| 【発明の名称】 |
冷却システム |
| 【発明者】 |
【氏名】小原 孝一
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| 【要約】 |
【課題】冷媒の充填量を自動的に監視しながら安全に運転できる冷却システムを提供する。
【解決手段】ベーパサイクルを用いて発熱の大きい機器（熱負荷）を冷却する冷却システムにおいて、コンプレッサ３で圧縮した第１伝熱媒体である冷媒ガスを、第１熱交換器１で第２伝熱媒体により冷却し、気液混合の２相流体となった冷媒の温度と圧力をそれぞれ温度センサ２２と圧力センサ２３により検出し、その信号からコントローラ１３によりサブクール量を算出し、サブクール量から充填されている冷媒量を算出し冷媒量を安全運転範囲にあることを自動的に監視できるようにし、安全な運転ができるようにする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】第１伝熱媒体となる冷媒ガスをコンプレッサで断熱圧縮し、高温高圧となったガスを、第１熱交換器に導き、冷却源となる第２伝熱媒体との間で熱交換した後、膨張弁に導き自由膨張させ、寒冷な気液２相状態を得て第２熱交換器に導き、その液相部の気化潜熱により冷却目的となる流体を冷却し、ガスとなってコンプレッサに再入力され循環する第１伝熱媒体循環路を具備してなる冷却システムにおいて、第１熱交換器で冷却された冷媒の温度と圧力を検出する手段と該冷媒ガスの圧力−エンタルピ線図からサブクール量を導出する手段と該サブクール量から冷媒充填量を導出する手段を設けてなる冷却システム。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、航空機、船舶、車両などのベーパサイクルシステムを用いた冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】航空機搭載電子機器は、小型軽量化が求められ、たとえばレーダ装置などの様に大きな電力を消費するにもかかわらずコンパクトな設計がされる結果、熱負荷となるこれら機器の発熱部（以下熱負荷という）の冷却が問題となり、冷却システムが必要となる。この種の冷却システムには、冷媒ガスを断熱圧縮し、高温高圧になったガスを冷却して液化し、膨張弁で自由膨張（等エンタルピ変化）させ寒冷な気液２相状態を得て、その液相部の気化潜熱を冷却に用いるベーパーサイクルが一般的に用いられる。図３は従来における冷却システムの構成を示している。図３に示す従来の冷却システムは、第１伝熱媒体循環路６０、第２伝熱媒体流路５０および第３伝熱媒体循環路６６の三つの流体流路で構成されている。それぞれの流体流路の間は熱交換器を介して熱の授受が行われる。すなわち、第１伝熱媒体循環路６０と第２伝熱媒体流路５０は第１熱交換器５１を介して、また第１伝熱媒体循環路６０と第３伝熱媒体循環路６６は第２熱交換器５２を介して熱の授受が行われる。
【０００３】つぎに各伝熱媒体循環路の主な構成を説明する。第１伝熱媒体循環路６０は、冷媒ガス（第１伝熱媒体）例えば代替フロンガスの循環路で、モータ５３Ａで駆動されるコンプレッサ５３、制御弁５６、第１熱交換器（コンデンサ）５１、受留器６７、膨張弁５５、第２熱交換器（エバポレータ）５２が循環路を構成する管路で接続されている。さらに、コンプレッサ５３をバイパスする管路が設けられ制御弁５４が介設されている。またコンプレッサ５３の出口の管路には流量センサ５９、圧力センサ６４が、エバポレータ５２の出口の管路には温度センサ５７、圧力センサ５８が介設されている。第３伝熱媒体循環路６６は伝熱媒体例えばエチレングリコール混合液（第３伝熱媒体）の循環路で、ポンプ６１、第２熱交換器５２および熱負荷６２が循環路を構成する管路で接続されている。また熱負荷の入口の管路には温度センサ６５が介設されている。
