JP2018179498A - 冷凍装置用熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の冷媒配管経路を有する第1の熱交換器(3A)と、第1の冷媒配管経路に直列接続された第2の冷媒配管経路を有し第1の熱交換器(3A)に並設された第2の熱交換器(3B)と、第1の冷媒配管経路の配管(3cA)と第2の冷媒配管経路の配管(3cB)とに跨って連結された複数のフィン(3f)と、第1の熱交換器(3A)及び第2の熱交換器(3B)に送風する送風機(FM1)と、を備える。複数のフィン(3f)は互いに平行に対向並設され、第1の冷媒配管経路の配管(3cA)及び第2の冷媒配管経路の配管(3cB)は、複数のフィン(3f)に直交貫通するよう連結され、第1の熱交換器(3A)と第2の熱交換器(3B)とは、第1の熱交換器(3A)が送風の上流側となるように並設されている。
【選択図】図4
Description
この冷凍装置により、庫内は、外気温が維持温度より高い主に夏期において冷却され、外気温が維持温度より低い主に冬期において加温される。
この冷凍装置の一例が、特許文献1に陸上輸送用冷凍装置として記載されている。特許文献1に記載された陸上輸送用冷凍装置は、ヒートポンプ式である。
しかしながら、デフロスト動作を頻繁に実行するようになると、すなわち、デフロスト動作の実行間隔が短くなると、加温動作の効率が低下してしまう。
そこで、特許文献1に記載された陸上輸送用冷凍装置は、冷凍車の降雪時走行における加温モード運転において、デフロスト動作の実行間隔が短くなることを防止する構造を備えている。
具体的には、冷凍車のエンジンの排風を庫外熱交換器の吸い込み側に案内するダクトと、ダクト内の風路の開閉手段と、庫外熱交換器を覆うようにその吸い込み側の前方に配置されたパネルと、を備えている。
そのため、庫外熱交換器が凝縮器として作用する冷却運転において、十分な風量が確保されない場合が起こり得る。
十分な風量が確保されないと、冷媒が十分に凝縮せず、冷却能力が低下するという問題が生じる。
従って、冷凍装置用熱交換器及び冷凍装置に対しては、冷却能力を低下させることなく必要なデフロスト動作の実行間隔を長くできることが望まれている。
1) 庫内熱交換器及び庫外熱交換器を含む冷媒回路を備えて庫内の冷却をする冷却運転と加温をする加温運転とを選択的に行える冷凍装置の前記庫外熱交換器として用いられるフィンアンドチューブ式の冷凍装置用熱交換器であって、
第1の冷媒配管経路を有する第1の熱交換器と、
前記第1の冷媒配管経路に直列接続された第2の冷媒配管経路を有し前記第1の熱交換器に並設された第2の熱交換器と、
前記第1の熱交換器及び前記第2の熱交換器に対し送風する送風機と、
を備え、
前記第1の冷媒配管経路の配管及び前記第2の冷媒配管経路の配管は、前記第1及び第2の熱交換器それぞれのフィンに直交貫通するよう連結され、
前記第1の冷媒配管経路は、パス数Na(Na:2以上の整数)なる複数のパスを有し、前記第2の冷媒配管経路は、パス数Nb(Nb:3以上の整数)なる複数のパスを有し、前記パス数Naと前記パス数Nbとは、2≦Na<Nbを満たしており、
前記送風機による送風において、前記第1の熱交換器が上流側に、前記第2の熱交換器が下流側に並設され、
前記冷却運転では、前記第2の熱交換器においてガス状の冷媒を凝縮させた後、前記第1の熱交換器において、前記第2の熱交換器で未凝縮の前記ガス状の冷媒を凝縮させると共に凝縮させた冷媒の過冷却度を増加させるよう機能し、
前記加温運転では、液状の冷媒を、前記第1の熱交換器において過冷却度を増加させた後に前記第2の熱交換器で蒸発させて蒸発器として機能することを特徴とする冷凍装置用熱交換器である。
2) 前記送風機の送風方向において、前記第1の冷媒配管経路は1列で、前記第2の冷媒配管経路は複数列を有するよう構成されていることを特徴とする1)に記載の冷凍装置用熱交換器である。
3) 前記第1の冷媒配管経路と前記第2の冷媒配管経路との間に、前記冷媒を前記第1の冷媒配管経路から前記第2の冷媒配管経路に流す前記加温運転でのみ機能する膨張弁を備えていることを特徴とする1)又は2)に記載の冷凍装置用熱交換器である。
すなわち、冷凍装置51の冷媒回路は、圧縮機1,四方弁2,モータで駆動する送風機であるファンFM1を含む庫外熱交換器3,受液器4,モータで駆動する送風機であるファンFM2を含む庫内熱交換器5,アキュムレータ6,電磁弁11,及び電磁弁13を有して構成されている。
制御部31には、使用者からの運転に関する指示が入力部32を介して伝達される。
第1庫外熱交換器3Aは、ポート3Aaとポート3Abとを繋ぐ冷媒配管経路3LA(図4及び図7参照)を有している。また、第2庫外熱交換器3Bは、ポート3Baとポート3Bbとを繋ぐ冷媒配管経路3LB(図4及び図7参照)を有している。この庫外熱交換器3の詳細については後述する。
