WO2017221287A1

WO2017221287A1 - 冷却装置

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Publication number: WO2017221287A1
Application number: PCT/JP2016/068198
Authority: WO
Inventors: 智典小島; 英希大野
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2017-12-28
Also published as: JPWO2017221287A1; JP6628878B2; US10788256B2; US20190128590A1

Abstract

　冷却運転開始時に、高圧液冷媒による液ハンマーから主冷媒回路の電子制御式膨張弁を保護することのできる冷却装置を得るものである。この冷却装置は、圧縮機１、凝縮器２、主開閉弁３、冷媒流量可変の膨張弁４、および蒸発器５が冷媒配管１３を介して連結されて成る主冷媒回路Ｍと、主冷媒回路Ｍにおける圧縮機１の冷媒出側と蒸発器５の冷媒入側とをつないでいるとともに弁装置１６（１０－Ａ，１０－Ｂ）を有する除霜冷媒回路Ｓと、除霜冷媒回路Ｓの弁装置１１、主冷媒回路Ｍの膨張弁４および主開閉弁３を制御する制御装置ＣＰと、を備え、制御装置ＣＰは、冷却運転開始時に弁装置１１を開いて、圧縮機１から高圧冷媒を除湿冷媒回路Ｓを介して蒸発器５に流したのちに、主開閉弁３および膨張弁４を開くとともに、弁装置１１を閉じるように構成されている。

Description

冷却装置

　この発明は、冷却装置に係り、特に冷却運転開始時における高密度で高圧の冷媒による液ハンマーからの膨張弁の保護、異常音を抑制するための制御に関するものである。

　従来の冷却装置に搭載されている電磁弁および膨張弁は分離・独立型でありそれぞれの機器を配管で接続し冷媒回路を構成している。冷蔵庫（室）の温度が上昇し運転開始指令が出力されると閉弁していた電磁弁を開弁し冷媒を流出させる。その際に電磁弁でせきとめられていた冷媒は冷蔵庫内の低温空気により過冷却がついた状態であり、冷媒の密度が高いまま冷媒回路内に流出する。過冷却とは、液冷媒が飽和温度よりも低温で沸騰しない、つまり、液状態からガス状態に変化しない状態を言う。過冷却度が高ければ高いほど冷媒の密度も大きくなり、その過冷却の付いた密度の高い冷媒が、膨張弁に衝突したときに発生する過大な圧力衝撃が液ハンマーと呼ばれるものである。

液ハンマー現象を防止するために、使用する電磁弁を電子制御式膨張弁とし、電子制御式膨張弁の下流側に電磁弁を配置することで改善しようとする冷却装置が知られている（例えば、特許文献1参照）。

　また、液ハンマー現象は液状の冷媒（液冷媒）の密度に関係しており、液密度が高くなればなるほど衝撃圧も高くなる。そこで、衝撃圧を低下させるため液密度を低下させる制御を冷凍装置に組み込む方法が提案されている。具体的には、液冷媒の過冷却を抑制するように制御することができる冷凍装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、液密度を小さくするために、電磁弁の上流側の配管にヒータを巻きつけ加熱できるようにし、加熱により液冷媒の温度を上昇させることで、液冷媒における液密度を低下させるようにする冷凍装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００８－２４１２３８号公報特開２００７－２２５２５８号（特許第４４７６９４６号）公報特開平１１－３２５６５４号公報

　近年、省エネルギー、オゾン層破壊防止、地球温暖化防止などの目的から、ＣＯ２等のような高密度化された冷媒が用いられていく傾向がある。これは、冷凍・空調機の冷媒のほとんどがフロンからＨＣＦＣやＨＦＣに置き換えられてきたが、ＨＣＦＣの場合、ＣＦＣ(特定フロン)ほど強力ではないものの、オゾン層を破壊する性質があり、また、代表的な代替フロンＨＦＣには、オゾン層を破壊するおそれがない代わりに、強力な温室効果があるものも存在し、地球温暖化防止の観点からすると、冷媒として使用されているＨＦＣが、使用中や廃棄時に漏洩し、不用意に放出された際に、ＣＯ２に比べて排出総量は少なくとも、地球温暖化に与える影響はあるものと考えられているためである。
このように高密度化された冷媒に注目が集まる中、液ハンマー現象は液冷媒の密度と大きく関係しており、密度が高くなるほど発生する衝撃圧力も大きくなる。例えば、Ｒ４０４ＡとＲ４１０Ａを比較した場合、Ｒ４１０Ａの液密度のほうが高く、衝撃圧はＲ４０４Ａに対し、約１．４倍の衝撃圧になる。この衝撃圧差は、接続する配管仕様、部品仕様に大きく影響し、圧力に対する許容値の低い誤った仕様の部品を使用した際には、製品寿命前に故障する恐れがある。

また、例えば、電磁弁が閉開弁する回数は１時間に４～６回あり、製品の寿命期間である１０年間では３５万回～５３万回にも達するため、圧力に耐え得る仕様とすることが必要である。

