JP6602476B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、ホットガスを用いた除霜機能を備えた冷凍装置に関する。

冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、絞り装置および蒸発器を有し、これらの機器が冷媒配管で接続された冷媒回路が設けられている。冷凍装置が長時間運転すると、蒸発器の表面に霜が付着し、蒸発器の周囲の空気と蒸発器に供給される冷媒との熱交換の効率が低減してしまうことがある。その対策として、蒸発器にヒータが予め付設され、ヒータの熱によって蒸発器に付着した霜を溶かす冷凍装置がある。ヒータを用いた除霜は、局所的に温度が上がり過ぎるため、蒸発器全体の除霜を行うには非効率的と考えられている。効率的に蒸発器を除霜する手段の一つとして、高温の冷媒を蒸発器に流して蒸発器を除霜するホットガス除霜が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、液溜、膨張弁および蒸発器を冷媒配管で順に接続して主冷媒回路を構成している。また、冷凍装置には、圧縮機の吐出管と蒸発器の入口配管とを接続するホットガスバイパス回路が設けられ、圧縮機の吐出管、ホットガスバイパス回路および凝縮器の入口配管の分岐点に三方比例弁が設けられている。さらに、液溜および膨張弁を接続する液ラインと圧縮機の吸入側の吸入ラインとが、インジェクション電磁弁を介してインジェクションバイパス回路で接続されている。圧縮機の吐出管に高圧センサが設けられ、圧縮機の吸入管に低圧センサが設けられている。

特許文献１には、冷凍装置は、除霜運転中に、高圧センサまたは低圧センサにて検出される冷媒圧力値が下方設定値よりも低いとき、インジェクション電磁弁を開いて吸入ラインに冷媒を補充し、一方、冷媒圧力値が上方設定値よりも高くなると三方比例弁の開度を調節して、凝縮器用送風機を運転し、吐出ガス冷媒を主冷媒回路の凝縮器に逃がし、除霜運転中における冷媒量を調整することが開示されている。

特開平６−３４７１４３号公報

従来、冷凍機とユニットクーラの組み合わせで使用される冷凍装置は、室外機と室内機の組み合わせが多岐にわたる。そのため、このような冷凍装置のホットガス除霜では、逆サイクル運転ではなく、特許文献１に開示されているように、ホットガスの流路を圧縮機の吐出配管から蒸発器入口にバイパスさせて、高温の冷媒を蒸発器に流し込むことが行われている。しかし、特許文献１に開示された除霜方法では、蒸発器の霜が溶けきるまでにかかる時間が長くなる。以下に、理由を説明する。

蒸発器の冷媒の入口側には熱量の大きいホットガスが入るので、すぐに除霜が開始されるが、蒸発器の冷媒の出口側へ向かうにつれて熱量が奪われたホットガスが流れるため、出口側に近いほどホットガスは霜を溶かすための熱量が足りない。そのため、熱量の大きいホットガスが蒸発器の出口側に到達して霜を溶かすためには、蒸発器の入口側に付着している霜が溶けるのを待つ必要がある。その結果、蒸発器の入口側と出口側のそれぞれの除霜時間の差が大きくなり、出口側の霜が溶けきるまで除霜を行うと、全体の除霜時間が長くなってしまう。除霜開始から終了までを時間で管理する場合、除霜時間が足りないと、霜が溶けずに残ってしまうことになる。

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、蒸発器の除霜を効率よく行うことができる冷凍装置を提供するものである。

本発明に係る冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、絞り装置および蒸発器が冷媒配管を介して接続された主冷媒回路と、前記圧縮機から吐出される冷媒を前記蒸発器の前記絞り装置に接続されている一方側から該蒸発器に流入させて前記圧縮機の吸入側に戻す第１バイパス回路と、前記圧縮機から吐出される前記冷媒を前記蒸発器の該圧縮機に接続されている他方側から該蒸発器に流入させて前記圧縮機の吸入側に戻す第２バイパス回路と、前記圧縮機の冷媒吐出側と前記凝縮器との間に接続される第１バイパス配管と、前記絞り装置と前記蒸発器との間に接続される第２バイパス配管と、前記蒸発器と前記圧縮機の冷媒吸入側との間に接続される第３バイパス配管と、前記蒸発器と前記圧縮機の冷媒吸入側との間であって前記第３バイパス配管よりも前記圧縮機に近い側に接続される第４バイパス配管と、前記主冷媒回路、前記第１バイパス回路および前記第２バイパス回路の間で前記冷媒の流路を切り替えるバイパス切替ユニットと、運転状態に応じて前記バイパス切替ユニットを制御して前記冷媒の流路を切り替える制御部と、を有し、前記バイパス切替ユニットは、前記第１バイパス配管、前記第２バイパス配管、前記第３バイパス配管および前記第４バイパス配管と接続される流路切替器を有し、前記流路切替器は、前記圧縮機から吐出される前記冷媒を前記第１バイパス回路に流通させる場合、前記第１バイパス配管と前記第２バイパス配管とを接続し、前記圧縮機から吐出される前記冷媒を前記第２バイパス回路に流通させる場合、前記第１バイパス配管と前記第３バイパス配管とを接続し、前記第２バイパス配管と前記第４バイパス配管とを接続するものである。

