JP4444220B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

この発明は、冷凍装置や空調装置などの冷凍サイクル装置に関する。

従来の冷凍サイクルを利用した装置において、その冷却能力を増大するための手段として、主冷媒回路に対して補助冷媒回路を設け、主冷媒回路の液管に過冷却を付加する手法が知られている（例えば、特許文献1参照）。

特許３３７６８４４号公報（図１など）

上記のように、主冷媒回路の液管に過冷却を付加する場合、過冷却の付加量を多くすることによって冷却または冷凍能力は増大するが、液管の温度が周囲の温度より低下してその表面に結露が発生しやすくなる。結露すると天井裏にカビ等が繁殖したり、場合によっては天井からの水漏れが発生するため、液管に断熱処理等を施す必要がある。しかしながら、冷凍サイクル装置が多く利用されているコンビニエンスストアやスーパーマーケットでは、冷凍サイクル装置の冷媒回路液管は、天井裏などに配置される場合が多く、また、その長さは店舗より１００ｍ程度もある場合があり、従ってその断熱処理は簡単ではなく工事費増大等の問題がある。また、既に工事が完了した店舗において、天井裏などの配管に断熱処理を追加するのは、施工性が悪く、工事に多くの時間やコストを費やしてしまう等の問題もある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、冷凍サイクル装置の冷媒回路を構成する液管に冷却能力を増大させる過冷却を付加した場合において、該液管に断熱処理を施すなどの大がかりな工事を施すことなく、より簡単に該液管の結露を防止することができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

この発明の冷凍サイクル装置は、第１圧縮機、第１凝縮器、第１減圧装置、及び第１蒸発器が順に接続された第１冷媒循環回路を備えた冷凍サイクル装置であって、前記第１凝縮器から前記第１減圧装置へ流れる液冷媒を冷却する冷却装置と、前記冷却装置で冷却された冷媒を前記第１減圧装置へ送る、前記冷却装置と前記第１減圧装置との間の冷媒配管の温度を第１の検出値として検出する配管温度検出手段と、前記冷媒配管の周囲温度を第２の検出値として検出する周囲温度検出手段と、前記第１及び第２の検出値に基づいて、前記第１の検出値が前記第２の検出値より低くならないように、前記冷却装置の冷却量を制御する制御器と、を備えたものである。
また、前記冷媒配管の周囲湿度を第３の検出値として検出する周囲湿度検出手段をさらに備え、前記制御器は、前記第１、第２及び第３の検出値に基づいて、前記冷却装置の冷却量を制御するものである。

この発明の冷凍サイクル装置によれば、配管温度検出手段の検出値が周囲温度検出手段の検出値より最低限低くならないように、制御器により冷却装置の冷却動作を制御することで、第１冷媒循環回路を構成する液管での結露発生を防止しながら、冷却能力の増強を図ることができる。
また、周囲温度検出手段と周囲湿度検出手段の検出値から露点温度を求め、配管温度検出手段の検出値がその露点温度より最低限低くならないように、制御器により冷却装置の冷却動作を制御することで、第１冷媒循環回路を構成する液管での結露発生を防止しながら、冷却能力の増強を図ることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の冷媒回路の概略構成を示す図である。この冷凍サイクル装置は、主冷媒回路として、第１圧縮機１、第１凝縮器２、減圧装置としての第１膨張弁３、及び第１蒸発器４が配管で順に接続された第１冷媒循環回路（主冷媒回路）を備えている。

また、第１凝縮器２と第１膨張弁３との間には、その間を流れる冷媒を冷却する冷却装置５が配置されている。なお、第１冷媒循環回路の第１凝縮器２と第１膨張弁３との間は、第１圧縮機１で圧縮され第１凝縮器２で液化された高圧の液冷媒が通るので、この明細書では、第１凝縮器２と第１膨張弁３との間の配管を液管１５とも呼ぶ。

