JP2018112368A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸入ガス過熱度の低下等により吐出ガス過熱度が低下した場合、冷凍機側で吐出ガス過熱度の低下状態を回避可能な冷凍装置を提供する。【解決手段】冷凍装置５００は、冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１から吐出された冷媒を凝縮する凝縮器２と、凝縮器２との間で熱交換を行う風を発生するファン５と、ファン５を回転させるファンモータ７と、圧縮機１から吐出された冷媒の温度を検知する温度センサ１０と、圧縮機１から吐出された冷媒の圧力を検知する圧力センサ２０と、温度センサ１０により検知された温度と、圧力センサ２０により検知された圧力とに基づき冷媒の過熱度を算出し、過熱度が規定値よりも小さい状態が第１の所定時間継続した場合、ファンモータ７の回転数を低下させて、圧縮機１から吐出される冷媒の圧力を増加させる制御装置４０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機の吐出ガス過熱度の低下状態を抑制する冷凍装置に関する。

従来の冷凍装置としては、例えば、特許文献１に記載されているように、スクロール圧縮機を搭載した冷凍装置において、圧縮機の中間圧力部に液冷媒の一部を導入し、圧縮機の吐出ガス温度を制御するものが知られている。

特開２００２−１３０８５０号公報

圧縮機から吐出される冷媒は高温・高圧のガスである。吐出ガス過熱度である吐出ガス温度と吐出ガス圧力の飽和ガス温度との差分が低下すると、油の粘度が低下し、圧縮機の軸受けが損傷する恐れがある。

吐出ガス過熱度の低下は、主に圧縮機に吸入される冷媒の過熱度（吸入ガス過熱度）が低下した場合に起こり、この場合は蒸発器の一次側の膨張弁を絞り、吸入ガス過熱度を増加させることが一般的な対策である。しかし、冷凍機の多くは、圧縮機から凝縮器までのサイクル構成であるため、冷凍機側では蒸発器の一次側の膨張弁を制御できない。よって、吸入ガス過熱度の低下により、吐出ガス過熱度が低下した場合、冷凍機側で保護を実施する必要がある。

そこで、本発明の目的は、吸入ガス過熱度の低下等により吐出ガス過熱度が低下した場合、冷凍機側で吐出ガス過熱度の低下状態を回避可能な冷凍装置を提供することである。

上記課題を解決するために本発明の一形態に係る冷凍装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器との間で熱交換を行う風を発生するファンと、前記ファンを回転させるファンモータと、前記圧縮機から吐出された冷媒の温度を検知する温度センサと、前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力を検知する圧力センサと、前記温度センサにより検知された温度と、前記圧力センサにより検知された圧力とに基づき冷媒の過熱度を算出し、前記過熱度が規定値よりも小さい状態が第１の所定時間継続した場合、前記ファンモータの回転数を低下させて、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を増加させる制御装置と、を備える。

本発明によれば、吸入ガス過熱度の低下等により吐出ガス過熱度が低下した場合、冷凍機側で吐出ガス過熱度の低下状態を回避可能な冷凍装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る冷凍装置の冷凍サイクル系統図を示す。 任意の冷媒におけるｐ−ｈ線図の一例を示す。 吐出ガス過熱度の増減処理のフローチャートを示す。

以下、本発明の実施形態に係る冷凍装置について図面を用いて説明する。

まず、冷凍装置５００の構成について図１を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る冷凍装置５００の冷凍サイクル系統図を示している。なお、本実施形態では、本発明の冷凍装置５００を冷蔵庫に利用した例を説明するが、冷凍庫やエアコンなどにも適用してもよい。

図１に示すように、冷凍装置５００は、冷凍機である機器１００と、負荷である機器２００とを備え、機器１００および機器２００は、液冷媒配管３００およびガス冷媒配管４００により互いに接続されている。

機器１００は、圧縮機１と、凝縮器２と、ファン５と、電子膨張弁６と、ファンモータ７と、温度センサ１０と、圧力センサ２０と、外気温度センサ３０と、制御装置４０とを備える。

