JPH08121882A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 優れた省エネルギー効果を有するとともに、
冷蔵又は冷凍チャンバー等の保存物の種類や性状に適し
た冷蔵又は冷凍温度を安定に維持する冷凍装置を提供す
る。 【構成】 冷凍装置に備えた制御機構により、予め設定
した目標圧力と運転中の冷媒ガスの吸入圧力との偏差を
基準にして冷却能力を制御するとともに、冷媒ガスの吸
入圧力を一定に維持し、冷凍装置のエネルギー効率を高
めるように構成してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、優れた省エネルギー効
果を有するとともに、冷蔵又は冷凍チャンバー等の保存
物の種類や性状に適した冷蔵又は冷凍温度を安定に維持
する冷凍装置を提供する。

【０００２】

【従来の技術】従来、冷凍装置は、駆動モータにより圧
縮機を駆動させ、圧縮機の吸入部から吸入した冷媒ガス
を圧縮し、この圧縮冷媒ガスを凝縮器において液化す
る。つづいて、この液化冷媒は膨張弁を経て、冷蔵又は
冷凍チャンバー等に設置した蒸発器において蒸発、ガス
化して冷媒ガスとなって再び圧縮機の吸入部に戻るサイ
クルを繰り返して、上記チャンバー等の冷却を行うもの
である。従来、冷凍装置の安定な運転や省エネルギー等
には、冷却能力の制御が重要であることが知られてい
る。

【０００３】従来の冷凍装置における冷却能力の制御
は、圧縮機の吸入部と蒸発器との間に設けた２個の感圧
器の作動によりなされてきた。すなわち冷媒ガスの吸入
圧力が、上記感圧器の一つに設定した上限圧力に達した
ところで駆動モータを起動させ、つづいて該冷媒ガスの
吸入圧力が他方の感圧器に設定した下限圧力に到ったと
きに駆動モータを停止させる二作動方式により、冷却能
力の制御を行ってきた。

【０００４】そして、冷凍装置の駆動モータの動力源に
は従来、電力会社から受電した電源をそのまま用いてい
た。また、受電した電源と駆動モータの間にインバータ
ーを備えることにより、省エネルギーを図り、安定な運
転を目指した冷凍装置も使用されてきた。さらに、冷却
能力の異なる複数の冷凍装置を並列運転することによ
り、省エネルギーを図る運転方法も採られてきた。しか
し、インバーターを備えた冷凍装置の場合でも、冷却能
力の異なる複数の冷凍装置を並列運転する場合でも、冷
却能力の制御は上記と同様に、二作動方式が用いられて
きた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の冷凍装置の冷却
能力の制御は、前述した通り、冷媒ガスの吸入圧力を上
限と下限とで制御する二作動方式によっていたが、しか
し、運転中の冷凍装置内には冷媒ガスと液化冷媒とが常
に滞留しており、そのため、冷媒は駆動モータの起動、
冷却、駆動モータの停止とは時間が遅れて液化、ガス化
を経て冷凍装置内を循環移動している。

【０００６】このため、冷媒ガスの吸入圧力が低下し上
記下限圧力に到って駆動モータが停止しても、一時的
に、さらに上記下限圧力より低下した冷媒ガスが蒸発器
から流れて過冷却を引き起こす。この過冷却は、駆動モ
ータが定速度で回転しているために、冷媒ガスの吐出量
が過剰になる傾向にあり、そのため冷却が行き過ぎるこ
とが主要因である。これを防ぐため、冷媒ガスの吸入圧
力の下限圧力を高めに設定すると上記の二作動が頻繁に
繰り返されて、冷凍装置の寿命を損なうという問題点が
あった。また、上記時間遅れのため、冷却能力を冷却負
荷の変動に追従して制御することが困難であるという問
題点があった。

【０００７】次に、冷媒ガスの吸入圧力が上記上限圧力
に回帰して、駆動モータが起動したときには、駆動モー
タは定速度で回転するが、過冷却により、冷媒ガスの吸
入圧力が低いため冷媒ガスの比重は低く、圧縮機は一時
的に空運転に近い軽負荷での運転となる。そのため、冷
却能力は低下し、かつ駆動モータの効率は低下して電力
の過剰消費となり、さらに圧縮機等の寿命を損なうとい
う問題点があった。

【０００８】また、冷媒ガスの吸入圧力は、二作動方式
の制御と連動して脈動を繰り返すため、冷凍装置の運転
中に冷却能力が周期的に変動して、上記のチャンバー内
の温度の変動要因になるという問題点があった。かつ、
運転中に、蒸発器表面に着霜しやすく霜取り作業の頻度
が増え、保守管理に工数を要するという問題点があっ
た。

