JP7130067B2

JP7130067B2 - 冷凍装置

Info

Publication number: JP7130067B2
Application number: JP2020570272A
Authority: JP
Inventors: 智隆石川; 英希大野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2019-02-06
Publication date: 2022-09-02
Anticipated expiration: 2039-02-06
Also published as: JPWO2020161838A1; WO2020161838A1

Description

本発明は、除霜運転を行なう冷凍装置に関する。

従来、除霜運転を行なう冷凍装置が知られている。たとえば、特開２０１６－２２３６８８号公報（特許文献１）には、冷媒が並列に流れるように２つの蒸発器が配置されたショーケースが開示されている。当該ショーケースによれば、一方の蒸発器が除霜運転パターンであるときに他方の蒸発器を通常運転パターンとすることにより、除霜運転の間、ショーケースの冷却能力を保ちながら、ショーケースの保冷室内の温度上昇を防ぐことができる。

特開２０１６－２２３６８８号公報

特許文献１に開示されているショーケースにおいては、凝縮器からの液体の冷媒（液冷媒）が受液器に貯留される。除霜運転パターンの蒸発器に受液器から流入する液冷媒が蒸発圧力調整弁により圧縮されることにより、当該液冷媒の温度が上昇する。しかし、受液器が配置されている空間（たとえば室外空間）によっては液冷媒の温度が想定以上に低下し、蒸発圧力調整弁によっても除霜に必要な温度まで液冷媒の温度を上昇させることが困難になり得る。その結果、ショーケースの除霜能力が不足し得る。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、冷凍装置の周囲の環境によらず、冷凍装置の除霜能力を確保することである。

本発明に係る冷凍装置は、通常運転と除霜運転とを行なう。冷凍装置は、圧縮機と、第１熱交換器と、第２熱交換器と、第１膨張弁と、減圧部と、送風装置とを備える。送風装置は、第１熱交換器に送風する。冷媒は、圧縮機、第１熱交換器、第１膨張弁、第２熱交換器、および減圧部の順に循環する。除霜運転における第１膨張弁の開度は、通常運転における第１膨張弁の開度よりも大きい。除霜運転における減圧部の流路抵抗は、通常運転における減圧部の流路抵抗よりも大きい。除霜運転における送風装置の単位時間当たりの送風量は、通常運転における送風装置の単位時間当たりの送風量よりも小さい。

本発明に係る冷凍装置によれば、除霜運転における送風装置の単位時間当たりの送風量が通常運転における送風装置の単位時間当たりの送風量よりも小さいことにより、冷凍装置の周囲の環境によらず、除霜能力を確保することができる。

実施の形態１に係る冷凍装置の構成および通常運転における運転状態を示す機能ブロック図である。実施の形態１に係る冷凍装置の構成および除霜運転における運転状態を示す機能ブロック図である。実施の形態２に係る冷凍装置の構成および通常運転における運転状態を示す機能ブロック図である。実施の形態２に係る冷凍装置の構成および除霜運転における運転状態を示す機能ブロック図である。実施の形態２の変形例に係る冷凍装置の構成を示す機能ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則として繰り返さない。

実施の形態１．
図１および図２は、実施の形態１に係る冷凍装置１００の構成を示す機能ブロック図である。図１は、通常運転における冷凍装置１００の運転状態を示す。図２は、除霜運転における冷凍装置１００の運転状態を示す。図１および図２においては、全開の膨張弁が点線で示されている。実施の形態２において参照される図３～図５においても同様である。

図１に示されるように、冷凍装置１００は、圧縮機１と、凝縮器２（第１熱交換器）と、膨張弁３Ａ（第１膨張弁）と、蒸発器４（第２熱交換器）と、膨張弁３Ｂ（減圧部および第２膨張弁）と、ファン５Ａ（送風装置）と、ファン５Ｂと、制御装置１０とを備える。

制御装置１０は、処理回路を含む。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいし、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）であってもよい。処理回路が専用のハードウェアである場合、処理回路は、たとえば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)、あるいはこれらを組み合わせたものが該当する。処理回路がＣＰＵの場合、制御装置１０の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアあるいはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリに格納される。処理回路は、メモリに記憶されたプログラムを読み出して実行する。メモリには、不揮発性または揮発性の半導体メモリ（たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、あるいはＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory））、および磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、あるいはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）が含まれる。なお、ＣＰＵは、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、あるいはＤＳＰ（Digital Signal Processor）とも呼ばれる。

