特開 2023-142175 冷凍機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023142175

(43)【公開日】2023-10-05

(54)【発明の名称】冷凍機

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/00 20060101AFI20230928BHJP

   F25B 39/04 20060101ALI20230928BHJP

   F25B 49/02 20060101ALI20230928BHJP

【ＦＩ】

F25B1/00 399Y

F25B39/04 J

F25B49/02 570Z

F25B1/00 396A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022048921

(22)【出願日】2022-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】000148357

【氏名又は名称】株式会社前川製作所

(71)【出願人】

【識別番号】390002233

【氏名又は名称】ケミカルグラウト株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】ＳＳＩＰ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】坂口 学

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 史

(72)【発明者】

【氏名】相馬 啓

(72)【発明者】

【氏名】塩屋 祐太

(72)【発明者】

【氏名】福岡 美則

(57)【要約】

【課題】第１冷媒を第２冷媒との熱交換により凝縮させる凝縮器をコンパクト化させ、サーモサイフォン効果を利用して第２冷媒を循環させるための動力を低減した冷凍機を提供する。
【解決手段】冷凍機は、第１冷媒を第２冷媒との熱交換により凝縮させるための凝縮器を含む冷凍サイクルと、凝縮器よりも上方に設けられると共に凝縮器にて気化した第２冷媒を冷却させるための冷却器を含む循環サイクルとを備え、凝縮器は、第１冷媒が流れるための流路を含む流路形成体と、流路形成体の少なくとも一部が浸かる第２冷媒の液溜まりを収容するシェルとを含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１冷媒を第２冷媒との熱交換により凝縮させるための凝縮器を含む冷凍サイクルと、
前記凝縮器よりも上方に設けられると共に前記凝縮器にて気化した前記第２冷媒を冷却させるための冷却器を含む循環サイクルと
を備え、
前記凝縮器は、
前記第１冷媒が流れるための流路を含む流路形成体と、
前記流路形成体の少なくとも一部が浸かる前記第２冷媒の液溜まりを収容するシェルと
を含む冷凍機。

【請求項2】

前記第１冷媒を圧縮ガスとして前記凝縮器に送るための圧縮機と、
コントローラと
をさらに備え、
前記循環サイクルは、前記冷却器から流出する前記第２冷媒を前記凝縮器に送るためのポンプをさらに含み、
前記コントローラは、前記圧縮機の吐出圧を示す信号に基づいて、前記ポンプを制御するように構成される
をさらに備える請求項１に記載の冷凍機。

【請求項3】

前記コントローラは、前記シェル内の前記第２冷媒の液面が規定高さに達した場合、前記吐出圧を示す信号に関わらず、前記凝縮器への前記第２冷媒の流入流量が増加しないよう前記ポンプを制御するように構成される
請求項２に記載の冷凍機。

【請求項4】

前記コントローラは、前記シェル内の前記第２冷媒の液面が規定高さに達した場合、冷凍機の稼働中に警報を発出する制御を実行するように構成される
請求項２または３に記載の冷凍機。

【請求項5】

前記シェル内の前記第２冷媒の液面が下限高さよりも低い場合、前記冷凍機の稼働を停止させる制御を実行するように構成されるコントローラをさらに備える
請求項１乃至４の何れか１項に記載の冷凍機。

【請求項6】

前記第１冷媒を圧縮ガスとして前記凝縮器に送るための圧縮機と、
コントローラと
をさらに備え、
前記冷却器は、前記第２冷媒が流れる伝熱管と、前記伝熱管に送風するためのファンと、前記伝熱管から流れる液相の前記第２冷媒を貯留するためのバッファタンクとを含むラジエータであり、
前記コントローラは、前記圧縮機の吐出圧が閾値以下である場合、送風量が下がるよう前記ファンを制御するように構成される
請求項１乃至５の何れか１項に記載の冷凍機。

【請求項7】

前記第２冷媒は、ＨＦＯ冷媒である
請求項１乃至６の何れか１項に記載の冷凍機。

【請求項8】

前記循環サイクルは、前記冷却器から流出する前記第２冷媒を前記凝縮器に送るためのポンプをさらに含み、
前記冷凍機は、
前記第１冷媒を圧縮ガスとして前記凝縮器に送るための圧縮機と、
前記圧縮機の吐出圧を示す信号に基づいて、前記ポンプを制御するように構成されるコントローラと
をさらに備え、
前記コントローラは、
前記圧縮機の吐出圧が許容上限値に達した場合、前記冷凍機の冷凍動作を停止させる制御を実行するように構成される請求項１乃至７の何れか１項に記載の冷凍機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、サーモサイフォン効果を利用して冷媒を循環させる冷凍機に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に開示される冷凍機では、１次冷媒が循環するための１次回路においてサーモサイフォン効果が利用される。同文献に開示の冷凍機は、２次冷媒が循環する２次回路と、２次冷媒が１次冷媒との熱交換により凝縮するための熱交換器（即ち第１凝縮器）とを備える。第１凝縮器にて気化した１次冷媒は１次回路を循環する過程で、熱交換器よりも上方にある第２凝縮器にて液化する。液化した１次冷媒は自重によって第１凝縮器に戻る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９－６８７２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

