JP2008249239A - 冷却装置の制御方法、冷却装置および冷蔵倉庫 - Google Patents

Abstract

【課題】高温の保管物が入庫された場合などにも、冷媒漏れ判定の誤検知の可能性の低い冷却装置の制御方法を得ることを目的とする。
【解決手段】圧縮機１０、凝縮器１１、絞り装置１２、蒸発器１３の順に冷媒を循環させる冷媒回路を有した、冷蔵倉庫に使用される冷却装置１０１の制御方法であって、冷蔵倉庫内部の空気温度を計測する庫内空気温度センサ１と、蒸発器出口の冷媒温度を計測する蒸発器出口温度センサ２とを備え、庫内空気温度センサ１の計測値と蒸発器出口温度センサ２の計測値との差と、予め定めた判定基準値Ｘとの比較に基づいて、冷媒回路の冷媒漏れの有無を判定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、圧縮機、凝縮機、絞り装置および蒸発器を備えた冷却装置、その制御方法、その冷却装置を備えた冷蔵倉庫（単に冷蔵庫とも称する）に関する。

現在、冷蔵庫用冷却装置には、多種多様な冷媒が封入されているが、その中には、可燃性・毒性を有するものがあり、冷却装置の冷媒回路からの冷媒の漏れは環境や安全性の点から問題となる。また、冷媒回路から冷媒が漏れると冷却装置の十分な能力を発揮できない。

このような問題に対応するため、従来より、冷媒回路からの冷媒漏れを検出する技術が開発されている。例えば、冷媒回路を構成する蒸発器の出入口の双方に冷媒温度を計測する温度センサを備え、冷却運転中の両センサの温度差により冷媒漏れを判定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平９−１４８１１号公報

しかしながら上記特許文献１の場合、冷却装置が備えられている冷蔵倉庫に、高温の保管物が入庫された場合などの過渡的に庫内温度が上昇する場合においては、誤検知の可能性があった。また、従来は、蒸発器内部の圧力損失が判定値に加味できておらず、検知精度の点でも問題があった。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、使用されている冷蔵倉庫に、高温の保管物が入庫された場合などにも、冷媒漏れ判定の誤検知の可能性が低い冷却装置の制御方法を得ることを目的とする。
また、冷媒回路からの冷媒の漏れを、精度良く検知することができる冷却装置の制御方法を得ることも目的とする。
併せて、上記の方法を実行する手段を備えた冷却装置、およびその冷却装置を備えた冷蔵倉庫を提案するものである。

この発明は、圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器の順に冷媒を循環させる冷媒回路を有した、冷蔵倉庫に使用される冷却装置の制御方法であって、冷蔵倉庫内部の空気温度を計測する庫内空気温度センサと、前記蒸発器出口の冷媒温度を計測する蒸発器出口温度センサとを備え、前記庫内空気温度センサの計測値と前記蒸発器出口温度センサの計測値との差と、予め定めた判定基準値Ｘとの比較に基づいて、前記冷媒回路の冷媒漏れの有無を判定するものである。
また、圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器の順に冷媒を循環させる冷媒回路を有した、冷蔵倉庫に使用される冷却装置の制御方法であって、前記蒸発器出口の冷媒圧力を計測する蒸発器出口圧力センサと、前記蒸発器出口の冷媒温度を計測する蒸発器出口温度センサと、外気温度を計測する外気温度センサとを備え、前記蒸発器出口圧力センサの計測値を予め記憶していた算式に当てはめて蒸発温度を算出し、前記蒸発器出口温度センサの計測値と前記算出された蒸発温度との差が、予め定めた判定基準値を外気温度と庫内空気温度または目標庫内温度とに応じて調整した判定基準値Ｙ以上の場合に、前記冷媒回路の冷媒漏れが発生していると判定するものである。