また、冷却装置５と第１膨張弁３との間には、その部分の配管温度（液管１５の温度）を検出する配管温度検出手段としての液管温度センサ６、その部分の周囲温度を検出する周囲温度検出手段としての周囲温度センサ７、及びその部分の周囲湿度を検出する周囲湿度検出手段としての周囲湿度センサ９が備えられている。なお、周囲湿度センサ９は、後述する実施の形態２で使用されるものであり、実施の形態１においてはなくてもよい。
さらに、液管温度センサ６、周囲温度センサ７、及び周囲湿度センサ９の検出値を取り込み、それらの値に基づいて、冷却装置５の冷却量を制御する制御器８が備えられている。なお、ここでは、液管温度センサ６、周囲温度センサ７、及び周囲湿度センサ９をそれぞれ１個使用した例を示しているが、それらを複数個利用する構成としてもよい。

次に図１の冷凍サイクル装置の動作を説明する。第１冷媒循環回路内の冷媒は第１圧縮機１にて高温高圧の過熱ガスに圧縮された後、第１凝縮器２にて空気や水などの媒体と熱交換を行うことで、高温高圧の液冷媒に凝縮される。第１凝縮器２を出た液冷媒は、冷却装置５により、高圧で過冷却が付加された液冷媒とされる。そして、その冷媒は第１膨張弁３に通されて低温低圧の気液２相冷媒となり、その冷媒は第１蒸発器４内で周囲の空気や水と熱交換されて低温低圧の過熱ガスの状態となり、再度第１圧縮機１に吸入される。

このように、上記冷凍サイクル装置では、液管１５を流れる冷媒に対して、冷却装置５により過冷却を付加することで、冷凍サイクル装置の能力を増大させることが可能となっている。ただし、液管１５の過冷却によって、その液管温度が周囲の露点温度を下回ると、液管１５の表面から結露が発生し、液管１５が配置されている天井裏などに結露水が垂れることになる。これを回避するために、実施の形態１の冷凍サイクル装置には、以下のような手段が採用されている。

図２は実施の形態１における制御器８の作用の一例を示すフローチャートである。これによれば、制御器８は、冷凍サイクル装置が起動すると（Ｓ１）、その動作中、液管温度センサ６及び周囲温度センサ７の各検出値を取り込んで（Ｓ２）、それらの値を比較する（Ｓ３）。そして、液管１５の温度がその周囲の温度と等しい場合には、冷却装置５に対して特別な制御を行わず、現状のまま運転を継続する（Ｓ４−１）。これに対して、液管１５の温度がその周囲の温度より低い場合には、冷却装置５の運転の停止または減速を行うように制御する（Ｓ４−２）。一方、液管１５の温度がその周囲の温度より高い場合には、冷却装置５の運転の開始または増速を行うように制御する（Ｓ４−３）。
なお、図２では、冷却装置５の冷却量制御の判断を３つの場合に分けて行ったが、液管温度≦周囲温度の場合には、冷却装置５の運転の停止または減速を行い、液管温度＞周囲温度の場合には、冷却装置５の運転の開始または増速を行うように制御してもよい。
また、冷却装置５のハンチングを避けるため、現状維持の条件として、
周囲温度＜液管温度＜周囲温度＋α、と裕度を持たせるようにしてもよい（αは予め定めた温度）。

以上の様に制御される実施の形態１の冷凍サイクル装置によれば、液管１５に結露を発生させずに、過冷却を確保することができる。このため、天井裏にカビ等が繁殖することや、天井からの水漏れが発生することを防止できる。また、液管１５に結露が発生しない範囲内で過冷却を取ることができるので、天井裏などに配置された液管に断熱処理を施すなどの大がかりな工事も不要となり、装置の設置工事費を安価にすることが可能となる。さらに、既に配管が施工された既存店舗の冷凍サイクル装置に対しても、過冷却用の冷却装置５の適用が容易に可能となる。

