JP2010530520A - 冷却システム - Google Patents

Abstract

本発明は、複数の蒸発器経路と、冷媒を分配する分配器とを含む冷媒回路を有する冷却システムに関し、該分配器は、ハウジングと、各々の蒸発器経路のための制御可能な弁とを含む。その目的は、簡単な手段により、冷却システムの動作の所定のモードを達成することである。このために、分配器は、弁を制御する磁石装置を含む。

Description

本発明は、複数の蒸発器経路と、冷媒を蒸発器経路に分配し且つ蒸発器経路ごとに制御可能な弁を有する分配器とを含む冷媒回路を備えた冷却システムに関する。

こうした冷却システムは、ドイツ特許第１９５４７７４４Ａ１号により知られている。既知の冷却システムは、単一の圧縮機と単一の凝縮器とを含むが、互いに別個に作られた２つの蒸発器を含むものである。圧縮機により運ばれる冷媒の流れは、凝縮器の後において、膨張弁の前に、２つの部分的な流れに分けられるようになっており、膨張弁は、三方弁／二方弁の形態であり、その位置が制御ユニットにより制御される。しかしながら、この実施形態は、単に冷媒の流れを２つの蒸発器経路に分けることを可能にするにすぎない。

幾つかの蒸発器経路による供給を可能にするために、米国特許第５８３２７４４号は、分配器が、１つの冷媒入口と幾つかの冷媒出口との間に弁を含み、該弁は回転するタービンブレードに直列接続されるようになった、冷却システムを開示する。冷媒が分配器の全ての出口に均一に分配され、よって、全ての蒸発器にも均一に分配されることを確実にするために、タービンブレードが設けられる。理論上、こうした分配器は、冷媒を個々の蒸発器に均一に分配することを確実にする。しかしながら、例えば、製造中に生じ得る既存のわずかな寸法差により、冷媒が個々の蒸発器に不均一に分配されることがある。さらに、こうした分配器を用いる場合、基本的には、個々の分配器が同じ熱負荷を有し、よって、さらに同じ流れ抵抗をもつ必要がある。そうでない場合には、１つの蒸発器が過剰の冷媒を受け取ることになり、その結果、蒸発器を通過するときに冷媒が完全に蒸発されなくなる。同じ分配器に接続されている他の蒸発器は、過少の冷媒を受け取ることになり、その結果、蒸発器は所望の冷凍性能を発揮することができなくなる。特に、蒸発器又は冷却システム内の他の場所に配置された温度センサが膨張弁を制御している場合には、蒸発器の過剰供給又は供給不足が問題を引き起こすことがある。好ましくない状況下では、膨張弁は自然に振動させられ、そのことが、冷却システムの能力及び効率をさらに悪化させる。

ドイツ特許第１９５ ４７ ７４４ Ａ１号 米国特許第５，８３２，７４４号

本発明は、簡単な手段を用いて冷却システムの所定の動作を達成するという課題に基づいている。

冒頭に述べたような冷却システムにおいて、この課題は、分配器が弁を制御する磁石装置を含むことにより解決される。

以下において「冷却システム」という用語が用いられるとき、この用語は広義に解釈されるべきである。この用語は、特に、冷却システム、冷凍システム、空調システム、及び熱ポンプを、すなわち、冷媒が循環されるか又は循環するようにされた全てのシステムを含むものである。「冷却システム」という用語は、説明を簡単にする目的で用いられるにすぎない。蒸発器経路は、別個の蒸発器内に配置することができる。説明を簡単にするために、本発明は、幾つかの蒸発器に関連させて説明される。しかしながら、本発明はまた、１つの蒸発器が、個別に又はグループで制御される幾つかの蒸発器経路を含む場合にも用いることができる。

蒸発器が蒸発器経路ごとに制御可能な弁を含むとき、蒸発器は、蒸発器の供給量を個々に制御すること、すなわち、各蒸発器に、各蒸発器が必要とする冷媒の量を供給することが可能になる。全ての蒸発器が同じ流れ抵抗をもつようにする必要はなくなる。このことは、蒸発器が異なる冷却出力をもたらす必要がある場合にも、特に問題とならない。大きい冷却出力が求められる蒸発器は、求められる冷却出力が小さい蒸発器よりも、対応する分だけ多くの冷媒を受け取る。少なくとも１つの磁石を含む磁石装置により、簡単な手法で弁の制御が行なわれるようになる。磁石が弁の近くにある場合、磁石は、作動状態で弁又は弁の部分に磁力を及ぼす。一方、磁石が弁から離れた位置にあるか、又は、例えば切り離された電磁石のように作動状態にない場合、磁石は、この弁又はその部分に力を及ぼさない。従って、磁石の位置及び／又は機能を制御することにより、他方の弁を閉鎖したままにしながら、特定の弁を開くようにすることができる。

