JP7154800B2 - 冷凍機の制御装置、冷凍機、冷凍機の制御方法および冷凍機の制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、冷凍機の制御装置、冷凍機、冷凍機の制御方法および冷凍機の制御プログラムに関するものである。

冷凍機は、空調機に比べて、運転時において低圧圧力と高圧圧力との圧力比が大きいことが知られている。冷凍機のように圧力比の大きい運転（高圧力比運転）では、圧縮機の吐出冷媒温度が上がりやすく、吐出冷媒温度が圧縮機の許容温度を超えるような運転条件の場合は、吐出冷媒温度を下げる保護動作が必要となる。
例えば、吐出冷媒温度を下げる保護方法（吐出冷媒温度保護方法）としては、圧縮機の回転数を下げて圧力比を低減する方法、また圧縮機の吸入側へ液冷媒の一部をバイパスして圧縮機を冷却する方法が用いられている。

また、特許文献１には、圧縮機の吐出冷媒温度が目標吐出温度になるまで膨張弁の開度を開方向へ制御することが開示されている。
また特許文献２には、冷媒の過熱度が高い場合は、膨張弁の開度を大きくして冷媒流量を増加させ、吐出冷媒温度が所定の設定値になった場合に冷媒回収運転を終了することが開示されている。

国際公開第２０１５／１７４０５４号 特開２０００－３９２３７号公報

しかしながら、上記に開示された圧縮機の回転数を下げる発明及び液冷媒をバイパスする発明では、冷凍能力が大きく低下するという問題があった。
また、特に液冷媒をバイパスする場合は、液冷媒を圧縮機へ戻すため、圧縮機の油が希釈されてしまい潤滑性に影響が及ぶ虞がある。さらに、低圧圧力と高圧圧力との圧力差により液戻し量が変化するため、常に最適な液戻し量に制御することが困難である。

また、上記特許文献１に開示された発明では、膨張弁開度制御における終了条件が開示されておらず、特許文献１に開示された発明のみで冷凍機を制御することは困難である。
一方、上記特許文献２に開示された発明は、圧縮機の吐出冷媒温度を保護する目的の発明ではなく、過熱度をつけて冷媒を増やし、アキュームレータに貯留された余剰冷媒を取り出す発明である。

さらに、上記特許文献１及び２に開示された発明は、いずれも空調機における発明である。冷凍機は、空調機と比較して低圧圧力と高圧圧力との圧力比が大きい運転が行われている。そのため、空調機の制御をそのまま冷凍機の制御に適用することができず、上記特許文献１及び２に開示された発明を、冷凍機の制御に適用することは困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、能力低下を抑えながら吐出冷媒温度の保護を行うことができる冷凍機の制御装置、冷凍機、冷凍機の制御方法および冷凍機の制御プログラムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示の冷凍機の制御装置、冷凍機、冷凍機の制御方法および冷凍機の制御プログラムは以下の手段を採用する。
本開示の幾つかの実施形態における一態様に係る冷凍機の制御装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させるとともに、蒸発器の出口の冷媒過熱度を第一所定範囲の値に制御する蒸発器出口過熱度制御によって開度が制御される膨張弁と、該膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる前記蒸発器と、を備えた冷凍機の制御装置であって、圧縮機の吐出冷媒温度が第一閾値を超えた場合は、前記蒸発器出口過熱度制御を停止し、前記吐出冷媒温度を第二所定範囲の値に制御する吐出冷媒温度保護制御によって前記膨張弁の開度を開方向に制御し、圧縮機の吐出冷媒温度が第一閾値よりも小さい第二閾値を下回る値であり、かつ、前記蒸発器の出口の前記冷媒過熱度が第三閾値以上の場合は、前記吐出冷媒温度保護制御を停止し、前記蒸発器出口過熱度制御によって前記膨張弁の開度を制御する。

本開示によれば、吐出冷媒温度が第一閾値以下に制御されて圧縮機がほぼ停止することなく連続した運転が可能である。
また、蒸発器に余剰に供給された冷媒の冷媒熱エネルギーが回収されるため、冷凍能力の低下を極めて小さく抑えることができる。
また、圧縮機が冷媒ガス吸入を維持できるため、液冷媒が吸入されず油が希釈しないことから圧縮機の潤滑性に影響が及ぶことがない。
また、膨張弁で冷媒流量を細かく制御できることから、吐出冷媒温度を第一閾値以下に維持するのに必要な最小液戻し量に制御可能であり、安定した運転が可能である。

さらに、圧縮機の吐出冷媒温度が第一閾値よりも小さい第二閾値を下回る値であり、かつ蒸発器の出口の冷媒過熱度が第三閾値以上の場合は、吐出冷媒温度保護制御を停止し、蒸発器出口過熱度制御によって膨張弁の開度を制御することから、蒸発器の出口の冷媒過熱度が確保されているのを確認した上で、吐出冷媒温度保護制御を終了して通常の蒸発器出口過熱度制御に移行させ、吐出冷媒温度保護制御によって下がりすぎた圧縮機の吐出冷媒温度を上げることができる。
また、吐出冷媒温度保護制御の終了条件が明らかであり、制御を正しく終了させることができる。

上記態様では、前記圧縮機の前記吐出冷媒温度が前記第二閾値を下回る値であり、かつ、前記蒸発器の出口の前記冷媒過熱度が前記第三閾値を下回る値である場合は、前記吐出冷媒温度保護制御を停止し、前記蒸発器出口過熱度制御によって前記膨張弁の開度を閉方向に制御するとしてもよい。