　このため、このような高い衝撃圧を繰り返し加えられることにより、膨張弁が損傷するおそれがある。膨張弁が損傷し作動しなくなることで冷媒回路中において膨張行程を正常に行うことができず、冷蔵室の温度上昇を引き起こし、収容物の品質低下を招くおそれがある。これは、凝縮された高圧の液冷媒が膨張弁の損傷により減圧されず、低圧の液冷媒とならないことで、飽和液の圧力より冷媒の圧力が低くならず、蒸発器にて冷媒が蒸発しないために、冷媒が外部空気（冷蔵室内の空気）の熱を吸収することができなくなり、結果冷蔵庫内の空気温度が上昇してしまうためである。
また、逆に膨張弁の開度が閉じすぎている際には、冷媒の循環量の低下および低圧の異常低下、圧縮機からの吐出ガス温度の異常上昇を引き起こし、冷却装置の寿命を縮める可能性もある。更に、液ハンマーによる衝撃により、冷媒が部品に衝突する際に非常に大きな異常音および異常振動が発生し、顧客からのクレームにつながることにもなる。

また、その衝撃圧が接続配管に伝達され接続配管の疲労限界を超えることにより接続配管の折損を引き起こす可能性もある。接続配管が折損すると冷媒回路内のフロンガスが冷蔵庫内に放出される。冷蔵・冷凍倉庫は外気の侵入を防止するため比較的密閉性が高く設計されており、配管折損により冷媒配管内の冷媒が冷蔵庫内に流れ込むことにより冷蔵庫内の酸素濃度が低下する。冷蔵庫内で作業している作業員がいれば酸欠状態となり人命にかかわる事故に繋がる恐れもある。

また、冷媒回路内の冷媒が大気中に放出されると地球温暖化を促進してしまい地球環境保護の観点からも非常に大きな影響がある。

また、ヒータで加熱することで過冷却を抑制する場合においても、液ハンマー防止のため使用されるヒータ数を従来よりも増やさないと対応できなくなるという問題があった。今後、自然冷媒、例えばＣＯ２などを冷媒としていく場合、より高圧化が進みヒータだけでは対応できない可能性が考えられる。また、ヒータ数の増大は、スペースの確保が必要といった機械構造的な制約だけでなく、ヒータ数の増加に比例してコストの増大までも招くことにもなる。また、ヒータは、粘着シート等により配管に取付けており、配管とヒータを密着させるように貼付けるには作業に手間がかかり、配管への取付けに時間を要していた。また、この配管を加熱するヒータは冷却装置系統の電源が入ると、冷却運転時や、冷却運転時に室内熱交換器に付着した霜を融かす除霜運転時を問わず、常時通電し続けているため、無駄な電力を消費してしまう。また、冷却装置であるが冷却とは逆の加熱を常にし続けており、冷房の成績係数が悪化する、すなわち省エネに反することとなる等の問題があった。液配管がヒータで過熱されているとせっかく獲得した液冷媒の過冷却をヒータにより失うため消費電力の増大および冷却能力の低下を招きひいては庫内温度の上昇を引き起こし冷却物の品質低下を招くことになる。また、ヒータを加熱するための電力が無駄になるばかりかヒータそのもののコストがかかり、またそのヒータを取り付ける作業性の悪化も発生する。

　また、使用する電磁弁を電子制御式膨張弁とした場合においても、制御によっては圧縮機への液バックが発生し、圧縮機を損傷する可能性があった。前記の液バックとは、蒸発器内で液冷媒がガス化されず、液冷媒のまま圧縮機に流入することをいう。これは、例えば液冷媒を電子制御式膨張弁の開度を大きくし冷媒回路内に流出させた際に、冷媒循環量が増加し、蒸発器内で液冷媒がガス化されず、液冷媒のまま圧縮機に流入（液バック現象）することで、圧縮機内部で液圧縮が発生し、過大な応力が発生するために、圧縮機内部の損傷を引き起こす可能性があることによる。圧縮機が損傷し作動しなくなると冷媒回路中において圧縮工程を正常に行うことができず、冷蔵室の温度低下を引き起こし、収容物の品質低下を招く恐れがある。
これは、圧縮機内に吸入された低圧のガス冷媒を、圧縮機の損傷により圧縮、増圧することができず、高圧のガス冷媒とできないことから、飽和ガスの圧力より冷媒の圧力が高くならず、凝縮器で冷媒が液化しないために、冷媒から外部空気への放熱ができず、高圧のガス冷媒のままとなることより、膨張弁での減圧も効果がなく(減圧されず)、低圧の液冷媒とならないことで、飽和液の圧力より冷媒の圧力が低くならず、冷媒が蒸発しないために、蒸発器にて冷媒が外部空気（冷蔵室内の空気）の熱を吸収することができなくなり、結果冷蔵庫内の空気温度が上昇してしまうためである。

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、第１の目的は冷却運転開始時に、高圧液冷媒による液ハンマーから主冷媒回路の電子制御式膨張弁を保護することのできる冷却装置を得るものである。

　この発明に係る冷却装置は、圧縮機、凝縮器、弁が全開または全閉にされる主開閉弁、冷媒流量可変の膨張弁、および蒸発器が当該順に冷媒配管を介して連結されて成る主冷媒回路と、前記主冷媒回路における前記圧縮機の冷媒出側と前記蒸発器の冷媒入側とをつないでいるとともに回路途中に弁装置を有する除霜冷媒回路と、前記除霜冷媒回路の前記弁装置、前記主冷媒回路の前記膨張弁および前記主開閉弁を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、冷却運転開始時に前記弁装置を開いて、前記圧縮機から高圧冷媒を前記除湿冷媒回路を介して前記蒸発器に流したのちに、前記主開閉弁および前記膨張弁を開くとともに、前記弁装置を閉じる。。

