(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量制御可能な圧縮機により圧縮された冷媒ガスを凝縮器に導いて凝縮させ、該凝縮器から排出される冷媒液を膨張弁を介して水冷却器に導き、該水冷却器に通流される水を主成分とする被冷却水と熱交換させて蒸発させ、該水冷却器により蒸発された冷媒ガスを前記圧縮機に戻す冷凍サイクルを有し、前記水冷却器から流出される前記冷媒ガス圧力に相関する物理量の検出値が該物理量の設定値以下のときに前記圧縮機の容量を低下させる凍結防止制御手段を備えた冷凍装置において、
前記水冷却器から流出される前記被冷却水の流量に基づいて前記物理量の設定値を補正する補正手段を設けてなることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
前記凍結防止手段は、前記圧縮機の容量を連続的に又は段階的に低下させることを特徴とする請求項1に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記補正手段は、前記被冷却水の水量の変化に逆比例させて前記物理量の設定値を補正することを特徴とする請求項1又は２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記物理量は、前記水冷却器から流出される前記冷媒ガス圧力と前記水冷却器の流出側の水温と前記水冷却器における冷媒液の蒸発温度とのいずれか１つであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷凍装置。
【請求項５】
容量制御可能な圧縮機により圧縮された冷媒ガスを凝縮器に導いて凝縮させ、該凝縮器から排出される冷媒液を膨張弁を介して水冷却器に導き、該水冷却器に通流される水を主成分とする被冷却水と熱交換させて蒸発させ、該水冷却器により蒸発された冷媒ガスを前記圧縮機に戻す冷凍サイクルを有し、前記水冷却器の流出側の前記冷媒ガス圧力に相関する物理量の検出値が該物理量の設定値以下のときに前記圧縮機の容量を低下させる凍結防止制御手段を備えた冷凍装置において、
前記水冷却器から排出される前記被冷却水の流量を測定する水量計を設け、前記凍結防止制御手段は、前記水量計から出力される流量測定値に相関する前記物理量の凍結限界値に基づいて前記物理量の設定値を発生する設定値発生手段を有してなることを特徴とする冷凍装置。
【請求項６】
前記凍結防止制御手段は、前記設定値発生手段から発生された前記設定値よりも低い第２の設定値を定め、前記物理量の検出値が前記第２の設定値以下に低下した後、設定時間以上経過したとき、警報を出して前記圧縮機を停止させる停止信号を出力することを特徴とする請求項５に記載の冷凍装置。
【請求項７】
前記凍結防止制御手段は、前記停止信号を出力した後、前記圧縮機を再起動させる信号を出力する制御を、設定回数繰返すことを特徴とする請求項６に記載の冷凍装置。
【請求項８】
前記凍結防止制御手段は、前記第２の設定値よりも低い第３の設定値を定め、前記物理量の検出値が前記第３の設定値以下に低下したとき、警報を出して前記圧縮機を停止させる停止信号を出力することを特徴とする請求項５に記載の冷凍装置。
【請求項９】
前記圧縮機の制御手段は、前記圧縮機の停止信号を解除する手段を備えていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水冷却器を備えた冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の冷凍装置は、容量制御可能な圧縮機、凝縮器、減圧装置、及び水冷却器を備え、これらに冷媒を循環させる冷凍サイクルが形成されている。水冷却器には、水を主成分とする被冷却水（以下、水という）が通流するようになっており、水は、水冷却器で冷媒液の蒸発により熱を奪われることで冷却される。この冷却によって水の温度が凍結温度まで下がると、水が水冷却器の流路内で凍結し水が流れ難くなる問題がある。そのまま放置すると配管等を破裂させるおそれがある。
【０００３】
そこで、このような冷凍装置には、水の凍結を防止するための制御装置が設けられている。例えば、特開平10-205894号公報に記載のように、水の温度、冷媒の蒸発温度もしくは蒸発圧力が、水の凍結する温度または圧力以下にならないように、圧縮機の容量を低下させて冷媒の蒸発温度を上げることが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、水は、流れることにより、留まっている場合に比べて凍りにくくなることが一般に知られている。すなわち、水の温度が同じであっても水冷却器内を多量の水が流れていれば、凍結を起こさない場合がある。
