JP2010223507A - 除霜装置及びこれを備えるエアサイクル冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】霜による問題が発生することがなくノンストップで作動することができる除霜装置及びこれを備える冷凍システムを提供する。
【解決手段】氷点下以下の含霜冷却空気を冷却空気と霜とに分離する除霜装置３であって、含霜冷却空気の主流れ方向を変更して乱流を発生させて含霜冷却空気と霜とに固気分離し、且つ、霜取り作業のために装置を止めることなく連続運転させるために継続的に霜を保持又は収容し続ける一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂを有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、霜を含む冷却空気を冷却空気と霜とに固気分離する除霜装置及びこれを備えるエアサイクル冷凍システムに関する。

近年、温暖化現象を防止する環境保護の観点から、ノンフロン技術の開発が進められており、特に、空気冷媒を用いたエアサイクル冷凍システムが注目を集めている。例えば、−５０℃以下の超低温冷蔵庫などにおいては、Ｒ２２（ＨＣＦＣ）／Ｒ２３（ＣＨＦ_３）の二元冷凍システムが主流であったが、昨今のフロン規制により冷媒の変更を余儀なくされている。近年の超低温冷蔵庫においては、ＮＨ_３（アンモニア）／Ｒ２３（ＣＨＦ_３）への移行が進んでいるが、Ｒ２３冷媒も温暖化係数の高い冷媒とされ問題視されている。
そこで、自然冷媒であり、且つ超低温域に限れば熱交換効率も高い空気冷媒を用いた空気冷凍システムの開発に力が注がれている。この自然冷媒である空気冷媒を用いた場合、冷蔵庫や冷凍庫内に直接空気を流すため、庫内の雪や氷粒などの霜が冷却空気中に取り込まれるという問題がある。そのため、霜詰まりや閉塞が起きないように霜を除去する機構、いわゆるフロストトラップを冷凍システム中に設ける必要がある。霜が大量に冷却システム内を循環したり、一部に堆積したりすると、冷却システムの機能を損ねる可能性があるからである。

従来、冷凍システムに用いられる除霜装置としては、金網や、遠心分離器などを用いて霜と冷却空気とに固気分離する構造のものが知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。
特許文献１に開示の除霜装置では、図１０に示すように、除霜装置１００に流入した冷却空気Ａはファン１０１及び熱交換器１０２を通過してから、複数枚の網状部材１０３からなる霜取り部に流入する。網状部材１０３は冷風が流れる方向に対して中央部分が若干重なるように千鳥状又はジグザグ状に配置される。これにより、網状部材１０３が霜又は氷で目詰まりするような状況になっても空気が流れる流路は確保される。

また、特許文献２に開示の除霜装置では、図１１に示すように、槽２００内にハンマー２０１を備えた伝熱部２０２が設置され、着霜量に応じて衝撃を与え除霜が行われる。伝熱部２０２より落下した霜は、伝熱部２０２の下部に設けられたホッパ２０３から連続的に分離される。また、槽２００を通過した霜を含む冷却空気はサイクロン２０４で霜と冷却空気に固気分離される。ここでは、冷却空気はサイクロン２０４の上部から流出し、霜はサイクロン２０４の下部に堆積する。

特開２００５−６９６７３号公報 特開昭５７−１２２２７１号公報

しかし、特許文献１に開示の除霜装置では、網状部材１０３を若干重ねるだけであり、網状部材１０３が完全に目詰まりした場合には、冷却空気は流路中央を若干蛇行しながら進行する。この構成では、中央部分に集中的に霜が堆積し、網状部材１０３間の流路が狭くなり、冷却空気が流れ難くなるという問題があった。その場合、除霜装置１００を止めて、霜取り作業を行わなくてはならず、除霜装置の連続運転を行うことができなかった。より具体的には、フロストトラップで補集した雪・氷を除去するための乾燥運転は、装置を停止状態で加熱した外気を用いて行う。ヒータにて加熱した外気をフロストトラップ内に送り、下部装置のドレンから加熱空気及びフロストトラップ内の水分を排出する。また、主流が一方向に進むため、乱流場が十分に発達せず固気分離による除霜機能を十分に発揮しているといえなかった。

