JPH01501652A - 冷却過程を分析し制御する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 冷却過程を分析し制御する方法 本発明は、冷却過程または冷凍過程のパラメータ値を測定し、これらパラメータ 値を用いてこうした過程の効率をめることのできる方法に係る。前記過程は、閉 回路を通じて循環される冷媒または冷却剤を用いて行われる。この閉回路には、 コンプレッサー、凝縮器、膨張装置および蒸発器が組み込まれている。

本明細書で使われている冷却過程の用語は、笑際に使われている様々なタイプの コンプレッサー駆動方式による蒸発過程または気化過程を包含していることを理 解しておく必要がある。この過程はヒートポンプ装置、空調装置、冷凍装置また は冷却装置のいずれにも利用することができ、またこの過程に用いられる装置は 静止していてもまた移動するものでもかまわない。

本発明について、主にヒートポンプサイクルを例にとって以下に説明されている 。ただし当業界の普通の技術者には、進行状態の係数、熱出力（熱の放出）等に ついての以下の説明並びに請求の範囲の記載を参照すれば、冷却効率の係数や冷 却出力等に関する分析条件並びに計算方法を前述した冷却装置や冷凍装置に当て はめられることが理解できる。

ヒートポンプ装置の運転効率を知シたい場合がよくある。そうした場合には、例 えばヒートポンプ装置を取シ付けて正確に調整したシまた同調させるような場合 、機能チェックを行なったシする場合、あるいはそうした装置の保守管理を行な うような場合がある。今日最も広く使われている測定法では、流量と温度の組合 せ測定を行っている。この方法ユ、一般に、熱搬送体および／または冷熱搬送体 （プライン）の流量と、それぞれ凝縮器および蒸発器の両側での温度差を測定し 、放出された熱かまたは吸収された・冷熱をめ、そして測定結果を消費された電 気エネルギー量と比較することが行われている。しかしながらこの方法にはいく つかの１大な欠点がらる。とシわけ、ヒートポンプ装置の運転効率は熱搬送体の 流量や前述した温度差を測定することでめられるが、温度差が小さいと精度が大 幅に低下する。

前述した方法に伴う欠点の内でも特に問題となるものは、循環している媒体の流 量を測定するために必要とする回路各所に流量計を取シ付けなくてはならず、こ のため経費がかさみ長時間を要することである。例えば流量計を連結するには、 まず装置を遮断し、装置の排液を行い、次いで流量計を取シ付けられるようにパ イプを切断する必要がある。こうしておいて装置を起動し、はぼ安定した製置状 態となるまで運転を継続しなくてはならない。測定作業には、終わるまでに通常 丸１日かかっていた。

流量と温度は同時に読み取れないため、また読み取った測定値は読む人によシ違 い正確に一致しないため、得られた結果は正確さにおいて＝定しない。この種の 方法によると、常にパラメータが変化するために結果が比較的不安定でアシ、こ うした方法によったのではさらに測定結果全体の精度に悪い影響が及んでしまう 。

概して今日用いられている方法は、年間を通じての平均値またはこれに見合う値 を測定するのには適しているが、装置を同調させたシ、装置の検査を行なったシ またはこれらに付随した装置の取扱いに際し、こうした方法は装置の効率を測定 するのには不向きでちると言える。周知の方法を用いても、装置の機能に係わる 情報を連続的にめられないことによる。フた周知の方法では、装置の全体の機能 に係わるデータしか入手できず、測定過程のデータ並びに各装置の構成要素の状 況に関係のある詳細な情報が得られない。装置を同調させようとする場合には、 例えば装置の進行状態の係数や熱出力、熱放熱量を表わす一連のパラメータに関 する情報を同時に入手する必要がある。放熱量に関して言えば、例えばらる種の 制御操作によシ、熱の放出量が増えて進行状態の係数が低下したシ、あるいはそ の逆の状況が起こることがある。

従って本発明の主要な目的は、非常に迅速に且つ安い経費で行なえ、しかも基準 過程パラメータを連続的に記録することのできる冷却過程パラメータの値の測定 方性を提供することにある。

