JP2008249203A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全開の開度で膨張弁がロックしたことを早期に判断することができる冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】本発明の冷凍サイクル装置Ｒは、圧縮機２６、凝縮器２７、膨張弁４４及び蒸発器１５を含む冷媒回路Ｒを備えたものであって、蒸発器１５における冷媒の過熱度の基づいて膨張弁４４の弁開度を制御する制御装置Ｃを備え、制御装置Ｃは、膨張弁４４の弁開度を全閉、若しくは、最小開度に制御している状態で、過熱度が所定の値より低く、且つ、一定時間その状態が継続した場合、膨張弁４４のロックと判断して所定の警報動作を実行する。
【選択図】図５

Description

本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を含む冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置、特に、膨張弁のロック検出に関するものである。

従来より、例えば低温ショーケースに採用される冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器などを配管により順次環状に接続して所定の冷媒回路を形成すると共に、この冷媒回路内には所定量の冷媒が封入されて構成されている。そして、圧縮機が運転されると、冷媒は圧縮されて高温高圧のガス状態となり、凝縮器に流入する。凝縮器において冷媒は放熱し、凝縮液化した後、減圧装置にて減圧され、蒸発器に供給される。蒸発器内においては減圧された後の液冷媒が蒸発し、そのときに周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮する。

ここで、蒸発器による冷却作用を精密に制御するため、減圧装置として膨張弁が用いられている。通常、この膨張弁は、冷媒回路を循環する流量を制御して、凝縮後の冷媒を減圧させるものであり、冷却負荷に応じて弁開度が調整される。特許文献１に示される如き膨張弁は、蒸発器の出口と入口側にそれぞれ設けられる温度センサの出力に基づき蒸発器における冷媒の過熱度を測定し、当該過熱度が大きすぎる場合には膨張弁を開放し、冷媒の流れを良くする制御を行うことによって、弁開度制御を行っている。
特開平８−３２７１６１号公報

上述した如き膨張弁は、何らかの原因によって故障が発生し、弁開度を調整できないロックの状態となってしまう場合がある。従来では、膨張弁の開度が全閉若しくは、最小開度とされた状態でロックされている場合には、冷媒回路内が高圧異常となったことを冷媒圧力検出手段などによって検出し、膨張弁に故障が発生したことを判断して警報動作を実行していた。

しかしながら、上述した如き制御では、冷媒回路内が高圧異常とならない限り、膨張弁が故障したことを判断することができなかったため、膨張弁が全開の状態でロックしてしまうと、早期に膨張弁の故障を判断することができず、原因が不明の状態のまま冷却不良状態が継続してしまう問題があった。

そこで、本発明は従来の技術的課題を解決するためになされたものであり、全開の開度で膨張弁がロックしたことを早期に判断することができる冷凍サイクル装置を提供する。

本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を含む冷媒回路を備えたものであって、蒸発器における冷媒の過熱度の基づいて膨張弁の弁開度を制御する制御手段を備え、該制御手段は、膨張弁の弁開度を全閉、若しくは、最小開度に制御している状態で、過熱度が所定の値より低く、且つ、一定時間その状態が継続した場合、膨張弁のロックと判断して所定の警報動作を実行することを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を含む冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置において、蒸発器における冷媒の過熱度の基づいて膨張弁の弁開度を制御する制御手段を備え、該制御手段は、膨張弁の弁開度を全閉、若しくは、最小開度に制御している状態で、過熱度が所定の値より低く、且つ、一定時間その状態が継続した場合、膨張弁のロックと判断して所定の警報動作を実行することにより、膨張弁の開度が全開の状態でロックした場合であっても、好適に膨張弁の故障を判断することが可能となり、これに基づき警報動作を実行することによって、早期に膨張弁の故障に対応することが可能となる。これにより、原因が不明のまま冷却不良状態が継続する不都合を解消することが可能となる。

