JP2006071183A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 凝縮器および蒸発器が１系統でありながら冷却対象を冷蔵域から冷凍域まで広範囲に冷却できる冷凍装置が求められている。
【解決手段】 この冷凍装置は、圧縮機１ａ，１ｂ、凝縮器２、冷媒膨張機構５ａ，５ｂ、および蒸発器６を当該順に循環接続してなる冷媒回路を備え、冷媒回路における凝縮器２と蒸発器６の間に２つの冷媒膨張機構５ａ，５ｂを並列に配備し、２つの冷媒膨張機構５ａ，５ｂを単独で使用または複数併用することにより、蒸発器６による冷却対象を冷蔵域から冷凍域まで冷却するように構成したものである。前記の構成において、２つのうち少なくとも１つの媒膨張機構５ａが弁開度可変式膨張弁である。また、蒸発器６への送風ファン７ａ，７ｂの送風量を変えることにより蒸発器６の冷媒蒸発能力を可変に構成されている。そして、圧縮機１ａ，１ｂの冷媒吐出能力が可変に構成されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、冷却対象の冷蔵および冷凍を行なう冷凍装置に関するものである。

この種の従来技術としては、下記の特許文献１に記載された冷蔵冷凍併設装置が知られている。かかる冷蔵冷凍併設装置は１系統の圧縮機および凝縮器に対し、冷蔵用と冷凍用の２系統の冷媒膨張機構および蒸発器を並列に接続した冷媒回路を備えたものである。冷凍用の冷媒膨張機構の流路抵抗は冷蔵用の冷媒膨張機構の流路抵抗よりも大きく設定されている。また、凝縮器からの冷媒は冷媒流路切り換え手段により冷蔵用の冷媒膨張機構向き、または冷凍用の冷媒膨張機構向きのいずれか一方に切り換えられるようになっている。

特開２０００−１１１１８３号公報（段落００４４〜００７０、図１、図２）

上記したように１系統の圧縮機および凝縮器で冷蔵対象と冷凍対象を冷却する場合、一般には、冷蔵対象の冷蔵庫用と冷凍対象の冷凍庫用として２系統の蒸発器、冷媒膨張機構、冷媒流路がそれぞれ必要である。このような場合、冷蔵対象の品物と冷凍対象の品物を別々に冷却する場合は有効であったが、１つの品物を冷蔵温度帯にて冷却した後に冷凍温度帯にて冷却しようとする場合や、逆に冷凍温度帯にて冷却した品物を冷蔵温度帯にて冷却しようとする場合は、冷蔵庫と冷凍庫間で品物を移動させねばならず手間と労力がかかるという問題があった。

また、冷蔵庫と冷凍庫の冷却能力を同じ馬力とした場合、冷蔵対象に使用する冷媒膨張機構の流量抵抗と冷凍対象に使用する冷媒膨張機構の流量抵抗は違うため、同一のものを使用することができない。図１４にその例を示す。図は一般的な冷媒膨張機構（膨張弁）の流路抵抗を決定する開度とその時の能力の関係を表している。一般的には冷蔵対象とした膨張弁の開度は冷凍対象の膨張弁の開度に比べて大きいため、冷凍対象の膨張弁にて冷蔵対象を冷却した場合、冷媒流量不足に陥って冷却不良となる。また、冷蔵対象の膨張弁にて冷凍対象を冷却した場合、冷媒流量過大のために蒸発器にて冷媒が蒸発しきれず圧縮機に液冷媒が流れ込んでしまい、圧縮機が故障したり、蒸発温度が下がらないために目標とする冷凍庫内温度に到達しないという問題があった。また、下記の表１は１０馬力の蒸発器における冷蔵対象と冷凍対象の仕様を比較したものである。表１のごとく、冷蔵対象の蒸発器と冷凍対象の蒸発器とでは必要とする伝熱面積と風量が違うため、冷蔵対象と冷凍対象で蒸発器を同一の仕様にできないという問題があった。よって、１系統の冷媒膨張機構と蒸発器の組み合わせにより冷蔵対象の冷却および冷凍対象の冷却を実現させることが困難であった。

また、冷媒膨張機構の流路抵抗は蒸発器の入口温度と出口温度との差がある一定の値（例えば２〜１０℃程度）になるように調整されることが一般的である。これは、冷凍サイクルの特性上、蒸発器では冷媒の蒸発潜熱をすべて用いて冷却することが、最も効率的であるからである。しかし、冷蔵庫内が目標温度に近い温度となっているにもかかわらず、蒸発器の入口温度と出口温度の差を常に一定の値とするような運転は、能力過剰による圧縮機の頻繁な運転・停止を繰り返すという非効率な運転となる場合がある。また、蒸発器の入口温度と出口温度の検出センサにサーミスタ等を用いた場合は±２℃程度の誤差が生じることがあり、検出センサが正常な温度差（例えば２℃）を検出していたとしても、実際は温度差がない状態となっていることがある。そのため、蒸発器にて冷媒が蒸発しきれず圧縮機に液冷媒が流れ込んで圧縮機が故障したり、蒸発温度が下がらないために目標とする冷凍庫内温度に到達しないという問題があった。

また、圧縮機から吐出される高温高圧のガス冷媒によって蒸発器の除霜を行なうシステムの場合、そのままの冷媒回路で冷媒を流すと、冷媒膨張機構の流路抵抗により除霜に必要な冷媒流量が確保できなくなることがある。そのため、冷媒膨張機構をバイパスさせるバイパス回路が必要である。これにより、冷媒回路が複雑になり費用も高くなるという問題があった。

また、冷媒膨張機構が詰りなどにより動作不良となった場合、蒸発器への冷媒流量不足を引き起こして冷却不良となってしまう問題もある。

また、圧縮機の吸込み側へ液冷媒を注入するリキッドインジェクションを行なうものでは、リキッドインジェクション回路の構成が不良となった場合、吐出冷媒ガス温度上昇による圧縮機故障保護のためには圧縮機を停止させるしかなく、運転を継続できないという問題があった。

