JP2007170802A - 冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】
従来より、コンビニエンスストア等の店舗に設置される低温ショーケースや店舗内の空調をするための空気調和機は、圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器などを環状に配管接続した冷媒回路を備えている。このような冷媒回路において、前記圧縮機の高圧側圧力が低い方が成績係数（ＣＯＰ）が良いが、低外気温時に凝縮圧力が著しく低下してしまい、高圧側と低圧側の圧力差が小さくなるため膨張弁が作動しても冷媒が流れない問題があった。
【解決手段】
本発明は、前記冷媒回路を有する冷凍サイクル装置において、低外気温時に、前記圧縮機の低圧側圧力と高圧側圧力の圧力差が設定値又は設定範囲内となるように前記圧縮機の容量及び／又は凝縮器の凝縮能力等を制御することを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器を環状に配管接続した冷媒回路によって構成される冷凍サイクルに関するものであり、特に低外気温時の運転制御に関するものである。

従来より、コンビニエンスストア等の店舗に設置される低温ショーケースや店舗内の空調をするための空気調和機は、圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器を環状に配管接続した冷媒回路を備えている（特許文献１参照）。
特開平４−２４４４６号公報

上記のような冷媒回路において、低外気温時には圧縮機の高圧側圧力が低くなり成績係数（ＣＯＰ）が良くなるものの、凝縮圧力が著しく低下してしまうため高圧側圧力と低圧側圧力の圧力差が小さくなってしまう。このような状態では、減圧装置の上流側（凝縮器側）の圧力もまた著しく低下してしまうため、減圧装置が開いた時に冷媒が蒸発器内に流れず、ショーケース等の冷却を行うことができないという問題があった。

本発明は係る従来の課題を解決するために成されたものであり、低外気温時において成績係数を良好に保つと共に、減圧装置の前後で所定の圧力差を確保することを目的とした冷凍サイクルを提供するものである。

請求項１記載の発明は、圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器を配管接続した冷凍システムにおいて、前記凝縮器は凝縮能力の制御が可能な凝縮器であり、前記圧縮機の低圧側及び高圧側に設けられた圧力センサと、前記凝縮器の周囲の温度を計測する温度センサを備え、前記温度センサによって検出された外気温が所定値よりも高い時は前記低圧側圧力センサによって検出された低圧側圧力に応じて前記凝縮器の凝縮能力を制御し、前記外気温が所定値よりも低い時は前記低圧側圧力センサ及び高圧側圧力センサによって検出された低圧側圧力と高圧側圧力の圧力差に応じて前記凝縮器の凝縮能力を制御することを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の冷凍システムにおいて、前記外気温が所定値よりも低く、前記圧力差が設定範囲の下限値を下回った場合、前記凝縮器の凝縮能力を低下させることを特徴とするものである。

本発明によれば、圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器を配管接続した冷凍システムにおいて、前記凝縮器は凝縮能力の制御が可能な凝縮器であり、前記外気温が所定値より高い時は前記圧縮機の低圧側圧力に応じて前記凝縮器の凝縮能力を制御し、前記外気温が所定値より低い時は前記圧縮機の低圧側圧力と高圧側圧力の圧力差に応じて前記凝縮器の凝縮能力を制御する。特に前記外気温が所定値よりも低く、前記圧力差が設定範囲の下限値を下回った場合、前記凝縮器の凝縮能力を低下させることにより、凝縮圧力の下がり過ぎを防止し、前記減圧装置前後の圧力差を設定範囲内にすることができる。前記減圧装置が作動した際にはこの圧力差によって、冷媒が適正に減圧されて前記蒸発器内に流入するため、低外気温時においても冷却が可能となる。さらに、前記圧力差を設定範囲内にすることで、前記圧縮機の高圧側圧力の上昇によるＣＯＰの低下を防ぐことができる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態を説明する。なお各図面において、破線により囲まれている箇所は減圧装置及び蒸発器を備えた低温ショーケースや空調機等の室内機を表している。また、各実施例において使用する冷媒はＨＦＣ系冷媒を想定しているが、これに限らず、ＨＣ系冷媒や二酸化炭素等の自然冷媒でも同様の効果を奏する。

図１は本発明を適用した冷凍サイクルの冷媒回路である。図１において、１はインバータ制御可能な圧縮機（容量制御可能な圧縮機）、２は凝縮器、３は膨張弁（減圧装置）、４は蒸発器であり、これらによって前記冷凍サイクル装置の冷媒回路は構成されている。

