JP2008249240A - コンデンシングユニット及びそれを備えた冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンシングユニットの運転状況、並びにコンデンシングユニットと室内機との配管接続設置状況等の種々の状況においても、室内機側の負荷に合わせてコンデンシングユニットを制御し、信頼性の向上を図ったコンデンシングユニット及びそれを備えた冷凍装置を提供する。
【解決手段】圧縮機１１及び凝縮器１２を備え、圧縮機１１の吸入側に、冷媒の低圧圧力を検知するための低圧センサ１４又は冷媒温度を検知するための温度センサ１６を設け、圧縮機１１と室内機２０の蒸発器２２までの冷媒配管１の配管長Ｌと、目標とする蒸発温度の圧力Ｐ１とを設定し、配管長Ｌから冷媒配管１を導通する冷媒の圧力損失ΔＰを算出し、低圧センサ１４から送られる現在の低圧圧力ＰをＰ１とするように圧縮機１１の運転を制御する制御装置１５を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、スーパーマーケットやコンビニエンスストア等に搭載されるショーケースや、冷蔵庫、冷凍庫等に用いられるコンデンシングユニット及びそれを搭載した冷凍装置に関し、特に信頼性を向上させた冷凍装置に関するものである。

従来、一般的な冷凍装置では、コンデンシングユニット側（熱源側）圧縮機吸入入口の低圧圧力を圧力センサで検知し、検知した圧力情報に応じて制御器にて圧縮機の運転台数、圧縮機の運転周波数（インバータ圧縮機の場合）、凝縮器近傍に設けられているファン等の送風機の出力等が制御され、コンデンシングユニットの運転を行っている。そのため、室内機側に搭載されている蒸発器から圧縮機の入口までに接続された配管内における圧力損失を制御上特に考慮していなかった。

冷凍装置は、室内機及びコンデンシングユニットの設置状況によって、冷媒配管の配管長を短くしたり長くしたりしなければならない。冷媒配管の配管長が長くなると、その中を導通する冷媒の圧力損失が大きくなるために、コンデンシングユニット側圧縮機入口で検知した低圧圧力に対して、室内機側蒸発器の低圧圧力の方が高くなることになる。したがって、室内機側蒸発器をユーザが要求する温度にするためには、庫内の負荷や、コンデンシングユニットの冷却具合等の種々の状況によって、コンデンシングユニットの目標とする蒸発温度の設定を低く調整しなければならなかった。

そのようなものとして、冷却運転時において室外機（コンデンシングユニット）側の吸入過熱度を適正過熱度に制御することによって、空調サイクルの信頼性の向上を図った空気調和機が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この空気調和機は、室内機側蒸発器に備えた低圧圧力センサにより検知した室内機の温度から室内機と室外機（コンデンシングユニット）の接続配管長さを推定し、圧力損失を減ずることにより、室外機側の圧縮機入口の低圧圧力を推定するようにしている。そして、推定した低圧圧力から、圧縮機の吐出温度ならびに室内機側膨張弁の開度を適正に制御をするよう室外機側の吸入過熱度を高精度に推定することができるようになっている。

特許第３８４９４６７号（第７頁、第１図）

特許文献１に記載の空気調和機が実行する制御は、室内機側に電動膨張弁を使用している場合であり、かつ、室内機と室外機とをセット販売する場合に有効なものである。しかしながら、冷凍装置は、室外機と室内機とをセット販売せずに、室外機と室内機とをそれぞれ単品として販売することも多い。また、室内機は、電動膨張弁ではなく、温度式膨張弁を主に使用している。よって、室外機と室内機とがいかなるメーカーのもので構成された冷凍装置であっても、ユーザの要求を満足できるようにすることが要求される。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、コンデンシングユニットの運転状況、並びにコンデンシングユニットと室内機との配管接続設置状況等の種々の状況においても、室内機側の負荷に合わせてコンデンシングユニットを制御し、信頼性の向上を図ったコンデンシングユニット及びそれを備えた冷凍装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係るコンデンシングユニットは、圧縮機及び凝縮器を備えたコンデンシングユニットであって、前記圧縮機の吸入側に、冷媒の低圧圧力を検知するための検知手段を設け、前記圧縮機とこのコンデンシングユニットに接続される室内機の蒸発器までの冷媒配管の配管長Ｌと、目標とする蒸発温度の圧力Ｐ１とを設定し、前記配管長Ｌから前記冷媒配管を導通する冷媒の圧力損失ΔＰを算出し、前記圧力損失ΔＰに基づいて前記検知手段から送られる現在の低圧圧力Ｐを前記Ｐ１とするように前記圧縮機の運転を制御する制御装置を備えたことを特徴とする。また、本発明に係る冷凍装置は、前記コンデンシングユニットと、膨張弁及び蒸発器を有し、前記コンデンシングユニットに接続された室内機とを備えたことを特徴とする。

