JP6326621B2 - 自動販売機 - Google Patents

Description

本発明は、自動販売機の冷凍サイクルの制御に関するものである。

従来、この種の自動販売機に搭載されるヒートポンプサイクルは、例えば、図６に示すようなものがある（例えば、特許文献１参照）。

図６に示すように、従来の自動販売機では、圧縮機１、庫内熱交換器２ａ〜２ｃ、膨張弁３、庫外熱交換器４は、配管で接続されてヒートポンプサイクル５を構成する。ヒートポンプサイクル５には、冷媒として二酸化炭素が封入され、回路中には開閉操作を行う電磁弁６ａ〜６ｃが設けられる。また、庫内熱交換器２ａ〜２ｃの近傍には庫内ファン７ａ〜７ｃが設置され、庫外熱交換器４の近傍には庫外ファン８が設置されている。

自動販売機本体は、商品を収納する商品収納庫１００と商品収納庫１００の下部に配置された機械室（図示せず）から構成される。商品収納庫１００内は、収納する商品を冷却または加温する第１の冷却加温室１０１と、収納する商品を冷却または加温する第２の冷却加温室１０２と、収納する商品を冷却する冷却専用室１０３とに区画され、各々に庫内熱交換器２ａ〜２ｃと庫内ファン７ａ〜７ｃとを備えている。

また、圧縮機１、膨張弁３、庫外熱交換器４、庫外ファン８、電磁弁６ａ〜６ｃは機械室に格納されるのが一般的である。なお、商品は、区画された商品収納庫１００それぞれの庫内の上部から吊り下げられた商品収納棚（図示せず）の内部に収納されている。

以上のように構成された従来の自動販売機について、以下、その動作を説明する。

従来の自動販売機は、第１の冷却加温室１０１を加温すると同時に第２の冷却加温室１０２と冷却専用室１０３の内の少なくともいずれか一方を冷却する冷却加温運転モード（３室運転ＣＣＨ、２室運転ＣＨ）と、第１の冷却加温室１０１の加温のみを行う加温運転モード（１室運転Ｈ）、第２の冷却加温室１０２と冷却専用室１０３の内の少なくともいずれか一方の冷却のみを行う冷却運転モード（２室運転ＣＣ、１室運転Ｃ）とを電磁弁６ａ〜６ｃの開閉にて切り換えて行う。

特許文献１に記載の自動販売機においては、図６に示すように、庫外熱交換器４（特許文献１内では補助熱交換器と呼称）の下流側に設けられたガスクーラ２１、庫外熱交換器４の冷媒出口温度を検出する温度センサ２２、ガスクーラ２１をバイパスするバイパス配管２３、ガスクーラ２１とバイパス配管２３の流路を切り替えるバイパス切替三方弁２４とを備え、冷却加温運転モードで、ヒートポンプサイクル５を運転中に、温度センサ２２にて検出される庫外熱交換器出口の冷媒温度に応じて庫外ファン８（特許文献１内では室外ファンと呼称）の出力を制御し、さらに、庫外熱交換器出口の冷媒温度が所定値（例えば、７５℃）を超えたときには、バイパス切替三方弁２４をガスクーラ２１側へと切り替えて、ヒートポンプサイクル５を循環する冷媒がバイパス配管２３側でなく、ガスクーラ２１側を流れるように制御する。

以上のように、庫外熱交換器４およびガスクーラ２１における熱交換能力を制御することによって、高圧側で動作する庫内熱交換器２ａ、庫外熱交換器４、ガスクーラ２１の３つの熱交換器における総熱交換量を増加させ、超臨界状態にある高圧を所定の範囲に抑制しながらも、最下流に配設されたガスクーラ２１の出口温度およびエンタルピを下げるこ
とができる。

その結果、蒸発器として動作する庫内熱交換器２ｂ、２ｃにおける冷却側のエンタルピ差が大きくなり、庫内熱交換器２ｂ、２ｃの冷却能力、およびヒートポンプサイクル５の省エネルギー性を向上させることができる。

特開２０１０−９１０５号公報

しかしながら、上記従来の自動販売機の構成では、外気温が低い場合など、庫外ファンを停止しても、高圧を上げることができず、また、バイパスのみの場合は、高圧が上昇しすぎるため所定の高圧での超臨界状態に調整することが困難であった。

本発明は、上記課題を解決するもので、庫内の運転モードに応じて適正なサイクル状態に制御することができ、省エネを図ることのできる自動販売機を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の自動販売機は、圧縮機、少なくとも１つの庫内熱交換器、減圧手段、庫外熱交換器を備え、冷媒に二酸化炭素を用い、冷媒流路を切り換えて冷却加温を行なう自動販売機であって、少なくとも１つの前記庫内熱交換器が凝縮器として機能する場合は冷媒サイクルの高圧側が超臨界状態となり、少なくとも１つの前記庫内熱交換器が蒸発器として機能しており凝縮器として機能する前記庫内熱交換器が１つもない場合は冷媒サイクルの高圧側が臨界点を超えないように前記減圧手段の絞り量を調整するものである。