サーモサイフォン効果を利用して１次冷媒を循環させるための動力は少ない方が好ましい。また、２次冷媒との熱交換により１次冷媒が気化する第１凝縮器は、コンパクト化が図れることが好ましい。しかしながら、特許文献１には具体的構成の開示はない。

【0005】

本開示の目的は、第１冷媒を第２冷媒との熱交換により凝縮させる凝縮器をコンパクト化させ、サーモサイフォン効果を利用して第２冷媒を循環させるための動力を低減した冷凍機を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の少なくとも一実施形態に係る冷凍機は、
第１冷媒を第２冷媒との熱交換により凝縮させるための凝縮器を含む冷凍サイクルと、
前記凝縮器よりも上方に設けられると共に前記凝縮器にて気化した前記第２冷媒を冷却させるための冷却器を含む循環サイクルと
を備え、
前記凝縮器は、
前記第１冷媒が流れるための流路を含む流路形成体と、
前記流路形成体の少なくとも一部が浸かる前記第２冷媒の液溜まりを収容するシェルと
を含む。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、第１冷媒を第２冷媒との熱交換により凝縮させるための凝縮器をコンパクト化させ、サーモサイフォン効果を利用して第２冷媒を循環させるための動力を低減した冷凍機を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】一実施形態に係る冷凍機を示す概念図である。

【図2】一実施形態に係る凝縮器を示す概念図である。

【図3】一実施形態に係る冷凍機を示す別の概念図である。

【図4】一実施形態に係る凝縮器としてのラジエータを示す概念図である。

【図5】一実施形態に係る冷凍機制御処理を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
なお、同様の構成については同じ符号を付し説明を省略することがある。

【0010】

＜１．冷凍機１の概要＞
図１は、本開示の一実施形態に係る冷凍機１を示す概念図である。冷凍機１による冷凍は、第１冷媒Ｆ１が循環する過程で熱媒体Ｈから熱を抽出することで実現される。熱媒体Ｈは、図示されていない循環路を流れるブラインなどの冷媒であってもよく、この場合、固形物（例えば土）または流体（例えば空気）などであってもよい冷却対象が熱媒体Ｈにより冷却される。なお他の実施形態では、熱媒体Ｈが、冷凍機１の冷却対象となる空気などの流体であってもよい。

【0011】

冷凍機１は、第１冷媒Ｆ１が循環するための冷凍サイクル１０と、第２冷媒Ｆ２が循環するための循環サイクル２０とを備える。冷凍サイクル１０は、第１冷媒Ｆ１を熱媒体Ｈとの熱交換により蒸発させるための蒸発器１１、蒸発器１１から流出する第１冷媒Ｆ１を圧縮するための圧縮機１５、圧縮機１５から送られる圧縮ガスとしての第１冷媒Ｆ１を第２冷媒Ｆ２との熱交換により凝縮させるための凝縮器５０、及び、凝縮器５０から流出する第１冷媒Ｆ１を膨張させるための膨張弁１２を含む。

【0012】

本例の循環サイクル２０は、サーモサイフォン効果を利用して第２冷媒Ｆ２が循環するように構成される。具体的には、循環サイクル２０の構成要素でもある凝縮器５０は、第２冷媒Ｆ２が第１冷媒Ｆ１との熱交換により気化するように構成される。そして、循環サイクル２０は、凝縮器５０にて気化した第２冷媒Ｆ２を冷却するための冷却器２１をさらに含む。冷却器２１は凝縮器５０よりも上方に設けられる。本構成により、凝縮器５０から流出する気相の第２冷媒Ｆ２は上昇して冷却器２１に到達し、冷却器２１による冷却によって凝縮すると自重により凝縮器５０まで戻る。

【0013】

＜２．凝縮器５０の構成の例示＞
図２は、本開示の一実施形態に係る凝縮器５０を示す概念図である。凝縮器５０は、シェル５１と、シェル５１によって収容される流路形成体５２とを有する。シェル５１の内部空間は、循環サイクル２０における第２冷媒Ｆ２の流路の一部を構成しており、第２冷媒Ｆ２の液溜まりＬを収容する。第２冷媒Ｆ２の液溜まりＬに少なくとも一部が浸かる流路形成体５２は、第１冷媒Ｆ１が流れるための流路５５を含む。流路５５は、シェル５１の内部空間とは非連通となっている。

