JP2008309483A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
可変速圧縮機と一定速圧縮機を備えた冷凍装置において、一定速圧縮機が発停を繰り返すことにより消耗することを防ぐために、一定速圧縮機の発停を抑制している。しかし、一定速圧縮機の発停が過度に抑制された場合は出力の過不足が発生してしまう問題が発生している。
【解決手段】
本願発明は、圧力検出器によって低圧圧力が計測され、現在の低圧圧力と過去の低圧圧力から参考低圧圧力が算出され、参考低圧圧力が所定範囲の上限値以上であり、かつ、発停抑制装置から前記一定速圧縮機の発停を抑制する信号が出力された場合に、発停抑制装置からの抑制信号が発生されてから所定時間経過したら抑制信号を無効化する。
【選択図】図９

Description

本願発明は運転周波数が可変のインバータ圧縮機（可変速圧縮機）及び運転周波数が一定の一定速圧縮機を備えた冷凍装置において、一定速圧縮機の発停の抑制に関するものである。

従来の冷凍装置は冷媒温度や圧縮機の低圧圧力や高圧圧力の計測値を基に圧縮機の運転周波数及び運転台数を増減させるものであり、計測値と予め設定された閾値とを比較することで運転周波数の増減幅や運転台数が決定されていた。

例えば、冷媒の吐出温度が設定値以上であり、低圧圧力及び高圧圧力から求めた圧縮比が設定値以上である時に圧縮機の運転周波数を低下させる制御方法などがある（特許文献１参照）。
特開平５−１０６０８号公報

従来の冷凍装置の運転制御方法では吐出温度及び低圧圧力などの計測値や、計測された低圧圧力及び高圧圧力から算出された圧縮比のような計算値を閾値と比較することで制御を行うゾーン制御となるため、得られる値が不連続なものとなっている。

図３はインバータ圧縮機及び一定速圧縮機を搭載した冷凍装置において、圧縮機の低圧圧力を目標値に近づけるように圧縮機の出力制御を行った場合の例である。横軸は時間、縦軸は低圧圧力を表している。領域Ａから領域Ｄまでの４つの領域を設定したゾーン制御を行っており、領域Ｂと領域Ｃの境界を目標値としている。このゾーン制御について詳しく説明する。

低圧圧力が領域Ａに位置する場合、低圧圧力は目標値に比べて非常に大きいことから冷凍能力が不足していると考えられるため、圧縮機の出力を大きく増加させる。低圧圧力が領域Ｂに位置する場合、低圧圧力は目標値に比べて大きいことから冷凍能力が不足していると考えられるため、圧縮機の出力を微小量増加させる。次に、低圧圧力が領域Ｃに位置する場合、低圧圧力は目標値に比べて小さいことから冷凍能力は充分であるため、圧縮機の出力を減少させる。低圧圧力が領域Ｄに位置する場合、低圧圧力は目標値に比べて非常に小さいことから冷凍能力が過剰となっているため、圧縮機の出力を大きく減少させる。

このように圧縮機の出力を制御するため、低圧圧力が状態ア、状態イ、状態ウにある時はいずれも領域Ｃに対応した制御が行われる。状態アと状態イでは、低圧圧力の値は同一であるが、低圧圧力の変化は下降傾向と上昇傾向であり正反対であるにも係らず同一の制御となる。また、状態イと状態ウでは、低圧圧力の変化の傾向は同一であるが、低圧圧力の値が異なっているにも係らず同一の制御となる。さらに、状態アと状態ウでは、低圧圧力の値及び低圧圧力の変化の傾向共に異なっているにも係らず同一の制御となってしまう。

以上のように、計測値または計測値から得られる計算値と閾値とを比較することによって圧縮機の運転制御を行う従来の制御方法（ゾーン制御等）では、冷凍装置の状態を正確に把握し、必要な冷凍能力を効率よく出力できるように圧縮機を運転制御することは困難である。

このように低圧圧力の変動により必要な冷凍装置の出力が変動するため、一定速圧縮機の発停が頻繁に繰り返されてしまう。一定速圧縮機が発停を繰り返すことにより著しく消耗することを防ぐために、一定速圧縮機の発停を抑制する発停抑制装置が設けられている。しかし、一定速圧縮機の始動が過度に抑制された場合は冷凍装置の出力が不足し、一定速圧縮機の停止が過度に抑制された場合は冷凍装置の出力が過剰となってしまう問題が発生している。

請求項１記載の発明は、少なくとも一台の運転周波数が可変の可変速圧縮機と、少なくとも一台の運転周波数が一定の一定速圧縮機と、これら圧縮機の低圧側に配設された圧力検出器と、これら圧縮機の負荷に応じて運転周波数及び運転台数を制御する制御装置と、前記一定速圧縮機が発停を繰り返すことを抑制する発停抑制装置とを備えた冷凍装置において、前記圧力検出器によって低圧圧力が計測され、現在の低圧圧力と過去の低圧圧力から参考低圧圧力が算出され、前記参考低圧圧力が所定範囲の上限値以上であり、かつ、前記発停抑制装置から前記一定速圧縮機の発停を抑制する信号が出力された場合に、前記発停抑制装置からの抑制信号が発生されてから所定時間経過したら前記抑制信号を無効化することを特徴としている。

請求項１記載の発明によれば、前記冷凍装置の低圧圧力の予測値が前記所定範囲の上限値を越え、かつ、前記発停抑制装置から前記一定速圧縮機の発停を抑制する信号が出力された場合に、前記発停抑制装置からの抑制信号が発生してから所定時間経過したら前記抑制信号を無効化することで、発停抑制信号が出力されている時でも当該低圧圧力が当該所定範囲となるように制御することができる。

