JP4896993B2 - 冷却設備 - Google Patents

Description

本発明は、複数の蒸発器流路と、蒸発器流路へ冷媒を分配する分配器とを有する冷媒回路を備える冷却設備に関するものである。

このような種類の冷却設備は特許文献１から公知である。分配器は、１つの冷媒入口と複数の冷媒出口との間に、回転するタービンディスクが配置された弁を有している。タービンディスクは、冷媒が分配器のすべての出口へ均等に、及びそれに伴なってすべての蒸発器へ均等に分配されるように作用するためのものである。

このような種類の冷却設備で使用することができる別の分配器が、特許文献２から公知である。この場合、１つの入口と複数の出口の間に弁があり、この弁によって分配器の上方での圧力降下を調整することができる。弁は、流入してくる冷媒を分配するためのテーパ状のピンを有しており、それにより、蒸発器を通るさまざまな回路へ冷媒を分配することができる。

公知の分配器は、理論上は、個々の蒸発器への冷媒の均等な分配を保証する。しかしながら、たとえば製造時に生じる可能性がある寸法のわずかな誤差があっただけで、冷媒が個々の蒸発器へ不均等に分配されることになる。そのうえこの種の分配器では、個々の蒸発器が基本的に等しい熱負荷と等しい流動抵抗を有していることが必要である。これが該当していないと、１つの蒸発器が多すぎる冷媒を受けとり、そのために冷媒が蒸発器を通り抜けるまでに完全に蒸発しないというケースが生じる可能性がある。同じ分配器に接続されている別の蒸発器は、少なすぎる冷媒しか受けることができず、そのために、その蒸発器は所望の冷却出力を発揮することができない。蒸発器への過剰供給ないし過小供給は、特に、蒸発器又は冷却設備のその他の個所に配置された温度センサが膨張弁を制御する場合に問題につながる可能性がある。膨張弁が不都合な状況のもとで固有振動を起こす可能性があり、このことは冷却設備の容量や効率をいっそう悪化させる。

米国特許第５８３２７４４号明細書 米国特許第６８９８９４５Ｂ１号明細書

本発明の課題は、簡単な手段で冷却設備の動作を改善することである。

この課題は、冒頭に述べた種類の冷却設備において、分配器が各々の蒸発器流路について制御可能な弁を有していることによって解決される。

以下においては「冷却設備」という用語を用いるが、この用語は広義に理解されるべきである。この用語は特に冷却システム、冷凍システム、空調設備、ヒートポンプなどを含む。「冷却設備」という用語は単に便宜上用いているにすぎない。それぞれの蒸発器流路は異なる蒸発器に配置されていてよい。簡略化の都合上、本発明については複数の蒸発器との関連で説明する。しかし本発明は、個別に制御可能又はグループごとに制御可能な複数の蒸発器流路を蒸発器が有している場合にも適用可能である。

分配器が各々の蒸発器について制御可能な弁を有しているので、分配器は蒸発器への供給を個別的に制御することができ、すなわち、この場合には各々の蒸発器に、蒸発器が必要としている量の冷媒を供給することが可能である。蒸発器がすべて等しい流動抵抗を有するように配慮する必要はなくなる。また、蒸発器がそれぞれ異なる冷却出力を出さなくてはならないときにも、そのことには副次的な意義しかない。高い冷却出力が必要とされる蒸発器は、低い冷却出力を発揮するだけでよい蒸発器よりも相応に多くの冷媒を受けとる。

弁は、個々の弁をそれぞれ別々に制御する制御装置によって制御可能であるのが好ましい。すなわち制御装置は、個々の蒸発器へ冷媒が分配されるように作用する。あるいは制御装置は、すべての弁がある程度の基本処理量の冷媒を通過させ、そして必要に応じて、そのつど所要の冷媒量を追加的に通過させるように特定の１つの弁を制御するように、各弁を制御することもできる。このことは特に、制御装置が各弁をそれぞれ時間的に互いにずらして制御する場合に好ましい。それにより、いずれか１つの蒸発器は時々しか冷媒を受けとらないものの、全体としては所要の冷媒量を受けとる。つまり制御装置は特定の１つの弁のデューティ比を制御し、すなわち、所定の周期長さに対する特定の弁の開放時間の比率を制御する。その場合、１回の周期長さの内部で、すべての弁が１回だけ開くように制御されてもよい。このとき周期長さは、蒸発器での圧力変動が是認できる限度内に抑えられるように、又は事実上顕在化しないように選択される。弁がすべて基本開放を行うように設定することもでき、それにより、すべての蒸発器が恒常的に冷媒の供給をうけることになる。その場合、制御装置は個々の弁を追加的に時間制御し、それにより、各々の蒸発器が必要に応じて追加の冷媒量を受けとり、冷媒の需要をカバーするようにする。

