JP2010139206A

JP2010139206A - 冷凍空調装置

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Publication number: JP2010139206A
Application number: JP2008318254A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Hamada; 守濱田; Fumitake Unezaki; 史武畝崎; Akira Morikawa; 彰守川; Tomotsugu Kamiyama; 智嗣上山; Koji Yamashita; 浩司山下; Hiroyuki Morimoto; 裕之森本; Yuji Motomura; 祐治本村; Tetsuya Yamashita; 哲也山下; Yusuke Otsubo; 祐介大坪
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2010-06-24
Anticipated expiration: 2028-12-15
Also published as: JP4749459B2

Abstract

【課題】蒸発器の着霜状態を直接検知し、その検知結果に基づいて蒸発器の除霜運転及びドレンパンの加熱運転をそれぞれの最適なタイミングで個別に実施することが可能な冷凍空調装置を提供する。
【解決手段】圧縮機、凝縮器、膨張手段及び蒸発器を接続して構成され冷房運転を行う冷凍サイクルと、蒸発器を加熱する蒸発器用加熱装置と、蒸発器からのドレン水を受けて排出するドレンパンと、ドレンパンを加熱するドレンパン用加熱装置と、蒸発器に光を照射する発光素子と蒸発器からの反射光を受けてこの反射光に応じた電圧を出力する受光素子とを備えた着霜検知手段と、蒸発器用加熱装置及びドレンパン用加熱装置のＯＮ／ＯＦＦをそれぞれ制御する制御装置とを有し、制御装置は、着霜検知手段の出力から蒸発器の着霜状態を判定し、その判定結果に応じて蒸発器用加熱装置及びドレンパン用加熱装置をそれぞれ個別に制御する。
【選択図】図１１

Description

本発明は、冷凍空調装置に関し、更に詳しくは、蒸発器の除霜及びドレンパンの加熱を行う機能を備えた冷凍空調装置に関する。

従来、冷凍空調装置は、圧縮機と、凝縮器と、膨張手段と、蒸発器とを備えた冷凍サイクルを有し、その冷凍サイクル内に冷媒が充填されている。圧縮機で圧縮された冷媒は、高温高圧のガス冷媒となり、凝縮器に送り込まれる。凝縮器に流れ込んだ冷媒は、空気に熱を放出することにより液化する。液化した冷媒は、膨張手段で減圧されて気液二相状態となり、蒸発器にて周囲空気から熱を吸収することでガス化し、圧縮機へ戻される。

冷凍・冷蔵倉庫においては、倉庫内を１０℃より低い温度帯に制御しなければならない。そのときの冷媒の蒸発温度は０℃より低くなるため、時間とともに蒸発器フィン表面に霜が発生する。霜が発生すると、風量低下及び熱抵抗の増大により冷却能力が低下するため、定期的に霜を取り除く除霜運転が必要となってくる。

除霜運転を行うと、蒸発器の表面に付着した霜が溶けて滴下することから、冷凍空調装置には通常、滴下した水などのいわゆるドレン水を受けるドレンパンが設置されている。ドレンパン上に滴下したドレン水は、ドレンパンに設けた排水口から排出されるようになっている。外気温が低い場合等には、ドレン水が凍結して排出が困難になることがあるため、ドレンパンにはヒータが取り付けられ、凍結防止が図られている。

このような蒸発器の除霜やドレンパンの加熱は、必要以上に行なわれると、消費電力の無駄な増大や庫内温度の上昇を招くことから、着霜状態を正確に見極め、最良のタイミングで適度に行う必要がある。そこで、従来より、蒸発器及びドレンパンの両方に接するように伝熱部材を設け、この伝熱部材に温度センサを取り付け、その温度センサで検出した伝熱部材の温度を、蒸発器とドレンパンの両方の温度として検知し、その検知温度から着霜状態を判定し、蒸発器の除霜運転とドレンパン用ヒータのＯＮ／ＯＦＦの制御を行うようにした冷凍装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２５１４８０号公報（第４頁、第５頁、図１）

上記特許文献１の冷凍装置では、伝熱部材の温度を用いて間接的に蒸発器の着霜状況を推測している。このため、着霜状態の判定精度が十分ではなく、除霜終了判定に用いる閾値温度を安全側、すなわち確実に着霜を解消できる温度に設定する必要がある。この場合、過剰なヒータ通電による消費電力の増大や庫内温度の上昇を招くなどの課題がある。

また、特許文献１の冷凍装置では、蒸発器の除霜開始とドレンパンの加熱開始のタイミングを同じとしている。しかしながら、ドレン水がドレンパンに滴下し始めるのは、蒸発器の除霜運転を開始し、霜の温度が０℃以上に上昇して霜が溶け始めてからであり、ドレンパンの加熱開始タイミングと蒸発器の除霜開始タイミングは必ずしも同じである必要はない。蒸発器の除霜開始・終了とドレンパン用ヒータのＯＮ／ＯＦＦは、上述したようにそれぞれ的確なタイミングで制御されることが望ましいが、上記特許文献１の技術では、十分に対応できていないのが実情である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、蒸発器の着霜状態を直接検知し、その検知結果に基づいてドレンパン用ヒータのＯＮ／ＯＦＦ及び蒸発器の除霜開始・終了をそれぞれの最適なタイミングで個別に実施することが可能な冷凍空調装置を得ることを目的とするものである。