また、１１は前記圧縮機１の容量を制御するコントローラであり、１２は凝縮器温度センサ、１３は外気温センサ、１４は高圧側圧力センサ、１５は低圧側圧力センサであり、各センサからの信号は前記コントローラ１１に入力される。入力された信号によってコントローラ１１は圧縮機１の容量を制御する。

以上の構成で圧縮機１が起動されると、圧縮機１にて圧縮された高温高圧のガス冷媒は圧縮機１から吐出され、凝縮器２に入り冷却される。冷却された冷媒は気液混合状態となり、膨張弁３を介して蒸発器４に流入する。膨張弁３において冷媒は絞られることで減圧され、蒸発器４において蒸発することで冷却を行う。この蒸発器４において蒸発した低温低圧のガス冷媒は圧縮機１に再び吸い込まれ、冷凍サイクルが構成されている。

なお、本実施例において、膨張弁３は蒸発器４の出口温度を検知する感温筒によって開度が変化するサーモバルブを用いているが、蒸発器４の出口温度に対応して電子的に開度が制御される電子膨張弁を使用しても構わない。

コントローラ１１は、外気温センサ１３からの出力に基づき、例えば０℃以上などの常温時には、低圧側圧力センサ１５からの入力を基に圧縮機１の容量を制御する。よって、蒸発器４が十分冷却されている場合は膨張弁３が閉じるため、低圧側圧力が低下し高圧側圧力が上昇する。

この高圧側圧力の上昇により、冷凍サイクル装置のＣＯＰが低下してしまうため、低圧側圧力センサ１５が低圧側圧力の低下を検知した場合、コントローラ１１は圧縮機１の容量を低減させ省エネ運転を行う。

また、ショーケース等の温度が上昇し、蒸発器４が冷却動作を開始すると、膨張弁３が開くため低圧側圧力が上昇し高圧側圧力が低下する。この状況が継続すると冷媒の不足による冷凍サイクル装置の冷却能力の低下や、圧力差の減少により冷媒が流れにくくなる。

よって、低圧側圧力センサ１５が低圧側圧力の上昇を検知した場合、コントローラ１１は圧縮機１の容量を増加させ、高圧側圧力を高くすることで前記圧力差を大きくする。

一方、外気温が０℃以下のような低外気温時には、コントローラ１１は低圧側圧力センサ１５及び高圧側圧力センサ１４の出力による圧力差に基づいて圧縮機１の制御を行う。

前記圧力差が設定値−αで表される下限値よりも小さい場合は冷媒が流れにくくなるため、コントローラ１１は圧縮機１の容量を増加させ高圧側圧力を上昇させることで前記圧力差を維持する。

上記の制御により、前記圧力差を設定値−α（設定範囲の下限）以上にすることで、膨張弁３が作動した際には冷媒が適正に減圧され、前記ショーケース等において冷却を行うことができる。

また、前記圧力差が設定値＋αで表される上限値よりも大きい場合には、高圧側圧力の上昇により圧縮機１のＣＯＰが低下するため、圧縮機１の容量を低下させ高圧側圧力の上昇を抑える。なお、前記圧力差が下限値以上かつ上限値以下の場合には圧縮機１の容量制御は行わない。

図２は本発明を適用した冷凍サイクルの冷媒回路である。この図において、５―ａ及び５―ｂは圧縮機、２は凝縮器、３は膨張弁、４は蒸発器であり、これらによって前記冷凍サイクル装置の冷媒回路を構成している。

また、１１は前記圧縮機５―ａ及び５―ｂの運転を制御するコントローラであり、１２は凝縮器温度センサ、１３は外気温センサ、１４は高圧側圧力センサ、１５は低圧側圧力センサであり、各センサからの信号は前記コントローラ１１に入力される。入力された信号によってコントローラ１１は圧縮機５―ａ及び５―ｂの運転を制御する。

以上の構成で圧縮機５―ａ又は５―ｂが起動されると、圧縮機５―ａ又は５―ｂにて圧縮された高温高圧のガス冷媒は圧縮機５―ａ又は５―ｂから吐出され、凝縮器２に入り冷却される。冷却された冷媒は気液混合状態となり、膨張弁３を介して蒸発器４に流入する。膨張弁３において冷媒は絞られることで減圧され、蒸発器４において蒸発することで冷却を行う。この蒸発器４において蒸発した低温低圧のガス冷媒は圧縮機５―ａ又は５―ｂに再び吸い込まれ、冷凍サイクルが構成されている。

なお、本実施例において、膨張弁３は蒸発器４の出口温度を検知する感温筒によって開度が変化するサーモバルブを用いているが、蒸発器４の出口温度に対応して電子的に開度が制御される電子膨張弁を使用しても構わない。

