JPH08510049A - 二重蒸発器２段冷却サイクルにおける液位に基づく冷媒流量制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 二重蒸発器、２段サイクルを用いている冷却システム内のソレノイド膨張弁の流量を制御するために、パルス幅変調が使用されている。冷却サイクルは、低温蒸発器から２相冷媒を受け取ると共に液体冷媒をパルス幅変調のソレノイド弁に供給する相分離器を含んでいる。液位センサが相分離器内に設けられており、パルス幅変調のソレノイド弁のデューティ・サイクルを制御する制御器が、液位センサからの入力を受け取るように設けられている。液位センサは、液位の関数として連続的に可変な信号を発生する形式にしてもよいし、相分離器の液位が設定レベルよりも上か又は下かに基づいて、弁のデューティ・サイクルを制御する液位スイッチにしてもよい。この代わりに、２つの液位スイッチを設けることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 二重蒸発器２段冷却サイクルにおける液位に基づく冷媒流量制御 関連出願との関係 本出願は、本出願と同日に出願され、本発明と同じ被譲渡人に譲渡された発明 の名称「単純蒸気圧縮冷却サイクルにおける液位に基づいた冷媒流量制御」とい う係属中の特許出願（出願人控え番号ＲＤ−２３，４２９）と関連する。 発明の背景 本発明は、全般的には冷却システムにおける冷媒の膨張制御に関し、更に具体 的に言えば、膨張制御にパルス幅変調のソレノイド弁を用いることに関する。本 明細書で用いる「冷却システム」という用語は、冷蔵庫、空気調和装置又は冷却 効果を生ずるこの他のあらゆるシステムを指す。 家庭用冷蔵庫に用いられている従来の冷却システムは典型的には、単純蒸気圧 縮サイクルで動作する。このサイクルは、圧縮機と、凝縮器と、膨張装置と、蒸 発器とをここに述べた順にすべて直列に接続して構成されている。冷蔵庫の空気 が蒸発器に吹き付けられ、空気流は、この空気流の一部がフリーザ室に流れると 共に残りの空気流が新鮮食品室に流れるように制御される。従って、冷蔵庫のサ イクルは、フリーザ室にとっては適切であるが、新鮮食品室にとって必要とする よりも低い温度で冷却効果を生ずる。低 い温度で冷却作用を生ずるのに必要とする機械的なエネルギは、一層高い温度に おける場合よりも一層大きいので、単純蒸気圧縮サイクルは、２つの温度レベル で冷却作用を発生するものよりも使用する機械エネルギが一層多い。 家庭用冷蔵庫に用いるのに適しており、熱力学的な効率が改善された冷却サイ クルが、１９９０年３月２７日にハインツ・ジャスタに付与され、本発明と同じ 被譲渡人に譲渡された米国特許番号第４，９１０，９７２号に記載されている。 この米国特許番号第４，９１０，９７２号に記載されたサイクルは、第１及び第 ２の圧縮機と、凝縮器と、第１の膨張装置と、第１の蒸発器と、相分離器と、第 ２の膨張装置と、第２の蒸発器とをすべてここに述べた順に直列に接続して構成 されている。相分離器は、第１の蒸発器から２相冷媒を受け取って、液体冷媒を 第２の膨張装置に供給すると共に飽和蒸気冷媒を第２の圧縮機に供給する。第１ の蒸発器は、約２５°Ｆで動作させられて、新鮮食品室を冷却する。第２の蒸発 器は、約−１００°Ｆで動作させられて、フリーザ室を冷却する。このため、こ の二重蒸発器、２段サイクルは、典型的な単一蒸発器システムよりも、使用する 機械的なエネルギがずっと少ない。 家庭用冷蔵庫は典型的には、それが簡単でコストの安い装置であるために、毛 細管（キャピラリ・チューブ）を膨張装置として用いている。しかしながら、毛 細管は膨張装置としては多数の制約がある。例えば、製造可能であると共に詰ま りを回避するのに十分に大きい内径をとれるよう にするためには、毛細管は非常に長く作製しなければならない。この必要とする 長さが、冷蔵庫内で空間をとる。毛細管膨張制御を用いると、毛細管内の流量が システム内の冷媒装填量に非常に影響されるので、製造の際、冷媒の装填作業を 非常に精密に行うことを必要とする。 毛細管は、二重蒸発器、２段冷却サイクルに特有のこの他の制約を有している 。