JP4179927B2 - 冷却装置の冷媒封入量設定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンプレッサ、ガスクーラ、減圧手段及び蒸発器などを環状に接続し、冷媒として二酸化炭素が封入される冷媒回路を備えた冷却装置の冷媒封入量設定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の此の種冷却装置、例えば店舗に設置されるショーケースは、コンデンシングユニットを構成するコンプレッサ、ガスクーラ（凝縮器）及び絞り手段（キャピラリチューブ等）と、ショーケース本体側に設けられた蒸発器とを順次環状に配管接続して冷媒回路が構成されている。そして、コンプレッサにて圧縮され、高温高圧となった冷媒ガスは、ガスクーラに吐出される。このガスクーラにて冷媒ガスは放熱した後、絞り手段で絞られて蒸発器に供給される。そこで冷媒は蒸発し、そのときに周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮して、ショーケースの庫内（被冷却空間）を冷却するものであった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２５７８３０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、近年では地球環境問題に対処するため、この種の冷媒サイクルにおいても、従来のフロンを用いずに自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ₂）を冷媒として用い、高圧側を超臨界圧力として運転する冷媒サイクルを用いた装置が開発されてきている。
【０００５】
このように冷媒として二酸化炭素を使用した場合、圧縮比が非常に高くなり、コンプレッサ自体の温度や冷媒回路内に吐出される冷媒ガスの温度が高くなる関係上、所望の冷却能力を得ることが困難であった。
【０００６】
このため、冷却装置の蒸発器の出口温度が入口温度とが早期にほぼ同じ温度になるように冷媒の封入量を調整して冷媒回路内に封入していた。即ち、この場合には冷媒回路内に封入する冷媒量は多くなるため、冷凍能力の向上を図ることは可能であるが、起動時などの冷媒回路内が不安定な状況下においては高圧側圧力が異常上昇して、機器の損傷を引き起こす恐れがあった。
【０００７】
特に、減圧手段としてキャピラリチューブを用いた場合には、上述する如く冷媒封入量が多すぎると、高圧側圧力が上昇すると、低圧側圧力も上昇するため蒸発器における蒸発温度が高くなってしまい、被冷却空間の温度を所望の低温まで下げることができないという問題も生じていた。
【０００８】
本発明は、係る技術的課題を解決するために成されたものであり、所謂二酸化炭素を冷媒として使用する冷却装置の高圧側圧力の異常上昇を回避しながら、冷却能力の改善を図ることができる冷媒封入量設定方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、請求項１の発明の冷却装置の冷媒封入量設定方法では、蒸発器により冷却される被冷却空間の温度が所定の下限温度に達したときに、コンプレッサの運転を停止し、所定の上限温度に達したときに、コンプレッサを起動する運転状態において、コンプレッサを起動した後５分以上２０分以内に、蒸発器の出口温度と当該蒸発器の入口温度の差が１ｄｅｇ以内となる量で冷媒の封入量を設定することを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明の冷却装置の冷媒封入量設定方法では、上記発明に加えて、コンプレッサは、第１の圧縮要素とこの第１の圧縮要素にて圧縮された冷媒を圧縮して吐出する第２の圧縮要素とを備え、減圧手段はキャピラリチューブであり、第１の圧縮要素から吐出された冷媒を冷却する中間冷却回路と、ガスクーラを出た冷媒と蒸発器を出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明を適用する冷却装置１１０の冷媒回路図である。この冷却装置１１０は、コンデンシングユニット１００と冷却機器本体となる冷蔵機器本体１０５とから構成される。尚、実施例の冷却装置１１０は例えば店舗に設置されるショーケースであり、従って、冷蔵機器本体１０５はショーケースの断熱壁から成る本体である。
【００１２】
前記コンデンシングユニット１００はコンプレッサ１０、ガスクーラ（凝縮器）４０、減圧手段としてのキャピラリチューブ５８等を備えて構成され、後述する冷蔵機器本体１０５の蒸発器９２と配管接続されてコンプレッサ１０、ガスクーラ４０及び後述するキャピラリチューブ５８が蒸発器９２と共に所定の冷媒回路を構成する。
【００１３】
即ち、コンプレッサ１０の冷媒吐出管２４はガスクーラ４０の入口に接続されている。ここで、実施例のコンプレッサ１０は後述する二酸化炭素（ＣＯ₂）を冷媒として使用する内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサで、このコンプレッサ１０は図示しない密閉容器内に設けられた駆動要素としての電動要素と、この電動要素により駆動される第１の回転圧縮要素（１段目）及び第２の回転圧縮要素（２段目）にて構成されている。
【００１４】
図中２０はコンプレッサ１０の第１の回転圧縮要素で圧縮され、密閉容器内に吐出された冷媒を一旦、外部に吐出させて、第２の回転圧縮要素に導入するための冷媒導入管であり、この冷媒導入管２０の一端は図示しない第２の回転圧縮要素のシリンダと連通する。冷媒導入管２０は後述するガスクーラ４０に設けられた中間冷却回路３５を経て、他端は密閉容器内に連通する。
