JP4108003B2 - 冷凍システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば店舗等において冷却貯蔵設備の庫内冷却を行うための冷凍システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりコンビニエンスストア等の店舗の店内（室内）は、空気調和機によって冷暖房空調されている。また、店内には商品を陳列販売する冷蔵或いは冷凍用のオープンショーケースや扉付きのショーケース（冷却貯蔵設備）が設置されており、これらは冷凍機によって庫内冷却が行われている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１７４４７０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の如きショーケースなどの庫内を冷却する蒸発器は、圧縮機や凝縮器（これらは冷凍機に設置される）、膨張弁（減圧装置）と共に冷媒回路を構成する。また、圧縮機は運転周波数を制御するなどにより容量制御可能とされると共に、膨張弁は弁開度が調整可能な電動膨張弁にて構成され、蒸発器における冷媒の過熱度が一定となるように制御される。
【０００５】
従って、庫内の冷却が十分な場合には、膨張弁は弁開度を絞るようになるため、冷媒回路の低圧側圧力は低下していく。この低圧側圧力が平均して低い状況となると、圧縮機のＣＯＰが低下し運転効率が悪化する。そのため、従来では冷媒回路の低圧側圧力に所定の設定値を設け、この設定値の上下に設定した上限値と下限値のうちの下限値まで低圧側圧力が低下した場合、圧縮機の運転周波数を下げて容量を低下させ、膨張弁の弁開度を拡大させる方向に制御していた。
【０００６】
そして、低圧側圧力が上限値まで上昇したら圧縮機の運転周波数（容量）を上げるものであるが、従来ではこの低圧側圧力の設定値が一定であったため、頻繁に運転周波数（容量）が切り換えられる状況では、低圧側圧力が平均して低くなり、運転効率が低下してしまう問題があった。
【０００７】
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、冷媒回路の低圧側圧力の低下による効率の悪化を効果的に解消できる冷凍システムを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、容量制御可能な圧縮機と、凝縮器と、弁開度を調整可能な膨張弁と、蒸発器とを備えて冷媒回路が構成された冷凍システムにおいて、圧縮機と膨張弁を制御する制御装置を備え、この制御装置は、蒸発器における冷媒の過熱度が一定となるよう膨張弁の弁開度を調整すると共に、冷媒回路の低圧側圧力に基づき、所定の設定値にて圧縮機の容量を低下させ、且つ、膨張弁の弁開度に基づき、当該弁開度が拡張される方向に設定値を変更するものである。
【０００９】
請求項２の発明の冷凍システムは、上記において制御装置は、膨張弁の弁開度が全開に近くなるように設定値を上昇させることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、容量制御可能な圧縮機と、凝縮器と、弁開度を調整可能な膨張弁と、蒸発器とを備えて冷媒回路が構成された冷凍システムにおいて、圧縮機と膨張弁を制御する制御装置を備え、この制御装置は、蒸発器における冷媒の過熱度が一定となるよう膨張弁の弁開度を調整すると共に、冷媒回路の低圧側圧力に基づき、所定の設定値にて圧縮機の容量を低下させ、且つ、膨張弁の弁開度に基づき、当該弁開度が拡張される方向に設定値を変更するようにしたので、例えば、請求項２の如く膨張弁の弁開度が全開に近くなるように設定値を上昇させることにより、冷媒回路の低圧側圧力が低下して行く過程の早い段階で圧縮機の容量を低下させ、膨張弁の弁開度を拡大する方向に制御することが可能となる。
【００１１】
これにより、冷媒回路の低圧側圧力の平均して低下してしまう不都合を解消し、圧縮機のＣＯＰを改善して冷凍システムの運転効率を向上させることができるようになる。
【００１２】
請求項３の発明は、上記において蒸発器及びそれに対応する膨張弁が複数存在する場合に、制御装置は、最も弁開度が大きい膨張弁を選択して当該弁開度に基づき設定値を変更すると共に、特定の膨張弁が他の膨張弁よりも多く選択されている場合、当該膨張弁及び／又はそれに対応する蒸発器を使用者に告知するための記録をメモリに書き込んで残すものである。
【００１３】
請求項３の発明によれば、上記に加えて蒸発器及びそれに対応する膨張弁が複数存在する場合に、制御装置は、最も弁開度が大きい膨張弁を選択して当該弁開度に基づき設定値を変更するので、複数の蒸発器のうち最も冷却が必要とされているものの冷却能力を確保することができるようになる。また、特定の膨張弁が他の膨張弁よりも多く選択されている場合、当該膨張弁及び／又はそれに対応する蒸発器を使用者に告知するための記録をメモリに書き込んで残すようにしたので、冷却状態の悪いものの改善に寄与することができるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明を適用した実施例の冷凍システム１の冷媒回路を含むシステム構成を説明する図である。実施例の冷凍システム１は、例えばコンビニエンスストアの室内２（店内）の空調と、そこに設置されている冷却貯蔵設備としての複数台の冷蔵ケース３、３や冷凍ケース４の庫内冷却を実現するものである。
