JP2006064199A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却負荷が大きく変動したとしても安定して動作する、より簡素な構成の冷凍装置を提供する。
【解決手段】冷凍装置（１）は、二元蒸気圧縮冷凍サイクルを行うものであって、低温側回路（１０１）には冷凍ショーケース４３が接続されている。冷凍装置（１）では、低温側回路（１０１）の圧縮機（１５８）を駆動するモータへの供給電流が急低下し、圧縮機（１５８）の吐出冷媒温度が急上昇したことが検知されると、モータに電力を供給するインバータ回路の出力周波数が変化され、これによって当該圧縮機（１５８）が容量制御される。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍装置に関し、特に、多元又は多段の蒸気圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置の動作の信頼性を向上させる技術に関するものである。

従来より、コンビニエンスストアでは、ショーケース内の商品を冷蔵、冷凍するための蒸発器、及び、客や店員に対する冷暖房のための熱交換器が１つの冷媒回路に接続されて構成される冷凍装置が用いられており、このような冷凍装置によって効率的な熱回収が図られている。

図１３は従来用いられている冷凍装置（５）の冷媒回路を構成する主な要素及び冷房時の動作を説明するための図であり、図１４は冷房運転時の冷凍装置（５）各部での冷媒の状態の概略を示すＰ−ｈ線図である。

冷凍装置（５）は、図１３のように二元蒸気圧縮冷凍サイクルを行うものである。室内熱交換器（５１２）は冷暖房を行うためのものであり、冷房運転時には、この室内熱交換器（５１２）と、可変容量圧縮機（５５１）、固定容量圧縮機(５５２）、室外熱交換器（５５５）及び室内膨張弁（５１１）が冷媒の流路を形成し、また、圧縮機（５５１，５５２）及び室外熱交換器（５５５）に対し、膨張弁（５１１）及び室内熱交換器（５１２）と並列に、膨張弁（５５６）及びカスケード熱交換器（５５７）が冷媒の流路を形成し、これらにより高温側回路（５０２）が構成される。冷凍蒸発器（５２２）は冷凍ショーケース中の商品を冷凍するためのものであり、この冷凍蒸発器（５２２）と、固定容量圧縮機（５４１）、熱交換器（５５７）及び冷凍膨張弁（５２１）が低温側回路（５０１）を構成する。

四路切替弁（５５３，５５４）は暖房運転時には図１３の冷房運転時の実線に示す状態から破線に示す状態に切り替えられ、これによって室内熱交換器（５１２）を流れる冷媒の向きが切り替えられるが、冷房運転時及び暖房運転時のいずれでも、室外熱交換器（５５５）、受液器（５５８）、膨張弁（５５６）、カスケード熱交換器（５５７）をこの順で冷媒が流れるように、受液器（５５８）周辺の管路、逆止弁等が配置されている。

実際、冷房運転時に、高温側回路（５０２）では、圧縮機（５５１，５５２）に吸入されて圧縮された冷媒（図１４の状態V→状態VI）は、室外熱交換器（５５５）で外気に放熱しつつ凝縮して（状態VI→状態VII）、受液器（５５８）に流入する。受液器（５５８）から流出する冷媒は分岐され、その一部が、膨張弁（５５６）で減圧されて（状態VII→状態VIII）、カスケード熱交換器（５５７）で低温側回路（５０１）の冷媒から吸熱しつつ蒸発し（状態VIII→状態V）、また、その残りが、室内膨張弁（５１１）で減圧されて（状態VII→状態IＸ）、室内熱交換器（５１２）で吸熱しつつ蒸発する（状態IＸ→状態V）。カスケード熱交換器（５５７）又は室内熱交換器（５１２）を通る冷媒は、その後合流して圧縮機（５５１，５５２）に吸入され、１サイクルを終える。

これとともに、低温側回路（５０１）では、固定容量圧縮機（５４１）に吸入されて圧縮された冷媒（状態I→状態II）は、カスケード熱交換器（５５７）で高温側回路（５０２）の冷媒に放熱しつつ凝縮し（状態II→状態III）、冷凍膨張弁（５２１）で減圧され（状態III→状態IV）、その後冷凍蒸発器（５２２）で庫内空気から吸熱しつつ蒸発し（状態IV→状態I）、１サイクルを終えることとなる。

冷凍装置（５）は、これらのように冷房を行いながら商品を冷凍することができるものであり、また、四路切替弁（５５３，５５４）を切り替えて室内熱交換器（５１２）を凝縮器として働かせて、同様に、暖房を行いながら商品を冷凍することができるものである。（冷凍装置（５）は説明を簡潔にするため構成を簡略化したものであるが、たとえば特許文献１には、類似する冷凍装置についての詳細な記載がある。）
特開２００１−２７２０８７号公報

しかしながら、上述の冷凍装置（５）では、冷凍を続けるに従いその冷却負荷が小さくなり冷凍蒸発器（５２２）での冷媒の蒸発量が減少したとき、冷凍蒸発器（５２２）通過後の冷媒の過熱度を一定に保つためその流量を減らすように、感温膨張弁である冷凍膨張弁（５２１）が自動的に閉じられていく。固定容量圧縮機（５４１）は一定の流量で冷媒を循環させるため、冷凍膨張弁（５２１）が閉じられていくことによる冷媒流量の減少に伴なって、冷媒の圧縮機（５４１）での吸入圧力（低温側回路（５０１）の低圧）が低下することになる。冷媒は、圧縮機（５４１）で、ほぼ等エントロピ変化しながら、一定に保たれる圧縮機（５５１，５５２）の吸入圧力（高温側回路（５０２）の低圧）まで上昇されるから、冷凍蒸発器（５２２）での冷却負荷の減少は、図１４に示すように、圧縮機（５４１）から吐出される冷媒の温度Ｔ_dの上昇をもたらすこととなる。

このような吐出冷媒温度Ｔ_dの上昇は、圧縮機（５４１）（スクロール圧縮機などが用いられる）の内部を潤滑する冷凍機油の性能を劣化させ、摩擦部分の焼き付きを生じさせることとなって、圧縮機（５４１）が破損する可能性がある。