また、特許文献２に開示の除霜装置では、伝熱部２０２から落下してホッパ２０３に堆積した霜やサイクロン２０４の下部に堆積した霜のその後の処理については開示されていなかった。この堆積した霜は、冷凍装置の稼働を止めてからホッパ２０３内で液体となった水をホッパ２０３の下部から流出させることにより除霜を行うことができる。しかし、連続的に冷凍装置を稼働させる場合は、除霜を行うことができず、経時的にホッパ２０３の容量を超えることになる。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、霜による問題が発生することがなくノンストップで作動させることができる除霜装置及びこれを備えるエアサイクル冷凍システムを提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決する手段としてなされたものである。
本発明は、氷点下以下の含霜冷却空気を冷却空気と霜とに分離する除霜装置であって、含霜冷却空気の主流れ方向を変更して乱流場を発達させて含霜冷却空気と霜とに固気分離する乱流場発生手段と、霜取り作業のために装置を止めることなく、連続運転させるために、継続的に霜を保持又は収容し続ける霜補集手段とを有していることを特徴とする。
かかる発明では、含霜冷却空気の主流れ方向を変更して乱流場を発生させて含霜冷却空気と霜とに固気分離する乱流場発生手段が設けられ、該固気分離により分離した霜を霜捕集手段で継続的に保持又は収容し続ける。このため、霜取り作業のために装置を止めることなく連続運転することができる。すなわち、霜による問題が発生することがなくノンストップで除霜装置を作動させることができる。

また、前記乱流場発生手段として、前記含霜冷却空気が流れる折返し流路が形成されるように除霜装置内を仕切る仕切り部材が設けられ、前記霜捕集手段として、除霜装置内壁に上下方向に間隔を置いて粗面部材が設けられ、前記含霜冷却空気は、前記仕切り部材で形成された主流路を流通してから外部に流出することが好ましい。
この構成では、乱流場発生手段として、除霜装置内を仕切る仕切り部材が設けられ、霜捕集手段として、除霜装置内壁に上下方向に間隔を置いて粗面部材が設けられているので、含霜冷却空気は、仕切り部材で形成された主流路を流通してから外部に流出する。また、この主流路を流通中の含霜冷却空気から固気分離した霜は、着霜し易い粗面部材の表面に堆積する。粗面部材が例えば、表面粗さの粗い平板でありこれに接触すると、表面の凹凸に霜が入り込み、霜堆積初期に含霜冷却空気が当該平板に接触した際の着霜率を向上させることができる。

また、前記粗面部材として、網状部材を好適に用いることができる。
粗面部材として網状部材を用いると、網目が目詰まりする前は、固気分離した含霜冷却空気が網目を流れ、網目に霜が付き易い。また、網目が目詰まりしても粗面部材の表面は凸凹形状であるので、着霜し易い。また、平板を用いる場合と比べて軽量である。

また、前記粗面部材と前記仕切り部材とを同一の部材で構成することができる。
すなわち、網状部材に粗面部材と仕切り部材との機能を併用して発揮させることができる。これにより、部品の単一化が図られる。網状部材に目詰まりが発生すると、粗面部材としての網状部材は、完全な仕切り部材となる。

また、前記主流路には１８０度流れ方向を変更するターン部が形成されていることが好ましい。
このように１８０度流れ方向を変更すると、往復流路を繰り返し形成することができる。そして、ターン部とターン部の出口とに渦流が発生するため、含霜冷却空気の固気分離が促進され、粗面部材及び仕切り部材への着霜が急速且つ確実に行われる。

また、好ましくは、前記粗面部材又は前記霜補集部として、除霜装置内側壁の一面に他面側に向かって且つ上下方向に間隔を置いて設けられる一側網状部材と、除霜装置内側壁の他面に一面側に向かって且つ上下方向に間隔を置いて設けられる他側網状部材と、が交互に設けられ、前記一側網状部材と前記他側網状部材とが目詰まりした場合に、前記含霜冷却空気は、前記一側網状部材と前記他側網状部材とで形成された往復繰返し流路を流通する。
かかる発明では、一側・他側網状部材を除霜装置内に設けたので、装置内の霜が少ない場合には、含霜冷却空気は網目を抜けて流れる。そして、徐々に網状部材に霜が堆積する。そして、網目が詰まってくると、重力方向の流れよりもむしろ一側・他側網状部材との間を蛇行する流れが強くなる。このように蛇行した往復繰返し流路が確保されると、網状部材が完全に目詰まりした状態でも十分な冷却空気を流すことができる。また、流路が長くなるので、網状部材の着霜と含霜冷却空気との接触面積が大きくなり、冷却空気の水分を十分に除去することができる。

