JP2001235260A

JP2001235260A - 気化器の過熱安定装置

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Publication number: JP2001235260A
Application number: JP2001002445A
Authority: JP
Inventors: W Redlich Robert; ダブリュ．レドリッヒロバート
Original assignee: Global Cooling Manufacturing Co
Current assignee: Global Cooling Manufacturing Co
Priority date: 2000-01-10
Filing date: 2001-01-10
Publication date: 2001-08-31
Also published as: AU2001232724A1; US6260368B1; GB0216687D0; BR0016938A; GB2374136B; GB2374136A; WO2001051864A1

Abstract

(57)【要約】【課題】安価な比例制御によるＥＥＶ制御回路によ
り、余裕巾が大きい安定性と比較的速い応答性を確保し
つつ、蒸気圧縮冷却システムの作動を最適効率に制御す
る。【解決手段】気化器２の出口と圧縮機６を連結する第
２の経路１１と１２の間に空洞容器１を設け、この空洞
容器内で液化冷媒の分離と蒸気冷媒の過熱とを行なう。
これにより、流出蒸気の温度を検知する第２の温度セン
サ７に液化冷媒が到達するのを防止し、さらに気化器２
の下流において予め設定した過熱を達成させることによ
り、過熱を安定させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蒸気圧縮冷却シス
テムに使用する、閉回路フィードバック制御によって気
化器の過熱温度を調整する気化器の過熱安定装置に関す
る。この閉回路フィードバック制御の入力は過熱温度で
あり、出力は過熱温度の上昇に応答して膨張弁に冷媒の
流量を増加させる制御信号である。そして、この発明は
特に、過熱温度の閉回路フィードバック制御の作動を安
定させることに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】蒸気圧縮冷却システムが最高効率に達す
るのは、冷却区域からの吸収熱によって冷媒を蒸発させ
る気化器の入口に、最適な流量の液化冷媒が流入すると
きである。すなわち、この最適な流量は、気化器に流入
した全液化冷媒が気化器の出口に達した時に丁度、残ら
ず蒸発するような流量である。

【０００３】ところが、液化冷媒がこの最適な流量を超
えると、冷媒が液体のまま気化器の出口から流出するこ
とになり、冷媒の冷却能力が犠牲になる。この場合気化
器の下流は、ほぼ冷媒の蒸発点温度に維持される。逆
に、液化冷媒がこの最適な流量を下回ると、気化器の出
口までに達しないうちに、全ての流入冷媒が蒸発してし
まう。したがって、冷媒が完全に蒸発し切る個所と気化
器の出口の間では、蒸気温度は気化器の圧力における冷
媒の蒸発点温度以上に過熱する。なお、この過熱（supe
rheat）という用語は、蒸気圧縮冷却器に関連して用い
るときには、気化器の下流の経路上における蒸気の温度
と、気化器の入口における液体と蒸気の混合冷媒の温度
との差を意味している。

【０００４】そして冷媒の過熱が設定値を超えると、効
率低下の原因になる。何故ならば、気化器の一部のみ
が、被冷却体から液化冷媒の蒸発への効率的な熱交換に
よる吸熱に利用されるに過ぎないからである。気化器の
残りの部分は、被冷却体から冷媒の蒸気への非効率な熱
交換を行なう。そして過熱過ぎる、すなわち冷媒の流量
が最適値より少ない場合は、圧縮機の吸込容積が一定の
ため、圧縮機に吸込まれる冷媒蒸気の圧力が最適値より
低下する。このため、単位流量当たりの圧縮機の仕事が
増加する結果となる。

【０００５】従来、最適に近い冷媒流量は、電気的に制
御される膨張弁（以下「ＥＥＶ」という。）によって達
成されてきた。従来のＥＥＶには、電気−機械的に調整
可能なニードル弁のような流量制限手段によって、冷媒
流量を調整するものがある。その他にも、電気−機械的
に作動する弁が定期的に開き、固定オリフィスに制御さ
れた時間間隔で流体を流すものもある。

