JP5261106B2 - 冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、例えばスーパーマーケットなどに設置される低温ショーケースと該低温ショーケースに冷媒を供給する冷凍機から構成される冷却システムに係り、特に、凝縮能力を決定付ける凝縮器又は／及び凝縮器用ファンを数種の中から任意に選定し構成自在とされた冷凍機を備える冷却システムの制御技術に関する。

従来、冷凍・冷蔵ショーケースなどの複数の低温ショーケースを冷媒管を介して冷凍機に並列に接続して構成した冷却システムが知られている。係る低温ショーケースはスーパーマーケットなどの店内に複数台設置され、食品を冷凍若しくは冷蔵しながら陳列販売することに供されている。
上記冷凍機は、一般に、その内部に１個もしくは複数のコンプレッサと、空冷のコンデンサ（凝縮器）及びコンデンサファン（凝縮器用ファン）と、これらコンプレッサ及びコンデンサファンを制御するマイコンとを筐体内に収めてパッケージ化して構成されている。そして、このマイコンが所定の動作シーケンスに基づいてコンプレッサを制御することで低温ショーケースとの間で冷凍サイクルを構成し、低温ショーケースを冷却している。

近年ではスーパーマーケットなどの店舗においても、環境問題への取り組みやエネルギーコストの削減の観点から、冷却システムの消費電力を削減する対策が重視されている。
そこで、冷凍機の運転を制御する制御装置を設け、この制御装置が冷凍機の負荷（要求される冷却能力）に応じて高圧側圧力制御を行うことにより、コンデンサのコンデンサファンの回転数制御を適切に行い、省エネ効果を得るようにした冷却システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１８０８１７号公報

ところで、冷却システムの設置箇所で必要とされる最大冷却能力は、冷凍機に接続する低温ショーケースの台数や、庫内設定温度、店内温度や外気温度などの環境条件によって決定される。したがって、冷却システムの設置時には、必要となる最大冷却能力に対して余裕のある能力を有した冷凍機が設置される。このとき、冷凍機の最大冷却能力は機種ごとに既定であるため、設置時の環境条件に見合った最大冷却能力の冷凍機がメーカなどで用意されていなければ、それよりも更に最大冷却能力に余裕のある冷凍機を設置せざるを得えず、冷却能力に無駄が生じることになる。

そこで、冷凍機の最大冷却能力を決定付ける要因の一つであるコンデンサ及び／又はコンデンサファンを、設置する環境条件において必要となる冷却能力（負荷）に合わせて、同一メーカ或いは他メーカの製品の中からユーザ等が自由に選択し、これらを自らが組み合わせて冷凍機を構成自在とすれば、最適な最大冷却能力を有する冷凍機を構成することができる（このような冷凍機を以下「ラックシステム冷凍機」と称する）。係るラックシステム冷凍機においては、必要となる最大冷却能力に最適な冷却能力が得られるから、従来のパッケージ化された冷凍機に比べ、無駄となる冷却能力がなく省エネ効果が高い冷却システムが実現可能になる。

しかしながら、低温ショーケースの熱負荷は、外気温度や店内温度などの冷却システムの運転時に時々刻々と変動する環境条件（以下、運転環境条件と言う）によっても大きく左右されるため、一定の冷却能力でラックシステム冷凍機を運転させていると、例えば熱負荷が低いときには無駄な冷却が行われることとなる。上記のようにラックシステム冷凍機は、最適な冷却能力であることを前提に構成されているため、当該ラックシステム冷凍機の運転を低温ショーケースの状態と連携させる手段は不要とされており、低温ショーケースの熱負荷に合わせてラックシステム冷凍機を運転させることはできない。

