JP6518467B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、過冷却器を備えている冷凍装置に関し、特に、過冷却器下流側の冷媒配管への結露を抑制するものに好適である。

過冷却器を備えている従来の冷凍装置としては、特開２０１３−１４２４８７号公報（特許文献１）に記載されているものがある。この特許文献１のものでは、圧縮機から吐出された高温高圧のガス冷媒を凝縮器において凝縮し、この凝縮された液冷媒を更に過冷却させる過冷却器（過冷却熱交換器）を備えている。前記過冷却器は、冷媒が前記凝縮器で完全に凝縮しきらずにフラッシュガス化することを回避する目的や、液冷媒の温度低下による冷凍能力の向上を目的として用いられている。

前記過冷却器においては、主冷媒配管を流れる高圧液冷媒の一部を抜き出して減圧させた減圧冷媒により前記過冷却器を流れる前記主冷媒配管からの液冷媒を過冷却する液冷媒冷却回路を備えている。また、前記過冷却器において主冷媒配管を流れる高圧液冷媒を過冷却した後の前記減圧冷媒は、前記圧縮機の中間圧部に注入されるように構成されている。

特開２０１３−１４２４８７号公報

上記特許文献１のものでは過冷却器により、該過冷却器下流側の冷媒配管を流れる冷媒の温度が露点温度以下まで低下する場合があり、この場合前記冷媒配管には結露が発生する。この結露を防止するため、従来は、現地において前記冷媒配管に断熱材を取り付けているが、現地施工時の作業負担が大きくなると共に、断熱材使用によるコストもかかるという課題があった。

また、過冷却器を備えていない製品（冷凍装置）から過冷却器を具備した製品へのリプレース時に、既設の冷媒配管を利用する場合には、断熱材の取り付けが困難になる場合もあり、この場合には結露の発生を防止できないか、結露が発生しないように前記過冷却器における冷却量を抑制しなければならず冷凍能力を向上できないという課題があった。

一方、冷凍装置を設置する現地の冷媒配管に断熱施工がなされている場合もある。この場合には結露に関する問題がないので、液冷媒温度をできるだけ低くして冷凍能力を向上できるようにすることが望ましい。しかし、従来の冷凍装置では、液冷媒温度を低く制御して冷凍能力を向上させることに関して十分な配慮が為されていない。

本発明の目的は、過冷却器下流側の冷媒配管に断熱材を使用しない場合でも結露の発生を抑制できると共に、冷凍能力の向上も図ることのできる冷凍装置を得ることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、圧縮機と、該圧縮機から吐出される冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された冷媒を更に過冷却する過冷却器と、これらの機器を接続する主冷媒配管と、前記主冷媒配管を流れる高圧液冷媒の一部を抜き出して減圧させた減圧冷媒により前記過冷却器を流れる前記主冷媒配管からの冷媒を過冷却すると共に、この過冷却後の前記減圧冷媒を圧縮機の中間圧部に注入する液冷媒冷却回路と、該液冷媒冷却回路を流れる冷媒の流量を制御すると共に減圧するための過冷却用膨張装置と、この過冷却用膨張装置を制御する制御装置と、外気温度を検出する外気温度センサを備え、前記制御装置は、前記過冷却器下流側の液冷媒の目標温度を、前記外気温度センサで検出された外気温度に予め定めた任意の差分を与えた値とし、この目標温度に基づいて前記過冷却用膨張装置を制御する結露抑制モードを備えていることを特徴とする。

本発明の他の特徴は、圧縮機と、該圧縮機から吐出される冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された冷媒を更に過冷却する過冷却器と、これらの機器を接続する主冷媒配管と、前記主冷媒配管を流れる高圧液冷媒の一部を抜き出して減圧させた減圧冷媒により前記過冷却器を流れる前記主冷媒配管からの冷媒を過冷却すると共に、この過冷却後の前記減圧冷媒を圧縮機の中間圧部に注入する液冷媒冷却回路と、該液冷媒冷却回路を流れる冷媒の流量を制御すると共に減圧するための過冷却用膨張装置と、この過冷却用膨張装置を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記過冷却器下流側の冷媒配管が結露するのを抑制する結露抑制モードと、前記過冷却器下流側の液冷媒温度をできるだけ低下させて高い冷凍能力で運転する液温最適モードを備え、前記結露抑制モードでは、前記過冷却器下流側の液冷媒の目標温度を、外気温度に予め定めた任意の差分を与えた値とし、この目標温度に基づいて前記過冷却用膨張装置を制御し、前記液温最適モードでは、前記過冷却用膨張装置の開度を液冷媒温度が低下する方向に増加或いは減少させ、液冷媒温度が低下する場合には前記開度を更に増加或いは減少させる動作を繰り返し、液冷媒温度の低下が停止或いは上昇に転じた場合、その開度の状態を保持するように前記過冷却用膨張装置を制御することにある。

