(57)【要約】      （修正有）【課題】  冷凍能力が変化しても、冷凍サイクルが最適な冷凍能力を発揮できるようにする。【解決手段】  冷媒の物理量を計測する計測部と、前記冷媒が還流する冷凍サイクルに対して並列に設けられている冷媒蓄積部と、前記冷媒蓄積部と前記冷凍サイクルとの連結の有無を切り替える切替部と、前記計測部の計測結果に基づいて前記切替部を制御する制御部とを含む。冷凍負荷が安定状態である場合には、冷媒蓄積部と冷凍サイクルとを連結しないように切り替える。冷凍負荷が大きくなると、冷凍装置は、冷媒蓄積部の下流と冷凍サイクルとを連結するように切替部を切り替える。これにより、冷媒蓄積部に蓄積されている冷媒は、冷凍サイクルに注入される。冷凍負荷が小さくなると、冷凍装置は、冷媒蓄積部の上流と冷凍サイクルとを連結するように切替部を切り替える。これにより、冷凍サイクルを流れる冷媒は、冷媒蓄積部に蓄積される。【選択図】      図１
2006329588.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒の物理量を計測する計測部と、
前記冷媒が還流する冷凍サイクルに対して並列に設けられている冷媒蓄積部と、
前記冷媒蓄積部と前記冷凍サイクルとの連結の有無を切り替える切替部と、
前記計測部の計測結果に基づいて前記切替部を制御する制御部と、
を含む冷凍装置。
【請求項２】
前記計測部の計測結果が所定レンジ外のときに、前記冷凍サイクル内の冷媒の圧縮率を変更する変更部を備える請求項１記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記冷媒蓄積部に蓄積されている冷媒を冷却する冷却部を備える請求項１又は２記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記冷媒の物理量に基づいて当該冷媒の圧縮率を設定する請求項１から３のいずれか記載の冷凍装置。
【請求項５】
前記冷媒の物理量及び前記冷媒の圧縮率に基づいて過冷却度を設定する請求項１から４のいずれか記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍装置に関し、特に、空調装置に好適に用いられる冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１には、冷凍サイクル内に設けられている容器内の冷媒の貯留量を調整できる冷凍装置が記載されている。この冷凍装置は、冷凍装置の周辺温度が低く冷凍負荷が低い時には前記貯留量を多くし、冷凍装置の周辺温度が高く冷凍負荷が高い時には貯留量を少なくすることで、冷凍サイクルの冷凍能力を向上させることが可能である。この冷凍装置は、主として自動車用エアーコンディショナー（以下、「エアコン」と称する。）に用いられる。
【特許文献１】特開平０６−３４７１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１に記載されている冷凍装置は、その圧縮機の回転数が一定であることを前提としている。また、特許文献１に記載されている冷凍装置は、その蒸発器の容量も一定であることを前提としている。このため、上記冷凍装置は、家庭用エアコン又は業務用エアコンのように、圧縮機の回転数や蒸発器の容量が可変であるもの、つまり、冷凍能力が変化しうるエアコンへの適用が不向きである。
【０００４】
そこで、本発明は、冷凍能力が変化した場合、その変化に応じて冷凍サイクルが最適な冷凍能力を発揮できるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の冷凍装置は、冷媒の物理量を計測する計測部と、前記冷媒が還流する冷凍サイクルに対して並列に設けられている冷媒蓄積部と、前記冷媒蓄積部と前記冷凍サイクルとの連結の有無を切り替える切替部と、前記計測部の計測結果に基づいて前記切替部を制御する制御部とを含む。
