JP5769397B2 - 冷凍方法及び冷凍設備 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍庫で被冷凍品を冷凍保管する冷凍設備で、デフロスト操作時等の運転効率低下を抑制し、全体として運転効率を大きく向上可能にした冷凍方法及び冷凍設備に関する。

被冷凍品を冷凍保管する冷凍庫の外部には、冷凍サイクルを構成する冷凍機が設けられ、冷凍庫の内部には、熱交換器（冷却器）が配設され、冷凍機と冷却器とを接続する冷媒配管が設けられている。冷凍機から低温冷媒が冷却器に送られ、低温冷媒と庫内空気とを熱交換させ、庫内空気を冷却している。従来は、冷凍倉庫などの大空間に大容量の熱交換器が一基又は数基設置される方式が多く、この方式では、冷風形成及び庫内温度の均一化のため、大風量のファンが稼動されている。

一般に、冷凍庫内に存在する水蒸気は、大部分出入口の開閉による外気侵入に起因している。この水蒸気が冷凍時間の経過と共に、熱交換器伝熱面への霜付きとなる。そのため、定期的な霜の除去が必要となり、冷凍運転を中断して、熱交換器伝熱面に散水して霜を溶かす方式や、熱交換器伝熱面をヒーター等で着霜を加熱して溶かす方式の加熱・除霜（デフロスト操作）が行なわれる。
特許文献１には、散水方式を用いたデフロスト装置が開示されており、特許文献２には、ヒーターによる加熱方式のデフロスト装置が開示されている。

また、熱交換効率が良く、コンパクトで低コストな熱交換器として、いわゆる「マイクロチャンネル熱交換器」と称される熱交換器が知られている。この熱交換器は、複数の微小冷媒流路が形成された扁平管を使用した熱交換器である。この熱交換器の構成例が特許文献３及び特許文献４に開示されている。以下、特許文献４に開示されたこの熱交換器の一構成例を図１１及び図１２により説明する。

図１１及び図１２に示すように、この熱交換器２００は、左右一対のヘッダー２０２及び２０４間に、多数本の扁平チューブ２０６を架設連通し、隣接する扁平チューブ２０６，２０６間に、蛇行状に曲折したフィン２０８を配置してなるものである。ヘッダー２０２、２０４内を長さ方向の適宜位置で仕切部材２１０で仕切ることにより、一方のヘッダー２０２の上端の冷媒入口２１２から他方のヘッダー２０４の下端の冷媒出口２１４に亘って、多数本の扁平チューブ２０６が冷媒流路を形成している。

図１２に示すように、扁平チューブ２０６は、周壁２１６が断面長円形で、内部空間は断面長辺方向に複数の仕切壁２１８で仕切られ、複数の微小径冷媒通路ｒを形成している。伝熱媒体である空気がフィン２０６間を通るときに、冷媒と熱交換される。空気と冷媒との間で、広い伝熱面積を有することにより、熱交換効率を向上できる。
マイクロチャンネル熱交換器は、車両用ラジエータやカーエアコン用凝縮器等として広く使用されている。

特開２００８−１７５４６８号公報 特開２００８−７５９６３号公報 特開平２−８４２５２号公報 特開平４−２０７９１号公報

従来の冷凍設備では、大容量の熱交換器や大風量のファンを設けていたため、建設コストや運転コストが高くなると共に、大きな動力を要する運転のため、運転効率が低下していた。
また、デフロスト操作時に、ヒーターの稼動等によって庫内温度が上昇するため、運転効率が低下していた。散水方式のデフロストは、散水や霜の溶解水が水蒸気又はミストの状態で冷凍庫内に再拡散するため、運転効率の低下につながるデフロスト操作を頻繁に行なう必要が生じるという問題がある。

従来は、冷凍庫内の低温維持を主目的とした冷凍設備であったため、冷凍庫内の水蒸気の挙動に着目していない。そのため、頻繁にデフロスト運転を要する非効率な冷凍システムとなっていた。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、冷凍庫内を０℃以下の雰囲気に保持して、被冷凍品を冷凍保管する冷凍設備において、建設コスト及び運転コストを削減すると共に、運転効率を大幅に向上できる冷凍方法及び冷凍設備を実現することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明は、図４に示すように冷凍庫の内部に熱交換器を設け、該熱交換器で冷媒と庫内空気とを熱交換させて庫内空気を冷却する冷凍設備において、
前記冷凍庫（１１）は、荷捌き室と対面して配置した出入口（２２）側の庫内に位置する前室に隣接させて、除湿ク−ラー（５２）が設置されている除湿ク−ラー室（５０）を設けると共に、該除湿ク−ラー室と荷捌室（１８）とを開口を介して仕切壁で仕切り、
一方該冷凍庫（１１）の庫内上層域に扁平チューブ（３６）を有する複数のマイクロチャンネル熱交換器（１４）を分散配置し、該扁平チューブ（３６）を横切る空気流によって庫内上層域において、庫内空気が水平方向に循環する強制対流ゾーンＺ _１ を形成するとともに、更に複数のマイクロチャンネル熱交換器（１４）が分散配置されている庫内上層域の下方に、飽和水蒸気量又は飽和水蒸気量に近い水蒸気を含んで被冷凍品を配置し、庫内上層域と被冷凍品配置空間との温度差により上下方向に向う自然対流ゾーンが形成されている。

