特開 2023-66866 冷凍装置および冷凍装置の運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023066866

(43)【公開日】2023-05-16

(54)【発明の名称】冷凍装置および冷凍装置の運転方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20230509BHJP

   F25B 11/02 20060101ALI20230509BHJP

   F25B 47/02 20060101ALI20230509BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20230509BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 301

F25B9/00 J

F25B11/02 B

F25B47/02 520Z

F25B1/00 101D

F25B1/00 101G

F25B1/00 101J

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021177703

(22)【出願日】2021-10-29

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107641

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 耕一

(74)【代理人】

【識別番号】100168273

【弁理士】

【氏名又は名称】古田 昌稔

(72)【発明者】

【氏名】倉本 哲英

(72)【発明者】

【氏名】本間 雅也

(72)【発明者】

【氏名】田口 英俊

(72)【発明者】

【氏名】引地 巧

(57)【要約】

【課題】空気を冷媒として用いた冷凍装置においてエネルギー効率の高い除霜運転を可能にする技術を提供する。
【解決手段】冷凍装置１００は、圧縮機１、第１熱交換器２、高圧部３１、膨張機４、第１接続部５１、第２接続部５２、および低圧部３２を有し、冷媒がこれらの要素をこの順番で流れるように構成され、高圧部３１を流れる冷媒と低圧部３２を流れる冷媒とを熱交換させる第２熱交換器３が設けられた主回路１０と、第１接続部５１および第２接続部５２に接続されるべき冷凍庫５を迂回する第１バイパス経路６と、を備える。冷媒は、空気である。冷凍装置１００では、除霜運転時に、第１熱交換器２における冷媒の冷却熱量を減少させ、かつ、冷媒を第１バイパス経路６に流す。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧縮機、第１熱交換器、高圧部、膨張機、第１接続部、第２接続部、および低圧部を有し、冷媒がこれらの要素をこの順番で流れるように構成され、前記高圧部を流れる前記冷媒と前記低圧部を流れる前記冷媒とを熱交換させる第２熱交換器が設けられた主回路と、
前記第１接続部および前記第２接続部に接続されるべき冷凍庫を迂回する第１バイパス経路と、
を備え、
前記冷媒は、空気であり、
除霜運転時に、前記第１熱交換器における前記冷媒の冷却熱量を減少させ、かつ、前記冷媒を前記第１バイパス経路に流す、
冷凍装置。

【請求項2】

前記第１熱交換器を迂回する第２バイパス経路をさらに備え、
前記除霜運転時に、前記第２バイパス経路に前記冷媒を流すことによって前記第１熱交換器における前記冷媒の冷却熱量を減少させる、
請求項１に記載の冷凍装置。

【請求項3】

前記第１熱交換器は、前記冷媒が流れる冷媒経路、および前記冷媒を冷却するための冷却用媒体が流れる熱媒体経路を有し、
前記除霜運転時に、前記熱媒体経路を流れる前記冷却用媒体の温度を上昇させること、
および前記冷却用媒体の流量を減少させること、からなる群から選択される少なくとも１つを実施することによって前記第１熱交換器における前記冷媒の冷却熱量を減少させる、
請求項１に記載の冷凍装置。

【請求項4】

前記第２熱交換器の前記低圧部における入口圧力と出口圧力との差が開始圧力差を上回った場合、前記圧縮機の吸入圧力が開始圧力を下回った場合、および前記圧縮機の吸入温度が開始温度を下回った場合、からなる群より選択される少なくとも１つの条件が満たされたときに前記除霜運転が行われる、
請求項１から３のいずれか一項に記載の冷凍装置。

【請求項5】

前記除霜運転時に、前記圧縮機の吐出温度が目標温度に収斂する、および前記圧縮機の吐出圧力が目標圧力に収斂する、からなる群から選択される少なくとも１つを満たすように、前記除霜運転時に、前記第１熱交換器における前記冷媒の冷却熱量を調節する、
請求項１から４のいずれか一項に記載の冷凍装置。

【請求項6】

前記第２熱交換器の前記低圧部の入口圧力と出口圧力との差が終了圧力差を下回った場合、前記圧縮機の吸入圧力が終了圧力を上回った場合、および前記圧縮機の吸入温度が終了温度を上回った場合、からなる群より選択される少なくとも１つの条件が満たされたときに前記除霜運転が終了する、
請求項１から５のいずれか一項に記載の冷凍装置。

【請求項7】

前記除霜運転の終了と冷却運転の開始との間に、前記第１バイパス経路に前記冷媒を流しながら前記第１熱交換器における前記冷媒の冷却熱量を増加させる予備冷却運転を行う、
請求項６に記載の冷凍装置。

【請求項8】

前記主回路における前記第２接続部よりも下流側かつ前記低圧部よりも上流側に設けられ、前記冷媒に含まれる水分および氷を除去する分離器をさらに備えた、
請求項１から７のいずれか一項に記載の冷凍装置。

【請求項9】

前記主回路における前記低圧部よりも下流側かつ前記圧縮機よりも上流側に設けられ、前記冷媒に含まれる水分および氷を除去する分離器をさらに備えた、
請求項１から８のいずれか一項に記載の冷凍装置。

【請求項10】

前記主回路における前記膨張機よりも下流側かつ前記第１接続部よりも上流側に設けられ、前記冷媒に含まれる水分および氷を除去する分離器をさらに備えた、
請求項１から９のいずれか一項に記載の冷凍装置。

【請求項11】

圧縮機、第１熱交換器、高圧部、膨張機、第１接続部、第２接続部、および低圧部を有し、冷媒がこれらの要素をこの順番で流れるように構成され、前記高圧部を流れる前記冷媒と前記低圧部を流れる前記冷媒とを熱交換させる第２熱交換器が設けられた主回路と、
前記第１接続部および前記第２接続部に接続されるべき冷凍庫を迂回する第１バイパス経路と、
前記第１熱交換器を迂回する第２バイパス経路と、
を備え、
前記冷媒は、空気である、
冷凍装置。

【請求項12】

前記第２バイパス経路に配置されたバイパス弁をさらに備えた、
請求項２または１１に記載の冷凍装置。

【請求項13】

冷凍装置の運転方法であって、
前記冷凍装置は、
圧縮機、第１熱交換器、高圧部、膨張機、第１接続部、第２接続部、および低圧部を有し、冷媒がこれらの要素をこの順番で流れるように構成され、前記高圧部を流れる前記冷媒と前記低圧部を流れる前記冷媒とを熱交換させる第２熱交換器が設けられた主回路と、
前記第１接続部および前記第２接続部に接続されるべき冷凍庫を迂回する第１バイパス経路と、
を備え、
前記冷媒は、空気であり、
前記運転方法は、除霜運転時に、
前記第１熱交換器における前記冷媒の冷却熱量を減少させることと、
前記冷媒を前記第１バイパス経路に流すことと、
を含む、
冷凍装置の運転方法。

【請求項14】

前記冷凍装置は、前記第１熱交換器を迂回する第２バイパス経路をさらに備え、
前記除霜運転時に、前記第２バイパス経路に前記冷媒を流すことによって前記第１熱交換器における前記冷媒の冷却熱量を減少させる、
請求項１３に記載の冷凍装置の運転方法。

【請求項15】

前記冷凍装置において、前記第１熱交換器は、前記冷媒が流れる冷媒経路、および前記冷媒を冷却するための冷却用媒体が流れる熱媒体経路を有し、
前記除霜運転時に、前記熱媒体経路を流れる前記冷却用媒体の温度を上昇させること、
および前記冷却用媒体の流量を減少させること、からなる群から選択される少なくとも１つを実施することによって前記第１熱交換器における前記冷媒の冷却熱量を減少させる、
請求項１３に記載の冷凍装置の運転方法 。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、冷凍装置および冷凍装置の運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

空気を冷媒として用いた冷凍装置に関する種々の検討がなされている。空気を冷媒として用いた冷凍装置では、膨張機で膨張した低温空気が冷凍庫の内部に供給される。

【0003】

特許文献１は、空気を冷媒として冷凍サイクルを形成する空気冷媒式冷凍装置を開示している。特許文献１の冷凍装置では、圧縮機および冷熱回収用熱交換器を経た空気を、膨張機および冷凍庫を迂回して冷熱回収用熱交換器の冷凍庫からの回収空気側に流すバイパス路が設けられている。バイパス路を経て装置内の空気を循環させるデフロスト運転により、冷熱回収熱交換器の内部に付着した雪および氷を溶かして排出している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００８－２９８３２２号公報

