JP2001355928A - 冷凍装置 - Google Patents

冷凍装置

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JP2001355928A
JP2001355928A JP2000184513A JP2000184513A JP2001355928A JP 2001355928 A JP2001355928 A JP 2001355928A JP 2000184513 A JP2000184513 A JP 2000184513A JP 2000184513 A JP2000184513 A JP 2000184513A JP 2001355928 A JP2001355928 A JP 2001355928A
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scroll compressor
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gas pressure
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Takashi Sakurai
隆 櫻井
Hideshi Uesugi
秀史 上杉
Kenichiro Katogi
健一郎 加藤木
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 新冷媒および新冷凍装置油を使い、インバー
タ容量を変えずに従来の冷凍装置と同等の性能、運転圧
力、運転電流、温度等のサイクル状態を実現することの
できる冷凍装置を提供する。 【解決手段】 スクロール圧縮機1aの吐出ガス圧力を
検出する吐出ガス圧力センサ102および吐出ガス温度
を検出する吐出ガス温度センサ104と、凝縮器2の下
流側から分岐し、弁12を介してスクロール圧縮機1あ
の中間圧力室へ接続される液インジェクションのための
冷媒配管10と、吐出ガス温度センサ104より検出さ
れた吐出ガス温度と吐出ガス圧力センサ102により検
出された吐出ガス圧力との関係から冷媒の過熱度を求
め、弁12の開度を制御するコントローラ201と、冷
媒の種類を設定する設定器203とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、空気調和機,冷凍
装置等に使用される冷凍装置に係り、特に塩素を含まな
い混合冷媒を用いる冷凍装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の冷凍装置としては、例えば、特開
平8−86516号公報に記載されているように、圧縮
機,凝縮器,受液器,アキュームレータ,膨張弁,蒸発
器を順次接続してサイクルを構成した冷凍装置におい
て、少なくともR125とR143aとを含む混合冷媒
を使用し、かつ冷凍装置油としてエステル油を使用し、
さらに圧縮機には液インジェクションタイプの回転数制
御可能なスクロール圧縮機を使用する冷凍装置が知られ
ている。
【0003】上記従来の技術は、圧縮機の回転数の制御
方法として、凝縮器で検出された圧力値が設定値の上限
に達した場合にモータの回転数を低下させ、下限に達し
た場合にはモータの回転数を増加させるものであった。
すなわち、この制御方法は、装置の保護を目的としたも
のであり、低圧側の負荷に応じて圧縮機のモータの回転
数を制御して省エネルギーを図るものではなかった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】塩素を含む弗化炭化水
素系物質は、その安定性のために分解することなく対流
によって成層圏へ到達する。そして上空の強い紫外線に
より光分解して、オゾンと反応する塩素物質を遊離する
ので、オゾン層を破壊する作用があることが明らかにな
っている。人体に有害な紫外線を上空で遮断する働きを
するオゾン層を保護するため、塩素を含む弗化炭化水素
系物質は全廃されることになっている。空気調和機や冷
凍装置の冷媒として広く用いられているHCFC22も
