JP2008276397A - 冷却加熱装置および自動販売機 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ運転においてガスクーラの放熱量を抑えて冷媒量過多にならないようにする加熱冷却装置、および該加熱冷却装置が設置された自動販売機を提供する。
【解決手段】加熱冷却装置１００は、冷凍サイクルを構成する要素であって、高圧高温冷媒を冷却する放熱器３およびガスクーラ４を有している。ガスクーラ４の上流には開閉弁３４が、下流には逆止弁４７ｎが設置され、これらをバイパスするバイパス開閉弁４４ｖが設置されたバイパス配管４４が設けられている。
制御装置は、放熱器３に高温高圧冷媒を共有すると共に、蒸発器６ａ、６ｂに低温低圧冷媒を供給する際、圧縮機１を起動した後、所定の時間が経過したところでバイパス開閉弁４４ｖを開いて配管バイパス４４を開通し、開閉弁３４ｖを閉じガスクーラ４に冷媒を閉じこめる。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の装置を同時に冷却または加熱することができる冷却加熱装置、および該冷却加熱装置が設置される自動販売機に関する。

従来、缶、ビン、パック、ペットボトル等の容器に入れた飲料等の商品を冷却または加熱して販売に供する自動販売機には、冷凍サイクルを具備する冷却加熱装置が設置されている。かかる冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機により圧縮された冷媒（高圧高温冷媒に同じ）の保有する温熱を放出するガスクーラと、該ガスクーラにおいて冷却された冷媒を膨張する膨張手段（例えば、電子膨張弁）と、該膨張手段によって膨張された冷媒（低圧低温冷媒に同じ）の保有する冷熱を放出させる複数の蒸発器と、を有している。

そして、自動販売機の商品収納庫のそれぞれには蒸発器および電気ヒータが設置されている。したがって、低圧低温冷媒が供給される蒸発器が設置されている商品収納庫は冷却され、通電された電気ヒータが設置されている商品収納庫は加熱されることになる。
しかしながら、電気ヒータは運転コストが高いため、電気ヒータを撤去して、高圧高温冷媒の保有する温熱を放出する放熱器を、一部の商品収納庫に蒸発器と共に配置する発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２１６１１１号公報（第４頁、図２）

ところで、前記特許文献１に開示された発明は、全蒸発器に低圧低温冷媒を供給して全商品収納庫を冷却することができるように、ガスクーラの容量を決定している。
また、ヒートポンプ運転においては、一部の商品収納庫に配置された放熱器に高圧高温冷媒を供給して当該商品収納庫を加熱し、その他の商品収納庫では蒸発器に低圧低温冷媒を供給して当該商品収納庫を冷却するため、放熱器において温熱が放出されることになる。

そして、通常は、狭い商品収納庫に取設する放熱器に比較して、広い機械室に取設するガスクーラの容量（温熱の放出能力）の方が大きくなっている。このため、前記のようにガスクーラの容量は決定されているから、ヒートポンプ運転においては放熱器における放熱量が過剰になり、結果として、「冷媒量過多」になる。すなわち、圧縮機の圧縮比が増加し、圧縮後の冷媒温度が上昇して、冷却能力（冷却側のエンタルピ差）が小さくなるという問題があった。

本発明は上記問題を解決するものであって、ヒートポンプ運転において放熱器の放熱量を抑えて「冷媒量過多」にならないようにする冷却加熱装置、および該冷却加熱装置が設置された自動販売機を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る冷却加熱装置（請求項１）は、冷媒を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機によって圧縮された冷媒が供給され、該冷媒の保有する温熱を放出する放熱器と、
該放熱器を通過して冷媒または前記圧縮機によって圧縮された冷媒が選択的に供給され、該冷媒の保有する温熱を放出するガスクーラと、
該ガスクーラを通過した冷媒を膨張させる膨張手段と、
該膨張手段において膨張した冷媒の保有する冷熱を放出する蒸発器と、
前記ガスクーラに供給される冷媒をバイパスするバイパス径路と、
冷媒の流路を切り替える制御装置と、
を有し、
前記制御装置が、前記放熱器に冷媒を供給すると共に、前記蒸発器に冷媒を供給する際、前記圧縮機を起動した後、所定の時間が経過したところで前記バイパス径路を開通して前記ガスクーラへの冷媒の流入を停止することを特徴とする。

