JP2008249210A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍装置の過熱度を適切に制御し寝込みの状態に陥るのを防ぐ。
【解決手段】圧縮機１１と、放熱器１５と、放熱器１５から流出する冷媒を減圧する減圧器１９と、減圧器１９で減圧後の冷媒を蒸発させ圧縮機１１の吸込み側に供給する蒸発器２０と、放熱器１５から減圧器１９に流入する冷媒と、蒸発器２０から圧縮機１１の吸込み側に供給される冷媒とを熱交換させる熱交換器１８と、蒸発器入口温度と蒸発器出口温度とに基づいて冷媒の過熱度を求め、求めた過熱度に応じて減圧器１９の開度を制御する過熱度制御を行う制御部４０を有する冷凍装置において、減圧器１９に流入する冷媒の温度である減圧器入口温度が予め設定された温度より低い場合に過熱度制御を行わないようにする。また減圧器１９に流入する冷媒の温度である減圧器入口温度が予め設定された温度より低い場合は減圧器１９の開度を減らすようにする。
【選択図】図６Ａ

Description

この発明は、冷凍装置に関し、とくに過熱度を適切に制御する技術に関する。

冷凍装置において、安定的に冷凍能力を確保するためには蒸発器出口の冷媒の過熱度を適切に制御することが重要である。このため、冷凍装置においては、蒸発器入口／出口温度を検出して過熱度を求め、求めた過熱度に応じて膨張弁の開度を調節する、いわゆる過熱度制御が行われている（例えば、特許文献１を参照）。
特開平７−９８１６０号公報

ところで、冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍装置においては、上記過熱度制御を行っている場合でも、冷凍負荷の変動等の影響により過熱度が取れなくなる、いわゆる「寝込み」と呼ばれる状態に陥ることがある。この寝込みの状態に陥ると、膨張弁入口の冷媒温度（以下、膨張弁入口温度と称する。）の極端な低下やハンチング（周期的な変動）等が生じて過熱度が不安定となり、その結果、液圧縮や液バック、冷凍装置の冷凍能力低下といった不具合を生じることがある。

図８に示す冷凍装置１０を例に、寝込みについて詳述する。同図に示す冷凍装置１０は、冷媒として二酸化炭素を用いるもので、圧縮機１１、放熱器１５、内部熱交換器１８、膨張弁等の減圧器１９、蒸発器２０、蒸発器入口の冷媒温度（以下、蒸発器入口温度と称する。）を検出するためのセンサ３２、蒸発器出口の冷媒温度（以下、蒸発器出口温度と称する。）を検出するためのセンサ３３、逆止弁２１、及びセンサ３２，３３の検出値に応じて減圧器１９の開度を制御する図示しない制御部等を含んで構成されている。

上記構成からなる冷凍装置１０において、過熱度制御が適正に行われて冷凍サイクルが安定状態にある場合、膨張弁入口温度、蒸発器入口温度、及び蒸発器出口温度の時間的な変化は、例えば図９Ａに示すようであり、このように安定状態では膨張弁入口の冷媒温度は所定範囲内（１０℃〜２５℃）に維持されている。

一方、寝込みの状態に陥った場合、膨張弁入口温度、蒸発器入口温度、及び蒸発器出口温度の時間的な変化は、例えば、図９Ｂに示すようになる。すなわち、寝込みの状態に陥ると、膨張弁入口温度が不安定となり、膨張弁入口温度が相当低温まで低下し（同図の例では−１０℃近くまで下がっている。）、これにより過熱度（蒸発器入口温度と蒸発器出口温度の差）が取れなくなってしまうことがわかる。

なお、上記のような内部熱交換器１８を有するタイプの冷凍装置１０では、膨張弁入口温度が負荷変動の影響を受けやすく、寝込みの状態に陥り易い。また冷媒として用いる二酸化炭素は流動性が高く、膨張弁の入口では高圧となるため、開度変化に対する流量変化が大きく膨張弁の開度制御が非常に厳しく、アンモニア等を冷媒とする他の冷凍装置に比べて膨張弁の開度制御が難しい。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、過熱度を適切に制御することが可能な冷凍装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明のうちの主たる発明は、冷凍装置であって、ガス冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮されたガス冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器から流出するガス冷媒を減圧する減圧器と、前記減圧器で減圧されたガス冷媒を蒸発させ前記圧縮機の吸込み側に供給する蒸発器と、前記放熱器から前記減圧器に流入するガス冷媒と、前記蒸発器から前記圧縮機の吸込み側に供給するガス冷媒とを熱交換させる熱交換器と、前記蒸発器に流入する前記冷媒の温度である蒸発器入口温度と、前記蒸発器から流出する前記冷媒の温度である蒸発器出口温度とに基づいて前記冷媒の過熱度を求め、求めた前記過熱度に応じて前記減圧器の開度を制御する第１制御を行う制御部と、を有し、前記制御部は、前記減圧器に流入する前記冷媒の温度である減圧器入口温度が予め設定された温度より低い場合に、前記第１制御を行わないようにすることとする。