【００１５】
図中２２はコンプレッサ１０の図示しない第１の回転圧縮要素のシリンダ内に冷媒を導入するための冷媒導入管であり、この冷媒導入管２２の一端は図示しない第１の回転圧縮要素のシリンダと連通している。この冷媒導入管２２の他端はストレーナ５６の一端に接続されている。このストレーナ５６は冷媒回路内を循環する冷媒ガスに混入した塵埃や切削屑などの異物を確保して濾過するためのものであり、ストレーナ５６の他端側に形成された開口部とこの開口部からストレーナ５６の一端側に向けて細くなる略円錐形状を呈した図示しないフィルターを備えて構成されている。このフィルターの開口部はストレーナ５６の他端に接続された冷媒配管２８に密着した状態で装着されている。
【００１６】
また、前記冷媒吐出管２４は、前記第２の回転圧縮要素で圧縮された冷媒をガスクーラ４０に吐出させるための冷媒配管である。
【００１７】
前述したガスクーラ４０は冷媒配管とこの冷媒配管に交熱的に設けられた熱交換用のフィンから構成され、前記冷媒配管２４は係るガスクーラ４０の冷媒配管の入口側に連通接続されている。また、このガスクーラ４０には外気温度を検出するための温度センサとしての外気温度センサ７４が設けられており、この外気温度センサ７４はコンデンシングユニット１００の制御装置としての後述するマイクロコンピュータ８０に接続されている。
【００１８】
ガスクーラ４０を構成する冷媒配管の出口側に接続された冷媒配管２６は内部熱交換器５０を通過する。この内部熱交換器５０はガスクーラ４０から出た第２の回転圧縮要素からの高圧側の冷媒と冷蔵機器本体１０５に設けられた蒸発器９２から出た低圧側の冷媒とを熱交換させるためのものである。そして、内部熱交換器５０を通過した高圧側の冷媒配管２６は、前述同様のストレーナ５４を経て絞り手段であるキャピラリチューブ５８に至る。
【００１９】
また、冷蔵機器本体１０５の冷媒配管９４の一端は接続手段としてのスエッジロック継ぎ手にてコンデンシングユニット１００の冷媒配管２６に着脱可能に接続している。
【００２０】
一方、前記ストレーナ５６の他端に接続された冷媒配管２８は、前記内部熱交換器５０を経て冷蔵機器本体１０５の冷媒配管９４の他端に取り付けられた前述同様の接続手段としてのスエッジロック継ぎ手により冷媒配管９４に着脱可能に接続される。
【００２１】
前記冷媒吐出管２４にはコンプレッサ１０から吐出される冷媒ガスの温度を検出するための吐出温度センサ７０及び冷媒ガスの圧力を検出するための高圧スイッチ７２が設けられており、これらはマイクロコンピュータ８０に接続されている。
【００２２】
また、キャピラリチューブ５８から出た冷媒配管２６には、キャピラリチューブ５８から出た冷媒の温度を検出するための冷媒温度センサ７６が設けられており、これも前記マイクロコンピュータ８０に接続されている。更に、冷媒配管２８の内部熱交換器５０の入口側には冷蔵機器本体１０５の蒸発器９２から出た冷媒の温度を検出するための戻り温度センサ７８が設けられており、この戻り温度センサ７８もマイクロコンピュータ８０に接続されている。
【００２３】
尚、４０Ｆはガスクーラ４０に通風して空冷するためのファンであり、９２Ｆは冷蔵機器本体１０５の図示しないダクト内に設けられた蒸発器９２と熱交換した冷気を、当該蒸発器９２にて冷却される被冷却空間としての冷蔵機器本体１０５の庫内に循環するためのファンである。また、６５はコンプレッサ１０の前述した電動要素の通電電流を検出し、運転を制御するための電流センサである。ファン４０Ｆと電流センサ６５はコンデンシングユニット１００のマイクロコンピュータ８０に接続され、ファン９２Ｆは冷蔵機器本体１０５の後述する制御装置９０に接続される。
【００２４】
ここで、マイクロコンピュータ８０はコンデンシングユニット１００の制御を司る制御装置であり、マイクロコンピュータ８０の入力には前記吐出温度センサ７０、高圧スイッチ７２、外気温度センサ７４、冷媒温度センサ７６、戻り温度センサ７８、電流センサ６５、冷蔵機器本体１０５の庫内に設けられた後述する庫内温度センサ９１及び冷蔵機器本体１０５の制御手段としての制御装置９０からの信号線が接続されている。そして、マイクロコンピュータ８０はこれらの入力に基づいて、出力に接続されたコンプレッサ１０の回転数をインバータ基板（図示しないが、マイクロコンピュータ８０の出力に接続されている。）により制御し、且つ、ファン４０Ｆの運転を制御する。
【００２５】
冷蔵機器本体１０５の前記制御装置９０には、前述した庫内温度を検出するための庫内温度センサ９１、庫内温度を調節するための温度調節ダイヤルや、その他コンプレッサ１０を停止するための機能が設けられている。そして、制御装置９０はこれらの出力に基づき、ファン９２Ｆを制御すると共に、コンデンシングユニット１００のマイクロコンピュータ８０に前記信号線を介してＯＮ／ＯＦＦ信号を送出する。
【００２６】
係る冷却装置１１０の冷媒としては地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である前述した二酸化炭素（ＣＯ₂）が使用され、潤滑油としてのオイルは、例えば鉱物油（ミネラルオイル）、アルキルベンゼン油、エーテル油、エステル油、ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）など既存のオイルが使用される。
【００２７】
