JPH0350455A - 冷媒流量制御装置 - 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】 （イ）産業１二の利用分野 本発明は空気制和機、冷凍・冷ＩｖｉｊＩＩ！．冷凍・
冷蔵ショーケース等の冷凍装置に適用ざれる冷媒流量制
御装置に関する。

（口）従来の技術 一般に一台の冷凍機で数台の蒸発器を運転させる冷凍シ
ステムが良く用いられている。この場合、冷凍機より出
力供給される冷媒を各蒸発器に分配されるようその冷媒
本管を分岐し、その分配さすした各冷媒分配管には液電
磁弁と温度式膨張弁を配して、利用空間が設定された温
度となるように魚発８：｛の冷凍能力を発押す八く、そ
の冷媒流量の制御を行っている。今、その冷凍システム
を第６図に示す。同図において、ｌは冷凍機、２は凝縮
器，そして３ａ　，　３ｂ　，　３ｃは一点鎖線枠で表
示した利用空間１　，　ＩＩ　，　ＩＩＩにそれぞれ配
された蒸発ＨＫにして、これら蒸発器３ａ，３ｂ，３ｃ
には，冷凍Ｉ！１よりの冷媒ｐｌ出本管４を分岐して配
管される冷媒分配管５Ａ　，　５８　．　５Ｃを介して
冷媒が供給される。なお、蒸発器は３台図示しているが
、蒸発器３Ａと蒸発器３Ｂとの間、乃至は蒸発器３Ｃの
以降に数台の蒸発器を配す構成とする場合もある。そし
て，各蒸発Ｈａ　３ａ　＋　３ｂ　＋　３ｃより出る冷
媒は集合して戻り本管６を通し冷凍機１に帰還し、再び
同経路を砧環する。ところで、各冷媒分配管５Ａ，５Ｂ
・において各蒸発器３ａ　，　３ｂ・・の冷媒人口側に
は、冷媒の流通、遮断をさせる液電磁弁７ａ，７ｂ，７
ｃと冷媒の流量を蒸発器出口冷媒の圧力に基づいて調節
する機能を持つ温度式膨張弁８ａ，８ｂ，８ｃとが直列
介挿されている。そして、各温度式膨張弁８ａ，８ｂ・
・は、冷媒の圧力を間接的に検出する感温筒９・・・を
備え、その中の封入ガスのガス圧変化が温度式膨張弁８
ａ，８ｂ・・・の開弁状態をコントロールするようにな
っている。一方、利用空間Ｉの温度を検出する温度セン
サー１０が設けられ、この温度センサー１０は液電磁弁
７ａの作動回路１１に介挿されたＯＮ，ＯＦＦスイッチ
１２を制御する。ｌ３はその液電磁弁７ａの作動電源で
ある。すなわち、利用空間Ｉが設定温度の上限に至ると
、ＯＮ，ＯＦＦスイッチ１２がＯＮＬ，、作動ｉ！！源
３にて液電磁弁７ａは開成され、蒸発器３ａに冷媒が流
れて冷却が行なわれる。冷却が進行し，設定温度の下限
に至ると，ＯＮ，ＯＦＦスイッチｌ２がＯＦＦ　Ｌて，
液電磁弁７ａを閉成する。またこのＯＮ　，　ＯＦＦス
イッチｌ２は図示しないが霜取り用のデューティタイマ
ーにより、定期的に一定時間ＯＮさせ、液電磁弁７ａを
閉止し、蒸発器３ａへの冷媒償給を停止し、その間に霜
取りを行なわすようにする。

このようにして，利用空間の温度制御並びに霜取り制御
が威される。これらの状況と電動弁の制御状態との関係
を第７図に示してある。同図で、弁閉期間（ａ），（ａ
）・・・はサーモサイクルにおける冷却停止時に対応し
、この弁閉期間より長い弁開期間（ｂ）はデューティサ
イクルにおける霜取中に相当している。そして、ｌ４は
熱交換用ファンである。

なお、このファン１４，液＠磁弁の作動回路１および温
度センサー１０、感温筒９は図面上最上段の蒸発器３ａ
に対して示したが、他の蒸発器３ｂ，３ｃにも同様に具
備されていることは言うまでもない。

