JP2001505296A - 冷凍システムのための冷凍回路装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 冷凍システム用の冷凍回路設備は、前記回路の凝縮器（４）の出口と蒸発器（８）の入口の間に、冷媒流体通路（２２）を有する冷媒流体流量制御バルブ（２０）を含み、冷媒流体通路の断面は、密封圧縮機（１）の運転中に、凝縮温度の変化に反比例して変化し、蒸発器（８）に供給される凝縮冷媒流体がシステムの公称凝縮温度にほぼ該当する温度を持つことができるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】 冷凍システムのための冷凍回路装置 発明の分野 本発明は、凝縮器、蒸発器、及び前記蒸発器への冷媒流体流量の絞りを含むガ スポンプ給送回路に取り付けられた密封圧縮機を備える形式の、冷凍システム用 の冷凍回路装置に関する。 発明の背景 従来の冷凍システムでは、冷凍回路は基本的には、密封圧縮機、凝縮器、毛管 などの減圧要素、及び蒸発器をこの順序で備える。 この回路では、密封圧縮機は低圧冷媒ガスを引き込み、この冷媒ガスを高圧下 で加熱ガスとして凝縮器へポンプ給送する。 凝縮器を通過する間に、前記ガスは液化され、周囲に熱を放出する。 凝縮器から、冷媒液体は、その圧力が毛管中で低下した後に蒸発器に導かれ、 この蒸発器において冷媒液体は、圧縮機によって引き入れられる前に再びガス状 になり、新しいサイクルを 開始する。 冷媒流体が蒸発器を通過する間に液体状態からガス状態に変化すると、蒸発器 が置かれている周囲から熱が除去され、冷凍回路が連結されている機器の内部環 境が冷却される。 冷凍回路では、蒸発器における温度、圧縮機における圧力、及び凝縮器におけ る温度と圧力は、システムの所定の平均作動条件の関数として寸法決定された毛 管によって制御される。毛管は、システムの構造が硬直であるため、いくつかの ステージ（始動、抑制作動、及び停止）でシステムの作動を最適化することをで きない。毛管の寸法は毛管の最適性能点を考慮して決定される。 毛管の最適化は、冷凍回路を備えた冷凍機器の設置場所の室温、冷凍キャビネ ットの温度、及び前記冷凍回路の凝縮器の温度の関数である。これらの温度の各 々に、冷凍システムの内部の圧力が対応し、したがって圧縮機における負荷が対 応する。室温の低下はこのシステムのすべての圧力を低下させる。この条件にお いて、圧縮機は少量のガスをポンプ給送して、その効率を低下させることになる 。室温が上昇すると、圧縮機に対する負荷が増加することを意味し、圧縮機は、 システムにポンプ 給送する冷凍ガスを増加させるために必要なボリュームを追加しなければならな い。したがって、このようにボリュームが増加することによって、圧縮機の温度 が上昇し、、最終的には耐用寿命が低下する、バルブが破損する確率がより高く なる、またはモータがよりたびたび焼損する。 冷凍された周囲の外部の室温が上昇すると、圧縮機によってポンプ給送されて 凝縮器に送るガスの凝縮温度が上昇するという他の影響もある。凝縮は凝縮器と その周囲の間の熱交換によって生ずるので、室温の上昇は冷媒流体の凝縮温度の 上昇を意味する。凝縮した冷媒流体は高温で蒸発器に導かれて、蒸発効率が減少 し、したがって蒸発器と熱交換する周囲への冷凍効果が減少する。 さらに、従来の冷凍回路装置では、蒸発器の温度が所定の値に達して圧縮機が 停止すると、凝縮器のあるシステムの高圧部分に存在する凝縮された流体は、蒸 発器のある前記システムの低圧部分に移動する。凝縮器が停止するごとに凝縮さ れた冷媒流体が蒸発器へ移動するため、冷凍システムの効率が低下し、前記シス テムのエネルギー消費量が増加する。 