JP4284262B2 - 冷凍空調装置 - Google Patents
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Description
図1はこの発明の実施の形態1による冷凍空調装置を示す冷媒回路図である。この冷凍空調装置は、例えば店舗に設置される複数のショーケースの冷却装置として用いられているものである。図1において、1は熱源側で例えばコンデンシングユニット、2a、2b、2cは負荷側のショーケースでこの部分は断面構成で図示している。例えば3個のショーケース2を有し、ショーケース2aは青果用、ショーケース2bは日配用、ショーケース2cは生鮮用のショーケースとする。ショーケース2内の白抜き矢印はショーケース2内の空気の流れを示している。3は例えばインバータにより回転数が可変である圧縮機、4は凝縮器、5は液レシーバ、6はアキュムレータであり、これらはコンデンシングユニット1に内蔵される。7a、7b、7cは電磁弁、8a、8b、8cは減圧手段である電子膨張弁、9a、9b、9cは蒸発器、10a、10b、10cはショーケース2a、2b、2c内を冷却するため蒸発器9a、9b、9cを経てショーケース2内の冷却対象に送風するファンであり、電磁弁7、電子膨張弁8、蒸発器9、ファン10はショーケース2に内蔵される。液管11とガス管12は、コンデンシングユニット1とショーケース2a、2b、2cを接続する冷媒配管である。圧縮機3、凝縮器4、電磁弁7、電子膨張弁8、蒸発器9は冷媒配管11、12で接続されて冷凍サイクル20を構成している。特にこの冷凍装置では、1つの熱源に複数の冷却負荷が並列に接続され、その目標冷却温度をそれぞれ個別に設定して冷却対象各々を互いに異なる目標冷却温度に冷却することができる。
SHa=蒸発器9a出口冷媒温度−蒸発器9a入口冷媒温度 ・・・(1)
次に過熱度SHaと目標値SHamとの大小を比較し、SHa>SHamならば電子膨張弁8aの開度を大きくし、SHa<SHamならば電子膨張弁8aの開度を小さく制御する。過熱度の目標値SHamは装置全体の運転効率が良くなるように予め設定された値、例えばSHam=5℃に設定される。このように冷媒過熱度が目標値になるように制御することを過熱度制御またはSH制御と称する。電子膨張弁8aを上記で設定された開度に制御する際には、例えばPID制御で実施される。なお電子膨張弁8aの開度制御方法については、ファジー制御など他の制御方法を用いてもよい。
以上のように計測制御装置17によってショーケース2aの運転制御を実施することで、ショーケース2a内の温度Taが一旦目標冷却温度Tm以下に冷却された後は、ショーケース2a内の温度Taを目標冷却温度Tmと目標冷却温度Tm+ΔTdiffの温度範囲内に保持するように蒸発器9aの運転停止が行われる。
図4ではステップ4及びステップ7の蒸発器9の運転停止の制御とステップ5における電子膨張弁8のSH制御を共に2秒毎に実施するようなフローチャートになっているが、これに限るものではない。電子膨張弁8のSH制御は、余りに短い時間で実施すると運転状態が不安定になりやすいので、1分程度の間隔をもって実施した方がよい。
ΔTm=(運転しているショーケース2の目標冷却温度Tmの最高値)
−(全ショーケース2の中の目標冷却温度Tmの最低値)・・・(2)
なお、この目標蒸発温度ETmのシフトは所定時間間隔、例えば1分間隔で実施される。
また、ステップ13における圧縮機3の回転数制御の時間間隔は、ステップ12の目標蒸発温度ETmをシフトする時間間隔と同じにする必要はなく、冷却能力の応答性や安定性などを考慮して適宜実施される。
ΔTa=ショーケース2内温度Ta−ショーケース2目標冷却温度Tm
ΔTas=Σ(各ショーケース2の所定容量×各ショーケース2のΔTa)
/Σ(各ショーケース2の所定容量) ・・・(3)
