JP6332991B2

JP6332991B2 - 冷凍空調装置の直接膨張式クーラ用熱交換ユニット

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Publication number: JP6332991B2
Application number: JP2014022534A
Authority: JP
Inventors: 亮一本田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-02-07
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2034-02-07
Also published as: JP2015148409A; CN204043243U

Description

この発明は、冷凍空調装置の直接膨張式クーラ用熱交換ユニットに関する。

従来の冷凍空調装置としては、例えば、下記の特許文献１に示すように、冷蔵倉庫内に、大型の平板状の熱交換器および大容量のファンを設置して、冷蔵倉庫内の冷却を行うものが知られている。

特開２０１３−０４０６９４号公報（第６頁、図１）

しかしながら、従来の冷凍空調装置では、大型の平板状の熱交換器であったため、空気流れの抵抗が大きく、大容量のファンを必要としていた。このため、従来では、ファンを駆動するための消費電力が大きくなってしまっていた。さらに、従来の冷凍空調装置では、ファンを駆動したときの発熱によって、冷蔵倉庫内の冷却負荷が大きくなってしまっていた。その結果、従来の冷凍空調装置では、消費電力が大きくなってしまう問題があった。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、省エネルギー化が達成された冷凍空調装置の直接膨張式クーラ用熱交換ユニットを提供するものである。

この発明に係る冷凍空調装置の直接膨張式クーラ用熱交換ユニットは、平板部および前記平板部の両側に形成された傾斜部を含むＵ字形状の複数の熱交換器と、前記複数の熱交換器と対向するように配置され、前記複数の熱交換器で熱交換が行われた空気を第１軸方向に供給する複数のファンと、を有し、前記第１軸方向は、上方に向けて傾斜しており、前記複数の熱交換器は、それぞれの前記平板部が前記第１軸に交差する平面上に配置されるように設置され、前記複数の熱交換器のそれぞれに、第１温度の冷媒または前記第１温度よりも高温の第２温度の冷媒を供給するように切り替える複数の切替手段をさらに有し、前記複数の切替手段は、それぞれ圧縮機の出力側に直接接続されている電磁弁と凝縮器の出力側に直接接続されている電磁弁とで構成され、前記圧縮機に直接接続されている前記電磁弁及び前記凝縮器に直接接続されている前記電磁弁の開閉を制御することにより、前記複数の切替手段のうちの１つが、前記複数の熱交換器のうちの１つに前記第２温度の冷媒を供給するときに、その他の切替手段は、その他の熱交換器に前記第１温度の冷媒を供給することを特徴とする。

この発明によれば、省エネルギー化が達成された冷凍空調装置の直接膨張式クーラ用熱交換ユニットを得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の概略図である。図１に示す熱交換ユニットの概略図である。図２に示す熱交換ユニットの比較例の概略図である。実施の形態１の熱交換器と比較例の熱交換器とで、前面面積と熱交換率との関係を比較するグラフである。実施の形態１の熱交換ユニットと比較例の熱交換ユニットとで、圧力損失、風量およびファンの特性の関係を比較するグラフである。実施の形態１の熱交換ユニットと比較例の熱交換ユニットとで、ファンを駆動するモータ容量と発熱量との関係を比較するグラフである。この発明の実施の形態２に係る熱交換ユニットの概略図である。図７に示す熱交換ユニットの応用例を示す概略図である。図７に示す熱交換ユニットの他の応用例を示す概略図である。図７に示す熱交換ユニットの更に他の応用例を示す概略図である。筐体へのファンの取り付け例を説明する概略図である。この発明の実施の形態３に係る冷凍空調装置の概略図である。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には、同一符号を付して、その説明を適宜省略または簡略化する。

実施の形態１．
この実施の形態に係る冷凍空調装置１は、図１に示すように、倉庫５０内を冷却するものである。なお、以下の説明では、冷凍空調装置１は、冷凍倉庫または冷蔵倉庫等の比較的に大きい空間を冷却するものとして説明するが、例えば、冷蔵庫等の比較的に小さい空間を冷却する用途にも適用することができる。

冷凍空調装置１は、図１に示すように、圧縮機２、逆止弁４、凝縮ユニット６、電磁弁８、膨張弁１０、蒸発ユニット（熱交換ユニット）１００を含み、これらは配管によって接続されている。圧縮機２、逆止弁４および凝縮ユニット６は、倉庫５０の外部に配置され、電磁弁８、膨張弁１０および蒸発ユニット１００は、倉庫５０の内部に配置される。

