JP2015215109A - 多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法 - Google Patents

多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】各冷凍装置の運転状態を安定に保持しつつ、効率的な運転を可能とする多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法を提供する。
【解決手段】それぞれ、圧縮機18,28,38と、凝縮器22と、絞り機構24,34,49と、蒸発器72とがこの順に接続されて、冷媒が循環する冷媒回路を構成し、複数の冷媒回路がカスケード接続された多元冷凍装置において、各冷媒回路における圧縮機にその容量を制御する容量制御回路40,48,58を設け、該容量制御回路により、最も高元側の冷媒回路または最も低元側の冷媒回路の負荷変動に応答して、負荷変動を生じた冷媒回路の圧縮機の容量制御を行う場合に、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量制御を併行して行うことを特徴とする、多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法。
【選択図】図1

Description

本発明は、多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法に関し、より詳細には、各冷凍装置の運転状態を安定に保持しつつ、効率的な運転を可能とする多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法に関する。
従来から、主に、多段圧縮式冷凍装置における低段側の押しのけ量の増大を解消しつつ、定常運転時での冷媒の凝縮圧力並びに圧縮機吐出圧力の上昇を防止することにより、耐圧強度の高い装置を不要とする観点から、多元冷凍装置が用いられている。
たとえば、二元冷凍装置は、圧縮機と、凝縮器と、電子膨張弁に代表される絞り機構と、中間熱交換器の蒸発部とが順に接続されて構成され、高元冷媒が循環する高元側冷媒回路と、圧縮機と、中間熱交換器の凝縮部と、絞り機構と、蒸発器とが順に接続されて構成され、低元冷媒が循環すると共に、中間熱交換器において高元冷媒と低元冷媒とが熱交換する少なくとも1つの低元側冷媒回路とを備える(特許文献1ないし特許文献3)。
このような二元冷凍装置において、高元側冷媒回路あるいは低元側冷媒回路において、負荷の変動が生じた場合、従来、高元側冷媒回路の圧縮機の容量制御、および低元側冷媒回路の圧縮機の容量制御を、それぞれ個別に行っていた。
より詳細には、いずれかの冷媒回路の外部負荷が変動した場合、それぞれの圧縮機において、圧縮機の冷媒吸込み圧力が低圧カット値より高いロードダウン値に達したら、たとえば、圧縮機の回転数を下げることにより圧縮機の容量を低減、すなわち冷媒吐出流量を減少させ、一方、圧縮機の冷媒吸込み圧力がロードダウン値より高いロードアップ値に達したら、圧縮機の容量を増大、すなわち冷媒吐出流量を増大させ、それにより、蒸発器における負荷の変動に応じて、圧縮機の圧縮比をなるべく小さく維持することにより、圧縮機の効率的な運転を行っていた。
しかしながら、各冷媒回路の圧縮機の容量制御を個別に行っていたことに起因して、以下のような技術的課題が引き起こされる。
第1に、各冷媒回路の運転状態の安定性が損なわれる点である。
より詳細には、たとえば、高元側冷媒回路の負荷変動が生じ、まず高元側冷媒回路の圧縮機の容量制御により、回転数を低減して、アンロードする際、中間熱交換器における熱バランスが変動することにより、低元側冷媒回路に影響が及び、この場合には、中間熱交換器における高元側冷媒回路の冷却熱量が低減することになるので、低元側冷媒回路の凝縮熱の放熱が不十分となり、冷媒圧力の上昇を引き起こす。
そこで、凝縮圧力の上昇を検知して独自の判断に基づき、低元側冷媒回路の圧縮機の容量制御により回転数を低減して、アンロードする必要があるが、先発で容量制御された高元側冷媒回路の冷凍サイクルに他方の低元側冷媒回路の容量が適切に追従するまでのタイムラグの時間間隔において、一時的に各冷凍サイクルの能力バランスが崩れ、互いに圧力比が大きく異なる状態が生じることがあり、遅延タイマー等による後発の容量制御のタイミングが遅い場合には、高圧カット保護による異常停止に至ることもある。
第2に、各冷媒回路の冷凍サイクルの効率性が低下する点である。
より詳細には、先発の容量制御に起因して後発の容量制御を行う場合には、第1の技術的問題点が生じ得るが、先発の容量制御によっても後発の容量制御に至らず、この場合には、圧力比が偏った冷凍サイクルの効率の悪い状態で後発の運転が継続される可能性がある。
さらに、先発の容量制御による後発の容量制御により、さらに先発の容量制御を引き起こす等、各冷媒回路の容量制御が連鎖的に継続し、運転状態の安定化に時間を要し、その分冷凍サイクルの効率性が低下することもある。
以上のような技術的問題点は、二元冷凍装置に限らず、単一の圧縮機を採用する単元冷凍装置でない多元冷凍装置に共通の課題である。
特開平7−12439号 特開2001−241789号 特開2009−133539号
以上の技術的問題点に鑑み、本発明の目的は、各冷凍装置の運転状態を安定に保持しつつ、効率的な運転を可能とする多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係る多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法は、
それぞれ、圧縮機と、凝縮器と、絞り機構と、蒸発器とがこの順に接続されて、冷媒が循環する冷媒回路を構成し、複数の冷媒回路がカスケード接続された多元冷凍装置において、各冷媒回路における圧縮機にその容量を制御する容量制御回路を設け、該容量制御回路により、最も高元側の冷媒回路または最も低元側の冷媒回路の負荷変動に応答して、負荷変動を生じた冷媒回路の圧縮機の容量制御を行う場合に、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量制御を併行して行うことを特徴とする、構成としている。
