ，Ｂと同様に、冷却モードとデフロストモードの間の切り替え手段を構成している。

次に、アンモニア冷媒回路２０は、アンモニア冷媒の排熱により冷却水を加熱する冷却水加熱用熱交換器５０を有し、冷却水加熱用熱交換器５０から液化アンモニアを冷却用熱交換器２６に送るアンモニア冷媒往路５５と、冷却用熱交換器２６からアンモニアホットガスを冷却水加熱用熱交換器５０に送るアンモニア冷媒復路５７とを有する。
アンモニア冷媒往路５５には、液化されたアンモニア冷媒を蓄えておくアンモニアレシーバー５８、エコノマイザー５９、アンモニア冷媒供給調整弁６１が、一方アンモニア冷媒復路５７には、圧縮機および凝縮機を含むアンモニア冷凍機ユニット４５が設置されている。

次に、冷却水回路２２は、デフロスト用熱交換器４０において冷却された冷却水を冷却水加熱用熱交換器５０に送る冷却水往路６３と、冷却水加熱用熱交換器５０において加熱された冷却水をデフロスト用熱交換器４０に送る冷却水復路６５とを有する。
冷却水往路６３には、冷却塔６７および冷却水用ポンプ６９が設置され、一方冷却水復路６５には、デフロスト用冷却水制御弁７１、冷却用冷却水制御弁７３および水抜き弁７５が設置されている。

図２に示すように、負荷側冷却器１２のケーシング８１内には、一端が二酸化炭素冷媒往路２７およびデフロスト往路４２それぞれに接続され、他端が二酸化炭素冷媒復路２８およびデフロスト復路４４に接続される冷却用および除霜用コイル８０が、負荷側冷却器１２の内部全体に及ぶように配置され、負荷側冷却器１２の下方には、ドレンパン８２が設けられ、ドレンパン８２の下面には、一端がデフロスト往路４２に接続され、他端がデフロスト復路４４に接続されるＵ字状除霜用コイル８４がドレンパン８２の全体に及ぶように密着形態で設けられ、二酸化炭素ホットガスにより、コイル８０、ドレンパン８２およびケーシング８１を除霜するようにしている。

なお、負荷側冷却器１２及び負荷側冷却器に接続された二酸化炭素冷媒回路１４の一部は、冷凍倉庫１１内に配設され、二酸化炭素冷媒回路１４の残りの一部及び冷却用熱交換器２６と、人体に有害なアンモニア冷媒を使用するアンモニア冷媒回路２０等は冷凍倉庫１１の外側に配設し、それにより、冷凍倉庫１１内の作業員がアンモニア冷媒から隔離されるようにしている。
制御部２４について、従来既知のコンピューター制御、あるいはたとえばリレーおよびタイマー等を利用したシーケンシャル制御でもよい。

以上の構成を有する二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システム１０について、その作用を運転方法とともに、以下に説明する。
図３に示すように、ステップ１において、制御部２４は冷却運転指令の受信を常時確認している。冷却運転指令が確認されたら、ステップ２において、冷凍倉庫１１の庫内温度が設定以上であるかを確認する。ステップ３において、庫内温度が設定以上であると、冷却モードに入り、冷却水回路２２、アンモニア冷媒回路２０、二酸化炭素冷媒回路１４それぞれを稼働する。より詳細には、二酸化炭素冷媒回路１４の二酸化炭素冷媒往路２７および二酸化炭素冷媒復路２８それぞれに設けた電動弁３４を開く一方、デフロスト回路１６のデフロスト往路４２およびデフロスト復路４４それぞれに設けた電動弁５３を閉じたうえで、冷却水ポンプ６９を稼働して、冷却水を冷却塔６７から冷却水加熱用熱交換器５０に液送して、冷却水を冷却水回路２２内で循環させる一方、圧縮機４５を稼働して、アンモニアをオイルセパレータ（図示せず）から冷却水加熱用熱交換器５０に送って、アンモニアをアンモニア冷媒回路２０内で循環させるとともに、二酸化炭素用ポンプ３２を稼働して、液化二酸化炭素を二酸化炭素レシーバー３０から負荷側冷却器１２に液送して、二酸化炭素冷媒を二酸化炭素冷媒回路１４内で循環させる。これにより、二酸化炭素冷媒により負荷側冷却器１２は冷却され、気化した二酸化炭素冷媒は、アンモニア冷媒により冷却され、気化したアンモニア冷媒は、冷却水により冷却するようにしている。