【００１５】
尚、冷蔵ケース３は実施例では第１〜第６までの冷蔵ケース３が６台設置されているが、図面では第１と第２の冷蔵ケース３、３の２台のみ示す。また、これら冷蔵ケース３、３、冷凍ケース４は前面や上面が開口するオープンショーケースの他、透明ガラス扉にて開口が開閉自在に閉塞されたショーケースであり、各冷蔵ケース３、３の庫内は冷蔵温度（＋３℃〜＋１０℃）に冷却され、飲料やサンドイッチなどの冷蔵食品が陳列されると共に、冷凍ケース４の庫内は冷凍温度（−１０℃〜ー２０℃）に冷却され、冷凍食品やアイスクリームなどの冷菓が陳列されるものである。
【００１６】
この図において、６は空調用冷媒回路７を備える空気調和機（空調系統）であり、８は前記冷蔵ケース３、３や冷凍ケース４の庫内を冷却するための冷却貯蔵設備用冷媒回路９を備えた冷却装置（冷却貯蔵設備系統）である。空気調和機６は、室内２の天井などに設置された室内機１１、１１と、店外に設置された室外ユニット１２とから構成され、これらの間に渡って空調用冷媒回路７が配管構成されている。
【００１７】
この空調用冷媒回路７は、室外ユニット１２の外装ケース内に設置された二台の圧縮機（ロータリコンプレッサ）１３Ａ（インバータによる周波数制御運転）、１３Ｂ（定速運転）と、逆止弁５Ａ、５Ｂと、オイルセパレータ１０と、四方弁１４と、熱源側熱交換器１６と、膨張弁（弁開度を調整可能な電動膨張弁から成る減圧手段）１７、１８、１９と、カスケード熱交換器２１と、逆止弁２２、アキュムレータ２３等と、室内機１１側に設置された利用側熱交換器２７、２７から系統構成されている（空調系統）。
【００１８】
２６は温度や圧力に基づいて空気調和機６の室外ユニット１２側の機器を制御するための室外機コントローラ（空調系統制御手段を構成するコントローラであり、汎用のマイクロコンピュータにて構成される）であり、室外ユニット１２に設けられている。また、２４は熱源側熱交換器１６に外気を通風するための送風機であり、室外ユニット１２内の熱源側熱交換器１６に対応する位置に設けられている。２８は温度や圧力に基づいて空気調和機６の室内機１１側の機器を制御するための室内機コントローラ（空調系統制御手段を構成するコントローラであり、汎用のマイクロコンピュータで構成される）であり、室内機１１にそれぞれ設けられている（一方は図示せず）。また、１５、１５は利用側熱交換器２７、２７に室内２（店内）空気を通風するための送風機であり、室内機１１内の利用側熱交換器２７、２７にそれぞれ対応する位置に設けられている。
【００１９】
圧縮機１３Ａ及び１３Ｂは相互に並列接続されており、各圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吐出側は逆止弁５Ａ、５Ｂをそれぞれ介して合流され、四方弁１４の一方の入口に接続されている（各逆止弁５Ａ、５Ｂは四方弁１４方向が順方向とされている）。また、四方弁１４の一方の出口は熱源側熱交換器１６の入口に接続されている。この熱源側熱交換器１６は多数の並列配管から成る流路抵抗の比較的小さい入口側１６Ａとこれらが少数の並列配管若しくは単数の配管に集約される出口側１６Ｂとで構成されている。そして、この熱源側熱交換器１６の出口側１６Ｂの出口は膨張弁１７を介して膨張弁１８の入口に接続され、膨張弁１８の出口は室内機１１に渡って分流し、各利用側熱交換器２７、２７の入口に接続されている。
【００２０】
各利用側熱交換器２７、２７の出口は合流した後、室外ユニット１２に渡り、四方弁１４の他方の入口に接続され、四方弁１４の他方の出口は逆止弁２２を介してアキュムレータ２３に接続されている。そして、このアキュムレータ２３の出口が圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吸込側に接続されている。尚、逆止弁２２はアキュムレータ２３側が順方向とされている。
【００２１】
また、膨張弁１７と１８の間の配管は膨張弁１９の入口に接続され、膨張弁１９の出口はカスケード熱交換器２１の空調側通路２１Ａの入口に接続されている。このカスケード熱交換器２１の空調側通路２１Ａの出口はアキュムレータ２３を介して圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吸込側に接続されている。
【００２２】
一方、冷却装置８は前記室外ユニット１２と室内２（店内）に設置された冷蔵ケース３、３及び冷凍ケース４との間に渡って冷却貯蔵設備用冷媒回路９が配管構成されている。この冷却貯蔵設備用冷媒回路９は、室外ユニット１２の外装ケース内に設置された第１の圧縮機（スクロールコンプレッサ）３７と、凝縮器（熱交換器）３８と、二つの四方弁３９、４１（この二つの四方弁により流路制御手段が構成される）と、逆止弁４２と、オイルセパレータ３１と、レシーバータンク３６等と、冷蔵ケース３、３に設置されて冷蔵ケース３、３の庫内をそれぞれ冷却する冷蔵用蒸発器４３、４３、膨張弁（弁開度を調整可能な電動膨張弁）４４、４４、電磁弁４６、４６、４７、逆止弁４８（冷却貯蔵設備系統の一部を構成する冷蔵系統）と、冷凍ケース４に設置されて冷凍ケース４の庫内を冷却する冷凍用蒸発器４９、膨張弁（弁開度を調整可能な電動膨張弁）５１、電磁弁５２、５３、第２の圧縮機（ロータリコンプレッサ）５４、逆止弁３０、及び、オイルセパレータ４５（冷却貯蔵設備系統の一部を構成する冷凍系統）等から構成されている。
【００２３】
