JP6699254B2 - 冷却装置 - Google Patents

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Description

この発明は、冷却装置に関し、特に、室内空気を冷却する冷却部を備えた冷却装置に関する。
従来、室内空気を冷却する冷却部を備えた冷却装置などが知られている(たとえば、特許文献1参照)。
上記特許文献1には、圧縮機と凝縮器と膨張手段と蒸発器(冷却部)とが順次接続されて冷媒が循環されるヒートポンプ装置(冷却装置)が開示されている。この特許文献1に記載のヒートポンプ装置では、フィンアンドチューブ型の熱交換器を蒸発器に適用している。このフィンアンドチューブ型の熱交換器は、複数の折返し部を介して蛇行する伝熱管の直管部の周りに複数の伝熱フィンが間隔を隔てて積層されており、送風機により伝熱フィン間に空気を強制的に通過させることにより、伝熱管内で蒸発する冷媒の蒸発潜熱を利用して通過空気を冷却する役割を有する。なお、蒸発器は、伝熱フィンの間隔が相対的に広い風上側の第1列目の熱交換部と、伝熱フィンの間隔が相対的に狭い風下側の第2列目の熱交換部とが、1本の伝熱管(冷媒配管)によって接続されている。また、第1列目の熱交換部と第2列目の熱交換部とは、空気の流れ方向に沿って互いに隣接しており、全体として1つの蒸発器を構成している。なお、このヒートポンプ装置を用いて冷蔵倉庫内を低温環境に維持するなどの連続的な冷却運転を行う場合、蒸発器を通過する空気に含まれる水分が伝熱フィンに付着して霜(氷塊)へと成長する場合がある。このような場合に、第1列目の熱交換部には着霜が生じかけても伝熱フィンの間隔が広い分、通過空気の流路(流量)が確保されるように構成されている。
特許第4623083号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載されたヒートポンプ装置では、連続的な冷却運転によって蒸発器(冷却部)に霜が付着した場合、この霜を除去するためには冷却運転を一時的に停止して蒸発器全体を加熱する必要がある。この際、蒸発器の除霜中は加熱空気を空調空間に流出させないためにも、送風機を停止する必要がある。このように、蒸発器の除霜中は冷却運転が行えないため、空調空間の温度管理が行えないという問題点がある。
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あり、この発明の1つの目的は、冷却運転を停止させることなく冷却運転と除霜動作とを同時並行的に行うことによって、空調空間の高品質な温度管理を行うことが可能な冷却装置を提供することである。
この発明の一の局面による冷却装置は、冷媒の蒸発潜熱を利用して室内空気を冷却するように構成された第1冷却部と、第1冷却部とは別個に設けられ、第1冷却部に供給される前の空気の除湿を行うとともに、除湿された空気を第1冷却部に供給するように構成された第2冷却部と、を備え、第2冷却部は、伝熱フィン間を流れる空気と伝熱管内を流れる冷媒との間での熱交換を行うことにより、冷媒の蒸発潜熱を利用して第1冷却部に供給される前の空気の除湿を行う熱交換器を含み、第1冷却部により冷却された空気を室内に送風する第1送風機と、第1送風機とは別個に、第2冷却部により除湿された空気を第1冷却部に送風する第2送風機とをさらに備え、除湿中に熱交換器に付着した霜を除去する際に、第2送風機の動作を停止または制限することによって熱交換器への空気の流通を停止または減少させた状態で、第1送風機の動作によって室内空気を第1冷却部に供給するように構成されている。
この発明の一の局面による冷却装置は、上記のように、第1冷却部とは別個に設けられ、第1冷却部に供給される前の空気の除湿を行うとともに、除湿された空気を第1冷却部に供給するように構成された第2冷却部を備える。また、除湿中に熱交換器に付着した霜を除去する際に、熱交換器への空気の流通を停止または減少させた状態で、室内空気を第1冷却部に供給する。これにより、第1冷却部に供給される前の室内空気の除湿(水分除去)に起因して第1冷却部とは別個に設けられた第2冷却部に霜(氷)が付着した場合であっても、第1冷却部の冷却機能を停止させることなく(室内空気の冷却運転を継続しつつ)、第2冷却部に付着した霜の除去(除霜動作)を同時並行的に行うことができる。この結果、空調空間の高品質な温度管理を行うことができる。そして、可動部(デシカントロータ)を有するデシカント除湿機を設置する場合と異なり、可動部のないフィンアンドチューブ型の空気熱交換器を用いて除湿用(冷却減湿用)の第2冷却部を冷媒回路に容易に組み込んで冷媒の蒸発潜熱を利用して空気の除湿を行うことができる。そして、第2冷却部(空気熱交換器)に付着した霜の除去(除霜)時には通過させる空気を停止または減少させて霜の除去を効果的に行うことができるとともに、除霜動作中に、室内空気を第1冷却部に直接的に導いて室内空気の冷却を容易に継続させることができる。
上記一の局面による冷却装置において、好ましくは、第2冷却部は、第2冷却部を通過する空気の流通方向と、第1冷却部を通過する空気の流通方向とが互いに交差する位置関係を有して第1冷却部の風上側に配置されている。このように構成すれば、第2冷却部と第1冷却部とが空気の流れ方向に沿って互いに隣接配置される場合と異なり、第2冷却部と第1冷却部との間に送風路(隙間)を設けることができる。したがって、第2冷却部に付着した霜の除去(除霜)を行う最中に、室内空気をこの送風路を介して第1冷却部に直接的に導いて室内空気の冷却を継続させることができる。これにより、第2冷却部の除霜動作時にも、空調空間に対する空調温度変化を最小限に抑えることができる。
上記一の局面による冷却装置において、好ましくは、互いに別個に設けられた第1冷却部と第2冷却部とは、単一の冷媒配管を介して直列接続されているか、または、別個の冷媒配管により互いに並列接続されている。このように構成すれば、室内空気を主に冷却する第1冷却部(蒸発器)を有する冷媒回路中に第2冷却部を容易に組み込んで、冷媒の蒸発潜熱を利用して第1冷却部に供給される前の空気の除湿を行うことができる。また、1つの冷媒回路(冷却装置)において第1冷却部と第2冷却部とが別個の冷媒配管により互いに並列接続されている場合には、第2冷却部における冷媒の蒸発温度と第1冷却部における冷媒の蒸発温度とを互いに異ならせることができる。すなわち、第2冷却部においてより低い蒸発温度で冷媒を蒸発させることができるので、その分、第2冷却部の除湿機能(除湿量)を強化(増加)することができる。したがって、より多くの水分が除去された空気を第1冷却部に導いて冷却することができるので、第1冷却部での冷却運転を長時間継続する場合であっても、第1冷却部における霜(氷)の付着を効果的に抑制することができる。
