(57)【要約】【課題】ハンチングが起こらないように、低冷媒循環量での能力で感温式膨張弁を選定でき、且つ所望の冷却能力を発揮できるようにする。【解決手段】冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を有し、インバータ回路によって運転周波数を制御されるインバータ式圧縮機（31）と感温式膨張弁（22）とを該冷媒回路（10）に含み、利用側を冷却する冷凍装置において、電磁弁（23）を設けるとともに、この電磁弁（23）を介して感温式膨張弁（22）に並列接続されて、該電磁弁（23）によって冷媒が流れる第１の状態と冷媒が流れない第２の状態との何れかに切り替わる絞り機構（24）を設ける。【選択図】図１
2010210144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を有し、インバータ回路によって運転周波数を制御されるインバータ式圧縮機（31）と感温式膨張弁（22）とを該冷媒回路（10）に含み、利用側を冷却する冷凍装置であって、
開閉弁（23）と、
前記開閉弁（23）を介して前記感温式膨張弁（22）に並列接続されて、該開閉弁（23）によって前記冷媒が流れる第１の状態と前記冷媒が流れない第２の状態との何れかに切り替わる絞り機構（24）と、
を備えていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
請求項１の冷凍装置において、
前記運転周波数が所定値以下に制御される場合に前記絞り機構（24）を前記第２の状態に切り替える制御装置（33）をさらに備えていることを特徴とする冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冷凍サイクルを行う冷凍装置には、例えば店舗などに設置されて食料品などを貯蔵する冷蔵庫（或いは冷凍庫）として形成されるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１の冷凍装置は、圧縮機と室外熱交換器（熱源側熱交換器）とを有する室外ユニットと、冷蔵熱交換器（第１の系統の利用側熱交換器）と膨張機構とを有する冷蔵ユニット（第１の利用側ユニット）と、冷凍熱交換器（第２の系統の利用側熱交換器）と膨張機構とを有する冷凍ユニット（第２の利用側ユニット）とを有している。また、この冷凍装置はその室外ユニットに、電動機がインバータ制御されて容量が段階的又は連続的に可変できる圧縮機、すなわちインバータ回路によって運転周波数を制御されるいわゆるインバータ式圧縮機を備えている。
【特許文献１】特開２００３−００４３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、店舗などに設置される冷蔵庫では、前記冷凍サイクルを行う冷媒回路に、膨張機構として感温式膨張弁が用いられることが多い。
【０００５】
しかしながら、一般的には、感温式膨張弁の容量の可変範囲はインバータ式圧縮機の容量の可変範囲よりも小さいので、この感温式膨張弁を前記インバータ式圧縮機と組み合わせると、以下のような問題を生ずる可能性がある。
【０００６】
例えば、冷却能力を最大限発揮させるために感温式膨張弁の定格容量をインバータ式圧縮機の運転周波数の最大時に合わせて決めてやると、インバータ式圧縮機を低周波数で運転する場合には、冷媒の流量に対して感温式膨張弁の容量が過大（すなわち、十分に絞り作用を発揮できない状態）になる。そして、容量が過大な状態では、過熱度が変動する現象（ハンチング）が起こりやすくなり、その結果、前記冷媒回路における低圧圧力が下がる。一般的な冷凍装置では低圧圧力がある程度以下の値（低圧カット値と呼ぶ）に下がると圧縮機が停止させられるので、ハンチングが起こると圧縮機の発停が頻繁に起こることになる。特に、利用側が冷却される冷凍装置（例えば、庫内温度が-５℃以下となる前記冷蔵庫など）では、目標の低圧値と前記低圧カット値との差が小さいので、圧縮機が頻繁に停止させられやすいと考えられる。
【０００７】
このように圧縮機の発停が頻繁に起こっても、この状態では庫内温度が設定温度よりも高くなるので、運転周波数が上げられて、何れは庫内温度が設定温度になる。つまり、このハンチングは、設定温度に冷却できているかぎり一般的には気づきにくく、且つ庫内貯蔵物（例えば食品など）の品質不良につながることもないので、使用する上での不都合はないとも考えられる。
【０００８】