【０００６】
具体的には、本発明の冷凍装置は、周囲温度が一定のため冷凍負荷が安定状態である場合には、冷媒蓄積部と冷凍サイクルとを連結しないように切り替える。
【０００７】
これに対して、負荷容量の増大や周囲温度の上昇によって冷凍負荷が大きくなると、本発明の冷凍装置は、冷媒蓄積部の下流と冷凍サイクルとを連結するように切替部を切り替える。これにより、冷媒蓄積部に蓄積されている冷媒は、冷凍サイクルに注入されることになる。
【０００８】
一方、負荷容量の減少や周囲温度の下降によって冷凍負荷が小さくなると、本発明の冷凍装置は、冷媒蓄積部の上流と冷凍サイクルとを連結するように切替部を切り替える。これにより、冷凍サイクルを流れる冷媒は、冷媒蓄積部に蓄積されることになる。
【０００９】
このように、冷凍負荷に応じて冷凍サイクル内への冷媒注入量を制御すると、適正な過冷却度を設定することができる。冷媒注入量を制御しないで、最大負荷時の冷媒注入量で運用した場合、余剰した冷媒が、冷凍サイクル内の凝縮器の下流側（冷媒滞留領域）に滞留される。このため、凝縮器内のガス状冷媒の液化面積が削減する。これにより、凝縮器の圧縮率が増大し、ひいては、冷凍装置が、異常高圧によって停止することとなる。冷媒注入量の制御は、このような異常停止の防止や、更に、凝縮器の冷媒滞留領域に滞留される冷媒量を所望とすると、適正な過冷却度を設定することができるので、冷凍サイクルの効率化が可能となる。このため、冷凍装置の成績係数ＣＯＰを向上させることが可能になる。また、運転停止時に冷媒蓄積部に冷媒を蓄積し、冷凍サイクル内の冷媒量を少なく設定しておくことで、始動時の圧縮機負荷を軽減による過電流防止や破損・廃棄時のフロンガス大気流出防止となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の冷凍装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態の冷凍装置の模式的な構成図である。図１には、冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１によって圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器２と、凝縮器２によって凝縮された冷媒を蒸発器５の上流側と下流側との温度差が一定となるように減圧膨張すべく開閉される膨張弁４と、膨張弁４によって減圧膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器５と、蒸発器５からの冷媒の圧力を検知する圧力センサを有していて膨張弁４の開閉を制御する感熱筒４ａと、冷媒を液冷媒と気冷媒とに分離する分離器７とを、冷媒配管１６によって連結した冷凍サイクルを示している。
【００１２】
冷凍サイクル内には、以下説明するように、複数の温度計及び圧力計（計測部）などが設けられている。すなわち、圧縮機１と凝縮器２との間には、圧縮機１によって圧縮された冷媒の圧力を計測する圧力計１２ｂと、当該冷媒の温度を計測する温度計１３が設けられている。凝縮器２と膨張弁４との間（経路Ａ）には、凝縮器２によって凝縮された冷媒の温度を計測する温度計１３ｂと、凝縮器２によって凝縮された冷媒の流れを膨張弁４側と後述する容器１０とで切り替える切替弁８とが設けられている。膨張弁４と蒸発器５との間には、膨張弁４によって減圧膨張された冷媒の温度を計測する温度計１３ｂが設けられている。蒸発器５と分離器７との間には、蒸発器５によって蒸発された冷媒の温度を計測する温度計１４ｂと、当該冷媒が逆流することを防止する逆止弁１５ａとが設けられている。分離器７と圧縮機１との間には、分離器７を経た冷媒の圧力を計測する圧力計１２が設けられている。
