JP6031987B2

JP6031987B2 - 冷却装置

Info

Publication number: JP6031987B2
Application number: JP2012272519A
Authority: JP
Inventors: 崇志白木; 後藤　幹生; 幹生後藤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2032-12-13
Also published as: JP2014119138A

Description

本発明は、冷却装置に関する。

ショーケース等の商品の冷蔵・冷凍に用いる冷却装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器を接続した冷却回路を備える。

冷却回路の膨張弁には、温度膨張弁と電子膨張弁とがあるが、近年の冷却回路では電子膨張弁を用いることが多い。電子膨張弁は、電気的な制御パルスにより開度を変えることができ、温度膨張弁に比べてきめ細やかな制御が可能である。そのため、電子膨張弁を用いた冷却回路では、蒸発器の入口における冷媒の温度と蒸発器の出口における冷媒の温度との温度差（過熱度）を目標値の近くに保った効率的な冷却が可能となる。

電子膨張弁の開度は、過熱度が予め設定した目標値になるようフィードバック制御する。具体的には、過熱度が目標値よりも高い場合は電子膨張弁の開度を大きくし、過熱度が目標値よりも低い場合は開度を小さくする。

ところが、この種の冷却回路には、冷却開始時に過熱度が大きく上昇して目標値よりも大きくなり、その後大きく下降する傾向がある。このため、冷却開始時から過熱度が目標値になるよう電子膨張弁の開度を制御すると、過熱度が大きくなった際に電子膨張弁の開度が大きくなり、過熱度が下降するときに開度の制御が追いつかないことがある。開度の制御が追いつかない場合、過熱度が目標値を大きく下回り、蒸発器から圧縮機に液冷媒が戻ってしまい、液冷媒の圧縮により圧縮機が破損する恐れがある。

このような液冷媒の圧縮を防ぐために、冷却開始時には電子膨張弁を所定の開度に固定し、過熱度が目標値に近づいてから開度の制御を開始するようにしたものがある（例えば、特許文献１を参照。）。

特開平０４−３６６３６５号公報

しかしながら、冷却開始時に電子膨張弁を所定の開度に固定する場合、開度が小さいと、過熱度が目標値に近づくまでの時間が長くなる。逆に電子膨張弁の開度が大きいと、大きく上昇した過熱度が下降する際に目標値を大きく下回り、液冷媒の圧縮により圧縮機が破損する恐れがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、冷却開始時に短時間で過熱度を目標値に近づけることができ、かつ液冷媒の圧縮による圧縮機の破損を防止することが可能な冷却装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係る冷却装置は、圧縮機、凝縮器、電子膨張弁、及び蒸発器を接続した冷却回路と、前記蒸発器の入口及び出口における冷媒の温度から算出される過熱度が予め定めた目標値になるよう前記電子膨張弁の開度をフィードバック制御する制御手段とを備える冷却装置であって、前記制御手段は、前記圧縮機を起動して冷却を開始した場合には、前記フィードバック制御を開始する前に、前記電子膨張弁を第１の開度に設定した後、過熱度の時間変化が上昇から下降に変わった場合に前記電子膨張弁を第１の開度よりも小さい第２の開度に設定する処理を実施することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る冷却装置は、上記請求項１に係る冷却装置において、前記制御手段は、前記電子膨張弁を第２の開度にした状態で過熱度が目標値よりも大きい設定値まで下降した場合に、前記フィードバック制御を開始することを特徴とする。

本発明の冷却装置が備える制御手段は、冷却開始時に電子膨張弁を第１の開度にし、過熱度の時間変化が上昇から下降に変わった場合に電子膨張弁を第１の開度よりも小さい第２の開度にする。

