(57)【要約】【課題】            ホットガスを用いた冷凍サイクルを利用して、長時間に亘って加温作業を連続運転させると冷凍機（コンプレッサー）に機構上、機能上の障害を生じてしまうことで、従来は冷却、加熱を適宜に行なって被温調物の温度制御を良好になし得なかったことである。【解決手段】        冷凍機から吐出されたホットガスを加熱時に切り替え弁を介して直接的に熱交換器へ導き、その熱交換器を通った不完全凝縮状態の冷媒ガスを切り替え弁を介してサイクルを自己発生する高効率の熱交換器の一次側へ導入し、その一次側を通過した冷媒ガスを当該熱交換器の二次側へ膨張弁を通して流通させ、その二次側を通過した冷媒ガスを前記冷凍機へ戻し、循環させることとする。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機から吐出されたホットガスを加熱時に切り替え弁を介して直接的に熱交換器へ導き、その熱交換器を通った不完全凝縮状態の冷媒ガスを切り替え弁を介してサイクルを自己発生する高効率の熱交換器の一次側へ導入し、その一次側を通過した冷媒ガスを当該熱交換器の二次側へ膨張弁を通して流通させ、その二次側を通過した冷媒ガスを前記冷凍機へ戻し、循環させることを特徴とするホットガス式温度制御装置。
【請求項２】
前記したサイクルを自己発生する高効率の熱交換器はカスケイドタイプのものとしたことを特徴とする請求項１に記載のホットガス式温度制御装置。
【請求項３】
前記したホットガスがまず導入される熱交換器として、被温調物が気体の場合には冷暖房サイクルにおけるエバポレータ兼コンデンサが用いられ、被温調物が液体の場合、その液体も流通される熱交換器が用いられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のホットガス式温度制御装置。
【請求項４】
前記した被温調物の温度を検出する温度センサーが備えられていることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載のホットガス式温度制御装置。
【請求項５】
前記したサイクルを自己発生する熱交換器の二次側における膨張弁は二つを並列して備え、その一方には制御バルブを設けてあることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３または請求項４に記載のホットガス式温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はホットガス式温度制御装置、即ち、冷凍サイクルを利用した温度制御装置に関し、被温調物は気体、液体に対応でき、瞬時であれ、長時間の運転であれ、本来的な冷凍サイクルを構成することで冷凍機の機能に障害を発生させることのないホットガス式温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より冷凍機から吐出されるホットガスを利用した加温、温度制御システムは現存している。この従来のホットガスを利用した加温、温度制御システムは冷凍機（コンプレッサー）を使用している関係上、瞬時の場合のみの作用に限定され、凝縮、蒸発回路がないまま長時間の運転をすると機構上、機能上障害が発生してしまう。
【特許文献１】特願２００３−１６１５９０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明が解決しようとする問題点は、ホットガスを用いた冷凍サイクルを利用して、長時間に亘って加温作業を連続運転させると冷凍機（コンプレッサー）に機構上、機能上の障害を生じてしまうことで、従来は冷却、加熱を適宜に行なって被温調物の温度制御を良好になし得なかったことである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は係る課題を解決するために冷凍機から吐出されたホットガスを加熱時に切り替え弁を介して直接的に熱交換器へ導き、その熱交換器を通った不完全凝縮状態の冷媒ガスを切り替え弁を介してサイクルを自己発生する高効率の熱交換器の一次側へ導入し、その一次側を通過した冷媒ガスを当該熱交換器の二次側へ膨張弁を通して流通させ、その二次側を通過した冷媒ガスを前記冷凍機へ戻し、循環させることを特徴としている。