上記第1冷却部と第2冷却部とが単一の冷媒配管を介して直列接続される構成において、好ましくは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機の下流側に接続され、圧縮機から吐出された冷媒を凝縮する凝縮器と、第2冷却部の上流側に設けられ、凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張させる第1膨張弁と、第1膨張弁を経由させることなく凝縮器からの冷媒を第2冷却部に直接的に流通させるための第1バイパス流路と、をさらに備え、凝縮器からの冷媒を第1バイパス流路を介して第2冷却部に流通させることによって、第1冷却部に供給される前の空気が第2冷却部で除湿される際に第2冷却部に付着した霜が除去されるように構成されている。このように構成すれば、第2冷却部の除霜時に、凝縮器からの温かい液冷媒(中温状態の冷媒)を第1バイパス流路を介して第2冷却部に導入して、この冷媒の熱を用いて第2冷却部に付着した霜(氷)を除去することができる。すなわち、除霜(氷の融解)の熱源として電熱ヒータなどを用いる場合と異なり、冷却装置の消費電力を増加させることなく第2冷却部の除霜を行うことができる分、冷却装置の省エネルギー化を図ることができる。
この場合、好ましくは、第2冷却部と第2冷却部の下流側の第1冷却部との間に設けられ、第2冷却部に付着した霜が除去される除霜動作中に第2冷却部からの冷媒を膨張させる第2膨張弁と、凝縮器からの冷媒を第2膨張弁を経由させることなく第1冷却部に直接的に流通させるための第2バイパス流路と、第1冷却部からの冷媒を第1膨張弁に流通させるための第3バイパス流路と、第2冷却部からの冷媒を第1冷却部を経由させることなく圧縮機に直接的に戻すための第4バイパス流路と、をさらに備え、凝縮器からの冷媒を第2バイパス流路を介して第1冷却部に流通させることによって、第2冷却部により除湿された空気が第1冷却部で冷却される際に第1冷却部に付着した霜が除去されるとともに、第1冷却部を通過した冷媒を第3バイパス流路を介して第2冷却部に流通させることによって、第2冷却部における冷媒の蒸発潜熱を利用して室内空気が冷却されるように構成されている。このように構成すれば、冷却運転を長時間継続した場合に、所定のタイミングで凝縮器からの温かい液冷媒(中温状態の冷媒)を第2バイパス流路を介して第1冷却部に導入して、この冷媒の熱を用いて第1冷却部に付着した霜(氷)を除去することができる。そして、第1冷却部からの冷媒を第3バイパス流路を介して第1膨張弁に流通させるとともに第2冷却部内で蒸発させることができるので、第2冷却部を蒸発器としても利用することができる。これにより、第1冷却部の除霜中に、第2冷却部に室内空気の冷却機能を担わせることができるので、室内空気を絶え間なく冷却することができるとともに、空調区間の温度管理を確実に行うことができる。
本発明によれば、上記のように、冷却運転を停止させることなく冷却運転と除霜動作とを同時並行的に行うことによって、空調空間の高品質な温度管理を行うことができる。
本発明の第1実施形態による冷却装置の全体構成を示した図である。 本発明の第1実施形態による冷却装置における蒸発器周辺の構造を示した図である。 本発明の第1実施形態による冷却装置における運転状態を説明するための図である。 本発明の第2実施形態による冷却装置の全体構成を示した図である。 本発明の第2実施形態による冷却装置の除霜動作併用時の動作状態を示した図である。 本発明の第3実施形態による冷却装置の全体構成を示した図である。 本発明の第3実施形態による冷却装置の除霜動作併用時の動作状態を示した図である。 本発明の第3実施形態による冷却装置の除霜動作併用時の動作状態を示した図である。 本発明の第4実施形態による冷却装置の全体構成を示した図である。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
[第1実施形態]
図1〜図3を参照して、本発明の第1実施形態による冷却装置100の構成を説明する。
本発明の第1実施形態による冷却装置100は、図1に示すように、冷却装置100は、物品(図示せず)を保管する冷蔵倉庫105内の空調空間110を所定温度に維持する機能を有する。また、冷却装置100は、自然冷媒またはオゾン層破壊係数がゼロの代替フロン冷媒を用いて冷凍サイクルを形成可能に構成されている。具体的には、冷却装置100は、圧縮機10と、凝縮器20と、電子膨張弁30と、蒸発器40とを備える。圧縮機10と凝縮器20とは、吐出管1により接続されるとともに、凝縮器20と電子膨張弁30とは、液管2により接続されている。蒸発器40と圧縮機10とは、吸入管3により接続されている。なお、蒸発器40は、特許請求の範囲の「第1冷却部」の一例である。
圧縮機10は、吸入されたガス冷媒を圧縮して高圧側(吐出管1)に吐出する役割を有する。また、圧縮機10には、回転数制御に基づき冷媒吐出量が制御可能なインバータ制御式圧縮機が用いられる。凝縮器20は、内部を流通する過熱ガス状態の冷媒を送風機21により送風される外気(空気)を用いて冷却する機能を有する。また、凝縮器20内で凝縮(液化)された冷媒は、液管2を流通して電子膨張弁30に流入される。
電子膨張弁30は、凝縮器20で冷却(液化)された冷媒を絞り膨張させて蒸発器40に供給する役割を有する。また、電子膨張弁30は、パルス制御により駆動されるステッピングモータの駆動力を利用して弁機構を開閉駆動する。また、電子膨張弁30の開度に応じて蒸発器40に流入する冷媒流量が制御される。また、電子膨張弁30により絞り膨張された液冷媒は、気液二相状態のまま冷媒配管4を介して蒸発器40に流入される。
