JP2020128853A - 冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】開閉弁の過度な稼働を抑制し断続運転を低減させる冷却システムを提供する。【解決手段】圧縮機１１と、凝縮器１２と、膨張弁１４と、蒸発器１５と、冷媒配管６と、庫内温度を検出する庫内温度センサ２０と、冷却対象の温度に基づいて、蒸発器１５の冷媒の通過及び停止を切り換える電磁開閉弁１７と、を備えた冷却システム１であって、膨張弁１４の開度を制御する開度制御部８ｂと、外気温度を検出する外気温度センサ２１と、外気温度、庫内温度と目標庫内温度との差、及び低圧目標値に基づいて、膨張弁１４の開度の下限値を変更する開度下限値制御部８ｃと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍回路を備えた冷却システムにおける制御装置に関する。

ショーケースのように庫内を冷却するための冷凍回路を有する冷却システムには、圧縮機、凝縮器を有する冷凍機（室外機）と、開閉弁、膨張弁、蒸発器を有する室内機（ショーケース）とを備えるとともに、これらの各機器に冷媒を循環させる循環路を備えている。

例えば特許文献１に記載された冷却システムにおいては、１つ冷凍機に複数のショーケースが並列に接続して構成されている。冷凍機の運転内容としては、ショーケースの庫内温度と目標庫内温度との差に基づいて当該ショーケースの開閉弁の開閉及び膨張弁の開度を制御することで、各ショーケースの冷却能力が調節される。また、圧縮機の回転数については、ショーケースの運転台数に応じてあらかじめ設定された圧縮機における吸入圧力設定値（低圧目標値）と実吸入圧力値との差に基づいて制御される。

更に、特許文献１では、運転状況（開閉弁の開閉状況）に応じて、冷却能力の制御目標値を制御する技術が開示されている。詳しくは、開閉弁の開閉率が所定以上となった場合に吸入圧力設定値を上げることで開閉弁の過度な断続運転を低減することが可能となっている。

特開２０１７−９６５２０号公報

しかしながら、１つの冷凍機に複数のショーケースが接続されている冷却システムにおいては、例えばあるショーケースの運転状況に合わせて圧縮機の運転を制御すると、他のショーケースにおいて冷却過多になって当該ショーケースの開閉弁が過度に稼働をして断続運転を行ってしまう可能性がある。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであって、開閉弁の過度な稼働を抑制し断続運転を低減させる冷却システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の冷却システムは、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された冷媒を放熱させる凝縮器と、前記凝縮器によって放熱された冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させて冷却対象と熱交換する蒸発器と、前記圧縮機、前記凝縮器、前記膨張弁、前記蒸発器を順番に介装し、冷媒を循環させる冷媒循環路と、前記冷却対象の温度を検出する温度検出部と、前記冷却対象の温度に基づいて、前記蒸発器の冷媒の通過及び停止を切り換える開閉弁と、を備えた冷却装置であって、前記冷却対象の温度に基づいて、前記膨張弁の開度を制御する開度制御部と、前記冷却装置の運転条件を検出する運転条件検出部と、前記冷却装置の運転条件に基づいて、前記膨張弁の開度の下限値を変更する開度下限値制御部と、を備えたことを特徴とする。

好ましくは、前記冷媒循環路は、前記凝縮器と前記圧縮機との間で並列に複数の分流路を有し、当該複数の分流路には、前記膨張弁、前記蒸発器及び前記開閉弁が夫々設けられ、複数の前記冷却対象に対して前記分流路及び前記温度検出部が夫々備えられ、前記開度制御部は、前記冷却対象毎に、当該冷却対象の温度に基づいて、当該冷却対象に対応する前記膨張弁の開度を制御するとよい。

好ましくは、前記冷却装置の運転条件は、外気温度、前記冷却対象の実温度と設定温度との差、前記冷媒循環路の低圧目標値の少なくとも１つを含むとよい。

前記蒸発器はショーケースに設けられ、当該ショーケースの内部を前記冷却対象とするとよい。

本発明によれば、冷却装置の運転条件に基づいて、膨張弁の開度の下限値を変更するので、膨張弁の開度の下限値付近での冷却能力を抑制するように設定することができる。これにより、膨張弁の開度の下限値付近で開閉弁を開閉しても、冷却対象の温度変化を抑制することができる。したがって、開閉弁の開閉を抑制し断続運転を低減させることができる。