このように、本発明の冷凍装置は、減圧器（膨張弁）入口温度によって寝込み前兆の発生を監視し、前兆を検知すると蒸発器入口温度と蒸発器出口温度に基づく過熱度制御（第１制御）を行わないようにする。また減圧器に流入する冷媒の温度である減圧器入口温度が予め設定された温度より低い場合は減圧器の開度を減らすようにする。このため、冷凍装置が寝込みの状態に陥ってしまうのを防ぐことができる。また寝込みの発生が無くなることで、過熱度を安定的に確保することができ、冷凍効率が安定して維持され、これにより消費電力を低減することができる。

本発明によれば、冷凍装置の過熱度を適切に制御することができる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１に本発明の一実施形態として説明する冷凍装置１の構成を示している。この冷凍装置１は二酸化炭素を冷媒として用いるものである。なお、特許請求の範囲における「ガス冷媒」とは、気相状態の冷媒、液相状態の冷媒、及びそれら２層の共存状態をなす冷媒を指している。

図１に示すように、冷凍装置１は、圧縮機１１、放熱器１５、内部熱交換器１８、減圧器１９、蒸発器２０、第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３、及び制御部４０を含んで構成されている。

圧縮機１１は、冷媒を吸入圧縮する往復式、遠心式、又は回転式（ロータリー式）等の圧縮装置である。放熱器１５（ガスクーラ）は、外気等と熱交換させることにより冷媒を冷却する。

内部熱交換器１８は、放熱器１５から出た冷媒と、蒸発器２０から出た冷媒とを熱交換させる。内部熱交換器１８によって放熱器１５から蒸発器２０に向けて供給される冷媒の温度が下がり、これにより蒸発器２０の入口と出口における冷媒のエンタルピの差が拡大し、蒸発器２０で外気等の相手方物質からの熱の汲み上げ量を増やすことができる。

減圧器１９は、内部熱交換器１８から流入する冷媒を減圧する。減圧器１９は、例えば（ＥＥＶ:Electronic Expansion Valve）等の自動制御可能な膨張弁であり、後述するように制御部４０によってその開度が自動的に制御される。なお、膨張弁を用いる場合はキャピラリチューブを併用してもよい。

蒸発器２０は冷媒を蒸発させる。蒸発器２０としては、例えば、乾式、又は満液式のものが用いられる。逆止弁２１は圧縮機１１に向かう方向が順方向となるように設けられ、圧縮機１１から蒸発器２０側への冷媒の逆流を阻止する。

第１センサ３１、第２センサ３２、及び第３センサ３３は、例えば、サーミスタ等の温度センサである。このうち第１センサ３１は、減圧器１９に流入する冷媒の温度、すなわち、減圧器１９の入口における冷媒温度（以下、減圧器入口温度と称する。）を検出する。第２センサ３２は、蒸発器２０に流入する冷媒の温度、すなわち、蒸発器２０の入口における冷媒温度（以下、蒸発器入口温度と称する。）を検出する。第３センサ３３は、蒸発器２０から出た冷媒の温度、すなわち、蒸発器２０の出口における冷媒温度（以下、蒸発器出口温度と称する。）を検出する。なお、測定範囲において冷媒の温度と圧力が比例関係にある場合は第１センサ３１、第２センサ３２、及び第３センサ３３として圧力センサを用いてもよい。

制御部４０は、第１センサ３１、第２センサ３２、及び第３センサ３３から入力される測定値に基づき減圧器１９に開度制御のための制御信号を送信し、減圧器１９の開度を制御する。図２に制御部４０のハードウエア構成を示す。同図に示すように、制御部４０は、バスを介して接続された、ＣＰＵ４１１、メモリ４１２、入力インタフェース４１３、及び出力インタフェース４１４を有している。このうち入力インタフェース４１３は、第１センサ３１、第２センサ３２、及び第３センサ３３と通信可能に接続し、各センサ３１，３２，３３から送られてくる測定値を受信する。出力インタフェース４１４は、減圧器１９と通信可能に接続し、減圧器１９の開度を制御するための制御信号を減圧器１９に送信する。

