JP5251992B2 - 冷凍空調装置及び冷凍空調装置の制御方法 - Google Patents
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Description
図1はこの発明の実施の形態1による冷凍空調装置を示す冷媒回路図である。図1において、1は熱源側で例えばコンデンシングユニット、2a、2b、2cは負荷側のショーケースでこの部分は断面構成で図示している。例えば3個のショーケース2を有し、ショーケース2aは青果用、ショーケース2bは日配用、ショーケース2cは生鮮用のショーケースとする。ショーケース2内の白抜き矢印はショーケース2内の空気の流れを示している。3は例えばインバータにより回転数が可変である圧縮機、4は凝縮器、5は液レシーバ、6はアキュムレータであり、これらはコンデンシングユニット1に内蔵される。7a、7b、7cは電磁弁、8a、8b、8cは減圧装置である電子膨張弁、9a、9b、9cは蒸発器、10a、10b、10cはショーケース2a、2b、2c内を冷却するため蒸発器9a、9b、9cを経てショーケース2内の冷却対象に送風するファンであり、電磁弁7、電子膨張弁8、蒸発器9、ファン10はショーケース2に内蔵される。液管11とガス管12は、コンデンシングユニット1とショーケース2a、2b、2cを接続する冷媒配管である。圧縮機3、凝縮器4、電磁弁7、電子膨張弁8、蒸発器9は冷媒配管11、12で接続されて冷凍サイクル20を構成している。特にこの空調冷凍装置では、1つの熱源に複数の冷却負荷が並列に接続され、その目標冷却温度をそれぞれ個別に設定して冷却対象各々を互いに異なる目標冷却温度に冷却することができる。
SHa=蒸発器9a出口冷媒温度−蒸発器9a入口冷媒温度 ・・・(1)
次に過熱度SHaと目標値SHamとの大小を比較し、SHa>SHamならば電子膨張弁8aの開度を大きくし、SHa<SHamならば電子膨張弁8aの開度を小さく制御する。過熱度の目標値SHamは装置全体の運転効率が良くなるように予め設定された値、例えばSHam=5℃に設定される。また電子膨張弁8aの開度制御方法はPID制御で実施される。なお開度制御方法についてはファジー制御など他の制御方法を用いてもよい。
ステップ3〜ステップ7で、蒸発器9の運転停止を決定し、この決定に応じて電磁弁7を開閉、電子膨張弁8の開度を設定した後、A4の処理に戻って、冷凍空調装置の運転を続行する。
図4では電磁弁7の開閉制御による蒸発器9の運転停止の制御と電子膨張弁8の開度の制御を共に2秒毎に実施するようなフローチャートになっているが、これに限るものではない。電子膨張弁8の制御は、余りに短い時間で実施すると運転状態が不安定になりやすいので、1分程度の間隔をもって実施した方がよい。
ΔTm=(運転しているショーケース2の目標冷却温度Tmの最高値)
−(全ショーケース2の中の目標冷却温度Tmの最低値)・・・(2)
なお、この目標蒸発温度ETmのシフトは所定時間間隔、例えば1分間隔で実施される。
また、ステップ13における圧縮機3の回転数制御の時間間隔は、ステップ12の目標蒸発温度ETmをシフトする時間間隔と同じにする必要はなく、冷却能力の応答性や安定性などを考慮して適宜実施される。
ΔTa=ショーケース2内温度Ta−ショーケース2目標冷却温度Tm
ΔTas=Σ(各ショーケース2の所定容量×各ショーケース2のΔTa)
/Σ(各ショーケース2の所定容量) ・・・(3)