冷凍装置１００においては、通常運転が第１基準時間継続された後に除霜運転が開始され、除霜運転が第２基準時間継続された後に通常運転が再開される。除霜運転は、蒸発器４の周囲の温度が第１基準温度より小さい場合に開始されてもよい。第１基準温度は、蒸発器４における霜の発生を示す温度である。除霜運転は、蒸発器４の周囲の温度が第２基準温度より大きい場合に終了されてもよい。第２基準温度は、蒸発器４の霜の融解の完了を示す温度である。第１基準時間および第２基準時間、ならびに第１基準温度および第２基準温度は、実機実験あるいはシミュレーションによって適宜決定することができる。

通常運転および除霜運転のいずれにおいても冷媒は、圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３Ａ、蒸発器４、および膨張弁３Ｂの順に循環する。ファン５Ａは、凝縮器２に送風し、凝縮器２における冷媒と空気との熱交換を促進する。ファン５Ｂは、蒸発器４に送風し、蒸発器４における冷媒と空気との熱交換を促進する。

制御装置１０は、通常運転において圧縮機１に吸入される冷媒（あるいは蒸発器４から流出する冷媒）の過熱度が目標値となるように膨張弁３Ａの開度を制御する（過熱度制御）。制御装置１０は、通常運転において膨張弁３Ｂを全開とする。

図２に示されるように、制御装置１０は、除霜運転において膨張弁３Ｂの開度を全開よりも小さくして膨張弁３Ｂの減圧作用を増加させる。制御装置１０は、除霜運転における膨張弁３Ａの開度を全開とする。なお、除霜運転における膨張弁３Ａの開度が通常運転における膨張弁３Ａの開度よりも大きければよく、膨張弁３Ａの開度は、必ずしも全開とされる必要はない。

制御装置１０は、除霜運転におけるファン５Ａの単位時間当たりの送風量を通常運転におけるファン５Ａの単位時間当たりの送風量よりも小さくし、凝縮器２における冷媒と空気との熱交換効率を低下させる。除霜運転においてファン５Ａは停止されてもよい。その結果、除霜運転において蒸発器４に流入する冷媒の温度は、通常運転において蒸発器４に流入する冷媒の温度よりも高くなる。蒸発器４は、凝縮器２からの冷媒の熱によって除霜される。なお、通常運転よりも単位時間当たりの送風量が低減されていることを示すため、図２においてファン５Ａは点線で示されている。

冷凍装置１００においては、除霜運転の間、凝縮器２における冷媒の温度低下が抑制されるため、凝縮器２の配置されている空間の温度によらず、蒸発器４を除霜することができる。冷凍装置１００においては蒸発器４を除霜するための加熱装置が不要であるとともに、冷媒の循環方向を変える構成が不要であるため、冷凍装置１００の製造コストを低減することができる。冷凍装置１００においては冷媒の熱を用いて配管の内部から蒸発器４を除霜するため、冷媒の熱が冷凍装置１００の外部に放出されることが抑制され、省エネルギー化が実現される。冷凍装置１００における除霜運転は、冷媒の循環方向を逆にして蒸発器を凝縮器として機能させて冷媒の凝縮熱によって当該蒸発器の除霜を行なうリバース除霜運転とは異なるため、蒸発器４から冷凍装置１００の冷却対象が配置された空間（庫内空間）への放熱が抑制される。

以上、実施の形態１に係る冷凍装置によれば、冷凍装置の周囲の環境によらず、冷凍装置の除霜能力を確保することができる。

実施の形態２．
図３および図４は、実施の形態２に係る冷凍装置２００の構成を示す機能ブロック図である。図３は、通常運転における冷凍装置２００の運転状態を示す。図４は、除霜運転における冷凍装置２００の運転状態を示す。

図３に示されるように、冷凍装置２００は、圧縮機１１と、凝縮器１２（第１熱交換器）と、膨張弁１３Ａ（第１膨張弁）と、蒸発器１４（第２熱交換器）と、ファン１５Ａ（送風装置）と、ファン１５Ｂと、減圧部３０と、アキュムレータ１８と、レシーバ１９と、過冷却器２１（第３熱交換器）と、内部熱交換器２２（第４熱交換器）と、膨張弁２３（第３膨張弁）と、開閉弁２４（第２弁）と、開閉弁２５（第３弁）と、制御装置２０とを備える。減圧部３０は、膨張弁１３Ｂ（第２膨張弁）と、開閉弁１６（第１弁）とを含む。

