JPH0459544B2 - - Google Patents

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JPH0459544B2
JPH0459544B2 JP59265518A JP26551884A JPH0459544B2 JP H0459544 B2 JPH0459544 B2 JP H0459544B2 JP 59265518 A JP59265518 A JP 59265518A JP 26551884 A JP26551884 A JP 26551884A JP H0459544 B2 JPH0459544 B2 JP H0459544B2
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temperature
compressor
evaporator
housing
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Daburyuu Shederu Jon
Jii Roodo Richaado
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Carrier Corp
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    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B13/00Compression machines, plants or systems, with reversible cycle
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
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  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、冷媒凝縮器から冷媒蒸発器への冷媒
流量が、圧縮すべき冷媒の温度状態に応答して調
整可能な膨脹弁によつて制御される冷却装置と、
その冷媒流量制御方法に関する。
冷却装置は、冷媒液が冷媒蒸気と一緒に圧縮機
のシリンダに入らないように設計しなけらばなら
ない。そのような「スラツギング」または「フラ
ツデイング」といわれる状態は、圧縮機に激しい
損傷を生じることがあるからである。理想的に
は、冷媒が蒸発器から出る前にすべて蒸発するよ
うに、蒸発器への冷媒の流れが冷媒膨脹弁によつ
て制御される。従来の冷却装置では、多くの場
合、膨脹弁を通過する冷媒の圧力、または、その
温度、および蒸発器から出る過熱冷媒の温度を検
出することにより、膨脹弁の冷媒流量を制御して
いる。そのような温度の差は当該技術分野では
「過熱度」と呼ばれており、従来の冷却装置の設
計では通常、前記スラツギング状態を回避すべ
く、蒸発器から出る冷媒の過熱度に大きな安全余
裕を見込む必要があつた。このように大きな安全
余裕を必要としたのは、圧縮機に入る冷媒の実際
の過熱度に影響を及ぼす冷却装置の様々の変数が
解明されておらず、また少ない冷媒過熱度の検出
は実際上困難であり、しかも、冷媒過熱度の変化
に対する前段の膨脹弁の応答が遅かつたからであ
る。そのような大きな安全余裕を得るために、蒸
発器の熱交換面積を必要以上に大きくして、冷媒
を完全に蒸発させるようにしている。換言すれ
ば、冷媒流量を熱交換面積に見合う量より少なく
し、ある一定のエネルギー入力に対する冷却装置
の能力を抑えている。
大部分の冷却装置では、蒸発器から出た冷媒蒸
気を圧縮機の圧縮部へ送り込まれる前に圧縮機の
モータと熱交換させることにより、そのモータを
冷し、さらに、システムの応答遅れにより圧縮機
に達することがある冷媒液を、圧縮機のシリンダ
に入る前に蒸発させるようにしている。冷媒が圧
縮機のモータを通過すると、圧縮機のシリンダに
入る冷媒は追過熱される。従来の冷却装置におい
ては、そのような追過熱度を考慮することなく、
膨脹弁の調整が行われていた。と言うのは、蒸発
器から出る冷媒の温度を検出するのが普通のやり
方であり、その検出温度に追過熱度は反映しない
からである。
本発明によれば、凝縮器から蒸発器へ流れる冷
媒の流量を制御する膨脹弁は、圧縮機のモータで
熱交換した後の、圧縮機の圧縮部へ入る冷媒の過
熱度に応じて制御される。このようにすれば、よ
り多量の冷媒を蒸発器へ送ることができるため、
蒸発器の熱交換面を効率的に利用できる。すなわ
