JP2008008555A - 冷媒流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失の影響を受けることなく定常的に冷却効率の向上させること。
【解決手段】電子膨張弁１３の開度を調節することにより蒸発器１２に対する冷媒の供給量を制御するようにした冷媒流量制御装置において、蒸発器１２の入口部から出口部までの所定の中間位置に中間検出部を設定し、中間検出部において検出した冷媒の温度Ｔ３が蒸発器１２に供給される冷媒の温度Ｔ１以下となり、かつ中間検出部における冷媒の温度Ｔ３に対して蒸発器１２から吐出された冷媒の温度Ｔ２が予め設定した設定値Ｋだけ大きくなるように電子膨張弁１３の開度を制御する弁開度制御手段３０を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子膨張弁の開度を調節することにより蒸発器に対する冷媒の供給量を制御するようにした冷媒流量制御装置に関するものである。

例えば、商品を冷却した状態で陳列販売するショーケースにおいては、収容庫の内部に蒸発器が設けられ、また収容庫の外部に圧縮機、凝縮器及び電子膨張弁が設けられており、これら蒸発器、圧縮機、凝縮器及び電子膨張弁に冷媒を循環供給することによって冷凍サイクルを構成し、収容庫の内部を所望の温度状態に維持するようにしている。

この種の冷凍サイクルにおいては、蒸発器において冷媒の過熱度を制御することにより、冷却効率の向上を図るようにしている。具体的には、蒸発器の入口部と出口部とにそれぞれ温度センサを配設し、これらの温度センサが検出する冷媒温度の差が予め設定した目標値となるように電子膨張弁の開度を調節するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特公昭５８−４７６２８号公報

ところで、上記のような冷凍サイクルにおいては、冷媒の過熱度が小さいほど冷却効率が良くなるため、電子膨張弁の開度を調節する場合、冷媒の過熱度ができるだけ小さくなるように制御することが好ましい。

ここで、実際の蒸発器においては、図５に示すように、冷媒流通通路において発生する圧力損失により、下流側に向かうに従って管表面温度が低下する。この冷媒の温度低下は、過熱度に影響を及ぼすものであるが、特許文献１にあっては、圧力損失を考慮できずに電子膨張弁の開度が制御される。この結果、冷媒の過熱度が一定の値となるように電子膨張弁の開度を制御しても、実質的には圧力損失分だけ大きくなった過熱度を基準として制御が行われることとなり、冷却効率を図る上で問題となる。特に圧力損失の影響は、蒸発器における冷媒の流通通路が長いほど顕著であり、冷却効率が低下する割合も大きなものとなる。

本発明は、上記実情に鑑みて、圧力損失の影響を受けることなく定常的に冷却効率の向上させることのできる冷媒流量制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に係る冷媒流量制御装置は、電子膨張弁の開度を調節することにより蒸発器に対する冷媒の供給量を制御するようにした冷媒流量制御装置において、蒸発器の入口部から出口部までの所定の中間位置に中間検出部を設定し、この中間検出部において検出した冷媒の温度と蒸発器から吐出された冷媒の温度との差に基づいて電子膨張弁の開度を制御する弁開度制御手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る冷媒流量制御装置は、上述した請求項１において、前記弁開度制御手段は、中間検出部における冷媒の温度に対して蒸発器から吐出された冷媒の温度が予め設定した値だけ大きくなるように電子膨張弁の開度を制御することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る冷媒流量制御装置は、上述した請求項１において、前記弁開度制御手段は、中間検出部において検出した冷媒の温度が蒸発器に供給される冷媒の温度以下となり、かつ中間検出部における冷媒の温度に対して蒸発器から吐出された冷媒の温度が予め設定した値だけ大きくなるように電子膨張弁の開度を制御することを特徴とする。

本発明によれば、蒸発器の入口部から出口部までの所定の中間位置に中間検出部を設定し、この中間検出部において検出した冷媒の温度と蒸発器から吐出された冷媒の温度との差に基づいて電子膨張弁の開度を制御する弁開度制御手段を備えるようにしているため、圧力損失によって低下した冷媒の温度を中間検出部において検出し、これに基づいて電子膨張弁の開度を制御することができるようになり、蒸発器の冷却効率を定常的に向上させることが可能となる。

