JP6076136B2

JP6076136B2 - 冷凍装置

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Publication number: JP6076136B2
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Inventors: 伊藤　健; 健伊藤
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Publication date: 2017-02-08
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Description

本発明は、冷凍装置に関する。

従来の冷凍装置のうち、電動機を冷却する冷媒を供給する電動機冷却用冷媒回路を備え、電動機の外壁温度に基づいて電動機冷却用膨張弁の開度を制御することで、電動機冷却用冷媒の流量調整を行っているものがあった（例えば、特許文献１参照）。

特許第４７４９１７８号公報（段落［００１８］）

従来の冷凍装置（特許文献１）は、運転条件が安定している場合、電動機の外壁温度に基づいて電動機冷却用膨張弁の開度を制御することで、電動機を安定的に冷却することができた。

しかしながら、電動機を収容した圧縮機のケーシングは鋳物等の肉厚構造で構成されているため、電動機室壁面の質量は大きく、電動機室壁面は発熱量に対して熱容量が大きい。よって、電動機巻線温度が上昇した場合、電動機室内壁が内部から加熱され、電動機室内壁全体に熱が伝達された後、電動機室外壁温度が上昇する。このようなケーシングの肉厚構造が、電動機室内部温度の変化と、電動機外壁温度の変化とに応答遅れを生じさせているため、電動機外壁温度に基づいた電動機冷却用膨張弁の開度の制御は、そのような応答遅れを伴うものとなっていた。

上記で説明した応答遅れが存在するため、運転条件が急変した場合、電動機外壁温度に基づいて電動機冷却用膨張弁の開度を制御していたのでは、ケーシングの肉厚構造に起因して、応答に遅れが生じていた。そして、このような応答遅れに起因して、電動機を冷却する冷媒の流量調整にも遅れが生じていた。このような冷媒の流量調整の遅れは、電動機外壁温度をハンチングさせ、ハンチング幅を拡大させていた。

したがって、電動機外壁温度に基づいて電動機冷却用膨張弁の開度が制御されたとしても、運転条件が急変した場合には、運転条件に追従して電動機を安定的に冷却することができず、電動機外壁温度のハンチングを抑制することができないという問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、運転条件が急変した場合であっても、運転条件に追従して電動機を安定的に冷却し、電動機外壁温度のハンチングを抑制することができる冷凍装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係る冷凍装置は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機の冷媒出口側に、凝縮器、第１膨張弁、及び蒸発器が順次第１冷媒配管で接続され、前記蒸発器の冷媒出口側が前記圧縮機の吸込側に接続されて構成される第１冷媒回路と、前記凝縮器と、前記第１膨張弁との間を分岐して、前記冷媒の一部を流通させる第２冷媒配管が前記圧縮機に接続されて構成される第２冷媒回路と、前記圧縮機の外郭を形成している筐体に収容され、前記圧縮機を駆動させる電動機と、前記第２冷媒配管を流通する前記冷媒の流量を調整する第２膨張弁と、前記第２膨張弁の開度を制御する制御装置と、を備え、前記第２冷媒配管は、前記筐体のうち、前記電動機の側に接続され、前記電動機に前記冷媒を供給し、前記制御装置は、前記電動機の駆動に関連する電気特性値の単位時間当たりの変化率として第１変化率を算出する第１変化率算出処理を行い、前記第１変化率が予め決められた閾値以上であるか否かを判定し、該第１変化率が該閾値以上であると、該第１変化率に応じて前記第２膨張弁の開度を変更し、前記第２膨張弁の開度を変更してから一定時間経過した後に前記変化率として第２変化率を算出し、前記第２変化率の値が前記第１変化率未満であるか否かを判定し、該第２変化率の値が該第１変化率未満である場合、前記第２膨張弁の開度を維持し、該第２変化率の値が該第１変化率以上である場合、前記第１変化率算出処理に戻るものである。

本発明は、運転条件が急変したか否かを圧縮機の電気特性値の単位時間当たりの変化率に基づいて判定し、そのような変化率に基づいて電動機冷却用膨張弁の開度を制御する。よって、運転条件が急変した場合であっても、運転条件に追従して電動機を安定的に冷却し、電動機外壁温度のハンチングを抑制することができる。したがって、エネルギー消費量を低減させることができるという効果を有する。

本発明の実施の形態１における冷凍装置１の概略構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態１における制御装置９１の内部機能構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態１における変化率処理部２５１の内部機能構成、変化率処理部２５１と連動して動作する各機能構成、及びそれらの間で通信される各種データ等の一例を示す図である。本発明の実施の形態１における電動機室内温度の変動を表した波形と電動機外壁温度の変動を表した波形との比較例を示す図である。本発明の実施の形態１における冷凍装置１の制御例を説明するフローチャートである。本発明の実施の形態２における変化率処理部２５１の内部機能構成、変化率処理部２５１と連動して動作する各機能構成、及びそれらの間で通信される各種データ等の一例を示す図である。本発明の実施の形態２における冷凍装置１の制御例を説明するフローチャートである。本発明の実施の形態３における変化率処理部２５１の内部機能構成、変化率処理部２５１と連動して動作する各機能構成、及びそれらの間で通信される各種データ等の一例を示す図である。本発明の実施の形態３における冷凍装置１の制御例を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、本発明の実施の形態１〜３の動作を行うプログラムを記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理は勿論、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的又は個別に実行される処理をも含む。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における冷凍装置１の概略構成の一例を示す図である。図１に示すように、冷凍装置１は、二段圧縮機１１、凝縮器２１、主膨張弁３１、蒸発器４１、中間冷却器５１、中間冷却器用膨張弁６１、電動機冷却用膨張弁７１、電動機外壁温度検出装置８１、及び制御装置９１等を備える。

