JPWO2018042611A1 - 冷凍空調システムおよびシステムコントローラ - Google Patents
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Abstract
この冷凍空調システムは、冷媒回路と除霜手段を有する複数の独立した冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４と、これらを統合管理するシステムコントローラ１００とから構成されていて、システムコントローラ１００の除霜運転制御手段は、或る冷凍空調機器について算出された除霜開始予定時刻と他の冷凍空調機器について算出された後の直近の除霜開始予定時刻との時刻間隔が、予め設定されている目標開始時刻間隔以下であったときに、当該或る冷凍空調機器の除霜手段に対して除霜開始指令信号を発信するようにしたものである。
Description
この発明は、同一の被冷却空間内を冷却する複数の冷凍空調機器と、これらの冷凍空調機器を統括管理するシステムコントローラとを備えていて、除霜運転も行なう冷凍空調システムに関するものである。
従来の冷凍空調システムは、下記の特許文献１に挙げるように、複数の独立した冷媒サイクルを有する冷凍空調機器のそれぞれが、着霜検知手段と室内コイル温度検知手段とを備えていて、冷凍空調機器の一つが除霜運転中及び除霜運転終了後に室内コイル温度が所定温度に達する迄は、他の冷凍空調機器の除霜運転を停止させ、順次冷凍空調機器の除霜運転を制御するように構成されている。
上記した従来の冷凍空調システムは、同時に複数の冷凍空調機器が除霜運転開始条件を満足したときに、このうち１つの冷凍空調機器のみ除霜運転を行い、残りの冷凍空調機器は停止させるというシステムであるため、システム全体としての冷却能力が大きく低下するというおそれがある。
一方で、前記システムの課題を解決するために、残りの冷凍空調機器の冷却運転を継続させるというシステムも存在するが、その場合は着霜が進行した蒸発器で冷却能力が低下して冷媒を蒸発しきれず、気液二相状態で圧縮機に戻った冷媒が圧縮室内で急膨張して機器故障に至らしめる所謂「液バック現象」を引き起こすという新たな課題を生じるおそれがある。
更に、各冷凍空調機器の除霜開始時刻を指定するスケジュール運転システムも存在するが、このシステムによっても、室内環境などの要因で変化する着霜量に対して最適なタイミングで除霜を開始することは困難であり、省エネ性の面で課題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、冷凍空調システムとしての信頼性と、冷却能力の維持と、最適除霜間隔の維持による省エネ性の確保という三者を並立させることのできる冷凍空調システムを得るものである。
上記目的を達成するために、この発明に係る冷凍空調システムは、圧縮機・凝縮器・膨張弁および蒸発器が環状に連結された冷媒回路、冷媒回路の運転状態をそれぞれ検出する運転状態検出手段、蒸発器の冷媒管表面に付着した着霜を検知する着霜検知手段、蒸発器の着霜を除去する除霜手段、ならびに、冷媒回路の運転を制御するコントローラ、を有する複数の独立した冷凍空調機器と、複数の冷凍空調機器のコントローラと通信接続されていて複数の冷凍空調機器の運転を統合管理するシステムコントローラと、から構成されていて、複数の冷凍空調機器の蒸発器はいずれも同一の被冷却空間内に配置されていて、システムコントローラは、運転状態検出手段により検出された各冷凍空調機器の運転状態に基づいて除霜手段による除霜運転を開始させる各冷凍空調機器の除霜開始予定時刻をそれぞれ算出する除霜開始予定時刻算出手段と、除霜開始予定時刻算出手段により算出された除霜開始予定時刻に基づいて除霜手段による除霜運転を制御する除霜運転制御手段と、を備えていて、システムコントローラの除霜運転制御手段は、或る冷凍空調機器について算出された除霜開始予定時刻と他の冷凍空調機器について算出された後の直近の除霜開始予定時刻との時刻間隔が、予め設定されている目標開始時刻間隔以下であったときに、或る冷凍空調機器の除霜手段に対して除霜開始指令信号を発信することを特徴とするものである。
この発明の冷凍空調システムは、各冷凍空調機器間の除霜開始時刻の時刻間隔差が小さいときに、除霜開始条件を満足していなくても先行して除霜運転開始を指令するように構成したので、同時に複数の冷凍空調機器が除霜運転を開始する可能性を最小限に抑制することが可能となる。
実施の形態１．
この実施の形態１は、この発明の冷凍空調システムを業務用低温倉庫に適用したものである。
図１はこの発明の実施の形態１における冷凍空調システム全体の制御系統を示す概略構成図、図２は前記冷凍空調システムにおける各冷凍空調機器のブロック構成を示す概略構成図、図３は前記冷凍空調システムにおけるシステムコントローラのブロック構成を示す概略構成図である。
図１において、この実施形態に係る冷凍空調システムは、４つの冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４と、通信線１１を介して冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４のコントローラｂ１〜ｂ４と双方向通信可能に接続されていて冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４の運転を統合管理するシステムコントローラ１００と、冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４の蒸発器のいずれもが空間内に配置された被冷却空間１０と、から構成されている。前記したシステムコントローラ１００は、冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４のコントローラｂ１〜ｂ４と相互通信を行いながらシステム全体を統括管理するものである。
この実施の形態１は、この発明の冷凍空調システムを業務用低温倉庫に適用したものである。
図１はこの発明の実施の形態１における冷凍空調システム全体の制御系統を示す概略構成図、図２は前記冷凍空調システムにおける各冷凍空調機器のブロック構成を示す概略構成図、図３は前記冷凍空調システムにおけるシステムコントローラのブロック構成を示す概略構成図である。