この計算式では温度偏差ΔTaに各ショーケース2の所定容量の重み付けをしてΔTaの平均値ΔTasを求めている。そしてΔTas<0℃である場合、ショーケース2内温度Taが目標冷却温度Tmより低くなっているので、冷却負荷に対して装置の冷却能力が過大と判定し目標蒸発温度の基準値ETm0を高く再設定し、例えば0.5℃程度高く設定する。また0℃≦ΔTas≦2℃の場合、ショーケース2内温度Taが目標冷却温度Tmとほぼ同じになっているので、冷却負荷に装置の冷却能力が釣り合っていると判定し、目標蒸発温度の基準値ETm0はそのままの値に設定する。またΔTas>2℃の場合、ショーケース2内温度Taが目標冷却温度Tmより高くなっているので、冷却負荷に対し装置の冷却能力が不足と判定し、目標蒸発温度の基準値ETm0を低く再設定し、例えば0.5℃程度低く設定する。目標蒸発温度ETmを高くすると圧縮機3の回転数は低く運転され装置の冷却能力は減少し、目標蒸発温度ETmを低くすると圧縮機3回転数は高く運転され装置の冷却能力は増加するようになり、冷却負荷に釣り合った運転が可能となる。
この後、A5に戻って、冷凍空調装置の運転を続行する。
さらに、冷却対象の目標冷却温度Tmが複数のショーケース2間で大きく異なる場合に、ショーケース2の目標冷却温度Tmに適した蒸発温度ETで運転することができるので、上記効果をより発揮できる。
例えば、運転状態のショーケース2の目標冷却温度Tmの平均値と装置に接続される全ショーケース2の目標冷却温度Tmの平均値の差に基づいて、目標蒸発温度ETmをシフトしてもよい。
また、この平均値計算に際して、各ショーケース2の所定容量で重み付けをして平均値を算出してもよい。即ち、運転している前記蒸発器の目標冷却温度を各々の冷却対象の容量で重み付けした平均値と全ての前記蒸発器の目標冷却温度を各々の冷却対象の容量で重み付けした平均値との差に基づいて、目標蒸発温度ETmをシフトしてもよい。
例えば、高温のショーケースと低温のショーケースに2分し、図1の構成の場合には青果用ショーケース2a(Tm=8℃)と日配品用ショーケース2b(Tm=5℃)を高温のショーケース、生鮮品用ショーケース2c(Tm=0℃)を低温のショーケースに分類する。そして、目標冷却温度Tmの高いショーケース2が所定の台数以上運転状態のときは予め定められた温度差分高く、例えば5℃程度高く目標蒸発温度ETmをシフトさせ、そうでない場合は目標蒸発温度ETmのシフト量△Tmを0とするようにしてもよい。ここで、目標冷却温度を複数の温度域に分類する場合、一例として所定値ここでは5℃よりも小さい温度差のものを同じ温度域とし、5℃以上差がある温度差のものを異なる温度域になるというように分類する。ただし、これに限るものではなく、ショーケース2の目標冷却温度の幅などを考慮して設定すればよい。
この場合においても、目標冷却温度Tmが高いショーケース2が運転状態の場合に、過度に低い蒸発温度ETで運転されることを回避して信頼性を向上できると共に、装置全体の運転効率を高くすることができる。
このように運転することでデフロスト終了後や運転開始時など、ショーケース2内温度Taが目標冷却温度Tmより大幅に高くなっている場合でも、ショーケース2内温度Taの低下を促進し、ショーケース2内商品の信頼を確保する信頼性の高い運転を実現できる。
ここでデフロスト運転については、ショーケース2の計測制御装置17から実施・終了情報を受け取り、終了後一定時間は目標冷却温度Tmが高いショーケース2が運転されていても目標蒸発温度ETmのシフト量△Tmを0とする、あるいは目標蒸発温度ETmを低温側にシフトするように運転してもよい。
図にあるように、目標冷却温度Tmの高いショーケース2が運転される場合、目標蒸発温度ETmは高くシフトされ、目標冷却温度Tmの高いショーケース2が重点的に冷却されショーケース2内温度が低下する一方で、目標冷却温度Tmの低いショーケース2の温度は次第に上昇する。目標冷却温度Tmの高いショーケース2内の温度が目標値まで冷却し、停止状態になると目標蒸発温度ETmのシフト量は小さく設定され、目標冷却温度Tmの低いショーケース2が冷却されてショーケース2内温度は次第に低下する。このときの目標冷却温度Tmの低いショーケース2の温度変化によって目標蒸発温度ETmのシフト量を変更する。