冷凍装置１は、概略的には、運転条件が急変した場合であったとしても、二段圧縮機１１の電気特性値の単位時間当たりの変化率に基づいて判定し、そのような変化率に基づいて電動機冷却用膨張弁７１の開度を制御する。よって、運転条件が急変した場合であったとしても、運転条件に追従して電動機１５を安定的に冷却し、電動機外壁温度のハンチングを抑制する。この結果、冷凍装置１は、エネルギー消費量を低減している。以下、冷凍装置１の詳細について図を用いて順に説明する。

図１に示すように、二段圧縮機１１は、低段圧縮機構１２と、高段圧縮機構１３とが直列に接続され、冷媒を圧縮して吐出する。低段圧縮機構１２と、高段圧縮機構１３との間には、中間圧室１４が形成されている。二段圧縮機１１は、筐体１６を備え、筐体１６は二段圧縮機１１の外郭を形成している。二段圧縮機１１は、低段圧縮機構１２及び高段圧縮機構１３を収容する領域と、低段圧縮機構１２及び高段圧縮機構１３を駆動させることで二段圧縮機１１を駆動させる電動機１５を収容する領域である電動機室１７とが設けられている。電動機室１７には、電動機１５が収容されている。また、電動機室１７側の筐体１６の外壁側には、筐体１６の電動機室１７側の外壁温度を検出する電動機外壁温度検出装置８１が設けられている。

なお、二段圧縮機１１の容量制御は、電動機１５を回転させるインバータを用いた回転数制御を前提としているが、特にこれに限定しない。例えば、二段圧縮機１１の容量制御は、例えば、スライドバルブのような容量調整弁を用いることで行われてもよい。また、二段で圧縮する構成に限定しない。例えば、三段以上の多段圧縮機であってもよく、一段で圧縮する圧縮機であってもよい。

二段圧縮機１１の高段圧縮機構１３の冷媒出口側には、第１冷媒配管３＿１を介して、凝縮器２１の冷媒入口側が接続されている。凝縮器２１の冷媒出口側には、第１冷媒配管３＿２を介して、中間冷却器５１の第１入口５３側が接続されている。中間冷却器５１の第１出口５４側には、第１冷媒配管３＿３を介して、蒸発器４１の冷媒入口側が接続されている。蒸発器４１の冷媒出口側には、第１冷媒配管３＿４を介して、二段圧縮機１１の低段圧縮機構１２の吸込側が接続されている。

第１冷媒配管３＿３の途中には、主膨張弁３１が設けられている。主膨張弁３１は、開度が制御されることで、蒸発器４１に流入する冷媒の流量を調整している。また、第１冷媒配管３＿３の途中には、第１分岐点５が設けられ、第１分岐点５には、第１冷媒配管３＿５が接続されている。第１冷媒配管３＿５は、第１分岐点５と、二段圧縮機１１の中間圧室１４側との間に設けられ、途中に、中間冷却器用膨張弁６１が設けられている。また、第１冷媒配管３＿５は、中間冷却器５１の第２入口５５と、中間冷却器５１の第２出口５６との間を接続している。中間冷却器用膨張弁６１は、開度が制御されることで第２入口５５に流入する冷媒の流量を調整している。

また、第１冷媒配管３＿３の途中には、第２分岐点６が設けられ、第２分岐点６には、第２冷媒配管４が接続されている。第２冷媒配管４は、第２分岐点６と、電動機室１７側との間に設けられるものであって、途中に、電動機冷却用膨張弁７１が設けられている。電動機冷却用膨張弁７１は、開度が制御されることで電動機室１７側に流入する冷媒の流量を調整している。

制御装置９１は、二段圧縮機１１の駆動、すなわち、電動機１５の駆動を制御している。制御装置９１には、電動機外壁温度検出装置８１の検知結果、例えば、筐体１６の電動機室１７側の外壁温度が供給されている。また、制御装置９１には、二段圧縮機１１の電気特性値、例えば、電動機１５の電気特性値が供給されている。電動機１５の電気特性値とは、例えば、電動機１５に流れる電流値、電動機１５に印加される電圧値、及び電動機１５が消費する電力値等である。制御装置９１は、電動機１５に制御指令を供給している。また、制御装置９１は、主膨張弁３１、中間冷却器用膨張弁６１、及び電動機冷却用膨張弁７１に開度を制御する指令であるパルス数等を供給している。

なお、第１冷媒配管３＿１、第１冷媒配管３＿２、第１冷媒配管３＿３、第１冷媒配管３＿４、及び第１冷媒配管３＿５を総称して第１冷媒配管３と称する。

また、上記で説明した接続構成から、二段圧縮機１１の高段圧縮機構１３の冷媒出口側に、凝縮器２１、中間冷却器５１、中間冷却器用膨張弁６１、主膨張弁３１、及び蒸発器４１が順次第１冷媒配管３で接続され、蒸発器４１の冷媒出口側が低段圧縮機構１２の吸込側に接続されることで、冷媒回路が構成される。