また、従来の冷凍機のマイコンには、内蔵のコンデンサやコンデンサファンの種類に対して最適化された動作シーケンス（例えば、高圧側圧力の設定手法など）のマイコンプログラムが予め組み込まれている。したがって、コンデンサ又は／及びコンデンサファンを任意に選定自在としたラックシステム冷凍機において、低温ショーケースの熱負荷に応じて冷却能力を可変し省エネ効果が得られる制御を行うには、コンデンサ又は／及びコンデンサファンの任意の組み合わせの全てを予め予想してマイコンプログラムとして組み込んでおくか、または、マイコンプログラムの一部の変更により、コンデンサ又は／及びコンデンサファンの任意の組み合わせ全てに対応可能にしておく必要がある。しかしながら、これらを実現するのは非常に困難であり、ラックシステム冷凍機において、マイコンにより省エネ効果を得る制御を行うことは困難であった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、凝縮器又は／及び凝縮器用ファンを数種の中から任意に選択して構成自在とされた冷凍機を備えた冷却システムにおいて、低温ショーケースの冷却性の維持と冷凍機の省エネ性の向上の両立を可能にする冷却システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、凝縮器又は／及び凝縮器用ファンを、同一メーカ或いは他メーカの製品の中から、設置される環境条件において必要となる最大冷却能力に合わせて、ユーザが自由に選択して組み合わせて構成された冷凍機に、複数の低温ショーケースを冷媒管を介して並列に接続して構成した冷凍回路と、前記低温ショーケースの冷却状態に基づいて、前記冷凍機に組み込まれている凝縮器の凝縮能力を可変する制御データを生成して出力するメイン制御装置と、前記組み合わせて構成された凝縮器又は／及び凝縮器用ファンについて、凝縮能力制御に要する制御設定を取得する手段、及び前記メイン制御装置からの制御データを受信する受信手段を有し、前記制御設定及び前記制御データに基づいて前記凝縮器の凝縮能力制御を行い、前記冷凍機の能力を可変する、前記凝縮器とは別体に設けられた凝縮器制御装置と、を備え、前記制御設定には、前記冷凍機に組み込まれている複数の前記凝縮器用ファンの各々についてのカットイン及びカットオフの設定値が前記冷凍機の高圧側圧力により規定され、前記凝縮器制御装置は、前記制御設定、前記制御データ、及び、前記冷凍機の高圧側圧力に基づいて、前記凝縮器用ファンの各々をオン又はオフして前記凝縮器の凝縮能力を可変することを特徴とする冷却システムを提供する。

本発明によれば、冷凍機に組み込まれている凝縮器の凝縮能力制御に要する制御設定を取得し、また、低温ショーケースの冷却状態に基づいて凝縮器の凝縮能力を可変する制御データをメイン制御装置から受信し、これら制御設定及び制御データに基づいて凝縮器の凝縮能力を制御する凝縮器制御装置を備える構成としたため、凝縮器や凝縮器用ファンを数種の中から任意に選択して組み込み自在とされた冷凍機を備える冷却システムであっても、冷凍機にマイコンを設けなくとも低温ショーケースの冷却状態に応じて冷凍機の凝縮能力、すなわち冷却能力を制御することができるから、低温ショーケースの冷却性の維持と冷凍機の省エネ性の向上の両立が実現できる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係る冷却システム１の構成を模式的に示す図である。
この図に示すように、冷却システム１は、ラックシステム冷凍機３に液管たる冷媒管５ａ及びガス管たる冷媒管５ｂを介して、複数の低温ショーケース７を並列に接続して構成した冷凍回路２と、メインコントローラ（メイン制御装置）４と、コンデンサコントローラ（凝縮器制御装置）８とを備えて構成されている。

ラックシステム冷凍機３は、複数台のコンプレッサ９と、コンデンサ１１と、複数台のコンデンサファン（凝縮器用ファン）１３と、高圧側の冷媒圧力を検出する高圧側圧力センサ２８とを備えている。上記コンデンサ１１はコンデンサファン１３の駆動台数によって可変制御可能な凝縮器である。以下の説明では、コンデンサファン１３の台数を６台として説明するが、台数はこれに限定されるものではない。

