JP5705070B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒を循環させる冷媒回路を備えた冷却装置に関する。

冷凍・冷蔵庫（室）等に配置されるユニットクーラー等の冷却装置においては、装置の運転停止時や、運転中における冷却設定温度に達した後の冷媒循環停止時に、再起動時の圧縮機への液バックを防止するため、膨張弁上流に電磁弁を設け、圧縮機停止の事前に該電磁弁を閉め、該電磁弁下流から蒸発器を経て圧縮機までの冷媒流路中の冷媒を所定圧力（概ね大気圧程度）になるまで送出した後に圧縮機運転を停止する（ポンプダウン運転）。その後、再冷却運転時は前記電磁弁を開けることで、高圧の液冷媒が下流の膨張弁により低圧になり蒸発器内で気化することで熱交換を行う。

ところが、この電磁弁および電磁弁上流の冷媒配管の一部は、冷凍庫内（以下、庫内という）に配置されているため、該配管内の冷媒は低温（例えば−２５℃程度）の庫内の空気によって相当な低温に冷却された状態になる（過冷却が付き過ぎた状態で、液密度も高い）。この状態で該電磁弁を開けた際には、高圧かつ過冷却が付き過ぎた状態の液冷媒が低圧状態の電磁弁の下流に一気に流れ込み、膨張弁に衝突する所謂液ハンマー現象が助長されることになる。この液ハンマー現象は、衝撃音の発生や、膨張弁の破損といった不具合を生じさせる。

膨張弁の破損が生じると、冷凍サイクル中の膨張行程が正常に作動せず庫内の温度上昇を引き起こし、収容物の品質低下を招く恐れがある。また、液ハンマーによる衝撃により冷媒が衝突する際に非常に大きな異常音および異常振動が発生することにもなる。

また、その衝撃圧が接続配管に伝達され接続配管の疲労限界を超えることにより接続配管の折損を引き起こす可能性もある。接続配管が折損すると冷媒回路内の冷媒が庫内に放出され、冷媒回路内の冷媒が希薄な状態となり、庫内の温度上昇により収容物の品質低下を招く。また、冷蔵・冷凍倉庫は、外気の侵入を防止するため、比較的密閉性が高く設計されており、配管折損により冷媒配管内の冷媒が庫内に流れ込むことにより、庫内の酸素密度が低下する。庫内で作業している作業がいれば酸欠状態となり人命に関わる事故に繋がる恐れもある。また、冷媒回路内の冷媒が大気中に放出されると地球温暖化を促進してしまい、地球環境保護の観点からも非常に大きな影響がある。

近年、省エネを追求する目的やオゾン層破壊を防止する目的、また地球温暖化防止の目的から、Ｒ４１０Ａ・Ｒ４０４Ａ・Ｒ３２やＣＯ₂のように冷媒密度が高密度化されていく傾向がある。
液ハンマー現象による衝撃圧（液ハンマー圧力）は液冷媒の密度に比例して大きくなるため、上述のように冷媒の液冷媒の密度が高くなればなるほど衝撃圧力も大きくなる。このため、高密度冷媒になればなるほど液ハンマー現象が顕著になる傾向がある。例えば、Ｒ４０４ＡとＲ４１０Ａを比較した場合、Ｒ４１０Ａの衝撃圧はＲ４０４Ａに対し、約１．４倍の衝撃圧になる。このため機器の故障を招く衝撃圧や配管の折損まで発生する衝撃圧を発生させなくする必要がある。

上記のような液ハンマー現象を防止するため、従来の冷却装置においては、例えば、使用する膨張弁を電子制御式膨張弁とし、この電子膨張弁の下流側に電磁弁を配置するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また例えば、液ハンマー現象は液冷媒の密度に関係しており、液密度が高くなればなるほど衝撃圧も高くなる。このため衝撃圧を低下させるため液密度を低下させる制御を冷凍装置に組み込む方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また例えば、液密度を小さくするために電磁弁の上流側の配管にヒーターを巻き付け、電磁弁の上流の液冷媒を、電磁弁を開く事前に加熱することで、冷媒を気体と液体とが混在する二相分離状態にして液密度を低下させることで、冷媒の膨張弁への衝突圧を軽減するものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００８−２４１２３８号公報 特許第４４７６９４６号公報 特開平１１−３２５６５４号公報

上記特許文献１に記載の技術では、液ハンマー現象を軽減するために電子膨張弁を使用することで改善しようとしている。
しかし、電子式膨張弁は膨張弁の開度を変更するために制御基板が必要となる。膨張弁が配置される空間の温度が制御基板の許容温度範囲以内であれば問題ないが、冷凍・冷蔵倉庫はその温度が−２５℃以下である場合もあり、制御基板の設置場所として冷凍・冷蔵倉庫内への配置は不可能である。このため専用の制御基板用ボックスを電子式膨張弁近隣に配置する必要がある。専用ボックスを配置することによりボックス配置作業の増大、コストの増大を招く、という問題点があった。

また、上記特許文献２に記載の技術では、液密度を小さくするために過冷却運転を制限する制御を搭載する方法で液ハンマー現象を改善しようとしている。
しかし、過冷却運転を制限することで、液冷媒の過冷却を十分に取ることができず、消費電力低減および能力増大を犠牲にした運転を実施することになる。もし冷凍庫（室）内に多量の冷却負荷が投入された場合に能力を犠牲にした運転を実施していると庫内温度の上昇を引き起こし冷却物の品質低下を招くことになる。消費電力量低減を犠牲にすることにより省エネに反する運転を実施することになる、という問題点があった。