以下、図面を用いて本願発明の実施方法について詳細に説明する。

図１は本願発明を適用した冷凍装置の冷媒回路図である。この冷凍装置はインバータによって回転数を制御することができるインバータスクロールコンプレッサ（インバータ圧縮機）１０を一台備える。なお本願発明において、コンプレッサはレシプロ型、スクリュー型、ロータリー型等の圧縮方式の種類は問わず、密閉式又は半密閉式のどちらの形式でも適用可能である。

本実施例において、使用冷媒としてＨＦＣ系冷媒を想定しているが、ＣＦＣ系冷媒、ＨＣＦＣ系冷媒、自然冷媒等の他の冷媒を用いても同様の効果を得ることが可能である。

インバータ圧縮機１０は低温低圧の気体冷媒を吸入し圧縮することで高温高圧の冷媒として吐出する。吐出された高温高圧の冷媒はオイルセパレータ１３に流入する。オイルセパレータ１３において冷媒中に含まれる潤滑油は分離及び貯溜される。

分離された潤滑油はサービスバルブ２６を介してストレーナ２７に流入し、ストレーナ２７によって潤滑油中の混入物が取り除かれる。混入物が取り除かれた潤滑油は、電磁弁２８を介して圧縮機１０に戻される。この時、圧縮機に取設されたフロートスイッチ２３によって圧縮機中の潤滑油量が計測され、圧縮機中の潤滑油量が一定となるように電磁弁２８が開閉される。

また、圧縮機に戻す潤滑油に液冷媒が含まれた場合、圧縮機内の圧縮機構において潤滑が不十分となり不良となる可能性があるため、キャピラリーチューブ２９において減圧し冷媒を完全に気化させている。キャピラリーチューブ２９により冷媒を気化させることで、潤滑油を冷却する効果もある。

オイルセパレータ１３において潤滑油が取り除かれた冷媒は凝縮器１４に流入し、高温高圧の冷媒は冷却ファン６３によって空気冷却され凝縮・液化する。本実施例では空冷式凝縮器を用いているが、水冷式や蒸発式の凝縮器でも良い。また、本実施例では凝縮器と圧縮機等を同一筐体に配設する一体型の冷凍機を想定しているが、これに限らず圧縮機等の冷凍機とコンデンシングユニットを別々に設ける分離設置型でも良い。

凝縮器１４において液化した冷媒は凝縮器１４から流出し、レシーバタンク１５に貯溜される。レシーバタンク１５は冷凍装置に不良が発生し、冷媒回路内部の圧力及び温度が非常に高くなった際の安全装置として可溶栓４６を有している。

圧縮機の高圧圧力として、本冷凍装置ではレシーバタンク１５内の圧力を計測し圧縮機等の制御を行っている。レシーバタンク１５はキャピラリーチューブ５７を介して高圧センサ５８に配管接続されており、高圧センサ５８によって圧縮機の高圧圧力が計測される。また、圧縮機の高圧圧力を目視にて随時観察するために、レシーバタンク１５はキャピラリーチューブ５７及び６１を介して高圧圧力計６２に配管接続されている。なお、レシーバタンク１５ではなく、圧縮機１０の吐出口から直接高圧圧力の計測を行なっても良い。

液冷媒の冷凍能力を高めるために、レシーバタンク１５内に貯留された液冷媒は過冷却器１６において再度、冷却ファン６３によって空気冷却されることで過冷却される。本実施例では、凝縮器１４及び過冷却器１６を一体型としているものを用いているが、凝縮器と過冷却器を夫々個別に設けても良い。

過冷却された液冷媒はサービスバルブ４８を介してフィルタドライヤ１７に流入する。フィルタドライヤ１７において冷媒中の水分は除去され、モイスチャインジケータ１８において水分量を確認した後、液冷媒は店舗内に設置されたショーケース等の蒸発器（図示しない）に流出する。

本実施例では圧縮機を冷却するためにリキッドインジェクション機構を用いている。このため、レシーバタンク１５からサービスバルブ３４、ストレーナ３５、電動弁３６、電磁弁３７を介して圧縮機１０へリキッドインジェクション回路が設けられている。

ストレーナ３５によって混入物を除去された液冷媒は電動弁３６によって減圧され、圧縮機１０の冷却を行う。電磁弁３７の開閉及び電動弁３６の開閉度は圧縮機１０の動作状態及び圧縮機１０の温度によって調整される。圧縮機１０の高圧圧力が非常に大きくなった時には圧縮機１０にキャピラリーチューブ５１を介して配設された高圧圧力スイッチ５２によって圧縮機は緊急停止される。

蒸発器において気化し冷却を行い、低温低圧となった冷媒は液冷媒を含んで冷凍装置に戻る（液バック）可能性があるため、アキュムレータ１９に一度流入させアキュムレータ１９において液冷媒と気体冷媒を分離する。液バックの原因としては、膨張弁の不良や蒸発器のフィルターの目詰まりなどが考えられ、液バックにより圧縮機１０のケース内に液冷媒が進入し液圧縮による圧縮機構の破損や、液冷媒を吐出する際に多量の潤滑油が一緒に吐出されることによる潤滑不足などが発生する可能性がある。

アキュムレータ１９において液冷媒は貯溜され気体冷媒のみが流出し、ストレーナ２０を介して圧縮機１０に吸引される。本実施例では、圧縮機１０の低圧圧力として蒸発器から戻った冷媒の圧力を利用しているため、アキュムレータ１９の入口側を低圧センサ５９と配管接続している。なお、アキュムレータ１９からではなく、圧縮機１０の吸込口から直接低圧圧力を計測しても良い。

