(57)【要約】【課題】冷媒量や凝縮器の放熱能力に制限がある冷凍システムにおいて、膨張弁を最適に制御することで冷凍システムの省エネルギー化を図ることを目的とする。【解決手段】微小抵抗２０と、前記微小抵抗２０の上流側の配管温度を検知する上流温度センサ２１と、前記微小抵抗２０の下流側の配管温度を検知する下流温度センサ２２とを有し、前記上流温度センサ２１と前記下流温度センサ２２の温度差を検出する膨張弁制御センサ２３を用いて凝縮器１２出口の状態を略一定に保つように膨張弁１４を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小抵抗と、前記微小抵抗の上流側の配管温度を検知する上流温度センサと、前記微小抵抗の下流側の配管温度を検知する下流温度センサとを有し、前記上流温度センサと前記下流温度センサの温度差を検出することを特徴とする膨張弁制御センサ。
【請求項２】
少なくとも凝縮器と、膨張弁とを有し、前記凝縮器の下流側に請求項１に記載の膨張弁制御センサを配置し、前記膨張弁制御センサの下流側に前記膨張弁を配置することを特徴とする冷凍システム。
【請求項３】
少なくとも圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、キャピラリーチューブとを有し、前記膨張弁の下流側にキャピラリーチューブを配置し、前記膨張弁を全開にして前記圧縮機を起動した後、膨張弁制御センサから得られる温度差を所定値に近づけるように、前記膨張弁を徐々に絞るように制御することを特徴とする請求項２に記載の冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絞り量を可変する膨張弁を制御するためのセンサ及びこれを搭載する冷凍システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
省エネルギーの観点から、絞り量を可変する膨張弁を搭載した冷凍システムがある。
【０００３】
以下、図面を参照しながら従来の冷凍システムを説明する。
【０００４】
図４は従来の冷凍システムの模式図、図５は従来の冷凍システムの膨張弁の制御方法を示した図である。
【０００５】
図４において、冷凍システム４０は、圧縮機４１、凝縮器４２、レシーバ４３、膨張弁４４、キャピラリーチューブ４５、蒸発器４６、吸入管４７、内部熱交換部４８、吸入管温度センサ４９を有する。
【０００６】
ここで、レシーバ４３は冷凍システム４０内を循環する冷媒を液状態で貯留するものであり、膨張弁４４の絞りを可変した際にレシーバ４３内の液冷媒量が変動することで、凝縮器４２や蒸発器４６内部の冷媒量を適正に維持しながら、膨張弁４４に流入する冷媒の過冷却度を略一定に保つ作用を有する。
【０００７】
また、膨張弁４４とキャピラリーチューブ４５を直列に配置して、冷凍システム４０の絞りを構成することにより、キャピラリーチューブ４５と吸入管４７を熱交換する内部熱交換部４８を実現することができ、吸入管４７内を還流する低温冷媒のエンタルピーを回収して冷凍システム４０の効率を向上することができる。
【０００８】
また、吸入管温度センサ４９は内部熱交換部４８を通過した後の吸入管４７の温度を検知するものであり、吸入管温度センサ４９が検知する温度に基づいて、膨張弁４４の絞り量を可変することができる。
【０００９】
以上のように構成された従来の冷凍システムについて以下にその動作を説明する。
【００１０】
冷凍システム４０を稼動させて冷却運転を行う際には、圧縮機４１を運転する。圧縮機４１で圧縮された冷媒は凝縮器４２で放熱して凝縮し、レシーバ４３に貯留される。そして、レシーバ４３に滞留する液冷媒が膨張弁４４とキャピラリーチューブ４５で減圧された後、蒸発器４６に供給されて蒸発し、吸入管４７を介して圧縮機４１へ還流する。このとき、蒸発器４６で発生する冷熱を利用して冷却が行われる。
【００１１】
ここで、冷凍システム４０を用いて冷却する対象物（図示せず）の温度が低下して安定状態に近づくと、蒸発器４６から供給する冷熱が余剰となり、吸入管４７内に蒸発できなかった液冷媒が混入して、吸入管４７の温度が低下していく。このとき、吸入管４７内を還流する低温冷媒のエンタルピーを回収する内部熱交換部４８を通過した後も吸入管４７の温度が十分上昇せず、蒸発器４６の温度に近づいていく。
【００１２】
