JP3437437B2 - 圧縮機冷媒補給式冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、蒸発器の下流側に
蒸発状態調整弁及び開閉弁を並設し、開閉弁の開閉によ
り蒸発圧力又はこれに対応した蒸発温度を切り換えて無
着霜運転できる冷凍装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】環境試験器等の広範囲に温湿度を制御す
る装置には、低温や低湿条件のための冷凍回路に蒸発圧
力調整弁と電磁弁とを並設したものがある。この装置で
は、蒸発器の蒸発圧力調整弁を０℃以上の蒸発温度にな
るように設定し、０℃以上の蒸発温度でも制御できる温
度や温湿度領域では、電磁弁を閉じて蒸発圧力調整弁側
で冷媒を流し、蒸発器の温度を上げてその霜付きを防止
しつつ温湿度を制御するノンフロスト運転を行うことが
できる。 【０００３】このようなノンフロスト運転において、蒸
発圧力調整弁は、冷媒の入口圧力が低いときには閉じて
いて、入口圧力従って蒸発器の蒸発圧力が上昇するに伴
って次第に開き、最終的には設定圧力の下に必要な量の
冷媒を流す。そのため、低温運転からノンフロスト運転
に切り換えられると、蒸発器の圧力が上がるまで蒸発圧
力調整弁が閉じた状態になり、冷媒が下流側へ流れなく
なって圧縮機の吸入圧力が低下する。この状態は通常数
秒から数十秒で終わり、圧縮機の運転の安全性が失われ
ることはない。しかし、蒸発器に多量の霜が付いていた
り、蒸発器内に冷媒が滞留している場合には、蒸発器内
の圧力上昇が緩慢になり、蒸発圧力調整弁の閉状態が数
分から十数分の間継続し、その間では圧縮機が真空運転
され、その摺動部分の焼き付き等の事故を起こす危険性
があった。 【０００４】このような問題を回避するために、ノンフ
ロスト運転時には、これに先立ってデフロストを行うよ
うに制御する方法が提案されている（特開平８−２７８
０７１号公報参照）。この方法によれば、圧縮機の長時
間の真空運転を確実に防止できるが、不必要なデフロス
トによって運転制御の連続性が損なわれるという問題が
ある。なお、蒸発器が着霜しているかどうかを判断し、
着霜しているときだけデフロストを行うようにすること
も考えられるが、霜付き判断を精度良く行うことは難し
いので、圧縮機の安全性を重視すれば、上記のようにノ
ンフロスト運転前にデフロストすることになる。 【０００５】又、同公報では、蒸発圧力調整弁と電磁弁
との並列ラインに更にキャピラリーチューブを並設し、
ノンフロスト運転時に電磁弁が閉鎖し蒸発圧力調整弁も
開かない場合には、キャピラリーチューブを介して蒸発
器内の冷媒を圧縮機に流し、その真空運転を回避する方
法も提案されている。このキャピラリーチューブによれ
ば、その抵抗が大きいため、電磁弁の開いている低温運
転時及び電磁弁が閉じて蒸発器の圧力が上昇して蒸発圧
力調整弁が制御状態になっている正常なノンフロスト運
転時には殆ど冷媒が流れないので、正常時の運転には殆
ど影響を与えない。しかし、ノンフロスト切換時に低圧
になっている蒸発器内の冷媒を流すと、蒸発器内の温度
及び圧力の上昇が更に遅くなり、正常なノンフロスト運
転への移行時期が遅れるという問題がある。 【０００６】なお、ノンフロスト運転時に電磁弁が閉に
なっても、電子膨張弁の開度制御を通常状態にしておく
と、蒸発器への冷媒流量が少なくその圧力上昇が遅いた
めに、ノンフロスト運転時には一定期間電子膨張弁を全
開にする方法も提案されている（特開平８−２１９６０
４号公報参照）。しかしながら、この方法でも、蒸発器
の霜付きによる圧縮機への供給冷媒の不足という問題は
解決されない。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】本発明は従来技術に於
ける上記問題を解決し、運転制御の連続性を確保しつつ
早く且つ安全に無着霜運転へ移行できる冷凍装置を提供