【０００５】
しかし、上記従来技術においては、水の流量に関係無く水の温度などに基づいて圧縮機の容量を制御している。このため、水が凍結しない流量であるにもかかわらず圧縮機の容量を低下させることがあり、冷凍装置の冷却能力を最大限に利用できないという問題がある。
【０００６】
本発明の課題は、被冷却水の凍結を防止すると共に、冷凍装置の冷却能力を最大限に利用することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、容量制御可能な圧縮機により圧縮された冷媒ガスを凝縮器に導いて凝縮させ、この凝縮器から排出される冷媒液を膨張弁を介して水冷却器に導き、この水冷却器に通流される水を主成分とする被冷却水と熱交換させて蒸発させ、この水冷却器により蒸発された冷媒ガスを圧縮機に戻す冷凍サイクルを有し、水冷却器から流出される冷媒ガス圧力に相関する物理量の検出値が設定値以下のときに圧縮機の容量を低下させる凍結防止制御手段を備えた冷凍装置を対象とし、水冷却器から流出される被冷却水の流量に基づいて物理量の設定値を補正する補正手段を設けたことを特徴とする。
【０００８】
ここで、水冷却器から流出される冷媒ガス圧力に相関する物理量としては、水冷却器から流出される冷媒ガス圧力の他、水冷却器の流出側の水温又は水冷却器における冷媒液の蒸発温度（以下、冷媒ガス圧力等と称する）を用いることができる。
【０００９】
したがって、上記の補正手段により、例えば、被冷却水の水量の変化に逆比例させて冷媒ガス圧力等の設定値を補正することにより、被冷却水が凍結しにくい流量の場合は、圧縮機の容量制御を開始する冷媒ガス圧力等の設定値を下げることになる。その結果、低い冷媒ガス圧力等の範囲まで冷凍能力を有効に利用できる。一方、被冷却水の流量が減少した場合は、冷媒ガス圧力等の設定値を上昇させることにより、被冷却水の流量に応じて凍結を防止することができる。
【００１０】
また、圧縮機の容量制御は、冷媒ガス圧力等の設定値と検出値との差に応じて、連続的又は段階的に低下させることができる。
【００１１】
また、水冷却器から排出される被冷却水の流量は、水量計によって計測できる。さらに、凍結防止制御手段に、被冷却水の流量の測定値に相関する冷媒ガス圧力等の凍結限界値に基づいて冷媒ガス圧力等の設定値を発生する設定値発生手段を設けることができる。ここで、被冷却水の流量と冷媒ガス圧力等の凍結限界値との関係は、シミュレーションや実験等により求めることができる（図３参照）。
【００１２】
また、凍結防止制御手段は、設定値発生手段から発生された設定値よりも低い第２の設定値を定め、冷媒ガス圧力等の検出値が第２の設定値以下に低下した後、設定時間以上経過したとき、警報を出して圧縮機を停止させる停止信号を出力するように構成してもよい。この場合、停止信号を出力した後、圧縮機を再起動させる信号を出力する制御を、設定回数繰返すことが好ましい。これは、圧縮機を一旦停止させることにより冷却装置の異常が解消することがあるためである。
【００１３】
さらに、凍結防止制御手段は、第２の設定値よりも低い第３の設定値を定め、冷媒ガス圧力等の検出値が第３の設定値以下に低下したとき、警報を出して圧縮機を停止させる停止信号を出力する。これにより、圧縮機の容量を低下させる制御を行ったにもかかわらず被冷却水が凍結するおそれが解消しない場合に、警報を発し圧縮機を停止して安全を図ることができる。この場合、凍結防止制御手段は、圧縮機の停止信号を解除する手段を備えていることが好ましい。これにより、例えば、冷媒回収運転を行うときに凍結防止制御が働かないようにすることができる。
【００１４】
また、圧縮機の容量制御を行わない場合、凍結防止制御手段は、冷媒ガス圧力等の検出値に基づいて被冷却水の流量を増加させることができる。これにより、水冷却器を通流する被冷却水の凍結を防止することができる。この場合、圧縮機は、容量を制御できないものであってもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用してなる冷凍装置の実施形態について図１乃至図４を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる冷凍装置の構成を示した図である。図２は、本発明を適用してなる冷凍装置の凍結防止制御手順を示したフローチャートである。図３は、横軸に水の流量Ｆ、縦軸に冷媒の蒸発温度Ｔａを表し、水冷却器７における水が凍結しはじめる冷媒蒸気温度と水の流量との関係を示したグラフである。図４は、横軸に時間、縦軸に冷媒ガスの圧力を表し、容量制御による冷媒ガス圧力の変化を表したグラフである。