また本発明では、前記除湿ク−ラー室（５０）と冷凍庫（１１）とを仕切る仕切壁（５６）に夫々開閉可能な開口が設けられ、前記除湿ク−ラー（５２）を稼動して、庫内空気を除湿ク−ラー（５２）で除湿し、除湿された空気をダクト（５８）を介して冷凍庫（１１）内に送るように構成した。
又本発明は、前記除湿ク−ラー室５０と冷凍庫１０とを仕切る仕切壁（５６）に夫々開閉可能な開口が設けられ、前記除湿ク−ラー（５２）を稼動して、庫内空気を除湿ク−ラー（５２）で除湿し、除湿された空気をダクト（５８）を介して冷凍庫（１１）内に送るように構成した。
更に本発明は前記冷凍庫に隣接して前室を設け、該前室の内部に外気を予備冷却する冷却器及び予備除湿する除湿器が設けられ、前室で予備冷却及び予備除湿された外気を冷凍庫内に導入するようにした。
又前記冷凍庫に隣接配置された前室に予備冷却手段を設け、該予備冷却手段で外気を予備冷却及び予備除湿し、該予備冷却及び予備除湿後の外気を前記前室を介して冷凍庫内に導入可能に構成するのがよい。
更に前記強制対流形成手段が、前記熱交換器の近傍に配置され、熱交換器の伝熱面に沿う空気流を形成させる送風機であるのがよい。

そのため、従来の散水方式やヒーターによる加熱方式のデフロスト手段を採用する必要がなくなる。その結果、冷凍庫内に散水や霜の融解水など、液相としての水が存在しなくなるので、従来必要であった再凍結防止用のヒーターや、ドレン水を庫外に排出する配管系が不要となり、設備コストを低減できる。また、デフロスト運転で、散水やヒーター等で着霜を加熱溶解させるというエネルギーロスがなくなるので、運転効率が向上する。

また、デフロスト工程で散水やヒーター等で着霜を加熱溶解させないので、散水や霜の溶解水が冷凍庫内で再拡散することがない。そのため、着霜の原因となる水蒸気量を低減した低水蒸気雰囲気を保持できるので、デフロスト運転の頻度を低減できると共に、さらには、デフロスト運転自体も不要とすることができる。また、冷凍運転を中断せずに、デフロスト操作を行なうことが可能になり、これによって、冷媒を熱交換器毎に遮断するための電磁弁等の機構が不要になる。

このように、庫内空気を低水蒸気雰囲気に保持できるので、熱交換器の伝熱面に結露や着霜の発生を抑制できる。そのため、冷凍庫内に、微小径冷媒流路をもつマイクロチャンネル熱交換器を設けても、結露や着霜による性能低下を防止できるので、冷凍庫内へのマイクロチャンネル熱交換器の設置が可能になる。これによって、大容量の熱交換器や大風量のファンを用いないで済むので、運転効率の向上と、熱交換器のコンパクト化及び設備コストの削減が可能になる。

冷凍庫内の水蒸気は、出入口の開閉による外気侵入によるものが大半を占める。これに対し、マイクロチャンネル熱交換器を庫内上層域に設け、出入口との間に自然対流ゾーンを介在させることにより、庫内上層域を着霜の原因となる水蒸気の量が比較的少ない低水蒸気雰囲気に保持できる。これによって、熱交換器伝熱面の着霜を抑制できる。

本発明方法において、庫内上層域で庫内空気を各熱交換器間に循環させる強制対流ゾーンを形成させると共に、庫内上層域の下方で飽和水蒸気量又は飽和水蒸気量に近い水蒸気を含んで被冷凍品を囲み、庫内空気の上下方向の温度差により上下方向に向う自然対流ゾーンを形成させるようにするとよい。このように、熱交換器が配置された庫内上層域に強制対流を形成させることで、熱交換器伝熱面の着霜の昇華を促進できる。

また、被冷凍品が配置される冷凍庫内の下方領域は、むしろ飽和水蒸気量又は飽和水蒸気量に近い水蒸気を含む庫内雰囲気としたほうが被冷凍品の乾燥を防ぐ意味で好ましい。そこで、出入口に接する下方領域では、出入口からの湿り空気の侵入により飽和水蒸気量又は飽和水蒸気量に近い水蒸気を含む自然対流ゾーンを形成することにより、被冷凍品を良好な状態で保管できる。

さらに、庫内上層域に分散配置されたマイクロチャンネル熱交換器のデフロスト工程を異なるタイミングで行なうようにすれば、デフロスト運転の影響を最小限にでき、庫内温度を常に一定に保つことができる。

また、本発明方法において、冷凍庫に隣接配置された前室で外気を予備冷却及び予備除湿し、予備冷却及び予備除湿後の外気を冷凍庫内に導入するようにするとよい。
このように、前室で外気を予備冷却及び予備除湿するようにすれば、冷凍庫内での庫内空気の除湿冷却工程を容易にし、庫内での除湿冷却効果を完全なものとすることができる。