次に本実施例におけるインバータ圧縮機１０の制御の流れについて、図１、図４、図５を用いて説明する。本制御方法は現在の低圧圧力ＬＰ及び運転周波数ＣＦと目標低圧圧力ＴＬＰとから、冷凍装置が必要としている圧縮機の目標運転周波数ＴＣＦを求め、得られた目標運転周波数ＴＣＦとなるようにインバータ圧縮機の運転周波数を制御するものである。

図４は目標運転周波数ＴＣＦを算出する際の流れ図である。まず、目標運転周波数ＴＣＦの算出が開始される段階（Ｓ１００）で、低圧圧力ＬＰが計測される。目標低圧圧力ＴＬＰは冷凍装置に固有の値であるため、事前に実験を行い被冷却物が目標温度となるために冷凍システムが必要とする冷凍能力を供給できる低圧圧力に設定される。

目標運転周波数ＴＣＦは現在の運転周波数ＣＦに出力変化率Ｋを積算することで得られる。この運転変化率Ｋは比例成分ＫＰ、微分成分ＫＤ、積分成分ＫＩからなる。比例成分ＫＰを下記の数式１から算出する（Ｓ１０１）。比例成分ＫＰにより、現在の低圧圧力ＬＰにおいて、冷凍システムが必要としている冷凍能力を出力できる運転周波数を求めることができる。

低圧センサ５９によるインバータ圧縮機１０の低圧圧力ＬＰの計測は毎秒数十回行われているが、計測値のサンプリングは所定時間ＴＳ毎に行われており、現在の計測の直前に計測された所定時間ＴＳ前の低圧圧力ＰＬＰと低圧圧力ＬＰを用いて、低圧圧力の変化速度ＧＬＰを下記の数式２から算出する（Ｓ１０２）。

得られた低圧圧力の変化速度ＧＬＰと目標低圧圧力ＴＬＰと微分成分調整係数ＣＤを用いて、出力変化率Ｋの微分成分ＫＤを下記の数式３から算出する（Ｓ１０２）。なお、微分成分調整係数ＣＤは冷凍装置の設置環境に応じて調整される定数である。微分成分ＫＤにより、現在の低圧圧力の変化速度ＧＬＰで低圧圧力ＬＰが微小時間変化した場合の低圧圧力において、冷凍システムが必要としている冷凍能力を出力することができる運転周波数を求めることができる。

現在の低圧圧力ＬＰと目標低圧圧力ＴＬＰと積分成分調整係数ＣＩを用いて、出力変化率Ｋの積分成分ＫＩを下記の数式４から算出する（Ｓ１０３）。なお、積分成分調整係数ＣＩは冷凍装置の設置環境に応じて調整される定数である。積分成分ＫＩは過去の積分成分ＰＫＩと、現在の低圧圧力ＬＰと目標低圧圧力ＴＬＰの差を累積した値であり、目標低圧圧力ＴＬＰと低圧圧力ＬＰとのオフセットを修正できる運転周波数を求めることができる。

数式４によって得られた現在の積分成分ＫＩは次ステップにおいて過去の積分成分ＰＫＩに該当するため、下記の数式５によって過去の積分成分ＰＫＩは現在の積分成分ＫＩに置き換えられる。

なお、積分成分ＫＩ及び過去の積分成分ＰＫＩの累積は所定時間ＣＴ毎にリセットされる（Ｓ１０６）必要があるため、累積時間ＩＴＩＭＥによりカウントされる（Ｓ１０３）。なお、図４のＳ１０３ステップに示されている数式は数式４とは異なるが、これは数式４及び数式５を順に実行することと同じ意味を持つ。また、Ｓ１０７ステップでは過去の積分成分ＰＫＩは使用していないため表記していない。

運転周波数ＣＦがインバータ圧縮機の運転周波数の最大値である最大運転周波数ＭＡＸＣＦ未満である場合（Ｓ１０４）、運転周波数ＣＦの飽和によるオフセットは発生していないため、積分成分ＫＩ及び累積時間ＩＴＩＭＥはリセットされる（Ｓ１０７）。

また、低圧圧力ＬＰが目標低圧圧力ＴＬＰ以下である場合（Ｓ１０５）、冷凍能力不足の原因となるオフセットは発生していないため、積分成分ＫＩ及び累積時間ＩＴＩＭＥはリセットされる（Ｓ１０７）。

以上から得られた比例成分ＫＰ、微分成分ＫＤ、積分成分ＫＩを用いて、出力変化率Ｋを下記の数式６から算出する（Ｓ１０８）。

現在の低圧圧力の変化速度ＧＬＰを維持した場合において、参考時間ＣＧ後の参考低圧圧力を下記の数式７から算出する（Ｓ１０９）。

得られた参考低圧圧力が目標低圧圧力ＴＬＰ前後の範囲内（上限ＨＬＰ及び下限ＬＬＰ）にある場合（Ｓ１０９）、現在の運転周波数ＣＦのまま運転を続ければ十分であるため出力変化率Ｋを１にセットする（Ｓ１１０）。

現在の運転周波数ＣＦと出力変化率Ｋを用いて、下記の数式８から目標運転周波数ＴＣＦを算出する（Ｓ１１１）。

次に、得られた目標運転周波数ＴＣＦが適切な値となるように目標運転周波数ＴＣＦの調整を行う。また、この際に本実施例では冷凍装置の消費エネルギーを節約する省エネモードを搭載しており、通常モード又は省エネモード時における目標運転周波数の調整を同時に行う。目標運転周波数ＴＣＦを調整する流れを図５に示す。

現在の運転周波数ＣＦが、インバータ圧縮機を安定して動作させることができる最小の運転周波数である最小運転周波数ＭＩＮＣＦよりも小さい時（Ｓ２０１）つまり、インバータ圧縮機が停止している時は目標運転周波数ＴＣＦを最小運転周波数ＭＩＮＣＦに設定する（Ｓ２０４）。