冷却開始時の蒸発器の過熱度は、上記のように冷媒が蒸発器に馴染むまでは大きく上昇し、その後大きく下降する傾向がある。過熱度の時間変化が上昇から下降に変わった場合に電子膨張弁を第１の開度よりも小さい第２の開度に変えると、下降する過熱度の速度を小さくできる。そのため、電子膨張弁の開度の制御が追いつかずに過熱度が目標値を大きく下回ってしまう事態を防げ、液冷媒の圧縮による圧縮機の破損を防ぐことができる。なお、電子膨張弁を第１の開度から第２の開度に変えるタイミングは、過熱度の時間変化が上昇から下降に変わった時点でもよいし、上昇から下降に変わった時点から所定の時間が経過した後でもよい。また、第１の開度から第２の開度に変えるタイミングは、過熱度の時間変化が上昇から下降に変わった後、下降する過熱度が所定の値以下になったときでもよい。

また、過熱度が上昇から下降に変わった場合に電子膨張弁の開度を小さくするので、それ以前の第１の開度を大きくすることができる。そのため、冷却開始直後に蒸発器に流れ込む冷媒の量を多くでき、短時間で冷媒を蒸発器に馴染ませることができる。これにより、短時間で過熱度を目標値に近づけることができる。

図１は、本発明の実施の形態である冷却装置の主要構成を示す図である。図２は、冷却開始後の過熱度の時間変化と電子膨張弁の開度との関係を示す図である。図３は、制御手段で実行する電子膨張弁の開度の制御処理を示すフロー図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る冷却装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

図１は、本発明の実施の形態である冷却装置の主要構成を示す図である。

本実施の形態の冷却装置は、図１に示すように、冷却回路１と、制御手段７と、入口温度センサ８Ａと、出口温度センサ８Ｂとを備える。

冷却回路１は、圧縮機２と、凝縮器３と、電子膨張弁４と、蒸発器５とを配管６Ａ〜６Ｄで接続した既知の構成のものである。この冷却回路１は、圧縮機２を起動して冷却を開始すると、圧縮機２で圧縮した気体状態の冷媒を凝縮器３で液冷媒にした後、電子膨張弁４で膨張させて気液二相の冷媒にする。気液二相の冷媒は蒸発器５で蒸発した後、圧縮機２に戻る。

電子膨張弁４は、弁本体と、弁本体を開閉するパルスモータとを備える。パルスモータは、制御手段７の電子膨張弁駆動部７０１からの駆動パルスにより駆動して弁本体を所定の開度にする。

制御手段７は、電子膨張弁駆動部７０１と、過熱度算出部７０２と、過熱度変化監視部７０３と、比較部７０４と、開度設定部７０５と、圧縮機制御部７０６と、記憶部７０７とを備える。記憶部７０７には、第１の開度、第２の開度、目標値ＳＨ_０、フィードバック制御開始値ＳＨ_Ｆ、フィードバック制御プログラム等が格納されている。

電子膨張弁駆動部７０１は、後述する開度設定部７０５により設定された電子膨張弁４の開度と対応する駆動パルスを生成し、電子膨張弁４のパルスモータに出力する。過熱度算出部７０２は、入口温度センサ８Ａ及び出口温度センサ８Ｂにより検知した冷媒の温度差を過熱度ＳＨとして算出する。入口温度センサ８Ａは蒸発器５の入口における冷媒の温度を検知し、出口温度センサ８Ｂは蒸発器５の出口における冷媒の温度を検知する。

過熱度変化監視部７０３は、過熱度算出部７０２で算出した過熱度の時間変化ＳＨ´を監視する。比較部７０４は、過熱度算出部７０２で算出した過熱度ＳＨとフィードバック制御開始値ＳＨ_Ｆ又は目標値ＳＨ_０とを比較する。開度設定部７０５は、冷却装置（冷却回路１）の運転状況に応じて、電子膨張弁４の開度を第１の開度、第２の開度、又はフィードバック制御プログラムにより決定される開度に設定する。

