JP2007523318A - 適応除霜方法 - Google Patents

Abstract

電気除霜加熱器を有する冷凍装置の除霜サイクル間の蓄積周期が、先の除霜サイクル中にコイルから氷を除去するのに消費されたエネルギーに基づいて計算される。このようにして、加熱器コイルに配電される電圧レベルの変動が考慮されて、除霜サイクル間でのコイル上の氷の堆積の程度がより正確に制御される。

Description

本発明は、一般的に蒸発器コイルの除霜の制御に関し、より詳細には、輸送冷凍システムの蒸発器コイルの除霜の適応方法に関する。

温度に敏感な荷物を輸送する輸送車両は、温度が所定の温度範囲に制御されている調整区域を備える。温度制御ユニットは、その調整区域を熱設定点まで冷却または加熱するようにプログラムされる。

冷却モード状態では、温度制御ユニットにおいては、蒸発器コイル上に霜が堆積しやすい。このような霜または最終的には氷は、ユニットの効率を大幅に低下させ、そのため、通常、凝縮物／氷を除去するように除霜サイクルが適用される。除霜サイクルは、加熱された流体を蒸発器コイル内で循環させるように、システム中の冷凍の流れを逆転させることによって実現される。除霜サイクルは、電気抵抗加熱器を使用することによっても実現される。各周期除霜サイクル後に、温度制御ユニットは、凝縮物の堆積によって再び除霜サイクルが必要となるまで、冷却モードに戻り作動する。

一般に、冷却サイクル時間を最大化して、除霜サイクル時間を最小化することが望まれている。これは、除霜中は調整区域が冷却されず、かつ除霜に続いて、除霜サイクルによって加熱された後に調整区域の加熱を補償するだけでなく、蒸発器コイル自体を冷却する必要があるために、できる限り長く除霜サイクルの開始を待つことが望ましい。しかし、コイル上の堆積により効率が低下するため、最終的には除霜サイクルを開始することが必要となる。したがって、特定のユニットに対して、除霜サイクルの開始の前に、堆積する凝縮物の量を求めることによって、除霜サイクルを開始する時間を最適化することができる。一般に、動作条件およびパラメータが比較的安定している（すなわち、一定調整区域温度、一定圧縮器動作速度、および抵抗加熱器への一定電圧である）ことから、このような最適な霜の堆積は、動作時間と正比例しており、安定化すると、単純にかつ一貫して、最後の除霜サイクルからの圧縮器の運転が所定時間経過した後に、除霜サイクルを開始することができる。

しかし、用途によっては、蓄積間隔の動作パラメータは、必ずしも一定ではない。例えば、輸送船に積載される冷凍コンテナの場合には、積載後に直ちに積荷を冷却する必要がある場合があり、コンテナの内部の湿度レベルは、積荷の特性によって、または荷物に風通しするためにコンテナ中に導入される空気の温度および湿度の変動によって変化する場合があり、さらに冷却の強度、したがって蒸発器コイルの温度は、日周サイクル、天候、または航海中の気候の変化による冷却要求の変化によって変わる場合がある。

動作パラメータにおける変化に適応することは、ユニットを除霜するのに必要な時間を観察し、この時間を先に特定した理想時間と比較して、除霜時間が理想時間よりも短いかあるいは長いかによって、蓄積間隔を長くまたは短くするように調節することによって達成されると理解されていた。

しかし、用途によっては、動作パラメータは、必ずしも一定ではない。例えば、輸送船に積載される冷凍コンテナの場合には、コンテナはその船のシステムから給電され、このシステムでは、異なる電源ユニットが周期的にオンラインまたはオフラインになるため、給電が一定レベルで安定しない。ワット数は、船の電力の電圧の２乗で変化するために、電気抵抗加熱器によって配給される熱量は、所与の期間中に大幅に変化する可能性がある。これにより、除霜に必要とされる時間が短縮または延長される。

簡潔に説明すると、本発明の一態様によれば、凝縮物蓄積間隔は、先の除霜間隔の関数として、また除霜サイクルに使用される加熱器のワット数に基づいて計算される。このように、変動する熱または電圧の影響を考慮に入れることによって、凝縮物蓄積間隔の選択が最適化され、それによってシステムの効率が向上する。