本発明の他の目的は、冷却過程を自動的に制御または管理するためにそうした方 法を利用できるようにすることにある。

本発明の別の目的は、本発明の測定方法によシ得た冷却過程のデータに基づいて 、冷凍過程または冷却過程を制御する調節装置を提供することにある。

これらの目的を達するためには、流量を測定する必要のない測定方法にすること が必要である。本発明は、た目的を達成するようにしたことＫある。このため閉 冷却サイクルの６つのポイントにおいである時期に同時に圧力と温度を測定し、 これら測定値を用いて冷媒グラフ上の３つのキーポイントを決定すればよい。次 いで、蒸発温度、凝縮温度、過熱、適冷等の冷却過程における基礎的な基準パラ メータ、および過程進行状態の理想的な係数値を、前述したグラフ上での３つの キーポイントから得た開始ポイントによシ決定することができる。

この種の従来方法の欠点の内でも設備に係わる問題点の一つは、冷媒グラフから 得た情報を用いる際に、総流量の値を得て過程進行状態の真の係数または支配的 な係数をめなくてはなら々いことにあるものと考えられる。従って今までは、非 常に経費がかかシしかも大変煩わしい作業の流量測定を行うが、あるいは実用的 であるかどうかは別として総流量を計算できるように充分なコンプレッサーのデ ータを入手するかのいずｎか一方の方法を取る必要があるものと考えられてきた 。

総流量を決定することに伴う問題点は、これに代えて補正係数とシわけ過程での 損失を補償する係数を算術的にｌたは実験に基づいてめ、そして進行状態の真の 係数を進行状態の理想的な係数と前述した補正係数との積として計算することが でき、総流量を用いない本発明の方法によシ解決することができる。

最も問題となる損失はコンプレッサーにおける熱損失にあると言われているが、 実際の試験から驚くべきことに、前述した補正係数としてコンプレッサーの熱効 率ηＴの計算値または実験に基づく値を用い、これに進行状態の理想的な係数を 掛は合わせれば、進行状態の真の係数または支配的な係数を非常に精度良く決定 できることが判明した。コンプレッサーの熱効率ηＴは、コンプレッサーよシ冷 媒に入力された総エネルギーと通常は電気エネルギーであるコンプレッサーに供 給された総駆動エネルギーとの間の関係式からめられる。

このことに関し、試験結果から判明したことは、密封式または半密封式のコンプ レッサーを備えた従来形式の装置の場合、約９０％から９７％の範囲内の値を実 験値ηＴとして用いれば、満足のいく精度の良い結果が得られることである。開 放式のコンプレッサーの場合には下限値が使われる。このように本発明によれば 経費が嵩みしかも長時間を要する総流量計算を不要にでき、またほとんどの場合 には進行状態の真の係数の計算に関連して予め決めである補正係数を代用できる 。

進行状況の支配的な係数または真の係数を計算した後に、過程によシ生じる熱出 力を本発明に従って進行状況の係数とコンプレッサーに供給される駆動エネルギ ーの積として計算することができる。

本発明に係る方法のその他の特徴は以下の請求の範囲に明らかにされている。

前述した方法を適用することで、冷凍過程または冷却過程を非常に精度良く自動 制御することができる。

しかも当該過程を操作するのに用いられる調節可能な膨張装置を、とシわけ前述 した方法によシ計算された進行状態の係数および／または放熱量に基づいて制御 することができる。

また本発明の方法は、冷却過程を管理する制御装置の構造の主要部分として用い ることができる。この装置は、過程進行状態における真の係数および／または当 該過程により生じた熱出力を前述した方法によシ計算する手段を備えていて、し かも過程制御手段がこの計算手段によシ作動されることヲｆＦ徴としている０以 下、添付図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。

