JP5108384B2 - 空気冷媒式冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気を冷媒として冷凍サイクルを形成する空気冷媒式冷凍装置に関するものであり、詳しくは冷凍サイクル中に設けた冷熱回収用熱交換器内部に付着する雪及び氷を溶かし排出することが可能である空気冷媒式冷凍装置に関するものである。

地球環境保全の見地から、フロン系の冷媒を用いた冷凍装置は見直しが迫られてきている。また、安全面の見地からはアンモニア系の冷媒を用いた冷凍装置にも課題が残る。そこでフロン系冷媒、アンモニア系冷媒の何れも使用せず、空気を冷媒とする空気冷媒式冷凍装置が用いられている。
空気冷媒式冷凍装置は、空気を圧縮機で高温高圧の空気とし、これを冷却器で冷却した後、膨張機で低温低圧の空気として、これを被冷却室に導入して被冷却室内の被冷却物を冷却するものであり、被冷却物を冷却した後の空気を再度圧縮機に導入して、冷凍サイクルを形成している。また、このような空気冷媒式冷凍装置においては一般に、被冷却室から回収され圧縮機へ導入される空気を、膨張機へ導入する空気と熱交換をして冷熱を回収する冷熱回収用熱交換器が設けられている。

しかしながら、前記のような空気冷媒式冷凍装置では、被冷却室から雪又は霧状になった水分を吸入してしまい、該雪又は霧状になった水分の吸入により冷熱回収用熱交換器の低温側流路内部で氷となって付着する。さらに、前記雪又は霧状になった水分が冷熱回収用熱交換器を通過した場合には、前記水分を含んだ空気が圧縮機で圧縮された後、冷却器及び冷熱回収熱交換器で冷却される際に氷となって冷熱回収用熱交換器の高温側流路内部に付着する。冷熱回収用熱交換器内部に水分が氷結すると、冷熱回収用熱交換器においては伝熱面積が低下し性能が低下する。また、空気冷媒式冷凍機では圧縮機と膨張機を一体化した膨張機一体型圧縮機が一般的に用いられており、このような膨張機一体型圧縮機を用いた空気冷媒式冷凍機においては、冷熱回収用熱交換器内部への水分氷結によって、圧縮機及び膨張機の圧力バランスが変化して動力源である回転機のバランスが崩れ機器の耐久性に影響を与える。

そこで膨張機の出側に氷補集器を取り付け、該氷捕集器で捕集された氷や霜等を取り除くために昇温した空気を流してドレンとして流出させる所謂デフロスト運転を行うことが考えられ、例えば特許文献１にはバイパス路を設けてデフロスト運転の後、予冷運転を行ってから冷却運転を行うことができる空気冷媒式冷凍装置が開示されている。

特開２００６−１１８７７２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された空気冷媒式冷凍装置では氷捕集器が必要となるため装置が大がかりとなることに加えて、デフロスト運転によって冷熱回収用熱交換器内にドレンが溜まった場合にはドレンを除去することができず、再度冷却運転を行った際に前記ドレンが冷熱回収熱交換器内で再度氷結してしまう。そのため、予冷時に再度氷結したドレンを加熱する再熱ヒーターが必要となり、さらに装置が大がかりとなる。

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、装置が大型化することなく、冷熱回収熱交換器内に付着する氷を溶かして排出することが可能である空気冷媒式熱交換器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明においては、
被冷却室から回収した空気を圧縮する圧縮機と、圧縮空気を冷却する冷却器と、冷却圧縮空気を膨張させる膨張機とを有し、前記被冷却室から回収した空気を圧縮、冷却及び膨張することにより得られる低温空気を前記被冷却室に供給する冷凍サイクルシステムを構成する空気冷媒式冷凍装置において、前記被冷却室と前記圧縮機との間に配置される低温側流路及び前記冷却器と前記膨張器との間に配置される高温側流路を有し、前記低温側流路及び前記高温側流路が鉛直方向に沿って配置され、前記高温側流路を下方から上方に流れる空気と前記低温側流路を上方から下方に流れる空気との間で熱交換を行う冷熱回収用熱交換器と、前記低温側流路及び高温側流路の下方にそれぞれ設けられ、前記低温側流路及び前記高温側流路から流下した水をそれぞれ溜めるドレントラップと、前記ドレントラップに接続され、開かれたときに前記ドレントラップに溜まった水を系外に排出するバルブとを更に有することを特徴とする。

