JP2009030840A

JP2009030840A - 冷凍装置

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Publication number: JP2009030840A
Application number: JP2007193502A
Authority: JP
Inventors: Ryosuke Taihichi; 亮佑對比地; Hiroyuki Sai; 博之齋; Satoru Imai; 悟今井; 哲 ▲崎▼道; Satoru Sakimichi
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2007-07-25
Filing date: 2007-07-25
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2027-07-25
Also published as: JP4997012B2

Abstract

【課題】本発明は、冷凍装置が寝込みの状態に陥る前に、冷凍装置に生じる温度変化をキャッチして、寝込みの状態に陥ることを防ぐことができる冷凍装置を提供する。
【解決手段】放熱器から減圧器に流入するガス冷媒と蒸発器から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内部熱交換器を備えた冷凍装置において、蒸発器入口温度と蒸発器出口温度とに基づいて求めた冷媒の過熱度に応じて減圧器の開度を制御する制御部を有し、減圧器入口温度が予め設定された所定温度以下またはこの所定温度より低い場合には、制御部の動作に基づき内部熱交換器での正規の熱交換を行わないように制御弁によって冷媒の通路を切り替えること。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍装置に関し、特に安定した過熱度制御が得られる技術に関する。

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１０には冷媒の圧縮部が１段圧縮の圧縮機１１を採用した冷凍装置１０を示し、図１１には第１圧縮部１１Ａで圧縮された冷媒を更に第２圧縮部１１Ｂで圧縮する２段圧縮の圧縮機１１を採用した冷凍装置１０を示している。これらにおいて、通常の安定サイクル状態では、膨張弁等の減圧器１９の入口温度、及び蒸発器２０の入口温度と出口温度は、図１２に示すように安定した温度変化を呈する。

ここで、寝込みについて図１１に示す冷凍装置１０を参照して詳述する。図１１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、減圧器１９の入口温度を検出するためのセンサ３４、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１２に示すように、安定状態では膨張弁入口の冷媒温度は、所定範囲内の温度（Ｔ１〜Ｔ２）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１３示すように、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（同図の例では安定動作時のプラス温度Ｔ１よりも大きく低下し、略マイナス温度Ｔ３近くまで下がる。）、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。

図１０に示す冷凍装置１０において、図１１に示す冷凍装置１０と同様の機能部については同一符号を付している。寝込みについては、図１０に示す冷凍装置１０についても同様の現象となる。

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、冷凍装置が寝込みの状態に陥るのを事前にキャッチして、寝込みの状態に陥る前に、冷凍装置に生じる温度変化をキャッチして、寝込みの状態に陥ることを防ぐことができる冷凍装置を提供することを目的とする。

第１発明の冷凍装置は、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求めた前記冷媒の前記過熱度に応じて前記減圧器の開度を制御する制御部を有し、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所定温度以下またはこの所定温度より低い場合には、前記制御部の動作に基づき、前記熱交換器での正規の前記熱交換を行わないように制御弁によって前記冷媒の通路を切り替えることを特徴とする。

第２発明の冷凍装置は、上記第１発明において、前記減圧器の入口温度を検出する温度センサを設け、前記温度センサの検出温度が所定温度以下またはこの所定温度より低い場合に、前記制御部の動作に基づく前記制御弁の動作によって、前記放熱器から前記減圧器に流入するガス冷媒が前記熱交換器をバイパスして前記減圧器に流れるように制御することを特徴とする。

第３発明の冷凍装置は、上記第１発明において、前記減圧器の入口温度を検出する温度センサを設け、前記温度センサの検出温度が所定温度以下またはこの所定温度より低い場合に、前記制御部の動作に基づく前記制御弁の動作によって、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が前記熱交換器をバイパスして前記圧縮機の吸込み側に流れるように制御することを特徴とする。

第４発明の冷凍装置は、上記第１発明または第２発明において、前記放熱器から流出する前記冷媒が流入する入口と、前記入口から流入した冷媒が前記熱交換器へ流れる第１出口と、前記入口から流入した冷媒が前記熱交換器をバイパスして前記減圧器に流入するバイパス通路へ流れる第２出口を備えた三方弁であることを特徴とする。

