JP5843630B2 - 冷却システム - Google Patents

Description

この発明は、冷凍・冷蔵ショーケース等へ利用できる冷却装置に関するものである。特に水等を利用して排熱を行う冷却装置に関するものである。

従来より、冷却装置が発生する熱を室外に排熱する場合、直接室外の空気に排熱する空冷式の冷却システムと、一度間接的に水などの媒体に排熱してから室外の空気に排熱する水冷式の冷却システムが知られている。

ここで、冷却装置においても、地球温暖化防止の観点から、冷媒量の最小化と装置の高効率運転化への取り組みが進められている。例えば、冷凍機の凝縮器を水冷凝縮器にして室内に設置し、冷媒量を最小化するとともに、室外に設置した放熱器と水冷凝縮器とを冷却水配管で連結して水回路を構成し、水循環ポンプにより水を循環させて冷凍機による排熱を室外に排出させる装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１０８５２９号公報（図１）

上記のような水回路を利用する冷却装置における構成では、水循環ポンプは、圧縮機の起動（駆動開始）／停止と同時に、起動／停止する。このため、例えば圧縮機がインバータ制御機能などの容量制御機能を有している場合でも、圧縮機の駆動中においては、水循環ポンプは常に全速で駆動するようにしているため、無駄な運転動力を消費していた。

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、より省エネルギーをはかることができる冷却装置を得ることを目的とする。

この発明に係る冷却システムは、冷媒を圧縮する容量可変の圧縮機、冷媒と水とを熱交換させる水冷凝縮器、冷媒を圧力調整する絞り装置および冷媒の熱交換により冷却対象を冷却する蒸発器を配管接続して構成する冷媒回路、水冷凝縮器に水を供給する流量可変の水循環ポンプ、並びに、冷媒回路の運転負荷に基づいて、水循環ポンプが水冷凝縮器に供給する水の流量を制御する制御装置を有する冷却装置と、通過する水に放熱させる複数の放熱器と、各放熱器を流れる水の流量を調整する複数の放熱器用流量調整装置とを備え、冷却装置が有する水循環ポンプと、複数の放熱器とを並列に配管接続して水回路を構成し、制御装置は、冷媒回路における運転負荷に基づいて、各放熱器用流量調整装置が調整する水の流量を制御し、蒸発器を有するショーケースの前面足元の部分および前面下部の外枠内面部分の少なくとも一方に、放熱器を設けるものである。

この発明の冷却装置は、以上のように構成して冷却運転を行うので、水循環ポンプは、インバータ制御機能などの容量制御機能を有している圧縮機を搭載している冷却装置の運転負荷に合わせて容量制御し、流量を可変することができるので、省エネルギーをはかることができる。また、地球温暖化防止への貢献を同時に達成することができるという効果が得られる。

この発明の実施の形態１における冷却システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る制御器１７の処理の流れを示す図である。 この発明の実施の形態１に係る冷却装置１１の制御による消費電力を示す図である。 この発明の実施の形態２における冷却システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態２における冷却装置１１の具体的な構造例を示す図である。

発明の実施の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における冷却システムの構成を示す図である。本実施の形態の冷却システムは、冷却装置１１、放熱器１４等で構成する。例えば、図１に示す冷却用ショーケース、冷却貯蔵庫などの冷却装置１１は、店舗の店内、工場の低温作業室等に設置されている。一方、放熱器１４等は、例えば室外に設けられている。ここで、本実施の形態では２台の冷却装置１１（冷媒回路６）を有している。

図１において、本実施の形態の冷却装置１１は、容量制御機能を有する圧縮機１、四方弁５、水冷凝縮器２、絞り装置３および蒸発器４を冷媒配管で環状に接続し、冷媒回路６を構成している。ここでは、１台の冷却装置１１で１つの冷媒回路６を構成しているが、例えば、１台の冷却装置１１で複数の冷媒回路６を構成するようにしてもよい。