また、冷却対象を複数有し、冷却対象毎に膨張弁、蒸発器及び開閉弁を備え、冷却対象毎に温度を検出して膨張弁の開度を制御する構成の冷却システムである場合には、複数の冷却対象毎に膨張弁の開度の下限値を制御するため、冷却対象の温度のバラツキを低減させることができる。これにより、圧縮機の稼働率の低下（省エネ化）を図ることができる。

本実施形態の冷却システムの概略構成図である。 本実施形態の冷却システムの膨張弁の開度範囲を示すグラフである。 低圧目標値高設定時における目標膨張弁開度の設定例を示すマップである。 低圧目標値低設定時における目標膨張弁開度の設定例を示すマップである。 本実施形態における庫内温度の推移例を示すグラフである。 本実施形態の安定制御ＯＦＦ時における庫内温度、冷媒圧力、圧縮機回転数の推移例を示すグラフである。 本実施形態の安定制御ＯＮ時における庫内温度、冷媒圧力、圧縮機回転数の推移例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る冷却システム１の概略構成図である。

図１に示すように、本実施形態に係る冷却システム１は、店舗の室外に備えられた冷凍機２と、店舗に設置され物品を収納する内部の空間を冷却対象とする３台のショーケース３、４、５と、冷媒を循環させる冷媒配管６(冷媒循環路)と、ショーケース３、４、５及び冷凍機２を作動制御するコントロールユニット８を備えている。

冷凍機２は、冷媒を圧縮し吐出する圧縮機１１、凝縮器１２、凝縮器用ファン１３を備えている。

各ショーケース３、４、５は、夫々、電子膨張弁または開度可変（調整）可能な膨張弁（以下、膨張弁１４という）、蒸発器１５、蒸発器用ファン１６、電磁開閉弁１７（開閉弁）を備えている。

冷媒配管６は、冷媒が圧縮機１１、凝縮器１２を通過した後に、各ショーケース３、４、５に分岐した分流路６ａ、６ｂ、６ｃを介して各ショーケース３、４、５の膨張弁１４、蒸発器１５、電磁開閉弁１７を通過して合流し、圧縮機１１に戻るように構成されている。即ち、各ショーケース３、４、５は冷媒配管６の分流路６ａ、６ｂ、６ｃによって互いに並列に接続されている。

圧縮機１１によって圧縮され高温高圧となった冷媒は、凝縮器１２によって冷却され常温高圧となり、各ショーケース３、４、５の膨張弁１４によって圧力が低下することで温度低下する。低温となった冷媒は、蒸発器１５においてショーケース３、４、５の庫内の空気と熱交換して庫内を冷却し、圧縮機１１に戻る。

また、電磁開閉弁１７を閉制御することで、当該電磁開閉弁１７が介装される分流路６ａ、６ｂ、６ｃでの冷媒の循環が停止され、当該電磁開閉弁１７有するショーケース３、４、５の冷却運転が停止される。

コントロールユニット８は、各ショーケース３、４、５の庫内温度を検出する庫内温度センサ２０（温度検出部）と、外気温度を検出する外気温度センサ２１（運転条件検出部）と、圧縮機１１の吸入圧力を検出する圧力センサ２２から、夫々検出値を入力して、圧縮機１１、凝縮器用ファン１３、膨張弁１４、蒸発器用ファン１６、電磁開閉弁１７を作動制御するものであり、入力装置（Ｉ／Ｏ）、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ)等を含んで構成されている。

コントロールユニット８は、ショーケース３、４、５毎に、庫内温度センサ２０によって検出した実庫内温度と設定庫内温度との差に基づいて、電磁開閉弁１７の開閉制御を行う開閉制御部８ａ及び膨張弁１４の開度を制御する開度制御部８ｂを備えている。

なお、図２に示すように、膨張弁１４では、開度が大きくなるに伴って通過する冷媒の流量が増加する。開度制御部８ｂは、実庫内温度と設定庫内温度との差に基づいて、目標膨張弁開度を演算して、膨張弁１４の開度を制御する。例えば夏季のような外気温度の高温時においては、冷却能力を大きく必要とするので、膨張弁１４の開度は、例えば図２の夏季運転可能開度範囲に設定される。しかしながら、冬季のような外気温度の低温時においては膨張弁１４の開度は、夏季運転可能開度範囲よりも低い範囲（冬季最適開度範囲）が望ましい。