圧縮機１は、スクロール圧縮機であり、冷媒を吸引して圧縮する。凝縮器２は、圧縮機１から吐出されるガス冷媒を凝縮して液化する。ファン５は、ファンモータ７により回転され、送風により凝縮器２の凝縮能力を調整する。温度センサ１０は、圧縮機１から吐出される冷媒の温度を検出する。圧力センサ２０は、圧縮機１から吐出される冷媒の圧力を検出する。外気温度センサ３０は、外気温度を検出する。制御装置４０は、圧力センサ２０の検出値から飽和ガス温度を算出し、温度センサ１０の検出値との差分により吐出ガス過熱度を算出する。また、制御装置４０は、温度センサ１０、圧力センサ２０、および外気温度センサ３０から出力される各検出値に応じ、ファンモータ７に指令を出力する。

機器１００には、圧縮機１の温度調節用の回路が設けられており、当該回路は、凝縮器２の下流側の配管から分岐し、圧縮機１の中間圧部に接続され、電子膨張弁６により中間圧部へ供給される冷媒量が調整されるように構成されている。なお、圧縮機１の吸入側に冷媒を返却する回路でもよく、電子膨張弁６でなくキャピラリなどの細径配管により流量を調整してもよい。また、電子膨張弁６の一次側には、ストレーナを設け電子膨張弁６の詰まりを防止してもよいし、阻止弁を設けることで本回路の交換性を向上させてもよい。

膨張弁３は、凝縮器２により液化された冷媒を減圧する減圧手段である。蒸発器４は、膨張弁３により減圧された冷媒を蒸発させる。

次に、冷凍サイクルを形成する冷凍装置の基本動作について説明する。

圧縮機１に吸引された冷媒は圧縮され、圧縮されたガス冷媒は、凝縮器２で、ファン５により送風される大気と熱交換することにより凝縮される。凝縮した液冷媒は、液冷媒配管３００を介して膨張弁３に導かれて減圧される。減圧された冷媒は、蒸発器４で２次冷媒(例えば空気)により蒸発される。蒸発した冷媒は圧縮機１に戻され、また蒸発器４で冷媒により冷却された２次冷媒は、冷蔵庫内に供給される。

制御装置４０は、圧縮機１の吐出ガス圧力が目標吐出ガス圧力となるようにファンモータ７の回転数制御し、圧縮機１の吐出ガス温度が目標吐出ガス温度となるように電子膨張弁６の開度を制御する。

次に、吸入ガス過熱度の低下等により吐出ガス過熱度が低下した場合に、目標吐出ガス圧力を増加し、吐出ガス過熱度を増加する方法について、図２を用いて説明する。

図２は、任意の冷媒におけるｐ−ｈ線図の一例を示している。

図２において、吸入ガス過熱度が低下していない場合の基本となるｐ−ｈ線図を実線Ｌ１で示している。このときの吐出ガス過熱度をＴｄＳＨ１、目標吐出ガス圧力をＰｄｓｅｔ１とする。Ｐｄｓｅｔ１は、圧縮機１の消費電力とファンモータ７の消費電力の総和を考慮し、冷凍サイクルとして最も消費電力が小さくなるように決定されている。

図２において、目標吐出ガス圧力はＰｄｓｅｔ１のまま、吸入ガス過熱度が低下し、吐出ガス過熱度が規定値以下となった場合のｐ−ｈ線図を点線Ｌ２で示している。このときの吐出ガス過熱度をＴｄＳＨ２とする。図２に示すように、吐出ガス過熱度は、ＴｄＳＨ１からＴｄＳＨ２に減少し、吐出ガス過熱度の規定値以下となる場合がある。このまま運転を継続すると、圧縮機１の軸受けが損傷する等の不具合を生じる恐れがある。

