WO2018033967A1 - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

本発明の冷凍装置は、圧縮機、熱源側熱交換器、負荷側膨張弁および負荷側熱交換器を含む主冷媒回路と、圧縮機の吐出側で主冷媒回路から分岐し、負荷側膨張弁の下流側で主冷媒回路に合流するホットガス冷媒回路と、負荷側膨張弁と負荷側熱交換器の間で主冷媒回路から分岐し、負荷側熱交換器の下流側で主冷媒回路に合流するドレンパン回路と、負荷側熱交換器の下に設けられ、ドレンパン回路の配管と接触するドレンパンと、運転状態に応じて冷媒の流路を切り替える制御部と、を有し、制御部は、冷却運転から除霜運転に切り替わると、圧縮機から吐出される冷媒の流路を主冷媒回路からホットガス冷媒回路に切り替える熱交換器除霜手段と、負荷側熱交換器の除霜が行われた後、ホットガス冷媒回路から供給される冷媒の流路を負荷側熱交換器からドレンパン回路に切り替えるドレンパン除霜手段と、を有するものである。

Description

冷凍装置

　本発明は、ホットガス冷媒を用いて熱交換器の除霜を行う冷凍装置に関するものである。

　従来、冷凍装置には、圧縮機から吐出されたホットガス冷媒がバイパス回路を経由して負荷側ユニットに流入する際に、ドレンパンを通過した後に負荷側熱交換器を通過し、圧縮機に吸入される、ホットガス除霜運転モードを有するものがある。

　上記の冷凍装置では、ホットガス冷媒は負荷側ユニットに流入した後、先ずドレンパンに流入するため、ホットガス冷媒がドレンパンに熱を与え、除霜熱量が不足しやすい熱交換器以外の根氷を防止することができる。

　従来の冷凍装置では、ホットガス冷媒が負荷側ユニットに流入した際、最初にドレンパンに流入する。最も熱量の高いホットガス冷媒を最初にドレンパンに通すことで、除霜終了まで残霜を溶かし切ることができる。その反面、除霜初期にはドレンパン上には霜がないので、ホットガス冷媒の熱量を十分に生かせない。また、ホットガス冷媒は庫内温度相当に冷却されたドレンパン上で放熱するため、熱量の下がったホットガス冷媒が負荷側熱交換器に流入することになる。ホットガス冷媒がドレンパン経由で負荷側熱交換器に流れることは除霜効率を下げる要因となっていた。

　この問題の対処方法の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された冷凍冷蔵庫は、主冷媒回路とは別に２つのバイパス回路を有する。２つのバイパス回路のうち、一方のバイパス回路は、圧縮機の吐出側から蒸発器を経由して圧縮機の吸入側に戻る経路である。他方のバイパス回路は、圧縮機の吐出側からトレイおよび蒸発器を経由して圧縮機の吸入側に戻る経路である。

　特許文献１に開示された冷凍冷蔵庫では、はじめに蒸発器のみを経由するバイパス回路にホットガス冷媒を流通させ、蒸発器の温度が０℃になると、ホットガス冷媒を２つのバイパス回路に分流させる。そして、蒸発器の温度が０℃になってから時間ｔ０が経過すると、冷凍冷蔵庫は、蒸発器のみを経由するバイパス回路へのホットガス冷媒の流通を停止し、トレイおよび蒸発器を経由するバイパス回路にホットガス冷媒の全てを流通させる。

特開２０１０－１３３５９０号公報

　特許文献１に開示された冷凍冷蔵庫では、トレイを通過した後のホットガス冷媒は必ず蒸発器を通過するため、少なくとも蒸発器において空気と熱交換し、冷媒は冷やされる。そのため、トレイのみにホットガス冷媒を流す場合に比べて、除霜終了が遅くなる。

　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、蒸発器の除霜の効率を向上させた冷凍装置を得るものである。

　本発明に係る冷凍装置は、圧縮機、熱源側熱交換器、負荷側膨張弁および負荷側熱交換器が配管で環状に接続された主冷媒回路と、前記圧縮機の吐出側で前記主冷媒回路から分岐し、前記負荷側膨張弁の下流側で前記主冷媒回路に合流するホットガス冷媒回路と、前記負荷側膨張弁と前記負荷側熱交換器の間で前記主冷媒回路から分岐し、前記負荷側熱交換器の下流側で前記主冷媒回路に合流するドレンパン回路と、前記負荷側熱交換器の下に設けられ、前記ドレンパン回路の配管と接触するドレンパンと、前記主冷媒回路において前記熱源側熱交換器および前記負荷側膨張弁を経由する流路と前記ホットガス冷媒回路との間で冷媒の流路を切り替える第１切替部と、前記ホットガス冷媒回路を介して供給される冷媒の流路を前記負荷側熱交換器および前記ドレンパン回路間で切り替える第２切替部と、運転状態に応じて、前記冷媒の流路を切り替える制御部と、を有し、前記制御部は、前記運転状態が冷却運転から除霜運転に切り替わると、前記第１切替部を制御して、前記圧縮機から吐出される冷媒の流路を前記主冷媒回路から前記ホットガス冷媒回路に切り替える熱交換器除霜手段と、前記負荷側熱交換器の除霜が行われた後、前記第２切替部を制御して、前記ホットガス冷媒回路から供給される前記冷媒の流路を前記負荷側熱交換器から前記ドレンパン回路に切り替えるドレンパン除霜手段と、を有するものである。

　本発明は、ホットガス冷媒を負荷側熱交換器に流通して除霜を行った後、ホットガス冷媒の流路を負荷側熱交換器からドレンパン経由のドレンパン回路に切り替え、負荷側熱交換器とドレンパンとのそれぞれにホットガス冷媒の熱量を集中させることで、除霜を効率的に行い、除霜にかかる時間を低減できる。

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に示した冷凍装置の一構成例を示す機能ブロック図である。 図２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に示した冷凍装置が行う除霜運転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２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５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。

