JP2011149614A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の回転数の上昇によって、過熱度が急激に上昇してさせてしまうことなく、適切な過熱度を維持して安定した冷却制御を実現することができる。
【解決手段】圧縮機１８、放熱器１９、膨張弁８及び蒸発器１１から冷凍サイクルが構成され、圧縮機１８の回転数を制御する制御装置Ｃを備えた冷却装置１０において、制御装置Ｃは、蒸発器１１の冷媒入口側温度に基づいて膨張弁８の開度を調整すると共に、圧縮機１８の回転数を上昇させる際、膨張弁８の開度を増大させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、低温ショーケースや低温貯蔵庫などに設置される冷却装置、特に、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器から冷凍サイクルが構成され、圧縮機の回転数を制御する制御装置を備えた冷却装置に関するものである。

従来より、例えばショーケースに採用される冷却装置は、圧縮機、放熱器、減圧装置及び蒸発器などを配管により順次環状に接続して所定の冷媒回路を構成すると共に、この冷媒回路内には所定量の冷媒が封入されている。そして、圧縮機が運転されると、冷媒は圧縮されて高温高圧のガス状態となり、放熱器に流入する。放熱器において冷媒は放熱し、凝縮液化した後、減圧装置にて減圧され、蒸発器に供給される。蒸発器内では減圧された後の液冷媒が蒸発し、そのときに周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮する（例えば、特許文献１参照）。

ここで、蒸発器による冷却作用を精密に制御するため、減圧装置として膨張弁が用いられている。通常、この膨張弁は、冷媒回路を循環する冷媒の流量を制御して、放熱後の冷媒を減圧させるものであり、冷却負荷に応じて弁開度が調整される。特許文献１に示される如き膨張弁は、蒸発器の出口側と入口側にそれぞれ設けられる温度センサの出力に基づき蒸発器における冷媒の過熱度を測定し、当該過熱度が大きすぎる場合には膨張弁を開放し、冷媒の流れを良くする制御を行うことによって、当該過熱度が一定となるように弁開度制御を行っていた。

特開平８−３２７１６１号公報

ところで、前記圧縮機は、制御装置により通常は最低回転数と最高回転数の間で回転数が制御される。即ち、ショーケースの被冷却空間である陳列室の温度（庫内温度）が上限温度に達した場合、制御装置は圧縮機を起動する。そして、制御装置は、冷媒の温度や庫内温度を検出するための各種センサ等の出力に基づいて予め設定された最低回転数と最高回転数の範囲内で圧縮機の回転数を制御する。そして、ショーケースの庫内温度が下限温度まで低下した場合に圧縮機を停止する。これにより、ショーケースの庫内を所定の冷却温度範囲に維持していた。

ここで、圧縮機の回転数を上昇させると、冷凍サイクル中の冷媒循環量は増えるが、蒸発器から圧縮機に吸い込まれる冷媒量も増加する。このとき、膨張弁の開度はそのままの状態であるため、蒸発器内の冷媒が減少することで、蒸発器における過熱度が急激に上昇してしまうこととなる。

一旦、蒸発器において適切な過熱度を超える過熱度がついてしまうと、適切な過熱度に戻すためには、長時間要してしまい、その間、適切な冷却制御を行うことが困難となる。

本発明は、従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、圧縮機の回転数の上昇によって、過熱度が急激に上昇してさせてしまうことなく、適切な過熱度を維持して安定した冷却制御を実現することができる冷却装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明は、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器から冷凍サイクルが構成され、圧縮機の回転数を制御する制御装置を備えた冷却装置であって、制御装置は、蒸発器の入口側温度又は蒸発器の冷媒過熱度に基づいて膨張弁の開度を調整すると共に、圧縮機の回転数を上昇させる際、膨張弁の開度を増大させることを特徴とする。

請求項２の発明は、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器から冷凍サイクルが構成され、圧縮機の回転数を制御する制御装置を備えた冷却装置であって、制御装置は、蒸発器の冷媒過熱度に基づいて当該蒸発器の冷媒過熱度が目標過熱度となるように膨張弁の開度を調整すると共に、圧縮機の回転数を上昇させる際、蒸発器の目標過熱度を小さくすることを特徴とする。

請求項３の発明は、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器から冷凍サイクルが構成され、圧縮機の回転数を制御する制御装置を備えた冷却装置であって、制御装置は、蒸発器の入口側温度、又は、蒸発器の冷媒過熱度に基づいて膨張弁の開度を調整すると共に、圧縮機の回転数を降下させる際、膨張弁の開度を減少させることを特徴とする。

請求項４の発明は、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器から冷凍サイクルが構成され、圧縮機の回転数を制御する制御装置を備えた冷却装置であって、制御装置は、蒸発器の冷媒過熱度に基づいて当該蒸発器の冷媒過熱度が目標過熱度となるように膨張弁の開度を調整すると共に、圧縮機の回転数を降下させる際、蒸発器の目標過熱度を大きくすることを特徴とする。