【０００９】この冷媒ガスの過冷却は、また熱力学的な
エネルギー損失の要因になっていた。すなわち、冷凍装
置内での冷媒の循環移動のサイクルにおいて、冷却に有
効に作用するのは、液化した冷媒のエンタルピーと、蒸
発器においてガス化した冷媒のエンタルピーとの差分で
ある。圧縮はこのサイクルを行うための手段であり、大
まかにいえば、圧縮に要するエネルギーすなわち、駆動
モータが消費する電力が直接冷却に関係するわけではな
いから、過冷却による冷媒ガスの吸入圧力の低下は熱力
学的なエネルギー損失の要因にもなっている。そのた
め、冷媒ガスの吸入圧力は、所要の目標圧力に維持する
のが望まれているという課題があった。

【００１０】受電電源と駆動モータとの間にインバータ
ーを備えた冷凍装置においては、駆動モータの回転数が
制御されるため、上記問題点の幾分かは解消されている
が、しかし、省エネルギー効果はインバーターへの投資
に見合うほどにはならないという問題点があった。冷却
能力の異なる複数の冷凍装置を並列運転することにより
低負荷のときには冷却能力の低い冷凍装置で冷却する運
転方式においても、投資と据付スペースに見合うだけの
省エネルギー効果は得られないという問題点があった。

【００１１】本発明は、上記の問題点や課題を解決する
ため、冷媒ガスの吸入圧力を所要の目標圧力に維持する
とともに、冷却負荷に追従して冷却能力を制御する制御
機構を備えた冷凍装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明冷凍装置は、上記
の目的を達成するため、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と該
圧縮機を駆動する駆動モータと、該圧縮機に順次接続し
た凝縮器、膨張弁、蒸発器とからなり、かつ該蒸発器を
導管を介して該圧縮機の吸入部に接続してある冷凍装置
であって、該圧縮機と該蒸発器との間に圧力センサーを
設け、該圧力センサーが時間間隔をおいてリアルタイム
で検知した該冷媒ガスの吸入圧力を、目標圧力設定器を
備えた制御ユニットに伝送するようにしてあるととも
に、該制御ユニットには、該目標圧力設定器により設定
した目標圧力と該冷媒ガスの吸入圧力との偏差を基準に
して、冷却能力制御信号に負帰還を加えてリアルタイム
処理で段階的に該冷却能力制御信号を補正するプログラ
ムを組み込み、かつインバーターの出力電流信号を接続
してある一方、該冷却能力制御信号をインバーターに入
力してあり、かつ該インバーターの出力を該駆動モータ
の入力に接続した制御機構を備えてあることを特徴とす
る。

【００１３】上記駆動モータは、誘導モータであること
を特徴とする。上記冷却能力制御信号は、周波数制御信
号と電圧制御信号とからなることを特徴とする。上記冷
却能力制御信号を補正するプログラムは、上記目標圧力
と上記冷媒ガスの吸入圧力との偏差を基準にして、上記
周波数制御信号の周波数に負帰還を加えてリアルタイム
処理で段階的に該周波数を補正するプログラム及び、該
周波数のリアルタイム処理と同期して、上記電圧制御信
号の電圧を段階的に補正するプログラムとからなること
を特徴とする。上記電圧制御信号の電圧を補正するプロ
グラムは、上記周波数のリアルタイム処理と同期して、
上記駆動モータの等価回路のインピーダンスを演算する
プログラム及び、上記インバーターの出力電流信号の電
流を該インピーダンスに乗積するプログラムとからなる
ことを特徴とする。

【００１４】

【作用】冷凍装置の冷却能力は、圧縮機の吸入部におけ
る冷媒ガスの比重と、圧縮機からの単位時間当たりの吐
出容積量との積算値に、凝縮器で液化されたときの冷媒
の単位量当たりのエンタルピーと、該液化冷媒が蒸発器
でガス化されたときのエンタルピーとの差分を乗算した
カロリー量に比例する。ここで、冷媒ガスの比重は、冷
媒ガスの吸入圧力に比例する。