本開示によれば、前記圧縮機の前記吐出冷媒温度が前記第二閾値を下回る値であり、かつ、前記蒸発器の出口の前記冷媒過熱度が前記第三閾値を下回る値である場合は、前記吐出冷媒温度保護制御を停止し、前記蒸発器出口過熱度制御によって前記膨張弁の開度を閉方向に制御する。吐出冷媒温度保護制御によって圧縮機の吐出冷媒温度が下がっているとともに、蒸発器の出口の冷媒過熱度が確保すべき値の下限値を下回ることで圧縮機に液バックが生じる可能性がある。しかし、本開示によれば、膨張弁の開度を閉方向に制御するため、蒸発器の出口の冷媒過熱度を高めることができ、さらに圧縮機の吐出冷媒温度を上げることができる。

上記態様では、前記圧縮機の前記吐出冷媒温度が前記第二閾値以上、かつ前記第一閾値以下の値である場合は、前記吐出冷媒温度保護制御による前記膨張弁の開度を保持するように制御するとしてもよい。

本開示によれば、圧縮機の前記吐出冷媒温度が前記第二閾値以上前記第一閾値以下の値である場合は、前記吐出冷媒温度保護制御による前記膨張弁の開度を保持するように制御する。これにより、吐出冷媒温度保護制御において、圧縮機の吐出冷媒温度を第二閾値以上第一閾値以下の第二所定範囲内となるように制御するため、吐出冷媒温度の変動が少なく、安定した運転を継続可能である。また、冷凍機の能力を確保し維持することができる。

上記態様では、前記吐出冷媒温度保護制御によって前記膨張弁の開度を制御してから所定時間以上経過した場合、前記圧縮機の前記吐出冷媒温度が前記第一閾値を超えたか否かの判定を行うとしてもよい。

本開示によれば、前記吐出冷媒温度保護制御によって前記膨張弁の開度を制御してから所定時間以上経過した場合、前記圧縮機の前記吐出冷媒温度が前記第一閾値を超えたか否かの判定を行う。これにより、所定時間経過し、冷凍機の冷媒回路が定常状態になってから圧縮機の吐出冷媒温度の判定を行うため、正しく判定を行うことができる。

上記態様では、前記第三閾値は、前記蒸発器出口過熱度制御における目標冷媒過熱度よりも小さい値であるとしてもよい。

本開示によれば、第三閾値は、前記蒸発器出口過熱度制御における目標冷媒過熱度よりも小さい値であることから、蒸発器の出口の冷媒過熱度を最低限確保し、圧縮機の液バックの発生を抑制することができる。

本開示の幾つかの実施形態における一態様に係る冷凍機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させるとともに、前記蒸発器の出口の冷媒過熱度を第一所定範囲の値に制御する蒸発器出口過熱度制御によって開度が制御される膨張弁と、該膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる前記蒸発器と、前述したいずれかの制御装置と、を備える。

本開示の幾つかの実施形態における一態様に係る冷凍機の制御方法は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させるとともに、前記蒸発器の出口の冷媒過熱度を第一所定範囲の値に制御する蒸発器出口過熱度制御によって開度が制御される膨張弁と、該膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる前記蒸発器と、を備えた冷凍機の制御方法であって、圧縮機の吐出冷媒温度が第一閾値を超えた場合は、前記蒸発器出口過熱度制御を停止し、前記吐出冷媒温度を第二所定範囲の値に制御する吐出冷媒温度保護制御によって前記膨張弁の開度を開方向に制御する工程と、圧縮機の吐出冷媒温度が第一閾値よりも小さい第二閾値を下回る値であり、かつ、前記蒸発器の出口の前記冷媒過熱度が第三閾値以上の場合は、前記吐出冷媒温度保護制御を停止し、前記蒸発器出口過熱度制御によって前記膨張弁の開度を制御する工程と、を有する。

本開示の幾つかの実施形態における一態様に係る冷凍機の制御プログラムは、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させるとともに、前記蒸発器の出口の冷媒過熱度を第一所定範囲の値に制御する蒸発器出口過熱度制御によって開度が制御される膨張弁と、該膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる前記蒸発器と、を備えた冷凍機の制御プログラムであって、圧縮機の吐出冷媒温度が第一閾値を超えた場合は、前記蒸発器出口過熱度制御を停止し、前記吐出冷媒温度を第二所定範囲の値に制御する吐出冷媒温度保護制御によって前記膨張弁の開度を開方向に制御するステップと、圧縮機の吐出冷媒温度が第一閾値よりも小さい第二閾値を下回る値であり、かつ、前記蒸発器の出口の前記冷媒過熱度が第三閾値以上の場合は、前記吐出冷媒温度保護制御を停止し、前記蒸発器出口過熱度制御によって前記膨張弁の開度を制御するステップと、を有する。

本開示によれば、吐出冷媒温度が第一閾値を超えた場合は蒸発器出口過熱度制御を停止し吐出冷媒温度保護制御によって膨張弁の開度を制御するので、吐出冷媒温度を下げる保護動作を実施することができる。
また、圧縮機の吐出冷媒温度が第二閾値を下回る値であり、かつ、蒸発器の出口の冷媒過熱度が第三閾値以上の場合は、吐出冷媒温度保護制御を停止し、蒸発器出口過熱度制御によって膨張弁の開度を制御するので、吐出冷媒温度保護制御の終了条件が明らかであり、正しく停止することができる。