ここで、冷却装置１１０には図示しないサービスバルブなどからコンプレッサ１０内に冷媒が封入されるが、この冷却装置１１０の冷媒封入量は蒸発器９２により冷却される冷蔵機器本体１０５の庫内温度が冷えている安定運転状態において、コンプレッサ１０の起動後、蒸発器９２の出口温度と当該蒸発器９２の入口温度の差が１℃（１ｄｅｇ）以内となるまでの時間が、５分以上２０分以内となるようにしている。当該安定運転状態とは、冷蔵機器本体１０５の庫内温度が冷えている状態であって、庫内温度が所定の下限温度に達したときに、コンプレッサ１０の運転が停止し、所定の上限温度に達したときに、コンプレッサ１０を起動する運転状態のことである
【００２８】
庫内温度が冷えている安定運転状態では通常、戻り温度センサ７８にて検出される蒸発器９２の出口温度と冷媒温度センサ７６にて検出される蒸発器９２の入口温度の差が１℃以内であり、コンプレッサ１０を起動してから当該温度差となる時間が５分以上２０分以内となるように冷媒封入量を調整して冷媒回路内に封入している。
【００２９】
即ち、前記の如く図示しないサービスバルブなどからコンプレッサ１０内に冷媒を封入した後、実際にコンプレッサ１０を起動して、戻り温度センサ７８にて検出される蒸発器９２の出口温度と冷媒温度センサ７６にて検出される蒸発器９２の入口温度の差が１℃以内となる時間を測定し、当該時間が５分以上２０分以内となるように、調整している。
【００３０】
この場合の蒸発器９２の出口温度と入口温度の変化と高圧側圧力の状態を図８を用いて説明する。図８において線Ａは戻り温度センサ７８にて検出される蒸発器９２の出口温度、線Ｂは冷媒温度センサ７６にて検出される蒸発器９２の入口温度、線Ｃは高圧側圧力の推移をそれぞれ示している。
【００３１】
図８に示す如くコンプレッサ１０起動前には図８に示すように蒸発器９２の出口温度と入口温度はほぼ同じ温度である。そして、コンプレッサ１０を起動すると蒸発器９２の入口温度が急激に低下し、出口温度と差が生じる。この場合、蒸発器９２の出口温度は冷蔵機器本体１０５が冷却されるに伴い徐々に低下する。そして、冷蔵機器本体１０５の庫内が充分に冷却されると、蒸発器９２の出口温度は入口温度に近づき、当該出口温度と入口温度の差は１℃以内となる。
【００３２】
そこで、安定運転状態で前記蒸発器９２の出口温度と入口温度の差が１℃以内となる時間を、起動後５分以上２０分以内とした場合には図８の線Ｃに示す如く高圧側圧力は機器等の設計圧を超えることはない。
【００３３】
従来のように、蒸発器９２の出口温度と入口温度の差が１℃以内となる時間が５分より短くすると、この場合、冷媒回路内に冷媒封入量が本発明の冷却装置１１０に封入される冷媒量より多い状態であり、図９の線Ｃ’で示すように高圧側圧力が異常上昇し、高圧側に設けられた機器の設計圧を超えて上昇して、最悪、機器が損傷する恐れがあった。尚、図９において線Ａ’は蒸発器の出口温度、線Ｂ’は蒸発器９２の入口温度、線Ｃ’は高圧側圧力の推移をそれぞれ示している。
【００３４】
また、前述した如く減圧手段としてキャピラリチューブ５８を使用すると、高圧側圧力の上昇に伴い、低圧側圧力も上昇するため蒸発器における蒸発温度が高くなってしまい、冷蔵機器本体１０５の庫内温度を所望の低温まで下げることができないという問題も生じていた。
【００３５】
一方、蒸発器９２の出口温度と入口温度の差が１℃以内となる時間を２０分より長くなるような冷媒封入量とすると、この場合、冷媒回路内の冷媒封入量が本発明の冷却装置１１０に封入される冷媒量より少ない状態であり、蒸発器９２において蒸発する冷媒量が少なすぎて、冷蔵機器本体１０５の庫内を充分に冷却できず、冷却効率（冷凍効率）が低下していた。
【００３６】
特に、係る二酸化炭素冷媒を使用した場合、圧縮比が非常に高くなり、コンプレッサ１０自体の温度や冷媒回路内に吐出される冷媒ガスの温度が高くなる関係上、所望の冷却能力（冷凍能力）を得ることが困難であった。
【００３７】
しかしながら、本発明の如く蒸発器９２の出口温度と入口温度の差が１℃以内となる時間をコンプレッサ１０を起動後、５分以上２０分以内とすることで図８に示す如く高圧側圧力の異常上昇を回避することができ、且つ、冷却能力の低減も極力抑えることが出来るようになる。
【００３８】
これにより、二酸化炭素を冷媒として使用する冷却装置１１０の信頼性の向上を図りながら、性能の改善も図ることができるようになる。
【００３９】
また、上記のように冷媒回路内の冷媒の封入量を決定することで、最適な冷媒封入量を容易に設定することができるようになる。
【００４０】
他方、前記冷蔵機器本体１０５は全体としては断熱壁にて構成され、この断熱壁内に被冷却空間としての庫内が構成されている。前記ダクトはこの断熱壁内に庫内とは仕切られて構成されており、前記蒸発器９２及びファン９２Ｆは係るダクト内に配設される。蒸発器９２は蛇行状の前記冷媒配管９４と熱交換用の図示しないフィンとから構成されている。冷媒配管９４の両端部は前述の如くコンデンシングユニット１００の冷媒配管２６、２８と図示しないスエッジロック継ぎ手にて着脱可能に接続される。
【００４１】
以上の構成で、次に図２乃至図７を参照して本発明の冷却装置１１０の動作を説明する。尚、図２はコンプレッサ１０の回転数、高圧側圧力、冷蔵機器本体１０５の庫内温度及び蒸発器９２における冷媒の蒸発温度の推移を表す図であり、図３はマイクロコンピュータ８０の制御動作を示すフローチャートである。
【００４２】
（１）コンプレッサ制御の開始
