JP3724239B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍サイクル内の封入冷媒を上手に活用して冷却する冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は例えば特開平６−１３７６９１号公報に示された従来の冷却装置としての空気調和機の冷媒回路の系統図である。
この図１０において、１は回転数が可変し、冷媒を圧縮する圧縮機、２は室外熱交換器、３は減圧装置としての膨張弁であり、この膨張弁は電気式膨張弁のみを指す、４は室内熱交換器、５は圧縮機１と室外熱交換器２を連結する吐出冷媒配管、６は室外熱交換器２と電気式膨張弁３とを連結する液冷媒配管、８は室内熱交換器４と圧縮機１とを連結する吸入冷媒配管、１０ａは圧縮機１の吐出配管５に配設された圧力検出器、１０ｂは圧縮機１の吸入配管８に配設された圧力検出器、１１ａは室外熱交換器２の出口側冷媒配管６に配設された温度検出器、１１ｂは圧縮機１の吸入冷媒配管８に配設された温度検出器である。
また、９は制御器で、この制御器９は各圧力検出器１０ａ，１０ｂから出力された冷媒圧力信号及び温度検出器１１ａ，１１ｂから出力された冷媒温度信号、及び、又は圧縮機の回転数に応じて電気式膨張弁の開度を制御する。
【０００３】
なお、ここで、前述の各圧力検出器及び温度検出器によって検出された圧力、温度値を以下のように定義する。
即ち、圧力検出器１０ａで検出される圧力をＰａ、圧力検出器１０ｂで検出される圧力をＰｂ、温度検出器１１ａで検出される温度をＴａ、温度検出器１１ｂで検出される温度をＴｂとする。
【０００４】
次に図１０の構成動作について説明する。
まず、圧縮機１より吐出された高温、高圧のガス冷媒は冷媒配管５を経て凝縮器となる室外熱交換器２を通る過程で室外空気と熱交換することにより凝縮され、高圧の過冷却液冷媒となる。
次に、この高圧の液冷媒は冷媒配管６を介して電気式膨張弁３へ流れ、ここで減圧され、冷媒配管７を経て蒸発器となる室内熱交換器４に送出され、この送出された液冷媒は室内空気と熱交換されて、蒸発し、低圧のガス冷媒となり、アキュームレータ１２を経て圧縮機１に戻り、再び圧縮機１で圧縮されて吐出される。
【０００５】
次に、このような冷凍サイクルの繰り返しにおける圧縮機の回転速度と必要冷媒量との関係について説明する。
なお、図１１は吸入過熱度ＳＨ（ＳＨ＝Ｔｂ−Ｐｂの飽和温度）及び室外熱交換器出口過冷却度ＳＣ（ＳＣ＝Ｐａの飽和温度−Ｔａ）を一定値、例えば、５ｄｅｇになるように電気式膨張弁の開度（冷媒流量）を制御した時に、各圧縮機回転速度に対して必要となる冷媒量を示したものである。
【０００６】
この図からもわかるように、圧縮機回転速度が低下するほど必要な冷媒量は増大し、圧縮機最少回転速度において必要な冷媒量は最大となる。この要因は、例えば、圧縮機回転速度が低下するほど圧縮機出口より吐出されるガス冷媒の流量は少なくなるが、室外熱交換器の能力は変わらないので室外熱交換器内部で、スピーデイに凝縮されるため、速い段階から、即ち熱交換器の入口側で冷媒はガスから液相へ変化し、室外熱交換器内に冷媒が溜まるからである。
即ち、室外熱交換器内部には液冷媒が大量に存在（滞留）するため、必然的に必要冷媒量は多くなる。
【０００７】
以上のようなことを考慮し、もしここで、最大圧縮機回転速度ｆmaxに対応した冷媒量を封入すれば、最小圧縮機回転速度ｆminになった時には、冷媒不足が生じるし、また逆に、最小圧縮機回転速度ｆminに対応した冷媒量を封入すれば、最大圧縮機回転速度ｆmaxになった時には、著しく多くの余剰冷媒が生じることになる。
【０００８】
従って、圧縮機回転速度ｆを考慮せずに、単に、吸入過熱度ＳＨと室外熱交換器出口過冷却度ＳＣとを一定になるように制御する限り、前述したように、必要冷媒量は大きく変動するために、一般的に、下記冷媒封入量式に基づいて平均圧縮機回転速度に対応した冷媒量を封入して制御する例もあるが、やはり、最小圧縮機回転速度ｆmin側では冷媒が不足し、不安定な過熱運転気味の状態で運転されることなる。
なお、前述の冷媒封入量式を下記に示す。
ｆmean＝（ｆmin＋ｆmax）／２ に対する平均封入冷媒量ｗmean＝（Ｗmin＋Ｗmax）／２
【０００９】
また更に、前述の問題点を改善するために、圧縮機回転速度ｆを考慮して冷媒を封入し、このものを吸入過熱度ＳＨまたは室外熱交換器出口過冷却度ＳＣのいずれかで制御する具体例を図１２で説明する。
即ち、圧縮機回転数（回転速度）ｆが平均圧縮機回転数ｆmeanより低速域で運転される時は、吸入過熱度ＳＨに基づいて電気式膨張弁の開度を制御し、平均圧縮機回転数ｆmeanより高速域で運転される時は、室外熱交換器過冷却度に基づいて電気式膨張弁の開度を制御する例のものである。
【００１０】