幾つかの実施形態に係る冷凍機の冷凍サイクルの一態様を示した概略構成図である。 幾つかの実施形態に係る冷凍機の制御装置の制御を示したフローチャートである。 参考例としての冷凍機の冷凍サイクルを示した概略構成図である。 参考例としての冷凍機における吐出冷媒温度の変化を示したグラフである。 幾つかの実施形態に係る冷凍機における吐出冷媒温度の変化を示したグラフである。 参考例としての冷凍機における冷凍能力の変化を示したグラフである。 幾つかの実施形態に係る冷凍機における冷凍能力の変化を示したグラフである。 参考例としての冷凍機における圧力－エンタルピ線図である。 幾つかの実施形態に係る冷凍機における圧力－エンタルピ線図である。

以下に、本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機の制御装置、冷凍機、冷凍機の制御方法および冷凍機の制御プログラムの各実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機の冷凍サイクルの一態様の概略構成が示されている。
図１に示されるように、冷凍機の冷凍サイクル１は、蒸発器６から導かれた冷媒ガスを圧縮する圧縮機２と、圧縮機２から送られる圧縮機２により圧縮された高温高圧の冷媒ガスを外気と熱交換させて凝縮する凝縮器３と、凝縮器３から送られる凝縮器３で凝縮された液冷媒を蒸発器６からのガス冷媒と熱交換させて過冷却する気液内部熱交換器（熱交換器）４と、気液内部熱交換器４から導かれる過冷却された液冷媒を膨張させる膨張弁５と、膨張された冷媒と空気とを熱交換させて冷媒を蒸発させる蒸発器６と、をこの順に冷媒配管８により接続して構成されている。蒸発器６は、冷凍庫内を冷却するために用いられる。

冷凍サイクル１には、圧縮機２から吐出される冷媒温度（吐出冷媒温度）を検出する吐出冷媒温度センサ７が設けられており、吐出冷媒温度センサ７の検出値は、制御装置１０に入力されるように構成されている。

制御装置１０は、蒸発器６出口の冷媒過熱度を目標冷媒過熱度を含む第一所定範囲の値に制御するように膨張弁５の開度を調整する機能を有している。
蒸発器６出口の冷媒過熱度を確保することで、蒸発器６を効率よく使用することができる。そこで、冷媒過熱度の制御目標値である目標冷媒過熱度を設定する。制御装置１０は、蒸発器６出口の冷媒過熱度が目標冷媒過熱度を含む第一所定範囲の値となるように制御する。
冷媒過熱度の制御は、制御装置１０が膨張弁５の開度を調整することで行われる。例えば、冷媒過熱度を上げる場合は、膨張弁５の開度は閉方向に制御される。また冷媒過熱度を下げる場合は、膨張弁５の開度は開方向に制御される。
例えば、目標冷媒過熱度は７℃である。

制御装置１０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な非一時的な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

冷凍機は、空調機に比べて、運転時における低圧圧力と高圧圧力との圧力比が大きいとされている。このように圧力比の大きい高圧力比運転では、圧縮機２の吐出冷媒温度が上がりやすい。
一方で、圧縮機２には運転が可能な温度に上限があり、これを圧縮機許容温度上限値としている。そこで、吐出冷媒温度センサ７が計測する吐出冷媒温度が圧縮機２の圧縮機許容温度上限値を超えるような運転条件の場合は、吐出冷媒温度を下げる保護動作が必要となる。

ここで、吐出冷媒温度が圧縮機許容温度上限値に到達してしまうと、圧縮機２は運転停止するだけでなく故障に至る虞がある。そこで、圧縮機許容温度上限値よりも所定温度低い吐出冷媒温度制御上限値（第一閾値）を設けることとする。吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御上限値に到達すると、本開示の幾つかの実施形態では吐出冷媒温度保護制御を行うとする。吐出冷媒温度制御上限値は、例えば圧縮機許容温度上限値－１５℃である。

また、吐出冷媒温度制御上限値よりも小さい第二閾値として、吐出冷媒温度制御下限値を設ける。吐出冷媒温度制御下限値は、例えば吐出冷媒温度制御上限値－３５℃である。吐出冷媒温度制御下限値は、吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御下限値を下回ると圧縮機２の温度が下がりすぎていると判断し、圧縮機２の温度を上昇させる目安となる温度である。

吐出冷媒温度保護制御は、吐出冷媒温度を第二所定範囲の値となるように制御するものである。第二所定範囲は、吐出冷媒温度制御下限値（第二閾値）以上吐出冷媒温度制御上限値（第一閾値）以下の範囲である。吐出冷媒温度センサ７が計測する吐出冷媒温度が第二所定範囲の値となるように、制御装置１０が膨張弁５の開度を制御する。ここで、吐出冷媒温度制御下限値は、吐出冷媒温度制御上限値よりも小さい値である。

以下に、本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機の制御について説明する。
図２には、本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機の制御装置の制御がフローチャートに示されている。
制御装置１０の制御が開始されると、圧縮機吐出冷媒温度（Ｔｄ）保護制御が行われているか否かの判定を行う（Ｓ２０１）。圧縮機吐出冷媒温度保護制御が行われていると判定された場合は、ステップＳ２０２へ遷移し、行われていないと判定された場合はステップＳ２０８へ遷移する。

