JP2002533653A - 小型冷凍システム - Google Patents

小型冷凍システム

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JP2002533653A JP2000591369A JP2000591369A JP2002533653A JP 2002533653 A JP2002533653 A JP 2002533653A JP 2000591369 A JP2000591369 A JP 2000591369A JP 2000591369 A JP2000591369 A JP 2000591369A JP 2002533653 A JP2002533653 A JP 2002533653A
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アール．ブッチュ オットー
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ヴェンチャー サイエンティフィックス インコーポレーテッド
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Abstract

(57)【要約】 蒸発器（１０２）と凝縮器（１００）とを相互連結する冷媒回路に、選択的に制御可能な弁（１０６）を配置し、弁（１０６）の前後間に差圧が生じるように制御する。弁（１０６）は、作動流体の“バッチ処理”を行うように選択的に開放される。実施形態によっては、弁（１０６）を通過した作動流体を加熱室（１１６）内で加熱し、弁（１０６）の下流側の圧力量を上昇させる。これにより、凝縮器（１００）で圧力を上昇させる膨張加圧された作動流体が発生し、既に凝縮液化した作動流体が流量絞り移送装置（１０４）から蒸発器（１０２）内へ強制的に流入する。別の実施形態では、ピストンポンプ等のポンプ（１０２）により又はポンプ（１０２）と加熱室（１１６）との組合せにより差圧を発生させたり上昇させたりする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 関連出願の相互参照 本願は、引用の形で本文に盛り込まれる１９９８年１２月２３日出願の「小
型冷凍システム」という名称の米国の仮の特許出願番号６０／１１３，９４３に
基づいて優先権を主張するものである。
【０００２】 発明の背景 発明の分野 本発明は、小型軽量の冷凍システムに関し、特に、冷凍装置を軽量かつ非常
にコンパクトにできるように内部の作動流体の流れを動的に制御するようなシス
テムに関する。
【０００３】 関連技術 冷凍装置を小型でかさばらないようにするために、作動流体を圧縮してシス
テム中を圧送させるために使用されるポンプを小型化、コンパクト化及び静音化
することに努力が注がれてきた。しかしながら、このような機構は、必然的に回
転型のポンプや圧縮機に依存しており、非常に複雑でそれ故高価になる傾向があ
るという点で完全に成功したためしがない。非常に特殊な種類の極低温用途を対
象としているが、冷却を行うためにピストンを利用する小型装置の一例が、ステ
ットソン(Stetson)の名義で１９８９年８月２２日に発行された米国特許４，８
５８，４４２号に存在する。
【０００４】 しかしながら、そのような開発にもかかわらず、例えば、自動車内で使用さ
れるような空調機に組み込まれる種類の冷凍システムには、さらに問題が残って
いる。例えば、そのような機構において、圧縮機は、常に原動機、すなわち、エ
ンジンの出力で駆動されるため、適正な駆動連結（通常はベルト駆動）が確立で
きるようにエンジンに近いエンジンルームに位置している。この配置は、凝縮器
等の他の装置構成要素を圧縮機の近くに位置させたり、同じ場所に配置させる必
要があることと相俟って、多数の欠点を招いている。
【０００５】 具体的には、圧縮機がエンジンとの機械的接続により駆動されることにより
、その回転速度が変動することになるので、空調システムが圧縮機からの吐出冷
媒量の変動を補償するためのアキュムレータや何らかの形の補償装置を備えてい
ることが必要になる。更に、圧縮機が加熱された環境内（すなわち、熱いエンジ
ンルーム内やさらに熱いエンジンの近く）に配置される傾向があることにより、
冷媒をさらに加熱に曝すことになって、厚く、頑丈で高価な断熱ホースの使用が
必要となると共に、凝縮器を圧縮機から少し遠ざけてできる限り熱放射を避けて
冷気流に曝すことが必要になる。しかしながら、凝縮器に連結される配管は、通
常、蒸発器への途上でエンジンルームを通過するか又はその近くを通らなければ
ならず、したがって、過度に再加熱されないように断熱されることも必要になる
。
【０００６】 更に、かなりの長さの配管が必要になり、上記アキュムレータを設置する必
要があることと関連して、必要な作動流体の総量が増大する。必要な材料と装置
の重量に加え、長い導管を通じて冷媒（すなわち、作動流体）を圧送する際に必
要なポンプ負荷により、自動車空調システムが必然的に所望以上に重く複雑で高
価かつ非効率になるという状況が引き起こされる。
【０００７】 高性能車両の場合、車両又はエンジンの様々な構成部品の重量を削減させる
