JP2019002683A - 冷却装置 - Google Patents

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良太 青木
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Abstract

【課題】冷却室の温度制御を精密に行う。【解決手段】冷却室と、圧縮機、当該圧縮機の吐出側に設けられた凝縮器、当該凝縮器の吐出側及び前記圧縮機の吸入側の間に設けられ、前記冷却室を冷却する蒸発器、及び、前記蒸発器の吸入側に設けられた減圧手段を有する冷凍回路と、前記凝縮器及び前記蒸発器の間に設けられた冷媒制御弁を有し、前記冷媒制御弁の開閉時間を制御することにより前記蒸発器に流れる冷媒流量を調整する冷媒制御機構とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、冷却装置の冷凍サイクルを流れる冷媒の流量を調整する制御方法及び制御プログラムに関するものである。
従来、冷凍室と冷蔵室との双方を適度な蒸発温度の蒸発器で冷却するために、特許文献１に示すように、三方弁により、冷蔵用蒸発器に冷媒を流通させる冷蔵室冷却運転と、冷凍室蒸発器のみに冷媒を流通させる冷凍室冷却運転とを交互に切り替えて庫内の冷却を行う冷却装置がある。この冷却装置は、冷蔵室冷却運転と冷凍室冷却運転との時間比率を初期に決定して、その初期設定された時間比率に基づいて、冷蔵室冷却運転と冷凍室冷却運転とを切り替えるものである。
しかしながら、上記のように構成した冷却装置においては、冷蔵室冷却運転及び冷凍室冷却運転の一方のみを選択的に行うものであり、例えば冷蔵室冷却運転を行っている場合に、冷凍用蒸発器及び当該冷凍用蒸発器が設けられた冷媒回路に冷媒が溜まってしまうという問題がある。また、冷蔵室冷却運転及び冷凍室冷却運転の時間比率を初期設定し、その後の負荷変動に対して、圧縮機の回転数を調節することで対応するものであり、能力可変の圧縮機を用意する必要があるだけでなく、負荷変動に対して応答性が悪いという問題がある。
なお、特許文献２に示すように、冷蔵冷却運転と冷凍冷却運転との切り替え時に冷蔵室及び冷凍室の両方を冷却する同時冷却を行うものがあるが、これは、運転切り替え時における冷媒回収を可能として、効率の良い省エネルギー運転を行うものであり、上述した特許文献１における問題を何ら解決するものではない。
特開平１１−３０４３２８号公報 特開２０１１−１２８８５号公報
そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであり、冷却室の負荷又はその変動に応じて、それら冷却室の温度制御を優れた応答性で且つ精密に行うことを主たる所期課題とするものである。
すなわち本発明に係る冷却装置は、冷却室と、圧縮機、当該圧縮機の吐出側に設けられた凝縮器、当該凝縮器の吐出側及び前記圧縮機の吸入側の間に設けられ、前記冷却室を冷却する蒸発器、及び、前記蒸発器の吸入側に設けられた減圧手段を有する冷凍回路と、前記凝縮器及び前記蒸発器の間に設けられた冷媒制御弁を１つ有し、前記冷媒制御弁の開閉時間を制御することにより前記蒸発器に流れる冷媒流量を調整する冷媒制御機構とを備えることを特徴とする。
このようなものであれば、冷媒制御弁の開閉時間を制御することにより蒸発器に流れる冷媒流量を調整しているので、冷却室の負荷又はその変動に応じて、それら冷却室の温度制御を優れた応答性で且つ精密に行うことができる。また、蒸発器の過熱制御等の冷凍回路制御において消費電力を低減することもできる。加えて、冷媒流量が少ない冷却装置において弁開度を制御するものではその制御が難しくなってしまうところ、本発明では冷媒制御弁の開閉時間を制御することから、冷媒流量を容易に精度良く制御することができる。