請求項５の発明は、上記各発明において、冷凍サイクルには、冷媒として二酸化炭素が封入されていることを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器から冷凍サイクルが構成され、圧縮機の回転数を制御する制御装置を備えた冷却装置において、制御装置は、蒸発器の入口側温度、又は、蒸発器の冷媒過熱度に基づいて膨張弁の開度を調整すると共に、圧縮機の回転数を上昇させる際、膨張弁の開度を増大させることにより、圧縮機の回転数の上昇に応じて蒸発器から圧縮機に吸い込まれる冷媒量が増加することで、蒸発器内の冷媒量が減少し、過熱度が急激に上昇してしまう不都合を未然に回避することができる。

請求項２の発明によれば、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器から冷凍サイクルが構成され、圧縮機の回転数を制御する制御装置を備えた冷却装置において、制御装置は、蒸発器の冷媒過熱度に基づいて当該蒸発器の冷媒過熱度が目標過熱度となるように膨張弁の開度を調整すると共に、圧縮機の回転数を上昇させる際、蒸発器の目標過熱度を小さくすることにより、圧縮機の回転数の上昇に応じて蒸発器から圧縮機に吸い込まれる冷媒量が増加することで、蒸発器内の冷媒量が減少し、過熱度が急激に上昇してしまう不都合を未然に回避することができる。

通常、蒸発器において過熱度が上昇しはじめると、適切な過熱度に戻すためには、ある程度の時間を要してしまうこととなるが、本願上記各発明の如く、圧縮機の回転数が上昇して係る過熱度が上昇してしまう現象が生じる前に膨張弁の開度を増大させる、若しくは、蒸発器の目標過熱度を小さくすることで、圧縮機の回転数の上昇に応じて蒸発器から圧縮機に吸い込まれる冷媒量が増加しても、蒸発器内の冷媒量を確保することが可能となり、安定した運転を継続して行うことが可能となる。

請求項３の発明によれば、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器から冷凍サイクルが構成され、圧縮機の回転数を制御する制御装置を備えた冷却装置において、制御装置は、蒸発器の入口側温度、又は、蒸発器の冷媒過熱度に基づいて膨張弁の開度を調整すると共に、圧縮機の回転数を降下させる際、膨張弁の開度を減少させることにより、圧縮機の回転数の降下に応じて蒸発器から圧縮機に吸い込まれる冷媒量が減少することで、蒸発器内の冷媒量が増大し、過熱度が急激に降下してしまう不都合を未然に回避することができる。

請求項４の発明によれば、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器から冷凍サイクルが構成され、圧縮機の回転数を制御する制御装置を備えた冷却装置において、制御装置は、蒸発器の冷媒過熱度に基づいて当該蒸発器の冷媒過熱度が目標過熱度となるように膨張弁の開度を調整すると共に、圧縮機の回転数を降下させる際、蒸発器の目標過熱度を大きくすることにより、上記発明同様、圧縮機の回転数の降下に応じて蒸発器から圧縮機に吸い込まれる冷媒量が減少することで、蒸発器内の冷媒量が増大し、過熱度が急激に降下してしまう不都合を未然に回避することができる。

また、請求項５の発明は、上記において、冷凍サイクルには、冷媒として自然冷媒である二酸化炭素が封入されているので、環境への負荷軽減を図ることができると共に、冷却能力の確保を図ることができる。

本発明を適用する実施例としての冷凍庫の縦断側面図である。 本発明の冷却装置の冷媒回路図である。 本発明の冷却装置の制御装置のブロック図である。 本発明の冷却装置の温度変化と圧縮機回転数及び膨張弁の弁開度の変化を示す図である。 本発明の制御を行わない場合の温度変化と圧縮機回転数及び膨張弁の弁開度の変化を示す図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明を適用する実施例としての業務用冷凍庫（低温貯蔵庫）Ｒの縦断側面図を示している。実施例の冷凍庫Ｒは、例えばホテルやレストランの厨房などに設置されるものであり、前面に開口する断熱箱体１により本体が構成されている。この断熱箱体１は、何れもステンレスなどの鋼板から成る外箱２、及び、この外箱２内に組み込まれた内箱３と、内外両箱２、３間に現場発泡方式にて充填されたポリウレタン断熱材４から構成されている。そして、この断熱箱体１（内箱３）内を貯蔵室５としている。

また、貯蔵室５内上部には本願発明にかかる冷却装置１０の蒸発器１１が取り付けられており、該蒸発器１１及び蒸発器１１の近傍に取り付けられる冷気循環用送風機１２により、貯蔵室５内は所定の温度に冷却される。尚、図中において、蒸発器１１及び送風機１２の下方に取り付けられる１３は、蒸発器１１が取り付けられる冷却室１４と貯蔵室５内を区画するための仕切板であり、前部には、前記冷気循環用送風機１２に面して図示しない冷気吸込口が形成され、後方は開口されている。これにより、冷気循環用送風機１２より貯蔵室５から冷却室１４に吸い込まれた冷気は、蒸発器１１と熱交換された後、冷却室１４後方から吐出される。貯蔵室５（断熱箱体１）の前面開口２２は、二組の観音開き式の扉６によって開閉自在に閉塞される。

