JP2005241176A - 空調冷凍装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却系統部の効率の良い運転が可能となり、電力消費量の低減を図ることができる空調冷凍装置及びその制御方法を提供する。
【解決手段】 空調冷凍装置１において、冷凍機コントローラ３２は、圧縮機３７の運転周波数が効率の低い周波数範囲となった場合に、空調側への要求能力を算出して室外機コントローラ２６に通知し、室外機コントローラ２６は、この要求能力に応じて圧縮機１３Ａの運転周波数を増大することによって、空気調和機６が冷却装置８側を補助するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、店舗の室内空調と冷却貯蔵設備の庫内冷却とを行う空調冷凍装置及びその制御方法に関する。

近年、コンビニエンスストア等の店舗の室内空調を行う空調系統部と、店舗内に設けられたオープンショーケースや扉付きのショーケース（冷却貯蔵設備）の庫内冷却を行う冷却系統部とを具備した空調冷凍装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開２００２−１７４４７０号公報

ところで、夏場等の店内温度が高いときに、ショーケース内の商品詰め過ぎや、ショーケースの扉の開け閉めが頻繁に行われている状況では、冷蔵負荷が大きくなり、効率の悪い運転となって消費電力低減の観点から好ましくない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、冷却系統部の効率の良い運転が可能となり、電力消費量の低減を図ることができる空調冷凍装置及びその制御方法を提供することを目的としている。

上述課題を解決するため、本発明は、運転周波数を可変可能な空調用圧縮機を用いて室内空調を行う空調系統部と、冷却貯蔵設備の冷却負荷に応じて冷却用圧縮機の運転周波数を可変して冷却貯蔵設備の庫内冷却を行う冷凍系統部とを備える空調冷凍装置において、前記空調系統部の低圧側の空調用冷媒と前記冷凍系統部の高圧側の冷却用冷媒とが供給されて、前記空調用冷媒により前記冷却用冷媒を過冷却させるカスケード熱交換器と、前記冷却用圧縮機の運転周波数が効率の低い予め定めた周波数範囲となった場合に、前記空調用圧縮機の運転周波数を増大させる周波数調整手段を有することを特徴とする。この構成によれば、冷却用圧縮機の運転周波数が効率の低い予め定めた周波数範囲となった場合に、空調用圧縮機の運転周波数を増大させるので、カスケード熱交換器で冷却用冷媒を十分に過冷却させて冷却用圧縮機の運転周波数を効率の良い周波数にすることが可能となる。

上記構成において、前記冷却用圧縮機の運転周波数が前記周波数範囲となった場合に、その運転周波数に応じて空調側への要求能力を決定する要求能力決定手段を有し、前記周波数調整手段は、前記要求能力に応じて前記空調用圧縮機の運転周波数を増大させてもよい。さらに、前記周波数調整手段は、室内温度と室内設定温度との差に基づいて第１の運転周波数を決定し、この第１の運転周波数を前記空調用圧縮機の運転周波数とする一方、前記要求能力決定手段が要求能力を決定した場合は、前記第１の運転周波数と前記要求能力に基づいて第２の運転周波数を決定し、この第２の運転周波数を前記空調用圧縮機の運転周波数としてもよい。また、上記各構成において、前記カスケード熱交換器における前記冷却用冷媒の出入口温度差が予め定めた設定温度差となるように、前記カスケード熱交換器への前記空調用冷媒の供給量を制御する空調冷媒量調整手段を有するように構成することが好ましい。

また、本発明は、運転周波数を可変可能な空調用圧縮機を用いて室内空調を行う空調系統部と、冷却貯蔵設備の冷却負荷に応じて冷却用圧縮機の運転周波数を可変して冷却貯蔵設備の庫内冷却を行う冷凍系統部と、空調系統部の低圧側の空調用冷媒と冷凍系統部の高圧側の冷却用冷媒とが供給されて、空調用冷媒により冷却用冷媒を過冷却させるカスケード熱交換器とを備える空調冷凍装置の制御方法において、前記冷却用圧縮機の運転周波数が効率の低い予め定めた周波数範囲となったか否かを判定し、前記周波数範囲となった場合に、前記空調用圧縮機の運転周波数を増大させることを特徴とする。この構成によれば、冷却用圧縮機の運転周波数が効率の低い予め定めた周波数範囲となった場合に、空調用圧縮機の運転周波数を増大させるので、カスケード熱交換器で冷却用冷媒を十分に過冷却させて冷却用圧縮機の運転周波数を効率の良い周波数にすることが可能となる。

上記構成において、前記冷却用圧縮機の運転周波数が前記周波数範囲となった場合に、その運転周波数に応じて空調側への要求能力を決定し、前記要求能力に応じて前記空調用圧縮機の運転周波数を増大させることが好ましい。また、前記冷却用圧縮機の運転周波数が前記周波数範囲以外の場合は、室内温度と室内設定温度との差に基づいて第１の運転周波数を決定し、この第１の運転周波数を前記空調用圧縮機の運転周波数とし、前記冷却用圧縮機の運転周波数が前記周波数範囲の場合は、前記第１の運転周波数と前記要求能力とに基づいて第２の運転周波数を決定し、この第２の運転周波数を前記空調用圧縮機の運転周波数とすることが好ましい。また、前記カスケード熱交換器における前記冷却用冷媒の出入口温度差が予め定めた設定温度差となるように、前記カスケード熱交換器への前記空調用冷媒の供給量を制御することが好ましい。

本発明の空調冷凍装置は、冷却系統部の冷却用圧縮機の運転周波数が効率の低い周波数となった場合に、空調系統部の空調用圧縮機の運転周波数を増大させることにより、空調冷凍装置全体として効率の良い運転を行うことができ、電力消費量を低減させることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の実施形態に係る空調冷凍装置１の冷媒回路を含むシステム構成を示す図である。この冷凍システム１は、例えばコンビニエンスストアの室内２（店内）の空調と、そこに設置されている冷却貯蔵設備としての冷蔵ケース３や冷凍ケース４の庫内冷却を実現するものである。