実施の形態１．
　［冷凍装置の構成］
　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５０は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって、食品倉庫に保管された食品の冷蔵および冷凍、ならびに製氷等に必要な冷凍能力を発揮する装置である。冷凍装置５０は、１台の熱源側ユニットと１台または複数台の負荷側ユニットとを接続する主冷媒回路１４と、除霜用のホットガスをバイパスするためのホットガス冷媒回路１５とを有する。本実施の形態１では、負荷側ユニットが１台の場合で説明する。

　図１に示すように、冷凍装置５０は、圧縮機１および熱源側熱交換器２を含む熱源側ユニット４０と、負荷側膨張弁４、ドレンパン５および負荷側熱交換器６を含む負荷側ユニット４５とを有する。冷凍装置５０の運転を制御する制御部２０が熱源側ユニット４０に設けられている。制御部２０には、図に示さないリモートコントローラが接続されている。

　圧縮機１、熱源側熱交換器２、負荷側膨張弁４および負荷側熱交換器６が配管で環状に接続された主冷媒回路１４が構成されている。圧縮機１の吐出側で主冷媒回路１４から分岐し、負荷側膨張弁４の下流側で主冷媒回路１４に合流するホットガス冷媒回路１５が設けられている。負荷側膨張弁４と負荷側熱交換器６の間で主冷媒回路１４から分岐し、負荷側熱交換器６の下流側で主冷媒回路１４に合流するドレンパン回路１６が設けられている。ドレンパン５はドレンパン回路１６の配管と接触している。

　主冷媒回路１４には、負荷側膨張弁４の上流側に負荷側電磁弁３が設けられている。また、主冷媒回路１４において、負荷側熱交換器６の上流側に主回路用電磁弁１０が設けられている。主冷媒回路１４において、負荷側熱交換器６の下流側に主回路用温度センサ１１が設けられている。主回路用温度センサ１１は、負荷側熱交換器６の出口側の冷媒の温度Ｔ１１を検知する。

　ホットガス冷媒回路１５には、圧縮機１の吐出側で主冷媒回路１４との分岐点に近いところに第１電磁弁７が設けられている。また、ホットガス冷媒回路１５において、負荷側膨張弁４の下流側で主冷媒回路１４との分岐点に近いところに第２電磁弁８が設けられている。

　ドレンパン回路１６には、ドレンパン５よりも上流側であって、負荷側膨張弁４の下流側で主冷媒回路１４と合流する点の近くにドレンパン電磁弁９が設けられている。また、ドレンパン回路１６において、ドレンパン５よりも下流側であって、負荷側熱交換器６の下流側で主冷媒回路１４と合流する点の近くにドレンパン温度センサ１２が設けられている。ドレンパン温度センサ１２は、ドレンパン５の下流側におけるドレンパン回路１６の冷媒の温度Ｔ１２を検知する。

　なお、熱源側熱交換器２に空気を供給するファンが熱源側ユニット４０に設けられ、負荷側熱交換器６に空気を供給するファンが負荷側ユニット４５に設けられているが、これらのファンを図に示すことを省略している。

［熱源側ユニット４０］
　熱源側ユニット４０は建物の屋外に設置されている。熱源側ユニット４０は建物内の機械室に設置されていてもよい。熱源側ユニット４０には、圧縮機１を含む圧縮機ユニットと熱源側熱交換器２が一体型で空冷式の場合、圧縮機ユニットと熱源側熱交換器２が一体型で水冷式の場合、圧縮機ユニットと熱源側熱交換器２が非一体型のリモート空冷式の場合などがある。これらの各場合において、圧縮機ユニットおよび熱源側熱交換器２の設置位置は様々である。

　熱源側ユニット４０は、少なくとも圧縮機１および熱源側熱交換器２を有している。熱源側ユニット４０においては、圧縮機１で圧縮されたガス冷媒が熱源側熱交換器２で凝縮された後、負荷側ユニット４５へ流出する。熱源側ユニット４０は、油分離器、レシーバ、過冷却熱交換器、中間インジェクション回路およびアキュムレータ等の機器を必要に応じて有していてもよい。

　圧縮機１は、ロータリ式、スクロール式およびスクリュー式のいずれのタイプの圧縮機でもよい。圧縮機１は、インバータ等により容量可変な圧縮機であってもよく、商用電源による一定速の圧縮機であってもよい。また、圧縮機１は、１台の場合に限らず、負荷側ユニット４５の数に応じて複数の圧縮機が並列に接続された構成であってもよい。熱源側ユニット４０に中間インジェクション回路が設けられている場合、圧縮機１は中間インジェクションを有する圧縮機であってもよい。

　熱源側熱交換器２は、圧縮機１から吐出されたガス冷媒を外部熱源と熱交換し凝縮させる凝縮器である。熱源側熱交換器２は、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器、シェル・アンド・チューブの水冷型熱交換器およびブレージングプレート式のプレート型熱交換器のうち、いずれのタイプであってもよい。

［負荷側ユニット４５］
　負荷側ユニット４５は、冷蔵倉庫内の天井または床上に設置される。負荷側ユニット４５は壁に沿って設置されてもよい。負荷側ユニット４５は、主冷媒回路１４およびホットガス冷媒回路１５を介して熱源側ユニット４０と接続されている。主冷媒回路１４は、熱源側ユニット４０の熱源側熱交換器２から負荷側電磁弁３および負荷側膨張弁４を介して熱源側ユニット４０の圧縮機１の吸入口と接続される。ホットガス冷媒回路１５は、熱源側ユニット４０の圧縮機１の吐出側から第１電磁弁７および第２電磁弁８を経由して負荷側膨張弁４の下流側で主冷媒回路１４に接続される。