一方、断熱箱体１の天面には前面パネル１６及び両側面及び後面を構成するパネルによって機械室１７が画成されており、この機械室１７内には冷却装置１０を構成する圧縮機１８や放熱器１９などが設置され、蒸発器１１と共に冷却装置１０の周知の冷凍サイクルを構成している。２０は、放熱器用送風機である。

ここで、図２の冷媒回路図を参照して本実施例における冷却装置１０の冷媒回路７について説明する。本実施例における冷却装置１０は、冷媒として二酸化炭素を使用し、高圧側の冷媒圧力（高圧圧力）がその臨界圧力以上（超臨界）となるスプリットサイクル（二段圧縮一段膨張中間冷却サイクル）を採用する。

本実施例の冷却装置１０は、圧縮機（圧縮手段）１８を構成する低段側の圧縮要素（低段側圧縮手段）１８Ａと、同じく圧縮手段を構成する高段側の圧縮要素（高段側圧縮手段）１８Ｂと、放熱器１９と、分流器３７と、合流器３８と、副減圧装置としての補助膨張弁３９と、中間熱交換器４０と、内部熱交換器４１と、膨張弁８と、蒸発器１１とから冷媒回路７が構成されている。

上記放熱器１９は空気、又は、水、又は、その他の第２の熱媒体に高段側の圧縮要素１８Ｂから出た高温高圧の冷媒を放熱させることによって、当該高段側の圧縮要素１８Ｂから出た冷媒を冷却するための熱交換器である。本実施例の放熱器１９は、空気に放熱するガスクーラ熱交換器を用いるものとする。また、分流器３７は放熱器１９から出た冷媒を二つの流れに分岐させる分流装置である。即ち、本実施例の分流器３７は、放熱器１９から出た冷媒を第１の冷媒流と第２の冷媒流とに分流し、第１の冷媒流を副回路４２に流し、第２の冷媒流を主回路４３に流すように構成されている。

図２における主回路４３は、分流器３７にて分流された冷媒が、中間熱交換器４０の内管４０Ｂ、内部熱交換器４１の内管４１Ｂ、ストレーナ４４、膨張弁８、蒸発器１１、逆流防止弁４５、内部熱交換器４１の外管４１Ａ及びストレーナ４６を順次通り、低段側圧縮手段を構成する圧縮要素１８Ａの吸込側へ供給されるように接続されている。副回路４２は、分流器３７にて分流された冷媒が、ストレーナ４７、補助膨張弁３９及び中間熱交換器４０の外管４０Ａを順次通り、高段側圧縮手段を構成する圧縮要素１８Ｂの吸込側へ供給されるように接続されている。

本実施例における圧縮機１８は、冷媒を低段側圧縮手段としての圧縮要素１８Ａと、高段側圧縮手段としての圧縮要素１８Ｂが単一の密閉容器内に収納される内部中間圧二段圧縮式ロータリ圧縮機を採用している。これら圧縮要素１８Ａ、１８Ｂは、同一の密閉容器内に収納される圧縮機モータ（電動要素。ＤＣモータ）により駆動される。

低段側圧縮要素１８Ａの吸込側には、ストレーナ４６を出た冷媒が導入される冷媒導入管２３が接続され、当該低段側圧縮要素１８Ａに取り込まれた冷媒は、ここで中間圧まで昇圧される。この低段側圧縮要素１８Ａにて圧縮された冷媒は、図示しない連通管より密閉容器内に吐出される。密閉容器には、合流器３８を介して副回路４２が接続されている。

高段側圧縮要素１８Ｂの吸込側には、一端が密閉容器内にて開放した冷媒導入管が設けられ、低段圧縮要素１８Ａにて中間圧まで昇圧された冷媒と、副回路４２からの中間圧冷媒とが混合された冷媒が、当該冷媒導入管より高段側圧縮要素１８Ｂ内に流入され、ここで更に所定の高圧まで昇圧される。このとき、この高段側圧縮要素１８Ｂにて圧縮された冷媒は、超臨界状態とされ、冷媒吐出管２４を介して、放熱器１９に流入される。尚、本実施例では、前記圧縮機１８を構成する各圧縮要素１８Ａ、１８Ｂは単一のモータで一体に結合された構成としているが、これに限定されない。