例えば、ある一定期間中の目標冷却温度Tmの低いショーケース2の温度が最も高くなった時点でのショーケース2内温度Taと目標冷却温度Tmとの偏差ΔTaが所定値、例えば1℃以下の場合は、目標蒸発温度ETmをシフトさせている運転中であっても目標冷却温度Tmの低いショーケース2も十分に冷却されているので、さらに目標冷却温度Tmの高いショーケース2を重点的に冷却することが可能となる。従ってこの場合には上述された各方法で算出したシフト量よりもさらにシフト量を大きくし、例えば1℃高く目標蒸発温度ETmをシフトさせる。逆に、ΔTaが所定値以上、例えば3℃以上の場合は、目標蒸発温度ETmをシフトしている運転中の目標冷却温度Tmの低いショーケース2の冷却が十分でないので、目標冷却温度Tmの低いショーケース2の冷却量が増加するように上述された各方法で算出したシフト量よりもシフト量を小さくし、例えば1℃低く目標蒸発温度ETmをシフトさせる。
ΔTm=(運転しているショーケース2の中の目標冷却温度Tmの最高値)
−(全ショーケース2の目標冷却温度Tmの最高値)
また、ステップ11で基準値ETm0には全ショーケース2の目標冷却温度の中間の温度を設定してもよい。ただし、この設定に伴って式(2)の算出方法は異なってくる。
いずれの場合においても、目標冷却温度Tmが高いショーケース2が運転状態の場合に、運転効率を高くできると共に、過度に低い蒸発温度ETで運転されることを回避して装置全体の信頼性を向上することができる。
ここで、基準値ETm0とシフト量△Tmを変更する時間周期については、この実施の形態に限定されるものではなく、冷凍空調装置を適用場所の状況に応じて設定すればよい。
また、この実施の形態の運転制御は一般の空調域にも用いることもできる。例えば機械設備と人が存在する空間を一つの装置で冷却する場合で機械設備の目標冷却温度が35℃、人が存在する空間の目標冷却温度が27℃であるような場合にも適用可能である。
いずれの場合も運転中の蒸発器9の冷却対象の目標冷却温度に応じて圧縮機3の運転容量を制御することで、高効率の装置運転を実現することができる。
また、蒸発温度を直接求め、例えば各ショーケース2の蒸発器9の入口冷媒温度を温度センサ13dなど測定した温度を蒸発温度ETとし、その情報をショーケース2の計測制御装置17からコンデンシングユニット1の計測制御装置16に伝送し、その蒸発温度ETが目標値ETmになるように圧縮機3の容量を制御してもよい。
以下、この発明の実施の形態2による冷凍空調装置について説明する。この実施の形態における装置の構成及び圧縮機3の容量制御方法については、図1及び図5に示す実施の形態1と同様であり、その説明を省略する。ここでは各ショーケース2の減圧装置である電子膨張弁8の制御方法について主に説明する。実施の形態1では、計測制御装置17によって電子膨張弁8の流動抵抗を制御する際に、蒸発器9出口の過熱度SHが予め設定された目標値SHmになるように電子膨張弁8の開度を設定して流動抵抗を制御するとした。これに対し、実施の形態2では装置の運転状態に応じて蒸発器9の出口過熱度の目標値SHmを変更する。ここで、蒸発器9の下流側の冷媒状態の目標値として、蒸発器9の出口過熱度の目標値を設定するが、これに限るものではない。例えば、圧縮機3の吸入過熱度や圧縮機3の吐出過熱度を用いて制御することもできる。
運転状態であるショーケース2の目標冷却温度Tmの平均値が高い場合、あるいは運転状態であるショーケース2の中に目標冷却温度Tmの高いものが含まれる場合には、装置の運転として蒸発温度ETおよび吸入圧力Psが高い状態で運転されやすい。逆に運転状態であるショーケース2の目標冷却温度Tmの平均値が低い場合、あるいは運転状態であるショーケース2の中に目標冷却温度Tmの高いものが含まれない場合には、装置の運転として蒸発温度ETおよび吸入圧力Psが低い状態で運転されやすい。そこで現在運転状態であるショーケース2の目標冷却温度Tmを取得しその平均値を演算し、図13に示すような相関で目標冷却温度Tmの平均値が高い場合には過熱度の目標値SHmを小さく、目標冷却温度Tmの平均値が低い場合には過熱度の目標値SHmを大きく設定しても、上記と同様の効果を奏する。
