JP2011133197A - 冷却装置及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御基板とユニットクーラ本体との間の配線施工を簡素化でき、ノイズ等の影響を受けず冷凍庫の大きさに関わらず設置できるようにする冷却装置等を提供する。
【解決手段】筐体となる制御ボックス１と、通電されると加熱を行うヒータ３と、冷却装置が有する機器の制御を行うための制御手段を搭載する制御基板４と、制御基板４及びヒータ３を支持し、制御ボックス１の内壁と制御基板４との間に空隙を形成させる基板取り付け板２と、制御基板４とヒータ３との間に空隙を生じさせるためのスペーサ７とを備える制御装置を、冷却装置本体内に搭載するものである。
【選択図】図１

Description

この発明は例えば業務用の冷却装置に関するものである。特に電子式膨張弁などの制御を行う制御装置の配置に関するものである。

例えば、冷凍サイクルを利用した冷凍サイクル装置では、基本的に、圧縮機、凝縮器（熱交換器）、膨張弁及び蒸発器（熱交換器）が配管接続され、冷媒を循環させる冷媒回路を構成している。そして、冷媒が、蒸発、凝縮時に、熱交換対象となる空気から吸熱、放熱することを利用し、管内の圧力を変化させながら冷却動作などを行っている。

例えば、冷凍庫（冷却室などを含む。以下、冷凍庫という）内に配置される冷却装置（ユニットクーラ）には、上記の膨張弁、蒸発器を備えている。ここで、ユニットクーラでは、蒸発器に流れる冷媒流量を調整する機器となる膨張弁として機械式膨張弁が使用されていることが多い。機械式膨張弁は膨張弁の感温筒と内部圧力から膨張弁が開度を調整するものである。

一方、近年の省エネルギー化志向、庫内温度の安定化の実現などをはかるために、機械式膨張弁の代わりに電子式膨張弁を採用し、より細かな冷媒流量の調整を行えるようなユニットクーラが検討されつつある（例えば、特許文献１参照）。機械式膨張弁とは異なり、電子式膨張弁の場合、温度、圧力などに基づいて開度を判断し、信号を送信して電子式膨張弁の開度を変化させる制御手段が必要となる。

特開平５−３４０２３号公報

しかし、冷凍庫内は、通常、−３０℃以下の室内環境であることが多い。これは、制御手段を構成する各部品（素子）においては、規定された動作保証温度の範囲を下回る温度である。このため、冷凍庫内のような環境下に、制御手段を搭載する電子基板（以下、制御基板という）を配置して、電子式膨張弁の制御を行わせることは、制御手段の動作を保証することができず、信頼性が低下することから困難である。

図５は従来のユニットクーラと制御装置との配置関係を示す図である。図５に示すように、従来において、実際にユニットクーラを設置する場合には、制御基板などを収容した制御装置（制御ボックス）を冷凍庫外に設置し、信号線などで電子式膨張弁との間で信号のやりとりを行うようにしていた。

このため、電子式膨張弁の制御に係る制御基板を冷凍庫外に配置する場合には、ユニットクーラ本体（電子式膨張弁）と制御基板との間の配線施工が伴うことになる。また、そればかりでなく、ユニットクーラ本体（電子式膨張弁）と制御基板との間の距離が長くなると、例えば電子式膨張弁に開度を指示するための信号が、外部からのノイズの影響などをうけやすくなるため、電子式膨張弁が誤動作する可能性がある。このため、誤動作を避けるためにはノイズの影響を受けない環境下で使用する必要があるうえに、ユニットクーラと制御装置との間の距離を制限する必要がある。このため、特に大型倉庫の場合には制御基板を冷凍庫外に配置することすらできない現場もある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、電子式膨張弁を制御する制御基板とユニットクーラ本体（電子式膨張弁）との間の配線施工を簡素化でき、ノイズなどの影響を受けず冷凍庫の大きさに関わらず設置できるようにする冷却装置などを提供するものである。

