JP5238022B2 - 冷媒配分を制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２つの蒸発器を含む冷凍システムのような蒸気圧縮システムにおいて冷媒配分を制御する方法に関する。より詳細には、本発明は、蒸発器の冷凍機能を可能な最大限まで利用できる、少なくとも２つの蒸発器間の冷媒配分を制御する方法に関する。

２以上の蒸発器が、それらの共通出口と圧縮機との間に並列に流体接続された蒸気圧縮システムを設けることが必要な場合がある。これには、例えば、２つ以上の別々の冷凍冷蔵室を含む多くの冷凍冷蔵システム、例えば、チルド室及び冷凍室を有する家庭用冷蔵庫が該当する。代替的に、２つ以上の蒸発器を、同じ冷凍冷蔵容積に例えば並べて配列することができる。そのような構成の例は、空調システムとすることができる。２以上の蒸発器がこのように並列に流体連結される時には、蒸発器間の利用可能な冷媒の配分を得る必要がある。配分は、蒸発器の様々な個々の因子を考慮に入れることが望ましい。そのような個々の因子は、個々の設定値温度、冷凍負荷、効率などを含む場合がある。

上述で定めた様々な蒸気圧縮システムの１つにおいて、冷媒の望ましい配分を得ようとする様々な試みが行われている。すなわち、ＤＥ１９５、４７、７４４は、圧縮機と圧縮機に対して並列に流体連結された２つの蒸発器とを含む冷凍システムを開示している。両蒸発器を通る冷媒の流れは、電気的に制御された電磁弁によって制御される。弁は、蒸発器の１つによってそれぞれ冷却される別々の２つの区画室の内部の温度の測定に基づいて、制御される。すなわち、弁は、冷媒の適正量を各蒸発器が受けて対応する区画室の適正なヒステリシス制御が得られるように、制御される。この制御法の欠点は、蒸発器ごとに別々の温度センサを必要とすることである。別の欠点は、各蒸発器の潜在的冷凍機能を可能な最大限まで利用することを保証できないことである。更に別の欠点は、同一の冷却容積内に、例えば、空調システム内に、複数の蒸発器を配設するシステムには適切でないということである。

ＵＳ６、５４６、８４３は、複数の飲み物を収容するタンクを含む冷たい又は氷で冷やした飲み物を生成して配分するための機械を開示している。各タンクには、冷凍回路のための蒸発器と混合器とが設けられている。蒸発器は、接続弁及び制御式遮断弁によって１つの同じ圧縮機と接続される。蒸発器の各々への冷媒の流れは、タンクの各々における測定温度に基づいて制御される。個々の蒸発器への流体流れを制御する弁は、順次制御することができる。タンクの各々に温度センサを置くことが必要であり、上述した他の欠点は、この機械にも存在する。

ＤＥ１９５、４７、７４４ ＵＳ６、５４６、８４３

本発明の目的は、従って、２つ以上の蒸発器を含む蒸気圧縮システムにおいて冷媒配分を制御する方法を提供することであり、本方法は、同じ冷却容積内に配列された２以上の蒸発器を有する蒸気圧縮システムに用いるのに適切である。

本発明の更に別の目的は、２以上の蒸発器を含む蒸気圧縮システムにおいて冷媒配分を制御する方法を提供することであり、蒸気圧縮システムにおける必要な構成要素の数は、類似の従来技術の蒸気圧縮システムと比較して少なくすることができる。

本発明の更に別の目的は、２以上の蒸発器を含む蒸気圧縮システムにおいて冷媒配分を制御する方法を提供することであり、本方法は、各蒸発器の潜在的冷凍機能を類似の従来技術の蒸気圧縮システムの場合よりも効率的な方式で利用することを可能にする。

本発明の第１の態様によると、上記及び他の目的は、蒸気圧縮システムにおいて冷媒配分を制御する方法を提供することによって満たされ、蒸気圧縮システムは、圧縮機、凝縮器、圧縮機と共通出口との間に並列に流体接続した少なくとも２つの蒸発器、及び蒸発器の各々の間の冷媒の流れを制御するための手段を含み、本方法は、
ａ）共通出口で冷媒の過熱ＳＨ(superheat) をモニタする段階と、
ｂ）それらの蒸発器を通る冷媒の配分を、全蒸発器を通る冷媒の全質量流を実質的に一定に保ちつつ第１の蒸発器を通る冷媒の質量流の変更を行うことによって、修正する段階と、
ｃ）ＳＨの有意な変化の発生時に、段階ｂ）中に得られる第１の蒸発器を通る冷媒の質量流の変化に基づいて制御パラメータを検出する段階と、
ｄ）残りの蒸発器の各々に対して段階ａ）からｃ）を繰り返す段階と、
ｅ）検出された制御パラメータに基づいて蒸発器の各々を通る冷媒の配分を調節する段階と
を含む。

本発明の関連では、用語「蒸気圧縮システム」は、冷媒の流れが循環し、交互に圧縮および膨張させられ、それによって容積の冷凍又は加熱のいずれかをもたらすあらゆるシステムを意味するように解釈すべきである。すなわち、蒸気圧縮システムは、冷凍システム、空調システム、ヒートポンプなどとすることができる。