【００１５】上記により、圧縮機の回転数が同じであれ
ば、冷媒ガスの吸入圧力が高い方が冷却能力は増大す
る。冷媒ガスの吸入圧力が一定であれば、圧縮機の回転
数は高い方が冷却能力は増大する。しかし、圧縮機の回
転数を所要の冷却能力に見合う回転数に維持するには、
駆動モータにかかる負荷トルクに応じた電力を駆動モー
タに給電する必要がある。さらに、冷蔵又は冷凍チャン
バー等から受ける外乱に追従して冷却能力を制御すれ
ば、原則、該チャンバー等の温度は冷媒ガスの吸入圧力
により決まる。

【００１６】本発明冷凍装置は、先ず冷媒ガスの吸入圧
力を所要の目標圧力に維持するため冷媒ガスの吸入圧力
を時間間隔をおいてリアルタイムに検知し、この目標圧
力とこの検知した吸入圧力との偏差を基準にして、冷却
能力制御信号に負帰還を加えてリアルタイム処理で段階
的に冷却能力制御信号を補正するようにしてある。これ
により、冷凍装置内での冷媒の循環移動の時間遅れに追
従して冷却能力を制御する。それと同時に、駆動モータ
にかかる負荷トルクに応じた電力を駆動モータに給電す
る。このようにして、冷蔵又は冷凍チャンバー等から受
ける外乱に追従して冷凍装置の冷却能力を制御する。冷
媒ガスの吸入圧力を所要の目標圧力に維持することによ
り、冷凍装置内での冷媒のサイクルによる熱力学的な効
率を高めるとともに、過冷却の問題や冷却能力の低下、
駆動モータの効率低下等の問題や課題を解決する。

【００１７】

【実施例】本発明の実施例から以下、本発明冷凍装置の
構成及び作用、効果を説明する。図１中符号１は本発明
冷凍装置の実施例であり、この冷凍装置１は、本発明の
構成要素の一つである制御機構２を備えている。

【００１８】制御機構２は、主に圧力センサー３と、目
標圧力設定器８を備えた制御ユニット７及びインバータ
ー９とから構成されている。この目標圧力設定器８は、
目標圧力を設定する操作部を備えている。圧力センサー
３は、圧縮機４の吸入部と蒸発器５の出口とに接続され
た導管６から分岐した短い導管１０に接続して、圧縮機
４と蒸発器５との間に設けてあり、圧力センサー３は制
御ユニット７に接続してある。

【００１９】本実施例では、駆動モータ１１に三相誘導
モータを用いており、電力会社から受電した三相交流電
源１２をインバーター９に接続してあり、インバーター
９の出力は駆動モータ１１の入力に接続してある。この
インバーター９は三相交流の可変電圧可変周波数のイン
バーターである。

【００２０】制御ユニット７からの冷却能力制御信号
は、周波数制御信号１３と電圧制御信号１４とからな
り、この冷却能力制御信号をインバーター９に入力して
ある。そして、インバーター９からは、インバーター９
の出力電流信号２１を制御ユニット７に接続してある。

【００２１】駆動モータ１１は圧縮機４を駆動する。圧
縮機４の吐出部からの導管１５は凝縮器１６に接続して
あり、凝縮器１６には冷却装置１７を備えてある。凝縮
器１６の出口からの導管１９は膨張弁１８を経て蒸発器
５の入口に接続してあり、この蒸発器５は、冷蔵又は冷
凍チャンバー２０の中に設置されている。

【００２２】制御機構２の制御ユニット７には、目標圧
力設定器８の操作部により設定した目標圧力と、圧力セ
ンサー３が検知した冷媒ガスの吸入圧力の偏差を基準に
して冷却能力制御信号に負帰還を加えてリアルタイム処
理で段階的に冷却能力制御信号を補正するプログラムを
組み込んである。この冷却能力制御信号を補正するプロ
グラムは周波数制御信号１３の周波数を補正するプログ
ラム及び、電圧制御信号１４の電圧を補正するプログラ
ムとからなっている。

【００２３】周波数制御信号１３の周波数を補正するプ
ログラムは、上記の偏差を基準にして、周波数制御信号
１３の周波数に負帰還を加えてリアルタイム処理で段階
的に周波数制御信号１３の周波数を補正する。電圧制御
信号１４の電圧を補正するプログラムは、周波数制御信
号１３の周波数のリアルタイム処理と同期して、駆動モ
ータ１１の等価回路のインピーダンスを演算するプログ
ラム及び、インバーター９からの出力電流信号２１の電
流を該インピーダンスに乗積するプログラムとからなっ
ており、電圧制御信号１４の電圧をリアルタイム処理で
段階的に補正する。