【特許文献2】特開昭５８－１２４１６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本開示は、空気を冷媒として用いた冷凍装置においてエネルギー効率の高い除霜運転を可能にする技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示における冷凍装置は、
圧縮機、第１熱交換器、高圧部、膨張機、第１接続部、第２接続部、および低圧部を有し、冷媒がこれらの要素をこの順番で流れるように構成され、前記高圧部を流れる前記冷媒と前記低圧部を流れる前記冷媒とを熱交換させる第２熱交換器が設けられた主回路と、
前記第１接続部および前記第２接続部に接続されるべき冷凍庫を迂回する第１バイパス経路と、
を備え、
前記冷媒は、空気であり、
除霜運転時に、前記第１熱交換器における前記冷媒の冷却熱量を減少させ、かつ、前記冷媒を前記第１バイパス経路に流す。

【0007】

別の側面において、
本開示における冷凍装置は、
圧縮機、第１熱交換器、高圧部、膨張機、第１接続部、第２接続部、および低圧部を有し、冷媒がこれらの要素をこの順番で流れるように構成され、前記高圧部を流れる前記冷媒と前記低圧部を流れる前記冷媒とを熱交換させる第２熱交換器が設けられた主回路と、
前記第１接続部および前記第２接続部に接続されるべき冷凍庫を迂回する第１バイパス経路と、
前記第１熱交換器を迂回する第２バイパス経路と、
を備え、
前記冷媒は、空気である。

【0008】

また、本開示における冷凍装置の運転方法は、
冷凍装置の運転方法であって、
前記冷凍装置は、
圧縮機、第１熱交換器、高圧部、膨張機、第１接続部、第２接続部、および低圧部を有し、冷媒がこれらの要素をこの順番で流れるように構成され、前記高圧部を流れる前記冷媒と前記低圧部を流れる前記冷媒とを熱交換させる第２熱交換器が設けられた主回路と、
前記第１接続部および前記第２接続部に接続されるべき冷凍庫を迂回する第１バイパス経路と、
を備え、
前記冷媒は、空気であり、
前記運転方法は、除霜運転時に、
前記第１熱交換器における前記冷媒の冷却熱量を減少させることと、
前記冷媒を前記第１バイパス経路に流すことと、
を含む。

【発明の効果】

【0009】

本開示に係る技術は、空気を冷媒として用いた冷凍装置においてエネルギー効率の高い除霜運転を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態１における冷凍装置の構成図

【図2】変形例における冷凍装置の構成図

【図3】実施の形態１における冷凍装置の冷却運転時の冷媒の状態を示すモリエル線図

【図4】実施の形態１における冷凍装置の冷却運転中に着霜が進行したときの冷媒の状態を示すモリエル線図

【図5】実施の形態１における冷凍装置の除霜運転での制御を示すフローチャート

【図6】実施の形態１における冷凍装置の動作を示すタイミングチャート

【図7】実施の形態２における冷凍装置の構成図

【図8】実施の形態２における冷凍装置の除霜運転での制御を示すフローチャート

【図9】実施の形態３における冷凍装置の構成図

【発明を実施するための形態】

【0011】

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、空気を冷媒として用いた冷凍装置の基本構成は知られていた（例えば、特許文献２）。また、冷凍サイクルの内部に蓄積した氷または霜を除去する除霜運転に関しては、膨張機および冷凍庫を迂回させるバイパス路を用いた技術などが報告されている（例えば、特許文献１）。

【0012】

一方、本発明者らは、空気を冷媒として用いた冷凍装置において、圧縮機から吐出された冷媒を冷却する際に発生する熱量を利用して除霜を行うことにより、除霜運転のエネルギー効率の向上を図るという着想を得た。従来、圧縮機から吐出された冷媒を冷却する際に発生する熱量は、外部に捨てられていた。

【0013】

このような着想を実現するために、本発明者らは本開示の主題を構成するに至った。

【0014】

そこで、本開示は、空気を冷媒として用いた冷凍装置においてエネルギー効率の高い除霜運転が可能な技術を提供する。

【0015】

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細な説明、または、実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

【0016】

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

【0017】

（実施の形態１）
以下、図１および図２を用いて、実施の形態１を説明する。

【0018】

［１－１．構成］
図１は、実施の形態１における冷凍装置１００の構成図である。冷凍装置１００は、主回路１０、および第１バイパス経路６を備えている。主回路１０には冷媒が流れる。冷媒は空気である。以後、冷媒のことを単に空気と称することがある。

【0019】

主回路１０は、圧縮機１、第１熱交換器２、高圧部３１、膨張機４、第１接続部５１、第２接続部５２、および低圧部３２を有する。主回路１０は、冷媒としての空気がこれらの要素をこの順番で流れるように構成されている。主回路１０には、高圧部３１を流れる空気と低圧部３２を流れる空気とを熱交換させる第２熱交換器３が設けられている。

【0020】

第１バイパス経路６は、第１接続部５１および第２接続部５２に接続されるべき冷凍庫５を迂回する流路である。

【0021】

冷凍装置１００では、除霜運転時に、第１熱交換器２における空気の冷却熱量を減少させ、かつ、空気を第１バイパス経路６に流す。これにより、主回路１０を流れる空気の温度が上昇するので、除霜運転を効率的に行うことができる。

【0022】

主回路１０において、圧縮機１、第１熱交換器２、高圧部３１、膨張機４、冷凍庫５、および低圧部３２は、配管によって環状にこの順番で接続されている。本実施の形態において、冷凍装置１００は、空気が閉鎖された回路を流れる、いわゆるクローズドサイクルではなく、空気が開放された回路を流れる、いわゆるオープンサイクルを採用している。そのため、主回路１０には、冷凍庫５の扉を介して外部の空気が出入りする。

【0023】

以下、冷凍装置１００の各構成要素について説明する。

【0024】

本実施の形態において、圧縮機１および膨張機４は、共通の回転軸４０で接続され、膨張機４で得られる動力を圧縮機１の動力補助に利用する膨張機一体型圧縮機である。

【0025】

圧縮機１は、空気を搬送する役割を担う。圧縮機１は、空気を圧縮して高温高圧の空気を生成する。圧縮機１は、遠心圧縮機などの速度型圧縮機である。

【0026】

第１熱交換器２は、空気経路２１および熱媒体経路２２を有する。空気経路２１は、主回路１０に含まれた部分であって、高温高圧の空気が流れる部分である。熱媒体経路２２は、空気を冷却するための冷却用媒体が流れる部分である。第１熱交換器２は、圧縮機１から吐出された高温高圧の空気を冷却する。第１熱交換器２において、空気経路２１を流れる空気と熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体とが熱交換することによって空気が冷却される。冷却用媒体は、水、ブライン、オイルなどの液体であり、典型的には水である。第１熱交換器２は、例えば、フィンチューブ式熱交換器などの気体－液体熱交換器である。第１熱交換器２は、プレート式熱交換器などの気体－液体熱交換器であってもよい。

【0027】

第２熱交換器３は、第１熱交換器２から排出された空気と、冷凍庫５から排出された空気とを熱交換させる。第２熱交換器３の高圧部３１に第１熱交換器２の空気経路２１から排出された空気が流れる。第２熱交換器３の低圧部３２に冷凍庫５から排出された空気が流れる。これにより、第１熱交換器２の空気経路２１から排出された空気は冷却され、冷凍庫５から排出された空気は加熱される。第２熱交換器３は、高圧の空気と低圧の空気とを熱交換させる気体－気体熱交換器である。第２熱交換器３は、典型的には、プレート式熱交換器である。

【0028】

膨張機４は、高圧の空気を膨張させて低温低圧の空気を生成する。本実施の形態では、膨張機４は、膨張タービンである。膨張機４は、典型的には、ラジアルタービンである。圧縮機１の型式が膨張機４の型式と同一である場合、共通の回転軸４０による動力回収の構造を採用しやすい。