以下、添付図面を適宜参照しながら、本発明に係る冷媒流量制御装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態である冷媒流量制御装置を適用した冷却装置の構成を概念的に示したものである。ここで例示する冷却装置は、収容庫１０の内部に収納した商品を冷却した状態で陳列販売するオープンショーケース１１に適用するもので、オープンショーケース１１の収容庫１０に蒸発器１２を備える一方、オープンショーケース１１の外部に電子膨張弁１３、凝縮器１４及び圧縮機１５を備えている。

これら蒸発器１２、電子膨張弁１３、凝縮器１４及び圧縮機１５は、それぞれの間が冷媒供給管路１６によって接続してあり、冷媒が循環供給される冷凍サイクルを構成している。すなわち、この冷却装置では、圧縮機１５から吐出された高温高圧のガス冷媒が凝縮器１４において冷却されて高温高圧の液冷媒となる。この高温高圧の液冷媒は、電子膨張弁１３により断熱膨張されて冷温低圧の気液２相冷媒となり、収容庫１０の蒸発器１２に供給される。蒸発器１２に供給された低温低圧の気液２相冷媒は、送風ファン１７によって供給された収容庫１０の内部雰囲気と熱交換し、吸熱して低温低圧のガス冷媒となることにより収容庫１０の冷却を行う。蒸発器１２から吐出された低温低圧のガス冷媒は、圧縮機１５に吸入され、再び高温高圧のガス冷媒となって凝縮器１４に供給される。本実施の形態では、電子膨張弁１３として開度指令が与えられた場合に開度指令に応じて開度を変更し、通過する冷媒の流量を調節することのできるものを適用している。

蒸発器１２に接続した冷媒供給管路１６の入口部、出口部及び中間部には、それぞれ冷媒温度センサ２０，２１，２２が設けてある。入口部冷媒温度センサ２０及び出口部冷媒温度センサ２１は、それぞれの冷媒供給管路１６を通過する冷媒の温度を検出するものであり、中間部冷媒温度センサ２２は、蒸発器１２の内部において出口部に近接した部位を通過する冷媒の温度を検出するものである。

また、上記冷却装置は、弁開度制御手段３０を備えている。弁開度制御手段３０は、入口部冷媒温度センサ２０、出口部冷媒温度センサ２１及び中間部冷媒温度センサ２２の検出結果に基づいて電子膨張弁１３の開度を調節するもので、第１温度差測定部３１、第２温度差測定部３２及び弁開度設定部３３を備えている。第１温度差測定部３１は、中間部冷媒温度センサ２２の検出した冷媒温度（以下、「中間部冷媒温度Ｔ３」という）から入口部冷媒温度センサ２０の検出した冷媒温度（以下、「入口部冷媒温度Ｔ１」という）を差し引いた第１冷媒温度差Δｔ１を算出するものである。第２温度差測定部３２は、出口部冷媒温度センサ２１の検出した冷媒温度（以下、「出口部冷媒温度Ｔ２」という）から中間部冷媒温度Ｔ３を差し引いた第２冷媒温度差Δｔ２を算出するものである。弁開度設定部３３は、これらの第１冷媒温度差Δｔ１及び第２冷媒温度差Δｔ２に基づいて電子膨張弁１３の開度を設定するものである。

図２は、図１に示した弁開度制御手段３０の実施する膨張弁制御処理の内容を示すフローチャートである。以下、図２を参照しながら、冷却装置の動作について説明する。

冷却装置が運転状態にある場合、弁開度制御手段３０は、入口部冷媒温度センサ２０、出口部冷媒温度センサ２１及び中間部冷媒温度センサ２２を通じてそれぞれの冷媒温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を検出し（ステップＳ１０１）、第１温度差測定部３１を通じて算出した第１冷媒温度差Δｔ１がゼロ以下であるか否かを判断する（ステップＳ１０２）。

