JP2008138989A

JP2008138989A - 冷凍装置

Info

Publication number: JP2008138989A
Application number: JP2006328114A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Tabei; 聡田部井; Tsutomu Yamaguchi; 勤山口; Kazuhiko Mihara; 一彦三原; Shinji Sekine; 信次関根
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2026-12-05
Also published as: JP4982163B2

Abstract

【課題】
本願発明は運転周波数が可変のインバータ圧縮機を備えた冷凍装置において、インバータ圧縮機の始動時におけるインバータ装置の出力電圧の決定方法に関するものである。従来の制御方法ではインバータ圧縮機の高圧圧力が高い状態でインバータ圧縮機を始動させた時に、インバータ圧縮機の電動機にかかる負荷が大きく、インバータ圧縮機が始動できないという問題があった。
【解決手段】
本願発明は低圧圧力と高圧圧力とインバータ圧縮機の運転周波数とからインバータ装置の出力電圧を決定することことにより、インバータ圧縮機の電動機にかかる負荷を考慮した出力電圧を算出し、現在の負荷に見合った電力をインバータ圧縮機に供給することができる。
【選択図】図２

Description

本願発明は運転周波数が可変のインバータ圧縮機及びこのインバータ圧縮機に電力を供給するインバータ装置を備えた冷凍装置において、インバータ圧縮機の始動時におけるインバータ装置の出力電圧の決定方法に関するものである。

従来の冷凍装置は冷媒温度や圧縮機の低圧圧力や高圧圧力の計測値を基にインバータ圧縮機の運転周波数を増減させるものであり、計測値と予め設定された閾値とを比較することで運転周波数の増減幅が決定されていた。例えば、冷媒の吐出温度が設定値以上であり、低圧圧力及び高圧圧力から求めた圧縮比が設定値以上である時に圧縮機の運転周波数を低下させる制御方法などがある（特許文献１参照）。
特開平５−１０６０８号公報

また、インバータ装置を制御する制御装置はインバータ圧縮機に電力を供給する際に出力電圧と運転周波数とを制御する。従来の制御装置は圧縮機の低圧側圧力等から運転周波数を決定し、記憶している出力電圧‐運転周波数の波形パターンから当該運転周波数に対応した出力電圧を決定している（特許文献２参照）。
特開平６−２９９４８０号公報

しかしながら上記のような構成では、制御装置はあらかじめ記憶している出力電圧‐運転周波数の波形パターンからしか出力電圧を決定することができない。そのため、インバータ圧縮機の高圧圧力が高い状態においてインバータ圧縮機を始動させた時に、インバータ圧縮機の電動機にかかる負荷が大きく、インバータ圧縮機が始動できないという問題が発生していた。

請求項１記載の発明は、運転周波数が可変のインバータ圧縮機、当該インバータ圧縮機に電力を出力するインバータ装置、当該インバータ装置の出力電圧及び周波数を制御する制御装置を備えた冷凍装置において、前記インバータ圧縮機の低圧側及び高圧側に圧力検出器が配設され、前記圧力検出器により低圧圧力及び高圧圧力が検出され、前記インバータ圧縮機の始動時において、前記制御装置は前記低圧圧力と前記高圧圧力と前記インバータ圧縮機の現在の運転周波数とから前記インバータ装置の出力電圧を決定することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、運転周波数が可変のインバータ圧縮機、当該インバータ圧縮機に電力を出力するインバータ装置、当該インバータ装置の出力電圧及び周波数を制御する制御装置を備えた冷凍装置において、前記インバータ圧縮機の高圧側に圧力検出器が配設され、前記圧力検出器により高圧圧力が検出され、前記インバータ圧縮機の始動時において、前記制御装置は前記高圧圧力と前記インバータ圧縮機の現在の運転周波数とから前記インバータ装置の出力電圧を決定することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、運転周波数が可変のインバータ圧縮機、当該インバータ圧縮機に電力を出力するインバータ装置、当該インバータ装置の出力電圧及び周波数を制御する制御装置を備えた冷凍装置において、前記インバータ圧縮機の低圧側及び高圧側に圧力検出器が配設され、前記圧力検出器により低圧圧力及び高圧圧力が検出され、前記インバータ圧縮機の始動時において、前記制御装置は前記低圧圧力と前記高圧圧力と前記インバータ圧縮機の現在の運転周波数とから前記インバータ装置の出力電圧を決定することことにより、低圧圧力、高圧圧力、運転周波数から前記インバータ圧縮機の電動機にかかる負荷を考慮した出力電圧を算出し、現在の負荷に見合った電力をインバータ圧縮機に供給することができる。

請求項２記載の発明によれば、運転周波数が可変のインバータ圧縮機、当該インバータ圧縮機に電力を出力するインバータ装置、当該インバータ装置の出力電圧及び周波数を制御する制御装置を備えた冷凍装置において、前記インバータ圧縮機の高圧側に圧力検出器が配設され、前記圧力検出器により高圧圧力が検出され、前記インバータ圧縮機の始動時において、前記制御装置は前記高圧圧力と前記インバータ圧縮機の現在の運転周波数とから前記インバータ装置の出力電圧を決定することにより、高圧圧力、運転周波数から前記インバータ圧縮機の電動機にかかる負荷を考慮した出力電圧を算出し、現在の負荷に見合った電力をインバータ圧縮機に供給することができる。

以下、図面を用いて本願発明の実施方法について詳細に説明する。

図１は本願発明を適用した冷凍装置の冷媒回路図である。この冷凍装置はインバータによって回転数を制御することができるインバータスクロールコンプレッサ（インバータ圧縮機）１０を一台備える。なお本願発明において、コンプレッサはレシプロ型、スクリュー型、ロータリー型等の圧縮方式の種類は問わず、密閉式又は半密閉式のどちらの形式でも適用可能である。