第５発明の冷凍装置は、上記第１発明または第３発明において、前記制御弁は、前記蒸発器から流出する前記冷媒が流入する入口と、前記入口から流入した冷媒が前記熱交換器へ流れる第１出口と、前記入口から流入した冷媒が前記熱交換器をバイパスして前記圧縮機の吸込み側に供給されるバイパス通路へ流れる第２出口を備えた三方弁であることを特徴とする。

第６発明の冷凍装置は、上記第１発明乃至第５発明のいずれかにおいて、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圧縮部と、前記第１圧縮部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圧縮部とを含み、前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする。

上記第１発明によれば、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所定温度以下またはこの所定温度より低い場合に、熱交換器での正規の熱交換を行わないように制御弁によって冷媒の通路を切り替えるため、冷凍装置が寝込みの状態に陥ってしまうのを事前にキャッチして、寝込みの状態に陥ることを防ぐことができる。このように、寝込みを防止することで、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。

また、第２発明では、第１発明の効果に加えて、冷凍装置が寝込みの状態に陥ってしまう兆候を減圧器の入口温度を検出する温度センサによって検出し、制御部によって動作する制御弁によって、放熱器から減圧器に流入するガス冷媒が熱交換器をバイパスして減圧器に流れるように制御するため、寝込みを防止することが的確に行えるものとなる。

第３発明では、第１発明の効果に加えて、冷凍装置が寝込みの状態に陥ってしまう兆候を減圧器の入口温度を検出する温度センサによって検出し、制御部によって動作する制御弁によって、蒸発器から圧縮機の吸込み側に供給するガス冷媒が熱交換器をバイパスして圧縮機の吸込み側に流れるように制御するため、寝込みを防止することが的確に行えるものとなる。また、制御弁が減圧器の上流側に配置される場合には、高圧に耐えられるものであることが必要であり高価な制御弁となるが、制御弁が減圧器の下流側である低圧冷媒回路に配置されるため、このような懸念はない装置が提供できる。

第４発明では、第１発明または第２発明の効果に加えて、制御弁が三方弁であることによって、配管接続と冷媒通路の切り替え制御がし易くなる。

第５発明では、第１発明または第３発明の効果に加えて、制御弁が三方弁であることによって、配管接続と冷媒通路の切り替え制御がし易くなる。また、三方弁が減圧器の上流側に配置される場合には、高圧に耐えられるものであることが必要であり高価な制御弁となるが、三方弁が減圧器の下流側である低圧冷媒回路に配置されるため、このような懸念はない装置が提供できる。

第６発明では、第１発明乃至第５発明のいずれかの効果に加えて、圧縮機は、所謂二段圧縮方式であり、冷媒として二酸化炭素を用いる場合にも、寝込みを事前に防止することが的確に行えるものとなり、二酸化炭素を用いる冷凍サイクルの特徴を生かした環境にやさしい装置を安定的に運転できるものとなる。

本発明の冷凍装置は、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求めた前記冷媒の前記過熱度に応じて前記減圧器の開度を制御する制御部を有し、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所定温度以下またはこの所定温度より低い場合に、前記制御部の動作に基づき、前記熱交換器での正規の前記熱交換を行わないように制御弁によって前記冷媒の通路を切り替えるものであり、本発明の実施例を以下に記載する。

次に、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の第１の実施形態として示す冷凍装置の構成図、図２は本発明の第２の実施形態として示す冷凍装置の構成図、図３は本発明の第３の実施形態として示す冷凍装置の構成図、図４は本発明の第４の実施形態として示す冷凍装置の構成図、図５は本発明の制御部によって行われる減圧器の開度制御に関する処理を説明するフローチャート、図６は本発明の冷凍装置が寝込みの状態に陥る兆候をキャッチして行なう冷媒通路の切り替え制御を説明するフローチャート、図７は本発明の冷凍装置が寝込みの状態に陥る兆候を示す減圧器入口温度、蒸発器入口温度、及び蒸発器出口温度の時間変化図、図８は本発明の冷凍装置の制御部４０のハードウエア構成図、図９は本発明の冷凍装置のｐ−ｈ線図（モリエル線図）、図１０は従来の冷媒圧縮部が１段圧縮の圧縮機を採用した冷凍装置の構成図、図１１は従来の冷媒圧縮部が２段圧縮の圧縮機を採用した冷凍装置の構成図、図１２は冷凍装置の安定状態での減圧器入口温度、蒸発器入口温度、及び蒸発器出口温度の時間変化図、図１３は冷凍装置の寝込み状態での減圧器入口温度の時間変化図である。