また、コントロールユニット８は、圧力センサ２２によって検出した吸入圧力に基づいて、圧縮機１１及び凝縮器用ファン１３の回転数制御を行う。

また、コントロールユニット８には、圧縮機１１の吐出温度が過度に上昇した場合や、吐出圧が過度に上昇した場合には、圧縮機１１の保護のために当該圧縮機１１の運転を停止させる保護機能（保護制御）が備えられている。

更に、本実施形態のコントロールユニット８は、目標膨張弁開度の下限値Ｏvlを演算する開度下限値制御部８ｃを備えている。開度下限値制御部８ｃは、次式（1）を用いて、外気温度Ｔｏ、実庫内温度Ｔi（冷却対象の実温度）、設定庫内温度Ｔiｔ（冷却対象の設定温度）、及び低圧目標値Ｐｔより目標膨張弁開度の下限値Ｏvlを演算する。なお、式（１）において、ｄＴは、実庫内温度Ｔiと設定庫内温度Ｔiｔとの差（ｄＴ＝Ｔi−Ｔiｔ）であり、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｉについては、適宜設定される定数である。
Ｏvl＝（Ｔｏ＋Ａ）×Ｂ＋（ｄＴ＋Ｃ）×Ｄ＋（Ｐｔ＋Ｅ）×Ｆ＋Ｇ＋Ｉ・・・（1）

なお、目標膨張弁開度の下限値Ｏvlについては、更に上限値Ｏvlhと下限値Ｏvllとの間に設定される。

このように目標膨張弁開度（下限値）Ｏvlを外気温度Ｔｏ、実庫内温度と設定庫内温度Ｔiｔとの差ｄＴ及び低圧目標値Ｐｔより目標膨張弁開度（下限値）Ｏvlを演算することで、目標膨張弁開度の下限値Ｏvlを変更する安定制御を実行する。

これにより、図３及び図４に示すように、目標膨張弁開度の下限値Ｏvlは、上限値Ｏvlhと下限値Ｏvllとの間で、外気温度Ｔｏが低くなるに伴って、あるいは実庫内温度Ｔiと設定庫内温度Ｔiｔとの差ｄＴが低くなるに伴って、目標膨張弁開度の下限値Ｏvlが低くなるように設定される。なお、図３、図４中のグレーの色塗部分では、目標膨張弁開度の下限値Ｏvlが上限値Ｏvlhに設定され、図３及び図４において左上に向かうにしたがって目標膨張弁開度の下限値Ｏvlが下限値Ｏvllに向かって減少するように設定される。

また、低圧目標値Ｐｔが減少することで、目標膨張弁開度の下限値Ｏvlが増加するように設定される。低圧目標値ＰｔがＰｔ1である図３と、低圧目標値ＰｔがＰｔ1より低いＰｔ2である図４とを比較すると、上限値Ｏvlh及び下限値Ｏvllとの間で、低圧目標値Ｐｔが低い値であるＰｔ2の場合の方が、低圧目標値ＰｔがＰｔ2より高い値であるＰｔ1の場合よりも、目標膨張弁開度の下限値Ｏvlが増加するように設定される。

更に、本実施形態では、膨張弁１４のバラツキを吸収して、膨張弁開度を最適値に補正する膨張弁開度補正制御と、圧縮機１１の異常停止を抑制する膨張弁開度フェイルセーフ制御を実行する。

膨張弁開度補正制御は、冷凍機２の運転開始から例えば１５分経過後に、現在の各膨張弁１４の開度が目標膨張弁開度の下限値Ｏvlである場合に実行される。膨張弁開度補正制御は、冷凍機２における圧縮機１１の吐出温度Ｔdと、実庫内温度Ｔiと設定庫内温度Ｔiｔとの差ｄｔとから、下式（2）に示すように追加膨張弁最低開度Ｇを演算する。なお、式（2）におけるＨは、適宜設定される係数（固定値）である。また、追加膨張弁最低開度Ｇは、上記式（1）における定数Ｇであり、式（2）で演算したＧに更新することで、目標膨張弁開度の下限値Ｏvlが減少することになる。このＧについては、例えば５分毎に更新する。
Ｇ＝ｄＴ×（Ｔｄ−１１０）×Ｈ・・・（2）

膨張弁開度フェイルセーフ制御は、冷凍機２の運転開始から例えば１０分経過後に、現在の各膨張弁１４の開度が所定値Ｏvaである場合に実行される。所定値Ｏvaは、下限値Ｏvlと上限値Ｏvhとの間の値であって適宜設定される。膨張弁開度フェイルセーフ制御は、例えば圧縮機１１の吐出温度が異常に上昇して圧縮機１１を停止させる保護制御が実施された際に、上記式（１）で使用される定数Ｉを下記式(3)に示すように加算して補正する。
Ｉ＝Ｉ＋２・・・（3）