さらに、低温側回路（５０１）では、カスケード熱交換器（５５７）に対し、膨張弁（５２１）、蒸発器（５２２）及び固定容量圧縮機（５４１）に並列に、冷凍ショーケースの台数に応じ、膨張弁、蒸発器及び固定容量圧縮機が複数組接続されて１つの冷凍装置が構成されることがあるが、このような冷凍ショーケースがマルチ接続された、冷却負荷の変動量の大きい冷凍装置では、上述のような圧縮機の破損のおそれがより大きくなる。

通常、これらを防止するために、固定容量圧縮機（５４１）に代えて可変容量圧縮機を用い、さらにこの可変容量圧縮機の吸入冷媒圧力を検知してその圧力に応じた容量制御をすることが考えられるが、この低温側回路（５０１）の低圧を検知する圧力センサのために装置全体の製造費が増大することになる。

本発明はこれらを考慮してなされたものであり、その目的は、冷却負荷が大きく変動したとしても安定して動作する、より簡素な構成の冷凍装置を提供することである。

第１の発明に係る冷凍装置（１）は、冷凍、冷蔵などのための利用熱交換器（１３２）が接続された低温側回路（１０１）を備えた二元蒸気圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置であって、低温側回路（１０１）の圧縮機（１５８）を駆動するモータへの供給電流及び当該圧縮機（１５８）から吐出された冷媒の温度に基づいて、当該圧縮機（１５８）の容量を制御することを特徴としている。

二元蒸気圧縮サイクルを行う本冷凍装置（１）では、低温側回路（１０１）の圧縮機（１５８）が、当該圧縮機（１５８）を駆動するモータへの供給電流及び当該圧縮機（１５８）の吐出冷媒温度に基づいて容量制御される。

第２の発明に係る冷凍装置（３）は、利用熱交換器（３３２）が接続された低温側回路（３０１）を備えた二段蒸気圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置であって、低温側回路（３０１）の圧縮機（３４１）を駆動するモータへの供給電流及び当該圧縮機（３４１）から吐出された冷媒の温度に基づいて、当該圧縮機（３４１）の容量を制御することを特徴としている。

二段蒸気圧縮サイクルを行う本冷凍装置（３）では、低温側回路（３０１）の圧縮機（３４１）が、当該圧縮機（３４１）を駆動するモータへの供給電流及び当該圧縮機（３４１）の吐出冷媒温度に基づいて容量制御される。

第３の発明に係る冷凍装置は、上記第１又は第２の発明に係る冷凍装置において、空調などのための利用熱交換器（１１２，３１２）が接続された高温側回路（１０２，３０２）を備えるものである。

第４の発明に係る冷凍装置は、上記第１から第３までのいずれか１つの発明に係る冷凍装置において、高温側回路（１０２，３０２）の圧縮機（１５１，３６１）に吸入される冷媒の圧力を一定に保つよう高温側回路（１０２，３０２）の圧縮機（１５１，３６１）の容量又は膨張弁（１５６,３１１）を制御するものである。

本冷凍装置では、高温側回路（１０２，３０２）の圧縮機（１５１，３６１）の容量又は膨張弁（１５６,３１１）が制御されて、当該圧縮機（１５１，３６１）の吸入冷媒圧力が一定に保たれる。

第５の発明に係る冷凍装置は、上記第１から第４までのいずれか１つの発明に係る冷凍装置において、上記低温側回路（１０１，３０１）の圧縮機（１５８，３４１）の容量制御を、上記モータに接続されるインバータ回路からの出力周波数を変化させることによって行うものである。

本冷凍装置では、モータに電力を供給するインバータ回路の出力周波数を変化させることによって、低温側回路（１０１，３０１）の圧縮機（１５８，３４１）が容量制御される。

第６の発明に係る冷凍装置は、上記第５の発明に係る冷凍装置において、上記低温側回路（１０１，３０１）の圧縮機（１５８，３４１）の容量制御を、上記供給電流及び上記吐出冷媒温度が所定の第１条件を満たすときに、上記出力周波数を減少させることによって行うものである。

第７の発明に係る冷凍装置は、上記第６の発明に係る冷凍装置において、上記低温側回路（１０１，３０１）の圧縮機（１５８，３４１）の容量制御を、上記第１条件が満たされて所定の時間が経過した後上記冷媒温度が所定の第２条件を満たすときに、上記減少された出力周波数を減少前の値に回復させることによって行うものである。

第８の発明に係る冷凍装置は、上記第１から第７までのいずれか１つの発明に係る冷凍装置において、低温側回路（２０１，４０１）の圧縮機（２５８，４４１）に吸入される冷媒の温度及び圧力の所定の設定値、並びに、高温側回路（２０２，４０２）の圧縮機（２５１，４６１）に吸入される冷媒の圧力の計測値から、低温側回路（２０１，４０１）の圧縮機（２５８，４４１）から吐出される冷媒の温度を予測し、上記低温側回路の圧縮機の容量制御では、上記低温側回路（２０１，４０１）の圧縮機（２５８，４４１）から吐出された冷媒の温度として、当該予測値を用いるものである。

本冷凍装置では、低温側回路（２０１，４０１）の圧縮機（２５８，４４１）の吸入冷媒温度と吸入冷媒圧力との所定の設定値、及び、高温側回路（２０２，４０２）の圧縮機（２５８，４４１）の吸入冷媒圧力の計測値から、低温側回路（２０１，４０１）の圧縮機（２５８，４４１）の吐出冷媒温度が予測され、この予測値と上記モータへの供給電流に基づいて上記低温側回路（２０１，４０１）の圧縮機（２５８，４４１）が容量制御される。

