JP5474635B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、所定の制御特性によって調整される第１の冷媒流と第２の冷媒流とを備え、高圧側が超臨界圧力となる冷凍装置に関するものである。

従来よりこの種冷凍装置は、圧縮手段、ガスクーラ、絞り手段等から冷凍サイクルが構成され、圧縮手段で圧縮された冷媒がガスクーラにて放熱し、絞り手段にて減圧された後、蒸発器にて冷媒を蒸発させて、このときの冷媒の蒸発により周囲の空気を冷却するものとされていた。近年、この種冷凍装置では、自然環境問題などからフロン系冷媒が使用できなくなってきている。このため、フロン冷媒の代替品として自然冷媒である二酸化炭素を使用するものが開発されている。当該二酸化炭素冷媒は、高低圧差の激しい冷媒で、臨界圧力が低く、圧縮により冷媒サイクルの高圧側が超臨界状態となることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特公平７−１８６０２号公報

係る超臨界冷媒サイクルでは、ガスクーラ側の熱源温度（例えば、ガスクーラと熱交換する熱媒体である外気温度）が高い等の原因により、ガスクーラ出口の冷媒温度が高くなる条件下においては、蒸発器入口の比エンタルピが大きくなるため、冷凍効果が著しく低下する問題が生じていた。この場合、冷凍能力を確保するには、高圧圧力を上昇させる必要があるため、圧縮動力が増大して、成績係数も低下するという不都合が生じる。

このため、ガスクーラで冷却された冷媒を２つの冷媒流に分流し、分流された一方の冷媒流（第１の冷媒流）を補助絞り手段で絞った後に中間熱交換器の一方の通路（第１の流路）に流し、もう一方の冷媒流（第２の冷媒流）を中間熱交換器の前記第１の流路と交熱的に設けられた他方の流路（第２の流路）に流した後、主絞り手段を介して蒸発器にて蒸発させる所謂スプリットサイクル（二段圧縮一段膨張中間冷凍サイクル）の冷凍装置が提案されている。

上述のスプリットサイクル装置では、ガスクーラで放熱した後の冷媒を分流し、減圧膨張された第１の冷媒流により、第２の冷媒流を冷却することができるようになり、蒸発器入口の比エンタルピを小さくすることができるようになる。これにより、冷凍効果を大きくすることが可能となり、従来の装置に比べて効果的に性能を向上させることができるようになる。しかし、第２の冷媒流を減圧する前に冷却するための第１の冷媒流による冷却効果は、中間熱交換器を流れる第１の冷媒流と第２の冷媒流の量に依存する。

即ち、第１の冷媒流の量が多すぎれば蒸発器において最終的に蒸発する第２の冷媒流の量が不足することになり、逆に第１の冷媒流の量が少なすぎれば、第１の冷媒流による冷却効果（即ち、スプリットサイクルの効果）が薄れてくる。一方、補助絞り手段で減圧された第１の冷媒流の圧力は冷媒回路の中間圧力側の圧力であり、この中間圧力側の圧力を制御することは、第１の冷媒流の量を制御することになる。そのため、最適な性能改善効果を得るためには、これら冷媒流を適切に制御する必要がある。

本発明は、従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、安定した補助絞り手段の制御を行うことで、冷凍装置の冷媒回路の中間圧力の適正化を図ることにより、スプリットサイクルの効果が的確に得られ、それによって冷凍装置の性能を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の冷凍装置は、圧縮手段と、ガスクーラと、補助絞り手段と、中間熱交換器と、主絞り手段と、蒸発器とから冷媒回路を構成し、ガスクーラから出た冷媒を二つの流れに分流して、第１の冷媒流を補助絞り手段を経て中間熱交換器の第１の流路に流し、第２の冷媒流を中間熱交換器の第２の流路に流した後、主絞り手段を経て蒸発器に流すことにより、中間熱交換器にて第１の冷媒流と第２の冷媒流とを熱交換させ、蒸発器から出た冷媒を圧縮手段の低圧部に吸い込ませ、中間熱交換器から出た第１の冷媒流を圧縮手段の中間圧部に吸い込ませると共に、高圧側圧力ＨＰが超臨界圧力となり得るものであって、補助絞り手段の開度を制御する制御手段と、中間熱交換器の第１の流路の入口側温度ＩＭＴＩを検出するための入口側温度検出手段と、外気温度ＡＴを検出するための外気温度検出手段とを備え、制御手段は、所定のサンプリング周期で入口側温度検出手段及び外気温度検出手段により入口側温度ＩＭＴＩ及び外気温度ＡＴを取り込み、外気温度ＡＴに基づき、所定の関数式を用いて入口側温度ＩＭＴＩの目標値ＳＴを算出すると共に、この入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴに近い範囲にある安定時には、入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴとなるよう、圧縮手段を停止する際にのみ補助絞り手段の開度を制御し、圧縮手段の運転中は、補助絞り手段の開度を維持することを特徴とする。