図１において、この実施形態に係る冷凍空調システムは、４つの冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４と、通信線１１を介して冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４のコントローラｂ１〜ｂ４と双方向通信可能に接続されていて冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４の運転を統合管理するシステムコントローラ１００と、冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４の蒸発器のいずれもが空間内に配置された被冷却空間１０と、から構成されている。前記したシステムコントローラ１００は、冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４のコントローラｂ１〜ｂ４と相互通信を行いながらシステム全体を統括管理するものである。
前記した各冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４は互いに独立した構成であり、図２に示すように、それぞれ、圧縮機２１、凝縮器２２、アキュムレータ２５などを有する熱源機ｃ１〜ｃ４と、膨張弁２３、蒸発器２４などを有するユニットクーラａ１〜ａ４と、各冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４の運転をそれぞれに制御する運転制御手段３４を有するコントローラｂ１〜ｂ４と、から構成されている。前記した各熱源機ｃ１〜ｃ４と各ユニットクーラａ１〜ａ４において、圧縮機２１、凝縮器２２、膨張弁２３および蒸発器２４が冷媒配管２８を介して環状に連結されることにより、冷媒回路３２がそれぞれ構成されている。冷媒回路３２の凝縮器２２は送風ファン３０からの送風により冷媒の熱交換が行なわれ、蒸発器２４は送風ファン３１からの送風により冷媒の熱交換が行なわれる。更に、各冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４は、冷媒回路３２の運転状態をそれぞれ検出する運転状態検出手段３５、蒸発器２４の冷媒管表面に付着した着霜を検知する着霜検知手段ＳＡ、および、蒸発器２４の着霜を除去する除霜手段３３を備えている。前記の着霜検知手段ＳＡは、例えば赤外線センサなどで構成される。前記の除霜手段３３は、例えば、冷媒回路３２における圧縮機２１と凝縮器２２の間から膨張弁２３と蒸発器２４の間に迂回接続されたバイパス配管２９と、バイパス配管２９の途中に配備された電磁開閉弁２７と、冷媒回路３２における凝縮器２２の冷媒流通方向下流側に配備された電磁開閉弁２６と、から構成される。冷媒回路３２の通常の冷却運転は、電磁開閉弁２６が開かれ電磁開閉弁２７が全閉にされた状態で行なわれる。一方、除霜運転は、電磁開閉弁２６が全閉にされ電磁開閉弁２７が開かれた状態で行なわれる。
前記のコントローラｂ１〜ｂ４は例えばマイクロコンピュータなどで構成され、冷媒回路３２の運転を制御する運転制御手段３４の機能を有している。また、前記の運転状態検出手段３５は、蒸発器２４の冷媒入口の冷媒温度を検出する蒸発器入口冷媒温度検出手段ＭＩ、蒸発器２４の冷媒出口の冷媒温度を検出する蒸発器出口冷媒温度検出手段ＭＤ、蒸発器２４の吸込み側の空気温度を検出する蒸発器吸込み空気温度検出手段ＭＡＩ、蒸発器２４の吹出し側の空気温度を検出する蒸発器吹出し空気温度検出手段ＭＡＤ、冷媒回路３２における蒸発器２４の下流側の圧力を検出する低圧圧力検出手段ＬＰと、蒸発器２４に送風する送風ファン３１のファン回転数を検出する送風ファン回転数検出手段ＲＡ、および着霜検知手段ＳＡである。これらの手段の検出値または検知値は、コントローラｂ１〜ｂ４のデータ入力部に入力されるようになっている。コントローラｂ１〜ｂ４のデータ出力部からは、圧縮機２１を駆動するインバータモータＭＶ、膨張弁２３、電磁開閉弁２６，２７の各弁駆動部への駆動指令信号が出力されて冷却運転や除霜運転が行なわれる。
前記のシステムコントローラ１００は、図３に示すように、ＣＰＵ４０を中心として構成され、不揮発性のメモリＭＥ、処理時間その他を計時するクロックやタイマなどの計時手段Ｃ、および入出力ポートを有するデータバスＤＢなどを備えている。そして、データバスＤＢの入力側には、冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４のコントローラｂ１〜ｂ４からの信号を取り込むための通信線１１と、外部からの設定データを取り込むためのリモートコントローラ３６がそれぞれ接続されている。データバスＤＢの出力側には、冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４のコントローラｂ１〜ｂ４へ制御指令信号を出力するための通信線１１が接続されている。
前記のＣＰＵ４０は、後で詳述する、統合管理手段４１、除霜開始予定時刻算出手段４２、除霜運転制御手段４３、積算冷却運転算出手段４４、および冷却運転稼働率算出手段４５の各機能をプログラムソフトウェアとして備えている。これらの各機能はプログラムデータとして予めメモリＭＥに格納されているが、必要に応じメモリＭＥから取り出されてＣＰＵ４０で使用される。また、メモリＭＥには、リモートコントローラ３６から設定入力された、冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４に関するデータ、蒸発器２４入出口冷媒温度差の目標設定データ（１℃、２℃、３℃など）、目標設定時刻データ（１分、３０分など）などが予め格納されており、上述した検出・検知手段により検出・検知された各種運転状態データ、およびそれらの履歴データ、あるいは算出された除霜開始予定時刻のソートデータ、システム能力／必要能力の目標比率データなども逐次格納されて利用される。
次に動作について説明する。