【０００４】つぎに本冷却システムの作動について説明する。第１伝熱媒体循環路６０では、第１伝熱媒体となるガスは、モータ５３Ａで駆動されるコンプレッサ５３で断熱圧縮され、高温高圧となったガスは三方弁である制御弁５６を介してコンデンサ５１に導かれ、コンデンサ５１の対向流路である第２伝熱媒体流路５０を流れる第２伝熱媒体（例えばヒートシンクとなる燃料タンクからエンジンに供給される燃料など）との間で熱交換し冷却され、大部分は液化して受留器６７に導かれる。この液化したガスは一旦受留器６７に溜まり受留器６７の下部から液化したガスが抽出されて膨張弁５５に導かれ、膨張弁５５で自由膨張（等エントロピー変化）し、寒冷な気液２相状態の流体（気液２相流体）となる。この気液２相流体はエバポレータ５２に導かれ、エバポレータ５２における第１伝熱媒体の対向流路である第３伝熱媒体循環路６６を循環している第３伝熱媒体（例えばエチレングリコール混合液）との間で熱交換し、液相部の気化潜熱で第３伝熱媒体を冷却し気化する。一方気化した第１伝熱媒体はコンプレッサ５３の入口に入力され再び圧縮されて循環する。第３伝熱媒体循環路６６では、ポンプ６１により第３伝熱媒体が循環されており、前記のとおりエバポレータ５２で冷却された第３伝熱媒体は、熱負荷６２に導かれ熱負荷６２を冷却して再びポンプ６１の入口に戻され循環する。
【０００５】温度センサ６５で検出する第３伝熱媒体の温度が目標値より低く（高く）なったときにはモータ５３Ａの回転速度を下降（上昇）させ、コンプレッサ５３の入口圧力を高く（低く）することによりエバポレータ５２での第１伝熱媒体の流量を減少（増加）させて第３伝熱媒体の温度を上げる（下げる）温度制御がコントローラ６３により行われている。
【０００６】さらに、システムを安定に作動させるため、第１伝熱媒体循環路６０では、コンプレッサ入口の温度センサ５７、圧力センサ５８の信号を用いてコンプレッサ５３に流入する第１伝熱媒体が液状のままで流入しないように膨張弁５５の開度を制御する完全ガス化制御がコントローラ６３で行われている。
【０００７】またコンプレッサ５３に流入する第１伝熱媒体の流量がコンプレッサ入口圧力と出口圧力の比（圧縮比）に依存する一定の値を下回るとサージングが発生し不安定になるため流量センサ５９によるガス流量、コンプレッサ入口の圧力センサ５８、出口の圧力センサ６４によるそれぞれの圧力を検出し、コンプレッサ５３に流入するガスの流量が一定値以下にならないようにコンプレッサ５３をバイパスする管路に介設された制御弁５４の開度を制御するコンプレッササージング防止制御がコントローラ６３で行われている。
【０００８】さらにコンプレッサ５３で圧縮された第１伝熱媒体が第２伝熱媒体によりコンデンサ５１で過度に冷却されるとガスが液化することにより圧力が下がりすぎ、膨張弁５５で必要な寒冷が得られなくなるので、第１伝熱媒体のコンデンサ５１の入口での圧力を圧力センサ６４で検出し、圧力が所定範囲に入るように三方弁５６によりコンデンサ５１をバイパスする第１伝熱媒体の量を調節するコンデンサ圧力の維持制御も前記コントローラ６３で行われている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従来の冷却システムは以上のように構成されているが、従来の冷却システムでは、冷媒量は受留器に内設されるか併設されたサイトグラスにより液面を目視して確認し冷媒量を管理する必要があり、システムの設置場所に制限が生じている。また定期的に冷媒量を確認する作業が必要となる。さらにシステムの一部からの冷媒の漏れなどの異常による冷媒量の減少を検知できない恐れが生じる。本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、システム内に充填された冷媒量と密接に関係するサブクール量に着目し自動的に冷媒量を監視でき安全に運転できる冷却システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【問題を解決するための手段】上記の目的を達成するために本発明の冷却システムは、第１伝熱媒体となる冷媒ガスをコンプレッサで断熱圧縮し、高温高圧となったガスを、第１熱交換器に導き、冷却源となる第２伝熱媒体との間で熱交換した後、膨張弁に導き自由膨張させ、寒冷な気液２相状態を得て第２熱交換器に導き、その液相部の気化潜熱により冷却目的となる流体を冷却し、ガスとなってコンプレッサに再入力され循環する第１伝熱媒体循環路を具備してなる冷却システムにおいて、第１熱交換器で冷却された冷媒の温度と圧力を検出する手段と該冷媒ガスの圧力−エンタルピ線図からサブクール量（飽和温度マイナス冷媒温度）を導出する手段と該サブクール量から冷媒充填量を導出する手段を設け、サブクール量から冷媒の充填量を導き冷媒充填量を自動的に監視し得るようにしたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は、本発明が提供する冷却システムの実施例を示す構成図である。図１に示す本発明の冷却システムの冷却に係わる流路は、第１伝熱媒体循環路１０、第３伝熱媒体循環路１７、第２伝熱媒体流路２０の三つの流体流路で構成されている。それぞれの流体流路の間は熱交換器を介して熱の授受が行われる。すなわち、第１伝熱媒体循環路１０と第２伝熱媒体流路２０は第１熱交換器１を介して、また第１伝熱媒体循環路１０と第３伝熱媒体循環路１７は第２熱交換器２を介して熱の授受が行われる。