６０はＥＣＣ基盤であり、インバータ圧縮機１０の運転制御を行う制御装置である。なお、インバータ圧縮機１０に電力を供給するインバータ装置は図中に記載されていないが、ＥＣＣ基盤６０からの指示に従いインバータ圧縮機１０に電力を供給する。

本実施例において、使用冷媒としてＨＦＣ系冷媒を想定しているが、ＣＦＣ系冷媒、ＨＣＦＣ系冷媒、自然冷媒等の他の冷媒を用いても同様の効果を得ることが可能である。

インバータ圧縮機１０は低温低圧の気体冷媒を吸入し圧縮することで高温高圧の冷媒として吐出する。吐出された高温高圧の冷媒はオイルセパレータ１３に流入する。オイルセパレータ１３において冷媒中に含まれる潤滑油は分離及び貯溜される。

分離された潤滑油はサービスバルブ２６を介してストレーナ２７に流入し、ストレーナ２７によって潤滑油中の混入物が取り除かれる。混入物が取り除かれた潤滑油は、電磁弁２８を介して圧縮機１０に戻される。この時、圧縮機に取設されたフロートスイッチ２３によって圧縮機中の潤滑油量が計測され、圧縮機中の潤滑油量が一定となるように電磁弁２８が開閉される。

また、圧縮機に戻す潤滑油に液冷媒が含まれた場合、圧縮機内の圧縮機構において潤滑が不十分となり不良となる可能性があるため、キャピラリーチューブ２９において減圧し冷媒を完全に気化させている。キャピラリーチューブ２９により冷媒を気化させることで、潤滑油を冷却する効果もある。

オイルセパレータ１３において潤滑油が取り除かれた冷媒は凝縮器１４に流入し、高温高圧の冷媒は冷却ファン６３によって空気冷却され凝縮・液化する。本実施例では空冷式凝縮器を用いているが、水冷式や蒸発式の凝縮器でも良い。また、本実施例では凝縮器と圧縮機等を同一筐体に配設する一体型の冷凍機を想定しているが、これに限らず圧縮機等の冷凍機とコンデンシングユニットを別々に設ける分離設置型でも良い。

凝縮器１４において液化した冷媒は凝縮器１４から流出し、レシーバタンク１５に貯溜される。レシーバタンク１５は冷凍装置に不良が発生し、冷媒回路内部の圧力及び温度が非常に高くなった際の安全装置として可溶栓４６を有している。

圧縮機の高圧圧力として、本冷凍装置ではレシーバタンク１５内の圧力を計測し圧縮機等の制御を行っている。レシーバタンク１５はキャピラリーチューブ５７を介して高圧センサ５８に配管接続されており、高圧センサ５８によって圧縮機の高圧圧力が計測される。また、圧縮機の高圧圧力を目視にて随時観察するために、レシーバタンク１５はキャピラリーチューブ５７及び６１を介して高圧圧力計６２に配管接続されている。なお、レシーバタンク１５ではなく、圧縮機１０の吐出口から直接高圧圧力の計測を行なっても良い。

液冷媒の冷凍能力を高めるために、レシーバタンク１５内に貯留された液冷媒は過冷却器１６において再度、冷却ファン６３によって空気冷却されることで過冷却される。本実施例では、凝縮器１４及び過冷却器１６を一体型としているものを用いているが、凝縮器と過冷却器を夫々個別に設けても良い。

過冷却された液冷媒はサービスバルブ４８を介してフィルタドライヤ１７に流入する。フィルタドライヤ１７において冷媒中の水分は除去され、モイスチャインジケータ１８において水分量を確認した後、液冷媒は店舗内に設置されたショーケース等の蒸発器（図示しない）に流出する。

本実施例では圧縮機を冷却するためにリキッドインジェクション機構を用いている。このため、レシーバタンク１５からサービスバルブ３４、ストレーナ３５、電動弁３６、電磁弁３７を介して圧縮機１０へリキッドインジェクション回路が設けられている。

ストレーナ３５によって混入物を除去された液冷媒は電動弁３６によって減圧され、圧縮機１０の冷却を行う。電磁弁３７の開閉及び電動弁３６の開閉度は圧縮機１０の動作状態及び圧縮機１０の温度によって調整される。圧縮機１０の高圧圧力が非常に大きくなった時には圧縮機１０にキャピラリーチューブ５１を介して配設された高圧圧力スイッチ５２によって圧縮機は緊急停止される。

蒸発器において気化し冷却を行い、低温低圧となった冷媒は液冷媒を含んで冷凍装置に戻る（液バック）可能性があるため、アキュムレータ１９に一度流入させアキュムレータ１９において液冷媒と気体冷媒を分離する。液バックの原因としては、膨張弁の不良や蒸発器のフィルターの目詰まりなどが考えられ、液バックにより圧縮機１０のケース内に液冷媒が進入し液圧縮による圧縮機構の破損や、液冷媒を吐出する際に多量の潤滑油が一緒に吐出されることによる潤滑不足などが発生する可能性がある。

アキュムレータ１９において液冷媒は貯溜され気体冷媒のみが流出し、ストレーナ２０を介して圧縮機１０に吸引される。本実施例では、圧縮機１０の低圧圧力として蒸発器から戻った冷媒の圧力を利用しているため、アキュムレータ１９の入口側を低圧センサ５９と配管接続している。なお、アキュムレータ１９からではなく、圧縮機１０の吸込口から直接低圧圧力を計測しても良い。

次にインバータ圧縮機１０が運転を始動する際にインバータ装置（図示しない）がインバータ圧縮機１０に供給する電圧Ｖを決定する方法について説明する。インバータ圧縮機１０の低圧側圧力が上昇し、高圧側圧力が低下している通常の状態においては始動用の出力電圧‐運転周波数の波形パターンＶＳに現在の運転周波数ＣＦを当てはめて出力電圧Ｖを決定する。

