JPH11211244A - 冷却方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】非線形性，ヒステリシス等を軽減し、駆動電力
が少ない冷媒使用の温度制御とその装置の提供。 【解決手段】圧縮機Ａ，凝縮器Ｂ，深冷器Ｃを膨張弁Ｄ
全開時でも液冷媒が不足しない能力とする。Ｂを出た液
冷媒をＭＦ，ＤＣに分流し、ＭＦはＣ，Ｄを経由し、蒸
発器Ｅに注入し、被冷却液体を冷却し、ＤＣは低圧口８
からＣ，Ｂへ還流させる。ＣでＭＦを高圧下で過冷却
し、Ｃの低圧部とＥで圧力差９を設け、Ｄ内での蒸発を
防ぐ。この状態で流量計１０又は圧力計ＰＨ，ＰＬ又は
温度計Ｔ３，Ｔ５により流量を得、Ｅの出入口でのＭＦ
の温度Ｔ５，Ｔ９により冷却能力を計算する。ＤＣ，Ｍ
Ｆとも戻りをＢを経由させて凝縮液に冷熱を回収し、液
バック時は液をＣに回収し、ＭＦが高温で戻った場合は
ＭＦが冷却される。Ｂ〜Ｅを上下一体に構成する。この
結果ヒステリシスや非線形性などフィードファワード制
御や応答関数を求める制御での不都合がなく駆動電力が
減る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する枝術分野】本発明は、冷媒にハロン等を
用いて温度を制御する系において、非線形性や履歴性と
いった制御困難性を軽減し、駆動電力を減少させる技術
を提供します。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】直線的な関数関係にな
いことを非線形性（ノンリニヤリティ）と言い、過去の
経歴に影響を受けることを履歴性（ヒステリシス）と言
います。制御において、操作手段の非直線性や履歴性
（以下まとめて曲性と言う）は、軽度であれば実用上、
問題がありませんが、大きいと様々な弊害があります。
特に、応答関数を求めながら、応答関数によって未来を
予測する制御では、応答関数が無意味になり、暴走する
こともあります。

【０００３】冷媒の流量を調節して、室温、水、油、機
械装置等の制御体の温度を制御するとき、制御体が必要
とする冷却量が分かる場合が少なくありません。このよ
うな場合、より高速で安定な制御を目指し、必要冷却量
相当を加算して操作値とする手法（フィードフォワー
ド）が用いられています。曲性は、多くの試行錯誤を余
儀なくさせ、軽度でも適切なフィードフォワード量を狂
わせ、制御を遅く、不正確にします。

【０００４】冷媒を使った制御で、冷媒の量を多くした
直後に奇妙な現象が観測されます。この様子を図８で説
明します。制御系が安定している時にａの時点で目標温
度を下げた場合を太い実線で示します。目標値の変更に
伴って冷媒の制御弁の開度が大きくなり、温度が下がり
ます。目標値の下げ幅が大きいとやがて全開になり、こ
の全開状態が続きます。しかし、全開状態が続くにもか
かわらず温度が下がらなくなります（ｂ）。この状態が
続いた後、再び温度が下がり始めます。温度が目標値に
近づき、ｃの時点で制御弁を閉じ始めますが、全閉にな
っても温度は下がり続けます。目標値より低い温度で暫
く留まって（ｄ）からようやく温度が再上昇します
（ｅ）。これに対して、目標値を上げた場合には、同図
の太い破線で示すように、正常な温度変化を示します。
このように履歴性は、制御速度と制御精度の双方を大き
く低下させます。冷媒を用いた制御では、この履歴性に
限らず、他の流体で良好な線形性を示す制御弁でも著し
い非線形性が観測され、開閉方向と閉開方向で同流量に
なる開度が異なり、しかも経時変化をします。

【０００５】オゾン層保護や地球温暖化間題で、ハロン
類の使用が規制され、効率の悪い冷媒への転換を余儀な
くされ、かつ、省エネルギー化が求められています。こ
の曲性を緩和する制御方法と装置を提供するのが、本発
明の課題で、結果として、駆動動力の低下がもたらされ
ます。

【０００６】

【従来の技術】冷媒を用いた場合の標準的な状態が、日
本工業規格等に定められています。従来法と本発明とを
混合した説明図 図２で説明します。冷媒温度制御で
は、冷媒気体を圧縮機Ａで圧縮し、凝縮器Ｂで冷やしま
す。圧縮機を出た直後の温度Ｔ１は、１００℃近くにな
りますが、潤滑油の炭化を防ぐため１００℃を越えない
ようにします。圧縮機の吐出量をＷ（ｋｇ／ｓ），吸込
（低圧）の圧力；温度をＰＬ（Ｐａ）；Ｔ９（Ｋ），吐
出（高圧）の圧力；温度をＰＨ（Ｐａ）；Ｔ１（Ｋ），
冷媒の比熱比をγ，気体常数をＲ（Ｊ／Ｋ・ｋｇ），駆
動動力をＰＷ（Ｗ）とし、断熱圧縮と効率＝１とを仮定
すると Ｔ１＝Ｔ９・（ＰＨ／ＰＬ）^{（γ−１）／γ} ＰＷ＝｛Ｗ・Ｒ・Ｔ９／（γ−１）｝・｛（ＰＨ／Ｐ
Ｌ）^{（γ−１）／γ}−１｝ となります。圧縮比ＰＨ／ＰＬ＝４，γ＝１．１８４と
すると、Ｔ９を２７℃以下にする必要があります。駆動
動力は、同圧縮比ならば吐出量が少なく温度が低いほど
小さくなります。

