冷凍装置
【課題】庫内温度上昇要因を特定することができる冷凍装置を提供することを目的とする。
【解決手段】冷媒を圧縮して吐出する圧縮機１１と、熱交換により冷媒を凝縮させる凝縮器１２と、凝縮に係る冷媒を減圧させるための絞り装置２１と、減圧に係る冷媒と空気とを熱交換して冷媒を蒸発させる蒸発器２２とを配管接続して冷媒回路を構成し、冷却対象の空間内における冷蔵庫１００内側及び空間外の庫外壁側の温度を検知する庫内温度検知手段１０２及び庫外温度検知手段１０１と、庫内温度検知手段１０２及び庫外温度検知手段１０１の検知に係る温度に基づいて、冷却能力及び庫外壁側から庫内側に伝わる侵入熱による冷却負荷を演算し、侵入熱を含む、定常的な冷却負荷の大きさに基づいて冷蔵庫１００内の温度上昇要因を特定する制御装置３０とを備える。
【解決手段】冷媒を圧縮して吐出する圧縮機１１と、熱交換により冷媒を凝縮させる凝縮器１２と、凝縮に係る冷媒を減圧させるための絞り装置２１と、減圧に係る冷媒と空気とを熱交換して冷媒を蒸発させる蒸発器２２とを配管接続して冷媒回路を構成し、冷却対象の空間内における冷蔵庫１００内側及び空間外の庫外壁側の温度を検知する庫内温度検知手段１０２及び庫外温度検知手段１０１と、庫内温度検知手段１０２及び庫外温度検知手段１０１の検知に係る温度に基づいて、冷却能力及び庫外壁側から庫内側に伝わる侵入熱による冷却負荷を演算し、侵入熱を含む、定常的な冷却負荷の大きさに基づいて冷蔵庫１００内の温度上昇要因を特定する制御装置３０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、冷蔵庫内の温度を維持・管理するための冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冷蔵庫内等の空間を冷却対象とする冷凍装置では、制御目標である庫内温度を管理するために、冷媒の流れにおいて、絞り装置より下流側における冷媒圧力（以下「低圧圧力」と称す）を、一定の範囲内に収めるように制御を行っている。これにより、蒸発器において冷媒との熱交換を行った空気の温度、冷却能力等を調整し、適切な庫内温度管理を行っている。
【０００３】
一方、冷凍装置の構成要素である圧縮機に着目すると、圧縮機の吸入側圧力（低圧圧力に近い圧力）と吐出圧力の差が小さいほど圧縮機の運転負荷が軽くなり、消費電力あたりの冷却能力（いわゆるＣＯＰ：成績係数）が高くなるという性質がある。このため、省エネルギーでの運転を実現するためには、低圧圧力を極力高い圧力に維持することが重要となる。
【０００４】
そこで、従来の冷凍装置では、冷蔵庫内の温度の推移から冷却能力の過不足を判断し、この判断結果に基づいて冷凍装置の低圧圧力の制御目標を適切な値に変化させることで、省エネルギーとなるように運転を行っていた。（例えば、非特許文献１参照）
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】三菱冷蔵庫冷却システム据付工事説明書(ＷＴ０５９０８Ｘ０１)、２０１０年６月２０日、ｐ.１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ただ、実際には、庫内温度の上昇要因として、例えば、（１）冷蔵庫外壁からの侵入熱による冷却負荷の増大、（２）冷蔵庫内の保管物からの発熱による冷却負荷の増大、（３）冷蔵庫の扉の開閉による換気負荷の増大など様々ある。このため、庫内温度の上昇要因を特定することができれば、温度上昇に対する制御として低圧圧力の制御目標値を下げる設定を行うことだけに限らなくてよい場合もある。
【０００７】
例えば、上記の（１）のような侵入熱に係る冷却負荷を要因とする温度上昇の場合には、恒常的な冷却能力不足が発生しているため、低圧圧力の制御目標値を下げて、さらに圧縮機の運転周波数を高くして、冷却能力を増加させる。一方で、例えば、上記の（２）、（３）の換気負荷等による温度上昇の場合、侵入熱による要因の場合に比べて庫内温度が急激に上がりやすい。このため、例えば圧縮機の運転周波数を一時的に変更するなどして、より短時間で冷却能力を変化させることができる制御をする方がよい。
【０００８】
このような点について、例えば従来の技術では、庫内温度の推移のみで冷却能力の過不足を判断していたため、庫内温度の上昇は検知できたとしても、温度上昇の要因までは特定しづらかった。庫内温度の上昇要因に応じた制御が行えているとは言えなかった。
【０００９】
また、上記の（２）、（３）のような負荷を要因とする温度上昇の場合、庫内温度上昇は一時的な要因により、長期的に冷却能力不足が発生しているわけではない。このため、一時的に上昇した庫内温度を下げてしまえば、低圧圧力の制御目標値を下げるように制御しなくても必要冷却能力を確保することができる。
【００１０】
この点について、例えば従来の技術のように、上昇要因に関わらず、低圧圧力の制御目標値を下げるように制御することで、低圧圧力の制御目標値が、本来の最適値に対して低めに設定されてしまい、省エネルギー性の向上をはかれなくなるおそれがあった。