なお、冷蔵ケース３及び冷凍ケース４は前面や上面が開口するオープンショーケースの他、透明ガラス扉にて開口が開閉自在に閉塞されたショーケースであり、冷蔵ケース３の庫内は冷蔵温度（＋３℃〜＋１０℃）に冷却され、飲料やサンドイッチ等の冷蔵食品などが陳列されると共に、冷凍ケース４の庫内は冷凍温度（−２０℃〜−１０℃）に冷却され、冷凍食品や冷菓などが陳列されるものである。

この空調冷凍装置１は、室内２の空調を行う空気調和機（空調系統部）６と、室内２の冷蔵ケース３や冷凍ケース４（冷却貯蔵設備）の庫内冷却を行う冷却装置（冷却系統部）８とを有し、空気調和機６は、室内２の天井等に設置された複数の室内機１１と店外に設置された室外ユニット１２との間に渡って空調用冷媒回路７が配管構成されて構成されている。

この空調用冷媒回路７は、室外ユニット１２の外装ケース内に設置された二台の圧縮機（ロータリコンプレッサ）１３Ａ（インバータによる周波数制御運転）、１３Ｂ（定速運転）と、逆止弁５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄと、オイルセパレータ１０と、四方弁１４と、熱源側熱交換器１６と、膨張弁（電動膨張弁から成る減圧手段）１７、１８、１９と、カスケード熱交換器２１と、アキュムレータ２３等と、室内機１１側に設置された利用側熱交換器２７とから系統構成されている（空調系統）。

２６は温度や圧力に基づいて空気調和機６の室外ユニット１２側の機器を制御するための室外機コントローラ（運転制御手段を構成するコントローラであり、汎用のマイクロコンピュータにて構成される）であり、室外ユニット１２に設けられている。また、２４は熱源側熱交換器１６に外気を通風するための送風機であり、室外ユニット１２内の熱源側熱交換器１６に対応する位置に設けられている。２８は温度や圧力に基づいて空気調和機６の室内機１１側の機器を制御するための室内機コントローラ（運転制御手段を構成するコントローラであり、汎用のマイクロコンピュータで構成される）であり、室内機１１に設けられている。

ここで、室内２には、空気調和機６を操作するための遠隔操作装置（リモートコントロール（通称リモコン））２９が設置されている。この遠隔操作装置２９は、各種情報を表示する液晶パネルからなる表示部や各種操作子を備え、操作子の操作を介して使用者から室内２の設定温度（室内設定温度）などの指示を入力し、室内機コントローラ２８との間の通信により、使用者に入力された各種指示を室内機コントローラ２８に通知する共に、空気調和機６の動作情報（運転状態（冷房運転か暖房運転か等））等を表示部に表示する。また、１５は利用側熱交換器２７に室内２の空気（店内空気）を通風するための送風機であり、室内機１１内の利用側熱交換器２７に対応する位置に設けられている。

圧縮機１３Ａ及び１３Ｂは相互に並列接続されており、各圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吐出側は逆止弁５Ａ、５Ｂをそれぞれ介して合流され、四方弁１４の一方の入口に接続されている（各逆止弁５Ａ、５Ｂは四方弁１４方向が順方向とされている）。また、四方弁１４の一方の出口は熱源側熱交換器１６の入口に接続されている。この熱源側熱交換器１６は多数の並列配管から成る流路抵抗の比較的小さい入口側１６Ａとこれらが少数の並列配管若しくは単数の配管に集約される出口側１６Ｂとで構成されている。そして、この熱源側熱交換器１６の出口側１６Ｂの出口は、並列接続された逆止弁５Ｃと膨張弁１７とを介して膨張弁（利用側熱交換器用減圧弁）１８の入口に接続され、膨張弁１８の出口は室内機１１に渡って分流し、利用側熱交換器２７の入口に接続されている。

利用側熱交換器２７の出口は室外ユニット１２に渡り、四方弁１４の他方の入口に接続され、四方弁１４の他方の出口は逆止弁５Ｄを介してアキュムレータ２３に接続されている。そして、このアキュムレータ２３の出口が圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吸込側に接続されている。なお、逆止弁５Ｄはアキュムレータ２３側が順方向とされている。

また、膨張弁１７と１８の間の配管は膨張弁１９の入口に接続され、膨張弁１９の出口はカスケード熱交換器２１の空調側通路２１Ａの入口に接続されている。このカスケード熱交換器２１の空調側通路２１Ａの出口はアキュムレータ２３を介して圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吸込側に接続されている。

一方、冷却装置８は室外ユニット１２と室内２（店内）に設置された冷蔵ケース３及び冷凍ケース４との間に渡って冷却貯蔵設備用冷媒回路９が配管構成されている。この冷却貯蔵設備用冷媒回路９は、室外ユニット１２の外装ケース内に設置された冷蔵用の圧縮機（スクロールコンプレッサ）３７と、凝縮器（熱交換器）３８と、四方弁３９、４１、４２（四方弁３９及び４１により流路制御手段が構成される）と、オイルセパレータ３１と、レシーバータンク３６と、冷蔵ケース３の庫内を冷却する冷蔵用蒸発器４３、膨張弁（電動膨張弁）４４、電磁弁４６、４７と、冷凍ケース４の庫内を冷却する冷凍用蒸発器４９、膨張弁（電動膨張弁）５１、電磁弁５２、冷凍増幅用の圧縮機（ロータリコンプレッサ）５４、逆止弁３０、及びオイルセパレータ４５等から構成されている。

３２は温度や圧力に基づいて冷却装置８の室外ユニット１２側の機器を制御する冷凍機コントローラ（冷却系統部を構成するコントローラであり、汎用のマイクロコンピュータで構成される）であり、室外ユニット１２に設けられている。この冷凍機コントローラ３２は、圧縮機３７等の故障を検知する故障検知手段としても機能し、故障を検知した場合にその旨を後述する主コントローラ５６に通知する。

