JP4130636B2

JP4130636B2 - 冷凍機内蔵型ショーケース

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Publication number: JP4130636B2
Application number: JP2004022379A
Authority: JP
Inventors: 多佳志岡崎; 哲二七種; 睦吉本; 茂昭大川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: JP2005214525A

Description

本発明は、冷媒として高圧側で超臨界となる二酸化炭素を用いる蒸発器、放熱器、一体型の内蔵ショーケースに関するものであり、特に放熱器での排熱利用、蒸発器での潜熱回収、熱交換器における冷媒と空気との流れ方向の規定に関するものである。

従来の二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置の熱交換器構成の一例として、高圧側で相変化を伴わない二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置で、放熱器（以下、ガスクーラーという）の熱交換器の伝熱性能を向上することにより、ガスクーラー出口側の冷媒温度を下げて、蒸気圧縮式冷凍装置の性能を向上させるものがある。

この従来のガスクーラーは、複数列から構成される熱交換器で、各列の熱交換器を連通する冷媒パスの数が、ガスクーラーの冷媒の入口側から出口側に向かうほど少なくなるようにし、また熱交換器の冷媒パスの出口側及び入口側の数を変えることにより、冷媒の温度レベルに伴う冷媒密度の増大に応じて、各々の熱交換器内を流動する冷媒を熱交換に適した流速に保つようにして熱交換効率を良好にできるというものであった（例えば、特許文献１参照。）。

また、他の従来の例として、冷凍機の構成要素である圧縮機、凝縮器、凝縮器用ファン等と、ドレンを収集して蒸発させるドレン蒸発装置等とをショーケースの下部架台内部に設置した冷凍機内蔵型ショーケースのドレン蒸発構造において、圧縮機と凝縮器との間の高温高圧冷媒配管をドレン蒸発装置のドレン受皿の裏側に配置するものがある。

この従来の冷凍機内蔵型ショーケースでは、圧縮機から吐出された高温高圧のガス冷媒によってドレンを加熱するので、新たな熱源が不要であり、また、ヒーター方式のような空焚き防止等の制御が不要となる。さらに、凝縮温度を下げる効果があり、省エネルギー、冷凍機の保護、冷凍能力の向上にもつながり、デフロスト復帰後のプルダウンにおける高圧上昇を抑制でき、通常冷却運転での安定状態時の圧力を抑えることができるというものであった（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０００−３０４３８０号公報（第３−４頁、第１−２図）特開２００２−３５００３７号公報（第３−４頁、第３−５図）

従来例は、二酸化炭素を冷媒として用いる放熱器の伝熱性能向上に関するものであり、この熱交換器における冷媒流路パスの数の変更については考慮されているが、伝熱管径の変更や伝熱管内面形状の変更など他の伝熱促進手段については考慮されていなかった。また、二酸化炭素を冷媒として用いる放熱器の構成については考慮されているが、蒸発器の構成については考慮されていなかった。さらに、従来の冷凍機内蔵型ショーケースでは、加熱運転時に凝縮器での放熱を利用する場合、高温空気をショーケースへ吹き出すために冷媒回路における凝縮温度を上昇させる必要があり、運転効率と信頼性の低下を招くことから加熱ヒーターなどの加熱手段を用いるのが一般的であり、放熱器での放熱を利用した加熱運転については考慮されていなかった。加えて、蒸発器で発生するドレン水を利用して単に凝縮器での負荷を減少させる方法は考慮されているが、二酸化炭素等の超臨界流体に適したドレン水の利用方法に関しては考慮されていなかった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、冷媒回路における高圧側で超臨界状態となる流体（例えば、二酸化炭素）を用いる高効率な冷凍機内蔵型ショーケースを提供することを目的とする。

この発明に係る冷凍機内蔵型ショーケースは、少なくとも圧縮機、放熱器、絞り装置および蒸発器を配管で接続して冷媒回路を構成し、室内に設置される一体型の冷凍機内蔵型ショーケースにおいて、冷媒として前記冷媒回路の高圧側で超臨界状態となる流体を用い、前記放熱器を平板状フィンに貫通した伝熱管からなるプレートフィンチューブ型熱交換器とするとともに、前記伝熱管の管外径を冷媒物性に応じた７ｍｍ以下とし、前記放熱器に流れる冷媒の流路における入口側よりも出口側の熱交換器単位体積当りの管外伝熱面積を増加させる伝熱促進手段を備えたものである。

この発明に係る冷凍機内蔵型ショーケースは、少なくとも圧縮機、放熱器、絞り装置および蒸発器を配管で接続して冷媒回路を構成し、室内に設置される一体型の冷凍機内蔵型ショーケースにおいて、冷媒として前記冷媒回路の高圧側で超臨界状態となる流体を用い、前記放熱器を平板状フィンに貫通した伝熱管からなるプレートフィンチューブ型熱交換器とするとともに、前記伝熱管の管外径を冷媒物性に応じた７ｍｍ以下とし、前記放熱器に流れる冷媒の流路における入口側よりも出口側の熱交換器単位体積当りの管外伝熱面積を増加させる伝熱促進手段を備えたので、放熱器の伝熱性能を向上させ、熱交換効率を高めることができる効果がある。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１による冷凍機内蔵型ショーケースについて、図１から図８を用いて説明する。図１は本発明の実施形態１に係る冷凍機内蔵型ショーケースの冷媒回路構成を示す模式図である。図１に示すように、蒸気圧縮式の圧縮機１、放熱器２、過冷却器５、絞り装置３、蒸発器４およびそれらを順次接続するための配管で環状に構成され、内部には循環する冷媒として、例えば高圧側が臨界圧力（約７３ｋｇ／ｃｍ２）以上の超臨界状態となる二酸化炭素（ＣＯ２）が封入されて、冷媒回路を形成している。このショーケースは、陳列した商品を温度管理するケースと、少なくとも圧縮機１、放熱器２、絞り装置３および蒸発器４からなる冷媒回路とを一つの筐体に収納し、室内に設置される一体型の冷凍機内蔵ショーケースである。