【００１２】つぎに各伝熱媒体循環路の主な構成を説明する。第１伝熱媒体循環路１０は、冷媒ガス（第１伝熱媒体）例えば代替フロンガスの循環路で、モータ３Ａで駆動されるコンプレッサ３、制御弁６、第１熱交換器（コンデンサ）１、受留器２１、膨張弁５、第２熱交換器（エバポレータ）２が循環路を構成する管路で接続されている。さらに、コンプレッサ３をバイパスする管路が設けられ制御弁４が介設されている。またコンプレッサ３の出口の管路には流量センサ９、圧力センサ１４が、エバポレータ２の出口の管路には温度センサ７、圧力センサ８が介設されている。さらに、第１熱交換器の出口の管路に温度センサ２２、圧力センサ２３が介設されている。第３伝熱媒体循環路１７は伝熱媒体例えばエチレングリコール混合液（第３伝熱媒体）の循環路で、ポンプ１１、第２熱交換器２および熱負荷１２が循環路を構成する管路で接続されている。また熱負荷の入口の管路には温度センサ１５が介設されている。
【００１３】つぎに本冷却システムの作動について説明する。第１伝熱媒体循環路１０では、第１伝熱媒体となるガスは、モータ３Ａで駆動されるコンプレッサ３で断熱圧縮され、高温高圧となったガスは三方弁である制御弁６を介してコンデンサ１に導かれ、コンデンサ１の対向流路である第２伝熱媒体流路２０を流れる第２伝熱媒体（例えばヒートシンクとなる燃料タンクからエンジンに供給される燃料など）との間で熱交換し冷却され、大部分は液化して受留器２１に導かれる。この液化したガスは一旦受留器２１に溜まり該受留器の下部から液化したガスが抽出されて膨張弁５に導かれ、膨張弁５で自由膨張（等エントロピー変化）し、寒冷な気液２相状態の流体（気液２相流体）となる。この気液２相流体はエバポレータ２に導かれ、エバポレータ２における第１伝熱媒体の対向流路である第３伝熱媒体循環路１７を循環している第３伝熱媒体（例えばエチレングリコール混合液）との間で熱交換し、液相部の気化潜熱で第３伝熱媒体を冷却し気化する。一方気化した第１伝熱媒体はコンプレッサ３の入口に入力され再び圧縮されて循環する。
【００１４】第３伝熱媒体循環路１７では、ポンプ１１により第３伝熱媒体が循環されており、前記のとおりエバポレータ２で冷却された第３伝熱媒体は、熱負荷１２に導かれ熱負荷１２を冷却して再びポンプ１１の入口に戻され循環する。温度センサ１５で検出する第３伝熱媒体の温度が目標値より低く（高く）なったときにはモータ３Ａの回転速度を下降（上昇）させ、コンプレッサ３の入口圧力を高く（低く）することによりエバポレータ２での第１伝熱媒体の流量を減少（増加）させて第３伝熱媒体の温度を上げる（下げる）温度制御がコントローラ１３により行われている。
【００１５】さらに、システムを安定に作動させるため、第１伝熱媒体循環路１０では、コンプレッサ入口の温度センサ７、圧力センサ８の信号を用いてコンプレッサ３に流入する第１伝熱媒体が液状のままで流入しないように膨張弁５の開度を制御する完全ガス化制御がコントローラ１３で行われている。
【００１６】またコンプレッサ３に流入する第１伝熱媒体の流量がコンプレッサ入口圧力と出口圧力の比（圧縮比）に依存する一定の値を下回るとサージングが発生し不安定になるため流量センサ９によるガス流量、コンプレッサ入口の圧力センサ８、出口の圧力センサ１４によるそれぞれの圧力を検出し、コンプレッサ３に流入するガスの流量が一定値以下にならないようにコンプレッサ３をバイパスする管路に介設された制御弁４の開度を制御するコンプレッササージング防止制御がコントローラ１３で行われている。
【００１７】さらにコンプレッサ３で圧縮された第１伝熱媒体が第２伝熱媒体によりコンデンサ１で過度に冷却されるとガスが液化することにより圧力が下がりすぎ、膨張弁５で必要な寒冷が得られなくなるので、第１伝熱媒体のコンデンサ１の入口での圧力を圧力センサ１４で検出し、圧力が所定範囲に入るように三方弁６によりコンデンサ１をバイパスする第１伝熱媒体の量を調節するコンデンサ圧力の維持制御も前記コントローラ１３で行われている。