また、３５は凝縮器３８に外気を通風するための送風機であり、室外ユニット１２の凝縮器３８に対応する位置に設けられている。また、５０は温度や圧力に基づいて冷蔵ケース３側の機器を制御する冷蔵ケースコントローラ（冷却貯蔵設備系統制御手段を構成するコントローラであり、汎用のマイクロコンピュータで構成される）であり、冷蔵ケース３に設けられている。さらに、５５は温度や圧力に基づいて冷凍ケース４側の機器を制御する冷凍ケースコントローラ（冷却貯蔵設備系統制御手段を構成するコントローラであり、汎用のマイクロコンピュータで構成される）であり、冷凍ケース４に設けられている。

また、２０は冷蔵用蒸発器４３に冷蔵ケース３の庫内冷気を通風するための送風機であり、各冷蔵ケース３内の各冷蔵用蒸発器４３にそれぞれ対応する位置に設けられている。２５は冷凍用蒸発器４９に冷凍ケース４の庫内冷気を通風するための送風機であり、冷凍ケース４内の冷凍用蒸発器４９に対応する位置に設けられている。

圧縮機３７の吐出側はオイルセパレータ３１を介して四方弁３９の一方の入口に接続され、この四方弁３９の一方の出口が凝縮器３８の入口に接続されている。この凝縮器３８は多数の並列配管から成る流路抵抗の比較的小さい入口側３８Ａとこれらが少数の並列配管若しくは単数の配管に集約される出口側３８Ｂとで構成されている。そして、この凝縮器３８の出口側３８Ｂの出口はレシーバータンク３６の入口に接続され、このレシーバータンク３６の出口が四方弁４１の一方の入口に接続されている。すなわち、レシーバータンク３６は凝縮器３８の冷媒下流側に接続されている。

また、四方弁４１の一方の出口はカスケード熱交換器２１のケース側通路２１Ｂの入口に接続されている。尚、カスケード熱交換器２１は、内部に構成された空調側通路２１Ａとケース側通路２１Ｂをそれぞれ通過する冷媒（空調用冷媒と冷却用冷媒）を相互に熱交換させるものであり、これによって空調用冷媒回路７の低圧側と冷却貯蔵設備用冷媒回路９の高圧側とは熱的に連結される。

カスケード熱交換器２１のケース側通路２１Ｂの出口は、四方弁３９の他方の入口に接続されており、この四方弁３９の他方の出口は四方弁４１の他方の入口に接続されている。そして、この四方弁４１の他方の出口は室外ユニット１２から出て室内２（店内）に入り分岐する。分岐した一方の配管は電磁弁４６及び膨張弁４４を介して冷蔵用蒸発器４３の入口に接続されている。他方は電磁弁５２及び膨張弁５１を介して冷凍用蒸発器４９の入口に接続されている。

冷凍用蒸発器４９の出口は、逆止弁３０を介して圧縮機５４の吸込側に接続されている（逆止弁３０は圧縮機５４側が順方向）。この圧縮機５４は圧縮機３７よりも出力の小さい圧縮機であり、その吐出側は四方弁４２の一方の入口に接続され、四方弁４２の一方の出口は冷蔵用蒸発器４３の出口側に接続された後、オイルセパレータ４５を介して圧縮機３７の吸込側に接続されている。すなわち、圧縮機５４と圧縮機３７とは、冷媒回路上、直列に接続される。

また、四方弁４２の他方の入口は圧縮機５４の入口側の管路に合流され、四方弁４２の他方の出口は逆止弁６１を介してカスケード熱交換器２１のケース側通路２１Ｂの入口側の管路に合流されている。なお、逆止弁６１はカスケード熱交換器２１側が順方向とされている。以下、この四方弁４２とカスケード熱交換器２１のケース側通路２１Ｂの入口側までの管路を管路７０と表記する。そして、冷媒回路７、９内には例えばＲ−４１０Ａ、Ｒ−４０４Ａ等の冷媒が所定量封入される。

ここで、本実施形態に係る空調冷凍装置１においては、冷蔵用の蒸発器４３、４９から出た冷媒（冷却用冷媒）を冷却装置８の圧縮機３７、５４のいずれか一方の圧縮機を経由せずに他方の圧縮機を経由してカスケード熱交換器２１の入口に導くバイパス経路を形成可能に構成されている。すなわち、四方弁４２を切り換えることにより、図２に示すように、蒸発器４３の出口と圧縮機５４との間の冷媒通路と冷凍用蒸発器４９の出口側とをつなぐ第１のバイパス経路７０と、圧縮機５４の吐出側の冷媒通路とカスケード熱交換器２１の入口側の冷媒通路とをつなぐ第２のバイパス経路８０とを形成するように構成されている。

このようにバイパス経路７０、８０を形成することにより、例えば、圧縮機３７が故障した場合は、蒸発器４３、４９から出た冷媒（冷却用冷媒）をバイパス経路７０で合流させた後、圧縮機５４等を経由してバイパス経路８０にて圧縮機３７を経由することなくカスケード熱交換器２１の入口に導くことができる（図２中矢印α参照）。また、例えば、圧縮機５４が故障した場合は、蒸発器４３、４９から出た冷媒（冷却用冷媒）をバイパス経路７０で合流させた後、圧縮機５４を経由することなく圧縮機３７等を経由してカスケード熱交換器２１の入口に導くことができる（図２中矢印β参照）。なお、バイパス経路８０には逆止弁６１が設けられ、これにより、四方弁４１を経てカスケード熱交換器２１に供給される冷媒のバイパス経路８０への逆流を防止するようになされている。