また、本発明に係る冷却装置は、冷却温度が互いに異なる複数の冷却室と、圧縮機、当該圧縮機の吐出側に設けられた凝縮器と、当該凝縮器の吐出側及び前記圧縮機の吸入側の間において互いに並列接続されるとともに前記冷却室毎に対応して設けられた複数の蒸発器、及び、前記各蒸発器の吸入側に設けられた複数の減圧手段を有する冷凍回路と、前記凝縮器及び前記複数の蒸発器の間に設けられて各蒸発器に流れる冷媒流量を制御する冷媒制御弁を１つ有し、前記複数の冷却室を同時に冷却する同時冷却運転において、前記冷媒制御弁の開閉時間を制御することにより各蒸発器の流れる冷媒分流比をそれぞれ独立して調整する冷媒制御機構とを有することを特徴とする。
このようなものであれば、複数の冷却室を同時に冷却する同時冷却運転を行うことから、冷却運転を行っていない蒸発器が無いので、当該蒸発器に冷媒が溜まりにくい。また、同時冷却運転において、冷媒制御弁の開閉時間を制御するので冷媒分流比（各蒸発器への冷媒流量）を応答性良く制御することができ、冷却室の温度制御を優れた応答性で且つ精密に行うことができる。さらに、蒸発器の過熱制御等の冷凍回路制御において消費電力を低減することもできる。加えて、冷媒流量が少ない冷却装置において弁開度を制御するものではその制御が難しくなってしまうところ、本発明では冷媒制御弁の開閉時間を制御することから、冷媒流量を容易に精度良く制御することができる。
冷却温度の異なる複数の冷却室に合わせた冷却を行うための具体的な実施の態様としては、前記冷媒制御機構が、前記冷媒制御弁の開閉時間を制御することにより、前記複数の蒸発器全てに冷媒を流す冷媒全部流し期間と、前記複数の蒸発器の一部に冷媒を流す冷媒一部流し期間とを交互に行うことが望ましい。
本発明に係る冷却装置は、冷却温度が互いに異なる複数の冷却室と、圧縮機、当該圧縮機の吐出側に設けられた凝縮器、当該凝縮器の吐出側及び前記圧縮機の吸入側の間において互いに並列接続されるとともに前記冷却室毎に対応して設けられた複数の蒸発器、及び、前記各蒸発器の吸入側に設けられた複数の減圧手段を有する冷凍回路と、前記凝縮器及び前記複数の蒸発器の間に設けられた冷媒制御弁を１つ有し、前記複数の蒸発器のうち冷媒を供給する蒸発器を選択的に切り替える冷媒制御機構とを備え、前記冷媒制御機構が、前記冷媒を供給する蒸発器を切り替えた後において、前記冷媒制御弁の開閉時間を制御することにより前記蒸発器に流れる冷媒流量を調整することを特徴とする。つまり、冷媒制御機構が、前記冷媒を供給する蒸発器を切り替えた後において、前記冷媒制御弁をＯＮ／ＯＦＦさせることによって、前記冷媒を間欠的に供給することを特徴とする。
このようなものであれば、冷媒を供給する蒸発器を切り替えた後において、冷媒制御弁の開閉時間を制御することにより冷媒を間欠的に供給して蒸発器に流れる冷媒流量を調整するので、当該蒸発器において液冷媒により生じる圧力損失を低減することができ、蒸発温度の上昇を抑えることができる。これにより、蒸発器の熱交換性能の低下を防ぎ、冷却効率の低下を防ぐとともに、省エネ運転が可能となる。また、冷媒を供給する蒸発器への冷媒供給過剰が解消されるため、圧縮機への液バックの可能性が低減でき、圧縮機の耐久性も向上する。
具体的に冷媒流量を容易に精度良く制御するためには、前記冷媒制御機構が、前記冷媒制御弁の全開時間と全閉時間とを制御するものであることが望ましい。つまり、前記冷媒制御機構が、前記冷媒制御弁をデューティ制御するものであることが望ましい。
具体的には、前記デューティ制御の周期（前記全開時間と前記全閉時間との切り替え周期）が、３秒から２００秒の間で設定されていることが望ましい。ここで前記周期が３秒未満の場合には、蒸発器からの液冷媒の回収時間が確保できず、液冷媒の回収が不十分になってしまい、前記周期が２００秒より長い場合には、蒸発器に供給される冷媒量が不足して冷却効率が低下してしまう。特に、前記デューティ制御の周期が、１０秒から１８０秒の間で設定されていることが望ましい。
冷媒が供給されている蒸発器からの液冷媒の回収を確実に行うためには、前記デューティ制御において、前記冷媒制御弁のＯＮ時間よりもＯＦＦ時間の方が長く設定されていることが望ましい。また、冷媒制御弁がデューティ制御されないものであっても、冷媒制御弁の動作において、ＯＮ時間よりもＯＦＦ時間の方が長く設定されていることが望ましい。