（ハ）発明が解決しようとする課題 ところで、この冷凍システムにおいて、蒸発器の圧力降
下は，可能な限り小さい方が望ましい。

一般に、熱伝達性能を向上させるためにフィンなどをつ
けると、圧力損失は増大する。いま、蒸発器入口圧力を
Ｐエ（ｋｇ／ＩＴ１′）、圧力降下をΔＰ（ｋｇ／ｎｒ
）と？関係式がある。

ただしり・液体の比体積（　ｒｎ’　／　ｋｇ　）　，
　ｗ・流体の通過する部分の最小断面積に対する重量速
度Ｃｋｇ／ｒｒ？σ），Ｋ０＝入口部縮流損失係数，κ
．＝出口部拡大損失係数，Ａ，＝流体の通過する最小断
面積（ｎｒ），Ａ＝全伝熱面積（ｒｒｒ），Ａ。＝蒸発
器の全断面積（前面面積）（ｍ），σ：収縮率＝Ａ，／
Ａｏ，Ｖ，”＝　（ｖ■＋ｖ，）／２，添字１＝入口，
２＝出口，ｆは流体摩擦係数である。この圧力降下は、
液体では入口体積Ｖ■が小さいので割合小さな値である
が，気体ではり■が大きいから問題である。

このような圧力損失が配管施工時に生ずることは避けら
れない。よって例えばこの冷凍システムにおいて、冷凍
機ｌに対する位置的耗離が蒸発器３ａに比較して、蒸発
１３ｂの方が，そして更に蒸発器３ｃの方が遠方に配さ
れていると仮定すると、吐出冷媒本管４は、配管抵抗の
差を考慮して、その管径Ｄを遠方に行くに従い一回りず
つ細くして，各蒸発器３ａ，３ｂ，３ｃに流れる冷媒流
量にバラつきが生じないように工夫を行っている。すな
わち、図に示すように管径ＤをＤエ＞Ｄｉ＞０３の如き
なるような配管を選定し、その接続を成している。また
．配管時に、冷媒の流れを悪くするような立ち上り配管
の箇所も極力無くすようにしている。このような注意を
配して配管した後、各温度式膨張弁８ａ，８ｂ　，　８
ｃの調整を適正に行っている。

従って，１台の冷凍機から冷媒を数台の蒸発器に分配し
、各分配管に配した温度式膨張弁と液電磁弁とからなる
冷媒流量制御装置で冷却制御を行う従来技術では、その
設置状況に応じて冷媒配管の配管径の算出、その径を持
つ配管の確保、そして径の順番に順序立てた配管接続作
業等、実際の設置工事は容易でなかった。また、各利用
空間の温度条件に応じた温度式膨張弁の初期調整を設定
工事時に慎重に行うと言う手間も必要となる問題点を有
していた。更に，冷媒流量を温度式膨張弁により制御し
た場合、弁閉させる機能は、液電磁弁なる部品を冷媒回
路に別途追加して行なわざるを得ないので、部品点数、
及びその回路接続も要す等、手間の掛かる問題点も抱え
ていた。

本発明は上記点に鑑み成されたもので，１台の冷凍機で
数台の蒸発器への配管システムが容易に構築でき、かつ
効率的な冷却流量制御を各蒸発器に供与可能とした冷媒
流量制御’Ｗ置を提償することを目的とする。

（二）課題を解決するための手段 本発明に係る冷媒流量制御装置は、それぞれの利用空間
に独立して配される複数の蒸発器と，前記各蒸発器に一
台の冷？！Ｊ機からの供給冷媒を分配して流すようにそ
れぞれ設けられた冷媒分配管と，前記各冷媒分配管の蒸
発器への冷媒流入側に夫々配設された弁開度自在な電動
弁と、前記各冷媒分配管に相互に生じる配管抵抗差を排
除した適正な弁開度となるように各電動弁に対してその
弁制御信号を出力する制御器とを備えるものである。

（ホ）作　用 定められた冷却能力を各蒸発器が発揮するように、制御
器は各電動弁に対してその弁開度を適正とする弁制御信
号を出力し調整を自動的になす．これによって各蒸発器
を配している各冷媒分配管に相互に生じる配管抵抗差を
排除した適正な冷媒流量が各蒸発器に流れる。制御器の
内部アルゴリズムが配管抵抗差を自動的に排除しており
、そのため配管工事に左右されない、冷凍システム本来
の性能を引き出すこととなって、効率的かつ安定した冷
却運転を遂行できる。