次に、この空調冷凍装置１の動作を説明する。なお、上記圧縮機３７と１３Ａとはインバータ制御され、圧縮機１３Ｂと圧縮機５４とは定速で運転されるものとする。また、空調冷凍装置１全体の動作は汎用マイクロコンピュータから構成された主コントローラ（主制御手段）５６により制御される。ここで、主コントローラ５６には、主コントローラ５６に各種指示を与えるための遠隔操作装置（リモートコントロール（通称リモコン））５７が設置されており、この遠隔操作装置５７は、各種情報を表示する液晶パネルからなる表示部や各種操作子を備え、操作子の操作を介して使用者からの各種指示を入力可能に構成されている。

この主コントローラ５６は室外機コントローラ２６、室内機コントローラ２８、冷凍機コントローラ３２、冷蔵ケースコントローラ５０、及び、冷凍ケースコントローラ５５とデータ通信可能に接続されており、各コントローラから現在の運転状態に関するデータを受信して収集する。そして、受信データに基づき、後述するその時点での最適な運転パターンを決定し、この最適運転パターンに関するデータ及び各機器の運転データを室外機コントローラ２６、室内機コントローラ２８、冷凍機コントローラ３２、冷蔵ケースコントローラ５０、及び、冷凍ケースコントローラ５５に送信する。そして、室外機コントローラ２６、室内機コントローラ２８、冷凍機コントローラ３２、冷蔵ケースコントローラ５０、及び、冷凍ケースコントローラ５５は主コントローラ５６から受信した最適運転パターンに関するデータ及び各機器の運転データに基づいて後述する制御動作を実行する。

まず、冷房運転時の基本動作について図１を用いて説明する。

冷房運転を行う場合、まず、室外機コントローラ２６は、四方弁１４の前記一方の入口を一方の出口に、他方の入口を他方の出口に連通させる。また、膨張弁１７は全開とする。そして、圧縮機１３Ａ、１３Ｂを運転する。室外機コントローラ２６は、この圧縮機１３Ａの運転周波数を調整することによって空調能力を制御するようになっている。圧縮機１３Ａ、１３Ｂが運転されると、圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吐出側から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁１４を経て熱源側熱交換器１６の入口側１６Ａに入る。この熱源側熱交換器１６には送風機２４により外気が通風されており、冷媒はここで放熱し、凝縮液化する。すなわち、この場合、熱源側熱交換器１６は凝縮器として機能する。この液冷媒は熱源側熱交換器１６の入口側１６Ａから出口側１６Ｂを経て当該出口側１６Ｂから出る。そして、膨張弁１７を通過した後、分岐する。分岐した一方は膨張弁１８に至り、そこで絞られて低圧とされた後（減圧）、利用側熱交換器２７に流入し、そこで蒸発する。

この利用側熱交換器２７には送風機１５により室内２（店内）の空気が通風されており、冷媒の蒸発による吸熱作用で室内２の空気は冷却される。これにより、室内２（店内）の冷房が行われる。利用側熱交換器２７を出た低温のガス冷媒は、四方弁１４、逆止弁２２、アキュムレータ２３を順次経て圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吸込側に吸い込まれる循環を繰り返す。

室内機コントローラ２８は利用側熱交換器２７の温度や利用側熱交換器２７に吸い込まれる空気温度に基づき、室内２（店内）の温度を予め設定された設定温度（室内設定温度）とするよう送風機１５を制御する。室内機コントローラ２８からの情報（室内温度（吸込口温度）など）は直接、室外機コントローラ２６に送られる。空調機間の情報は内外通信線で送受信される。室外機コントローラ２６はこの情報に基づいて圧縮機１３Ａ、１３Ｂの運転を制御する。

逆止弁５Ｃを通過して分岐した冷媒（空調用冷媒）の他方は膨張弁１９に至り、そこで絞られて低圧とされた後（減圧）、カスケード熱交換器２１の空調側通路２１Ａに流入し、そこで蒸発する。係る空調用冷媒回路７の冷媒（空調用冷媒）の蒸発による吸熱作用でカスケード熱交換器２１は冷却され、低温となる。カスケード熱交換器２１を出た低温のガス冷媒はアキュムレータ２３を経て圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吸込側に吸い込まれる循環を繰り返す。

また、室外機コントローラ２６は、室内２（店内）の温度が遠隔操作装置２９を用いて使用者により設定された設定温度（室内設定温度）となるように、利用側熱交換器２７の出入口の冷媒温度、或いは、利用側熱交換器２７の温度に基づいて膨張弁１８の開度を調整すると共に、熱源側熱交換器１６の温度や熱源側熱交換器１６に吸い込まれる空気温度に基づき送風機２４を制御する。

さらに、室外機コントローラ２６は、カスケード熱交換器２１のケース側通路２１Ｂの入口温度ＴＣ１と出口温度ＴＣ２の差が予め設定された設定温度差（例えば２０℃）となるように、膨張弁１９の弁開度を調整して過冷却制御を行う。すなわち、室外機コントローラ２６は、カスケード熱交換器２１における冷却用冷媒の出入口温度差が予め定められた設定温度差となるように、空調用冷媒の供給量を制御する空調冷媒量調整手段としても機能する。

一方、冷凍機コントローラ３２は、冷却装置８の冷却貯蔵設備用冷媒回路９の四方弁３９の前記一方の入口を一方の出口に連通させ、他方の入口を他方の出口に連通させる。また、四方弁４１の前記一方の入口を一方の出口に連通させ、他方の入口を他方の出口に連通させる。そして、圧縮機３７及び圧縮機５４を運転する。冷凍機コントローラ３２は、この圧縮機３７の運転周波数を調整することによって冷却能力を制御するようになっている。

圧縮機３７から吐出された高温高圧のガス冷媒は、オイルセパレータ３１にてオイルを分離された後、四方弁３９を経て凝縮器３８の入口側３８Ａに入る。この凝縮器３８にも送風機３５により外気が通風されており、凝縮器３８に流入した冷媒はそこで放熱し、凝縮していく。なお、電磁弁４７は全開とされる。