蒸発器40は、冷蔵倉庫105の内部空気を冷却する役割を有する。具体的には、図2に示すように、蒸発器40は、複数の折返し部41aを介して往復蛇行する伝熱管41の直管部41bの周りに複数の伝熱フィン42をY方向に所定間隔で積層して構成されている。すなわち、蒸発器40は、伝熱フィン42間を流れる空気と伝熱管41内を流れる冷媒との間での熱交換を行うフィンアンドチューブ型の空気熱交換器である。また、蒸発器40の風下側には、蒸発器40により冷却された空気を送風する2台の送風機45が設けられている。蒸発器40では、電子膨張弁30から供給された気液二相状態の冷媒が蒸発器40内を流通する際に蒸発潜熱を得ながら蒸発し、この際、伝熱フィン42間を通過する空気から熱が奪われる。また、蒸発器40における蒸発後の冷媒は、気相を多く含んだガス状態となって吸入管3に流通されて圧縮機10に戻される。したがって冷却装置100では、圧縮機10から吐出された冷媒が、吐出管1、凝縮器20、液管2、電子膨張弁30、蒸発器40および吸入管3の順に矢印P方向に流通して圧縮機10に帰還されるサイクルを繰り返す。なお、送風機45は、特許請求の範囲の「送風機構」の一例である。
ここで、第1実施形態では、図1に示すように、電子膨張弁30と蒸発器40との間に除湿ユニット50が蒸発器40とは別個に配置されている。また、互いに別個に設けられた蒸発器40と除湿ユニット50とは、単一の冷媒配管4を介して直列接続されている。また、除湿ユニット50は、熱交換器55と、送風機56と、除霜用ヒータ(電熱ヒータ)57とによって構成されている。熱交換器55は、構造的には蒸発器40と類似しており、複数の折返し部51aを介して往復蛇行する伝熱管51の直管部51bの周りに複数の伝熱フィン52をY方向に所定間隔で積層して構成されている。すなわち、熱交換器55は、伝熱フィン52間を流れる空気と伝熱管51内を流れる冷媒との間での熱交換を行うことにより、冷媒の蒸発潜熱を利用して蒸発器40に供給される前の空気の除湿を行うフィンアンドチューブ型の熱交換器である。また、熱交換器55の直上(Z1側:図2参照)に除霜用ヒータ57が横向き(水平)に配置されるとともに、除霜用ヒータ57の直上(風下)に2台の送風機56が配置されている。そして、図1および図2に示すように、熱交換器55は、電子膨張弁30と蒸発器40との間の冷媒配管4に組み込まれている。したがって、電子膨張弁30を通過した気液二相状態の冷媒は、熱交換器55および蒸発器40をこの順に流通される。なお、除湿ユニット50は、特許請求の範囲の「第2冷却部」の一例である。また、送風機56は、特許請求の範囲の「送風機構」の一例である。
また、第1実施形態では、図3に示すように、除湿ユニット50および蒸発器40は、冷蔵倉庫105内に設けられた1つの送風路91に組み込まれている。この場合、送風路91における上流側に除湿ユニット50が配置されるとともに、除湿ユニット50の下流側に蒸発器40が配置されている。なお、除湿ユニット50は、冷蔵倉庫105の床面105aから上方に延びる架台部95の上部領域に固定されている。なお、架台部95の下部領域には、送風路91に通じる通気口95aが設けられている。また、熱交換器55は、図2および図3に示すように、一対の側板53を有しており、各々の側板53には、下部側(Z2側)に複数の貫通孔53a(図3参照)が形成されている。また、2台の送風機56は、熱交換器55の上部近傍(Z1側)に配置されている。
また、熱交換器55のX1側の側板53は、上方で前方(矢印X1方向)に延びるとともに凹状に形成された支持部53bを有する。そして、蒸発器40は、支持部53bに支持された状態で冷蔵倉庫105の天井部105b近傍の位置に設置されている。なお、除湿ユニット50を下方から支持する架台部95の部分は凹状に形成されており、除湿ユニット50のドレン水を排出するドレンパン95bおよびドレン通路(図示せず)が設けられている。また、蒸発器40を下方から支持する支持部53bにも、蒸発器40のドレン水を排出するドレンパン53cおよびドレン通路(図示せず)が設けられている。
これにより、第1実施形態では、冷蔵倉庫105の冷却運転中(図3参照)に、貫通孔53aを介して除湿ユニット50(熱交換器55)に空調空間110の空気が吸い込まれるとともに、熱交換器55を通過した空気が蒸発器40に向けて供給される。そして、蒸発器40を通過した空気が再び空調空間110に供給されるように構成されている。なお、除湿ユニット50と蒸発器40とが図2および図3に示した配置構成を有することによって、熱交換器55内を通過する空気の流通方向(矢印Z1方向)と、蒸発器40内を通過する空気の流通方向(矢印X1方向)とが互いに直交する位置関係を有している。
また、冷却装置100の制御的な構成としては、図1に示すように、図示しない制御ボックス内にCPUからなる制御部70が設けられている。制御部70は、庫内温度センサ(図示せず)からの入力信号と、冷媒温度センサ(図示せず)からの入力信号とに基づいて所定の判断を行い、判断結果に基づいて、圧縮機10、電子膨張弁30、送風機21、送風機45、送風機56、除霜用ヒータ57の各々を適切に駆動させる役割を有する。
また、第1実施形態では、冷却装置100では、空調空間110を所定温度に維持(冷却)する際、通常の冷却運転(除湿運転を伴う冷却運転)と除霜動作を伴う冷却運転とが繰り返されるように構成されている。以下に冷却装置100の運転動作について説明する。
(通常の冷却運転(除湿運転を伴う冷却運転))
まず、通常の冷却運転について説明する。具体的には、図1に示すように、電子膨張弁30を通過した気液二相状態の冷媒が熱交換器55および蒸発器40を順次流通される。この際、送風機45と送風機56との両方が作動される。これにより、図3における紙面左側枠内の「状態A」に示される除湿運転を伴う冷却運転が行われる。