まず、この従来の制御例においては、平均冷媒量ｗmeanが封入された後、圧縮機回転数（回転速度）ｆが平均圧縮機回転数ｆmeanより低速域で運転されている時は、前述したように、室外熱交換器の能力は変わらないで冷媒循環が少なくなるため、室外熱交換器内部で、冷媒がスピーデイに冷却され、熱交換器の入口側の速い段階から凝縮されるため、室外熱交換器過冷却度が一定値になるように電気式膨張弁の開度を制御すると、室外熱交換器２内に冷媒が溜り、室内熱交換器４内の冷媒量が不足する（図１２の斜線部に相当）ので、吸入過熱度のみで、その値が一定値になるように制御する。
【００１１】
即ち、吸入過熱度のみを一定の値になるように制御することにより、過冷却度コントロールによる室外熱交換器内部に溜まる冷媒を防止すると共に、仮に室内熱交換器内の冷媒が不足気味なったとしても、このことを吸入過熱度から検知し、室外熱交換器内に溜まらないように、電気式膨張弁の開度を開き気味に制御するようになるので、この溜らなくなった分だけ、冷媒量の不足を緩和するようになる。
【００１２】
また逆に、圧縮機回転速度ｆが平均圧縮機回転速度ｆmeanより高速域では、過冷却度のみを一定の値になるように制御するので、吸入過熱度を一定に制御した場合に発生する室内熱交側の冷媒余剰量（図１２の斜線部）を、室外熱交換器内に抑えこむように運転する。即ち、絞りぎみの運転をするようになる。
【００１３】
しかし、このような制御をしたとしても、図１１に示すように、やはり、高速域では、冷媒が余り、低速域では、冷媒が不足することには変りがないし、特に、平均冷媒量ｗmeanが規定どうり封入されずに、冷媒封入量が規定以上封入された場合は低速域で絞り過ぎて凍結したり、あるいは、封入量が規定以下封入された場合は高速域で開き過ぎて高圧圧力が上昇したり、不安定な運転となる。
【００１４】
次に、この動作をフローチャート図１３で説明する。
まず、この図に示すように、ステップＳ１で制御器９に接続された冷媒圧力検出器及び温度検出器からの情報を読み取った上でステップＳ２において圧縮機の回転速度ｆの大きさを判定し、ｆが所定の値ｆmeanよりも大きければステップＳ３へ進み、制御器９内で演算される室外熱交換器出口過冷却度を一定になるように電気式膨張弁の開度を制御し、ステップＳ３においてｆが所定の値ｆmeanより小さければステップＳ４へ進み、制御器９内で演算される吸入過熱度を一定となるように電気式膨張弁の開度を制御する。
【００１５】
【 発明が解決しようとする課題 】
以上説明したように、従来の冷却装置においては、圧縮機の回転数のみの判断基準で吸入過熱度または過冷却度のみのいずれかで制御しているので、冷媒封入量を充分に活用できないため、冷却能力を充分に引張りだせないと言う問題があった。
特に、冷媒封入量が規定以上封入された場合は低速域で絞り過ぎて凍結したり、あるいは、規定以下封入された場合は高速域で開き過ぎて高圧圧力が上昇したり、不安定な運転をすると言う問題があった。
【００１６】
この発明は係る問題点を解決するためになされたもので、冷媒封入量を充分に活用し、冷却能力を充分に引き出しながら安定した冷却運転をする冷却装置を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る冷却装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器、及びアキュムレータを順次配管で連結して成る冷媒回路と、この冷媒回路の膨張弁及び蒸発器と蓄熱運転時に並列に接続され、蓄熱利用冷却運転に直列に接続される蓄熱用膨張弁及び蓄熱用熱交換器から成る蓄熱冷媒回路と、上記凝縮器の出口側冷媒過冷却度を検出する過冷却度検出手段と、上記圧縮機の吸入側冷媒過熱度を検出する過熱度検出手段と、この過熱度検出手段又は上記過冷却度検出手段の検出結果に基づいて上記膨張弁の開度を制御する制御手段と、を備え、上記制御手段が、上記蓄熱運転時に、上記凝縮器の出口側過冷却度が上記目標過冷却度になるように上記膨張弁の開度を制御し、上記蓄熱利用冷却運転時に、上記圧縮機の吸入側過熱度が上記目標過熱度になるように上記膨張弁の開度を制御するものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの実施の形態１の概略構成図であり、この図において、１は冷媒を圧縮する圧縮機で、この圧縮機は回転数が可変するものでも良いし、あるいは可変しないものでも良い。１３は冷媒配管６と吸入冷媒配管８ａとを接続し、減圧装置１４を有するバイパス配管、１５ａは室外熱交換器ほぼ中央部に設けられ、当該温度を検出する室外熱交中央温度検出器、１５ｂは室外熱交換器の出口部に設けられ、当該温度を検出する室外熱交出口温度検出器、１６ａは圧縮機の吸入部に設けられ、当該吸入温度を検出する圧縮吸入温度検出器、１６ｂは減圧装置１４の出口部に設けられ、当該出口温度を検出するバイパス出口温度検出器である。なお、このバイパス温度検出器１６ｂは室内熱交換器の冷媒蒸発飽和温度を検出できれば良いものであるから、わざわざバイパス配管１３を設けてその出口部に取り付ける必要がなく、単に、室内熱交換器の冷媒蒸発飽和温度を検出する位置に取り付けても良い。