冷蔵機器本体１０５に設けられた図示しない始動スイッチを入れるか、或いは、冷蔵機器本体１０５の電源ソケットがコンセントに接続されると、マイクロコンピュータ８０にも電源が投入され（図３のステップＳ１）、ステップＳ２で初期設定に入る。
【００４３】
この初期設定で、前述したインバータ基板の初期化が行われて、プログラムが開始される。プログラムが開始されると、マイクロコンピュータ８０はステップＳ３で各種関数や定数をＲＯＭから読み込む。尚、ステップＳ３のＲＯＭ読込でコンプレッサ１０の最高回転数以外の回転数情報や、後述する最高回転数の計算（図３のステップＳ１３）に必要なパラメータも読み込まれる。
【００４４】
図３のステップＳ３のＲＯＭ読込が完了すると、マイクロコンピュータ８０はステップＳ４に移行し、吐出温度センサ７０、外気温度センサ７４、冷媒温度センサ７６や戻り温度センサ７８等の各センサ情報や圧力スイッチ７２及びインバータ制御信号等を読み込んで、次に、マイクロコンピュータ８０はステップＳ５の異常判定に入る。
【００４５】
ステップＳ５で、マイクロコンピュータ８０は前記圧力スイッチ７２のＯＮ／ＯＦＦや前記各センサが検出する温度及び電流異常等の判定を行う。ここで、各センサ及び電流値に異常が発見されたり、圧力スイッチ７２がＯＦＦ状態の場合には、マイクロコンピュータ８０は、ステップＳ６に進み、所定のＬＥＤ（異常の発生を通知するランプ）を点灯させて、コンプレッサ１０の運転時には、コンプレッサ１０の運転を停止する。尚、前記圧力スイッチ７２は高圧側圧力の異常上昇を感知するスイッチであり、冷媒吐出管２４を通過する冷媒の圧力が例えば１３．５ＭＰａＧ以上になるとスイッチがＯＦＦになり、９．５ＭＰａＧに低下するとＯＮに復帰するものである。
【００４６】
このように、マイクロコンピュータ８０はステップＳ６で異常発生を通知した場合、所定時間待機した後、ステップＳ１に戻って前述した動作を繰り返す。
【００４７】
一方、ステップＳ５にて各センサが検出する温度及び電流値等に異常が認められず、且つ、圧力スイッチ７２がＯＮの状態の場合、マイクロコンピュータ８０はステップＳ７に進んで後述する除霜判定に入る。ここで、蒸発器９２の除霜を行う必要があると判定された場合には、マイクロコンピュータ８０はステップＳ８に進んでコンプレッサ１０の運転を停止し、ステップＳ９で除霜が完了したと判定されるまでステップＳ４乃至ステップＳ９の動作を繰り返す。
【００４８】
他方、ステップＳ７にて、蒸発器９２の除霜を行う必要が無いと判定された場合、及び、ステップＳ９で除霜完了と判定された場合、マイクロコンピュータ８０はステップＳ１０に進んでコンプレッサ１０の回転数保持時間を計算する。
【００４９】
（２）コンプレッサ起動の回転数保持制御
ここで、コンプレッサ１０の回転数保持とは、起動時にマイクロコンピュータ８０が最低回転数より低い回転数で所定時間保持して運転するというものである。即ち、マイクロコンピュータ８０は通常運転時に後述するステップＳ１３の最高回転数の計算にて算出された最高回転数（ＭａｘＨｚ）と、ステップＳ３にて予め読み込まれた最低回転数の範囲内で目標回転数を設定し、コンプレッサ１０を運転するが、起動時においては最低回転数に至る以前に当該最低回転数より低い回転数で所定時間保持してコンプレッサ１０を運転する（図２の丸１の状態）。
【００５０】
例えば、図３のステップＳ３のＲＯＭ読込にて読み込まれた最低回転数が３０Ｈｚであるとした場合、マイクロコンピュータ８０は３０Ｈｚの９０％以下の回転数（本実施例では２５Ｈｚ）で所定時間回転数を保持してコンプレッサ１０を運転する。
【００５１】
この状態を図４を参照して詳述する。従来のように最低回転数より低い回転数で所定時間保持することなく、マイクロコンピュータ８０が最低回転数である３０Ｈｚでコンプレッサ１０の運転を開始した場合、図４に破線で示すように起動時に高圧側圧力が急激に上昇して、最悪の場合、冷媒回路に設けられた機器や配管等の設計圧（耐圧限界）を超えてしまう恐れがある。また、最低回転数を予め３０Ｈｚ以下に設定してコンプレッサ１０を運転した場合には、運転中に回転数を３０Ｈｚより低下させると、コンプレッサ１０から発生する騒音や振動が著しく増大するという問題が生じる。
【００５２】
しかしながら、図４の実線で示す如くマイクロコンピュータ８０により起動時にコンプレッサ１０の回転数が所定の最低回転数に至る以前に、最低回転数より低い回転数（２５Ｈｚ）で所定時間保持して運転すれば、高圧側圧力の異常上昇を未然に回避することができるようになる。
【００５３】
また、運転中に３０Ｈｚより低い回転数に低下することがないので、コンプレッサ１０の騒音や振動の発生も抑えることができるようになる。
【００５４】
更に、当該回転数の保持時間は、ステップＳ１０において蒸発器９２にて冷却される被冷却空間の温度である冷蔵機器本体１０５の庫内温度に基づいて決定される。即ち、本実施例では冷却状態センサとしての庫内温度センサ９１にて検出される庫内温度が＋２０℃以下の場合には、マイクロコンピュータ８０はコンプレッサ１０の回転数を２５Ｈｚで例えば３０秒間保持して運転した後、回転数を最低回転数（３０Ｈｚ）まで上昇させる（図３の丸２の状態）。即ち、冷蔵機器本体１０５の庫内温度が＋２０℃以下の場合、蒸発器９２内の温度が低く、冷媒が多く存在しているため、保持時間をさほど長く設定しなくても、高圧側圧力の異常上昇を避けることが可能であるため、保持時間を短くすることができる。これにより、通常の最高回転数と最低回転数に基づく回転数制御に短時間で移行することができるので、冷蔵機器本体１０５の庫内を早期に冷却することができるようになる。
【００５５】