これらの問題を部分的に最小限に抑える解決策は、可変速圧 縮機の使用である。とはいえ、毛管が一定の制約を有するのでこの解決策の効果 は部分的である。回転子の回転の増加に応じて吸込み圧が低下し、したがって圧 縮機の効率が低下し、最終的には、回転の増加に必ずしも直接比例しない質量流 量が増加する。 発明の開示 したがって本発明の目的は、圧縮機を限られた作動条件で作動させることなく 、圧縮機から最高の効率を得る冷凍システム用の冷凍回路装置を提供することで ある。 本発明のさらに具体的な目的は、定常的な調節によって、凝縮流体が公称凝縮 温度に近い温度で蒸発器に流れることを可能にし、冷凍中の周囲環境の冷凍の必 要性ならびに圧縮機に付与される負荷の作動条件を考慮する、冷凍回路装置を提 供することである。 本発明の別の目的は、圧縮機が停止したとき、加熱された冷媒流体か凝縮器か ら蒸発器へ移動することを阻止する冷凍回路を有する、冷凍システムを提供する ことである。 上記の各目的は、密封圧縮機と、圧縮機の吐出口に連結された入口、及び出口 を有する凝縮器と、凝縮器の出口に連結され た入口、及び出口を有する蒸発器とを含む冷凍システム用の冷凍回路装置によっ て達成される。前記冷凍回路装置は、凝縮器の出口と蒸発器の入口の間に冷媒流 体流量制御バルブを含み、前記冷媒流体流量制御バルブは、冷媒流体通路を備え る。この通路の断面は、密封圧縮機の作動中は、凝縮温度の変化に反比例して変 化し、これによって蒸発器に供給される凝縮された冷媒流体が、システムの公称 凝縮温度にほぼ相当する温度を有することができ、密封圧縮機が停止すると、前 記冷媒流体通路はその断面を閉じて、凝縮器と蒸発器の間の流体連絡を完全に遮 断する。 図面の簡単な説明 次に、本発明を添付の図面を参照して説明する。この図面において、 第１図は、冷蔵庫などの冷凍機器用の、従来の技術によって製造された冷凍回 路の概略図である。 第２図は、本発明によって製造された第１図の冷凍回路の概略図である。 第３図は、本発明による冷媒流体制御バルブの長手方向の概略断面図である。 本発明の最良の実施形態 第１図に示すように、従来の冷凍システムは、吐出口２と吸込み口３を有する 密封圧縮機１と、密封圧縮機１の吐出口２に動作可能に連結されたガス状流体入 口５、及び毛管７に連結された凝縮流体出口６を有する凝縮器４と、毛管７に動 作可能に連結された凝縮流体入口９、及び密封圧縮機１の吸込み口３と流体連絡 しているガス出口１０を有する蒸発器８とを備える。 この回路では、低圧冷媒ガスは密封圧縮機１によって引き入れられ、高圧の加 熱されたガスとして凝縮器４にポンプ給送され、ここで前記ガスは液化されて周 囲に熱を放出する。凝縮は凝縮器４とこの周囲の間の熱交換によって生ずる。 液化された流体が毛管７を通過することによって、前記ガスが蒸発器８に到達 する前に前記ガスの圧力は低下し、蒸発器８から、冷凍機の内部環境との熱交換 の後に、低圧ガスの形で圧縮機１によって引き入れられ、こうして新しいサイク ルを開始する。 この構造によれば、凝縮器４における熱交換効率は、所定の公称凝縮温度と、 圧縮機１によって凝縮器４にボンプ給送されたガスの凝縮が有効に発生する温度 との間に差があるために、 低下する。この構造にはさらに、上述の圧縮機の過負荷という欠陥がある。 本発明による冷凍回路は、凝縮器４の凝縮流体出口６と、蒸発器８の凝縮流体 入口９との間に、冷媒流体流量制御バルブ２０を含む。このバルブ２０は、密封 圧縮機１の作動中に、凝縮器４から蒸発器８への凝縮流体の流量を冷媒流体流量 の最高値と最低値の間で自動的に常時変化させ、密封圧縮機１が停止すると、前 記の流体連絡を遮断する。