【００１８】つぎに、冷媒ガスを用いる本冷却システムの冷凍サイクルを、図２の圧力（Ｐ）−エンタルピ（ｈ）線図で説明する。■の状態の冷媒ガスをコンプレッサ３で圧縮して高温高圧の■の状態にする。この状態の冷媒は第１熱交換器１で放熱して（冷却されて）■の状態となり液化し受留器２１に溜まる。液化した冷媒は膨張弁５で自由膨張され低温低圧の気液２相状態の■となり、第２熱交換器２で第３伝熱媒体循環路１７を流れる第３伝熱媒体を冷却し熱をうばって気化し、■の状態に戻る。また図２のＡが冷媒ガスの飽和蒸気線、Ｂが飽和液線である。■−■の変化は放熱でａ、ｂはそれぞれ飽和蒸気温度、飽和液温度であるがａ−ｂ間は等温変化であるのでそれぞれ等しい温度となる。ｂ−■を過冷却度（サブクール量）という。
【００１９】さらに、第１伝熱媒体循環路の第１熱交換器の出口に介設された温度センサ２２と圧力センサ２３により、第１熱交換器１で冷却され気液２相状態となった第１伝熱媒体である冷媒の温度と圧力が検出され、コントローラ１３に伝送される。コントローラ１３では検出した圧力と温度から次式によりサブクール量を算出する。
サブクール量＝（検出した圧力での冷媒の飽和温度）−（冷媒の温度）
なお、冷媒の飽和温度は、使用する冷媒のＰ−ｈ線図から求められるので使用する冷媒の圧力−飽和温度データをコントローラにあらかじめ蓄積しておく。さらに、冷却システムの構成が決まるとサブクール量とシステムに充填されている冷媒量が決まるので、サブクール量と冷媒充填量の関係もあらかじめ実験で求めてコントローラ１３にそのデータを蓄積しておく。冷媒の圧力と温度を計測し、前記蓄積データを参照することにより、サブクール量を計算して充填されている冷媒量を求めることができる。これにより、従来図３の受留器６７に併設されているサイトゲージ６７Ａにより目視で確認していた冷媒量を目視によらず、自動的に監視することができる。また、冷媒量が必要限界以下になる恐れが生じた場合にはコントローラ１３がシステムに警報を発することができる。さらに目視の必要が無くなることからシステムの設置の制約が無くなる。なお、図１の例では、制御弁６が第１伝熱媒体循環路で第１熱交換器１を通る管路とバイパス管路に介設されているが、第２伝熱媒体循環路２０の第１熱交換器１を通る管路とそのバイパス管路に介設しても良い。また制御弁６は三方弁を用いているが、２個の制御弁に置き換えることもできる。
【００２０】
【発明の効果】本発明の冷却システムは上記のように構成されており、システム内に充填されている冷媒量と密接に関係するサブクール量に着目し、自動的に冷媒量を監視でき、冷媒の充填量が安全運転領域を越えて低下した場合には自動的に警報を発することもでき、安全に運転できるる冷却システムが実現できる。従来の冷却システムでは、冷媒量は受留器に内設されるか併設されたサイトグラスにより液面を目視して確認し冷媒量を管理する必要があったがその必要がなくなり、システムの設置場所の制限も無くなり、定期的に冷媒量を確認する作業が不要となった。またシステムの一部からの冷媒の漏れなどの異常による冷媒量の減少を検知できない恐れが無くなり、安全な運転が可能な冷却システムを提供することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１９９３
【氏名又は名称】株式会社島津製作所
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| 【出願日】 |
平成１１年１０月６日（１９９９．１０．６） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９７８９２
【弁理士】
【氏名又は名称】西岡 義明
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１０８３３６（Ｐ２００１−１０８３３６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年４月２０日（２００１．４．２０） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２８５３７６ |
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