本発明に係るコンデンシングユニット及びそれを備えた冷凍装置は、前記圧縮機と室内機の蒸発器までの冷媒配管の配管長Ｌと、目標とする蒸発温度の圧力Ｐ１とを設定し、前記配管長Ｌから前記冷媒配管を導通する冷媒の圧力損失ΔＰを算出し、この圧力損失ΔＰに基づいて前記低圧センサから送られる現在の低圧圧力Ｐを前記Ｐ１とするように前記圧縮機の運転を制御する制御装置を備えたので、コンデンシングユニットと室内機の配管接続設置状況や、コンデンシングユニットの低圧圧力の変化、圧縮機の運転台数、インバータ圧縮機の場合は更に運転周波数により、冷媒循環量が変化しても、実際の蒸発器の負荷変動に応じて、安定した温度制御が実現できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る冷凍装置１００の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。図１に基づいて、冷凍装置１００の回路構成について説明する。この冷凍装置１００は、冷媒を循環させる冷凍サイクルを搭載し、ショーケースや、冷蔵庫、冷凍庫等に使用されるものである。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

冷凍装置１００は、２台の室内機２０と、コンデンシングユニット１０とで構成されている。この２台の室内機２０は、コンデンシングユニット１０に対して並列に接続されており、同様の構成となっている。室内機２０とコンデンシングユニット１０とは、ガス配管及び液配管で構成される冷媒配管１で接続されて連絡するようになっている。なお、図１では、室内機２０を２台設置されている場合を例に示しているが、設置台数を限定するものではない。たとえば、１台の室内機２０を設置してもよく、３台以上の室内機２０を設置してもよい。

コンデンシングユニット１０は、室外ユニットや熱源側ユニットと称されるものであり、コンデンシングユニット１０には２台の圧縮機１１と、凝縮器（室外熱交換器）１２と、液溜１３とが順次直列に接続されて搭載されている。また、コンデンシングユニット１０には、圧縮機１１に吸入する冷媒の圧力（低圧）を検知するための圧力センサ等で構成された検知手段である低圧センサ１４と、温度（低圧温度）を検知するためのサーミスタ等で構成された検知手段である温度センサ１６とが圧縮機１１の吸入側である低圧配管（吸入側配管）に設けられている。さらに、コンデンシングユニット１０には、低圧センサ１４又は温度センサ１５で検知した情報に基づいて、目標とする蒸発温度を補正することができる制御装置１５が設けられている。

圧縮機１１は、冷媒配管１を流れる冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態とするものであり、たとえばインバータにより回転数が制御され容量制御されるタイプのもので構成するとよい。凝縮器１２は、凝縮器１２の近傍に設けられているファン等の室外送風手段１７から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、冷媒を凝縮液化するものである。液溜１３は、凝縮器１２で凝縮液化された冷媒を貯留するものである。制御装置１５は、蒸発温度を補正するだけでなく、圧縮機１１の運転周波数や、室外送風手段１７の回転数を制御したりすることで冷凍装置１００の全体を統括制御する機能を有しており、マイクロコンピュータ等で構成するとよい。

なお、図１では、コンデンシングユニット１０に２台の圧縮機１１が並列に接続され、搭載されている場合を例に示しているが、台数を限定するものではない。たとえば、冷凍装置１００の目的や用途に応じて台数を決定すればよく、１台の圧縮機１１を搭載してもよく、３台以上の圧縮機１１を搭載してもよい。また、図１では、低圧センサ１４と、温度センサ１５とを低圧配管に設けている場合を例に示しているが、いずれか１つのセンサだけを設けるようにしてもよい。