圧縮機２は、例えば、前段圧縮部と後段圧縮部とを有する二段圧縮機であり、冷媒を圧縮する。また、圧縮機２は、スライドバルブ等の機械式容量制御手段を含み、運転容量を可変することができる。逆止弁４は、冷媒の流れを一定方向に限り許容するものである。凝縮ユニット６は、例えば、伝熱管と多数のフィンとで構成されたフィンチューブ型熱交換器および該熱交換器への送風を行うファンを含み、伝熱管内を流れる冷媒と周囲空気との熱交換を行う。

電磁弁８は、制御部１６によって制御され、開状態と閉状態とを切り替える。膨張弁１０は、例えば、制御部１６によって制御される電子制御式膨張弁であり、その開度を調整することができる。蒸発ユニット１００は、例えば伝熱管と多数のフィンによって構成されたフィンチューブ型熱交換器および該熱交換器への送風を行うファンを含み、伝熱管を流れる冷媒と倉庫５０内の空気との熱交換を行う。なお、蒸発ユニット１００の具体的な構成については、後述する。温度センサ１４は、倉庫５０内の温度を検出する。

上記のように構成された冷凍空調装置１は、以下に説明するように動作する。すなわち、圧縮機２から吐出された高温高圧のガス冷媒は、凝縮ユニット６へ流入する。凝縮ユニット６に流入したガス冷媒は、凝縮ユニット６にて室外空気との熱交換が行われて凝縮・液化し、高圧低温の液冷媒となる。凝縮ユニット６から流出した液冷媒は、膨張弁１０で膨張されて減圧し、低温低圧の気液二相冷媒となる。この気液二相冷媒は、蒸発ユニット１００にて倉庫５０内の空気と熱交換が行われて、蒸発・気化する。蒸発ユニット１００を流出したガス冷媒は、再び圧縮機２に吸入され、高温高圧のガス冷媒として圧縮機２から吐出される。

次に、図２を用いて、この実施の形態に係る蒸発ユニット１００の具体的な構成について説明する。蒸発ユニット１００は、図２に示すように、Ｕ字形状の複数の熱交換器１０２と熱交換器１０２に対向するように配置された複数のファン１０４とを有する。なお、以下の説明では、図２に示す例に基づいて、３つの熱交換器１０２と３つのファン１０４とを有する例について説明するが、熱交換器１０２およびファン１０４の数量は、使用環境に合わせて適宜変更することができる。例えば、熱交換器１０２は、２つであっても良く、４つ以上であっても良い。また、例えば、ファン１０４は、２つであっても良く、４つ以上であっても良い。

図２に示すように、この実施の形態では、複数の熱交換器１０２の全てが、１つの筐体１０６内に配置される。各熱交換器１０２は、平板部１０２ａおよび平板部１０２ａの両側に形成された傾斜部１０２ｂを有し、概略Ｕ字形状である。Ｕ字形状の熱交換器１０２は、例えば、平板状に形成した熱交換器に曲げ加工を施すことによって得られる。各熱交換器１０２には、膨張弁１０および分配器１２が接続されており、膨張弁１０で膨張され分配器１２で分配された気液二相冷媒が供給される。

複数のファン１０４のそれぞれは、熱交換器１０２の平板部１０２ａに対向するように配置される。各ファン１０４は、例えば、その軸方向に沿って空気流れを発生させる軸流ファンである。筐体１０６には、各ファン１０４の軸方向に沿って、筐体１０６に空気を取り込む供給口１０８および筐体１０６から空気を吹き出す吹出し口１１０が形成されており、各ファン１０４を駆動することによって、図２に示す矢印方向に沿った空気流れを発生させる。すなわち、各ファン１０４は、各熱交換器１０２の前面側に形成された供給口１０８から空気を吸い込み、各熱交換器１０２の背面側に形成された吹出し口１１０から空気を吹き出すように空気流れを発生させる。

筐体１０６に吸い込まれた倉庫５０内の空気は、熱交換器１０２に流れる気液二相冷媒と熱交換を行って冷却される。熱交換器１０２で冷却された空気は、筐体１０６から吹き出されて、各ファン１０４の軸方向に存在する冷却対象に送風を行う。各ファン１０４の軸方向に存在する冷却対象は、倉庫５０内に保管される冷却対象物であってもよく、倉庫５０内における冷却対象領域であってもよい。

ファン１０４は、好適には、図２に示すように、熱交換器１０２よりも空気流れの下流側に配置される。ファン１０４を熱交換器１０２よりも空気流れの下流方向の冷却対象側に配置することによって、熱交換器１０２で冷却された空気を冷却対象に好適に供給することができる。

