JP2002513133A - 電気制御膨張弁 - Google Patents
電気制御膨張弁Info
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- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
- F25B41/30—Expansion means; Dispositions thereof
- F25B41/31—Expansion valves
- F25B41/315—Expansion valves actuated by floats
Abstract
Description
ting and air conditioning system)、並びに膨張弁を調節して過熱または冷媒
の液面、冷水の温度などのシステムの状態を維持する冷凍システム及び冷却シス
テムに関連する。また、本発明は、1台の圧縮機または複数の圧縮機への最少限
の潤滑油の供給を維持するべく膨張弁を制御する方法を提供する。本明細書にお
ける冷却システムは、HVACシステム及び冷凍システムを含むものとする。
る。この潤滑油は、圧縮機の軸受け等の動きを滑らかにしたり、圧縮機のロータ
ーやラップ(wrap)、または他の圧縮要素との間の間隙を密閉するために使用さ
れる。
熱交換器の冷媒の液面を制御するものもある。凝縮熱交換器は、冷却塔などから
供給される冷却水ループによって冷却が可能であり、その温度は冷却水の温度に
よって決まる。蒸発熱交換器は、熱交換媒体として使用できる冷水を供給するが
、その温度は膨張弁を調節して維持することができる。蒸発熱交換器が流下薄膜
型の蒸発器の場合は、膨張弁を調節して蒸発熱交換器の液面を維持する。
吐出側との圧力差が冷却用の水の温度と冷却される水の温度との温度差によって
決まる。この冷却水と冷水との温度差が小さい或いは逆転すると、圧縮機の圧力
差が小さくなり過ぎて潤滑油を圧縮機に戻すことができなくなる。すると、冷却
システムは、油流量の低下または油量の減少と診断して運転を停止する。このよ
うな状態は、冷却塔からの水温が低く、冷却される水の温度が暖かい状態で起動
した場合の典型的な例である。
溜まり(pool)の液面が維持される。液面センサが液溜まりの深さを測定し、制
御器のPIDアルゴリズムが電気膨張弁を調節して蒸発器に流入する冷媒の流量
を変えて目的の液面を維持する。この液面制御器によって、圧縮機によって蒸発
器から吸引される気体状態の冷媒の流れと、凝縮器から電気膨張弁に戻る液体状
態の冷媒の流れとの質量バランス(mass balance)が保たれる。電気膨張弁が開
くと、蒸発器への冷媒の流入が増加し、或る点で蒸発器からの流出量を越えうる
。すると、液体状態の冷媒ではなく気体状態の冷媒が凝縮器から蒸発器に流れる
まで、凝縮器から冷媒が排出され得る。気体状態の冷媒の密度が低いため、質量
バランスが回復し得る。しかしながら、効果的な冷却をしないで凝縮器に送り戻
されるため、気体状態の冷媒の流れは冷却器システムの効率を低下させる。
る。すると、液溜まりの液面が低下し、最終的には全て蒸発してしまう。圧縮機
が、凝縮器14から電気膨張弁を介して流入する冷媒より多くの冷媒を蒸発器か
ら吸入するため、蒸発器の圧力が低下し得る。蒸発器の圧力が低下すると、圧縮
機の入りと出の圧力差が増加する。圧力差が大きいと圧縮機の効率が低下し、圧
縮機の流量が低下して質量バランスが再び回復する。しかしながら、冷却効率は
低下する。
以上に維持できるのは好都合である。発明の要約 本発明の目的及び特徴、利点は、従来技術の膨張弁制御器の問題を解決するこ
とである。
弁を制御することである。
の規準を第1の規準として維持するべく膨張弁を制御することである。
規準を維持するべく膨張弁を利用することである。
の流れを確立することである。