【００１３】
各温度計１３，１３ｂ，１４，１４ｂによって計測された温度値Ｔ１３，Ｔ１３ｂ，Ｔ１４，Ｔ１４ｂは、制御回路１１に入力されレジスタ等に記憶される。各圧力計１２，１２ｂによって計測された圧力値Ｐ１２，Ｐ１２ｂも、制御回路１１に入力される。制御回路１１は、これらの各値のいくつかに基づいて、切替弁８等の状態を制御する制御信号ａ，ｂを生成する。なお、制御回路１１は、温度計１４等から得られる温度値に基づいて、後述するテーブルメモリを参照し、圧縮機１の回転数を設定したり、過冷却度の設定をする。
【００１４】
切替弁８の下流には、膨張弁４に流れなかった冷媒を蓄積しておく容器１０が連結されている。切替弁８と容器１０との間（経路Ｂ）には、冷媒が逆流することを防止する逆止弁１５ｂが設けられている。容器１０の下流側には、容器１０内の冷媒を冷凍サイクルに注入するための冷媒管１７が連結されている。冷媒管１７には、開閉弁９が設けられている。
【００１５】
なお、図１には、容器１０内の冷媒は、冷媒管１７を通じて、逆止弁１５ａと分離器７との間に注入できる例を示している。しかし、上記冷媒の注入先は例示であり、例えば、冷媒管１７に代えてキャピラリチューブ（図示せず）を用い、圧縮機１と分離器７との間、又は、膨張弁４と蒸発器５との間などに、冷媒を注入してもよい。
【００１６】
また、容器１０には、冷却管６が、例えば２．５回巻かれている。冷却管６は、冷媒配管１６に連結されている。圧縮機１の駆動時には、冷却管６内を通る冷媒は、低圧のため、容器１０内の冷媒に比して、相対的に低温である。したがって、容器１０を冷却管６で巻くことによって、容器１０内の冷媒を冷却することが可能になる。こうすると、冷媒が液化しやすいので、冷凍サイクル内の冷媒を容器１０に回収しやすくなる。冷却管６の巻き数に関しては、特段限定はないが、容器１０のサイズが大きくなるに連れて、増やすとよい。また、冷凍装置の規模が大きくなると、蒸発器５を複数用意し、これらを相互に接続することで、負荷容量を増減してもよい。
【００１７】
図２は、図１に示す冷媒管１７と冷媒配管１６との連結部分の拡大図である。図２に示すように、冷媒管１７の直径ｄ２は、冷媒配管１６の直径ｄ１よりも十分小さくしている。ここで、開閉弁９を開くと、圧縮機１の吸引力によって、容器１０に蓄積されている冷媒は、冷凍サイクル内に注入される。この際、冷媒管１７の直径ｄ２が冷媒配管１６の直径ｄ１に比べて十分小さくないと、容器１０から冷凍サイクル内に、一気に多量の冷媒が注入され、冷凍サイクル内の冷媒量が短期間に大きく変化するので好ましくない。ｄ２の大きさとしては、四分の一インチ（約６ｍｍ）程度で良い。
【００１８】
図３は、冷凍管１６の変形例を示す図である。図３（ａ）に示すように、容器１０に貫通孔６ａ，６ｂを形成し、これらに冷媒配管１６を通す。こうすると、冷凍管１６の外壁に容器１０内の冷媒が直接接触するため、冷媒の冷却効果が高くなる。また、図３（ｂ）に示すように、容器１０に貫通孔６ａ，６ｂに対応する２つの貫通孔６ｃ，６ｄを形成し、これらに冷媒配管１６を通す。図３（ａ）に示す例と比較して、冷媒配管１６のＵ字状の部分を、容器１０外に位置させると、容器１０の加工作業と、容器１０への冷媒配管１６の取付作業とが容易になる。
【００１９】
なお、容器１０内の冷媒を冷却すると、熱交換により、冷媒配管１６を通る冷媒の温度は上昇する。この温度上昇があまりに多く上昇すると、過熱度特性に悪影響を及ぼすことになるので１〜２℃程度に抑えて運用するよう注意が必要である。通常、容器内温度が高いのは始動時であり、始動時は冷凍能力も高く、冷凍サイクル内を循環する冷媒量も十分であり問題なく運用可能である。過熱度は、冷蔵装置であれば５℃〜８℃、空調機器であれば１０℃〜２０℃が適当である。