レシーバ１９は、過冷却器２１および凝縮器１２の間に接続されている。内部熱交換器２２は、過冷却器２１および膨張弁１３Ａの間に接続されている。アキュムレータ１８は、減圧部３０および圧縮機１１の間に接続されている。膨張弁２３および開閉弁２４は、内部熱交換器２２および膨張弁１３Ａの間の流路と、減圧部３０およびアキュムレータ１８の間の流路との間にこの順に直列に接続されている。

圧縮機１１は、圧縮機１１の圧縮機構に連通するインジェクションポートＰｊを有する。内部熱交換器２２および開閉弁２５は、膨張弁２３および開閉弁２４の間の流路と、インジェクションポートＰｊとの間においてこの順に直列に接続されている。全開の膨張弁１３Ｂの流路抵抗は、開放されている開閉弁１６の流路抵抗よりも大きい。

制御装置２０は、処理回路を含む。処理回路は、実施の形態１と同様に、専用のハードウェアであってもよいし、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵであってもよい。

冷凍装置２００においても実施の形態１と同様に、通常運転が第１基準時間継続された後に除霜運転が開始され、除霜運転が第２基準時間継続された後に通常運転が再開される。除霜運転は、蒸発器１４の周囲の温度が第１基準温度より小さい場合に開始されてもよい。除霜運転は、蒸発器１４の周囲の温度が第２基準温度より大きい場合に終了されてもよい。

通常運転および除霜運転のいずれにおいても冷媒は、圧縮機１１、凝縮器１２、レシーバ１９、過冷却器２１、内部熱交換器２２、膨張弁１３Ａ、蒸発器１４、減圧部３０、およびアキュムレータ１８の順に循環する。ファン１５Ａは、凝縮器１２に送風し、凝縮器１２における冷媒と空気との熱交換を促進する。ファン１５Ｂは、蒸発器１４に送風し、蒸発器１４における冷媒と空気との熱交換を促進する。ファン１５Ｃは、過冷却器２１に送風し、過冷却器２１における冷媒と空気との熱交換を促進する。

制御装置２０は、通常運転において圧縮機１１に吸入される冷媒（あるいは蒸発器１４から流出する冷媒）の過熱度が目標値となるように膨張弁１３Ａおよび膨張弁２３の開度を制御する（過熱度制御）。制御装置２０は、通常運転において膨張弁１３Ｂを閉止するとともに開閉弁１６を開放する。制御装置２０は、通常運転において開閉弁２４を閉止するとともに開閉弁２５を開放する。

過冷却器２１は、レシーバ１９からの飽和液の冷媒を冷却し、冷媒の過冷却度を増加させる。内部熱交換器２２においては、過冷却器２１からの冷媒と膨張弁２３によって減圧された冷媒との間で熱交換が行なわれ、過冷却器２１からの冷媒が冷却される。内部熱交換器２２からの冷媒がインジェクションポートＰｊから圧縮機１１に吸入されることにより、圧縮機１１から吐出される冷媒の温度（吐出温度）が抑制される。アキュムレータ１８は、減圧部３０からの冷媒に含まれる液冷媒を貯留し、圧縮機１１に液冷媒が吸入されることを防止する。

図４に示されるように、制御装置２０は、除霜運転において開閉弁１６を閉止するとともに膨張弁１３Ｂの開度を制御して蒸発器１４からの冷媒を減圧する。制御装置２０は、除霜運転における膨張弁１３Ａの開度を全開とする。なお、除霜運転における膨張弁１３Ａの開度が通常運転における膨張弁１３Ａの開度よりも大きければよく、膨張弁１３Ａの開度は、必ずしも全開とされる必要はない。膨張弁１３Ａの開度が増加されることにより圧縮機１１に吸入される冷媒の乾き度が減少するため、吐出温度が抑制される。

制御装置２０は、除霜運転におけるファン１５Ａの単位時間当たりの送風量を通常運転におけるファン１５Ａの単位時間当たりの送風量よりも小さくし、凝縮器１２における冷媒と空気との熱交換効率を低下させる。制御装置２０は、除霜運転におけるファン１５Ｃの単位時間当たりの送風量を通常運転におけるファン１５Ｃの単位時間当たりの送風量よりも小さくし、過冷却器２１における冷媒と空気との熱交換効率を低下させる。除霜運転においてファン１５Ａおよび１５Ｃは停止されてもよい。

