JPH1144462A - 冷凍能力制御用熱交換器部付き冷凍回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 省エネ効果が大きいように冷凍能力を調整す
る。 【解決手段】 冷凍回路は、主管系５のうち圧縮機１か
ら凝縮器２に至る部分の上流側５（５１）から分岐して
下流側５（５２）に合流したホットガス系６、圧縮機１
を出たホットガスと膨張機構３で膨張した冷媒液との間
の熱交換を可能にする冷媒ヒータ７、ホットガスの流量
調整を可能にする電子膨張弁８等を有する。 【効果】 環境試験装置等の使用条件に応じて電子膨張
弁でホットガス流量を調整し、独立の冷媒ヒータ７で効
率良く冷媒液を冷却することにより、冷凍能力を大幅に
調整できる。その結果、循環空気を過度に冷却／除湿せ
ず、再加熱／再加湿出力を低減し、大きな省エネ効果が
得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷媒の流れ方向に
順次圧縮機と凝縮器と膨張機構と蒸発器とを結合した主
管系を備えた冷凍回路に関し、特に冷凍能力調整の容易
な冷凍回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば環境試験装置のように、冷凍機と
共に加熱器又はこれに加えて加湿器を備えていて、温度
又はこれに加えて湿度を調整する装置に用いる冷凍機で
は、通常、台数等による段階的能力制御方式、インバー
タ方式、蒸発温度や蒸発圧力等を調整する自動膨張弁方
式、温湿度等によって開度調整する電子膨張弁方式、バ
イパス方式等によってその能力調整を行っている。

【０００３】このような方式では、循環空気の温湿度条
件によって直接又は間接に冷媒流量を調整しているが、
通常の冷凍回路だけを利用した方式であるから、循環空
気の温度が高い条件においては、蒸発器での吸収熱及び
圧縮機での付加熱を一度凝縮器で取り去って低熱量の冷
媒にし、これによって循環空気を冷却した後、加熱器又
はこれに加えて加湿器によって再加熱して温湿度を調整
している。従って、いろいろ省エネ対策がされているも
のの、その効果は十分でない。又、冷媒流量を加減する
方式のものでは、冷凍機を流れる冷媒量が変動し、運転
状態の安定性に欠ける面がある。

【０００４】又、冷凍能力制御方式の１つとして、主冷
凍回路の圧縮機出口から再熱用の冷媒回路を分岐し、こ
れを流れるホットガスによって蒸発器で冷却された後の
循環空気を再熱することにより、その温湿度条件では過
大になっている冷凍能力を低減し、冷凍機の頻繁な発停
を防止するようにした再熱式冷凍能力制御方式が提案さ
れている（特開平６ー８２１２２号公報参照）。

【０００５】しかし、この再熱による方式では、ホット
ガスと循環空気との間で熱交換が行われるため、その効
率が悪く、従って省エネ効果が不十分である。又、バイ
パスしたホットガスが蒸発器に対して何ら直接的な作用
を及ぼさないため、ノンフロスト運転域の拡大というよ
うな蒸発器の特定の性能を向上させることはできない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来技術に於
ける上記問題を解決し、冷凍能力を調整できると共に、
その調整において、熱交換性能及び省エネ性を向上さ
せ、圧縮機の運転状態を安定させ、蒸発器の特定の性能
を改善することができる冷凍回路を提供することを課題
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、請求項１の発明は、冷媒の流れ方向に順次
圧縮機と凝縮器と膨張機構と蒸発器とを結合した主管系
を備えた冷凍回路において、前記主管系のうち前記圧縮
機から前記凝縮器に至る間の分岐部分から分岐して前記
蒸発器から前記凝縮器に至る間で前記分岐部分より圧力
の低い合流部分に合流する追加管系と、前記冷媒のうち
前記主管系から転向して前記追加管系を流れる分岐冷媒
と前記冷媒のうち前記膨張機構で膨張した主冷媒であっ
て少なくとも前記蒸発器内の上流側部分より上流側の主
冷媒との間の熱交換を可能にする熱交換手段と、前記分
岐冷媒の流量調整を可能にする流量調整手段と、を有す
ることを特徴とする。