また、圧縮機の吸入冷媒が液バック状態となった場合、圧縮機内の油が液冷媒に希釈されて不具合を生じることを回避したり、液冷媒の直接圧縮による圧縮機故障を回避するためには、圧縮機を停止させるしかなく、運転を継続できないという問題もある。

上記した諸々の課題を解決するために、本発明に係る冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、冷媒膨張機構、および蒸発器を当該順に循環接続してなる冷媒回路を備え、冷媒回路における凝縮器と蒸発器の間に冷媒膨張機構を並列に複数配備し、複数の冷媒膨張機構を単独で使用または複数併用することにより、蒸発器による冷却対象を冷蔵域から冷凍域まで冷却するように構成したものである。

また、前記の構成において、複数の冷媒膨張機構のうち少なくとも１つが弁開度可変式膨張弁であるものである。

そして、前記した各構成において、蒸発器への送風ファンの送風量を変えることにより蒸発器の冷媒蒸発能力を可変に構成したものである。

更に、前記した各構成において、圧縮機の冷媒吐出能力を可変に構成したものである。

また、前記した各構成において、冷媒回路における凝縮器の出口側と圧縮機の圧縮部または吸込側とをつなぐとともにリキッドインジェクション用冷媒膨張機構を有するリキッドインジェクション回路と、蒸発器の冷媒入口温度を検出する入口温度センサと、蒸発器の冷媒出口温度を検出する出口温度センサとを備え、更に、入口温度センサにより検出された冷媒入口温度と出口温度センサにより検出された冷媒出口温度との検出温度差を、予め設定されている温度差目標値に近づけるように冷媒回路における冷媒膨張機構の冷媒流量を制御し、かつ、冷却対象に設けられた冷却対象温度センサにより検出された冷却対象検出温度に応じて温度差目標値を設定変更する第１制御手段を備えているものである。

そして、前記した請求項５の構成において、冷媒回路における複数の冷媒膨張機構のうちの少なくとも１つを、冷媒回路に流路抵抗を与えない弁開度に開放可能な弁開度可変式膨張弁で構成し、蒸発器の除霜運転の際に弁開度可変式膨張弁に冷媒を流す第２制御手段を備えているものである。

更に、請求項５または請求項６の構成において、リキッドインジェクション回路の不良を検知する回路不良検知手段と、回路不良検知手段によりリキッドインジェクション回路の不良が検知されたときに冷媒回路における冷媒膨張機構の冷媒流量を大きくして圧縮機に吸い込まれる冷媒を湿り状態にする第３制御手段とを備えているものである。

また、請求項５から請求項７のいずれかの構成において、圧縮機に吸い込まれる冷媒の状態を検知する吸込冷媒状態検知手段と、吸込冷媒状態検知手段により圧縮機の吸込冷媒が湿り状態であることを検知したときに冷媒回路における冷媒膨張機構の冷媒流量を小さくする第４制御手段とを備えているものである。

そして、請求項５から請求項８のいずれかの構成において、冷媒回路における冷媒膨張機構の不良を検知する膨張機構不良検知手段と、膨張機構不良検知手段により冷媒膨張機構の不良が検知されたときに凝縮器への送風ファンの送風量を変えて凝縮器の冷媒凝縮能力を制御する第５制御手段とを備えているものである。

更に、請求項５から請求項９のいずれかの構成において、冷媒回路における凝縮器からリキッドインジェクション回路までの間にサブクール用熱交換器を設け、凝縮器からリキッドインジェクション回路までの間と圧縮機の吸込側とをサブクール用冷媒膨張機構を有するサブクール回路でつなぎ、サブクール回路をサブクール用熱交換器に通して冷媒回路の冷媒と熱交換させるように構成し、圧縮機内の油温を検出する油温検出センサと、油温検出センサにより検出された油温が、予め設定されている所定油温よりも高いときにサブクール用冷媒膨張機構の冷媒流量を多くする第６制御手段とを備えているものである。

また、請求項５から請求項１０のいずれかの構成において、冷媒回路に、単独で使用または複数併用される圧縮機を並列に複数配備し、複数の圧縮機は吐出容量可変式圧縮機および吐出容量固定式圧縮機を含んでなり、吐出容量固定式圧縮機を最初に起動するように予め設定された圧縮機起動順に従って各圧縮機を順次起動する第７制御手段を備えているものである。

そして、請求項５から請求項１１のいずれかの構成において、冷媒回路に、単独で使用または複数併用される圧縮機を並列に複数配備し、各圧縮機を、それぞれの駆動電源が周波数可変電源と周波数固定電源とに切換可能に構成し、各圧縮機の運転時間をそれぞれ積算する運転時間積算手段と、運転時間積算手段により積算された或る圧縮機の運転時間が予め設定されている所定積算時間に達したときに当該圧縮機のそのときの駆動電源を他方の駆動電源に切り換える第８制御手段とを備えているものである。

更に、請求項５から請求項１２のいずれかの構成において、冷媒回路に、単独で使用または複数併用される圧縮機を並列に複数配備し、１台のみの圧縮機を運転した時間を積算する１台運転時間積算手段と、１台運転時間積算手段により積算された１台運転時間が予め設定されている所定１台運転積算時間に達したときに２台以上の圧縮機を同時に運転する第９制御手段とを備えているものである。

この発明に係る冷凍装置によれば、冷媒回路における凝縮器と蒸発器の間に配備された複数の冷媒膨張機構を単独で使用または複数併用することにより、１台の蒸発器による冷却対象を冷蔵域から冷凍域まで冷却することができる。従って、１台の蒸発器による簡素な構成で、幅広い冷却温度帯を達成可能な冷凍装置を提供できる。

