JP2018179370A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機が液インジェクション冷却回路を備えている場合、起動直後に特定条件下で発生する、インジェクション冷媒の脈動に起因する異音等の問題を解消する。【解決手段】ガス冷媒を圧縮する圧縮機２と、圧縮されたガス冷媒を液冷媒にする凝縮器３と、液冷媒を減圧する膨張弁２３と、減圧された液冷媒をガス冷媒にする冷却器２６と、を順次接続した冷凍サイクルの一部を構成する冷凍装置１であって、圧縮機２と、凝縮器３と、該凝縮器３に外気を供給する送風機２７と、圧縮機２の吸引側の低圧圧力を測定する低圧センサー８と、圧縮機２の吐出側の高圧圧力を測定する高圧センサー２９と、外気温度を測定する外気温度センサー３０と、圧縮機２および送風機２７を制御する制御装置とを具備しており、制御装置は、送風機２７の制御に用いる目標高圧圧力を、外気温度、および、圧力比下限×低圧圧力で表される高圧圧力下限、の両方に応じて変化させる冷凍装置。【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍冷蔵庫等に用いられる冷凍装置に関し、特に、凝縮器用送風機の運転制御を改善し、異音発生や消費電力の増加を短時間で抑制できる冷凍装置に関するものである。

冷凍装置の送風機制御に関する従来技術として、特許文献１に開示されるものがあり、同文献の要約書には、「圧縮機の消費電力を低減し、かつ圧縮機をより効率良く運転可能とする」ものとして、「空調機制御装置は、室内負荷に関わらず冷媒の運転圧力を一定とする制御を行うマルチ形空調システムを制御する。そして、この空調機制御装置は、冷媒の運転圧力が予め定められた目標圧力となるように、圧縮機の回転数を制御し、この制御の後に、圧縮機の効率をそれまでに比べて向上させる運転点となるように、冷媒の高圧と低圧との比である圧力比を制御する。」との記載がある。

また、同文献の図４には、圧縮機回転数で運転圧力を制御した後（同文献のＳ１０６、Ｓ１０８）に、効率最適運転点を設定し（同文献のＳ１１０）、その効率最適運転点の圧力比となるように、凝縮器用送風機の回転数を制御する技術（同文献のＳ１１２、Ｓ１１４）が開示されている。

特開２０１６−１８３８１７号公報

特許文献１では、冷媒回路構造の複雑化を回避すべく、圧縮機に中間圧力の冷媒を供給するインジェクションを省略している。このため、特許文献１で提案される送風機の制御方法は、インジェクション回路を備えた冷凍装置への適用を考慮したものではない。

インジェクション回路を設けた冷凍装置では、効率を高める等の目的で圧縮機の吐出側の高圧圧力を低くすると、吐出側の高圧圧力とインジェクションされる中間圧力の圧力差が小さくなり、冷凍冷蔵室での冷媒蒸発温度や外気温度等の外部環境によっては、冷凍装置起動直後の低圧力比運転時に、中間圧力の冷媒がインジェクション回路内で脈動し、異音発生や消費電力増加、更には、インジェクション回路の配管亀裂などの諸問題を招く惧れがある。

そこで、本発明では、インジェクション回路を備えた冷凍装置において、起動直後に生じる異音や消費電力の増加を、環境に拘らず短時間で抑制できる冷凍装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の冷凍装置は、ガス冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮されたガス冷媒を液冷媒にする凝縮器と、液冷媒を減圧する膨張弁と、減圧された液冷媒をガス冷媒にする冷却器と、を順次接続した冷凍サイクルの一部を構成する冷凍装置であって、前記圧縮機と、前記凝縮器と、該凝縮器に外気を供給する送風機と、前記圧縮機の吸引側の低圧圧力を測定する低圧センサーと、前記圧縮機の吐出側の高圧圧力を測定する高圧センサーと、外気温度を測定する外気温度センサーと、前記圧縮機および前記送風機を制御する制御装置と、を具備しており、前記制御装置は、前記送風機の制御に用いる目標高圧圧力を、前記外気温度、および、圧力比下限×低圧圧力で表される高圧圧力下限、の両方に応じて変化させるものとした。

