JP6959660B2 - 冷却システムの制御および保護デバイス - Google Patents

Description

本発明は、冷却システムを、液体冷媒のコンプレッサへの戻り、コンプレッサクランクケースヒータの誤動作、および過度の過熱から保護して制御することを意図するものである。

ほぼ全ての冷却コンプレッサには、コンプレッサを冷媒液のフラッディング（戻り、溢れ）またはクランクケースヒータの誤動作から保護することができる信頼性の高い制御システムが設置されていない。

しかしながら、市販されている一部の大型コンプレッサには、液体冷媒のフラッディングに対する保護がコンプレッサの隣の吸込管に設置されている（例えば、ＨＢ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ製のモデルＨＢＣＰ）。この保護は、コンデンサとして作用する２つのプレートに基づき、冷媒液滴が２つのプレート間を通るとキャパシタンス（静電容量）が変わる。このシステムは、高精度の電子機器を必要とし、製造業者次第では、較正および定期的な保全および毎年の再較正を必要とする。

さらに、このようなシステムは、コンプレッサの上流の過熱を検出するだけである。したがって、密閉型または半密閉型コンプレッサの場合、これらは、コンプレッサに戻る液滴が存在すれば、それが電動機を通る流路中およびコンプレッサ本体中で蒸発する可能性があること、および、この特別な場合、コンプレッサを停止する必要がないことを考慮していない。

また、従来技術は、いわゆる吸引アキュムレータを設置することによりコンプレッサを液体サージから保護するシステムも含む。この保護は、起動サージの防止には優れているが、液体がその蓄積容量を超えた場合（例えば、膨張弁が故障した場合、またはヒートポンプマシンに突然の逆転が生じた場合）に、コンプレッサを停止させる吸引アキュムレータが装備されていない。

他の実験システムは、電動機電流を分析して、波形変動の検出を試行することを選択し（例えば、電流のスパイクは、シリンダ内部の液体のノッキングを示している可能性がある）、一方で、他のシステムは、電力吸収に依存して、その実際の運転状態でコンプレッサが消費すべき理論上の電力とコンプレッサが消費する実際の電力とを比較することを選択している。これらのタイプのシステムは、何れも、高度な電子コントローラを必要とする。これらのシステムは、実験的であるか、ほとんど使用されないか、のいずれかである。

非特許文献１。この研究によれば、検出は、コンプレッサに流れ込む電流を分析し、かつコンプレッサシリンダ内の液体の存在により引き起こされるモータへの負荷の変化を識別することによって行われる。この研究は、「これらの欠陥検出方法が当該分野において信頼性の高い結果をもたらし得ることを保証するためには、安定な欠陥検出方法および広範なフィールド試験の開発に対する追加的な研究が必要である」と結論づけている。

従来技術には、異なる動作概念による高度なシステムである、ボックコンプレッサ管理ＢＣＭ２０００と称する保護システムも含まれる。クランクケースヒータについて、これは、油温が２５℃を超えることを確認した上で、ヒータが正常に作動しているとみなす。しかしながら、周囲温度が２５℃を超えていれば、クランクケースヒータに欠陥があったとしても、油温は、２５℃を超える。この場合、蒸発器の温度がクランクケースの温度より高ければ、冷媒の移動が生じる可能性があり、冷媒は、油と混ざる。

以下は、本発明の分野の関連特許の開示である。

特許文献１は、冷却システム内のコンプレッサの動作を監視し、かつ監視された状態が異常であれば、コンプレッサを自動停止させるマイクロプロセッサベースのデバイスについて記述している。冷却システム内のセンサは、冷媒の圧力および温度、過熱、油圧およびモータ電流の引き込み等の状態を検出する。検出された状態が安全範囲外であって、タイムアウト時間に渡ってその状態のままであれば、アラーム状態が指示され、デバイスは、アラーム信号を生成してコンプレッサを停止する。取り外し可能なディスプレイモジュールは、フィールドプログラミングを実行するためのキーパッドと、冷媒状態およびプログラミングプロンプトおよびコマンドを表示するためのＬＣＤ画面とを含む。リセットボタンは、修理サービスの依頼電話が必要になる前の２回のリセットを可能にする。このデバイスは、非常に精緻であって、高価であり、線間電圧の変動に対して高感受性である。

特許文献２は、最低吸込温度、温度変化速度およびその持続時間、最小過熱、過熱変化速度およびその持続時間、のいずれかを使用する、冷媒システムのフラッドバック検出器について記述している。このデバイスも精緻かつ高価であって、あらゆるコンプレッサモデルに対する広範な試験を必要とする。

特許文献３は、冷却システムのコンプレッサの溢れ開始を制御するためのシステムおよび方法について記述している。温度センサは、コンプレッサ温度および周囲温度の少なくとも一方に対応する温度データを生成する。制御モジュールは、温度データを受信し、コンプレッサが最後にオンであったときからのオフタイム時間を決定し、温度データおよびオフタイム時間に基づいて、コンプレッサ内に存在する液体の量を決定し、この液体の量を既定のしきい値と比較し、液体の量が既定のしきい値より大きい場合には、コンプレッサを、コンプレッサがオンである第１の時間期間と、コンプレッサがオフである第２の時間期間とを含む少なくとも１つのサイクルに従って動作させる。上記のように、このデバイスも精緻かつ高価であって、あらゆるコンプレッサモデルに対する広範な試験を必要とする。