第１冷媒温度差Δｔ１がゼロ以下であった場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、弁開度制御手段３０は、そのまま手順をステップＳ１０３に移行させる。一方、第１冷媒温度差Δｔ１がゼロ以下でない場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、弁開度制御手段３０は、電子膨張弁１３の開度を増大させる処理を実施し（ステップＳ１０４）、その後に手順をステップＳ１０３に移行させる。

電子膨張弁１３の開度が増大すると、冷媒の過熱度が小さくなり、この結果、中間部冷媒温度Ｔ３が入口部冷媒温度Ｔ１以下となるように蒸発器１２の温度分布が推移するようになる。

次いで、弁開度制御手段３０は、第２温度差測定部３２を通じて算出した第２冷媒温度差Δｔ２が所定の正の設定値Ｋであるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。第２冷媒温度差Δｔ２が設定値Ｋであった場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、弁開度制御手段３０は、そのまま今回の処理を終了し、手順をリターンさせる。これに対して第２冷媒温度差Δｔ２が設定値Ｋでない場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、弁開度制御手段３０は、第２冷媒温度差Δｔ２が設定値Ｋとなるように電子膨張弁１３の開度を調節し、その後に手順をリターンさせる。具体的には、第２冷媒温度差Δｔ２が設定値Ｋを超えていた場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）には、電子膨張弁１３の開度を増大させる処理を行う（ステップＳ１０６）一方、第２冷媒温度差Δｔ２が設定値Ｋを下回っていた場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）には電子膨張弁１３の開度を縮小させる処理（ステップＳ１０７）を行う。この結果、中間部冷媒温度Ｔ３が入口部冷媒温度Ｔ１以下となる状態において出口部冷媒温度Ｔ２が中間部冷媒温度Ｔ３よりも設定値Ｋを加算した温度に維持されるようになる。

図３は、蒸発器１２における冷媒の温度分布を示したグラフ、図４は、蒸発器１２における過熱度の変化に対する第１冷媒温度差Δｔ１及び第２冷媒温度差Δｔ２の変化を示したグラフである。

図３からも明らかなように、冷凍サイクルにおける蒸発器１２の温度分布は、過熱蒸気部分及び気液２相部分においてそれぞれ温度変化が小さく、過熱蒸気部分と気液２相部分との境界部（蒸発完了点）において急激に変化する特徴がある。この蒸発完了点は、過熱度が大きい場合には蒸発器１２の入口部に近接する一方、過熱度が小さい場合には蒸発器１２の出口部に近接することになる。

図４に示すように、上述した第１冷媒温度差Δｔ１は、過熱度が大きいほどほぼ一定の正の値となるが、過熱度が小さくなって蒸発完了点が中間検出部に近接すると急激に低下し、ゼロ以下の状態となる。つまり、弁開度制御手段３０によって中間部冷媒温度Ｔ３が入口部冷媒温度Ｔ１以下となるように制御すれば、図３において（ｂ）〜（ｄ）に示すように、蒸発完了点が常に中間検出部と出口部との間に位置し、過熱度が小さい状態で冷却装置が運転されることになる。この場合、例えば図３の（ａ）に示す状態から電子膨張弁１３の開度を増大させて図３の（ｂ）に移行する途中においては、蒸発完了点が中間検出部を通過するため、中間部冷媒温度Ｔ３が急激に低下することになる。従って、中間部冷媒温度Ｔ３が急激に変化した時点で電子膨張弁１３の開度を縮小すれば、蒸発器１２の出口部から気液２相状態の冷媒が吐出する事態を確実に防止することができるようになる。

さらに、出口部冷媒温度Ｔ２が中間部冷媒温度Ｔ３よりも設定値Ｋを加算した値となるように制御を行えば、いわゆる液バック現象を招来する虞れがない。これにより、上述した弁開度制御手段３０による膨張弁制御処理を所定のサイクルタイムで繰り返し実施すれば、つまり、蒸発完了点が常に中間検出部と出口部との間に位置した状態で第２冷媒温度差Δｔ２が予め設定した設定値Ｋとなるように電子膨張弁１３の開度を調節すれば、定常的に冷却効率を向上させることが可能になる。