この計算式では温度偏差ΔTaに各ショーケース2の所定容量の重み付けをしてΔTaの平均値ΔTasを求めている。そしてΔTas<0℃である場合、ショーケース2内温度Taが目標冷却温度Tmより低くなっているので、冷却負荷に対して装置の冷却能力が過大と判定し目標蒸発温度の基準値ETm0を高く再設定し、例えば0.5℃程度高く設定する。また0℃≦ΔTas≦2℃の場合、ショーケース2内温度Taが目標冷却温度Tmとほぼ同じになっているので、冷却負荷に装置の冷却能力が釣り合っていると判定し、目標蒸発温度の基準値ETm0はそのままの値に設定する。またΔTas>2℃の場合、ショーケース2内温度Taが目標冷却温度Tmより高くなっているので、冷却負荷に対し装置の冷却能力が不足と判定し、目標蒸発温度の基準値ETm0を低く再設定し、例えば0.5℃程度低く設定する。目標蒸発温度ETmを高くすると圧縮機3の回転数は低く運転され装置の冷却能力は減少し、目標蒸発温度ETmを低くすると圧縮機3回転数は高く運転され装置の冷却能力は増加するようになり、冷却負荷に釣り合った運転が可能となる。
この後、A5に戻って、冷凍装置の運転を続行する。
さらに、冷却対象の目標冷却温度Tmが複数のショーケース2間で大きく異なる場合に、ショーケース2の目標冷却温度Tmに適した蒸発温度ETで運転することができるので、上記効果をより発揮できる。
図7はショーケース2の運転停止の様子、及び電子膨張弁8の開度の変化を示すグラフである。図7において、横軸は時間、縦軸はショーケース2の運転停止及び電子膨張弁8の開度の変化を示す。ショーケース2停止の間は電子膨張弁8開度は全閉開度になっており、図6に示す処理を行うことで、図7に示すように電子膨張弁8開度は第一初期開度から第二初期開度に変化し、さらにSH制御に移行する。ショーケース2a内温度Taが目標冷却温度Tm以下になるまでSH制御が行われ、ショーケース2aは運転状態になる。
なお、最大能力としては、JISB8612−1 7.3 C) 4.4)にて製造業者が提供すべき情報として規定されている冷凍能力(W)を用いてもよい。この冷凍能力は想定される最大負荷でもショーケース2内温度を冷却可能できる能力として、ショーケース2のシステムを構成するときの冷凍機選定に用いられることが多く、この実施の形態における蒸発器9の最大能力として用いるに適当な値となる。また、ステップ7ではΔTdiffだけ目標冷却温度Tmよりも高いので、第一初期開度はショーケース2でその運転時に要求される所定能力、例えばΔTdiff程度の温度低下が得られる能力より大きい能力を実現する冷媒流量を流しうる開度に設定してもよい。
即ち、第一初期開度はショーケース2に設定された所定能力より大きい能力を実現する冷媒流量を流しうる開度に設定すれば、運転開始後にショーケース2内温度Taを確実に低下させることができる。
また、ショーケース2運転開始時はそれまで全閉であった電子膨張弁8が第一初期開度に設定されるので、装置全体の電子膨張弁8開度合計値と圧縮機3容量とのバランスが崩れ、開度合計値が大きくなるので、冷凍サイクルの低圧が一時的に上昇する。これにより、蒸発温度が上昇し、それまで運転していたショーケース2の冷却量が減少するので、ショーケース2内温度Taが一時的に上昇する状態となり、冷却対象品の品質確保のために望ましくない状態となる。
ショーケース2の運転停止は、多い場合には1時間に20〜30回程度も行われることもあり、その度に不安定な状態で冷凍サイクルを運転することになって、効率の低下及び信頼性の低下を招く。このようなことからショーケース2の運転停止が頻繁に発生しないように運転することが望ましい。
即ち、蒸発器9の運転開始時にショーケース2の熱容量などの影響を受けてショーケース2内温度Taが決定される時間は、第一初期開度を設定することで、確実にショーケース2内温度Taが低下するように運転でき、温度上昇による冷却対象品の品質低下を回避でき、運転信頼性を高めることができる。