【０００８】請求項２の発明は、上記に加えて、前記流
量調整手段は、制御対象によって制御可能な制御弁であ
ることを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本発明を適用した冷凍回路
の構成例を示す。冷凍回路は、通常の構成として、冷媒
の流れ方向に順次、圧縮機１、凝縮器２、キャピラリー
チューブ等の膨張機構３、蒸発器４等を結合した主管系
５を備えている。なお、図示の凝縮器２は水冷式のもの
であるが、空冷式等であってもよいことは勿論である。
このような冷凍回路は、冷熱を利用する種々の装置に適
用されるが、以下では主として環境試験装置に用いた例
について説明する。

【００１０】冷凍回路の特徴部分としては、主管系５の
うち圧縮機１から凝縮器２に至る間の分岐部分である上
流側５（５１）から分岐して蒸発器４から凝縮器２に至
る間で上流側より圧力の低い合流部分である下流側５
（５２）に合流した追加管系としてのホットガス系６、
上記冷媒のうち主管系５から転向してホットガス系６を
流れる分岐冷媒としての圧縮機１を出たホットガスと上
記冷媒のうち膨張機構３で膨張した主冷媒としての冷媒
液との間の熱交換を可能にする熱交換手段としての独立
した冷媒ヒータ７、ホットガスの流量調整を可能にする
流量調整手段としての電子膨張弁８等を有する。符号９
は、ホットガス系への分流を可能にする絞り弁であり、
下流側５（５２）の圧力を上流側５（５１）の圧力より
低くする作用をする。

【００１１】ホットガス系６は通常圧縮機１に近い部分
の配管系から分岐されるが、圧縮機自体の吐出管から分
岐されてもよい。又、冷凍回路が利用される環境試験装
置等で温湿度の高い条件がある場合には、圧縮機の圧縮
熱をできるだけ多く利用できるように、ホットガスを全
量バイパス可能な管サイズであることが望ましい。冷媒
ヒータ７は例えば通常のシェルアンドチューブ型の熱交
換器であり、その管内には低温の冷媒液が流され、管外
にはホットガスが導入される。そして、両者間で効率良
く熱交換を行わせることによって冷媒液を部分的に蒸発
させ、運転条件に応じてその保有する冷凍能力を調整
し、循環空気の冷却能力を調整することができる。

【００１２】図２は、本発明の冷凍回路を使用できる一
例である環境試験装置の概略構造を示す。環境試験装置
は通常の構造のものであり、試料Ｗの入れられる試験室
１０１、諸機器の配置される空調室１０２、循環空気の
流れ方向の順に設けられた前記蒸発器４、加湿器１０
３、加熱器１０４、送風機１０５、試験室内の温度及び
湿度を検出する温度センサ１０６及び湿度センサ１０
７、試験室内の試験すべき温湿度を設定する設定部１０
８ａを備えた制御装置１０８等を有する。加熱器１０４
及び加湿器１０３のヒータ出力は、蒸発器４で除湿及び
冷却された循環空気が設定部１０８ａで設定した試験室
内の温湿度になるように制御装置１０８によって制御さ
れる。なお、環境試験装置としては、加湿器を備えず、
低温から高温まで温度条件だけを調整する形式のもので
あってもよい。

【００１３】ホットガス用の電子膨張弁８は、例えばス
テッピングモータで駆動され、制御装置１０８からステ
ッピングモータにパルス信号を与えることにより、パル
ス数に応じた開度に制御される。パルス数は、制御対象
としての設定及び実測温湿度や加熱及び加湿ヒータの出
力等により、省エネ効果が大きく温湿度の制御性の良い
ように決められる。又、制御盤の図示しない操作部から
パルス数を与えることにより、電子膨張弁を手動操作す
ることもできる。

