JP3747370B2

JP3747370B2 - 空気サイクル式冷却装置

Info

Publication number: JP3747370B2
Application number: JP2002086571A
Authority: JP
Inventors: 和夫古川; 良克高橋
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2022-03-26
Also published as: JP2003279183A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、要冷却室の空気を冷媒として冷却装置内に取り入れ、冷却装置で冷却された空気を要冷却室に直接吹き出すようにした空気サイクル式冷却装置に係り、特に、冷却系に滞留した氷片を効率良く除去する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気サイクル式冷却装置は、要冷却室の空気を冷媒として冷却装置内に取り入れ、この空気を圧縮した後に断熱膨張させたときの顕熱を利用して温度降下させ、この冷却空気を要冷却室に直接吹き出すようにしている。このような空気サイクル式冷却装置では、圧縮空気を断熱膨張させるときに空気に含まれる水分が微細な氷片に相変化（以下、このような生成物を「雪状物」、これの生成を「雪化」という）し、この雪状物が低温空気経路の管内で堆積成長して圧損を高め、場合によっては経路閉塞を起こして凍結トラブルに至るという問題がある。
【０００３】
上記のような空気中の水分の雪化による弊害を軽減することができる空気サイクル式冷却装置として、例えば特開平１１−１３２５８２号に開示された技術が知られている。この技術では、冷却空気が流通する経路の要冷却室の手前に、内部にメッシュフィルタとヒータを配置した着氷器を設け、断熱膨張により生成された雪化物をメッシュフィルタで捕捉するようにしている。
【０００４】
また、上記のような着氷器を設けた場合であっても、熱交換器や管路の屈曲部などには雪状物が堆積し易い。このため、上記提案に係る技術では、冷凍室の上流側と下流側の空気経路にバイパス経路を設け、冷凍室を冷却系から切り離して冷却系に温風を循環させるデフロストを行うようにしている。このデフロストを効率良く行うために、上記公報によれば、圧縮機から出た空気を、熱交換器を介さずにバイパス経路によって膨張機へ送り、空気を冷却しないようにしている。また、同公報に記載された他の例では、圧縮機および熱交換器から出た空気をバイパス経路によって熱交換器の低温側の戻り空気経路に送るようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に開示された技術のうち前者では、圧縮機から出た温風が膨張機や着氷器などを経て熱交換器に入るまでに冷却され、したがって、熱交換器内のデフロストが十分に行われないという欠点がある。また、上記公報に開示された技術のうち後者では、温風が膨張機よりも下流側へ送られないため、着氷器のデフロストが不充分になるという欠点がある。また、着氷器に設けたヒータが、着氷器以外の部分のデフロストに有効に利用できないという欠点もあった。
したがって、本発明は、圧縮機で生成された温風とヒータの熱エネルギーとをバランス良く利用することができ、デフロストを効率よく行うことができる空気サイクル式冷却装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の空気サイクル式冷却装置は、要冷却室内の空気を取り入れて圧縮する圧縮手段と、圧縮した空気を冷却する冷却手段と、冷却された空気を膨張させる膨張手段と、膨張により降温した冷却空気を要冷却室に流入させる空気サイクル式冷却装置において、要冷却室の上流側と下流側の空気経路に、両空気経路を互いに接続する第１バイパス経路を設けるとともに第１バイパス経路での空気の流れを開閉する弁を設け、膨張手段と要冷却室との間の空気経路に、内部にフィルタを配置した捕雪手段を介装し、冷却手段および膨張手段間の空気経路と捕雪手段とを第２バイパス経路を介して接続し、この第２バイパス経路での空気の流れを開閉する弁を設けたことを特徴としている。