上記のように構成された冷凍空調システムによる即時除霜開始指令出力動作を説明する。先ず、冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４のコントローラｂ１〜ｂ４は、次回の除霜開始までの運転時間の初期値Ｘを自身のメモリに保持しており、積算の冷却運転時間がこの初期値Ｘを超えるか、蒸発器２４出口の冷媒過熱度が所定の目標値を下回るか、のいずれかで除霜開始条件を満たすようにしている。前者については初期値ＸとサーモＯＮ／ＯＦＦ間隔より求められる機器の冷却運転稼働率から、後者については、着霜の進行により蒸発器２４の熱交換効率が悪化し、冷媒が蒸発しにくくなることを利用して、蒸発器２４の入口冷媒温度と蒸発器２４の出口冷媒温度の経時的な変化から一定時間経過後の蒸発器２４出口の冷媒過熱度（＝蒸発器２４出口冷媒温度−蒸発器２４入口冷媒温度）を予測し、あらかじめメモリＭＥに記憶している除霜開始基準値に達する見込み時間を計算することで、次回の除霜開始予定時刻を算出し、その除霜開始予定時刻を定期的に、統合管理手段４１を有するシステムコントローラ１００に送信している。斯かる算出は、システムコントローラ１００のＣＰＵ４０で行なわせるようにしてもよい。その場合は、ＣＰＵ４０の除霜開始予定時刻算出手段４２が、運転状態検出手段３５により検出された各冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４の運転状態に基づいて除霜手段３３による除霜運転を開始させる各冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４の除霜開始予定時刻をそれぞれ算出するのである。
上記のように構成された冷凍空調システムによる即時除霜開始指令出力動作を説明する。先ず、冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４のコントローラｂ１〜ｂ４は、次回の除霜開始までの運転時間の初期値Ｘを自身のメモリに保持しており、積算の冷却運転時間がこの初期値Ｘを超えるか、蒸発器２４出口の冷媒過熱度が所定の目標値を下回るか、のいずれかで除霜開始条件を満たすようにしている。前者については初期値ＸとサーモＯＮ／ＯＦＦ間隔より求められる機器の冷却運転稼働率から、後者については、着霜の進行により蒸発器２４の熱交換効率が悪化し、冷媒が蒸発しにくくなることを利用して、蒸発器２４の入口冷媒温度と蒸発器２４の出口冷媒温度の経時的な変化から一定時間経過後の蒸発器２４出口の冷媒過熱度（＝蒸発器２４出口冷媒温度−蒸発器２４入口冷媒温度）を予測し、あらかじめメモリＭＥに記憶している除霜開始基準値に達する見込み時間を計算することで、次回の除霜開始予定時刻を算出し、その除霜開始予定時刻を定期的に、統合管理手段４１を有するシステムコントローラ１００に送信している。斯かる算出は、システムコントローラ１００のＣＰＵ４０で行なわせるようにしてもよい。その場合は、ＣＰＵ４０の除霜開始予定時刻算出手段４２が、運転状態検出手段３５により検出された各冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４の運転状態に基づいて除霜手段３３による除霜運転を開始させる各冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４の除霜開始予定時刻をそれぞれ算出するのである。
そこで、システムコントローラ１００のＣＰＵ４０は、図４のフローチャートに示すように、各冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４から送信されてくる除霜開始予定時刻を時系列的に整理し現在時刻から近い順にソートして、除霜開始予定時刻Ｔｉ，・・・，Ｔｎ（この例ではｎ＝４）としメモリＭＥにいったん格納する（ステップＳ１）。そうして、現在時刻から近い冷凍空調機器の除霜開始予定時刻Ｔ１を判断対象にする（ステップＳ２）。続くステップＳ３では、直近の除霜開始予定時刻Ｔｉ（最初はｉ＝１）からその次に近い除霜開始予定時刻Ｔ（ｉ＋１）までの時刻間隔（Ｔ（ｉ＋１）−Ｔｉ）が、予めメモリＭＥに設定記憶されている目標開始時刻間隔（この例では３０分間）を超えているか否かが判断される。算出した時刻間隔が目標開始時刻間隔を超えている場合は（ステップＳ３のＮｏ）、ステップＳ４およびステップＳ５に移行し、全ての冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４に関してステップＳ３〜Ｓ５の処理が繰り返される。一方、ステップＳ３において、算出した時刻間隔が目標開始時刻間隔以下であった場合（Ｙｅｓ）、システムコントローラ１００の除霜運転制御手段４３は、直近の除霜開始予定時刻Ｔｉが設定されている冷凍空調機器のコントローラに除霜開始指令信号を送信する（ステップＳ６）。除霜開始指令信号を受信した冷凍空調機器のコントローラは、その除霜手段３３を駆動させて蒸発器２４の除霜運転を実行するのである。
すなわち、システムコントローラ１００の除霜運転制御手段４３は、或る冷凍空調機器について算出された除霜開始予定時刻と他の冷凍空調機器について算出された後の直近の除霜開始予定時刻との時刻間隔が、予め設定されている目標開始時刻間隔（例えば３０分間）以下であったときに、或る冷凍空調機器の除霜手段３５に対して除霜開始指令信号を発信する。そして、除霜運転制御手段４３は、除霜開始予定時刻算出手段４２により算出された除霜開始予定時刻に基づいて除霜手段３５による除霜運転を制御するのである。
要するに、システムコントローラ１００は、各冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４間の除霜開始予定時刻の差Ｔｉがユニットの除霜運転に必要な時間Ｙを下回らないかを監視しており、Ｔｉ＜ＹとなるＴｉが存在する場合は、除霜開始予定時刻が最も早い例えば冷凍空調機器Ｇ１に対して即時除霜開始を指令する。冷凍空調機器Ｇ１が除霜終了後、「Ｔｉ＜Ｙ？」の判定を再開し、再びＴｉ＜ＹとなるＴｉが存在する場合は、次に開始予定時刻の早い冷凍空調機器Ｇ３に対して除霜開始を指令する。この制御を繰り返し行い、やむを得ず複数の冷凍空調機器が除霜開始条件を満たした場合は、除霜開始条件を満たしている冷凍空調機器それぞれに除霜運転を開始させるようにしている。