放熱器１９を出た冷媒は通過する過程で冷却された後、分流器３７に入り、第１の冷媒流が流れる副回路４２と、第２の冷媒流が流れる主回路４３とに分流される。分流器３７で分流された一方の冷媒流（第１の冷媒流）は、副回路４２に入り、補助膨張弁３９で中間圧（即ち、低段側圧縮要素１８Ａの吐出圧力であり、高段側圧縮要素１８Ｂの吸込圧力と略同圧）まで減圧される。そして、中間熱交換器４０の外管４０Ａ内を通過し、当該外管４０Ａ内を通過する過程で、内管４０Ｂを通過する分流器３７で分流された後の他方の冷媒流である第２の冷媒流と熱交換して蒸発する。その後、合流器３８にて、低段側の圧縮要素１８Ａで圧縮された後の第２の冷媒流と合流して、高段側圧縮要素１８Ｂに吸い込まれる。

一方、分流器３７で分流された他方の冷媒流（第２の冷媒流）は、主回路４３に入り、中間熱交換器４０の内管４０Ｂ内を通過する過程で、補助膨張弁３９によって減圧された第１の冷媒流と熱交換することで、冷却された後、内部熱交換器４１の内管４１Ｂ内を通過する。当該内管４１Ｂ内を通過する過程で、外管４１Ａ内を流れる蒸発器１１から流出された冷媒と熱交換することで冷却される。

そして、内部熱交換器４１から流出された第１の冷媒流は、詳細は後述する如く開度制御が行われる膨張弁８にて蒸発圧力まで減圧された後、蒸発器１１内に流入し被冷却空間を熱源として蒸発し、内部熱交換器４１の外管４１Ａを経て低段側の圧縮要素１８Ａに帰還する。尚、内部熱交換器４１は、膨張弁８に流入する冷媒を、蒸発器１１から流出した低温冷媒と熱交換させることによって、冷却性能の向上を図るものである。

このように、本実施例の冷却装置１０は、冷媒として自然冷媒であり、臨界圧力が低く、冷媒サイクルの高圧が超臨界状態となる二酸化炭素を使用するものである。そのため、環境への負荷軽減を図ることができると共に、冷却能力の確保を図ることができる。また、放熱器１９で冷却された後の冷媒を分流し、減圧膨張させた一方の副回路４２を流れる第１の冷媒流により、分流された他方の主回路４３を流れる第２の冷媒流を冷却する、所謂、スプリットサイクル冷却装置を用いることで、蒸発器１１の入口の比エンタルピを小さくし、冷凍効果を大きくすることが可能となる。

これにより、冷却装置１０が運転されると、冷却室１４にて蒸発器１１と熱交換された冷気は、冷気循環用送風機１２により仕切板１３の後方に形成された開口から貯蔵室５に吐出され、貯蔵室５内を循環する。

次に、図３を参照して本実施例における制御装置Ｃについて説明する。制御装置Ｃは、汎用のマイクロコンピュータにより構成されており、冷却装置１０の制御を司る。この制御装置Ｃは、時限手段としてのタイマ３２、ＰＩＤ演算処理部３３、記憶部３４を内蔵している。更に、各種設定スイッチや表示部などを備えたコントロールパネル３５が接続されている。各種設定スイッチには、詳細は後述する如く貯蔵室５内の設定温度を任意に設定可能とするＬＣＤパネル（設定手段）３６も含まれる。また、当該制御装置Ｃの入力側には、庫内の現在温度を検出する庫内温度センサ（現在温度検出手段）３１、蒸発器１１の冷媒入口側の冷媒温度を検出するための蒸発器入口側温度センサ２９、蒸発器１１の冷媒出口側の冷媒温度を検出するための蒸発器出口側温度センサ３０、外気温度を検出するための外気温度センサ４８等が接続されている。ここで、庫内温度センサ３１は、例えば、仕切板１３の冷気吸込口の近傍に設けられており、冷気が蒸発器１１を通過する前の貯蔵室５内の温度を測定し、これを貯蔵室５内の温度である現在温度として取り扱うものである。

他方、制御装置Ｃの出力側には、圧縮機１８を駆動させる圧縮機モータ（ＤＣモータ）１８Ｍと、冷気循環用送風機１２を駆動させる送風機モータ１２Ｍ、放熱器用送風機２０を駆動させる送風機モータ２０Ｍ、膨張弁８等が接続されている。ここで、圧縮機モータ１８Ｍは、インバータ装置２５を介して接続されており、これによって、電源の周波数を変化させ、圧縮機モータ１８Ｍの回転数を変化させることにより圧縮機１８における冷媒の循環量を変化可能とされている。また、送風機モータ１２Ｍ、２０Ｍは、それぞれチョッパ回路などの駆動回路２６、２７を介して接続されており、これによって、回転数を任意に変更可能とされている。そして、前述した各出力に基づいて、制御装置Ｃは、膨張弁８の開度を制御し、各モータ１８Ｍ、１２Ｍ、２０Ｍの回転数を制御している。