動する際に、圧縮機への油の流れの確立及び/または維持をすることである。
。
生及び制御の補助をすることである。
を測定する過程と、そのシステムの第1の状態における誤差を決定する過程と、
システムの第2の状態を測定する過程と、そのシステムの第2の状態における誤
差を決定する過程と、第1または第2の誤差の内の小さい方の誤差に基づいて膨
張弁を調節する過程とを含む。
する過程と、冷媒の液面と目標の冷媒の液面とを比較して冷媒の液面の誤差を決
定する過程と、システムの圧力差を測定する過程と、システムの圧力差とシステ
ムに必要な最小限の圧力差とを比較してシステムの圧力差の誤差を決定する過程
と、液面の誤差と圧力差の誤差を比較して小さい方の誤差を決定する過程と、そ
の小さい方の誤差を制御するために膨張弁を調節する過程とを含む。
方法は、液面センサを目標の液面に物理的に較正する過程と、選択した液面セン
サの点から下端までのオフセットを計算する過程と、液面を測定する過程と、測
定した液面から計算したオフセットを差し引く過程と、差し引いた値と0とを較
べて誤差を決定する過程と、誤差を最小にするべく液面を制御する過程とを含む
。
する。その方法は、圧縮機を運転して流体を圧縮し、圧縮機の入側と出側との間
に圧力差を生じさせる過程と、その圧力差を測定し、それを理想的な圧力差と比
較して圧力差の誤差を決定する過程と、圧縮機の入りと出の最小限の圧力差を維
持するべく圧力差の誤差に応答する膨張弁を制御する過程とを含む。
張弁16と、蒸発器18とを含み、それら全てが連続して接続され、密閉型の閉
ループの系を形成している。このようなシステムは現在、American S
tandard社に属するThe Trane社によって、Series Rの
商標でモデルRTHCとして販売されている。このRTHCは、スクリュー圧縮
機を用いて水冷却システムとして開発された。本発明は、スクリュー圧縮機また
は遠心圧縮機、スクロール圧縮機、往復圧縮機の使用にかかわらず他のHVAC
システム及び他の冷凍システム、他の冷却システムも含むものとする。本発明の
特徴は、システムの圧縮機の入りと出の圧力差を用いて潤滑油を圧縮機に戻すこ
と、及びその圧力差を維持するために膨張弁を使用することである。
備え、その油分離器22は、圧縮機12と凝縮器14との間の圧縮機吐出ライン
24に配置されている。この油分離器22は冷媒から潤滑油を分離し、分離され
た冷媒は凝縮器14に向かい、分離された潤滑油は潤滑油ライン28を通って油
溜め26に向かう。この潤滑油は、油溜め26から別の潤滑油ライン30を介し
て任意選択の油冷却器32及びフィルター34を経て、圧縮機12に至る。経験
的に、潤滑油サブシステム20で約152kPa(22PSID)の圧力が低下
する。潤滑油サブシステム及び圧縮機の詳細については、Roach他の発明に
よる出願人に譲渡された米国特許第5,341,658号に記載されており、こ
れに言及することをもって本明細書の一部とする。更なる詳細が、Oltman
他の発明による出願人に譲渡された米国特許第5,431,025号、及び第5
,347,821号に記載されており、これらに言及することをもって本明細書
の一部とする。
され、別の冷媒ライン42を介して冷媒が蒸発器18に戻される。油冷却器32
の運転は、好適な位置で潤滑ライン30と機能的に接続されたセンサ46を備え
る冷媒ライン40に配置された熱膨張弁44によって制御される。
イル48の中の水などの廉価な熱交換媒体を用いて凝縮器14で凝縮される。一
般的ではないが、変速ポンプ52を用いて冷却コイル48を流れる熱交換媒体の
流量を調節することもできる。凝縮器14と供給源50との詳細な関係は、Sc
hwedler他の発明による出願人に譲渡された米国特許第5,600,96
0号に記載されており、言及することをもって本明細書の一部とする。