本発明に係る冷凍空調装置は、圧縮機、凝縮器、膨張手段及び蒸発器を接続して構成され冷房運転を行う冷凍サイクルと、蒸発器を加熱する蒸発器用加熱装置と、蒸発器からのドレン水を受けて排出するドレンパンと、ドレンパンを加熱するドレンパン用加熱装置と、蒸発器に光を照射する発光素子と蒸発器からの反射光を受けてこの反射光に応じた電圧を出力する受光素子とを備えた着霜検知手段と、蒸発器用加熱装置及びドレンパン用加熱装置のＯＮ／ＯＦＦをそれぞれ制御する制御装置とを有し、制御装置は、着霜検知手段の出力から蒸発器の着霜状態を判定し、その判定結果に応じて蒸発器用加熱装置及びドレンパン用加熱装置をそれぞれ個別に制御するものである。

本発明によれば、蒸発器の着霜状態を着霜検知手段により直接検知し、その検知結果に基づいて蒸発器の除霜及びドレンパンの加熱をそれぞれの最適なタイミングで個別に実施することが可能である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における冷凍空調装置の概略図である。図２は、図１の蒸発器の拡大概略斜視図である。図３は、図１の蒸発器を含む周辺部分の拡大概略図である。図４は、図２において矢印Ａ方向から見た蒸発器を含む周辺部分の正面図である。
本発明の実施の形態１における冷凍空調装置１は圧縮機２、凝縮器３、膨張手段としての膨張弁４、蒸発器５、凝縮器用送風機としての凝縮器用ファン６及び蒸発器用送風機としての蒸発器用ファン７を備えており、蒸発器５及び蒸発器用ファン７は冷凍・冷蔵倉庫１１の内部に設置されている。

蒸発器５は、フィンチューブ熱交換器で構成され、複数のフィン５ａを備えている。蒸発器５には、蒸発器５の除霜を行う蒸発器用加熱装置としての蒸発器用ヒータ２１と、蒸発器５の着霜状態を検知する着霜検知手段２２とが取り付けられている。また、蒸発器５の下方には、蒸発器５からのドレン水を回収して排出するドレンパン２３が設けられ、ドレンパン２３の底面には、ドレンパン２３を加熱するドレンパン用加熱装置としてのドレンパン用ヒータ２４が設けられている。

着霜検知手段２２は、図３のように赤外領域の波長をもった光を照射できる安価な発光ダイオード（ＬＥＤ）からなる発光素子２２ａと、同じく安価な発光ダイオード（ＬＥＤ）からなる受光素子２２ｂとを備えている。ＬＥＤ（発光ダイオード）は、電流を光に変えるものであるが、構造的にはＰ型・Ｎ型の半導体の接合を利用しており、フォトダイオード（太陽電池）と同じ仲間である。半導体のＰＮ接合に光を照射すると、Ｐ型はプラス、Ｎ側はマイナスの電位を持つようになり、光起電力が発生する。本実施の形態１のＬＥＤからなる受光素子２２ｂは、光強度を時間軸に変換し、時間の長短を評価して出力を得る逆バイアス方式の回路に構成している。このように、発光素子２２ａと受光素子２２ｂを共に安価なＬＥＤから構成することで、着霜検知手段２２の製造原価を非常に安くすることができるとともに、小型化できる。さらに、赤外領域の波長を持った光は周囲の光の影響を受けにくいため、検知感度が周囲環境によって影響されにくい特性を有している。

以上のように構成された着霜検知手段２２は、図３に示すように、発光素子２２ａの光を、着霜部材であるフィン５ａに向けて照射し、その反射光を受光素子２２ｂで受光するように配置されている。着霜検知手段２２は後述の制御装置２５に接続され、制御装置２５にて受光素子２２ｂの出力から光強度Ｐが算出され、光強度Ｐに基づき着霜状態が判定されるようになっている。

図５は、本発明の実施の形態１における冷凍空調装置の電気的な構成を示すブロック図である。図５において、図１と同一部分には同一符号を付す。
図５に示すように、冷凍空調装置１は、冷凍空調装置１全体を制御する制御装置２５を備えており、制御装置２５に、圧縮機２、膨張弁４、凝縮器用ファン６、蒸発器用ファン７、電源スイッチや温度等の設定が可能な入力操作手段１０、着霜検知手段２２、蒸発器用ヒータ２１及びドレンパン用ヒータ２４が接続されている。制御装置２５は、入力操作手段１０からの信号に基づいて圧縮機２、膨張弁４、凝縮器用ファン６、蒸発器用ファン７を制御したり、着霜検知手段２２の受光素子２２ｂの出力から光強度Ｐを算出し、光強度Ｐに基づき着霜状態を判定したり、後述のフローチャートに従った制御を行う。制御装置２５は具体的にはマイコン等で構成される。