上記第１又は第２の発明に係る冷凍装置（１，３）によると、低温側回路（１０１，３０１）の圧縮機（１５８，３４１）の容量制御が、圧縮機（１５８，３４１）のモータへの供給電流及び当該圧縮機（１５８，３４１）から吐出された冷媒の温度に基づいて行われるため、それら一方によるよりもより確実に、圧縮機（１５８，３４１）の吸入冷媒圧力の低下を検知して、その低下を抑えるように圧縮機（１５８，３４１）が容量制御される。これによって、たとえば低温側回路（１０１，３０１）に冷凍ショーケースが複数台接続された状況で、冷却負荷が大きく変動したとしても、安定した動作が保証されることとなる。これらの低温側回路（１０１，３０１）の圧縮機（１５８，３４１）の容量制御には低圧の値を検知する圧力センサが用いられないため、また、この容量制御を、各冷凍ショーケースの稼動状況を示す信号を個別に入力しないまま行えるため、より簡素な構成で製造費を増大させることなく、その効果を達することができる。

上記第３の発明に係る冷凍装置によると、高温側回路（１０２，３０２）に利用熱交換器（１１２，３１２）が接続される状況でも低温側回路（１０１，３０１）での動作が安定しているため、ひいては高温側回路（１０２，３０２）の利用熱交換器の吸熱及び放熱が安定して行われることとなる。

上記第４の発明に係る冷凍装置によると、高温側回路（１０２，３０２）に利用熱交換器（１１２，３１２）が接続されて高温側回路（１０２，３０２）の圧縮機（１５１，１５２，３６１）の吸入冷媒圧力が一定に保たれる必要があっても、これに対応しつつ、低温側回路（１０１，３０１）の圧縮機（１５８，３４１）を安定して動作させることができることとなる。

上記第５、第６又は第７の発明に係る冷凍装置によると、インバータ回路の出力周波数を変化させることによって低温側回路（１０１，３０１）の圧縮機（１５８，３４１）の容量制御が行われるため、簡便な構成で上述してきた効果が得られることとなる。

上記第８の発明に係る冷凍装置によると、低温側回路（２０１，４０１）の圧縮機（２５８，４４１）の吐出冷媒温度は、計測されることなく予測されるものであるため、圧力センサに加え温度センサをも用いることなく簡便、簡素な構成で、上述したそれぞれの効果を実現することができることとなる。

以下、本発明に係る冷凍装置について図面を用いつつ詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態である冷凍装置（１）の主な構成を示す冷媒回路図である。

コンビニエンスストアなどに設置される冷凍装置（１）は、二元蒸気圧縮冷凍サイクルを行うものであって、店内で冷暖房を行う空調ユニット（１１）、陳列される商品を冷蔵する冷蔵ショーケース（１２）、商品を冷凍する冷凍ショーケース（１３）、冷凍のため冷媒圧力を低く保つためのブースタユニット（１４）、及び、店外に設置され冷媒から外気への放熱が行われる室外ユニット（１５）を備えている。

空調ユニット（１１）は、冷房時に冷媒を減圧する電子膨張弁である空調膨張弁（１１１）と、冷房時に蒸発器として働き暖房時に凝縮器として働く空調熱交換器（１１２）を備えている。冷蔵ショーケース（１２）は、感温膨張弁である冷蔵膨張弁（１２１）と、ショーケース中の庫内空気から冷媒への吸熱が行われる冷蔵蒸発器（１２２）を備えており、冷凍ショーケース（１３）は、感温膨張弁である冷凍膨張弁（１３１）と、庫内空気から冷媒への吸熱が行われる冷凍蒸発器（１３２）を備えている。ブースタユニット（１４）は、冷凍蒸発器（１３２）を通る冷媒の圧力を、冷蔵蒸発器（１２２）を通る冷媒の圧力よりも低く保つブースタ圧縮機（１４１）を備えている。

また、室外ユニット（１５）は、冷媒を圧縮する可変容量圧縮機（１５１）及び固定容量圧縮機（１５２）と、冷媒の循環経路を切り替え、冷房時には図２に示す経路で冷媒を循環させ、暖房時には図４に示す経路で冷媒を循環させる四路切替弁（１５３，１５４）と、冷媒から外気への放熱が行われる室外凝縮器（１５５）と、凝縮器（１５５）で凝縮した液冷媒を一時的に蓄える受液器（１５９）と、受液器（１５９）からの液冷媒を減圧する電子膨張弁である室外膨張弁（１５６）と、低温側回路（１０１）（圧縮機（１５８）、膨張弁（１２１，１３１）、蒸発器（１２２，１３２）、及び、ブースタ圧縮機（１４１）などを含む冷蔵、冷凍のための冷媒回路）で生じた熱を高温側回路（１０２）（圧縮機（１５１，１５２）、凝縮器（１５５）、膨張弁（１１１，１５６）、熱交換器（１１２）などを含む空気調和のための冷媒回路）に回収するためのカスケード熱交換器（１５７）と、このカスケード熱交換器（１５７）に向かって冷媒を吐出する可変容量圧縮機（１５８）と、カスケード熱交換器（１５７）で凝縮した冷媒を一時的に蓄える受液器（１６０）と、マイクロプロセッサ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等からなるコントローラ（１８０）を備えている。

このコントローラ（１８０）は、圧縮機（１５１，１５２）を運転、停止させ、また、膨張弁（１１１，１５６）その他回路中に設けられた電磁弁、電子膨張弁を開閉度を調整すること等によって、冷媒の流量、圧力等を制御するものであるが、特に可変容量圧縮機（１５１）の吸入口近傍（図１で圧縮機の下部）の圧力センサ（不図示）によって検知された冷媒圧力に基づいてこの圧縮機（１５１）を容量制御して、高温側回路（１０２）の冷媒の低圧を一定に維持するものである。圧縮機（１５１，１５２）等の吐出口近傍には、高圧圧力スイッチ（不図示）が設けられており、吐出圧力が異常に上昇した際に、各圧縮機のモータは一時的に停止される。