しかしながら、このように圧縮機の発停が頻繁に起こると、圧縮機の劣化が進行する。また、圧縮機内の冷凍機油が持ち出されて起こる冷凍機油不足による圧縮機の品質不良や、頻繁に運転周波数が高くなることによる消費電力の増加を招くことになる。また、感温式膨張弁が十分に絞り作用を発揮できない場合には、液体の冷媒が圧縮機に戻る現象（液戻り）が起こり、これは潤滑油の希釈やいわゆる液圧縮につながる。この潤滑油の希釈や液圧縮は、冷凍装置を長期間使用するうちに圧縮機の故障の原因になる。そして圧縮機が故障すると、庫内温度が設定値まで下がらず、庫内貯蔵物の品質不良に至る恐れがある。
【０００９】
勿論、冷媒流量の最小値に合わせて感温式膨張弁を選定することも考えられるが、これでは一般的な感温式膨張弁では、冷媒の最大流量が該感温式膨張弁の制御可能範囲を超える可能性がある。この場合には、圧縮機の能力を落として使用することになり、所望の冷却能力を発揮できないことになる。つまり、インバータ式圧縮機に対して、ハンチングが起こらず、且つ所望の冷却能力を発揮できるように感温式膨張弁を選定するのは困難なことである。
【００１０】
本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、ハンチングが起こらないように、低冷媒循環量での能力で感温式膨張弁を選定でき、且つ所望の冷却能力を発揮できるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の課題を解決するため、第１の発明は、
冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を有し、インバータ回路によって運転周波数を制御されるインバータ式圧縮機（31）と感温式膨張弁（22）とを該冷媒回路（10）に含み、利用側を冷却する冷凍装置であって、
開閉弁（23）と、
前記開閉弁（23）を介して前記感温式膨張弁（22）に並列接続されて、該開閉弁（23）によって前記冷媒が流れる第１の状態と前記冷媒が流れない第２の状態との何れかに切り替わる絞り機構（24）と、
を備えていることを特徴とする。
【００１２】
これにより、開閉弁（23）が閉じられると感温式膨張弁（22）のみによって、該感温式膨張弁（22）に流入した冷媒が膨張させられる。また、開閉弁（23）が開かれると感温式膨張弁（22）と絞り機構（24）の両者によって冷媒が膨張させられる。
【００１３】
本発明では、冷媒流量の最小値が感温式膨張弁（22）の制御可能範囲に含まれるように、冷媒流量の最小値に合わせて該感温式膨張弁（22）を選定し、冷媒流量が最小の際に前記第２の状態に絞り機構（24）を切り替えれば、該感温式膨張弁（22）の開度をその最小開度以上の状態で使用できる。この状態では、感温式膨張弁（22）は十分に絞り作用を発揮することができ、いわゆるハンチングが起こることはない。また、このように十分に絞り作用を発揮できれば、前記液戻りを防止できる。
【００１４】
また、本発明では、前記のように感温式膨張弁（22）を選定して、冷媒流量の最大値が前記制御可能範囲の上限値を上回ることとなっても、容量が不足するときに前記第１の状態に絞り機構（24）を切り替えて、感温式膨張弁（22）と絞り機構（24）の両者によって冷媒を膨張させるようにすれば、絞り機構（24）によってその不足分を補うことができる。すなわち、感温式膨張弁（22）と絞り機構（24）の両者によって十分に絞り作用を発揮することができ、所望の冷却能力を得ることができる。このように、本発明はハンチングが起こらないように、低冷媒循環量での能力で感温式膨張弁（22）を選定でき、且つ所望の冷却能力を発揮できる。
【００１５】
また、第２の発明は、
第１の発明の冷凍装置において、
前記運転周波数が所定値以下に制御される場合に前記絞り機構（24）を前記第２の状態に切り替える制御装置（33）をさらに備えていることを特徴とする。
【００１６】
これにより、例えば熱負荷が小さいとき等に運転周波数が低く制御されると、感温式膨張弁（22）のみによって、該感温式膨張弁（22）に流入した冷媒が膨張させられる。また、熱負荷が大きいとき等に運転周波数が高く制御されると、感温式膨張弁（22）と絞り機構（24）の両者によって冷媒が膨張させられる。
【発明の効果】
【００１７】
第１の発明によれば、ハンチングを防止することができるので、該ハンチングによるインバータ式圧縮機（31）の発停を防止できる。インバータ式圧縮機（31）の発停の回数を低減できれば、冷凍機油が持ち出されて冷凍機油不足となって該インバータ式圧縮機（31）の品質不良が起こることもないし、頻繁に運転周波数が高くなることによる消費電力の増加を招くこともない。また、前記液戻りを防止できるので、液体冷媒によって潤滑油が希釈されたり液圧縮が起こったりすることがなく、これらを原因とする圧縮機の故障が防止される。
【００１８】
