JP7118550B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒の圧縮能力が可変制御される圧縮機と、圧縮された冷媒から放熱させる凝縮器と、放熱された冷媒と周囲空気との間で熱交換を行う蒸発器と、前記圧縮機、前記凝縮器、前記蒸発器が順に接続され前記圧縮機に戻る冷媒回路と、を少なくとも備えた冷凍装置に関する。

従来より、温度を下げるための冷凍装置は、様々な分野で用いられている。例えば、植物等の生育環境を人工的に再現する生物環境調節装置では、植物等を収納する実験室内の温度や湿度を任意に制御できるように構成されており、ここでの温度制御（空調）に、冷凍装置が電気ヒータと共に用いられていた。

すなわち、実験室内を低温に制御するには、冷凍装置を作動させて、冷媒を圧縮機→凝縮器（液化）→膨張弁→蒸発器（気化）と循環させる冷凍サイクルにより冷却する。一方、高温に制御するには、電気ヒータを作動させて、ヒータからの発熱により加熱する。このように生物環境調節装置での温度制御（空調）は、冷凍装置による冷却とヒータによる加熱とを組み合わせることで、高精度に調整するものであった。

冷凍装置としては、圧縮機に備わる電動機の回転数が常に一定である定速式冷凍装置が従来から多く用いられている。定速式冷凍装置では、電動機の回転数を変えることはできないため、圧縮機のＯＮ／ＯＦＦによる運転制御で冷媒量を調整することにより、冷却能力が制御されていた。しかしながら、定速式冷凍装置を利用する場合は、消費電力が多くコストが嵩むという問題があった。

そこで、定速式冷凍装置に代わる冷凍装置として、インバータ制御により作動するインバータ式冷凍装置を、生物環境調節装置でも採用することが考えられる。インバータ式冷凍装置では、圧縮機の電動機の回転数をインバータ制御によって可変とし、圧縮機を無段階に運転制御することで冷媒量を調整することができる。
発明者らの実験によれば、同程度の冷却能力を持つ冷凍装置において、定速式とインバータ式とで同様な温度制御を行った場合、インバータ式の消費電力は、定速式の消費電力に比べて約３０％の省エネ達成率が認められた。

ところが、インバータ式冷凍装置では、圧縮機の電動機が低回転で連続運転し続けると、冷凍サイクル内を循環する冷媒中のオイル（圧縮機の潤滑油）の戻りが悪くなり、蒸発器内にオイルが滞留する等して圧縮機内のオイルが不足してしまう。その結果、圧縮機における焼き付きにより動作不良が生じて損傷する虞があった。

かかる問題を解決し得る従来技術として、インバータ式冷凍装置では、いわゆるオイルバック運転を行うものが知られている。すなわち、圧縮機の電動機が低回転で連続運転している際に、周波数を一時的に上げて圧縮機の電動機を高回転で運転することにより、圧縮機にオイルを戻していた。
また、特許文献１に記載のように、インバータ式冷凍装置において、圧縮機が低回転で運転する低負荷運転時に、圧縮機から高温高圧のガス冷媒であるホットガスを蒸発器側に供給することで、圧縮機にオイルを戻す発明も既に提案されている。

特開２０１２－１０２９１９号公報

しかしながら、前述した従来のオイルバック運転を行うインバータ式冷凍装置では、オイルバック運転時に圧縮機の回転数が急激に上昇するため、一時的に冷却過多となり、温度制御精度に大きな乱れが生じるという問題があった。
また、前述した特許文献１に記載のインバータ式冷凍装置では、ホットガスを圧縮機から蒸発器側に供給した際に、通常のインバータ制御であれば、圧縮機の回転数は冷却負荷に応じて調整されるので、ホットガスの供給によって圧縮機の回転数が急激に上昇する。

従って、特許文献１に記載のインバータ式冷凍装置でも、ホットガスの供給時に、オイルバック運転の場合と同様に一時的な冷却過多を招く結果となり、温度制御精度に乱れが生じるという問題があった。この点に関して特許文献１では、ホットガスの供給時における圧縮機の回転数については何ら示唆も考慮もなされていない。
さらに、同インバータ式冷凍装置では、圧縮機が低負荷運転になるだけでホットガスを供給している。従って、低負荷運転が実際には短時間の場合であっても、無駄にホットガスを供給することがあり、頻繁に温度制御精度の乱れが生じる虞があった。

本発明は、以上のような従来の技術の有する問題点に着目してなされたものであり、圧縮機の可変制御により省エネ実現とコスト低減を可能とした上で、圧縮機に冷媒中のオイルを戻す際に冷却過多となる事態を未然に防ぐことができ、常に高い温度制御精度を実現することができる冷凍装置を提供することを目的としている。