本発明の冷凍装置によれば、起動直後に生じる異音や消費電力の増加を、外部環境に拘らず短時間で抑制することができる。

一実施例の冷凍サイクルを表す冷媒回路図 一実施例の凝縮器用送風機の制御フローチャート 圧縮機における各圧力を説明するｐｈ線図 起動後の圧力および圧力比変化の実例 外気温度に略比例する目標高圧圧力を説明する線図 低圧圧力が低い冷凍運転時の目標高圧圧力を説明する線図 低圧圧力が高い冷蔵運転時の目標高圧圧力を説明する線図

以下、図面を用いて、本発明の一実施例の冷凍装置を説明する。

図１は、本実施例の冷凍装置１を含む冷凍サイクルの冷媒回路図である。ここに示すように、本実施例の冷凍サイクルは、屋外に設置される冷凍装置１と、屋内に設置される冷凍冷蔵庫２１と、それらを接続する冷媒配管から構成されている。

この冷凍サイクルを構成する要素のうち、ガス冷媒を圧縮する圧縮機２や、ガス冷媒を液冷媒に凝縮する凝縮器３等は、冷凍装置１に設けられており、液冷媒を減圧する膨張弁２３や、液冷媒を蒸発させ周囲を冷却する冷却器２６等は、冷凍冷蔵庫２１に設けられている。

また、冷凍装置１には、外気温度Ｔ_outを測定する外気温度サーミスタ３０と、冷凍装置１に供給されたガス冷媒の圧力（低圧圧力ＬＰ）を測定する低圧センサー８と、圧縮機２で圧縮されたガス冷媒の圧力（高圧圧力ＨＰ）を測定する高圧センサー２９が設けられており、これらの出力信号は図示しない制御装置に入力され、圧縮機２や送風機２７等の制御に利用される。同様に、冷凍冷蔵庫２１には、庫内温度を測定する庫内温度サーモスタット２５が設けられており、この出力信号は図示しない制御装置に入力され、送風機２８等の制御に利用される。

次に、図１の冷凍サイクルの詳細を、圧縮機２を起点として順番に説明する。先ず、圧縮機２は、吸引した低圧のガス冷媒を圧縮して高圧高温のガス冷媒を吐出するものである。凝縮器３は、圧縮機２から吐出した高温高圧のガス冷媒を、送風機２７から供給される外気と熱交換させ凝縮液化するものである。凝縮器３で液化した液冷媒は、受液器４に集められた後、液出口阻止弁５、ドライヤ６、サイトグラス７等の補助機器、および、液配管を経由して、冷凍冷蔵庫２１に送られる。なお、これらの補助機器の作用は周知であるので、詳細な説明は省略する。

液配管を介して冷凍冷蔵庫２１に供給された液冷媒は、液電磁弁２２、膨張弁２３を経由して、冷却器２６に流入する。図示しない制御装置は、庫内温度サーモスタット２５で測定した庫内温度と目標庫内温度の差に応じて、液電磁弁２２と膨張弁２３を制御し、適切な流量の液冷媒が冷却器２６に供給される。冷却器２６内では、供給された液冷媒が蒸発するときに、庫内空気から気化熱を奪い、庫内を冷却する。冷却器２６から流出したガス冷媒は、ガス配管を介して冷凍装置１に供給される。

ガス配管を介して冷凍装置１に供給されたガス冷媒は、残存する液冷媒を分離する液分離器９と、ガス冷媒の供給量を調整する吸入阻止弁１０を経由して、圧縮機２へ供給され、高温高圧のガス冷媒に再度圧縮されることで図１の冷凍サイクルが完成する。

ここで、本実施例の圧縮機２は、液インジェクション冷却回路３１を備えており、ここから圧縮途中の中間圧力部へ低エンタルピの液冷媒を流入させて、運転中の圧縮機２を冷却できるようになっている。