目標運転周波数ＴＣＦが最小運転周波数ＭＩＮＣＦよりも小さく（Ｓ２０２）、省エネモードである時（Ｓ２０５）は目標運転周波数ＴＣＦを０に設定し圧縮機を停止させる（Ｓ２０６）。省エネモードでない場合にはインバータ圧縮機を安定して運転させるために目標運転周波数ＴＣＦを最小運転周波数ＭＩＮＣＦに設定する（Ｓ２０４）。

目標運転周波数ＴＣＦが最大運転周波数ＭＡＸＣＦよりも大きい時（Ｓ２０３）はインバータ圧縮機を正常に動作させるために目標運転周波数ＴＣＦを最大運転周波数ＭＡＸＣＦに設定する（Ｓ２０７）。

以上により、冷凍システムが必要とする冷凍能力を出力することができる低圧圧力ＴＬＰを実現できる目標運転周波数ＴＣＦを得ることができる。本制御方法では、冷凍装置を設置した当初に定数ＣＤ、ＣＩ、ＣＧの調整が必要となるが、従来のゾーン制御とは異なり閾値は必要ない。ゾーン制御では必要な冷凍能力を担保するために、過剰な運転が必要であったが、本制御方法では必要な冷凍能力を常に算出し、インバータ圧縮機の運転周波数を随時制御するため、必要な冷凍能力をより早く出力し、より運転効率の良い省エネ運転が可能である。

図２は本願発明を適用した冷凍装置の冷媒回路図である。この冷凍装置は３つの圧縮機によって構成され、１０はインバータによって回転数を制御することができるインバータスクロールコンプレッサ（インバータ圧縮機）であり、１１及び１２は商用電力によって動作する一定速スクロールコンプレッサ（一定速圧縮機）である。本願発明において、これらコンプレッサはレシプロ型、スクリュー型、ロータリー型等の圧縮方式の種類は問わず、密閉式又は半密閉式のどちらの形式でも適用可能である。

本実施例において、使用冷媒としてＨＦＣ系冷媒を想定しているが、ＣＦＣ系冷媒、ＨＣＦＣ系冷媒、自然冷媒等の他の冷媒を用いても同様の効果を得ることが可能である。

前記圧縮機１０、１１、１２は吐出口及び吸入口共に並列に配管接続されており、各圧縮機は低温低圧の気体冷媒を吸入し圧縮することで高温高圧の冷媒として吐出する。吐出された高温高圧の冷媒は合流してオイルセパレータ１３に流入する。オイルセパレータ１３において冷媒中に含まれる潤滑油は分離及び貯溜される。

分離された潤滑油はサービスバルブ２６を介してストレーナ２７に流入し、ストレーナ２７によって潤滑油中の混入物が取り除かれる。混入物が取り除かれた潤滑油は分岐し、電磁弁２８、３０、３２を介して圧縮機１０、１１、１２に戻される。この時、各圧縮機に取設されたフロートスイッチ２３、２４、２５によって各圧縮機中の潤滑油量が計測され、各圧縮機中の潤滑油量が必要量以上となるように電磁弁２８、３０、３２が開閉される。

また、圧縮機に戻す潤滑油に液冷媒が含まれた場合、圧縮機内の圧縮機構において潤滑が不十分となり不良となる可能性があるため、キャピラリーチューブ２９、３１、３３において減圧し冷媒を完全に気化させている。キャピラリーチューブ２９、３１、３３により冷媒を気化させることで、潤滑油を冷却する効果もある。

オイルセパレータ１３において潤滑油が取り除かれた冷媒は凝縮器１４に流入し、高温高圧の冷媒は冷却ファン６３によって空気冷却され凝縮・液化する。本実施例では空冷式凝縮器を用いているが、水冷式や蒸発式の凝縮器でも良い。また、本実施例では凝縮器と圧縮機等を同一筐体に配設する一体型の冷凍機を想定しているが、これに限らず圧縮機等の冷凍機とコンデンシングユニットを別々に設ける分離設置型でも良い。

凝縮器１４において液化した冷媒は凝縮器１４から流出し、レシーバタンク１５に貯溜される。レシーバタンク１５は冷凍装置に不良が発生し、冷媒回路内部の圧力及び温度が非常に高くなった際の爆発を防止するために可溶栓４６を有している。

圧縮機の高圧圧力として、本冷凍装置ではレシーバタンク１５内の圧力を計測し圧縮機等の制御を行っている。レシーバタンク１５はキャピラリーチューブ５７を介して高圧センサ５８に配管接続されており、高圧センサ５８によって圧縮機の高圧圧力が計測される。また、圧縮機の高圧圧力を目視にて随時観察するために、レシーバタンク１５はキャピラリーチューブ５７及び６１を介して高圧圧力計６２に配管接続されている。

液冷媒の冷凍能力を高めるために、レシーバタンク１５内に貯留された液冷媒は過冷却器１６において再度、冷却ファン６３によって空気冷却されることで過冷却される。本実施例では、凝縮器１４及び過冷却器１６を一体型としているものを用いているが、凝縮器と過冷却器を夫々個別に設けても良い。

過冷却された液冷媒はサービスバルブ４８を介してフィルタドライヤ１７に流入する。フィルタドライヤ１７において冷媒中の水分は除去され、モイスチャインジケータ１８において水分量を確認した後、液冷媒は店舗内に設置されたショーケース等の蒸発器（図示しない）に流出する。

本実施例では圧縮機を冷却するためにリキッドインジェクション機構を用いている。このため、レシーバタンク１５から夫々、サービスバルブ３４、３８、４２及びストレーナ３５、３９、４３及び電動弁３６、４０、４４及び電磁弁３７、４１、４５を介して圧縮機１０、１１、１２へリキッドインジェクション回路が設けられている。なお、リキッドインジェクション回路の減圧操作において、キャピラリーチューブ又は膨張弁によって減圧しても良い。