また、上記で説明した接続構成から、中間冷却器５１及び中間冷却器用膨張弁６１と、主膨張弁３１との間に、冷媒の一部である冷媒を流通させる第２冷媒配管４が二段圧縮機１１に接続されることで、冷媒回路が構成される。

つまり、制御装置９１は、冷媒回路を流通する冷媒の流量と、冷媒回路を流通する冷媒の流量とを制御している。例えば、制御装置９１は、主膨張弁３１の開度を制御して調整することで、冷媒回路を流通する冷媒の流量を制御している。また、例えば、制御装置９１は、電動機冷却用膨張弁７１の開度を制御して調整することで、冷媒回路を流通する冷媒の流量を制御している。

なお、主膨張弁３１は、本発明における第１膨張弁に相当する。また、電動機冷却用膨張弁７１は、本発明における第２膨張弁に相当する。

次に、冷凍装置１の冷媒の流れについて説明する。二段圧縮機１１で圧縮された高温かつ高圧の冷媒のガスは凝縮器２１で凝縮される。凝縮された冷媒の冷媒液は、中間冷却器５１で過冷却され、主膨張弁３１を経て、二相流となる。二相流となった冷媒は、蒸発器４１へ流入する。蒸発器４１では、二相流となった冷媒は、被冷却物と熱交換することで、冷媒は蒸発し、過熱ガスとなる。過熱ガスとなった冷媒は、二段圧縮機１１へ吸い込まれ、冷凍サイクルを一巡する。

また、中間冷却器５１を出て、過冷却されて過冷却液となった冷媒は、第１分岐点５で２つに分岐する。

例えば、過冷却液となった冷媒の一部は、第１冷媒配管３＿５を流通することで、中間冷却器用膨張弁６１を通過して減圧され、低温の二相流となり、さらに、中間冷却器５１を通過することで、凝縮器２１から中間冷却器５１に流入した凝縮された冷媒の冷媒液を過冷却し、二段圧縮機１１の中間圧室１４へ注入される。

また、例えば、過冷却液となった冷媒の一部は、第１分岐点５を通過した後、第２分岐点６で２つに分岐する。

例えば、過冷却液となった冷媒は、第２冷媒配管４を流通することで、電動機冷却用膨張弁７１を通過して減圧され、低温の二相流となり、二段圧縮機１１の電動機室１７へ注入されて電動機１５を冷却する。

なお、第２分岐点６で分岐し、主膨張弁３１へ向かう冷媒については上記で説明したのでその説明については省略する。

次に、制御装置９１の機能構成について図２及び図３を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態１における制御装置９１の内部機能構成の一例を示す図である。図２に示すように、制御装置９１には、電動機外壁温度、電気特性値、冷媒温度、及び冷媒圧力等が入力され、主膨張弁３１、中間冷却器用膨張弁６１、及び電動機冷却用膨張弁７１等の膨張弁群１３１の開度を制御する。また、制御装置９１は、膨張弁群１３１から各種データがフィードバックされることで、フィードバック制御が行われている。

具体的には、制御装置９１は、制御部１０１及び駆動部１２１等を備える。制御部１０１は、電動機外壁温度、電気特性値、冷媒温度、及び冷媒圧力等に基づいて膨張弁群１３１の開度を決定し、駆動部１２１に制御に必要なパルス数を供給する。駆動部１２１は、供給されたパルス数に基づいて、膨張弁群１３１の開度を制御する。

さらに具体的には、制御部１０１は、データ取得部２０１、記憶部２２１、変化率処理部２５１、計時部２５２、運転条件判定部２５５、回転角センサ部２６１、弁開度センサ部２６３及び弁開度演算部２７１等を備える。

データ取得部２０１は、温度取得部２１１及び電気特性値取得部２１２等を備える。温度取得部２１１は、例えば、電動機外壁温度を取得し、記憶部２２１及び変化率処理部２５１に供給する。電気特性値取得部２１２は、二段圧縮機１１の電気特性値、例えば、電流値、電圧値、及び電力値等の少なくとも何れか一つを記憶部２２１及び変化率処理部２５１に供給する。

記憶部２２１は、取得データ群２３１、閾値データ群２３２、演算用データ群２３３、電流値用開度変更データテーブル２３４、及び電力値用開度変更データテーブル２３５等を備える。取得データ群２３１は、例えば、データ取得部２０１から供給される各種データを格納する領域である。閾値データ群２３２は、各種演算に用いられる閾値を格納する領域である。演算用データ群２３３は、演算中に使用している各種パラメータを一時的に保管する領域である。電流値用開度変更データテーブル２３４は、例えば、電流値の時間当たりの変化率と、電動機冷却用膨張弁７１の開度の変更割合とが紐付けされて設定されているテーブルを格納する領域である。電力値用開度変更データテーブル２３５は、例えば、電力値の時間当たりの変化率と、電動機冷却用膨張弁７１の開度の変更割合とが紐付けされて設定されているテーブルを格納する領域である。

変化率処理部２５１、計時部２５２、運転条件判定部２５５、及び弁開度演算部２７１の詳細については後述するが、要するに、電気特性値の時間当たりの変化率に応じて弁開度に必要なパルス数を求める処理が実行される。