　負荷側熱交換器６は、負荷側膨張弁４によって、気液二相、かつ低圧にされた冷媒を空気と熱交換させ、冷媒を気化させる蒸発器である。冷媒は空気と熱交換することで空気から熱を奪い、空気を冷やす。冷やされた空気は、ＤＣモータ等の駆動装置を備えた軸流ファン（不図示）またはプロペラファン（不図示）により冷蔵倉庫の室内に送風される。

　ドレンパン５は、負荷側熱交換器６の下に設けられている。ドレンパン５は、負荷側熱交換器６の除霜時に負荷側熱交換器６から落下する水分を受け、受けた水をドレンホース（不図示）へ導くための機器である。庫内温度が氷点下の冷蔵倉庫では負荷側熱交換器６から落下した水分が凍り付き、根氷として成長する場合がある。本実施の形態１では、ドレンパン回路１６の配管をドレンパン５に接触させることで、ホットガス冷媒の熱量によりドレンパン５の上に落下した霜または氷を溶かし、根氷の成長を防止する。

　負荷側ユニット４５に設けられたドレンパン電磁弁９は、冷媒流路を負荷側熱交換器６からドレンパン５へ切り替えるために利用される。ドレンパン電磁弁９は、冷却運転、除霜運転および運転停止などの制御状態、ならびにドレンパン５の出口側の配管に設けられたドレンパン温度センサ１２の温度Ｔ１２にしたがって、制御部２０によって開閉が制御される。

　負荷側ユニット４５に設けられた主回路用電磁弁１０は、冷媒流路をドレンパン５から負荷側熱交換器６へ切り替えるために利用される。主回路用電磁弁１０は、冷却運転、除霜運転および停止などの制御状態、ならびに負荷側熱交換器６の出口側の配管に設けられた主回路用温度センサ１１の温度Ｔ１１にしたがって、制御部２０によって開閉が制御される。

［各種冷媒回路、その他のアクチュエータ、および温度センサの構成］
　ホットガス冷媒回路１５は、圧縮機１の吐出側と負荷側膨張弁４の下流側に接続され、圧縮機１から吐出された冷媒を凝縮させることなく負荷側ユニット４５に流入させるための配管である。この配管構成により、除霜運転時に、熱量の高いホットガス冷媒を直接負荷側熱交換器６に入流させることができる。

　ホットガス冷媒回路１５に設けられた第１電磁弁７および第２電磁弁８は、冷却運転中に冷媒がホットガス冷媒回路１５へ流入しないために設置されている。除霜運転時には、ホットガス冷媒がホットガス冷媒回路１５を通過できるように、第１電磁弁７および第２電磁弁８は閉状態から開状態に切り替わる。第１電磁弁７を設置せず、第２電磁弁８のみ設置された場合、第２電磁弁８の位置まで入り込んだ冷媒が寝込んでしまう可能性がある。この場合、冷却運転中にホットガス冷媒回路１５の配管内で冷媒が凝縮すると、除霜運転時に急激な液バックを引き起こすおそれがある。第２電磁弁８は、冷却運転中にホットガス冷媒回路１５内に冷媒が寝込まないようにするための役目も果たす。第２電磁弁８は、上記のように、第１電磁弁７と同様な役割を持ち、第１電磁弁７と同様な効果を生じさせる。

　主冷媒回路１４は、圧縮機１から吐出され、熱源側熱交換器２で凝縮された冷媒を負荷側電磁弁３および負荷側膨張弁４を通過させ、負荷側ユニット４５を通過させた後に圧縮機１に戻す冷媒回路である。図１に示していないが、主冷媒回路１４に、油分離器、レシーバ、主液ラインドライヤ、過冷却熱交換器などが設けられていてもよい。

　主冷媒回路１４に設けられた負荷側電磁弁３は、冷却運転時に開き、運転停止時または除霜運転時に閉じるように制御部２０によって制御される。負荷側電磁弁３は、除霜運転時に液冷媒が負荷側膨張弁４を介して負荷側に流入しないために設置されている。圧縮機の中間インジェクションを有する冷媒回路であれば、圧縮機から吐出された冷媒の一部は凝縮器で凝縮された後に中間インジェクション回路に流入する。この際、負荷側電磁弁３が無い、もしくは開いている場合、中間インジェクション回路に流す冷媒は負荷側膨張弁４を介して負荷装置に流入し、除霜性能を著しく低下させる。圧縮機１の停止時直前に負荷側電磁弁３を閉じれば、負荷装置冷媒のポンプダウンを行うことができる。ドレンパン電磁弁９は、ドレンパン回路１６に冷媒を流さないようにするための電磁弁である。ドレンパン電磁弁９は、冷却運転中は閉状態である。ドレンパン電磁弁９は、除霜運転中に使用され、負荷側熱交換器６の除霜が終了したときに、閉状態から開状態に切り替わり、ドレンパン回路１６にホットガス冷媒を流入させる。

　主回路用電磁弁１０は、冷却運転中は常に開状態である。主回路用電磁弁１０は、除霜運転中に、負荷側熱交換器６の除霜が終了したときに、開状態から閉状態に切り替わる。熱交換器および冷媒回路の仕様および構造により、負荷側熱交換器６の圧損がドレンパン回路１６よりも大きければ、主回路用電磁弁１０は設けられていなくてもよい。通常、負荷側熱交換器６の圧損がドレンパン回路１６よりも大きい。負荷側熱交換器６の圧損がドレンパン回路１６よりも大きい場合、ドレンパン電磁弁９が開いたとき、負荷側熱交換器６にはホットガス冷媒はほとんど流れない。ただし、ドレンパン５の構造およびドレンパン回路１６の設定によってドレンパン回路１６の圧損が大きい場合には、主回路用電磁弁１０を設ける必要がある。例えば、冷媒をドレンパンに通過させた後、冷媒の一部を負荷側熱交換器に通過させるようにドレンパン回路が設定されている場合、ドレンパン回路の圧損が大きくなる。