前者の発明の場合には、庫内空気温度を判定値のパラメータとしているため、高温の保管物が入庫された場合などにも、冷媒漏れ判定の誤検知の可能性を低くできる。
また、後者の発明の場合には、蒸発器出口の冷媒の温度および圧力の情報を判定値に取り込んでいるため、冷媒漏れの検知精度が向上する。さらに、外気温度などを考慮して判定基準値Ｙを調整するため、より精度の高い冷媒漏れ検知を実現させることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る冷却装置及びその制御方法を実施するための構成図である。図１の冷却装置１０１は、圧縮機１０、凝縮器１１、絞り装置１２、蒸発器１３が冷媒配管により順に接続された冷媒回路を有する。なお、本発明の冷却装置は、冷蔵倉庫（以下、単に冷蔵庫という）、特にプレハブなどで形成された小型の業務用冷蔵庫に用いられることを前提としている。

冷却装置１０１にはさらに、冷蔵庫内部の空気温度を計測する庫内空気温度センサ１、蒸発器１３出口の冷媒温度を計測する蒸発器出口温度センサ２、凝縮温度または凝縮器１出口の冷媒温度を計測する凝縮温度センサ３、蒸発器１３入口の冷媒温度を計測する蒸発器入口温度センサ４を備える。なお、凝縮温度センサ３と蒸発器入口温度センサ４は、後述する実施の形態２で使用するものであり、実施の形態１ではなくてもよい。

また、各センサ１〜４の計測値を取り込み、その情報を基に、冷媒回路からの冷媒漏れを判定するコントローラ（制御装置）１４を備えている。コントローラ（制御装置）１４は、圧縮機１０や絞り装置１２にも作用して、それらの動作を制御する。
さらに、コントローラ（制御装置）１４は無線又は有線の通信回線を介して、冷蔵庫外部の遠隔操作装置１５に接続されている。

図２は上記の冷却装置１０１が設置された冷蔵庫１００の一例を示す外観図である。図２では、１つの冷蔵庫１００に１台の冷却装置１０１が設置された例を示している。なお図２中の符号１１０は、冷蔵庫１００の扉を表している。

図１において、正常運転時には、コントローラ１４は、庫内空気温度センサ１が計測する庫内温度を用いて冷却装置１０１の運転/停止を制御し、蒸発器出口温度センサ２が計測する蒸発器出口冷媒温度を用いて除霜運転終了のタイミングを制御している。
このように構成された冷却装置において、冷媒配管から何らかの理由で冷媒漏れが発生した場合に、これを検出する方法について、以下に説明する。

冷媒回路全体の体積に変化がない状態で、冷媒漏れにより冷媒回路内部の冷媒量が減少すると、単位体積中に存在する冷媒量が減少し、その結果、高圧圧力、低圧圧力とも正常運転状態に対して低くなり、冷却装置の冷却能力が低下する。その状態を、示したのが図３のモリエル線図であり、点線で示した状態Ａが正常状態を、実線で示した状態Ｂが冷媒漏れが発生して冷媒回路内の冷媒量が減少した状態を示している。

冷媒回路内の冷媒量が減少すると、冷蔵庫内部の冷却負荷が発する熱量が、冷却装置の冷却能力を上回るため、冷蔵庫内部の温度が上昇する。冷媒密度が小さく、庫内温度が高いため、蒸発器１３内部で顕熱変化を行う領域が多くなり、蒸発器１３出口における冷媒温度が上昇し、最終的には、蒸発器１３出口における冷媒温度と、冷蔵庫内部の空気温度がほぼ同一となる。この温度変化の一例をしたものが図６の表とグラフである。

実施の形態１に示す冷却装置の制御方法である冷媒漏れ検知は、この特性を利用して、「判定値△Ｔ＝(庫内空気温度センサ１の計測値)−(蒸発器出口温度センサ２の計測値)」の値が、予めコントローラ１４に記憶させてある判定基準値Ｘ以下となる状態が予め定めた時間（所定時間）以上継続した場合に、冷媒漏れが発生していると判断する。なお、その判断結果は、庫外の遠隔操作装置１５に通報するようにしておくものとする。
なお、判定基準値Ｘや上記所定時間は、同種の冷却装置を用いた実験またはシミュレーションなどを行って、予め定めることができる。

