JP2001272121A - ２段圧縮冷凍装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ２段圧縮式ロータリーコンプレッサ１２、凝
縮器、第１と第２の電子膨張弁１８、３６、中間冷却
器、キャピラリーチューブ３８および蒸発器４０を冷媒
配管により接続して冷凍サイクルを構成する２段圧縮冷
凍装置１０において、中間冷却器の手前に設けた第１の
電子膨張弁と蒸発器に接続されるキャピラリーチューブ
の手前に設けた第２の電子膨張弁の開度をキャピラリー
チューブの入口側に設けた温度センサ５２と蒸発器の入
口側および出口側に設けた温度センサ５４および５６の
各検出温度と設定基準温度に基づきマイコンを含む制御
回路５８により自動調整すると共にコンプレッサ１２を
インバータ回路５０により回転数制御して蒸発器４０に
供給される冷媒流量を制御する。 【効果】 この発明によれば、低圧圧力（蒸発温度）の
調整を可能とし、また、コンプレッサ１２の停止時に冷
媒が高圧側から低圧側に流入するのを防止し、再運転時
の各部温度安定までの到達時間を短縮できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は２段圧縮冷凍装置の制
御方法に関し、特にたとえば２段圧縮冷凍サイクルの減
圧装置として電子膨張弁とキャピラリーチューブを使用
した２段圧縮冷凍装置の制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、２シリンダ型の２段圧縮式ロー
タリーコンプレッサを用いた２段圧縮冷凍サイクルは、
減圧作用を行う膨張弁前の温度を下げ、過冷却を大きく
とれる特徴があるので蒸発器において十分な冷却作用を
発揮することができる。

【０００３】しかし、運転開始時には気体の状態、もし
くは気体と液体の２相状態の冷媒を膨張させるために、
例えばキャピラリーチューブを用いると、チューブ内径
が大きくなる。また、定常運転時には膨張弁前は液冷媒
であるため、理論上は数十メートルの長さを必要とする
ことになる。逆に、キャピラリーチューブの内径を小さ
くすると加工が困難になる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】また、キャピラリーチ
ューブの代わりに電子膨張弁を使用した場合でも、オリ
フィス径を小さくしないと低圧圧力を調節できず、小さ
いオリフィス径は加工が困難になる。さらに、コンプレ
ッサ停止後に電子膨張弁を閉じると、冷媒が高圧側から
低圧側の蒸発器内に流れ込み、蒸発器内が高圧となり、
例えば冷蔵庫の場合には庫内温度が上昇して再起動時に
安定状態になるまでに相当の時間を要し、運転効率が悪
くなるという問題がある。

【０００５】それゆえに、この発明の主たる目的は、２
段圧縮冷凍サイクルにおける減圧装置として電子膨張弁
とキャピラリーチューブを併用し、電子膨張弁の弁開度
を適宜制御することによりキャピラリーチューブの実質
的な長さを調整して運転効率のよい２段圧縮冷凍装置の
制御方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、低段側圧縮
部と高段側圧縮部を有する２段圧縮式コンプレッサ、凝
縮器、第１と第２の電子膨張弁、中間冷却器、キャピラ
リーチューブおよび蒸発器とを冷媒配管により接続して
中間冷却サイクルと主冷却サイクルを含む冷凍サイクル
を構成する２段圧縮冷凍装置において、（ａ）蒸発器の
入口側温度を検出する温度センサによる検出温度と設定
された各基準温度とを判定し、（ｂ）その結果に応じて
インバータ手段によりコンプレッサの運転周波数を設定
してこのコンプレッサの運転を開始し、（ｃ）運転開始
後に第１および第２の電子膨張弁の開度を所定開度に設
定し、さらに（ｄ）コンプレッサの運転を一定時間継続
した後、第２の電子膨張弁の開度を半開にするようにし
た、２段圧縮冷凍装置の制御方法である。

【０００７】

【作用】２段圧縮冷凍装置において、蒸発器の入口側温
度に応じて運転周波数を設定してコンプレッサの運転を
開始し、その後第１および第２の電子膨張弁の開度を夫
々２０％と全開（１００％）にして一定時間コンプレッ
サの運転を継続した後、第２の電子膨張弁の開度を半開
（５０％）にするので、コンプレッサの始動時には蒸発
器における冷媒の蒸発温度は高くなる（＝蒸発圧力は高
くなる）が、大量の冷媒を蒸発器に流せるため冷凍能力
は大きくできる。また、コンプレッサ始動直後におい
て、第２の電子膨張弁近傍の冷媒状態は、過冷却がとれ
ておらずガス状態であるが、この膨張弁開度を全開にし
ているので蒸発器に対する冷媒流量も不足することはな
い。