次に、図面に基づき本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明を適用した実施例のショーケース１の斜視図、図２は図１のショーケース１の縦断側面図を示している。実施例のショーケース１は、コンビニエンスストアやスーパーマーケットなどの店舗に設置される前面に開口を有するオープンショーケースである。当該ショーケース１内に形成される商品を陳列する陳列室１１内には、冷却領域、又は、加熱領域、若しくは、冷却領域及び加熱領域の双方を構成可能とすることで、冷／温使用が可能なものとされている。

ショーケース１の前面に開口する断面略コ字状の断熱壁３と、その両側に取り付けられる側板４、４によって本体２が構成されている。この断熱壁３の内側には間隔を存して背面及び天面にそれぞれ背面パネル６、天面パネル７が配設され、これら背面パネル６、天面パネル７と断熱壁３間に背方から上方に渡る背面ダクト９が構成されている。

また、背面パネル６の下端には、前方に延在するデッキパン１０が設けられており、これら背面パネル６、天面パネル７及びデッキパン１０の内側に陳列室１１が構成されている。そして、デッキパン１０の下方には背面ダクト９に連通してその一部を構成する下部ダクト１４が構成されている。

背面ダクト９の上端は陳列室１１の前面開口上縁に位置する上部冷気吐出口１６に連通し、下部ダクト１４の前端は陳列室１１の前面開口下縁に位置すると共に、複数のスリットから成る冷気吸込口１７に連通している。また、デッキパン１０の下方の下部ダクト１４内には冷気循環用送風機１９が配設され、陳列室１１後方の背面ダクト９内には後述する圧縮機２６や凝縮器２７と共に冷凍サイクル装置Ｒを構成する蒸発器１５が縦設されている。

陳列室１１内には棚装置１２が複数段、本実施例では上下に４段架設されている。各棚装置１２は後端に後方に突出する鉤状の爪を有した左右一対のブラケット２０と、このブラケット２０上に差し渡して取り付けられた棚板２１と、この棚板２１の商品載置面の裏側に取り付けられた加温用の電気ヒータ２２（図４に示す）とから構成されている。

そして、陳列室１１内の背面パネル６の前面両側に取り付けられた図示しない棚支柱の係合孔に前記ブラケット２０の爪を係脱自在に係合させることにより、各棚装置１２は陳列室１１内において上下位置（高さ）を変更可能に架設されている。

また、図２において３５は、棚ダクト部材であり、この棚ダクト部材３５内には、前端において斜め前下方に開口する棚下冷気吐出口３７を有する棚ダクト３６が構成されている。また、この棚ダクト３６内には、背面ダクト９側に進退して当該背面ダクト９内を閉塞可能とするためのダンパー部材３９が設けられている。

一方、断熱壁３の下側には機械室２５が構成されており、この機械室２５内には圧縮機２６と、凝縮器２７と、凝縮器用送風機２８等が設置されると共に、電源や制御基板を収納した図示しない電装箱も配設される。

ここで、図３の冷媒回路図を参照して本実施例における冷凍サイクル装置Ｒを構成する冷媒回路４０について説明する。圧縮機２６の吐出側の配管４２には、凝縮器２７が接続されている。そして、この凝縮器２７の出口側には、配管４３を介して減圧装置としての膨張弁４４が接続されている。この膨張弁４４は蒸発器１５に接続され、蒸発器１５の出口側は圧縮機２６に接続されて環状の冷凍サイクルを構成している。

また、断熱壁３の背方には当該断熱壁３の背面と所定の間隔を存して鋼板製の背面板２９が取り付けられており、この背面板２９と断熱壁３間には排気用ダクト３０が構成されている。この排気用ダクト３０の下端は機械室２５の後部に開口して連通すると共に、上端はショーケース１上方に開放している。そのため、凝縮器用送風機２８が運転されることによって、機械室２５内に吸引された外気は、凝縮器２７を通過して熱交換した後、圧縮機２６に吹き付けられて当該圧縮機２６を空冷し、排気用ダクト３０を介して外部に排出される。

