JPH0359348A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は駆動周波数により運転速度が可変の電動圧縮機
を含む冷凍サイクルを備える冷凍装置に関し、特に、冷
凍装置における容量制御方法に関する。

〔従来の技術〕

近年、空気調和装置等には、インバータにより運転速度
を可変の電動圧縮機と電動式膨張弁とを備えた冷凍装置
が用いられる傾向にある。このｔ！傾装置は、圧縮機の
運転速度および／又は膨張弁の弁開度を制御することに
より冷凍サイクルを流れる冷媒量を変更するもので、従
来の冷凍装置に比して冷凍能力をより細かく制−可能で
ある。

この種の冷凍装置は、・列えば特開昭ｆｉ２−５２８６
７号公報に示されている。

実開昭５９−２５ｆ３５９号は、作動に際して電動膨張
弁を一旦所定り弁開度に設定し、その後に圧縮機の運転
周波数に応じて膨張弁の弁開度を調整する冷凍装置を提
案している。＠開閉６１−２８５８４９号には、最小運
転周波数を除く圧縮機の運転範囲では運転周波数を変え
、また最小運転周波数では電動膨張弁の弁開度を交互し
て、冷凍能力を変える冷凍装置が示されている。特開昭
６２−５２８６７号に示された装置は、圧ａｓの運転周
波数に応じて可変容量膨張弁の弁−度を変更して、圧ｍ
機の吸込圧力を１ｆｆｌｊ　ＩｇｌするもＤである。

上記の装装置は、それぞれ冷凍サイクルの制御性り向上
や冷凍能力り変（可能巾の拡大に寄与するものではある
が、例えば空調装置などに用いてより快適な空気調和を
行うためには、冷凍装置の運転範囲をより拡大して冷凍
能力の変匿可能巾を大きくし、かつ安定した連続運転を
可能にすることが逼ましい。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術の電＃ｄ脹弁制御にかいては、膨張弁開度
を定位置に設定後、圧ａ機の運転、周波数に応じて開度
な増減するため、ノ彫張弁開度と上記運転周波数とがｌ
対ｌで対応し運転されることになる。一方冷凍サイクル
内を流れる冷媒流量Ｑは電動膨張弁の流路面積を３１電
動膨脹弁前後差圧なΔｐとした時　Ｑａａｖ’Δｐの関
係となるため、冷凍サイクル内の高圧側、低圧側の条件
が一定であればＱａａとなり、前記運転周波数（キ冷媒
流盪）と前記１＃張弁開度は１対１で制御可能である。

しかし、運転環境条件が変化し、前記電動膨・逼弁＠後
差圧が大きくなった場合には、もとの−度では冷媒流量
が過大となり、冷凍サイクルはリキッド運転となる。ま
た差圧が小さくなった場合には冷媒流量が過小となって
冷凍サイクルが過熱運転となり、いずれも圧縮機Ｏ寿命
にとって有害となる。

本発明は、このような運転環境条件の変化に対してもリ
キッド運転、過熱運転とならない制御が可能で、負荷に
応じた冷凍能力を発揮する冷凍装置を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、駆動周波数により運転速度が
可変０！［動圧縮機を含む冷凍サイクルにより構成され
た冷凍装置において、 前記冷凍サイクルを制御するためＤ制御装置であって、
前記圧縮機の運転周波数範囲にわたってあらかじめ設定
されているある範囲の目標の吐出ガススーパーヒート量
に基づき、負荷に応じり［波数で前記圧＊＊を運転制御
し、前記目標の吐出ガススーパーヒート量を外れた運転
状態となったときには、膨張弁開Ｒ特性を変えて目４の
吐出ガススーパーヒート量となるように制御する制御装
置を設けた。

〔作用〕

圧縮機・υ運転周波数と電動（成子式）膨張弁開度は、
あらかじめ設定された１対１０ｎ係をもって動作する。

その結果得られた吐出ガススーパーヒート量ハ、常時錬
成されて釦り、もし適正範囲を外れた運転状態となった
場合には適正範囲へ戻すように膨張弁開度をあらかじめ
設定された別の膨脹弁開度特性へ移行させて運転される
。こＤため常に適正な吐出ガススーパーヒート量が得ら
れ安定し、を運転が継ａされる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図〜第５図により説明す
る。