また、複数の冷媒膨張機構のうち少なくとも１つに弁開度可変式膨張弁を用いた場合は、１台の蒸発器による冷蔵域から冷凍域までの冷却を細やかに制御することができる。

そして、蒸発器への送風ファンの送風量を変えることにより蒸発器の冷媒蒸発能力を可変に構成した場合も、１台の蒸発器による冷蔵域から冷凍域までの冷却を細やかに制御することができる。

更に、圧縮機の冷媒吐出能力を可変に構成した場合も、１台の蒸発器による冷蔵域から冷凍域までの冷却を細やかに制御することができる。

また、第１制御手段を備えている場合は、検出された蒸発器の冷媒入口温度と冷媒出口温度との検出温度差を予め設定されている温度差目標値に近づけるように、第１制御手段が冷媒膨張機構の冷媒流量を制御し、かつ、冷却対象に設けられた冷却対象温度センサにより検出された冷却対象検出温度に応じて温度差目標値を設定変更する。従って、幅広い冷却温度帯を達成可能であることはもとより、信頼性の高い冷凍装置を提供できる。

そして、冷媒回路に流路抵抗を与えない弁開度に開放可能な弁開度可変式膨張弁と、第２制御手段とを備えている場合は、蒸発器の除霜運転の際に、圧縮機から吐出された高温高圧のガス冷媒を第２制御手段が当該弁開度可変式膨張弁に流すので、冷媒回路が簡素で安価な構成の冷凍装置を提供できる。

更に、第３制御手段を備えている場合は、リキッドインジェクション回路の不良が検知されたときに、第３制御手段が冷媒回路における冷媒膨張機構の冷媒流量を大きくして圧縮機に吸い込まれる冷媒を湿り状態にするので、幅広い冷却温度帯を達成可能であることはもとより、信頼性の高い冷凍装置を提供できる。

また、第４制御手段を備えている場合は、圧縮機の吸込冷媒が湿り状態であると検知されたときに、第４制御手段が冷媒回路における冷媒膨張機構の冷媒流量を小さくするので、幅広い冷却温度帯を達成可能であることはもとより、信頼性の高い冷凍装置を提供できる。

そして、第５制御手段を備えている場合は、冷媒膨張機構が不良であると検知されたときに、第５制御手段が凝縮器への送風ファンの送風量を変えて凝縮器の冷媒凝縮能力を制御するので、幅広い冷却温度帯を達成可能であることはもとより、信頼性の高い冷凍装置を提供できる。

更に、第６制御手段を備えている場合は、検出された圧縮機内の油温が所定油温よりも高いときに、第６制御手段がサブクール回路のサブクール用冷媒膨張機構の冷媒流量を多くする。従って、サブクール回路に流す冷媒流量を増加して圧縮機に吸い込まれるガス冷媒温度を下げることにより、圧縮機内の油温を低くすることができ信頼性の高い冷凍装置を提供できる。

また、第７制御手段を備えている場合は、吐出容量可変式圧縮機および吐出容量固定式圧縮機を含む複数の圧縮機を起動する際に、第７制御手段が予め設定された圧縮機起動順に従って吐出容量固定式圧縮機を最初に起動する。文字通り、吐出容量可変式圧縮機は吐出容量が低い領域から高い領域まで変化するのに対し、吐出容量可変式圧縮機は比較的高い規定の吐出容量に設定されている。この場合、吐出容量可変式圧縮機から起動させると低い吐出容量で立ち上がるので、規定の吐出容量に達するまでの間が冷凍能力不足となる。そこで、高く規定された吐出容量の吐出容量固定式圧縮機から起動させることにより、最初起動時の冷凍能力不足を解消することができる。

そして、第８制御手段を備えている場合は、或る圧縮機の積算運転時間が所定積算時間に達したときに、第８制御手段がその圧縮機のそのときの駆動電源を周波数可変電源から周波数固定電源へ、または周波数固定電源から周波数可変電源へ切り換える。この場合、周波数可変電源で駆動する圧縮機は運転稼動率が高いために周波数固定電源で駆動する圧縮機よりも摩耗などによる故障が発生しやすい。そこで、前記のように所定積算時間ごとに圧縮機の駆動電源を切り換えることにより、周波数可変電源による運転時間と周波数固定電源による運転時間を均等に近づけることができ、特定の圧縮機に偏って故障が発生することを防止できる。

更に、第９制御手段を備えている場合は、１台のみの圧縮機を運転した１台運転時間が所定１台運転積算時間に達したときに、第９制御手段が２台以上の圧縮機を同時に運転する。この場合、１台のみの圧縮機を運転するときは冷媒回路内の冷媒流速が遅くなるので油が圧縮機に戻りにくく、油枯渇による圧縮機故障につながるおそれがある。そこで、１台のみ運転積算時間に基づいて２台以上の圧縮機を同時に運転することにより、冷媒回路内の冷媒流速が早くなって油を圧縮機に戻せるから、油枯渇による圧縮機故障を防ぐことができる。

実施の形態１．
図１は本発明の一実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路を示す構成図である。図において、この実施形態に係る冷凍装置は、２台の圧縮機１ａ，１ｂ、凝縮器２、２台の冷媒膨張機構５ａ，５ｂ、および蒸発器６をこれらの順に冷媒配管を介して循環接続して構成された冷媒回路を備えている。圧縮機１ａはインバータ電源にて駆動され、圧縮機１ｂは商用電源にて駆動される。そして、３ａ，３ｂは凝縮器２へ送風する凝縮器用送風ファン、４ａは冷媒膨張機構冷媒５ａ，５ｂへの冷媒の流れを入切する電磁弁、４ｂは冷媒膨張機構冷媒５ｂへの冷媒の流れを入切する電磁弁、７ａ，７ｂは蒸発器６へ送風する蒸発器用送風ファン、２８は冷媒回路における凝縮器２の出口側と圧縮機１ａ，１ｂの吸込側とをつなぐリキッドインジェクション回路、８ａ，８ｂはリキッドインジェクション回路２８の途中に設けられたリキッドインジェクション用冷媒膨張機構、９ａ，９ｂはリキッドインジェクション回路２８の冷媒の流れを入切する電磁弁、１０は室外機制御機、１１は冷蔵冷凍庫制御機、１２は蒸発器６の冷媒入口温度を検出する蒸発器入口温度センサ、１３は蒸発器６の冷媒出口温度を検出する蒸発器出口温度センサ、１４は冷凍冷蔵庫庫内センサ、２０は冷蔵冷凍庫、２１は室外機である。