制御装置２０は、除霜運転において開閉弁２５を閉止する。過冷却器２１からの冷媒は、内部熱交換器２２において膨張弁２３からの冷媒によって冷却されない。制御装置２０は、除霜運転において開閉弁２４を開放する。レシーバ１９内のほとんどの液冷媒がアキュムレータ１８に移動するため、レシーバ１９から流出する冷媒が気液二相状態となる。その結果、当該冷媒の比エンタルピが飽和液の冷媒よりも増加する。

除霜運転において蒸発器１４に流入する冷媒の温度は、通常運転において蒸発器１４に流入する冷媒の温度よりも高くなる。蒸発器１４は、凝縮器１２からの冷媒の熱によって除霜される。なお、通常運転よりも単位時間当たりの送風量が低減されていることを示すため、図４においてファン１５Ａおよび１５Ｃは点線で示されている。後に説明する図５においても同様である。

冷凍装置２００においては、除霜運転の間、凝縮器１２および過冷却器２１における冷媒の温度低下が抑制されるため、凝縮器１２および過冷却器２１の配置されている空間の温度によらず、蒸発器１４を除霜することができる。冷凍装置２００においては蒸発器１４を除霜するための加熱装置が不要であるとともに、冷媒の循環方向を変える構成が不要であるため、冷凍装置２００の製造コストを低減することができる。冷凍装置２００においては冷媒の熱を用いて配管の内部から蒸発器１４を除霜するため、冷媒の熱が冷凍装置２００の外部に放出されることが抑制され、省エネルギー化が実現される。冷凍装置２００における除霜運転は、冷媒の循環方向を逆にして蒸発器を凝縮器として機能させて冷媒の凝縮熱によって当該蒸発器の除霜を行なうリバース除霜運転とは異なるため、蒸発器１４から冷凍装置２００の冷却対象が配置された空間（庫内空間）への放熱が抑制される。

なお、図５に示される冷凍装置２００Ａのように、除霜運転において減圧部３０と圧縮機１１との間を流れる冷媒が加熱されてもよい。冷凍装置２００Ａの構成は、図４に示される冷凍装置２００の構成に加熱装置１７が加えられているとともに、制御装置２０が２０Ａに置き換えられた構成である。これら以外は同様であるため、説明を繰り返さない。制御装置２０Ａは、通常運転において加熱装置１７を停止し、除霜運転において加熱装置１７を動作させる。

冷凍装置２００Ａにおいては、除霜運転の間、減圧部３０からの冷媒が加熱装置１７によって加熱されることにより当該冷媒の乾き度が増加する。加熱装置１７およびアキュムレータ１８により、除霜運転において圧縮機１１に液冷媒が吸入されることが防止される。

以上、実施の形態２および変形例に係る冷凍装置によれば、冷凍装置の周囲の環境によらず、冷凍装置の除霜能力を確保することができる。

今回開示された各実施の形態は、矛盾しない範囲で適宜組み合わせて実施することも予定されている。今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１１圧縮機、２，１２凝縮器、３Ａ，３Ｂ，１３Ａ，１３Ｂ，２３膨張弁
４，１４蒸発器、５Ａ，５Ｂ，１５Ａ～１５Ｃファン、１０，２０，２０Ａ制御装置、１６，２４，２５開閉弁、１７加熱装置、１８アキュムレータ、１９レシーバ、２１過冷却器、２２内部熱交換器、３０減圧部、１００，２００，２００Ａ冷凍装置、Ｐｊインジェクションポート。