本発明は、流路切替器がバイパス回路の流路を切り替えることで、蒸発器における冷媒の２つの出入口のうち、どちらの出入口からも除霜用のガス冷媒を蒸発器に流入させることができるので、２つの出入口から別々に高い熱量を持ったガス冷媒を蒸発器に供給することで、除霜時間を短縮し、除霜効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１における冷凍装置の一構成例を示す冷媒回路図である。 図１に示した制御部を説明するための機能ブロック図である。 図１に示した制御部の一構成例を示す機能ブロック図である。 図１に示した冷凍装置における除霜運転時の動作手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１の冷凍装置に対する比較例の冷凍装置を示す冷媒回路図である。

実施の形態１．
本実施の形態１の冷凍装置の構成を説明する。図１は、本発明の実施の形態１における冷凍装置の一構成例を示す冷媒回路図である。冷凍装置１００は、圧縮機１、凝縮器３、絞り装置４および蒸発器５を有する。冷媒配管７０を介して環状に接続された圧縮機１、凝縮器３、絞り装置４および蒸発器５は主冷媒回路を構成する。

冷凍装置１００は、冷媒を主冷媒回路に循環させることで、空調対象空間を冷却する冷却運転を行う。冷凍装置１００は、冷却運転を長時間連続して行うと、蒸発器５の表面に霜が発生してしまうことがある。そのため、冷凍装置１００は、圧縮機１から吐出される高温、高圧のガス冷媒であるホットガスを蒸発器５に供給して蒸発器５に付着した霜を溶かす除霜運転を行う機能を備えている。

冷凍装置１００は、上記の主冷媒回路の他に、除霜時にガス冷媒を蒸発器５に導くためのバイパス回路を備えている。バイパス回路は、第１バイパス配管７０Ａ〜第４バイパス配管７０Ｄと、流路切替器７とを有する。また、冷凍装置１００には、冷却運転および除霜運転の運転状態に応じて、冷媒の流路を切り替える回路切替機構が設けられている。図１に示す回路切替部１６Ａ、１６Ｂが回路切替機構の一例である。

図１に示すように、冷媒配管７０において、圧縮機１の吐出口と凝縮器３との間から分岐する第１バイパス配管７０Ａが設けられている。第１バイパス配管７０Ａには、バイパス電磁弁８が設けられている。冷媒配管７０において、第１バイパス配管７０Ａが冷媒配管７０から分岐する点と凝縮器３との間に主回路電磁弁２が設けられている。

冷媒配管７０において、絞り装置４と蒸発器５との間から分岐する第２バイパス配管７０Ｂが設けられている。冷媒配管７０において、蒸発器５と圧縮機１の吸入口との間に主回路電磁弁６が設けられている。

冷媒配管７０において、蒸発器５と主回路電磁弁６との間から分岐する第３バイパス配管７０Ｃが設けられている。また、冷媒配管７０において、主回路電磁弁６と圧縮機１の吸入口との間から分岐する第４バイパス配管７０Ｄが設けられている。第４バイパス配管７０Ｄには、バイパス電磁弁９が設けられている。流路切替器７は第１バイパス配管７０Ａ〜第４バイパス配管７０Ｄと接続されている。

主回路電磁弁２が開状態であり、バイパス電磁弁８が閉状態であるとき、圧縮機１から吐出される冷媒は主冷媒回路を介して凝縮器３に流入する。その反対に、主回路電磁弁２が閉状態であり、バイパス電磁弁８が開状態であるとき、圧縮機１から吐出される冷媒は第１バイパス配管７０Ａを介して流路切替器７に流入する。主回路電磁弁２およびバイパス電磁弁８は、圧縮機１から吐出される冷媒の流路を主冷媒回路およびバイパス回路間で切り替える回路切替部１６Ａを構成する。

主回路電磁弁６が開状態であり、バイパス電磁弁９が閉状態であるとき、圧縮機１の吸入側が主冷媒回路を介して蒸発器５と接続される。その反対に、主回路電磁弁６が閉状態であり、バイパス電磁弁９が開状態であるとき、圧縮機１の吸入側が第４バイパス配管７０Ｄを介して流路切替器７と接続される。主回路電磁弁６およびバイパス電磁弁９は、圧縮機１の吸入側の冷媒の流路を主冷媒回路とバイパス回路間で切り替える回路切替部１６Ｂを構成する。

冷凍装置１００には、冷凍装置１００が冷却運転および除霜運転を行う際、電磁弁等の機器を制御する制御部２０が設けられている。以下に、図１に示す各機器の構成を説明する。なお、冷却運転時の冷媒の流れを基準として、各機器において、冷媒が流入する方を上流側とし、冷媒が流出する方を下流側と称する。

［圧縮機１］
圧縮機１は、吸入する冷媒を圧縮し、冷媒を高温、高圧の状態にして吐出する。図１に示すように、圧縮機１は、冷媒の吐出側が主回路電磁弁２および第１バイパス配管７０Ａに接続され、冷媒の吸入側が主回路電磁弁６および第４バイパス配管７０Ｄに接続されている。

［凝縮器３］
凝縮器３は、凝縮器３の周囲の空気と凝縮器３に供給される冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化させる。凝縮器３は、例えば、フィンチューブ熱交換器で構成される。凝縮器３は、上流側が主回路電磁弁２に接続され、下流側が絞り装置４に接続されている。凝縮器３には、空気と冷媒との熱交換を促進するための送風ファン１３が付設されている。