以上に述べたように、この実施の形態１によれば、各冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４間の除霜開始予定時刻の時刻間隔が除霜に必要な時間よりも小さいときに、開始条件を満足していなくても先行して除霜運転開始を指令するようにしているため、同時に複数の冷凍空調機器が除霜運転を開始する可能性を最小限に抑制することが可能となる。
また、各冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４は想定着霜量以下の着霜量の時点で除霜運転を開始するため、着霜過多に伴う圧縮機２１への液バック運転を防止できることに加え、除霜時間短縮による省エネ効果も得ることができる。
更に、除霜開始時刻を指定するスケジュール方式よりも除霜間隔が最適間隔に近くなるため、冷却と除霜を繰り返すサイクル全体での省エネ性の向上にもつなげることができる。
また、各冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４は想定着霜量以下の着霜量の時点で除霜運転を開始するため、着霜過多に伴う圧縮機２１への液バック運転を防止できることに加え、除霜時間短縮による省エネ効果も得ることができる。
更に、除霜開始時刻を指定するスケジュール方式よりも除霜間隔が最適間隔に近くなるため、冷却と除霜を繰り返すサイクル全体での省エネ性の向上にもつなげることができる。
尚、この実施の形態１では、除霜開始予定時刻を算出して推定する除霜開始予定時刻算出手段４２の由来として、積算冷却運転時間および蒸発器出口の冷媒過熱度を用いた。但し、除霜開始予定時刻算出手段の由来としては、この他にも例えば特許第４７６７０５３号公報に記載されているような、ＬＥＤからなる発光素子とＬＥＤからなる受光素子とで構成された着霜検知デバイスを用いる方法や、着霜によるユニットクーラの機内静圧の増加による送風ファン３１のファン回転数ＲＡの低下を検知する方法、蒸発器吸込み空気温度検出手段ＭＡＩによる蒸発器２４の吸込み空気温度と蒸発器吹き出し空気温度検出手段ＭＡＤによる蒸発器２４の吹き出し空気温度との空気温度差、および蒸発器２４入口の冷媒温度をそれぞれ経時的に観測することにより、着霜による熱交換効率の変化を数値化する方法などを採用することも可能の運転である。更には、前述したような、検知パラメータの異なる複数の方法を組合せて使用することで、より多様な環境条件・用途に対しても精度よく除霜開始予定時刻を推定することも可能となる。
その一方で、例えば被冷却空間１０内の保管品の入れ替え頻度が高い用途においては、被冷却空間１０内に外気が侵入して蒸発器２４の吸込み空気温度が乱高下するなど、設置環境・用途によっては検知精度が悪化する推定手段もあるため、コントローラｂ１〜ｂ４に、どの推定手段を用いるかの選択機能を持たせることで、除霜開始予定時刻の予測精度を高めることも可能である。
実施の形態２．
この実施の形態２は、実施の形態１で説明した制御を、必要冷却能力に影響しない範囲で複数の冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４の除霜を可能とするよう改良したものである。
この実施の形態２についても、図１に示した冷凍空調システムと同様の制御に関するものであり、図５はこの発明の実施の形態２における除霜開始指令の判断フローチャート、図６はこの実施の形態２における動作パターン選択の具体例を示している。
この実施の形態２は、実施の形態１で説明した制御を、必要冷却能力に影響しない範囲で複数の冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４の除霜を可能とするよう改良したものである。
この実施の形態２についても、図１に示した冷凍空調システムと同様の制御に関するものであり、図５はこの発明の実施の形態２における除霜開始指令の判断フローチャート、図６はこの実施の形態２における動作パターン選択の具体例を示している。
次に動作について説明する。
このように構成された冷凍空調システムにおいて、システムコントローラ１００が、各冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４から送信されてくる除霜開始予定時刻を時系列的に整理し、各冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４間の除霜開始予定時刻の差Ｔｉがユニットの除霜運転に必要な時間Ｙ（図５の例では３０分間）を下回らないかを監視している点までは実施の形態１と同じである。それに加えて、複数の冷凍空調機器の同時除霜可否判定を行うために、以下の制御を実施する。
このように構成された冷凍空調システムにおいて、システムコントローラ１００が、各冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４から送信されてくる除霜開始予定時刻を時系列的に整理し、各冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４間の除霜開始予定時刻の差Ｔｉがユニットの除霜運転に必要な時間Ｙ（図５の例では３０分間）を下回らないかを監視している点までは実施の形態１と同じである。それに加えて、複数の冷凍空調機器の同時除霜可否判定を行うために、以下の制御を実施する。
具体的な制御例を図５のフローチャートに示す。図５のフローチャートにおけるステップＳ１〜Ｓ５の処理は、実施の形態１における図４のフローチャートで示したものと同じであるので説明は省略する。そこで、ステップＳ３において、算出した時刻間隔が目標開始時刻間隔以下であった場合（Ｙｅｓ）、システムコントローラ１００の除霜運転制御手段４３は、被冷却空間１０（冷蔵庫）内の必要冷却能力、冷媒系統グループごとの冷却能力と除霜運転時のユニットクーラ発熱量に基づき、１グループ目の冷凍空調機器が除霜終了するまで(この実施の形態では除霜を開始してから３０分としている)に次に除霜を開始する予定のグループに対し、同時に除霜運転を開始するグループ数（図５の例でいう変数ｊ）を先ず１とし（ステップＳ７）、１〜ｊ個の除霜運転時のシステム冷却能力Ｑｊを算出する（ステップＳ８）。そして、ステップＳ９では、算出したシステム冷却能力Ｑｊが必要能力未満であるか否かが判断される。ステップＳ９においてシステム冷却能力Ｑｊが必要能力未満であれば（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０で、グループ数ｋをｋ＝２としてステップＳ１１の処理に移行する。ステップＳ９においてシステム冷却能力Ｑｊが必要能力以上であれば（Ｎｏ）、ステップＳ１２で直近の除霜開始予定時刻Ｔｉと同時に除霜運転を開始する除霜開始予定時刻Ｔｊの時刻間隔（Ｔｊ−Ｔｉ）が目標開始時刻間隔（３０分間）を超えているか否かが判定される。ステップＳ１２で時刻間隔が目標開始時刻間隔以下である場合は（Ｎｏ）、同時に除霜運転を開始するグループ数ｊを１つ増やして（ステップＳ１３）、ステップＳ８に戻り、全ての冷凍空調機器Ｇ１〜Ｇ４に関してステップＳ８，Ｓ９，Ｓ１２，Ｓ１３の処理が繰り返される。
