JP2008530500A - 内部熱交換器を備える冷却回路の制御 - Google Patents

Abstract

冷媒を所定の流れ方向で循環させる冷却回路（２）は、流れ方向に、放熱用熱交換器（４）と、蒸発器絞り弁（８）と、蒸発器（１０）と、圧縮機（２２）と、蒸発器（１０）と圧縮機（２２）との間にその「低温側」が配置された内部熱交換器（１６）と、蒸発器（１０）と内部熱交換器（１６）との間に配置された入口温度センサ（２４）と、内部熱交換器（１６）と圧縮機（２２）との間に配置された出口温度センサ（２６）と、出口温度センサの測定値に基づいて蒸発器絞り弁（８）を制御するための制御装置（２８）と、を備える。

Description

本発明は、冷媒を所定の流れ方向で循環させるための冷却回路に関し、この冷却回路は、流れ方向に、放熱用熱交換器と、蒸発器絞り弁と、蒸発器と、圧縮機と、蒸発器と圧縮機との間にその「低温側」がある内部熱交換器と、温度センサと、温度センサによって提供される温度センサ信号に基づいて蒸発器絞り弁を制御する制御装置と、を備える。

このタイプの冷却回路では、温度センサが、蒸発器と内部熱交換器との間に配置され、それらは「セミフラッド（ｓｅｍｉ ｆｌｏｏｄ）」と呼ばれる動作モードにおいて作動される。「セミフラッド」とは、蒸発器内の冷媒を完全に蒸発させるのではなく、非常に低い過熱度を有する気体および液体冷媒の混合物を蒸発器出口にて提供する蒸発器の状態を示す。内部熱交換器は、この気体／液体冷媒の過熱度を高め、それによって残りの液体冷媒を蒸発させ、内部熱交換器に続いて冷媒が送られる圧縮機の安全な動作を保証する。よく知られているように、液体冷媒は、圧縮機の入口にて圧縮機に重大な損傷を生じるおそれがある。

蒸発器内での最適な熱交換のために、温度センサが蒸発器の出口に設けられる。たとえば吸入圧力など測定された圧力値とともに、蒸発温度および過熱度が計算される。蒸発器の出口での温度または過熱度に基づいて、制御装置は、蒸発器絞り弁、すなわち蒸発器への冷媒の流れを制御する。冷却部（ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｕｍｅｒ）による特定の冷却要求に応じて、蒸発器を通る冷媒流の最適な設定値を維持することができる。

しかし、このシステムは、冷却要求にのみ依存するのではなく、周囲温度など別のパラメータにも依存する。たとえば、凝結温度は、夏期モードでは最大４７℃まで上昇するが、冷媒回路のエネルギー消費を最適にするために、冬期には１５℃まで低下しうる。このことによって、冬モードでは温度差がより小さいことにより、内部熱交換器の容量が大幅により低くなる。内部熱交換器の容量が小さすぎるので、結果的に、気体冷媒中の液体が圧縮機に流れることがある。一方夏モードでは、圧縮機の排出温度が臨界温度となり、冷媒および／または従来の冷媒中に存在するような潤滑剤の分解をもたらす可能性がある。

したがって、本発明の目的は、冷却回路と、該冷却回路を冬モードと夏モードで異なる動作状態に適合可能にする冷却回路の運転方法と、を提供することである。

本発明の一実施形態によれば、この目的は、内部熱交換器と圧縮機との間にある出口温度センサと、出口温度センサ測定値に基づいて蒸発器絞り弁を制御するための制御装置と、を設けることによって解決される。

すなわち、本発明の一実施形態によれば、蒸発器絞り弁の開度を設定するために、内部熱交換器の出口での温度または過熱度が使用され、圧縮機入口に流れる冷媒の意図された状態が得られる。

本発明の一実施形態によれば、冷却回路は、蒸発器と内部熱交換器との間に配置された入口温度センサをさらに備え、制御装置は、入口温度センサおよび出口温度センサの測定値に基づいて蒸発器絞り弁を制御するように構成される。周囲温度の幅が広いため、入口温度センサに基づく制御は、広い温度範囲全体において、冷却回路のための最適な制御とならないことがある。特に、周囲温度など特定の状態に応じて、入口温度センサと出口温度センサとの間の切換えを行うことが好ましい。このような切換えは、手動または自動で実行することができる。例えば、切換えは、凝結温度が所定の値を下回った場合に実行することができる。蒸発器絞り弁の正しい開度を決定または計算するために、両方の値の測定を使用することも可能である。