することを課題とする。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、請求項１の発明は、冷媒の流れ方向の順に
圧縮機と凝縮器と蒸発器と開閉弁及び該開閉弁に並設さ
れ前記蒸発器内の冷媒の蒸発状態を調整する蒸発状態調
整弁とを有し前記開閉弁を閉じることによって無着霜運
転の可能な冷凍装置において、前記凝縮器で凝縮された
前記冷媒を補給用開閉弁及び前記凝縮された前記冷媒を
早く減圧低温化させるように前記凝縮器の近くに配置さ
れていて前記圧縮機の真空運転を防止するための冷媒量
を流す容量を持つ膨張機構を介して前記圧縮機の吸入側
に導く冷媒補給系と、前記開閉弁の開閉を検出する検出
手段と、該検出手段が前記開閉弁の閉鎖を検出すると前
記補給用開閉弁を開くように制御する制御手段と、を有
することを特徴とする。 【０００９】 【発明の実施の形態】図１は本発明を適用した冷凍装置
の構成例を示す。冷凍装置は、通常の構成として、冷媒
の流れ方向に順次、圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３、蒸
発器４、開閉弁としての電磁弁５、及びこれに並設され
た蒸発状態調整弁としての蒸発圧力調整弁６を有すると
共に、制御部７を備えていて、その中の電磁弁制御部分
７１によって電磁弁５を閉じて無着霜運転（ノンフロス
ト運転）を行えるように構成されている。又、圧縮機の
真空運転を防止する構成部分として、冷媒補給系８、検
出手段として兼用される前記電磁弁制御部分７１、制御
手段としての補給用電磁弁制御部分７２、及び本例では
蒸発器４の冷媒出口部分の圧力を検出する圧力検出手段
としての圧力スイッチ９を有する。符号１０は、通常装
備されるデフロスト手段の一例としてホットガス用電磁
弁１０ａを介して蒸発器４にホットガスを供給するデフ
ロスト配管である。符号１１は、完全に蒸発しなかった
冷媒液が圧縮機に吸い込まれないようにこれを一時的に
貯留するためのアキュームレータである。 【００１０】開閉弁としての電磁弁５は、空気作動弁等
の他の駆動形式の弁であってもよい。蒸発状態調整弁と
しては、蒸発器４内の冷媒の蒸発状態である温度や圧力
を調整できる弁であればよく、通常上記のように蒸発圧
力調整弁６が用いられるが、圧力に代えてその飽和温度
を調整する蒸発温度調整弁であってもよい。冷凍装置で
は、電磁弁制御部分７１によって電磁弁５が開閉制御さ
れることにより、蒸発温度が０℃以下で蒸発器に霜が付
くフロスト運転又は０℃以上のノンフロスト運転の何れ
かに運転状態を切り換えることができる。 【００１１】制御部７は、電磁弁５及び補給用電磁弁８
１の開閉を制御すると共に、冷凍負荷を制御するための
電子膨張弁３の開度制御や所定の条件で蒸発器４をデフ
ロストするようにホットガス用電磁弁１０ａを開閉する
制御も行う。なお、例えばデフロスト手段が電熱式であ
る場合には、制御部７はヒータのオン／オフを制御する
ことになる。 【００１２】冷媒補給系８は、凝縮器２で凝縮された冷
媒を補給用開閉弁としての補給用電磁弁８１及びキャピ
ラリーチューブ等から成る膨張機構８２を介して圧縮機
１の吸入側に導入する。この冷媒補給系８は、凝縮した
液冷媒を完全に蒸発させて圧縮機に導入するように構成
されていることが望ましい。即ち、凝縮器２から冷媒補
給系８に流れる冷媒は、例えば５０℃、２０kgf/cm²G程
度の温度の高い高圧飽和液冷媒であり、これが膨張機構
８２を通過すると、外部からの吸熱がないと仮定すれば
例えば−１５℃、３kgf/cm²G、乾き度０．４程度の湿り
冷媒蒸気になるが、適当な諸条件を与えることによって
冷媒補給系８で必要なだけ吸熱させ、圧縮機１の吸入部
に到達するまでに乾き冷媒蒸気にすることが望ましい。 【００１３】このような条件は、一定の配管系ではほ
ぼ一定である吸熱量に対して、冷媒補給系８の冷媒流量
を、主回路を流れる最大流量の５〜１０％程度の少量で