特に本発明に関わる構成として、低温側回路（１０１）の可変容量圧縮機（１５８）の吐出管には温度センサ（１８１）が設けられており、また、この圧縮機（１５８）では内部のモータへの供給電流を検知することができる。また、可変容量圧縮機（１５８）内のモータはインバータ回路に接続されており、インバータ回路で発生される交流周波数を変化させることによって、モータの回転数が変化され、圧縮機（１５８）の容量制御が行われる。コントローラ（１８０）は、上述の圧縮機（１５１，１５２）の運転、停止等の制御に加えて、（より詳細には後に図５を用いて説明するようにして）吐出管中を流れる冷媒の温度の計測値と圧縮機モータへの供給電流の計測値に基づき、インバータ回路の出力周波数を制御することによって、圧縮機（１５８）の容量制御を行うものである。

図２〜図４を用いて冷凍装置（１）の冷暖房時の動作を略述した後、図５を用いて本発明の特徴とする圧縮機（１５８）の容量制御について説明する。

図２は冷凍装置（１）での冷房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図であり、図３は冷房運転時の冷凍装置（１）各部での冷媒の状態の概略を示すＰ−ｈ線図である。

冷房運転時には、高温側回路（１０２）で、四路切替弁（１５３，１５４）はそれぞれ図２の実線に示す状態に設定され、圧縮機（１５１，１５２）で圧縮された冷媒（図３の状態VII→状態VIII）は、室外凝縮器（１５５）で外気に放熱しつつ凝縮し（状態VIII→状態IＸ）、受液器（１５９）に流入する。受液器（１５９）から流出する液冷媒は分岐され、その一部が、室外膨張弁（１５６）で減圧されて（状態IＸ→状態Ｘ）、カスケード熱交換器（１５７）で吸熱しつつ蒸発し（状態Ｘ→状態VII）、また、受液器（１５９）から流出する液冷媒の残りが、空調膨張弁（１１１）で減圧されて（状態IＸ→状態ＸI）空調熱交換器（１１２）で室内空気から吸熱しつつ蒸発する（状態ＸI→状態VII）。その後、カスケード熱交換器（１５７）又は空調熱交換器（１１２）を通る冷媒は、合流して圧縮機（１５１，１５２）に吸入され、１サイクルを終える。

これとともに、低温側回路（１０１）では、可変容量圧縮機（１５８）に吸入されて圧縮された冷媒（状態I→状態II）は、カスケード熱交換器（１５７）で高温側回路（１０２）の冷媒に放熱しつつ凝縮し（状態II→状態III）、受液器（１６０）に流入する。受液器（１６０）から流出する液冷媒は、その一部が、冷蔵膨張弁（１２１）で減圧されて（状態III→状態IV）、冷蔵蒸発器（１２２）で吸熱しつつ蒸発し（状態IV→状態I）、また、受液器（１６０）から流出する液冷媒の残りが、冷凍膨張弁（１３１）で減圧されて（状態III→状態V）、冷凍蒸発器（１３２）で庫内空気から吸熱しつつ蒸発し（状態V→状態VI）、圧縮機（１４１）に吸入されて圧縮される。この圧縮機（１４１）からの冷媒と冷蔵蒸発器（１２２）からの冷媒とは、その後合流して（状態I）、圧縮機（１５８）に吸入され、１サイクルを終えることとなる。

これらのように、冷凍装置（１）は、高温側回路（１０２）で冷房を行いながら、低温側回路（１０１）で商品の冷蔵、冷凍を行うことができるものである。

図４は冷凍装置（１）での暖房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。

暖房運転時には、高温側回路（１０２）では、四路切替弁（１５３，１５４）はそれぞれ冷房運転時の実線に示す状態から破線に示す状態に切り替えられる。圧縮機（１５１，１５２）で圧縮された過熱蒸気冷媒は分岐され、その一部が室外凝縮器（１５５）に送られ、その残りが空調熱交換器（１１２）に送られる。室外凝縮器（１５５）又は空調熱交換器（１１２）で外気又は室内空気に放熱しつつ凝縮した冷媒は、合流して、受液器（１５９）に流入する。この液冷媒は、室外膨張弁（１５６）で減圧され、カスケード熱交換器（１５７）で低温側回路（１０１）の冷媒から吸熱しつつ蒸発し、圧縮機（１５１，１５２）に吸入されて、１サイクルを終えることとなる。

また、暖房運転時、低温側回路（１０１）では、上述の冷房運転時と同様にして冷媒が循環する。

これらのように、冷凍装置（１）は、高温側回路（１０２）で暖房を行いながら、低温側回路（１０１）で商品の冷蔵、冷凍を行うことができるものである。

以上のように、冷凍装置（１）は、冷暖房を行いながら、冷蔵ショーケース、冷凍ショーケースにそれぞれ陳列された商品の冷蔵、冷凍を行うことができるものであり、特に暖房と冷凍とに要する熱を効率よく交換して圧縮機を駆動するエネルギをより小さく抑えつつ、室外ユニット、配管等に要するスペースをより小さくすることができるものである。

通常時にこれらのように動作する冷凍装置（１）は、冷凍蒸発器（１３２）での蒸発量の減少等による、低温側回路（１０１）での冷却負荷の低下に伴なう低圧（可変容量圧縮機（１５８）の吸入冷媒圧力、図３の状態IV→状態I）の低下を、次に示すようなコントローラ（１８０）による制御によって抑えることができるものである。

図５は本発明に関わるコントローラ（１８０）による圧縮機（１５８）の容量制御処理の手順を示すフローチャートである。

冷凍装置（１）では、圧縮機（１５８）の吐出管温度Ｔ_dが温度センサ（１８１）により検知されており、また、可変容量圧縮機（１５８）（図２等）内のモータへの供給電流が計測されており、これらの値がコントローラ（１８０）に入力される。

圧縮機（１５８）の吸入冷媒圧力の低下は、図１４に示したように吐出冷媒温度の上昇をもたらし、また、モータへの供給電流Ａ１［Ａ］と、吐出圧力ＨＰ［ＭＰａ］、吸入圧力ＬＰ［ＭＰａ］、圧縮機回転数ＨＺ［Ｈｚ］との間には、ＨＰ≧５［ＭＰａ］のとき、ＨＰ＝−０．３５３×ＬＰ−０．０３０７×ＨＺ＋１．６２×Ａ１−４．５４のような関係があり、圧縮機（１５８）の吸入冷媒圧力の低下はモータへの供給電流の低下をもたらすものであり、コントローラ（１８０）は、これらの値が変化したことを検知したときに吸入冷媒圧力を低下させないよう圧縮機（１５８）を容量制御する。

