JP6700562B2 - 空気冷媒サイクルを用いた冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気冷媒サイクルを用いた冷却装置に関する。

種々の素材や加工品並びに生鮮食料品等を保存するために倉庫等の被冷却室に適用される冷却装置が広く知られている。このような冷却装置にあっては、従来、フロンなどの冷媒を利用していたが、近年、環境保全の観点から空気冷媒を用いた冷却装置が求められている。

空気冷媒を用いた冷却装置として、例えば、特許文献１に示されるように、被冷却室から配管経路内に取り込んだ空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機により圧縮された高圧高温の空気を冷却する熱交換器と、熱交換器により冷却された高圧低温の空気を低圧（略大気圧）に膨張させる膨張機と、を備え、膨張機により膨張された超低温の空気を配管経路から被冷却室に供給する開放式の空気冷媒サイクルを用いた冷却装置がある。

このような開放式の空気冷媒サイクルを用いた冷却装置にあっては、被冷却室の出入口から流入する外気（大気）や該被冷却室内で作業する作業者の呼気が混入することがあり、これらの外気や呼気により冷却装置内の空気に含まれる水分量が変化するため、冷却装置の配管経路内、特に温度が低い膨張機の下流側で空気中の水分が凝固して霜が形成され、この霜を多く含む超低温の空気が被冷却室に吹出されることがあった。そこで、特許文献１の冷却装置は、膨張機と被冷却室との間に超低温の空気に含まれる水分を捕集する除霜器を設けている。

国際公開第２００６／０１１２９７号公報（第７頁、第１図）

特許文献１の冷却装置にあっては、霜が発生しやすい膨張機の下流側に除霜器が設けられているため、低圧低温空気中の水分を効率的に捕集して、被冷却室への霜の吹出しを抑制できるようになっているものの、除霜器内に霜が捕集される量が多いことから、除霜器が目詰まりを起こしやすく、除霜器内に付着した霜を除去するためのデフロスト運転を頻繁に行う必要があった。デフロスト運転を行うときには、冷却運転を停止させることとなるため、被冷却室を安定して所期の温度に冷却できず、室内温度が上昇してしまう虞があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、冷却運転時間を長くすることができる空気冷媒サイクルを用いた冷却装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の空気冷媒サイクルを用いた冷却装置は、
被冷却室から回収した空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された空気を冷却する熱交換器と、前記熱交換器により冷却された空気を膨張させる膨張機と、前記膨張機から前記被冷却室に流れる空気に含まれる水分を霜として捕集する除霜装置と、を備えた空気冷媒サイクルを用いた冷却装置であって、
前記除霜装置は、前記膨張機から複数に分岐する流路と、前記複数の流路のうち少なくとも２つの流路にそれぞれ接続される除霜器と、を備え、
前記除霜器が接続された前記流路のうち一の流路を遮断したときに、他の流路が前記被冷却室に連通するように構成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、一の流路を遮断して該流路に接続された除霜器をデフロスト運転状態としたときには、他方の除霜器が被冷却室に連通するため、冷却装置の冷却運転を連続して行うことができる。

前記除霜器が接続された前記一の流路及び前記他の流路には、それぞれの上流側もしくは下流側に少なくとも１つの弁が設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、それぞれの除霜器の通常状態またはデフロスト運転状態を簡便に制御することができる。

前記弁は、前記一の流路及び前記他の流路を制御する切換弁であることを特徴としている。
この特徴によれば、一方の除霜器がデフロスト運転状態であるときには、他方の除霜器が確実に被冷却室に連通する。

前記少なくとも２つの流路にそれぞれ接続される前記除霜器の下流側には、前記除霜器同士を連通する連通路が設けられており、前記連通路は、連通状態と非連通状態とに切換え可能となっていることを特徴としている。
この特徴によれば、連通路を連通状態とすることにより、デフロスト運転が完了した一の除霜器を他の除霜器を通過する空気により予冷することができる。

前記連通路の途中に前記被冷却室が設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、被冷却室を通過した後の空気がデフロスト運転後の除霜器を予冷するため、被冷却室内の空気の温度に影響がない。

前記少なくとも２つの流路にそれぞれ接続される前記除霜器には、それぞれ前記圧縮機に連通するバイパス路が設けられており、前記バイパス路は、連通状態と非連通状態とに切換え可能となっていることを特徴としている。
この特徴によれば、バイパス路を連通状態とすることにより、除霜器を予冷した後の空気を被冷却室側に戻すことなく圧縮機に吐出させることができる。

前記圧縮機と前記熱交換器との間の熱を伝達する流路が、前記除霜器の近傍まで延びていることを特徴としている。
この特徴によれば、圧縮機で圧縮された高温の空気を利用して除霜器を温めることができるため、別個にヒータなどを用意する必要がなく、冷却装置の構造を簡素化できる。

本発明の実施例における空気冷媒サイクルを用いた冷却装置において、第１除霜器で空気冷媒の除湿と並行して、第２除霜器のデフロストを行う冷却運転態様を示す図である。 （ａ）は、除霜器を示す平面視断面模式図であり、（ｂ）は、除霜器を示す側面視断面模式図である。 （ａ），（ｂ）は、それぞれに異なる冷却運転サイクルを示すタイムチャート図である。 空気冷媒サイクルを用いた冷却装置において、第１除霜器で空気冷媒の除湿と並行して、第２除霜器の予冷を行う冷却運転態様を示す図である。 空気冷媒サイクルを用いた冷却装置において、第１除霜器のデフロストと並行して、第２除霜器で空気冷媒の除湿を行う冷却運転態様を示す図である。 空気冷媒サイクルを用いた冷却装置において、第１除霜器の予冷と並行して、第２除霜器で空気冷媒の除湿を行う冷却運転態様を示す図である。 空気冷媒サイクルを用いた冷却装置の別形態において、第１除霜器及び第２除霜器共に空気冷媒の除湿を行う冷却運転態様を示す図である。

本発明に係る空気冷媒サイクルを用いた冷却装置を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例に係る空気冷媒サイクルを用いた冷却装置につき、図１から図７を参照して説明する。