圧縮機は、単一圧縮機とすることができるが、それはまた、例えば圧縮機ラックを形成する２以上の圧縮機とすることもできるであろう。

蒸気圧縮システムは、好ましくは、同じ冷却容積に対して冷却をもたらすよう並列に配列された少なくとも２つの蒸発器を含む。冷媒の配分は、利用可能な冷媒の量の蒸発器間での分配量を決定する。

蒸発器を通る冷媒の配分は、ＳＨをモニタしながら修正される。修正は、選択した蒸発器（ここでは第１の蒸発器と称する）を通る冷媒の質量流が特定の制御されたやり方で変更されることによって、実施される。利用可能な冷媒の全量は変更されないので、残りの蒸発器を通る冷媒の質量流は、第１の蒸発器を通る質量流の制御された修正を補償するように修正すべきである。しかし、残りの蒸発器間の相互の配分は、実質的に一定に保たれる。

ＳＨの有意な変化が生じる時に、制御パラメータが検出される。この制御パラメータは、従って、実施した修正に応じて第１の蒸発器の挙動に対して重要であることになる。すなわち、制御パラメータは、その特定の蒸発器の作動及び性能に関する情報を提供する。例えば、蒸発器の数をＮとする。すると以下のようになる。
配分_1,new ＝ 配分_1,old ＋Δ 及び
配分_i,new ＝ 配分_i,old −Δ／(Ｎ−１)、ｉ≠１の場合

ＳＨの有意な変化は、例えば、ＳＨの突然の増加又は減少とすることができる。例えば、第１の蒸発器を通る質量流が増加する場合、質量流が、液体冷媒の全体をその蒸発器を通過させるほど十分に大きい時には、ＳＨは、著しく減少することになる。従って、そのようなＳＨの減少が検出される時に制御パラメータが検出され、制御パラメータは、それによってそのようなイベント中の第１の蒸発器の挙動に関する情報を提供する。理想的には、蒸気圧縮システムは、蒸発器の各々がちょうど十分な冷媒を受け取って、冷媒の気体／液体の混合相が蒸発器の全長に沿って、液体冷媒の蒸発器中の通過を許容せずに、存在することを保証するように作動すべきある。これが得られると、蒸発器の各々の性能は、最適なになり、かつ蒸気圧縮システムの全性能は、システムの全消費電力を増加させることなく最適化される。蒸発器におけるかなりの量の気体冷媒は、冷媒の熱伝達係数に悪影響を及ぼし、蒸発器の潜在的冷媒機能が最適に利用されないので、望ましくない。また、液体冷媒を蒸発器に通過させることは、それが圧縮機に損傷を引き起こす場合があるので望ましくない。更に、液体冷媒を蒸発器に通過させることで、冷媒が相変化を受ける結果として冷凍が起こるので、冷媒の潜在的冷凍機能の非効率的使用を引き起こす。蒸発器の各々の潜在的冷凍機能を可能な最大限まで利用するために、主な目的は、蒸発器が実質的に同一程度に充填されることを保証することである。これが得られた状態で、その後、冷媒の混合相が各蒸発器の全長に沿って存在することを保証可能となる。これは、例えば、利用可能な冷媒の量を調節することによって得ることができる。

残りの蒸発器の各々に対して段階ａ）からｃ）を繰り返すことにより、上述のような制御パラメータが、蒸発器の各々に対して得られる。各蒸発器に対して個々の情報が得られるので、各蒸発器に対する個々の特性を考慮に入れて冷媒配分を調節するように、得られた情報を用い得る。従って、冷媒配分を、各蒸発器の潜在的冷凍機能が可能な最大の範囲で利用できるように、選択できる。これは、従って、蒸気圧縮システムの全消費電力を、システムの性能を低下させることなしに、低減することができるので大きな利点である。

更に、各蒸発器に対する個々の制御パラメータは、同じ測定機器を用いて得られ、すなわち、必ずしも各蒸発器に対して１組の関連のセンサを装着する必要はない。それによってシステムの構成要素数は、最小限に保つことができ、初期製造費用は、それによっても最小限に保たれる。

段階ｂ）は、第１の蒸発器を通る冷媒の質量流を徐々に増加させる段階を含むことができる。これは、例えば、蒸発器に流体接続されている弁を徐々に開くことによって得ることができる。この実施形態によると、第１の蒸発器を通る冷媒の質量流は、ＳＨの有意な変化が起こるまで、残りの蒸発器の各々を通る質量流を減少させることによって質量流のこの増加を徐々に補償しながら徐々に増加される。上述のように、ＳＨの有意な変化は、この場合には、好ましくは、液体冷媒を第１の蒸発器に通過させることによって促されるＳＨの有意な減少である。

検出制御パラメータは、開度、例えば、上記で定めたような弁の開度の差とすることができる。従って、この場合には、検出制御パラメータは、第１の蒸発器を通る冷媒の質量流がどの程度漸次的に増加中に増加しているかに関する情報を提供する。好ましくは、そうして得られた制御パラメータは、液体冷媒が蒸発器を通過する前にどの程度開度を増加させることができるかに関する情報を提供する。