【０００５】
また、本発明は前記したサイクルを自己発生する高効率の熱交換器はカスケイドタイプのものとしたことを特徴とし、前記したホットガスがまず導入される熱交換器として、被温調物が気体の場合には冷暖房サイクルにおけるエバポレータ兼コンデンサが用いられ、被温調物が液体の場合、その液体も流通される熱交換器が用いられることを特徴とし、前記した被温調物の温度を検出する温度センサーが備えられていることを特徴とし、前記したサイクルを自己発生する熱交換器の二次側における膨張弁は二つを並列して備え、その一方には制御バルブを設けてあることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係るホットガス式温度制御装置は上述のように構成されている。一般的な冷凍サイクルにサイクルを自己発生する熱交換器を組み込み、切り替え弁によって、被温調物と対応する熱交換器を通過した不完全凝縮状態の冷媒ガスを前記したサイクルを自己発生する熱交換器の一次側に通し、その一次側を通過した冷媒ガスを当該サイクルを自己発生する熱交換器の二次側へ膨張弁を介して流入させ、その二次側を通過した冷媒ガスを冷凍機に戻すこととしているので、サイクルを自己発生する熱交換器にあっては、膨張弁で蒸発がなされ、この蒸発熱が一次側へ流入してくる不完全凝縮冷媒ガスを冷却、凝縮する熱源となる。一方、一次側における不完全凝縮冷媒ガスの凝縮熱は二次側での蒸発を促す熱源となり、相互に熱エネルギーの相乗効果を発揮して凝縮、蒸発の本来的に必要な冷凍サイクルの要素を構成することとなる。
【０００７】
そのために、本発明に係るホットガス式温度制御装置によれば、瞬時に限らず、長時間に亘る加温モードでの連続運転がなされても、冷凍機には負担がかからず、機構的、機能的にも障害が発生してしまうことがなくなるのである。
【０００８】
さらには、温度センサーによって被温調物の温度を常時監視し、それを検知することで、冷却、加熱の回路を切り替えて、安定した一定域の温度制御を行なうことができることになる。即ち、冷凍サイクルは、その原理が冷媒ガスの持つ相変化時の潜熱を利用して冷却、加熱を行なう装置であり、冷凍、冷房時には凝縮熱が必要となり、これを空冷、水冷等の外部熱エネルギーによって放熱して凝縮熱を利用し、暖房、加熱時には気化熱を必要とし、これを外部熱エネルギーより取得する。冷凍機（圧縮機）は冷媒ガスを圧縮循環させ、凝縮、蒸発の熱バランスを保つ熱交換器にガスを吸引し、圧縮する機能を持つ。従って従来システムにあっては外部熱源として屋外空気や冷却水を必要とする例が多くなる。冷凍サイクルの物理的原理、機械的原則として次の二点が厳守されなくてはならない。物理的原理としては取得した気化熱は同等の熱エネルギーの放出がなくてはならない。放出した凝縮熱は同様に同等の熱エネルギーを取得しなくてはならない。機械的原則としては冷凍機（圧縮機）に吸引する物質の状態は気体でなければならないし、気化された低圧、低温のガスが必要である。高圧、高温のガスを吸引すると冷凍機（圧縮機）は構造的に問題が生じ、運転が不可能となる。本発明によれば、かかる原理、原則を厳守したものとなっており、冷凍機（圧縮機）吸引側の冷媒配管中にホットガス加熱工程時に配管切替で冷媒ガスが凝縮し、蒸発する機能をもった高効率の熱交換器を設けることによって圧縮、凝縮、膨張、蒸発の冷凍サイクルを維持して、圧縮機構に支障なく冷凍サイクルを連続運転することを可能としているのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
通例の冷凍サイクル回路中に切り替え弁を介してサイクルを自己発生する高効率の熱交換器を組み込み、加熱モードではこのサイクルを自己発生する熱交換器に冷媒を流通させ、冷凍機に戻る構成として実現した。
【実施例１】
【００１０】
次に、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。図１は本発明を実施したホットガス式温度制御装置の冷媒回路を示す図、図２は同じく冷却時の冷媒回路説明図、図３は同じくモリエ線図、図４は同じく加熱時の冷媒回路説明図、図５は同じく連続運転の可能理論説明図、図６は同じく加熱容量増加時の冷媒回路説明図、図７は同じく可能理論説明図、図８は同じく加熱容量減少時の冷媒回路説明図、図９は同じく可能理論説明図、図１０は同じくサイクルを自己発生する熱交換器の機能経時変化説明図である。