［絞り装置４］
絞り装置４は、冷媒を膨張させるための装置である。絞り装置４には、例えば、開度が可変である電子膨張弁、またはキャピラリーチューブなどが用いられる。本実施の形態１では、絞り装置４は電子膨張弁であるものとする。絞り装置４は、上流側が凝縮器３に接続され、下流側が蒸発器５に接続されている。

［蒸発器５］
蒸発器５は、蒸発器５の周囲の空気と蒸発器５に供給される冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を蒸発させる。蒸発器５は、例えば、フィンチューブ熱交換器で構成される。蒸発器５は、上流側が絞り装置４に接続され、下流側が主回路電磁弁６に接続されている。蒸発器５には、空気と冷媒との熱交換を促進するための送風ファン１５が付設されている。

［流路切替器７］
流路切替器７は、圧縮機１から吐出される、除霜用のガス冷媒の流路を切り替える機器である。流路切替器７は、例えば、四方弁である。本実施の形態１では、流路切替器７が四方弁の場合で説明する。流路切替器７の上流側は第１バイパス配管７０Ａに接続されている。ガス冷媒を蒸発器５の上流側から蒸発器５に流入する場合、流路切替器７は、第１バイパス配管７０Ａを第２バイパス配管７０Ｂに接続する。また、蒸発器５の除霜に使用されたガス冷媒を圧縮機１の吸入側に戻すために、流路切替器７は、第３バイパス配管７０Ｃを第４バイパス配管７０Ｄに接続する。第１バイパス配管７０Ａおよび第２バイパス配管７０Ｂが接続される流路と、第３バイパス配管７０Ｃおよび第４バイパス配管７０Ｄが接続される流路とを併せて、第１バイパス回路７０Ｘと称する。

一方、除霜用のガス冷媒を蒸発器５の下流側から蒸発器５に流入する場合、流路切替器７は、第１バイパス配管７０Ａを第３バイパス配管７０Ｃに接続する。また、蒸発器５の除霜に使用されたガス冷媒を圧縮機１の吸入側に戻すために、流路切替器７は、第２バイパス配管７０Ｂを第４バイパス配管７０Ｄに接続する。第１バイパス配管７０Ａおよび第３バイパス配管７０Ｃが接続される流路と、第２バイパス配管７０Ｂおよび第４バイパス配管７０Ｄが接続される流路とを併せて、第２バイパス回路７０Ｙと称する。流路切替器７および回路切替部１６Ａ、１６Ｂは、主冷媒回路、第１バイパス回路７０Ｘおよび第２バイパス回路７０Ｙとの間で冷媒の流路を切り替えるバイパス切替ユニット１７を構成する。

［主回路電磁弁２］
主回路電磁弁２は、冷媒配管７０において、圧縮機１の吐出口と凝縮器３との間であって、第１バイパス配管７０Ａへの分岐点よりも凝縮器３側に設置されている。

［主回路電磁弁６］
主回路電磁弁６は、冷媒配管７０において、蒸発器５の下流側であって、第３バイパス配管７０Ｃへの分岐点と、第４バイパス配管７０Ｄへの分岐点との間に設置されている。

［バイパス電磁弁８］
バイパス電磁弁８は、冷凍装置１００が除霜運転を行うときにガス冷媒を流すための第１バイパス配管７０Ａに設置されている。

［バイパス電磁弁９］
バイパス電磁弁９は、冷凍装置１００が除霜運転を行うときにガス冷媒を流すための第４バイパス配管７０Ｄに設置されている。

［第１温度センサ１１］
第１温度センサ１１は、冷媒配管７０において、冷凍装置１００の冷却運転時に蒸発器５から冷媒が流出する、蒸発器５の出口付近に設置されている。第１温度センサ１１は、蒸発器５において、圧縮機１と接続される側の冷媒の出入口に設けられている。

［第２温度センサ１０］
第２温度センサ１０は、冷媒配管７０において、冷凍装置１００の冷却運転時に蒸発器５に冷媒が流入する、蒸発器５の入口付近に設置されている。第２温度センサ１０は、蒸発器５において、絞り装置４と接続される側の冷媒の出入口に設けられている。

［第１バイパス配管７０Ａ〜第４バイパス配管７０Ｄ］
第１バイパス配管７０Ａ〜第４バイパス配管７０Ｄは蒸発器５に付着した霜を溶かすガス冷媒を流す回路である。上述したように、第１バイパス配管７０Ａ〜第４バイパス配管７０Ｄは流路切替器７と接続されている。流路切替器７が流路を切り替えることで、冷媒の流路を、第１バイパス回路７０Ｘと第２バイパス回路７０Ｙとの間で切り替えることができる。

