JP2021196115A - 輸送用冷凍機械 - Google Patents

Abstract

【課題】効率がさらに向上した輸送用冷凍機械を提供する。【解決手段】輸送用冷凍機械は、冷凍室内の空気と第一冷媒とを熱交換させる室内熱交換器と、室内熱交換器に第一冷媒を圧縮して供給する第一圧縮機と、第一圧縮機を駆動する第一インバータと、外気と第二冷媒とを熱交換させる室外熱交換器と、室外熱交換器に第二冷媒を圧縮して供給する第二圧縮機と、第二圧縮機を駆動する第二インバータと、第一圧縮機から流通する第一冷媒と室外熱交換器から流通する第二冷媒とを熱交換させる中間熱交換器と、冷凍室内と外気との温度差に基づいて、第一インバータ、及び第二インバータに駆動信号を送出する制御部と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、輸送用冷凍機械に関する。

冷凍トラックのように、貨物を冷凍装置によって冷却した状態で運搬する輸送機械が広く用いられている。近年、この種の冷凍装置として、カスケードサイクルと呼ばれる形式のものが実用化されている（例えば下記特許文献１）。カスケードサイクルでは、冷凍室内外で異なる冷媒が用いられている。具体的には、カスケードサイクルは、室内熱交換器、膨張弁、及び室内側圧縮機を有する室内側サイクルと、室外熱交換器、膨張弁、及び室外側圧縮機を有する室外側サイクルと、中間熱交換器と、を備えている。室内側サイクルと室外側サイクルは、中間熱交換器を通じて互いの冷媒を熱交換させる。一例として、室内側サイクルでは二酸化炭素が冷媒として用いられ、室外側サイクルではプロパンが冷媒として用いられる。

米国特許公開第２０２０／０１４８０３８号明細書

冷凍トラックのように、運転条件が変化しやすい環境でカスケードサイクルを用いる場合、室内側サイクルと室外側サイクルの冷媒の循環量の比は一定とはならない。このため、室内側圧縮機と室外側圧縮機を通過する冷媒の流量（つまり、各圧縮機の回転数）は、互いに独立して制御できることが望ましい。しかしながら、従来の冷凍トラックでは、圧縮機がエンジンに直接接続されている。このため、圧縮機の回転数はエンジンの回転数に依存し、自由な制御が行えないという課題があった。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、効率がさらに向上した輸送用冷凍機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る輸送用冷凍機械は、輸送機械に設けられた冷凍室を冷却するための輸送用冷凍機械であって、前記冷凍室内の空気と第一冷媒とを熱交換させる室内熱交換器と、前記室内熱交換器に前記第一冷媒を圧縮して供給する第一圧縮機と、前記第一圧縮機を駆動する第一インバータと、外気と第二冷媒とを熱交換させる室外熱交換器と、前記室外熱交換器に前記第二冷媒を圧縮して供給する第二圧縮機と、前記第二圧縮機を駆動する第二インバータと、前記前記第一圧縮機から流通する前記第一冷媒と前記室外熱交換器から流通する前記第二冷媒とを熱交換させる中間熱交換器と、前記冷凍室内と外気との温度差に基づいて、前記第一インバータ、及び前記第二インバータに駆動信号を送出する制御部と、を備える。

本開示によれば、効率がさらに向上した輸送用冷凍機械を提供することができる。

本開示の第一実施形態に係る輸送機械の構成を示す側面図である。 本開示の第一実施形態に係る輸送用冷凍機械の構成を示す回路図である。 本開示の第二実施形態に係る制御部の動作を示すフローチャートである。

＜第一実施形態＞
以下、本開示の第一実施形態に係る輸送機械１００、及び輸送用冷凍機械３について、図１から図３を参照して説明する。

（輸送機械の構成）
図１に示すように、輸送機械１００は、トラクター１と、トレーラー２と、を備えている。トラクター１は、キャブ１Ｃと、エンジン１１と、オルタネータ１３と、を有している。キャブ１Ｃは、運転台等の居住スペースを形成する。エンジン１１は、トラクター１自体に推進力を与えるための駆動装置であり、キャブ１Ｃの下部に収容されている。エンジン１１として具体的にはディーゼルエンジンや、ハイブリッドエンジンが用いられる。