代替的に、制御パラメータは、ＳＨの有意な変化が起こるまで経過した時間間隔の長さとすることができる。これは、以下のやり方で有利に得ることができる。第１の蒸発器を通る冷媒の質量流を、劇的に、例えば、第１の蒸発器に流体接続されている弁を完全に開くことによって増加させる。同時に、タイマを開始して、ＳＨの有意な変化、好ましくは、液体冷媒を蒸発器に通過させることによって促されるＳＨの有意な減少がある時に、質量流が増加されてから経過した時間間隔が検出される。好ましくは、そうして得られた制御パラメータは、弁の完全な開放から液体冷媒が蒸発器を通過するまでにかかる時間に関する情報を提供する。

本方法は、段階ａ）からｅ）を繰り返す段階を更に含む。この実施形態によると、冷媒配分は、繰返し調節され、それによって冷媒配分が最適なままであることが保証される。段階ａ）からｅ）は、蒸気圧縮システムの作動条件において予想される変動に応じて規則的に１時間毎、１５分毎、５分毎などのような所定の時間間隔で繰り返すことができる。これらの段階は、連続的に繰り返すことさえできる。

代替的に、本方法の段階の繰り返しは、過熱コントローラによって開始することができる。この実施形態によると、過熱コントローラは、蒸発器間の冷媒の配分が最適でないことを示す兆候を検出することができる。これは、例えば、過熱コントローラがＳＨを実質的に一定に保つことの困難性とすることができる。過熱コントローラは、例えば、ＳＨが振動するか又は循環すること、すなわち、ＳＨの分散が増大することを検出することができる。これは、蒸発器の少なくとも１つが、少なくとも定期的に液体冷媒を通過させているという表示とすることができる。液体冷媒を蒸発器の１つに通過させることで、ＳＨの急激な増加を引き起こすことになり、液体冷媒がもはや蒸発器を通過しない時に、ＳＨは、再び急激に増加することになる。そのような問題は、蒸発器間の冷媒の配分を調節することによって緩和することができる。従って、それは、過熱コントローラが調節を「要求する」ことができる場合に有利であり、すなわち、上述のような状況が起こる場合に本方法の段階を開始する。これは、配分適応アルゴリズムを要求する過熱コントローラと見なすことができる。代替的に、過熱コントローラは、作動条件の既知の変化が起こる場合に本方法の段階を開始することができる。例えば、蒸発器間の２次流体の流れ、例えば、蒸気圧縮システムが空調システムである場合では、空気の流れが変更される場合、過熱コントローラは、冷媒の配分の調節を引き起こすために本方法の段階を開始することができ、その調節は、起こることが既知のそのような変更を補償する。そのような変更の正確な値は、必ずしも既知である必要はないことに注意すべきである。かなりの変更が生じたことを知れば十分であると考えられる。この場合には、本方法の段階の開始は、フィードフォワード戦略の一部と見なすことができる。

段階ａ）は、共通出口で冷媒の温度Ｔをモニタする段階を含む。この実施形態によると、蒸発器の１つの挙動に関する情報は、共通出口に配列された単一の温度センサによって得ることができる。

それに代えて又は加えて、段階ａ）は、共通出口で冷媒の圧力Ｐをモニタする段階を含むことができる。共通出口における冷媒の圧力Ｐは、蒸発器の共通出口で冷媒の温度を測定することによって得ることができる。代替的に、圧力Ｐは、直接測定することができる。

本方法は、
−蒸発器の各々に対して検出制御パラメータを比較する段階と、
−蒸発器の検出制御パラメータが、残りの蒸発器の検出制御パラメータと大きく異なる場合に、オペレータへの故障警報信号を発生させる段階と
を更に含むことができる。

蒸発器の１つの制御パラメータが、残りの蒸発器の制御パラメータと大きく異なる場合に、又はそれが単に予想したものと大きく異なる場合には、これは、この蒸発器が適切な方式で機能していないという兆候である場合がある。蒸発器は、例えば、故障している場合があり、それは汚れている場合があり、又はそれは霜を取り除く必要がある場合がある。いずれの場合でも、オペレータに故障警報を発生させることで、オペレータの注目を引くことになり、彼は、次に、検出制御パラメータにおける差の原因を調査することができ、場合によっては、必要な行動を取ってあらゆる問題を解決する。

従って、本方法は、故障警報信号の発生時に、大きく異なる制御パラメータを有する蒸発器の霜取りを開始する段階を更に含むことができる。この段階は、発生した故障警報信号が、問題になっている蒸発器の霜取り（デフロスト）の必要性によって引き起こされているということを確立するオペレータによって手動で開始することができる。代替的に、この段階は、例えば、制御パラメータにおける差が、霜取りの必要を示すことが既知であるある一定の基準を満たす場合に自動的に開始することができる。これは、関連する蒸発器への冷媒の供給を時間的に閉鎖することによって蒸気圧縮システムの部分霜取りを実施する可能性を広げ、一方、残りの蒸発器は、好ましくは、蒸気圧縮システムの全性能が低下しないか、又は僅かに低下するに過ぎない方式で継続して開いている。それによって霜取りは、システムの作動に影響を及ぼすことなく実施することができる。