［制御部２０］
図２は、図１に示した制御部を説明するための機能ブロック図である。図２に示すように、制御部２０は、プログラムを記憶するメモリ２１と、プログラムにしたがって処理を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２２とを有する。制御部２０は、第２温度センサ１０および第１温度センサ１１と信号線を介して接続されている。第２温度センサ１０が検知する温度Ｔ１０の値が制御部２０に入力される。第１温度センサ１１が検知する温度Ｔ１１の値が制御部２０に入力される。制御部２０は、圧縮機１および送風ファン１３、１５と信号線を介して接続されている。制御部２０は、流路切替器７、絞り装置４、主回路電磁弁２、６およびバイパス電磁弁８、９と信号線を介して接続されている。メモリ２１には、蒸発器５における除霜終了の判定基準として、温度Ｔ１１に関連する閾値である第１閾値ＴＨ１と、温度Ｔ１０に関連する閾値である第２閾値ＴＨ２とが予め格納されている。

図３は、図１に示した制御部の一構成例を示す機能ブロック図である。図３に示すように、制御部２０は、冷却運転時に冷凍装置１００を制御する冷凍サイクル制御手段３１と、除霜運転時に冷凍装置１００を制御する回路変更手段３２および流路変更手段３３とを有する。図２に示したＣＰＵ２２がプログラムを実行することで、冷凍サイクル制御手段３１、回路変更手段３２および流路変更手段３３が冷凍装置１００に構成される。

冷凍サイクル制御手段３１は、冷却運転の指示が入力されると、バイパス電磁弁８、９が閉状態、主回路電磁弁２、６が開状態で、圧縮機１および送風ファン１３、１５を起動する。冷凍サイクル制御手段３１は、絞り装置４の開度と、圧縮機１および送風ファン１３、１５の運転周波数とを制御する。冷凍サイクル制御手段３１は、蒸発器５の除霜が必要と判断すると、除霜運転を回路変更手段３２に指示する。例えば、温度Ｔ１１と設定蒸発温度との差が予め決められた値よりも大きくなった場合、冷凍サイクル制御手段３１は、蒸発器５の除霜が必要と判断する。冷凍サイクル制御手段３１は、除霜が終了した旨の通知を流路変更手段３３から受けると、冷却運転の制御を再開する。

回路変更手段３２は、除霜運転の指示を冷凍サイクル制御手段３１から受けると、流路切替器７および回路切替部１６Ａ、１６Ｂを制御して、圧縮機１から吐出される冷媒の流路を主冷媒回路から第１バイパス回路７０Ｘに切り替える。具体的には、回路変更手段３２は、主回路電磁弁２、６を閉め、バイパス電磁弁８、９を開け、圧縮機１から吐出される冷媒を第１バイパス配管７０Ａに流入させる。回路変更手段３２は、流路切替器７を制御して、第１バイパス配管７０Ａを第２バイパス配管７０Ｂに接続し、第３バイパス配管７０Ｃを第４バイパス配管７０Ｄに接続する。回路変更手段３２は、除霜運転を開始したことを流路変更手段３３に通知する。

流路変更手段３３は、除霜運転開始が回路変更手段３２から通知されると、第１温度センサ１１が検知する値を監視する。そして、流路変更手段３３は、第１温度センサ１１が検知する温度Ｔ１１が第１閾値ＴＨ１以上になると、流路切替器７を制御して、圧縮機１から吐出される冷媒の流路を第１バイパス回路７０Ｘから第２バイパス回路７０Ｙに切り替える。具体的には、流路変更手段３３は、流路切替器７を制御して、第１バイパス配管７０Ａを第３バイパス配管７０Ｃに接続し、第２バイパス配管７０Ｂを第４バイパス配管７０Ｄに接続する。

流路変更手段３３は、冷媒の流路を第１バイパス回路７０Ｘから第２バイパス回路７０Ｙに切り替えた後、第２温度センサ１０が検知する値を監視する。そして、流路変更手段３３は、第２温度センサ１０が検知する温度Ｔ１０が第２閾値ＴＨ２以上になると、回路切替部１６Ａ、１６Ｂを制御して、圧縮機１から吐出される冷媒の流路を第２バイパス回路７０Ｙから主冷媒回路に切り替える。具体的には、流路変更手段３３は、主回路電磁弁２、６を開け、バイパス電磁弁８、９を閉める。さらに、流路変更手段３３は、冷媒の流路を第２バイパス回路７０Ｙから主冷媒回路に切り替えた後、除霜が終了したことを冷凍サイクル制御手段３１に通知する。

［冷凍装置１００の動作の説明］
図１に示して冷媒回路図において、上述した構成の冷凍装置１００の動作による冷媒の流れを説明する。冷凍装置１００には、３パターンの冷媒の流れが存在する。

［冷却運転時における冷媒の流れ］
はじめに、冷凍装置１００が冷却運転を行う場合の冷媒の流れについて説明する。図１に示す実線の矢印は、冷凍装置１００が冷却運転を行うときの冷媒の流れを示す。冷却運転時においては、主回路電磁弁２および主回路電磁弁６はいずれも開状態であり、バイパス電磁弁８およびバイパス電磁弁９はいずれも閉状態である。

圧縮機１によって圧縮され吐出されたガス冷媒は凝縮器３へ流入する。凝縮器３に流入したガス冷媒は、送風ファン１３から供給される空気と熱交換を行って凝縮し、液化して凝縮器３から流出する。凝縮器３から流出した液冷媒は、絞り装置４に流入し、絞り装置４によって膨張され減圧される。減圧された冷媒は、蒸発器５に流入し、送風ファン１５から供給される空気と熱交換を行って蒸発し、気化して蒸発器５から流出する。蒸発器５から流出したガス冷媒は、圧縮機１に吸入される。