制御装置は１つの弁だけを、他の弁の通過開口量より多い通過開口量を有するように制御するのが好ましい。制御装置は、通常は、他のすべての弁を閉じ、常に１つの弁だけを開く。このことは、特定の１つの蒸発器に供給される冷媒の制御と設定を容易にする。個々の弁がすでに基本処理量の冷媒を許容されているときに、そのつど常に１つの弁だけが広く開いて、当該弁と接続されている蒸発器へ個別的に所要の総冷媒量を供給する。

制御装置は、弁の開放を行わせるロータを有しているのが好ましい。すなわちロータの回転によって個々の弁が開く。このことは、個々の弁を個別に順次制御するための非常に簡素な手段である。

ロータは、速度を変えることができるモータによって駆動されるのが好ましい。そして速度を変更することで、個々の弁がどれだけ長く開いているかを調整することができる。速度が可変であることによって、１つの弁を他の弁よりも長く開いたまま保つことができる。このことは個別的な制御を可能にする。

モータは逆転可能であるのが好ましい。モータの逆転可能性により、特定の１つの弁を長い時間にわたって完全に閉じたまま保つことも可能である。ロータが当該弁を開放位置へと移す前に、モータはその回転方向を逆転させ、それによって当該弁は閉じたままに保たれる。複数の弁がロータの回転方向に相並んで配置されていれば、これらの弁を閉じたままにしておくことも可能である。

ロータはカムディスクと連結されているのが好ましく、弁は、カムディスクによって操作可能な弁タペットを有している。このことは、弁を開いたり閉じたりするための機構的に格別に簡素な解決法である。タペットは、閉止ばねによって弁を閉止する方向へ付勢されるのが好都合である。そしてカムがタペットと接触すると、閉止ばねの力に抗して弁が開く。カムが十分な距離だけさらに回転すると、弁は再び閉じる。

カムディスクは単一のカムを有しているのが好ましい。それにより、常にただ１つの弁だけを開くことができ、又は、他の弁よりも広く開くことができることが保証される。それに応じて、各々の弁の開放時間（ないしは広い開放の時間）を個別に調整することも可能であり、それにより、当該開放時間が他の弁の開放時間からほぼ影響をうけないようにすることができる。

この場合、それぞれの弁タペットは回転方向で見て、回転方向におけるカムの長さと少なくとも同程度に大きい相互間隔を有しているのが好ましい。それにより、いずれの弁タペットも付勢されていない位置で、カムを停止させることが可能である。この場合、すべての弁を閉じたまま保つことができる。

弁タペットは回転軸と平行に配置されるのが好ましい。「平行に」という用語は、ここでは数学的に厳密に理解すべきものではない。肝心なのは、弁タペットがロータ軸と平行に向いた成分を有していることにすぎない。この場合、カムディスクに配置されているカムは、ロータ軸と平行に作用する。

カムディスクは、ロータ軸と平行な方向へ作用する変位駆動装置を有しているのが好ましい。弁タペットがロータ軸と平行に配置されていれば、ある程度の基本処理量の冷媒を利用可能にするために、すべての弁を同時に開くことが、カムディスクの変位によって簡単なやり方で可能である。その場合にカムは、特定の１つの蒸発器への冷媒の個別的な供給を保証するために、そのつど特定の１つの弁を他の弁よりも大きく開く。

別案の実施形態では、ロータは、分配器の入口と接続されている軸方向に延びる入口通路と、半径方向に延びる出口通路とを有しており、出口通路の連通部は、回転時に、蒸発器と接続されている出口開口部と重ね合わせることが可能であることが意図されている。すなわち、ロータが同時に弁の部材としても利用される。出口通路の連通部が出口開口部と重なり合うと、分配器の入口から、特定の蒸発器に付属する出口への流動経路が解放される。重なり合いが成立している限り、冷媒は、分配器の入口から該当する蒸発器へと流れることができる。ロータがさらに回転すると、上述の蒸発器への冷媒供給は中断されて、回転方向で見て次の出口に冷媒が供給される。出口通路の連通部と出口開口部との間の重なり合いがどれだけ長く保持されるかに応じて、多い量又は少ない量の冷媒が蒸発器へ流れ込む。このような重なり合い時間は、ロータが回転する速度の調整によって変更することができる。