室内機２０には、膨張弁２１と、蒸発器（室内熱交換器）２２とが直列に接続されて搭載されている。膨張弁２１は、冷媒を減圧して膨張させるものである。この膨張弁２１は、たとえば開度が可変に制御可能な電子式膨張弁や温度式膨張弁等で構成するとよい。蒸発器２２は、蒸発器２２の近傍に設けられているファン等の室内送風手段２３から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、冷媒を蒸発ガス化するものである。つまり、圧縮機１１、凝縮器１２、液溜１３、膨張弁２１及び蒸発器２２を冷媒配管１で順次接続することで冷媒回路を構成しているのである。

この図１には、この冷凍サイクルを循環する冷媒の冷媒配管１におけるコンデンシングユニット１０側の冷媒入口をコンデンシングユニットガス冷媒入口３１、コンデンシングユニット１０側の冷媒出口をコンデンシングユニット液冷媒出口３０、室内機２０側の冷媒入口を室内機液冷媒入口４０、室内機２０側の冷媒出口を室内機ガス冷媒出口４１として示している。また、図１では、２台の室内機２０を設置しているために、冷媒配管１を途中で分岐及び接続させて各室内機２０とコンデンシングユニット１０とが連絡するようになっている。

ここで、冷凍装置１００の動作について説明する。
冷凍サイクルを構成する冷媒回路には冷媒が封入されている。この冷媒は、コンデンシングユニット１０の圧縮機１１で圧縮され、高温・高圧の冷媒ガス（吐出ガス）となって圧縮機１１から吐出される。圧縮機１１から吐出された冷媒は、凝縮器１２に流入する。この凝縮器１２に流入した冷媒は、室外送風手段１７から供給される空気と熱交換して凝縮液化する。すなわち、冷媒は放熱して液体に状態変化するのである。凝縮液化した冷媒は、液溜１３を経てコンデンシングユニット液冷媒出口３０からコンデンシングユニット１０の外部へと流出する。

コンデンシングユニット１０を流出した冷媒は、室内機液冷媒入口４０から室内機２０に流入する。室内機２０に流入した冷媒は、膨張弁２１で減圧され膨張する。膨張した冷媒は、蒸発器２２に流入し、室内送風手段２３から供給される空気と熱交換して蒸発ガス化する。すなわち、空気から吸熱して（空気を冷却して）、気体に状態変化するのである。蒸発ガス化した冷媒は、室内熱ガス冷媒出口４１から室内機１０の外部へと流出する。室内機２０を流出した冷媒は、コンデンシングユニットガス冷媒入口３１からコンデンシングユニット１０内に流入し、圧縮機１１に再度吸入される。冷凍装置１００は、この動作を繰り返す。

図２は、コンデンシングユニット１０の運転時間と低圧圧力との関係を示すグラフである。図２に基づいて、コンデンシングユニット１０の運転時間に対する低圧圧力について説明する。この図２では、縦軸に低圧圧力（Ｐ）を、横軸にコンデンシングユニット１０の運転時間（ｔ）をそれぞれ示している。また、波線Ａが低圧センサ１４が検知した現在の低圧圧力（以下、現在低圧圧力Ｐと称する）を、実線Ｂが制御装置１５が設定した目標とする蒸発温度の圧力（以下、目標蒸発温度圧力Ｐ１と称する）を、破線Ｃが制御装置１５が補正した後の目標とする蒸発温度の圧力（以下、目標蒸発温度圧力Ｐ２と称する）をそれぞれ示している。また、Ｐａが現在低圧圧力Ｐの最初の下限値を、Ｐｂが現在低圧圧力Ｐの最初の上限値をそれぞれ示している。