回転角センサ部２６１は、主膨張弁３１、中間冷却器用膨張弁６１、及び電動機冷却用膨張弁７１等の膨張弁群１３１の回転角の検出結果を取得し、弁開度演算部２７１に供給する。弁開度センサ部２６３は、主膨張弁３１、中間冷却器用膨張弁６１、及び電動機冷却用膨張弁７１等の膨張弁群１３１の弁開度の検出結果を取得し、弁開度演算部２７１に供給する。

なお、上記で説明した各構成は一例を示し、特にこれらに限定しない。要するに、上記で説明した機能が実行されればよい。

図３は、本発明の実施の形態１における変化率処理部２５１の内部機能構成、変化率処理部２５１と連動して動作する各機能構成、及びそれらの間で通信される各種データ等の一例を示す図である。

運転条件判定部２５５は、運転条件が急変した場合と、運転条件が安定している場合とを判定する。運転条件判定部２５５は、例えば、蒸発器４１の冷媒温度又は冷媒圧力等に基づいて、蒸発器４１の熱交換量が急変したか否かを判定する。運転条件が安定している場合、運転条件判定部２５５は、変化率処理部２５１及び弁開度演算部２７１に動作切替指令を供給する。次に、弁開度演算部２７１は、電動機外壁温度が、電動機外壁温度許容範囲閾値に収まるように電動機冷却用膨張弁７１の開度を調整するパルスを必要なパルス数だけ図２で説明した駆動部１２１に供給する。

一方、運転条件判定部２５５は、運転条件が急変した場合、変化率処理部２５１及び弁開度演算部２７１に動作切替指令を供給する。次に、変化率処理部２５１は、電気特性値に応じて、開度変更指令又は開度維持指令を弁開度演算部２７１に供給する。また、変化率処理部２５１は、弁開度演算部２７１に開度変更指令を供給し、弁開度演算部２７１に主膨張弁３１の開度を制御させる。

変化率処理部２５１は、変化率演算部３０１、変化率判定部３０２、及び経過時間判定部３０３等を備える。経過時間判定部３０３は、計時部２５２から供給される経過時間と、記憶部２２１に格納されている経過時間閾値とに基づいて、経過時間を判定し、判定結果を変化率演算部３０１に供給する。

変化率演算部３０１は、電気特性値と、経過時間判定部３０３から供給される判定結果とに基づいて、第１変化率又は第２変化率を演算し、演算結果を変化率判定部３０２等に供給する。なお、第１変化率については、記憶部２２１にも供給し、変化率判定部３０２が後の処理で再利用する。また、第１変化率とは、変化率演算部３０１の一連の処理ルーチンの中で一番目に求めた変化率である。また、第２変化率とは、変化率演算部３０１の一連の処理ルーチンの中で二番目に求めた変化率である。よって、同一の処理ルーチンが繰り返されるたびに、一番目に求めた変化率が第１変化率として処理され、二番目に求めた変化率が第２変化率として処理される。つまり、一連の処理ルーチンは、２つの変化率で各種判定処理が実行される。

変化率判定部３０２は、第１変化率、第２変化率、及び急変状態判定第１閾値等に基づいて、開度変更指令を弁開度演算部２７１に供給するか、開度維持指令を弁開度演算部２７１に供給するかを判定する。

なお、制御装置９１の各機能をハードウェアで実現するか、ソフトウェアで実現するかは問わない。つまり、本発明の実施の形態１で説明される各ブロック図は、ハードウェアのブロック図と考えても、ソフトウェアの機能ブロック図と考えてもよい。例えば、各ブロック図は、回路デバイス等のハードウェアで実現されてもよく、図示しないプロセッサ等の演算装置上で実行されるソフトウェアで実現されてもよい。

図４は、本発明の実施の形態１における電動機室内温度の変動を表した波形と電動機外壁温度の変動を表した波形との比較例を示す図である。図４に示すように、従来の運転制御の場合の波形３１１と、変化率を用いた運転制御の場合の波形３１２とは相違する。

例えば、従来の運転制御の場合の波形３１１では、電動機外壁温度目標上限と、電動機外壁温度目標下限とを大きく逸脱する状態が示されている。具体的には、第１ハンチング幅３３２は、電動機外壁温度目標上限及び電動機外壁温度目標下限を大幅に超えている。また、従来の運転制御の場合の波形３１１では、電動機外壁温度波形３２１と、電動機室内部温度波形３２２との間の第１応答遅れ幅３３１は大きい。

一方、変化率を用いた運転制御の場合の波形３１２では、電動機外壁温度目標上限と、電動機外壁温度目標下限とを大きく逸脱する状態とはなっていない。具体的には、第２ハンチング幅３５２は、電動機外壁温度目標上限と、電動機外壁温度目標下限とからそれほど離れていない状態となっており、第１ハンチング幅３３２よりも小さくなっている。また、変化率を用いた運転制御の場合の波形３１２では、電動機外壁温度波形３４１と、電動機室内部温度波形３４２との間の第２応答遅れ幅３５１は、第１応答遅れ幅３３１と比べて小さくなっている。

つまり、変化率を用いた運転制御を行えば、電動機外壁温度のハンチングを抑制することができ、応答遅れも改善できる。したがって、運転条件が急変した場合であっても、変化率を用いて運転制御すれば、その変化に追従させていくことができる。