また、上記特許文献３に記載の技術では、運転停止中に常時、電気ヒーターにより冷媒を加熱することで、冷媒の温度を高くして液密度を低減させ液衝撃を改善しようとしている。
しかし、冷媒を、温度検知による制御が困難な二層分離域にまで過熱するため、温度制御しておらず、冷媒停止時に常時通電することで冷凍サイクル内でのエネルギーロスを生じさせる、という問題点があった。
また、過冷却が付かない冷媒を蒸発器に送り込むことになり冷却効果が低下する、という問題点があった。
さらに、一般的に膨張弁は液体の冷媒の流路を制御するものであるため、特に機械式膨張弁では二相分離した冷媒が通過すると正常な制御ができなくなる、という問題点があった。

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、開閉弁の上流側の冷媒を加熱する場合であっても、冷媒が二相状態となることを防止することができる冷却装置を得るものである。
また、液ハンマー現象による膨張手段への衝撃圧を低減することができる冷却装置を得るものである。
また、開閉弁の上流側の冷媒を加熱する場合であっても、冷却能力の低下を抑制することができる冷却装置を得るものである。

本発明に係る冷却装置は、被冷却設備を冷却する冷却装置であって、圧縮機、凝縮器、開閉弁、膨張手段、および蒸発器を順次、冷媒配管で接続し冷媒を循環させる冷媒回路と、前記開閉弁の上流側の冷媒配管に配置され、当該冷媒配管内の冷媒を加熱する加熱手段と、前記加熱手段により加熱された冷媒の温度を検知する温度検知手段と、前記開閉弁および前記加熱手段の動作を制御する制御手段と、前記被冷却設備内の空気の温度を検知する第２の温度検知手段とを備え、前記開閉弁、前記膨張手段、前記蒸発器、および前記加熱手段は、前記被冷却設備内に配置され、前記制御手段は、前記圧縮機が停止状態、かつ、前記開閉弁が閉状態の場合、前記温度検知手段の検知温度が、上限値を前記凝縮器における冷媒の飽和液温度以下とした所定範囲内の温度となるように、前記加熱手段を制御し、前記第２の温度検知手段の検知温度が所定温度以上となり、前記圧縮機が停止状態、かつ、前記開閉弁が閉状態の場合、前記加熱手段を動作させ、前記温度検知手段の検知温度が、前記所定範囲内の温度の場合、前記加熱手段を停止させるものである。

本発明は、開閉弁の上流側の冷媒を加熱する場合であっても、冷媒が二相状態となることを防止することができる。また、液ハンマー現象による膨張手段への衝撃圧を低減することができる。また、冷却能力の低下を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷却装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る冷却装置が配置された冷凍庫の例示図である。 本発明の実施の形態１に係るヒーターの設置範囲を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るヒーターおよび液管温度センサの設置例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る液管温度センサの設置例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクルのＰｈ線図を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る液ハンマー圧力と冷媒温度との関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るヒーター加熱動作を説明するＰｈ線図である。 本発明の実施の形態１に係るヒーター制御動作のフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る冷却装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態３に係る冷却装置が配置された冷凍庫の例示図である。

実施の形態１．
（全体構成）
図１は本発明の実施の形態１に係る冷却装置の冷媒回路図である。
図１に示すように、本実施の形態における冷却装置は、ユニットクーラー１０と、室外機２０と、このユニットクーラー１０と室外機２０とを接続する液冷媒配管３０およびガス冷媒配管４０とを備えている。
なお、「ユニットクーラー１０」は、本発明における「負荷側ユニット」に相当する。
なお、「室外機２０」は、本発明における「熱源側ユニット」に相当する。

室外機２０は、圧縮機１を備えている。圧縮機１の吐出側には凝縮器２が配管で接続され、冷媒回路の一部を構成している。また、凝縮器２の近傍には送風機２１が設けられている。
圧縮機１は、運転容量を可変することが可能な圧縮機であり、例えば、インバータにより制御されるモータによって駆動される容積式圧縮機から構成されている。
凝縮器２は、例えば伝熱管と多数のフィンにより構成されたフィン＆チューブ型熱交換器により構成される。
送風機２１は、ファンモータ等により駆動され、モータ回転数を変化させることにより風量を調整し、送風量を調整することが可能になっている。

ユニットクーラー１０は、電磁弁３、膨張弁４、蒸発器５を備えている。ユニットクーラー１０に接続される液冷媒配管３０からガス冷媒配管４０へと順に、電磁弁３、膨張弁４、蒸発器５が直列に接続され、冷媒回路の一部を構成している。蒸発器５の近傍には送風機１１が設けられている。
また、電磁弁３の上流側の液冷媒配管３０に配置され、当該液冷媒配管３０内の冷媒を加熱するヒーター７が設けられている。
なお、「電磁弁３」は、本発明における「開閉弁」に相当する。
なお、「膨張弁４」は、本発明における「膨張手段」に相当する。
なお、「ヒーター７」は、本発明における「加熱手段」に相当する。

