JP2007510126A - 動作範囲が拡大された冷媒サイクル - Google Patents

Abstract

冷媒サイクルは、圧縮機モータの電流、電圧、温度または圧縮機ポートの冷媒状態などのシステム状態を監視する制御装置を備える。システム状態が所定の最大値を超えた場合には、モータの保護スイッチが作動して圧縮機の動作を停止させる。制御装置はシステム状態を監視して、状態が所定の限界値へ近づくために保護スイッチが作動するかもしれないことをシステム状態が示していると判断する。このような状態では、保護スイッチが作動する可能性が低くなるように、制御装置が圧縮機を低負荷動作モードに移行させる。

Description

本発明は、厄介なシステム停止とエンドユーザによる冷却負荷の全損失とを防止するため、冷媒サイクルにおけるシステム状態を監視し、この状態が極限状態に接近した場合には圧縮機負荷を軽減するという概念に関連する。

冷媒サイクルは、ＨＶＡＣシステム、冷凍ユニット、他の様々な用途で使用される。従来の冷媒サイクルでは、圧縮機が冷媒を圧縮して、この冷媒を凝縮器へ送出する。冷媒は凝縮器から膨張装置へ、膨張装置から蒸発器へ移動する。蒸発器から、冷媒は圧縮機へ戻る。

冷媒サイクル技術における最近の進歩の一つは、エコノマイザサイクルを含めることである。エコノマイザサイクルでは、凝縮器の下流の冷媒の一部分が分流され、エコノマイザ膨張装置を通過してから、エコノマイザ熱交換器に入る。凝縮器からの主冷媒流も、好ましくは向流として、同じエコノマイザ熱交換器を通過する。エコノマイザ熱交換器では、分流が主冷媒流を冷却する。このようにして、主冷媒流によってより大きな冷却能力が得られる。エコノマイザ熱交換器の下流では、分流した冷媒が圧縮機のエコノマイザポートへ戻る。

冷媒サイクルの圧縮機のためのモータは、シャットオフ保護装置を備えることが多い。これらのシャットオフ保護装置は、過電流が流れたときに圧縮機のモータを停止できる。さらにモータ温度が高温になり過ぎた場合にも、保護装置が開いてモータを停止する。

周囲温度が高くかつ線間電圧が低いなど、多くの極限負荷状況では、この状態によって保護装置スイッチが作動し、モータが停止しうる。言うまでもなく、周囲温度が高いという状態は、冷媒サイクルを停止するのに適当でない。なぜなら、このような状態では、冷却負荷が必要であってエンドユーザに最も望まれるものだからである。こうして、保護スイッチがモータの動作を停止させる可能性がかなり高い時というのは、最も望ましくない時でもある。

冷媒サイクルの設計者、特に圧縮機の設計者にとっての難題の一つは、圧縮機ハウジングの全体寸法を小さくすることである。同時に、圧縮機のモータは、上述した極限負荷状態で圧縮機を駆動するのに充分なほど大きくなければならない。

開示される本発明の実施例では、冷媒サイクルの状態が監視される。まもなく保護スイッチを作動させる可能性のある極限動作点にこの状態が接近している場合には、冷媒サイクルの制御装置がこれを予測して、システム停止を防止するため圧縮機の負荷を軽減する。例を挙げると、冷媒サイクルがエコノマイザ分岐路を含む場合、そして圧縮機モータが極限動作点に接近していることを制御装置が検知した場合には、制御装置が冷媒サイクルを非節約型モードに切り換える。エコノマイザモードのない冷媒サイクルにおいて、または冷媒サイクルが非節約型動作状態にあり負荷がまだ充分に軽減されていない場合には、圧縮機負荷をさらに軽減するためアンローダバイパス弁が開かれる。

さらに、圧縮機を駆動するための電動モータが多速度または可変速モータである場合には、同様に負荷を軽減するため、モータ制御装置がモータの動作速度を低下させる。特に、本願の請求項においては、「可変速モータ」という用語は、いくつかの不連続な速度を持つ多速度モータと、連続可変速モータのいずれかを意味することを理解すべきである。すなわち、いずれのタイプのモータも本発明には有益であり、包括的に「可変速」モータと呼ばれる。そのうえ、シリンダ負荷軽減、すべり弁、吸込ポート制限など、他の周知の方法を、同じ目的で様々なタイプの圧縮機に使用できる。これらの制御ステップすべての結果として、冷媒サイクルが、特定の環境状態において必要であるか望ましいものよりも低い能力となりうる。しかし、能力、ひいては負荷を少なくすることによって、さもなければ発生するであろう圧縮機の停止を回避できる。こうして、全体として、望ましい能力より少ない能力で冷媒サイクルが作動していても、より望ましい結果が得られる。