詳細には、本容量制御では、まず、圧縮機（１５８）の吐出管の温度Ｔ_d（圧縮機（１５８）の吐出冷媒温度）が１秒間に１０℃と急上昇しかつモータへの供給電流が１秒間に１０％と急低下したか否か、又は、吐出管温度Ｔ_dが１２０℃より高い状態が３分間連続しているか否かが判断される（ステップ１、以下ステップをＳＴとする）。いずれかの条件が満たされると（ＳＴ１にてＹＥＳ）、さらに、吐出管温度Ｔ_dが１２５℃より高い状態が１分間連続しているか否か、又は、吐出管温度Ｔ_dが１３０℃より高い状態が５秒間連続しているか否かが判断される（ＳＴ２）。

吐出管温度Ｔ_dが上記条件のいずれかを満たすならば（ＳＴ２にてＹＥＳ）、定格周波数から２ステップ分を減少させる（ここでは周波数１ステップ分を減少させることによって冷媒流量が５％程度減少されるものとする）ように、コントローラ（１８０）から圧縮機（１５８）に信号が送られ（ＳＴ３）、２０秒の経過が待たれる（ＳＴ４）。

ＳＴ１での条件又はＳＴ２での条件がいずれも満たされなければ（ＳＴ１にてＮＯ、又は、ＳＴ２にてＮＯ）、ＳＴ３及びＳＴ４での処理はスキップされて、続くＳＴ５に処理が直接移される。

２０秒経過後（ＳＴ４にてＹＥＳ）、吐出管温度Ｔ_dが１３５℃より高ければ（ＳＴ５）、圧縮機（１５８）を一旦強制停止させて、５分後、６分後、７分後、・・・に順次その再起動を試みるリトライ動作をするように設定されることとなる（ＳＴ６）。続いて、吐出管温度Ｔ_dが１１５℃より低いか否かが判断され（ＳＴ７）、吐出管温度Ｔ_dが１１５℃より低いときのみに（ＳＴ７にてＹＥＳ）、圧縮機（１５８）に対し、２ステップ減少された周波数を定格ステップに回復させるようにコントローラ（１８０）から圧縮機（１５８）に信号が送られ（ＳＴ８）、本処理は終了することとなる。

以上のような圧縮機（１５８）に対する容量制御処理によって、圧縮機（１５８）の吐出冷媒温度とこの圧縮機（１５８）を駆動するモータへの供給電流が所定の第１の条件を満たす場合（ＳＴ１及びＳＴ２にてＹＥＳと判断された場合）に、インバータ回路からの出力周波数が減少され（ＳＴ３での処理）、冷媒流量が減少されることとなり、また、圧縮機（１５８）の吐出冷媒温度が所定の第２の条件を満たす場合（ＳＴ７にてＹＥＳと判断された場合）に、上記の減少された出力周波数が回復され（ＳＴ８での処理）、冷媒流量が回復されることとなり、これらによって、冷却負荷の減少等によって生じつつあった圧縮機（１５８）の吸入冷媒圧力の低下ひいてはその低下によってもたらされる圧縮機（１５８）の損傷を確実に防止することができる。

特に冷凍装置（１）では、冷暖房のいずれを問わず、高温側回路（１０２）の低圧（図３の状態IＸ→状態VII）を一定に保つ必要があるものであるが、上述のような制御によってその必要に対応しつつ低温側回路（１０１）の圧縮機（１５８）を安定して動作させることができる。さらに、このような制御は、圧縮機（１５８）の吸入冷媒圧力を検知する圧力センサを設けることなく、また、冷蔵ショーケース、冷凍ショーケースとからそれぞれその稼動を示す信号を個別に入力することなく行うものであるため、より簡素な構成で、低温側回路（１０１）への冷凍、冷蔵負荷のマルチ接続及びその安定した動作を可能とするものである。

図６は、本発明の第２の実施の形態である冷凍装置（２）の主な構成を示す冷媒回路図である。第１の実施の形態である冷凍装置（１）と同様の機能を有する構成要素には、同様の符号を付している。

特に本発明に関わる構成として、高温側回路（２０２）の圧縮機（２５１，２５２）に吸入される冷媒の圧力を検知する圧力センサ（２８１）が設けられており、コントローラ（２８０）は、この吸入冷媒圧力に基づき、図５中の吐出管温度Ｔ_d（可変容量圧縮機（２５８）から吐出される冷媒の温度）を予測しつつ、その上昇が予測された際に、同様の容量制御処理によって低温側回路（２０１）の低圧（圧縮機（２５８）に吸入される冷媒の圧力）の低下を抑えるものである。

すなわち、Ｔ₁［Ｋ］、Ｔ₂［Ｋ］、ＬＰ［ＭＰａ］、ＨＰ［ＭＰａ］を、それぞれ、低温側回路（２０１）の圧縮機（２５８）の吸入冷媒温度、吐出冷媒温度、吸入冷媒圧力、吐出冷媒圧力とすると、Ｔ₂＝Ｔ₁・ＨＰ／ＬＰが成立する。ここで、ＨＰとして、圧力センサ（２８１）で計測された高温側回路（２０２）の低圧の圧力値（圧縮機（２５１，２５２）に吸入される冷媒の圧力、０．２ＭＰａ〜０．３ＭＰａ）を用い、Ｔ₁＝−２５［℃］＝２４８［Ｋ］、ＬＰ＝０．１［ＭＰａ］として、上式からＴ₂を推定することができるが、図５中の吐出管温度Ｔ_dに代えて、この吐出冷媒温度の予測値Ｔ₂を用い、圧縮機（２５８）の容量を制御することによって、低温側回路（２０１）の低圧の低下を抑えることができる。