請求項２の発明は、上記において、制御手段は、入口側温度ＩＭＴＩと目標値ＳＴとの差の絶対値が所定値ＫＦ未満であるときに安定時と判断することを特徴とする。

請求項３の発明は、上記各発明において、制御手段は、圧縮手段の運転中における安定時に入口側温度ＩＭＴＩの平均値ＡＶＴを算出し、当該平均値ＡＶＴに基づき、補助絞り手段の開度を制御することを特徴とする。

請求項４の発明は、上記各発明において、制御手段は、圧縮手段を起動する際の補助絞り手段の開度制御を、当該圧縮手段の起動から所定時間遅延させて実行することを特徴とする。

請求項５の発明は、上記各発明において、制御手段は、安定時以外の不安定時においては、入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴに近づくようサンプリング周期で補助絞り手段の開度を制御すると共に、入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴよりも高い不安定時であって、当該入口側温度ＩＭＴＩが下降傾向である場合には、補助絞り手段の開度を維持することを特徴とする。

請求項６の発明は、上記各発明において、制御手段は、外気温度ＡＴをｘとし、入口側温度ＩＭＴＩの目標値ＳＴをｙとする一次関数を用いて当該目標値ＳＴを算出すると共に、該一次関数は、冷媒回路の高圧側圧力ＨＰが超臨界領域にある場合と飽和領域にある場合とで傾きが異なることを特徴とする。

請求項７の発明は、上記各発明において、冷媒として二酸化炭素を使用したことを特徴とする。

本発明によれば、補助絞り手段の開度を制御する制御手段と、中間熱交換器の第１の流路の入口側温度ＩＭＴＩを検出するための入口側温度検出手段と、外気温度ＡＴを検出するための外気温度検出手段とを備え、制御手段は、所定のサンプリング周期で入口側温度検出手段及び外気温度検出手段により入口側温度ＩＭＴＩ及び外気温度ＡＴを取り込み、外気温度ＡＴに基づき、所定の関数式を用いて入口側温度ＩＭＴＩの目標値ＳＴを算出すると共に、この入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴに近い範囲にある安定時、例えば、請求項２の発明の如く、入口側温度ＩＭＴＩと目標値ＳＴとの差の絶対値が所定値ＫＦ未満であるときには、入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴとなるよう、圧縮手段を停止する際にのみ補助絞り手段の開度を制御し、圧縮手段の運転中は、補助絞り手段の開度を維持することにより、圧縮手段の運転によって細かく変動する中間圧力に影響されることなく、圧縮手段の停止のタイミングにて補助絞り手段を安定して開度制御することが可能となる。

これにより、他の機器、即ち、圧縮手段の運転周波数や主絞り手段の開度制御などによって、相互に影響を与える当該冷凍装置において、安定した補助絞り手段の開度制御を実現でき、これによって、適正な中間圧力を実現し、冷却効率の向上を図ることが可能となる。

また、請求項３の発明によれば、上記各発明に加えて、制御手段は、圧縮手段の運転中における安定時に入口側温度ＩＭＴＩの平均値ＡＶＴを算出し、当該平均値ＡＶＴに基づき、補助絞り手段の開度を制御することにより、より精度の高い制御を実現することが可能となる。

請求項４の発明によれば、上記各発明に加えて、制御手段は、圧縮手段を起動する際の補助絞り手段の開度制御を、当該圧縮手段の起動から所定時間遅延させて実行するので、圧縮手段の起動と、補助絞り手段の開度制御が同時に行われることによる不具合を効果的に回避しつつ、安定した補助絞り手段の開度制御を実現することが可能となる。

請求項５の発明によれば、上記各発明に加えて、制御手段は、安定時以外の不安定時においては、入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴに近づくようサンプリング周期で補助絞り手段の開度を制御すると共に、入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴよりも高い不安定時であって、当該入口側温度ＩＭＴＩが下降傾向である場合には、補助絞り手段の開度を維持するので、入口側温度ＩＭＴＩが下降傾向である場合にも、補助絞り手段の開度を制御すると、より絞る方向に制御されてしまい、最終的に弁開度が殆ど閉じたしまった状況を招来することとなるが、このような不具合を解消でき、早期に入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴに近似した安定時とすることが可能となる。

請求項６の発明によれば、上記各発明に加えて、制御手段は、外気温度ＡＴをｘとし、入口側温度ＩＭＴＩの目標値ＳＴをｙとする一次関数を用いて当該目標値ＳＴを算出すると共に、該一次関数は、冷媒回路の高圧側圧力ＨＰが超臨界領域にある場合と飽和領域にある場合とで傾きが異なるので、外気温度によって、高圧側圧力ＨＰが超臨界領域や飽和領域となる請求項７の発明の如き二酸化炭素を冷媒として使用した場合であっても、高圧側圧力ＨＰの状況に追従して、入口側温度ＩＭＴＩの目標値ＳＴを変更することで、外気温度ＡＴに応じて中間圧力の適正化を実現することができる。

