JP2008057942A

JP2008057942A - 冷凍装置

Info

Publication number: JP2008057942A
Application number: JP2006239031A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Tanaka; 啓介田中; Kiyoshi Shigematsu; 清誌重松
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-09-04
Filing date: 2006-09-04
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2026-09-04
Also published as: JP4809165B2

Abstract

【課題】負荷変動に対してスクリュ圧縮機の吸込圧力が上昇して運転不能に陥らない冷凍装置を提供する。
【解決手段】運転状態を監視してスクリュ圧縮機の回転数を連続制御する連続回転数制御手段を有する冷凍装置に、オペレータの操作（Ｓ１３）により、前記連続回転数制御に割り込んで、前記スクリュ圧縮機を規定回転数に設定する（Ｓ１８）ステップ制御手段や、前記スクリュ圧縮機の吸込圧力が所定のしきい値以上になったとき（Ｓ１２）に、前記連続回転数制御に割り込んで、前記スクリュ圧縮機を所定時間だけ所定の強制運転回転数に設定する（Ｓ２２）強制運転制御手段のような定速制御手段を設ける。
【選択図】図４

Description

本発明は、冷凍装置に関する。

特許文献１に記載されているように、従来の冷凍装置用スクリュ圧縮機は、吸込圧力のような運転状態を示すパラメータを基に回転数を決定している。通常、吸込圧力が高いときは、冷凍負荷が高いので、スクリュ圧縮機の回転数も高くなるように制御される。

また、スクリュ圧縮機は、吸込圧力が高くなると圧縮負荷が大きくなるので、過負荷を避けるために、吸込圧力が高くなるほど運転可能な回転数の上限が低く制限される。

図６に、冷凍装置におけるスクリュ圧縮機の吸込圧力の変化の例を示す。図において、Ｐｓ_１は、スクリュ圧縮機の過負荷防止のための上限回転数が定格回転数になる定格上限圧力である。一般に、インバータ制御では、低速運転時にはモータの電流値が大きくなるので、定格回転数以上で運転することが好ましく、冷凍装置は、通常、吸込圧力を定格上限圧力Ｐｓ_１以下に保って運転することが望ましい。

また、Ｐｓ_０は、低速時のモータ巻線の過熱や軸受の寿命短縮などを考慮して、短時間であればスクリュ圧縮機の運転が許容される可用上限圧力である。つまり、スクリュ圧縮機を吸込圧力が可用上限圧力Ｐｓ_０を超えた状態で運転すると、短時間であっても破損の危険がある。

冷凍庫を常温から冷やし始める場合のような冷凍装置の運転開始時には、負荷が高く、通常の制御を行うと吸込圧力が高くなり危険であるので、機械的に吸込圧力が可用上限圧力Ｐｓ_０を超えないように例えば膨張弁を強制的に閉鎖するなどの保護策が講じられる。

また、例えば冷凍庫に物品を出し入れするような場合、冷凍装置の負荷が急激に変動する。スクリュ圧縮機の回転数上昇は負荷上昇に対して遅れがあるために、図示するように、スクリュ圧縮機の吸込圧力に変動が生じる。特に、急激に負荷が大きく上昇すると、負荷に対して要求されるスクリュ圧縮機の回転数がスクリュ圧縮機保護のための上限回転数を超えることになり、吸込圧力が可用上限圧力Ｐ_Ｓ０を超えてしまう。連続運転中に、吸込圧力を制限するために膨張弁が閉鎖するなどの保護が働くと、冷凍装置が冷凍能力を発揮できなくなるという問題があった。
特開２００２−８１３９１号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、負荷変動に対してスクリュ圧縮機の吸込圧力が上昇して運転不能に陥らない冷凍装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による冷凍装置は、運転状態を監視してスクリュ圧縮機の回転数を連続制御する連続回転数制御手段と、前記連続回転数制御に割り込んで、前記スクリュ圧縮機の回転数を所定の回転数に設定する定速制御手段とを備えるものとする。

この構成によれば、急激な負荷上昇が発生または予見される場合に、定速制御手段により、スクリュ圧縮機を高回転数で運転して吸込圧力の上昇を未然に抑え、吸込圧力の上昇がスクリュ圧縮機の能力を制限する悪循環により適切な運転ができなくなる事態を回避できる。

また、本発明の冷凍装置において、前記定速制御手段は、オペレータの操作、または、予め所定のプログラムを記憶した制御手段の出力により、前記連続回転数制御に割り込んで、前記スクリュ圧縮機の回転数を規定回転数に設定するステップ制御手段を含んでもよい。