　この発明の冷却装置は、運転状態になる際に、除霜用冷媒回路中の弁装置を開弁して除霜用冷媒回路内に冷媒を循環させ、冷却運転に切り替える際には、過冷却度が付いて凝縮器の入口側と出口側とで圧力差を生じていた主冷媒回路内の圧力を均圧ないし僅少圧力差にするように構成したので、主冷媒回路の膨張弁に対する液ハンマー衝撃力を抑制することができる。

この発明の実施の形態１における冷却装置を示す概略回路構成図である。この発明の実施の形態１における冷媒の過冷却度と液ハンマー圧力との関係の一例を示すグラフの図である。この発明の実施の形態１における冷媒の過冷却度と冷媒密度との関係の一例を示すグラフの図である。この発明の実施の形態１における冷媒の過冷却度と主冷媒回路の電磁弁の弁口径との関係の一例を示すグラフの図である。この発明の実施の形態１における主冷媒回路の電子制御式膨張弁および電磁弁ならびに除霜用冷媒回路の電磁弁の開閉タイミングの一例を示すタイミングチャートである。この発明の実施の形態１おける冷媒の過冷却度に対する主冷媒回路の電子制御式膨張弁および電磁弁ならびに除霜用冷媒回路の電磁弁の開閉制御の一例を示す説明図である。この発明の実施の形態２おける冷却装置を示す概略回路構成図である。この発明の実施の形態２における主冷媒回路の電子制御式膨張弁および電磁弁ならびに除霜用冷媒回路の電磁弁の開閉タイミングの一例を示すタイミングチャートである。この発明の実施の形態２における冷媒の過冷却度に対する主冷媒回路の電子制御式膨張弁および電磁弁ならびに除霜用冷媒回路の電磁弁の開閉制御の一例を示す説明図である。

実施形態１．
この実施形態に係る冷却装置は、図１から図６に示すように、冷却運転を行なうための主冷媒回路Ｍと、主冷媒回路Ｍ内でバイパス接続された除霜用冷媒回路Ｓと、前記の主冷媒回路Ｍおよび除霜用冷媒回路Ｓの諸駆動機器を制御する制御装置２１と、を備えて構成されている。前記の主冷媒回路Ｍは、圧縮機１、凝縮器２、弁が全開または全閉にされる電磁弁３、電子制御式膨張弁４、蒸発器５およびアキュムレータ９が当該順に冷媒配管１３，１３，１３，・・・を介して環状に連結されたものである。前記の電磁弁３は、電気信号により弁が全開または全閉の２者択一に制御される、本発明の主開閉弁である。前記の除霜用冷媒回路Ｓは、主冷媒回路Ｍにおける圧縮機１の冷媒出側と蒸発器５の冷媒入側とを冷媒配管１４を介してつないだものである。この除霜用冷媒回路Ｓの途中には、弁装置１６が配備されている。弁装置１６は、それぞれ、弁が全開または全閉の２者択一に選定される２つの電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂで構成されており、これらは本発明の副開閉弁に相当する。これら２つの電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂは、冷媒配管１５の介在により除霜用冷媒回路Ｓに対して並列に接続されている。すなわち、電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂはそれぞれの弁開閉の組み合わせにより、除霜用冷媒回路Ｓを流れる冷媒の流量を可変にすることができる。また、弁装置１６は簡単な構造で制御が簡素な２つの電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂで構成されているので、入手容易で且つ安価な弁装置１６を得ることができる。

　また、この冷却装置は、主冷媒回路Ｍの凝縮器２へ送風する送風ファン１８と、主冷媒回路Ｍの蒸発器５へ送風する送風ファン１７と、主冷媒回路Ｍにおける電子制御式膨張弁４の冷媒流通方向上流側の過冷却度ＳＣを検出する過冷却度検出部１９と、主冷媒回路Ｍにおける蒸発器５の冷却流通方向下流側の冷媒圧力ＬＰを検出する低圧圧力検出部２０と、を備えている。

前記の制御装置２１は例えば汎用のマイクロコンピュータなどで構成されており、このマイクロコンピュータは、制御装置ＣＰ、検出データや算出データを一時的に格納したり制御プログラムデータを予め格納したりするメモリ（図示省略）、制御時間を計時する計時部Ｔ、および検出データや出力駆動データを入出力するデータバス（図示省略）などで構成されている。そして、制御装置ＣＰは、後でそれぞれ詳述する、第１制御部ＣＰ１、第２制御部ＣＰ２および第３制御部ＣＰ３の各機能を制御プログラム内容に沿って実行するようになっている。前記の第１制御部ＣＰ１は、除霜用冷媒回路Ｓの弁装置１６、主冷媒回路Ｍの電子制御式膨張弁４および電磁弁３を駆動制御する機能を有している。