そこで、本実施形態では、吐出ガス過熱度を規定値より大きくするために、目標吐出ガス圧力を増加して、吐出ガス過熱度を増加させる。図２において、吸入ガス過熱度が低下した状態で、目標吐出ガス圧力を増加し、吐出ガス過熱度が規定値以上を確保した状態のｐ−ｈ線図を一点鎖線Ｌ３で示す。このときの吐出ガス過熱度をＴｄＳＨ３、目標吐出ガス圧力をＰｄｓｅｔ２とする。これにより図２に示すように、目標吐出ガス圧力をＰｄｓｅｔ１からＰｄｓｅｔ２に増加することで、吐出ガス過熱度はＴｄＳＨ２からＴｄＳＨ３に増加し、規定値を確保できるようになる。具体的には、ファン５の回転数を低下させて、吐出ガス過熱度をＴｄＳＨ２からＴｄＳＨ３に増加させる。

また、上記では吸入ガス過熱度が低下し、吐出ガス過熱度が低下する場合を示したが、吐出ガス過熱度が低下する他の要因として、圧縮機１の温度調整手段に不具合が生じ、圧縮機１の温度を低下させすぎる場合が考えられる。具体的には、圧縮機１の温度調整手段に電子膨張弁６を使用した本回路例では、電子膨張弁６が高開度状態で凍結ロックした場合などが該当する。この場合も、本実施形態が機能することで、吐出ガス過熱度不足による圧縮機故障を防止できる可能性があるので、圧縮機１の温度調整手段の不具合に対する製品の信頼性を向上することができる。

次に、本実施形態の冷凍装置５００の制御装置４０により実行される吐出ガス過熱度の増減処理について、図３を参照して説明する。なお、図３に示す制御プログラムは、制御装置４０に実装されている。

図３は、吐出ガス過熱度の増減処理のフローチャートを示している。

制御装置４０は、圧力センサ２０の検出値と温度センサ１０の検出値とに基づき吐出ガス過熱度（ＴｄＳＨ）を算出し、その吐出ガス過熱度(ＴｄＳＨ)が、吐出ガス過熱度の規定値(ＴｄＳＨｏｋ)以下に低下した状態が第１の所定時間(ｔ１)継続したか否かを判定する（Ｓ１）。吐出ガス過熱度(ＴｄＳＨ)が、吐出ガス過熱度の規定値(ＴｄＳＨｏｋ)以下の状態が第１の所定時間(ｔ１)継続した場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、制御装置４０は、現在の目標吐出ガス圧力(Ｐｄｓｅｔ)が、目標吐出ガス圧力の上限値(Ｐｄｓｅｔｍａｘ)以上となっているかを判定する（Ｓ２）。

目標吐出ガス圧力が目標吐出ガス圧力の上限値以上でない(Ｐｄｓｅｔ＜Ｐｄｓｅｔｍａｘ)場合（Ｓ２：ＮＯ）、制御装置４０は、目標吐出ガス圧力を設定値(α)だけ増加した（Ｓ３）後、ｔ１秒の計測タイマーをクリアし（Ｓ４）、初めに戻る。以降、吐出ガス過熱度が規定値以上となる、または目標吐出ガス圧力が目標吐出ガス圧力の上限値(Ｐｄｓｅｔｍａｘ)となるまで、これらの処理を繰り返す。なお、目標吐出ガス圧力の増加は、ファン５の回転数を下げることにより行われる。また、設定値（α）は、固定値に限られず、吐出ガス過熱度（ＴｄＳＨ）と規定値（ＴｄＳＨｏｋ）との差分に基づき設定してもよい。

吐出ガス過熱度(ＴｄＳＨ)が、吐出ガス過熱度の規定値(ＴｄＳＨｏｋ)以下の状態が第１の所定時間(ｔ１)継続していない場合（Ｓ１：ＮＯ）、制御装置４０は、吐出ガス過熱度(ＴｄＳＨ)が、吐出ガス過熱度の規定値(ＴｄＨｏｋ)に余裕値（ΔＴｄＳＨ）を加えた合計値以上である状態が第２の所定時間（ｔ２）継続したか否かを判定する（Ｓ５）。この余裕値（ΔＴｄＳＨ）は、吐出ガス過熱度を低下させてもよいか否かを判定するために設けられた値であり、規定値に基づき安全率を考慮して設定してもよい。