本発明を適用する実施例としての冷凍庫の縦断側面図である。 本発明の冷却装置の冷媒回路図である。 制御装置の電気ブロック図である。 補助膨張弁の弁開度制御の説明図である。 外気温度ＡＴに対する目標値ＳＴとの関係を示す図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の冷凍装置１０を適用する実施例としての業務用冷凍庫（低温貯蔵庫）Ｒの縦断側面図を示している。実施例の冷凍庫Ｒは、例えばホテルやレストランの厨房などに設置されるものであり、前面開口２２が扉６にて開閉自在に閉塞される断熱箱体１により本体が構成されている。

この断熱箱体１は、何れもステンレスなどの鋼板から成る外箱２、及び、この外箱２内に組み込まれた内箱３と、内外両箱２、３間に現場発泡方式にて充填されたポリウレタン断熱材４から構成されている。そして、この断熱箱体１（内箱３）内を貯蔵室（被冷却空間）５としている。

また、貯蔵室５内上部には、本願発明にかかる冷凍装置１０の蒸発器１１と冷気循環用送風機１２が取り付けられる冷却室１４が仕切板１３によって区画形成されている。冷気循環用送風機１２より貯蔵室５から冷却室１４に吸い込まれた冷気は、蒸発器１１と熱交換された後、冷却室１４後方の開口から吐出されて、貯蔵室５内は所定の温度に冷却される。

一方、断熱箱体１の天面には前面パネル１６及び両側面及び後面を構成するパネルによって機械室１７が画成されており、この機械室１７内には冷凍装置１０を構成する圧縮機（圧縮手段）１８やガスクーラ１９などが設置され、蒸発器１１と共に冷凍装置１０の周知の冷凍サイクルを構成している。２０は、放熱器用送風機である。

ここで、図２の冷媒回路図を参照して本実施例における冷凍装置１０の冷媒回路７について説明する。本実施例における冷凍装置１０の冷凍サイクルには、冷媒として二酸化炭素が封入されており、高圧側の冷媒圧力（高圧圧力）がその臨界圧力以上（超臨界）となるスプリットサイクル（二段圧縮一段膨張中間冷却サイクル）を採用する。

本実施例の冷凍装置１０は、圧縮機（圧縮手段）１８を構成する低段側の圧縮要素（低段側圧縮手段）１８Ａと、同じく圧縮手段を構成する高段側の圧縮要素（高段側圧縮手段）１８Ｂと、ガスクーラ１９と、分流器３７と、合流器３８と、補助絞り手段としての補助膨張弁３９と、中間熱交換器４０と、内部熱交換器４１と、主絞り手段としての膨張弁８と、蒸発器１１とから冷媒回路７が構成されている。

上記ガスクーラ１９は高段側の圧縮要素１８Ｂから出た高温高圧の冷媒を放熱させることによって、当該高段側の圧縮要素１８Ｂから出た冷媒を冷却する。分流器３７は、ガスクーラ１９から出た冷媒を第１の冷媒流と第２の冷媒流とに分流し、第１の冷媒流を副回路４２に流し、第２の冷媒流を主回路４３に流す。

第２の冷媒流が流れる主回路４３は、分流器３７にて分流された冷媒が、中間熱交換器４０の内管（第２の流路）４０Ｂ、内部熱交換器４１の内管４１Ｂ、ストレーナ４４、膨張弁８、蒸発器１１、内部熱交換器４１の外管４１Ａ、逆止弁４５が介設された冷媒導入管２３、及びストレーナ４６を順次通り、低段側圧縮手段を構成する圧縮要素１８Ａの吸込側（低圧部）へ供給されるように接続されている。

第１の冷媒流が流れる副回路４２は、分流器３７にて分流された冷媒が、ストレーナ４７、補助膨張弁３９及び中間熱交換器４０の外管（第１の流路）４０Ａを順次通り、高段側圧縮手段を構成する圧縮要素１８Ｂの吸込側（中間圧部）へ供給されるように接続されている。

本実施例における圧縮機１８は、冷媒を低段側圧縮手段としての圧縮要素１８Ａと、高段側圧縮手段としての圧縮要素１８Ｂが単一の密閉容器内に収納される内部中間圧二段圧縮式ロータリ圧縮機を採用している。これら圧縮要素１８Ａ、１８Ｂは、同一の密閉容器内に収納される圧縮機モータ（電動要素。ＤＣモータ）により駆動される。

次に、図３を参照して本実施例における冷凍装置１０の制御装置（制御手段）９について説明する。制御装置９は、汎用のマイクロコンピュータにより構成されており、時限手段としてのタイマ３２、演算処理部３３、記憶部３４を内蔵している。