【００２０】
図４は、図１に示す冷凍装置の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。図４の横軸にエンタルピーｈを示し、縦軸にゲージ圧力ｐを示している。スレッショルドＬからスレッショルドＨまでの範囲を、快適空調温度範囲と称する。スレッショルドＬは、例えば２℃に対応する圧力とする。スレッショルドＨは、例えば１５℃に対応する圧力とする。なお、ゲージ圧力があまりに低下すると、冷媒が凍結してしまうので、これを避けるため、モリエル線図の飽和液線上で、０℃に対応する圧力を下回らないようにする。ちなみに、冷媒Ｒ−４０１Ａであれば、０℃に対応する圧力は０．８ＭＰａであり、１５℃に対応する圧力は１．２ＭＰａである。
【００２１】
冷凍負荷が標準の場合のサイクル特性を、ア−イ−ウ−エで示している。冷凍負荷が標準である場合には、ア−イ間のライン（等エントロピー線）は加熱度設定範囲内に収まり、エ−ア間のライン（等圧、等温線）は快適空調温度範囲内に収まり、「ウ」は最適過冷却度曲線近傍に位置している。
【００２２】
なお、ア−イ間のラインは、圧縮機１によって冷媒を圧縮していくときの状態変化を示している。イ−ウ間のラインは、凝縮器２によって冷媒が凝縮されていくときの状態変化を示している。ウ−エ間のラインは、膨張弁４によって減圧膨張されていく冷媒の状態変化を示している。エ−ア間のラインは、蒸発器５によって蒸発されていく冷媒の状態変化を示している。
【００２３】
冷凍負荷が標準の状態から、圧縮機１の回転数が変化することなく冷凍負荷が大きくなった場合には、サイクル特性は、ア−イ−ウ−エの位置からカ−キ−ク−ケの位置に、つまり、図面右上方向に移動する。ここでは、カ−キ間のラインは加熱度設定範囲内に収まり、ケ−カ間のラインは快適空調温度範囲の上限値であるスレッショルドＨに接近し、「ク」が最適過冷却度曲線から離れて位置している状態を示している。
【００２４】
最適過冷却度の観点によると、カ−キ−ク−ケによって示すサイクル特性は、好ましいものではない。サイクル特性は、「ク」の位置が「ル」の位置となるように、図面左側に位置していることが好ましい。
【００２５】
冷凍負荷が大きくなると、制御回路１１は、開閉弁９を開けるための制御信号ｂを生成し、開閉弁９に出力する。この結果、開閉弁９が開き、容器１０に蓄積されている冷媒が冷凍サイクル内に注入される。
【００２６】
なお、図４（ａ）の状態から更に圧縮機１の回転数が変化することなく冷凍負荷が大きくなった場合、サイクル特性のケ−カ間のラインは、スレッショルドＨを超えて快適空調温度範囲外となる。この場合、本実施形態では、圧縮機１の回転数を上げる。すると、圧縮機１の吸込み圧力（圧力計１２の圧力値Ｐ１２）が低下する。ゆえに、ケ−カ間のラインがスレッショルドＨ以下に戻る。その後、冷凍サイクルが平衡してから、最適過冷却度の観点から、冷凍サイクルの位置を調整ために、必要に応じて、切替弁８の切り替え及び開閉弁９の開閉を行う。
【００２７】
一方、冷凍負荷が圧縮機１の回転数が変化することなく冷凍負荷が小さくなった場合には、サイクル特性は、ア−イ−ウ−エの状態からサ−シ−ス−セの位置に移動する。この場合、冷凍負荷に対する適正な過冷却度は、「レ」の位置であるので、冷凍サイクル内の冷媒が容器１０側に流れるように切替弁８を切り替える。なお、冷凍負荷が更に小さくなり、セ−サ間のラインがスレッショルドＬを下回った場合は、圧縮機１の回転数を下げて、冷凍サイクルが平衡してから冷媒量を調整すればよい。