前述した目的を達成するための本発明の要旨とするところは、以下の各項の発明に存する。
［１］冷媒の圧縮能力が可変制御される圧縮機（２０）と、圧縮された冷媒から放熱させる凝縮器（３０）と、放熱された冷媒と周囲空気との間で熱交換を行う蒸発器（４０）と、前記圧縮機（２０）、前記凝縮器（３０）、前記蒸発器（４０）が順に接続され前記圧縮機（２０）に戻る冷媒回路（１１）と、を少なくとも備えた冷凍装置（１０）において、
前記冷媒回路（１１）は、前記圧縮機（２０）から吐出された冷媒が前記凝縮器（３０）を経由せずに前記蒸発器（４０）に至るバイパス経路（１２）を備え、
前記圧縮機（２０）の圧縮能力が予め定めた設定値以下の低負荷運転となり、かつ前記低負荷運転が連続して所定時間以上となった場合に、前記周囲空気の温度制御精度を一定範囲内に保つ条件下で、前記バイパス経路（１２）を通じて前記圧縮機（２０）から冷媒が前記蒸発器（４０）に導入される制御が実行される構成とし、
前記冷媒回路（１１）のうち前記凝縮器（３０）から前記蒸発器（４０）へ至る経路の途中に、前記凝縮器（３０）を通過してきた冷媒を膨張させる膨張弁（１４）が設けられ、
前記バイパス経路（１２）の出口側は、前記冷媒回路（１１）で前記膨張弁（１４）と前記蒸発器（４０）との間に接続され、
前記膨張弁（１４）は、その絞りの開度を調整可能なものであり、
前記バイパス経路（１２）を通じて冷媒が前記蒸発器（４０）に導入された際、前記周囲空気の温度制御精度より優先して、前記膨張弁（１４）の開度を全開とする制御が実行されることを特徴とする冷凍装置（１０）。

［２］前記バイパス経路（１２）に、その途中を開閉可能な開閉弁（１７）が設けられ、
前記開閉弁（１７）を開くことで、前記バイパス経路（１２）を通じて冷媒が前記蒸発器（４０）に導入されることを特徴とする前記［１］に記載の冷凍装置（１０）。

［３］前記バイパス経路（１２）で前記開閉弁（１７）より上流側に、冷媒の流量を調整可能な流量調整弁（１６）が設けられ、
前記流量調整弁（１６）の調整によって、前記開閉弁（１７）を経由して前記蒸発器（４０）に流れる冷媒の流量を調整可能であることを特徴とする前記［２］に記載の冷凍装置（１０）。

次に、前述した解決手段に基づく作用を説明する。
前記［１］に記載の冷凍装置（１０）によれば、冷媒回路（１１）は、圧縮機（２０）から凝縮器（３０）を経由して蒸発器（４０）に至る通常の経路の他、凝縮器（３０）を経由せずに蒸発器（４０）に至るバイパス経路（１２）を備える。そのため、蒸発器（４０）には、圧縮機（２０）から吐出された高温高圧のガス冷媒（ホットガス）を凝縮器（３０）で放熱してから供給する他、圧縮機（２０）から吐出された高温高圧のガス冷媒をそのまま供給することもできる。

蒸発器（４０）では、放熱された低温低圧の液体冷媒が周囲空気から吸熱して、低温低圧のガス冷媒となる。ここでの熱交換により、周囲空気は冷媒の蒸発に必要な熱を奪われて冷却される。圧縮機（２０）では、冷媒の圧縮能力が可変制御されるので、冷媒回路（１１）を流れる冷媒の循環量を調整して周囲空気の温度制御を行うことができる。圧縮機（２０）における圧縮能力は、冷却負荷に応じて調整される。よって、蒸発器（４０）に、圧縮機（２０）から高温高圧のガス冷媒が導入されると、圧縮機（２０）の圧縮能力は高まるように調整される。

圧縮機（２０）の圧縮能力が予め定めた設定値以下の低負荷運転となり、かつ低負荷運転が連続して所定時間以上となった場合に、前記バイパス経路（１２）を通じて高温高圧のガス冷媒が圧縮機（２０）から蒸発器（４０）に導入される。このガス冷媒の導入により、蒸発器（４０）内の冷媒流量が増大するだけでなく、圧縮機（２０）は低負荷運転時よりも高負荷となるため、いっそう冷媒流量が増大する。これにより、蒸発器（４０）内に滞留していたオイルを、加熱による流動性の増大も相俟って、冷媒により圧縮機（２０）まで戻すことができる。

ここでバイパス経路（１２）を通じて圧縮機（２０）からガス冷媒を蒸発器（４０）に導入する具体的な態様は、蒸発器（４０）における周囲空気の温度制御精度を一定範囲内に保つ条件下に制御される。すなわち、高温高圧のガス冷媒が蒸発器（４０）に導入されると、圧縮機（２０）の圧縮能力が一時的に高まるが、このときの圧縮機（２０）の圧縮能力の変化に起因して温度制御精度が一定範囲を超えて乱れない程度に、バイパス経路（１２）を通じてのガス冷媒の供給量や速度ないし時間等が設定される。