ステップＳ２０２では、前回の処理にて、膨張弁５の開度を変更した後に所定時間以上経過したか否かの判定を行う。膨張弁５の開度を変更すると、冷凍サイクル１の冷媒回路が定常状態になるまでタイムラグが生じる。そのため、冷媒回路が定常状態になったと予測される時間を所定時間に設定し、この所定時間が経過したかどうかの判定が行われる。
開度変更後に所定時間以上経過している場合はステップＳ２０３へ遷移し、所定時間が経過していない場合は一旦処理が終了し、再度初めから処理が行われる。

ステップＳ２０２において、膨張弁５の開度を変更した後に所定時間以上経過したと判定された場合は、吐出冷媒温度センサ７の検出値である圧縮機吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御上限値（第一閾値）を上回るか否かの判定が行われる（Ｓ２０３）。

ステップＳ２０３において、圧縮機吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御上限値を上回ると判定された場合は、ステップＳ２１０へ遷移する。一方、圧縮機吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御上限値以下であると判定された場合は、ステップＳ２０４へ遷移する。

ステップＳ２０３において、圧縮機吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御上限値を上回ると判定された場合は、膨張弁５の開度を所定量増加させる（Ｓ２１０）。すなわち、制御装置１０は、膨張弁５の開度を所定量だけ開方向に制御する。これにより、冷凍サイクル１を循環する冷媒流量が増加し、圧縮機吐出冷媒温度が下がることとなる。この場合、蒸発器６の出口の冷媒過熱度も下がる。

ステップＳ２１０において膨張弁５の開度が所定量増加されると、一旦処理が終了し、再度初めから処理が行われる。

一方ステップＳ２０３において、圧縮機吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御上限値以下であると判定された場合は、圧縮機吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御下限値（第二閾値）以上か否かの判定が行われる（Ｓ２０４）。

ステップＳ２０４において、圧縮機吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御下限値以上であると判定された場合は、膨張弁５の開度を保持するように制御が行われたまま一旦処理が終了し、再度初めから処理が行われる。

一方ステップＳ２０４において、圧縮機吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御下限値を下回ると判定された場合は、ステップＳ２０５へ遷移する。

圧縮機吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御下限値を下回る場合は、圧縮機吐出冷媒温度を上昇させる必要がある。ここで、ステップＳ２０５においては、蒸発器６の出口における冷媒過熱度の判定が行われる。蒸発器６の出口における冷媒過熱度が冷媒過熱度制御下限値（第三閾値）以上であると判定された場合は、ステップＳ２０６へ遷移する。一方、冷媒過熱度が冷媒過熱度制御下限値を下回ると判定された場合は、ステップＳ２１１へ遷移する。
ここで、冷媒過熱度制御下限値（第三閾値）は、蒸発器６を効率良く使用するために、蒸発器６出口の冷媒過熱度において最低限確保すべき値である。冷媒過熱度制御下限値は、目標冷媒過熱度よりも小さい値であり、例えば目標冷媒過熱度－２℃が設定される。

圧縮機吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御下限値を下回り（Ｓ２０４でＮＯ）、かつ、蒸発器６の出口における冷媒過熱度が冷媒過熱度制御下限値以上であると判定された場合（Ｓ２０５でＹＥＳ）は、圧縮機吐出冷媒温度を上げる必要があるが、冷媒過熱度は確保されていることから、圧縮機吐出冷媒温度保護制御を終了し（Ｓ２０６）、蒸発器出口過熱度制御を行う（Ｓ２０７）。
ステップＳ２０７において蒸発器出口過熱度制御が開始されると、一旦処理が終了し、再度初めから処理が行われる。

一方、圧縮機吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御下限値を下回り（Ｓ２０４でＮＯ）、かつ、蒸発器６の出口における冷媒過熱度が冷媒過熱度制御下限値を下回ると判定された場合（Ｓ２０５でＮＯ）は、圧縮機吐出冷媒温度及び冷媒過熱度を上げる必要がある。膨張弁５の開度を大きくすると、蒸発器６の出口における冷媒過熱度が付かなくなる場合がある。この時、圧縮機２に液バックが生じる可能性があることから、冷媒過熱度を確保しておく必要がある。そこで、膨張弁５の開度を所定量減少させることとする（Ｓ２１１）。すなわち、制御装置１０は、膨張弁５の開度を所定量だけ閉方向に制御する。これにより、冷凍サイクル１を循環する冷媒流量が減少し、圧縮機吐出冷媒温度および蒸発器６の出口における冷媒過熱度が上がる。
ステップＳ２１１において膨張弁５の開度が所定量減少されると、一旦処理が終了し、再度初めから処理が行われる。
以上のようにして、圧縮機吐出冷媒温度保護制御が行われる。

また、ステップＳ２０１において、圧縮機吐出冷媒温度保護制御が行われていないと判定された場合は、吐出冷媒温度センサ７の検出値である圧縮機吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御上限値（第一閾値）を上回るか否かの判定が行われる（Ｓ２０８）。

ステップＳ２０８において、圧縮機吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御上限値を上回ると判定された場合は、ステップＳ２０９へ遷移する。一方、圧縮機吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御上限値以下であると判定された場合は、ステップＳ２０７へ遷移する。

ステップＳ２０８において、圧縮機吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御上限値を上回ると判定された場合は、圧縮機吐出冷媒温度保護制御を開始し（Ｓ２０９）、膨張弁５の開度を所定量増加させる（Ｓ２１０）。すなわち、制御装置１０は、膨張弁５の開度を所定量だけ開方向に制御する。これにより、冷凍サイクル１を循環する冷媒流量が増加し、圧縮機吐出冷媒温度が下がることとなる。この場合、蒸発器６の出口の冷媒過熱度も下がる。