全廃の対象になっており、いわゆる特定フロンであるC
FC類よりはオゾン層破壊に対する影響が小さいため、
全廃までの猶予期間は長めに設定されている。この猶予
期間に新冷媒(代替冷媒)および新冷媒対応の冷凍装置
の開発が必須となっている。
【0005】現在、HCFC22等の従来冷媒の代替候
補として検討されている新冷媒として、例えばオゾン層
破壊の原因である塩素を含まない弗化炭化水素系のHF
C32,HFC125,HFC134aHFC143a
などがある。これらのいずれか単独あるいは複数の混合
冷媒が有力であり、冷凍能力,効率等の性能因子や、運
転圧力,温度等のサイクル状態が従来冷媒と同等かもし
くは近いものを指向して開発が進められている。これ
は、従来冷媒製品と使い勝手が変わらないように意図さ
れたものであり、製品仕様や製造装置等が従来のものか
ら最小限の変更で、新冷媒対応製品への移行を図ること
が出来ることを狙っている。
【0006】現在、前述の制約を満たしている冷媒のう
ち、業界における低温(冷凍),中温(冷蔵)用冷媒の
候補としては、R404A,R507Aといった混合冷
媒に絞られつつある。従来冷媒のR22と新冷媒のR4
04A,R507Aとを地球環境に対して与える影響を
指標とした数値で比較した場合、これら新冷媒はオゾン
層破壊係数(ODP)はゼロとなる代わりに、地球温暖
化係数(GWP)は約2倍近く大きくなるというデメッ
リトがあり、従来冷媒R22から新冷媒R404A,R
507Aへの円滑な移行を妨げる一因となっている。
【0007】表1は、冷凍装置に用いられる代表的なH
CFC,HFCおよびHFC系混合冷媒の特性を示した
ものである。表1に示す通り、HFC系混合冷媒のうち
特に低温(冷凍),中温(冷蔵)用冷媒の候補であるR
404A,R507Aは、HCFC冷媒のうち冷凍空調
用として最も使用されているR22と比較し、GWP
(地球温暖化係数)が約2倍となっている。
【0008】
【表1】
【0009】※ :ASHRAE34 ※※ :ODP(オゾン層破壊係数)…大気中に放出さ
れた単位重量の当該物質がオゾン層に与える破壊係数で
あり、R11を1.0として相対値として表したもの。
【0010】※※※:GWP(地球温暖化係数)…大気
中に放出された単位重量の当該物質が地球温暖化に与え
る効果をCO2=1.0として相対値として表したもの
(100年積算値)。
【0011】ここで、冷凍装置について、温暖化影響を
評価する指標のTEWI(総等価温暖化影響)を直接的
影響と間接的影響とから総合的にとらえ、代表的な使用
例による計算式を数1〜数3に示す。
【0012】 TEWI=直接影響+間接影響 ……(数1) 直接影響=GWP×L×N+GWP×M×(1−α)……(数2) 間接影響=N×E×β ……(数3) ここで、 GWP:1kg当りのCO2基準の温暖化係数 積分期
間100年(kg−CO2/kg) L:機器からの年間漏れ量(kg/年) N:機器の運転年数(年) M:機器への充填量(kg) α:機器廃棄時の回収率 E:機器の年間エネルギー消費量(kWh/年) β:1kWhの発電に要するCO2発生量(kg−CO
2/kWh)を表す。
【0013】数2から、GWP値以外の条件が、HCF
CからHFCへの切替え前後で同等であると仮定した場
合、直接影響は単純にGWPの増加割合分だけ増加する
ことがわかる。また数3から、切替え前後の運転条件が
同等であると仮定した場合、機器の年間エネルギー消費
量E値を削減することにより、間接影響は単純にE値の
削減割合分だけ減ることがわかる。なお、機器の年間エ
ネルギー消費量E値を削減する手段としては、インバー
タによる容量制御が挙げられるが、HCFC系冷媒を使
用した冷凍装置としては、すでに開発され実用化されて
いる。
【0014】従来のHCFC系冷媒に対応した冷凍装置
にHFC系冷媒を使用した場合、冷媒物性の相異によっ
て吐出ガス圧力が高くなって運転電流が大きくなり、ま
たインバータ容量による運転電流の制約上から運転周波
数の上限が低下し、運転範囲が狭まるという不都合が生
じていた。しかしインバータ容量を大容量に変更するこ
とは、インバータ部周辺機器の寸法,コスト面で従来の