ストレーナ３５、３９、４３によって混入物を除去された液冷媒は電動弁３６、４０、４４によって減圧され、圧縮機１０、１１、１２の冷却を行う。電磁弁３７、４１、４５の開閉及び電動弁３６、４０、４４の開閉度は圧縮機の動作状態及び圧縮機の温度によって調整される。圧縮機の高圧圧力が非常に大きくなった時には圧縮機１０、１１、１２に配設された高圧圧力スイッチ５２、５４、５６によって各圧縮機は緊急停止される。

蒸発器において気化し冷却を行い、低温低圧となった冷媒は液冷媒を含んで冷凍装置に戻る（液バック）可能性があるため、アキュムレータ１９に一度流入させアキュムレータ１９において液冷媒と気体冷媒を分離する。液バックの原因としては、膨張弁の不良や蒸発器のフィルターの目詰まりなどが考えられ、液バックにより圧縮機１０、１１、１２のケース内に液冷媒が進入し液圧縮による圧縮機構の破損や、液冷媒を吐出する際に多量の潤滑油が一緒に吐出されることによる潤滑不足などが発生する可能性がある。

アキュムレータ１９において液冷媒は貯溜され気体冷媒のみが流出し、夫々ストレーナ２０、２１、２２を介して各圧縮機１０、１１、１２に吸引される。なお本実施例では、圧縮機の低圧圧力として蒸発器から戻った冷媒の圧力を利用しているため、アキュムレータ１９の入口側を低圧センサ５９と配管接続している。

次に本実施例におけるインバータ圧縮機１０及び一定速圧縮機１１、１２の運転制御方法について、図２、図６乃至図９を用いて説明する。本実施例では圧縮機が複数台搭載されているため、冷凍装置全体の合計運転周波数ＳＣＦを用いて圧縮機の運転制御を行う。本制御方法は現在の低圧圧力ＬＰ、合計運転周波数ＳＣＦ、目標低圧圧力ＴＬＰから、冷凍装置が必要としている目標合計運転周波数ＴＳＣＦを求める。得られた目標合計運転周波数ＴＳＣＦから目標運転周波数ＴＣＦ及び目標運転台数ＴＮＣを求め、目標運転周波数ＴＣＦ及び目標運転台数ＴＮＣとなるようにインバータ圧縮機の運転周波数及び一定速圧縮機の運転台数を制御するものである。

図６は目標合計運転周波数ＴＳＣＦを算出する際の流れ図である。まず、目標合計運転周波数ＴＳＣＦの算出が開始される段階（Ｓ３００）で、低圧圧力ＬＰが計測される。目標低圧圧力ＴＬＰは冷凍装置に固有の値であるため、事前に実験を行い冷凍システムが必要とする冷凍能力を安定して供給することができる低圧圧力に設定される。

合計運転周波数ＳＣＦはインバータ圧縮機１０の運転周波数ＣＦと一定速圧縮機１１、１２の運転台数ＮＣを用いて下記の数式９から算出される（Ｓ３０１）。

ここで、定速変換周波数ＣＣＦは、一台の一定速圧縮機が電源周波数で運転された際の吐出量と等しい吐出量になるインバータ圧縮機の運転周波数である。定速変換周波数ＣＣＦは冷凍装置に搭載されるインバータ圧縮機及び一定速圧縮機の組合せと、一定速圧縮機の電源周波数によって決定される。

本実施例で用いている圧縮機において、電源周波数５０ヘルツで動作する１０馬力の一定速圧縮機の吐出量は、運転周波数６０ヘルツで動作する１０馬力のインバータ圧縮機の吐出量と等しいことを確認している。このことから、動作している一定速圧縮機の運転周波数をインバータ圧縮機の運転周波数６０ヘルツに換算して冷凍装置全体の合計運転周波数を算出している。

なお、電源周波数６０ヘルツで動作する１０馬力の一定速圧縮機の吐出量は、運転周波数７２ヘルツで動作する１０馬力のインバータ圧縮機の吐出量と等しいことを確認しており、電源周波数が６０ヘルツの地域で本冷凍装置を用いる時はＣＣＦは７２ヘルツに換算される。

本手法の妥当性を検証するために、膨張弁の弁開度を固定した冷凍システムにおいて算出された冷凍装置全体の合計運転周波数と、その時の合計運転周波数において冷凍装置が定常状態となった際の低圧圧力との関係を図１０に示す。合計運転周波数の増加に伴いほぼ一定に低圧圧力が低下しており、冷凍装置の制御性が良いことが分かる。また、電源周波数の違いによらず同一の傾向を示すため、冷凍装置が設置される地域の電源周波数による制御性の差異が発生しない。

目標合計運転周波数ＴＳＣＦは現在の合計運転周波数ＳＣＦに出力変化率Ｋを積算することで得られる。この出力変化率Ｋは比例成分ＫＰ、微分成分ＫＤ、積分成分ＫＩからなる。比例成分ＫＰを前記数式１から算出する（Ｓ３０２）。比例成分ＫＰにより、現在の低圧圧力ＬＰにおいて、冷凍システムが必要としている冷凍能力を出力できる合計運転周波数を求めることができる。

低圧センサ５９による圧縮機１０、１１、１２の低圧圧力ＬＰ計測は所定時間ＴＳ毎に行われており、現在の計測の直前に計測された所定時間ＴＳ前の低圧圧力ＰＬＰと低圧圧力ＬＰを用いて、低圧圧力の変化速度ＧＬＰを前記数式２から算出する（Ｓ３０３）。