この構成によれば、負荷変動を知り得るオペレータ、または、予め所定のプログラムが記憶された制御手段が介入して、予めスクリュ圧縮機の出力を増大させることができるので、吸込圧力が過度に上昇することを防止できる。

また、本発明の冷凍装置において、前記規定回転数は、予め設定された複数の回転数から選択されたものであってもよい。

この構成によれば、スクリュ圧縮機が必要以上に過大な出力とならないように複数の回転数を設定しておけば、規定回転数をその複数の回転数から選択することで、吸込圧力が下がり過ぎて運転が不安定になるような弊害を防止できる。

また、本発明の冷凍装置において、前記定速制御手段は、前記スクリュ圧縮機の吸込圧力が所定のしきい値以上になったときに、前記連続回転数制御に割り込んで、前記スクリュ圧縮機を所定時間だけ所定の強制運転回転数に設定する強制運転制御手段を含んでもよい。

この構成によれば、吸込圧力がある程度上昇したときに、スクリュ圧縮機の出力を一定時間だけ強制的に増大させるので、吸込圧力を低下させて上限回転数を高く保ち、制御に余裕を持たせることができる。

また、本発明の冷凍装置において、前記しきい値は、前記スクリュ圧縮機の上限回転数が定格回転数と等しくなる吸込圧力であってもよい。

この構成によれば、前記スクリュ圧縮機の吸込圧力が、上限回転数が定格回転数以下に制限される値に達したとき、一定時間、高出力運転することによって強制的に吸込圧力を下げて、定格運転が可能な状態に回復を図ることができる。

また、本発明の冷凍装置において、前記定速制御手段は、吸込圧力の関数が所定のしきい値以上になったときに、前記連続回転数制御に割り込んで、前記スクリュ圧縮機を所定時間だけ所定の強制運転回転数に設定する強制運転制御手段を含んでもよい。

この構成によれば、吸込圧力を経時的に観察し、吸込圧力が上昇してスクリュ圧縮機の運転可能範囲を超過しそうなときは、一時的に出力の大きな強制運転回転数で運転して、吸込圧力を低下させるので、冷凍装置が運転不能に陥らない。

また、本発明の冷凍装置において、前記強制運転回転数は、該強制運転回転数に設定する際の吸込圧力における前記スクリュ圧縮機の上限回転数であってもよい。

この構成によれば、負荷の上昇に対して、スクリュ圧縮機のその時点における最大出力で一定時間運転するので、吸込圧力を最大限に低下させることができ、スクリュ圧縮機の能力が制限されることを回避できる確度が高い。

スクリュ圧縮機の回転数を連続的に制御する通常の連続回転数制御では、制御の遅れによって、スクリュ圧縮機の出力を上げて吸込圧力を低下させるべきところで、吸込圧力の上昇により上限回転数が制限され、吸込圧力の上昇を抑えられなくなるという悪循環に陥る場合がある。しかしながら、本発明によれば、負荷の急激な変動に際して、定速制御手段が、連続回転数制御に割り込んで、スクリュ圧縮機の回転数を所定の回転数に一時的に上昇させる。これによって、スクリュ圧縮機の出力が制限されそうなときに、一定時間、高出力で運転して、吸込圧力を低下させ、制御上の余裕を確保できる。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の冷凍装置１を示す。冷凍装置１は、冷凍庫２を冷却するための装置であって、スクリュ圧縮機３と、凝縮器４と、蒸発弁５と、冷凍庫２の冷却コイル（蒸発器）６とを介設した冷媒循環流路７からなる。

スクリュ圧縮機３は、モータ８により回転駆動され、モータ８の回転速度は、インバータ９によって可変である。

蒸発弁５の開度およびインバータ９の周波数は、制御装置１０によって制御され、制御装置１０には、スクリュ圧縮機３の吸込配管に設けた吸込圧力計１１から吸込圧力Ｐｓ、冷却コイル６にも受けた蒸発温度計１２からの蒸発温度ＴＥ、および、冷凍庫２に設けた庫内温度計１３から庫内温度Ｔｆが入力され、さらに、オペレータが操作パネル１４を介して制御信号を入力できるようになっている。

制御装置１０は、庫内温度Ｔｆを設定温度に保つように、膨張弁５の開度をＰＩＤ制御するようになっている。さらに、制御装置１０は、膨張弁５による庫内温度Ｔｆの制御を確実にするために、冷却コイル６における蒸発温度ＴＥを主とする冷凍装置１の運転状態を監視して、スクリュ圧縮機３の回転数、つまり、インバータ９の出力周波数を連続制御するようになっている。