磁石装置は、少なくとも１つの磁石を支持するロータを含むことが好ましい。ロータ上に磁石が配置されていると、ロータの回転運動により、磁石がある弁から別の弁へと移動させられる。制御装置により、ロータの回転運動を制御することができる。従って、最終的に、制御装置は、個々の蒸発器への冷媒の分配に関与することになる。

磁石装置が、電磁石の形態の少なくとも１つの磁石を含むものとすることも利点をもたらす。この場合には、磁石をオン、オフすることができる。

磁石は、ハウジングの閉じた壁を通して作用するようにすることが好ましい。このことは、弁の作働が、タペット等の入口となる開口部を必要としないという点で有利である。こうした開口部が存在しない場合、起こり得る漏れの問題も生じない。こうした実施形態についての唯一の条件は、壁が磁石の効果を妨げないようにすることである。例えば、プラスチック材料は、事実上、磁場を障害なく通過させることができる。同じことが、多くの非磁性金属にも当てはまる。

磁石は、周方向溝で案内されるものとすることが好ましい。すなわち、溝が円形の経路を定め、この経路内を磁石が移動できるようにする。従って、磁石は、ロータに周方向に取り付けるだけで十分である。周方向溝は、磁石が常に弁に対して正しい半径方向位置を維持することを確実にする。

弁は、パイロット制御弁として作られることが好ましい。磁石がもたらし得る力は、とりわけ、磁石の寸法に左右される。磁石の寸法は、分配器の寸法によって決定される。通常、分配器を大きく作りすぎないようにする努力がなされる。従って、磁石がもたらし得る力も制限される。パイロット制御弁が用いられる場合、磁石は、補助弁体に作用するだけでよく、次いで、例えば冷媒の圧力などの補助エネルギーを用いて、主弁体を作働させる。

弁は、磁石により動かされる補助弁体と、冷媒により動かされる主弁体とを含み、該主弁体が主弁座と相互作用し、主弁座とは反対方向に向いた側が圧力チャンバの境界を形成しており、補助弁体が、圧力チャンバから蒸発器経路に接続された出口開口部までの通路を塞いだり又は解放したりする構成であることが好ましい。補助弁体が磁石により動かされると、通路が解放されて圧力チャンバ内の圧力が低下する。ここで、この圧力低下を用いて、主弁体を主弁座から持ち上げることができる。このとき、主弁体は、再び補助弁体が通路を塞ぐまで弁座から持ち上げられた位置にとどまる。次に、圧力チャンバ内の圧力を再び高めて、主弁体を主弁座に戻すレベルまで再び増大させることができる。磁石がさらに回転されると、補助弁体が通路を塞ぐので、圧力は、対応する補助弁体に作用することができなくなる。

スロットル経路が、分配器の入口から圧力チャンバまで主弁座と並行に延びるように形成されることが好ましい。このスロットル経路を通して、冷媒を入口から圧力チャンバまで流通させることができる。次に、このとき圧力チャンバに存在する圧力により、補助弁体が通路を解放しない限り、主弁体が主弁座上に着座した状態が保証される。圧力チャンバ内の圧力は、補助弁体が通路を解放するまでは、主弁体が開くことができる値に低下することはない。通路が解放されると、スロットル経路は、弁を閉じるために必要な圧力を生成するのに十分な冷媒を供給することができない。

スロットル経路は、主弁体と、主弁体のための案内部との間に延びることが好ましい。これによって、主弁体に加わる圧力差を利用して主弁体を主弁座から持ち上げることができるだけではなく、スロットル経路を通る冷媒の流れも利用されるようになる。すると、冷媒は、主弁体上にある種の「摩擦」を生成するようにもなるので、主弁体の面に冷媒の圧力を作用させることによる圧力差だけでは主弁体の移動が可能にならないときでも、主弁体を主弁座から持ち上げることができる。この場合、主弁座と案内部との間にわずかな遊びが存在するので、スロットル経路を簡単に形成することができる。もちろん、主弁体の周方向壁内又は案内部の内壁内に１つ又はそれ以上の対応する溝を形成して、スロットル経路とすることもできる。