熱交換器１０２は、好適には、平板部１０２ａがファン１０４の軸方向に交差する平面に平行に配置される。このように、熱交換器１０２を設置することによって、筐体１０６に取り込んだ空気を熱交換器１０２で好適に冷却することができる。

熱交換器１０２の傾斜部１０２ｂは、好適には、空気流れの下流側に突出するように配置される。すなわち、熱交換器１０２の傾斜部１０２ｂは、空気流れの下流方向の冷却対象側に突出するように配置される。このように、熱交換器１０２を配置することによって、筐体１０６に取り込んだ空気を、熱交換器１０２の広い面積に接触させて好適に熱交換を行うことができる。

熱交換器１０２の傾斜部１０２ｂは、好適には、平板部１０２ａの両側から９０度未満の鋭角に曲げられて形成される。このように、傾斜部１０２ｂを形成することによって、筐体１０６に取り込んだ空気を、熱交換器１０２に好適に接触させて熱交換を行うことができる。

筐体１０６に空気を取り込む供給口１０８は、好適には、熱交換器１０２の平板部１０２ａの幅（図示の横方向）よりも大きく且つ熱交換器１０２の幅（図示の横方向）よりも小さく形成される。また、筐体１０６から空気を吹き出す吹出し口１１０は、好適には、熱交換器１０２の幅よりも小さく形成される。このように、供給口１０８および吹出し口１１０を形成することによって、筐体１０６に取り込んだ空気を、熱交換器１０２に確実且つ好適に接触させて熱交換を行うことができる。なお、熱交換器１０２は、その高さ方向（空気流れの方向および熱交換器１０２の幅方向に交差する方向）に、供給口１０８および吹出し口１１０よりも大きい。

次に、この実施の形態に係る蒸発ユニット１００の評価を行った。なお、比較例として、図３に示す従来技術の蒸発ユニット２００を準備した。比較例の蒸発ユニット２００は、図３に示すように、１つの大型の平板状の熱交換器２０２および熱交換器２０２に対向して配置された大容量のファン２０４を有するものである。比較例の熱交換器２０２は、１２列３０段×１台であり、その積幅は、２６００ｍｍである。

上記の比較例と比較して、この実施の形態に係る蒸発ユニット１００は、図３に示すように、Ｕ字形状の３つの熱交換器１０２を有し、各熱交換器１０２に対向して配置された３つのファン１０４を有する。具体的には、４列３０段×３台の熱交換器１０２であり、各熱交換器１０２の積幅は、比較例と同じく２６００ｍｍである。この実施の形態では、各熱交換器１０２は、Ｕ字形状であるため、各熱交換器１０２の幅方向の設置寸法が減少されている。この実施の形態に係る蒸発ユニット１００は、比較例の蒸発ユニット２００と比較して幅方向の寸法が同じになるように構成されている。すなわち、この実施の形態に係る熱交換器１０２のそれぞれは、その幅方向の寸法が、積幅の３分の１以下になるように、Ｕ字形状に形成されている。

この実施の形態に係る蒸発ユニット１００は、Ｕ字形状に形成した３つの熱交換器１０２を含むので、空気吸込み前面面積（吸い込み空気と熱交換器１０２との接触面積）が大きい。すなわち、比較例の蒸発ユニット２００では、１台分の熱交換器２０２の積幅に対応する空気吸込み前面面積であるのと比較して、この実施の形態の蒸発ユニット２００では、３台分の熱交換器１０２の積幅に対応する空気吸込み前面面積である。上記のように、この実施の形態の熱交換器１０２と比較例の熱交換器２０２とは、積幅が同じであるので、この実施の形態に係る蒸発ユニット１００の空気吸込み前面面積は、比較例と比較して３倍である。図４に示すように、空気吸込み前面面積が大きくなると、熱交換率が向上する。その結果、この実施の形態の蒸発ユニット１００では、比較例の蒸発ユニット２００と比較して、熱交換率が向上する。

さらに、この実施の形態では、Ｕ字形状の複数の熱交換器１０２であるため、各熱交換器１０２の列数を少なくすることができる。具体的には、比較例の熱交換器２０２の列数が１２列であるのと比較して、この実施の形態の各熱交換器１０２の列数は４列である。つまり、この実施の形態では、比較例と比較して、熱交換器１０２の列数が３分の１である。
その結果、この実施の形態に係る蒸発ユニット１００では、熱交換器１０２での空気流れの抵抗を小さくすることができる。すなわち、この実施の形態では、図５に示すように、比較例と比較して、熱交換器１０２での圧力損失が小さい。したがって、この実施の形態では、図５に示すように、同じ風量を得るために、比較例と比較して容量が小さいファン１０４を選択することができる。