特許文献４。この開示によれば、冷却ユニット内の溢れたコンプレッサが運転を開始すると、オイルに吸収されている冷媒が突然放出され、クランクケースが冷媒とオイルとの泡立った混合体で満たされる。次に、この混合体は、冷却システムへと圧送して出されることに加えて、吸気マニホールド、シリンダおよびコンプレッサヘッドへ引き込まれる。モバイル冷却ユニットにおける溢れたコンプレッサの始動状態が検出されると、コンプレッサは、システム内およびコンプレッサヘッド上のオイルがコンプレッサオイルサンプに戻れるだけの指定された時間期間に渡って停止され、その後、コンプレッサが再始動される。溢れたコンプレッサ状態は、吸込過熱、吐出過熱および吸込圧力が、全て、コンプレッサ始動後の指定された時間期間に渡って指定された動作パラメータ内であるかどうかを確認することによって決定される。上記のように、このデバイスは、コンプレッサモデル毎に広範な試験を必要とする。

特許文献５は、コンプレッサの始動に先立って十分なオイルおよび過剰な冷媒が存在するかどうかを決定するための、コンプレッサのオイルサンプにおいて検出される２つの液体レベル、および必要に応じて講じられる適切なステップについて記述している。しかしながら、監視対象は、クランクケース内のオイル量のみである。

特許文献６は、一体型マイクロプロセッサに幾つかの冷媒の蒸気圧／温度モデルを記憶し、適切な冷媒を選択し、所望されるシステム温度および圧力を観察し、選択される冷媒の飽和温度を計算し、かつ観測される温度から計算される温度を差し引くための装置および方法を規定している。欠点は、精密なセンサが必要であること、冷媒毎に表入力が必要であること、フラッディングの検出場所がコンプレッサ入口であること、およびクランクケースヒータの誤動作の保護を同時に提供しないこと、にある。これは、コンプレッサの始動時に監視をバイパスするためのタイマを必要とする。

特許文献１。吸込過熱を含む多くの動作パラメータを観察することにより、そのパラメータの許容範囲を確立し、かつ観察されたパラメータのうちの１つ以上が予め確立された限界を外れている場合にコンプレッサを停止させる。この開示は、一連のデータポイントの記憶と「傾向」の提示を示唆しているが、観察される傾向に対して特定の措置を講じることを示唆するものではなく、具体的に、任意の特定の速度関数に対して講じられる即時的措置を示唆するものでもない。欠点は、精密なセンサが必要であること、冷媒毎に表を入力する必要であること、フラッディングの検出場所がコンプレッサ入口であること、およびクランクケースヒータの誤動作の保護を同時に提供しないこと、にある。これは、コンプレッサの始動時に監視をバイパスするためのタイマを必要とする。

全ての既存システムの欠点は、その複雑さにある。これらは、液体冷媒のフラッディング、コンプレッサクランクケースヒータの誤動作および過度の過熱に対する同時的なコンプレッサ保護に直接対処するものではない。これらの使用は、明らかに、そのコスト高によって、大型で高価なコンプレッサに限定される。

ＵＳ５２０９０７６ ＵＳ６５７８３７３ ＵＳ９１９４３９３Ｂ２ ＵＳ６５３９７３４Ｂ１ ＵＳ２００４０１９４４８５Ａ１ ＵＳ５，６６６，８１５

Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｃ０８４）「Ｔｈｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｌｕｇｇｉｎｇ Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｉｎ Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ ｖｉａ Ｐｏｗｅｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ」Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｐｕｒｄｕｅ，Ｊｕｌｙ １７−２０，２００６

本発明の目的は、液体冷媒のフラッディング、コンプレッサクランクケースヒータの誤動作および過度の過熱に対して冷却システムを制御しかつ保護するための高信頼性かつ低コストのデバイスを提供することにある。

本発明は、以下のように配置される２つの温度センサから成る。
−圧縮直前の温度を測定する、下流温度センサと称される温度センサ。
−吸込ラインにおける温度を測定する、上流温度センサと称される別の温度センサ。
−２つのセンサ間の温度差を測定し、この温度差が所定の、または想定された温度差まで降下すると、コンプレッサを停止するデバイス。

コンプレッサが作動していないとき、またはクランクケースヒータが焼損しているか、もしくは誤動作している場合、（クランクケースヒータの近くに設置された）下流温度センサは、（コンプレッサの吸込ライン上に設置された）上流温度センサと同じ温度になる。故に、２つのセンサ間に温度差がない場合に、デバイスは、コンプレッサの運転を防止する。

コンプレッサの運転前に、通常推奨されているような所定の時間に渡るクランクケースヒータの通電が行われていない場合にも、デバイスは、下流温度センサと上流温度センサとの温度差が１０℃以上でない限り、コンプレッサの運転を防止する。温度差の設定は、ヒータの熱出力およびコンプレッサ周りの周囲温度に依存する。

本発明によるデバイスは、アラーム、２桁過熱温度デジタルディスプレイ、正常運転状態インジケータ、除霜サイクル起動リレーも含み得る。

本発明によるデバイスには、上述の２つのセンサの温度差を監視することによって電気膨張弁を制御するためのＰＩＤ調整器が統合されてもよい。

定義

「コンプレッサ」という用語は、単独または組合せにより、遠心式、往復式、スクロール式、スクリュー式、回転式といったあらゆる種類の冷却コンプレッサを意味する。

「下流温度センサ」という用語は、単独または組合せにより、また「上流温度センサ」と共に、コンプレッサ本体に、またはウェル内に固定されてクランクケースヒータの近くに設置されるセンサを意味する。

「上流温度センサ」という用語は、単独または組合せにより、また「下流温度センサ」と共にコンプレッサ本体に、またはウェル内に固定されてピストン吸込ガス入口近くのコンプレッサ吸込側に、便宜上設置されるセンサを意味する。しかしながら、最良の結果を得るために、また、開放型コンプレッサの場合、これは、図３に示すように吸込熱交換器よりも前に設置され得る。

「クランクケースヒータ」または「オイルヒータ」という用語は、単独または組合せにより、主として冷媒がオイル内で希釈されることを防止するための、コンプレッサのオイルサンプ（油だめ）における電気抵抗を意味する。