【００１６】
本実施形態の冷凍装置は、図１に示すように、容量制御可能な圧縮機１で圧縮された冷媒ガスは、凝縮器３に導かれて凝縮されるようになっている。凝縮器３で凝縮された冷媒液は、膨張弁５を介して水冷却器７に導かれ、水冷却器７を通流する水を主成分とする被冷却水と熱交換して蒸発し、圧縮機１へ戻されるようになっている。被冷却水は、例えば、凝固点を降下させる添加物を混ぜた水が用いられ、単なる水であってもよい。また、水冷却器７は、薄板を間隔をおいて多数並べて周縁部をシールし、各薄板間に形成された空間を交互に冷媒と水の流路としてなるプレート式熱交換器が適用されている。
【００１７】
水冷却器７に、ポンプ１３と配管１１とを介して被冷却水（以下、水と称する）が循環するようになっている。水冷却器７において冷媒液の蒸発により冷却された水は、配管９を介して図示していない例えば、冷蔵庫や室内機などの冷熱負荷へ導かれるようになっている。
【００１８】
また、水冷却器７から流出する冷媒ガスの圧力は、圧力検出器１５によって検出される。配管１１には、水の流量を検出する水量計１７が設けられている。圧力検出器１５及び水量計１７により、検出されたそれぞれの検出値は制御装置１９へ入力されるようになっている。制御装置１９は、圧縮機１を制御するようになっている。また、制御装置１９は、凍結防止制御手段を含んで構成され、冷媒ガス圧力と水の流量とに基づいて圧縮機１の容量を低下させて水の凍結を防止する制御を行うように構成されている。
【００１９】
次に、本発明の特徴部である凍結防止制御手段の構成と動作について、図２を参照して説明する。図２に示すように、制御を開始すると、まず、水量計１７から検出流量Ｆｗを取り込み（ステップＳ１）、検出流量Ｆｗに対する凍結限界圧力Ｐｏをデータベースから取り込む（ステップＳ２）。ここで、凍結限界圧力Ｐｏとは、水が凍結する限界の圧力であり、水の流量Ｆｗに応じて変化することから、その関係を予め実測などにより求めてデータベースに格納している。すなわち、水の温度は冷媒の蒸発温度に相関し、水が凍結はじめる冷媒の蒸発温度Ｔｏは、図３に示すように、水の流量が多くなるにつれて低下する関係がある。また、冷媒の蒸発温度は、冷媒ガスの圧力に相関する。そこで、水が凍結はじめるときの凍結限界圧力Ｐｏと検出流量Ｆｗとの関係をデータベースに設定する。なお、図３において、凍結温度曲線３０は、水が凍結はじめる冷媒の蒸発温度Ｔｏを示し、凍結温度曲線３０より温度の低い領域は水が凍結する凍結領域３１であり、温度の高い領域は水が凍結しない非凍結領域３２である。
【００２０】
次に、データベースから取り込んだ凍結限界圧力Ｐｏに基づいて、冷媒ガスの設定圧力Ｐ＊１、Ｐ＊２、Ｐ＊３を設定する（ステップＳ３）。ここで、Ｐ＊１は、Ｐ＊１≧Ｐｏの関係、つまり、Ｐｏと同等または若干高めに設定することが好ましいが、Ｐｏから一定の余裕を持たせて設定してもよい。また、Ｐ＊２、Ｐ＊３は、Ｐ＊１＞Ｐ＊２＞Ｐ＊３の関係に設定する。
【００２１】
次に、圧力検出器１５から検出圧力Ｐａを取り込み（ステップＳ４）、ＰａとＰ＊３、Ｐ＊２とを比較する（ステップＳ５、Ｓ６）。Ｐａ＞Ｐ＊３の場合、及びＰａ＞Ｐ＊２の場合は、ステップＳ７に進んでＰａとＰ＊１とを比較する。ステップＳ７において、Ｐａ＞Ｐ＊１である場合は、凍結するおそれがないのでステップＳ１に戻って上記のステップを繰り返す。
【００２２】
一方、Ｐａ≦Ｐ＊１の場合は、圧縮機１の容量をΔＱ低下させる信号を出力して（ステップＳ８）、ステップＳ１に戻る。これにより、制御装置１９は、圧縮機１の容量をΔＱ下げて冷媒ガスの圧力（蒸発圧力）を上げ、冷凍能力を低下させる。その結果、水の凍結を防止することができ、かつ、低い冷媒ガス圧力の範囲まで冷凍能力を有効に利用できる。なお、水の流量が減少した場合は、設定圧力Ｐ＊１を上昇させることにより、凍結を防止することができる。
【００２３】