（へ）実施例 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は数台の蒸発器への冷媒供給を電動弁で制御する
ようにした冷凍システムの冷媒回路図を示し、同図にお
いて従来と同一もしくは同等の構或物は同一番号で示し
ている。１５は蒸発器３ａの入口乃至中間部に設けてそ
の部分を通流する冷媒温度を検出する第１の温度センサ
ーである。１６は蒸発器３ａの出口部に設けて、同様に
その部分を通流する冷媒温度を検出する第２の温度セン
サーで、各々の温度センサー１５．　１６の検出値から
後述の如く、過熱度を算出する。１７は前記第１の温度
センサーｌ５と前記第２の温度センサーｌ６とからの各
々の電気信号の差に応じて、次述する電動弁の弁開度を
制御する電気信号を出力して前記電気信号の差を一定に
保ち、蒸発＠３ａの過熱度制御を略一定に保つ冷媒流量
制御の制御器である。１０は利用空間■の温度を検出す
る温度センサーで，図向上１個で代用したが、一般的に
は後述するように冷気吐出部と冷気吸込部に配される吐
出冷気温度センサーと吸込冷気温度センサーの２個で構
成することが多い。そして、同温度センサー１０の検出
値も電気信号として前記制御部ｌ７に入力し、電！ｌ！
ｌＩ丼の制御に係る。１８ａ，　１８ｂ，　１８ｃが各
分配管５Ａ．５Ｂ，５Ｃに配される電動弁にして、この
電動弁１８ａ，１８ｂ・・・はパルス藤動式の膨張弁が
用いられ、その構造は第５図に示す通りである。すむわ
ち、該弁はコイル３０、ロータ３１．ギヤ−３２、邸動
シャフト３３からむるパルスモーター３４と、前記駆動
シャフトにて押圧される弁部３５、ベローズ３６、冷媒
入口管３７、冷媒出口管３８からなる弁本体３９とによ
り構成されており，前記弁陳動部からの昇開度調節信号
（パルス信号）によって適当な過熱度を維持するように
パルスモーター３４を匪動する。又、パルスモーター３
４の回転力は、邸動シャフト３３の上下運転に変換され
、弁開度を調節する。

上記構成で，基本的な動作は、電動弁１８ａ，１８ｂ，
１８ｃはそれぞれ蒸発器３ａ，３ｂ，３ｃに設定した設
定過熱度となるように、自動的に弁開度を調節し、それ
に応じた液冷媒が流れるようになる．これにより、仮に
配管の結果，蒸発器３ａへの冷媒の流れが少々悪くても
制御器１７は蒸発器３ａの設定された過熱度での冷却運
転を実行すべく電動弁１８ａの弁開度を大きくし、より
多くの冷媒を流して，十分対応するようになる。よって
、従来の温度式膨張弁と液電磁弁を用いた配管システム
に比べて、冷媒本管の径を遠くに行く程、漸次小さくす
る配慮は不要となり、配管が容易に成せる。更に、電動
弁１８ａは弁閉機能をも有しているので，数ある利用空
間１，ＩＩ・・・の中で仮に利用空間■の温度が設定温
度に達すれば、その蒸発ｖＰｔ３ａへの冷媒流通はスト
ップし、その分が直ちに他の蒸発器３ｂ　，　３ｃへと
分散追加されて、他の箇所の冷却動作を支援する冷凍体
系が自然に確立され、有効な冷媒活川が成せる。そして
、この冷媒をス１−ツプするのも、制御器１７を介して
発生する井閉信号が電動井１８ａの作動機構を直接動作
させるので、応答連度を非″；Ｋに早くして瞬時に弁閉
させる。

このことは、従来のＯＮ　，　０１・Ｆスイッチ１２を
介して，＠源ｌ３から通電し、液電磁弁７ａ，７ｂ，７
ｃを弁閉させるものとは、比較にならないほど、信頼性
、応芥性、作動性において優れることとなる。

このように電動弁１８ａ，１８ｂ・・・がその弁開度を
自在に変化し、また閉止して冷媒流量の調整、およびそ
の流通停止を成しているが，このような動作をするよう
に電動弁１８ａ，１８ｂ・・・を制御する制御体系全体
の具体的構或，すなわち冷媒流量制御装置の一実施形態
を第２図乃至第４図に示す。