図７は、本発明の第３の実施の形態である冷凍装置（３）の主な構成を示す冷媒回路図である。

冷凍装置（３）は、冷凍装置（１）同様にコンビニエンスストアなどに設置されるものであるが、冷凍装置（１）とは異なり二段蒸気圧縮冷凍サイクルを行うものであって、冷凍装置（１）と同様の空調ユニット（３１）、冷蔵ショーケース（３２）、冷凍ショーケース（３３）を備えている。空調ユニット（３１）は、冷房時に冷媒を減圧する電子膨張弁である空調膨張弁（３１１）と、冷房時に蒸発器として働き暖房時に凝縮器として働く空調熱交換器（３１２）を備え、冷蔵ショーケース（３２）は、冷蔵蒸発器（３２２）通過後の冷媒の過熱度を適正に保つ感温膨張弁である冷蔵膨張弁（３２１）と、ショーケース中の庫内空気から冷媒への吸熱が行われる冷蔵蒸発器（３２２）を備え、冷凍ショーケース（３３）は、感温膨張弁である冷凍膨張弁（３３１）と、庫内空気から冷媒への吸熱が行われる冷凍蒸発器（３３２）とを備えている。

また、冷凍装置（３）は、冷凍装置（１）のブースタユニット（１４）、室外ユニット（１５）とは内部構成の異なるブースタユニット（３４）、室外ユニット（３６）を備えるものであり、さらに、冷房時にのみ動作し空調ユニット（３１）、冷蔵ショーケース（３２）、冷凍ショーケース（３３）での冷却効果を増大させる過冷却ユニット（３５）を備えている。

室外ユニット（３６）は、冷媒を圧縮する可変容量圧縮機（３６１）、第１固定容量圧縮機（３６２）、第２固定容量圧縮機（３６３）と、冷媒の循環経路を切り替える四路切替弁（３６４，３６５，３６６）と、冷房時に冷媒から外気への放熱が行われ、暖房時（第２暖房運転時、後述）に外気から冷媒への吸熱が行われる室外熱交換器（３６７）と、この室外熱交換器（３６７）で凝縮した液冷媒を一時的に蓄える受液器（３６８）と、第２暖房運転時に冷媒を減圧させる電子膨張弁である室外膨張弁（３６９）と、圧縮機（３４１，３５１，３６１，３６２，３６３）を運転、停止させ、回路中に設けられた電磁弁、電子膨張弁の開閉度を調節すること等によって、冷媒の流量や圧力を制御するためのコントローラ（３８０）を備えている。

過冷却ユニット（３５）は、冷媒を圧縮する過冷却圧縮機（３５１）と、冷媒から外気への放熱が行われる過冷却凝縮器（３５２）と、冷媒を減圧させる過冷却膨張弁（３５３）と、主回路（圧縮機（３６１，３６２，３６３）、空調熱交換器（３１２）、冷蔵蒸発器（３２２）、冷凍蒸発器（３３２）などを含む回路）中の経路で凝縮する冷媒から放熱される熱を、過冷却回路（圧縮機（３５１）などを含む回路）中の経路で蒸発する冷媒に回収する過冷却熱交換器（３５４）とを備えている。

冷凍装置（３）は、冷房運転と第１暖房運転と第２暖房運転を行うことができるものである。いずれの運転モードでも冷蔵ショーケース（３２）及び冷凍ショーケース（３３）での庫内空気の冷却は行われるが、第１暖房運転では暖房能力が不足する場合に第２暖房運転が行われる。

四路切替弁（３６４，３６５）は、冷房運転時には図８に示す経路で、第１暖房運転時には図１０に示す経路で、また、第２暖房運転時には図１１に示す経路で冷媒を循環させるように切り替えられるものである。また、第１暖房運転時に、四路切替弁（３６６）を図１０の実線に示す状態から破線に示す状態に切り替えられ、さらに第１固定容量圧縮機（３６２）を運転することにより、冷蔵ショーケース（３２）及び冷凍ショーケース（３３）での冷却負荷が大きな場合に対応した冷媒の容量制御を行うことができる。

圧縮機（３６１，３６２，３６３）の吸入管近傍（図７で各圧縮機の下部）には均油管、電磁弁等が設けられており、各圧縮機内の冷凍機油の量が均一化されることとなっている。圧縮機吐出口近傍で冷媒中に混ざっている冷凍機油を分離し吸入口近傍に流し戻すための油分離器、冷媒の流れを一定の向きに保つための逆止弁等が適宜設けられている。

特に本発明に関わる構成として、ブースタ圧縮機（３４１）の吐出管に温度センサ（３８１）が設けられており、また、この圧縮機（３４１）では内部のモータへの供給電流を検知することができる。ブースタ圧縮機（３４１）内のモータはインバータ回路に接続されており、インバータ回路で発生される交流周波数を変化させることによって、モータの回転数が変化され、圧縮機（３４１）の容量制御が行われる。

コントローラ（３８０）は、可変容量圧縮機（３６１）の容量、空調膨張弁（３１１）の開閉度などを制御して圧縮機（３６１）の吸入冷媒圧力を一定に保っているが、ブースタ圧縮機（３４１）の吐出冷媒温度の計測値と圧縮機モータへの供給電流の計測値に基づき、インバータ回路の出力周波数を制御することによって、圧縮機（３４１）の容量制御を行うものである。

冷凍装置（３）に特有のこのようなブースタ圧縮機（３４１）の容量制御は、図５を用いて説明した冷凍装置（１）の可変容量圧縮機（１５８）の容量制御と同様のものであるが、図８〜図１１を用いて冷凍装置（３）の冷暖房時の通常時の動作を略述する。

図８は冷凍装置（３）での冷房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図であり、図９は冷房運転時の冷凍装置（３）各部での冷媒の状態の概略を示すＰ−ｈ線図である。

冷房運転時には、四路切替弁（３６４，３６５，３６６）は図８の実線に示す状態に設定され、圧縮機（３６１，３６２，３６３）を運転させる。圧縮機（３６１）で圧縮された冷媒（図９の状態I→状態II）及び圧縮機（３６２，３６３）で圧縮された冷媒（状態IＸ→状態II）は、室外熱交換器（３６７）で外気へ放熱しつつ凝縮して、受液器（３６８）に流入し、さらにこの液冷媒は、過冷却熱交換器（３５４）で過冷却される（状態III→状態IV）。