【００１４】図３は本発明を適用した他の冷凍回路の構
成例を示す。図４は図３と共に熱交換手段を内蔵する蒸
発器４の概略構造の一例を示し、図３のものを紙面に平
行の方向から見た図である。本例の冷凍回路は、図１の
ものと同様のホットガス系６及び電子膨張弁８と共に、
熱交換手段として図１の独立の冷媒ヒータ７に代えて蒸
発器４の一部分を構成するバランスゾーン１０を有す
る。

【００１５】蒸発器４は、矢印で示す循環空気の流れ方
向に平行に多数枚配列されたフィン４１、図４において
多数の丸で示す位置でフィン４１を貫通し拡管等によっ
て圧接するように取り付けられ実線及び破線で示すよう
に幅方向の両側で結合された蒸発管４２、これらの配列
においてピッチ間隔の開いているバランスゾーン１０に
おいて蒸発管４２の間でこれらと同様に同じフィン４１
に接合された加熱管１０ａ、図を分かり易くするために
図において上方に分離して示す冷媒液入口の分流器４３
及び分流管４３ａ、冷媒の気化した冷媒ガス出口のヘッ
ダー４４、ホットガス入口のヘッダー１０ｂ、液化した
ホットガス出口のヘッダー１０ｃ、等によって構成され
ている。

【００１６】このような蒸発器は、図１、２に示す通常
の蒸発器に較べて、バランスゾーン１０が設けられてい
て、この部分で蒸発管４２のピッチ間隔が広がっている
点が相違する。又、この蒸発器を有する図３に示す冷凍
回路も、図２の環境試験装置に適用することができるも
のである。

【００１７】図５及び図６はそれぞれ図１及び図３に対
応した図で、本発明を適用した冷凍回路の更に他の例を
示す。これらの例では、ホットガス系６は、圧縮機１か
ら凝縮器２に至る間の分岐部分から分岐し、蒸発器４か
ら凝縮器２に至る間で分岐部分より圧力の低い合流部分
である圧縮機２の吸入側５（５３）に合流するように設
けられている。この合流部分にはキャピラリーチューブ
等の膨脹機構６１が設けられる。図１及び図３のホット
ガス系６では、圧縮機１や凝縮器２を含む主管系５の冷
媒流量が常に一定流量に維持され、冷凍回路の安定性が
良いが、電子膨脹弁８等の膨脹機構及び冷媒ヒータ７や
管系の抵抗によって凝縮器２の圧力が低下する。そのた
め、凝縮器２における冷媒飽和温度と冷却水や冷却空気
の温度との温度差を確保するために、圧縮機１の圧力を
高くしなければならない場合がある。これに対して図５
及び図６のホットガス系６では、ホットガスを圧縮機１
の吸入側に戻すので、必然的に大きな差圧が得られ、ホ
ットガス系６へ冷媒を容易に流すことができる。又、こ
の系の冷媒は冷媒ヒータ７によって冷却されて低温にな
るため、圧縮機を冷却したり、圧縮機の吐出ガス温度の
上昇を抑制する効果も生ずる。

【００１８】図７及び図８は、それぞれ、図５に示す冷
媒ヒータ７を備えた独立ヒータ方式の冷凍回路を持ち図
２の環境試験装置から加湿器１０３を省略した構造の環
境試験装置を用いて、手動操作によって電子膨張弁８に
与えるパルス数を変化させる実験を行ない、加熱及び加
湿ヒータの出力の変化状態を調べた結果の一部分を示
す。

