JP5641875B2

JP5641875B2 - 冷凍装置

Info

Publication number: JP5641875B2
Application number: JP2010242386A
Authority: JP
Inventors: 杉本　猛; 猛杉本; 山下　哲也; 哲也山下; 池田　隆; 隆池田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: JP2012093054A

Description

この発明は、家庭用・業務用冷凍冷蔵庫、超低温フリーザ、冷凍冷蔵ショーケース冷却システム等に利用できる冷凍装置に関するものである。特に、複数の冷凍サイクル装置（冷媒循環回路）を多段構成した多元冷凍装置に関するものである。

従来より、例えば高温側（高段側、一次側）となる冷凍サイクル装置（以下、高温側サイクルという）と低温側（低段側、二次側）となる冷凍サイクル装置（以下、低温側サイクルという）とをそれぞれ形成して多段で構成した冷凍装置がある（ここでは二段構成の二元冷凍装置であるものとする）。このような冷凍装置では、例えば低温側サイクルにおける冷媒の凝縮による凝縮熱と高温側サイクルにおける冷媒の蒸発による蒸発熱とを熱交換しながら、最終段となる低温側サイクルの蒸発器において冷却対象等との熱交換を行うことにより、連携した冷凍運転（冷却運転）を行っている。これにより、低温側サイクルの蒸発器において、マイナス数十度の低温度の蒸発熱を効率良く得ることができる。このような二元冷凍装置において、低温側サイクルにおいて循環する冷媒として、二酸化炭素（ＣＯ₂）を用いるものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１９０９１７号公報（第１４頁、第１図）

以上のような従来の二元冷凍装置においては、低温側サイクルの蒸発器における蒸発温度を、マイナスとなる低温で運転を続けると、空気中の水分が氷結して蒸発器に着霜していき、熱交換の妨げになる。そこで、例えば所定時間毎に冷凍運転を停止し、低温側サイクルの蒸発器等をヒータ等により加熱して、霜を融かす霜取（デフロスト）を行っている。

このとき、上記のように低温側サイクルの冷媒にＣＯ₂を用いている場合、冷媒の圧力を臨界圧力以上にさせないようにするため、霜取時においても高温側サイクルを動作させて蒸発器以外の部分において冷媒を冷却し、圧力上昇を防いでいる。

このため、例えば１日に４〜５回、低温側サイクルの蒸発器において霜取を行うと、高温側サイクルは、低温側サイクルに比べて、１日あたり３０分〜４０分動作する時間が多くなり、この分、高温側サイクルの圧縮機を駆動することになる。したがって、高温側サイクルの圧縮機と低温側サイクルの圧縮機との信頼性は、年月を経るにつれて差ができることとなっていた。

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、霜取中において低温側サイクルの蒸発器における冷媒の圧力上昇を抑えつつ、高温側サイクルの圧縮機の駆動をできる限り減らすことができる冷凍装置を得るものである。

この発明に係る冷凍装置は、高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側絞り装置及び高温側蒸発器を配管接続して、高温側冷媒を循環させる高温側循環回路を形成する高温側サイクル装置と、低温側圧縮機、低温側凝縮器、低温側絞り装置及び低温側蒸発器を配管接続して、二酸化炭素を低温側冷媒として循環させる低温側循環回路を形成し、低温側凝縮器の冷媒流出側に受液器及び受液器の冷媒流出側と低温側蒸発器との間に開閉手段を有する低温側サイクル装置と、高温側蒸発器と低温側凝縮器とにより構成し、高温側冷媒と低温側冷媒との間の熱交換を行うカスケードコンデンサと、低温側圧縮機の冷媒吸入側の圧力を検出する圧力検出手段と、低温側蒸発器の温度を検出する温度検出手段と、低温側蒸発器を加熱する加熱手段と、低温側蒸発器の霜取を行う際、高温側圧縮機を駆動して高温側サイクル装置を動作させつつ、開閉手段により閉止させて圧力検出手段の検出圧力が所定圧力以下になるまで低温側圧縮機を駆動させ、圧力検出手段の検出圧力が所定圧力以下になると、高温側サイクル装置の高温側圧縮機の駆動及び低温側圧縮機の駆動を両方停止させて、低温側蒸発器を加熱手段に加熱させ、また、温度検出手段の検出に係る温度が所定温度以上になると加熱手段の加熱を終了させる制御を行う制御手段とを備えるものである。