【０００７】
上記構成の空気サイクル式冷却装置にあっては、デフロスト時に第１、第２バイパス経路が開放される。これにより、圧縮手段で圧縮され昇温した温風は、膨張手段を経ないで捕雪手段に流入するから、温風はその温度を維持したまま捕雪手段のデフロストに用いられる。そして、捕雪手段を出た温風は、第１バイパス経路を経て冷却手段に流入し、冷却手段のデフロストも行う。したがって、温風により捕雪手段と冷却手段のデフロストが行われるので効率が良く、デフロスト時間を短縮して空気サイクル式冷却装置の冷却性能を向上させることができる。
【０００８】
ここで、デフロストの効率をさらに向上させるために、第１バイパス経路に加熱手段を設けることが望ましい。また、第２バイパス経路に加熱手段を設けるとさらに好適である。これらバイパス経路には、通常の運転時には空気が流通しないから、加熱手段が圧力損失の原因になることはない。したがって、加熱手段をその能力が最大限発揮されるように自由に設計することができる。また、デフロストから通常運転に切り替えるときも、それら加熱手段の余熱は直ちに遮蔽することができる。さらに、捕雪手段から出た空気を第１バイパス経路側または要冷却室側のいずれかの方向へ流通させる３方向切替弁を１つ設けるだけで良い。
【０００９】
【発明の実施の形態】
Ａ．実施形態の構成
以下、本発明の好適な実施の形態について図１〜図６を参照して説明する。
図１は第１実施形態の空気サイクル式冷却装置の冷却系統を示す図である。図１において符号１は圧縮機（圧縮手段）である。圧縮機１には、その内部の翼車を回転させるためのモータ１０が接続されている。また、圧縮機１には、モータ１０を介して膨張機（膨張手段）２が接続されている。膨張機２には翼車が内蔵されている。圧縮機１の翼車の回転によって圧縮された空気は、膨張機２内に流入し、その際に翼車を回転させて断熱膨張する。また、その際の翼車の回転は、圧縮機１内の翼車の回転を補助する。圧縮機１（後述する低段圧縮機１ａも含む）および膨張機２の構成は、上記のものに限らず任意である。圧縮機１としては、往復圧縮機、ロータリー圧縮機、スクロール圧縮機、スクリュー圧縮機、遠心圧縮機など各種圧縮機を用いることができ、膨張機２も軸流タービン、遠心タービンその他任意のものを用いることができる。
【００１０】
図中符号３は冷却器（冷却手段）である。冷却器３は、圧縮機１により圧縮されて昇温した空気等を冷却するもので、第１冷却部３ａおよび第２冷却部３ｂおよび冷熱源３ｃとからなっている。冷却器３は、この実施形態では、冷熱源３ｃにファン３０を備え冷媒として空気を用いた空冷式のものを用いているが、冷媒として水を用いた水冷式のものや、冷媒にエチレングリコールなどの不凍液を用いたもの、あるいは、クーリングタワーなどを用いることができる。冷却器３で冷却された空気は、熱交換器（冷却手段）４に流入し、そこでさらに冷却されて膨張機２内に流入する。
【００１１】
膨張機２の下流側には捕雪器（捕雪手段）５が接続されている。捕雪器５の下流側には３方向切替弁Ｖを介して冷凍室（要冷却室）７が接続され、膨張機２によって膨張し降温した冷却空気が冷凍室７内に噴出するようになっている。なお、本発明は、冷却空気を冷凍室７内に直接供給する態様に限定されるものではなく、冷凍室７の内部に設けた配管内に冷却空気を流通させるような構成や、エチレングリコールなどのブラインを介して冷凍室７内を冷却する構成を用いることができる。冷凍室７と熱交換器４との間には捕雪器５が接続されている。冷凍室７および捕雪器５間の空気経路と、３方向切替弁Ｖとの間は第１バイパス経路８ａで接続され、第１バイパス経路８ａには、内部にダクトヒータ８０を備えた加熱器８が介装されている。加熱器８は、デフロスト時に循環する空気を昇温して温風にする。