【０００８】

【発明の効果】この発明によれば、運転開始時には蒸発
器に対する冷媒流量を十分確保されるので、大きな冷凍
能力を得ることができ、効率のよい２段圧縮冷凍サイク
ルが可能となる。

【０００９】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳
細な説明により一層明らかとなろう。

【００１０】

【実施例】図１に示すこの発明による制御方法を実施し
た２段圧縮冷凍装置１０は、低段側圧縮部１２ａ、高段
側圧縮部１２ｂおよび両圧縮部１２ａと１２ｂを互いに
１８０度位相をずらして回転駆動せしめる電動機部１２
ｃとを有する２シリンダ型の２段圧縮式ロータリーコン
プレッサ１２、凝縮器１４、後述の第３の中間冷却器１
６、第１の電子膨張弁１８、後述の第１の中間冷却器２
０および合流器としてのアキュムレ−タ２２を冷媒配管
２４および２６、分岐配管２８、冷媒配管３０および３
２により環状に接続して構成される中間冷却サイクル
と、ロータリーコンプレッサ１２、凝縮器１４、第３の
中間冷却器１６、第２の中間冷却器３４、第２の電子膨
張弁３６、第１の中間冷却器２０、キャピラリーチュー
ブ３８および蒸発器４０を冷媒配管２４および２６、分
岐配管４２、冷媒配管４４および４６により環状に接続
して構成される主冷却サイクルとを含む。また、ロータ
リーコンプレッサ１２の低段側圧縮部１２ａの吐出側と
アキュムレータ２２とは冷媒配管４８で接続されてい
る。

【００１１】そして、２段圧縮冷凍装置１０を構成する
冷媒回路内には、例えばＲ−１３４ａなどのＨＦＣ冷媒
やＨＣ冷媒が所定量封入され、ロータリーコンプレッサ
１２の潤滑油はエステル油、エーテル油、アルキルベン
ゼン油、鉱物油などが利用されるが、この実施例におい
ては、冷媒としてＲ−１３４ａが用いられ、また、潤滑
油としてエステル油が使用されている。

【００１２】次に上述の２段圧縮冷凍装置１０における
冷却動作の概要を説明する。

【００１３】図１において、電動機部１２ｃによりロー
タリーコンプレッサ１２が駆動されると、実線矢印で示
されるように、低段側圧縮部１２ａに吸込まれて１段目
の圧縮をされたガス冷媒は冷媒配管４８を通りアキュム
レータ２２に流入し、ここで第３の中間冷却器１６を経
由した低温ガス冷媒と合流して高段側圧縮部１２ｂに吸
込まれる。

【００１４】そして、高段側圧縮部１２ｂで２段目の圧
縮をされて吐出される高温高圧ガス冷媒は、冷媒配管２
４を経由して凝縮器１４に流入し、そこで放熱して凝縮
されて液状冷媒となり第３の中間冷却器１６と熱交換し
た後、冷媒配管２６を通り分岐配管２８および４２によ
り二方に分岐される。

【００１５】一方の分岐配管２８を流れる液状冷媒はそ
の後第１の電子膨張弁１８で減圧され、第１の中間冷却
器２０および第３の中間冷却器１６を経由する過程で周
囲から熱を奪うことにより気化して低圧ガス冷媒とな
り、冷媒配管３０からアキュムレータ２２に流入し、そ
こでロータリーコンプレッサ１２の低段側圧縮部１２ａ
から冷媒配管４８を通り吐出される低圧ガス冷媒と合流
して冷媒配管３２よりロータリーコンプレッサ１２の高
段側圧縮部１２ｂに吸入される。

【００１６】また、他方の分岐配管４２を流れる液状冷
媒は、第２の中間冷却器３４で熱交換した後、第２の電
子膨張弁３６で減圧され、第１の中間冷却器２０におい
て第１の電子膨張弁１８で減圧された冷媒とさらに熱交
換を行い過冷却された後、キャピラリーチューブ３８で
減圧されて蒸発器４０に流入し、そこで蒸発する。この
時周囲から熱を奪うことによって蒸発器４０は冷却作用
を発揮する。

【００１７】さらに、蒸発器４０を出た低圧低温ガス冷
媒は、第２の中間冷却器３４を通過する間に第３の中間
冷却器１６より供給される液状冷媒と熱交換して冷媒配
管４６を通りロータリーコンプレッサ１２の低段側圧縮
部１２ａに吸引される。