ステップＳ２１０において膨張弁５の開度が所定量増加されると、一旦処理が終了し、再度初めから処理が行われる。

一方ステップＳ２０８において、圧縮機吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御上限値以下であると判定された場合は、蒸発器出口過熱度制御を行う（Ｓ２０７）。
ステップＳ２０７において蒸発器出口過熱度制御が開始されると、一旦処理が終了し、再度初めから処理が行われる。
このように、通常の蒸発器出口過熱度制御を行っている場合は、図２のフローチャートにおいてステップＳ２０１、ステップＳ２０８、ステップＳ２０７の順で遷移することとなる。

以下に、参考例としての冷凍機と比較して、本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機の制御装置による制御について説明する。参考例としての冷凍機の冷凍サイクル５１は、図３に示されるように、凝縮器５３の出口側と圧縮機５２の入口側とを接続する液バイパスライン５９を備えている。参考例としての冷凍機は、吐出冷媒温度センサ５７が計測する圧縮機５２の吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御上限値を超える場合に、圧縮機５２の入口側へ液冷媒をバイパスするように液バイパス制御を行うことで圧縮機５２を冷却する。

参考例としての冷凍機の他の構成は、本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機と同様であり、それぞれ圧縮機２と圧縮機５２、凝縮器３と凝縮器５３、気液内部熱交換器４と気液内部熱交換器５４、膨張弁５と膨張弁５５、蒸発器６と蒸発器５６、吐出冷媒温度センサ７と吐出冷媒温度センサ５７、冷媒配管８と冷媒配管５８、とがそれぞれ対応している。
また、制御装置５０は、液バイパス制御を行う。

図４は、参考例としての冷凍機における吐出冷媒温度の変化を示したグラフである。
図４において、縦軸は圧縮機５２からの吐出冷媒温度、横軸は時間である。また、吐出冷媒温度において、ａは後述する液バイパス制御終了温度、ｂは吐出冷媒温度制御上限値、ｃは圧縮機許容温度上限値を示す。

図４の時間０から時間が経過すると、圧縮機５２の吐出冷媒温度は上昇し、時間ｔ１において吐出冷媒温度制御上限値ｂに到達する。吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御上限値ｂに到達すると、制御装置５０により液バイパス制御が開始され、液バイパスライン５９が開かれる。液バイパス制御が開始されてから圧縮機５２の吐出冷媒温度が下がり始めるにはタイムラグがあるため、時間ｔ１を過ぎて一定時間経過後、吐出冷媒温度は下がり始める。液バイパス制御には終了温度が設定されており、これを液バイパス制御終了温度ａとする。時間ｔ２において、吐出冷媒温度が液バイパス制御終了温度ａに到達すると、液バイパスライン５９が閉じられ、液バイパス制御が終了する。

液バイパス制御が終了されてから、圧縮機５２の吐出冷媒温度が上がり始める場合にもタイムラグがあるため、時間ｔ２を過ぎて一定時間経過後、吐出冷媒温度は上がり始める。その後、吐出冷媒温度が時間ｔ３に吐出冷媒温度制御上限値ｂに到達すると液バイパス制御が開始され、時間ｔ４に液バイパス制御終了温度ａに到達すると液バイパス制御が終了されるように、液バイパス制御の開始と終了が交互に連続して行われる。

図４に示されるように、液バイパス制御が行われる場合は、吐出冷媒温度の温度変化が大きい。そのため、吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御上限値ｂ及び液バイパス制御終了温度ａに頻繁に到達し、短時間で制御が切り替わることとなる。また、液冷媒が凝縮器５３の出口から圧縮機５２の入口へバイパスされるため、蒸発器５６に流入する冷媒量が少なくなり、減少した冷媒量の分だけ冷凍機能に寄与しないこととなる。

図５は、本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機における吐出冷媒温度の変化を示したグラフである。
図５において、縦軸は圧縮機５２からの吐出冷媒温度、横軸は時間である。また、吐出冷媒温度において、ｄは後述する吐出冷媒温度制御下限値（第二閾値）、ｂは吐出冷媒温度制御上限値（第一閾値）、ｃは圧縮機許容温度上限値を示す。

図５の時間０の時点では、蒸発器出口過熱度制御が行われている。時間０から時間が経過すると、圧縮機２の吐出冷媒温度は上昇し、時間ｔ７において吐出冷媒温度制御上限値ｂに到達する。吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御上限値ｂに到達すると、蒸発器出口過熱度制御を停止し、吐出冷媒温度保護制御が開始される。

前述したように、吐出冷媒温度保護制御は、吐出冷媒温度を第二所定範囲の値に制御するものである。吐出冷媒温度センサ７が計測する吐出冷媒温度を吐出冷媒温度制御下限値（第二閾値）ｄから吐出冷媒温度制御上限値（第一閾値）ｂの範囲である第二所定範囲の値となるように、制御装置１０が膨張弁５の開度を制御する。

時間ｔ７において吐出冷媒温度保護制御が開始されると、膨張弁５の開度が開方向に制御される。膨張弁５の開度が開方向に制御されてから圧縮機２の吐出冷媒温度が下がり始めるにはタイムラグがあるため、時間ｔ７を過ぎて一定時間経過後、吐出冷媒温度は下がり始める。
吐出冷媒温度保護制御にて、図２のフローチャートに示される制御が行われることにより、圧縮機２の吐出冷媒温度は、大きな変動が抑えられ、第二所定範囲内で推移するように制御される。そのため、本開示の幾つかの実施形態によれば、安定した運転が継続可能である。

