JP6869800B2 - エアクーラ、冷凍システム及びエアクーラの除霜方法 - Google Patents

Description

本開示は、エアクーラ、冷凍システム及びエアクーラの除霜方法に関する。

冷凍庫などに設けられるエアクーラは、例えば、冷媒が流れるチューブと、該チューブの外表面に一定の間隔で固定されたフィンと、を備えるフィンチューブ式熱交換器が使用されている。
エアクーラは、冷却面が零度より低くなる場合には着霜が生じ、伝熱性能が低下するため、デフロスト運転が必要になる。特に、フィンを有する場合、着霜によってフィン間が閉塞され、伝熱性能が低下するため、頻繁にデフロスト運転を行う必要がある。

着霜を融解させて除去するデフロスト運転では、一旦エアクーラの運転を止めなければならず、運転を止めた状態で着霜を融解させ、融解水をドレンパンで受け外部に除去する必要がある。
そこで、最近では、着霜を融解せずに昇華させて除去する昇華デフロスト法が考えられている。このデフロスト法では、昇華した水蒸気を空気流と共に外部に排出できるため、エアクーラの運転を特に停止せずに除霜でき、かつ融解水の処理を必要としない利点がある。
例えば、特許文献１には、エアクーラを構成する伝熱管の着霜を昇華デフロスト法で除霜する手段が開示されている。

また、本発明者等は、伝熱管に付着した霜層の根本部を加熱昇温させ、霜層の根本部と先端部との間で温度勾配を形成させることで、根本部の昇華を優先的に促進させ、これによって、霜層の付着面に対する付着力を低減させることで、霜層全体が昇華する前に霜層を剥離できる省エネ可能な剥離式昇華デフロスト法を提案している（国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２０１６／７９８５８９号（未公開））。

特許第５９４４０５８号公報

エアクーラにフィンチューブ式熱交換器を用いた場合、フィンに霜層が付きやすく、フィン間に形成された霜層によって空気流が閉塞されるため、頻繁にデフロスト運転が必要となる。また、チューブ表面に環状の霜層ブリッジができると、剥離式昇華デフロスト方法を用いて霜層をチューブ表面から剥離させても、環状の霜層ブリッジはチューブから取り除くことができない。
また、チューブから離れたフィンの領域では伝熱距離が長くなり、かつフィンとチューブとはチューブの拡管加工によって接触固定されている場合が多いので、接触部に熱抵抗がある。そのため、チューブから離れたフィンの領域では霜層の根本部の昇華に時間がかかるという問題がある。

一実施形態に係る第１の目的は、上記課題に鑑み、昇華デフロスト方法を有効に活用できると共に、冷媒と空気流との伝熱性能が良いエアクーラを提案することにある。
一実施形態に係る第２の目的は、上記課題に鑑み、エアクーラの剥離式を含む昇華デフロストが可能な冷凍システムを提案することにある。

（１）一実施形態に係るエアクーラは、
内部に冷媒流路が形成され、空気流が通過するための空気流通過空間を隔てて互いに並列に配置された複数のプレートと、
前記複数のプレートに形成された前記冷媒流路の各々に連通し、前記冷媒流路の各々に冷媒を供給する入口ヘッダと、
前記複数のプレートに形成された前記冷媒流路の各々に連通し、前記冷媒流路の各々から前記冷媒が排出される出口ヘッダと、
を備え、
前記複数のプレートの各々がフィンを介さずに前記空気流通過空間を挟んで直接対向配置されている。

本明細書で、「冷媒」とは、例えばＮＨ_３、ＣＯ_２等の冷媒のみならず、ブライン、その他熱交換に用いられる冷却媒体をすべて含む。
上記（１）の構成によれば、上記複数のプレートの各々の表面が伝熱面を形成するため、フィンを設けなくても、プレートの数やプレートの面積を調整し、あるいはプレートに形成される冷媒流路の流路や流路径を調整することで、伝熱面積を確保できる。従って、霜層が付着しやすいフィンをなくすことで、従来の融け残りや、フィン間に保持された融水の凍結を考慮した余分なデフロスト運転を低減できるため、冷却運転を長くできる。
さらに、フィンを設けないために、複数のプレートを並べた簡単な構成となり、これによって、製造コストを低減できると共に、保守点検時の洗浄効果を向上できる。

また、伝熱管の代わりにプレートを設けるため、伝熱管の全周に形成される環状の霜層ブリッジが形成されない。そのため、省エネ可能な剥離式昇華デフロスト方法を有効に活用できる。

（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記複数のプレートの各々は、前記冷媒流路を形成する空間を有する少なくとも１枚のプレート層を含む複数のプレート層を備える。
上記（２）の構成によれば、上記プレートが、少なくとも１枚が冷媒流路を形成する複数のプレート層で構成され、これらのプレートを積層させることで、プレートを構成するため、プレートの製造が容易になる。
また、上記冷媒流路を例えばエッチング加工で形成することで、微細流路の形成が可能になる。冷媒流路を微細流路とすることで、冷媒と空気流との伝熱性を向上させ、さらに板厚の薄いプレートで高圧の冷媒に対応することができる。

（３）一実施形態では、前記（２）の構成において、
前記複数のプレート層は、
第１プレート層と、前記第１プレート層の両側に積層された第２プレート層及び第３プレート層と、を含み、
前記第１プレート層に前記第１プレート層の表裏両面に貫通する貫通孔が形成され、
前記第２プレート層及び前記第３プレート層によって前記貫通孔の両端開口が塞がれて前記冷媒流路を形成する。

上記（３）の構成によれば、貫通孔を有する第１プレート層の両側に第２プレート層及び第３プレート層を積層することで、冷媒流路を有するプレートの製造が容易になる。また、上記冷媒流路を例えばエッチング加工で形成することで、微細流路の形成が可能になる。