従って、冷蔵機器本体１０５の庫内の冷却能力の低下を極力抑えながら、高圧側圧力の異常上昇を回避することが出来るようになる。
【００５６】
一方、庫内温度センサ９１にて検出される庫内温度が＋２０℃より高い場合には、マイクロコンピュータ８０はコンプレッサ１０の回転数を２５Ｈｚで１０分間保持して運転した後、回転数を最低回転数まで上昇させる。冷蔵機器本体１０５の庫内温度が＋２０℃より高い場合、冷媒サイクル内が不安定な状態で、高圧側圧力が上昇し易い。即ち、前述のように保持時間を３０秒とした場合、回転数保持時間が短すぎて、前記高圧側圧力の異常上昇を回避することができない。このため、保持時間を１０分間と長くすることで、高圧側の異常上昇を確実に回避できるようになり、安定した運転状況を確保することができるようになる。
【００５７】
このように、マイクロコンピュータ８０は、コンプレッサの起動後、最低回転数に至る以前に２５Ｈｚで所定時間保持して運転すると共に、保持時間を冷蔵機器本体１０５の庫内温度により適宜変更することで、高圧側圧力の異常上昇を効果的に解消することができ、冷却装置１１０の信頼性及び性能の向上を図ることができるようになる。
【００５８】
図３のステップＳ１０にて上記の如く庫内温度に基づいたコンプレッサ１０の回転数保持時間を計算した後、マイクロコンピュータ８０はステップＳ１１にてコンプレッサ１０を起動する。そして、現在までの運転時間とステップＳ１０にて算出された保持時間とを比較し、コンプレッサ１０の起動時からの運転時間がステップＳ１０にて算出された保持時間より短い場合には、ステップＳ１２に進む。ここで、マイクロコンピュータ８０は前述した２５Ｈｚの起動時Ｈｚをコンプレッサ１０の目標回転数に設定し、ステップＳ２０に進む。そして、ステップＳ２０でインバータ基板により後述する如くコンプレッサ１０を２５Ｈｚの回転数で運転する。
【００５９】
即ち、上記回転数によりコンプレッサ１０の電動要素が起動されると、コンプレッサ１０の第１の回転圧縮要素に冷媒が吸い込まれて圧縮された後、密閉容器内に吐出される。そして、密閉容器内に吐出された冷媒ガスは冷媒導入管２０に入り、コンプレッサ１０から出て中間冷却回路３５に流入する。この中間冷却回路３５がガスクーラ４０を通過する過程で空冷方式により放熱する。
【００６０】
これにより、第２の回転圧縮要素に吸い込まれる冷媒を冷却することができるので、密閉容器内の温度上昇を抑え、第２の回転圧縮要素における圧縮効率も向上させることができるようになる。また、第２の回転圧縮要素で圧縮され、吐出される冷媒の温度上昇も抑えることができるようになる。
【００６１】
そして、冷却された中間圧の冷媒ガスはコンプレッサ１０の第２の回転圧縮要素に吸入され、２段目の圧縮が行われて高圧高温の冷媒ガスとなり、冷媒吐出管２４より外部に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮されている。冷媒吐出管２４から吐出された冷媒ガスはガスクーラ４０に流入し、そこで空冷方式により放熱した後、内部熱交換器５０を通過する。冷媒はそこで低圧側の冷媒に熱を奪われて更に冷却される。
【００６２】
この内部熱交換器５０の存在により、ガスクーラ４０を出て、内部熱交換器５０を通過する冷媒は、低圧側の冷媒に熱を奪われるので、この分、当該冷媒の過冷却度が大きくなる。そのため、蒸発器９２における冷却能力が向上する。
【００６３】
係る内部熱交換器５０で冷却された高圧側の冷媒ガスはストレーナ５４を経て、キャピラリチューブ５８に至る。冷媒はキャピラリチューブ５８において圧力が低下し、その後、図示しないスエッジロック継ぎ手を経て冷蔵機器本体１０５の冷媒配管９４から蒸発器９２内に流入する。そこで冷媒は蒸発し、周囲の空気から吸熱することにより冷却作用を発揮して冷蔵機器本体１０５の庫内を冷却する。
【００６４】
その後、冷媒は蒸発器９２から流出して、冷媒配管９４から図示しないスエッジロック継ぎ手を経てコンデンシングユニット１００の冷媒配管２６に入り、内部熱交換器５０に至る。そこで前述の高圧側の冷媒から熱を奪い、加熱作用を受ける。ここで、蒸発器９２で蒸発して低温となり、蒸発器９２を出た冷媒は、完全に気体の状態ではなく液体が混在した状態であるが、内部熱交換器５０を通過させて高圧側の冷媒と熱交換させることで、冷媒が加熱される。この時点で、冷媒の過熱度が確保され、完全に気体となる。
【００６５】
これにより、蒸発器９２から出た冷媒を確実にガス化させることができるようになるので、低圧側にアキュムレータなどを設けること無く、コンプレッサ１０に液冷媒が吸い込まれる液バックを確実に防止し、コンプレッサ１０が液圧縮にて損傷を受ける不都合を回避することができるようになる。従って、冷却装置１１０の信頼性の向上を図ることができるようになる。
【００６６】
尚、内部熱交換器５０で加熱された冷媒は、ストレーナ５６を経て冷媒導入管２２からコンプレッサ１０の第１の回転圧縮要素内に吸い込まれるサイクルを繰り返す。
【００６７】
（３）外気温度によるコンプレッサの最高回転数の変更制御
係る起動から時間が経過し、ステップＳ１１で現在までの運転時間が図３のステップＳ１０にて算出された保持時間に達すると、マイクロコンピュータ８０はコンプレッサ１０の回転数を前記最低回転数（３０Ｈｚ）まで上昇させる（図３の丸２の状態）。そして、マイクロコンピュータ８０はステップＳ１０からステップＳ１３に進み、最高回転数（ＭａｘＨｚ）を計算する。この最高回転数は外気温度センサ７４にて検出される外気温度に基づいて算出される。
【００６８】