実施の形態２．
実施の形態２は、液管１５周囲の温度と湿度から露点温度を決定または算出し、その露点温度と液管温度との比較を行って、その結果に基づいて冷却装置５を制御するようにしたものである。
図３は実施の形態２における制御器８の作用の一例を示すフローチャートである。これによれば、制御器８は、冷凍サイクル装置が起動すると（Ｓ１１）、その動作中、液管温度センサ６、周囲温度センサ７及び周囲湿度センサ９の各検出値を取り込む（Ｓ１２）。そして、周囲温度センサ７と周囲湿度センサ９の各検出値から露点温度を決定または算出する。なお、露点温度は気温と相対湿度から水蒸気圧を求め、その水蒸気圧を飽和水蒸気圧とする温度を求めることにより得ることができる。従って、その算出式を予め用意しておき、周囲温度センサ７と周囲湿度センサ９の各検出値をその算出式に代入することで、露点温度を求めることができる。

続いて、Ｓ１３で算出した露点温度と液管温度センサ６で検出した液管温度とを比較する（Ｓ１４）。ここで、液管１５の温度が露点温度と等しい場合には、冷却装置５に対して特別な制御を行わず、現状のまま運転を継続する（Ｓ１５−１）。これに対して、液管１５の温度がその露点温度より低い場合には、冷却装置５の運転の停止または減速を行うように制御する（Ｓ１５−２）。一方、液管１５の温度が露点温度より高い場合には、冷却装置５の運転の開始または増速を行うように制御する（Ｓ１５−３）。
なお、図３では、冷却装置５の冷却量制御の判断を３つの場合に分けて行ったが、液管温度≦露点温度の場合には、冷却装置５の運転の停止または減速を行い、液管温度＞露点温度の場合には、冷却装置５の運転の開始または増速を行うように制御してもよい。
また、冷却装置５のハンチングを避けるため、現状維持の条件として、
露点温度＜液管温度＜露点温度＋α、と裕度を持たせるようにしてもよい（αは予め定めた温度）。

実施の形態２の場合にも、実施の形態１と同様の効果を上げることができる。なお、液管１５周囲の露点温度は周囲の外気温度に比べると必ず低いため、実施の形態２による冷却装置の制御の方が、実施の形態１の制御よりも液管１５の過冷却を多くとることができ、過冷却による能力増強をより発揮させることができる。

実施の形態３．
ここでは、液管１５を冷却する冷却装置５の具体例を説明する。なお、冷却装置５は以下に説明するものに限られるものではなく、液管１５の内部を流れる液冷媒を冷却できる他の装置（例えば、氷や水を利用した冷却装置など）を適宜利用してよい。

図４はこの発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。図４において、第１冷媒循環回路の構成は実施の形態１、２と同じである。これに対して、実施の形態１、２で冷却装置５としていたものを、ここでは、第２圧縮機１０、第２凝縮器１１、第２減圧装置としての第２膨張弁１２、及び冷媒と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器１３が順に接続された第２冷媒循環回路を有した冷凍サイクルから構成したものである。熱交換器１３は、第１冷媒循環回路の第１凝縮器２と第１膨張弁３との間を流れる冷媒と、第２冷媒循環回路の第２膨張弁１２と第２圧縮機１０との間を流れる冷媒との間で、熱交換を行うように配置されている。

次に、図４の冷凍サイクル装置の第２冷媒循環回路を利用した過冷却動作について説明する。第２冷媒循環回路において、冷媒は第２圧縮機１０にて高温高圧の過熱ガスに圧縮された後、第２凝縮器１１にて空気や水などの媒体と熱交換を行うことで、高温高圧の液冷媒に凝縮される。そして、その液冷媒を第２膨張弁１２に通すことで低温低圧の気液２相冷媒の状態となり、熱交換器１３の低圧側流路に入る。低温低圧の気液２相冷媒は、そこで熱交換器１３の高圧側流路を流れる第１冷媒循環回路の液冷媒と熱交換することで低温低圧の過熱ガスの状態となり、再度第２圧縮機１０に吸入される。

