JP2016033432A - 冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】冬季など冷凍機の負荷が少ない場合でも、過冷却給湯機ユニットの給湯運転に必要な熱源を確保して、貯湯タンクの湯量を十分に確保するとともに、冷凍機と過冷却給湯機ユニットの発停頻度を抑えて、機器の信頼性を向上させることのできる冷凍システムを提供する。【解決手段】ショーケース２を冷却するため過冷却熱交換器１３を備えた冷凍機１０と、過冷却熱交換器１３とガスクーラ２２とを備え、ガスクーラ２２により給湯を行う過冷却給湯機ユニット２０と、を備えてなる冷凍システムにおいて、過冷却給湯機ユニット２０により給湯運転を行う際に、過冷却給湯機ユニット２０による発停回数をカウントし、この発停回数が一定以上になった場合に、冷凍機１０の運転モードを冷凍・冷蔵系統優先モードから給湯運転優先モードに切換制御する制御装置４０を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍システムに係り、特に、冬季など冷凍機の負荷が少ない場合でも、過冷却給湯機ユニットの給湯運転に必要な熱源を確保して、貯湯タンクの湯量を十分に確保するとともに、冷凍機と過冷却給湯機ユニットの発停頻度を抑えて、機器の信頼性を向上させることを可能とした冷凍システムに関するものである。

従来から、スーパーマーケットやコンビニエンスストアなどの店舗では、ショーケースの冷却を行う冷凍機が多く用いられており、近年、冷凍機の排熱を有効利用するため、この冷凍機を流れる冷媒と熱交換を行うことにより、貯湯タンクの水を加熱して給湯を行う給湯機ユニットを設けた冷凍システムが開発されている。

このような冷凍システムとして、従来から、例えば、冷蔵ショーケースを備えた第２冷媒回路の排熱を利用して給湯用水の温度を上昇させることができるとともに、第２空気熱交換器用送風機の運転を制御することで消費電力を低下させ、給湯システムを含む店舗全体のＣＯＰを向上させ、冷蔵ショーケースを備えた店舗の省エネルギー化を図ることができるようにした技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−３０３６９８号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の発明においては、冷凍機は、省エネ運転を可能とした設定で運転を行うものであり、冬季など、冷凍機の冷却負荷が少ない時は、冷凍機の発停頻度が多くなるおそれがある。また、冷凍機が運転していない状態では、給湯機ユニットも連動して発停してしまうことから、給湯機ユニットの発停により、熱源を確保することができず給湯運転を維持することができなくなるという問題を有している。その結果、湯量を十分に確保することができず、貯湯タンクにおける湯量が不足してしまうおそれがあるという問題を有している。

さらに、冷凍機と給湯機ユニットの発停頻度が多くなると、冷媒配管などの配管に負荷がかかってしまい、配管折れなどの機器の故障の原因にもなり、信頼性が低下してしまうという問題を有している。

本発明は前記した点に鑑みてなされたものであり、冬季など冷凍機の負荷が少ない場合でも、過冷却給湯機ユニットの給湯運転に必要な熱源を確保して、貯湯タンクの湯量を十分に確保するとともに、冷凍機と過冷却給湯機ユニットの発停頻度を抑えて、機器の信頼性を向上させることのできる冷凍システムを提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明に係る冷凍システムは、ショーケースを冷却するため過冷却熱交換器を備えた冷凍機と、前記過冷却熱交換器とガスクーラとを備え、前記ガスクーラにより給湯を行う過冷却給湯機ユニットと、を備えてなる冷凍システムにおいて、前記過冷却給湯機ユニットにより給湯運転を行う際に、前記過冷却給湯機ユニットによる発停回数をカウントし、この発停回数が一定以上になった場合に、前記冷凍機の運転モードを冷凍・冷蔵系統優先モードから給湯運転優先モードに切換制御する制御装置を備えていることを特徴とする。