前記の室外機制御機１０と冷蔵冷凍庫制御機１１は、コンピュータのハードウェアおよびソフトウェア、メモリー、ドライバーのハードウェアおよびソフトウェアなどで構成されている。前記２台の冷媒膨張機構５ａ，５ｂは凝縮器２と蒸発器６の間の冷媒回路に並列に配備されている。これらの冷媒膨張機構５ａ，５ｂは単独で使用または複数併用される。これにより、蒸発器６による冷却対象を冷蔵域から冷凍域まで冷却するように成っている。すなわち、冷蔵冷凍庫制御機１１（第１制御手段の例）は、入口温度センサ１２により検出された冷媒入口温度ｔ１２と出口温度センサ１３により検出された冷媒出口温度ｔ１３との温度差（ｔ１３−ｔ１２）を、予め設定されている温度差目標値ＴＬ，ＴＲに近づけるように冷媒回路における冷媒膨張機構５ａ（冷媒膨張機構５ｂは開度固定）の冷媒流量を制御し、かつ、冷蔵冷凍庫２０（冷却対象）に設けられた冷蔵冷凍庫庫内センサ（冷却対象温度センサ）１４により検出された冷却対象検出温度に応じて温度差目標値ＴＬ，ＴＲを設定変更するようになっている。

図２は上記の冷媒回路を用いた冷凍装置の制御方法に関し、電磁弁４ａ，４ｂの開閉、冷媒膨張機構５ａ，５ｂの開度を示している。なお、冷媒膨張機構５ａとしては蒸発器６の出口冷媒ガス温度によって開度を機械的に調整可能な弁開度可変式膨張弁、冷媒膨張機構５ｂとしては開度が一定で、かつ、冷媒膨張機構５ａの最大弁開度と同等の開度に相当する管内径のキャピラリーチューブを選定した場合について説明する。図２に示す通り、（１）の領域では電磁弁４ａを開き電磁弁４ｂを閉じることによって、弁開度をリニアに変更できる冷媒膨張機構５ａのみに冷媒を流すように冷蔵冷凍庫制御機１１によって制御する。また、（２）の領域では電磁弁４ａ，４ｂともに開き、冷媒膨張機構５ａと冷媒膨張機構５ｂに冷媒がながれるように制御すると、（１）に対して冷媒膨張機構５ｂに流れる分の冷媒流量が加わるため、（１）よりも大きな冷媒流量をリニアに変更できるようになる。このように、（１）と（２）の領域を組み合わせた幅広い運転を冷蔵冷凍制御機１１によって実施できるようにすれば、冷媒膨張機構が１つしかない場合と同等の大きな冷媒流量を確保でき、かつ、冷媒流量が少ない領域まで開度をリニアに精度良く変更できるようになる。よって、冷凍域から冷蔵域までの冷却運転に必要な冷媒流量に対して、冷媒膨張機構５ａ，５ｂでの開度を精度良く確保できるようになり、幅広い冷却温度帯を達成できる冷凍装置となる。

更には、冷凍冷蔵庫２０内の目標温度を室外機制御機１０または冷蔵冷凍庫制御機１１にて設定できるようにする。設定された冷蔵庫内の目標温度を実現し得る蒸発器６での冷媒蒸発温度となるように、インバータ電源にて駆動される圧縮機１ａは運転周波数を増減して冷媒吐出能力可変とし、さらに必要能力に応じて商用電源にて駆動される圧縮機１ｂを駆動または停止させる。そうすることによって、前述した冷媒膨張機構５ａ，５ｂの流量制御に対応した冷媒吐出能力可変の圧縮機運転ができるので、冷凍域から冷蔵域までの冷却運転に必要な冷媒流量を確保できるようになり、幅広い冷却温度帯を達成できる冷凍装置となる。

また、図３は蒸発器用送風ファン７ａ，７ｂの制御方法を示している。図３に示す通り、（１）の領域ではインバータ式で送風量可変の送風ファン７ａのみに電圧を出力し、送風量をリニアに得られるようにする。また、（２）の領域では送風量固定の送風ファン７ｂも同時に運転させ、ファン７ａは（１）の領域と同様の運転を行なうようにすると、（１）よりも大きな送風量をリニアに変更できるようになる。蒸発器６での熱交換量は熱交換器の表面積が同一の場合、送風量に比例の関係にあり、冷蔵条件と冷凍条件での必要熱交換量は冷蔵条件のほうが多く必要となる。よって、冷凍域から冷蔵域までの冷却運転に必要な蒸発器６での熱交換量（冷媒蒸発能力に対応する）に対して、送風ファンでの風量制御により可変に対応できるため、幅広い冷却温度帯を達成できる冷凍装置となる。