これによって、加熱運転を含む場合、減圧手段の絞り量を大きくするため、高圧は超臨界となり、庫内熱交換器はガスクーラとして使用され、加熱運転を含まない場合（冷却のみの場合）、減圧手段の絞り量を小さくするため、高圧は低下し、二相域で凝縮する。

このため、加熱を行う場合、従来、庫外へ排熱していた熱を庫内の加熱に利用（ＣＯＰ１以上）することができ、ヒータを必要としない。また、冷却のみの場合、高圧を下げることにより圧縮比を下げ、ＣＯＰを向上させることができるとともに、二相域での凝縮を行うため熱伝達率が向上し、エンタルピー差を大きくとることができ冷却性能を向上することができる。

本発明の自動販売機は、庫内の運転モードに応じて適正な冷凍サイクルで運転することができるため省エネを図ることができる。

本発明の実施の形態１における自動販売機に用いたヒートポンプサイクルの構成図 本発明の実施の形態１の自動販売機における２室の冷却と１室の加温を同時に行う時の冷媒の流れを示す説明図 本発明の実施の形態１の自動販売機における１室の加温単独運転時の冷媒の流れを示す説明図 本発明の実施の形態１の自動販売機における３室全室の冷却運転時の冷媒の流れを示す説明図 本発明の実施の形態１の自動販売機におけるヒートポンプサイクルの動作点を示すモリエル線図 従来の自動販売機のヒートポンプサイクルの構成図

第１の発明は、圧縮機、少なくとも１つの庫内熱交換器、減圧手段、庫外熱交換器を備え、冷媒に二酸化炭素を用い、冷媒流路を切り換えて冷却加温を行なう自動販売機であって、少なくとも１つの前記庫内熱交換器が凝縮器として機能する場合は冷媒サイクルの高圧側が超臨界状態となり、少なくとも１つの前記庫内熱交換器が蒸発器として機能しており凝縮器として機能する前記庫内熱交換器が１つもない場合は冷媒サイクルの高圧側が臨界点を超えないように前記減圧手段の絞り量を調整する自動販売機である。

上記構成において、加熱運転を含む場合、減圧手段の絞り量を大きくするため、高圧は超臨界となり、庫内熱交換器はガスクーラとして使用され、加熱運転を含まない場合（冷却のみの場合）、減圧手段の絞り量を小さくするため、高圧は低下し、二相域で凝縮するため、加熱を行う場合、従来、庫外へ排熱していた熱を庫内の加熱に利用（ＣＯＰ１以上）することができ、ヒータを必要としない。

また、冷却のみの場合、高圧を下げることにより圧縮比を下げ、ＣＯＰを向上させることができるとともに、二相域での凝縮を行うため熱伝達率が向上し、エンタルピ差を大きくとることができ冷却性能を向上することができる。

第２の発明は、特に第１の発明の構成に加えて、前記庫内熱交換器が複数あり、前記庫内熱交換器のそれぞれに対して前記庫内熱交換器に送風する庫内ファンを備え、少なくとも１つの前記庫内熱交換器が凝縮器として機能し残りの少なくとも１つの前記庫内熱交換器が蒸発器として機能して冷媒サイクルの高圧側が超臨界状態である場合、または少なくとも１つの前記庫内熱交換器が蒸発器として機能しており凝縮器として機能する前記庫内熱交換器が１つもない場合のどちらかの場合において、蒸発器として機能している前記庫内熱交換器の蒸発温度が所定温度を超えていれば、蒸発器として機能している前記庫内熱交換器に送風する前記庫内ファンの風量を減少させ、蒸発器として機能している前記庫内熱交換器の蒸発温度が前記所定温度より低ければ、蒸発器として機能している前記庫内熱交換器に送風する前記庫内ファンの風量を増加させるのである。

上記自動販売機の構成において、減圧手段は、高圧側を制御しているため、低圧側は、成り行きとなり、所定の蒸発温度に対し高くなる場合と低くなる場合があるが、蒸発温度が所定温度より高い場合は、庫内ファンの風量を減少させることにより、蒸発温度は低下する。

一方、蒸発温度が所定温度より低い場合は、庫内ファンの風量を増加させることにより蒸発温度は上昇する。これにより、高圧側を超臨界状態に保ちつつ、もしくは、超臨界以下に保ちつつ、低圧側を所定の蒸発温度に適正に制御できるため、飲料の加温および冷却を適正に行うことができ、省エネを図ることができる。

以下、本発明の自動販売機の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における自動販売機に搭載のヒートポンプサイクルの構
成を示している。