　第１電磁弁７、第２電磁弁８および負荷側電磁弁３は、主冷媒回路１４において熱源側熱交換器２および負荷側膨張弁４を経由する流路とホットガス冷媒回路１５との間で冷媒の流路を切り替える第１切替部１７を構成する。ドレンパン電磁弁９および主回路用電磁弁１０は、ホットガス冷媒回路１５を介して供給される冷媒の流路を負荷側熱交換器６およびドレンパン回路１６間で切り替える第２切替部１８を構成する。

　主冷媒回路１４に設けられた負荷側膨張弁４は、高圧の凝縮液冷媒を膨張させ、低圧低温の気液二相冷媒にする装置である。負荷側膨張弁４は、温度式膨張弁でもよく、電子式膨張弁でもよい。負荷側膨張弁４が温度式膨張弁の場合、例えば、負荷側熱交換器６の出口に感温筒が設けられ、負荷側膨張弁４は、感温筒が検知する、蒸発器の出口温度に対応して開度を変化させる。また、負荷側膨張弁４が電子膨張弁の場合、制御部２０が、負荷側膨張弁４の入口側の温度または低圧圧力相当飽和温度と、負荷側膨張弁４の出口側の温度との温度差に対応して、負荷側膨張弁４の開度を制御する。本実施の形態１では、負荷側膨張弁４が電子膨張弁である場合で説明する。

　主回路用温度センサ１１およびドレンパン温度センサ１２は、サーミスタであってもよく、白金（Ｐｔ）を用いた白金抵抗温度センサであってもよい。主回路用温度センサ１１が検知する温度Ｔ１１の値は制御部２０に入力される。温度Ｔ１１は、除霜運転時におけるドレンパン電磁弁９および主回路用電磁弁１０の開閉のための制御パラメータと、冷却運転時における負荷側膨張弁４の開度のための制御パラメータとして利用される。ドレンパン温度センサ１２が検知する温度Ｔ１２の値は制御部２０に入力される。温度Ｔ１２は、除霜終了検知のための制御パラメータとして利用される。

　なお、熱源側ユニット４０と負荷側ユニット４５には、上記の２つの温度センサ以外に複数のセンサが設けられていてもよい。例えば、圧縮機１の吐出口に高圧圧力センサが設けられ、圧縮機１の吸入口には低圧圧力センサが設けられていてもよい。熱源側熱交換器２に外気の温度を検知する温度センサが設けられていてもよい。熱源側熱交換器２の冷却が水冷式である場合、熱源側熱交換器２に水温センサが設けられていてもよい。各制御アクチュエータは、必要なセンサ値が制御パラメータとして入力される制御部２０によって最適に制御される。

　図１を参照して、制御部２０が熱源側ユニット４０に設けられている場合で説明したが、制御部２０は負荷側ユニット４５に設けられていてもよい。また、図１では、負荷側電磁弁３が負荷側ユニット４５に設けられているが、負荷側電磁弁３は熱源側ユニット４０に設けられていてもよい。

［制御部２０の構成］
　図１に示した制御部２０の構成を説明する。図２は、図１に示した冷凍装置の一構成例を示す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。メモリ２１は、例えば、不揮発性メモリである。制御部２０は、主回路用温度センサ１１、ドレンパン温度センサ１２、圧縮機１、負荷側電磁弁３、負荷側膨張弁４、第１電磁弁７、第２電磁弁８、ドレンパン電磁弁９および主回路用電磁弁１０のそれぞれと信号線を介して接続されている。図２は負荷側膨張弁４が電子膨張弁の場合を示す。

　制御部２０には、主回路用温度センサ１１から温度Ｔ１１の値が入力され、ドレンパン温度センサ１２から温度Ｔ１２の値が入力される。制御部２０は、圧縮機１の起動および停止と、圧縮機１の運転周波数を制御する。制御部２０は、負荷側電磁弁３、第１電磁弁７、第２電磁弁８、ドレンパン電磁弁９および主回路用電磁弁１０の開閉を制御する。また、制御部２０は負荷側膨張弁４の開度を制御する。

　制御部２０は、負荷側電磁弁３、第１電磁弁７および第２電磁弁８の開閉を制御することで、圧縮機１が吐出する冷媒の流れを、運転状態に応じて、切り替える。また、制御部２０は、除霜運転時には、ドレンパン電磁弁９および主回路用電磁弁１０の開閉を制御することで、ドレンパン５および負荷側熱交換器６のうち、いずれかにホットガス冷媒が流れ込むように、ホットガス冷媒の流路を切り替える。

　図２に示した制御部２０の構成について詳しく説明する。図３は、図２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、冷凍サイクル制御手段３１と、熱交換器除霜手段３２と、判定手段３３と、ドレンパン除霜手段３４と、時間を計測するタイマー３５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、熱交換器除霜手段３２、判定手段３３およびドレンパン除霜手段３４が冷凍装置５０に構成される。

　冷凍サイクル制御手段３１は、リモートコントローラ（不図示）から冷却運転の指示が入力されると、第１電磁弁７、第２電磁弁８およびドレンパン電磁弁９を閉め、負荷側電磁弁３および主回路用電磁弁１０を開けた状態で圧縮機１を起動する。冷凍サイクル制御手段３１は、各種センサの値に基づいて、圧縮機１の運転周波数および負荷側膨張弁４の開度を制御する。冷凍サイクル制御手段３１は、主回路用温度センサ１１の温度Ｔ１１が予め決められた閾値ＴＨ０以下になると、除霜運転を熱交換器除霜手段３２に指示し、タイマー３５を起動する。冷凍サイクル制御手段３１は、リモートコントローラ（不図示）から除霜運転の指示が入力されたとき、除霜運転を熱交換器除霜手段３２に指示し、タイマー３５を起動してもよい。