本発明によれば、過冷却器下流側の冷媒配管に断熱材を使用しない場合でも結露の発生を抑制できると共に、冷凍能力の向上も図ることのできる冷凍装置を得ることができる効果が得られる。

本発明の冷凍装置の実施例１を示す冷凍サイクル系統図である。 図１に示す制御装置における結露抑制モードで運転される場合の制御フローを示すフローチャートである。 図１に示す制御装置における液温最適モードで運転される場合の制御フローを示すフローチャートである。

以下、本発明の冷凍装置の実施例を、図面を用いて説明する。

本発明の冷凍装置の実施例１を図１〜図３を用いて説明する。
図１は、本発明の冷凍装置の実施例１を示す冷凍サイクル系統図、図２は図１に示す制御装置における結露抑制モードで運転される場合の制御フローを示すフローチャート、図３は図１に示す制御装置における液温最適モードで運転される場合の制御フローを示すフローチャートである。

図１において、１００は冷熱源を生成するための熱源装置である冷凍機、２００はこの冷凍機１００に接続された負荷装置で、この負荷装置２００として、本実施例では低圧機器である場合について説明する。前記冷凍機１００と前記負荷装置（低圧機器）２００が液側接続配管３００及びガス側接続配管４００により接続されて、冷凍サイクル装置５００が構成されている。前記負荷装置２００としては、冷蔵庫、冷凍庫、スーパーマーケット等の店舗内に設置され食品などを冷却するショーケース、或いは空気調和機の室内機などがあるが、本実施例では冷蔵庫である場合を例にとり説明する。なお、前記低圧機器２００は１台に限らず、１つの冷凍機１００に複数台接続される場合でも本発明は同様に実施できるものである。

前記冷凍機１００は、冷媒を吸引して圧縮するスクロール圧縮機などの圧縮機１、該圧縮機１から吐出されるガス冷媒を凝縮して液化する凝縮器２、この凝縮器２で凝縮された冷媒を更に冷却して過冷却するための過冷却器３、これらの機器を接続する主冷媒配管３１などにより構成されている。

また、前記負荷装置（本実施例では、以下低圧機器ともいう）２００は、前記過冷却器３で過冷却された液冷媒を減圧する減圧手段である膨張弁４と、該膨張弁４により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器５などから構成され、前記蒸発器５で蒸発されたガス冷媒は再び前記冷凍機１００の圧縮機１に吸入されて冷凍サイクルを構成している。

なお、前記圧縮機１として、本実施例ではスクロール圧縮機である場合を例にとり説明するが、他の形式の圧縮機、例えばスクリュー圧縮機など他の様々な形態の圧縮機を使用しても良い。

本実施例においては、前記凝縮器２で凝縮された冷媒（液冷媒）を過冷却させるための前記過冷却器３が設けられているが、この過冷却器３を流れる主冷媒配管３１からの冷媒を過冷却するために液冷媒冷却回路３２が設けられている。この液冷媒冷却回路３２は、前記主冷媒配管３１を流れる高圧液冷媒の一部を抜き出して減圧させた減圧冷媒により前記過冷却器３を流れる前記主冷媒配管３１からの冷媒を過冷却すると共に、この過冷却後の前記減圧冷媒を前記圧縮機１の中間圧部に注入するように構成されており、この液冷媒冷却回路３２の前記過冷却器３上流側には、該液冷媒冷却回路３２を流れる冷媒（液冷媒）の流量を制御すると共に減圧するための過冷却用膨張装置６が設けられている。

即ち、前記液冷媒冷却回路３２は、凝縮器２を通過後の主冷媒配管３１から分岐した分岐配管３２ａと、この分岐配管３２ａに設けられた前記過冷却用膨張装置６などから構成されている。また、前記過冷却用膨張装置６は、電子膨張弁などの開度制御が可能な膨張弁で構成されており、冷凍装置１００に備えられている制御装置３０により制御される。

なお、前記過冷却器３を構成する過冷却熱交換器としては、本実施例ではプレート式熱交換器を用いている。前記過冷却熱交換器はプレート式熱交換器に限らず、二重管式熱交換器など、様々な形態の熱交換器を用いることができる。

また、本実施例では、上記液冷媒冷却回路３２の他に、前記圧縮機１を冷却するための液インジェクション回路３３も設けられている。この液インジェクション回路３３は、前記主冷媒配管３１を流れる高圧液冷媒の一部を抜き出して減圧させた減圧冷媒を前記圧縮機１の中間圧部に注入して該圧縮機１を冷却するもので、前記凝縮器２を通過後の主冷媒配管３１から分岐した分岐配管３３ａと、この分岐配管３３ａに設けられ液インジェクション回路を流れる流量を制御する液インジェクション用の流量調整装置７などから構成されている。前記流量調整装置７も、本実施例では、電子膨張弁などの開度制御が可能な膨張弁で構成されており、前記制御装置３０により制御される。