このため、本発明の冷却装置は、筐体となる制御ボックスと、通電されると加熱を行う加熱手段と、冷却装置が有する機器の制御を行うための制御手段を搭載する制御基板と、制御基板及び加熱手段を支持し、制御ボックスの内壁と制御基板との間に空隙を形成させる基板取り付け板と、制御基板と加熱手段との間に空隙を生じさせるためのスペーサとを備える制御装置を、本体内に搭載するものである。

この発明による冷却装置によれば、例えば低温の冷凍庫内に設置する冷却装置（ユニットクーラ）の電子式膨張弁などを制御する制御基板を、加熱手段と共に制御ボックス内に収容し、制御ボックスを冷却装置内に設置するようにしたので、冷却装置内に設置された電子式膨張弁と制御基板との距離を短くすることができる。このため、配線施工を行わなくてもよくなるため、現地作業を簡素化することができ、さらに施工コストの低減をはかり、設置効率をよくすることができる。また、制御基板と電子式膨張弁との間の配線などが短くなるため、ノイズの影響を受け難くなり、誤動作などを生じることがなく、信頼性の高い冷却装置を提供することができる効果を有する。このようにして、冷却装置に電子式膨張弁を利用しやすくなるため、今後ますます省エネルギー化への市場要望が強まるなか、従来の機械式膨張弁で達成できない省エネルギー性を達成できることになる。

この発明の実施の形態１における制御装置の機器構成を示す図である。 この発明の実施の形態１における機器構成を示す図である。 この発明の実施の形態３における機器構成を示す図である。 実施の形態５に係る冷凍サイクル装置の構成を表す図である。 従来のユニットクーラと制御装置との配置関係を示す図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるユニットクーラに搭載する制御装置の構成を示した図である。本実施の形態においては、筐体である制御ボックス１内の空間に、基板取り付け板２、ヒータ３、制御基板４、温度センサ５、湿度センサ６及びスペーサ７を収容している。ここで、ユニットクーラ本体内における制御ボックス１の大きさについては、少ない熱量で制御ボックス１内の温度を高めることができるように、制御ボックス１内の空間の容積はできるだけ少なくなるようにすることが望ましい。また、ここでは制御ボックス１を独立させているが、ユニットクーラの筐体と一体形成をするようにしてもよい。

基板取り付け板２は、ヒータ３、制御基板４が制御ボックス１内壁面に直接接触しないように、空間（空隙）を形成するための板である。ヒータ３、制御基板４を制御ボックス１内壁面に接触させないことにより、冷凍庫内の熱（冷熱）ができる限り制御基板４に伝わらないようにし、ヒータ３の温熱ができる限り冷凍庫内に伝わらないようにする。さらに、本実施の形態では、ヒータ３が発する熱をスペーサ７に伝え、スペーサ７を加熱するようにするものである。また、基板取り付け板２の表面積が制御ボックス１に比べて小さくなるようにする。

加熱手段であるヒータ３は制御基板４を加熱する。本実施の形態では、直接的な加熱ではなく、基板取り付け板２を加熱して、スペーサ７を介して制御基板４に伝熱させるようにする。

制御基板４は、マイクロコンピュータなどの制御手段を搭載し、例えば制御ボックス１（制御装置）外の温度検出手段の検出に係る温度信号に基づいて、電子式膨張弁の開度を決定し、開度に係る信号を送信する。ここでは、電子式膨張弁の制御を行うものとして説明するが、例えばユニット送風機など、ユニットクーラが有する他の駆動機器の制御を行うようにしてもよい。ここで、本実施の形態の制御基板４はスペーサ７を介して制御ボックス１内の基板取り付け板２上に取り付けられている。また、温度センサ５は、制御ボックス１内の温度を検出する。そして、湿度センサ６は、制御ボックス１内の温度を検出する。