段階ｅ）は、検出制御パラメータによって定められた配分により蒸発器の各々を通る冷媒の分配を調節することによって実施することができる。この実施形態によると、冷媒の配分は、最適作動から比較的遠い蒸発器への冷媒の質量流が、最適作動に比較的近い蒸発器への質量流よりも多くなるように調節されるやり方で調節することができる。それによって冷媒の調節された配分は、蒸発器の全ての潜在的冷凍機能の最適利用の保証により接近する。

それに代えて又は加えて、段階ｅ）は、
−選択された蒸発器が最低又は最高の検出制御パラメータを有する蒸発器の１つを選択する段階と、
−選択蒸発器を通して配分された冷媒の全質量流の割り当てを固定量だけ調節する段階と、
−選択蒸発器に配分した質量流の調節を補償するために、残りの蒸発器に配分した全質量流の割り当てを調節する段階と
を含むことができる。

この実施形態によると、残りの蒸発器と最も作動の異なる蒸発器が特定される。特定された蒸発器への冷媒の質量流は、次に、蒸発器がより類似の方法で作動されるように固定量だけ調整される。この関連では、用語「固定量」は、特定の蒸発器に配分される利用可能な冷媒の百分率が、固定量（すなわち、パーセントで固定した数）だけ調整されることを意味する。

全ての蒸発器を通る冷媒の全質量流を実質的に一定に維持するために、残りの各蒸発器のを通る冷媒の質量流は、特定の蒸発器を通る冷媒の質量流での変化を補償するように調節される。この調節は、残りの蒸発器間の相互配分を、有利には、実質的に維持するやり方で行う。

本発明の第２の態様によると、上記及び他の目的は、蒸気圧縮システムにおいて冷媒配分を制御する方法を提供することによって満たされ、蒸気圧縮システムは、圧縮機、凝縮器、圧縮機および共通出口の間に並列に流体接続した少なくとも２つの蒸発器、及び各蒸発器を通る冷媒の流れを制御する手段を含み、本方法は、
ａ）共通出口で冷媒の過熱ＳＨをモニタする段階と、
ｂ）第１の蒸発器を通る冷媒の質量流が、全ての蒸発器を通る冷媒の全質量流を実質的に一定に保ちながら所定量だけ変更される方式で、蒸発器を通る冷媒の配分を修正する段階と、
ｃ）段階ｂ）中に得られた第１の蒸発器を通る冷媒の質量流の変化に基づいて、冷媒の配分の修正の結果として起こるＳＨの変化を反映した制御パラメータを検出する段階と、
ｄ）残りの蒸発器の各々に対して段階ａ）からｃ）を繰り返す段階と、
ｅ）検出制御パラメータに基づいて蒸発器の各々を通る冷媒の配分を調節する段階と
を含む。

本発明の第１の態様に関して説明したあらゆる特徴は、本発明の第２の態様に同様に組み合わせることができ、逆も同じであることを、当業者ならば容易に認識できよう。

本発明の第２の態様による方法は、本発明の第１の態様による方法と非常に類似しており、既に上述している特徴は、従って、以下に詳細には説明しない。代わりに、上記説明を参照する。

本発明の第２の態様による方法では、段階ｂ）及びｃ）は、以下のやり方で実施される。まず最初に、第１の蒸発器を通る冷媒の質量流は、所定量だけ、すなわち、公知の及び制御された方式で変更される。これは、固定量だけ第１の蒸発器を通る冷媒の質量流を増加又は減少させることによって実施できる。代替的に、公知の及び制御された方式で、例えば、正弦波パターンに従って第１の蒸発器を通る冷媒の流れを変化させることによって実施することができる。これを行っている間に、残りの各蒸発器を通る冷媒の質量流も、第１の蒸発器を通る質量流の変化を補償するように変更され、それによって蒸発器の全てによる冷媒の全質量流を実質的に一定に保つ。更に、ＳＨは、この段階中にモニタされる。

冷媒の配分が、上述のように修正されている時に、制御パラメータが検出される。制御パラメータは、冷媒の配分の修正の結果として起こるＳＨの変化を反映する。検出されている制御パラメータは、以下の方式で見出すことができる。冷媒の温度が、蒸発器の長さの関数として測定される場合、冷媒の温度は、蒸発器の（液相中に又は液体／気体の混合相中に冷媒が存在する）一部において、実質的に一定であることが見出せよう。混合相が終わって、純粋に気相が始まる蒸発器の位置においては、冷媒の温度は、増加し始め、温度の上昇は、蒸発器の出口に達するまで続く。最初に、温度曲線の勾配は、比較的急勾配であるが、温度は、漸近的に周囲の空気の温度に近づくことになり、すなわち、勾配は、蒸発器に沿った位置の関数として減少することになる。