本発明の一実施形態によれば、蒸発器絞り弁に流れる液体冷媒は、蒸発器から吐出される液体／気体冷媒が過熱されるように、熱を提供することができる。これを実行するために、内部熱交換器の「低温側」を、蒸発器と圧縮機との間で回路内に配置することができる。すなわち、通常、冷却部に対応する蒸発器に流れる冷媒は過冷却され、圧縮機に向かって流れる冷媒は過熱されるが、両方の効果が、このような冷却回路にとって有利である。内部熱交換器の「高温側」はまた、冷却回路の内部または外部の、任意の他の適切な熱源に接続することもできる。放熱用熱交換器（およびレシーバのそれぞれ）と蒸発器絞り弁との間に「高温側」を設けることは、蒸発器絞り弁より前に冷媒を予め過冷却し、回路のこの位置でのフラッシュガスの発生が低減されるという利点を有する。これは、吸入ガスすなわち圧縮機に流れる冷媒を過熱することとともに、冷却回路内の最適な熱移動をもたらす。

本発明の一実施形態によれば、冷媒は、たとえばＣＯ₂とすることができ、冷却回路は、超臨界動作モードで動作するように構成され、放熱用熱交換器は、凝縮器およびガス冷却器として動作するように構成される。「超臨界」冷媒とは、少なくともいくつかの動作モードにおいて冷却回路を超臨界状態で動作させることを必要とする冷媒を指す。たとえば、ＣＯ₂冷媒を用いると、夏モードは通常、超臨界となるが、冬モードは、冷却回路内の最高圧力が臨界圧力よりも低い通常動作モードとすることができる。超臨界冷媒を用いるこのような冷却回路では、放熱用熱交換器は、通常「ガス冷却器」と呼ばれ、このようなガス冷却器は、超臨界モードで気体冷媒を冷却し、通常モードで気体冷媒を凝結させるように同様に構成されることを意味する。

本発明の一実施形態は、本発明の冷却回路の上述の実施形態のいずれかによる冷却回路を備え、特に蒸発器がＣＯ₂カスケード凝縮器として働く場合の冷却装置に関する。ＣＯ₂は、低温および高温の冷媒として使用される。冷却装置は、陳列棚を冷却するためなど、スーパーマーケットなどのための冷却システムとすることができる。ＣＯ₂カスケード凝縮器では、内部熱交換器の「高温側」を、１つまたは複数の低温圧縮機からの吐出ガスと接続することができる。

また本発明の一実施形態によれば、冷媒を所定の流れ方向で循環させる冷却回路を動作させる方法が提供され、冷却回路は、流れ方向に、放熱用熱交換器と、蒸発器絞り弁と、蒸発器と、圧縮機と、蒸発器と圧縮機との間に「低温側」が配置された内部熱交換器と、内部熱交換器と圧縮機との間に配置された出口温度センサと、制御装置と、を備え、本発明の方法は、出口温度センサおよび（吸入）圧力測定値に基づいて蒸発器絞り弁を制御するステップを含む。一般に、上記方法ならびに以下で説明するような好ましい実施形態の方法は、本出願で開示されるような冷却回路の実施形態とともに使用することができる。

本発明の一実施形態によれば、この方法はさらに、蒸発器と内部熱交換器との間に配置された入口温度センサをさらに備える冷却回路に関し、入口温度センサおよび出口温度センサならびに圧力測定値に基づいて蒸発器絞り弁を制御するステップを含む。

本発明の一実施形態によれば、蒸発器絞り弁を制御するステップは、入口温度センサでの入口温度設定値に基づいて、蒸発器絞り弁を制御するステップと、出口温度センサ測定値に基づいて、入口温度設定値をシフトさせるステップと、を含む。

入口温度設定値は、差分温度設定値、すなわち過熱設定値として定義することもできる。実際の過熱度は、測定された吸入圧力から計算することができる蒸発温度を、入口温度から減算することによって計算することができる。同様に、出口温度過熱設定値を定義することができる。