図５は、本発明の実施の形態１における冷凍装置１の制御例を説明するフローチャートである。

（ステップＳ１１）
冷凍装置１は、電動機外壁温度を取得する。

（ステップＳ１２）
冷凍装置１は、電動機外壁温度許容範囲閾値を取得する。

（ステップＳ１３）
冷凍装置１は、電動機外壁温度と電動機外壁温度許容範囲閾値とに基づいて電動機冷却用膨張弁７１の開度を制御し、処理を終了する。具体的には、冷凍装置１は、電動機外壁温度を電動機外壁温度許容範囲閾値に収まるように、少なくとも、主膨張弁３１の開度を制御する。

以上、ステップＳ１１の処理〜ステップＳ１３の処理が、運転条件安定時の電動機冷却用膨張弁７１の開度の制御である。

（ステップＳ２１）
冷凍装置１は、主膨張弁３１の開度を変更する。

（ステップＳ２２）
冷凍装置１は、経過時間閾値を取得する。

（ステップＳ２３）
冷凍装置１は、時間のカウントを開始する。

（ステップＳ２４）
冷凍装置１は、カウントした時間が経過時間閾値を超えたか否かを判定する。冷凍装置１は、カウントした時間が経過時間閾値を超えた場合、ステップＳ２５に進む。一方、冷凍装置１は、カウントした時間が経過時間閾値を超えない場合、ステップＳ２４に戻る。

（ステップＳ２５）
冷凍装置１は、圧縮機電流値の単位時間当たりの第１変化率を求める。

（ステップＳ２６）
冷凍装置１は、急変状態判定第１閾値を取得する。急変状態判定第１閾値は、二段圧縮機１１の電流値の時間当たりの変動が図１に示す電動機室１７の許容範囲を超えたか否かを判定する閾値である。

（ステップＳ２７）
冷凍装置１は、第１変化率が急変状態判定第１閾値未満であるか否かを判定する。冷凍装置１は、第１変化率が急変状態判定第１閾値未満である場合、運転条件安定時の処理であるステップＳ１１に戻る。一方、冷凍装置１は、第１変化率が急変状態判定第１閾値未満でない場合、ステップＳ２８に進む。

（ステップＳ２８）
冷凍装置１は、第１変化率に基づいて電動機冷却用膨張弁７１の開度を変更する。

（ステップＳ２９）
冷凍装置１は、経過時間閾値を取得する。

（ステップＳ３０）
冷凍装置１は、時間のカウントを開始する。

（ステップＳ３１）
冷凍装置１は、カウントした時間が経過時間閾値を超えたか否かを判定する。冷凍装置１は、カウントした時間が経過時間閾値を超えた場合、ステップＳ３２に進む。一方、冷凍装置１は、カウントした時間が経過時間閾値を超えない場合、ステップＳ３１に戻る。

（ステップＳ３２）
冷凍装置１は、圧縮機電流値の単位時間当たりの第２変化率を求める。

（ステップＳ３３）
冷凍装置１は、第２変化率が第１変化率未満であるか否かを判定する。冷凍装置１は、第２変化率が第１変化率未満である場合、ステップＳ３４に進む。一方、冷凍装置１は、第２変化率が第１変化率未満でない場合、ステップＳ２２に戻る。

つまり、第２変化率の方が第１変化率に比べて大きい場合には、第１変化率を演算した時点と比べてさらに電流値の単位時間当たりの変化率が大きくなっていることを意味している。すなわち、運転条件は安定していない。そこで、この場合には、再度、電流値の単位時間当たりの変化率を求めていく。この動作で、時間差をおいて求めた電流値の単位時間当たりの変化率同士を比較できるため、運転条件が安定した状態に戻ったか否かを判定することができる。

（ステップＳ３４）
冷凍装置１は、電動機冷却用膨張弁７１の開度を維持する。つまり、第２変化率が第１変化率未満であるため、運転条件が安定していると判断し、電動機冷却用膨張弁７１の開度を維持した制御を実行する。

（ステップＳ３５）
冷凍装置１は、経過時間閾値を取得する。

（ステップＳ３６）
冷凍装置１は、時間のカウントを開始する。

（ステップＳ３７）
冷凍装置１は、カウントした時間が経過時間閾値を超えたか否かを判定する。冷凍装置１は、カウントした時間が経過時間閾値を超えた場合、ステップＳ３８に進む。一方、冷凍装置１は、カウントした時間が経過時間閾値を超えない場合、ステップＳ３７に戻る。

（ステップＳ３８）
冷凍装置１は、冷凍装置終了指令を受信したか否かを判定する。冷凍装置１は、冷凍装置終了指令を受信した場合、処理を終了する。一方、冷凍装置１は、冷凍装置終了指令を受信しない場合、運転条件安定時のステップＳ１１の処理に戻る。

以上、ステップＳ２１の処理〜ステップＳ３７の処理が、運転条件急変時の電動機冷却用膨張弁７１の開度の制御である。

なお、圧縮機電流値とは、電動機１５に流れる電流値が対応している。

上記の説明から、運転条件安定時、すなわち、通常運転時、制御装置９１は電動機外壁温度が予め定めた電動機外壁温度の許容範囲内になるように電動機冷却用膨張弁７１の開度を制御する。