このように構成された冷凍空調装置１において、冷却運転が開始されると、圧縮機２で圧縮された冷媒は高温高圧のガス冷媒となり、凝縮器３に送り込まれる。凝縮器３に流れ込んだ冷媒は、凝縮器用ファン６により導入される空気に熱を放出することにより液化する。液化した冷媒は膨張弁４に流れ込む。液状態の冷媒は膨張弁４で減圧されて気液二相流状態となり、蒸発器５に送り込まれる。そして、蒸発器用ファン７で導入される空気から熱を吸収してガス化し、冷房作用を行う。そして、ガス化された冷媒は、圧縮機２へ戻される。このサイクルが繰り返し行われて冷凍・冷蔵倉庫１１内が冷却される。

蒸発器５における蒸発温度が０℃以下の場合、空気中に存在している水分が蒸発器５に付着し、図６に示すように霜４０となって堆積する。その堆積量は時間とともに増加する。その結果、蒸発器５の一部であるフィン５ａに付着した霜４０による熱抵抗、通風抵抗増加により、次の図７に示すように時間とともに冷却能力が低下する。

図７は、蒸発器に霜が着くことによって冷却能力が低下する様子を示すグラフである。横軸は時間、縦軸は、初期冷却能力に対する冷却能力の割合をとって示している。
図７から明かなように、蒸発器５に霜が付着すると、次第に冷却能力が低下する。

そのため、冷凍・冷蔵倉庫１１に用いられる冷凍空調装置１の蒸発器５では、蒸発器用ヒータ２１を設け、蒸発器用ヒータ２１の熱を利用して、除霜運転により霜を融かすことができるようにしている。また、除霜時には、ドレン水の受け皿であるドレンパン２３をドレンパン用ヒータ２４で加熱し、ドレン水が再凍結しないようにしている。

ここで、図６に示したように蒸発器５のフィン５ａに霜４０が付着すると、着霜検知手段２２の発光素子２２ａから発せられた光は、霜４０で反射・吸収され、反射光が受光素子２２ｂにて受光される。受光素子２２ｂは、予め逆バイアスの電圧が印加され、充電されており、受光した反射光によって放電することにより、霜４０からの反射光量を検出するようになっている。放電したときの受光素子２２ｂの電位と時間の関係は図８の通りである。図８の（１）は、受光素子２２ｂの受光量が０の場合の基準グラフ、（２）は、受光素子２２ｂで反射光量を検出した場合のグラフであり、ある電圧Ｖｔになるまでの時間を測定することで、光強度Ｐを求めることができる。光強度Ｐと電圧Ｖｔになるまでの時間ｔとの関係は下式で表せ、光強度Ｐを求めることが可能である。

ここで、aは定数、Ｑ０は受光素子２２ｂの初期帯電量、Ｖ０は時間０における電位である。

図９は、フィン５ａの表面に霜が付着していない状態から着霜状態に変化するときの光強度の変化（電圧と時間の関係でもよい）を示す図である。
時間が経過して着霜量が増えると、散乱光が増えるため、受光素子２２ｂへ返ってくる光の量が増え、光強度（電圧でもよい）が次第に増加する。なお、Ｐ₀は霜が無い状態のフィン５ａからの反射光の光強度である。図９に示すように、時間経過とともに光強度Ｐが光強度Ｐ₀から次第に増加しており、光強度Ｐと着霜量との間には相関関係があることが明らかである。従って、この関係を利用して光強度から着霜量を判断することが可能である。このため、本例では、予め実験により着霜量と光強度との関係を取得しておき、運転中の着霜量が、所望の冷却能力を維持できる限界の着霜量（この着霜量以上になると所望の冷却能力が得られなくなる限界の着霜量に相当）に達したとき、除霜運転を開始する制御を行う。具体的には、所望の冷却能力を維持できる限界の着霜量のときの光強度（この光強度を以下では光強度Ｐｓとする）を予め求めておき、運転中の光強度Ｐが光強度Ｐｓに到達したとき、除霜運転を開始する制御を行えば良い。

次に、フィン５ａの表面に霜が付着している状態から除霜運転を開始した場合の、光強度Ｐの変化の挙動について説明する。
図１０は、フィン５ａの表面に霜が付着している状態から除霜運転を開始し、霜が無い状態に変化するときの光強度の変化（電圧と時間の関係でもよい）を示す図である。
除霜を開始すると霜の温度が次第に上昇し、０℃まで上昇すると、霜が溶け始める。このとき霜の透明度が増すため、散乱光が減り、受光素子２２ｂへ返ってくる光の量が減り、光強度（電圧でもよい）が急激に低下し始める（図１０の点ａ）。その後、霜が取り除かれるに従い、光強度（電圧）が低下し、蒸発器５表面に霜や露が完全に無くなると（図１０の点ｂ）、光強度（電圧）はＰ₀（Ｖ₀）で安定する。従って、予め実験により光強度Ｐｓの状態から除霜運転を開始した場合の光強度Ｐの変化を測定し、着霜状態に応じた光強度の変化を把握しておくことで、運転中の着霜検知手段２２の検知結果から、現在の着霜状態がどのような状態にあるのかを判定することが可能となる。