上記のように、この実施の形態では、容量の小さいファン１０４が選択されるため、ファン１０４を駆動するための消費電力が低減されている。図６に示すように、モータ容量（ファン１０４の容量）が小さくなるとファン１０４を駆動する際の発熱量が小さくなる。したがって、この実施の形態では、ファン１０４を駆動する際の発熱量が低減されるので、倉庫５０内の冷却負荷の増加が抑制されており、倉庫５０内の冷却運転を効率的に行うことができる。

実施の形態２．
上記の実施の形態１では、複数の熱交換器１０２の全てが、１つの筐体１０６内に収容された例について説明した。これと比較して、実施の形態２では、図７〜図１０に示すように、複数の熱交換器１０２のそれぞれが、筐体１０６内に収容され、モジュール化される。以下の説明では、実施の形態１と重複する部分については、説明を省略する。

この実施の形態では、図７〜図１０に示すように、複数の筐体１０６を有する。各筐体１０６には、複数の熱交換器１０２のそれぞれが収容されており、モジュール化されている。この実施の形態では、図７〜図１０に示すように、モジュール化された筐体１０６を種々の態様で設置することができる。

例えば、図７に示す例では、図示を省略してある締結部材によって、複数の筐体１０６Ａが連結設置されている。すなわち、図７に示す例では、上記の実施の形態１の蒸発ユニット１００に対応する形状の蒸発ユニット１００が得られる。また、図８に示す例では、複数の筐体１０６Ｂが分散して設置された蒸発ユニット１００が得られる。さらに、また、図９に示す例では、上下方向に複数の筐体１０６Ｃを設置した縦型設置の蒸発ユニット１００が得られる。さらに、また、図１０に示すように、各筐体１０６Ｄに吊り手段１１２を設け、各筐体１０６Ｄを倉庫５０内の所望の場所に、ぶら下げて設置することができる。

上記のように、この実施の形態では、複数の筐体１０６のそれぞれがモジュール化されており、蒸発ユニット１００が設置される環境に合わせて、これらを自由に配置することができる。その結果、この実施の形態では、設置工事の自由度が拡大されている。さらに、蒸発ユニット１００の設置スペースの省スペース化を実現することができる。

なお、上記の実施の形態１および実施の形態２で説明した例では、熱交換器１０２で冷却された空気を冷却対象に向けて直接的に送風するようにファン１０４を設置していたが、例えば、図１１に示すように、冷却対象の上方に向けて冷却された空気を送風するようにファン１０４を設置してあっても良い。冷却された空気を冷却対象の上方に向けて送風することによって、倉庫５０内の温度を均一化することができる。

実施の形態３．
実施の形態３に係る冷凍空調装置１では、図１２に示すように、圧縮機２から吐出された高温高圧のガス冷媒を、直接的に蒸発ユニット１００に供給することができるように配管を接続してある。以下の説明では、実施の形態１または実施の形態２と重複する部分については、説明を省略する。

圧縮機２と各熱交換器１０２Ａ〜１０２Ｃとを接続する配管のそれぞれには、電磁弁１８Ａ〜１８Ｃが設置されている。電磁弁１８Ａ〜１８Ｃのそれぞれは、図２に示す制御部１６によって制御され、開状態と閉状態とを切り替える。電磁弁１８Ａ〜１８Ｃが開状態になると、圧縮機２から吐出された高温の冷媒が、熱交換器１０２Ａ〜１０２Ｃに供給される。なお、圧縮機２からの高温の冷媒を熱交換器１０２Ａ〜１０２Ｃに供給するときには、電磁弁８Ａ〜８Ｃは閉状態に切り替えられており、凝縮ユニット６から流出した低温の冷媒は、熱交換器１０２Ａ〜１０２Ｃに流れ込まないようにしてある。