なお、この式（3）によるＩ値の加算補正は、運転の停止、始動に拘わらず次回のＩ値の補正まで保存され、以降はこの補正されたＩ値を基に更に補正する。

以上のように、本実施形態では、目標膨張弁開度の下限値Ｏvlを、外気温度、庫内温度と目標庫内温度との差、及び低圧目標値に基づいて変化させる安定制御を実施することで、冷却能力の必要度合いに応じて目標膨張弁開度の下限値Ｏvlが変更される。

例えば外気温度が比較的高い場合、庫内温度と目標庫内温度との差が大きい場合、あるいは低圧目標値が低い場合、即ち夏季のように冷却能力の必要度合いが高い場合には、実吸入圧と吸入圧力設定値との差が高く圧縮機１１の回転数が高く設定される可能性があるが、目標膨張弁開度の下限値Ｏvlを上限値Ｏvlhに設定することで、加熱度が抑制されるので、圧縮機１１の吐出温度や吐出圧の上昇を抑えることができ、保護機能による断続運転が軽減される。

なお、従来例では、目標膨張弁開度の下限値Ｏvlは一定の値に設定される。目標膨張弁開度の下限値Ｏvlは、通常、上記のように圧縮機１１の保護機能による断続運転が軽減されるように、目標膨張弁開度の下限値Ｏvlが上限値Ｏvlhに設定される。しかしながら、このように目標膨張弁開度の下限値Ｏvlを上限値Ｏvlhに一定に設定すると、目標膨張弁開度が下限値Ｏvlであっても冷却能力が比較的高くなるので、庫内温度と目標庫内温度との差に基づいて電磁開閉弁１７が開閉した際に、特に冬季のように冷却能力の必要度合いが低い場合に温度変化が大きくなり、電磁開閉弁１７の開閉頻度が増加してしまう。

これに対し、本実施形態では、例えば外気温度が比較的低い場合、庫内温度と目標庫内温度との差が少ない場合、あるいは低圧目標値が高い場合、即ち冬季のように冷却能力の必要度合いが低い場合には、目標膨張弁開度の下限値Ｏvlを下限値Ｏvllに設定することで、下限値Ｏvll付近での冷却能力を抑制することができる。したがって、庫内温度と目標庫内温度との差に基づいて電磁開閉弁１７が開閉しても、庫内の温度変化が抑制される。これにより、電磁開閉弁１７の開閉頻度を抑制することができる。

また、本実施形態では、複数のショーケース３、４、５の各膨張弁１４について、目標膨張弁開度の下限値Ｏvlを夫々変更制御し、特に各ショーケース３、４、５の実庫内温度と設定庫内温度との差に基づいて目標膨張弁開度の下限値Ｏvlが変更されるので、全てのショーケース３、４、５の状態に合わせて目標膨張弁開度の下限値Ｏvlを適切に設定することができ、全ての電磁開閉弁１７の開閉頻度を抑制することができる。また、ショーケース３、４、５毎の庫内温度のバラツキを抑制することができることで、冷凍機２の稼働率の低下（省エネ化）を図ることができる。

図５は、本実施形態における庫内温度の推移例を示すグラフであり、目標膨張弁開度の下限値Ｏvlを変化させる本実施形態の安定制御の実行前と実行後における、３つのショーケース３、４、５のうちショーケース３（ケース３）とショーケース４(ケース４)における庫内温度変化の変化を計測した結果を示すグラフである。

図５に示すように、庫内温度は電磁開閉弁１７の開閉に伴って上昇下降を繰りかえすものの、本発明の安定制御をＯＦＦからＯＮに切り換えると、電磁開閉弁１７の開閉頻度が抑制されることから、細かい温度変化が抑えられ、庫内温度の変化が抑制される。

図６は、ショーケース３、４、５の設定庫内温度を同一に設定した場合において、本実施形態の安定制御ＯＦＦ時における庫内温度、低圧値（圧縮機１１の吸入圧）、圧縮機回転数の推移例を示すグラフである。図７は、本実施形態の安定制御ＯＮ時における庫内温度、低圧値、圧縮機回転数の推移例を示すグラフである。