ところで、除霜運転の開始が遅れ、所望の冷却能力が得られない状態のまま冷却運転を継続すると、冷凍・冷蔵倉庫１１の冷却不足に陥る可能性がある。また、除霜運転の終了が遅れ、除霜運転を必要以上に行うと、除霜中の消費電力が増えるばかりか、冷凍・冷蔵倉庫１１の温度を上昇させ、上昇させた庫内温度から所定の温度まで冷やし込むための消費電力が必要となり、無駄が生じる。また、冷凍・冷蔵倉庫１１内の温度が上昇すると、冷凍・冷蔵倉庫１１内に収納されている品物の品質が劣化し、損害を受ける。つまり、除霜の開始・終了タイミングを最適化し、必要十分な除霜運転を行うことが重要である。また、ドレンパン２３の加熱開始・加熱終了タイミングについても同様に、最適なタイミングを見極めることが省エネ及び品質劣化防止の観点から重要である。

以下、本実施の形態１の冷凍空調装置１における着霜検知手段２２の出力に基づく運転動作について図１１のフローチャートに基づき説明する。図１２は、図１１のフローチャートに従った制御を行った場合の光強度Ｐの変化を示す図で、蒸発器用ヒータ２１及びドレンパン用ヒータ２４のそれぞれのＯＮＯＦＦのタイミングの説明図である。
制御装置２５は、入力操作手段から冷却運転の開始が指示されると（Ｓ−１）、圧縮機２等を駆動して冷却運転を開始するとともに、着霜検知手段２２の受光素子２２ｂの出力から光強度Ｐ（電圧）を算出する。そして、算出した光強度Ｐが予め設定された光強度Ｐｓ（Ｖon）以上か否かを判定する（Ｓ−２）。光強度ＰがＰｓ（Ｖon）以上になったと判定した場合、除霜運転を開始する。すなわち、蒸発器５の除霜を行うために、蒸発器用ヒータ２１に通電を開始する（Ｓ−３）。

制御装置２５は、着霜検知手段２２の出力に基づき算出した光強度Ｐ（電圧）が、予め設定されたＰｄｓ（Ｖｄon）以下になったかどうかの判定を行う（Ｓ−４）。そして、光強度Ｐ（電圧）が、Ｐｄｓ（Ｖｄon）以下となると、蒸発器５の霜が溶け始めたと判断し、ドレンパン用ヒータ２４の通電を開始する（Ｓ−５）。ここで、光強度Ｐｄｓは、光強度Ｐｓの状態から除霜運転を開始した場合の光強度Ｐの変化を予め実験により測定しておき、その測定結果から、光強度Ｐが急激に低下し始めるときの光強度を、光強度Ｐｄｓとして設定しておくようにすればよい。なお、図１２中の時間ｔａは、除霜運転開始から蒸発器５の霜が溶け始めるまでの時間に相当する。

そして、制御装置２５は、着霜検知手段２２の出力に基づき算出した光強度Ｐ（電圧）がＰ₀以下になったかどうか判定する（Ｓ−６）。そして、算出した光強度ＰがＰ₀以下になったと判定した場合、蒸発器５に霜や露が無くなったと判定して蒸発器用ヒータ２１の通電を停止し（Ｓ−７）、蒸発器５の除霜を終了する。なお、図１２中の時間ｔｂは、除霜運転開始から蒸発器５に霜や露が無くなるまでの時間に相当する。

ついで、制御装置２５は、蒸発器用ヒータ２１の通電を停止してから、予め設定した水切り時間Δｔｗが経過したかどうか判定する（Ｓ−８）。そして、水切り時間Δｔｗが経過すると、ドレンパン用ヒータ２４の通電を停止して（Ｓ−９）、除霜運転を終了し、冷却運転に復帰する。この時間をｔｃとする。

図１３は、蒸発器用ヒータ２１とドレンパン用ヒータ２４の通電時間を示す図で、（ａ）が蒸発器用ヒータ２１、（ｂ）がドレンパン用ヒータ２４を示している。図１３において実線は本実施の形態１による通電時間、点線は従来の温度センサを用いた除霜終了判定に基づく通電時間を示している。

従来の温度センサを用いた除霜終了判定で、蒸発器用ヒータ２１とドレンパン用ヒータ２４を同時に通電し、同時に停止する制御で要する除霜時間をｔｄとすると、本実施の形態１の制御によれば、図１３に示すように蒸発器用ヒータ２１の通電時間は（ｔｄ−ｔｂ）秒短縮され、ドレンパン用ヒータ２４の通電時間は（ｔａ＋（ｔｄ−ｔｃ））秒短縮される。