【００１２】
熱交換器４と膨張機２とを接続する空気経路は、第２バイパス経路９ａによって捕雪器５に接続され、第２バイパス経路９ａには、開閉弁Ｖ１と、ダクトヒータ９０を備えた加熱器９がそれぞれ介装されている。この加熱器９は、デフロスト時に循環する空気を昇温して温風にする際に加熱器８の補助となるものである。なお、第２バイパス経路９ａは、膨張機２と捕雪器５とを接続する空気経路に接続することも可能である。
【００１３】
熱交換器４の下流側には低段圧縮機１ａが接続されている。低段圧縮機１ａは、モータ１０で駆動される翼車を備え、上記圧縮機１の吐出圧力よりも低い圧力まで空気を圧縮するようになっている。また、低段圧縮機１ａの下流側の空気経路は、冷却器３の第２冷却部３ｂに通され、低段圧縮機１ａにより圧縮されて昇温した空気を冷却するようになっている。第２冷却部３ｂで冷却された空気は、圧縮機１内に流入する。
【００１４】
以上は、図１の冷却系統に沿った説明であり、図１は冷却系統を各機能毎にブロック化して記載したものである。より具体的な実施形態では、加熱器８，９は、その下流側に配置された捕雪器５にそれぞれ内蔵されている。以下、図２〜６を参照して捕雪器５の詳細を説明する。なお、冷凍室７に供給する冷却空気が流通する往路に配置した捕雪器５と、冷凍室７内の空気が冷却系に戻る復路に配置した捕雪器５とでは構成が若干異なる。そこで、両者を区別して説明する必要がある場合には、捕雪器５に「往路」または「復路」を付すこととする。図２において符号５０はフィルタ組立体であり、フィルタ組立体５０は、捕雪器５の外郭を構成するチャンバ５１内に、図中右側へ１５度以上傾けて配置されている。チャンバ５１の壁部は断熱材料で構成されている。また、チャンバ５１の壁部には、入側開口５１ａ，５１ｂおよび出側開口５１ｅが設けられている。図２に示すように、フィルタ組立体５０の下側には、入側開口５１ｂとダクト５１ｃによって接続された加熱器８（または９）が配置されている。往路捕雪器５では、一方の入側開口５１ａは膨張機２に接続され、他方の入側開口５１ｂは第２バイパス経路９ａに接続されている。そして、往路捕雪器５では、通常運転時には入側開口５１ａから、デフロスト時には入側開口５１ｂからチャンバ５１内に空気が流入し、フィルタ組立体５０を通って上側の出側開口５１ｅからチャンバ５１外に流出する。一方、復路捕雪器５では、一方の入側開口５１ａは冷凍室７に接続され、他方の入側開口５１ｂは第１バイパス経路８ａに接続されている。そして、復路捕雪器５においても、通常運転時には入側開口５１ａから、デフロスト時には入側開口５１ｂからチャンバ５１内に空気が流入し、フィルタ組立体５０を通って上側の出側開口５１ｅからチャンバ５１外に流出する。
【００１５】
フィルタ組立体５０は、上下２段に構成されている。ただし、フィルタ組立体５０は、単体であってもよく、また、縦および／または横に何段何列連設したものであっても良い。図３は、フィルタ組立体５０の上側の部分５０ａを示す図である。図３において、符号５２はフレームであり、フレーム５２は、図４に示すように前後方向が開放されている。なお、フィルタ組立体５０の下側の部分５０ｂは上側の部分５０ａと同等に構成されている。このようなフィルタ組立体５０には、フィルタ積層体５３が取り付けられている。
【００１６】