また、２９はこれらの温度検出器１５ａ，１５ｂ並びに１６ａ，１６ｂから出力される冷媒温度信号に応じて電気式膨張弁開度を制御する制御器である。
なお、その他の符号については従来例で説明しているので、説明を省略する。
【００２６】
次に図１の構成の動作について説明する。
この図１において、圧縮機１より吐出された高温、高圧のガス冷媒は冷媒配管５を経て凝縮器となる室外熱交換器２を通る過程で室外空気と熱交換することにより凝縮され、高圧の過冷却された液冷媒となる。この高圧の液冷媒の一部は電気式膨張弁３により減圧され、冷媒配管７を経て蒸発器となる室内熱交換器４に送出され、ここで室内空気と熱交換して蒸発し、低圧のガス冷媒となる。
次に、この低圧のガス冷媒は、冷媒配管８ａ、アキュームレータ１２、冷媒配管８ｂを経て、再び圧縮機１に吸入され、圧縮され、吐出される。
【００２７】
また、前述の過冷却液冷媒の一部はバイパス配管１３を経由し、減圧装置１４で減圧され、低圧の二相冷媒となって冷媒配管８ｂへ流れ、室内熱交換器４からの低圧ガス冷媒と合流する。
【００２８】
次に、このような冷凍サイクルにおいて、電気式膨張弁３の開度によって吸入過熱度を制御した場合と、凝縮器出口過冷却度を制御した場合の各冷媒封入量における一般的な運転特性の関係を図２及び図３により説明する。
なお、図２は、圧縮機回転速度をある一定値とし、凝縮器出口過冷却度ＳＣが一定になるように膨張弁開度を制御した場合の各冷媒封入量における冷却装置の一般的な運転特性を示したものである。
【００２９】
この図に示すように、封入冷媒量を比較的多く封入した場合、一般的に、凝縮器出口過冷却度ＳＣをある一定の値にするために、膨張弁の開度を大きく開いても、冷媒量が充分確保できるので、冷却能力を充分に引き出せる。
しかし、封入冷媒量が比較的少なく、不足ぎみの場合は、膨張弁開度を小さくしなければ、冷媒不足が生じ、冷媒流量（冷却能力）が減少し、吸入過熱度ＳＨが大きくなったり、あるいは、蒸発温度が低下し、熱交換に着霜するようになるため、過熱運転、または、着霜運転をするようになる。
【００３０】
以上のように、所定の冷媒量で凝縮器出口過冷却度ＳＣが一定になるように膨張弁開度を制御した場合、封入冷媒量が充分にある場合は安定した冷却装置能力を得ることができる。しかし、封入冷媒量が減少した場合、充分な冷却能力を得ることができなくなり、冷却能力が減少するようになる。
【００３１】
次に、所定の冷媒量で吸入過熱度ＳＨが一定となるように膨張弁開度を制御した場合の各冷媒封入量における冷却装置の運転特性を図３により説明する。
【００３２】
この図３に示すように、吸入過熱度ＳＨが一定になるように制御すると、封入冷媒量が少なかったり、あるいは負荷と冷却能力とのアンバランス等の原因で段々少なくなって行き、過熱度ＳＨが増大して行く場合でも、この過熱度ＳＨの増大を抑えるように制御するので、即ち、膨張弁開度を開くように制御するので、冷媒流量が確保でき、冷却能力も充分確保することができる。しかし、逆に封入冷媒量が多くなり、過熱度ＳＨが減少して行く場合には、この過熱度ＳＨの減少を抑えるように膨張弁の開度を絞るので、室内熱交換器へ流る冷媒流量が少なくなり、蒸発温度が低下し、熱交換に着霜すると共に、冷却装置の能力が減少する。
【００３３】
以上のように吸入過熱度を一定になるように膨張弁開度を制御すると、封入冷媒量が必要規定量より比較的少ない場合は安定した冷却装置の能力を得ることができるが、封入冷媒量が必要規定量より比較的多い場合は充分な冷却装置の能力が得られなくなる。
【００３４】
従って、膨張弁開度の制御対象として、凝縮器出口過冷却度または吸入過熱度の少なくともいずれか一方を冷媒封入量に応じて選択し、その選択結果に基づいて制御することにより、安定した冷却運転が得られる。
即ち、具体的には封入冷媒量が比較的多い状態では凝縮器出口過冷却度を選択し、封入冷媒量が比較的少ない状態では吸入過熱度で膨張弁の開度を制御するようにする。
【００３５】
次に、この制御動作の１つの例を図４を用いて説明する。
なお、図４は凝縮器出口の過冷却度並びに吸入過熱度を膨張弁の制御対象にした時の特性図であり、この図は、一方の制御対象を一定（例えば８ｄｅｇ）とし、他方の制御対象を変化させた時に必要となる封入冷媒量の特性図である。
【００３６】
この図に示すように、凝縮器出口過冷却度を大きくしていくと必要封入冷媒量は増大し、逆に吸入過熱度を大きくしていくと必要冷媒量は減少する傾向になる。しかも、凝縮器出口過冷却度制御の方が総じて吸入過熱度制御より同じ温度差の変化に対して多くの冷媒量が必要となることがわかるが、これは冷媒の比容積がガスと液とでは相違するためである。
【００３７】
従って、各封入冷媒量に応じて過冷却度または吸入過熱度のいずれで膨張弁の開度を制御するかを選択することにより決まる。