ち、過熱度を!?かに正確に検出でき、圧縮機のモ
ータによる冷媒の追過熱度が蒸発器への冷媒供給
量の制御に反映されるから、ある一定の能力の冷
却装置を設計する場合、蒸発器の面積を減らすこ
とができる。好ましい実施例においては、冷媒が
往復圧縮機のシリンダに入る直前の位置で、冷媒
の過熱度がサーミスターによつて検出され、同サ
ーミスターからアナログ電気信号がマイクロコン
ピユータに供給される。このマイクロコンピユー
タからデジタル出力信号がステツプモータに供給
されて膨脹弁の位置が段階的に制御され、かくし
て膨脹弁の位置が素早く調整されて蒸発器への冷
媒流量が迅速に調整される。このような構成によ
れば、過熱度の変化に対する応答は非常に速くな
り、過熱度の安全余裕が相当減少されても圧縮機
のスラツギングが発生する危険がなく、したがつ
て、冷却装置の能力および効率をさらに向上でき
る。
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。こ
こで説明する冷却装置は、一般に水冷却装置また
はブライン冷却装置と呼ばれるもので、空冷の凝
縮器、往復圧縮機、および、冷媒を直接的に膨脹
させて水またはブラインと熱交換させ、それらを
冷却する冷却容器を使用している。ただし本発明
は、熱ポンプ、発熱を主要な目的とする機械、水
冷凝縮器、または他の種類の密封型圧縮機を用い
る機械に同様に適用できるものである。また、内
部の熱交換パイプの外側で水またはブラインを冷
却する直接膨脹蒸発容器に関して本発明を説明す
るが、当該装置は熱交換パイプの外側に冷媒が存
在する溢れ蒸発器、あるいは空気または他の流体
を直接冷却する蒸発器を採用することもできる。
さらに、上記形式の冷却装置は、実際的には、所
望の冷却能力または発熱能力が得られるように、
冷却容器、圧縮機をおよび凝縮器を並列に設けて
もよいし、あるいは複数の冷却回路を直列接続し
てもよい。
第1図に示す冷却装置1は制御装置2を備えてい
る。この冷却装置1は、往復圧縮機4、空冷凝縮
器6、モータ9によつて制御される冷媒膨脹弁8
を備えている。凝縮器6のパイプには、モータ駆
動のフアン12によつて空気が送られる。蒸発器
10は円筒状の容器であり、その端部に配置した
パイプシート18,19によつて複数の熱交換パ
イプ16を支持している。パイプシート18は蒸
発器容器の一端から離間し、冷媒ヘツダー20を
形成している。パイプシート19は蒸発容器の他
端と離間し、水平部23とともに入口ヘツダー2
1および出口ヘツダー22を形成している。普
通、冷却すべき水またはブラインを蒸発器容器内
の所望の通路へ指向させ、熱交換パイプ16と効
率的に熱伝達を行わせるためのバフル26が1枚
以上設けられる。
動作を説明すれば、冷媒蒸気は、蒸発器10の
出口ヘツダー22から吸い込み通路30を通じて
圧縮機4により吸い込まれる。この冷媒蒸気は、
圧縮機4の内部で圧縮され、熱ガス通路31を介
して凝縮器6へ送られ、そこで空気などの冷却媒
質との熱交換によつて凝縮し液体になる。この液
体冷媒は、膨脹弁8が途中に設けられた液体通路
32を通つて蒸発器10の冷媒入口ヘツダー21
へ戻る。ヘツダー21から膨脹した低圧冷媒が一
部の熱交換パイプ16を通つて冷媒ヘツダー20
へ流れ込み、そこから残りの熱交換パイプ16を
通つて冷媒出口ヘツダー22へ流れる。熱交換パ
イプ16を通過中に冷媒は蒸発し、暖水入口通路
28を介して蒸発器容器内に送り込まれた水を冷
す。蒸発器容器内で冷された冷水は、冷却のため
に冷水出口通路29を通じて所望の場所へ送られ
る。
制御装置2は、好ましくは、マイクロプロセツ
サ、メモリー、入出力回路、およびデジタル制御
可能なステツプモータ9を制御する電力スイツチ
ング素子からなるマイクロコンピユータ34によ
り構成される。ステツプモータ9は、膨脹弁8の
開閉量を段階的に調整して、凝縮器6から蒸発器
10へ流れる冷媒の流量を段階的に制御する。マ
イクロコンピユータ34は、サーミスター36,
38からアナログの温度入力信号を受け、それら
を処理してステツプモータ9を駆動するためのデ
ジタル出力信号を発生する。適切なマイクロコン
ピユータ制御膨脹弁と、そのステツプモータにつ
いては、同じ発明者の米国特許出願(代理人の事
件整理番号5414)にさらに詳細に延べられてい
る。
サーミスター36は、蒸発器10の冷媒入口ヘ
ツダー、または蒸発器内の飽和冷媒温度を検出す
るのに好適な他の場所に設けられた蒸発器プロー
ブ・アセンブリー40に含まれている。このプロ