どの冷却熱交換流体を供給している。蒸発器18には、流下薄膜型が好ましい。
このような流下薄膜型蒸発器は、Hartfield他の発明による出願人に譲
渡された米国特許第5,645,124号、及び第5,588,596号に記載
されており、言及することをもって本明細書の一部とする。但し、上記特許に記
載の気液分離器が内部にあるのに対して、本発明の気液分離器62は外部にある
。蒸発器の水温制御とそれに関連する膨張弁16の制御については、Sibik
他の発明による出願人に譲渡された米国特許第5,419,146号、及び第5
,632,154号に記載されており、言及することをもって本明細書の一部と
する。
6が調節される。典型的な膨張弁16は、Glammによる出願人の米国特許第
5,011,112号に記載され、その制御方法は、Claninによる出願人
の米国特許第5,000,009号に記載されている。これらの各特許は本発明
と共に譲渡され、言及することをもって本明細書の一部とする。センサ64が蒸
発器18の底部68の液溜まり66の液面を測定する一方、気液分離器62の液
面または凝縮器14の底部70の液面も測定できることが好ましい。これについ
ての詳細は、Sibik他による米国特許第5,632,154号に記載されて
いるであろう。凝縮器の液面を測定する場合は、変速ポンプ52の速度を変えて
システムの圧力差の維持を補助することができる。
混合液からなるため、ドレインライン72が配設されて圧縮機12に潤滑油を多
く含んだ混合液が戻される。ガスポンプ74は、一定量の冷媒/潤滑油の混合液
を圧縮機12に定期的に送出するべく配設されている。
る制御器80を含む。これに好適な制御器は、The Trane社がTrac
er及びUCP、Summit、SCP、PCMの商標で販売している。本発明
の目的を達成するため、液面センサ64によって測定される蒸発器18の底部6
8の液面を目標の位置に維持するべく制御器80が膨張弁16の動作を制御する
。こうすることは、熱交換コイル60の出口の冷水の温度を目標の温度に維持す
る効果がある。
て潤滑油を潤滑油サブシステムを介して圧縮機12に送る。この詳細は、先に言
及して本明細書の一部としたRoach他による特許に記載されているが、図1
にも、油分離器22の上部90に圧縮機の吐出圧がかかり、潤滑油サブシステム
の油戻り連結ライン92に圧縮機の吸入圧がかかっているのが示されている。こ
の圧力差によって、潤滑油が潤滑油サブシステムを通って圧縮機12に送られる
。この種の圧縮機は、この油の流れを利用して圧縮機の圧縮用のスクロール部分
やネジを密閉し、軸受けに油を供給している。潤滑油が減少すると圧縮機が故障
する恐れがある。
減少して故障する可能性がある。システムの圧力差が依存レベル以下に低下する
と、油の供給が大きな問題となる。例えば、センサ96及びセンサ98で測定さ
れてライン100及びライン102によってそれぞれ制御器80に送られる凝縮
器14と蒸発器18との圧力差、約172kPa(25PSID)が、Seri
es R?冷却器におけるシステムの圧力差として必要である。
油サブシステム20を通る潤滑油の流れを確立するべく、起動時に圧縮機12で
十分に圧力を下げる。しかしながら、凝縮器の圧力が蒸発器の圧力より低い逆圧
力、及び蒸発器と凝縮器との圧力差が約172kPa(25PSID)以内で起
動する場合には、潤滑油サブシステム20を介する潤滑油の流れを確立するには
圧縮機12のポンプ動作では十分でない可能性がある。
は、実質的にコイル48の冷却用水とコイル60の冷却される水との温度差によ
る。冷却水の温度と冷水の温度との差が小さい或いは逆転した場合、潤滑油サブ
システム20を通して潤滑油を圧縮機12に戻すにはシステムの圧力差が小さく
なり過ぎるであろう。冷却システム10は、制御器80によって油の低流量また
は油量の減少と診断され、運転が停止される。制御器80がこのように診断する
