JP2007187359A - 冷却システム及びそれを用いた自動販売機 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷変動に応じてシステムの内容積を変化させ、高負荷時に内容積を小さくし、冷媒循環量を増加させることにより冷却システムの冷却能力を増加させる。
【解決手段】圧縮機１５と、凝縮器３と、並列に接続されそれぞれ内容積の異なる第１の接続配管１７と第２の接続配管と、減圧手段１８、１９と、蒸発器５とを順次環状に接続し、第１の接続配管１７と第２の接続配管を選択的に切り替える流路切り替え手段１６と、流路切り替え手段１６を制御する流路制御手段２８を備えたことにより、高負荷時に低圧圧力を高くすることなく冷却能力を増加させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、大きな負荷変動に対応して能力を可変できる冷却システム及びそれを用いた自動販売機に関するものである。

現在、冷凍冷蔵庫、自動販売機、空調機器などの冷凍空調機器においては、環境保護に貢献する効率に対する要求とともに、冷却性能に対する要求も高く、高効率で冷却性能の高い商品でなければ良い商品とは言えない。

このような中、冷却性能の高い冷却システムとして、冷却負荷によって能力を可変する冷却システムが提案されている（特許文献１）。

以下、図面を参照しながら上記従来の冷却システムを説明する。

図４は従来の冷却システムのシステム図である。図５は従来の冷却システムの動作を示すフローチャートである。図４に示すように、冷却システム１は、圧縮機２と凝縮器３と減圧装置４と蒸発器５を順次接続して構成され、減圧装置４は、第１のキャピラリーチューブ６を用いた第１の減圧機構７と、第２のキャピラリーチューブ８と二方弁９を用いた第２の減圧機構１０とから構成される。

また、蒸発器５には蒸発器５と周囲の空気を熱交換させる冷却ファン１１を備えており、冷却ファン１１の吸い込み側にサーミスタを用いた空気温度検知センサー１２を設け、空気温度検知センサー１２の検出する温度により二方弁を制御する二方弁制御手段１３を備えている。

以上のように構成された冷却システムについて、以下その動作を説明する。

まず、空気温度検知センサー１２で検知（ＳＴＥＰ１）した蒸発器５の吸い込み空気温度が、所定の基準温度（例えば３０℃）を下回る通常負荷時においては（ＳＴＥＰ２）、二方弁制御手段１３により、二方弁９は閉じられている（ＳＴＥＰ３）。

この状態で、圧縮機２で圧縮された冷媒ガスは、凝縮器３で凝縮、液化され、減圧装置４の第１の減圧機構７の第１のキャピラリーチューブ６により減圧される。

第１のキャピラリーチューブ６で減圧された冷媒は気液二層となり、蒸発器５に流入し、周囲の空気との温度差により、蒸発し、蒸発気化熱により周囲を冷却する。

次に、空気温度検知センサー１２で検知（ＳＴＥＰ１）した蒸発器５の吸い込み空気温度が、所定の基準温度を上回る高負荷時には（ＳＴＥＰ２）、二方弁制御手段１３により、二方弁９は開となるため（ＳＴＥＰ４）、凝縮器３を出た冷媒は、第１の減圧機構７と第２の減圧機構１０へと分流する。

この時、冷媒の流路が増加することにより、通常負荷時に比べて減圧装置４全体として、減圧量が減少するため、冷却システム１の冷媒循環量が増加する。これにより、負荷が大きい時にも冷媒循環量を増加させることにより冷凍能力が不足することを防ぐことができる。
特開２００４−１５６８２３号公報

しかしながら、上記従来の構成では、高負荷時に減圧装置４の減圧量が少なくなるため、冷却システム１の低圧圧力が高くなる。

冷却システム１の低圧圧力が高くなると、圧縮機２を運転するために必要なモータートルクが大きくなる。

これに対して、モーターの大きさを同一とすると、モータートルクには限界があるため、減圧装置４の減圧量を少なくしすぎると、蒸発温度上昇により、必要なモータートルクが、モーターが出力できるトルクを上回り、圧縮機２がトルク不足で停止してしまい、冷却運転ができなくなる。