圧縮機制御部７０６は、冷却開始指令が入力された場合に圧縮機２を起動させ、以後圧縮機２の動作（回転速度等）を制御する。

本実施の形態の冷却装置は、初回動作時や除霜後の冷却再開時に冷却開始指令が入力されると、圧縮機２を起動するとともに、電子膨張弁４の開度を以下の要領で制御する。

図２は、冷却開始後の過熱度の時間変化と電子膨張弁の開度との関係を示す図である。

図１に示した冷却回路１では、圧縮機２を起動して冷却を開始すると、図２に示すように、過熱度ＳＨは大きく上昇して目標値ＳＨ_０よりも大きくなった後、下降して目標値ＳＨ_０に近づく傾向がある。本実施の形態の冷却装置では、この傾向に基づき、冷却を開始した直後の過熱度ＳＨが大きく上昇している間は電子膨張弁４を第１の開度に設定し、過熱度ＳＨが上昇から下降に変わった時点で電子膨張弁４を第１の開度よりも小さい第２の開度に設定する。そして、電子膨張弁４を第２の開度にした状態で過熱度ＳＨが目標値ＳＨ_０に近いフィードバック制御開始値ＳＨ_Ｆまで下降した時点で、過熱度ＳＨが予め定めた目標値ＳＨ_０になるようにする電子膨張弁４の開度の制御（フィードバック制御）を開始する。これにより、下降する過熱度ＳＨが図２に示した破線のように目標値を大きく下回ってしまう事態を防ぎ、液冷媒の圧縮による圧縮機２の破損を防ぐ。

図３は、制御手段で実行する電子膨張弁の開度の制御処理を示すフロー図である。

制御手段７による電子膨張弁４の開度の制御処理（弁開度制御処理）では、図３に示すように、まず、第１の開度、第２の開度、目標値ＳＨ_０、フィードバック制御開始値ＳＨ_Ｆ等を設定する（ステップＳ１０１）。第１の開度は、冷媒が蒸発器５にすばやく馴染むよう大きな値にすることが好ましく、例えば圧縮機２の圧力差が定格下限値に安全係数を見込んだ値となるような開度に設定する。第２の開度は、圧縮機２における液冷媒の圧縮を防止するため目標値ＳＨ_０に近い過熱度になるような値にすることが好ましい。除霜後の冷却再開時の場合、第２の開度は、例えば前回動作サイクル時の定常状態における開度にする。目標値ＳＨ_０及びフィードバック制御開始値ＳＨ_Ｆは、既知の冷却装置と同様に設定する。なお、除霜後の冷却再開時のように、すでに設定されている値を利用できる場合には、ステップＳ１０１を省略してもよい。

その後、冷却開始指令が入力されると（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、開度設定部７０５により電子膨張弁４の開度を第１の開度に設定し（ステップＳ１０３）、電子膨張弁駆動部７０１を通じて電子膨張弁４を第１の開度にする。続けて、過熱度算出部７０２による過熱度ＳＨの算出を開始する（ステップＳ１０４）。

次に、過熱度変化監視部７０３により過熱度の時間変化ＳＨ´を監視し（ステップＳ１０５）、時間変化ＳＨ´が０以下になると（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）、次のステップＳ１０７に進む。時間変化ＳＨ´が０より大きい正の値の場合（ステップＳ１０６：Ｎｏ）、過熱度変化監視部７０３によるステップＳ１０５、Ｓ１０６を繰り返す。

過熱度の時間変化ＳＨ´が０以下になると（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）、開度設定部７０５により電子膨張弁４の開度を第１の開度よりも小さい第２の開度に設定し（ステップＳ１０７）、電子膨張弁駆動部７０１を通じて電子膨張弁４を第２の開度にする。

電子膨張弁４を第２の開度にした後は、比較部７０４により過熱度ＳＨとフィードバック制御開始値ＳＨ_Ｆとの比較を定期的に行う（ステップＳ１０８）。そして、過熱度ＳＨがフィードバック制御開始値ＳＨ_Ｆ以下になったら（ステップＳ１０８：Ｙｅｓ）、過熱度ＳＨと目標値ＳＨ_０との差に基づいた電子膨張弁４の開度の制御を開始する（ステップＳ１０９）。