（４）一実施形態では、前記（３）の構成において、
前記第１プレート層は前記第２プレート層及び前記第３プレート層と異なる材料で構成され、
前記第２プレート層及び前記第３プレート層は同一の材料で構成されている。
上記（４）の構成によれば、第１プレート層の両側に同一材料で構成される第２プレート層及び第３プレート層が積層されるため、第１プレート層の両側で熱膨張率が異なる材料のプレート層が配置されることによって起こる第１プレート層の反りを抑制できる。また、第１プレート層と第２プレート層及び第３プレート層とは異種材料で構成されるために、第１プレート層と第２プレート層及び第３プレート層との間の界面エネルギの差を大きくすることができ、これによって、これらプレート層の拡散接合時における成分の拡散を促進でき、接合強度を増加できる。

（５）一実施形態では、前記（４）の構成において、
前記第１プレート層は主成分として銅を含み、
前記第２プレート層及び前記第３プレート層は主成分として銅と異なる材料を含む。
上記（５）の構成によれば、第１プレート層が主成分として熱伝導率が高い銅を含むことで、冷媒流路を流れる冷媒と空気流との伝熱性を向上できる。また、銅を主成分とする第１プレート層は塑性変形が起こりやすいが、第２プレート層及び第３プレート層で第１プレート層を両側から挟むように配置することで、製造後のプレートの強度を向上できる。

（６）一実施形態では、前記（５）の構成において、
前記第１プレート層は主成分として銅を含み、
前記第２プレート層及び前記第３プレート層は主成分としてステンレス鋼を含む。
上記（６）の構成によれば、主成分として熱伝導率が大きい銅を含む第１プレート層を主成分として大きい強度をもつステンレス鋼を含む第２プレート層及び第３プレート層で両側から挟むように配置することで、プレートの伝熱性と強度とを両立させることができる。

（７）一実施形態では、前記（１）〜（６）の何れかの構成において、
前記複数のプレート間に介装され、前記複数のプレート間の前記間隔を規定するためのスペーサを備える。
上記（７）の構成によれば、複数のプレート間にスペーサを介装することで、複数のプレート間の間隔を規定通りに保持でき、これによって、プレート間に形成される空気流通過空間を確保できる。

（８）一実施形態では、前記（７）の構成において、
前記複数のプレート間に形成される前記空間に空気流を形成するための送風機を備え、
前記入口ヘッダ及び前記出口ヘッダは、前記複数のプレートにおいて前記空気流の上流側部位に配置され、
前記スペーサは、前記複数のプレートにおいて前記空気流の下流側部位に配置される。
上記（８）の構成によれば、水蒸気を多く含み霜層が付着しやすいプレート上流側部位に入口ヘッダ及び出口ヘッダを配置することで、デフロスト時に入口ヘッダ及び出口ヘッダを流れる加熱媒体によって着霜の除霜効果を向上できる。
また、上流側より水蒸気が少なく霜層が上流側ほど付着しないプレート下流側部位にスペーサを配置することで、スペーサ表面の除霜の手間を軽減できる。

（９）一実施形態では、前記（７）又は（８）の構成において、
前記スペーサの内部にヒータを備える。
上記（９）の構成によれば、スペーサの内部にヒータを備えることで、デフロスト時に内部を加熱媒体が流れないスペーサであっても、該ヒータでスペーサ表面を加熱することで、昇華デフロスト法によるスペーサ表面の除霜効果を向上できる。

（１０）一実施形態では、前記（１）〜（９）の何れかの構成において、
前記冷媒流路の横断面の直径が２ｍｍ以下（好ましくは、０．１〜１．０ｍｍ）である。
上記（１０）の構成によれば、冷媒流路の横断面の直径を２ｍｍ以下の微小径とすることで、冷媒と空気流との伝熱性を向上させ、さらに板厚の薄いプレートで高圧の冷媒に対応することができる。

（１１）少なくとも一実施形態に係る冷凍システムは、
非冷却物が保管される冷凍庫と、
前記冷凍庫に設けられた前記（１）〜（１０）の何れかの構成を有するエアクーラと、
前記冷媒流路に冷媒を循環させる冷媒循環路と、
を備える。
本明細書において、「冷凍庫」とは、冷蔵庫、その他密閉された冷却空間を形成し、該冷却空間に収容された被冷却物を常温以下の温度に冷却・保冷可能なものをすべて含む。上記「密閉された冷却空間」には、コンベアで搬送される食品を連続的に冷却又は凍結するフリーザの内部に形成される冷却空間を含む。従って、上記「エアクーラ」はフリーザに設けられるエアクーラを含む。

上記（１１）の構成によれば、上記（１）〜（１０）の何れかの構成を有するエアクーラを備えることで、上記複数のプレートの各々の表面が伝熱面を形成するため、フィンを設けなくても、プレートの数やプレートの面積を調整し、あるいはプレートに形成される冷媒流路の流路や流路径を調整することで、伝熱面積を確保できる。従って、霜層が付着しやすいフィンをなくすことで、従来の融け残りや、フィン間に保持された融水の凍結を考慮した余分なデフロスト運転を低減でき、冷却運転を長くできる。
さらに、フィンを設けないために、複数のプレートを並べた簡単な構成となり、これによって、製造コストを低減できると共に、保守点検時の洗浄効果を向上できる。

また、伝熱管の代わりにプレートを設けるため、伝熱管の全周に形成される環状の霜層ブリッジが形成されない。そのため、省エネ可能な剥離式昇華デフロスト方法を有効に活用できる。

（１２）一実施形態では、前記（１１）の構成において、
デフロスト時に前記冷媒流路に霜層の融解温度未満の温度を有する加熱媒体を供給する供給路を備える。
上記（１２）の構成によれば、デフロスト時に加熱媒体を、上記供給路を介して冷媒流路に供給することで、剥離式を含む昇華デフロスト法が可能になる。

（１３）少なくとも一実施形態に係るエアクーラの除霜方法は、
前記（１）〜（１０）の何れかの構成を有するエアクーラの除霜方法であって、
前記複数のプレートの表面を該表面に付着する霜層の融点未満の温度で前記霜層に対して該表面側に存在する熱源で加熱昇温させる加熱昇温ステップを備える。
上記（１３）の方法によれば、上記加熱昇温ステップにおいて、プレート表面に付着する霜層の融点未満の温度で霜層を加熱昇温することで、霜層を昇華させ、昇華した霜層を空気流に乗せて除去できる。
また、冷媒を流すための伝熱管を設けないため、伝熱管の周囲に霜層の環状のブリッジが形成されない。そのため、剥離式を含む昇華デフロスト方法を有効に活用できる。