【0029】

膨張機４から吐出された低温低圧の空気は、冷凍庫５に供給される。膨張機４から低温低圧の空気が吐出されるとき、冷凍庫５の内部における空気の圧力は、おおよそ大気圧である。冷凍庫５の内部における空気の温度は、例えば、－４０℃から－６０℃である。冷凍庫５の壁面には、外部から内部への熱の侵入を抑制するための断熱材が設置されている。冷凍庫５から排出された空気は、低圧部３２を経由して圧縮機１へと戻される。

【0030】

第１バイパス経路６は、主回路１０における膨張機４の吐出口よりも下流側かつ第１接続部５１よりも上流側の部分１０ｅと、主回路１０における第２接続部５２よりも下流側かつ低圧部３２の入口よりも上流側の部分１０ｄとを接続している。

【0031】

冷凍装置１００は、空気を冷凍庫５に流す第１運転モードと、空気を第１バイパス経路６に流す第２運転モードとを相互に切り替える少なくとも１つの弁を備えている。第１運転モードは、冷凍庫５に低温の空気を供給する冷却運転の運転モードである。第２運転モードは、第１バイパス経路６に空気を供給する除霜運転の運転モードである。少なくとも１つの弁は、三方弁であってもよく、二方弁であってもよい。なお、第２運転モードには、後述する予備冷却運転も含まれる。

【0032】

本実施の形態において、主回路１０と第１バイパス経路６との分岐位置には、三方弁６１が設けられている。主回路１０と第１バイパス経路６との合流位置には、三方弁６２が設けられている。三方弁６１および三方弁６２により、第１運転モードと第２運転モードとを切り替えることができる。

【0033】

図２は、変形例における冷凍装置１０１の構成図である。変形例において、上記分岐位置と第１接続部５１との間には、二方弁６３が設けられている。上記合流位置と第２接続部５２との間には、二方弁６４が設けられている。第１バイパス経路６には、二方弁６５が設けられている。このように、少なくとも１つの弁は、２つの三方弁６１および６２に代えて、複数（例えば、３つ）の二方弁を含んでいてもよい。三方弁よりも構造がシンプルな二方弁を使用した場合には、低コスト化を図ることができる。三方弁と１または複数の二方弁との組み合わせが使用されてもよい。

【0034】

本実施の形態において、冷凍装置１００は、第２バイパス経路７を備えている。第２バイパス経路７は、第１熱交換器２を迂回する流路である。第２バイパス経路７は、主回路１０における圧縮機１の吐出口よりも下流側かつ第１熱交換器２の入口よりも上流側の部分１０ａと、主回路１０における第１熱交換器２の出口よりも下流側かつ第２熱交換器３の高圧部３１の入口よりも上流側の部分１０ｂとを接続している。

【0035】

冷凍装置１００は、除霜運転時に、第２バイパス経路７に空気を流すことによって第１熱交換器２における空気の冷却熱量を減少させる。すなわち、第２バイパス経路７は、第１熱交換器２における空気の冷却熱量を減少させる手段の一例である。圧縮機１から吐出される空気の流量が一定であると仮定したとき、第２バイパス経路７を流れる空気の割合が増えれば増えるほど空気の冷却熱量は減少する。第２バイパス経路７を流れる空気の割合を減らすと空気の冷却熱量が増加する。本開示において、「第１熱交換器２における空気の冷却熱量」とは、第１熱交換器２における単位時間あたりの熱交換量を意味する。具体的には、「空気の冷却熱量」は、冷却前の空気の温度と冷却後の空気の温度との差に、単位時間あたりの空気の流量と空気の比熱とを乗じることによって算出される熱量を意味する。冷却前の空気の温度をＴ_before（℃）と定義し、冷却後の空気の温度をＴ_after（℃）と定義し、空気の流量をＦ（Ｌ／ｍｉｎ）と定義する。第１熱交換器２における空気の冷却熱量Ｈ（ｋＷ）は、（Ｔ_before－Ｔ_after）×Ｆ×１／６０（ｍｉｎ／ｓ）×Ｃ（ｋＪ／ｋｇ・℃）で算出される。Ｃは空気の比熱を示す。

【0036】

第２バイパス経路７には、バイパス弁７１が配置されている。バイパス弁７１は、開閉弁であってもよく、流量調節弁であってもよい。バイパス弁７１が流量調節弁であると、開度を０％から１００％の間の任意の開度に設定できるので、第２バイパス経路７を流れる空気の流量を容易に調節することができる。言い換えると、第２バイパス経路７を流れる空気の流量と、空気経路２１を流れる空気の流量との比率を調節することができる。このようにして、空気経路２１を流れる空気の流量を調節することで、第１熱交換器２における空気の冷却熱量を調節することができる。

【0037】

本実施の形態において、冷凍装置１００は、圧力センサ１１ａおよび圧力センサ１２ａをさらに備えている。圧力センサ１１ａは、第２熱交換器３の低圧部３２の入口圧力Ｐ₁₁を検出する。圧力センサ１２ａは、圧縮機１の吸入圧力Ｐ₁₂を検出する。圧力センサ１１ａおよび圧力センサ１２ａによって、低圧部３２における入口圧力と出口圧力との差ＰＤを検出できる。

【0038】

冷凍装置１００は、温度センサ１２ｂをさらに備えている。温度センサ１２ｂは、圧縮機１の吸入温度Ｔ₁₂を検出する。

【0039】

低圧部３２の入口圧力Ｐ₁₁とは、主回路１０における第２接続部５２よりも下流側かつ低圧部３２の入口よりも上流側の部分１０ｄにおける圧力を含む概念である。第２接続部５２から低圧部３２の入口までの配管長さが比較的短い範囲においては、空気の圧力は一定とみなすことができるからである。圧縮機１の吸入圧力Ｐ₁₂とは、主回路１０における低圧部３２の出口よりも下流側かつ圧縮機１の吸入口よりも上流側の部分１０ｃにおける圧力を含む概念である。圧縮機１の吸入温度Ｔ₁₂とは、部分１０ｃにおける温度を含む概念である。主回路１０において、低圧部３２の出口から圧縮機１の吸入口までの配管長さが比較的短い範囲においては、空気の圧力および温度は一定とみなすことができるからである。

【0040】

圧力センサ１１ａは、低圧部３２の入口に設けられていてもよい。圧力センサ１１ａは、低圧部３２の入口付近に設けられていてもよい。圧力センサ１２ａおよび温度センサ１２ｂは、低圧部３２の出口または圧縮機１の吸入口に設けられていてもよい。圧力センサ１２ａおよび温度センサ１２ｂは、低圧部３２の出口付近に設けられていてもよい。圧力センサ１２ａおよび温度センサ１２ｂは、圧縮機１の吸入口付近に設けられていてもよい。圧力センサ１２ａと温度センサ１２ｂとが、別の箇所に設けられていてもよい。

【0041】

本実施の形態において、冷凍装置１００は、圧力センサ１３ａをさらに備えている。圧力センサ１３ａは、圧縮機１の吐出圧力Ｐ₁₃を検出する。

【0042】

冷凍装置１００は、温度センサ１３ｂをさらに備えている。温度センサ１３ｂは、圧縮機１の吐出温度Ｔ₁₃を検出する。

【0043】

圧縮機１の吐出圧力Ｐ₁₃とは、主回路１０における圧縮機１よりも下流側かつ第１熱交換器２よりも上流側の部分１０ａにおける圧力を含む概念である。圧縮機１の吐出温度Ｔ₁₃とは、部分１０ａにおける温度を含む概念である。主回路１０において、圧縮機１の吐出口から第１熱交換器２の入口までの配管長さが比較的短い範囲においては、空気の圧力および温度は一定とみなすことができるからである。

【0044】

圧力センサ１３ａおよび温度センサ１３ｂは、圧縮機１の吐出口または第１熱交換器２の入口に設けられていてもよい。圧力センサ１３ａおよび温度センサ１３ｂは、圧縮機１の吐出口付近に設けられていてもよい。圧力センサ１３ａおよび温度センサ１３ｂは、第１熱交換器２の入口付近に設けられていてもよい。圧力センサ１３ａと温度センサ１３ｂとが、別の箇所に設けられていてもよい。

【0045】

本実施の形態において、冷凍装置１００は、温度センサ１４ｂをさらに備えている。温度センサ１４ｂは、膨張機４の吐出温度Ｔ₁₄を検出する。

【0046】

膨張機４の吐出温度Ｔ₁₄とは、主回路１０における膨張機４の吐出口よりも下流側かつ第１接続部５１よりも上流側の部分１０ｅにおける温度を含む概念である。主回路１０において、膨張機４の吐出口から第１接続部５１までの配管長さが比較的短い範囲においては、空気の温度は一定とみなすことができるからである。