ーブ・アセンブリー40は、サーミスター36を
ブシユ・シール・アセンブリー44を介して冷媒
入口ヘツダー21に挿入し、蒸発器に入る冷媒の
温度を検出するようになつている。この温度は、
熱交換パイプ16内で液体冷媒が完全に蒸発する
前の膨脹冷媒の飽和温度に相当する。サーミスタ
ー38は、圧縮機プローブ・アセンブリー42の
一部であり、圧縮機4のカバー内の所望位置での
冷媒温度を検出する。
第2図は、圧縮機4がさらに詳しく示されてい
る。圧縮機4は、密封型または半密封型のもので
あり、そのハウジング58は鋳造または引抜きに
よつて筒状に形成されている。ハウジング58の
内部には、モータ手段60(誘導型として示され
ている)と、圧縮手段62(往復型として示され
ている)が収容されている。モータ手段60は複
数の固定子巻線66と、かご形固定子巻線68を
備え、かご形固定子巻線68は回転軸70と連結
し、ハウジング58に支持された軸受71に回転
自在に支承されたクランク軸72にトルクを与え
るようになつている。圧縮手段62は1つ以上の
シリンダ76を有し、その内部に同数のピストン
74が設けられている。ピストン74は連接棒7
3によつてクランク軸72連結され、クランク軸
は冷媒蒸気を圧縮させるためにシリンダ内のピス
トンを往復動作させる。冷媒蒸気は冷媒吸い込み
弁78を介してシリンダ内に送り込まれ、各シリ
ンダに設けられた冷媒排出弁80を通じてシリン
ダから排出される。
吸い込み通路30から冷媒を圧縮機内へ送り込
むために冷媒吸い込み入口通路84が設けられ、
また、圧縮冷媒を熱ガス通路31へ排出するため
に圧縮冷媒蒸気出口通路86が設けられている。
蒸発器6から出た低温冷媒ガスは、吸い込み通路
30から冷媒蒸気入口通路84を通じて圧縮機4
内に入り、モータ手段60を冷却すべく、それと
熱交換しながら進む。この冷媒蒸気はモータ手段
60と熱交換しながら進み、その熱を吸収した
後、吸気マニホルド88を通つて圧縮手段62の
シリンダに入る。吸気マニホルド88によつて得
られる冷媒蒸気通路は、モータ手段60に対して
は下流側に位置し、吸い込み弁78およびシリン
ダ76に対しては上流側に位置する。したがつ
て、吸気マニホルド88に入る冷媒蒸気は、モー
タ手段60により追過熱されてから圧縮手段のシ
リンダに入る。冷媒蒸気はシリンダ76に入つて
ピストン74の往復により圧縮される。その圧縮
冷媒は冷媒排出弁80を通じて冷媒出口通路86
へ進み、そこから熱ガス通路31を通じて凝縮器
6へ進む。
圧縮機プローブ・アセンブリー42は、好まし
くは吸気マニホルド88内に配置され、ブシユ・
シール・アセンブリー45により温度プローブ4
3を吸気マニホルド88内へ延在させてなる。サ
ーミスター38はプローブ43内に設けられ、モ
ータ手段60と熱交換してモータ手段の下流側に
達し、圧縮手段62のシリンダ76に入る前の過
熱冷媒蒸気の温度を検出する。この位置では、冷
媒蒸気は完全に混合して均質であるから、過熱度
を正確に検出できる。プローブ43を圧縮機内の
他の場所に設け、モータ手段60との熱交換によ
る過熱後で、圧縮手段62に入る前の冷媒蒸気の
温度を検出してもよい。
本発明の好ましい本実施例においては、サーミ
スター36.38はアナログの温度信号を発生
し、それらの温度信号をマイクロコンピユータ3
4で処理することにより得られるデジタル出力信
号がステツプモータへ供給され、このステツプモ
ータで膨脹弁8の位置が段階的に制御される。し
かしながら、サーミスターの代わりに、感熱抵抗
器やその他の素子を用いて所望の温度、または、
それと等価な圧力を検出してもよい。
第3図は、上記信号処理を行う基本的なプログ
ラムのフローチヤートである。ステツプ101に
おいて、サーミスター36によつて検出された温
度、つまり蒸発器内の冷媒飽和温度が読み込ま
れ、温度t1として記憶される。ステツプ102
で、サーミスター38により検出された温度が読
み込まれ、過熱冷媒温度t2として記憶される。ス
テツプ103では、膨脹弁の絶対現在位置がメモ
リーから読み出され、マイクロプロセツサに入力
される。ステツプ104において、t2からt1を減
算することにより、サーミスター38によつて検
出された、圧縮手段に入る冷媒の過熱度が算出さ
れる。ステツプ105にて、適切な弁開閉アルゴ
リズムの計算が実行され、膨脹弁8を開閉させる
ための弁変化量信号すなわち誤差信号が生成され
る。そのアルゴリズムは、維持すべき所望過熱
度、および冷却装置、膨脹弁、そのステツプモー
タの特性の関数として決定される。例えば、冷却