【０００７】冷媒は、凝縮器内の高い圧力下で冷えて液
体になります。ハロンを用いた凝縮温度Ｔ３の基準は、
水冷凝縮器で４２℃，空冷凝縮器で５０℃です。凝縮器
から出た冷媒は、高圧受液器Ｃで、液体だけを膨張弁Ｄ
に供給します。気体を含んだ凝縮液が膨張弁に入ると、
冷媒流量が減少して冷却能力が著しく減少したり、冷却
能力の経時変動が激しくなります（フラッシュガスと言
う）。配管による流体抵抗で圧力低下しても、冷媒が途
中で蒸発しないように、凝縮器出口での冷媒温度Ｔ４を
Ｔ３より０．５Ｋ以上低くします（予冷と言う）。圧縮
機から膨張弁の入口までの圧力を高圧と言い、Ｔ３での
冷媒の蒸気圧と等しくなります。温度Ｔ℃での冷媒の蒸
気圧Ｐは、各種の蒸気圧式で計算することができます。
例えば、クラペーロン＝クラウジウス（Ｃｌａｐｅｙｒ
ｎ−Ｃｌａｕｓｉｕｓ）式やアントワン（Ａｎｔｏｉｎ
ｅ）式では、Ｐ＝ｅｘｐ（ａ−ｂ／（Ｔ＋ｃ））となり
ます。ｅｘｐ（）は指数関数であり、ａ，ｂ，ｃは冷媒
によって決まる定数です。高圧ＰＨは、 ＰＨ＝ｅｘｐ
（ａ−ｂ／（Ｔ３＋ｃ））となります。

【０００８】膨張弁は、流量調整機能と、減圧機能とが
要求されます。減圧後の圧力ＰＬを低圧と言います。パ
ルス膨張弁は、流量を調節し、かつ、減圧します。開閉
弁の開時間率や圧縮機の回転率で流量を調整し、細管
（キャピラリ）で減圧する方法もあります。

【０００９】圧力を低下させるには、膨張弁や細管のよ
うな自然減圧のほかに、発電器等で仕事させる仕事減圧
があります。仕事減圧では、仕事をした分、冷媒のエン
タルピーＨＩが減少し、冷媒の冷却能が増大します。羽
根車と電気抵抗をつけた発電器を用い、電気抵抗で発熱
させると、仕事減圧をします。減圧で蒸発が起きず、体
積Ｖが一定の場合、発電器で生じた電力をＰとし、Ｐ＜
ＤＰ・Ｖになるように抵抗を選べば、起電力が流量に比
例し、液体流量計になります。ただし、羽根車中で蒸発
が起こるとだめです。冷凍や液化のように、冷却を目的
とする場合には仕事減圧が採用されますが、温度を制御
する場合にはほとんど採用されていません。膨張弁に、
減圧用の細管や仕事減圧器を含め、制御弁と言う言葉を
主循環の冷媒流量を決める所、すなわち、減圧と制御を
兼ねた膨張弁あるいは細管と開閉弁との組み合わせ等の
意味で用いることにします。

【００１０】気体や液体を減圧器に流すと流量Ｑが差圧
ＤＰ＝ＰＨ−ＰＬにほぼ比例します。 Ｑ＝Ａ・ＤＰ＝Ａ・（ＰＨ−ＰＬ） この比例係数Ａを開度（アパーチャー）と言い、制御弁
の設定値は、この開度に比例するように工夫されていま
す。膨張弁や細管に開閉弁を直列に設け、開閉弁の開時
間率で流量を調節する場合には、本来の開度に開時間率
を乗じた値を開度として用います。開度Ａを一定にし
て、インバータ等で圧縮機の回転速度を変え、差圧ＤＰ
で流量を制御することが、エアーコンディショナー等で
実用化されています。しかし、高圧、低圧とも凝縮，蒸
発する温度で決まってしまうので回転速度を変化させて
も差圧の変化として安定するまでの時間が長くなりま
す。工作機械などのように速やかな温度制御が求められ
る場合には、インバータを用いる場合でも、パルス膨張
弁のような開度が調整できる制御弁で主制御をし、回転
数を制御弁の開度がほぼ中央値になるように調整してい
ます。教科書などの単純化した表現では、流量を操作値
とすることがありますが、現実には開度を操作値として
います。

【００１１】気体と液体では密度が大きく異なり、同じ
流速でも気体の部分と液体の部分では質量流量が１０〜
２００倍も異なります。したがって容積流量計は、気体
を含む液体に用いることができません。気体を含まない
が、蒸発し易い液体の流量は、ペルチエ素子で冷却する
質量流量計やコリオリ力を測定する流量計が利用できま
す。質量流量制御器（マスフローコントローラー）も市
販されています。しかし、いずれの流量計でも凝縮温度
が変化する場合は、突沸や熱輸送のため信頼性が不十分
で、流量計内で蒸発が起こる場合は使えません。

【００１２】発明者の二木剛彦は、超ＬＳＩ等の減圧下
の液体原料を用いたＣＶＤ法に関するいくつかの特許出
願をしています。その中で、液体原料に溶解する気体成
分を減らし、蒸発器に制御弁を直結する技術を提案しま
した。この技術において、液体中に気体が発生すること
により、流量が不安定になることを指摘しています。

