JP4073375B2 - 冷凍システム及び冷凍システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、室内空調と被冷却設備の冷却とを行う冷凍システム及び冷凍システムの制御方法に関する。

近年、コンビニエンスストア等の店舗の室内空調を行う空調系統部と、店舗内に設けられた被冷却設備（冷蔵ケース等）の冷却を行う冷却系統部とを具備する冷凍システムが提案されている（例えば、特許文献１）。
特開２００２−１７４４７０号公報

ところで、この種の冷凍システムにおいては、システム全体のエネルギー消費効率（ＣＯＰなど）の向上が要望されている。しかし、この冷凍システムは、空調系統部の運転と、冷却系統部の運転とをそれぞれ空調負荷、冷却設備の負荷に応じて独立して行っているため、例えば、空調負荷が小さい場合に被冷却設備の冷却負荷が大きいと、冷凍システム全体では十分な冷凍能力を持つにも関わらず、被冷却設備の冷却能力が不足するといった事態や、冷却系統部の圧縮機を効率が悪くなる高回転領域で駆動する等してエネルギー消費効率が低くなるおそれがある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、空調負荷が小さい場合のシステム全体のエネルギー消費効率を向上することができる冷凍システム及び冷凍システムの制御方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は、冷凍システムにおいて、空調用圧縮機、熱源側熱交換器及び利用側熱交換器を含む空調用冷媒回路を有し、空調負荷に応じて空調用圧縮機を運転して利用側熱交換器により室内空調を行う空調系統部と、冷却用圧縮機、凝縮器及び蒸発器を含む冷却用冷媒回路を有し、冷却用圧縮機を運転して蒸発器により被冷却設備の冷却を行う冷却系統部と、前記冷却用冷媒回路の冷媒と、前記空調用冷媒回路の冷媒との間で熱交換を行うためのカスケード熱交換器と、空調負荷が所定量以下で、空調用圧縮機の回転周波数が所定値以上の効率となる予め設定された周波数範囲内にある場合に、前記カスケード熱交換器への前記空調用冷媒回路の冷媒の供給を開始し、空調負荷が所定量以上になった場合に、前記カスケード熱交換器への前記空調用冷媒回路の冷媒の供給を停止する制御手段とを備えることを特徴とする。この構成によれば、空調系統部の能力に余裕がある場合に、その冷却能力により冷却用冷媒回路の高圧側の冷媒を過冷却することができ、冷却系統部の冷却能力及び運転効率を向上することができる。

上記冷凍システムにおいて、前記制御手段は、室内温度と予め設定された設定温度との差が所定の閾値以下になると、前記空調負荷が所定量以下になったと判別してもよい。

また、前記空調用冷媒回路の冷媒は、電動弁を介して前記カスケード熱交換器に供給され、前記制御手段は、前記電動弁を開閉することが好ましい。この場合、前記制御手段は、前記電動弁を開けた後、前記冷却用冷媒回路の冷媒のカスケード熱交換器の入口温度と出口温度との差が予め定められた目標温度差となるように、前記電動弁の弁開度を調整することが好ましい。

また、本発明は、室内空調と被冷却設備の冷却とを行う冷凍システムの制御方法において、前記冷凍システムは、空調用圧縮機、熱源側熱交換器及び利用側熱交換器を含む空調用冷媒回路を有し、空調負荷に応じて空調用圧縮機を運転して利用側熱交換器により室内空調を行う空調系統部と、冷却用圧縮機、凝縮器及び蒸発器を含む冷却用冷媒回路を有し、冷却用圧縮機を運転して蒸発器により被冷却設備の冷却を行う冷却系統部と、前記冷却用冷媒回路の冷媒と、前記空調用冷媒回路の冷媒との間で熱交換を行うためのカスケード熱交換器とを備え、空調負荷が所定量以下で、空調用圧縮機の回転周波数が所定値以上の効率となる予め設定された周波数範囲内にある場合に、前記カスケード熱交換器への前記空調用冷媒回路の冷媒の供給を開始し、空調負荷が所定量以上になった場合に、前記カスケード熱交換器への前記空調用冷媒回路の冷媒の供給を停止することを特徴とする。この構成によれば、空調系統部の能力に余裕がある場合に、その冷却能力により冷却用冷媒回路の高圧側の冷媒を過冷却することができ、冷却系統部の冷却能力及び運転効率を向上することができる。

上記制御方法において、室内温度と予め設定された設定温度との差が所定の閾値以下になると、前記空調負荷が所定量以下になったと判別してもよい。

本発明の冷凍システムは、空調負荷が小さい場合のシステム全体のエネルギー消費効率を向上することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の実施形態に係る冷凍システム１の冷媒回路を含むシステム構成を示す図である。この冷凍システム１は、例えばコンビニエンスストアなどの店舗に適用され、店舗内２の空調と、店舗内２に設置される貯蔵設備（被冷却設備）としての冷蔵ケース３や冷凍ケース４の庫内冷却とを実現するものである。なお、冷蔵ケース３は、庫内が冷蔵温度（＋３℃〜＋１０℃）に冷却され、飲料や冷蔵食品などが陳列されるケースであり、冷凍ケース４は、庫内が冷凍温度（−３０℃〜−１０℃）に冷却され、冷凍食品や冷菓などが陳列されるケースである。