また、前記本発明方法の実施に直接使用可能な本発明の冷凍設備は、冷凍庫の内部に熱交換器を設け、該熱交換器で冷媒と庫内空気とを熱交換させて庫内空気を冷却する冷凍装置において、多数の微小径冷媒流路が並列配置され該微小冷媒流路を形成する流路形成体の伝熱面密度を増大させてなる熱交換器と、庫内空気の水蒸気を吸着剤によって吸着させ、庫内空気に含まれる水蒸気量を庫内空気温度に対する飽和水蒸気量（飽和水蒸気分圧）以下とする吸着式除湿装置と、を備え、複数の前記熱交換器を庫内上層域に分散配置し、該熱交換器と出入口との間に上下方向の温度差によって上下方向の自然対流を形成させながら、庫内空気を０℃以下の温度に冷却すると共に、前記吸着式除湿装置によって形成された低水蒸気雰囲気中で、前記熱交換器の伝熱面に付着した着霜を昇華除去するように構成したものである。

本発明装置では、前記吸着式除湿装置を備えているため、庫内空気が含む水蒸気量を飽和水蒸気量以下とすることができる。これによって、熱交換器伝熱面の着霜の発生を低減できると共に、熱交換器の伝熱面に付着した着霜を昇華除去するデフロストが可能になる。昇華によって庫内に拡散した水蒸気は、吸着式除湿装置によって吸着できるので、デフロスト運転の頻度を低減できると共に、さらには、デフロスト運転自体も不要になる。

また、デフロスト運転に要する装置や、従来のデフロスト運転で溶解した水の配管系等の装置が不要になるので、設備コストを低減できると共に、デフロスト運転で、散水やヒーター等で着霜を加熱溶解させるというエネルギーロスがなくなるので、運転効率が向上する。さらに、庫内空気を低水蒸気雰囲気に保持できるので、冷凍庫内にマイクロチャンネル熱交換器を設置しても、その性能低下を防止でき、これによっても、運転効率の向上と、熱交換器のコンパクト化及び設備コストの削減が可能になる。

また、マイクロチャンネル熱交換器を庫内上層域に設け、出入口との間に自然対流ゾーンを介在させることにより、庫内上層域を着霜の原因となる水蒸気の量が比較的少ない低水蒸気雰囲気に保持できる。これによって、熱交換器伝熱面の着霜を抑制できる。

本発明装置において、庫内上層域で庫内空気を各熱交換器間に循環させる強制対流形成手段を備え、庫内上層域の下方で飽和水蒸気量又は飽和水蒸気量に近い水蒸気を含んで被冷凍品を囲み、庫内空気の上下方向の温度差により上下方向に向う自然対流ゾーンが形成されているとよい。
このように、強制対流形成手段によって強制対流を形成することで、熱交換器の伝熱面に付着した霜の昇華を促進できる。また、被冷凍品が配置される冷凍庫内の下方領域に、飽和水蒸気量又は飽和水蒸気量に近い水蒸気を含む自然対流ゾーンを形成し、被冷凍品を飽和水蒸気量を含む雰囲気で囲むようにしたので、被冷凍品の乾燥を防ぎ、被冷凍品を良好な状態で保管できる。

本発明装置において、冷凍庫に隣接して前室が設けられ、該前室の内部に外気を予備冷却する冷却器及び予備除湿する除湿器が設けられ、前室で予備冷却及び予備除湿された外気を冷凍庫内に導入するようにするとよい。
これによって、冷凍庫内での庫内空気の除湿冷却運転を容易にし、冷凍庫での除湿冷却効果を完全なものとすることができる。

本発明装置において、吸着式除湿装置が、表面に吸着剤を担持した回転式ロータからなり、回転式ロータの一方領域で庫内空気から水蒸気を吸着する吸着工程と、他方領域で吸着した水蒸気を脱離させる脱離工程とを同時かつ連続的に行なうデシカントロータ式除湿装置であるとよい。これによって、除湿工程を冷凍運転を中断せずに冷凍運転を同時に行なうことができるので、被冷凍品の保冷に支障をきたさない。

本発明装置において、強制対流形成手段が、マイクロチャンネル熱交換器の近傍に配置され、マイクロチャンネル熱交換器の伝熱面に沿う空気流を形成させる送風機であるとよい。これによって、簡易かつ低コストな手段で、強制対流を形成できる。

本発明方法によれば、冷凍庫内に設けられた熱交換器によって庫内空気を冷却する冷却工程と、該熱交換器の伝熱面に付着した着霜を除去するデフロスト工程を含む冷凍方法において、マイクロチャンネル熱交換器を用い、複数のマイクロチャンネル熱交換器を庫内上層域に分散配置し、マイクロチャンネル熱交換器と出入口との間に上下方向の温度差によって上下方向の自然対流を形成させながら、庫内空気を０℃以下の温度に冷却する冷却工程と、庫内空気の水蒸気を吸着剤によって吸着させ、庫内空気に含まれる水蒸気量を庫内空気温度に対する飽和水蒸気量（飽和水蒸気分圧）以下とする除湿工程と、この除湿工程によって形成された低水蒸気雰囲気中でマイクロチャンネル熱交換器の伝熱面に付着した着霜を昇華除去するデフロスト工程と、からなり、冷凍庫内を低水蒸気雰囲気とし、熱交換器伝熱面の着霜を昇華除去するようにしたので、マイクロチャンネル熱交換器の採用と従来のデフロスト操作をやめることで、冷凍設備のＣＯＰを大幅に向上できると共に、設備コストを大幅に削減できる。