つぎに、放熱器２の構成を図２に基づいて説明する。図２は本発明の冷凍機内蔵型ショーケースに使用される放熱器の構成を示す図であり、図中の放熱器２は、多数の平板状のプレートフィン３３に挿通した伝熱管３４で構成され、被熱伝達媒体として空気を用いるプレートフィンチューブ型の空気熱交換器であり、超臨界状態の冷媒が流通する伝熱管の管外径（直径）は７ｍｍ以下（例えば、６．３５ｍｍ）が用いられる。また、放熱器２内を冷媒は空気の流れ方向（白抜き矢印で示すように図の左側から右側へ向かう方向）に対向した流れとなるように通風下流側に設けた入口管３１から通風上流側に設けた出口管３２へと１パスの冷媒流路で流れ、放熱器２の空気の流れ方向の列数は５列以上（例えば、６列）、空気の流れ方向に直角方向の段数はこの列数よりも多い６段以上（例えば、８段）で構成されている。

また、蒸発器３の構成を図３に基づいて説明する。図３の本発明の冷凍機内蔵型ショーケースに使用される蒸発器の構成を示す図において、蒸発器３も上記放熱器２と同様に、プレートフィン３７と伝熱管３８で構成され、被熱伝達媒体として空気を用いるプレートフィンチューブ型の空気熱交換器であり、伝熱管の管外径（直径）は７ｍｍ以下（例えば、６．３５ｍｍ）が用いられる。また、冷媒は蒸発器３内を空気の流れ方向（白抜き矢印）に対向した流れとなるように通風下流側に設けた入口管３５から通風上流側に設けた出口管３６へと１パスの冷媒流路で流れ、蒸発器４の空気の流れ方向の列数は１０列以上（例えば、１６列）、また空気の流れ方向と垂直方向の段数はこの列数より少ない９列以下（例えば、４段）である。冷媒回路の放熱器２と絞り装置３の間に過冷却器５が配管接続され、この過冷却器５の下方にはドレン受皿１１を備えた蒸発エレメント１０が設置されている。また、放熱器用送風機２１により送風され放熱器２を通過した空気がその下流側で蒸発エレメント１０を通過するように同じ風路内に配設されている。

また、放熱器２へ空気を送風する放熱器用送風機２１が放熱器の近傍に、そして蒸発器４へ空気を送風する蒸発器用送風機２２が蒸発器の近傍に、それぞれ設けられている。加えて、蒸発器４の表面で通過する空気から凝縮して生成されるドレン水は過冷却器５に直接散水される。散水されたドレン水は過冷却器５の管外表面を流下し、ドレン水の一部は管外表面で蒸発し、残りの未蒸発のまま管外表面を流下したドレン水は蒸発エンレメント１０で吸収される。蒸発エレメント１０に吸収されたドレン水は、放熱器用送風機２１により送風される放熱器を通過した高温空気で蒸発して再び室内に吹き出されるが、ドレン水が多い場合は未蒸発のまま蒸発エレメント１０の表面を流下し、最終的にドレン受皿１１で受け取られる構成である。

上記のように構成された冷凍機内蔵型ショーケースについて、つぎに運転動作を説明する。この冷凍機内蔵型ショーケースは、例えば室内に設置され、圧縮機１から吐出された冷媒は、放熱器２で送風機２１で送風された室内空気へ放熱し冷やされ、過冷却器５で蒸発器４の表面で凝縮する低温のドレン水により熱を奪われ、更に冷却される。過冷却器５でドレン水により冷却された冷媒は絞り装置３で減圧され、蒸発器４で蒸発して再び圧縮機１に戻ることでショーケースの冷凍サイクルが形成される。

このとき、蒸発器４の表面で凝縮したドレン水は過冷却器５の冷却源として利用され、すなわち、図４の過冷却器の構成図に示すように、蒸発器４の表面で凝縮したドレン水が過冷却器５の伝熱管４１の外表面に水膜４０として流下し、一部は蒸発して冷媒の冷却に利用される。残りの水膜は未蒸発のまま蒸発エレメント１０へと流下する。この場合、水膜４０と伝熱管４１の外表面との接触面積を増加させることが冷却性能の向上に繋がり、例えば伝熱管４１の外表面には外面溝付加工や親水性処理などの濡れ面積の拡大処理が行われる。