【００１３】減圧された冷媒は、一部が蒸発して温度が
下がります。蒸発熱ＨＶ（Ｊ／ｋｇ），液体の熱容量Ｃ
Ｌ（Ｊ／Ｋ・ｋｇ）の冷媒１００Ｘ％の蒸発で、ＤＴ＝
Ｘ・ＨＶ／ＣＬ （Ｋ ケルビン）だけ温度が下がりま
す。厳密には、蒸発熱や液体，気体の熱容量が温度や圧
力に依存しますので複雑になり、モリエル線図や各種の
熱関数を用いて計算します。クロロジフルオロメタン
（Ｒ２２）の場合、約２５％が蒸発します。蒸発温度Ｔ
８での冷媒の蒸気圧が、低圧にほぼ等しくなっていま
す。 ＰＬ＝ｅｘｐ（ａ−ｂ／（Ｔ８＋ｃ）） したが
って、差圧ＤＰがＤＰ＝ｅｘｐ（ａ−ｂ／（Ｔ３＋
ｃ））−ｅｘｐ（（ａ−ｂ／（Ｔ８＋ｃ））となりま
す。この気液混合冷媒が、蒸発器Ｅに導入され、被冷却
物（１３→１４）を冷やし、自身は温められ、蒸発しま
す。

【００１４】蒸発器に入る冷媒のエンタルピーをＨＩ
（Ｊ／ｋｇ），出る冷媒のエンタルピーをＨＯ（Ｊ／ｋ
ｇ），冷媒流量をＱ（ｋｇ／ｓｅｃ），効率を１とする
と、冷却力がＱ・（ＨＯ−ＨＩ）（Ｗ）となり、流量当
たりの冷却力（ＨＯ−ＨＩ）（Ｊ／ｋｇ）を冷却能と言
います。冷却能は、（ＨＶ＋ＣＬ・（Ｔ９−Ｔ５））で
近似できます。Ｔ９は蒸発器から出る冷媒気体の温度
（蒸発器戻り温度），Ｔ５は蒸発器に入る前の液体が１
００％（全液）であった時の温度（全液温度）です。制
御で制御倍率との積となり得る係数は１と見なせます。

【００１５】制御には、蒸発器を出た被冷却物の温度Ｔ
６の制御，被冷却物（二次冷媒）で第三者を冷却して
の、第三者の温度の制御，第三者を冷却した後の二次冷
媒の温度の制御などがあります。被冷却物も、空気、
水、油など様々です。蒸発器を出た冷媒は、液分離器１
５を経て圧縮機に戻ります。液分離器で液体を分離し、
圧縮機に気体のみを導入します。市販の圧縮機では液分
離器と圧縮機が一体化されていることが多く、以下圧縮
機に付属した液分離器を省略して説明します。

【００１６】今述べた、冷媒の循環（主循環，ＭＦと言
う）の他に、ホットガスバイパス（以下ＨＧと言う）と
呼ばれる副循環があります。ＨＧは、圧縮機から出た直
後で２０〜３０％を分流し圧縮機の入口に戻します。Ｈ
Ｇを用いる目的は、三つあります。

【００１７】Ａ 主循環の冷媒が、低温で戻って来る場
合があります。この戻りが多いと、冷媒の一部が液体の
ままになります（液バック）。圧縮機が冷媒を送り出す
寸前のの容積を上死容積といいます。上死容積より多い
液体は圧縮できないので、圧縮機の停止、破裂を起こし
ます。ＨＧの高温で液体冷媒を気化させ、圧縮機の故障
を防止します。

【００１８】Ｂ ハロン等の冷媒を用いる場合に、圧縮
機の潤滑油を冷媒に混ぜて用います。制御状態によって
は、主循環による冷媒の戻りが少ない状態が持続しま
す。副循環で、最低量の潤滑油の循環を確保します。冷
媒が蒸発すると、潤滑油が残ります。普通、残された潤
滑油は、冷媒ガスで吹き飛ばされて移動します。このた
め、気体冷媒配管は、横走り管で、３．５ｍ／ｓ以上、
立ち上がり管で６ｍ／ｓ以上の流速にします。液体冷媒
に溶けた潤滑油は、静置すれば冷媒の上部に濃縮され、
低温ほど濃縮されます。液体上部又は蒸発する部分の低
凹部より潤滑油の回収が図られます。圧縮機の吐出管を
立ち上げ、飛沫化した潤滑油を管壁に付着落下させ、吐
出口より回収することも広く行われています。

【００１９】Ｃ 主循環の戻りが少ない状態が続き、低
圧が下がりすぎると冷媒の温度が下がります。この低温
冷媒が多量に蒸発器に注入される事態が生じると、蒸発
器内で被冷却物の凝固や高粘性率化が起こります。曲性
による過度な制御が起こり易い制御で、ＨＧにより被冷
却物の過冷却を防止します。

【００２０】しかし、ＨＧでは、高温ガスを戻すので、
主循環が少ない時に、圧縮機の吐出温度Ｔ１が高くなり
過ぎます。Ｄ そこで、主循環の全閉を避け、全開時の
２０％前後を最低量として確保することが行われていま
す。しかし、このため、冷媒の最低量設定でも被冷却物
を冷やし続けます。最低量以下の時は、圧縮機を一時停
止と、温度の上昇を待っての運転再開と言う間欠運転に
しています。

【００２１】流体間で熱を交換する方法は、並流型，錯
流型，向流型の三種類があります。並流型は、二流体を
同方向に流して熱を交換する方法で、伝熱面積が十分で
あれば、二流体が同じ温度になって出てきます。錯流型
は、二流体の向きが直角であったり輻輳した状態で並流
型と向流型の中間の性質を示します。凝縮器は通常、錯
流型になっています。向流型は二流体が逆方向に流れ、
伝熱面積が十分であれば、熱容流量（流量と熱容量と潜
熱との積）の小さくない方の流体が他の流体の入温度に
なって出てきます。熱容流量が同じ場合は互いの温度を
交換します。蒸発器は、蒸発熱を交換させる程度の伝熱
面積にする場合もあります。