ところで、圧縮機１の容量をΔＱ下げても、水冷却器７へ戻る水の温度が低い場合などは、冷媒の蒸発が抑えられて冷媒ガスの圧力が上昇しないことがある。例えば、図４に示すように、Ｐ＊１による容量制御を行っても冷媒ガス圧力が上昇しないでさらに低下するような場合である。このような場合は、図２のステップＳ６で対応する。つまり、図４において、冷媒ガス圧力ＰａがＰ＊２以下になると、タイマを起動させて（ステップＳ１１）圧縮機１の容量ΔＱ下げる制御信号を出力して圧縮機１の容量を下げる（ステップＳ８）。このような制御を繰り返しても冷媒ガス圧力がＰ＊２より低い状態が継続する場合は、タイマの満了により、圧縮機１を停止させる圧縮機停止信号（１）を出力する（ステップＳ１２）。続いて、周知のリトライ制御をステップＳ１３、Ｓ１４において行う。つまり、圧縮機１を再起動させる圧縮機再起動指令を出力し（ステップＳ１３）、このリトライ回数が規定の回数以上になった場合は（ステップＳ１４）、圧縮機１を停止させる圧縮機停止信号（２）を出力し凍結防止制御を終了する（ステップＳ１０）。
【００２４】
一方、ステップＳ５において、Ｐａ≦Ｐ＊３である場合は、圧縮機１を停止させる圧縮機停止信号（２）を出力し（ステップＳ１０）凍結防止制御を終了する。このステップＳ５、Ｓ１０は、Ｐ＊１、Ｐ＊２で対応することができない程の不都合が発生して圧縮機１を停止するものである。なお、ステップＳ１０において、圧縮機停止信号を出力する場合は、同時に警報を発するようにする。
【００２５】
上述した実施形態の変形例を以下に記載する。図５は、本発明を適用してなる冷凍装置の変形例を示した図である。図１に示す実施形態では、水冷却器から流出される冷媒ガスの圧力を検出し、検出圧力が、設定圧力以下になると圧縮機の容量を低下させる構成としたが、これに代えて、例えば、図５に示すように水温計２０を設けて水冷却器の流出側の水温を選択する構成とすることができる。また、水冷却器における冷媒の蒸発圧力、水冷却器における冷媒液の蒸発温度などの冷媒ガス圧力に相関する物理量を選択することができる。
【００２６】
また、図２に示す凍結防止手段の制御では、ステップＳ２において、検出流量Ｆｗに対応した凍結限界圧力Ｐｏをデータベースから取り込む構成としている。しかし、このデータベースに代えて、水の流量Ｆと冷媒ガス圧力Ｐａの凍結限界値から求められた凍結温度曲線３０（図３参照）の関数を記憶しておき、この演算により検出流量Ｆｗに対応する凍結限界圧力Ｐｏを求めるようにしてもよい。また、ステップＳ８において、低下させる圧縮機１の容量ΔＱは、微小または任意の大きさに設定できるものとする。これにより圧縮機１の容量連続的に又は段階的に低下させることができる。さらに、ステップＳ８において、圧縮機１の容量をΔＱ低下させる制御信号を出力する構成としたが、これに代えて、検出圧力Ｐａと設定圧力Ｐ＊１とを取り込み、偏差ΔＰ（＝Ｐａ−Ｐ＊１）を算出し、この偏差ΔＰに応じた大きさの容量ΔＱを低下させる構成とすることができる。
【００２７】
また、制御装置１９には、凍結防止制御手段の機能を停止するスイッチなどの手段を備えることが好ましい。これにより、例えば、冷媒回収運転を行うときに冷媒ガス圧力等が低下しても圧縮機の容量制御が作動しないようにすることができる。
【００２８】
また、例えば、ポンプ１３を、制御装置１９から出力される制御信号により水量を調整可能な構成とし、検出圧力Ｐａに基づいて水の流量を増加させることができる。これにより、圧縮機１が容量制御を行わない又は容量を制御できない構成のものであっても、水冷却器を通流する水の凍結を防止することができる。また、水の流量Ｆｗを増加させることができれば、容量制御可能なポンプに限らず、弁などの手段を用いることができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、被冷却水の凍結を防止すると共に、冷凍装置の冷却能力を最大限に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる冷凍装置の構成を示した図である。
【図２】本発明を適用してなる冷凍装置の凍結防止制御手順を示したフローチャートである。
【図３】水冷却器７における水が凍結しはじめる冷媒蒸発温度と水の流量との関係を示したグラフである。
【図４】容量制御によって変化する冷媒ガス圧力と時間との関係を示したグラフである
【図５】本発明を適用してなる冷凍装置の変形例を示した図である。
【符号の説明】
１  圧縮機
３  凝縮機
５  膨張弁
７  水冷却器
１５  圧力検出器
１７  水量計
１９  制御装置
【図１】
0004032130.tif 000002
【図２】
0004032130.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004032130.tif 000005
【図５】
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