この結果、利用されなかった蒸発器４６で発生する冷熱が圧縮機４１に還流することで、冷凍システム４０の効率が低下するとともに、この状態が持続すると、液冷媒が還流して圧縮機４１の耐久性が低下する懸念が生じる。そこで、冷凍システム４０の効率低下や圧縮機４１の耐久性低下を回避するために、吸入管温度センサ４９が検知する温度に基づいて、膨張弁４４の絞り量を制御する。
【００１３】
次に、図５に基づいて従来の冷凍システムの膨張弁の制御方法について説明する。
【００１４】
図５の横軸は膨張弁４４の絞り量に応じて発生する圧力損失であり、縦軸は吸入管温度センサ４９が検知する吸入管４７の温度Ｒである。前記したように、冷凍システム４０を用いて冷却する対象物（図示せず）の温度が低下して安定状態に近づき、蒸発器４６から供給する冷熱が余剰となって吸入管４７の温度が低下してＲ１を下回った場合、膨張弁４４の絞り量を所定量増大させる。この結果、蒸発器４６の蒸発温度が低下して冷媒循環量を小さくなり蒸発器４６から供給する冷凍能力を低下させるとともに、吸入管４７へ流出していた液冷媒を余剰冷媒としてレシーバ４３に回収することで吸入管４７の温度を上昇させるものである。
【００１５】
一方、吸入管４７の温度が上昇してＲ２を上回った場合、膨張弁４４の絞り量を所定量減少させる。この結果、蒸発器４６の蒸発温度が上昇して冷媒循環量を大きくなり蒸発器４６から供給する冷凍能力を増大させるとともに、レシーバ４３に回収していた余剰冷媒を蒸発器４６に供給することで吸入管４７の温度を下降させるものである。
【００１６】
このように膨張弁４４の絞り量を制御することにより、吸入管４７の温度ＲをＲ１からＲ２の間に維持することができ、冷凍システム４０の効率低下や圧縮機４１の耐久性低下を回避することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平５−１９６３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、従来の冷凍システムの構成では、吸入管温度センサ４９の出力に基づいて膨張弁４４の絞り量を制御するため、膨張弁４４の絞り量によって変動する余剰冷媒量を自動的に調整するレシーバ４３が必要であった。この結果、常にレシーバ４３に余剰冷媒を保持するだけの冷媒量が必要になるとともに、レシーバ４３を所定量の過冷却度に保つだけの放熱能力を有した凝縮器４２が必要であった。そのため、可燃性冷媒を使用する家庭用冷蔵庫など冷媒量に制限がある冷凍システムでは膨張弁を使用することが困難であった。
【００１９】
また、筐体の外郭から自然対流で放熱する凝縮器を使用する家庭用冷蔵庫など環境条件によって放熱能力が大きく変化する冷凍システムでは、凝縮器出口を所定の過冷却度に保つことができないので、膨張弁を使用することが困難であった。
【００２０】
そこで本発明は、冷媒量や凝縮器の放熱能力に制限がある冷凍システムにおいても膨張弁を用いて、この膨張弁の最適制御により冷凍システムの省エネルギー化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この目的を達成するために、本発明は、微小抵抗と、前記微小抵抗の上流側の配管温度を検知する上流温度センサと、前記微小抵抗の下流側の配管温度を検知する下流温度センサとを有し、前記上流温度センサと前記下流温度センサの温度差を検出することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の膨張弁制御センサを搭載した冷凍システムは、膨張弁の最適制御により、冷凍システムの省エネルギー化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１における冷凍システムの模式図
【図２】本発明の実施の形態１における冷凍システムの膨張弁の制御方法を示した図
【図３】本発明の実施の形態１における冷凍システムの膨張弁制御センサの出力と冷媒流速との相関を示した図
【図４】従来の冷凍システムの模式図
【図５】従来の冷凍システムの膨張弁の制御方法を示した図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
第１の発明は、微小抵抗と、前記微小抵抗の上流側の配管温度を検知する上流温度センサと、前記微小抵抗の下流側の配管温度を検知する下流温度センサとを有し、前記上流温度センサと前記下流温度センサの温度差を検出する膨張弁制御センサである。
【００２５】