また、蒸発器入口温度センサ１２が検知する温度をｔ１２、蒸発器出口温度センサ１３が検知する温度をｔ１３とすると、その温度差（ｔ１３−ｔ１２）がある目標値になるよう冷媒膨張機構５ａと５ｂの開度を調整するように冷蔵冷凍庫制御機１１によって制御する。さらに、冷蔵域で使用する場合の温度差（ｔ１３−ｔ１２）の目標値をＴＬ、冷凍域で使用する場合の温度差（ｔ１３−ｔ１２）の目標値をＴＲとすると、ＴＬ≧ＴＲ≧２の関係となるように制御する。さらに、同じ冷蔵条域で運転していても、冷蔵冷凍庫庫内センサ１４が検知する冷蔵冷凍庫２０内の実際の温度と、予め冷蔵冷凍庫制御機１１に設定された目標とする庫内温度との差によってもＴＬを変化させるようにする。すなわち、冷蔵冷凍庫２０内の実際の温度と目標とする温度がある所定値（例えば３℃）以下の場合のＴＬをＴＬ＿Ｌ、冷蔵冷凍庫２０内の実際の温度と目標とする温度がある所定値（例えば３℃）より大きい場合のＴＬをＴＬ＿Ｈとすると、ＴＨ＿Ｈ＞ＴＨ＿Ｌ≧２の関係となるように制御する。つまり、庫内温度が目標に近い状態にある場合はＴＬが大きくなるように制御し、庫内温度が目標から遠い場合はＴＬが小さくなるように制御する。これによって、蒸発器６での能力過剰な状態を回避させるとともに、検知装置の誤差により蒸発器６にて冷媒が蒸発しきれず圧縮機１ａ，１ｂに液冷媒が流れ込んでしまい、圧縮機１ａ，１ｂが故障することを回避させようとするものである。同様の制御は冷凍域でも実施される。そうすることによって、冷凍域から冷蔵域まで冷媒膨張機構５ａ，５ｂの最適な開度を確保でき、幅広い冷却温度帯を達成できるとともに、非効率的な運転の回避による信頼性の高い冷凍装置を実現することができる。

また、２つのうち１つの冷媒膨張機構１ａは、冷媒回路に流路抵抗を与えない弁開度に開放可能な弁開度可変式膨張弁で構成してある。かかる構成により、蒸発器６の除霜運転の際に、冷蔵冷凍庫制御機１１は（第２制御手段の例）は、冷媒膨張機構５ａを全開にして除霜に必要な圧縮機１ａ，１ｂからの高温高圧のガス冷媒を冷媒膨張機構５ａに流すので、冷媒膨張機構に対し別のバイパス回路を設ける必要がなくなり、簡素な構成で安価な冷媒回路を提供することができる。
尚、２つの冷媒膨張機構５ａ，５ｂのうちの１つが異物の詰りなどにより開度の確保が難しくなったとしても、もう一方の冷媒膨張機構により、最低限の冷却運転が継続可能となるので、信頼性の高い冷凍装置となる。

実施の形態２．
図４はこの発明の別の実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路を示している。図４において、図２の冷凍装置と同じ構成部品には同じ番号を付して説明を省略する。１５は圧縮機１ａから吐出された冷媒ガス温度を検知する吐出管温度センサ（サーミスタ）、１６は圧縮機１ｂから吐出された冷媒ガス温度を検知する吐出管温度センサ（サーミスタ）である。通常の運転では、吐出管温度センサ１５，１６にて検知された温度によって、冷媒ガス温度が圧縮機１ａ，１ｂの故障につながる温度とならないよう、リキッドインジェクション用冷媒膨張機構８ａ，８ｂの弁開度をそれぞれ調整して、リキッドインジェクション回路２８からの冷媒を圧縮機１ａ，１ｂの圧縮部または吸込み側へ戻すようにしている。
そうして、リキッドインジェクション用冷媒膨張機構８ａや８ｂが詰りなどにより必要な弁開度を確保できなくなった場合、吐出管温度センサ１５または１６が検知する温度が上昇し、或る所定の温度（例えば１３５℃）を検知すると、室外機制御機１０（回路不良検知手段の例）が圧縮機１ａまたは１ｂを停止させることにより、圧縮機１ａまたは１ｂを異常運転から保護している。ここで、吐出管温度センサ１５または１６が、圧縮機を停止させる温度よりも低い或る所定の温度（例えば１２０℃）を検知した場合、冷媒膨張機構５ａまたは５ｂの開度を大きくさせるように室外機制御機１０から冷蔵冷凍庫制御機１１へ指令信号を出力する。このように、室外機制御機１０がリキッドインジェクション回路２８の不良を検知したときに、冷蔵冷凍庫制御機１１（第３制御手段の例）は冷媒膨張機構５ａまたは５ｂを作動して圧縮機１ａまたは１ｂの吸込み冷媒ガス温度を低下または湿り状態にさせ、圧縮機１ａまたは１ｂの吐出ガス温度を低下させる。よって、吐出ガス温度の異常による圧縮機１ａまたは１ｂの異常停止を防止できるので、冷却運転を維持することができ信頼性の高い冷凍装置となる。

実施の形態３．
図５はこの発明の更に別の実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路を示している。図５において、図１および図４の冷凍装置と同じ構成部品には同じ番号を付して説明を省略する。１７は圧縮機１ａの内部の油の温度を検知する油温検出センサ（サーミスタ）、１８は圧縮機１ｂの内部の油の温度を検知する油温検出センサ（サーミスタ）である。
この冷凍装置において、蒸発器６にて何らかの異常があり蒸発器６にて液冷媒が蒸発しきれず圧縮機１ａまたは１ｂに液冷媒が流れ込んでしまった場合、油温検出センサ１７または１８が検知する温度が低下する。かかる温度低下として或る所定の温度（例えば２０℃）を或る所定の連続時間（例えば２時間）連続して検知すると、室外機制御機１０が圧縮機１ａまたは１ｂを停止させることにより、圧縮機１ａまたは１ｂを異常運転から保護する。ここで、油温検出センサ１７または１８が、圧縮機１ａまたは１ｂを停止させる所定の温度（例えば２０℃）を検知した場合、冷媒膨張機構５ａまたは５ｂの開度を小さくするように室外機制御機１０から冷蔵冷凍庫制御機１１へ指令信号を出力する。このように、室外機制御機１０（吸込冷媒状態検知手段の例）により圧縮機の吸込冷媒が湿り状態であることを検知したときに、冷蔵冷凍庫制御機１１（第４制御手段の例）は冷媒膨張機構５ａまたは５ｂの冷媒流量を小さくし、それによって圧縮機１ａまたは１ｂへの液冷媒への流れ込みを緩和させるようにする。その結果、圧縮機の油の温度低下による異常停止を防止することができるので、冷却運転を維持することができ信頼性の高い冷凍装置となる。