これにより、本冷凍装置（１０）によれば、圧縮機（２０）の可変制御により省エネ実現とコスト低減を可能とした上で、蒸発器（４０）内に滞留していた冷媒中のオイルを圧縮機（２０）に戻す際に冷却過多となる事態を未然に防ぐことができ、常に高い温度制御精度を実現することができる。また、圧縮機（２０）が単に低負荷運転になっただけではなく、その積算時間を監視することにより、高温高圧のガス冷媒の導入の頻度が抑えられるため、無駄なエネルギー消費を低減するだけでなく、頻繁に温度制御精度の乱れが生じる事態も防ぐことができる。
また、冷媒回路（１１）のうち凝縮器（３０）から蒸発器（４０）へ至る経路の途中に、凝縮器（３０）を通過してきた冷媒を膨張させる膨張弁（１４）を設けたから、凝縮器（３０）で放熱された中温高圧の液体冷媒は、膨張弁（１４）によってさらに低い温度で蒸発できる低温低圧の液体冷媒となって蒸発器（４０）へ送られる。
ここでバイパス経路（１２）の出口側は、冷媒回路（１１）で膨張弁（１４）と蒸発器（４０）との間に接続する。このようなバイパス経路（１２）の配置によれば、膨張弁（１４）における冷媒の流れ（流量制御）に影響を及ぼすことなく、高温高圧のガス冷媒を蒸発器（４０）に供給することができ、また、既存の蒸発器（４０）自体は何ら改造する必要がなく、バイパス経路（１２）を設ける配管作業も容易に行うことができる。
さらに、冷媒回路（１１）における膨張弁（１４）は、その絞りの開度を調整可能である。そのため、膨張弁（１４）を経由して蒸発器（４０）に流れる低温低圧の液体冷媒の流量を調整することで、蒸発器（４０）における冷却能力をより広い範囲で制御することが可能となる。ここで蒸発器（４０）に高温高圧のガス冷媒が導入されて圧縮機（２０）が高負荷運転となっても、さらに前記周囲空気の温度制御精度より優先して、膨張弁（１４）の開度を全開とする制御を実行する。
これにより、冷媒回路（１１）における通常の経路からも、より多くの冷媒を蒸発器（４０）に流すことができ、蒸発器（４０）内に滞留していたオイルをいっそう確実に圧縮機（２０）まで戻すことができる。なお、膨張弁（１４）を全開にする制御は、例えば、短時間だけに限定する等、温度制御精度の一時的な乱れをなるべく最小限に抑えるように設定すると良い。

前記［２］に記載の冷凍装置（１０）によれば、バイパス経路（１２）に、その途中を開閉可能な開閉弁（１７）を設けたから、開閉弁（１７）を開くことで、バイパス経路（１２）を通じて高温高圧のガス冷媒が蒸発器（４０）に導入される。このような簡易な構成により、圧縮機（２０）から蒸発器（４０）へ高温高圧のガス冷媒を容易に供給することができる。

前記［３］に記載の冷凍装置（１０）によれば、バイパス経路（１２）にて、前記開閉弁（１７）より上流側に流量調整弁（１６）を設けたから、開閉弁（１７）の開閉だけでなく、開閉弁（１７）を開いた際のガス冷媒の流量も任意に調整することができる。これにより、前記開閉弁（１７）の開閉と相俟って、いっそう正確に温度制御精度を一定範囲内に保つための調整が可能となる。

本発明に係る冷凍装置によれば、圧縮機の可変制御により省エネ実現とコスト低減を可能とした上で、圧縮機に冷媒中のオイルを戻す際に冷却過多となる事態を未然に防ぐことができ、常に高い温度制御精度を実現することができる。

本発明の実施の形態に係る生物環境調節装置のうち主に冷凍装置を概略的に示す構成図である。 本発明の実施の形態に係る生物環境調節装置の全体を概略的に示す構成図である。

以下、図面に基づき、本発明を代表する実施の形態を説明する。
本実施の形態に係る冷凍装置１０は、冷媒の圧縮能力が可変制御される圧縮機２０と、圧縮された冷媒から放熱させる凝縮器３０と、放熱された冷媒と周囲空気との間で熱交換を行う蒸発器４０と、前記圧縮機２０、前記凝縮器３０、前記蒸発器４０が順に接続され前記圧縮機２０に戻る冷媒回路１１と、を少なくとも備えている。本冷凍装置１０は、様々な分野で用いられるものであるが、本実施の形態では、生物環境調節装置１００に適用した場合を例に説明する。

＜生物環境調節装置１００の概要＞
先ず、生物環境調節装置１００は、生物の育成に影響を与える温度、湿度、風速、光等の環境要因を高精度に制御して、様々な環境条件を再現する装置である。図２に示すように、生物環境調節装置１００は、本体１０１の内部が、育成対象である植物等を収納する実験室１０２と、空気の温度や湿度を調整する制御室１０３に区画されている。制御室１０３で温度等が調整された空気は、実験室１０２の床下へ導かれて実験室１０２内に送られ、天井側まで循環して制御室１０３に戻るように構成されている。

制御室１０３には、実験室１０２内へ送る空気を冷却するものとして、本発明の根幹をなす冷凍装置１０（の一部）の他、空気を加熱するヒータ１１０と、空気を循環させる送風機１２０等が配設されている。生物環境調節装置１００では、空気の冷却は冷凍装置１０により行われ、空気の加熱はヒータ１１０により行われる。ここでヒータ１１０は、一般の電気ヒータからなる。制御室１０３と連通した実験室１０２の床下には、空気の湿度を調整するための加湿器１３０が配設されている。また、実験室１０２の天井側には、図示省略したが自然光（太陽光）を採光するための窓、あるいは人工光源として蛍光灯やメタルハライドランプ等が設けられている。