【０００６】従来、ＥＥＶは閉回路フィードバック制御
の一部分であり、この制御では、過熱は温度センサで検
知され、過熱信号はＥＥＶを制御して、過熱温度が予め
設定した値以上に上昇した時には冷媒流量を増加させ、
過熱温度が予め設定した値より低下した時には冷媒流量
を減少させる。流量の増加は過熱を減少させるので、こ
のシステムはネガティブフィードバックの特性を有し、
作動が安定する場合には、予め設定した過熱温度あるい
はその近くに落ち着こうとする。なお、予め設定する代
表的な過熱温度は、７度Ｃ以下であり、この温度内で大
多数の気化器が十分効率的に使用される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ＥＥＶ制御
回路において、冷媒の流量を瞬間的に増加（step incre
ase）させようとする入力は、冷媒の瞬間的な流量増加
という応答出力を生み出すが、気化器に冷媒が移動する
のに必要な時間だけ応答が遅れる。この応答の遅れは通
常１０秒程度であり、流量が過熱温度の変化に単純に比
例するという比例制御式のＥＥＶにおける一連の事象に
見られるように、制御回路の安定性に深刻な影響をあた
える。以下、この事象を説明する。

【０００８】予め設定された過熱温度で作動していた比
例制御システムが、時間０秒において、例えば電力の瞬
間的な中断のような外乱を受けたと仮定する。そうする
と、時間０秒で、予め設定された値を大きく超える過熱
が発生し、ＥＥＶは自動的に冷媒流量を瞬間的に増加
し、予め設定された過熱温度に回復しようとする。ここ
で応答の時間遅れを１０秒と仮定すると、ＥＥＶで瞬間
的に増加した液化冷媒は、時間１０秒で出力温度センサ
に到達する。そして、液化した冷媒が出力温度センサに
接触すると、この温度センサの温度が急激に低下し、し
たがって過熱信号も急激に減少し、制御システムは、気
化器への流入量を急激に減少するように反応する。しか
しながら、時間２０秒までは、この流量の減少は出力温
度センサに到達せず、２０秒後に液化した冷媒と出力温
度センサとの接触が絶たれ、過熱信号が急激に増加して
冷媒流量が急激に減少する。したがって、以降この一連
の冷媒流量の急激な増加と減少が繰り返され、不安定な
作動が継続する。

【０００９】ところで、従来のＥＥＶでは、比例−積分
−微分制御（以下「ＰＩＤ制御」という。）を実験的に
調整することにより、電気的に安定させることが行なわ
れてきた。この手段は、１９９９年にオーストラリアの
シドニーで開催された第２０回国際冷却会議で、Ｄ．
Ｐ．フィン（Ｆｉｎ）とＣ．Ｊ．ドイル（Ｄｏｙｌｅ）
が発表した「A BEMS-Integrated Electronic Expansion
Valve For Real-Time O-ptimization of Refrigeratio
n Evaporation」に記載されているが、この手段では、
制御システムの応答が遅く安定性の余裕も少ない。ま
た、ＰＩＤ制御システムはコストが高いために、多用さ
れていない。

【００１０】そこで、本発明の目的は、安価な比例制御
によるＥＥＶ制御回路により、余裕巾が大きい安定性と
比較的速い応答性を確保しつつ、蒸気圧縮冷却システム
の作動を最適効率に制御することができる手段を提供す
ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に記載の気化器の過熱安定装置は、次の蒸
気圧縮冷却システムに使用されるものである。すなわ
ち、このシステムは、冷媒を膨張させる膨張弁と冷却区
域を冷却する気化器と電気的に制御されるフィードバッ
ク制御と凝縮器と圧縮機とを有している。膨張弁には、
圧縮機で圧縮された後に凝縮器で凝縮された高圧の液化
冷媒が流入する。気化器には、膨張弁から第１の経路を
通して流量が制御された低圧の冷媒が流入する。また、
気化器からは、蒸発した冷媒が第２の経路を通じて圧縮
機に流入する。フィードバック制御には、第１の経路に
設けた第１の温度センサからの信号と、第２の経路に設
けた第２の温度センサからの信号との差が入力される。
そして、フィードバック制御は、過熱が予め設定された
値以上に増加した場合には、冷媒流量を増加するように
膨張弁を制御する信号を発生する。