すなわち、冷蔵倉庫105内の空気は、まず、除湿ユニット50の前面側(X1側)の複数の貫通孔53aおよび通気口95aを通過して背面側(X2側)の複数の貫通孔53aの両方を介して熱交換器55に導入される。この際、電子膨張弁30から供給された気液二相状態の冷媒が伝熱管51内を流通する際に空気側から蒸発潜熱を得ながら蒸発する。これにより、伝熱フィン52間を通過する空気が冷却されるとともに、空気に含まれる水分が伝熱フィン52の冷えた表面に凝縮水となって集められる。したがって、熱交換器55を上方(矢印Z1方向)に通過した空気は、絶対湿度が減少された状態で送風機56により吸い出される。その後、絶対湿度が減少された空気が蒸発器40の背面側から前面側へと通過する。蒸発器40においても伝熱管41内での冷媒の蒸発とともに伝熱フィン42間を通過する空気がさらに冷却される。そして、冷却された空気は、送風機45により空調空間110に供給される。この通常の冷却運転では、除湿ユニット50に空気の除湿機能を担わせるとともに、蒸発器40に除湿ユニット50で除湿された湿り気の少ない空気の冷却機能を担わせるので、蒸発器40に霜(氷)が顕著に付着するのが抑制される。
なお、冷却装置100では、このような冷却運転を継続していくうちに、熱交換器55の伝熱フィン52の表面には冷えた凝縮水が霜(氷)の状態となって徐々に成長する。したがって、冷却装置100では、熱交換器55に発生した霜を定期的にまたは必要に応じて(伝熱フィン52の表面温度が所定温度未満になった場合などに応じて)融かす除霜動作を行うように構成されている。すなわち、制御部70により除霜動作が必要であると判断された場合、冷却装置100は、図3における紙面右側の「状態B」に示される除霜動作を伴う冷却運転の状態に移行される。
(除霜動作を伴う冷却運転)
具体的には、圧縮機10の駆動が継続された状態で、除湿ユニット50における送風機56が停止されるとともに、除霜用ヒータ57の通電が開始される。また、蒸発器40の風下の送風機45は、回転が継続される。これにより、除霜用ヒータ57の熱によって熱交換器55(伝熱フィン52の周り)に付着した霜(氷)が融かされる。また、霜(氷)が融けた水は、伝熱フィン52を伝って流下してドレンパン95bから排出される。なお、電子膨張弁30から供給された気液二相状態の冷媒は、除霜中の熱交換器55(伝熱管51)を通過して蒸発器40において主に蒸発される。この際、送風機45が駆動されているので、空調空間110の空気は、架台部95の下部の通気口95aを素通りして除湿ユニット50の背面側から送風路91に引き込まれるとともに壁面部105cに沿って上方(矢印Z1方向)へと導かれて蒸発器40に吸い込まれる。蒸発器40においては、伝熱管41内での冷媒の蒸発とともに伝熱フィン42間を通過する空気が冷却されて送風機45により空調空間110に供給される。なお、制御部70により除霜動作開始から所定時間が経過したと判断された場合、除湿ユニット50における送風機56が始動されるとともに、除霜用ヒータ57の通電が停止される。これにより、図3における紙面左側の「状態A」に示される除湿運転を伴う冷却運転が再開される。第1実施形態による冷却装置100は上記のように構成されている。
(第1実施形態の効果)
第1実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第1実施形態では、上記のように、蒸発器40とは別個に設けられ、蒸発器40に供給される前の空気の除湿を行うとともに、除湿された空気を蒸発器40に供給するように構成された除湿ユニット50(熱交換器55)を備える。これにより、蒸発器40に供給される前の室内空気の除湿(水分除去)に起因して蒸発器40とは別個に設けられ熱交換器55(除湿ユニット50)に霜が付着した場合であっても、蒸発器40の冷却機能を停止させることなく(室内空気の冷却を継続しつつ)、熱交換器55に付着した霜の除去(除霜動作)を同時並行的に行うことができる。この結果、冷蔵倉庫105内(空調空間110)の高品質な温度管理を行うことができる。
また、第1実施形態では、除湿ユニット50(熱交換器55)を通過する空気の流通方向と蒸発器40を通過する空気の流通方向とが互いに略直交する位置関係を有した状態で除湿ユニット50を蒸発器40の風上側に配置する。これにより、除湿ユニット50(熱交換器55)と蒸発器40とが空気の流れ方向に沿って互いに隣接配置される場合と異なり、除湿ユニット50と蒸発器40との間に隙間(送風路91)を設けることができる。したがって、熱交換器55に付着した霜の除去(除霜)を行う最中に、室内空気をこの送風路91を介して蒸発器40に直接的に導いて室内空気の冷却を継続させることができる。これにより、熱交換器55の除霜時にも、空調空間に対する空調温度変化を最小限に抑えることができる。
また、第1実施形態では、熱交換器55はフィンアンドチューブ型の空気熱交換器であり、除湿中に熱交換器55に付着した霜を除去する際に、熱交換器55への空気の流通を停止させた状態で、室内空気を蒸発器40に供給するように構成された送風機45および56をさらに備える。これにより、デシカントロータを有するデシカント除湿機を設置する場合と異なり、可動部のないフィンアンドチューブ型の熱交換器55を用いて冷却減湿用の除湿ユニット50を冷媒回路に容易に組み込んで冷媒の蒸発潜熱を利用して空気の除湿を行うことができる。そして、熱交換器55に付着した霜の除霜時には通過させる空気を停止または減少させて霜の除去を効果的に行うことができるとともに、除霜動作中に、室内空気を蒸発器40に直接的に導いて室内空気の冷却を容易に継続させることができる。
また、第1実施形態では、互いに別個に設けられた蒸発器40と除湿ユニット50とは、単一の冷媒配管4を介して直列接続されている。これにより、室内空気を主に冷却する蒸発器40を有する冷媒回路中に除湿ユニット50を容易に組み込んで、冷媒の蒸発潜熱を利用して蒸発器40に供給される前の空気の除湿を行うことができる。
また、第1実施形態では、熱交換器55の直上に除霜用ヒータ57を配置するように除湿ユニット50を構成する。これにより、熱交換器55(伝熱フィン52)の除霜時に流下する水(氷)が除霜用ヒータ57に接触(滑落)するのを容易に防止することができる。また、除霜時に流下する水(氷)が除霜用ヒータ57に接触しないので、除霜用ヒータ57に余分な加熱(必要以上の電力供給)が生じることを防止することができる。
[第2実施形態]