生物環境調節装置１００の本体１０１の外部には、冷凍装置１０のうちいわゆる冷凍機に相当する圧縮機２０と凝縮器３０が室外機１０ａとして配設されている。また、冷凍装置１０のうち蒸発器４０は、ヒータ１１０や送風機１２０と共にユニット化されて制御室１０３に配設されており、これらをまとめて空気調和機１０ｂとも称している。さらに、冷凍装置１０、ヒータ１１０、送風機１２０、加湿器１３０、それに人工光源等の作動を電気的に制御する制御盤１４０が、本体１０１の外部に配設されている。なお、本体１０１の内部には、図示省略したが適所にて温度や湿度を検知するセンサが配設されている。

制御盤１４０は、一般的な構成のものであり、図１に示すように、調節計１４１と、パルスコンバータ１４２と、ソリッドステートリレー１４３と、タイマ１４４と、を少なくとも備えている。調節計１４１は、実験室１０２内の測定温度（センサ信号）と設定温度に基づき、測定温度を設定温度に近づけるように、冷凍装置１０とヒータ１１０の出力を制御するものである。調節計１４１は、例えば、マイクロコンピュータ、Ｉ／Ｏ、制御プログラムを格納したプログラムメモリ、作業用のメモリ等を備え、マイクロコンピュータが制御プログラムに従って所定の自動制御を行う構成であるが、一つのユニット構成とは限らず、複数に分散されていても良い。なお、温度制御の詳細については後述する。

パルスコンバータ１４２は、アナログ信号をパルス信号に変換するものであり、前記調節計１４１からの冷却信号に基づいて冷凍装置１０の稼働を制御する。ソリッドステートリレー１４３は、半導体を使用した無接点リレーであり、前記調節計１４１からの加熱信号に基づいてヒータ１１０の稼働を制御する。タイマ１４４は、後述するが圧縮機２０の圧縮能力が予め定めた設定値より低い低負荷運転となった場合に、この低負荷運転の時間を積算するものである。なお、制御盤１４０は、生物環境調節装置１００全体のみならず、冷凍装置１０自体の制御手段を構成するものとなる。

＜冷凍装置１０の詳細＞
図１に示すように、冷凍装置１０は、冷媒を循環させる冷媒回路１１に、圧縮機２０から凝縮器３０を経由して蒸発器４０に至る通常の経路の他、凝縮器３０を経由せずに蒸発器４０に至るバイパス経路を備えている。ここでバイパス経路は、圧縮機２０から吐出された高温高圧のガス冷媒（以下、ホットガスとも称する）を、凝縮器３０で放熱させることなく、蒸発器４０に直接的に導入するものであり、以下、ホットガスバイパス経路１２と称する。なお、冷媒は、圧縮による液化・放熱、気化・吸熱を繰り返すものであり、従来のフロンに代わるものの開発が進められている。

圧縮機２０は、低温低圧のガス冷媒を機械的に圧縮し、高温高圧のガス冷媒にするものである。本実施の形態に係る圧縮機２０は、特に冷媒の圧縮能力が可変制御されるものであり、具体的には例えば、電動機の回転数をインバータ制御することで運転容量を制御することができるインバータ式のものが採用されている。インバータ式の圧縮機２０によれば、電動機の回転数を無段階に制御することができ、冷凍負荷に応じた運転制御によって冷媒量を調整することができ、従来の定速式冷凍装置のものに比べて省エネ効果が優れている。

図１において、圧縮機２０で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、圧縮機２０の出口から同じ室外機１０ａ内の凝縮器３０へ送られる。一方、圧縮機２０の入口には、後述する蒸発器４０を経た低温低圧のガス冷媒が冷媒回路１１を介して送られる。また、圧縮機２０の入口の手前には、後述する吸入圧力調整弁１５の他、図示省略したが吸入ガス圧力を検出するための圧力センサが配設されている。

凝縮器３０は、前記圧縮機２０から吐出された高温高圧のガス冷媒を放熱させて凝縮し、中温高圧の液体冷媒にするものである。凝縮器３０は、圧縮機２０と共に室外機１０ａとして本体１０１の外部に配設されており、高温高圧のガス冷媒から熱を外気へ放出させるように構成されている。凝縮器３０から蒸発器４０に至る冷媒回路１１の途中には、上流側から順に電磁弁１３と膨張弁１４が設けられている。

電磁弁１３は、電気的な制御によって冷媒回路１１の途中を開閉可能な開閉弁であり、閉じたときに凝縮器３０から蒸発器４０への冷媒の流れを遮断する。
膨張弁１４は、前記凝縮器３０で放熱された中温高圧の液体冷媒を、より低い温度で蒸発できるように膨張させて、低温低圧の液体冷媒にするものである。膨張弁１４は、具体的には例えば、その絞り開度をパルスコンバータ１４２によって連続的に調整可能な電子膨張弁が適している。