３２は温度や圧力に基づいて冷却装置８の室外ユニット１２側の機器を制御する冷凍機コントローラ（冷却貯蔵設備系統制御手段を構成するコントローラであり、汎用のマイクロコンピュータで構成される）であり、室外ユニット１２に設けられている。また、３５は凝縮器３８に外気を通風するための送風機であり、室外ユニット１２の凝縮器３８に対応する位置に設けられている。また、５０は温度や圧力に基づいて冷蔵ケース３、３側の機器を制御する冷蔵ケースコントローラ（冷却貯蔵設備系統制御手段を構成するコントローラであり、汎用のマイクロコンピュータで構成される）であり、冷蔵ケース３、３にそれぞれ設けられている（一方は図示せず）。尚、この冷蔵ケースコントローラ５０と前記冷凍機コントローラ３２により本発明における制御装置が構成される。更に、５５は温度や圧力に基づいて冷凍ケース４側の機器を制御する冷凍ケースコントローラ（冷却貯蔵設備系統制御手段を構成するコントローラであり、汎用のマイクロコンピュータで構成される）であり、冷凍ケース４に設けられている。
【００２４】
また、２０、２０は冷蔵用蒸発器４３、４３に各冷蔵ケース３、３の庫内冷気を通風するための送風機であり、冷蔵ケース３、３内の各冷蔵用蒸発器４３、４３にそれぞれ対応する位置に設けられている。２５は冷凍用蒸発器４９に冷凍ケース４の庫内冷気を通風するための送風機であり、冷凍ケース４内の冷凍用蒸発器４９に対応する位置に設けられている。
【００２５】
圧縮機３７の吐出側はオイルセパレータ３１を介して四方弁３９の一方の入口に接続され、この四方弁３９の一方の出口が凝縮器３８の入口に接続されている。この凝縮器３８は多数の並列配管から成る流路抵抗の比較的小さい入口側３８Ａとこれらが少数の並列配管若しくは単数の配管に集約される出口側３８Ｂとで構成されている。そして、この凝縮器３８の出口側３８Ｂの出口はレシーバータンク３６の入口に接続され、このレシーバータンク３６の出口が四方弁４１の一方の入口に接続されている。
【００２６】
そして、四方弁４１の一方の出口はカスケード熱交換器２１のケース側通路２１Ｂの入口に接続されている。尚、カスケード熱交換器２１は、内部に構成された空調側通路２１Ａとケース側通路２１Ｂをそれぞれ通過する冷媒を相互に熱交換させるものであり、これによって空調用冷媒回路７の低圧側と冷却貯蔵設備用冷媒回路９の高圧側とは熱的に結合される。
【００２７】
カスケード熱交換器２１のケース側通路２１Ｂの出口は、四方弁３９の他方の入口に接続されており、この四方弁３９の他方の出口は四方弁４１の他方の入口に接続されている。そして、この四方弁４１の他方の出口は室外ユニット１２から出て室内２（店内）に入り分岐する。分岐した一方の配管は更に分岐し、その分岐した一方は電磁弁４７、４６を順次介して膨張弁４４の入口に接続され、膨張弁４４の出口は第１の冷蔵ケース３の冷蔵用蒸発器４３の入口に接続されている。他方は電磁弁４６を介して膨張弁４４の入口に接続され、膨張弁４４の出口は第２の冷蔵ケース３の冷蔵用蒸発器４３の入口に接続されている。
【００２８】
室内２（店内）に入って分岐した他方の配管は、電磁弁５２を介して膨張弁５１の入口に接続され、膨張弁５１の出口は冷凍用蒸発器４９の入口に接続されている。尚、電磁弁５３は電磁弁５２と膨張弁５１の直列回路に並列に接続されている。
【００２９】
冷凍用蒸発器４９の出口は、逆止弁３０を介して圧縮機５４の吸込側に接続されている（逆止弁３０は圧縮機５４側が順方向）。この圧縮機５４は圧縮機３７よりも出力の小さい圧縮機であり、その吐出側はオイルセパレータ４５を介して圧縮機３７の吸込側に接続されている。即ち、圧縮機３７と圧縮機５４は冷媒回路上直列に接続される。尚、冷蔵用蒸発器４３、４３の出口は合流した後、圧縮機５４の吐出側のオイルセパレータ４５の出口側に接続されている。また、逆止弁４８は圧縮機５４の逆止弁３０手前と電磁弁４６、４７間に接続され、電磁弁４６、４７方向が順方向とされている。更に、逆止弁４２は圧縮機３７の吸込側とオイルセパレータ３１を出た配管の間に接続され、オイルセパレータ３１方向が順方向とされている。そして、冷媒回路７、９内には例えばＲ−４１０、Ｒ−４０４Ａ等の冷媒が所定量封入される。
【００３０】
以上の構成で本発明の冷凍システム１の動作を説明する。尚、前記圧縮機３７と１３Ａはインバータによりその運転周波数が制御され（容量制御）、圧縮機１３Ｂと圧縮機５４は定速で運転されるものとする。また、冷凍システム１全体の動作は汎用マイクロコンピュータから構成された主コントローラ（主制御手段）５６により制御される。
【００３１】
ここで、主コントローラ５６は前記室外機コントローラ２６、室内機コントローラ２８、冷凍機コントローラ３２、冷蔵ケースコントローラ５０、及び、冷凍ケースコントローラ５５とデータ通信可能に接続されており、各コントローラから現在の運転状態に関するデータを受信して収集する。そして、受信データに基づき、後述するその時点での最適な運転パターンを決定し、この最適運転パターンに関するデータ及び各機器の運転データを室外機コントローラ２６、室内機コントローラ２８、冷凍機コントローラ３２、冷蔵ケースコントローラ５０、及び、冷凍ケースコントローラ５５に送信する。室外機コントローラ２６、室内機コントローラ２８、冷凍機コントローラ３２、冷蔵ケースコントローラ５０、及び、冷凍ケースコントローラ５５は主コントローラ５６から受信した最適運転パターンに関するデータ及び各機器の運転データに基づいて後述する制御動作を実行する。
【００３２】