続いて、上記した構成の冷却装置による通常の冷却運転と除霜運転について概説する。
冷却運転停止時に、まず冷媒回路内の電磁弁３が閉弁とされ、電磁弁３から圧縮機１の間にある冷媒が圧縮機１に吸入されて電磁弁３から圧縮機１の間の冷媒配管１３内が規定以下の圧力となり、圧縮機１を保護するために圧縮機１を停止させている状態（ポンプダウン状態）で停止しているとき、冷却運転に際して、冷却系統の電源が入ると、主冷媒回路Ｍの電磁弁３の電磁弁コイルに通電されて開弁となり、圧縮機１が低圧のガス冷媒を吸入して圧縮し高温高圧の気体冷媒として主冷媒回路Ｍ内に送り出す。圧縮機１から出された高温高圧の気体冷媒は、プレートフィン及びプレートフィンに挿入された管からなる凝縮器２で自身の熱を大気に放出して高圧の液体冷媒になる。凝縮器２からの冷媒は電磁弁３を通って電子制御式膨張弁４へ流入する。電子制御式膨張弁４は高温高圧の液冷媒を減圧して膨張させる。電子制御式膨張弁４からの冷媒は、プレートフィンおよびプレートフィンに挿入された冷却管から成る蒸発器５で熱交換により減圧されて低温低圧の気体・液体から成る２相冷媒になる。そして、蒸発器５からの２相冷媒はアキュムレータ９に流入して気液分離されたのち、ガス冷却が圧縮機１に戻って主冷媒回路Ｍを循環するのである。
　一方で、除霜運転に際しては、主冷媒回路Ｍの電磁弁３が閉弁され、除霜用冷媒回路Ｓの電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂ，１１が開弁される。これにより、圧縮機１からの高温高圧の冷媒が除霜用冷媒回路Ｓを通って蒸発器５に流入し蒸発器５の冷媒管表面の着霜を融かして除霜するのである。すなわち、この冷却装置は、冷却運転に先立って主冷媒回路Ｍの電磁弁３を閉にした状態で除霜用冷媒回路Ｓの弁装置１６および主冷媒回路Ｍの電子制御式膨張弁４を開にする。その後、除霜用冷媒回路Ｓの弁装置１６を閉とし主冷媒回路Ｍの電磁弁３を開にして冷却運転を開始させるようになっている。

　図２は本発明の実施の形態１における過冷却度と液ハンマー圧力の関係の一例を示している。図２に示すように、電子制御式膨張弁４の上流側の過冷却度検出部１９で検出された過冷却度ＳＣが大きくなるにつれ、液ハンマー圧力Ｐは比例的に増大する。また、過冷却度ＳＣが大きい状態で冷却装置を運転すると、主冷媒回路Ｍにおける冷凍サイクルの蒸発工程において、十分に蒸発・気化ができず、二相冷媒が蒸発器５から流出する。このような二相冷媒の流出は、圧縮機１への液バックが生じる場合がある。本実施の形態では、過冷却度ＳＣが大きく、液ハンマー圧力Ｐが大きい場合であっても、冷却運転に切り替える前に除霜用冷媒回路の電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂ，１１を開とし、その後冷却運転に切り替えるために、冷却運転の前に除霜用冷媒回路Ｓ中に冷媒が先に循環し、除霜用冷媒回路Ｓ内の圧力と主冷媒回路Ｍ内の圧力とを均圧ないし僅少圧力差にすることができ、主冷媒回路Ｍ中の凝縮器２の入口側と出口側との圧力差が少なくなるために、主冷媒回路Ｍ内で生じ得る液ハンマー衝撃力の抑制ができ、電磁弁３および電子制御式膨張弁４に印加される衝撃を緩和することが可能となる。因みに、除霜用冷媒回路Ｓと主冷媒回路Ｍとに圧力差がないと、電子制御式膨張弁４に衝撃は発生しない。
更に、電磁弁３が開となる前に電子制御式膨張弁４の開度を最大開度とすることで、電子制御式膨張弁４に発生する衝撃を回避することができ、電子制御式膨張弁４の損傷の可能性を回避できる。
また、冷却運転前に開とする除霜用冷媒回路中の電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂ，１１は、全ての条件において、開とするわけではなく、過冷却度を凝縮器出口温度と凝縮温度との差異から算出し、その過冷却度ＳＣの多寡より、開閉要否を判断する。（図６にて後述する）。
液ハンマー圧力Ｐが小さい場合には、除霜用冷媒回路Ｓ中の電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂ，１１は開かず、電子制御式膨張弁４のみの弁開度を最大開度とする。

　電子制御式膨張弁４を使用した際の制御(開度を最大開度)により生じ得る圧縮機１への液バックに関しては、アキュムレータ９を主冷媒回路Ｍ内に配備することで、液バックによる圧縮機１内での液圧縮を防ぎ、液冷媒を圧縮機１内に吸入させることなく、運転を可能にする。
先述した通り、アキュムレータ９で液バックを保護できる原理としては、アキュムレータ９の容器内で冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離し、ガス冷媒のみを圧縮機１へ戻すことである。このように分離されてアキュムレータ９内に溜まった液冷媒と圧縮機油は、容器内に配備されたＵ字状管に開けられている油戻し穴から少量ずつ圧縮機１に吸い込むようにすることで、液冷媒が多量に圧縮機１内に流入することをなくすことができる。

　図３は本発明の実施の形態１における過冷却度と冷媒密度の関係の一例を示している。
　図３に示すように、冷媒密度が大きくなるにつれ、過冷却度ＳＣは比例的に増大する。このことから、先述の過冷却度ＳＣの増大と同様に、冷媒密度の増大によっても液ハンマー圧力Ｐの増大につながることがわかる。これは、液ハンマー圧力Ｐを計算する次の式（１）からも容易に推測できる。

　　　　　液ハンマー圧力Ｐ＝冷媒密度ρ×音速Ｃ×流速Ｖ　・・・　（１）
上記の式（１）より、液ハンマー圧力Ｐは冷媒密度ρの多寡によって増減する。すなわち、冷媒密度ρが小さければ小さいほど液ハンマー圧力Ｐは小さく、逆に冷媒密度ρが大きければ大きいほど液ハンマー圧力Ｐは大きくなる。過冷却度ＳＣが大きくなると冷媒密度ρが大きくなる理由は、過冷却度ＳＣが大きくなればなるほど液冷媒が飽和温度よりも低温で沸騰しない。すなわち、冷媒が液状態からガス状態に変化しない状態となるため、液状態の冷媒が多く存在し、冷媒密度ρが大きくなっていくことに起因する。