【００１９】図７（ａ）では、環境試験装置の試験室内
の運転温度を最低の−４０°Ｃに設定して冷凍回路及び
諸機器を運転し、電子膨張弁８にパルス数として０、５
０及び１００を与え、ホットガスライン６及び冷媒クー
ラ７にそれぞれのパルス数に応じたホットガス量を流
し、室内温度の安定したときの加熱器のヒータ出力を測
定している。その結果、０パルスでホットガス流量が０
のときには、冷媒ヒータ７における冷媒とホットガスと
の熱交換がなく、蒸発器を流れる冷媒の冷却熱量が最大
の状態に維持され、循環空気を冷却する効果が大きくこ
れを過剰に冷やすため、再加熱のために３００Ｗのヒー
タ出力が必要になっている。

【００２０】一方、パルス数を１００まで上げると、冷
媒ヒータにおける熱交換量が多くなり、蒸発器を流れる
冷媒液がある程度蒸発してその冷却能力を下げ、循環空
気の温度低下量が減少し、加熱ヒータ出力は２０Ｗまで
低下している。従ってこの例では、本発明の冷凍回路に
よってヒータ出力を３００Ｗから２０Ｗまで低下させる
ことができ、この程度の最低ヒータ出力で温度制御性を
維持できるとすれば、冷媒ヒータによって９３％の省エ
ネ効果が得られることになる。

【００２１】図７（ｂ）は運転温度を−２０°Ｃに設定
した例で、０パルスのときのヒータ出力９７０Ｗである
のに対して、パルス数を３００にすることにより、ヒー
タ出力は２０Ｗまで下がっている。従って、９８％もの
省エネが可能である。同図（ｃ）では、運転温度を最高
の８０°Ｃに設定し、パルス数を０、５０、１００、２
００、３００、４００、及び４９０まで変化させてい
る。この例では、パルス数０の時の最大ヒータ出力１８
００Ｗに対して、パルス４９０では７５０Ｗまで低下
し、出力値で１０５０Ｗ、低下率で５８％の省エネが可
能である。

【００２２】図８（ａ）は、図２のように加熱器及び加
湿器を備えた環境試験装置によって試験室内の運転温湿
度を低温高湿である１０°Ｃ／相対湿度９０％に設定
し、電子膨張弁８にパルス数として０、５０、１００、
及び２００を与えた試験結果を示す。０パルスでは、蒸
発器を流れる冷媒の冷却熱量が多いために循環空気の冷
却効果及び除湿効果が大きく、再加熱及び再加湿のため
にそれぞれ４１０Ｗ及び７５０Ｗの加熱器及び加湿器の
ヒータ出力が必要になっている。パルス数を２００にす
ると、前記ヒータ出力はそれぞれ１３０Ｗ及び２６０Ｗ
になった。従って、両ヒータの合計出力としての省エネ
効果は６６％である。

【００２３】同図（ｂ）は４０°Ｃ／９０％の運転条件
のときであり、０パルス、３００パルスで加熱／加湿ヒ
ータ出力の合計値はそれぞれ１４６０Ｗ、３２０Ｗにな
り、出力で１１４０Ｗ、低減率で７８％という大きな省
エネ効果が得られる。同図（ｃ）は温湿度最大の８０°
Ｃ／９０％の運転条件のときであり、同様に０パルスと
３００パルスで合計出力が１９２５Ｗと８１０Ｗにな
り、同様に１１１５Ｗ、５８％という大きな省エネ効果
になっている。

【００２４】次の表１は、図７及び図８の結果を含み実
験結果の全体を取りまとめた表である。又、図７及び図
８では示さなかったが、この表では、図６に示す蒸発器
のバランスゾーン１０を用いた蒸発器利用方式の冷凍回
路の実験結果及び従来の循環空気再熱方式の参考実験結
果も示している。なお、表の出力最大値及び最小値は、
それぞれの実験毎に与えたパルス数の最小値及び最大値
のときにおける出力値である。