［除霜運転時における冷媒回路の制御方法］
次に、本実施の形態１の冷凍装置１００における除霜運転時の動作手順を説明する。図４は、図１に示した冷凍装置における除霜運転時の動作手順を示すフローチャートである。初期状態として、冷凍装置１００は冷却運転を行っているものとする。冷却運転時では、主回路電磁弁２および主回路電磁弁６は開状態であり、バイパス電磁弁８およびバイパス電磁弁９は閉状態である。初期状態として、バイパス回路として、第１バイパス回路７０Ｘが設定されているものとする。

制御部２０は、蒸発器５の除霜が必要と判断すると、除霜開始時に流路切替器７および回路切替部１６Ａ、１６Ｂを制御して、圧縮機１から吐出されるガス冷媒の流路を主冷媒回路から第１バイパス回路７０Ｘに切り替える（ステップＳ１）。具体的には、制御部２０は、主回路電磁弁２および主回路電磁弁６を閉め、バイパス電磁弁８およびバイパス電磁弁９を開ける。また、制御部２０は、流路切替器７を制御して、第１バイパス配管７０Ａと第２バイパス配管７０Ｂを接続し、第３バイパス配管７０Ｃと第４バイパス配管７０Ｄを接続する。以下では、第１バイパス回路７０Ｘを用いて蒸発器５の除霜を行うモードを第１の除霜モードと称する。

制御部２０は、除霜運転を開始すると、第１温度センサ１１が検知する値を監視する。そして、制御部２０は、第１温度センサ１１が検知する温度Ｔ１１が第１閾値ＴＨ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。温度Ｔ１１が第１閾値ＴＨ１以上になると、制御部２０は、流路切替器７を制御して、圧縮機１から吐出されるガス冷媒の流路を第１バイパス回路７０Ｘから第２バイパス回路７０Ｙに切り替える（ステップＳ３）。具体的には、制御部２０は、流路切替器７を制御して、第１バイパス配管７０Ａを第３バイパス配管７０Ｃに接続し、第２バイパス配管７０Ｂを第４バイパス配管７０Ｄに接続する。以下では、第２バイパス回路７０Ｙを用いて蒸発器５の除霜を行うモードを第２の除霜モードと称する。

制御部２０は、ガス冷媒の流路を第１バイパス回路７０Ｘから第２バイパス回路７０Ｙに切り替えた後、第２温度センサ１０が検知する値を監視する。そして、制御部２０は、第２温度センサ１０が検知する温度Ｔ１０が第２閾値ＴＨ２以上であるか否かを判定する（ステップＳ４）。温度Ｔ１０が第２閾値ＴＨ２以上になると、制御部２０は、蒸発器５の除霜が終了したと判断する。制御部２０は、回路切替部１６Ａ、１６Ｂを制御して、圧縮機１から吐出されるガス冷媒の流路を第２バイパス回路７０Ｙから主冷媒回路に切り替える（ステップＳ５）。具体的には、制御部２０は、主回路電磁弁２、６を開け、バイパス電磁弁８、９を閉める。

［除霜運転時における冷媒の流れ］
次に、ホットガスを用いた除霜運転時の冷媒の流れについて説明する。図１に示す破線の矢印は第１の除霜モードにおける冷媒の流れを示し、図１に示す一点鎖線の矢印は第２の除霜モードにおける冷媒の流れを示す。具体的には、図１に示す破線の矢印は、冷凍装置１００の冷却運転時に蒸発器５への冷媒の入口側に当たる個所からガス冷媒を蒸発器５に流入させる除霜運転時の冷媒の流れを示す。図１に示す一点鎖線の矢印は、冷凍装置１００が冷却運転時に蒸発器５からの冷媒の出口側に当たる個所からガス冷媒を蒸発器５に流入させる除霜運転時の冷媒の流れを示す。除霜運転時においては、主回路電磁弁２および主回路電磁弁６はいずれも閉状態であり、バイパス電磁弁８およびバイパス電磁弁９はいずれも開状態である。

除霜運転時の第１の除霜モードにおける冷媒の流れを説明する。圧縮機１によって圧縮され吐出されたガス冷媒は、第１バイパス配管７０Ａに流入する。第１バイパス配管７０Ａに流入したガス冷媒は、流路切替器７および第２バイパス配管７０Ｂを介して蒸発器５に流入する。蒸発器５に流入したガス冷媒は、蒸発器５に付着している霜を溶かす。蒸発器５から流出した冷媒は、第３バイパス配管７０Ｃに流入し、流路切替器７および第４バイパス配管７０Ｄを介して圧縮機１に吸入される。

続いて、除霜運転時の第２の除霜モードにおける冷媒の流れを説明する。圧縮機１によって圧縮され吐出されたガス冷媒は、第１の除霜モードと同様に、第１バイパス配管７０Ａに流入する。その後、第１バイパス配管７０Ａに流入したガス冷媒は流路切替器７および第３バイパス配管７０Ｃを介して蒸発器５へ流入する。蒸発器５に流入したガス冷媒は、蒸発器５に付着している霜を溶かす。蒸発器５から流出した冷媒は、第２バイパス配管７０Ｂに流入し、流路切替器７および第４バイパス配管７０Ｄを介して圧縮機１に吸入される。