【0047】

温度センサ１４ｂは、膨張機４の吐出口または第１接続部５１に設けられていてもよい。センサ１４は、膨張機４の吐出口付近に設けられていてもよい。センサ１４は、第１接続部５１付近に設けられていてもよい。

【0048】

後述する除霜運転の開始条件の成否および終了条件の成否を判断するために、低圧部３２における入口圧力と出口圧力との差ＰＤ、圧縮機１の吸入圧力Ｐ₁₂、および圧縮機１の吸入温度Ｔ₁₂からなる群より選択される少なくとも１つを使用することができる。

【0049】

後述する予備冷却運転の終了条件の成否を判断するために、膨張機４の吐出温度Ｔ₁₄を使用することができる。

【0050】

本実施の形態において、冷凍装置１００は、制御器８をさらに備えている。制御器８は、圧力センサ１１ａ、圧力センサ１２ａ、温度センサ１２ｂ、圧力センサ１３ａ、温度センサ１３ｂ、および温度センサ１４ｂから取得した信号に基づき、圧縮機１、膨張機４、三方弁６１、三方弁６２、およびバイパス弁７１などの冷凍装置１００の要素を制御する。また、制御器８は、後述する除霜運転の開始、除霜運転の終了、予備冷却運転の開始、および予備冷却運転の終了などの冷凍装置１００の運転の制御を行う。

【0051】

［１－２．動作］
以上のように構成された冷凍装置１００の動作について、さらに図３から図６を参照しながら説明する。

【0052】

まず、実施の形態１における冷凍装置１００の冷却運転時の空気の状態について、図３および図４を参照しながら説明する。

【0053】

図３は、冷凍装置１００の冷却運転時の空気の状態を示すモリエル線図である。本実施の形態において、「冷却運転時」とは、回路内に霜が発生していない、または霜が発生していてもその量が無視できる程度に少ない状態を意味する。冷却運転時、冷凍装置１００における空気の状態は、図３に示すモリエル線図に沿って変化する。

【0054】

図３において、横軸は比エンタルピ（単位質量あたりのエンタルピ）を示し、縦軸は圧力を示す。矢印ＣＭＰは、圧縮機１の圧縮による昇圧を表す。矢印ＩＣは、第１熱交換器２における、熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体と空気経路２１を流れる空気との熱交換による冷却を表す。矢印ＲＥ－Ｈは、第２熱交換器３における、高圧部３１と低圧部３２との熱交換による冷却を表す。矢印ＥＸＰは、膨張機４の膨張による降圧を表す。矢印ＦＲＺは、冷凍庫５における冷却負荷による加熱を表す。冷凍庫５の冷却負荷とは、冷凍庫５の内部に保存されている食品等の物品を冷却する際に発生する熱量、冷凍庫５の壁面を通じて外部から内部に侵入する熱量、および冷凍庫５の扉の開閉に伴い外部から内部に侵入する空気の熱量を含む。矢印ＲＥ－Ｌは、第２熱交換器３において、低圧部３２と高圧部３１との熱交換による加熱を表す。これらの矢印が表す作用によって、空気の状態は、状態（１）、状態（２）、状態（３）、状態（４）、状態（５）、状態（６）の順番に変化する。

【0055】

状態（１）は、部分１０ｃおける低圧高温の空気の状態を示す。

【0056】

状態（２）は、部分１０ａにおける、圧縮機１で圧縮された高圧高温の空気の状態を示す。状態（２）の空気は、状態（１）の空気の比エンタルピよりも大きい比エンタルピを有する。

【0057】

状態（３）は、部分１０ｂにおける、第１熱交換器２で冷却された高圧中温の空気の状態を示す。状態（３）の空気は、状態（２）の空気の比エンタルピよりも小さい比エンタルピを有する。

【0058】

状態（４）は、主回路１０における高圧部３１よりも下流側かつ膨張機４よりも上流側の部分１０ｆにおける、高圧部３１において低圧部３２との熱交換により冷却された高圧低温の空気の状態を示す。状態（４）の空気は、状態（３）の空気の比エンタルピよりも小さい比エンタルピを有する。

【0059】

状態（２）から状態（４）に至るまでの間において、実際には、第１熱交換器２の空気経路２１、高圧部３１、および接続配管の圧力損失により空気の圧力は徐々に低下していく。しかし、本実施の形態では、説明の簡略化のために、上記区間における圧力損失は無視できる程度に小さいものとして扱う。そのため、図３のモリエル線図において上記区間は水平で示される。

【0060】

状態（５）は、部分１０ｅにおける、膨張機４で膨張された低圧低温の空気の状態を示す。状態（５）において、空気の温度および比エンタルピが最小となる。

【0061】

状態（６）は、冷凍庫５の冷却負荷によって加熱された低圧中温の空気の状態を示す。状態（６）の空気は、状態（５）の空気に比べて比エンタルピが大きい。上述の通り、冷凍装置１００はオープンサイクルを採用しているため、冷凍庫５の内部における空気の圧力はおおよそ大気圧となる。

【0062】

低圧中温の状態（６）の空気は、低圧部３２において高圧部３１との熱交換により加熱されて低圧高温の状態（１）の空気となり、圧縮機１に戻る。状態（１）の空気は、状態（６）の空気の比エンタルピよりも大きい比エンタルピを有する。

【0063】

状態（５）から状態（１）に至るまでの間においても、実際には、冷凍庫５、低圧部３２、および接続配管の圧力損失により空気の圧力は徐々に低下していく。しかし、本実施の形態では、説明の簡略化のために、上記区間における圧力損失は無視できる程度に小さいものとして扱う。そのため、図３のモリエル線図において上記区間は水平で示される。

【0064】

通常、空気を冷媒として用いた冷凍装置では、低温部において空気の温度がマイナス領域となるため、低温部において空気中の水分が氷または霜として凍結し、蓄積する。これらの氷または霜を放置すると、配管および熱交換器の内部に氷または霜として付着して配管内部の流路断面積を減少させるため、圧力損失が増大する。配管および熱交換器の圧力損失が増大すると、冷凍装置の冷却性能の低下を招くため、蓄積した氷または霜を除去する除霜運転が必要となる。

【0065】

図４は、冷凍装置１００の冷却運転中に着霜が進行したとき、すなわち、除霜運転が必要なときの空気の状態を示すモリエル線図である。図４には、比較のために図３の冷却運転時のモリエル線図を破線で重ねて示している。なお、図４では、着霜の進行によるモリエル線図の変化の理解を容易にするため、実線と破線の違いを強調して記載している。そのため、図４は必ずしも実際の変化を記載しているものではないことを注記する。

【0066】

冷凍装置１００の内部に蓄積した氷または霜は、冷凍庫５の内部に保存されている食品等の物品から発生した水分、および冷凍庫５の扉の開閉に伴い外部から内部に侵入した空気中の水分に起因している。すなわち、冷凍庫５の内部で発生した水分は、冷凍庫５の内部の低温の空気によって冷却され、氷または霜に変化して空気中に混入した状態で冷凍庫５から吐出され、低圧部３２を通って圧縮機１へと移動する。このような氷または霜は、移動途中の配管の内壁面および／または低圧部３２の内壁面に堆積し、時間とともに着霜が進行する。冷凍庫５から圧縮機１の吸入口までの間で氷または霜として堆積しなかった水分の一部は、膨張機４の吐出口から冷凍庫５までの間の空気の温度が一番低下する部分で、氷または霜として空気中に析出する。または、配管の内壁面に着霜して蓄積する。

【0067】

このように、冷凍装置１００の低温部において着霜が進行すると、図４に示すように、モリエル線図は点線から実線へとその形状が変化する。

【0068】

冷凍庫５から低圧部３２までの部分１０ｄで着霜が進行すると、部分１０ｄにおける配管の内部および低圧部３２の内部の流路断面積が減少する。これにより、空気の圧力損失が増大し、モリエル線図は状態（１）から状態（１１）へと変化する。