また、参考例としての冷凍機においては、液バイパス制御が頻繁にオンオフされることを避けるため、液バイパス制御終了温度ａと吐出冷媒温度制御上限値ｂとの差が大きくされている。一方、本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機においては、膨張弁５で細かく冷媒流量を制御できる。そのため、吐出冷媒温度を圧縮機許容温度上限値以下に維持するのに必要な最小液戻し量に制御が可能である。これにより、吐出冷媒温度制御下限値ｄと吐出冷媒温度制御上限値ｂとの差を小さくすることができる。吐出冷媒温度の高低は、冷凍機の能力の高低と比例することから、吐出冷媒温度を高い値で推移させることは、冷凍機の能力も高い値で推移させることとなる。

図６は、参考例としての冷凍機における冷凍能力の変化を示したグラフである。
図６において、縦軸は冷凍機の冷凍能力、横軸は凝縮器の吸込空気温度である。凝縮器の吸込空気温度は、すなわち外気温にほぼ等しい。また、冷凍能力において、Ｒ１は吸込空気温度Ｔ１で蒸発器出口過熱度制御から吐出冷媒温度保護制御（この場合、液バイパス制御）に切り替わった場合の冷凍能力、Ｒ２は、吸込空気温度Ｔ２の場合の冷凍能力を示す。また、実線が冷凍能力と凝縮器の吸込空気温度との関係を示しており、一点鎖線は、通常の蒸発器出口過熱度制御を行った場合に想定される冷凍能力の推移を示す。

参考例としての冷凍機においては、吸込空気温度Ｔ１で液バイパス制御が開始された場合の冷凍能力Ｒ１と比較して、吸込空気温度が上がり、吸込空気温度Ｔ２となった場合の冷凍能力Ｒ２は、大きく冷凍能力が低下している。すなわち、吸込空気温度が高い場合は、常に吐出冷媒温度保護制御を行わねばならず、液バイパスライン５９を常に開とすることとなる。

図７は、本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機における冷凍能力の変化を示したグラフである。
図７において、縦軸は冷凍機の冷凍能力、横軸は凝縮器の吸込空気温度である。また、冷凍能力において、Ｒ１は吸込空気温度Ｔ１で蒸発器出口過熱度制御から吐出冷媒温度保護制御に切り替わった場合の冷凍能力、Ｒ３は、吸込空気温度Ｔ２の場合の冷凍能力を示す。また、実線が冷凍能力と凝縮器の吸込空気温度との関係を示しており、一点鎖線は、通常の蒸発器出口過熱度制御を行った場合に想定される冷凍能力の推移を示す。

本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機においては、吸込空気温度Ｔ１で吐出冷媒温度保護制御が開始された場合の冷凍能力Ｒ１と比較して、吸込空気温度が上がり、吸込空気温度Ｔ２となった場合の冷凍能力Ｒ３は低下しているが、冷凍能力の低下が少ない。これは、図５で示されたように、吐出冷媒温度の低下が少ないことに因る。ここで、Ｒ３はＲ２よりも大きい値である。

図８は、参考例としての冷凍機における圧力－エンタルピ線図である。
図８において、縦軸は圧力、横軸はエンタルピである。太実線は、蒸発器出口過熱度制御時の冷凍サイクルを示し、太破線は、その場合の等温度曲線を示す。また実線は、液バイパス制御時の冷凍サイクルを示し、破線は、その場合の等温度曲線を示す。また一点鎖線は、飽和曲線を示す。

参考例としての冷凍機における蒸発器出口過熱度制御時の図８に示される冷凍サイクルにおいて、ｈ１は気液内部熱交換器５４のガス冷媒の出口、ｈ３は気液内部熱交換器５４の液冷媒の入口、ｈ４は気液内部熱交換器５４の液冷媒の出口、ｈ６は気液内部熱交換器５４のガス冷媒の入口を示す。
また、液バイパス制御時の図８に示される冷凍サイクルにおいて、ｈ１′は気液内部熱交換器５４のガス冷媒の出口、ｈ３′は気液内部熱交換器５４の液冷媒の入口、ｈ４′は気液内部熱交換器５４の液冷媒の出口、ｈ６′は気液内部熱交換器５４のガス冷媒の入口を示す。

また図９は、本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機における圧力－エンタルピ線図である。
図９において、縦軸は圧力、横軸はエンタルピである。太実線は、蒸発器出口過熱度制御時の冷凍サイクルを示し、太破線は、その場合の等温度曲線を示す。また実線は、吐出冷媒温度保護制御時の冷凍サイクルを示し、破線は、その場合の等温度曲線を示す。また一点鎖線は、飽和曲線を示す。

本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機における蒸発器出口過熱度制御時の図９に示される冷凍サイクルにおいて、ｈ１は気液内部熱交換器５４のガス冷媒の出口、ｈ３は気液内部熱交換器５４の液冷媒の入口、ｈ４は気液内部熱交換器５４の液冷媒の出口、ｈ６は気液内部熱交換器５４のガス冷媒の入口を示す。
また、液バイパス制御時の図９に示される冷凍サイクルにおいて、ｈ１″は気液内部熱交換器５４のガス冷媒の出口、ｈ３″は気液内部熱交換器５４の液冷媒の入口、ｈ４″は気液内部熱交換器５４の液冷媒の出口、ｈ６″は気液内部熱交換器５４のガス冷媒の入口を示す。