また、第一初期開度よりも小さい第二初期開度であり、蒸発器9の冷却負荷に応じて設定される第ニ初期開度で運転することにより、ショーケース2が短時間で停止状態となることを回避する。
このように、異なる要因に対して考慮した第一初期開度と第二初期開度を設定し、電子膨張弁8の開度をそのニ段階で順次設定することにより、ショーケース2の運転停止が頻繁になることによる運転効率の低下や、冷却能力不足を回避でき、高効率かつ高信頼性の運転を実現できる。
なお、ショーケース2外部から侵入してくる熱量(熱負荷)は、外気温度やショーケース2への収納物の量などに応じて変化するので、図3に示すように計測制御装置17に第二初期開度補正手段35を設けて、その開度の設定を補正するのが好ましい。
また、負荷と釣り合うように蒸発温度目標値が設定され、圧縮機3が運転されるので、その時点での平均的な蒸発温度目標値や、圧縮機3回転数をもとに負荷係数を定め、この値に応じて第二初期開度を設定してもよい。
蒸発器9の冷却負荷が小さい場合には、運転中のショーケース2内の温度Taが低下しやすく、逆に冷却負荷が大きい場合には、ショーケース2内の温度Taが低下しにくくなる。そこで、ステップ23で運転開始から所定時間経過した後のショーケース2内の温度Taを検知し、この温度によって第二初期開度を補正する。ステップ24で所定時間経過後のショーケース2内の温度Taと所定値を比較し、ショーケース2内の温度Taが所定値よりも高い場合は、第二初期開度が冷却負荷に対して小さく、温度低下が小さいと判断できるので、ステップ25で第二初期開度を大きく補正して流動抵抗を小さくする。逆にショーケース2内の温度Taが所定値よりも低い場合、またはショーケース2が停止している場合は、第二初期開度が冷却負荷に対して大きいと判断できるので、ステップ26、ステップ27で第二初期開度を小さく補正して流動抵抗を大きくする。ステップ25、ステップ26で第二初期開度を補正後、SH制御(図4のステップ5)に移行し、ステップ27で第二初期開度を補正後はショーケース2の停止状態を継続する(図4のステップ6)。
また、第二初期開度で運転する所定時間は、ショーケース2の運転開始後、冷凍サイクルの状態が安定して、過熱度SHの検出結果が安定的に得られるまでの間は無理に制御を行わず、開度固定で運転する時間としておきたいので、冷凍サイクルの安定に要する時間、例えば3〜5分程度に設定すればよい。
また、蒸発温度を直接求め、例えば各ショーケース2の蒸発器9の入口冷媒温度を温度センサ13dなど測定した温度を蒸発温度ETとし、その情報をショーケース2の計測制御装置17からコンデンシングユニット1の計測制御装置16に伝送し、その蒸発温度ETが目標値ETmになるように圧縮機3の容量を制御してもよい。
以下、この発明の実施の形態2による冷凍空調装置について説明する。この実施の形態における装置の構成及び圧縮機3の容量制御方法については、図1及び図5に示す実施の形態1と同様であり、ここではその説明を省略する。また電子膨張弁8の制御、及びショーケース2の運転も基本的には図4に示す方法で実施される。ここでは図4のステップ4において、ショーケース2内温度Taが目標冷却温度Tmよりも低い温度まで冷却され、ショーケース2を停止状態に変更する時に流動抵抗制御手段34で行う減圧手段の流動抵抗制御方法に関する。ここでは減圧手段として例えば電子膨張弁8を用いるので、膨張弁開度を制御することで流動抵抗を制御している。ここでも、ショーケース2の運転停止とは蒸発器9の運転停止と同様の動作を意味する。ショーケース2の運転時にはショーケース2を冷却空間として使用し、蒸発器9で冷却を行っている。他方、ショーケース2の停止時にはショーケース2を冷却空間として使用しているが、蒸発器9で冷却を行っていない。
このように開度制御を行うことにより、蒸発器9停止時に、電子膨張弁8の開度が瞬時に全閉になることにより発生する低圧の引き込みを抑制でき、運転効率の低下を回避でき、高効率の運転を実現することができる。