好適な実施例では、冷媒サイクルはスクロール圧縮機を含む。しかし、スクリュ圧縮機、ピストン式往復圧縮機など、他の圧縮機タイプにも、本発明は有益である。

本発明の以上および他の特徴は、以下の実施形態と図面からより良く理解できるだろう。

図１は、出口ポート２２へ冷媒を送出する圧縮機２１を有する冷媒サイクル２０を示す。出口ポート２２から、冷媒は凝縮器２４へ移動する。周知のように凝縮器２４では、冷媒は外気の供給源と熱を交換する。

凝縮器２４の下流にあるのは、エコノマイザ熱交換器２６である。主冷媒管路２８は凝縮器２４からエコノマイザ熱交換器２６の第１分岐路へ冷媒を送出する。管路３０は、主冷媒管路２８から冷媒の一部分を分流して、この分流冷媒をエコノマイザ膨張装置３２に通過させる。この時、分岐管路３０内の冷媒は管路２８に残っている冷媒より低温である。エコノマイザ熱交換器２６では、分流冷媒が管路２８内の主冷媒を過冷する。分流冷媒は管路３６内の遮断弁３４を通り、圧縮機２１の中間圧縮点３８へ戻る。

図示のように、圧縮機２１はスクロール圧縮機であり、周知のように、戻ってきたエコノマイザ流体の投入は、吸込と吐出の間の圧縮サイクルの中間位置で行われる。

エコノマイザ熱交換器２６からの主冷媒流は、主膨張装置４０を通り蒸発器４２まで移動する。周知のように蒸発器４２では、冷媒は、冷却すべき空気供給源と熱を交換する。吸込管路４８は、蒸発器４２を圧縮機吸込管４９と接続する。

吸込管路４８とエコノマイザ戻り管路３６とを接続するバイパス管路４６には、アンローダバイパス弁４４が配置される。周知のように、アンローダ弁４４が開かれてエコノマイザ弁３４が閉じられると、冷媒は中間ポート３８から吸込管路４８へ戻ることができる。アンローダ弁に適した他の位置が周知であることは言うまでもない。そのうえ、アンローダバイパス弁４４とエコノマイザ遮断弁３４を同時に開くことができ、追加の負荷軽減ステップが得られる。

さらに、圧縮機２１はスクロール圧縮機として図示されているが、他の圧縮機タイプにも、以下の本発明の教示は有益である。特に、スクリュ圧縮機は一般的に、アンローダすべり弁を有する。ピストン式往復圧縮機は、様々な形態のシリンダ取付アンローダ弁を有しうる。これら圧縮機タイプのすべてにおいて、以下の本発明の様々な教示が有益である。

圧縮機の中にあるのは、モータ５１とモータ保護装置５３である。周知のように、モータ保護装置は一般的に、モータの温度が所定の最大値を超えた場合、または電流が所定の最大値を超えた場合、または電流と温度との組合せが或る値を超えた場合に開く保護スイッチを含む。そのうえ、圧縮機モータ過負荷状態を検出するため電流または出力検知手段（例えば電子基板）を使用できる。すなわち、保護スイッチ５３は、何らかの極限動作状態が検知された場合に、圧縮機２１を保護するためモータ５１を停止するように作動可能である。

保護スイッチ５３によるモータ５１のシャットオフは望ましくない。特に、冷媒サイクルの負荷が最大である時に停止が起こる可能性が高いことが多い。一例を挙げると、冷媒システム２０の周りの環境の周囲温度が非常に高く、かつ／または線間電圧が公称レベル未満まで低下した場合には、蒸発器４２において室内空気流を冷却するための負荷が最大となる。このような状態では、モータ５１の電流、出力、温度も高いレベルになると予想される。このような状態では、電流、出力、温度のいずれか一つが最大値を超える可能性が低負荷状態の場合よりも高い。しかし、上述したように、冷却負荷全体がエンドユーザによって失われるので、この時にモータ５１が停止するのは不適当である。

ゆえに本発明は、システム状態を監視して、システム状態が保護スイッチ５３の限界値に接近している場合に圧縮機の負荷を軽減する方法を含む。一例を挙げると、制御装置５０は、モータ５１の電流、（或る線間電圧における）出力、温度についてセンサ５２からフィードバックを受け取ることができる。これらの状態のいずれかが保護スイッチ５３の限界値に接近している場合には、制御装置５２が冷媒サイクル２０を負荷軽減動作に移行させうる。一例を挙げると、最高システム能力では、一般的にエコノマイザ弁３４が開いている。圧縮機が限界値に接近していることを状態が示す場合には、制御装置５０は弁３４を閉じてエコノマイザの動作を停止させうる。このようにして、圧縮機２１の負荷が軽減され、このようなシステム状態でのモータ電流、出力、温度も低下し、保護スイッチ５３が作動する可能性が低くなる。