コントローラ１１は、外気温センサ１３からの入力に基づき、例えば０℃以上などの常温時には、低圧側圧力センサ１５からの入力を基に圧縮機５―ａ及び５―ｂの作動・停止
を制御する。蒸発器４が十分冷却されている場合は膨張弁３が閉じるため、低圧側圧力が低下し高圧側圧力が上昇する。この高圧側圧力の上昇により冷凍サイクル装置のＣＯＰが低下してしまう。

よって、低圧側圧力センサ１５が低圧側圧力の低下を検知した場合、コントローラ１１は例えば圧縮機５―ａ及び圧縮機５―ｂの両方が動作している時は、圧縮機５―ｂを停止させ、圧縮機５―ａのみを動作させることで、冷凍サイクル装置の圧縮機の容量を低減させ、省エネ運転を行う。

また、前記ショーケース等の温度が上昇し、蒸発器４が冷却動作を開始すると、膨張弁３が開くため低圧側圧力が上昇し高圧側圧力が低下する。この状況が継続すると冷媒の不足による冷凍サイクル装置の冷却能力低下や、圧力差の減少により冷媒が流れにくくなる。

よって、低圧側圧力センサ１５が低圧側圧力の低下を検知した場合、コントローラ１１は例えば圧縮機５―ａ及び圧縮機５―ｂの両方を作動させ、前記圧縮機の高圧側圧力を高くすることで前記圧力差を大きくする。

一方、外気温が０℃以下のような低外気温時には、コントローラ１１は低圧側圧力センサ１５及び高圧側圧力センサ１４の出力による圧力差に基づいて圧縮機５―ａ及び５―ｂの制御を行う。

前記圧力差が設定値−αで表される下限値よりも小さいと冷媒が流れにくくなるため、コントローラ１１は例えば圧縮機５―ａしか動作していない場合は、圧縮機５―ａ及び５―ｂの両方を作動させ、高圧側圧力を上昇させることで前記圧力差を維持する。

上記制御により、前記圧力差を設定値−α以上にすることで、膨張弁３が作動した際には冷媒が適正に減圧され、前記ショーケース等において冷却を行うことができる。

また、前記圧力差が設定値＋αで表される上限値よりも大きい場合には、高圧側圧力の上昇により圧縮機５―ａ及び５―ｂのＣＯＰが低下してしまう。よって、この様な状態の場合、コントローラ１１は例えば圧縮機５―ａ及び５―ｂの両方が動作している時は、圧縮機５―ａを停止させ高圧側圧力の上昇を抑える。なお、前記圧力差が下限値以上かつ上限値以下の場合には圧縮機５―ａ及び５―ｂの制御は行わない。

図３は本発明を適用した冷凍サイクルの冷媒回路である。この図において、６は圧縮機、２は凝縮器、３は膨張弁、４は蒸発器であり、これらによって前記冷凍サイクル装置の冷媒回路を構成している。２１は凝縮器２を空冷するための凝縮器用送風機であり、モータ２２によって駆動される。凝縮器２はこのモータ２２の回転数によって凝縮能力を変化させることができる。

また、１１は凝縮器用送風機２１のモータ２２の回転数を制御するコントローラであり、１２は凝縮器温度センサ、１３は外気温センサ、１４は高圧側圧力センサ、１５は低圧側圧力センサであり、各センサからの信号は前記コントローラ１１に入力される。入力された信号によってコントローラ１１は凝縮器用送風機２１のモータ２２の回転数を制御する。

以上の構成で圧縮機６が起動されると、圧縮機６にて圧縮された高温高圧のガス冷媒は圧縮機６から吐出され、凝縮器２に入り冷却される。この際、凝縮器用送風機２１のモー
タ２２の回転数によって凝縮器２の凝縮能力は変化する。

冷却された冷媒は気液混合状態となり、膨張弁３を介して蒸発器４に流入する。膨張弁３において冷媒は絞られることで減圧され、蒸発器４において蒸発することで冷却を行う。この蒸発器４において蒸発した低温のガス冷媒は圧縮機６に再び吸い込まれ、冷凍サイクルが構成されている。

なお、本実施例において、膨張弁３は蒸発器４の出口温度を検知する感温筒によって開度が変化するサーモバルブを用いているが、蒸発器４の出口温度に対応して電子的に開度が制御される電子膨張弁を使用しても構わない。