「入口温度」または他の「温度」「温度センサ値」「温度測定値」などはいずれも、必ずしも厳密な意味での「温度」である必要はなく、特定の温度を示す値とすることができる。同様に、温度センサは、厳密な温度を提供するタイプのセンサとすることができる場合であっても、特定の温度を示すデータを提供すれば十分である。このような方法によれば、入口温度センサ、すなわち蒸発器の出口での温度が、蒸発器弁の開度を従来どおりに制御する。しかし、このような制御のための設定値の調節は、内部熱交換器の出口温度に基づいて行われる。したがって、出口温度センサは、調整または制御のための設定値に単に影響を与えるものに過ぎず、制御は、蒸発器およびシステム全体の効率を最適化するために、入口温度測定値を用いて実行される。

本発明の好ましい一実施形態によれば、入口温度または過熱設定値をシフトさせるための特性時間定数は、入口温度に基づく蒸発器絞り弁の制御のための特性時間定数よりも、実質的に大きい。これは、主に入口温度または入口温度測定値が、蒸発温度とともに蒸発器絞り弁を駆動することを保証する。入口温度または過熱設定値をシフトさせるためのより大きい特性時間定数を使用する代わりに、出口温度測定値が許容可能な範囲を超えたときだけ入口温度または過熱設定値のシフトが実行されるように、出口温度センサ測定値のための比較的広い許容可能な範囲を決定することができる。

本発明の一実施形態によれば、シフトさせるステップは、出口温度センサ測定値を出口温度設定値または出口温度範囲と比較し、それぞれ、出口温度センサ測定値が出口温度設定値または出口温度設定値の上限範囲よりも高い場合に、入口温度または過熱設定値を低減させ、あるいは、出口温度センサ測定値が出口温度設定値または出口温度範囲の下限よりも低い場合に、入口温度設定値を上昇させるステップを含む。

本発明の一実施形態によれば、蒸発器絞り弁を制御するステップはまた、入口温度センサ測定値および吸入圧力に基づいて、蒸発器絞り弁の第１の開度を計算するステップと、出口温度センサ測定値および場合によっては吸入圧力に基づいて、蒸発器絞り弁の第２の開度を計算するステップと、第１および第２の開度のうちのより低い開度を決定するステップと、上記より低い開度に基づいて蒸発器絞り弁を制御するステップと、を含むことができる。

このようなタイプの制御では、入口温度センサ測定値または出口温度センサ測定値は、場合によっては吸入圧力測定値とともに、蒸発器弁を制御する。入口温度センサおよび／または出口温度センサのための、個々の温度または過熱設定値、あるいは温度または過熱範囲を、使用することができる。前記温度設定値または範囲は、固定することができ、あるいは、制御装置によって制御することができる。

本発明の好ましい一実施形態によれば、出口温度センサ測定値に基づく制御のための特性時間定数は、入口温度センサ測定値に基づく制御のための特性時間定数よりも、実質的に大きい。また、より広い温度範囲を、上記と同様に、出口温度センサとともに使用することができる。

本発明の好ましい一実施形態によれば、設定値または入口温度の範囲のそれぞれの上限は、回路内のこの位置での飽和気体冷媒温度よりも、約３Ｋ高い。

本発明の一実施形態による冷却回路を示す図１を参照しながら、本発明の実施形態を以下でより詳細に説明する。

図には、１つまたは複数の成分からなる冷媒、またＣＯ₂を、所定の流れ方向で循環させるための冷却回路２が示されている。

冷却回路２は、たとえば、スーパーマーケットまたは産業用の冷却用に使用することができる。冷却回路２は、流れ方向において、ＣＯ₂など超臨界流体の場合にガス冷却器４として動作する放熱用熱交換器４を備える。ガス冷却器４に続き、ＣＯ₂は、高圧調整弁を通り、レシーバ６に流れる。レシーバ６は、冷媒を、次に１つまたは複数の冷却部１２の１つまたは複数の蒸発器絞り弁８に送達するために、収集および貯蔵する。さらに、レシーバ６は、圧力加減弁を介して吸入ライン３０を通るフラッシュガスを分離する。蒸発器絞り弁８に、蒸発器１０が接続されている。蒸発器出口１４は、内部熱交換器１６に接続され、内部熱交換器の出口１８は、複数の圧縮機２２を備える圧縮機ユニット２０に接続される。