図14は高圧が変化したときの冷媒状態(冷凍サイクル)を表わすPH線図である。この装置では凝縮器4出口に液レシーバ5が設けられているので、凝縮器4出口ではちょうど冷媒は飽和液となる。図14にあるように、高圧が高い場合には、飽和液エンタルピは大きくなり、凝縮器4出口エンタルピおよび蒸発器9入口エンタルピも大きくなる。一方高圧が低い場合には、飽和液エンタルピは小さくなり、凝縮器4出口エンタルピおよび蒸発器9入口エンタルピも小さくなる。従って高圧が高い場合には蒸発器9出入口のエンタルピ差(図14、ΔH1)は小さく、高圧が低い場合には蒸発器9出入口のエンタルピ差は大きくなる。前述したように蒸発器9出入口のエンタルピ差が小さい場合には過熱度の目標値SHmを大きく、蒸発器9出入口のエンタルピ差が大きい場合には過熱度の目標値SHmを小さくする方が運転効率が良くなる。このため、現在運転中の高圧値、あるいは所定時間の高圧の平均値を圧力センサ15bで測定し、その値が高いと過熱度の目標値SHmを大きく設定し、その値が低いと過熱度の目標値SHmを小さく設定してもよい。
また、高圧は外気温度によって影響を受け、外気温度が高いほど高圧が高くなるので、温度センサ14cで測定される外気温度が高いと過熱度の目標値SHmを大きく設定し、外気温度が低いと過熱度の目標値SHmを小さく設定してもよい。
ここで、ステップ21、22、23の3つの判断によって蒸発器の出口過熱度の目標値を変更するように構成したが、少なくともいずれか1つの判断を行い、その判断結果に応じて目標値を変更してもよい。
圧縮機3の吸入過熱度を制御する場合には、圧縮機3の吸入状態を見て直接制御することになるので、液バック発生時など圧縮機3運転の信頼性に影響がある運転となったときに素早く対応することができ、より信頼性の高い運転制御を実施することができる。
この場合も吐出温度の過上昇や、高圧シェル圧縮機であった場合の吐出温度Tdあるいは吐出過熱度SHd低下による冷凍機油への冷媒寝込みに起因する冷凍機油の濃度低下など、圧縮機3運転の信頼性に影響がある運転となったときに素早く対応することができ、より信頼性の高い運転制御を実施することができる。
このような電子膨張弁8の制御を実施する場合には、各ショーケース2の計測制御装置17を統合するマスターコントローラがあると簡易に制御システムを構築することができる。
圧縮機3が低容量で長時間連続運転した場合、ガス管12を流れる冷凍機油の流速が低下し、ガス管12内の油滞留量が増加する運転となる。このとき、ガス管12内の油滞留量が多くなり過ぎると、圧縮機3に保持される油量が減少し圧縮機3の運転信頼性が低下する可能性がある。そこで、図16に示すように計測制御装置16に圧縮機3の保持油量を検知する油量検知手段23を備え、油回収運転モードを行う冷凍空調装置について説明する。
以下、この発明の実施の形態3による冷凍空調装置について説明する。この実施の形態では、冷凍空調装置の構成及び圧縮機3の容量制御方法については、図1及び図5に示す実施の形態1と同様であり、その説明を省略する。ここでは各ショーケース2の電子膨張弁8の制御方法について説明する。実施の形態2では各ショーケース2の電子膨張弁8の制御に際し、蒸発器9の下流側の冷媒状態の制御目標値である蒸発器9出口の過熱度の目標値SHmは、基本的に各ショーケース2で同一としたが、この実施の形態では各ショーケース2の目標冷却温度Tmまたはショーケース2内温度Taに応じて過熱度の目標値SHmを変更するなど、ショーケース2毎に電子膨張弁8の制御方法を変更する。ここでも、蒸発器9の下流側の冷媒状態の目標値として、蒸発器9の出口過熱度の目標値を設定するが、これに限るものではない。例えば、圧縮機3の吸入過熱度や圧縮機3の吐出過熱度を用いて制御することもできる。