前記デューティ制御において、前記蒸発器の入口温度と出口温度の差を一定にすべく、デューティ比が設定されていることが望ましい。つまり、前記全開時間と前記全閉時間との時間比率を可変としていることが望ましい。このときの時間比率は、例えば所定の１つの蒸発器の吸入口及び吐出口の温度差を、０℃から１０℃の間で過熱制御できるように適宜決定される。
前記冷媒制御機構が、周囲温度に応じて前記冷媒制御弁のＯＮ時間とＯＦＦ時間との時間比率を可変としていることが望ましい。周囲温度が高い場合には、蒸発器に供給される冷媒の過剰の割合が小さく、周囲温度が低い場合には、蒸発器に供給される冷媒の過剰の割合が大きいので、周囲温度により時間比率を可変とすることが望ましい。
このように構成した本発明によれば、複数の冷却室の負荷又はその変動に応じて、それら冷却室の温度制御を優れた応答性で且つ精密に行うことができる。
第１実施形態における冷却装置の概略構成図。 第１実施形態における冷媒制御弁の第１の動作パターンを示す図。 第１実施形態における冷媒制御弁の第２の動作パターンを示す図。 第１実施形態の変形例における冷却装置の概略構成図。 第１実施形態の変形例における冷却装置の概略構成図。 第１実施形態の変形例における冷却装置の概略構成図。 従来の冷媒制御弁の動作パターンを示す図。
＜第１実施形態＞
以下に本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。
第１実施形態に係る冷却装置１００は、図１に示すように、冷蔵室１１及び冷凍室１２を有する冷蔵庫であり、圧縮機２１、当該圧縮機２１の吐出側に設けられた凝縮器２２と、当該凝縮器２２の吐出側及び前記圧縮機２１の吸入側の間において互いに並列接続された冷蔵室用蒸発器２３Ａ及び冷凍室用蒸発器２３Ｂと、冷蔵室用蒸発器２３Ａの吸入側に直列に設けられた例えばキャピラリーチューブ等の冷蔵室用減圧手段２４Ａ及び冷凍室用蒸発器２３Ｂの吸入側に直列に設けられた例えばキャピラリーチューブ等の冷凍室用減圧手段２４Ｂを有する冷凍回路２００を備えている。
ここで冷蔵室用蒸発器２３Ａ及び冷凍室用蒸発器２３Ｂは、凝縮器２２の吐出側で分岐した２つの冷媒分岐流路２０１、２０２にそれぞれ設けられている。冷蔵室用蒸発器２３Ａは、冷蔵室１１の庫内を冷却するように設けられており、冷凍室用蒸発器２３Ｂは、冷凍室１２の庫内を冷却するように設けられている。
そして、本実施形態の冷却装置１００は、図１に示すように、各冷媒分岐流路２０１、２０２に流れる冷媒流量を調整することにより、冷蔵室用蒸発器２３Ａ及び冷凍室用蒸発器２３Ｂに流れる冷媒流量を個別に調整する冷媒制御機構３を備えている。
この冷媒制御機構３は、冷蔵室用蒸発器２３Ａ及び冷凍室用蒸発器２３Ｂに流れる冷媒流量を制御する冷媒制御弁３１と、当該冷媒制御弁３１を制御する制御装置３２とを備えている。なお、制御装置３２は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェイス、ＡＤ変換器等を備えた汎用乃至専用のコンピュータであり、前記メモリの所定領域に記憶させた制御プログラムにしたがってＣＰＵ、周辺機器等を協働させることにより前記冷媒制御弁３１を制御する。
本実施形態の冷媒制御弁３１は、前記冷媒分岐流路２０１、２０２の分岐点に設けられた三方弁であり、入力ポートが凝縮器２２側の冷媒配管に接続され、第１の出力ポートが冷蔵室用蒸発器２３Ａ側の冷媒分岐流路２０１を構成する分岐配管に接続され、第２の出力ポートが冷凍室用蒸発器２３Ｂ側の冷媒分岐流路２０２を構成する分岐配管に接続されている。そして、この冷媒制御弁３１は、前記制御装置３２からの制御信号に基づいて、第１の出力ポート及び第２の出力ポートの開閉が個別に制御される。
以下に制御装置３２による冷媒制御弁３１の動作パターンの実施例について、図２及び図３を参照して説明する。