また、本発明は、前記構成において、前記制御装置は、前記給湯運転優先モード時は、前記冷凍機の圧縮機の入口における冷媒圧力値を低い値に設定変更するものであることを特徴とする。

また、本発明は、前記構成において、前記制御装置は、前記給湯運転優先モード時は、前記冷凍機の送風ファンの動作モードを低速あるいは停止とするように設定変更することを特徴とする。

また、本発明は、前記構成において、前記制御装置は、外気温度または前記冷凍機の冷媒出口配管温度の検出値が一定以下の場合は、前記冷凍機の運転モードを冷凍・冷蔵系統優先モードから給湯運転優先モードに切り換えることを特徴とする。

本発明によれば、制御装置により、過冷却給湯機ユニットによる発停回数をカウントし、この発停回数が一定以上になった場合に、冷凍機の運転モードを冷凍・冷蔵系統優先モードから給湯運転優先モードに切換制御するようにしているので、冬季など外気温が低く、冷凍機の冷却負荷が少ない場合でも、冷凍機と過冷却給湯機ユニットの運転を維持させ、過冷却給湯機ユニットの給湯運転に必要な熱源を確保することが可能となる。その結果、貯湯タンクの湯量を十分に確保することができ、しかも、冷凍機と過冷却給湯機ユニットの発停頻度を抑えることにより、機器の信頼性を向上させることができる。

本発明に係る冷凍システムの実施形態を示す冷凍サイクル図である。 本発明に係る冷凍システムの実施形態における制御動作を示すフローチャートである。 本発明に係る冷凍システムの実施形態における貯湯タンクの湯温と過冷却給湯機ユニットの動作との関係を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る冷凍システムの一実施形態を示したものであり、本実施形態においては、冷凍機の過冷却排熱を利用したヒートポンプ給湯システムの例を示している。

本実施形態においては、冷凍システムは、例えば、スーパーマーケットやコンビニエンスストアなどの店舗における冷却設備と給湯設備の両者を備えた施設に設置されるものであり、店舗内に設置される各ショーケース２を冷却する冷凍機１０と、この冷凍機１０の冷媒を過冷却して冷凍機１０の冷凍能力を向上させるとともに、この排熱を利用して給湯水を加熱する過冷却給湯機ユニット２０とを備えている。

冷凍機１０は、ショーケース２のシステムを構成するものであり、冷凍用圧縮機１１、送風ファン１９を備えた冷凍用凝縮器１２、過冷却熱交換器１３、開閉弁１４、冷凍用膨張弁１５、蒸発器１６およびアキュムレータ１７を順次冷凍用冷媒配管１８で接続して構成されている。本実施形態においては、冷凍用圧縮機１１、冷凍用凝縮器１２およびアキュムレータ１７が、屋外に配置され、開閉弁１４、冷凍用膨張弁１５および蒸発器１６が屋内に設置されるショーケース２に配置されている。

過冷却熱交換器１３は、冷凍用凝縮器１２で大気に放熱することにより冷却された冷凍機１０の冷媒をさらに冷却するための熱交換器である。過冷却熱交換器１３には、冷凍機１０の冷凍用冷媒配管１８と過冷却給湯機ユニット２０の過冷却冷媒配管２４とが冷媒の流れる方向が対向するように導通されており、これら冷凍用冷媒配管１８を流れる冷媒と過冷却冷媒配管２４を流れる冷媒とが互いに熱交換可能に構成されている。

また、過冷却給湯機ユニット２０は、過冷却圧縮機２１、ガスクーラ２２、過冷却膨張弁２３および過冷却熱交換器１３を順次過冷却冷媒配管２４で接続して構成されている。過冷却給湯機ユニット２０の過冷却圧縮機２１、ガスクーラ２２、過冷却膨張弁２３および過冷却熱交換器１３は、同一のユニット内に収納されている。