冷凍装置１００の制御装置１５は、目標蒸発温度圧力Ｐ１を設定した上で、コンデンシングユニット１０の運転を開始する。制御装置１５は、コンデンシングユニット１０の運転を開始させると、低圧センサ１４で検知した現在低圧圧力Ｐが、目標蒸発温度圧力Ｐ１となるように各機器を制御する。具体的には、制御装置１５は、圧縮機１１の運転台数や、圧縮機１１がインバータ圧縮機の場合は運転周波数、凝縮器１２近傍の室外送風手段１７の出力等に基づいて現在低圧圧力Ｐを調整し、目標蒸発温度圧力Ｐ１となるように各機器の制御を繰り返し実行する。

また、制御装置１５は、Ｐａ及びＰｂの各値から、室内機２０に搭載されている蒸発器２２の出口からコンデンシングユニット１０に搭載されている圧縮機１１の入口までの冷媒配管１の圧力損失を算出する。冷媒配管１の圧力損失ΔＰは、以下に示す式（１）で算出することができる。

この式において、λが冷媒配管１内の摩擦係数を、Ｌが冷媒配管１の配管長（設定値）を、ｄが冷媒配管１内径を、ρが冷媒の密度を、ｖが冷媒の流速をそれぞれ表している。また、コンデンシングユニット１０の冷媒循環量Ｇは、以下の式（２）で算出される。

ここで、Ａが冷媒配管１の流路断面積を、Ｖが圧縮機１１の押退量をそれぞれ表している。なお、式（２）の他の記号は、式（１）と同じであるために、同記号を用いて表している。

式（２）から、コンデンシングユニット１０の冷媒循環量Ｇは、圧縮機１１の運転台数や、圧縮機１１がインバータ圧縮機の場合は更に運転周波数で決定する押退量Ｖと、低圧センサ１４で検知した低圧圧力を飽和温度換算した密度ρとで算出することができる。したがって、圧力損失ΔＰは、冷媒循環量Ｇと、コンデンシングユニット１０の運転開始前に設定入力した配管長Ｌとによって算出することができる。次に、制御装置１５は、目標蒸発温度圧力Ｐ１から、算出した圧力損失ΔＰ分を補正した目標蒸発温度圧力Ｐ２とする。そして、制御装置１５は、この目標蒸発温度圧力Ｐ２を温度換算し、それを次の目標とする蒸発温度として運転を実行する。すなわち、制御装置１５は、波線Ａを適宜破線Ｃに近づけるように各機器を制御してコンデンシングユニット１０の運転を実行するのである。

図３は、目標蒸発温度圧力Ｐ１を補正しながら運転を実行するときの処理の流れを示すフローチャートである。図３に基づいて、目標蒸発温度圧力Ｐ１を補正しながら運転を実行するときの処理の流れを詳細に説明する。まず、コンデンシングユニット１０内に搭載されている制御装置１５は、コンデンシングユニット１０と室内機２０までの配管長Ｌ、及び、コンデンシングユニット１０の目標蒸発温度圧力Ｐ１の設定入力を確認する（ステップＳ１０１）。そして、制御装置１５は、コンデンシングユニット１０の運転（具体的には圧縮機１１の運転）を開始させる（ステップＳ１０２）。また、制御装置１５には、コンデンシングユニット１０の運転開始と同時にコンデンシングユニット１０の低圧センサ１４で検知した現在低圧圧力Ｐが送信される。

次に、制御装置１５は、低圧センサ１４で検知した現在低圧圧力ＰからＰａ及びＰｂを検知するためのセンシングを開始する（ステップＳ１０３）。制御装置１５は、Ｐａ及びＰｂを検知するまでセンシングを繰り返し実行する（ステップＳ１０４；ＮＯ）。そして、制御装置１５は、Ｐａ及びＰｂを検知すると（ステップＳ１０４；ＹＥＳ）、冷媒配管１の圧力損失ΔＰｃを算出する（ステップＳ１０５）。具体的には、制御装置１５は、上記式（１）に基づいてＰａにおける圧力損失ΔＰａ、Ｐｂにおける圧力損失ΔＰｂをそれぞれ算出する。そして、制御装置１５は、算出したΔＰａ及びΔＰｂから、それらの平均値を算出してΔＰｃとする。