本発明の別の態様により、蒸発器加熱器要素に供給される電圧を周期的に検知することができ、それにより、除霜サイクルの期間にわたっての、ワット数の増分および蓄積の両方を計算することができる。除霜中に消費される合計エネルギーから、融解した氷の量を計算することができる。次に、この値を、次の除霜サイクルの蓄積間隔を計算することに使用することができる。

本発明の別の態様によれば、凍結凝縮物蓄積の現在速度は、除霜サイクル中に融解した氷の量と、先の除霜サイクルからの圧縮器の運転時間とに基づいて計算される。次いで、新規の蓄積間隔が、凝縮物蓄積の現在速度と、冷凍凝縮物の所定の最大許容量に基づいて、計算される。

以下に説明する図面においては、好ましい一実施形態について記述するが、それに対するその他様々な修正形態および変更形態を、本発明の真の趣旨と範囲から逸脱することなく構築することができる。

図１を参照すると、冷凍装置の蒸発サイクル部分を示してあり、この冷凍装置は、蒸発器コイル１１、圧縮器１２、コンデンサ１３および膨張装置１４を、すべて従来の回路中に含み、この回路中を冷媒が従来の方法で循環する。

空気を、温度制御区域から蒸発器コイル１１を経由して、温度制御区域に戻るように移動させるために、蒸発器ファン１６が設けられている。温度制御された空気の区域から蒸発器コイル１１へと戻る空気流の実際温度を検知するために、戻り空気温度センサ１７が設けられている。戻り空気設定点温度、または該設定点温度付近に保持されることが好ましいこの温度は、以下で説明する制御プロセスにおいて使用される。

一般に知られているように、蒸発サイクルユニットの動作によって、蒸発コイル１１上に凝縮物が形成され、凝縮物が凍結してコイル上に堆積しやすく、これにより、内部を流れる空気を冷却する効率が低下してしまう。したがって、電気抵抗加熱器１８を設けて、周期的にスイッチを入れて、蒸発器コイル１１上に生じる氷を融解させる。電気抵抗加熱器１８は、その電力を電源１９から受け取り、この電源は、電圧レベルが変動しやすく、したがって、除霜サイクルと除霜サイクルとの間および一除霜サイクル中に電気抵抗加熱器１８のワット数が実質的に変化する。そのため、周期的に電圧レベルを検知するように、電圧センサ２１が電源１９からのラインに設けられている。実際には、この電圧が検知されて、電気抵抗加熱器１８のワット数が、除霜サイクル動作中に亘って毎秒計算される。システムの制御は、中央プロセッサをベースとしたコントローラ２０によって維持されており、このコントローラ２０は、電圧センサ２１、戻り空気温度センサ１７、蒸発器ファン１６、および蒸発器コイル１１に取り付けられた除霜終了温度センサ２２から入力を受ける。除霜終了温度センサ２２の機能は、いつ除霜サイクルを終了するかを特定するために、蒸発器コイルの温度を計測することである。

通常の運転において、除霜サイクルは、開始後、一定の間に亘って続く。一方、冷却サイクルは、制御区域において所望の温度を提供するのに必要な場合に、コントローラ２０により圧縮器１２がオンまたはオフとなることによって、オンとオフが繰り返される。しかし、ここで認識すべきことは、除霜サイクルがオンになると、冷却サイクルがオフになることである。したがって、除霜サイクル動作中は、制御区域への空気が冷却されないだけでなく、蒸発器コイル１１が加熱される。電気抵抗加熱器１８によって蒸発器コイル１１に伝達される熱には、蒸発コイル上に形成される氷を融解させるのに必要な熱だけでなく、蒸発コイル１１自体に伝達される熱も含まれる。この熱は、乾燥コイル除氷エネルギーと呼ばれ、乾燥した蒸発器コイルを「除氷」するのに必要なエネルギー、または蒸発器コイル上に氷がない場合に除氷処理手順を完了するのに必要なエネルギー量である。乾燥コイル除氷エネルギー関数（すなわち、制御区域の温度の関数としての、キロワット時で表わしたエネルギー）の特性を特定する処理手順を、戻り空気設定点温度が１０℃から−２５℃の温度範囲にわたって、図２Ａ、２Ｂに示してある。除氷終了設定点は、任意に１８℃に設定してあり、これは、そのようなシステムにおいて適度に一般的な値である。これらの値は、ブロック２３において設定される。次いで、ブロック２４に示すように、ユニットは、戻り空気制御温度が戻り空気設定点温度と等しくなるまで、冷却モードで運転され、その後、ブロック２６において、除霜終了制御（すなわち、除氷終了センサ２２の実際の温度）が除氷温度設定点よりも高くなるまで、除霜モードが作動している。次いで、ブロック２７において、ユニットは、戻り空気制御温度が戻り空気設定点温度と等しくなるまで運転される。