次に、図３に示すｐ−ｈ線図（モリエル線図）とともに冷凍装置１の冷凍サイクルについて説明する。同図において、ａは飽和液線、ｂは飽和蒸気線、Ｃは冷媒（二酸化炭素）の臨界点である。

まず圧縮機１１において、冷媒は所定の圧力（以下、高圧と称する。）まで圧縮される（符号１→２の過程）。圧縮後の冷媒は放熱器１５に流入する。放熱器１５に流入した冷媒は、ここで外気等の相手方物質と熱交換されて所定温度まで冷却され（符号２→３の過程）、内部熱交換器１８に流入する。内部熱交換器１８に流入した冷媒は、ここで蒸発器２０から内部熱交換器１８に流入する冷媒と熱交換されてさらに冷却される（符号３→４の過程）。

内部熱交換器１８から出た冷媒は、次に減圧器１９において減圧されて液化し（符号４→５で示す過程）、蒸発器２０に流入する。蒸発器２０において、冷媒は外気等の相手方物質から熱を奪って気化し（符号５→６で示す過程）、内部熱交換器１８に流入する。

内部熱交換器１８に流入した冷媒は、ここで放熱器１５から流入する冷媒と熱交換されて温められた後（符号６→１）、逆止弁２１を通って圧縮機１１の吸込み側に戻る。

以上が冷凍装置１の冷凍サイクルである。次に制御部４０によって行われる減圧器１９の開度制御について説明する。

図４に制御部４０の機能を示している。測定値取得部４２１は、第１センサ３１、第２センサ３２、及び第３センサ３３から入力される測定値を取得する。過熱度算出部４２２は、第２センサ３２及び第３センサ３３で測定した測定値から蒸発器２０の出口における冷媒の過熱度を求める。具体的には、過熱度算出部４２２は、第２センサ３２の測定値から求められる蒸発器入口温度と、第３センサ３３の測定値から求められる蒸発器出口温度との差を求め、この差を過熱度とする。減圧器制御部４２３は、第１センサ３１から入力される測定値から求まる減圧器入口温度と、過熱度算出部４２２によって求められる上記過熱度とに基づいて、減圧器１９の開度を制御する。なお、以上に説明した制御部４０の各機能は、制御部４０のハードウエアにより、又は、ＣＰＵ４１１がメモリ４１２に記憶されているプログラムを実行することにより実現される。

ところで、本発明者らは、冷凍装置１が前述した寝込み状態に陥る際、その前兆として、減圧器入口温度が極端に低下する現象が生じることを知見している。図５に寝込み状態に陥る過程における、減圧器入口温度、蒸発器入口温度、及び蒸発器出口温度の時間変化を上記実験結果の一例として示す。同図に示すように、寝込みの状態に陥る際（時間ｔ_ｃの付近で寝込みに陥っている）は、その前兆として、減圧器入口温度が極端に低下している（例えば、時間ｔ_ａ、ｔ_ｂ）。そこで、本実施形態の冷凍装置１では、減圧器入口温度が極端に低下した場合に、蒸発器入口温度と蒸発器出口温度とに基づく過熱度制御（第１制御）を行わないようにして、減圧器１９の開度を減らす制御（以下、寝込み防止制御（第２制御）と称する。）を行うようにしている。

上記原理に基づいて、制御部４０によって行われる減圧器１９の開度制御に関する処理を図６Ａに示すフローチャートとともに説明する。なお、同図に示す処理は、リアルタイムに実行するようにしてもよいし、例えば数秒〜数十秒程度の制御周期で定期的に実行するようにしてもよい。また圧縮機１１を再始動させる直前や、冷凍装置１が冷蔵庫である場合には、除霜運転の実施直後に実行するようにしてもよい。また冷凍装置１が冷蔵庫である場合には、冷蔵庫の扉の開閉有無や開閉回数、開放時間等、冷凍負荷が大きく変動する可能性がある時点で実行するようにしてもよい。

図６Ａにおいて、Ｓ６１１では、測定値取得部４２１が、第１乃至第３センサ３１〜３３の測定値を取得する。Ｓ６１２では、減圧器制御部４２３が、第１センサ３１の測定値に基づく減圧器入口温度と、予め設定されてメモリ４１２に記憶されている設定温度とを比較する。なお、上記設定温度は、実験結果等に基づいて、寝込みの前兆を検出するのに適切な温度に設定する。