放熱器２や蒸発器４では、管外径が６．３５ｍｍの細管の伝熱管が使用され、冷媒は空気の流れ（白抜き矢印）に対向して１パスの冷媒流路で流れるため、放熱器２や蒸発器４で冷媒の質量速度を大きくでき、熱伝達率が向上する。このとき、従来のＨＦＣ系冷媒では、特に蒸発器４において圧力損失が冷凍サイクルの性能を低下させるという問題が発生するが、二酸化炭素では圧力損失が小さく、かつ飽和圧力の変化に伴う飽和温度の変化が小さいため、ＨＦＣ系冷媒に比べて圧力損失が冷凍サイクルへ及ぼす影響が小さくなる。この理由を図５に基づいて説明する。

図５は熱交換器の冷媒質量速度に対する熱伝達率と圧力損失の関係を示す図であり、質量速度Ｇに対する熱伝達率と圧力損失をＨＦＣ系冷媒であるＲ４０４Ａと自然冷媒であるＣＯ２で比較したものである。図５において、横軸に質量速度Ｇを、そして縦軸に上段は質量速度Ｇに対する熱伝達率ｈ、下段は質量速度Ｇに対する圧力損失ΔＰを示している。同一質量速度（例えば、G１値）で比較すると、Ｒ４０４ＡはＣＯ２に比べて熱伝達率ｈ（上段に示す）が大きな値を示すが、同時に圧力損失ΔＰも大きな値を示す。また、熱交換器の圧力損失が冷凍サイクルへの性能低下をもたらす圧力損失の許容限界値はＣＯ２に比べてＲ４０４Ａの方が小さくなる。これは、例えば同一蒸発温度（例えば、５℃）で比較した場合、飽和圧力１ｋｇ／ｃｍ２の変化に対し、Ｒ４０４Ａは５ｄｅｇ程度の温度変化が生じるが、ＣＯ２は１ｄｅｇ程度の温度変化に留まるためである。したがって、圧力損失の許容限界値同志で比較すると、ＣＯ２の質量速度はＲ４０４Ａに比べて十分に大きくなる（Ｒ４０４ＡではＧ１、ＣＯ２ではＧ２）。この質量速度Ｇ２を基準として比較した場合、ＣＯ２の熱伝達率ｈはＲ４０４Ａに比べて大きくなる。このことから、具体的な熱交換器の構成としては、伝熱管の管外径を小さく（例えば、Ｒ４０４Ａで使用されていた外径φ９．５２の伝熱管をＣＯ２では外径φ６．３５とする）、冷媒流路のパス数を小さく（例えば、Ｒ４０４Ａで使用されていた２パスに対してＣＯ２では１パスとする）、更に空気の流れ方向の列数を増加させて（例えば、Ｒ４０４Ａの４列に対してＣＯ２では６列とする）、また冷媒の空気との流れ方向を対向流にするなどの手段が挙げられ、前記１つの手段または複数の手段を合わせて、これらがＣＯ２の冷媒物性に基づいて伝熱性能の高効率に対応した熱交換器の設計指針となる。なお、冷媒と空気との流れ方向を対向流とする設計は、冷媒温度の変化が大きい放熱器の場合だけでなく、出口過熱度が大きい蒸発器の場合にも熱交換効率を高める手段として有効となる。

上述のように、冷媒物性の違いに基づいて設計変更を図った熱交換器による実験結果を図６に示す。図６は放熱器内の冷媒流れ方向の温度分布を示す図であり、縦軸に温度［℃］、横軸に放熱器入口からの無次元距離をとり、放熱能力（加熱能力）が同一の条件下で、放熱器２の冷媒側入口からの無次元距離に対する放熱器２内の冷媒温度をＲ４０４Ａ（白ヌキ丸）とＣＯ２（黒丸）で比較した実験結果である。図６に示すように、冷凍サイクルの高圧側の圧力が臨界圧力以上の圧力（超臨界圧力）となるＣＯ２冷媒に適するように前述のような設計変更を図った放熱器２内のＣＯ２冷媒の入口から出口までの平均温度が、Ｒ４０４Ａ対応の放熱器における凝縮温度（約４２℃）に比べて低下しており、冷媒物性に基づいた設計変更の有効性が確認される。しかし、放熱器入口からの無次元距離が０．８〜１．０の冷媒出口側の領域では、ＣＯ２の比熱が大きいために冷媒温度が約２℃程度しか低下しておらず、この領域での伝熱促進が重要であることがわかる。また、従来例で示されたように、この領域では冷媒密度が大きく質量速度が低下するため、質量速度を増加させる、あるいは乱流促進を図る方向での冷媒側の伝熱促進が重要となる。具体的には、放熱器出口側の伝熱管の内径を入口側の伝熱管の内径よりも細くして質量速度を増加させて熱伝達率を向上させる、放熱器出口側の伝熱管に入口側よりも流路断面積の小さい（例えば、フィン高さが高い）内面溝付管を用いる、あるいは管外側では出口側のフィンピッチ、段ピッチ、列ピッチのうち少なくとも１つを入口側よりも小さくして空気側の伝熱促進を図るなどの伝熱促進手段が有効となる。