装置の圧縮手段に入る冷媒の過熱度を15°Fに維持
する必要があり、したがつて、t2−t1−15°=0で
なければならない。t2−t1−15°の値が0でない場
合、種々の装置機能によつて、過熱度を15°Fに回
復させる位置まで膨脹弁を開くか閉じるための弁
変化量信号が作られ、偏差が調整される。なお、
弁変化量信号の発生において、膨脹弁の流量非直
線性や、所望過熱度からのある一定の偏差分だけ
膨脹弁で冷媒流量を調整する速度など、冷却装置
の諸特性を考慮してもよい。また、冷却装置の他
のパラメータ、例えば装置の過大もしくは過少圧
力、異常温度上昇、モータ過大電流、負荷変化、
冷媒流量を変化させる必要のある他の状態などを
検出してマイクロコンピユータに与え、検出され
た過熱度に基づき作られた弁変化量信号を打ち消
したり、修正したりするようにしてもよい。
ステツプ106において、ステツプ103で読
み出された現在弁位置およびステツプ105で得
られた弁変化量信号から、必要な新しい弁の位置
が計算される。例えば、ステツプモータ9は2極
のステツプモータであり、膨脹弁を完全に閉じた
位置から完全に開いた位置まで760ステツプが得
られる。冷却装置のある動作時点で、膨脹弁のゼ
ロ基準位置を確定するために膨脹弁は完全に閉じ
られる。その後、膨脹弁を直前の位置から開くか
または閉じるための弁変化量信号がステツプモー
タに供給される度に、マイクロコンピユータは膨
脹弁の絶対位置を呼び出す。ステツプ107で
は、蒸発器へ所望の流量の冷媒を供給するため
に、膨脹弁の現在位置に加算または減算すべきス
テツプモータの所要ステツプ数が計算される。そ
のような出力信号がマイクロプロセツサによつて
作られ、適当な出力駆動論理段108に印加さ
れ、そのデジタル出力信号によりステツプモータ
9の該当巻線がパルス駆動される結果、ステツプ
モータ9は所要ステツプ数だけ膨脹弁8を段階的
に開くか閉じる。
本発明においては、ステツプモータによつて膨
脹弁を制御する構成は、応答が精密かつ高速であ
り、また検出し決定した装置特性にしたがつて。
マイクロコンピユータで膨脹弁の所望位置を正確
に設定する制御に特に好適であるという利点を有
する。
また、圧縮機のモータ手段によつて冷媒に付加
される過熱度を考慮するので、冷媒液が圧縮手段
に入つて、それを破壊する危険を回避しつつ、蒸
発器から出る冷媒の過熱度を減らして冷却装置を
運転できる。その結果、蒸発器によつて付加しな
ければならない過熱度が減少し、蒸発器の熱交換
面積を減らすことができるという効果が得られ
る。さらに、冷却装置の重要な場所である圧縮機
のモータ手段と圧縮手段との間で過熱度を検出す
ることにより、冷却装置の冷媒流量を極めて正確
に制御できる。従来、蒸発器で与える必要があつ
た過熱度は、圧縮機に入る冷媒の安全な過熱度に
関する様々な推定に基づいて概算値であり、圧縮
手段に入る冷媒の実際の過熱度ではなかつた。冷
却装置の安全運転を期するには、安全係数を非常
に大きくする必要があつたため、殆どの場合、過
熱度が非常に過大な状態で冷却装置を運転する結
果になつていた。
本発明を適用すれば、過熱度を精密に決定する
ことができ、また、動作状態の異常などにより、
圧縮手段の入る冷媒の過熱度が設計値からずれた
場合に、迅速に冷媒流量を修正できる。したがつ
て、過剰過熱度余裕を大幅に減らしても、安全に
作動する冷却装置を設計できる。さらに、少ない
過熱度を確実に検出ないし測定することは難し
い。したがつて、蒸発器の出口における過熱度
(5°F程度が望ましい)を測定する場合、液体冷媒
による圧縮機のフラツデイングを防止するために
安全係数を大きくしなければならない。しかし、
本発明によるならば、冷媒過熱度の測定位置は、
圧縮機内部の冷媒が圧縮部分に入る場所であり、
そこでは過熱度はかなり高く例えば15°F程度であ
るから、容易に過熱度を充分正確に測定できる。
このように実際の過熱度を正確に検出できるた
め、必要な過熱度の安全係数をさらに減らすこと
ができる。
また、本発明においては、膨脹弁をデジタル制
御するので、従来装置よりも正確かつ迅速に冷媒
の流量を変化させることができるため、蒸発器か
ら出る冷媒の過熱度の安全余裕をさらに減らすこ
とができる。
このように、本発明によれば、システム内の冷
媒流量が精密かつ速やかに制御されるため、蒸発
器の熱交換面を大幅に縮小することができ、ある
いは、同じ蒸発器によつて一定のエネルギー入力
に対し従来装置より大きな冷却能力を得ることが
できる。その結果、冷却装置の初期コストが下が
り、能力が増大し、エネルギー効率が向上する。