あって、圧縮機１の真空運転による事故を防止できるだ
けの必要十分な量に制限すること、膨張機構８２を凝
縮器２のできるだけ近くに配置し、冷媒液を早く減圧低
温化し、その後の管系で吸熱し易くすること、必要に
応じて冷媒補給系８の長さを長くしたり、これに部分的
にフィンチューブを用いるような方法で外部からの吸熱
量を増やすこと、その他種々の方法を単独又は組み合わ
せて採用することによって実現される。 【００１４】なお、本来的にはこのように冷媒が完全に
蒸発して圧縮機に吸入されることが望ましいが、冷媒補
給系８で蒸発しなかった冷媒液は、メインラインのアキ
ュームレータ１１に貯留され、圧縮機の冷媒液吸入は防
止される。 【００１５】制御部７の電磁弁制御部分７１は、電磁弁
５を開閉制御するために開閉用の信号を発信するが、本
例では、これを電磁弁５の開閉信号として用いている。
但し、電磁弁５の開閉検出手段としては、電磁弁５の実
際の開閉を検出できるように設けられたリミットスイッ
チ等のセンサを用いてもよいことは勿論である。補給用
電磁弁制御部分７２は、電磁弁制御部分７１が電磁弁５
を閉鎖する信号を発信すると、これによって電磁弁５が
閉鎖したものとして補給用電磁弁８１を開くように制御
すると共に、その後に圧力スイッチ９が所定の圧力を検
出すると、補給用電磁弁８１を閉じるように制御する。
所定の圧力は、例えば蒸発圧力調整弁６の設定圧力を５
kgf/cm²Gとすると、これより少し低い圧力として４．５
kgf/cm²G程度に設定される。 【００１６】なお、圧力スイッチ９を用いず、実際の装
置や同形式の装置の試運転時等において、ノンフロスト
運転開始後に蒸発器４内の圧力が４〜５kgf/cm²G程度に
回復するまでの時間を測定し、この時間をタイマ等によ
って設定し、ノンフロスト運転を開始した後の経過時間
によって補給用電磁弁８１を閉じるようにしてもよい。
又、蒸発器４内の圧力が回復して高くなると、キャピラ
リーチューブ等の膨張機構８２の大きな抵抗によってこ
れを通過する冷媒流量が十分少なくなることから、補給
用電磁弁８１を適当な時期に人の操作によって閉じるよ
うにすることも可能である。 【００１７】図２は、このような冷凍装置を装備した機
械装置の一例である環境試験装置の構成を示す。環境試
験装置は、断熱ケーシング５１、試験室５２、空調室５
３、空調室内に設けられ冷凍装置の構成機器でもある前
記蒸発器４、加湿器５４、加熱器５５、送風機５６、温
度センサ５７、湿度センサ５８、冷凍装置の制御部７を
内蔵し環境試験装置を全体的に運転制御する制御装置５
９等を備えている。又、環境試験装置には機械室６０が
一体的に形成されていて、蒸発器４を除いた図１に示す
冷凍装置の主要部分はこの中に収められる。 【００１８】以上のような冷凍装置及びこれを装備した
環境試験装置は次のように運転される。環境試験装置の
制御装置５９で運転すべき温湿度を設定し、冷凍装置と
共に加熱器５５等の諸機器を運転する。冷凍装置の制御
部７では、試験室５２の設定温湿度、測定温湿度、加熱
加湿出力等に基づいて電子膨張弁３が最適開度に制御さ
れると共に、設定温湿度に基づいて電磁弁５の開閉が判
断される。例えば試験室内を−３０℃にする低温運転
や、２０℃、３０％ＲＨにする低露点運転をするときに
は、電磁弁制御部分７１が電磁弁５を開き、蒸発圧力調
整弁６をバイパスさせて冷媒を流すことにより、蒸発器
４内の蒸発圧力従って蒸発温度を０℃以下に下げる。こ
のような低温運転等では、一定時間運転すると蒸発器に
霜が付いて熱交換能力が低下するので、霜付き状態を判
断したり適当な時間間隔でホットガス用電磁弁１０ａを
開いてデフロスト運転を行う。 【００１９】上記のような低温運転等のフロスト運転状
態から、制御装置５９における温湿度の設定値が切り換
えられ、例えば試験室５２内を２０°Ｃ、９０％ＲＨに
維持するために蒸発器４を０℃以上の蒸発温度で運転で