第１図を参照すると、不発明の実施例による冷凍装置は
電動式圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３、蒸Ｓ！ｉ器４を
含んでいる。これらの儀器は管路■（を介して接続され
、冷媒を循環させるだめの冷凍サイクルを構成している
。この冷凍装置はさらに、その運転を制御するために設
けられた割１ｉｌｌ装置５を有する。また、蒸発ａ４Ｄ
冷水冷水側に水温センｆ−６が圧！Ｉｌｌの吐出側に吐
出ガス温度センナ７が、さらに、ｌ７１ｍ器２の冷媒出
口側に凝縮温度センｆ−８がそれぞれ設けられ、制御装
置５に接続されている。

圧縮機ｌにはインバータ回Ｍ（図示なし）が組み込まれ
ていて、駆動電力の周波数を変東することで運転速度を
変え、圧縮機の吐出容量が変わるようになっている。制
御装置５が、圧縮機１の運転を制御するために同圧ｍｔ
ａに接続されている。

膨張弁８には運転周波数に応じてあらかじめ設定された
膨張弁開度の指示を制御装置５からの出力信号により与
えられ、これにより＃張弁８を駆動する。参照符号１０
は凝縮器２の冷却水出入口を１１は蒸発器４の冷水（負
荷）出入口を示している。制御装置５を除く上記構成要
素は従来のもので良く、筐た、冷凍作動自体も従来の装
置と同様であり、本文ではこれ以上の詳細な説明を省略
する。

制御装置１５は、データを受信する入力部と、これ等の
入力データに基づいて演算する演算部と、この演算結果
を出力する出力部とを備えている。

入力部には、水温センｆ−６、吐出ガス温度センサ７シ
よび凝縮温度センサ８からの情磯と、その時の運転周波
数とが取り込まれる。また、演算部は、あらかじめ用意
された圧ｍ機の運転周波数範囲と吐出ガススーパーヒー
トｆｉ７）設定値とを記憶してｊＰす、入力部からのデ
ータに基づいて冷凍サイクルにおける実際の吐出ガスス
ーパーヒート量を演算して設定値と比較する。その比較
演算結果の信号は、出力部より圧縮機１や膨張弁８へ出
力される。

続いて、上記構成の冷凍装置の作動を説明する。冷凍装
置が始動されると、負荷を代表する水温センｔｏからの
冷水の温度情報が、制御装置５に取り込まれる。制御装
置５はこの情報に基づいて演算し、圧縮−１をその時の
負荷に応じた所要の周波数で運転させる。

この圧縮機運転周波数は、蒸発器の入口水温又は出口水
温検知によるＰＬ（比例、積分）制御、もしくはＰＩＤ
　（比例、積分、微分）制御により行われる。

この結果、冷媒の圧縮、凝縮、＃！張、そしＣ蒸発のサ
イクルが始まる。冷凍サイクルが稼働すると、制御装置
５は、吐出ガス温度セン？７および凝縮温度セ／す８か
ら得られた情報により、冷凍サイクルの状態を検出する
。すなわち、冷媒の吐出ガス温度と凝縮温度の差から吐
出ガススーパーヒート量を演算し、この演算量が設定値
になっているかどうかＤｆエプクを行う。演ｉｔが設定
値に一致していないと、Ｉｆｉｌ１１卸装置５は膨張弁
８に出力信号を送り、冷凍サイクルの吐出ガススーパー
ヒート量が設定値になるように、＃張弁８の弁開度を制
御する。こＯ様にして、冷凍サイクルＤ運転が安定し、
こＤ一連の制御はあるテンプリング間隔をかいて冷凍サ
イクルの運転中つねに行われる。