この凝縮器３８の入口側３８Ａを通過した冷媒は出口側３８Ｂに至り、そこから出ていく。凝縮器３８から出た冷媒はレシーバータンク３６の入口側から当該レシーバータンク３６内に入り、そこに一旦貯留されて気／液が分離される。分離された液冷媒はレシーバータンク３６の出口から出て四方弁４１を通過した後、カスケード熱交換器２１のケース側通路２１Ｂに入る。このケース側通路２１Ｂに入った冷却貯蔵設備用冷媒回路９の冷媒（高圧側の冷却用冷媒）は、前述の如き空調用冷媒回路７の冷媒（空調用冷媒）の蒸発によって低温となっているカスケード熱交換器２１によって冷却され、さらに過冷却状態が増す。より具体的には、上記したように室外機コントローラ２６により予め定めた設定温度差（例えば２０℃）だけ冷却される。なお、前述の如く凝縮器３８の直後にレシーバータンク３６を配置しているので、過冷却時の熱損失を無くすことができるようになると共に、冷媒量の調整も行うことができる。

このカスケード熱交換器２１にて過冷却された冷媒は、四方弁３９、四方弁４１を順次通過した後に分岐され、一方は電磁弁４６を通過して膨張弁４４に至り、そこで絞られた後（減圧）、冷蔵用蒸発器４３に流入し、そこで蒸発する。冷蔵用蒸発器４３には送風機２０により冷蔵ケース３の庫内空気がそれぞれ通風・循環されており、冷媒の蒸発による吸熱作用で庫内空気は冷却される。これにより、冷蔵ケース３の庫内冷却が行われる。冷蔵用蒸発器４３を出た低温のガス冷媒は合流した後、圧縮機５４のオイルセパレータ４５の出口側に至る。

カスケード熱交換器２１を出て分岐した冷媒の他方は電磁弁５２を通過して膨張弁５１に至り、そこで絞られた後（減圧）、冷凍用蒸発器４９に流入し、そこで蒸発する。この冷凍用蒸発器４９にも送風機２５により冷凍ケース４の庫内空気が通風・循環されており、冷媒の蒸発による吸熱作用で庫内空気は冷却され、冷凍ケース４の庫内冷却が行われる。

冷凍用蒸発器４９を出た低温のガス冷媒は逆止弁３０を経て圧縮機５４に至り、そこで、圧縮されて冷蔵用蒸発器４３の出口側の圧力まで昇圧された後、圧縮機５４から吐出され、オイルセパレータ４５でオイルを分離された後、冷蔵用蒸発器４３からの冷媒と合流する。この合流した冷媒は圧縮機３７の吸込側に吸い込まれる循環を繰り返す。

冷蔵ケースコントローラ５０は、冷蔵ケース３の庫内温度若しくは冷蔵用蒸発器４３を経た吐出冷気温度或いは冷蔵用蒸発器４３への吸込冷気温度と、冷蔵用蒸発器４３の出口側の冷媒温度、或いは、冷蔵用蒸発器４３の温度とに基づいて各膨張弁４４の弁開度や送風機２０をそれぞれ制御する。これにより、冷蔵ケース３の庫内を前述した冷蔵温度に冷却維持しながら、適正な過熱度（過熱度一定）とする。

また、冷凍ケースコントローラ５５は、冷凍ケース４の庫内温度若しくは冷凍用蒸発器４９を経た吐出冷気温度或いは冷凍用蒸発器４９への吸込冷気温度と、冷凍用蒸発器４９の出口側の冷媒温度、或いは、冷凍用蒸発器４９の温度とに基づいて膨張弁５１の弁開度や送風機２５を制御する。これにより、冷凍ケース４の庫内を前述した冷凍温度に冷却維持しながら、適正な過熱度（過熱度一定）とする。

圧縮機３７の運転周波数は吸込側の圧力（冷却貯蔵設備用冷媒回路９の低圧圧力）に基づいて制御される。そして、各膨張弁４４、５１の全てが全閉となった場合には停止されると共に、何れかが開放されているときは運転される。

このように、カスケード熱交換器２１の空調側通路２１Ａを流れる空調用冷媒回路７の低圧側冷媒によって冷却貯蔵設備用冷媒回路９の高圧側冷媒を過冷却することができるので、冷蔵ケース３や冷凍ケース４の蒸発器４３、４９における冷却能力と冷却貯蔵設備用冷媒回路９の運転効率が改善される。なお、この場合、冷却貯蔵設備用冷媒回路９の高圧側の冷媒は、凝縮器３８を介してカスケード熱交換器２１のケース側通路２１Ｂに流すので、空調用冷媒回路７の過熱度も適正範囲に維持できる。

また、冷却貯蔵設備用冷媒回路９の冷凍用蒸発器４９から出た冷媒の圧力は、その蒸発温度が低くなることから冷蔵用蒸発器４３を出た冷媒より低くなるが、冷蔵用蒸発器４３から出た冷媒と合流させる以前に圧縮機５４により圧縮されて昇圧されるので、冷蔵ケース３と冷凍ケース４の庫内を各蒸発器４３、４９によりそれぞれ円滑に冷却しながら、冷却貯蔵設備用冷媒回路９の圧縮機３７に吸い込まれる冷媒の圧力を調整して支障無く運転を行うことができるようになる。

次に、暖房運転時の基本動作について図３を用いて説明する。

暖房運転を行う場合、まず、室外機コントローラ２６は、四方弁１４の一方の入口を他方の出口に、他方の入口を一方の出口に連通させるように切り換える。また、膨張弁１７は全閉、膨張弁１８は全開とされる。そして、圧縮機１３Ａ、１３Ｂを運転する。圧縮機１３Ａ、１３Ｂが運転されると、圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吐出側から吐出された高温高圧のガス冷媒は、オイルセパレータ１０から四方弁１４を経て利用側熱交換器２７に入る。この利用側熱交換器２７には前述の如く送風機１５により室内２（店内）の空気が通風されており、冷媒はここで放熱し、室内２の空気を加熱する一方自らは凝縮液化する。これにより、室内２（店内）の暖房が行われる。