制御装置９には、各種設定スイッチや表示部などを備えたコントロールパネル３５が接続されている。各種設定スイッチには、詳細は後述する如く各設定値を任意に設定可能とするＬＣＤパネル（設定手段）３６も含まれる。

また、当該制御装置９の入力側には、庫内の現在温度を検出する庫内温度センサ（現在温度検出手段）３１、蒸発器１１の冷媒入口温度を検出するための蒸発器入口温度センサ２９、蒸発器１１の冷媒出口温度を検出するための蒸発器出口温度センサ３０、中間熱交換器４０の外管（第１の流路）４０Ａの入口側温度ＩＭＴＩを検出するための入口側温度センサ（入口側温度検出手段）４９、外気温度ＡＴを検出するための外気温度センサ（外気温度検出手段）４８等が接続されている。

他方、制御装置９の出力側には、圧縮機１８を駆動させる圧縮機モータ（ＤＣモータ）１８Ｍと、冷気循環用送風機１２を駆動させる送風機モータ１２Ｍ、放熱器用送風機２０を駆動させる送風機モータ２０Ｍ、膨張弁８、補助膨張弁３９等が接続されている。

圧縮機モータ１８Ｍは、インバータ装置２５を介して接続されており、これによって、圧縮機モータ１８Ｍの運転周波数を任意に変更可能とされている。送風機モータ１２Ｍ、２０Ｍは、それぞれチョッパ回路などの駆動回路２６、２７を介して接続されており、これによって、回転数を任意に変更可能とされている。

また、膨張弁８及び補助膨張弁３９は、それぞれ、制御装置Ｃから出力される駆動電圧のパルス数に応じて、内蔵のステッピングモータを任意の角度だけ回転させ、この回転量を弁体の弁座に対する進退移動量に変換することにより、弁開度が調整される。

以上の構成により、制御装置９により冷凍装置１０が運転されると、圧縮機１８の低段側圧縮要素１８Ａの吸込側（低圧部）に取り込まれた冷媒は、ここで中間圧まで昇圧される。この低段側圧縮要素１８Ａにて圧縮された冷媒は、図示しない連通管より密閉容器内に吐出される。

一端が密閉容器内にて開放した冷媒導入管は高段側圧縮要素１８Ｂの吸込側に設けられており、低段圧縮要素１８Ａにて中間圧まで昇圧された冷媒と、合流器３８を経た副回路４２からの中間圧冷媒とが混合された冷媒が、当該冷媒導入管より高段側圧縮要素１８Ｂ（中間圧部）内に流入され、ここで更に所定の高圧まで昇圧される。

このとき、この高段側圧縮要素１８Ｂにて圧縮された冷媒の圧力（高圧側圧力ＨＰ）は、超臨界圧力とされ、当該超臨界状態の冷媒は、冷媒吐出管２４を介して、ガスクーラ１９に流入される。尚、本実施例では、前記圧縮機１８を構成する各圧縮要素１８Ａ、１８Ｂは単一のモータで一体に結合された構成としているが、これに限定されない。

ガスクーラ１９を出た冷媒は通過する過程で冷却された後、分流器３７に入り、第１の冷媒流が流れる副回路４２と、第２の冷媒流が流れる主回路４３とに分流される。副回路４２に流入した第１の冷媒流は、補助膨張弁３９で中間圧（即ち、低段側圧縮要素１８Ａの吐出圧力であり、高段側圧縮要素１８Ｂの吸込圧力と略同圧）まで減圧される。

そして、中間熱交換器４０の外管（第１の流路）４０Ａ内を通過し、当該外管（第１の流路）４０Ａ内を通過する過程で、内管４０Ｂを通過する分流器３７で分流された後の他方の冷媒流である第２の冷媒流と熱交換して蒸発する。その後、合流器３８にて、低段側の圧縮要素１８Ａで圧縮された後の第２の冷媒流と合流して、高段側圧縮要素１８Ｂ（中間圧部）に吸い込まれる。

一方、主回路４３に流入した第２の冷媒流は、中間熱交換器４０の内管（第２の流路）４０Ｂ内を通過する過程で、補助膨張弁３９によって減圧された第１の冷媒流と熱交換して冷却された後、内部熱交換器４１の内管（第２の流路）４１Ｂ内を通過する。当該内管（第２の流路）４１Ｂ内を通過する過程で、外管（第１の流路）４１Ａ内を流れる蒸発器１１から出た冷媒と熱交換して冷却される。