言い換えれば、膨張弁開度の制御対象である凝縮器出口過冷却度または吸入過熱度の少なくともいずれか一方を所定値にし、その他方の値を検出し、その検出結果から封入冷媒量の多い、少ないを判断し、その判断結果に基づいて過冷却度または吸入過熱度のいずれか一方で膨張弁の開度を制御すると、封入冷媒量が規定以上または以下で封入されたとしても、あるいは、その封入量で圧縮機の回転数が変化した時でも、下記に記述するように、安定した冷却能力を得ることが可能となる。
【００３８】
以下に、図５を用いて、具体的な制御フロー例について説明する。
まず、冷却装置の起動時においては、制御器２９が膨張弁初期制御目標として、圧縮機回転数や、外気温度による室外熱交換器の容量等（言い換えれば、冷媒循環量）により決定した凝縮器出口過冷却度（＝15a−15b）の目標基準値（例えば８ｄｅｇ ）になるように膨張弁の開度を選択し、その選択結果に基づいて膨張弁を制御する。
【００３９】
次に、当該冷却装置の冷凍サイクルがバランスするための所定時間（例えば１０分）が経過したか否かを判断し、経過していなければ安定運転状態に達してないと判断して、その運転制御状態を維持し、経過していれば、安定運転状態になったと判断し、吸入過熱度が基準値以上（超えている）か、以下かを判定する。
【００４０】
次に、この判定結果で、吸入過熱度が基準値（例えば８ｄｅｇ）以下であれば、封入冷媒量は充分あり、室内熱交換器が充分活用されていると判断し、即ち、このままの状態で効率の良い冷却運転ができると判断し、その状態で運転を継続する。
しかし、この運転状態で、圧縮機回転数の低下や室内温度が上昇して、吸入過熱度が基準値を超えた時や、前述の判定結果で吸入過熱度が基準値を超えていると判断した時は、冷媒量が少ない、即ち、吸入過熱度が大きくなり冷却装置の能力が低下し、蒸発温度が低下して、室内熱交換器４に着霜の恐れがあると判断し、膨張弁を開き、吸入過熱度を目標基準値になるように制御する。
【００４１】
次に、この目標基準値以下の吸入過熱度による膨張弁の制御に入ると、制御器２９は当該冷却装置の冷凍サイクルがバランスするための所定時間（例えば１０分）を経過したか否かを判断し、経過していなければ安定運転状態に達してないと判断して、その運転状態を維持し、経過していれば、安定運転状態になったと判断し、過冷却度が目標基準値以上（超えている）か、以下かを判定する。
【００４２】
次に、この判定結果で、過冷却度が目標基準値以下（８ｄｅｇ）の時は、膨張弁を開き、吸入過熱度を低下させ、変更した値が正しかった、即ち、蒸発器が充分活用されるようになったと判断し、その吸入過熱度の運転状態を継続する。
但し、この吸入過熱度を低下させ、蒸発器を充分活用しようとする時に、膨張弁を開き過ぎて、凝縮器内の冷媒が不足し、過冷却度が例えば１ｄｅｇの以下にならないようにするために、例えば、前述の検出した過熱度が基準過熱度より１５℃以上高くない時は基準過熱度にするが、１５℃以上高い時は、基準過熱度をやや高めの所定値（例えば１２ｄｅｇ ）になるように設定しても良い。
また、仮に、膨張弁を開き過ぎて、凝縮器内の冷媒が不足し、過冷却度がなくなったとしても、その封入冷媒量においては、蒸発器の冷却効果が最適になっていることは、言うまでもない。
【００４３】
また、上記判定結果で、過冷却度が目標基準値（例えば８ｄｅｇ）以上であれば、冷媒量が少ないと判断して膨張弁を開き、過冷却度を目標基準値より小さくなるようにしたにも関わらず、目標基準値以上になったのは、何が変化したからだと判断し、即ち、圧縮機回転数又は外気温度による室外熱交換器の容量が変化して目標基準値以上になり、凝縮器内の冷媒量が増え、凝縮器及び蒸発器内の冷媒量が目標基準値になったと判断し、スタート（起動時）に戻り、その後同じ動作を繰り返す。
【００４４】
また、運転停止後の再起動時には、常に図５の制御フローの起動時から再び同じ制御を開始する。これは、圧縮機回転数又は外気温度による室外熱交換器の容量が変化しているか、いなかをチェックするためである。
【００４５】
また、過冷却度や過熱度の目標基準値は、前述したように、圧縮機の回転数や、外気温度による室外熱交換器の容量等により決定されるものであるから、当然圧縮機の回転数や外気温度等により変更される。
【００４６】
以上説明したように、封入冷媒量に対する冷却装置の過冷却度を基準値にして吸入過熱度をチェックし、即ち、凝縮器内の適正冷媒量における蒸発器内の冷媒量をチェックしながら、そのチェック結果で目標基準値以下の時は、冷媒量が充分あると判断して目標基準過冷却度になるように制御するようにし、以上の時は、冷媒量が少ないと判断して目標基準吸入過熱度になるように制御するようにしたので、封入冷媒量を充分に活用しながら、運転範囲の拡大及び冷却能力を充分引き出して安定した冷却運転をする信頼性の高い冷却装置が得られる。
【００４７】
また、これらの各制御状態において他方の特性が変化すると、この変化に対応して制御対象を、目標基準過冷却度から目標基準吸入過熱度へ、あるいは、逆に、目標基準吸入過熱度から目標基準過冷却度へ変えるので、運転条件の変化に対応して制御する信頼性の高い冷却装置が得られる。
【００４８】
実施の形態２．