得られた低圧圧力の変化速度ＧＬＰと目標低圧圧力ＴＬＰと微分成分調整係数ＣＤを用いて、出力変化率Ｋの微分成分ＫＤを前記数式３から算出する（Ｓ３０３）。なお、微分成分調整係数ＣＤは冷凍装置の設置環境に応じて調整される定数である。微分成分ＫＤにより、現在の低圧圧力の変化速度ＧＬＰで低圧圧力ＬＰが微小時間変化した場合の低圧圧力において、冷凍システムが必要としている冷凍能力を出力することができる運転周波数を求めることができる。

現在の低圧圧力ＬＰと目標低圧圧力ＴＬＰと積分成分調整係数ＣＩを用いて、出力変化率Ｋの積分成分ＫＩを前記数式４から算出する（Ｓ３０４）。なお、積分成分調整係数ＣＩは冷凍装置の設置環境に応じて調整される定数である。積分成分ＫＩは過去の積分成分ＰＫＩと、現在の低圧圧力ＬＰと目標低圧圧力ＴＬＰの差を累積した値であり、目標低圧圧力ＴＬＰと低圧圧力ＬＰとのオフセットを修正できる運転周波数を求めることができる。

数式４によって得られた現在の積分成分ＫＩは次ステップにおいて過去の積分成分ＰＫＩに該当するため、下記の数式５によって過去の積分成分ＰＫＩは現在の積分成分ＫＩに置き換えられる。

なお、積分成分ＫＩの累積は所定時間ＣＴ毎にリセットされる（Ｓ３０７）必要があるため、累積時間ＩＴＩＭＥによりカウントされる（Ｓ３０４）。なお、図４のＳ３０４ステップに示されている数式は数式４とは異なるが、これは数式４及び数式５を順に実行することと同じ意味を持つ。また、Ｓ３０８ステップでは過去の積分成分ＰＫＩは使用していないため表記していない。

運転周波数ＣＦがインバータ圧縮機の運転周波数の最大値である最大運転周波数ＭＡＸＣＦ未満である場合（Ｓ３０５）、運転周波数ＣＦの飽和によるオフセットは発生していないため、積分成分ＫＩ及び累積時間ＩＴＩＭＥはリセットされる（Ｓ３０８）。

また、低圧圧力ＬＰが目標低圧圧力ＴＬＰ以下である場合（Ｓ３０６）、冷凍能力不足の原因となるオフセットは発生していないため、積分成分ＫＩ及び累積時間ＩＴＩＭＥはリセットされる（Ｓ３０８）。

以上から得られた比例成分ＫＰ、微分成分ＫＤ、積分成分ＫＩを用いて、出力変化率Ｋを前記数式６から算出する（Ｓ３０９）。

現在の低圧圧力の変化速度ＧＬＰを維持した場合において、参考時間ＣＧ後の参考低圧圧力を前記数式７から算出する（Ｓ３１０）。

得られた参考低圧圧力が目標低圧圧力ＴＬＰ前後の範囲内（上限ＨＬＰ及び下限ＬＬＰ）にある場合（Ｓ３１０）、現在の合計運転周波数ＳＣＦのまま運転を続ければ十分であるため出力変化率Ｋを１にセットする（Ｓ３１１）。

現在の合計運転周波数ＳＣＦと出力変化率Ｋを用いて、下記の数式１０から目標合計運転周波数ＴＳＣＦを算出する（Ｓ３１２）。

次に、得られた目標合計運転周波数ＴＳＣＦからインバータ圧縮機の目標運転周波数ＴＣＦ及び一定速圧縮機の目標運転台数ＴＮＣの算出を行う（Ｓ４００）。また、本実施例では冷凍装置の消費エネルギーを節約する省エネモードを搭載しており、通常モード又は省エネモード時における目標運転周波数ＴＣＦの調整を同時に行っている。図７は目標合計運転周波数ＴＳＣＦから目標運転周波数ＴＣＦ及び目標運転台数ＮＣを算出する際の流れ図である。

現在の合計運転周波数ＳＣＦが、インバータ圧縮機を安定して動作させることができる最小の運転周波数である最小運転周波数ＭＩＮＣＦよりも小さい時（Ｓ４０１）つまり、インバータ圧縮機が停止している時は目標運転台数ＴＮＣを０に、目標運転周波数ＴＣＦを最小運転周波数ＭＩＮＣＦに設定する（Ｓ４０６）。

目標合計運転周波数ＴＳＣＦが最小運転周波数ＭＩＮＣＦよりも小さく（Ｓ４０２）、省エネモードである時（Ｓ４０７）は目標運転台数ＴＮＣを０に、目標運転周波数ＴＣＦを０に設定する（Ｓ４０８）。省エネモードでない時は冷却を優先するために目標運転周波数ＴＣＦをＭＩＮＣＦに、目標運転台数ＴＮＣを０に設定する（Ｓ４０６）。

合計運転周波数ＳＣＦ及び目標合計運転周波数ＴＳＣＦのいずれも最小運転周波数ＭＩＮＣＦよりも大きい時、目標運転台数を下記の数式１１から算出する（Ｓ４０３）。ここで、ＭＡＸＣＦはインバータ圧縮機が動作することができる運転周波数の最大値（最大運転周波数）であり、ＩＮＴは括弧内の数値を超えない最大の整数値を表している。

得られた目標運転台数ＴＮＣと目標合計運転周波数ＴＳＣＦから目標運転周波数ＴＣＦを下記の数式１２から算出する（Ｓ４０４）。

以上から、目標運転周波数ＴＣＦ及び目標運転台数ＴＮＣが得られる。ここで、インバータ圧縮機の運転周波数ＣＦが最大運転周波数ＭＡＸＣＦに達する前に一定速圧縮機が始動することを防止するために一定速圧縮機の始動抑制を行う（Ｓ５００）。また、本実施例では冷凍装置の出力を高く保つ高鮮度モードを搭載しており、通常モード又は高鮮度モード時における目標運転周波数の調整を同時に行っている。一定速圧縮機始動抑制の流れ図を図８に示す。