以上の構成を有する多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法によれば、各冷媒回路における圧縮機にその容量を制御する容量制御回路を設け、この容量制御回路により、最も高元側の冷媒回路または最も低元側の冷媒回路の負荷変動に応答して、負荷変動を生じた冷媒回路の圧縮機の容量制御を行う場合に、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量制御を併行して行うことにより、たとえば、負荷変動を生じた最も高元側の冷媒回路の圧縮機を先発でアンロードの容量制御したうえで、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量制御を順次行うとすれば、先発で容量制御された高元側冷媒回路の冷凍サイクルに他方の低元側冷媒回路の容量が適切に追従するまでのタイムラグの時間間隔において、一時的に各冷凍サイクルの能力バランスが崩れ、互いに圧力比が大きく異なる状態が生じることがあり、特に遅延タイマー等による後発の容量制御のタイミングが遅い場合には、高圧カット保護による異常停止を引き起こすことがあり、あるいは、異常停止に至らないとしても、各冷媒回路の容量制御が連鎖的に継続し、運転状態の安定化に時間を要することとなるところ、本発明によれば、このような冷凍サイクルの効率性が低下することもなく、各冷凍装置の運転状態を安定に保持しつつ、効率的な運転が可能となる。
なお、負荷変動を生じた冷媒回路の圧縮機の容量制御に対して、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量制御を併行して行うとは、負荷変動を生じた冷媒回路の圧縮機の容量制御に対して、他のすべての冷媒回路においてそれぞれ、圧縮機の容量制御を互いに独立に個別に判断したうえで、順次に行う場合を除くものの、負荷変動を生じた冷媒回路の圧縮機の容量制御と他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量制御とを同時に行う必要はなく、たとえば、最も高元側の冷媒回路に負荷変動が発生した場合において、最も高元側の冷媒回路の圧縮機の容量制御を先発して行うときに、他のいずれかの冷媒回路の冷凍サイクルの能力バランスが崩れたり、運転状態の不安定化を生じる前に、他のすべての冷媒回路においてそれぞれ、圧縮機の容量制御を互いに独立に個別に判断することなく、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量制御を行うことを意味する。
また、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量制御は、先発の冷媒回路の圧縮機の容量制御における容量の変化割合と同じ変化割合で行うのがよい。
さらに、前記圧縮機の容量制御は、インバータの周波数により、圧縮機の回転数を制御することにより、圧縮機からの冷媒吐出流量を制御するのがよい。
さらにまた、前記複数の冷媒回路において、異なる冷媒が用いられる場合において、
前記制御回路は、圧縮機の冷媒吐出圧力と冷媒吸入圧力との比からなる圧力比を演算し、複数の冷媒回路の圧力比同士の比率が、冷媒の物性値の違いに応じた所定値に維持されるように圧縮機の回転数制御を行うのがよい。
加えて、前記多元冷凍装置の少なくとも冷凍装置の負荷運転中に、最も高元側の冷媒回路の圧縮機からの冷媒吐出圧力を監視しながら、その冷媒吐出圧力が、高圧カット値より低い第1閾値より高く、かつ高圧カット値より低い場合には、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量を低減させ、その冷媒吐出圧力が第1閾値より小さい第2閾値より低い場合には、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量を増大させ、その冷媒吐出圧力が第2閾値と第1閾値との間の場合には、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量を維持するのでもよい。
また、前記第1閾値および/または前記第2閾値は、最も高元側の冷媒回路の凝縮器における外部負荷変動幅および/または外部負荷変動に対して、前記多元冷凍装置に要求される負荷追従性により決定するのでもよい。
さらに、前記多元冷凍装置の少なくとも冷凍装置の負荷運転中に、最も低元側の冷媒回路の圧縮機の冷媒吸込圧力を監視しながら、その冷媒吸込圧力が低圧カット値より高い第3閾値より低く、かつ低圧カット値より高い場合には、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量を低減させ、冷媒吸込圧力が第3閾値より大きい第4閾値より高い場合には、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量を増大させ、冷媒吸込圧力が第3閾値と第4閾値との間の場合には、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量を維持するのでもよい。
さらに、最も高元側の冷媒回路の凝縮器への外部熱媒流入温度が第5閾値より高い場合には、他のすべての圧縮機の容量を低減させ、凝縮器への外部熱媒流入温度が第5閾値より低い第6閾値より低い場合には、他のすべての圧縮機の容量を増大させ、凝縮器への外部熱媒流入温度が第5閾値と第6閾値との間の場合には、他のすべての圧縮機の容量を維持するのでもよい。
加えて、前記圧縮機の容量の低減段階は、冷媒吐出圧力が第1閾値より高い場合、冷媒吸込圧力が第3閾値より低い場合、および凝縮器への外部熱媒流入温度が第5閾値より高い場合の少なくともいずれかを満たすことを条件に実行され、
前記圧縮機の容量の増大段階は、冷媒吐出圧力が第2閾値より低い場合、冷媒吸込み圧力が第4閾値より高い場合、および凝縮器への外部熱媒流入温度が第6閾値より低い場合のすべてを満たすことを条件に実行されるのでもよい。