インバータ圧縮機１０の始動時は通常、低圧側圧力が上昇し、高圧側圧力が低下している。しかし、保守点検時などインバータ圧縮機１０の高圧圧力が始動限界圧力よりも高い状態で始動した場合には、インバータ圧縮機１０の始動には通常の始動用出力電圧‐運転周波数の波形パターンＶＳから得られる電圧よりも高い電圧を必要とする。そのため、高圧圧力ＨＰ、低圧圧力ＬＰ及び運転周波数ＣＦを用いて以下に示す数式１から出力電圧Ｖを求める。なお、ＣＳ１は冷凍装置及び設置された環境によって異なる定数である。

また、低圧圧力ＨＰの変化は高圧圧力ＨＰに比べて小さいため、数式１に変えて、高圧圧力ＨＰ及び運転周波数ＣＦを用いて以下に示す数式２から出力電圧Ｖを求めても良い。なお、ＣＳ２及びＣＳ３は冷凍装置及び設置された環境によって異なる定数である。

次にインバータ圧縮機が定常運転を行う際にインバータ装置（図示しない）がインバータ圧縮機１０に供給する電圧Ｖを決定する方法について説明する。本制御方法は現在の低圧圧力ＬＰ、高圧圧力ＨＰ及び運転周波数ＣＦから電圧Ｖを下記の数式３から算出している。なお、ＣＶ１、ＣＶ２、ＣＶ３及びＣＶ４は冷凍装置及び設置された環境によって異なる定数である。

本実施例では運転周波数及び冷凍負荷を変化させる実験を行い、各状況においてインバータ装置への流入電流が最小となるようにＣＶ１からＣＶ４の値を決定した。具体的にはＣＶ１＝０．５、ＣＶ２＝２．５６、ＣＶ３＝１２、ＣＶ４＝９としている。なお、ＣＶ１からＣＶ４の設定方法としては同様の実験を行い、インバータ圧縮機１０の電動機の成績係数が最も良くなるように設定しても良い。

次に本実施例におけるインバータ圧縮機１０の運転周波数制御の流れについて、図１、図４、図５を用いて説明する。本制御方法は現在の低圧圧力ＬＰ及び運転周波数ＣＦと目標低圧圧力ＴＬＰとから、冷凍装置が必要としている圧縮機の目標運転周波数ＴＣＦを求め、得られた目標運転周波数ＴＣＦとなるようにインバータ圧縮機の運転周波数を制御するものである。

図４は目標運転周波数ＴＣＦを算出する際の流れ図である。まず、目標運転周波数ＴＣＦの算出が開始される段階（Ｓ１００）で、低圧圧力ＬＰが計測される。目標低圧圧力ＴＬＰは冷凍装置に固有の値であるため、事前に実験を行い被冷却物が目標温度となるために冷凍システムが必要とする冷凍能力を供給できる低圧圧力に設定される。

目標運転周波数ＴＣＦは現在の運転周波数ＣＦに出力変化率Ｋを積算することで得られる。この運転変化率Ｋは比例成分ＫＰ、微分成分ＫＤ、積分成分ＫＩからなる。比例成分ＫＰを下記の数式４から算出する（Ｓ１０１）。比例成分ＫＰにより、現在の低圧圧力ＬＰにおいて、冷凍システムが必要としている冷凍能力を出力できる運転周波数を求めることができる。

低圧センサ５９によるインバータ圧縮機１０の低圧圧力ＬＰの計測は毎秒数十回行われているが、計測値のサンプリングは所定時間ＴＳ毎に行われており、現在の計測の直前に計測された所定時間ＴＳ前の低圧圧力ＰＬＰと低圧圧力ＬＰを用いて、低圧圧力の変化速度ＧＬＰを下記の数式５から算出する（Ｓ１０２）。

得られた低圧圧力の変化速度ＧＬＰと目標低圧圧力ＴＬＰと微分成分調整係数ＣＤを用いて、出力変化率Ｋの微分成分ＫＤを下記の数式６から算出する（Ｓ１０２）。なお、微分成分調整係数ＣＤは冷凍装置の設置環境に応じて調整される定数である。微分成分ＫＤにより、現在の低圧圧力の変化速度ＧＬＰで低圧圧力ＬＰが微小時間変化した場合の低圧圧力において、冷凍システムが必要としている冷凍能力を出力することができる運転周波数を求めることができる。

現在の低圧圧力ＬＰと目標低圧圧力ＴＬＰと積分成分調整係数ＣＩを用いて、出力変化率Ｋの積分成分ＫＩを下記の数式７から算出する（Ｓ１０３）。なお、積分成分調整係数ＣＩは冷凍装置の設置環境に応じて調整される定数である。積分成分ＫＩは過去の積分成分ＰＫＩと、現在の低圧圧力ＬＰと目標低圧圧力ＴＬＰの差を累積した値であり、目標低圧圧力ＴＬＰと低圧圧力ＬＰとのオフセットを修正できる運転周波数を求めることができる。

数式７によって得られた現在の積分成分ＫＩは次ステップにおいて過去の積分成分ＰＫＩに該当するため、下記の数式８によって過去の積分成分ＰＫＩは現在の積分成分ＫＩに置き換えられる。

なお、積分成分ＫＩ及び過去の積分成分ＰＫＩの累積は所定時間ＣＴ毎にリセットされる（Ｓ１０６）必要があるため、累積時間ＩＴＩＭＥによりカウントされる（Ｓ１０３）。なお、図４のＳ１０３ステップに示されている数式は数式７とは異なるが、これは数式７及び数式８を順に実行することと同じ意味を持つ。また、Ｓ１０７ステップでは過去の積分成分ＰＫＩは使用していないため表記していない。

運転周波数ＣＦがインバータ圧縮機の運転周波数の最大値である最大運転周波数ＭＡＸＣＦ未満である場合（Ｓ１０４）、運転周波数ＣＦの飽和によるオフセットは発生していないため、積分成分ＫＩ及び累積時間ＩＴＩＭＥはリセットされる（Ｓ１０７）。