図４に示すように、フィルタ積層体５３は、上から見てジグザグに折り曲げられている。図中の矢印は空気の流れる方向を示す。フィルタ積層体５３の折り曲げられた部分のうち下流側のものには、補強用のロッド５４が固定されている。また、フィルタ積層体５３の左右の縁部は、金具５５に固定されている。そして、フィルタ積層体５３は、ロッド５４および金具５５の両端部がフレーム５２に固定されることによりフレーム５２内に保持されている。
【００１７】
図５はフィルタ積層体５３の詳細を示す図である。フィルタ積層体５３は、上流側のメッシュフィルタ５３ａと、下流側の補強用メッシュ５３ｂとを重ね合わせたものである。メッシュフィルタ５３ａは、例えば＃２４９メッシュで目開き寸法が７０μｍのものが用いられている。このメッシュフィルタ５３ａの表面には、撥水性樹脂がコーティングされている。補強用メッシュ５３ｂは、メッシュフィルタ５３ａを補強するためのもので、メッシュフィルタ５３ａよりも遙かに目の粗い＃２．５メッシュ程度のものが用いられている。
【００１８】
上記構成のフィルタ組立体５０は、図２に示すように、上流側へ向け前傾した状態で枠体５６によってチャンバ５１内に支持されている。チャンバ５１の底部には、ドレインパン５７が配置され、フィルタ組立体５０から落下した雪状物を堆積するようになっている。また、後述するデフロスト時には、雪状物が融けた水がドレイン５８から排出される。
【００１９】
図６に示すように、チャンバ５１の開口５１ａ，５１ｅには、チャンバ５１の内側向けて拡開するブッシュ５９が取り付けられている。このブッシュ５１により、空気がチャンバ５１の内外にスムーズに出入りすることができ、圧力損失が軽減される。なお、このようなテーパ状のブッシュに代えて、端部がベルの開口部のように断面弧状に拡開するブッシュを用いることができる。この場合には、ブッシュの端部はチャンバ５１の内部に突出させる。
【００２０】
図２において符号６０はデフロスト時にメッシュフィルタ５３ａを再生するための補助ヒータである。補助ヒータ６０は、矩形状をなす枠体６１の左右両側を貫通する防水棒状ヒータ６２を複数架設して構成されている。また、上記のようなフィルタ組立体５０は、冷凍室７に設けられた排気口７ａを塞ぐようにして配置され、その下側にはトレイ（図示略）が配置されている。なお、図２に示すように、ドレインパン５７の下面にヒータ６３を取り付け、ドレインパン５７に堆積した雪状物を融かすように構成することもできる。この場合には、ドレインパン５７に排水口を形成し、ドレインパン５７の下側に容器を設けてそこに水が溜まるように構成することができる。
【００２１】
Ｂ．実施形態の動作
次に、上記構成の空気サイクル式冷却装置の動作について説明する。通常の運転時には、圧縮機１および低段圧縮機１ａを駆動することにより、冷凍室７内の空気がフィルタ組立体５０および捕雪器５を通って熱交換器４に流入する。その際、冷凍室７内に浮遊する雪状物は、フィルタ組立体５０と捕雪器５のフィルタ組立体５０によって捕捉されるから、熱交換器４およびそれに至る空気経路に堆積する雪状物が低減される。
【００２２】
熱交換器４から流出した空気は、低段圧縮機１ａに流入して圧縮され、冷却器３の第２冷却部３ｂで冷却されて圧縮機１に流入する。圧縮機１で圧縮された空気は、冷却器３の第１冷却部３ａで冷却され、さらに熱交換器４で冷却されて膨張機２に流入する。膨張機２で膨張した空気は降温し、その際に雪状物を生成するが、この雪状物は捕雪器５のフィルタ組立体５０に捕捉される。このため、捕雪器５の下流側の空気経路に堆積する雪状物が低減される。また、冷凍室７内に侵入した外気に含まれる水分は雪化して雪状物となり、冷凍庫７内の空気に随伴して排気口７ａへ向かうが、その雪状物は、排気口７ａを覆うように設けられたフィルタ組立体５０によって捕捉される。
【００２３】