先端材料や高価な材料を使用するために、圧縮機や凝縮器等の重く嵩張る構成要
素の配分がますます重要になっているので、圧縮機等を非常に窮屈なエンジンル
ーム内に配置する必要性がより大きな問題になっている。重量配分がさらに難し
くなるだけでなく、そのような装置の存在が第２のターボ過給機や中間冷却器等
の機器を付設できる可能性を低下させる傾向がある。
【０００８】 更に悪いことには、燃料電池やハイブリッド動力発生システムを使用する電
動車両への取組みが進むにつれ、現在利用されている内燃機関等の強力な原動機
の利用可能性が消滅し、より軽くよりエネルギー効率の高い機構の必要性が急激
に高まるであろう。
【０００９】 したがって、上述した種類の欠点を克服すると共に、必要に応じて適宜の位
置に設けることができる静かでコンパクトな機構を提供できる軽量でエネルギー
経済性の高い冷凍機に対する要望がある。
【００１０】 発明の概略 したがって、様々な用途に利用可能で、本来的に静かであり、空きスペース
の量が少ない場所に即座に配置できるような小型でコンパクトな冷凍装置又は冷
凍機を提供することが提案される。
【００１１】 更に、装置を軽量化、コンパクト化及び静音化する冷凍機の制御方法を提供
することが提案される。
【００１２】 簡単に言えば、これらの目的は、選択的に制御可能な流量制御弁が蒸発器と
凝縮器とを相互連結する冷凍回路の導管に配置され、弁の前後間に差圧が生ずる
ように制御される機構によって実現される。この流量制御弁は、開閉式弁、全開
とほぼ全閉との間で流量を絞ることができる流量絞り弁、若しくは逆止弁又は逆
止め流量制御機構の形を採用することが可能で、急速に開閉されて作動流体の“
バッチ処理”を行うようになっている。実施形態によっては、弁を通過した作動
流体を加熱室内で加熱して弁の下流側の圧力を上昇させる。これにより、膨張加
圧された作動流体が発生し、凝縮器内の圧力を上昇させると共に、既に凝縮して
液化した作動流体を流量絞り移送装置から蒸発器内へ強制的に流入させる。加熱
されたばかりの気体を凝縮器内で凝縮させることにより、続いてそれ自体液体に
なって流量絞り移送装置を強制的に通過させながら、弁の下流側の圧力が低下し
てさらに所定量の気相の作動流体を通過させるのに適した状態が発生する。この
ような循環を急速に繰り返すことにより、動的な流通状態が発生し、液相の作動
流体の蒸発器への流入が維持される。
【００１３】 別の実施形態では、流量制御弁を通過する気相作動流体の流れをソレノイド
ピストンポンプ等のポンプによって増加させ、加熱室と結合させることができる
ようになっている。それにもかかわらず、凝縮器の作用を利用するか、その他の
何らかの手段によって充分な凝縮が発生可能である場合には、状況や必要な冷却
能力に応じてヒータとポンプの両方をなくしてもよい。凝縮器からの液相作動流
体の流れは、希望に応じてポンプ特性も有するキャピラリーチューブ及び選択的
に制御可能な弁機構の何れかを介して蒸発器に移送される。
【００１４】 より具体的に、本発明の第１の特徴は、作動流体移送装置により連通接続さ
れた凝縮器と蒸発器を備え、液相作動流体が上記凝縮器から上記蒸発器へ流れる
ように上記流体移送装置の前後間で差圧を生じさせる冷凍機にある。この差圧は
、上記蒸発器の下流端と上記凝縮器の上流端との間に配置され、上記作動流体移
送装置の前後間の差圧を維持して液相の作動流体が上記蒸発器に強制的に流入す
るように上記凝縮器内の作動流体の凝縮速度に対応したタイミングで上記蒸発器
と凝縮器との間の作動流体の流通を選択的に遮断する急速開閉式の流量制御装置
又は弁によって制御される。
【００１５】 上記本発明の特徴において、センサ機構に応答する制御部によって、上記流
量制御装置を選択的に制御すると共に、上記流通遮断のタイミングを１秒あたり
複数回発生するように制御する。この制御を実現するため、上記流量制御装置の
上流側の第１圧力センサと上記流量制御装置の下流側の第２圧力センサとのうち
の少なくとも１つを設ける。
【００１６】 上記機構は、上記流量制御装置の下流に設けられ、且つ上記流量制御装置を
通過した気相の作動流体を加熱して膨張させるように上記制御部に作動連結され
た加熱室をさらに備えていてもよい。この加熱制御を容易にするため、上記加熱
室に連結された温度センサを利用して、該加熱室内で加熱膨張される気相の作動
流体の温度を検出する。
【００１７】 上記に加えて、上記流量制御装置の下流にポンプを設け、流量制御装置の開
放に対応したタイミングで動作するように上記制御部に作動連結してもよい。更
に、上記凝縮器と上記蒸発器を連通接続する上記作動流体移送装置は、単純なキ
ャピラリーチューブの形を採用してもよい。又は、上記作動流体移送装置は、上
記蒸発器内に吐出可能な液相作動流体の量を絞る可変オリフィスを有している選
択的に操作可能な弁の形を採用することができる。
【００１８】 上記凝縮器と上記作動流体移送装置との間には、作動流体から所定の種類の
異物を除去する乾燥機を設けてもよい。又は、上記流体移送装置は、液相作動流
体を上記流量制御装置の開放に対応したタイミングで選択的に搬送するように構
成されたポンプの形を採用してもよい。
【００１９】 本発明の第２の特徴は、作動流体移送装置により連通接続された凝縮器と蒸