第１図は、シングルステージ冷却過程の原理図を示している。

第２図は、−例として選んだ冷媒の冷却過程の特性を示す冷媒グラフを描いてい る。

第３図は、本発明に係る方法を実施する際に用いる装置のブロック図でわる。

第１図に示したコンプレッサー駆動式の冷却過程は、ここではヒートポンプに適 用した場合を想定している。

この例には４つのステージを周期的に循環する蒸発過程が表わされている。この 過程には、コンプレッサー１、凝縮器２、膨張弁３および蒸発器４０組み込まれ た閉回路を循環する冷媒または冷却剤が必要とされる。

今日広く用いられている冷媒には、アンそニアやクロロ・フルオロ・ハイドロカ ーボン（ＦＲＥＯＮ　）がある。

これら冷媒の物理特性は比較的詳しく仰られておシ、グラフや数式の形で文献を 利用することができる。通常、冷媒のエネルギーは変動幅が非常に大きいため、 はとんどの場合にはいわゆるｉｌｏｇ　ｘで表示される。

ここで上はエンタルピーであシ、Ｐは圧力である。これらグラフは冷媒グラフと 呼ばれてシシ、そうしたグラフの一例が第２図に示されている。

第１図に示した過程は以下の４つのステージに分けることができる： １）ガス相の状態にあってしかも低圧の冷媒を負圧によシコ／プレッサー１内に 吸い込み、コンプレッサー内で圧縮する。高圧の下でガスは高い沸点温度を持つ ようになる。

２）高圧のガス状冷媒は凝縮器２に流れ込む。凝縮器内で冷媒は熱搬送体によシ 冷却される。この熱搬送体は導管５を通って流れ、冷媒から熱を取シ去る。この 冷媒の冷却作業は、冷媒が沸点以下の温度になシ蒸気が凝縮するまで行われる。

３）凝縮した冷媒は膨張弁３へと流れていく。この膨張弁内で冷媒は膨張させら れ、圧力は降下する。冷媒の沸点はこの低圧の下では低くなっている。

４）低圧の液体冷媒は蒸発器４に導入される。この蒸発器内でζ冷媒は導管６ｔ −通って流れる冷熱搬送体によシ加熱されそして蒸発させられる。その後ガス状 冷媒は再びコンプレッサー１内に吸い込まれ、サイクルが繰シ返される。

から比較的高温の導管５を通る熱搬送体へと熱を伝達するのがヒートポンプ装置 の原理である。冷熱搬送体と熱搬送体として様々な媒体を選択できるが、一般に は水や空気がよく使われている。

冷却過程の効率並びに装置の構成要素の作動状態を評価できるようにするために 、本発明に則って冷媒の圧力と温度が同時に測定され、使われている冷媒の冷媒 グラフ上で３つのキーポイントがめられる。これらポイントは、冷却過程の進行 状態を表わしている。

本発明の方法ｔ−実施するのに必要なその他のパラメータ値は、これら３つのキ ーポイントに基づいて決定することができる。

まずコンプレッサーの上流側および下流側と凝ｌａ器の下流側の位置でそれぞれ 圧力と温度を測定し、また凝縮器の下流側の圧力はコンプレッサーの下流側での 圧力に等しいものと仮定する。圧力センサーをそれぞれ構成要素の高圧側および 低圧側に通常設けられている保守管理用の出口に取シ付け、また温度センサーを 連結パイプに取シ付けておく。

冷却サイクル中に前述した位置での圧力および温度を同時に測定することによシ 、前述した手順で第２図の冷媒グラフに示されているポイン）Ｋ１、Ｋ２および に６を得る。これらポイントはグラフから直接求めるか、または算術計算によ請 求めることができる。

しかしながら、本発明に従って望ましい結果を得ようとすれば、前述した測定値 を同時に読み取シ且つ収ａするためのコンピュータ制御データ記録器を活用する 必要がある。そしてキーポイントに１、Ｋ２およびに３は、記録器に貯えられた 測定値をコンピュータが記憶している冷媒グ′７７に関する情報と比較すること でコンピュータによ請求めなくてはならない。このたダラムしておくか、または よシ好ましくは高精度の得られる基本となるかまたは基準となる算術関数をプロ グラムしておくことがヤきる。しかしながら、本発明は必ずしもグラフを表わす 情報をコンぎユータに記憶させておく方法を取らなくともよいため、こうした事 柄についてここでは詳しくは説明しない。