即ち、マイクロコンピュータ８０は、外気温度センサ７４が検出する外気温度が高い場合にはコンプレッサ１０の最高回転数を低下させ、前記外気温度が低い場合には前記コンプレッサの最高回転数を上昇させる。これは、図５に示す如く予め設定された上限値（実施例では４５Ｈｚ）と下限値（実施例では３０Ｈｚ）の範囲内で、最高回転数が算出される。この最高回転数は、図５に示す如く外気温度の上昇に伴い一次関数的に低下し、外気温度の低下に伴い一次関数的に上昇している。
【００６９】
外気温度が高い場合には、冷媒回路内を循環する冷媒の温度が高くなり、高圧側圧力の異常上昇が生じ易いため、最高回転数を低く設定することで、高圧側圧力の異常上昇を極力回避することができるようになる。一方、外気温度が低い場合には、冷媒回路内を循環する冷媒の温度も低く、高圧側圧力が異常上昇しにくいので、最高回転数を高く設定することが可能となる。
【００７０】
従って、後述する目標回転数は最高回転数以下の回転数となるため、最高回転数が高圧側圧力の異常上昇が生じにくい値に予め設定されることで、高圧側圧力の異常上昇を効果的に回避することができるようになる。
【００７１】
（４）蒸発器における目標蒸発温度制御
図３のステップＳ１３にて上記のように最高回転数が決定されると、次に、マイクロコンピュータ８０はステップＳ１４に進んで目標蒸発温度Ｔｅｖａの計算に入る。マイクロコンピュータ８０は庫内温度センサ９１により把握される冷蔵機器本体１０５の庫内温度に基づいて蒸発器９２における冷媒の目標蒸発温度を予め設定し、蒸発器９２に流入した冷媒の蒸発温度が当該目標蒸発温度となるようにコンプレッサ１０の最高回転数と最低回転数の範囲内で前述した目標回転数を設定し、コンプレッサ１０を運転するものである。
【００７２】
そして、マイクロコンピュータ８０は庫内温度センサ９１により把握される庫内温度に基づき、庫内温度が高い程高くなる関係で蒸発器９２における冷媒の目標蒸発温度を設定する。この場合における目標蒸発温度Ｔｅｖａの計算は、ステップＳ１５にて行われる。
【００７３】
即ち、Ｔｙａ＝Ｔｘ×０．３５−８．５及びＴｙｃ＝Ｔｘ×０．２−６＋ｚの２式にて算出されるＴｙａとＴｙｃのうち、数値の小さい方の値を目標蒸発温度Ｔｅｖａとして設定する。尚、上記式でＴｘは庫内温度センサ９１にて検出される庫内温度（被冷却空間である庫内の冷却状態を示す指標の一つ）であり、ｚは外気温度センサ７４にて検出される外気温度Ｔｒから３２（ｄｅｇ）を引いた値（ｚ＝Ｔｒ（外気温度）−３２）である。
【００７４】
この場合の外気温度センサ７４にて検出される外気温度Ｔｒが＋３２℃、＋３５℃、＋４１℃における目標蒸発温度Ｔｅｖａの推移を図６に示す。図６に示すように、上記式にて設定された目標蒸発温度Ｔｅｖａは、庫内温度Ｔｘが高い領域においては、庫内温度の変化に伴う目標蒸発温度Ｔｅｖａの変化が小さく、庫内温度Ｔｘが低い領域においては、庫内温度Ｔｘの変化に伴う目標蒸発温度Ｔｅｖａの変化が大きくなることがわかる。
【００７５】
即ち、マイクロコンピュータ８０は外気温度センサ７４が検出する外気温度Ｔｒが高い場合には、目標蒸発温度Ｔｅｖａを高く補正し、庫内温度センサ９１にて把握される被冷却空間の温度が高い領域においては外気温度Ｔｒによる目標蒸発温度Ｔｅｖａの補正を行うことがわかる。ここで、外気温度Ｔｒが＋３２℃の場合における目標蒸発温度Ｔｅｖａについて説明すると、庫内温度が＋７℃以上では、庫内温度の低下に伴い目標蒸発温度Ｔｅｖａが比較的なだらかに低下しているが、庫内温度が＋７℃より低下すると庫内温度の低下に伴い目標蒸発温度Ｔｅｖａが急激に低下してしていることがわかる。即ち、庫内温度が高い状態では、冷媒回路内を流れる冷媒が不安定な状態であるため、目標蒸発温度Ｔｅｖａを比較的高く設定することで、高圧側圧力の異常上昇を回避することができるようになる。
【００７６】
また、庫内温度が低い状態では、冷媒回路内を流れる冷媒の状態が安定してくるため、目標蒸発温度Ｔｅｖａを比較的低く設定することで、冷蔵機器本体１０５の庫内を早期に冷却することが出来るようになる。これにより、除霜後の再起動等で冷蔵機器本体１０５の庫内温度を迅速に冷却でき、庫内に収納された商品の温度を適正値に維持することができるようになる。
【００７７】
そして、上記式にて目標蒸発温度Ｔｅｖａが算出されると、マイクロコンピュータ８０はステップＳ１４に進み、現在の蒸発温度と目標蒸発温度Ｔｅｖａを比較して、現在の蒸発温度が目標蒸発温度Ｔｅｖａより低い場合には、ステップＳ１６にてコンプレッサ１０の回転数を下げ、現在の蒸発温度が目標蒸発温度Ｔｅｖａより高い場合には、ステップＳ１７にてコンプレッサ１０の回転数を上昇させる。次に、マイクロコンピュータ８０はステップＳ１８において、ステップＳ１３にて決定された最高回転数と最低回転数の範囲とステップＳ１６、若しくは、ステップＳ１７にて増減された回転数との判定を行う。
【００７８】
ここで、ステップＳ１６、若しくは、ステップＳ１７にて増減された回転数が最高回転数と最低回転数の範囲内であれば、その回転数を目標回転数として設定し、ステップＳ２０にて前述した如くインバータ基板によりコンプレッサ１０を当該目標回転数で運転する。
【００７９】
他方、ステップＳ１６、若しくは、ステップＳ１７にて増減された回転数が最高回転数と最低回転数の範囲外である場合は、マイクロコンピュータ８０はステップＳ１９に進み、ステップＳ１６、若しくは、ステップＳ１７にて増減された回転数に基づいて、最高回転数と最低回転数の範囲内で最適な回転数となるように調整して、調整された回転数を目標回転数とし、ステップＳ２０にてコンプレッサ１０の電動要素を当該目標回転数で運転する。以後、ステップＳ４に戻って以降のステップを繰り返す。