従って、混合相が停止して気相が始まるポイントが蒸発器の出口に比較的近い場合、冷媒供給及びそれによる上述のポイントの位置の変化は、出口における冷媒の温度に対して比較的有意な影響を有すると予想すべきである。他方、上述のポイントが出口から比較的遠い場合、出口における冷媒温度に対する影響は、幾分小さく、恐らく重要ではないとさえも予想すべきである。共通出口での冷媒の温度の測定された差は、従って、混合相が停止して気相が始まるポイントがどのくらい出口の近くに位置しているかに関する情報を提供することになる。上述のポイントは、液体冷媒を蒸発器に通過させることなくできるだけ出口に近いことが望ましいので、測定された温度差は、好ましい制御パラメータである。

段階ｅ）は、蒸発器のうちのどれがＳＨの最も有意な変化を引き起こすかを決定する段階と、上述の蒸発器に配分する冷媒全量の割り当ての調節が、残りの蒸発器に配分する全冷媒量の割り当てに対しての調節にくべて、多く行われるやり方でもって、蒸発器を通る冷媒の配分を調節する段階と、を含むことができる。蒸発器の全てが実質的にＳＨの同等の変化を引き起こすように、配分を調節することが望ましい。ＳＨの最も有意な変化を引き起こす蒸発器は、他の蒸発器と異なる挙動をすると仮定できる。従って、この蒸発器に配分する冷媒の割り当てが最も多く調節されるように、冷媒の配分を調節することによって、蒸発器がより類似のやり方で挙動させられるような配分が提供される、と予想できる。例えば、上述のように、最大充填に非常に近い、すなわち、純粋に気相が始まるポイントで、蒸発器の端部に非常に近い蒸発器は、その蒸発器への冷媒の質量流が変更される場合に、共通出口で冷媒温度に対して有意な影響を有することになる。更に、この蒸発器は、液体をその蒸発器に通過させるのに最も近い蒸発器である。従って、より小さな質量流がその蒸発器に配分される方式で、及び残りの蒸発器を通る質量流が増加されてこれを補償する方式で冷媒の配分を調節することで、残りの蒸発器の充填により多く類似する充填を得る特定の蒸発器をもたらすことになる。それによって調節配分は、最適状況により近くなる。更に、液体冷媒を蒸発器の１つに通過させる危険が低下する。

本方法は、各蒸発器に対して得られた制御パラメータを比較する段階と、この比較に基づいて、蒸発器のうちのどれが最大に充填された位置に最も近いかを決定する段階とを更に含むことができ、段階ｅ）は、上述の蒸発器に配分した冷媒の全量の割り当てが、残りの蒸発器に配分した冷媒の全量の割り当てに対して実施された調節よりも多く調節される方式で実施することができる。上述のように、この場合には、最大に充填された位置に最も近い蒸発器は、好ましくは、冷媒の全量のより小さな割り当てを受け取るように調節すべきである。

制御パラメータを比較する段階は、各蒸発器に対してＳＨの変化の兆候を比較する段階を含み得る。第１の蒸発器が高度の充填を有する場合、すなわち、混合相が終わって気相が始まるポイントが蒸発器の出口に比較的近い場合、段階ｂ）で実施された冷媒の配分の修正の結果として起こるＳＨの変化は、第１の蒸発器を通る質量流の変化からの配分によって支配されると予想できる。他方、第１の蒸発器の充填の程度が幾分低い場合、ＳＨの変化は、残りの蒸発器を通る質量流の変化からの複合の寄与によって支配されると予想すべきである。従って、ＳＨの変化が第１の蒸発器からの寄与によって支配されて、測定されたＳＨの変化が実際に正である場合に、第１の蒸発器を通る冷媒の質量流がＳＨの正の変化をもたらすと考えられる種類のものである場合、第１の蒸発器を通る質量流の変化は、恐らく、得られた測定ＳＨに対して有意な影響を有する。他方、測定されたＳＨの変化が負である場合、残りの蒸発器からの複合寄与は、第１の蒸発器からの寄与よりも重要になると予想すべきである。従って、ＳＨの変化の兆候は、測定ＳＨに対する影響が、問題になっている蒸発器に対していかに重要であるかに関する情報を提供する。すなわち、蒸発器の各々に対してＳＨの変化の兆候を比較することは、他の蒸発器の重要性と比較して、この点に関して蒸発器の各々の重要性に関する情報を提供することになる。

代替として、ＳＨの変化の勾配又はＳＨの振幅は、制御パラメータとして用いることができる。これは、例えば、第１の蒸発器を通る質量流が正弦波方式で変更される場合に適切であるとすることができるであろう。

本方法は、段階ａ）からｅ）を繰り返す段階を更に含むことができる。これは、例えば、所定の時間間隔で段階ａ）からｅ）を繰り返すことによって行うことができる。代替的に、本方法の段階は、過熱コントローラによって開始することができる。

段階ａ）は、共通出口で冷媒の温度Ｔをモニタする段階を含むことができ、及び／又は段階ａ）は、共通出口で冷媒の圧力Ｐをモニタする段階を含むことができる。共通出口における冷媒の圧力Ｐは、蒸発器の共通の入口において冷媒の温度を測定することによって得ることができ、又は、直接測定することができる。