本発明は、装置上部に前記含霜冷却空気が流入する流入口が形成され、装置下部に前記含霜冷却空気が流出する流出口が形成されていることが好ましい。
この構成では、含霜冷却空気は、装置上部の流入口から装置内に流入し、装置下部の流出口から流出する。含霜冷却空気は上方から下方へ向けて流れるので、重力方向の流れであり、反重力方向に流れる場合と比べて、網状部材に霜が堆積し易い。また、冷たい空気は暖かい空気より重いので、含霜冷却空気はスムーズに流れる。

また、前記乱流場発生手段は、遠心分離器と、該遠心分離器を収納する除霜装置本体カバーとを有するサイクロン装置であり、前記霜補集部材は、前記除霜装置本体カバーの下部の霜収容空間に繰り出される霜収容器であることが好ましい。
この構成では、除霜装置本体カバーの下部から排出される霜を収容するバッチ式の霜収容器が本体カバーの下部の霜収容空間に定期的に繰り出され、霜収容器が満杯になる前に、次に到達する霜収容器が霜収容空間に配置される。そして、絶えず定期的に堆積した霜を搬送することができるので、除霜作業が連続して行われる。そのため、霜による問題が発生することがなくノンストップで除霜装置及びこれを備えるエアサイクル冷凍システムを稼働させることができる。なお、霜収容器の繰出しは、同一の部材を繰返し使用することができるし、複数の霜収容器を準備して順番に使用することもできる。

また本発明は、好ましくは、前記サイクロン装置の下部にはロータリバルブが設けられ、該ロータリバルブを介して前記ロータリバルブの下部に配置された前記霜収容器に霜が送出される。
このようにすれば、ロータリバルブによって除霜装置本体カバーの内側の空間と霜収容器の内部空間とが断続的に遮断されるので、バッチ式の霜収容器を断続的に搬送する際に、遠心分離器が設置されている空間と外部空間とを閉鎖することができる。このため、バッチ式の霜収容器の取替えの際に、除霜装置本体カバーの内側の空間の冷気が逃げることがない。
このロータリバルブにおいて、ロータリ羽部の先端にはシール部が設けられていることが好ましい。シール部を設けると、確実に空間と外部空間とを密閉することができる。

また本発明は、好ましくは、圧縮機、凝縮器、膨張機及び蒸発器を備えて冷凍サイクルを構成するエアサイクル冷凍システムであって、上記のいずれかに記載の除霜装置を用いて膨張行程と蒸発行程との間で除霜が行われる。
このようにすれば、かかる構成のエアサイクル冷凍システムに本発明が適用され、エアサイクル冷凍システムを連続的に稼働させることができる。

また本発明は、好ましくは、膨張機一体型圧縮機、冷蔵庫、及び冷熱回収熱交換器を備え、前記膨張機一体型圧縮機の膨張機からの空気冷媒は、前記冷蔵庫に流入し、該冷蔵庫からは零下温度の空気冷媒が流出して、請求項１ないし請求項９に記載の除霜装置に流入し、該除霜装置からの空気冷媒は、前記冷熱回収熱交換器の加温側に流入し、前記冷熱回収熱交換器からの空気冷媒は、前記膨張機一体型圧縮機の圧縮機に流入し、該圧縮機からの空気冷媒は、前記冷熱回収熱交換器の冷却側に流入し、該冷熱回収熱交換器からの空気冷媒は、前記膨張機に戻る。
このようにすれば、本発明の除霜装置を備えるエアサイクル冷凍システムに本発明が適用され、冷凍システムを連続的に稼働させることができる。また、かかる構成のエアサイクル冷凍システムにおいて、実験によれば−８０℃の空気冷媒を冷蔵庫に流入させることが可能であり、また、−６０℃の空気冷媒を冷蔵庫から流出させることが可能である。

また、前記圧縮機から前記冷熱回収熱交換器へ向かう流路には、冷却器が設けられていることが好ましい。
圧縮機で加熱された空気冷媒を冷却させてから冷熱回収熱交換器に流入させることができ、冷熱回収熱交換器の加温側出口と冷却側入口の温度を低くすることができ、冷熱回収熱交換器の冷却側出口の空気冷媒の温度を大幅に小さくすることができる。これにより、圧縮機から冷蔵庫へ流入する空気冷媒の温度を大幅に低下させることができる。

また、前記冷却器には、冷却水を流通させることが好ましい。水は安価であり、手軽に準備することができるからである。

また、前記除霜装置の下流側には加熱空気流入部が設けられ、該加熱空気流入部から前記除霜装置へ加熱空気を供給可能に構成されていることが好ましい。
このように加熱空気流入部を設けることで、仮に除霜装置に霜が堆積しても確実に除霜作業を行うことができる。