圧縮機1と四方弁2のポート2aとは、配管経路L1で接続されている。
四方弁2のポート2bと庫外熱交換器3における第2庫外熱交換器3Bのポート3Baとは、配管経路L2で接続されている。
第2庫外熱交換器3Bのポート3Bbと第1庫外熱交換器3Aのポート3Abとは、並列回路LP1を介して接続されている。
配管経路L3には、膨張弁7と、膨張弁7に対して第1庫外熱交換器3A側に直列接続され第1庫外熱交換器3Aから第2庫外熱交換器3Bへ向かう流れのみを許容する逆止弁8と、が配設されている。
配管経路L4には、第2庫外熱交換器3Bから第1庫外熱交換器3Aへ向かう流れのみを許容する逆止弁9が配設されている。
配管経路L5には、途中に分岐部D1及び分岐部D2が設けられている。分岐部D1と分岐部D2との間には、第1庫外熱交換器3Aから受液器4へ向かう流れのみを許容する逆止弁10が配設されている。
配管経路L6には、電磁弁11と、電磁弁11に対して庫内熱交換器5側に直列接続された膨張弁12と、が配設されている。
配管経路L7には、電磁弁13が配設されている。
配管経路L8における分岐部D4と、配管経路L5における分岐部D2と、は、配管経路L10で接続されている。配管経路L10には、分岐部D4から分岐部D2へ向かう流れのみを許容する逆止弁16が配設されている。
四つの分岐部と四つの逆止弁、すなわち、分岐部D1〜D4、並びに、逆止弁10及び逆止弁14〜16は、流れ方向規制部RKを構成している。
流れ方向規制部RKは、四方弁2の切り替えに伴う流路選択に応じて、庫外熱交換器3のポート3Aaに出入りする冷媒の流れ方向を規制する。詳細は後述する。
図3を参照して具体的に説明すると、モードAは、ポート2aとポート2bとを接続すると共に、ポート2cとポート2dとを接続するモードである。
モードBは、ポート2aとポート2dとを接続すると共に、ポート2bとポート2cとを接続するモードである。
四方弁2により、モードAでは冷媒が流れる経路として流路RAが選択される(図9の太線経路参照)。また、モードBでは、流路RBが選択される(図10の太線経路参照)。すなわち、四方弁2は、冷媒回路において冷媒が流れる流路を選択する流路選択部として機能する。
また、制御部31は、電磁弁11と電磁弁13とを、交互に開くように制御する。この制御は、四方弁2の動作と連動して実行される。
具体的には、図3に示されるように、モードAでは、電磁弁11を開、電磁弁13を閉とする。モードBでは、電磁弁11を閉、電磁弁13を開とする。
図4は、庫外熱交換器3の横断面に対応する模式的構成図である。図5は、庫外熱交換器3の左斜め下方から見た外観斜視図であり、図6は、右斜め下方から見た外観斜視図である。図7は庫外熱交換器3の内部のパス(冷媒配管経路3LA,3LB)を説明するための図である。
図4〜図6に示される上下左右前後の各方向は、理解容易のために便宜的に設定した方向であり、設置姿勢などを限定するものではない。
図4に示されるように、チューブとしての管3cは、横断面において前後方向に4列、上下方向に各列14段となる。すなわち、M列N段のフィンアンドチューブ式とすると、M=4,N=14となる。
各管3cは、図4の太線で示されるように連結させるべく、左右両端部で折り返して配設されている。
すなわち、第1庫外熱交換器3Aは、1列14段であり、第2庫外熱交換器3Bは、3列14段である。
ここで、1列又は直列に接続された複数の列を、配管列群Gとする。1列の場合も便宜的に「配管列群」と称することとする。
従って、第1庫外熱交換器3Aは、M=1なる1列の配管列群GAを有し、第2庫外熱交換器3Bは、M=3なる3列の配管列群GBを有する。
また、第1庫外熱交換器3Aでは、上方側の7段分の管3cAが一つの冷媒配管経路とされてパスP1を構成し、下側の7段分が一つの冷媒配管経路とされてパスP2を構成している。
第2庫外熱交換器3Bでは、上方側の各列5段又は4段の合計14本分の管3cBが、一つの冷媒配管経路とされてパスP3を構成し、中央部の各列5段又は4段の合計14本分の管3cBが、一つの冷媒配管経路とされてパスP4を構成し、下方側の各列5段又は4段の合計14本分の管3cBが、一つの冷媒配管経路とされてパスP5を構成している。
従って、図4に示されるように、第1庫外熱交換器3Aにおいては、パスP1及びパスP2それぞれに対応して配管列群GA1及び配管列群GA2が設けられている。また、第2庫外熱交換器3Bにおいては、パスP3〜P5それぞれに対応して配管列群GB3〜GB5が設けられている。