蒸発器８中で、ある所定の温度条件が、蒸発器に備え られた温度センサによって検出されて、密封圧縮機が一時的に停止する作動条件 を有する形式を前記密封圧縮機１がもつときに、この圧縮機は、例えば、蒸発器 ８内の温度に応じて停止する。 本発明のバルブ20は、蒸発器８への凝縮冷媒流体の流量が、凝縮器４における 冷媒流体の凝縮温度の変化に反比例して変化するように構成され、したがって、 蒸発器８に導かれる凝縮冷媒流体が、室温及びキャビネット温度の最適条件など の冷凍システムの最適作動条件を考慮して規定された公称凝縮温度にほぼ近い温 度で、蒸発器８に到達できる。 所要の凝縮温度が公称凝縮温度よりも高い場合に、蒸発器８ への凝縮流体の最低流量値が、一つ又は複数の回転速度を有するＯＮ／ＯＦＦ形 式の圧縮機と、可変速圧縮機において達成される。この最低流量条件はバルブ２ ０の上流の圧力上昇によって達成され、この圧力上昇は、凝縮器４における冷凍 回路の冷媒質量の増加に比例する。 本発明によれば、バルブ２０は、例えば蒸発器８に取り付けられたバルブ本体 ２１を有し、バルブ本体２１中に冷媒流体通路２２が規定され、冷媒流体通路２ ２の断面は、密封圧縮機１の作動中は、凝縮器４における冷媒流体の凝縮温度に 反比例して変化し、これによって蒸発器８に供給される凝縮冷媒流体が、システ ムの公称凝縮温度にほぼ近い温度を有することができる。 冷媒流体通路２２は、密封圧縮機１が例えば蒸発器８の温度に応じて停止する ときに閉じる。 バルブ本体２１はさらに、蒸発器８中の凝縮流体入口９と永続的に流体連絡し ている開口部２３を有する。 バルブ本体２１の内部には、バルブシート２４が規定され、密封圧縮機１が停 止すると、密封手段２５がバルブシート２４に選択的にはめ込まれ、前記密封手 段２５は冷媒流体通路２２と動作可能に連結して、バルブ２０上流の凝縮圧力と バルブ２ ０下流の吸込み圧力を直接かつ同時に受ける。 密封手段２５がバルブシート２４上にあるときに得られる冷媒流体通路２２の 完全閉鎖状態と、公称凝縮温度にほぼ近い温度に該当する各開放状態との間にお ける、前記冷媒流体通路２２の断面の変化は、密封圧縮機１の作動中に密封手段 ２５に同時に作用する凝縮圧力と吸込み圧力の間のバランスから生じるものであ る。 凝縮圧力は、凝縮器４において冷媒流体がガス状に変化するために必要なもの であり、吸込み圧力は、圧縮機の作動によって得られるものである。 完全閉鎖状態と冷媒流体通路２２の各開放位置の間における密封手段２５の変 位は、凝縮圧力と吸込み圧力から生ずる力に応じて規定され、この力が冷媒流体 通路２２の断面の変化を引き起こす。 密封手段２５は、凝縮圧力を受けてバルブ２０の上流に規定された密封部分と 、バルブシートの下流に位置する推進部分とを有して、この領域における吸込み 圧力に感応する。前記推進部分は、密封手段２５を、強制的に、常に冷媒流体通 路２２の閉鎖状態にしているばね要素２６によって、バルブ本体２１に 連結されている。 図面によれば、密封手段２５の推進部分は、ばね要素２６に取り付けられた環 状連結手段２９によってばね要素２６に調節可能に連結され、環状連結手段２９ では、密封手段２５の一端部分が密封手段２５の密封部分に対して変位し、密封 手段の動きを連続的に減衰調節することができる。 本発明の別の構造によれば、密封手段２５はバルブシート２４を経由してバル ブ２０中に設けられ、その密封部分は、バルブシート２４の輪郭とかみ合う輪郭 を有して、バルブシート２４にはめ込まれ、また、その推進部分は常にバルブ本 体２１の内部に位置する。 本発明によれば、バルブ本体２１は内部的には、冷媒流体通路のためのチャン バ２７を規定し、このチャンバ２７は、バルブシート２４を経由して、凝縮器４ の凝縮流体出口５と連絡し、また開口部２３を経由して、蒸発器８の凝縮流体入 口９に連続している。 