【００１１】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、庫内温度上昇要因を特定することができる冷凍装置を提供することを目的とする。さらに、庫内温度が上昇した原因に基づき、過度の低圧圧力の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る冷凍装置は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、熱交換により冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮に係る冷媒を減圧させるための絞り装置と、減圧に係る冷媒と空気とを熱交換して冷媒を蒸発させる蒸発器とを配管接続して冷媒回路を構成し、冷却対象の空間となる冷蔵庫内側及び空間外の庫外壁側の温度を検知する温度検知手段と、温度検知手段の検知に係る温度に基づいて、冷却能力及び庫外壁側から庫内側に伝わる侵入熱による冷却負荷を演算し、侵入熱を含む、定常的な冷却負荷の大きさに基づいて冷蔵庫内の温度上昇要因を特定する制御装置とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明に係る冷凍装置は、冷蔵庫内側及び空間外の庫外壁側の温度を検知する温度検知手段の検知に係る温度に基づいて冷却能力及び侵入熱による冷却負荷を演算し、定常的な冷却負荷の大きさに基づいて冷蔵庫内の温度上昇要因を特定するようにしたので、冷蔵庫内の温度上昇要因を特定することができる。
【００１４】
また、冷却能力が不足している場合の対応策として、特定した温度上昇要因に基づき、目標蒸発温度の変更以外の制御も行うことで、冷却システムの効率低下を抑制でき、省エネルギー性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態における冷凍装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態における制御装置３０の処理の流れを表す図である。
【図３】この発明の実施の形態における低圧圧力と冷却能力との関係を表す図である。
【図４】この発明の実施の形態において、圧縮機１１の運転周波数と冷凍サイクルとの関係を表すｐ−ｈ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態．
図１は本発明の実施の形態における冷凍装置の概略を示す図である。図１に示すように、本実施の形態の冷凍装置は、内側の空間を冷却対象空間とする冷蔵庫１００外に設置された熱源機１０と冷蔵庫１００内に設置された冷却機２０とを有している。そして、熱源機１０が有する圧縮機１１及び凝縮器１２と冷却機２０が有する絞り装置２１及び蒸発器２２とを配管接続し、冷媒回路を構成する。ここで、本実施の形態における冷蔵庫１００は例えば家庭用の冷蔵庫であってもよいし、業務用のショーケース、冷蔵、冷凍用の倉庫等であってもよい。また、以下で説明する温度、圧力の高低については、特に絶対的な値との関係で高低等が定まっているものではなく、装置等における状態、動作等において相対的に定まる関係に基づいて表記しているものとする。
【００１７】
圧縮機１１は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。本実施の形態では、圧縮機１１にインバータ装置等を備え、運転周波数を任意に変化させることで、圧縮機１１の容量（単位時間あたりの冷媒を送り出す量）を細かく変化させることができるものとする。凝縮器１２は、圧縮機１１が圧縮した冷媒と空気（室外の空気）との熱交換を行い、冷媒を凝縮して液化させる。
【００１８】
例えば膨張弁等の絞り装置２１は、開度を変化させることで、蒸発器２２内における冷媒の圧力、冷媒量を調整するために設ける。蒸発器２２は、絞り装置２１によって低圧状態になった冷媒と冷蔵庫１００内の空気との熱交換を行う。冷媒は空気の熱を奪い、蒸発して気化し、空気を冷却する。
【００１９】
また、本実施の形態の冷凍装置は、庫内温度検知手段１０２、庫外温度検知手段１０１及び扉開閉検知手段１０３を有している。庫内温度検知手段１０２、庫外温度検知手段１０１は、それぞれ冷蔵庫１００の内壁面、外壁面に取り付けられ、検知した温度に係る信号を制御装置３０に送る。また、扉開閉検知手段１０３は、冷蔵庫１００の扉の開閉を検知し、信号を制御装置３０に送る。制御装置３０は冷凍装置の各機器を制御する装置である。特に本実施の形態においては、冷蔵庫１００内の温度上昇要因を判断し、判断に基づく制御を行う。ここで、本実施の形態において、制御装置３０は、扉開閉検知手段１０３の検知に基づいて扉の開放時間を計測するため、タイマ等の計時手段（図示せず）を有している。
【００２０】
次に、冷凍装置の各構成機器における動作等を、冷媒回路を循環する冷媒の流れに基づいて説明する。まず、圧縮機１１は、冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は凝縮器１２へ流入する。凝縮器１２は、送風機、ポンプ等（図示せず）から供給される空気、水等と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化させる。凝縮液化した冷媒は絞り装置２１を通過する。絞り装置２１は、通過する凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は蒸発器２２に流入する。蒸発器２２は、冷蔵庫１００内の空気との熱交換により冷媒を蒸発ガス化する。蒸発ガス化した冷媒を圧縮機１１が吸入する。
【００２１】