【００２２】凝縮器で、空気，水滴，水などの冷却源で
冷媒を冷やすには、ポンプ又はファンＦで冷却源を凝縮
器に送り込みます。このとき熱接触をよくするために冷
却フィン１８，１９が凝縮器に取り付けられます。（図
示の都合上、ファンの向きを無視して、存在のみを表し
てあります）冷却フィンは、図１の１９のように穴あき
金属箔に凝縮管２を通したり、１８のように穴あきの金
属箔を穴の所でつづら折りして管間に挿入したりしま
す。冷却フィンは、熱伝導率の高い材質のアルミニウ
ム，銅等が選ばれます。

【００２３】蒸発器Ｅで冷媒と被冷却物との熱接触を良
好にするため、冷媒管１０の外側にフィン２３を被冷却
物の流れに平行になるように設けます。この形状は様々
であり、図５，図６，図７に限りません。また、図２の
蒸発器のように冷媒管が垂直になる部分を有する場合、
冷媒管の内に螺旋棒を挿入して冷媒が落下するのを抑制
する工夫がされます。一般に、管内に二本以上の内管を
通す場合も図３，図４のようにフィン２１，２２を流れ
に沿って配置します。同図の内管内のように、二重管に
限らず管内にフィン２８を挿入することで液体の熱伝導
率を上げ、内管壁の伝熱表面積を大きくすることができ
ます。フィン２１．２２，２３，２８は、図１の蒸発器
部分等に示すように、短くし、複数を挿入することで、
管内の内外の液を混合できるようにします。伝熱フィン
は、熱伝導率が高く冷媒との化学的安定性の高い銅等が
選ばれます。

【００２４】一般に、層流状態に比べて、乱流状態の方
が伝熱が良くなります。圧力差と潤滑油吹き送りを考慮
して、気体流速を３．５〜２０ｍ／ｓに設計します。気
体が液体に変わる凝縮部分と、液体が気体に変わる蒸発
部分では特殊事情があります。凝縮部分では、液化する
ことにより体積が急減しますので、液体は落下により流
速が決まり、水平管よりも垂直管の方が良好になりま
す。圧縮機から吐出直後の気体が高温であり凝縮器から
の廃風でも冷却できることを考慮すると、図１のように
配管にフィン２６を付け、未凝縮部と長単管に、凝縮部
を並列垂直管にすると効率が高くなります。未凝縮部で
は、流れ方向に温度低下（Ｔ２）があり、凝縮部では一
定（Ｔ３）になり、温度測定でこれらの範囲を確認でき
ます。また、管材は液体の濡れ性を良くし、液滴を転落
させず流下させます。蒸発部は、蒸発に伴い激しい乱流
が起こり、伝熱が大きくなります。一様な蒸発にするた
め、液体との濡れ性の良い管壁にします。

【００２５】

【課題を解決するための手段】従来の圧縮機から出た冷
媒気体を分流するホットガスバイパスに代り、凝縮器か
ら出た冷媒液体を分流する深冷副循環（ＤＣと言う）を
採用する。減圧し低圧になったＤＣ冷媒を、凝縮器から
の冷媒と向流型の熱交換をさせる。ＤＣは、凝縮器から
の冷媒液体を、ＤＣの蒸発熱で蒸発温度にできる量にす
る。圧縮機の吐出量，凝縮器の凝縮量，熱交換をさせる
深冷器（高圧受液器）の伝熱面積と被冷却冷媒容積を、
ＭＦ液体の温度が高圧下でほぼ蒸発温度になり、制御弁
の全開状態が続いた場合にも膨張弁に全液の冷媒を供給
が可能なようにする。ＤＣ，ＭＦとも液バックした場合
の液を、凝縮器で深冷器に回収する。流量計は、エンタ
ルピーを減少させる機種を選び、全液を保全する。冷却
力を操作値にして制御する。制御弁の開度を、温度，圧
力又は流量を元に、冷却力が操作値になる値にする。開
度が設定不能値となった場合、設定誤差が生じた場合
に、冷却力の実測値として計算し、必要があれば補正す
る。液体冷媒の上行路が起こらないように、また、膨張
弁から蒸発器までの配管容積（注入部と言う）が最小に
なるように、凝縮器、深冷器、膨張弁、蒸発器を一体化
する。膨張弁出口の圧力を深冷器内の低圧部の圧力より
高くする。