エンジン１１の出力軸にはオルタネータ１３が接続されている。オルタネータ１３は、エンジン１１の出力軸の回転に伴ってともに回転することで電力を発生する。オルタネータ１３が発生させた電力は、後述する輸送用冷凍機械３の駆動や、バッテリー４の充電に利用される。また、バッテリー４の電力は、輸送用冷凍機械３の駆動に用いられる。

トレーラー２は、トラクター１によってけん引される車両である。トレーラー２は、冷凍室２１と、輸送用冷凍機械３と、バッテリー４と、を有している。冷凍室２１は、トレーラー２の内部に形成された空間であり、冷蔵・冷凍が必要な貨物を積載する。輸送用冷凍機械３は、この冷凍室２１内の温度を下げるために設けられている。

（輸送用冷凍機械の構成）
次に、図２を参照して、輸送用冷凍機械３の構成について説明する。同図に示すように、輸送用冷凍機械３は、室内側サイクル３１と、室外側サイクル３２と、中間熱交換器７と、制御部９０と、を有している。

室内側サイクル３１は、室内側配管Ｐ１と、第一圧縮機５１と、第一膨張弁５２と、室内熱交換器５３と、室内用ファン５４と、第一インバータ５５と、を有している。室内側配管Ｐ１は、第一配管Ｐ１１と、第二配管Ｐ１２と、第三配管Ｐ１３と、第四配管Ｐ１４と、を有している。第一配管Ｐ１１は、第一圧縮機５１と中間熱交換器７を接続している。第二配管Ｐ１２は、中間熱交換器７と第一膨張弁５２とを接続している。第三配管Ｐ１３は、第一膨張弁５２と室内熱交換器５３とを接続している。第四配管Ｐ１４は、室内熱交換器５３と第一圧縮機５１とを接続している。これら室内側配管Ｐ１には第一冷媒として二酸化炭素が充填されている。

第一圧縮機５１は、第四配管Ｐ１４側から吸入された低圧の気相冷媒を圧縮して、高温高圧の気相冷媒を生成する。この高温高圧の気相冷媒は、第一配管Ｐ１１を通じて中間熱交換器７に流入する。中間熱交換器７は、後述する室外側サイクル３２を流通する第二冷媒と第一冷媒との間で熱交換を行う。これにより、中間熱交換器７では気相冷媒が凝縮し、高圧の液相冷媒が生成される。

高圧の液相冷媒は、第二配管Ｐ１２を通じて第一膨張弁５２に送られる。高圧の液相冷媒は、第一膨張弁５２を通過することで圧力が下がり、低温低圧の液相冷媒となる。

第一膨張弁５２を経て低温低圧となった液相冷媒は、第三配管Ｐ１３を通じて室内熱交換器５３に流入する。室内熱交換器５３は、冷凍室２１の内部に設けられている。室内熱交換器５３では、冷凍室２１内の空気と第一冷媒との間で熱交換が行われる。室内用ファン５４は、室内熱交換器５３に冷凍室２１内の空気を送るために設けられている。低温の液相冷媒によって冷凍室２１内の熱が吸収されることで、冷凍室２１内の温度が低くなる方向に変化する。つまり、冷凍室２１内が冷却される。これに伴って、液相冷媒の温度が上昇するとともに、液相から気相に変化する。

室内熱交換器５３を経て気相となった冷媒は、第四配管Ｐ１４を通じて再び第一圧縮機５１に吸入される。

第一圧縮機５１の回転数は、第一インバータ５５によって制御される。第一インバータ５５は、上述のオルタネータ１３やバッテリー４から供給された電力を変換して第一圧縮機５１を駆動するための最適な電力を生成する。なお、第一インバータ５５の動作は、後述する制御部９０によって制御される。