この発明の冷凍装置によれば、低温側蒸発器を霜取する際、低温側圧縮機を駆動したままで、開閉手段を閉じて、低温側圧縮機の吸入側圧力が所定圧力になるまで低温側蒸発器内の低温側冷媒を流出させ、受液器に回収してから、加熱手段による加熱を行うようにしたので、高温側サイクル装置の動作を停止した上で、低温側蒸発器を加熱しても、低温側冷媒の圧力上昇を設定圧力以下に抑えることができる。また、設計において、低温側蒸発器における耐圧を低く見積もることができるため、低温側蒸発器の伝熱管の肉厚を低減することができ、コスト面でも安価な冷凍装置を提供することができる。さらに、低温側蒸発器内における低温側冷媒の量が少なくなっているので、加熱手段による熱量について、低温側冷媒に奪われる分が少なくなる。このため、加熱手段が加える熱量を低減することができる。

この発明の実施の形態１における冷凍装置の構成を表す図である。実施の形態１における霜取を行うための制御関係を表す図である。実施の形態１における霜取時の制御のフローチャートを示す図である。霜取時における処理の別例のフローチャートを表す図である。実施の形態２における霜取時の制御のフローチャートを示す図である。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における冷凍装置の構成を表す図である。図１に示すように、本実施の形態における二元冷凍装置は、高温側サイクル１０と低温側サイクル２０とを有し、それぞれ独立して冷媒を循環させる冷媒循環回路を構成する。そして、２つの冷媒循環回路を多段構成するために、高温側蒸発器１４と低温側凝縮器２２とを、それぞれ通過する冷媒間での熱交換を可能に結合させて構成したカスケードコンデンサ（冷媒間熱交換器）３０を設けている。また、二元冷凍装置全体の運転制御を行う制御手段４０を有する。ここで、温度の高低、圧力の高低については、特に絶対的な値との関係で高低等が定まっているものではなく、システム、装置等における状態、動作等において相対的に定まるものとする。

また、図１において、高温側サイクル１０は、高温側圧縮機１１と、高温側凝縮器１２と、高温側絞り装置１３と、高温側蒸発器１４とを直列に冷媒配管で接続し、冷媒循環回路（以下、高温側循環回路という）を構成している。一方、低温側サイクル２０は、低温側圧縮機２１と、低温側凝縮器２２と、受液器２５と、電磁弁２６と、低温側絞り装置２３と、低温側蒸発器２４とを冷媒配管で接続し、冷媒循環回路（以下、低温側循環回路という）を構成している。

このような構成の二元冷凍装置において、高温側循環回路を循環する冷媒（以下、高温側冷媒という）として、例えばＲ４１０Ａ、Ｒ３２、Ｒ４０４Ａ、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、プロパン、イソブタン、二酸化炭素、アンモニアなどが用いられる。地球温暖化に対する影響が小さい他の自然冷媒、冷媒量を極力抑えた、効率のよい他のＨＦＣ冷媒などを用いてもよい。ここでは、高温側冷媒にＲ４１０Ａを用いた場合の例について説明する。また、低温側循環回路を循環する冷媒（以下、低温側冷媒という）には地球温暖化に対する影響が小さい二酸化炭素（ＣＯ₂）を用いる。

二元冷凍装置の各構成機器についてさらに詳細に説明する。高温側サイクル１０の高温側圧縮機１１は、高温側冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。ここで、例えばインバータ回路等により回転数を制御し、高温側冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成するとよい。高温側凝縮器１２は、送風機、ポンプ等（図示せず）から供給される空気、水等と高温側冷媒との間で熱交換を行い、高温側冷媒を凝縮させて液状の冷媒にする（凝縮液化させる）ものである。

減圧弁、膨張弁等の高温側絞り装置１３は、高温側冷媒を減圧して膨張させるものである。例えば電子式膨張弁等の流量制御手段で構成することが最適であるが、毛細管（キャピラリ）、感温式膨張弁等の冷媒流量調節手段で構成してもよい。高温側蒸発器１４は、熱交換により高温側冷媒を蒸発させて気体（ガス）状の冷媒にする（蒸発ガス化させる）ものである。例えば、ここではカスケードコンデンサ３０において高温側冷媒が通過する伝熱管等が高温側蒸発器１４となって、低温側冷媒との熱交換が行われるものとする。

一方、低温側サイクル２０の低温側圧縮機２１は、低温側冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。低温側圧縮機２１についても、例えばインバータ回路等を有し、低温側冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成するとよい。低温側凝縮器２２は、熱交換により低温側冷媒を凝縮液化させるものである。例えば、ここではカスケードコンデンサ３０において低温側冷媒が通過する伝熱管等が低温側凝縮器２２となって、高温側冷媒との熱交換が行われるものとする。