また、ユニットクーラー１０には、液管温度センサ６、庫内温度センサ８が設けられている。
液管温度センサ６は電磁弁３と凝縮器２との間に設けられ、冷媒温度を計測する。
庫内温度センサ８はユニットクーラー１０内に設けられ、蒸発器５が冷媒と熱交換する庫内空気の温度（以下、庫内温度という）を計測する。
なお、「液管温度センサ６」は、本発明における「温度検知手段」に相当する。
なお、「庫内温度センサ８」は、本発明における「第２の温度検知手段」に相当する。

膨張弁４は、例えば温度自動膨張弁や定圧膨張弁など、弁の開閉を機械的な作用により行う機械式膨張弁により構成され、冷媒を減圧して膨張させるものである。
蒸発器５は、例えば伝熱管と多数のフィンにより構成されたフィン＆チューブ型熱交換器により構成される。
送風機１１は、ファンモータ等により駆動され、モータ回転数を変化させることにより風量を調整し、送風量を調整することが可能になっている。

本実施の形態における冷媒回路を循環する冷媒としては、例えば、フロン冷媒（Ｒ４０４Ａ・Ｒ４１０Ａなど）や自然冷媒（ＣＯ₂、ＮＨ₃）などの冷媒が用いられる。

制御装置１００は、例えばマイクロコンピュータで構成され、室外機２０内に配置されている。
この制御装置１００には、液管温度センサ６、庫内温度センサ８による計測情報が入力される。また、制御装置１００には、圧縮機１の吐出側の冷媒圧力を計測する高圧圧力センサ（図示せず）や、吸入側の冷媒圧力を計測する低圧圧力センサ（図示せず）、過冷却度を検出するために凝縮器２の出口側温度を計測する温度センサ（図示せず）など、冷凍サイクルの運転制御に必要な各種の計測情報が入力される。
制御装置１００は、各センサから入力された計測情報や制御装置１００から受信した各種データ、図示しない操作装置から使用者により指示された運転内容（運転モード、設定温度等）などに基づいて、圧縮機１の運転周波数、送風機２１の回転数（凝縮器２の熱交換容量）、送風機１１の回転数（蒸発器５の熱交換容量）、電磁弁３の開閉状態などを制御する。また、制御装置１００は、圧縮機１の運転停止時に、ヒーター７の制御を行う。詳細は後述する。
なお、「制御装置１００」は、本発明における「制御手段」に相当する。

図２は本発明の実施の形態１に係る冷却装置が配置された冷凍庫の例示図である。
図２に示すように、ユニットクーラー１０は、被冷却設備としての冷凍庫５０の内部に配置される。
ユニットクーラー１０内の蒸発器５にて、低温低圧となった冷媒と冷凍庫５０内の空気とを熱交換することにより、冷凍庫５０内の空気を冷却する。運転動作の詳細は後述する。
なお、本実施の形態では、被冷却設備として、庫内を氷点下以下に冷却される冷凍庫５０の場合を説明するが、本発明はこれに限るものではなく、氷点以上の低温（例えば５℃）の温度に冷却される冷蔵庫を被冷却設備としても良い。また、冷凍倉庫（冷凍室）や冷蔵倉庫（冷蔵室）などの被冷却空間が比較的大きな被冷却設備としても良い。

（ヒーター７の設置位置）
図３は本発明の実施の形態１に係るヒーターの設置範囲を示す図である。
図３に示すように、液冷媒配管３０は、例えば冷凍庫５０に形成された開口（図示せず）を通って、ユニットクーラー１０の背面側から電磁弁３と接続される。
ヒーター７は、電磁弁３の上流側の液冷媒配管３０のうち、ユニットクーラー１０内の液冷媒配管３０に配置される。図３の例では、ユニットクーラー１０内でＬ字状に折曲した液冷媒配管３０（７００ｍｍ）のうち、直線部分が長い横手部分（５００ｍｍ）をヒーター設置範囲としている。このように、ユニットクーラー１０内で液冷媒配管３０が折曲している場合には、ヒーター設置範囲を液冷媒配管３０の直線部分となるようにする。これにより、ヒーター７の設置時の施工を容易とすることができる。
なお、ヒーター７の設置範囲はこれに限るものではなく、電磁弁３の上流側の液冷媒配管３０のうち、ユニットクーラー１０内の液冷媒配管３０の全ての範囲に配置しても良い。

（ヒーター７、液管温度センサ６の詳細）
図４は本発明の実施の形態１に係るヒーターおよび液管温度センサの設置例を示す図である。
図４（ａ）に示すように、液冷媒配管３０の周囲には断熱材３１が設けられている。
ヒーター７、および液管温度センサ６は、この断熱材３１よりも液冷媒配管３０側（液冷媒配管３０の外周表面）に配置される。これにより、ヒーター７からの熱が断熱材３１により遮断されることがなく、また、液管温度センサ６による冷媒温度の計測を精度良く行うことができる。
ヒーター７は、例えば、液冷媒配管３０の外形に対応する断面円弧状に形成され、液冷媒配管３０の長手方向に沿って配置される。ヒーター７は、例えば電熱ヒーター（アルミヒーター等）により構成され、ケーブル７ａを介して電力が供給されることで発熱する。

液管温度センサ６は、液冷媒配管３０のヒーター設置範囲に配置されている。例えば図４に示すように、液冷媒配管３０の表面のうち、ヒーター７と対向する部分に配置される。このように、ヒーター設置範囲に液管温度センサ６を配置することで、ヒーター７により加熱された冷媒の温度を液管温度センサ６により計測する。また、液管温度センサ６をヒーター７と対向する位置に配置することで、ヒーター７からの熱が直接、液管温度センサ６に伝わることを抑制して精度良く冷媒温度を検知することができる。