以上の構成で、本実施例における冷凍庫Ｒの冷却制御について説明する。制御装置Ｃは、庫内温度センサ３１により貯蔵室５内の温度、即ち現在の庫内温度（現在温度）を検出し、当該現在温度Ｔｐと前述の如く設定された目標温度Ｔｔに基づき、冷却運転を実行する。ここで、制御装置Ｃは、庫内温度センサ３１により検出される現在温度Ｔｐが目標温度Ｔｔよりも高い所定の制御切換温度Ｔｃより高いか否かを判断する。制御切換温度Ｔｃより高い場合にはプルダウン時制御を実行し、制御切換温度Ｔｃ以下である場合には安定時制御を実行する。本実施例において、制御切換温度Ｔｃは、目標温度Ｔｔ＋１０ｄｅｇとする。そのため、電源投入時や除霜運転終了後などは、プルダウン時制御となる。

（１）プルダウン時制御
プルダウン時制御では、制御装置Ｃは、圧縮機モータ１８Ｍの運転周波数を、制御装置Ｃの内部に設けられるＰＩＤ演算処理部３３によって、庫内温度センサ３１により検出された温度（被冷却空間である貯蔵室５内の温度、以下現在温度Ｔｐとする）と、コントロールパネル３５のＬＣＤパネル３６により設定された冷却目標温度（以下、目標温度Ｔｔとする）との偏差ｅから比例（Ｐ）の演算により行う比例制御（Ｐ制御。）を実行する。

即ち、ＰＩＤ演算処理部３３は、現在温度Ｔｐと目標温度Ｔｔとの偏差ｅ（偏差ｅ＝Ｔｐ−Ｔｔ）に基づき、当該偏差ｅにあらかじめ設定された比例制御係数Ｋｐをかけて比例量を算出する比例動作によって制御量を算出し、これを操作量として、圧縮機１８のモータ１８Ｍの回転数（運転周波数）を決定する。以下に、演算式を示す。
演算式 操作量＝現在の運転周波数＋制御量
制御量＝（現在温度Ｔｐ−目標温度Ｔｔ）×Ｋｐ
そして、算出された操作量に基づきインバータ装置２５により圧縮機モータ１８Ｍの回転数を制御する。

このとき、制御装置Ｃは、蒸発器入口側温度センサ２９により検出される蒸発器１１の冷媒入口側温度に基づき、当該入口側温度が所定の目標温度となるように、膨張弁８の開度を制御する。検出された蒸発器１１の入口側温度が目標温度よりも高い場合、膨張弁８の開度を減少させ、目標温度よりも低い場合、膨張弁８の開度を増大させる。

（２）安定時制御
他方、制御装置Ｃは、庫内温度センサ３１により検出される現在温度Ｔｐが目標温度Ｔｔよりも高い所定の制御切換温度Ｔｃまで低下した場合には、安定時制御に移行する。この安定時制御では、制御装置Ｃは、現在温度Ｔｐが目標温度Ｔｔよりも低い所定の下限温度Ｔｌ（本実施例では、Ｔｔ−２ｄｅｇ）に達すると圧縮機１８を停止させると共に、現在温度Ｔｐが目標温度Ｔｔよりも高い所定の上限温度Ｔｈ（本実施例では、Ｔｔ＋２ｄｅｇ）に達すると圧縮機１８を再起動させる。この際、圧縮機モータ１８Ｍの運転周波数を、制御装置Ｃの内部に設けられるＰＩＤ演算処理部３３によって、庫内温度センサ３１により検出された温度の現在温度低下率（Ｔｐｄ）と、予め制御装置Ｃの記憶部３４に記憶された所定の目標温度低下率（Ｔｔｄ）との偏差ｅから比例（Ｐ）の演算により行う比例制御（Ｐ制御）を実行する。

即ち、ＰＩＤ演算処理部３３は、現在の温度低下率Ｔｐｄと目標温度低下率Ｔｔｄとの偏差ｅ（偏差ｅ＝Ｔｐｄ−Ｔｔｄ）に基づき、当該偏差ｅにあらかじめ設定された比例制御係数Ｋｐをかけて比例量を算出する比例動作によって制御量を算出し、これを操作量として、圧縮機１８のモータ１８Ｍの回転数（運転周波数）を決定する。以下に、演算式を示す。
演算式 操作量＝現在の運転周波数＋制御量
制御量＝（現在温度低下率Ｔｐｄ−目標温度低下率Ｔｔｄ）×Ｋｐ
そして、算出された操作量に基づきインバータ装置２５により圧縮機モータ１８Ｍの回転数を制御する。

ここで、現在の温度低下率Ｔｐｄは、貯蔵室５内の温度を検出する庫内温度センサ３１により検出された現在温度Ｔｐと、所定時間前に検出された前回温度Ｔｂとから演算処理することにより貯蔵室５内の現在の温度低下率として取得される。

目標温度低下率Ｔｔｄは、圧縮機１８の運転効率が最も良くなる値として予め制御装置Ｃに設定されている。この目標温度低下率は、外気温度によって異なる値となるため、制御装置Ｃの記憶部３４には、外気温度に対する目標温度低下率が複数記憶されている。そのため、制御装置Ｃは、外気温度センサ４８により検出される外気温度に応じて、設定する目標温度低下率を変更する。目標温度低下率の一例として、外気温度が＋３０℃の場合、３０秒で−０．２５℃とする。