圧縮機１、庫内熱交換器２ａ〜２ｃ、第１の膨張弁３、庫外熱交換器４は、配管で環状に接続されてヒートポンプサイクル５を構成する。このヒートポンプサイクル５には、冷媒として二酸化炭素が封入される。

ヒートポンプサイクル５の回路中には開閉操作を行う電磁弁６ａ〜６ｃが設けられる。また、電磁弁６ａ〜６ｃの下流側には、各庫内熱交換器２ａ〜２ｃへの分流を調整する抵抗器１５ａ〜１５ｃが設けられている。

さらに、庫内熱交換器２ａ〜２ｃの近傍には庫内ファン７ａ〜７ｃが設置され、庫外熱交換器４の近傍には庫外ファン８が設置されている。また、ヒートポンプサイクル５の高圧側の冷媒と低圧側の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器９を備えている。

本実施の形態１の自動販売機は、商品を収納する商品収納庫１００と商品収納庫１００の下部に配置された機械室（図示せず）を有する。商品収納庫１００内は３つの区画に別れ、収納する商品を冷却もしくは加温する第１の冷却加温室１０１、収納する商品を冷却もしくは加温する第２の冷却加温室１０２、収納する商品を冷却する冷却専用室１０３を有する。また、それぞれの庫内には、商品収納棚（図示せず）が上部に吊り下げられており、商品が内部に収納されている。

第１の冷却加温室１０１内には、内部を流通する冷媒と第１の冷却加温室１０１内部の空気が熱交換をする庫内熱交換器２ａと、庫内熱交換器２ａの近傍に配置され、庫内熱交換器２ａを通過するように第１の冷却加温室１０１内の空気を循環させる庫内ファン７ａと、第１の冷却加温室１０１内の商品を加温する場合に通電される加温ヒータ１６ａと、第１の冷却加温室１０１の室内温度を検出する温度センサー（図示せず）が配置される。

第２の冷却加温室１０２内には、内部を流通する冷媒と第２の冷却加温室１０２内部の空気が熱交換をする庫内熱交換器２ｂと、庫内熱交換器２ｂの近傍に配置され、庫内熱交換器２ｂを通過するように第２の冷却加温室１０２内の空気を循環させる庫内ファン７ｂと、第２の冷却加温室１０２内の商品を加温する場合に通電されて発熱する加温ヒータ１６ｂと、第２の冷却加温室１０２の室内温度を検出する温度センサー（図示せず）が配置される。

冷却専用室１０３内には、内部を流通する冷媒と冷却専用室１０３内部の空気が熱交換をする庫内熱交換器２ｃと、庫内熱交換器２ｃの近傍に配置され、庫内熱交換器２ｃを通過するように冷却加温室１０３内の空気を循環させる庫内ファン７ｃと、冷却専用室１０３の室内温度を検出する温度センサー（図示せず）が配置される。

第１の膨張弁３は、庫外熱交換器４の出口に設けられ、冷却加温システムの制御手段（図示せず）によって絞り量が制御される。主に、庫内熱交換器２ａ〜２ｃの少なくともいずれか１つの熱交換器が蒸発器として動作して、商品を冷却する場合に制御して動作させる。

第２の膨張弁１４は庫内熱交換器２ａから庫外熱交換器４へ向かう回路中に設けられ、冷却制御手段の制御手段（図示せず）によって絞り量が制御される。主に、庫内熱交換器２ａが放熱器として動作して、第１の冷却加温室１０１内の空気を加温する場合に制御して動作させる。

第１の三方弁１０は、圧縮機１の吐出管の下流側に配置され、圧縮機１の吐出管を庫内
熱交換器２ａと庫外熱交換器４のいずれか一方と選択的に連通させる。

第２の三方弁１１は、庫内熱交換器２ａと庫外熱交換器４との間に配置され、庫内熱交換器２ａを庫外熱交換器４と圧縮機１の吸入管のいずれかと選択的に連通させる。

第３の三方弁１２は、内部熱交換器９の高圧側出口から庫外熱交換器４へと向かう回路中に配置され、内部熱交換器９の高圧側出口を第２の膨張弁１４を経て庫外熱交換器４へと向かう経路と、第２の膨張弁１４を経ずに直接、庫外熱交換器４へと向かう経路とを選択的に連通させる。