そして、内部熱交換器４０から流出された第１の冷媒流は、膨張弁８にて蒸発圧力まで減圧された後、蒸発器１１内に流入し貯蔵室５内（被冷却空間）を熱源として蒸発し、内部熱交換器４１の外管４１Ａを経て低段側の圧縮要素１８（低圧部）に吸い込まれる。ここで、内部熱交換器４１により、膨張弁８に流入する冷媒は、蒸発器１１から流出した低温冷媒と熱交換されることで、冷却性能の向上を図ることができる。

このように、本実施例の冷凍装置１０は、冷媒として自然冷媒であり、臨界圧力が低く、冷媒サイクルの高圧が超臨界状態となる二酸化炭素を使用するものである。そのため、環境への負荷軽減を図ることができると共に、冷却能力の確保を図ることができる。また、ガスクーラ１９で冷却された後の冷媒を分流し、減圧膨張させた一方の副回路４２を流れる第１の冷媒流により、分流された他方の主回路４３を流れる第２の冷媒流を冷却する、所謂、スプリットサイクル冷却装置を用いることで、蒸発器１１の入口の比エンタルピを小さくし、冷凍効果を大きくすることが可能となる。

このように、冷凍装置１０が運転されると、冷却室１４にて蒸発器１１と熱交換された冷気は、冷気循環用送風機１２により貯蔵室５に吐出されて、貯蔵室５内を循環した後、再び送風機１２によって冷却室１４内に帰還する循環を行う。

このとき、制御装置９は、庫内温度センサ３１により検出される庫内の現在温度を冷却目標温度とするように、また、蒸発器１１における過熱度（蒸発器入口側温度と蒸発器出口側温度との差）が所定の適正値となるように、圧縮機モータ１８Ｍの運転周波数制御及び、膨張弁８の開度制御を行う。また、制御装置９は、上記圧縮機１８の周波数制御に加えて庫内温度センサ３１により検出される現在の庫内温度が冷却目標温度より所定温度高い上限温度に達した場合、圧縮機モータ１８Ｍを起動し、冷却目標温度よりも所定温度低い下限温度に達した場合、圧縮機モータ１８Ｍを停止するサーモサイクルを行い、庫内温度を冷却目標温度に制御する。

次に、本実施例における冷凍装置１０の補助膨張弁３９の弁開度制御について図４の制御説明図を参照して説明する。制御装置９は、先ず、所定のサンプリング周期で入口側温度センサ４９にて中間熱交換器４０の外管（第１の流路）４０Ａの入口側温度ＩＭＴＩを検出し、外気温度センサ４８にて外気温度ＡＴを検出し、記憶部３４に取り込む。

そして、上述したように取得した現在の入口側温度ＩＭＴＩと、外気温度ＡＴとから入口側温度の目標値ＳＴを算出する。このとき、制御装置９は、外気温度ＡＴに基づき、所定の関数式を用いて中間熱交換器４０の外管（第１の流路）４０Ａの入口側温度ＩＭＴＩの目標値ＳＴを算出する。

本実施例では、図５の外気温度ＡＴに対する目標値ＳＴとの関係を示す図に示すように、制御装置９は、外気温度ＡＴをｘとし、入口側温度ＩＭＴＩの目標値ＳＴをｙとする一次関数を用いて目標値ＳＴを算出する。当該関数式は、予め制御装置９の記憶部３４に記憶されているものである。

本実施例では、冷媒として高圧側圧力ＨＰが超臨界領域となる二酸化炭素を用いているため、当該一次関数（関数式）は、冷媒回路の高圧側圧力ＨＰが超臨界領域にある場合と飽和領域にある場合とで傾きが異なる。具体的には、図６に示すように、当該二酸化炭素の超臨界温度付近、一例として外気温度ＡＴが３０℃以上では、３０℃未満の場合と比べて、その関数式の傾きが大きくなる。

これは、冷媒として二酸化炭素を用いた場合、外気温度ＡＴが３０℃以上では、高圧側圧力ＨＰが超臨界領域となるため、高圧側圧力ＨＰが飽和領域となる外気温度ＡＴが３０℃未満の場合と比べて、外気温度ＡＴの上昇による適正な中間圧力の変動が大きくなる。そのため、高圧側圧力の状況に追従して、中間圧力を適正とすべく、入口側温度ＩＭＴＩの目標値ＳＴを変更する。

以上より、制御装置９は、取り込んだ外気温度ＡＴから上記一次関数を用いて、当該外気温度ＡＴに対する中間熱交換器４０の入口側温度ＩＭＴＩの目標値ＳＴを取得する。そして、制御装置９は、取得された目標値ＳＴと、先ほど検出されて取り込まれた入口側温度ＩＭＴＩとを比較し、現在の中間熱交換器４０の入口側温度の変化状態が安定時であるか不安定時であるかを判断する。