ガスクーラ２２は、過冷却冷媒配管２４を流れる冷媒と水配管３２を流れる水との間で熱交換を行い、給湯水を加熱して湯を沸かすための熱交換器である。ガスクーラ２２には、過冷却冷媒配管２４と水配管３２とが流れる方向が対向するように導通されており、これら過冷却冷媒配管２４を流れる冷媒と水配管３２を流れる水とが互いに熱交換可能に構成されている。

ここで、本実施形態における過冷却給湯機ユニット２０においては、冷媒として二酸化炭素が用いられている。二酸化炭素冷媒を用いた冷凍サイクルでは、高圧側が冷媒の臨界圧力を超える遷臨界サイクルとなるため、ガスクーラ２２の過冷却冷媒配管２４を流れる冷媒圧力は臨界圧力を超えているため、ガスクーラ２２の過冷却冷媒配管２４を流れる冷媒は凝縮せず、水配管３２を対向して流れる水に熱を与えて冷却されるに従ってその温度が低下する。これにより、水配管３２を流れる水を高温度にかつ高効率に加熱することができる。

また、過冷却給湯機ユニット２０は、貯湯タンク３１と、ガスクーラ２２と、貯湯タンク３１およびガスクーラ２２を接続する水配管３２とを備えている。そして、ガスクーラ２２の出口側の水配管３２は、貯湯タンク３１の上部に接続されており、ガスクーラ２２により加熱された後の給湯水を貯湯タンク３１の上部に戻され、これにより、貯湯タンク３１内部で温度成層上に湯を蓄えることが可能となる。

そして、貯湯タンク３１の上部には、例えば、冷凍システムが設置される店舗の同一施設の給湯負荷設備に貯湯タンク３１からの湯を供給するための給湯配管３３が接続されており、貯湯タンク３１の下部には、水道配管から水を給水するための図示しない給水配管が接続されている。そして、貯湯タンク３１の上部から給湯配管３３を介して給湯負荷設備に高温の湯が供給されるものであり、それに伴い、給水配管内を流れて貯湯タンク３１の下部に冷水が供給されるように構成されている。

次に、本実施形態における冷凍システムの制御装置について説明する。
制御装置４０は、例えば、一般的なマイクロコンピュータにより構成されており、制御装置４０は、冷凍機１０、過冷却給湯機ユニット２０の動作をそれぞれ制御することができるように構成されている。

また、本実施形態においては、図１に示すように、冷凍機１０の入口側の冷媒圧力を検出する冷媒圧力センサ４１が設けられている。貯湯タンク３１には、貯湯タンク３１の下部に貯留された温水の温度を検出するための湯温センサ４２および貯湯タンク３１の出口側における水配管３２の温度を検出するための配管温度センサ４３がそれぞれ設けられている。さらに、図示しないが、外気温を検出する外気温センサやショーケース２の温度を検出する庫内温度センサなどが設けられている。これら各センサにより検出された検出結果は、制御装置４０に送られるように構成されており、制御装置４０は、冷凍機１０の動作および過冷却給湯機ユニット２０の動作の連携制御を行うように構成されている。
なお、ショーケース２の庫内温度設定などについては、制御装置４０を介さずにショーケース２が備える制御ユニット（図示せず）から行うようにしてもよい。同様に、外気温センサにより冷凍機１０の送風ファン１９の回転数や膨張弁１５の開度を調整する場合にも、制御装置４０を介さずに冷凍機１０が備える制御ユニットから行うようにしてもよい。

そして、本実施形態においては、制御装置４０は、冷媒圧力センサ４１により検出される冷凍機１０に送られる冷媒の圧力を監視し、この冷媒の圧力が一定の圧力以下となった場合に、冷凍機１０の動作を停止する低圧カットによる制御が行われている。このような冷媒圧力の低圧カット制御のしきい値としては、例えば、冷媒圧力が４ＭＰａ以下となった場合に、冷凍機１０の動作を停止するようになっている。