（２）本発明に係る冷却加熱装置（請求項２）は、前記（１）において、
前記所定の時間は、前記圧縮機の消費電力が最小になる運転時間に相当することを特徴とする。

（３）本発明に係る自動販売機（請求項３）は、前記（１）または（２）の冷却加熱装置が設置された自動販売機であって、
断熱材によって囲まれた筐体と、該筐体で仕切板によって仕切られた複数の商品収納庫と、を有し、
前記冷却加熱装置を構成する放熱器および蒸発器が、前記商品収納庫の一方に配置され、
前記冷却加熱装置を構成する蒸発器が、前記商品収納庫の他方に配置され、
前記冷却加熱装置を構成する圧縮機、ガスクーラおよび膨張手段が、前記商品収納庫の外に配置され、
前記圧縮機が前記放熱器に冷媒が継続して供給する際、該供給を開始した後、所定の時間が経過したところで前記ガスクーラへの冷媒の流入が停止されることを特徴とする。

（ｉ）本発明の請求項１に係る冷却加熱装置は、前記制御装置が、放熱器に冷媒を供給すると共に、蒸発器に冷媒を供給する際、圧縮機を起動した後、所定の時間が経過したところでバイパス径路を開通してガスクーラへの冷媒の流入を停止するから、ガスクーラにおける過剰な放熱が抑えられ、冷媒量過多を防止することができる。

（ｉｉ）本発明の請求項２に係る冷却加熱装置は、圧縮機の消費電力が最小になる運転時間に相当する時間だけ、圧縮機を運転するから、省エネ効果を奏することができる。

（ｉｉｉ）本発明の請求項３に係る自動販売機は、前述のように冷媒量過多が防止され、省ネル効果を奏する冷却加熱装置が設置されるから、自動販売機の運転が安定し、省ネル効果が得られる。

［実施の形態１：冷却加熱装置］
図１および図２は本発明の実施の形態１に係る冷却加熱装置を説明する構成図であって、図１は全冷却運転、図２の（ａ）はヒートポンプ運転の初期、図２の（ｂ）はヒートポンプ運転の中期、における冷媒の流れを実線で示している。
図１において、冷却加熱装置１００は、冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１により圧縮された冷媒（以下「高圧高温冷媒」と称す）を冷却するガスクーラ（熱交換器に同じ）４と、ガスクーラ４により冷却された冷媒を膨張する膨張手段５（たとえば、電子膨張弁、キャピラリなど）と、膨張手段５により膨張された冷媒（以下「低圧低温冷媒」と称す）を蒸発させる蒸発器６とを有する。また、圧縮機１により圧縮された高圧高温冷媒が供給される放熱器３と、膨張手段５に流入する直前の冷媒（温熱を有する）と蒸発器６から流出した後の冷媒（冷熱を有する）との間で、熱交換をする熱回収手段（以下「内部熱交換器」と称す）７と、を有している。

（高圧冷媒系）
そして、圧縮機１は低圧圧縮部１ａと高圧圧縮部１ｂとを具備する二段圧縮機であって、低圧圧縮部１ａにおいて圧縮された冷媒は、中間熱交換器２を通過した後、あるいは中間熱交換器２をバイパス（ショートカットに同じ）した後、高圧圧縮部１ｂに流入する。
すなわち、低圧圧縮部１ａと中間熱交換器２とは開閉弁１２ｖが設置された配管１２によって連通し、中間熱交換器２と高圧圧縮部１ｂとは中間熱交換器２とは開閉弁２１ｖが設置された配管２１によって連通し、中間熱交換器２の流入側と流出側とはバイパス開閉弁２２ｖが設置されたバイパス配管２２によって連通している。

圧縮機１と放熱器３とは開閉弁１３ｖが設置された配管１３によって連通し、放熱器３とガスクーラ４とは逆止弁３４ｎおよび開閉弁３４ｖが設置された配管３４によって連通している。
圧縮機１とガスクーラ４とは開閉弁１４ｖが設置された配管１４によって連通している。また、圧縮機１の入側と出側との連通するバイパス配管４４（バイパス開閉弁４４ｖが設置されている）が設置されている。
内部熱交換器７は高温熱交換部７ａと低温熱交換部７ｂとを有し、ガスクーラ４と高温熱交換部７ａとが逆止弁４７ｎが設置された配管４７によって連通し、高温熱交換部７ａと膨張手段５とが配管７５によって連通している。