【００２６】

【作用】曲性の発生原因が次のことが分かりました。 １ ０．５Ｋ程度の予冷では、膨張弁内で蒸発して気液
混合状態になる。 ２ 高圧部、低圧部に圧力計を付け、圧力を測定してみ
ると、制御弁の開度、凝縮温度、蒸発温度、冷媒液体
量、圧縮機の回転数等の変化に連れてダイナミックに圧
力が変化しています。差圧を一定と見なすことは、制御
上のテクニックに過ぎない神話であったのです。全液状
態であったとしても、フィードフォワードや応答関数を
同定する制御では、開度を操作値としていたのでは闇夜
で鼠を追いかけるような状態であったのです。観測可能
（可観測）でも制御可能（可制御）でもなかったので
す。例え、可観測かつ可制御であったとしても、差圧
は、時間遅れという制御位相回転因子を持ち、制御ルー
プに入れると制御系を不安定にしています。 ３ 冷媒量急増に対応できない。従来基準の圧縮機の吐
出量，高圧受液器の容量，凝縮器の能力で、０．５Ｋ程
度の予冷では、フラッシュガスの発生を防止できない。
高圧の低下あるいは凝縮温度の増加で、膨張弁前で蒸発
が起こり、フラッシュガスを起こす。 ４ 凹部に液体冷媒が貯留する。気体を含む液体を上昇
させる。気液混合物を上方に流そうとすると、圧力差に
より気体が再液化したり、流体抵抗が不規則に変わった
りします。気体と液体の密度による流量だけでなく流速
も不規則に変化します。特に、蒸発器内に、図２のよう
に上下に折り返しの多い構造を有すると、凹底部に冷媒
が溜まり、泡ふき、泡立ちの状態になります。この部分
は他の部分に比べて伝熱が高くなりますので、冷却力が
液体冷媒を溜め込んだ凹底部の数に依存する状態になり
ます。 ５ 注入部に気液混合冷媒が停滞する。従来法では気液
混合状態で、本発明では全液状態で冷媒が流れます。し
かし、向流型熱交換をしても、冷媒の温度は蒸発温度よ
り高くなります。これが僅かであっても、極めて沸騰し
易い状態になっています。同質量の液体の流速は、気体
に比べ低速です。注入部の冷媒は被冷却物の冷却に未だ
関与していません。注入部の容積が大きいと、液体で満
たされた時と気体で満たされた時とで、溜まっている質
量が大違いです。流速が遅いと、蒸発器から気体を吸い
込んで液体と漏します。気液同居状態では、心太（トコ
ロテン）式に液が制御弁から押し出されず、間欠流にな
ります。 ６ 冷却能が変化する。冷媒の温度が低いほど、また、
被冷却物の温度が高いほど冷却能が大きくなります。こ
の各項に対策を説明します。

【００２７】膨張弁に入る液体冷媒の温度Ｔ５が蒸発温
度Ｔ８であれば蒸発しなくなります。ＤＣ用に凝縮器を
出た冷媒液体を分流し、ＤＣで膨張弁に入る前のＭＦを
冷却し、Ｔ８に冷却します。高圧受液器を深冷器にしま
す。標準サイクルでＤＣに必要な副流量は、膨張弁で蒸
発する冷媒量となり、Ｒ２２で約２５％で、ＨＧに用い
られている量とほぼ等しくなります。高圧受液器で、Ｄ
Ｃを完全気化させて向流型の熱交換をし、膨張弁出口の
圧力がＰＬより高ければ、膨張弁を出た直後も、全液状
態を保持します。全液状態になれば、流量が差圧に比例
します。ＤＣにより、冷媒が沸騰し難くなったので、各
種の流量計を使うこともできます。仕事減圧の効果のあ
る羽根車（タービン）付き発電器等の容積流量計で測定
することができます。線形性の向上によって、凝縮温度
Ｔ３と蒸発温度Ｔ８＝Ｔ５とより求めた差圧より流量を
算出することもできます。なお、差圧により流量を推定
する場合は、必ずしも低圧、高圧そのものの差である必
要はなく、流路中の二定点での圧力であれば十分です。
蒸発温度による圧力推定も、減圧され、蒸発が起きてい
る点での温度ならどこでも結構です。

【００２８】流量が測定できるような状態にし、流量に
基づいた制御をする。これはＤＣにより可能です。冷却
能が浮動因子であることを考え、冷却力を操作値にしま
す。

【００２９】凝縮温度が変化しても膨張弁に気体流入を
起こさせないためには、十分に深冷された、十分な量の
冷媒液体が高圧受液器（深冷器）に貯蔵され、不足しな
いように高圧受液器に補充される必要があります。これ
は、従来技術で対応可能ですが、確認と安全率／余裕の
確保を要します。深冷器のＭＦが溜まる容積は、全冷媒
が液化した場合の体積以下です。十分な深冷状態になれ
ば、凝縮器での凝縮量が不十分でも、深冷器＝高圧受液
器でも凝縮され補給を助けます。また、ＤＣの低圧部と
圧縮機入口との間の圧力差をできるだけ小さくします。
すると、ＤＣによる深冷器が低圧の低下に速やかに追随
してＤＣが温度低下でき、蒸発器内の圧力が深冷器内の
圧力より高くなり、膨張弁出口での蒸発を抑えることが
できます。ＤＣの戻りの冷熱で凝縮器の凝縮部を冷却す
ることも、凝縮温度を下げ、凝縮量を確保する点で効果
があり、立ち上げ管で液分離器の作用もあります。この
液は、深冷器に回収できます。圧縮機前の液分離器は、
吸入気体の冷却以外は、冷熱を大気に捨てています。

【００３０】蒸発器内に限らず液体を上昇させることを
可能な限り無くす必要があります。蒸発器、深冷器（高
圧受液器），膨張弁，凝縮器を一体化することにより、
配管の引き回しなどによる凹低部を無くすことが一番で
す。

【００３１】注入部は、凝縮器と蒸発器とをつなぐ配管
部分であり、細く長くして差圧を発生させると制御弁の
制御範囲を狭めます。注入部、蒸発器、蒸発器から圧縮
機までの配管で発生する圧力損失で、膨張弁出口の圧力
を深冷器内の低圧部の圧力より高くします。その程度
は、標準的な運転状態で、両圧力での冷媒の蒸発温度に
ほぼ１Ｋ（０．２〜５Ｋ）の差を生じるのを目安にしま
す。この圧力差であれば、制御弁の動作に影響が小さ
く、かつ、膨張弁内での蒸発防止ができます。確実にす
るには、蒸発器の入口以降のＭＦ路に短く、かつ小さな
減圧ができる小差圧管９を設けます。こうすれば、蒸発
器内に入ってから蒸発を起し、注入部内での液体を心太
式に押し出します。膨張弁−蒸発器を一体化、即ち、制
御弁を蒸発器に直結することで注入部の容積を最小化で
き、適度な減圧も実現できます。