本発明に係る方法を実施するだめの装置が第３図に概略的に示されている。図中 にて参照番号７は８つのチャンネルを持つデータ記録器を指しておシ、参照番号 ８はコンピュータを表わしている。コンピュータはデータ記録器を制御し、必要 とされる判断および計算を行う。また参照番号９は小型プリンタに適した表示ユ ニットを表わしている。すべての装置は一体化され、手軽に持ち運べる携帯バッ グのユニットを構成している。

例えば、ポイン）Ｋｌ、Ｋ２およびに３を決定するためにコン一二一タが利用す る前述の測定値は、まずデータ記録器７に集められる。第２図を参照する。ポイ ン）Ｋｌとに２をりなぐ線紘、コンプレッサー内にある全体としてガス状の冷媒 を圧力Ｐｌまで圧縮することを表わしている。Ｋ２とに３をつなぐ線は、凝縮器 ２内にある冷媒がポイン）Ｋ２の位置における完全なガス状態からポインＭＣ３ の位置における完全な液体状態へとほぼ一定に保たれた圧力の下で相変化するこ とを示している。ポイン）Ｋ３から垂直方向下向きに延びる線は、一定のエンタ ルピーの下で生じるものと仮定した圧力効果を示している。次いでグラフ上のポ イン）Ｋ１までとシわけ一定の圧力の下で蒸発が行われる。Ｋ３とに１の間のコ ーナーでの特性ポイントの正確な位置はヒートポンプの場合には特に！要でない 。しかしながらこのポイントは冷却過程にとって非常に重要であシ、従ってコン ピュータを用いて計算が行われる。

キーポイン）Ｋｌ、Ｋ２およびに３を特定してから、これらキーポイントを基準 にしまた冷媒グラフとシわけ蒸気圧曲線の上限と下限曲線に関するコンピュータ に記憶された情報に基づき、コンピュータはポイントに４、Ｋ５およびに６を決 定することができる。そしてポイン）Ｋ４を、Ｋ１の位置での圧力Ｐ２と蒸気圧 曲線の上限曲線とが交差するポイントとしてめる。

前記上限曲線から１１要な基準データである蒸発温度または気化温度と、ポイン ）Ｋｌでの過熱の程度がめられる。液体の雫は故障の原因となシ易いため、蒸気 だけがコンプレッサーに入るようにある程度過熱する必要がある。ポイン）Ｋ５ は、ポイン）Ｋ２での圧力Ｐｌと上限曲線とが交差するポイントを巽わし、また 別の基準情報の一部となる凝縮＠度を教えている。圧力Ｐｌと下限曲線とが交差 するポイン）Ｋ６は、ポイン）Ｋ３の位置での適冷条件をめるのに使用すること ができる。

装置を同調させたシまたはバランスを取る際、蒸発温度、凝縮温度、過熱または 適冷の基準を決定することは、管理技術者にとって有用な情報となる。しかしな がら装置を維持管理するには、過程の進行状態における係数はもとよシ、発生し た熱出力または放熱量を測定する必要がある。このため過程の進行状態の理想的 な係数ＣＩが、冷媒グラフに関連した記憶情報を用いてコンピュータによシ３つ のキーポイントに１、Ｋ２およびに３におけるそれぞれのエンタルピーをＨ２− Ｈ３ めで算出される。次いでＣＩは、（１＝＝ｉ□−Ｈｌとして計算される。前記ポ イントでのエンタルピーを算術的にめる場合、コンピュータはまずこれら３つの 点とポイン）Ｋ４、Ｋ５およびに６における体積を決定する。次いでコンピュー タによシ速やかにエンタルピーをめることができる。これら体積の決定は、記憶 しである冷媒グラフ情報に基づいて行うこともできる。