図1および図3〜図5を参照して、第2実施形態について説明する。この第2実施形態では、上記第1実施形態と異なり、既存の電子膨張弁30に加えて熱交換器55と蒸発器40との間にも電子膨張弁31を設けて冷却装置200を構成した例について説明する。なお、電子膨張弁30は、特許請求の範囲の「第1膨張弁」の一例である。また、図中において、上記第1実施形態と同様の構成の部分には、同一の符号を付している。
本発明の第2実施形態による冷却装置200では、図4および図5に示すように、熱交換器55と蒸発器40との間の冷媒配管4に電子膨張弁31が組み込まれている。また、電子膨張弁30を経由させることなく凝縮器20からの冷媒(中温状態の冷媒)を除湿ユニット50に直接的に流通させるためのバイパス配管5aと、バイパス配管5aの開閉を行う電磁弁61とが設けられている。また、電子膨張弁31を経由させることなく熱交換器55からの冷媒を蒸発器40に直接的に流通させるためのバイパス配管5bと、バイパス配管5bの開閉を行う電磁弁62とが設けられている。なお、第2実施形態では、除湿ユニット250には、上記第1実施形態のような除霜用ヒータ57(図1参照)は設けられていない。なお、バイパス配管5aは、特許請求の範囲の「第1バイパス流路」の一例である。
また、電子膨張弁31は、制御部70(図1参照)の指令に基づいて開度制御されるとともに、電磁弁61および62は、制御部70の指令に基づいて開閉動作が行われるように構成されている。なお、図4および図5では、制御部70および制御部70から各機器への指令系統を示す矢印線を、図示の都合上、省略している。そして、冷却装置200は、以下に説明する運転動作によって空調空間110の温度を維持するように構成されている。
(通常の冷却運転(除湿運転を伴う冷却運転))
まず、通常の冷却運転では、図4に示すように、制御部70(図1参照)の指令に基づき、電磁弁61が閉じられるとともに、電磁弁62が開かれる。また、これと同時に、電子膨張弁30の開度制御が行われるとともに、電子膨張弁31は、開度制御が停止される。したがって、電子膨張弁30を通過した気液二相状態の冷媒が熱交換器55、バイパス配管5b(実線で示す)および蒸発器40を順次流通される。これにより、除湿運転を伴う冷却運転が行われる。この点は、上記第1実施形態と同様である。そして、冷却運転の継続とともに熱交換器55に付着する霜(氷)が成長し始める。したがって、冷却装置200では、所定のタイミングで熱交換器55に発生した霜を融かす除霜動作が行われる。すなわち、制御部70により熱交換器55の除霜動作が必要であると判断された場合、冷却装置200は、除霜動作を伴う冷却運転の状態に移行される。
(除霜動作を伴う冷却運転)
具体的には、図5に示すように、圧縮機10の駆動が継続された状態で、除湿ユニット250における送風機56が停止される。また、制御部70(図1参照)の指令に基づき、電磁弁61が開かれるとともに、電磁弁62が閉じられる。また、これと同時に、電子膨張弁30の開度制御が停止されるとともに、電子膨張弁31は、開度制御が開始される。また、蒸発器40の風下の送風機45は、回転が継続される。
これにより、凝縮器20で凝縮された液冷媒(中温状態の冷媒)がバイパス配管5aを経由して熱交換器55に流通される。この際、液冷媒の熱によって伝熱フィン52の周りに付着した霜が融かされるとともに、融けた水が伝熱フィン52を伝って流下してドレンパン(図示せず)から排出される。なお、熱交換器55(伝熱管51)を通過してやや温度が低下された液冷媒は、電子膨張弁31により減圧され気液二相状態の冷媒となって蒸発器40において蒸発される。この際、送風機45が駆動されているので、通気口95a(図3参照)を介して送風路91に引き込まれた空調空間110の空気は蒸発器40に導かれるとともに、伝熱フィン42間を通過する際に冷却されて空調空間110に再び供給される。
なお、除霜動作を伴う冷却運転の際、熱交換器55は、空気側で霜を融かす役割を担う反面、広義の意味で凝縮器の役割をも担う。このため、冷凍サイクルの高圧側に凝縮器20と熱交換器55との2つの凝縮器が存在することになり、その分、冷媒の高圧圧力(凝縮圧力)が低下しがちになる。そこで、冷却装置200では、凝縮器20に付随する送風機21の回転数を低下させて(風量を減少させて)、凝縮器20の熱交換性能を意図的に低下させるように構成されている。これにより、冷媒の高圧圧力(凝縮圧力)が所望の範囲内に維持されるように構成されている。
なお、制御部70により除霜動作開始から所定時間が経過したと判断された場合、除湿ユニット250における送風機56が始動されるとともに、電磁弁61が開かれて電磁弁62が閉じられる。そして、電子膨張弁30の開度制御とともに図3における紙面左側の「状態A」に示される除湿運転を伴う冷却運転が再開される。なお、第2実施形態による冷却装置200のその他の構成は、上記第1実施形態と同様である。
(第2実施形態の効果)
第2実施形態では、上記のように、凝縮器20からの冷媒をバイパス配管5aを介して除湿ユニット50に流通させることによって、蒸発器40に供給される前の空気が除湿ユニット50で除湿される際に除湿ユニット50に付着した霜が除去されるように構成する。これにより、除湿ユニット50の除霜時に、凝縮器20からの温かい液冷媒(中温状態の冷媒)をバイパス配管5aを介して除湿ユニット50に導入して、この冷媒の熱を用いて除湿ユニット50に付着した霜(氷)を除去することができる。すなわち、除霜(氷の融解)の熱源として除霜用ヒータ57などを用いる場合と異なり、冷却装置200の消費電力を増加させることなく除湿ユニット50の除霜を行うことができる分、冷却装置200の省エネルギー化を図ることができる。
また、第2実施形態では、除霜動作を伴う冷却運転の際、凝縮器20に付随する送風機21の回転数を低下させるように構成する。これにより、冷凍サイクルの高圧側に凝縮器20と熱交換器55との2つの凝縮器が存在する場合であっても、送風機21の風量が低下されて凝縮器20の熱交換性能を意図的に低下させることができる。これにより、冷媒の高圧圧力(凝縮圧力)を適正な運転圧力の範囲内に維持することができるとともに、圧縮機10が吐出する冷媒の循環量を十分に確保することができる。なお、第2実施形態のその他の効果は、上記第1実施形態と同様である。
[第3実施形態]