【００３２】錯流型や並流型の熱交換器では、蒸発熱
（潜熱）の分の熱交換はできますが、冷媒の熱容量（顕
熱）の分の熱交換が不十分になります。顕熱利用率の変
化も曲性の原因です。十分な伝熱面積を有する向流型蒸
発器では、蒸発器戻りＴ９が被冷却物の流入温度Ｔ７と
等しくなり、液バックも起こり難く、冷媒吐出量Ｗが少
くて済みます。深冷器と蒸発器との間で、発熱型流量
計，冷却型流量計，コリオリ型流量計，仕事減圧器，断
熱不十分等で許容誤差を越えるエントロピーの変化が起
こる場合には、変化後の全液温度Ｔ５を計る必要があり
ます。同じ制御弁の開度でも流量が異なり、同じ流量で
も冷却力が異なり、曲性の発生原因となっています。冷
却力を操作量とすることによって、曲性の影響を回避で
き、適切な冷媒量を蒸発器に注入できるようになりま
す。つまり、差圧あるいは流量と温度とを測定すること
で、差圧や温度が変わっても冷却力が操作値にとして算
出される量に一致する開度にします。操作値が一定で
も、差圧や温度が変われば開度を変更し、操作値が変わ
っても計算の結果開度が同じであれば開度を不変にしま
す。

【００３３】ＨＧの必要性について検討します。液バッ
クは、向流型熱交換の採用と制御精度の向上で防げま
す。ＤＣ，ＭＦの戻りとも液バックが起こったとき、そ
の蒸発熱を無駄にすることは不経済です。蒸発器での熱
交換率が悪いと、戻り温度が低温でも、必要な冷媒量が
増えて駆動動力が増します。蒸発器での熱交換率を良く
し、液バックがあれば液を深冷器に回収します。凝縮管
１を二重にし、内管内３に戻りを流すことにより凝縮温
度を下げます。ＭＦの戻りは被冷却物によっては高温に
なる場合がありますが、凝縮器を経由することで冷却で
きます。潤滑油は、ＤＣでもＨＧでも副循環量で確保で
きます。図１のように、蒸発後に残される潤滑油は、開
閉弁１６を運転停止時に開にして回収するか、開閉弁の
代わりに毛細管を用いれば、常時、回収できます。過注
入による被冷却物の過冷却は、温度制御が正確になれば
本来発生しない現象です。冷媒の温度は、低圧の圧力で
決まります。副循環量を確保すれば、いかに正確な制御
をするかです。ＤＣの戻りの温度は高温でないので、Ｈ
Ｇによる加熱防止の閉時の主循環量を０にできます。こ
れにより、従来ＯＮ／ＯＦＦ制御するかヒーター付きで
制御せざるを得なかった軽負荷時もヒーターなしで制御
できる範囲が広がります。

【００３４】ＨＧの駆動電力について検討します。ＨＧ
とＤＣとで冷媒量を基準サイクルで比較してみます。 ＨＧ量≒７ＤＣ量≒ＨＧでの膨張弁での気化量 ＨＧで蒸発器へ注入される液体冷媒量≒ＤＣで蒸発器へ
注入される冷媒量 したがって、ＤＣ法での吐出量≒ＨＧ法での吐出量−Ｈ
Ｇ量 となります。圧縮機での吐出量Ｗが、ほぼＨＧ量
だけ減り、省エネルギーになります。ＨＧがない分だけ
吸入気体の温度が下がり、これも省エネルギーになりま
す。

【００３５】このように、従来のＨＧを用いた制御に比
べて、本発明によるＤＣを用いる方法は、装置上の工夫
で曲性を減少させ、かつ、冷却能を操作値にすることに
より曲性の悪影響を減少させることで正確で早い制御が
実現でき、なおかつ、省エネルギー効果があります。

【００３６】

【発明の実施の形態】図１で説明します。凝縮器，深冷
器，蒸発器の伝熱面積は十分とします。冷媒気体を圧縮
機Ａより凝縮器Ｂに導入します。凝縮器は、凝縮器への
導入管にフィン２６を付けたり、未凝縮部と凝縮部とで
構造を変えることで能力を向上させることができます。
未凝縮部を凝縮部の下流に配置すれば、冷却源の取込口
面積を小さくできます。蒸発器より出た冷媒は、深冷器
Ｃで分流された冷媒の蒸発熱で向流型の熱交換をして、
低圧での蒸発温度近くまで冷却します。凝縮器に戻り冷
媒を通すことで、予備的な冷却あるいは凝縮を起こせ、
液バックが生じたときは液を深冷器に回収でき、高温な
ＭＦ戻りは冷却されます。分流される冷媒の量と、深冷
器内の蒸発器に供給される冷媒が一時貯蔵される容積
と、凝縮器の凝縮能力と，圧縮機の吐出量とは、制御弁
が急激にせよ長期持続的にせよ全開状態になっても、膨
張弁Ｄ出口で全液が保てるようにします。この全液状態
を保全するため、深冷器の低圧部より膨張弁の出口の圧
力を蒸発温度換算で１Ｋ程度高くします。小差圧器９を
設ける、深冷器の排気管の直径を太めにする、蒸発器内
の冷媒流体抵抗を大きくすること等で実現します。膨張
弁から注入部の間を可及的小容量とし、凝縮器の凝縮部
から蒸発器の出口まで液体が常に水平あるいは下方にの
み流れる構造となるように、凝縮器，深冷器，膨張弁，
蒸発器を一体化し、少なくとも深冷器，膨張弁，蒸発器
を断熱材で覆います。