前述した進行状態の理想的な係数ＣＩは、とシわけコンプレッサーに熱損失があ るため決して得られない値でおる。前記コンプレッサーの熱損失は、過程の進行 状態の真の係数または支配的な係数Ｃｖｔ−計算するために決定しなくてはなら ない。コンプレッサーの熱効率ηＴは実験的にめ゛ることもできるが、計算する Ｈ２　−　Ｈ３ こともできる。そしてＣｖ”’　Ｈ２−Ｈ１ηＴのようにして補正が行われる。

コンプレッサーの熱効率を計算することができるが、驚くべきことに従来形式の 装置の場合には９０〜９５％の間のηＴの実験値を使用すれば、非常に高精度の 得られることが判明した。

コンプレッサーの熱効率を利用するこの方法は、前述した新規な手順により過程 の進行状態の真の係数を非常に正確に計算することができ、当業者に非常な驚＠ をもって評価されている。この計算は、コンプレッサーに供給されるすべてのエ ネルギーがコンプレッサーで失われる熱エネルギーを除いて過程で利用されると いう事実に基づいている。

前述のようにして計算された過程進行状態の係数は、この係数をコンプレッサー に供給される電気エネルギーの値に掛は合わせることによシ、新規でしかも単純 な手法によシ過程で生じた熱出力を決定するのに利用できる。前述した電気エネ ルギーは、データ記録器１によシ検知される。

ヒートポンプの運転性能にとって満足のいくコンプレッサーの条件を決定するた めに、ポイン）Ｋ７でのエンタルピーＨ７が決定される。前記ポイン）Ｋ７は、 ポイントに１を通る等エントロピーとポイントに２での圧力とが又差するポイン トを表わしている。コンブ！ニア　−）（ル ッサーの性能係数ＱＫは’Ｔｈ２−Ｈ１として計算することができる。

冷却過程の前述した基準パラメータの他にも、冷却過程の効率並びにその進行状 態を決定しこれらをさらに改善するのに、進行状態の係数、熱出力およびコンプ レッサーの機能をも考１に入れるとさらに効果が高まる。前述した値は、装置の 同調または試験に伴い僅かな間隔をおいて測定されるからである。

システム装置の運転状態をさらに完全なものとするために、データ記録器を用い て流入する冷熱搬送体と流出する熱搬送体の温度を収集し、前述したパラメータ と共に使用することができる。当業者には明らかなように、カルノーの効率、総 流量および体積流量も流量計を用いないで決定することができる。

前述した方法は、冷媒が実際に理論上予想されるように働き、しかも装置はこの 場合には凝縮器である放熱ｍ成要素を通じてだけしか周囲に熱を逃がさず、また コンプレッサーで熱損失が生じるものと仮定して行われるものである。凝縮器と 蒸発器の両側での圧力効果による影響は、無視できるものと仮定される。また前 述した過程は、円部的な熱交換の行われないシングルステージ過程に関してのも のである。ただし、この原理は複数ステージシステムの場合にも適用できること が明らかである。さらに複雑なシステムの場合には、過程を捕らえるのに必要な 範囲で新たな圧力と温度の測定を行うことができる。従って不発明に係る方法で 得られるｌ［要な利点の一つは、不安定な過程であってもこの過程のたどるコー スに追随できるため高精度の測定を行うことができ、またこの方法によれば測定 を行いながら過程に合わせた調節を行うことができる。

このため冷却過程を自動的に調節したければ、方法をこうした自動調節に適用さ せることもできる。こうした場合には、膨張装置は必要に応じて従来形式の制御 機構を備えるとよい。この機構は、過程にとって最も望ましい機能を主にｌ視す るかまたはできるだけ高い熱放出量を得ることに重点を置くかによ）、進行状態 の係数および／または本発明によシ計算された熱出力に基づいて調節される。こ うした方法を敗れは、装置に応じた箇々の調節結果を速やかに検知し、記憶され ている設定ポイントの値または限界値と比較できるため、過程全体を非常に精度 良く制御することができる。実際の制御作用は周知の方式によシ行うことができ るため、ここでは詳しくは説明しない。