なお、３１は機械室２５の前面を開閉自在に閉塞するパネルである。３２は機械室２５内下部に設けられた蒸発皿であり、図示しないドレンホースを介して蒸発器１５からのドレン水（露水や除霜水など）が流入し、貯留されるものである。

次に、図４を参照して本実施例における制御装置（制御手段）Ｃについて説明する。制御装置Ｃは、汎用のマイクロコンピュータにより構成されており、時限手段としてのタイマ５０、ＰＩＤ演算処理部５６を内蔵している。更に、各種設定スイッチや表示部などを備えたコントロールパネル４７が接続されている。また、当該制御装置Ｃの入力側には、庫内温度を検出する庫内温度センサ４８、各棚装置１２の温度を検出する棚センサ４９、蒸発器１５の冷媒入口側の冷媒温度を検出するための冷媒入口側温度センサ５４、蒸発器１５の冷媒出口側の冷媒温度を検出するための冷媒出口側温度センサ５５等が接続されている。

ここで、庫内温度センサ４８は、例えば、ショーケース１の陳列室１１内天井部に設けられており、陳列室１１内の温度である庫内温度を検出するものである。棚センサ４９は、各棚装置１２に設けられて、各棚装置１２の温度である棚温度を検出するものである。

他方、制御装置Ｃの出力側には、圧縮機２６を駆動させる圧縮機モータ２６Ｍと、各棚装置１２に設けられる電気ヒータ２２、冷気循環用送風機１９を駆動させる送風機モータ１９Ｍ、凝縮器用送風機２８を駆動させる送風機モータ２８Ｍ、膨張弁４４、警報手段としての警報ランプ５７等が接続されている。ここで、圧縮機モータ２６Ｍは、インバータ装置４１を介して接続されており、これによって、電源の周波数を変化させることにより、圧縮機モータ２６Ｍの回転速度を変化させて圧縮機２６における冷媒の圧縮量を変化可能とされている。また、電気ヒータ２２は、ヒータ制御部５１を介して接続されており、これによって、各電気ヒータ２２毎に、通電量をデューティー制御などによって変更可能とされている。また、冷気循環用送風機１９の送風機モータ１９Ｍは、チョッパ回路などの駆動回路５２を介して接続されており、これによって、送風機モータ１９Ｍの回転数を任意に変更可能とされている。同様に、凝縮器用送風機２８の送風機モータ２８Ｍは、チョッパ回路などの駆動回路５３を介して接続されており、これによって、送風機モータ２８Ｍの回転数を任意に変更可能とされている。

以上の構成で、ショーケース１の制御動作を説明する。まずはじめに、制御装置Ｃは、コントロールパネル４７による入力設定などに基づき、陳列室１１内全体を冷却領域として冷蔵使用するのか、全体を加熱領域として温蔵使用するのか、何れかの棚装置１２に設けられるダンパー部材３９により陳列室１１内を冷却領域と加熱領域とに区画した冷／温使用とするのかを判断する。

陳列室１１内全体を加熱領域として温蔵使用すると判断した場合には、制御装置Ｃは、圧縮機モータ２６Ｍ、凝縮器用送風機２８の送風機モータ２８Ｍ及び冷気循環用送風機１９の送風機モータ１９Ｍの運転を停止すると共に、各棚装置１２にそれぞれ設けられる棚センサ４９により検出される棚温度に基づき各棚装置１２毎の電気ヒータ２２への通電制御を実行する。具体的には、棚センサ４９により検出される棚温度が加温設定温度にディファレンシャル温度を減算した温度以下である場合には、当該棚装置１２の電気ヒータ２２に通電を行い、棚センサ４９により検出される棚温度が加温設定温度にディファレンシャル温度を加算した温度以上である場合には、当該棚装置１２の電気ヒータ２２への通電を停止する。これにより、各棚装置１２上、更には、陳列室１１内を加温設定温度に維持する。

他方、陳列室１１内全体を冷却領域として冷蔵使用すると判断した場合には、制御装置Ｃは、全ての電気ヒータ２２を非通電とすると共に、庫内温度センサ４８が検出する陳列室（被冷却空間）１１内の温度である庫内温度に基づき、冷却運転を実行する。