今、上記各図に従って説明すると、圧縮機ｌ、凝縮器２
、電動弁１８ａ、被冷却仝間ｌに設置された蒸発器３ａ
とから冷媒回路Ｐを形成し、冷媒を圧縮、凝縮液化、減
圧（膨張）、蒸発気化させる周知のサイクルを形威し、
蒸発器３ａで熱交換された冷気を送風１幾１４で矢印の
如く循環させる。１９ａは吐出冷気を、１９ｂは吸込冷
気を示している。ｌ７は荊記電動弁の開閉動作を制御す
るマイクロプロセノサー等の制御器にしてこの制御語＋
７には冷媒の過恕度制御用センサーとして蒸発器の出口
に設けられる蒸発８３出口温度センサー１６と、蒸発器
の人口乃至中間に設けられる蒸発温度センサー１５から
の検知値が電気信号として信号ラインＬエｌＬ２により
人力し，また被冷却仝間内の冷気温度を測定する温度制
御用センサーとして吐出冷気温度センサー２０と吸込温
度センサー２ｌとが設けられ、これらからの検知値も電
気信号として信号ラインＬ，，Ｌ４により入力している
。Ｌ５は電動弁＋８ａへの制御信号が出力する信号ライ
ンにして、後述するような演算処理を制御器１７が行っ
て出力する。ここでｄｉ’ｉ　０ｕ　Ｈ％１７の内部構
或を第３図のブロック図で説明すると、目標値となる設
定過熱度とフィードバック信号とを比較する第１比較部
２２と、調節部となる内部アルゴリズム部２３と、操作
部となる弁鹿動部２４と、蒸発器１８ａの温度を検出す
る蒸発温度測定部２５と、被冷却空間ｌの温度を検山す
る被冷却空間温度ｉｉ＋！１定部２６と、設定温度と被
冷却空間温度とを比較する第２比較部２７と，弁全開信
号発生部２８とからｋるものである。むお，前Δ己゜漱
肋井として本発明では前述した第５Ｍに示すパルスＩＣ
区勅式膨張弁を用いている。

上記構成に於いて電動丼の制御動作に付き説明する。

今、仮に設定過熱度ＳＩＩＳを５℃とした場合ｄ１１１
定過熱度Ｓｌ＋は蒸発鼎温度４１１ｊ定部２５によって
、蒸発滞出口側センサーｌ６の検出する蒸発｝｛３出［
１温度Ｓｒ−蒸発温度センサーｌ５の検出する蒸発温度
ＥＴから算出され、このΔ１り定過熱度Ｓｌ１と設定過
熱度Ｓ１１Ｓとを第１比較部２２で比較してその偏差信
号！）Ｖを内部アルゴリズム部２３に入力し、この内部
アルゴリズム部で偏差修正を行ない井１１１ｊ動部２４
に調節信ｇ−＋＋Ｓｓを人力する。弁開動部２４は、！
ｌ！！ｆｆｉ５信号ｌａｓｓに基づき設定過熱度ＳＩＩ
Ｓの５゜Ｃとの偏差に応じた井開度調節イｆ１号ＢＫＣ
を電動弁１８ａに対して継涜して与え、即ち種？のパラ
メータとなる外乱ＤＴ例えば擬縮圧力の変化、外気温の
変化、そして配管抵抗差等が含まれるが、これらの外乱
ＤＴを内部アルゴリズム部２３で排除して収斂したパル
ス信号を電動弁１８ａに与え、弁開度→開口面積→冷媒
流量ＯＡの増減という機賊作用によって設定過熱度ＳＨ
Ｓの５゜Ｃに冷媒流量ＧＡを保つ八く適切な弁開度を維
持する。この結果、披冷却空間Ｉの測定温度ＴＭが設定
温度ＴＳに到達する。

この過熱度制御レこよる電動井１８ａの動作は第４図の
τ。〜τ■の時間に行なわれ、この間の弁開度調節は不
定形の段階状に行なわれる。

そして、被冷却空間■の温度が被冷却空間温度測定部２
６で測定温度ＴＭとして得られるが、この測定温度Ｔ旧
ま吐出冷気１９ａの温度（１）Ａ）と吸込冷気の温度Ｒ
Ａの平均値、即ちＴＭ　＝　ＤＡ　十Ｒ＾／２で算出さ
れる。この得られた測定温度（１゛旧と、設定温度７Ｓ
とを第２比較部２７で比較してＴＭ≦ｒＳの条件で、弁
全開信号発生部２８から弁全開信号ＢＰを弁關功部２４
に人力して電動弁１８ａを弁閉させ、サーモサイクルと
称される温度制御に切換え、被冷却空間Ｉの冷え過ぎを
防１１二する。しかもこの温度制御を過熱度制御とは関
係な＜ＴＩＸ．動ブト１８ａで行なっていろ。