このように庫内空気温度を判定値に含めているため、高温の保管物が入庫された場合などにも、冷媒漏れ判定の誤検知の可能性を低くできる。また、温度センサのみを用いて冷媒漏れの有無の判定（冷媒漏れ検知）が可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、庫内空気温度センサ１と蒸発器出口温度センサ２を利用して冷媒漏れの有無を判定したが、実施の形態２では、冷媒漏れ検知の精度を向上させるため、凝縮温度または凝縮器１１出口の冷媒温度を計測するための凝縮温度センサ３の計測値も利用する。すなわち、実施の形態１で冷媒漏れ有無の判断基準としていた「判定値△Ｔが判定基準値Ｘ以下となる状態が所定時間以上継続した場合」に加えて、「凝縮温度の低下（＝高圧圧力の低下）」を新たに判定基準とし、これらの２条件が同時に成り立つ場合においてのみ、冷媒回路から冷媒漏れが発生していると判断するものである。
なお、判定基準「凝縮温度の低下」が、冷媒漏れ検知に対して有効であることは、図６の表およびグラフから明らかである。

これにより、庫内温度の推移による影響を受けやすい判定値△Ｔに対し、高圧圧力の値で一意に定まる凝縮温度を判定基準に加えているため、例えば冷蔵庫扉１１０の開放による庫内温度上昇といった、過渡的な温度変化の影響を受けにくい冷媒漏れ検知を行うことができ、冷却装置制御の信頼性が向上する。

なお、凝縮温度センサ３の計測値に代えて、蒸発器入口温度センサ４の計測値を利用し、「蒸発器入口温度の低下(＝低圧圧力の低下)」を判断基準としても、同等の効果が得られる。

実施の形態３．
実施の形態３ではさらに別の方法による冷媒回路からの冷媒漏れ検知方法を説明する。図４は本発明の実施の形態３に係る冷却装置及びその制御方法を実施するための構成図である。図４において、図１と同じ符号は同一物または相当物を表している。図４において新たに加えられた要素は、蒸発器１３の出口の冷媒圧力を計測する蒸発器出口圧力センサ５と、凝縮器１１の吸込み空気温度を計測する凝縮器吸込み空気温度センサ（外気温度センサ）６である。

この構成において冷媒漏れ検知は、コントローラ１４により次のように行われる。
（１）蒸発器出口圧力センサの計測値を、コントローラ１４に予め記憶している算式に当てはめ、蒸発温度を計算する。
（２）次に、「（蒸発器出口温度センサ２の計測値）−（上記で求めた蒸発温度）」により判定値である蒸発器出口過熱度を求める。
（３）そして、蒸発器出口過熱度が判定基準値Ｙ以上であれば、ガス漏れが発生していると判断する。
なお、判定基準値Ｙは、同種の冷却装置を用いた実験またはシミュレーションなどを行って、予め定めることができる。

冷媒回路からの冷媒漏れが発生すると、冷凍サイクル中の冷媒密度が下がり、低圧が下がってくるのに対し、庫内温度は冷却能力が低下してくるため、上昇（または他系統の冷却により維持）し、蒸発器出口過熱度の値が大きくなる。従来の方法による判定値は、「（蒸発出口温度）−（蒸発器入口温度）」であり、その判定値は、蒸発器内部の熱交換で付加される過熱度と熱交換器内部の圧力損失を温度換算した値の合算である。

熱交換器内部の圧力損失は、熱交換器のスペックや冷媒流量によって変動するため、従来の判定値ではこのばらつき分を見込んだ判定値とする必要があり、精度の高いものではなかった。
これに対して本発明の実施の形態３では、蒸発器出口圧力の飽和温度をパラメータとしているため、判定値に蒸発器内部の圧力損失は含まれず、より精度の高い判定値を得ることができる。

