JP2922925B2

JP2922925B2 - 冷凍装置

Info

Publication number: JP2922925B2
Application number: JP1191462A
Authority: JP
Inventors: 徹治山下; 恭志郎村上; 富夫吉川; 鎮夫頭士; 弘安田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-07-26
Filing date: 1989-07-26
Publication date: 1999-07-26
Anticipated expiration: 2014-07-26
Also published as: JPH0359348A

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。この冷凍装置は、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御可能で
ある。

この種の冷凍装置は、例えば特開昭62−52367号公報
に示されている。

実開昭59−25359号は、作動に際して電動膨張弁を一
旦所定の弁開度に設定し、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。特開昭61−285349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変更して、冷凍能力を
変える冷凍装置が示されている。特開昭62−52367号に
示された装置は、圧縮機の運転周波数に応じて可変容量
膨張弁の弁開度を変更して、圧縮機の吸込圧力を制御す
るものである。

上記の装置は、それぞれ冷凍サイクルの制御性の向上
や冷凍能力の変更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
能力の変更可能巾を大きくし、かつ安定した連続運転を
可能にすることが望ましい。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術の電動膨脹弁制御においては、膨張弁開
度を定位置に設定後、圧縮機の運転、周波数に応じて開
度を増減するため、膨張弁開度と上記運転周波数とが１
対１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ａ、電
動膨張弁前後差圧をΔｐとした時の関係となるため、冷凍サイクル内の高圧側、低圧側の
条件が一定であればＱαａとなり、前記運転周波数（≒
冷媒流量）と前記膨張弁開度は１対１で制御可能であ
る。しかし、運転環境条件が変化し、前記電動膨張弁前
後差圧が大きくなった場合には、もとの開度では冷媒流
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、いずれも圧縮機の寿
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に、本発明は、冷凍サイクル
の運転中に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する手段と、演算する手段
によって演算された値と予め設定された上限値及び下限
値とを比較する手段と、膨張弁の開度が所定の範囲に制
御される標準モードと、標準モードにおける所定の範囲
の値よりも小さい値で膨張弁の開度が制御される絞りモ
ードとを備え、標準モードで運転が開始され、演算され
た値が下限値以上のときは標準モードを維持し、演算さ
れた値が下限値よりも小さくなったときは絞りモードと
し、絞りモードとなった場合、演算された値が上限値を
超えるまでは絞りモードを維持し、上限値以上となった
場合は標準モードとされるものである。

吐出ガススパーヒート量を設定し、標準モードとして
膨張弁の開度を所定の範囲に制御するので、負荷に応じ
て適正な吐出ガススーパーヒート量が得られ安定した運
転を継続できる。そして、精密な能力調整が可能とな
る。

また、吐出ガススーパーヒート量が下限値よりも小さ
くなったときは絞りモードとし、絞りモードとなった場
合は上限値を超えるまでは絞りモードを維持するので、
絞りモードのときは冷媒流量を減少し、吐出ガススーパ
ーヒート量を速やかに増加することができる。

これにより、環境条件の変化、あるいは始動時におい
て、負荷に応じた冷凍能力を発揮し、安定した運転が可
能となる。

また、本発明は上記のものにおいて、冷凍装置の最少
能力が最大能力の略1/2とされている。

冷凍装置の最少能力を最大能力の略1/2とすることに
より、低運転周波数域では膨張弁の開度を小さく絞るよ
うに定めることになる。

これにより、冷凍装置の運転台数を増減させる際、例
えば１台運転と２台運転で能力範囲が重なる部分がで
き、各々の冷凍装置の頻繁なON−OFFを避けることがで
き、連続的で安定した運転が可能となる。

〔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、本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、蒸発器４を含
んでいる。これらの機器は管路Ｈを介して接続され、冷
媒を循環させるた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
れた制御装置５を有する。また、蒸発器４の冷水入口側
に水温センサ６が圧縮機１の吐出側に吐出ガス温度セン
サ７が、さらに、凝縮器２の冷媒出口側に凝縮温度セン
サ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１にはインバータ回路（図示なし）が組み込ま
れていて、駆動電力の周波数を変更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縮
機に接続されている。膨張弁３には運転周波数に応じて
あらかじめ設定された膨脹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、これにより膨張弁３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、また、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５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
ンサ６、吐出ガス温度センサ７および凝縮温度センサ８
からの情報と、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縮機の運転周
波数範囲と吐出ガススーパーヒート量の設定値とを記憶
しており、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や膨脹弁３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サ６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、圧縮機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P1（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、膨張、そして蒸発のサ
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、吐出ガス温度センサ７および凝縮温度センサ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のチェックを行う。演算量が設
定値に一致していないと、制御装置５は膨脹弁３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、膨張弁３の弁開度を制御する。
この様にして、冷凍サイクルの運転が安定し、この一連
の制御はあるサンプリング間隔をお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図において冷凍（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
出ガス温度センサ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チェッ
クを行う。

第２図は、吐出ガススーパーヒート量の制御を説明す
る制御フロー図である。ブロック12は運転状態において
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13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14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
してあるため膨張弁標準モード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、あるサンプリング間
隔をおいて常に行われ、インバータ出力周波数検出16〜
膨脹弁標準モード18のループを形成する。

次に運転環境条件が変化し、判定17において吐出ガス
スーパーヒート量が設定範囲の下限値を下廻った場合、
膨脹弁、圧縮機の制御は、ブロック13側の制御フローに
移り、膨張弁絞りモード19へ移行する。膨脹弁絞りモー
ド19においては、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
る膨張弁開度は標準モード18と絞りモード19の２種類を
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
うな制御を制御装置５に設定してある。

第３図は、第２図の制御フロー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、Nmin,Nmax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Ｐ、吐出ガススーパーヒートT_dSH、冷却能力Ｑを示
す。