より詳細には、二酸化炭素冷媒レシーバー３０に蓄えられている液化二酸化炭素が、二酸化炭素冷媒用ポンプ３２により二酸化炭素冷媒往路２７及び二酸化炭素冷媒液調整用電動弁３４Ａを経由して負荷側冷却器１２に導かれ、負荷側冷却器１２が冷凍倉庫１１内を冷却する。

また、この冷却では、庫内温度指示調節計３６で設定された温度に対して、制御部２４が二酸化炭素冷媒往路２７を開閉、または、比例制御することにより、冷凍倉庫１１の室温制御を行う。このときに気化された液化二酸化炭素冷媒は、二酸化炭素冷媒復路２８を経由して冷却用熱交換器２６に送られ、ここで再び液化されて二酸化炭素冷媒レシーバー３０に戻り、気化せずに液体のものは二酸化炭素冷媒レシーバー３０に直接戻って蓄えられ、冷却に使用される。
冷却中は、デフロスト用冷却水制御弁７１を閉、冷却用冷却水制御弁７３を開として、デフロスト用熱交換器４０へは冷却水を供給しない。さらに、水抜き弁７５を開としデフロスト用熱交換器４０内の水を抜く。この操作により、デフロスト用熱交換器４０内部に保持している高圧の液化二酸化炭素冷媒ガスの、さらなる圧力上昇を抑え省エネルギーが促進される。以下、このサイクルを繰り返す。

次に、冷却運転時におけるアンモニア冷媒回路２０のアンモニア冷媒の流れについて、アンモニアレシーバー５８に蓄えられているアンモニア冷媒は、アンモニアレシーバー５８から液冷媒として流出し、アンモニア冷媒供給調整弁６１を通り、冷却用熱交換器２６に送られる。冷却用熱交換器２６においては、上述したように負荷側冷却器１２から戻る二酸化炭素冷媒回路１４内の二酸化炭素ガスを冷却して液化する。

一方、冷却水加熱用熱交換器５０において二酸化炭素ガスを冷却液化したアンモニア液冷媒は、冷却用熱交換器２６においてガス化されてアンモニア冷凍機ユニット４５に吸い込まれ、アンモニア冷凍機ユニット４５内の圧縮機により圧縮されて高温の高圧ガスとなり、冷却水加熱用熱交換器５０に送られる。アンモニアガス冷媒は、冷却水加熱用熱交換器５０において潜熱を奪われて液化された後、アンモニアレシーバー５８に蓄えられ、冷却に使用される。以下、このサイクルを繰り返す。

次いで、ステップ４において、制御部２４がデフロスト運転指令を受信しているかを確認し、送信されていない限り、庫内温度が設定温度以下に冷却されるまで、冷却運転を継続する。
デフロスト運転指令が確認されたら、ステップ５において、デフロストモードに入り、アンモニア冷媒回路２０、二酸化炭素冷媒回路１４それぞれはそのまま運転継続した状態で、デフロスト回路１６を稼働する。より詳細には、二酸化炭素冷媒回路１４の二酸化炭素冷媒往路２７および二酸化炭素冷媒復路２８それぞれに設けた電動弁３４を閉じる一方、デフロスト回路１６のデフロスト往路４２およびデフロスト復路４４それぞれに設けた電動弁５３を開いたうえで、二酸化炭素冷媒用ポンプ３２を停止する。これにより、冷却モード完了後において負荷側冷却器１２内に残存する液化二酸化炭素を用いて、負荷側冷却器１２の除霜完了まで負荷側冷却器１２を連続的に除霜することが可能である。