次に、図２のフローチャートを用いて、本実施例における送風機２７の制御の詳細を説明する。

ステップ１（Ｓ１）で、冷凍装置１が運転を開始すると、制御装置は、圧縮機２の起動と同時に送風機２７の運転も開始する。起動直後の送風機２７の制御には、外気温度Ｔ_outに応じて仮決めされた目標高圧圧力ＨＰ_target(以下「ＨＰ_ｔ」と称する)が用いられる。なお、ここで仮決めされる目標高圧圧力ＨＰ_ｔは、外気温度Ｔ_outと略比例関係にあるものであり、その詳細は図５を用いて後述する。

次のステップ２（Ｓ２）で、制御装置は、高圧センサー２９と低圧センサー８で測定した圧力を基に、下記の式１で求められる実圧力比ＰＲを演算する。

実圧力比ＰＲ ＝ 高圧圧力ＨＰ ／ 低圧圧力ＬＰ … （式１）
この実圧力比ＰＲは、圧縮機２の現在の負荷に相当する値であり、高圧圧力ＨＰと比例関係にあるため、低圧圧力ＬＰが一定であれば、高圧圧力ＨＰを小さくすることで、圧縮機２の負荷である実圧力比ＰＲを小さくすることができる。

次に、演算により求めた実圧力比ＰＲを、圧力比下限ＰＲ_Ｌｏｗ(以下「ＰＲ_Ｌ」と称する)と比較する。この圧力比下限ＰＲ_Ｌは、冷凍装置１の安定運転を実現するのに必要な下限の圧力比であり、実圧力比ＰＲがこれを下回ると、インジェクションされる中間圧冷媒の脈動等によって、異音等の諸問題が発生する。圧力比下限ＰＲ_Ｌの詳細については、図４を用いて後述する。

そして、実圧力比ＰＲが圧力比下限ＰＲ_Ｌより大であれば、すなわち、起動直後の実圧力比ＰＲが安定運転可能なものであると判断されたときは、ステップ３（Ｓ３）に進み、Ｓ１で仮決めした目標高圧圧力ＨＰ_ｔをそのまま送風機２７の制御に使用する。この詳細については、図６を用いて後述する。

一方、実圧力比ＰＲが圧力比下限ＰＲ_Ｌより小であれば、すなわち、起動直後の実圧力比ＰＲが安定運転できないものであると判断されたときは、ステップ４（Ｓ４）に進み、外部環境によらず、実圧力比ＰＲ＞圧力比下限ＰＲ_Ｌを満たすことができるように、目標高圧圧力ＨＰ_ｔを補正する。この詳細については、図７を用いて後述する。

ステップ５（Ｓ５）では、Ｓ３またはＳ４で設定された目標高圧圧力ＨＰ_ｔを用い、実高圧圧力ＨＰが目標高圧圧力ＨＰ_ｔとなるように送風機２７の回転数を制御することで、凝縮器３内のガス冷媒量を調整する。すなわち、実高圧圧力ＨＰが目標高圧圧力ＨＰ_ｔよりも低い場合は、送風機２７のファン回転数を下げ、凝縮器３への供給外気を減らすことで、凝縮器３内のガス冷媒量の減少を抑制し、実高圧圧力ＨＰを上昇させる。一方、実高圧圧力ＨＰが目標高圧圧力ＨＰ_ｔよりも高い場合は、送風機２７のファン回転数を上げ、凝縮器３への供給外気を増やすことで、凝縮器３内のガス冷媒量の減少を促進し、実高圧圧力ＨＰを下降させる。このような送風機２７の回転数制御によって、実高圧圧力ＨＰを目標高圧圧力ＨＰ_ｔに一致させることができる。

実高圧圧力ＨＰが目標高圧圧力ＨＰ_ｔに一致した後は、Ｓ１へ戻り、再度測定された外気温度Ｔ_outに応じて目標高圧圧力ＨＰ_ｔを調整しながら、送風機２７の制御を継続する。