【００１２】そして、本発明による気化器の過熱安定装
置は、気化器と第２の温度センサとの間の第２の経路上
であって冷却区域内に、空洞容器を備えている。この空
洞容器は、その内部で冷媒流速を低くして液化冷媒と冷
媒蒸気との分離を促進し、冷媒蒸気だけをこの空洞容器
から流出させると共に、気化器の出口と第２の温度セン
サの位置との間において予め設定された過熱を生じさせ
るように構成してあることを特徴とする。

【００１３】この発明の基本要素は、気化器の下流にあ
って冷却区域内に装着した金属製の空洞容器であり、こ
の空洞容器は二つの機能を果たす。すなわち、蒸気から
の液化冷媒の分離と、この分離された蒸気の過熱とであ
る。分離された蒸気は、この空洞容器内で容器の壁を通
して冷却区域から伝達された熱により、ほぼ予め設定し
た値の温度にまで過熱される。過熱蒸気の温度を検知す
る温度センサは、この空洞容器の下流に位置する。そし
て、この発明は、上述した空洞容器と過熱入力信号が増
加すると流量出力を増加させるような制御ＥＥＶ、典型
的には比例制御ＥＥＶの組合わせである。

【００１４】このように発明の組合わせを行なうことに
より、蒸気圧縮冷却システムは安定となり、一方、この
発明による空洞容器を採用していない蒸気圧縮冷却シス
テムは不安定となる。すなわち、この発明を用いる蒸気
圧縮冷却システムは、空洞容器の下流に至るまでに過熱
を完了し、過熱蒸気の温度を検知する温度センサ位置に
液化冷媒が到達するのを防止している。したがって、上
述したような深刻な不安定性を引き起こす原因となるこ
の温度センサの急激なそして時間遅れの温度変化が回避
される。この不安定性原因を解消することは、過熱温度
信号の増加に応答してＥＥＶ制御信号が単純に増加する
簡単で安価な制御ＥＥＶの使用を可能にする。

【００１５】請求項２に記載の気化器の過熱安定装置
は、請求項１において、空洞容器の外側に熱交換部を有
しており、これによりこの空洞容器の内部と前記冷却区
域との間の熱伝達を促進するように構成したことを特徴
とする。

【００１６】このように発明を構成することにより、空
洞容器の熱伝達面積が増大するので、より小さな空洞容
器によって所定の過熱が達成できる。

【００１７】請求項３に記載の気化器の過熱安定装置
は、請求項１において、空洞容器の内側に熱交換部を有
しており、これによりこの空洞容器の内部と冷却区域と
の間の熱伝達を促進するように構成したことを特徴とす
る。

【００１８】このように発明を構成することにより、空
洞容器の熱伝達面積が増大するので、より小さな空洞容
器によって所定の過熱が達成できる。

【００１９】請求項４に記載の気化器の過熱安定装置
は、請求項１において、制御装置の出力信号がこの制御
装置の入力に比例することを特徴とする。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１に、本発明による気化器の過
熱安定装置を使用した蒸気圧縮冷却システムを示す。こ
のシステムは、本発明による過熱安定装置を加えた他
は、従来技術に基づくものである。この蒸気圧縮冷却シ
ステムは、冷媒を膨張させるＥＥＶ３と、冷却区域２０
を冷却する気化器２と、電気的に制御されるフィードバ
ック制御４と、凝縮器５と、圧縮機６とを有している。
そしてＥＥＶ３には、圧縮機６で圧縮された後に凝縮器
５で凝縮された高圧の液化冷媒が流入する。

