(57)【要約】【課題】  冷凍・空調機の省エネルギー制御は、冷媒過熱度に依存している。冷媒過熱度制御のために必要な構成要素は、現状では異なったメーカ間の製品を組み合わせて用いており、制御パラメータがそのつど異なる等、完全な制御を行うには問題がある。また、冷凍空調機の設置現場における複雑な配管、配線の工事にも問題があった。【解決手段】  同一ハウジング内に基本的な電子膨張弁制御を行うための構成要素をすべて一体構造化、内臓化することによって装置の簡素化を図る。これらの構成要素を用いて省エネルギーを実現する冷媒過熱度制御を、ハウジング内の閉ループ制御で実行することが可能となる。  電子制御部の配線は電源線とシリアルラインという簡単な導線からなる。この電力線とシリアル配線を通して電子制御部と外部装置間との通信を行うことができる。このシリアル通信回線を通して外部の冷凍・空調機との協調運転も可能となる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
図１冷凍・空調機システムに組み込まれた冷媒流量制御装置１において、電子制御部６からの電気信号により冷媒液の流量を可変制御できるステッピングモータ１３によって駆動される弁１４と、請求範囲外のレシーバ２に接続される接続口８と、圧縮機吸入口に接続される接続口１１と、請求範囲外の蒸発器３の入口への接続口９とその出口に接続される接続口１０、および接続口１０と接続口１１の間に配置される圧力センサ４と温度センサ５をハウジング７内の配管を通して電子制御部６に配線する構成とを、それぞれハウジング７内に収納一体化したことを特徴とする冷媒流量制御装置。
【請求項２】
請求項１で示される電子制御部６には、電力を供給する電源線と外部装置と通信を行うシリアル配線から成る導線１２用のコネクタを持ち、膨張弁開度、センサ情報、各種アラーム信号および制御に必要な各種定数を、電子制御部６と外部装置間とでシリアル配線を通して通信できることを特徴とする請求項１に記載する冷媒流量制御装置。
【請求項３】
冷凍空調機システムの省エネルギーは冷媒過熱度に依存し、その冷媒過熱度は接続口１０の冷媒の温度と圧力の関数として計算できる。蒸発器３の出口部の温度センサ５と圧力センサ４の信号を電気信号に変換して、電子制御部６に送り、省エネルギーを実現するための最小の冷媒過熱度を保持する膨張弁１４の開度を最適に決定し、ステッピングモータ１３を駆動・制御することを、同一ハウジング７内に組み込まれた構成要素によって閉ループで実行できることを特徴とする請求項１に記載する冷媒流量制御装置。
【請求項４】
電源投入開始時の運転では、冷蔵庫内は常温から冷凍機の運転が開始されるため、圧縮機への冷媒入口圧力は過大となり、圧縮機駆動電動機は過負荷となる。それを避ける方法として、電動機の消費電力を電気信号に変換し、導線１２を通して電子制御部６に入力し、適度な初期設定に対応する膨張弁開度を与えることを特徴とする請求項１に記載する冷媒流量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【発明に属する技術分野】
【０００１】  本発明は、冷凍・空調システムに組み込まれる膨張弁制御駆動を行う冷媒流量制御装置に関する。大型ビルの中心部では冷房を必要とする期間が拡大していることから、本発明は空調用冷凍機にも適用可能分野である。
【背景技術】
【０００２】  最近は、世界的な省エネルギーが叫ばれ、ＣＯ２排出量の減量の実現が大きな社会問題となっている。このような環境の中では、稼動数の多い冷凍・空調機の省エネルギー運転は重要な課題となっている。
外気温の朝昼の変化、季節の変化に対応して、省エネルギーの基準を示す成績係数の最大化をはかる冷凍空調機の最適な制御、すなわち最小の消費電力で冷凍機を駆動することが求められている。【０００３】  近年、冷凍機の消費電力の低減を図るため、圧縮機の液冷媒の吸入を防止して、最小の冷媒過熱度で運転することが重要視されつつある。