この構造では、ばね要素２６は、バルブシート２４の反対側に冷媒流体通路の ためのチャンバ２７の壁を規定するダイアフラムの形状を成している。 冷媒ガスを引き入れる密封圧縮機１の作動は、結果としてばね要素２６に作用 するバルブ本体２１の前記チャンバ２７における部分圧となり、密封手段２５と バルブシート２４との間の相対的な位置変化を引き起こす。 冷媒流体通路２２は、バルブシート２４と密封手段２５の間に形成される環状 空間によって規定される。 図示された構造形状では、冷媒流体通路２２の断面の変化は、温度変化に感応 する流体の収縮状態と膨張状態を決定する蒸発器８の熱変化の関数でもあり、温 度変化に感応する流体は、下記のようにバルブ２０の内部に設けられ、密封手段 ２５に作用する。 ばね要素２６は、密封手段２５を常に強制して、冷媒流体通路２２が閉鎖状態 になるように、バルブ本体２１中に取り付けられている。 本発明によれば、ばね要素２６は、密封圧縮機１が停止すると得られる密封位 置と、冷媒流体を通過させるためのチャンバ２７で吸込みが発生するとばね要素 ２６の弾性変形によって得られる複数の流体通過位置とを有する。 図示された構造では、ばね要素２６は、バルブ本体２１を横 断方向に、冷媒流体を通過させるためのチャンバ２７と、蒸発器８中の温度変化 に感応する流体を含む密封チャンバ２８とに区分し、密封チャンバ２８はばね要 素２６を、蒸発器８の温度変化に応じて、様々な曲げ状態に強制する。 温度に感応する要素は、蒸発器８における温度変化に応答する特性に応じて規 定されるので、圧縮機１がその非作動状態に達すると、前記の温度に感応する流 体はばね要素２６の密封位置を確実にし、圧縮機の作動中には、温度に感応する 流体の収縮によって、ばね要素２６は、蒸発器８における温度が低下すると、密 封位置の方向に、また蒸発器８における温度が上昇すると、分離位置の方向に、 絶えず強制される。 ばね要素２６をバルブ本体２１の内部に設けることによって、前記バルブ本体 ２１のチャンバ２７と密封チャンバ２８とに実質的に同じ面積が決定されること になる。 ばね要素２６は、密封圧縮機１の作動中には、密封手段２５を常時強制して、 冷媒流体通路２２を完全開鎖状態にするように、密封手段２５の推進部分とバル ブ本体２１とに固定されている。ばね要素２６の各流体通過位置は、前記ばね要 素２６に作用する力、特に凝縮圧力と吸込み圧力とから結果的に生ずる 力と、好ましい構成による作動時の、温度変化に感応する流体に作用する温度変 化から結果的に生する力との間の差に応じて得られる。 図示された構造では、吸込み圧力がゼロで、例えば温度に感応する流体の収縮 によって、バルブシート２４から離れるように前記ばね要素２６を強制する力が 前記ばね要素２６に生じるときに、ばね要素２６の密封位置が達成され、圧縮機 が再び始動するまで、密封手段２５の密封部分がバルブシート２４上に位置する 状態が導かれ、維持される。 ばね要素２６の流体通過位置の各々は、前記ばね要素の該当する曲げによって 達成されると、ばね要素がバルブシート２４に近づき、密封手段２５がバルブシ ート２４に対してその密封部分から速ざかる。 一つの定速又は少なくとも２つの任意選択速度を有するＯＮ／ＯＦＦ型圧縮機 については、蒸発器８中の温度が密封圧縮機１の始動のために決められた値に達 すると、密封圧縮機１が作動して、冷凍回路の低圧側にあって密封手段２５の推 進部分に作用する吸込み圧力が発生し、その手段の密封部分がバルブシート２４ から離れるように強制される。 これらの圧縮機における吸込みは、密封圧縮機１の運転期間中は一定のままで ある。