きるノンフロスト運転に切り換えると、電磁弁制御部分
７１の制御信号によって電磁弁５が閉じると共に、この
制御信号が補給用電磁弁制御部分７２にも送られ、補給
用電磁弁８１が開く。 【００２０】上記のように蒸発器が低温で運転されてい
る状態から電磁弁５が閉じてノンフロスト運転に切り換
えられても、蒸発器内の圧力が低くなっているため、ノ
ンフロスト運転用の蒸発圧力調整弁６は閉じた状態を維
持している。そして、蒸発器の圧力が上昇するまで弁６
が開かず、圧縮機には冷媒が流れない。蒸発器が着霜し
ているとこのような期間が長くなる。しかし本発明で
は、ノンフロスト運転に切換時に上記の如く補給用電磁
弁８１を開くので、冷媒補給系８から圧縮機１に冷媒を
供給することができる。 【００２１】補給用電磁弁８１を開くと、凝縮器２で凝
縮された液冷媒の一部分がこれを通過して膨張機構８２
で減圧され、高温から低温になると共にその一部分が蒸
発して例えば乾き度４０％程度の湿り冷媒ガスになる。
一方、膨張機構８２を適当な容量のものし、冷媒補給系
８に主回路の冷媒循環量の５〜１０％を流すことによ
り、圧縮機１に到るまでに周囲から吸熱させて液冷媒を
蒸発させ、圧縮機１には低温でドライな冷媒ガスを吸入
させることができる。その結果、圧縮機の真空・ドライ
運転を防止すると共に、圧縮比の増大とそれに伴う吐出
ガス温度の上昇や圧縮機の過熱を防止することができ
る。そして、蒸発器に霜が付いていて、ノンフロスト運
転への切換時に蒸発器から流れる冷媒が長期間停止して
も、圧縮機の安全性を確保することができる。 【００２２】蒸発器内の圧力が上昇して蒸発圧力調整弁
が開いて通常のノンフロスト運転の制御状態になると、
補給用電磁弁８１を閉鎖する。圧力スイッチ９が設けら
れている場合には、蒸発器内の圧力が例えば4.5 kgf/cm
²Gになると、補給用電磁弁制御部分７２によって補給用
電磁弁８１が自動的に閉鎖される。 【００２３】以上のようなノンフロスト運転方法によれ
ば、蒸発器の着霜状態とは無関係にノンフロスト運転を
実行できるので、運転制御の連続性が得られ、冷凍装置
を装備した環境試験装置等の性能を向上させることがで
きる。即ち、従来の装置には、ノンフロスト運転への切
換時に先行してデフロスト運転を行うことにより、圧縮
機の安全性を確保できるようにした装置があり、この装
置ではデフロスト不要時も含めてデフロストのために常
に制御状態が中断されることになっていたが、このよう
な中断を回避して運転制御の連続性を得ることができ
る。 【００２４】又、従来の装置では電磁弁５と蒸発圧力調
整弁６との並列ラインに更にバイパスラインを設けて圧
縮機への冷媒供給を可能にした装置もあり、この装置で
は霜付き時にも蒸発器内を低温冷媒が通過するためにそ
の圧力上昇が遅くなっていたが、本発明では、このよう
なバイパスに代えて、蒸発器ラインとは異なった冷媒補
給系８から圧縮機に冷媒を供給しているので、蒸発器内
の圧力上昇を促進し、正常なノンフロスト運転への到達
を早めることができる。 【００２５】更に、ノンフロスト運転切換時に蒸発器に
着霜している場合でも、圧縮機には別の冷媒補給系８か
ら冷媒を流してその安全性を確保しつつ、蒸発器内の冷
媒を圧力上昇させ、蒸発温度の上昇とノンフロスト運転
時の試験室内の空気温度の上昇とにより、デフロスト運
転をすることなく自然に霜取りを行うことができる。そ
の結果、蒸発器の着霜時にも運転の連続性を確保するこ
とができる。 【００２６】 【発明の効果】以上の如く本発明によれば、請求項１の
発明においては、凝縮器で凝縮された冷媒を補給用開閉
弁及び膨張機構を介して圧縮機の吸入側に導く冷媒補給
系を設け、蒸発器の下流側に蒸発状態調整弁と並列に設
けられた開閉弁の開閉を検出手段で検出し、この検出手
段が開閉弁が閉鎖して無着霜運転に切り換えられたこと
を検出すると、制御手段が補給用開閉弁を開くように制
御するので、凝縮器で凝縮された冷媒を膨張機構で膨張