また、前記圧縮機の容量の低減段階の実行後、第1所定時間経過するまで、圧縮機の容量制御を保留し、第1所定時間後に圧縮機の容量制御を再開する段階を有し、前記圧縮機の容量の増大段階の実行後、第2所定時間経過するまで、圧縮機の容量制御を保留し、第2所定時間後に圧縮機の容量制御を再開する段階を有し、前記第1所定時間は、高元冷媒吐出圧力が第1閾値より高い場合、低元冷媒吸込圧力が第3閾値より低い場合、および凝縮器への外部熱媒流入温度が第5閾値より高い場合それぞれに対して、個別に設定可能であり、前記第2所定時間は、高元冷媒吐出圧力が第2閾値より低い場合、低元冷媒吸込み圧力が第4閾値より高い場合、および凝縮器への外部熱媒流入温度が第6閾値より低い場合それぞれに対して、個別に設定可能であるのがよい。
さらにまた、凝縮器への外部熱媒流入温度が第5閾値より高い場合について、冷媒吐出圧力が第1閾値より高い場合、および冷媒吸込圧力が第3閾値より低い場合それぞれに対してよりも長くなるように、前記第1所定時間を設定するのがよい。
加えて、前記多元冷凍装置を温水製造用ヒートポンプとして利用する場合において、最も高元側の冷媒回路の凝縮器への給水入口温度を監視しながら、給水入口温度の変動に応答して、最も高元側の冷媒回路の圧縮機の容量制御を行う場合に、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量制御を併行して行うのでもよい。
さらに、前記多元冷凍装置を冷水製造用チラーとして利用する場合において、最も低元側の冷媒回路の蒸発器への給水入口温度を監視しながら、給水入口温度の変動に応答して、最も低元側の冷媒回路の圧縮機の容量制御を行う場合に、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量制御を併行して行うのでもよい。
本発明に係る三元冷凍装置10の実施形態を図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。
図1において、三元冷凍装置10は、高元側冷媒回路12と中元側冷媒回路11とが第1中間熱交換器16で接続されるとともに、中元側冷媒回路11と低元側冷媒回路14とが第2中間熱交換器71で接続されている。高元側冷媒、中元側冷媒および低元側冷媒それぞれについては、たとえば、フロン系として、R22およびR23、非フロン系として、アンモニア冷媒および二酸化炭素冷媒を用いてもよい。
高元側冷媒回路12、中元側冷媒回路11および低元側冷媒回路14は、冷媒回路としての構成は、同様であることから、以下では、高元側冷媒回路12について説明する。
高元側冷媒回路12は、概略的には、高元側圧縮機18の吐出側に一端が接続された高元側冷媒往管20の他端が、凝縮器22、膨張弁24を介して第1中間熱交換器16の1次側流路入口に接続され、1次側流路出口に一端が接続された高元側冷媒復管26の他端が、高元側圧縮機18の吸入側に接続され、冷媒回路を構成している。
第1中間熱交換器16は、乾式の蒸発器として構成され、第1中間熱交換器16の内部に高元側冷媒回路12と接続された熱交換管(図示せず)が配設され、胴側に中元側冷媒ガスが充満するようにする。これにより、高元側冷媒と管外の中元側冷媒ガスとが熱交換し、中元側冷媒が凝縮すると共に、第1中間熱交換器16の出口で高元側冷媒が乾きガスとなって高元側圧縮機18に吸引されるようにしてある。
高元側圧縮機18は、たとえば、容量制御式の往復圧縮機または回転あるいは遠心圧縮機が用いられる。特に、往復式圧縮機であれば、潤滑剤をクランク室等の低圧チャンバーに戻し、スクリュー圧縮機であれば、圧縮機ケーシングの低圧域又は中間圧域に戻すようにする。高元側冷媒回路12における高元側圧縮機18の駆動用モータ38には、インバータ装置40を設けて駆動用モータ38を回転数制御できるようにしてある。
高元側圧縮機18の下流側には油分離器42が設けられ、油分離器42で分離された潤滑剤は高元側圧縮機18に戻される。油分離器42の下流側には、順に凝縮器22及び受液器44が設けられ、受液器44の下流側には、運転の開始時又は停止時に高元側冷媒回路12の開閉を行なう電磁弁(図示せず)と、膨張弁24とが設けられている。凝縮器22は、蒸発式、水冷式又は空冷式でもよい。高元側圧縮機18の上流側の高元側冷媒復管26には、冷媒ガス温度を検出する温度センサ(図示せず)と冷媒ガス圧力を検出する圧力センサ(図示せず)が設けられ、高元側冷媒ガスは、高元側冷媒復管26を通って高元側圧縮機18に吸入される。高元側冷媒復管26には、吸入圧力調整弁(図示せず)が設けられ、ここで高元側冷媒ガスの圧縮機吸入圧が調整される。
高元側冷媒回路12において、高元側圧縮機18の上流側にアキュムレータ47が設けられ、ここで冷媒中の液滴が除去される。
第2中間熱交換器71も、第1中間熱交換器16と同様な構成であり、第2中間熱交換器71の内部に中元側冷媒回路11と接続された熱交換管(図示せず)が配設され、胴側に低元側冷媒ガスが充満するようにする。これにより、中元側冷媒と管外の低元側冷媒ガスとが熱交換し、低元側冷媒が凝縮すると共に、第2中間熱交換器71の出口で中元側冷媒が乾きガスとなって中元側圧縮機28に吸引されるようにしてある。
なお、特に低元側冷媒回路14において、低元側冷媒がかなりの低温である場合には、低元側冷媒に混入している潤滑剤の粘性が増大していることから、潤滑剤をアキュムレータ67の上流側冷媒流路に戻すと、潤滑剤がアキュムレータ67に付着して、アキュムレータ67に油が停留すると、圧縮機に油が戻らなくなり、潤滑不要による圧縮機の損傷を引き起こすおそれがあるので、高元側圧縮機18と同様に、油分離器を設けて、油分離器により分離された潤滑剤を低元側圧縮機38の低圧域又はアキュムレータ67と低元側圧縮機38間の冷媒流路に戻してもよい。