この場合には、前記密封手段２５の圧力変化は、凝縮器４の内部における 凝縮冷媒流体の凝縮温度と圧力との関数である。 密封圧縮機１の運転停止がある可変速圧縮機では、蒸発器８の内部の低温は圧 縮機の回転速度を低下させ、吸込み圧力を低下させる。チャンバ２７内の吸込み 圧力と凝縮冷媒流体における凝縮温度と凝縮圧力の条件とに起因する力の総和か ら、蒸発器８への凝縮流体の流量が結果的に変化する。 圧縮機の運転中は、吸込み圧力が、バルブ本体２１のチャンバ２７中で、前記 バルブと密封圧縮機１の吸込み入口１０との間の流体連絡によって形成される。 この吸込み圧力は、ばね要素２６をバルブ本体２１のバルブシート２４の方に曲 がるように強制し、チャンバ２７内のボリュームを減少させ、比例的に密封チャ ンバ２８を膨張させる。前記の動きによって、密封手段２５がバルブシート２４ から離間した位置に導かれ、所定量の凝縮冷媒流体が、公称凝縮温度にほぼ近く て蒸発器８の蒸発効率にもはや影響しない凝縮温度で、蒸発器８に流れることが 可能になる。 図示するような密封手段と密封手段シートによれば、冷媒流体通路を流れる凝縮 流体流量は、密封手段２５の密封部分の外側表面とバルブシート２４の環状表面 との間の間隔に比例する。密封圧縮機１の運転状況によっては、したがって圧縮 機の運転中に存在する吸込み圧力によっては、密封手段２５は、バルブシート２ ４に対する密封手段の密封部分のシート位置に達しない。 凝縮器にポンプ給送される流体の凝縮温度が上昇するにつれて、密封手段２５ の密封部分にかかる圧力が増加し、密封手段２５がバルブシート２４により近い 位置に導かれる。こうして冷媒流体流量制御バルブ２０を通過する、したがって 蒸発器８に流れる冷媒流体の流れが制限される。 密封手段２５にかかる最高圧力状態は、冷媒流体流量制御バルブ２０を通過す る冷媒流体流量の最低値を決定する。蒸発器８への流体が制限されると、冷凍回 路の低圧側において次第に減少する冷凍ガスのボリュームによって、圧縮機の吸 込みが起きる。質量流量が減少して、密封圧縮機１に対する過負荷が防止される 。 蒸発器８への冷媒流体流量がさらに制限されると、凝縮器４ 中において流体が形成され、したがって、その凝縮器の中の圧力と温度が、前記 流体と凝縮器４の外部周辺との熱交換が可能になる温度にまで上昇し、その結果 、前記流体の凝縮が起こる。この制限は凝縮冷媒流体の温度が下がるまで続き、 その結果密封手段２５にかかる圧力が低下し、密封手段２５がバルブシート２４ から分離する。この分離によって、冷媒流体通路２２の断面が次第に増加し、し たがって蒸発器８への凝縮流体流量が次第に増加する。密封手段２５にかかる圧 力が変化して、密封圧縮機１の運転中は蒸発器８への冷媒流体の流量が制御され る。この流れを自動的及び連続的に調節して、主に、外部温度が公称凝縮温度を 超えるときに、凝縮器４の効率が向上し、密封圧縮機１にかかる負荷が軽減され る。 上述の装置の構造的特性は、密封圧縮機１が再始動するときに、密封手段２５ がバルブシート２４から分離するように規定される。密封圧縮機１の運転中の蒸 発器８における温度変化によるばね要素２６の動きによって、密封手段２５にか かる合成力が決定される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．