図４（ｂ）に示すように、液管温度センサ６は、例えばサーミスタにより構成され、液冷媒配管３０の外周表面に溶接等により接続された円筒状の銅チューブ３２の内部に挿入されて設置される。このように、熱伝導率が高い銅製の銅チューブ３２を液冷媒配管３０に溶接して設けることで、液管温度センサ６を容易に設置可能とするとともに、配管内の冷媒温度を精度良く計測することができる。

なお、上記図４の例では、液管温度センサ６をサーミスタで構成し、銅チューブ３２内に挿入することで設置したが、本発明はこれに限るものではない。例えば図５に示すように、液冷媒配管３０に、例えば銅製の平板３３を溶接し、ここに温度検知手段としてのサーモスタット６ａをボルト止めしても良い。

（運転動作）
次に、冷却装置の運転動作について説明する。
図６は本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクルのＰｈ線図を示す図である。
以下、図６を参照しつつ、冷凍庫５０内の温度を所定の目標温度に冷却する冷却運転の動作について説明する。
なお、図６は、４１０Ａ冷媒で高圧圧力が２．３ＭＰａ、低圧圧力が０．１５ＭＰａ、凝縮器２における冷媒の飽和温度（凝縮温度）が４０℃、通常運転時に過冷却度を５Ｋに設定する場合を示している。なお、各数値は一例であり、これに限定されるものではない。
なお、冷凍庫５０内の目標温度は、例えば、アイスクリームなどの冷凍食品を冷やす倉庫の場合、−２５℃以下に保たれることが多い。また、牛乳や乳製品を保管する場合には、５℃前後に倉庫内を保つことが多い。なお、目標温度は冷却する内容物によって変えられるものである。

制御装置１００は、庫内温度センサ８により冷凍庫５０内の温度を検知し、冷凍庫５０内の温度が目標温度を上回ると、電磁弁３を開状態とし、圧縮機１を駆動する。圧縮機１を駆動すると、高温、高圧のガス冷媒が圧縮機１から吐出される（図６の点Ａ）。圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、凝縮器２へ流入し、凝縮器２で周囲室外空気と熱交換し、凝縮・液化し、高圧低温の冷媒となる（図６の点Ｂ、点Ｃ）。この高圧低温の冷媒は、例えば、飽和温度に対して５Ｋ程度の過冷却が付くように、圧縮機１や送風機２１の運転が制御される（図６の点Ｃ）。
凝縮器２を流出した高圧低温の液冷媒は、液冷媒配管３０に供給される。液冷媒配管３０を通った液冷媒は、ユニットクーラー１０内に入り、膨張弁４で低圧に絞られ低圧低乾き度の気液二相冷媒となり（図６の点Ｄ）、蒸発器５で周囲庫内空気と熱交換し、蒸発・気化して冷房を行う（図６の点Ｅ）。
蒸発器５を流出したガス冷媒は、ガス冷媒配管４０を導通し圧縮機１に吸入され、高温、高圧のガス冷媒として圧縮機１から吐出される（図６の点Ａ）。
このような冷房運転により、庫内温度は徐々に低下して目標温度に近づくこととなる。

冷凍庫５０内の温度が目標温度を下回ると、制御装置１００は、電磁弁３を閉状態とする。電磁弁３は、制御装置１００からの制御信号により動作し、液冷媒配管３０の冷媒流路を遮り冷媒を遮断する。
その後、圧縮機１の吸入圧が所定の低圧圧力になると、制御装置１００は、圧縮機１へ、運転を停止する制御信号を送り、圧縮機１が停止することで冷却運転が停止する。

電磁弁３により冷媒が遮断され、圧縮機１が停止することで冷却運転が停止すると、冷凍庫５０内の温度は少しずつ上昇していく。
冷凍庫５０内の温度がある一定値以上上昇（例えば３℃〜５℃上昇）すると、再び、電磁弁３を開状態とし、圧縮機１を駆動して、上述した動作を繰り返す。

（液ハンマー現象）
次に、上記のような冷却運転において、電磁弁３の開による液ハンマー現象について説明する。

冷媒回路が遮断されている間、電磁弁３の上流の液冷媒配管３０の冷媒は、一部、冷凍庫５０内部にあるため、冷凍庫５０内部の温度と同じ温度（例えば−２５℃）前後まで冷却される場合がある。
電磁弁３の上流の冷媒は高圧冷媒であり、通常運転時は高圧圧力の飽和温度に対して５Ｋ程度の過冷却が付いた状態である。
しかし、上記のように冷凍庫５０内の温度とほぼ同じ温度に冷却された高圧液冷媒は、通常運転時よりも過冷却度が大きくなる。例えば、冷媒の高圧飽和温度が４０℃前後とすると、−２５℃に冷却された冷媒には、６５Ｋもの過冷却が付いた状態となる。
例えば、Ｒ４１０Ａ冷媒で高圧圧力２．３ＭＰａ（飽和温度が約４０℃）の場合、液温度が３５℃での液密度は１００７ｋｇ／ｍ³であるのに対し、−２５℃の密度は、１２６９ｋｇ／ｍ³と、３５℃の状態に対し、２６％も高密度となる。