二重蒸発器、２段サイクルに対する典型的な室温制御方式は、その室温が設定 点よりも高い蒸発器のファンを運転し、両方の室で一層低い温度の設定点に達し た場合に、すべてのファン及び圧縮機の運転を停止することである。両方の毛細 管が、両方の蒸発器のファンが運転されるような場合に合わせた寸法になってい る場合、新鮮食品室のファンが運転停止になったときに、新鮮食品用の蒸発器の 圧力は降下し、第２の毛細管を通る流れが一層少なくなる。このようなことが起 こると、相分離器内の液位が上昇して、液体冷媒が新鮮食品用の吸い込み配管内 にこぼれることがある。これによりフリーザ蒸発器の出口に相当の過熱を招き、 フリーザ蒸発器の圧力降下を招く。このようなすべての現象は、フリーザの冷却 容量及びシステムの性能の効率を低下させる。 更に、毛細管は、１つの動作状態に対してのみ、最適の冷媒流量が得られるよ うな寸法にすることができる。即ち、典型的には毛細管は、通常の運転状態に対 して最適流量が得られるような寸法にする。このことは、冷却サイクルが開始す るときに（及び高負荷状態の下でも）、毛細管の寸 法が小さ過ぎることになり、蒸発器に冷媒が不足することを意味する。これは冷 蔵庫の冷却容量及び効率を低下させる。冷却サイクルの終わり近くには、毛細管 の寸法が大き過ぎることになり、蒸発器が溢れ、やはり効率を低下させる。この ため、毛細管による膨張を用いたサイクル効率は、有効な膨張制御を用いた場合 に達成し得るよりもかなり低くなる。 しかしながら、普通のサーモスタット形膨張弁の形式をした有効な膨張制御は 、家庭用冷蔵庫では旨く作用しない。サーモスタット形膨張弁は、自動車用空気 調和システム及び商業用冷却システムのように、冷媒流量が大きいシステムに用 いられる場合が多いが、家庭用冷蔵庫の非常に小さい流量（典型的には、１０〜 １２ポンド／時）を調整するのに十分小さいオリフィスを有するように作製する ことができない。即ち、所要の圧力降下を達成するためには、弁のオリフィスは １０ミル程度又はそれ以下にする必要があるが、これは製造するには非現実的で あり、非常に詰まりの起こり易い寸法である。 従って、家庭用冷蔵庫における膨張制御のために、毛細管及びサーモスタット 形膨張弁に代わるものが必要である。 発明の要約 上に述べた必要性は、膨張制御にパルス幅変調のソレノイド弁を用いた本発明 によって満たされる。弁を循環的に開閉するためにパルス幅変調制御信号を発生 する。制御信号のパルス幅が弁を通る平均流量を決定する。弁のデュー ティ・サイクルを相分離器の液位に従って変化させて、平均流量を精密に制御す る。 具体的に言うと、本発明は、パルス幅変調のソレノイド弁である第１の膨張装 置と、フリーザ蒸発器と、第１及び第２の圧縮機と、凝縮器と、第２の膨張装置 と、新鮮食品用蒸発器とをいずれもこの順序に直列に接続して含んでいる冷却シ ステムを提供する。相分離器が、新鮮食品用蒸発器からの冷媒を受け取るように 接続されており、液体冷媒をパルス幅変調のソレノイド弁に供給する第１の出口 と、気体状冷媒を第２の圧縮機に供給する第２の出口とを有している。液位セン サが相分離器内に配設されており、パルス幅変調のソレノイド弁のデューティ・ サイクルを制御する制御器が、液位センサからの入力を受け取るように設けられ ている。 液位センサは、液位の関数として連続的に可変な信号を発生する形式であって もよいし、又は液位スイッチであってもよい。後者の場合には、制御器は、相分 離器の液位が液位スイッチよりも上方にあるときに第１のパルス幅を有している 制御信号を発生し、液位が液位スイッチよりも下方であるときに一層小さい第２ のパルス幅を有している制御信号を発生する。この代わりに、２つの液位スイッ チを設けてもよい。この場合には、制御器は、液位が上側の液位スイッチよりも 上方にあるときに制御信号のパルス幅を増加させ、液位が下側の液位スイッチよ りも下方にあるときに制御信号のパルス幅を減少させる。 膨張制御にパルス幅変調のソレノイド弁を用いることにより、いくつかの利点 が実現される。動作の態様が振動形であるため、パルス幅変調のソレノイド弁は 一層大きなオリフィスを有するように作製することができ、こうして詰まる問題 が回避される。