なお、本発明は特許請求範囲に定義した本発明
の範囲内で種々変形して実施できることは勿論で
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による冷却装置とその制御装置
を示す概略図、第2図は過熱度測定用のセンサー
を最適位置に配置した圧縮機を示す部分断面図、
第3図は本発明によるマイクロプロセツサ構成の
制御装置で実行される基本的論理を示すフローチ
ヤートである。 1……冷却装置、2……制御装置、4……圧縮
機、6……凝縮器、8……膨脹弁、9……ステツ
プモータ、10……蒸発器、34……マイクロコ
ンピユータ、36,38……サーミスター、58
……ハウジング、60……モータ手段、62……
圧縮手段、74……ピストン、76……シリン
ダ、88……吸気マニホルド。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 冷却装置であつて、 A 冷媒液を蒸発させて冷却する蒸発器と、 B 冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器と、 C 前記蒸発器内で形成された冷媒蒸気を圧縮
    し、その圧縮冷媒蒸気を前記凝縮器へ送るもの
    であつて、ハウジングと、冷媒蒸気を圧縮する
    前記ハウジング内に配置された圧縮手段と、該
    圧縮手段を駆動する前記ハウジング内に配置さ
    れたモータ手段と、前記ハウジングを通じて、
    冷媒蒸気を前記モータ手段と熱交換させ該モー
    タ手段を冷してから前記圧縮手段へ送る前記ハ
    ウジング内に配置された冷媒通路手段とからな
    る圧縮機と、 D 前記凝縮器から前記蒸発器への冷媒の流量を
    制御する調整可能な冷媒膨張弁と、 E )アナログ温度信号を発生する感熱素子か
    らなり、当該冷却装置内のある場所に配置され、
    前記蒸発器内の冷媒の飽和温度に相当する第1の
    温度を検出する第1の温度センサーと、)アナ
    ログ温度信号を発生する感熱素子からなり、前記
    ハウジング内の前記冷媒通路手段内のある場所に
    配置され、前記モータ手段と前記圧縮手段との間
    のある場所において前記ハウジングを通過する冷
    媒の温度に相当する第2の温度を検出する第2の
    温度センサーと、)前記第1の温度センサーに
    検出された前記第1の温度と前記第2の温度セン
    サーに検出された前記第2の温度との差のある関
    数としてのデジタル過熱度制御信号を発生するよ
    うにプログラムされたマイクロコンピユータから
    なる信号処理手段とを有してなる制御手段と、 F デジタル制御可能なステツプモータからな
    り、前記冷媒膨脹弁に連結され、前記信号処理
    手段が発生する前記デジタル過熱度制御信号に
    応じて駆動され、前記デジタル過熱度制御信号
    に応じて前記冷媒膨脹弁を段階的に調整する弁
    モータと、 を有してなることを特徴とする冷却装置。 2 凝縮器、調整可能な冷媒膨脹弁、蒸発器およ
    び圧縮機を備え、前記圧縮機はそのハウジング
    で圧縮機モータと該圧縮機モータにより駆動さ
    れる圧縮手段を包囲してなる冷却装置内の冷媒
    の流量を制御する方法であつて、 A 冷媒を前記圧縮機モータと熱交換させ該圧縮
    機モータを冷してから前記圧縮手段へ送る段階
    と、 B 前記蒸発器内の冷媒の飽和温度に相当する前
    記冷却装置内の第1の温度を検出し、該第1の
    温度の関数としての第1の温度信号を発生する
    段階と、 C 前記圧縮機モータから前記圧縮手段に流入す
    る冷媒の温度に相当する前記圧縮機ハウジング
    内の第2の温度を検出し、該第2の温度の関数
    としての第2の温度信号を発生する段階と、 D 前記第1および第2の温度信号の差の関数と
    してのデジタル弁制御信号を発生する段階と、 E 前記デジタル弁制御信号に応じて前記冷媒膨
    脹弁を段階的に調整することにより当該冷却装
    置の前記凝縮器から前記蒸発器への冷媒の流れ
    を制御する段階と、 からなることを特徴とする冷媒流量制御方法。
JP59265518A 1983-12-19 1984-12-18 冷却装置とその冷媒流量制御方法 Granted JPS60149858A (ja)

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