また、前記冷熱回収熱交換器の冷却側の下流側には加熱空気流入部が設けられ、該加熱空気流入部から前記冷熱回収熱交換器へ加熱空気を供給可能に構成されていることが好ましい。
このように加熱空気流入部を設けることで、仮に冷熱回収熱交換器に霜が堆積しても確実に除霜作業を行うことができる。

また、前記加熱空気流入部は、例えば、ファンと加熱器とで構成される。これは、簡素な構成であり、廉価である。

本発明の除霜装置及びこれを備えるエアサイクル冷凍システムでは、霜による問題が発生することがなくノンストップで除霜装置を作動させることができる。

図１は、本発明の除霜装置の一実施形態を備えるエアサイクル冷凍システムを示す説明図である。 図２は、本発明の除霜装置の第１実施形態を示す説明図である。 図３は、網状部材の取付方法を示す説明図である。図３（ａ）は、挟持手段で網状部材の耳部を挟み込みボルトで締結したものである。図３（ｂ）は、支持部材上に網状部材を載置した形態を示している。 図４は、図２の除霜装置の第１の適用例（冷却ファン付き）を示す説明図である。 図５は、図２の除霜装置の第２の適用例（冷却システム付き）を示す説明図である。 図６は、図２の除霜装置の第３の適用例（急速凍結装置付き）を示す説明図である。 図７は、本発明の除霜装置の第２実施形態を示す説明図である。 図８は、本発明の除霜装置の第３実施形態を示す説明図である。 図９は、図８のロータリバルブを示す説明図である。 図１０は、従来の除霜装置（金網仕様）を示す説明図である。 図１１は、従来の除霜装置（サイクロン仕様）を示す説明図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対位置などは特に記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（第１実施形態）
図１は、本発明の除霜装置を備えるエアサイクル冷凍システムの第１実施形態を示している。この冷凍システムは、膨張機一体型圧縮機１、冷蔵庫２、除霜装置３、冷熱回収熱交換器４及び一次冷却器５を備えている。この膨張機一体型圧縮機１の膨張機１１から流出した空気冷媒（例えば、−８０℃）は冷蔵庫２に流入する。

この冷蔵庫では、貯蔵物や冷蔵庫の扉の開閉により冷媒の温度が例えば、−６０℃にされる。冷蔵庫内の冷媒は除霜装置３に流入する。除霜装置３で水分が除去された冷媒は、冷熱回収熱交換器４に流入する。この冷熱回収熱交換器４の加熱側で冷媒が昇温され、例えば、３５℃にされる。この時、当該冷媒は、隣接する後流側の流路を流れる冷媒によって昇温される。この昇温された冷媒は膨張機一体型圧縮機１の圧縮機１２に流入する。圧縮機１２で圧縮されて高温（例えば、９３℃）になった冷媒は一次冷却器５に流入して、隣接する流路を流れる冷却水によって熱が奪われる。そして、例えば、４０℃にされた冷媒は冷熱回収熱交換器４の冷却側に流入する。この時、隣接する上流側の流路を流れる冷媒によって昇温される。冷熱回収熱交換器４で凝縮された冷媒（例えば、−５５℃）は膨張機１１に流入する。このようにして、冷媒は循環する。このエアサイクルにおいて、冷熱回収熱交換器４の存在により、１サイクル中で１つの装置を２度利用することができ、装置の簡素化を図ることができる。また、圧縮機１２で加熱された空気冷媒を冷却させてから冷熱回収熱交換器４に流入させることができ、冷熱回収熱交換器４の加温側出口と冷却側入口の温度を低くすることができ、冷熱回収熱交換器４の冷却側出口の空気冷媒の温度を大幅に小さくすることができる。これにより、圧縮機１２から冷蔵庫２へ流入する空気冷媒の温度を大幅に低下させることができる。

除霜装置３内に霜が発生しても、本発明では連続運転可能であるが、除霜装置３内の霜を除去する場合には、除霜装置３の後流側に配置された空気導入部から加熱空気流入部に設けられた送風ファン６及びヒータ７を介して除霜装置３内に暖気又は熱風を送り込み、除霜装置３内の霜を融解させ、暖気又は熱風と共に除霜装置３の外部へ排気する。この除霜装置３は縦置き構造であるため、霜が水になってから水が適下し重力で排出できるため、除霜作業が容易である。
さらに、冷熱回収熱交換器４内は上半分の温度が零下になるため、送風ファン８を介して加熱空気を送り込み冷熱回収熱交換器４内で発生した霜を除去し、外部へ排出する。

