CN104254742A - 空气调节装置 - Google Patents

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Abstract

本发明具备：时间常数运算单元20，根据构成空气调节装置的制冷循环的压缩机3以及负载侧热交换器6的规格、以及空气调节装置的运转状态，推测节流装置7的开度变更时的响应时间常数；控制常数运算单元21，根据时间常数运算单元20的运算结果，运算节流装置7的开度的控制增益或者控制间隔的至少一个值；以及控制常数变更单元22，变更控制常数。

Description

空气调节装置
技术领域
本发明涉及制冷循环，特别涉及适合于控制制冷循环的状态量的电动式膨胀阀的控制装置。
背景技术
以往，作为使用电动式膨胀阀以使制冷剂的温度、压力等制冷循环的状态量成为规定的值的方式控制制冷剂流量的方法，提出了如下的方法：根据室内温度、外界气体温度以及压缩机转速，运算预先在微型计算机中存储的PID控制的控制增益，通过PID控制来驱动电动式膨胀阀，控制制冷剂流量(例如，参照专利文献1)。
另外，提出了如下的方法：根据连接了多个的室内机的运转台数、与控制目标的偏差，决定预先在微型计算机中存储为表格的PID控制的控制增益、控制间隔，通过PID控制来驱动电动式膨胀阀，控制制冷剂流量(例如，参照专利文献2)。
另外，提出了如下的方法：根据电动式膨胀阀的开度(openingdegree)、压缩机运转容量、与控制目标的偏差，决定PID控制的控制增益、控制间隔，通过PID控制来驱动电动式膨胀阀，控制制冷剂流量(例如，参照专利文献3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第2515716号(第3页、第6图)
专利文献2：日本特开平3-28676(第5页、表2)
专利文献3：日本特开2001-012808(第7页、第2图)
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，在以往的空气调节装置中存在以下那样的问题。首先，在专利文献1记载的控制中，PID控制的控制增益是该空气调节装置的系统固有的值，所以在制冷剂的种类、空气调节装置的热交换器的内容积不同的情况下，时间常数、浪费时间不同。因此，在空气调节装置的规格或者机型变化了的情况下，需要每次通过试验、仿真，求出最佳的控制增益、控制间隔，并存储于微型计算机，所以存在需要庞大的存储区域，为了决定常数，需要花费大量的时间这样的课题。
另外，在专利文献2记载、专利文献3记载的控制中，根据工作室内机台数、与控制目标的偏差，决定增益、控制间隔，但控制常数在表格保持，所以即使在室内外的环境条件、制冷剂循环量等运转状态变化了的情况下，还是为一定值(固定值)，未考虑到制冷循环的高压、低压等运转状态变化了的情况的影响。因此，根据环境条件、运转状态，难以始终以最佳的状态进行控制。因此，制冷循环的系统不稳定，引起振荡而空调能力不稳定。另外，存在这样的课题：根据情况，过冲量大且导致高压的过升或者低压的降低，陷入为了保护空调机器的动作而必须停止的情况中。
本发明是鉴于上述点而完成的，其目的在于提供一种能够根据空气调节装置的运转状态、系统结构，使电动式膨胀阀的控制增益或者控制间隔合适，以使控制对象的值成为控制目标的方式始终以最短的建立时间抑制过冲并可最佳控制的空气调节装置。
解决技术问题的技术方案
为了达成上述目的，本发明要求以下的单元。