この過冷却後の液冷媒は、空調熱交換器（３１２）を通って圧縮機（３６２，３６３）に吸入されるものと、冷蔵蒸発器（３２２）又は冷凍蒸発器（３３２）を通って圧縮機（３６１）に吸入されるものとに分岐される。

過冷却後に分岐した液冷媒のうち、空調膨張弁（３１１）で減圧されたもの（状態IV→状態VIII）は、空調熱交換器（３１２）で室内空気から吸熱しつつ蒸発し（状態VIII→状態IＸ）、圧縮機（３６２，３６３）に吸入されて圧縮される（状態IＸ→状態II）。

過冷却後に分岐した液冷媒はさらに分岐し、冷蔵膨張弁（３２１）で減圧されたもの（状態IV→状態V）は、冷蔵蒸発器（３２２）で庫内空気から吸熱しつつ蒸発し（状態V→状態I）、また、冷凍膨張弁（３３１）で減圧されたもの（状態IV→状態VI）は、冷凍蒸発器（３３２）で庫内空気から吸熱しつつ蒸発し（状態VI→状態VII）、ブースタ圧縮機（３４１）で圧縮され、冷蔵蒸発器（３２２）からの冷媒と合流し（状態VII→状態I）、これら合流後の冷媒は圧縮機（３６１）に吸入され圧縮され（状態I→状態II）、これらによって１サイクルが終了する。

上述のような冷媒の循環が行われる冷媒回路では、圧縮機（３６２，３６３）と空調熱交換器（３１２）とを含む閉回路が高温側回路（３０２）を構成し、また、圧縮機側に対し、空調熱交換器（３１２）に並列に接続される、冷蔵蒸発器（３２２）、冷凍蒸発器（３３２）及びブースタ圧縮機（３４１）とを含む開回路が低温側回路（３０１）を構成するものとみることができる。

これらのように、冷凍装置（３）は、高温側回路（３０２）で冷房を行いながら、低温側回路（３０１）で商品の冷蔵、冷凍を行うことができるものである。

図１０は冷凍装置（３）での第１暖房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。

第１暖房運転時には、四路切替弁（３６４，３６５，３６６）は図１０の実線に示す状態に設定され、圧縮機（３６１）のみを運転させる。圧縮機（３６１）に吸入された冷媒は、空調熱交換器（３１２）で室内空気に放熱しつつ凝縮する。凝縮した液冷媒は分岐し、その一部は、冷蔵膨張弁（３２１）で減圧されて冷蔵蒸発器（３２２）で庫内空気から吸熱しつつ蒸発し、その残りは、冷凍膨張弁（３３１）で減圧されて冷凍蒸発器（３３２）で庫内空気から吸熱しつつ蒸発した後、ブースタ圧縮機（３４１）に吸入されて圧縮される。

冷蔵蒸発器（３２２）で蒸発した冷媒とブースタ圧縮機（３４１）で圧縮された冷媒とは、合流し、圧縮機（３６１）に吸入されて、１サイクルを終えることとなる。

これらのように、冷凍装置（３）は、高温側回路（３０２）で第１暖房を行いながら、低温側回路（３０１）で商品の冷蔵、冷凍を行うことができるものである。

図１１は冷凍装置（３）での第２暖房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。

第２暖房運転時には、四路切替弁（３６４，３６５，３６６）は図１１の実線に示す状態に設定され、圧縮機（３６１，３６３）のみを運転させる。圧縮機（３６１，３６３）で圧縮された冷媒は、空調熱交換器（３１２）で室内空気に放熱しつつ凝縮する。この凝縮後の液冷媒は、冷蔵蒸発器（３２２）又は冷凍蒸発器（３３２）を通って圧縮機（３６１）に吸入されるものと、室外熱交換器（３６７）を通って圧縮機（３６３）に吸入されるものとに分岐する。

空調熱交換器（３１２）で凝縮した後に分岐する液冷媒のうち、冷蔵膨張弁（３２１）で減圧されたものは、冷蔵蒸発器（３２２）で庫内空気から吸熱しつつ蒸発し、また、冷凍膨張弁（３３１）で減圧されたものは、冷凍蒸発器（３３２）で庫内空気から吸熱しつつ蒸発した後ブースタ圧縮機（３４１）に吸入されて圧縮される。冷蔵蒸発器（３２２）を通る冷媒と冷凍蒸発器（３３２）を通る冷媒とは、その後合流して、圧縮機（３６１）に吸入されることとなる。

また、空調熱交換器（３１２）での凝縮の後に分岐する液冷媒のうち、室外熱交換器（３６７）を通るものは、受液器（３６８）に流入して、室外膨張弁（３６９）で減圧された後、室外熱交換器（３６７）で外気から吸熱しつつ蒸発し、圧縮機（３６３）に吸入されることとなり、これらによって１サイクルが終了する。

これらのように、冷凍装置（３）は、高温側回路（３０２）で第２暖房を行いながら、低温側回路（３０１）で商品の冷蔵、冷凍を行うことができるものである。

以上図８〜図１１を用いて示したように、冷凍装置（３）は、冷暖房を行いながら、冷蔵ショーケース、冷凍ショーケースにそれぞれ陳列された商品の冷蔵、冷凍を行うことができるものである。

二段蒸気圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置（３）においても、二元蒸気圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置（１）と同様に、ブースタ圧縮機（３４１）を、その吐出冷媒圧力および駆動モータの供給電流に基づいて容量制御することによって、冷却負荷の減少等により生ずるブースタ圧縮機（３４１）の吸入冷媒圧力（図９の状態VI→状態VII）の低下等を確実に防止することができることとなり、このようなブースタ圧縮機（３４１）の容量制御は、低温側回路（３０１）への冷凍、冷蔵負荷のマルチ接続、及び、その安定した動作を可能とするものである。