Claims

通常運転と除霜運転とを行なう冷凍装置であって、
圧縮機と、
第１熱交換器と、
冷却対象が配置される庫内空間を前記通常運転において冷却する第２熱交換器と、
第１膨張弁と、
減圧部と、
前記第１熱交換器に送風する送風装置とを備え、
冷媒は、前記圧縮機、前記第１熱交換器、前記第１膨張弁、前記第２熱交換器、および前記減圧部の順に循環し、
前記除霜運転における前記第１膨張弁の開度は、前記通常運転における前記第１膨張弁の開度よりも大きく、
前記除霜運転における前記減圧部の流路抵抗は、前記通常運転における前記減圧部の流路抵抗よりも大きく、
前記除霜運転における前記送風装置の単位時間当たりの送風量は、前記通常運転における前記送風装置の単位時間当たりの送風量よりも小さい、冷凍装置。
前記除霜運転において前記第１膨張弁の開度を前記通常運転における前記第１膨張弁の開度よりも増加させる制御装置をさらに備える、請求項１に記載の冷凍装置。
前記減圧部は、第２膨張弁を含み、
前記制御装置は、前記通常運転における前記第２膨張弁の開度を前記除霜運転における前記第２膨張弁の開度よりも増加させる、請求項２に記載の冷凍装置。
前記減圧部は、前記第２熱交換器と前記圧縮機との間において並列に接続された第２膨張弁および第１弁を含み、
前記制御装置は、前記通常運転において前記第２膨張弁を閉止するとともに前記第１弁を開放し、前記除霜運転において前記第２膨張弁を開放して前記第２膨張弁の開度を制御するとともに前記第１弁を閉止する、請求項２に記載の冷凍装置。
第３熱交換器と、
前記第３熱交換器および前記第１熱交換器の間に接続されたレシーバと、
前記第３熱交換器および前記第１膨張弁の間に接続された第４熱交換器と、
前記減圧部および前記圧縮機の間に接続されたアキュムレータと、
第３膨張弁と、
第２弁および第３弁とをさらに備え、
前記第３膨張弁および前記第２弁は、前記第３熱交換器および前記第１膨張弁の間の流路と、前記減圧部および前記アキュムレータの間の流路との間にこの順に直列に接続され、
前記圧縮機は、前記圧縮機の圧縮機構に連通するインジェクションポートを有し、
前記第４熱交換器および前記第３弁は、前記第３膨張弁および前記第２弁の間の流路と、前記インジェクションポートとの間においてこの順に直列に接続され、
前記制御装置は、前記通常運転において前記第２弁を閉止するとともに前記第３弁を開放し、前記除霜運転において前記第２弁を開放するとともに前記第３弁を閉止する、請求項２～４のいずれか１項に記載の冷凍装置。
前記減圧部と前記圧縮機との間を流れる前記冷媒を加熱する加熱装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記通常運転において前記加熱装置を停止し、前記除霜運転において前記加熱装置を動作させる、請求項２～５のいずれか１項に記載の冷凍装置。
前記通常運転が行われる時間帯は、前記除霜運転が行われる時間帯に重ならない、請求項１～６のいずれか１項に記載の冷凍装置。
前記減圧部からの前記冷媒は、熱交換器を介さずに前記圧縮機に至る、請求項１～７のいずれか１項に記載の冷凍装置。
通常運転と除霜運転とを行なう冷凍装置であって、
圧縮機と、
第１熱交換器と、
第２熱交換器と、
第１膨張弁と、
減圧部と、
前記第１熱交換器に送風する送風装置と、
第３熱交換器と、
前記第３熱交換器および前記第１熱交換器の間に接続されたレシーバと、
前記第３熱交換器および前記第１膨張弁の間に接続された第４熱交換器と、
前記減圧部および前記圧縮機の間に接続されたアキュムレータと、
第３膨張弁と、
第２弁および第３弁とを備え、
冷媒は、前記圧縮機、前記第１熱交換器、前記第１膨張弁、前記第２熱交換器、および前記減圧部の順に循環し、
前記除霜運転における前記第１膨張弁の開度は、前記通常運転における前記第１膨張弁の開度よりも大きく、
前記除霜運転における前記減圧部の流路抵抗は、前記通常運転における前記減圧部の流路抵抗よりも大きく、
前記除霜運転における前記送風装置の単位時間当たりの送風量は、前記通常運転における前記送風装置の単位時間当たりの送風量よりも小さく、
前記第３膨張弁および前記第２弁は、前記第３熱交換器および前記第１膨張弁の間の流路と、前記減圧部および前記アキュムレータの間の流路との間にこの順に直列に接続され、
前記圧縮機は、前記圧縮機の圧縮機構に連通するインジェクションポートを有し、
前記第４熱交換器および前記第３弁は、前記第３膨張弁および前記第２弁の間の流路と、前記インジェクションポートとの間においてこの順に直列に接続されている、冷凍装置。
前記通常運転において前記第２弁を閉止するとともに前記第３弁を開放し、前記除霜運転において前記第２弁を開放するとともに前記第３弁を閉止する制御装置をさらに備える、請求項９に記載の冷凍装置。