特に目標冷却温度Tmの低いショーケース2では、装置の運転効率がよくなるような蒸発器9の出口過熱度SHで運転する。また、目標冷却温度Tmの高いショーケース2では、ショーケース2内温度Taと目標冷却温度Tmとの偏差ΔTaが大きい場合には十分な冷却を実現することでショーケース2内温度Taが高温状態であることを回避できる。また、蒸発器の冷却対象温度が目標冷却温度に近づいたとき、即ちΔTaが小さい場合には、ショーケース2が停止状態にならないように冷却能力を下げることで、装置全体の蒸発器9の面積が減少しないような運転を実現できる。従ってこの制御により運転効率を高くできると共にショーケース2の温度上昇を回避できる信頼性の高い冷凍空調装置を得ることができる。
また、実施の形態1〜実施の形態3において、主に負荷側がショーケースの場合について説明したが、空気調和機など、他の冷凍空調装置にも適用できる。ただし、圧縮機に並列に複数の蒸発器が接続され、蒸発器の各々で冷却する冷却対象の目標冷却温度が異なる冷凍空調装置に有効である。
なお上記では、冷媒として例えばR―22を用いた場合の蒸発温度や蒸発器9の出口過熱度の温度を説明したが、他の冷媒を用いる場合には、その冷媒で構成される冷凍サイクルのPH線図に応じて、各所定値を設定すればよい。
Claims (8)
- 減圧装置と蒸発器を接続した組合わせを複数個並列に圧縮機に接続して成る冷凍サイクルと、前記蒸発器毎に冷却対象の目標冷却温度を個別に設定する目標温度設定手段と、前記冷却対象の温度と前記目標冷却温度に応じて前記蒸発器毎に運転停止を決定する蒸発器運転決定手段と、前記蒸発器各々の出口側または前記圧縮機の吸入側または前記圧縮機の吐出側の冷媒状態が予め設定された目標値になるように前記減圧装置各々の流動抵抗を制御する流動抵抗制御手段と、運転中の前記冷凍サイクルの高圧値及び運転中の前記冷凍サイクルの低圧値及び運転されている蒸発器の個別の目標冷却温度及び運転されている蒸発器各々の冷却対象の温度のうちの少なくともいずれか1つの変化に応じて前記目標値を変更する目標値変更手段と、前記冷凍サイクルの冷媒状態について、複数の高圧値のそれぞれまたは複数の低圧値のそれぞれに対応して前記蒸発器の下流側の冷媒状態の目標値を記憶する目標値記憶手段と、複数の蒸発器の個別の目標冷却温度を少なくとも2つ以上の温度域に分類する目標冷却温度分類手段と、を備え、前記目標値変更手段は、前記目標値記憶手段に記憶した情報に基づいてそのときに運転されている冷凍サイクルの低圧値または高圧値に対応する目標値を設定し、複数の運転している前記蒸発器のうちで高い方の温度域に分類された蒸発器の冷却対象温度が前記目標冷却温度に近づいたときに、その蒸発器に対する前記目標値を変更してその蒸発器での冷却能力を下げることを特徴とする冷凍空調装置。
- 複数の目標冷却温度のそれぞれまたは複数の冷却対象温度のそれぞれに対応して前記蒸発器の下流側の冷媒状態の目標値を記憶する目標値記憶手段を備え、前記目標値変更手段は、前記目標値記憶手段に記憶した情報に基づいてそのときに運転されている前記蒸発器毎の前記目標冷却温度または前記冷却対象温度の少なくともどちらか一方に対応する目標値を設定することを特徴とする請求項1に記載の冷凍空調装置。
- 減圧装置と蒸発器を接続した組合わせを複数個並列に圧縮機に接続して成る冷凍サイクルと、前記蒸発器毎に冷却対象の目標冷却温度を個別に設定する目標温度設定手段と、前記冷却対象の温度と前記目標冷却温度に応じて前記蒸発器毎に運転停止を決定する蒸発器運転決定手段と、前記蒸発器各々の出口側または前記圧縮機の吸入側または前記圧縮機の吐出側の冷媒状態が予め設定された目標値になるように前記減圧装置各々の流動抵抗を制御する流動抵抗制御手段と、運転中の前記冷凍サイクルの高圧値及び運転中の前記冷凍サイクルの低圧値及び運転されている蒸発器の個別の目標冷却温度及び運転されている蒸発器各々の冷却対象の温度のうちの少なくともいずれか1つの変化に応じて前記目標値を変更する目標値