この実施の形態では、冷媒密度ρが大きい場合であっても、図２にて説明した通り、冷却運転に切り替わる前に除霜用冷媒回路Ｓの電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂ，１１を開とし、その後冷却運転に切り替えるために、冷却運転の前に除霜用冷媒回路Ｓ中に冷媒が先に循環し、除霜用冷媒回路Ｓ内の圧力と主冷媒回路Ｍ内との圧力を均圧ないし僅少圧力差にすることができ、主冷媒回路Ｍ中の凝縮器２の入口側と出口側との圧力差が少なくなるために、主冷媒回路Ｍ内で生じ得る液ハンマー衝撃力の抑制ができ、電磁弁３および電子制御式膨張弁４に印加される衝撃を緩和することが可能となる。
更に、電磁弁３が開となる前に電子制御式膨張弁４の弁開度を最大開度（ＭＡＸ開度）とすることで、電子制御式膨張弁４に発生する衝撃を回避でき、電子制御式膨張弁４の損傷の可能性を回避することができる。すなわち、冷媒密度ρによることなく、液ハンマー圧力Ｐが電子制御式膨張弁４に印加されることが防止できる。

　図４は本発明の実施の形態１における過冷却度ＳＣと電磁弁３の弁口径の関係の一例を示している。
　図４に示すように、電磁弁３の弁口径が大きくなるにつれ、過冷却度ＳＣは比例的に増大する。このことから、先述した過冷却度ＳＣの増大と同様に、電磁弁３の弁口径においても液ハンマー圧力Ｐの増大につながることがわかる。これは、電磁弁３の口径による冷媒圧力の減圧効果が関係している。電磁弁３の口径が小さければ小さいほど、冷媒は電磁弁３を通過する際に減圧されるので冷媒循環量は減少する。冷媒循環量が減少することは、すなわち主冷媒回路Ｍ中の冷媒流速が減速することを意味する。

図３にて述べた通り、液ハンマー圧力Ｐは、既述した式（１）にて求められる。上記の式（１）より、液ハンマー圧力Ｐは冷媒の流速Ｖの多寡によって増減する。冷媒の流速Ｖが遅ければ遅いほど液ハンマー圧力Ｐは小さく、逆に速ければ速いほど液ハンマー圧力Ｐは大きくなる。電磁弁３の口径による冷媒循環量の差異によっても、液ハンマー圧力Ｐの増大につながるが、この実施の形態では、電磁弁３の弁口径が大きいために冷媒循環量が大きく、流速Ｖが速くなり、液ハンマー圧力Ｐが高い場合であっても、図２にて説明した通り、冷却運転に切り替える前に除霜用冷媒回路Ｓの電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂ，１１を開とし、その後冷却運転に切り替えるために、冷却運転の前に除霜用冷媒回路Ｓ中に冷媒が先に循環し、除霜用冷媒回路Ｓ内の圧力と主冷媒回路Ｍ内の圧力とを均圧ないし僅少圧力差にすることができ、主冷媒回路Ｍ中の凝縮器２の入口側と出口側との圧力差が少なくなるために、主冷媒回路Ｍ内で生じ得る液ハンマー衝撃力の抑制ができ、電磁弁３および電子制御式膨張弁４に印加される衝撃を緩和することが可能となる。更に、電磁弁３が開となる前に電子制御式膨張弁４の弁開度を最大開度とすることで、電子制御式膨張弁４に発生する衝撃を回避でき、電子制御式膨張弁４の損傷の可能性を回避することができる。
以上のことから、電磁弁３の弁口径の選定にあたり、液ハンマー圧力Ｐを考慮した径変更の必要がなくなる。また、電磁弁３にて冷媒循環量を制御する必要がないため、電子制御式膨張弁４での制御により冷媒循環量を調整することにより、主冷媒回路Ｍの最適化を図ることができる。

次に、本実施形態の特徴的な動作について図５、図６において説明する。
図５はこの発明の実施の形態１における電子制御式膨張弁４、電磁弁３、除霜用冷媒回路Ｓ中の電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂ，１１の開閉タイミングの一例をタイミングチャートで示している。
　この発明に係る冷却装置が冷却運転状態になる前に、電子制御式膨張弁４の弁開度調整のため電子制御式膨張弁４の弁開度を最大開度（全開）とした後に電磁弁３が開くように時間差Δｔ１を設けることで、電磁弁３よりも冷媒流通方向上流側の高圧液管６、下流側の高圧液管７内にある高圧の冷媒を、電子制御式膨張弁４に衝突させないで、電子制御式膨張弁４への急激な衝撃を回避するようにしたものである。
　また、冷却運転前に除霜用冷媒回路Ｓ中の電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂ，１１を開にし、その後冷却運転状態とすることで、除霜用冷媒回路Ｓ内の圧力と主冷媒回路Ｍ内の圧力とを均圧ないし僅少圧力差にする場合においても、電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂ，１１の開閉タイミングを設けている。この場合、電子制御式膨張弁４への急激な衝撃を回避するものと同様の考え方から、電磁弁１１を開にした後に電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂを開にする時間差Δｔ２を設けることで、高圧冷媒が電磁弁１１へ衝撃を与えることを回避するものとしたものである。尚、前記した時間差Δｔ１，Δｔ２に基づく各作動機器の動作は、制御装置２１の計時部Ｔによる計時時間に沿って実行される。