図1、図4および図6〜図8を参照して、第3実施形態について説明する。この第3実施形態では、熱交換器55の機能と蒸発器40の機能とを相互に交換可能に冷却装置300を構成した例について説明する。なお、図中において、上記第2実施形態と同様の構成には、同一の符号を付している。
本発明の第3実施形態による冷却装置300では、図6〜図8に示すように、上記第2実施形態で示した冷却装置200(図4参照)の構成に対して、電磁弁63〜67と、バイパス配管6a〜6cとをさらに追加している。ここで、電磁弁63は、凝縮器20と電子膨張弁30との間(液管2)に設けられている。また、電磁弁64は、熱交換器55と電子膨張弁31との間の冷媒配管4に設けられている。また、電磁弁65は、蒸発器40と圧縮機10との間(吸入管3)に設けられている。なお、バイパス配管6a〜6cは、それぞれ、特許請求の範囲の「第2バイパス流路」、「第3バイパス流路」および「第4バイパス流路」の一例である。また、バイパス配管5bは、特許請求の範囲の「第2バイパス流路」の一例である。また、電子膨張弁31は、特許請求の範囲の「第2膨張弁」の一例である。
バイパス配管6aは、電磁弁63が閉じられた場合(図8参照)に、凝縮器20の出口側と電子膨張弁31の入口側とを接続する機能を有する。また、電磁弁66は、バイパス配管6aの開閉を行う機能を有する。バイパス配管6cは、電磁弁65が閉じられた場合(図8参照)に、熱交換器55の出口側と圧縮機10の吸入側とを接続する機能を有する。また、電磁弁67は、バイパス配管6cの開閉を行う機能を有する。バイパス配管6bは、電磁弁63および65が共に閉じられた場合(図8参照)に、蒸発器40の出口側と電子膨張弁30の入口側とを接続する機能を有する。また、電磁弁68は、バイパス配管6bの開閉を行う機能を有する。なお、この第3実施形態においても、除湿ユニット350には、除霜用ヒータ57(図1参照)は設けられていない。
また、電磁弁61〜67の各々は、制御部70(図1参照)の指令に基づいて開閉動作が行われるように構成されている。なお、図6〜図8では、制御部70および制御部70から各機器への指令系統を示す矢印線を、図示の都合上、省略している。そして、冷却装置300は、以下に説明する運転動作によって空調空間110の温度を維持するように構成されている。
(通常の冷却運転(除湿運転を伴う冷却運転))
まず、通常の冷却運転では、図6に示すように、制御部70(図1参照)の指令に基づき、電磁弁61および66〜68が閉じられるとともに、電磁弁62〜65が開かれる。これと同時に、電子膨張弁30の開度制御が行われるとともに、電子膨張弁31は、開度制御が停止される。したがって、電子膨張弁30を通過した気液二相状態の冷媒が、熱交換器55、バイパス配管5b(実線で示す)および蒸発器40を順次流通されて除湿運転を伴う冷却運転が行われる。この点は、上記第2実施形態と同様である。
そして、冷却運転の継続とともに熱交換器55に付着した霜(氷)が成長し始める。したがって、冷却装置300では、所定のタイミングで熱交換器55に発生した霜を融かす除霜動作が行われる。制御部70により除霜動作が必要であると判断された場合、冷却装置300は、除霜動作を伴う冷却運転の状態に移行される。
(除霜動作を伴う冷却運転)
具体的には、図7に示すように、圧縮機10の駆動が継続された状態で、除湿ユニット350における送風機56が停止される。また、制御部70(図1参照)の指令に基づき、電磁弁61が開かれるとともに、電磁弁62が閉じられる。なお、電磁弁66〜68は、閉状態が維持される。また、これと同時に、電子膨張弁30の開度制御が停止されるとともに、電子膨張弁31は、開度制御が開始される。また、蒸発器40の風下の送風機45も回転が継続される。
これにより、凝縮器20で凝縮された液冷媒(中温状態の冷媒)がバイパス配管5aを経由して熱交換器55に流通される。そして、液冷媒の熱によって伝熱フィン52の周りに付着した霜(氷)が融かされる。なお、熱交換器55を通過した液冷媒は、電子膨張弁31により減圧されて蒸発器40において蒸発される。この際、送風機45が駆動されているので、送風路91に引き込まれた空調空間110の空気が蒸発器40により冷却されて空調空間110に再び供給される。この点は、上記第2実施形態と同様である。なお、冷却装置300では、蒸発器40は、通常の冷却運転時も熱交換器55の除霜を伴う冷却運転時も送風路91に引き込まれた空気を冷却する。このため、蒸発器40の伝熱フィン42の表面には空気中の水分(冷えた凝縮水)が霜(氷)の状態となって徐々に成長する。
したがって、冷却装置300では、蒸発器40に発生した霜を定期的にまたは必要に応じて(伝熱フィン42の表面温度が所定温度未満になった場合などに応じて)融かす除霜動作を行うことが可能に構成されている。すなわち、制御部70により蒸発器40の除霜動作が必要であると判断された場合、冷却装置300は、図8に示される除霜動作を伴う冷却運転の状態に移行される。
(蒸発器の除霜動作を伴う冷却運転)
具体的には、図8に示すように、圧縮機10の駆動が継続された状態で、除湿ユニット350における送風機56が始動される。ここで、送風機56は、通常の冷却運転時(図6参照)の場合の回転方向とは反対方向に回転される。また、制御部70(図1参照)の指令に基づき、電磁弁61が閉じられるとともに、電磁弁62が開かれる。また、電磁弁63〜65が閉じられる。そして、電磁弁66〜68が開かれる。また、これと同時に、電子膨張弁30の開度制御が開始されるとともに、電子膨張弁31は、開度制御が停止される。また、蒸発器40の風下の送風機45は回転が停止される。
これにより、第3実施形態では、凝縮器20で凝縮された液冷媒(中温状態の冷媒)がバイパス配管6aおよび5bをこの順に経由して蒸発器40に流通される。そして、液冷媒の熱によって伝熱フィン42周りに付着した霜(氷)が融かされる。なお、蒸発器40(伝熱管41)を通過してやや温度が低下された液冷媒は、バイパス配管6bを経由して電子膨張弁30により減圧されて気液二相状態の冷媒となって熱交換器55(伝熱管51)において蒸発される。この際、送風機45が逆回転で駆動されているので、蒸発器40の側から送風路91に引き込まれた空調空間110の空気は下方向(図3における矢印Z2方向)に流通されて熱交換器55に導かれる。そして、伝熱フィン52間を通過する際に冷却されるとともに一対の側板53に設けられた複数の貫通孔53aを介して空調空間110に吹き出される。なお、熱交換器55において蒸発された冷媒は、バイパス配管6cを経由して圧縮機10に直接的に戻される。