例えば、庫内温度０℃、蒸発温度−２０℃で運転したとき、霜が解け始める時間ｔａは約３５０秒、蒸発器５に霜が無くなる時間ｔｂは約１１００秒、水切りが終わる時間ｔｃは約１６００秒となる。この場合、通常制御では除霜時間ｔｄが約１８００秒となるので、蒸発器ヒータの通電時間は７００秒（３９％）、ドレンパン用ヒータ２４の通電時間は約５５０秒（３１％）の短縮となる。

このように、本実施の形態１によれば、蒸発器５における着霜部材であるフィン５ａの着霜状態を着霜検知手段２２により直接検知し、その検知結果から、着霜の進行状況や除霜の進行状況を細かく把握することができるため、蒸発器５の除霜開始・終了とドレンパン２３の加熱開始・終了のそれぞれについて、それぞれ最適なタイミングを見極めることができる。そして、その見極めたタイミングに従って蒸発器用ヒータ２１とドレンパン用ヒータ２４をそれぞれ個別に制御するようにしたので、蒸発器５の除霜及びドレンパン２３の加熱を必要最小限にすることができ、無駄な消費電力の削減による省エネ性向上や庫内温度上昇の抑制が可能となる。

具体的には、蒸発器５の着霜状態が所望の冷却能力を維持できる限界の着霜状態に達したタイミングで蒸発器用ヒータ２１をＯＮするようにしたため、必要なタイミングで除霜を開始することができる。また、このとき、蒸発器用ヒータ２１についてのみＯＮし、ドレンパン用ヒータ２４についてはＯＮしないようにしたため、従来、蒸発器用ヒータ２１とドレンパン用ヒータ２４とを同時にＯＮするようにした方法に比べて、省エネが図れる。

また、着霜検知手段２２の検知結果から、霜が溶け始めてドレン水がドレンパン２３に滴下し始めるタイミングを的確に判定することができ、このタイミングを、ドレンパン用ヒータ２４のＯＮタイミングとしているため、実質的に必要なタイミングでドレンパン２３の加熱を開始することが可能となる。

また、ドレンパン用ヒータ２４のＯＦＦタイミングを、蒸発器用ヒータ２１をＯＦＦしてから予め実験により求めた水切り時間経過後としているため、必要十分な的確なタイミングでドレンパン２３の加熱を終了することができる。

実施の形態２．
以上の実施の形態１では、着霜検知手段２２の光強度（電圧）の絶対値を用いて着霜状態を判定するようにしていたが、着霜状態に対する光強度（電圧）の絶対値は経年劣化（光学面の汚れ等）により異なってくる。実施の形態２は、このような場合を想定した実施形態である。

図１４は、実施の形態２の冷凍空調装置における着霜検知手段２２の出力に基づく運転動作を示すフローチャートである。実施の形態２の冷凍空調装置１の概略図や、ブロック構成図等は実施の形態１と同様である。以下、実施の形態２が実施の形態１と異なる部分の動作を中心に説明する。

ここで、実施の形態２における運転制御のフローチャートを説明するに先立ち、初期時と経年劣化時のそれぞれの着霜検知手段２２の出力変化について説明する。

図１５は、フィン５ａの表面に霜が付着している状態から除霜運転を開始し、霜が無い状態に変化するときの光強度の変化（電圧と時間の関係でもよい）を示す図で、実線は初期時、点線は経年劣化時を示している。
図１５に示すように、経年劣化時は、着霜検知手段２２の受光素子２２ｂの受光面の汚れ等の影響で、初期時に比べて受光素子２２ｂで受光される受光量が低下し、光強度Ｐが低下する。このように初期時と経年劣化時とでは、光強度Ｐの絶対値は異なるものの、光強度Ｐの変化の挙動自体は略同じである。すなわち、経年変化により、着霜状態に対する光強度（電圧）の絶対値が異なっていたとしても、除霜開始から蒸発器５の霜が溶け始める時間ｔａに至るまでの光強度（電圧）の変化勾配、言い換えれば、光強度（電圧）の傾きは略同じである。また、光強度（電圧）が急激に低下し始めたときの光強度（電圧）の傾きについても初期時と経年劣化時とでは略同じである。実施の形態２は、この点を利用したものであり、光強度（電圧）の傾きに基づき着霜状態を判定し、蒸発器５の除霜制御やドレンパン２３の加熱制御を行うようにしている。

以下、図１４のフローチャートに基づき、実施の形態２の冷凍空調装置における着霜検知手段２２の出力に基づく運転動作について説明する。また、図１６は、図１４のフローチャートに従った制御を行った場合の光強度の傾きの絶対値の変化を示す図で、蒸発器用ヒータ２１及びドレンパン用ヒータ２４のそれぞれのＯＮＯＦＦのタイミングの説明図である。なお、図１６において、実線は傾き絶対値の変化を示しており、点線は、参考のため、光強度の変化を示したものである。
制御装置２５は、冷却運転の開始が指示されると（Ｓ−１１）、冷却時間が予め設定した時間ｔｒを経過したかどうか判定する（Ｓ−１２）。この時間ｔｒは、所望の冷却能力が維持できる限界の時間（この時間以上になると所望の冷却能力が得られなくなる限界の時間に相当）として設定される。そして、ｔｒ経過したと判定した場合、除霜運転を開始する。すなわち、蒸発器５の除霜を行うために、蒸発器用ヒータ２１に通電を開始する（Ｓ−１３）。