先ず、本発明の実施の形態を図１の冷凍装置に基づき説明する。本発明において、「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。本発明に係る冷凍装置１は、二酸化炭素を冷媒として用いるものである。

図１に示す本発明の冷凍装置１は、冷媒圧縮部が２段圧縮の圧縮機（コンプレッサ）１１を採用した冷凍装置を示しており、冷媒ガスを第１圧縮部１１Ａで圧縮した後、中間冷却器１２を通して更に第２圧縮部１１Ｂで圧縮する２段圧縮の圧縮機（コンプレッサ）１１と、この圧縮機１１で圧縮されたガス冷媒を放熱させる放熱器（ガスクーラ）１５と、後述の制御弁２１と、放熱器１５から流出するガス冷媒を減圧する減圧器（膨張弁）１９と、減圧器１９で減圧されたガス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に流入するガス冷媒と蒸発器２０から圧縮機１１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（内部熱交換器）１８と、減圧器１９の入口温度を検出する温度センサ３１と、蒸発器２０の入口温度を検出する温度センサ３２と、蒸発器２０の出口温度を検出する温度センサ３３と、制御部４０を含んで構成されている。

圧縮機（コンプレッサ）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に向かう冷媒の流れ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８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、ＣＰＵ４１、メモリ４２、入力インタフェース４３、及び出力インタフェース４４を有している。このうち入力インタフェース４３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４４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９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。

制御部４０の機能として、制御部４０の測定値取得部が、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。また制御部４０の過熱度算出部が、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、前記過熱度算出部は、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。また制御部４０の減圧器制御部は、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、前記過熱度算出部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、ＣＰＵ４１がメモリ４２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７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ｔｏ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ｔａ、ｔｂ、ｔｃ）ことを知見している。

そこで本発明では、減圧器１９の入口温度が極端に低下した場合に、これをキャッチして、寝込みの状態に陥ることを防ぐことができる冷凍装置１を提供する。その手段として、蒸発器２０に流入する冷媒の温度である蒸発器入口温度と蒸発器２０から流出する冷媒の温度である蒸発器出口温度とに基づいて求めた冷媒の過熱度に応じて減圧器１９の開度を制御する制御部４０を有し、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は、制御部４０の動作に基づき、熱交換器（内部熱交換器）１８での正規の熱交換を行わないように制御弁２２によって冷媒の通路を切り替え制御する。

この具体的手段として、減圧器１９の入口温度を検出する温度センサ３１の検出温度が所定温度（定常状態での下限温度・・図７と図１２に示す略Ｔ１よりも十分低い温度、例えばＴ４）以下の場合、またはこの所定温度より低い場合に、制御部４０の動作に基づく制御弁２２の動作によって、放熱器１５から減圧器１９に流入するガス冷媒が熱交換器１８をバイパスして減圧器１９に流れるように制御する。

制御弁２２の一つとして三方弁が用いられる。この三方弁（三方制御弁）２２を用いた冷凍装置１の構成を図１に示す。この三方弁（三方制御弁）２２は、放熱器１５から流出する冷媒が流入する入口２２Ａと、この入口２２Ａから流入した冷媒が熱交換器１８の一次側冷媒通路１８Ａへ流れる第１出口２２Ｂと、入口２２Ａから流入した冷媒が熱交換器１８をバイパスして減圧器１９に流入するバイパス通路２３へ流れる第２出口２２Ｃを備えている。