スロットル経路における第１の圧力低下は、圧力チャンバと出口との間の第２の圧力低下より大きいことが好ましい。この実施形態は、主弁体が確実に開くことを保証し、さらに、補助弁体が通路を解放している限り、開いたままであることを保証する。補助弁体が通路を塞がない限り、圧力チャンバに流入する冷媒は、再び主弁体を主弁座上に着座する位置に戻すのに十分なものではない。

補助弁体は、閉ばねと相互作用するものであることが好ましい。閉ばねは、大きい力をもたらす必要はない。閉ばねは、単に補助弁体を補助弁座上に着座させ得るものでなければならないだけである。補助弁体が重力により補助弁座上に着座するように分配器が取り付けられたときには、閉ばねを省略することができる。しかしながら、閉ばねを用いることは、取り付け位置の選択が実質的に自由であるという点で、利点が存在する。

磁石装置は、幾つかの弁を同時に制御できる制御可能な磁石を有することが好ましい。制御可能な磁石は、例えば電磁石、すなわち、電流の供給により磁石を作働させるように構成された磁気コイルとすることができる。電流が断たれると、磁石は作動状態ではなくなる。磁石が、分配器の幾つか、或いは全部を同時に制御できるように配置されている場合、冷却システムの始動時に全ての弁を開けて、冷却システム内の温度を迅速に下げることができる。蒸発器経路が適切に満たされた後、制御可能な磁石がオフにされ、例えばロータによって、さらなる制御が行なわれる。

また、各々の弁に、それ自体の制御可能な磁石が設けられることも好ましい。こうした磁石は、電磁石とすることもできる。この実施形態は、弁を互いに独立させた状態で、すなわち、ある程度ランダムな順序でも制御できるという点で利点を有する。ここでも、冷却システムを開始するとき、全ての弁を同時に開けることができる。

下記において、図示される好ましい実施形態に基づいて、本発明を説明する。

幾つかの蒸発器を有する冷却システムの概略図である。 分配器の側面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 挿入体の側面図である。 挿入体の斜視図である。 図４のＶＩ−ＶＩ線断面図である。

図１は冷却システム１の概略図であり、該冷却システム１においては、圧縮機２、凝縮器３、収集器４、分配器５、及び幾つかの並列接続された蒸発器７ａ−７ｄを有する蒸発装置６が回路に接続されている。蒸発装置６はまた、個別に又はグループで制御することができる幾つかの蒸発経路を含む単一の蒸発器を有することもできる。

周知の方法で、液体冷媒は、蒸発器７ａ−７ｄにおいて蒸発し、圧縮機２により圧縮され、凝縮器３において液化され、収集器４で集められる。分配器５は、液体冷媒を個々の蒸発器７ａ−７ｄに分配するために設けられる。

各蒸発器７ａ−７ｄの出口には、温度センサ８ａ−８ｄが配置される。温度センサ８ａ−８ｄは、蒸発器７ａ−７ｄを出る冷媒の温度を求めるものである。この温度情報は制御ユニット９に伝達され、制御ユニット９は温度センサ８ａ−８ｄの温度信号に基づいて分配器を制御する。

図２乃至図６に、分配器５をさらに詳細に示す。

図２は、分配器５が、入口１１と、各々が蒸発器経路７ａ−７ｄに接続された幾つかの出口１２とを含むことを示す。温度センサ８ａ−８ｄからの信号は、電線１３を介して分配器５に与えられる。

図３からわかるように、分配器５のハウジング１０には、図４乃至図６にさらに詳細に示される挿入体１４が設けられる。挿入体１４はモータ１５を含み、ロータ１７が、モータ１５の駆動シャフト１６上に取り付けられている。モータ１５が駆動シャフト１６を回転させると、ロータ１７が回転軸１８の周りに旋回させられる。この例では、ロータ１７は、駆動シャフト１６に接続されたアームの形態を有する。モータ１５は、例えば、ステップモータとすることができる。