【００２１】ＥＥＶ３に流入した冷媒は、ここで流量を
制御されて低温の液化冷媒と冷媒蒸気の混合物になっ
て、第１の経路１０を通じて気化器２に流入する。気化
器２を通過する間に、液化した冷媒の部分はこの気化器
を取り巻く冷却区域２０からの吸熱によって蒸発し、こ
の蒸発した冷媒は、この気化器から第２の経路１１、１
２を通じて圧縮機６に流入する。フィードバック制御４
には、第１の経路１０に設けた第１の温度センサ８から
の信号と、第２の経路１２に設けた第２の温度センサ７
からの信号との差が入力される。そしてフィードバック
制御４は、過熱、すなわち第１の温度センサ８で検知さ
れる温度と、第２の温度センサ７で検知される温度との
差が、予め設定した値、例えば７度Ｃ以上に増加した場
合には、その増加量に比例して冷媒流量を増加するよう
にＥＥＶ３を制御する信号を発生する。

【００２２】さて、この蒸気圧縮冷却システムにおい
て、気化器２と第２の温度センサ７との間、すなわち第
２の経路１１と１２との間であって、冷却区域２０内に
空洞容器１が備えられている。空洞容器１は、図２に示
すように円形断面形状を有し、冷媒の流れ方向に長くし
た熱伝達性の良い金属製の円筒容器である。そしてこの
空洞容器の出口１ａが空洞入口１ｂより高い位置になる
ように設置してある。

【００２３】そして空洞容器１は、所定の大きさの断面
面積、すなわちこの空洞容器内部を通過する冷媒の流速
を低くして液化冷媒と冷媒蒸気との分離を促進するに足
りる断面面積を有している。また空洞容器１は、流れ方
向に所定の長さ、すなわち分離した冷媒蒸気だけをこの
空洞容器から流出させると共に、気化器２と第２のセン
サ７との間において予め設定した過熱を生じさせるに足
りる長さを有している。

【００２４】以下、本発明による気化器の過熱安定装置
を使用した蒸気圧縮冷却システムの作用について説明す
る。このシステムの最高の効率は、冷却区域２０から第
２の経路１２が出る位置の近傍、すなわちこの位置より
上流でない位置において、液化冷媒が完全に蒸発する場
合に達成される。最高効率からのずれは、第２の経路１
２が冷却区域２０から出る点の近傍と、気化器２の入口
の近傍とにおける冷媒温度の差を、それぞれ第２の温度
センサ７と第１の温度センサ８とにより計測することに
よって検知される。蒸発が不完全で、液化冷媒が第２の
経路１２内を冷却区域２０から流出する状態は、第２の
温度センサ７の位置における温度として現れる。この温
度は、第１の温度センサ８の位置における温度と同じ
か、気化器２の圧力損失によりわずかに低い温度にな
る。

【００２５】一方、第２の温度センサ７の上流で蒸発が
完全に行なわれる状況では、液化冷媒が第２の経路１２
内を冷却区域２０から流出する状態は、過熱、すなわち
第２の温度センサ７の位置の温度が、第１の温度センサ
８の位置の温度より高いということで現れる。

【００２６】冷媒流量を最適流量またはその近くに維持
するために、ＥＥＶ３は、ネガティブフィードバック制
御４に接続され、この制御により、第１の温度センサ８
の出力と第２の温度センサ７の出力との差に等しい過熱
信号がＥＥＶ３の電気駆動装置４ａに付加され、過熱が
予め設定した値を超える時にはＥＥＶ３は冷媒流量を増
加し、過熱が予め設定した値を下まわる時にはこのＥＥ
Ｖは冷媒流量を減少させるような方法で、このＥＥＶを
制御する。