図２は、本発明の除霜装置の第１実施形態を示している。この除霜装置３は、直方体状のボックスであり、氷点下以下の含霜冷却空気を冷却空気と霜とに分離する装置である。この除霜装置３内には、含霜冷却空気の主流れ方向を変更して乱流場を発生させて含霜冷却空気と霜とに固気分離する乱流場発生手段として一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂが設けられている。一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂは、継続的に霜を保持又は収容し続ける霜補集手段としての機能をも有する。この霜捕集手段は、霜取り作業のために装置を止めることなく、連続運転させる効果を有する。

上述した乱流場発生手段としての一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂは、除霜装置３内の仕切り部材となる。これにより、含霜冷却空気の折返し流路が形成される。この折返し流路は繰り返し形成されている。また、霜捕集手段としての一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂは、除霜装置内壁に上下方向に間隔を置いて設けられる粗面部材となる。すなわち、粗面部材と仕切り部材とが同一の部材で構成されている。そして、この一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂで含霜冷却空気の主流路が形成される。この主流路には１８０度流れ方向を変更するターン部が形成されている。このターン部とターン部の出口とに渦流が発生するため、含霜冷却空気の固気分離が促進され、一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂへの着霜が急速且つ確実に行われる。さらに、この除霜装置３では、装置上部に含霜冷却空気が流入する流入口３ａが形成され、装置下部に含霜冷却空気が流出する流出口３ｂが形成されている。

この構成では、含霜冷却空気は、装置上部の流入口３ａから装置内に流入し、装置下部の流出口３ｂから流出する。含霜冷却空気は上方から下方へ向けて流れるので、重力方向の流れであり、反重力方向に流れる場合と比べて、一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂに霜が堆積し易い。また、冷たい空気は暖かい空気より重いので、含霜冷却空気はスムーズに流れる。

次に、一側網状部材３１Ａ及び他側網状部材３１Ｂの具体的配置について述べる。一側網状部材３１Ａは、除霜装置内側壁の一面に他面側に向かって且つ上下方向に間隔を置いて設けられている。他側網状部材３１Ｂは、除霜装置内側壁の他面に一面側に向かって且つ上下方向に間隔を置いて設けられている。一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂは交互に設けられている。そして、一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂが目詰まりした場合に、含霜冷却空気は、一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂで形成された往復繰返し流路を流通する。

一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂとしては、例えば、金網や樹脂からなるネットその他の網状部材を用いることができる。網目の形状は、格子状、菱形、三角形、六角形、円形及びこれらの組み合わせなど各種の形状にすることができる。また、網目のサイズは、霜を除去できる程度の大きさであればよく、例えば、１８ｍｍ×１８ｍｍの正方形の網目を用いることができる。網目の大きさは、連続運転時間と、冷凍システムの使用温度による霜の発生具合とから決定することができる。網目の構造は、縦方向と横方向とに針金を交互に這わしたものを用いることができるが、その構成は特に限定されない。また、格子状又は菱形のネットを用いた場合の交差部の結束方法についても限定されない。

一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂとして金網を用いる場合、剛性が高ければ片持ち梁状に片側のみ固定すればよいが、金網の重みで撓む場合は、一側部分又は他側部分と、これと垂直な部分との３辺を固定するようにするとよい。
また、樹脂製の網状部材を用いる場合であって剛性が十分でないときにも、３辺固定をするとよい。樹脂の種類としては、低温で低脆性な材料が好ましい。
また、一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂの取付方向としては、例えば、図３（ａ）に示すように、一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂの縁部に耳部３６を形成し、除霜装置３の内壁に取り付けた金具３７に固定するようにしてもよい。耳部３６としては例えば、長尺状の金属板を用いることができる。また、３辺固定する場合は、図３（ｂ）に示すように耳部３６を設け、逆Ｌ字状の支持部材３８上に載置するようにしてもよい。

図４は、本実施形態の除霜装置３を冷凍・冷蔵庫２Ａへ導入した第１の例である。冷凍・冷蔵庫２Ａ内には空気熱交換器２１が設けられている。空気熱交換器２１は、熱交換部とファンを備えており、除霜装置３からの冷却空気を冷凍・冷蔵庫２Ａ内に送風する。この冷却空気は、再度除霜装置３に送られ、霜や冷却空気中に存在するコンタミが除去される。コンタミは例えば、霜中に混在して霜とともに一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂで冷却空気中から除去される。一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂを除霜装置３から取り出し、一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂに付着した霜を金属ヘラなどで除去すれば、機外へ霜やコンタミを捨てることができる。