運転台数ＮＣが目標運転台数ＴＮＣよりも大きい時（Ｓ５０１）は一定速圧縮機は始動しないため、始動抑制制御は行わない。運転台数ＮＣが目標運転台数ＴＮＣよりも大きく、かつ高鮮度モードであり（Ｓ５０２）、目標運転周波数ＴＣＦが所定運転周波数ＬＣＦよりも小さい時（Ｓ５０３）は目標運転台数ＴＮＣをＴＮＣ−１とし、目標運転周波数を最大運転周波数ＭＡＸＣＦとする（Ｓ５０４）。つまり、インバータ圧縮機を最大運転周波数ＭＡＸＣＦで動作させることで出力を増加させ、一定速圧縮機の始動を抑制している。

運転台数ＮＣが目標運転台数ＴＮＣよりも大きく、かつ高鮮度モードでなく（Ｓ５０２）、目標運転周波数ＴＣＦが所定運転周波数ＨＣＦよりも小さい時（Ｓ５０５）は目標運転台数ＴＮＣをＴＮＣ−１とし、目標運転周波数を最大運転周波数ＭＡＸＣＦとする（Ｓ５０４）。つまり、インバータ圧縮機を最大運転周波数ＭＡＸＣＦで動作させることで出力を増加させ、一定速圧縮機の始動を抑制している。なお、所定運転周波数ＬＣＦは所定運転周波数ＨＣＦよりも小さい値が設定されており、高鮮度モード時には冷凍能力を優先するために通常モード時に比べて一定速圧縮機の始動が抑制されにくくなっている。

次に、一定速圧縮機の発停が繰り返されることによる一定速圧縮機の劣化を防止するために、一定速圧縮機の発停の抑制を行う（Ｓ６００）。ただし、一定速圧縮機の発停の抑制を過度に行うと冷凍能力の過不足により低圧圧力ＬＰが大きく変動してしまうため、低圧圧力ＬＰが目標低圧圧力ＴＬＰ前後の範囲内となるように当該制御を行う必要がある。本実施例ではこの範囲の上限値をＨＬＰ２、下限値をＬＬＰ２とした。また、低圧圧力ＬＰによらず一定速圧縮機の発停抑制を長時間行うことにより冷凍能力の過不足が発生するため、連続して発停抑制を行う時間に制限を設けている。

一定速圧縮機の発停抑制の流れ図を図９に示す。目標運転台数ＴＮＣが運転台数ＮＣと等しい時（Ｓ６０１）は発停を抑制する必要がないため、目標運転周波数ＴＣＦ及び目標運転台数ＴＮＣに変更はない。一定速圧縮機の発停が抑制された時間を発停抑制カウントＲＣによって計測する（Ｓ６０２）。

前記数式７から得られる参考低圧圧力を算出し、参考低圧圧力が上限値ＨＬＰ２以上である時（Ｓ６０３）、発停抑制カウントＲＣを発停抑制限界ＣＲＣ＋１に置き換える（Ｓ６０４）。このように発停抑制カウントＲＣを置き換えることで、発停抑制カウントＲＣが発停抑制限界ＣＲＣ未満である時においても発停抑制を無効化することが可能となる。

参考低圧圧力が上限値ＨＬＰ２ではなく、かつ、下限値ＬＬＰ２以下である時（Ｓ６０５）、発停抑制カウントＲＣを発停抑制限界ＣＲＣ＋１に置き換える。このように発停抑制カウントＲＣを置き換えることで、発停抑制カウントＲＣが発停抑制限界ＣＲＣ未満である時においても発停抑制を無効化することが可能となる。

参考低圧圧力が上限ＨＬＰ２以上ではなく、かつ、下限値ＬＬＰ２以下ではない時、発停抑制カウントＲＣの変更は行わない。よって、発停抑制カウントＲＣが発停抑制限界ＣＲＣ未満である時は発停抑制が無効化されない。

発停抑制カウントＲＣが発停抑制限界ＣＲＣよりも小さく（Ｓ６０６）、かつ目標運転台数ＴＮＣが運転台数ＮＣよりも大きい時（Ｓ６０７）は、目標運転台数ＴＮＣを運転台数ＮＣに置き換え、目標運転周波数ＴＣＦを最大運転周波数ＭＡＸＣＦに置き換える（Ｓ６０８）。このように一定速圧縮機の運転台数を増加させずに、インバータ圧縮機の出力を最大とすることで冷凍装置の出力を確保し、かつ一定速圧縮機の発停の頻度を抑制している。

発停抑制カウントＲＣが発停抑制限界ＣＲＣよりも小さく、かつ目標運転台数ＴＮＣが運転台数ＮＣよりも小さい時は、目標運転台数ＴＮＣを運転台数ＮＣに置き換え、目標運転周波数ＴＣＦを最小運転周波数ＭＩＮＣＦに置き換える（Ｓ６０９）。このように一定速圧縮機の運転台数を増加させずに、インバータ圧縮機の出力を最小とすることで冷凍装置の出力を低下させ、かつ一定速圧縮機の発停の頻度を抑制している。