即ち、冷却運転では、圧縮機２６の運転が開始されると、圧縮機２６の吐出側の配管４２から吐出された高温高圧のガス冷媒は、凝縮器２７に流出する。ここで、十分に凝縮液化された冷媒は、制御装置Ｃにより膨張弁４４が開閉制御されることから、当該膨張弁４４により減圧された後、蒸発器１５に流入する。そして、背面ダクト９内に配設された蒸発器１５に流入した冷媒は、蒸発し、周囲から熱を奪って冷却作用を発揮した後、圧縮機２６に帰還する。

この蒸発器１５と熱交換した冷気は、背面ダクト９と連通する下部ダクト１４内に配設された冷気循環用送風機１９により上部冷気吐出口１６や棚ダクト３６の棚下冷気吐出口３７を介して吐出され、一部の冷気は陳列室１１内を循環して陳列室１１内を所定の冷却温度に冷却した後、陳列室１１の前面開口下縁に位置する冷気吸込口１７を介して下部ダクト１４内に帰還する。これにより、陳列室１１の前面開口には、冷気によるエアーカーテンが形成され、陳列室１１内の冷気漏出や外気侵入を抑制している。

ここで、圧縮機２６の圧縮機モータ２６Ｍの運転周波数は、制御装置Ｃの内部に設けられるＰＩＤ演算処理部５６によって庫内温度センサ４８により検出された温度（被冷却空間である陳列室１１内の温度）Ｔｐと、コントロールパネル４７により設定された目標とする冷却設定温度Ｔｓとの偏差ｅから、比例（Ｐ）と、積分（Ｉ）と、微分（Ｄ）の演算を実行するＰＩＤ制御が実行される。詳しくは、ＰＩＤ演算処理部５６は、庫内温度センサ４８により検出された温度Ｔｐと、目標とする冷却設定温度Ｔｓとの偏差ｅに比例してそれを減らす方向の制御量を算出する比例動作と、偏差ｅの積分値（冷却設定温度Ｔｓとの偏差ｅを時間軸方向に積分した値）を減らす方向の制御量を算出する積分動作と、偏差ｅの変化の傾き（微分値）を減らす方向の制御量を算出する微分動作を行い、これらの制御量を加算した制御量から圧縮機２６の圧縮機モータ２６Ｍの運転周波数を決定する。当該演算式を下記に示す。

演算式 Ｋｐ×偏差ｅ＋Ｋｉ×偏差ｅの積分値＋Ｋｄ×偏差ｅの微分値＝制御量
当該算出された制御量に基づいてインバータ装置４１により圧縮機モータ２６Ｍの運転周波数を制御することにより、陳列室１１内の温度を精度良く目標温度に近づけることが可能となる。

他方、膨張弁４４は、蒸発器１５の入口側及び出口側に設けられた温度センサ５４、５５の出力に基づき、当該蒸発器１５における過熱度を演算し、当該過熱度及び庫内温度センサ４８の出力に基づき膨張弁４４の開度が制御される。

即ち、制御装置Ｃは、庫内温度センサ４８により検出された温度が予めコントロールパネル４７によって設定された目標とする冷却設定温度Ｔｓから所定値より大きく離れている場合には、前記過熱度に基づき膨張弁４４の開度を制御する。過熱度が所定値、例えば１０ｄｅｇよりも高い場合には、制御装置Ｃは、膨張弁４４の開度を上げる信号を発し、当該膨張弁４４の冷媒流量を増加させる。他方、過熱度が所定値、例えば１０ｄｅｇよりも低い場合には、制御装置Ｃは、膨張弁４４の開度を下げる信号を発し、当該膨張弁４４の冷媒流量を減少させる。