より詳細には、負荷側冷却器１２より下部にあるデフロスト用熱交換器４０へ、負荷側冷却器１２内部の液化二酸化炭素冷媒ガスが重力差によってデフロスト復路４４を経由して流入する。流入した液化二酸化炭素冷媒ガスは、冷却水回路２２中の冷却水用ポンプ６９により冷却水を介してアンモニア冷凍機ユニット４５の凝縮熱で加熱され、二酸化炭素冷媒ホットガスとなる。加熱された二酸化炭素冷媒ホットガスは、デフロスト往路４２を経由して負荷側冷却器１２へ供給され、負荷側冷却器１２に付着した霜を除去するデフロスト操作を行う。このデフロスト操作によって二酸化炭素冷媒ホットガスは液化され、液化された二酸化炭素冷媒ガスはデフロスト復路４４を経由してデフロスト用熱交換器４０へ戻る。この動作を繰り返しデフロスト操作を行なう。

デフロスト中は、デフロスト用冷却水制御弁７１を開、冷却用冷却水制御弁７３を閉として、二酸化炭素冷媒ガスホットガスの熱源として冷却水（＋３０℃程度）をデフロスト用熱交換器４０へ供給する。

すなわち、デフロストに使用する二酸化炭素冷媒ガスは、冷却時に負荷側冷却器１２内に保有している液化二酸化炭素冷媒ガスを、デフロスト用熱交換器４０に導入してデフロストを行うことにより、たとえば、ホットガス用の５．０ＭＰaの高圧二酸化炭素冷媒ガスを保有しておくリザーバータンクが不要となり、必要な二酸化炭素冷媒ガス量が減り、地球温暖化低減に寄与可能である。

さらに、デフロスト直前では、負荷側冷却器１２内の圧力が低く１．５ＭＰａ程度、デフロスト往路４２及びデフロスト復路４４よりも上流側にあるデフロスト回路１６の圧力は高くなり、５．０ＭＰａ程度であり、両者の間に圧力差が存在するところ、本実施形態の冷却および除霜システム１０では、デフロスト初期時に、負荷側冷却器１２に供給される二酸化炭素ホットガスの量が徐々に供給されるようにデフロスト往路４２を調整し、負荷側冷却器１２内の圧力を徐々に高めるようにしている。この制御手順を取ることにより負荷側冷却器１２及び周辺設備をサーマルショック（急な加熱）から確実に保護することができる。

デフロスト用熱交換器４０に送られた液化二酸化炭素は、冷却水とデフロスト用熱交換器４０で熱交換をし、二酸化炭素ホットガスに相変化する。ここで生成された二酸化炭素ホットガスは、デフロスト往路４２を通過して負荷側冷却器１２内に送られ、デフロストにより凝縮した液化二酸化炭素冷媒ガスはデフロスト復路４４を通じて、デフロスト用熱交換器４０に戻る。戻った液化二酸化炭素冷媒ガスは上記と同様に、デフロスト用熱交換器４０で冷却水により加熱され、二酸化炭素ホットガスとなって再びデフロスト往路４２を通って負荷側冷却器１２へ送られデフロストを繰り返す。以後、この動作を繰り返すことにより負荷側冷却器１２は徐々に昇温し、負荷側冷却器１２に付着した霜を溶かして除霜する。

また、このデフロスト運転では二酸化炭素ホットガスが冷却コイル８０内とドレンパン８２に密着されたＵ字状除霜用コイル８４を通って配管されているので、冷却コイル８０の除霜と同時にドレンパン８２およびケーシング８１の除霜も行うようにしている。

次いで、ステップ６において、圧力指示調節計により二酸化炭素圧力が所定値以上の場合には、二酸化炭素圧力制御用電動弁４３を開いて、二酸化炭素圧力を所定値まで低減させる。
次いで、ステップ７において、制御部２４からデフロスト運転終了指令が送信されているかを確認し、送信されていない限り、デフロスト運転を継続する。