図１に示されるように、本実施例における冷却装置１は、種々の素材や加工品並びに生鮮食料品等の被冷却物を保存するため空間である被冷却室２に接続される配管系統である。冷却装置１は、被冷却室２から空気を吸い込むとともに、該空気を冷却装置１内で冷却した後、被冷却室２に還元する空気冷媒サイクルを用いた冷却装置である。

より詳しくは、被冷却室２は、外部から作業者が出入り可能な出入口を有しているため、被冷却室２内には、出入口から流入する外気（大気）や該被冷却室内で作業する作業者の呼気が必然的に混入するようになっている。すなわち、冷却装置１内に取り込まれる空気に含まれる水分量が変化する、所謂開放式の空気冷媒サイクルを用いた冷却装置となっている。尚、この冷却装置１は、系の温度・圧力の違いにより、冷凍用、冷蔵用、空調冷房用等に適用でき、より好適には−５５℃以下の超低温域の冷凍システムに適用される。

次に冷却装置１の構造について説明する。冷却装置１は、コンプレッサＣ（圧縮機）、デフロスト用流路５０の一部を兼ねる第３熱交換器５、第１熱交換器３、第２熱交換器４、膨張タービンＥ（膨張機）、第１除霜器６１及び第２除霜器６２を有する除霜装置６、を主に備え、これらの機器が後述するように配管及び弁を介し連通可能状態で接続されている。

詳しくは、コンプレッサＣの下流側には、配管７ａを介して第３熱交換器５の高温側流路５ａが接続されている。第３熱交換器５の高温側流路５ａの下流側には、配管７ｂを介して第１熱交換器３の高温側配管３ａが接続されている。第１熱交換器３の高温側配管３ａの下流側には、配管７ｃを介して第２熱交換器４の高温側配管４ａが接続されており、第２熱交換器４の高温側配管４ａの下流側には、配管７ｄを介して膨張タービンＥが接続されており、膨張タービンＥの下流側には、配管７ｅを介して除霜装置６が接続されている。除霜装置６の下流側には、三方切換弁である入口弁８が接続されており、入口弁８の下流側は、配管７ｆを介して被冷却室２内の図示しない一方の通気口に接続されている。被冷却室２内の図示しない他方の通気口には、配管７ｇを介して三方切換弁である出口弁９が接続されており、出口弁９の下流側には、配管７ｈを介して第２熱交換器４の低温側配管４ｂが接続されており、第２熱交換器４の低温側配管４ｂの下流側には、配管７ｊを介してコンプレッサＣに接続されている。また、出口弁９は、バイパス管７ｎを介して除霜装置６に接続されており、配管７ｈは、分岐するバイパス管７ｋ，７ｍを介して除霜装置６に接続されている。尚、除霜装置６については、後に詳述する。

コンプレッサＣ及び膨張タービンＥは、モータ１０により駆動される。このモータ１０は、同軸上に延びる一対の駆動軸１０ａ，１０ｂを備え、それぞれにコンプレッサＣと膨張タービンＥとが接続されており、膨張タービンＥの上流側の高圧空気により生じる該膨張タービンＥの回転動力が、駆動軸１０ｂを介してコンプレッサＣの駆動軸１０ａに伝達されることで、動力回収がなされるように構成されている。

また、モータ１０には、空冷用のファンＦ１により空気が循環する空冷用循環流路１２が接続されており、ファンＦ１及び空冷用循環流路１２により冷却されるようになっている。また、空冷用循環流路１２には、空冷用循環流路１２内の空気と熱交換するラジエータ１３が接続されている。

第３熱交換器５は、本実施例では空冷式の熱交換器であり、コンプレッサＣから第１熱交換器３に空気が流れる高温側流路５ａと、高温側流路５ａとは別系統でありファンＦ２により取込まれた外気を誘導する低温側流路５ｂと、を備え、高温側流路５ａと低温側流路５ｂとで熱交換することで高温側流路５ａを流れる空気を冷却できるとともに、デフロスト用流路５０の一部である低温側流路５ｂを流れる外気を加温できるようになっている。尚、ここでいう高温側流路５ａ及び低温側流路５ｂとは、第３熱交換器５において熱交換を行う２つの配管の内部を流れる空気を比較したときの高温側、低温側である。

第１熱交換器３は、本実施例では水冷式の熱交換器であり、第３熱交換器５から第２熱交換器４に空気が流れる高温側配管３ａと、高温側配管３ａとは別系統であり冷却水が循環する低温側配管３ｂと、を備えており、高温側配管３ａと低温側配管３ｂとの間で熱交換を行うことにより、高温側配管３ａ内を流れる空気を冷却できるようになっている。尚、ここでいう高温側配管３ａ及び低温側配管３ｂとは、第１熱交換器３において熱交換を行う２つの配管の内部を流れる空気を比較したときの高温側、低温側である。

第２熱交換器４は、第１熱交換器３で冷却された空気が流れる高温側配管４ａと、被冷却室２からコンプレッサＣに空気が流れる低温側配管４ｂと、を備えており、高温側配管４ａと低温側配管４ｂとで熱交換することで高温側配管４ａを流れる空気を冷却できるようになっている。尚、ここでいう高温側配管４ａ及び低温側配管４ｂとは、第２熱交換器４において熱交換を行う２つの配管の内部を流れる空気を比較したときの高温側、低温側である。