ここで、メッシュフィルタ５３ａの目開き寸法は７０μｍであるのに対して、雪状物の大きさは１０〜２０μｍである。このため、運転を開始した最初の段階ではある程度の雪状物はメッシュフィルタ５３ａを通過するが、メッシュフィルタ５３ａに雪状物が付着して徐々に成長すると、実質的な目開き寸法が小さくなり、ある段階から空気のみがメッシュフィルタ５３ａを通過するようになる。そして、雪状物が成長してある程度の厚さになると、雪状物は塊となって自重で自然落下し、ドレインパン５７上または冷凍室７に配置されたトレイに堆積する。この場合において、目の粗い補強用メッシュ５３ｂは下流側のみに設けられているので、雪状物の落下が妨げられるようなことがない。また、補強用のロッド５４が上流側に配置されているので、堆積した雪状物の重みでメッシュフィルタ５３ａが垂れ下がるようなことがなく、さらに、雪状物がロッドに沿って滑り易く、その自然落下を促進する。
【００２４】
次に、デフロストの運転について説明する。デフロスト時には、３方向切替弁Ｖが切り替えられ、これを通過した空気は冷凍室７ではなくて第１バイパス経路８ａ、復路捕雪器５の入側開口５１ｂを経て加熱器８に流入する。加熱器８のヒータ８０には電流が供給され、通過する空気が加熱される。また、捕雪器５のヒータ６０にも電流が供給され、フィルタ組立体５０に堆積した雪状物が融かされるとともに、通過する空気が加熱される。そして、この温風が冷却系を循環することにより、熱交換器４や捕雪器５のメッシュフィルタ５３ａおよび空気経路に堆積ないし固着した雪状物が融かされる。なお、デフロスト時には、冷却器３は停止させられる。
【００２５】
デフロスト時には開閉弁Ｖ１は開けられており、熱交換器４を通過した圧縮空気は、抵抗の大きい膨張機２を通らずに第２バイパス経路９ａ、往路捕雪器５の入側開口５１ｂを経て加熱器９に流入し、そこで加熱されて捕雪器５に流入する。一方、捕雪器５の補助ヒータ６０にも電流が供給され、フィルタ組立体５０のメッシュフィルタ５３ａに堆積した雪状物を融かす補助となる。こうして、冷凍室７を除く冷却系を加熱された空気が循環し、捕雪器５のドレインパン５７、熱交換器４、空気経路に堆積ないし固着した雪状物が融かされる。このようにして、メッシュフィルタ５３ａの融雪と乾燥が行われて再生される。なお、捕雪器５内で雪状物が融けて生じた水はドレイン５８で系外に排出され、その他の箇所で生じた水も適所に設けられたドレインで系外に排出される。また、デフロスト時には、冷却器３は停止させられる。
【００２６】
上記構成の空気サイクル式冷却装置にあっては、デフロスト時に第１、第２バイパス経路８ａ，９ａが開放される。これにより、圧縮機１で圧縮され昇温した温風は、膨張機２を経ないで捕雪器５に流入するから、温風はその温度を維持したまま捕雪器５のデフロストに用いられる。そして、捕雪器５を出た温風は、第１バイパス経路８ａを経て熱交換器４に流入し、熱交換器４のデフロストも行う。したがって、温風により捕雪器５と熱交換器４のデフロストが行われるので効率が良く、デフロスト時間を短縮して空気サイクル式冷却装置の冷却性能を向上させることができる。
【００２７】
特に、上記実施形態では、加熱器８に加えて加熱器９および捕雪器５の補助ヒータ６０により、デフロスト時に冷却系で循環する空気を加熱するので、冷却系内に堆積ないし固着した雪状物が温風で融かされ、それらはドレインから排出される。したがって、熱交換器４の内部等のように雪状物が固着し易い箇所のものも確実に除去することができる。また、メッシュフィルタ５３ａの目に詰まった雪状物が、近接した補助ヒータ６０によって速やかに融かされるので、デフロストの効率が高く、冷却運転の稼働率を高めることができる。また、上記実施形態では、捕雪器５の内部に加熱器８（９）を配置しているので、加熱した空気が直ぐに雪状物に接触するので熱効率が良く、しかも、加熱器８（９）の輻射熱も融雪に利用できるという利点がある。さらに、通常運転時には、捕雪器５の開口５１ａ（ヒータなし）が使用されるので、圧力損出の低下が防止される。加えて、図２の二点鎖線で示すように、ドレインパン５７をヒータ６３で加熱するように構成すれば、デフロストの効率をさらに向上させることができる。なお、本実施形態では要冷却室を冷凍室７として構成したが、冷凍を目的としない室であっても良い。