バイパス弁１３は、庫外熱交換器４の出口と内部熱交換器９の低圧側入口とを繋ぐ回路上に設けられる。

庫内熱交換器２ａ〜２ｃ、および庫外熱交換器４は、フィンチューブ式の熱交換器であって、略平板状のアルミに銅管が鉛直に貫通するように構成されるのが一般的である。

内部熱交換器９は、二重管式の熱交換器であって、高圧側冷媒が内側流路、低圧側冷媒が外側流路を流れて互いに熱交換するように構成されるのが一般的である。

以上のように構成された本実施の形態の自動販売機について、以下にその動作、作用を説明する。

本実施の形態における自動販売機は、第１の冷却加温室１０１を加温すると同時に第２の冷却加温室１０２と冷却専用室１０３の両方を冷却する冷却加温運転モード（３室運転ＣＣＨ）と、第１の冷却加温室１０１を加温すると同時に第２の冷却加温室１０２と冷却専用室１０３の内の一方を冷却し他方は冷却も加温も行わない冷却加温運転モード（２室運転ＣＨ）と、第１の冷却加温室１０１の加温のみを行う加温運転モード（１室運転Ｈ）と、第１の冷却加温室１０１と第２の冷却加温室１０２と冷却専用室１０３の全室の冷却を行う冷却運転モード（３室運転ＣＣＣ）と、第１の冷却加温室１０１と第２の冷却加温室１０２と冷却専用室１０３の内のいずれか二室の冷却のみを行う冷却運転モード（２室運転ＣＣ）と、第１の冷却加温室１０１と第２の冷却加温室１０２と冷却専用室１０３の内のいずれか一室の冷却のみを行う冷却運転モード（１室運転Ｃ）とを、第１の三方弁１０、第２の三方弁１１、第３の三方弁１２および電磁弁６ａ〜６ｃの開閉にて切り換えて行う。

まず、第１の冷却加温室１０１を加温し、第２の冷却加温室１０２および、冷却専用室１０３を冷却する冷却加温運転モードの場合における動作を説明する。

第１の冷却加温室１０１を加温し、第２の冷却加温室１０２および、冷却専用室１０３を冷却する冷却加温運転モードの場合におけるヒートポンプサイクルの冷媒の流れは図２に示す通りである。

第１の冷却加温室１０１を加温し、第２の冷却加温室１０２、および冷却専用室１０３を冷却する冷却加温運転モードの場合は、電磁弁６ａを閉状態、電磁弁６ｂ、６ｃを開状態とし、第１の三方弁１０を、圧縮機１の吐出管と庫内熱交換器２ａの入口とが連通する状態とし、第２の三方弁１１を、庫内熱交換器２ａの出口と内部熱交換器９の高圧側入口とが連通する状態とし、第３の三方弁１２を、内部熱交換器９の高圧側出口と庫外熱交換器４の入口とが第２の膨張弁１４をバイパスして直接連通する状態とする。

さらに、バイパス弁１３は閉状態とし、庫外熱交換器４の出口と内部熱交換器９の低圧
側入口とは直接連通されていない状態とし、圧縮機１を起動させる。

圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒は、第１の三方弁１０を通過して庫内熱交換器２ａへと供給される。庫内熱交換器２ａは放熱器として動作し、例えば、１００℃の高温高圧の冷媒から、庫内ファン７ａによって庫内熱交換器２ａへと向かって送風される第１の冷却加温室１０１内部の空気へと放熱し、第１の冷却加温室１０１内を加温する。さらには、第１の冷却加温室１０１内に収納されている商品を加温して、例えば、６０℃の中温高圧の冷媒となる。

一方、庫内熱交換器２ａにて空気へと放熱し流出した冷媒は、第２の三方弁１１を通過して内部熱交換器９の高圧側流路へと供給される。内部熱交換器９においては、高圧側冷媒から低温側冷媒へと放熱し、高圧側冷媒は温度低下し、低圧側冷媒は温度上昇する。

その後、内部熱交換器９から流出した冷媒は、第３の三方弁１２を経由して庫外熱交換器４へと供給される。

庫外熱交換器４においては、例えば、４０℃の中温高圧の冷媒から、庫外ファン８によって庫外熱交換器４へと向かって送風される外部の空気へと放熱し、冷媒はさらに温度低下し、例えば、２５℃の低温高圧の冷媒となる。

庫外熱交換器４から流出した冷媒は、第１の膨張弁３において減圧され低温低圧の二相冷媒となった後に、二方向に分岐され、各々電磁弁６ｂ、６ｃを通過し、抵抗器１５ｂ、１５ｃにおいてさらに減圧された後に、庫内熱交換器２ｂ、２ｃへと各々供給される。

庫内熱交換器２ｂ、２ｃはともに蒸発器として動作し、例えば、−５℃の低温低圧の二相冷媒は、庫内ファン７ｂ、７ｃによって庫内熱交換器２ｂ、２ｃへと向かって送風される第２の冷却加温室１０２および冷却専用室１０３内部の空気を冷却し、第２の冷却加温室１０２および冷却専用室１０３内を冷却する。さらには、第２の冷却加温室１０２および冷却専用室１０３内に収納されている商品を冷却する。