この冷凍システム１は、店舗内２の空調を行う空調系統部６と、店舗内２の冷蔵ケース３や冷凍ケース４の庫内冷却を行う冷却系統部８とを備えている。空調系統部６は、店舗内２に設置された複数の室内ユニット１１と、店舗外に設置された室外ユニット１２と、これらのユニット１１、１２の間に渡って設けられた空調用冷媒回路７とを備えている。

この空調用冷媒回路７は、室内ユニット１１内に設置された利用側熱交換器２７と、室外ユニット１２内に設置された熱源側熱交換器１６及び圧縮ユニット１３としての圧縮機１３Ａ及び１３Ｂにより冷凍サイクルを行うものである。

詳述すると、圧縮機１３Ａはインバータ圧縮機であり、圧縮機１３Ｂは定速制御用の圧縮機である。これら圧縮機１３Ａ、１３Ｂは、並列接続されて各圧縮機１３Ａ及び１３Ｂの吐出側が逆止弁５Ａ、５Ｂを介して合流され、四方弁の一方の入口に接続される。また、四方弁１４の一方の出口は、熱源側熱交換器１６の入口に接続される。この熱源側熱交換器１６は、多数の並列配管からなる流路抵抗の比較的小さい入口側１６Ａとこれらが少数の並列配管若しくは単数の配管に集約される出口側１６Ｂとで構成される。そして、この熱源側熱交換器１６の出口側１６Ｂの出口は、膨張弁１７及び膨張弁１８を介して分流された後、室内ユニット１１の各利用側熱交換器２７の入口に接続される。

各利用側熱交換器２７の出口は、合流された後、室外ユニット１２内の四方弁１４の他方の入口に接続され、四方弁１４の他方の出口は逆止弁２２を介してアキュムレータ２３に接続される。そして、このアキュムレータ２３の出口が圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吸込側に接続され、これにより、圧縮ユニット１３から吐出された冷媒は熱源側熱交換器１６及び利用側熱交換器２７を経由して圧縮ユニット１３に戻される。

また、この空調用冷媒回路７においては、膨張弁（第１の膨張弁）１７と膨張弁１８との間の冷媒管が分岐され、この分岐管が膨張弁（第２の膨張弁）１９を介してカスケード熱交換器２１に接続される。このカスケード熱交換器２１は、複数の伝熱プレートを積層して、各伝熱プレート管に２種類の冷媒が流通する冷媒通路２１Ａ、２１Ｂを交互に形成し、隣接する冷媒通路２１Ａ、２１Ｂを２種類の冷媒が流通する間に伝熱プレートを介して熱交換が行われるプレート式熱交換器が適用される。このカスケード熱交換器２１は、一方の冷媒通路２１Ａの入口が膨張弁（電動弁）１９に接続され、その出口がアキュムレータ２３の入口に接続される。これにより、膨張弁１９により低圧とされた冷媒はカスケード熱交換器２１に供給された後、圧縮ユニット１３に戻されるようになっている。

すなわち、この冷凍システム１においては、冷媒循環経路として、利用側熱交換器２７を経由する経路αと、カスケード熱交換器２１を経由する経路βとが形成されるようになっている。

室外側空調コントローラ２６は、汎用のマイクロコンピュータで構成され、外気温や冷媒圧力に基づいて室外ユニット１２側の空調系統部６の機器を制御するものである。また、室内側空調コントローラ２８は、汎用のマイクロコンピュータで構成され、リモートコントローラ（不図示）から送信されて受信部（不図示）を介して入力したユーザ指示に基づいて室内ユニット１１側の機器を制御したり、室外側空調コントローラ２６にユーザ指示に応じた情報などをデータ通信するものである。また、送風機２４は、熱源側熱交換器１６に外気を送風する送風機であり、送風機１５は、利用側熱交換器２７に室内空気を送る送風機である。

一方、冷却系統部８は、貯蔵設備としての冷蔵ケース３や冷凍ケース４と、室外ユニット１２との間に渡って設けられた冷却用冷媒回路９とを備えている。この冷却用冷媒回路９は、冷蔵ケース３に設けられた冷蔵用蒸発器４３、室外ユニット１２内に設置された凝縮器（熱交換器）３８及び圧縮ユニットとしての圧縮機３７及び圧縮機５４により冷凍サイクルを行うものである。