ところで、制御装置２５は、蒸発器用ヒータ２１の通電開始後、着霜検知手段２２の受光素子２２ｂの現在の出力と過去数個の出力データとから、逐次、光強度（電圧）の傾き（時間経過に対する光強度の変化具合）の絶対値ＡＤを算出している。そして、その絶対値ＡＤが急激に変化した場合、すなわち、予め設定した第１の傾き閾値（この例では例えば、運転初期の傾きの絶対値ＡＤｓに対して数倍（例えば１．５倍）の値）以上となった場合（Ｓ−１４）、霜が融け始めることによる光強度（電圧）の急激な低下だと判定し、ドレンパン用ヒータ２４の通電を開始する（Ｓ−１５）。この時間が既述したｔａに相当する。ここで、過去数個の出力データについては、過去３０個前後のデータを用いるのが望ましい。ただし、傾きが正確に算出できるのであれば、過去２０個でも過去１０個のデータとしても良い。また、傾きは下式のように最小二乗法を用いるのが望ましいが、傾きが正確に算出できるのであれば、他の方法でも良い。

そして、制御装置２５は、傾きの絶対値ＡＤが予め設定した第２の傾き閾値（例えば、０．００１）以下となる状態が数分（例えば３分）連続で続いた場合（Ｓ−１６）、蒸発器５に霜や露が無くなり、光強度（電圧）が安定したと判定し、蒸発器用ヒータ２１の通電を停止し（Ｓ−１７）、蒸発器５の除霜を終了する。この時間が既述したｔｂに相当する。ここで、過去数個のデータについては、過去３０個前後のデータを用いるのが望ましい。ただし、傾きが正確に算出できるのであれば、過去２０個でも過去１０個のデータとしても良い。なお、第１の傾き閾値及び第２の傾き閾値は、除霜運転を開始後の光強度Ｐの変化を予め実験により測定しておき、その測定結果に基づき設定しておくようにすればよい。

そして、制御装置２５は、蒸発器用ヒータ２１の通電を停止してから、予め設定した水切り時間ｔｗが経過したかどうか判定する（Ｓ−１８）。そして、水切り時間Δｔｗが経過すると、ドレンパン用ヒータ２４の通電を停止して（Ｓ−１９）、除霜運転を終了し、冷却運転に復帰する。この時間をｔｃとする。

従来の温度センサを用いた除霜終了判定で、蒸発器用ヒータ２１とドレンパン用ヒータ２４を同時に通電し同時に停止する制御の除霜時間をｔｄとすると、本実施の形態２では、実施の形態１と同様に図１３に示すように蒸発器用ヒータ２１の通電時間は（ｔｄ−ｔｂ）秒短縮され、ドレンパン用ヒータ２４の通電時間は（ｔａ＋（ｔｄ−ｔｃ））秒短縮される。

また、実施の形態１と同様に、例えば、庫内温度０℃、蒸発温度−２０℃で運転したとき、霜が解け始める時間ｔａは約３５０秒、蒸発器５に霜が無くなる時間ｔｂは約１１００秒、水切りが終わる時間ｔｃは約１６００秒となる。この場合、通常制御では除霜時間ｔｄが約１８００秒となるので、蒸発器ヒータの通電時間は７００秒（３９％）、ドレンパン用ヒータ２４の通電時間は約５５０秒（３１％）の短縮となる。

このように、実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、着霜検知手段２２の光強度（電圧）の絶対値を用いた着霜状態の判定に代えて、光強度（電圧）の傾きを用いた判定を行うようにしたので、経年劣化の影響を排除して常に安定した制御が可能となる。

なお、本実施の形態２では、蒸発器用ヒータ２１のＯＮタイミングを冷却運転開始からの時間ｔｒによって決めているが、このタイミングを実施の形態１のように着霜検知手段２２の検知結果に基づき決定するようにしてもよい。すなわち、実施の形態１と実施の形態２とを適宜組み合わせて除霜運転及びドレンパン２３の加熱制御を行うようにしてもよい。