ここに、制御部52は、高元側圧縮機18のインバータ装置40と、中元側圧縮機28のインバータ装置50と、低元側圧縮機38のインバータ装置60とを制御するようにしており、能力運転中に、高元側圧縮機18に負荷変動が発生した場合、すなわち、凝縮器22の温水熱媒温度の変動が生じた際、高元側圧縮機18がロードアップ条件あるいはロードダウン条件(後に説明)を充足するときには、高元側圧縮機18のインバータ装置40に対して、ロードアップ制御信号あるいはロードダウン制御信号を送信するとともに、他のすべての冷媒回路、すなわち、中元側圧縮機28のインバータ装置50および低元側圧縮機38のインバータ装置60それぞれに対しても、ロードアップ制御信号あるいはロードダウン制御信号を送信し、高元側圧縮機18、中元側圧縮機28および低元側圧縮機38を併行して容量制御するようにしており、一方、能力運転中に、低元側圧縮機38に負荷変動が発生した場合、すなわち、蒸発器72の排温水熱媒温度の変動が生じた際、低元側圧縮機38がロードアップ条件あるいはロードダウン条件を充足するときには(後に説明)、低元側圧縮機38のインバータ装置60に対して、ロードアップ制御信号あるいはロードダウン制御信号を送信するとともに、他のすべての冷媒回路、すなわち、中元側圧縮機28のインバータ装置50および高元側圧縮機12のインバータ装置40それぞれに対しても、ロードアップ制御信号あるいはロードダウン制御信号を送信し、高元側圧縮機18、中元側圧縮機28および低元側圧縮機38を併行して容量制御するようにしている。
この場合、制御部52は、冷媒吐出圧力Poutが、高圧カット値PHより低い第1閾値(冷媒吐出圧力ロードダウン値P1)より高く、かつ高圧カット値よりも低い場合には、圧縮機の容量を低減させ、冷媒吐出圧力Poutが第1閾値より小さい第2閾値(冷媒吐出圧力ロードアップ値P3)より低い場合には、圧縮機の容量を増大させ、冷媒吐出圧力Poutが第2閾値と第1閾値との間の場合には、圧縮機の容量を維持するようにしている。
さらに、制御部52は、三元冷凍装置10の負荷運転中に、低元側冷媒回路14の圧縮機からの冷媒吸込圧力Pinを監視しながら、冷媒吸込圧力Pinが低圧カット値PLより高い第3閾値(冷媒吸込圧力ロードダウン値P2)より低く、かつ低圧カット値よりも高い場合には、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量を低減させ、冷媒吸込圧力Pinが第3閾値より大きい第4閾値(冷媒吸込圧力ロードアップ値P4)より高い場合には、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量を増大させ、冷媒吸込圧力Pinが第3閾値と第4閾値との間の場合には、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量を維持する。
さらに、制御部52は、高元側冷媒回路12の凝縮器22への外部熱媒流入温度が第5閾値(外部熱媒流入温度ロードダウン値T1)より高い場合には、他のすべての圧縮機の容量を低減させ、凝縮器22への外部熱媒流入温度が第6閾値(外部熱媒流入温度ロードアップ値T2)より低い場合には、他のすべての圧縮機の容量を増大させ、凝縮器22への外部熱媒流入温度が第5閾値と第6閾値との間の場合には、他のすべての圧縮機の容量を維持する。
具体的には、図2に示すように、インバータ装置40による高元側圧縮機18の回転数の調整により、圧縮機18のフル運転に対して、25%(ステップ1)、50%(ステップ2)、75%(ステップ3)、および100%(ステップ4)の4段階において運転可能とし、以下に説明するように、ロードダウンおよびロードアップの際、それぞれ、ロードダウン条件およびロードアップ条件を満たす場合には、現状の運転状況(たとえば、ステップ3)に対して、ロードダウンであれば、1ステップ低減してステップ2として、一方、ロードアップであれば、1ステップ増大してステップ4とするようにしてある。なお、中元側圧縮機28および低元側圧縮機38についても、同様である。
因みに、冷媒吐出圧力ロードダウン値P1、冷媒吸込み圧力ロードダウン値P2、冷媒吐出圧力ロードアップ値P3、冷媒吸込圧力ロードダウン値P4、外部熱媒流入温度ロードダウン値T1および外部熱媒流入温度ロードアップ値T2それぞれの設定については、三元冷凍装置10の運転前に予め設定しておく必要があるが、そのために、たとえば、三元冷凍装置10の試運転を行い、その運転結果に基づいて、これらの設定値を適宜設定するのでよい。
この場合、圧縮機18、28、38を保護するために、保護回路(図示せず)により、冷媒吐出圧力Poutが高圧カット値PH以上となった場合、あるいは冷媒吸込圧力Pinが低圧カット値PL以下となった場合には、圧縮機18、28、38を強制的に停止するようにしてあるが、冷媒吐出圧力ロードダウン値P4は、少なくとも高圧カット値PHより低く設定され、冷媒吸込圧力ロードダウン値P2は、少なくとも低圧カット値PLより高く設定される。
制御部52には、遅延タイマーおよび再開タイマー(いずれも図示せず)が接続され、制御部52による圧縮機の容量制御を実行するタイミングを設定しており、遅延タイマーにおいては、制御部52において、高元側圧縮機18または低元側圧縮機38をロードアップまたはロードダウンすべきと判定した後、所定時間経過後にロードアップまたはロードダウンを実行するように所定時間を設定し、一方、再開タイマーにおいては、制御部52において、すべての圧縮機18、28および38をロードアップまたはロードダウンを実行した後、所定時間経過後にロードアップまたはロードダウンをすべきかを再度判定するように所定時間を設定している。これは、冷凍装置の特性として、すべての圧縮機18、28および38の回転数を増減させた後、冷媒吐出圧力Poutあるいは冷媒吸込み圧力の変動として現われるのに、時間遅れが生じることを考慮してものである。
運転モードは、起動低負荷運転、準備運転、能力制御運転、および停止準備運転の4つに分かれ、高圧カットアウトあるいは低圧カットアウトについては、計装電源オンにより常時監視しているが、高元側、中元側および低元側それぞれの圧縮機の容量制御(回転数制御)は、負荷運転である能力制御運転でのみ行っている。
能力制御運転に至るまでの過度運転に相当する起動低負荷運転、準備運転については、高元側、中元側および低元側それぞれの圧縮機に対して所定回転数を設定したうえで、所定運転条件を充足しない限り、次の運転モードに移行しないようにしている。
より詳細には、起動低負荷ロードダウン運転から準備運転への移行は、タイマー(図示せず)による時間設定により、準備運転から能力制御運転への移行は、タイマーによる時間設定に加え、高元側、中元側および低元側それぞれの圧縮機の冷媒吸込み圧力が所定値以上に達することを条件としている。