図２に、制御装置１０によるスクリュ圧縮機３の連続制御回転数の制御プログラム（連続回転数制御手段）の流れを示す。冷凍装置１の運転が開始されると、ステップＳ１でスクリュ圧縮機３が起動、つまり、インバータ９が出力を開始する。制御装置１０は、ステップＳ２で、冷却コイル６における蒸発温度ＴＥを確認し、適正範囲であれば再度ステップＳ２に戻る。

制御装置１０は、ステップＳ２で蒸発温度ＴＥが適正温度範囲を超えており、ステップＳ３でモータコイル温度が上限値以下であり、ステップＳ４で吐出温度が上限値以下であり、且つ、ステップＳ５でモータ電流が上限値以下である場合には、ステップＳ６でスクリュ圧縮機３の連続制御回転数を所定の単位量だけ増大する。

また、制御装置１０は、ステップＳ２で蒸発温度ＴＥが適正範囲より低い場合、ステップＳ３でモータコイル温度が上限値を超えている場合、ステップＳ４でスクリュ圧縮機３の吐出温度が上限値を超えている場合、または、ステップＳ５でモータ電流が上限値を超えている場合は、ステップＳ７でスクリュ圧縮機３の連続制御回転数を所定の単位量だけ減少する。

この連続回転数制御プログラムは、所定のスキャンタイムで実行されるので、スクリュ圧縮機３の連続制御回転数を減少、増加またはそのまま維持する判定を一定時間毎に下すことになる。

図３は、スクリュ圧縮機３の過負荷を避けるために、吸込圧力Ｐｓに応じて設定されるスクリュ圧縮機３の上限回転数を示す。例えば、スクリュ圧縮機３が、最高回転数６０００ｒｐｍ、定格回転数５０００ｒｐｍ、そして、最低回転数１５００ｒｐｍの機種Ａである場合、上限回転数が定格回転数となる定格上限圧力Ｐｓ_１が、０．０４４ＭＰａであり、モータ８の保護のためにスクリュ圧縮機３を運転できなくなる可用上限圧力Ｐｓ_０が、０．１ＭＰａである。

定格上限圧力Ｐｓ_１から可用上限圧力Ｐｓ_０の間では、一時的な運転のみを想定しているので、図示するように、冷凍能力を優先して、定格回転数まで運転を許容するようにしている。

図２に示した連続制御回転数は、この上限回転数を超えない範囲で設定される。

さらに、制御装置１０は、図２の連続回転数制御に割り込んで、スクリュ圧縮機３を定速で運転する定速制御を行うようになっている。より詳しくは、制御装置１０が行う定速制御は、スクリュ圧縮機３の回転数をオペレータが操作パネル１４を介して指定可能な規定回転数に設定するステップ制御と、吸込圧力Ｐｓの値に応じて所定の強制運転回転数にスクリュ圧縮機３の回転数を予め設定した強制運転回転数に設定する強制設定運転制御との２種類の割り込み処理からなる。

図４に、制御装置１０によるスクリュ圧縮機３の回転数の制御プログラムの流れを示す。冷凍装置１の運転を開始すると、先ず、ステップＳ１１でスクリュ圧縮機３を起動し、ステップＳ１２でスクリュ圧縮機３の吸込圧力Ｐｓを確認する。

制御装置１０は、ステップＳ１２で、吸込圧力Ｐｓが定格上限圧力Ｐｓ_１を超えていれば、後述のステップＳ２１からＳ２４の強制運転制御（強制運転制御手段）を行うが、吸込圧力Ｐｓが定格上限圧力Ｐｓ_１を超えていなければステップＳ１３に進んで、オペレータの操作により操作パネル１４から後述のステップＳ１７からステップＳ２０のステップ制御（ステップ制御手段）を行うべき旨の指令信号が入力されていないか確認する。

ステップＳ１３で、ステップ制御の指令信号が入力されていなければ、ステップＳ１４において、インバータ９の出力周波数を、図２のフローによって得られる現在の連続制御回転数に対応する周波数に設定する。

スクリュ圧縮機３を連続制御回転数に設定すると、ステップＳ１５に進んで、異常警報の有無を確認し、異常があれば、ステップＳ１６でスクリュ圧縮機３の運転を停止するが、異常がなければステップＳ１２に戻り、同じ処理を繰り返して、ステップＳ１４において、連続制御回転数の更新を重ねる。