【００２８】
図５は、図１に示す冷凍装置の動作を示すフローチャートである。冷凍装置の電源がオンされると、制御手段１１は、例えば、温度計１４によって計測された蒸発器５の上流側の温度値Ｔ１４をレジスタ等から読み込む（ステップＡ）。
【００２９】
制御手段１１は、温度値Ｔ１４に基づいて、テーブルメモリ内の回転数データテーブルを参照し、対応する圧縮機１の回転数を読み出す。そして、圧縮機１に対して、この回転数で回転するように設定を行う（ステップＢ）。この圧縮機１がＤＣモータの様な場合には、設定された回転数まで始動回転数（最低周波数）から徐々に回転数を上げ起動し、順次連続周波数変更Ｅとなるので圧力の調整を行う。なお、温度値Ｔ１４を用いて圧縮機１の回転数を決定することは例示であり、他の温度値又は圧力値を用いて圧縮機１の回転数を設定してもよい。ここで、回転数データテーブルには、温度値Ｔ１４の温度１〜Ｎとそれに対応する回転数１〜Ｎとが一対で記憶されている。また、制御手段１１は、圧縮機１に設定した回転数をメモリに記憶しておく。
【００３０】
回転数を設定してからしばらくの間は、膨張弁４の初期絞り調整、凝縮器２の初期ファン速度調整などが行われるため、冷凍サイクルは、不安定な状態が続く。制御手段１１は、各温度計及び各圧力計からの値を参照し、冷凍サイクルが安定（平衡）状態となるまで、これらの監視を行う（ステップＣ）。
【００３１】
制御手段１１は、冷凍サイクルが安定した後、圧力計１２によって計測された圧縮機１の上流側の圧力値Ｐ１２をレジスタ等から読み込む。そして、制御手段１１は、圧力値Ｐ１２がスレッショルドＬ以上であるか否かを判定する（ステップＤ）。
【００３２】
判定の結果、圧力値Ｐ１２がスレッショルドＬ以上でない場合には、圧縮機１が適正な圧縮機性能（冷凍能力）に設定されていないので、圧縮機１の回転数をダウンする（ステップＦ）。つづいて、制御回路１１は、圧縮機１の回転数が連続して変更されたか否かを判別する（ステップＥ）。
【００３３】
ここで、制御手段１１は、以下説明するように圧縮機１の回転数を変更した場合には、その旨のフラグをたてるようにしている。このため、次回、ステップＥを実行する際に、このフラグの有無を確認すれば、当該回転数が連続して変更されたか否かを判定することが可能となる。なお、ステップＥを実行することにより、連続した回転数変化に対して平均的な圧縮動力となるよう冷媒圧縮圧力の調整処理（ステップＪ〜Ｎ）を行うか否かを判定するために設けている。ステップＥの判別の結果、圧縮機１の回転数が連続して変更されていない場合には、ステップＵへ移行する。
【００３４】
一方、ステップＥの判別の結果、圧縮機１の回転数が連続して変更されている場合には、負荷容量の増減や外気流入による急激な温度変化が想定されるので、冷凍装置の電源がオンされたときのような初期状態、つまり、圧縮機１の回転数を初期段階に設定し、かつ、冷凍サイクルの圧力を下限圧力（スレッショルドＬ）に設定する（ステップＪ）。
【００３５】
つぎに、制御回路１１は、ステップＪで設定した下限圧力と圧力値Ｐ１２とを比較する（ステップＫ）。比較の結果、下限圧力と圧力値Ｐ１２とが等しい場合には、ステップＵへ移行する。下限圧力より圧力値Ｐ１２が大きい場合には、容器１０内の冷媒を冷凍サイクルに注入するために、切替弁８を冷媒が経路Ａ側へ流れるように切り替え、かつ、開閉弁９を開ける（ステップＬ）。
【００３６】
一方、下限圧力より圧力値Ｐ１２が小さい場合には、冷凍サイクル内の冷媒を容器１０に蓄積するために、切替弁８を冷媒が経路Ｂ側へ流れるように切り替え、かつ、開閉弁９を閉じる（ステップＭ）。その後、ステップＬ，Ｍのいずれを実行した場合であっても、遅延タイマによってｔ秒間をカウントし終えるまで待機してからステップＫへ移行する（ステップＮ）。ステップＵに移行した場合も、ステップＮと同様に、遅延タイマによってｔ秒間をカウントし終えるまで待機してからステップＣへ移行する。