【００１１】
これらの図にあって１は冷凍機（コンプレッサー）を示しており、この冷凍機１からは冷媒のホットガスが吐出される。冷媒回路が冷却モードで運転される時、冷凍機１から吐出されたホットガスは凝縮器２へ流入され凝縮され、この時の凝縮熱は周囲を加温する。
【００１２】
この凝縮器２で凝縮された冷媒ガスは膨張弁３を通してエバポレータ（熱交換器）４で蒸発され、この蒸発気化熱は周囲から熱を奪い冷却し、ファン１１によってその冷却された雰囲気を冷風として送ることとなる。
【００１３】
エバポレータ（熱交換器）４を通過した冷媒は再び開放されている切り替え弁７を通って冷凍機１へ戻され循環されることとなる。
【００１４】
上記は被温調物として気体を想定し、冷却する場合であるが、被温調物として液体を対象とする場合には前記したエバポレータ４に代えて一般的な熱交換器４が回路上に組み入れられ、目的とする液体をこの熱交換器４に流通させて、冷媒と熱交換させることでその液体を冷却することとなる。熱交換器４を通過した冷媒が冷凍機１へ戻される回路は気体冷却の場合と同様である。
【００１５】
また、この冷媒回路が加熱モードで運転される時は、冷凍機１から吐出されたホットガスは切り替え弁６の開放によってホットガス管１０へ導かれ、そのまま直接的にエバポレータないしは熱交換器４へ送り込まれる。
【００１６】
このエバポレータないしは熱交換器４を通過した冷媒は不完全な凝縮状態のガスとなっており、切り替え弁７を閉塞することで流路が切り替えられサイクルを自己発生する高効率の熱交換器５の一次側５−Ａへ送り込まれる。このサイクルを自己発生する熱交換器５としてはカスケイドタイプのものを使用することが望ましい。
【００１７】
サイクルを自己発生する熱交換器５の一次側を流通した冷媒はその一次側を流通後当該熱交換器５の二次側５−Ｂへ送り込まれる。この二次側５−Ｂの流路には熱交換器５の二次側５−Ｂ入口前に膨張弁８が設けられており、この膨張弁８を通過することで蒸発気化されることになる。
【００１８】
ここで、この膨張弁８による蒸発気化熱は、熱交換器５の一次側５−Ａへ続いて流入してくる不完全凝縮状態の冷媒ガスを冷却、凝縮させる熱源として作用する。一方、一次側５−Ａへ流入してくる不完全凝縮状態の凝縮熱は二次側５−Ｂにおける蒸発の熱源として作用することとなる。
【００１９】
さらに、サイクルを自己発生する熱交換器５の作用を詳説すると、この熱交換器５の一次側５−Ａの入口から流入する冷媒は高圧、高温の不完全凝縮状態のガス（液）となっている。つまり、冷凍機１から吐出されたホットガスはエバポレータないしは熱交換器４において冷却による凝縮作用をなして一部冷媒液となり、この一部冷媒液となった不完全凝縮状態の冷媒が一次側５−Ａの入口から熱交換器５に流入する。
【００２０】
この一次側５−Ａを通過した不完全凝縮状態の冷媒ガスは、一次側５−Ａの出口より流出して、当該熱交換器５の二次側５−Ｂへ、その流路に設けられた膨張弁８を通過して流入する。この膨張弁８を不完全凝縮状態の冷媒ガスが通過する際に蒸発気化される。
【００２１】
不完全凝縮状態の冷媒ガス中の一部冷媒液が蒸発気化することにより生じる気化熱は熱交換器５内部の中間プレートを通して一次側５−Ａに続けて流入してくる不完全凝縮状態の冷媒ガスを冷却することとなり、その凝縮作用を促進させる。この時、同時に一次側５−Ａに流入してくる不完全凝縮状態な高圧、高温のホットガスは二次側５−Ｂにおける冷媒を蒸発気化させる熱源ともなる。
【００２２】
二次側５−Ｂにおける蒸発気化熱によって一次側５−Ａに流入する不完全凝縮状態の冷媒ガスの凝縮が促進されることによって熱交換器５の一次側５−Ａには凝縮された冷媒液が経時変化と共に増量される。一次側５−Ａに凝縮された冷媒液が増量されるに伴ない二次側５−Ｂで蒸発気化をさせる能力も経時変化と共に増強され、さらに一次側５−Ａでの冷媒ガスの凝縮が促進される。
【００２３】