図１に示されるように、除霜装置６は、三方切換弁である第１切換弁６３と、第１切換弁６３を介して並列に配設される配管６０ａ，６０ｂ（流路）と、配管６０ａを介して接続される第１除霜器６１と、配管６０ｂを介して接続される第２除霜器６２と、第１除霜器６１の下流側に接続される配管６０ｃと、第２除霜器６２の下流側に接続される配管６０ｄと、を主に有している。第１切換弁６３の上流側には配管７ｅが接続され、配管６０ｃ，６０ｄの下流側には入口弁８が接続されている。また、配管６０ｃ，６０ｄは、分岐する配管６０ｅ，６０ｆを有し、配管６０ｅ，６０ｆは、三方切換弁である第２切換弁６４の下流側にそれぞれ接続されており、第２切換弁６４の上流側には、バイパス管７ｎを介して出口弁９に接続されている。さらに、配管６０ａ，６０ｂは、分岐するバイパス管６０ｋ，６０ｍを有し、仕切弁６５，６６を介してバイパス管７ｋ，７ｍに接続されていることから、バイパス管７ｋ，６０ｋ及び仕切弁６５により、第１除霜器６１からコンプレッサＣを連通する第１バイパス路７１が形成され、バイパス管７ｍ，６０ｍ及び仕切弁６６により、第１除霜器６１からコンプレッサＣを連通可能な第２バイパス路７２が形成されている。詳しくは、入口弁８を介して接続される配管６０ｃ，６０ｄにより、第１除霜器６１と第２除霜器６２とを連通する連通路が形成されており、入口弁８により連通状態と非連通状態に切換可能となっている。また、配管６０ｃ，６０ｄから分岐するとともに第２切換弁６４を介して接続される配管６０ｅ，６０ｆにより、第２除霜器６２とを連通する連通路が形成されており、第２切換弁６４により連通状態と非連通状態に切換可能となっている。さらに、入口弁８、被冷却室２、出口弁９及び第２切換弁６４を介して接続される配管６０ｃ，６０ｄ，６０ｅ，６０ｆ、配管７ｆ，７ｇ及びバイパス管７ｎにより第１除霜器６１と第２除霜器６２とを連通する連通路が形成されており、入口弁８、出口弁９及び第２切換弁６４により連通状態と非連通状態に切換可能となっている。すなわち、複数の連通路が形成されているとともに、入口弁８、出口弁９及び第２切換弁６４を操作することにより切換可能となっている。

次に、第１除霜器６１について説明し、略同一態様である第２除霜器６２の説明については省略する。図２（ａ），（ｂ）に示されるように、第１除霜器６１は、配管６０ａと配管６０ｃとを接続する箱状のケース６１ａと、ケース６１ａを配管６０ａ側の空間と配管６０ｃ側の空間とに区画する網目部材６１ｂと、から構成されている。後述するように、膨張タービンＥから配管７ｅを介して配管７ｆ側に流れる空気が網目部材６１ｂを通過するときに、該空気に含まれる水分が網目部材６１ｂに霜として吸着するようになっている。

また、図１に示されるように、第１除霜器６１の周囲には、第１除霜器６１の目詰まりを検知する検知手段１４が設けられている。この検知手段１４は、第１除霜器６１の網目部材６１ｂよりも上流側の配管６０ａに接続される圧力計１４ａと、網目部材６１ｂよりも下流側の配管６０ｃに接続される圧力計１４ｂと、圧力計１４ａ，１４ｂとの差圧を計測する差圧計１４ｃと、から構成されており、差圧計１４ｃにより計測される差圧が所定の閾値以上となったときに、第１除霜器６１が目詰まりを生じたものとして検知する。冷却装置１は、検知手段１４が第１除霜器６１の目詰まりを検知したときに、第１除霜器６１のデフロストを行うため、冷却装置１の冷却運転態様を切換えるようになっている。尚、第１除霜器６１のデフロスト、冷却装置１の冷却運転態様の切換えを含む冷却装置１の冷却運転については、後に詳述する。

尚、第２除霜器６２側の検知手段１４’（図５，図６参照）の説明については、第１除霜器６１側の検知手段１４と略同様に、圧力計１４ａ’，１４ｂ’と、差圧計１４ｃ’と、から構成されるとともに、第２除霜器６２の目詰まりを検知するものであるため説明を省略する。

ここで、デフロスト用流路５０の構成について説明する。デフロスト用流路５０は、除霜装置６に付着した霜を加温によりデフロスト（霜取り）するための流路である。詳述すると、第３熱交換器５の低温側流路５ｂの上流側にはファンＦ２を有する配管５０ｄが接続されており、低温側流路５ｂの下流側には配管５０ｃを介して三方切換弁である第１切換弁５３が接続されている。第１切換弁５３の下流側には、一方に熱交換後の外気を冷却装置１の外部に排出するための配管５０ａが接続され、他方に除霜装置６側に延びる配管５０ｂが接続されている。配管５０ｂの下流側には三方切換弁である第２切換弁５４が接続されており、第２切換弁５４の下流側には、一方に除霜装置６の第１除霜器６１の内部を貫通して配置される第１伝熱管５１が接続され、他方に除霜装置６の第２除霜器６２の内部を貫通して配置される第２伝熱管５２が接続されている。第１伝熱管５１の下流側には該第１伝熱管５１の冷却装置１の外部への開放・閉塞を切換えるための仕切弁５５が接続され、第２伝熱管５２の下流側には該第２伝熱管５２の冷却装置１の外部への開放・閉塞を切換えるための仕切弁５６が接続されている。

直接の図示は省略するが、第１伝熱管５１の配設態様について説明する。第１伝熱管５１は、第１除霜器６１のケース６１ａに形成されている該ケース６１ａの内外に挿通する２つの孔部を介して配設されている。第１伝熱管５１は、一方の孔部を介してケース６１ａの外部から内部に挿通され、第１伝熱管５１の一部である伝熱部５１ａが一方の孔部から他方の孔部に向けてケース６１ａの内壁に沿って螺旋状に配設され、他方の孔部を介してケース６１ａの内部から外部に挿通されている。尚、第１伝熱管５１と各孔部との間は密封状に閉塞されているため、第１除霜器６１内の空気冷媒と第１除霜器６１外の外気とが混在することが防止されている。さらに尚、他方の孔部を介してケース６１ａの外部に挿通された第１伝熱管５１の端部に、デフロスト用流路５０の仕切弁５５が接続されている。

尚、第２除霜器６２に対するデフロスト用流路５０の第２伝熱管５２及びその一部である伝熱部５２ａの配設態様については、第１除霜器６１に対するデフロスト用流路５０の第１伝熱管５１及びその伝熱部５１ａの配設態様と略同様であるため説明を省略する。