パルス幅変調の制御を利用しているシステムは、冷媒の全体的な 装填量に比較的影響されず、このことは、生産時の装填条件を緩やかにする。パ ルス幅変調のソレノイド弁は、圧縮機の排除量が変化するときの相異なる流量に 合わせることができるために、可変及び／又は多重速度圧縮機に用いるのに有利 である。オフ・サイクルの間に、パルス幅変調のソレノイド弁を用いて、高圧と 低圧との間の確実なシール（封じ）を維持し、こうして、冷媒の移動を防止して エネルギを節約することができる。従って、ソレノイド弁はエネルギ弁として作 用し、この作用を行うのに別個の弁を必要としない。 フリーザ蒸発器に対する十分な液体冷媒を保証する他に、相分離器の液位を制 御することは又、液体冷媒が新鮮食品吸い込み配管に入るのを防止する。相分離 器の液位は１つのセンサを用いて監視することができ、相分離器が膨張弁に接近 しているため、「ハンティング」を回避することができる。 本発明のその他の目的及び利点は、以下図面について詳しく説明するところを 読めば、明らかになろう。 図面の説明 本発明の要旨と考えられるものは、請求の範囲に具体的 に且つ明確に記載してあるが、本発明は、以下図面について説明するところから 最もよく理解されよう。 第１図は本発明による冷却サイクルの一実施例の概略図である。 第２図は膨張弁を制御するために本発明に従って用いられるパルス幅変調周波 数信号のグラフである。 第３図は２つの液位スイッチを用いている液位感知構成の概略図である。 発明の詳しい説明 図面全体にわたり、同じ部分には同じ参照番号を用いているが、第１図に示す 冷却システム１０は、第１の圧縮機１２と、第２の圧縮機１４と、凝縮器１６と 、第１の膨張装置１８と、第１の蒸発器２０と、相分離器２２と、第２の膨張装 置２４と、第２の蒸発器２６とを含んでおり、これらはすべて、ここに挙げた順 に直列に接続されている。冷却システム１０には冷媒が装填されており、この冷 媒は圧縮機１２及び１４で圧縮される。この後、圧縮された冷媒は凝縮器１６に 吐出され、そこで冷却されて凝縮される。次に、冷媒は第１の膨張装置１８内を 流れ、第１の膨張装置１８内を流れる間に膨張して、第１の蒸発器２０に入る。 この蒸発器は、冷蔵庫の新鮮食品室内に配設されている。新鮮食品用蒸発器２０ 内を流れる冷媒に新鮮食品室からの熱が伝達され、こうしてこの室を冷却する。 ２相冷媒が新鮮食品蒸発器２０から相分離器２２に吐出される。相分離器２２ は閉じた容器を含んでおり、この容 器は、その上側部分に２相冷媒を取り込む入口を有していると共に、２つの出口 を有している。一方の出口は、容器の底部に配置されており、第２の膨張装置２ ４に液体冷媒を供給する。他方の出口は、容器の上側部分の内部から外部へ伸び ている導管によって構成されている。このため、この導管は、第２の圧縮機１４ の入口に接続されている新鮮食品用吸い込み配管２８に気体状冷媒を供給するよ うに配置されている。 第２の膨張装置２４に供給された液体冷媒はそこで膨張し、その後、フリーザ 室内に設けられている第２の蒸発器２６へ流れる。冷媒がフリーザ用蒸発器２６ 内を流れるときに、フリーザ室から冷媒に熱が伝達され、こうして冷媒が蒸発す る。冷媒は、フリーザ用蒸発器２６を出るときまでに、過熱気体状態になってい ることが好ましい。この後、気体状冷媒はフリーザ用吸い込み配管３０を通って 、第１の圧縮機１２に戻る。第１の圧縮機１２から出力される圧縮された気体状 冷媒は、新鮮食品用吸い込み配管２８からの気体状冷媒と組み合わされ、この組 み合わされた冷媒の流れは第２の圧縮機１４の入口に結合される。この点からサ イクルが繰り返される。この二重蒸発器、２段サイクルは、前に引用した米国特 許番号第４，９１０，９７２号に更に詳しく記載されており、この特許は、ここ に参照されるべきものである。 図１に示していないが、新鮮食品用吸い込み配管２８は、サイクル効率を改善 するように、凝縮器１６と第１の膨張 装置１８との間の冷媒配管と向流熱交換関係に配置することができることを承知 されたい。同様に、フリーザ用吸い込み配管３０は、凝縮器１６と第１の膨張装 置１８との間の冷媒配管と、相分離器２２と第２の膨張装置２４との間の冷媒配 管と、向流熱交換関係を有するように配置することができる。