一方、制御装置４０は、湯温センサ４２により検出される貯湯タンク３１の温水の温度を監視し、貯湯タンク３１の温水の温度が一定温度以下となった場合に、過冷却給湯機ユニット２０の動作を行い、一定温度以上となった場合には、過冷却給湯機ユニット２０の動作を停止するように制御するように構成されている。
さらに、制御装置４０は、過冷却給湯機ユニット２０の動作および停止（発停）の回数をカウントし、発停回数が一定時間内に一定回数以上となった場合には、冷凍機１０の運転モードを通常の冷凍・冷蔵系統優先モードから給湯運転優先モードに切り換えるように構成されている。通常の冷凍・冷蔵系統優先モードにおいては、例えば、冷媒圧力が４ＭＰａ以下となった場合に、冷凍機１０の動作を停止する低圧カット制御を行うものであるが、給湯運転優先モードの場合は、低圧カットの冷媒圧力のしきい値を、例えば、２ＭＰａなどの通常よりも低い圧力値に設定することで、通常より冷媒圧力が低い場合でも冷凍機１０の動作を継続することができる制御となっている。

給湯運転優先モードにおいては、制御装置４０は、冷凍機１０の送風ファン１９の動作モードを低速あるいは停止に制御するように構成されている。これにより、給湯運転優先モードでは、冷凍機１０の放熱量を抑え、冷凍機１０と過冷却給湯機ユニット２０の運転を維持させ、過冷却給湯機ユニット２０の給湯運転に必要な熱源を確保することが可能となる。

なお、制御装置４０により、外気温または冷凍機１０の冷媒出口配管温度の検出値が一定以下の場合に、冷凍機１０の運転モードを冷凍・冷蔵系統優先モードから給湯運転優先モードに切り換えるように制御してもよい。冬季などは外気温または冷凍機１０の冷媒出口配管温度の検出値が一定以下になるため、冷凍機１０が運転を停止することが多くなる。そのため、冷凍機１０の運転モードを冷凍・冷蔵系統優先モードから給湯運転優先モードに切り換えることにより、冷凍機１０と過冷却給湯機ユニット２０の運転を維持させ、過冷却給湯機ユニット２０の給湯運転に必要な熱源を確保することができるものである。

次に、本実施形態における冷凍システムの動作について説明する。
まず、第１の冷凍サイクル回路１０において、冷凍用圧縮機１１が運転されると、冷凍用圧縮機１１から吐出された高温冷媒は、凝縮器１２内に流入し、大気と熱交換して冷却される。凝縮器１２で空冷された冷媒は、過冷却熱交換器１３に流入し、過冷却冷媒配管２４を流れる冷媒の蒸発作用により過冷却される。

過冷却熱交換器１３から流出した高圧低温の液冷媒は、冷凍用膨張弁１５で減圧された後、蒸発器１６内に流入して蒸発し、これにより、ショーケース２の庫内は所定の温度に冷却される。そして、ショーケース２の蒸発器１６から流出した冷媒は、冷凍用圧縮機１１に戻される。

また、過冷却給湯機ユニット２０の運転を行う場合は、過冷却圧縮機２１を運転することにより、過冷却圧縮機２１から吐出された高温冷媒は、ガスクーラ２２の内部に流入し、水配管３２を流れる給湯水と熱交換することで冷却される。ガスクーラ２２において、二酸化炭素冷媒は超臨界状態であるので、凝縮せずに水との熱交換により冷却されるに従ってその温度が低下する。ここで、過冷却冷媒配管２４と水配管３２とは対向流となるように設けられているため、熱交換に伴う温度勾配をもつ超臨界冷媒と、水との効率的な熱交換が可能となる。これにより高温の湯を高効率で沸かすことが可能となる。

そして、ガスクーラ２２において冷却された冷媒は、過冷却膨張弁２３にて減圧された後、過冷却熱交換器１３に流入する。過冷却熱交換器１３において、過冷却冷媒配管２４を流れる冷媒は、冷凍用冷媒配管１８を流れる冷媒と熱交換を行い、冷凍機１０の冷媒は、過冷却給湯機ユニット２０の冷媒の蒸発作用により過冷却される。