　熱交換器除霜手段３２は、冷凍サイクル制御手段３１から除霜運転の指示を受けると、圧縮機１の吐出側から主冷媒回路１４に流れる冷媒をホットガス冷媒回路１５を経由して負荷側熱交換器６に導く。具体的には、熱交換器除霜手段３２は、負荷側電磁弁３を開状態から閉状態に切り替え、第１電磁弁７および第２電磁弁８を閉状態から開状態に切り替える。

　判定手段３３は、負荷側熱交換器６の除霜が終了したか否かを判定し、判定結果をドレンパン除霜手段３４に通知する。負荷側熱交換器６の除霜が終了したか否かの判定方法として、例えば、除霜時間ｔ１が予め決められた閾値である第１閾値時間ｔｈ１以上であるか否か、および負荷側熱交換器６の出口側の冷媒の温度Ｔ１１が予め決められた閾値である第１閾値温度ＴＨ１以上であるか否か等が考えられる。判定手段３３は、タイマー３５の計測時間を参照して除霜時間ｔ１を見積もる。

　また、判定手段３３は、ドレンパン５の除霜が終了したか否かを判定し、判定結果をドレンパン除霜手段３４に通知する。ドレンパン５の除霜が終了したか否かの判定方法として、例えば、除霜時間ｔ２が予め決められた閾値である第２閾値時間ｔｈ２以上であるか否か、およびドレンパン５の出口側の冷媒の温度Ｔ１２が予め決められた閾値である第２閾値温度ＴＨ２以上であるか否か等が考えられる。なお、ドレンパン５の除霜終了を満たす条件である除霜終了条件として、除霜時間ｔ２および温度Ｔ１２以外に、他の条件が予め設定されていてもよい。

　ドレンパン除霜手段３４は、熱交換器除霜手段３２が負荷側熱交換器６の除霜を終了したと判定手段３３が判定すると、ホットガス冷媒回路１５を経由して負荷側熱交換器６に流れる冷媒の流路をドレンパン回路１６への流路に切り替える。具体的には、ドレンパン除霜手段３４は、主回路用電磁弁１０を開状態から閉状態に切り替え、ドレンパン電磁弁９を閉状態から開状態に切り替える。

　また、ドレンパン除霜手段３４は、ドレンパン５の除霜が終了したと判定手段３３が判定すると、除霜運転を終了する旨を冷凍サイクル制御手段３１に通知する。例えば、ドレンパン除霜手段３４は、ドレンパン５の除霜が終了したと判断すると、負荷側電磁弁３を閉状態から開状態に切り替え、第１電磁弁７および第２電磁弁８を開状態から閉状態に切り替える。さらに、ドレンパン除霜手段３４は、主回路用電磁弁１０を閉状態から開状態に切り替え、ドレンパン電磁弁９を開状態から閉状態に切り替える。

［冷凍装置５０の動作］
　図１に示した冷凍装置５０の動作を説明する。冷凍装置５０が冷却運転を開始する前の停止状態では、第１電磁弁７、第２電磁弁８およびドレンパン電磁弁９が閉状態であるものとする。

　はじめに、運転モードが冷却運転の場合を説明する。運転モードが冷却運転の場合、制御部２０は、ドレンパン電磁弁９を閉じた状態で、主回路用電磁弁１０を開けることで、負荷側膨張弁４で低圧低温となった冷媒を負荷側熱交換器６に通すことで冷却運転を行う。

　次に、運転モードが除霜運転の場合を説明する。図４は、図１に示した冷凍装置が行う除霜運転の動作手順を示すフローチャートである。ここでは、運転モードが冷却運転から除霜運転に切り替わる場合で説明する。運転モードが冷却運転から除霜運転に切り替わると、制御部２０は、第１電磁弁７および第２電磁弁８を開け、負荷側電磁弁３を閉じる（ステップＳ１）。このとき、ドレンパン電磁弁９が閉状態、主回路用電磁弁１０が開状態なので、ホットガス冷媒が、ドレンパン５で放熱することを防止し、冷却運転中に着霜した負荷側熱交換器６に最も大きい熱量を与えることで、霜を溶かすことができる。

　除霜運転の時間経過に伴って、ホットガス冷媒が負荷側熱交換器６の霜を溶かし切るため、負荷側熱交換器６への熱供給は不要になる。そのため、制御部２０は、負荷側熱交換器６の出口側の配管に設けられた主回路用温度センサ１１の値を参照し、ホットガス冷媒回路１５を介して供給されるホットガス冷媒の流路を負荷側熱交換器６からドレンパン回路１６に切り替える。具体的には、制御部２０は、主回路用温度センサ１１が検知する温度Ｔ１１が第１閾値温度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閾値温度ＴＨ１以上になっていると、制御部２０は、負荷側熱交換器６の除霜が終了したと判断する。そして、制御部２０は、主回路用電磁弁１０を閉じ、ドレンパン電磁弁９を開く（ステップＳ３）。このようにして、ドレンパン５の除霜が開始される。

　冷却運転時にドレンパン５は冷却器とならないため、霜は発生しにくいが、除霜運転の初期段階で負荷側熱交換器６に付着した霜が溶けつつ、ドレンパン５の上に落下する。そのため、除霜運転後半では、ドレンパン回路１６にホットガス冷媒を流入させ、ドレンパン５に落下した霜を溶かす必要がある。ステップＳ３において、主回路用電磁弁１０が閉じ、ドレンパン電磁弁９が開くことで、ホットガス冷媒はドレンパン回路１６にのみに流入し、ドレンパン回路１６の配管に接触するドレンパン５に溜まった霜を集中的に溶かすことができる。

　なお、ステップＳ２において、制御部２０は、負荷側熱交換器６における除霜の終了を、温度Ｔ１１が第１閾値温度ＴＨ１以上か否かで判定したが、負荷側熱交換器６の除霜開始からタイマー３５が計測した時間を参照し、除霜時間ｔ１が第１閾値時間ｔｈ１以上か否かで判定してもよい。この場合、除霜時間ｔ１が負荷側熱交換器６における除霜終了の判定のバックアップとして用いられる。