また、本発明装置によれば、冷凍庫の内部に熱交換器を設け、該熱交換器で冷媒と庫内空気とを熱交換させて庫内空気を冷却する冷凍設備において、マイクロチャンネル熱交換器と、庫内空気の水蒸気を吸着剤によって吸着させ、庫内空気に含まれる水蒸気量を庫内空気温度に対する飽和水蒸気量（飽和水蒸気分圧）以下とする吸着式除湿装置と、を備え、複数のマイクロチャンネル熱交換器を庫内上層域に分散配置し、マイクロチャンネル熱交換器と出入口との間に上下方向の温度差によって上下方向の自然対流を形成させながら、庫内空気を０℃以下の温度に冷却すると共に、前記吸着式除湿装置によって形成された低水蒸気雰囲気中で、マイクロチャンネル熱交換器の伝熱面に付着した着霜を昇華除去するように構成したので、前記本発明方法と同様の作用効果を得ることができる。

本発明方法及び装置の第１実施形態に係る冷凍設備の全体斜視図である。 前記冷凍設備のマイクロチャンネル熱交換器の平面図である。 前記マイクロチャンネル熱交換器の正面図である。 前記冷凍設備の平面図である。 前記冷凍設備の低露点用デシカントロータ式除湿装置の構成図である。 図４中のＡ―Ａ線に沿う断面図である。 図４中のＢ―Ｂ線に沿う断面図である。 第１実施形態に係る冷凍設備と従来の冷凍設備との運転効率を比したブロック線図である。 本発明の冷凍設備の別な配置例を示す正面図であり、（Ａ）は除湿冷却運転時を示し、（Ｂ）はデフロスト運転時を示す。 本発明の冷凍設備のさらに別な配置例を示す正面図である。 マイクロチャンネル熱交換器の一例を示す正面図である。 図１１のマイクロチャンネル熱交換器の扁平チューブの横断面図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
本発明方法及び装置の第１実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。図１に示す本実施形態の冷凍設備１０において、冷凍庫１１の外側にはＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置１２が設けられ、ＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置１２では、ＮＨ_３を一次冷媒とし、ＮＨ_３の冷凍サイクルが構成されている。冷凍庫１０の上層域には、複数、例えば１、０００〜１，５００冷凍トンクラスの冷凍庫には、１０から１２台のマイクロチャンネル熱交換器１４が配設されている。ＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置１２とマイクロチャンネル熱交換器１４とは、往路１６ａ及び復路１６ｂからなるＣＯ_２循環管１６で接続されている。各マイクロチャンネル熱交換器１４は、往路１６ａ及び復路１６ｂに対し、並列に接続されている。マイクロチャンネル熱交換器１４は、冷凍庫１１の側壁内面上方に取り付けられている。

ＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置１２から、二次冷媒であるＣＯ_２が、液相で往路１６ａを介し、ＣＯ_２ポンプ１３によりマイクロチャンネル熱交換器１４に供給される。マイクロチャンネル熱交換器１４でＣＯ_２と庫内空気とが熱交換し、庫内空気を冷却する。マイクロチャンネル熱交換器１４で気相となったＣＯ_２は復路１６ｂを介してＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置１２に戻る。

冷凍庫１１には、荷捌室１８に面して出入口２２が設けられ、出入口２２には後述するように、密閉性能が高い開閉機構２４が設けられている。出入口２２に面した冷凍庫１０の内部に、前室２０が設けられている。

次に、マイクロチャンネル熱交換器１４の構成を図２及び図３に基づいて説明する。図２及び図３において、マイクロチャンネル熱交換器１４は、直方体状をなすフレーム３０にヘッダー３２及び３４が固定され、ヘッダー３２、３４間に、多数の扁平チューブ３６が架設されている。扁平チューブ３６は、図１２に示す構成と同様の構成をもち、複数の微小冷媒流路が穿設されている。また、伝熱面積の拡大手段として、並列に配置された扁平チューブ３６、３６間に、蛇行状の曲折したフィン３８を配置してなるものである。フィン３８のピッチは、例えば、１．５ｍｍ程度の微細間隔となっている。かかる構成により、マイクロチャンネル熱交換器１４は、伝熱面密度を飛躍的に増大できる。

扁平チューブ３６の近傍で、支持フレーム４０にファン４２が取り付けられている。即ち、支持フレーム４０にモータ４４が取り付けられ、モータ４４の回転軸４６にファン４２の羽根４８が取り付けられている。ファン４２が稼動することで、矢印ａ_１方向の空気流が形成され、この空気流によって、庫内空気が水平方向に向けて流れ、各マイクロチャンネル熱交換器間を循環する強制対流ゾーンＺ_１が形成される。
強制対流ゾーンＺ_１の下層域では、上下方向の温度差により、庫内空気が上下方向（矢印ａ_２方向）に循環する自然対流ゾーンＺ_２が形成される。図１に示すように、庫内空間の大部分は自然対流ゾーンＺ_２となる。

扁平チューブ３６の空気流れ方向上流側には、ヒーター４９がフレーム３０に装着されている。デフロスト工程で、このヒーター４９で扁平チューブ３６の周囲空気を加熱することで、該周囲空気の相対湿度を下げ、扁平チューブ３６の伝熱面に付着した霜の昇華を助長させる。ヒーター４９には、例えばセラミックヒーター等を用いることができる。