さらに、本実施の形態における制御装置３０が行う処理等について説明する。本実施の形態における冷凍装置では、冷蔵庫１００内の温度を、庫内温度検知手段１０２により管理する。制御装置３０は、庫内温度検知手段１０２の検知した温度が庫内温度管理範囲の上限値（以下サーモＯＮ値と記す）に達したものと判断すると、冷却機２０等の運転動作を開始させて、蒸発器２２における熱交換により冷蔵庫１００内を冷却する。また、庫内温度管理範囲の下限値（以下サーモＯＦＦ値と記す）に達すると、冷却機２０等の運転動作を停止させることで、冷蔵庫１００内の温度（庫内温度）を所定範囲内に維持するようにしている。
【００２２】
ここで、冷凍装置は、冷蔵庫１００内の空気を介して庫内温度の維持をはかるものであるため、庫内温度を直接制御することができない。そのため、蒸発器２２内を流れる冷媒の蒸発温度に相当する低圧圧力をパラメータとして、庫内温度と蒸発温度との差が一定の値となるように蒸発温度の制御を行っている。
【００２３】
このような構成の冷凍装置において、庫内温度を所望する温度に維持するための必要冷却能力Ｑは、冷蔵庫１００の壁面を介して伝わる侵入熱、冷蔵庫１００内の保管物より発生する熱量など、様々な要因により変化する。このため庫内温度を安定させるためには、必要冷却能力Ｑの変化に応じて、冷凍装置が冷蔵庫１００内の空気に供給する冷却能力（熱量）であるシステム能力ＱSYS を変更する必要がある。
【００２４】
ここで、必要冷却能力Ｑは、庫内温度上昇を抑えるために必要な冷却能力ということでもあるため、冷蔵庫１００の内容積Ｖが既知であれば、庫内温度検知手段１０２の検知に係る温度からサーモＯＦＦ中の庫内温度変化ΔＴを計測することにより、次式（１）から求めることができる。ここで、ρAIR は空気密度［ｋｇ／ｍ3 ］、ＣAIR は空気比熱［ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）］であり、事前に設定可能な既知の値である。
Ｑ＝Ｑ（定常）＋Ｑ（過渡）＝ΔＴ×Ｖ×ρAIR ×ＣAIR ／３６００ …（１）
【００２５】
また、必要冷却能力Ｑは、冷蔵庫１００の壁面からの侵入熱、内部機器（例えば電灯など）の発生熱による定常的な冷却負荷Ｑ（定常）と、扉開閉の都度発生する換気熱量や保管物より発生する熱量による過渡的な冷却負荷Ｑ（過渡）とに大別することができる。Ｑ（定常）は、次式（２）に示すように、冷蔵庫１００の壁面からの侵入熱Ｑ（侵入）と内部機器の発生熱量Ｑ（内部機器）に分けることができる。
Ｑ（定常）＝Ｑ（侵入）＋Ｑ（内部機器） …（２）
【００２６】
また、冷蔵庫１００の壁面からの侵入熱Ｑ（侵入）は、冷蔵庫１００内外の空気間の熱交換量という考え方もできる。そこで、冷蔵庫１００壁面の熱伝導率Ｂ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］と表面積Ａ（ｍ2 ）とが既知であれば、庫内温度検知手段１０２の検知に係る温度の値ＴINと庫外温度検知手段１０１の検知に係る温度の値ＴOUT とに基づいて、次式(３)によりＱ（侵入）を求めることができる。また、Ｑ（内部機器）については、冷蔵庫１００内の機器構成により決まる値であり、既知の値といえる。
Ｑ（侵入）＝Ｂ×Ａ×（ＴOUT −ＴIN） …（３）
【００２７】
さらに、Ｑ（過渡）は、次式（４）に示すように、扉開閉の都度発生する換気熱量Ｑ（換気）と保管物より発生する熱量Ｑ（保管物）とに大別することができる。このうち、Ｑ（換気）は扉開閉時間に比例するため、Ｑ（過渡）が上昇する時間帯と扉開閉検知手段１０３により得られる扉開放時間とが連動していればＱ（換気）が主要因とし、そうでなければＱ（保管物）が主要因とみなすことができる。
Ｑ（過渡）＝Ｑ（換気）＋Ｑ（保管物） …（４）
【００２８】
以上に述べた情報を総合することで、必要冷却能力Ｑとその能力を必要とする負荷の概略構成比が求められ、冷凍装置の制御に活用することが可能となる。
【００２９】
図２は制御装置３０が行う必要冷却能力Ｑに対する処理の流れを表す図である。まず、制御装置３０は、必要冷却能力Ｑが減少したかどうかを判断する（Ｓ１）。減少したものと判断すると、冷凍装置が冷蔵庫１００内の空気に供給しているシステム能力ＱSYS が過多であるものとし、低圧圧力の目標値を上げる設定を行う（Ｓ２）。そして、システム能力ＱSYS を下げるとともに、圧縮機１１の運転効率を上げて、省エネルギーを実現する運転ができるようにする。
【００３０】
また、必要冷却能力Ｑが減少していないと判断すると、必要冷却能力Ｑが増加しているかどうかを判断する（Ｓ３）。必要冷却能力Ｑが増加していないと判断すると、Ｓ１に戻って判断を行う。必要冷却能力Ｑが増加していると判断すると、以下のようにして必要冷却能力Ｑの増加要因（冷蔵庫１００内の温度上昇要因）を判断して制御パラメータの変更等を行い、冷凍装置の機器を制御してシステム能力ＱSYS を供給する。
【００３１】
図３は本実施の形態における低圧圧力と冷却能力との関係を表す図である。Ｑ（定常）／Ｑ＞０．５であるかどうかを判断する（Ｓ４）。Ｑ（定常）／Ｑ＞０．５であると判断すると、定常的な冷却負荷Ｑ（定常）が必要冷却能力Ｑの半分よりも多く占める主要因となっているものとする。このため、一時的なものでなく定常的に冷却能力不足が発生しているとして、冷媒回路における低圧圧力の制御目標値を下げる設定処理を行う（Ｓ５）。例えば図３に示すようにＬＰ１からＬＰ２に下げる。このとき、例えば開度を狭めるように絞り装置２１に指示する等の制御を行う。
【００３２】