発停抑制カウントＲＣが発停抑制限界ＣＲＣよりも大きい時は、発停抑制カウントＲＣを０にリセットし（Ｓ６１０）、一定速圧縮機の発停させる制御を行う。

ここで、目標運転台数ＴＮＣが運転台数ＮＣ＋２よりも大きい時（Ｓ６１１）は、目標運転台数ＴＮＣを運転台数ＮＣ＋１に置き換え、目標運転周波数ＴＣＦを最大運転周波数ＭＡＸＣＦに置き換える（Ｓ６１２）。このように一定速圧縮機の運転台数が一時に二台以上増加することを抑制し一台の増加に留め、インバータ圧縮機の出力を最大とすることで冷凍装置の出力を確保し一定速圧縮機の発停の頻度を減少させている。また、目標運転台数ＴＮＣが運転台数ＮＣ−２よりも小さい時（Ｓ６１３）は、目標運転台数ＴＮＣを運転台数ＮＣ−１に置き換え、目標運転周波数ＴＣＦを最小運転周波数ＭＩＮＣＦに置き換える（Ｓ６１４）。このように一定速圧縮機の運転台数が一時に二台以上減少することを抑制し一台の減少に留め、インバータ圧縮機の出力を最小とすることで冷凍装置の出力を低下させ、かつ一定速圧縮機の発停の頻度を抑制している。

なお、目標運転台数ＴＮＣが運転台数ＮＣ＋２よりも小さく、かつ目標運転台数ＴＮＣが運転台数ＮＣ−２よりも大きい時は、目標運転周波数ＴＣＦ及び目標運転台数ＴＮＣの変更は行わない。

以上から、圧縮機が複数台搭載された冷凍装置において、冷凍システムが必要とする冷凍能力を供給することができる目標運転周波数ＴＣＦ及び目標運転台数ＴＮＣを得ることができる。

また、本実施例では一定速圧縮機１１及び１２は同出力の圧縮機を用いているが、異なる出力を持つ圧縮機を用いる時は各圧縮機毎に定速変換周波数ＣＣＦを求め、動作している一定速圧縮機に対応する定速変換周波数ＣＣＦの総和を求めることで合計運転周波数ＳＣＦを下記の数式１３から求めることができる。Ｓｉは一定速圧縮機ｉの運転状態を表しており、動作時は１、停止時は０となる。ＣＣＦｉは一定速圧縮機ｉの定速変換周波数である。

なお、実施例１及び実施例２の双方において、低圧圧力ＬＰはある程度の幅を持って変動しているため、圧縮機運転制御の安定化を図るために所定時間ＴＳ内における平均値を用いる方が望ましい。

また、目標運転周波数及び目標合計運転周波数の大きな変動を防止するために、演算によって得られた目標運転周波数及び目標合計運転周波数と現在の運転周波数及び合計運転周波数の平均値を新たな目標運転周波数及び目標合計運転周波数とするように制御しても良い。

本願発明を適用した圧縮機が一台搭載された冷凍装置の冷媒回路図である。 本願発明を適用した圧縮機が複数台搭載された冷凍装置の冷媒回路図である。 低圧圧力の時間変化に関する例を示した図である。 本願発明を適用したインバータ圧縮機を一台搭載した冷凍装置において、目標運転周波数ＴＣＦを算出する際のフローチャート図である。 本願発明を適用したインバータ圧縮機を一台搭載した冷凍装置において、目標運転周波数ＴＣＦを調整する際のフローチャート図である。 本願発明を適用した圧縮機が複数台搭載された冷凍装置において、目標運転周波数ＴＣＦ及び目標運転台数ＴＮＣを算出する際のフローチャート図である。 本願発明を適用した圧縮機が複数台搭載された冷凍装置において、目標運転周波数ＴＣＦ及び目標運転台数ＴＮＣを調製する際のフローチャート図である。 本願発明を適用した圧縮機が複数台搭載された冷凍装置において、一定速圧縮機の始動を抑制する際のフローチャート図である。 本願発明を適用した圧縮機が複数台搭載された冷凍装置において、一定速圧縮機の発停を抑制する際のフローチャート図である。 本願発明を適用した合計運転周波数と低圧圧力の関係を表すグラフである。

符号の説明

１０ インバータスクロールコンプレッサ
１１、１２ 一定速スクロールコンプレッサ
１３ オイルセパレータ
１４ 凝縮器
１５ レシーバタンク
１６ 過冷却器
１７ フィルタドライヤ
１８ モイスチャインジケータ
１９ アキュームレータ
２０、２１、２２、２７、３５、３９、４３ ストレーナ
２３、２４、２５ フロートスイッチ
２６、３４、３８、４２、４７、４８ サービスバルブ
２８、３０、３２、３７、４１、４５ 電磁弁
２９、３１、３３、４９、５１、５３、５５、５７、６１ キャピラリチューブ
３６、４０、４４ 電動弁
４６ 可溶栓
５０ 低圧圧力スイッチ
５２、５４、５６ 高圧圧力スイッチ
５８ 高圧センサ
５９ 低圧センサ
６０ ＥＣＣ基板
６２ 高圧圧力計
６３ 冷却ファン

Claims (1)

1. 少なくとも一台の運転周波数が可変の可変速圧縮機と、少なくとも一台の運転周波数が一定の一定速圧縮機と、これら圧縮機の低圧側に配設された圧力検出器と、これら圧縮機の負荷に応じて運転周波数及び運転台数を制御する制御装置と、前記一定速圧縮機が発停を繰り返すことを抑制する発停抑制装置とを備えた冷凍装置において、
   前記圧力検出器によって低圧圧力が計測され、
   現在の低圧圧力と過去の低圧圧力から参考低圧圧力が算出され、
   前記参考低圧圧力が所定範囲の上限値以上であり、かつ、前記発停抑制装置から前記一定速圧縮機の発停を抑制する信号が出力された場合に、
   前記発停抑制装置からの抑制信号が発生されてから所定時間経過したら前記抑制信号を無効化することを特徴とする冷凍装置。