【0069】

状態（１１）では、圧縮機１の吸入圧力が低下している。圧縮機１の吸入圧力が低下すると空気の比体積が大きくなる。そのため、運転回転数が同一の条件下では空気の流量が低下するとともに、状態（２１）に示されるように、圧縮機１から吐出される空気の圧力および温度が低下する。

【0070】

図４の実線で示されるモリエル線図の状態では、破線で示されるモリエル線図の状態に対して冷凍装置１００の冷却性能およびエネルギー効率が低下している。したがって、冷凍装置１００の低温部に蓄積した氷または霜を除去する除霜運転を行い、図４の破線で示されるモリエル線図に復帰させて、冷凍装置１００の冷却性能およびエネルギー効率の低下を抑制することが必要となる。

【0071】

次に、図１に示した構成を有する冷凍装置１００を例に、冷凍装置１００の運転の制御について、図５を参照しながら詳説する。図５は、冷凍装置１００の除霜運転での制御を示すフローチャートである。以下の説明では、冷却運転の制御と除霜運転の制御を中心に説明し、起動の制御および停止の制御については詳細を割愛する。

【0072】

ステップＳ１において、冷凍装置１００は冷却運転を行っている。すなわち、バイパス弁７１は閉鎖し、かつ、冷凍庫５に空気が流れている。

【0073】

ステップＳ２において、除霜運転を開始するかどうか判断する。具体的には、圧力差ＰＤ、圧力Ｐ₁₂、および温度Ｔ₁₂からなる群から選択される少なくとも１つを検出する。そして、圧力差ＰＤが開始圧力差ＰＤ_sを上回った場合、圧力Ｐ₁₂が開始圧力Ｐ_sを下回った場合、および温度Ｔ₁₂が開始温度Ｔ_sを下回った場合、からなる群から選択される少なくとも１つの条件が満たされているかどうか判断する。上記少なくとも１つの条件が満たされた場合、除霜運転が行われる。

【0074】

除霜運転を開始しない場合、ステップＳ１に戻り、冷却運転を継続する。

【0075】

ステップＳ３において、第１熱交換器２における空気の冷却熱量を減少させる。具体的には、バイパス弁７１を開放する。バイパス弁７１が開放されると、空気経路２１に空気が流れるとともに、第２バイパス経路７にも空気が流れる。これにより、空気経路２１を流れる空気の流量が減少するので、第１熱交換器２における空気の冷却熱量が減少する。したがって、比較的高温の空気が高圧部３１、膨張機４、第１バイパス経路６、および低圧部３２を流れるので、この区間に堆積した氷または霜を融解させることができる。

【0076】

ステップＳ４において、第１バイパス経路６に空気を流す。三方弁６１および三方弁６２を切り替えることにより、第１バイパス経路６に空気を流すことができる。冷凍庫５を迂回する第１バイパス経路６に空気を流すことで、比較的高温の空気が冷凍庫５の内部に供給されるのを防ぐことができる。これにより、冷凍庫５の内部の温度上昇を防ぐことができる。ステップＳ４の処理をステップＳ３の処理の前に行ってもよい。

【0077】

ステップＳ３では、バイパス弁７１の開度に応じて、空気経路２１を流れる空気の流量と第２バイパス経路７を流れる空気の流量とが調節される。バイパス弁７１が全開状態である場合を開度１００％と定義し、バイパス弁７１が全閉状態である場合を開度０％と定義する。本実施の形態において、「バイパス弁７１が開放」とは、バイパス弁７１の開度が、例えば、１０％から１００％の範囲にあることを意味する。

【0078】

一具体例では、開始圧力差ＰＤ_sは、０．０１ＭＰａである。ただし、開始圧力差ＰＤ_sは特に限定されない。開始圧力差ＰＤ_sは、第２熱交換器３のサイズに応じて設定されてもよい。

【0079】

一具体例では、開始圧力Ｐ_sは、０．０８ＭＰａ・ａｂｓである。ただし、開始圧力Ｐ_sは特に限定されない。開始圧力Ｐ_sは、圧力センサ１２ａの位置に応じて設定されてもよい。

【0080】

一具体例では、開始温度Ｔ_sは、０℃である。ただし、開始温度Ｔ_sは特に限定されない。開始温度Ｔ_sは、温度センサ１２ｂの位置に応じて設定されてもよい。

【0081】

ステップＳ５において、バイパス弁７１の開度を調節する。具体的には、圧縮機１の吐出温度Ｔ₁₃が目標温度Ｔ_tに収斂する、および圧縮機１の吐出圧力Ｐ₁₃が目標圧力Ｐ_tに収斂する、からなる群から選択される少なくとも１つを満たすように、第１熱交換器２における空気の冷却熱量を調節する。より具体的には、フィードバック制御またはフィードフォワード制御により、バイパス弁７１の開度を調節する。例えば、圧縮機１の吐出温度Ｔ₁₃が目標温度Ｔ_tよりも高い場合、バイパス弁７１の開度を減少させる。すると、空気経路２１を流れる空気の流量が増加し、第２バイパス経路７を流れる空気の流量が減少する。これにより、吐出温度Ｔ₁₃が低下する。同様に、圧縮機１の吐出圧力Ｐ₁₃が目標圧力Ｐ_tよりも高い場合、バイパス弁７１の開度を減少させる。すると、空気経路２１を流れる空気の流量が増加し、第２バイパス経路７を流れる空気の流量が減少する。これにより、吐出圧力Ｐ₁₃が低下する。また、逆に、圧縮機１の吐出温度Ｔ₁₃が目標温度Ｔ_tよりも低い場合、バイパス弁７１の開度を増加させる。すると、空気経路２１を流れる空気の流量が減少し、第２バイパス経路７を流れる空気の流量が増加する。これにより、吐出温度Ｔ₁₃が上昇する。同様に、圧縮機１の吐出圧力Ｐ₁₃が目標圧力Ｐ_tよりも低い場合、バイパス弁７１の開度を増加させる。すると、空気経路２１を流れる空気の流量が減少し、第２バイパス経路７を流れる空気の流量が増加する。これにより、吐出圧力Ｐ₁₃が上昇する。

【0082】

ステップＳ５では、バイパス弁７１の開度を徐々に減少させてもよい。バイパス弁７１の開度を徐々に増加させてもよい。バイパス弁７１の開度は、温度Ｔ₁₃と目標温度Ｔ_tとの偏差に応じた比例制御（Ｐ制御）によって決定してもよいし、応答性などを考慮したＰＩＤ制御によって決定してもよい。バイパス弁７１の開度は、圧力Ｐ₁₃と目標圧力Ｐ_tとの偏差に応じた比例制御（Ｐ制御）によって決定してもよいし、応答性などを考慮したＰＩＤ制御によって決定してもよい。

【0083】

本実施の形態において、開始温度Ｔ_sおよび目標温度Ｔ_tについて、Ｔ_s＜Ｔ_tが満たされる。

【0084】

本実施の形態において、開始圧力Ｐ_sおよび目標圧力Ｐ_tについて、Ｐ_s＜Ｐ_tが満たされる。

【0085】

一具体例では、目標温度Ｔ_tは、６０℃である。ただし、目標温度Ｔ_tは特に限定されない。目標温度Ｔ_tは、温度センサ１３ｂの位置に応じて設定されてもよい。

【0086】

ステップＳ６において、除霜運転を終了するかどうか判断する。具体的には、圧力差ＰＤ、圧力Ｐ₁₂、および温度Ｔ₁₂からなる群から選択される少なくとも１つを検出する。そして、圧力差ＰＤが終了圧力差ＰＤ_eを下回った場合、圧力Ｐ₁₂が終了圧力Ｐ_eを上回った場合、および温度Ｔ₁₂が終了温度Ｔ_eを上回った場合、からなる群より選択される少なくとも１つの条件が満たされているかどうか判断する。上記少なくとも１つの条件が満たされた場合、除霜運転が終了する。

【0087】

除霜運転を終了しない場合、ステップＳ５に戻り、冷却運転を継続する。

【0088】

ステップＳ７において、第１熱交換器２における空気の冷却熱量を増加させる。具体的には、バイパス弁７１を閉鎖する。バイパス弁７１が閉鎖されると、第２バイパス経路７に空気が流れず、空気経路２１のみに空気が流れる。これにより、空気経路２１を流れる空気の流量が復帰するので、第１熱交換器２の出口における空気の温度が低下する。