図４は本実施の形態における圧縮機１１の運転周波数と冷凍サイクルとの関係の一例を表すｐ−ｈ線図である。低圧圧力の制御目標値を下げることで、実際の低圧圧力と目標値の差が大きくなる。このため、制御装置３０は熱源機１０の圧縮機１１の運転周波数を上げる制御を行って、冷媒回路内の冷媒が、例えば図４の破線で示す冷凍サイクルの状態となるように移行しようとする。
【００３３】
一方で、冷却機２０側の能力は図３に示すような関係にあるため、圧縮機１１の運転周波数アップをうけてシステムのバランス圧力はＬＰ２に下がり、結果的にシステム能力ＱSYS はＱ１からＱ２に増加する。
【００３４】
Ｑ（定常）／Ｑ＞０．５でないと判断すると、Ｑ（過渡）の増加が主要因であるものとする。そして、扉開閉検知手段１０３の検知に基づいて、扉開放時間が２分以上であるかどうかを判断する（Ｓ６）。特に限定するものではないが、本実施の形態において、扉開放時間が２分以上というのは、直近５分間において扉が開放された時間の合計が２分以上であるものとする。２分以上であるものと判断すると、換気負荷Ｑ（換気）による負荷上昇と判断し、低圧圧力の現在値と目標値との差に関係なく、圧縮機１１の運転周波数を一時的に上げる（Ｓ７）。これにより、システム能力ＱSYS は図４に示すＱ３まで上昇し、急速冷却を行う。そして、庫内温度が目標の範囲内に入ったものと判断すると、圧縮機１１の運転周波数を元に戻し、庫内温度が下がりすぎるのを防止する。この結果、庫内温度の急激な変化に対しても追従性の高い庫内温度制御を行うことができる。
【００３５】
扉開放時間が２分以上でないものと判断すると、保管物からの発生熱Ｑ（保管物）による負荷を要因する温度上昇があったものとして処理を行う。この場合は、保管物の種類によって急速冷凍が好ましいケースも、緩慢冷却が望ましいケースもありうるが、本実施の形態では、例えば、その中間的な制御を行うものとし、低圧圧力の制御目標値を少しだけ下げる（Ｓ５における制御目標値よりも下げ幅を小さくする）処理を行い、また、圧縮機１１の運転周波数を少しだけ上げる（Ｓ７よりも上げ幅を小さくする）制御を行う（Ｓ８）。
【００３６】
以上のように、本実施の形態の冷凍装置によれば、例えば、庫内温度検知手段１０２及び庫外温度検知手段１０１の検知に係る温度に基づいて冷蔵庫１００の壁面を介して冷蔵庫１００内に侵入する侵入熱Ｑ（侵入）を算出し、Ｑ（侵入）に基づいて得られる冷却負荷Ｑ（定常）から、必要冷却能力Ｑにおいて、一時的に生じる冷却負荷Ｑ（過渡）より定常的に生じる冷却負荷Ｑ（定常）の割合が多いかどうかを判断し、Ｑ（定常）が多いと判断すれば低圧圧力の制御目標値を下げる処理を行い、Ｑ（過渡）が多いと判断すれば、例えば、低圧圧力の制御目標値をそのままにして圧縮機１１の運転周波数を上げるようにする等、庫内温度の上昇要因に基づいてパラメータ変更等を行うようにしているので、例えば一時的な温度上昇に対しては急速冷却、恒常的な温度上昇に対しては低圧圧力の制御目標値の見直しといったように、状況に応じた運転を選択して行うことができ、冷蔵庫１００内の厳密な温度管理をすることができる。
【００３７】
また、低圧圧力の制御目標値を低下させるだけでなく、庫内温度の上昇要因に対して他の制御を行うことができるようにしたので、冷媒回路において必要以上に低圧圧力が下がることを防止することができ、圧縮機１１の運転効率を向上させることができ、省エネルギーをはかった運転を行うことができる。
【００３８】
また、Ｑ（過渡）の割合が多い場合に、制御装置３０は、扉開閉検知手段１０３の検知に基づいて、扉開放時間を判断するようにしたので、扉の開放による温度上昇要因を正確に判断することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 熱源機、１１ 圧縮機、１２ 凝縮器、２０ 冷却機、２１ 絞り装置、２２ 蒸発器、３０ 制御装置、１００ 冷蔵庫、１０１ 庫外温度検知手段、１０２ 庫内温度検知手段、１０３ 扉開閉検知手段。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、冷蔵庫内の温度を維持・管理するための冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冷蔵庫内等の空間を冷却対象とする冷凍装置では、制御目標である庫内温度を管理するために、冷媒の流れにおいて、絞り装置より下流側における冷媒圧力（以下「低圧圧力」と称す）を、一定の範囲内に収めるように制御を行っている。これにより、蒸発器において冷媒との熱交換を行った空気の温度、冷却能力等を調整し、適切な庫内温度管理を行っている。
【０００３】
一方、冷凍装置の構成要素である圧縮機に着目すると、圧縮機の吸入側圧力（低圧圧力に近い圧力）と吐出圧力の差が小さいほど圧縮機の運転負荷が軽くなり、消費電力あたりの冷却能力（いわゆるＣＯＰ：成績係数）が高くなるという性質がある。このため、省エネルギーでの運転を実現するためには、低圧圧力を極力高い圧力に維持することが重要となる。
【０００４】
そこで、従来の冷凍装置では、冷蔵庫内の温度の推移から冷却能力の過不足を判断し、この判断結果に基づいて冷凍装置の低圧圧力の制御目標を適切な値に変化させることで、省エネルギーとなるように運転を行っていた。（例えば、非特許文献１参照）