【0014】

本開示の一実施形態に係る凝縮器５０はシェルアンドプレート式の熱交換器である。即ち、流路形成体５２は、積層された複数枚のプレート５７を有するプレート積層体５３である。プレート積層体５３には、第１冷媒Ｆ１の流路５５と、シェル５１の内部空間と連通する連通空間（即ち第２冷媒Ｆ２が進入可能な空間）とが形成されている。プレート積層体５３の具体的構成の一例は、特開２０１２－０５７９００号公報または特開２０１５－１２１３９６号公報などに開示される。また、同図で例示されるシェル５１には、凝縮器５０に流入する液相の第２冷媒Ｆ２をシェル５１の内部空間に噴射するための吐出管５９が設けられており、吐出管５９のノズルから吐出される第２冷媒Ｆ２は、プレート積層体５３に吹きかかる。プレート積層体５３の流路５５を流れる気相の第１冷媒Ｆ１は、第２冷媒Ｆ２と熱交換することにより液化して凝縮器５０から流出する。他方で、熱交換により第２冷媒Ｆ２は気化して凝縮器５０から流出する。

【0015】

上記構成によれば、冷却器２１が凝縮器５０よりも上方に設けられるので、循環サイクル２０ではサーモサイフォン効果を利用することができ、第２冷媒Ｆ２を循環させるための動力を低減できる。また、サーモサイフォン効果を利用するにあたって凝縮器５０では第２冷媒Ｆ２が気化する必要があるところ、第２冷媒Ｆ２がシェル５１によって規定される流路を流れるため、気化する第２冷媒Ｆ２の膨張に起因した圧力損失の影響を低減できる（第２冷媒Ｆ２の気化膨張による凝縮器５０での圧力上昇幅の低下を抑制できる）。これにより、第２冷媒Ｆ２を循環させるための動力低減の効果は更に高まる。さらに、シェル５１に収容される都合により比較的スペース確保が困難な流路形成体５２の流路５５を第２冷媒Ｆ２が流れないので、気化に伴い膨張した第２冷媒Ｆ２が滞りなく流れることができるよう流路形成体５２を大型化する必要もない。従って、凝縮器５０のコンパクト化が図られる。以上より、第１冷媒Ｆ１を第２冷媒Ｆ２との熱交換により凝縮させる凝縮器５０をコンパクト化させ、サーモサイフォン効果を利用して第２冷媒Ｆ２を循環させるための動力を低減した冷凍機１が実現される。
なお他の実施形態では、凝縮器５０はシェルアンドチューブ式の熱交換器であってもよい。この場合、流路形成体５２は、プレート積層体５３である代わりに、複数のチューブ（伝熱管）によって構成され、チューブの内側に第１冷媒Ｆ１の流路が形成される。この場合、吐出管５９は設けられなくてもよい。当該実施形態においても上記利点は得られる。

【0016】

図１で例示される蒸発器１１は、凝縮器５０と同様のシェルアンドプレート式の熱交換器であってもよい。この場合、蒸発器１１を構成するシェルは、第１冷媒Ｆ１の液溜まりを収容し、蒸発器１１を構成するプレート積層体の内部流路を熱媒体Ｈが流れる。上記構成によれば、冷凍サイクル１０を構成する複数の熱交換器が同タイプになるため、冷凍機１の簡素化を図ることができる。なお、凝縮器５０と蒸発器１１の双方がシェルアンドチューブ式の熱交換器であっても、上記利点は得られる。

【0017】

図１、図２で例示される実施形態では、第２冷媒Ｆ２はＨＦＯ冷媒である。上記構成によれば、低いＧＷＰを有するＨＦＯが第２冷媒Ｆ２として採用されることで、環境負荷を低減できる。また、第２冷媒Ｆ２がＨＦＯ冷媒であることで、循環サイクル２０における第２冷媒Ｆ２の圧力を例えば０．２ＭＰａ以下に抑えることができ、冷凍機１の安全性を向上できる。さらには、液体から気体への変化における体積膨張率が比較的大きなＨＦＯ冷媒が、流路形成体５２ではなくシェル５１内の流路５５を流れるので、第２冷媒Ｆ２の気化時の膨張に起因した圧力損失の影響を低減する効果を高めることができる。なお、本例の第１冷媒Ｆ１はアンモニアであり、凝縮器５０の入口におけるアンモニアの温度は約２０℃から３０℃である。ただし、第１冷媒Ｆ１としてプロパンまたはブタンなどのアンモニアとは別の冷媒が採用される実施形態においても、上記利点は得られる。