【００８０】
尚、冷蔵機器本体１０５に設けられた図示しない始動スイッチが切られる、或いは、冷蔵機器本体１０５の電源ソケットがコンセントから抜かれると、マイクロコンピュータ８０への通電も停止するため（図３のステップＳ２１）、プログラムを終了する（ステップＳ２２）。
【００８１】
（５）蒸発器の除霜制御
一方、冷蔵機器本体１０５の庫内が充分に冷却されて庫内温度が設定された下限温度（＋３℃）まで低下すると、冷蔵機器本体１０５の制御装置９０はマイクロコンピュータ８０にコンプレッサ１０のＯＦＦ信号を送出する。マイクロコンピュータ８０は係るＯＦＦ信号を受け取ると、図３のステップＳ７における除霜判定で除霜開始と判断し、ステップＳ８に進んでコンプレッサ１０の運転を停止して、蒸発器９２の除霜（ＯＦＦサイクル除霜）を開始する。
【００８２】
係るコンプレッサ１０の停止後、冷蔵機器本体１０５の庫内の温度が設定された上限温度（＋７℃）に達すると、冷蔵機器本体１０５の制御装置９０はマイクロコンピュータ８０にコンプレッサ１０のＯＮ信号を送出する。マイクロコンピュータ８０は係るＯＮ信号を受け取ると、ステップＳ９で除霜完了と判定し、ステップＳ１０以降に進んで前述したようなコンプレッサ１０の運転を再開する。
【００８３】
（６）コンプレッサの強制停止
ここで、マイクロコンピュータ８０はコンプレッサ１０が所定時間連続して運転された場合、図３のステップＳ７における除霜判定で除霜開始と判定し、ステップＳ８に進んで、コンプレッサ１０の運転を強制的に停止した後、蒸発器９２の除霜を開始する。また、コンプレッサ１０を停止する当該コンプレッサ１０の連続運転時間は、庫内温度センサ９１により把握される冷蔵機器本体１０５の庫内温度に基づいて変更され、この場合、マイクロコンピュータ８０は庫内温度が低い程コンプレッサ１０を停止するコンプレッサ１０の連続運転時間を短く設定する。
【００８４】
即ち、冷蔵機器本体１０５の庫内温度が、例えば＋１０℃以下のような低い温度では短時間で冷蔵機器本体１０５の庫内に収納された商品等が凍結する恐れがあるからである。このため、本実施例では、例えば庫内温度が＋１０℃以下で３０分連続運転された場合には、コンプレッサ１０の運転を強制的に停止することで、庫内に収納された商品が凍結する不都合を回避することができるようになる。
【００８５】
そして、冷蔵機器本体１０５の庫内温度が設定された上限温度（＋７℃）に達すると、冷蔵機器本体１０５の制御装置９０はマイクロコンピュータ８０にコンプレッサ１０のＯＮ信号を送出するので、これにより、マイクロコンピュータ８０は前述同様にコンプレッサ１０の運転を再開する（図３のステップＳ９）。
【００８６】
他方、庫内温度が例えば＋１０℃より高い温度で所定時間運転された場合、マイクロコンピュータ８０はコンプレッサ１０の運転を停止する。これは、コンプレッサ１０が長時間連続運転されると蒸発器９２に着霜が発生し、蒸発器９２内を通過する冷媒が周囲の空気と熱交換でき難くなり、冷蔵機器本体１０５の庫内が充分に冷却されない恐れがあるからである。このため、例えば、＋１０℃より高く＋２０℃以下の庫内温度の範囲内で１０時間以上連続運転された場合や、＋２０℃より高い庫内温度で２０時間以上連続運転された場合、マイクロコンピュータ８０はステップＳ７における除霜判定で除霜開始と判断し、ステップＳ８でコンプレッサ１０の運転を強制的に停止して蒸発器９２の除霜を実行する。
【００８７】
この状態を、図７を参照して説明する。図７において、破線は庫内温度センサ９１にて検出される庫内温度が＋１０℃より高く＋２０℃以下で１０時間以上コンプレッサ１０を連続運転した場合にコンプレッサ１０の運転を停止して除霜を行わない場合の庫内温度の推移、実線は庫内温度が＋１０℃より高く＋２０℃以下で１０時間以上連続運転した場合に、コンプレッサ１０の運転を停止して、除霜を行った場合の庫内温度の推移を示している。
【００８８】
図７に示すように、＋１０℃より高く＋２０℃以下の庫内温度で１０時間以上連続運転した場合に強制的にコンプレッサ１０を停止することで、蒸発器９２の着霜を除霜することができ、コンプレッサ１０を停止して、除霜を行わない場合より、除霜後の蒸発器９２における冷媒の熱交換能力が向上し、早期に目標庫内温度とすることができるようになる。これにより、冷却能力の向上を図ることができるようになる。
【００８９】
また、冷蔵機器本体１０５の庫内温度が低い程、コンプレッサ１０を停止するコンプレッサ１０の連続運転時間を短く設定するものとしたので、上記のように除霜後の蒸発器９２における冷媒の熱交換能力の向上を図りながら、庫内温度が低い場合における庫内に収納された商品の凍結を未然に回避することができるようになる。
【００９０】
（７）コンプレッサの最高回転数上昇制御
次に、庫内温度センサ９１にて検出される冷蔵機器本体１０５の庫内温度が低い場合には、マイクロコンピュータ８０はコンプレッサ１０の最高回転数（ＭａｘＨｚ）を上昇させる。例えば、冷蔵機器本体１０５の庫内温度が＋２０℃に低下するとマイクロコンピュータ８０はコンプレッサ１０の最高回転数を若干（例えば、４Ｈｚ）上昇させて運転する（図２の丸３の状態）。即ち、前述した外気温度に基づく最高回転数の制御に加えて、冷蔵機器本体１０５の庫内温度が＋２０℃に低下すると、マイクロコンピュータ８０は外気温度センサ７４にて検出される外気温度に基づいて前述の如く決定された最高回転数を４Ｈｚ上昇させてコンプレッサ１０を運転する。