具体的な手段として、センサの信号から過熱度を正確に検知し、冷却の負荷変動が生じても要求の過熱度を保持する方法として、膨張弁の弁開度をステッピングモータ等の電動機で駆動するタイプのリニア電動式膨張弁が実用化されつつある。【０００４】  しかし現在、実用化されている冷凍・空調システムでは、電動式弁と制御部は物理的に分離され、なおかつ過熱度を検知するための冷媒温度、冷媒圧力はそれぞれセンサを経由して電気信号に変換されて別々に制御部に接続されている。これらはいずれも冷凍空調機の設置現場で、異なったメーカ間の製品を用いて複雑な配管、配線の工事を必要とするため、多大な工事費と誤配線・断線等による信頼性の低下を生じている。【０００５】  従来の方式の一例として、図２に電動弁の例を示す。
蒸発器２３の出口の低圧冷媒蒸気温度をサーミスタ２４で検知し、設定値と比較して電動膨張弁２２をＯＮ／ＯＦＦし、ＰＷＭ制御によって低圧液冷媒の流量を制御するものである。
電動膨張弁２２が電磁弁によるＯＮ／ＯＦＦ動作のため、弁座等の寿命の問題がある。また、低圧冷媒蒸気圧を検知していないため、正確な過熱度を知ることが困難という欠点がある。【０００６】  従来の膨張弁の２番目の例として、図３に感温式膨張弁の例を示し、図４には感温式膨張弁本体の構造を示す。本体は凝縮器と蒸発器３２を結合する冷媒配管の途中に設置され、感温部３３は蒸発器出口配管の冷媒温度を検出し、特に蒸発器内部の冷媒圧力損失が大きい場合には、外部均圧として配管で冷媒圧力を膨張弁３１に導いている。
感温部３３では、蒸発温度を−５．６℃で、過熱度を５．６℃にすることで圧縮機の吸入口の冷媒ガス温度が０℃で膨張弁３１が作動することを示している。【０００７】  なお最近では、冷蔵冷凍用の冷凍機は年間を通して運転されることから、少しでも駆動エネルギーの最小化を図るためには、蒸発器出口の過熱度の最小化を図る必要がある。すなわち、蒸発器の伝熱効率と圧縮機駆動動力の低減を図るために、電動弁とその電子制御を組み合わせにして効果を上げる方向にある。
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】本発明が解決しようとする課題は以下のようなものである。
１．電動弁の配線、配管の簡素化
冷凍・空調機の設置現場における従来の異なったメーカ間の製品を用いた複雑な配管、配線の工事を省略することで、工事の簡素化による工事コストの低下、誤配線などをなくすことによる信頼性の向上が期待できる。
【０００９】２．冷凍・空調システムにおける高度な省エネルギー制御の実現
省エネルギーは冷媒過熱度に依存し、その冷媒過熱度は蒸発器出口の低圧冷媒の温度と圧力をパラメータとする関数として計算できる。
冷媒過熱度制御のために必要な構成要素は、現状では異なったメーカ間の製品を組み合わせて用いており、制御パラメータがそのつど異なる等、完全な制御を行うには問題がある。
【００１０】３．冷凍・空調機の初期起動
冷凍機が最初に起動するとき、または長い期間停止した後に起動する場合は、庫内は常温である。そのため、冷凍機駆動電動機負荷は過大となり、通常は圧縮機の吸入配管に冷媒流れを一時的に絞り、過負荷を避けて定常運転にいたるようにしている。具体的な低負荷起動手段が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  上記の課題に対して、本発明では以下の工夫、手段によってその解決を合理的に図るものである。
また、従来は、別々の構成要素を組み合わせて電子膨張弁システムを構成していたが、本発明によれば、これらを一体化したマクロなシステム・コンポーネントとして扱うことが可能となる。
【００１２】１．構成要素の一体化による簡素化
（１）構成要素の一体化による簡素化
従来、冷凍・空調機の設置現場で、別々の構成要素を用いて複雑な配管、配線の工事を行っていたために問題が多かった。本発明では、図１に示すように、同一ハウジング内に基本的な電子膨張弁制御を行うための構成要素をすべて一体構造化、内臓化することによって著しく装置の簡素化を図ることができる。