ブロック２８に記載されているように、最初に乾燥コイル除氷エネルギーをゼロに設定し、次いで除氷終了制御温度が除氷終了設定点よりも高くなるまで、加熱要素１８を作動させることによって、乾燥コイル除氷処理手順が開始される。次いで、ワット秒で表わした乾燥コイル除氷エネルギーを、毎秒、積分して、記録する。ブロック２９において、反復のため、戻り空気制御温度および乾燥コイル除氷エネルギーが記憶される。

次いで、戻り空気設定点温度が、５℃に下げられ、その温度に対するデータを得るように、同じプロセスが反復される。ブロック３１に記載するように、これは、５℃間隔で−２５℃まで続けられる。

次いで、結果として得られるデータは、ブロック３２に記載するように、後に使用するために記録される。ブロック３３において、戻り空気制御温度対乾燥コイル除氷の関数について線形回帰が実施されて、後に使用するためにその結果が記録される。次いで、乾燥コイル除氷エネルギー関数の勾配および切片が記録され、ブロック３４において、乾燥コイル除氷エネルギーが、戻り空気制御温度の線形関数として記憶される。

次に図３Ａ、３Ｂを参照すると、適応除霜サイクル制御方法が示されている。最初に、電力がオンにされて、最後の除氷からの圧縮器運転時間、圧縮器が最後に運転された時刻、蓄積間隔、および現在の日時の読み値が、ブロック３６において取り込まれる。ブロック３７に記載するように、圧縮器が最後に運転されてからの時間が、２４時間未満である場合には、プログラムはブロック３９へと進む。２４時間より大きい場合には、ブロック３８に示すように、蓄積間隔を任意に３時間として値を設定する。

ブロック３９において、冷却サイクルを開始するように、圧縮器および蒸発器ファンを作動し、圧縮器運転時間が１秒増分で記録される。ブロック４１に示すように、最後の除氷動作からの圧縮器運転時間が蓄積間隔よりも小さい場合には、プログラムはブロック３９に戻る。蓄積間隔よりも大きい場合には、ブロック４２に移行して、そこで除霜または除氷の処理手順が開始される。

ブロック４３に示すように、除霜処理手順の間に、電圧が検知され、毎秒の動作に対してワット数が計算される。これは、ブロック４４に示すように、除氷終了制御温度が、除氷終了設定点よりも大きくなるまで続き、その結果として得られるデータは、ブロック４６に示すように、次の蓄積間隔を計算するために使用される。ここで、図２Ａ、２Ｂに示されたステップで特定される乾燥コイル除氷エネルギー関数を使用することにより、乾燥コイル除氷エネルギーが最初に計算される。次いで、乾燥コイル除氷エネルギーが、ブロック４３で計算された合計除氷エネルギーから減算されて、蒸発器コイルからの凍結凝縮物の除去に起因する正味除氷エネルギーが得られる。次に、この正味除氷エネルギーによって融解される氷の量が、氷の比熱、氷の融解熱、および除氷処理手順が実行される前に記録された戻り空気制御温度に基づいて計算される。次に、融解した氷の量および圧縮器運転時間に基づいて、凍結凝縮物蓄積の現在速度が計算される。最後に、新規の蓄積間隔が、凝縮物蓄積の現在速度、および凍結凝縮物の所定の最大許容重量を仮定することによって計算される。

実施例：新規の蓄積間隔を計算するプロセスを説明したが、次に、以下のパラメータを適用して、そのプロセスの実施例を検討する。

電源オン：現在日時から圧縮器最終運転日時を差し引くと２４時間より大きいと仮定すると、現在蓄積間隔＝１８０分、圧縮器運転経過時間＝０となる。

サイクル開始：圧縮器が蓄積間隔（この例においては、初回は１８０分）の間、運転された後に、除氷処理手順を開始する。除氷エネルギー＝０に設定して、蒸発器加熱要素を作動させる。−３．０℃の戻り制御温度が、除氷処理手順が開始される直前に記録されると仮定する。