詳述すると、圧縮機３７の吐出側は、オイルセパレータ３１を介して四方弁３９の一方の入口に接続され、この四方弁３９の一方の出口が凝縮器３８の入口に接続される。この凝縮器３８は、多数の並列配管からなる流路抵抗の比較的小さい入口側３８Ａとこれらが少数の並列配管若しくは単数の配管に集約される出口側３８Ｂとで構成される。そして、この凝縮器３８の出口側３８Ｂの出口はレシーバータンク３６の入口に接続され、このレシーバータンク３６の出口が四方弁４１の一方の入口に接続される。すなわち、レシーバータンク３６は凝縮器３８の冷媒下流側に接続される。

四方弁４１の一方の出口は、カスケード熱交換器２１の他方の冷媒通路２１Ｂの入口に接続される。また、カスケード熱交換器２１の冷媒通路２１Ｂの出口は、四方弁３９の他方の入口に接続されており、この四方弁３９の他方の出口は四方弁４１の他方の入口に接続される。そして、この四方弁４１の他方の出口は、３つに分岐されて、第１の分岐管が電磁弁４７、４６及び膨張弁４４を順次介して一方の冷蔵用蒸発器４３の入口に接続され、第２の分岐管が電磁弁４６及び膨張弁４４を順次介して他方の冷蔵用蒸発器４３の入口に接続され、第３の分岐管が電磁弁５２及び膨張弁５１を介して冷凍用蒸発器４９の入口に接続される。なお、この電磁弁５２と膨張弁５１の直列回路と並列に電磁弁５３が接続されている。

冷凍用蒸発器４９の出口は、逆止弁３０を介して圧縮機５４の吸込側に接続されると共に、冷蔵用蒸発器４３側の電磁弁４６と４７との間に逆止弁４８を介して接続される。この圧縮機５４は、圧縮機３７よりも小出力の圧縮機であり、その吐出側がオイルセパレータ４５を介して圧縮機３７の吸込側に接続される。すなわち、圧縮機３７と圧縮機５４は冷媒回路上直列に接続される。また、オイルセパレータ４５と圧縮機３７との間には、各冷蔵用蒸発器４３の出口が合流された後に接続される。また、圧縮機３７の吸込側は、逆止弁４２を介してオイルセパレータ３１の出口に接続される。

室外側冷却コントローラ３２は、汎用のマイクロコンピュータで構成され、外気温や冷媒圧力に基づいて室外ユニット１２側の冷却系統部８の機器を制御するものである。また、室内側冷蔵コントローラ５０は、汎用のマイクロコンピュータで構成され、冷蔵用貯蔵設備（冷蔵ケース３）の庫内温度に基づいて冷却系統部８の機器を制御するものである。また、室内側冷凍コントローラ５５は、汎用のマイクロコンピュータで構成され、冷凍用貯蔵設備（冷凍ケース４）の庫内温度に基づいて冷却系統部８の機器を制御するものである。また、送風機３５は、凝縮器３８に外気を送風する送風機であり、送風機２０は、凝縮器３８に冷蔵ケース３の庫内空気を送る送風機であり、送風機２５は、冷凍用蒸発器４９に冷凍ケース４の庫内空気を送る送風機である。

また、この冷凍システム１は、主コントローラ５６を有している。主コントローラ５６は、汎用のマイクロコンピュータで構成され、室外側空調コントローラ２６、室内側空調コントローラ２８、室外側冷却コントローラ３２、室内側冷蔵コントローラ５０及び室内側冷凍コントローラ５５とデータ通信することにより、冷凍システム１全体の制御を行うものである。なお、この冷凍システム１においては、空調用冷媒回路７と冷却用冷媒回路９とでは異なる冷媒が用いられ、例えば、空調用冷媒回路７にはＲ４１０Ａが用いられ、冷却用冷媒回路９にはＲ４１０Ａより沸点が高いＲ４０４Ａが用いられる。このように、この冷凍システム１は、各冷媒回路に最適な冷媒をそれぞれ用いることができるので、回路設計の自由度を高くすることができる。

次に、冷凍システム１の動作を説明する。

この冷凍システム１において、空調系統部６は、室外側空調コントローラ２６及び室内側空調コントローラ２８により、空調負荷、つまり、リモートコントローラを介して指示された設定温度と店舗内の温度（室内温度）との差に応じて冷房運転又は暖房運転を行い、室内温度が設定温度になるように空調する。また、冷却系統部８は、室外側冷却コントローラ３２、室内側冷蔵コントローラ５０及び室内側冷凍コントローラ５５の制御の下、冷蔵ケース３の庫内温度を予め設定された冷蔵温度にすると共に、冷凍ケース４の庫内温度を予め設定された冷凍温度にする。

詳述すると、この冷凍システム１において、主コントローラ５６は、各コントローラ２６、２８、３２、５０、５５とデータ通信することで、空調系統部６と冷却系統部８の現在の運転状態に関するデータを受信し、受信したデータに基づき、後述するその時点で最適な運転パターンを決定し、この最適運転パターンに関するデータ及び各機器の運転データを各コントローラ２６、２８，３２、５０、５５に送信する。そして、各コントローラ２６、２８、３２、５０、５５が、主コントローラ５６から受信したデータに基づいて後述する制御動作を実行する。