減圧弁、膨張弁等の低温側絞り装置２３は、低温側冷媒を減圧して膨張させるものである。例えば前述した電子式膨張弁等の流量制御手段で構成することが最適であるが、毛細管等の冷媒流量調節手段で構成してもよい。ここで、本実施の形態では制御手段４０からの指示に基づいて開度調整を行う流量制御手段で構成しているものとする。例えば、低温側絞り装置２３が冷媒流量調節手段である場合において、冷媒流量調節手段を必要としないときの圧力損失の低減等をはかるため、例えば低温側絞り装置２３と並列にバイパス配管（図示せず）を設けるようにしてもよい。そして、冷媒流量調節手段を必要としない場合には、バイパス配管に冷媒を流すように切り替えることができるように構成してもよい。

低温側蒸発器２４は、送風機、ポンプ等（図示せず）から供給される空気、ブライン等と低温側冷媒との間で熱交換を行い、低温側冷媒を蒸発ガス化するものである。低温側冷媒との熱交換により、冷却対象は、直接又は間接に冷却されることになる。受液器２５は、余剰冷媒を溜めておく。また、開閉手段となる電磁弁２６は、開閉によって低温側サイクル２０における低温側冷媒の流れを制御する。また、霜取ヒータ２７は、低温側蒸発器２４（低温側蒸発器２４の周辺部分等を含む）に取り付けられ、通電されることで発熱する。これにより、低温側蒸発器２４（低温側蒸発器２４の周辺部分等を含む）に付いた霜を溶かす。

また、カスケードコンデンサ３０は、前述した高温側蒸発器１４と低温側凝縮器２２との機能を有し、高温側冷媒と低温側冷媒とを熱交換可能にする冷媒間熱交換器である。例えばプレート熱交換器、二重管熱交換器等で構成する。カスケードコンデンサ３０を介して高温側循環回路と低温側循環回路とを多段構成にし、冷媒間の熱交換を行うようにすることで、独立した冷媒循環回路を連携させることができる。

図２は本実施の形態に係る制御手段４０を中心とした霜取に係る信号等の入出力関係を表す図である。制御手段４０は、高温側サイクル１０及び低温側サイクル２０の状態を監視し、二元冷凍装置における冷却運転の動作を制御する。特に、ここでは、制御手段４０は霜取制御コントローラとなって、霜取時の二元冷凍装置における機器の制御を行うものとして説明する。また、制御手段４０はタイマを有し、運転時間等の計時を行うことができる。ここで、高温側サイクル１０及び低温側サイクル２０の機器の動作を制御するものとして説明するが、例えば高温側サイクル１０、低温側サイクル２０の機器をそれぞれ制御する２台の制御手段で構成するようにしてもよい。

蒸発器温度センサ５１は、低温側蒸発器２４における温度を検出し、信号として制御手段４０に送る温度検出手段である。また、吸入側圧力センサ５２は、低温側圧縮機２１の冷媒吸入側（低圧側）における低温側冷媒の圧力を検出し、信号として制御手段４０に送る圧力検出手段である。

図３は実施の形態１に係る制御手段４０の霜取時における処理のフローチャートを表す図である。図３に基づいて、本実施の形態における低温側蒸発器２４の霜取について説明する。制御手段４０は、例えば低温側循環回路の低温側圧縮機２１における冷却運転開始からの運転積算時間が所定時間を経過したものと判断すると（Ｓ１）、低温側蒸発器２４の霜取を開始する。本実施の形態では霜取を開始すると電磁弁２６を閉じ（Ｓ２）、低温側冷媒を低温側蒸発器２４に流入させないようにする。

そして、吸入側圧力センサ５２が検出した低温側圧縮機２１の吸入側圧力（検出圧力）が所定圧力以下になると判断するまで、低温側圧縮機２１を駆動させる（Ｓ３）。これにより、低温側蒸発器２４において低温側冷媒を蒸発させ、できる限り低温側冷媒を流出させるようにする。流出した低温側冷媒は、低温側圧縮機２１から吐出して、低温側凝縮器２２（カスケードコンデンサ３０）を通過して凝縮液化する。受液器２５は、液冷媒を回収する。ここで、本実施の形態では、低温側蒸発器２４の冷媒密度（冷媒量／低温側蒸発器２４の内容積）が約７５ｋｇ／ｍ³以下に相当する圧力になるまで低温側圧縮機２１を駆動させるようにする。このようにすれば、霜取中での加熱によって低温側蒸発器２４において低温側冷媒の圧力が上昇しても、設定圧力（例えば５Ｍｐａ）以下に抑えることができる。