室外側サイクル３２は、室外側配管Ｐ２と、第二圧縮機６１と、第二膨張弁６２と、室外熱交換器６３と、室外用ファン６４と、第二インバータ６５と、を有している。室外側配管Ｐ２は、第一配管Ｐ２１と、第二配管Ｐ２２と、第三配管Ｐ２３と、第四配管Ｐ２４と、を有している。第一配管Ｐ２１は、第二圧縮機６１と室外熱交換器６３を接続している。第二配管Ｐ２２は、室外熱交換器６３と第二膨張弁６２とを接続している。第三配管Ｐ２３は、第二膨張弁６２と中間熱交換器７とを接続している。第四配管Ｐ２４は、中間熱交換器７と第二圧縮機６１とを接続している。これら室外側配管Ｐ２には第二冷媒として、例えばプロパンが充填されている。

第二圧縮機６１は、第四配管Ｐ２４側から吸入された低圧の気相冷媒を圧縮して、高温高圧の気相冷媒を生成する。この高温高圧の気相冷媒は、第一配管Ｐ２１を通じて室外熱交換器６３に流入する。室外熱交換器６３は、上述の冷凍室２１の外部に設けられている。室外熱交換器６３は、外部の空気と第二冷媒との間で熱交換を行う。室外用ファン６４は、室外熱交換器６３に向かって外部の空気を送るために設けられている。これにより、室外熱交換器６３では気相冷媒が凝縮し、高圧の液相冷媒が生成される。

高圧の液相冷媒は、第二配管Ｐ２２を通じて第二膨張弁６２に送られる。高圧の液相冷媒は、第二膨張弁６２を通過することで圧力が下がり、低温低圧の液相冷媒となる。

第二膨張弁６２を経て低温低圧となった液相冷媒は、第三配管Ｐ２３を通じて中間熱交換器７に流入する。中間熱交換器７は、上述の室内側サイクル３１を流通する第一冷媒と第二冷媒との間で熱交換を行う。具体的には、室内側サイクル３１の第一配管Ｐ１１を流通する高温高圧の気相冷媒（第一冷媒）と、室外側サイクル３２の第三配管Ｐ２３を流通する低温低圧の液相冷媒（第二冷媒）との間で熱交換が行われる。これに伴って、室外側サイクル３２では、第三配管Ｐ２３を流通する液相冷媒の温度が上昇するとともに、液相から気相に変化する。

中間熱交換器７を経て気相となった冷媒は、第四配管Ｐ２４を通じて再び第二圧縮機６１に吸入される。このようなサイクルが連続的に行われることで、冷凍室２１の温度が所望の値に調節される。

第二圧縮機６１の回転数は、第二インバータ６５によって制御される。第二インバータ６５は、上述のオルタネータ１３やバッテリー４から供給された電力を変換して第二圧縮機６１を駆動するための最適な電力を生成する。なお、第二インバータ６５の動作は、後述する制御部９０によって制御される。

制御部９０は、輸送用冷凍機械３の運転状態に基づいて、第一インバータ５５と、第二インバータ６５に駆動信号を送出する。より具体的には、制御部９０は、冷凍室２１内と外気との温度差に基づいて、第一インバータ５５、及び第二インバータ６５に駆動信号を送出する。

制御部９０は、まず冷凍室２１と外気との温度差に基づいて、第一圧縮機５１と第二圧縮機６１の回転数の比の最適範囲を定める。その後、制御部９０は、実際の圧縮機の回転数の比が上記の最適範囲内にあるように、第一インバータ５５、及び第二インバータ６５に駆動信号を送出する。

（作用効果）
上記構成によれば、第一圧縮機５１と第二圧縮機６１とを互いに独立した回転数で運転しつつ、その回転数の比を最適範囲内に収めることができる。したがって、例えば冷凍室２１と外気の温度差が大きい場合等、第一冷媒と第二冷媒の流量に差が必要となるときに、第一圧縮機５１と第二圧縮機６１との回転数に差を持たせ、最適な運転点に近づけることができる。

以上、本開示の第一実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記第一実施形態では、制御部９０が第一圧縮機５１と第二圧縮機６１の回転数比の最適範囲を定め、実際の回転数比がこの最適範囲内に収まるように運転する例について説明した。しかしながら、制御部９０は、このような数値範囲ではなく、特定の回転数比を決定し、当該値となるように実際の回転数比を変化させる構成を採ることも可能である。