そのため、負荷変動に対して能力の制御ができるものの、高負荷時の減圧装置４の減圧量の減少量には限界があり、能力増加にも限界がある。

例えば一般的な自動販売機においては、最初の電源投入時には冷却室の温度が夏場などには３５℃を越える場合もあり負荷が大きく、大きな循環量が必要になるが、一旦冷却が完了すると、ドアを開ける機会も少なく、冷却室の温度は５℃程度で安定し、負荷が小さくなり、電源投入時に比べると約１／３の冷却能力で冷却できる。

このような負荷変動の大きな機器においては、減圧装置４の減圧量の変化のみで能力を制御することは難しく、制御しようとすると、圧縮機２のモータートルクを高くする必要があるため、圧縮機を大型化しなければならず、機器の大型化やコストアップとなる恐れがあった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、安価で小型の構成で、より大きな負荷変動に対応して能力可変できる冷却システムを提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の冷却システムは、圧縮機と、凝縮器と、並列に接続されそれぞれ内容積の異なる第１の接続配管と第２の接続配管と、減圧手段と、蒸発器とを順次環状に接続し、第１の接続配管と第２の接続配管を選択的に切り替える流路切り替え手段と、流路切り替え手段を制御する流路制御手段を備えたものである。

これによって、高負荷時には、システム内容積を小さくして冷媒循環量を増加させることができるので、システム低圧圧力を上昇させることなく冷却能力を増加させることができる。

また、本発明の冷却システムは、圧縮機と、凝縮器と、並列に接続されそれぞれ内容積及び減圧量の異なる第１の接続配管及び第１の減圧手段と第２の接続配管及び第２の減圧手段と、蒸発器とを順次環状に接続し、第１の接続配管と第２の接続配管を選択的に切り替える流路切り替え手段と、流路切り替え手段を制御する流路制御手段を備えたものである。

これによって、高負荷時には減圧量を減少させることにより冷媒循環量を増加させるとともに、システム内容積を小さくしてさらに冷媒循環量を増加させることができるので、より冷却能力を増加させることができる。

また、本発明の冷却システムは、能力可変の圧縮機を用い、圧縮機の能力を変化させる能力制御手段を備えたものである。

これによって、高負荷時には圧縮機の能力を増加させて冷媒循環量を増加させることができるので、より冷却能力を増加させることができる。

また、本発明の冷却システムは、凝縮器を冷却し、風量可変の凝縮器ファンを備え、流路切り替え手段の切り替えに連動して凝縮器ファンの風量を変化させる凝縮器ファン制御手段を設けたものである。

これによって、高負荷時には冷媒循環量の増加に対応して凝縮器の能力を増加させることができ、凝縮能力不足による冷却能力低下を防ぐことができるので、より冷却能力を増加させることができる。

また、本発明の自動販売機は、請求項１から４のいずれか一項の冷却システムを用いたものである。

これによって、高負荷時と通常負荷時の負荷変動が極端に激しい自動販売機において、冷却システムを負荷変動に対応した冷却能力で運転することができる。

本発明の冷却システム及びそれを用いた自動販売機は、負荷変動に対応した冷却能力で運転することにより、高負荷時にも冷却能力を増加させ、より速く被冷却物を冷却することができる。