スペーサ７は、ヒータ３による熱が制御基板４に直接伝わって、加熱しすぎないようにするため、ヒータ３と制御基板４との間に空間を形成するために設けている。また、ヒータ３が発する熱を基板取り付け板２を介して制御基板４に伝える。本実施の形態では基板取り付け板２から熱が伝わるようにしているが、ヒータ３から直接熱が伝わるようにしてもよい。本実施の形態のスペーサ７は、熱を伝える役割を有しているため、本実施の形態では金属（例えば、熱伝導性が高い性質を有する銅、アルミニウム、銀など）を材料としているものとする。ただし、金属に限定するものではなく、例えば熱伝導性を多少損なうことがあるが他の材料を用いるようにしてもよい。また、本実施の形態では、制御ボックス１内外の温度差により、制御ボックス１の表面における結露発生を防ぐために、制御ボックス１を発砲性ウレタンなどの断熱材８で覆うものとする。

図２はユニットクーラ１００に搭載した制御ボックス１の配置関係などを示す図である。ユニットクーラ１００は、ユニット送風機６０、蒸発器となる熱交換器（図示せず）を搭載している。本実施の形態では、さらに冷却装置であるユニットクーラ１００本体内に制御装置（制御ボックス１）を搭載し、電子式膨張弁１０と制御ボックス１（制御基板４）とを制御用配線９で接続する。ユニットクーラ１００本体内に搭載することで、配線施工の現地作業を行わなくてもよくし、また、制御用配線９の距離を短くして、外部からのノイズなどの影響を防ぐようにする。

次に制御装置内の各機器の動作について説明する。電子式膨張弁１０の開度は、通常、ユニットクーラ１００に流入出する冷媒の温度を温度検出手段が検出し、検出した温度に基づいて、制御基板４が演算などを行って決定する。例えば、機械式膨張弁では膨張弁自体が温度・圧力を検知し、バネなどの機械的な作用で開度を調整することができていた。このため機械式膨張弁を搭載する機器においては制御装置を必要としない。一方、電子式膨張弁１０は制御装置が決定した開度に係る信号を制御用配線９から受信して開度調整するため、制御装置が必要となる。

ヒータ３はユニットクーラ１００への運転信号に基づいて通電を開始し、制御ボックス１内の空気の温度を上昇させる。また、ヒータ３は接触している基板取り付け板２も加熱する。基板取り付け板２に加えられた熱は、スペーサ７を介して、制御基板４を適度に加熱する。

ここで、基板取り付け板２は制御ボックス１に比べ表面積を小さく設計する。制御ボックス１にヒータ３を取り付けて、制御ボックス１内の空間だけを加熱するより、加熱が必要な制御基板４の周辺を重点的に加熱することができ、ヒータ３の小型化および省エネルギー化をはかる構造となっている。

ここで、制御ボックス１内の温度はヒータ３の加熱により冷凍庫内の温度に比べると数℃〜数十℃高い状態となっている。このため制御ボックス１表面では制御ボックス内の空気が露点温度以下となり結露する可能性がある。そこで、制御ボックス１表面に断熱材８を貼り付けて冷凍庫内温度が制御ボックス１内に伝わるのを防止する。図１においては断熱材８を制御ボックス１の外装面側に貼り付けた構成を示しているが、例えば内装面側に貼り付けた構成としても同様の効果を得ることができる。

以上のように実施の形態１によれば、制御基板４を収容した制御ボックス１をユニットクーラ１００内に収容するようにしたので、電子式膨張弁１０と制御基板４との距離を短くし、配線工事の施工などを行わなくてもよくなるため、作業の簡素化、省略などをはかることができ、設置効率をよくすることができる。電子式膨張弁１０を制御する制御手段を有する制御基板４を冷凍庫外に配置しなくてもよいので、ユニットクーラ１００と制御装置との間の配線施工を必要せず、施工コスト低減をはかることができる。このため、全体として安価な冷却装置を提供することが可能となる。また、例えば大型倉庫の場合、冷凍庫と冷凍庫外の距離が非常に長くなるため、この間を配線施工した場合、配線においてノイズの影響をうけ、電子式膨張弁１０が誤動作を起こす可能性があるが、ユニットクーラ１００内に制御基板４を収容するようにしたので、倉庫の大小にかかわらず、ノイズなどによる誤動作が発生することなしに信頼性の高いユニットクーラ１００を提供することができる。