発器を備え、作動流体が上記蒸発器から上記凝縮器へ流れるように差圧を生じさ
せる冷凍装置を運転する方法にある。この方法は、上記作動流体移送装置の前後
間の差圧を維持して液相の作動流体を上記作動流体移送装置から上記蒸発器に強
制的に流入させるように上記蒸発器の下流端と上記凝縮器の上流端との間に動作
可能に設けられた選択的に操作可能な流量制御装置によって、上記蒸発器の下流
端から上記凝縮器の上流端への作動流体の流通を選択的に遮断する工程を特徴と
する。
【００２０】 上記方法は、検出された少なくとも１つのパラメータに応答する制御部によ
って上記流量制御装置の動作を制御する工程をさらに備えていてもよい。更に、
上記方法は、上記流量制御装置を通過した一部の作動流体を加熱して該気相の作
動流体を膨張させると共に、上記流量制御装置の下流側の圧力を上昇させる工程
を特徴とすることもできる。この上昇した圧力を利用して、液相の作動流体を凝
縮器から移送装置を介して蒸発器へ押し進める。
【００２１】 更にまた、上記の方法は、加熱される作動流体の温度を検出し、その検出温
度を上記制御部に表示する工程を備えていてもよい。更に、上記加熱工程を上記
制御部の制御で実行すると共に、上記加熱工程を上記流量制御装置の開放と上記
所定量の気相作動流体の上記流量制御装置の下流に位置する加熱室内への送給と
に対応したタイミングで行うことも可能である。
【００２２】 上記に加えて、上記方法は、上記流量制御装置の下流に設けられたポンプを
利用して上記流量制御装置の開放に対応して所定のタイミングで作動流体を該流
量制御装置に搬送する工程をさらに備えていてもよい。更に、上記方法は、上記
流量制御装置の下流側の位置で圧力を検出することと、該下流側位置で検出され
る圧力にしたがって上記流量制御装置の動作を制御することを特徴とする。その
代わりに、又はそれに加えて、上記方法は、上記流量制御装置の上流側の位置で
圧力を検出する工程と、該上流側位置で検出される圧力にしたがって上記流量制
御装置の動作を制御する工程とを備えていてもよい。
【００２３】 本発明の第３の特徴は、流量制御装置の下流側の第１の熱交換器を介して気
相の作動流体を凝縮して液相に戻す工程と、上記液相の作動流体を流量絞り移送
装置に通過させ、上記凝縮した液体を第２の熱交換器を介して熱が吸収されるよ
うにして膨張させる工程と、上記気相の作動流体を再循環させて上記流量制御装
置に戻す工程と、上記流量制御装置の前後間に現れる差圧にしたがって所定量の
作動流体を該流量制御装置に通過させると同時に上記必要な差圧を維持して上記
液相の作動流体を上記移送装置に強制的に通過させるように上記流量制御装置の
開閉のタイミングを合わせる工程とを備えた冷凍装置の運転方法にある。
【００２４】 第４の特徴は、流量制御装置又は弁の下流側の第１の熱交換器を介して気相
の作動流体を凝縮して液相に戻すことにより、上記流量制御装置の下流側の作動
流体の圧力を瞬時に低下させる手段と、流量絞り装置を通過した上記凝縮した液
相の作動流体を第２の熱交換器を介して熱が吸収されるようにして膨張させ、上
記作動流体を再循環させて上記流量制御装置に戻す手段と、上記流量制御装置の
下流側に現れる減圧にしたがって所定量の作動流体を該流量制御装置に通過させ
るように上記流量制御装置の開閉のタイミングを合わせる手段を備えた冷凍装置
にある。
【００２５】 本発明のもう１つの特徴は、凝縮器と、蒸発器と液相の作動流体を上記凝縮
器から上記蒸発器に移送させる移送装置とを備えた閉ループを有する冷凍システ
ムであって、上記ループ内の差圧を上昇させて上記液相の作動流体を上記蒸発器
に向かって移動させる加熱室又はポンプを備えた差圧発生器と、該差圧発生器に
連結され、上記液相の作動流体を上記蒸発器に向かって移動させようとする差圧
の大きさを示すパラメータを検出する制御パラメータセンサと、上記凝縮器の方
向に個々の所定量の気相の作動流体を選択的に流通させるように上記差圧発生器
と共に配置され、上記制御パラメータセンサの出力にしたがって制御される流量
制御装置を備えた冷凍システムに関する。
【００２６】 本発明のさらに別の特徴は、加熱室又は導管内の所定量の作動流体に熱を伝
達してすでに気相の作動流体を膨張加圧する工程と、上記膨張した作動流体を凝
縮器内で液体に凝縮する工程と、上記加熱室内の圧力が上記凝縮器内での気相作
動流体の凝縮により低下した時に上記加熱室内にさらに所定量の作動流体を導入
する工程と、液相の作動流体を上記凝縮器から流量制御装置を介して蒸発器に移
送する工程と、作動流体を流量制御機構を介して上記加熱室に再循環させ、上記
加熱室内の圧力が上記凝縮器内での気相作動流体の凝縮により低下した時に上記
加熱室内にさらに所定量の作動流体を導入する工程と、上記加熱工程、凝縮工程
、移送工程及び再循環工程を繰り返す工程とを備えた冷凍装置の運転方法にある
。
【００２７】 この特徴において、上記方法は、作動流体を上記蒸発器から上記流量制御機
構に向かって搬送する工程をさらに備えていてもよい。本発明のもう１つの特徴
は、凝縮器と、蒸発器と、作動流体を上記凝縮器から上記蒸発器に移送させる移
送装置と、上記蒸発器からの作動流体を各所定量毎に間隔を置いて上記凝縮器に
向けて通過させる流量制御装置と、上記流量制御装置の上流及び下流の何れかに