第二のステップとして、またはエコノマイザサイクルを含まないシステムでは、アンローダバイパス弁４４を開くことができる。このようにすると、圧縮される冷媒の量が減少し、圧縮機２１の負荷が軽減される。このような状態では、（凝縮器と蒸発器における冷媒圧力の低下により）システム負荷も軽減される可能性があり、保護スイッチ５３を作動させる極限限界値からさらに遠ざかる。さらにある状態において、エコノマイザ弁３４のシャットオフのみではシステム状態を軽減するのに充分でない場合には、アンローダ弁４４も開くことができる。エコノマイザ遮断弁３４とアンローダバイパス弁４４の両方が開くと、追加の負荷軽減ステップが実施される。

図１は、二つの追加の特徴も示している。第一に、モータ５１が多速度または可変速モータである場合には、モータ５１の速度を制御するのに制御装置５０が使用できる。このような状態では、システム状態が保護スイッチ５３の最大範囲に接近している場合には、モータ５１の速度を低下させて負荷を軽減しうる。

さらに、出力、電流、温度などの圧縮機モータパラメータを監視するのでなく、センサ５４は吸込管４９へ流入する冷媒の圧力と温度を監視し、センサ５５は吐出管２２から出る圧力を監視することができる。当業者であれば、圧縮機負荷を予測するのに吸込圧力、温度、吐出圧力をどのように使用するかを理解し、スイッチ５３が作動する状態に負荷が接近しているかどうかを判断することができるだろう。そうであれば、上述した様々な制御戦略の一つが実行される。節約型動作モードでの圧縮機出力を判断するためには、追加の圧力・温度センサ５６がエコノマイザ圧縮機ポートまたはその付近のエコノマイザ管路３６に配置されることが望ましいことを理解すべきである。すべての場合において、決定パラメータとして出力が使用される時には、基準線間電圧も測定されることが好ましい。モータトリップ状態を判断するのに、圧縮機吐出ポート温度を代わりに使用することもできる。

モータまたは圧縮機の吸込ポート、エコノマイザポート、吐出ポートにおける冷媒の状態を基準として「システム状態」を説明したが、圧縮機シェル内の他の位置における圧縮機の望ましくない状態を判断する他の方法も周知である。本発明は、「システム状態」のあらゆるセンサと、すべての位置および状態のタイプとに関連する。例は、モータ温度、油だめ温度、モータ電流、モータ出力、吐出温度、吸込圧力、吐出圧力、エコノマイザ圧力、エコノマイザ温度、動作電圧、周囲温度、エコノマイザ圧力、エコノマイザ温度を含む。

一般的に、そして図２に見られるように、冷媒サイクル２０は、少なくとも一つのシステムパラメータを連続的に監視する制御装置５０を含む。このシステムパラメータが極限値へ近づいている場合には、現在負荷値を下回るまで負荷を軽減するための制御ステップが行われる。一例を挙げると、エコノマイザサイクルの停止、圧縮機負荷の軽減、モータ速度の低下が可能である。

こうして本発明は、従来のシステムであれば圧縮機動作を停止させるような時にいくらかの冷却能力を連続的に提供することができる。こうしてある意味では、冷媒システムは、冷媒システムの動作を維持しながら可能な最大能力を提供すると考えられる。

さらに、本発明は、長時間にわたって過度の負荷がモータに加えられないようにする制御装置を有するので、多くの場合、圧縮機２１の設計ではより小型のモータを使用できる。あるいは、同じ寸法の圧縮機ハウジングシェルに同じモータ寸法に適合する大型のポンプユニットを含めることができる。これによって、圧縮機ポンプユニットの能力を向上させる際に、圧縮機設計者により大きな自由を与える。

本発明の好適な実施例を開示したが、当業者であれば、特定の変更も本発明の範囲に包含されることを理解するだろう。このため、本発明の真の範囲と内容を判断するには、請求項を検討すべきである。

本発明を取り入れた冷媒サイクルの概略図である。 本発明の簡単なフローチャートである。

Claims (14)