また本発明の原理の特色を用いて、冷却過程に用いられる新規で効果的な高精度 の制御装置を構成することができる。この装置の特に新規な点は、前述した方法 で得た測定値を同時に収集し且つ処理するデータ記録器とコンピュータを備えて いることにある。前記コンピュータには、使われた冷媒の冷媒グラフを表わす情 報がプログラムされている。コンピュータは、前述した方法に沿って進行状態の 真の係数ｃｙおよび／または発生した熱出力、放熱量を計算する。これらの値を 用いて、それ自体は周知の手法で膨張装置に適切に組み込１れた過程制御手段を 働かせることができる。

国際調査報告

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．冷却過程の効率が求められる冷却過程パラメータの値の測定方法にして、前 記冷却過程は閉回路内を循環する冷媒を用いて行なわれるもので、当該閉回路に はコンプレツサー、凝縮器、膨張装置および蒸発器を組み込んであるような測定 方法において、コンピュータを用いてコンプレツサーの上流側および下流側と凝 縮器の下流側における互いに関係し合う冷媒の圧力えよび温度の測定値を収集し 、凝縮器の下流側における媒体の圧力をコンプレツサーの下流側における媒体の 圧力に等しいものと仮定するようになつており、これらの値を利用して、コンピ ュータに記憶されている冷媒グラフを特定する情報を用い使われている冷媒の冷 媒グラフにおける３つのキーポイントを決定するようになつており、蒸発温度、 凝縮温度、過熱、過熱および冷却過程の進行状態の理想的な係数等の冷却過程の 効率を評価するのに必要なパラメータを、前記キーポイントを基準にして、また コンピュータに記憶されている前記冷媒グラフを特定する情報を用いて決定する ようになつており、しかも冷却過程の進行状態の真の係数または支配的な係数が 進行状態の理想的な係数と補正係数とりわけ冷却過程における損失を補償する補 正係数との積として計算されるようになつていることを特徴とする測定方法。
2. ２．補正係数が、計算値なまたはコンプレツサーの熱効率ηＴの実験に基づく値 からなることを特徴とする請求の範囲第１項に記数の測定方法。
3. ３．従来形式のコンプレツサーの場合、実験に基づくηＴの値が９０〜９７％の 間の値からなることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の測定方法。
4. ４．コンプレツサーに供給される駆動エネルギーの値がコンピュータに入力され 、また冷却過程により生ずる熱出力が前記駆動エネルギーと進行状態の真の係数 との積として計算されることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のいずれ か一つの項に記載の測定方法。
5. ５．エンタルピ−Ｈ７が、ポイントＫ１を通る等エントロピーとポイントＫ２の 位置での圧力が交差するポイントを表わす、前記グラフ上でのポイントＫ７とし て決定され、またコンプレツサーの性能係数ＱＫが、ＱＫ＝（Ｈ７−Ｈ１／Ｈ２ −Ｈ１）として計算されることを特徴とする請求の範囲第１項から第４項のいず れか一つの項に記載の測定方法。
6. ６．冷却過程を制御するための調節可能な膨張装置が、とりわけ進行状態の真の 係数および／または発生した熱出力に基づいて調節されることを特徴とする冷却 過程を自動制御するための請求の範囲第１項から第５項のいずれか一つの項に記 載の測定方法の使用法。
7. ７．コンプレツサー、凝縮器、膨張装置および蒸発器が組み込まれていて、膨張 装置が自動的に作動可能な調節手段を備えているような閉回路内を循環させる冷 媒により行なわれる冷却過程のための制御装置にして、前記装置が請求の範囲第 １項から第３項のいずれか一つの項に則った冷却過程の進行状態の真の係数およ び／または請求の範囲第４項に則つた冷却過程により生じる熱出力を計算するた めの手段を備え、また調節手段が前記進行状態の真の係数および／または冷却過 程により生じる前記熱出力に応じて作動されることを特徴とする制御装置。