【0089】

本実施の形態において、「バイパス弁７１が閉鎖」とは、バイパス弁７１の開度が、０％であることを意味する。

【0090】

本実施の形態において、開始圧力差ＰＤ_sおよび終了圧力差ＰＤ_eについて、ＰＤ_s＞ＰＤ_eが満たされる。開始圧力Ｐ_s、目標圧力Ｐ_t、および終了圧力Ｐ_eについて、Ｐ_s＜Ｐ_t＜Ｐ_eが満たされる。開始温度Ｔ_s、目標温度Ｔ_t、および終了温度Ｔ_eについて、Ｔ_s＜Ｔ_t＜Ｔ_eが満たされる。

【0091】

一具体例では、終了圧力差ＰＤ_eは、０．０５ＭＰａである。ただし、終了圧力差ＰＤ_eは特に限定されない。終了圧力差ＰＤ_eは、第２熱交換器３のサイズに応じて設定されてもよい。

【0092】

一具体例では、終了圧力Ｐ_eは、０．０９ＭＰａ・ａｂｓである。ただし、終了圧力Ｐ_eは特に限定されない。終了圧力Ｐ_eは、圧力センサ１２ａの位置に応じて設定されてもよい。

【0093】

一具体例では、終了温度Ｔ_eは、５℃である。ただし、終了温度Ｔ_eは特に限定されない。終了温度Ｔ_eは、温度センサ１２ｂの位置に応じて設定されてもよい。

【0094】

ステップＳ８において、予備冷却運転を行う。具体的には、第１バイパス経路６に空気を流しながら第１熱交換器２における空気の冷却熱量を増加させる。より具体的には、バイパス弁７１を閉鎖するとともに、引き続き第１バイパス経路６に空気を流す。これにより、除霜運転の終了直後における比較的高温の空気が冷凍庫５の内部に供給されるのを防ぐことができる。膨張機４の吐出温度が徐々に低下するとともに、主回路１０の配管の温度を下げることができる。

【0095】

ステップＳ９において、予備冷却運転を終了するかどうか判断する。具体的には、温度Ｔ₁₄を検出する。そして、温度Ｔ₁₄が冷却開始温度Ｔ_cを下回ったかどうか判断する。温度Ｔ₁₄が冷却開始温度Ｔ_cを下回った場合、予備冷却運転が終了する。

【0096】

一具体例では、冷却開始温度Ｔ_cは、－７０℃である。ただし、冷却開始温度Ｔ_cは特に限定されない。冷却開始温度Ｔ_cは、センサ１４の位置に応じて設定されてもよい。

【0097】

予備冷却運転を終了しない場合、ステップＳ８に戻り、予備冷却運転を継続する。

【0098】

ステップＳ１０において、冷凍庫５に空気を流す。すなわち、冷却運転を開始する。具体的には、空気を第１バイパス経路６に流さずに、冷凍庫５に流す。三方弁６１および三方弁６２を切り替えることにより、空気を冷凍庫５に流すことができる。これにより、十分に冷却された空気を冷凍庫５の内部に供給することができる。

【0099】

このように、冷凍装置１００の運転方法は、除霜運転時に、第１熱交換器２における空気の冷却熱量を減少させることと、空気を第１バイパス経路６に流すことと、を含む。

【0100】

冷凍装置１００の運転方法では、除霜運転時に、第２バイパス経路７に空気を流すことによって第１熱交換器２における空気の冷却熱量を減少させる。

【0101】

冷凍装置１００の運転の制御は、制御器８によって行われる。この場合、制御器８は、図５のフローチャートの各処理を所定の制御周期で実行する。

【0102】

次に、図１に示した構成を有する冷凍装置１００を例に、冷凍装置１００の動作について、図６を参照しながら説明する。

【0103】

図６は、冷凍装置１００の動作を示すタイミングチャートである。図６では、理解を容易にするために、温度センサ１２ｂ、温度センサ１３ｂ、および温度センサ１４ｂを用いた場合を例示している。図６の上図において、縦軸は、温度センサ１２ｂによって検出された温度Ｔ₁₂、温度センサ１３ｂによって検出された温度Ｔ₁₃、および温度センサ１４ｂによって検出された温度Ｔ₁₄を示す。図６の中図において、縦軸は、バイパス弁７１の開度（％）を示す。図６の下図において、縦軸は、第１バイパス８の開通または非開通を示す。図６において、横軸は時間を示す。

【0104】

温度Ｔ₁₂が開始温度Ｔ_sを下回ったとき、除霜運転が行われる。すなわち、バイパス弁７１を開放し、かつ、空気を第１バイパス経路６に流す。図６では、このタイミングが「時間Ａ」で示されている。時間Ａにおけるバイパス弁７１の開度は、例えば、５０％である。

【0105】

除霜運転時、温度Ｔ₁₃が目標温度Ｔ_tに収斂するように、バイパス弁７１の開度を調節してもよい。このとき、第１バイパス経路６には、引き続き空気が流れている。図６は、温度Ｔ₁₃が目標温度Ｔ_tを下回ったとき、バイパス弁７１の開度を増加させた例を示している。図６では、このタイミングが「時間Ｂ」で示されている。時間Ｂにおけるバイパス弁７１の開度は、例えば、８０％である。

【0106】

温度Ｔ₁₂が終了温度Ｔ_eを上回ったとき、除霜運転が終了する。すなわち、バイパス弁７１を閉鎖する。図６では、このタイミングが「時間Ｃ」で示されている。時間Ｃにおけるバイパス弁７１の開度は、０％である。

【0107】

温度Ｔ₁₂が終了温度Ｔ_eを上回ったとき、バイパス弁７１を閉鎖するとともに、空気を第１バイパス経路６に流さずに、冷凍庫５に空気を流してもよい。

【0108】

除霜運転の終了後に、第１熱交換器２における空気の冷却熱量が復帰するまで、引き続き空気を第１バイパス経路６に流してもよい。すなわち、予備冷却運転が行われてもよい。図６は、予備冷却運転を行った例を示している。

【0109】

温度Ｔ₁₄が冷却開始温度Ｔ_cを下回ったとき、予備冷却運転が終了してもよい。すなわち、空気を第１バイパス経路６に流さずに、冷凍庫５に空気を流してもよい。図６では、このタイミングが「時間Ｄ」で示されている。

【0110】

［１－３．効果等］
本実施の形態では、除霜運転時に、バイパス弁７１が開放され、かつ、空気を第１バイパス経路６に流す。これにより、空気経路２１を流れる空気の流量が減少するので、第１熱交換器２における空気の冷却熱量が減少する。したがって、比較的高温の空気が高圧部３１、膨張機４、第１バイパス経路６、および低圧部３２を流れるので、この区間に堆積した氷または霜を融解させることができる。また、冷凍庫５を迂回する第１バイパス経路６に空気を流すことで、比較的高温の空気が冷凍庫５の内部に供給されるのを防ぐことができる。これにより、冷凍庫５の内部の温度上昇を防ぐことができる。

【0111】

以上の説明から理解されるように、本実施の形態によれば、従来は外部に排出されていた圧縮機１の吐出空気の熱量を利用したエネルギー効率が高い除霜運転が可能となる。

【0112】

本実施の形態では、圧力差ＰＤが開始圧力差ＰＤ_sを上回った場合、圧力Ｐ₁₂が開始圧力Ｐ_sを下回った場合、および温度Ｔ₁₂が開始温度Ｔ_sを下回った場合、からなる群から選択される少なくとも１つの条件が満たされたときに除霜運転が開始される。このように、除霜運転の開始タイミングが適正化されているので、除霜運転時間が最短化され、除霜運転および冷却運転のエネルギー効率が向上する。

【0113】

本実施の形態では、除霜運転時、温度Ｔ₁₃が目標温度Ｔ_tに収斂する、および圧力Ｐ₁₃が目標圧力Ｐ_tに収斂する、からなる群から選択される少なくとも１つを満たすように、バイパス弁７１の開度を調節してもよい。これにより、除霜運転中のサイクルにおける空気の急激な温度変動および圧力変動が抑制されるので、除霜運転中の冷凍装置１００の運転状態が安定しやすい。したがって、圧縮機１および膨張機４の信頼性、ひいては、冷凍装置１００の信頼性が向上する。