蒸発器４０は、前記膨張弁１４を経由してきた低温低圧の液体冷媒と周囲空気との間で熱交換を行うものである。蒸発器４０は、後述のヒータ１１０と共に空気調和機１０ｂとして本体１０１内部の制御室１０３に配設されている。蒸発器４０では、低温低圧の液体冷媒が吸熱し、低温低圧のガス冷媒になる一方、制御室１０３内の周囲空気は冷媒の蒸発に必要な熱を奪われて冷却される。

蒸発器４０から圧縮機２０に戻る冷媒回路１１において、圧縮機２０の入口側で前記圧力センサより上流側には吸入圧力調整弁１５が設けられている。吸入圧力調整弁１５は、圧縮機２０の吸込み圧力を一定値（設定値）以上に上昇させないための弁である。かかる吸入圧力調整弁１５は、圧縮機２０の電動機の過負荷を防止する目的で使用される。

ホットガスバイパス経路１２は、前述したように圧縮機２０から吐出された高温高圧のガス冷媒を凝縮器３０を経由させず、蒸発器４０に直接的に導入するものである。以下、ホットガスバイパス経路１２を通過させる高温高圧のガス冷媒は、ホットガスと称する。ホットガスバイパス経路１２の入口側は、圧縮機２０の出口側に接続されている。一方、ホットガスバイパス経路１２の出口側は、冷媒回路１１における膨張弁１４と蒸発器４０との間に接続されている。なお、ホットガスバイパス経路１２の出口側を、蒸発器４０に直接供給するように接続しても良い。かかる場合には、既存の蒸発器４０を改造する必要がある。

ホットガスバイパス経路１２には、その途中を開閉可能な開閉弁として電磁弁１７が設けられている。電磁弁１７は、前述した電磁弁１３と同様に電気的な制御によって開閉可能なものであり、電磁弁１７を開くことで、ホットガスバイパス経路１２を通じてホットガスが蒸発器４０に導入されるように構成されている。また、ホットガスバイパス経路１２には、前記電磁弁１７より上流側に、ホットガスの流量を調整可能な流量調整弁１６が設けられている。

流量調整弁１６は、その絞り開度を変えることで、ホットガスの流量を無段階に調整できるように構成されており、圧力（負荷）や温度の変化に関わりなく、設定された流量は一定となる。この流量調整弁１６の調整によって、前記電磁弁１７を経由して蒸発器４０に流れるホットガスの流量を調整することができる。ホットガスバイパス経路１２と、流量調整弁１６および電磁弁１７は、後述するように冷媒中のオイルを圧縮機２０に戻すことを目的に使用されるが、蒸発器４０における冷却能力を低減（調整）するための手段としても用いることもできる。

＜生物環境調節装置１００の温度制御＞
次に、生物環境調節装置１００の温度制御の概要について説明する。
図２において、実験室１０２に循環させる空気は、制御室１０３にある冷凍装置１０の蒸発器４０で冷却され、ヒータ１１０で加熱されることで、所望の設定温度に高精度に調整される。また、温度が調整された空気は、加湿器１３０で必要に応じて加湿されてから、実験室１０２の床下より吹き出される。冷凍装置１０およびヒータ１１０等の稼働は、制御盤１４０にある調節計１４１によって制御される。

調節計１４１では、その比較回路によって、実験室１０２内の測定温度（センサ信号）と設定温度との偏差の値が算出され、この値に基づき例えばＰＩＤ演算処理により出力内部演算値（ＭＶＴＣ）が算出される。出力内部演算値（ＭＶＴＣ）とは、測定温度と設定温度との偏差の値に対してＰＩＤ演算をしている出力％値である。この出力内部演算値（ＭＶＴＣ）が５０以上の場合は加熱が必要となり、５０未満の場合は冷却が必要となる。出力内部演算値（ＭＶＴＣ）の値に応じて、冷却が必要な場合は冷凍装置１０、加熱が必要な場合はヒータ１１０の出力操作量がそれぞれ制御されて、所望の温度に調整・維持される。尚、出力内部演算値（ＭＶＴＣ）に基く加熱、冷却が必要となる設定値は可変可能である。

冷凍装置１０による周囲空気の冷却は、圧縮機２０の電動機が制御されると共に、パルスコンバータ１４２を介して膨張弁１４が制御され、蒸発器４０に流れる冷媒液量をコントロールすることで行われる。一方、ヒータ１１０による周囲空気の加熱は、ソリッドステートリレー１４３を介してヒータ１１０の出力が制御され、加熱量をコントロールすることで行われる。ここで冷凍装置１０における圧縮機２０の制御は、従来の定速式冷凍装置におけるＯＮ／ＯＦＦ制御ではなく、インバータ制御により電動機の回転数を無段階に調整することができる。このように、圧縮機２０の能力（電動機の回転数）を可変としたことで、最適な温度制御が可能となり無駄な電力の消費を省くことができる。

このような生物環境調節装置１００の用途は、例えば、植物工場や施設栽培での最適な環境条件を設定するための予備実験を行ったり、様々な環境条件における植物生育の影響を研究したり、人工的に制御する環境条件下での栽培に適する植物の品種改良を検証すること等が挙げられる。従って、生物環境調節装置１００では、他の機器に比べてより温度制御精度が非常に重要となり、前述した温度制御方法によって、具体的には例えば、±０．５℃の温度制御精度の範囲に保たれるように設定されている。そのため、特に温度制御の基本となる冷凍装置１０の稼働の管理が重要となる。