それぞれの出口開口部は、回転方向で見て、回転方向における出口通路の連通部の長さと少なくとも同程度に大きい相互間隔を有しているのが好ましい。この場合、出口通路の連通部が出口開口部と重なり合っておらず、それによってすべての蒸発器への冷媒供給が中断される位置で、ロータを保つことが可能である。このような位置は、たとえば蒸発器の霜取りをするために利用することができる。

各々の蒸発器流路の出口に、制御装置と接続されたセンサが配置されているのも好ましい。このセンサは、たとえば温度センサであってよい。その場合、各々の蒸発器はその出口のところの温度に依存して冷媒の供給を受けることができる。

別の実施態様では、蒸発器流路は凝縮器と直列に配置されており、センサが凝縮器又は圧縮器の前に配置されていることが意図されていてよい。この場合には、たとえば温度を計測する複数のセンサは必要なく、ただ１つのセンサしか必要ない。それ以外の点で冷却設備の動作挙動がわかっているならば、ただ１つのセンサがあれば十分である。そして動作挙動がわかれば、どの蒸発器又はどの蒸発器流路にどれだけの量の冷媒を供給するべきかを決めることができる。

次に、図面との関連で、好ましい実施形態を参照しながら本発明について説明する。

図１は、圧縮器２、凝縮器３、レシーバ４、分配器５、並列に配置された複数の蒸発器７ａ−７ｄを備える蒸発器構造６が１つの回路にまとめて接続された冷却設備１を模式図として示している。蒸発器構造６は、個別に又はグループごとに制御されるべき複数の蒸発器流路を有する単一の蒸発器を有することもできる。

蒸発器７ａ−７ｄでそれ自体公知のやり方で蒸発した液体冷媒は、圧縮器２によって圧縮され、凝縮器３で液化されて、レシーバ４に集められる。分配器５は、液体冷媒を個々の蒸発器７ａ−７ｄへ分配するために設けられている。

各々の蒸発器７ａ−７ｄの出口には、温度センサ８ａ−８ｄが配置されている。温度センサ８ａ−８ｄは、蒸発器７ａ−７ｄから出ていく冷媒の温度を計測する。この温度情報は、温度センサ８ａ−８ｄの温度信号に依存して分配器５を制御する制御ユニット９へ転送される。

図２と図３は、分配器５の第１の実施例を示している。図２の分配器５は、ここでは（６つの蒸発器に対する）６つの出口１０ａ−１０ｆと、１つの入口１１とを有している。各々の出口１０ａ−１０ｆは、弁１２によって入口１１から隔てられている。弁はすべて同一の構造となっているので、以下の説明は、出口１０ｂ，１０ｅに付属する弁１２を取りあげて行う。

各々の弁１２は、ハウジングブロック１４に配置された弁座１３を有している。さらに各々の弁１２は、弁座１３の反対側でハウジングブロック１４から突出する弁タペット１６に連結された弁部材１５を有している。ハウジングブロック１４と弁部材１５はいずれもばね１７，１８を介して、入口１１が貫通する、弁ハウジング２０を閉止するカバー１９に支持されている。ばね１８は、弁部材１５を弁座１３に向かって付勢する閉止ばねとして構成されている。

弁ハウジング２０には、カムディスク２１が回転可能に支承されている。カムディスク２１は、（図３の）左側の弁に見られるように、回転軸２３を中心としてカムディスク２１が回転したときにそのつど弁タペット１６を付勢する単一のカム２２を有している。カム２２が弁タペット１６に作用すると、弁部材１５が弁座１３から持ち上げられ、入口１１から出口１０ｅへの通路が解放される。カム２２が弁タペット１６から離れると、ただちに弁部材１５はばね１８の作用のもとで再び弁座１３に当接し、これに対応する弁１２を閉止する。その様子は、出口１０ｂに付属する弁１２に見ることができる。

カムディスク２１は、ここでは模式的にのみ図示するモータ２４によって回転する。モータ２４は制御ユニット９によって制御される。このときモータ２４は、制御される回転数で作動可能である。最大回転数はたとえば１００回転／分のオーダーである。回転中に、上述したとおり、モータ２４の回転数を変更することができる。モータ２４は一時的に停止させることもできる。モータの回転方向を変更することも可能である。

