JP4690801B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍装置、たとえば冷凍車等に積載されたコンテナ内の保温に非凝縮加温方式を採用した陸上輸送用冷凍装置等に適用される冷凍装置に関する。

陸上輸送用冷凍装置は、トラックの荷台など陸上輸送用車両（以下「冷凍車」と呼ぶ）に積載されたコンテナ（「保温庫」とも言う）内を冷却または加温し、積み込んだ荷物を所望の温度に維持して輸配送する車両に装備されるものであり、圧縮機、コンデンサユニット、エバポレータユニット等の機器類を冷媒配管で接続した冷凍サイクルを形成し、さらに、各種運転操作を行う制御部等を具備して構成されている。
このような陸上輸送用冷凍装置には、たとえば車両走行用の主エンジンで圧縮機を駆動する「直結方式」の他、車両走行用の主エンジンとは別に設けたサブエンジンで圧縮機を駆動する「サブエンジン方式」等がある。

近年、上述した陸上輸送用冷凍装置においては、被温調空間である庫内温度を高精度に制御することが求められており、冷却と加温との組み合わせにより温度制御が行われている。
このような陸上輸送用冷凍装置において、装置（圧縮機）の運転を発停させることなく連続運転を行って温調する運転パターンでは、熱負荷が極めて小さくなって冷凍装置に要求される冷却能力及び加温能力が０に近くなる。このような場合の制御として、従来より下記の方式が知られている。

第１の方式は、電気ヒータによる加熱と冷媒による冷却とを同時に行い、温調能力を調整するものである。この方式は、制御性が良好である反面、エネルギロスが大きいという問題を有している。
第２の方式は、冷凍サイクルで冷却運転と加温運転とを短時間交互に切り換えながら運転し、能力積分値を調整して温調するものである。この方式は、吹出温度の変化が大きくなり、運転の安定性に問題があるとされる。また、電磁弁を短時間で開閉操作するので、耐久性の問題も指摘されている。

第３の方式として、加温運転時において、ホットガスバイパス配管から導入した高温高圧のガス冷媒と膨張弁から導入した液冷媒とをミキシングすることにより、温調能力の調整を連続的にもしくは断続的に行うものが提案されている。（たとえば、特許文献１及び特許文献２参照）
また、圧縮機から送出された吐出ガス（ホットガス）と保温庫内の空気とを熱交換させて加温運転を行う場合、保温庫内の空気温度でホットガスが凝縮しない圧力まで減圧した後に放熱することで、冷媒を液化させないで加温運転を行うように構成した非凝縮加温サイクルの運転が提案されている。（たとえば、特許文献３参照）
特開２００３−９４９３４号公報 特開平１０−１４１７８０号公報 特開２００４−１６２９９８号公報

ところで、上述した第３の方式は、ホットガスバイパス量が安定しないという問題を有している。このため、加温能力が不安定になって加温能力のセーブを困難にし、結果的にはエネルギロスが大きくなって好ましくない。
また、上述した第３の方式に非凝縮加温サイクルを導入した場合、ミキシング運転により回路内の冷媒量が増加すると高低圧共に上昇するため、冷媒圧力を一定に保つ圧力制御が困難になる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、加温側能力を小さく制御できてエネルギーロスの少ない高精度な吹出空気温度制御が可能な冷凍装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る冷凍装置は、圧縮機から吐出される気相状態の冷媒を減圧手段により被温調空間内温度飽和圧力以下に減圧させてエバポレータに導入する非凝縮加温運転が可能に構成された冷凍装置において、前記気相状態の冷媒をコンデンサ及び絞り機構をバイパスして前記エバポレータに導入するバイパス流路と、該バイパス流路を流通する前記冷媒を被温調空間内温度飽和圧力以下に減圧させる減圧能力が複数段に可変とされる減圧手段と、前記バイパス流路を開閉して前記冷媒の流通を断続する開閉手段とを備え、前記減圧手段を最も冷媒流量が小さくなる減圧能力に固定して前記バイパス流路を流通する冷媒量が最小となるように制御しながら、前記絞り機構の開度制御により前記コンデンサを通過した冷媒と略一定の最小流量に制御されて前記バイパス流路を通過した冷媒とのミキシング制御を実施することを特徴とするものである。