一方、ステップＳ１２で時刻間隔が目標開始時刻間隔を超えている場合は（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０を経てステップＳ１１の処理に移行する。
ステップＳ１１では２〜ｋグループの除霜運転時のシステム冷却能力Ｑｋを算出し、ステップＳ１４に移行する。そして、ステップＳ１４では、算出したシステム冷却能力Ｑｋが必要能力未満であるか否かが判断される。ステップＳ１４においてシステム冷却能力Ｑｋが必要能力未満であれば（Ｙｅｓ）、ステップＳ１５で適切な動作パターン（後述の図６参照）が選択され、そこで除霜開始と判断した冷凍空調機器のコントローラに対して除霜開始指令信号が送信される（ステップＳ１６）。そうして、ステップＳ１４でシステム冷却能力Ｑｋが必要能力以上であれば（Ｎｏ）、ｋがｊと等しくなるまで、ステップＳ１８，Ｓ１１，Ｓ１４，Ｓ１７の処理が繰り返される。
ステップＳ１１では２〜ｋグループの除霜運転時のシステム冷却能力Ｑｋを算出し、ステップＳ１４に移行する。そして、ステップＳ１４では、算出したシステム冷却能力Ｑｋが必要能力未満であるか否かが判断される。ステップＳ１４においてシステム冷却能力Ｑｋが必要能力未満であれば（Ｙｅｓ）、ステップＳ１５で適切な動作パターン（後述の図６参照）が選択され、そこで除霜開始と判断した冷凍空調機器のコントローラに対して除霜開始指令信号が送信される（ステップＳ１６）。そうして、ステップＳ１４でシステム冷却能力Ｑｋが必要能力以上であれば（Ｎｏ）、ｋがｊと等しくなるまで、ステップＳ１８，Ｓ１１，Ｓ１４，Ｓ１７の処理が繰り返される。
すなわち、冷蔵庫内の必要冷却能力、冷凍空調機器ごとの冷却能力と除霜時のユニットクーラ発熱量に基づき、１グループ目の冷凍空調機器が除霜終了するまで(この実施の形態では除霜を開始してから３０分としている)に除霜を開始する予定のグループに対し、同時に除霜運転を開始するグループ数（図５の例でいう変数ｊ）を１つずつ増やしていったときのシステム冷却能力Ｑｊが、「Ｑｊ＜必要能力」となるまで繰り返し行われる。
ここで、複数機器同時除霜パターンの選択態様について図６に示す。この図６を用いて説明すると、グループ４およびグループ３がグループ１と同時に除霜を開始したときのシステム能力(＝冷却運転中のグループの冷却能力合計−除霜運転中のグループの除霜時発熱量合計)、およびグループ１のみ除霜運転を先行して行った場合を想定し、グループ４のみ、およびグループ４とグループ３が同時に除霜運転を開始したときのシステム能力を計算し、それぞれの動作パターンについて、必要能力(この実施の形態では２０ｋＷ)を満足している組合せ（パターン１およびパターン２）を選択可能なパターンとして記憶する。
次に、同時に２つのグループが除霜運転を行う必要がある場合に、１回目の除霜運転で行うか、２回目の除霜運転で行うかを判断するための判断材料として、システム能力Ｑｋを計算する。図６に示した説明例の場合、グループ４のみが除霜運転を行うパターン４と、グループ４およびグループ３が自動時に除霜運転を行うパターン５についてＱｋを計算すると、必要能力２０ｋＷを満足するのはパターン４のみとなり、前項の計算結果とあわせると、選択可能な運転パターンはパターン１、パターン２またはパターン４のいずれかになる。
各パターンのシステム能力の計算が完了したら、動作パターンの選択ステップに移行する。この実施の形態の場合、パターン１、パターン２およびパターン４が必要能力を満足しているが、現在時刻１０：００、除霜時間が各３０分必要であるため、３番目に除霜を行うグループ３の除霜開始予定時刻１０：３５までにグループ１からグループ４の順に除霜運転を完了することは不可能であり、パターン４は選択不可となる。
また、パターン１を選択した場合は、１０：３０にグループ４が除霜を開始するが、１０：３５にグループ３の除霜開始が予定されているため、パターン５に入りシステム能力不足に至ることとなるので、これも選択不可となる。よって、この実施の形態の場合、パターン２が選択され、グループ１およびグループ４に対して除霜開始指令が送信される。
上述したように、この実施の形態２によれば、システムの必要能力を満足する範囲で同時に複数の冷凍空調機器の除霜運転を可能としたので、短時間に３つ以上の冷凍空調機器の除霜が予定されている場合であっても、能力不足に至ることなくシステムを運用できる。
また、１つ目の冷凍空調機器の除霜運転を先行で行い、２つ目以降の冷凍空調機器で複数台除霜運転した場合についても判定対象としているため、この実施の形態で示したような、１つ目を先行で除霜運転した後で能力不足に陥るような事例についても、漏れなく防止することが可能となる。
また、１つ目の冷凍空調機器の除霜運転を先行で行い、２つ目以降の冷凍空調機器で複数台除霜運転した場合についても判定対象としているため、この実施の形態で示したような、１つ目を先行で除霜運転した後で能力不足に陥るような事例についても、漏れなく防止することが可能となる。
尚、この実施の形態２では、同一グループ内にある全ての冷凍空調機器を動作パターンの選定対象としているが、同一グループ内に多数の冷凍空調機器が存在する場合は、動作パターン選定のロジックが複雑となり、システムコントローラ１００のパフォーマンス低下につながるおそれがあるため、例えば除霜開始予定時刻が３時間以上空いているなど、除霜開始予定時刻の予測精度が低いと判断されるものを選定対象から外すことにより、システム計算負荷を軽くすることも可能の運転である。