本发明的空气调节装置，连接由负载侧热交换器构成的一个以上的负载侧部件、和具备压缩机、热源侧热交换器、以及节流装置的热源侧部件，通过在所述负载侧部件和所述热源侧部件之间使制冷剂循环来形成制冷循环，该空气调节装置具备：测量部，测量所述空气调节装置的所述制冷循环的运转状态量；以及控制部，该控制部包括：时间常数运算单元，根据构成所述制冷循环的压缩机的规格、冷凝器热交换器的规格、以及所述制冷循环的运转状态量，推测所述节流装置的开度变更时的响应时间常数；控制常数运算单元，根据所述时间常数运算单元的运算结果、以及所述测量部的测量结果，运算所述节流装置的开度的控制增益或者控制间隔的至少一个值；控制常数变更单元，根据所述控制常数运算单元的运算结果，变更控制增益或者控制间隔；以及节流装置控制单元，根据所述控制常数，变更所述节流装置的开度。
发明效果
由于根据构成空气调节装置的压缩机的规格、负载侧热交换器的规格、以及制冷循环的运转状态量，以最佳的时间间隔或者控制增益来控制节流装置，所以不会过冲而能够迅速地得到稳定的制冷循环状态，能够实现进一步提高节能性以及舒适性、产品品质。
另外，因为制冷循环在短时间内稳定化，所以驱动构成节流装置的电动式膨胀阀的驱动部的变更量减少，所以电动式膨胀阀的滑动部的磨损被抑制，实现了可靠性的提高。
附图说明
图1是本发明的实施方式1的空气调节装置的系统图。
图2是本发明的实施方式1的空气调节装置的p-h线图。
图3是表示浪费时间+1次延迟系统中的控制对象被控制为控制目标值时的变化的概念图。
图4是示出固定了最大过冲比(overshoot ratio)的情况下的控制间隔、时间常数、浪费时间、响应增益、控制增益的关系的图。
图5是示出相对控制间隔、时间常数、浪费时间、以及控制增益比的过冲比以及建立时间的关系的图。
图6是示出冷凝器内容积、压缩机频率、体积效率和吸入过热度的响应时间常数的关系的图。
图7是在本发明的实施方式1的空气调节装置中，固定了控制间隔的情况下的节流装置的控制流程图。
图8是在本发明的实施方式1的空气调节装置中，固定了控制增益比的情况下的节流装置的控制流程图。
符号说明
1：室外机；2：室内机；3：压缩机；4：四通阀；5：气体管；6：室内热交换器(负载侧热交换器)；7：节流装置；8：液管；9：室外热交换器(热源侧热交换器)；16：测量部；17：控制部；18：测量控制装置；20：时间常数运算单元；21：控制常数运算单元；22：控制常数变更单元；23：节流装置控制单元；41：温度传感器；42：温度传感器；43：温度传感器；44：温度传感器；45：温度传感器；51：压力传感器；52：压力传感器；100：空气调节装置。
具体实施方式
实施方式1.
以下，根据附图，详细说明本发明的实施方式。
图1是本发明的实施方式1的空气调节装置100的制冷剂回路图。空气调节装置100具备室外机1和室内机2。在室外机1中，搭载了压缩机3、作为进行制热和制冷的运转切换的流路切换阀的四通阀4、节流装置7、和室外热交换器(热源侧热交换器)9。另外，在室内机2中，搭载了室内热交换器(负载侧热交换器)6。
压缩机3是被逆变器控制转速而被实施容量控制的类型。
另外，节流装置7是开度被可变地控制的电动式膨胀阀。室外热交换器9与用风扇等被送风的外界气体进行热交换。气体管5、液管8是连接室外机1和室内机2的连接配管。
在能够使用于空气调节装置100的制冷循环的制冷剂中，有非共沸混合制冷剂、近共沸混合制冷剂、单一制冷剂等。在非共沸混合制冷剂中，有作为HFC(氢氟烃)制冷剂的R407C(R32/R125/R134a)等。该非共沸混合制冷剂是沸点不同的制冷剂的混合物，所以具有液相制冷剂和气相制冷剂的组成比例不同这样的特性。在近共沸混合制冷剂中，有作为HFC制冷剂的R410A(R32/R125)、R404A(R125/R143a/R134a)等。该近共沸混合制冷剂除了与非共沸混合制冷剂同样的特性以外，还具有R22的约1.6倍的动作压力这样的特性。