除霜運転における第１の除霜モードと第２の除霜モードとは、流路切替器７による流路の切り替えによって、蒸発器５に流入する冷媒の流れが逆転している。流路切替器７が流路を変えることで、ガス冷媒が第１バイパス配管７０Ａを経由して流路切替器７に流入するまではどちらのモードでも同じだが、第２の除霜モードでは、流路切替器７に流入したガス冷媒は第３バイパス配管７０Ｃを介して蒸発器５へ流入する。蒸発器５から流出する冷媒は、第２バイパス配管７０Ｂに流入し、流路切替器７および第４バイパス配管７０Ｄを介して圧縮機１へ吸入される。

［本実施の形態１の冷凍装置１００と比較例との比較］
本実施の形態１の冷凍装置１００において、除霜運転中にホットガスの流路を切り替えることで、除霜効率が向上することを説明する。

図５は、本発明の実施の形態１の冷凍装置に対する比較例の冷凍装置を示す冷媒回路図である。図５に示す冷凍装置は、圧縮機１、凝縮器３、絞り装置４および蒸発器５を有する。冷媒配管１７０を介して環状に接続された圧縮機１、凝縮器３、絞り装置４および蒸発器５は主冷媒回路を構成する。凝縮器３には送風ファン１３が設けられ、蒸発器５には送風ファン１５が設けられている。図５に示す実線の矢印は冷却運転時の冷媒の流れを示す。

図５に示すように、冷媒配管１７０において、圧縮機１と凝縮器３との間に主回路電磁弁２が設けられている。また、ホットガスデフロスト用のバイパス配管１７１が圧縮機１の吐出側で冷媒配管１７０から分岐して設けられている。バイパス配管１７１の２つの接続口のうち、一方の接続口が圧縮機１と主回路電磁弁２との間で冷媒配管１７０に接続され、他方の接続口が絞り装置４と蒸発器５との間で冷媒配管１７０に接続されている。

図５に示す冷凍装置における、蒸発器５の除霜について説明する。図５に示す破線の矢印は除霜運転時の冷媒の流れを示す。除霜運転時には、主回路電磁弁２は閉状態である。図５に示す冷凍装置には、図１に示した流路切替器７および第１バイパス配管７０Ａ〜第４バイパス配管７０Ｄが設けられていない。そのため、図５に示す冷凍装置では、流路切替器７による第１バイパス配管７０Ａ〜第４バイパス配管７０Ｄの切り替えがなく、圧縮機１から吐出されたガス冷媒はバイパス配管１７１を介して蒸発器５へ流入する。蒸発器５へ流入したガス冷媒は蒸発器５に付着している霜を溶かす。蒸発器５から流出した冷媒は圧縮機１へ吸入される。

図５に示す冷凍装置において、蒸発器５へ流入したガス冷媒は、蒸発器５に流入する箇所から離れた箇所にかけて、付着した霜を順に溶かしていく。除霜運転開始直後、ガス冷媒は、蒸発器５への流入口周辺の霜に熱量のほとんどが奪われ、蒸発器５の流出口に流れつくころには、流出口周辺に付着した霜を溶かすだけの熱量が残っていない。そのため、蒸発器５の流出口周辺では、冷媒はほとんど霜を溶かすことができない。その後、除霜時間が経過するにつれて、蒸発器５の流入口周辺でガス冷媒の熱量を奪っていた霜が溶けてなくなると、ガス冷媒は、蒸発器５の流入口周辺で熱量が奪われなくなる。そのため、徐々に蒸発器５の流出口側にも十分な熱量を持ったガス冷媒が流れるようになり、蒸発器５の流出口側に付着している霜も溶け始める。

図５に示した冷凍装置が行う、上記の除霜方法では、蒸発器５に付着した霜を全部溶かしきるまで、除霜の範囲が蒸発器５の流入口周辺から徐々に全体に広がるまで待つ必要があり、時間がかかってしまう。また、蒸発器５の流入口周辺の霜が溶けてなくなった後も、除霜が終了した、着霜してしない回路を経由してガス冷媒が除霜の必要な箇所へ流れるため、着霜していない回路を経由する間にガス冷媒から放熱される熱量が無駄になってしまう。

これに対して、本実施の形態１の冷凍装置１００では、図１を参照して説明したように、第１バイパス配管７０Ａ〜第４バイパス配管７０Ｄと流路切替器７とを組み合わせることで、蒸発器５の２つの出入口のうち、一方の出入口からガス冷媒を蒸発器５に流入させる回路と他方の出入口からガス冷媒を蒸発器５に流入させる回路とで切り替えることができる。流路切替器７を介してガス冷媒を流すバイパス回路を切り替えることで、蒸発器５の除霜にかかる時間を短縮でき、無駄にしていた熱量を削減できる。本実施の形態１では除霜効率が向上することを、以下に、詳しく説明する。