【００２４】冷凍装置１の運転にさいしては、先ず目標
圧力設定器８の操作部により所要の目標圧力を設定す
る。目標圧力の設定は、冷蔵又は冷凍チャンバー等の温
度条件等を考慮して定める。この目標圧力は直ちに制御
ユニット７に伝送される。この目標圧力は冷凍装置１の
冷却能力を制御するただ一のつ制御目標である。かつ、
圧力センサー３が検知した冷媒ガスの吸入圧力も直ちに
制御ユニット７に伝送される。この操作と、上記の補正
プログラムの作用とにより、制御ユニット７からの冷却
能力制御信号は、運転中、リアルタイム処理で段階的に
補正されて行く。冷却能力の制御は、設定した目標圧力
と、圧力センサー３が検知した冷媒ガスの吸入圧力の偏
差を基準にした負帰還を加えたリアルタイム処理による
段階的な周波数の補正が基本であり、電圧の補正は、駆
動モータ１１にかかる負荷トルクの変動に追従するため
の制御である。

【００２５】冷凍装置１は、上記の作用により、冷媒ガ
スの吸入圧力を目標圧力に維持しながら、優れた省エネ
ルギー効果を発揮するとともに、負荷トルクの変動に対
して、追従して冷却能力を制御して行く。本発明の冷凍
装置のこの作用と効果とは、実証テストからも実証され
ている。

【００２６】上記実証テストは、６店舗において現に稼
働中の冷蔵又は冷凍チャンバーにより秘密下に実施し
た。このチャンバーは魚介類、肉類、野菜類や乳製品等
を陳列し、収容し、保存しているものである。６店舗と
も冷凍装置は全て従来のものであって、電力会社から受
電した三相交流電源をそのまま冷凍装置の三相誘導モー
タに接続してあり、かつ冷凍能力の制御は、従来の二作
動方式によっているものである。

【００２７】テストは２回に分けて、それぞれ２４時間
の連続運転を実施した。一つは対照のために、既設の従
来の冷凍装置をそのまま使用したテストであった。いま
一つは本発明の実証テストであり、そのため、既設の冷
凍装置から二作動方式の制御装置を取り外し、それに替
わって、本発明の構成要素である前述の制御機構２をそ
のままインバーター９も含めて取り付けて構成し直した
ものを使用した。この構成により、この実証テストは実
態上、本発明冷凍装置により実施したものと同一と見做
せる。以下、実証テストの説明においては、これを本発
明冷凍装置と記載してある。

【００２８】店舗Ａ乃至Ｆの６店舗で実施した本発明冷
凍装置と、従来の冷凍装置との比較一覧（実証テストの
成績）を表１に示してある。表１は、本発明冷凍装置を
使用して２４時間連続運転した実証テストと、従来の冷
凍装置を使用して別の日に２４時間の連続運転を実施し
た対照テストとの比較である。

【表１】 本発明冷凍装置の実証テストの成績は、対照のために実
施した従来の冷凍装置の消費電力量との差により評価し
てある。２４時間の連続運転に消費された電力量の省エ
ネルギー効果は、表１の省電力率の項目に示してある。
本発明冷凍装置の省エネルギー効果は、従来の冷凍装置
に較べて、１８乃至３９パーセントときわめて高い値に
達している。ここに、本発明冷凍装置の省エネルギー効
果が実証されている。

【００２９】以下、店舗Ａにおいて実施した実証テスト
を例に、表２と表３に沿って詳細を説明する。

【表２】 表２は、店舗Ａにおける実証テストの成績（詳細）を２
４時間連続運転中に３０分間ごとに記録した消費電力量
の経緯で示したものである。店舗Ａは、夜間は閉店して
おり、この時間帯は冷蔵又は冷凍チャンバーからの外乱
はほとんどなく定常的な放熱とバランスするための運転
が行われている。開店時間中は外乱要因が加わった状態
での運転が行われている。その変化は表２からも容易に
分かる。表３は、この変化をグラフで示してある。正午
前後から夕刻にかけての来客が多い時間帯では、冷凍装
置にとって外乱要因が増大し、消費電力量は急増してい
る。この時間帯においても、本発明冷凍装置は、従来の
冷凍装置と比較して、大きな省エネルギー効果を発揮し
ている。