一方、庫内熱交換器２ｂ、２ｃにて空気を冷却し、一部または全部が蒸発してガス化した冷媒は、再び合流した後に内部熱交換器９の低圧側流路へと供給される。内部熱交換器９においては、低圧側冷媒は高圧側冷媒より吸熱し、過熱ガスとなって圧縮機１の吸入管より還流する。

そして、冷却加温システムの制御手段（図示せず）が、第１の冷却加温室１０１の室内温度が予め設定された加温温度範囲内を維持し、第２の冷却加温室１０２、冷却専用室１０３の各庫内の温度が予め設定された冷却温度範囲内を維持するように、第１の三方弁１０、第２の三方弁１１、第３の三方弁１２の切り替え、および圧縮機１と庫内ファン２ａ〜２ｃ、庫外ファン８の運転を制御している。

例えば、第１の冷却加温室１０１内の温度が、加温温度範囲の上限値となる所定温度（例えば、５８℃）まで加温された時に、電磁弁６ｂ、６ｃのうち少なくとも一方が開状態で、第１の膨張弁３から庫内熱交換器２ｂ、２ｃへと向かう流路のうち少なくとも一方が開放状態であれば、第１の三方弁１０を圧縮機１の吐出管と庫内熱交換器２ａの入口とが連通する状態から圧縮機１の吐出管と内部熱交換器９の高圧側入口とが連通する状態へと切り替え、庫内熱交換器２ａに冷媒が流れない状態にするとともに、庫内熱交換器２ａに送風している庫内ファン７ａの運転を停止する。このとき、第２の三方弁１１は庫内熱交換器２ａの出口と内部熱交換器９の高圧側入口とが連通したままにしておく。

また、庫内熱交換器２ａに圧縮機１からの冷媒が流れないように第１の三方弁１０を切り替えた後に、第１の冷却加温室１０１の温度が加温温度範囲の下限値となる所定温度（例えば、５３℃）まで低下すれば、再び第１の三方弁１０を、圧縮機１と庫内熱交換器２ａの入口とが連通するように切り替えるとともに、庫内ファン７ａの運転を再開する。

次に、第２の冷却加温室１０２内の温度が冷却温度範囲の下限値となる所定温度（例えば、１℃）まで冷却されると、電磁弁６ｂを開状態から閉状態へと切り替えて、庫内熱交換器２ｂに冷媒が流れない状態にするとともに、庫内ファン７ｂの運転を停止する。

圧縮機１の停止中に第２の冷却加温室１０２内の温度が、冷却温度範囲の上限値となる所定温度（例えば、５℃）まで上昇すれば、電磁弁６ｂを閉状態から開状態へと切り替えて、再び庫内熱交換器２ｂに冷媒が流れる状態にするとともに、庫内ファン７ｂの運転を再開する。

更に、冷却専用室１０３内の温度が冷却温度範囲の下限値となる所定温度（例えば、１℃）まで冷却されると、電磁弁６ｃを開状態から閉状態へと切り替えて、庫内熱交換器２ｃに冷媒が流れない状態にするとともに、庫内ファン７ｃの運転を停止する。

このとき、第１の三方弁１０が圧縮機１と内部熱交換器９の高圧側入口とを連通する状態であって、電磁弁６ｂが閉状態であれば、第１の冷却加温室１０１の加温、第２の冷却加温室１０２および冷却専用室１０３の冷却が全て停止状態となるので、圧縮機１を停止する。

第１の三方弁１０が圧縮機１と庫内熱交換器２ａの入口とを連通する状態であって、電磁弁６ｂ、６ｃがともに閉状態であれば、第３の三方弁１２を内部熱交換器９の高圧側出口と庫外熱交換器４の入口とが直接連通する状態から内部熱交換器９の高圧側出口と庫外熱交換器４の入口とが第２の膨張弁１４を経て連通する状態へと切り替えるとともに、バイパス弁１３を開状態とし、庫内熱交換器２ａが放熱器、庫外熱交換器４が蒸発器として動作するヒートポンプサイクルで第１の冷却加温室１０１の加温を継続する。

圧縮機１の停止中に冷却専用室１０３内の温度が冷却温度範囲の上限値となる所定温度（例えば、５℃）まで上昇すれば、電磁弁６ｃを閉状態から開状態へと切り替えて、再び庫内熱交換器２ｃに冷媒が流れる状態にすると共に、庫内ファン７ｃの運転を再開する。

第１の冷却加温室１０１内に配設された加温ヒータ１６ａは、ヒートポンプサイクルの運転を行うことが出来ないような極低温時やイニシャルプルアップのような加温不可が大きい場合に加温するための補助的なものであり、通常加温においては、効率のよいヒートポンプサイクルによる加温を優先的に行うように設計、制御される。