＜冷凍装置１０の作用＞
次に、本発明の根幹をなす冷凍装置１０の制御を含む作用について説明する。
図１において、冷凍装置１０の通常の稼働時には、冷媒回路１１における電磁弁１３は開いている。かかる状態で、圧縮機２０から吐出された高温高圧のガス冷媒は、先ず凝縮器３０に送られて放熱される。凝縮器３０から蒸発器４０へ至る冷媒回路１１の途中には、膨張弁１４があるから、凝縮器３０で放熱された中温高圧の液体冷媒は、膨張弁１４により、さらに低い温度で蒸発できる低温低圧の液体冷媒となって蒸発器４０へ送られる。

前記膨張弁１４は、その絞り開度を連続的に調整することができる。そのため、蒸発器４０に流れる低温低圧の液体冷媒の流量を任意に調整することができ、蒸発器４０における冷却能力をより広い範囲で制御することが可能となる。このとき、ホットガスバイパス経路１２における電磁弁１７は閉じており、圧縮機２０から吐出されたホットガスが蒸発器４０にそのまま供給されることはない。

蒸発器４０では、放熱ないし膨張された低温低圧の液体冷媒が周囲空気から吸熱して、低温低圧のガス冷媒となる。ここでの熱交換により、制御室１０３の周囲空気は冷媒の蒸発に必要な熱を奪われて冷却される。圧縮機２０では、前述したインバータ制御により冷媒の圧縮能力が無段階に可変であり、しかも、前述した膨張弁１４の制御も相俟って、冷媒回路１１を流れる冷媒の循環量が正確に調整され、周囲空気の高精度な温度制御を行うことができる。ここで圧縮機２０における圧縮能力は、冷却負荷に応じて調整される。なお、蒸発器４０でガス化した低温低圧の冷媒は、冷媒回路１１を通って圧縮機２０に戻り、前述した圧縮→凝縮→膨張→蒸発の冷凍サイクルが繰り返される。

冷凍装置１０で冷却負荷が減少すると、圧縮機２０はインバータ制御により電動機の回転数が低くなる。圧縮機２０の電動機が低回転で連続運転し続けると、冷凍サイクル内を循環する冷媒中に混在しているオイルの戻りが悪くなり、蒸発器４０内にオイルが滞留する等して圧縮機２０内のオイル不足が想定される。そこで、本冷凍装置１０では、圧縮機２０の圧縮能力が予め定めた設定値より低い低負荷運転となり、かつ低負荷運転が連続して所定時間以上となった場合に、ホットガスバイパス経路１２を通じてホットガスを圧縮機２０から蒸発器４０に導入する制御を行う。

冷凍装置１０において、冷却負荷の変化（多い・少ない）の判断は、圧縮機２０の入口手前に備えられた前記圧力センサ（図示せず）の検出値に基づいて行う。すなわち、吸入ガス圧力が高いと負荷が多いと判断し、冷凍装置１０の出力を上げ、圧縮機２０の回転数が高くなり冷媒の循環量が増す。一方、吸入ガス圧力が低いと負荷が少ないと判断し、冷凍装置１０の出力を下げ、圧縮機２０の回転数が低くなり冷媒の循環量が減る。高温高圧のガス冷媒であるホットガスが蒸発器４０に導入されると、吸入圧力が上昇することから擬似的に負荷が増えることになる。

圧縮機２０の低負荷運転とは、圧縮機２０の運転周波数（圧縮能力）が予め定めた設定値である例えば４５Ｈｚ以下の状態である。圧縮機２０の運転周波数は、直接検知することはできないので、調節計１４１における加熱冷却制御の操作量（出力内部演算値）と圧縮機２０の運転周波数とが比例関係にあると仮定して割り出している。かかる比例関係に基づいて、加熱冷却制御の操作量（出力内部演算値）の値が３５％以上の場合に、運転周波数が４５Ｈｚ以下と仮定している。本実施の形態では、加熱冷却制御の操作量（出力内部演算値）が３５％以上となった場合に低負荷運転とみなして、タイマ１４４により時間の計測を開始する。

タイマ１４４による計測時間は積算され、低負荷運転が連続して所定時間である例えば５０分を超えるかを監視する。このような具体的な計測に基づいて、調節計１４１はホットガスによる擬似負荷を与えるタイミングを判断する。そして、ホットガスバイパス経路１２にある電磁弁１７を開けて、ホットガスを蒸発器４０に導入する制御を行う。このとき、流量調整弁１６は、予め定めた所定の絞り開度に調整されている。なお、調節計１４１の操作量が３５％未満となった場合には、タイマ１４４による計測時間は０分にリセットされる。

以上のように、圧縮機２０から吐出されたホットガスを、ホットガスバイパス経路１２を通じて蒸発器４０に導入することにより、蒸発器４０内の冷媒流量が増大するだけでなく、擬似負荷により圧縮機２０の回転数も一時的に上がって高負荷となるため、いっそう冷媒流量が増大する。従って、蒸発器４０内に滞留していたオイルを、加熱による流動性の増大も相俟って、冷媒により圧縮機２０まで戻すことができる。これにより、圧縮機２０におけるオイル不足は解消され、焼き付け等の不具合が生じる虞はない。