【0018】

＜２．冷凍機１Ａの具体的構成の例示＞
図３は、本開示の一実施形態に係る冷凍機１Ａ（１）を示す概念図である。一実施形態に係る冷凍機１Ａ（１）は、上述した構成に加えて、コントローラ９０をさらに備える。また、循環サイクル２０は、冷却器２１から流出する第２冷媒Ｆ２を凝縮器５０に送るためのポンプ２５をさらに含む。循環サイクル２０において、第２冷媒Ｆ２を循環させるために設けられる駆動源はポンプ２５のみである。ポンプ２５の個数は１個が好ましいが、複数のポンプ２５が設けられてもよい。

【0019】

本例のコントローラ９０は、圧縮機１５の吐出圧を示す信号（以下、吐出圧信号ともいう）に基づいてポンプ２５を制御するように構成される。本例の吐出圧信号は、圧縮機１５の吐出圧を計測するための圧力センサ８９からコントローラ９０に入力される信号である。他の例として、吐出圧信号は、第１冷媒Ｆ１の流量を計測するための流量センサから出力される信号であってもよい。

【0020】

コントローラ９０によるポンプ２５の制御概要は、一例として以下の通りである。コントローラ９０は、吐出圧信号によって示される吐出圧が閾値以下であるかに応じてポンプ２５の制御を切り替えるように構成される。例えば、冷凍機１Ａに加わる熱負荷が比較的低い場合、コントローラ９０から圧縮機１５に入力される回転数指令が示す回転数は低い。圧縮機１５の回転数が下がるので、吐出圧信号によって示される吐出圧も閾値以下となる。この場合、コントローラ９０は、凝縮器５０に流入する第２冷媒Ｆ２が少なくなるようポンプ２５を制御する。より具体的には、第２冷媒Ｆ２の送液量が規定量以下になるようポンプ２５は制御される。これにより、凝縮器５０に流入する第１冷媒Ｆ１の流量が少ないときには、凝縮器５０に流入する第２冷媒Ｆ２の流量も少なくなる。結果、シェル５１内の液溜まりＬの液面は低下し、流路形成体５２の伝熱面積は低下する。他方で、冷凍機１Ａに加わる熱負荷が比較的高い場合、回転数指令によって示される回転数は多く、吐出圧信号によって示される吐出圧は閾値を上回る。この場合、コントローラ９０は、凝縮器５０に流入する第２冷媒Ｆ２が多くなるようポンプ２５を制御する。

【0021】

上記構成によれば、冷凍機１Ａの熱負荷に応じて変化する吐出圧信号に基づいてポンプ２５が制御され、シェル５１内の第２冷媒Ｆ２の液面高さが調整される。液面高さに応じて流路形成体５２の伝熱面積（つまり凝縮器５０における熱交換量）が変化する。よって、熱負荷に応じて凝縮器５０の熱交換量を制御する冷凍機１Ａが実現される。
なお、本開示では上述したように、第２冷媒Ｆ２がシェル５１によって規定される流路を流れるため、気化する第２冷媒Ｆ２の膨張に起因した圧力損失の影響を低減できる。従って、循環サイクル２０にポンプ２５が設けられる実施形態においては、第２冷媒Ｆ２を循環させるための動力を低減できる結果、ポンプ２５に要求される駆動力も低減でき、冷凍機１の省電力化が図られる。

【0022】

なお、図３で例示される実施形態のように、循環サイクル２０は、ポンプ２５と並列に設けられる圧力調整弁２６をさらに備えてもよい。この場合、コントローラ９０は、吐出圧が閾値以下であるかに応じて、ポンプ２５と共に圧力調整弁２６を制御してもよい。例えば、ポンプ２５の送液量を規定量以下にするときには、ポンプ２５の出口側の圧力が低下するよう、コントローラ９０は圧力調整弁２６を制御してもよい。

【0023】

一実施形態に係るコントローラ９０は、シェル５１内の第２冷媒Ｆ２の液面が規定高さに達した場合、吐出圧信号に関わらず、凝縮器５０への第２冷媒Ｆ２の流入流量が増加しないようポンプ２５を制御するように構成される。例えば、ポンプ２５の送液量が増大したことにより液面が規定高さに到達した時点において、吐出圧信号によって示される吐出圧が閾値を上回っていても、コントローラ９０は凝縮器５０への第２冷媒Ｆ２の流入流量が規定量以下になるようポンプ２５を制御する。なお本例では、液面が規定高さに達したかを、シェル５１に設けられる液面センサ８８の検出結果に基づきコントローラ９０が判定する。液面センサ８８は、例えばレベルスイッチなどの接触型液面センサ、または、超音波センサなどの非接触型液面センサのいずれであってもよい。また、上記の規定高さは、流路形成体５２の上端よりも高い数値で予め設定される。