このような冷凍装置によれば、減圧能力が複数段に可変とされる減圧手段を最も冷媒流量の小さい減圧能力に固定し、バイパス流路を流通する冷媒量が最小となるように制御しながら、絞り機構の開度制御によりコンデンサを通過した冷媒と略一定の最小流量に制御されてバイパス流路を通過した冷媒とのミキシング制御を実施するので、バイパス流路を流通する冷媒（ホットガス）循環量を最小とし、加温能力を非常に小さく制御することができる。このため、ホットガス循環量が少ないほど圧縮機の冷媒押退量（循環冷媒質量）は少なくてすむので、圧縮機の負荷が小さくなる。

上記の冷凍装置において、前記コンデンサの上流に、前記ミキシング制御時に冷媒の高圧圧力を一定に保つ高圧圧力制御手段を備えていることが好ましく、これにより、ミキシングにより増加した冷媒は、高圧圧力制御手段を経由してコンデンサ下流のレシーバタンク側に戻されるため、冷媒量及び冷媒圧力を一定に保つことができる。

上述した本発明によれば、減圧能力が複数段に可変とされる減圧手段を最も冷媒流量の小さい減圧能力に固定し、バイパス流路を流通する冷媒量が最小となるように制御しながら、絞り機構の開度制御によりコンデンサを通過した冷媒と略一定の最小流量に制御されてバイパス流路を通過した冷媒とのミキシング制御を実施するので、バイパス流路を流通する冷媒（ホットガス）循環量を最小として加温能力を非常に小さく制御することができる。このため、冷媒回路制御のみで０能力を創出できるようになり、電気ヒータ等の追設コストが不要となる。しかも、ホットガス循環量が少ないほど圧縮機の冷媒押退量は少なくてすむので、圧縮機の運転は低負荷となり、ミキシング運転時の必要動力を大幅に低減できるという顕著な効果が得られる。
また、本発明のミキシング制御は、冷却と加温とを交互に切り換える方式と比較して、高精度な吹出温度制御を実施することができる。

以下、本発明に係る冷凍装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図５に示す冷凍車１は、輸送用冷凍装置の一例として、荷台に積載したコンテナ（保温庫）２内を冷却または加熱して所望の庫内設定温度に維持する陸上輸送用冷凍装置１０を装備している。なお、図示の陸上輸送用冷凍装置１０は、コンテナ２内に設置されるエバポレータユニット３と、コンテナ２の外部に設置されるコンデンシングユニット４とに分割されたセパレート型であり、両ユニット３，４間が冷媒配管５、ホットガスバイパス配管（バイパス流路）６及び図示しない電気ケーブルで連結された構成とされる。

ここで、陸上輸送用冷凍装置１０に係る冷媒回路の構成例を図１に基づいて説明する。なお、図１に示す冷媒回路は、ミキシング制御によりコンテナ２内を温調する運転状態を示している。
陸上輸送用冷凍装置１０は、コンデンシングユニット４内に設置された圧縮機１１からコンテナ２の庫内に設置されたエバポレータユニット３に冷媒を供給し、この冷媒と庫内の空気とが熱交換して保温庫内を温調する装置である。この場合の圧縮機１１は図示省略の駆動源を備えており、たとえば車両走行用の主エンジンで駆動する「直結方式」や、車両走行用の主エンジンとは別に設けたサブエンジンで圧縮機を駆動する「サブエンジン方式」等がある

圧縮機１１で圧縮された気相状態の冷媒は、冷媒配管５及び全開のコンデンサ入口電磁弁１２を通り、運転状況に応じてコンデンサ（庫外側熱交換器）１３または冷媒配管５の途中から分岐するホットガスバイパス配管６に導かれる。なお、上述した気相状態の冷媒は、高温高圧のガス冷媒（以下、「ホットガス」ともいう）である。
圧縮機１１とコンデンサ１３とを連結する冷媒配管５の途中には、コンデンサ入口電磁弁１２をバイパスするようにして高圧圧力制御手段となる高圧圧力制御弁２０を備えた冷媒戻し配管２１が設けられている。この高圧圧力制御弁２０及び冷媒戻し配管２１は、後述する加温運転時のミックス制御に使用される冷媒流路である。なお、高圧圧力制御弁２０は、一次側圧力が規定圧力以上になると開弁し、高圧圧力上昇を抑制する機能を有している。

さて、図示しない冷却運転時においては、ホットガスバイパス配管６に設置されたホットガス電磁弁７Ａ，７Ｂが全閉とされる。このため、圧縮機１１から送出された高温高圧のガス冷媒は、主に全開状態のコンデンサ入口電磁弁１２を通ってコンデンサ１３に供給される。コンデンサ１３では、ガス冷媒が外気と熱交換して凝縮し、気液二相を含む高温の液冷媒となる。コンデンサ１３で凝縮した液冷媒は、冷媒配管５を通り、レシーバタンク１４を経由して気液熱交換器１５に導かれる。この気液熱交換器１５では、高温の液冷媒と後述する低温低圧のガス冷媒とが熱交換する。