【００２８】
なお、上記実施形態では、加熱器８（９）を捕雪器５に内蔵したものであるが、図７に示すように、加熱器８（９）を内蔵しない構成とすることもできる。この場合には、加熱器８（９）は、図１の系統図のとおり外部の空気経路に介装される。また、図７に示すように、２つの出側開口５１ｅを互いの軸線が直交するように配置し、これら出側開口５１ｅのいずれかをダンパ弁５１で選択的に閉塞するようにして３方向切替弁Ｖを構成している。なお、図中符号５１ｂは、ダンパ弁５１ｄを回動させるモータである。このような構成では、捕雪器５の壁部を利用して３方向切替弁Ｖを構成しているので、部材が有効利用されて材料費や加工費を低減することができるという利点がある。
【００２９】
なお、図７に示す捕雪器５は、下流側に３方向切替弁Ｖを設けているため往路用に構成されているが、３方向切替弁Ｖを上流側に設ければ、つまり、入側開口５１ａを２つ設けていずれかを閉塞するように構成すれば、復路捕雪器５として用いることができる。もちろん、この場合には、往路捕雪器５には３方向切替弁Ｖは不要となる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、圧縮機で生成された温風とヒータの熱エネルギーとをバランス良く利用することができ、デフロストを効率よく行うことができる等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の空気サイクル式冷却装置の概略を示す図である。
【図２】実施形態における捕雪器を示す側断面図である。
【図３】実施形態におけるフィルタ組立体の上側部分を示す斜視図であ
【図４】実施形態におけるフィルタ積層体を示す上面図である。
【図５】実施形態におけるフィルタ積層体を示す上面図である。
【図６】実施形態における捕雪器の開口を示す断面図である。
【図７】実施形態の変更例における捕雪器を示す側断面図である。
【符号の説明】
１圧縮機（圧縮手段）
２膨張機（膨張手段）
３冷却器（冷却手段）
４熱交換器（冷却手段）
５捕雪器（捕雪手段）
７冷凍室（要冷却室）
８ａ第１バイパス経路
８加熱器（加熱手段）
９加熱器（加熱手段）
９ａ第２バイパス経路
５０フィルタ組立体（フィルタ）
Ｖ３方向切替弁（弁）
Ｖ１開閉弁（弁）

Claims

要冷却室内の空気を取り入れて圧縮する圧縮手段と、圧縮した上記空気を冷却する冷却手段と、冷却された上記空気を膨張させる膨張手段と、膨張により降温した冷却空気を上記要冷却室に流入させる空気サイクル式冷却装置において、
上記要冷却室の上流側と下流側の空気経路に、両空気経路を互いに接続する第１バイパス経路を設けるとともに第１バイパス経路での空気の流れを開閉する弁を設け、上記膨張手段と上記要冷却室との間の空気経路に、内部にフィルタを配置した捕雪手段を介装し、上記冷却手段および上記膨張手段間の空気経路と上記捕雪手段とを第２バイパス経路を介して接続し、この第２バイパス経路での空気の流れを開閉する弁を設けたことを特徴とする空気サイクル式冷却装置。
前記第１バイパス経路に、加熱手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の空気サイクル式冷却装置。
前記第２バイパス経路に、加熱手段を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の空気サイクル式冷却装置。