以上で説明した図２の送風機制御によれば、起動直後に圧縮機２の不安定運転が発生するか否かを実圧力比ＰＲと圧力比下限ＰＲ_Ｌの比較から素早く判断し、不安定運転が発生しうる場合は、その後の安定運転を実現するのに必要な目標高圧圧力ＨＰ_ｔを素早く設定することができる。

次に、図３を用いて、本実施例の冷凍サイクルにおけるｐｈ線図を説明する。同図において、縦軸は圧力であり、横軸は比エンタルピーである。また、実線で示す冷凍サイクルにおいて、状態線Ｌ１の左側は液冷媒、状態線Ｌ２の右側はガス冷媒であり、それらの間の領域では液冷媒とガス冷媒が混合した気液二相冷媒である。

本実施例の冷凍装置１は、ガス冷媒圧縮中の中間圧力部へ中間圧力ＭＰの冷媒をインジェクションすることで圧縮機２を冷却するものである。このため、圧縮機２の出力である高圧圧力ＨＰを過度に低い場合、高圧圧力ＨＰと中間圧力ＭＰの差が小さくなり、液インジェクション冷却回路３１内に滞った液冷媒の脈動が大きくなると異音が発生しやすくなることに加え、圧縮機２の効率も低下し、冷凍装置１全体の消費電力増加を招くことになる。

そのため、実圧力比ＰＲの下限閾値（ＰＲ_Ｌ）を設定しておき、なるべく、その下限閾値以上の実圧力比ＰＲとなるように圧縮機２を運転することが、中間圧力の液冷媒の脈動に起因する異音の発生と、消費電力の増加を抑制するうえで望ましい。

図４は、外気温度Ｔ_out＝１０℃、冷媒蒸発温度＝−１０℃の環境下で、従来の冷凍装置１を冷蔵運転した場合の、起動後の高圧圧力ＨＰ、低圧圧力ＬＰ、および、圧力比ＰＲの変化を示した実例である。ここに示すように、冷凍装置１の起動直後に、圧縮機２の入力側の低圧圧力ＬＰが低下するとともに、出力側の高圧圧力ＨＰが上昇する。そして、それに伴い、圧力比ＰＲ（＝高圧圧力ＨＰ／低圧圧力ＬＰ）は低い状態から徐々に増加していく。

しかしながら、起動直後から時刻ｔ_１までの期間は、冷凍冷蔵庫２１の庫内温度が高く、冷却器２６の負荷が大きいため、冷却器２６内の冷媒蒸発温度を低く設定する必要があり、高圧圧力ＨＰに対する低圧圧力ＬＰの割合が相対的に大きくなる。この結果、実圧力比ＰＲも圧力比下限ＰＲ_Ｌ（図６では圧力比３）以下となってしまい、圧縮機２の運転時に異音が発生するとともに、消費電力も抑制できない。なお、図４では、圧力比下限ＰＲ_Ｌを圧力比３としたが、これは圧縮機２の仕様等に応じて定まるものであり、圧縮機２の仕様が変われば、それに応じた圧力比下限ＰＲ_Ｌを用いればよい。

次に、図４に示す問題を、図２の制御で解消できる理由を、本実施例の目標高圧圧力ＨＰ_ｔを例示した図５〜７を用いて説明する。

図５は、外気温度Ｔ_outと目標高圧圧力ＨＰ_ｔの関係を示す線図である。一般に、圧縮機２の昇圧率を抑制すると負荷が小さくなり効率が高まるため、高効率運転の実現には、なるべく低い目標高圧圧力ＨＰ_ｔを設定して圧縮機２を運転するのが有効である。一方で、図中で破線で示すように、飽和蒸気の圧力（以下「飽和圧力」と称する）は、外気温度Ｔ_outと比例関係にあるため、外気温度Ｔ_outの高低に拘らず飽和蒸気を得るには、高圧圧力ＨＰが常に飽和圧力を上回っている必要がある。そこで、図５では、これら二つの条件を満たすべく、飽和圧力線に所定の圧力差Ｐ１を加えた圧力を目標高圧圧力ＨＰ_ｔとしている。なお、圧力差Ｐ１は、定常運転時の目標高圧圧力ＨＰ_ｔと実高圧圧力ＨＰの誤差より大きく設定するのが好ましく、通常は、０．２〜０．５ＭＰａであるが、圧縮機２の仕様等に応じて適宜変更すれば良い。