前記液インジェクション回路３３に設けられた前記流量調整装置７は、前記圧縮機１の温度、或いは該圧縮機１から吐出される吐出ガス温度または吐出ガスの過熱度などに基づいて前記制御装置３０により制御される。即ち、圧縮機１の温度を検出する圧縮機温度センサや圧縮機１から吐出された吐出ガス温度を検出する吐出ガス温度センサ（何れも図示せず）などからの検出値に基づいて、前記制御装置３０は前記流量調整装置７を制御するように構成されている。

上記液冷媒冷却回路３２の下流側と前記液インジェクション回路３３の下流側は合流され、この合流された合流配管３４を介して前記圧縮機１の中間圧力部に接続されるように構成されている。なお、前記中間圧力部とは、圧縮工程中の冷媒が存在する部分であり、その部分に前記合流配管３４を介して冷媒が噴射され、圧縮機１が冷却される。なお、前記流量調整装置７としては、連続的に開度調整可能な電子膨張弁で構成することが好ましいが、複数並列に設けた流路に、流路面積の異なるキャピラリチューブなどの固定流量調整器と開閉弁を組み合わせて設け、前記開閉弁の開閉による流路の切り替えにより、流量を段階的に調整するようにしても良い。

本実施例では、前記過冷却器３から出た液冷媒の温度を検出するための液冷媒温度センサ１０と、外気温度を検出する外気温度センサ２０も設けられており、これらの温度センサ１０，２０での検出値は前記制御装置３０に入力される。この制御装置３０は、前記液冷媒温度センサ１０及び前記外気温度センサ２０などからの検出値などに応じて前記液冷媒冷却回路３２の過冷却用膨張装置６の開度を制御する。なお、前記制御装置３０は、前記液インジェクション回路３３に設けられた前記流量調整装置７についても、前記液冷媒温度センサ１０や前記外気温度センサ２０からの検出値も用いて制御するようにしても良い。

次に、上記のように構成されている実施例１の冷凍装置の基本動作について説明する。
前記圧縮機１に吸引された冷媒は圧縮され、圧縮された高温高圧のガス冷媒は、凝縮器２において、例えば外気（室外空気）と熱交換することにより凝縮され、全部或いは大半が液冷媒となる。その後、この冷媒は過冷却器３に流入して過冷却された液冷媒となる。

その後、過冷却された液冷媒は、液側冷媒配管３００を介して低圧機器２００に流入し、膨張弁４で減圧される。この減圧された気液二相流の冷媒は蒸発器５に流入して２次冷媒（例えば冷蔵庫内の空気）と熱交換して、前記２次冷媒から熱を奪って該２次冷媒を冷却し、自らは蒸発する。蒸発した冷媒はガス側冷媒配管４００を介して、再び前記冷凍機１００の前記圧縮機１に吸引され、冷凍サイクルを構成する。なお、前記蒸発器５で冷媒により冷却された前記２次冷媒は、冷蔵庫（低圧機器）内に供給されて庫内の食品などを冷却する。

なお、本実施例では、負荷装置が冷蔵庫などの低圧機器である場合について説明したが、前記圧縮機１から吐出された冷媒を、四方切替弁を介して冷媒の流れを逆向きにすることで、負荷装置２００を加熱するように構成することも可能である。

上述したように構成されている本実施例の冷凍装置においては、前記過冷却器３下流側の冷媒配管（主冷媒配管３１及び液側冷媒配管３００）が結露するのを抑制する「結露抑制モード」と、前記過冷却器３下流側の液冷媒温度をできるだけ低下させて高い冷凍能力で運転できるようにした「液温最適モード」を備えており、以下これらの各モードについて説明する。

最初に、上記「結露抑制モード」における制御内容について説明する。
前記「結露抑制モード」は、前記過冷却器３下流側の液冷媒が流れる冷媒配管の結露を抑制する運転を希望する場合に選択される。この「結露抑制モード」では、前記過冷却器３下流側の冷媒配管が結露しないような液冷媒の目標温度を決める。本実施例では、この目標温度は、前記外気温度センサ２０で検出された外気温度に、予め定めた任意の差分（ディファレンシャル）を与えた値としている。前記制御装置３０は、前記目標温度を算出し、この目標温度に基づいて、前記過冷却用膨張装置６を制御することで、前記過冷却器３下流側の液冷媒温度が、前記目標温度に近づくように制御している。

なお、この「結露抑制モード」における前記「液冷媒の目標温度」とは、前記過冷却器３下流側の液冷媒の目標温度だけでなく、該液冷媒が流れる冷媒配管の目標温度も含むものであり、図１に示す液冷媒温度センサ１０は冷媒配管内を流れる液冷媒温度を検知するものだけでなく、冷媒配管の温度を検知するものであっても良く、本実施例では冷媒配管の温度を検知するものを使用している。