図４は、冷凍庫１０の内部構成を示す。図において、冷凍庫１１の庫内上層域に複数のマイクロチャンネル熱交換器１４が分散配置されている。各マイクロチャンネル熱交換器１４のファン４２が稼動することで、扁平チューブ３６を横切る矢印ａ_１方向の空気流が形成される。この空気流によって、マイクロチャンネル熱交換器１４が分散設置されている庫内上層域において、庫内空気が水平方向に循環する強制対流ゾーンＺ_１が形成される。

前室２０に隣接して除湿ク−ラー室５０が設けられ、除湿ク−ラー室５０には除湿ク−ラー５２が設置されている。除湿ク−ラー室５０と荷捌室１８とを仕切る仕切壁には開口５３が設けられ、除湿ク−ラー室５０と冷凍庫１０とを仕切る仕切壁には、開口５５が設けられている。これら開口には、電動モータで駆動される断熱ドア５４及び５６が設けられ、該開口を開閉可能にしている。除湿ク−ラー５２を稼動する時は、断熱ドア５６を開け、庫内空気を除湿ク−ラー５２で除湿し、除湿された空気をダクト５８から冷凍庫内に送る。除湿ク−ラー５２の除湿で生じた着霜を除去する時は、断熱ドア５４を開け、荷捌室１８の空気を除湿クーラー５２に送る。除霜で生じる排水は、排水管５９から荷捌室１８を経由して雨トイなどにつなぐ。

前室２０には、低露点用デシカントロータ式除湿装置６０が設けられている。以下、デシカントロータ式除湿装置６０の構成を図５により説明する。図５において、前室２０内の空気が処理ファン６４によって除湿装置６０に導入される。前室内空気は、フィルタ６６で埃や塵などを除去され、冷却コイル６８で予冷される。こうして相対湿度を高めた空気をデシカントロータ６２の吸着ゾーンＤ_１内に流入させる。デシカントロータ６２は、ゼオライトやシリカゲル等の吸着剤を担持しており、吸着ゾーンＤ_１と再生ゾーンＤ_２とに分割されている。

相対湿度を高めた空気は、デシカントロータ６２内の吸着ゾーンＤ_１で吸着剤にその水蒸気分を吸着される。湿分を吸着された空気は、吸着時に吸着剤から発生する吸着熱によって高温化しているため、冷却コイル７０で冷却されて低温乾燥空気となり、前室２０内に供給される。

デシカントロータ６２に吸着された吸着剤を再生する側では、再生ファン７６で除湿装置６０に外気ｏａが導入される。外気ｏａはフィルタ７２で埃や塵などを除去された後、加熱コイル７４で加熱され、再生ゾーンＤ_２から水蒸気分を脱離されるための熱量を供給される。この加熱空気は、デシカントロータ６２の再生ゾーンＤ_２に流入し、その保有熱によりデシカントロータ６２に吸着されている湿分を脱離させる。脱離された湿分を含む空気は、外部に排気される。

図４に戻り、前室２０内の空気は、入口管８１から除湿装置６０に流入し、除湿装置６０で調整された冷却除湿空気は出口管８２から前室内に戻される。除湿装置６０で生じた排水は、排水管８４から外部に排出される。外気ｏａは給排気ダクト８６の給気管（図示省略）から導入され、デシカントロータ６２の再生に用いられた後の排気は、給排気ダクト８６の排気管（図示省略）から外部へ排気される。
図６に示すように、給排気ダクト８６は、一旦荷捌室１８に導設され、その後、荷捌室１８の天井の上方に導設されている。排水管８４は、荷捌室１８を経て外部に導設されている。

荷捌室１８と前室２０とを仕切る仕切壁には、開口９０が設けられ、該開口９０には、
密閉性能が高い開閉機構２４が設けられている。この開閉機構２４は、二重のエアカーテンを形成するエアーシャッター装置９２と、高速で動くシートで入口９０を開閉可能なシートシャッター装置９４とで構成されている。開閉機構２４により、開口９０を高い気密度で密閉可能になっている。前室２０と冷凍庫１１とを仕切る仕切壁には開口９６が設けられ、該開口９６には、電動モータにより駆動される断熱ドア９７が設けられ、これによって、開口９６を開閉可能にしている。

前室２０の天井面２０ａには、除湿ク−ラー１００が固定され、その出口管１０２から冷却除湿された空気が吐出され、排水管１０４から凝縮水が外部に排出される。また、前室２０の入口側と、出口管８２及び１０２の出口が配置された前室２０の奥側とを仕切るノレン９８が設けられている。図７に示すように、排水管１０４は、一旦荷捌室１８に導設され、その後、外部に導設されている。

冷凍庫１１には、除湿装置６０と同様の構成及び機能をもつ低露点用デシカントロータ式除湿装置１０６が配設されている。庫内空気が入口管１０８から除湿装置１０６に導入され、除湿装置１０６で除湿冷却された空気は出口管１１０から庫内に供給される。デシカントロータの再生に供される外気ｏａは給排気ダクト１１２を通して、除湿装置１０６に供給され、使用後の排気は、給排気ダクト１１２から外部へ排出される。