「差動サーモスタット」という用語は、単独または組合せにより、２つの温度センサを有するデバイスを意味する。

「液体フラッドバック」という用語は、単独または組合せにより、完全に乾いた状態の冷媒ガスのみがコンプレッサに入るべきところで、液体冷媒がコンプレッサへ戻される状態を意味する。

「吸込ガス熱交換器」という用語は、単独または組合せにより、液体フラッドバックを最小限に抑えかつシステム性能を向上させるために使用されるデバイスを意味する。

「熱膨張弁」という用語は、単独または組合せにより、冷却および空調システムにおいて、蒸発器への冷媒流量を制御して蒸発器出口における過熱を制御する構成要素を意味する。

「正常運転状態」という用語は、冷却システムが設計された蒸発圧力および設計された凝縮圧力で冷却システムが作動しているときの状態を意味する。

（ＮＴＤ）と称される「正常運転温度差」という用語は、冷却システムの正常運転状態において測定される、上流温度センサと下流温度センサとの温度差を意味する。この温度差は、冷却またはヒートポンプシステムを作動させ、温度および圧力がシステムの動作点で安定するまで待つことにより、記録することができる。

（ＵＴＤ）と称される「安全でない温度差」という用語は、コンプレッサを稼動させ続けるためにかろうじて安全であるとされる最小温度差を意味する。理論上、この温度は、ゼロであるが、実際には、少なくともセンサおよびコンパレータ（比較器）の最大誤差より大きいものであるべきである。低温で作動する半密閉型および密閉型コンプレッサの場合、この設定は、圧縮後のガスの排気温度を最低にするために、約１０度に設定され得る。

（ＤＴＴＤ）と称される「除霜起動温度差」という用語は、空気の流れまたは冷却される冷却媒体の流れを制限することにより蒸発器の容量を減少させる量の氷を蒸発器が蓄積すると到達する温度差を意味する。この設定値を見つける１つの方法は、蒸発器に蓄積される霜の量を目視して、その量が過剰と考えられるときの温度差を記録することである。空気対空気ヒートポンプでは、これは、氷が空気の流れを制限しているときに到達される。

（ＡＴＤ）と称される「アラーム温度差」という用語は、（ＤＴＴＤ）と（ＵＴＤ）との間で設定される最小温度差を意味する。

（ＯＴＤ）と称される「過熱温度差」は、正常温度差より大きい温度差であって、排気ガス温度が機械の長期的故障またはオイル分解を引き起こすのに十分高いと考えられる温度差を意味する。これは、凝縮温度を上昇させ、同時に蒸発をその許容限界まで減少させることによって記録され得る。この状態は、通常使用において最高の排気温度状態を生成する。

（ＭＴＢＤ）と称される「２つの除霜サイクル間の最小時間」という用語は、２つの除霜サイクルの間で最小と考えられる時間を意味する。概して、冷蔵倉庫および冷凍室の場合、これは、数時間であり、空気対空気ヒートポンプでは、１時間未満であり得る。本発明では、このパラメータを用いて、２つの連続する除霜サイクルを防止する。

「正常温度差」の段落で定義した（ＮＴＤ）の追加の定義には、冷却システムの安全な作動範囲である、（ＤＴＴＤ）と（ＯＴＤ）との間の温度差範囲という意味がある。

（ＴＳＬＤ）と称される「最終除霜サイクルからの時間」という用語は、最後の除霜サイクルの終了から経過した時間を意味する。これは、除霜信号の終了時点で算出される。

（ＤＴ）と称される「温度差」という用語は、本発明によるデバイスにより測定される、上流温度センサと下流温度センサとの温度差を意味する。これは、蒸発器の過熱または総過熱とは区別されるべき、２つのセンサ間の過熱の尺度である。

「ＭＴＤＣ」と称される「クランクケースヒータの最小温度差」という用語は、コンプレッサを始動できるようにするために、本発明によるデバイスにより検出されるべき上流および下流センサ間の最小温度差を意味する。この温度差は、２つのセンサの位置に依存し、一般的な値は、摂氏１５度であり得る。これは、クランクケースのオイルヒータが通電されていて、コンプレッサが最も冷たい周囲温度にある間の、コンプレッサが少なくとも１時間はオフであるときに測定されるべきものである。

（ＥＨＴ）と称される「余分な加熱時間」という用語は、（ＤＴ）が（ＭＴＤＣ）値に達した後にコンプレッサを始動させるための時間遅延を意味する。この遅延は、オイル内で希釈された冷媒が完全に蒸発されたことを保証するために、数秒から１時間まで変わり得る。

（ＤＢＣＰ）と称される「パラメータチェックまでの遅延」という用語は、本発明によるデバイスによって、（ＵＴＤ）パラメータを除くパラメータのチェックを開始するための時間遅延を意味する。（ＵＴＤ）は、コンプレッサが始動するとチェックされ、遅延の対象ではない。（ＤＢＣＰ）時間遅延は、コンプレッサがその定常状態温度に達していることを保証するために使用される。この時間遅延は、システム構成に従って数秒から数分まで設定することができる。これは、冷却システムを稼働しかつ全てのパラメータが安定するまで待つことによって取得することができる。

（ＵＯＴＤ）と称される「安全でない過熱温度差」という用語は、吐出温度が許容可能な最大値に近い場合に到達される温度差を意味する。概して、この温度は、低温がその設計された最小値にありかつ凝縮温度がその設計された最大値にある特定の冷却システムに対して設定される。

（ＰＩＤ）という用語は、産業用制御システムにおいて通常使用される制御ループフィードバック機構（コントローラ）である。（ＰＩＤ）コントローラは、誤差値を、所望される設定値と測定されたプロセス変数との差として継続的に算出する。