請求項１に記載の発明は、冷却システムの凝縮器と減圧手段の間に流路を切り替える流路切り替え手段を備えた冷却システムにおいて、前記流路切り替え手段と前記減圧手段を接続する第１の接続配管と第２の接続配管を有し、前記第１の接続配管と前記第２の接続配管の内容積は異なり、前記流路切り替え手段を制御する流路制御手段を備えたことにより、高負荷時には、システム内容積を小さくして冷媒循環量を増加させることができるので、システム低圧圧力を上昇させることなく冷却能力を増加させることができ、機器を大型化することなく大きな負荷変動に対応した冷却システムとすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明に、第１の接続配管と接続される第１の減圧手段と第２の接続配管と接続される第２の減圧手段を備え、前記第１の減圧手段と前記第２の減圧手段は異なった減圧量に設定されていることにより冷媒循環量を増加させるとともに、システム内容積を小さくしてさらに冷媒循環量を増加させることができるので、より冷却能力を増加させることができ、より大きな負荷変動に対応した冷却システムとすることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明に、能力可変の圧縮機を用い、圧縮機の能力を変化させる能力制御手段を備えたことにより、高負荷時には圧縮機の能力を増加させて冷媒循環量を増加させることができるので、より冷却能力を増加させることができ、より大きな負荷変動に対応した冷却システムとすることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明に、風量可変可能な凝縮器ファンを備え、流路切り替え手段の切り替えに連動して凝縮器ファンの風量を変化させる凝縮器ファン制御手段を設けたことにより、高負荷時には冷媒循環量の増加に対応して凝縮器の能力を増加させることができ、凝縮能力不足による冷却能力低下を防ぐことができるので、より冷却能力を増加させることができ、より大きな負荷変動に対応した冷却システムとすることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の冷却システムを用いたことにより、高負荷時と通常負荷時の負荷変動が極端に激しい自動販売機において、冷却システムを負荷変動に対応した冷却能力で運転することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

また、従来と同一構成についてはその動作、作用は同様であり、説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による自動販売機の縦断面図である。図２は同実施の形態の液溜め部の断面図である。図３は同実施の形態の動作を表すフローチャートである。

図１及び図２において、冷却システム１４は、モーターの回転数により能力可変なレシプロ圧縮機１５と凝縮器３と流路切り替え手段である三方弁１６と、並列に接続された第１の減圧手段１８である第１キャピラリーチューブと、第２の減圧手段１９である第２キャピラリーチューブを有する減圧装置２０を備えている。

三方弁１６と第１キャピラリーチューブ１８の間には液溜め部１７が備えられており、三方弁１６に接続される配管１００と液溜め部１７によって第１の接続配管１０１を形成し、三方弁１６と第２キャピラリーチューブ１９の間には第２の接続配管１０２が形成されている。第１の接続配管１０１の内容積は第２の接続配管１０２よりも大きくなるように形成されている。また第１キャピラリーチューブ１８の減圧量は第２キャピラリーチューブ１９の減圧量よりも大きく設定されて、減圧装置２０と、蒸発器５とを順次接続して構成され、自動販売機２１の冷却室２２内に蒸発器５が、冷却室２２と仕切り２３により仕切られた機械室２４内に蒸発器５以外が収納されている。

また、冷却室２２内には蒸発器５と冷却室内空気との熱交換を促進する冷却ファン２５及び冷却室２２内の空気温度を検出するサーミスタ２６を備えており、機械室２４内には、電圧変化により風量を可変でき、凝縮器３を冷却するＤＣファンモーターを用いた凝縮器ファン２７及びサーミスタ２６の検出する温度に連動して三方弁１６の開閉及び圧縮機１５の回転数及び凝縮器ファン２７の回転数を制御する流路制御手段２８を備えている。

液溜め部１７は三方弁１６と第１キャピラリーチューブ１８の間に配置し、液溜め部１７は液溜め部本体２９と液溜め部本体２９の下部に接続した入口配管３０と上部に備えた出口配管３１を上に備えて構成されており、凝縮器３で液化された液冷媒が出口配管先端３２まで溜まる構成となっている。

以上のように構成された自動販売機において、以下その動作、作用を説明する。

まず、外気温度が例えば１０℃以下の低い状態で起動した場合や、庫内温度が低く安定している場合の通常負荷時について説明する。

通常負荷時、流路制御手段２８はサーミスタ２６の検出（ＳＴＥＰ１）する温度が設定値（例えば３０℃）より低いので（ＳＴＥＰ２）、三方弁１６を第１接続配管１０１側の流路へ冷媒が流れるように動作させ（ＳＴＥＰ３）、圧縮機１５及び凝縮器ファン２７を最高回転数より低い回転数で運転する（ＳＴＥＰ４、５）。