冷凍装置51の庫外熱交換器3は、この関係を満たし、上述のように、第1庫外熱交換器3Aのパス数Naは2とされ、第2庫外熱交換器3Bのパス数Nbの3以下とされている。
すなわち、図7に示されるように、ポート3Aaとポート3Abとの間に、パスP1とパスP2とが並列に接続されている。
また、パスP1とパスP2とは、図4に示されるように、送風方向(前後方向)に互いに重なることなく吸い込み面において実質的に独立した領域となるように配置されている。
すなわち、図7に示されるように、ポート3Baとポート3Bbとの間に、パスP3〜P5が並列に接続されている。
パスP3〜P5は、図4に示されるように、送風方向(前後方向)に互いに概ね重なることなく、吸い込み側の一面(以下、吸い込み面とも称する)において実質的に独立した領域となるように配置されている。
そこで、パス数Naを増やせば、吸い込み面において一つのパスが占める面積が狭くなり、全体として表面温度のムラが抑制される。
すなわち、パス数Naを増やすことは、表面温度のムラを抑制する観点で好ましい。
一方、複数のパスを設けた場合、パス数Naが多いほど、パスを通過する冷媒の流速が低下する。
そのため、設計において、表面温度のムラの程度と冷媒の流速とを考慮し、熱交換機能が良好に発揮されるようパス数Naを設定する。
例えば、第1庫外熱交換器3Aのパス数Naを、後述する加温運転において蒸発器として作用する第2庫外熱交換器3Bのパス数Nbと同数(Na=Nb)にするとよく、より好ましくは、以下(Na<Nb)にするとよい。
詳しくは、複数のフィン3fは、近接して互いに平行に対向並設されている。そして、第1の庫外熱交換器3Aの冷媒配管経路の配管である管3cA(図4参照)及び第2の庫外熱交換器3Bの冷媒配管経路の配管である管3cB(図4参照)は、複数のフィン3fに直交貫通するよう連結されている。
従って、第1庫外熱交換器3Aと第2庫外熱交換器3Bとの間で、フィン3fを介して相互に熱伝達が行われる。
図8は、冷凍車Cへの搭載例を示す側面図であり、一部を切断面としている。
コンテナC1の外部(例えば運転席の上方)には、庫外熱交換器3が配置され、外気と熱交換を行う。
他の部材はコンテナC1の外側に設置され、設置位置は限定されない。
例えば、圧縮機1やアキュムレータ6などは、収容体Sに納められて車体の下方に設置される。制御部31及び入力部32は、運転席まわりに設置される。特に入力部32は、運転者が操作し易い場所に配設される。
圧縮機1の動力源は、例えば、冷凍車Cのバッテリ又はエンジン(いずれも図示せず)である。
冷凍装置51は、入力部32を介した使用者からの指示に基づいて、庫C1内の温度を一定とするために、複数モードの運転、すなわち、冷却運転,加温運転,庫外熱交換器3のデフロスト運転,及び庫内熱交換器5のデフロスト運転を、選択的に実行する。
図9は、冷却運転時の冷媒回路を説明するための図である。図10は、加温運転時の冷媒回路を説明するための図である。図11は、各運転時の制御部31の制御を説明するための表である。図9及び図10の冷媒回路では、冷媒が流動する配管部位を太線で示し、冷媒の流動方向を太矢印で示している。
図11に示されるように、冷却運転において、制御部31は、四方弁2をモードA、電磁弁11を開状態、電磁弁13を閉状態、ファンFM1及びファンFM2を運転状態、とする。
この冷却運転におけるファンFM1及びファンFM2による送風方向は、図9にそれぞれ矢印DR1及び矢印DR2で示される。
配管経路L2に流入したガス冷媒は、庫外熱交換器3における第2庫外熱交換器3Bに対しポート3Baから供給され、パスP3〜P5のいずれかを経てポート3Bbから気液混合冷媒として流出する。
ポート3Bbから流出した気液混合冷媒は、逆止弁9を経て第1庫外熱交換器3Aに対しポート3Abから供給され、パスP1及びパスP2のいずれかを経てポート3Aaから流出する。
この状態で、庫外熱交換器3では、第2庫外熱交換器3Bと第1庫外熱交換器3Aとが一体的に凝縮器として機能する。すなわち、ガス冷媒は外気に対し放熱して凝縮し、高圧の液冷媒としてポート3Aaから配管経路L5に流入する。
詳しくは、冷媒は、第2庫外熱交換器3Bの入口となるポート3Baにおいて、全て気相である。気相の冷媒は、第2庫外熱交換器3B内を流れるに伴い、外気と熱交換されて一部が凝縮(液化)し、ガス冷媒に対する液冷媒の比率が増加する。
これにより、第2庫外熱交換器3Bの出口となるポート3Bbにおいて、冷媒の大半が液冷媒の気液混合冷媒となる。ここで、液冷媒の比率は、運転条件により異なる。
庫外熱交換器3では、体積減少により液相の比率が高くなった冷媒が流れる第1庫外熱交換器3Aのパス数Naを、気相の比率が高い冷媒が流れる第2庫外熱交換器3Bのパス数Nbよりも少なくしている。これにより、第1庫外熱交換器3A内を流れる冷媒は、第2庫外熱交換器3Bを液冷媒として流れるときよりも、流速が大きくなり、冷媒の過冷却度も大きくなる。