本実施例における「結露抑制モード」の特徴は、前記過冷却器３下流側の液冷媒の目標温度を、外気温度に、予め定めた任意の差分を与えた値としている点にあり、前記差分を任意に決めることにより、前記液冷媒の目標温度も任意に設定できるようにしている。従来のものでも「結露抑制モード」を備えているものがあるが、従来のものでは、液冷媒の目標温度を外気温度と等しくしているため、運転状態のばらつきなどで、液冷媒温度が一時的に外気温度を下回ってしまう場合があることについては考慮されておらず、結露を十分に回避することはできない。

これに対し、上述した本実施例においては、上述したように前記差分を任意に決めることにより、前記液冷媒の目標温度を、外気温度よりも任意に決めた差分だけ高く設定できるので、冷凍装置における運転状態がばらついても、液冷媒温度が外気温度以下になるのを抑制できる効果があり、より結露に対し裕度をもたせた運転状態を実現できる効果が得られる。従って、前記目標温度における前記任意の差分は、冷凍装置における運転状態がばらついても、前記過冷却器下流側の液冷媒温度が外気温度以下になるのを抑制できる大きさに決めると良い。

また、実際に冷媒配管に結露するかどうかは、該冷媒配管の温度が、外気温度ではなく、温度と湿度によって決まる露点温度以下になるかどうかである。本実施例では、前記液冷媒の目標温度を、外気温度に、予め定めた任意の差分を与えた値としているので、前記差分を、冷凍装置の使用環境における湿度を考慮して決めることにより、外気温度より低いが露点温度よりは高い温度を目標温度として設定することも可能となる。即ち、前記目標温度を、外気温度より低く露点温度よりも高い温度になるように、前記任意の差分を決めることにより、冷媒配管が結露しない範囲で、できるだけ液冷媒の温度を下げるように制御できるから、冷凍装置をより高い冷凍能力で運転することも可能になる。

次に、図２を用いて、本実施例における「結露抑制モード」の制御フローを説明する。なお、ここでは前記過冷却用膨張装置６として電子膨張弁を使用している場合について説明する。

結露抑制モードを開始する時点で、既に前記過冷却用膨張装置（電子膨張弁）６がある開度に開弁されている場合には、まず前記過冷却用膨張装置６の開度を全閉とする（ステップＳ１）。これにより、前記過冷却器３下流側の液冷媒温度を素早く外気温度以上とすることができ、結露の発生を抑制できる。

次に、ステップＳ２に移り、前記液冷媒温度センサ１０で検出された過冷却器３下流側の液冷媒温度ＴＬが、前記外気温度センサ２０で検出された外気温度以上か否かを比較し、前記液冷媒温度ＴＬが外気温度未満（ＮＯ）の場合には、制御時間（一定時間）経過後、再び前記ステップＳ２を繰り返す。

前記ステップＳ２において、前記液冷媒温度ＴＬが外気温度以上（ＹＥＳ）の場合には、ステップＳ３に移り、前記液冷媒温度ＴＬと液冷媒の前記目標温度（外気温度に、予め定めた任意の差分を与えた値）とを比較する。この比較結果に応じて、前記過冷却用膨張装置６の開度を適宜調整することで、前記過冷却器３下流側の液冷媒の温度を目標温度に到達させるようにしている。このステップＳ３における処理の詳細については後述する。

なお、前記結露抑制モードの開始時点で、前記過冷却用膨張装置６が既に全閉状態であった場合には、上記ステップＳ２以降を実施すれば良い。

本実施例において重要な点は、結露抑制モードの制御開始後、直ぐに電子膨張弁７を全閉とする制御（ステップＳ１）を行うことである。即ち、結露する原因は、液冷媒が過冷却器３において過冷却されることである。過冷却器３を備えておらず、前記凝縮器２において、冷媒が外気と熱交換して冷却するだけであれば、凝縮された液冷媒の温度は外気温度以下には冷却されないから、基本的には結露しない。従って、前記過冷却用膨張装置６を一旦全閉とし、過冷却効果を消失させることが、結露抑制の観点では大きな効果を発揮する。

なお、結露抑制モードの制御開始後、直ぐに電子膨張弁７を全閉とする制御を行わず、前記過冷却用膨張装置６の開度を増加または減少させて、前記過冷却器３下流側の液冷媒温度を、外気温度（結露抑制温度）まで調整することも考えられるが、前記過冷却用膨張装置６が開弁していると冷媒を過冷却する効果が発生している。従って、本実施例のように、前記過冷却用膨張装置６を一旦全閉として過冷却効果を消失させる方が、素早く結露抑制温度以上にすることができるので、結露抑制の観点で効果的である。

また、過冷却器３下流側の液冷媒温度を直ちに増加させるために、冷媒配管にヒータなどを取り付け、物理的に加熱することも考えられるが、加熱しすぎると液冷媒がフラッシュガス化して、冷却能力を低下させてしまう虞がある。