另外，在单一制冷剂中，有作为HCFC(氢氯氟烃)制冷剂的R22、作为HFC制冷剂的R134a、作为HFO制冷剂(氢氟烯烃)的R1234yf、R1234ze等。该单一制冷剂并非混合物，所以具有处理容易这样的特性。另外，还能够使用作为自然制冷剂的二氧化碳、丙烷、异丁烷、氨等。另外，R22表示氯二氟甲烷，R32表示二氟甲烷，R125表示五氟乙烷，R134a表示1、1、1、2-四氟乙烷，R143a表示1、1、1-三氟乙烷。因此，使用与空气调节装置100的用途、目的对应的制冷剂即可。
在室外机1中，设置了测量控制装置18以及多个温度传感器。温度传感器43测量压缩机3的排出侧、温度传感器44测量压缩机3的吸入侧、温度传感器45测量室外热交换器9与节流装置7之间、这样的各个设置场所的制冷剂温度。进而，在室外机1中设置了压力传感器51、52，压力传感器51测量压缩机3的吸入制冷剂的压力，压力传感器52测量压缩机3的排出制冷剂的压力。
在室内机2中设置了温度传感器41、42。温度传感器42设置于室内热交换器6与节流装置7之间，测量在此流过的制冷剂温度。温度传感器41测量被室内热交换器6吸气的空气温度。另外，在成为负载的热媒质是水等其它媒质的情况下，温度传感器41测量该媒质的流入温度。
室外机1的测量控制装置18包括：测量部16，测量从各传感器、空气调节装置的利用者指示的运转信息；以及控制部17，根据所测量的信息，控制压缩机3的运转方法、四通阀4的流路切换、室外热交换器9的风扇送风量、节流装置7的开度等。另外，在图1中，仅示出了操作对象是节流装置的情况，对其它操作对象没有图示。另外，测量部16预先保持有与室内热交换器6和室外热交换器9的内容积、以及压缩机的(流体)排量(displacement amount)有关的信息。
接下来，根据图1，对该空气调节装置100的制冷运转动作进行说明。在制冷运转时，四通阀4的流路被设定为图1的实线方向。然后，从压缩机3排出的高温高压的气体制冷剂经由四通阀4在成为冷凝器的室外热交换器9散热的同时，凝缩液化而成为高压的液制冷剂。从室外热交换器9出来的高压的制冷剂在通过节流装置7被减压之后，经由液管8，流入到室内机2，流入到作为蒸发器的室内热交换器6，在此吸热，被蒸发气化。通过对室内机侧的空气、水等负载侧媒质的热进行吸热，从而进行制冷。之后，经由气体管5流入到室外机1。然后，经由四通阀4，被压缩机3吸入。
在空气调节装置100中，根据室内侧的热负载等，对空气调节装置1要求的制冷能力变化，所以需要能够对应于这样的在制冷运转时要求的制冷能力的变化。因此，在空气调节装置100中，以使由室内侧(负载侧)的温度传感器41检测的温度接近从空气调节装置利用者指示的室内温度的方式，进行变更压缩机3的运转容量的控制。此处，通过变更压缩机3的运转频率f，控制压缩机3的运转容量。
接下来，使用图2，说明与本发明的特征有关的节流装置7的控制方法的一个例子。空气调节装置100以使压缩机3的吸入制冷剂的过热度SH成为目标过热度SHm的方式，来控制节流装置7的开度。此处，根据由压力传感器51检测的吸入压力Ps和由压缩机3的吸入部的温度传感器44检测的制冷剂的温度Ts，计算压缩机3的吸入中的制冷剂的过热度SH。更具体而言，首先，将由压力传感器51检测的吸入压力Ps换算为制冷剂的饱和温度，得到蒸发温度Te。然后，从由温度传感器44检测的制冷剂的温度Ts减去蒸发温度Te，从而得到过热度SH。
此处，设为在当前的压缩机的吸入状态是图2的(d)的状态时，作为此时的过热度SH，通过一次操作打开节流装置7，能控制为目标过热度SHm的状态、图2的(d2)。此时，假设为无制冷循环的高压、低压的变化，室内热交换器6中的制冷能力相等。如果将控制节流装置7的开口面积的电动脉冲马达的驱动开度设为LP[脉冲]，则在节流装置7中流通的制冷剂循环量与LP成比例。将当前的开度设为LP，将为了通过一次操作控制为目标过热度SHm而所需的开度变更量设为ΔLP。另外，如果将作为控制对象的当前的过热度SH与目标过热度SHm的偏差设为ΔSHm＝SH-SHm，则(d)和(d2)的比焓差ΔHs[kJ/kg]能够通过下式表示。