また、制御装置Ｃは、上記現在の温度低下率Ｔｐｄと目標温度低下率Ｔｔｄとの偏差ｅに基づく比例制御によって決定された圧縮機１８のモータ１８Ｍの回転数（運転周波数）が、予め設定された最低回転数（本実施例では、３０Ｈｚ）と、最高回転数（本実施例では、８０Ｈｚ）の間で圧縮機１８の運転を行う。

図４の温度変化と圧縮機回転数（圧縮機モータ１８Ｍの回転数。以下同じ）及び膨張弁８の弁開度の変化を示す図に表されているように、庫内温度センサ３１により検出された現在温度Ｔｐが上限温度Ｔｈに達して圧縮機１８が起動（サーモオン）された後、圧縮機モータ１８Ｍの回転数は、上述したように、制御装置Ｃによって、現在温度低下率Ｔｐｄと設定された目標温度低下率Ｔｔｄとの偏差ｅにより比例制御によって回転数制御が行われる。

これにより、現在温度低下率Ｔｐｄが目標温度低下率Ｔｔｄよりも速い場合には、現在温度低下率Ｔｐｄが目標温度低下率Ｔｔｄとなるように、制御装置Ｃは、圧縮機モータ１８Ｍの回転数を降下する方向に制御する。他方、現在温度低下率Ｔｐｄが目標温度低下率Ｔｔｄよりも遅い場合には、現在温度低下率Ｔｐｄが目標温度低下率Ｔｔｄとなるように、圧縮機モータ１８Ｍの回転数を上昇する方向に制御する。

係る圧縮機モータ１８Ｍの回転数制御を行うことにより、現在温度が下限温度Ｔｌに達すると、制御装置Ｃは、圧縮機１８を停止（サーモオフ）させる。その後、現在温度が上限温度Ｔｈにまで上昇すると、制御装置Ｃは、圧縮機１８を再起動（サーモオン）するが、このとき、圧縮機１８を停止した後は、ショートサイクルを防止するため、所定の保護期間（例えば５分程度）だけ圧縮機１８の起動が禁止される。そのため、当該圧縮機１８の再起動は、保護期間の経過後に行われることとなる。以後、係るサーモサイクルを行う。

これに対し、従来のように、安定時制御において圧縮機回転数を現在温度Ｔｐと目標温度Ｔｔとの偏差ｅにより比例制御を行った場合には、現在温度Ｔｐと目標温度Ｔｔの偏差ｅが零より大きい場合、圧縮機モータ１８Ｍの回転数を上昇させ、偏差ｅが零より小さい場合、即ち、現在温度Ｔｐが目標温度Ｔｔより低い場合には、圧縮機モータ１８Ｍの回転数を減少させて制御する。回転数が減少していき、最低周波数となっても、庫内温度は徐々に低下を続け、圧縮機１８の運転効率があまり高くない最低回転数としての運転が長時間行われることとなり、１回のサーモサイクルに要する時間が一例として２５分（圧縮機の停止時間は５分とする）となってしまう。これにより、繰り返されるサーモサイクルにおいて総じて積算消費電力量の増大を招くこととなる。

これに対し、本実施例では、現在温度Ｔｐが制御切換温度Ｔｃ以下となる安定時制御において、偏差ｅを、現在の温度低下率Ｔｐｄと目標温度低下率Ｔｔｄとの偏差に切り換えて圧縮機モータ１８Ｍの回転数制御を実行するので、目標温度低下率Ｔｔｄとなるように圧縮機モータ１８Ｍの回転数が制御され、現在温度Ｔｐを早期に下限温度Ｔｌまで低下させて圧縮機１８を停止させることが可能となる。上記と同一条件下で比較すると、直ぐに圧縮機１８を停止させることが可能となるため、１回のサーモサイクルに要する時間が一例として１５分（圧縮機の停止時間は５分とする）とすることが可能となる。

これにより、圧縮機１８が下限温度Ｔｌ付近において、あまり運転効率の高くない最低回転数としての運転が長時間継続して行われることによる積算消費電力量の増大を解消することができる。

特に、本実施例の如く内部に貯蔵室５が構成された断熱箱体１と、貯蔵室５の開口２２を開閉自在に閉塞する扉６を備えた冷凍庫Ｒに採用される冷却装置１０では、前面が大きく開口したオープンショーケースに比べ冷気が漏出し難く、断熱性が高いため、現在温度Ｔｐを、貯蔵室５の現在の温度とし、現在の温度低下率Ｔｐｄを、貯蔵室５の現在の温度低下率とすることで、効率の良い回転数でのサーモサイクル運転を繰り返して行うことができる。従って、総じて圧縮機１８の停止時間が長くなり、冷却効率の向上及び積算消費電力量の低減を実現することが可能となる。