かかる構成において、被冷凍品Ｒの搬入搬出時には、開口９０及び９６が開放されて、被冷凍品Ｒの冷凍庫１１内への搬入又は冷凍庫１１からの搬出が行なわれる。通常冷凍運転時には、開口９０及び９６が締め切られ、マイクロチャンネル熱交換器１４が稼動している。除湿装置６０及び１０６と、除湿ク−ラー５２及び１００は、常時稼動させる必要はなく、庫内空気の温度及び湿度を管理しながら適宜稼動させる。開口９０、９６の開放で常温湿り空気である外気が冷凍庫１１内に侵入した後では、特にこれらの装置を稼動させるようにする。除湿ク−ラー５２を稼動させる時は、開口５３を閉、開口５５を開とし、デフロスト操作時には、開口５３を開、開口５５を閉とする。

マイクロチャンネル熱交換器１４のデフロスト操作時には、１台のマイクロチャンネル熱交換器１４へのＣＯ_２冷媒の給液を停止し、該マイクロチャンネル熱交換器１４のヒーター４９をオンさせ、扁平チューブ３６を暖める。但し、扁平チューブ３６及びその付近の温度は０℃以下に保持する。例えば、冷凍運転時、庫内空気の温度を−２５℃に保持し、デフロスト操作時には、扁平チューブ３６及びその周辺を−１５℃程度となるように、ヒーター４９で加温する。マイクロチャンネル熱交換器１４のデフロスト操作は、各マイクロチャンネル熱交換器１４毎にデフロスト操作のタイミングをずらせ、ローテーションをもたせて行なう。

本実施形態では、外気ｏａを一旦前室２０に導入し、低露点用デシカントロータ式除湿装置６０及び除湿ク−ラー１００によって前室２０内空気の冷却及び除湿を行なう。このように、前室２０で予備冷却及び予備除湿を行なった空気を冷凍庫１１内に供給する。冷凍庫１１内では、マイクロチャンネル熱交換器１４で庫内空気を冷却し、庫内空気を−２５℃の温度に保持する。同時に、低露点用デシカントロータ式除湿装置１０６で除湿を行なう。除湿装置１０６により、−２５℃の庫内空気温度に対し飽和水蒸気量以下となるように除湿する。

例えば、前室２０は室温５℃、相対湿度８０％に保持され、冷凍庫１１の強制対流ゾーンＺ_１で、マイクロチャンネル熱交換器１４で熱交換後の空気を−２７℃、相対湿度１００％、自然対流ゾーンＺ_２で−２５℃、相対湿度１００％に保持される。

本実施形態によれば、庫内空気に含まれる水蒸気量を庫内空気温度に対する飽和水蒸気量以下としたことにより、マイクロチャンネル熱交換器１４が設置される庫内上層域の水蒸気分圧を飽和以下にして水蒸気量が大幅に少ない乾燥雰囲気とすることができる。この乾燥雰囲気でマイクロチャンネル熱交換器１４を使用することで、ＣＯ_２冷媒と庫内空気との熱交換量を大幅に増大できるので、運転効率（ＣＯＰ）を飛躍的に向上できる。また、従来の大型熱交換器と比べて、熱交換器がコンパクトになり、設備コストを節減できる。

また、冷凍庫１１内を氷点下の温度に保持し、マイクロチャンネル熱交換器１４が配置された上層域に、ファン４２によって強制対流ゾーンＺ_１を形成し、マイクロチャンネル熱交換器１４の伝熱面に結氷した霜の昇華を強制対流の形成によって促進させることで、デフロストが可能になる。デフロスト操作では、ヒーター４９をオンさせ、該伝熱面周辺の温度を０℃以下の温度、例えば、−１５℃程度に加温し、該伝熱面周辺の雰囲気の相対湿度を低下させることで、霜の昇華をさらに促進できる。そのため、従来のようなデフロスト操作を特に行なわなくても、霜の脱離が可能になり、従来のようなデフロスト装置が不要になる。

また、従来のように、デフロスト工程で、散水やヒーター等で着霜を加熱溶解させることがないので、デフロスト工程でのエネルギーロスがなくなる。さらに、冷凍庫１０内に液相としての水が存在しなくなるので、再凍結防止用のヒーターやドレン水排出用の配管系が不要になる。

また、マイクロチャンネル熱交換器１４が設置された強制対流ゾーンＺ_１を庫内上層域に配置することで、強制対流ゾーンＺ_１を出入口２２から隔離し、出入口２２との間に自然対流ゾーンＺ_２を介在させることにより、強制対流ゾーンＺ_１を着霜の原因となる水蒸気の量が比較的少ない乾燥状態に保持できる。これによって、マイクロチャンネル熱交換器１４の伝熱面への着霜を低減できる。そのため、デフロスト機構を不要にでき、マイクロチャンネル熱交換器１４の高熱伝達機能を保全できる。また、強制対流ゾーンＺ_１を庫内上層域に限定し、庫内空間の大部分を自然対流ゾーンＺ_２とすることで、ファン４２の動力を低減できる。