除氷処理手順中に毎秒、蒸発器加熱要素への電圧が計測される。この例を簡単にする目的で、電圧は、この処理手順を通して一定の４８０ＶＡＣであると仮定し、したがって加熱器ワット数は一定となる。しかし、本願の一請求項は、瞬時のワット数を、十分な頻度で計算し、それによって、除氷処理手順中に加熱器電圧が変動する場合における、一定の時間の間隔にわたって電力を積分する正当な方法を可能にすることである。したがって、以下で計算されるように、蓄積される凍結凝縮物の有用な推定値に達するように、除氷処理手順の間に導入される合計エネルギー量が十分な精度で計測される。

抵抗加熱要素の加熱電力は、印加される電圧の２乗として変化するので、この例において加熱器のワット数が４６０ＶＡＣにおいて３．１６７ｋＷである場合には、４８０ＶＡＣにおいてワット数は、（３．１６７ｋＷ）×（（４８０×４８０）／（４６０×４６０））または３．４４８ｋＷである。除氷処理手順が１２６０秒（２１分）間続くと仮定すると、除氷エネルギーは、（３．４４８×１２６０）ｋＷ・ｓｅｃまたは１．２０７ｋＷ・ｈｒである。

乾燥コイル除氷エネルギーは、上記の乾燥コイル除氷エネルギー関数によって、（０．９ｋＷ・ｈｒ−（０．０１９０×−３．０））、または０．９５７ｋＷ・ｈｒと計算される。したがって、蒸発器コイルから除去される凍結凝縮物に起因する正味除氷エネルギーは、（１．２０７−０．９５７）ｋＷ・ｈｒ、または０．２５ｋＷ・ｈｒである。

蒸発器コイルから除去された凍結凝縮物に起因するこの正味除氷エネルギーは、氷の温度を−３．０℃から０．０℃まで上昇させるのに必要なエネルギー量に、氷を融解させるのに必要なエネルギーを加えたものに等しいと仮定される。当業者であれば、戻り制御温度は、除氷処理手順が開始されるときに凍結凝縮物に対する実際温度よりも必然的に高いことを指摘するであろうが、このことが無視され、そうすることによって本明細書に記載の方法の正当性を実質的に減退させるものではない。

凍結凝縮物の量は、したがって、式：氷ｋｇ＝正味除氷エネルギー／（（０．０℃−戻り制御温度）×氷の比熱）＋（融解熱）で与えられ、この例においては、（０．２５）／（（３．０×０．０００５８１２）＋０．０９２６６）または２．６４８ｋｇである。戻り制御温度が０．０℃よりも高い場合には、凝縮物は、０．０℃またはその付近であると仮定され、したがって氷の比熱を説明する項は無視される。

先の蓄積間隔は１８０分であり、したがって、蓄積速度は（２．６４８ｋｇ／１８０分）、または０．０１４７ｋｇ／分である。

最大蓄積は、ユニットの製造業者によって実施される試験および観察によって予め特定される。この量は、許容できない大量の凝縮物蓄積の危険という弊害に対抗して、準最適に短い蓄積間隔を達成するようにバイアスがかけられている。次の蓄積間隔は、この例においては９ｋｇの凝縮物を蓄積するのにちょうどの長さでなければならない。この現在蓄積速度において、９ｋｇの蓄積には６１２分かかり、したがって蓄積間隔は、１０時間と１２分に設定され、除氷後圧縮器運転時間は０にリセットされて、サイクルが反復されるが、今回は、新規の蓄積間隔が用いられる。

図面に示した、好ましい実施形態および代替実施形態を参照して本発明を具体的に示したが、それらに対する様々な詳細な変更を、特許請求の範囲によって定義される趣旨と範囲から逸脱することなく加えることができることを当業者であれば理解されるであろう。

本発明の一実施形態による冷凍装置の概略図である。 本発明による乾燥蒸発器コイル除氷エネルギーを特徴づけるためのプロセスを示すフローチャートである。 本発明による乾燥蒸発器コイル除氷エネルギーを特徴づけるためのプロセスを示すフローチャートである。 本発明による適応除霜サイクル制御方法を示すフローチャートである。 本発明による適応除霜サイクル制御方法を示すフローチャートである。