氷又は雪が付着する冷熱回収用熱交換器を対向流とし、圧縮空気流れ方向を下方から上方とすることで、装置停止時に冷熱回収用熱交換器内が０℃以上となると水分が自重で落下する。さらに圧縮空気流れ、すなわち高温側空気の流れを下方から上方とすることで、冷熱回収用熱交換器内は上方から下方へ向かって温度が徐々に高くなる。そのため、冷熱回収用熱交換器内にドレンが溜まった場合でも再熱ヒーターを必要としない。

また、前記冷熱回収用熱交換器は、前記対向流の流路が鉛直方向となるように配置することを特徴とする。このことで、前記のように冷熱回収用熱交換器内の水分が自重で落下する効果がさらに高くなる。

また、前記圧縮機及び冷熱回収用熱交換器を経た空気を、膨張機及び被冷却室を迂回して前記冷熱回収用熱交換器の被冷却室からの回収空気側に流す第１のバイパス路と、前記膨張機を経た空気を、被冷却室を迂回して前記冷熱回収用熱交換器の被冷却室からの回収空気側に流す第２のバイパス路とを設け、前記第２のバイパス路を閉じた上で第１のバイパス路を経て装置内の空気を循環させるデフロスト運転、前記第１のバイパス路を閉じた上で第２のバイパス路を経て装置内の空気を循環させる予冷運転、及び前記第１のバイパス路及び第２のバイパス路を閉じて装置内の空気を循環させる冷却運転を可能としたことを特徴とする。

予冷運転を行わずにデフロスト運転時に装置内に残った昇温した空気が被冷却室へ供給された場合には、被冷却室の温度が上昇し、被冷却室内で凝縮水が発生してしまうが、このようにデフロスト運転の後、被冷却室をバイパスした予冷運転を行うことで、デフロスト運転時に装置内に残った昇温した空気を被冷却室へ供給することなく、空気を冷却することができ、凝縮水の発生を防止することができる。

冷却運転とデフロスト運転の切り替えは、例えば冷熱回収用熱交換器の高温側と低温側それぞれに出口と入口間の差圧を測定する差圧計を設け、熱交換器の圧力損失の上昇を検知した場合、自動的にデフロスト運転を開始するように構成すると好ましい。

また、前記圧縮機を経た空気を加温する加温装置を設け、前記デフロスト運転時に前記圧縮機を経た空気を前記加温装置で加温してから前記熱交換器に導入することを特徴とする。
このことによりデフロスト運転時の装置内加熱時間を短縮することができる。

以上記載のごとく本発明によれば、装置が大型化することなく、冷熱回収熱交換器内に付着する氷を溶かして排出することが可能である空気冷媒式熱交換器を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、本発明の空気冷媒式冷凍装置の一例のフロー図である。
本実施例１における空気冷媒式冷凍装置は、圧縮機１、冷却器２、冷熱回収用熱交換器５、膨張機８を空気の流れの順に配置し、これらを経た空気を被冷却室９へ導入するように構成している。また被冷却室９からの戻り空気は、冷熱回収用熱交換器５で前記冷却器２を経た空気と熱交換されて圧縮機１へ循環され、冷凍サイクルを形成している。

前記圧縮機１と膨張機８の回転軸はモータ１９の駆動軸に同軸的に接続されて駆動するようにしており、膨張機８の回転動力が圧縮機１の回転軸に伝達されることにより動力回収がなされている。
また、冷却器２はフィンチューブ型熱交換器であり、プレート内を冷却水３が通水される。また、冷却器２を通過する空気を加熱するためのヒーター４も設けられている。なお、本実施例１においては冷却器２にフィンチューブ型熱交換器を用いたが、圧縮機１を経た空気を冷却することができれば他のタイプの冷却器を用いてもよい。

また、前記膨張機８及び被冷却室９をバイパスする第１のバイパス路２１及び被冷却室９をバイパスする第２のバイパス路２２を設け、それぞれのバイパス路にバルブ１１及び１２を設けている。また、膨張機８から被冷却室９への空気流路中であり、前記第２のバイパス路２２よりも空気流れ下流側にバルブ１４を設けるとともに、被冷却室９から冷熱回収用熱交換器５への空気流路中であり、前記第２のバイパス路２２よりも空気流れ上流側にバルブ１３を設けている。