本方法は、
−蒸発器の各々に対して検出制御パラメータを比較する段階と、
−蒸発器の検出制御パラメータが、残りの蒸発器の検出制御パラメータとは大きく異なる場合に、オペレータへの故障警報信号を発生させる段階と
を更に含むことができる。

本方法は、故障警報信号の発生時に、大きく異なる制御パラメータを有する蒸発器の霜取りを開始する段階を更に含むことができる。

本発明は、集中化方式で構成されたシステム及び非集中化方式で構成されたシステムを含む様々なタイプの冷凍システムに適用することができる。本発明の関連では、用語「集中化方式で構成されたシステム」は、１つ又はそれよりも多くの中心に位置された圧縮機が複数の冷凍部位に冷媒を供給するシステムを意味するように解釈すべきである。そのようなシステムの例は、普通にスーパーマーケットで用いられる種類、又は一定の工業用冷凍システムで用いる種類のシステムを含む。

同様に、本発明の関連では、用語「非集中化方式で構成されたシステム」は、１つ又はそれよりも多くの圧縮機が単一の冷凍部位に冷媒を供給するシステムを意味するように解釈すべきである。そのようなシステムの例は、冷凍コンテナ、空調システムなどを含む。

ここで、本発明を添付の図面を参照して以下により詳細に説明する。

本発明の実施形態による方法に用いるための蒸気圧縮システムの概略図である。 蒸発器の長さに沿った位置の関数として蒸発器における冷媒の温度を示す図である。 ２つの蒸発器を含む蒸気圧縮システムの一部の概略図である。 時間の関数として、かつ蒸発器の１つに接続した弁の開度に応じて蒸気圧縮システムの蒸発器の共通出口における冷媒の温度を示す図である。 蒸発器の１つに接続した弁の急激な開口に応答して時間の関数として蒸気圧縮システムの蒸発器の共通出口における冷媒の温度を示す図である。

図１は、冷凍システムのような蒸気圧縮システム１の概略図である。蒸気圧縮システム１は、冷媒回路を形成するように接続した圧縮機２、凝縮器３、弁４、及び複数の蒸発器５（それらのうちの３つが示されている）を含む。蒸発器５は、弁４と圧縮機２に流体接続した共通出口６との間に並列に接続され、凝縮器３は、圧縮機２と弁４の間に直列に連結される。

弁４は、前に定めた配分方式により蒸発器５の各々に冷媒を配分することができる種類のものである。

温度センサ（図示せず）は、好ましくは、共通出口６又は共通出口６のすぐ下流にその位置で冷媒の温度を測定するために配列される。すなわち、温度センサのポイントでは、様々な蒸発器５を通過した冷媒は、再度混合されており、それは、従って、測定されたこの混合冷媒の温度である。従って、個々の蒸発器５の挙動及び性能に関する情報は、通常は、そのような温度測定に由来する場合があると予想することはできない。しかし、上述のように、本発明による方法を用いると、これは、実際に可能である。

図２は、蒸発器５の概略図及び蒸発器５の長さに沿った冷媒温度対位置のグラフである。蒸発器５は、液相７及び気相８で冷媒を収容する。液相７及び気相８の冷媒と共に示す蒸発器５の一部は、混合相で冷媒を収容する蒸発器５の一部と解釈すべきである。

ポイント９において、混合相が停止して純粋に気相８が起こる。純粋な気相８は、蒸発器５の端部に達するまで続く。これは、冷媒の温度に対して以下の影響を有する。

図２の上部から明らかなように、冷媒の温度は、混合相の冷媒が蒸発器５に存在する領域において、実質的に温度Ｔで一定に維持される。ポイント９に達する時に、冷媒温度は増加し始める。ポイント９の近くでは、増加は、比較的急勾配であるが、ポイント９から遠ざかると、温度の増大は緩慢となり、温度は、漸近的に周囲空気の温度Ｔ_aに近づく。

ポイント９が蒸発器５の端部から遠く離れている場合には、蒸発器５を通る冷媒の質量流を、ポイント９が僅かに移動するように操作することは、蒸発器５の端部における冷媒の温度に有意な影響を及ぼさない、と言うことが図２から解る。しかし、ポイント９が蒸発器５の端部に非常に近い場合には、端部での冷媒の温度はＴ_aには至っておらず、蒸発器５を通る冷媒の質量流を、ポイント９が僅かに移動するように操作することは、蒸発器５の端部における冷媒の温度に影響を及ぼすことになる。

図３は、弁４と共通出口６との間に並列に流体接続した２つの蒸発器５を含む蒸気圧縮システムの一部の概略図である。図３は、蒸発器間の冷媒の配分が修正され、混合相が停止して純粋に気相８が始まるポイント９の位置を変える時における、共通出口６における冷媒の温度に対する影響を示している。

