JP3347103B2 - 圧縮機の定常状態運転を行う方法 - Google Patents

圧縮機の定常状態運転を行う方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、定常状態運転中の
冷凍システムの制御機構の最適化方法に関する。特に、
この方法は、コンテナ冷凍システムに利用される。
【０００２】
【従来の技術】コンテナに取り付けられた冷凍システム
は、コンテナ内の製品を、目標温度まで冷却する。定常
状態の管理システムにおいて、厳密な温度制御を維持す
るために、冷凍システムの冷却容量は必要な冷凍負荷と
適合しなければならない。いかなる時点においても、冷
凍システムの冷却容量は、冷凍システムの運転条件によ
って決まり、周囲の温度、冷凍コンテナの内部の温度、
圧縮機ならびに吸入調整バルブや熱交換器のような他の
冷凍システム部品の特性および運転モード等に依存す
る。これに対して、必要とされる冷凍負荷は、大抵、周
囲の温度、冷凍される空間の温度、製品呼吸負荷（prod
uct respiration load）、コンテナの大きさおよび断熱
性と相関する。
【０００３】冷凍システムが目標温度に到達するかある
いは少なくとも近くなると、目標温度の所定範囲内での
運転を維持しながら、同時に、冷凍システムの冷却容量
を連続的に調整することが必要となる。従来技術におい
ては、冷凍システムのコントローラは、それほど精巧で
はなく、信頼性が高く、エネルギー効率が良好な厳密な
温度制御によるシステム運転を維持しながら、同時に冷
却容量の減少を行うには十分ではなかった。その代わり
に、通常、冷凍システムにおいては、単にオン／オフ制
御される圧縮機が用いられている。オン／オフ制御は簡
単でかつ容易であるが、冷凍空間において厳密な温度制
御を維持できないことから、多くの冷凍システムは、こ
の方法を効率的に利用することはできない。さらに、こ
の方法では、オン／オフすることによって機械的および
電気的な過負荷が生じ、時々、これに起因して電気モー
タおよび圧縮機に信頼性の問題が発生してきた。さら
に、負荷状態が大きく変動する用途においてこの方法を
利用すると、エネルギー効率が悪化する。
【０００４】従来技術においては、吸入ラインにおける
絞りバルブや、圧縮機のアンローダー手段、バイパス機
構、スプリットコイル、可変速駆動装置、多段圧縮機、
のような付加的な部品や、容量の減少を目的とした数種
類のシステムの様々な運転を利用して、厳密に温度制御
を行うことが試みられた。しかし、これらの技術はコス
トがかかり、あるいは信頼性に欠けることが判明した。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従って、定常状態制御
を、温度制御の厳密性、エネルギー効率および信頼性に
関して最適化するために、容量を制御するためのより精
巧な方法を確立することが、今なお必要とされている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の開示された実施
例においては、マイクロプロセッサに基づく制御アルゴ
リズムによって、必要な冷凍負荷と冷凍システムの利用
可能な冷却容量とが最もよく適合するように、冷凍サイ
クルの構成が調整される。この冷凍システムの利用可能
な冷却容量は、冷却容量制御における数個のステップを
通して調整され、かつ吸入調整バルブを連続的に調整す
ることによって微調整される。高温、低吸入圧力、およ
び高吐出圧力の各々の限界が監視され、これによって信
頼性のある運転が確実となっている。運転エンベロープ
に亘って、エネルギー効率、信頼性、および制御の厳密
性の間で所望のトレードオフが得られる各々の限界を維
持するように、制御論理が変更される。
【０００７】
【発明の実施の形態】冷凍システム２０が図１に示され
ており、この冷凍システム２０においては、冷媒は圧縮
機２２によって凝縮器２４に移送される。凝縮器２４に
よって、冷媒はエコノマイザー熱交換器２６に移送され
る。冷媒の一部は、エコノマイザー熱交換器２６から蒸
発器の膨張手段３０内へ流れ、その後、蒸発器３２自体
に流れる。冷媒は、蒸発器３２から吸入絞り手段（吸入
調整バルブ）３４へ流れ、その後、圧縮機２２に戻る。