本冷凍装置１０では、ホットガスバイパス経路１２に、その途中を開閉可能な電磁弁１７を設けたから、電磁弁１７を開くことにより、ホットガスバイパス経路１２を通じてホットガスが蒸発器４０に導入される。このような簡易な構成により、圧縮機２０から蒸発器４０へホットガスを容易に供給することができる。

ここでホットガスバイパス経路１２の出口側は、冷媒回路１１にて膨張弁１４と蒸発器４０との間の途中に接続されるため、膨張弁１４での冷媒の流れ（流量制御）に影響を及ぼすことなく、ホットガスを蒸発器４０に供給することができる。また、既存の蒸発器４０自体は何ら改造する必要がなく、ホットガスバイパス経路１２を設ける配管作業も容易に行うことができる。

ホットガスバイパス経路１２を通じて、圧縮機２０からホットガスを蒸発器４０に導入する具体的な態様は、蒸発器４０における周囲空気の温度制御精度を一定範囲内に保つ条件下に制御される。すなわち、ホットガスが蒸発器４０に導入されると、圧縮機２０の圧縮能力が一時的に高まるが、このときの圧縮機２０の圧縮能力の変化に起因して温度制御精度が一定範囲を超えて乱れない程度に、ホットガスバイパス経路１２を通じてのガス冷媒の供給量や速度ないし時間等が設定される。

このような温度制御精度を一定範囲内に保つ条件下での制御とは、具体的には例えば、ホットガスバイパス経路１２にある電磁弁１７を、１回のみ１５秒間の短時間だけ開けることが該当する。かかる電磁弁１７の制御により、冷凍装置１０の本来の温度制御精度の範囲である±０．５℃に対して、一定範囲内である例えば±１．０℃に精度の乱れが収まることが発明者らの実験により検証されている。

要するに、冷凍装置１０の設計仕様で既に定められた温度制御精度の範囲に対して、ホットガス導入による温度制御の乱れが予め定めた一定範囲内に収まるように、ホットガスバイパス経路１２を通じてのホットガスの供給量や速度ないし時間等を具体的に設定する。この設定した条件を満たすように、電磁弁１７の具体的な開閉態様が制御される。ここで温度制御の乱れを許容する一定範囲については、例えば、一般のオイルバック運転との比較において、オイルバック運転による温度制御の乱れよりも小さい範囲内に定めると良い。

具体的には例えば、本冷凍装置１０と同じ設計仕様の冷凍装置において、圧縮機の運転周波数が４５Ｈｚ以下の状態となった場合に、運転周波数をそのままの状態から、あるいは一旦下げた状態から＋１０Ｈｚ上げるオイルバック運転を９０秒間実施した場合に、設定温度１５℃に対して、測定温度が１５．０℃→上昇→最高１７．０℃→下降→１５．０℃→下降→最低１３．８℃→１５．０℃に戻る結果であった場合、温度制御精度は＋２．０℃～－１．２℃の範囲で乱高下したことになる。

従って、本冷凍装置１０におけるホットガスの導入の制御は、前述したオイルバック運転の場合の温度制御精度の＋２．０℃～－１．２℃よりも小さな値となるように行うと良い。具体的には前述したように、ホットガスバイパス経路１２の電磁弁１７を、１回のみ１５秒間の短時間だけ開ける制御により、設定温度１５℃に対して、測定温度が１５．０℃→上昇→１６．０℃→１５．０℃に戻る結果となり、温度制御精度は＋１．０℃のみに収まることが発明者らの実験により検証された。

このとき、ホットガスバイパス経路１２における流量調整弁１６は、所定の絞り開度に設定されているが、前述した電磁弁１７の開閉だけでなく、流量調整弁１６によりホットガスの流量も併せて調整することができる。これにより、前記電磁弁１７の具体的な開閉態様と併せて、流量調整弁１６も細かく調整することにより、いっそう正確に温度制御精度を一定範囲内に保つための調整が可能となる。

以上のように、本冷凍装置１０によれば、圧縮機２０の可変制御により省エネ実現とコスト低減を可能とした上で、蒸発器４０内に滞留していた冷媒中のオイルを圧縮機２０に戻す際に冷却過多となる事態を未然に防ぐことができ、常に高い温度制御精度を実現することができる。また、圧縮機２０が単に低負荷運転になっただけではなく、その積算時間を監視することにより、ホットガスの導入の頻度が抑えられるため、無駄なエネルギー消費を低減するだけでなく、頻繁に温度制御精度の乱れが生じる事態も防ぐことができる。

ところで、前記膨張弁１４は、その絞り開度を調整可能なものであるが、ホットガスバイパス経路１２を通じてホットガスが蒸発器４０に導入された際、前述した温度制御精度より優先して、前記膨張弁１４の開度を全開とする制御も実行するように構成しても良い。これにより、冷媒回路１１における通常の経路からも、より多くの冷媒を蒸発器４０に流すことができ、蒸発器４０内に滞留していたオイルをいっそう確実に圧縮機２０まで戻すことができる。