【表３】

【００３０】上記、店舗Ａにおける実証テスト中に、本
発明冷凍装置と従来の冷凍装置との運転データをチャー
トに記録してある。従来の冷凍装置の運転データでは、
冷媒ガスの吸入圧力は、最小０．７キログラム／平方セ
ンチメートル、最大２．３キログラム／平方センチメー
トルの間で脈動を繰り返している。それに対し、本発明
冷凍装置の運転データでは、冷媒ガスの吸入圧力は、目
標圧力の３キログラム／平方センチメートルにほぼ一定
に維持されて推移している。これは、本発明冷凍装置の
構成要素の一つである制御機構の制御効果を実証してい
る。かつ、冷媒ガスの吸入圧力を目標圧力に維持して冷
凍装置の運転を制御しようとした本発明の動機付けを実
証している。店舗Ｂ乃至Ｆの５店舗における実証テスト
の詳細は、上記店舗Ａの場合と同様であった。

【００３１】さらに、店舗Ａ乃至Ｆの６店舗において、
本発明冷凍装置は、従来の冷凍装置に比較して、運転中
における着霜量や着霜の頻度が格段に少ないとの高い評
価を得ている。そのため、保守管理も容易であると評さ
れている。

【００３２】本発明冷凍装置は、複数の冷却能力の異な
るものを並列運転してチャンバーや冷凍倉庫等を冷却す
ることは容易に実施できる。この並列運転により、さら
に省エネルギー効果を発揮できる。三相誘導モータに代
わって単相誘導モータを用いてもよい。本発明冷凍装置
の駆動モータに直流モータを用いることは容易に実施で
きる。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、上記に説明したように構成さ
れているので、下記に記載の効果を発揮する。

【００３４】本発明冷凍装置に備えた制御機構により、
冷媒ガスの吸入圧力は、所要の目標圧力に維持される。
これにより、本発明冷凍装置は優れた省エネルギー効果
を発揮するとともに、冷蔵又は冷凍チャンバー等の保存
物の性状等に適した温度を維持する。

【００３５】運転中における着霜量や着霜のきわめて僅
かであり、保守管理は容易である。

【００３６】冷却能力制御信号は、リアルタイム処理に
より構成されており、冷却負荷の変動に追従して冷凍装
置の冷却能力を制御する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明冷凍装置の構成を示すブロック説明図

【符号の説明】

１ 本発明冷凍装置 ２ 制御機構 ３ 圧力センサー ４ 圧縮機 ７ 制御ユニット ８ 目標圧力設定器 ９ インバーター １１ 駆動モータ １３ 周波数制御信号 １４ 電圧制御信号 ２１ 出力電流信号

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒ガスを圧縮する圧縮機と該圧縮機を
   駆動する駆動モータと、該圧縮機に順次接続した凝縮
   器、膨張弁、蒸発器とからなり、かつ該蒸発器を導管を
   介して該圧縮機の吸入部に接続してある冷凍装置であっ
   て、該圧縮機と該蒸発器との間に圧力センサーを設け、
   該圧力センサーが時間間隔をおいてリアルタイムで検知
   した該冷媒ガスの吸入圧力を、目標圧力設定器を備えた
   制御ユニットに伝送するようにしてあるとともに、該制
   御ユニットには、該目標圧力設定器により設定した目標
   圧力と該冷媒ガスの吸入圧力との偏差を基準にして、冷
   却能力制御信号に負帰還を加えてリアルタイム処理で段
   階的に該冷却能力制御信号を補正するプログラムを組み
   込み、かつインバーターの出力電流信号を接続してある
   一方、該冷却能力制御信号をインバーターに入力してあ
   り、かつ該インバーターの出力を該駆動モータの入力に
   接続した制御機構を備えてあることを特徴とする冷凍装
   置。
2. 【請求項２】 上記駆動モータは、誘導モータであるこ
   とを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
3. 【請求項３】 上記冷却能力制御信号は、周波数制御信
   号と電圧制御信号とからなることを特徴とする請求項１
   又は２記載の冷凍装置。
4. 【請求項４】 上記冷却能力制御信号を補正するプログ
   ラムは、上記目標圧力と上記冷媒ガスの吸入圧力との偏
   差を基準にして、上記周波数制御信号の周波数に負帰還
   を加えてリアルタイム処理で段階的に該周波数を補正す
   るプログラム及び、該周波数のリアルタイム処理と同期
   して、上記電圧制御信号の電圧を段階的に補正するプロ
   グラムとからなることを特徴とする請求項１乃至３記載
   のいずれかの冷凍装置。
5. 【請求項５】 上記電圧制御信号の電圧を補正するプロ
   グラムは、上記周波数のリアルタイム処理と同期して、
   上記駆動モータの等価回路のインピーダンスを演算する
   プログラム及び、上記インバーターの出力電流信号の電
   流を該インピーダンスに乗積するプログラムとからなる
   ことを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかの冷凍
   装置。