以上により、次のような動作を具体化することができる：

温度センサ８ａ−８ｄの信号に依存して、個々の弁１２はカムディスク２１が回転したときに、十分な量の冷媒がそれぞれの出口１０ａ−１０ｆを通って流れることができる時間だけそれぞれ開き、それにより、蒸発器７ａ−７ｄは十分に冷媒を受けとり、多すぎる冷媒を受けとることはない。１つの蒸発器が少ない冷媒しか必要としていないとき、カムディスク２１は、カム２２が弁１２の対応するタペット１６を付勢したときに高速で回転し、それにより、当該弁１２は短い時間のあいだしか開いた状態に保たれない。それに対して、１つの蒸発器が多い冷媒量を必要とするとき、カムディスク２１は、対応する出口に付属する弁の領域にカム２２があるときに、低速で回転する。

およそ１秒の周期で各々の蒸発器に少なくとも１回冷媒が供給されるので、対応する蒸発器における圧力がさほど変動しないようにすることができ、それにより、冷却設備１に対するマイナスの影響が生じる恐れがなくなる。

カムディスク２１は、モータ２４のロータ２５に支承されている。ロータ２５は軸方向駆動装置２６によって、回転軸２３と平行な方向へさらに変位することができる。たとえばロータが（図３の図面に関して）下方に向かって変位すると、すべての弁１２が若干開き、それにより、冷媒がすべての出口１０ａ−１０ｆを通って恒常的に流れることができる。それによって、すべての蒸発器へのある程度の基本供給を保証することができる。そのうえで、特定の蒸発器に供給される冷媒量の厳密な調整は、先ほどと同様にカムディスク２１のカム２２によって行われる。

個々の弁１２は、カムディスク２１の円周方向又は回転方向で、円周方向におけるカム２２の長さと少なくとも同程度に広い間隔を有している。それに応じて、どの弁も開いていない位置でカムディスク２１を保持することが可能である。このような位置が占められるのは、たとえば、いずれの蒸発器にも冷媒供給が必要ない場合である。

分配器５によって、個々の蒸発器の霜取りをすることも可能である。このケースでは、カム２２が当該蒸発器に付属する弁１２に達する前に、カムディスク２１の回転方向を逆転させる。すなわちこの弁１２は開かない。蒸発器が霜取りされるまで、この弁１２を閉じたまま保つことができる。その他の弁１２は、カム２２により、上に説明したやり方でそれぞれ個別に開くように制御される。

図４と図５は分配器５の改変された実施形態を示しており、同じ部材や機能が同一の部材には同じ符号が付されている。

図４と図５の分配器５は、同じくロータ２５を有している。ロータ２５は、弁ハウジング２０にある入口１１と常時、すなわちロータ２５の回転位置に関わりなく重なり合う入口通路２７を有している。

ロータ２５は、実質的に半径方向を向いた出口通路２８も有している。出口通路２８は、ロータ２５が回転したときに出口開口部３０ａ−３０ｆと重なり合う連通部２９を有している。さらに出口開口部３０ａ−３０ｆは出口１０ａ−１０ｆと接続されており、この出口を介して、蒸発器構造６の蒸発器との接続を成立させることができる。

この場合にも、それぞれの出口開口部３０ａ−３０ｆの間隔は、円周方向における出口通路２８の連通部２９の長さと少なくとも同程度に広い。したがって図４に示すロータ２５の位置のとき、出口通路２８は閉じられているので、冷媒を分配することはできない。

上記以外の点では、分配器５の作動形態は、図２と図３に示す分配器５の実施形態の場合と同様である。

ロータ２５は、制御ユニット９に制御されながら、状況によっては変化する回転速度で制御され、それにより、必ずある程度の時間にわたって入口１１と出口開口部３０のうちのそれぞれ１つとの間の接続が成立するようになっている。この時間中、冷媒は入口１１から対応する出口開口部３０ａ−３０ｆへ流れ込み、そこから接続されている蒸発器へ流れ、それに応じてこの蒸発器に事前設定された量の冷媒が供給される。ロータ２５が低速で回転すると、連通部２９が対応する出口開口部３０ａ−３０ｆを通過している間に、比較的長い時間にわたって接続部が開放される。それに対してロータ２５がこの状況で高速で回転すると、相応に短い開放時間が生じる。開放時間が比較的長ければ、短い開放時間のときよりも多くの冷媒が対応する蒸発器に流れ込むことができる。

この場合にも、ロータ２５の回転方向逆転により、事前設定された出口開口部３０ａ−３０ｆをそのつど入口１１と接続させないようにすることができ、それにより、当該出口開口部３０ａ−３０ｆに接続されている蒸発器は、ある程度の時間にわたってまったく冷媒を受けないことになる。この時間に当該蒸発器の霜取りをすることができる。