電磁弁３が開にされると、このような高密度な冷媒が、電磁弁３から冷媒流路に一気に流れ込む。そして、この高密度の冷媒は膨張弁４に流れ込み、ここで堰き止められることで液ハンマー現象が発生する。

膨張弁４に流れ込んだ冷媒は、行き場がなくなり急激に流れを塞ぎ止められた状態となり、非常に大きな衝撃圧を発生する。一般的に膨張弁４などは、例えば７ＭＰａを超える衝撃圧を繰り返し加えることで破壊する可能性がある。
上記の通り、庫内温度が目標温度未満の状態となり、電磁弁３閉塞、目標温度以上になり開弁する回数は、例えば１時間に４〜６回あり、製品の寿命である１０年間では３５万回〜５３万回にも達する。
このような高い衝撃圧力を繰り返し加えられることにより、膨張弁４は大きな損傷を受け、最終的には機器が正常に動作せず、冷凍サイクル中の膨張行程が正常に動作せず、冷蔵庫の温度上昇を引き起こし、収容物の品質低下を招く恐れがある。
また、液ハンマー現象による非常に大きな衝撃により、冷媒が衝突する際に非常に大きな異常音および異常振動が発生することにもなる。

（液ハンマー圧力と温度の関係）
このような液ハンマー現象により生じる液ハンマー圧力には、以下の関係がある。
ΔＰ＝ρ・Ｖ・Ｃ
ここで、ΔＰは、液ハンマー圧力である。ρは、液密度である。Ｖは、冷媒移動速度である。Ｃは、音速である。
液密度ρは、冷媒の温度と圧力とにより変化する。冷媒の温度が上昇する程、液密度は低下する。また、圧力が上昇すると冷媒の温度が上昇するため、液密度は低下する。

図７は本発明の実施の形態１に係る液ハンマー圧力と冷媒温度との関係の一例を示す図である。
図７の例では、Ｒ４１０Ａ冷媒で高圧圧力２．３ＭＰａにおける冷媒温度と、液ハンマー圧力との関係を示している。
図７に示すように、冷媒温度が上昇するのに従い液ハンマー圧力は低下する。例えば、冷媒温度が３０℃を超える温度では、液ハンマー圧力は膨張弁４の破壊限界である７ＭＰａを下回る。なお、これらの数値は一例であり、電磁弁３上流の配管長さと配管内径（冷媒量）により変動するものである。
このように、液ハンマー現象により生じる液ハンマー圧力は、冷媒を加熱して冷媒温度を上昇させることで、低下させることができる。

（冷媒を加熱し過ぎることの問題点）
上記のように冷媒の温度を上昇させることで、液ハンマー圧力を低減するが、冷媒を加熱すると次のような問題点がある。
低温高圧の液相冷媒（過冷却状態）を加熱すると、冷媒は加熱に応じ温度上昇し、当該条件化での飽和液線を越えると二層分離が始まり（沸騰状態）、この状態では冷媒の温度上昇が無くなる。このため、温度検出だけでは変化が無いので冷媒のエンタルピー（換算）を検知することが困難になる。
このように、二相状態の冷媒にまで冷媒を加熱することは、温度検出による加熱制御ができず、無駄な加熱を行うことになり、冷凍サイクル内でのエネルギーロスを生じさせる。
また、加熱し過ぎるとヒーター７付近の冷媒の気化度が過剰になり、衝撃吸収の効果が低下する。
さらに、一般的に膨張弁４は液体の冷媒の流路を制御するものであるため、特に機械式膨張弁では二相分離した冷媒が通過すると正常な制御ができなくなる。

以上のことから、本実施の形態においては、電磁弁３の上流側の冷媒温度が、上限値を凝縮器２における冷媒の飽和温度（飽和液線）以下とした所定範囲内の温度となるように、ヒーター７を制御する。
また、所定範囲の下限値は、電磁弁３を開状態にした際に、膨張弁４に生じる液ハンマー現象による衝撃圧（液ハンマー圧力）が、所定値（膨張弁４の破壊限界値）以下となる温度（例えば３０℃）に設定する。
このような本実施の形態におけるヒーター７の加熱動作について、図８により説明する。

（ヒーター７の加熱動作）
図８は本発明の実施の形態１に係るヒーター加熱動作を説明するＰｈ線図である。
図８（ａ）は液冷媒が庫内温度まで冷却された状態を示し、図８（ｂ）はヒーター７による加熱を示している。
なお、図８は、４１０Ａ冷媒で高圧圧力が２．３ＭＰａ、低圧圧力が０．１５ＭＰａ、凝縮器２における冷媒の飽和温度（凝縮温度）が４０℃、通常運転時に過冷却度を５Ｋに設定する場合を示している。なお、各数値は一例であり、これに限定されるものではない。

図８（ａ）に示すように、冷凍庫５０内の温度とほぼ同じ温度（−２５℃）に冷却された高圧液冷媒（図８（ａ）の点Ｃ’）には、過冷却度が６５Ｋ付いた状態となる。この状態で冷却装置を運転すると、冷凍サイクルの蒸発工程において、十分に蒸発・気化ができず、二相冷媒が蒸発器５から流出する。このような二相冷媒の流出は、圧縮機１への液バックが生じる場合がある。また、例えばアキュムレータ（図示せず）を設けて液バックを防止する場合であっても、その容量を大きくする必要が生じる。さらに、圧縮機１から吐出される、高温高圧のガス冷媒のエンタルピーが減少し、効率（ＣＯＰ）が低下することになる。