【００９１】
冷蔵機器本体１０５の庫内温度が＋２０℃以下に低下すると、低圧側の圧力が低くなるため、高圧側圧力も低下し、冷媒回路内の冷媒も状態が安定してくる。この状態で回転数を上昇させれば、図２の丸４で示すように高圧側の圧力が少し上昇したとしても、高圧側の機器や配管等の設計圧を超えるほど異常上昇する不都合を回避することができる。
【００９２】
また、最高回転数を上昇させることで、冷媒回路内を循環する冷媒循環量が増加するので、蒸発器９２にて循環空気と熱交換できる冷媒量が増加し、蒸発器９２における冷却能力の向上を図ることができるようになる。これにより、図２の丸５に示すように蒸発器９２内における冷媒の蒸発温度も低くなり、早期に冷蔵機器本体１０５の庫内を冷却することができるようになる。
【００９３】
尚、本実施例では冷却装置１１０を店舗に設置されるショーケースとしたが、これに限らず、本発明の冷却装置を冷蔵庫や自動販売機、空気調和機として使用しても構わない。
【００９４】
【発明の効果】
以上詳述した如く請求項１の発明の冷却装置の冷媒封入量設定方法によれば、蒸発器により冷却される被冷却空間の温度が所定の下限温度に達したときに、コンプレッサの運転を停止し、所定の上限温度に達したときに、コンプレッサを起動する運転状態において、コンプレッサを起動した後５分以上２０分以内に、蒸発器の出口温度と当該蒸発器の入口温度の差が１ｄｅｇ以内となる量で冷媒の封入量を設定するものとしたので、当該設定方法にて決定された量の冷媒を冷却装置の冷媒回路内に封入することで、冷却装置の高圧側圧力の異常上昇を回避しながら、冷却能力の低減を極力回避することができるようになる。
【００９５】
これにより、冷却装置の最適な冷媒の封入量を容易に設定することが出来るようになる。
【００９６】
特に、請求項２の如く減圧手段をキャピラリチューブとした場合に上記各発明は効果的である。
【００９７】
更に、請求項２の発明では上記発明に加えて、コンプレッサは、第１の圧縮要素とこの第１の圧縮要素にて圧縮された冷媒を圧縮して吐出する第２の圧縮要素とを備え、第１の圧縮要素から吐出された冷媒を冷却する中間冷却回路と、ガスクーラを出た冷媒と蒸発器を出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器とを備えているので、中間冷却回路により第２の圧縮要素に吸い込まれる冷媒を冷却することができるので、コンプレッサ内の温度上昇を抑え、第２の圧縮要素における圧縮効率も向上させることができるようになる。また、第２の圧縮要素で圧縮され、吐出される冷媒の温度上昇も抑えることができるようになる。
【００９８】
また、内部熱交換器の存在により、ガスクーラを出て、内部熱交換器を通過する冷媒は、低圧側の冷媒に熱を奪われるので、この分、当該冷媒の過冷却度が大きくなるため、蒸発器における冷却能力の向上を図ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の冷却装置の冷媒回路図である。
【図２】 本発明の冷却装置におけるコンプレッサの回転数、高圧側圧力、冷蔵機器本体の庫内温度及び冷媒の蒸発温度の推移を表す図である。
【図３】 本発明の冷却装置の制御装置によるコンプレッサの回転数制御を示すフローチャートである。
【図４】 起動時のコンプレッサの回転数と高圧側圧力の推移を表す図である。
【図５】 本発明の冷却装置における外気温度とコンプレッサの最高回転数の関係を示す図である。
【図６】 本発明の冷却装置における各外気温度における目標蒸発温度と庫内温度の関係を示す図である。
【図７】 本発明の冷却装置における庫内温度の推移を表す図である。
【図８】 本発明の冷却装置における冷媒の蒸発器の出口温度と入口温度と高圧側圧力の推移を表す図である。
【図９】 従来の冷却装置における冷媒の蒸発器の出口温度と入口温度と高圧側圧力の推移を表す図である。
【符号の説明】
１０ コンプレッサ
３５ 中間冷却回路
４０ ガスクーラ
５０ 内部熱交換器
５８ キャピラリチューブ
７０ 吐出温度センサ
７２ 圧力スイッチ
７４ 外気温度センサ
７６ 冷媒温度センサ
７８ 戻り温度センサ
８０ マイクロコンピュータ
９０ 制御装置
９１ 庫内温度センサ
９２ 蒸発器
１００ コンデンシングユニット
１０５ 冷蔵機器本体
１１０ 冷却装置

Claims (2)

1. コンプレッサ、ガスクーラ、減圧手段及び蒸発器などを環状に接続し、冷媒として二酸化炭素が封入される冷媒回路を備えた冷却装置において、
   前記蒸発器により冷却される被冷却空間の温度が所定の下限温度に達したときに、前記コンプレッサの運転を停止し、所定の上限温度に達したときに、前記コンプレッサを起動する運転状態において、前記コンプレッサを起動した後５分以上２０分以内に、前記蒸発器の出口温度と当該蒸発器の入口温度の差が１ｄｅｇ以内となる量で前記冷媒の封入量を設定することを特徴とする冷却装置の冷媒封入量設定方法。
2. 前記コンプレッサは、第１の圧縮要素と該第１の圧縮要素にて圧縮された冷媒を圧縮して吐出する第２の圧縮要素とを備え、
   前記減圧手段はキャピラリチューブであり、
   前記第１の圧縮要素から吐出された冷媒を冷却する中間冷却回路と、前記ガスクーラを出た冷媒と前記蒸発器を出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器とを備えていることを特徴とする請求項１の冷却装置の冷媒封入量設定方法。

Images