（１４）一実施形態では、前記（１３）の方法において、
前記加熱昇温ステップにおいて、
前記冷媒流路に前記エアクーラに付着する霜層の融解温度未満の温度を有する加熱媒体を循環させる。
上記（１４）の方法によれば、デフロスト時に冷媒流路に上記加熱媒体を循環させるだけで、霜層の根本部を優先的に加熱昇温できる。従って、新たな設備を付設する必要がなく霜層の付着面の加熱が可能になり、昇華デフロストが可能になると共に、コスト高とならない。

一実施形態によれば、昇華デフロスト方法を有効に活用できると共に、冷媒と空気流との伝熱性能を維持できるエアクーラを実現できる。また、上記エアクーラを備えることで、剥離式を含めたエアクーラの昇華デフロストが可能な冷凍システムを実現できる。

一実施形態に係るエアクーラの正面図である。 一実施形態に係るエアクーラの側面図である。 一実施形態に係るエアクーラに設けられるプレートの断面図である。 一実施形態に係るエアクーラに設けられるプレートの断面図である。 一実施形態に係る冷凍システムの全体系統図である。 一実施形態に係る霜層が付着したプレートの模式的断面図である。 一実施形態に係るエアクーラの側面図である。 一実施形態に係るエアクーラの斜視図である。 一実施形態に係るエアクーラの除霜方法の工程図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１及び図２は、一実施形態に係るエアクーラ１０を示し、図３及び図４は図１及び図２中のＡ―Ａ線に沿う断面図である。
図１及び図２において、エアクーラ１０は、互いに間隔を置いて並列に配置された複数のプレート１２を備える。プレート１２の内部に冷媒流路Ｆｒが形成され、各プレート１２間に空気流が通過するための空気流通過空間Ｓａが形成されている。
また、図３及び図４に示すように、各プレート１２に形成された冷媒流路Ｆｒに冷媒を供給する入口ヘッダ１４と、各プレート１２に形成された冷媒流路Ｆｒから冷媒が排出される出口ヘッダ１６とを備える。入口ヘッダ１４及び出口ヘッダ１６の内部は各冷媒流路Ｆｒに連通している。
各プレート１２は、フィンを介さずに空気流通過空間Ｓａを挟んで直接対向配置されている。

各プレート１２の表面は伝熱面を形成し、空気流通過空間Ｓａを流れる空気流は冷媒流路Ｆｒを流れる冷媒によって冷却される。エアクーラ１０が冷凍庫内の保冷空間に設けられる場合、該保冷空間を冷却する。

上記構成によれば、各プレート１２の表面が伝熱面を形成するため、フィンを設けなくても、プレートの数やプレートの面積を調整し、あるいはプレートに形成される冷媒流路の流路や流路径を調整することで、伝熱面積を確保できる。従って、霜層が付着しやすいフィンをなくすことで、従来の融け残りや、フィン間に保持された融水の凍結を考慮した余分なデフロスト運転を低減でき、冷却運転を長くできる。
フィンを設けると、空気流に対する上流側のフィン端部に空気流が衝突し、衝突時の攪拌効果で空気流と冷媒との伝熱が促進され、これによって、フィンの霜が付きやすくなる。上記構成では、フィンを設けないことで、これを防止できる。

さらに、フィンを設けないために、複数のプレート１２を並べた簡単な構成となり、これによって、製造コストを低減できると共に、保守点検時の洗浄効果を向上できる。
また、伝熱管の代わりにプレート１２を設けるため、伝熱管の全周に形成される環状の霜層ブリッジが形成されない。そのため、省エネ可能な剥離式昇華デフロスト方法を有効に活用できる。

一実施形態では、図１及び図２に示すように、複数のプレート１２は上下方向に沿って配置され、入口ヘッダ１４は各プレート１２の下部に設けられ、出口ヘッダ１６は各プレート１２の上部に設けられる。冷却運転時、冷媒液は入口ヘッダ１４から供給され、出口ヘッダ１６から排出されるため、空気流との熱交換時間を長くすることができる。デフロスト運転時には、冷媒ガスを出口ヘッダ１６から供給し、入口ヘッダ１４から排出するため、液化した冷媒の液溜りによって冷媒の流通が妨げられるのを抑制できる。

一実施形態では、図１に示すように、複数のプレート１２の近くに送風機１８が設けられ、送風機１８によって空気流通過空間Ｓａに空気流ａが形成される。空気流ａが形成されることで、プレート周囲の空気と冷媒流路Ｆｒを流れる冷媒との伝熱効果を向上できる。

一実施形態では、図３及び図４に示すように、各プレート１２は、冷媒流路Ｆｒを形成する空間を有する少なくとも１枚のプレート層２０を含む複数のプレート層２０，２２及び２４を備える。
上記構成によれば、各プレート１２が、少なくとも１枚が冷媒流路Ｆｒを形成する複数のプレート層２０、２２及び２４で構成され、これらプレートを積層させることで、プレート１２を構成するため、プレート１２の製造が容易になる。
また、上記冷媒流路を例えばエッチング加工で形成することで、微細流路の形成が可能になる。冷媒流路を微細流路とすることで、冷媒と空気流との伝熱性を向上させ、さらに板厚の薄いプレートで高圧の冷媒に対応することができる。

一実施形態では、図３及び図４に示すように、各プレート１２は、第１プレート層２０と、第１プレート層２０の両側に積層された第２プレート層２２及び第３プレート層２４とで構成される。第１プレート層２０に第１プレート層２０の表裏両面に貫通する貫通孔２０ａが形成される。第２プレート層２２及び第３プレート層２４によって貫通孔２０ａの両端開口が塞がれて冷媒流路Ｆｒを形成する。

上記構成によれば、貫通孔２０ａを有する第１プレート層２０の両側に第２プレート層２２及び第３プレート層２４を積層することで、冷媒流路Ｆｒを有するプレート１２の製造が容易になる。また、冷媒流路Ｆｒを例えばエッチング加工で形成することで、微細流路の形成が可能になる。