前記水温センサ６は第１図に釦いて冷水（負荷）入口側
に取り付けられているが、冷水（負荷）出口側に取り付
けてもよい。

前記制御装置５は前述の制御を継続すると同時に、吐出
ガス温度センナ７及び凝縮温度センサ８により冷凍サイ
クルの状態を検知し、吐出ガス温度と凝縮温度との差、
すなわち吐出ガススーパーヒート量があらかじめ設定さ
れた上限値、下限値に対しどの範囲にあるかテ、ツクを
行う。

第２図は、吐出ガススーパーヒート量の１ｔｌｌＪ御を
説明する制御フロー図である。ブロック１Ｂは運転状態
にかいて吐出ガススーパーヒート量があらかじめ設定さ
れた適正範囲にある場合の制御フローを示し、ブロック
１８は、吐出ガススーパーヒート量が設定された下限値
を下廻った場合の制御フローを示す。すなわち、制御フ
ローについて説明すると、運転開始１′：、４後、冷凍
サイクルの立上り安定のための始動制御１５を行い、負
荷に応じた運転周波数を算出１６する。この時、同時に
、吐出ガススーパーヒート量が設定範囲の下限値以上確
保されているかどうかを判定１７する。一般的にはもと
もと適正値になるよう設定しであるため＃張弁標準モー
ド１８により運転が継続されている。この動作は前述の
ように、あるテンプリング間隔をかいて常に行われ、イ
ンバータ出力周波数検出１６〜Ｉ＃脹弁標準モード１８
のループを形成する。

次に運転積項条件が変化し、判定１７にかいて吐出ガス
スーパーヒート量が設定範囲の下限値を下廻った場合、
ａＩ脹弁、圧縮機の制御は、ブロック１８１１１Ｏ制ｆ
４７０−に移り、膨張弁絞りモード１９へ移行する。膨
張弁絞りモード１９に釦いては、標準モード１８よりも
膨張弁開度を絞り、冷媒流量を減らして吐出ガススーパ
ーヒート量を増加させるように制御する。これにより、
インバータ出力周波数検出１６あるいは２０で算出した
運転周波数に対応する膨張弁開度は砿準モード１８と絞
りモード１９の２′ａ類を有することになる。

膨張弁絞りモード１９での運転は、吐出ガススーパーヒ
ート量上限値２１を越えるまで、絞りモード１９〜設定
範囲上限値２１のループを形成する。このような副脚を
制御装置５に設定しである。

ｄａｌＡは、ｄ　２−〇　＋ｍｊ　ｄｌ１７　Ｃ”−を
グラフ上に表わしたものである。横軸は運転周波数Ｎを
示し、Ｎ　ｍｉｎ　、　Ｎ　Ｍａｘはそれぞれ最低周波
数、最高周波数を示す。縦軸は膨張弁開度Ｐ１吐出ガス
スーパーヒートＴｄＳＨ、冷却能力Ｑを示す。

ＰｓＴは標準モード膨張弁制御線で、第２図のブロック
１２で１１１１１呻される範囲であり、Ｐｍは絞りモー
ド膨張弁制御線で、ブロック１８で１ＩｔｌＪｌｌされ
る範囲を示している。、また、冷却能力Ｑも前記膨張弁
制御モードに対応した能力線ＱＳＴ、Ｑｍを示している
。また、Ｔｄ！ＨｍａＸは吐出ガススーパーヒート量上
限線Ｔａｓｕｍｉｎは下限線を示し七いる。

次に運転状態の変化例を説明する。圧縮機１が運転周波
ａＮ１で運転された時、膨張弁開度は標準モード膨張弁
制御線ｐ８Ｔとの交点２８における膨張弁開度Ｐ１、吐
出ガススーパーヒート量は点２４で示す８　Ｈ８Ｔ　、
冷却能力は標準モードにおける能力線ＱＴＳとυ交点２
５に相当するＱｔである。この運転状態では吐出ガスス
ーパーヒート渣は上下限値の間にあり正常である。次に
環境条件が変化し、冷凍サイクルの運転圧力の高低圧の
差圧が大きくなると前述のように膨張弁開度がＰｌと変
化せず同一であっても、膨張弁を通過する冷媒流量は差
圧に比例して大きくなり、吐出ガススーハーヒート蓋は
小さくなる。吐出ガススーパーヒート量が小さくなり過
ぎて下限線ＴｄｓＨｍｋｎより小さい点２６で示すＳＨ
ｍｏ値となると、制御装置５にあらかじめ設定された吐
出ガススーパーヒート量の最低線Ｔｄ　ＳＨｍｉ　ｎ以
下であるため、制御装ｆ５がこれを検知して膨張弁開度
を大きくするように膨張弁８に対し信号を出力し、膨張
弁を絞りモード制御に移行させる。これにより制御線Ｐ
ｍとの交点２８に相当する開度Ｐｇとなる。