この実施の形態２においては、実施の形態１の凝縮器過冷却度を吸入過熱度に、吸入過熱度を凝縮器過冷却度に置き換えて制御したものである。
なお、その制御フローを図６に示す。
【００４９】
以下に、この制御フローの具体的な動作について説明する。
まず、冷却装置の起動時においては、制御器２９が膨張弁初期制御目標として、圧縮機回転数や、外気温度による室外熱交換器の容量等により決定した基準吸入過熱度（例えば８ｄｅｇ ）になるように膨張弁の開度を選択し、その選択結果に基づいて制御する。
次に、当該冷却装置の冷凍サイクルがバランスするための所定時間（例えば１０分）が経過したか否かを判断し、経過していなければ安定運転状態に達してないと判断して、その運転制御状態を維持し、経過していれば、安定運転状態になったと判断し、過冷却度が所定値以上（超えている）か、以下かを判定する。
【００５０】
次に、この判定結果で、過冷却度が目標基準値（８ｄｅｇ）以下であれば、冷媒量は少ないと判断し、その吸入過熱度による運転制御を継続し、効率の良い冷却運転を維持する。即ち、封入冷媒量がやや不足していても、室内熱交換器（蒸発器）へ冷媒を確実に供給しながら、室内熱交換器の冷却能力を充分に引き出して運転するようになる。
なお、この図６には記載していないが、過冷却度が例えば２ｄｅｇの以下の時は凝縮器内のガス不足と判断し、前述の目標過熱度を例えば１０ｄｅｇに変更し、この変更した目標過熱度で前述の動作を繰り返し、過冷却度が８ｄｅｇから２ｄｅｇ以内になるように制御してもよい。
【００５１】
一方、過冷却度が所定値を超えている時は、封入冷媒量の多くが室外熱交換器へ集まり過ぎているため、高圧が高くなり、冷却装置の能力が低下していると判断して、膨張弁を開き、過冷却度を判定値以下の所定値（例えば５ｄｅｇ）になるように制御する。
【００５２】
次に、この判定値以下の過冷却度による膨張弁制御に入ると、制御器２９は当該冷却装置の冷凍サイクルがバランスするための所定時間（例えば１０分）を経過したか否かを判断し、経過していなければ安定運転状態に達してないと判断して、その運転状態を維持し、経過していれば、安定運転状態になったと判断し、吸入過熱度が目標基準値以上（超えている）か、以下かを判定する。
【００５３】
次に、この判定結果で、吸入過熱度が目標基準値以下の時は、吸入過熱度を変更した値が正しかったと判断し、その状態で運転制御を継続する。
しかし、過冷却度が目標基準値（例えば８ｄｅｇ）以上であれば、室外熱交換器内の冷媒量が多いと判断し、膨張弁を開き、過冷却度を小さくしたにも関わらず、目標基準値以上になったのは、何が変化したからだと判断し、即ち、圧縮機回転数又は外気温度による室外熱交換器の容量等が変化して、目標基準値以上なったと判断し、スタート（起動時）に戻り、その後同じ動作を繰り返す。
【００５４】
また、運転停止後の再起動時にも、図６の制御フローの起動時から同じ動作を開始する。
【００５５】
以上説明したように、封入冷媒量に対する冷却装置の吸入過熱度を所定値にして過冷却度をチェックし、即ち、蒸発器内の適正冷媒量における凝縮器内の冷媒量をチェックしながら、そのチェック結果で目標基準値以下の時は、冷媒量が少ないと判断して吸入過熱度で制御するようにし、以上の時は、冷媒量が多いと判断して過冷却度で制御するようにしたので、封入冷媒量を充分に活用しながら、運転範囲の拡大及び冷却能力を充分引き出して安定した冷却運転をする信頼性の高い冷却装置が得られる。
【００５６】
また、これらの各制御状態において他方の特性が変化すると、この変化に対応して制御対象を、目標基準過冷却度から目標基準吸入過熱度へ、あるいは、逆に、目標基準吸入過熱度から目標基準過冷却度へ変えるので、運転条件の変化に対応して制御する信頼性の高い冷却装置が得られる。
【００５７】
実施の形態３．
この実施の形態３においては、図７に示すように、実施の形態１または２の冷却装置の室内熱交換及び膨張弁と並列に氷蓄熱槽及び蓄熱用膨張弁を設け、この氷蓄熱槽に貯えた熱を活用して冷却する氷蓄熱槽付冷却装置に関するものである。
【００５８】
以下に、その詳細について説明する。
まず、図７は氷蓄熱槽付冷却装置の冷凍サイクルの構成図であり、この図において、１００は室内ユニット、２００は蓄熱ユニット、３００は室外ユニットを示す。
なお、この蓄熱ユニット２００内には各種機器が内臓されており、３ａ，３ｂは減圧装置としての電気式膨張弁であり、この電気式膨張弁の３ａは実施の形態１または２で説明した電気式膨張弁３に相当するもである。また、４０ａ，４０ｂ，４０ｃは冷媒の流れを切換える冷媒回路切換弁であり、３０は蓄熱材としての水を貯留する蓄熱槽で、この蓄熱槽３０は室内熱交換器４及び電気式膨張弁３ａと並列に設けられ、蓄熱用熱交換器を具備している。
また、冷媒配管１０，１１は室内ユニット１００と蓄熱ユニット２００を接続する延長配管である。
その他の構成については実施の形態１及び２の図１と同様なため省略する。
【００５９】
次に、この氷蓄熱槽付冷却装置の蓄熱利用冷房運転時と蓄熱運転時の冷媒の流れを図７を用いて説明する。