一実施形態では、第１プレート層２０、第２プレート層２２及び第３プレート層２４は、互いに拡散接合によって接合される。接合方法として拡散接合法を用いることで、冷媒流路Ｆｒの閉塞を起こすことなく上記プレート層を接合できる。

一実施形態では、第１プレート層２０は第２プレート層２２及び第３プレート層２４と異なる材料で構成される。また、第２プレート層２２及び第３プレート層２４は同一の材料で構成されている。
上記構成によれば、第１プレート層２０の両側に同一材料で構成される第２プレート層２２及び第３プレート層２４が積層されるため、第１プレート層２０の両側で熱膨張率が異なる材料のプレート層が配置されることによって起こる第１プレート層２０の反りを抑制できる。また、第１プレート層２０と第２プレート層２２及び第３プレート層２４とは異種材料で構成されるために、第１プレート層２０と第２プレート層２２及び第３プレート層２４との間の界面エネルギの差を大きくすることができ、これによって、これらプレート層の拡散接合時における成分の拡散を促進でき、接合強度を増加できる。

一実施形態では、図３に示すように、第１プレート層２０は主成分として銅を含み、第２プレート層２２及び第３プレート層２４は主成分として銅と異なる材料を含む。
上記構成によれば、第１プレート層２０が主成分として熱伝導率が高い銅を含むことで、冷媒流路Ｆｒを流れる冷媒と空気流ａとの伝熱性を向上できる。また、銅を主成分とする第１プレート層２０は塑性変形が起こりやすいが、第２プレート層２２と第３プレート層２４とで第１プレート層２０を両側から挟むように配置することで、製造後のプレート１２の強度を向上できる。

一実施形態では、図３に示すように、第１プレート層２０は主成分として銅を含み、第２プレート層２２及び第３プレート層２４は主成分としてステンレス鋼を含む。
上記構成によれば、主成分として熱伝導率が大きい銅を含む第１プレート層２０を、主成分として大きい強度をもつステンレス鋼を含む第２プレート層２２及び第３プレート層２４で両側から挟むように配置することで、プレート１２の伝熱性と強度とを両立させることができる。

図４は、第１プレート層２０が主成分としてステンレス鋼を含み、第２プレート層２２及び第３プレート層２４が主成分として銅を含む実施形態を示す。
この実施形態によれば、銅を主成分とすることで熱伝導率が大きい第２プレート層２２及び第３プレート層２４をプレート１２の表面を形成する側に配置することで、プレート１２の急速昇温が可能になる。これによって、剥離式昇華デフロスト方法を有効に適用できる。また、第１プレート層２０がステンレス鋼を主成分とすることで、製造後のプレート１２の強度を保持できる。

一実施形態では、図１に示すように、各プレート１２の間にスペーサ２６が介装され、スペーサ２６によって各プレート間の間隔を規定するようにしている。
上記構成によれば、各プレート間にスペーサ２６を介装することで、各プレート間の間隔を規定通りに保持でき、これによって、プレート間に形成される空気流通過空間Ｓａを確保できる。

一実施形態では、図１に示すように、空気流通過空間Ｓａに空気流ａを形成するための送風機１８を備え、送風機１８によって空気流通過空間Ｓａに空気流ａが形成される。入口ヘッダ１４及び出口ヘッダ１６は、プレート１２において、空気流ａの上流側部位に配置され、スペーサ２６は、空気流ａの下流側部位に配置される。
上記構成によれば、水蒸気を多く含み霜層が付着しやすいプレート上流側部位に入口ヘッダ１４及び出口ヘッダ１６を配置することで、デフロスト時に入口ヘッダ１４及び出口ヘッダ１６を流れる加熱媒体によって着霜の除霜効果を向上できる。
また、霜層が付着しにくいプレート下流側部位にスペーサ２６を配置することで、スペーサ表面の除霜の手間を軽減できる。

一実施形態では、図１に示すように、各プレート１２は四角形の外形を有し、入口ヘッダ１４及び出口ヘッダ１６は夫々プレート上流側の角部に配置され、スペーサ２６はプレート下流側の２か所の角部に配置される。各プレート１２の冷媒流路Ｆｒは入口ヘッダ１４と出口ヘッダ１６間に配置される。
入口ヘッダ１４、出口ヘッダ１６及びスペーサ２６が各プレート１２の４か所の角部に配置されることで、複数のプレート１２を安定して支持できる。

一実施形態では、図１に示すように、スペーサ２６の内部にヒータ２８を備える。
上記構成によれば、スペーサ２６の内部にヒータ２８を備えることで、デフロスト時に内部を加熱媒体が流れないスペーサであっても、ヒータ２８の加熱によって昇華デフロスト法によるスペーサ２６の除霜効果を向上できる。
一実施形態では、ヒータ２８はスペーサ２６の軸方向に沿って配置され、一実施形態では、ヒータ２８としてカートリッジヒータが設けられる。

一実施形態では、冷媒流路Ｆｒの横断面の直径が２ｍｍ以下（好ましくは、０．１〜１．０ｍｍ）である。
上記構成によれば、冷媒流路Ｆｒの横断面の直径を２ｍｍ以下の微小径とすることで、プレート１２に形成する冷媒流路Ｆｒの長さを増加できると共に、プレート１２における冷媒流路Ｆｒの配置の自由度を広げることができ、これによって、冷媒流路Ｆｒの伝熱面積を増加でき、冷媒と空気流ａとの伝熱性を向上できる。
なお、好ましくは、冷媒流路Ｆｒの伝熱面積を増加させるために、冷媒流路Ｆｒの横断面の径を１．０ｍｍ以下とする。また、冷媒流路Ｆｒの加工の容易さの観点から、好ましくは、冷媒流路Ｆｒの横断面の径を０．１ｍｍ以上とする。

一実施形態では、図１に示すように、冷媒流路Ｆｒをプレート１２の表面又は裏面の方向に沿って蛇行するように配置する。
この実施形態では、冷媒流路Ｆｒを蛇行させることで、冷媒流路Ｆｒの長さを増加でき、これによって、冷媒と空気流ａとの伝熱性を向上できる。