又、デューティサイクルによる冷却運転を可能とするｌ
＼く、タイマー′ｒか設けられており、一定時間電動ｊ
ｔ．ｌ８．−］を一定の開口度で開け冷媒を流通させて
冷却運転を行い、所定Ｉ１￥間後、電動Ｊｉ’ｌ８ａを
閉止し、或る期間冷却運転停止状態とし、その後再び冷
却運転に戻ると言う繰り返し動作をさせる。

上記したような制御方法でもって、幇助Ｊｉ’ｌ８ｉｉ
の開閉制御を制御器ｌ７で行って冷媒流量制御による冷
却運転を行っている。

（ト）発明の効果 以上のように本発明によれば、一台の冷凍機で数台の蒸
発８ａに配管を行って、各蒸発滞を独立的に運転させる
場合、各，ａ発｝｛：｛に分配されろ冷媒夜分配管に，
開！″ｌ１度が内在に変化する′６１動井を配し、これ
ら電動ｊｔは制御器によって各冷媒分配管に相互に生し
るｌＩＩｌ．！管抵抗差を１１ト除した適正な弁開度と
なるように制御され，各蒸発滞にはその所要とする冷媒
を流せるようにした冷媒流量制御装置であるから，各蒸
発器は現場での配管工事に左右さｈない本来の性能を引
き出されて、安定した冷却効果を得られる。従来、同様
の冷媒流量制御は冷媒流路の開閉のみ成す液′漱磁井と
、流量調整をする温度式膨張弁−の二部品を用いるとい
う手間の掛かる取付となっていたが、本発明では単体の
電動弁のみで従来機能を得ることができるので、経済的
な効果および取付作業の能率化が図れる。特に従来方式
であると、冷凍機と蒸発器との位置的な遠近関係による
配管抵抗差を起因として、冷媒供給量が各蒸発器におい
てバラつかないように、配管の径を変化させる工夫、お
よび配管後の温度式膨張丼の調整等を必要としていたが
これらの諸作業も不用となり、設置工事を著るしく簡単
化するものとなる。そしてこの設置工事に依存されむい
冷凍住能を引き出せる冷凍システムを容易に構築でき、
このシステムを更に拡張させてより高度なまた効率的な
制御への期待が高まる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５レ１は何れも本発明冷媒流量制却装置の
実施例を示し、第１図は全体の冷媒回路図、第２図は個
々の蒸発８：｛に係る詳細な冷媒回路レ１、第３図は電
動介とこれを制御する制御器との全体構成を示す制御ブ
ロソク図，第４図はｔｌ動′Ｊｒの：ｉＵノ作特性図、
第５図は″屯動ブトの縦断面図、第【ｒ’，！ｌは｛．
テ来の冷媒流駄制御装置に係わる全体の冷媒１；１１路
ＩＩ１，第７図は同従来￥ｊ　′Ｉｌにおける利用空間
温度と市・ＲＩ＋弁動作状況との関係説明図である。 １・冷凍機、３ａ，３ｂ，３ｃ・蒸発器、４・・冷媒吐
出木管、５Ａ，５ｆ３，５Ｃ・冷媒分配管、１７　　制
御語、ｌ８ム，＋８ｂ　，　１８ｃ　−　ｉｉｌ）Ｉ弁
、ｒ　，　ｕ　，　ＩＩＩ　・ＩＩＩ用空間。 第 １ 図 第 ２ 図 Ｌ１ 第 ５ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. それぞれの利用空間に独立して配される複数の蒸発器と
   、前記各蒸発器に一台の冷凍機からの供給冷媒を分配し
   て流すようにそれぞれ設けられた冷媒分配管と、前記各
   冷媒分配管の蒸発器への冷媒流入側に夫々配設された弁
   開度自在な電動弁と、前記各冷媒分配管に相互に生じる
   配管抵抗差を排除した適正な弁開度となるように各電動
   弁に対してその弁制御信号を出力する制御器とを備える
   ことを特徴とする冷媒流量制御装置。