まず、蓄熱利用冷房運転時の冷媒は、図７の実線の矢印のごとく流れる。
即ち、圧縮機１より吐出された高温、高圧のガス冷媒は室外熱交換器２で室外空気と熱交換することにより冷却、凝縮され、高圧のまま過冷却液冷媒状態となって、冷媒配管６から蓄熱ユニット２００に至る。蓄熱ユニット２００に流入した高圧過冷却液冷媒は冷媒配管１７、膨張弁３ｂを経由して、蓄熱用熱交換器３０ｂで蓄熱槽内の氷と熱交換され、さらに過冷却される。
なお、この時の膨張弁３ｂの開度は全開相当にするため、冷媒の減圧はほとんどない。
【００６０】
次に、この蓄熱用熱交換器３０ｂで過冷却された高圧過冷却液冷媒は冷媒配管１８、２０を経て、膨張弁３ａにより減圧され、低圧の二相冷媒となって室内ユニット１００に至り、室内熱交換器４に達し、室内空気と熱交換することにより低圧のまま加熱されて蒸発し、乾き度の大きな気液混合２相冷媒または過熱ガス冷媒となって、蓄熱ユニット２００の冷媒配管８ａ，アキュームレータ１２を経て圧縮機１に戻るというサイクルを繰り返す。
なお、この蓄熱利用冷房運転により、蓄熱槽３０の蓄熱材の熱は消費される。
【００６１】
次に蓄熱運転時の冷媒の流れについて説明する。
まず、蓄熱運転時の冷媒の流れは図７による点線の矢印のごとく流れ、圧縮機１より吐出された高圧、高圧のガス冷媒は室外熱交換器２で室外空気と熱交換することにより、冷却、凝縮され、高圧の過冷却液冷媒状態となって冷媒配管６を経て蓄熱ユニット２００に達する。
【００６２】
次に、この蓄熱ユニット２００に達した冷媒は冷媒配管１７を経て膨張弁３ｂにて減圧され低圧の気液混合二相冷媒となり、蓄熱槽３０に貯留された水もしくは氷と蓄熱用熱交換器３０ｂを介して熱交換し、乾き度の大きい低圧の気液混合二相冷媒または過熱ガス冷媒となって冷媒配管１９、８ａ及びアキュームレータ１２を経て圧縮機１に戻る。
なお、この時、蓄熱運転時には膨張弁３ａは閉じているため、冷媒は室内ユニット１００に流れることはない。また、この蓄熱動作により、蓄熱槽３０の蓄熱材は冷却され、水から氷へ変移し、蓄熱が行なわれる。
【００６３】
次に、これらの蓄熱運転と蓄熱利用冷房運転における延長配管に対する必要冷媒量について図８により説明する。
この図に示すように、蓄熱運転に対し、蓄熱利用冷房運転時の必要冷媒量は常に多くなる。これは冷房運転時における蓄熱用熱交換器３０ｂが高圧液を更に過冷却して液相で貯流する凝縮器の液ラインの役割をするのに対し、蓄熱運転におては、単に冷媒を蒸発させ、気液混合２相冷媒を有する蒸発器としての役割をするからである。
従って、その結果、蓄熱利用冷房運転時の必要冷媒量は蓄熱運転時の必要冷媒量より多く、その分だけ余剰冷媒量となり、アキュームレータ１１に貯留される。
なお、アキュームレータはこの余剰冷媒量を充分に貯留できる容積が必要となる。
【００６４】
次に、この冷媒量差が発生する要因について説明する。
一般的に、冷媒の比重は液相状態とガス相状態では大きく異なり、液相状態に比べガス状態では比重は約１／１５、気液二相状態では約１／３となる。
従って、前述したように、蓄熱運転時における蓄熱用熱交換器３０ｂの冷媒状態は気液二相状態であり、蓄熱利用冷房運転時においては液相状態であるから、当然蓄熱利用冷房運転時の蓄熱用熱交換器３０ｂに貯留する冷媒量は蓄熱運転に比べ約５倍ほど大きくなる。
しかも更に、蓄熱運転時においては、室内ユニット１００と蓄熱ユニット２００を接続する延長冷媒配管１０の膨張弁３ａを遮断し、冷媒が室内ユニット１００へ流れないようにするので、その分も蓄熱利用冷房運転時よりも更に少なくなる要因となる。
【００６５】
次に、この氷蓄熱槽付冷却装置の膨張弁制御動作を図９の制御フローで説明する。
まず、この図に示すように、制御器２９は起動時の運転モード信号から蓄熱運転か否かを判断し、この判断結果で蓄熱運転ではない、即ち、蓄熱利用冷房運転であると判断すると、制御器２９は膨張弁の開度を目標基準吸入過熱度に基づいて制御し、また、蓄熱運転であると判断すると、凝縮器目標基準過冷却度に基づいて制御する。
即ち、蓄熱運転時には凝縮器出口過冷却度により膨張弁を制御し、蓄熱利用冷房運転時には吸入過熱度により膨張弁を制御する。
なお、運転モードの決定は制御器２９が運転の操作結果や、運転の履歴等により決定する。
また、上記の吸入過熱度や過冷却度の目標基準値は、圧縮機の回転数や外気温度変化によって変る室外熱交換器の容量等により決定される。
【００６６】
次に、この制御動作について詳細に説明する。
まず、蓄熱利用冷房運転においては、バイパス配管１３の減圧用毛細管１４により減圧され、高圧液から低圧の二相冷媒になった温度を検出する温度検出器１６ｂで検出された低圧の飽和温度Ｔ１６ｂと、吸入冷媒配管８ａに配設された温度検出器１６ａにより検出された低圧ガス温度Ｔ１６ａとから、吸入過熱度ＳＨ＝Ｔ１６ａ−Ｔ１６ｂを制御器２９が演算し、この演算した吸入過熱度ＳＨが目標吸入過熱度なるように膨張弁３ａの開度を制御する。