受液器4では、運転環境に応じた余剰量の液冷媒が滞留する。
例えば、庫C1内の熱負荷が小さい場合は、循環する冷媒の量は少なくて済み、受液器4内に多くの液冷媒が溜まる。一方、庫C1内の熱負荷が大きい場合は、循環する冷媒の量が多く必要となるので、受液器4内に溜まる液冷媒の量は少なくなる。
受液器4は、液冷媒が溜まっている場合に、液冷媒を流出する構造になっている。
すなわち、配管経路L6に流入した液冷媒は、電磁弁11を通り膨張弁12に入る。
膨張弁12において、液冷媒は膨張させられる。これにより、液冷媒は、圧力及び温度が低下して気化が促進され、気相と液相とが混合した気液混合冷媒となる。
膨張弁12から流出した気液混合冷媒は、庫内熱交換器5に流入する。
この状態で、気液混合冷媒は、庫C1内の空気と熱交換し、庫C1内の空気から熱を奪って完全に気化してガス冷媒となる。すなわち、庫内熱交換器5は蒸発器として機能して庫C1内は冷却される。
配管経路L8において、ガス冷媒の分岐部D3での圧力は、配管経路L5における分岐部D1の圧力よりも低いことから、配管経路L9には流入せず、逆止弁14を通って四方弁2に達する。
四方弁2は、制御部31の制御によりモードAとなっているので、ガス冷媒は、ポート2dからポート2c、さらにはアキュムレータ6を経て圧縮機1の吸い込み口に戻る。
図11に示されるように、加温運転において、制御部31は、四方弁2をモードB、電磁弁11を閉状態、電磁弁13を開状態、ファンFM1及びファンFM2を運転状態、とする。
この加温運転におけるファンFM1及びファンFM2による送風方向は、冷却運転と同じ一定方向であり、図10にそれぞれ矢印DR3及び矢印DR4で示される。
従って、受液器4からは、貯留分の液冷媒に次いでガス冷媒が流出する。受液器4から流出したガス冷媒は、制御部31の制御により電磁弁13が開状態、電磁弁11が閉状態になっていることから、配管経路L7に流入し、次いで庫内熱交換器5に流入する。
この状態で、ガス冷媒は、庫C1内の空気と熱交換し、庫C1内の空気に熱を放出して凝縮し、概ね高圧の液冷媒となる。従って、庫C1内は加温される。
この液冷媒とガス冷媒とを含む気液混合冷媒は、分岐部D3において、分岐部D4よりも低圧になっていることから配管経路L9に流入する。そして、逆止弁15を経て庫外熱交換器3の第1庫外熱交換器3Aに、ポート3Aaから流入する。
この状態で、第1庫外熱交換器3A内で、液冷媒は冷却され温度が下がる。すなわち、第1庫外熱交換器3Aは、液冷媒に対し過冷却熱交換器として機能する。
第1庫外熱交換器3Aに、液冷媒と共に流入したガス冷媒も、この冷却によりほぼ全部が液冷媒となる。
配管経路L3において、液冷媒は、逆止弁8を通り膨張弁7に入る。
膨張弁7において、液冷媒は膨張させられる。これにより、液冷媒は、圧力及び温度が低下して気化が促進され、気相と液相とが混合した気液混合冷媒となる。
膨張弁7から流出した気液混合冷媒は、第2庫外熱交換器3Bにポート3Bbから流入する。
第2庫外熱交換器3Bにおいて、ポート3Bbから流入した気液混合冷媒は、外気との熱交換で外気から熱を奪って蒸発し、ガス冷媒となってポート3Baから配管経路L2に流入する。すなわち、第2庫外熱交換器3Bは、蒸発器として機能する。
配管経路L2に流入したガス冷媒は、モードBとなっている四方弁2のポート2bからポート2cを通り、アキュムレータ6を経て圧縮機1の吸い込み口に戻る。
庫外熱交換器3には、複数のフィン3fが、第1庫外熱交換器3Aと第2庫外熱交換器3Bとに跨るように設けられている。そのため、第1庫外熱交換器3Aにおいて液冷媒から放出された熱の一部は、フィン3fを伝達して第2庫外熱交換器に移動し、第2庫外熱交換器における相変化における蒸発熱として利用される。
これにより、第2庫外熱交換器における液冷媒の蒸発が促進されるので、液冷媒が圧縮機に吸入される、いわゆる液バック現象の発生が防止できる。
また、複数のフィン3fそれぞれの第2庫外熱交換器3B側の部分は、第1庫外熱交換器3Aでの熱交換により加温された外気が、下流側に流れることで温められると共に、第1庫外熱交換器3Aにおける熱交換でフィン3fに与えられた熱が、フィン3fの下流側へ伝達することによっても温められる。
これらより、フィン3f全体が効率よく温められるので、フィン3fへの雪の蓄積や着霜が、極めて効果的に防止される。
従って、冷凍装置51は、デフロスト動作の実行間隔が長く、動作効率が向上する。
そこで、冷凍装置51では、第1庫外熱交換器3Aにおいて、液冷媒と共に運転環境に応じた量のガス冷媒が存在するようになっている。