駆動シャフト１６とは反対側に向いた端部において、ロータは、磁石１９を支持しており、この磁石１９は、ロータ１７が回転するときに周方向の溝２０内で案内される。周方向溝２０は、出口１２に隣接するハウジング１０の内部チャンバ２２の一部を封止するカバー壁２１内に形成される。さらに、ハウジング１０内で回転しないようにモータ１５を保持するために他の選択肢を用いることができない場合には、モータ１５をハウジングに例えば圧入することができる。

図示実施形態においては、磁石１９は永久磁石であることが好都合である。しかしながら、磁石１９は、いわゆるオン・オフ切り替えができる電磁石とすることもできる。

モータ１５とは反対側に向いたカバー壁２１の側には、挿入ハウジング２３が配置されており、該挿入ハウジング２３のカバー壁２１とは反対側に向いた側は、底板２４で覆われている。底板２４内には、各出口１２ごとに出口開口部２５が設けられる。

底板２４と共に、挿入ハウジング２３は、冷媒のための入口チャンバ２６の境界を形成する。理解しやすくするために、ここでは入口１１は概略的に示される。

カバー壁２１に向いた側では、各々の出口開口部２５が主弁座２７を形成する。主弁体２８は、各々の主弁座２７と相互作用する。弁座２７とは反対側に向いた側では、主弁体２８は、主弁体２８を周方向に囲む案内部３０と共に、圧力チャンバ２９の境界を形成する。

しかしながら、主弁体２８は、わずかな遊びをもって案内部３０内により案内されるので、主弁体２８が主弁座２７上に着座しているときも、冷媒が入口チャンバ２６から圧力チャンバ２９まで流れることができるスロットル経路３１が存在する。

補助チャネル３２が、圧力チャンバ２９から、補助弁体３４が配置される補助チャンバ３３まで通じている。補助弁体３４は、比較的弱いものとすることができる閉ばね３５の力により、補助チャネル３２を閉じるように配置される。補助弁体３５が図示される閉位置にあるとき、圧力チャンバ２９に達した冷媒は、該圧力チャンバ２９から流れ出ることができない。

しかしながら、磁石１９が補助弁体３４の上に位置する場合には、磁石１９は、閉ばね３５の力に逆らって補助弁体３４を引き付けるので、補助チャンバ３２が解放され、圧力チャンバと補助チャンバ３３とが接続される。そこで、これまで圧力チャンバ２９内に閉じ込められていた冷媒が補助チャンバ３３に流れ込み、そこから更に別の補助チャネルの区域３６、３７を通って出口開口部２５まで流れることができる。このことにより、圧力チャンバ２９内の圧力が下がる。

すると、続いてスロットル経路３１を通って圧力チャンバ２９に流れ込む入口チャンバ２６からの冷媒が、主弁体２８を主弁座２７から持ち上げるのに十分な圧力差を主弁体２８の上に生じさせる。主弁体２８が主弁座２７から持ち上げられるや否や、入口チャンバ２６からの冷媒の全圧力が、開放方向に主弁体２８に作用して、主弁体２８が開位置に保持する。主弁体２８が主弁座２７から持ち上げられている限り、冷媒は、対応する出口開口部２５を介して出口１２に、次いで割り当てられた蒸発器経路７ａ−７ｄに流れ込む。

磁石１９がさらに回転させられると、磁石１９は補助弁体３４に作用しなくなり、閉ばね３５が、再び補助弁３４を図示される閉位置に押し戻し、補助チャネル３２が閉じられる。冷媒は、依然としてスロットル経路３２を通して圧力チャンバ２９に達することができるが、補助チャネル３２及び補助チャネルの区域３６、３７を通って流れ出ることはないので、圧力チャンバ２９における圧力が増大し、それにより、再び主弁体２８が主弁座２７上に着座するようになる。このように、主弁体２８、主弁座２７、及び補助弁体３４は、弁３８の主要部分を形成するものであり、この弁は、各出口開口部２５ごとに、よって、各蒸発器経路７ａ−７ｄごとに設けられ、各々の弁３８は個別に制御可能である。個々の蒸発器経路７ａ−７ｄに達する冷媒の量は、磁石１９が個々の補助弁体３４の上にとどまる時間によって決まる。従って、駆動シャフト１６の回転中、各々の弁３８は一回開くことになる。特定の状況下で、弁３８が開かないようにすることが望まれる場合には、当該弁３８に達する前に駆動シャフト１６の回転方向を逆にするか、又は、磁石を対応する補助弁体３４の上に非常に素早く通過させる。電磁石を用いる場合には、開けてはならない弁３８を通過するとき、磁石１９をオフにすることができる。