凝縮器３を出た気液二層冷媒は、液溜め部１７に溜められた後第１のキャピラリーチューブ１８へと流れ、蒸発器５で蒸発し冷却室２２内を冷却する。

次に、外気温度が例えば３０℃以上の高い状態で初めて起動した場合や、安定運転中にドアを開けて作業をした後など、サーミスタ２２の検出する温度が高くなる高負荷時について説明する。

高負荷時、流路制御手段２８はサーミスタ２６の検出（ＳＴＥＰ１）する温度が設定値（例えば３０℃）より高いので（ＳＴＥＰ２）、三方弁１６を第２接続配管１０２側の流路へ冷媒が流れるように動作させ（ＳＴＥＰ６）、圧縮機１５及び凝縮器ファン２７を最高回転数で運転する（ＳＴＥＰ７、８）。

凝縮器３を出た気液二層冷媒は、そのまま第２のキャピラリーチューブ１９へと流れ、蒸発器５で蒸発し冷却室２２内を冷却する。

この時、第２のキャピラリーチューブ１９は第１のキャピラリーチューブ１８に比べて減圧量が小さいため、抵抗が少なくなり冷媒循環量が増加し、通常負荷時に比べて冷却能力を増加させることができる。

また、第２接続配管１０２には液溜め部１７がないので、液冷媒は溜まらず、システム内を循環する冷媒量、すなわち冷媒循環量が増加し、通常負荷時に比べてより冷却能力を増加させることができる。

また、圧縮機１５は最高回転数で運転しているので、圧縮機１５の吐出冷媒量が増加し、冷媒循環量が増加し、通常負荷時に比べてより冷却能力を増加させることができる。

また、冷媒循環量が増加すると、凝縮器３で冷媒を凝縮させるのに必要な仕事量も増えるため、そのままでは凝縮器５出口での過冷却が十分取れず、蒸発器５に流れる冷媒の乾き度が大きくなり、冷却能力が低くなってしまう。これに対して高負荷時に流路制御手段２８により凝縮器ファン２７の回転数を高くしているので、凝縮器３の出口での過冷却を十分取ることができ、通常負荷時に比べてより冷却能力を増加させることができる。

以上のように、本実施の形態では、流路制御手段２８により、高負荷時に冷媒を第２接続配管１０２側に切り替えて、減圧量の少ない第２のキャピラリーチューブ１９を通過させ、圧縮機１５の回転数を高くし、凝縮器ファン２５の回転数を高くすることにより、冷媒循環量が増加し、通常負荷時に比べて冷却能力が増加し、高負荷でも冷却室２２を素速く冷却することができる。

なお、本実施の形態において、冷却負荷を検出する方法として冷却室２２内の温度を検出したが、外気温度と電源のＯＮ／ＯＦＦ、ドアの開閉を検出することによって高負荷となるモードをより正確に検出することができ、また、蒸発器３の入口、出口冷媒温度またはシステム低圧圧力と蒸発器３出口冷媒温度を測定し、蒸発器３での過熱度を検出する方法によって、システムが冷媒量不足になった場合に確実に能力を増加させることができる。

また、本実施の形態において、圧縮機１５の回転数は規定しなかったが、最低の回転数を圧縮機１５内の摺動部の潤滑ができる回転数として、１５ｒ／ｓ程度、最高の回転数を圧縮機１５の通常のモータートルクにより回転できる回転数として９０ｒ／ｓ程度とすることにより、能力変化幅を大きく取ることができ、より大きな負荷変動に対応した自動販売機とすることができる。

また、本実施の形態において、圧縮機１５はレシプロ式とし、能力変化の方法を回転数にて行ったが、斜板式圧縮機、リニア圧縮機による気筒容積制御など、圧縮機１５の吐出冷媒量を可変できる方法であればどのような圧縮機の方式、能力制御の方法でも同様の効果が得られる。