ここで、図13では停止過程で3つの段階を設定して開度を変化させているが、段階の数はこれに限るものではなく、少なくとも1つの段階を設定すれば、停止する際の安定性をある程度向上することができる。
一般に冷凍サイクルにおいて、冷媒配管の内容積が大きくて熱交換器である蒸発器の熱交換量が大きいと低圧引き込みが少なく、冷媒配管の内容積が小さくて熱交換器である蒸発器の熱交換量が小さいと、低圧引き込みが多くなる。このため、冷媒配管の内容積や蒸発器の熱交換量を考慮して、徐々に閉じる時の段階数や所定時間を設定すればよい。
減圧手段として全閉することが可能な電子膨張弁8を使用した場合には、蒸発器9停止時に全閉にすることで、蒸発器9に冷媒が流れないように制御できるが、全閉にできない減圧手段を用いた場合には、電磁弁7で全閉と同じ状態を構成することができる。即ち、停止過程で減圧手段を変化させて流動抵抗を段階的、または直線的に制御した後に電磁弁7を閉じればよい。
まず、ショーケース2停止過程での電子膨張弁8の開度変化が小さくなる。従って、停止時の低圧の引き込み幅が小さくなり、高効率の運転を行うことができる。次に、ショーケース2停止時のショーケース2内温度Taの上昇が緩やかになる。これはショーケース2停止時であっても、冷媒が流れることにより、いくらかの冷却能力が生じていることに起因する。温度上昇が緩やかになると、ショーケース2停止時間が長くなる。従ってショーケース2の運転停止の頻度が少なくなり、運転停止時の運転不安定に起因する運転効率の低下、及び冷却能力低下の発生回数を抑制でき、より高効率かつ高信頼性の冷凍空調装置を実現することができる。
図14では、停止時の開度をゼロでない開度とすると共に、蒸発器9の停止過程で、電子膨張弁8の停止前の開度から停止時の所定開度に向けて段階的に変化または直線的に変化させて効果を得ているが、どちらか一方を実現するだけでもある程度の効果を奏する。
以下、この発明の実施の形態3による冷凍空調装置について説明する。この実施の形態における装置の構成及び電子膨張弁8の開度制御方法、ショーケース2の運転については、図1及び図4に示す実施の形態1と同様であり、ここではその説明を省略する。また圧縮機3の制御に関しても基本的には図5と同様であり、容量可変である圧縮機3を容量制御している。ここでは1つのショーケース2における冷却負荷の変動ではなく、冷凍装置全体として例えば店舗開店、閉店切換時などのように冷却負荷の急変が発生した場合に、これを検知して効率が低下しないように運転制御するものである。ここでも、ショーケース2の運転停止とは蒸発器9の運転停止と同様の動作を意味する。ショーケース2の運転時にはショーケース2を冷却空間として使用し、蒸発器9で冷却を行う場合である。他方、ショーケース2の停止時にはショーケース2を冷却空間として使用しているが、蒸発器9で冷却を行っていない場合である。
また、図17はこの実施の形態に係る計測制御装置16を示すブロック図である。図において、図2と同一符号は同一、または相当部分を示す。さらに、この実施の形態では、運転制御変更手段23と、負荷急減または急増を判別する負荷判別手段24を設ける。
図18はこの処理工程を示すフローチャートである。ステップ31で全ショーケース2の運転停止状況を把握する。例えば、ショーケース2a、2b毎のそれぞれの運転時間及び停止時間を、ショーケ―ス2毎に設けられている計測制御装置17の運転停止時間記憶手段36に記憶しておく。この情報はコンデンシングユニット1の計測制御装置16に送信され、負荷判別手段24で所定時間以内、例えば時間T1と時間T2の間で全てのショーケース2がショーケース2内温度Taの低下により停止となったかどうかを判別する(ステップ32)。全てのショーケース2が停止となった場合に、負荷急減となって低負荷状態になったと判別する。
運転制御変更手段23で目標蒸発温度を変更後、圧縮機容量制御手段21で圧縮機3の容量を制御する。