なお、本実施の形態２では、ドレンパン用ヒータ２４のＯＦＦタイミングを、予め設定した水切り時間に基づき決定している。なお、水切り時間は、水切りが確実に完了する十分な時間として設定されている。しかしながら、水切り時間は実際には着霜量との相関があるため、運転時の着霜量に応じて可変としてもよい。つまり、水切り時間は着霜量が多ければ長く設定する必要があり、逆に着霜量が少ない場合には短く設定すればよい。実施の形態２では、冷却運転を開始してから時間ｔｒ経過後に蒸発器用ヒータ２１をＯＮするようにしているため、蒸発器用ヒータ２１ＯＮ時の着霜量は、使用環境によって異なっている。この着霜量の違いは、除霜運転を開始してから霜が溶け始めるまでの時間ｔａの違いとなって現れる。従って、時間ｔａと着霜量との関係を予め求めておくとともに、着霜量と水切り時間との関係も予め求めておき、実運転時に、除霜運転を開始してから霜が溶け始めるまでの時間ｔａを求め、時間ｔａから着霜量を推測し、推測した着霜量から水切り時間を推測して設定するようにしてもよい。

また、上記各実施の形態では、蒸発器用加熱装置及びドレンパン用加熱装置としてそれぞれヒータを用いるとしたが、ＩＨヒータを用いても良いし、また、圧縮機２から吐出される高温高圧のガス冷媒を蒸発器５内部やドレンパン近傍を通過させて加熱する構成としてもよい。

なお、上記各実施の形態の着霜検知手段２２は位置固定としていたが、蒸発器５全体に渡って着霜状態が検知可能なように、蒸発器５に対して横方向及び縦方向に移動可能に取り付けた構成としてもよい。着霜の進行具合は、蒸発器５全体において一様ではなく、着霜の進行が速い箇所や遅い箇所がある。また、除霜の進行具合についても同様のことが言える。よって、蒸発器用ヒータ２１やドレンパン用ヒータ２４のＯＮタイミングを判断する際には、着霜の進行が速い箇所の着霜状態を着霜検知手段２２に検知させて判断を行い、蒸発器用ヒータ２１やドレンパン用ヒータ２４のＯＦＦタイミングを判断する際には、除霜が遅い箇所の着霜状態を着霜検知手段２２に検知させて判断を行うようにしてもよい。これにより、より正確な判断が可能となる。

また、上記各実施の形態において、ドレンパン用ヒータ２４のＯＦＦタイミングを着霜検知手段２２の検知結果に基づいて決定するようにしていたが、着霜検知手段２２と同様の構成の検知手段を別途新たに設け、ドレンパン２３に向けて光を照射するように設置し、反射光に基づいてドレンの有無を判定してドレンパン用ヒータ２４のＯＦＦタイミングを判断しても良い。

なお、本発明の冷凍サイクル内を循環する冷媒は、どんなものでもよく、二酸化炭素、炭化水素、ヘリウムのような自然冷媒、ＨＦＣ４１０Ａ、ＨＦＣ４０７Ｃなどの代替冷媒など塩素を含まない冷媒、もしくは既存の製品に使用されているＲ２２、Ｒ１３４ａなどのフロン系冷媒の何れでもよい。

また、圧縮機２は、レシプロ、ロータリー、スクロール、スクリューなどの各種タイプのいずれのものを用いてもよく、回転数可変可能のものでも、回転数固定のものでも構わない。

本発明の実施の形態１における冷凍空調装置の概略図である。図１の蒸発器の拡大概略斜視図である。図１の蒸発器を含む周辺部分の拡大概略図である。図３において矢印Ａ方向から見た蒸発器を含む周辺部分の正面図である。本発明の実施の形態１における冷凍空調装置の電気的な構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態１の着霜検知手段における無着霜時と着霜時の反射光の量を示した図である。本発明の実施の形態１の冷却能力の時間変化を示した図である。図３の受光素子が放電した時の電位と時間の関係を示すグラフである。フィン５ａの表面に霜が付着していない状態から着霜状態に変化するときの光強度の変化（電圧と時間の関係でもよい）を示す図である。フィン５ａの表面に霜が付着している状態から除霜運転を開始し、霜が無い状態に変化するときの光強度の変化（電圧と時間の関係でもよい）を示す図である。実施の形態１の冷凍空調装置における着霜検知手段の出力に基づく運転動作を示すフローチャートである。図１１のフローチャートに従った制御を行った場合の光強度Ｐの変化を示す図である。蒸発器用ヒータとドレンパン用ヒータの通電時間を示す図である。実施の形態２の冷凍空調装置における着霜検知手段の出力に基づく運転動作を示すフローチャートである。フィン５ａの表面に霜が付着している状態から除霜運転を開始し、霜が無い状態に変化するときの光強度の変化（電圧と時間の関係でもよい）を示す図で、初期時と経年劣化時のそれぞれについて示した図である。実施の形態２の冷凍空調装置において除霜中の光強度の変化勾配（傾き）と蒸発器ヒータ及びドレンパン用ヒータのＯＮ／ＯＦＦタイミングを示した図である。

符号の説明

１冷凍空調装置、２圧縮機、３凝縮器、４膨張弁、５蒸発器、５ａフィン、６凝縮器用ファン、７蒸発器用ファン、１１冷凍・冷蔵倉庫、２１蒸発器用ヒータ、２２着霜検知手段、２２ａ発光素子、２２ｂ受光素子、２３ドレンパン、２４ドレンパン用ヒータ、２５制御装置、４０霜。