【００１８】この低段圧縮部１２ａから吐出された一段
目の圧縮ガス冷媒は冷媒配管４８を通り前述した如くア
キュムレータ２２にて第３の中間冷却器１６を出た低温
ガス冷媒と合流した後、冷媒配管３２から高段圧縮部１
２ｂに吸引され、前述の様にさらに２段目の圧縮がなさ
れる。以後同様のサイクルが繰り返し行われることによ
り２段圧縮冷凍サイクル運転が維持されるものである。

【００１９】上述の説明より明らかな如く、第３の中間
冷却器１６において凝縮器１４から供給される液状冷媒
を過冷却すると共に、キャピラリーチューブ３８および
蒸発器４０に流れる他方の冷媒をさらに第１の中間冷却
器２０および第２の中間冷却器３４において過冷却する
ことができる。

【００２０】ここで、図１に示される２段圧縮冷凍装置
の制御動作の概要について説明する。

【００２１】先ず、ロータリーコンプレッサ１２は、イ
ンバータ回路５０により回転数が制御される電動機部１
２ｃにより駆動制御される。

【００２２】また、キャピラリーチューブ３８の入口側
管部に第１の温度センサ５２を設けると共に、蒸発器４
０の入口側管部と出口側管部には第２の温度センサ５４
および第３の温度センサ５６を夫々設け、これらの各温
度センサ５２、５４および５６で検出された検出信号を
入力とするマイコンを含む制御回路５８により第１の電
子膨張弁１８および第２の電子膨張弁３６の弁開度を制
御すると共に、インバータ回路５０を介してロータリー
コンプレッサ１２を周波数制御により駆動制御する。ま
た、各電子膨張弁１８および３６は図示されないステッ
ピングモータを含む弁駆動部１９および３７を備え、こ
の弁駆動部１９および３７により弁開度が自動調整され
る。

【００２３】そして、キャピラリーチューブ３８の入口
側管部を流れる冷媒を過冷却のとれた液状態にする必要
がある。もしも、十分に過冷却がとれていない場合や、
２相状態（液冷媒とガス冷媒の混合状態）の場合は、蒸
発器４０の入口側温度が極端に低温となり、キャピラリ
ーチューブ３８の入口側温度との温度差が大きくなる。

【００２４】そのために、２段圧縮冷凍サイクルでは、
ロータリーコンプレッサ１２の運転停止中に、過冷却サ
イクルにある冷媒が外気（周囲温度）によって温めら
れ、第２の電子膨張弁３６の前に存在する液冷媒も過冷
却度が小さくなっている。そして、この第２の電子膨張
弁３６の前段に存在する冷媒の過冷却度によって必要と
するキャピラリーチューブ３８の長さが異なるものであ
る。ロータリーコンプレッサ１２の運転開始と同時に過
冷却の効果が次第に出てきて、第２の電子膨張弁３６の
前段の冷媒温度が下がり過冷却を取れるようになると、
それに合わせてキャピラリーチューブ３８の長さを変え
る（＝絞り量を変える）必要が生じる。この発明におい
ては、この切換変更を第２の電子膨張弁３６を用いて適
切に行うものである。

【００２５】また、ロータリーコンプレッサ１２の停止
時にこの第２の電子膨張弁３６を全閉することにより冷
媒回路を遮断して、蒸発器４０に対する高圧側から低圧
側への冷媒の流入を阻止する。

【００２６】即ち、ロータリーコンプレッサ１２を冷凍
負荷に応じてインバータ回路５０により回転数を制御す
る際、第２の温度センサ５４および第３の温度センサ５
６により蒸発器４０の入口側温度および出口側温度を夫
々検出し、その温度差から蒸発器４０を流れる冷媒の加
熱度（スーパーヒート）を測定できる。例えば、加熱度
が大きすぎる（冷媒ガスが多い）場合は、第２の電子膨
張弁３６を制御回路５８の指令により開いて蒸発器４０
に対する冷媒流入量を多くする。逆に、加熱度が小さ過
ぎる（冷媒液が多い）場合は、第２の電子膨張弁３６を
マイコンを含む制御回路５８の指令により絞って蒸発器
４０に対する冷媒流入量を削減する。

【００２７】このように、冷媒の加熱度に応じて第２の
電子膨張弁３６を最適な弁開度に制御することによりキ
ャピラリーチューブ３８との併用で、バランスのとれた
より効率的な２段圧縮冷凍サイクルを行うことができ
る。