吸入側圧力センサ５２の検出圧力（低温側圧縮機２１の吸入側圧力）が所定圧力以上になったものと判断すると（受液器２５に低温側冷媒を回収した後）、制御手段４０は低温側圧縮機２１の駆動を停止させる。また、高温側圧縮機１１の駆動を停止させ、高温側サイクル１０の動作を停止させる。そして、霜取ヒータ２７に通電する（Ｓ４）。

通電後、制御手段４０は、低温側蒸発器２４に設けた蒸発器温度センサ５１の検出に係る温度（検出温度）が所定温度（例えば１０℃）以上であると判断すると（Ｓ６）、霜取ヒータ２７の通電を停止し、また、電磁弁２６を開放する（Ｓ７）。そして、冷却運転（通常運転）を開始する。ここで、所定温度については特に限定するものではないが、本実施の形態では例えば低温側冷媒であるＣＯ₂の臨界温度約３１℃よりも若干低い温度に設定する。

ここで、Ｓ３における処理により、基本的には低温側冷媒が所定圧力に圧力上昇することはないが、低温側圧縮機２１の吸入側圧力を設定圧力以下（例えば５Ｍｐａ以下）に維持するため、吸入側圧力センサ５２の検出圧力が設定圧力以上になったものと判断すると（Ｓ５）、蒸発器温度センサ５１の検出温度が所定温度に達していなくても、霜取を強制的に終了させるようにして二元冷凍装置の保護をはかる。

図４は霜取時における処理の別例のフローチャートを表す図である。上述したＳ５では、吸入側圧力センサ５２が検出した圧力が設定圧力以上になったものと判断すると、霜取を強制終了させる処理を行った。これを、例えば吸入側圧力センサ５２が設定圧力より高くなったものと判断すると（Ｓ５）、高温側圧縮機１１を駆動させて高温側サイクル１０を動作させるようにし（Ｓ８）、低温側圧縮機２１の吸入側圧力が設定圧力以下になるようにして霜取を継続するようにしてもよい。

以上のように、実施の形態１の二元冷凍装置によれば、低温側蒸発器２４の霜取開始時に、低温側圧縮機２１を駆動したままで、電磁弁２６を閉じて、低温側圧縮機２１の吸入側圧力が所定圧力になるまで低温側蒸発器２４内の低温側冷媒を流出させ、受液器２５に回収してから、霜取ヒータ２７を発熱させるようにしたので、高温側サイクル１０の動作を停止した上で、低温側蒸発器２４を加熱しても、低温側冷媒の圧力上昇を設定圧力以下に抑えることができる。そして、設計において低温側蒸発器２４の低温側冷媒の耐圧を低く見積もることができる。このため、例えば低温側蒸発器２４の伝熱管として使用する銅配管の肉厚を低減することができ、コスト面でも安価な冷凍装置を提供することができる。

また、低温側蒸発器２４内における低温側冷媒の量が少なくなっているので、低温側冷媒に奪われる熱量を少なくすることができ、霜取ヒータ２７の発熱量を低減することができ、電気エネルギーを削減できる。さらに、低温側冷媒の圧力が所定圧力より高くなると、強制的に霜取ヒータ２７への通電を終了する、高温側圧縮機１１を駆動させて高温側サイクル１０を動作させる等するので、低温側サイクル２０の保護をはかることができる。

実施の形態２．
図５は実施の形態２に係る制御手段４０の霜取時における処理のフローチャートを表す図である。例えば、霜取においては、低温側蒸発器２４から霜を除いた後も、溶けた水がドレンパン（図示せず）等に残って再び凍ってしまわないようにするため、例えば、所定時間、霜取ヒータ２７により加熱を続ける。この場合には、霜を溶かすほどの熱量を必要としない。

そこで、本実施の形態では、蒸発器温度センサ５１の検出に係る温度に基づいて、霜取ヒータ２７のヒータ容量（霜取ヒータ２７が供給する熱量）を低減して、低温側蒸発器２４に加える熱量を制御するものである。次に図５に基づいて、実施の形態２における低温側蒸発器２４の霜取について説明する。