また、冷却装置１は、上記したモータ１０、入口弁８、出口弁９、検知手段１４、デフロスト用流路５０の第１切換弁５３，第２切換弁５４，仕切弁５５，５６及び除霜装置６の第１切換弁６３，第２切換弁６４，仕切弁６５，６６等と電気的に接続されるとともに、タイマを備える図示しない制御部を有しており、当該制御部が、検知手段１４より受信した第１除霜器６１又は第２除霜器６２の差圧の情報や、第１除霜器６１および第２除霜器６２のデフロストの経過時間に基づき、弁の開閉操作を行い、冷却装置１の冷却運転としての冷却運転態様α，β，γ，δ，εを切換え制御可能に構成されている。

次に、図３（ａ），（ｂ）を用いて、冷却装置１の冷却運転における冷却運転態様α，β，γ，δ，ε及びこれらの切換による冷却運転サイクルＳ１，Ｓ２について説明する。冷却運転態様αでは、第１除霜器６１による空気冷媒の除湿（通常状態）と並行して第２除霜器６２のデフロストが行われる（デフロスト運転状態）。冷却運転態様βでは、第１除霜器６１による空気冷媒の除湿と並行して第２除霜器６２の予冷が行われる。冷却運転態様γでは、第１除霜器６１のデフロストと並行して第２除霜器６２による空気冷媒の除湿が行われる。冷却運転態様δでは、第１除霜器６１の予冷と並行して第２除霜器６２による空気冷媒の除湿が行われる。冷却運転態様εでは、第１除霜器６１及び第２除霜器６２により同時並行に空気冷媒の除湿が行われる。

図３（ａ）に示される冷却運転サイクルＳ１では、冷却運転態様α、冷却運転態様β、冷却運転態様γ、冷却運転態様δの順に繰り返し冷却運転が行われる態様を示している。この冷却運転サイクルＳ１であれば、第１除霜器６１、第２除霜器６２の内一方を予冷状態で待機させることができることから、一定の除湿能力を保持し易い。また、図３（ｂ）に示される冷却運転サイクルＳ２では、冷却運転態様α、冷却運転態様β、冷却運転態様ε、冷却運転態様γ、冷却運転態様δ、冷却運転態様εの順に繰り返し冷却運転が行われる態様を示している。この冷却運転サイクルＳ２であれば、冷却運転態様ε時に高い除湿能力を発揮することができる。これら冷却運転サイクルＳ１，Ｓ２は、いずれか一方のみが運用される態様であってもよく、併用されて運用される態様であってもよい。尚、冷却運転態様α，β，γ，δ，εが行われる時間が略同一時間（例えば２時間）であるように図示したが異なっていてもよい。

次に、図１，図４〜図６を用いて、冷却運転サイクルＳ１を例に、冷却運転態様α，β，γ，δについて、冷却装置１の各所態様を示しながら説明する。尚、以下の説明において、被冷却室２内の庫内空気Ａ１（約１気圧，約−５５℃）を基準とし、高圧とは、庫内空気Ａ１と比べて高圧であることを指し、常圧とは、庫内空気Ａ１と略同圧であることを指し、同温とは、庫内空気Ａ１と比べて誤差１０℃以内の温度であることを指し、高温、低温とは、同温よりも高温、低温であることを指す。尚、冷却運転態様εについては後述する。

先ず、図１を用いて、冷却装置１の冷却運転の一態様である、冷却運転態様αについて説明する。冷却運転態様αにおいて除霜装置６は、第１切換弁６３及び入口弁８の第２除霜器６２側が閉塞され、第１除霜器６１を介して膨張タービンＥと被冷却室２とが連通されるとともに、出口弁９のバイパス管７ｎ側と仕切弁６５，６６とが閉塞され、被冷却室２と第２熱交換器４の低温側配管４ｂとが連通するように開放される。これらにより、冷却装置１の冷却運転態様αにおける冷却運転用循環流路が形成される。これに伴い、第２除霜器６２は、第１切換弁６３、入口弁８、第２切換弁６４及び仕切弁６６によって冷却運転用循環流路側への流路が閉塞されている。

このとき、デフロスト用流路５０は、第１切換弁５３の配管５０ａ側と第２切換弁５４の第１伝熱管５１側とが閉塞され、配管５０ｃ，５０ｂを介して第３熱交換器５の低温側流路５ｂと第２伝熱管５２とが連通され、仕切弁５６が開放された状態となっている。これに伴い、第１伝熱管５１は、第２切換弁５４及び仕切弁５５によって閉塞されている。これらにより、ファンＦ２により配管５０ｄ内に取込まれた外気は、第３熱交換器５にて高圧高温空気Ａ２との熱交換により加温された外気Ａ１１となり、第２伝熱管５２を通過して第２除霜器６２をデフロストした後、開放された仕切弁５６を介して冷却装置１の外部へ排出される。

コンプレッサＣ及び膨張タービンＥが駆動すると、コンプレッサＣは、配管７ｊ内の常圧高温空気Ａ１’（約１気圧、約４０℃）を吸引して圧縮する。コンプレッサＣにより圧縮された高圧高温空気Ａ２は、約２気圧、約１２０℃となっており、配管７ａを通って第３熱交換器５の高温側流路５ａに吐出される。

冷却運転時には、第３熱交換器５の低温側流路５ｂ内をファンＦ２により取込まれた外気が通過しているため、第３熱交換器５の高温側流路５ａに吐出された高圧高温空気Ａ２は、第３熱交換器５の低温側流路５ｂの外気と熱交換され、約２気圧、約１００℃の高圧高温空気Ａ３となり、第１熱交換器３の高温側配管３ａに吐出される。

第１熱交換器３の高温側配管３ａに吐出された高圧高温空気Ａ３は、第１熱交換器３の低温側配管３ｂを循環している冷却水と熱交換され、約２気圧、約４５℃の高圧高温空気Ａ４となり、第２熱交換器４の高温側配管４ａに吐出される。