【００２７】上述したように、本発明による空洞容器１
を使用していないシステムでは、このような制御回路
は、比例制御である場合には、ひどく不安定になる。す
なわち、冷媒の流量が過熱に比例する場合には、液化冷
媒が気化器２の出口に到達あるいは出口から後退すると
きに、それぞれ急激な、時間遅れの第２の温度センサ７
の温度の上昇または下降が生じ、それに応じて、それぞ
れ冷媒の急激な増加と減少が生じる。

【００２８】一方、本発明による空洞容器１は、気化器
２から第２の経路１１を通じて流入する液化冷媒と冷媒
蒸気の混合体を、液化冷媒と冷媒蒸気に分離させると共
に、この分離された冷媒蒸気を過熱する。したがって、
過熱が予め設定した値より急激に増加した場合には、Ｅ
ＥＶ３は過熱の増加に比例して冷媒流量を急激に増加さ
せるが、この急激に増加した冷媒が気化器２において完
全に蒸発しないで、液化冷媒と冷媒蒸気との混合物とな
ってこの気化器から流出しても、この混合物は、空洞容
器１内で流速が大きく低下し、蒸気によって運ばれた液
化冷媒を滴下させ、液化冷媒を分離してこの空洞容器の
上流（下方）部に集める。そして、この分離された冷媒
蒸気は、空洞容器１の壁を通して周りの冷却区域２０か
ら吸熱して過熱される。

【００２９】そして、上述したように空洞容器１は十分
な長さを有しているので、極僅かの液化冷媒だけが蒸気
によって運搬されてこの空洞容器の出口に届くか、ある
いは全く届かない。したがって、空洞容器１の出口から
流出する冷媒は、殆ど液体の冷媒を含まない冷媒蒸気だ
けであるため、第２の温度センサ７の温度を急激に低下
させないで、緩やかに低下させる。したがって、第２の
温度センサ７の緩やかな温度の低下に比例して、ＥＥＶ
３からの冷媒流量も緩やかに減少し、予め設定した過熱
温度になるような冷媒流量に収斂する。

【００３０】なお、図２は、本発明を使用した蒸気圧縮
冷却器の作動時における、蒸気冷媒と液化冷媒との混
合、分離された液化冷媒及び分離された冷媒蒸気の位置
を示している。そして、空洞容器１内の滴下冷媒は小さ
な円で示しており、この空洞の出口に近づくにつれて疎
らになるように図示してある。液体と蒸気の分離が次第
に進んでいく様子を明示するためである。なお、空洞容
器１を円筒形状としたのは、製造コストを最小にするた
めである。

【００３１】図３に、空洞容器の他の実施の形態を示
す。空洞容器１０１は、縦長の円筒形状をした金属製の
容器であり、気化器２からの一方の第２の経路１１１が
この空洞容器の底面を貫通して、この空洞容器の内部上
面近くに開口端１１１ａを有している。また、空洞容器
１０１の内部上面近くに開口端１１２ａを有する他方の
第２の経路１１２が、この空洞容器の上端面を貫通して
圧縮機６に連結してある。

【００３２】冷媒流量が急激に増加して、気化器２から
第２の経路１１１を通じて液化冷媒と冷媒蒸気との混合
物が空洞容器１０１に流入しても、この混合物はこの第
２の経路の開口端１１１ａから流出した後に、重力によ
って液化冷媒だけが下方に滴下分離してこの空洞容器の
下部に溜まり、分離された冷媒蒸気だけが、この空洞容
器の上部に位置する開口端１１２ａから第２の経路１１
２を通じて流出する。

【００３３】図４に示す空洞容器２０１は、この空洞容
器の外面に金属製の薄板からなる外側フィン２０１ｃを
備えている。したがって、外側フィン２０１ｃにより空
洞容器２０１内の冷媒と冷却区域２０との熱交換が促進
できるので、必要な過熱を達成するための空洞容器２０
１の長さを短くできる。

【００３４】図５に示す空洞容器３０１は、この空洞容
器の内面に金属製の薄板からなる内側フィン３０１ｃを
備えている。したがって、内側フィン３０１ｃにより空
洞容器３０１内の冷媒と冷却区域２０との熱交換が促進
できるので、この空洞容器の長さを短くできる。