させて圧縮機に吸入させることができる。 【００２７】その結果、無着霜運転への切換時に蒸発器
が着霜していて蒸発状態開閉弁が開かず、蒸発器の冷媒
が後流側に長時間流れない状態になっていても、冷媒補
給系から圧縮機に冷媒を供給するので、圧縮機の真空運
転を回避し、その安全性を確保し、冷凍装置の信頼性を
向上させることができる。そしてこの場合、無着霜運転
への移行時に蒸発器をデフロストする必要がなくなるの
で、その時にも運転制御の連続性が得られ、冷凍装置を
装備した環境試験装置等の性能を向上させることができ
る。 【００２８】又、蒸発器内の冷媒に代えて冷媒補給系か
ら圧縮機に冷媒を供給するので、蒸発器が着霜している
ときに、圧縮機の安全運転を確保しつつ蒸発器内の圧力
を速く上昇させ、正常なノンフロスト運転への移行時期
を早めることができる。又、このように蒸発器内の圧力
上昇を促進させられるので、蒸発温度の上昇と無着霜運
転時の被冷却区画の温度上昇とにより、デフロスト運転
をすることなく自然に蒸発器の霜取りを行うことができ
る。その結果、蒸発器の着霜時にも運転の連続性を確保
することができる。 【００２９】なお以上において、凝縮器から冷媒補給系
に導入される冷媒は主として温度及び圧力の高い凝縮液
冷媒であるが、圧縮機の真空運転を回避するための冷媒
は少量で足りること、そのため膨張時の蒸発や圧縮機に
到るまでの吸熱によって少なくとも大部分が蒸気になる
こと、多少の冷媒液の吸入に対しては通常圧縮機自体が
耐えられること、無着霜運転移行時の一定期間だけ圧縮
機の前に通常設けられる冷媒液貯留容器で液冷媒を貯留
できること、等によって圧縮機による液圧縮の問題は生
じない。 【００３０】なお、膨張機構を含む冷媒補給系の冷媒流
量を圧縮機の真空運転による事故防止のための必要量に
制限して冷媒補給系からの吸熱を冷媒量に対して相対的
に多くすること、膨張機構の後流側の冷媒補給系を長く
し、冷媒液を早く減圧低温化して吸熱し易くすること、
吸熱面積を多くすること、等の種々の方法を単独又は組
み合わせることにより、凝縮された冷媒を冷媒補給系で
蒸発させるようにして、冷媒液貯留容器に貯留される液
冷媒の量を減らし、圧縮機による冷媒液の吸入をより確
実に防止することが望ましい。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明を適用した冷凍装置の構成例を示す説明
図である。 【図２】上記冷凍装置が装備される環境試験装置の構成
例を示す説明図である。 【符号の説明】 １ 圧縮機 ２ 凝縮器 ４ 蒸発器 ５ 電磁弁（開閉弁） ６ 蒸発圧力調整弁（蒸発状態調整
弁） ８ 冷媒補給系 ７１ 電磁弁制御部分（検出手段） ７２ 補給用電磁弁制御部分（制御手
段） ８１ 補給用電磁弁（補給用開閉弁） ８２ 膨張機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 1/00 304 F25B 1/00 101 F25B 41/04 F25B 41/06

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 冷媒の流れ方向の順に圧縮機と凝縮器と
   蒸発器と開閉弁及び該開閉弁に並設され前記蒸発器内の
   冷媒の蒸発状態を調整する蒸発状態調整弁とを有し前記
   開閉弁を閉じることによって無着霜運転の可能な冷凍装
   置において、 前記凝縮器で凝縮された前記冷媒を補給用開閉弁及び前
   記凝縮された前記冷媒を早く減圧低温化させるように前
   記凝縮器の近くに配置されていて前記圧縮機の真空運転
   を防止するための冷媒量を流す容量を持つ膨張機構を介
   して前記圧縮機の吸入側に導く冷媒補給系と、前記開閉
   弁の開閉を検出する検出手段と、該検出手段が前記開閉
   弁の閉鎖を検出すると前記補給用開閉弁を開くように制
   御する制御手段と、を有することを特徴とする冷凍装
   置。