以上の実施形態において、低元側の蒸発器72に負荷が接続される構成、すなわち冷却運転が行われる場合の他、高元側の凝縮器22に負荷が接続される加熱運転(例えば、暖房や蒸気発生装置として適用する場合など)に用いたり、これらを交互に切り換え可能な構成としたりしてもよい。
以下では、能力制御運転へ移行後における高元側、中元側および低元側それぞれの圧縮機の容量制御方法について、説明する。
高元側圧縮機18および低元側圧縮機38それぞれについて、能力制御運転中において、高元側冷媒吐出圧力Poutのみならず、低元側冷媒吸込圧力Pinおよび凝縮器22における外部熱媒の流入温度Tin(高元側冷媒回路12のみ)それぞれの変化に基づいて、ロードダウン条件、およびロードアップ条件を定めており、制御部52により、このようなロードダウン条件、およびロードアップ条件に基づいて、圧縮機18、28、および38それぞれの容量制御を併行して行うようにしている。
より詳細には、図3に示すように、ロードダウン条件については、高元側圧縮機18の冷媒吐出圧力Poutが冷媒吐出圧力ロードダウン値P1より高い場合(III)、低元側圧縮機38の冷媒吸込圧力Pinが冷媒吸込圧力ロードダウン値P2より低い場合(IV)、および凝縮器22への外部熱媒流入温度Tinが外部熱媒流入温度ロードダウン値T1より高い場合(VI)の少なくともいずれかを満たすことを条件に実行され、ロードアップ条件については、高元側圧縮機18の冷媒吐出圧力Poutが冷媒吐出圧力ロードアップ値P3より低い場合(I)、低元側圧縮機38の冷媒吸込み圧力Pinが冷媒吸込圧力ロードアップ値P4より高い場合(II)、および凝縮器22への外部熱媒流入温度Tinが外部熱媒流入温度ロードアップ値T2より低い場合(V)のすべてを満たすことを条件にしている。
ロードダウン条件について、条件(III)、(IV)および(VI)のいずれかが満たされる場合とする一方、ロードアップ条件について、条件(I)、(II)および(V)のすべてが満たされる場合とするのは、ロードダウン条件については、1つの条件でも満たしている状態で放置すると三元冷凍装置10への機械的負担が大きく、たとえば損傷を引き起こす可能性が高いためであり、一方、ロードアップ条件については、ロードダウン条件に比べて、比較的機械的負担が少なく、また容量制御のハンチングを抑制する観点からも全ての条件が満たされる必要があるからである。
これにより、外部熱媒の入口温度により検知できる凝縮器22における外部負荷変動をより早期に検知して容量制御に反映できる点や、蒸発器16における外部負荷の変動にも対応可能な点で、技術的に有利である。
さらに、図3に示すように、ロードダウン条件における再開タイマーの時間間隔について、凝縮器22への外部熱媒流入温度Tinが外部熱媒流入温度ロードダウン値T1より高い場合(VI)の再開タイマーの設定時間間隔について、冷媒吐出圧力Poutが冷媒吐出圧力ロードダウン値P1より高い場合(III)、および冷媒吸込圧力Pinが冷媒吸込圧力ロードダウン値P2より低い場合(IV)それぞれに対してよりも長くなるように、時間間隔を設定する。
ロードアップ条件について、条件(I)、(II)および(V)それぞれに対して、再開タイマTM3により同じ時間間隔を設定するのに対して、ロードダウン条件について、条件(III)、(IV)および(VI)それぞれに対して、異なる時間間隔を設定するのは、それぞれの反応速度や、機械的な負担、あるいは危険性が異なるためであり、特に、凝縮器22への外部熱媒流入温度Tinが外部熱媒流入温度ロードダウン値T1より高い場合(VI)の再開タイマーの設定時間間隔について、最も長い時間間隔を設定するのは、 外部熱媒の保有量にもよるが、通常は、前回の容量制御の結果が現在値には反映されるまので時間遅れが最も長いと想定されるためである。この場合、たとえば、条件(VI)の再開タイマーの設定時間間隔は、数分に対して、条件(III)および(IV)のそれは、それぞれ、数秒および数十秒である。
なお、再開タイマーおよび遅延タイマーそれぞれの時間間隔の設定について、ロードアップ条件(条件(I)、(II)および(V))の各々、ローダダウン条件(条件(III)、(IV)および(VI))の各々に対して、個別に設定すればよい。
以上のようなロードアップ条件およびロードダウン条件のもとで、図3に示すように、ステップ1およびステップ2それぞれにおいて、ロードアップ判定およびロードダウン判定を行う。
ロードアップ判定において、ロードアップ条件(条件(I)、(II)および(V))を満たす場合には、ステップ3に行き、満たさない場合には、現時点においてロードアップの必要なしとして、初期の圧力監視状態に戻る。
次いで、ステップ3において、ロード判定を行う。すなわち、現在のロードがどのステップ(容量%)にあるかを確認する。この場合、現在のロードがステップ4(最高ステップ)にある場合には、初期の圧力監視状態に戻る。
次いで、ステップ4において、遅延タイマーTM1をスタートして、時間間隔T1の経過後に、ロードを1ステップ上げるロードアップを、高元側圧縮機18、中元側圧縮機28および低元側圧縮機38のすべてについて、併行して行う。
次いで、ステップ5において、再開タイマーTM3をスタートして、時間間隔T2の経過後に、ステップ1または2に戻り、ロードアップ判定およびロードダウン判定を行う。
一方、ロードダウン判定において、高元側圧縮機18の冷媒吐出圧力Poutの測定値がロードダウン条件を満たす場合には、ステップ6に行き、高元側圧縮機18の冷媒吐出圧力Poutの測定値が満たさない場合には、現時点においてロードダウンの必要なしとして、初期の圧力監視状態に戻る。
次いで、ステップ6において、ロード判定を行う。すなわち、現在のロードがどのステップにあるかを確認する。この場合、現在のロードがステップ1(最低ステップ)にある場合には、高元側圧縮機18、中元側圧縮機28および低元側圧縮機38のすべての圧縮機を停止する。
次いで、ステップ7において、遅延タイマーTM2をスタートして、時間間隔T3の経過後に、ロードを1ステップ下げるロードダウンを高元側圧縮機18、中元側圧縮機28および低元側圧縮機38のすべてについて、併行して行う。