これは、周知のように基本的な冷凍システムの流れであ
る。
【０００８】周知のように、エコノマイザー遮断バルブ
２８が開いている場合は、凝縮器２４からの流体の一部
は、エコノマイザー膨張手段４４を通って膨張し、エコ
ノマイザー熱交換器２６を通過し、エコノマイザー遮断
バルブ２８を介して圧縮機２２に戻り、エコノマイザー
ポート４２に入る。バイパスライン４６に配置されてい
るアンローダーバルブ３６によって、エコノマイザーラ
イン４０が吸入ライン３８に連通しており、アンローダ
ーバルブ３６が選択的に開かれることによって、低負荷
状態での運転時の容量が減少する。このエコノマイザー
およびアンローダーバルブ３６の配置は、同時出願中で
ある、１９９８年７月１３日に出願された米国特許出願
０９／１１４，３９５号の名称“エコノマイザーと吸入
部との間にアンローダーバルブを備えたスクロール圧縮
機”に開示されている。
【０００９】好ましくは、冷凍システム２０は、積荷の
保管用のコンテナボックスを冷却するために利用され
る。すなわち、このボックスの空気が、図示されている
ように、蒸発器３２に向かって運ばれる。
【００１０】冷凍システム２０の定常状態運転を行う方
法は、図２のフローチャートに示されている。
【００１１】図示するように、最初に冷凍システム２０
が始動される時点では、通常、コンテナボックスの温度
は目標温度よりも高い状態にある。従って、温度引き下
げ方法が開始される。この引き下げ方法は、同時出願中
である、１９９８年７月２日に出願された米国特許出願
０８／１０８，７８７号の名称“温度引き下げ時におけ
る冷凍システムの冷却容量、エネルギー効率および信頼
性最適化の方法”に開示されている。
【００１２】温度の引き下げの進行中、コントローラに
よって、冷凍コンテナにおける温度つまりボックス温度
は目標温度と比較し続けられる。２つの温度が、互いに
所定範囲内にない場合は、続いて温度引き下げモードが
継続される。しかし、ある時点で、コンテナボックスの
温度差は、目標温度の所定範囲内に入る。その時点で、
コントローラによって定常状態運転が開始される。
【００１３】図２に示されるフローチャートは、ある程
度詳細な制御方法の一つを簡単に示している。この方法
の全体ではなく、一部を選択的に利用することも可能で
あり、かつ冷凍システム２２を最適な容量状態にする基
礎的な概念は、より簡単化された形態で利用されてもよ
い。図２のフローチャートに示されているように、定常
状態運転が開始されると、マイクロプロセッサーによっ
て、冷凍システム２０がその最低の容量状態で運転して
いるか否かが調べられる。
【００１４】図２に示されている冷凍システム２０は、
利用可能な数種類の基本状態を有する。通常、最大の容
量状態においては、アンローダーバルブ３６が閉じら
れ、かつ吸入絞り手段３４が完全に開けられることによ
ってエコノマイザーが動作する。吸入絞り手段３４を開
閉することによって、より広い運転モードの間で、様々
な段階の運転が可能となる。
【００１５】通常、次に低い容量状態においては、エコ
ノマイザー回路はエコノマイザー遮断バルブ２８によっ
て閉じられ、バイパスライン４６はアンローダーバルブ
３６によって閉じられる。これは、標準運転として周知
である。
【００１６】さらに低い容量での運転においては、エコ
ノマイザー回路が閉じられ、かつアンローダーバルブ３
６が開かれる。
【００１７】図２のフローチャートに示されているよう
に、温度の引き下げの完了は、ボックス温度（Ｔbox）
が所望のボックス温度（Ｔboxset）の特定の範囲内にあ
るものと定義されているが、この引き下げが完了する
と、続いて、定常状態運転モードに入る。図２に示され
ているように、定常状態運転モードはステップ１００に
おいて開始され、ここで吸入調整バルブ３４が、Ｔbox
とＴboxsetの差に依存して調整され、開閉される。好ま
しくは、吸入調整バルブ３４はステップ的に閉じられ
る。吸入調整バルブ３４をステップ的に閉じるように制
御するコントローラは周知であるが、それは、この用途
のような方法を行うために利用されたことはない。Ｔ
boxがＴboxsetより大きい場合は、吸入調整バルブ３４
の開度が増大され、ＴboxがＴboxset以下の場合は、吸
入調整バルブ３４の開度は減少される。ステップ１０２