具体的には、入口側温度ＩＭＴＩと目標値ＳＴとの差（ＩＭＴＩ−ＳＴ）の絶対値が所定値ＫＦ未満である場合（差が±ＫＦ未満の場合）は安定時と判断し、当該差（ＩＭＴＩ−ＳＴ）の絶対値が所定値ＫＦ以上である場合（差が±ＫＦ以上の場合）は、不安定時と判断する。ここで、所定値ＫＦとは、一例として３℃とする。尚、所定値ＫＦは、３℃に限られず、任意に設定可能とする。

上記において、制御装置９により、入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴに近い範囲にある安定時であると判断した場合には、図４に示すように、圧縮機１８を停止する際にのみ補助膨張弁３９の開度を制御することする。即ち、圧縮機１８の運転中、停止中には、補助膨張弁３９の開度は、現状を維持することとする。

このときの補助膨張弁３９の開度制御は、圧縮機１８の運転中における安定時に入口側温度ＩＭＴＩの平均値ＡＶＴに基づき行う。即ち、制御装置９は、現在の圧縮機１８が運転している状態において所定のサンプリング周期で入口側温度センサ４９により検出された入口側温度ＩＭＴＩを取り込み、当該運転中における入口側温度ＩＭＴＩの平均値ＡＶＴを算出する。

また、制御装置９は、同様のサンプリング周期で取り込まれた外気温度センサ４８により検出された外気温度ＡＴを取り込み、当該運転中における外気温度ＡＴの平均値ＡＶＡＴを算出する。当該算出された外気温度ＡＴの平均値ＡＶＡＴに基づき、上述したように、入口側温度ＩＭＴＩの目標値ＳＴを算出する。

そして、制御装置９は、入口側温度ＩＭＴＩの平均値ＡＶＴが上述の如く算出された目標値ＳＴとなるような補助膨張弁３９の開度を算出する。このとき、入口側温度ＩＭＴＩの平均値ＡＶＴが目標値ＳＴから高いほど補助膨張弁３９の弁開度をより絞る方向に、低いほど弁開度をより開く方向に操作量のパルス制御を行う。

尚、当該安定時における補助膨張弁３９の弁開度制御は、前回の入口側温度ＩＭＴＩと今回の入口側温度ＩＭＴＩとの差から判断される入口側温度ＩＭＴＩが上昇傾向であるか下降傾向であるかにかかわらず、上記制御を行う。

一方、制御装置９により、入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴに近い範囲でない不安定時であると判断した場合には、図４に示すように、不安定時と判断した時点で、補助膨張弁３９の開度を制御する（条件成立都度制御）。

このとき、制御装置９は、今回の入口側温度ＩＭＴＩと目標値ＳＴとの差が上記所定値ＫＦより大きい所定値ＫＥ以上であるか否かを判断する。ここで、所定値ＫＥとは、一例として、上記所定値ＫＦより大きい８℃とする。尚、所定値ＫＥは、８℃に限られず、任意に設定可能とする。

そして、上記において、制御装置９は、所定のサンプリング周期で取り込まれた入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴよりも所定値ＫＥ以上高い場合であって、前回の入口側温度ＩＭＴＩと今回の入口側温度ＩＭＴＩとの差から判断される入口側温度ＩＭＴＩが上昇傾向である場合には、当該入口側温度ＩＭＴＩが、外気温度ＡＴから算出される目標値ＳＴに所定値ＫＦを加えた温度となるような補助膨張弁３９の開度を算出する。

このとき、制御装置９は、入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴ＋所定値ＫＦから高いほど補助膨張弁３９の弁開度をより絞る方向に操作量のパルス制御を行う。また、このとき、オーバーシュートを防止するため、当該算出された操作量に所定の係数、例えば１／２〜１／２０の間で任意に設定された係数を乗じた操作量としても良い。

尚、この場合、入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴ＋所定値ＫＦより高い不安定時であって、下降傾向である場合には、補助膨張弁３９の弁開度を維持し、制御しないものとする。

そして、制御装置９は、今回の入口側温度ＩＭＴＩと目標値ＳＴとの差が上記所定値ＫＥ以下であって所定値ＫＥ以上である場合であって、前回の入口側温度ＩＭＴＩと今回の入口側温度ＩＭＴＩとの差から判断される入口側温度ＩＭＴＩが上昇傾向である場合には、当該入口側温度ＩＭＴＩが、外気温度ＡＴから算出される目標値ＳＴとなるような補助膨張弁３９の開度を算出する。

このとき、制御装置９は、入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴから高いほど補助膨張弁３９の弁開度をより絞る方向に操作量のパルス制御を行う。また、このときも、オーバーシュートを防止するため、当該算出された操作量に所定の係数、例えば１／２〜１／２０の間で任意に設定された係数を乗じた操作量としても良い。

尚、この場合も、入口側温度ＩＭＴＩが入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴより高い不安定時であって、下降傾向である場合には、補助膨張弁３９の弁開度を維持し、制御しないものとする。