次に、図１を用いて本実施例１における空気冷媒式熱交換器の冷却運転時における動作の一例を説明する。図１中に設けられた４つのバルブ１１、１２、１３及び１４は、冷却運転時においては、バルブ１１及び１２を閉、バルブ１３及び１４を開として運転する。
前記被冷却装置９中の約−６０℃の常圧空気を吸引して冷熱回収用熱交換器５の低温側流路７に上方より導入する。該低温側流路７に導入された空気は、冷熱回収用熱交換器５で後述する圧縮機１及び冷却器２を経て冷熱回収熱交換器５の高温側流路６に導入された空気に保有する冷熱を与えることで約３５℃の常圧空気となる。

冷熱回収熱交換器５を経て約３５℃となった常圧空気は圧縮機１で必要圧力まで圧縮され、その際に約９３℃まで温度が上昇するため、冷却器２で約４０℃まで冷却し、冷熱回収用熱交換器５の高温側流路６に下方より導入される。ここで、前記冷熱回収用熱交換器５の低温側流路７の約−６０℃の空気と熱交換されて約−５５℃まで冷却される。

冷熱回収熱交換器５を経て約−５５℃まで冷却された空気は、膨張機８に導入されて大気圧近傍まで膨張され約−８０℃となる。こうして約−８０℃となった空気を被冷却室９に供給することで、被冷却室９内を冷却する冷凍サイクルシステムが構成される。
即ち、冷却運転時には、圧縮機１→冷却器２→冷熱回収用熱交換器５の高温側流路６→膨張機８→被冷却室９→冷熱回収用熱交換器５の低温側通路７→圧縮機１の順に空気を循環させる冷凍サイクルシステムが構成されている。

しかしながら、このような空気冷媒式冷凍装置では、被冷却室９から雪又は霧状になった水分を吸入してしまい、該雪又は霧状になった水分の吸入により冷熱回収用熱交換器５の低温側流路７内部で氷となって付着する。さらに、前記雪又は霧状になった水分が冷熱回収用熱交換器５を通過した場合には、前記水分を含んだ空気が圧縮機１で圧縮された後、冷却器２及び冷熱回収熱交換器５で冷却される際に氷となって冷熱回収用熱交換器５の高温側流路６内部に付着する。冷熱回収用熱交換器５内部に水分が氷結すると、冷熱回収用熱交換器５においては伝熱面積が低下し冷凍機性能が低下する。また、本実施例１のように圧縮機１と膨張機８を一体化した場合においては、冷熱回収用熱交換器５内部への水分氷結によって、圧縮機１及び膨張機８の圧力バランスが変化して動力源であるモータ１９のバランスが崩れ機器の耐久性に影響を与える。

そこで、前記冷熱回収用熱交換器５内部に水分が氷結した場合、氷結した水分を除去するためのデフロスト運転を行う。冷却運転からデフロスト運転への切り替えは、例えば冷熱回収用熱交換器５の低温側流路５と高温側流路６のそれぞれに出口と入口間の差圧を測定する差圧計を設け、熱交換器の圧力損失の上昇を検知した場合、自動的にデフロスト運転を開始するように構成するとよい。

図１を用いて本実施例１における空気冷媒式熱交換器のデフロスト運転時における動作の一例を説明する。図１中に設けられた４つのバルブ１１、１２、１３、１４は、デフロスト運転時においては、バルブ１１を開、バルブ１２、１３及び１４を閉として運転する。

圧縮機１に導入された空気は圧縮機１で必要圧力まで圧縮されると同時に温度も上昇し、冷却器２へ導入される。冷却器２では冷却水３の通流を停止し、ヒーター４を稼動することで空気をさらに昇温させ、冷熱回収用熱交換器５の高温側流路６に下方より導入させる。
冷熱回収用熱交換機５の高温側流路６に下方から導入された空気は、高温側流路６を通過した後、第１のバイパス路２１へと流れる。この時、前述の通り第１のバイパス路２１に設けられたバルブ１１は開けておく。前記バルブ１１を開けておくと、膨張機８へは空気抵抗のためにバルブ１１が閉じている時より空気流量が減り、その分空気が流れずに第１のバイパス路２１側に空気が流れる。したがって、バルブ１１の開閉操作を行うことで第１のバイパス路２１側と膨張機８側との空気の流れを切り替えることができる。