熱伝達関係は典型 的には、それぞれの配管（又は少なくともそれらの一部）を一緒に溶接すること によって達成される。 本発明によれば、第２の膨張装置２４は、パルス幅変調のソレノイド弁であっ て、フィードバック・ループの一部としての制御器３２によって制御される。制 御器３２は、相分離器２２内の液位に基づいて膨張弁２４を制御する。この目的 のため、相分離器２２には液位センサ３４が設けられている。液位センサ３４は 、相分離器２２内の液位を検出し、検出された液位に対応する出力信号を発生す る。制御器３２はこの出力信号を受け取って、ソレノイド弁２４に供給される制 御信号３６を発生する。制御信号３６はパルス幅変調された周波数信号であり、 弁２４を全開状態と全閉状態との間で振動させて、開状態−閉状態のデューティ ・サイクルが、膨張弁２４を通る平均流量を決定するようになっている。パルス 幅は、検出された液位に従って調節され、こうして弁２４のデューティ・サイク ルを制御して、システムの最適性能のための所望の液位を維持する。一般的には 、液位が上昇するにつれて、流量は増加し、液位が下がると、流量は減少する。 第２図は制御信号３６の波形のサンプルを示す。この波形は、最大制御電圧Ｖ₁ と最小制御電圧Ｖ₂との間で交互に変化するディジタル矩形波である。この波形 が最大制御電圧Ｖ₁にあるときに、弁２４は全開状態へ移動し、波形が最小制御 電圧Ｖ₂にあるときに、弁２４は全閉状態に移動する。瞬時的な電圧変化の代わ りに、第２図に示すパルス幅変調波形は、最大電圧と最小電圧との間に短い移行 期間を有している。これは、膨張弁を突然に開いたり閉じたりしたときに起こり 得るものであるが、冷媒中に圧力衝撃波が発生されるという問題を回避する。波 形の周波数は、システムの流量要求条件に関係なく、一定である。この周波数は 、約０．１〜２ヘルツの範囲内に設定されていることが好ましい。 膨張弁２４を通る平均流量は、パルス幅変調波形のデューティ・サイクルに関 係する。即ち、第２図に示す時刻ｔ₀より前に、弁２４が全開である時間は、弁 ２４が全閉である時間よりも短く、このため、平均流量は比較的低い。時刻ｔ₀ （このときに、相分離器２２内の上昇した液位が検出される）の後に、制御器３ ２はデューティ・サイクルを調節して、弁２４が全開である時間が、弁２４が全 閉である時間に対して増加するようにし、こうして平均流量を一層大きくする。 膨張弁２４は常閉弁であることが好ましい。即ち、ソレノイド・コイルが付勢 されていないときに、弁２４は閉じていることが好ましい。このことは、弁を閉 じるための最 小制御電圧Ｖ₂がゼロであってもよいことを意味する。更に、圧縮機１２の運転 が停止されたときにはいつでも、弁２４に対する電力が遮断される。このため、 圧縮機の運転停止期間中、弁２４は閉じたままでいる。このことは、オフ・サイ クルの間に、蒸発器１８への冷媒の移動を防止し、こうしてエネルギを節約する 。従って、ソレノイド弁２４はエネルギ弁として作用し、この作用をするための 別個の弁の必要がない。 制御器３２は、公知の種々のパルス幅変調制御方式のうちの１つで構成するこ とができる。適当なパルス幅変調制御器が、１９８７年３月２４日にリチャード Ｈ．アルセンツに付与された米国特許番号第４，６５１，５３５号、及び１９９ ３年１０月２６日にドナルドＥ．ジャンケに付与された同第５，２５５，５３０ 号に記載されており、両特許はここに参照されるべきものである。 液位センサ３４は、公知の殆どどの任意の形式の液位感知装置であってもよい 。本発明にとって適当な一形式のセンサは、液位の関数として連続的に可変の電 流信号又は電圧信号を発生するセンサである。この場合、制御信号３６は液位に 従って連続的に調節される。従って、弁２４を通る平均流量は、相分離器２２に おける液位に応答して厳密に制御される。それほど精密ではないが、費用もかか らない他の方式は、フロート・スイッチのような液位スイッチを用いることであ る。液位スイッチは、液位が設定レベルよりも上か又は下かということのみを指 示する。本発明で は、相分離器２２内の液位が設定レベルよりも上の場合には、制御信号３６は比 較的大きなパルス幅を有しており、液位が設定レベルよりも下である場合には、 一層小さいパルス幅を有している。 