第２熱交換器４の高温側配管４ａに吐出された高圧高温空気Ａ４は、被冷却室２から第２熱交換器４の低温側配管４ｂを介してコンプレッサＣに吸い込まれる庫内空気Ａ１（約１気圧、約−５５℃）と熱交換され、約２気圧、約−５０℃の高圧同温空気Ａ５となり、膨張タービンＥに吐出される。このとき、高圧高温空気Ａ４は、庫内空気Ａ１と熱交換されることで、第２熱交換器４の高温側配管４ａの内周面に高圧高温空気Ａ４中に含まれる水分の一部が霜となって付着するため、膨張タービンＥに吐出される高圧同温空気Ａ５に含まれる水分量が減る。一方、約−５５℃の庫内空気Ａ１は、高圧高温空気Ａ４と熱交換されることにより、約４０℃の常圧高温空気Ａ１’となって配管７ｊに流入する。

膨張タービンＥに吐出された高圧同温空気Ａ５は、膨張タービンＥにより膨張され、約１気圧、約−９０℃の常圧低温空気Ａ６となるとともに、該常圧低温空気Ａ６に含まれる水分の一部が霜となって冷気と混在し、除霜装置６に吐出される。

除霜装置６に吐出された常圧低温空気Ａ６は、除霜装置６の第１切換弁６３に誘導され第１除霜器６１に吐出される。第１除霜器６１の網目部材６１ｂを通過するときに、該常圧低温空気Ａ６に含まれる霜が網目部材６１ｂに付着し、これにより、常圧低温空気Ａ６よりも水分量の少ない常圧低温空気Ａ７（約１気圧、約−９０℃）となる。常圧低温空気Ａ７は、入口弁８に誘導され、被冷却室２に吐出される。このように、膨張タービンＥにより膨張された常圧低温空気Ａ６から第１除霜器６１により水分が除去されるため（空気冷媒の除湿）、被冷却室２に霜が吹き出すことを抑制できる。

このとき、デフロスト用流路５０の第１伝熱管５１内には、加温された外気Ａ１１及び外気が入流することが防止されているため、第１伝熱管５１を介して第１除霜器６１内の温度が加温されることが防止されている。

被冷却室２に吐出された常圧低温空気Ａ７は、被冷却室２の外部から流入される空気等と混ざることで、約−５５℃の庫内空気Ａ１となる。

一方、除霜装置６の第２除霜器６２では、デフロスト用流路５０の第２伝熱管５２の伝熱部５２ａが第２除霜器６２の内部に配設されていることから、加温された外気Ａ１１が第２伝熱管５２を通過することで、第２除霜器６２内部の残留空気及び第２除霜器６２のケース６２ａ、網目部材６２ｂ（図２（ｂ）参照）等に付着した霜を加温することができる。これにより、第２除霜器６２内に積もった霜を溶かすことができる。

尚、図２（ｂ）に示されるように、第２除霜器６２の底面６２ｃは、すり鉢状に形成されており、第２除霜器６２の底面６２ｃの最下部には、外部と連通する開閉式のドレンバルブ６２ｄが設けられている。これによれば、霜が溶かされ発生した水を、ドレンバルブ６２ｄを介して外部に排出することができる。

また、第２除霜器６２内の残留空気が加温されることになるものの、冷却運転用循環流路側への流路が閉塞されていることから、加温された残留空気による冷却運転用循環流路を循環する空気冷媒の加温が防止されている。

以上のことから、冷却装置１の冷却運転態様αでは、被冷却室２内を十全に冷却しながら、第１除霜器６１による空気冷媒の除湿と並行して第２除霜器６２のデフロストを行うことができる。

冷却装置１は、冷却装置１の制御部（図示略）が備えるタイマにより、冷却運転態様αが開始されて所定時間（例えば２時間）が経過すると、制御部の制御により冷却運転態様βに切換えられる。尚、タイマにより計測される所定時間は、確実にデフロストが行われる時間であればよく、適宜変更可能に構成されている。

次に、図４を用いて、冷却装置１の冷却運転の一態様である、冷却運転態様βについて説明する。尚、冷却運転態様βの説明について、冷却運転態様αと重複する説明を省略する。冷却運転態様βにおいて除霜装置６は、第１切換弁６３及び入口弁８の第２除霜器６２側が閉塞され、第１除霜器６１を介して膨張タービンＥと被冷却室２とが連通されるとともに、出口弁９の配管７ｈ側と第２切換弁６４の配管６０ｅ側と仕切弁６５とが閉塞され、仕切弁６６が開放され、第２除霜器６２を介して被冷却室２と第２熱交換器４の低温側配管４ｂとが連通するように開放される。これらにより、冷却装置１の冷却運転態様βにおける冷却運転用循環流路が形成される。

このとき、デフロスト用流路５０は、第１切換弁５３の配管５０ｂ側と仕切弁５５，５６とが閉塞された状態となっている。これらにより、加温された外気Ａ１１が配管５０ａから冷却装置１の外部へ排出されるとともに、第２伝熱管５２内に外気が流入することが防止されている。

被冷却室２から吐出された庫内空気Ａ１は、配管７ｇ、出口弁９、バイパス管７ｎ、除霜装置６の第２切換弁６４、配管６０ｆ，６０ｄを通過し、第２除霜器６２に吐出される。これにより、第２除霜器６２のデフロストにより加温された状態にあった残留空気が該第２除霜器６２から吐出され、配管６０ｂ、第２バイパス路７２、配管７ｈ、第２熱交換器４の低温側配管４ｂ及び配管７ｊを通過し、常圧高温空気Ａ１’としてコンプレッサＣに吐出される。同様に、庫内空気Ａ１が第２除霜器６２を通過し、常圧高温空気Ａ１’としてコンプレッサＣに吐出され続けることにより、第２除霜器６２内の温度を被冷却室２内の温度と略同温にまで低下させることができる。このようにして、第２除霜器６２を予冷することにより、デフロストにより加温された第２除霜器６２内の残留空気が直接被冷却室２に吐出されることを防止するとともに、第２除霜器６２内の温度と常圧低温空気Ａ６との温度差から、デフロスト後の第２除霜器６２に吐出された常圧低温空気Ａ６の温度上昇を抑えることができる。すなわち、被冷却室２内の温度を好適に保持することができる。