冷凍装置に比べて不利となる。
【0015】本発明の目的は、新冷媒および新冷凍装置
油を使い、インバータ容量を変えずに従来の冷凍装置と
同等の性能、運転圧力、運転電流、温度等のサイクル状
態を実現することのできる冷凍装置を提供することにあ
る。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の冷凍装置に係る発明の構成は、冷媒ガスを
圧縮するためのスクロール圧縮機と、このスクロール圧
縮機によって圧縮された冷媒ガスを凝縮するための凝縮
器と、低圧側機器とを備える冷凍装置において、前記ス
クロール圧縮機の吐出ガス圧力を検出する吐出ガス圧力
センサおよび吐出ガス温度を検出する吐出ガス温度セン
サと、前記凝縮器の下流側から分岐し、弁を介してスク
ロール圧縮機の中間圧力室へ接続される液インジェクシ
ョンのための冷媒配管と、前記吐出ガス温度センサより
検出された吐出ガス温度と吐出ガス圧力センサにより検
出された吐出ガス圧力との関係から冷媒の過熱度を求
め、前記弁の開度を制御するコントローラと、冷媒の種
類を設定する設定器とを備えるものである。
【0017】上記目的を達成するために、本発明の冷凍
装置に係る他の発明の構成は、ガス冷媒を圧縮するため
のスクロール圧縮機と、このスクロール圧縮機によって
圧縮された冷媒ガスを凝縮するための凝縮器と、低圧側
機器とを備える冷凍装置において、前記スクロール圧縮
機の吸入ガス圧力を検出する吸入ガス圧力センサもしく
は吸入ガス温度を検出する吸入ガス温度センサのいずれ
かと、前記吸入ガス圧力センサもしくは吸入ガス温度セ
ンサのいずれかによって検出された圧力もしくは温度が
許容値以上であれば運転周波数を増加させ、許容値以下
であれば運転周波数が減少するように制御するコントロ
ーラと、冷媒の種類を設定する設定器とを備えるもので
ある。
【0018】上記目的を達成するために、本発明の冷凍
装置に係るさらに他の発明の構成は、ガス冷媒を圧縮す
るためのスクロール圧縮機と、このスクロール圧縮機に
よって圧縮された冷媒ガスを凝縮するための凝縮器と、
低圧側機器とを備える冷凍装置において、前記スクロー
ル圧縮機の吐出ガス圧力を検出する吐出ガス圧力センサ
とおよび吐出ガス温度を検出する吐出ガス温度センサ
と、前記凝縮器の下流側から分岐し、弁を介してスクロ
ール圧縮機の中間圧力室へ接続される液インジェクショ
ンのための冷媒配管と、前記スクロール圧縮機の吸入ガ
ス圧力を検出する吸入ガス圧力センサもしくは吸入ガス
温度を検出する吸入ガス温度センサのいずれかと、前記
吐出ガス温度センサより検出された吐出ガス温度と吐出
ガス圧力センサにより検出された吐出ガス圧力との関係
から冷媒の過熱度を求め、前記弁の開度を制御するとと
もに、前記吸入ガス圧力センサもしくは吸入ガス温度セ
ンサのおずれかによって検出された圧力もしくは温度が
許容値以上であれば運転周波数を増加させ、許容値以下
であれば運転周波数が減少するように制御するコントロ
ーラと、冷媒の種類を設定する設定器とを備えるもので
ある。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図1は、本発明の冷凍装置に係る
実施例の冷凍サイクル図である。同図において、Iは空
冷一体型冷凍装置、IIは低圧側機器であり、これらが
配管接続部15,16において接続されて冷凍サイクル
を構成している。
【0020】詳細には、1aはスクロール圧縮機で、イ
ンバータによる可変容量式のものである。2は凝縮器
で、スクロール圧縮機1aの下流側に設けられている。
3は過冷却器で、凝縮器2と一体構造となっている。凝
縮器2は、最大負荷時の運転周波数における運転電流
が、HCFC系冷媒のR22と同等(もしくはそれ以
下)となる伝熱面積,パス数,パス配列で構成されてい
る。
【0021】スクロール圧縮機1aから吐出される冷媒
ガスは、凝縮器2および冷却ファン14により冷却され
て凝縮し、凝縮した液冷媒は受液器5に蓄えられ、その
後、乾き度0の液冷媒のみが過冷却器3に導かれる構成
となっている。
【0022】過冷却された液冷媒は、ドライヤ9、サイ