状態とは、典型的な例では、冷却塔の水温が低く、冷水の温度が暖かい状態で起
動した場合である。これは通常は一時的な問題であるが、制御器80が通常の運
転状態を確立できなくなる可能性もある。
測定してそれを制御機80に供給する。制御器80の比例と積分と微分(PID)
のアルゴリズムによって、電気膨張弁を調節してライン104を介して気液分離
器62から蒸発器18に入る冷媒の流量を変えて蒸発器18の液面を目標の位置
に維持する。制御器80による液面の制御によって、ライン106と108を介
して圧縮機12によって蒸発器から吸引される気体状態の冷媒と、凝縮器14か
ら膨張弁16を経てライン104によって蒸発器18に戻される液体状態の冷媒
との質量バランスが保たれる。膨張弁16が開いてライン104を介して蒸発器
18へ入る冷媒の流入量がライン106を介して蒸発器18から出る冷媒の流量
を越えると、最終的には気体状態の冷媒が凝縮器14から蒸発器18に流れるま
で凝縮器14が冷媒を排出する。すると、気体状態の冷媒の密度が下がって質量
バラスは再び回復することになる。しかしながら、結果的に気体冷媒が効果的に
冷却をしないで凝縮器14にもどるため、凝縮器14からの気体冷媒の流れは冷
却システムの効率を低下させる。
冷媒が全て蒸発してしまう。圧縮機12が、膨張弁が凝縮器14から供給してい
る冷媒より多くの冷媒をライン106及び108を介して蒸発器18から吸入す
ると、センサ98によって測定される蒸発器の圧力が低下する。蒸発器の圧力が
低下すると、圧縮機12の入側と出側の圧力差が上昇する。圧力差が大き過ぎる
と圧縮機の効率が低下して圧縮機12の流量が低下し、質量バランスが再び回復
する。但し、冷却器システムの効率は低下する。
弁16の第2の制御手段とは、圧縮機の最小限の圧力差を維持することである。
値を制御器80に供給し、この制御器80がPIDアルゴリズムを用いて膨張弁
16を介して膨張弁の動きを制御する。図3を参照すると、液面センサ64は液
面132を感知する範囲130を有する。好適な実施例では、この範囲130は
約5.08cmであり、センサ64によって、下端134の0cmから上端13
6の5.08cm(2 inch)までの範囲が測定される。
り設定値というものがない。RAMメモリにあるプログラムされた設定値、或い
はセンサやDIPスイッチなどの装置によって入力された設定値の代わりに、本
発明では、センサの中間点138と制御される装置の目標の液面140とが整合
するように液面センサ64を設置する。好適な実施例では、中間点138が範囲
130の中央に位置し、下端134及び上端136からそれぞれ2.54cm(
1 inch)離れている。
ート148に示されている。ステップ150で任意の従来方法でルーチンがスタ
ートし、ステップ152で範囲130の目標の液面140と下端134とのオフ
セット142を計算する。好適な実施例では、このオフセット142は約2.5
4cmである。次にステップ154に示されているように、実際の液面132を
測定して、その値をセンサ64から制御器80に送る。図3に、目標の液面14
0と測定した液面132との実際の誤差144が示されている。
2からオフセット142を差し引く。こうすることで、誤差144の中心(即ち
、誤差の規準となる位置)が範囲130の下端134に変わる。中心が変えられ
た誤差146が、範囲130の0cm点に対するものとなる。ステップ160で
、中心が変えられた誤差146を0と比較し、中心が変えられた誤差146の値
が正か負かによって単純に膨張弁の開閉を決定する。更に、中心が変えられた誤
差146の大きさによって膨張弁の変化量を決定する。ステップ162は、決定
された誤差に応じる従来の誤差の制御を示す。ライン164は、制御器80の通
常の動作計画に従ってサイクルが繰り返されることを示す。