【００３７】冷媒の流量を測定するか、高圧と低圧の圧
力を測定するか、凝縮温度と蒸発温度とを測定すること
により求めた差圧を把握する。温度（必要であれば圧
力、気液率も）を測定し、冷却能を把握する。冷却力を
操作値とし、制御弁の開度または冷媒の流量を冷却力が
操作値に一致する値にする。デジテル制御の多くは、制
御周期があります。制御周期内は、操作値を一定にしま
すが、計算時間に余裕があり、周期内で多数回の測定が
できる場合には、測定の都度、開度を変更できます。

【００３８】

【実施例】図２で説明します。被冷却物として油を用
い、ポンプで油を蒸発器Ｅから発熱体へと循環させ、発
熱体から出た油の温度を一定にするＲ２２を用いた既存
の温度制御装置を改造しました。改造機のため、上行配
管が避けられず、蒸発器も調べたら錯流型でした。凝縮
器Ｂと膨張弁Ｄとの間に深冷器Ｃを設け、凝縮器の凝縮
部の凝縮管２を二重管にし、内管内３に深冷器から戻る
冷媒を流しました。低圧，高圧の圧力計ＰＬ，ＰＨと凝
縮器入口温度Ｔ２，凝縮温度Ｔ３，蒸発温度Ｔ８，全液
温度Ｔ５，蒸発器戻り温度Ｔ９，蒸発器油入口温度Ｔ７
の温度計を配し、制御器に取り込むと同時に記録しまし
た。本発明（ＤＣ）と従来法とを比較するため、ホット
ガスバイパスＨＧと深冷器を通る副循環ＤＣ双方に開閉
弁２４，２７を設けました。圧縮機に制御装置一式の主
電源に積算電力計をつないで総電力を測定しました。主
循環ＭＦの制御弁として、細管の下流に開閉弁をつな
ぎ、開閉弁−蒸発器間を２ｃｍ長の細管でつないで容積
を小さくし、開閉弁の開時間率で制御し、ＤＣの減圧器
に、ＭＦ用の４倍の長さ細管を用いました。凝縮器の出
口から蒸発器の出口の間は断熱材で覆いました。差圧を
測定に圧力計と温度よりの計算の両者を検討し、従来法
は既存の制御プログラムで、本発明は、冷却力を操作量
とするプログラムにし、冷却力に相当する開時間率にし
ました。フィードフォワードは冷却力に換算して実施し
ました。

【００３９】弁２７を閉め、弁２４を開けた状態で、圧
力、温度は、代表的な値として、ＰＬ＝０．４５ＭＰ
ａ，ＰＨ＝１．８ＭＰａ，Ｔ２＝８０℃，Ｔ３＝４７
℃，Ｔ８＝−３℃，Ｔ５＝４６℃，Ｔ９＝１５℃，Ｔ７
＝２６℃ でした。弁２７を開け、弁２４を閉じた本発
明の状態で、代表的な値として、ＰＬ＝０．３５ＭＰ
ａ，ＰＨ＝１．４ＭＰａ，Ｔ２＝４２℃，Ｔ３＝３６
℃，Ｔ８＝−１０℃，Ｔ５＝−９℃，Ｔ９＝２０℃，Ｔ
７＝２６℃ でした。また、平均電力は前者で３８０Ｖ
Ａ，後者で３５８ＶＡでした。従来法で、ＯＮ／ＯＦＦ
制御が必要であった軽負荷時も連続制御が可能になり、
制御精度が向上しました。温度による圧力差の計算値
は、圧力計と５ｋＰａの差が認められました。圧力計に
よる測定値は雑音が大きかったが、温度測定値は雑音が
小さく、温度による圧力値を用いた方が制御が安定し、
高速になりました。

【００４０】従来法でフィードフォワード後に減衰振動
する温度揺らぎが明瞭にみとめられましたが、本発明で
は確認できないほどになりました。従来法で温度設定を
２度の下げると明瞭に認められていた履歴性も、本発明
では１０度以上下げた場合に僅かに認められ、２０度以
上下げると明瞭に認められました。これは、ＤＣの循環
量が最大時で２０％であるため、深冷不足が起きている
と判断して、ＤＣ用の細管長をＭＦ用の３倍にしまし
た。この結果、２０度以上下げても履歴性が認められな
くなりました。上行配管を無くし、凝縮器，深冷器，膨
張弁，蒸発器を一体化し、深冷器の容量を大きくすれ
ば、より完璧になると考えられます。本発明法で、応答
関数を求めながら、応答関数によって制御する方法をプ
ログラム化してみましたが、制御係数の設定やフィード
フォワードに試行錯誤が殆ど不要で、安定した高速な制
御が実現しました。従来法で試すと、不安定で暴走する
こともあったので、応答関数をモニターすると、激しい
変化を続けていました。

【００４１】

【発明の効果】総電力も５．８％低下し、曲性が抑えら
れ、正確で高速な制御が実現しました。フィードフォワ
ードが、満足できる状態になりました。曲性の低下は、
応答関数を求めながら制御する方法を採用可能にしま
す。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明における装置の斜正断面図を示しま
す。