【００３７】
なお、ステップＪ〜Ｎを実行すると、冷凍サイクル内への冷媒封入量を適切にすることができる。したがって、大きな冷凍負荷の変動が生じても、圧縮機１の負荷が平均的な圧縮動力となるように冷媒圧縮圧力を調整できる。
【００３８】
また、ステップＤの判定の結果、圧力値Ｐ１２がスレッショルドＬ以上である場合には、制御回路１１は、圧力値Ｐ１２がスレッショルドＨ以下であるか否かを判定する（ステップＧ）。
【００３９】
判定の結果、圧力値Ｐ１２がスレッショルドＨ以下である場合には、ステップＯへ移行する。一方、圧力値Ｐ１２がスレッショルドＨ以下でない場合には、圧縮機１が適正な圧縮機性能（冷凍能力）に設定されていないので、圧縮機１の回転数をアップしてから、ステップＥへ移行する（ステップＩ）。
【００４０】
圧力値Ｐ１２がスレッショルドＬとスレッショルドＨとの間にある場合には、制御手段１１は、温度値Ｔ１３ｂと圧縮機１の回転数とに基づいて、テーブルメモリ内の最適過冷却度データテーブルを参照し、対応する最適過冷却度を読み出す（ステップＯ）。なお、温度値Ｔ１３ｂを用いることは例示であり、他の温度値又は圧力値を用いてもよい。ここで、最適過冷却度データテーブルには、温度値Ｔ１３の温度１〜Ｎ及び圧縮機１の回転数１〜Ｎと、これらに対応する最適過冷却度１１〜ＮＮとが一対で記憶されている。
【００４１】
制御回路１１は、最適過冷却度に１．０℃程度を加味した、最適過冷却度±Ｆ（０．５℃）と温度値１３ｂとを比較する。なお、本ステップで温度値１３ｂを用いることについても例示であることに留意されたい。最適過冷却度±Ｆと温度値１３ｂとが同じ場合には、ステップＵへ移行する。最適過冷却度±Ｆが温度値１３ｂよりも大きい場合には、ステップＱを経てステップＳへ移行する。最適過冷却度±Ｆが温度値１３ｂよりも小さい場合には、ステップＲを経てステップＳへ移行する。なお、ステップＱ〜Ｓは、ステップＬ〜Ｎと同様である。
【００４２】
以上説明したように、ステップＯ〜Ｓ等を実行すると、冷凍装置の冷房能力又は冷房負荷が増減したときにも、最適過冷却度となるように制御することができる。したがって、成績係数ＣＯＰが向上する。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、エアコンなどの空調機器に用いることができる。エアコンは、車載用、家庭用、業務用等、いずれにであっても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態の冷凍装置の模式的な構成図である。
【図２】図１に示す冷媒管１７と冷媒配管１６との連結部分の拡大図である。
【図３】冷凍管１６の変形例を示す図である。
【図４】図１に示す冷凍装置の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。
【図５】図１に示す冷凍装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４５】
１  圧縮機
２  凝縮器
４  膨張弁
５  蒸発器
７  分離器
８  切替弁
９  開閉弁
１０  容器
１１  制御回路
１３，１３ｂ，１４，１４ｂ  温度計
【図１】
2006329588.tif 000003
【図２】
2006329588.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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