第２の冷却加温室１０２内に配設された加温ヒータ１６ｂは、第２の冷却加温室１０２内の商品を加温する場合に運転、制御される。

次に、第１の冷却加温室１０１の加温のみを行う加温運転モードの場合における動作を説明する。

第１の冷却加温室１０１の加温のみを行う加温運転モードにおけるヒートポンプサイクルの冷媒の流れは図３に示す通りである。

第１の冷却加温室１０１の加温のみを行う加温運転モードの場合は、第１の三方弁１０を、圧縮機１の吐出管と庫内熱交換器２ａの入口とが連通する状態とし、第２の三方弁１
１を、庫内熱交換器２ａの出口と内部熱交換器９の高圧側入口とが連通する状態とし、第３の三方弁１２を、内部熱交換器９の高圧側出口と庫外熱交換器４の入口とが直接連通する状態から内部熱交換器９の高圧側出口と庫外熱交換器４の入口とが第２の膨張弁１４を経て連通する状態とする。

さらに、電磁弁６ｂ、６ｃは閉状態とし、庫内熱交換器２ｂ、２ｃへと冷媒が流れない状態にするとともに、バイパス弁１３は開状態とし、庫外熱交換器４の出口と内部熱交換器９の低圧側入口とが直接連通された状態とし、圧縮機１を起動させる。

圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒は、第１の三方弁１０を通過して庫内熱交換器２ａへと供給される。庫内熱交換器２ａは放熱器として動作し、高温高圧の冷媒から、庫内ファン７ａによって庫内熱交換器２ａへと向かって送風される第１の冷却加温室１０１内部の空気へと放熱し、第１の冷却加温室１０１内を加温する。さらには、第１の冷却加温室１０１内に収納されている商品を加温する。

一方、庫内熱交換器２ａにて空気へと放熱した冷媒は、第２の三方弁１１を通過して内部熱交換器９の高圧側流路へと供給される。内部熱交換器９においては、高圧側冷媒から低温側冷媒へと放熱し、高圧側冷媒は温度低下し、低圧側冷媒は温度上昇する。

その後、内部熱交換器９から流出した冷媒は、第３の三方弁１２を経由して第２の膨張弁１４へと供給され、第２の膨張弁１４において減圧され低温低圧の二相冷媒となった後に、庫外熱交換器４へと供給される。

庫外熱交換器４は蒸発器として動作し、低温低圧の二相冷媒は、庫外ファン８によって庫外熱交換器４へと向かって送風される外部の空気を冷却し吸熱して、一部または全部がガス化した冷媒は、バイパス弁１３を通過して内部熱交換器９の低圧側流路へと供給される。内部熱交換器９においては、低圧側冷媒は高圧側冷媒より吸熱し、過熱ガスとなって圧縮機１の吸入配管へと還流する。

そして、第１の冷却加温室１０１の温度が加温温度範囲の上限値となる所定温度（例えば、５８℃）まで加温されると、冷却加温システムの制御手段（図示せず）が、圧縮機１と庫内ファン７ａと庫外ファン８とを停止し、圧縮機１と庫内ファン７ａと庫外ファン８とが停止中に第１の冷却加温室１０１内の温度が加温温度範囲の下限値となる所定温度（例えば、５３℃）まで低下すると、冷却加温システムの制御手段（図示せず）が、圧縮機１と庫内ファン７ａと庫外ファン８とを再び運転する。

最後に、第１の冷却加温室１０１、第２の冷却加温室１０２、冷却専用室１０３の全室を冷却する冷却運転モードの場合における動作を説明する。

第１の冷却加温室１０１、第２の冷却加温室１０２、冷却専用室１０３の全室を冷却する冷却運転モードの場合におけるヒートポンプサイクルの冷媒の流れは図４に示す通りである。

全室冷却のみを行う冷却運転モードの場合は、電磁弁６ａ〜６ｃは開状態とし、第１の三方弁１０を圧縮機１の吐出管と内部熱交換器９の高圧側入口とが連通する状態とし、第２の三方弁１１を庫内熱交換器２ａの出口と内部熱交換器９の低圧側入口とが連通する状態とし、第３の三方弁１２を内部熱交換器９の高圧側出口と庫外熱交換器４の入口とが第２の膨張弁１４を経ず直接連通する状態とする。

さらに、バイパス弁１３は閉状態とし、庫外熱交換器４の出口と内部熱交換器９の低圧
側入口とは直接連通されていない状態とし、圧縮機１を起動させる。

圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒は、第１の三方弁１０を通過して内部熱交換器９の高圧側流路へと供給される。内部熱交換器９においては、低圧側冷媒と熱交換して放熱する。内部熱交換器９の高圧側出口から流出した冷媒は、第３の三方弁１２を通過して庫外熱交換器４へと供給される。

このとき、庫外熱交換器４は放熱器として動作し、冷媒から、庫外ファン８によって庫外熱交換器４へと向かって送風される外部の空気へと放熱し、冷媒はさらに温度低下し、低温高圧の冷媒（例えば、２５℃）となる。