以下、明細書本文、特許請求の範囲および図面を参照して、本発明の様々な特徴およびその達成方法をより詳細に説明する。諸図を通じて、適切であれば、参照数字を再使用して、参照するアイテム間の対応づけを示す。

半密閉型コンプレッサにおけるセンサの便利な位置を示す。上流温度センサは、好ましくは、コンプレッサから可能な限り離れて、吸込ライン上に設置され、同時に、好ましくはコンプレッサと同じ周囲温度内に存在する。半密閉型コンプレッサが吸込ガス熱交換器を装備している場合、上流温度センサは、好ましくは、吸込ガス熱交換器の上流に設置される。 密閉型コンプレッサにおけるセンサの便利な位置を示す。上流温度センサは、コンプレッサから可能な限り離れて、吸込ライン上に設置され、同時に、好ましくはコンプレッサと同じ周囲温度内に存在する。 吸込ガス熱交換器を用いる開放型コンプレッサにおけるセンサの位置を示す。 吸込ライン上に設置されるべく予め配線されている、クランクケースおよびクランクケースヒータのないコンプレッサ（すなわち、開放型スクリューコンプレッサ）用の吸込ガス熱交換器を示す。 本発明のデバイスへ連結され、かつ熱源をシミュレートするための、２つのセンサおよび小型ヒータを備える小型バイパスを示す。この設定は、特に、吸込ガス熱交換器の使用が推奨されない開放型コンプレッサに使用されるものである。ガス流の一部のみが加熱される。入口の位置は、液滴を遠心分離によって効果的に回収するために、エルボの後にすることが推奨される。ヒータは、２０ワット以下の電気抵抗であり得る。その電力は、分流されたガスを最大１５℃だけ加熱するように算出され得る。 本発明の明細書で用いるパラメータの定義およびグラフ表示を示す。 本発明の制御アルゴリズムの一例を示す。これは、コントローラプログラムにおいて使用される幾つかの変数の定義、および正常運転温度差と比較したそのシーケンスを示している。 Ｂｉｔｚｅｒ社製半密閉型コンプレッサの性能表を示す。本表は、Ｂｉｔｚｅｒ社選択ソフトウェアにより生成されたものである。ＤＴは、電動機を通る冷媒ガスの温度上昇である。 ８０％効率の電動機による温度差を示す。

本発明は、単に例示として行なう以下の説明によってさらに理解されるであろう。本発明は、例えば図１、図２または図３に示すように配置された２つのセンサから成る。

−圧縮直前の温度を測定する、下流温度センサと称される温度センサ。
−吸込ラインにおける温度を測定する、上流温度センサと称される別の温度センサ。
−２つのセンサ間の温度差（ＤＴ）を監視し、温度差が既定の設定値（ＵＴＤ）まで降下すると、コンプレッサを停止するデバイス。

冷媒ガスの温度差の監視は、ガスが流れるときに行われる。
−半密閉型または密閉型コンプレッサの場合、温度差（ＤＴ）の監視は、冷媒ガスがコンプレッサの電動機を通ってかつコンプレッサケーシングの内部を通る際に行われる。コンプレッサがガス熱交換器を装備している場合、監視は、これらの双方を通して行われる。
−開放型コンプレッサの場合、温度差（ＤＴ）の監視は、吸込ガス熱交換器を通して行われる。

上述の２つのケースにおいて、正常運転における２つのセンサ間の温度上昇は、密閉型および半密閉型コンプレッサで３５℃を超え（図８および図１１参照）、吸込ガス熱交換器で１０℃を超え得る（図１２参照）。この温度上昇は、システムの動作範囲、電動機効率および冷却成分の選択に依存する。

コンプレッサへの液体フラッドバックの場合、２つのセンサ間の温度差（ＤＴ）は、ゼロまで降下する。これは、ガス流へ加えられる熱は、ガスを加熱する代わりに液滴を蒸発させる、という事実に起因する。ガス流内に液滴が存在する限り、ガス温度は、２つのセンサ間で上昇しない。所望の乾燥した冷媒ガス状態と液体のフラッドバック状態（すなわち、コンプレッサへの非蒸発液体を含む湿った冷媒ガス状態）との間で生じる、３０℃以上にもなるこの実質的な温度変化は、２つの状態間の劇的な温度変化に起因して容易に検出可能である。

全ての実施形態は、共通して、好ましくはシステムに固有の実質的な熱源により分離される２つのセンサを有する。温度差（ＤＴ）は、本発明によるデバイスにより、下流センサにおけるガスの飽和状態を検出するために監視される。このセンサは、コンプレッサの内部吸込ポートの近くに設置される。

第１の実施形態は、温度差（ＤＴ）が（ＵＴＤ）値まで降下するとコンプレッサを停止させるリレーを含む、１つの温度差レベルを有するデバイスから成る。これは、最も単純な実施形態である。

第２の実施形態は、温度差（ＤＴ）が（ＡＴＤ）値まで降下するとアラームを送信するリレーを含む、第２の温度差レベルを追加する。

第３の実施形態は、温度差（ＤＴ）が（ＯＴＤ）値に到達するとアラームを送信するリレーを含む、第３の温度差レベルを追加する。この過剰な過熱は、概して、低冷媒注入、熱膨張弁の誤動作または冷媒回路の任意の制限を示す可能性もある。

第４の実施形態は、温度差（ＤＴ）が（ＤＴＴＤ）値へ到達すると除霜サイクルを開始するリレーを含む、第４の温度差レベルを追加する。この実施形態は、冷却システムおよびヒートポンプシステムにおいて有用である。