一方、運転条件急変時、例えば、蒸発器４１での熱交換量が急変した場合、二段圧縮機１１の運転条件も急変する。よって、制御装置９１は、主膨張弁３１の開度を変更する。また、制御装置９１は、電動機冷却用膨張弁７１の開度を変更するか否かを二段圧縮機１１の電気特性値、例えば、二段圧縮機１１の単位時間当たりの電流値の変化率に基づいて決定する。

具体的には、制御装置９１は、二段圧縮機１１の電流値の単位時間当たりの変化率が急変状態判定第１閾値以上の場合、電動機冷却用膨張弁７１の開度を変更し、二段圧縮機１１の電流値の単位時間当たりの変化率が急変状態判定第１閾値未満の場合、通常運転時と同様の処理、すなわち、電動機外壁温度が予め定めた電動機外壁温度の許容範囲内になるように電動機冷却用膨張弁７１の開度を制御する。

よって、運転条件が急変した場合には、電動機外壁温度に基づいて判定する処理ではなく、二段圧縮機１１の電流値の単位時間当たりの変化率に基づいて判定する処理に移行するため、筐体１６の肉厚構造に依存することなく、運転条件に追従して電動機１５を安定的に冷却することができる。したがって、電動機外壁温度のハンチングが抑制されるため、エネルギー消費量を低減させることができる。

なお、ステップＳ１１の処理〜ステップＳ１３の処理においては、制御装置９１が電動機外壁温度に基づいて電動機冷却用膨張弁７１の制御を行う一例について説明したが、特にこれに限定しない。例えば、制御装置９１は、電動機１５の巻線温度又は電動機１５の固定子鉄心の温度に基づいて電動機冷却用膨張弁７１の制御を行ってもよい。

また、第２冷媒回路が設けられ、上記で説明した電動機冷却用膨張弁７１の制御が実行されれば、筐体１６の肉厚構造に依存することなく、運転条件に追従して電動機１５を安定的に冷却することができる。よって、第１冷媒回路は、上記で説明した構成に限定しない。例えば、第１冷媒回路の構成要素として、一段の圧縮機構を備える圧縮機が設けられていてもよい。また、第１冷媒回路の構成要素として、中間冷却器５１、中間冷却器用膨張弁６１、及び第１冷媒配管３＿５は特に設けなくてもよい。

以上、本実施の形態１において、冷媒を圧縮して吐出する二段圧縮機１１の冷媒出口側に、凝縮器２１、主膨張弁３１、及び蒸発器４１が順次第１冷媒配管３で接続され、蒸発器４１の冷媒出口側が二段圧縮機１１の吸込側に接続されて構成される第１冷媒回路と、凝縮器２１と、主膨張弁３１との間を分岐して、冷媒の一部を流通させる第２冷媒配管４が二段圧縮機１１に接続されて構成される第２冷媒回路と、二段圧縮機１１の外郭を形成している筐体１６に収容され、二段圧縮機１１を駆動させる電動機１５と、第２冷媒配管４を流通する冷媒の流量を調整する電動機冷却用膨張弁７１と、電動機冷却用膨張弁７１の開度を制御する制御装置９１と、を備え、第２冷媒配管４は、筐体１６のうち、電動機１５の側に接続され、電動機１５に冷媒を供給し、制御装置９１は、電動機１５の駆動に関連する電気特性値の単位時間当たりの変化率に応じて電動機冷却用膨張弁７１の開度を制御する冷凍装置１が構成される。

上記構成のため、運転条件が急変した場合であっても、運転条件に追従して電動機１５を安定的に冷却し、電動機外壁温度のハンチングを抑制することができる。したがって、エネルギー消費量を低減させることができる。

また、本実施の形態１において、制御装置９１は、電気特性値として、二段圧縮機１１を流れる電流値の単位時間当たりの変化率に応じて、電動機冷却用膨張弁７１の開度を制御する。

上記構成のため、運転条件が急変した場合であっても、特に顕著に、運転条件に追従して電動機１５を安定的に冷却し、電動機外壁温度のハンチングを抑制することができる。したがって、エネルギー消費量を特に顕著に低減させることができる。

また、本実施の形態１において、制御装置９１は、電動機冷却用膨張弁７１の開度を調整するパルス数の増減に応じて、電動機冷却用膨張弁７１の開度を調整し、電流値の単位時間当たりの変化率が大きくなるにつれ、パルス数を増加する。

上記構成のため、電流値の単位時間当たりの変化率に応じて電動機冷却用膨張弁７１の開度を調整するパルス数を調整できるため、運転条件が急変した場合であっても、即座に電動機冷却用膨張弁７１の開度を調整することができる。よって、運転状況に対する追従性をさらに向上させることができる。

実施の形態２．
実施の形態１との相違点は、二段圧縮機１１の電流値の単位時間当たりの変化率と、電動機冷却用膨張弁７１の開度の変更割合とが、予め設定されている点である。

なお、本実施の形態２において、特に記述しない項目については実施の形態１と同様とし、同一の機能及び構成については同一の符号を用いて述べることとする。また、実施の形態１と同一の機能及び構成についてはその説明を省略する。

図６は、本発明の実施の形態２における変化率処理部２５１の内部機能構成、変化率処理部２５１と連動して動作する各機能構成、及びそれらの間で通信される各種データ等の一例を示す図である。