【0024】

上記構成によれば、吐出圧信号に基づいたポンプ２５の制御を通じて、シェル５１内の液面高さの過度な上昇を抑制できる。これにより、シェル５１における第２冷媒Ｆ２の液溜まりＬの量が過剰になるのを抑制できる。従って、液相の第２冷媒Ｆ２のガス化が阻害されることに起因した凝縮器５０での熱交換量の低下（言い換えると凝縮器５０が発揮する性能の低下）を抑制できる。

【0025】

一実施形態に係るコントローラ９０は、シェル５１内の第２冷媒Ｆ２の液面が上記の規定高さに達した場合、冷凍機１の稼働中（即ち、本例では圧縮機１５とポンプ２５の駆動中）に軽警報（プレアラーム）を発出する制御を実行するように構成される。例えば、コントローラ９０は、冷凍機１に設けられるモニタまたはスピーカの少なくとも一方が軽警報を発出するよう制御する。モニタは液面が規定高さに達したことを示すメッセージを表示すればよいし、スピーカは規定の音を発すればよい。

【0026】

上記構成によれば、シェル５１における第２冷媒Ｆ２の液面高さが、規定高さよりも高い許容上限高さに近づいていることをオペレータは認識でき、オペレータは冷凍機１を稼働させながら処置を施すことができる。より具体的には、オペレータは、冷凍機１Ａによって冷却される冷却対象の目標温度を上げる設定などを行うことができる。なお、上記の許容上限高さは、冷凍機１が定格稼働する場合に許容される液面の上限高さであり、シミュレーションまたは実験の少なくとも一方により特定される。

【0027】

一実施形態に係るコントローラ９０は、シェル５１内の第２冷媒Ｆ２の液面が下限高さよりも低い場合、冷凍機１の稼働を停止させる制御を実行するように構成される。第２冷媒Ｆ２の液面が下限高さよりも低いかは、シェル５１に設けられる液面センサ８７の検出結果に基づきコントローラ９０が判定する。そして、液面が下限高さよりも低いと判定された場合、コントローラ９０は、冷凍機１Ａの駆動源である圧縮機１５及びポンプ２５を停止させる。なお、熱媒体Ｈの循環路に別の駆動源が設けられている実施形態では、該駆動源もあわせて停止する。下限高さは、冷凍機１が定格稼働する場合に許容される液面の上限高さであり、シミュレーションまたは実験の少なくとも一方により特定される。一例として下限高さは、流路形成体５２の上下寸法の２分の１だけ、流路形成体５２の下端から上に離れた位置に相当する。当該位置よりも下限高さは低く設定されてもよい。より具体的な一例として下限高さは、流路形成体５２の下端よりも低くてもよい。なお、液面センサ８７は液面センサ８８と同様のセンサであるが、両センサが、例えば単一の超音波センサによって実現されてもよい。

【0028】

上記構成によれば、第２冷媒Ｆ２の液面が下限高さよりも低く、凝縮器５０が第１冷媒Ｆ１の凝縮機能を著しく失っているときには、冷凍機１Ａの稼働は停止する。これにより、凝縮器５０が凝縮能力を失ったまま冷凍機１Ａが稼働を継続するのを抑制できる。

【0029】

一実施形態に係るコントローラ９０は、圧縮機１５の吐出圧が許容上限値に到達した場合、冷却器２１の稼働を停止させる制御を実行するように構成される。例えば、吐出圧信号によって示される吐出圧が許容上限値以上である場合、吐出圧は許容上限値に到達したと判定され、コントローラ９０は、冷凍機１の稼働を停止させる。このとき、コントローラ９０は、重警報（コールアラーム）を発出する制御を実行するように構成される。例えば、コントローラ９０は、モニタまたはスピーカの少なくとも一方が重警報を発出するよう制御する。上記構成によれば、吐出圧が許容上限値に到達した場合には、冷凍機１の稼働が停止する。流路形成体５２の流路５５の圧力が過剰になるのを抑制できるので、冷凍機１は流路形成体５２の故障を抑制できる。

【0030】

＜３．冷却器２１の具体的構成の例示＞
図４は、本開示の一実施形態に係る冷却器２１を示す概念図である。同図で例示される冷却器２１は、凝縮器５０から流出した第２冷媒Ｆ２が流れる伝熱管２３と、伝熱管２３に送風するためのファン２４と、伝熱管２３から流出する液相の第２冷媒Ｆ２を貯留するためのバッファタンク２９とを含むラジエータ２８である。同図で例示されるバッファタンク２９は、第２冷媒Ｆ２が流れる配管を介してポンプ２５に接続されている。
凝縮器５０から流出する気相の第２冷媒Ｆ２は、伝熱管２３を流れる過程で空気と熱交換して液化する。液相の第２冷媒Ｆ２は伝熱管２３から流出し、バッファタンク２９に貯留される。貯留されるバッファタンク２９は、ポンプ２５の駆動によって凝縮器５０に戻る。