（１）最適運転パターン１：空気調和機の冷房運転（図１）
先ず、夏場等に主コントローラ５６が空気調和機６の冷房運転が最適であると判断した場合、最適運転パターン１に関するデータが室外機コントローラ２６、室内機コントローラ２８、冷凍機コントローラ３２、冷蔵ケースコントローラ５０、及び、冷凍ケースコントローラ５５に送信される。
【００３３】
受信データに基づき、室外機コントローラ２６は四方弁１４の前記一方の入口を一方の出口に、他方の入口を他方の出口に連通させる。また、膨張弁１７を全開とする。そして、圧縮機１３Ａ、１３Ｂを運転する。尚、室外機コントローラ２６は圧縮機１３Ａの運転周波数を調整して能力制御するものとする。
【００３４】
圧縮機１３Ａ、１３Ｂが運転されると、圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吐出側から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁１４を経て熱源側熱交換器１６の入口側１６Ａに入る。この熱源側熱交換器１６には送風機２４により外気が通風されており、冷媒はここで放熱し、凝縮液化する。即ち、この場合熱源側熱交換器１６は凝縮器として機能する。この液冷媒は熱源側熱交換器１６の入口側１６Ａから出口側１６Ｂを経て当該出口側１６Ｂから出る。そして、膨張弁１７を通過した後、分岐する。分岐した一方は膨張弁１８に至り、そこで絞られて低圧とされた後（減圧）、各利用側熱交換器２７、２７に分岐して流入し、そこで蒸発する。
【００３５】
この利用側熱交換器２７、２７には送風機１５、１５により室内２（店内）の空気が通風されており、冷媒の蒸発による吸熱作用で室内２の空気は冷却される。これにより、室内２（店内）の冷房が行われる。利用側熱交換器２７、２７を出た低温のガス冷媒は合流した後、四方弁１４の他方の入口から他方の出口へと通過し、逆止弁２２、アキュムレータ２３を順次経て圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吸込側に吸い込まれる循環を繰り返す。室内機コントローラ２８は利用側熱交換器２７、２７の温度やそこに吸い込まれる空気温度に基づき、室内２（店内）の温度を設定温度とするよう利用側熱交換器２７、２７に通風する送風機１５、１５を制御する。室内機コントローラ２８からの情報は主コントローラ５６に送信されており、室外機コントローラ２６はこの情報に基づいて圧縮機１３Ａ、１３Ｂの運転を制御する。
【００３６】
膨張弁１７を通過して分岐した冷媒の他方は膨張弁１９に至り、そこで絞られて低圧とされた後（減圧）、カスケード熱交換器２１の空調側通路２１Ａに流入し、そこで蒸発する。係る空調用冷媒回路７の冷媒の蒸発による吸熱作用でカスケード熱交換器２１は冷却され、低温となる。カスケード熱交換器２１を出た低温のガス冷媒はアキュムレータ２３を経て圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吸込側に吸い込まれる循環を繰り返す。
【００３７】
室外機コントローラ２６は利用側熱交換器２７、２７の出入口の冷媒温度、或いは、利用側熱交換器２７、２７の温度と、カスケード熱交換器２１の出入口の冷媒温度、或いは、カスケード熱交換器２１の温度に基づいて適正な過熱度となるように膨張弁１８及び１９の弁開度を調整する。
【００３８】
一方、冷凍機コントローラ３２は冷却装置８の冷却貯蔵設備用冷媒回路９の四方弁３９の前記一方の入口を一方の出口に連通させ、他方の入口を他方の出口に連通させる。また、四方弁４１の前記一方の入口を一方の出口に連通させ、他方の入口を他方の出口に連通させる。そして、圧縮機３７及び圧縮機５４を運転する。圧縮機３７から吐出された高温高圧のガス冷媒は、オイルセパレータ３１にてオイルを分離された後、四方弁３９を経て凝縮器３８の入口側３８Ａに入る。この凝縮器３８にも送風機３５により外気が通風されており、凝縮器３８に流入した冷媒はそこで放熱し、凝縮していく。
【００３９】
この凝縮器３８の入口側３８Ａを通過した冷媒は出口側３８Ｂに至り、そこから出ていく。凝縮器３８から出た冷媒はレシーバータンク３６の入口側から当該レシーバータンク３６内に入り、そこに一旦貯留されて気／液が分離される。分離された液冷媒はレシーバータンク３６の出口から出て四方弁４１を通過した後、カスケード熱交換器２１のケース側通路２１Ｂに入る。このケース側通路２１Ｂに入った冷却貯蔵設備用冷媒回路９の冷媒は、前述の如き空調用冷媒回路７の冷媒の蒸発によって低温となっているカスケード熱交換器２１によって冷却され、更に過冷却状態が増す。
【００４０】
このカスケード熱交換器２１にて過冷却された冷媒は四方弁３９、四方弁４１を順次通過した後に分岐し、一方は更に分岐して一方は電磁弁４７、４６を順次通過して膨張弁４４に至り、そこで絞られた後（減圧）、第１の冷蔵ケース３の冷蔵用蒸発器４３に流入し、そこで蒸発する。また、分岐した他方は電磁弁４６を通過して膨張弁４４に至り、そこで絞られた後（減圧）、第２の冷蔵ケース３の冷蔵用蒸発器４３に流入し、そこで蒸発する。各冷蔵用蒸発器４３、４３には送風機２０、２０により冷蔵ケース３、３の庫内空気がそれぞれ通風・循環されており、冷媒の蒸発による吸熱作用で各庫内空気は冷却される。これにより、冷蔵ケース３、３の庫内冷却が行われる。冷蔵用蒸発器４３、４３を出た低温のガス冷媒は合流した後、圧縮機５４のオイルセパレータ４５の出口側に至る。