＜第二実施形態＞
次に、本開示の第二実施形態について、図３を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図３に示すように、本実施形態では、制御部９０は、第一圧縮機５１と第二圧縮機６１とが、予め与えられている互いの共振回転数とならないように第一インバータ５５、及び第二インバータ６５に駆動信号を送出する。

具体的には、この制御フローは、第一圧縮機５１、及び第二圧縮機６１それぞれについて実行される。以下では、第一圧縮機５１における制御フローを例に説明する。このフローは、運転点決定ステップＳ１と、圧縮機回転数決定ステップＳ２と、第一判定ステップＳ３と、第一再設定ステップＳ４と、第二判定ステップＳ５と、第二再設定ステップＳ６と、を含む。

運転点決定ステップＳ１では、外気と冷凍室２１の温度差等に基づいて、第一圧縮機５１の運転点（つまり、第一冷媒の流量）を決定する。圧縮機回転数決定ステップＳ２では、上記の運転点に基づいて、第一圧縮機５１の回転数を決定する。次いで、第一判定ステップＳ３では、第一圧縮機５１の回転数が、上述の第一実施形態で説明した第二圧縮機６１との回転数比の最適範囲内にあるか否かを判定する。第一判定ステップＳ３で回転数が最適範囲内にないと判定された場合（Ｓ３：Ｎｏ）、第一再設定ステップＳ４を実行することで、回転数を一定程度（Δｒｐｓ）上昇させるか、低下させる。その後、再び第一判定ステップＳ３を実行する。

第一判定ステップＳ３で回転数が最適範囲内にあると判定された場合（Ｓ３：Ｙｅｓ）、第二判定ステップＳ５を実行することで、当該回転数が予め与えられている共振回転数と同一であるか否かを判定する。第二判定ステップＳ５で当該回転数が共振回転数と同一であると判定された場合（Ｓ５：Ｎｏ）、第二再設定ステップＳ６を実行することで、回転数を一定程度（Δｒｐｓ）上昇させるか、低下させる。その後、再び第二判定ステップＳ５を実行する。第二判定ステップＳ５で回転数が最適範囲内にあると判定された場合（Ｓ５：Ｙｅｓ）、そのときの回転数のもとで第一圧縮機５１の運転を継続する。

上記構成によれば、第一圧縮機５１と第二圧縮機６１の共振を回避し、より安定的に輸送用冷凍機械３を運転することができる。これにより、輸送用冷凍機械３の運転範囲をさらに拡大することができる。

以上、本開示の第二実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。

＜付記＞
各実施形態に記載の輸送用冷凍機械３は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る輸送用冷凍機械３は、輸送機械１００に設けられた冷凍室２１を冷却するための輸送用冷凍機械３であって、前記冷凍室２１内の空気と第一冷媒とを熱交換させる室内熱交換器５３と、前記室内熱交換器５３に前記第一冷媒を圧縮して供給する第一圧縮機５１と、前記第一圧縮機５１を駆動する第一インバータ５５と、外気と第二冷媒とを熱交換させる室外熱交換器６３と、前記室外熱交換器６３に前記第二冷媒を圧縮して供給する第二圧縮機６１と、前記第二圧縮機６１を駆動する第二インバータ６５と、前記前記第一圧縮機５１から流通する前記第一冷媒と前記室外熱交換器６３から流通する前記第二冷媒とを熱交換させる中間熱交換器７と、前記冷凍室２１内と外気との温度差に基づいて、前記第一インバータ５５、及び前記第二インバータ６５に駆動信号を送出する制御部９０と、を備える。

上記構成によれば、第一インバータ５５と、第二インバータ６５とによって、第一圧縮機５１と第二圧縮機６１とを互いに独立して動作させることができる。したがって、例えば冷凍室２１と外気の温度差が大きい場合等、第一冷媒と第二冷媒の流量に差が必要となるときに、第一圧縮機５１と第二圧縮機６１との回転数に差を持たせ、最適な運転点に近づけることができる。

（２）第２の態様に係る輸送用冷凍機械３では、前記制御部９０は、前記冷凍室２１と外気との温度差に基づいて、前記第一圧縮機５１と前記第二圧縮機６１の回転数の比の最適範囲を定めるとともに、前記回転数の比が前記最適範囲内にあるように前記第一インバータ５５、及び前記第二インバータ６５に駆動信号を送出する。