少なくとも一実施形態に係る冷凍システム３０は、図５に示すように、非冷却物が保管される冷凍庫３２を備え、冷凍庫３２にエアクーラ１０が設けられている。また、エアクーラ１０の複数のプレート１２の各々に形成された冷媒流路Ｆｒに連通し、これら冷媒流路Ｆｒに冷媒を循環させる二次冷媒回路３４（冷媒循環路）を備える。
一実施形態では、エアクーラ１０は、冷凍庫３２の内部に形成される密閉可能な保冷空間に配置される。

上記構成によれば、幾つかの上記実施形態に係るエアクーラ１０を備えることで、複数のプレート１２の各々の表面が伝熱面を形成するため、フィンを設ける必要がなく、プレートの数やプレートの面積を調整し、あるいはプレートに形成される冷媒流路Ｆｒの流路や流路径を調整することで、伝熱面積を確保できる。従って、霜層が付着しやすいフィンをなくすことで、従来の融け残りや、フィン間に保持された融水の凍結を考慮した余分なデフロスト運転を低減でき、冷却運転を長くできる。
さらに、フィンを設けないために、複数のプレートを並べた簡単な構成となり、これによって、製造コストを低減できると共に、保守点検時の洗浄効果を向上できる。

また、伝熱管の代わりにプレート１２を設けるため、伝熱管の全周に形成される環状の霜層ブリッジが形成されない。そのため、省エネ可能な剥離式昇華デフロスト方法を有効に活用できる。

また、冷媒流路Ｆｒに加熱媒体を流すことで、プレート表面の急速加熱が可能になる。そのため、プレート表面に付着した霜層の根本側領域の急速加熱が可能になり、かつ伝熱管を設けないため、伝熱管の全周に形成される環状の霜層ブリッジが形成されない。そのため、剥離式を含む昇華デフロスト法を有効に活用できる。

一実施形態では、デフロスト時に冷媒流路Ｆｒにエアクーラ１０に付着する霜層の融解温度未満の温度をもつ加熱媒体を供給可能な二次冷媒回路３４を備える。
上記構成によれば、デフロスト時に二次冷媒回路３４を介して冷媒流路Ｆｒに加熱媒体を流すことで、剥離式を含む昇華デフロスト法が可能になる。

一実施形態では、エアクーラ１０は、図５に示すように、被冷却物が収容される密閉可能な冷凍庫３２の保冷空間ｓに配置される。
一実施形態では、エアクーラ１０は空気流ａが出入り可能な入口開口及び出口開口を有するケーシング３６を有し、複数のプレート１２はケーシング３６の内部に配置される。
一実施形態では、送風機１８は該入口開口又は該出口開口のどちらか一方に設けられる。

一実施形態では、図５に示すように、冷凍庫３２の保冷空間を冷却する定常運転時に二次冷媒回路３４を介して冷媒流路Ｆｒに冷媒を循環させるための冷凍機４０を備える。
冷凍機４０は、一次冷媒が循環し、冷凍サイクル構成機器が設けられた一次冷媒回路４２と、二次冷媒が循環し、エアクーラ１０まで延設される二次冷媒回路３４とを有している。二次冷媒回路３４は一次冷媒回路４２と液化器４４を介して接続される。
一次冷媒回路４２に、冷凍サイクル構成機器として、圧縮機４６、凝縮器４８、受液器５０、膨張弁５２及び液化器４４が設けられる。二次冷媒回路３４には、液化器４４で液化された二次冷媒液が一時貯留される受液器５４と、受液器５４に貯留された二次冷媒液を二次冷媒回路３４を介して冷媒流路Ｆｒに循環させる液ポンプ５６とが設けられている。

液化器４４と受液器５４との間に二次冷媒循環路５８が設けられ、受液器５４から二次冷媒循環路５８を介して液化器４４に導入された二次冷媒ガスは、液化器４４で一次冷媒によって冷却され液化して受液器５４に戻る。受液器５４に貯留される二次冷媒液は二次冷媒回路３４を介してエアクーラ１０のプレート１２に形成された冷媒流路Ｆｒに送られる。エアクーラ１０では、冷媒流路Ｆｒを循環する二次冷媒によって庫内空気が冷却される。

凝縮器４８と冷却塔６０との間に冷却水回路６２が設けられ、凝縮器４８で一次冷媒は冷却水回路６２を循環する冷却水で冷却される。凝縮器４８で一次冷媒を冷却した冷却水は冷却塔６０で冷却される。

一実施形態では、一次冷媒はＮＨ_３であり、二次冷媒はＣＯ_２である。冷凍システム３０の冷却運転時、庫内温度は例えば−２５〜−３５℃に冷却され、二次冷媒は庫内温度以下の温度でエアクーラ１０に供給される。

冷却水回路６２から分岐する分岐回路６４が設けられ、分岐回路６４は熱交換器６６を介して冷凍庫３２に導設されたブライン回路６７と接続される。ブライン回路６７を循環するブラインは凝縮器４８で一次冷媒を冷却した冷却水の保有熱を吸収する。ブライン回路６７の往路にブラインを一時貯留するレシーバ６８及びブラインを循環させるブラインポンプ６９が設けられる。

一方、エアクーラ１０の入口及び出口において二次冷媒回路３４に電磁開閉弁７０ａ及び７０ｂが設けられ、電磁開閉弁７０ａ及び７０ｂよりエアクーラ１０側の二次冷媒回路３４にデフロスト回路７２が接続される。
冷却運転時に電磁開閉弁７０ａ及び７０ｂは開放され、デフロスト回路７２に設けられた電磁開閉弁７１が閉じられる。デフロスト時に電磁開閉弁７０ａ及び７０ｂが閉じ、電磁開閉弁７１が開放されることで、デフロスト回路７２は各プレート１２に形成された冷媒流路Ｆｒと共に閉回路を形成する。