【００４１】
カスケード熱交換器２１を出て分岐した冷媒の他方は電磁弁５２を通過して膨張弁５１に至り、そこで絞られた後（減圧）、冷凍用蒸発器４９に流入し、そこで蒸発する。この冷凍用蒸発器４９にも送風機２５により冷凍ケース４の庫内空気が通風・循環されており、冷媒の蒸発による吸熱作用で庫内空気は冷却される。これにより、冷凍ケース４の庫内冷却が行われる。
【００４２】
冷凍用蒸発器４９を出た低温のガス冷媒は逆止弁３０を経て圧縮機５４に至り、そこで、圧縮されて冷蔵用蒸発器４３、４３の出口側の圧力（冷蔵系統の低圧側圧力）まで昇圧された後、圧縮機５４から吐出され、オイルセパレータ４５でオイルを分離された後、冷蔵用蒸発器４３、４３からの冷媒と合流する。この合流した冷媒は圧縮機３７の吸込側に吸い込まれる循環を繰り返す。
【００４３】
このように、カスケード熱交換器２１の空調側通路２１Ａを流れる空調用冷媒回路７の低圧側冷媒によって冷却貯蔵設備用冷媒回路９の高圧側冷媒を過冷却することができるので、冷蔵ケース３、３や冷凍ケース４の蒸発器４３、４３、４９における冷却能力と冷却貯蔵設備用冷媒回路９の運転効率が改善される。また、空気調和機６の空調用冷媒回路７の利用側熱交換器２７での冷媒の過冷却により能力が向上し、その結果空調用冷媒回路７のＣＯＰの向上も図ることができる。尚、この場合、冷却貯蔵設備用冷媒回路９の高圧側の冷媒は、凝縮器３８を介してカスケード熱交換器２１のケース側通路２１Ｂに流すので、空調用冷媒回路７の過熱度も適正範囲に維持できる。
【００４４】
また、冷却貯蔵設備用冷媒回路９の冷凍用蒸発器４９から出た冷媒の圧力は、その蒸発温度が低くなることから冷蔵用蒸発器４３、４３を出た冷媒より低くなるが、冷蔵用蒸発器４３、４３から出た冷媒と合流させる以前に圧縮機５４により圧縮されて昇圧されるので、冷蔵ケース３、３と冷凍ケース４の庫内を各蒸発器４３、４３、４９によりそれぞれ円滑に冷却しながら、冷却貯蔵設備用冷媒回路９の圧縮機３７に吸い込まれる冷媒の圧力を調整して支障無く運転を行うことができるようになる。
【００４５】
（２）低圧側圧力の設定値の変更制御
ここで、冷蔵ケースコントローラ５０は冷蔵ケース３、３の庫内温度若しくは冷蔵用蒸発器４３、４３を経た吐出冷気温度或いは冷蔵用蒸発器４３、４３への吸込冷気温度と、冷蔵ケースコントローラ５０は冷蔵用蒸発器４３の出口側の冷媒温度、或いは、冷蔵用蒸発器４３の温度とに基づいて各膨張弁４４、４４の弁開度をそれぞれ調整する。これにより、各冷蔵ケース３、３の庫内を前述した冷蔵温度に冷却維持しながら、各冷蔵用蒸発器４３、４３における冷媒の過熱度を適正な値（過熱度一定）とする。
【００４６】
即ち、冷蔵ケース３の庫内温度が高く冷却が必要な場合には、冷蔵ケースコントローラ５０は当該冷蔵ケース３の冷蔵用蒸発器４３に対応する膨張弁４４の弁開度を拡大して冷蔵用蒸発器４３に冷媒をより多く流す。また、庫内温度が低く冷却をあまり必要としない場合には弁開度を絞り、冷蔵用蒸発器４３への冷媒の流入量を削減する。これにより、各冷蔵ケース３、３の庫内温度をそれぞれ設定値に制御すると共に、冷蔵用蒸発器４３における冷媒の過熱度を一定に保ち、そして、冷却が不要な場合には最終的に膨張弁４４を閉じる。
【００４７】
また、冷凍ケースコントローラ５５は冷凍ケース４の庫内温度若しくは冷凍用蒸発器４９を経た吐出冷気温度或いは冷凍用蒸発器４９への吸込冷気温度と、冷凍ケースコントローラ５５は冷凍用蒸発器４９の出口側の冷媒温度、或いは、冷凍用蒸発器４９の温度とに基づいて膨張弁５１の弁開度を調整する。これにより、冷凍ケース４の庫内を前述した冷凍温度に冷却維持しながら、適正な過熱度（過熱度一定）とする。尚、膨張弁５１の制御は上述の膨張弁４３と同様である。
【００４８】
冷凍機コントローラ３２は、冷却貯蔵設備用冷媒回路９の低圧側圧力ＬＰに基づいて圧縮機３７の運転周波数（容量）を制御する。この場合、冷凍機コントローラ３２には所定の低圧側圧力の設定値ＬＰＳがデフォルトで設定され、更にこの設定値ＬＰＳの上下に上限値ＬＰＳＨと下限値ＬＰＳＬが設定されている。そして、冷却貯蔵設備用冷媒回路９の低圧側圧力ＬＰが上記下限値ＬＰＳＬまで低下した場合には圧縮機３７の運転周波数ＣＨｚを低周波数ＬＨｚに低下させる。
【００４９】
このように冷却貯蔵設備用冷媒回路９の低圧側圧力ＬＰが下限値ＬＰＳＬまで低下した場合に、圧縮機３７の運転周波数ＣＨｚを低下させることで、冷蔵ケース３の冷蔵用蒸発器４３への冷媒流入量も減少するため、冷却能力も低下する。これにより、冷蔵ケースコントローラ５０は膨張弁４４の弁開度を拡張させる方向に制御するので、冷却貯蔵設備用冷媒回路９の低圧側圧力ＬＰの低下は防止される。従って、低圧側圧力ＬＰの低下による圧縮機３７のＣＯＰの低下が防止されることになる。
【００５０】
そして、全ての膨張弁４４、４４、５１が全閉となって低圧側圧力ＬＰが極めて低い値に低下すると圧縮機３７を停止する。その後、何れかの膨張弁４４、４４、５１が開き、低圧側圧力ＬＰが上昇すれば、冷凍機コントローラ３２は圧縮機３７を起動すると共に、低圧側圧力ＬＰが上記上限値ＬＰＳＨまで上昇すると、圧縮機３７の運転周波数ＣＨｚを高周波数ＨＨｚに上昇させて運転する。
【００５１】
前述の如く冷却貯蔵設備用冷媒回路９の低圧側圧力ＬＰの低下に伴って圧縮機３７の運転周波数を低下させることで、低圧側圧力ＬＰの低下を防止することができるものであるが、特に各冷蔵ケース３の庫内負荷が軽い場合に、設定値ＬＰＳが一定のときは頻繁に圧縮機３７の運転周波数ＣＨｚの切り替えが行われ、低圧側圧力ＬＰが平均的に低くなると共に、オーバーシュートが発生するため、運転周波数ＣＨｚが高く運転されて、運転・停止を繰り返すようになる不都合が発生する。