また、一次側５−Ａに流入される不完全凝縮状態となっている冷媒のホットガスは二次側５−Ｂにおける冷媒液を蒸発気化させる熱源となり、二次側５−Ｂにおける蒸発気化熱は一次側５−Ａのホットガスを凝縮させる凝縮熱源となる。二次側５−Ｂで蒸発気化された冷媒ガスは冷凍機１へ吸引されて戻され、圧縮され冷凍機１の仕事熱、圧縮熱を加熱のエネルギーとして冷凍サイクルを循環する。
【００２４】
上記したように熱交換器５にあっては一次側５−Ａと二次側５−Ｂとでなされる凝縮と蒸発の作用が相乗効果を発揮し、これを継続することで安定し、熱交換器５自体において凝縮、蒸発を連続させること、即ち、冷凍サイクルが自己発生し、機能することとなる（図１０参照）。
【００２５】
また、前記した熱交換器５の二次側５−Ｂにおいては、前記した膨張弁８・８を並列して設けることができる。その場合、一方の膨張弁８の入口側には、膨張弁制御用切り替え弁９が組み付けられる。サイクルを自己発生する熱交換器５の始動時や連続運転中に未凝縮ガスが増量すると二次側５−Ｂにおける冷媒圧力は上昇する。一次側５−Ａからの流入ガス量が多くなると二次側５−Ｂの蒸発量と一次側５−Ａの凝縮量のバランスが崩れ高圧となってしまう。この高圧を圧力スイッチ１３で検出して膨張弁制御用切り替え弁９を閉じ流量を減少させることで一次側５−Ａと二次側５−Ｂの熱交換能力のバランスが回復して連続運転を可能とする。
【００２６】
また、図中１２は温度センサーであり、被温調物の温度状態を監視し検出する。この温度センサー１２による温度の検出によって信号を受け、冷却と加温の運転を切り替え、繰り返すことで被温調物の温度を一定に制御することが可能となる。この際、加温モードでの運転でも熱交換器５で凝縮、蒸発のサイクル機構が構成されているので冷凍機１自体の機構、機能に障害を起こしてしまうことはない。
【００２７】
前記したように、熱交換器５の二次側の膨張弁８を通過する冷媒の量が増加することによって、低圧上昇と同時に高圧上昇吐出冷媒温度も上昇して加熱温度も上昇する。サイクルを自己発生する熱交換器５の効率及び加熱負荷の増量により、冷凍機１の高圧上限圧力まで近づく状態が発生する可能性がある。
【００２８】
この保護機構として前記したように膨張弁８・８を並列に二つ組み入れ、圧力スイッチ１３によって冷媒の圧力を検出してその信号により膨張弁８・８の一方の入口側に設けられた膨張弁制御用切り替え弁９を操作して、サイクルを自己発生する熱交換器１の一次側５−Ａと二次側５−Ｂの機能バランスを維持して冷凍機１、強いては冷凍サイクルの連続運転を可能とする。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は冷凍サイクル中にサイクルを自己発生することのできる熱交換器を組み込んだ構成としてあるので、冷凍庫や冷凍室におけるデフロスト作業をはじめエアコンデショナーや給湯設備その他の温度制御、温度管理機能を必要とする冷凍機（コンプレッサー）を用いた設備、システムに幅広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明を実施したホットガス式温度制御装置の冷媒回路を示す図である。
【図２】冷却時の冷媒回路説明図である。
【図３】モリエ線図である。
【図４】加熱時の冷媒回路説明図である。
【図５】連続運転の可能理論説明図である。
【図６】加熱容量増加時の冷媒回路説明図である。
【図７】可能理論説明図である。
【図８】加熱容量減少時の冷媒回路説明図である。
【図９】可能理論説明図である。
【図１０】サイクルを自己発生する熱交換器の機能経時変化説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
１      冷凍機
２      凝縮器
３      膨張弁
４      熱交換器
５      サイクルを自己発生する熱交換器
５−Ａ  一次側
５−Ｂ  二次側
６      切り替え弁
７      切り替え弁
８      膨張弁
９      膨張弁制御用切り替え弁
１０    ホットガス管
１１    ファン
１２    温度センサー
１３    圧力スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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