参考例としての冷凍機において、通常の蒸発器出口過熱度制御から液バイパス制御に制御を切替えると、吐出冷媒温度の低下、及び冷凍能力の低下が起こる。
また本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機において、通常の蒸発器出口過熱度制御から吐出冷媒温度保護制御に制御を切替えると、同様に吐出冷媒温度の低下、及び冷凍能力の低下が起こる。

参考例としての冷凍機において、通常の蒸発器出口過熱度制御から液バイパス制御に制御を切替えると、蒸発器出口過熱度制御における吐出冷媒温度を示す等温度曲線（太破線）が、液バイパス制御における吐出冷媒温度を示す等温度曲線（破線）に移動し、この移動距離が吐出冷媒温度の温度差として表れる。

一方、本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機において、通常の蒸発器出口過熱度制御から吐出冷媒温度保護制御に制御を切替えると、蒸発器出口過熱度制御における吐出冷媒温度を示す等温度曲線（太破線）が、吐出冷媒温度保護制御における吐出冷媒温度を示す等温度曲線（破線）に移動し、この移動距離が吐出冷媒温度の温度差として表れる。
このように、本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機によれば、圧縮機２の吐出冷媒温度は、圧縮機許容温度上限値以下に維持するのに必要な温度低下にとどめることができる。
よって、液バイパス制御と比較して、吐出冷媒温度の低下を抑えることができる。

また、参考例としての冷凍機において、通常の蒸発器出口過熱度制御から液バイパス制御に制御を切替えると、冷媒の蒸発温度はｈ１からｈ１′へ、またはｈ６からｈ６′へ、その差ｘ′だけ上昇する。よって、差ｘ′に相当する冷凍能力が低下する。
また、液バイパス制御が行われると、ｈ３′からｈ１′へ液冷媒がバイパスされるため、ｈ３′とｈ１′との差ｙ（二点鎖線部分）に相当する冷凍能力が低下する。
以上より、参考例としての冷凍機においては、ｘ′＋ｙに相当する冷凍能力が低下する。

一方、本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機において、通常の蒸発器出口過熱度制御から吐出冷媒温度保護制御に制御を切替えると、冷媒の蒸発温度はｈ１からｈ１″へ、またはｈ６からｈ６″へ、その差ｘ″だけ上昇する。よって、差ｘ″に相当する冷凍能力が低下する。
このように、本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機の冷凍能力の低下は、液バイパス制御時の能力の低下と比較して少ない。よって、本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機によれば、冷凍能力の低下を小さく抑えることができる。

以上、説明してきたように、本実施形態に係る冷凍機の制御装置、冷凍機、冷凍機の制御方法および冷凍機の制御プログラムによれば、以下の作用効果を奏する。
本開示によれば、吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御上限値以下に制御されるため、圧縮機２がほぼ停止することなく連続した運転が可能である。
また、蒸発器６に余剰に供給された冷媒の冷媒熱エネルギーが気液内部熱交換器４で回収されるため、冷凍能力の低下を極めて小さく抑えることができる。
また、圧縮機２が冷媒ガス吸入を維持できるため、液冷媒が吸入されず油が希釈しないことから、圧縮機２の潤滑性に影響が及ぶことがない。
また、膨張弁５で冷媒流量を細かく制御できることから、吐出冷媒温度を吐出冷媒温度制御上限値以下に維持するのに必要な最小液戻し量に制御が可能であり、安定した運転が可能である。

さらに、圧縮機２の吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御上限値ｂよりも小さい吐出冷媒温度制御下限値ｄを下回る値であり、かつ蒸発器６出口の冷媒過熱度が冷媒過熱度制御下限値以上の場合は、吐出冷媒温度保護制御を停止し、蒸発器出口過熱度制御によって膨張弁５の開度を制御する。蒸発器６出口の冷媒過熱度が確保されているのを確認した上で、吐出冷媒温度保護制御を終了して通常の蒸発器出口過熱度制御に移行させ、吐出冷媒温度保護制御によって下がりすぎた圧縮機２の吐出冷媒温度を上げることができる。

また本開示によれば、圧縮機２の吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御下限値ｄを下回る値であり、かつ、蒸発器６出口の冷媒過熱度が冷媒過熱度制御下限値を下回る値である場合は、吐出冷媒温度保護制御を停止し、蒸発器出口過熱度制御によって膨張弁５の開度を閉方向に制御する。吐出冷媒温度保護制御によって圧縮機２の吐出冷媒温度が下がっているとともに、蒸発器６出口の冷媒過熱度が確保すべき値の下限値を下回ることで圧縮機２に液バックが生じる可能性がある。しかし本開示によれば、膨張弁５の開度を閉方向に制御するため、蒸発器６出口の冷媒過熱度を高めることができる。さらに、圧縮機２の吐出冷媒温度を上げることができる。

また本開示によれば、圧縮機２の吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御下限値ｄ以上、かつ吐出冷媒温度制御上限値ｂ以下の値である場合は、吐出冷媒温度保護制御による膨張弁５の開度を保持するように制御する。これにより、吐出冷媒温度保護制御において、圧縮機２の吐出冷媒温度を吐出冷媒温度制御下限値ｄ以上、かつ吐出冷媒温度制御上限値ｂ以下の第二所定範囲内となるように制御するため、吐出冷媒温度の変動が少なく、安定した運転を継続可能である。また、冷凍機の能力を確保し維持することができる。