制御装置３２は、冷蔵室１１及び冷凍室１２を同時に冷却する同時冷却運転において、それら冷蔵室１１及び冷凍室１２の負荷又はその変動に応じて冷媒制御弁３１の開閉時間を制御することにより、冷蔵室用蒸発器２３Ａに流れる冷媒流量及び冷凍室用蒸発器２３Ｂに流れる冷媒流量をそれぞれ独立して調整する。これにより、各蒸発器の流れる冷媒分流比が調整される。
具体的には、制御装置３２は、冷蔵室１１の庫内に設けられて当該冷蔵室１１の庫内温度を検出する冷蔵庫内温度センサ４Ａからの検出温度と、冷凍室１２の庫内に設けられて当該冷凍室１２の庫内温度を検出する冷凍庫内温度センサ４Ｂからの検出温度と、庫外に設けられて外気温度を検出する外気温度センサ５からの検出温度とを取得する。そして制御装置３２は、冷蔵庫内温度及び外気温度により冷蔵室の負荷又はその変動を算出するとともに、冷凍庫内温度及び外気温度により冷凍室の負荷又はその変動を算出し、その算出結果に基づいて、前記冷媒制御弁３１の第１の出力ポート及び第２の出力ポートの全開時間及び全閉時間の時間割合を算出する。そして、制御装置３２は、これにより得られた制御信号を冷媒制御弁３１に出力して冷媒制御弁３１を制御する。
ここで、全開時間と前記全閉時間との切り替え周期を３秒から２００秒の間で可変としており、当該切り替え周期の間で、全開時間と全閉時間との時間比率を可変としている。例えば、全開時間をＴＯＮ、全閉時間をＴＯＦＦとし場合に、ＴＯＮ＋ＴＯＦＦの周期を３秒から２００秒の間となるようにしている。また、全開時間及び全閉時間の時間割合（時間比率）は、例えば冷蔵庫内温度センサ４Ａと冷凍庫内温度センサ４Ｂとからの検出信号に基づいて適宜可変し決定する。
そして、制御装置３２は、図２に示すように、冷媒制御弁３１の第１のポート及び第２のポートの開閉時間を制御することにより、冷蔵室用蒸発器２３Ａ及び冷凍室用蒸発器２３Ｂの両方に冷媒を流す冷媒全部流し期間と、冷蔵室用蒸発器２３Ａにのみ冷媒を流す冷媒一部流し期間とを交互に行う。このとき、第１のポートを常時全開にして冷蔵室用蒸発器２３Ａに常時冷媒が流れるようにするとともに、第２のポートの全開時間及び全閉時間の時間割合を制御して冷凍室用蒸発器２３Ｂに間欠的に冷媒が流れるようにする。
また制御装置３２は、図３に示すように、冷媒制御弁３１の第１のポート及び第２のポートの開閉時間を制御することにより、冷蔵室用蒸発器２３Ａ及び冷凍室用蒸発器２３Ｂに順繰りに冷媒を流すこともできる。このとき、第１のポート及び第２のポートの全開時間及び全閉時間の時間割合を制御して、冷蔵室用蒸発器２３Ａ及び冷凍室用蒸発器２３Ｂに間欠的に冷媒が流れるようにするとともに、冷蔵室用蒸発器２３Ａに冷媒が流れるタイミングと冷凍室用蒸発器２３Ｂに冷媒が流れるタイミングが真逆となるようにする。なお、この動作パターンは、図２に示す動作パターンにより冷媒の片側流れが発生した場合にのみ行う。
＜第１実施形態の効果＞
このように構成した冷却装置１００によれば、冷蔵室１１及び冷凍室１２を同時に冷却する同時冷却運転を行うことから、冷却運転を行っていない蒸発器が無いので、当該蒸発器２３Ａ、２３Ｂに冷媒が溜まりにくい。また、同時冷却運転において、冷蔵室１１及び冷凍室１２の負荷又はその変動に応じて冷媒制御弁３１の開閉時間を制御するので、負荷又はその変動に応じて冷媒流量を応答性良く制御することができ、冷蔵室１１及び冷凍室１２の温度制御を優れた応答性で且つ精密に行うことができる。これにより、冷蔵室１１及び冷凍室１２に貯蔵された食品の劣化を遅くすることができる。さらに、蒸発器２３Ａ、２３Ｂを過熱制御する場合において消費電力を低減することもできる。加えて、冷媒流量が少ない冷却装置において弁開度を制御するものではその制御が難しくなってしまうところ、本実施形態では冷媒制御弁３１の開閉時間を制御することから、冷媒流量を容易に精度良く制御することができる。
＜第１実施形態の変形例＞