このとき、第２伝熱管５２内には、加温された外気Ａ１１及び外気が入流することが防止されているため、第２伝熱管５２を介して第２除霜器６２内の温度が加温されることが防止されている。これにより、第２除霜器６２内の予冷を好適に行うことができる。

以上のことから、冷却装置１の冷却運転態様βにおいては、被冷却室２内を十全に冷却しながら、第１除霜器６１による空気冷媒の除湿と並行して第２除霜器６２の予冷を行うことができる。また、別途冷却装置を用意することなく第２除霜器６２の予冷を行うことができることからエネルギー効率が良い。

冷却装置１は、前述したように、検知手段１４が第１除霜器６１の上流側と下流側との差圧が所定の閾値以上となったことを検知したときに、冷却装置１の制御部により、冷却運転態様βから冷却運転態様γに切換えられる。

次に、図５を用いて、冷却装置１の冷却運転の一態様である、冷却運転態様γについて説明する。尚、冷却運転態様γの説明について、冷却運転態様α，βと重複する説明を省略する。冷却運転態様γにおいて除霜装置６は、第２除霜器６２を介して膨張タービンＥと被冷却室２とが連通されるとともに、被冷却室２と第２熱交換器４の低温側配管４ｂとが連通するように開放される。除霜装置６に流入する常圧低温空気Ａ６は、第２除霜器６２を通過することで、該常圧低温空気Ａ６よりも水分量の少ない常圧低温空気Ａ７となり、被冷却室２に吐出される。

このとき、デフロスト用流路５０において、加温された外気Ａ１１は、第１伝熱管５１を通過して第１除霜器６１をデフロストした後、開放された仕切弁５５を介して冷却装置１の外部へ排出される。

除霜装置６の第１除霜器６１では、加温された外気Ａ１１が第１伝熱管５１を通過することで、第１除霜器６１内に積もった霜を溶かすことができる。尚、第１除霜器６１は、霜が溶かされ発生した水を第１除霜器６１の底面６１ｃ（図２（ｂ）参照）によって誘導し、第１除霜器６１のドレンバルブ６１ｄ（図２（ｂ）参照）を介して外部に排出することができる。また、冷却運転用循環流路側への流路が閉塞されていることから、加温された残留空気による冷却運転用循環流路を循環する空気冷媒の加温が防止されている。

以上のことから、冷却装置１の冷却運転態様γにおいては、被冷却室２内を十全に冷却しながら、第１除霜器６１のデフロストと並行して第２除霜器６２による空気冷媒の除湿を行うことができる。

冷却装置１は、冷却装置１の制御部（図示略）が備えるタイマにより、冷却運転態様γが開始されて所定時間が経過すると、制御部の制御により冷却運転態様δに切換えられる。

次に、図６を用いて、冷却装置１の冷却運転の一態様である、冷却運転態様δについて説明する。尚、冷却運転態様δの説明について、冷却運転態様α，β，γと重複する説明を省略する。冷却運転態様δにおいて除霜装置６は、第２除霜器６２を介して膨張タービンＥと被冷却室２とが連通されるとともに、第１除霜器６１を介して被冷却室２と第２熱交換器４の低温側配管４ｂとが連通するように開放される。これにより、被冷却室２から吐出された庫内空気Ａ１により、第１除霜器６１が予冷される。

このとき、第１伝熱管５１内には、加温された外気Ａ１１及び外気が入流することが防止されているため、第１伝熱管５１を介して第１除霜器６１内の温度が加温されることが防止されている。これにより、第１除霜器６１内の予冷を好適に行うことができる。

以上のことから、冷却装置１の冷却運転態様δにおいては、被冷却室２内を十全に冷却しながら、第２除霜器６２による空気冷媒の除湿と並行して第１除霜器６１の予冷を行うことができる。

冷却装置１は、検知手段１４’が第２除霜器６２の上流側と下流側との差圧が所定の閾値以上となったことを検知したときに、冷却装置１の制御部により、冷却運転態様δから上記した冷却運転態様αに切換えられる。

次に、図７を用いて、前記実施例とは別形態の冷却装置１’を例示し、冷却運転サイクルＳ２について説明する。冷却運転サイクルＳ２は、上述したように、冷却運転態様α、β、ε、γ、δ、εの順に繰り返し冷却運転が行われる。尚、冷却運転サイクルＳ２における、冷却運転態様α，β，γ，δの説明については、前述したとおりであるため省略する。冷却装置１’は、第１除霜器６１の上流側に仕切弁１６３ａが接続され、第１除霜器６１の下流側に仕切弁１０８ａが接続され、第２除霜器６２の上流側に仕切弁１６３ｂが接続され、第２除霜器６２の下流側に仕切弁１０８ｂが接続されている形態である点で前記実施例の冷却装置１と異なり、その他は冷却装置１と同様である。

詳しくは、仕切弁１６３ａ，１６３ｂの上流側は配管７ｅの下流側から２等配に分岐された配管１７３ａ，１７３ｂ（流路）に接続され、仕切弁１６３ａ，１６３ｂの下流側は配管１６０ａ，１６０ｂ（流路）に接続され、配管１６０ａ，１６０ｂを介して第１除霜器６１又は第２除霜器６２に接続されている。また、仕切弁１０８ａ，１０８ｂの上流側は配管１６０ｃ，１６０ｄ（連通路）に接続され、配管１６０ｃ，１６０ｄを介して第１除霜器６１又は第２除霜器６２に接続され、仕切弁１０８ａ，１０８ｂの下流側は配管７ｆの上流側から２等配に分岐された配管１７４ａ，１７４ｂ（連通路）に接続されている。

この形態であれば、仕切弁１６３ａ，１０８ａ（仕切弁１６３ｂ，１０８ｂ）を開放し、仕切弁１６３ｂ，１０８ｂ（仕切弁１６３ａ，１０８ａ）を閉塞することで、第１除霜器６１（第２除霜器６２）を介して、膨張タービンＥと被冷却室２とを接続することができるとともに、第１除霜器６１（第２除霜器６２）に、第２除霜器６２（第１除霜器６１）内の空気が混在することを防止することができる。すなわち、前記実施例における冷却運転態様α，β，γ，δと同様の冷却運転を行うことができる。