図２には、減圧器１９の入口温度を検出する温度センサ３１の検出温度が、所定温度（定常状態での下限温度・・図７と図１２に示す温度Ｔ１よりも十分低い温度Ｔ４）以下の場合、またはこの所定温度Ｔ４より低い場合に、制御部４０の動作に基づく制御弁２２の動作によって、蒸発器２０から圧縮機１１の吸込み側に供給するガス冷媒が、熱交換器１８をバイパスして圧縮機１１の吸込み側に流れるように制御する構成を示している。この制御弁２２の一つとして三方弁（三方制御弁）２２を用いた冷凍装置の構成である。この三方弁（三方制御弁）２２は、蒸発器２０から流出する冷媒が流入する入口２２Ａと、この入口２２Ａから流入した冷媒が熱交換器１８の二次側冷媒通路１８Ｂへ流れる第１出口２２Ｂと、入口２２Ａから流入した冷媒が熱交換器１８をバイパスして圧縮機１１の吸込み側に供給されるバイパス通路２３Ａへ流れる第２出口２２Ｃを備えた構成である。

図３には、冷媒圧縮部が１段圧縮の圧縮機１１を採用した冷凍装置１の構成を示している。図１と同様部分は同一符号を付しており、その動作も図１で説明した上記説明と同様である。

図４には、冷媒圧縮部が１段圧縮の圧縮機１１を採用した冷凍装置１の構成を示している。図２と同様部分は同一符号を付しており、その動作も図２で説明した上記説明と同様である。

図１及び図３の冷凍装置１は、制御弁２２が減圧器１９の上流側の高圧冷媒回路に設けられているため、この高圧に耐えられる構成が必要であるが、図２及び図４の冷凍装置１は、制御弁２２が減圧器１９の下流側の低圧冷媒回路に設けられているため、図１及び図３の構成に比して、制御弁２２の耐高圧設計が不要となり、低コスト化が図れる。

上記の各構成において、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５に示すフローチャートと共に説明する。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が蒸発器２０の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が被冷却物の貯蔵室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５において、ステップＳ１では、制御部４０の測定値取得部が、第１乃至第３センサ３１〜３３の測定値を取得する。ステップＳ２では、制御部４０の過熱度算出部が、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ように動作する。

ステップＳ３では、制御部４０の減圧器制御部が、制御部４０の過熱度算出部によって求められた過熱度と、予め設定されてメモリ４２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。

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（ステップＳ３：ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。一方、過熱度が上限閾値を超えていない場合には（ステップＳ３：ＮＯ）、ステップＳ５に進む。

ステップＳ４では、制御部４０の減圧器制御部が減圧器１９の開度を微少量だけ増加させる。即ち、減圧器１９が電子式膨張弁の場合は、その開度制御を行うステッピングモータの１ステップを単位として設定される動作によって、その弁開度を増加させる。ステップＳ５では、制御部４０の減圧器制御部が、制御部４０の過熱度算出部によって求められた過熱度と、予め設定されてメモリ４２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（ステップＳ５：ＹＥＳ）、ステップＳ６に進む。ステップＳ６では、制御部４０の減圧器制御部が減圧器１９の開度を微少量だけ減少させる。即ち、減圧器１９が電子式膨張弁の場合は、そ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動作によって、その弁開度を減少させる。一方、過熱度が下限閾値以上である場合には（ステップＳ５：ＮＯ）、ステップＳ７に進み減圧器１９の開度をそのままの状態に維持する。

次に寝込みの前兆を検出する処理について説明する。上記のように過熱度の制御を行っているときに、図７に示すように、冷凍装置１が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。図７に一例として示すように、寝込みの状態に陥る際（時間ｔｏ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する（例えば、時間ｔａ、ｔｂ、ｔｃ）ので、この低下した温度を第１センサ３１で検出する。

図６において、ステップＳ１では、制御部４０の測定値取得部が、第１乃至第３センサ３１〜３３の測定値を取得する。ステップＳ８では、制御部４０の減圧器制御部が、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４２に記憶されている所定温度とを比較する。この所定温度は、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。実施例では、この所定温度は、定常状態での下限温度（図１２に示すＴ１）よりも十分低い温度、例えばＴ４に設定する。このため、ステップＳ８では、制御部４０の減圧器制御部が、第１センサ３１の測定値に基づく減圧器入口温度と、メモリ４２に記憶されているこの所定温度（Ｔ４）とを比較する。