意の点を選択してその選択した点を設定値とすることで、従来の設定値を用いな
い。従って、センサ64が様々な装置に用いられる場合に好都合であり、また設
定値を決定する必要がない。別法では、制御する装置の目標の液面に整合され、
かつ選択した点の位置を示す表示装置でセンサ64の外側にマークすることがで
きる。
維持するための第2の制御手段を備える。第2の誤差は、加算器(summator)12
0でセンサ96が決定した凝縮機の圧力からセンサ98が決定した蒸発器の圧力
を差し引いた値に、メモリ122にある経験的に決められたシステムの最小限の
圧力差を差し引くことで得られる。本発明では、システムに必要な最小限の圧力
差172kPa(25PSID)を、潤滑油サブシステム20の入りと出の圧力
差151kPa(22PSID)よりやや高くなるように決定した。加算器12
0によって決定した圧力差誤差を液面誤差と対応するようにスケーラ124で一
定の基準で調節し、誤差比較器(error arbitrator)126に供給する。
誤差とを比較し、その内の小さい方の値をPIDアルゴリズム119に送る。
kPa(25PSID)に維持し得る。コイル60の冷水が冷却され、コイル4
8の冷却水が加熱されると、システムの圧力差が自然に発生するため、膨張弁1
6が開いて蒸発器18の液溜まり66の液面が上昇する。液溜まり66の液面が
上昇すると、膨張弁16の制御手段が圧力差による制御から液溜まり66の液面
の制御に移行する。冷却システム10は、圧力差制御だけでも無期限に運転でき
るため、冷却システム10は常に通常の運転状態を確立できる。従って、システ
ムの圧力差がいつ低下しても、膨張弁16の制御手段が圧力差制御に戻ることが
できる。
持するための第1の手段と、圧縮機の圧力差などのシステムの第2の状態を維持
するための第2の手段とを有する制御器を提供する。システムの圧力差に基づく
潤滑油のポンプ動作が必要な様々な圧縮機への変更、及び第1の膨張弁の制御手
段として様々な第1の状態を用いることを含む本装置の種々の変更及び改良が可
能であることは、当分野の通常の知識を有する技術者には容易に理解されよう。
このような変更は、本発明の請求の精神及び範囲に含まれるとみなされる。
Claims (20)
- 【請求項1】 HVACシステムにおける圧力差を維持するべく膨張弁を
制御する方法であって、 前記システムの第1の状態を測定する過程と、 前記システムの第1の状態の誤差を決定する過程と、 前記システムの第2の状態を測定する過程と、 前記システムの第2の状態の誤差を決定する過程と、 前記第1または第2の誤差の内の小さい方の誤差に基づいて膨張弁を調節する
過程とを含むことを特徴とする圧力差を維持するべく膨張弁を制御する方法。 - 【請求項2】 前記第1の状態の誤差が冷媒の液面であり、前記第2の状
態の誤差が圧縮機の入りと出の圧力差の測定値であることを特徴とする請求項1
に記載の方法。 - 【請求項3】 前記膨張弁が、蒸発器の入側に機能的に接続され、前記蒸
発器の出側が前記圧縮機の吸入側に機能的に接続され、 前記蒸発器から出る冷媒の流れと、前記膨張弁から前記蒸発器に入る冷媒の流
れとの質量バランスを維持するべく前記膨張弁を調節することを特徴とする請求
項2に記載の方法。 - 【請求項4】 前記蒸発器において前記冷媒の液面が測定され、 前記冷媒の液面と前記圧縮機の入りと出の最小限の圧力差の双方を維持するべ
く前記膨張弁を調節することを特徴とする請求項3に記載の方法。 - 【請求項5】 膨張弁を制御する方法であって、 冷媒の液面を測定する過程と、 冷媒の液面の誤差を決定するべく前記測定した冷媒の液面と目標の液面とを比
較する過程と、 前記システムの圧力差を測定する過程と、 前記システムの圧力差の誤差を決定するべく前記測定されたシステムの圧力差