ステップＳ１０９では、記憶部７０７のフィードバック制御プログラムを実行し、過熱度ＳＨが目標値ＳＨ_０になるように電子膨張弁４の開度をフィードバック制御をする。具体的には、ＰＩＤ制御等により、過熱度ＳＨが目標値ＳＨ_０よりも高い場合は電子膨張弁４の開度を大きくし、過熱度ＳＨが目標値ＳＨ_０よりも低い場合は電子膨張弁４の開度を小さくする。

また、ステップＳ１０９の制御を実施している際に冷却終了指令が入力されると（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）、冷却動作及び弁開度制御処理を終了する。

本実施の形態の弁開度制御処理では、過熱度ＳＨが上昇から低下に変わった時点で電子膨張弁４を第１の開度よりも小さい第２の開度に変えるので、下降する過熱度ＳＨの速度を小さくできる。また、第２の開度に設定した後、下降する過熱度ＳＨが目標値ＳＨ_０になる前に、過熱度ＳＨが目標値ＳＨ_０になるようする電子膨張弁４の制御を開始する。これにより、下降した過熱度ＳＨが図２に示した破線のように目標値を大きく下回ってしまう事態を防げ、液冷媒の圧縮による圧縮機２の破損を防ぐことができる。

また、過熱度ＳＨの時間変化が上昇から下降に変わった時点で電子膨張弁４の開度を小さくするので、それ以前の第１の開度を大きくすることができる。そのため、冷却開始直後に蒸発器５に流れ込む冷媒の量を多くでき、短時間で冷媒を蒸発器５に馴染ませることができる。これにより、短時間で過熱度ＳＨを目標値ＳＨ_０に近づけることができる。

なお、第１の開度、第２の開度、及びフィードバック制御開始値ＳＨ_Ｆは、冷却回路の特性等に応じて適宜設定すればよい。その際、フィードバック制御開始値ＳＨ_Ｆは、目標値ＳＨ_０以下でも構わないが、液冷媒の圧縮による圧縮機２の破損を防ぐには目標値ＳＨ_０よりも大きな値にすることが好ましい。

また、電子膨張弁４の開度を第１の開度から第２の開度に変えるタイミングは、図２に示したような過熱度ＳＨの時間変化が上昇から下降に変わった時点に限らず、上昇から下降に変わった時点から所定の時間が経過した後でもよい。さらに、第１の開度から第２の開度に変えるタイミングは、過熱度ＳＨの時間変化が上昇から下降に変わった後、下降する過熱度ＳＨが所定の値以下になったときでもよい。同様に、フィードバック制御を開始するタイミングも、過熱度ＳＨがフィードバック制御開始値ＳＨ_Ｆ以下になった時点に限らず、フィードバック制御開始値ＳＨ_Ｆ以下になった時点から所定の時間が経過した後等でもよい。

１冷却回路
２圧縮機
３凝縮器
４電子膨張弁
５蒸発器
６Ａ〜６Ｄ配管
７制御手段
７０１電子膨張弁駆動部
７０２過熱度算出部
７０３過熱度変化監視部
７０４比較部
７０５開度設定部
７０６圧縮機制御部
７０７記憶部
８Ａ入口温度センサ
８Ｂ出口温度センサ

Claims

圧縮機、凝縮器、電子膨張弁、及び蒸発器を接続した冷却回路と、前記蒸発器の入口及び出口における冷媒の温度から算出される過熱度が予め定めた目標値になるよう前記電子膨張弁の開度をフィードバック制御する制御手段とを備える冷却装置であって、
前記制御手段は、前記圧縮機を起動して冷却を開始した場合には、前記フィードバック制御を開始する前に、
前記電子膨張弁を第１の開度に設定した後、過熱度の時間変化が上昇から下降に変わった場合に前記電子膨張弁を第１の開度よりも小さい第２の開度に設定する処理を実施することを特徴とする冷却装置。
前記制御手段は、前記電子膨張弁を第２の開度にした状態で過熱度が目標値よりも大きい設定値まで下降した場合に、前記フィードバック制御を開始することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。