　制御部２０は、ドレンパン５の除霜を行いながら、ドレンパン回路１６の出口側の配管に設けられたドレンパン温度センサ１２の値を参照し、次のようにして、ドレンパン５の除霜が終了したか否かを判定する。制御部２０は、ドレンパン温度センサ１２が検知する温度Ｔ１２が第２閾値温度ＴＨ２以上であるか否かを判定する（ステップＳ４）。温度Ｔ１２が第２閾値温度以上になっていると、制御部２０は、他の除霜終了条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ５）。他の除霜終了条件として、例えば、（１）除霜終了検知センサがオンである、（２）温度Ｔ１１が予め決められた除霜終了温度以上である、（３）除霜時間の合計時間が予め決められた最大除霜時間以上である等が考えられる。ステップＳ５において、制御部２０は、これらの条件のうち、１つまたは複数の条件を満たすか否かを判定する。

　他の除霜終了条件が（１）の場合、例えば、除霜終了検知センサが負荷側ユニット４５に予め設けられ、除霜終了検知センサがオフからオンに切り替わったとき、制御部２０は、ドレンパン５の除霜を終了させる。除霜終了検知センサは、ファン（不図示）の吸い込み温度を検知する。除霜終了検知センサは、ファン（不図示）の吸い込み温度が予め決められた温度以上になると、除霜運転よりも冷却運転を優先させるために、オフからオンに切り替わるものである。

　他の除霜終了条件が（２）の場合、例えば、第１閾値温度ＴＨ１＜第２閾値温度ＴＨ２の関係であり、除霜終了温度として第２閾値温度ＴＨ２が設定されており、温度Ｔ１１が第２閾値温度ＴＨ２以上になると、制御部２０は、ドレンパン５の除霜が終了したと判断する。この条件の原理を説明する。ドレンパン回路１６は負荷側熱交換器６の下流側で主冷媒回路１４と接続されており、ドレンパン回路１６の配管の温度が負荷側熱交換器６の下流側で主冷媒回路１４の配管に伝わる。そのため、負荷側熱交換器６の出口の配管に設けられた主回路用温度センサ１１の値が第２閾値温度ＴＨ２に達するほど高くなっていれば、制御部２０は、ドレンパン５の除霜は既に終了しているものと判断する。

　他の除霜終了条件が（３）の場合、除霜時間ｔ１と除霜時間ｔ２の合計時間が最大除霜時間以上であると、制御部２０は、ドレンパン５の除霜が終了したと判断する。最大除霜時間は予め試験等によって決められている。

　なお、ステップＳ４において、制御部２０は、ドレンパン５の除霜終了条件の１つを、温度Ｔ１２が第２閾値温度ＴＨ２以上か否かで判定したが、ドレンパン５の除霜開始からタイマー３５が計測した時間を参照し、除霜時間ｔ２が第２閾値時間ｔｈ２以上か否かで判定してもよい。この場合、除霜時間ｔ２がドレンパン５の除霜終了条件の１つの判定のバックアップとして用いられる。

　図４に示したステップＳ５において、制御部２０は、他の除霜終了条件を満たすと判定すると、ドレンパン５に溜まった霜および氷が全て溶けたと判断する。そして、制御部２０は、負荷側電磁弁３を開け、第１電磁弁７および第２電磁弁８を閉じ、主回路用電磁弁１０を開け、ドレンパン電磁弁９を閉じる（ステップＳ６）。制御部２０は、運転モードを除霜運転から冷却運転に切り替える。なお、図４に示すフローチャートにおいて、ステップＳ６の判定処理は省略してもよい。

　本実施の形態１における冷凍装置は、圧縮機１から吐出される冷媒を負荷側膨張弁４の下流側で主冷媒回路１４に流通するホットガス冷媒回路１５と、負荷側膨張弁４の下流側で分岐して負荷側熱交換器６の下流側で主冷媒回路１４に合流するドレンパン回路１６と、負荷側熱交換器６の下に設けられ、ドレンパン回路１６の配管と接触するドレンパン５と、冷媒の流路を主冷媒回路１４およびホットガス冷媒回路１５間で切り替える第１切替部１７と、冷媒の流路を負荷側熱交換器６およびドレンパン回路１６間で切り替える第２切替部１８と、制御部２０とを有するものである。そして、制御部２０は、除霜運転時に圧縮機１の吐出側から主冷媒回路１４に流れる冷媒の流路を主冷媒回路１４からホットガス冷媒回路１５に切り替える熱交換器除霜手段３２と、負荷側熱交換器６の除霜が行われた後、ホットガス冷媒回路１５から供給される冷媒の流路を負荷側熱交換器６からドレンパン回路１６に切り替えるドレンパン除霜手段３４と、を有するものである。

　本実施の形態１では、ホットガス冷媒を負荷側熱交換器６に流通して除霜を行った後、ホットガス冷媒の流路を負荷側熱交換器６からドレンパン回路１６に切り替えることで、負荷側熱交換器６とドレンパン５とのそれぞれにホットガス冷媒の熱量が集中して除霜が行われる。ホットガス冷媒の熱量を必要な時間、必要な部位に供給しているので、除霜を効率的に行うことができ、除霜にかかる時間を低減できる。その結果、ドレンパンの除霜時にドレンパンだけでなく負荷側熱交換器にもホットガス冷媒を流通させる場合に比べて、除霜効率が向上し、省エネルギー性が高くなる。

　本実施の形態１において、主冷媒回路１４に負荷側熱交換器６の下流側に主回路用温度センサ１１が設けられ、制御部２０に判定手段３３が設けられ、主回路用温度センサ１１の値が予め決められた閾値温度以上であると判定手段３３が判定すると、ドレンパン除霜手段３４は、除霜対象が負荷側熱交換器６からドレンパン５に切り替わるように流路を制御してもよい。この場合、ドレンパン除霜手段３４は、負荷側熱交換器６の出口の配管の温度に基づいて、負荷側熱交換器６の除霜が終了したか否かをより確実に判定することができる。