更に、この実施の形態２では、動作パターンの選定対象を１つ目の冷凍空調機器が除霜終了するまでに除霜運転を開始し得るグループとしているが、ブレーカ容量などの制約で同時に除霜開始可能なグループの数に制限がある場合、図５のフローチャートに示す機器数ｊを同時除霜可能なグループ数までに制限することで、上記の制約に対しても解決可能となる。
実施の形態３．
この実施の形態３は、実施の形態１および実施の形態２で説明した制御に加え、システム冷却能力に余裕があるときに能力セーブ運転を行うことで、冷却運転中の省エネルギーも実現できるようにしたものである。
この実施の形態３についても、図１に示した冷凍空調システムと同様の制御に関するものであり、除霜開始指令の判断は実施の形態２と同様で図５に示したフローチャートの内容に沿って行われる。
この実施の形態３は、実施の形態１および実施の形態２で説明した制御に加え、システム冷却能力に余裕があるときに能力セーブ運転を行うことで、冷却運転中の省エネルギーも実現できるようにしたものである。
この実施の形態３についても、図１に示した冷凍空調システムと同様の制御に関するものであり、除霜開始指令の判断は実施の形態２と同様で図５に示したフローチャートの内容に沿って行われる。
次に動作について説明する。
このように構成された冷凍空調システムにおいて、システムコントローラ１００は、実施の形態２で説明した除霜運転間隔の最適制御に加え、現在のシステム能力が必要能力に対し過剰となっていないか否かを判断し、能力過剰の場合に一部の冷凍空調機器を停止させる制御を行なうようにしている。
このように構成された冷凍空調システムにおいて、システムコントローラ１００は、実施の形態２で説明した除霜運転間隔の最適制御に加え、現在のシステム能力が必要能力に対し過剰となっていないか否かを判断し、能力過剰の場合に一部の冷凍空調機器を停止させる制御を行なうようにしている。
具体的には、図５のフローチャートに示す除霜運転間隔の最適制御と並行して、図７のフローチャートに示す能力セーブ運転制御を実行する。
図７のフローチャートでは、システムコントローラ１００において、先ず必要能力に対するシステム能力の能力比が１５０％を超えているか否かが判断される（ステップＳ２１）。ステップＳ２１で能力比が１５０％を超えていれば（Ｙｅｓ）、ステップＳ２２で被冷却空間１０内の庫内温度が上昇しているか否かが判断され、庫内温度が上昇していれなければ（Ｙｅｓ）、ステップＳ２３の処理に移行する。ステップＳ２３では、圧縮機２１のインバータモータＭＶへ送られる駆動信号である運転周波数が継続して低下しているか否かが判断され、運転周波数が継続して低下していれば（Ｙｅｓ）、時刻間隔（Ｔｉ−Ｔ（ｉ−１））が最小となる冷凍空調機器ｉのコントローラに対してサーモ停止の指令信号を送信する（ステップＳ２４）。一方で、ステップＳ２３で運転周波数が継続して低下していなければ（Ｎｏ）、ステップＳ２５で膨張弁２３よりも冷媒流通方向下流側の冷媒回路３２の低圧圧力が継続して低下しているか否かが判断され、低圧圧力が継続して低下していれば（Ｙｅｓ）、前記したステップＳ２４の処理を行なう。ステップＳ２５で低圧圧力が継続して低下していなければ（Ｎｏ）、処理はステップＳ２２に戻されて、ステップＳ２２，Ｓ２３，Ｓ２５の処理が繰り返し実行される。
図７のフローチャートでは、システムコントローラ１００において、先ず必要能力に対するシステム能力の能力比が１５０％を超えているか否かが判断される（ステップＳ２１）。ステップＳ２１で能力比が１５０％を超えていれば（Ｙｅｓ）、ステップＳ２２で被冷却空間１０内の庫内温度が上昇しているか否かが判断され、庫内温度が上昇していれなければ（Ｙｅｓ）、ステップＳ２３の処理に移行する。ステップＳ２３では、圧縮機２１のインバータモータＭＶへ送られる駆動信号である運転周波数が継続して低下しているか否かが判断され、運転周波数が継続して低下していれば（Ｙｅｓ）、時刻間隔（Ｔｉ−Ｔ（ｉ−１））が最小となる冷凍空調機器ｉのコントローラに対してサーモ停止の指令信号を送信する（ステップＳ２４）。一方で、ステップＳ２３で運転周波数が継続して低下していなければ（Ｎｏ）、ステップＳ２５で膨張弁２３よりも冷媒流通方向下流側の冷媒回路３２の低圧圧力が継続して低下しているか否かが判断され、低圧圧力が継続して低下していれば（Ｙｅｓ）、前記したステップＳ２４の処理を行なう。ステップＳ２５で低圧圧力が継続して低下していなければ（Ｎｏ）、処理はステップＳ２２に戻されて、ステップＳ２２，Ｓ２３，Ｓ２５の処理が繰り返し実行される。
すなわち、この実施の形態３では、被冷却空間１０内の必要冷却能力と、グループごとの冷却能力と除霜運転時のユニットクーラ発熱量に基づいて求められるシステム能力とを比較し、システム能力／必要能力の値が１５０％以上といったように、能力に十分余裕があると判断される場合に、能力セーブ運転のルーチンに移行させる。
すなわち、この能力セーブ運転のルーチンでは、蒸発器吸込み空気温度検出手段ＭＡＩで検出された庫内温度、圧縮機２１への運転周波数、および低圧圧力検出手段で検出された蒸発温度における低圧圧力といった各推移により、システム能力が被冷却空間１０内の冷却負荷に対して余裕があることを確認したうえで、図８に説明するように、冷却運転中の冷凍空調機器であって、グループ間の除霜開始予定時刻の時刻間隔が最も短いグループのなかから、除霜開始予定時刻が遅いものをサーモ停止させるのである。
すなわち、この能力セーブ運転のルーチンでは、蒸発器吸込み空気温度検出手段ＭＡＩで検出された庫内温度、圧縮機２１への運転周波数、および低圧圧力検出手段で検出された蒸発温度における低圧圧力といった各推移により、システム能力が被冷却空間１０内の冷却負荷に対して余裕があることを確認したうえで、図８に説明するように、冷却運転中の冷凍空調機器であって、グループ間の除霜開始予定時刻の時刻間隔が最も短いグループのなかから、除霜開始予定時刻が遅いものをサーモ停止させるのである。
以上のように、この実施の形態３によれば、実施の形態２で説明した除霜運転間隔の最適制御に加え、システムの冷却能力に余裕がある場合に一部の冷凍空調機器をサーモ停止させる制御を加えているので、必要な冷却能力を維持しつつ、さらなる省エネ運転を実現することができる。