更に、結露抑制の観点からは、前記過冷却用膨張装置６を常に全閉とし、過冷却器３での過冷却効果を発生させないようにすることも考えられる。しかし、過冷却効果を常に発生させない運転では、冷凍装置を高い冷凍能力で運転することが困難になる。

これに対し、本実施例における「結露抑制モード」では、結露を抑制できる液冷媒の目標温度（外気温度に、予め定めた任意の差分を与えた値）を設定して、前記過冷却用膨張装置６を制御することにより、結露を発生しない前記目標温度まで液冷媒温度を低下させることができ、結露を確実に抑制できる範囲で、高い冷凍能力で冷凍装置を運転できる効果が得られる。即ち、前記過冷却用膨張装置６を常に全閉とする運転と比較し、本実施例によれば、結露を抑制し且つ高い冷凍能力で運転できる効果が得られる。

なお、結露抑制モードの制御開始後、直ぐに前記過冷却用膨張装置６を全閉としたり、液冷媒温度を前記目標温度にするために、前記過冷却用膨張装置６の開度を小さくすると、圧縮機の中間圧部への冷媒注入が停止したり減少するため、前記圧縮機１の温度上昇を引き起こす可能性がある。

これに対して、本実施例では、液インジェクション回路３３も設け、圧縮機１の温度、或いは該圧縮機１から吐出される吐出ガス温度または吐出ガスの過熱度に基づいて、前記液インジェクション回路３３の流量調整装置７を制御するようにしているので、液インジェクション回路３３から前記圧縮機１に注入される液冷媒流量を必要に応じて増加させることができる。従って、上述した結露抑制モードで運転しても、圧縮機１の温度上昇も確実に抑制できる効果が得られ、この点からも本実施例では結露を確実に抑制しつつ高い冷凍能力で運転できる効果が得られる。

次に、図２に示す前記ステップＳ３の処理の詳細について説明する。
前記ステップＳ２において、液冷媒温度ＴＬが外気温度以上となった場合、ステップＳ３に移る。このステップＳ３では、前記液冷媒温度ＴＬと液冷媒の前記目標温度とを比較し、この比較結果に応じて、前記過冷却用膨張装置６の開度を調整し、前記過冷却器３下流側の液冷媒の温度を目標温度に近づける処理を行う。

即ち、図２のステップＳ３の（１）〜（４）に示す通り、液冷媒温度ＴＬと目標温度との比較結果に応じて、前記過冷却用膨張装置６の開度変化量は制御される。ステップＳ３に示すα及びβはそれぞれ任意の温度（℃）で、「α＜β」の関係にある。また、Ａ及びＢは、前記過冷却用膨張装置６の開度を制御するための任意の開度変化量で、Ａ＜Ｂの関係にある。本実施例では、前記Ａ及びＢは電子膨張弁の開度を制御するパルス数である。例えば、前記αを１℃、βを３℃、前記Ａを１パルス、Ｂを５パルスとする。

ステップＳ３の（１）のケースは、液冷媒温度ＴＬが、「目標温度＋β（任意の温度でこの例では３℃）」よりも高い場合である。このケースは、液冷媒温度ＴＬが目標温度に対してかなり高い状態にあり、速やかに目標温度に近づけたいので、液冷媒温度には比較的大きな過冷却効果を与える必要がある。このため、前記過冷却用膨張装置６の開度変化量を比較的大きなＢパルス（この例では５パルス）分開弁し、速やかに液冷媒温度を減少させるようにしている。

ステップＳ３の（２）のケースは、液冷媒温度ＴＬが、「目標温度＋α（任意の温度でこの例では１℃）」以上で、且つ「目標温度＋β（３℃）」未満の範囲にある場合である。このケースは、液冷媒温度ＴＬが目標温度に対して少し高い状態にあり、液冷媒温度が下がりすぎないように比較的ゆっくりと温度を下げたい場合である。このため、液冷媒温度には（１）のケースよりも小さな過冷却効果を与える必要があり、前記過冷却用膨張装置６の開度変化量を比較的小さなＡパルス（この例では１パルス）分開弁し、ゆっくりと液冷媒温度を減少させるようにしている。

ステップＳ３の（３）のケースは、液冷媒温度ＴＬが、目標温度以上で、且つ「目標温度＋α（１℃）」未満の範囲にある場合である。このケースは、液冷媒温度ＴＬがほぼ目標温度に達して制御目標範囲を達成している状態である。この場合、液冷媒温度は適切な状態にあるから、前記過冷却用膨張装置６の開度は変化させず、現在の液冷媒温度を保持する。

ステップＳ３の（４）のケースは、液冷媒温度ＴＬが、目標温度未満となった場合であり、前記目標温度を外気温度以下に設定している場合には結露のおそれが生じる場合である。このケースでは、液冷媒温度を直ちに上昇させる必要があるため、前記過冷却用膨張装置６の開度を一旦全閉にするように制御し、これにより液冷媒温度を直ちに外気温度以上にする。