図６は、図５で設定した目標高圧圧力ＨＰ_ｔと、圧力比下限ＰＲ_Ｌに対応する冷凍運転時高圧圧力下限ＨＰ_Ｌ１の関係を表した線図である。冷凍運転時には、冷却器２６内の冷媒蒸発温度が低く設定されるため、冷却器２６から流出する低圧圧力ＬＰも低くなる。冷凍装置１の仕様により定まる圧力比下限ＰＲ_Ｌは一定値（例えば、図４に示す圧力比３）であるので、冷媒蒸発温度の低下に伴い低圧圧力ＬＰが小さくなると、安定運転に必要とされる冷凍運転時高圧圧力下限ＨＰ_Ｌ１も、式２および図６の二点鎖線に示すように小さくなる。

冷凍運転時高圧圧力下限ＨＰ_Ｌ１＝圧力比下限ＰＲ_Ｌ×低圧圧力ＬＰ…（式２）
このため、冷凍運転時には、図５で設定した目標高圧圧力ＨＰ_ｔをそのまま用いて冷凍装置１を制御すれば、外気温度Ｔ_outの高低に拘らず、目標高圧圧力ＨＰ_ｔが冷凍運転時高圧圧力下限ＨＰ_Ｌ１を常に上回るため、圧力比下限ＰＲ_Ｌを上回る実圧力比ＰＲの安定運転に短時間で移行でき、異音発生を抑制できるとともに、消費電力も抑制することができる。

これに対し、図７は、図５で設定した目標高圧圧力ＨＰ_ｔを、圧力比下限ＰＲ_Ｌに対応する冷蔵運転時高圧圧力下限ＨＰ_Ｌ２の踏まえて補正した、目標高圧圧力ＨＰ_ｔ’を表した線図である。冷蔵運転時には、冷却器２６内の冷媒蒸発温度が高く設定されるため、冷却器２６から流出する低圧圧力ＬＰも高くなる。冷凍装置１の仕様により定まる圧力比下限ＰＲ_Ｌは一定値（例えば、図４に示す圧力比３）であるので、冷媒蒸発温度の上昇に伴い低圧圧力ＬＰが大きくなると、安定運転に必要とされる冷蔵運転時高圧圧力下限ＨＰ_Ｌ２も、式３および図７の二点鎖線に示すように大きくなり、破線で示す図５の目標高圧圧力ＨＰ_ｔと交差する。

冷凍運転時高圧圧力下限ＨＰ_Ｌ２＝圧力比下限ＰＲ_Ｌ×低圧圧力ＬＰ…（式３）
このため、冷蔵運転時には、図５で設定した目標高圧圧力ＨＰ_ｔをそのまま用いて冷凍装置１を制御すると、外気温度Ｔ_outが高温の場合には、目標高圧圧力ＨＰ_ｔが冷蔵運転時高圧圧力下限ＨＰ_Ｌ２を上回っており短時間で安定運転に移行できるが、外気温度Ｔ_outが低温の場合には、目標高圧圧力ＨＰ_ｔが冷蔵運転時高圧圧力下限ＨＰ_Ｌ２を下回っており安定運転を実現できない。

そこで、図７では、図５で設定した目標高圧圧力ＨＰ_ｔを実線で示すように補正した。すなわち、外気温度Ｔoutの低温側では、冷蔵運転時高圧圧力下限ＨＰ_Ｌ２以上の一定圧力を目標高圧圧力ＨＰ_ｔ’とし、外気温度Ｔoutの高温側では、目標高圧圧力ＨＰ_ｔをそのまま目標高圧圧力ＨＰ_ｔ’とした。