前記第１のバイパス路２１を通過した空気は冷熱回収用熱交換器５の低温側流路７に上方より導入される。この時、前述の通りバルブ１２及びバルブ１３を閉じているため、前記第１のバイパス路２１を通過した空気は第２のバイパス路２２側及び被冷却室９側に流れることはない。
前記冷熱回収用熱交換器５の低温側流路７に上方から導入された空気は、低温側流路７を通過した後、圧縮機１へ導入される。

即ちデフロスト運転時には、圧縮機１→冷却器２（ヒーター４の作動により加温器として用いられる）→冷熱回収用熱交換器５の高温側流路６→第１のバイパス路２１→冷熱回収用熱交換器５の低温側通路７→圧縮機１の順に高温空気を循環させている。このようにして高温空気を循環させることで、冷熱回収用熱交換器５内部に氷結した氷を溶かして除去することができる。

図２は前記冷熱回収用熱交換器５周辺の概略構成図であり、図３は冷熱回収用熱交換器５内部の部分斜視図である。図２及び図３に基づいてデフロスト運転時の冷熱回収用熱交換器５に周辺の動作を説明する。

前記圧縮機１及びヒーター４の作動により加温器として用いられる冷却器２を経た高温空気は、冷熱回収用熱交換器５下部に設けた導入通路６３より冷熱回収用熱交換器５に導入され、冷熱回収用熱交換器５内部を下方から上方へ向けて例えば６０で示したような流れで、排出通路６４より排出される。また排出通路６４より排出された空気は前述の第１のバイパス路２１を経て冷熱回収用熱交換器５上部に設けた導入通路７３より冷熱回収用熱交換器５に導入され、冷熱回収用熱交換器５内部を上方から下方へ向けて例えば７０で示したような流れで、排出通路７４より排出され、圧縮機１へ導入される。また、図３に示したように冷熱回収熱交換器５はプレートフィン型熱交換器であり、上下方向の対向流で熱交換を行うことが可能な構成である。

このようにして、デフロスト運転時には冷熱回収用熱交換器５内部に高温空気を通過させることで、冷熱回収用熱交換器５内部に氷結した氷を溶かして除去している。また、熱交換器内の空気の流れを上下方向としているため、デフロスト運転によって氷が溶けて発生した水は自重にて落下する。自重にて落下した水（ドレン）はそれぞれの流路下方に設けたドレントラップ６１及び７１に溜まる。溜まったドレンは必要に応じて、圧縮機１を停止してバルブ１１を閉じた後、ドレントラップ６１及び７１の下方に設けたバルブ６２及び７２を開けて溜まったドレンを外部へ排出する。

ここで、デフロスト運転の後に通常の冷却運転に切り替えると、デフロスト運転を行うことによって装置内に残った昇温した空気が被冷却室９へ供給され、被冷却室９の温度が上昇し、被冷却室９内で凝縮水が発生してしまうため、デフロスト運転の後、被冷却室９をバイパスした予冷運転を行うことで、デフロスト運転時に装置内に残った昇温した空気を被冷却室へ供給することなく、空気を冷却することができ、凝縮水の発生を防止することができる。

図１を用いて本実施例１における空気冷媒式熱交換器の予冷運転時における動作の一例を説明する。図１中に設けられた４つのバルブ１１、１２、１３、１４は、予冷運転時においては、バルブ１２を開、バルブ１１、１３及び１４を閉として運転する。

バルブ１２を開、バルブ１１、１３及び１４を閉とすることで、前述の冷却運転における被冷却室９のみをバイパスし、圧縮機１→冷却器２→冷熱回収用熱交換器５の高温側流路６→膨張機８→冷熱回収用熱交換機５の低温側通路７→圧縮機１の順に空気を循環させている。このように予冷運転を行い、装置内の昇温した空気は膨張機８で冷却され、被冷却室９をバイパスして循環する。予冷運転を行い、装置内の空気を十分冷却してから冷却運転を開始することで、被冷却室９へ昇温した空気を供給することなく、デフロスト運転から冷却運転に切り替えることができる。