冷却運転サイクルＳ２では、冷却運転態様β又は冷却運転態様δが開始されてから所定時間経過することにより冷却運転態様εに切換えられる。尚、冷却装置１’の制御部（図示略）が電気的に接続される温度センサを有し、該温度センサが第１除霜器６１及び第２除霜器６２に配設され、該温度センサによって検知された内部の温度が所定温度（例えば−５５℃）に以下となったことに応じて冷却運転態様εに切換えられてもよい。さらに尚、所定温度については−５５℃に限定するものではない。

冷却運転態様εにおいて除霜装置６’は、仕切弁１６３ａ，１０８ａ，１６３ｂ，１０８ｂが同時に開放される。これにより、常圧低温空気Ａ６が第１除霜器６１及び第２除霜器６２に対して同時に吐出され、第１除霜器６１及び第２除霜器６２同時に空気冷媒の除霜を行うことができる。尚、図１、図４〜図６に示される冷却装置１の除霜装置６の第１切換弁６３と入口弁８とに用いられる三方切換弁が、三方の挿通孔の内いずれか一方を閉塞するばかりでなく、三方の挿通孔をすべて開放することが可能であれば、本別形態と同様に冷却運転態様εを行うことができる。

このとき、デフロスト用流路５０は、第１切換弁５３の配管５０ｂ側と仕切弁５５，５６とが閉塞された状態となっている。

冷却運転態様βから冷却運転態様εに切換えられたときには、検知手段１４が第１除霜器６１の上流側と下流側との差圧が所定の閾値以上となったことを検知したときに、冷却装置１の制御部により、冷却運転態様εから冷却運転態様γに切換えられる。同様に、冷却運転態様δから冷却運転態様εに切換えられたときには、該冷却運転態様εから冷却運転態様αに切換えられる。尚、冷却運転態様εの前の冷却運転態様β，δに依らず、単に検知手段１４，１４’の一方から所定の閾値以上の差圧が感知された側のデフロストを行うために、冷却運転態様εから対応する冷却運転態様α又はγに切換わる態様であってもよい。

以上のように、冷却装置１，１’は、冷却運転サイクルＳ１，Ｓ２により、被冷却室２内を安定して所期の冷却を行うことができる。

これまで説明してきたように、本実施例における冷却装置１，１’は、配管６０ｂ又は配管１７３ａ，１６０ａ（（配管６０ａ又は配管１７３ｂ，１６０ｂ）（一の流路）を遮断して該配管６０ｂ又は配管１７３ｂ，１６０ｂ）（配管６０ａ又は配管１７３ａ，１６０ａ）（他の流路）に接続された第２除霜器６２（第１除霜器６１）をデフロスト運転状態としたときには、第１除霜器６１（第２除霜器６２）が被冷却室２に連通するため、冷却装置１，１’全体として被冷却室２の冷却運転を常時連続して行うことができる。

また、第１除霜器６１及び第２除霜器６２が接続された配管６０ａ，６０ｂ（配管１７３ａ，１６０ａ，１７３ｂ，１６０ｂ）には、それぞれの上流側に第１切換弁６３（仕切弁１６３ａ，１６３ｂ）が設けられていることから、第１除霜器６１及び第２除霜器６２の通常状態またはデフロスト運転状態を簡便に制御することができる。

また、除霜装置６の第１切換弁６３は、三方切換弁であることから、一方の第１除霜器６１（第２除霜器６２）のデフロストが行われる（デフロスト運転状態）ときには、他方の第２除霜器６２（第１除霜器６１）が確実に被冷却室２に連通する。

また、第１除霜器６１及び第２除霜器６２の下流側には、第１除霜器６１及び第２除霜器６２を連通する配管６０ｃ，６０ｄ，６０ｅ，６０ｆ（配管１６０ｃ，１７４ａ，１６０ｄ，１７４ｂ，６０ｅ，６０ｆ）（連通路）が設けられており、配管６０ｃ，６０ｄ（配管１６０ｃ，１７４ａ又は配管１６０ｄ，１７４ｂ）を接続する入口弁８（仕切弁１０８ａ又は仕切弁１０８ｂ）、または、除霜装置６，６’の配管６０ｅ，６０ｆを接続する除霜装置６，６’の第２切換弁６４により第１除霜器６１及び第２除霜器６２が連通状態と非連通状態とに切換え可能となっているため、配管６０ｃ，６０ｄ（配管１６０ｃ，１７４ａ，１６０ｄ，１７４ｂ）、または、除霜装置６，６’の配管６０ｅ，６０ｆを連通状態とすることにより、デフロスト運転が完了した第１除霜器６１（第２除霜器６２）を、第２除霜器６２（第１除霜器６１）を通過する空気により予冷することができる。

また、配管６０ｃ，６０ｄ，６０ｅ，６０ｆ（配管１６０ｃ，１７４ａ，１６０ｄ，１７４ｂ，６０ｅ，６０ｆ）、配管７ｆ，７ｇ、バイパス管７ｎ、入口弁８（仕切弁１０８ａ又は仕切弁１０８ｂ）、被冷却室２、出口弁９、除霜装置６，６’の第２切換弁６４により、第１除霜器６１及び第２除霜器６２の下流側を連通する連通路が形成されている。これらにより、デフロストが完了した第１除霜器６１（第２除霜器６２）を、第２除霜器６２（第１除霜器６１）を通過する空気により予冷することができる。詳しくは、第２除霜器６２（第１除霜器６１）から吐出され、被冷却室２を通過した後の空気がデフロスト運転後の第１除霜器６１（第２除霜器６２）を予冷するため、被冷却室２内の空気の温度に影響がない。