【0114】

本実施の形態では、圧力差ＰＤが終了圧力差ＰＤ_eを下回った場合、圧力Ｐ₁₂が終了圧力Ｐ_eを上回った場合、および温度Ｔ₁₂が終了温度_eを上回った場合、からなる群から選択される少なくとも１つの条件が満たされたときに除霜運転が終了する。このように、除霜運転の終了タイミングが適正化されているので、除霜運転時間が最短化され、除霜運転および冷却運転のエネルギー効率が向上する。

【0115】

本実施の形態では、除霜運転の終了後に、空気経路２１を流れる空気の流量が復帰するまで、引き続き空気を第１バイパス経路６に流してもよい。これにより、除霜運転の終了直後における比較的高温の空気が冷凍庫５の内部に供給されるのを防ぐことができる。したがって、冷凍庫５の内部の温度上昇を防ぐことができる。

【0116】

本実施の形態では、温度Ｔ₁₄が冷却開始温度Ｔ_cを下回った場合、空気を第１バイパス経路６に流さずに冷凍庫５に流してもよい。これにより、予備冷却運転を終了し、十分冷却された空気を冷凍庫５の内部に供給することができる。

【0117】

以下、他の実施の形態を例示する。以下では、先に説明した実施の形態と同一の機能を有する構成要素には同一番号を付して詳細な説明は省略することがある。

【0118】

（実施の形態２）
以下、図７を用いて、実施の形態２を説明する。

【0119】

［２－１．構成］
図７は、実施の形態２における冷凍装置２００を示す図である。冷凍装置２００では、除霜運転時に、熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体の温度を上昇させること、および冷却用媒体の流量を減少させること、からなる群から選択される少なくとも１つを実施することによって第１熱交換器２における空気の冷却熱量を減少させる。このことを除き、本実施の形態の冷凍装置２００は、実施の形態１における冷凍装置１００と同一の構成を有している。

【0120】

本実施の形態では、冷凍装置２００は、熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体の温度および流量からなる群から選択される少なくとも１つを調節する調節装置２３を備えている。調節装置２３は、熱媒体経路２２に設けられている。調節装置２３は、第１熱交換器２における空気の冷却熱量を減少させる手段の一例である。調節装置２３の一例は、流量を変更可能なポンプである。調節装置２３の他の例は、冷却用媒体（水）の温度を変更可能なチラーである。

【0121】

調節装置２３の構成は特に限定されない。調節装置２３は、熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体の温度および流量からなる群から選択される少なくとも１つを任意の値に設定することが可能な装置である。調節装置２３において、熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体の温度および流量からなる群から選択される少なくとも１つを任意の値に設定することで、第１熱交換器２における空気の冷却熱量を調節することができる。

【0122】

［２－２．動作］
次に、図７に示した構成を有する冷凍装置２００を例に、冷凍装置２００の運転の制御について、図８を参照しながら詳説する。図８は、冷凍装置２００の除霜運転での制御を示すフローチャートである。以下の説明では、実施の形態１で説明した冷凍装置１００の運転の制御と同一の内容については詳細な説明は省略することがある。

【0123】

ステップＳＴ１において、冷凍装置２００は冷却運転を行っている。すなわち、調節装置２３は作動しておらず、かつ、冷凍庫５に空気が流れている。

【0124】

ステップＳＴ２において、除霜運転を開始するかどうか判断する。除霜運転の開始条件は実施の形態１で説明した通りである。除霜運転の開始条件が満たされた場合、除霜運転が行われる。

【0125】

ステップＳＴ３において、第１熱交換器２における空気の冷却熱量を減少させる。具体的には、調節装置２３により熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体の温度を上昇させること、および冷却用媒体の流量を減少させること、からなる群から選択される少なくとも１つを実施する。これにより、第１熱交換器２における空気の冷却熱量が減少する。したがって、比較的高温の空気が高圧部３１、膨張機４、第１バイパス経路６、および低圧部３２を流れるので、この区間に堆積した氷または霜を融解させることができる。

【0126】

ステップＳＴ４において、第１バイパス経路６に空気を流す。三方弁６１および三方弁６２を切り替えることにより、第１バイパス経路６に空気を流すことができる。冷凍庫５を迂回する第１バイパス経路６に空気を流すことで、比較的高温の空気が冷凍庫５の内部に供給されるのを防ぐことができる。これにより、冷凍庫５の内部の温度上昇を防ぐことができる。ステップＳＴ４の処理をステップＳＴ３の処理の前に行ってもよい。

【0127】

ステップＳＴ５において、調節装置２３により熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体の温度および流量からなる群から選択される少なくとも１つを調節する。具体的には、圧縮機１の吐出温度Ｔ₁₃が目標温度Ｔ_tに収斂する、および圧縮機１の吐出圧力Ｐ₁₃が目標圧力Ｐ_tに収斂する、からなる群から選択される少なくとも１つを満たすように、第１熱交換器２における空気の冷却熱量を調節する。より具体的には、フィードバック制御またはフィードフォワード制御により、調節する。例えば、圧縮機１の吐出温度Ｔ₁₃が目標温度Ｔ_tよりも高い場合、調節装置２３により熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体の温度を低下させること、および冷却用媒体の流量を増加させること、からなる群から選択される少なくとも１つを実施する。これにより、吐出温度Ｔ₁₃が低下する。同様に、圧縮機１の吐出圧力Ｐ₁₃が目標圧力Ｐ_tよりも高い場合、調節装置２３により熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体の温度を低下させること、および冷却用媒体の流量を増加させること、からなる群から選択される少なくとも１つを実施する。これにより、吐出圧力Ｐ₁₃が低下する。また、逆に、圧縮機１の吐出温度Ｔ₁₃が目標温度Ｔ_tよりも低い場合、調節装置２３により熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体の温度を上昇させること、および冷却用媒体の流量を減少させること、からなる群から選択される少なくとも１つを実施する。これにより、吐出温度Ｔ₁₃が上昇する。同様に、圧縮機１の吐出圧力Ｐ₁₃が目標圧力Ｐ_tよりも低い場合、調節装置２３により熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体の温度を上昇させること、および冷却用媒体の流量を減少させること、からなる群から選択される少なくとも１つを実施する。これにより、吐出圧力Ｐ₁₃が上昇する。

【0128】

ステップＳＴ５では、調節装置２３により熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体の温度を徐々に低下させてもよく、徐々に上昇させてもよい。調節装置２３により熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体の流量を徐々に増加させてもよく、徐々に減少させてもよい。熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体の温度および流量からなる群から選択される少なくとも１つの任意の値への調節は、温度Ｔ₁₃と目標温度Ｔ_tとの偏差に応じた比例制御（Ｐ制御）によって決定してもよいし、応答性などを考慮したＰＩＤ制御によって決定してもよい。熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体の温度および流量からなる群から選択される少なくとも１つの任意の値への調節は、圧力Ｐ₁₃と目標圧力Ｐ_tとの偏差に応じた比例制御（Ｐ制御）によって決定してもよいし、応答性などを考慮したＰＩＤ制御によって決定してもよい。

【0129】

ステップＳＴ６において、除霜運転を終了するかどうか判断する。除霜運転の終了条件は実施の形態１で説明した通りである。除霜運転の終了条件が満たされた場合、除霜運転が終了する。

【0130】

ステップＳＴ７において、第１熱交換器２における空気の冷却熱量を増加させる。具体的には、調節装置２３による熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体の温度および流量からなる群から選択される少なくとも１つの調節を終了する。調節装置２３による上記調節を終了すると、第１熱交換器２における空気の冷却熱量が復帰するので、第１熱交換器２の出口における空気の温度が低下する。

【0131】

ステップＳＴ８において、除霜運転の終了と冷却運転の開始との間に、予備冷却運転を行う。具体的には、第１バイパス経路６に空気を流しながら第１熱交換器２における空気の冷却熱量を増加させる。より具体的には、調節装置２３による上記調節を終了するとともに、引き続き第１バイパス経路６に空気を流す。これにより、除霜運転の終了直後における比較的高温の空気が冷凍庫５の内部に供給されるのを防ぐことができる。膨張機４の吐出温度が徐々に低下するとともに、主回路１０を流れる空気の温度を下げることができる。

【0132】

ステップＳＴ９において、予備冷却運転を終了するかどうか判断する。予備冷却運転の終了条件は実施の形態１で説明した通りである。予備冷却運転の終了条件が満たされた場合、予備冷却運転が終了する。