（低圧冷媒系）
蒸発器６は第一蒸発器６ａ、第二蒸発器６ｂ、第三蒸発器６ｃから構成され、膨張手段５と第一蒸発器６ａとは開閉弁５６ａｖが設置された配管５６ａによって、膨張手段５と第二蒸発器６ｂとは開閉弁５６ｂｖが設置された配管５６ｂによって、膨張手段５と第三蒸発器６ｃとは開閉弁５６ｃｖが設置された配管５６ｃによって、それぞれ連通している。
そして、第一蒸発器６ａ、第二蒸発器６ｂ、第三蒸発器６ｃの下流側は統合され、内部熱交換器７の低温熱交換部７ｂに配管６７によって連通している。さらに、低温熱交換部７ｂと圧縮機１の低圧圧縮部１ａとが配管７１によって連通している。

（制御装置：全冷却運転）
図１において、制御装置（図示しない）は、開閉弁１３ｖを閉じて、圧縮機１において生成された高温高圧冷媒をガスクーラ４に直接流入させ、膨張手段５により膨張された低圧低温冷媒を、開閉弁５６ａ、５６ｂ、５６ｃを開いて全ての蒸発器６に供給している。そして、蒸発器６において冷熱を放出して冷媒は、内部熱交換器７において膨張手段５に流入直前の冷媒に、冷熱を受け渡した後、圧縮機１に戻している。図中、冷媒の流れを実線で示している。

（制御装置：ヒートポンプ運転の初期）
図２の（ａ）において、制御装置（図示しない）は、開閉弁１３ｖを開いて、圧縮機１において生成された高温高圧冷媒を放熱器３に直接流入させ、放熱器３において温熱を放出した後、ガスクーラ４に流入させている。そして、内部熱交換器７を通過した後、膨張手段５において膨張した冷媒（低圧低温冷媒）を、開閉弁５６ｂ、５６ｃを開いて、第二蒸発器６ｂおよび第三蒸発器６ｃに供給している。そして、蒸発器６において冷熱を放出して冷媒は、内部熱交換器７において膨張手段５に流入直前の冷媒に、冷熱を受け渡した後、圧縮機１に戻している。

（制御装置：ヒートポンプ運転の中期）
図２の（ｂ）において、制御装置（図示しない）は、開閉弁１３ｖを開いて、圧縮機１において生成された高温高圧冷媒を放熱器３に直接流入させ、放熱器３において温熱を放出した後、ガスクーラ４をバイパス（ショートカットに同じ）して、内部熱交換器７に直接流入し、これを通過した後、膨張手段５において膨張し低圧低温冷媒になっている。
すなわち、制御装置は、開閉弁３４ｖを閉じ、バイパス開閉弁４４ｖを開いて、冷媒をバイパス配管４４に流入させている。このとき、ガスクーラ４の４７には逆止弁４７ｎが設置されているから、開閉弁３４ｖの閉塞に伴って、冷媒はガスクーラ４内に閉じこめられることになる。
なお、かかるバイパスを開始するタイミングについては後述する。

図３は、図２に示す冷媒流れのバイパスの効果を説明するモリエル線図である。図３において、放熱器３とガスクーラ４との両方において温熱を放出した場合（バイパスしない場合）、図中、「イ−ロ−ハ−ニ−イ」にて示される線に沿って、冷凍サイクルが機能する。一方、放熱器３のみにおいて温熱を放出した場合（バイパスした場合）、図中、「ホ−ヘ−ト−チ−ホ」にて示される線に沿って、冷凍サイクルが機能する。
すなわち、前者における高温高圧冷媒（位置「ロ」における状態）は、後者における高温高圧冷媒（位置「へ」における状態）と比較して圧力および温度が共に低くなっている。したがって、ガスクーラ４をバイパスすることによって、圧縮機１における圧縮比が小さくなっている。これによって、冷媒の循環量が減少することになる。