位置するポンプとを有する冷凍システムにある。このポンプは、往復ポンプ要素
と、該ポンプ要素に作動連結されたリニア作動モータと、該リニア作動モータに
作動連結されると共に、上記流量制御装置の前後間の差圧等の制御パラメータを
測定する１つ以上のセンサに応答し、上記ポンプ要素に印加される線形駆動力と
ポンプによる作動流体の押しのけ方法を制御する制御回路を特徴とする。
【００２８】 上記方法において、上記流量制御装置は、上記ポンプ要素の往復動に対応し
たタイミングで開閉され、柱状の作動流体を上記流量制御装置に本明細書で言う
ところの“慣性で押し込み”通過させることができるように上記制御回路に作動
連結されている。
【００２９】 本発明の様々な特徴と長所は、添付の図面と共に採用した以下の実施形態の
詳細な説明からさらに明らかになるであろう。
【００３０】 好ましい実施形態の詳細な説明 図１は、本発明の概念的な機構を概略的に示す。図に示すように、この機構
は、凝縮器１００と、蒸発器１０２と、液相作動流体の凝縮器から蒸発器への移
送を制御する流体移送装置１０４と、蒸発器１０２の下流端と凝縮器１００の上
流端との間に設けられた流量制御弁１０６を備えている。明らかなように、この
図は、本発明を基本的で簡単明解にしたものを例示するためのものである。
【００３１】 流量制御弁１０６の前後間に瞬時に差圧を発生させることができれば、弁１
０６が開いた時に作動流体（ガス冷媒）が凝縮器１００に向かって流れることに
なる。実際には、凝縮器１００で作動流体から充分な熱を除去すること及び蒸発
器１０２で流体に充分な熱を伝達することの少なくとも一方が可能であれば、そ
して、流量制御弁１０６を適正なタイミングで制御し、凝縮器１００で起こって
いる作動流体の凝縮にちょうど足りる長さの期間だけ閉鎖した状態にして弁の下
流側の圧力を低下させれば、流体移送装置１０４により蒸発器１０２に移送され
ている液相の作動流体の前後間の有効差圧を維持しながら流量制御弁に流体の流
れを間欠的に“バッチ処理”することができ、それにより、要求される冷凍効果
を生み出すのに必要なやり方で液相作動流体を蒸発器１０２に向かって確実に強
制的に移動させることができる。
【００３２】 弁１０６に通過させる流体のバッチ処理のタイミングは、蒸発器１０２の下
流端と凝縮器１００の上流端との間に気相作動流体の動的な動きを引き起こすた
め、更に、凝縮器１００に供給される圧力の間欠的な昇降を実現するために非常
に重要である。
【００３３】 実験によると、弁１０６を５０ミリ秒間開放し５０ミリ秒間閉鎖すると共に
、弁１０６の下流側に約１１５psiのピーク圧力が周期的に発生する一方、上流
側に約２５psiの圧力が現れるデューティサイクルで弁１０６を操作した場合、
有効な冷却が可能であることが示された。勿論、これらの値や圧力は、一例に過
ぎず、様々な変更が本発明の範囲内に含まれる。
【００３４】 この例示の機構において、流量制御装置１０４は、液相作動流体を凝縮器１
００から移送して蒸発器１０２に供給される際に急蒸発させるキャピラリーチュ
ーブの形を採用してもよい。また、作動流体を蒸発器に供給できる可変オリフィ
スとなることが可能な選択的制御弁（例えば、図７参照）の形を採用することも
できる。この型の弁は、システムの機能要素を相互連結する閉ループ回路内で流
体を流すタイミングを増加させることも可能である。以下に、この型の弁を更に
詳細に開示する。
【００３５】 上記凝縮器１００と蒸発器１０２は、様々な形態を採用することができ、そ
の一部は、公知で市販のものである。しかしながら、本発明は、どの特定の機構
にも限定されるものではなく、非常に様々な装置や機構を利用することは、本発
明の範囲内である。
【００３６】 上記から明らかなように、本発明の場合、要求される流れの型を実現するた
めに流量制御弁の開放から閉鎖に至るまで“インテリジェント”制御を実行する
ことが重要である。この目的のため、図２に示すように、その全体を符号１０８
で示す制御回路又は機構が弁１０６に作動連結されて、冷凍機の動作を示すパラ
メータを検出する（その全体を符号１１０で示す）適切なセンサに応答するよう
に構成されている。
【００３７】 この制御回路又は機構１０８を設けることにより、システムの動作を最適に
するように弁１０６の開閉のタイミングを制御することができる。例えば、凝縮
器１００で作動流体を過冷却したり、凝縮することによって凝縮器が減圧しすぎ
る傾向がある場合は、液相作動流体の蒸発器への流入を行うことが不利益な場合
がある。
【００３８】 したがって、圧力や圧力を示すパラメータを監視し、最適の動的制御を導く
タイミングで弁１０６を開放することが得策である。但し、弁の開放期間と閉鎖
期間に加えて弁動作の頻度も可変にして制御弁１０６による作動流体の送給を効
率的に“バッチ処理する”ことにより、システムの効率を最大化するか、又は発
生している冷却量の削減を行う必要がある場合には、システムの効率を低下させ
ることができる。
【００３９】 勿論、図１及び図２に示すものは、非常に概略的であり、本発明の要部を構
成する流量制御の基本概念を示すことを依拠しているに過ぎない。実際に、図３
は、２つの圧力センサ１１２，１１４の使用例を示しているが、温度センサ等の