次に、この実施の形態に係る冷凍空調装置１の除霜運転について説明する。この実施の形態では、複数の熱交換器１０２Ａ〜１０２Ｃのうちの１つを選択して、除霜運転を行う。例えば、第１の熱交換器１０２Ａの除霜運転を行う際には、第１の熱交換器１０２Ａと圧縮機２との間に設置された第１の電磁弁１８Ａを開状態に切り替える。このときには、第１の熱交換器１０２Ａと凝縮ユニット６との間に設置された第１の電磁弁８Ａは閉状態に切り替える。このように、第１の電磁弁８Ａと第１の電磁弁１８Ａとを有する第１の切替手段３００Ａを切り替えて、第１の熱交換器１０２Ａに、第２温度の高温の冷媒を流すことによって、除霜運転が行われる。なお、このときには、高温の空気が倉庫５０内に流れ込まないように、第１の熱交換器１０２Ａに対向して配置されたファンは停止される。
第１の熱交換器１０２Ａの除霜運転が行われる際には、第２の熱交換器１０２Ｂおよび第３の熱交換器１０２Ｃでは、通常の冷却運転が行われる。すなわち、第１の蒸発ユニット１００Ａの除霜運転が行われる際には、第２温度よりも低い温度の第１温度の冷媒が、第２の熱交換器１０２Ｂおよび第３の熱交換器１０２Ｃに流れるように、第２の切替手段３００Ｂおよび第３の切替手段３００Ｃを切り替える。なお、第２の切替手段３００Ｂは、第２の電磁弁８Ｂと第２の電磁弁１８Ｂを有するものであり、第３の切替手段３００Ｃは、第３の電磁弁８Ｃと第３の電磁弁１８Ｃを有するものである。

このように、この実施の形態では、複数の熱交換器１０２Ａ〜１０２Ｃのうち、例えば、第１の熱交換器１０２Ａを選択して、除霜運転を行い、その他の第２の熱交換器１０２Ｂおよび第３の熱交換器１０２Ｃでは、通常の冷却運転が行われる。その結果、この実施の形態では、除霜運転の際の倉庫５０内の温度上昇が抑制されており、好適に除霜運転を行うことができる。

この発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々に改変することができる。すなわち、上記の実施の形態の構成を適宜改良してもよく、また、少なくとも一部を他の構成に代替させてもよい。さらに、その配置について特に限定のない構成要件は、実施の形態で開示した配置に限らず、その機能を達成できる位置に配置することができる。

１冷凍空調装置、２圧縮機、４逆止弁、６凝縮ユニット、８電磁弁、１０膨張弁、１２分配器、１４温度センサ、１６制御部、１８電磁弁、５０倉庫、１００蒸発ユニット（熱交換ユニット）、１０２熱交換器、１０２ａ平板部、１０２ｂ傾斜部、１０４ファン、１０６筐体、１０８供給口、１１０吹出し口、１１２吊り手段。

Claims

平板部および前記平板部の両側に形成された傾斜部を含むＵ字形状の複数の熱交換器と、
前記複数の熱交換器と対向するように配置され、前記複数の熱交換器で熱交換が行われた空気を第１軸方向に供給する複数のファンと、を有し、
前記第１軸方向は、上方に向けて傾斜しており、
前記複数の熱交換器は、それぞれの前記平板部が前記第１軸に交差する平面上に配置されるように設置され、
前記複数の熱交換器のそれぞれに、第１温度の冷媒または前記第１温度よりも高温の第２温度の冷媒を供給するように切り替える複数の切替手段をさらに有し、
前記複数の切替手段は、それぞれ圧縮機の出力側に直接接続されている電磁弁と凝縮器の出力側に直接接続されている電磁弁とで構成され、
前記圧縮機に直接接続されている前記電磁弁及び前記凝縮器に直接接続されている前記電磁弁の開閉を制御することにより、前記複数の切替手段のうちの１つが、前記複数の熱交換器のうちの１つに前記第２温度の冷媒を供給するときに、その他の切替手段は、その他の熱交換器に前記第１温度の冷媒を供給することを特徴とする冷凍空調装置の直接膨張式クーラ用熱交換ユニット。
前記複数のファンは、前記複数の熱交換器よりも冷却対象側に配置されることを特徴とする請求項１記載の冷凍空調装置の直接膨張式クーラ用熱交換ユニット。
前記複数の熱交換器は、それぞれの傾斜部が前記冷却対象側に突出するように配置されることを特徴とする請求項２記載の冷凍空調装置の直接膨張式クーラ用熱交換ユニット。
前記複数のファンのそれぞれは、前記複数の熱交換器の前記平板部に対向するように配置されることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の冷凍空調装置の直接膨張式クーラ用熱交換ユニット。
前記複数の熱交換器の全てを収容する筐体をさらに有することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の冷凍空調装置の直接膨張式クーラ用熱交換ユニット。
前記複数の熱交換器のそれぞれを収容する複数の筐体をさらに有することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の冷凍空調装置の直接膨張式クーラ用熱交換ユニット。