そして、ユニットクーラ１００に制御基板４を収容する際に、ヒータ３と制御基板４とを制御ボックス１内に収容し、制御ボックス１内及び制御基板４を加熱するようにしたので、例えば−３０℃以下の冷凍庫内に設置するユニットクーラ１００に制御基板４を配置しても、制御基板４の制御手段を動作保証温度範囲で動作させることができる。このため、制御基板４の故障などを引き起こすことなく信頼性の高いユニットクーラ１００を提供することができる。また、制御基板４を直接制御ボックスに取り付けるのではなく基板取り付け板２上に取り付けることにより、加熱が必要な部分を最小限にすることができるため、ヒータ３の加熱能力が低くてもよい。このため、ヒータ３、制御ボックス１の小型化、省エネルギー化をはかることができる。

実施の形態２．
上述した実施の形態１では、ヒータ３はユニットクーラ１００の動作開始と共に通電を行うものとして説明した。本実施の形態では、制御基板４が行うヒータ３の通電制御について説明する。このとき、制御ボックス１内の温度を検出する温度センサ５によって検出された温度に基づいて制御を行うようにする。

ヒータ３への通電は温度センサ５の検出に係る温度を表す温度信号に基づいて制御基板４が決定する。例えば、温度センサ５の検出に係る温度が制御基板４の動作補償温度範囲に基づいて定めた所定の温度を下回るものと判断すると、ヒータ３への通電を開始する。

ここで、所定の温度を、制御基板４が処理動作などを行うための動作補償温度範囲の下限の温度とすると、所定の温度で通電を開始しても、実際にはオーバーシュートなどが生じ、動作補償温度範囲の下限より低くなってしまう可能性がある。そこで、本実施の形態では、動作補償温度範囲の下限＋α℃を所定の温度として通電開始の判断を行うようにする。α℃については、３℃〜５℃程度として設定しておくと、安定的に動作補償温度範囲を下回ることがなくなる。このため、電子式膨張弁１０を誤動作させることなく運転を継続することができる。

一方、制御基板４は、動作補償温度範囲の下限＋β℃となったものと判断するとヒータ３への通電を停止する。ここで、β℃としては１０〜１５℃程度として設定しておくとよい。例えば、ヒータ３への通電開始、停止を頻繁に行うことなく、また、制御基板４の周辺温度も安定する。このため、制御基板４におけるヒートショックの影響を軽減でき、さらに長寿命化をはかることができる。また、運転中、常時ヒータ３への通電を行う必要がなくなるため、さらに省エネルギー化をはかることができる。

また、場合によっては通電量を制御してヒータ３の加熱に係る熱量を制御することができれば、さらに細かく温度制御を行うことができるため、省エネルギー化をはかることができる。

制御基板４は、以上のような処理を温度センサ５からの温度信号に基づいて行うため、温度センサ５を取り付ける位置についても検討する。例えば制御ボックス１の外郭に取り付けた場合、断熱材８により断熱されているものの、少なからず冷凍庫の温度の影響を受けることになる。また、基板取り付け板２に取り付けた場合、ヒータ３の加熱による影響を直接受けることになる。このため、制御ボックス１内で制御ボックス１外郭、基板取り付け板２以外の位置に取り付けることが望ましい。さらには、制御基板４における制御動作の信頼性を維持する観点から、制御基板４において、最も低温での使用に適していない部品の周辺に、温度センサ５を取り付けて温度管理を正確に行うことで、制御基板４が動作不能となることを防ぐようにするのが理想となる。

また、湿度センサ６についても同様である。例えば、制御手段を構成する電子部品を搭載する制御基板４に、結露による水分が付着すると故障などの原因となる。また、電子部品には動作保証湿度が規定されている場合もある。そこで、制御ボックス１内が結露しないように、また、制御ボックス内の相対湿度が下がるように、ヒータ３の通電を制御し、加熱を制御する。