蒸発器絞り弁８は、電子膨張弁（ＥＥＶ）とすることができる。蒸発器絞り弁は、たとえば温度および圧力などの測定値に基づいて制御することができる。蒸発器絞り弁８を制御するために、制御装置２８を設けることができる。制御装置２８は、好ましくは、Ｌｉｎｄｅ社の制御装置ＵＡ３００Ｅである。温度計すなわち温度センサ２４，２６、特に入口温度センサ２４および出口温度センサ２６は、それぞれ、蒸発器１０の出口１４と内部熱交換器の入口との間、および内部熱交換器の出口１８と圧縮機ユニット２２すなわち圧縮機の入口との間に存在することができる。複数の冷却部回路がある場合、各冷却部回路につき１つの出口温度センサ２６を設けることができ、また、単一の出口温度センサを、そのような冷却部回路すべてに属する結合吸入ライン３０内で使用することも可能である。同様に、吸入圧力を測定するために、圧力計すなわち圧力センサ２７および／または圧力センサ２７’が、回路内に存在することができる。測定された吸入圧力は、蒸発器１０内の蒸発温度を計算するために使用される。吸入圧力は、一般に位置２７ならびに位置２７’にて測定することができ、それらの間のごくわずかの差を蒸発圧力を計算するときに考慮に入れることができる。

ジョイント制御装置２８の代わりに、複数の制御装置を、各冷却部の回路のために、または各温度センサ２４、２６などのために、使用することができる。

動作に際しては、内部熱交換器１６は、ドライな気体冷媒すなわち「吸入ガス」の、圧縮機２２への送達を保証するために、蒸発器の出口１４から出る冷媒を過熱する。吸入ガスは、内部熱交換器１６の「低温側」にあり、ライン３２を通って流れる高圧冷媒は、「高温側」からの熱が「低温側」吸入ガスに伝達されるように、内部熱交換器１６の「高温側」にある。結果的に、高圧冷媒は、「過冷却」される。過冷却によって、蒸発器絞り弁８の後のフラッシュガスの量が低減される。同時に、吸入ガスが過熱され、そのため圧縮機２２へのドライな吸入ガスの送達が保証される。

温度センサ測定に基づいて蒸発器絞り弁８を制御するために、ＰＩ制御装置またはＰＩＤ制御装置（ＰＩ：比例積分、およびＰＩＤ：比例積分微分）を使用することができる。このような制御装置は、制御装置２８内に組み込むことができる。内部熱交換器１６の後の出口温度センサ２６のＰＩ制御装置またはＰＩＤ制御装置は、過熱または吸入ガスの温度を制御する。制御装置２８またはそれぞれの個々の制御装置は、蒸発器絞り弁８の開度を並行して計算することができ、より低い方の開度を蒸発器絞り弁すなわち電子膨張弁８の開度とする。標準的な運転状態で、膨張は、入口温度センサ２４によって制御される。出口１８での温度および出口温度センサ２６の各々がその設定値よりも低い場合、制御装置２８は、前記出口温度から決定される開度に基づいて、蒸発器絞り弁８を制御し始める。出口温度センサ２６でのＰＩパラメータは、入口温度センサ２４のＰＩ制御装置またはＰＩＤ制御装置のパラメータよりも、大幅に緩慢（ｓｌｏｗ）にすることができる。このため、システム内の変動の危険性を低減することができる。

あるいは、２つの温度センサ２４、２６、特に、入口温度センサ２４および出口温度センサ２６が使用される場合、出口温度センサ２６の温度に応じて入口温度２４に基づく制御装置の過熱設定値をシフトさせることが可能である。入口温度２４の設定値をシフトすることによって、入口温度の測定に基づくＰＩ制御またはＰＩＤ制御よりも、大幅に緩慢（ｓｌｏｗ）にするような方法で、システムを設計することが好ましい。したがって、出口温度センサ２６のみに基づいて制御が行われる場合にあり得るような変動の危険性は増大しない。

本発明の一実施形態による冷却回路を示す図。

Claims (14)