まず、室内側空調コントローラ２８は、空調系統部６の冷房運転が最適であると判断した場合、冷房運転を行うべく、室外側空調コントローラ２６及び主コントローラ５６へ所定のデータを送信すると共に、このデータを受信した主コントローラ５６は、これらのデータを室外側冷却コントローラ３２、室内側冷蔵コントローラ５０及び室内側冷凍コントローラ５５へ送信する。

室外側冷却コントローラ３２は、受信データに基づき、冷却系統部８の冷却用冷媒回路９の四方弁３９の一方の入口（オイルセパレータ３１との接続口）を一方の出口（凝縮器３８との接続口）に連通させ、他方の入口（カスケード熱交換器２１との接続口）を他方の出口（四方弁４１との接続口）に連通させると共に、四方弁４１の一方の入口（四方弁３９との接続口）を一方の出口（冷蔵用蒸発器４３及び冷凍用蒸発器４９（電磁弁４６、４７、５２）との接続口）に連通させ、他方の入口（レシーバータンク３６との接続口）を他方の出口（カスケード熱交換器２１との接続口）に連通させる。そして、室外側冷却コントローラ３２は、圧縮機３７及び５４を運転する。

これにより、圧縮機３７から吐出された高温高圧のガス冷媒は、オイルセパレータ３１にてオイルが分離された後、四方弁３９を経て凝縮器３８の入口側３８Ａに入る。この凝縮器３８には送風機３５により外気が通風されており、凝縮器３８に流入した冷媒はここで放熱し、凝縮する。この凝縮器３８から出た冷媒は、レシーバータンク３６内に入り、そこに一旦貯留されて気／液が分離される。分離された液冷媒は、レシーバータンク３６から出て四方弁４１を通過した後、カスケード熱交換器２１の冷媒通路２１Ｂに入る。

この冷媒通路２１Ｂを通過した冷媒は、四方弁３９、４１を順次通過した後に分岐され、一方は更に分岐して一方は電磁弁４７、４６を順次通過して、膨張弁４４により絞られた後（減圧）、一方の冷蔵用蒸発器４３に供給され、そこで蒸発し、分岐した他方は電磁弁４６を通過して膨張弁４４に至り、そこで絞られた後（減圧）、他方の冷蔵用蒸発器４３に流入し、そこで蒸発する。各冷蔵用蒸発器４３には送風機２０により冷蔵ケース３の庫内空気がそれぞれ通風・循環されており、冷媒の蒸発による吸熱作用で各庫内空気は冷却される。これにより、冷蔵ケース３の庫内冷却が行われる。これら冷蔵用蒸発器４３を出た低温のガス冷媒は合流された後、圧縮機５４のオイルセパレータ４５の出口側に至る。

また、四方弁３９、４１を順次通過した後に分岐された他方の冷媒は、電磁弁５２を通過して膨張弁５１に至り、そこで絞られた後（減圧）、冷凍用蒸発器４９に供給され、そこで蒸発する。この冷凍用蒸発器４９には送風機２５により冷凍ケース４の庫内空気が通風・循環されており、冷媒の蒸発による吸熱作用で庫内空気は冷却される。これにより、冷凍ケース４の庫内冷却が行われる。

冷凍用蒸発器４９を出た低温のガス冷媒は逆止弁３０を経て圧縮機５４に至り、そこで圧縮されて冷蔵用蒸発器４３の出口側の圧力（冷蔵系統の低圧側圧力）まで昇圧された後、圧縮機５４から吐出され、オイルセパレータ４５でオイルを分離された後、冷蔵用蒸発器４３からの冷媒と合流する。この合流した冷媒は圧縮機３７の吸込側に吸い込まれる循環を繰り返す。

室内側冷蔵コントローラ５０は、冷蔵ケース３の庫内温度若しくは冷蔵用蒸発器４３を経た吐出冷気温度或いは冷蔵用蒸発器４３への吸込冷気温度と、冷蔵用蒸発器４３の出口側の冷媒温度、或いは、冷蔵用蒸発器４３の温度とに基づいて各膨張弁４４の弁開度をそれぞれ制御する。これにより、冷蔵ケース３の庫内を前述した冷蔵温度に冷却維持しながら、適正な過熱度（過熱度一定）とする。

また、室内側冷凍コントローラ５５は、冷凍ケース４の庫内温度若しくは冷凍用蒸発器４９を経た吐出冷気温度或いは冷凍用蒸発器４９への吸込冷気温度と、冷凍用蒸発器４９の出口側の冷媒温度、或いは、冷凍用蒸発器４９の温度とに基づいて膨張弁５１の弁開度を制御する。これにより、冷凍ケース４の庫内を前述した冷凍温度に冷却維持しながら、適正な過熱度（過熱度一定）とする。