【００２８】次に、上述の制御動作を図２および図３に
示すフローチャートに基づいて説明する。

【００２９】まず、スタートをし、ステップＳ１で蒸発
器４０の入口側管部に設けた第２の温度センサ５４の検
出温度が設定基準温度Ｔ１、例えば−２２℃より高いか
否かを判断し、その結果が“ＹＥＳ”であればステップ
Ｓ３へ進み、“ＮＯ”であればスタートに戻る。

【００３０】ステップＳ３では、第２の温度センサ５４
の検出温度が更に設定基準温度Ｔ２、例えば−１０℃よ
り高いか否かを判断し、その結果が“ＹＥＳ”であれば
ステップＳ５へ進みコンプレッサ１２の運転周波数４０
Ｈｚ以上の設定を行い、ステップＳ９でコンプレッサ１
２の運転を開始する。ステップＳ３で“ＮＯ”であれ
ば、ステップＳ９でコンプレッサ１２の運転周波数４０
Ｈｚの設定を行いステップＳ９へ進む。

【００３１】ステップＳ１１では、コンプレッサ１２の
運転開始後５秒経過したか否かを判断し、その結果が
“ＮＯ”であれば元に戻り、“ＹＥＳ”であれば、ステ
ップＳ１３へ進み第１の電子膨張弁１８の開度を全開の
２０％、第２の電子膨張弁３６の開度を全開（１００
％）とする。

【００３２】更に、ステップＳ１５では、コンプレッサ
１２の運転時間が、例えば１２０秒経過したか否かを判
断し、その結果が“ＮＯ”であれば元に戻り、“ＹＥ
Ｓ”であればステップＳ１７へ進み、第２の電子膨張弁
３６の開度を半開（５０％）とする。

【００３３】ステップＳ１９では、蒸発器４０の出口側
管部に設けた第３の温度センサ５６による検出温度が設
定基準温度Ｔ１（−２２℃）より低いか否かを判断し、
その結果が“ＹＥＳ”であればステップＳ２１へ進み、
制御回路５８からの制御指令に基づき弁駆動部３７によ
り第２の電子膨張弁３６を半開状態から１ステップ閉じ
て絞りステップＳ２５へ進む。また、ステップＳ１９に
おいて、“ＮＯ”であればステップＳ２３で第２の電子
膨張弁３６を半開状態から１ステップ開いて開度を大き
くしステップＳ２５へ進む。

【００３４】ステップＳ２５では、第３の温度センサ５
６により検出される蒸発器４０の出口温度が設定基準温
度Ｔ３、例えば−３３℃以下であれば、ステップＳ２７
へ進み、コンプレッサ１２の運転を停止すると共に、第
１の電子膨張弁１８および第２の電子膨張弁３６を全閉
として一連の制御動作を終了し、以後同様の制御動作を
繰り返し実行する。

【００３５】一方、ステップＳ２５における判断結果
が、“ＮＯ”の場合、ステッップＳ２９で１０秒タイマ
ーを作動して、ステップＳ３１で第１の温度センサ５２
によりキャピラリーチューブ３８の入口側温度Ｔ４、例
えば９℃を目標としたＰＩＤ制御を行い、ステップＳ３
３では第１の電子膨張弁１８を開閉調整してステップＳ
１９に戻り、先に説明した一連の動作を行う。

【００３６】以上の制御動作を冷凍冷凍庫に適用した場
合を事例として要約説明すると以下のようになる。 １）スタートからすステップＳ１７まで コンプレッサ１２の運転停止中、例えば冷凍冷蔵庫の冷
凍室・冷蔵室とも温度上昇しており、コンプレッサ１２
始動直後は、冷却負荷としては大きい状態にある。その
ため、蒸発温度はそれほど低くなくても良いが大きな冷
凍能力を必要としている。

【００３７】そこで、第２の電子膨張弁３６を大きく開
くことにより、蒸発温度は高くなる（＝蒸発圧力は高く
なる）が、蒸発器４０に大量の冷媒を流せるため冷凍能
力は大きくなる。また、この電子膨張弁３６近傍の冷媒
の状態は、過冷却がとれておらずガス状態であるが、膨
張弁開度を大きく開いているので冷媒流量が不足するこ
とはなく、蒸発器４０に十分供給される。 ２）ステップ１９以降からエンドまで 上述の「スタートからステップＳ１７まで」の行程で冷
凍室・冷蔵室ともにある程度まで冷却は進んでおり、更
に低温まで冷却するには蒸発温度をさらに低くしていく
（＝蒸発圧力をさらに下げる）必要がある。