図６に示すように、記憶部２２１には、電流値の単位時間当たりの変化率と、電動機冷却用膨張弁７１の開度変更割合とが設定されている。変化率判定部３０２は、記憶部２２１に設定されている開度変更割合に基づいて、開度変更指令等を作成し、弁開度演算部２７１に供給する。

例えば、電流値の単位時間当たりの変化率と、電動機冷却用膨張弁７１の開度変更割合とが、マトリクス状に定義され、互いのデータが関連付けて紐付けされている。よって、電流値の単位時間当たりの変化率が指定されれば、それに対応する電動機冷却用膨張弁７１の開度変更割合が指定される。なお、該当するデータがない場合、定義されているデータ同士が補間処理されることで、求められればよい。つまり、電流値の単位時間当たりの変化率と、電動機冷却用膨張弁７１の開度変更割合との写像関係が記憶部２２１に設定されていればよい。

図７は、本発明の実施の形態２における冷凍装置１の制御例を説明するフローチャートである。

ステップＳ６８の処理が、実施の形態１と相違する点である。

（ステップＳ６８）
冷凍装置１は、第１変化率及び開度変更割合に基づいて電動機冷却用膨張弁７１の開度を変更する。つまり、冷凍装置１は、図２に示す記憶部２２１の電流値用開度変更データテーブル２３４に記憶されている開度変更割合を、図６に示す変化率判定部３０２で処理させることで、開度変更割合に基づいて開度変更指令を弁開度演算部２７１に供給させる。そして、冷凍装置１は、図６に示す弁開度演算部２７１から必要なパルス数を図２に示す駆動部１２１に供給させ、駆動部１２１から電動機冷却用膨張弁７１の開度を制御させる。

以上、本実施の形態２において、制御装置９１は、電動機冷却用膨張弁７１の開度を調整するパルス数の増減に応じて、電動機冷却用膨張弁７１の開度を調整し、電流値の単位時間当たりの変化率と、電動機冷却用膨張弁７１の開度の変更割合とが紐付けして設定され、開度の変更割合に基づいてパルス数を変更する。

上記構成のため、電動機冷却用膨張弁７１の開度を調整するのに要する時間を大幅に短縮できるため、運転状況に対する追従性の応答時間を特に顕著に短縮することできる。よって、無駄な電動機外壁温度のハンチングをさらに抑制でき、エネルギー消費量をさらに低減させることができる。

実施の形態３．
実施の形態１及び実施の形態２との相違点は、二段圧縮機１１の電力値の単位時間当たりの変化率に基づいて処理が実行される点である。

なお、本実施の形態３において、特に記述しない項目については実施の形態１及び実施の形態２と同様とし、同一の機能及び構成については同一の符号を用いて述べることとする。また、実施の形態１及び実施の形態２と同一の機能及び構成についてはその説明を省略する。

図８は、本発明の実施の形態３における変化率処理部２５１の内部機能構成、変化率処理部２５１と連動して動作する各機能構成、及びそれらの間で通信される各種データ等の一例を示す図である。

図８に示すように、変化率演算部３０１には、電気特性値として、二段圧縮機１１の電力値が供給される。変化率演算部３０１は、二段圧縮機１１の電力値に基づいて、電力値の単位時間当たりの変化率を求める。

また、記憶部２２１には、電力値の単位時間当たりの変化率と、電動機冷却用膨張弁７１の開度変更割合とが設定されている。変化率判定部３０２は、記憶部２２１に設定されている開度変更割合に基づいて、開度変更指令等を作成し、弁開度演算部２７１に供給する。

例えば、電力値の単位時間当たりの変化率と、電動機冷却用膨張弁７１の開度変更割合とが、マトリクス状に定義され、互いのデータが関連付けて紐付けされている。よって、電力値の単位時間当たりの変化率が指定されれば、それに対応する電動機冷却用膨張弁７１の開度変更割合が指定される。なお、該当するデータがない場合、定義されているデータ同士が補間処理されることで、求められればよい。つまり、電力値の単位時間当たりの変化率と、電動機冷却用膨張弁７１の開度変更割合との写像関係が記憶部２２１に設定されている。

図９は、本発明の実施の形態３における冷凍装置１の制御例を説明するフローチャートである。

ステップＳ１０５の処理及びステップＳ１１２の処理が、実施の形態１及び実施の形態２と相違する点である。

（ステップＳ１０５）
制御装置９１は、圧縮機電力値の単位時間当たりの第１変化率を求める。

（ステップＳ１１２）
制御装置９１は、圧縮機電力値の単位時間当たりの第２変化率を求める。

なお、圧縮機電力値とは、電動機１５が消費する電力値が対応している。

上記の説明から、制御装置９１は、二段圧縮機１１の電力値を用いて単位時間当たりの変化率を求めている。よって、電流及び電圧の両方の電気特性値が連動して変化するインバータ駆動の冷凍装置１において、運転状況に対する追従性の応答時間を向上させることができる。

なお、二段圧縮機１１の電力値の求め方は特に限定しない。電流値から演算で求めてもよい。図示しない電力計等で検出した結果を利用してもよい。要するに、二段圧縮機１１が消費する電力値が変化率の演算に利用されればよい。