一方、デフロスト運転から冷却運転への切り換えは、以下の手順に従って切り換えられる。制御部２４にデフロスト運転終了信号が入力されると、デフロスト復路４４を開としたまま、デフロスト往路４２を閉とし、負荷側冷却器１２内部に滞留する高圧５．０ＭＰａの液化二酸化炭素冷媒ガスをデフロスト用熱交換器４０へ戻す。この液化二酸化炭素冷媒ガスは、次のデフロストまでホットガスバイパス３９を介してアンモニア冷凍機ユニット４５により、５．０ＭＰaに圧力保持される。またデフロスト終了後に温度が上昇した負荷側冷却器１２は一定時間（例えば１５分程度）運転を待機し、冷凍倉庫１１の周囲の冷温によって低温（―２０℃）になった後に、二酸化炭素冷媒往路２７及び二酸化炭素冷媒復路２８を開放とし二酸化炭素冷媒用ポンプ３２によって、冷却用の液化二酸化炭素冷媒ガスを供給し冷却を開始する。これにより、デフロスト直後の高温（＋２０℃程度）になっている負荷側冷却器１２へ、低温の液化二酸化炭素冷媒ガス（−３５℃）を供給した場合、負荷側冷却器１２の急激な温度変化による収縮により破損するのを防止する。同様に、このような低温の液化二酸化炭素冷媒ガス（−３５℃）の供給により、負荷側冷却器１２内で異常沸騰が生じ、二酸化炭素冷媒ガスのガスロックが発生し液化二酸化炭素冷媒ガスの供給不良となることがあるが、このような事態を防止することも可能である。

なお、冷却中においてデフロスト用熱交換器４０の内部の高圧液化二酸化炭素冷媒ガスが、設計圧力(例えば５．０ＭＰａ)を超えると予想される場合は、二酸化炭素冷媒圧力指示調節計３８により検知し、ホットガスバイパス３９を開とし、二酸化炭素冷媒復路２８を介して設計圧力以下になるように制御すればよい。

以上の構成を有する二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システム１０によれば、切り替え手段１８により冷却モードに切り替えることにより、冷却用熱交換器２６において、低温熱源からの熱媒体により冷却されて液化二酸化炭素となった二酸化炭素冷媒は、二酸化炭素冷媒往路２７を通じて冷却用熱交換器２６から負荷側冷却器１２に送られ、液化された二酸化炭素冷媒が負荷側冷却器１２の冷却を行い、二酸化炭素冷媒は加熱されてガス化する。二酸化炭素ホットガスは二酸化炭素冷媒復路２８を通じて冷却用熱交換器２６に送られ、再度低温熱源により冷却され、上記のサイクルを繰り返して二酸化炭素冷媒回路１４内で二酸化炭素冷媒を循環させることにより、負荷側冷却器１２を冷却することが可能である。
それに対して、切り替え手段１８によりデフロストモードに切り替えることにより、冷却モード完了後において負荷側冷却器１２内に残存する液化二酸化炭素を用いることを前提に、デフロスト用熱交換器４０において、高温熱源からの熱媒体により加熱されてホットガスとなった二酸化炭素冷媒は、デフロスト往路４２を通じてデフロスト用熱交換器４０から負荷側冷却器１２に送られ、ホットガスとなった二酸化炭素冷媒が負荷側冷却器１２を除霜し、二酸化炭素冷媒は冷却されて液化する。液化二酸化炭素はデフロスト復路４４を通じて直接デフロスト用熱交換器４０に送られ、再度高温熱源により加熱され、上記のサイクルを繰り返してデフロスト回路１６内で二酸化炭素冷媒を循環させることにより、負荷側冷却器１２を除霜することが可能である。
この場合、デフロスト回路１６のデフロスト復路４４について、負荷側冷却器１２から液化二酸化炭素をデフロスト用熱交換器４０に直接送る態様とし、それにより、デフロスト回路１６を二酸化炭素冷媒回路１４とは独立の閉回路としており、従来のように、デフロスト回路１６の一部を二酸化炭素冷媒回路１４と共用化することにより、独立の閉回路を構成せず、たとえば負荷側冷却器１２からの液化二酸化炭素をいったん二酸化炭素冷媒回路１４の液化二酸化炭素レシーバー３０に戻し、そこからデフロスト用熱交換器４０に送るとすれば、そのヘッド差（数ＭＰａ）ゆえに大型ポンプが必要となったり、あるいはこのような大型ポンプの設置を回避するとすれば、液化二酸化炭素のリザーバタンクを液化二酸化炭素レシーバー３０の下流側に設置する必要が生じ、それゆえ除霜を行うのに液化二酸化炭素の保有量が増大するとともに、デフロストモードがリザーバタンクに溜められた液化二酸化炭素の量により制限を受け、バッチ処理となってしまうところ、本件発明によれば、このような大型ポンプ等の設置を不要とすることで冷却および除霜システム１０の簡素化を図りつつ、液化二酸化炭素の保有量の増大を回避するとともに、負荷側冷却器１２の除霜完了まで負荷側冷却器１２の除霜が連続的に可能となる。