これによって、微小抵抗を通過する冷媒の流速や乾き度などの状態変化を相対的に検知することができ、その結果、冷凍システムの省エネルギー化を図ることができる。
【００２６】
第２の発明は、少なくとも凝縮器と、膨張弁とを有し、前記凝縮器の下流側に第１の発明の膨張弁制御センサを配置し、前記膨張弁制御センサの下流側に前記膨張弁を配置することを特徴とする冷凍システムである。
【００２７】
これによって、凝縮器出口の状態を略一定に保つように膨張弁を制御することができ、冷凍システムの省エネルギー化を図ることができる。
【００２８】
第３の発明は、第２の発明において、少なくとも圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、キャピラリーチューブとを有し、前記膨張弁の下流側にキャピラリーチューブを配置し、前記膨張弁の絞り量を最小にして前記圧縮機を起動した後、膨張弁制御センサから得られる温度差を所定値に近づけるように、前記膨張弁を徐々に絞るように制御することを特徴とするものである。
【００２９】
これによって、膨張弁の絞り量を最小にした時に予測される凝縮器出口の状態に基づいて、膨張弁制御センサから得られる温度差の目標値を相対的に決定することができ、より最適に膨張弁の制御することができ、その結果、冷凍システムの省エネルギー化を図ることができる。
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、従来例と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における冷凍システムの模式図、図２は同実施の形態１における冷凍システムの膨張弁の制御方法を示した図、図３は同実施の形態１における冷凍システムの膨張弁制御センサの出力と冷媒流速の相関を示した図である。
【００３２】
図１において、冷凍システム１０は、圧縮機１１、凝縮器１２、ドライヤ１３、膨張弁１４、キャピラリーチューブ１５、蒸発器１６、アキュームレータ１７、吸入管１８、内部熱交換部１９を有する。また、冷凍システム１０は、微小抵抗２０、上流温度センサ２１及び下流温度センサ２２からなる膨張弁制御センサ２３を有する。
【００３３】
ここで、ドライヤ１３は、冷凍システム１０内を循環する冷媒を乾燥するものであり、液冷媒と効率よく接触するために凝縮器１２の下流に配置する。
【００３４】
また、アキュームレータ１７は、安定状態における余剰冷媒を貯留するものであり、蒸発器１６と略同一の温度に保持するために蒸発器１６の下流に配置する。冷凍システム１０を用いて冷却する対象物（図示せず）の温度が上昇すると、アキュームレータ１７に貯留される余剰冷媒量が減少して冷凍システム１０内の冷媒循環量が増大することで冷凍能力を増加させる。一般に、筐体の外郭から自然対流で放熱する家庭用冷蔵庫など環境条件によって放熱能力が大きく変化する冷凍システムでは、レシーバを用いて冷凍システムの高圧側に余剰冷媒を貯留することができないので、本実施の形態１と同様に、アキュームレータを用いて冷凍システムの低圧側に余剰冷媒を貯留する。また、アキュームレータに貯留する余剰冷媒量は冷凍システム内の全冷媒量の１０〜３０％程度であり、比較的少量で冷凍能力を調整する機能が得られるので、全冷媒量を抑制するために有効である。
【００３５】
また、膨張弁１４とキャピラリーチューブ１５を直列に配置して、冷凍システム１０の絞りを構成することにより、キャピラリーチューブ１５と吸入管１８を熱交換する内部熱交換部１９を実現することができ、吸入管１８内を還流する低温冷媒のエンタルピーを回収して冷凍システム１０の効率を向上することができる。
【００３６】
また、膨張弁制御センサ２３を構成する微小抵抗２０は長さ２５０ｍｍの細径管からなり、直列配置された微小抵抗２０、膨張弁１４及びキャピラリーチューブ１５の全抵抗の約５％に相当する抵抗を有する。全抵抗に対する微小抵抗２０の比率は、１〜２０％が望ましい。１％未満では内部を流れる冷媒の状態変化を検知することが困難となる。２０％超では内部熱交換１９の熱交換が不十分となり、冷凍システムの効率が低下する。ここで、全抵抗に対する微小抵抗２０の比率は、それぞれの抵抗を同じ内径のキャピラリーチューブで代替した時の長さの比率で示したものである。
【００３７】