低温ショーケース７の各々は膨張弁（減圧装置）１５と、冷却器１７とを備え、膨張弁１５の入り口には液電磁弁１９が接続されている。
液電磁弁１９は、膨張弁１５への冷媒の供給を制御するための弁であり、液電磁弁１９の開閉によって冷却器１７の冷却による低温ショーケース７の庫内温度が制御される。
すなわち、低温ショーケース７は、庫内の温度を検出する庫内温度センサ２１及びマイコン２３を備え、マイコン２３は、庫内設定温度の上下に設定された上限温度と下限温度を記憶し、上限温度にて液電磁弁１９を開き、下限温度にて閉じるＯＮ−ＯＦＦ制御を実行する。係るＯＮ−ＯＦＦ制御により、平均として低温ショーケース７の庫内温度が庫内設定温度に近付けられる。なお、ラックシステム冷凍機３には、低温ショーケース７の他にも例えば冷蔵／冷凍プレハブ庫等の他の負荷設備を接続しても良い。

上記ラックシステム冷凍機３は、冷却能力を決定付ける主要要素の一つであるコンデンサ１１及びコンデンサファン１３を、冷却システム１に必要となる最大冷却能力に基づいて、数種の機種の中から自由自在に選択して組み合わせて組み込み自在としたものである。係るラックシステム冷凍機３においては、構成部品が１つの筐体にパッケージ化される必要がないため、例えばコンプレッサ９を屋内に配置しつつ、コンデンサ１１及びコンデンサファン１３を屋外に配置して熱籠もりを防止可能なレイアウトとすることができる。また、筐体による設置スペースの制約が無いため、コンデンサ１１及びコンデンサファン１３の機種やコンデンサファン１３の台数を決定する際の自由度が高められる。

係るラックシステム冷凍機３においては、コンデンサ１１及びコンデンサファン１３の機種やコンデンサファン１３の台数が不定であるため、従来の冷凍機のようにマイコンを内蔵する構成とし、省エネ効果が得られるようにコンデンサ１１の凝縮能力をマイコンが制御することは難しい。そこで、本実施形態の冷却システム１においては、ラックシステム冷凍機３が備える複数台のコンデンサ１１の凝縮能力を制御するコンデンサコントローラ８をラックシステム冷凍機３と別体に設けている。このコンデンサコントローラ８は、メインコントローラ４からの後述する制御データに基づいて、複数台のコンデンサファン１３の各々をオン／オフさせて凝縮能力の制御を行うが、その詳細な構成については後述する。

メインコントローラ４は、各低温ショーケース７、及び、コンデンサコントローラ８のそれぞれと通信線２４を介して接続され、所定の動作シーケンスを規定するプログラム２５に基づいて動作するマイコンや通信装置などを備え、各低温ショーケース７の冷却状態に基づいてラックシステム冷凍機３のコンデンサ１１の凝縮能力を制御するための後述する制御データを生成してコンデンサコントローラ８に出力する。

図２はメインコントローラ４の機能的構成を示すブロック図である。
この図において、制御部４０は、メインコントローラ４の各部を中枢的に制御する。
制御設定入力部４１は、ラックシステム冷凍機３に組み込まれているコンデンサ１１の凝縮能力制御に要する情報を規定した制御設定が入力される。
さらに詳述すると、ラックシステム冷凍機３においては、コンデンサ１１の機種やコンデンサファン１３の台数が設置時に決定されることから、コンデンサコントローラ８に、コンデンサ１１の凝縮能力制御を規定したプログラムを予め組み込むことはできない。そこで本実施例では、ラックシステム冷凍機３に組み込まれているコンデンサ１１の凝縮能力制御に要する情報が制御設定としてメインコントローラ４に入力される構成とし、そして上記制御データに含められてコンデンサコントローラ８に入力している。