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】三菱冷蔵庫冷却システム据付工事説明書(ＷＴ０５９０８Ｘ０１)、２０１０年６月２０日、ｐ.１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ただ、実際には、庫内温度の上昇要因として、例えば、（１）冷蔵庫外壁からの侵入熱による冷却負荷の増大、（２）冷蔵庫内の保管物からの発熱による冷却負荷の増大、（３）冷蔵庫の扉の開閉による換気負荷の増大など様々ある。このため、庫内温度の上昇要因を特定することができれば、温度上昇に対する制御として低圧圧力の制御目標値を下げる設定を行うことだけに限らなくてよい場合もある。
【０００７】
例えば、上記の（１）のような侵入熱に係る冷却負荷を要因とする温度上昇の場合には、恒常的な冷却能力不足が発生しているため、低圧圧力の制御目標値を下げて、さらに圧縮機の運転周波数を高くして、冷却能力を増加させる。一方で、例えば、上記の（２）、（３）の換気負荷等による温度上昇の場合、侵入熱による要因の場合に比べて庫内温度が急激に上がりやすい。このため、例えば圧縮機の運転周波数を一時的に変更するなどして、より短時間で冷却能力を変化させることができる制御をする方がよい。
【０００８】
このような点について、例えば従来の技術では、庫内温度の推移のみで冷却能力の過不足を判断していたため、庫内温度の上昇は検知できたとしても、温度上昇の要因までは特定しづらかった。庫内温度の上昇要因に応じた制御が行えているとは言えなかった。
【０００９】
また、上記の（２）、（３）のような負荷を要因とする温度上昇の場合、庫内温度上昇は一時的な要因により、長期的に冷却能力不足が発生しているわけではない。このため、一時的に上昇した庫内温度を下げてしまえば、低圧圧力の制御目標値を下げるように制御しなくても必要冷却能力を確保することができる。
【００１０】
この点について、例えば従来の技術のように、上昇要因に関わらず、低圧圧力の制御目標値を下げるように制御することで、低圧圧力の制御目標値が、本来の最適値に対して低めに設定されてしまい、省エネルギー性の向上をはかれなくなるおそれがあった。
【００１１】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、庫内温度上昇要因を特定することができる冷凍装置を提供することを目的とする。さらに、庫内温度が上昇した原因に基づき、過度の低圧圧力の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る冷凍装置は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、熱交換により冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮に係る冷媒を減圧させるための絞り装置と、減圧に係る冷媒と空気とを熱交換して冷媒を蒸発させる蒸発器とを配管接続して冷媒回路を構成し、冷却対象の空間となる冷蔵庫内側及び空間外の庫外壁側の温度を検知する温度検知手段と、温度検知手段の検知に係る温度に基づいて、冷却能力及び庫外壁側から庫内側に伝わる侵入熱による冷却負荷を演算し、侵入熱を含む、定常的な冷却負荷の大きさに基づいて冷蔵庫内の温度上昇要因を特定する制御装置とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明に係る冷凍装置は、冷蔵庫内側及び空間外の庫外壁側の温度を検知する温度検知手段の検知に係る温度に基づいて冷却能力及び侵入熱による冷却負荷を演算し、定常的な冷却負荷の大きさに基づいて冷蔵庫内の温度上昇要因を特定するようにしたので、冷蔵庫内の温度上昇要因を特定することができる。
【００１４】
また、冷却能力が不足している場合の対応策として、特定した温度上昇要因に基づき、目標蒸発温度の変更以外の制御も行うことで、冷却システムの効率低下を抑制でき、省エネルギー性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態における冷凍装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態における制御装置３０の処理の流れを表す図である。
【図３】この発明の実施の形態における低圧圧力と冷却能力との関係を表す図である。
【図４】この発明の実施の形態において、圧縮機１１の運転周波数と冷凍サイクルとの関係を表すｐ−ｈ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態．
図１は本発明の実施の形態における冷凍装置の概略を示す図である。図１に示すように、本実施の形態の冷凍装置は、内側の空間を冷却対象空間とする冷蔵庫１００外に設置された熱源機１０と冷蔵庫１００内に設置された冷却機２０とを有している。そして、熱源機１０が有する圧縮機１１及び凝縮器１２と冷却機２０が有する絞り装置２１及び蒸発器２２とを配管接続し、冷媒回路を構成する。ここで、本実施の形態における冷蔵庫１００は例えば家庭用の冷蔵庫であってもよいし、業務用のショーケース、冷蔵、冷凍用の倉庫等であってもよい。また、以下で説明する温度、圧力の高低については、特に絶対的な値との関係で高低等が定まっているものではなく、装置等における状態、動作等において相対的に定まる関係に基づいて表記しているものとする。
【００１７】
圧縮機１１は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。本実施の形態では、圧縮機１１にインバータ装置等を備え、運転周波数を任意に変化させることで、圧縮機１１の容量（単位時間あたりの冷媒を送り出す量）を細かく変化させることができるものとする。凝縮器１２は、圧縮機１１が圧縮した冷媒と空気（室外の空気）との熱交換を行い、冷媒を凝縮して液化させる。