このように、実施の形態２の冷却装置によれば、実施の形態１の冷却装置の効果に加え、また、温度センサ５の検出に係る温度、湿度センサ６の検出に係る湿度に基づいて、制御基板４が、ヒータ３の通電の開始及び停止を制御するようにしたので、ヒータ３への通電を、制御基板４の信頼性確保に必要な場合のみに限定することができるため、さらに省エネルギー化をはかることができる。また、制御基板４の周辺温度、湿度をより安定させることができるため制御基板４の長寿命化をはかることができる。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３におけるユニットクーラに搭載した制御装置の構成を示した図である。実施の形態３の制御装置は実施の形態１、２と基本的な構成は同じであるが、図３に示すように制御ボックス１の構造を多重（図３では二重）構造にしたものである。

制御ボックス内の温度はヒータ３の加熱により冷凍庫内の温度に比べると数℃〜数十℃高い状態となっている。このため制御ボックス１内壁面近傍では空気の温度が露点温度以下となり結露する可能性がある。このため制御ボックス１を二重構造とし、冷凍庫との間に空気の層を設けることで、冷凍庫内の熱が制御ボックス１の内側の壁面に伝わって、壁面近傍の温度が低くなり、結露が生じるのを防止することができる。図３においては制御ボックス１を単純に二重構造にして空気層を形成するようにしているが、この空気層の代わりに、発砲性ウレタンなどの断熱材を注入することにより、より断熱効果を上げることができ、制御ボックス１内の結露対策が可能となる。

このように実施の形態３の冷却装置によれば、制御ボックス１を多重構造とすることにより、制御ボックス１内において内壁面近傍の温度が冷凍庫から伝わった熱により低くならないようにし、制御ボックス１内外における温度差を緩和するようにしたので、制御ボックス１内に発生する結露を防止することができる。

実施の形態４．
上述の実施の形態では、特に示さなかったが、例えば、制御ボックス１に基板取り付け板２を取り付ける部分に、断熱性のある断熱材や発砲材を介して接続することによりヒータ３の発熱を熱を必要とする基板に伝えることができる。

また、逆に基板取り付け板２を廃止し、ヒータ３、スペーサ７、制御基板４を制御ボックス１に直接取付けることも可能である。この場合には制御ボックス１全体を加熱する必要があるため、ヒータ３の容量を上げる必要がある。ただ、基板取り付け板２を設けなくても良いので、低コストで構成することができる。

また、制御基板４内に発熱負荷の大きい電子部品を制御基板４表面上になど間隔に配置することにより、制御基板４自体の発熱により制御ボックス１内を加熱させるようにしてもよい。ヒータ３および基板取り付け板２を廃止することができ、安価に製品提供が可能となる。

以上のようにして、この発明は従来のユニットクーラには低温領域で使用される機器においても電子式膨張弁１０の開度制御や送風機の回転数制御など電子基板４を必要とする制御を可能とするものであり制御基板４を組み込んだ制御ボックス１をユニットクーラ１００本体に取り付けることを特徴としている。今後ますます省エネルギ化の市場要望が強まるなか、従来の機械式膨張弁で達成できない省エネルギー性を電子式膨張弁１０では達成できることになる。

実施の形態５．
図４は実施の形態５に係る冷凍サイクル装置の構成を表す図である。ここでは冷凍装置（冷凍システム）について説明する。冷凍サイクル装置は、前述した電子式膨張弁１０、蒸発器（熱交換器）２０、圧縮機３０及び凝縮器（熱交換器）４０が配管接続され、冷媒を循環させる冷媒回路を構成する。