図３は、制御設定の一例を示す図である。
この図に示すように、制御設定においては、コンデンサファン１３のそれぞれに対し、カットイン／カットオフする高圧側圧力が規定されており、高圧側圧力が高くなるにつれて順次、コンデンサファン１３がカットインするように規定されている。これらカットイン／カットオフの高圧側圧力にはチャタリング防止のためにヒステリシスが設けられる。そして凝縮能力制御においては、ラックシステム冷凍機３の高圧側圧力が監視され、そして図４に示すように、当該高圧側圧力の変化によってカットインの圧力に至ったコンデンサファン１３がオンされ、また、カットアウトの圧力に至ったコンデンサファン１３がオフされる。これにより、ラックシステム冷凍機３に要求されている凝縮能力に見合ったコンデンサファン１３だけが駆動されるから、全てのコンデンサファン１３を駆動している場合に比べて消費電力を削減することができる。
係るコンデンサファン１３の各々のカットイン／カットオフの設定値は、低温ショーケース７の冷却状態に基づいて、当該低温ショーケース７の冷却状態（冷え具合）を良好に維持するに十分な凝縮能力が得られるように可変されるが、これについては後述する。

前掲図２に戻り、制御設定記憶部４２は、制御設定入力部４１から入力された制御設定を記憶する。なお、制御設定をコンデンサコントローラ８が記憶して保持可能な場合には、当該制御設定記憶部４２をメインコントローラ４が必ずしも備える必要はない。
ショーケース通信部４３は、通信線２４を介して各低温ショーケース７のマイコン２３と通信する。この通信により、各低温ショーケース７における庫内温度と庫内設定温度と偏差温度が取得される。

冷却状態判定部４４は、各低温ショーケース７の冷却状態の良否を判定する。具体的には、冷却状態判定部４４は、各低温ショーケース７から送られてくる偏差温度から一定時間（実際には１時間）当たりの平均偏差温度Ｔｅ（ｄｅｇ）をそれぞれ算出し、全ての低温ショーケース７においてこの平均偏差温度Ｔｅが予め設定したしきい値Ａ以上か否かで判断する。そして、全ての低温ショーケース７の平均偏差温度Ｔｅがしきい値Ａ以上でない場合には、冷却状態の判定結果を「良」とし、１台でもしきい値Ａ以上となっている低温ショーケース７がある場合には、冷却状態の判定結果を「否」とする。このしきい値Ａは平均偏差温度Ｔｅの良否を判断するための値であり、低温ショーケース７の庫内を十分に良好な冷却状態を維持できる値に設定されることになる。

係る冷却状態判定部４４の判定結果が「良」の場合、ラックシステム冷凍機３の冷却能力に余りが生じており、凝縮能力を低めても低温ショーケース７の冷却状態には問題がないと考えられる。そこで、制御部４０は、凝縮能力を下げてラックシステム冷凍機３の消費電力の削減を図るべく、上記制御設定に規定されている、各コンデンサファン１３のカットイン／カットアウトの設定値を所定値ΔＰだけ高め、コンデンサファン１３の駆動台数が少なくなるようにする。これとは逆に、冷却状態判定部４４の判定結果が「否」の場合、ラックシステム冷凍機３の冷却能力が不足していることを示すため、制御部４０は、凝縮能力を上げて低温ショーケース７の冷却状態を良好に維持するべく、上記制御設定に規定されている、各コンデンサファン１３のカットイン／カットアウトの設定値を所定値ΔＰだけ低め、コンデンサファン１３の駆動台数が多くなるようにする。
コンデンサコントローラ通信部４５は、通信線２４を介してコンデンサコントローラ８に、制御部４０が生成した制御データを出力する。この制御データには、低温ショーケース７の冷却状態に応じてカットイン／カットオフの設定値を可変させた上記制御設定の可変値が含まれる。

図５は、コンデンサコントローラ８の機能的構成を示すブロック図である。
この図において、制御部８０は、コンデンサコントローラ８の各部を中枢的に制御するとともに、ラックシステム冷凍機３に組み込まれているコンデンサファン１３の各々のオン／オフを制御するコンデンサファン制御信号を生成するものであり、例えばマイコンを備えて構成されている。
コントローラ通信部８１は、メインコントローラ４との間で通信線２４を介して通信し、上記制御設定や制御データ（制御設定の可変値）を受信する。制御設定記憶部８２は、上記制御設定を記憶する。高圧側圧力センサ入力部８３は、ラックシステム冷凍機３に設けた高圧側圧力センサ２８から高圧側圧力の検出値が入力される。制御部８０は、高圧側圧力の検出値と、上記制御設定とにしたがって、コンデンサファン１３をオン／オフする上記コンデンサファン制御信号を生成する。コンデンサファン制御信号出力部８４は、係るコンデンサファン制御信号をラックシステム冷凍機３の各コンデンサファン１３に出力する。