変更手段と、複数の目標冷却温度のそれぞれまたは複数の冷却対象温度のそれぞれに対応して前記蒸発器の下流側の冷媒状態の目標値を記憶する目標値記憶手段と、複数の蒸発器の個別の目標冷却温度を少なくとも2つ以上の温度域に分類する目標冷却温度分類手段と、を備え、前記目標値記憶手段に記憶した情報に基づいてそのときに運転されている前記蒸発器毎の前記目標冷却温度または前記冷却対象温度の少なくともどちらか一方に対応する目標値を設定し、複数の運転している前記蒸発器のうちで高い方の温度域に分類された蒸発器の冷却対象温度が前記目標冷却温度に近づいたときに、その蒸発器に対する前記目標値を変更してその蒸発器での冷却能力を下げることを特徴とする冷凍空調装置。
- 前記圧縮機の保持油量の低下を検知する油量検知手段と、を備え、前記油量検知手段で前記圧縮機の保持油量が減少しているのを検知したときに、前記流動制御手段は、少なくとも一つの蒸発器出口での冷媒が気液ニ相状態になるようにその蒸発器の上流側に設けられた減圧装置の流動抵抗を制御することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の冷凍空調装置。
- 減圧装置と蒸発器を接続した組合わせを複数個並列に圧縮機に接続して成る冷凍サイクルと、前記蒸発器毎に冷却対象の目標冷却温度を個別に設定する目標温度設定手段と、前記冷却対象の温度と前記目標冷却温度に応じて前記蒸発器毎に運転停止を決定する蒸発器運転決定手段と、前記蒸発器各々の出口側または前記圧縮機の吸入側または前記圧縮機の吐出側の冷媒状態が予め設定された目標値になるように前記減圧装置各々の流動抵抗を制御する流動抵抗制御手段と、運転中の前記冷凍サイクルの高圧値及び運転中の前記冷凍サイクルの低圧値及び運転されている蒸発器の個別の目標冷却温度及び運転されている蒸発器各々の冷却対象の温度のうちの少なくともいずれか1つの変化に応じて前記目標値を変更する目標値変更手段と、前記圧縮機の保持油量の低下を検知する油量検知手段と、を備え、前記油量検知手段で前記圧縮機の保持油量が減少しているのを検知したときに、前記流動制御手段は、少なくとも一つの蒸発器出口での冷媒が気液ニ相状態になるようにその蒸発器の上流側に設けられた減圧装置の流動抵抗を制御することを特徴とする冷凍空調装置。
- 前記目標値は、前記蒸発器の出口過熱度、または前記圧縮機の吸入過熱度、または前記圧縮機の吐出過熱度のうちの少なくとも1つに対するものであることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の冷凍空調装置。
- 減圧装置と蒸発器を接続した組合わせを複数個並列に圧縮機に接続して成る冷凍サイクルを運転する際、複数の前記蒸発器毎に個別に目標冷却温度を設定する目標温度設定ステップと、複数の前記蒸発器のうちで目標冷却温度が高い温度域の蒸発器であることを判断する温度域判断ステップと、前記高い温度域と判断された蒸発器のうちで冷却対象の温度とその目標冷却温度との差が前記所定値以下の蒸発器に対し、その上流側に接続する減圧装置の流動抵抗を制御して冷却能力が小さくなるように制御する流動抵抗制御ステップと、を備えたことを特徴とする冷凍空調装置の制御方法。
- 減圧装置と蒸発器を接続した組合わせを複数個並列に圧縮機に接続して成る冷凍サイクルにおける前記圧縮機の保持油量の低下を検知する油量検知ステップと、前記油量検知ステップで前記圧縮機の保持油量が減少していると検知したときに、運転している複数の前記蒸発器のうちで冷却負荷の大きな蒸発器を選択する蒸発器選択ステップと、前記蒸発器選択ステップで選択した蒸発器の出口での冷媒が気液ニ相状態になるようにその蒸発器の上流側に接続する前記減圧装置の流動抵抗を制御する流動抵抗制御ステップと、を備えたことを特徴とする冷凍空調装置の制御方法。
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