圧縮機１は、冷媒回路６の冷媒を吸入し、冷媒を圧縮して高温、高圧の状態にして吐出する。本実施の形態は、例えば、インバータ回路を有しており、回転数を変化させて容量制御を行うことができるタイプの圧縮機１で構成している。水冷凝縮器２は、水回路１０を循環する水と圧縮機１から流入する冷媒とを熱交換させ、高温、高圧の冷媒を凝縮液化するとともに、冷媒から水に熱を移動し、水を加温させる熱交換器である。水冷凝縮器２は、例えば二重管式熱交換器、プレート式熱交換器などで構成する。ここで、冷媒回路６内の冷媒量を少なくするためには、冷媒が通過する側の内容積が小さいプレート式熱交換器で構成することが望ましい。

絞り装置３は冷媒を減圧等させる。ここで、絞り装置３としては、例えば電子式膨張弁等のように、開度を可変に制御でき、通過する冷媒の流量を制御できる流量制御手段が最適であるが、例えば毛細管、膨張弁などの冷媒流量調節手段で構成してもよい。ここで、冷媒回路６内の冷媒量を少なくするためには、一定量の冷媒でも制御性がよい電子式膨張弁で構成することが望ましい。蒸発器４は、冷媒回路６の冷媒と蒸発器用送風機７から送られる空気との間で熱交換を行い、熱を空気から冷媒に移動させ、冷却対象空間の空気を冷却する。また、蒸発器用送風機７は、蒸発器４に熱交換対象となる冷却対象空間の空気を送るための送風機である。四方弁５は、例えば、圧縮機１が吐出する高温の冷媒により蒸発器４に付いた霜を除く除霜運転を行う場合に、冷媒の流れを通常運転とは逆方向に流す場合に設けられる。このため、例えばヒータ等により蒸発器４の除霜を行う場合には、四方弁５を構成する必要はない。

冷媒回路６においては、冷却運転（通常運転）時は、図１の実線方向に冷媒を循環させる。また、除霜運転時は、四方弁５を切り替えて、図１の破線方向に逆サイクルに冷媒を循環させる。ここで、冷媒回路６を循環する冷媒として、例えばＲ４１０Ａ、Ｒ３２、Ｒ４０４Ａ、２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ１２３４ｙｆ）等のテトラフルオロプロペンまたはこのテトラフルオロプロペンを含む混合冷媒、プロパン、イソブタン、二酸化炭素、アンモニア、空気などを用いる。

また、水回路１０は、冷却装置１１内にある流量可変の水循環ポンプ８、凝縮器用電動弁９および水冷凝縮器２、放熱器用電動弁１６並びに放熱器１４を水配管で接続して構成し、水を循環させる回路である。ここで、本実施の形態等における水とは、不凍液等、冷媒と熱交換しても態変化しない流体であるものとする。また、本実施の形態では、水回路１０を構成する機器のうち、水循環ポンプ８、凝縮器用電動弁９および水冷凝縮器２を各冷却装置１１が有している。このため、本実施の形態では、各冷媒回路６に対応して、水循環ポンプ８および凝縮器用電動弁９が設けられ、水回路１０の水の流れに対して並列に回路接続されていることになる。そして、冷却装置１１における、装置外の水配管との接続は、入口水配管接続口１２および出口水配管接続口１３を介して行う。ここで、本実施の形態における水回路１０においては、放熱器１４、放熱器用送風機１５および放熱器用電動弁１６の組み合わせを複数組（本実施の形態では２組）、水回路１０に対して並列に接続している。

流量可変の水循環ポンプ８は、水回路１０の水を加圧して水回路１０内を移送するものである。本実施の形態は、例えば、インバータ回路を有しており、回転数を変化させて流量を可変できるタイプの水循環ポンプ８で構成している。凝縮器用電動弁９は、開度を可変に制御でき、水冷凝縮器２を通過する水の流量を制御できる開閉装置である。また、放熱器用流量調整装置となる放熱器用電動弁１６は、開度を可変に制御でき、放熱器１４を通過する水の流量を制御できる流量制御手段である。そして、放熱器１４は、水回路１０を流れる水と放熱器用送風機１５から送られる空気との間で熱交換を行い、熱を水から放熱器周囲の空気に移動させて水を冷却する。流体供給手段となる放熱器用送風機１５は、放熱器１４に室外（冷却対象空間外）の空気を送る送風機である。本実施の形態では、放熱器用送風機１５により、室外の空気を流体として放熱する例を示しているが、例えば、ポンプ（図示せず）などを用いて、水回路１０外の水を流体として放熱するようにしてもよい。