なお、制御部70により蒸発器40の除霜動作開始から所定時間が経過したと判断された場合、除湿ユニット350における送風機56の回転方向が正転に切り替えられるとともに、蒸発器40の風下の送風機45が始動される。また、電磁弁63〜65が開かれるとともに、電磁弁66〜68は閉じられる。また、電磁弁61が閉じられるとともに、電磁弁62が開かれる。また、これと同時に、電子膨張弁30の開度制御が開始されるとともに、電子膨張弁31は、開度制御が停止される。そして、電子膨張弁30の開度制御とともに図6に示される除湿運転を伴う冷却運転に復帰される。
このように、第3実施形態では、除湿ユニット350(熱交換器55)に付着した霜の除去のみならず、蒸発器40に付着した霜の除去も行うことが可能に構成されている。その際、冷媒回路および送風路91内の空気の送風方向を切り替えて、熱交換器55を蒸発器として機能させて空調空間110の冷却を継続するように構成されている。なお、冷却装置300のその他の構成は、上記第1実施形態と同様である。
(第3実施形態の効果)
第3実施形態では、上記のように、凝縮器20からの冷媒をバイパス配管6aを介して蒸発器40に流通させることによって、除湿ユニット350により除湿された空気が蒸発器40で冷却される際に蒸発器40に付着した霜を除去するとともに、蒸発器40を通過した冷媒をバイパス配管6bを介して除湿ユニット350(熱交換器55)に流通させることによって、除湿ユニット350(熱交換器55)における冷媒の蒸発潜熱を利用して室内空気が冷却されるように構成する。これにより、冷却運転を長時間にわたって継続した場合に、所定のタイミングで凝縮器20からの温かい液冷媒(中温状態の冷媒)をバイパス配管6aを介して蒸発器40に導入して、この冷媒の熱を用いて蒸発器40に付着した霜(氷)を除去することができる。そして、蒸発器40からの冷媒をバイパス配管6bを介して電子膨張弁30に流通させるとともに除湿ユニット350(熱交換器55)内で蒸発させることができるので、除湿ユニット350(熱交換器55)を「蒸発器」としても利用することができる。これにより、蒸発器40の除霜中に、除湿ユニット350(熱交換器55)に室内空気の冷却機能を担わせることができるので、室内空気を絶え間なく冷却することができるとともに、空調区間110の温度管理を確実に行うことができる。なお、第3実施形態のその他の効果は、上記第2実施形態と同様である。
[第4実施形態]
図3および図9を参照して、第4実施形態について説明する。この第4実施形態では、熱交換器55と蒸発器40とが並列接続されるように冷却装置400を構成した例について説明する。なお、図中において上記第1実施形態と同様の構成の部分には、同一の符号を付している。
本発明の第4実施形態による冷却装置400は、図9に示すように、圧縮機10、凝縮器20、電子膨張弁35および蒸発器40を矢印P方向に一巡する冷媒回路401と、液管2の途中から分岐して電子膨張弁30、除湿ユニット450(熱交換器55)および圧縮機410を矢印Q方向に経由して吸入管3に接続される冷媒配管402とによって構成されている。すなわち、圧縮機10の吸入側から凝縮器20の出口側までを共通とする配管経路(冷媒配管)401aに対して、蒸発器40の側の冷媒配管401bと、除湿ユニット450の側の冷媒配管402とが、並列的に接続されている。
これにより、第4実施形態では、冷却装置400が冷却運転を行う場合、蒸発器40による空気の冷却と、除湿ユニット450による空気の除湿とが互いに異なる蒸発温度(冷媒の蒸発温度)のもとで行われる。この場合、冷媒配管402の熱交換器55の下流に圧縮機410が増設されていることによって、除湿ユニット450(熱交換器55)における蒸発温度(冷媒の低圧圧力)は、蒸発器40における蒸発温度(低圧圧力)よりも低くされる。したがって、図3における紙面左側の「状態A」を参照して説明すると、複数の貫通孔53aから熱交換器55に導入された空調空間110内の空気は、蒸発器40に対して相対的に低い冷媒(気液二相状態の冷媒)が内部を流通する熱交換器55によって、上記第1〜第3実施形態の場合よりも、より多くの水分が除去(除湿)される。これにより、さらに絶対湿度が減少された空気(より湿り気の少ない空気)が蒸発器40へと導かれて蒸発器40で冷却される。これにより、蒸発器40の伝熱フィン42の表面に付着する霜(氷)の成長速度は、上記第1〜第3実施形態の場合よりも低下される。
なお、冷却運転の継続とともに熱交換器55に霜(氷)が成長する。したがって、冷却装置400では、熱交換器55に発生した霜を融かす除霜動作が行われる。この場合、図9に示すように、圧縮機410および送風機56が停止され、電子膨張弁30の開度制御が停止されるとともに、除霜用ヒータ57の通電が開始される。その一方で、圧縮機10、電子膨張弁35の開度制御および送風機45は、運転が継続される。これにより、除霜用ヒータ57の熱によって熱交換器55(伝熱フィン52の周り)に付着した霜(氷)が融かされる。また、除霜動作中も、蒸発器40により空気が冷却されて空調空間110に供給される。なお、冷却装置400のその他の構成は、上記第1実施形態と同様である。
(第4実施形態の効果)
第4実施形態では、上記のように、1つの冷媒回路401(冷却装置400)において、互いに別個に設けられた蒸発器40および除湿ユニット450を別個の冷媒配管401bおよび冷媒配管402により互いに並列接続するように構成する。これにより、除湿ユニット450における冷媒の蒸発温度と蒸発器40における冷媒の蒸発温度とを互いに異ならせることができる。すなわち、除湿ユニット450においてより低い蒸発温度で冷媒を蒸発させることができるので、その分、除湿ユニット450の除湿機能(除湿量)を強化(増加)することができる。したがって、より多くの水分が除去された空気を蒸発器40に導いて冷却することができるので、蒸発器40での冷却運転を長時間継続する場合であっても、蒸発器40における霜(氷)の付着を効果的に抑制することができる。なお、第4実施形態のその他の効果は、上記第1実施形態と同様である。