【００５２】
そこで、本発明では冷凍機コントローラ３２は冷蔵ケースコントローラ５０から各冷蔵ケース３・・・の膨張弁４４・・・の弁開度に関する情報を受信し、当該弁開度に基づいて上記設定値ＬＰＳを変更する。以下に係る低圧側圧力ＬＰの設定値ＬＰＳの変更制御について説明する。
【００５３】
今、前述した第１乃至第６の冷蔵ケース３・・・の膨張弁４４・・・の一定時間当たりの平均の弁開度が、規定弁開度に対して下記のような割合であったものとする。
第１の冷蔵ケース３の膨張弁４４の弁開度・・・・・６０％
第２の冷蔵ケース３の膨張弁４４の弁開度・・・・・４０％
第３の冷蔵ケース３の膨張弁４４の弁開度・・・・・７０％
第４の冷蔵ケース３の膨張弁４４の弁開度・・・・・４０％
第５の冷蔵ケース３の膨張弁４４の弁開度・・・・・６０％
第６の冷蔵ケース３の膨張弁４４の弁開度・・・・・４０％
ここで、上記％は各膨張弁の全開に対する割合では無く、各冷蔵ケース３（冷蔵用冷却器４３）の能力に見合った弁開度（これを規定弁開度とする）を１００とした場合、この規定弁開度に対する割合を意味している。
【００５４】
上記の例では第３の冷蔵ケース３の膨張弁４４の弁開度が最も大きく、従って、第３の冷蔵ケース３の庫内が最も冷却を必要としていることになる。係る場合に、冷凍機コントローラ３２は当該第３の冷蔵ケース３の膨張弁４４（最も弁開度が大きい膨張弁）を選択する。そして、設定値ＬＰＳを上昇させる。この設定値ＬＰＳの上昇により、圧縮機３７の運転周波数ＣＨｚはより早く低周波数ＬＨｚに切り換えられるようになるので、前述の如く各膨張弁４４・・の弁開度は拡張されていく。
【００５５】
そして、冷凍機コントローラ３２は前記第３の冷蔵ケース３の膨張弁４４の前記規定弁開度が９０％（この場合は、全開に対して９０％。従って、前述した規定弁開度に対する割合７０％は、全開に対しては６３％と云うことになる。）であるものとすると、当該第３の冷蔵ケース３の膨張弁４４の弁開度が係る規定弁開度（９０％）に近付くように前記設定値ＬＰＳを上昇させていく。この設定値ＬＰＳの変更制御は、所定サンプリング時間おきにステップ的に上昇させていくと良い。
【００５６】
このように、膨張弁４４の弁開度に基づいて設定値ＬＰＳを変更すると共に、第３の冷蔵ケース３の膨張弁４４の弁開度の割合が９０％より小さい場合に設定値ＬＰＳを上昇させることにより、冷却貯蔵設備用冷媒回路９の低圧側圧力ＬＰが低下して行く過程の早い段階で圧縮機３７の運転周波数ＣＨｚ（容量）を低下させ、膨張弁４４の弁開度を拡大する方向に制御するので、冷却貯蔵設備用冷媒回路９の低圧側圧力ＬＰが平均して低下してしまう不都合を解消し、圧縮機３７のＣＯＰを改善して冷凍システム１の運転効率を向上させることができるようになる。
【００５７】
特に、冷凍機コントローラ３２は最も弁開度が大きい第３の冷蔵ケース３の膨張弁４４を選択して当該弁開度に基づき設定値ＬＰＳを変更するので、複数の冷蔵用蒸発器４３・・のうち最も冷却が必要とされている冷蔵ケース３の冷却能力を確保することができるようになる。
【００５８】
尚、当該膨張弁４４の弁開度の割合が例えば９５％まで上昇したら、９０％に低下するまで冷凍機コントローラ３２は圧縮機３７の設定値ＬＰＳを低下させる。また、冷凍機コントローラ３２は、上記設定値ＬＰＳの変更制御に当たって、特定の冷蔵ケース３の膨張弁４３の弁開度の割合（上記の場合には第３の冷蔵ケース３）が頻繁に選択され、当該選択が顕著となった場合には、当該第３の冷蔵ケース３、又は、当該冷蔵用蒸発器４３又は膨張弁４４に関する記録をメモリに書き込んで残す。これにより、例えば当該第３の冷蔵ケース３が店舗における最も冷え難い場所（例えば、日射が強く当たる場所など）に設置されて冷却状態が悪くなっていることを使用者に告知し、改善させることが可能となる。ここで、上記膨張弁４４の弁開度の割合の選択が顕著と判断される基準は、冷凍システム１の機能、能力、使われ方等によって異なってくるが、一例としては、特定の膨張弁の弁開度の割合が、他のものの二倍以上の頻度で選択されたものとする場合や、その判断のときに最も多く弁開度の割合が選択された膨張弁とする場合等が考えられる。
【００５９】
（３）最適運転パターン２：空気調和機の暖房運転（図２）
次に、冬場等の空気調和機６の暖房運転について図２を用いて説明する。主コントローラ５６が空気調和機６の暖房運転が最適であると判断した場合、最適運転パターン２に関するデータが室外機コントローラ２６、室内機コントローラ２８、冷凍機コントローラ３２、冷蔵ケースコントローラ５０、及び、冷凍ケースコントローラ５５に送信される。
【００６０】
受信データに基づき、室外機コントローラ２６は四方弁１４の一方の入口を他方の出口に、他方の入口を一方の出口に連通させるように切り換える。また、膨張弁１７は全閉、膨張弁１８は全開とされる。そして、圧縮機１３Ａ、１３Ｂを運転する。圧縮機１３Ａ、１３Ｂが運転されると、圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吐出側から吐出された高温高圧のガス冷媒は、オイルセパレータ１０から四方弁１４を経て利用側熱交換器２７、２７に入る。この利用側熱交換器２７、２７には前述の如く送風機１５、１５により室内２（店内）の空気が通風されており、冷媒はここで放熱し、室内２の空気を加熱する一方自らは凝縮液化する。これにより、室内２（店内）の暖房が行われる。