換言するならば、第1庫外熱交換器3Aは、加温運転において、受液器4の替わりに、冷媒回路内に運転環境に最適な冷媒量が循環するよう余剰の液冷媒を調整確保するようになっている。
これにより、冷媒回路の高圧側の圧力を、高い値で維持できる。
従って、庫内熱交換器5における冷媒凝縮温度が高くなり、加温能力が向上する。
また、図9及び図10に示されるように、庫内熱交換器5における冷媒の流れ方向を、送風方向(矢印DR2,DR4)に対向するよう下流側から上流側へ向かう(下流側から流入し、上流側から流出する)ようにするとよい。
これらにより、冷却運転時の熱交換効率と加温運転での熱交換効率とに顕著な差が生じない。これにより、熱交換効率がさらに向上する。
詳しくは、第1庫外熱交換器3A内の液冷媒の確保量は、液冷媒の気化量(ガス冷媒の量)が変化することで調整される。
この第1庫外熱交換器3Aでの液冷媒量の調整機能に関しては、実験によって、第1庫外熱交換器3Aの液冷媒の容量Qaを、受液器4の液冷媒の容量Qbより超えない値(すなわち、Qa≦Qb)に設定することが望ましいという結論が得られた。
この容量Qaの調整設定は、例えば、第1庫外熱交換器3Aにおける管3cの列数の増減で行う。
すなわち、M列N段の第1庫外熱交換器3Aを、一つの列を、所定容量の定型構造とし、その定型構造をファンFM1の送付方向に沿ってM個並設したものとする。
このときに、Mの値を、第1庫外熱交換器3Aの容量が受液器4の容量を超えない範囲での最大値とするのが望ましい。
冷却運転を長時間行うと、庫内熱交換器5のフィンに、庫C1内の空気に含まれる水分が凍結して霜として付着する場合がある。フィンへの着霜は、熱交換を阻害するので、庫内熱交換器5のデフロスト運転を実行して除霜する。
このデフロスト運転は、図11に示されるように、加温運転に対し、ファンFM1及びファンFM2を停止させることのみが異なる運転である。
加温運転を長時間行うと、庫外熱交換器3のフィン3fに、外気に含まれる水分が凍結して霜として付着する場合がある。
冷凍装置51では、上述のように、庫外熱交換器3のフィン3fへの雪の蓄積や着霜が極めて生じにくくなっている。しかしながら、冷凍車Cを降雪時に走行させた際に、降雪量が著しく多いと、庫外熱交換器3の風上側(第1庫外熱交換器3A側)における隣接するフィン3f間に詰まる場合もあり得る。
このような場合、熱交換が阻害されるので、庫外熱交換器3のデフロスト運転を実行して、フィン3fに対する融雪及び除霜を実行する。
このデフロスト運転は、図11に示されるように、冷却運転に対し、ファンFM1及びファンFM2を停止させることのみが異なる運転である。
第1庫外熱交換器3Aの前後方向の厚みEa(図5参照):19.05mm
第2庫外熱交換器3Bの前後方向の厚みEb(図5参照):57.15mm
前後方向の全厚み(Ea+Eb):76.20mm
上下方向の高さEc(図5参照):355.6mm
左右方向の有効幅(風が通過する部分の幅)Ed(図5参照):1050mm
冷媒配管径(外径):φ9.53mm
冷媒配管のピッチEe(図4参照):25.4mm
放熱量:4.8kW
冷媒配管内の冷媒流量:約1.14kg/min
第1庫外熱交換器3Aの配管内冷媒の流速:0.165m/s(液相状態)
第2庫外熱交換器3Bの配管内冷媒の流速:1.05m/s(気相状態)
0.11m/s(液相状態)
吸熱量:2.5kW
冷媒配管内の冷媒流量:約2.10kg/min
第1庫外熱交換器3Aの配管内冷媒の流速:0.260m/s(液相状態)
第2庫外熱交換器3Bの配管内冷媒の流速:6.45m/s(気相状態)
0.173m/s(液相状態)
第1庫外熱交換器3Aの入口における冷媒温度:20℃
第1庫外熱交換器3Aの出口における冷媒温度:5℃
設定手順例としては、まず、第2庫外熱交換器3Bが冷却運転時に凝縮器として機能すると共に加温運転時において蒸発器として機能することから、冷却運転時の諸元と加温運転時の諸元とを考慮して、3列(凝縮器としては4列)14段3パスと設定する(ステップ「イ」)。
次いで、例えば、より好ましいパス数条件であるNa<Nbを採用して、第1庫外熱交換器3Aのパスを2とする。さらに、列数であるMを、第1庫外熱交換器3Aの容量が受液器4の容量を超えない範囲での最大値として算出された1とする。
このような手順で、仕様は、例えば1列14段2パスと設定される(ステップ「ロ」)。
第1庫外熱交換器3Aは、着雪が融けるだけの熱量を放出すればよく、それ以上の熱量は、融かした水を単に加温することに費やされて無駄となる。
また、着雪は、第1庫外熱交換器3Aの吸い込み面の全体に及ぶので、局所的に融解させるのではなく、融解領域ができるだけ吸い込み面全体に分散するようにすることが望まれる。
諸元例で示したように、第1庫外熱交換器3Aにおける入口と出口との冷媒温度の差は、例えば15℃(deg)ある。