【００１８】
例えば膨張弁等の絞り装置２１は、開度を変化させることで、蒸発器２２内における冷媒の圧力、冷媒量を調整するために設ける。蒸発器２２は、絞り装置２１によって低圧状態になった冷媒と冷蔵庫１００内の空気との熱交換を行う。冷媒は空気の熱を奪い、蒸発して気化し、空気を冷却する。
【００１９】
また、本実施の形態の冷凍装置は、庫内温度検知手段１０２、庫外温度検知手段１０１及び扉開閉検知手段１０３を有している。庫内温度検知手段１０２、庫外温度検知手段１０１は、それぞれ冷蔵庫１００の内壁面、外壁面に取り付けられ、検知した温度に係る信号を制御装置３０に送る。また、扉開閉検知手段１０３は、冷蔵庫１００の扉の開閉を検知し、信号を制御装置３０に送る。制御装置３０は冷凍装置の各機器を制御する装置である。特に本実施の形態においては、冷蔵庫１００内の温度上昇要因を判断し、判断に基づく制御を行う。ここで、本実施の形態において、制御装置３０は、扉開閉検知手段１０３の検知に基づいて扉の開放時間を計測するため、タイマ等の計時手段（図示せず）を有している。
【００２０】
次に、冷凍装置の各構成機器における動作等を、冷媒回路を循環する冷媒の流れに基づいて説明する。まず、圧縮機１１は、冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は凝縮器１２へ流入する。凝縮器１２は、送風機、ポンプ等（図示せず）から供給される空気、水等と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化させる。凝縮液化した冷媒は絞り装置２１を通過する。絞り装置２１は、通過する凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は蒸発器２２に流入する。蒸発器２２は、冷蔵庫１００内の空気との熱交換により冷媒を蒸発ガス化する。蒸発ガス化した冷媒を圧縮機１１が吸入する。
【００２１】
さらに、本実施の形態における制御装置３０が行う処理等について説明する。本実施の形態における冷凍装置では、冷蔵庫１００内の温度を、庫内温度検知手段１０２により管理する。制御装置３０は、庫内温度検知手段１０２の検知した温度が庫内温度管理範囲の上限値（以下サーモＯＮ値と記す）に達したものと判断すると、冷却機２０等の運転動作を開始させて、蒸発器２２における熱交換により冷蔵庫１００内を冷却する。また、庫内温度管理範囲の下限値（以下サーモＯＦＦ値と記す）に達すると、冷却機２０等の運転動作を停止させることで、冷蔵庫１００内の温度（庫内温度）を所定範囲内に維持するようにしている。
【００２２】
ここで、冷凍装置は、冷蔵庫１００内の空気を介して庫内温度の維持をはかるものであるため、庫内温度を直接制御することができない。そのため、蒸発器２２内を流れる冷媒の蒸発温度に相当する低圧圧力をパラメータとして、庫内温度と蒸発温度との差が一定の値となるように蒸発温度の制御を行っている。
【００２３】
このような構成の冷凍装置において、庫内温度を所望する温度に維持するための必要冷却能力Ｑは、冷蔵庫１００の壁面を介して伝わる侵入熱、冷蔵庫１００内の保管物より発生する熱量など、様々な要因により変化する。このため庫内温度を安定させるためには、必要冷却能力Ｑの変化に応じて、冷凍装置が冷蔵庫１００内の空気に供給する冷却能力（熱量）であるシステム能力ＱSYS を変更する必要がある。
【００２４】
ここで、必要冷却能力Ｑは、庫内温度上昇を抑えるために必要な冷却能力ということでもあるため、冷蔵庫１００の内容積Ｖが既知であれば、庫内温度検知手段１０２の検知に係る温度からサーモＯＦＦ中の庫内温度変化ΔＴを計測することにより、次式（１）から求めることができる。ここで、ρAIR は空気密度［ｋｇ／ｍ3 ］、ＣAIR は空気比熱［ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）］であり、事前に設定可能な既知の値である。
Ｑ＝Ｑ（定常）＋Ｑ（過渡）＝ΔＴ×Ｖ×ρAIR ×ＣAIR ／３６００ …（１）
【００２５】
また、必要冷却能力Ｑは、冷蔵庫１００の壁面からの侵入熱、内部機器（例えば電灯など）の発生熱による定常的な冷却負荷Ｑ（定常）と、扉開閉の都度発生する換気熱量や保管物より発生する熱量による過渡的な冷却負荷Ｑ（過渡）とに大別することができる。Ｑ（定常）は、次式（２）に示すように、冷蔵庫１００の壁面からの侵入熱Ｑ（侵入）と内部機器の発生熱量Ｑ（内部機器）に分けることができる。
Ｑ（定常）＝Ｑ（侵入）＋Ｑ（内部機器） …（２）
【００２６】
また、冷蔵庫１００の壁面からの侵入熱Ｑ（侵入）は、冷蔵庫１００内外の空気間の熱交換量という考え方もできる。そこで、冷蔵庫１００壁面の熱伝導率Ｂ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］と表面積Ａ（ｍ2 ）とが既知であれば、庫内温度検知手段１０２の検知に係る温度の値ＴINと庫外温度検知手段１０１の検知に係る温度の値ＴOUT とに基づいて、次式(３)によりＱ（侵入）を求めることができる。また、Ｑ（内部機器）については、冷蔵庫１００内の機器構成により決まる値であり、既知の値といえる。
Ｑ（侵入）＝Ｂ×Ａ×（ＴOUT −ＴIN） …（３）
【００２７】