尚、サーモ停止によりシステム能力が必要能力を下回った場合においても、庫内温度の上昇有無を常に監視する制御としているため、適切なタイミングで停止している冷凍空調機器の冷却運転を再開することができるため、庫内温度の管理と省エネ運転の両立が可能である。
また、グループ間の除霜開始予定時刻の間隔が最も短いグループのうち除霜開始予定時刻が遅いものをサーモ停止させる制御とすることにより、除霜開始予定時刻の間隔を延ばすことになり、２つ同時に除霜運転を開始するというリスクを低減することができる。
尚、サーモ停止によりシステム能力が必要能力を下回った場合においても、庫内温度の上昇有無を常に監視する制御としているため、適切なタイミングで停止している冷凍空調機器の冷却運転を再開することができるため、庫内温度の管理と省エネ運転の両立が可能である。
また、グループ間の除霜開始予定時刻の間隔が最も短いグループのうち除霜開始予定時刻が遅いものをサーモ停止させる制御とすることにより、除霜開始予定時刻の間隔を延ばすことになり、２つ同時に除霜運転を開始するというリスクを低減することができる。
以上にも述べたが、この発明に係る冷凍空調システムは、現在時刻と除霜開始予定時刻の差が所定の値以上の冷凍空調機器を判定対象から外すことを特徴とするものであり、判定対象をシステム内の冷凍空調機器の総数のうち一定数以下とすることを特徴とするものであり、システム冷却能力に余裕があるときに能力セーブ運転を行うことを特徴とするものであり、蒸発器入口の冷媒温度が一定の値以上の時は除霜運転を行わないことを特徴とするものでもある。
また、上記の実施形態では、冷凍空調システムを業務用低温倉庫に適用したものを例示したが、この発明の冷凍空調システムは或る部屋の空調用として適用することも可能である。
１０ 被冷却空間
１１ 通信線
２１ 圧縮機
２２ 凝縮器
２３ 膨張弁
２４ 蒸発器
２５ アキュムレータ
２６ 電磁開閉弁
２７ 電磁開閉弁
２８ 冷媒配管
２９ バイパス配管
３０ 送風ファン
３１ 送風ファン
３２ 冷媒回路
３３ 除霜手段
３４ 運転制御手段
３５ 運転状態検出手段
４０ ＣＰＵ
４１ 統合管理手段
４２ 除霜開始予定時刻算出手段
４３ 除霜運転制御手段
４４ 積算冷却運転算出手段
４５ 冷却運転稼働率算出手段
１００ システムコントローラ
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４ 冷凍空調機器
ａ１，ａ２，ａ３，ａ４ ユニットクーラ
ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４ コントローラ
ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４ 熱源機
Ｃ 計時手段
ＤＢ データバス
ＬＰ 低圧圧力検出手段
ＭＩ 蒸発器入口冷媒温度検出手段
ＭＡＤ 蒸発器吹出し空気温度検出手段
ＭＡＩ 蒸発器吸込み空気温度検出手段
ＭＤ 蒸発器出口冷媒温度検出手段
ＭＥ メモリ
ＭＶ インバータモータ
Ｍ モータ
ＲＡ 送風ファン回転数検出手段
ＳＡ 着霜検知手段。
１１ 通信線
２１ 圧縮機
２２ 凝縮器
２３ 膨張弁
２４ 蒸発器
２５ アキュムレータ
２６ 電磁開閉弁
２７ 電磁開閉弁
２８ 冷媒配管
２９ バイパス配管
３０ 送風ファン
３１ 送風ファン
３２ 冷媒回路
３３ 除霜手段
３４ 運転制御手段
３５ 運転状態検出手段
４０ ＣＰＵ
４１ 統合管理手段
４２ 除霜開始予定時刻算出手段
４３ 除霜運転制御手段
４４ 積算冷却運転算出手段
４５ 冷却運転稼働率算出手段
１００ システムコントローラ
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４ 冷凍空調機器
ａ１，ａ２，ａ３，ａ４ ユニットクーラ
ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４ コントローラ
ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４ 熱源機
Ｃ 計時手段
ＤＢ データバス
ＬＰ 低圧圧力検出手段
ＭＩ 蒸発器入口冷媒温度検出手段
ＭＡＤ 蒸発器吹出し空気温度検出手段
ＭＡＩ 蒸発器吸込み空気温度検出手段
ＭＤ 蒸発器出口冷媒温度検出手段
ＭＥ メモリ
ＭＶ インバータモータ
Ｍ モータ
ＲＡ 送風ファン回転数検出手段
ＳＡ 着霜検知手段。
この発明は、同一の被冷却空間内を冷却する複数の冷凍空調機器と、これらの冷凍空調機器を統括管理するシステムコントローラとを備えていて、除霜運転も行なう冷凍空調システム、およびこれらの冷凍空調機器を統括管理するシステムコントローラに関するものである。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、冷凍空調システムとしての信頼性と、冷却能力の維持と、最適除霜間隔の維持による省エネ性の確保という三者を並立させることのできる冷凍空調システムおよびシステムコントローラを得るものである。
上記目的を達成するために、この発明に係る冷凍空調システムは、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が環状に連結された冷媒回路、冷媒回路の運転状態を検出する運転状態検出手段、ならびに、蒸発器の着霜を除去する除霜手段を有する独立した複数の冷凍空調機器と、複数の冷凍空調機器の運転を統合管理するシステムコントローラと、を備え、システムコントローラは、運転状態検出手段により検出された複数の冷凍空調機器の冷媒回路の運転状態に基づいて、除霜手段による除霜運転を開始させる複数の冷凍空調機器の除霜開始予定時刻をそれぞれ算出する除霜開始予定時刻算出手段と、除霜開始予定時刻に基づいて除霜手段による除霜運転を制御する除霜運転制御手段と、を備え、除霜運転制御手段は、一の冷凍空調機器の除霜開始予定時刻と他の冷凍空調機器の除霜開始予定時刻とが、予め設定されている時間間隔以下であったときに、一の冷凍空調機器の除霜手段に対して除霜開始予定時刻よりも前に除霜を開始することを特徴とするものである。