デフロスト回路７２は熱交換器７４を介してブライン回路６７と接続され、デフロスト時に、デフロスト回路７２を循環する二次冷媒は、熱交換器７４においてブライン回路６７を循環するブラインによって加熱される。
こうして、デフロスト時に、ブラインによって加熱され、プレート１２に付着する霜層の融解温度未満の温度を有する二次冷媒を加熱媒体として冷媒流路Ｆｒに循環させることで、霜層を加熱昇温させ昇華させて除去する昇華デフロストが可能になる。

図６は、プレート１２に形成された冷媒流路Ｆｒに二次冷媒ｒが流れ、プレート１２の表面１２ａ（伝熱面）に霜層Ｉが付着した状態を模式的に示している。
一実施形態では、霜層Ｉの融解温度未満の温度を有する二次冷媒を冷媒流路Ｆｒに流すことで、以下説明する剥離式昇華デフロストが可能になる。剥離式昇華デフロストは、霜層Ｉの根本側領域Ｉｒと先端側領域Ｉｔとの間に温度勾配を形成し、根本側領域Ｉｒを優先して加熱昇温させて昇華を促進させ、根本側領域Ｉｒの付着面積を減少させる。付着面積が減少してプレート表面１２ａに対する付着力が低減した霜層Ｉに対して物理的な力、例えば空気流ａの力を加えて霜層Ｉを剥離させる。

これによって、霜層Ｉを根本側領域Ｉｒから根こそぎ除去できると共に、除霜時間を短縮できる。また、全部の霜層Ｉを昇華させる必要がないので、必要熱量を削減できる。
また、ドレインが発生しないので、ドレインを外部に排出する手間を省くことができる。さらに、昇華した水蒸気は空気流ａと共に飛散するので、冷却運転中にデフロスト処理が可能になる。従って、冷却運転を止めずに継続できる。

一実施形態では、図５に示すように、冷凍システム３０は圧力調整部７６を備える。圧力調整部７６は、冷却運転時に、圧力センサ７８で検出された冷媒流路Ｆｒを循環する二次冷媒の圧力が制御部８２に入力され、制御部８２は圧力調整弁８０の開度を制御して冷媒流路Ｆｒを循環する冷媒の圧力及び温度を制御する。
また、圧力調整部７６は、デフロスト運転時に、冷媒流路Ｆｒ及びデフロスト回路７２を含む閉回路を循環する二次冷媒の圧力を調整可能であり、該閉回路を循環する二次冷媒は霜層の融点（氷点）未満の凝縮温度を有するように圧力調整される。即ち、圧力センサ７８によって検出された上記閉回路を循環する二次冷媒の圧力が制御部８２に入力され、制御部８２は、上記閉回路を循環する二次冷媒の凝縮温度が霜層Ｉの氷点未満の温度になるように、デフロスト回路７２に設けられた圧力調整弁７３の開度を制御する。

一実施形態では、二次冷媒がＣＯ_２であり、ＣＯ_２冷媒を３．０ＭＰａ（凝縮温度−５℃）まで昇圧する。これによって、プレート１２に付着した霜層をＣＯ_２冷媒の凝縮潜熱（−５℃／３．０ＭＰａで２４９ｋＪ／ｋｇ）で昇華除去できる。

一実施形態では、図５に示すように、ブライン回路６７を循環するブラインの温度を調整する温度調整部８４を備える。温度調整部８４は、ブライン回路６７の往路及び復路に設けられた温度センサ８６及び８８と、レシーバ６８とブラインポンプ６９との間の往路と復路とに接続されたバイパス路９０と、バイパス路９０と復路との接続部に設けられた三方弁９２と、温度センサ８６の検出値が入力され、この検出値が設定温度になるように三方弁９２を制御する制御部９４と、を備える。
温度調整部８４によって、デフロスト時に熱交換器７４に流入するブラインの温度が設定温度に制御されることで、閉回路を循環する二次冷媒の温度を霜層Ｉの氷点未満の温度に制御できる。
なお、圧力調整部７６及び温度調整部８４は、夫々単独に用いてもよく、あるいは両者を併用してもよい。

一実施形態では、熱交換器７４を冷媒流路Ｆｒより下方に配置し、冷媒流路Ｆｒと熱交換器７４との間で高低差をもうける。
上記構成によれば、熱交換器７４で気化した冷媒ガスはデフロスト時にデフロスト回路７２をサーモサイフォン作用によって自然上昇する。上昇した冷媒ガスは冷媒流路Ｆｒで霜層に昇華潜熱を与えて液化する。液化した冷媒ガスは重力で閉回路を自然下降する。
このように、デフロスト時に冷媒が閉回路を自然循環するので、冷媒を強制循環させる手段を必要とせず、強制循環させるための装備及び動力（ポンプ動力）が不要となり低コスト化できる。

一実施形態では、図７に示すように、エアクーラ１０の入口ヘッダ１４及び出口ヘッダ１６は、仕切り部９６によって複数の領域１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１６ａ、１６ｂ及び１６ｃに分割される。そして、分割された入口ヘッダ１４の各領域１４ａ〜１４ｃに夫々に冷媒供給管９８ａ、９８ｂ及び９８ｃが接続され、分割された出口ヘッダ１６の各領域に夫々冷媒排出管１００ａ、１００ｂ及び１００ｃが接続される。冷媒供給管９８ａ、９８ｂ、９８ｃ及び冷媒排出管１００ａ、１００ｂ、１００ｃには夫々開閉弁１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ及び１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃが設けられる。

冷却時は、冷媒が冷媒供給管９８ａ、９８ｂ及び９８ｃより入口ヘッダ１４を経由して伝熱部のプレート１２に供給され、空気流通過空間Ｓａの空気流ａを熱交換して冷却する。冷媒蒸気は出口ヘッダ１６より冷媒排出管１００ａ、１００ｂ及び１００ｃを経由して、冷凍機４０の受液器５４に循環される。
デフロスト時はデフロスト回路７２が作動して、冷媒の供給・排出が逆サイクルとなる。即ち、熱交換器７４で加熱蒸発された冷媒蒸気が、冷媒排出管１００ａ、１００ｂ及び１００ｃを経由してプレート上部の出口ヘッダ１６から供給され、昇華デフロストに必要な熱源を供給する。凝縮した冷媒液はプレート下部の入口ヘッダ１４を経由して冷媒供給管９８ａ、９８ｂ及び９８ｃより熱交換器７４に循環し、加熱蒸発が行われる。