1. 冷媒を所定の流れ方向で循環させる冷却回路（２）であって、流れ方向において、放熱用熱交換器（４）と、蒸発器絞り弁（８）と、蒸発器（１０）と、圧縮機（２２）と、前記蒸発器（１０）と前記圧縮機（２２）との間に「低温側」が配置された内部熱交換器（１６）と、前記内部熱交換器（１６）と前記圧縮機（２２）との間に配置された出口温度センサ（２６）と、前記出口温度センサの測定値に基づいて前記蒸発器絞り弁（８）を制御する制御装置（２８）と、を備えることを特徴とする冷却回路（２）。
2. 前記蒸発器（１０）と前記内部熱交換器（１６）との間に配置された入口温度センサ（２４）をさらに備え、前記制御装置が、前記蒸発器絞り弁（８）を前記入口温度センサおよび出口温度センサの測定値に基づいて制御するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の冷却回路（２）。
3. 前記内部熱交換器（１６）は、前記放熱用熱交換器（４）と前記蒸発器絞り弁（８）との間に前記内部熱交換器（１６）の「高温側」が配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却回路（２）。
4. 前記冷却回路が、超臨界動作モードで動作するように構成され、前記放熱用熱交換器（４）が、ガス冷却器および凝縮器として動作するように構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷却回路（２）。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の冷却回路（２）を備えることを特徴とする冷却装置。
6. 請求項４に記載の冷却回路（２）を備えることを特徴とするＣＯ₂カスケード冷却装置。
7. 冷媒を所定の流れ方向で循環させる冷却回路（２）の運転方法であって、
   該冷媒回路が、流れ方向において、放熱用熱交換器（４）と、蒸発器絞り弁（８）と、蒸発器（１０）と、圧縮機（２２）と、前記蒸発器（１０）と前記圧縮機（２２）との間に「低温側」が配置された内部熱交換器（１６）と、前記内部熱交換器（１６）と前記圧縮機（２２）との間に配置された出口温度センサ（２６）と、制御装置（２８）と、を備え、
   前記出口温度センサの測定値に基づいて前記蒸発器絞り弁（８）を制御するステップを含むことを特徴とする冷媒回路（２）の運転方法。
8. 前記冷却回路（２）が、前記蒸発器（１０）と前記内部熱交換器（１６）との間に配置された入口温度センサ（２４）をさらに備え、前記入口温度センサおよび前記出口温度センサの測定値に基づいて前記蒸発器絞り弁（８）を制御するステップを含むことを特徴とする請求項７に記載の冷媒回路の運転方法。
9. 前記蒸発器絞り弁（８）を制御する前記ステップが、
   前記蒸発器絞り弁（８）を、前記入口温度センサ（２４）での入口温度設定値に基づいて制御するステップと、
   前記入口温度設定値を、前記出口温度センサ測定値（２６）に基づいてシフトさせるステップと、
   を含むことを特徴とする請求項８に記載の冷媒回路の運転方法。
10. 前記入口温度設定値をシフトさせるための特性時間定数が、前記入口温度センサ測定値に基づいて前記蒸発器絞り弁（８）を制御するための特性時間定数よりも実質的に大きいことを特徴とする請求項８または９に記載の冷媒回路の運転方法。
11. 前記シフトさせるステップが、前記出口温度を出口温度設定値と比較し、前記出口温度が前記出口温度設定値よりも高い場合に前記入口温度設定値を低下させ、前記出口温度が前記出口温度設定値よりも低い場合に前記入口温度設定値を上昇させるステップを含むことを特徴とする請求項９または１０に記載の冷媒回路の運転方法。
12. 前記蒸発器絞り弁（８）を制御する前記ステップが、
    前記蒸発器絞り弁（８）の第１の開度を、前記入口温度に基づいて計算するステップと、
    前記蒸発器絞り弁（８）の第２の開度を、前記出口温度に基づいて計算するステップと、
    前記第１および第２の開度のうちより低い方の開度を決定するステップと、
    前記より低い方の開度に基づいて、前記蒸発器絞り弁（８）を制御するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項８に記載の冷媒回路の運転方法。
13. 前記出口温度センサ（２６）に基づく前記制御のための特性時間定数が、前記入口温度センサ（２４）に基づく前記制御のための前記特性時間定数よりも実質的に大きいことを特徴とする請求項１２に記載の冷媒回路の運転方法。
14. 前記出口温度の前記設定値が、前記回路（２）内のこの位置での飽和気体冷媒の温度よりも約３Ｋ高いことを特徴とする請求項７〜１３のいずれかに記載の冷媒回路の運転方法。

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