利用側熱交換器２７で液化した冷媒は、膨張弁１８を通って膨張弁１９に至り、そこで絞られて低圧とされた後（減圧）、カスケード熱交換器２１の空調側通路２１Ａに流入し、そこで蒸発して吸熱した後、アキュムレータ２３を経て圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吸込側に吸い込まれる循環を繰り返す。

また、前述した冷房運転と同様に、室内２（店内）の温度が遠隔操作装置２９を用いて使用者により設定された設定温度（室内設定温度）となるように、室内機コントローラ２８は送風機１５を制御すると共に、室外機コントローラ２６は、膨張弁１８の弁開度を調整すると共に、膨張弁１９の弁開度を調整して過熱度制御を行う。

冷凍機コントローラ３２は、冷却装置８の冷却貯蔵設備用冷媒回路９の四方弁３９の前記一方の入口を他方の出口に、他方の入口を一方の出口に連通させるように切り換えると共に、四方弁４１の前記一方の入口を他方の出口に、他方の入口を一方の出口に連通させるように切り換える。なお、他の電磁弁等は前述した空気調和機６の冷房運転時と同様である。すなわち、電磁弁４６、５２を開き、圧縮機３７及び５４を運転すると共に、膨張弁４４及び５１の弁開度等が制御される。

これにより、圧縮機３７から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁３９、４１を順次通過して先ずカスケード熱交換器２１のケース側通路２１Ｂに入る。すなわち、圧縮機３７から吐出された高温高圧のガス冷媒は凝縮器３８に行く前に、直接カスケード熱交換器２１のケース側通路２１Ｂに供給される。このケース側通路２１Ｂに入った冷却貯蔵設備用冷媒回路９の冷媒は、カスケード熱交換器２１において放熱するので、前述の如く空調側通路２１Ａで蒸発する空調用冷媒回路７の冷媒によって冷却貯蔵設備用冷媒回路９の冷媒は冷却されると共に、空調用冷媒回路７の冷媒は冷却貯蔵設備用冷媒回路９の冷媒の廃熱を汲み上げることになる。

このカスケード熱交換器２１のケース側通路２１Ｂを通過した冷媒は、次に四方弁３９を経て凝縮器３８の入口側３８Ａに入る。この凝縮器３８にも送風機３５により外気が通風されており、凝縮器３８に流入した冷媒はそこで放熱し、凝縮していく。

この凝縮器３８の入口側３８Ａを通過した冷媒は出口側３８Ｂに至り、そこから出ていく。凝縮器３８から出た冷媒はレシーバータンク３６の入口側から当該レシーバータンク３６内に入り、そこに一旦貯留されて気／液が分離される。分離された液冷媒はレシーバータンク３６の出口から出て四方弁４１を通過した後に分岐し、前述同様に電磁弁４６、５２に向かうことになる。

このような運転により、空気調和機６の空調用冷媒回路７の暖房運転時には、カスケード熱交換器２１で冷却貯蔵設備用冷媒回路９の高圧側冷媒の廃熱を回収して空調用冷媒回路７の利用側熱交換器２７に搬送することができるようになる。これにより、空気調和機６の暖房能力の改善を図ることができるようになり、総じて、室内空調と冷蔵ケース３及び冷凍ケース４の庫内冷却を行う空調冷凍装置１の効率改善を図り、省エネ化を図ることが可能となる。

特にこの場合、冷却貯蔵設備用冷媒回路９の高圧側の冷媒を、凝縮器３８より先にカスケード熱交換器２１に流すので、冷却貯蔵設備用冷媒回路９の高圧側冷媒からの廃熱回収を効率的に行い、空調用冷媒回路７の利用側熱交換器２７、２７における暖房能力をより一層向上させることができるようになる。

ここで、店内２が比較的暖かいなど空気調和機６が軽負荷となると、室外機コントローラ２６は膨張弁１９の弁開度を絞って冷媒流量を低減させていくようになるので、カスケード熱交換器２１における冷却貯蔵設備用冷媒回路９の冷媒の放熱量が過剰となってくるが、本発明では冷却貯蔵設備用冷媒回路９の高圧側の冷媒をカスケード熱交換器２１に流した後、凝縮器３８に流すようにしているので、空調用冷媒回路７の暖房運転時において冷却貯蔵設備用冷媒回路９のカスケード熱交換器２１における冷媒の放熱量が過剰となった場合には、凝縮器３８にて当該過剰な熱量が放出される。これにより、安定した廃熱回収運転を実現することができる。

さらに、上述の如き空気調和機６の暖房運転時に、空気調和機６がカスケード熱交換器２１で冷却貯蔵設備用冷媒回路９の高圧側冷媒から回収する熱量が不足すると、室外機コントローラ２６は、膨張弁１９の弁開度を制御して廃熱回収を行うと共に、この廃熱回収に加え、必要熱量を維持するように膨張弁１７の弁開度を制御する（熱回収制御）。なお、この場合も、冷却装置８は冷媒をカスケード熱交換器２１に流して熱回収を効率的に行う。

また、上述の如き空気調和機６の暖房運転時に、空気調和機６がカスケード熱交換器２１で冷却貯蔵設備用冷媒回路９の高圧側冷媒から回収する熱量が過多になると、室外機コントローラ２６は、膨張弁１９を全閉、膨張弁１８を全開とし、必要熱量を回収するように膨張弁１７の弁開度を制御する（熱回収制御）。また、冷却装置８は、冷媒をカスケード熱交換器２１に流し、回収熱量が過多となった場合には過冷却を増加させる。これにより、より安定した廃熱回収運転を実現することができるようになる。