次いで、係る構成の冷却システム１の動作について説明する。
図６は、メインコントローラ４の動作をコンデンサコントローラ８の動作とともに示すフローチャートである。
上述の通り、冷却システム１においては、メインコントローラ４がコンデンサコントローラ８に、上述した制御設定を出力し、この制御設定に基づいてコンデンサコントローラ８がラックシステム冷凍機３のコンデンサ１１の凝縮能力制御を行う。
このとき、冷却システム１の設置当初においては、制御設定が不明であるため、サービスマン等によってコンデンサ１１及びコンデンサファン１３の構成に基づく制御設定がメインコントローラ４に入力され（ステップＳ１）、この制御設定がコンデンサコントローラ８に送信される（ステップＳ２）。係る制御設定はコンデンサコントローラ８に受信され（ステップＳ１０）、当該コンデンサコントローラ８の制御設定記憶部８２に保持される。その後、コンプレッサ９などの電源がオンされて運転が開始され低温ショーケース７の冷却が行われる。

低温ショーケース７の冷却中、すなわち、冷却システム１の運転中の間、メインコントローラ４は、一定時間（例えば１０秒〜６０秒）ごとに全ての低温ショーケース７から庫内温度と庫内設定温度の偏差温度を取得し（ステップＳ３）、それぞれの低温ショーケース７の冷却状態を判定する（ステップＳ４）。そして、メインコントローラ４は、冷却状態が良い場合には（ステップＳ５：ＹＥＳ）、コンデンサファン１３の各々のカットイン／カットオフの値をΔＰだけ高め（ステップＳ６）、ラックシステム冷凍機３の消費電力削減を図る。これとは逆に、冷却状態が否の場合（ステップＳ５：ＮＯ）、メインコントローラ４は、コンデンサファン１３の各々のカットイン／カットオフの値をΔＰだけ低め（ステップＳ７）、凝縮能力を高めて低温ショーケース７の冷却性を維持する。
係る処理においては、冷却状態が判定されるごとに、低温ショーケース７の冷却状態に合わせてΔＰだけカットイン／カットオフの設定値が上下されるため、凝縮能力が段階的に可変されることとなり、急激な変動が防止される。

メインコントローラ４は、低温ショーケース７の冷却状態に基づいて、このようにして各コンデンサファン１３のカットイン／カットオフの設定値を可変すると、可変した設定値（制御設定可変値）を制御データとしてコンデンサコントローラ８に送信する（ステップＳ８）。そして、低温ショーケース７の冷却状態を監視すべく処理手順をステップＳ３に戻す。
これにより、低温ショーケース７の冷却状態に応じて可変された制御設定が制御データとしてコンデンサコントローラ８に受信され（ステップＳ１１）、コンデンサコントローラ８においては、この制御設定を反映してのコンデンサ１１の凝縮能力制御が行われる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ラックシステム冷凍機３に組み込まれているコンデンサ１１の凝縮能力制御に要する制御設定を取得可能に構成され、また、低温ショーケース７の冷却状態に基づいて凝縮能力を可変する制御データをメインコントローラ４から受信し、これら制御設定及び制御データに基づいてコンデンサ１１の凝縮能力を制御するコンデンサコントローラ８を備える構成としたため、コンデンサ１１を数種の中から任意に選択して組み込み自在とされた上記ラックシステム冷凍機３を備える冷却システム１であっても、当該ラックシステム冷凍機３にマイコンを設けなくとも低温ショーケース７の冷却状態に応じてラックシステム冷凍機３の冷却能力を凝縮能力を通じて制御することができるから、低温ショーケース７の冷却性の維持と冷凍機の省エネ性の向上の両立が実現される。