例えば、パス数Naを1とし、入口を上方側、出口を下方側とすると、単に上方側が最高温、下方側が最低温となり、上下方向に緩やかな温度勾配が生じる。
従って、融解領域と非融解領域が生じる場合、上下方向に二分して生じる。
この場合、吸い込み面の上下方向の温度勾配は、上側から、高−低高−低となるため、融解領域と非融解領域とが存在するときに、融解−非融解−融解−非融解、と交互に2回出現する。従って、融解領域が分散されて好ましい。
この分散は、パス数Naが大きいほど細かく広がるので好ましい。
また、パス数Naが大きいほど高温となる範囲も集中せず分散する。そのため、融かした水を加温する無駄な熱量放出が抑制されるので好ましい。
これにより、パス数Naは2以上とすることが好ましい。
変形例1は、冷凍装置51の冷媒回路において、庫内熱交換器5の上流側の配管経路L6と下流側の配管経路L8との間に、熱交換を行う気液熱交換器17を設けた例(冷凍装置51A)である(図12参照)。図12は、冷凍装置51Aの冷媒回路における、冷凍装置51の冷媒回路(図1参照)と異なる部分を主に示した部分回路図である。
気液熱交換器17は、配管経路L6に対しては、電磁弁11と膨張弁12との間に接続する。また、配管経路L8に対しては、庫内熱交換器5と分岐部D3との間に接続する。
冷却運転で膨張弁12に入る液冷媒は、その直前に、気液熱交換器17で庫内熱交換器5から流出したガス冷媒と熱交換して冷却され過冷却度が増大する。
これにより、庫内熱交換器5における熱交換で庫C1内の空気から奪う熱量が増加するので、庫C1内を冷却する能力が向上する。
また、庫内熱交換器5における液冷媒の蒸発がより促進されるので、圧縮機1に対する液バック現象の発生が防止できる。
変形例2は、冷凍装置51に対して、庫内熱交換器を複数備えた例(冷凍装置51B)である。ここでは、二つの庫内熱交換器25A,25Bを備えた例を図13を参照して説明する。図13は、冷凍装置51Bの冷媒回路の、冷凍装置51の冷媒回路(図1参照)と異なる部分を主に示した部分回路図である。
庫内熱交換器25Aの上流側(受液器4側)には、膨張弁22Aが接続され、庫内熱交換器25Bの上流側には、膨張弁22Bが接続されている。
膨張弁22A,22Bの上流側は、経路が一つに纏められ、電磁弁23を介して受液器4に接続されている。
熱交換器25Aと膨張弁22Aとの間と、受液器4との間には、電磁弁21Aが設けられている。
熱交換器25Bと膨張弁22Bとの間と、受液器4との間には、電磁弁21Bが設けられている。
膨張弁22A,22Bの下流側は、経路が一つに纏められ分岐部D3に接続されている。
ファンFM25A及びファンFM25B、並びに、電磁弁21A及び電磁弁21Bの動作は、制御部31によって制御される。
庫内熱交換器25Aと庫内熱交換器25Bとは、それぞれ異なる庫の内部を冷却及び加温するように設置される。
変形例3は、冷凍装置51を、流れ方向規制部RKを備えずに冷却運転及び加温運転を可能とする冷媒回路を有するものとした冷凍装置57である。
冷凍装置57の構成は、その冷媒回路図である図14及び制御系を示す図15に示される。
すなわち、冷凍装置57の冷媒回路は、冷凍装置51の冷媒回路に対し、流れ方向規制部RKを削除すると共に、並列回路LP2を、電磁弁11及び電磁弁13をそれぞれ逆止弁71及び逆止弁73に置き換えた並列回路LP72にしたものである。それ以外の構成は同じである。
すなわち、並列回路LP72において、冷媒が受液器4から庫内熱交換器5に流入する場合には、配管経路L76を流れ、冷媒が庫内熱交換器5から受液器4に流れる場合には、配管経路L77を流れるようになっている。
図16は、冷却運転時の冷媒回路を説明するための図である。図17は、加温運転時の冷媒回路を説明するための図である。図18は、各運転時の制御部31の制御を説明するための表である。図17及び図18は、図9及び図10と同様に、冷媒が流動する配管部位を太線で示し、冷媒の流動方向を配管に沿って矢印で示している。
図18の表に示されるように、冷凍装置57の冷却運転において、制御部31は、四方弁2をモードA、ファンFM1及びファンFM2を運転状態、とする。
この冷却運転におけるファンFM1及びファンFM2による送風方向は、図16にそれぞれ矢印DR71及び矢印DR72で示される。
庫外熱交換器3のポート3Baからポート3Aaに至る冷媒の相状態、及び庫外熱交換器3の作用は、冷凍装置51の冷却運転と同じである。
すなわち、冷凍装置57の冷却運転において、庫外熱交換器3は、第2庫外熱交換器3Bと第1庫外熱交換器3Aとが一体的に凝縮器として機能する。
これにより、ガス冷媒は外気に対し放熱して凝縮し、高圧の液冷媒としてポート3Aaから配管経路L5に流入する。