図５は、本実施形態の除霜装置３を冷凍・冷蔵庫２Ａへ導入した第２の例である。この第２例は第１例と比べて空気冷凍システム９が設けられている点で異なる。この空気冷凍システム９には除霜装置３からの冷却空気が流入し、再度、冷凍・冷蔵庫２に冷却空気を送り込む構成にされている。このような循環サイクル中に除霜装置３を設置すると、冷凍・冷蔵庫２の開閉の度に循環サイクルへ湿気が混在しても、連続して除霜装置３で冷却空気中の水分を除去することができる。冷却システムとしては、冷凍サイクルの構成要素である圧縮機、凝縮器、膨張機及び蒸発器などが含まれる。

図６は、本実施形態の除霜装置３を冷凍・冷蔵庫２Ａへ導入した第３の例である。この第３例は第２例と比べて冷凍・冷蔵庫２Ａの代わりに急速凍結装置２Ｂが設けられている点で異なる。この第３例でも除霜装置３は除霜機能を連続的に発揮し、ノンストップでエアサイクル冷凍システムを稼働させることが可能である。急速凍結装置２Ｂとしては、例えば、サーモジャック（株式会社前川製作所の登録商標）を用いることができる。

上述した第１実施形態の除霜装置３では、含霜冷却空気の主流れ方向を変更して乱流を発生させて含霜冷却空気と霜とに固気分離する一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂが設けられているので、固気分離により分離した霜を一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂで継続的に保持又は収容し続けることができる。このため、霜取り作業のために装置を止めることなく、連続運転することができる。すなわち、霜による問題が発生することがなくノンストップで除霜装置を作動させることができる。

また、上述した第１実施形態の除霜装置３では、仕切り部材及び粗面部材として一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂが設けられているので、含霜冷却空気は、一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂで形成された主流路を流通してから外部に流出する。また、この主流路を流通中の含霜冷却空気から固気分離した霜は、着霜し易い一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂの表面に堆積する。
さらに、上述した第１実施形態の除霜装置３では、一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂの網目が目詰まりする前は、主流路で固気分離した含霜冷却空気が網目を流れ、網目に霜が付き易い。また、網目が目詰まりしても一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂの表面は凸凹形状であるので、さらにその上にも着霜が行われ易い。また、平板を用いる場合と比べて軽量である。

また、上述した第１実施形態の除霜装置３では、一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂに素面部材と仕切り部材との機能を発揮させることができる。これにより、部品の単一化が図られる。網状部材に目詰まりが発生すると、粗面部材としての網状部材は、完全な仕切り部材、すなわち平板となる。

さらに、上述した第１実施形態の除霜装置３では、一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂを除霜装置３内に設けたので、装置内の霜が少ない場合には、含霜冷却空気は網目を抜けて流れる。そして、徐々に一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂに霜が堆積する。そして、網目が詰まってくると、重力方向の流れよりもむしろ一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂとの間の往復流路を流れるようになる。このように蛇行した往復繰返し流路が確保されると、一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂが完全に目詰まりした状態でも十分な冷却空気を流すことができる。また、流路が長くなるので、一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂの着霜と含霜冷却空気との接触面積が大きくなり、冷却空気の水分を十分に除去することができる。

なお、上述した第１実施形態では、一側網状部材３１Ａと他側網状部材３１Ｂとを交互に設けた例について説明したが、例えば、４面ある側面に、時計回り方向又はその反対方向に順番に網状部材を設置するようにしてもよい。要するに、連続運転しても氷塞しない程度の流路が確保されていればよい。ただし、除霜効果を上げるために、なるべく長い往復流路が形成され、冷却空気と金網との接触面積が大きい方が好ましい。また、一側・他側網状部材３１Ａ，３１Ｂに付着した霜が巻き上がらない程度に乱流の流れ場が形成される方が好ましい。除霜機能が向上するからである。また、網状部材の全体に冷却空気が行き渡るように網状部材の配置を決定することが好ましい。網目が完全に目詰まりするまでの時間が長くなるからである。

（第２実施形態）
図７は、本発明の除霜装置の第２実施形態を示している。この第２実施形態は、第１実施形態と比べて除霜装置３の構造のみ異なるため、その他の説明は省略する。
この第２実施形態の除霜装置３は、サイクロン式であり、遠心分離器３０を備え、遠心分離器３０によって霜を含む冷却空気を冷却空気と霜とに固気分離する。遠心分離器３０は除霜装置本体カバー３２に収容されている。この遠心分離器３０と除霜装置本体カバー３２とでサイクロン装置が構成されている。