即ち、負荷判別手段24によって、蒸発器9の運転状況または冷却対象の温度に基いて蒸発器9の冷却負荷が低負荷状態であることを判別し、低負荷状態の時に運転制御変更手段23で冷却負荷に対応した運転制御を行うことで、蒸発器の運転停止の切換えを少なくでき、停止時の低圧の引き込み及び運転時の低圧上昇を極力防止して、安定した冷凍サイクルを運転でき、運転効率の向上及び冷却能力の安定化を図ることができる。さらに、負荷判別手段24では、接続された蒸発器9の全てが、例えば10分程度の所定時間内に少なくとも一度停止状態となった場合に、低負荷状態と判別することで、容易に低負荷状態であるという判別を行うことができる。
また、それまでの全ショーケース2の運転時間を記憶しておき、運転時間が記憶された運転時間よりも短くなった場合に負荷急減と判別してもよい。例えば、全ショーケース2の運転時間の平均値を記憶しておき、運転時間の平均値が、記憶値の1/2以下となった場合に負荷急減と判別する。
また、それまでのショーケース2の停止時間を記憶しておき、全ショーケース2の停止時間が記憶された停止時間よりも長くなった場合に負荷急減と判別してもよい。例えば、全ショーケース2の停止時間の平均値を記憶しておき、停止時間の平均値が、記憶値の2倍以上となった場合に負荷急減と判別する。
また、温度低下速度の判定値としては、所定時間間隔として5分〜10分に設定すると、この間に1℃低下することを判定値とする。即ち、Ta低下速度が1℃/10分よりも小さい場合、例えば10分の間に0.5℃程度しか低下していなかったり温度低下が見られない場合には、負荷急増と判断してステップ44の処理を行う。デフロスト後の冷却運転時には、ショーケース2内の温度Taは4℃/10分程度の速度で温度低下するので、これにより、デフロスト後の冷却運転は判定条件に該当しなくなる。
なお、実際に、負荷急増時のショーケース2内の温度は、冷却目標温度Tmから3℃〜4℃高温の状態となる。従って1℃/10分の速度で温度低下すれば、30分程度の短時間で高温状態から回避できることになるので、この条件に合致する場合は、負荷急増と判断して冷却能力を増加させる必要がない。従って、この場合にはステップ43の判断における所定値を1℃/10分程度に設定することで、高温状態から回避するのに50分程度以上の長時間かかる場合に冷却能力を増加できる。
即ち、負荷判別手段24によって、蒸発器9の運転状況または冷却対象の温度に基いて蒸発器9の冷却負荷が高負荷状態であることを判別し、高負荷状態の時に運転制御変更手段23で冷却負荷に対応した運転制御を行うことで、冷却能力不足となることを防止でき、また冷却対象の温度上昇を抑制でき、信頼性の高い冷凍空調装置が得られる。さらに、負荷判別手段24では、少なくとも1つの蒸発器9における冷却対象の温度Taがその蒸発器9の冷却目標温度Tmから決定される所定温度より所定時間の間、高温になると共に、温度低下速度が所定値以下であった場合に、高負荷状態と判別する。この判別方法により確実に負荷の急増による温度変化や運転状況の変化を、その他の要因による温度変化や運転状況の変化から判別できる。確実に負荷急増を判別し、この判別結果から冷却負荷に対応して運転することで、冷却能力不足の防止や冷却対象の温度上昇の抑制を実施でき、信頼性の高い冷凍空調装置が得られる。
例えば圧縮機容量制御手段21で目標低圧を定めこれを実現するように圧縮機の運転容量を決定して運転している場合には、負荷判別手段24で低負荷状態であると判別された時に、運転制御変更手段23は目標低圧を高く設定すればよい。逆に、高負荷状態と判別された時には目標低圧を低く設定する。
このように、負荷急減または急増時に他の冷凍サイクルの状態に基づいて運転制御しても、冷却能力不足となることを防止し、冷却対象の温度上昇を抑制することで、信頼性の高い冷凍空調装置が得られる。