また、低圧圧力ＬＰが目標低圧圧力ＴＬＰ以下である場合（Ｓ１０５）、冷凍能力不足の原因となるオフセットは発生していないため、積分成分ＫＩ及び累積時間ＩＴＩＭＥはリセットされる（Ｓ１０７）。

以上から得られた比例成分ＫＰ、微分成分ＫＤ、積分成分ＫＩを用いて、出力変化率Ｋを下記の数式９から算出する（Ｓ１０８）。

現在の低圧圧力の変化速度ＧＬＰを維持した場合において、参考時間ＣＧ後の参考低圧圧力を下記の数式１０から算出する（Ｓ１０９）。

得られた参考低圧圧力が目標低圧圧力ＴＬＰ前後の範囲内（上限ＨＬＰ及び下限ＬＬＰ）にある場合（Ｓ１０９）、現在の運転周波数ＣＦのまま運転を続ければ十分であるため出力変化率Ｋを１にセットする（Ｓ１１０）。

現在の運転周波数ＣＦと出力変化率Ｋを用いて、下記の数式１１から目標運転周波数ＴＣＦを算出する（Ｓ１１１）。

次に、得られた目標運転周波数ＴＣＦが適切な値となるように目標運転周波数ＴＣＦの調整を行う。また、この際に本実施例では冷凍装置の消費エネルギーを節約する省エネモードを搭載しており、通常モード又は省エネモード時における目標運転周波数の調整を同時に行う。目標運転周波数ＴＣＦを調整する流れを図５に示す。

現在の運転周波数ＣＦが、インバータ圧縮機を安定して動作させることができる最小の運転周波数である最小運転周波数ＭＩＮＣＦよりも小さい時（Ｓ２０１）つまり、インバータ圧縮機が停止している時は目標運転周波数ＴＣＦを最小運転周波数ＭＩＮＣＦに設定する（Ｓ２０４）。

目標運転周波数ＴＣＦが最小運転周波数ＭＩＮＣＦよりも小さく（Ｓ２０２）、省エネモードである時（Ｓ２０５）は目標運転周波数ＴＣＦを０に設定し圧縮機を停止させる（Ｓ２０６）。省エネモードでない場合にはインバータ圧縮機を安定して運転させるために目標運転周波数ＴＣＦを最小運転周波数ＭＩＮＣＦに設定する（Ｓ２０４）。

目標運転周波数ＴＣＦが最大運転周波数ＭＡＸＣＦよりも大きい時（Ｓ２０３）はインバータ圧縮機を正常に動作させるために目標運転周波数ＴＣＦを最大運転周波数ＭＡＸＣＦに設定する（Ｓ２０７）。

以上により、冷凍システムが必要とする冷凍能力を出力することができる低圧圧力ＴＬＰを実現できる目標運転周波数ＴＣＦを得ることができる。本制御方法では、冷凍装置を設置した当初に定数ＣＤ、ＣＩ、ＣＧの調整が必要となるが、従来のゾーン制御とは異なり閾値は必要ない。ゾーン制御では必要な冷凍能力を担保するために、過剰な運転が必要であったが、本制御方法では必要な冷凍能力を常に算出し、インバータ圧縮機の運転周波数を随時制御するため、必要な冷凍能力をより早く出力し、より運転効率の良い省エネ運転が可能である。

図２は本願発明を適用した冷凍装置の冷媒回路図である。この冷凍装置は３つの圧縮機によって構成され、１０はインバータによって回転数を制御することができるインバータスクロールコンプレッサ（インバータ圧縮機）であり、１１及び１２は商用電力によって動作する一定速スクロールコンプレッサ（一定速圧縮機）である。本願発明において、これらコンプレッサはレシプロ型、スクリュー型、ロータリー型等の圧縮方式の種類は問わず、密閉式又は半密閉式のどちらの形式でも適用可能である。

６０はＥＣＣ基盤であり、インバータ圧縮機１０及び一定速圧縮機１１及び１２の運転制御を行う制御装置である。なお、インバータ圧縮機１０に電力を供給するインバータ装置は図中に記載されていないが、ＥＣＣ基盤６０からの指示に従いインバータ圧縮機１０に電力を供給する。

前記圧縮機１０、１１、１２は吐出口及び吸入口共に並列に配管接続されており、各圧縮機は低温低圧の気体冷媒を吸入し圧縮することで高温高圧の冷媒として吐出する。吐出された高温高圧の冷媒は合流してオイルセパレータ１３に流入する。オイルセパレータ１３において冷媒中に含まれる潤滑油は分離及び貯溜される。

分離された潤滑油はサービスバルブ２６を介してストレーナ２７に流入し、ストレーナ２７によって潤滑油中の混入物が取り除かれる。混入物が取り除かれた潤滑油は分岐し、電磁弁２８、３０、３２を介して圧縮機１０、１１、１２に戻される。この時、各圧縮機に取設されたフロートスイッチ２３、２４、２５によって各圧縮機中の潤滑油量が計測され、各圧縮機中の潤滑油量が必要量以上となるように電磁弁２８、３０、３２が開閉される。

また、圧縮機に戻す潤滑油に液冷媒が含まれた場合、圧縮機内の圧縮機構において潤滑が不十分となり不良となる可能性があるため、キャピラリーチューブ２９、３１、３３において減圧し冷媒を完全に気化させている。キャピラリーチューブ２９、３１、３３により冷媒を気化させることで、潤滑油を冷却する効果もある。

凝縮器１４において液化した冷媒は凝縮器１４から流出し、レシーバタンク１５に貯溜される。レシーバタンク１５は冷凍装置に不良が発生し、冷媒回路内部の圧力及び温度が非常に高くなった際の爆発を防止するために可溶栓４６を有している。