図５に示すように圧力調整弁７３、圧力センサ７８及び制御部８２を備え、デフロスト冷媒ラインの凝縮温度を霜層の氷点未満の温度になるよう圧力調整を行う。冷媒蒸気はプレート１２の温度の低い部分に凝縮して昇温させるので、クーラ１０内の加熱ムラを少なくできる。
なお、エアクーラ１０の冷媒の出入口の位置は、図７の冷媒供給管９８ａ、９８ｂ及び９８ｃと冷媒排出管１００ａ、１００ｂ及び１００ｃとに示すように、対角に設けてもよい。あるいは、冷媒供給管９８ａ、９８ｂ及び９８ｃと冷媒排出管１００ａ’、１００ｂ’及び１００ｃ’とに示すように、同一面から取り出しても良い。

上記構成において、分割された各領域において、別個に冷却運転又はデフロスト運転を選択的に行うことができるため、複数の領域のうち１つの領域でデフロスト運転を行い、他の領域で冷却運転を行うことができる。従って、複数の領域でデフロスト運転を順々に行うことで、全体として冷凍システム３０の冷却運転を継続することができる。

一実施形態では、図８に示すように、分割された冷媒流路Ａ、Ｂ及びＣ毎にプレート１２を分割配置するようにしてもよい。分割された各プレートは、Ａ、Ｂ及びＣごとにケーシング３６に収納され、隣接配置されている。空気流ａがプレート１２に沿って空気流通過空間Ｓａを流れ、冷却される。デフロストは分割された冷媒流路Ａ、Ｂ又はＣ毎に実施でき、例えば、Ａ→Ｂ→Ｃの順で実施し、デフロスト時間をタイムテーブルでスケジュール管理する。

図５に示す実施形態では、デフロスト時に二次冷媒を昇華させる熱源として、冷却水回路６２を循環する冷却水の保有熱を利用するようにしているが、代わりに、受液器５０に貯留された一次冷媒の保有熱を利用するようにしてもよい。この実施形態では、熱交換器６６の代わりに、受液器５０に貯留された一次冷媒とブライン回路６７を循環するブラインとを熱交換する熱交換器を設けるようにする。

一実施形態に係るエアクーラ１０の除霜方法は、図９に示すように、複数のプレート１２の表面をこの表面に付着する霜層の融点未満の温度で霜層に対してプレート表面側に存在する熱源で加熱昇温させる（加熱昇温ステップＳ１０）。
上記方法によれば、加熱昇温ステップＳ１０を行うことで霜層を昇華させ、昇華した霜層を空気流ａに乗せて除去できる。また、エアクーラ１０は冷媒を流すための伝熱管を設けないため、伝熱管の周囲に霜層の環状のブリッジが形成されない。そのため、剥離式を含む昇華デフロスト方法を有効に活用できる。

一実施形態では、加熱昇温ステップＳ１０において、冷媒流路Ｆｒにエアクーラ１０に付着する霜層の融解温度未満の温度を有する加熱媒体を循環させる。
この方法によれば、デフロスト時に冷媒流路Ｆｒに加熱媒体を循環させるだけで、霜層の根本部を優先的に加熱昇温できる。従って、新たな設備を付設する必要がなく霜層の付着面の加熱が可能になり、剥離式を含む昇華デフロストが可能になると共に、コスト高とならない。

一実施形態では、上述のように、凝縮温度が霜層Ｉの氷点未満の温度なるように温度制御された二次冷媒を冷媒流路Ｆｒに循環させる。これによって、新たに加熱媒体を用意する必要がなくなる。

剥離式昇華デフロストを行うために、霜層Ｉの根本側領域Ｉｒから先端側領域Ｉｔに亘って温度勾配を形成する手段として、冷媒流路Ｆｒに加熱媒体を流す方法以外の方法を用いることができる。例えば、特許文献２に記載されているように、プレート１２の表面に導線を介して高周波電流誘電部を接続し、該高周波電流誘電部からプレートの表面に高周波電流を流すことで、表皮効果によってプレートの表面に高周波電流を集中させる。これによって、プレート表面に付着した霜層を加温し、上記温度勾配を形成できる。また、高周波電流をプレート表面に集中させることで、省エネが可能になる。

一実施形態では、必要に応じて、プレート１２の周囲に形成された冷却空間の冷気によって霜層Ｉの先端側領域Ｉｔを冷却する（冷却ステップＳ１２）。
これによって、根本側領域Ｉｒから先端側領域Ｉｔにかけて形成される温度勾配を容易に形成できるため、根本側領域Ｉｒを優先して剥離でき、剥離式昇華デフロストが可能になる。

一実施形態では、加熱昇温ステップＳ１０及び冷却ステップＳ１２によってプレート１２に対する付着面積が低減した霜層に対して、何等かの物理的な力を加えて霜層をプレート１２から剥離させる（剥離ステップＳ１４）。
この実施形態によれば、プレート１２に対する霜層の付着面積をゼロとする前に、即ち、霜層全体の昇華を待つことなく、例えば、掻き取り、振動、重力、電磁気力、何らかの物理的力を霜層に与えることで、霜層を剥離できる。これによって、昇華に要する熱量を節減できると共に、デフロスト時間を短縮でき、除霜効率を向上できる。

一実施形態では、プレート１２の表面に沿って空気流ａを形成させ、霜層を空気流ａの風圧によってプレート１２から剥離する。これによって、剥離ステップＳ１４のための設備や操作を必要としない。

一実施形態によれば、昇華デフロスト方法を有効に活用できると共に、冷媒と空気流との伝熱性能を維持できるエアクーラ及びこのエアクーラを備える冷凍システムを実現できる。