(式1)
ΔHs＝Cpg×ΔSHm   (式1)
此处，Cpg是恒压气体比热[kJ/kgK]。关于其值，具体而言，根据压力传感器51的压力和压缩机3的吸入部的温度传感器44运算。另外，根据在节流装置7的操作的前后制冷能力恒定这样的假设、和制冷剂循环量与LP成比例这样的假设，下式成立。
(式2)
LP×(ΔHe+ΔHs)＝(LP+ΔLP)×ΔHe   (式2)
此处，ΔHe表示压缩机3的吸入过热度为目标过热度SHm时的、蒸发器(在制冷的情况下，室内热交换器6)中的制冷剂的焓变化。关于焓差ΔHe，具体而言，能够通过如下来运算：从根据对根据压力传感器51的压力而求出的饱和气体温度加上目标过热度SHm而得到的温度来运算的焓Heo，减去根据压力传感器52和节流装置7的入口的温度传感器45运算的焓Hei。如果将式1代入到式2整理，则下式成立。
(式3)
ΔLP＝Cpg/ΔHe×LP×ΔSHm   (式3)
由于式3表示控制对象的偏差ΔSHm和操作量ΔLP的关系，所以右边的Cpg/ΔHe×LP表示为了通过一次操作达到控制目标的控制对象的响应增益(以下记载为K∞)。
关于空气调节装置100的控制，因为以某个控制间隔CI[sec]实施控制，所以如果以响应增益K∞进行控制，则使成为一次控制动作即可的操作量的部分动作多次，所以在一些情况下工作过度，引起振荡。因此，关于实际的控制增益(以下记载为K)，需要选定比响应增益K∞小的值。为了求出应选定的最佳控制增益K，将过热度SH的变化作为“浪费时间+1次延迟”系统，对针对该系统的控制响应特性进行定量化。
图3示出“浪费时间+1次延迟”系统的控制对象的响应特性。在控制系统中，如果将控制增益设定为某个值，使操作量步进地变化来取控制量的响应特性，则成为图3。控制量超过控制目标值的最大值一般称为过冲量或者过冲。另外，直至控制量以控制目标值为中心而收敛于作为期望的容许范围的建立范围内的时间被称为建立时间ST。将控制目标值与当前的控制量的偏差定义为A，将过冲量定义为a，将a/A定义为过冲比。另外，浪费时间DT还可被称为从对于节流装置7的开度变更指令发送时刻至在控制目标对象中出现变化为止的时间。
作为空气调节装置，根据节能性、负载追踪性的观点，要求快速的目标值响应，但如果缩短建立时间，则过冲比变大。另外，根据条件，有时不容许过冲比。例如，关于R32制冷剂那样的高压制冷剂，在制冷剂的特性上比热比大，压缩机的排出温度易于上升。在将排出温度作为控制对象的情况下，在过冲比大的情况下，存在由于排出温度的上升而在压缩机3的马达中使用的磁铁的减磁所致的压缩机的效率降低、烧冷冻机油所致的损伤，所以需要减小过冲比。
图4是示出过冲比成为期望的建立范围的最大值的状态的图。即，示出成为建立时间最小的最佳的状态的、相对于控制间隔CI、时间常数τ、浪费时间DT的、定义为控制增益K相对响应增益K∞的比例的控制增益比β(＝K/K∞)的关系。横轴、纵轴都无量纲，所以如果是“浪费时间+1次延迟”的系统，则该关系始终成立。例如，表示如下情况：在控制间隔CI以及浪费时间DT恒定的情况下，时间常数τ越大，系统的响应越延迟，所以需要减小控制增益比β。另外，表示如下情况：在时间常数τ以及浪费时间DT恒定的情况下，控制间隔CI越短，需要越减小控制增益比β。
这样，例如，在控制间隔CI固定的情况下，根据对象的系统的时间常数τ、浪费时间DT，来运算控制增益比β，决定控制增益K，从而能够始终在期望的过冲比以下，实现建立时间成为最小的最佳的运转。
图5是将控制间隔CI、时间常数τ、浪费时间DT、控制增益比β作为参数，表示过冲比a/A、建立时间ST的关系的图。图5的上段的曲线图501、曲线图502的横轴是定义为ξ＝(控制间隔CI/控制增益比β)/(时间常数τ+浪费时间DT)的无量纲参数或者指标。
关于图5的曲线图501，纵轴是过冲比，示出如下情况：例如在固定了控制增益比β、时间常数τ、浪费时间DT的情况下，控制间隔CI越大，过冲比越小。