【００１３】（２）制御部の簡素化
最近は集積回路の対環境性が向上し、−４０℃における作動も可能なＩＣが使用されていることから、冷媒流量制御装置の制御部を弁駆動部と同一の温度環境に設置することが可能となっている。
このため、高度な省エネルギー制御の実現するためのマイクロプロセッサ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の電子コントローラを内臓化することができる。
【００１４】（３）配線の簡素化、情報通信化
従来は、構成要素が別々のため、各構成要素間の配線に問題があったが、本発明の請求項２により、電子制御部の配線は電源線とシリアルラインという簡単な導線である。この電力線とシリアル配線を通して電子制御部と外部装置間との通信を行うことができる。このシリアル通信回線を通して外部の冷凍・空調機との協調運転も可能となる。
さらに、蒸発器入口部と出口部を装置内に組み込んだことで、過熱度の信号を取得するためのセンサ配線を省略することが出来ている。
【００１５】２．高度な省エネルギー制御の実現
冷媒過熱度制御のために必要なすべての構成要素：温度センサと圧力センサ、電子制御部、電動弁を、同一ハウジング内に収納し、制御システムを構成する。これらの構成要素を用いて省エネルギーを実現する冷媒過熱度制御を、ハウジング内の閉ループ制御で実行することが可能となる。
また、構成要素の特性はすべて最適なパラメータにすることができ、完全な冷媒過熱度制御を行うことができる。
【００１６】３．冷凍空調機の初期起動
冷凍機が最初に起動するとき、または長い期間停止した後に起動する場合は、圧縮機駆動電動機の消費電力を検知し、過負荷を避けるように電動弁の開度を制御することが可能となる。
【００１７】  本発明によれば、従来、ばらばらだった冷凍・空調機の省エネルギー制御のための各構成要素を同一ハウジング内に一体構造化することによって、現場での設置工事が大幅に簡素化され、また工事の信頼性を向上させることができる。
さらに、省エネルギー制御の構成要素はすべてハウジング内に一体構造化されており、効率のよい省エネルギーを実現させることができる。このため、システム・コンポーネントとして機能させることが出来、ポータビリティも優れていることから、省エネルギー制御機器として、いたるところに容易に取り付け可能である。
取り付け工事が簡単で、省エネルギー制御に優れた本発明の冷媒流量制御装置は、社会的なＣＯ２排出量の減量の実現に大きく貢献するものと期待され、その効果、貢献は計りしれないものがあると予測される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】  本発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。
図１に冷凍・空調機に冷媒流量制御装置１を設置した場合の構成を示す。
冷媒流量制御装置１は、レシーバ２からの高圧液冷媒が蒸発器３への低圧液冷媒を流量制御するためのものである。基本的に、図３に示す従来の膨張弁と同様の機能を有する。【００１９】  図１の弁１４の機能は、蒸発器３の出口部の過熱度を所定の値を保持するように、低圧液冷媒の流量を制御するためのものである。
正確な過熱度を検知するためには、蒸発器出口部の低圧冷媒の圧力と温度を同時に計測することが必要である。【００２０】  本発明では図１において、蒸発器３の出口部の低圧冷媒の圧力、温度を検知するために、それぞれ圧力センサ４、温度センサ５が装備されている。その２つのセンサから検知した冷媒圧力、冷媒温度に対応した信号が冷媒流量制御装置の制御部６に入力される。
冷凍機に使用されている冷媒の種類は予め決まっていることから、そのパラメータと前述のセンサ信号から電子制御部６で過熱度ΔＳが計算できる。予め過熱度の目標値ΔＳ０は与えられていることから、現在の過熱度と目標過熱度との差Δ２（＝ΔＳ−ΔＳ０）の正負に応じて、冷媒流量制御装置１の弁開度の増減し、フィードバック制御を図る。