【００３５】なお、従来の蒸気圧縮冷却システムには、
本発明の空洞容器１と同じ位置、すなわち気化器２の出
口と圧縮機６の入口との間に、液体溜（Accumulator）
を使用しているものもある。例えば、米国特許4,878,35
5号に添付してある図２には、このような液体溜が示し
てある。しかし、この液体溜は、本発明の液化分離器と
蒸気過熱器との結合とは異なる目的で設計されたもので
ある。すなわち、圧縮機が停止した時に、液化冷媒があ
ふれ出ないように溜めておくことを目的としている。し
たがって、液体溜は、一般的には本発明に要求される機
能を果たさず、液体溜を採用するシステムは、安定性を
確保するために、米国特許4,878,355号の明細書３頁２
１〜２７行に記載してあるようなＰＩＤ制御が必要にな
る。

【００３６】

【発明の効果】安価な比例制御によるＥＥＶ制御回路に
より、余裕巾が大きい安定性と比較的速い応答性を確保
しつつ、蒸気圧縮冷却システムの作動を最適効率に制御
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による空洞容器とＥＥＶを使用した蒸気
圧縮冷却器のブロック線図である。

【図２】本発明による空洞容器の横及び縦断面図であ
る。

【図３】本発明による他の空洞容器の横及び縦断面図で
ある。

【図４】外側に外側フィンを備えた空洞容器の横断面図
である。

【図５】内側に内側フィンを備えた空洞容器の横及び縦
断面図である。

【符号の説明】

１、１０１、２０１、３０１空洞容器２気化器３膨張弁（ＥＥＶ）４フィードバック制御５凝縮器６圧縮機７第２の温度センサ８第１の温度センサ１０第１の経路１１、１２第２の経路２０冷却区域２０１ｃ熱交換部(外側フィ
ン）３０１ｃ熱交換部(内側フィ
ン）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷媒を膨張させる膨張弁と冷却区域を冷却
する気化器と電気的に制御されるフィードバック制御と
凝縮器と圧縮機とを有し、上記膨張弁には、上記圧縮機で圧縮された後に上記凝縮
器で凝縮された高圧の液化冷媒が流入し、上記気化器には、上記膨張弁から第１の経路を通して流
量が制御された低圧の冷媒が流入し、上記気化器からは、蒸発した冷媒が第２の経路を通じて
上記圧縮機に流入し、上記フィードバック制御には、上記第１の経路に設けた
第１の温度センサからの信号と上記第２の経路に設けた
第２の温度センサからの信号との差が入力され、上記フィードバック制御は、過熱が予め設定された値以
上に増加した場合には、冷媒流量を増加するように上記
膨張弁を制御する信号を発生する蒸気圧縮冷却システム
に使用する気化器の過熱安定装置おいて、上記気化器と上記第２の温度センサとの間の上記第２の
経路上であって上記冷却区域内に空洞容器を備え、上記空洞容器は、その内部で冷媒流速を低くして液化冷
媒と冷媒蒸気との分離を促進し、冷媒蒸気だけをこの空洞容器から流出させると共に、上
記気化器の出口と上記第２の温度センサの位置との間に
おいて予め設定された過熱を生じさせるように構成して
あることを特徴とする気化器の過熱安定装置。
【請求項２】請求項１において、前記空洞容器の外側に
熱交換部を有しており、これによりこの空洞容器の内部
と前記冷却区域との間の熱伝達を促進するように構成し
たことを特徴とする気化器の過熱安定装置。
【請求項３】請求項１において、前記空洞容器の内側に
熱交換部を有しており、これによりこの空洞容器の内部
と前記冷却区域との間の熱伝達を促進するように構成し
たことを特徴とする気化器の過熱安定装置。
【請求項４】請求項１において、前記制御装置の出力信
号がこの制御装置の入力に比例することを特徴とする気
化器の過熱安定装置。