他の種類のセンサを使用することは本発明の範囲内である。それらのセンサを利
用して、圧力と共に変動するパラメータを検出することができると共に、それら
のセンサを拠り所として、流量制御弁１０６の前後間で発生した差圧を精確に表
示することができる。本実施形態及び他の実施形態の流量制御弁１０６は、実際
には、自動車の燃料計の形態を採用してもよい。
【００４０】 図４は、流量制御弁１０６の下流に、そこを通過した個々の所定量（すなわ
ち、バッチ処理）の気相作動流体を受け入れる加熱室１１６が設けられている実
施形態を示す。この加熱室１１６の動作は、後述する制御部１０８の制御下に置
かれている。加熱室内又はそのすぐ下流側には、加熱室１１６内の流体の上昇温
度を監視するように温度センサ１１８が設置されている。
【００４１】 加熱室１１６内の作動流体を加熱することにより、膨張が発生し、加熱室１
１６したがって凝縮器１００に現れる圧力が上昇する。凝縮器内で気体が凝縮し
て液相になると、加熱室１１６及び凝縮器１００の圧力が低下する。この際、加
熱室１１６内に別の所定量の作動流体をバッチ処理として送り込み、できるだけ
遅れないように加熱及び圧力を発生させる膨張の行程を繰り返すことが必要であ
る。この行程は、その一部をパルスジェット式ロケットエンジンの動作にたとえ
ることができる。
【００４２】 但し、この温度センサ１１８の使用は、希望により省くことができ、加熱室
の上流に設けられた圧力センサ１１４の出力を拠り所として、加熱室１１６内で
の作動流体の加熱と膨張により得られた増圧を表示することができる。なお、上
記加熱室それ自体を使用することは、必要ではなく、凝縮器１００に通じており
、適切な熱源にさらされる１本の導管を利用して必要な加熱を実現することもで
きる。
【００４３】 図５は、加熱室１１６を省き、回路内の流量制御弁１０６の上流側の位置に
ポンプ１２０を導入した実施形態を示す。この場合、ポンプ１２０は、適切な型
のものであれば何でもよいが、無駄な動作やタイミングの外れた動作を避けるた
めに制御部１０８によって制御されるほうがよい。それでもなお、連続動作型の
ものを使用することも本発明の範囲内である。
【００４４】 ポンプ１２０は、蒸発器から戻ってくる作動流体がタイミングよく且つ流量
制御弁１０６の開放に備えて加圧されるように配置されている。この構成要素と
して使用するのに有利と思われるポンプの一例を図９及び図１０に基づいて以下
にさらに詳細に説明する。
【００４５】 図６は、ポンプ１２０と加熱室１１６を組み合わせて使用する実施形態を示
す。この縦型配置の場合、流量制御弁１０６の下流側で発生可能な圧力は上昇す
るが、蒸発器１０２の下流側で発生しようとする背圧は、ポンプ１２０を設けた
ことによって低下する。
【００４６】 この図には、流量制御装置１０４の下流端に設けられた“除霜”ヒータ１２
２が示されている。この実施形態において、図１ないし図５に示す実施形態と同
様に、この流量制御装置がキャピラリーチューブの形態を採用するとみなしても
よい。いわゆる“除霜ヒータ”１２２は、作動流体の急蒸発が発生することによ
ってこの装置の下流端が凍結することなく装置が最大限の作動効率を確保できる
ように設けられている。破線で示すように、このヒータは、凝縮器から廃熱を供
給されることができる。この接続は、周囲大気に放出される熱気の一部を供給す
る形や、それ自体の作動流体を利用して凝縮器から熱を伝導させるヒートパイプ
等の形を採用することができる。流量制御装置１０４の端部は、好ましい場合に
は熱放射に適切にさらされるように、凝縮器の内部又はその傍に配置されてもよ
い。
【００４７】 勿論、この除霜装置を本発明に関連して開示した実施形態の全てに設けても
よく、上記の特定例に限定されるものではない。
【００４８】 図７は、図６に示す実施形態と基本的に同じ本発明の実施形態を示し、この
実施形態は、キャピラリーチューブ機構が選択的に制御可能な弁１２４に置き換
えられている点で異なっている。この弁１２４が可動の弁体を有ししたがって作
動流体を蒸発器に対応して流すことができるオリフィスを可変にしているという
点を考慮すれば、除霜ヒータ１２２を弁の下流端に設置することは、起こる可能
性のある弁のスティッキングを防止するために特に有利であると思われる。
【００４９】 図８は、図６に示す種類の機構のさらに詳細な構成を示す。この機構は、凝
縮器１００とキャピラリーチューブ１０４との間に乾燥器１２６を備えている。
この装置は、作動流体から異物を除去し、システムの動作が異物の存在によって
損なわれないようにする。残りの構造は、ほぼ自明である。制御部１０８は、こ
の機構において、ポンプ制御器２０８と、弁作動器３０８と、熱制御器４０８と
、全システム制御器５０８に区分された形で示されている。
【００５０】 この実施形態では、凝縮器１００を、加熱室から加圧された気相作動流体が
流入する熱交換コイル上にファン１２８を利用して冷気の通風を送り込む空冷構
成の形で示している。ファン１２８の動作は、図示のように、システム制御器５
０８によって制御される。
【００５１】 しかしながら、本発明は、空冷式凝縮器の使用に限定されるものではなく、
水冷式又は空水冷式凝縮器の使用も考えられる。例えば、低温又は周囲温度で流