关于图5的曲线图502，纵轴相当于建立时间，示出如下情况：例如在固定了控制间隔CI、时间常数τ、浪费时间DT的情况下，在控制增益比β大于成为建立时间最小的参数ξm下的β(在图中B)时(在图中A)，过冲比增大，振荡增大，所以建立时间变长。另外，示出如下情况：反之，在控制增益比β小于成为建立时间最小的参数ξm下的β(在图中B)时(图中C)，过冲比小，而变化量变小且建立时间变长。
成为建立时间最小的参数ξm是通过控制对象的系统的容许建立范围的设定而决定的固有值(具体而言为2～3)。另一方面，控制对象的系统的时间常数τ、浪费时间DT由运转状态而决定。因此，通过以满足成为建立时间最小的参数ξm＝(控制间隔CI/控制增益比β)/(时间常数τ+浪费时间DT)的关系的方式，变更控制间隔CI或者控制增益比β的至少一个值，能够始终在期望的过冲比以下实现建立时间成为最小的最佳的运转。
此处，使用图6，对控制对象的时间常数τ进行说明。关于过热度SH的时间常数τ，如果假设为一次延迟系统，则根据质量守恒定律，能够推导出与将存在制冷剂量大的冷凝器的内容积Vcond[m3]除以对压缩机3的排量Vst[m3]、压缩机频率f[Hz]、以及压缩机的体积效率ηv[-]进行乘法而得到的结果而获得的值线性的相关式。因此，通过将室内热交换器6的内容积、室外热交换器9的内容积以及压缩机3的排量预先保持为信息，能够根据由控制部17指定的压缩机频率f，推测过热度SH的时间常数τ。压缩机的体积效率ηv即可以为固定值(例如0.9)，也可以运算为压缩机的运转频率f以及由压力传感器52测量的高压与由压力传感器51测量的低压的压缩比的函数。
另外，在成为建立时间最小的参数ξm的固有值是2～3左右，且浪费时间DT假设为大致零的情况下，控制增益比β是1以下的值，所以将控制对象的系统的控制间隔CI设定为相对时间常数τ的3倍以下即可。即，在控制增益比β大的情况下，控制间隔CI也变大，驱动电动式膨胀阀的驱动部的驱动次数减少，所以电动式膨胀阀的滑动部的磨损被抑制，实现了可靠性的提高。
接下来，使用图7以及图8的流程图，说明考虑了以上的控制响应性的节流装置7的过热度SH的控制。
图7是固定了控制间隔CI的情况下的控制流程图。首先，在测量控制装置18中，预先设定控制间隔CI以及过热度目标值SHm(S1)。另外，关于过热度目标值SHm，根据制冷循环的节能性，值越小，节能效果越好。接下来，在测量部16中，测量压缩机3的过热度SH、节流装置7的当前的开度LPnow(S2)。接下来，根据冷凝器内容积Vcond、压缩机3的压缩机频率f、压缩机3的排量Vst以及压缩机3的体积效率ηv的信息，在时间常数运算单元20中推测时间常数τ(S3)。另外，因为冷凝器内容积与空调机的马力成比例，所以能够根据压缩机的最大运转容量等，在某种程度上进行推测，另一方面，压缩机的排量也能够根据空调机的马力，在某种程度上进行推测。
接下来，在控制常数运算单元21中，使用控制间隔CI、建立时间最小固有参数ξm(固有值)、时间常数τ以及浪费时间DT，运算控制增益比β(S4)。此处，关于浪费时间DT，大致为0，所以也可以预先设定为固定值。接下来，判定是否从上次的节流装置7的操作后经过了控制间隔CI以上(S5)。如果经过，则在控制常数运算单元21中，根据依据制冷循环的运转状态得到的各值，运算响应增益K∞(＝Cpg/Δhe×LPnow)(S6)。接下来，在控制常数运算单元21中，运算控制增益K(＝β×K∞)(S7)。接下来，运算过热度SH与目标过热度SHm的偏差ΔSHm(＝SH-SHm)(S8)。接下来，在控制常数变更单元22中，变更控制增益K，将变更了的控制增益K和偏差ΔSHm相乘，运算节流装置7的开度变更量ΔLP＝K×ΔSHm(S9)。接下来，对当前的节流装置7的开度LPnow加上开度变更量ΔLP，运算节流开度LP＝LPnow+ΔLP，在节流装置控制单元23中，将节流装置7的开度设定为运算出的节流开度LP(S10)。