そして、過冷却熱交換器１３を流出した冷媒は、過冷却圧縮機２１に戻される。このように、過冷却給湯機ユニット２０が連続的に動作することで、過冷却給湯機ユニット２０による冷凍機１０の冷媒の過冷却と、当該排熱を用いた給湯水の加熱を行うことが可能となる。

また、貯湯タンク３１から取り出された低温の水は、ガスクーラ２２に流入され、ガスクーラ２２において、過冷却冷媒配管２４を流れる高温冷媒と熱交換して加熱され、水配管３２を介して、貯湯タンク３１の上部より貯湯タンク３１の内部に流入する。そして、貯湯タンク３１に貯湯される給湯水が所定量に達した場合には、制御装置４０により貯湯運転を停止するものである。

次に、本実施形態における制御動作について、図２に示すフローチャートを参照して説明する。
本実施形態においては、制御装置４０は、冷媒圧力センサ４１による冷媒圧力および湯温センサ４２による湯温を監視し、冷媒圧力が一定の圧力以下となったか否かを判断する（ＳＴ１）。そして、制御装置４０は、冷媒圧力が一定の圧力以下でない場合には（ＳＴ１：ＮＯ）、冷凍機１０の運転を開始し（ＳＴ２）、冷媒圧力が一定の圧力以下でない場合は（ＳＴ１：ＹＥＳ）、冷凍機１０の運転を停止する（ＳＴ８）。

冷凍機１０の運転を開始した場合、貯湯タンク３１の下部温水の湯温を湯温センサ４２により検出し、湯温が５０℃以上の場合は（ＳＴ３：ＹＥＳ）、過冷却給湯機ユニット２０が停止状態にあるか否かを判断し（ＳＴ９）、停止状態にある場合には（ＳＴ９：ＹＥＳ）、過冷却給湯機ユニット２０を停止させる（ＳＴ１１）。過冷却給湯機ユニット２０が停止状態にない場合で（ＳＴ９：ＮＯ）、貯湯タンク３１の出口側の配管温度が５０℃以上の場合は（ＳＴ１０：ＹＥＳ）の場合も、同様に、冷却給湯機ユニット２０を停止させる（ＳＴ１１）。

一方、貯湯タンク３１の下部温水の湯温が５０℃以上でない場合（ＳＴ３：ＮＯ）、および貯湯タンク３１の出口側配管温度が５０℃以上でない場合（ＳＴ１０：ＮＯ）には、過冷却給湯機ユニット２０の運転を行う（ＳＴ４）。

制御装置４０は、過冷却給湯機ユニット２０の発停回数をカウントする。そして、過冷却給湯機ユニット２０の発停回数が一定時間内に一定回数以上となった場合には（ＳＴ５：ＹＥＳ）、給湯運転優先モードに切り換え、低圧カット制御の冷媒圧力値を低い圧力値に設定変更するとともに、冷凍機１０の送風ファン１９の動作モードを低速あるいは停止とするように設定変更する（ＳＴ１２）。これにより、冷凍機１０が停止している場合でも、冷凍機１０の動作が開始され、過冷却給湯機ユニット２０による給湯を継続して行うことが可能となる。

このように設定変更することにより、冷凍機１０の低圧カット値が低い圧力値になるため、ステップ１による冷媒圧力による動作停止が行われにくくなり、冷凍機１０の運転が継続して行われることになる。そのため、過冷却給湯機ユニット２０の運転を維持させることにより、過冷却給湯機ユニット２０の給湯運転に必要な熱源を確保することが可能となる。

また、過冷却給湯機ユニット２０の発停回数が一定時間内に一定回数以上となっていない場合でも（ＳＴ５：ＮＯ）、過冷却給湯機ユニット２０が、一定時間以上連続して運転していない場合には（ＳＴ６：ＮＯ）、同様に、給湯運転優先モードに切り換える（ＳＴ１２）。