図８（ｂ）に示すように、本実施の形態では、ヒーター７を動作させることで、所定範囲内の温度（３０℃以上４０℃未満）として、例えば過冷却度が５Ｋとなる、冷媒温度（３５℃）となるように加熱する。
このような加熱により、冷媒を液相状態に維持しつつ、液ハンマー圧力が所定値（膨張弁４の衝撃限界値）以下とすることができる。また、過冷却度を適切に設定することで、運転効率の低下を抑制することができる。また、アキュムレータを設けることなく、またはアキュムレータの容量を増加させることなく、液バックを防止できる。

次に、ヒーター７の制御動作の詳細を図９により説明する。

図９は本発明の実施の形態１に係るヒーター制御動作のフローチャートである。
以下、図９の各ステップに基づき説明する。
（Ｓ１）
制御装置１００は、庫内温度センサ８の検知温度（庫内温度）が所定温度以上となり、圧縮機１が停止状態、かつ、電磁弁３が閉状態であるか否かを判断する。制御装置１００は、当該条件を満たすまで、ステップＳ１の判断を繰り返す。
ここで、所定温度としては、後述する所定範囲の下限値より低い温度（例えば、−２５℃）に設定する。

（Ｓ２）
上記ステップＳ１の条件を満たす場合、制御装置１００は、液管温度センサ６の検知温度が、所定範囲内の温度であるか否かを判断する。
この所定範囲の上限値は、凝縮器２における冷媒の飽和温度（飽和液線）以下の値とする。例えば、Ｒ４１０Ａ冷媒で高圧圧力２．３ＭＰａの場合、飽和温度である４０℃を上限値とする。
また、所定範囲の下限値は、電磁弁３を開状態にした際に、膨張弁４に生じる液ハンマー現象による衝撃圧（液ハンマー圧力ΔＰ）が、所定値未満となる値とする。例えば、膨張弁４の破壊限界が７ＭＰａの場合、液ハンマー圧力ΔＰが７ＭＰａとなる温度である３０℃を下限値とする。なお、これらの数値は一例であり、電磁弁３上流の配管長さと配管内径（冷媒量）により変動するものである。

（Ｓ３）
液管温度センサ６の検知温度が、所定範囲内の温度でない場合、制御装置１００は、電磁弁３を開禁止状態とする。
この開禁止状態とは、上述した冷却運転動作において、冷凍庫５０内の温度が目標温度を上回り、冷却運転を開始する必要が生じた場合であっても、電磁弁３を開とする動作を禁止する状態である。つまり、電磁弁３の上流の冷媒温度が所定範囲内でない場合には、電磁弁３を開にする動作が猶予される。

（Ｓ４）
制御装置１００は、ヒーター７を動作させ、電磁弁３上流側の液冷媒配管３０内の冷媒の加熱を開始し、上記ステップＳ１に戻る。
なお、この加熱動作においては、上述したように、冷媒に所定の過冷却度（５Ｋ）が付くように、ヒーター７をオン／オフするフィードバック制御を行うようにしても良い。つまり、制御装置１００は、液管温度センサ６で検知される冷媒の温度が所定温度（３５℃）となるように、ヒーター７をオン／オフ制御するようにしても良い。

（Ｓ５）
一方、液管温度センサ６の検知温度が、所定範囲内の温度の場合、制御装置１００は、電磁弁３を開可能状態とする。
この開可能状態とは、上述した冷却運転動作において、冷凍庫５０内の温度が目標温度を上回り、冷却運転を開始する必要が生じた場合、電磁弁３を開とする動作を可能とする状態である。つまり、電磁弁３の上流の冷媒温度が所定範囲内の場合には、電磁弁３を開にする動作が実行される。

（Ｓ６）
制御装置１００は、ヒーター７の動作を停止させ、上記ステップＳ１に戻る。
以降、上述した動作が繰り返し実行される。

なお、上記の動作では、ステップＳ１において、庫内温度センサ８の検知温度が所定温度以上となることを条件としたが、本発明はこれに限るものではない。上記ステップＳ１において、圧縮機１が停止状態、かつ、電磁弁３が閉状態の場合、条件を満たすとしてステップＳ２に進むようにしても良い。このように、庫内温度によらず、圧縮機１が停止中に電磁弁３が閉状態となった場合には、冷媒温度を所定範囲の温度となるようにヒーター７を制御するようにしても良い。

（効果）
以上のように本実施の形態においては、圧縮機１が停止状態、かつ、電磁弁３が閉状態の場合、液管温度センサ６の検知温度が、上限値を凝縮器２における冷媒の飽和温度以下とした所定範囲内の温度となるように、ヒーター７を制御する。
このため、電磁弁３の上流側の冷媒を加熱する場合であっても、冷媒が二相状態となることを防止することができる。よって、冷媒の状態を温度によって検知できる顕熱上昇の範囲で加熱制御を行うことができる。
したがって、ヒーター７の加熱による液冷媒の過冷却ロスが防止でき、冷凍サイクル内でのエネルギーロスを抑制することができ、冷却能力の低下を抑制できる。これにより、冷凍庫５０内の冷却物の品質低下も防止できる。
また、ヒーター７付近の冷媒の気化度が過剰になることがなく、液ハンマー現象の低減効果の低減を防止することができる。
また、ヒーター７を常時通電する必要がなく、ヒーター７の消費電力低減による省エネに貢献できる。