従来の電動弁は、弁の外側に設置される制御部とは個別の導線で配線されている。【００２１】  冷媒流量制御装置１においては、電子制御部６、ステッピングモータ１３、圧力センサ４、および温度センサ５が弁とともに一体として搭載されている。  このため、現地での配線工事は不要となり、誤配線、断線等による不具合をなくすことができ、装置の信頼性を大幅に向上させることができる。
その他に、高圧液冷媒の接続口８、減圧後の低圧冷媒蒸気の接続口９、蒸発器出口部に接続される冷媒配管との接続口１０および、冷媒圧縮機の冷媒吸入口への接続口１１は一体的に構成されている。このため、前述の現地における導線の省略と同時に、冷媒配管も容易となる。【００２２】  制御部６には、電源線２本ならびにシリアルラインという簡単な導線が用意されている。弁開度、センサ情報、各種アラーム信号、モニタリングおよび制御に必要な各種定数を、電子制御部６と外部装置間とでシリアル配線を通して通信できる。さらに、このシリアル配線を通して電子制御部と外部装置間との通信を行うことができ、外部の冷凍・空調機との協調運転も可能となる。【００２３】  次に冷凍機の起動から定常運転に至るまでの冷媒流量制御装置１の作動内容について説明する。最初に圧縮機が起動した結果、作動直前までは閉状態になっていた機械部の絞り弁開度は、所定の開度になる。当開度は過熱度を大きめに設定させる。この値は、圧縮機の液冷媒の吸入を防止する開度に対応している。
さらに、冷凍機が最初に起動するとき、または長い期間停止した後に起動する場合は、圧縮機駆動電動機の消費電力を検知し、過負荷を避けるように電子膨張弁の開度を制御することが可能となる。なお、駆動電動機の消費電力の情報は通常の回転式電力積算計の回転速度を検知することで、瞬間瞬間の圧縮機駆動電動機負荷を把握することが出来る。【００２４】  次に冷蔵庫内の空気温度の冷却と共に、圧力センサ４、温度センサ５からの情報から現在の過熱度が制御部６で計算され、フィードバック制御により、目標過熱度に対応するように弁開度がコントロールされる。【００２５】  なお冷却中には、蒸発器を通過する冷蔵庫内空気中の水分が冷却されて、結露し凝固に至ることがある。このときには、空気の流れの抵抗が増大することで蒸発器の性能劣化が生ずる。この蒸発器フィン表面の氷を溶かし、除くことを、デフロストと呼ぶ。当デフロスト中は通常の冷却運転は停止することから、デフロストの信号に対応して、デフロストが終了するまで弁開度は所定の値を保持することとなる。なお、デフロスト方式には電気ヒータ方式とか圧縮機からの高圧高温冷媒ガスを直接蒸発器に流すホットガス方式があるが、その方式に対応してデフロスト中の弁開度は制御される。
【図面の簡単な説明】
【図１】冷媒流量制御装置の冷凍・空調機システムに組み込まれた構成を示す図である。
【図２】現状の電動式膨張弁の構成を示す図である。
【図３】従来の感温式膨張弁が冷凍機に組み込まれた構成を示す図である。
【図４】従来の感温式膨張弁本体の構造を示す図である。
【符号の説明】
１  冷媒流量制御装置
２  レシーバ
３  蒸発器
４  圧力センサ
５  温度センサ
６  電子制御部
７  ハウジング
８  接続口
９  接続口
１０  接続口
１１  接続口
１２  導線
１３  ステッピングモータ
１４  弁
２１  トランス
２２  電動膨張弁
２３  蒸発器
２４  サーミスタ
２５  凝縮器
２６  吐出管
２７  圧縮機
２８  吸入管
３１  膨張弁
３２  蒸発器
３３  感温部
４１  温度駆動部
４２  球弁
４３  冷媒入口
４４  冷媒出口
４５  過熱度調整用スプリング
４６  スプリング固定部品
４７  ケーシング
４８  調整キャップ
４９  調整ネジ
５０  感温部
【図１】
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【図２】
2005315550.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005315550.tif 000006