トグラス8を通過し、電磁弁7、膨張弁6、蒸発器4を
備える低圧側機器II内で蒸発し、再びガス冷媒となっ
てアキュームレータ13を通り、前記圧縮機1aへ吸入
される構成となっている。
【0023】受液器5または過冷却器3より下流側の液
冷媒配管と、スクロール圧縮機1aの中間圧力室(吸入
圧と吐出圧との中間の圧力を有し、旋回側スクロールを
固定側スクロールへ中間圧力を利用して押し付ける作用
をさせるために形成された室)とは、液インジェクショ
ン配管10で接続されている。この液インジェクション
配管10には、液インジェクション量を制御するための
電子膨張弁11が設けられている。ここで、液インジェ
クションの目的は、スクロール圧縮機1aの吐出ガス温
度を許容値以下の温度に保つために行うものであり、ス
クロール圧縮機1aの中間圧力室に、液冷媒をインジェ
クションすることによって吐出ガスが冷却される。
【0024】コントローラ201は、吐出ガス温度セン
サ104により検出された吐出ガス温度と、吐出ガス圧
力センサ102により検出された吐出ガス圧力との関係
で決まる冷媒の過熱度を、設定器203にて設定された
冷媒の物性値より算出するためのものである。すなわ
ち、吐出ガス圧力センサ102により検出された吐出ガ
ス圧力を基に冷媒の飽和温度を算出して、吐出ガス温度
センサ104により検出された実際の吐出ガス温度と比
較してその差、つまり過熱度を求める。この算出された
過熱度によって電子膨張弁11の開度を変え、スクロー
ル圧縮機1aの中間圧力室へ噴射する液インジェクショ
ン量が制御される。
【0025】過熱し過ぎの場合には、液インジェクショ
ン量を増量することで吐出ガス温度を下げ、常に適正な
温度に制御される。このように制御することで冷凍能力
を減少させる必要がなく、使用冷媒の物性値が異なるこ
とによって運転周波数が増しても、常に正しい過熱度の
制御が可能となる。
【0026】吸入ガス圧力センサ101によって検出さ
れた吸入ガス圧力はコントローラ201に入力され、コ
ントローラ201に予め設定されていた設定圧力の許容
差と吸入ガス圧力とが比較される。吸入ガス圧力が許容
差以上であれば運転周波数が増加するように、コントロ
ーラ201はインバータ202へ運転周波数の指令を出
す。指令を受けたインバータ202は、コントローラ2
01によって指示された運転周波数信号をスクロール圧
縮機1aへ送る。これにより、スクロール圧縮機1aの
運転周波数すなわち回転数が増加するように制御され
る。
【0027】吸入ガス圧力センサ101に代え、吸入ガ
ス温度センサ103によっても運転周波数を制御するこ
とができる。すなわち、コントローラ201に予め設定
されていた設定温度の許容差と吸入ガス温度とが比較さ
れる。吸入ガス温度が許容差以上であれば運転周波数が
増すように、コントローラ201はインバータ202へ
運転周波数の指令を出す。指令を受けたインバータ20
2は、コントローラ201によって指示された運転周波
数信号をスクロール圧縮機1aへ送る。これにより、ス
クロール圧縮機1aの運転周波数すなわち回転数が増加
するように制御される。
【0028】上記とは逆に、運転吸入圧力が予め設定さ
れた圧力値以下であれば、運転周波数を減らすようにコ
ントローラ201はインバータ202に運転周波数の指
令を出す。この指令を受けたインバータ202は、コン
トローラ201によって指示された運転周波数をスクロ
ール圧縮機1aへ送り、スクロール圧縮機1aの回転数
が減少するように制御する。さらに、運転吸入圧力が許
容範囲であれば、スクロール圧縮機1aはそのときの回
転数を維持する。
【0029】設定器203は、使用冷媒の種類を設定
(本実施例では手動)するためのものである。また、コ
ントローラ201には、冷媒ごとの物性値のほか、液イ
ンジェクション量を制御するための電磁弁12の冷媒ご
とに決まった開度定数、スクロール圧縮機1aの運転周
波数を増減させるための運転吸入圧力の圧力設定値、冷
凍装置の運転に異常が発生したときに保護装置が作動す
る圧力設定値、凝縮器用冷却ファンの制御特性等が記憶
されている。