気液熱交換器１５を通過して温度低下した液冷媒は、冷媒配管５を通って絞り機構の電子膨張弁１６に導かれる。この液冷媒は、電子膨張弁１６を通過して減圧されるため、低温低圧の液冷媒がエバポレータ（庫内側熱交換器）１７に供給される。
エバポレータ１７に供給された液冷媒は、庫内の空気と熱交換して気化し、低温低圧のガス冷媒が気液熱交換器１５を通って圧縮機１１に吸い込まれる。この結果、冷媒が庫内の空気から吸熱するので、庫内の空気は冷却されて庫内温度が低下する。
このように、圧縮機１１で圧縮されたガス冷媒は、コンデンサ１３、電子膨張弁１６及びエバポレータ１７の順に循環して凝縮及び気化による状態変化を繰り返すので、圧縮機１１で冷媒を循環させて庫内を冷却する閉回路の冷凍サイクルが構成される。

上述した冷凍サイクルには、加温運転時に気相状態の冷媒（ホットガス）を導入して電子膨張弁１６の下流に導くため、ホットガス電磁弁７Ａ，７Ｂを備えたホットガスバイパス配管６が設けられている。
ホットガスバイパス配管６は、たとえば管路の途中で二つのバイパス流路に分岐した後再度合流するように構成された並列配置の第１分岐部６Ａ及び第２分岐部６Ｂを備えている。両分岐部６Ａ，６Ｂには、流路切換用の第１ホットガス電磁弁７Ａ及び第２ホットガス電磁弁７Ｂと、減圧抵抗となる第１キャピラリ管８Ａ及び第２キャピラリ管８Ｂとが設けられている。図示の例では、第１キャピラリ管８ＡのＣｖ値が第２キャピラリ管８ＢのＣｖ値より大きくなるように設定されている。換言すれば、第１キャピラリ管８Ａを通過して生じる圧力損失δ１が、第２キャピラリ管８Ｂを通過して生じる圧力損失δ２より小さく（δ１＜δ２）なるように設定されている。

この結果、ホットガスバイパス配管６の減圧能力は、第１ホットガス開閉弁７Ａ及び第２ホットガス開閉弁７Ｂを開閉操作することにより、３種類の異なる減圧能力から適宜選択して切換することができる。
すなわち、第１ホットガス開閉弁７Ａ及び第２ホットガス開閉弁７Ｂを開閉操作することにより、ホットガスが通過する分岐部６Ａ，６Ｂを選択切換可能になるので、第１キャピラリ８Ａ及び第２キャピラリ８Ｂの両方を通過する第１の減圧能力と、第１キャピラリ管８Ａのみを通過する第２の減圧能力と、第２キャピラリ管８Ｂのみを通過する第３の減圧能力との中から、いずれかひとつを選択することができる。

このように構成されたホットガスバイパス配管６は、コンテナ２の庫内を加温する場合に使用される冷媒流路である。この場合の加温は、圧縮機１１から吐出されたホットガスを、後述する減圧手段によりコンテナ２内の庫内温度飽和圧力以下に減圧した状態でエバポレータ１７に導入する非凝縮加温運転が採用される。この非凝縮加温運転では、図４に示すように、圧縮機１１から吐出されたホットガスが凝縮することなく気相のまま循環して庫内を加熱する。
そして、図１に太線及び矢印で冷媒の流れを示すように、減圧手段であるキャピラリ管８Ａ，８Ｂによりバイパス流路となるホットガスバイパス配管６を流通する冷媒量が最小となるように制御しながら、絞り機構である電子膨張弁１６の開度制御によりコンデンサ１３を通過した冷媒とホットガスバイパス配管６を通過した冷媒とのミキシング制御を実施する。この場合、第１ホットガス電磁弁７Ａを閉じ、第２ホットガス電磁弁７Ｂを開とすることにより、ホットガスが第２キャピラリ管８Ｂのみを通過する第３の減圧能力を選択する。