【００６１】
利用側熱交換器２７、２７で液化した冷媒は利用側熱交換器２７、２７から出て膨張弁１８を通り、膨張弁１９に至り、そこで絞られて低圧とされた後（減圧）、カスケード熱交換器２１の空調側通路２１Ａに流入し、そこで蒸発して吸熱した後、アキュムレータ２３を経て圧縮機１３Ａ、１３Ｂの吸込側に吸い込まれる循環を繰り返す。
【００６２】
室外機コントローラ２６は、カスケード熱交換器２１の出入口の冷媒温度、或いは、カスケード熱交換器２１の温度に基づいて適正な過熱度となるように膨張弁１９の弁開度を調整する。また、室内機コントローラ２８は利用側熱交換器２７の温度やそこに吸い込まれる空気温度に基づき、室内２（店内）の温度を設定温度とするよう利用側熱交換器２７、２７に通風する送風機１５、１５を制御する。また、前述同様に室外機コントローラ２６により圧縮機１３Ａ、１３Ｂの運転が制御される。
【００６３】
一方、冷凍機コントローラ３２は冷却装置８の冷却貯蔵設備用冷媒回路９の四方弁３９の前記一方の入口を他方の出口に、他方の入口を一方の出口に連通させるように切り換えると共に、四方弁４１の前記一方の入口を他方の出口に、他方の入口を一方の出口に連通させるように切り換える。尚、他の電磁弁等は前述した冷房運転時と同様である。即ち、電磁弁４６、４６、４７、５２を開き、圧縮機３７及び５４を運転する。
【００６４】
これにより、圧縮機３７から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁３９、４１を順次通過して先ずカスケード熱交換器２１のケース側通路２１Ｂに入る。即ち、圧縮機３７から吐出された高温高圧のガス冷媒は凝縮器３８に行く前に、直接カスケード熱交換器２１のケース側通路２１Ｂに供給される。このケース側通路２１Ｂに入った冷却貯蔵設備用冷媒回路９の冷媒は、カスケード熱交換器２１において放熱するので、前述の如く空調側通路２１Ａで蒸発する空調用冷媒回路７の冷媒によって冷却され、熱量を受け渡す。これにより、空調用冷媒回路７の冷媒は冷却貯蔵設備用冷媒回路９の冷媒の廃熱を汲み上げることになる。
【００６５】
このカスケード熱交換器２１のケース側通路２１Ｂを通過した冷媒は、次に四方弁３９を経て凝縮器３８の入口側３８Ａに入る。この凝縮器３８にも送風機３５により外気が通風されており、凝縮器３８に流入した冷媒はそこで放熱し、凝縮していく。
【００６６】
この凝縮器３８の入口側３８Ａを通過した冷媒は出口側３８Ｂに至り、そこから出ていく。凝縮器３８から出た冷媒はレシーバータンク３６の入口側から当該レシーバータンク３６内に入り、そこに一旦貯留されて気／液が分離される。分離された液冷媒はレシーバータンク３６の出口から出て四方弁４１を通過した後に分岐し、前述同様に電磁弁４６、４７、５２に向かうことになる。
【００６７】
このような運転により、空気調和機６の空調用冷媒回路７の暖房運転時には、カスケード熱交換器２１で冷却貯蔵設備用冷媒回路９の高圧側冷媒の廃熱を回収して空調用冷媒回路７の利用側熱交換器２７、２７に搬送することができるようになる。これにより、空気調和機６の暖房能力の改善を図ることができるようになり、総じて、室内空調と冷蔵ケース３、３、冷凍ケース４の庫内冷却を行う冷凍システム１の効率改善を図り、省エネ化を図ることが可能となる。
【００６８】
特にこの場合、冷却貯蔵設備用冷媒回路９の高圧側の冷媒を、凝縮器３８より先にカスケード熱交換器２１に流すので、冷却貯蔵設備用冷媒回路９の高圧側冷媒からの廃熱回収を効率的に行い、空調用冷媒回路７の利用側熱交換器２７、２７における暖房能力をより一層向上させることができるようになる。
【００６９】
ここで、店内２が比較的暖かいなど空気調和機６が軽負荷となると、室外機コントローラ２６は膨張弁１９の弁開度を絞って冷媒流量を低減させていくようになるので、カスケード熱交換器２１における冷却貯蔵設備用冷媒回路９の冷媒の放熱量が過剰となってくるが、本発明では冷却貯蔵設備用冷媒回路９の高圧側の冷媒をカスケード熱交換器２１に流した後、凝縮器３８に流すようにしているので、空調用冷媒回路７の暖房運転時において冷却貯蔵設備用冷媒回路９のカスケード熱交換器２１における冷媒の放熱量が過剰となった場合には、凝縮器３８にて当該過剰な熱量が放出される。これにより、安定した廃熱回収運転を実現することができるようになる。
【００７０】
また、上述した如く四方弁３９及び４１を用いて流路を切り換え、空調用冷媒回路７の冷房運転時と暖房運転時において、冷却貯蔵設備用冷媒回路９の凝縮器３８及びその出口に接続されたレシーバータンク３６に流れる冷媒の流通方向を同一としている。これにより、冷房運転時と暖房運転時とで凝縮器３８やレシーバータンク３６内の冷媒の流れが反対となる場合に比して冷却貯蔵設備用冷媒回路９内を流れる冷媒の圧力損失の発生を防止若しくは抑制することができるようになり、効率的な運転が可能となる。特に、二個の四方弁３９、４１にて流路を切り換えているので冷却貯蔵設備用冷媒回路９の構成を簡素化することができるようになる。
【００７１】
（４）最適運転パターン３：空気調和機の暖房運転時の冷却装置のカスケード熱交換器における放熱を殆ど必要としない時の制御（図３）