れる水の源が利用可能であれば、それを利用して回路の凝縮器部分を通過してい
る作動流体から熱を除去することは、本発明の範囲内である。
【００５２】 図９及び図１０は、本発明の実施形態のポンプ１２０として利用可能なポン
プの細部を示す。このポンプは、内部に冷媒路１２０Ｂが形成されたハウジング
１２０Ａから構成されている。図示のように、冷媒路１２０Ｂは、蒸発器１０２
に通じる導管に接続されると共に、圧力センサ１１２が設けられた流入口１２０
Ｃから、ピストン１２０Ｅが設けられたチャンバ１２０Ｄまで通じている。ピス
トン１２０Ｅは、チャンバ１２０Ｄ内で往復動し、図９に示す位置にある間に流
入させた流体を図１０に示す位置まで移動した時に押しのけるように構成されて
いる。ピストン１２０Ｅは、独立した区画内に収容されチャンバから耐密状に絶
縁されたリニア作動モータすなわちソレノイド１２０Ｆによって駆動される。
【００５３】 このポンプの動作は、単純であり、ソレノイド１２０Ｆは、ポンプ制御器回
路２０８から送信された入力信号にしたがってピストン１２０Ｅの往復動を発生
させる。更に、この場合、ポンプとして、流量制御弁１０６を代わりに使用する
ことができ、ピストン１２０Ｅとして、ソレノイド１２０Ｆが遮断されたときに
チャンバ１２０Ｄの出口を閉鎖する位置をデフォルト設定にするように偏倚され
たばねを使用することができる。
【００５４】 ピストン１２０Ｅのヘッドは、ほぼ弾丸の形状に示されているが、特に行程
の終了時でかつチャンバ１２０Ｄの吐出口を閉鎖する直前に作動流体の円滑な押
しのけを容易にするように形成された様々な形状を使用することができる。また
、ヘッドの弁座部分を、衝撃とそれに伴う弁の騒音を低減するようにピストン行
程の最終段階を緩衝するスキッシュ効果を発生させるように形成してもよい。
【００５５】 往復動の頻度を制御することに加えて、その動作を静かで効率的にするよう
にポンプ１２０を運転させることもできる。具体的には、ソレノイドに電力を印
加する方法を決定することによりチャンバを通過するピストンの“行程”を制御
することや、ピストンの“軟着座”と呼ぶものが押しのけ行程の終了時に実現で
きるように電力印加を制御することが可能である。すなわち、ピストンが騒音を
発する衝撃や電力の浪費なく停止するように制御するようにしてピストンがその
行程の終端に近づくにつれて次第に電力を減少させるようにピストンを駆動する
電力を制御することが可能である。このポンプ行程の高度な制御は、システム全
体の効果や効率の向上を容易にするように流量制御弁１０６に向かって作動流体
を送り出す方法を可能にする。
【００５６】 更に、ポンプ１行程あたりに押しのけられる流体分の質量及び気体の“スラ
グ”の移動距離が、流体が得る速度、流体の加速度等その他少しの詳細データと
共に分かれば、システムの共振振動数を利用すると共に、ピストンの上流側と下
流側の両側でこの現象を利用するようにポンプの動作を制御して、流体の流れを
発生させて搬送作用を推進させるいわゆる“慣性押し込み”効果を実現させるこ
とができる。
【００５７】 本発明を限定された数の実施形態のみに基づいて説明したが、特許請求の範
囲によってのみ限定される本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更や変形
が可能である。回路内で要素をさらに省いたり加えたりすることも考えられる。
例えば、図２に示す流量制御弁１０６を流量制御装置１０４と同様にポンプに置
き換えることができる。図７の実施形態で使用される選択的に制御可能な弁１２
４を、希望によりポンプ機構等に置き換えることができる。
【００５８】 本発明を少量の冷却仕事に便利で浜辺でも使用できる小型で携帯型の“アイ
スバケット”機構（例示のみ）で使用することも考えられる。極めて強力な冷却
を必要としない場合には、必要な要素の数を減らすことにより、システムを単純
軽量化することができる。更に、そのような機構において、冷却量を制御するこ
とによりバケットの内容物の温度を調整することが可能である。したがって、“
バケット”を利用して、例えば、液体の流れを冷却すれば、多量の機器を必要と
することなく液体の温度を予め設定したレベルに制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の基本となる概念の本質部分を示す機構を示す概略図である。
【図２】 本発明の要部を構成する流量制御装置又は弁が検出されたパラメータに応じ
て制御される実施形態を示す概略図である。
【図３】 ２つの圧力センサを利用して上記流量制御弁に関する制御データを提供する
実施形態を示す概略図である。
【図４】 凝縮器に供給される気相作動流体の圧力を上昇させるために加熱室を設けた
実施形態を示す図１ないし図３に類似する概略図である。
【図５】 上記加熱室の代わりにポンプを使用する実施形態を示す図４に類似の概略図
である。
【図６】 回路にポンプと加熱室の両方を設けた実施形態を示す概略図である。
【図７】 キャピラリーチューブを選択的に制御可能な弁と置き換えた実施形態を示す
概略図である。
【図８】 図６に概略的に示す実施形態のさらに詳細な図面である。