图8是固定了控制增益比β的情况下的控制流程图。控制方法与图7所示的方法基本上相同，但在该控制方法中，在如下的点与图7相异：在步骤S4中，由于每次运算最佳的控制间隔CI，所以控制间隔可变。
通过如以上那样控制，能够根据空气调节装置的系统结构、运转状态，始终在规定的容许范围的过冲比以下，实现建立时间成为最小的最佳的运转。
另外，在实施方式1中，对制冷运转进行了说明，但即使在制热运转的情况下，也能够通过上述控制方法，同样地实施节流装置7的控制。在制热的情况下，负载侧热交换器内容积信息被置换为冷凝器内容积Vcond，而与图7、图8对应的流程图是相同的。
另外，将作为控制量的制冷循环的状态量设为了过热度SH，但关于压缩机3的排出侧制冷剂温度(温度传感器43的检测温度)或者室外热交换器9出口的过冷却度SC，也能够通过变更在测量控制装置18中预先设定的值来同样地实施，且不脱离本发明的范围。
另外，在实施方式1中，以负载侧的室内机是1台的情况进行了说明，但在室内机有多台那样的多类型的空气调节装置中也起到同样的效果。
进而，在实施方式1中，以压缩机3是容量可变式的压缩机的情况进行了说明，但在恒定速度的压缩机的空气调节装置中也起到同样的效果。

Claims (7)

1.一种空气调节装置，连接由负载侧热交换器构成的一个以上的负载侧部件、和具备压缩机、热源侧热交换器、以及节流装置的热源侧部件，通过在所述负载侧部件和所述热源侧部件之间使制冷剂循环来形成制冷循环，该空气调节装置具备：
测量部，测量所述空气调节装置的所述制冷循环的运转状态量；以及
控制部，
该控制部包括：
时间常数运算单元，根据构成所述制冷循环的压缩机的规格、冷凝器热交换器的规格、以及所述制冷循环的运转状态量，推测所述节流装置的开度变更时的响应时间常数；
控制常数运算单元，根据所述时间常数运算单元的运算结果、以及所述测量部的测量结果，运算所述节流装置的开度的控制增益或者控制间隔的至少一个值；
控制常数变更单元，根据所述控制常数运算单元的运算结果，变更控制增益或者控制间隔；以及
节流装置控制单元，根据所述控制常数，变更所述节流装置的开度。
2.根据权利要求1所述的空气调节装置，其特征在于，
所述控制间隔被设定为成为由所述时间常数运算单元运算的响应时间常数的3倍以下。
3.根据权利要求1或者2所述的空气调节装置，其特征在于，
在所述时间常数运算单元中推测响应时间常数时，利用所述压缩机的运转频率的信息。
4.根据权利要求3所述的空气调节装置，其特征在于，
在所述时间常数运算单元中推测响应时间常数时，利用所述热源侧热交换器的内容积、所述负载侧热交换器的内容积、以及所述压缩机的排量中的至少一个信息。
5.根据权利要求3或者4所述的空气调节装置，其特征在于，
在所述时间常数运算单元中推测响应时间常数时，利用所述压缩机的体积效率，根据所述压缩机的排出压力、吸入压力以及运转频率，推测所述体积效率。
6.根据权利要求1～5中的任意一项所述的空气调节装置，其特征在于，
由所述时间常数运算单元推测的所述响应时间常数满足如下的关系：
建立时间成为最小值的固有值＝(所述控制间隔/所述控制增益比)/(所述响应时间常数+浪费时间)，
所述建立时间是直至控制目标的对象以控制目标值为中心收敛于规定范围内的时间，
所述增益比是将所述控制增益除以为了通过一次操作达到控制目标值的所述控制目标对象的响应增益而得到的值，
所述浪费时间是从对于所述节流装置的开度变更指令发送时刻起至在所述控制目标对象中出现变化为止的时间。
7.根据权利要求6所述的空气调节装置，其特征在于，
将所述浪费时间视为零而推测所述响应时间常数。
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