この液冷媒は、受液器4を経て、並列回路LP72に流入する。
並列回路LP72では、液冷媒は、逆止弁71によって配管経路L76への流入のみが許容され膨張弁72に入る。
膨張弁72において、液冷媒は膨張させられる。これにより、液冷媒は、圧力及び温度が低下して気化が促進され、気相と液相とが混合した気液混合冷媒となる。
膨張弁72から流出した気液混合冷媒は、庫内熱交換器5に流入する。
この状態で、気液混合冷媒は、庫C1内の空気と熱交換し、庫C1内の空気から熱を奪って完全に気化してガス冷媒となる。すなわち、庫内熱交換器5は蒸発器として機能して庫C1内は冷却される。
冷凍装置57では、配管経路L8は、庫内熱交換器5と四方弁2のポート2dとの間を、分岐なく接続している。そのため、ガス冷媒は、モードAとされている四方弁2のポート2dからポート2c、さらには、アキュムレータ6を経て圧縮機1の吸い込み口に戻る。
図18の表に示されるように、冷凍機57の加温運転において、制御部31は、四方弁2をモードB、ファンFM1及びファンFM2を運転状態、とする。
この加温運転におけるファンFM1及びファンFM2による送風方向は、冷却運転と同じ一定方向であり、図17にそれぞれ矢印DR73及び矢印DR74で示される。
冷凍装置57では、上述のように、配管経路L8は、四方弁2のポート2dと庫内熱交換器5との間を分岐なく接続している。
そのため、ガス冷媒は、庫内熱交換器5に対し、冷却運転のときとは逆の方向に流入する。
この状態で、ガス冷媒は、庫C1内の空気と熱交換し、庫C1内の空気に熱を放出して凝縮し、概ね高圧の液冷媒となる。従って、庫C1内は加温される。
この状態で、第1庫外熱交換器3A内で、液冷媒は冷却され温度が下がる。すなわち、第1庫外熱交換器3Aは、液冷媒に対し過冷却熱交換器として機能する。
第1庫外熱交換器3Aに、液冷媒と共に流入したガス冷媒も、この冷却によりほぼ全部が液冷媒となる。
配管経路L3において、液冷媒は、逆止弁8を通り膨張弁7に入る。
膨張弁7において、液冷媒は膨張させられる。これにより、液冷媒は、圧力及び温度が低下して気化が促進され、気相と液相とが混合した気液混合冷媒となる。
膨張弁7から流出した気液混合冷媒は、第2庫外熱交換器3Bにポート3Bbから流入する。
第2庫外熱交換器3Bにおいて、ポート3Bbから流入した気液混合冷媒は、外気との熱交換で外気から熱を奪って蒸発し、ガス冷媒となってポート3Baから配管経路L2に流入する。すなわち、第2庫外熱交換器3Bは、蒸発器として機能する。
配管経路L2に流入したガス冷媒は、モードBとなっている四方弁2のポート2bからポート2cを通り、アキュムレータ6を経て圧縮機1の吸い込み口に戻る。
冷凍装置57においても、冷却運転を長時間行うと、庫内熱交換器5のフィンに、庫C1内の空気に含まれる水分が凍結して霜として付着する場合がある。フィンへの着霜は、熱交換を阻害するので、庫内熱交換器5のデフロスト運転を実行して除霜する。
このデフロスト運転は、図18の表に示されるように、加温運転に対し、ファンFM1及びファンFM2を停止させることのみが異なる運転である。
冷凍装置57においても、加温運転を長時間行うと、庫外熱交換器3のフィン3fに、外気に含まれる水分が凍結して霜として付着する場合がある。
冷凍装置57において、庫外熱交換器3の作用は、冷凍装置51と同様である。従って、庫外熱交換器3のフィン3fへの雪の蓄積や着霜が極めて生じにくくなっている。
しかしながら、冷凍車Cを降雪時に走行させた際に、降雪量が著しく多いと、庫外熱交換器3の風上側(第1庫外熱交換器3A側)における隣接するフィン3f間に詰まる場合もあり得る。
このような場合、熱交換が阻害されて熱交換器として機能しなくなるので、庫外熱交換器3のデフロスト運転を実行して、フィン3fに対する融雪及び除霜を行う。
このデフロスト運転は、図18の表に示されるように、冷却運転に対し、ファンFM1及びファンFM2を停止させることのみが異なる運転である。
庫外熱交換器3には、複数のフィン3fが、第1庫外熱交換器3Aと第2庫外熱交換器3Bとに跨るように設けられている。そのため、第1庫外熱交換器3Aにおいて液冷媒から放出された熱の一部は、フィン3fを伝達して第2庫外熱交換器3Bに移動し、第2庫外熱交換器3Bにおける相変化における蒸発熱として利用される。
これにより、第2庫外熱交換器3Bにおける液冷媒の蒸発が促進されるので、液冷媒が圧縮機1に吸入される、いわゆる液バック現象の発生が防止できる。
また、複数のフィン3fそれぞれの第2庫外熱交換器3B側の部分は、第1庫外熱交換器3Aでの熱交換により加温された外気が、下流側に流れることで温められると共に、第1庫外熱交換器3Aにおける熱交換でフィン3fに与えられた熱が、フィン3fの下流側へ伝達することによっても温められる。