また、出入口２２に近い自然対流ゾーンＺ_２を飽和水蒸気量又は飽和水蒸気量に近い水蒸気を含む雰囲気とし、これで被冷凍品Ｒを囲むようにしているので、被冷凍品Ｒの乾燥を抑止でき、被冷凍品Ｒの品質劣化を抑制できる。
また、各マイクロチャンネル熱交換器１４のデフロスト工程を異なるタイミングで行なうようにしたので、庫内空気がデフロスト操作の影響を受けず、庫内空気温度を常に所望温度に保つことができる。

また、冷凍庫１１に隣接して前室２０を設け、前室２０で冷凍庫１１内に供給する外気ｏａの予備冷却及び予備除湿を行なうようにしたので、冷凍庫１１の庫内空気の温度及び湿度の調整が容易になる。
さらに、除湿装置６０及び１０６として、デシカントロータ式除湿装置を採用したので、空気中の湿分の吸着と吸着した湿分の脱離を１個の装置で連続して行なうことができる。しかも冷凍運転を継続したまま除湿工程を行なうことができるので、運転効率を低下させない。

さらに、各マイクロチャンネル熱交換器１４の近傍に個別にファン４２を設け、ファン４２で強制対流ゾーンＺ_１を形成するので、簡易かつ低コストな手段で強制対流の形成が容易になる。また、マイクロチャンネル熱交換器１４やファン４２を覆うフード等を設けていないので、空気流の圧損を低減でき、これによって、強制対流の形成が容易になる。

図８は、従来の冷凍設備と本実施形態の冷凍設備との運転効率を比較したものである。従来の冷凍設備は、冷凍庫内に大容量の冷却器を一基又は数基設置し、大風量のファンを配置したものである。冷凍装置は同一能力のＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置を用いている。

図８において、従来の冷凍設備では、庫内空気温度を−２５℃に維持するために、ＮＨ３の蒸発温度を−３５℃、ＣＯ_２冷媒の循環温度を−３２℃、熱交換器（冷却器）から出る空気の温度を−２９℃に冷却する必要があった。一方、本実施形態では、庫内空気温度を−２５℃に維持するために、ＮＨ_３の蒸発温度を−３０℃、ＣＯ_２冷媒の循環温度を−２８℃、冷却器から出る空気の温度を−２７℃とすればよい。従来の冷凍設備と比べて、本実施形態の冷凍設備では、ＣＯＰを３０％以上向上できることがわかった。

なお、本実施形態では、除湿ク−ラー室５０を設け、除湿ク−ラー室５０内に除湿ク−ラー５２を設置しているが、代わりに、除湿ク−ラー室５０をなくし、除湿ク−ラー５２を低露点用デシカントロータ式除湿装置６０に隣接配置してもよい。
また、電動式断熱ドア５６の代わりに、二重のエアーカーテンを形成するエアーシャッター装置９０で置き換えてもよい。

また、マイクロチャンネル熱交換器１４の近傍にエアーノズルを設け、デフロスト操作時に、このエアーノズルからマイクロチャンネル熱交換器１４の伝熱面にエアを噴き付け、着霜を吹き飛ばすようにしてもよい。
また、マイクロチャンネル熱交換器１４の伝熱面をアルミ製とし、該伝熱面に着霜を抑制する表面処理を施すようにしてもよい。

なお、本実施形態では、マイクロチャンネル熱交換器１４が配置された庫内上層域に強制対流ゾーンＺ_１を形成するようにしたが、本発明では、特に強制対流ゾーンＺ_１を形成しなくても、マイクロチャンネル熱交換器１４の伝熱面に付着した霜の昇華は可能である。また、本発明では、庫内を低水蒸気雰囲気としたことにより、特にデフロスト運転をしなくても、マイクロチャンネル熱交換器１４の伝熱面の着霜を昇華除去できる。

（実施形態２）
図９は、冷凍庫１０内に配置される諸装置の配置例を示す。（Ａ）は除湿冷却運転時を示し、（Ｂ）はデフロスト運転時を示す。図において、荷捌室１８と冷凍庫１０との間に、前室２０が配置されている。冷凍庫１１の天井面１１ａは、荷捌室１８の天井面１８ａより高くなっている。冷凍庫１１内で天井面１１ａにマイクロチャンネル熱交換器１４が固設され、前室２０の上方で天井面１１ａに除湿ク−ラー５２が固設されている。除湿ク−ラー５２から排水管５９が荷捌室１８まで延設されている。前室２０の天井面２０ａの冷凍庫１１側端縁には、除湿ク−ラー５２が設置された領域ｓ１と冷凍庫１０側領域ｓ２とを仕切る仕切壁１２０が立設されている。

本配置例によれば、マイクロチャンネル熱交換器１４を天井面１１ａに固定するようにしているので、マイクロチャンネル熱交換器１４の水平方向の配置位置を自由に決定できる。また、除湿ク−ラー５２を前室２０の上方空間に設けたことにより、除湿ク−ラー５２の設置スペースを削減できる。

なお、除湿冷却運転時には、除湿ク−ラー５２が稼動するが、この時、荷捌室１８と冷凍庫１１との間のオープン空間を電動式の断熱ドア５４で仕切るようにしている。また、デフロスト操作時には、冷凍庫１１の天井面１１ａと仕切壁１２０との間のオープン空間を断熱ドア５６で仕切るようにしている。