次いで、ステップ8Aにおいて、再開タイマーTM3をスタートして、時間間隔T4(図5参照)の経過後に、ステップ1または2に戻り、ロードアップ判定およびロードダウン判定を行う。
なお、ロードダウン条件は、ロードアップ条件とは異なり、3つの条件(条件(III)、(IV)および(VI))の少なくとも1つの充足であることから、たとえば、条件(III)に関連する再開タイマーTM3のカウント中にも、他の条件(IV)および(VI)の充足判定を継続して行っているところ、再開タイマーTM3のカウント終了前に条件(IV)または(VI)を充足した場合には、再度ロードダウンを行う。
この場合、ロードアップおよびロードダウン共通に、図4(D)に示すように、高元側冷媒回路12、中元側冷媒回路11および低元側冷媒回路14それぞれにおいて、圧縮機の容量制御を互いに独立に個別に判断したうえで、高元側圧縮機18、中元側圧縮機28および低元側圧縮機38を順次に容量制御しない限り、図4(A)に示すように、高元側圧縮機18、中元側圧縮機28および低元側圧縮機38を同時に容量制御してもよいし、図4(B)に示すように、高元側圧縮機18の容量制御後、所定時間内t1に中元側圧縮機28および低元側圧縮機38を同時に容量制御してもよいし、図4(C)に示すように、高元側圧縮機18の容量制御後、所定時間t1内に中元側圧縮機28を容量制御し、さらに所定時間t2内に低元側圧縮機38を容量制御してもよい。この場合、所定時間t1およびt2は、高元側の冷媒回路の圧縮機18の容量制御を先発して行うときに、他のいずれかの冷媒回路の冷凍サイクルの能力バランスが崩れたり、運転状態の不安定化を生じる前に、他のすべての冷媒回路の圧縮機28、38の容量制御を行うように定めればよい。
なお、図4において、時間間隔Tは、高元側冷媒回路12、中元側冷媒回路11および低元側冷媒回路14それぞれにおいて、圧縮機の容量制御を開始して、冷媒圧力が安定するまでの時間間隔を意味するものである。
以上のように、能力制御運転開始後、常時、冷媒の吐出圧力、吸込圧力および外部熱媒流入温度を監視したうえで、ロードアップ判定を満たす場合には、ロードを1ステップ上げ、ロードダウン判定を満たす場合には、ロードを1ステップ下げ、ロードアップ判定およびロードダウン判定いずれも満たさない場合には、ロードを維持し、以て、三元冷凍装置10をヒートポンプとして利用する場合に、凝縮器22または蒸発器16における外部負荷変動に応じて、圧縮機18の効率的な運転が可能となる。
図5は、このようなロードダウン条件およびロードアップ条件に基づいて、能力制御運転中において、すべての圧縮機(高元側圧縮機18、中元側圧縮機28および低元側圧縮機38)の容量制御を併行して行っている場合の、高元側圧縮機18の冷媒吐出圧力Pout、低元側圧縮機38の冷媒吸込み圧力および凝縮器22の外部熱媒の流入温度Tinそれぞれの時間変化を示すグラフである。
図5に示すように、能力制御運転中において、高元側圧縮機18の容量制御を行うことにより、高元側圧縮機18の冷媒吐出圧力Poutが冷媒吐出圧力ロードアップ値P3より低い場合(I)、低元側圧縮機38の冷媒吸込み圧力が冷媒吸込圧力ロードアップ値P4より高い場合(II)、および凝縮器22への外部熱媒流入温度Tinが外部熱媒流入温度ロードアップ値T2より低い場合(V)のすべてを満たすことにより、遅延タイマーTM1による時間間隔T1経過後、容量を1ステップ増大し、再開タイマーTM3の時間間隔T2経過後、ロードアップ判定およびロードダウン判定を行い、再度ロードアップ判定(ロードアップ2)がなされ、さらに容量を1ステップ増大し、同じような判定を繰り返すことにより(ロードアップ3)、容量保持に至っている。
次いで、高元側圧縮機18の冷媒吐出圧力Poutが冷媒吐出圧力ロードダウン値P1より高い場合(III)を充足するに至り、低元側圧縮機38の冷媒吸込圧力Pinが冷媒吸込圧力ロードダウン値P2より低い場合(IV)、および凝縮器22への外部熱媒流入温度Tinが外部熱媒流入温度ロードダウン値T1より高い場合(VI)の如何を問わず、遅延タイマーTM2による時間間隔T3経過後、容量を1ステップ低減し、ロードアップの場合と同様に、このような判定を繰り返すこと(ロードダウン2および3)により、容量保持に至っている。
変形例として、ロードダウン条件およびロードアップ条件に基づいて、ロードダウンあるいはロードアップする場合、高元側圧縮機18の冷媒吐出圧力Pout、低元側圧縮機38の冷媒吸込圧力Pinおよび外部熱媒流入温度Tinの測定値のロードダウン条件およびロードアップ条件に対する偏差を算出して、この偏差に応じて、どのぐらいロードダウンあるいはロードアップするかを決定してもよい。
より詳細には、本実施形態においては、ロードダウン条件およびロードアップ条件を満たしさえすれば、測定値との偏差に係わらず、すべての圧縮機(高元側圧縮機18、中元側圧縮機28および低元側圧縮機38)の容量を一律に1ステップ増減させていたが、たとえば、ロードアップの際、偏差が大きい場合には、それだけロードアップの緊急性および必要性があることから、1ステップでなく数ステップ増大させ、逆に偏差が小さい場合には、ロードアップの緊急性および必要性が小さいことから、通常どおり、1ステップ増大させてもよい。この場合、偏差の判定は、遅延タイマーによる時間設定後に判定するのがよい。
さらに、負荷変動を生じた冷媒回路の圧縮機(高元側圧縮機18または低元側圧縮機38)の容量制御に対して、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量制御を併行して行うとしても、ロードダウンあるいはロードアップする場合のステップの増減幅は、高元側圧縮機18、中元側圧縮機28および低元側圧縮機38の間で異なっていてもよい。この場合、高元側冷媒回路12、中元側冷媒回路11、および低元側冷媒回路14それぞれの冷媒の種類、圧縮機の種類等を考慮して、各冷媒回路におけるステップの増減幅を決めるのでもよい。
さらに、高元冷媒回路12、中元冷媒回路11および低元冷媒回路14において、異なる冷媒が用いられる場合において、制御部52は、圧縮機の冷媒吐出圧力と冷媒吸入圧力との比からなる圧力比を演算し、複数の冷媒回路の圧力比同士の比率が、冷媒の物性値の違いに応じた所定値に維持されるように圧縮機の回転数制御を行ってもよい。