この比較によって、減圧器入口温度が所定温度（Ｔ４）以下の場合、またはこの所定温度（Ｔ４）より低い場合に（図７のｔａ時点がこれに相当する）、ステップＳ９に進み、制御部４０の動作に基づく制御弁２２の動作に入る。即ち、図１及び図３の構成では、三方弁（三方制御弁）２２が切り替わり、これまで、放熱器１５から流出して入口２２Ａへ流入した冷媒が、第１出口２２Ｂから熱交換器１８の一次側冷媒通路１８Ａへ流れていた状態から、入口２２Ａから流入した冷媒が熱交換器１８をバイパスして減圧器１９に流入するバイパス通路２３へ流れるように、第２出口２２Ｃから流出するように切り替わる。

また、図２及び図４の構成では、この比較によって、減圧器入口温度が所定温度（Ｔ４）以下の場合、またはこの所定温度（Ｔ４）より低い場合に（図７のｔａ時点がこれに相当する）、ステップＳ９に進み、制御部４０の動作に基づく制御弁２２の動作に入る。即ち、三方弁（三方制御弁）２２が切り替わり、これまで、蒸発器２０から流出して入口２２Ａへ流入した冷媒が、第１出口２２Ｂから熱交換器１８の二次側冷媒通路１８Ｂへ流れていた状態から、入口２２Ａから流入した冷媒が熱交換器１８をバイパスして圧縮機１１の吸込み側に流入するバイパス通路２３Ａへ流れるように、第２出口２２Ｃから流出する状態に切り替わる。

上記のように、ステップＳ８で制御部４０の減圧器制御部が、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４２に記憶されている所定温度とを比較し、減圧器入口温度が所定温度（Ｔ４）以上、またはこの所定温度（Ｔ４）より高い場合は、制御部４０の動作に基づきステップＳ１０に進み、図１及び図３の構成では、三方弁（三方制御弁）２２がそのままの状態、即ち、放熱器１５から流出して入口２２Ａへ流入した冷媒が、第１出口２２Ｂから熱交換器１８の一次側冷媒通路１８Ａへ流れている状態を維持し、また、図２及び図４の構成では、蒸発器２０から流出して入口２２Ａへ流入した冷媒が、第１出口２２Ｂから熱交換器１８の二次側冷媒通路１８Ｂへ流れる状態を維持する。

上記では、ステップＳ８において、制御部４０の減圧器制御部が、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４２に記憶されている所定温度（例えばＴ４）とを比較するようにしているが、この場合、図７に示すように、寝込みの前兆として減圧器入口温度が複数回、所定温度（Ｔ４）に低下する減少があるため、１回の温度低下によって熱交換器１８をバイパスするように三方弁（三方制御弁）２２を切り替えるのではなく、所定時間内に複数回、所定温度（Ｔ４）に低下したことを検出したとき、熱交換器１８をバイパスするように三方弁（三方制御弁）２２を切り替えるようにすることができる。このようにすることにより、寝込みの前兆ではない原因によって１回だけ温度低下があった場合には、通常の状態での過熱制御状態を維持できる安定動作が得られるものとなる。

なお、上記では、ステップＳ８において、制御部４０の減圧器制御部が、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４２に記憶されている所定温度Ｔ４とを比較するようにしているが、寝込みの前兆として極端に低下する温度低下を捉えて、的確に寝込みの前兆であることを捉えるために、Ｔ４よりも更に低い温度低下が生じる時点、例えば図７のｔｂ時点で生じる温度Ｔ５を所定温度に設定しておくことにより、１回の温度低下によっても、的確に寝込みの前兆を捉えることができる。

以上に説明したように、本発明では、冷凍装置１の減圧器（膨張弁）１９の入口温度によって寝込みの発生の前兆を監視し、前兆を検知すると内部熱交換器１８をバイパスするように制御弁２２を切り替えることにより、内部熱交換器１８による熱交換を中止して、減圧器（膨張弁）１９の入口温度の極度の低下を防止して、安定した過熱度制御状態を維持するように制御している。

これによって、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、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。