また、本実施例では、目標温度低下率Ｔｔｄは、運転効率が最も良くなる値として予め制御装置に設定されているため、容易に運転効率の高い制御を実現することが可能となり、特に、外気温度毎に予め複数設定された目標温度低下率を採用することで、外気温度が変化した場合であっても、当該外気温度に対応して運転効率の高くなる目標温度低下率にて容易に制御可能となる。

尚、本実施例では制御装置Ｃは偏差ｅに基づいて圧縮機モータ１８Ｍを比例制御するようにしたが、これに限定されるものではなく、比例積分微分（ＰＩＤ）制御としても良い。この場合、ＰＩＤ演算処理部３３は、現在温度Ｔｐと目標温度Ｔｔ、若しくは、現在温度低下率Ｔｐｄと目標温度低下率Ｔｔｄとの偏差ｅに基づき、当該偏差ｅに比例制御係数をかけて比例量を算出する比例動作と、偏差ｅの積分値（冷却目標温度との偏差ｅ（若しくは目標温度低下率との偏差）を時間軸方向に積分した値）に積分制御係数をかけて積分量を算出する積分動作と、偏差ｅの微分値（変化の傾き）に微分制御係数をかけて微分量を算出する微分動作の組み合わせで計算された制御量を加算した操作量から圧縮機１８のモータ１８Ｍの回転数（運転周波数）を決定する。これにより、より制御の精度を上げることができる。

また、これ以外にも、比例量の算出に用いられる比例係数Ｋｐ、微分量の算出に用いられる微分係数Ｋｄを零とした積分（Ｉ）制御、比例係数、積分量の算出に用いられる積分係数Ｋｉを零とした微分（Ｄ）制御、微分係数を零とした比例積分（ＰＩ）制御、積分係数を零とした比例微分（ＰＤ）制御、比例係数を零とした積分微分（ＩＤ）を行う場合にも本発明は有効である。

上記本実施例において、制御装置Ｃは、当該安定時制御においても、蒸発器入口側温度センサ２９により検出される蒸発器１１の冷媒入口側温度に基づく膨張弁８の開度制御を行う。

当該膨張弁８の開度制御において、制御装置Ｃは、上述した如く圧縮機モータ１８Ｍの回転数を上昇させる信号があった際、即ち、上記現在温度低下率Ｔｐｄと目標温度低下率Ｔｔｄとの偏差ｅによる比例制御において圧縮機モータ１８Ｍの回転数上昇信号が圧縮機モータ１８Ｍに出力する際、即ち、当該圧縮機モータ１８Ｍの回転数が上昇し、過熱度が上昇してしまう現象が生じる前に、膨張弁８の開度を所定開度（指定パルス分）だけ、例えば、２パルス程度増大させる。

これより、圧縮機モータ１８Ｍの回転数の上昇に応じて蒸発器１１から圧縮機１８に吸い込まれる冷媒量が増加することで、蒸発器１１内の冷媒量が減少し、過熱度が急激に上昇してしまう不都合を未然に回避することができる。

これに対し、図５は安定時制御において圧縮機１８の回転数制御と膨張弁８の弁開度制御とを連動させず（無関係）に制御した場合の温度変化（過熱度変化）について示している。この場合、上述した如く圧縮機モータ１８Ｍの回転数を上昇させる信号に基づき、圧縮機１８の回転数が上昇すると、冷凍サイクル中の冷媒循環量が増え、蒸発器１１から圧縮機１８に吸い込まれる冷媒量が増加する。このとき、膨張弁８の開度はそのままの状態であるため、蒸発器１１内の冷媒が減少することで、蒸発器入口側温度に対し、蒸発器出口側温度が急激に上昇していき過熱度が急激に上昇してしまう。

このように、蒸発器１１において過熱度がつき始める（上昇し始める）と、適切な過熱度に戻すためには、ある程度の時間を要してしまうこととなる。しかし、本実施例のように、圧縮機モータ１８Ｍの回転数が上昇して係る過熱度が上昇してしまう現象が生じる前に膨張弁８の開度を増大させることで、圧縮機モータ１８Ｍの回転数の上昇に応じて蒸発器１１から圧縮機１８に吸い込まれる冷媒量が増加しても、蒸発器１１内の冷媒量を確保することが可能となり、安定した運転を継続して行うことが可能となる。