第３の減圧能力を選択したことにより、ホットガスはＣｖ値が小さく圧力損失の大きい第２分岐部６Ｂを通過して最も大きな流路抵抗を受けるため、ホットガスバイパス配管６を流れる冷媒量が最小となるように制御される。
一方、電子膨張弁１６には、たとえば図３に示すように、小流量／小開度のミキシング運転使用領域で流量変化が比較的小さく、かつ、ミキシング運転領域を過ぎた流量及び開度の大きい領域で流量変化が比較的大きくなる特性のものが採用される。すなわち、ミキシング運転領域においては、電子膨張弁１６の開度制御による流量変化が小さいので、ホットガスにミキシングする液冷媒量を微調整することが可能になる。

従って、ホットガスバイパス６から最小流量に制御して導入されたホットガスは、電子膨張弁１６の開度制御により冷媒量が微調整される液冷媒と冷媒配管５で合流してミキシングされる。このミキシングにより、液冷媒は高温のホットガスから吸熱して気化するので、液冷媒のミキシング量に応じて温度低下したホットガスがエバポレータ１７に供給される。すなわち、エバポレータ１７の加温能力は、ホットガスと液冷媒とのミキシングに応じて制御される。
このように、加温能力がミキシング制御により調整されたホットガスは、エバポレータ１７で庫内を加温した後、気液熱交換器１５を経由して圧縮機１１に吸引されるので、圧縮機１１、第２キャピラリ管８Ｂ、エバポレータ１７を循環して庫内を加温する加温サイクルが形成される。

また、上述した加温サイクルにおいては、ホットガスに液冷媒をミキシングするので、冷媒量が増加して高低圧ともに増加する。この圧力上昇を防止して一定圧力での運転を行うため、高圧圧力制御弁２０の圧力制御により、ミキシングで増加したホットガスが冷媒戻し配管２１を通ってコンデンサ１３に導かれる。このホットガスは、コンデンサ１３で凝縮して液化した後、レシーバタンク１４に戻される。
このとき、高圧圧力制御弁２０は、一次側の圧力を一定に保つよう開度調整がなされるものであるから、ミキシングで増加した冷媒量が多く大きな圧力上昇が生じた場合ほど開度を増し、レシーバタンク１４側に戻す冷媒量を増加させて加温サイクルの圧力調整を実施する。

ここで、上述した加温サイクルのミキシング制御時において、電子膨張弁１６の開度をフィードバック制御する場合の制御例を図２のフローチャートを参照して説明する。
最初のステップＳ１でミキシング運転を開始すると、次のステップＳ２に進み、ホットガスバイパス回路の最小流量設定及び電子膨張弁１６の初期開度設定が行われる。すなわち、ホットガスバイパス配管６の減圧能力を最大に設定し、ホットガスの循環量が最小となるように制御する。なお、図１の冷媒回路においては、ホットガスが第２キャピラリ管８Ｂのみを通過して流れるように設定される。

次のステップＳ３では、所定の制御マップ等により制御目標値の判定が行われる。すなわち、電子膨張弁１６の初期開度設定及びユーザーが設定した庫内温度等の諸条件に基づいて、ミキシング制御を行って保温する庫内温度の制御目標値が適正であるか否かを判断する。この結果、制御目標値が不適であると判断された場合には、次のステップＳ４に進んで制御目標値が変更される。
上述したステップＳ３で制御目標値が適正と判断された場合、及びステップＳ４で制御目標値を変更した後には、次のステップＳ５に進んで庫内温度が制御目標範囲内にあるか否かを判断する。

ステップＳ５で冷却過剰と判断された場合、すなわち庫内温度が制御目標範囲より低い場合には、ステップＳ６に進んで電子膨張弁１６の開度を減少させる。この結果、ミキシングされる液冷媒の量が減少するので、エバポレータ１７で庫内を加温するホットガスの温度が上昇して加温能力を増す。
反対に、ステップＳ５で冷却不足と判断された場合、すなわち庫内温度が制御目標範囲より高い場合には、ステップＳ７に進んで電子膨張弁１６の開度を増す。この結果、ミキシングされる液冷媒の量が増加するので、エバポレータ１７で庫内を加温するホットガスの温度が低下して加温能力は減少する。
すなわち、制御目標範囲から外れた庫内温度を検出した場合に電子膨張弁１６の開度を調整し、略一定の最小流量に制御されたホットガスとミキシングする液冷媒量を増減して加温能力を制御する。