以下に、本発明の第２実施形態を詳細に説明する。以下の説明では、第１実施形態と同様な構成要素には、同様な参照番号を付することにより、その説明は省略し、本実施形態の特徴について、詳細に説明する。
本実施形態の特徴は、図４に示すように、負荷側冷却器１２が複数（２基）設けられ、複数の負荷側冷却器１２それぞれに、デフロスト用熱交換器４０が設けられる点、および、それに応じて、複数の負荷側冷却器１２において、冷却モードとデフロストモードとの切り替えをどのように運転するかにある。
より詳細には、制御部２４の演算回路の設定により、２基の負荷側冷却器１２のいずれかの冷却モードと、２基の負荷側冷却器１２の他のいずれかのデフロストモードとを同時併行で実行するようにしている。すなわち、２基の負荷側冷却器１２の一方について、冷却モードにより冷却する際、二酸化炭素冷媒により負荷側冷却器１２は冷却され、気化した二酸化炭素冷媒は、アンモニア冷媒により冷却され、気化したアンモニア冷媒は、冷却水により冷却するようにしつつ、２基の負荷側冷却器１２の他方について、この冷却モードにより加熱された冷却水を他方の負荷側冷却器１２専用のデフロスト用熱交換器４０に液送し、ここで二酸化炭素をホットガス化して、他方の負荷側冷却器１２のデフロストを同時併行で行うことが可能である。運転フローを図５に示す。図５に示すように、ステップ５において、ステップ４において冷却モードを実行する冷凍倉庫１１が、デフロストモードに入るか否かを確認した後、他の冷凍倉庫１１がデフロストモードに入るか否かを確認し、デフロストモードに入る場合には、待機させるようにし、２基の負荷側冷却器１２が同時にデフロストモードに入らず、他の冷凍倉庫１１のデフロストモードを後から実行するようにしている。
なお、たとえば、負荷側冷却器１２を５基設け、そのうち、３基について冷却モードを行いつつ、残りの２基についてデフロストモードを同時併行で行うことも可能である。

以上のように、一方の負荷側冷却器１２を冷却する際に発生する排熱を冷却水回路２２の冷却水を介して、他方の負荷側冷却器１２の除霜に利用することで省エネルギー化が促進されるとともに、他方の負荷側冷却器１２を除霜する際に発生する冷熱を冷却水回路２２の冷却水の冷却に利用しており、これにより、冷却塔ファンの稼働率が減りさらなる省エネルギー化が可能となる。

また、デフロスト用の水槽や送水管等の設備を別途必要としないので、設備にかかる設置コストの節約、及びメンテナンスコストの節約を図ることができる。

以下に、本発明の第３実施形態を詳細に説明する。以下の説明では、第１実施形態と同様な構成要素には、同様な参照番号を付することにより、その説明は省略し、本実施形態の特徴について、詳細に説明する。
本実施形態の特徴は、図６に示すように、負荷側冷却器１２が複数（２基）設けられているが、第２実施形態とは異なり、複数の負荷側冷却器１２において、デフロスト用熱交換器４０を共用化し、単一のデフロスト用熱交換器４０のみを最下方の負荷側冷却器１２より下方レベルに設置している。
運転方法としては、図５に示す運転フローと同様であり、複数の負荷側冷却器のいずれかの冷却モードと、複数の負荷側冷却器の他のいずれかのデフロストモードとを同時併行で実行することが可能であり、一方で第２実施形態に比較して、デフロスト用熱交換器４０の共用化により、さらなる設備コストの低減を図ることが可能である。

以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の範囲から逸脱しない範囲内において、当業者であれば、種々の修正あるいは変更が可能である。
たとえば、本実施形態において、負荷側冷却器を冷凍倉庫を冷却する場合のものとして説明したが、それに限定されることなく、冷蔵倉庫、冷凍倉庫以外に、食品等の凍結庫や食品連続フリーザー、食品バッチフリーザー、環境試験装置、冷凍ショーケース等の冷凍システムにも応用できる。
たとえば、本実施形態において、アンモニア１次冷媒回路により低熱源を提供して液化された液化二酸化炭素により負荷側冷却器１２を冷却するとともに、アンモニア１次冷媒回路により高熱源を提供して気化された気化二酸化炭素により負荷側冷却器１２を除霜する場合として説明したが、それに限定されることなく、二酸化炭素冷媒を負荷側冷却器１２の冷却に用いるとともに、負荷側冷却器１２の除霜にも用いる場合に適用可能である。