このようにして得た補正後の目標高圧圧力ＨＰ_ｔ’を用いて圧縮機２を運転すれば、外気温度Ｔ_outの高低に拘らず、圧力比下限ＰＲ_Ｌを上回る圧力比ＰＲでの運転に短時間で移行するので、異音発生を抑制でき、消費電力も抑制することができる。

以上説明したように、本実施例によれば、冷却器内の蒸発温度や外気温度Ｔ_outによらず早期の安定運転を実現できる目標高圧圧力ＨＰ_ｔを設定し、それに基づいて冷凍装置１を制御することで、起動直後に不安定運転が生じた場合であっても、短時間で安定運転に移行することができ、異音発生や電力増加を抑制することが可能となる。

１ 冷凍装置、
２ 圧縮機、
３ 凝縮器、
４ 受液器、
５ 液出口阻止弁、
６ ドライヤ、
７ サイトグラス、
８ 低圧センサー、
９ 液分離器、
１０ 吸入阻止弁、
２１ 冷凍冷蔵庫、
２２ 液電磁弁、
２３ 膨張弁、
２５ 庫内温度サーモスタット、
２６ 冷却器、
２７、２８ 送風機、
２９ 高圧センサー、
３０ 外気温度サーミスタ、
３１ 液インジェクション冷却回路、
ＨＰ 高圧圧力、
ＨＰ_ｔ 目標高圧圧力、
ＨＰ_ｔ’ 補正後の目標高圧圧力、
ＨＰ_Ｌ１ 冷凍運転時高圧圧力下限、
ＨＰ_Ｌ２ 冷蔵運転時高圧圧力下限、
ＭＰ 中間圧力、
ＬＰ 低圧圧力、
Ｔ_out 外気温度、
ＰＲ 実圧力比、
ＰＲ_Ｌ 圧力比下限

Claims (5)

1. ガス冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮されたガス冷媒を液冷媒にする凝縮器と、液冷媒を減圧する膨張弁と、減圧された液冷媒をガス冷媒にする冷却器と、
   を順次接続した冷凍サイクルの一部を構成する冷凍装置であって、
   前記圧縮機と、
   前記凝縮器と、
   該凝縮器に外気を供給する送風機と、
   前記圧縮機の吸引側の低圧圧力を測定する低圧センサーと、
   前記圧縮機の吐出側の高圧圧力を測定する高圧センサーと、
   外気温度を測定する外気温度センサーと、
   前記圧縮機および前記送風機を制御する制御装置と、
   を具備しており、
   前記制御装置は、前記送風機の制御に用いる目標高圧圧力を、前記外気温度、および、下記式で表される高圧圧力下限、の両方に応じて変化させることを特徴とする冷凍装置。
   高圧圧力下限 ＝ 圧力比下限 × 低圧圧力
2. 請求項１に記載の冷凍装置において、
   前記高圧圧力下限を演算する際に用いる圧力比下限は、冷凍装置を安定運転する際に必要な、高圧圧力と低圧圧力の圧力比の下限であり、
   前記高圧圧力下限を演算する際に用いる低圧圧力は、前記冷却器内の冷媒蒸発温度に応じた低圧圧力であることを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項１または２に記載の冷凍装置において、
   冷凍運転時に設定される前記目標高圧圧力は、前記外気温度に略比例し、
   冷蔵運転時に設定される前記目標高圧圧力は、前記外気温度が低温であるときに略一定であり、前記外気温度が高温であるときに前記外気温度に略比例することを特徴とする冷凍装置。
4. 請求項３に記載の冷凍装置において、
   冷蔵運転時であって、前記外気温度が低温であるときに設定される略一定の目標高圧圧力は、所定の圧力比下限に相当する冷蔵運転時の高圧圧力下限以上に設定された高圧圧力であることを特徴とする冷凍装置。
5. 請求項１から請求項４の何れか一項に記載の冷凍装置において、
   前記制御装置は、前記圧縮機の吐出側の高圧圧力が前記目標高圧圧力となるように前記送風機を制御することを特徴とする冷凍装置。

Images