しかも、第２冷媒温度差Δｔ２は、蒸発器１２の出口部と中間検出部とで検出した冷媒の温度差であるから、蒸発器１２において圧力損失が発生して温度が低下した場合、この温度低下した冷媒を中間検出部において検出することになる。これにより、第２冷媒温度差Δｔ２が予め設定した設定値Ｋとなるように電子膨張弁１３の開度を調節すれば、圧力損失の影響を受けることなく冷媒の過熱度を正確に制御することができるようになる。

尚、上述した実施の形態では、収容庫１０の内部に収納した商品を冷却した状態で陳列販売するオープンショーケース１１に適用する冷却装置の冷媒流量制御装置を例示しているが、電子膨張弁１３の開度を調節することにより蒸発器１２に対する冷媒の供給量を制御するものであれば、その他の冷却装置の冷媒流量制御装置として適用することが可能である。

また、蒸発器１２の内部において出口部に近接した部位に中間検出部を設定するようにしているため、より冷却効率の向上を図ることが可能であるが、蒸発器１２の入口部と出口部との間であれば、如何なる場所に設定しても構わない。

さらに、中間検出部において検出した冷媒の温度が蒸発器１２に供給される冷媒の温度以下となるように電子膨張弁１３の開度を調節するようにしているため、冷却効率のさらなる向上を図ることができるが、中間検出部における冷媒の温度に対して蒸発器１２から吐出された冷媒の温度が予め設定した値だけ大きくなるように電子膨張弁１３の開度制御さえすれば、必ずしも中間検出部において検出した冷媒の温度が蒸発器１２に供給される冷媒の温度以下となるように電子膨張弁１３の開度を調整しなくても良い。この場合、必ずしも蒸発器１２の入口部に冷媒温度センサ２０を設ける必要はない。

本発明の実施の形態である冷媒流量制御装置を適用した冷却装置の構成を示す概念図である。 図１に示した弁開度制御手段が実施する処理の内容を示すフローチャートである。 図１に示した冷却装置の蒸発器における冷媒の温度分布を示すグラフである。 図１に示した冷却装置の蒸発器において冷媒の過熱度と第１冷媒温度差及び第２冷媒温度差との関係を示すグラフである。 一般的な冷却装置の蒸発器における冷媒の温度分布を示したグラフである。

符号の説明

１０ 収容庫
１１ オープンショーケース
１２ 蒸発器
１３ 電子膨張弁
１４ 凝縮器
１５ 圧縮機
１６ 冷媒供給管路
１７ 送風ファン
２０ 入口部冷媒温度センサ
２１ 出口部冷媒温度センサ
２２ 中間部冷媒温度センサ
３０ 弁開度制御手段
３１ 第１温度差測定部
３２ 第２温度差測定部
３３ 弁開度設定部

Claims (3)

1. 電子膨張弁の開度を調節することにより蒸発器に対する冷媒の供給量を制御するようにした冷媒流量制御装置において、
   蒸発器の入口部から出口部までの所定の中間位置に中間検出部を設定し、
   この中間検出部において検出した冷媒の温度と蒸発器から吐出された冷媒の温度との差に基づいて電子膨張弁の開度を制御する弁開度制御手段を備えたことを特徴とする冷媒流量制御装置。
2. 前記弁開度制御手段は、中間検出部における冷媒の温度に対して蒸発器から吐出された冷媒の温度が予め設定した値だけ大きくなるように電子膨張弁の開度を制御することを特徴とする請求項１に記載の冷媒流量制御装置。
3. 前記弁開度制御手段は、中間検出部において検出した冷媒の温度が蒸発器に供給される冷媒の温度以下となり、かつ中間検出部における冷媒の温度に対して蒸発器から吐出された冷媒の温度が予め設定した値だけ大きくなるように電子膨張弁の開度を制御することを特徴とする請求項１に記載の冷媒流量制御装置。

Images