図６はこの発明の実施の形態１における過冷却度による除霜用冷媒回路Ｓ中の電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂ，１１および主冷媒回路Ｍ中の電子制御式膨張弁４の開閉制御の一例を示している。
上記した第２制御部ＣＰ２は、除霜用冷媒回路Ｓの電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂ，１１、主冷媒回路Ｍの電磁弁３および電子制御式膨張弁４を駆動制御する機能を有している。この第２制御部ＣＰ２は、冷却運転に際して過冷却度検出部１９により検出された過冷却度ＳＣに基づいて除霜用冷媒回路Ｓの電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂの冷媒流量を制御する。
そこで、第２制御部ＣＰ２は、冷却運転前の過冷却度ＳＣが大きい場合（例えば、２０Ｋ＜過冷却度とする）、除霜用冷媒回路中の電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂ，１１を全て全開とする。これは、冷却運転前の凝縮器２の入口側と出口側との圧力差が大きいために、除霜用冷媒回路Ｓ中の冷媒循環量を増加させることで、除霜用冷媒回路Ｓ内の圧力と主冷媒回路Ｍ内の圧力とを均圧ないし僅少圧力差にさせ、主冷媒回路Ｍ中の凝縮器２の入口側と出口側との圧力差が少なくすることを目的とする。
また、第２制御部ＣＰ２は、冷却運転前の過冷却度ＳＣが中程度である場合（例えば、１０Ｋ＜過冷却度＜２０Ｋとする）、除霜用冷媒回路Ｓ中の電磁弁１０－Ａと電磁弁１１を開にする。
そして、第２制御部ＣＰ２は、冷却運転前の過冷却度ＳＣが小さい場合（例えば、過冷却度＜１０Ｋとする）、除霜用冷媒回路Ｓ中の電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂ，１１は開にせず、主冷媒回路Ｍ中の電磁弁３を開にする。

以上の制御は、過冷却度ＳＣが大きい際には、液ハンマー衝撃を回避するため、電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂ，１１の全てを全開にし、冷却運転に切り替えるために、冷却運転の前に除霜用冷媒回路Ｓ中に冷媒が先に循環し、除霜用冷媒回路Ｓ内の圧力と主冷媒回路Ｍ内の圧力とを均圧ないし僅少圧力差にすることで、主冷媒回路Ｍ中の凝縮器２の入口側と出口側との圧力差を少なくできる、他方で、過冷却度ＳＣが大きくない場合には、過冷却度ＳＣに応じて電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂの開閉を制御し、除霜用冷媒回路Ｓ中の冷媒循環量を調整することで、同様に主冷媒回路Ｍ中の凝縮器２の入口側と出口側との圧力差を少なくすることができる。また、電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂ，１１の保証作動回数に対する信頼性を向上させることも可能とする。そして、冷却運転に切り替える前に除霜用冷媒回路Ｓの電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂ，１１を全開とし、その後冷却運転に切り替えるために、冷却運転の前に除霜用冷媒回路Ｓ中に冷媒が先に循環し、除霜用冷媒回路Ｓ内の圧力と主冷媒回路Ｍ内の圧力とを均圧ないし僅少圧力差にすることができる。これによって、主冷媒回路Ｍ中の凝縮器２の入口側と出口側との圧力差が少なくなるために、主冷媒回路Ｍ内で生じ得る液ハンマー衝撃力の抑制ができ、電磁弁３および電子制御式膨張弁４に印加される衝撃を緩和することが可能となる

以上のように、冷凍装置が冷却運転状態になるにあたって、除霜用冷媒回路Ｓの電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂの冷媒流量を可変とし、主冷媒回路Ｍの電子制御式膨張弁４の弁開度を最大開度とするように構成しているので、電子制御式膨張弁４の破損を防ぐことができる。また、除霜運転時に除霜用冷媒回路Ｓ中の電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂの両方を開とすることで、除霜運転に必要な熱量を増大させ得るから、除霜時間を短縮化できることは言うまでもない。
尚、この実施形態では、弁が全開または全閉にされる２台並列の電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂ（副開閉弁）で除霜用冷媒回路Ｓの弁装置１６を構成した例を示したが、本発明はそれに限定されない。弁が全開または全閉にされる３台以上の副開閉弁を除霜用冷媒回路に対して並列に接続して、弁装置を構成しても構わない。

実施の形態２．
実施の形態１は除霜用冷媒回路Ｓに、全開または全閉の２者選択動作を行なう２台の電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂを弁装置１６として用いたものであるが、次に、全開または全閉の２者選択動作を行なう電磁弁ではない弁装置１６を除霜用冷媒回路Ｓに配備し、実施の形態１にて説明した内容と同等の効果を得ようとする実施の形態２を説明する。
図７はこの発明の実施の形態２における冷媒回路を示している。
図７において、この実施形態２の冷却装置が、実施形態１の構成と異なるところは、電磁弁１０－Ａ，１０－Ｂに替えて、電気信号により弁開度を可変に制御される電子制御式膨張弁１２（本発明の制御弁）が弁装置１６として除霜用冷媒回路Ｓに配備されていることである。尚、電子制御式膨張弁１２は、既出した電子制御式膨張弁４と同様に、制御装置２１からの電気信号により全開から全閉の状態まで実質的に無段階で冷媒の流量制御が可能な弁（いわゆるＬＥＶ）である。