他方、制御装置９は、今回の入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴより所定値ＫＦ以上低い場合（ＩＭＴＩ＜ＳＴ−ＫＦ）には、入口側温度ＩＭＴＩが上昇傾向であるか下降傾向であるか否かにかかわらず、当該入口側温度ＩＭＴＩが、外気温度ＡＴから算出される目標値ＳＴとなるような補助膨張弁３９の開度を算出する。

このとき、制御装置９は、入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴから低いほど補助膨張弁３９の弁開度をより拡張させる方向に操作量のパルス制御を行う。また、このときも、オーバーシュートを防止するため、当該算出された操作量に所定の係数、例えば１／２〜１／２０の間で任意に設定された係数を乗じた操作量としても良い。

通常、上述したようなスプリットサイクル冷却装置では、第１の冷媒流の量と第２の冷媒流の量とを最適に調整することで、第１の冷媒流による冷却効果を向上させるべく、補助膨張弁３９により減圧される第１の冷媒流の圧力、即ち、冷媒回路の中間圧力を制御する。

従来では、この際、中間熱交換器４０の外管（第１の流路）４０Ａを流れる第１の冷媒流の入口側温度ＩＭＴＩを検出し、当該入口側温度ＩＭＴＩが予め設定された目標値となるように開閉制御していた。しかし、適正な中間圧力を実現する入口側温度ＩＭＴＩの目標値は、外気温度ＡＴによって異なるものであり、適切な補助膨張弁３９の開度制御が困難であった。

また、この場合、制御装置は、圧縮機１８の運転状況にかかわらず、所定のサンプリング周期にて取り込まれる入口側温度ＩＭＴＩが目標値となるように、その都度、補助膨張弁３９の開度制御を行っていたが、第１の冷媒流の流れは、圧縮機１８の運転に大きく影響を受ける。また、補助膨張弁３９の開度制御が行われることによって、冷媒回路７の中間圧力を制御していたが、これによって、膨張弁８の開度制御や、圧縮機１８の運転周波数制御に影響を与えることとなり、それぞれの設定値の変更が生じる。そのため、圧縮機の運転状況が変化することで、中間圧力も変化し、結果として、安定した中間圧力の実現ができない。

これに対し、上述したように、本発明では、圧縮機１８を停止する際にのみ補助膨張弁３９の開度を制御し、圧縮機１８の運転中は、補助膨張弁３９の開度を現状のまま維持することとしたので、圧縮機１８の運転によって、細かく変動する中間圧力に影響されることなく、圧縮機１８の起動のタイミングや停止のタイミングにて補助膨張弁３９を安定して開度制御することが可能となる。

これにより、他の機器、即ち、圧縮手段の運転周波数や主絞り手段の開度制御などによって、相互に影響を与える当該冷凍装置において、安定した補助絞り手段の開度制御を実現でき、これによって、適正な中間圧力を実現し、冷却効率の向上を図ることが可能となる。

また、本発明では、制御装置９は、圧縮機１８の運転中における安定時に入口側温度ＩＭＴＩの平均値ＡＶＴを算出し、当該平均値ＡＶＴに基づき、補助膨張弁３９の開度を制御するので、上記においてより精度の高い制御を実現することが可能となる。

また、上記実施例では、制御装置９は、安定時以外の不安定時においては、入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴに近づくようサンプリング周期で補助膨張弁３９の開度を制御すると共に、入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴよりも高い不安定時であって、当該入口側温度ＩＭＴＩが下降傾向である場合には、補助膨張弁３９の開度を維持する。そのため、入口側温度ＩＭＴＩが下降傾向である場合にも、補助膨張弁３９の開度が制御されると、より絞る方向に制御されてしまい、最終的に弁開度が殆ど閉じたしまった状況を招来することとなるが、このような不具合を解消でき、早期に入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴに近似した安定時とすることが可能となる。

更に、本実施例では、入口側温度ＩＭＴＩの目標値ＳＴを外気温度ＡＴをｘとし、入口側温度ＩＭＴＩの目標値ＳＴをｙとする一次関数を用いて当該目標値ＳＴを算出する。そして、この一次関数は、冷媒回路の高圧側圧力ＨＰが超臨界領域にある場合と飽和領域にある場合とで傾きが異なるものを採用している。

そのため、本実施例のように冷媒として二酸化炭素を用いた場合には、外気温度ＡＴが３０℃以上では、高圧側圧力ＨＰが超臨界領域となり、高圧側圧力ＨＰが飽和領域となる外気温度ＡＴが３０℃未満の場合と比べて、外気温度ＡＴの上昇による適正な中間圧力の変動が大きくなるが、高圧側圧力の状況に追従して、入口側温度ＩＭＴＩの目標値ＳＴを変更することで、外気温度ＡＴに応じて中間圧力の適正化を実現することができる。