比較の結果、減圧器入口温度が設定温度以上である場合には（Ｓ６１２：ＮＯ）、Ｓ６１４に進む。一方、減圧器入口温度が設定温度よりも低い場合には（Ｓ６１２：ＹＥＳ）、減圧器１９の開度を微少量だけ減らした後（Ｓ６１３）、処理を終了する。すなわち、この場合は過熱度制御（第１制御）は行われず、寝込み防止制御（第２制御）が行われる。なお、上記微少量は、例えば、電子式膨張弁の開度制御を行うステッピングモータのステップを単位として設定される。以上において、Ｓ６１１、Ｓ６１２、Ｓ６１３が前述した寝込み防止制御に関する処理である。

続くＳ６１４からの処理は、過熱度制御に関する処理である。まずＳ６１４では、過熱度算出部４２２が、第２センサ３２及び第３センサ３３から入力される測定値から蒸発器２０の出口における冷媒の過熱度を求める。

Ｓ６１５では、減圧器制御部４２３が、過熱度算出部４２２によって求められた過熱度と、予め設定されてメモリ４１２に記憶されている上限閾値とを比較する。上限閾値は、過熱度の適正範囲における上限値に設定される。なお、過熱度の適正範囲は、冷凍装置１の冷凍能力、冷凍装置１の配管長、蒸発器２０の蒸発温度、内部熱交換器１８の容量や種類等、個々の冷凍装置１の属性に応じて定まる（例えば、家庭用冷蔵庫の場合は１℃〜１０℃）。

比較の結果、過熱度が上限閾値を超えている場合、すなわち、過熱度が適正範囲を逸脱している場合には（Ｓ６１５：ＹＥＳ）、Ｓ６１６に進む。一方、過熱度が上限閾値を超えていない場合には（Ｓ６１５：ＮＯ）、Ｓ６１７に進む。

Ｓ６１６では、減圧器制御部４２３が減圧器１１の開度を微少量だけ増加させる。Ｓ６１７では、減圧器制御部４２３が、過熱度算出部４２２によって求められた過熱度と、予め設定されてメモリ４１２に記憶されている下限閾値とを比較する。なお、下限閾値は、過熱度の適正範囲における下限値に設定される。比較の結果、過熱度が下限閾値よりも小さい場合、すなわち、過熱度が適正範囲を逸脱している場合には（Ｓ６１７：ＹＥＳ）、Ｓ６１３に進む。一方、過熱度が下限閾値以上である場合には（Ｓ６１７：ＮＯ）、処理を終了する。

減圧器１９の開閉制御（Ｓ６１３やＳ６１６）は、必ずしもＳ６１２、Ｓ６１５、又はＳ６１７の判定が行われる度に行う必要はなく、例えばＳ６１３やＳ６１６で行われる開閉制御の実行条件を所定回数連続して満たした場合に初めて減圧器１９の開閉制御を実施するようにしてもよい。また前述した寝込みの前兆（図５の時間ｔ_ａ，ｔ_ｂ）が所定回数検出された場合に初めてＳ６１３やＳ６１６の減圧器１９の開閉制御を実施するようにしてもよい。なお、Ｓ６１２、Ｓ６１５、又はＳ６１７の判定を行うタイミングや、Ｓ６１３やＳ６１６の減圧器１９の開閉制御を行うタイミングは、個々の冷凍装置１の属性に応じて設定される。

以上の例では、過熱度制御（Ｓ６１４乃至Ｓ６１７の処理）が寝込み防止制御と同じタイミングで実行されるが、寝込み防止制御のみを独立したタイミングで実施するようにしてもよい。この場合、寝込み防止制御については、図６Ａの処理を分割して独立させた、例えば、図６Ｂに示すフローチャートに従って実行するようにする。

以上に説明したように、本実施形態の冷凍装置１は、減圧器（膨張弁）入口温度によって寝込みの発生の前兆を監視し、前兆を検知すると蒸発器入口温度と蒸発器出口温度に基づく過熱度制御を行わないようにし、この場合は減圧器１９の開度を減少させるように制御する。このため、寝込みの状態に陥ってしまうのを確実に防ぐことができる。また寝込みの状態に陥る可能性があるにも拘わらず、過熱度制御が行われて減圧器の開度が増加し寝込みを誘発してしまうのを防ぐことができる。また寝込みの発生が無くなることで、過熱度を安定的に確保することができ、これにより冷凍効率が安定して維持されて冷凍装置１の消費電力を抑えることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、以上の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