1. モータにより駆動される圧縮機ポンプユニットと、
   前記モータと関連するとともに、第１システム状態が所定レベルに達した時に前記モータの動作を停止するように作動可能である保護装置と、
   前記圧縮機のための制御装置であって、第２システム状態を監視するとともに、第１システム状態が前記所定レベルに接近していることを第２システム状態が示している場合にこれを特定し、第１システム状態が前記所定レベルに接近しているときに前記圧縮機の負荷を軽減するように作動可能である制御装置と、
   を含む圧縮機。
2. 前記制御装置は、第１システム状態が前記所定レベルに接近した場合に、前記圧縮機のアンローダ弁を開くように作動可能である、請求項１記載の圧縮機。
3. 前記制御装置は、第１システム状態が前記所定レベルに接近した場合に、前記圧縮機のエコノマイザ弁を閉じるように作動可能である、請求項１記載の圧縮機。
4. 前記モータが可変速モータであり、前記制御装置は、第１システム状態が前記所定レベルに接近した場合に、圧縮機モータ速度を低下させるように作動可能である、請求項１記載の圧縮機。
5. 第２システム状態が、モータ温度、油だめ温度、モータ電流、モータ出力、吐出温度、吸込圧力、吐出圧力、動作電圧、周囲温度、エコノマイザ圧力、エコノマイザ温度のうち少なくとも一つである、請求項１記載の圧縮機。
6. 第１システム状態の少なくとも一つと第２システム状態の少なくとも一つが同じである、請求項１記載の圧縮機。
7. 圧縮機ポンプユニットと、該圧縮機ポンプユニットを駆動するためのモータとを有し、前記モータが、第１システム状態が所定レベルを超えた時に該モータの動作を停止させるように作動可能である保護装置を備える、圧縮機と、
   前記圧縮機の下流の凝縮器と、
   前記凝縮器の下流の膨張装置と、
   前記膨張装置の下流の蒸発器と、
   少なくとも前記圧縮機を制御するための制御装置であって、第２システム状態を検知するとともに、この監視された第２システム状態が、第１システム状態が前記所定レベルに接近していることを示す場合に、冷媒サイクルを低負荷動作へ移行させるように作動可能である制御装置と、
   を含む冷媒サイクル。
8. 前記制御装置は、第１システム状態が前記所定レベルに接近していることを前記監視された第２システム状態が示す場合に、前記圧縮機ポンプユニットの負荷を軽減するとともに圧縮された冷媒を吸込管路へ戻すためのアンローダ弁を作動させる、請求項７記載の冷媒サイクル。
9. 前記冷媒サイクルがさらに、前記凝縮器と前記膨張装置との間にエコノマイザサイクルを含み、前記エコノマイザサイクルが遮断弁を備え、前記制御装置は、第１システム状態が前記所定レベルに接近していることを前記監視された第２システム状態が示す場合に、前記遮断弁を閉じることにより前記エコノマイザユニットの動作を停止させる、請求項７記載の冷媒サイクル。
10. 前記冷媒サイクルがさらに、前記凝縮器と前記膨張装置との間にエコノマイザサイクルを含み、前記エコノマイザサイクルが遮断弁を備え、前記制御装置は、エコノマイザ遮断弁とアンローダバイパス弁の両方が開いた状態において、第１システム状態が前記所定レベルに接近していることを前記監視された第２システム状態が示す場合に、前記遮断弁を閉じることにより前記エコノマイザユニットの動作を停止させる、請求項７記載の冷媒サイクル。
11. 前記モータが可変速モータであり、前記制御装置は、第１システム状態が前記所定レベルに接近していることを前記監視された第２システム状態が示す場合に、圧縮機モータ速度を低下させるように作動可能である、請求項７記載の冷媒サイクル。
12. 第２システム状態が、モータ温度、油だめ温度、モータ電流、モータ出力、吐出温度、吸込圧力、吐出圧力、動作電圧、周囲温度、エコノマイザ圧力、エコノマイザ温度のうち少なくとも一つであり、前記制御装置は、前記のモータ温度、油だめ温度、モータ電流、モータ出力、吐出温度、吸込圧力、吐出圧力、動作電圧、周囲温度、エコノマイザ圧力、エコノマイザ温度のうち少なくとも一つを監視することにより、第１システム状態が前記望ましくないレベルに接近していることを判断するように作動可能である、請求項７記載の冷媒サイクル。
13. 第１システム状態および第２システム状態が同じ状態である、請求項７記載の冷媒サイクル。
14. （１）圧縮機の第１システム状態を監視するとともに、第１システム状態が所定の最大値を超える場合に圧縮機モータの動作を停止させるように作動可能であるシャットオフスイッチを備える圧縮機モータを提供するステップと、
    （２）第２システム状態を監視するとともに、第１システム状態が前記所定の最大値に接近していることを第２システム状態が示している場合にこれを特定するとともに、前記冷媒サイクルを低能力動作モードへ移行させるステップと、
    を含む、冷媒サイクルを作動させる方法。

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