　本実施の形態１において、時間を計測するタイマー３５が設けられ、タイマー３５の計測時間が予め決められた閾値時間以上経過したと判定手段３３が判定すると、ドレンパン除霜手段３４は、除霜対象が負荷側熱交換器６からドレンパン５に切り替わるように流路を制御してもよい。この場合、ドレンパン除霜手段３４は、負荷側熱交換器６の出口の配管の温度による判定のバックアップとして、負荷側熱交換器６の除霜時間に基づいて、負荷側熱交換器６の除霜が終了したか否かを判定できる。

　本実施の形態１において、ドレンパン回路１６にドレンパン５よりも下流側にドレンパン温度センサ１２が設けられ、制御部２０に判定手段３３が設けられ、ドレンパン除霜手段３４は、ドレンパン温度センサ１２の値が予め決められた閾値温度以上であると判定手段３３が判定すると、ドレンパン５の除霜が終了したと判断するようにしてもよい。この場合、ドレンパン除霜手段３４は、ドレンパン回路１６の出口の配管の温度に基づいて、ドレンパン５の除霜が終了したか否かをより確実に判定することができる。

　本実施の形態１において、時間を計測するタイマー３５が設けられ、タイマー３５の計測時間が予め決められた閾値時間以上経過したと判定手段３３が判定すると、ドレンパン除霜手段３４は、ドレンパン５の除霜が終了したと判断するようにしてもよい。この場合、ドレンパン除霜手段３４は、ドレンパン回路１６の出口の配管の温度による判定のバックアップとして、ドレンパン５の除霜時間に基づいて、ドレンパン５の除霜が終了したか否かを判定できる。

実施の形態２．
　本実施の形態２は、実施の形態１で説明した手順にしたがって除霜対象を負荷側熱交換器６からドレンパン５に切り替えた後、負荷側熱交換器６に霜が残っていても、負荷側熱交換器６を除霜できるようにしたものである。

　実施の形態１では、負荷側熱交換器６およびドレンパン回路１６に別々にホットガス冷媒を流入させることで除霜効率が向上させているが、ドレンパン回路１６にホットガス冷媒を流入させているとき、負荷側熱交換器６にホットガス冷媒が流入しない。そのため、除霜対象が負荷側熱交換器６からドレンパン５に移行したときに、負荷側熱交換器６に霜が残っている場合もある。例えば、図４に示したステップＳ２において、判定手段３３が除霜時間ｔ１と第１閾値時間ｔｈ１との大小を比較して、負荷側熱交換器６の除霜が終了したか否かを判定しているが、第１閾値時間ｔｈ１が実際に必要な除霜時間に足りない場合が考えられる。このことは、第１閾値温度ＴＨ１についても同様である。そのため、本実施の形態２は、除霜運転の後半でドレンパン５にホットガス冷媒を流すとともに、ホットガス冷媒の一部を負荷側熱交換器６にも流入する構成を備えている。

　本実施の形態２における冷凍装置の構成を説明する。ただし、本実施の形態２では、実施の形態１で説明した構成と同様な構成についての詳細な説明を省略する。

　図５は、本発明の実施の形態２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５に示すように、負荷側ユニット４５ａにおいて、主冷媒回路１４にバイパス回路１９が設けられ、バイパス回路１９に流量調整弁１３が設けられている。バイパス回路１９は、負荷側熱交換器６の上流側で主冷媒回路１４から分岐し、主回路用電磁弁１０を迂回した後、負荷側熱交換器６の上流側で再び主冷媒回路１４に戻る構成である。

　流量調整弁１３は、ドレンパン５の除霜時にホットガス冷媒回路１５を介して供給されるホットガス冷媒の一部を負荷側熱交換器６に流す。流量調整弁１３は、手動で流量調整できるニードル弁でもよく、主回路用温度センサ１１の温度Ｔ１１に対応して開度を制御できる膨張弁であってもよい。ホットガス冷媒は圧損の少ないドレンパン回路１６のみを流れようとするため、流量調整弁１３の開度は、負荷側熱交換器６にもホットガス冷媒の一部を流し、かつ圧縮機１に液バックしない開度であることが望ましい。流量調整弁１３の開度は予め試験を行って決定される。また、流量調整弁１３が膨張弁である場合には、上述した適正な開度となる制御パラメータは予め試験を行って決定される。流量調整弁１３の開度を制御部２０ａが制御する場合、この開度の情報はメモリ２１に予め登録される。

　制御部２０ａが流量調整弁１３に開度を制御する場合の構成を説明する。図６は図５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。除霜対象が負荷側熱交換器６からドレンパン５に切り替わった後、判定手段３３は、温度Ｔ１１を監視し、温度Ｔ１１が予め決められた温度ＴＨ３以下になると、負荷側熱交換器６に残っている霜によって温度Ｔ１１が低下したと判定する。そして、判定手段３３は、負荷側熱交換器６に残霜がある旨の判定結果を熱交換器除霜手段３２に通知する。熱交換器除霜手段３２は、判定手段３３から判定結果の通知を受けると、流量調整弁１３の開度が予め決められた値になるように流量調整弁１３を制御する。
　または、除霜対象が負荷側熱交換器６からドレンパン５に切り替わる条件が、ｔ１≧ｔｈ１である場合、判定手段３３は、負荷側熱交換器６に霜が残っていると判定し、その旨を熱交換器除霜手段３２に通知する。熱交換器除霜手段３２は、判定手段３３から判定結果の通知を受けると、流量調整弁１３の開度が予め決められた値になるように流量調整弁１３を制御する。

　なお、本実施の形態２における動作については、図４に示したステップＳ３において、制御部２０ａが流量調整弁１３の開度を制御する手順が追加されることを除いて、実施の形態１と同様になるため、その詳細な説明を省略する。本実施の形態２において、流量調整弁１３が不要な場合、制御部２０ａは流量調整弁１３の開度がゼロになるように弁を制御すれば、除霜処理は実施の形態１と同様になる。