さらに、Ｑ（過渡）は、次式（４）に示すように、扉開閉の都度発生する換気熱量Ｑ（換気）と保管物より発生する熱量Ｑ（保管物）とに大別することができる。このうち、Ｑ（換気）は扉開閉時間に比例するため、Ｑ（過渡）が上昇する時間帯と扉開閉検知手段１０３により得られる扉開放時間とが連動していればＱ（換気）が主要因とし、そうでなければＱ（保管物）が主要因とみなすことができる。
Ｑ（過渡）＝Ｑ（換気）＋Ｑ（保管物） …（４）
【００２８】
以上に述べた情報を総合することで、必要冷却能力Ｑとその能力を必要とする負荷の概略構成比が求められ、冷凍装置の制御に活用することが可能となる。
【００２９】
図２は制御装置３０が行う必要冷却能力Ｑに対する処理の流れを表す図である。まず、制御装置３０は、必要冷却能力Ｑが減少したかどうかを判断する（Ｓ１）。減少したものと判断すると、冷凍装置が冷蔵庫１００内の空気に供給しているシステム能力ＱSYS が過多であるものとし、低圧圧力の目標値を上げる設定を行う（Ｓ２）。そして、システム能力ＱSYS を下げるとともに、圧縮機１１の運転効率を上げて、省エネルギーを実現する運転ができるようにする。
【００３０】
また、必要冷却能力Ｑが減少していないと判断すると、必要冷却能力Ｑが増加しているかどうかを判断する（Ｓ３）。必要冷却能力Ｑが増加していないと判断すると、Ｓ１に戻って判断を行う。必要冷却能力Ｑが増加していると判断すると、以下のようにして必要冷却能力Ｑの増加要因（冷蔵庫１００内の温度上昇要因）を判断して制御パラメータの変更等を行い、冷凍装置の機器を制御してシステム能力ＱSYS を供給する。
【００３１】
図３は本実施の形態における低圧圧力と冷却能力との関係を表す図である。Ｑ（定常）／Ｑ＞０．５であるかどうかを判断する（Ｓ４）。Ｑ（定常）／Ｑ＞０．５であると判断すると、定常的な冷却負荷Ｑ（定常）が必要冷却能力Ｑの半分よりも多く占める主要因となっているものとする。このため、一時的なものでなく定常的に冷却能力不足が発生しているとして、冷媒回路における低圧圧力の制御目標値を下げる設定処理を行う（Ｓ５）。例えば図３に示すようにＬＰ１からＬＰ２に下げる。このとき、例えば開度を狭めるように絞り装置２１に指示する等の制御を行う。
【００３２】
図４は本実施の形態における圧縮機１１の運転周波数と冷凍サイクルとの関係の一例を表すｐ−ｈ線図である。低圧圧力の制御目標値を下げることで、実際の低圧圧力と目標値の差が大きくなる。このため、制御装置３０は熱源機１０の圧縮機１１の運転周波数を上げる制御を行って、冷媒回路内の冷媒が、例えば図４の破線で示す冷凍サイクルの状態となるように移行しようとする。
【００３３】
一方で、冷却機２０側の能力は図３に示すような関係にあるため、圧縮機１１の運転周波数アップをうけてシステムのバランス圧力はＬＰ２に下がり、結果的にシステム能力ＱSYS はＱ１からＱ２に増加する。
【００３４】
Ｑ（定常）／Ｑ＞０．５でないと判断すると、Ｑ（過渡）の増加が主要因であるものとする。そして、扉開閉検知手段１０３の検知に基づいて、扉開放時間が２分以上であるかどうかを判断する（Ｓ６）。特に限定するものではないが、本実施の形態において、扉開放時間が２分以上というのは、直近５分間において扉が開放された時間の合計が２分以上であるものとする。２分以上であるものと判断すると、換気負荷Ｑ（換気）による負荷上昇と判断し、低圧圧力の現在値と目標値との差に関係なく、圧縮機１１の運転周波数を一時的に上げる（Ｓ７）。これにより、システム能力ＱSYS は図４に示すＱ３まで上昇し、急速冷却を行う。そして、庫内温度が目標の範囲内に入ったものと判断すると、圧縮機１１の運転周波数を元に戻し、庫内温度が下がりすぎるのを防止する。この結果、庫内温度の急激な変化に対しても追従性の高い庫内温度制御を行うことができる。
【００３５】
扉開放時間が２分以上でないものと判断すると、保管物からの発生熱Ｑ（保管物）による負荷を要因する温度上昇があったものとして処理を行う。この場合は、保管物の種類によって急速冷凍が好ましいケースも、緩慢冷却が望ましいケースもありうるが、本実施の形態では、例えば、その中間的な制御を行うものとし、低圧圧力の制御目標値を少しだけ下げる（Ｓ５における制御目標値よりも下げ幅を小さくする）処理を行い、また、圧縮機１１の運転周波数を少しだけ上げる（Ｓ７よりも上げ幅を小さくする）制御を行う（Ｓ８）。
【００３６】
以上のように、本実施の形態の冷凍装置によれば、例えば、庫内温度検知手段１０２及び庫外温度検知手段１０１の検知に係る温度に基づいて冷蔵庫１００の壁面を介して冷蔵庫１００内に侵入する侵入熱Ｑ（侵入）を算出し、Ｑ（侵入）に基づいて得られる冷却負荷Ｑ（定常）から、必要冷却能力Ｑにおいて、一時的に生じる冷却負荷Ｑ（過渡）より定常的に生じる冷却負荷Ｑ（定常）の割合が多いかどうかを判断し、Ｑ（定常）が多いと判断すれば低圧圧力の制御目標値を下げる処理を行い、Ｑ（過渡）が多いと判断すれば、例えば、低圧圧力の制御目標値をそのままにして圧縮機１１の運転周波数を上げるようにする等、庫内温度の上昇要因に基づいてパラメータ変更等を行うようにしているので、例えば一時的な温度上昇に対しては急速冷却、恒常的な温度上昇に対しては低圧圧力の制御目標値の見直しといったように、状況に応じた運転を選択して行うことができ、冷蔵庫１００内の厳密な温度管理をすることができる。
【００３７】