P_STは標準モード膨脹弁制御線で、第２図のブロック1
2で制御される範囲であり、Pmは絞りモード膨脹弁制御
線で、ブロック13で制御される範囲を示している。ま
た、冷却能力Ｑも前記膨脹弁制御モードに対応した能力
線Q_ST,Qmを示している。また、T_dSH maxは吐出ガススー
パーヒート量上限線T_dSH minは下限線を示している。

次に運転状態の変化例を説明する。圧縮機１が運転周
波数N1で運転された時、膨張弁開度は標準モード膨脹弁
制御線P_STとの交点23における膨脹弁開度P₁、吐出ガス
スーパーヒート量は点24で示すSH_ST、冷却能力は標準モ
ードにおける能力線Q_TSとの交点25に相当するQ₁であ
る。この運転状態では吐出ガススーパーヒート量は上下
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P₁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、吐出ガススーパーヒート量は小さくなる。吐出ガス
スーパーヒート量が小さくなり過ぎて下限線T_dSH minよ
り小さい点26で示すSHmの値となると、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
T_dSH min以下であるため、制御装置５がこれを検知して
膨脹弁開度を大きくするように膨脹弁３に対し信号を出
力し、膨脹弁を絞りモード制御に移行させる。これによ
り制御線Pmとの交点28に相当する開度P₂となる。これに
より吐出ガススーパーヒート量は点29で示す上下限値の
間のSHm′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30に相当する能力
Q₂となり、点25のQ₁より小さくなる。もし、この能力で
は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の能力
線Q_STでのQ₁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T_dSH maxを越えると、膨張弁開度は絞り膨張
弁制御線Pm線上から標準膨張弁制御線P_ST線上に移行し
て本来の制御状態に戻り吐出ガスス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脹弁開度の最小開度であ
り、Ｐ′minは絞りモードでの最小開度を示す。

第４図及び第５図は第３図の制御を拡張し、膨張弁開
度の調整により、能力調整範囲の拡大と、運転範囲の拡
大を図るための説明図である。

第４図，第５図共に、横軸は圧縮機１の運転周波数Ｎ
を示し、Nminは最低周波数、Nmax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
T_dSH、および冷却能力Ｑを示す。また図中の破線は、膨
張弁開度を各々の周波数において冷却能力Ｑが最大とな
るよう制御した時の変化カーブを示し、この時の冷却能
力最大変化カーブ50の変化幅は幅36で示される。また、
図中の実線は冷却能力の最小値40が最大値41の約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制御
した時の変化カーブを示し、この時の冷却能力変化カー
ブ60の変化幅は幅37、最小能力は幅38、最大能力は幅39
で示される。

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、膨脹弁開
度を示す変化カーブを示しており、実線で示す変化カー
ブ53,54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脹弁開度Ｐ
が変化カーブ52で制御された場合の吐出ガススーパーヒ
ート量T_dSHは変化カーブ51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の設定を行ってい
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、圧縮機の能力最小値を最大値の1/2以下に設定
しておくことにより、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、運転台数をラップさせる
ことができ、この結果、冷凍能力の増加や減少時に全台
数の頻繁なON−OFFを避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。

一般にこの種の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れるが、こ
れに伴なう冷凍サイクルの運転圧力条件の限界値が問題
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Ｎ、縦軸はそれぞれ吸入圧力Ps、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Ps maxは上
限線70、吐出圧力Pd min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91、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93
は圧力比変化カーブ91と圧力比下限線90との交点、点83
は吐出圧力変化カーブ81と吐出圧力下限線80との交点、
点73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98,83,73はいずれも運
転周波数Nmin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83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
幅の最も狭いN₁〜Nmaxの間、実線制御線上ではNmin〜Nm
axとなる。このように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ので、
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、第２図は第１図に示す冷凍サイクルの制御を説明す
る制御フロー図、第３図は第１図に示す冷凍サイクルの
状態図、第４図及び第５図は別の実施例における冷凍サ
イクルの状態図である。１……圧縮機、２……凝縮器、３……電動（電子）膨張
弁、４……蒸発器、５……制御装置、６……水温セン
サ、７……吐出ガス温度センサ、８……凝縮温度セン
サ、10……冷却水出入口、11……冷水（負荷）出入口、
Pm……絞りモード膨張弁制御線、P_ST……標準モード膨
張弁制御線。

フロントページの続き (72)発明者頭士鎮夫神奈川県秦野市堀山下１番地株式会社日立製作所神奈川工場内 (72)発明者安田弘茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (56)参考文献特開昭63−32257（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−108162（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−25457（ＪＰ，Ａ) 実開昭56−94448（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F25B 1/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】凝縮器、蒸発器、膨張弁及び運転周波数が
可変とされる圧縮機を有し、冷媒が循環する冷凍サイク
ルを備えた冷凍装置において、前記冷凍サイクルの運転中に前記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する
手段と、前記演算する手段によって演算された値と予め設定され
た上限値及び下限値とを比較する手段と、前記膨張弁の開度が所定の範囲に制御される標準モード
と、前記標準モードにおける所定の範囲の値よりも小さい値
で前記膨張弁の開度が制御される絞りモードとを備え、前記標準モードで運転が開始され、前記演算された値が
前記下限値以上のときは前記標準モードを維持し、前記
演算された値が下限値よりも小さくなったときは前記絞
りモードとし、前記絞りモードとなった場合、前記演算された値が上限
値を超えるまでは前記絞りモードを維持し、上限値以上
となった場合は前記標準モードとされることを特徴とす
る冷凍装置。
【請求項２】請求項１に記載のものにおいて、前記冷凍
装置の最少能力が最大能力の略1/2とされていることを
特徴とする冷凍装置。