また、第２の発明によれば、運転周波数が低い場合にハンチングの発生が防止される。すなわち、インバータ回路の制御による省エネルギー運転と、ハンチングの防止とを両立できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る冷凍装置（1）における冷媒回路（10）の配管系統図である。この冷凍装置（1）は蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行い、利用側が冷却されるようになっている。具体的には、この冷凍装置（1）は、例えば店舗などに設置されて食料品などを貯蔵する冷蔵庫（或いは冷凍庫）として実現され、その庫内温度は例えば−５℃以下に冷却される。
【００２１】
〈冷凍装置（1）の全体構成〉
冷凍装置（1）は、図１に示すように、室内に設置される室内ユニット（20）と、室外に設置される室外ユニット（30）とを備えている。この室内ユニット（20）と室外ユニット（30）とは、第１の接続配管（11）及び第２の接続配管（12）を介して互いに接続され、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を構成している。
【００２２】
〈室外ユニット〉
室外ユニット（30）は、インバータ式圧縮機（31）、熱源側熱交換器（32）、及び制御装置（33）を備えている。
【００２３】
インバータ式圧縮機（31）は、例えば、スクロール圧縮機などの容積型圧縮機により構成されている。このインバータ式圧縮機（31）は、インバータ回路を介して電力が供給され、該インバータ回路によって運転周波数が制御されて運転容量が可変する圧縮機である。本実施形態のインバータ回路は、この運転周波数を１９Ｈｚ〜１０９Ｈｚの範囲で変化させるようになっている。このインバータ式圧縮機（31）の吐出ポートは、冷媒配管を介して熱源側熱交換器（32）のガス側端部に接続されている。また、インバータ式圧縮機（31）の吸入ポートは、第１の接続配管（11）を介して室内ユニット（20）と接続されている。
【００２４】
熱源側熱交換器（32）は、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成され、この熱源側熱交換器（32）において、冷媒と熱源側の空気（室外空気）との間で熱交換が行われるようになっている。熱源側熱交換器（32）の近傍には、室外ファン（図示は省略）が設けられている。熱源側熱交換器（32）へは、この室外ファンによって室外空気が送られる。この熱源側熱交換器（32）はその液側端部が第２の接続配管（12）を介して室内ユニット（20）と接続されている。
【００２５】
制御装置（33）は、本発明の制御装置に対応し、後述する電磁弁（23）の開閉を制御する。この制御装置（33）は、前記運転周波数がインバータ回路によって所定値（閾値周波数）以下に制御される場合に電磁弁（23）を閉じ、それよりも運転周波数が高い場合に電磁弁（23）を開く。なお、閾値周波数については後述する。
【００２６】
〈室内ユニット〉
室内ユニット（20）は、利用側熱交換器（21）、感温式膨張弁（22）、電磁弁（23）、及び絞り機構（24）を備え、冷蔵庫内（利用側）の空気を冷却する。
【００２７】
利用側熱交換器（21）は、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成され、この利用側熱交換器（21）において、冷媒と利用側の空気（冷蔵庫内の空気）との間で熱交換が行われるようになっている。利用側熱交換器（21）の近傍には、室内ファン（図示は省略）が設けられている。利用側熱交換器（21）へは、この室内ファンによって利用側の空気が送られる。
【００２８】
感温式膨張弁（22）は、感温筒（22a）の検出温度に応じて開度が調整されるいわゆる温度自動膨張弁である。詳しくは、感温筒（22a）の検出温度が上昇すると、該感温式膨張弁（22）は開く方向に調整され、前記検出温度が低下すると該感温式膨張弁（22）は閉じる方向に調整される。
【００２９】
一般的な感温式膨張弁は、定格容量の６０％から１２０％の制御可能範囲を有し、従来の冷凍装置では、通常は、熱負荷が最大のときにこの制御可能範囲の上限値付近で使用されるように感温式膨張弁が選定される。本実施形態でもこのような一般的な制御可能範囲を有した感温式膨張弁を感温式膨張弁（22）として採用するが、その選定の基準が従来とは異なる。
【００３０】