コントローラ１１は、外気温センサ１３からの入力に基づき、例えば０℃以上などの常温時には、凝縮器２の温度センサ１２からの入力を基にモータ２２の回転数を制御する。例えば、凝縮器２に流入した冷媒の温度が高い時はモータ２２の回転数を上昇させ放熱を促し、逆に凝縮器２に流入した冷媒の温度が低く放熱の必要がない時はモータ２２の回転数を低下させ省エネを図る。

また、ショーケース等の温度が上昇し、蒸発器４が冷却動作を開始すると、膨張弁３が開くため低圧側圧力が上昇し高圧側圧力が低下する。この状況が継続すると冷媒の不足によって冷凍サイクル装置の冷却能力低下するため、コントローラ１１はモータ２２の回転数を上昇させて蒸発器４に流入する冷媒の温度を下げることで冷却能力を高める。

一方、外気温が０℃より低いような低外気温時には、コントローラ１１は低圧側圧力センサ１５及び高圧側圧力センサ１４の出力による圧力差に基づいて凝縮器用送風機２１のモータ２２の制御を行う。前記圧力差が設定値−αで表される下限値よりも小さいと冷媒が流れにくくなるため、コントローラ１１はモータ２２の回転数を低下させ凝縮圧力の低下を抑えることで圧力差を維持する。

また、前記圧力差が設定値＋αで表される上限値よりも大きい場合には、高圧側圧力の上昇により圧縮機６のＣＯＰが低下するため、コントローラ１１はモータ２２の回転数を上昇させ凝縮圧力を低下させる。なお、前記圧力差が下限値以上かつ上限値以下の場合にはモータ２２の回転数の制御は行わない。

上記制御により、高外気温時には高圧側圧力の過度な上昇を抑えることで冷凍サイクル装置のＣＯＰを改善することができる。また、低外気温時には前記圧力差を設定値±α（設定範囲）内にすることで、膨張弁３が作動した際には冷媒が適正に減圧され、冷却を行うことができる。さらに低外気温時においても、前記圧力差が大きくなり過ぎないように制御を行うことで、冷凍サイクル装置のＣＯＰを改善することができる。

なお、実施例では外気温によってコントローラ１１による制御方法を切り換えたが、常時圧縮機の高圧側圧力と低圧側圧力との圧力差が設定値又は設定範囲内となるように運転制御を行ってもよい。実施例２では圧縮機の数を２台としているが、台数に制限はない。

また、実施例３では凝縮器２の容量制御方法として送風機のモータ２２の回転数を用いているが、これに限らず凝縮器の表面積を変化させるものや、用いる凝縮器の台数を変更する方法などでもよい。

また、各実施例において圧縮機や凝縮器の容量制御を個別に行っているが、例えば、圧縮機の容量制御と凝縮器の容量制御を同時に行うことで、個別に制御を行った場合よりも大きな効果を得ることができる。

なお、実施例１、実施例２及び実施例３の制御を行う際には、いずれの場合においても前記設定値又は前記設定範囲を０．４５ＭＰａ以上とすることで膨張弁３の誤動作を防ぐことができることを確認している。

本発明を適用した冷凍システムの冷媒回路図である（実施例１）。 本発明を適用した冷凍システムの冷媒回路図である（実施例２）。 本発明を適用した冷凍システムの冷媒回路図である（実施例３）。

符号の説明

１ インバータ制御可能な圧縮機
２ 凝縮器
３ 膨張弁
４ 蒸発器
５―ａ、５―ｂ、６ 圧縮機
１１ コントローラ
１２ 凝縮器温度センサ
１３ 外気温センサ
１４ 圧縮機高圧側センサ
１５ 圧縮機低圧側センサ
２１ 凝縮器冷却用送風機
２２ 凝縮器冷却用送風機用モータ

Claims (2)

1. 圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器を配管接続した冷凍システムにおいて、
   前記凝縮器は凝縮能力の制御が可能な凝縮器であり、
   前記圧縮機の低圧側及び高圧側に設けられた圧力センサと、
   前記凝縮器の周囲の温度を計測する温度センサを備え、
   前記温度センサによって検出された外気温が所定値よりも高い時は前記低圧側圧力センサによって検出された低圧側圧力に応じて前記凝縮器の凝縮能力を制御し、
   前記外気温が所定値よりも低い時は前記低圧側圧力センサ及び高圧側圧力センサによって検出された低圧側圧力と高圧側圧力の圧力差に応じて前記凝縮器の凝縮能力を制御することを特徴とする冷凍システム。
   
2. 前記外気温が所定値よりも低く、
   前記圧力差が設定範囲の下限値を下回った場合、
   前記凝縮器の凝縮能力を低下させることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。