圧縮機３０及び凝縮器４０は、例えば冷凍庫外のコンデンシングユニット２００に収容され、蒸発器２０は電子式膨張弁１０と共にユニットクーラ１００に設けられている。冷媒配管のうち、気体の冷媒（ガス冷媒）が流れる配管をガス配管３００とし、液体の冷媒（液冷媒。気液二相冷媒の場合もある）が流れる配管を液配管４００とする。また、循環する冷媒については特に限定するものではないが、例えば、ＨＦＣ系冷媒である、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａ、また、二酸化炭素（ＣＯ₂ ）、アンモニアなどを用いることができる。そして、冷媒の気化、液化などを利用して、冷凍、冷却などを行っている。

アキュムレータ５０は例えば液体の余剰冷媒を溜めておく装置である。熱源側送風機７０は、凝縮器４０に空気を送り込み、また、熱交換した空気をコンデンシングユニット２００外部に排出する。

また、コンデンシングユニット２００には、例えばマイクロコンピュータなどからなる熱源側制御装置８０が設けられており、コンデンシングユニット２００の各装置（手段）の動作などの制御を行う。場合によっては、熱源側制御装置８０と前述した制御基板４との間で通信を行い、連携して冷凍サイクル装置の制御を行うことができる。

図４の冷凍サイクル装置における冷却動作について説明する。圧縮機３０により加圧されて吐出した高温、高圧ガス（気体）の冷媒は、凝縮器４０内を通過することで凝縮し、液冷媒となってコンデンシングユニット２００を流出する。液配管４００を通ってユニットクーラ１００に流入した冷媒は、電子式膨張弁１０の開度調整により圧力調整された気液二相冷媒が蒸発器２０内を通過して蒸発して流出する。そして、ガス配管３００を通ってコンデンシングユニット２００に流入し、アキュムレータ５０を介して圧縮機３０に吸入され、前述したように加圧され吐出することで循環する。

１ 制御ボックス、２ 基板取り付け板、３ ヒータ、４ 制御基板、５ 温度センサ、６ 湿度センサ、７ スペーサ、８ 断熱材、９ 制御用配線、１０ 電子式膨張弁、１２ 制御用配線、２０ 蒸発器、３０ 圧縮機、４０ 凝縮器、５０ アキュムレータ、６０ ユニット送風機、７０ 熱源側送風機、８０ ユニット制御装置、１００ ユニットクーラ、２００ コンデンシングユニット、３００ ガス配管、４００ 液配管。

Claims (9)

1. 筐体となる制御ボックスと、
   通電されると加熱を行う加熱手段と、
   冷却装置が有する機器の制御を行うための制御手段を搭載する制御基板と、
   該制御基板及び前記加熱手段を支持し、前記制御ボックスの内壁と前記制御基板との間に空隙を形成させる基板取り付け板と、
   該制御基板と前記加熱手段との間に空隙を生じさせるためのスペーサと
   を備える制御装置を、本体内に搭載することを特徴とする冷却装置。
2. 前記取り付け板の表面積が、前記制御ボックス内壁面の表面積よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 前記スペーサは、金属を材料とすることを特徴とする請求項１又は２記載の冷却装置。
4. 制御動作に係る発熱により前記制御手段を前記加熱手段として機能させることを特徴とする請求項１又は２記載の冷却装置。
5. 前記制御ボックスを多重構造とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の冷却装置。
6. 前記制御ボックス内外を断熱するための断熱材を前記制御ボックスに取り付けることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の冷却装置。
7. 前記制御ボックス内の温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記温度検出手段の検出に係る温度に基づいて、前記ヒータへの通電開始及び又は停止を制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の冷却装置。
8. 前記制御ボックス内の湿度を検出する湿度検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記湿度検出手段の検出に係る湿度に基づいて、前記ヒータへの通電に係る制御を行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の冷却装置。
9. 冷媒を圧縮する圧縮機と、熱交換により前記冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮された冷媒を減圧させるための電子式膨張弁と、減圧した前記冷媒と空気とを熱交換して前記冷媒を蒸発させる蒸発器とを配管接続して冷媒回路を構成する冷凍サイクル装置であって、
   前記蒸発器及び前記電子式膨張弁を有する請求項１〜８のいずれかに記載の冷却装置を備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。

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