【００３８】ここでは、第２の電子膨張弁３６を少しず
つ閉めていく（絞る）のであるが、急激に閉め過ぎてし
まうと蒸発温度は下がるが、冷媒の流量が極端に低下
し、冷凍能力不足の状態に陥り、蒸発器の温度とともに
冷凍室・冷蔵室の温度が上昇してしまう。

【００３９】そこで、蒸発器温度（出口側温度）の状態
をフィードバックしながら（ステップＳ１９〜ステップ
Ｓ２３）徐々にゆっくりと電子膨張弁３６を閉じてい
く。 ３）ステップＳ３１からステップＳ３３ この行程は、キャピラリーチューブ３８に流入する冷媒
の過冷却度を安定して作り出すために中間冷却サイクル
（分流回路）の電子膨張弁１８の開度を温度センサ５２
の温度情報をもとに制御する。

【００４０】以上説明したように、この発明によれば、
２段圧縮冷凍サイクルにおいて低圧圧力（＝蒸発温度）
の調整を可能にする。また、冷媒が高圧部から蒸発器内
に流れ込むのを防止し、再運転時の各部温度安定までの
到達時間を短くできる。更に、この発明による２段圧縮
冷凍装置を冷凍冷蔵庫に適用した場合、扉の開閉などの
外乱により庫内温度が変化しても目標温度に最短時間で
到達できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例である２段圧縮冷凍装置の
制御方式を含む冷媒回路図である。

【図２】図１に示す２段圧縮冷凍装置の制御動作を示す
一部のフローチャートである。

【図３】図１に示す２段圧縮冷凍装置の制御動作を示す
他の一部のフローチャートである。

【符号の説明】

１０ …２段圧縮冷凍装置 １２ …２シリンダ型２段圧縮式ロータリーコンプレッ
サ １２ａ …低段側圧縮部 １２ｂ …高段側圧縮部 １２ｃ …電動機部 １４ …凝縮器 １６ …第３の中間冷却器 １８ …第１の電子膨張弁 １９ …弁駆動部 ２０ …第１の中間冷却器 ３４ …第２の中間冷却器 ３６ …第２の電子膨張弁 ３７ …弁駆動部 ３８ …キャピラリーチューブ ４０ …蒸発器 ５０ …インバータ回路 ５２ …第１の温度センサ ５４ …第２の温度センサ ５６ …第３の温度センサ ５８ …制御回路（マイコンを含む）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山川 貴志 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 小田 淳志 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】低段側圧縮部と高段側圧縮部を有する２段
   圧縮式コンプレッサ、凝縮器、第１の電子膨張弁、中間
   冷却器、第２の電子膨張弁、キャピラリーチューブおよ
   び蒸発器とを冷媒配管により接続して中間冷却サイクル
   と主冷却サイクルを含む冷凍サイクルを構成する２段圧
   縮冷凍装置において、 （ａ）前記蒸発器の入口側温度を検出する温度センサに
   よる検出温度と設定された各基準温度とを判定し、 （ｂ）その結果に応じてインバータ手段により前記コン
   プレッサの運転周波数を設定して前記コンプレッサの運
   転を開始し、 （ｃ）前記運転開始後に前記第１および第２の電子膨張
   弁の開度を所定開度に設定し、さらに （ｄ）前記コンプレッサの運転を一定時間継続した後、
   前記第２の電子膨張弁の開度を半開にするようにした、
   ２段圧縮冷凍装置の制御方法。
2. 【請求項２】さらに、（ｅ）前記蒸発器の出口側温度を
   検出する温度センサによる検出温度と前記基準温度とを
   判定し、その結果に応じて前記第２の電子膨張弁の開度
   調整を行い、 （ｆ）前記温度センサによる検出温度が所定基準温度以
   下になった場合、前記コンプレッサの運転を停止すると
   共に、前記両電子膨張弁を全閉にするようにした、請求
   項１記載の２段圧縮冷凍装置の制御方法。
3. 【請求項３】さらに、（ｇ）前記温度センサによる検出
   温度が前記所定基準温度に達していない場合、前記キャ
   ピラリーチューブの入口側温度を検出する温度センサに
   よる所定温度を目標とするＰＩＤ制御を行い、前記第１
   の電子膨張弁の開閉調整を行うようにした、請求項２記
   載の２段圧縮冷凍装置の制御方法。