加えて、第1閾値および/または第2閾値は、高元冷媒回路12の凝縮器22または低元側冷媒回路14の蒸発器72における外部負荷変動幅および/または外部負荷変動に対して、三元冷凍装置10に要求される負荷追従性により決定しもよい。
以上の構成を有する三元冷凍装置10の圧縮機の容量制御方法によれば、各冷媒回路における圧縮機にその容量を制御する容量制御回路を設け、この容量制御回路により、最も高元側の冷媒回路12または最も低元側の冷媒回路14の負荷変動に応答して、負荷変動を生じた冷媒回路の圧縮機の容量制御を行う場合に、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量制御を併行して行うことにより、たとえば、負荷変動を生じた最も高元側の冷媒回路12の圧縮機を先発で容量制御したうえで、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量制御を順次行うとすれば、先発でアンロードの容量制御された高元側冷媒回路の冷凍サイクルに他方の低元側冷媒回路の容量が適切に追従するまでのタイムラグの時間間隔において、一時的に各冷凍サイクルの能力バランスが崩れ、互いに圧力比が大きく異なる状態が生じることがあり、特に遅延タイマー等による後発の容量制御のタイミングが遅い場合には、高圧カット保護による異常停止を引き起こすことがあり、あるいは、異常停止に至らないとしても、各冷媒回路の容量制御が連鎖的に継続し、運転状態の安定化に時間を要することとなるところ、本発明によれば、このような冷凍サイクルの効率性が低下することもなく、各冷凍装置の運転状態を安定に保持しつつ、効率的な運転が可能となる。
以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の範囲から逸脱しない範囲内において、当業者であれば、種々の修正あるいは変更が可能である。
たとえば、本実施形態においては、三元冷凍装置として説明したが、それに限定されることなく、二元、または四元以上の多元冷凍装置に対しても適用可能である。
たとえば、本実施形態においては、圧縮機の容量制御について、ロードアップおよびロードダウンの際、それぞれの条件を満たす場合、容量を1ステップ増減しているところ、ステップによる刻み幅(%)を25%と固定のものとして説明したが、それに限定されることなく、たとえば、凝縮器22における負荷は低下は速いが上昇は遅い等負荷側の特性がある場合に、それに応じて、ステップ間で刻み幅を可変とするのでもよい。
たとえば、本実施形態においては、ロードアップおよびロードダウンいずれの場合も、ロード(容量)の変更は、予め容量を段階的に複数のステップに定めたうえで、1ステップ増減させる場合を説明したが、それに限定されることなく、ロードアップおよびロードダウンそれぞれの判定の場面における条件充足の程度に応じて、一度に複数ステップの増減をしてもよいし、あるいは段階的でなく、連続的に増減させてもよい。
本発明の実施形態に係る三元冷凍装置の全体構成図である。 本発明の実施形態に係る三元冷凍装置の圧縮機の容量制御のステップを示す図である。 本発明の実施形態に係る三元冷凍装置の圧縮機の容量制御のフロ―を示す図である。 本発明の実施形態に係る三元冷凍装置の圧縮機の容量制御において、高元側圧縮機、中元側圧縮機および低元側圧縮機それぞれの容量制御の制御タイミングを示す模式図である。 本発明の実施形態に係る冷凍装置の圧縮機の容量制御において、高元側圧縮機18の冷媒吐出圧力Pout、低元側圧縮機38の冷媒吸込圧力Pinおよび凝縮器の外部熱媒の流入温度Tinそれぞれの時間変化を示すグラフである。
PH 高圧カットアウト値
PL 低圧カットアウト値
P1 冷媒吐出圧力ロードダウン値
P2 冷媒吸込圧力ロードダウン値
P3 冷媒吐出圧力ロードアップ値
P4 冷媒吸込圧力ロードアップ値
T1 外部熱媒流入温度ロードダウン値
T2 外部熱媒流入温度ロードアップ値
10 三元冷凍装置
11 中元側冷媒回路
12 高元側冷媒回路
14 低元側冷媒回路
16 第1中間熱交換器
18 高元側圧縮機
20 高元側冷媒往管
22 凝縮器
24 膨張弁
26 高元側冷媒復管
28 中元側圧縮機
30 中元側冷媒往管
34 膨張弁
38 中元側圧縮機
39 駆動用モータ
40 インバータ装置
41 低元側冷媒往管
42 油分離器
44 受液器
47 アキュムレータ
48 駆動用モータ
49 膨張弁
50 インバータ装置
52 制御部
54 受液器
57 アキュムレータ
58 駆動用モータ
60 インバータ装置
64 受液器
67 アキュムレータ
71 第2中間熱交換器
72 蒸発器
73 中元側冷媒復管
74 低元側冷媒復管

Claims (13)

  1. それぞれ、圧縮機と、凝縮器と、絞り機構と、蒸発器とがこの順に接続されて、冷媒が循環する冷媒回路を構成し、複数の冷媒回路がカスケード接続された多元冷凍装置において、各冷媒回路における圧縮機にその容量を制御する容量制御回路を設け、該容量制御回路により、最も高元側の冷媒回路または最も低元側の冷媒回路の負荷変動に応答して、負荷変動を生じた冷媒回路の圧縮機の容量制御を行う場合に、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量制御を併行して行うことを特徴とする、多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法。
  2. 他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量制御は、先発の冷媒回路の圧縮機の容量制御における容量の変化割合と同じ変化割合で行う、請求項1に記載の多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法。
  3. 前記圧縮機の容量制御は、インバータの周波数により、圧縮機の回転数を制御することにより、圧縮機からの冷媒吐出流量を制御する、請求項2に記載の多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法。
  4. 前記複数の冷媒回路において、異なる冷媒が用いられる場合において、