このように、膨張弁１４を全開にする制御は、例えば、その全開時間をホットガスを供給している電磁弁１７の開き時間に一致させるか、あるいは、さらに短い時間に限定する等して、温度制御精度の一時的な乱れをなるべく最小限に抑えるように設定すると良い。ここで発明者らは、前述したホットガスバイパス経路１２の電磁弁１７を１回のみ１５秒間の短時間だけ開ける制御に併せて、膨張弁１４の絞り開度を、初期値（最小値）である３８％開いた状態から１００％開いた全開にする実験も行った。

かかる実験結果によれば、設定温度１５℃に対して、測定温度は１５．０℃→下降→９．３℃→１５．０℃に戻る結果となり、温度制御精度は－５．７℃となることが検証された。この温度制御の乱れは、前述した膨張弁１４の絞り開度が初期値（最小値）であるときの実験結果である－１．０℃を超えるものである。ここで温度制御の乱れの上限値を予め定めておき、上限値以下に抑えるように、例えば、膨張弁１４の全開時間をもっと短くする等の制御を行うことも考えられる。

さらに、本冷凍装置１０は、例えば、通常のオイルバック運転を行う設計仕様の既存の冷凍装置を利用して構成すれば、冷凍装置１０のイニシャルコストを低減することができる。この場合、利用する冷凍装置における既存のオイルバック運転に関する制御はそのまま残したとしても、前述したホットガスの導入が実行される条件を、通常のオイルバック運転が実行される条件よりも低く設定すれば良い。これにより、オイルバック運転を行う条件の成立前にホットガス供給を行うことにより、オイルバック運転を行う条件の成立を回避することができる。

以上、本発明の実施の形態を図面によって説明してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。例えば、冷凍装置１０を適用する装置は、生物環境調節装置１００に限られることなく、他の様々な分野において温度調整が必要となる各種装置に適用することができる。

また、前記実施の形態では、ホットガスバイパス経路１２によるホットガスの供給の態様によって、温度制御精度を一定範囲内に保つように構成したが、例えば、圧縮機２０自体の回転数を規制することも考えられる。すなわち、蒸発器４０にホットガスが導入されることに起因して、圧縮機２０が低負荷運転時よりも回転数が増大する時に、この回転数を予め定めた上限値を超えないように圧縮機２０自体を制御しても良い。

本発明に係る冷凍装置は、生物の育成に影響を与える温度等の環境要因を高精度に制御する生物環境調節装置に限られることなく、他の様々な分野において温度調整が必要となる各種装置に適用することができる。

１０…冷凍装置
１０ａ…室外機（冷凍機）
１０ｂ…空気調和機
１１…冷媒回路
１２…ホットガスバイパス経路
１３…電磁弁（開閉弁）
１４…膨張弁
１５…吸入圧力調整弁
１６…流量調整弁
１７…電磁弁（開閉弁）
２０…圧縮機
３０…凝縮器
４０…蒸発器
１００…生物環境調節装置
１０１…本体
１０２…実験室
１０３…制御室
１１０…ヒータ
１２０…送風機
１３０…加湿器
１４０…制御盤
１４１…調節計
１４２…パルスコンバータ
１４３…ソリッドステートリレー
１４４…タイマ

Claims (3)

1. 冷媒の圧縮能力が可変制御される圧縮機と、圧縮された冷媒から放熱させる凝縮器と、放熱された冷媒と周囲空気との間で熱交換を行う蒸発器と、前記圧縮機、前記凝縮器、前記蒸発器が順に接続され前記圧縮機に戻る冷媒回路と、を少なくとも備えた冷凍装置において、
   前記冷媒回路は、前記圧縮機から吐出された冷媒が前記凝縮器を経由せずに前記蒸発器に至るバイパス経路を備え、
   前記圧縮機の圧縮能力が予め定めた設定値以下の低負荷運転となり、かつ前記低負荷運転が連続して所定時間以上となった場合に、前記周囲空気の温度制御精度を一定範囲内に保つ条件下で、前記バイパス経路を通じて前記圧縮機から冷媒が前記蒸発器に導入される制御が実行される構成とし、
   前記冷媒回路のうち前記凝縮器から前記蒸発器へ至る経路の途中に、前記凝縮器を通過してきた冷媒を膨張させる膨張弁が設けられ、
   前記バイパス経路の出口側は、前記冷媒回路で前記膨張弁と前記蒸発器との間に接続され、
   前記膨張弁は、その絞りの開度を調整可能なものであり、
   前記バイパス経路を通じて冷媒が前記蒸発器に導入された際、前記周囲空気の温度制御精度より優先して、前記膨張弁の開度を全開とする制御が実行されることを特徴とする冷凍装置。
2. 前記バイパス経路に、その途中を開閉可能な開閉弁が設けられ、
   前記開閉弁を開くことで、前記バイパス経路を通じて冷媒が前記蒸発器に導入されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記バイパス経路で前記開閉弁より上流側に、冷媒の流量を調整可能な流量調整弁が設けられ、
   前記流量調整弁の調整によって、前記開閉弁を経由して前記蒸発器に流れる冷媒の流量を調整可能であることを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。

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