ステップＳ１３において、オペレータからステップ運転の指示があった場合、ステップＳ１７に進んで、吸込圧力Ｐｓを確認する。吸込圧力Ｐｓが可用上限圧力Ｐｓ_０以下であれば、ステップＳ１８に進んで、スクリュ圧縮機３の回転数を、オペレータが操作パネル１４に入力した規定回転数に設定する。吸込圧力Ｐｓが可用上限圧力Ｐｓ_０を超えている場合は、安全のために規定回転数に設定することなく、連続回転数制御に復帰する。

規定回転数は、例えば、１５００，３０００，４５００，６０００のように、予め複数の回転数が設定されており、オペレータは操作パネル１４において、いずれかの規定回転数を選択できるようになっている。

ステップＳ１８でスクリュ圧縮機３を規定回転数に設定すると、ステップＳ１９で異常を検出するか、ステップＳ２０で冷凍庫２の庫内温度Ｔｆが安定したと確認されるまで、規定回転数を維持する。異常が検出された場合は、ステップＳ１６で圧縮機を停止し、ステップＳ２０で庫内温度Ｔｆが安定したと判断されれば、ステップＳ１２に戻って、連続回転数制御に復帰する。

つまり、ステップＳ１７からステップＳ２０のステップ制御は、オペレータが操作パネル１４を操作することにより、連続回転数制御に割り込んで、スクリュ圧縮機３の回転数を規定回転数に設定する割り込み処理である。

尚、ステップＳ２０においては、一定時間毎に測定する庫内温度Ｔｆの移動平均と現在の庫内温度Ｔｆとの差が予め設定した値より小さくなったときに、庫内温度Ｔｆが安定したと判断する。

また、ステップＳ１２において、吸込圧力Ｐｓが定格上限圧力Ｐｓ_１を超えていれば、連続回転数制御に割り込んで、ステップＳ２１からステップＳ２４の強制運転制御が実行される。

吸込圧力Ｐｓが定格上限圧力Ｐｓ_１を超えていれば、ステップＳ２１でタイマーが始動され、ステップＳ２２でスクリュ圧縮機３の回転数を予めプログラムされている強制運転回転数（例えば定格回転数）に設定する。ステップＳ２３で異常がなければ、ステップＳ２４においてタイマーで所定の時間の経過を確認するまで強制運転回転数による運転を行い、所定の時間が経過すると、ステップＳ１３以降の連続回転数制御に復帰する。

ここで、強制運転制御は、吸込圧力Ｐｓが定格上限圧力Ｐｓ_１を超えたときに実行されるので、強制運転制御のタイマーの設定時間が長すぎると、スクリュ圧縮機３に損傷を与えるおそれがあるので注意が必要である。

連続回転数制御では、急激な負荷変動に対してスクリュ圧縮機３の回転数の追従に遅れが生じるが、ステップ制御では、オペレータが予測される負荷変動に最適な規定回転数を選択して、直ちにスクリュ圧縮機３の回転数を変化させることができるので、冷凍庫２の温度の変動を低減することができる。特に、負荷が急激に上昇する場合、連続回転数制御では、回転数の上昇の遅れによって吸込圧力が大きく上昇し、スクリュ圧縮機３の出力が制限されて冷凍能力が低下し、庫内温度Ｔｆを下げることができなくなったり、冷凍装置１が運転不能に陥って停止してしまったりするが、ステップ制御を行うことで、このような不具合を回避することができる。

また、強制運転制御によれば、吸込圧力Ｐｓが定格上限圧力Ｐｓ_１を超えたときに、スクリュ圧縮機３を、その圧力における上限回転数である定格回転数で一定時間運転する。これにより、冷凍装置１を高出力で運転し、吸込圧力Ｐｓを急速に低下させることができ、スクリュ圧縮機３を、低速高負荷の悪条件で運転することを回避できる。また、急激な負荷上昇に対して、吸込圧力Ｐｓの上昇が冷凍装置１の出力を制限して、吸込圧力Ｐｓのさらなる上昇を招くという悪循環を防止することにもなる。

本実施形態では、ステップＳ２０において、冷凍庫２の庫内温度Ｔｆが安定したかどうかを判定しているが、これに替えて、吸込圧力Ｐｓの値が安定したときに連続回転数制御に復帰するようにしてもよい。

また、ステップＳ２０では、吸込圧力Ｐｓおよび庫内温度Ｔｆが、ともに、予め設定した範囲内になったときに、負荷が安定したと判断し、連続回転数制御に復帰するようにしてもよい。