また、冷却対象はショーケース2内の商品に限るものではなく冷蔵倉庫などに適用してもよいし、水やブラインなどを介して間接的に冷却するシステムであってもよい。さらに、一般の空調域にも用いることもできる。例えば機械設備と人が存在する空間を一つの装置で冷却する場合で機械設備の目標冷却温度が35℃、人が存在する空間の目標冷却温度が27℃であるような場合にも適用可能である。
いずれの場合も蒸発器9の運転停止の切換えを少なくでき、停止時の低圧の引き込み及び運転時の低圧上昇を極力防止して、安定した冷凍サイクルを運転でき、運転効率の向上及び冷却能力の安定化を図ることができる。
なお上記では、冷媒として例えばR―22を用いた場合の蒸発温度や蒸発器9の出口過熱度の温度を説明したが、他の冷媒を用いる場合には、その冷媒で構成される冷凍サイクルのPH線図に応じて、各所定値を設定すればよい。
また、蒸発器9の停止時に低圧引き込みが生じると温度が冷え過ぎとなって冷凍サイクルを循環している冷凍機油が圧縮機3に戻りにくくなる。これに対し低圧引き込みを低減することで、冷凍機油が圧縮機3に戻り易くなり、冷凍サイクルの信頼性をさらに高めることができる。特に、CO2を冷媒として用いる場合にも冷凍機油を圧縮機3に戻り易くできる。
また、実施の形態1〜実施の形態3のいずれにおいても、蒸発器の運転停止の切換えの回数を低減できる効果があったことから、冷凍空調装置の各部材の寿命を長くできる。
2 ショーケース
3 圧縮機
4 凝縮器
5 液レシーバ
6 アキュムレータ
7 電磁弁
8 減圧手段
9 蒸発器
10 ファン
11 液管
12 ガス管
13 冷媒温度センサ
14 空気温度センサ
15 圧力センサ
16、17 計測制御装置
20 冷凍サイクル
21 圧縮機容量制御手段
22 ファン風量制御手段
23 運転制御変更手段
24 負荷判別手段
31 目標温度設定手段
32 蒸発器運転決定手段
33 ファン風量制御手段
34 流動抵抗制御手段
35 第二初期開度補正手段
36 運転停止時間記憶手段
37 ショーケース内温度記憶手段
Claims (5)
- 圧縮機、凝縮器、複数の減圧手段、複数の蒸発器を接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルと、
前記蒸発器毎に冷却対象の目標冷却温度を個別に設定する目標温度設定手段と、
前記冷却対象の温度と前記目標冷却温度に応じて前記蒸発器毎に運転停止を決定する蒸発器運転決定手段と、
各々の前記減圧手段の流動抵抗を変化させてそれらの減圧手段に各々接続される前記蒸発器に流す冷媒流量を制御する流動抵抗制御手段と、を備え、
前記流動抵抗制御手段が、前記複数の蒸発器のうち少なくとも1つの蒸発器は運転状態にあって、その運転中の蒸発器以外の停止状態にある蒸発器の運転を開始する時に、当該蒸発器に接続する減圧手段に第一の初期流動抵抗を設定して、当該蒸発器の冷却対象の温度が当該蒸発器の運転開始時の温度より低下するまでの所定時間運転した後で、前記第一の初期流動抵抗より大きい第二の初期流動抵抗を設定することを特徴とする冷凍空調装置。 - 前記第一の初期流動抵抗は、当該蒸発器の運転開始時に当該蒸発器で要求される所定の冷却能力より大きな能力を実現する冷媒流量を流しうる流動抵抗であることを特徴とする請求項1記載の冷凍空調装置。
- 前記第二の初期流動抵抗を当該蒸発器の冷却負荷に応じて変更する第二初期流動抵抗補正手段を有することを特徴とする請求項1または請求項2記載の冷凍空調装置。
- 前記第二初期流動抵抗補正手段は、当該蒸発器の運転を開始して所定時間経過後の前記冷却対象の温度に応じて前記第二の初期流動抵抗を変更することを特徴とする請求項3記載の冷凍空調装置。
- 前記第二初期流動抵抗補正手段は、当該蒸発器の運転開始直前の停止時間に応じて前記第二の初期流動抵抗を変更することを特徴とする請求項3記載の冷凍空調装置。
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