【0031】

本実施形態では、ファン２４の駆動はコントローラ９０によって制御される。より具体的な一例として、コントローラ９０は、圧縮機１５（図１参照）の吐出圧が閾値以下である場合、送風量が下がるようファン２４を制御する。つまり、ポンプ２５によって凝縮器５０に送られる第２冷媒Ｆ２の流量が低く、凝縮器５０における第１冷媒Ｆ１と第２冷媒Ｆ２との熱交換量が低い場合、送風量を下げる制御が実行される。具体的な制御としては、吐出圧信号によって示される吐出圧が閾値以下である場合、コントローラ９０は、ファン２４の回転数の低下させる制御、または、複数設けられるファン２４の少なくとも１つを停止させる制御などを実行する。送風量が下がることにより、ラジエータ２８における第２冷媒Ｆ２と空気との熱交換量も低下し、循環サイクル２０における第２冷媒Ｆ２の放熱量と受熱量との均衡は保たれ、余分な第２冷媒Ｆ２はバッファタンク２９に貯留される。

【0032】

上記構成によれば、冷凍機１によって発揮される冷凍能力が少なくて済むタイミングでは、圧縮機１５の吐出圧が閾値以下であり、凝縮器５０における熱交換量は少ない。この場合、コントローラ９０は、送風量が下がるようファン２４を制御するので、第２冷媒Ｆ２が伝熱管２３の上流部で液化して滞留するのを抑制する。これにより、伝熱管２３で液化した第２冷媒Ｆ２をバッファタンク２９でより確実に貯留することができる。よって、凝縮器５０における熱交換量をより低くでき、より低い熱負荷にも対応した冷凍機１が実現される。

【0033】

なお、他の実施形態では、冷却器２１はバッファタンク２９を備えなくてもよく、液化した第２冷媒Ｆ２が伝熱管２３の下流側部において貯留される構成が採用されてもよい。この場合、ファン２４による送風量が一定であっても、吐出圧に応じてコントローラ９０がポンプ２５を制御することで、伝熱管２３には液相の第２冷媒Ｆ２が貯留される。

【0034】

以上説明したコントローラ９０はプロセッサとメモリとを含む。プロセッサは、ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＭＰＵ、ＤＳＰ、これら以外の各種演算装置、又はこれらの組み合わせである。プロセッサは、ＰＬＤ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、及びＭＣＵ等の集積回路により実現されてもよい。メモリは、プロセッサによって処理されるデータを一時的または非一時的に記憶するように構成される。メモリは、ＲＯＭ、ＲＡＭ、およびフラッシュメモリを含む。プロセッサは、ＲＯＭに記憶される冷凍機制御プログラムをＲＡＭにロードし、ロードした冷凍機制御プログラムに含まれる命令を順に実行する。以下、冷凍機制御プログラムによって実行される処理の詳細を例示する。

【0035】

＜４．冷凍機制御処理＞
図５は、本開示の一実施形態に係る冷凍機制御処理を示すフローチャートである。冷凍機１が例えば定常運転する間、該制御処理は、コントローラ９０のプロセッサ（以下、単にプロセッサともいう）によって実行される。以下の説明では、ステップを「Ｓ」と略記する場合がある。

【0036】

はじめに、プロセッサは、例えば土などの固形物であってもよい冷却対象との熱交換を済ませた熱媒体Ｈの目標温度と、計測により求まる熱媒体Ｈの実温度との偏差である温度偏差を取得する（Ｓ１１）。温度偏差は、冷却対象の目標温度と冷却対象の実温度との偏差であってもよい。プロセッサは、Ｓ１１で取得される温度偏差に基づき圧縮機１５を制御する（Ｓ１３）。Ｓ１３では、プロセッサが圧縮機１５に回転数指令を入力することで、圧縮機１５の回転数が制御される。また、Ｓ１３の実行時、プロセッサは吐出圧信号を取得することで圧縮機１５の吐出圧を特定する。

【0037】

次いで、プロセッサはポンプ２５を制御する（Ｓ１５）。例えば、Ｓ１３で特定された吐出圧が閾値以下である場合には、ポンプ２５の駆動回転数が一定回転数以下になるようプロセッサはポンプ２５に指令を送る。これにより、ポンプ２５によって送液させる第２冷媒Ｆ２の流量が規定量以下になる。他方で、吐出圧が閾値を上回る場合には、ポンプ２５の駆動回転数が一定回転数を上回るようプロセッサはポンプ２５に指令を送る。上記制御により、凝縮器５０における第２冷媒Ｆ２の液溜まりＬの液面は上下に推移する。