第５の実施形態は、温度差（ＤＴ）が（ＤＴＴＤ）値と（ＯＴＤ）値との間にあるとコンプレッサの安全動作を伝達するリレーを含む、第５の温度差レベルを追加する。

第６の実施形態は、温度差（ＤＴ）が（ＵＯＴＤ）へ到達するとコンプレッサを停止するリレーを含む、第６の温度差レベルを追加する。

クランクケースおよびオイルヒータを備える開放型コンプレッサについては、図３を参照されたい。本発明によるものと同じデバイスを使用できるようにするためには、電動機により放散される熱に代わる加熱源が必要である。通常、吸込ガス熱交換器は、運転設計状態において、吸込ガス温度を少なくとも５℃上昇させることができる。図１３および図１２を参照されたい。

（外部オイルセパレータおよびオイルタンクおよび外部オイルヒータを備える開放型スクリューコンプレッサのような）クランクケースのない開放型コンプレッサの場合、一端部に下流温度センサおよび小型ヒータ、他端部に上流温度センサを備える、予め配線された吸込ガス熱交換器を使用することができる。図４を参照されたい。この小型ヒータは、コンプレッサを始動できるようにするために必要な温度差を提供する。これは、最終的には、本発明によるデバイスに埋め込まれるコントローラを所定の時間（ＤＢＣＰ、コンプレッサの始動後に、２つのセンサ間の温度がその正常運転値に達することを保証するための時間）の間バイパスするためのタイマによって置換されることが可能である。タイマは、潤滑不良の場合に冷却コンプレッサを保護するためのオイルディファレンシャルコントローラ（オイル差動式コントローラ）において使用されるものと同じ機能を有する。ヒータの選択肢は、タイマより良い結果をもたらす、なぜなら、コンプレッサへの液体フラッドバックが存在する場合、温度が急速に降下してコントローラが遅滞なくコンプレッサを停止させるからである。タイマが使用される場合、コントローラは、タイマの終了まで待ってコンプレッサを停止しなければならない。

この実施形態は、吸込ガス熱交換器の使用に起因する追加の過熱が推奨されない冷却システム（すなわち、車の冷却システム）に使用することが可能である。車のコンプレッサは、高い蒸発および凝縮温度にさらされる。この制限を克服するために、主吸込ガス管に並行してバイパスを設置することができる。図５を参照されたい。これは、フルフロー吸込ガス熱交換器と比較して過熱を低下させ、本発明の実施形態の使用が可能になる。上述のように始動タイマの使用を回避するのに十分な温度差を生成するために、下流センサの隣に電気抵抗が設置されることに留意されたい。

コンプレッサを停止させる第１の実施形態を除く上述の全ての実施形態で、各実施形態に１つのタイマを、または全ての実施形態に１つの汎用タイマを追加することが好ましい。このタイマの目的は、温度差（ＤＴ）の監視を中断するために、コンプレッサ始動後に遅延を提供することにある。これにより、システムが正常運転状態で稼働しているときに、他の全ての実施形態で監視が始まることが保証される。各タイマは、冷却システムの構成に依存して、数秒から数分まで調整可能であり得る。これは、シーメンス社製Ｌｏｇｏ８シリーズ等のマイクロコントローラの使用することにより、極めて簡単に実行できる。図７を参照されたい。このアルゴリズムでは、１つの汎用タイマが使用される。

より高度なコントローラ応答の例は、次の通りである。
−温度差（ＤＴ）がコンプレッサ遮断の設定温度（ＵＴＤ）に達していないが、温度が高速（例えば、毎秒１度）で低下している場合、コンプレッサを停止する。
−温度差（ＤＴ）が（ＵＴＤ）の近くで長時間（例えば、設定温度よりも５％高い温度において５分間）持続していれば、コンプレッサを停止する。

これは、シーメンス社製Ｌｏｇｏ８シリーズ等のマイクロコントローラ、またはデバイスに内蔵されるＯＥＭマイクロコントローラを用いて容易にプログラムすることが可能である。これらのパラメータは全て、特定の冷却範囲内で動作する特定のコンプレッサモデル用に調整可能である。

図４に示すクランクケースのないコンプレッサ用の吸込ガス熱交換器のセットアップには、単一の蒸発器システム内の膨張弁を制御するための付加的な実施形態を包含することができる。本発明によるデバイスには、２つのセンサの間の温度差を（ＮＴＤ）（本デバイスにわたる正常温度差）に近い値に維持することにより膨張弁を制御するために、２つの同じ温度センサを用いる（ＰＩＤ）回路を追加することができる。

吸込熱交換器を横切るガス流の極めて低い圧力降下は、膨張弁の制御に関して、蒸発器入口および蒸発器出口に各々１つ存在する２つの熱センサを用いる、蒸発器を横切る過熱の測定よりも良好な結果をもたらす。蒸発器を横切る大きい圧力降下は、蒸発器過熱の読取り精度を低下させる。

これは、電気膨張弁を制御すべく蒸発器を横切る過熱を正確に決定するために、圧力センサが通常、蒸発器出口における温度センサの近くで使用されるか、または機械的な熱膨張弁の場合には均圧管ラインが使用される、理由である。

上述の実施形態は全て、単一の電源と、２つのアナログ入力を有するマイクロコントローラであって、各熱センサ用の入力と、選択される実施形態用の多出力のための入力との２つのアナログ入力を有するマイクロコントローラと、を備える１つのデバイスに統合されることが可能である。また、本デバイスには、温度差（ＤＴ）を表示する２桁ＬＥＤディスプレイも取り付けることができる。マイクロコントローラによって、一連の全てのパラメータおよびアラーム状態を示すように、より高度な表示をプログラムすることができる。また、全ての最後のイベントのログも、タイムスタンプ付きでスクロールまたはダウンロードすることができる。