この除霜装置本体カバー３２の下部に霜収容空間が存在し、この霜収容空間にバッチ式の霜収容器３３が定期的に繰り出される。霜収容器３３は、ベルトコンベアで搬送してもよいし、車輪を取り付けてリモートコントロールで定期的に搬送してもよい。また、霜収容器３３を除霜装置本体カバー３２に当接させるために、水平面上での霜収容器３３の位置合わせを行ってから、霜収容器３３を上昇させるとよい。上昇機構については、例えば、ボール螺子と駆動モータを用いた公知の手段を用いることができる。

除霜装置本体カバー３２の上部には、冷媒入口３２１が設けられ、冷媒が流入する。この冷媒は、遠心分離器３０で霜が除去される。霜が除去された冷却空気は、冷媒出口３２２から流出し、熱交換器に向かう。遠心分離器３０で冷却空気から分離された霜は重力によって落下し、霜収容器３３に堆積する。

この第２実施形態では、除霜装置本体カバー３２の下部から排出される霜を収容するバッチ式の霜収容器３３が定期的に供給され、霜収容器３３が満杯になる前に堆積した霜を搬送して次の霜収容器３３を供給することができる。そのため、除霜装置及びこれを備えるエアサイクル冷凍システムを、霜による問題が発生することがなくノンストップで稼働させることができる。

（第３実施形態）
図８は、本発明の除霜装置の第３実施形態を示している。この第３実施形態は、第２実施形態の除霜装置３にロータリバルブ３４が設けられているものであり、この点について説明する。
この第３実施形態の除霜装置３は、除霜装置本体カバー３２の下部にはロータリバルブ３４が設けられ、該ロータリバルブ３４を介してロータリバルブ３４の下部に配置された霜収容器３３に霜が送出される。ロータリバルブ３４はモータ３５によって作動する。ロータリバルブ３４付近を拡大した断面は図９に示すようになる。ロータリバルブ３４は、軸体の周面に一定間隔で板状の羽部が形成された霜送出部３４１と、これを収納する円弧部を有するロータリバルブケース３４２と、を備えている。

ロータリバルブ３４によって除霜装置本体カバー３２の内側の空間と霜収容器３３の内部空間とを断続的に遮断するために、霜送出部３４１の先端とロータリバルブケース３４２との間には、隙間が形成されないことが好ましい。バッチ式の霜収容器３３の取り替えの際に、除霜装置本体カバー３２の内側の空間の冷気が逃げることがないようにするためである。そのために霜送出部３４１の先端をシール部とすべく軟質性の樹脂で形成するとよい。例えば、ゴムベラ状にするとよい。このようにすれば、バッチ式の霜収容器３３を断続的に搬送する際に、除霜装置本体カバー３２内の空間と外部空間とを確実に密閉することができる。そして、除霜装置本体カバー３２の内側の冷気が逃げるのを確実に防止することができる。

以上、本発明を説明してきたが、本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、その本質を逸脱しない範囲で、他の種々の変形が可能であることはいうまでもない。

本発明の除霜装置及びこれを備えるエアサイクル冷凍システムでは、霜の除去といった観点からは、ノンストップで除霜装置及びこれを備えるエアサイクル冷凍システムを作動させることができる。本発明は、空気冷媒を用いた冷凍システムに適用することができる。

１ 膨張機一体型圧縮機
１１ 膨張機
１２ 圧縮機
２ 冷蔵庫
２Ａ 冷凍・冷蔵庫
２Ｂ 急速凍結装置
２１ 空気熱交換器
３ 除霜装置
３ａ 流入口
３ｂ 流出口
３０ 遠心分離器
３１Ａ 一側網状部材
３１Ｂ 他側網状部材
３２ 除霜装置本体カバー
３２１ 冷媒入口
３２２ 冷媒出口
３３ 霜収容器
３４ ロータリバルブ
３４１ 霜送出部
３４２ ロータリバルブケース
３５ モータ
３６ 耳部
３７ 金具
３８ 支持部材
４ 冷熱回収熱交換器
５ 一次冷却器
６ 送風ファン
７ ヒータ
８ 送風ファン
９ 空気冷凍システム
１００ 除霜装置
１０１ ファン
１０２ 熱交換器
１０３ 網状部材
２００ 槽
２０１ ハンマー
２０２ 伝熱部
２０３ ホッパ
２０４ サイクロン
Ａ 冷却空気

Claims (17)