上記では制御弁２２に三方弁（三方制御弁）２２を採用したが、１つの冷媒入口と１つの冷媒出口を備えた２方弁を２個用いて、上記同様の冷媒通路の切り替えを行なうようにしてもよい。

なお、中間冷却器１２は、第１圧縮部１１Ａ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圧縮部１１Ｂ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圧縮部１１Ｂ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圧縮部１１Ａ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。このため、本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の技術的範囲を逸脱しない限り種々の変更が考えられ、それに係る種々の実施形態を包含するものである。

本発明の第１の実施形態として示す冷凍装置の構成図である。（実施例１）本発明の第２の実施形態として示す冷凍装置の構成図である。（実施例１）本発明の第３の実施形態として示す冷凍装置の構成図である。（実施例１）本発明の第４の実施形態として示す冷凍装置の構成図である。（実施例１）本発明の制御部によって行われる減圧器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。（実施例１）本発明の冷凍装置が寝込みの状態に陥る兆候をキャッチして行なう冷媒通路の切り替え制御を説明するフローチャートである。（実施例１）本発明の冷凍装置が寝込みの状態に陥る兆候を示す減圧器入口温度、蒸発器入口温度、及び蒸発器出口温度の時間変化図である。（実施例１）本発明の冷凍装置の制御部４０のハードウエア構成図である。（実施例１）本発明の冷凍装置のｐ−ｈ線図（モリエル線図）である。（実施例１）従来の冷媒圧縮部が１段圧縮の圧縮機を採用した冷凍装置の構成図である。従来の冷媒圧縮部が２段圧縮の圧縮機を採用した冷凍装置の構成図である。冷凍装置の安定状態での減圧器入口温度、蒸発器入口温度、及び蒸発器出口温度の時間変化図である。冷凍装置の寝込み状態での減圧器入口温度の時間変化図である。

符号の説明

１・・・・・冷凍装置
１１・・・・圧縮機
１１Ａ・・・第１圧縮部
１１Ｂ・・・第２圧縮部
１２・・・・中間冷却器
１５・・・・放熱器
１８・・・・内部熱交換器
１９・・・・減圧器
２０・・・・蒸発器
２１・・・・逆止弁
２２・・・・制御弁（三方弁）
２３・・・・バイパス通路
２３Ａ・・・バイパス通路
３１・・・・第１温度センサ
３２・・・・第２温度センサ
３３・・・・第３温度センサ
４０・・・・制御部

Claims

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求めた前記冷媒の前記過熱度に応じて前記減圧器の開度を制御する制御部を有し、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所定温度以下またはこの所定温度より低い場合には、前記制御部の動作に基づき、前記熱交換器での正規の前記熱交換を行わないように制御弁によって前記冷媒の通路を切り替えることを特徴とする冷凍装置。
前記減圧器の入口温度を検出する温度センサを設け、前記温度センサの検出温度が所定温度以下またはこの所定温度より低い場合に、前記制御部の動作に基づく前記制御弁の動作によって、前記放熱器から前記減圧器に流入するガス冷媒が前記熱交換器をバイパスして前記減圧器に流れるように制御することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
前記減圧器の入口温度を検出する温度センサを設け、前記温度センサの検出温度が所定温度以下またはこの所定温度より低い場合に、前記制御部の動作に基づく前記制御弁の動作によって、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が前記熱交換器をバイパスして前記圧縮機の吸込み側に流れるように制御することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
前記制御弁は、前記放熱器から流出する前記冷媒が流入する入口と、前記入口から流入した冷媒が前記熱交換器へ流れる第１出口と、前記入口から流入した冷媒が前記熱交換器をバイパスして前記減圧器に流入するバイパス通路へ流れる第２出口を備えた三方弁であることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍装置。
前記制御弁は、前記蒸発器から流出する前記冷媒が流入する入口と、前記入口から流入した冷媒が前記熱交換器へ流れる第１出口と、前記入口から流入した冷媒が前記熱交換器をバイパスして前記圧縮機の吸込み側に供給されるバイパス通路へ流れる第２出口を備えた三方弁であることを特徴とする請求項１または３に記載の冷凍装置。
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圧縮部と、前記第１圧縮部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圧縮部とを含み、前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の冷凍装置。