実施の形態４．
図６はこの発明の他の実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路を示している。図６において、図１、図４、および図５の冷凍装置と同じ構成部品には同じ番号を付して説明を省略する。１９は冷媒の凝縮温度を検知する凝縮温度センサ（サーミスタ）である。実施の形態１にて説明した通り、冷蔵冷凍庫２０で蒸発器６の出口と入口の温度差（ｔ１３−ｔ１２）と冷蔵冷凍庫内温度ｔ１４が或る目標値になるよう、冷媒膨張機構５ａと５ｂの開度を冷蔵冷凍庫制御機１１にて制御しているものとする。
かかる制御により冷媒膨張機構５ａ，５ｂの開度を変更しているにもかかわらず、温度差（ｔ１３−ｔ１２）の値に変化が見られない場合、冷蔵冷凍庫制御機１１（膨張機構不良検知手段の例）は冷媒膨張機構５ａまたは５ｂの不良と判断し、その旨を室外機制御機１０へ送信する。このとき、室外機制御機１０は、冷蔵冷凍庫内温度が目標温度より低い場合に、凝縮温度センサ１９が検知する温度を、冷媒膨張機構５ａまたは５ｂが異常であると判断する前の温度（例えば４５℃）よりも高い値（例えば５０℃）とするように凝縮器用送風ファン３ａと３ｂを制御する。一方、冷蔵冷凍庫内温度が目標蒸発温度よりも高い場合に、室外機制御機１０は、凝縮温度センサ１９が検知する温度を冷媒膨張機構５ａ，５ｂが異常と判断する前の温度（例えば４５℃）よりも低い値（例えば４０℃）とするように、凝縮器用送風ファン３ａと３ｂを制御する。すなわち、室外機制御機１０（第５制御手段の例）は、凝縮器２への送風ファン７ａ，７ｂの送風量を変えて凝縮器２の冷媒凝縮能力を制御する。そうすることによって、図７に示すように、一般的に、凝縮温度が高ければ蒸発器６での能力が低下するという効果と、高圧が低ければ蒸発器６での能力が増加するという効果が得られる。よって、蒸発器６での能力を高圧側で制御することができるので、冷媒膨張機構５ａと５ｂに異常が起こった場合でも、高圧制御のみで最低限の冷却運転を継続することができ、信頼性の高い冷凍装置となる。

実施の形態５．
図８は更に他の実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路を示している。図８において、図１、図４、図５、および図６の冷凍装置と同じ構成部品には同じ番号を付して説明を省略する。２２は冷媒回路における凝縮器２からリキッドインジェクション回路２８までの間に設けられたサブクール（以下ＳＣと略称することがある。）用熱交換器、２９は凝縮器２からリキッドインジェクション回路２８までの間と圧縮機１ａ，１ｂの吸込側とをつなぐサブクール回路、２３はサブクール用熱交換器２２手前のサブクール回路２９に設けられたサブクール用冷媒膨張機構である。サブクール回路２９の冷媒はサブクール用熱交換器２２を通るときに冷媒回路の冷媒と熱交換するようになっている。
前記のサブクール回路２９は、通常、サブクール量（＝ＳＣ入口液管温度−ＳＣ出口液管温度）が或る所定の温度以上（例えば、１）となるように、サブクール用冷凍膨張機構２３からの冷媒と凝縮器２からの冷媒とを熱交換させるものである。そうすることによって、蒸発器６へ流れる冷凍のフラッシュ発生を抑制したり、冷凍の熱量を増加させることによる能力向上を達成するようになっている。すなわち、液冷媒の一部を冷媒回路から取り出してサブクール用熱交換器２２において冷媒回路の冷媒の温度を低下させて圧縮機１ａ，１ｂの能力を向上させるのである。ここで、「低圧の冷媒飽和温度＝ＳＣ入口ガス温度＜ＳＣ出口ガス温度＝蒸発器出口温度」の関係となるように、サブクール用冷媒膨張機構２３の弁開度を制御すれば、サブクール回路２９に流れる冷媒量による蒸発器６での能力ロスのない、最も効率的な運転を行なうことができる。
この実施形態において、室外機制御機１０（第６制御手段の例）は、圧縮機１ａ，１ｂの油温度が所定油温よりも高い場合、サブクール用冷媒膨張機構２３の弁開度を通常よりも大きく開き、サブクール回路２９に流れる冷媒量を大きくする。そうすることによって、圧縮機１ａまたは１ｂに吸い込まれるガス冷媒温度を低下させるので、圧縮機１ａ，１ｂ内の油温を下げることができ、圧縮機油温の上昇による圧縮機トラブルを防ぐことができる。

実施の形態６．
一般に、インバータマルチ機は、単独で使用または複数併用される圧縮機を冷媒回路に並列に複数配備してなり、負荷に応じて、複数の圧縮機の運転台数を変化させている。例えば、図９に示すように、インバータで駆動されるインバータ圧縮機（吐出容量可変式圧縮機）が初めに起動し、その後、負荷に応じて、定速で運転される定速圧縮機（吐出容量固定式圧縮機）が同時運転されるようになっている。このような冷凍装置において最低負荷がＡやＢの範囲から下がることがない場合、最初にインバータ圧縮機から駆動させると、定速圧縮機が駆動するまでの時間が能力不足に陥り、効率の悪い運転となる。
そこで、図１、図４、図５、図６、および図８に示した室外機制御機１０（第７制御手段の例）は、図１０または図１１のように、圧縮機１ａ（ここでは吐出容量可変式圧縮機である）または圧縮機１ｂ（ここでは吐出容量固定式圧縮機である）を起動する際に、予め設定された圧縮機起動順に従って、圧縮機１ｂを最初に起動する。この場合、圧縮機１ａから起動させるとすると低い吐出容量で立ち上がるので、規定の吐出容量に達するまでの間が冷凍能力不足となる。そこで、高く規定された吐出容量の圧縮機１ｂから起動させることにより、最初起動時の冷凍能力不足を解消することができる。