【0030】上記構成により、物性値の異なる冷媒を使
用した場合でも、使用冷媒ごとに設定器203の切り替
え操作を行うことにより、冷凍装置を冷媒ごとに運転す
ることが可能となる。本実施例によれば、新冷媒および
新冷凍機油の使用時においても、最大負荷時の運転周波
数による運転電流がHCFC系冷媒使用時と同等もしく
は以下であって、従来機能の空冷凝縮器を搭載してもH
CFC系冷媒用時のインバータ容量を変えることなく、
従来の冷凍装置と同等の性能、運転圧力、運転電流、温
度等のサイクルが可能な冷凍装置を得ることができる。
【0031】また、オゾン層破壊係数ゼロのHFC系冷
媒を組合わせて使用することで、成層圏のオゾン層を破
壊せず、従来のHCFC系冷媒と比較してGWP値(地
球温暖化係数)の劣るHFC系冷媒において、TEWI
(総等価温暖化影響)評価値のうち特に間接影響を低減
することができ、これにより従来のHFC系冷媒対応の
定速運転の冷凍装置に比べ地球温暖化への影響を低減で
きる冷凍装置を得ることができる。
【0032】図2は、本発明の冷凍装置に係る他の実施
例の冷凍サイクル図で、凝縮器を冷凍装置と分離して設
ける空冷セパレート式のものである。なお、図1と同等
部分には同一符号を付して説明を省略する。空冷セパレ
ート式冷凍装置は、圧縮機ユニットIa,空冷式凝縮器
ユニットIbを備え、図1と同様に、低圧側機器IIと
配管接続部15・16において接続され、また、各ユニ
ット間は配管接続部17,18において接続されてサイ
クルを構成している。
【0033】詳細には、凝縮器2、過冷却器3、受液器
5、冷却ファン14は前記空冷凝縮器ユニット内Ibに
設けられており、スクロール圧縮機1a、アキュームレ
ータ13、スクロール圧縮機1aを制御するためのコン
トローラ201、インバータ202などは圧縮機ユニッ
トIa内に設けられている。本実施例によれば、図1の
実施例と同様の効果を、空冷セパレート式冷凍装置にお
いても得ることができる。
【0034】図3は、本発明の冷凍装置に係るさらに他
の実施例の基本的な冷凍サイクル図で、圧縮機を低速型
と可変容量型とを複数台組み合わせて使用する空冷マル
チ式冷凍装置のものでである。空冷マルチ式冷凍装置
は、冷凍装置内にインバータによる可変容量型のスクロ
ール圧縮機1aと、一定速(定容量)型のスクロール圧
縮機1b(本実施例では1台)とを並列搭載しているも
のである。なお、19はキャピラリチューブである。
【0035】可変容量式のスクロール圧縮機1aのみの
運転では負荷に対する容量が不足する場合、スクロール
圧縮機1aの運転に加えて定速スクロール圧縮機1bの
運転を行って台数制御を行うものである。本実施例によ
れば、図1の実施例と同様の効果が得られるうえ、定速
圧縮機1bのみの組合せ運転と比較し、より冷凍負荷に
追従した運転が可能な冷凍装置を得ることができる。
【0036】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
新冷媒および新冷凍機油の使用時においても、最大負荷
時の運転周波数にる運転電流がHCFC系冷媒使用時と
同等もしくは以下であって、HCFC系冷媒用時のイン
バータ容量を変えることなく、従来の冷凍装置と同等の
性能、運転圧力、運転電流、温度等のサイクルが可能な
冷凍装置を提供することができる。
【0037】また、オゾン層破壊係数ゼロのHFC系冷
媒を組合わせて使用することで、成層圏のオゾン層を破
壊せず、従来のHCFC系冷媒と比較してGWP値の劣
るHFC系冷媒において、TEWI評価値のうち特に間
接影響を低減することができ、これにより従来のHFC
系冷媒対応の定速運転の冷凍装置に比べ地球温暖化への
影響を低減できる冷凍装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の冷凍装置に係る実施例の冷凍サイクル
図である。
【図2】本発明の冷凍装置に係る他の実施例の冷凍サイ
クル図である。
【図3】本発明の冷凍装置に係るさらに他の実施例の冷
凍サイクル図である。