また、冷媒に所定の過冷却度（５Ｋ）が付くように、ヒーター７を制御する。
このため、適切な過冷却度の冷媒を蒸発器５に送り込めることで効率の低下を軽減することができる。また、アキュムレータを設けることなく、またはアキュームレーター容量を増すことなく液バックを防止することができる。

また本実施の形態においては、所定範囲の下限値は、電磁弁３を開状態にした際に、膨張弁４に生じる液ハンマー現象による衝撃圧が、所定値未満となる温度である。
これにより、液ハンマー現象による膨張弁４への衝撃圧を低減することができ、液ハンマー現象による膨張弁４の破壊、劣化などを抑制することができる。
また、液ハンマー圧力を、膨張弁４の破壊限界未満に抑えることができる。

また本実施の形態においては、膨張弁４は、弁の開閉を機械的な作用により行う機械式膨張弁により構成されている。そして、この膨張弁４には、液相状態の冷媒が流通するようにヒーター７が制御される。
このため、膨張弁４を気相冷媒（二相冷媒）が通過することを抑制し、膨張弁４の異常動作（誤動作）を防止することができる。

なお、本実施の形態においては、上記ステップＳ１で庫内温度が所定温度以上であることを検出した後、冷媒温度が所定範囲にない場合、ヒーター７への通電の制御が開始されるが、本発明はこれに限るものではない。
庫内温度が所定温度を検出した後、冷媒温度が所定範囲内に到達するまでの温度（昇温時間）は、出来るだけ短時間であることが好ましい。
そのために、例えば、庫内温度センサ８により検知された庫内温度に基づき、または、庫内温度の温度変化を基に、庫内温度が所定温度に達する時間を予測し、庫内温度センサ８の検知温度が所定温度に達する事前に、予めヒーター７の通電を開始しても良い。

また、ヒーター７により加熱された冷媒から、冷凍庫５０外に配置された液冷媒配管３０内の冷媒への熱移動による損失を抑えるために、液冷媒配管３０のヒーター設置範囲よりも上流部に、逆止弁などを設けても良い。

実施の形態２．
図１０は本発明の実施の形態２に係る冷却装置の冷媒回路図である。
図１０に示すように、本実施の形態においては、上記実施の形態１の構成（図１）に加え、本実施の形態３の冷媒回路においては、電磁弁３の上流側の液冷媒配管３０に、ヒーター７により加熱された冷媒の圧力を検知する圧力センサ１２を設けている。
なお、その他の構成は上記実施の形態１と同様であり、同一部分には同一の符号を付する。

上述したように、液ハンマー圧力ΔＰは、液密度ρに比例する。そして、液密度ρは、冷媒の温度と圧力とに依存する。
本実施の形態においては、制御装置１００は、液管温度センサ６、および圧力センサ１２の検知結果に基づき、冷媒の液密度ρを求める。例えば予め、使用する冷媒種における温度および圧力と液密度との関係テーブルを記憶させておき、このテーブルを参照することで液密度ρを求める。
そして、上記実施の形態１のヒーター７の加熱動作に加え、この液密度ρにより算出した液ハンマー圧力ΔＰが、膨張弁４の破壊限界を超えないように、ヒーター７の動作を制御する。
また、液密度ρにより算出した液ハンマー圧力ΔＰが、膨張弁４の破壊限界を超える場合には、電磁弁３を開禁止状態とする。

このような動作により、上記実施の形態１の効果に加え、より精度良く、液ハンマー圧力ΔＰが膨張弁４の破壊限界を超える冷媒状態を検知することができ、液ハンマー現象による膨張弁４の破壊、劣化などを抑制することができる。

実施の形態３．
本実施の形態３においては、ユニットクーラー１０と室外機２０とを接続する液冷媒配管３０が冷凍庫５０内に配置される形態について説明する。

図１１は本発明の実施の形態３に係る冷却装置が配置された冷凍庫の例示図である。
図１１に示すように、冷凍庫５０は、その施設条件によって必ずしも好適な位置にユニットクーラー１０を設置ができない場合がある。この場合、冷凍庫５０内に液冷媒配管３０およびガス冷媒配管４０を長く取り回さざるを得ないことがある。
このような場合、電磁弁３の上流側の液冷媒配管３０のうち、冷凍庫５０内に配置される液冷媒配管３０の部分に、冷媒を加熱する第２のヒーター９を設ける。

第２のヒーター９は、例えば、電熱線を液冷媒配管３０に巻き付けて配置され、単位体積あたりの発熱量（ワット密度）が、ヒーター７と略同等に構成されている。
なお、第２のヒーター９により加熱された冷媒の温度を計測するセンサ等は設ける必要はない。

なお、「第２のヒーター９」は、本発明における「第２の加熱手段」に相当する。
なお、その他の構成は上記実施の形態１と同様であり、同一部分には同一の符号を付する。

このような構成により、本実施の形態における制御装置１００は、第２のヒーター９の動作状態を、ヒーター７の動作状態と同一となるように制御（並列制御）する。すなわち、ヒーター７がオン状態のとき、第２のヒーター９もオン状態とし、ヒーター７がオフ状態のとき、第２のヒーター９もオフ状態とする。