第３図は２つの液位スイッチを用いる他の形式を示す。第１の液位スイッチ３ ４ａが、所望の最高液位の点で相分離器２２内に配置されており、第２の液位ス イッチ３４ｂが所望の最低液位の点に配置されている。制御信号のパルス幅は、 実際の液位が液位スイッチ３４ａと液位スイッチ３４ｂとの間にある限り、弁２ ４を通る通常の流量に設定される。液位が最高レベルを超える場合にはいつでも 、第１の液位スイッチ３４ａがトリガされて、制御信号３６のパルス幅は増加す る。液位が最低レベルよりも低くなるときにはいつでも、第２の液位スイッチ３ ４ｂがトリガされて、制御信号３６のパルス幅は減少する。更に、液位スイッチ ３４ａ及び３４ｂの一方がトリガされて、パルス幅がそれに応じて調節された後 の所定の期間の後に、液位が通常の液位に戻らなかった場合には、どちらの液位 スイッチがトリガされたかに応じて、パルス幅を更に増加させる又は減少させる ことができる。 第１の膨張装置１８は、毛細管のような普通の膨張装置であってもよいし、又 は制御器３２によって同じく制御されるもう１つのパルス幅変調のソレノイド弁 であってもよい。後者の場合には、もう１つの相分離器が、凝縮器１４と第１の 膨張装置１８との間の冷媒配管に配置されている。 この追加の相分離器には、制御器３２にフィードバックするための液位センサが 装備されている。他の相分離器２２と異なり、この追加の相分離器は、第１の膨 張装置１８に液体冷媒を供給する１つの出口を底部に必要とするだけである。 以上、膨張制御のためにパルス幅変調のソレノイド弁を用いる改良された冷却 システムを説明した。弁は相分離器内の液位に基づいて制御される。本発明の特 定の実施例を説明したが、当業者には、請求の範囲に定められた本発明の要旨の 範囲を逸脱せずに、種々の変更を加えることができることは明らかであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． フリーザ室と、新鮮食品室とを有している冷蔵庫に用いる冷却システム であって、 パルス幅変調のソレノイド弁を含んでいる第１の膨張装置と、 前記フリーザ室の冷却作用を行う第１の蒸発器と、 第１及び第２の圧縮機と、 凝縮器と、 第２の膨張装置と、 前記新鮮食品室の冷却作用をする第２の蒸発器であって、前記第１の膨張装置 と、前記第１の蒸発器と、前記第１及び第２の圧縮機と、前記凝縮器と、前記第 ２の膨張装置と、該第２の蒸発器とは、この順序で直列に互いに接続されている 、第２の蒸発器と、 該第２の蒸発器から冷媒を受け取るように接続されており、前記パルス幅変調 のソレノイド弁に液体冷媒を供給する第１の出口と、前記第２の圧縮機に気体状 冷媒を供給する第２の出口とを有している相分離器と、 該相分離器内に設けられている液位センサと、 該液位センサに接続されている入力を有しており、前記パルス幅変調のソレノ イド弁のデューティ・サイクルを制御する制御器とを備えた冷却システム。 ２． 前記液位センサは、前記相分離器内の液位の関数として連続的に可変な 信号を発生している請求項１に記載の冷却システム。 ３． 前記液位センサは、液位スイッチである請求項１に記載の冷却システム 。 ４． 前記制御器は、前記相分離器内の液位が前記液位スイッチよりも上方で あるときに第１のパルス幅を有する制御信号を発生しており、前記制御器は、前 記相分離器内の液位が前記液位スイッチよりも下方であるときに第２のパルス幅 を有する制御信号を発生しており、前記第１のパルス幅は、前記第２のパルス幅 よりも大きい請求項３に記載の冷却システム。 ５． 前記相分離器内に設けられていると共に前記制御器の入力に接続されて いる他の液位スイッチを更に含んでおり、該他の液位スイッチは、最初に記載し た前記液位スイッチの下方に配置されている請求項３に記載の冷却システム。 ６． 前記制御器は、前記相分離器内の液位が最初に記載した前記液位スイッ チよりも上方であるときにその制御信号のパルス幅を増加させており、前記制御 器は、前記相分離器内の液位が前記他の液位スイッチよりも下方であるときにそ の制御信号のパルス幅を減少させている請求項５に記載の冷却システム。 ７． 前記第２の膨張装置は、パルス幅変調のソレノイド弁である請求項１に 記載の冷却システム。