【0038】

プロセッサは、液溜まりＬの液面が下限高さよりも低いかを、例えば液面センサ８７の検出結果に基づき判定する（Ｓ１７）。液面が下限高さよりも低いと判定された場合（Ｓ１７：ＹＥＳ）、プロセッサは冷凍機１の稼働を停止し（Ｓ２７）、処理を終了する。液面が下限高さ以上であると判定された場合（Ｓ１７：ＮＯ）、プロセッサは、液溜まりＬの液面が規定高さに達したかを判定する（Ｓ１９）。例えば、液面センサ８８の検出結果に基づき液面が規定高さ以上であると判定された場合（Ｓ１９：ＹＥＳ）プロセッサは軽警報を発出する（Ｓ２１）。軽警報を発出する処理の具体的内容は既述の通りであり、このとき冷凍機１は稼働を継続する。

【0039】

液面が規定高さに達していないと判定された場合（Ｓ１９：ＮＯ）、プロセッサは、吐出圧が許容上限値に到達したかを、例えば圧力センサ８９の検出結果に基づき判定する（Ｓ２３）。吐出圧が許容上限値以上であると判定された場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）、プロセッサは、重警報を発出する制御を実行して（Ｓ２５）、冷凍機１の稼働を停止する（Ｓ２７）。重警報を発出する処理の具体的内容は既述の通りである。

【0040】

プロセッサは、Ｓ１３で取得した吐出圧に基づきファン２４を制御する。具体的には、吐出圧が閾値以下である場合、送風量が下がるようプロセッサはファン２４を制御する。他方で、吐出圧が閾値を上回る場合、プロセッサは、送風量が増加するようプロセッサはファン２４を制御し、処理を終了する。

【0041】

＜５．まとめ＞
上述した幾つかの実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握されるものである。

【0042】

１）本開示の一実施形態に係る冷凍機（１）は、
第１冷媒（Ｆ１）を第２冷媒（Ｆ２）との熱交換により凝縮させるための凝縮器（５０）を含む冷凍サイクル（１０）と、
前記凝縮器よりも上方に設けられると共に前記凝縮器にて気化した前記第２冷媒を冷却させるための冷却器（１）を含む循環サイクル（２０）と
を備え、
前記凝縮器は、
前記第１冷媒が流れるための流路（５５）を含む流路形成体（５２）と、
前記流路形成体の少なくとも一部が浸かる前記第２冷媒の液溜まり（Ｌ）を収容するシェル（５１）と
を含む。

【0043】

上記１）の構成によれば、冷却器が凝縮器よりも上方に設けられるので、循環サイクルではサーモサイフォン効果を利用することができ、第２冷媒を循環させるための動力を低減できる。また、サーモサイフォン効果を利用するにあたって凝縮器にて気化する必要のある第２冷媒が、シェルによって規定される流路を流れるため、第２冷媒の膨張に起因した圧力損失の影響を低減でき、第２冷媒を循環させるための動力低減の効果は更に高まる。さらに、比較的スペースの確保が困難な流路形成体の流路を第２冷媒が流れないので、気化に伴い膨張した第２冷媒が滞りなく流れることができるよう流路形成体を大型化する必要もない。従って、凝縮器のコンパクト化が図られる。以上より、第１冷媒を第２冷媒との熱交換により凝縮させる凝縮器をコンパクト化させ、サーモサイフォン効果を利用して第２冷媒を循環させるための動力を低減した冷凍機が実現される。

【0044】

２）幾つかの実施形態では、上記１）に記載の冷凍機であって、
前記第１冷媒を圧縮ガスとして前記凝縮器に送るための圧縮機（１５）と、
コントローラ（９０）と
をさらに備え、
前記循環サイクルは、前記冷却器から流出する前記第２冷媒を前記凝縮器に送るためのポンプ（２５）をさらに含み、
前記コントローラは、前記圧縮機の吐出圧を示す信号に基づいて、前記ポンプを制御するように構成される。

【0045】

上記２）の構成によれば、冷凍機の熱負荷に応じて変化する吐出圧を示す信号に基づいてポンプが制御され、シェル内の第２冷媒の液面高さが調整される。液面高さに応じて流路形成体の伝熱面積（つまり凝縮器における熱交換量）が変化する。よって、熱負荷に応じて凝縮器の熱交換量を制御する冷凍機が実現される。

【0046】

３）幾つかの実施形態では、上記２）に記載の冷凍機であって、
前記コントローラは、前記シェル内の前記第２冷媒の液面が規定高さに達した場合、前記吐出圧を示す信号に関わらず、前記凝縮器への前記第２冷媒の流入流量が増加しないよう前記ポンプを制御するように構成される。

【0047】

上記３）の構成によれば、吐出圧を示す信号に基づいたポンプの制御を通じて、シェル内の液面高さの過度な上昇を抑制できる。これにより、シェルにおける第２冷媒の液溜まりの量が過剰になるのを抑制できる。従って、液相の第２冷媒のガス化が阻害されることに起因した凝縮器での熱交換量の低下（言い換えると凝縮器が発揮する性能の低下）を抑制できる。