蒸発器５ｂは、蒸発器５ａよりも最大充填に近いことが図３から解る。蒸発器５ａに配分した冷媒の質量流が、ポイント９がΔｌだけ、例えば、ポイント９ａからポイント９ｂまで移るように変更されると、共通出口６における冷媒の温度は、ΔＴだけ変化する。グラフ１０ａに示すように、ΔＴは、ポイント９が蒸発器５ａの端部から比較的遠く離れて位置するので、この場合は比較的小さい。同様に、蒸発器５ｂに配分した冷媒の質量流が、ポイント９が同じ量Δｌだけ、例えば、ポイント９ｃからポイント９ｄまで移るように変更されると、ΔＴは、グラフ１０ｂに示すように幾分大きい。従って、蒸発器５ｂによる冷媒の質量流の量をある一定の量だけ変更することは、蒸発器５ａによる冷媒の質量流の量をその同じ量だけ変更するよりも共通出口６においてＳＨに対してより有意な影響をもたらすことになる。すなわち、蒸発器への冷媒の配分を制御されたやり方で変えながら、共通出口６において冷媒の温度をモニタすることは、最大充填位置にどの蒸発器が最も近く、どの蒸発器が最も離れているかに関する情報を提供することになる。

図４は、時間の関数として、かつ蒸発器の１つに接続した弁の開度に応じた蒸気圧縮システムの蒸発器の共通出口における冷媒の温度を示している。上方のグラフは、時間の関数として弁の開度を示している。弁は、最初は、一定の比較的低い開度に保たれることを見ることができる。ある一定の時間で開度の漸増が始まる。本発明による方法の実施形態によると、開度のこの漸増は、ＳＨの有意な変化が検出されるまで続く必要がある。

下方のグラフは、同じ時間間隔中の時間の関数としての共通出口における冷媒の温度を示している。弁の開度は、一定の比較的低いレベルに保たれ、一方、共通出口における冷媒の温度は、比較的高レベルで実質的に一定のままであることを見ることができる。更に、温度は、弁の開度の増大が始まっても、そのレベルのままである。しかし、開度がある一定のレベルに達すると、温度の大きな低下が生じる。これは、弁の開度が液体冷媒を蒸発器に通過させるレベルに達していることの表れであり、それによって共通出口における冷媒温度の及びそれによってＳＨの有意な減少を引き起こす。これが起こる時に、実質的に一定の開度と現在の開度との間の差が検出される。開度のこの差は、液体が蒸発器を通過する前に弁の開度を増加できる程度の情報と、それによって蒸発器の充填の程度に関する情報とを提供するので、次に、制御パラメータとして用いることができる。

図５は、蒸発器の１つに接続した弁の急激な開口に応じた時間の関数としての蒸気圧縮システムの蒸発器の共通出口における冷媒の温度を示している。上方のグラフは、時間の関数として弁の開度を示している。弁は、最初は一定の比較的低い開度に保たれることが示されている。ある一定の時間で、弁は、完全に急激に開口される。本発明による方法の実施形態によると、システムは、次に、ＳＨの有意な変化が検出されるまで観察される。

下方のグラフは、同じ時間間隔中の時間の関数としての共通出口における冷媒の温度を示している。弁の開度は、一定の比較的低いレベルに保たれ、一方、共通出口における冷媒の温度は、実質的に比較的高レベルで一定のままである。更に、温度は、弁が急激に開口される時にも、そのレベルのままである。しかし、ある一定の時間間隔が経過した後では、温度の大きな低下が生じる。これは、上述の状況と同様に液体冷媒の蒸発器中の通過が許容されていることの表れである。これが生じる時に、弁が急激に開いてから経過した時間が検出され、制御パラメータとして用いられる。これは、液相の冷媒が問題になっている蒸発器の端部にいかに近いかに関する情報と、それによってこの蒸発器の充填の程度に関する情報とを提供するので、好ましいパラメータである。

１ 蒸気圧縮システム
２ 圧縮機
３ 凝縮器
４ 弁
５ 蒸発器
６ 共通出口

Claims (27)