図７は本発明の冷凍機内蔵型ショーケースに使用される他の放熱器の構成図であり、上記伝熱促進手段から具体的にその一例を示したものであり、冷媒入口側プレートフィン３３ａにはφ６．３５の平滑管３４ａが、冷媒出口側プレートフィン３３ｂにはφ４の内面溝付管３４ｂが用いられている。図２に示す放熱器の構成図と比較すると、冷媒出口側３３ｂの内面溝付管３４ｂの内径は冷媒入口側３３ａの平滑管３４ａの内径よりも細く、冷媒出口側の千鳥状に配列された伝熱管の段ピッチと列ピッチが冷媒入口側のそれらよりも小さく設定されている。このような熱交換器の構成にすることにより、冷媒の質量速度を増加させるとともに、乱流を促進し、かつ空気側の伝熱促進をも図ることで、冷凍サイクルの高圧側が超臨界圧力となり熱交換器内で相変化を伴わずに放熱して温度低下するＣＯ２冷媒に適した放熱器を構成することができる。

また、上記の構成以外に、放熱器２の出口部を冷却する手段としては、内部熱交換器、すなわち放熱器２の出口部と蒸発器４の出口部を熱交換させる手段を用いても良い。図８は内部熱交換器６を用いる冷凍機内蔵型ショーケースの他の冷媒回路の構成を示している。図８において、図１と比較して異なる点は、放熱器２の出口部と蒸発器４の出口部を熱交換させる内部熱交換器６を用いている点と、蒸発器４から発生するドレン水（結露水）１２をドレンタンク１４で受け、ドレンタンク１４内に蓄積されたドレン水をドレンポンプ１３によって放熱器２出口部に設けられた過冷却器５（例えば、プレート熱交換器や二重管熱交換器）に供給している点である。このとき、過冷却器５では放熱器２を流出した冷媒がドレン水と間接的に熱交換し、それ自身は冷却される。これら２つの手段により、放熱器２の出口部を冷却することで蒸発器４内のエンタルピー差を大きくすることができ、結果として冷凍サイクルの冷却性能が向上する。図中の黒色矢印は冷媒の流れを示し、圧縮機１、放熱器２、内部熱交換器６、過冷却器５、絞り装置３、蒸発器４、内部熱交換器６を順に通過して冷凍サイクルを構成する。また白色矢印は被熱伝達媒体である空気の流れを示し、室内の空気が放熱器用送風機２２により放熱器４を通過して加熱され、その後ドレンタンク１４の下方に設けられたドレン受皿１１を備えた蒸発エレメント１０に流入通過する構成となっている。また図中の斜線入り矢印はドレン水の流れを示し、ドレンタンク１４内のドレン水がドレンポンプ１３により過冷却器４に流入して放熱器２からの冷媒と熱交換して冷媒を冷却した後、再びドレンタンク１４へ戻る構成（点線で示す循環回路）である。

以上のように、本実施の形態では、蒸発器４の外表面で凝縮して生成したドレン水を冷却源とし、過冷却器５で放熱器２出口部の冷媒を冷却させるため、蒸発器４内のエンタルピー差を大きくすることができ、冷却性能が向上する。

また、本実施の形態では、高圧側で超臨界状態となる冷媒を用いる冷凍機内蔵ショーケースにおいて、冷媒物性の違いに基づいて伝熱管の管外径を７ｍｍ以下にするとともに、空気の流れ方向に対向した冷媒流路を１パスとし、かつ放熱器における空気の流れ方向の列数を５列以上、蒸発器における空気の流れ方向の列数を１０列以上としたため、冷媒の質量速度を大きくして伝熱性能の向上を図るとともに、完全対向流に近い状態を実現して熱交換効率を高めることができ、超臨界流体に適した熱交換器を構成することができる。

加えて、放熱器２の冷媒出口側の伝熱管内径を冷媒入口側のそれよりも細くするとともに、冷媒出口側の伝熱管に入口側のそれよりも流路断面積が小さい内面溝付管を用い、更に冷媒出口側の段ピッチ，列ピッチを入口側よりも小さくして伝熱管外の空気側の伝熱促進も図るようにしたため、超臨界状態となる冷媒に適した熱交換器を構成し、高い冷却性能を有する冷凍機内蔵型ショーケースを提供することができる。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２による冷凍機内蔵型ショーケースについて説明する。図９は本発明の実施の形態２に係る冷凍機内蔵型ショーケースの構成を示す側断面の模式図である。図９に示すように、ショーケース５０は、２つの棚からなる上段棚部５７ａ、下段棚部５７ｂ、機械室５８、背面上段空間５９ａ、背面下段空間５９ｂの各空間から構成されている。上段棚部５７ａと下段棚部５７ｂは仕切り板５２ａによって仕切られ、下段棚部５７ｂの空間と機械室５８の上方で下段棚部５７ｂの後方背面に設けられた蒸発器４への吸い込み側空間は仕切り板５２ｂによって仕切られている。また、放熱器２を配設して加熱空気を生成する空間の背面上段空間５９ａと蒸発器４を配設して冷却空気を生成する空間の背面下段空間５９ｂは仕切り板５３とダンパー６２，６３によって仕切られ、これらダンパー６２，６３の開閉によって背面上段空間５９ａと背面下段空間５９ｂが連通可能となっている。さらに、前記蒸発器４の上方で上段棚部５７ａの後方背面に設けられた放熱器２の吸込み空間と吹き出し空間は仕切り板５４ａによって、蒸発器４の吸込み空間と吹き出し空間は仕切り板５４ｂによって仕切られている。