（制御装置：バイパス開始のタイミング）
図４は、図２に示す冷媒流れのバイパス開始のタイミングを説明する相関図であって、縦軸は圧縮機の消費電力比、横軸はバイパス開始時間である。
図４において、最初からガスクーラ４に冷媒を供給しない場合の消費電力比を「１．０」とすると、放熱器３からの戻り冷媒を、ガスクーラ４に２分間連続して供給した場合、消費電力比は「０．９８」である。しかし、ガスクーラ４に１．５分間だけ供給して、後半の０．５分間はガスクーラ４をバイパスした場合、消費電力比は「０．９７７」に低下し、ガスクーラ４に１．０分間だけ供給して、後半の１分間はガスクーラ４をバイパスした場合、消費電力比は「０．９６８」に低下している。
そして、ガスクーラ４に３０秒間だけ供給して、後半の１．５分間はガスクーラ４をバイパスした場合、消費電力比は「０．９４８」に低下している。しかしながら、ガスクーラ４に供給する時間を０．５分間よりも短くすると、消費電力比は増加する傾向を示し、最初からガスクーラ４に供給しない場合（０分）は、消費電力比が最大値を示している。

すなわち、図３から明らかなように、ガスクーラ４をバイパスするタイミングを早める（ガスクーラ４に供給する時間を短くする）ほど、冷媒の循環量が減少し、加熱のＣＯＰが減少する。しかしながら、ガスクーラ４をバイパスするタイミングを早めるほど、冷却のＣＯＰが増加するため、ヒートポンプ運転としての総合ＣＯＰとしては、図４に示すように圧縮機１の消費電力量に最小値を有する「谷」型になる。
なお、図４において最小値を示すタイミングである「０．５分」は、冷却加熱装置１００の仕様によって変動するものであるから、その値は設計的事項である。
また、以上はバイパスするタイミングを時間で規定しているが、本発明はこれに限定するものではなく、たとえば、冷却側蒸発器６の大きい容量の蒸発器における、または全ての蒸発器における出入口の冷媒温度または温度差により、バイパスするタイミングを決定してもよい。

［実施の形態２：自動販売機］
図５および図６は本発明の実施の形態２に係る自動販売機を説明する構成図であって、図５は正面視の断面図、図６は側面視の断面図である。
図１１において、自動販売機（以下「自販機」と称す）１０００は、自販機１０００の本体のキャビネット２００と、キャビネット２００の内部で断熱材３００に包囲された商品収納庫４０１と、商品Ｓを補充する時に商品収納庫４０１を開閉する商品補充用扉４０４と、商品収納庫４０１と外気を遮断するための内扉４０５と、自販機１０００の前扉４０６と、を有している。商品収納庫４０１は仕切り板４０３ＡＢ、４０３ＢＣによって商品室４０２Ａ、４０２Ｂ、４０２Ｃに仕切られている。なお、以下の説明において、商品室４０２Ａ、４０２Ｂ、４０２Ｃにおいて共通する内容については添え字「Ａ、Ｂ、Ｃ」の記載を省略する。

各商品室４０２には、商品Ｓを収納するための商品収納ラック４０７と、商品収納ラック４０７から自然落下した商品Ｓを取出すための商品取出し口４０９と、商品Ｓを商品取出し口４０９まで誘導する商品誘導板４０８とが設置され、商品誘導板４０８の下方が庫内部品収納室４１０となっている。また、庫内空気を商品収納ラック４０７を経由して庫内部品収納室４１０に循環させるための循環ダクト４２０が設置されている。
そして、庫内部品収納室４１０には、庫内空気を商品誘導板４０８（通気孔が設けられている）を通過して商品Ｓに衝突させる送風手段４３０と、送風手段４３０の下流側（循環ダクト４２０から遠い側）に庫内熱交換器４４０と、送風手段４３０および庫内熱交換器４４０を収納する送風ダクト４５０と、送風ダクト４５０に連通して空気を通す風洞４６０と、庫内空気の温度を計測する庫内温度センサー５００とが設置されている。
さらに、商品収納庫４０１の下方には、冷却加熱装置１００（実施の形態１参照）のコンデンシングユニット１１０および庫外ファン１２０を収納するための機械室４８０と、電装品を収納するための電装品収納室４９０とが配置されている。