また、上述した如く四方弁３９及び４１を用いて流路を切り換え、空調用冷媒回路７の冷房運転時と暖房運転時において、冷却貯蔵設備用冷媒回路９の凝縮器３８及びその出口に接続されたレシーバータンク３６に流れる冷媒の流通方向を同一としている。これにより、冷房運転時と暖房運転時とで凝縮器３８やレシーバータンク３６内の冷媒の流れが反対となる場合に比して冷却貯蔵設備用冷媒回路９内を流れる冷媒の圧力損失の発生を防止若しくは抑制することができるようになり、効率的な運転が可能となる。特に、二個の四方弁３９、４１にて流路を切り換えているので冷却貯蔵設備用冷媒回路９の構成を簡素化することができるようになる。

ところで、この空調冷凍装置１では、冷蔵・冷凍負荷に応じて制御される圧縮機３７の運転周波数が運転効率の低い周波数となった場合、例えば、冷蔵・冷凍負荷が大きくなり、圧縮機３７の運転周波数が高くなった場合に、空気調和機６の圧縮機１３Ａの運転周波数を増大させる制御を行うようになっている。

具体的には、図４にフローチャートを示すように、冷凍機コントローラ３２は、圧縮機３７の運転周波数が効率の低い予め定めた周波数範囲（例えば、予め定めた設定周波数以上）か否かを監視しており（ステップＳ１）、圧縮機３７の運転周波数がその周波数範囲に至ると、空調側の補助が必要であるとして、空調側への要求周波数を算出し（ステップＳ２）、室外機コントローラ２６に通知する（ステップＳ３）。ここで、この要求周波数とは、現在の冷蔵・冷凍負荷でも、カスケード熱交換器２１での過冷却によって、圧縮機３７の運転周波数を効率の良い周波数まで下げることが可能な圧縮機１３Ａの運転周波数であり、例えば、圧縮機３７の運転周波数と要求周波数との対応関係を記述したテーブルデータを記憶し、冷凍機コントローラ３２が、このテーブルデータに基づいて、圧縮機３７の運転周波数に応じた要求周波数を算出すればよい。すなわち、冷凍機コントローラ３２は、空調側への要求能力を決定する要求能力決定手段として機能する。

一方、室外機コントローラ２６は、冷凍機コントローラ３２から通知された要求能力に応じて圧縮機１３Ａの運転周波数を調整する処理を行う。図５は、圧縮機１３Ａの運転周波数決定処理を示すフローチャートである。なお、この処理は、運転周波数を決定するとき、具体的には、電源投入時、遠隔操作装置２９を用いて設定温度（室内設定温度）が変更されたとき、或いは、要求周波数が通知されたときに実行される。なお、要求周波数が通知されたときは、空気調和機６が遠隔操作装置２９を用いて電源オフの状態にある場合（リモコンＯＦＦの状態）でも実行されるようになっている。

まず、室外機コントローラ２６は、室内機１１に設けられた温度センサ（図示せず）から室内温度の情報を取得し、この室内温度と予め設定された設定温度（室内設定温度）との温度差を検知する（ステップＳ１０）。そして、室外機コントローラ２６は、この温度差から圧縮機１３Ａの運転周波数（第１の運転周波数）を決定する（ステップＳ１１）。なお、ここまでの運転周波数の決定処理は従来の空気調和機と同様であり、従来はこの運転周波数で圧縮機１３Ａが運転される。

次いで、室外機コントローラ２６は、要求周波数が通知されていない場合（ステップＳ１２：NO）、ステップＳ２で決定された運転周波数で圧縮機１３Ａを運転させる。これに対し、要求周波数が通知された場合（ステップＳ１２：YES）、室外機コントローラ２６は、この要求周波数とステップＳ２で決定した運転周波数（第１の運転周波数）とに基づいて運転周波数（第２の運転周波数）を決定する（ステップＳ１２）。この場合、第２の運転周波数は少なくとも第１の運転周波数よりも高い周波数とされ、例えば、第１の運転周波数と要求周波数の組み合わせと、第２の運転周波数との対応関係を記述したテーブルデータを予め用意し、このテーブルデータに基づいて最終運転周波数を決定するようにしてもよく、また、要求周波数と第１の運転周波数との加算値を第２の運転周波数としてもよい。

従って、ステップＳ１１で決定された運転周波数（第２の運転周波数）で圧縮機１３Ａを運転することにより、冷蔵・冷凍の負荷に応じてカスケード熱交換器２１への空調用冷媒の供給量を増大させることができる。これにより、空気調和機６によって冷却装置８側を補助することが可能となり、その分、圧縮機３７の運転周波数を下げることが可能となり、空調冷凍装置１全体で効率の良い運転を行うことが可能となる。この結果、例えば、空気調和機６がサーモオフ状態やリモコンオフ状態にあり、圧縮機１３Ａの運転を停止していて運転能力に余裕がある場合などに、冷却装置８が効率の悪い運転状態となると、圧縮機１３Ａの運転を開始して冷却装置８を効率の良い運転状態にすることができる。

なお、室外機コントローラ２６は、冷凍機コントローラ３２から補助停止要求が通知された場合、或いは、冷凍機コントローラ３２からの要求に応じた運転周波数で所定期間運転した後などに通常運転（圧縮機１３Ａを室内温度と設定温度（室内設定温度）との温度差から算出した運転周波数（上記第１の運転周波数）で運転する）に戻る。ここで、冷凍機コントローラ３２が補助停止要求を通知する場合とは、上記要求を通知後、圧縮機３７の運転周波数が予め設定された下限周波数（下限周波数＜効率の低い周波数範囲）を下回った場合などである。