本発明の第１の実施例に係る二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システム１０の構成図である。 本発明の第１の実施例に係る二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システム１０の提供対象である負荷側冷却器１２の内部構造を示す概略図である。 本発明の第１の実施例に係る二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システム１０の運転方法を示すフロー図である。 本発明の第２の実施例に係る二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システム１０の構成図である。 本発明の第２の実施例に係る二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システム１０の運転方法を示すフロー図である。 本発明の第３の実施例に係る二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システム１０の構成図である。

１０ 冷却および除霜システム
１１ 冷凍庫
１２ 負荷側冷却器
１４ 二酸化炭素冷媒回路
１６ デフロスト回路
１８ 切り替え手段
２０ アンモニア冷媒回路
２２ 冷却水回路
２４ 制御部
２６ 冷却用熱交換器
２７ 二酸化炭素冷媒往路
２８ 二酸化炭素冷媒復路
３０ 二酸化炭素冷媒レシーバー
３２ 二酸化炭素冷媒用ポンプ
３４ 電動弁
３６ 温度指示調節器
３８ 圧力指示調節器
３９ ホットガスバイパス
４０ デフロスト用熱交換器
４１ 調整弁
４２ デフロスト往路
４３ 二酸化炭素圧力制御用電動弁
４４ デフロスト復路
４５ アンモニア・冷凍機ユニット
５０ 冷却水加熱用熱交換器
５１ 二酸化炭素冷媒ホットガス調整弁
５３ 二酸化炭素冷媒用電動弁
５５ アンモニア冷媒往路
５７ アンモニア冷媒復路
５８ アンモニアレシーバー
５９ エコノマイザー
６１ アンモニア冷媒供給調整弁
６３ 冷却水往路
６５ 冷却水復路
６７ 冷却塔
６９ 冷却水用ポンプ
７１ デフロスト用冷却水制御弁
７３ 冷却用冷却水制御弁
７５ 水抜き弁
８０ 冷却用および除霜用コイル
８１ ケーシング
８２ ドレンパン
８４ Ｕ字状除霜用コイル

Claims (12)