以上、本実施の形態３において、制御装置９１は、電動機冷却用膨張弁７１の開度を調整するパルス数の増減に応じて、電動機冷却用膨張弁７１の開度を調整し、電気特性値として、二段圧縮機１１が消費する電力値の単位時間当たりの変化率に応じて、電動機冷却用膨張弁７１の開度を制御し、電力値の単位時間当たりの変化率と、電動機冷却用膨張弁７１の開度の変更割合とが紐付けして設定され、開度の変更割合に基づいてパルス数を変更するものである。

上記構成のため、電力値の単位時間当たりの変化率に基づいて電動機冷却用膨張弁７１の開度が制御されるため、電流及び電圧の両方の電気特性値が変化するインバータ駆動の冷凍装置１は特に顕著に運転状況に対する追従性の応答時間を特に顕著に短縮することができる。

なお、本実施の形態１〜３は、単独で実施されてもよく、組み合わせて実施されてもよい。いずれの場合においても、上記で説明した有利な効果を奏することとなる。

１冷凍装置、３、３＿１、３＿２、３＿３、３＿４、３＿５第１冷媒配管、４第２冷媒配管、５第１分岐点、６第２分岐点、１１二段圧縮機、１２低段圧縮機構、１３高段圧縮機構、１４中間圧室、１５電動機、１６筐体、１７電動機室、２１凝縮器、３１主膨張弁、４１蒸発器、５１中間冷却器、５３第１入口、５４第１出口、５５第２入口、５６第２出口、６１中間冷却器用膨張弁、７１電動機冷却用膨張弁、８１電動機外壁温度検出装置、９１制御装置、１０１制御部、１２１駆動部、１３１膨張弁群、２０１データ取得部、２１１温度取得部、２１２電気特性値取得部、２２１記憶部、２３１取得データ群、２３２閾値データ群、２３３演算用データ群、２３４電流値用開度変更データテーブル、２３５電力値用開度変更データテーブル、２５１変化率処理部、２５２計時部、２５５運転条件判定部、２６１回転角センサ部、２６３弁開度センサ部、２７１弁開度演算部、３０１変化率演算部、３０２変化率判定部、３０３経過時間判定部、３１１従来の運転制御の場合の波形、３１２変化率を用いた運転制御の場合の波形、３２１、３４１電動機外壁温度波形、３２２、３４２電動機室内部温度波形、３３１第１応答遅れ幅、３３２第１ハンチング幅、３５１第２応答遅れ幅、３５２第２ハンチング幅。

Claims

冷媒を圧縮して吐出する圧縮機の冷媒出口側に、凝縮器、第１膨張弁、及び蒸発器が順次第１冷媒配管で接続され、前記蒸発器の冷媒出口側が前記圧縮機の吸込側に接続されて構成される第１冷媒回路と、
前記凝縮器と、前記第１膨張弁との間を分岐して、前記冷媒の一部を流通させる第２冷媒配管が前記圧縮機に接続されて構成される第２冷媒回路と、
前記圧縮機の外郭を形成している筐体に収容され、前記圧縮機を駆動させる電動機と、
前記第２冷媒配管を流通する前記冷媒の流量を調整する第２膨張弁と、
前記第２膨張弁の開度を制御する制御装置と、
を備え、
前記第２冷媒配管は、
前記筐体のうち、前記電動機の側に接続され、前記電動機に前記冷媒を供給し、
前記制御装置は、
前記電動機の駆動に関連する電気特性値の単位時間当たりの変化率として第１変化率を算出する第１変化率算出処理を行い、
前記第１変化率が予め決められた閾値以上であるか否かを判定し、該第１変化率が該閾値以上であると、該第１変化率に応じて前記第２膨張弁の開度を変更し、
前記第２膨張弁の開度を変更してから一定時間経過した後に前記変化率として第２変化率を算出し、
前記第２変化率の値が前記第１変化率未満であるか否かを判定し、該第２変化率の値が該第１変化率未満である場合、前記第２膨張弁の開度を維持し、該第２変化率の値が該第１変化率以上である場合、前記第１変化率算出処理に戻る、
ことを特徴とする冷凍装置。
前記制御装置は、
前記電気特性値として、前記電動機を流れる電流値の単位時間当たりの変化率に応じて、前記第２膨張弁の開度を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
前記制御装置は、
前記第２膨張弁の開度を調整するパルス数の増減に応じて、前記第２膨張弁の開度を調整し、
前記電流値の単位時間当たりの変化率が大きくなるにつれ、前記パルス数を増加する
ことを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
前記制御装置は、
前記第２膨張弁の開度を調整するパルス数の増減に応じて、前記第２膨張弁の開度を調整し、
前記電流値の単位時間当たりの変化率と、前記第２膨張弁の開度の変更割合とが紐付けして設定され、
前記開度の変更割合に基づいて前記パルス数を変更する
ことを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
前記制御装置は、
前記第２膨張弁の開度を調整するパルス数の増減に応じて、前記第２膨張弁の開度を調整し、
前記電気特性値として、前記電動機が消費する電力値の単位時間当たりの変化率に応じて、前記第２膨張弁の開度を制御し、
前記電力値の単位時間当たりの変化率と、前記第２膨張弁の開度の変更割合とが紐付けして設定され、
前記開度の変更割合に基づいて前記パルス数を変更する
ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。