つぎに、冷媒回路は、圧縮機１，放熱器２，絞り装置３，蒸発器４およびそれらを順次接続するための配管で構成され、内部には冷媒として、例えば高圧側が臨界圧力（約７３ｋｇ／ｃｍ２）以上の超臨界状態となる二酸化炭素が封入されている。図中の黒色矢印によりこの冷媒回路における冷媒の流れを示している。また、圧縮機１はショーケース５０内の最下端部に位置する機械室５８内に収納され、放熱器２と放熱器用送風機２１が背面上段空間５９ａ内に、絞り装置３と蒸発器４が背面下段空間５９ｂ内に、上段棚部５７ａおよび下段棚部５７ｂ空間からの冷却用空気が蒸発器に流入するように蒸発器用送風機２２が蒸発器４の空気吸い込み部（下段棚部５７ｂと機械室５８の間に位置する）にそれぞれ配置されている。また、放熱器２の出口部には、ダンパー６０，６１が、蒸発器４の出口部にはダンパー６４，６５が設けられており、ダンパー６２，６３の開閉と合わせて放熱器２および蒸発器４の吹き出し空気の吐出方向を定めることが可能となっている。図中の白抜き矢印は冷却用の空気の流れを示し、斜線入り矢印が加熱用の空気の流れを示している。ここで、冷却用の空気が通過する蒸発器４は、空気の流れ方向の列数が１０列以上で、さらに冷媒流路が空気の流れと対向した１パスからなる。また、加熱用の空気が通過する放熱器２は空気の流れ方向の列数が５列以上で、さらに冷媒流路が空気の流れと対向した１パスで構成されている。

加えて、上段棚部５７ａの背面には冷却運転時の空気吹き出し口５５ａが、そして底面には加熱運転時の空気吹き出し口５１ａが設けられており、両者とも多穴板で構成されている。また下段棚部５７ｂも同様に、背面には冷却運転時の空気吹き出し口５５ｂが、底面には加熱運転時の空気吹き出し口５１ｂが設けられている。また、上段棚部５７ａの上部には加熱運転時の吸い込み口６６が設けられ、さらに背面下段空間５９ｂの背面底部には外部への排気口６７が設けられている。加熱運転時の吹き出し口５１ａと仕切り板５２ａの間、および吹き出し口５１ｂと仕切り板５２ｂの間の加熱空気が送風される部分には、それぞれ補助加熱運転用の加熱手段であるヒーター７０，７１が設けられている。

つぎに、上記のように構成された冷凍機内蔵型ショーケースにおいて、運転動作を説明する。本実施の形態における冷凍機内蔵型ショーケースは、全加熱運転、全冷却運転、加熱・冷却併用運転の３つの運転モードを有しており、それぞれについて以下に説明する。
初めに、全加熱運転では、上段棚部５７ａ，下段棚部５７ｂとも加熱運転となる。この場合、ダンパー６０は閉（実線）、６１は開（破線）、６２は閉（実線）、６３は開（破線）、６４は開（破線）、６５は閉（実線）となる。このとき、圧縮機１で吐出された冷媒は放熱器２で放熱して自身は温度が低下し、絞り装置３で減圧されて蒸発器４で蒸発し、再び圧縮機１に戻ることで冷凍サイクルが成立する。つぎに、空気の流れを説明する。放熱器用送風機２１で吸い込み口６６から吸い込まれた空気は、放熱器２で冷媒からの放熱を受けて自身は温度が上昇し、ダンパー６１の開口部より吐出される。吐出された温度の高い空気は、空気吹出し口５１ａと仕切り板５２ａの間、および吹き出し口５１ｂと仕切り板５２ｂの間を通り、ヒーター７０および７１によって各棚に並べられた商品温度が所定値（例えば、５０℃）となるように更に補助加熱され、上段棚部５７ａおよび下段棚部５７ｂの底部の吹き出し５１ａ，５１ｂより吹き出される。一方、蒸発器用送風機２２によって吸い込まれた空気は、蒸発器４で冷媒から熱を奪われて自身は温度が低下し、ダンパー６４の開口部より吐出される。この吐出された温度の低い空気は全加熱運転では不要となるため、背面下段空間５９ｂの背面底部の排気口６７より室内へ排出される。

つぎに、加熱・冷却併用運転では、上段棚部５７ａは加熱運転、下段棚５７ｂは冷却運転となる。この場合、ダンパー６０，６１はともに開（破線）、６２，６３はともに閉（実線）、６４，６５はともに開（破線）となる。このとき、冷媒の流れは全加熱運転と同様であるため、空気の流れを説明する。放熱器用送風機２１で吸い込み口６６から吸い込まれた空気は、放熱器２で冷媒からの放熱を受けて自身は温度が上昇し、ダンパー６０および６１の開口部より吐出される。吐出された温度の高い空気は、吹き出し口５１ａと仕切り板５２ａの間を通り、ヒーター７０によって上段棚部５７ａに置かれた商品温度が所定値（例えば、５０℃）となるように更に加熱され、吹き出し口５１ａより吹き出される。一方、蒸発器用送風機２２によって吸い込まれた空気は、蒸発器４で冷媒から熱を奪われて自身は温度が低下し、ダンパー６４および６５の開口部より吐出される。吐出された温度の低い空気は、下段棚５７ｂに並べられた商品温度が所定値（例えば，９℃）となるように吹き出し口５５ｂより下段棚部５７ｂへ吹き出され、下段棚部５７ｂでは冷却運転が行われる。