また、本実施例では、原則として、蒸発器入口側温度センサ２９により検出される蒸発器１１の冷媒入口側温度に基づき、当該蒸発器１１の入口側温度が目標温度となるように膨張弁８の開度を制御しているが、これに限定されるものではない。例えば、蒸発器入口側温度センサ２９により検出される蒸発器１１の冷媒入口側温度と、蒸発器出口側温度センサ３０により検出される蒸発器１１の出口側温度の出力に基づき蒸発器１１における冷媒の過熱度を計測し、当該過熱度が適正な値（目標過熱度）、例えば７ｄｅｇとなるように、膨張弁８の開度を制御する。即ち、当該過熱度が所定の適正な過熱度よりも大きい場合、圧縮機１８の冷媒吐出量に対する蒸発器１１における冷却効率を確保すべく、膨張弁８の開度を１パルス、若しくは所定パルス分、増大させ、蒸発器１１への冷媒流量を増大させる。他方、当該過熱度が所定の過熱度よりも小さい場合、膨張弁８の開度を１パルス、若しくは、所定パルス分、減少する。これにより、蒸発器１１の過熱度が一定となるように膨張弁８の弁開度を制御する。

更に、上記において、計測された過熱度が目標過熱度となるように膨張弁８の開度を制御し、この際、圧縮機１８の回転数を上昇させる信号に基づき、当該圧縮機モータ１８Ｍの回転数が上昇し、過熱度が上昇してしまう現象が生じる前に膨張弁８の開度を所定開度だけ増大させる制御を行っているが、これに限定されるものではなく、圧縮機１８の回転数を上昇させる信号に基づき、当該圧縮機モータ１８Ｍの回転数が上昇し、過熱度が上昇してしまう現象が生じる前に目標過熱度を小さくする制御を行っても良い。これによっても、同様に、目標過熱度が小さくされることで、膨張弁８の開度を増大することとなり、圧縮機の回転数の上昇に応じて蒸発器から圧縮機に吸い込まれる冷媒量が増加しても、蒸発器内の冷媒量を確保することが可能となり、安定した運転を継続して行うことが可能となる。

また、圧縮機１８に制御装置Ｃから回転数を降下させる際、当該降下させる信号に基づき、当該圧縮機モータ１８Ｍの回転数が降下し、過熱度が降下してしまう現象が生じる前に、膨張弁８の開度を所定開度（指定パルス分）だけ減少させる制御、若しくは、蒸発器１１の目標過熱度を大きくする制御を行っても良い。

これにより、圧縮機の回転数の降下に応じて蒸発器から圧縮機に吸い込まれる冷媒量が減少し、蒸発器内の冷媒量が増大しても、これに先んじて膨張弁８の開度を所定開度だけ減少させる、若しくは、目標過熱度を大きくすることで、結果として膨張弁８の開度を減少させることで、過熱度が急激に降下してしまう不都合を回避できる。そのため、蒸発器内の冷媒量を適正に維持でき、安定した運転を継続して行うことが可能となる。

Ｒ 業務用冷凍庫（低温貯蔵庫）
Ｃ 制御装置
５ 貯蔵室
６ 扉
７ 冷媒回路
８ 膨張弁（減圧装置。電動膨張弁）
１０ 冷却装置
１１ 蒸発器
１８ 圧縮機
１８Ｍ 圧縮機モータ（ＤＣモータ）
１９ 放熱器
２５ インバータ装置
２９ 蒸発器入口側温度センサ
３０ 蒸発器出口側温度センサ
３１ 庫内温度センサ（現在温度検出手段）
３３ ＰＩＤ演算処理部
３４ 記憶部
３５ コントロールパネル

Claims (5)

1. 圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器から冷凍サイクルが構成され、前記圧縮機の回転数を制御する制御装置を備えた冷却装置において、
   前記制御装置は、前記蒸発器の入口側温度、又は、前記蒸発器の冷媒過熱度に基づいて前記膨張弁の開度を調整すると共に、前記圧縮機の回転数を上昇させる際、前記膨張弁の開度を増大させることを特徴とする冷却装置。
2. 圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器から冷凍サイクルが構成され、前記圧縮機の回転数を制御する制御装置を備えた冷却装置において、
   前記制御装置は、前記蒸発器の冷媒過熱度に基づいて当該蒸発器の冷媒過熱度が目標過熱度となるように前記膨張弁の開度を調整すると共に、前記圧縮機の回転数を上昇させる際、前記蒸発器の目標過熱度を小さくすることを特徴とする冷却装置。
3. 圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器から冷凍サイクルが構成され、前記圧縮機の回転数を制御する制御装置を備えた冷却装置において、
   前記制御装置は、前記蒸発器の入口側温度、又は、前記蒸発器の冷媒過熱度に基づいて前記膨張弁の開度を調整すると共に、前記圧縮機の回転数を降下させる際、前記膨張弁の開度を減少させることを特徴とする冷却装置。
4. 圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器から冷凍サイクルが構成され、前記圧縮機の回転数を制御する制御装置を備えた冷却装置において、
   前記制御装置は、前記蒸発器の冷媒過熱度に基づいて当該蒸発器の冷媒過熱度が目標過熱度となるように前記膨張弁の開度を調整すると共に、前記圧縮機の回転数を降下させる際、前記蒸発器の目標過熱度を大きくすることを特徴とする冷却装置。
5. 前記冷凍サイクルには、冷媒として二酸化炭素が封入されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の冷却装置。

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