図７は、提案する発明の制御アルゴリズムの一例を示す。プログラマブルコントローラは、まず、コンプレッサがオフであるかどうかをチェックする。この場合、本発明によるデバイスは、温度差（ＤＴ）（測定された温度差）が（ＭＴＤＣ）（コンプレッサが稼働していないとき、運転中のクランクケースヒータが２つのセンサ間にもたらすべき最小温度差）より高いかどうかをチェックする。

温度差（ＤＴ）が（ＭＴＤＣ）以下であれば、モータを停止させるためのリレーが、所定時間、すなわち１０分間に渡ってそのオフポジションに保持される。（ＤＴ）が（ＭＴＤＣ）より大きければ、コントローラプログラムは、プログラム開始へと指令される。

コンプレッサが始動していれば、コントローラは、直ちに温度差（ＤＴ）が（ＵＴＤ）より大きいかどうかのチェックを開始し、大きくなければ、コントローラは、直ちにコンプレッサを所定の時間、すなわち５分間に渡って停止する。（ＤＴ）が（ＵＴＤ）より大きければ、コントローラは、（ＤＢＣＰ）遅延タイマを開始し、かつこのタイマが終了するのを待つ。一方で、コントローラは、（ＤＴ）＞（ＵＴＤ）であるかどうかのチェックを続ける。

（ＤＢＣＰ）タイマが終了すると、コントローラは、（ＤＴ）が（ＯＴＤ）より大きいかどうかをチェックし、大きければ、コントローラは、高過熱アラームを信号出力し、かつ必要に応じて、モータを停止することもできる。（ＤＴ）が（ＯＴＤ）より小さければ、コントローラは、（ＤＴ）が（ＤＴＴＤ）（除霜トリガ温度差）より大きいかどうかをチェックする。（ＴＤＴ）が（ＯＴＤ）より小さい場合、コントローラは、システムが正常に動作していることを示す。

温度差（ＤＴ）が（ＤＴＴＤ）より小さければ、コントローラは、（ＤＴ）が（ＡＴＤ）（アラーム温度差）より大きいかどうかをチェックし、大きければ、（ＴＳＬＤ）（最終除霜からの時間）が（ＭＴＢＤ）（連続する２つの除霜サイクル間の最小時間）より大きいかどうかをチェックし、大きければ、新しい除霜サイクルを起動する。

温度差（ＤＴ）が（ＡＴＤ）（アラーム温度差）より小さければ、コントローラは、（ＤＴ）が（危険なほど低い過熱を示す）（ＵＴＤ）より大きいかどうかをチェックする。大きければ、コントローラは、危険なほど低い過熱を示すアラームを起動する。大きくなければ、コントローラは、コンプレッサを停止する。

全てのパラメータは、コンプレッサのタイプ、動作範囲および温度センサの位置に依存して調整可能である。温度差（ＤＴ）は、上流温度センサにより測定される流入ガス温度の関数として設定することができる。パラメータの設定をより容易にするために、本発明によるデバイスには、測定された温度差を示すための２桁ディスプレイを追加することができる。冷却システムがその正常運転状態に達すると、その温度は、記録され、かつ図６の凡例に示すような全ての設定値の設定に使用され得る。

先の段落で定義したような異なる温度（ＵＴＤ）、（ＤＴＴＤ）、（ＡＴＤ）の設定値を調整する近道は、各設定間のギャップを最大にするために、（ＮＴＤ）を等しい４つの部分に分けることである。（ＵＴＤ）は、（ＮＴＤ）値の２５％に、（ＡＴＤ）は、（ＮＴＤ）値の５０％に、（ＤＴＴＤ）は、（ＮＴＤ）値の７５％に設定することができる。

冷却システムが除霜サイクル用に装備されない場合、（ＮＴＤ）は、等しい３つの部分に分けることができる。（ＵＴＤ）は、（ＮＴＤ）の３３％に、（ＡＴＤ）は、（ＮＴＤ）の６６％に設定することができる。

同じ論理により、（ＯＴＤ）は、（ＮＴＤ）値の１２５％に設定することができ、（ＵＯＴＤ）は、（ＮＴＤ）値の１５０％に設定することができる。

システム観測によって、これらのパーセント値は、製造業者により、先の段落で説明したような設定推奨事項に従って微調整されてもよい。

さらに、（ＵＴＤ）および（ＵＯＴＤ）は、対応するアラーム（ＡＴＤ）および（ＯＴＤ）が５分間持続すればコンプレッサを停止するタイマで置換することができる。

図８は、異なる電動機効率を備える半密閉型コンプレッサを用いた、異なる範囲（空調、冷蔵庫、冷凍庫）で論考した全てのパラメータ設定を纏めたものである。最適なパフォーマンスのためには、なおも冷却マシンのベンチテストによってこれらの値をチェックすべきである。

大型コンプレッサの調整をより良くするためには、（空調範囲、冷蔵庫範囲または冷凍室範囲）と等価であるコンプレッサの動作範囲（高圧、中圧または低圧）を規定する吸込圧力に従って設定値を変更するために、低精度の圧力センサを追加することができる。

使用するセンサが温度センサであるか、圧力センサであるかに関わらず、何れの場合も、その主たる機能は、コンプレッサが、高い温度差が予想される冷凍室範囲で動作しているか、中程度の温度差が予想される冷蔵庫範囲で動作しているか、最小の温度差が予想される空調範囲で動作しているかを検出することにある。

いずれの場合も、全ての設定値は、設計温度で動作する冷却システムの実際の測定値に基づくものであるべきである。

温度差は、特に密閉型コンプレッサの場合、ガス流通路およびコンプレッサの内部構造に起因して予測が困難である。各コンプレッサモデルは、正常運転状態で試験されるべきであり、正常運転温度差が記録されるべきである。