（庫内熱交換器）
庫内熱交換器４４０は、商品室４０２Ａにおいては冷却加熱装置１００の放熱器３および第一蒸発器６ａを、商品室４０２Ｂにおいては冷却加熱装置１００の第二蒸発器６ｂを、商品室４０２Ｃにおいては冷却加熱装置１００の第三蒸発器６ｃを、それぞれ指している。
したがって、冷却加熱装置１００はヒートポンプ運転をする際、前述のようにガスクーラ４を運転途中でバイパス運転するから、自動販売機１０００は、例えば、商品室４０２Ａを加熱する「ＨＣＣモード」において、かかるバイパス運転によって省エネ効果を奏することになる。

本発明によれば、ヒートポンプ運転において省エネ効果が得られるから、各種冷却加熱装置およびこれが設置された各種自動販売機として広く利用することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷却加熱装置を説明する構成図（全冷却運転）。 本発明の実施の形態１に係る冷却加熱装置を説明する構成図（ヒートポンプ運転）。 図２に示す冷媒流れのバイパスの効果を説明するモリエル線図。 図２に示す冷媒流れのバイパス開始のタイミングを説明する相関図。 本発明の実施の形態２に係る自動販売機を説明する正面視の断面図。 本発明の実施の形態２に係る自動販売機を説明する側面視の断面図。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 中間熱交換器
３ 放熱器
４ ガスクーラ
５ 膨張手段
６ 蒸発器
７ 内部熱交換器
１２ 配管
１２ｖ 開閉弁
２２ バイパス配管
２２ｖ バイパス開閉弁
３４ 配管
３４ｎ 逆止弁
３４ｖ 開閉弁
４４ バイパス配管
４４ｖ バイパス開閉弁
１００ 冷却加熱装置（実施の形態１）
１１０ コンデンシングユニット
１２０ 庫外ファン
２００ キャビネット
３００ 断熱材
４０１ 商品収納庫
４０２ 商品室
４０３ 仕切り板
４０４ 商品補充用扉
４０５ 内扉
４０６ 前扉
４０７ 商品収納ラック
４０８ 商品誘導板
４０９ 商品取出し口
４１０ 庫内部品収納室
４２０ 循環ダクト
４３０ 送風手段
４４０ 庫内熱交換器
４５０ 送風ダクト
４６０ 風洞
４８０ 機械室
４９０ 電装品収納室
５００ 庫内温度センサー
１０００ 自販機（実施の形態２）
Ｓ 商品

Claims (3)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   該圧縮機によって圧縮された冷媒が供給され、該冷媒の保有する温熱を放出する放熱器と、
   該放熱器を通過して冷媒または前記圧縮機によって圧縮された冷媒が選択的に供給され、該冷媒の保有する温熱を放出するガスクーラと、
   該ガスクーラを通過した冷媒を膨張させる膨張手段と、
   該膨張手段において膨張した冷媒の保有する冷熱を放出する蒸発器と、
   前記ガスクーラに供給される冷媒をバイパスするバイパス径路と、
   冷媒の流路を切り替える制御装置と、
   を有し、
   前記制御装置が、前記放熱器に冷媒を共有すると共に、前記蒸発器に冷媒を供給する際、前記圧縮機を起動した後、所定の時間が経過したところで前記バイパス径路を開通して前記ガスクーラへの冷媒の流入を停止することを特徴とする冷却加熱装置。
2. 前記所定の時間は、前記圧縮機の消費電力が最小になる運転時間に相当することを特徴とする請求項１記載の冷却加熱装置。
3. 請求項１または２記載の冷却加熱装置が設置された自動販売機であって、
   断熱材によって囲まれた筐体と、該筐体で仕切板によって仕切られた複数の商品収納庫と、を有し、
   前記冷却加熱装置を構成する放熱器および蒸発器が、前記商品収納庫の一方に配置され、
   前記冷却加熱装置を構成する蒸発器が、前記商品収納庫の他方に配置され、
   前記冷却加熱装置を構成する圧縮機、ガスクーラおよび膨張手段が、前記商品収納庫の外に配置され、
   前記圧縮機が前記放熱器に冷媒が継続して供給する際、該供給を開始した後、所定の時間が経過したところで前記ガスクーラへの冷媒の流入が停止されることを特徴とする自動販売機。

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