ここで、上述の如き空気調和機６の暖房運転時に、室内（店内）空気の負荷が一層小さくなり、暖房能力が過大となると、室外機コントローラ２６は室内温度の情報に基づいて圧縮機１３Ｂの運転周波数を低下させ、暖房能力を低下させていく。一方、このような制御を行い、且つ、上述のように凝縮器３８にて過剰な熱量が放出されたとしても、冷却装置８の冷却貯蔵設備用冷媒回路９のカスケード熱交換器２１における放熱が殆ど必要とされない状況となると、図２の回路のままでは空気調和機６の暖房能力が過剰となる。
【００７２】
係る場合には、冷凍機コントローラ３２は図２から図３の状態に各四方弁３９、４１を切り換える。即ち、この場合冷凍機コントローラ３２は四方弁３９の前記一方の入口を一方の出口に、他方の入口を他方の出口に連通させるように切り換える。また、四方弁４１の前記一方の入口を一方の出口に、他方の入口を他方の出口に連通させるように切り換える。
【００７３】
これにより、圧縮機３７から吐出された高温高圧の冷媒は、図１の場合と同様に凝縮器３８を通過して放熱してからカスケード熱交換器２１に流れるようになるので、空調用冷媒回路７の冷媒がカスケード熱交換器２１にて過剰に加熱される不都合を回避することができるようになる。
【００７４】
尚、実施例ではコンビニエンスストアにおいて室内の空調と冷却貯蔵設備の冷却を行う冷凍システムにて本発明を説明したが、それに限らず、冷却貯蔵設備の冷却のみを行うものでも本発明は有効である。更に、実施例では圧縮機の容量制御をインバータによる運転周波数の制御によって実現したが、それに限らず、種々の容量制御を適用可能である。また、実施例では膨張弁を電動膨張弁としたが、それに限らず、コントローラにより弁開度を調整可能なものであれば、ガス圧や水圧などを用いたものでもよい。
【００７５】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、容量制御可能な圧縮機と、凝縮器と、弁開度を調整可能な膨張弁と、蒸発器とを備えて冷媒回路が構成された冷凍システムにおいて、圧縮機と膨張弁を制御する制御装置を備え、この制御装置は、蒸発器における冷媒の過熱度が一定となるよう膨張弁の弁開度を調整すると共に、冷媒回路の低圧側圧力に基づき、所定の設定値にて圧縮機の容量を低下させ、且つ、膨張弁の弁開度に基づき、当該弁開度が拡張される方向に設定値を変更するようにしたので、例えば、請求項２の如く膨張弁の弁開度が全開に近くなるように設定値を上昇させることにより、冷媒回路の低圧側圧力が低下して行く過程の早い段階で圧縮機の容量を低下させ、膨張弁の弁開度を拡大する方向に制御することが可能となる。
【００７６】
これにより、冷媒回路の低圧側圧力の平均して低下してしまう不都合を解消し、圧縮機のＣＯＰを改善して冷凍システムの運転効率を向上させることができるようになる。
【００７７】
請求項３の発明によれば、上記に加えて蒸発器及びそれに対応する膨張弁が複数存在する場合に、制御装置は、最も弁開度が大きい膨張弁を選択して当該弁開度に基づき設定値を変更するので、複数の蒸発器のうち最も冷却が必要とされているものの冷却能力を確保することができるようになる。また、特定の膨張弁が他の膨張弁よりも多く選択されている場合、当該膨張弁及び／又はそれに対応する蒸発器を使用者に告知するための記録をメモリに書き込んで残すようにしたので、冷却状態の悪いものの改善に寄与することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を適用した実施例の冷凍システムの冷媒回路を含むシステム構成を説明する図である（空気調和機の冷房運転時）。
【図２】 本発明を適用した実施例の冷凍システムの空気調和機の暖房運転を説明する図である。
【図３】 本発明を適用した実施例の冷凍システムの空気調和機の暖房運転時の冷却装置のカスケード熱交換器における放熱を殆ど必要としない場合の運転を説明する図である。
【符号の説明】
１ 冷凍システム
３ 冷蔵ケース
４ 冷凍ケース
６ 空気調和機
７ 空調用冷媒回路
８ 冷却装置
９ 冷却貯蔵設備用冷媒回路
１３Ａ、１３Ｂ、３７、５４ 圧縮機
１４ 四方弁
１６ 熱源側熱交換器
２１ カスケード熱交換器
２８ 利用側熱交換器
３２ 冷凍機コントローラ
３８ 凝縮器
３９、４１ 四方弁（流路制御手段）
４３ 冷蔵用蒸発器
４４、５１ 膨張弁
４９ 冷凍用蒸発器
５０ 冷蔵ケースコントローラ

Claims (3)

1. 容量制御可能な圧縮機と、凝縮器と、弁開度を調整可能な膨張弁と、蒸発器とを備えて冷媒回路が構成された冷凍システムにおいて、
   前記圧縮機と膨張弁を制御する制御装置を備え、
   該制御装置は、前記蒸発器における冷媒の過熱度が一定となるよう前記膨張弁の弁開度を調整すると共に、前記冷媒回路の低圧側圧力に基づき、所定の設定値にて前記圧縮機の容量を低下させ、且つ、前記膨張弁の弁開度に基づき、当該弁開度が拡張される方向に前記設定値を変更することを特徴とする冷凍システム。
2. 前記制御装置は、前記膨張弁の弁開度が全開に近くなるように前記設定値を上昇させることを特徴とする請求項１の冷凍システム。
3. 前記蒸発器及びそれに対応する前記膨張弁が複数存在する場合に、前記制御装置は、最も弁開度が大きい前記膨張弁を選択して当該弁開度に基づき前記設定値を変更すると共に、特定の膨張弁が他の膨張弁よりも多く選択されている場合、当該膨張弁及び／又はそれに対応する蒸発器を使用者に告知するための記録をメモリに書き込んで残すことを特徴とする請求項１又は請求項２の冷凍システム。

Images