強制運転回転数は、必ずしも定格回転数でなくてよいが、吸込圧力Ｐｓを低下させるために行うものであるため、ある程度高い回転数でなければならない。

また、強制運転制御に移行する吸込圧力Ｐｓは、必ずしも、スクリュ圧縮機３の上限回転数が定格回転数になる定格上限圧力Ｐｓ_１に一致する必要はない。

また、本実施形態では、ステップＳ１２において、吸込圧力Ｐｓが定格上限圧力Ｐｓ_１を超えたときに強制運転回転数制御を行うようにしているが、吸込圧力Ｐｓの関数によって、吸込圧力Ｐｓが可用上限圧力Ｐｓ_０を超える可能性を定量化して、強制運転回転数制御を行うか否かの判断を行ってもよい。

具体例として、吸込圧力を時間の関数Ｐｓ（ｔ）と考えると、時間Ｔｓ_０後の吸込圧力Ｐｓの値は、関数Ｐｓ（ｔ＋Ｔｓ_０）＝Ｐｓ（ｔ）＋Ｔｓ_０＊ΔＰｓ／Δｔとして算出することができ、Ｐｓ（ｔ＋Ｔｓ_０）≧Ｐｓ_１となったときに、強制運転回転数制御を行うとよい。

また、図５に示すように、スクリュ圧縮機３の機種にかかわらず、定格上限圧力Ｐｓ_１を例えば０．０７ＭＰａに設定し、吸込圧力Ｐｓが０．０７ＭＰａから０．１ＭＰａの間の上限回転数を定格回転数にしてもよい。

なお、上述の実施形態では、オペレータが操作パネル１４を操作して、ステップ制御を行うべき旨の指令信号を制御装置１０へ入力するものとした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、操作パネル１４に代えて、制御装置１０へ入力されるステップ制御を行うべき旨の指令信号を出力する制御装置１０とは異なる制御手段を設けてもよい。この場合、その制御手段は、例えば、予め過去の試験結果から得られた経験則等に基づきプログラミングされた所定のプログラムを記憶しており、そのプログラムに沿って、制御装置１０に対してステップ制御を行うべき旨の指令信号を出力するものであってもよい。

本発明の冷凍装置の概略図。図１の冷凍装置のスクリュ圧縮機の回転数制御の流れ図。図１の冷凍装置のスクリュ圧縮機の最大回転数の異なる例を示すグラフ。図１の冷凍装置のスクリュ圧縮機の連続回転数制御の流れ図。図３の冷凍装置のスクリュ圧縮機の最大回転数の代案を示すグラフ。従来の冷凍装置におけるスクリュ圧縮機の吸込圧力の変化例を示すグラフ。

符号の説明

１冷凍装置
２冷凍庫
３スクリュ圧縮機
４凝縮器
５膨張弁
６冷却コイル（蒸発器）
７冷媒循環流路
８モータ
９インバータ
１０制御装置
１１吸込圧力計
１２蒸発温度計
１３庫内温度計
１４操作パネル

Claims

運転状態を監視してスクリュ圧縮機の回転数を連続制御する連続回転数制御手段と、
前記連続回転数制御に割り込んで、前記スクリュ圧縮機の回転数を所定の回転数に設定する定速制御手段とを備えることを特徴とする冷凍装置。
前記定速制御手段は、オペレータの操作、または、予め所定のプログラムを記憶した制御手段の出力により、前記連続回転数制御に割り込んで、前記スクリュ圧縮機の回転数を規定回転数に設定するステップ制御手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
前記規定回転数は、予め設定された複数の回転数から選択されたものであることを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
前記定速制御手段は、前記スクリュ圧縮機の吸込圧力が所定のしきい値以上になったときに、前記連続回転数制御に割り込んで、前記スクリュ圧縮機を所定時間だけ所定の強制運転回転数に設定する強制運転制御手段を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の冷凍装置。
前記しきい値は、前記スクリュ圧縮機の上限回転数が定格回転数と等しくなる吸込圧力であることを特徴とする請求項４に記載の冷凍装置。
前記定速制御手段は、吸込圧力の関数が所定のしきい値以上になったときに、前記連続回転数制御に割り込んで、前記スクリュ圧縮機を所定時間だけ所定の強制運転回転数に設定する強制運転制御手段を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の冷凍装置。
前記強制運転回転数は、該強制運転回転数に設定する際の吸込圧力における前記スクリュ圧縮機の上限回転数であることを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の冷凍装置。