即ち、演算吸入過熱度と目標吸入過熱度との差に基づいて膨張弁３ａの開度を制御する。
【００６７】
また、蓄熱運転においては、室外熱交換器２の冷媒凝縮部に取り付けられた温度検出器１５ａで検出された飽和凝縮温度Ｔ１５ａと、室外熱交換器２の出口部に取り付けられた検出温度検出器１５ｂで検出された冷媒温度Ｔ１５ｂから、凝縮器出口過冷却度ＳＣ＝ Ｔ１５ａ− Ｔ１５ｂを制御器２９が演算し、この演算した凝縮器出口過冷却度ＳＣが目標過冷却度となるように膨張弁３ｂの開度を制御する。
即ち、演算過冷却度と目標過冷却度との差に基づいて膨張弁３ｂの開度を制御する。
【００６８】
以上説明したように、冷媒を多く必要とする運転モード信号である蓄熱利用冷房運転時には吸入過熱度で膨張弁の開度を制御し、冷媒を多く必要としない運転モード信号である蓄熱運転時には凝縮器出口の過冷却度で膨張弁の開度を制御するので、蓄熱利用冷房運転時によって決定される封入冷媒量を削減できると共に、蓄熱運転時の余剰冷媒量を縮小することができるようになるため、封入冷媒量が少なく、アキュームレータを小型化することができる経済的な冷却装置が得られる。
【００６９】
実施の形態４．
この実施の形態４においては、実施の形態３の氷蓄熱式冷却装置の蓄熱利用冷房運転時において、実施の形態１で説明した図５の制御フローによる膨張弁制御を適用するものである。即ち、封入冷媒量を多く必要とする蓄熱利用冷房運転時において、実施の形態１で説明した図５の制御フローによる膨張弁制御を適用するものである
【００７０】
次に、この実施の形態４の動作について説明する。
まず、制御器２９は凝縮器出口過冷却度が所定の過冷却温度になるように膨張弁の制御を行う。
但し、この時、実施の形態３で説明したように、制御器２９により制御される膨張弁は蓄熱運転時においては３ｂであり、蓄熱利用冷房運転時においては３ａである。
【００７１】
次に、図５に示すように、この過冷却度制御運転が所定時間（例えば、１０分）経過した後、検出した吸入過熱度ＳＨ＝Ｔ１６ａ−Ｔ１６ｂを演算し、この演算結果が吸入過熱度ＳＨ≦８ｄｅｇであれば、吸入過熱度ＳＨ＞８ｄｅｇにならない限り凝縮器過冷却度制御を継続する。
しかし、吸入過熱度ＳＨ＞８ｄｅｇであれば、冷媒が少ないと判断して、吸入過熱度ＳＨを目標（所定）吸入過熱度になるよう膨張弁３ａまたは３ｂを制御する。
【００７２】
次に、この制御後、所定時間（１０分）以上経過した後、検出した凝縮器出口過冷却度ＳＣ＝Ｔ１５ａ−Ｔ１５ｂを演算し、この演算した凝縮器出口過冷却度≦８ｄｅｇであれば、適正であると判断し、その吸入過熱度制御運転を継続する。
しかし、凝縮器出口過冷却度ＳＣ＞８ｄｅｇであれば、何かが変化したと判断し、スタートに戻る。
【００７３】
以上説明したように、特に封入冷媒量を多く必要とする蓄熱利用冷房運転時において、冷却装置の過冷却度を所定値にして吸入過熱度から冷媒量をチェックし、そのチェック結果で目標基準値以下の時は、冷媒量が充分あると判断して過冷却度で制御するようにし、以上の時は、冷媒量が少ないと判断して吸入過熱度で制御するようにたので、封入冷媒量を充分に活用して蒸発器の冷却能力を引き出しながら、運転範囲の拡大及び安定した冷却運転をする信頼性の高い冷却装置が得られる。
【００７４】
実施の形態５．
この実施の形態５においては、実施の形態３の氷蓄熱式冷却装置の蓄熱利用冷房運転時において、実施の形態２で説明した図６の制御フローによる膨張弁制御を適用するものである。
【００７５】
次に、この実施の形態５の動作について説明する。
まず、制御器２９は吸入過熱度が所定のになるように膨張弁の制御を行う。
但し、この時、実施の形態３で説明したように、制御器２９により制御される膨張弁は蓄熱運転時においては３ｂであり、蓄熱利用冷房運転時においては３ａである。
【００７６】
次に、図６に示すように、この吸入過熱度制御運転が所定時間（例えば、１０分）経過した後、検出した凝縮器出口部の過冷却度ＳＣ＝Ｔ１５ａ−Ｔ１５ｂを演算し、この演算結果で、凝縮器出口過冷却度≦８ｄｅｇであれば、室外熱交換器の冷媒量が適正であると判断し、凝縮器出口の過冷却度＞８ｄｅｇにならない限り吸入過熱度制御を継続する。
しかし、凝縮器過冷却度ＳＣ＞８ｄｅｇであれば、冷媒量が多いと判断し、凝縮器出口部の過冷却度が目標過冷却度になるように膨張弁３ａの開度を制御する。
【００７７】
次に、この過冷却度制御運転で、所定時間（１０分）以上経過した後、検出した吸入過熱度ＳＨ＝Ｔ１６ａ−Ｔ１６ｂを演算し、この演算した吸入過熱度≦８ｄｅｇであれば、制御した結果が適正であると判断し、その過冷却度制御の運転を継続する。
しかし、吸入過熱度ＳＨ＞８ｄｅｇであれば、何かが変化したと判断し、スタートに戻る。
【００７８】