分配器５が分配の機能だけを担うのではなく、各々の蒸発器について独自の弁１２を含んでいることによって、膨張弁を省略することができる。

個々の蒸発器へと通じる配管は、それぞれ等しい長さを有していなくてもよくなる。個々の蒸発器への冷媒の供給が、弁１２によって制御されるからである。

詳しくは図示しないやり方で、センサ８ａ−８ｄの追加又は代替として、単一のセンサを凝縮器３の前に、あるいは圧縮器２の前に配置することもできる。その場合、このセンサは各々の蒸発器又は各々の蒸発器流路について所望の情報を個別に評価することはできなくなるものの、それ以外の点で冷却設備の動作挙動がわかっていれば、たとえば異なる流動抵抗がわかっていれば、ただ１つのセンサを使ったときでも、どの蒸発器流路７ａ−７ｄがどの程度の冷媒を受けとるべきかを決められるようにするために必要な情報を得ることができる。

複数の蒸発器を備える冷却設備を示す模式図である。 分配器の第１の実施例を示す平面図である。 図２のIII−III断面図である。 分配器の第２の実施例を示す図５のIV−IV断面図である。 図４のＶ−Ｖ断面図である。

Claims (11)

1. 複数の蒸発器流路（７ａ−７ｄ）と、前記蒸発器流路（７ａ−７ｄ）へ冷媒を分配する分配器（５）とを有する冷媒回路を備える冷却設備であって、
   前記分配器（５）は、前記蒸発器流路（７ａ−７ｄ）それぞれに対して制御可能な弁（１２；２８，３０ａ−３０ｆ）を有しており、
   前記弁（１２；２８，３０ａ−３０ｆ）は、それらそれぞれを別々に制御する制御装置（９，２４）によって制御可能であり、
   前記制御装置（９，２４）はロータ（２５）を有し、前記ロータ（２５）の回転によってその角度位置に応じて順次なされる、前記弁（１２；２８，３０ａ−３０ｆ）の個々の開き動作にして、一度に１つの弁に対して、他の弁の通過通路よりも大きい通過通路を持たせるという、個々で順次の開き動作が行なえ、
   前記制御装置（９，２４）は、当該開き動作での当該１つの弁の開口時間を、前記ロータ（２５）の回転速度によって設定するよう構成され、
   前記ロータ（２５）はカムディスク（２１）と連結されており、前記弁（１２）は前記カムディスク（２１）によって操作可能な弁タペット（１６）を有している
   ことを特徴とする冷却設備。
2. 前記ロータ（２５）は、速度が可変なモータ（２４）によって駆動されることを特徴とする請求項１に記載の冷却設備。
3. 前記モータ（２４）は逆転可能であることを特徴とする請求項２に記載の冷却設備。
4. 前記カムディスク（２１）は単一のカム（２２）を有していることを特徴とする請求項１に記載の冷却設備。
5. 前記弁タペット（１６）は回転方向で見て、回転方向における前記カム（２２）の長さと少なくとも同程度に広い相互間隔を有していることを特徴とする請求項４に記載の冷却設備。
6. 前記弁タペット（１６）は回転軸（２３）と平行に配置されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の冷却設備。
7. 前記カムディスク（２１）は回転軸（２３）と平行な方向に作用する変位駆動装置（２６）を有していることを特徴とする請求項６に記載の冷却設備。
8. 前記ロータ（２５）は、前記分配器（５）の入口（１１）と接続されている軸方向に延びる入口通路（２７）と、半径方向に延びる出口通路（２８）とを有しており、該出口通路の連通部（２９）は回転時に前記蒸発器と接続された出口開口部（３０ａ−３０ｆ）と重ね合わせることが可能であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の冷却設備。
9. 前記出口開口部（３０ａ−３０ｆ）は回転方向で見て、回転方向における前記出口通路（２８）の前記連通部（２９）の長さと少なくとも同程度に広い相互間隔を有していることを特徴とする請求項６に記載の冷却設備。
10. 各々の前記蒸発器流路（７ａ−７ｄ）の出口に前記制御装置（９，２４）と接続されたセンサ（８ａ−８ｄ）が配置されていることを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の冷却設備。
11. 前記蒸発器流路（７ａ−７ｄ）は凝縮器（３）と直列に配置されており、前記凝縮器（３）又は前記圧縮器（２）の前にセンサが配置されていることを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の冷却設備。

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