ところで、空冷式熱交換器の性能は、吸込み空気温度と内部を流れる冷媒温度の差により変化する。このため、蒸発器吸込み空気温度が上昇するほど、蒸発器の熱交換能力が上昇し、蒸発器出口過熱度の値が大きくなる。
一方、冷却装置の周囲温度が高くなると、凝縮温度が上昇するため、圧縮機１０の能力が低下する。この影響により、冷却装置の周囲温度が上昇するほど、冷却能力が低下し、蒸発器出口過熱度が減少する傾向がある。
このため、外気温度と、目標庫内温度または庫内空気温度の組合せにより、判定基準値Ｙを随時変化させることが好ましい。

そこで、この実施の形態３では、凝縮器吸込み空気温度センサ（外気温度センサ）６の計測値と、遠隔操作装置１５などに記憶されている目標庫内温度または庫内空気温度センサ１の計測値との組合せにより、判定基準値Ｙを随時変化させる（調整する）。これにより、より精度の高い冷媒漏れ検知が実現できる。
なお、判定基準値Ｙの調整は、蒸発器吸込み空気温度と蒸発器出口過熱度の関係、冷却装置の周囲温度と蒸発器出口過熱度の関係を、実験またはシミュレーションなどを行って予め求めておき、その関係に基づいて行うものとする。

実施の形態４．
実施の形態１〜３では、１つの冷蔵庫に対して、１台の冷却装置で庫内を冷却する構成を前提に説明してきたが、実施の形態４では、システムの冗長性を持たせるために、１つの冷蔵庫に対して、複数の冷却装置を設置する構成としたものである。

図５は本発明の実施の形態４に係る冷蔵庫の一例を示す外観図であり、１つの冷蔵庫２００に対して、冷却装置２０１と冷却装置２０２を備えた構成となっている。冷却装置２０１および２０２は、図１または図４の冷却装置と同様の機能を有する。また、それぞれ単独で冷蔵庫２００の庫内温度を維持するのに十分な能力を有しており、仮にどちらか１台に異常が発生しても、冷蔵庫２００の庫内温度は目標とする範囲内に維持される。

この構成において、冷却装置２０１に冷媒漏れが発生したときの冷却装置２０１の各部温度の推移を示したものが、図７の表とグラフである。
図７からわかるように、冷却能力低下による庫内温度上昇がない場合においても、判定値△Ｔは冷媒漏れの進行にしたがって減少しており、△Ｔを用いた冷媒漏れ有無の検知は、冷却装置を複数台設置した場合においても有効であることが分かる。

なお、上記各実施の形態において、冷媒漏れが発生していると判断した場合、コントローラ１４は圧縮機１０に作用して圧縮機１０を停止させ、冷凍装置の運転を停止させるようにしておくことが好ましい。
また、蒸発器出口温度センサ２を、除霜運転の終了を判断するために用いられる除霜用温度センサと兼用すれば、冷却装置に設ける温度センサの個数を少なくできる。
さらに、上記各実施の形態において、圧縮機１０の停止中若しくは冷却装置の除霜運転中は、正確な検知ができないおそれがあるため、冷媒漏れの検知を行わないようにするのが好ましい。

本発明の実施の形態１に係る冷却装置及びその制御方法を実施するための構成図。 図１の冷却装置を備えた冷蔵庫の一例を示す外観図。 冷却装置が冷媒漏れもなく正常に運転している状態(図中の状態Ａ)と、冷媒漏れが発生して回路内部の冷媒量が減少した状態(図中の状態Ｂ)の一例を示した、モリエル線図。 本発明の実施の形態３に係る冷却装置及びその制御方法を実施するための構成図。 本発明の実施の形態４に係る冷蔵庫の一例を示す外観図。 図１の構成において、冷却装置の冷媒漏れが進行していった場合の各部温度の推移の一例を示した表およびグラフ。 ２つの冷却装置がある場合において、１台の冷却装置の冷媒漏れが進行していった場合の各部温度の推移の一例を示した表およびグラフ。