次に、制御装置１５は、算出したΔＰｃを前回のΔＰｃと比較する（ステップＳ１０６）。なお、この制御動作が初めての場合には前回のΔＰｃを０とし、現在の目標蒸発温度圧力Ｐ１をコンデンシングユニット１０の運転開始前に設定した値とする。比較した結果、ΔＰｃの方が前回のΔＰｃより大きいときは（ステップＳ１０６；ＹＥＳ）、現在の目標蒸発温度圧力Ｐ１から圧力損失の差分（ΔＰｃと前回算出した平均値ΔＰｃ又は０との差分）を減じて補正する（ステップＳ１０７）。そして、目標蒸発温度圧力Ｐ２を温度換算した値を次の目標蒸発温度として運転を実行する（ステップＳ１０８）。つまり、制御装置１５は、補正された次の目標とする蒸発温度になるようにコンデンシングユニット１０は運転を制御するのである。

一方、ΔＰｃが前回のΔＰｃ以下のときは（ステップＳ１０６；ＮＯ）、制御装置１５は、現在の目標蒸発温度圧力Ｐ１のままでコンデンシングユニット１０の運転を継続させる（ステップＳ１０９）。次に、制御装置１５は、コンデンシングユニット１０に搭載されている全ての圧縮機１１が停止状態かどうかを判断する（ステップＳ１１０）。全て圧縮機１１のいずれか１台でも運転を継続していれば（ステップＳ１１０；ＮＯ）、制御装置１５は、現在の運転を継続させる。

一方、全ての圧縮機１１が停止していれば（ステップＳ１１０；ＹＥＳ）、制御装置１５は、圧縮機１１の停止を解除する条件かどうかを判断する（ステップＳ１１１）。全ての圧縮機１１は、室内機側の庫内温度が設定した値に十分達している停止している。または、室内機側の霜取り運転のため停止している。よって、庫内温度が設定した値より高くなる、又は霜取り運転終了になれば、この制御装置１５は、コンデンシングユニット１０の運転を再び開始する（ステップＳ１０２）。この制御処置を繰り返し実行する。以上の制御処理によって、全ての圧縮機１１が運転している場合の圧力損失を算出し、かつ目標蒸発温度圧力Ｐ１の補正が可能となる。したがって、コンデンシングユニット１０の目標とする蒸発温度をユーザが所望する温度とすることができる。

なお、図３では、低圧センサ１４を用いて圧縮機１１に入力する冷媒の圧力（低圧）を検知し、その圧力情報を制御装置１５に送信する場合を例に説明したが、これに限定するものではない。たとえば、低圧センサ１４の代わりに温度センサ１６を用いて圧縮機１１に入力冷媒の温度（低圧温度）を検知し、その温度情報を制御装置１５に送信し、制御装置１５で温度情報を圧力換算して、冷媒の低圧を検知するようにしてもよい。また、双方の検知手段からの情報に基づいて、冷媒の低圧を検知するようにしてもよい。

次に、この目標蒸発温度圧力Ｐ１を補正する制御がリセットされる条件について説明する。まず、コンデンシングユニット１０に搭載されている制御装置１５は、上記制御処理を実行しているときに、冷凍サイクル内に何らかの異常が発生し、コンデンシングユニット１０の全ての圧縮機１１が停止する状態になった場合は、補正された目標蒸発温度圧力Ｐ２をリセットし、予め設定入力した目標蒸発温度圧力Ｐ１に戻す。また、制御装置１５は、冷凍サイクル内の冷媒機器類や、電気回路部品の故障等により部品交換が必要になったとき、つまりコンデンシングユニット１０の電源をＯＦＦしたとき、補正された目標蒸発温度圧力Ｐ２をリセットし、予め設定入力した目標蒸発温度圧力Ｐ１に戻す。