一方、庫外熱交換器４にて外部の空気へと放熱した冷媒は、第１の膨張弁３にて減圧された後に、庫内熱交換器２ａ〜２ｃのそれぞれへ向かう流路へと分岐し、各々の回路中に設けられた電磁弁６ａ〜６ｃ、抵抗器１５ａ〜１５ｃを経て、庫内熱交換器２ａ〜２ｃへと供給される。

このとき、庫内熱交換器２ａ〜２ｃは全て蒸発器として動作し、庫内ファン７ａ〜７ｃによって各々対となる庫内熱交換器２ａ〜２ｃへと向かって送風される内部の空気を冷却し、庫内を冷却する。さらには、庫内に収納されている商品を冷却する。

一方、庫内熱交換器２ａ〜２ｃにて空気を冷却し、一部または全部が蒸発してガス化した冷媒は、再び合流した後に内部熱交換器９の低圧側流路へと供給される。内部熱交換器９においては、低圧側冷媒は高圧側冷媒より吸熱し、過熱ガスとなって圧縮機１の吸入管より還流する。

そして、冷却加温システムの制御手段（図示せず）が、第１の冷却加温室１０１、第２の冷却加温室１０２、冷却専用室１０３の各庫内の温度が、予め設定された冷却温度範囲内を維持するように、第１の三方弁１０、第２の三方弁１１、第３の三方弁１２の切り替え、および圧縮機１と庫内ファン２ａ〜２ｃ、庫外ファン８の運転を制御している。

例えば、第１の冷却加温室１０１内の温度が冷却温度範囲の下限値となる所定温度（例えば、１℃）まで冷却されると、電磁弁６ａを開状態から閉状態へと切り替えて、庫内熱交換器２ａに冷媒が流れない状態にするとともに、庫内ファン７ａの運転を停止する。

そして、電磁弁６ａを閉状態にして、庫内熱交換器２ａに冷媒が流れないようにしている状態で、第１の冷却加温室１０１内の温度が冷却温度範囲の上限値となる所定温度（例えば、５℃）まで上昇すると、電磁弁６ａを閉状態から開状態へと切り替えるとともに、庫内ファン７ａの運転を再開する。

もし、第１の冷却加温室１０１内の温度が冷却温度範囲の下限値となる所定温度（例えば、１℃）まで冷却された時に、電磁弁６ｂ、６ｃがともに閉状態であって、庫内熱交換器２ｂ、２ｃに冷媒が流れていない状態であれば、電磁弁６ａを開状態から閉状態へと切り替えて、庫内熱交換器２ａに冷媒が流れない状態にするとともに、圧縮機１と庫内ファン７ａの運転をともに停止する。

そして、圧縮機１の停止中に第１の冷却加温室１０１内の温度が冷却温度範囲の上限値となる所定温度（例えば、５℃）まで上昇すれば、電磁弁６ａを閉状態から開状態へと切り替えるとともに、圧縮機１を再び起動し、庫内ファン７ａの運転を再開する。

なお、ここでは第１の冷却加温室１０１内の温度が冷却温度範囲の下限値となる所定温
度（例えば、１℃）まで冷却されたときに、冷却運転を停止し、その後、冷却温度範囲の上限値となる所定温度（例えば、５℃）まで上昇したときに、冷却運転を再開する動作について述べたが、第２の冷却加温室１０２内の温度、または冷却専用室１０３内の温度が冷却温度範囲の下限値となる所定温度（例えば、１℃）、または上限値となる所定温度（例えば、５℃）に達したときも同様に動作する。

次に、各々の運転モードにおける第１の膨張弁３および第２の膨張弁１４の動作について説明する。

冷却加温運転モードで冷却と加温の同時運転を行っている場合は、第１の膨張弁３をヒートポンプサイクル５の減圧手段として動作させるよう、冷却加温システムの制御手段（図示せず）が制御する。

図５に、加熱を含む運転モード（実線）と冷却のみ運転モード（破線）時のモリエル線図を示す。

第１の膨張弁３の絞り量を所定の絞り量以上にすることにより、図５の実線で示すような冷凍サイクルとなり、高圧側に二酸化炭素を溜め込み第１の庫内熱交換機２ａでは、二酸化炭素は超臨界となり加熱に必要な高温の熱を得ることができる（例えば、高圧を１２ＭＰａに制御する）。

一方、第１の膨張弁３で減圧された二酸化炭素は、低圧低温二相状態となり、第２の庫内熱交換器２ｂおよび第３の庫内熱交換器２ｃにおいてヒートポンプによる加熱のための熱を吸熱することができる。

このとき、第２の庫内熱交換器２ｂおよび第３の庫内熱交換器２ｃにおいて、蒸発温度が所定の温度以下（例えば、−８℃）の場合、第２の庫内ファン７ｂおよび第３の庫内ファン７ｃの風量を増加させ、所定の蒸発温度に制御する。