また、制御器１７は、冷却装置１１内の圧縮機１、凝縮器用電動弁９、水循環ポンプ８等の機器を制御する制御装置である。本実施の形態では、冷却装置１１（冷媒回路６）毎に制御器１７を有している。各冷媒回路６（制御器１７）を連携して制御するため、それぞれを通信線等により接続し、通信（信号の送受信）可能としている。また、本実施の形態では、一方の制御器１７を親側の制御器１７とする。そして、親側の制御器１７は、各放熱器用電動弁１６の開度を調整する制御を行う。制御器１７における制御の詳細については後述する。

次に、冷媒回路６における冷却運転（通常運転）時の動作について説明する。まず、圧縮機１は、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し、四方弁５を介して水冷凝縮器２へ流入させる。水冷凝縮器２は、水循環ポンプ８から供給される水と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒回路６の冷媒を凝縮液化させる。水冷凝縮器２から流出した冷媒は絞り装置３に流入する。絞り装置３は凝縮液化した冷媒を減圧する。絞り装置３を通過した冷媒は蒸発器４に流入する。蒸発器４は、冷媒回路６の冷媒と蒸発器用送風機７から送られる冷却対象空間の空気との間で熱交換を行い、冷媒を蒸発ガス化するとともに冷却対象となる空間の空気を冷却する。蒸発器４から流出した冷媒は、四方弁５を介して圧縮機１に吸入される。

さらに、水回路１０の冷却運転時の動作について水回路１０の水の流れに基づいて説明する。対応する冷媒回路６が運転を行っている場合、水循環ポンプ８は、水を吸入、加圧して移送させる。水は凝縮器用電動弁９を通って水冷凝縮器２へ流入する。水冷凝縮器２において冷媒と水とが熱交換する。これにより、熱が冷媒から水に移動し水が加温（加熱）する。水冷凝縮器２において加温された水は、放熱器用電動弁１６を通って放熱器１４へ流入する。放熱器１４において、放熱器用送風機１５から送られる室外側の空気と水とが熱交換する。これにより、熱が水から放熱器周囲の空気に移動して、水が冷却する。ここで、本実施の形態では、放熱器用電動弁１６、放熱器１４、放熱器用送風機１５を複数台有しており、それぞれ個別に運転／停止することができる。また、各放熱器１４における放熱容量を可変できる。

図２は本発明の実施の形態１に係る制御器１７の制御に係る処理の流れを示す図である。次に制御器１７の制御を図２にしたがって説明する。各制御器１７は、インバータ制御機能を有する圧縮機１を起動させるか起動させない（停止させる）かを判断する（Ｓ１）。そして、起動させるものと判断すると、制御対象の凝縮器用電動弁９を開放させ、水循環ポンプ８を駆動させる（Ｓ２）。ここで、すでに凝縮器用電動弁９が開放し、水循環ポンプ８が駆動している場合には、そのまま継続する。

一方、起動させないものと判断すると、凝縮器用電動弁９を閉止させ、水循環ポンプ８を停止させる（Ｓ３）。例えば、圧縮機１が停止中にもかかわらず、対応する凝縮器用電動弁９が開いていると、他の水循環ポンプ８の駆動により、水が逆流するため、不必要なポンプ動力が生じ、省エネルギーを阻害することになるからである。冷媒回路６毎に水循環ポンプ８を対応して設け、停止中の冷媒回路６に対応する水循環ポンプ８を停止させるようにすることで、必要以上に水の循環動力を多くせずにすみ、さらに省エネルギーをはかることができる。

そして、圧縮機１を駆動して冷媒回路６による冷却運転中、冷媒回路６における冷却負荷が冷却装置１１の冷却能力より大きいかどうかを判断する（Ｓ４）。冷却装置１１の冷却能力より冷却負荷が大きいと判断すると、圧縮機１の回転数を増加させて冷却能力を増大させる。また、水循環ポンプ８の回転数を増加させて流量を増大させる（Ｓ５）。