この実施の形態２の冷却装置は、冷却運転状態となる際に、高圧液管６内が高圧となり、電磁弁３が開となったときに、高圧液管６内から流れる冷媒による電子制御式膨張弁４への急激な衝撃（液ハンマー）を緩和し、電子制御式膨張弁４の破損を防ぐようにしたものであり、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
すなわち、過冷却度ＳＣが大きく、液ハンマー圧力Ｐが大きい場合であっても、冷却運転に切り替える前に除霜用冷媒回路Ｓの電子制御式膨張弁１２の弁開度を調整し、その後冷却運転に切り替えるために、冷却運転の前に除霜用冷媒回路Ｓ中に冷媒が先に循環し、除霜用冷媒回路Ｓ内の圧力と主冷媒回路Ｍ内の圧力とを均圧ないし僅少圧力差にすることができ、主冷媒回路Ｍ中の凝縮器２の入口側と出口側との圧力差が少なくなるために、主冷媒回路Ｍ内で生じ得る液ハンマー衝撃力の抑制ができ、電磁弁３および電子制御式膨張弁４に印加される衝撃を緩和することが可能となる。更に、電磁弁３が開となる前に電子制御式膨張弁４の弁開度を最大開度とすることで、電子制御式膨張弁４に発生する衝撃を回避でき、電子制御式膨張弁４の損傷の可能性を回避することができる。
また、冷却運転前に開度調整する除霜用冷媒回路Ｓ中の電子制御式膨張弁１２は、全ての条件において開度調整するわけではなく、過冷却度を凝縮器２出口温度と凝縮温度との差異から算出し、その過冷却度の多寡より弁開度が選定される（図９にて後述する）。

次に動作について図８および図９を用いて説明する。
図８はこの発明の実施の形態２における主冷媒回路Ｍ中の電磁弁３および電子制御式膨張弁４、ならびに除霜用冷媒回路Ｓ中の電子制御式膨張弁１２の開閉タイミングの一例をタイミングチャートで示している。
　この発明に係る冷却装置が運転状態になる前に、電子制御式膨張弁４の開度調整のため電子制御式膨張弁４の弁開度を最大開度とした後に電磁弁３が開くように時間差Δｔ１を設けることで、電磁弁３より上流の高圧液管６、下流の高圧液管７内にある高圧の冷媒は、電子制御式膨張弁４に衝突しないため、電子制御式膨張弁４への急激な衝撃を回避するようにしたものである。
　また、冷却運転前に除霜用冷媒回路Ｓ中の電子制御式膨張弁１２を開度調整し、その後に冷却運転状態とすることで、除霜用冷媒回路Ｓと主冷媒回路Ｍ内の圧力を均圧ないし僅少圧力差にする場合においても、電子制御式膨張弁１２と電子制御式膨張弁４の開閉タイミングを時間差Δｔ２として設けている。

図９はこの発明の実施の形態２における過冷却度による主冷媒回路Ｍ中の電磁弁３および電子制御式膨張弁４、ならびに除霜用冷媒回路Ｓ中の電子制御式膨張弁１２の開閉制御の一例を示している。
この場合も、第２制御部ＣＰ２は、運転前の過冷却度ＳＣが大きい場合（例えば、２０Ｋ＜過冷却度とする）、除霜用冷媒回路Ｓ中の電子制御式膨張弁１２の弁開度を全開とする。これは、冷却運転前の凝縮器２の入口側と出口側との圧力差が大きいために、除霜用冷媒回路Ｓ中の冷媒循環量を増加させることで、除霜用冷媒回路Ｓ内の圧力と主冷媒回路Ｍ内の圧力とを均圧ないし僅少圧力差にさせ、主冷媒回路Ｍ中の凝縮器２の入口側と出口側との圧力差がをなくすることを目的とする。
また、第２制御部ＣＰ２は、運転前の過冷却度ＳＣが中間の場合（例えば、１０Ｋ＜過冷却度＜２０Ｋとする）、除霜用冷媒回路Ｓ中の電子制御式膨張弁１２を半開とする。
そして、第２制御部ＣＰ２は、運転前の過冷却度ＳＣが小さい場合（例えば、過冷却度＜１０Ｋとする）、除霜用冷媒回路Ｓ中の電子制御式膨張弁１２の開度調整はせず、主冷媒回路Ｍ中の電磁弁３を制御する。

以上の制御は、過冷却度ＳＣが大きい際には、液ハンマー衝撃を回避するために電子制御式膨張弁１２を開にし、冷却運転に切り替えるために、冷却運転の前に除霜用冷媒回路Ｓ中に冷媒が先に循環し、除霜用冷媒回路Ｓ内の圧力と主冷媒回路Ｍ内の圧力とを均圧ないし僅少圧力差にすることで、主冷媒回路Ｍ中の凝縮器２の入口側と出口側との圧力差を少なくすることができる。また、過冷却度ＳＣが大きくない場合には、過冷却度ＳＣに応じて電子制御式膨張弁１２の弁開度を制御し、除霜用冷媒回路Ｓ中の冷媒循環量を調整することで、同様に主冷媒回路Ｍ中の凝縮器２の入口側と出口側との圧力差を少なくできる。