以上のように本実施の形態においては、ユニットクーラー１０と室外機２０とを接続する液冷媒配管３０が冷凍庫５０内に配置される場合であっても、第２のヒーター９により冷媒を加熱することができ、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、単位体積あたりの発熱量（ワット密度）が、ヒーター７と略同等に構成された第２のヒーター９の動作状態を、ヒーター７の動作状態と同一となるように制御するので、第２のヒーター９により加熱された冷媒の温度を計測することなく、冷媒温度を所定範囲内の温度とすることができる。よって、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

１ 圧縮機、２ 凝縮器、３ 電磁弁、４ 膨張弁、５ 蒸発器、６ 液管温度センサ、６ａ サーモスタット、７ ヒーター、７ａ ケーブル、８ 庫内温度センサ、９ 第２のヒーター、１０ ユニットクーラー、１１ 送風機、１２ 圧力センサ、２０ 室外機、２１ 送風機、３０ 液冷媒配管、３１ 断熱材、３２ 銅チューブ、３３ 平板、４０ ガス冷媒配管、５０ 冷凍庫、１００ 制御装置。

Claims (7)

1. 被冷却設備を冷却する冷却装置であって、
   圧縮機、凝縮器、開閉弁、膨張手段、および蒸発器を順次、冷媒配管で接続し冷媒を循環させる冷媒回路と、
   前記開閉弁の上流側の冷媒配管に配置され、当該冷媒配管内の冷媒を加熱する加熱手段と、
   前記加熱手段により加熱された冷媒の温度を検知する温度検知手段と、
   前記開閉弁および前記加熱手段の動作を制御する制御手段と、
   前記被冷却設備内の空気の温度を検知する第２の温度検知手段と
   を備え、
   前記開閉弁、前記膨張手段、前記蒸発器、および前記加熱手段は、前記被冷却設備内に配置され、
   前記制御手段は、
   前記圧縮機が停止状態、かつ、前記開閉弁が閉状態の場合、
   前記温度検知手段の検知温度が、上限値を前記凝縮器における冷媒の飽和液温度以下とした所定範囲内の温度となるように、前記加熱手段を制御し、
   前記第２の温度検知手段の検知温度が所定温度以上となり、前記圧縮機が停止状態、かつ、前記開閉弁が閉状態の場合、前記加熱手段を動作させ、
   前記温度検知手段の検知温度が、前記所定範囲内の温度の場合、前記加熱手段を停止させる
   ことを特徴とする冷却装置。
2. 被冷却設備を冷却する冷却装置であって、
   圧縮機、凝縮器、開閉弁、膨張手段、および蒸発器を順次、冷媒配管で接続し冷媒を循環させる冷媒回路と、
   前記開閉弁の上流側の冷媒配管に配置され、当該冷媒配管内の冷媒を加熱する加熱手段と、
   前記加熱手段により加熱された冷媒の温度を検知する温度検知手段と、
   前記開閉弁および前記加熱手段の動作を制御する制御手段と、
   前記被冷却設備内の空気の温度を検知する第２の温度検知手段と
   を備え、
   前記開閉弁、前記膨張手段、前記蒸発器、および前記加熱手段は、前記被冷却設備内に配置され、
   前記制御手段は、
   前記圧縮機が停止状態、かつ、前記開閉弁が閉状態の場合、
   前記温度検知手段の検知温度が、上限値を前記凝縮器における冷媒の飽和液温度以下とした所定範囲内の温度となるように、前記加熱手段を制御し、
   前記第２の温度検知手段の検知温度が所定温度以上となり、前記圧縮機が停止状態、かつ、前記開閉弁が閉状態の場合、前記加熱手段を動作させ、
   前記温度検知手段の検知温度が、前記所定範囲内の温度の場合、前記加熱手段を停止させ、前記開閉弁を開状態にし、前記圧縮機の運転を開始させる
   ことを特徴とする冷却装置。
3. 前記所定範囲の下限値は、
   前記開閉弁を開状態にした際に、前記膨張手段に生じる液ハンマー現象による衝撃圧が、所定値以下となる温度である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
4. 前記制御手段は、
   前記温度検知手段の検知温度が、前記所定範囲内の温度でない場合、前記開閉弁を開状態にする動作を禁止し、
   前記温度検知手段の検知温度が、前記所定範囲内の温度の場合、前記開閉弁を開状態にする動作を可能とする
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の冷却装置。
5. 前記開閉弁、前記膨張手段、および前記蒸発器は、前記被冷却設備内に配置される負荷側ユニットに設けられ、
   前記圧縮機、および前記凝縮器は、前記被冷却設備外に配置される熱源側ユニットに設けられ、
   前記負荷側ユニットと前記熱源側ユニットとが、前記冷媒回路を構成する冷媒配管により接続され、
   前記加熱手段は、前記開閉弁の上流側の冷媒配管のうち、前記負荷側ユニット内の冷媒配管に配置され、
   前記開閉弁の上流側の冷媒配管のうち、前記負荷側ユニットと前記熱源側ユニットとを接続する冷媒配管であって、前記被冷却設備内に配置される冷媒配管に、当該冷媒配管内の冷媒を加熱する第２の加熱手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の冷却装置。
6. 前記第２の加熱手段は、単位体積あたりの発熱量が、前記加熱手段と略同等に構成され、
   前記制御手段は、
   前記第２の加熱手段の動作状態を、前記加熱手段の動作状態と同一となるように制御する
   ことを特徴とする請求項５記載の冷却装置。
7. 前記膨張手段は、
   弁の開閉を機械的な作用により行う機械式膨張弁により構成された
   ことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の冷却装置。

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