圧縮機の高圧圧力として、本冷凍装置ではレシーバタンク１５内の圧力を計測し圧縮機等の制御を行っている。レシーバタンク１５はキャピラリーチューブ５７を介して高圧センサ５８に配管接続されており、高圧センサ５８によって圧縮機の高圧圧力が計測される。また、圧縮機の高圧圧力を目視にて随時観察するために、レシーバタンク１５はキャピラリーチューブ５７及び６１を介して高圧圧力計６２に配管接続されている。

本実施例では圧縮機を冷却するためにリキッドインジェクション機構を用いている。このため、レシーバタンク１５から夫々、サービスバルブ３４、３８、４２及びストレーナ３５、３９、４３及び電動弁３６、４０、４４及び電磁弁３７、４１、４５を介して圧縮機１０、１１、１２へリキッドインジェクション回路が設けられている。なお、リキッドインジェクション回路の減圧操作において、キャピラリーチューブ又は膨張弁によって減圧しても良い。

ストレーナ３５、３９、４３によって混入物を除去された液冷媒は電動弁３６、４０、４４によって減圧され、圧縮機１０、１１、１２の冷却を行う。電磁弁３７、４１、４５の開閉及び電動弁３６、４０、４４の開閉度は圧縮機の動作状態及び圧縮機の温度によって調整される。圧縮機の高圧圧力が非常に大きくなった時には圧縮機１０、１１、１２に配設された高圧圧力スイッチ５２、５４、５６によって各圧縮機は緊急停止される。

蒸発器において気化し冷却を行い、低温低圧となった冷媒は液冷媒を含んで冷凍装置に戻る（液バック）可能性があるため、アキュムレータ１９に一度流入させアキュムレータ１９において液冷媒と気体冷媒を分離する。液バックの原因としては、膨張弁の不良や蒸発器のフィルターの目詰まりなどが考えられ、液バックにより圧縮機１０、１１、１２のケース内に液冷媒が進入し液圧縮による圧縮機構の破損や、液冷媒を吐出する際に多量の潤滑油が一緒に吐出されることによる潤滑不足などが発生する可能性がある。

アキュムレータ１９において液冷媒は貯溜され気体冷媒のみが流出し、夫々ストレーナ２０、２１、２２を介して各圧縮機１０、１１、１２に吸引される。なお本実施例では、圧縮機の低圧圧力として蒸発器から戻った冷媒の圧力を利用しているため、アキュムレータ１９の入口側を低圧センサ５９と配管接続している。

インバータ圧縮機１０の始動時は通常、低圧側圧力が上昇し、高圧側圧力が低下している。しかし、保守点検時や他の一定速圧縮機が運転している時などインバータ圧縮機１０の高圧圧力が始動限界圧力よりも高い状態で始動した場合には、インバータ圧縮機１０の始動には通常の始動用出力電圧‐運転周波数の波形パターンＶＳから得られる電圧よりも高い電圧を必要とする。そのため、高圧圧力ＨＰ、低圧圧力ＬＰ及び運転周波数ＣＦを用いて前記数式１から出力電圧Ｖを求める。なお、ＣＳ１は冷凍装置及び設置された環境によって異なる定数である。

また、低圧圧力ＨＰの変化は高圧圧力ＨＰに比べて小さいため、数式１に変えて、高圧圧力ＨＰ及び運転周波数ＣＦを用いて前記数式２から出力電圧Ｖを求めても良い。なお、ＣＳ２及びＣＳ３は冷凍装置及び設置された環境によって異なる定数である。

次にインバータ圧縮機が定常運転を行う際にインバータ装置（図示しない）がインバータ圧縮機１０に供給する電圧Ｖを決定する方法について説明する。本制御方法は現在の低圧圧力ＬＰ、高圧圧力ＨＰ及び運転周波数ＣＦから電圧Ｖを下記の前記数式３から算出している。なお、ＣＶ１、ＣＶ２、ＣＶ３及びＣＶ４は冷凍装置及び設置された環境によって異なる定数である。

次に本実施例におけるインバータ圧縮機１０及び一定速圧縮機１１、１２の運転制御方法について、図２、図６乃至図９を用いて説明する。本実施例では圧縮機が複数台搭載されているため、冷凍装置全体の合計運転周波数ＳＣＦを用いて圧縮機の運転制御を行う。本制御方法は現在の低圧圧力ＬＰ、合計運転周波数ＳＣＦ、目標低圧圧力ＴＬＰから、冷凍装置が必要としている目標合計運転周波数ＴＳＣＦを求める。得られた目標合計運転周波数ＴＳＣＦから目標運転周波数ＴＣＦ及び目標運転台数ＴＮＣを求め、目標運転周波数ＴＣＦ及び目標運転台数ＴＮＣとなるようにインバータ圧縮機の運転周波数及び一定速圧縮機の運転台数を制御するものである。

図６は目標合計運転周波数ＴＳＣＦを算出する際の流れ図である。まず、目標合計運転周波数ＴＳＣＦの算出が開始される段階（Ｓ３００）で、低圧圧力ＬＰが計測される。目標低圧圧力ＴＬＰは冷凍装置に固有の値であるため、事前に実験を行い冷凍システムが必要とする冷凍能力を安定して供給することができる低圧圧力に設定される。

合計運転周波数ＳＣＦはインバータ圧縮機１０の運転周波数ＣＦと一定速圧縮機１１、１２の運転台数ＮＣを用いて下記の数式１２から算出される（Ｓ３０１）。

ここで、定速変換周波数ＣＣＦは、一台の一定速圧縮機が電源周波数で運転された際の吐出量と等しい吐出量になるインバータ圧縮機の運転周波数である。定速変換周波数ＣＣＦは冷凍装置に搭載されるインバータ圧縮機及び一定速圧縮機の組合せと、一定速圧縮機の電源周波数によって決定される。