さらに、特に下流温度センサが工場出荷時にピストン入口弁の近くに設置済みであり得る密閉型コンプレッサでは、コンプレッサ上のセンサの位置も、コンプレッサモデルに依存して最適化することができる。

信頼性の高い非ドリフト測定システムを得るために、温度差は、１つのホイートストンブリッジ構成で接続される２つの温度センサにより、または直列に接続される２つの熱電対を用いて測定されることが可能である。

先行技術と比較した利点

全ての熱生成コンポーネント（すなわち、密閉型および半密閉型コンプレッサの場合の電動機、密閉型コンプレッサの場合のピストン本体、および開放型コンプレッサの場合の吸込ガス熱交換器）の下流の冷媒ガスにおける液体を検出することによる、液体のフラッディングの防止。これらの熱生成コンポーネントは全て、大量の液体を蒸発させることができ、ガス流内にさほど液体がない場合にコンプレッサを保護する。これは、コンプレッサの上流のガス状態をチェックするシステムと比較して、重要でない頻繁なコンプレッサの停止を防止する。

１つのコンパレータと１つのリレーとを備える２つの温度センサから成るデバイスによる、液体フラッドバックの簡単かつ正確な検出。高度な電子機器および起動タイマは、不要である。非常に低コストであり得ることから、最も安価な小型コンプレッサにも設置することができる。

主たる測定は、２つの熱電対または単一のホイートストンブリッジに設置される任意の２つの熱センサを用いることによる、示差的な測定である。示差測定は、時間によるドリフトを生じにくい。

圧力センサおよび温度センサを用いて冷媒ガスの過熱が測定される場合、圧力センサは、時間によるドリフトなしに、０．１バールの精度で測定可能であるべきであり、しかも２０バールまでの圧力および−４０〜＋２０℃の可変温度に耐えることが可能であるべきである。全誤差は、圧力センサから生じる誤差、温度測定から生じる誤差および圧力温度飽和表または圧力温度飽和関数から生じる誤差の合計である。

定期的較正は不要。本発明によるデバイスにおいて、主たる温度測定は、時間に対して極めて安定していることが知られている温度差である。

高価な温度センサ、または高価な電子コンパレータは不要。測定における摂氏１度または２度の誤差は、デバイスの保護機能の有効性を減じない。

本発明によるデバイスは、冷媒飽和圧力−温度表または冷媒飽和圧力−温度関数を入力する必要なしに、異なる冷媒により動作する。これは、温度差（ＤＴ）がゼロであれば、飽和状態が示される、という事実に起因する。これは、単一成分であれ、混合物であれ、あらゆる冷媒について当てはまる。

本発明によるデバイスは、クランクケースヒータが故障している場合にコンプレッサが作動することを防止する。ある保護デバイスは、その最も単純な実施形態においてでさえも、コンプレッサへの液体の戻り、およびクランクケースヒータの故障からコンプレッサを保護する。２つのセンサを慎重に設置することにより、かつクランクケースヒータの故障によりコンプレッサが作動していないときに２つのセンサ間に温度差がない場合、本デバイスは、コンプレッサの運転を防止する。

トラファグ（Ｔｒａｆａｇ）製ＤＴＳ３９１に使用されている機械的機構のような機械的差動サーモスタットを使用し、かつこれをコンプレッサ内部に埋め込むことも可能である。この場合、デバイスを作動させるための電力は、不要である。これは、電動機コイルを保護するためにほとんどのコンプレッサに設置される機械的熱保護に類似するものであり、一部の単相コンプレッサにおいて、電気接点は、電動機コイルと直列であって、全てがコンプレッサ内部に配線される。

本発明によるデバイスは、氷の蓄積結果を監視していることから、除霜サイクルを遙かに効率的に起動するために使用することができる。通常、除霜サイクルは、下記のように起動される。
−システム状態とは無関係に、クロック（時計）による。この場合、多くの除霜サイクルは早期に起動されるか、または起動されるのが遅すぎる。クロックまたは固定タイマは、冷蔵庫および冷凍室において高頻度で使用される。
−必ずしも除霜サイクル開始の目印（兆候）ではない低圧に基づく低蒸発圧力圧力スイッチ（ｐｒｅｓｓｏｓｔａｔ）による。低圧は、蒸発器を介する低い流体温度、または少ない冷媒注入に起因する可能性があるからである。
−氷の厚さコントローラによる。氷の厚さは、不均一である可能性もあり、氷の厚さは、除霜サイクルを起動する誤った目印（兆候）となり得ることが分かっている。

本発明によるデバイスは、過剰な過熱状態を検出することができ、かつアラームを送信する、または必要に応じてコンプレッサを停止することもできる。コンプレッサの停止は、アラームの設定値より高い過熱状態で設定することができ、または、アラーム状態が、ある所定時間（すなわち、５分）を超えて持続する場合タイマを用いることによって設定することができる。

これは、ほぼ全てのコンプレッサにおいて固定設定で設置される、吐出温度およびモータ巻線温度の保護に対する追加的な保護である。設定は、コンプレッサ吐出弁、冷媒オイルまたは電動機巻線のいずれかが許容できる最高温度で固定される。本発明によるデバイスにおいて、（ＯＴＤ）値は、冷却システムの設計された動作温度に従って調整される。ほとんどの場合、冷却システムの設計された動作温度は、コンプレッサの最高動作温度より低い。システムの設計された動作温度のパラメータの使用は、アラームを送信する機会、または、吐出弁もしくは電動機巻線において過剰温度に達する前に、コンプレッサを停止する機会さえも与える。例えば、同じ半密閉型コンプレッサを、冷凍システムおよびチラーシステムにおいて使用することができる。吐出温度および電動機巻線保護は、製造業者により、冷凍庫の動作温度、概して１２０℃超、に設定される。コンプレッサがチラーとして使用される場合、吐出温度を、１００℃未満に設定することが可能であり、温度が１００℃を超える場合、これは、システムに何らかの問題があることを意味し、システムは、チェックされるべきである。