これにより吐出ガススーパーヒート量は点２９で示す上
下限値０間の８Ｎｍ’へ移行し、適正な吐出ガススーパ
ーヒート量となって安定運転が継続される。そして、こ
の時の冷却能力は能力線Ｑｍに乗った能力となり点８０
に相当する能力Ｑ２となり、点２５のＱｌより小さくな
る。もし、この能力でンよ負荷とバランスしない場合に
は、この結果として水温の上昇として表われ、第１図で
示す水温センサ６に反映され、その信号を制御装置５が
受けて運転周波数増加の信号が圧縮機１に対し出力され
る。圧縮機１の運転周波数がＮ２に変更され能力線Ｑｍ
線上の交点３１に相当する能力Ｑ１で運転される。この
能力Ｑ１は前記標準モードでＤ能力、線ＱＳＴでのＱｌ
と同一である。また環境条件が変化し、吐出ガススーパ
ーヒート量が増大し、吐出ガススーパーヒート上限線’
ｌ’　ｄ８Ｈｍａｘを越えると、膨張弁開度は絞す、ｊ
１張弁制制御Ｐｍ線上から標準膨張弁制御線ＰＳＴｍ上
に移行して本来Ｑ制御状態に戻り吐出ガススーパーヒー
ト量を小さくする方向に制御される。

尚、ｐｍｉｎは標準モードでの膨張弁開度の最小開度で
あり、Ｐ’ｍｉｎは絞りモードで７）最小開度を示す。

第４図及び第５図は第８図の制御を拡張し、膨張弁開度
の、１１！ｉＩにより、能力ｖＩ４整範囲の拡大と、運
転範囲の拡大を図るための説明図である。

第Φ図、第５図共に、横軸は圧縮Ｗ４１の運転周ＵａＮ
を示し、Ｎｍ１ｎは最低周波数、Ｎ　ｍａｘは最高周波
数を示す。第４図の縦軸は膨張弁開度Ｐ。

吐出ガススーパーヒート量Ｔｄ　ＳＨ％　訃よび冷却能
力Ｑを示す。また図中の破線は、膨張弁開度を各々０周
波数に釦いて冷却能力Ｑが最大となるよう制御した時７
）変化カーブを示し、こ０時の冷却能力最大変化カーブ
５０の変化幅は幅８６で示される。また、図中の実線は
冷却能力の最小値４ｏが最大値４１７）約１／２以下に
なるよう膨張弁開度を低周波数域で絞り気味に？１ｔｌ
Ｊ　Ｉｊｌｌ　した時の変化カーブを示し、こ０時の冷
却能力変化カーブ６ｏの変化幅は幅３７、最小能力は幅
８８、最大能力は幅３９で示でれるも また、破線で示す変化カーブ５１．５２が冷却能力最大
カーブ５０に対応した吐出ガススーパーヒート量、膨ｌ
ｉｔ！弁開度を示す変化カーブを示（−で分り、実線で
示す変化カーブ５８．５４は冷却能力変化カーブ６０に
対応している。すなわち、ある運転周波数で・運転され
たときの膨張弁開度Ｐが変化カーブ５２で別間された場
合の吐出ガススーバーヒー）ｉＴｄＳＨは変化カーブ５
１で変化し、冷却能力Ｑは変化カーブ５０のように変化
する。

また、実線で示す制御の場合も同様に制御されるよう制
御装置つ設定を行っている。この制御を採用することに
より、運転周波数の最小値を下げることなく、能力変化
幅を大きくすることが可能となる。