また、室外側冷却コントローラ３２は、各膨張弁４４、５１のいずれかが開放されているときは、圧縮機３７の吸込側の圧力（冷却用冷媒回路９の低圧圧力）に基づいて圧縮機３７の運転周波数を制御し、各膨張弁４４、５１の全てが全閉となったときに圧縮機３７の運転を停止する。

一方、室外側空調コントローラ２６は、受信データに基づき四方弁１４の一方の入口（オイルセパレータ１０との接続口）を一方の出口（熱源側熱交換器１６との接続口）に連通させ、他方の入口（利用側熱交換器２７との接続口）を他方の出口（アキュムレータ２３との接続口）に連通させる。また、膨張弁１７を全開とし、圧縮機１３Ａ、１３Ｂを運転する。なお、室外側空調コントローラ２６は、圧縮機１３Ａについては運転周波数をインバータ制御して能力制御をする。

圧縮機１３Ａ、１３Ｂが運転されると、圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吐出側から吐出された高温高圧のガス冷媒は、オイルセパレータ１０から四方弁１４を経て熱源側熱交換器１６の入口側１６Ａに入る。この熱源側熱交換器１６には送風機２４により外気が通風されており、冷媒はここで放熱し、凝縮液化する。すなわち、この場合、熱源側熱交換器１６は凝縮器として機能する。この液冷媒は、熱源側熱交換器１６を経て膨張弁１７を通過した後、分岐される。

本実施形態では、カスケード熱交換器２１の前段の膨張弁１９は初期状態では全閉とされる。従って、ここでは膨張弁１７を通過した液冷媒は、膨張弁１８に至り、そこで絞られて低圧とされた後（減圧）、各利用側熱交換器２７に分岐して流入し、そこで蒸発する。すなわち、空調用冷媒回路７の冷媒はカスケード熱交換器２１に供給されず、全て室内空調に利用されるようになっている。

この利用側熱交換器２７には、送風機１５により室内空気（店舗内の空気）が通風され、冷媒の蒸発による吸熱作用で室内空気を冷却する。これにより、室内（店舗内）の冷房が行われる。

利用側熱交換器２７を出た低温のガス冷媒は合流された後、四方弁１４、逆止弁２２、アキュムレータ２３を順次経て圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吸込側に供給される循環を繰り返す。

また、膨張弁１７を通過して分岐した冷媒の他方は膨張弁１９に至り、そこで絞られて低圧とされた後（減圧）、カスケード熱交換器２１の冷媒通路２１Ａに流入し、そこで蒸発する。かかる空調用冷媒回路７の冷媒の蒸発による吸熱作用でカスケード熱交換器２１は冷却され、低温となる。カスケード熱交換器２１を出た低温のガス冷媒はアキュムレータ２３を経て圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吸込側に供給される循環を繰り返す。

室内側空調コントローラ２８は、温度センサ（不図示）を介して検出した利用側熱交換器２７の温度やそこに吸い込まれる空気温度に基づき、室内（店舗内）の温度を予め設定された設定温度とするように、利用側熱交換器２７に通風する送風機１５を制御する。この室内側空調コントローラ２８の情報は主コントローラ５６を経由して室外側空調コントローラ２６に送信され、室外側空調コントローラ２６はこの情報に基づいて圧縮機１３Ａ、１３Ｂの運転を制御する。

室外側空調コントローラ２６は、利用側熱交換器２７の出入口の冷媒温度、或いは、利用側熱交換器２７の温度に基づいて適正な過熱度となるように膨張弁１８の弁開度を調整する。このようにして、空調系統部６においては、室内温度（店舗内温度）が予め指示された設定温度となるように冷房運転される。

ところで、この冷凍システム１においては、空調負荷が小さい状態になると、具体的には、室内温度と設定温度との温度差が小さい状態になると、カスケード熱交換器２１の前段の膨張弁１９を開けて、空調用冷媒回路７の冷媒をカスケード熱交換器２１に供給する制御を行うようになっている。このように、空調用冷媒回路７の冷媒をカスケード熱交換器２１に供給することによって、カスケード熱交換器２１を経由して流れる冷却用冷媒回路９の高圧側の冷媒をさらに冷却（過冷却）することができる。以下、膨張弁１９の制御動作について説明する。

図３及び図４は、膨張弁１９の制御動作を示すフローチャートである。なお、この動作は、冷房運転時に上記制御と並列的若しくは所定タイミングで間欠的に実施されるものである。

まず、主コントローラ５６は、室外側冷却コントローラ３２から受信したデータに基づき、冷却系統部８の圧縮ユニット（圧縮機３７、５４）がＯＮ（運転中）か否かを判断し（ステップＳ１）、圧縮ユニットがＯＦＦ（運転停止中）の場合は、ステップＳ２０の処理に移行し、膨張弁１９の弁固定パルスＰｖをゼロに設定して弁開度をゼロ（全閉）に制御する（ステップＳ２０）。なお、膨張弁１９は、冷房運転の開始時点は全閉に制御されるため、冷却系統部８の圧縮ユニットが運転停止中の場合は膨張弁１９は全閉に維持されることとなる。