なお、前記目標温度を外気温度よりも比較的高い温度に設定した場合には、前記過冷却用膨張装置６の開度を全閉にしても、液冷媒温度は凝縮器２において外気温度に近い温度まで冷却されて、目標温度以下となってしまうような場合も考えられる。しかし、この場合、少なくとも過冷却効果は消失しているため、結露が発生する問題はない。

以上説明したように、上述した本実施例の「結露抑制モード」は、過冷却器３下流側の液冷媒の目標温度を、外気温度センサ２０で検出された外気温度に予め定めた任意の差分を与えた値とし、この目標温度に基づいて過冷却用膨張装置６を制御するようにしているので、過冷却器３下流側の冷媒配管に断熱材を使用しない場合でも結露の発生を抑制できると共に、冷凍能力の向上も図ることのできる冷凍装置を得ることができる。

次に、前記過冷却器３下流側の液冷媒温度をできるだけ低下させて高い冷凍能力で運転できるようにした前記「液温最適モード」について説明する。この液温最適モードは、少なくとも過冷却器３下流側の冷媒配管に断熱施工が為されており、液冷媒温度が露点以下となっても結露の問題がない場合で、冷凍装置をより高い冷凍能力で運転させたい場合に選択されるモードである。

この液温最適モードでは、前記過冷却器３下流側の液冷媒温度ができるだけ低くなるように、前記過冷却用膨張装置６を制御するものである。即ち、前記過冷却用膨張装置６が、例えば電子膨張弁であるとき、前記過冷却用膨張装置６の開度が大きすぎると、前記過冷却用膨張装置６における１次側の圧力に対する２次側の圧力の減少幅は小さくなる。このため、液冷媒冷却回路３２を流れる冷媒の温度低下幅も小さくなり、前記過冷却器３で主冷媒配管３１を流れる冷媒を冷却する能力が小さくなり、過冷却器３下流側の主冷媒配管３１を流れる冷媒の温度が下がらない。

一方、前記過冷却用膨張装置６の開度が小さすぎると、この過冷却用膨張装置６を通過する冷媒流量が減少しすぎるため、この場合にも前記過冷却器３で主冷媒配管３１を流れる冷媒を冷却する能力が小さくなり、過冷却器３下流側の主冷媒配管３１を流れる冷媒の温度が下がらない。

このように、前記過冷却器３下流側の液冷媒温度を最小にするための前記過冷却用膨張装置６の開度には、冷凍装置の各種運転条件に応じて最適な開度が存在する。この「液温最適モード」では、前記過冷却器３下流側の液冷媒温度を最小にするために、前記過冷却用膨張装置６を最適な開度になるように制御していくものである。

本実施例における前記「液温最適モード」の制御フローを図３により説明する。本実施例では、前記過冷却用膨張装置６として電子膨張弁を使用しており、前記制御装置３０により制御される。
液温最適モードを開始する時点で、前記過冷却用膨張装置（電子膨張弁）６が閉弁或いは任意の開度となっている場合、まず前記過冷却用膨張装置６の開度を予め定めた規定開度にする（ステップＳ４）。この規定開度については、例えば、製品開発時に、いくつかの運転条件別に、大よそ適当であるという開度を調査し、決定しておくと良い。初めに前記規定開度にすることで、前記過冷却器３下流側の液冷媒温度を、主な運転条件において大よそ最少付近とすることができる。

しかし、上述のように前記過冷却用膨張装置６の好ましい前記規定開度を予め実験などにより求めておいたとしても、前記過冷却用膨張装置６自身の個体ばらつきや、外気温度などの冷凍装置が使用される環境条件の違いにより、液冷媒温度は最少になっていない場合も多い。

そこで、本実施例においては、次にステップＳ５に移り、前記過冷却用膨張装置６の開度を予め定めた一定量だけ増加させるように制御し、過冷却器３下流側の液冷媒温度が低下するか否かを確認する（ステップＳ６）。このステップＳ６で、液冷媒温度が低下した場合（ＹＥＳの場合）は、前記過冷却用膨張装置６の開度を増加させる方向が正しいということなので、前記ステップＳ５に戻り、更に開度を一定量増加させる。前記液冷媒温度が低下する限り、これを繰り返すことにより過冷却器３下流側の液冷媒温度を最少となる方向に制御することができる。

前記ステップＳ６において、液冷媒温度が上昇した場合は（ＮＯの場合）、ステップＳ７に移る。なお、上記ステップＳ４からＳ５に移って最初に過冷却用膨張装置６の開度を増加させた結果、液冷媒温度が上昇した場合（ステップＳ６のＮＯの場合）にも、同様にステップＳ７に移る。