上記のように、第２冷媒循環回路の熱交換器１３によって、第１冷媒循環回路の液管１５を流れる液冷媒が冷却されその過冷却が確保される。
なお、実施の形態３においても、液管１５の結露防止のために行う冷却量の制御は、実施の形態１、２と同様にして行われる。その場合、実施の形態３においては、制御器８により、第２圧縮機１０の運転周波数を制御する、あるいは第２圧縮機１０の始動と停止を制御することで、第２冷媒循環回路による冷却量の制御を容易に行うことができる。

ところで、第１冷媒循環回路と第２冷媒循環回路を共に運転する場合、第２冷媒循環回路の蒸発温度が第１冷媒循環回路の蒸発温度より高くなるようにすると、第１冷媒循環回路だけを運転している場合に比べて、常に効率の良い運転を行うことができる。
従って、制御器８により、第１冷媒循環回路と第２冷媒循環回路の冷媒蒸発温度を監視し、第２冷媒循環回路の蒸発温度が第１冷媒循環回路の蒸発温度より常に高くなるように、制御器８により第１圧縮機１と第２圧縮機１０との運転状態を制御する構成とすると、冷凍サイクル装置の運転効率も良くなる。

なお、上記各実施の形態において、制御器８が液管１５の結露防止のために冷却装置５の運転を制限した場合には、冷凍サイクル装置の利用側において、冷却装置５の運転が制限されていることがわかるような表示または警告を出すようにするのが好ましい。また、そのような表示や警告が出た場合には、たとえば第１圧縮機１に対してその作用を増大させる運転を行うように制御して、冷凍サイクル装置の能力不足を補うようにしてもよい。

この発明の実施の形態１、２に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。 実施の形態１における制御器の作用を示すフローチャートである。 実施の形態２における制御器の作用を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。

符号の説明

１ 第１圧縮機、２ 第１凝縮器、３ 第１膨張弁、４ 第１蒸発器、５ 冷却装置、６ 液管温度センサ、７ 周囲温度センサ、８ 制御器、９ 周囲湿度センサ、１０ 第２圧縮機、１１ 第２凝縮器、１２ 第２膨張弁、１３ 熱交換器、１５ 液管。

Claims (5)

1. 第１圧縮機、第１凝縮器、第１減圧装置、及び第１蒸発器が順に接続された第１冷媒循環回路を備えた冷凍サイクル装置であって、
   前記第１凝縮器から前記第１減圧装置へ流れる液冷媒を冷却する冷却装置と、
   前記冷却装置で冷却された冷媒を前記第１減圧装置へ送る、前記冷却装置と前記第１減圧装置との間の冷媒配管の温度を第１の検出値として検出する配管温度検出手段と、
   前記冷媒配管の周囲温度を第２の検出値として検出する周囲温度検出手段と、
   前記第１及び第２の検出値に基づいて、前記第１の検出値が前記第２の検出値より低くならないように、前記冷却装置の冷却量を制御する制御器と、を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記冷却装置は、第２圧縮機、第２凝縮器、第２減圧装置、及び冷媒と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器が順に接続された第２冷媒循環回路を有し、
   前記熱交換器が、前記第１冷媒循環回路の前記第１凝縮器と前記第１減圧装置との間を流れる冷媒と、前記第２冷媒循環回路の前記第２減圧装置と前記第２圧縮機との間を流れる冷媒との間で、熱交換を行うように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記制御器による前記冷却装置の冷却量制御は、前記第２圧縮機の運転周波数を制御するものであることを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記制御器による前記冷却装置の冷却量制御は、前記第２圧縮機の始動と停止を制御するものであることを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記制御器は、前記第２冷媒循環回路の蒸発温度が前記第１冷媒循環回路の蒸発温度より高くなるように前記冷却装置の冷却動作を制御することを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル装置。

Images