一方、冷却系統部８の圧縮ユニットがＯＮの場合は、主コントローラ５６は、冷却系統部８が霜取り中か否かを判定し（ステップＳ２）、霜取り中の場合は、上記ステップＳ２０の処理に移行する。

一方、霜取り中でない場合は、室外側空調コントローラ２６が、主コントローラ５６からの指示により、店舗の室内温度（具体的には、利用側熱交換器２７に吸い込まれる空気温度等）と、リモートコントローラにより予め設定された設定温度との温度差（以下、吸込差温という。）が、第１の閾値（例えば１℃）以下か否かを判断する（ステップＳ３）。

そして、吸込差温が第１の閾値以下の場合は、室外側空調コントローラ２６は、空調系統部６の圧縮ユニット１３の回転周波数が効率の良い（所定値以上の効率の）周波数範囲にあるか否か、例えば、６０Ｈｚ以下か否かを判断する（ステップＳ４）。次いで、回転周波数が効率の良い周波数範囲になければステップＳ２０の処理に移行する一方、効率の良い周波数範囲にあれば、膨張弁１９を開ける（ステップＳ５）。この場合、膨張弁１９は、まず、予め設定された初期パルスに弁固定パルスＰｖが設定された初期開度に固定制御される。

この膨張弁１９を開けることによって、空調用冷媒回路７を循環する冷媒がカスケード熱交換器２１の冷媒通路２１Ａに供給され、この冷媒の蒸発による吸熱作用でカスケード熱交換器２１が冷却される。これにより、カスケード熱交換器２１の冷媒通路２１Ｂを流れる冷却用冷媒回路９の高圧側の冷媒が過冷却される。

また、ステップＳ３で吸込差温が第１の閾値以下でないと判定された場合でも、吸込差温が第２の閾値（例えば２度）以下であって（ステップＳ６）、かつ、膨張弁１９の弁固定パルスＰｖ（Ｐｖ#ｏｌｄ）がゼロでなければ（ステップＳ７）、つまり、膨張弁１９が少なくとも開いた状態であれば、室外側空調コントローラ２６は、ステップＳ４の処理に移行し、圧縮ユニット１３の回転周波数が効率の良い周波数範囲にあることを条件に膨張弁１９を開け、冷却用冷媒回路９の冷媒の過冷却を行う。

すなわち、吸込差温が所定の閾値以下となり、かつ、空調系統部６の圧縮ユニット１３の回転周波数が効率の良い周波数範囲であるという、空調負荷が小さい（空調負荷が所定量以下である）ことを示す条件を揃うと、膨張弁１９が開けられ、冷却用冷媒回路９の冷媒の過冷却が行われる。言い換えれば、空調系統部６の能力に余裕があると判断されると、その冷却能力を被冷却設備の冷却に振り分けることができる。

なお、吸込差温が所定の閾値以下となったこと、あるいは、圧縮ユニット１３の回転周波数が効率の良い周波数範囲になったことのいずれか一方の条件が満たされる場合でも空調負荷が小さいとほぼみなせるため、いずれか一方の条件が満たされた時点で膨張弁１９を開けて冷媒の過冷却を行うようにしてもよい。但し、本実施形態のように、両方の条件を満足した時点で冷媒の過冷却を行えば、より精度良く、空調負荷が小さいとみなせる場合に空調能力を被冷却設備の冷却に振り分けることができる。

膨張弁１９を開けて空調用冷媒回路７の冷媒をカスケード熱交換器２１に供給すると、次に、室外側空調コントローラ２６は、膨張弁１９の弁開度の調整を行う。詳述すると、室外側空調コントローラ２６は、カスケード熱交換器２１における空調系統部６側の冷媒の出口温度ＴＥ２と入口温度ＴＥ１との温度差ΔＴＥに基づいて、該温度差ΔＴＥを予め定められた目標温度差ＳＨとするための弁固定パルスＰｖの補正パルスΔａを設定するＳＨ制御を行う（ステップＳ８）また、室外側空調コントローラ２６は、カスケード熱交換器２１における冷却系統部８側の冷媒の入口温度ＴＣ１と出口温度ＴＣ２との温度差ΔＳＣに基づいて、該温度差ΔＳＣを予め定められた目標温度差ＳＣとし、かつ、出口温度ＴＣ２を外気温度以上とするための弁固定パルスＰｖの補正パルスΔｂを設定するＳＣ制御を行う（ステップＳ９）。ここで、冷媒の出口温度ＴＣ２を外気温度以上とするのは、カスケード熱交換器２１と四方弁３９とを接続する冷媒管（図１中γで示す。）には、通常、断熱材が巻かれていないため、この冷媒管を通る冷媒が外気温度より低いと、冷媒が暖められてフラッシュガスが発生し、熱ロスとなってしまうからである。但し、この冷媒管γに断熱材が巻かれた場合は、ステップＳ９において、温度差ΔＳＣを予め定められた目標温度差ＳＣとする補正パルスΔｂに設定するだけでよく、冷媒の出口温度ＴＣ２を外気温度以上とする条件は除外してよい。