【0048】

４）幾つかの実施形態では、上記２）または３）に記載の冷凍機であって、
前記コントローラは、前記シェル内の前記第２冷媒の液面が規定高さに達した場合、冷凍機の稼働中に警報を発出する制御を実行するように構成される。

【0049】

上記４）の構成によれば、シェルにおける第２冷媒の液面高さが許容上限高さに近づいていることをオペレータは認識でき、オペレータは冷凍機を稼働させながら処置を施すことができる。

【0050】

５）幾つかの実施形態では、上記１）から４）のいずれかに記載の冷凍機であって、
前記シェル内の前記第２冷媒の液面が下限高さよりも低い場合、前記冷凍機の稼働を停止させる制御を実行するように構成されるコントローラ（９０）をさらに備える。

【0051】

上記５）の構成によれば、第２冷媒の液面が下限高さよりも低く、凝縮器が第１冷媒の凝縮機能を著しく失っているときには、冷凍機の稼働は停止する。凝縮器が凝縮能力を失ったまま冷凍機が稼働を継続するのを抑制できる。

【0052】

６）幾つかの実施形態では、上記１）から５）のいずれかに記載の冷凍機であって、
前記第１冷媒を圧縮ガスとして前記凝縮器に送るための圧縮機（１５）と、
コントローラ（９０）と
をさらに備え、
前記冷却器は、前記第２冷媒が流れる伝熱管（２３）と、前記伝熱管に送風するためのファン（２４）と、前記伝熱管から流れる液相の前記第２冷媒を貯留するためのバッファタンク（２９）とを含むラジエータ（２８）であり、
前記コントローラは、前記圧縮機の吐出圧が閾値以下である場合、送風量が下がるよう前記ファンを制御するように構成される。

【0053】

上記６）の構成によれば、冷凍機によって発揮される冷凍能力が少なくて済むタイミングでは、圧縮機の吐出圧が閾値以下であり、凝縮器における熱交換量は少ない。この場合、コントローラは、送風量が下がるようファンを制御するので、第２冷媒が伝熱管の上流部で液化して滞留するのを抑制する。これにより、伝熱管で液化した第２冷媒をバッファタンクでより確実に貯留することができる。よって、余分な第２冷媒をバッファタンクに貯留することにより、凝縮器における熱交換量をより低くでき、より低い熱負荷にも対応した冷凍機が実現される。

【0054】

７）幾つかの実施形態では、上記１）から６）のいずれかに記載の冷凍機であって、
前記第２冷媒は、ＨＦＯ冷媒である。

【0055】

上記７）の構成によれば、低いＧＷＰを有するＨＦＯが第２冷媒として採用されることで、環境負荷を低減できる。また、第２冷媒がＨＦＯ冷媒であることで、循環サイクルにおける第２冷媒の圧力を例えば０．２ＭＰａ以下に抑えることができ、冷凍機の安全性を向上できる。さらには、液体から気体への変化における体積膨張率が比較的大きなＨＦＯ冷媒が、流路形成体ではなくシェル内の流路を流れるので、第２冷媒の気化時の膨張に起因した圧力損失の影響を低減する効果を高めることができる。

【0056】

８）幾つかの実施形態では、上記１）から７）のいずれかに記載の冷凍機であって、
前記循環サイクルは、前記冷却器から流出する前記第２冷媒を前記凝縮器に送るためのポンプ（２５）をさらに含み、
前記冷凍機は、
前記第１冷媒を圧縮ガスとして前記凝縮器に送るための圧縮機（１５）と、
前記圧縮機の吐出圧を示す信号に基づいて、前記ポンプを制御するように構成されるコントローラ（９０）と
をさらに備え、
前記コントローラは、
前記圧縮機の吐出圧が許容上限値に達した場合、前記冷凍機の冷凍動作を停止させる制御を実行するように構成される。

【0057】

上記８）の構成によれば、吐出圧が許容上限に達した場合には、コントローラは冷凍機の稼働を停止させる制御を実行する。これにより、流路形成体の流路圧力が過剰になるのを抑制できるので、冷凍機の故障を回避することができる。

【符号の説明】

【0058】

１、１Ａ ：冷凍機
１０ ：冷凍サイクル
１５ ：圧縮機
２０ ：循環サイクル
２１ ：冷却器
２３ ：伝熱管
２４ ：ファン
２５ ：ポンプ
２８ ：ラジエータ
２９ ：バッファタンク
５０ ：凝縮器
５１ ：シェル
５２ ：流路形成体
５５ ：流路
９０ ：コントローラ
Ｆ１ ：第１冷媒
Ｆ２ ：第２冷媒
Ｌ ：液溜まり

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】