符号の説明

１ 庫内空気温度センサ、２ 蒸発器出口温度センサ、３ 凝縮温度センサ、４ 蒸発器入口温度センサ、５ 蒸発器出口圧力センサ、６ 凝縮器吸込み空気温度センサ（外気温度センサ）、１０ 圧縮機、１１ 凝縮器、１２ 絞り装置、１３ 蒸発器、１４ コントローラ（制御装置）、１５ 遠隔操作装置、１００ 冷蔵倉庫、１０１ 冷却装置、１１０ 冷蔵庫扉、２００ 冷蔵倉庫、２０１ 冷却装置、２０２ 冷却装置、２１０ 冷蔵庫扉。

Claims (9)

1. 圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器の順に冷媒を循環させる冷媒回路を有した、冷蔵倉庫に使用される冷却装置の制御方法であって、
   冷蔵倉庫内部の空気温度を計測する庫内空気温度センサと、前記蒸発器出口の冷媒温度を計測する蒸発器出口温度センサとを備え、
   前記庫内空気温度センサの計測値と前記蒸発器出口温度センサの計測値との差と、予め定めた判定基準値Ｘとの比較に基づいて、前記冷媒回路の冷媒漏れの有無を判定することを特徴とする冷却装置の制御方法。
2. 凝縮温度または凝縮器出口冷媒温度を計測する凝縮温度センサを備え、
   前記庫内空気温度センサの計測値と前記蒸発器出口温度センサの計測値との差が、予め定めた判定基準値Ｘ以下となる状態が所定時間以上継続し、かつ、前記凝縮温度センサの計測値が低下した場合に、前記冷媒回路の冷媒漏れが発生していると判定することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置の制御方法。
3. 蒸発器入口の冷媒温度を計測する蒸発器入口温度センサを備え、
   前記庫内空気温度センサの計測値と前記蒸発器出口温度センサの計測値との差が、予め定めた判定基準値Ｘ以下となる状態が所定時間以上継続し、かつ、前記蒸発器入口温度センサの計測値が低下した場合に、前記冷媒回路の冷媒漏れが発生していると判定することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置の制御方法。
4. 圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器の順に冷媒を循環させる冷媒回路を有した、冷蔵倉庫に使用される冷却装置の制御方法であって、
   前記蒸発器出口の冷媒圧力を計測する蒸発器出口圧力センサと、前記蒸発器出口の冷媒温度を計測する蒸発器出口温度センサと、外気温度を計測する外気温度センサとを備え、
   前記蒸発器出口圧力センサの計測値を予め記憶していた算式に当てはめて蒸発温度を算出し、
   前記蒸発器出口温度センサの計測値と前記算出された蒸発温度との差が、予め定めた判定基準値を外気温度と庫内空気温度または目標庫内温度とに応じて調整した判定基準値Ｙ以上の場合に、前記冷媒回路の冷媒漏れが発生していると判定することを特徴とする冷却装置の制御方法。
5. 冷媒漏れが発生していると判断した場合に、前記冷蔵倉庫の外部に異常状態を通報することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の冷却装置の制御方法。
6. 冷媒漏れが発生していると判断した場合、冷凍装置の運転を停止させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の冷却装置の制御方法。
7. 前記蒸発器出口温度センサは、除霜運転の終了を判断するために用いられる除霜用温度センサと兼用されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の冷却装置の制御方法。
8. 圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器の順に冷媒を循環させる冷媒回路を備えた冷蔵倉庫に使用される冷却装置であって、
   請求項１〜７のいずれかの制御方法を実行するための制御装置が備えられていることを特徴とする冷却装置。
9. 請求項８の冷却装置が１台以上設置されていることを特徴とする冷蔵倉庫。

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