また、この発明に係るシステムコントローラは、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が環状に連結された冷媒回路と、冷媒回路の運転状態を検出する運転状態検出手段と、蒸発器の着霜を除去する除霜手段とを有する独立した複数の冷凍空調機器を統合管理するシステムコントローラであって、運転状態検出手段により検出された複数の冷凍空調機器の冷媒回路の運転状態に基づいて、除霜手段による除霜運転を開始させる複数の冷凍空調機器の除霜開始予定時刻をそれぞれ算出する除霜開始予定時刻算出手段と、除霜開始予定時刻に基づいて除霜手段による除霜運転を制御する除霜運転制御手段と、を備え、除霜運転制御手段は、一の冷凍空調機器の除霜開始予定時刻と他の冷凍空調機器の除霜開始予定時刻とが、予め設定されている時間間隔以下であったときに、一の冷凍空調機器の除霜手段に対して除霜開始予定時刻よりも前に除霜を開始することを特徴とするものである。
また、この発明に係るシステムコントローラは、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が環状に連結された冷媒回路と、冷媒回路の運転状態を検出する運転状態検出手段と、蒸発器の着霜を除去する除霜手段とを有する独立した複数の冷凍空調機器を統合管理するシステムコントローラであって、運転状態検出手段により検出された複数の冷凍空調機器の冷媒回路の運転状態に基づいて、除霜手段による除霜運転を開始させる複数の冷凍空調機器の除霜開始予定時刻をそれぞれ算出する除霜開始予定時刻算出手段と、除霜開始予定時刻に基づいて除霜手段による除霜運転を制御する除霜運転制御手段と、を備え、除霜運転制御手段は、一の冷凍空調機器の除霜開始予定時刻と他の冷凍空調機器の除霜開始予定時刻とが、予め設定されている時間間隔以下であったときに、一の冷凍空調機器の除霜手段に対して除霜開始予定時刻よりも前に除霜を開始することを特徴とするものである。
この発明の冷凍空調システムおよびシステムコントローラは、各冷凍空調機器間の除霜開始時刻の時刻間隔差が小さいときに、除霜開始条件を満足していなくても先行して除霜運転開始を指令するように構成したので、同時に複数の冷凍空調機器が除霜運転を開始する可能性を最小限に抑制することが可能となる。
Claims (8)
- 圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が環状に連結された冷媒回路、前記冷媒回路の運転状態をそれぞれ検出する運転状態検出手段、ならびに、前記蒸発器の着霜を除去する除霜手段を有する複数の独立した冷凍空調機器と、
前記複数の冷凍空調機器の運転を統合管理するシステムコントローラと、を備え、
前記システムコントローラは、
前記運転状態検出手段により検出された前記複数の冷凍空調機器の前記冷媒回路の運転状態に基づいて、前記除霜手段による除霜運転を開始させる前記複数の冷凍空調機器の除霜開始予定時刻をそれぞれ算出する除霜開始予定時刻算出手段と、
前記除霜開始予定時刻に基づいて前記除霜手段による除霜運転を制御する除霜運転制御手段と、を備え、
前記除霜運転制御手段は、一の冷凍空調機器の前記除霜開始予定時刻と他の冷凍空調機器の前記除霜開始予定時刻とが、予め設定されている時間間隔以下であったときに、前記一の冷凍空調機器の前記除霜手段に対して前記除霜開始予定時刻よりも前に除霜を開始する冷凍空調システム。 - 前記システムコントローラは、前記複数の冷凍空調機器の除霜開始までの積算冷却運転時間を算出する積算冷却運転時間算出手段と、前記複数の冷凍空調機器の冷却運転稼働率を算出する冷却運転稼働率算出手段と、さらにを備え、
前記除霜開始予定時刻算出手段は、前記積算冷却運転時間と前記冷却運転稼働率とに基づいて前記複数の冷凍空調機器の前記除霜開始予定時刻を算出する請求項１に記載の冷凍空調システム。 - 前記複数の冷凍空調機器の蒸発器は、いずれも同一の被冷却空間内に配置されている請求項１または請求項２に記載の冷凍空調システム。
- 前記複数の冷凍空調機器は、前記蒸発器の冷媒管表面に付着した着霜を検知する着霜検知手段を備え、
前記除霜開始予定時刻算出手段は、前記着霜検知手段により検知された着霜度合に基づいて前記複数の冷凍空調機器の前記除霜開始予定時刻を算出する請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷凍空調システム。 - 前記運転状態検出手段は、前記蒸発器の入口の冷媒温度を検出する蒸発器入口冷媒温度検出手段、および前記蒸発器の出口の冷媒温度を検出する蒸発器出口冷媒温度検出手段であり、
前記除霜開始予定時刻算出手段は、前記蒸発器入口冷媒温度と、前記蒸発器出口冷媒温度とに基づいて前記複数の冷凍空調機器の前記除霜開始予定時刻を算出する請求項１から請求項４のいずれかに冷凍空調システム。 - 前記運転状態検出手段は、前記蒸発器に送風する送風ファンの回転数を検出する送風ファン回転数検出手段であり、
前記除霜開始予定時刻算出手段は、前記送風ファンの回転数の経時変化に基づいて前記複数の冷凍空調機器の前記除霜開始予定時刻を算出する請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷凍空調システム。 - 前記運転状態検出手段は、前記蒸発器の入口の冷媒温度を検出する蒸発器入口冷媒温度検出手段、前記蒸発器の吸込み側の空気温度を検出する蒸発器吸込み空気温度検出手段、および、前記蒸発器の吹出し側の空気温度を検出する蒸発器吹出し空気温度検出手段であり、
前記除霜開始予定時刻算出手段は、前記蒸発器入口冷媒温度、前記蒸発器吸込み空気温度、および、前記蒸発器吹出し空気温度のそれぞれの経時変化に基づいて前記複数の冷凍空調機器の前記除霜開始予定時刻を算出する請求項１から請求項６のいずれかに記載の冷凍空調システム。 - システムコントローラは、前記除霜開始予定時刻が予め設定されている時間間隔以下の前記複数の冷凍空調機器について、一または複数同時に除霜運転した場合の動作パターンを作成するとともに、前記動作パターン時の前記冷凍空調機器のシステム能力と、前記冷凍空調機器の必要な冷却能力とに基づいて、前記動作パターンを選定する請求項１から請求項７のいずれかに記載の冷凍空調システム。
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