これにより、膨張弁４４により、蒸発器１５内に供給される冷媒流量は、随時制御され、適度な過熱度にて蒸発器１５において冷媒の蒸発が行われる。

係る過熱度に基づく膨張弁４４の開度制御により、庫内温度センサ４８により検出される温度が、上述した如く設定された目標とする冷却設定温度Ｔｓから所定値以内にまで低下した場合、制御装置Ｃは、庫内温度センサ４８により検出された温度Ｔｐと、前記過熱度の双方に基づいて、膨張弁４４の開度のＰＩＤ制御を行う。

即ち、上述した如く制御装置Ｃ内に設けられるＰＩＤ制御演算処理部５６によって、庫内温度センサ４８により検出された温度Ｔｐと、コントロールパネル４７により設定された目標とする冷却設定温度Ｔｓとの偏差ｅから、比例（Ｐ）と、積分（Ｉ）と、微分（Ｄ）の演算を実行する。詳しくは、ＰＩＤ演算処理部５６は、庫内温度センサ４８により検出された温度Ｔｐと、目標とする冷却設定温度Ｔｓとの偏差ｅに比例してそれを減らす方向の制御量を算出する比例動作と、偏差ｅの積分値を減らす方向の制御量を算出する積分動作と、偏差ｅの変化の傾き（微分値）を減らす方向の制御量を算出する微分動作を行い、これらの制御量を加算した制御量から膨張弁４４の開度を決定する。そして、これに基づき上記過熱度による膨張弁４４の開度制御と同様に、膨張弁４４の開度を上げる若しくは下げる信号を発し、膨張弁４４の冷媒流量を制御する。この場合、前記過熱度に基づく膨張弁４４の開度制御を加味して行っても良いものとする。

これにより、陳列室１１内の温度を精度良く目標温度に近づけることが可能となり、流通する冷媒流量が減少し、オーバーシュートやこれに伴うハンチング現象の発生を抑制することができるようになる。従って、高精度に温度制御を実現することが可能となる。

また、陳列室１１内を何れかの棚装置１２により冷却領域と加熱領域とに区画して冷／温使用とする場合には、制御装置Ｃは、コントロールパネル４７による入力設定などに基づき、いずれの棚装置１２の上側を加熱領域とし、下側を冷却領域として使用するかを判断する。

そして、制御装置Ｃは、庫内温度センサ４８が検出する陳列室１１内の温度である庫内温度に基づき冷却運転を実行する。当該冷却運転においても、上記と同様に、当該棚装置１２の下側の陳列室１１内を所定の設定温度に冷却する。

また、制御装置Ｃは、当該棚装置１２及び該棚装置１２より上方に位置する棚装置１２に設けられる棚センサ４９により検出される棚温度に基づき、当該棚装置１２毎の電気ヒータ２２への通電制御を実行する。これにより、当該棚装置１２の上側に位置する陳列室１１内を加温設定温度に加熱する。

次に、上述した如き各冷却運転における膨張弁４４の全開ロック検出動作の詳細について図５のフローチャートを参照して説明する。まずはじめに、制御装置Ｃは、上述した如き冷却運転を実行している際において、現在、膨張弁４４に開度を全閉若しくは最小開度とする出力が行われているか否かを判断する（ステップＳ１）。このステップＳ１において、膨張弁４４の開度が指示された全閉又は最小開度以外である場合には、上述した如き冷却運転における膨張弁４４の過熱度に基づく開度制御を継続する。

他方、ステップＳ１において、現在指示された膨張弁４４の開度が全閉又は最小開度である場合には、ステップＳ２に進み、現在の過熱度が所定の低過熱度、本実施例では０．５ｄｅｇより低いか否かを判断する。ステップＳ２において、過熱度が所定の低過熱度、０．５ｄｅｇ以上の場合には、正常に膨張弁４４が作動して開度が全閉又は最小開度とされて、蒸発器１５の出口側の冷媒温度と入口側の冷媒温度との差、即ち過熱度が大きくなったと判断することができ、ステップＳ３を介して上述した如き冷却運転における膨張弁４４の過熱度に基づく開度制御を継続する。