また、低圧圧力の制御目標値を低下させるだけでなく、庫内温度の上昇要因に対して他の制御を行うことができるようにしたので、冷媒回路において必要以上に低圧圧力が下がることを防止することができ、圧縮機１１の運転効率を向上させることができ、省エネルギーをはかった運転を行うことができる。
【００３８】
また、Ｑ（過渡）の割合が多い場合に、制御装置３０は、扉開閉検知手段１０３の検知に基づいて、扉開放時間を判断するようにしたので、扉の開放による温度上昇要因を正確に判断することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 熱源機、１１ 圧縮機、１２ 凝縮器、２０ 冷却機、２１ 絞り装置、２２ 蒸発器、３０ 制御装置、１００ 冷蔵庫、１０１ 庫外温度検知手段、１０２ 庫内温度検知手段、１０３ 扉開閉検知手段。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、熱交換により前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮に係る冷媒を減圧させるための絞り装置と、減圧に係る冷媒と空気とを熱交換して前記冷媒を蒸発させる蒸発器とを配管接続して冷媒回路を構成し、
冷却対象の空間となる冷蔵庫内側及び前記空間外の庫外壁側の温度を検知する温度検知手段と、
前記温度検知手段の検知に係る温度に基づいて、冷却能力及び前記庫外壁側から前記冷蔵庫内側に伝わる侵入熱による冷却負荷を演算し、前記侵入熱を含む、定常的な冷却負荷の大きさに基づいて前記冷蔵庫内の温度上昇要因を特定する制御装置と
を備えることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
前記冷蔵庫の扉の開放時間を検知するための扉開閉検知手段をさらに備え、
前記制御装置は、前記冷却能力における前記定常的な冷却負荷の割合に基づいて、前記冷蔵庫内の温度上昇が一時的なものであると判断すると、前記扉の開放時間に基づいて、前記冷蔵庫内の温度上昇が扉の開放によるものであるかを判断する処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記扉の開放時間に基づいて、前記冷蔵庫内の温度上昇が扉の開放によるものと特定すると、前記圧縮機の運転周波数を上げる制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記冷却能力における前記定常的な冷却負荷の割合に基づいて、前記冷蔵庫内の温度上昇が前記侵入熱によるものと特定すると、前記蒸発器の蒸発温度を設定する制御を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍装置。
【請求項５】
直近の所定時間において扉が開放された積算時間を前記扉の開放時間とすることを特徴とする請求項２又は３に記載の冷凍装置。
【請求項１】
冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、熱交換により前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮に係る冷媒を減圧させるための絞り装置と、減圧に係る冷媒と空気とを熱交換して前記冷媒を蒸発させる蒸発器とを配管接続して冷媒回路を構成し、
冷却対象の空間となる冷蔵庫内側及び前記空間外の庫外壁側の温度を検知する温度検知手段と、
前記温度検知手段の検知に係る温度に基づいて、冷却能力及び前記庫外壁側から前記冷蔵庫内側に伝わる侵入熱による冷却負荷を演算し、前記侵入熱を含む、定常的な冷却負荷の大きさに基づいて前記冷蔵庫内の温度上昇要因を特定する制御装置と
を備えることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
前記冷蔵庫の扉の開放時間を検知するための扉開閉検知手段をさらに備え、
前記制御装置は、前記冷却能力における前記定常的な冷却負荷の割合に基づいて、前記冷蔵庫内の温度上昇が一時的なものであると判断すると、前記扉の開放時間に基づいて、前記冷蔵庫内の温度上昇が扉の開放によるものであるかを判断する処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記扉の開放時間に基づいて、前記冷蔵庫内の温度上昇が扉の開放によるものと特定すると、前記圧縮機の運転周波数を上げる制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記冷却能力における前記定常的な冷却負荷の割合に基づいて、前記冷蔵庫内の温度上昇が前記侵入熱によるものと特定すると、前記蒸発器の蒸発温度を設定する制御を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍装置。
【請求項５】
直近の所定時間において扉が開放された積算時間を前記扉の開放時間とすることを特徴とする請求項２又は３に記載の冷凍装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−１９５５９（Ｐ２０１３−１９５５９Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５１０７２（Ｐ２０１１−１５１０７２）
【出願日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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