一方、過冷却給湯機ユニット２０が、一定時間以上連続して運転している場合には（ＳＴ６：ＹＥＳ）、冷凍・冷蔵系統優先モードに切り換え、低圧カット制御の冷媒圧力値を通常の圧力値に設定変更するとともに、送風ファン１９の動作モードを通常の動作モードに設定変更する（ＳＴ７）。

このように制御することにより、図３に示すように、冷凍機１０および過冷却給湯機ユニット２０の発停回数を低減させることができるとともに、発停回数を低減させた場合でも、貯湯タンク３１における湯温を確保することができるものである。

以上述べたように、本実施形態においては、制御装置４０により、過冷却給湯機ユニット２０による発停回数をカウントし、この発停回数が一定以上になった場合に、冷凍機１０の運転モードを冷凍・冷蔵系統優先モードから給湯運転優先モードに切換制御するようにしているので、冬季など外気温が低く、冷凍機１０の冷却負荷が少ない場合でも、冷凍機１０と過冷却給湯機ユニット２０の運転を維持させ、過冷却給湯機ユニット２０の給湯運転に必要な熱源を確保することが可能となる。その結果、貯湯タンク３１の湯量を十分に確保することができ、しかも、冷凍機１０と過冷却給湯機ユニット２０の発停頻度を抑えることにより、機器の信頼性を向上させることができる。
また、過冷却給湯機ユニット２０の発停回数が一定以上になった場合に、冷凍機１０の運転モードを給湯運転優先モードに切換制御して、冷凍機１０の送風ファン１９の動作モードを低速あるいは停止に制御することにより、冷凍機１０の放熱量を抑えることができ、冷凍機１０と過冷却給湯機ユニット２０の運転を維持させ、過冷却給湯機ユニット２０の給湯運転に必要な熱源を確保することが可能となる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能である。

２ ショーケース
１０ 冷凍機
１１ 冷凍用圧縮機
１２ 過冷却凝縮器
１３ 過冷却熱交換器
１４ 開閉弁
１５ 冷凍用膨張弁
１６ 蒸発器
１７ アキュムレータ
１８ 冷凍用冷媒配管
１９ 送風ファン
２０ 過冷却給湯機ユニット
２１ 過冷却圧縮機
２２ ガスクーラ
２３ 過冷却膨張弁
２４ 過冷却冷媒配管
３１ 貯湯タンク
３２ 水配管
３３ 給湯配管
４０ 制御装置
４１ 冷媒圧力センサ
４２ 湯温センサ
４３ 配管温度センサ

Claims (4)

1. ショーケースを冷却するため過冷却熱交換器を備えた冷凍機と、前記過冷却熱交換器とガスクーラとを備え、前記ガスクーラにより給湯を行う過冷却給湯機ユニットと、を備えてなる冷凍システムにおいて、
   前記過冷却給湯機ユニットにより給湯運転を行う際に、前記過冷却給湯機ユニットによる発停回数をカウントし、この発停回数が一定以上になった場合に、前記冷凍機の運転モードを冷凍・冷蔵系統優先モードから給湯運転優先モードに切換制御する制御装置を備えていることを特徴とする冷凍システム。
2. 前記制御装置は、前記給湯運転優先モード時は、前記冷凍機の圧縮機の入口における冷媒圧力値を低い値に設定変更するものであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
3. 前記制御装置は、前記給湯運転優先モード時は、前記冷凍機の送風ファンの動作モードを低速あるいは停止とするように設定変更することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍システム。
4. 前記制御装置は、外気温度または前記冷凍機の冷媒出口配管温度の検出値が一定以下の場合は、前記冷凍機の運転モードを冷凍・冷蔵系統優先モードから給湯運転優先モードに切り換えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の冷凍システム。

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