【符号の説明】

図１〜図７で共通 Ａ 圧縮機 Ｂ 凝縮器 Ｃ 深冷
器（高圧受液器） Ｄ 膨張弁 Ｅ 蒸発器 Ｆ ファ
ン ＭＦ 主循環 ＤＣ ＤＣ副循環 ＨＧ ホ
ットガスバイパス １ 凝縮管 ２ ＤＣ管 ３ 冷媒
往路 ４ ＤＣ冷媒復路 ５ 主循環路 ６ ＤＣ
減圧管 ７ 深冷器外容器 ８ ＤＣ低圧口 ９ 小差
圧器 １０ 流量計 １１ 蒸発管 １２ 蒸
発器外容器 １３ 被冷却物入口 １４ 被冷却物出口 １５ 液
分離器 １６ 潤滑油回収弁 １７ ＨＧ管 １８ 冷
却フィン １９ 冷却フィン ２０ 断熱材 ２１ 伝
熱フィン ２２ 伝熱フィン ２３ 伝熱フィン ２４ Ｈ
Ｇ開閉弁 ２５ 放熱フィン ２６ ＤＣ開閉弁 ２７ 内
管フィン Ｔ１〜Ｔ９ 測温子 Ｔ１ 吐出温度 Ｔ２ 未凝縮部温度 Ｔ３ 凝
縮温度 Ｔ４ 予冷温度 Ｔ５ 全液温度 Ｔ６ 被
冷却物出口 Ｔ７ 被冷却物入口 Ｔ８ 蒸発温度 Ｔ９ 蒸
発器戻り温度

【図２】 冷媒の流れを示す説明図。

【図３】 図１，図２の凝縮管内のフィンの形状例を示
す断面図。

【図４】 図１の深冷器内のフィンの形状例を示す断面
図。

【図５】 図１，図２の蒸発器内のフィンの形状例を示
す断面図。

【図６】 図１，図２の蒸発器内のフィンの形状例を示
す断面図。

【図７】 図１，図２の蒸発器内のフィンの形状例を示
す断面図。

【図８】 履歴性の影響例。縦軸は制御温度，横軸は時
間。

【符号の説明】

ａ 設定温度を下げる ｂ 制御温度が停滞する ｃ
制御弁が全閉になる ｄ 制御温度が回復しない ｅ 制御温度が目標
値に近づく

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】凝縮器から出た冷媒が圧縮機に戻る経路と
   して、深冷器から膨張弁を経て蒸発器で被冷却物を冷却
   後圧縮機に戻る流量を把握する経路ＭＦと、深冷器内で
   減圧して蒸発させることにより経路ＭＦの冷媒を高圧下
   で低圧の蒸発温度に冷却し、凝縮器内を冷却して圧縮機
   に戻る経路とを有することを特徴とする冷媒を用いて温
   度を制御する方法
2. 【請求項２】凝縮器を出た冷媒液体の一部を分流し、一
   方を減圧蒸発させることにより、他方の冷媒液体を高圧
   状態のままほぼ低圧における蒸発温度にし、冷却力を操
   作値として制御することを特徴とする温度制御方法。
3. 【請求項３】凝縮器と膨張弁との間で分流し、一方の蒸
   発によって、他方を高圧のままほぼ低圧の蒸発温度に深
   冷する深冷器を設け、膨張弁出口の圧力を深冷器の低圧
   部の圧力よりも蒸発温度換算でほぼ１Ｋ高圧にし、冷却
   力を操作値として温度制御する装置。
4. 【請求項４】凝縮器を出た冷媒液体の一部を分流して減
   圧蒸発させることにより、残りの冷媒液体を高圧状態の
   ままほぼ低圧における蒸発温度に冷却し、凝縮温度と蒸
   発温度によって差圧を求め、冷却力を操作値とし、制御
   弁の開度を冷却力が操作値になるように調整することを
   特徴とする温度制御方法。
5. 【請求項５】凝縮器と蒸発器との間に向流型の深冷器を
   設け、凝縮温度と蒸発温度と全液温度（蒸発温度を用い
   ても良い）と蒸発器戻り温度とを測定し、冷却力を操作
   値として温度制御する装置。
6. 【請求項６】凝縮器で液化した冷媒を分流し、一方を減
   圧、蒸発させる向流型深冷器内で他方を高圧状態でほぼ
   低圧の蒸発温度にし、制御された量を蒸発器に注入し、
   戻りの冷媒を二重にした凝縮器の凝縮管の内管を通し、
   高圧（凝縮温度より求めても良い）と低圧（蒸発温度よ
   り求めても良い）と全液温度（蒸発温度を用いても良
   い）と蒸発器戻り温度とを測定し、冷却力が操作値とな
   るように制御弁の開度と調整することを特徴とする温度
   制御方法。
7. 【請求項７】凝縮器で液化した冷媒を分流し、一方を減
   圧して向流型冷却する深冷器で、他方を高圧状態でほぼ
   低圧の蒸発温度にし、制御弁を経由して蒸発器に注入
   し、戻りの冷媒を二重にした凝縮器の凝縮管の内管を通
   し、高圧（凝縮温度より求めても良い）と低圧（蒸発温
   度より求めても良い）と全液温度（蒸発温度を用いても
   良い）と蒸発器戻り温度とを用いて、冷却力が操作値と
   なるように制御弁の開度と調整することを特徴とする温
   度制御装置。
8. 【請求項８】凝縮器の凝縮部の凝縮管を二重管とし、そ
   の内管内を冷媒の戻りを通し、凝縮器で凝縮した液を二
   分し、その一方を減圧、蒸発させて、他方を高圧液体状
   態のままほぼ低圧の蒸気圧にまで冷却する向流型深冷器
   に導入後、膨張弁を経て蒸発器に注入し、上から下に凝
   縮器，深冷器，膨張弁，蒸発器を配して凝縮器の凝縮部
   から蒸発器の冷媒出口に至る液体流路を上行させず、深
   冷器，膨張弁，蒸発器及びこれらをつなぐ配管を断熱材
   で覆い、凝縮器，深冷器，膨張弁，蒸発器を一体化した
   装置