また、圧ｈｉｍの能力最小値を最大値の１／２以下に設
定して釦〈ことにより、同一の装置を複数台設置した場
合には運転台数が増減する際に、運転台数をラププさせ
ることができ、こＤ結果、冷庫能カフ）増加や減少時に
全台数り頻索な０Ｎ−ＯＦＦ’ｊｍけることができると
ともに冷却能力の連続性が得られる。

一般にこの′ａ７）冷凍装置の冷却能力の最小値を落と
すためには運転周波数を低くする制御が採用さ：ｌＬる
が、これに伴なう冷凍サイクルの運転圧力条件り限界値
が聞漏となる場合がある。第５図はこの関係の説明図で
ある。横軸は運転周波数Ｎ１樅輔はそれぞれ吸入圧力Ｐ
ｓ、　　吐出圧力Ｐｄ、圧力比Ｐｄ／Ｐｓを示す。縦軸
の諸量にはそれぞれ冷凍装置運転圧力の限界値があり、
吸入圧力Ｐｓｍａｘは上限線７０、吐出圧力ｐｄｍｉｎ
は下限線８０、圧力比ｐｄ／ｐｓ　ｍｉｎを下限線９０
にて示す。また図中に示す破線は、第４図に示したもの
と同様に冷却能力最大となるよう膨張弁開度を制御した
時の圧力変化カーブで、圧力比Ｐｄ／Ｐｓ変化カーブ９
１、吐出圧力Ｐｄ変化カーブ８１、吸入圧力Ｐｓ変化カ
ーブ７１を示す。実線は冷却能力最小値が最大値の約１
／２以下になるよう低周波域で絞り気味に制御した時の
変化カーブで、圧力比Ｐｄ／Ｐｓ変化カーブ９２、吐出
圧力Ｐｄ変化カーブ８２、吸入圧力Ｐｓ変化カーブ７２
を示す。そして、点９８は圧力比変化カーブ９１と圧力
比下＠線９０との交点、点８８は吐出圧力変化カーブ８
１と吐出圧力下限線８０との交点、点７Ｂは吸入圧力変
化カーブ７１と吸入圧力上限線７０との交点を示してい
る。

この図から明らかなように各点９８．８８．７８はいず
れも運転周波数Ｎｍ１ｎより多い周波数域にあり、一番
多い周波数を示す点は吐出圧力Ｐｄの条件の点８８で、
このときの運転周波数はＮ１である。したがって、これ
らの諸条件を満たし使用できる運転周波数の範囲は破線
制御線上では制限幅り最も狭ｖｈＮ　ｓ　−Ｎｍａｘ　
２）間、実線制御線上ではＮｍ１ｎ　−Ｎｍａｘとなる
。こＤように２種類の制御線を設定することにより、冷
却能力変化幅の拡大を図ることができる。