最後に、全冷却運転では、上段棚部５７ａ，下段棚部５７ｂとも冷却運転となる。この場合、ダンパー６０は開（破線）、６１は閉（実線）、６２は開（破線）、６３は開（破線）、６４は閉（実線）、６５は開（破線）となる。このとき、冷媒の流れは全加熱運転と同様であるため、空気の流れを説明する。放熱器用送風機２１で吸い込み口６６から吸い込まれた空気は、放熱器２で冷媒からの放熱を受けて自身は温度が上昇し、ダンパー６０の開口部より吐出される。吐出された温度の高い空気は全冷却運転では不要となるため、背面下段空間５９ｂの背面底部の排気口６７より室内へ排出される。一方、蒸発器用送風機２２によって吸い込まれた空気は、蒸発器４で冷媒から熱を奪われて自身は温度が低下し、ダンパー６５の開口部より吐出される。吐出された温度の低い空気は、上段棚部５７ａおよび下段棚部５７ｂに並べられた商品温度が所定値（例えば，９℃）となるように吹き出し口５５ａ，５５ｂより吹き出され、冷却運転が行われる。

以上より、本実施の形態では、冷凍機内蔵型ショーケースにおいて、加熱運転時に従来利用されていなかった放熱器からの排熱を利用するようにしたため、加熱運転時の消費電力を低減することができ、高性能な冷凍機内蔵型ショーケースを提供することができる。
また、放熱器の近くに加熱手段であるヒーターを設け、加熱運転時に、放熱器の放熱を利用した加熱運転に加え、ヒーターによる加熱運転を補助的に利用するようにしたため、放熱器のみで加熱能力が不足した場合にも十分な加熱能力を発揮できる冷凍機内蔵型ショーケースを提供することができる。

さらに、本発明の実施の形態２に係る他の冷凍機内蔵型ショーケースについて説明する。図１０は本発明の実施の形態２に係る他の冷凍機内蔵型ショーケースの構成を示す側断面の模式図である。図９と同様に、図１０におけるショーケース５０は、２つの棚である上段棚部５７ａ，下段棚部５７ｂ，機械室５８，背面上段空間５９ａ，背面下段空間５９ｂの各空間から構成される。上段棚部５７ａと下段棚部５７ｂは仕切り板５２ａによって仕切られ、下段棚部５７ｂと機械室５８上部の蒸発器４内設の吸い込み側空間は仕切り板５２ｂによって仕切られている。また、背面上段空間５９ａと背面下段空間５９ｂは仕切り板５３とダンパー６３によって仕切られ、このダンパー６３の開閉によって背面上段空間５９ａと背面下段空間５９ｂが連通可能となっている。さらに、蒸発器４の吸込み空間と吹き出し空間は仕切り板５４ｂによって仕切られている。

上述の図９と異なる点は、放熱器の放熱利用方法として空気を加熱するのではなく、仕切り板５２ａ，５２ｂを直接加熱する点である。仕切り板５２ａには第１の放熱器２ａが内設され、また仕切り板５２ｂには第２の放熱器２ｂが内設されて、それぞれの放熱器における熱が直接仕切り板へ伝えられる。さらに、第３の放熱器として、圧縮機１を収納した機械室５８内に放熱器２ｃを設けている。

つぎに、冷媒回路は、圧縮機１、放熱器２ａ，２ｂ，２ｃ、絞り装置３、蒸発器４およびそれらを接続するための配管で構成され、内部には冷媒として、例えば高圧側が臨界圧力（約７３ｋｇ／ｃｍ２）以上で超臨界状態となる二酸化炭素が封入されている。また、放熱器２ａ，２ｂ，２ｃの各出入口には開閉弁８０，８１，８２，８３，８４，８５が設けられ、それぞれ並列に配管接続された放熱器２ａ，２ｂ，２ｃへの冷媒流通が開閉可能となっている。加えて、圧縮機１と第３の放熱器２ｃはショーケース５０の機械室５８内に、絞り装置３と蒸発器４が背面下段空間５９ｂにそれぞれ収納され、また、第１の放熱器２ａと加熱手段であるヒーター７０が仕切り板５２ａ内に埋め込まれ、第２の放熱器２ｂと加熱手段であるヒーター７１が仕切り板５２ｂ内に埋め込まれ、蒸発器用送風機２２が蒸発器４の空気吸い込み部にそれぞれ配置されている。さらに、上段棚部５７ａおよび下段棚部５７ｂの背面には多穴板からなる冷却運転時の吹き出し口５５ａおよび５５ｂが設けられ、吹き出し口５５ｂはダンパー６８により開閉可能な構成となっている。また、背面下段空間５９ｂの背面底部には排気口６７が設けられている。