前記過冷却用膨張装置６の開度を増加させることにより液冷媒温度が上昇した場合（ステップＳ６でＮＯの場合）には、前記過冷却用膨張装置６の開度を減少させる方向に制御することが正しいということであるから、ステップＳ７では、前記過冷却用膨張装置６の開度を減少させるように制御する。この結果、過冷却器３下流側の液冷媒温度が低下した場合（ステップＳ８のＹＥＳの場合）には、前記過冷却用膨張装置６の開度を減少させる方向が正しいことが確認されたので、前記ステップＳ７に戻り、更に開度を一定量減少させる。前記液冷媒温度が低下する限り、これを繰り返すことにより過冷却器３下流側の液冷媒温度が最少となる方向に制御することができる。

前記ステップＳ８において、前記液冷媒温度の低下が停止したり上昇に転じたら（ステップＳ８でＮＯの場合）、前記液冷媒温度が最小になっていると判定し、その開度の状態を保持するようにして制御を終了する（ステップＳ９）。これにより、過冷却器３下流側の液冷媒温度を最少にすることができる。

なお、前記ステップＳ９の後、一定時間経過後に再び上記Ｓ５〜Ｓ９を繰り返すように、前記制御装置３０により制御する構成にすると良い。
また、上述した例では、最初にステップＳ５において前記過冷却用膨張装置６の開度を増加させるように制御しているが、逆に最初は前記開度を減少させるように制御し、前記ステップＳ７において前記開度を増加させるように制御しても良い。

更に、上記ステップＳ５やＳ７において、前記過冷却用膨張装置６の開度を増加或いは減少させる速度（開度変化速度）については、例えば、製品開発時に実験などにより適当な値を調査し、制御装置３０に予め設定しておくと良い。前記開度変化速度が速すぎると、液冷媒温度が安定していない状態で更に開度が変化してしまい、液冷媒温度がふらつくことが考えられ、一方、開度変化速度が遅すぎると、液冷媒温度が最少となるまでに時間がかかりすぎてしまうためである。

また、前記過冷却用膨張装置６を開閉することにより、圧縮機１の温度変化を引き起こすことも考えられるが、本実施例では前述したように、圧縮機１の温度管理用として前記液インジェクション回路３３も設けているので、液インジェクション回路３３の流量調整装置７を、前記圧縮機１の温度などに応じて制御することにより、前記圧縮機１の温度上昇を抑制することができる。

上述した本実施例の「液温最適モード」では、最初に過冷却用膨張装置６の開度を増加或いは減少させ、液冷媒温度が低下する場合には前記開度を更に増加或いは減少させる制御を繰り返し、液冷媒の温度が上昇した場合、次に前記過冷却用膨張装置の開度を反対方向に減少或いは増加させるように制御し、液冷媒温度が低下する場合には前記開度を更に減少或いは増加させる制御を繰り返し、液冷媒温度の低下が停止或いは上昇に転じたら、液冷媒温度が最小になっていると判定し、その開度の状態を保持して終了するので、過冷却器３下流側の液冷媒温度が最小になるように制御することができる。従って、冷凍装置の冷凍能力を更に向上できる効果が得られる。

なお、上記液温最適モードでは、前記過冷却用膨張装置６の開度を液冷媒温度が低下する方向に増加或いは減少させ、液冷媒温度が低下する場合には前記開度を更に増加或いは減少させる動作を繰り返し、液冷媒温度の低下が停止或いは上昇に転じた場合、その開度の状態を保持するように前記過冷却用膨張装置６を制御するようにしても良い。即ち、前記過冷却用膨張装置６の開度を液冷媒温度が低下する方向に増加或いは減少させ、その後液冷媒温度の低下が停止或いは上昇に転じた場合、その時点の開度で液冷媒温度が最小になっていると判定することもできるためである。

上述した本実施例において、冷凍装置は、前記結露抑制モードと、前記液温最適モードを備えており、これらの各モードは前記制御装置３０により制御される。また、前記結露抑制モードと前記液温最適モードは任意に選択して運転することができるようになっている。従って、結露を抑制したい場合は結露抑制モードを選択し、液冷媒温度を最小化して高い冷凍能力で冷凍装置を運転させたい場合には液温最適モードを選択して運転することができる。

なお、上述した本実施例では、冷凍装置が、前記結露抑制モードと前記液温最適モードの両方を備えているもので説明したが、前記結露抑制モード或いは前記液温最適モードの何れか１つのモードのみを備えるようにしても良い。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１：圧縮機、２：凝縮器、３：過冷却器、
４：膨張弁、５：蒸発器、
６：過冷却用膨張装置、７：流量調整装置、
１０：液冷媒温度センサ、２０：外気温度センサ、
３０：制御装置、
３１：主冷媒配管、
３２：液冷媒冷却回路、３２ａ：分岐配管、
３３：液インジェクション回路、３３ａ：分岐配管、
３４：合流配管、
１００：熱源装置、２００：負荷装置（低圧機器）、
３００：液側冷媒配管、４００：ガス側冷媒配管、
５００：冷凍サイクル装置。