なお、本発明は前記第１実施形態に限られるものではない。例えば前記第１実施形態では、冷蔵室１１及び冷凍室１２を有する冷却装置について説明したが、その他、図４に示すように、冷却温度の異なる３つ以上（図４では３つ）の冷却室に対応して設けられた３つの蒸発器２３Ａ〜２３Ｃを有するものであっても良い。このとき、３つに分岐した冷媒分岐流路２０１〜２０３の分岐点に冷媒制御弁として四方弁３１を設けて、各冷媒分岐流路２０１〜２０３の冷媒流量を調整することが考えられる。なお、２４Ａ〜２４Ｃは、各蒸発器の上流に設けられた減圧手段である。
また、前記第１実施形態では、冷媒分岐流路２０１、２０２の分岐点に冷媒制御弁として三方弁３１を設けたものであったが、図５に示すように、各冷媒分岐流路２０１、２０２における減圧手段２４Ａ、２４Ｂの上流にそれぞれ二方弁３１Ａ、３１Ｂを設けても良い。この場合であっても、２つの二方弁３１の開閉時間の時間比率を３秒から２００秒の間で可変とする。
さらに、図６に示すように、冷凍室用蒸発器２３Ｂの吐出側に冷媒の逆流を防止する逆止弁６を設けても良い。
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
１００・・・冷却装置
１１ ・・・冷蔵室
１２ ・・・冷凍室
２００・・・冷凍回路
２０１・・・冷蔵側分岐流路
２０２・・・冷凍側分岐流路
２１ ・・・圧縮機
２２ ・・・凝縮器
２３Ａ・・・冷蔵室側蒸発器
２３Ｂ・・・冷凍室側蒸発器
２４Ａ・・・冷蔵室側減圧手段
２４Ｂ・・・冷凍室側減圧手段
３ ・・・冷媒制御機構
３１ ・・・冷媒制御弁
３２ ・・・制御装置
４Ａ ・・・冷蔵庫内温度センサ
４Ｂ ・・・冷凍庫内温度センサ
５ ・・・外気温度センサ
６ ・・・逆止弁

Claims (4)

  1. 冷却室と、
    圧縮機、当該圧縮機の吐出側に設けられた凝縮器、当該凝縮器の吐出側及び前記圧縮機の吸入側の間に設けられ、前記冷却室を冷却する蒸発器、及び、前記蒸発器の吸入側に設けられた減圧手段を有する冷凍回路と、
    前記凝縮器及び前記蒸発器の間に設けられた冷媒制御弁を１つ有し、前記冷媒制御弁の開閉時間を制御することにより前記蒸発器に流れる冷媒流量を調整する冷媒制御機構とを備える冷却装置。
  2. 冷却温度が互いに異なる複数の冷却室と、
    圧縮機、当該圧縮機の吐出側に設けられた凝縮器、当該凝縮器の吐出側及び前記圧縮機の吸入側の間において互いに並列接続されるとともに前記冷却室毎に対応して設けられた複数の蒸発器、及び、前記各蒸発器の吸入側に設けられた複数の減圧手段を有する冷凍回路と、
    前記凝縮器及び前記複数の蒸発器の間に設けられて各蒸発器に流れる冷媒流量を制御する冷媒制御弁を１つ有し、前記複数の冷却室を同時に冷却する同時冷却運転において、前記冷媒制御弁の開閉時間を制御することにより各蒸発器の流れる冷媒分流比をそれぞれ独立して調整する冷媒制御機構とを有する冷却装置。
  3. 前記冷媒制御機構が、前記冷媒制御弁の開閉時間を制御することにより、前記複数の蒸発器全てに冷媒を流す冷媒全部流し期間と、前記複数の蒸発器の一部に冷媒を流す冷媒一部流し期間とを交互に行う請求項２記載の冷却装置。
  4. 冷却温度が互いに異なる複数の冷却室と、
    圧縮機、当該圧縮機の吐出側に設けられた凝縮器、当該凝縮器の吐出側及び前記圧縮機の吸入側の間において互いに並列接続されるとともに前記冷却室毎に対応して設けられた複数の蒸発器、及び、前記各蒸発器の吸入側に設けられた複数の減圧手段を有する冷凍回路と、
    前記凝縮器及び前記複数の蒸発器の間に設けられた冷媒制御弁を１つ有し、前記複数の蒸発器のうち冷媒を供給する蒸発器を選択的に切り替える冷媒制御機構とを備え、
    前記冷媒制御機構が、前記冷媒を供給する蒸発器を切り替えた後において、前記冷媒制御弁の開閉時間を制御することにより前記蒸発器に流れる冷媒流量を調整することを特徴とする冷却装置。
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