つぎに、上記のように構成された図１０に示す冷凍機内蔵型ショーケースにおいて、運転動作を説明する。この冷凍機内蔵型ショーケースは、全加熱運転，全冷却運転，加熱・冷却併用運転の３つの運転モードを有しており、それぞれについて以下に説明する。
初めに、全加熱運転では上段棚部５７ａ、下段棚部５７ｂとも加熱運転となる。この場合、背面空間の上下間を仕切るダンパー６３と下段棚部５７ｂの吹出し口５５ｂに設けたダンパー６８は閉（実線）となり、第１の放熱器２ａの冷媒出入り口に設けられた開閉弁８０，８１は開状態に、また、第２の放熱器２ｂの冷媒出入り口に設けられた開閉弁８２，８３は開状態、第３の放熱器２ｃの冷媒出入り口に設けられた開閉弁８４，８５は閉状態となる。このとき、圧縮機１で吐出された冷媒は、第１の放熱器２ａおよび第２の放熱器２ｂで仕切り板５２ａ，５２ｂにそれぞれ放熱して自身は温度が低下し、絞り装置３の入口部で合流する。その後、絞り装置３で減圧されて蒸発器４で吸熱蒸発し、圧縮機１に戻ることで冷凍サイクルが成立する。このとき、上段棚部５７ａおよび下段棚部５７ｂに並べられた商品温度が所定値（例えば，５０℃）となるようにヒーター７０およびヒーター７１によって更に補助加熱され、加熱運転が行われる。つぎに、空気の流れを説明する。蒸発器用送風機２２によって吸い込まれた空気は、蒸発器４で冷媒から熱を奪われて自身は温度が低下し、背面下段空間５９ｂに吐出される。吐出された温度の低い空気は、全加熱運転では不要となるため、背面下段空間５９ｂの背面底部の排気口６７より室内へ排出される。

つぎに、加熱・冷却併用運転では、上段棚部５７ａは加熱運転、下段棚部５７ｂは冷却運転となる。この場合、ダンパー６３は閉（実線）、ダンパー６８は開（破線）となり、第１の放熱器２ａの冷媒接続配管に設けられた開閉弁８０，８１は開状態、第２の放熱器２ｂの冷媒接続配管に設けられた開閉弁８２，８３、及び第３の放熱器２ｃの冷媒接続配管に設けられた開閉弁８４，８５は閉状態となる。このとき、図中の黒色矢印で示すように、圧縮機１で吐出された冷媒は第１の放熱器２ａに流入し、この放熱器２ａから仕切り板５２ａに放熱して自身は温度が低下し、絞り装置３で減圧されて蒸発器４で吸熱蒸発し、再び圧縮機１に戻ることで冷凍サイクルが成立する。このとき、上段棚部５７ａに並べられた商品温度が所定値となるようにヒーター７０によって更に補助加熱され、加熱運転が行われる。つぎに、空気の流れを説明する。図中の白抜き矢印で示すように、蒸発器用送風機２２によって吸い込まれた空気は、蒸発器４で冷媒から熱を奪われて自身は温度が低下し、背面下段空間５９ｂに吐出される。吐出された温度の低い空気は、下段棚部５７ｂに並べられた商品温度が所定値（例えば、９℃）となるように吹き出し口５５ｂより下段棚部５７ｂの空間へ吹き出され、下段棚部５７ｂでは冷却運転が行われる。

最後に、全冷却運転では、上段棚部５７ａ、下段棚部５７ｂ共に冷却運転となる。この場合、ダンパー６２，６８ともに開（破線）となり、第１の放熱器２ａの開閉弁８０，８１、及び第２の放熱器２ｂの開閉弁８２，８３は閉状態、第３の放熱器２ｃの開閉弁８４，８５は開状態となる。このとき、圧縮機１で吐出された冷媒は、第３の放熱器２ｃで機械室５８内に放熱して自身は温度が低下し、その後絞り装置３で減圧されて蒸発器４で蒸発し、再び圧縮機１に戻ることで冷凍サイクルが成立する。つぎに、空気の流れを説明する。図中の白抜き矢印で示すように、蒸発器用送風機２２によって吸い込まれた空気は、蒸発器４で冷媒から熱を奪われて自身は温度が低下し、背面下段空間５９ｂに吐出される。この吐出された温度の低い空気は、上段棚部５７ａへはダンパー６３の開状態を通過して背面上段空間５９ａにある吹出し口５５ａから、そして下段棚部５７ｂへは背面下段空間５９ｂにある吹出し口５５ｂから、それぞれ上段棚部５７ａおよび下段棚部５７ｂに並べられた商品温度が所定値（例えば、９℃）となるように各空間へ吹き出され、全冷却運転が行われる。

本実施の形態では、第１の放熱器２ａと加熱手段であるヒーター７０が仕切り板５２ａ内に埋め込まれる例を示したが、仕切り板５２ａの底部に密着設置するようにしても同様の効果を発揮する。また、第２の放熱器２ｂと加熱手段であるヒーター７１についても同様である。

以上より、本実施の形態では、冷凍機内蔵型ショーケースにおいて、加熱運転時に従来利用されていなかった放熱器の排熱を利用するようにしたことに加え、排熱利用方法として、空気を加熱することでショーケース内商品の加熱を行う間接利用方式ではなく、仕切り板５２ａ，５２ｂを直接加熱する直接利用方式としたため、加熱運転時の消費電力を低減することができ、高性能な冷凍機内蔵型ショーケースを提供することができる。
また、放熱器の近くに加熱手段であるヒーターを設け、放熱器の放熱を利用した加熱運転に加え、ヒーターによる加熱運転を補助的に利用するようにしたため、放熱器のみで加熱能力が不足した場合にも十分な加熱能力を発揮できる冷凍機内蔵型ショーケースを提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍機内蔵型ショーケースの冷媒回路構成を示す図である。本発明の実施の形態１に係る冷凍機内蔵型ショーケースに使用される放熱器の構成を示す図である。本発明の実施の形態１に係る冷凍機内蔵型ショーケースに使用される蒸発器の構成を示す図である。本発明の実施の形態１に係る冷凍機内蔵型ショーケースに使用される過冷却器の構成を示す図である。本発明の実施の形態１に係わり、熱交換器の冷媒質量速度に対する熱伝達率と圧力損失の関係を示す図である。本発明の実施の形態１に係わり、放熱器内の冷媒流れ方向の温度分布を示す図である。本発明の実施の形態１に係る冷凍機内蔵型ショーケースに使用される他の放熱器の構成を示す図である。本発明の実施の形態１に係る冷凍機内蔵型ショーケースの他の冷媒回路構成を示す図である。本発明の実施の形態２に係る冷凍機内蔵型シューケースの構成を示す図である。本発明の実施の形態２に係る冷凍機内蔵型ショーケースの他の構成を示す図である。