また、上記目標温度差ＳＣは、外気温度に応じて変更される。例えば、外気温度が３０℃以上であれば値ＳＣ１とし、外気温度が２０℃以上、３０℃以下であれば値ＳＣ２とし、外気温度が２０℃以下であれば値ＳＣ３に変更される。ここで、目標温度差ＳＣは、外気温度が低い程大きい値に設定されるように、値ＳＣ１＜値ＳＣ２＜値ＳＣ３に設定されるようになっている。

さらに、室外側空調コントローラ２６は、空調系統部６の圧縮ユニット１３の吐出温度（圧縮機１３Ａの吐出温度ＴＤ１、圧縮機１３Ｂの吐出温度ＴＤ２）に基づいて、圧縮ユニット１３を保護するための弁固定パルスＰｖの補正パルスΔｃを設定するＴＤ制御を行う（ステップＳ１０）。なお、この補正パルスΔｃは、圧縮ユニット１３の吐出温度が所定温度以上となったときに設定される。

そして、室外側空調コントローラ２６は、ステップＳ８〜Ｓ９で算出した補正パルスΔａ、Δｂ及びΔｃを、現在の弁固定パルスＰｖ（Ｐｖ#ｏｌｄ）に加算し（ステップＳ１１）、加算後の弁固定パルスＰｖが予め定められた上限パルス（Ｐｖ#ｍａｘ）と下限パルス（Ｐｖ#ｍｉｎ）の範囲にあることを条件に、膨張弁１９の弁固定パルスＰｖを設定して弁開度の調整を行う（ステップＳ１２）。

そして、室外側空調コントローラ２６は、上記ステップＳ１２の処理、或いは、ステップＳ２０の処理を実行すると、ステップＳ１の処理に移行し、上記ステップＳ１〜Ｓ１２或いはステップＳ１〜Ｓ２０の処理を繰り返す。

従って、この冷凍システム１においては、室内温度と予め設定された設定温度との差が所定の閾値以下となり、そのときの空調系統部６の圧縮ユニット１３の回転周波数が効率の良い周波数範囲にあれば、つまり、空調負荷が小さい場合は、空調用冷媒回路７の冷媒がカスケード熱交換器２１に供給されて冷却用冷媒回路９の冷媒の過冷却を行う。これにより、空調系統部６の能力に余裕があると判断されると、その冷却能力を被冷却設備の冷却に振り分けることができ、冷却系統部８の冷却能力及び運転効率を高い状態に維持することができる。この結果、被冷却設備が十分に冷却できなくなるといった事態や、冷却系統部８の圧縮ユニットが効率が悪くなる高回転領域で駆動してエネルギー消費効率が低くなる場合を回避することができ、空調負荷が小さい場合のシステム全体のエネルギー消費効率を向上することができる。

一方、室内側空調コントローラ２８は、空調系統部６の暖房運転が最適であると判断した場合、暖房運転を行うべく、室外側空調コントローラ２６及び主コントローラ５６へ所定のデータを送信すると共に、このデータを受信した主コントローラ５６は、貯蔵設備（被冷却設備）で必要なデータを室外側冷却コントローラ３２、室内側冷蔵コントローラ５０及び室内側冷凍コントローラ５５へ送信する。すると、室外側空調コントローラ２６は、受信データに基づき、冷媒の流れを冷房運転時と逆にすべく、四方弁１４の一方の入口（オイルセパレータ１０との接続口）を一方の出口（アキュムレータ２３との接続口）に連通させ、他方の入口（利用側熱交換器２７との接続口）を他方の出口（熱源側熱交換器１６との接続口）に連通させる。また、膨張弁１７を全閉とすると共に膨張弁１８を全開とし、圧縮機１３Ａ、１３Ｂを運転する。これにより、圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吐出側から吐出された高温高圧のガス冷媒が、四方弁１４を経て利用側熱交換器２７に供給されて放熱し、室内空気を加熱する一方、凝縮化し、室内（店舗内）の暖房を行う。

このように、暖房運転を行っている場合、室外側冷却コントローラ３２は、冷却系統部８の冷却用冷媒回路９の四方弁３９の一方の入口（オイルセパレータ３１との接続口）を一方の出口（四方弁４１との接続口）に連通させ、他方の入口（カスケード熱交換器２１との接続口）を他方の出口（凝縮器３８との接続口）に連通させる。また、室外側冷却コントローラ３２は、四方弁４１の一方の入口（四方弁３９との接続口）を一方の出口（冷蔵用蒸発器４３及び冷凍用蒸発器４９（電磁弁４６、４７、５２）との接続口）に連通させ、他方の入口（レシーバータンク３６との接続口）を他方の出口（カスケード熱交換器２１との接続口）に連通させる。そして、圧縮機３７及び５４を運転することにより、冷却用冷媒回路９の冷媒が四方弁３９を経て凝縮器３８に入り、ここで放熱し、凝縮した後、各冷蔵用蒸発器４３、冷凍用蒸発器４９にそれぞれ供給され、ここで蒸発して被冷却設備の庫内を冷却するようになっている。