と目標のシステムの圧力差とを比較する過程と、 小さい方の誤差を決定するべく前記液面の誤差と前記圧力差の誤差とを比較す
る過程と、 前記小さい方の誤差を制御するべく前記膨張弁を調節する過程とを含む膨張弁
を制御する方法。 - 【請求項6】 前記液面が蒸発器、凝縮器、受器または気液分離器におい
て測定されることを特徴とする請求項5に記載の方法。 - 【請求項7】 前記システムの圧力差が、凝縮器の圧力と蒸発器の圧力と
を測定してその圧力差を決定することで得られることを特徴とする請求項6に記
載の方法。 - 【請求項8】 前記システムの目標の圧力差と前記システムの測定圧力差
との最小限の圧力差を決定することを含むことを特徴とする請求項7に記載の方
法。 - 【請求項9】 前記液面の誤差或いは前記圧力差の誤差の内の一方を他方
の誤差の範囲に対応するように一定の基準で調節する(scaling)過程を更に含
むことを特徴とする請求項8に記載の方法。 - 【請求項10】 HVACシステムにおける液面を制御する方法であって
、 液面センサを目的の液面に物理的に較正する過程と、 前記液面センサの選択した点から下端までのオフセットを計算する過程と、 液面を測定する過程と、 前記測定した液面から前記計算したオフセットを差し引く過程と、 誤差を決定するべく前記差し引いた値と0とを比較する過程と、 誤差を最小にするべく前記液面を制御する過程とを含むHVACシステムにお
ける液面を制御する方法。 - 【請求項11】 前記較正する過程が、前記センサの選択された点と前記
目標の液面とを整合させる更なる過程を含むことを特徴とする請求項10に記載
の方法。 - 【請求項12】 前記センサが範囲を有し、前記選択された点が実質的に
前記範囲の中央に位置することを特徴とする請求項11に記載の方法。 - 【請求項13】 前記制御する過程が膨張弁の使用を含むことを特徴とす
る請求項12に記載の方法。 - 【請求項14】 圧縮機の入りと出の最小限の圧力差を維持する方法であ
って、 圧縮機を運転して流体を圧縮し、圧縮機の入側と出側の圧力差を生じさせる過
程と、 前記圧力差を測定して当該圧力差と理想の圧力差とを比較し、圧力差の誤差を
決定する過程と、 前記圧縮機の入りと出の最小限の圧力差を維持するべく、前記圧力差の誤差に
応答する膨張手段を制御する過程とを含む。 - 【請求項15】 前記圧縮機の吐出側が凝縮熱交換器に連続して接続され
、その凝縮熱交換器が前記膨張手段に連続して接続され、その膨張装置が蒸発熱
交換器に連続して接続され、その蒸発器熱交換器が前記圧縮機に連続して接続さ
れ、 前記蒸発熱交換器の最低限の液面も同時に維持するべく前記膨張弁を制御する
ことを特徴とする請求項14に記載の方法。 - 【請求項16】 前記蒸発器が、目標の液面を決定するための液面センサ
を備え、 前記液面センサの誤差と前記圧力差の誤差の小さい方の誤差に応答して前記膨
張弁を制御することを特徴とする請求項15に記載の方法。 - 【請求項17】 前記液面センサが、液面の感知が可能な範囲を有し、 前記液面の範囲内の選択された点が、物理的に前記目標の液面であることを特
徴とする請求項16に記載の方法。 - 【請求項18】 前記目標の液面と前記選択された点との誤差を最小にす
ることによって、前記液面を維持するべく前記膨張弁を制御することを特徴とす
る請求項17に記載の方法。 - 【請求項19】 前記選択された点が実質的に前記範囲の中心点であるこ
とを特徴とする請求項18に記載の方法。 - 【請求項20】 前記圧縮機の吐出側と吸入側との間に接続された潤滑油
サブシステムであって、その圧力差によって潤滑油が前記圧縮機の吐出側から前
記潤滑油サブシステムを通って吸入側に供給される、該潤滑油サブシステムを更
に含むことを特徴とする請求項19に記載の方法。
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