冷凍装置１００では、はじめに、冷却運転時における冷媒の流れと同様に、蒸発器５において、冷媒の入口側から蒸発器５にガス冷媒を流し、蒸発器５の入口側周辺に付着している霜を溶かしていく。その後、蒸発器５の入口側周辺の霜が溶けるにつれてガス冷媒は奪われる熱量が減少し、蒸発器５から流出するガス冷媒の温度が上昇していく。そのため、蒸発器５の冷媒の出口側に設置された第１温度センサ１１が検知した温度Ｔ１１が第１閾値ＴＨ１以上になった段階で、制御部２０は、蒸発器５の入口側周辺に付着した霜は溶けたと判断し、流路切替器７を制御して流路を切り替える。

流路切替器７が流路を切り替えることで、蒸発器５に流入するガス冷媒の流れが逆転する。流路切替器７による流路の切り替え前に蒸発器５の入口側から流入していたガス冷媒は、流路の切り替え後、蒸発器５の出口側から蒸発器５に流入する。その結果、高い熱量を持ったガス冷媒が蒸発器５の出口側から流入することになり、流路切替器７による流路の切り替え前に多く残っていた蒸発器５の出口側周辺の霜をより早く溶かすことができる。そして、蒸発器５に付着していた霜が全て溶けてなくなり、蒸発器５の入口側に設置された第２温度センサ１０が高温の状態で蒸発器５から流出するガス冷媒の温度を検知すると、制御部２０は、除霜運転を終了させる。

このようにして、本実施の形態１では、流路切替器７がバイパス回路の流路を切り替えることで、ガス冷媒を蒸発器５の入口側および出口側のうち、どちら側からでも蒸発器５に流入させることができる。そのため、蒸発器５において、通常、ガス冷媒が流れ込む側とは反対側に多く溶け残ってしまう霜を、効率的に除霜することができる。また、既に霜が溶けきった回路にガス冷媒を通さずに、より多くの霜が残っている側に高い熱量を持ったガス冷媒を流すことで、無駄に放熱していた熱量を削減できる。

なお、図４を参照して説明した手順では、初期状態として、第１バイパス回路７０Ｘが設定されている場合で説明したが、第２バイパス回路７０Ｙが設定されていてもよい。この場合、先に第２バイパス回路７０Ｙを用いて除霜を行い、その後に第１バイパス回路７０Ｘを用いて除霜を行ってもよい。

本実施の形態１の冷凍装置は、圧縮機１、凝縮器３、絞り装置４および蒸発器５を含む主冷媒回路と、蒸発器５が絞り装置４と接続される側から冷媒を蒸発器５に流入させて圧縮機１の吸入側に戻す第１バイパス回路７０Ｘと、蒸発器５が圧縮機１と接続される側から冷媒を蒸発器５に流入させて圧縮機１の吸入側に戻す第２バイパス回路７０Ｙと、主冷媒回路、第１バイパス回路７０Ｘおよび第２バイパス回路７０Ｙの間で冷媒の流路を切り替えるバイパス切替ユニット１７と、運転状態に応じて冷媒の流路を切り替える制御部２０とを有するものである。

本実施の形態１では、流路切替器７がバイパス回路の流路を切り替えることで、蒸発器５における冷媒の２つの出入口のうち、どちらの出入口からも除霜用のガス冷媒を蒸発器５に流入させることができる。そのため、蒸発器５の２つの出入口から別々に高い熱量を持ったガス冷媒を蒸発器５に供給できる。その結果、一方の出入口だけからガス冷媒を蒸発器に流入させる場合に比べて除霜時間を短縮できる。理由は次の通りである。一方の出入口だけからガス冷媒を蒸発器に流入させる場合、除霜の範囲がガス冷媒の流入口から流出口の方にかけて広がるまでに時間がかかり、流入口側の除霜時間と流出口側の除霜時間との差が長くなってしまう。一方の出入口からガス冷媒を蒸発器５に流入させた後、他方の出入口からガス冷媒を蒸発器５に流入させることで、これらの除霜時間の差を短くすることができる。本実施の形態１では、一方の出入口だけからガス冷媒を蒸発器に流入させる場合に比べて、除霜効率を向上させることができる。

また、一方の出入口だけからガス冷媒を蒸発器５に流入させる場合、ガス冷媒が流出する側の出入口周辺において霜が溶けずに残ってしまうおそれがあるが、２つの出入口から別々に高い熱量を持ったガス冷媒を蒸発器５に供給することで、いずれかの出入口に霜が溶けずに残ることを防ぐことができる。さらに、蒸発器５において、一方の出入口側の霜が溶けた後、より多くの霜が残っている他方の出入口側に高い熱量を持ったガス冷媒を流すことで、無駄に放熱していた熱量を削減できる。

本実施の形態１において、制御部２０は、蒸発器５の除霜時に、冷媒の流路を主冷媒回路から第１バイパス回路７０Ｘに切り替える回路変更手段３２と、冷媒の流路を第１バイパス回路７０Ｘから第２バイパス回路７０Ｙに切り替える流路変更手段３３とを有していてもよい。この場合、蒸発器５において、絞り装置４と接続される側の冷媒出入口の周辺が除霜された後に、圧縮機１と接続される側の冷媒出入口の周辺が除霜されるため、効率よく除霜することができる。