    前記制御回路は、圧縮機の冷媒吐出圧力と冷媒吸入圧力との比からなる圧力比を演算し、複数の冷媒回路の圧力比同士の比率が、冷媒の物性値の違いに応じた所定値に維持されるように圧縮機の回転数制御を行う、請求項3に記載の多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法。
  5. 前記多元冷凍装置の少なくとも冷凍装置の負荷運転中に、最も高元側の冷媒回路または最も低元側の冷媒回路の圧縮機からの冷媒吐出圧力を監視しながら、その冷媒吐出圧力が、高圧カット値より低い第1閾値より高く、かつ高圧カット値より低い場合には、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量を低減させ、その冷媒吐出圧力が第1閾値より小さい第2閾値より低い場合には、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量を増大させ、その冷媒吐出圧力が第2閾値と第1閾値との間の場合には、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量を維持すること、を特徴とする、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法。
  6. 前記第1閾値および/または前記第2閾値は、最も高元側の冷媒回路の凝縮器における外部負荷変動幅および/または外部負荷変動に対して、前記多元冷凍装置に要求される負荷追従性により決定する、請求項5に記載の多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法。
  7. さらに、前記多元冷凍装置の少なくとも冷凍装置の負荷運転中に、最も低元側の冷媒回路の圧縮機の冷媒吸込圧力を監視しながら、その冷媒吸込圧力が低圧カット値より高い第3閾値より低く、かつ低圧カット値より高い場合には、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量を低減させ、冷媒吸込圧力が第3閾値より大きい第4閾値より高い場合には、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量を増大させ、冷媒吸込圧力が第3閾値と第4閾値との間の場合には、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量を維持する、請求項5に記載の多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法。
  8. さらに、最も高元側の冷媒回路の凝縮器への外部熱媒流入温度が第5閾値より高い場合には、他のすべての圧縮機の容量を低減させ、凝縮器への外部熱媒流入温度が、第5閾値より低い第6閾値より低い場合には、他のすべての圧縮機の容量を増大させ、凝縮器への外部熱媒流入温度が第5閾値と第6閾値との間の場合には、他のすべての圧縮機の容量を維持する、請求項7に記載の多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法。
  9. 前記圧縮機の容量の低減段階は、高元冷媒吐出圧力が第1閾値より高い場合、低元冷媒吸込圧力が第3閾値より低い場合、および凝縮器への外部熱媒流入温度が第5閾値より高い場合の少なくともいずれかを満たすことを条件に実行され、
    前記圧縮機の容量の増大段階は、高元冷媒吐出圧力が第2閾値より低い場合、低元冷媒吸込み圧力が第4閾値より高い場合、および凝縮器への外部熱媒流入温度が第6閾値より低い場合のすべてを満たすことを条件に実行される、請求項8に記載の多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法。
  10. 前記圧縮機の容量の低減段階の実行後、第1所定時間経過するまで、圧縮機の容量制御を保留し、第1所定時間後に圧縮機の容量制御を再開する段階を有し、前記圧縮機の容量の増大段階の実行後、第2所定時間経過するまで、圧縮機の容量制御を保留し、第2所定時間後に圧縮機の容量制御を再開する段階を有し、前記第1所定時間は、高元冷媒吐出圧力が第1閾値より高い場合、低元冷媒吸込圧力が第3閾値より低い場合、および凝縮器への外部熱媒流入温度が第5閾値より高い場合それぞれに対して、個別に設定可能であり、前記第2所定時間は、高元冷媒吐出圧力が第2閾値より低い場合、低元冷媒吸込み圧力が第4閾値より高い場合、および凝縮器への外部熱媒流入温度が第6閾値より低い場合それぞれに対して、個別に設定可能である、請求項9に記載の多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法。
  11. 凝縮器への外部熱媒流入温度が第5閾値より高い場合について、冷媒吐出圧力が第1閾値より高い場合、および冷媒吸込圧力が第3閾値より低い場合それぞれに対してよりも長くなるように、前記第1所定時間を設定する、請求項10に記載の多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法。
  12. 前記多元冷凍装置を温水製造用ヒートポンプとして利用する場合において、最も高元側の冷媒回路の凝縮器への給水入口温度を監視しながら、給水入口温度の変動に応答して、最も高元側の冷媒回路の圧縮機の容量制御を行う場合に、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量制御を併行して行うことを特徴とする、請求項1に記載の多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法。
  13. 前記多元冷凍装置を冷水製造用チラーとして利用する場合において、最も低元側の冷媒回路の蒸発器への給水入口温度を監視しながら、給水入口温度の変動に応答して、最も低元側の冷媒回路の圧縮機の容量制御を行う場合に、他のすべての冷媒回路の圧縮機の容量制御を併行して行うことを特徴とする、請求項1に記載の多元冷凍装置の圧縮機の容量制御方法。
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