また、膨張弁制御センサ２３を構成する上流温度センサ２１及び下流温度センサ２２は、それぞれ微小抵抗２０の上流側の配管温度及び下流側の配管温度を検知するものであり、微小抵抗２０の内部を流れる冷媒の状態変化に応じて上流温度センサ２１と下流温度センサ２２が検知する温度の差が変化するものである。従って、上流温度センサ２１と下流温度センサ２２が検知する温度の差に基づいて膨張弁１４の絞り量を可変することにより、冷凍システム１０を所定の状態に制御することができる。
【００３８】
以上のように構成された本発明の実施の形態１の冷凍システムについて以下にその動作を説明する。
【００３９】
冷凍システム１０を稼動させて冷却運転を行う際には、膨張弁１４の絞り量を最小とし圧縮機１１を運転する。圧縮機１１で圧縮された冷媒は凝縮器１２で放熱して凝縮した後、ドライヤ１３で乾燥される。そして、膨張弁制御センサ２３を通過した後、膨張弁１４とキャピラリーチューブ１５で減圧された後、蒸発器１６に供給されて蒸発し、吸入管１８を介して圧縮機１１へ還流する。このとき、蒸発器１６で発生する冷熱を利用して冷却が行われる。
【００４０】
ここで、膨張弁１４の絞り量を最小とし圧縮機１１を運転した状態で、対象物（図示せず）の温度が低下して安定状態に近づくと、凝縮器１２の出口冷媒は２相状態（望ましくは、乾き度３〜１０重量％）となる。これは、冷却する対象物（図示せず）の温度が上昇して、アキュームレータ１７に貯留される余剰冷媒量が減少し冷凍システム１０内の冷媒循環量が増大した場合でも、凝縮器１２の出口冷媒が過冷却とならないように、直列配置された微小抵抗２０、膨張弁１４及びキャピラリーチューブ１５の全抵抗と冷凍システム１０内の全冷媒量を設計しているためである。一般に、筐体の外郭から自然対流で放熱する家庭用冷蔵庫など環境条件によって放熱能力が大きく変化する冷凍システムにおいて、凝縮器の出口冷媒が過冷却になるように設計すると、環境条件によって放熱能力が増大した際に冷凍システム内のほぼすべての冷媒が凝縮器に滞留して、冷媒循環量が異常に低下する懸念が生じる。また、環境条件によって放熱能力が減少した際に凝縮器で凝縮できなかった余剰冷媒がアキュームレータに貯留しきれなくなって吸入管から圧縮機へ還流することで、圧縮機の耐久性が低下する懸念が生じる。
【００４１】
そして、膨張弁制御センサ２３が検知する微小抵抗２０の前後の温度差が所定値あるいは、膨張弁１４の絞り量を最小に保った安定状態に比べて所定量変化するように、膨張弁１４の絞り量を制御する。この結果、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度が減少することで、冷凍効果が増大して冷凍システム１０の効率を向上することができる。
【００４２】
次に、図２及び図３に基づいて本発明の実施の形態１の冷凍システムの膨張弁の制御方法について説明する。
【００４３】
図２の横軸は膨張弁１４の絞り量に応じて発生する圧力損失であり、縦軸は膨張弁制御センサ２３が検知する微小抵抗２０の前後の温度差Ｓである。前記したように、膨張弁１４の絞り量を最小とし圧縮機１１を運転した状態で、冷凍システム１０を用いて冷却する対象物（図示せず）の温度が低下して安定状態に近づくと、凝縮器１２の出口冷媒は２相状態となる。このとき、膨張弁制御センサ２３の出力はＳ０を示す。そして、膨張弁制御センサ２３の出力がＳ２を下回るように膨張弁１４の絞り量を増加させる。この結果、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度が減少することで、冷凍効果が増大して冷凍システム１０の効率を向上することができる。
【００４４】
一方、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度が減少し続け膨張弁制御センサ２３の出力がＳ１を下回った場合、膨張弁１４の絞り量を減少させる。この結果、膨張弁制御センサ２３の出力がＳ１からＳ２を示す状態に安定させることができる。膨張弁制御センサ２３の出力に下限値Ｓ１を設けたのは、膨張弁１４を絞り過ぎると凝縮器１２の出口冷媒が過冷却状態となり、冷凍システム１０内のほぼすべての冷媒が凝縮器１２に滞留して、冷媒循環量が異常に低下する懸念が生じるためである。
【００４５】