さらに、制御装置１５は、ユーザが室内機２０が設置される場所や条件の変更により設定温度を変更するとき、つまりコンデンシングユニット１０の目標蒸発温度圧力Ｐ１の設定再入力を確認したとき、補正された目標蒸発温度圧力Ｐ１をリセットし、再設定入力した目標蒸発温度圧力Ｐ１にする。リセット後、制御装置１５は、自動的に補正を実行する。次に、この目標蒸発温度圧力Ｐ１を補正する制御は、コンデンシングユニット１０の使用蒸発温度の範囲内で有効なものとする。たとえば、コンデンシングユニット１０が使用蒸発温度下限にて運転している場合は、目標蒸発温度圧力Ｐ１の補正はせず、使用蒸発温度下限のまま、運転を継続するとよい。こうすれば、コンデンシングユニット１０の品質を維持することができる。

以上より、コンデンシングユニット１０と室内機２０との冷媒配管１の接続設置状況や、コンデンシングユニット１０の低圧圧力の変化、圧縮機１１の運転台数、圧縮機１１がインバータ圧縮機の場合は更に運転周波数により、冷媒回路内における冷媒循環量が変化したとしても、室内機２０に搭載されている蒸発器２２の実際の負荷変動に応じて、安定した室内機２０側の蒸発器２２における温度制御が可能となる。その結果、冷凍装置１００は、信頼性の高いものとなる。

なお、冷凍装置１００は、スーパーマーケットやコンビニエンスストア等に搭載されるショーケースや、冷蔵庫、冷凍庫等に適用することが可能である。したがって、冷凍装置１００の適用される目的・用途に応じてコンデンシングユニット１０に搭載する圧縮機１１の容量や搭載台数を決定するとよい。また、冷凍装置１００に使用できる冷媒を特に限定するものではない。また、算出した各値（ＰａやＰｂ、Ｐ２、ΔＰ等）を格納しておく、たとえばＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）や、フラッシュメモリ等の記憶部を設けておくとよい。さらに、制御装置１５をコンデンシングユニット１０内に設けた場合を例に説明したが、室内機２０や外部に設けてもよい。

実施の形態に係る冷凍装置の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。 コンデンシングユニットの運転時間と低圧圧力との関係を示すグラフである。 目標蒸発温度圧力Ｐ１を補正しながら運転を実行するときの処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 冷媒配管、１０ コンデンシングユニット、１１ 圧縮機、１２ 凝縮器、１３ 液溜、１４ 低圧センサ、１５ 制御装置、１６ 温度センサ、１７ 室外送風手段、２０ 室内機、２１ 膨張弁、２２ 蒸発器、２３ 室内送風手段、３０ コンデンシングユニット液冷媒出口、３１ コンデンシングユニットガス冷媒入口、４０ 室内機液冷媒入口、４１ 室内機ガス冷媒出口、１００ 冷凍装置。

Claims (5)

1. 圧縮機及び凝縮器を備えたコンデンシングユニットであって、
   前記圧縮機の吸入側に、冷媒の低圧圧力を検知するための検知手段を設け、
   前記圧縮機とこのコンデンシングユニットに接続される室内機の蒸発器までの冷媒配管の配管長Ｌと、目標とする蒸発温度の圧力Ｐ１とを設定し、
   前記配管長Ｌから前記冷媒配管を導通する冷媒の圧力損失ΔＰを算出し、
   前記圧力損失ΔＰに基づいて前記検知手段から送られる現在の低圧圧力Ｐを前記Ｐ１とするように前記圧縮機の運転を制御する制御装置を備えた
   ことを特徴とするコンデンシングユニット。
2. 前記制御装置は、
   前記Ｐ１の補正が可能であり、
   前記コンデンシングユニットに搭載されている全ての圧縮機が異常停止したとき、前記コンデンシングユニットの電源がＯＦＦされたとき、又は、前記室内機での設定温度が変更されたときのいずれかで、前記補正をリセットする
   ことを特徴とする請求項１に記載のコンデンシングユニット。
3. 前記制御装置は、
   前記コンデンシングユニットに使用蒸発温度範囲内で前記補正を実行する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のコンデンシングユニット。
4. 前記制御装置は、
   前記リセット後に、前記補正を自動的に実行する
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載のコンデンシングユニット。
5. 前記請求項１〜４のいずれかに記載のコンデンシングユニットと、
   膨張弁及び蒸発器を有し、前記コンデンシングユニットに接続された室内機とを備えた
   ことを特徴とする冷凍装置。

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