本実施の形態１において、蒸発器５の一方側に第１温度センサ１１が設けられ、蒸発器５の他方側に第２温度センサ１０が設けられ、流路変更手段３３は、第１温度センサ１１が検知する温度が第１閾値以上になると、冷媒の流路を第１バイパス回路７０Ｘから第２バイパス回路７０Ｙに切り替え、第２温度センサ１０が検知する温度が第２閾値以上になると、冷媒の流路を第２バイパス回路７０Ｙから主冷媒回路に切り替えるようにしてもよい。この場合、流路変更手段３３は、ガス冷媒が蒸発器５から流出する側の冷媒の温度を監視することで、ガス冷媒が蒸発器５に流入する側の周辺における霜が溶けきったか否かをより正確に判定できる。

本実施の形態１において、バイパス切替ユニット１７は、主冷媒回路と第１バイパス回路７０Ｘまたは第２バイパス回路７０Ｙとの間で冷媒の流路を切り替える回路切替部１６Ａ、１６Ｂと、第１バイパス回路７０Ｘと第２バイパス回路７０Ｙとの間で冷媒の流路を切り替える流路切替器７とを有していてもよい。この場合、冷媒の流路の切り替えを、主冷媒回路およびバイパス回路間と、第１バイパス回路７０Ｘおよび第２バイパス回路７０Ｙ間とで、別々に制御することができる。

１ 圧縮機、２、６ 主回路電磁弁、３ 凝縮器、４ 絞り装置、５ 蒸発器、７ 流路切替器、８ バイパス電磁弁、９ バイパス電磁弁、１０ 第２温度センサ、１１ 第１温度センサ、１３、１５ 送風ファン、１６Ａ、１６Ｂ 回路切替部、１７ バイパス切替ユニット、２０ 制御部、２１ メモリ、２２ ＣＰＵ、３１ 冷凍サイクル制御手段、３２ 回路変更手段、３３ 流路変更手段、７０、１７０ 冷媒配管、７０Ａ 第１バイパス配管、７０Ｂ 第２バイパス配管、７０Ｃ 第３バイパス配管、７０Ｄ 第４バイパス配管、７０Ｘ 第１バイパス回路、７０Ｙ 第２バイパス回路、１００ 冷凍装置、１７１ バイパス配管。

Claims (5)

1. 圧縮機、凝縮器、絞り装置および蒸発器が冷媒配管を介して接続された主冷媒回路と、
   前記圧縮機から吐出される冷媒を前記蒸発器の前記絞り装置に接続されている一方側から該蒸発器に流入させて前記圧縮機の吸入側に戻す第１バイパス回路と、
   前記圧縮機から吐出される前記冷媒を前記蒸発器の該圧縮機に接続されている他方側から該蒸発器に流入させて前記圧縮機の吸入側に戻す第２バイパス回路と、
   前記圧縮機の冷媒吐出側と前記凝縮器との間に接続される第１バイパス配管と、
   前記絞り装置と前記蒸発器との間に接続される第２バイパス配管と、
   前記蒸発器と前記圧縮機の冷媒吸入側との間に接続される第３バイパス配管と、
   前記蒸発器と前記圧縮機の冷媒吸入側との間であって前記第３バイパス配管よりも前記圧縮機に近い側に接続される第４バイパス配管と、
   前記主冷媒回路、前記第１バイパス回路および前記第２バイパス回路の間で前記冷媒の流路を切り替えるバイパス切替ユニットと、
   運転状態に応じて前記バイパス切替ユニットを制御して前記冷媒の流路を切り替える制御部と、
   を有し、
   前記バイパス切替ユニットは、
   前記第１バイパス配管、前記第２バイパス配管、前記第３バイパス配管および前記第４バイパス配管と接続される流路切替器を有し、
   前記流路切替器は、
   前記圧縮機から吐出される前記冷媒を前記第１バイパス回路に流通させる場合、前記第１バイパス配管と前記第２バイパス配管とを接続し、
   前記圧縮機から吐出される前記冷媒を前記第２バイパス回路に流通させる場合、前記第１バイパス配管と前記第３バイパス配管とを接続し、前記第２バイパス配管と前記第４バイパス配管とを接続する、冷凍装置。
2. 前記バイパス切替ユニットは、
   前記主冷媒回路と前記第１バイパス配管との間で前記冷媒の流路を切り替える第１の回路切替部を有する、請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記バイパス切替ユニットは、
   前記主冷媒回路と前記第４バイパス配管との間で前記冷媒の流路を切り替える第２の回路切替部を有する、請求項１または２に記載の冷凍装置。
4. 前記制御部は、
   前記蒸発器の除霜開始時に、前記バイパス切替ユニットを制御して、前記冷媒の流路を前記主冷媒回路から前記第１バイパス回路に切り替える回路変更手段と、
   前記バイパス切替ユニットを制御して、前記冷媒の流路を前記第１バイパス回路から前記第２バイパス回路に切り替える流路変更手段と、を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍装置。
5. 前記蒸発器の一方側に設けられた第１温度センサと、
   前記蒸発器の他方側に設けられた第２温度センサと、をさらに有し、
   前記流路変更手段は、
   前記蒸発器の除霜開始時に前記冷媒の流路が設定された前記第１バイパス回路を、前記第１温度センサの値が予め決められた第１閾値以上になると、前記第２バイパス回路に切り替え、
   前記第２温度センサの値が予め決められた第２閾値以上になると、前記冷媒の流路を前記第２バイパス回路から前記主冷媒回路に切り替える、請求項４に記載の冷凍装置。

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