この実施形態２の冷却装置によっても、実施形態１と同様、弁装置１６である電子制御式膨張弁１２の作用により、主冷媒回路Ｍ中の凝縮器２の入口側と出口側との圧力差が少なくなるために、主冷媒回路Ｍ内で生じ得る液ハンマー衝撃力の抑制ができ、電磁弁３および電子制御式膨張弁４に印加される衝撃を緩和できるという効果が得られることは言うまでもない。加えて、弁装置１６は１台の電子制御式膨張弁１２で構成されているので、部品点数が少なくなって構造自体が簡素になるとともに制御系統も簡単化されて微細な制御を行なえる。

以上のように、冷凍装置が運転状態になる場合に、電子制御式膨張弁４の開度を最大開度とするため、電子制御式膨張弁４の破損を防ぐことができる。また、除霜時に除霜用冷媒回路Ｓ中の電子制御式膨張弁１２の弁開度を全開とすることで、除霜に必要な熱量を増大させ、除霜時間を短縮できることは言うまでもない。

実施形態３．
実施の形態１、実施の形態２において、アキュムレータ９の設置により低圧側の回路容量を大きくしたことなどにより低圧圧力（冷媒圧力）の上昇率が低い場合は、例えば送風ファン１７の送風量設定を変更することができる。すなわち、上記した制御装置２１における制御装置ＣＰの第３制御部ＣＰ３は、低圧圧力検出部２０により検出された冷媒圧力ＬＰに基づいて送風ファン１７の蒸発器５への送風量を制御する制御プログラムの機能を備えている。

この実施形態３の冷却装置によれば、第３制御部ＣＰ３が送風ファン１７の送風量を制御するようになっているので、低圧圧力検出部２０により検出された冷媒圧力ＬＰが高くならない場合、第３制御部ＣＰ３が送風モードを例えば弱ノッチ（弱風モード）から強ノッチ（強風モード）に変更して送風量を増加させ、蒸発器５での熱交換量を大きくして冷媒循環量を増加させることで、冷凍能力の低下を抑制する。因みに、アキュムレータ９は、負荷の急激な変動などの要因から発生する液バックから圧縮機１を保護する圧力容器であり、蒸発器５と圧縮機１とを結ぶ冷媒配管１３に配備される。このアキュムレータ９による液バック保護の原理としては、アキュムレータ容器内で冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離し、ガス冷媒のみを圧縮機１へ戻し、分離されて容器内に溜まった液冷媒と圧縮機油は、容器内に配備されたＵ字状管に開けられている油戻し穴から少量ずつ圧縮機１に吸い込まれるようにすることで、液冷媒が多量に圧縮機１内に流入することを防止している。

１　圧縮機
２　凝縮機
３　電磁弁（主開閉弁）
４　電子制御式膨張弁（膨張弁）
５　蒸発器
６　高圧液管（冷媒配管）
７　高圧液管（冷媒配管）
８　低圧ガス管（冷媒配管）
９　アキュムレータ
１０－Ａ　電磁弁（副開閉弁）
１０－Ｂ　電磁弁（副開閉弁）
１１　電磁弁
１２　電子制御式膨張弁（弁装置、制御弁）
１３　冷媒配管
１４　冷媒配管
１５　冷媒配管
１６　弁装置
１７　送風ファン
１８　送風ファン
１９　過冷却度検出部
２０　低圧圧力検出部
２１　制御装置
ＣＰ　制御装置
ＣＰ１　第１制御部
ＣＰ２　第２制御部
ＣＰ３　第３制御部
ＬＰ　冷媒圧力
Ｍ　主冷媒回路
Ｓ　除霜用冷媒回路
ＳＣ　過冷却度
Ｔ　計時部

Claims

　圧縮機、凝縮器、弁が全開または全閉にされる主開閉弁、冷媒流量可変の膨張弁、および蒸発器が当該順に冷媒配管を介して連結されて成る主冷媒回路と、
前記主冷媒回路における前記圧縮機の冷媒出側と前記蒸発器の冷媒入側とをつないでいるとともに回路途中に弁装置を有する除霜冷媒回路と、
前記除霜冷媒回路の前記弁装置、前記主冷媒回路の前記膨張弁および前記主開閉弁を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、冷却運転開始時に前記弁装置を開いて、前記圧縮機から高圧冷媒を前記除湿冷媒回路を介して前記蒸発器に流したのちに、前記主開閉弁および前記膨張弁を開くとともに、前記弁装置を閉じる冷却装置。
　前記膨張弁の上流側の過冷却度を前記凝縮器の出口温度と凝縮温度との差異から算出する過冷却度検出部をさらに備える請求項１に記載の冷却装置。
　前記除霜用冷媒回路の前記弁装置は、冷媒流量可変に構成されており、前記制御部は、前記過冷却度に基づいて前記弁装置を流れる冷媒量を調整する請求項２に記載の冷却装置。
　除霜冷媒回路の弁装置は、弁が全開または全閉にされる複数の副開閉弁で構成され、前記複数の副開閉弁が除霜冷媒回路に対して並列に接続されている請求項３に記載の冷却装置。
　除霜冷媒回路の弁装置は、弁開度を可変に制御される電子制御式の制御弁で構成されている請求項３に記載の冷却装置。
　主冷媒回路における蒸発器の冷却流通方向下流側の冷媒圧力を検出する低圧圧力検出部と、前記主冷媒回路における前記蒸発器の冷却流通方向下流側に配備されたアキュムレータと、前記蒸発器へ送風する送風ファンと、を備え、
　前記制御装置は、前記低圧圧力検出部により検出された冷媒圧力に基づいて前記送風ファンの送風量を制御する請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の冷却装置。