Claims (16)

1. 蒸発器コイルと、除霜サイクル中に前記蒸発器コイルに熱を付加する電気除霜加熱器と、を有する冷凍装置において、第１の除霜サイクルと第２の除霜サイクルとの間の蓄積間隔を特定する方法であって、
   前記第１の除霜サイクル中に前記加熱器に配電される電圧を前記第１の除霜サイクル中に周期的に検知するステップと、
   検知された各電圧に対して、周期中に消費されたエネルギー量を計算して記録するステップと、
   前記第１の除霜サイクル中に消費された合計エネルギーを得るように、前記消費されたエネルギー量を加算するステップと、
   前記蓄積間隔を特定するように前記消費された合計エネルギーを適用するステップと、
   を蓄積間隔特定方法。
2. 前記蓄積間隔を特定するステップは、前記第１の除霜サイクル中に融解される氷の量を計算するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の蓄積間隔特定方法。
3. 前記蓄積間隔を特定するステップは、前記第１の除霜サイクルにおいて消費される乾燥コイル除氷エネルギー量を計算するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の蓄積間隔特定方法。
4. 前記蓄積間隔を特定するステップは、前記蒸発コイルから凍結凝縮物を除去するのに消費される正味除氷エネルギーを得るように、前記消費された合計エネルギーから前記消費された乾燥コイル除氷エネルギーを減算する付加的なステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の蓄積間隔特定方法。
5. 前記融解した氷の量を計算するステップは、温度制御された区域から前記蒸発器コイルに戻る空気の検知温度に基づいて行われることを特徴とする請求項２に記載の蓄積間隔特定方法。
6. 前記融解された氷の量を計算するステップは、前記第１の除霜サイクルと第２の除霜サイクルとの間の期間中における凍結凝縮物蓄積の速度を計算するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の蓄積間隔特定方法。
7. 前記凍結凝縮物蓄積の速度を計算するステップは、前記第１の除霜サイクル中に融解した氷の量と、前記第１の除霜サイクルからの圧縮器運転時間と、を考慮することによって達成されることを特徴とする請求項６に記載の蓄積間隔特定方法。
8. 前記蓄積間隔は、前記凍結凝縮物蓄積の速度と、凍結凝縮物の所定の最大許容量と、に基づいて特定されることを特徴とする請求項６に記載の蓄積間隔特定方法。
9. 前記電圧を周期的に検知するステップは、毎秒達成されることを特徴とする請求項１に記載の蓄積間隔特定方法。
10. 蒸発器コイルと、除霜サイクル中に前記蒸発器コイルに熱を付加する電気除霜加熱器と、を有する冷凍装置用の制御システムであって、
    除霜サイクル中に前記加熱器に配電される電圧を周期的に検知する検知手段と、
    前記周期のそれぞれの間に消費されたエネルギー量を計算し、かつ前記除霜サイクル中に前記除霜加熱器によって消費された合計エネルギー量を得るように複数の消費エネルギー量を加算する第１の計算手段と、
    前記消費された合計エネルギー量に基づいて、次の除霜サイクルまでの蓄積間隔を計算する第２の計算手段と、
    を備える制御システム。
11. 前記第１および第２の計算手段は、コントローラ内部に収納されていることを特徴とする請求項１０に記載の制御システム。
12. 前記システムは、温度制御された区域から前記蒸発器コイルに戻る空気の温度を検知する温度センサを含むことを特徴とする請求項１１に記載の制御システム。
13. 前記コントローラは、前記温度センサからの入力を受けることを特徴とする請求項１２に記載の制御システム。
14. 前記第２の計算手段は、前記除霜サイクル中に融解した氷の量を特定する手段を含むことを特徴とする請求項１０に記載の制御システム。
15. 前記第２の計算手段は、前記除霜サイクルに続く凍結凝縮物蓄積の速度を特定する手段を含むことを特徴とする請求項１４に記載の制御システム。
16. 前記速度を特定するステップは、前記除霜サイクル中に融解した氷の量と、前記除霜サイクルに続く圧縮器運転時間との関数として達成されることを特徴とする請求項１５に記載の制御システム。

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