本実施形態では熱負荷が最小の場合に合わせて感温式膨張弁（22）を選定し、熱負荷が小さいときに感温式膨張弁（22）の容量が過大にならないようにする。より詳しくは、本実施形態の感温式膨張弁（22）は、最小運転周波数（１９Ｈｚ）でインバータ式圧縮機（31）の運転が行われているときに流入する冷媒流量（最小冷媒流量）が該感温式膨張弁（22）の制御可能範囲内に含まれるように、最小冷媒流量を基準にして選定されている。このように感温式膨張弁（22）を選定する場合、原理的には前記制御可能範囲の下限値が前記最小冷媒流量となるようにすれば最小冷媒流量での運転時に絞り作用を発揮できるが、種々のばらつきを考慮してある程度のマージンのある感温式膨張弁を選定するのが好ましい。
【００３１】
このように前記最小冷媒流量を基準に選択を行うと、一般的な感温式膨張弁では、最大運転周波数（１０９Ｈｚ）でインバータ式圧縮機（31）を運転したときに流入する冷媒流量（最大冷媒流量）が前記制御可能範囲の上限値（定格容量の１２０％）を上回る可能性があると考えられる。しかしながら、この冷凍装置（1）では後に詳述するように、該最大冷媒流量が該上限値を上回ってもこの最大流量でインバータ式圧縮機（31）の運転を行わせることができる。以下の説明では、最大冷媒流量が前記制御可能範囲の上限値よりも上回っているものとして説明する。
【００３２】
このように選定された感温式膨張弁（22）は、その冷媒流入側が第２の接続配管（12）を介して、熱源側熱交換器（32）の液側端部と接続され、冷媒流出側が利用側熱交換器（21）の液側端部に接続されている。また、感温筒（22a）は、利用側熱交換器（21）の冷媒流出側であるガス側端部に配置され、キャピラリチューブで感温式膨張弁（22）と接続されている。
【００３３】
電磁弁（23）は、本発明の開閉弁に対応し、前記制御装置（33）の制御に応じて開閉が制御されるようになっている。この電磁弁（23）の冷媒流入側は、第２の接続配管（12）に接続され、冷媒流出側が絞り機構（24）の冷媒流入側に接続されている。
【００３４】
絞り機構（24）は、例えば銅管を材料としたキャピラリチューブにより構成されている。この絞り機構（24）は、その冷媒流入側が既述のとおり電磁弁（23）に接続され、冷媒流出側が感温式膨張弁（22）の冷媒流出側に接続されている。すなわち、絞り機構（24）は、電磁弁（23）を介して感温式膨張弁（22）に並列接続されており、この電磁弁（23）によって、冷媒が流れる第１の状態と、冷媒が流れない第２の状態との何れかに切り替わるようになっている。なお、絞り機構（24）を構成するキャピラリチューブの内径及び長さは、最大運転周波数（１０９Ｈｚ）での運転時に感温式膨張弁（22）の開度を最大、且つ電磁弁（23）を開状態（絞り機構（24）を第１の状態）にして、該感温式膨張弁（22）と絞り機構（24）の両者で所望の絞り作用が得られるように定めておく。
【００３５】
前記第１及び第２の状態の切り替えは、既述の通り制御装置（33）により制御される。具体的には、室外ユニット（30）から流入する冷媒の流量が感温式膨張弁（22）の制御可能範囲内の場合には絞り機構（24）を第２の状態に切り替えて感温式膨張弁（22）のみに冷媒が流れるようにする。また、室外ユニット（30）から流入する冷媒の流量が増加して前記制御可能範囲の上限値に近づくと該上限値を超える前に絞り機構（24）を第１の状態に切り替えて感温式膨張弁（22）と絞り機構（24）の両者に冷媒が流れるようにする。
【００３６】
例えば、運転周波数が６０Ｈｚ（最大運転周波数（１０９Ｈｚ）の約６５％）を超えた場合に冷媒流量が感温式膨張弁（22）の制御可能範囲の上限値を超えるのであれば、前記閾値周波数をこの６０Ｈｚよりも少し低い周波数に設定する。そして、運転周波数が前記閾値周波数以下に制御される場合には電磁弁（23）を閉じて第２の状態に切り替え、前記閾値周波数よりも高い運転周波数に制御される場合には電磁弁（23）を開いて第１の状態に切り替えるようにする。
【００３７】
《冷凍装置（1）の運転動作》
インバータ式圧縮機（31）が運転状態にされると、冷媒は図１の実線矢印で示す方向に冷媒回路（10）内を循環する。具体的には、インバータ式圧縮機（31）から吐出された冷媒は、熱源側熱交換器（32）に流入し、熱源側熱交換器（32）では、室外ファンによって取り込まれた室外空気に放熱して凝縮する。凝縮した冷媒は、第２の接続配管（12）を介して室内ユニット（20）に流入する。
【００３８】
例えば冷蔵庫内の温度が設定温度よりも高い場合、すなわち熱負荷が大きな場合には、インバータ回路によって運転周波数が上げられて、例えば最大運転周波数（１０９Ｈｚ）に設定される。この設定では運転周波数が前記閾値周波数よりも高いので、制御装置（33）によって電磁弁（23）が開状態に制御される。これにより、絞り機構（24）は、電磁弁（23）を介して感温式膨張弁（22）に並列接続され、該絞り機構（24）に冷媒が流れる第１の状態に切り替わる。一方、熱負荷が大きくなると感温筒（22a）の温度が上昇し、その結果、感温式膨張弁（22）は開く方向に調整されて、例えば感温式膨張弁（22）の容量が前記制御可能範囲の上限値（定格容量の１２０％）になる。