尚、上記実施例では、安定時以外の不安定時において圧縮機１８を起動する際の補助膨張弁３９の開度制御は、圧縮機１８を起動するタイミングと同時に行っているが、これに限定されるものではなく、圧縮機１８の起動から所定時間、例えば、１分乃至５分で設定された任意の時間、遅延させて実行してもよい。これにより、圧縮機１８の起動と、補助膨張弁３９の開度制御が同時に行われることによる不具合を効果的に回避しつつ、安定した補助膨張弁３９の開度制御を実現することが可能となる。

Ｒ 業務用冷凍庫（低温貯蔵庫）
１ 断熱箱体
５ 貯蔵室（被冷却空間）
７ 冷媒回路
８ 膨張弁（主絞り手段）
９ 制御装置
１０ 冷凍装置
１１ 蒸発器
１８ 圧縮機（圧縮手段）
１８Ａ 低段側圧縮要素（低段側圧縮手段）
１８Ｂ 高段側圧縮要素（高段側圧縮手段）
１９ ガスクーラ
３５ コントロールパネル
３６ ＬＣＤパネル（設定手段）
３９ 補助膨張弁（補助絞り手段）
４０ 中間熱交換器
４１ 内部熱交換器
４２ 副回路
４３ 主回路
４８ 外気温度センサ（外気温度検出手段）
４９ 入口側温度センサ（入口側温度検出手段）

Claims (7)

1. 圧縮手段と、ガスクーラと、補助絞り手段と、中間熱交換器と、主絞り手段と、蒸発器とから冷媒回路を構成し、前記ガスクーラから出た冷媒を二つの流れに分流して、第１の冷媒流を前記補助絞り手段を経て前記中間熱交換器の第１の流路に流し、第２の冷媒流を前記中間熱交換器の第２の流路に流した後、前記主絞り手段を経て前記蒸発器に流すことにより、前記中間熱交換器にて前記第１の冷媒流と第２の冷媒流とを熱交換させ、前記蒸発器から出た冷媒を前記圧縮手段の低圧部に吸い込ませ、前記中間熱交換器から出た前記第１の冷媒流を前記圧縮手段の中間圧部に吸い込ませると共に、高圧側圧力ＨＰが超臨界圧力となり得る冷凍装置において、
   前記補助絞り手段の開度を制御する制御手段と、
   前記中間熱交換器の第１の流路の入口側温度ＩＭＴＩを検出するための入口側温度検出手段と、
   外気温度ＡＴを検出するための外気温度検出手段とを備え、
   前記制御手段は、所定のサンプリング周期で前記入口側温度検出手段及び外気温度検出手段により前記入口側温度ＩＭＴＩ及び外気温度ＡＴを取り込み、前記外気温度ＡＴに基づき、所定の関数式を用いて前記入口側温度ＩＭＴＩの目標値ＳＴを算出すると共に、
   当該入口側温度ＩＭＴＩが目標値ＳＴに近い範囲にある安定時には、
   前記入口側温度ＩＭＴＩが前記目標値ＳＴとなるよう、前記圧縮手段を停止する際にのみ前記補助絞り手段の開度を制御し、前記圧縮手段の運転中は、前記補助絞り手段の開度を維持することを特徴とする冷凍装置。
2. 前記制御手段は、前記入口側温度ＩＭＴＩと目標値ＳＴとの差の絶対値が所定値ＫＦ未満であるときに前記安定時と判断することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記制御手段は、前記圧縮手段の運転中における安定時に前記入口側温度ＩＭＴＩの平均値ＡＶＴを算出し、当該平均値ＡＶＴに基づき、前記補助絞り手段の開度を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷凍装置。
4. 前記制御手段は、前記圧縮手段を起動する際の前記補助絞り手段の開度制御を、当該圧縮手段の起動から所定時間遅延させて実行することを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちの何れかに記載の冷凍装置。
5. 前記制御手段は、前記安定時以外の不安定時においては、前記入口側温度ＩＭＴＩが前記目標値ＳＴに近づくよう前記サンプリング周期で前記補助絞り手段の開度を制御すると共に、
   前記入口側温度ＩＭＴＩが前記目標値ＳＴよりも高い前記不安定時であって、当該入口側温度ＩＭＴＩが下降傾向である場合には、前記補助絞り手段の開度を維持することを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちの何れかに記載の冷凍装置。
6. 前記制御手段は、前記外気温度ＡＴをｘとし、前記入口側温度ＩＭＴＩの目標値ＳＴをｙとする一次関数を用いて当該目標値ＳＴを算出すると共に、
   該一次関数は、前記冷媒回路の高圧側圧力ＨＰが超臨界領域にある場合と飽和領域にある場合とで傾きが異なることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちの何れかに記載の冷凍装置。
7. 前記冷媒として二酸化炭素を使用したことを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちの何れかに記載の冷凍装置。

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