また本開示によれば、吐出冷媒温度保護制御によって膨張弁５の開度を制御してから所定時間以上経過した場合、圧縮機２の吐出冷媒温度が吐出冷媒温度制御上限値ｂを超えたか否かの判定を行う。これにより、所定時間経過し、冷凍機の冷媒回路が定常状態になってから圧縮機２の吐出冷媒温度の判定を行うため、正しく判定を行うことができる。

また本開示によれば、冷媒過熱度制御下限値は、蒸発器出口過熱度制御における目標冷媒過熱度よりも小さい値であることから、蒸発器６出口の冷媒過熱度を最低限確保し、圧縮機２の液バックの発生を抑制することができる。

１、５１ 冷凍サイクル
２、５２ 圧縮機
３、５３ 凝縮器
４、５４ 気液内部熱交換器（熱交換器）
５、５５ 膨張弁
６、５６ 蒸発器
７、５７ 吐出冷媒温度センサ
８、５８ 冷媒配管
１０、５０ 制御装置
５９ 液バイパスライン

Claims (7)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   該圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
   該凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させるとともに、蒸発器の出口の冷媒過熱度を第一所定範囲の値に制御する蒸発器出口過熱度制御によって開度が制御される膨張弁と、
   該膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる前記蒸発器と、を備えた冷凍機の制御装置であって、
   前記圧縮機の吐出冷媒温度が第一閾値を超えた場合は、前記蒸発器出口過熱度制御を停止し、前記吐出冷媒温度を第二所定範囲の値に制御する吐出冷媒温度保護制御によって前記膨張弁の開度を開方向に制御し、
   前記圧縮機の前記吐出冷媒温度が第一閾値よりも小さい第二閾値を下回る値であり、かつ、前記蒸発器の出口の前記冷媒過熱度が第三閾値以上の場合は、前記吐出冷媒温度保護制御を停止し、前記蒸発器出口過熱度制御によって前記膨張弁の開度を制御し、
   前記第三閾値は、前記蒸発器出口過熱度制御における目標冷媒過熱度よりも小さい値である冷凍機の制御装置。
2. 前記圧縮機の前記吐出冷媒温度が前記第二閾値を下回る値であり、かつ、前記蒸発器の出口の前記冷媒過熱度が前記第三閾値を下回る値である場合は、前記吐出冷媒温度保護制御を停止し、前記蒸発器出口過熱度制御によって前記膨張弁の開度を閉方向に制御する請求項１に記載の冷凍機の制御装置。
3. 前記圧縮機の前記吐出冷媒温度が前記第二閾値以上、かつ前記第一閾値以下の値である場合は、前記吐出冷媒温度保護制御による前記膨張弁の開度を保持するように制御する請求項１または請求項２に記載の冷凍機の制御装置。
4. 前記吐出冷媒温度保護制御によって前記膨張弁の開度を制御してから所定時間以上経過した場合、前記圧縮機の前記吐出冷媒温度が前記第一閾値を超えたか否かの判定を行う請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷凍機の制御装置。
5. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   該圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
   該凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させるとともに、蒸発器の出口の冷媒過熱度を第一所定範囲の値に制御する蒸発器出口過熱度制御によって開度が制御される膨張弁と、
   該膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる前記蒸発器と、
   請求項１から請求項４のいずれかに記載の制御装置と、を備える冷凍機。
6. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   該圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
   該凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させるとともに、蒸発器の出口の冷媒過熱度を第一所定範囲の値に制御する蒸発器出口過熱度制御によって開度が制御される膨張弁と、
   該膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる前記蒸発器と、を備えた冷凍機の制御方法であって、
   前記圧縮機の吐出冷媒温度が第一閾値を超えた場合は、前記蒸発器出口過熱度制御を停止し、前記吐出冷媒温度を第二所定範囲の値に制御する吐出冷媒温度保護制御によって前記膨張弁の開度を開方向に制御する工程と、
   前記圧縮機の前記吐出冷媒温度が第一閾値よりも小さい第二閾値を下回る値であり、かつ、前記蒸発器の出口の前記冷媒過熱度が第三閾値以上の場合は、前記吐出冷媒温度保護制御を停止し、前記蒸発器出口過熱度制御によって前記膨張弁の開度を制御する工程と、を有し、
   前記第三閾値は、前記蒸発器出口過熱度制御における目標冷媒過熱度よりも小さい値である冷凍機の制御方法。
7. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   該圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
   該凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させるとともに、蒸発器の出口の冷媒過熱度を第一所定範囲の値に制御する蒸発器出口過熱度制御によって開度が制御される膨張弁と、
   該膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる前記蒸発器と、を備えた冷凍機の制御プログラムであって、
   前記圧縮機の吐出冷媒温度が第一閾値を超えた場合は、前記蒸発器出口過熱度制御を停止し、前記吐出冷媒温度を第二所定範囲の値に制御する吐出冷媒温度保護制御によって前記膨張弁の開度を開方向に制御するステップと、
   前記圧縮機の前記吐出冷媒温度が第一閾値よりも小さい第二閾値を下回る値であり、かつ、前記蒸発器の出口の前記冷媒過熱度が第三閾値以上の場合は、前記吐出冷媒温度保護制御を停止し、前記蒸発器出口過熱度制御によって前記膨張弁の開度を制御するステップと、を有し、
   前記第三閾値は、前記蒸発器出口過熱度制御における目標冷媒過熱度よりも小さい値である冷凍機の制御プログラム。

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