上記構成によれば、冷凍室２１と外気の温度差が大きい場合等、第一冷媒と第二冷媒の流量に差が必要となるときに、第一圧縮機５１と第二圧縮機６１との回転数に差を持たせ、最適な運転点に近づけることができる。

（３）第３の態様に係る輸送用冷凍機械３では、前記制御部９０は、前記冷凍室２１と外気との温度差に基づいて、前記第一圧縮機５１と前記第二圧縮機６１の回転数の最適比を定めるとともに、前記回転数が前記最適比となるように前記第一インバータ５５、及び前記第二インバータ６５に駆動信号を送出する。

上記構成によれば、冷凍室２１と外気の温度差が大きい場合等、第一冷媒と第二冷媒の流量に差が必要となるときに、第一圧縮機５１と第二圧縮機６１との回転数に差を持たせ、最適な運転点に近づけることができる。

（４）第４の態様に係る輸送用冷凍機械３では、前記制御部９０は、前記第一圧縮機５１と前記第二圧縮機６１とが、予め与えられている互いの共振回転数とならないように前記第一インバータ５５、及び前記第二インバータ６５に駆動信号を送出する。

上記構成によれば、第一圧縮機５１と第二圧縮機６１の共振を回避し、より安定的に輸送用冷凍機械３を運転することができる。

１００ 輸送機械
１ トラクター
１Ｃ キャブ
２ トレーラー
３ 輸送用冷凍機械
４ バッテリー
７ 中間熱交換器
１１ エンジン
１３ オルタネータ
２１ 冷凍室
３１ 室内側サイクル
３２ 室外側サイクル
５１ 第一圧縮機
５２ 第一膨張弁
５３ 室内熱交換器
５４ 室内用ファン
５５ 第一インバータ
６１ 第二圧縮機
６２ 第二膨張弁
６３ 室外熱交換器
６４ 室外用ファン
６５ 第二インバータ
９０ 制御部
Ｐ１ 室内側配管
Ｐ２ 室外側配管
Ｐ１１，Ｐ２１ 第一配管
Ｐ１２，Ｐ２２ 第二配管
Ｐ１３，Ｐ２３ 第三配管
Ｐ１４，Ｐ２４ 第四配管

Claims (4)

1. 輸送機械に設けられた冷凍室を冷却するための輸送用冷凍機械であって、
   前記冷凍室内の空気と第一冷媒とを熱交換させる室内熱交換器と、
   前記室内熱交換器に前記第一冷媒を圧縮して供給する第一圧縮機と、
   前記第一圧縮機を駆動する第一インバータと、
   外気と第二冷媒とを熱交換させる室外熱交換器と、
   前記室外熱交換器に前記第二冷媒を圧縮して供給する第二圧縮機と、
   前記第二圧縮機を駆動する第二インバータと、
   前記前記第一圧縮機から流通する前記第一冷媒と前記室外熱交換器から流通する前記第二冷媒とを熱交換させる中間熱交換器と、
   前記冷凍室内と外気との温度差に基づいて、前記第一インバータ、及び前記第二インバータに駆動信号を送出する制御部と、
   を備える輸送用冷凍機械。
2. 前記制御部は、前記冷凍室と外気との温度差に基づいて、前記第一圧縮機と前記第二圧縮機の回転数の比の最適範囲を定めるとともに、前記回転数の比が前記最適範囲内にあるように前記第一インバータ、及び前記第二インバータに駆動信号を送出する請求項１に記載の輸送用冷凍機械。
3. 前記制御部は、前記冷凍室と外気との温度差に基づいて、前記第一圧縮機と前記第二圧縮機の回転数の最適比を定めるとともに、前記回転数が前記最適比となるように前記第一インバータ、及び前記第二インバータに駆動信号を送出する請求項１に記載の輸送用冷凍機械。
4. 前記制御部は、前記第一圧縮機と前記第二圧縮機とが、予め与えられている互いの共振回転数とならないように前記第一インバータ、及び前記第二インバータに駆動信号を送出する請求項１から３のいずれか一項に記載の輸送用冷凍機械。

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