なお、上記実施形態では、冷房運転の場合に空調負荷が小さい場合に、膨張弁１９を開けて空調用冷媒回路７の冷媒をカスケード熱交換器２１に流す場合について述べたが、暖房運転の場合にも、空調負荷が小さい場合に空調用冷媒回路７の冷媒をカスケード熱交換器２１に流すようにしてもよい。また、膨張弁１９は、冷媒の供給／停止を切り換え可能な範囲で様々な電動弁を使用してもよい。

また、上記実施形態では、コンビニエンスストア等の店舗に適用される冷凍システムに本発明を適用する場合について述べたが、空調と、冷蔵ケース３や冷凍ケース４以外の被冷却設備の冷却とを行う冷凍システムに広く適用することができる。更に、上記実施形態で示した配管構成などは、それに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

本発明の実施形態に係る冷凍システムの冷媒回路を含むシステム構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る冷凍システムの空調系統部の暖房運転を説明するための図である。 膨張弁の制御動作を示すフローチャートである。 膨張弁の制御動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 冷凍システム
３ 冷蔵ケース
４ 冷凍ケース
６ 空調系統部
７ 空調用冷媒回路
８ 冷却系統部
９ 冷却用冷媒回路
１０ オイルセパレータ
１１ 室内ユニット
１２ 室外ユニット
１３ 圧縮ユニット
１３Ａ、１３Ｂ、３７、５４ 圧縮機
１７、１８、１９ 膨張弁
２１ カスケード熱交換器

Claims (6)

1. 空調用圧縮機、熱源側熱交換器及び利用側熱交換器を含む空調用冷媒回路を有し、空調負荷に応じて空調用圧縮機を運転して利用側熱交換器により室内空調を行う空調系統部と、
   冷却用圧縮機、凝縮器及び蒸発器を含む冷却用冷媒回路を有し、冷却用圧縮機を運転して蒸発器により被冷却設備の冷却を行う冷却系統部と、
   前記冷却用冷媒回路の冷媒と、前記空調用冷媒回路の冷媒との間で熱交換を行うためのカスケード熱交換器と、
   空調負荷が所定量以下で、空調用圧縮機の回転周波数が所定値以上の効率となる予め設定された周波数範囲内にある場合に、前記カスケード熱交換器への前記空調用冷媒回路の冷媒の供給を開始し、空調負荷が所定量以上になった場合に、前記カスケード熱交換器への前記空調用冷媒回路の冷媒の供給を停止する制御手段と、
   を備えることを特徴とする冷凍システム。
2. 前記制御手段は、室内温度と予め設定された設定温度との差が所定の閾値以下になると、前記空調負荷が所定量以下になったと判別することを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
3. 前記空調用冷媒回路の冷媒は、電動弁を介して前記カスケード熱交換器に供給され、前記制御手段は、前記電動弁を開閉することを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍システム。
4. 前記制御手段は、前記電動弁を開けた後、前記冷却用冷媒回路の冷媒のカスケード熱交換器の入口温度と出口温度との差が予め定められた目標温度差となるように、前記電動弁の弁開度を調整することを特徴とする請求項３に記載の冷凍システム。
5. 室内空調と被冷却設備の冷却とを行う冷凍システムの制御方法において、
   前記冷凍システムは、空調用圧縮機、熱源側熱交換器及び利用側熱交換器を含む空調用冷媒回路を有し、空調負荷に応じて空調用圧縮機を運転して利用側熱交換器により室内空調を行う空調系統部と、
   冷却用圧縮機、凝縮器及び蒸発器を含む冷却用冷媒回路を有し、冷却用圧縮機を運転して蒸発器により被冷却設備の冷却を行う冷却系統部と、
   前記冷却用冷媒回路の冷媒と、前記空調用冷媒回路の冷媒との間で熱交換を行うためのカスケード熱交換器とを備え、
   空調負荷が所定量以下で、空調用圧縮機の回転周波数が所定値以上の効率となる予め設定された周波数範囲内にある場合に、前記カスケード熱交換器への前記空調用冷媒回路の冷媒の供給を開始し、空調負荷が所定量以上になった場合に、前記カスケード熱交換器への前記空調用冷媒回路の冷媒の供給を停止することを特徴とする冷凍システムの制御方法。
6. 室内温度と予め設定された設定温度との差が所定の閾値以下になると、前記空調負荷が所定量以下になったと判別することを特徴とする請求項５に記載の冷凍システムの制御方法。

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