表１に前述の冷却運転、デフロスト運転、水分排出、予冷運転時における圧縮機１の運転状態及びバルブ１１、１２、１３、１４、６２及び７２の開閉状態をまとめている。
冷却運転時には、バルブ１３及び１４を開とし、第１及び第２のバイパス路に設けたバルブ１１及び１２を閉として、被冷却室９内を冷却する。
例えば冷熱回収用熱交換器５の圧力損失の上昇を検知する等、デフロスト運転が必要となると、バルブ１１を開とするとともに、バルブ１３及び１４を閉としてデフロスト運転を実施する。
１時間程度のデフロスト運転を行い冷熱回収用熱交換器内の氷を除去した後、圧縮機１を停止して循環を止め、バルブ１１を閉じた後、ドレントラップ６１及び７１の下方の設けたバルブ６２及び７２を開けてドレントラップに溜まったドレンを系外に排出する。
水分排出が終了すると、バルブ６２及び７２を閉とし、バルブ１２を開け、圧縮機１を稼動して予冷運転を実施する。
予冷運転を行い、装置内が十分冷却されて安定するとバルブ１３を開とし、バルブ１２を閉として冷却運転に切り替える。

このように冷熱回収用熱交換器５を上下方向の対向流で熱交換を行うように構成して、高温側通路が下方から上方となるように配置し、冷却運転→デフロスト運転→水分排出→予冷運転→冷却運転を行うことによって装置が大型化することなく、冷熱回収熱交換器内に付着する氷を溶かして排出することが可能となる。

装置が大型化することなく、冷熱回収熱交換器内に付着する氷を溶かして排出することが可能である空気冷媒式熱交換器として利用することができる。

本発明の空気冷媒式冷凍装置の一例のフロー図である。 冷熱回収用熱交換器周辺の概略構成図である。 冷熱回収用熱交換器内部の部分斜視図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 冷却器
３ 冷却器
４ ヒーター（加温装置）
５ 冷熱回収用熱交換器
６ 高温側流路
７ 低温側流路
８ 膨張機
９ 被冷却室
２１ 第１のバイパス路
２２ 第２のバイパス路
６１、７１ ドレントラップ

Claims (3)

1. 被冷却室から回収した空気を圧縮する圧縮機と、圧縮空気を冷却する冷却器と、冷却圧縮空気を膨張させる膨張機とを有し、前記被冷却室から回収した空気を圧縮、冷却及び膨張することにより得られる低温空気を前記被冷却室に供給する冷凍サイクルシステムを構成する空気冷媒式冷凍装置において、
   前記被冷却室と前記圧縮機との間に配置される低温側流路及び前記冷却器と前記膨張器との間に配置される高温側流路を有し、前記低温側流路及び前記高温側流路が鉛直方向に沿って配置され、前記高温側流路を下方から上方に流れる空気と前記低温側流路を上方から下方に流れる空気との間で熱交換を行う冷熱回収用熱交換器と、
   前記低温側流路及び前記高温側流路の下方にそれぞれ設けられ、前記低温側流路及び前記高温側流路から流下した水をそれぞれ溜めるドレントラップと、
   前記ドレントラップに接続され、開かれたときに前記ドレントラップに溜まった水を系外に排出するバルブと
   を更に有する
   ことを特徴とする空気冷媒式冷凍装置。
2. 前記圧縮機及び冷熱回収用熱交換器を経た空気を、膨張機及び被冷却室を迂回して前記冷熱回収用熱交換器の被冷却室からの回収空気側に流す第１のバイパス路と、前記膨張機を経た空気を、被冷却室を迂回して前記冷熱回収用熱交換器の被冷却室からの回収空気側に流す第２のバイパス路とを設け、
   前記第２のバイパス路を閉じた上で第１のバイパス路を経て装置内の空気を循環させるデフロスト運転、前記第１のバイパス路を閉じた上で第２のバイパス路を経て装置内の空気を循環させる予冷運転、及び前記第１のバイパス路及び第２のバイパス路を閉じて装置内の空気を循環させる冷却運転を可能としたことを特徴とする請求項１記載の空気冷媒式冷凍装置。
3. 前記圧縮機を経た空気を加温する加温装置を設け、前記デフロスト運転時に前記圧縮機を経た空気を前記加温装置で加温してから前記熱交換器に導入することを特徴とする請求項２記載の空気冷媒式冷凍装置。

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