【００２５】

【表１】

【００２６】この表によれば、独立ヒータ方式では全て
の温湿度範囲において大きな省エネ効果が得られてい
る。又、蒸発器利用方式では、中間温度の４０°Ｃ程度
以下の低温条件で省エネ効果があり、２０°以下では特
に大きな省エネ効果が得られている。この省エネ効果
は、例えば同じ２０°及び４０°Ｃにおける従来型循環
空気再熱方式の４３％及び３１％より十分大きく、１０
０％（実際には制御性から９５％程度になる）及び５１
％になっている。このような差は、本発明では、ホット
ガスによって蒸発器フィンを介して直接的に冷媒を加熱
しているため、循環空気を再熱するよりも大幅に熱交換
性能が向上していることに依る。なお、４０°Ｃ、９０
％では、ホットガス系を設けない場合の加熱／加湿合計
出力が１４６０Ｗであったため、この条件が省エネ効果
の生ずるほぼ上限である。

【００２７】電子膨張弁８は、既述の如く運転すべき設
定温湿度等によって制御されるが、以上のような実験結
果が得られ諸特性が明らかになっている環境試験装置に
適用する場合には、制御装置１０８にそれぞれの運転温
湿度条件に対応して省エネ効果の大きくなるパルス数を
記憶させ、これを基準として設定温湿度条件等に基づい
て電子膨張弁８を介して冷凍能力を制御できる。その結
果、従来の種々の冷凍能力制御方式よりも大きな省エネ
効果を得ることができる。又、これと共に大きな冷凍能
力調整作用を得ることができる。なお、図１及び図３の
冷凍回路では、常に同程度の冷媒が循環されるので、運
転の安定性が良い。

【００２８】又、本発明によれば、圧縮機のホットガス
で蒸発器に供給する冷媒を加熱するので、環境試験装置
等において温度保持のために必要な熱量が圧縮機の軸動
力以下の場合には、圧縮機における圧縮仕事の熱量で冷
媒を加熱すると共に、電子膨張弁のパルス数を室内の保
持温度に対応させて無段階に制御することにより、加熱
器を省略することが可能になる。この場合には、省エネ
と共に設備費用の低減が図られる。

【００２９】更に、冷媒加熱による冷却能力の低下によ
って蒸発器内の温度が上がるため、ノンフロスト運転域
を拡大することができる。又、蒸発管表面温度の上昇に
より、蒸発器における顕熱比を上げ、高湿条件等におけ
る無駄な除湿量を減らし、省エネに加えて加湿器の小型
化を図ることができる。

【００３０】なお以上では、冷凍回路が環境試験装置に
適用される例を示したが、例えば冷蔵庫や他の空調設備
など、本発明は冷凍回路の冷熱源を用いて温度又は温湿
度調整をするような装置に広く適用できるものである。
又、環境試験装置等では運転状態が通常自動制御される
ため電子膨張弁の例を示したが、冷凍回路の利用される
装置によっては、手動もしくは遠隔手動の流量調整手段
を用いることも可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上の如く本発明によれば、請求項１の
発明においては、圧縮機と凝縮器との間の主管系から追
加管系を分岐し、この追加管系に、その中を流れる分岐
流体であるホットガスと膨張機構で膨張した低温の主冷
媒とを熱交換させる熱交換手段及びホットガスの流量調
整手段を設けるので、流量調整手段によってホットガス
流量を調整することにより、熱交換手段における熱交換
量を調整し、主冷媒の有する低熱源としての熱量を調整
することができる。

【００３２】この場合、再熱方式のように蒸発器を通過
する循環空気等の被冷却媒体のみを加熱するのではな
く、蒸発器の冷媒を直接的にホットガスで加熱するの
で、熱交換効率が良い。従って、冷凍能力の調整効果が
大きいと共に、過大な冷凍能力を削減し、被冷却気体等
の温湿度条件を調整するための再加熱や再加湿に要する
熱量を減少させ、大きな省エネ効果を得ることができ
る。