本実施例で用いている圧縮機において、電源周波数５０ヘルツで動作する１０馬力の一定速圧縮機の吐出量は、運転周波数６０ヘルツで動作する１０馬力のインバータ圧縮機の吐出量と等しいことを確認している。このことから、動作している一定速圧縮機の運転周波数をインバータ圧縮機の運転周波数６０ヘルツに換算して冷凍装置全体の合計運転周波数を算出している。

なお、電源周波数６０ヘルツで動作する１０馬力の一定速圧縮機の吐出量は、運転周波数７２ヘルツで動作する１０馬力のインバータ圧縮機の吐出量と等しいことを確認しており、電源周波数が６０ヘルツの地域で本冷凍装置を用いる時はＣＣＦは７２ヘルツに換算される。

本手法の妥当性を検証するために、膨張弁の弁開度を固定した冷凍システムにおいて算出された冷凍装置全体の合計運転周波数と、その時の合計運転周波数において冷凍装置が定常状態となった際の低圧圧力との関係を図１０に示す。合計運転周波数の増加に伴いほぼ一定に低圧圧力が低下しており、冷凍装置の制御性が良いことが分かる。また、電源周波数の違いによらず同一の傾向を示すため、冷凍装置が設置される地域の電源周波数による制御性の差異が発生しない。

目標合計運転周波数ＴＳＣＦは現在の合計運転周波数ＳＣＦに出力変化率Ｋを積算することで得られる。この出力変化率Ｋは比例成分ＫＰ、微分成分ＫＤ、積分成分ＫＩからなる。比例成分ＫＰを前記数式４から算出する（Ｓ３０２）。比例成分ＫＰにより、現在の低圧圧力ＬＰにおいて、冷凍システムが必要としている冷凍能力を出力できる合計運転周波数を求めることができる。

低圧センサ５９による圧縮機１０、１１、１２の低圧圧力ＬＰ計測は所定時間ＴＳ毎に行われており、現在の計測の直前に計測された所定時間ＴＳ前の低圧圧力ＰＬＰと低圧圧力ＬＰを用いて、低圧圧力の変化速度ＧＬＰを前記数式５から算出する（Ｓ３０３）。

得られた低圧圧力の変化速度ＧＬＰと目標低圧圧力ＴＬＰと微分成分調整係数ＣＤを用いて、出力変化率Ｋの微分成分ＫＤを前記数式６から算出する（Ｓ３０３）。なお、微分成分調整係数ＣＤは冷凍装置の設置環境に応じて調整される定数である。微分成分ＫＤにより、現在の低圧圧力の変化速度ＧＬＰで低圧圧力ＬＰが微小時間変化した場合の低圧圧力において、冷凍システムが必要としている冷凍能力を出力することができる運転周波数を求めることができる。

現在の低圧圧力ＬＰと目標低圧圧力ＴＬＰと積分成分調整係数ＣＩを用いて、出力変化率Ｋの積分成分ＫＩを前記数式７から算出する（Ｓ３０４）。なお、積分成分調整係数ＣＩは冷凍装置の設置環境に応じて調整される定数である。積分成分ＫＩは過去の積分成分ＰＫＩと、現在の低圧圧力ＬＰと目標低圧圧力ＴＬＰの差を累積した値であり、目標低圧圧力ＴＬＰと低圧圧力ＬＰとのオフセットを修正できる運転周波数を求めることができる。

なお、積分成分ＫＩの累積は所定時間ＣＴ毎にリセットされる（Ｓ３０７）必要があるため、累積時間ＩＴＩＭＥによりカウントされる（Ｓ３０４）。なお、図４のＳ３０４ステップに示されている数式は数式７とは異なるが、これは数式７及び数式８を順に実行することと同じ意味を持つ。また、Ｓ３０８ステップでは過去の積分成分ＰＫＩは使用していないため表記していない。

運転周波数ＣＦがインバータ圧縮機の運転周波数の最大値である最大運転周波数ＭＡＸＣＦ未満である場合（Ｓ３０５）、運転周波数ＣＦの飽和によるオフセットは発生していないため、積分成分ＫＩ及び累積時間ＩＴＩＭＥはリセットされる（Ｓ３０８）。

また、低圧圧力ＬＰが目標低圧圧力ＴＬＰ以下である場合（Ｓ３０６）、冷凍能力不足の原因となるオフセットは発生していないため、積分成分ＫＩ及び累積時間ＩＴＩＭＥはリセットされる（Ｓ３０８）。

以上から得られた比例成分ＫＰ、微分成分ＫＤ、積分成分ＫＩを用いて、出力変化率Ｋを前記数式９から算出する（Ｓ３０９）。

現在の低圧圧力の変化速度ＧＬＰを維持した場合において、参考時間ＣＧ後の参考低圧圧力を前記数式１０から算出する（Ｓ３１０）。

得られた参考低圧圧力が目標低圧圧力ＴＬＰ前後の範囲内（上限ＨＬＰ及び下限ＬＬＰ）にある場合（Ｓ３１０）、現在の合計運転周波数ＳＣＦのまま運転を続ければ十分であるため出力変化率Ｋを１にセットする（Ｓ３１１）。

現在の合計運転周波数ＳＣＦと出力変化率Ｋを用いて、下記の数式１３から目標合計運転周波数ＴＳＣＦを算出する（Ｓ３１２）。

次に、得られた目標合計運転周波数ＴＳＣＦからインバータ圧縮機の目標運転周波数ＴＣＦ及び一定速圧縮機の目標運転台数ＴＮＣの算出を行う（Ｓ４００）。また、本実施例では冷凍装置の消費エネルギーを節約する省エネモードを搭載しており、通常モード又は省エネモード時における目標運転周波数ＴＣＦの調整を同時に行っている。図７は目標合計運転周波数ＴＳＣＦから目標運転周波数ＴＣＦ及び目標運転台数ＮＣを算出する際の流れ図である。