において、吸入調整バルブ３４が所定の最小開度（％）
以下に閉じられていると、タイマーが起動するが、この
タイマーが所定時間を経過した場合は、冷凍システム２
０は、ステップ１０８に示されるように、より低い容量
モードに移行する。これに反して、吸入調整バルブ３４
が所定の最小開度（％）以下に閉じられない場合は、シ
ステムはステップ１０４に移行し、ここで吸入調整バル
ブ３４の開度が最大値より大きいか否かが調べられる。
ステップ１０４の返答がタイマーの設定時間より長い間
イエスの場合は、続いて、冷凍システム２０はステップ
１０６に移行し、ここで圧縮機２２の容量が増加され
る。ステップ１０６およびステップ１０４の返答がノー
の場合は、冷凍システム２０はステップ１００に戻る。
【００１８】ステップ１０８の後、ステップ１１０にお
いて、吸入圧力が最小値より小さいか否かがコントロー
ラによって調べられる。この返答がノーの場合は、冷凍
システム２０はステップ１００に戻る。答えがイエスの
場合は、続いて、冷凍システム２０は温度制御モードで
はなく圧力制御モードに移行する。ステップ１１２に示
されているように、圧力制御モードにおいては、吸入調
整バルブ３４は、吸入圧力の設定値Ｐsucsetから実際の
吸入圧力Ｐsucを引いた値として定義される差分に基づ
いて調整される。ここで、吸入調整バルブ３４が調整さ
れることによって、吸入圧力が許容されない低い値にま
で落ちないようになっている。コントローラはステップ
１１２からステップ１１４に移行し、ここでコンテナ内
の温度Ｔ boxがＴboxsetに誤差範囲を加えた値よりも大
きいか否かが調べられる。この返答がイエスの場合は、
システムは、圧力制御モード外に移行し、ステップ１０
０に戻る。この返答がノーの場合は、続いて、コントロ
ーラによって、Ｔboxの値がＴboxsetから誤差範囲を引
いた値よりも小さいか否か調べられる。ステップ１１６
の返答がノーの場合、冷凍システム２０はステップ１１
２に戻る。実質的に、ステップ１１２，１１４および１
１６のループによって、冷凍システム２０が非常に小さ
い容量で運転している状態で、吸入圧力が許容値以下に
ならないことを確実なものとしている。
【００１９】ステップ１１６の返答がイエスの場合、冷
凍システム２０はステップ１１８に移行し、ここで圧縮
機２２がオフにされる。コントローラによって、Ｔbox
およびＴboxsetは監視し続けられ、ＴboxがＴboxsetに
誤差範囲を加えた値よりも大きくならない間は、ステッ
プ１１８において圧縮機２２がオフである状態が維持さ
れる。ステップ１２０において、ＴboxがＴboxsetに誤
差範囲を加えた値よりも大きくなると、冷凍システム２
０はステップ１００に戻る。図２に示されているような
フローチャートによって、最終的に、冷凍システム２０
が最小の冷却容量モードに維持され、同時に、他のシス
テム部品の適切な運転が可能となる。
【００２０】加えて、圧縮機２２の吐出口における吐出
温度が監視される。圧縮機２２への冷媒の流量が非常に
小さい場合、圧縮機２２において許容できない程度まで
の温度上昇が時々起こり得る。圧縮機２２が許容できな
い程度まで高温であることが観測された場合は、吸入調
整バルブ３４が開かれ、これによって冷媒の流れが増加
し、圧縮機２２の温度が低下する。注目すべきは、この
機能は、圧縮機２２の温度と関係するが、コンテナの温
度つまりＴboxと関係しない。圧縮機２２への冷媒の質
量流量が増加すると、しばらく後に、コンテナの温度Ｔ
boxが所望の温度Ｔboxset以下にまで低下する可能性が
ある。その時は圧縮機２２がオフにされる。これは、コ
ントローラによって、ステップ１１８と同一に取り扱わ
れ、このような条件下で、図２のフローチャートに示さ
れるように運転が継続される。
【図面の簡単な説明】
【図１】冷凍システムの概略図。
【図２】本発明に係る定常状態運転を行う一つの方法の
フローチャート。
フロントページの続き (72)発明者 ボリス カープマン アメリカ合衆国，コネチカット，マール ボロウ，ジェリー ダニエルズ ロード 91 (56)参考文献 特開 平１−167564（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−170083（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−28958（ＪＰ，Ａ) 米国特許4903502（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F25D 11/00 101