1. 氷点下以下の含霜冷却空気を冷却空気と霜とに分離する除霜装置であって、
   含霜冷却空気の主流れ方向を変更して乱流場を発達させて含霜冷却空気と霜とに固気分離する乱流場発生手段と、
   霜取り作業のために装置を止めることなく、連続運転させるために、継続的に霜を保持又は収容し続ける霜補集手段と、
   を有していることを特徴とする除霜装置。
2. 前記乱流場発生手段として、前記含霜冷却空気が流れる折返し流路が形成されるように除霜装置内を仕切る仕切り部材が設けられ、
   前記霜捕集手段として、除霜装置内壁に上下方向に間隔を置いて粗面部材が設けられ、
   前記含霜冷却空気は、前記仕切り部材で形成された主流路を流通してから外部に流出することを特徴とする請求項１に記載の除霜装置。
3. 前記粗面部材は、網状部材であることを特徴とする請求項２に記載の除霜装置。
4. 前記粗面部材と前記仕切り部材とが同一の部材で構成されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の除霜装置。
5. 前記主流路には１８０度流れ方向を変更するターン部が形成されていることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の除霜装置。
6. 前記粗面部材又は前記霜補集部として、
   除霜装置内側壁の一面に他面側に向かって且つ上下方向に間隔を置いて設けられる一側網状部材と、
   除霜装置内側壁の他面に一面側に向かって且つ上下方向に間隔を置いて設けられる他側網状部材と、
   が交互に設けられ、
   前記一側網状部材と前記他側網状部材とが目詰まりした場合に、前記含霜冷却空気は、前記一側網状部材と前記他側網状部材とで形成された往復繰返し流路を流通することを特徴とする請求項１に記載の除霜装置。
7. 装置上部に前記含霜冷却空気が流入する流入口が形成され、装置下部に前記含霜冷却空気が流出する流出口が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の除霜装置。
8. 前記乱流場発生手段は、遠心分離器と、該遠心分離器を収納する除霜装置本体カバーとを有するサイクロン装置であり、
   前記霜補集部は、前記除霜装置本体カバーの下部の霜収容空間に繰り出される霜収容器であることを特徴とする請求項１に記載の除霜装置。
9. 前記サイクロン装置の下部にはロータリバルブが設けられ、該ロータリバルブを介して前記ロータリバルブの下部に配置された前記霜収容器に霜が送出されることを特徴とする請求項８に記載の除霜装置。
10. 前記ロータリバルブのロータリ羽部の先端にはシール部が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の除霜装置。
11. 圧縮機、凝縮器、膨張機及び蒸発器を備えて冷凍サイクルを構成する冷凍システムであって、
    請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の除霜装置を用いて膨張行程と蒸発行程との間で除霜が行われることを特徴とする冷凍システム。
12. 膨張機一体型圧縮機、冷蔵庫、及び冷熱回収熱交換器を備え、
    前記膨張機一体型圧縮機の膨張機からの空気冷媒は、前記冷蔵庫に流入し、
    該冷蔵庫からは零下温度の空気冷媒が流出して、請求項１ないし請求項９に記載の除霜装置に流入し、
    該除霜装置からの空気冷媒は、前記冷熱回収熱交換器の加温側に流入し、
    前記冷熱回収熱交換器からの空気冷媒は、前記膨張機一体型圧縮機の圧縮機に流入し、
    該圧縮機からの空気冷媒は、前記冷熱回収熱交換器の冷却側に流入し、
    該冷熱回収熱交換器からの空気冷媒は、前記膨張機に戻ることを特徴とするエアサイクル冷凍システム。
13. 前記圧縮機から前記冷熱回収熱交換器へ向かう流路には、冷却器が設けられていることを特徴とする請求項１２に記載のエアサイクル冷凍システム。
14. 前記冷却器には、冷却水が流通することを特徴とする請求項１３に記載のエアサイクル冷凍システム。
15. 前記除霜装置の下流側には加熱空気流入部が設けられ、該加熱空気流入部から前記除霜装置へ加熱空気を供給可能に構成されていることを特徴とする請求項１２ないし請求項１４のいずれかに記載のエアサイクル冷凍システム。
16. 前記冷熱回収熱交換器の冷却側の下流側には加熱空気流入部が設けられ、該加熱空気流入部から前記冷熱回収熱交換器へ加熱空気を供給可能に構成されていることを特徴とする請求項１２ないし請求項１４のいずれかに記載のエアサイクル冷凍システム。
17. 前記加熱空気流入部には、ファンと加熱器とが設けられていることを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載のエアサイクル冷凍システム。

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