現在の合計運転周波数ＳＣＦが、インバータ圧縮機を安定して動作させることができる最小の運転周波数である最小運転周波数ＭＩＮＣＦよりも小さい時（Ｓ４０１）つまり、インバータ圧縮機が停止している時は目標運転台数ＴＮＣを０に、目標運転周波数ＴＣＦを最小運転周波数ＭＩＮＣＦに設定する（Ｓ４０６）。

目標合計運転周波数ＴＳＣＦが最小運転周波数ＭＩＮＣＦよりも小さく（Ｓ４０２）、省エネモードである時（Ｓ４０７）は目標運転台数ＴＮＣを０に、目標運転周波数ＴＣＦを０に設定する（Ｓ４０８）。省エネモードでない時は冷却を優先するために目標運転周波数ＴＣＦをＭＩＮＣＦに、目標運転台数ＴＮＣを０に設定する（Ｓ４０６）。

合計運転周波数ＳＣＦ及び目標合計運転周波数ＴＳＣＦのいずれも最小運転周波数ＭＩＮＣＦよりも大きい時、目標運転台数を下記の数式１４から算出する（Ｓ４０３）。ここで、ＭＡＸＣＦはインバータ圧縮機が動作することができる運転周波数の最大値（最大運転周波数）であり、ＩＮＴは括弧内の数値を超えない最大の整数値を表している。

得られた目標運転台数ＴＮＣと目標合計運転周波数ＴＳＣＦから目標運転周波数ＴＣＦを下記の数式１５から算出する（Ｓ４０４）。

以上から、目標運転周波数ＴＣＦ及び目標運転台数ＴＮＣが得られる。ここで、インバータ圧縮機の運転周波数ＣＦが最大運転周波数ＭＡＸＣＦに達する前に一定速圧縮機が始動することを防止するために一定速圧縮機の始動抑制を行う（Ｓ５００）。また、本実施例では冷凍装置の出力を高く保つ高鮮度モードを搭載しており、通常モード又は高鮮度モード時における目標運転周波数の調整を同時に行っている。一定速圧縮機始動抑制の流れ図を図８に示す。

運転台数ＮＣが目標運転台数ＴＮＣよりも大きい時（Ｓ５０１）は一定速圧縮機は始動しないため、始動抑制制御は行わない。運転台数ＮＣが目標運転台数ＴＮＣよりも大きく、かつ高鮮度モードであり（Ｓ５０２）、目標運転周波数ＴＣＦが所定運転周波数ＬＣＦよりも小さい時（Ｓ５０３）は目標運転台数ＴＮＣをＴＮＣ−１とし、目標運転周波数を最大運転周波数ＭＡＸＣＦとする（Ｓ５０４）。つまり、インバータ圧縮機を最大運転周波数ＭＡＸＣＦで動作させることで出力を増加させ、一定速圧縮機の始動を抑制している。

運転台数ＮＣが目標運転台数ＴＮＣよりも大きく、かつ高鮮度モードでなく（Ｓ５０２）、目標運転周波数ＴＣＦが所定運転周波数ＨＣＦよりも小さい時（Ｓ５０５）は目標運転台数ＴＮＣをＴＮＣ−１とし、目標運転周波数を最大運転周波数ＭＡＸＣＦとする（Ｓ５０４）。つまり、インバータ圧縮機を最大運転周波数ＭＡＸＣＦで動作させることで出力を増加させ、一定速圧縮機の始動を抑制している。なお、所定運転周波数ＬＣＦは所定運転周波数ＨＣＦよりも小さい値が設定されており、高鮮度モード時には冷凍能力を優先するために通常モード時に比べて一定速圧縮機の始動が抑制されにくくなっている。

次に、一定速圧縮機の発停が繰り返されることによる一定速圧縮機の劣化を防止するために、一定速圧縮機発停の抑制を行う（Ｓ６００）。一定速圧縮機の発停抑制の流れ図を図９に示す。目標運転台数ＴＮＣが運転台数ＮＣと等しい時（Ｓ６０１）は発停を抑制する必要がないため、目標運転周波数ＴＣＦ及び目標運転台数ＴＮＣに変更はない。

一定速圧縮機の発停を抑制し過ぎると冷凍能力が不足する可能性があるため、発停抑制カウントＲＣによって発停が抑制された時間を計測する（Ｓ６０２）。発停抑制カウントＲＣが発停抑制限界ＣＲＣよりも小さく（Ｓ６０３）、かつ目標運転台数ＴＮＣが運転台数ＮＣよりも大きい時（Ｓ６０４）は、目標運転台数ＴＮＣを運転台数ＮＣに置き換え、目標運転周波数ＴＣＦを最大運転周波数ＭＡＸＣＦに置き換える（Ｓ６０５）。このように一定速圧縮機の運転台数を増加させずに、インバータ圧縮機の出力を最大とすることで冷凍装置の出力を確保し、かつ一定速圧縮機の発停の頻度を抑制している。

発停抑制カウントＲＣが発停抑制限界ＣＲＣよりも小さく（Ｓ６０３）、かつ目標運転台数ＴＮＣが運転台数ＮＣよりも小さい時（Ｓ６０４）は、目標運転台数ＴＮＣを運転台数ＮＣに置き換え、目標運転周波数ＴＣＦを最小運転周波数ＭＩＮＣＦに置き換える（Ｓ６１１）。このように一定速圧縮機の運転台数を増加させずに、インバータ圧縮機の出力を最小とすることで冷凍装置の出力を低下させ、かつ一定速圧縮機の発停の頻度を抑制している。

発停抑制カウントＲＣが発停抑制限界ＣＲＣよりも大きい時（Ｓ６０３）は、運転台数を変化させる前に発停抑制カウントＲＣを０にリセットする（Ｓ６０６）。これは一定速圧縮機の発停を抑制し過ぎることによって、冷凍装置の出力が過剰又は不足することを防いでいる。