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】圧縮機の定常状態運転を行う方法であっ
    て、 （１）コンテナ内部の温度を監視し、かつ前記コンテナ
    内部の温度を目標温度と比較し、前記２つの温度が、互
    いに所定範囲内に入ったら、定常状態運転に入るステッ
    プと、 （２）定常状態運転に入ったら、冷凍システムの運転を
    監視し、所定時間の間、吸入絞り手段の開度を小さく
    し、前記所定時間の経過後に、この吸入絞りによって、
    前記コンテナ内部の温度が前記所定範囲より高くならな
    ければ、前記冷凍システムをより低い容量の運転モード
    に移行させるよう設計された論理によって、前記コンテ
    ナ内部の温度を監視しつつより低い容量の運転へ移行さ
    せ続けるステップと、 を備えることを特徴とする圧縮機の定常状態運転を行う
    方法。
  2. 【請求項２】 前記所定時間内に前記コンテナ内部の温
    度が前記所定範囲より高くなり始めた場合は、前記吸入
    絞り手段の開度を再び増加することを特徴とする請求項
    １記載の圧縮機の定常状態運転を行う方法。
  3. 【請求項３】 前記圧縮機は、アンローダーバルブ、吸
    入絞り手段およびエコノマイザ回路を備えており、圧縮
    機コントローラにより請求項１記載の方法のステップを
    実行することによって、エコノマイザ運転から標準運転
    への移行、標準状態からアンローダー運転への移行、が
    達成されることを特徴とする請求項１記載の圧縮機の定
    常状態運転を行う方法。
  4. 【請求項４】 少なくとも前記圧縮機が最低の容量状態
    にあるときに、吸入圧力を監視し、前記吸入圧力が所定
    限界値以下まで低下した場合は吸入圧力制御に切り換
    え、前記吸入圧力制御においては、前記吸入圧力を監視
    し、前記コンテナ内部の温度ではなく前記吸入圧力に基
    づいて前記吸入絞り手段の動作を調整することを特徴と
    する請求項１記載の圧縮機の定常状態運転を行う方法。
  5. 【請求項５】 前記コンテナ内部の温度が前記目標温度
    に所定誤差を足した値よりも大きい場合は、温度に基づ
    いて前記吸入絞り手段の動作を調整する制御に戻ること
    を特徴とする請求項４記載の圧縮機の定常状態運転を行
    う方法。
  6. 【請求項６】 前記コンテナ内部の温度が前記目標温度
    から所定誤差を引いた値よりも小さい場合は、圧縮機を
    オフ状態に制御することを特徴とする請求項４記載の圧
    縮機の定常状態運転を行う方法。
  7. 【請求項７】 吐出温度を監視し、この吐出温度が所定
    限界値以下に下がった場合は、前記圧縮機を吐出温度制
    御に切り換え、前記吐出温度制御においては、前記吐出
    温度を監視し、前記吐出温度が所定の限界値以下にある
    間は、前記吸入絞り手段の調整ステップ、およびエコノ
    マイザ運転、標準運転、アンローダー運転、の切替ステ
    ップのうちの少なくとも一つのステップを行うことを特
    徴とする請求項１記載の圧縮機の定常状態運転を行う方
    法。
  8. 【請求項８】 吐出圧力を監視し、この吐出圧力が所定
    限界値以下に下がった場合は、前記圧縮機を吐出圧力制
    御に切り替え、前記吐出圧力制御においては、前記吐出
    圧力を監視し、前記吐出圧力が所定の限界値以下にある
    間は、前記吸入絞り手段の調整ステップ、およびエコノ
    マイザ運転、標準運転、アンローダー運転、の切替ステ
    ップのうちの少なくとも一つのステップを行うことを特
    徴とする請求項１記載の圧縮機の定常状態運転を行う方
    法。
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