また以上の説明では、冷凍装置１として一段圧縮方式のものを取り上げたが、例えば図７に示すように本発明は第１圧縮機１１と第２圧縮機１４を有する多段圧縮方式の冷凍装置１に適用することもできる。なお、同図に示す中間冷却器１２は、第１圧縮機１１から吐出された冷媒を外気等の相手方物質と熱交換させて冷却し、第２圧縮機１４に吸込まれる冷媒の温度を低下させるものである。中間冷却器１２を設けることで第２圧縮機１４から出た冷媒の温度上昇が抑えられ、その結果冷凍装置１の冷凍効率が向上する。また液圧縮を防ぐため、蒸発器２０から流出する冷媒に含まれる液体成分を分離するアキュムレータを第１圧縮機１１の前段に設けてもよい。

以上の実施形態では、蒸発器２０における熱交換により外気等の被冷却物質を冷却する冷凍装置１について説明したが、本発明は放熱器１５から放熱される熱を利用して給湯水の温度を上昇させる給湯器等に適用することもできる。

本発明の一実施形態として示す冷凍装置１の構成を示す図である。 本発明の一実施形態として示す制御部４０のハードウエア構成である。 本発明の一実施形態として示す冷凍装置１のｐ−ｈ線図（モリエル線図）である。 本発明の一実施形態として示す制御部４０の機能である。 寝込み状態に陥る過程における、減圧器入口温度、蒸発器入口温度、及び蒸発器出口温度の時間変化の一例である。 本発明の一実施形態として示す、制御部４０によって行われる減圧器１９の開度制御に関する処理を説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態として示す、制御部４０によって行われる寝込み防止制御を説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態として示す、冷凍装置１の他の構成である。 冷凍装置の一例を示す図である。 冷凍装置の過熱度制御が適正に行われ、冷凍サイクルが安定状態にある際の膨張弁入口温度、蒸発器入口温度、及び蒸発器出口温度の時間的な変化の実測値を示すグラフである。 冷凍装置が寝込み状態に陥った際の膨張弁入口温度、蒸発器入口温度、及び蒸発器出口温度の時間的な変化の実測値を示すグラフである。

符号の説明

１ 冷凍装置
１１ 圧縮機
１５ 放熱器
１８ 内部熱交換器
１９ 減圧器
２０ 蒸発器
３１ 第１センサ
３２ 第２センサ
３３ 第３センサ
４０ 制御部
４２１ 測定値取得部
４２２ 過熱度算出部
４２３ 減圧器制御部

Claims (5)

1. ガス冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮されたガス冷媒を放熱させる放熱器と、
   前記放熱器から流出するガス冷媒を減圧する減圧器と、
   前記減圧器で減圧されたガス冷媒を蒸発させ前記圧縮機の吸込み側に供給する蒸発器と、
   前記放熱器から前記減圧器に流入するガス冷媒と、前記蒸発器から前記圧縮機の吸込み側に供給するガス冷媒とを熱交換させる熱交換器と、
   前記蒸発器に流入する前記冷媒の温度である蒸発器入口温度と、前記蒸発器から流出する前記冷媒の温度である蒸発器出口温度とに基づいて前記冷媒の過熱度を求め、求めた前記過熱度に応じて前記減圧器の開度を制御する第１制御を行う制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記減圧器に流入する前記冷媒の温度である減圧器入口温度が予め設定された温度より低い場合に、前記第１制御を行わないようにすること
   を特徴とする冷凍装置。
2. 請求項１に記載の冷凍装置であって、
   前記制御部は、前記減圧器に流入する前記冷媒の温度である減圧器入口温度が予め設定された温度より低い場合に、前記減圧器の開度を減らすように制御する第２制御を行うこと
   を特徴とする冷凍装置。
3. 請求項２に記載の冷凍装置であって、
   前記減圧器入口温度を測定する第１センサと、
   前記蒸発器入口温度を測定する第２センサと、
   前記蒸発器出口温度を測定する第３センサと、を有し、
   前記制御部は、前記第１センサ、前記第２センサ、及び前記第３センサの測定値に基づいて、前記第１制御、及び前記第２制御を行うこと
   を特徴とする冷凍装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の冷凍装置であって、
   前記圧縮機は、
   前記蒸発器から出た前記冷媒を圧縮する第１圧縮機と
   前記第１圧縮機で圧縮された冷媒をさらに圧縮して前記放熱器に供給する第２圧縮機と、を含むことを
   特徴とする冷凍装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の冷凍装置であって、
   前記冷媒は二酸化炭素であることを特徴とする冷凍装置。

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