（実施形態３）
図１０は、冷凍庫１１内の配置例の別な例を示す。図において、前室２０の天井上面に低露点用デシカントロータ式除湿装置１０６が設置されている。除湿装置１０６に付設された給排気ダクト１１２は、荷捌室１８の天井の上面に配置されている。
このように、除湿装置１０６を前室２０の天井上面に配置することで、除湿装置１０６の設置スペースを節減でき、また、給排気ダクト１１２を荷捌室１８の天井の上方に配置することで、給排気ダクト１１２の配置を容易にできる。

本発明によれば、冷凍設備の建設コスト及び運転コストを削減できると共に、従来のデフロスト運転をなくして、運転効率（ＣＯＰ）を大幅に向上できる冷凍設備を実現できる。

１０ 冷凍設備
１１ 冷凍庫
１１ａ、２０ａ 天井面
１２ ＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置
１３ ＣＯ_２ポンプ
１４，２００ マイクロチャンネル熱交換器
１６ ＣＯ_２循環管
１６ａ 往路
１６ｂ 復路
１８ 荷捌室
２０ 前室
２２ 出入口
２４ 開閉機構
３０ フレーム
３２，３４，２０２，２０４ ヘッダー
３６，２０６ 扁平チューブ
３８，２１０ フィン
４０ 支持フレーム
４２ ファン（強制対流形成手段）
４４ モータ
４６ 回転軸
４８ 羽根
４９ ヒーター
５０ 除湿ク−ラー室
５２，１００ 除湿ク−ラー
５４、５６，９７ 断熱ドア
５８ ダクト
５９、８４，１０４ 排水管
６０，１０６ 低露点用デシカントロータ式除湿装置（吸着式除湿装置）
６２ デシカントロータ
６４ 処理ファン
６６，７２ フィルタ
６８，７０ 冷却コイル
７４ 加熱コイル
７６ 再生ファン
８１，１０８ 入口管
８２，１０２，１１０ 出口管
８６，１１２ 給排気ダクト
９０，９６ 開口
９２ エアーシャッター装置
９４ シートシャッター装置
９８ ノレン
１０２ 除湿ク−ラー
１２０，２１８ 仕切壁
２１０ 仕切部材
２１２ 冷媒入口
２１４ 冷媒出口
２１６ 周壁
Ｒ 被冷凍品
Ｚ_１ 強制対流ゾーン
Ｚ_２ 自然対流ゾーン
ｏａ 外気
ｒ 冷媒通路

Claims (6)

1. 冷凍庫の内部に熱交換器を設け、該熱交換器で冷媒と庫内空気とを熱交換させて庫内空気を冷却する冷凍設備において、
   前記冷凍庫（１１）は、荷捌き室と対面して配置した出入口（２２）側の庫内に位置する前室に隣接させて、除湿ク−ラー（５２）が設置されている除湿ク−ラー室（５０）を設けると共に、該除湿ク−ラー室と荷捌室（１８）とを開口を介して仕切壁で仕切り、
   一方該冷凍庫（１１）の庫内上層域に扁平チューブ（３６）を有する複数のマイクロチャンネル熱交換器（１４）を分散配置し、該扁平チューブ（３６）を横切る空気流によって庫内上層域において、庫内空気が水平方向に循環する強制対流ゾーンＺ_１を形成するとともに、更に複数のマイクロチャンネル熱交換器（１４）が分散配置されている庫内上層域の下方に、飽和水蒸気量又は飽和水蒸気量に近い水蒸気を含んで被冷凍品を配置し、庫内上層域と被冷凍品配置空間との温度差により上下方向に向う自然対流ゾーンが形成されていることを特徴とする冷凍設備。
2. 前記除湿ク−ラー室（５０）と冷凍庫（１０）とを仕切る仕切壁に開閉可能な開口が設けられ、前記除湿ク−ラー（５２）を稼動して、庫内空気を除湿ク−ラー（５２）で除湿し、除湿された空気をダクト（５８）を介して冷凍庫内に送るように構成したことを特徴とする請求項１記載の冷凍設備。
3. 前記冷凍庫に隣接して前室が設けられ、該前室の内部に外気を予備冷却する冷却器及び予備除湿する除湿器が設けられ、前室で予備冷却及び予備除湿された外気を冷凍庫内に導入するようにしたことを特徴とする請求項１乃至２いずれか１つに記載の冷凍設備。
4. 前記前室に設けられた予備除湿する除湿器が、表面に吸着剤を担持した回転式ロータからなり、回転式ロータの一方領域で庫内空気から水蒸気分を吸着する吸着工程と、他方領域で吸着した水蒸気分を脱離させる脱離工程とを同時かつ連続的に行なうデシカントロータ式除湿装置であることを特徴とする請求項３に記載の冷凍設備。
5. 前記冷凍庫に隣接配置された前室に予備冷却手段を設け、該予備冷却手段で外気を予備冷却及び予備除湿し、該予備冷却及び予備除湿後の外気を前記前室を介して冷凍庫内に導入可能に構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の冷凍設備。
6. 前記除湿ク−ラー（５２）若しくは予備冷却手段が、表面に吸着剤を担持した回転式ロータからなり、回転式ロータの一方領域で庫内空気から水蒸気分を吸着する吸着工程と、他方領域で吸着した水蒸気分を脱離させる脱離工程とを同時かつ連続的に行なうデシカントロータ式除湿装置であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の冷凍設備。

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