また、第１除霜器６１（第２除霜器６２）は、第１バイパス路７１（第２バイパス路７２）を介してコンプレッサＣに接続されていることから、第１除霜器６１（第２除霜器６２）を予冷した後、仕切弁６５（仕切弁６６）を開放し、第１バイパス路７１（第２バイパス路７２）を連通状態とすることにより、第１除霜器６１（第２除霜器６２）を予冷した後の空気を被冷却室２側に戻すことなくコンプレッサＣに吐出させることができる。

また、デフロスト用流路５０が、第１除霜器６１及び第２除霜器６２の近傍まで延び、第１伝熱管５１及び第２伝熱管５２がそれぞれ第２除霜器６２及び第２除霜器６２の内部に配設されていることから、コンプレッサＣで圧縮された高圧高温空気Ａ２（熱い空気）を利用して加温された外気Ａ１１により、第１除霜器６１または第２除霜器６２を温めることができるため、別個にヒータなどを用意する必要がなく、冷却装置１，１’の構造を簡素化できる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例では、除霜装置６，６’は、第１除霜器６１と第２除霜器６２を有する態様として説明したが、これに限らず、３つ以上の除霜器を有していてもよい。また、除霜器に直接接続されない他の流路を有していてもよく、若しくは複数の除霜器が直列状に接続可能であってもよい。

第１除霜器６１（第２除霜器６２）の予冷において、第２切換弁６４を操作し第１除霜器６１と第２除霜器６２とを直接連通させ、第２除霜器６２（第１除霜器６１）から吐出された常圧低温空気Ａ７の一部を、第１除霜器６１（第２除霜器６２）に吐出させてもよい。

デフロスト用流路５０は、外気が通過する態様として説明したが、これに限らず、水や油等の空気以外の冷媒であってもよく、冷媒が通過または循環する態様であってもよい。このことから、第３熱交換器５は、空冷式に限定するものではなく、同様に第１熱交換器３、第２熱交換器４についても限定するものではない。また、第３熱交換器５を用いらず、第１熱交換器３がデフロスト用流路を兼ねていてもよく、コンプレッサＣと第１熱交換器３との間の配管がデフロスト用流路を兼ねていてもよく、デフロスト用流路５０に限定するものではない。

第１伝熱管５１の一部である伝熱部５１ａは、第１除霜器６１のケース６１ａの一方の孔部から他方の孔部に向けて、ケース６１ａの内壁に沿って螺旋状に配設されている態様として説明したが、これに限らず、第１除霜器６１のケース６１ａの一方の孔部から他方の孔部に向けて直線状に配置されていてもよく、ケース６１ａを貫通することなく外壁に沿って螺旋状に配設されていてもよく、外壁と内壁との間に断熱材が充填されている態様であれば外壁と内壁との間の空間において内壁に沿って配設されている態様であってもよく、限定するものではない。すなわち、伝熱管は、除霜器の近傍まで延びたのち、除霜器を貫通していてもよく、外壁部分に巻付けられていてもよく、ケースに埋設されていてもよい。

冷却運転サイクルＳ１，Ｓ２において、第１除霜器６１又は第２除霜器６２のデフロスト後、即座に予冷が行われる態様として説明したが、これに限らず、予冷に移行するまでに、デフロストと予冷が共に行われない待機状態の態様が介在されてもよい。

冷却装置１，１’の冷却運転を停止し、冷却装置１，１’のデフロスト運転が行われてもよい。このときの熱源として、ヒータを用いてもよい。

１，１’ 冷却装置
２ 被冷却室
３ 第１熱交換器
４ 第２熱交換器
５ 第３熱交換器
６，６’ 除霜装置
７ｆ，７ｇ 配管（連通路）
７ｎ バイパス管（連通路）
８ 入口弁（弁）
５０ デフロスト用流路
６０ａ，６０ｂ 配管（流路）
６０ｃ〜６０ｆ 配管（連通路）
６１ 第１除霜器
６２ 第２除霜器
６３ 第１切換弁（弁）
７１ 第１バイパス路
７２ 第２バイパス路
１０８ａ，１０８ｂ 仕切弁（弁）
１６０ａ，１６０ｂ 配管（流路）
１６０ｃ，１６０ｄ 配管（連通路）
１６３ａ，１６３ｂ 仕切弁（弁）
１７３ａ，１７３ｂ 配管（流路）
１７４ａ，１７４ｂ 配管（連通路）
Ｃ コンプレッサ
Ｅ 膨張タービン

Claims (6)

1. 被冷却室から回収した空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された空気を冷却する熱交換器と、前記熱交換器により冷却された空気を膨張させる膨張機と、前記膨張機から前記被冷却室に流れる空気に含まれる水分を霜として捕集する除霜装置と、を備えた空気冷媒サイクルを用いた冷却装置であって、
   前記除霜装置は、前記膨張機から複数に分岐する流路と、前記複数の流路のうち少なくとも２つの流路にそれぞれ接続される除霜器と、を備え、
   前記除霜器が接続された前記流路のうち一の流路を遮断したときに、他の流路が前記被冷却室に連通するように構成されており、前記少なくとも２つの流路にそれぞれ接続される前記除霜器の下流側には、前記除霜器同士を連通する連通路が設けられており、前記連通路は、連通状態と非連通状態とに切換え可能となっていることを特徴とする空気冷媒サイクルを用いた冷却装置。
2. 前記除霜器が接続された前記一の流路及び前記他の流路には、それぞれの上流側もしくは下流側に少なくとも１つの弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の空気冷媒サイクルを用いた冷却装置。
3. 前記弁は、前記一の流路及び前記他の流路を制御する切換弁であることを特徴とする請求項２に記載の空気冷媒サイクルを用いた冷却装置。
4. 前記連通路の途中に前記被冷却室が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の空気冷媒サイクルを用いた冷却装置。
5. 前記少なくとも２つの流路にそれぞれ接続される前記除霜器には、それぞれ前記圧縮機に連通するバイパス路が設けられており、前記バイパス路は、連通状態と非連通状態とに切換え可能となっていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の空気冷媒サイクルを用いた冷却装置。
6. 前記圧縮機と前記熱交換器との間の熱を伝達する流路が、前記除霜器の近傍まで延びていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の空気冷媒サイクルを用いた冷却装置。

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