1. 負荷側冷却器を二酸化炭素冷媒により冷却する冷却回路と、該冷却回路において冷却に用いる二酸化炭素冷媒を利用して負荷側冷却器を除霜するデフロスト回路と、前記冷却回路による冷却モードと前記デフロスト回路によるデフロストモードとの間を切り替える切り替え手段とを有する、二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システムにおいて、
   前記冷却回路は、低温熱源からの熱媒体により二酸化炭素冷媒を冷却する冷却用熱交換器と、該冷却用熱交換器から液化二酸化炭素を前記負荷側冷却器に送る冷却往路と、前記負荷側冷却器から二酸化炭素ホットガスを該冷却用熱交換器に送る二酸化炭素冷媒復路とを有し、
   前記デフロスト回路は、高温熱源からの熱媒体により二酸化炭素冷媒を加熱するデフロスト用熱交換器と、該デフロスト用熱交換器から二酸化炭素ホットガスを前記負荷側冷却器に送るデフロスト往路と、前記負荷側冷却器から液化二酸化炭素を該デフロスト用熱交換器に直接送るデフロスト復路とを有し、それにより、前記冷却回路と独立の閉回路を構成し、
   前記デフロスト回路は、冷却モード完了後において前記負荷側冷却器内に残存する液化二酸化炭素を用いて、前記負荷側冷却器の除霜完了まで前記負荷側冷却器を連続的に除霜することが可能である、ことを特徴とする冷却および除霜システム。
2. さらに、アンモニア冷媒が前記低温熱源として二酸化炭素冷媒を冷却するアンモニア冷媒回路と、冷却水が前記高温熱源として二酸化炭素冷媒を加熱する冷却水回路とを有し、 前記アンモニア冷媒回路は、アンモニア冷媒の排熱により冷却水を加熱する冷却水加熱用熱交換器を有し、該冷却水加熱用熱交換器から液化アンモニアを前記冷却用熱交換器に送る往路と、前記冷却用熱交換器からアンモニアホットガスを前記冷却水加熱用熱交換器に送る復路とを有し、
   前記冷却水回路は、前記デフロスト用熱交換器において冷却された冷却水を前記冷却水加熱用熱交換器に送る往路と、前記冷却水加熱用熱交換器において加熱された冷却水を前記デフロスト用熱交換器に送る復路とを有する、請求項１に記載の冷却および除霜システム。
3. 負荷側冷却器の除霜初期に二酸化炭素ホットガスが負荷側冷却器内に供給される量を調整することにより、サーマルショックによる負荷側冷却器に対する健全性を維持可能なように、負荷側冷却器内を徐々に加圧するための加圧調整手段をさらに有する、請求項１または請求項２に記載の冷却および除霜システム。
4. 負荷側冷却器の除霜終了時に負荷側冷却器内の二酸化炭素ホットガスを前記冷却用熱交換器側へ逃がすことにより、サーマルショックによる負荷側冷却器に対する健全性を維持可能なように、負荷側冷却器内を徐々に減圧するための減圧調整手段をさらに有する、請求項１または請求項２に記載の冷却および除霜システム。
5. さらに、サーマルショックによる負荷側冷却器に対する健全性を維持可能なように、かつ二酸化炭素ホットガスの負荷側冷却器内での異常沸騰を防止可能なように、負荷側冷却器の除霜終了後所定時間に亘って、負荷側冷却器の運転を待機させる請求項４に記載の冷却および除霜システム。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の冷却および除霜システムにおいて、複数の負荷側冷却器それぞれに対して、前記デフロスト用熱交換器が設けられ、
   複数の負荷側冷却器のいずれかの冷却モードと、複数の負荷側冷却器の他のいずれかのデフロストモードとを同時併行で実行する、二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システムの運転方法。
7. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の冷却および除霜システムにおいて、複数の負荷側冷却器間で、単一の前記デフロスト用熱交換器が設けられ、
   複数の負荷側冷却器のいずれかの冷却モードと、複数の負荷側冷却器の他のいずれかのデフロストモードとを同時併行で実行する、二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システムの運転方法。
8. 冷却モードにおいて、前記デフロスト用熱交換器への冷却水の供給を停止するとともに、冷却水の前記往路または前記復路を介して、前記デフロスト用熱交換器内の冷却水を抜く、請求項６または請求項７に記載の二酸化炭素冷媒による冷却および除霜システムの運転方法。
9. 前記デフロスト復路において、液化二酸化炭素が重力差により負荷側冷却器から前記デフロスト用熱交換器に向かって流れ、それにより前記デフロスト往路において、圧縮機なしに、二酸化炭素ホットガスが前記デフロスト用熱交換器から負荷側冷却器に向かって流れるように、前記デフロスト用熱交換器を負荷側冷却器の設置レベルより下方に配置する、請求項１に記載の冷却および除霜システム。
10. 前記切り替え手段は、前記冷却回路において、前記冷却往路および前記二酸化炭素冷媒復路それぞれに設けられた切り替え弁を有し、前記デフロスト回路において、前記デフロスト往路および前記デフロスト復路それぞれに設けられた切り替え弁を有する、請求項１に記載の冷却および除霜システム。
11. 負荷側冷却器には、一端が前記冷却往路および前記デフロスト往路それぞれに接続され、他端が前記二酸化炭素冷媒復路および前記デフロスト復路に接続される冷却用および除霜用コイルが、負荷側冷却器の内部全体に及ぶように配置され、負荷側冷却器の下方には、ドレンパンが設けられ、該ドレンパンの下面には、一端が前記デフロスト往路に接続され、他端が前記デフロスト復路に接続されるＵ字状除霜用コイルがドレンパンの全体に及ぶように密着形態で設けられ、二酸化炭素ホットガスにより、コイル、ドレンパンおよびケーシングを除霜する、請求項１に記載の冷却および除霜システム。
12. 前記加圧または減圧圧力調整手段はそれぞれ、圧力調整配管と、該圧力調整配管を通る前記冷媒量を調整する調整弁とを有する、請求項１に記載の冷却および除霜システム。

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