以上説明したように、本実施形態の空調冷凍装置１においては、冷却装置８の圧縮機３７の運転周波数が効率の低い周波数となった場合に、空気調和機６の圧縮機１３Ａの運転周波数を増大させることにより、カスケード熱交換器２１で冷却用冷媒を十分に過冷却させて冷却装置８の圧縮機３７の運転周波数を下げることができる。これにより、冷却装置８が効率の良い運転となり、全体として効率の良い運転を行って電力消費量を低減させることができる。また、冷蔵ケース３や冷凍ケース４の扉が長期間開いたままや商品の詰め過ぎで冷却装置８の能力だけでは十分に冷却できない状況が生じたとしても、空気調和機６によって冷却装置８が迅速に補助されるので、ケース内の商品が傷んでしまうのを確実に防止することが可能である。

なお、上記実施例では、コンビニエンスストアを例にあげて本発明を説明したが、それに限らず、室内空調と冷却貯蔵設備の冷却を行う種々の空調冷凍装置に本発明は有効である。さらに、実施例で示した各設定値や配管構成はそれに限定されるものでは無く、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。例えば、上記実施例では、冷凍機コントローラ３２が空調側への要求周波数を算出する場合について述べたが、冷凍機コントローラ３２が圧縮機３７の運転周波数、或いは、冷蔵ケース３や冷凍ケース４の庫内温度を室外機コントローラ２６に通知するようにし、この運転周波数或いは庫内温度に基づいて室外機コントローラ２６が要求周波数を算出するようにしてもよく、この種の要求能力を算出したり、運転周波数を決定するコントローラは任意に変更が可能である。

空調冷凍装置の冷媒回路を含むシステム構成を説明する図である（空気調和機の冷房運転時）。 空調冷凍装置の空気調和機が冷房運転時に冷却装置の圧縮機が故障した場合の運転を説明する図である。 空調冷凍装置の空気調和機の暖房運転を説明する図である。 冷凍機コントローラの動作を示すフローチャートである。 空気調和機の圧縮機の運転周波数決定処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 空調冷凍装置
３ 冷蔵ケース
４ 冷凍ケース
６ 空気調和機
７ 空調用冷媒回路
８ 冷却装置
９ 冷却貯蔵設備用冷媒回路
１３Ａ、１３Ｂ、３７、５４ 圧縮機
１５ 利用側熱交換器
１６ 熱源側熱交換器
２１ カスケード熱交換器
２６ 室外機コントローラ
２８ 室内機コントローラ
２９、５７ 遠隔操作装置
３８ 凝縮器
４３ 冷蔵用蒸発器
４９ 冷凍用蒸発器

Claims (8)

1. 運転周波数を可変可能な空調用圧縮機を用いて室内空調を行う空調系統部と、冷却貯蔵設備の冷却負荷に応じて冷却用圧縮機の運転周波数を可変して冷却貯蔵設備の庫内冷却を行う冷凍系統部とを備える空調冷凍装置において、
   前記空調系統部の低圧側の空調用冷媒と前記冷凍系統部の高圧側の冷却用冷媒とが供給されて、前記空調用冷媒により前記冷却用冷媒を過冷却させるカスケード熱交換器と、
   前記冷却用圧縮機の運転周波数が効率の低い予め定めた周波数範囲となった場合に、前記空調用圧縮機の運転周波数を増大させる周波数調整手段を有することを特徴とする空調冷凍装置。
2. 前記冷却用圧縮機の運転周波数が前記周波数範囲となった場合に、その運転周波数に応じて空調側への要求能力を決定する要求能力決定手段を有し、
   前記周波数調整手段は、前記要求能力に応じて前記空調用圧縮機の運転周波数を増大させることを特徴とする請求項１に記載の空調冷凍装置。
3. 前記周波数調整手段は、室内温度と室内設定温度との差に基づいて第１の運転周波数を決定し、この第１の運転周波数を前記空調用圧縮機の運転周波数とする一方、前記要求能力決定手段が要求能力を決定した場合は、前記第１の運転周波数と前記要求能力に基づいて第２の運転周波数を決定し、この第２の運転周波数を前記空調用圧縮機の運転周波数とすることを特徴とする請求項２に記載の空調冷凍装置。
4. 前記カスケード熱交換器における前記冷却用冷媒の出入口温度差が予め定めた設定温度差となるように、前記カスケード熱交換器への前記空調用冷媒の供給量を制御する空調冷媒量調整手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の空調冷凍装置。
5. 運転周波数を可変可能な空調用圧縮機を用いて室内空調を行う空調系統部と、冷却貯蔵設備の冷却負荷に応じて冷却用圧縮機の運転周波数を可変して冷却貯蔵設備の庫内冷却を行う冷凍系統部と、空調系統部の低圧側の空調用冷媒と冷凍系統部の高圧側の冷却用冷媒とが供給されて、空調用冷媒により冷却用冷媒を過冷却させるカスケード熱交換器とを備える空調冷凍装置の制御方法において、
   前記冷却用圧縮機の運転周波数が効率の低い予め定めた周波数範囲となったか否かを判定し、前記周波数範囲となった場合に、前記空調用圧縮機の運転周波数を増大させることを特徴とする空調冷凍装置の制御方法。
6. 前記冷却用圧縮機の運転周波数が前記周波数範囲となった場合に、その運転周波数に応じて空調側への要求能力を決定し、前記要求能力に応じて前記空調用圧縮機の運転周波数を増大させることを特徴とする請求項４に記載の空調冷凍装置の制御方法。
7. 前記冷却用圧縮機の運転周波数が前記周波数範囲以外の場合は、室内温度と室内設定温度との差に基づいて第１の運転周波数を決定し、この第１の運転周波数を前記空調用圧縮機の運転周波数とし、
   前記冷却用圧縮機の運転周波数が前記周波数範囲の場合は、前記第１の運転周波数と前記要求能力とに基づいて第２の運転周波数を決定し、この第２の運転周波数を前記空調用圧縮機の運転周波数とすることを特徴とする請求項５に記載の空調冷凍装置の制御方法。
8. 前記カスケード熱交換器における前記冷却用冷媒の出入口温度差が予め定めた設定温度差となるように、前記カスケード熱交換器への前記空調用冷媒の供給量を制御することを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の空調冷凍装置の制御方法。

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