[変形例]
今回開示された実施形態は、全ての点で例示であり制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更(変形例)が含まれる。
たとえば、上記第1〜第4実施形態では、除湿ユニット50(熱交換器55)を通過する空気の流通方向と蒸発器40を通過する空気の流通方向とを互いに略直交するように構成したが、本発明はこれに限られない。すなわち、除湿ユニット50を通過する空気と蒸発器40を通過する空気との流通方向が略直交方向以外で交差する方向であってもよい。
また、上記第1〜第4実施形態では、除湿ユニット50の除霜動作時に送風機56を停止させたが、本発明はこれに限られない。たとえば、除湿ユニット50の除霜動作時に送風機56の回転数を低下させてもよい。さらには、蒸発器40の送風機45と同様に逆回転させて蒸発器40側から引き込まれた空気を空調空間110に押し出すように動作させてもよい。
また、上記第1〜第4実施形態では、冷却装置100〜400を冷蔵倉庫105の冷却用として適用したが、本発明はこれに限られない。すなわち、オフィスビルや商業施設などの建築物内における空調空間の冷房(温度管理)に対して適用してもよい。さらには、電算機室や携帯電話の中継基地局など年間を通して冷却運転(冷房運転)が要求される施設の冷却装置に対して本発明を適用してもよい。また、本発明の「冷却装置」は、冷却運転と加熱運転との切り替えが可能なヒートポンプ機器も含まれる。
また、上記第3実施形態では、電子膨張弁31を迂回するバイパス配管5bを設けるとともに、凝縮器20の出口側と電子膨張弁31の入口側とをバイパス配管6aにより接続したが、本発明はこれに限られない。たとえば、バイパス配管5bを設けることなく、凝縮器20の出口側と蒸発器40の入口側とをバイパス配管6aにより接続してもよい。これによっても、冷却装置300と同様の動作機能および効果を得ることができる。
5a バイパス配管(第1バイパス流路)
5b、6a バイパス配管(第2バイパス流路)
6b バイパス配管(第3バイパス流路)
6c バイパス配管(第4バイパス流路)
10、410 圧縮機
20 凝縮器
30 電子膨張弁(第1膨張弁)
31 電子膨張弁(第2膨張弁)
40 蒸発器(第1冷却部)
45、56 送風機(送風機構)
50、250、350、450 除湿ユニット
55 熱交換器(第2冷却部)
57 除霜用ヒータ
61、62、63、64、65、66、67、68 電磁弁
100、200、300、400 冷却装置
110 空調空間
401a、401b、402 冷媒配管

Claims (5)

  1. 冷媒の蒸発潜熱を利用して室内空気を冷却するように構成された第1冷却部と、
    前記第1冷却部とは別個に設けられ、前記第1冷却部に供給される前の空気の除湿を行うとともに、除湿された空気を前記第1冷却部に供給するように構成された第2冷却部と、を備え
    前記第2冷却部は、伝熱フィン間を流れる空気と伝熱管内を流れる冷媒との間での熱交換を行うことにより、冷媒の蒸発潜熱を利用して前記第1冷却部に供給される前の空気の除湿を行う熱交換器を含み、
    前記第1冷却部により冷却された空気を室内に送風する第1送風機と、前記第1送風機とは別個に、前記第2冷却部により除湿された空気を前記第1冷却部に送風する第2送風機とをさらに備え、
    除湿中に前記熱交換器に付着した霜を除去する際に、前記第2送風機の動作を停止または制限することによって前記熱交換器への空気の流通を停止または減少させた状態で、前記第1送風機の動作によって前記室内空気を前記第1冷却部に供給するように構成されている、冷却装置。
  2. 前記第2冷却部は、前記第2冷却部を通過する空気の流通方向と、前記第1冷却部を通過する空気の流通方向とが互いに交差する位置関係を有して前記第1冷却部の風上側に配置されている、請求項1に記載の冷却装置。
  3. 互いに別個に設けられた前記第1冷却部と前記第2冷却部とは、単一の冷媒配管を介して直列接続されているか、または、別個の冷媒配管により互いに並列接続されている、請求項1または2に記載の冷却装置。
  4. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機の下流側に接続され、前記圧縮機から吐出された冷媒を凝縮する凝縮器と、
    前記第2冷却部の上流側に設けられ、前記凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張させる第1膨張弁と、
    前記第1膨張弁を経由させることなく前記凝縮器からの冷媒を前記第2冷却部に直接的に流通させるための第1バイパス流路と、をさらに備え、
    前記凝縮器からの冷媒を前記第1バイパス流路を介して前記第2冷却部に流通させることによって、前記第1冷却部に供給される前の空気が前記第2冷却部で除湿される際に前記第2冷却部に付着した霜が除去されるように構成されている、請求項に記載の冷却装置。
  5. 前記第2冷却部と前記第2冷却部の下流側の前記第1冷却部との間に設けられ、前記第2冷却部に付着した霜が除去される最中に前記第2冷却部からの冷媒を膨張させる第2膨張弁と、
    前記凝縮器からの冷媒を前記第2膨張弁を経由させることなく前記第1冷却部に直接的に流通させるための第2バイパス流路と、
    前記第1冷却部からの冷媒を前記第1膨張弁に流通させるための第3バイパス流路と、
    前記第2冷却部からの冷媒を前記第1冷却部に流通させることなく前記圧縮機に直接的に戻すための第4バイパス流路と、をさらに備え、
    前記凝縮器からの冷媒を前記第2バイパス流路を介して前記第1冷却部に流通させることによって、前記第2冷却部により除湿された空気が前記第1冷却部で冷却される際に前記第1冷却部に付着した霜が除去されるとともに、前記第1冷却部からの冷媒を前記第3バイパス流路を介して前記第2冷却部に流通させることによって、前記第2冷却部における冷媒の蒸発潜熱を利用して前記室内空気が冷却されるように構成されている、請求項に記載の冷却装置。
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