実施の形態７．
ところで、一般に、インバータ圧縮機は運転稼動率が高いため、摩耗などの故障が発生しやすい。そこで、図１、図４、図５、図６、および図８に示した各圧縮機１ａ，１ｂを、図１２に示した回路のように切換スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４を設けて、それぞれの駆動電源をインバータ電源（周波数可変電源）と商用電源（周波数固定電源）とに切換可能に構成する。そして、室外機制御機１０に、各圧縮機１ａ，１ｂの運転時間をそれぞれ積算する運転時間積算手段の機能を持たせる。そうして、室外機制御機１０（第８制御手段の例）は、運転時間積算手段により積算した或る圧縮機１ａ，１ｂの運転時間が予め設定されている所定積算時間に達したときに圧縮機１ａ，１ｂのそのときの駆動電源（インバータ電源または商用電源）を他方の駆動電源（商用電源またはインバータ電源）に切り換える。このように、駆動電源を切り換えることにより、インバータ電源による運転時間と商用電源による運転時間を均等に近づけることができ、特定の圧縮機に偏る故障の発生を防止できる。

実施の形態８．
一般に、圧縮機内部には可動部を潤滑するために油が封入されている。この油は圧縮機から吐出される冷媒に伴って冷媒回路に出て行くが、出ていった油を圧縮機に戻さなければ油枯渇で圧縮機の故障を招いてしまう。圧縮機から出た油が圧縮機に戻って来るかどうかは、低圧冷媒の流速がゼロペネトレーション速度以上であるかどうかで決まる。このゼロペネトレーション速度とは、垂直立ち上がり配管において油を持ち上げるために必要なガス冷媒の流速をいい、下式により求められる。
Ｕｇ＝Ｃ（ｇ・Ｄ・（ρoiＬ−ρg）／ρg）^０．５・・・（式）
Ｕｇ：ゼロペネトレーション速度（ｍ／ｓ）、
Ｃ：定数（＝０．５６〜１．０）、
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ^２）、
Ｄ：管内径（ｍ）、
ρoiＬ：油密度（ｋｇ／ｍ^３）、
ρg：冷媒ガス密度（ｋｇ／ｍ^３）、
下記の表２は１５馬力のインバータ圧縮機を使用した冷凍装置において、ゼロペネトレーション速度以上を確保できる、冷媒の蒸発温度と圧縮機の運転周波数との関係を示したものである。

冷凍装置で使用される冷媒、油、配管は機種ごとに決められていてカタログなどに記載されている。そのため、表２および図１３のように蒸発温度と運転周波数がわかれば、油が戻ってくる運転かどうか判断できる。よって、冷凍装置において、現在の低圧圧力＝蒸発温度と、運転周波数データとをサンプリングし、油が戻らない領域での運転時間を積算するようにする。そうすれば、圧縮機への油戻りが確保されるので、油枯渇による圧縮機故障のない冷凍装置にできる。
因みに、定速圧縮機を複数台搭載した冷凍装置では、圧縮機が１台でも故障した場合に故障時間を積算し、積算した故障時間が或る所定の時間（例えば１時間）に達すると、全圧縮機を同時に運転させて油戻し運転を行なうようにしている。このような方法は頻繁に油戻し運転に入るため、実際には油戻し運転の不要なときにも油戻し運転を行なってしまうなど、非効率であった。
そこで、室外機制御機１０に、１台のみの圧縮機を運転した時間を積算する１台運転時間積算手段の機能を持たせる。そして、室外機制御機１０（第９制御手段の例）は積算した１台運転時間が予め設定されている所定１台運転積算時間に達したときに２台以上の圧縮機を同時に運転するのである。このように、１台のみ運転積算時間に基づいて２台の圧縮機１ａ，１ｂを同時に運転することにより、冷媒回路内の冷媒流速が早くなって油を圧縮機１ａ，１ｂに戻せるので、油枯渇による圧縮機故障を防止できる。

尚、上記の実施形態では、発明の理解を容易にするために、圧縮機、凝縮器用送風ファン、蒸発器用送風ファン、冷媒膨張機構をそれぞれ２台ずつ配備した例を示したが、本発明はそれに限定されるものでなく、例えば圧縮機、凝縮器用送風ファン、蒸発器用送風ファン、冷媒膨張機構をそれぞれ３台以上配備したものも本発明に含まれる。

本発明の一実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路を示す構成図である。 前記一実施形態の冷凍装置における冷媒膨張機構の動作を示す説明図である。 前記一実施形態の冷凍装置における蒸発器送風ファンの動作を示す説明図である。 本発明の別の実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路を示す構成図である。 本発明の更に別の実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路を示す構成図である。 本発明の他の実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路を示す構成図である。 前記他の実施形態の冷凍装置における冷媒圧力・エンタルピー線図である。 本発明の更に他の実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路を示す構成図である。 一般的な冷凍装置の圧縮機の起動順を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る冷凍装置の圧縮機の起動順を示す説明図である。 前記冷凍装置における圧縮機の起動順の別例を示す説明図である。 前記冷凍装置の圧縮機駆動電源の切り換えを示す説明図である。 前記冷凍装置の圧縮機における油戻し運転を示す説明図である。 従来の冷凍装置における冷媒膨張機構の弁開度と冷媒流量との関係を示す説明図である。