1. 圧縮機と、凝縮器と、前記圧縮機と共通出口との間に並列に流体接続され少なくとも２つの蒸発器と、前記蒸発器の各々の間の冷媒の流れを制御する手段を含み、
   ａ）共通出口で冷媒の過熱ＳＨをモニタする段階と、
   ｂ）それらの蒸発器を通る冷媒の配分を、全蒸発器を通る冷媒の全質量流を実質的に一定に保ちつつ第１の蒸発器を通る冷媒の質量流の変更を行うことによって、修正する段階と、
   ｃ）ＳＨの急激な増加又は減少の発生時に、段階ｂ）中に得られる前記第１の蒸発器を通る冷媒の質量流の変化に基づいて制御パラメータを検出する段階と、
   ｄ）残りの蒸発器の各々に対して段階ａ）からｃ）を繰り返す段階と、
   ｅ）検出された前記制御パラメータに基づいて各々の蒸発器の特性を考慮して蒸発器が同一程度に充填されるように蒸発器の各々を通る冷媒の配分を調節する段階と
   を含み、
   前記制御パラメータは、少なくとも、次のパラメータのうちの１つである：
   第１の蒸発器を通る冷媒の質量流の違いと、ＳＨの急激な増加又は減少が起こるまでの経過した時間間隔の長さ、
   ことを特徴とする方法。
2. 段階ｂ）は、前記第１の蒸発器を通る冷媒の質量流を徐々に増加させる段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 冷媒の質量流を徐々に増加させる前記段階は、前記蒸発器に流体接続されている弁を徐々に開く段階を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記検出された制御パラメータは、開度の差であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の方法。
5. 前記制御パラメータは、ＳＨの有意な変化が起こるまでに経過した時間間隔の長さであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 段階ａ）からｅ）を繰り返す段階を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 段階ａ）からｅ）は、所定の時間間隔で繰り返されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記方法段階は、過熱コントローラによって開始されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
9. 段階ａ）は、前記共通出口で冷媒の温度Ｔをモニタする段階を含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の方法。
10. 段階ａ）は、前記共通出口で冷媒の圧力Ｐをモニタする段階を含むことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記共通出口での冷媒の前記圧力Ｐは、前記蒸発器の共通入口で冷媒の温度を測定することによって得られることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記蒸発器の各々に対して前記検出された制御パラメータを比較する段階と、
    蒸発器の前記検出制御パラメータが、残りの蒸発器の該検出制御パラメータと大きく異なる場合に、オペレータへの故障警報信号を発生させる段階と、
    を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 故障警報信号の発生時に、大きく異なる制御パラメータを有する前記蒸発器の霜取りを開始する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 段階ｅ）は、前記検出された制御パラメータによって定められた配分に従って前記蒸発器の各々を通る前記冷媒の配分を調節することによって実行されることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 段階ｅ）は、
    選択された蒸発器が最低又は最高の検出制御パラメータを有する前記蒸発器の１つを選択する段階と、
    前記選択した蒸発器を通って配分される冷媒の全質量流の割り当てを固定量だけ調節する段階と、
    前記選択した蒸発器に配分される質量流の前記調節を補償するために、残りの蒸発器に配分される全質量流の割り当てを調節する段階と、
    を含む、ことを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 圧縮機と、凝縮器と、前記圧縮機と共通出口との間に並列に流体接続され少なくとも２つの蒸発器と、前記蒸発器の各々の間の冷媒の流れを制御する手段を含み、
    ａ）共通出口で冷媒の過熱ＳＨをモニタする段階と、
    ｂ）それらの蒸発器を通る冷媒の配分を、全蒸発器を通る冷媒の全質量流を実質的に一定に保ちつつ第１の蒸発器を通る冷媒の質量流の変更を行うことによって、修正する段階と、
    ｃ）段階ｂ）中に得られた前記第１の蒸発器を通る冷媒の質量流の変更に基づいて、前記冷媒の配分の前記修正の結果として起こるＳＨの変化を反映する制御パラメータを検出する段階と、
    ｄ）残りの蒸発器の各々に対して段階ａ）からｃ）を繰り返す段階と、
    ｅ）検出された前記制御パラメータに基づいて、各々の蒸発器の特性を考慮して蒸発器が同一程度に充填されるように蒸発器の各々を通る冷媒の配分を調節する段階と
    を含むことを特徴とする方法。
17. 段階ｅ）は、
    前記蒸発器のうちのどれがＳＨの最も有意な変化を引き起こすかを決定する段階と、
    その蒸発器に配分される冷媒全量の割り当ての調節が、残りの蒸発器に配分する全冷媒量の割り当てに対しての調節にくべて、多く行われるやり方でもって、蒸発器を通る冷媒の配分を調節する段階と、
    を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記蒸発器の各々に対して得られる前記制御パラメータを比較する段階と、
    該比較に基づいて、前記蒸発器のうちのどの蒸発器が最大に充填された位置に最も近いかを決定する段階と
    を更に含み、段階ｅ）は、その蒸発器に配分される冷媒全量の割り当てが、残りの蒸発器に配分される全冷媒量の割り当て対しての調節に比べて、多く行われるやり方でもって、蒸発器を通る冷媒の配分が調節される
    ことを特徴とする請求項１６又は請求項１７に記載の方法。
19. 前記制御パラメータを比較する前記段階は、前記蒸発器の各々に対してＳＨの前記変化の兆候を比較する段階を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 段階ａ）からｅ）を繰り返す段階を更に含むことを特徴とする請求項１６から請求項１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 段階ａ）からｅ）は、所定の時間間隔で繰り返されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 前記方法段階は、過熱コントローラによって開始されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
23. 段階ａ）は、前記共通出口で冷媒の温度Ｔをモニタする段階を含むことを特徴とする請求項１６から請求項２２のいずれか１項に記載の方法。
24. 段階ａ）は、前記共通出口で冷媒の圧力Ｐをモニタする段階を含むことを特徴とする請求項１６から請求項２３のいずれか１項に記載の方法。
25. 前記共通出口での冷媒の前記圧力Ｐは、前記蒸発器の共通入口で冷媒の温度を測定することによって得られることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. 前記蒸発器の各々に対して前記検出された制御パラメータを比較する段階と、
    蒸発器の前記検出制御パラメータが、残りの蒸発器の前記検出制御パラメータと大きく異なる場合に、オペレータへの故障警報信号を発生させる段階と、
    を更に含むことを特徴とする請求項１６から請求項２５のいずれか１項に記載の方法。
27. 故障警報信号の発生時に、大きく異なる制御パラメータを有する前記蒸発器の霜取りを開始する段階を更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。

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