冷媒回路６における冷却負荷が冷却装置１１の冷却能力より大きくないと判断すると、さらに、冷媒回路６における冷却負荷が冷却装置１１の冷却能力より小さいかどうかを判断する（Ｓ６）。冷却負荷が冷却装置１１の冷却能力より小さいと判断すると、圧縮機１の回転数を減少させ冷却能力を減少させる。また、水循環ポンプ８の回転数を減少させて流量を減少させる（Ｓ７）。ここで、水循環ポンプ８の回転数の変化に合わせて、凝縮器用電動弁９の開度を調整するようにしてもよい。

さらに、本実施の形態では、複数の冷媒回路６に対応する水循環ポンプ８の流量合計に応じて、各放熱器用電動弁１６の開度を調整する（Ｓ８）。この処理は、親側の制御器１７が処理を行う。例えば本実施の形態のような２台の冷却装置１１（冷媒回路６）を有している場合に、一方が停止して、冷却負荷合計が５０％となり、水循環ポンプ８の流量合計も総流量の５０％となっているようなときには、２つの放熱器用電動弁１６のうち一方を閉じ、放熱器用送風機１５を停止させる。放熱器用電動弁１６を閉じることで、水循環ポンプ８が移送する水量が減るため、消費電力の削減をはかることができる。

また、例えば２台の放熱器１４の設置場所が異なり、周囲温度条件が異なる場合は、より周囲温度の低い放熱器１４側の放熱器用電動弁１６の開度を１００％とし、他方の放熱器１４側の放熱器用電動弁１６の開度を０％とするようにしてもよい。このようにすれば、効率よく放熱を行うことができ、より省エネルギーを達成できる。また２つの放熱器用電動弁１６の開度の割合をそれぞれ５０％としてもよい。そして、一方の開度を２５％とし、他方を７５％とすることができる。例えば、２台の放熱器１４の設置場所が異なり、一方の放熱器１４の放熱比率を上げて、暖房用途、加熱用途、給湯用途等に利用する場合に効果的である。この場合、例えば利用用途において、本来必要とする加熱源を省略等することができ、この分、省エネルギーをはかることができる。また、放熱器用電動弁１６の開度に合わせて放熱器用送風機１５の回転数を低減させるようにしてもよい。放熱器用送風機１５の回転数を削減することで、さらに省エネルギーをはかることができる。

図３は実施の形態１に係る冷却装置１１の制御による消費電力を示す図である。図３では比較のために、従来の制御による消費電力と共に示している。図３では、冷却装置１１における冷却負荷が変動した場合の、２つの冷媒回路６における消費電力と冷却装置１１の消費電力（＝２つの冷媒回路６における消費電力＋水循環ポンプ８の消費電力）とを表している。例えば冷却負荷１００％では、本実施の形態における消費電力は従来の消費電力とほぼ変わらない。

冷却負荷５０％の部分負荷の場合に、容量制御機能を有する圧縮機１と流量可変の水循環ポンプ８とにおける省エネルギー効果が現れることがわかる。また、本実施の形態では、複数の冷却装置１１毎に水循環ポンプ８を設けており、停止中の冷媒回路６に対応する水循環ポンプ８は停止させるようにしていることで、水の循環動力を不要にできるので、さらに省エネルギーをはかることができる。さらに、２つの放熱器用電動弁１６のうち、一方を閉じて（より周囲温度の低い放熱器１４の放熱器用電動弁１６を開く）、不要な水循環動力を削減し、水循環ポンプ８の消費電力の削減を図れ、より省エネルギーを達成することができる。