符号の説明

１ａ 圧縮機、１ｂ 圧縮機、２ 凝縮器、３ａ 凝縮器用送風ファン、３ｂ 凝縮器用送風ファン、５ａ 冷媒膨張機構、５ｂ 冷媒膨張機構、６ 蒸発器、７ａ 蒸発器用送風ファン、７ｂ 蒸発器用送風ファン、８ａ リキッドインジェクション用冷媒膨張機構、８ｂ リキッドインジェクション用冷媒膨張機構、１０ 室外機制御機、１１ 冷蔵冷凍庫制御機、１２ 蒸発器入口温度センサ、１３ 蒸発器出口温度センサ、１７ 油温検出センサ、１８ 油温検出センサ、２２ サブクール用熱交換器、２３ サブクール用冷媒膨張機構、２７ サブクール出口ガス管温度センサ、２８ リキッドインジェクション回路、２９ サブクール回路、ＳＷ１〜ＳＷ４ 切換スイッチ。

Claims (13)

1. 圧縮機、凝縮器、冷媒膨張機構、および蒸発器を当該順に循環接続してなる冷媒回路を備え、前記冷媒回路における前記凝縮器と前記蒸発器の間に前記冷媒膨張機構を並列に複数配備し、前記複数の冷媒膨張機構を単独で使用または複数併用することにより、前記蒸発器による冷却対象を冷蔵域から冷凍域まで冷却するように構成したことを特徴とする冷凍装置。
2. 複数の冷媒膨張機構のうち少なくとも１つが弁開度可変式膨張弁であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 蒸発器への送風ファンの送風量を変えることにより前記蒸発器の冷媒蒸発能力を可変に構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍装置。
4. 圧縮機の冷媒吐出能力を可変に構成したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の冷凍装置。
5. 冷媒回路における凝縮器の出口側と圧縮機の圧縮部または吸込側とをつなぐとともにリキッドインジェクション用冷媒膨張機構を有するリキッドインジェクション回路と、蒸発器の冷媒入口温度を検出する入口温度センサと、前記蒸発器の冷媒出口温度を検出する出口温度センサとを備え、更に、前記入口温度センサにより検出された冷媒入口温度と前記出口温度センサにより検出された冷媒出口温度との検出温度差を、予め設定されている温度差目標値に近づけるように前記冷媒回路における冷媒膨張機構の冷媒流量を制御し、かつ、冷却対象に設けられた冷却対象温度センサにより検出された冷却対象検出温度に応じて前記温度差目標値を設定変更する第１制御手段を備えていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の冷凍装置。
6. 冷媒回路における複数の冷媒膨張機構のうちの少なくとも１つを、前記冷媒回路に流路抵抗を与えない弁開度に開放可能な弁開度可変式膨張弁で構成し、蒸発器の除霜運転の際に前記弁開度可変式膨張弁に冷媒を流す第２制御手段を備えていることを特徴とする請求項５に記載の冷凍装置。
7. リキッドインジェクション回路の不良を検知する回路不良検知手段と、前記回路不良検知手段により前記リキッドインジェクション回路の不良が検知されたときに冷媒回路における冷媒膨張機構の冷媒流量を大きくして圧縮機に吸い込まれる冷媒を湿り状態にする第３制御手段とを備えていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の冷凍装置。
8. 圧縮機に吸い込まれる冷媒の状態を検知する吸込冷媒状態検知手段と、前記吸込冷媒状態検知手段により前記圧縮機の吸込冷媒が湿り状態であることを検知したときに冷媒回路における冷媒膨張機構の冷媒流量を小さくする第４制御手段とを備えていることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の冷凍装置。
9. 冷媒回路における冷媒膨張機構の不良を検知する膨張機構不良検知手段と、前記膨張機構不良検知手段により前記冷媒膨張機構の不良が検知されたときに凝縮器への送風ファンの送風量を変えて前記凝縮器の冷媒凝縮能力を制御する第５制御手段とを備えていることを特徴とする請求項５から請求項８のいずれか一項に記載の冷凍装置。
10. 冷媒回路における凝縮器からリキッドインジェクション回路までの間にサブクール用熱交換器を設け、前記凝縮器から前記リキッドインジェクション回路までの間と圧縮機の吸込側とをサブクール用冷媒膨張機構を有するサブクール回路でつなぎ、前記サブクール回路を前記サブクール用熱交換器に通して前記冷媒回路の冷媒と熱交換させるように構成し、前記圧縮機内の油温を検出する油温検出センサと、前記油温検出センサにより検出された油温が、予め設定されている所定油温よりも高いときに前記サブクール用冷媒膨張機構の冷媒流量を多くする第６制御手段とを備えていることを特徴とする請求項５から請求項９のいずれか一項に記載の冷凍装置。
11. 冷媒回路に、単独で使用または複数併用される圧縮機を並列に複数配備し、前記複数の圧縮機は吐出容量可変式圧縮機および吐出容量固定式圧縮機を含んでなり、前記吐出容量固定式圧縮機を最初に起動するように予め設定された圧縮機起動順に従って各圧縮機を順次起動する第７制御手段を備えていることを特徴とする請求項５から請求項１０のいずれか一項に記載の冷凍装置。
12. 冷媒回路に、単独で使用または複数併用される圧縮機を並列に複数配備し、各圧縮機を、それぞれの駆動電源が周波数可変電源と周波数固定電源とに切換可能に構成し、各圧縮機の運転時間をそれぞれ積算する運転時間積算手段と、前記運転時間積算手段により積算された或る圧縮機の運転時間が予め設定されている所定積算時間に達したときに当該圧縮機のそのときの駆動電源を他方の駆動電源に切り換える第８制御手段とを備えていることを特徴とする請求項５から請求項１１のいずれか一項に記載の冷凍装置。
13. 冷媒回路に、単独で使用または複数併用される圧縮機を並列に複数配備し、１台のみの圧縮機を運転した時間を積算する１台運転時間積算手段と、前記１台運転時間積算手段により積算された１台運転時間が予め設定されている所定１台運転積算時間に達したときに２台以上の圧縮機を同時に運転する第９制御手段とを備えていることを特徴とする請求項５から請求項１２のいずれか一項に記載の冷凍装置。

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