密封圧縮機（１）と、圧縮機（１）の吐出口に連結された入口、及び出口を 有する凝縮器（４）と、前記凝縮器（４）の出口に連結された入口、及び出口を 有する蒸発器（８）とを含む冷凍システム用の冷凍回路装置であって、前記凝縮 器（４）の出口と前記蒸発器（８）の入口の間に冷媒流体流量制御バルブ（２０ ）を含み、前記冷媒流体流量制御バルブが冷媒流体通路（２２）を備え、前記冷 媒流体通路の断面は、前記密封圧縮機（１）の運転中は、凝縮温度の変化に反比 例して変化し、これによって前記蒸発器（８）に供給される凝縮された冷媒流体 が、システムの公称凝縮温度にほぼ相当する温度を有することができ、前記密封 圧縮機（１）が停止すると、前記冷媒流体通路（２２）はその断面を閉じて、前 記凝縮器（４）と前記蒸発器（８）の間の流体連絡を完全に遮断することを特徴 とする冷凍回路装置。 ２．前記バルブ（２０）が密封手段（２５）を含み、前記密封手段（２５）が前 記冷媒流体通路（２２）と動作可能に連結して、前記バルブ（２０）上流の凝縮 圧力と前記バルブ（２０） 下流の吸込み圧力とを直接かつ同時に受け、前記密封手段（２５）が、前記両圧 力から生ずる力に応じて、変位し、こうして前記冷媒流体通路（２２）の前記断 面を、前記冷媒流体通路（２２）の完全閉鎖状態と凝縮冷媒流体の公称凝縮温度 を達成する状態との間で変化できるようにすることを特徴とする請求の範囲第１ 項に記載の冷凍回路装置。 ３．前記冷媒流体通路（２２）が、バルブシート（２４）と前記密封手段（２５ ）の間に形成された環状空間によって規定されることを特徴とする請求の範囲第 ２項に記載の冷凍回路装置。 ４．前記バルブ（２０）が、中に冷媒流体用のチャンバ（２７）を規定するバル ブ本体（２１）を含み、前記バルブ本体（２１）は前記バルブシート（２４）を 経由して前記凝縮器（４）の出口と連絡し、前記蒸発器（８）の入口と常に流体 連絡している開口部（２３）を備えることを特徴とする請求の範囲第３項に記載 の冷凍回路装置。 ５．前記密封手段（２５）が、前記バルブシート（２４）上流に位置する密封部 分と前記バルブシート下流に位置する推進部分とを含み、前記推進部分がばね要 素（２６）によって前記バルブ本体（２１）に連結され、前記ばね要素（２６） は、前記 密封手段（２５）を常に強制して、前記冷媒流体通路（２２）が閉鎖状態になる ようにし、前記ばね要素（２６）は、前記密封圧縮機（１）が停止すると得られ る密封位置と、冷媒流体を通過させるための前記チャンバ（２７）で吸込みが発 生すると前記ばね要素（２６）の弾性変形によって得られる少なくとも一つのま たは複数の流体通過位置とを有することを特徴とする請求の範囲第４項に記載の 冷凍回路装置。 ６．前記ばね要素（２６）が、前記チャンバ（２７）の壁を前記バルブシート（ ２４）の反対側に規定するダイアフラムの形を示すことを特徴とする請求の範囲 第５項に記載の冷凍回路装置。 ７．前記ばね要素（２６）が前記バルブ本体（２１）の内部に置かれて、前記バ ルブ本体（２１）を、冷媒流体を通過させるための前記チャンバ（２７）と、前 記蒸発器（８）中の温度変化に感応する流体を含む密封チャンバ（２８）とに区 分することを特徴とする請求の範囲第６項に記載の冷凍回路装置。 ８．前記ばね要素（２６）の中で、温度に感応する流体が作用して、前記蒸発器 （８）における温度が低下すると前記ばね要素（２６）を密封位置の方向に強制 し、また前記蒸発器（８） における温度が上昇すると前記ばね要素（２６）を各流体通過位置に導くことを 特徴とする請求の範囲第７項に記載の冷凍回路装置。 ９．前記バルブ本体（２１）が密封されており、前記蒸発器（８）の中の凝縮流 体入口近くに設けられていることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の冷凍回 路装置。 １０．前記密封手段（２５）の推進部分が前記ばね要素（２６）に調節可能に連 結されていることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の冷凍回路装置。