ステップＳ２において、過熱度が所定の低過熱度、０．５ｄｅｇより低い場合には、ステップＳ４に進み、制御装置Ｃに内蔵されるタイマ５０によりカウントアップを開始し、ステップＳ５において、当該カウント値が所定時間、本実施例では、故障判断時間として、３０分経過したか否かを判断する。

当該故障判断時間を経過していない場合には、再びステップＳ２に戻り、現在の過熱度が所定の低過熱度より低いか否かを判断し、当該低過熱度以上である場合には、ステップＳ３に進み、上記カウントをクリアし、上述した如き冷却運転における膨張弁４４の過熱度に基づく開度制御を継続する。

他方、ステップＳ２において、現在の過熱度が未だに、所定の低過熱度より低い場合には、ステップＳ４を介してステップＳ５に進み、以後、同様に、故障判断時間が経過するまで当該制御を繰り返す。

故障判断時間が経過しても、蒸発器１５における過熱度が所定の低過熱度より低い場合には、ステップＳ６に進み、膨張弁４４が開放状態でロックされているため、蒸発器１５における十分な過熱度が得られないものと判断し、警報手段としての警報ランプ５７を点灯する警報動作を実行する。これにより膨張弁４４に異常が発生していることを使用者に報知することから、使用者に早期に開放状態でロックされた膨張弁４４のメンテナンスを促すことが可能となる。

これにより、膨張弁４４の弁開度を全閉又は最小開度に制御している際に、過熱度が所定の低過熱度より低い状態が、一定の故障判断時間継続した場合、膨張弁４４がロックしているものと判断して、警報動作を実行することができるため、膨張弁４４の開度が全開の状態でロックした場合であっても、好適に膨張弁４４の故障を判断することが可能となる。また、これに基づき警報動作を実行することによって、早期に膨張弁４４の故障に対応することが可能となる。従って、原因が不明のまま冷却不良状態が継続する不都合を解消することが可能となる。

なお、警報動作として、警報ランプ５７の点灯を実施例としてあげているが、これに限定されるものではなく、例えば、ＬＣＤパネルにおいて膨張弁４４に故障が発生したことを表示、若しくは、警報ブザーの発報、オンラインによってメンテナンスサービス会社に通報を行う等であっても良い。

また、上述した如き低過熱度及び故障判断時間は、当該冷凍サイクル装置Ｒが搭載される機種に応じて設定可能とされているものとする。これにより、各機種に応じた低過熱度や故障判断時間とすることにより、適切な膨張弁４４の故障判断を実現することが可能となる。

なお、本実施例では、ショーケース１を例に挙げて説明してるが、これに限定されるものではなく、冷蔵庫やプレハブ冷蔵庫などの冷凍サイクル装置Ｒを備えた冷熱機器であれば、本発明が有効となる。

本発明を適用したショーケースの斜視図である。 図１のショーケースの縦断側面図である。 冷媒回路図である。 制御装置の電気ブロック図である。 膨張弁の全開ロック検出動作を示すフローチャートである。

符号の説明

Ｒ 冷凍サイクル装置
Ｃ 制御装置（制御手段）
１ ショーケース
９ 背面ダクト
１１ 陳列室
１４ 下部ダクト
１５ 蒸発器
１６ 上部冷気吐出口
１７ 冷気吸込口
１９ 冷気循環用送風機
２６ 圧縮機
２７ 凝縮器
４０ 冷媒回路
４４ 膨張弁
４８ 庫内温度センサ
５０ タイマ
５４、５５ 温度センサ（蒸発器）
５６ ＰＩＤ演算処理部
５７ 警報ランプ（警報手段）

Claims (1)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を含む冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置において、
   前記蒸発器における冷媒の過熱度の基づいて前記膨張弁の弁開度を制御する制御手段を備え、該制御手段は、前記膨張弁の弁開度を全閉、若しくは、最小開度に制御している状態で、前記過熱度が所定の値より低く、且つ、一定時間その状態が継続した場合、前記膨張弁のロックと判断して所定の警報動作を実行することを特徴とする冷凍サイクル装置。

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