本発明によるデバイスは、コンプレッサ、特に密閉型および半密閉型コンプレッサ、の低い温度範囲を拡大することができる。コンプレッサが低い蒸発温度で、ひいては低い蒸発圧力および低減された冷媒質量の流れ（電動機を冷却するため）で動作しているとき、高い過熱が吐出温度および電動機巻線温度を危険なほどに高める。ピストンの入口弁近くの過熱を制御することによって、過熱を最小限に抑えることができる。低い過熱は、吐出温度および電動機巻線温度を下げる。この特徴の利益を得るために、膨張弁を制御するためのＰＩＤを備える実施形態が利用されるべきである。

産業上の用途

本発明は、主として冷却およびヒートポンプシステムにおいて使用することができる。冷却システムの例は、次の通りである。
−冷蔵庫
−スプリットシステムの空調、冷房およびヒートポンプ
−チラー
−冷蔵倉庫および冷凍室
−ブラストクーラおよびブラストフリーザ
−ウォータークーラおよび製氷機
−カーエアコンシステム

説明した本発明の特定の実施形態が、本発明の原理の所定の用途を単に例示するものであることは、理解されるべきである。本明細書に記述されている本発明の計装および方法に対しては、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、多くの変更が行われてもよい。

Claims (9)

1. 電動機通過後で圧縮直前の温度を測定するセンサと、コンプレッサ入口の吸込弁における温度を測定する別のセンサと、前記２つのセンサ間の温度差（ＤＴ）を測定するデバイスとを備える、密閉型および半密閉型コンプレッサの冷却システム保護デバイスであって、ａ）前記温度の検出は、前記電動機によって大きく（摂氏１５〜３５度）加熱された後に実行され、ｂ）冷媒液体の存在の検出は、前記冷媒が前記電動機を通過した後にチェックされ、前記電動機では、この通過中に大量の液体冷媒が蒸発され得、よって誤ったアラームが排除され、ｃ）両方のセンサは、コンプレッサの製造業者によって前記コンプレッサの本体内に設置され、工場において予め配線されかつ試験されることが可能であり、ｄ）前記コンプレッサを始動する前に、クランクケースヒータが必要な温度差（ＤＴ）を提供し、始動タイマが不要であり、ｅ）この温度差（ＤＴ）が存在しなければ、始動遅延タイマを必要とすることなく、欠陥のあるクランクケースヒータを検出でき、前記デバイスは、欠陥のあるオイルヒータもしくは前記電動機を超える液体冷媒の存在に起因する前記コンプレッサの停止等の１つまたは複数の機能を実行するための、またはアラーム、除霜サイクル、もしくは過熱アラームを起動するための、１つまたは複数の信号を生成することに適する、前記システムが安全に稼働していることを示す信号を生成することに適する、または、電気膨張弁を制御することに適する、ことを特徴とする冷却システム保護デバイス。
2. 前記温度差（ＤＴ）が正常運転温度差（ＮＴＤ）の２５％未満である場合、かつ好ましくは、前記温度差（ＤＴ）が安全でない温度差（ＵＴＤ）より小さい場合に、前記コンプレッサを停止させる信号を生成することに適する、請求項１に記載の冷却システム保護デバイス。
3. 前記温度差（ＤＴ）が前記正常運転温度差（ＮＴＤ）の２５％〜５０％の範囲内である場合、かつ好ましくは、前記温度差（ＤＴ）がアラーム温度差（ＡＴＤ）と安全でない温度差（ＵＴＤ）との間である場合に、アラームを起動する信号を生成することに適する、請求項１に記載の冷却システム保護デバイス。
4. 前記温度差（ＤＴ）が前記正常運転温度差（ＮＴＤ）の５０％〜７５％の範囲内である場合、かつ好ましくは、前記温度差（ＤＴ）が除霜起動温度差（ＤＴＴＤ）とアラーム温度差（ＡＴＤ）との間である場合に、除霜サイクルを起動する信号を生成することに適する、請求項１に記載の冷却システム保護デバイス。
5. 前記温度差（ＤＴ）が前記正常運転温度差（ＮＴＤ）の１２５％〜１５０％の範囲内である場合、かつ好ましくは、前記温度差（ＤＴ）が過熱温度差（ＯＴＤ）と安全でない過熱温度差（ＵＯＴＤ）との間である場合に、過熱アラームを起動する信号を生成することに適する、請求項１に記載の冷却システム保護デバイス。
6. 前記温度差（ＤＴ）が正常運転温度差（ＮＴＤ）の１５０％より大きい場合、かつ好ましくは、前記温度差（ＤＴ）が安全でない過熱温度差（ＵＯＴＤ）より大きい場合に、前記コンプレッサを停止させる信号を生成することに適する、請求項１に記載の冷却システム保護デバイス。
7. 前記温度差（ＤＴ）が前記正常運転温度差（ＮＴＤ）の７５％〜１２５％の範囲内である場合、かつ好ましくは、前記温度差（ＤＴ）が過熱温度差（ＯＴＤ）と除霜起動温度差（ＤＴＴＤ）との間である場合に、前記システムが安全に稼働していることを示す信号を生成することに適する、請求項１に記載の冷却システム保護デバイス。
8. ＰＩＤコントローラと、請求項１〜７のいずれかに記載の冷却システム保護デバイスとを備え、温度差（ＤＴ）を前記正常運転温度差（ＮＴＤ）の近くに維持することによって前記電気膨張弁を制御するためのデバイス。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載のデバイスを備える冷却またはヒートポンプシステム。

Images