図５において、Ｓ１１〜Ｓ１５の処理については、実施の形態１で説明したＳ１〜Ｓ５の処理と同様である。そして、蒸発器温度センサ５１の検出に係る温度が設定温度（例えば２℃）以上であると判断すると（Ｓ１６）、霜取ヒータ２７のヒータ容量を所定容量に低減する（Ｓ１７）。これにより、低温側蒸発器２４内の雰囲気の温度上昇を更に抑えることができる。ここで、本実施の形態では、設定温度として２℃以上であると判断するとヒータ容量を低減するようにしたが、設定温度については特に限定するものではない。ただ、霜取終了を判断する温度（本実施の形態では１０℃）以下で、低温側蒸発器２４に付いた霜が溶解する温度となる０℃を超えた温度（例えば２〜５℃）以内で設定する。また、所定容量についても特に限定するものではなく、低温側蒸発器２４の大きさ等により異なる。

Ｓ１８〜Ｓ１９の処理については、実施の形態１で説明したＳ６〜Ｓ７の処理と同様であり、蒸発器温度センサ５１の検出温度が所定温度（例えば１０℃）以上であると判断すると（Ｓ１８）、霜取ヒータ２７の通電を停止する（Ｓ１９）。

以上のように、実施の形態２の二元冷凍装置によれば、霜取ヒータ２７を通電した後、蒸発器温度センサ５１の検出に係る温度が定めた温度以上であると判断すると、霜取ヒータ２７のヒータ容量を所定容量に低減するようにしたので、例えばドレンパン等に水を残さないようにするために必要な熱量を大きく超える過大な熱量を供給することない。このため、不要な加熱を抑え、電気エネルギーを削減することができる。また、必要以上の加熱を行わないことで、低温側蒸発器２４の周囲温度及び低温側蒸発器２４内の温度上昇による圧力上昇を抑えることができる。このため、低温側サイクル２０における低圧側圧力を低く設計することができる。

上述の実施の形態は、二元冷凍装置で説明したが多段構成の多元冷凍装置にも適用することができる。また、二元冷凍装置だけでなく、例えば二酸化炭素を冷媒として冷却等を行う冷凍装置（特に凝縮器において冷媒を制御しながら加熱できる手段を有するものが望ましい）にも適用することができる。

１０高温側サイクル、１１高温側圧縮機、１２高温側凝縮器、１３高温側絞り装置、１４高温側蒸発器、２０低温側サイクル、２１低温側圧縮機、２２低温側凝縮器、２３低温側絞り装置、２４低温側蒸発器、２５受液器、２６電磁弁、２７霜取ヒータ、３０カスケードコンデンサ、４０制御手段、５１蒸発器温度センサ、５２吸入側圧力センサ。

Claims

高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側絞り装置及び高温側蒸発器を配管接続して、高温側冷媒を循環させる高温側循環回路を形成する高温側サイクル装置と、
低温側圧縮機、低温側凝縮器、低温側絞り装置及び低温側蒸発器を配管接続して、二酸化炭素を低温側冷媒として循環させる低温側循環回路を形成し、前記低温側凝縮器の冷媒流出側に受液器及び該受液器の冷媒流出側と低温側蒸発器との間に開閉手段を有する低温側サイクル装置と、
前記高温側蒸発器と前記低温側凝縮器とにより構成し、前記高温側冷媒と前記低温側冷媒との間の熱交換を行うカスケードコンデンサと、
前記低温側圧縮機の冷媒吸入側の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記低温側蒸発器の温度を検出する温度検出手段と、
前記低温側蒸発器を加熱する加熱手段と、
前記低温側蒸発器の霜取を行う際、前記高温側圧縮機を駆動して前記高温側サイクル装置を動作させつつ、前記開閉手段により閉止させて前記圧力検出手段の検出圧力が所定圧力以下になるまで前記低温側圧縮機を駆動させ、前記圧力検出手段の検出圧力が前記所定圧力以下になると、前記高温側サイクル装置の前記高温側圧縮機の駆動及び前記低温側圧縮機の駆動を両方停止させて、前記低温側蒸発器を前記加熱手段に加熱させ、また、前記温度検出手段の検出に係る温度が所定温度以上になると前記加熱手段の加熱を終了させる制御を行う制御手段と
を備えることを特徴とする冷凍装置。
前記制御手段は、
前記加熱手段の加熱中に前記圧力検出手段の検出に係る圧力が設定圧力以上になると、前記加熱手段の加熱を終了させることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
前記制御手段は、
前記加熱手段による加熱中に前記圧力検出手段の検出に係る圧力が設定圧力以上になると、前記高温側圧縮機を駆動させて前記高温側サイクル装置を動作させることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
前記制御手段は、前記加熱手段の加熱中に、前記温度検出手段の検出温度が、前記所定温度より低く、かつ０℃より高い設定温度以上であると判断すると、前記加熱手段の熱量を低減させるように制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍装置。