符号の説明

１圧縮機、２放熱器、３絞り装置、４蒸発器、５過冷却器、６内部熱交換器、１０蒸発エレメント、１１ドレン受皿、１２ドレン水、１３ドレンポンプ、１４ドレンタンク、２１放熱器用送風機、２２蒸発器用送風機、３１，３５冷媒入口、３２，３６冷媒出口、３３，３７プレートフィン、３３ａ冷媒入口側、３３ｂ冷媒出口側、３４，３８，４１伝熱管、３４ａ内面溝付管、３４ｂ平滑管、４０水膜、４１過冷却器の伝熱管、５０ショーケース、５１ａ，５１ｂ，５５ａ，５５ｂ空気吹出し口、５２ａ，５２ｂ，５３，５４ａ，５４ｂ仕切り板、５７ａ上段棚部、５７ｂ下段棚部、５８機械室、５９背面空間、６０〜６５ダンパー、６６吸込み口、６７排気口、６８ダンパー、７０，７１ヒーター、８０〜８５開閉弁。

Claims

少なくとも圧縮機、放熱器、絞り装置および蒸発器を配管で接続して冷媒回路を構成し、室内に設置される一体型の冷凍機内蔵型ショーケースにおいて、冷媒として前記冷媒回路の高圧側で超臨界状態となる流体を用い、前記放熱器を平板状フィンに貫通した伝熱管からなるプレートフィンチューブ型熱交換器とするとともに、前記伝熱管の管外径を冷媒物性に応じた７ｍｍ以下とし、前記放熱器に流れる冷媒の流路における入口側よりも出口側の熱交換器単位体積当りの管外伝熱面積を増加させる伝熱促進手段を備えたことを特徴とする冷凍機内蔵型ショーケース。
前記熱交換器単位体積当りの管外伝熱面積を増加させる伝熱促進手段として、前記放熱器の出口側のフィンピッチ、段ピッチまたは列ピッチの少なくとも１つを入口側よりも小さくする手段を用いたことを特徴とする請求項１記載の冷凍機内蔵型ショーケース。
少なくとも圧縮機、放熱器、絞り装置および蒸発器を配管で接続して冷媒回路を構成し、室内に設置される一体型の冷凍機内蔵型ショーケースにおいて、冷媒として前記冷媒回路の高圧側で超臨界状態となる流体を用い、前記放熱器を平板状フィンに貫通した伝熱管からなるプレートフィンチューブ型熱交換器の前記伝熱管の管外径を冷媒物性に応じた７ｍｍ以下とするとともに、前記放熱器の伝熱管の内径を前記冷媒が流れる入口側よりも出口側を小さくして、入口側よりも出口側の熱交換量を多くする手段を備えたことを特徴とする冷凍機内蔵型ショーケース。
少なくとも圧縮機、放熱器、絞り装置および蒸発器を配管で接続して冷媒回路を構成し、室内に設置される一体型の冷凍機内蔵型ショーケースにおいて、冷媒として前記冷媒回路の高圧側で超臨界状態となる流体を用い、前記放熱器を平板状フィンに貫通した伝熱管からなるプレートフィンチューブ型熱交換器の前記伝熱管の管外径を冷媒物性に応じた７ｍｍ以下とするとともに、前記放熱器の前記冷媒の流れに対して出口側の伝熱管を内面溝付管として入口側よりも出口側の熱交換量を多くする手段を備えたことを特徴とする冷凍機内蔵型ショーケース。
前記放熱器における冷媒流路は、被熱伝達媒体の流れ方向に対して１パスの冷媒流路であるとともに、前記冷媒と前記被熱伝達媒体の流れ方向が対向流であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の冷凍機内蔵型ショーケース。
前記放熱器における被熱伝達媒体の流れ方向の列数は５列以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の冷凍機内蔵型ショーケース。
前記蒸発器を平板状フィンに貫通した伝熱管からなるプレートフィンチューブ型熱交換器とし、伝熱管の管外径を７ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の冷凍機内蔵型ショーケース。
前記蒸発器における冷媒流路は、被熱伝達媒体の流れ方向に対して１パスの冷媒流路であるとともに、前記冷媒と前記被熱伝達媒体の流れ方向が対向流であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の冷凍機内蔵型ショーケース。
前記蒸発器は、被熱伝達媒体の流れ方向に並んだ伝熱管の列数よりも、被熱伝達媒体の流れに直交する方向に並んだ伝熱管の段数を少なくしたことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の冷凍機内蔵型ショーケース。