ここで、目標運転台数ＴＮＣが運転台数ＮＣ＋２よりも大きい時（Ｓ６０７）は、目標運転台数ＴＮＣを運転台数ＮＣ＋１に置き換え、目標運転周波数ＴＣＦを最大運転周波数ＭＡＸＣＦに置き換える（Ｓ６０８）。このように一定速圧縮機の運転台数が一時に二台以上増加することを抑制し一台の増加に留め、インバータ圧縮機の出力を最大とすることで冷凍装置の出力を確保し一定速圧縮機の発停の頻度を減少させている。また、目標運転台数ＴＮＣが運転台数ＮＣ−２よりも小さい時（Ｓ６０９）は、目標運転台数ＴＮＣを運転台数ＮＣ−１に置き換え、目標運転周波数ＴＣＦを最小運転周波数ＭＩＮＣＦに置き換える（Ｓ６１０）。このように一定速圧縮機の運転台数が一時に二台以上減少することを抑制し一台の減少に留め、インバータ圧縮機の出力を最小とすることで冷凍装置の出力を低下させ、かつ一定速圧縮機の発停の頻度を抑制している。

なお、目標運転台数ＴＮＣが運転台数ＮＣ＋２よりも小さく、かつ目標運転台数ＴＮＣが運転台数ＮＣ−２よりも大きい時は、目標運転周波数ＴＣＦ及び目標運転台数ＴＮＣに変更はない。

以上から、圧縮機が複数台搭載された冷凍装置において、冷凍システムが必要とする冷凍能力を供給することができる目標運転周波数ＴＣＦ及び目標運転台数ＴＮＣを得ることができる。

また、本実施例では一定速圧縮機１１及び１２は同出力の圧縮機を用いているが、異なる出力を持つ圧縮機を用いる時は各圧縮機毎に定速変換周波数ＣＣＦを求め、動作している一定速圧縮機に対応する定速変換周波数ＣＣＦの総和を求めることで合計運転周波数ＳＣＦを下記の数式１６から求めることができる。Ｓｉは一定速圧縮機ｉの運転状態を表しており、動作時は１、停止時は０となる。ＣＣＦｉは一定速圧縮機ｉの定速変換周波数である。

なお、実施例１及び実施例２の双方において、低圧圧力ＬＰはある程度の幅を持って変動しているため、圧縮機運転制御の安定化を図るために所定時間ＴＳ内における平均値を用いる方が望ましい。

また、目標運転周波数及び目標合計運転周波数の大きな変動を防止するために、演算によって得られた目標運転周波数及び目標合計運転周波数と現在の運転周波数及び合計運転周波数の平均値を新たな目標運転周波数及び目標合計運転周波数とするように制御しても良い。

本願発明を適用した圧縮機が一台搭載された冷凍装置の冷媒回路図である。本願発明を適用した圧縮機が複数台搭載された冷凍装置の冷媒回路図である。低圧圧力の時間変化に関する例を示した図である。本願発明を適用したインバータ圧縮機を一台搭載した冷凍装置において、目標運転周波数ＴＣＦを算出する際のフローチャート図である。本願発明を適用したインバータ圧縮機を一台搭載した冷凍装置において、目標運転周波数ＴＣＦを調整する際のフローチャート図である。本願発明を適用した圧縮機が複数台搭載された冷凍装置において、目標運転周波数ＴＣＦ及び目標運転台数ＴＮＣを算出する際のフローチャート図である。本願発明を適用した圧縮機が複数台搭載された冷凍装置において、目標運転周波数ＴＣＦ及び目標運転台数ＴＮＣを調製する際のフローチャート図である。本願発明を適用した圧縮機が複数台搭載された冷凍装置において、一定速圧縮機の始動を抑制する際のフローチャート図である。本願発明を適用した圧縮機が複数台搭載された冷凍装置において、一定速圧縮機の発停を抑制する際のフローチャート図である。本願発明を適用した合計運転周波数と低圧圧力の関係を表すグラフである。

符号の説明

１０インバータスクロールコンプレッサ
１１、１２一定速スクロールコンプレッサ
１３オイルセパレータ
１４凝縮器
１５レシーバタンク
１６過冷却器
１７フィルタドライヤ
１８モイスチャインジケータ
１９アキュームレータ
２０、２１、２２、２７、３５、３９、４３ストレーナ
２３、２４、２５フロートスイッチ
２６、３４、３８、４２、４７、４８サービスバルブ
２８、３０、３２、３７、４１、４５電磁弁
２９、３１、３３、４９、５１、５３、５５、５７、６１キャピラリチューブ
３６、４０、４４電動弁
４６可溶栓
５０低圧圧力スイッチ
５２、５４、５６高圧圧力スイッチ
５８高圧センサ
５９低圧センサ
６０ＥＣＣ基板
６２高圧圧力計
６３冷却ファン

Claims

運転周波数が可変のインバータ圧縮機、当該インバータ圧縮機に電力を出力するインバータ装置、当該インバータ装置の出力電圧及び周波数を制御する制御装置を備えた冷凍装置において、
前記インバータ圧縮機の低圧側及び高圧側に圧力検出器が配設され、
前記圧力検出器により低圧圧力及び高圧圧力が検出され、
前記インバータ圧縮機の始動時において、前記制御装置は前記低圧圧力と前記高圧圧力と前記インバータ圧縮機の現在の運転周波数とから前記インバータ装置の出力電圧を決定することを特徴とする冷凍装置。
運転周波数が可変のインバータ圧縮機、当該インバータ圧縮機に電力を出力するインバータ装置、当該インバータ装置の出力電圧及び周波数を制御する制御装置を備えた冷凍装置において、
前記インバータ圧縮機の高圧側に圧力検出器が配設され、
前記圧力検出器により高圧圧力が検出され、
前記インバータ圧縮機の始動時において、前記制御装置は前記高圧圧力と前記インバータ圧縮機の現在の運転周波数とから前記インバータ装置の出力電圧を決定することを特徴とする冷凍装置。