図３の横軸は、図２の縦軸と同じ膨張弁制御センサ２３が検知する微小抵抗２０の前後の温度差Ｓであり、図３の縦軸は、微小抵抗２０内を通過する冷媒の流速Ｖである。前記したように、膨張弁制御センサ２３の出力がＳ０を示した状態から膨張弁１４の絞り量を増加させると、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度が減少して微小抵抗２０内を通過する冷媒の流速Ｖが遅くなり、結果として、膨張弁制御センサ２３の出力がＳ０からＳ２へ低下する。同様に、膨張弁１４の絞り量を調整して膨張弁制御センサ２３の出力がＳ１からＳ２を示す状態に安定させると、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度が零近傍（望ましくは、乾き度０〜１重量％）で安定し、冷媒の流速Ｖが最小値近傍で安定する。これは、冷凍システム１０が安定状態では冷媒循環量が略一定となるので、凝縮器１２の出口冷媒が液相になると微小抵抗２０内を通過する冷媒の流速Ｖが略最小となるとともに、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度が増加するに従い、微小抵抗２０内を通過する冷媒の流速Ｖが増加するためである。また一般に、液相に対する気相の比容積は５０倍程度と大きいため、乾き度が０〜１０重量％の微小抵抗２０内を通過する冷媒の流速Ｖの変化量が大きく、特にこの範囲では膨張弁制御センサ２３による凝縮器１２の出口冷媒の状態を検知しやすいといえる。
【００４６】
このように膨張弁制御センサ２３の出力に応じて膨張弁１４の絞り量を制御することにより、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度が零近傍（望ましくは、乾き度０〜１重量％）で安定させ、冷凍効果が増大して冷凍システム１０の効率を向上することができる。
【００４７】
以上のように、本実施の形態１の冷凍システムは、微小抵抗とその前後の温度差を検知する温度センサからなる膨張弁制御センサを用いて凝縮器出口の状態を略一定に保つように膨張弁を制御することにより、凝縮器出口にレシーバを有しない冷凍システムにおいて膨張弁の最適制御を行うことができ、冷凍システムの省エネルギー化を図るとともに、圧縮機の耐久性低下を回避することができる。
【００４８】
なお、本実施の形態１では膨張弁制御センサ２３の出力をＳ１からＳ２の所定値になるように膨張弁１４の絞り量を調整したが、膨張弁１４の絞り量を最小に保った安定状態に比べて所定量変化するように膨張弁１４の絞り量を調整してもよい。冷凍システム１０の周囲温度などの環境条件や凝縮温度や蒸発温度などの圧縮機１１の運転条件から、安定状態における凝縮器１２の出口冷媒の乾き度及び膨張弁制御センサ２３の出力が予め想定することができれば、その条件における最適な凝縮器１２の出口冷媒の乾き度及び膨張弁制御センサ２３の出力を推定することができ、膨張弁１４をより精度よく調整することができる。一般に、冷凍システムは予め想定した環境条件や運転条件において、凝縮器の出口冷媒が過冷却とならないように、冷凍システムの全抵抗と全冷媒量を設計しているため、膨張弁の絞り量を最小に保った安定状態であれば凝縮器の出口冷媒の乾き度を想定することは可能である。
【００４９】
なお、本実施の形態１では長さ２５０ｍｍの細径管からなり、直列配置された微小抵抗２０、膨張弁１４及びキャピラリーチューブ１５の全抵抗の約５％となる微小抵抗２０を用いたが、全抵抗に対する微小抵抗２０の比率が１〜２０％であれば、細径管あるいは微小なオリフィスなどで微小抵抗２０を構成しても同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上のように、本発明にかかる冷凍システムは、筐体の外郭から自然対流で放熱する家庭用冷蔵庫など環境条件によって放熱能力が大きく変化する冷凍システムや、冷媒量に制限がある可燃性冷媒などを使用した冷凍システムにおいても膨張弁を用いることができ、この膨張弁を最適に制御することができるので、冷凍冷蔵応用商品に適用できる。
【符号の説明】
【００５１】
１０  冷凍システム
１１  圧縮機
１２  凝縮器
１３  ドライヤ
１４  膨張弁
１５  キャピラリーチューブ
１６  蒸発器
１８  吸入管
１９  内部熱交換部
２０  微小抵抗
２１  上流温度センサ
２２  下流温度センサ
２３  膨張弁制御センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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