【符号の説明】 I…空冷一体型冷凍装置 Ia…圧縮機ユニット Ib…空冷式凝縮器ユニット II…低圧側機器、 1a…スクロール圧縮機 1b…定速圧縮機 2…凝縮器 3…過冷却器 4…蒸発器 5…受液器 6…膨張弁 7…電磁弁 8…サイトグラス 9…ドライヤ 10…液インジェクション配管 11…電子膨張弁 12…電磁弁 13…アキュームレータ 14…冷却ファン 15,16,17,18…配管接続部 1,19…キャピラリチューブ 101…吸入ガス圧力センサ 102…吐出ガス圧力センサ 103…吸入ガス温度センサ 104…吐出ガス温度センサ 201…インバータ 202…コントローラ 203…設定器

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 冷媒ガスを圧縮するためのスクロール圧
    縮機と、このスクロール圧縮機によって圧縮された冷媒
    ガスを凝縮するための凝縮器と、低圧側機器とを備える
    冷凍装置において、 前記スクロール圧縮機の吐出ガス圧力を検出する吐出ガ
    ス圧力センサおよび吐出ガス温度を検出する吐出ガス温
    度センサと、 前記凝縮器の下流側から分岐し、弁を介してスクロール
    圧縮機の中間圧力室へ接続される液インジェクションの
    ための冷媒配管と、 前記吐出ガス温度センサにより検出された吐出ガス温度
    と吐出ガス圧力センサにより検出された吐出ガス圧力と
    の関係から冷媒の過熱度を求め、前記弁の開度を制御す
    るコントローラと、 冷媒の種類を設定する設定器とを備えることを特徴とす
    る冷凍装置。
  2. 【請求項2】 ガス冷媒を圧縮するためのスクロール圧
    縮機と、このスクロール圧縮機によって圧縮された冷媒
    ガスを凝縮するための凝縮器と、低圧側機器とを備える
    冷凍装置において、 前記スクロール圧縮機の吸入ガス圧力を検出する吸入ガ
    ス圧力センサもしくは吸入ガス温度を検出する吸入ガス
    温度センサのいずれかと、 前記吸入ガス圧力センサもしくは吸入ガス温度センサの
    いずれかによって検出された圧力もしくは温度が許容値
    以上であれば運転周波数を増加させ、許容値以下であれ
    ば運転周波数が減少するように制御するコントローラ
    と、 冷媒の種類を設定する設定器とを備えることを特徴とす
    る冷凍装置。
  3. 【請求項3】 ガス冷媒を圧縮するためのスクロール圧
    縮機と、このスクロール圧縮機によって圧縮された冷媒
    ガスを凝縮するための凝縮器と、低圧側機器とを備える
    冷凍装置において、 前記スクロール圧縮機の吐出ガス圧力を検出する吐出ガ
    ス圧力センサとおよび吐出ガス温度を検出する吐出ガス
    温度センサと、 前記凝縮器の下流側から分岐し、弁を介してスクロール
    圧縮機の中間圧力室へ接続される液インジェクションの
    ための冷媒配管と、 前記スクロール圧縮機の吸入ガス圧力を検出する吸入ガ
    ス圧力センサもしくは吸入ガス温度を検出する吸入ガス
    温度センサのいずれかと、 前記吐出ガス温度センサにより検出された吐出ガス温度
    と吐出ガス圧力センサにより検出された吐出ガス圧力と
    の関係から冷媒の過熱度を求め、前記弁の開度を制御す
    るとともに、 前記吸入ガス圧力センサもしくは吸入ガス温度センサの
    いずれかによって検出された圧力もしくは温度が許容値
    以上であれば運転周波数を増加させ、許容値以下であれ
    ば運転周波数が減少するように制御するコントローラ
    と、 冷媒の種類を設定する設定器とを備えることを特徴とす
    る冷凍装置。
  4. 【請求項4】 前記コントローラは、インバータ制御手
    段を備えることを特徴とする請求項3に記載の冷凍装
    置。
  5. 【請求項5】 前記スクロール圧縮機は、容量制御型の
    圧縮機と定速型圧縮機とを備え、冷凍負荷に応じて運転
    の台数制御を行うことを特徴とする請求項1ないし3の
    いずれかに記載の冷凍装置。
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