スロットル経路３１は、補助チャネル３２及び補助チャネルの区域３６、３７の流れ抵抗よりも大きい流れ抵抗をもつ。従って、補助弁体３４が補助チャネル３２を解放している限り、圧力チャン２９における圧力は増大し得ない。

制御装置９が、分配器５とは別個に配置されるように示されている。しかしながら、制御装置及び分配器５を結合した設計とすることも可能である。

詳細には示されていない手法ではあるが、磁場が全ての補助弁体３４に同時に作用できるように、付加的な磁石コイルを配置することができる。この場合、全ての弁３８が同時に開かれる。これは、冷却システム１の始動時に温度を迅速に下げる場合に利点がある。蒸発器経路が適切に満たされた後、コイルをオフにし、ロータが磁石１９を種々の補助弁体３４まで回転させる。しかしながら、こうした電磁石の効果を、一部の又は幾つかの弁３８に制限することも可能である。

同じく詳細に示されない実施形態においては、モータが磁石１９を１つの弁３８から次の弁に移動させる代わりに、弁３８ごとに電磁石を設けて、弁３８を個別に開けることができる。この場合には、全ての電磁石が、弁３８を制御する制御装置９に接続される。

１ 冷却システム； ２ 圧縮機； ３ 凝縮器； ４ 収集器； ５ 分配器；
６ 蒸発装置； ７ ロータ； ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 蒸発器経路；
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ 温度センサ； ９ 制御ユニット；
１０、２３ ハウジング； １１ 分配器の入口； １２ 分配器の出口；
１４ 挿入体； １６ 駆動シャフト； １９ 磁石； ２０ 溝； ２４ 底板；
２５ 出口開口部； ２６ 入口チャンバ； ２７ 主弁座； ２８ 主弁体；
２９ 圧力チャンバ； ３１ スロットル経路； ３２ 補助チャネル；
３３ 補助チャンバ； ３４ 補助弁体； ３５ 閉ばね； ３８ 弁。

Claims (12)

1. 複数の蒸発器経路と、ハウジング及び各々の蒸発器経路のための制御可能な弁を含み、冷媒を分配する分配器と含む冷媒回路を備えた冷却システムであって、
   前記分配器（５）は、前記弁（３８）を制御する磁石装置を含むことを特徴とする冷却システム。
2. 前記磁石装置は、少なくとも１つの磁石（１９）を支持するロータ（１７）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記磁石装置は、電磁石の形態の少なくとも１つの磁石（１９）を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の冷却システム。
4. 前記磁石（１９）は、前記ハウジングの閉鎖壁（２１）を通して作用することを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の冷却システム。
5. 前記磁石（１９）は、周方向溝（２０）内で案内されることを特徴とする、請求項１から請求項３の１項に記載の冷却システム。
6. 前記弁（３８）は、パイロット制御弁として形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却システム。
7. 前記弁（３８）は、パイロット弁として構成され、且つ、前記磁石（１９）によって動かされる補助弁体（３４）と、前記冷媒によって動かされ、主弁座（２７）と相互作用し、前記主弁座（２７）とは反対側に向いた側で、圧力チャンバ（２９）の境界を構成する主弁体（２８）とを含み、前記補助弁体（３４）は、前記圧力チャンバ（２９）から蒸発器経路（７ａ−７ｄ）に接続された出口開口部（２５）までの通路（３２、３６、３７）を塞ぐか又は解放するものであることを特徴とする、請求項６に記載の冷却システム。
8. スロットル経路（３１）が、前記分配器（５）の入口（１１）から前記圧力チャンバ（２９）まで前記主弁体（２８）と並行に延びることを特徴とする、請求項６又は請求項７に記載の冷却システム。
9. 前記スロットル経路（３１）は、前記主弁体（２８）と該主弁体（２８）のための案内部（３０）との間に延びることを特徴とする、請求項８に記載の冷却システム。
10. 前記スロットル経路（３１）における第１の圧力低下は、前記圧力チャンバ（２９）と前記出口開口部（２５）との間の第２の圧力低下より大きいことを特徴とする、請求項８又は９に記載の冷却システム。
11. 前記磁石装置は、幾つかの弁を同時に制御できる制御可能な磁石を有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の冷却システム。
12. 各々の弁には、それぞれの制御可能な磁石が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の冷却システム。

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