〔発明の効果〕 本発明は、以上説明したように構成されているＤで、以
下に記載されるような効果を有する。

運転周波数により膨張弁開度をある設定値に調節するた
め精密な能力調整が可能になるとともに環境条件の変化
に対しても安定した運転が可能となる。また、膨張弁開
度の設定値を低周波数域で絞り気味にすることにより、
能力変化幅と周波数変化幅の拡大が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における冷凍サイクル系統図
、ｇ２図は第１図に示す冷凍サイクルの制御を説明する
制御７０−図、第８図は第１図に示す冷凍サイクルＯ状
態図、第４図及び第５図は別の実施例における冷凍サイ
クルＤ状態図であるｌ・・・圧ａ機　　２・・・凝縮器
　　８・・・電動（電子）膨張弁　　４・・・蒸発器　
　５・・・制御装置　　６・・・水温セン−ｙ−７・・
・吐出ガス温度セン？　　８・・・凝縮温度センナ　　
１０・・・冷却水出入口　　ｌｌ・・・冷水（負荷）出
入口　　ｐｍ・・・絞りモード膨張弁制’ｔｉｌｌ線　
　ＰＳＴ・・・標準モード＃逼弁制御線。 圧６鴫木（ ；棒材０シ 電り電子）ＩＩＩ帳升 竿２図 菓３函 Ｎ、ｌｉＭ Ｎ２〜．、ｖ４工 蓮奪Ｉｌｌ液数Ｎ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、駆動周波数により運転速度が可変の電動圧縮機を含
   む冷凍サイクルと、前記冷凍サイクルを制御するための
   制御装置を備え、この制御装置は、前記圧縮機の運転周
   波数範囲にわたってあらかじめ設定されているある範囲
   の目標の吐出ガススーパーヒート量に基づき、負荷に応
   じた周波数で前記圧縮機を運転制御し、前記目標の吐出
   ガススーパーヒート量を外れた運転状態となったときに
   は、膨脹弁開度特性を変えて目標の吐出ガススーパーヒ
   ート量となるように、前記圧縮機を運転制御することを
   特徴とする冷凍装置。 ２、請求項１による冷凍装置において、前記運転周波数
   範囲の最小周波数における最小冷凍能力が最大周波数に
   おける最大冷凍能力の１／２以下に設定されることを特
   徴とする冷凍装置。 ３、請求項１による冷凍装置において、膨脹弁開度特性
   は標準モード特性と、絞りモード特性を設定しているこ
   とを特徴とする冷凍装置。 ４、請求項１による冷凍装置において、前記冷凍サイク
   ルは可変容量膨張弁を含み、前記制御装置は前記冷凍サ
   イクルにおける吐出冷媒ガスのスーパーヒート量を検出
   し、前記設定目標の吐出ガススーパーヒート量と比較し
   て、前記冷凍サイクルの吐出冷媒ガスのスーパーヒート
   量が前記設定目標に一致するように前記膨張弁の弁開度
   を調節することを特徴とする冷凍装置。 ５、請求項１による冷凍装置において、低速域の膨張弁
   開度をその運転周波数における最大能力を発揮する開度
   よりも絞るように設定する。 ６、請求項４による冷凍装置において、前記運転周波数
   範囲の最小周波数における最小冷凍能力が最大周波数に
   おける最大冷凍能力の１／２以下に設定される。 ７、請求項１による冷凍装置において、圧縮機の運転周
   波数決定を、蒸発器の入口水温又は出口水温検知による
   ＰＩ（比例・積分）もしくはＰＩＤ（比例・積分・微分
   ）制御により行うように設定した。 ８、電動圧縮機、凝縮器、可変容量膨張装置、及び蒸発
   器を接続して形成された冷凍サイクルで、前記圧縮機は
   駆動周波数により運転速度が可変である冷凍サイクルと
   ； 前記冷凍サイクルを制御するための制御装置であって、
   負荷に応じて前記圧縮機を所定の周波数で運転すると共
   に、前記冷凍サイクルにおける吐出冷媒ガスのスーパー
   ヒート量を検出し、前記圧縮機の運転周波数範囲にわた
   ってあらかじめ設定されている目標の吐出ガススーパー
   ヒート量と比較し、前記冷凍サイクルの吐出冷媒ガスの
   スーパーヒート量が前記設定目標範囲内に一致するよう
   に前記膨張装置の容量を調整する制動装置と；前記目標
   の吐出ガススーパーヒート量を外れた運転状態となった
   ときには、膨脹弁開度特性を変えて設定目標範囲内の吐
   出ガススーパーヒート量となるように制御することを特
   徴とする冷凍装置９、請求項８による冷凍装置において
   、前記運転周波数範囲の最小周波数における最小冷凍能
   力が最大周波数における最大冷凍能力の１／２以下に設
   定されることを特徴とする冷凍装置。 １０、請求項８による冷凍装置において、膨脹弁開度等
   性は標準モード特性と、絞りモード特性を設定している
   ことを特徴とする冷凍装置。 １１、請求項８による冷凍装置において、圧縮機の運転
   周波数決定を、蒸発器の入口水温又は出口水温検知によ
   るＰＩ（比例・積分）もしくはＰＩＤ（比例・積分・微
   分）制御により行うように設定したことを特徴とする冷
   凍装置。