以上説明したように、封入冷媒量に対する冷却装置の吸入過熱度を所定値にして過冷却度から冷媒量をチェックし、そのチェック結果で目標基準値以下の時は、冷媒量を充分活用していると判断して吸入過熱度で制御するようにし、以上の時は、冷媒量が多いと判断して過冷却度で制御するようにたので、封入冷媒量を充分に活用して冷却能力を充分に引き出しながら、運転範囲の拡大及び安定した冷却運転をする信頼性の高い冷却装置が得られる。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、上記制御手段が、上記蓄熱運転時に、上記凝縮器の出口側過冷却度が上記目標過冷却度になるように上記膨張弁の開度を制御し、上記蓄熱利用冷却運転時に、上記圧縮機の吸入側過熱度が上記目標過熱度になるように上記膨張弁の開度を制御するので、封入冷媒量が少なくてもすむ蓄熱冷却運転には、冷媒量を多く必要とする過冷却で制御し、封入冷媒量を多く必要とする蓄熱利用冷却運転時には、冷媒量が少なくてすむ過熱度で制御するようになるため、蓄熱運転時と蓄熱利用冷却運転時との必要冷媒量をバランスさせながら安定した蓄熱及び蓄熱利用冷却運転をする信頼性の高い冷却装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１及び２の冷凍サイクルの構成を示す系統図である。
【図２】 この発明の圧縮機回転数及び凝縮器出口過冷却度一定とした時の封入冷媒量と冷却装置の運転状態との関係を示す関連図である。
【図３】 この発明の圧縮機回転数及び吸入過熱度一定とした時の封入冷媒量と冷却装置の運転状態との関係を示す関連図である。
【図４】 この発明の圧縮機回転数一定のもとで凝縮器出口過冷却度もしくは吸入過熱度を変化させた時の必要冷媒量の変化を示す関連図である。
【図５】 この発明の実施の形態１及び４における電気式膨張弁の制御動作を示すフローチャートである。
【図６】 この発明の実施の形態２及び５における電気式膨張弁の制御動作を示すフローチャートである。
【図７】 この発明の実施の形態３、４、５の冷凍サイクルの構成を示す系統図である。
【図８】 この発明の蓄熱運転時及び蓄熱利用冷房運転時の延長配管長と必要冷媒量の関係を示す関連図である。
【図９】 この発明の実施の形態３における電気式膨張弁の制御動作を示すフローチャートである。
【図１０】 従来の冷媒回路の構成を示す系統図である。
【図１１】 従来の冷媒循環回路における吸入過熱度及び凝縮器出口過冷却度を一定とした時の、圧縮機回転速度と必要冷媒量との関連を示す関連図である。
【図１２】 図１１において封入冷媒量を最大必要冷媒量と最小必要冷媒量との平均値とした時の圧縮機回転速度と余剰冷媒量の過不足との関係を示す関連図である。
【図１３】 従来例における制御動作を示すフローチャートである。
【 符号の説明 】
１ 圧縮機、２ 室外ユニット熱交換器、３ 電気式膨張弁、３ａ 電気式膨張弁、３ｂ 蓄熱用膨張弁、４ 室内ユニット熱交換器、５ 圧縮機１と熱交換器２とを連結する冷媒配管、６ 熱交換器２と電気式膨張弁３とを連結する冷媒配管、７ 電気式膨張弁３と熱交換器４とを連結する冷媒配管、８ａ 熱交換器４とアキュームレータ１２とを連結する冷媒配管、８ｂ アキュームレータ１２と圧縮機１とを連結する冷媒配管、２９ 制御器、１０ 室内ユニット１００と蓄熱ユニット２００を接続する延長冷媒配管、１１ 室内ユニット１００と蓄熱ユニット２００を接続する延長冷媒配管、１２ アキュームレータ、１３ 冷媒配管６と冷媒配管８ａを連結する冷媒配管、１４ バイパス配管１３に接続された減圧用冷媒配管、１５ａ 室外ユニット熱交換器２に配設された温度検出器、１５ｂ 冷媒配管６に配設された温度検出器、１６ａ 冷媒配管８ｂに配設された温度検出器、１６ｂ バイパス配管１３に配設された温度検出器、１７ 冷媒配管６と電気式膨張弁３ｂを連結する冷媒配管、１８ 蓄熱熱交換器３０と冷媒配管２０とを連結する冷媒配管、１９ 冷媒配管８ａと冷媒配管１８とを連結する冷媒配管、２０ 冷媒配管７と冷媒配管１８とを連結する冷媒配管、３０ 蓄熱槽、３０ａ 蓄熱熱交換器、４０ａ 冷媒回路開閉用弁、４０ｂ 冷媒回路開閉用弁、４０ｂ 冷媒回路開閉用弁、１００ 室内ユニット、２００ 蓄熱ユニット、３００ 室外ユニット。

Claims (1)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器、及びアキュムレータを順次配管で連結して成る冷媒回路と、この冷媒回路の膨張弁及び蒸発器と蓄熱運転時に並列に接続され、蓄熱利用冷却運転に直列に接続される蓄熱用膨張弁及び蓄熱用熱交換器から成る蓄熱冷媒回路と、上記凝縮器の出口側冷媒過冷却度を検出する過冷却度検出手段と、上記圧縮機の吸入側冷媒過熱度を検出する過熱度検出手段と、この過熱度検出手段又は上記過冷却度検出手段の検出結果に基づいて上記膨張弁の開度を制御する制御手段と、を備え、上記制御手段が、上記蓄熱運転時に、上記凝縮器の出口側過冷却度が上記目標過冷却度になるように上記膨張弁の開度を制御し、上記蓄熱利用冷却運転時に、上記圧縮機の吸入側過熱度が上記目標過熱度になるように上記膨張弁の開度を制御することを特徴とする冷却装置。

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