ここで、さらに本実施の形態における冷却装置１１の除霜運転時の動作について説明する。除霜運転を行う際は、四方弁５は、冷媒回路６の冷媒が通常運転とは逆方向に流れるように流路を切り替える。圧縮機１は、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し、四方弁５を介して蒸発器４へ流入させる。蒸発器４は、付着した霜や氷と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化させると共に霜や氷を解かす。蒸発器４から流出した冷媒は絞り装置３に流入する。絞り装置３は凝縮液化した冷媒を減圧する。絞り装置３を通過した冷媒は水冷凝縮器２に流入する。水冷凝縮器２は、水循環ポンプ８から供給される水と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を蒸発ガス化するとともに水を冷却する。水冷凝縮器２から流出した冷媒は、四方弁５を介して圧縮機１に吸入される。

さらに、水回路１０の除霜運転時の動作について水回路１０の水の流れに基づいて説明する。水循環ポンプ８は、水回路１０の水を吸入して加圧して移送させる。水は凝縮器用電動弁９を通って水冷凝縮器２へ流入する。水冷凝縮器２において冷媒と水とが熱交換する。これにより、熱が冷媒から水に移動し、水が冷却する。水循環ポンプ８の移送によって水は放熱器１４を流れるが、ここでは、特に積極的に水に吸熱させないものとする。

ここで、複数の冷媒回路６を同時には除霜運転せず、順番に行う方が望ましい。例えば、除霜運転中は水回路１０の水が冷却されるため、同時に除霜運転すると、水温が露点温度以下に下がり、水配管に露つき問題が生じる可能性があるからである。また、さらに温度が下がると水が凍結して水配管等が破損してしまうなど、不具合が生じるおそれがある。このため、水が凍結するおそれがある場合には、凍結パンクを防止するため、除霜運転中は、水循環ポンプ８の回転数を最大にして駆動させる方がよい。

以上のように、この発明の冷却装置１１においては、制御器１７が、冷却運転を行う際、各冷媒回路６の運転負荷に合わせて水循環ポンプ８の流量を増減させ、各水循環ポンプ８の合計流量に基づいて放熱器用電動弁１６の開度を調整するようにしたので、省エネルギーをはかることができる。また、制御器１７は、凝縮器用電動弁９を、インバータ制御機能を有する圧縮機１の運転／停止に応じて開／閉させるので、他の運転中の水循環ポンプ８の運転により、水が逆流してくることがないため、不必要なポンプ動力が生じず、省エネルギーとなる。

また、複数の冷媒回路６に対応する水循環ポンプ８を設け、たとえば停止中の冷却装置１１の水循環ポンプ８は停止させることで、不必要な水の循環動力を不要にできるので、さらに省エネルギーが図れる。

また、制御器１７は、冷却運転負荷に応じて容量制御機能を有する圧縮機１の回転数を可変させ、冷却装置１１の冷却負荷に応じて、流量可変の水循環ポンプ８の流量を可変させ、合わせて、凝縮器用電動弁９の開度を調整する。さらに、制御器１７は、複数の制御器１７と制御情報を通信し、複数の冷却装置１１の水循環ポンプ８の流量合計に応じて、放熱器用電動弁１６の開度を調整するので、水循環ポンプ８の消費電力の削減、省エネルギーをはかることができる。

また、２台の放熱器１４が設置される場所が異なり、周囲温度条件が異なる場合は、より周囲温度の低い放熱器１４の放熱器用電動弁１６の開度を大きくすることで、より省エネルギーをはかることができる。

また、放熱器１４の熱交換量を分散化し、最適容量運転をして、水循環ポンプ８の消費電力を削減し、冷却装置の効率を改善することができる。その結果、省エネルギー化が図れる。そして、地球温暖化防止への貢献を同時に達成することができるという効果が得られる。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２における冷却システムの構成を示す図である。本実施の形態においては、放熱器１４、放熱器用送風機１５および放熱器用電動弁１６の組み合わせを複数組（本実施の形態では３組）有している。そして、そのうち、２台をショーケース内に配置する。冷媒回路６および水回路１０における動作については、上述した実施の形態１の冷却装置１１と同様の動作を行う。

図５は実施の形態２における冷却装置１１の具体的な構成例を示す図である。例えば、図５（ａ）においては、冷却装置１１における放熱器１４をショーケースの前面足元の部分に設けるようにしたものである。図５（ａ）のような配置をすることで、放熱器１４をコールドアイル対策の暖房加熱源として利用することができる。