図１２は、本発明の第４の実施の形態である冷凍装置（４）の主な構成を示す冷媒回路図である。第３の実施の形態である冷凍装置（３）と同様の機能を有する構成要素には、同様の符号を付している。

冷凍装置（４）は、冷凍装置（３）と同様の冷媒回路の構成を有するものであり、同様に、冷房運転、第１暖房運転、及び、第２暖房運転を行うことができるものであるが、特に本発明に関わる構成として、冷凍装置（４）には、高温側回路（４０２）の圧縮機（４６１）の吸入冷媒圧力を検知する圧力センサ（４８１）が設けられている。コントローラ（４８０）は、この吸入冷媒圧力に基づき、ブースタ圧縮機（４４１）の吐出冷媒温度（図５のＴ_dに対応する）を予測しつつ、その上昇が予測された際に、第２の実施の形態の冷凍装置（２）と同様にして、ブースタ圧縮機（４４１）を容量制御するによって低温側回路（４０１）の低圧の低下を抑えるものである。

以上説明したように、本発明は、冷暖房を行いながら、冷蔵、冷凍を行うことのできる冷凍装置について有用である。

本発明の第１の実施の形態である冷凍装置（１）の主な構成を示す冷媒回路図である。 冷凍装置（１）での冷房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 冷房運転時の冷凍装置（１）各部での冷媒の状態の概略を示すＰ−ｈ線図である。 冷凍装置（１）での暖房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明に関わるコントローラ（１８０）による圧縮機（１５８）の容量制御処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態である冷凍装置（２）の主な構成を示す冷媒回路図である。 本発明の第３の実施の形態である冷凍装置（３）の主な構成を示す冷媒回路図である。 冷凍装置（３）での冷房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 冷房運転時の冷凍装置（３）各部での冷媒の状態の概略を示すＰ−ｈ線図である。 冷凍装置（３）での第１暖房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 冷凍装置（３）での第２暖房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の第４の実施の形態である冷凍装置（４）の主な構成を示す冷媒回路図である。 従来用いられている冷凍装置（５）の冷媒回路を構成する主な要素及び冷房時の動作を説明するための図である。 冷房運転時の冷凍装置（５）各部での冷媒の状態の概略を示すＰ−ｈ線図である。

符号の説明

１ 冷凍装置
１０１，２０１，３０１，４０１ 低温側回路
１０２，２０２，３０２，４０２ 高温側回路
１１１，２１１，３１１，４１１ 空調膨張弁
１１２，２１２，３１２，４１２ 空調熱交換器（利用熱交換器）
１２１，２２１，３２１，４２１ 冷蔵膨張弁
１２２，２２２，３２２，４２２ 冷蔵蒸発器
１３１，２３１，３３１，４３１ 冷凍膨張弁
１３２，２３２，３３２，４３２ 冷凍蒸発器（利用熱交換器）
１４１，２４１，３４１，４４１ ブースタ圧縮機
１５６ 室外膨張弁
１５７，２５７ カスケード熱交換器
１５１，１５８，２５８，２５１，３６１，４６１ 可変容量圧縮機
１５２，２５２，３６２，３６３，４６２，４６３ 固定容量圧縮機
１５５，２５５，３６７，４６７ 室外熱交換器
１８０，２８０，３８０，４８０ コントローラ
１８１，３８１ 温度センサ
２８１，４８１ 圧力センサ

Claims (8)

1. 利用熱交換器（１３２）が接続された低温側回路（１０１）を備えた二元蒸気圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置（１）であって、
   低温側回路（１０１）の圧縮機（１５８）を駆動するモータへの供給電流及び当該圧縮機（１５８）から吐出された冷媒の温度に基づいて、当該圧縮機（１５８）の容量を制御することを特徴とする冷凍装置。
2. 利用熱交換器（３３２）が接続された低温側回路（３０１）を備えた二段蒸気圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置（３）であって、
   低温側回路（３０１）の圧縮機（３４１）を駆動するモータへの供給電流及び当該圧縮機（３４１）から吐出された冷媒の温度に基づいて、当該圧縮機（３４１）の容量を制御することを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の冷凍装置において、
   利用熱交換器（１１２，３１２）が接続された高温側回路（１０２，３０２）を備えている冷凍装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の冷凍装置において、
   高温側回路（１０２，３０２）の圧縮機（１５１，３６１）に吸入される冷媒の圧力を一定に保つよう高温側回路（１０２，３０２）の圧縮機（１５１，３６１）の容量又は膨張弁（１５６，３１１）を制御するように構成されている冷凍装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の冷凍装置において、
   上記低温側回路（１０１，３０１）の圧縮機（１５８，３４１）の容量制御を、上記モータに接続されるインバータ回路からの出力周波数を変化させることによって行うように構成されている冷凍装置。
6. 請求項５に記載の冷凍装置において、
   上記低温側回路（１０１，３０１）の圧縮機（１５８，３４１）の容量制御を、上記供給電流及び上記冷媒温度が所定の第１条件を満たすときに、上記出力周波数を減少させることによって行うように構成されている冷凍装置。
7. 請求項６に記載の冷凍装置において、
   上記低温側回路（１０１，３０１）の圧縮機（１５８，３４１）の容量制御を、上記第１条件が満たされて所定の時間が経過した後上記冷媒温度が所定の第２条件を満たすときに、上記減少された出力周波数を減少前の値に回復させることによって行うように構成されている冷凍装置。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１つに記載の冷凍装置において、
   低温側回路（２０１，４０１）の圧縮機（２５８，４４１）に吸入される冷媒の温度及び圧力の所定の設定値、並びに、高温側回路（２０２，４０２）の圧縮機（２５１，４６１）に吸入される冷媒の圧力の計測値から、低温側回路（２０１，４０１）の圧縮機（２５８，４４１）から吐出される冷媒の温度を予測し、
   上記低温側回路の圧縮機の容量制御では、低温側回路（２０１，４０１）の圧縮機（２５８，４４１）から吐出された冷媒の温度として、当該予測値を用いるように構成されている冷凍装置。
   

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