これらより、フィン3f全体が効率よく温められるので、フィン3fへの雪の蓄積や着霜が、極めて効果的に防止される。
従って、冷凍装置57は、デフロスト動作の実行間隔が長く、動作効率が向上する。
これにより、吸い込み面の表面温度のムラが抑制されるので、フィン3fに付着した雪はムラなく融解する。
第1庫外熱交換器3Aのポート3Abと、第2庫外熱交換器3Bのポート3Bbと、を接続する並列回路LP1(図1,図4,図9,及び図10参照)は、変形例4として逆止弁8のない並列回路LP1aに置き換えてもよい。
図19には、その並列回路LP1aが示されている。
庫外熱交換器3及び庫内熱交換器5の少なくとも一方は、上述のフィンアンドチューブ式に限定されない。例えば、サーペンタイン式やパラレルフロー式であってもよく、この場合でも同様の効果が得られる。
庫外熱交換器3がフィンアンドチューブ式でない場合について詳しく説明する。
まず、サーペンタイン式又はパラレルフロー式の熱交換器を、二つ用意し、前後方向に並設する。そして、一方が第1庫外熱交換器3Aとして、また、他方が第2庫外熱交換器3Bとして機能するようそれぞれの冷媒配管を連結する。さらに、複数の熱交換フィンを、二つの熱交換器の冷媒配管それぞれに対して跨るように取り付けて両者を一体化させる。
例えば、変形例1と変形例3を組み合わせて気液熱交換器17を冷凍装置57に適用してよい。
この場合、冷媒回路の図12に示される部分は、電磁弁11を逆止弁71に置き換え、電磁弁13を逆止弁73に置き換えたものとなる。
2 四方弁、 2a〜2d ポート
3 庫外熱交換器
3A 第1庫外熱交換器、 3Aa,3Ab ポート
3B 第2庫外熱交換器、 3Ba,3Bb ポート
3c 管、 3f フィン
3LA,3LB 冷媒配管経路
4 受液器
5,25A,25B 庫内熱交換器
6 アキュムレータ
7,12,22A,22B,72 膨張弁
8〜10,14〜16,71,73 逆止弁
11,13,21A,21B,23 電磁弁
17 気液熱交換器
31 制御部、 32 入力部
51,51A,51B,57 冷凍装置
C 冷凍車、 C1 庫(コンテナ)、 CV 内部空間
D1〜D4 分岐部
G,GA1,GA2,GB3〜GB5 配管列群
FM1,FM2,FM25A,FM25B ファン(送風機)
LP1,LP2,LP72,LP1a 並列回路
L1〜L11,3LA,3LB,L76,L77 配管経路
Na,Nb パス数、 P1〜P5 パス
Qa,Qb 容量
RA,RB 流路、 RK 流れ方向規制部
S 収容体
Claims (3)
- 庫内熱交換器及び庫外熱交換器を含む冷媒回路を備えて庫内の冷却をする冷却運転と加温をする加温運転とを選択的に行える冷凍装置の前記庫外熱交換器として用いられるフィンアンドチューブ式の冷凍装置用熱交換器であって、
第1の冷媒配管経路を有する第1の熱交換器と、
前記第1の冷媒配管経路に直列接続された第2の冷媒配管経路を有し前記第1の熱交換器に並設された第2の熱交換器と、
前記第1の熱交換器及び前記第2の熱交換器に対し送風する送風機と、
を備え、
前記第1の冷媒配管経路の配管及び前記第2の冷媒配管経路の配管は、前記第1及び第2の熱交換器それぞれのフィンに直交貫通するよう連結され、
前記第1の冷媒配管経路は、パス数Na(Na:2以上の整数)なる複数のパスを有し、前記第2の冷媒配管経路は、パス数Nb(Nb:3以上の整数)なる複数のパスを有し、前記パス数Naと前記パス数Nbとは、2≦Na<Nbを満たしており、
前記送風機による送風において、前記第1の熱交換器が上流側に、前記第2の熱交換器が下流側に並設され、
前記冷却運転では、前記第2の熱交換器においてガス状の冷媒を凝縮させた後、前記第1の熱交換器において、前記第2の熱交換器で未凝縮の前記ガス状の冷媒を凝縮させると共に凝縮させた冷媒の過冷却度を増加させるよう機能し、
前記加温運転では、液状の冷媒を、前記第1の熱交換器において過冷却度を増加させた後に前記第2の熱交換器で蒸発させて蒸発器として機能することを特徴とする冷凍装置用熱交換器。 - 前記送風機の送風方向において、前記第1の冷媒配管経路は1列で、前記第2の冷媒配管経路は複数列を有するよう構成されていることを特徴とする請求項1記載の冷凍装置用熱交換器。
- 前記第1の冷媒配管経路と前記第2の冷媒配管経路との間に、前記冷媒を前記第1の冷媒配管経路から前記第2の冷媒配管経路に流す前記加温運転でのみ機能する膨張弁を備えていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の冷凍装置用熱交換器。
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