吐出ガス過熱度(ＴｄＳＨ)が、当該合計値以上である状態が第２の所定時間（ｔ２）継続した場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、制御装置４０は、現在の目標吐出ガス圧力(Ｐｄｓｅｔ)が、消費電力が最小となるように決定した目標値(Ｐｄｓｅｔ０)以下であるか否かを判定する（Ｓ６）。

目標吐出ガス圧力(Ｐｄｓｅｔ)が、目標値(Ｐｄｓｅｔ０)より大きい場合（Ｓ６：ＮＯ）、制御装置４０は、目標吐出ガス圧力を設定値（β）だけ減少させた（Ｓ７）後、ｔ２秒の計測タイマーをクリアし（Ｓ８）、初めに戻る。以降、吐出ガス過熱度が合計値より小さくなる、または目標吐出ガス圧力が目標値（Ｐｄｓｅｔ０)より小さくなるまで、これらの処理を繰り返す。設定値（β）は、固定値に限られず、吐出ガス過熱度（ＴｄＳＨ）と規定値（ＴｄＳＨｏｋ）との差分に基づき設定してもよく、目標値(Ｐｄｓｅｔ０)に戻るように設定してもよい。

以上のような冷凍装置５００によれば、制御装置４０は、吐出ガス過熱度が規定値よりも小さい状態が第１の所定時間（ｔ１）継続した場合、ファンモータ７の回転数を低下させて、圧縮機１から吐出される冷媒の圧力を増加させる。これにより冷凍機である機器１００側で吐出ガス過熱度の低下状態を回避でき、圧縮機１の信頼性を確保することができる。また、吐出ガス過熱度が規定値よりも小さい状態が第１の所定時間（ｔ１）継続した場合、圧縮機１から吐出される冷媒の圧力を増加させるので、制御に冗長性を持たせることができる。例えば、圧縮機１として一定時間までは吐出ガス過熱度が規定値以下となっても問題ないという時間定格仕様があればそれを考慮して決定し、実機試験における制御動作の妥当性確認等から適当な値を決定する。

また、制御装置４０は、吐出ガス過熱度が規定値よりも小さい状態が第１の所定時間（ｔ１）継続した場合であって、圧力センサ２０により検知された圧力が所定の上限値よりも小さい場合に、圧縮機１から吐出される冷媒の圧力を増加させるので、例えば目標吐出ガス圧力に上限値を設けずに、吐出ガス圧力を増加させすぎた場合、圧縮機が過負荷運転となり、電流の増加等により運転不可となる恐れもあるが、前記上限値を設けることで、これを回避できるように制御を調整できる。

また、制御装置４０は、吐出ガス過熱度と規定値との差分に基づき、圧縮機１から吐出された冷媒の圧力を増加させるので、必要な分だけ圧力を増加させることができ、吐出ガス過熱度の低下状態を早期に解消することができる。

また、制御装置４０は、吐出ガス過熱度が規定値に余裕値を加えた合計値以上の場合に、ファンモータ７の回転数を増加させて、圧縮機１から吐出される冷媒の圧力を減少させるので、例えば液バックにより一時的に吸入ガス過熱度が低下したが、液バックが改善され、再度吸入ガス過熱度が増加した場合は、自動的に目標吐出ガス圧力が、消費電力が最小となるように決定した目標吐出ガス圧力(Ｐｄｓｅｔ０)に戻ることで、高効率な運転を実現できる。また、余裕値を設けることにより、吐出ガス過熱度の規定値に対し、安全率を見て制御を調整できる。

また、制御装置４０は、吐出ガス過熱度が合計値以上の状態が第２の所定時間（ｔ２）継続した場合に、ファンモータ７の回転数を増加させて、圧縮機１から吐出される冷媒の圧力を減少させるので、制御に冗長性を持たせることができる。

また、制御装置４０は、吐出ガス過熱度と規定値との差分に基づき、圧縮機１から吐出された冷媒の圧力を減少させるので、早期にガスの圧力を目標吐出ガス圧力に戻ることができ、高効率な運転を実現できる。