【0133】

ステップＳＴ１０において、冷凍庫５に空気を流す。すなわち、冷却運転を開始する。具体的には、空気を第１バイパス経路６に流さずに、冷凍庫５に流す。三方弁６１および三方弁６２を切り替えることにより、空気を冷凍庫５に流すことができる。これにより、十分に冷却された空気を冷凍庫５の内部に供給することができる。

【0134】

このように、冷凍装置２００の運転方法は、除霜運転時に、第１熱交換器２における空気の冷却熱量を減少させることと、空気を第１バイパス経路６に流すことと、を含む。

【0135】

冷凍装置２００の運転方法では、除霜運転時に、熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体の温度を上昇させること、および冷却用媒体の流量を減少させること、からなる群から選択される少なくとも１つを実施することによって第１熱交換器２における冷媒の冷却熱量を減少させる。

【0136】

冷凍装置２００の運転の制御は、制御器８によって行われる。この場合、制御器８は、図８のフローチャートの各処理を所定の制御周期で実行する。

【0137】

［２－３．効果等］
本実施の形態では、除霜運転時に、調節装置２３が熱媒体経路２２を流れる冷却用媒体の温度および流量からなる群から選択される少なくとも１つを減少し、かつ、空気を第１バイパス経路６に流す。これにより、第１熱交換器２における空気の冷却熱量が減少する。したがって、比較的高温の空気が高圧部３１、膨張機４、第１バイパス経路６、および低圧部３２を流れるので、この区間に堆積した氷または霜を融解させることができる。また、冷凍庫５を迂回する第１バイパス経路６に空気を流すことで、比較的高温の空気が冷凍庫５の内部に供給されるのを防ぐことができる。これにより、冷凍庫５の内部の温度上昇を防ぐことができる。

【0138】

以上の説明から理解されるように、本実施の形態によれば、従来は外部に排出されていた圧縮機１の吐出空気の熱量を利用したエネルギー効率が高い除霜運転が可能となる。

【0139】

また、本実施の形態によれば、実施の形態１における第２バイパス経路６およびバイパス弁７１に代えて調節装置２３を用いているので、回路構成を簡略化できる。したがって、冷凍装置２００をコンパクト化することができるとともに、低コスト化が可能となる。

【0140】

（実施の形態３）
以下、図９を用いて、実施の形態３を説明する。

【0141】

［３－１．構成］
図９は、実施の形態３における冷凍装置３００を示す図である。冷凍装置３００は、空気に含まれる水分および氷を除去可能な分離器９１、分離器９２、および分離器９３からなる群から選択される少なくとも１つを備える。このことを除き、本実施の形態の冷凍装置３００は、実施の形態１における冷凍装置１００と同一の構成を有している。

【0142】

分離器９１は、主回路１０における第２接続部５２よりも下流側かつ低圧部３２の入口よりも上流側の部分１０ｄに設けられている。部分１０ｄは、空気に含まれる水分および氷の量が最も多いことが予想される区域である。これは、着霜の原因となる水分が、冷凍庫５に外部から搬入された保蔵物から発生する水分、または冷凍庫５の扉の開閉に伴い外部から侵入した空気に由来するためである。分離器９１により、特に、冷凍庫５の内部で発生した水分および氷を除去することができるので、空気中の氷または霜のさらなる生成が抑制される。そのため、除霜運転の頻度を減少させることができるので、冷凍装置３００のエネルギー効率が向上する。

【0143】

分離器９２は、主回路１０における低圧部３２の出口よりも下流側かつ圧縮機１の吸入口よりも上流側の部分１０ｃに設けられている。部分１０ｃは、第２熱交換器３の低圧部３２で空気が加熱されるため、空気が氷としてではなく水として存在することが予想される区域である。分離器９２により、特に、回路の内部で発生した水分を除去することができるので、空気中の氷または霜の生成が抑制される。そのため、除霜運転の頻度を減少させることができるので、冷凍装置３００のエネルギー効率が向上する。分離器９２は、除湿器であってもよい。

【0144】

分離器９３は、主回路１０における膨張機４の吐出口よりも下流側かつ第１接続部５１よりも上流側の部分１０ｅに設けられている。部分１０ｅは、主回路１０の中で空気の温度が一番低温になるので、空気に含まれる氷または霜の量が多いことが予想される区域である。分離器９３により、特に、膨張機４の吐出口付近で発生した氷または霜を除去することができるので、空気中の氷または霜のさらなる生成が抑制される。そのため、除霜運転の頻度を減少させることができるので、冷凍装置３００のエネルギー効率が向上する。

【0145】

分離器９１および分離器９３としては、空気中の水分および氷を物理的に除去可能な遠心式分離器またはエリミネータ式分離器などを採用することができる。分離器９２としては、空気中の水分を化学的に除去可能なゼオライト式除湿器などを採用することができる。

【0146】

分離器９１、分離器９２、および分離器９３からなる群から選択される少なくとも１つは、実施の形態２における冷凍装置２００に組み合わせることも可能である。

【0147】

［３－２．効果等］
本実施の形態では、冷凍装置３００の低温部に、分離器９１、分離器９２、および分離器９３からなる群から選択される少なくとも１つを設けることで、空気に含まれる水分および氷を除去することができる。これにより、冷却運転時に氷または霜の蓄積が進行することを抑制し、除霜運転の頻度を減少させることができる。

【0148】

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１から３を説明した。しかし、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略等を行った実施の形態にも適用できる。また、実施の形態１から３で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

【0149】

以下、他の実施の形態を例示する。

【0150】

実施の形態３を例示する図９では、冷凍装置３００は、分離器９１、分離器９２、および分離器９３のすべてを備えている。しかし、これら分離器については様々な組み合わせが可能である。冷凍庫５の内部の温度が比較的高く、例えば、－１０℃であって、冷凍庫５の内部に保存されている食品等の物品から発生する水分の量が少ない条件では、分離器９１、分離器９２、および分離器９３のすべてを設置しなくともよい。一方、冷凍庫５の内部の温度が低く、例えば、－６０℃であって、冷凍庫５の内部に保存されている食品等の物品から発生する水分の量が多い条件では、分離器９１、分離器９２、および分離器９３のすべてを設置してもよい。

【0151】

実施の形態１から３を例示する図１、図２、図７および図９では、圧力センサ１２ａおよび温度センサ１２ｂは、部分１０ｃに設けられている。しかし、圧力センサ１２ａおよび温度センサ１２ｂは、例えば、部分１０ｄに設けられてもよい。

【0152】

開始圧力差ＰＤ_sおよび終了圧力差ＰＤ_eとしては、運転条件および冷凍装置の仕様に応じて最適値を設定することができる。開始圧力Ｐ_s、目標圧力Ｐ_t、および終了圧力Ｐ_eとしては、運転条件および冷凍装置の仕様に応じて最適値を設定することができる。開始温度Ｔ_s、目標温度Ｔ_t、および終了温度Ｔ_eとしては、運転条件および冷凍装置の仕様に応じて最適値を設定することができる。

【0153】

実施の形態１から３では、圧縮機１および膨張機４は、共通の回転軸４０で接続された膨張機一体型圧縮機である。しかし、圧縮機１および膨張機４は、個別型の圧縮機１および膨張機４であってもよい。

【0154】

上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0155】

本開示に係る技術は、空気を冷媒として用いたオープンサイクルの冷凍装置に有用である。

【符号の説明】

【0156】

１ 圧縮機
２ 第１熱交換器
２１ 空気経路
２２ 熱媒体経路
２３ 調節装置
３ 第２熱交換器
３１ 高圧部
３２ 低圧部
４ 膨張機
４０ 回転軸
５ 冷凍庫
５１ 第１接続部
５２ 第２接続部
６ 第１バイパス経路
６１，６２ 三方弁
６３，６４，６５ 二方弁
７ 第２バイパス経路
７１ バイパス弁
８ 制御器
９１，９２，９３ 分離器
１０ 主回路
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ 部分
１１ａ 圧力センサ
１２ａ 圧力センサ
１２ｂ 温度センサ
１３ａ 圧力センサ
１３ｂ 温度センサ
１４ｂ 温度センサ
１００，１０１，２００，３００ 冷凍装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】