また、本実施の形態において、凝縮器ファン２７はＤＣファンモーターを用い、風量変化を電圧変化によって行ったが、ＡＣファンモーターを用いたファンで、運転周波数や電圧波形制御による回転数制御をすることにより、より細かな負荷変動に対応することができ、凝縮器ファンを複数個設け、運転するファンの個数を変化させて風量制御をすることにより、より簡単な方法で負荷変動に対応することができる。

また、本実施の形態において、液溜め部１７の構成は、入口配管２９より太い内径の液溜め部本体２９と入口配管３０と出口配管３１により構成したが、単に配管長さを長くして内容積を大きくすることにより、新たな部品を使わずに簡単に負荷変動に対応することができ、本実施の形態の構成のまま液溜め部１７の上下を逆にしても出口配管先端まで液冷媒を溜めることができ、液溜め部１７を横向きにしても出口配管の下端まで液冷媒を溜めることができ、同様の効果が得られる。

また、本実施の形態においては、通常負荷時の減圧装置２０の絞りと高負荷時の減圧装置２０の絞りを三方弁により２つのキャピラリーチューブ１８、１９を切り替えることにより行ったが、通常負荷時に流すキャピラリーチューブの本数を高負荷時と変えることにより減圧量を制御しても同様の効果が得られ、その時は三方弁をより構成が簡単で安価な二方弁に置き換えて過負荷時に二方弁を開とすることにより減圧装置を構成することができる。

また、本実施の形態においては、蒸発器５及び冷却室２２を１つずつ備えた構成としたが、一般的な自動販売機では、蒸発器も冷却室も複数備えている。このような場合は冷却が必要な冷却室の個数によっても負荷が大きく変動するため、本実施の形態の効果がより大きく発揮される。

また、本実施の形態においては、圧縮機１５及び凝縮器ファン２７の回転数のパターンを３つ以上持つことにより小さな負荷変動に対応して能力を制御でき、効率の高い自動販売機とすることができる。

以上のように、本発明にかかる冷却システム及びそれを用いた自動販売機は、負荷変動に応じてシステムの内容積を変化させ、高負荷時に内容積を小さくし、冷媒循環量を増加させることにより冷却能力を増加させることができるので、冷却負荷変動が存在する全ての機器に適用できる。

本発明の実施の形態１による自動販売機の縦断面図 同実施の形態の液溜め部の断面図 同実施の形態の動作を示すフローチャート 従来の冷却システムのシステム図 従来の冷却システムの動作を示すフローチャート

符号の説明

３ 凝縮器
５ 蒸発器
１５ 圧縮機
１６ 三方弁
１７ 液溜め部
１８ 第１のキャピラリーチューブ
１９ 第２のキャピラリーチューブ
２１ 自動販売機
２７ 凝縮器ファン
２８ 流路制御手段
１０１ 第１の接続配管
１０２ 第２の接続配管

Claims (5)

1. 冷却システムの凝縮器と減圧手段の間に流路を切り替える流路切り替え手段を備えた冷却システムにおいて、前記流路切り替え手段と前記減圧手段を接続する第１の接続配管と第２の接続配管を有し、前記第１の接続配管と前記第２の接続配管の内容積は異なり、前記流路切り替え手段を制御する流路制御手段を備えたことを特徴とする冷却システム。
2. 第１の接続配管と接続される第１の減圧手段と第２の接続配管と接続される第２の減圧手段を備え、前記第１の減圧手段と前記第２の減圧手段は異なった減圧量に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 能力可変の圧縮機を用い、前記圧縮機の能力を変化させる能力制御手段を備えた請求項１または２に記載の冷却システム。
4. 風量可変可能な凝縮器ファンを備え、流路切り替え手段の切り替えに連動して凝縮器ファンの風量を変化させる凝縮器ファン制御手段を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却システム。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の冷却システムを用いた自動販売機。

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