【図９】 図５ないし図７に例示した本発明の実施形態に適用可能なソレノイド駆動式
ピストンポンプの細部を示す図である。
【図１０】 図５ないし図７に例示した本発明の実施形態に適用可能なソレノイド駆動式
ピストンポンプの細部を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ， ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，Ｌ Ｃ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ， ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，Ｔ Ｊ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 作動流体移送装置により連通接続された凝縮器と蒸発器を備え
    、作動流体が上記蒸発器から上記凝縮器へ流れるように差圧を生じさせる冷凍機
    であって、 上記蒸発器の下流端と上記凝縮器の上流端との間に動作可能に配置され、上
    記作動流体移送装置の前後間の差圧を維持して液相の作動流体が上記蒸発器に強
    制的に流入するように上記凝縮器内の作動流体の凝縮速度に対応したタイミング
    で上記蒸発器と凝縮器との間の気相作動流体の流通を選択的に遮断する流量制御
    装置を備えている冷凍機。
  2. 【請求項２】 センサ機構に応答して、上記流量制御装置を選択的に制御する
    と共に、上記流通遮断のタイミングを１秒あたり複数回発生するように制御する
    制御部をさらに備えた請求項１記載の冷凍機。
  3. 【請求項３】 上記センサ機構は、上記弁の上流に設けられた第１圧力センサ
    と上記弁の下流に設けられた第２圧力センサのうちの少なくとも１つを備えてい
    る請求項２記載の冷凍機。
  4. 【請求項４】 上記流量制御装置の下流に設けられ、上記流量制御装置を通過
    した作動流体を加熱するように上記制御部に作動連結された加熱室をさらに備え
    ている請求項１記載の冷凍機。
  5. 【請求項５】 上記加熱室に連結され、該加熱室内で加熱膨張される作動流体
    の温度を検出する温度センサをさらに備えている請求項４記載の冷凍機。
  6. 【請求項６】 上記流量制御装置の下流に設けられると共に、上記制御部に作
    動連結されており、該流量制御装置の開放に対応したタイミングで連続的に操作
    されるか、又は駆動されるかの少なくとも一方に構成されているポンプをさらに
    備えた請求項２記載の冷凍機。
  7. 【請求項７】 上記凝縮器と上記蒸発器を連通接続する上記作動流体移送装置
    は、キャピラリーチューブを備えている請求項１記載の冷凍機。
  8. 【請求項８】 上記凝縮器と上記蒸発器を連通接続する上記作動流体移送装置
    は、上記蒸発器内に吐出可能な作動流体の量を制御する可変オリフィスを有し且
    つ選択的に操作可能な弁を備えている請求項１記載の冷凍機。
  9. 【請求項９】 上記作動流体移送装置と上記凝縮器との間に流体移動可能に設
    けられ、作動流体から所定の異物を除去する乾燥機をさらに備えている請求項１
    記載の冷凍機。
  10. 【請求項１０】 上記流量制御装置は、流体を上記流量制御装置の開放に対応
    したタイミングで選択的に搬送するように構成されたポンプを備えている請求項
    １記載の冷凍機。
  11. 【請求項１１】 作動流体移送装置により連通接続された凝縮器と蒸発器を備
    え、作動流体が上記蒸発器から上記凝縮器へ流れるように差圧を生じさせる冷凍
    装置を運転する方法であって、上記作動流体移送装置の前後間の差圧を維持して
    液相の作動流体が上記蒸発器に強制的に流入するように上記蒸発器の下流端と上
    記凝縮器の上流端との間に動作可能に設けられた急速に動作する操作可能な流量
    制御装置によって、上記蒸発器の下流端から上記凝縮器の上流端への作動流体の
    流通を選択的に遮断する工程を備えた冷凍装置の運転方法。
  12. 【請求項１２】 検出された少なくとも１つのパラメータに応答する制御部に
    よって上記流量制御装置の動作を制御する工程をさらに備えている請求項１１記
    載の方法。
  13. 【請求項１３】 上記流量制御装置を通過した一部の作動流体を加熱して気相
    の作動流体を発生させると共に、上記流量制御装置の下流側の圧力を上昇させる
    工程をさらに備えている請求項１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 加熱される作動流体の温度を検出し、その検出温度を上記制
    御部に表示する工程をさらに備えている請求項１３記載の方法。
  15. 【請求項１５】 上記加熱工程は、上記制御部の制御により、上記流量制御装
    置の開放と上記一部の作動流体の上記流量制御装置の下流に位置する加熱室内へ
    の送給とに対応したタイミングで実行される請求項１４記載の方法。
  16. 【請求項１６】 上記流量制御装置の下流に設けられたポンプによって上記流