　本実施の形態２の冷凍装置は、実施の形態１を参照して説明した冷凍装置に、主冷媒回路１４に主回路用電磁弁１０を迂回するバイパス回路１９が設けられ、ホットガス冷媒の一部を流通させる流量調整弁１３がバイパス回路１９に設けられている。そのため、除霜対象がドレンパン５に移行した後、ドレンパン５上の霜を溶かしつつ、負荷側熱交換器６の残霜を溶かすことができる。

産業上の利用の可能性

　冷凍サイクルを行う装置およびシステムに実施の形態１および２の方法を適用することで、除霜運転にかかる時間を短くして除霜運転の効率を向上させ、除霜運転時の電力消費を抑えることで、省エネルギーを実現できる。

　１　圧縮機、２　熱源側熱交換器、３　負荷側電磁弁、４　負荷側膨張弁、５　ドレンパン、６　負荷側熱交換器、７　第１電磁弁、８　第２電磁弁、９　ドレンパン電磁弁、１０　主回路用電磁弁、１１　主回路用温度センサ、１２　ドレンパン温度センサ、１３　流量調整弁、１４　主冷媒回路、１５　ホットガス冷媒回路、１６　ドレンパン回路、１７　第１切替部、１８　第２切替部、１９　バイパス回路、２０、２０ａ　制御部、２１　メモリ、２２　ＣＰＵ、３１　冷凍サイクル制御手段、３２　熱交換器除霜手段、３３　判定手段、３４　ドレンパン除霜手段、３５　タイマー、４０　熱源側ユニット、４５、４５ａ　負荷側ユニット、５０　冷凍装置。

Claims (6)

1. 　圧縮機、熱源側熱交換器、負荷側膨張弁および負荷側熱交換器を含む主冷媒回路と、
   　前記圧縮機の吐出側で前記主冷媒回路から分岐し、前記負荷側膨張弁の下流側で前記主冷媒回路に合流するホットガス冷媒回路と、
   　前記負荷側膨張弁と前記負荷側熱交換器の間で前記主冷媒回路から分岐し、前記負荷側熱交換器の下流側で前記主冷媒回路に合流するドレンパン回路と、
   　前記負荷側熱交換器の下に設けられ、前記ドレンパン回路の配管と接触するドレンパンと、
   　前記主冷媒回路において前記熱源側熱交換器および前記負荷側膨張弁を経由する流路と前記ホットガス冷媒回路との間で冷媒の流路を切り替える第１切替部と、
   　前記ホットガス冷媒回路を介して供給される冷媒の流路を前記負荷側熱交換器および前記ドレンパン回路間で切り替える第２切替部と、
   　運転状態に応じて、前記冷媒の流路を切り替える制御部と、を有し、
   　前記制御部は、
   　前記運転状態が冷却運転から除霜運転に切り替わると、前記第１切替部を制御して、前記圧縮機から吐出される冷媒の流路を前記主冷媒回路から前記ホットガス冷媒回路に切り替える熱交換器除霜手段と、
   　前記負荷側熱交換器の除霜が行われた後、前記第２切替部を制御して、前記ホットガス冷媒回路から供給される前記冷媒の流路を前記負荷側熱交換器から前記ドレンパン回路に切り替えるドレンパン除霜手段と、
   を有する冷凍装置。
2. 　前記主冷媒回路において前記負荷側熱交換器の下流側に主回路用温度センサが設けられ、
   　前記主回路用温度センサが検知する温度が予め決められた温度である閾値温度以上であるか否かを判定する判定手段が前記制御部に設けられ、
   　前記ドレンパン除霜手段は、前記主回路用温度センサの値が前記閾値温度以上であると前記判定手段が判定すると、前記冷媒の流路を前記負荷側熱交換器から前記ドレンパン回路に切り替える、請求項１に記載の冷凍装置。
3. 　時間を計測するタイマーが前記制御部に設けられ、
   　前記判定手段は、前記タイマーの計測時間が前記熱交換器除霜手段が除霜を開始してから予め決められた時間である閾値時間以上経過したか否かを判定し、
   　前記ドレンパン除霜手段は、前記計測時間が前記閾値時間以上経過したと前記判定手段が判定すると、前記冷媒の流路を前記負荷側熱交換器から前記ドレンパン回路に切り替える、請求項２に記載の冷凍装置。
4. 　前記ドレンパン回路において前記ドレンパンよりも下流側にドレンパン温度センサが設けられ、
   　前記ドレンパン温度センサが検知する温度が予め決められた温度である閾値温度以上であるか否かを判定する判定手段が前記制御部に設けられ、
   　前記ドレンパン除霜手段は、前記ドレンパン温度センサの値が前記閾値温度以上であると前記判定手段が判定すると、前記ドレンパンの除霜が終了したと判断する、請求項１に記載の冷凍装置。
5. 　時間を計測するタイマーが前記制御部に設けられ、
   　前記判定手段は、前記タイマーの計測時間が前記熱交換器除霜手段が除霜を開始してから予め決められた時間である閾値時間以上経過したか否かを判定し、
   　前記ドレンパン除霜手段は、前記計測時間が前記閾値時間以上経過したと前記判定手段が判定すると、前記ドレンパンの除霜が終了したと判断する、請求項４に記載の冷凍装置。
6. 　前記負荷側熱交換器の上流側で前記主冷媒回路から分岐し、前記第２切替部を迂回して前記負荷側熱交換器の上流側に戻るバイパス回路と、
   　前記バイパス回路に設けられ、前記ドレンパンの除霜時に前記ホットガス冷媒回路を介して供給される冷媒の一部を前記負荷側熱交換器に流す流量調整弁と、
   をさらに有する請求項１～５のいずれか１項に記載の冷凍装置。

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