また、例えば、図５（ｂ）においては、冷却装置１１における放熱器１４をショーケースの前面下部の外枠内面の部分に設けるようにしたものである。図５（ｂ）のような配置をすることで、放熱器１４を結露対策の加熱源として利用することができる。

例えば、冷媒回路６を停止していても、放熱器用電動弁１６を開き、水循環ポンプ８を駆動してショーケース内の放熱器１４に水を通過させ、放熱器用送風機１５を駆動させて空気と熱交換させることで、暖房、加熱することも可能である。このとき、他の加熱源を必要としないので、省エネルギーをはかることができる。

以上のように、実施の形態２によれば、放熱器１４の一部を室内（冷却装置１１内）に配置し、水による排熱を店舗内の暖房、ショーケースの足元通路のコールドアイル対策等に有効利用することができる。また、ショーケースの外枠の結露防止加熱源としてヒータ代替に利用できる。このため、これらの加熱に必要な負荷を軽減でき（他の機器による運転動力、加熱ヒータの熱量等を減らすことができ）、さらに省エネルギーをはかることができる。そして、地球温暖化防止への貢献を同時に達成することができるという効果が得られる。

実施の形態３．
ここで、実施の形態１および２における冷却装置１１では、２つの冷媒回路６を有する例を示したが、３つ以上有する場合も同様の効果を奏する。

また、各冷却装置１１（冷媒回路６）に対して制御器１７を有するようにしたが、制御装置を１台として集中して処理を行い、複数の冷媒回路６、水回路１０等の制御を行うようにしてもよい。

１ 圧縮機、２ 水冷凝縮器、３ 絞り装置、４ 蒸発器、５ 四方弁、６ 冷媒回路、７ 蒸発器用送風機、８ 水循環ポンプ、９ 凝縮器用電動弁、１０ 水回路、１１ 冷却装置、１２ 入口水配管接続口、１３ 出口水配管接続口、１４ 放熱器、１５ 放熱器用送風機、１６ 放熱器用電動弁、１７ 制御器。

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮する容量可変の圧縮機、前記冷媒と水とを熱交換させる水冷凝縮器、前記冷媒を圧力調整する絞り装置および前記冷媒の熱交換により冷却対象を冷却する蒸発器を配管接続して構成する冷媒回路、前記水冷凝縮器に前記水を供給する流量可変の水循環ポンプ、並びに、前記冷媒回路の運転負荷に基づいて、前記水循環ポンプが前記水冷凝縮器に供給する水の流量を制御する制御装置を有する冷却装置と、
   通過する水に放熱させる複数の放熱器と、
   各放熱器を流れる前記水の流量を調整する複数の放熱器用流量調整装置とを備え、
   前記冷却装置が有する前記水循環ポンプと、前記複数の放熱器とを並列に配管接続して水回路を構成し、
   前記制御装置は、前記冷媒回路における運転負荷に基づいて、各放熱器用流量調整装置が調整する水の流量を制御し、
   前記蒸発器を有するショーケースの前面足元の部分および前面下部の外枠内面部分の少なくとも一方に、前記放熱器を設けることを特徴とする冷却システム。
2. 前記冷却装置を複数有し、
   各冷却装置の前記水冷凝縮器を通過する水の流れを制御する開閉装置と、
   前記各冷却装置の前記水冷凝縮器を、前記放熱器に対して並列に配管接続して前記水回路を構成し、
   前記制御装置は、前記冷媒回路を停止させると、停止に係る前記冷媒回路に対応する前記水循環ポンプを停止させ、対応する前記開閉装置を閉止させる制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記放熱器と熱交換させる流体を供給する流体供給手段をさらに備え、
   前記制御装置は、前記放熱器用流量調整装置における水の流量に基づいて、前記流体供給手段が前記放熱器に供給する流体の流量を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷却システム。
4. 前記制御装置は、前記冷媒回路における運転負荷に基づいて、各放熱器用流量調整装置の開度調整を行うときに、前記複数の放熱器のうちの、周囲温度が低い前記放熱器に対応する放熱器用流量調整装置の開度を優先して大きくすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の冷却システム。

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