Claims (5)

1. 圧縮機と、該圧縮機から吐出される冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された冷媒を更に過冷却する過冷却器と、これらの機器を接続する主冷媒配管と、
   前記主冷媒配管を流れる高圧液冷媒の一部を抜き出して減圧させた減圧冷媒により前記過冷却器を流れる前記主冷媒配管からの冷媒を過冷却すると共に、この過冷却後の前記減圧冷媒を圧縮機の中間圧部に注入する液冷媒冷却回路と、該液冷媒冷却回路を流れる冷媒の流量を制御すると共に減圧するための過冷却用膨張装置と、
   この過冷却用膨張装置を制御する制御装置と、
   外気温度を検出する外気温度センサと、前記過冷却器下流側の液冷媒温度を検出する液冷媒温度センサを備え、
   前記制御装置は、前記過冷却器下流側の液冷媒の目標温度を、前記外気温度センサで検出された外気温度に予め定めた任意の差分を与えた値として算出し、
   前記目標温度における前記任意の差分は、前記過冷却器下流側の液冷媒温度が外気温度以下になるのを抑制できる大きさに決められ、
   前記算出された目標温度に基づいて前記過冷却用膨張装置を制御する結露抑制モードを備え、且つ
   前記制御装置は、前記結露抑制モードの制御開始後、直ぐに前記過冷却用膨張装置を全閉とし、その後前記液冷媒温度センサで検出された液冷媒の温度が、前記目標温度に近づくように前記過冷却用膨張装置を制御し、
   前記主冷媒配管を流れる高圧液冷媒の一部を抜き出して減圧させた減圧冷媒を前記圧縮機の中間圧部に注入する液インジェクション回路と、該液インジェクション回路を流れる流量を制御する流量調整装置を更に備えていることを特徴とする冷凍装置。
2. 圧縮機と、該圧縮機から吐出される冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された冷媒を更に過冷却する過冷却器と、これらの機器を接続する主冷媒配管と、
   前記主冷媒配管を流れる高圧液冷媒の一部を抜き出して減圧させた減圧冷媒により前記過冷却器を流れる前記主冷媒配管からの冷媒を過冷却すると共に、この過冷却後の前記減圧冷媒を圧縮機の中間圧部に注入する液冷媒冷却回路と、該液冷媒冷却回路を流れる冷媒の流量を制御すると共に減圧するための過冷却用膨張装置と、
   この過冷却用膨張装置を制御する制御装置と、
   外気温度を検出する外気温度センサと、前記過冷却器下流側の液冷媒温度を検出する液冷媒温度センサを備え、
   前記制御装置は、前記過冷却器下流側の液冷媒の目標温度を、前記外気温度センサで検出された外気温度に予め定めた任意の差分を与えた値として算出し、
   前記目標温度は、外気温度より低く露点温度よりも高い温度になるように、前記任意の差分を決め、
   前記算出された目標温度に基づいて前記過冷却用膨張装置を制御する結露抑制モードを備え、且つ
   前記制御装置は、前記結露抑制モードの制御開始後、直ぐに前記過冷却用膨張装置を全閉とし、その後前記液冷媒温度センサで検出された液冷媒の温度が、前記目標温度に近づくように前記過冷却用膨張装置を制御し、
   前記主冷媒配管を流れる高圧液冷媒の一部を抜き出して減圧させた減圧冷媒を前記圧縮機の中間圧部に注入する液インジェクション回路と、該液インジェクション回路を流れる流量を制御する流量調整装置を更に備えていることを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項１または２に記載の冷凍装置において、前記制御装置は、前記過冷却器下流側の液冷媒温度を低下させて高い冷凍能力で運転する液温最適モードを更に備え、この液温最適モードでは、最初に、前記過冷却用膨張装置の開度を増加或いは減少させる方向に操作し、液冷媒温度が低下する場合には前記開度を更に増加或いは減少させる方向に制御する動作を繰り返し、液冷媒温度が上昇した場合、次に、前記過冷却用膨張装置の開度を前記とは反対方向に減少或いは増加させ、液冷媒温度が低下する場合には前記開度を更に減少或いは増加させる方向に制御する動作を繰り返し、液冷媒温度の低下が停止或いは上昇に転じた場合、その開度の状態を保持するように前記過冷却用膨張装置を制御することを特徴とする冷凍装置。
4. 請求項１または２に記載の冷凍装置において、前記液インジェクション回路に設けられた流量調整装置は、前記圧縮機の温度、或いは該圧縮機から吐出される吐出ガス温度または吐出ガスの過熱度に基づいて制御されることを特徴とする冷凍装置。
5. 請求項１または２に記載の冷凍装置において、前記過冷却器の下流側に、前記凝縮器で凝縮された冷媒を減圧する減圧手段と、この減圧手段で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器とを接続していることを特徴とする冷凍装置。

Images