【００３３】更に、ホットガス供給において圧縮機の圧
縮仕事によって発生した熱量を利用できるので、この熱
量が環境試験装置等において温度保持のために必要な加
熱熱量以上である場合には、加熱器の省略が可能にな
る。その結果、装置や制御機構が簡素になり設備費用の
低減が図られる。そして更に、主冷媒を加熱することに
よって蒸発器内の温度が上がるため、無着霜運転の可能
な温湿度域を拡大することができる。又、湿度調整を行
う装置において、蒸発管表面温度の上昇により、蒸発器
における顕熱比を上げ、高湿条件等における無駄な除湿
量を減らし、省エネと共に加湿器の小型化も可能にな
る。

【００３４】又、以上のようにホットガスと主冷媒とが
効率良く熱交換することによってホットガスの保有熱量
が十分低下するため、追加管系を分岐部分より下流側で
凝縮器の前に合流させると、これを凝縮器で全て低熱量
の液冷媒にするときに冷却水等の冷却媒体の必要流量が
減少し、この点でも省エネ効果を得ることができる。一
方、このように分岐した追加管系でホットガスを熱交換
させても、これを再び主管系に合流させるので、冷凍回
路の冷媒循環量をほぼ同程度の流量に維持でき、冷凍回
路の動作状態の安定性を確保することができる。

【００３５】一方、追加管系を圧縮機の入口側に合流さ
せると、追加管系における分岐部分と合流部分との差圧
が大きいので、このラインに冷媒を流すのが極めて容易
になる。又、追加管系の冷媒は熱交換手段によって冷却
されて低温になるため、圧縮機を冷却したり、圧縮機の
吐出ガス温度の上昇を抑制する効果がある。

【００３６】請求項２の発明においては、流量調整手段
を制御対象によって制御可能な制御弁にするので、例え
ば環境試験装置のように設定温湿度等の制御対象を与え
ることにより、自動的に流量調整手段の流量を調整し、
自動的に冷凍能力の調整と省エネ効果とが得られる自動
運転装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した冷凍回路の一例を示す説明図
である。

【図２】上記冷凍回路を適用できる環境試験装置の一例
を示す説明図である。

【図３】本発明を適用した他の冷凍回路を例を示す説明
図である。

【図４】上記冷凍回路の熱交換手段であるバランスゾー
ンを備えた蒸発器の説明図である。

【図５】本発明を適用した冷凍回路の更に他の例を示す
説明図である。

【図６】本発明を適用した冷凍回路の更に他の例を示す
説明図である。

【図７】（ａ）乃至（ｃ）は本発明を適用した装置を用
いた実験結果の一例を示すグラフである。

【図８】（ａ）乃至（ｃ）は本発明を適用した装置を用
いた実験結果の他の例を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 凝縮器 ３ 膨張機構 ４ 蒸発器 ５ 主管系 ６ ホットガス系（追加管系） ７ 冷媒ヒータ（熱交換手段） ８ 電子膨張弁（流量調整手段） １０ バランスゾーン（熱交換手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊賀 弘 大阪府大阪市北区天神橋３丁目５番６号 タバイエスペック株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒の流れ方向に順次圧縮機と凝縮器と
   膨張機構と蒸発器とを結合した主管系を備えた冷凍回路
   において、 前記主管系のうち前記圧縮機から前記凝縮器に至る間の
   分岐部分から分岐して前記蒸発器から前記凝縮器に至る
   間で前記分岐部分より圧力の低い合流部分に合流する追
   加管系と、前記冷媒のうち前記主管系から転向して前記
   追加管系を流れる分岐冷媒と前記冷媒のうち前記膨張機
   構で膨張した主冷媒であって少なくとも前記蒸発器内の
   上流側部分より上流側の主冷媒との間の熱交換を可能に
   する熱交換手段と、前記分岐冷媒の流量調整を可能にす
   る流量調整手段と、を有することを特徴とする冷凍回
   路。
2. 【請求項２】 前記流量調整手段は、制御対象によって
   制御可能な制御弁であることを特徴とする請求項１に記
   載の冷凍回路。