１０ エアクーラ
１２ プレート
１４ 入口ヘッダ
１６ 出口ヘッダ
１８ 送風機
２０ 第１プレート層
２２ 第２プレート層
２４ 第３プレート層
２６ スペーサ
２８ ヒータ
３０ 冷凍システム
３２ 冷凍庫
３４ 二次冷媒回路（冷媒循環路）
３６ ケーシング
４０ 冷凍機
４２ 一次冷媒回路
４４ 液化器
４６ 圧縮機
４８ 凝縮器
５０、５４ 受液器
５６ 液ポンプ
５８ 二次冷媒循環路
６０ 冷却塔
６２ 冷却水回路
６６、７４ 熱交換器
６７ ブライン回路
６８ レシーバ
６９ ブラインポンプ
７０ａ、７０ｂ、７１ 電磁開閉弁
７２ デフロスト回路
７３、８０ 圧力調整弁
７６ 圧力調整部
７８ 圧力センサ
８２、９４ 制御部
８４ 温度調整部
８６、８８ 温度センサ
９０ バイパス路
９２ 三方弁
９６ 仕切り部
９８ａ、９８ｂ、９８ｃ 冷媒供給管
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ 冷媒排出管
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ 開閉弁
Ｆｒ 冷媒流路
Ｉ 霜層
Ｉｒ 根本側領域
Ｉｔ 先端側領域
Ｓａ 空気流通過空間
ａ 空気流
ｒ 二次冷媒

Claims (14)

1. 内部に冷媒流路が形成され、空気流が通過するための空気流通過空間を隔てて互いに並列に配置された複数のプレートと、
   前記複数のプレートに形成された前記冷媒流路の各々に連通し、前記冷媒流路の各々に冷媒を供給する入口ヘッダと、
   前記複数のプレートに形成された前記冷媒流路の各々に連通し、前記冷媒流路の各々から前記冷媒が排出される出口ヘッダと、
   を備えるエアクーラであって、
   前記複数のプレートの各々がフィンを介さずに前記空気流通過空間を挟んで直接対向配置され、
   各々の前記プレートの前記冷媒流路は、
   前記空気流の流れ方向における前記プレートの上流側端部と下流側端部との間で前記流れ方向に沿って延在するように互いに並列に設けられた複数本の直線流路部と、
   前記プレートの前記上流側端部または前記下流側端部の何れかに位置し、隣り合う一対の前記直線流路部を連通させる複数の折返し部と、
   を含む蛇行流路であり、
   前記冷媒流路は、前記エアクーラの通常運転時、前記入口ヘッダから前記出口ヘッダに前記冷媒が流れ、前記エアクーラの昇華デフロスト運転時、前記出口ヘッダから導入された冷媒ガスが前記入口ヘッダに向かって流れるように構成された
   ことを特徴とするエアクーラ。
2. 前記複数のプレートの各々は、前記冷媒流路を形成する空間を有する少なくとも１枚のプレート層を含む複数のプレート層を備えることを特徴とする請求項１に記載のエアクーラ。
3. 前記複数のプレート層は、
   第１プレート層と、前記第１プレート層の両側に積層された第２プレート層及び第３プレート層と、を含み、
   前記第１プレート層に前記第１プレート層の表裏両面に貫通する貫通孔が形成され、
   前記第２プレート層及び前記第３プレート層によって前記貫通孔の両端開口が塞がれて前記冷媒流路を形成することを特徴とする請求項２に記載のエアクーラ。
4. 前記第１プレート層は前記第２プレート層及び前記第３プレート層と異なる材料で構成され、
   前記第２プレート層及び前記第３プレート層は同一の材料で構成されていることを特徴とする請求項３に記載のエアクーラ。
5. 前記第１プレート層は主成分として銅を含み、
   前記第２プレート層及び前記第３プレート層は主成分として銅と異なる材料を含むことを特徴とする請求項４に記載のエアクーラ。
6. 前記第１プレート層は主成分として銅を含み、
   前記第２プレート層及び前記第３プレート層は主成分としてステンレス鋼を含むことを特徴とする請求項５に記載のエアクーラ。
7. 前記複数のプレート間に介装され、前記複数のプレート間の間隔を規定するためのスペーサを備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のエアクーラ。
8. 内部に冷媒流路が形成され、空気流が通過するための空気流通過空間を隔てて互いに並列に配置された複数のプレートと、
   前記複数のプレートに形成された前記冷媒流路の各々に連通し、前記冷媒流路の各々に冷媒を供給する入口ヘッダと、
   前記複数のプレートに形成された前記冷媒流路の各々に連通し、前記冷媒流路の各々から前記冷媒が排出される出口ヘッダと、
   を備え、
   前記複数のプレートの各々がフィンを介さずに前記空気流通過空間を挟んで直接対向配置され、
   前記複数のプレート間に介装され、前記複数のプレート間の間隔を規定するためのスペーサと、
   前記複数のプレート間に形成される前記空気流通過空間に空気流を形成するための送風機と、を備え、
   前記入口ヘッダ及び前記出口ヘッダは、前記複数のプレートにおいて前記空気流の上流側部位に配置され、
   前記スペーサは、前記複数のプレートにおいて前記空気流の下流側部位に配置されることを特徴とするエアクーラ。
9. 前記スペーサの内部にヒータを備えることを特徴とする請求項７又は８に記載のエアクーラ。
10. 前記冷媒流路の横断面の直径が２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載のエアクーラ。
11. 被冷却物が保管される冷凍庫と、
    前記冷凍庫に設けられた請求項１乃至１０の何れか一項に記載のエアクーラと、
    前記冷媒流路に冷媒を循環させる冷媒循環路と、
    を備えることを特徴とする冷凍システム。
12. デフロスト時に前記冷媒流路に霜層の融解温度未満の温度を有する加熱媒体を供給する供給路を備えることを特徴とする請求項１１に記載の冷凍システム。
13. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載のエアクーラの除霜方法であって、
    前記複数のプレートの表面を該表面に付着する霜層の融点未満の温度で前記霜層に対して該表面側に存在する熱源で加熱昇温させる加熱昇温ステップを備えることを特徴とするエアクーラの除霜方法。
14. 前記加熱昇温ステップにおいて、
    前記冷媒流路に前記エアクーラに付着する霜層の融解温度未満の温度を有する加熱媒体を循環させることを特徴とする請求項１３に記載のエアクーラの除霜方法。

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