【００３９】
前記第１の状態では、熱源側熱交換器（32）から室内ユニット（20）に流入した冷媒は、感温式膨張弁（22）と絞り機構（24）の両者によって膨張させられる。つまり、制御可能範囲の上限値（定格容量の１２０％）が最大冷媒流量よりも小さな定格容量のものを感温式膨張弁（22）として選定していても、この絞り機構（24）によって、感温式膨張弁（22）の容量の不足分を補うことができるのである。これにより、この冷凍装置（1）では所望の冷却能力を発揮できることになる。
【００４０】
このように感温式膨張弁（22）と絞り機構（24）の両者によって膨張させられた冷媒は、利用側熱交換器（21）に導入され、利用側熱交換器（21）において冷蔵庫内（利用側）の空気から吸熱して蒸発する。これにより、冷蔵庫内の空気は冷却される。その後、蒸発した冷媒は、第１の接続配管（11）介してインバータ式圧縮機（31）に吸入されて圧縮される。そして、圧縮された冷媒は熱源側熱交換器（32）に流入する。
【００４１】
このようにして冷蔵庫内の空気が冷却されて、該空気の温度が設定温度に徐々に近づくと、熱負荷が徐々に小さくなり運転周波数も徐々に低下する。そして、運転周波数が低下して前記閾値周波数になると、制御装置（33）は電磁弁（23）を閉状態に制御する。これにより、絞り機構（24）は、冷媒が流れない第２の状態に切り替わる。一方、熱負荷が小さくなって行くと感温筒（22a）の温度が下がり、その結果、感温式膨張弁（22）は閉じる方向に調整され、利用側熱交換器（21）のガス側端部における過熱度に応じた開度になる。すなわち、熱源側熱交換器（32）から室内ユニット（20）に流入した冷媒は、感温式膨張弁（22）のみによって膨張させられる。
【００４２】
さらに運転周波数が低下して最小運転周波数（１９Ｈｚ）になると、冷媒流量が最小になる。本実施形態では、前記最小冷媒流量が感温式膨張弁（22）の制御可能範囲内に含まれるように該感温式膨張弁（22）が選定されているので、インバータ式圧縮機（31）が最小運転周波数で運転されている場合、感温式膨張弁（22）の開度は、該感温式膨張弁（22）の制御可能範囲の下限値（定格容量の２０％）における開度よりも少し開いた状態になる。この状態では、感温式膨張弁（22）は十分に絞り作用を発揮することができ、いわゆるハンチングが起こることはない。すなわち、本実施形態では、ハンチングが起こらないように、低冷媒循環量での能力で感温式膨張弁（22）を選定できるのである。
【００４３】
そして、このようにハンチングが防止されると、低圧カット値に基づくインバータ式圧縮機（31）の発停の回数を低減することができる。インバータ式圧縮機（31）の発停の回数を低減できれば、該インバータ式圧縮機（31）内の冷凍機油が持ち出されて冷凍機油不足となって該インバータ式圧縮機（31）の品質不良が起こったり、頻繁に運転周波数が高くなることによる消費電力の増加を招いたりすることがない。
【００４４】
また、前記のように感温式膨張弁（22）が十分に絞り作用を発揮することができるので前記液戻りが起こらない。すなわち、この液戻りを原因とする、潤滑油の希釈やいわゆる液圧縮が起こることがなく、潤滑油の希釈や液圧縮を原因とするインバータ式圧縮機（31）の故障が防止される。
【００４５】
なお、上記の例では運転周波数に応じて電磁弁（23）の開閉を制御したが、その他の方法で熱負荷を検知できれば、その検知結果に基づいて開閉制御を行ってもよい。
【００４６】
また、前記の実施形態において絞り機構（24）として用いたキャピラリチューブは例示であり、その他の構造の膨張機構を採用してもよい。
【００４７】
また、前記の実施形態では、制御装置（33）を室外ユニット（30）側に設けたが室内ユニット（20）側に設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態に係る冷凍装置（1）における冷媒回路（10）の配管系統図である。
【符号の説明】
【００５０】
１      冷凍装置
１０      冷媒回路
２２      感温式膨張弁
２３      電磁弁（開閉弁）
２４      絞り機構
３１      インバータ式圧縮機
３３      制御装置
【図１】
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