そして、ステップＳ５で目標範囲内と判断された場合、及びステップＳ６，Ｓ７で電子膨張弁１６の開度調整が行われた後には、次のステップＳ８に進む。このステップＳ８は上述したステップＳ３に戻る「リターン」であり、以下同様の手順で電子膨張弁１６の開度制御を繰り返し、庫内温度を目標範囲内に高精度に保つ。
このような加温サイクルのミキシング制御では、ホットガスの循環量が最小となるように設定されているので、従来のホットガスバイパス方式によるミキシング運転と比較し、加温能力を大幅に低減した省エネルギ運転が可能となる。すなわち、圧縮機１１の押退量を最小にした運転が可能になるので、圧縮機１１の負荷を最小とし、駆動に必要な動力も最小となる高精度の温調運転が可能となる。

このように、本発明の冷凍装置は、非凝縮加温サイクルを構成する冷媒回路において、ホットガス循環量を最小とするように制御しながら電子膨張弁１６の開度制御によりホットガスと液冷媒とのミキシング制御を実行するので、ホットガス循環量が少ないほど圧縮機１１の冷媒押退量が少なくてすみ、圧縮機１１の動力を削減した省エネルギ運転が可能となる。また、本発明の冷凍装置は、冷媒回路内の制御のみで略０の加温能力を創出できるため、電気ヒータ等の追設コストが不要な低コストの装置となる。
さらに、高圧圧力制御弁２０を設けたことにより、ミキシング運転により非凝縮加温サイクル内の冷媒量が増加して高低圧ともに上昇するのを防止でき、加温サイクル内が一定圧力に維持される安定した運転により高精度な吹出温度制御が可能になる。
従って、圧縮機１１を発停させることなく加温側能力を小さく制御し、エネルギーロスの少ない高精度な吹出温度の制御により、高精度な庫内温度制御が可能になる。

ところで、上述した実施形態では、ホットガスバイパス配管６の減圧能力制御がＣｖ値の異なる複数のキャピラリ管（固定絞り）を選択切換してなされるものであったが、たとえば開度（Ｃｖ値）を連続的に調整可能な電動弁等を採用した構成としてもよい。
また、上述した実施形態では、陸上輸送用冷凍装置１０をセパレート型としたが、エバポレータユニット及びコンデンシングユニットが一体化された構成としてもよい。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、たとえば陸上輸送用冷凍装置に限定されないなど、冷凍装置一般に広く適用できるものであり、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る冷凍装置の一実施形態を示す冷媒回路図で、ミキシング制御により保温庫内を加温する非凝縮加温運転の状態である。 ミキシング制御により保温庫内を加温する非凝縮加温運転のフローチャートである。 電子膨張弁の制御特性を示す図である。 非凝縮加温運転の状態を示すモリエル線図である。 本発明の冷凍装置の一例として陸上輸送用冷凍装置を装備した冷凍車の外観斜視図である。

符号の説明

５ 冷媒配管
６ ホットガスバイパス配管（バイパス流路）
６Ａ 第１分岐部
６Ｂ 第２分岐部
７Ａ 第１ホットガス電磁弁（開閉手段）
７Ｂ 第２ホットガス電磁弁（開閉手段）
８Ａ 第１キャピラリ管（減圧手段）
８Ｂ 第２キャピラリ管（減圧手段）
１０ 陸上輸送用冷凍装置
１１ 圧縮機
１２ コンデンサ入口電磁弁
１３ コンデンサ
１４ レシーバタンク
１５ 気液熱交換器
１６ 電子膨張弁
１７ エバポレータ
２０ 高圧圧力制御弁（高圧圧力制御手段）
２１ 冷媒戻し配管

Claims (2)

1. 圧縮機から吐出される気相状態の冷媒を減圧手段により被温調空間内温度飽和圧力以下に減圧させてエバポレータに導入する非凝縮加温運転が可能に構成された冷凍装置において、
   前記気相状態の冷媒をコンデンサ及び絞り機構をバイパスして前記エバポレータに導入するバイパス流路と、該バイパス流路を流通する前記冷媒を被温調空間内温度飽和圧力以下に減圧させる減圧能力が複数段に可変とされる減圧手段と、前記バイパス流路を開閉して前記冷媒の流通を断続する開閉手段とを備え、前記減圧手段を最も冷媒流量が小さくなる減圧能力に固定して前記バイパス流路を流通する冷媒量が最小となるように制御しながら、前記絞り機構の開度制御により前記コンデンサを通過した冷媒と略一定の最小流量に制御されて前記バイパス流路を通過した冷媒とのミキシング制御を実施することを特徴とする冷凍装置。
2. 前記コンデンサの上流に、前記ミキシング制御時に冷媒の高圧圧力を一定に保つ高圧圧力制御手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。

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