    量制御装置の開放に対応して所定のタイミングで作動流体を該流量制御装置に搬
    送する工程をさらに備えている請求項１１記載の方法。
  17. 【請求項１７】 上記流量制御装置の下流側の位置で圧力を検出する工程と、 該下流側位置で検出される圧力にしたがって上記流量制御装置の動作を制御
    する工程とをさらに備えている請求項１１記載の方法。
  18. 【請求項１８】 上記流量制御装置の上流側の位置で圧力を検出する工程と、 該上流側位置で検出される圧力にしたがって上記流量制御装置の動作を制御
    する工程とをさらに備えている請求項１１記載の方法。
  19. 【請求項１９】 流量制御装置の下流側の第１の熱交換器を介して気相の作動
    流体を凝縮して液相に戻すことにより、上記流量制御装置の下流側の作動流体の
    圧力を低下させる工程と、 流量絞り装置を経由し且つ凝縮した液相の作動流体を第２の熱交換器を介し
    て熱が吸収されるようにして膨張させる工程と、 上記作動流体を再循環させて上記流量制御装置に戻す工程と、 上記流量制御装置の前後間に現れる差圧にしたがって所定量の作動流体を該
    流量制御装置に通過させると共に、必要な差圧を維持して上記液相の作動流体を
    上記流量絞り装置に強制的に通過させ、動的な流体制御を成立させるように上記
    流量制御装置の開放のタイミングを合わせる工程とを備えた冷凍装置の運転方法
    。
  20. 【請求項２０】 流量制御装置の下流側の第１の熱交換器を介して気相の作動
    流体を凝縮して液相に戻すことにより、上記流量制御装置の下流側の作動流体の
    圧力を低下させる手段と、 流量絞り装置を通過した上記凝縮した液相の作動流体を第２の熱交換器を介
    して熱が吸収されるようにして膨張させ、上記作動流体を再循環させて上記流量
    制御装置に戻す手段と、 上記流量制御装置の下流側に現れる減圧にしたがって所定量の作動流体を該
    流量制御装置に通過させると共に、液相の作動流体を上記流量絞り装置に強制的
    に通過させるのに充分な差圧を維持する動的な流体流れを成立させるように上記
    流量制御装置の開放のタイミングを合わせる手段を備えた冷凍装置。
  21. 【請求項２１】 凝縮器と、蒸発器と、作動流体を上記凝縮器から上記蒸発器
    に移送させる流れ移送装置とを備えた閉ループを有する冷凍システムであって、 上記ループ内の差圧を上昇させて作動流体を上記凝縮器に向かって移動させ
    る加熱室又はポンプを備えた差圧発生器と、 該差圧発生器に連結され、上記作動流体を上記凝縮器に向かって移動させよ
    うとする差圧の大きさを示すパラメータを検出する制御パラメータセンサと、 上記凝縮器の方向に個々の所定量の作動流体を選択的に流通させるように上
    記差圧発生器と共に配置され、動的な流れを成立させるように上記制御パラメー
    タセンサの出力にしたがって制御される急速動作の流量制御装置を備えた冷凍シ
    ステム。
  22. 【請求項２２】 加熱室内の所定量の作動流体に熱を伝達して該作動流体を膨
    張加圧する工程と、 上記加圧された作動流体を凝縮器に移送する工程と、 上記気相の作動流体を凝縮器内で液体に凝縮する工程と、 上記加熱室内の圧力が上記凝縮器内での気相作動流体の凝縮により低下した
    時に上記加熱室内にさらに所定量の作動流体を導入する工程と、 上記作動流体の加熱により発生した圧力の作用の下で液相の作動流体を上記
    凝縮器から流量制御装置を介して蒸発器に移送する工程と、 作動流体を流量制御機構を介して上記加熱室に再循環させ、上記加熱室内の
    圧力が上記凝縮器内での気相作動流体の凝縮により低下した時に上記加熱室内に
    さらに所定量の作動流体を導入する工程と、 上記加熱工程、凝縮工程、移送工程及び再循環工程を急速に繰り返す工程と
    を備えた冷凍装置の運転方法。
  23. 【請求項２３】 作動流体を上記蒸発器から上記流量制御機構に向かって搬送
    する工程をさらに備えている請求項２２記載の方法。
  24. 【請求項２４】 凝縮器と、 蒸発器と、 作動流体を上記凝縮器から上記蒸発器に移送させる移送装置と、 上記蒸発器からの作動流体を各所定量毎に間隔を置いて上記凝縮器に向けて
    通過させる流量制御装置と、 上記流量制御装置の上流及び下流の何れかに位置するポンプとを有する冷凍
    システムであって、 上記ポンプは、 往復ポンプ要素と、 該ポンプ要素に作動連結されたリニア作動モータと、 該リニア作動モータに作動連結されると共に、上記流量制御装置の前後間の
    差圧を測定する１つ以上のセンサに応答し、上記ポンプ要素に印加される線形駆
    動力とポンプによる作動流体の押しのけ方法を制御する制御回路を備えている冷
    凍システム。
  25. 【請求項２５】 上記流量制御装置は、上記ポンプ要素の往復動に対応したタ
    イミングで開閉され、柱状の作動流体を上記流量制御装置に慣性で押し込み通過
    させることができるように上記制御回路に作動連結されている請求項２４記載の
    冷凍システム。
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