なお、本実施形態の他に、インバータにより運転する圧縮機の場合は運転周波数を制御し、吐出ガス過熱度を制御することが考えられる。吸入ガス過熱度の低下により吐出ガス過熱度が低下している場合、ここでは吸入ガス過熱度を増加させるため、圧縮機の運転周波数を減少するのが適当な動作と考えるが、本動作では吸入ガス圧力ならびに蒸発温度が増加し、顧客設定温度まで冷えなくなる可能性がある。

また、圧縮機の運転周波数は下限があるため、変更可能範囲は小さいが、これに対し、吐出ガス圧力はかなり広範囲で変更することが可能であり、吐出ガス過熱度を増加できる範囲も本実施形態のほうが優れると考える。

また、図１の冷凍装置５００の冷凍サイクル系統図のように圧縮機温度調整手段として電子膨張弁のみを有する回路で、電子膨張弁に不具合が生じ、吐出ガス温度の低下により吐出ガス過熱度が低下した場合は、目標吐出ガス圧力を増加させる以外に吐出ガス過熱度を向上させる手段はないと考える。

これに対し本実施形態では、いずれの場合も吐出ガス過熱度が低下した場合に、目標吐出ガス圧力を増加させるため、本制御中に運転効率は減少するものの、冷凍機の基本機能である顧客設定温度まで冷やすという手段を確保でき、かつ圧縮機温度調整手段の不具合時にも吐出ガス過熱度を規定値まで確保できるため、本実施形態のほうが必要な吐出ガス過熱度を確保するのに優れた手段であると考える。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。

例えば、図３のステップＳ５において、吐出ガス過熱度(ＴｄＳＨ)と、吐出ガス過熱度の規定値(ＴｄＨｏｋ)に余裕値（ΔＴｄＳＨ）を加えた合計値とを比較したが、吐出ガス過熱度(ＴｄＳＨ)と、吐出ガス過熱度の規定値(ＴｄＨｏｋ)とを比較してもよい。

１：圧縮機
２：凝縮器
３：膨張弁
４：蒸発器
５：ファン
６：電子膨張弁
７：ファンモータ
１０：温度センサ
２０：圧力センサ
３０：外気温度センサ
４０：制御装置
１００：機器（冷凍機）
２００：機器（負荷）
３００：液冷媒配管
４００：ガス冷媒配管

Claims (7)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機から吐出された冷媒を凝縮する凝縮器と、
   前記凝縮器との間で熱交換を行う風を発生するファンと、
   前記ファンを回転させるファンモータと、
   前記圧縮機から吐出された冷媒の温度を検知する温度センサと、
   前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力を検知する圧力センサと、
   前記温度センサにより検知された温度と、前記圧力センサにより検知された圧力とに基づき冷媒の過熱度を算出し、前記過熱度が規定値よりも小さい状態が第１の所定時間継続した場合、前記ファンモータの回転数を低下させて、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を増加させる制御装置と、を備える冷凍装置。
2. 前記制御装置は、前記過熱度が規定値よりも小さい状態が第１の所定時間継続した場合であって、前記圧力センサにより検知された圧力が所定の上限値よりも小さい場合に、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を増加させる、請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記制御装置は、前記過熱度と前記規定値との差分に基づき、前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力を増加させる、請求項１または請求項２に記載の冷凍装置。
4. 前記制御装置は、前記過熱度が前記規定値以上の場合に、前記ファンモータの回転数を増加させて、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を減少させる、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の冷凍装置。
5. 前記制御装置は、前記過熱度が前記規定値に余裕値を加えた合計値以上の場合に、前記ファンモータの回転数を増加させて、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を減少させる、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の冷凍装置。
6. 前記制御装置は、前記過熱度が前記規定値以上または前記合計値以上の状態が第２の所定時間継続した場合に、前記ファンモータの回転数を増加させて、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を減少させる、請求項４または請求項５に記載の冷凍装置。
7. 前記制御装置は、前記過熱度と前記規定値との差分に基づき、前記圧縮機から吐出された冷媒の圧力を減少させる、請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の冷凍装置。
   

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