特に本実施形態によれば、制御設定には、複数のコンデンサファン１３ごとに、カットイン及びカットオフの設定値を高圧側圧力により規定し、メインコントローラ４は、低温ショーケース７の冷却状態に基づいて、コンデンサファン１３の各々のカットイン及びカットオフの設定値を可変したデータを制御データとして生成し、コンデンサコントローラ８が制御設定、制御データ、及び、ラックシステム冷凍機３の高圧側圧力に基づいて、コンデンサファン１３の各々をオン又はオフしてコンデンサ１１の凝縮能力を可変する構成とした。
この構成によれば、必要とされる凝縮能力に応じてコンデンサファン１３の稼働台数が決定されるため、ラックシステム冷凍機３の消費電力を、低温ショーケース７の冷却状態に応じて削減できる。
また、この構成においては、高圧側圧力に対し、コンデンサファン１３の各々のオン／オフを規定する際に、コンデンサ１１に対する相対的配置位置、風量、回転数などにより、凝縮能力への寄与の度合いがコンデンサファン１３ごとに異なる場合に、凝縮能力への寄与の度合いに応じて、高圧側圧力に対する各コンデンサファン１３のオン／オフの順番を決定付けることで、より高い省エネ効果を得ることもできる。

なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。
例えば、上述した実施形態で示した運転環境条件はそれに限定されるものでは無い。また、実施形態では制御データとして冷凍機の高圧側圧力設定値を調整したが、これも限定されるものでは無く、冷却システムの冷却能力と消費電力に関係する制御ファクターであれば対象となり得る。更に、実施形態では１分周期で低圧側圧力設定値を調整したが、それに限らず、１０分、３０分、１時間、１時間３０分、２時間周期など使用状況に応じて適宜選択可能である。

本発明の実施形態に係る冷却システムの構成を模式的に示す図である。 メインコントローラの機能的構成を示すブロック図である。 制御設定としての制御ルールの一例を示す図である。 制御設定に基づく凝縮能力制御（コンデンサファンのオン／オフ制御）を示す図である。 コンデンサコントローラの機能的構成を示すブロック図である。 メインコントローラ及びコンデンサコントローラの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 冷却システム
２ 冷凍回路
３ ラックシステム冷凍機（冷凍機）
４ メインコントローラ（メイン制御装置）
５ａ、５ｂ 冷媒管
８ コンデンサコントローラ（凝縮器制御装置）
７ 低温ショーケース
９ コンプレッサ
１１ コンデンサ（凝縮器）
１３ コンデンサファン（凝縮器用ファン）
２１ 庫内温度センサ
２８ 高圧側圧力センサ
４１ 制御設定入力部
４２ 制御設定記憶部
８１ コントローラ通信部（受信手段）
８２ 制御設定記憶部

Claims (1)

1. 凝縮器又は／及び凝縮器用ファンを、同一メーカ或いは他メーカの製品の中から、設置される環境条件において必要となる最大冷却能力に合わせて、ユーザが自由に選択して組み合わせて構成された冷凍機に、複数の低温ショーケースを冷媒管を介して並列に接続して構成した冷凍回路と、
   前記低温ショーケースの冷却状態に基づいて、前記冷凍機に組み込まれている凝縮器の凝縮能力を可変する制御データを生成して出力するメイン制御装置と、
   前記組み合わせて構成された凝縮器又は／及び凝縮器用ファンについて、凝縮能力制御に要する制御設定を取得する手段、及び前記メイン制御装置からの制御データを受信する受信手段を有し、前記制御設定及び前記制御データに基づいて前記凝縮器の凝縮能力制御を行い、前記冷凍機の能力を可変する、前記凝縮器とは別体に設けられた凝縮器制御装置と、を備え、
   前記制御設定には、前記冷凍機に組み込まれている複数の前記凝縮器用ファンの各々についてのカットイン及びカットオフの設定値が前記冷凍機の高圧側圧力により規定され、
   前記凝縮器制御装置は、
   前記制御設定、前記制御データ、及び、前記冷凍機の高圧側圧力に基づいて、前記凝縮器用ファンの各々をオン又はオフして前記凝縮器の凝縮能力を可変する
   ことを特徴とする冷却システム。

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