図６に示すように、本実施形態の安定制御を実施しない場合には、低圧目標値に対して低圧値（吸入圧）が変動し、圧縮機１１の回転数が変動する。そして、ショーケース３、４、５の庫内温度が大きく変動する。

これに対し、図７に示すように、本実施形態の安定制御を実施した場合には、低圧目標値と低圧値が略一致して安定し、圧縮機１１の回転数も安定する。このように圧縮機１１が保護制御による運転及び停止を繰り返さずに一定に運転するので、冷凍機２の運転を安定化させ、ショーケース３、４、５の庫内温度も夫々安定するとともに、ショーケース３、４、５同士の温度差も抑制される。

また、膨張弁開度補正制御を行うことで、膨張弁１４の最低開度が徐々に低下していくので、膨張弁１４の最低開度を可能な限り低下させて、冷却能力を抑制することができる。これにより、圧縮機１１の回転数が抑えられ、エネルギー消費を抑制することが可能となる。

更に、膨張弁開度補正制御について学習機構を備えてもよい。基本的な目標膨張弁開度の下限値Ｏvlを式(1)で演算し、膨張弁開度がこの下限値Ｏvlになった時間を平均化して下限値Ｏvlを変更するにようにしてもよい。これにより、下限値Ｏvlを細かく変更して膨張弁１４の最低開度をより細かく低下させて、エネルギー消費を更に抑制することが可能となる。

また、膨張弁開度フェイルセーフ制御を行うことで、圧縮機１１を停止させる保護制御が実行される毎に目標膨張弁開度の下限値Ｏvlが少しずつ上昇していくので、圧縮機１１を停止させる保護制御を抑制することが可能となる。

このように、膨張弁開度補正制御と膨張弁開度フェイルセーフ制御を実行することで、目標膨張弁開度の下限値Ｏvlを適切な値に近づかせることができる。したがって、保護制御を抑制しつつ目標膨張弁開度の下限値Ｏvlを低く設定して電磁開閉弁１７の開閉頻度の抑制をして省エネルギー性能をより向上させることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定するものではない。例えば上記の膨張弁開度補正制御や膨張弁開度フェイルセーフ制御については、適宜実行するようにしてもよい。

また、上記実施形態の冷却システム１は、冷却対象として複数のショーケース３、４、５を有しているが、１個であってもよい。

１ 冷却システム
３、４、５ ショーケース
６ 冷媒配管（冷媒循環路）
６ａ、６ｂ、６ｃ 分流路
８ｂ 開度制御部
８ｃ 開度下限値制御部
１１ 圧縮機
１２ 凝縮器
１４ 膨張弁
１５ 蒸発器
１７ 電磁開閉弁（開閉弁）
２０ 庫内温度センサ（温度検出部）
２１ 外気温度センサ（運転条件検出部）

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
   前記圧縮機によって圧縮された冷媒を放熱させる凝縮器と、
   前記凝縮器によって放熱された冷媒を膨張させる開度調整可能な膨張弁と、
   前記膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させて冷却対象と熱交換する蒸発器と、
   前記圧縮機、前記凝縮器、前記膨張弁、前記蒸発器を順番に介装し、冷媒を循環させる冷媒循環路と、
   前記冷却対象の温度を検出する温度検出部と、
   前記冷却対象の温度に基づいて、前記蒸発器の冷媒の通過及び停止を切り換える開閉弁と、
   を備えた冷却システムであって、
   前記冷却対象の温度に基づいて、前記膨張弁の開度を制御する開度制御部と、
   前記冷却システムの運転条件を検出する運転条件検出部と、
   前記冷却システムの運転条件に基づいて、前記膨張弁の開度の下限値を変更する開度下限値制御部と、を備えたことを特徴とする冷却システム。
2. 前記冷媒循環路は、前記凝縮器と前記圧縮機との間で並列に複数の分流路を有し、当該分流路には、前記膨張弁、前記蒸発器及び前記開閉弁が夫々設けられ、
   複数の前記冷却対象に対して前記分流路及び前記温度検出部が夫々備えられ、
   前記開度制御部は、前記冷却対象毎に、当該冷却対象の温度に基づいて、当該冷却対象に対応する前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記冷却システムの運転条件は、外気温度、前記冷却対象の実温度と設定温度との差、前記冷媒循環路の低圧目標値の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の冷却システム。
4. 前記蒸発器はショーケースに設けられ、当該ショーケースの内部を前記冷却対象とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却システム。