一方、蒸発温度が所定の温度以上（例えば、−３℃）の場合、第２の庫内ファン７ｂおよび第３の庫内ファン７ｃの風量を減少させ、所定の蒸発温度（例えば、−５℃）に制御する。

一方、第２の庫内熱交換器２ｂおよび第３の庫内熱交換器２ｃが冷却運転を行っておらず、第１の庫内熱交換器２ａのみの加熱運転を行っている場合は、バイパス弁１３を開放し、第３の三方弁１２を第２の膨張弁１４側に切替え、高圧が超臨界状態（例えば、高圧が１２ＭＰａに制御する）になるように第２の膨張弁１４の絞り量を大きくする。

従って、加熱を行う場合、従来、庫外へ排熱していた熱を庫内のヒートポンプで加熱に利用（ＣＯＰ１以上）することができ、ヒータを必要としないとともに、冷却側も蒸発温度を適正に制御でき省エネを図ることができる。

また、加熱運転を含まない全冷却運転の場合は、第１の膨張弁３を高圧が超臨界以下（例えば６ＭＰａに制御する）の圧力になるように絞り量を小さくすることにより、図５の破線で示すような冷凍サイクルとなり、冷却のみの場合、高圧を超臨界以下（例えば６ＭＰａに制御する）まで下げることにより差圧を小さくすることができ、圧縮比を小さくでき圧縮機１の入力を小さくすることができる。

また、超臨界以下（例えば６ＭＰａに制御する）の二相域で高圧冷媒を凝縮するため熱伝達率が向上し、エンタルピ差を大きくでき、冷却能力を向上することができる。

このとき、第１の庫内熱交換器２ａ、第２の庫内熱交換器２ｂ、第３の庫内熱交換器２ｃにおいて、蒸発温度が所定の温度以下（たとえば、−８℃）の場合、第１の庫内ファン７ａ、第２の庫内ファン７ｂ、第３の庫内ファン７ｃの風量を増加させ、所定の蒸発温度（例えば−５℃）に制御する。一方、蒸発温度が所定の温度以上（例えば、−３℃）の場合、第１の庫内ファン７ａ、第２の庫内ファン７ｂ、第３の庫内ファン７ｃの風量を減少させ、所定の蒸発温度（例えば、−５℃）に制御する。

従って、第１の膨張弁３の絞り量を庫内の運転モードに応じて調整することにより、適正な冷凍サイクルで運転することができるため省エネを図ることができる。

以上のように、本発明にかかる自動販売機は、加熱運転を含む場合は、高圧を十分に確保し超臨界状態で運転することができ、かつ、冷却運転の場合は高圧を下げ、低圧を上げながら運転することができるため、加熱と冷却を併用する運転状態を切り替えて使用するショーケースなどにも利用することができる。

１ 圧縮機
２ａ〜２ｃ 庫内熱交換器
３ 第１の膨張弁（減圧手段）
４ 庫外熱交換器
５ ヒートポンプサイクル
６ａ〜６ｃ 電磁弁
７ａ〜７ｃ 庫内ファン

Claims (2)

1. 圧縮機、少なくとも１つの庫内熱交換器、減圧手段、庫外熱交換器を備え、冷媒に二酸化炭素を用い、冷媒流路を切り換えて冷却加温を行なう自動販売機であって、
   少なくとも１つの前記庫内熱交換器が凝縮器として機能する場合は冷媒サイクルの高圧側が超臨界状態となり、少なくとも１つの前記庫内熱交換器が蒸発器として機能しており凝縮器として機能する前記庫内熱交換器が１つもない場合は冷媒サイクルの高圧側が臨界点を超えないように前記減圧手段の絞り量を調整することを特徴とする自動販売機。
2. 前記庫内熱交換器が複数あり、前記庫内熱交換器のそれぞれに対して前記庫内熱交換器に送風する庫内ファンを備え、
   少なくとも１つの前記庫内熱交換器が凝縮器として機能し残りの少なくとも１つの前記庫内熱交換器が蒸発器として機能して冷媒サイクルの高圧側が超臨界状態である場合、または少なくとも１つの前記庫内熱交換器が蒸発器として機能しており凝縮器として機能する前記庫内熱交換器が１つもない場合のどちらかの場合において、
   蒸発器として機能している前記庫内熱交換器の蒸発温度が所定温度を超えていれば、蒸発器として機能している前記庫内熱交換器に送風する前記庫内ファンの風量を減少させ、
   蒸発器として機能している前記庫内熱交換器の蒸発温度が前記所定温度より低ければ、蒸発器として機能している前記庫内熱交換器に送風する前記庫内ファンの風量を増加させることを特徴とする請求項１に記載の自動販売機。

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