Claims

圧縮機、凝縮器、膨張手段及び蒸発器を接続して構成され冷房運転を行う冷凍サイクルと、
前記蒸発器を加熱する蒸発器用加熱装置と、
前記蒸発器からのドレン水を受けて排出するドレンパンと、
該ドレンパンを加熱するドレンパン用加熱装置と、
前記蒸発器に光を照射する発光素子と前記蒸発器からの反射光を受けてこの反射光に応じた電圧を出力する受光素子とを備えた着霜検知手段と、
前記蒸発器用加熱装置及び前記ドレンパン用加熱装置のＯＮ／ＯＦＦをそれぞれ制御する制御装置とを有し、
該制御装置は、前記着霜検知手段の出力から前記蒸発器の着霜状態を判定し、その判定結果に応じて前記蒸発器用加熱装置及び前記ドレンパン用加熱装置をそれぞれ個別に制御することを特徴とする冷凍空調装置。
前記制御装置は、前記着霜検知手段の出力から、前記蒸発器の着霜状態が所望の冷却能力を維持できる限界の着霜状態に達したと判定した場合、前記蒸発器用加熱装置をＯＮし、前記ドレンパン用加熱装置はＯＮしないことを特徴とする請求項１記載の冷凍空調装置。
前記制御装置は、前記着霜検知手段の出力電圧Ｖ又は該出力電圧Ｖから算出した光強度Ｐが、所定の電圧Ｖon又は所定の光強度Ｐｓ以上になった場合、前記蒸発器の着霜状態が所望の冷却能力を維持できる限界の着霜状態に達したと判定することを特徴とする請求項２記載の冷凍空調装置。
前記制御装置は、前記着霜検知手段の出力から、前記蒸発器の霜が溶け始めたと判定した場合、前記ドレンパン用加熱装置をＯＮすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の冷凍空調装置。
前記制御装置は、前記着霜検知手段の出力電圧Ｖ又は該出力電圧Ｖから算出した光強度Ｐが、前記蒸発器用加熱装置をＯＮ後、所定の電圧Ｖdon又は所定の光強度Ｐｄｓ以下になった場合、前記蒸発器の霜が溶け始めたと判定することを特徴とする請求項４記載の冷凍空調装置。
前記制御装置は、前記蒸発器用加熱装置をＯＮ後の前記着霜検知手段の出力電圧の傾きを逐次算出し、該傾きが、第１の傾き閾値以上となった場合、前記蒸発器の霜が溶け始めたと判定することを特徴とする請求項４記載の冷凍空調装置。
前記制御装置は、前記蒸発器用加熱装置をＯＮ後、前記着霜検知手段の出力から、前記蒸発器に霜が無くなったと判定した場合、前記蒸発器用加熱装置をＯＦＦすることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載の冷凍空調装置。
前記制御装置は、前記着霜検知手段の出力電圧Ｖ又は該出力電圧Ｖから算出した光強度Ｐが、前記蒸発器用加熱装置をＯＮ後、所定の電圧Ｖoff又は所定の光強度Ｐ₀以下となった場合、前記蒸発器に霜が無くなったと判定することを特徴とする請求項７記載の冷凍空調装置。
前記制御装置は、前記ドレンパン用加熱装置をＯＮ後の前記着霜検知手段の出力電圧の傾きが、第２の傾き閾値以下となる状態が所定時間継続した場合、前記蒸発器に霜が無くなったと判定することを特徴とする請求項７記載の冷凍空調装置。
前記制御装置は、前記蒸発器用加熱装置をＯＦＦ後、予め設定した水切り時間が経過すると、前記ドレンパン用加熱装置をＯＦＦすることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れかに記載の冷凍空調装置。
前記制御装置は、前記蒸発器用加熱装置をＯＮしてから前記ドレンパン用加熱装置をＯＮさせるまでの時間から着霜量を推測し、推測した着霜量に基づき前記蒸発器用加熱装置をＯＦＦしてから前記ドレンパン用加熱装置をＯＦＦするまでの水切り時間を推測し、該水切り時間になると、前記ドレンパン用加熱装置をＯＦＦすることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れかに記載の冷凍空調装置。
前記着霜検知手段を、前記蒸発器全体の着霜状態が検知可能なように前記蒸発器に対して移動可能に取り付けたことを特徴とする請求項１乃至請求項１１の何れかに記載の冷凍空調装置。
前記着霜検知手段を、前記蒸発器全体の着霜状態が検知可能なように前記蒸発器に対して移動可能に取り付け、
前記制御装置は、
前記蒸発器において着霜の進行が速い箇所の着霜状態に基づいて前記蒸発器用加熱装置及び前記ドレンパン用加熱装置のＯＮタイミングを判断し、
また、前記蒸発器において除霜の進行が遅い箇所の着霜状態に基づいて前記蒸発器用加熱装置及び前記ドレンパン用加熱装置のＯＦＦタイミングを判断する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１１の何れかに記載の冷凍空調装置。