DE112021007434T5

DE112021007434T5 - Kältekreislaufvorrichtung und kältekreislaufverfahren

Info

Publication number: DE112021007434T5
Application number: DE112021007434.2T
Authority: DE
Inventors: Yuki Mori; Takahiro Nakai
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2024-01-11
Also published as: JP7034389B1; US20240167745A1; JPWO2022208717A1; WO2022208717A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt eine Kältekreislaufvorrichtung bereit, aufweisend einen Verdichter (3) zum Verdichten eines angesaugten Kältemittels, einen Kondensator (4) zum Kondensieren des vom Verdichter (3) abgegebenen Kältemittels, um Wärme auszutauschen, einen Sammler (6) zum Speichern des aus dem Kondensator (4) abgegebenen Kältemittels, einen Verdampfer (8) zum Verdampfen des vom Sammler (6) abgegebenen Kältemittels, um Wärme auszutauschen, ein stromaufwärtiges Expansionsventil (5), das an einer Rohrleitung zwischen dem Kondensator (4) und dem Sammler (6) vorgesehen ist, ein stromabwärtiges Expansionsventil (7), das an einer Rohrleitung zwischen dem Sammler (6) und dem Verdampfer vorgesehen ist, und eine Steuereinheit (20) zum Steuern eines Öffnungsgrades des stromaufwärtigen Expansionsventils (5) und eines Öffnungsgrades des stromabwärtigen Expansionsventils (7) in Verbindung miteinander, um ein Öffnungsgradverhältnis zwischen dem Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils (5) und dem Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils (7) konstant zu halten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Steuerungstechnik für Expansionsventile in Kältekreisläufen.
HINTERGRUND ZUM STAND DER TECHNIK
Eine Kältekreislaufvorrichtung weist einen Kältemittelkreislauf auf, der einen Verdichter, einen Kondensator, ein stromaufwärtiges Expansionsventil, einen Sammler, der ein flüssiges Kältemittel speichert, und ein stromabwärtiges Expansionsventil umfasst. Die Kältekreislaufvorrichtung ist eingerichtet, den Unterkühlungsgrad im stromaufwärtigen Expansionsventil und den Saugüberhitzungsgrad im stromabwärtigen Expansionsventil zu steuern. Beispiele für die Kältekreislaufvorrichtungen dieser Art umfassen eine Kältekreislaufvorrichtung mit einer Flüssigkeitsspeicher-Bestimmungseinheit, die bestimmt, ob ein flüssiges Kältemittel im Sammler gespeichert ist oder nicht (siehe z. B. Patentreferenz 1). Wenn bestimmt wird, dass kein flüssiges Kältemittel im Sammler gespeichert ist, erhöht die Kältekreislaufvorrichtung nach Patentreferenz 1 den Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils, bis der Ansaugüberhitzungsgrad des Verdichters einen vorgegebenen Zielwert erreicht.
REFERENZEN ZUM STAND DER TECHNIK
PATENTREFERENZ
Patentreferenz 1: Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2019-148396
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
In der herkömmlichen Kältekreislaufvorrichtung wird jedoch eine Änderung der Menge des flüssigen Kältemittels im Kondensator oder im Sammler nicht berücksichtigt. Bei der in Patentreferenz 1 offenbarten Klimaanlage kann zum Beispiel selbst bei einer Erhöhung des Öffnungsgrads des stromaufwärtigen Expansionsventils der Abbau des flüssigen Kältemittels im Sammler während der Änderung des Öffnungsgrads des stromabwärtigen Expansionsventils nicht im Voraus vermieden werden. Dies führt zu dem Problem einer vorübergehenden Verschlechterung der Leistung der Klimaanlage.
Die vorliegende Offenbarung dient der Lösung des obigen Problems, und ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, unnötige Schwankungen in der Menge von flüssigem Kältemittel in einem Kondensator oder einem Sammler zu unterdrücken, um die Verschlechterung der Leistung zu vermeiden.
MITTEL ZUR LÖSUNG DES PROBLEMS
Eine Kältekreislaufvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist: einen Verdichter zum Verdichten eines angesaugten Kältemittels, einen Kondensator zum Kondensieren des vom Verdichter abgegebenen Kältemittels, um Wärme auszutauschen, einen Sammler zum Speichern des aus dem Kondensator abgegebenen Kältemittels, einen Verdampfer zum Verdampfen des vom Sammler abgegebenen Kältemittels, um Wärme auszutauschen, ein stromaufwärtiges Expansionsventil, das an einer Rohrleitung zwischen dem Kondensator und dem Sammler vorgesehen ist, ein stromabwärtiges Expansionsventil, das an einer Rohrleitung zwischen dem Sammler und dem Verdampfer vorgesehen ist, und eine Steuereinheit zum Steuern eines Öffnungsgrades des stromaufwärtigen Expansionsventils und eines Öffnungsgrades des stromabwärtigen Expansionsventils in Verbindung miteinander, um ein Öffnungsgradverhältnis zwischen dem stromaufwärtigen Expansionsventil und dem stromabwärtigen Expansionsventil konstant zu halten.
Ein Kältekreislaufverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung ist dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte aufweist: Verdichten eines angesaugten Kältemittels in einem Verdichter, Kondensieren des vom Verdichter abgegebenen Kältemittels in einem Kondensator, um Wärme mit Luft auszutauschen, Speichern des aus dem Kondensator abgegebenen Kältemittels in einem Sammler, Verdampfen des vom Sammler abgegebenen Kältemittels in einem Verdampfer, um Wärme mit Luft auszutauschen, und Steuern eines Öffnungsgrades eines stromaufwärtigen Expansionsventils und eines Öffnungsgrades eines stromabwärtigen Expansionsventils in Verbindung miteinander, um ein Öffnungsgradverhältnis zwischen dem stromaufwärtigen Expansionsventil und dem stromabwärtigen Expansionsventil konstant zu halten, wobei das stromaufwärtige Expansionsventil an einer Rohrleitung zwischen dem Kondensator und dem Sammler vorgesehen ist, wobei das stromabwärtige Expansionsventil an einer Rohrleitung zwischen dem Sammler und dem Verdampfer vorgesehen ist.
WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die vorübergehende Entleerung eines flüssigen Kältemittels im Kondensator und im Sammler vermieden und somit die Menge des Kältemittels in einem Kältekreislauf gesteuert werden. Auf diese Weise kann eine Verschlechterung der Leistung der Kältekreislaufvorrichtung vermieden werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer Konfiguration einer Kältekreislaufvorrichtung in einer ersten Ausführungsform veranschaulicht.
2 ist ein funktionelles Blockdiagramm, das Funktionen einer Steuereinheit in der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Konfiguration eines Teils der Steuereinheit veranschaulicht, die ein stromaufwärtiges Expansionsventil und ein stromabwärtiges Expansionsventil in der ersten Ausführungsform steuert.
4 ist ein Flussdiagramm der Bestimmung eines Öffnungsgradverhältnisses, das von einer Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit in der ersten Ausführungsform durchgeführt wird.
5 ist ein Diagramm zum Erläutern von Gleichung 5 in der ersten Ausführungsform.
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zum Erläutern des in 5 dargestellten Graphen in der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
7 ist ein Hardware-Konfigurationsdiagramm, das eine Konfiguration der Steuereinheit in der ersten Ausführungsform zeigt.
8 ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel einer Konfiguration einer Steuereinheit in einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
9 ist ein Flussdiagramm einer Verarbeitung, durch die eine Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit in der zweiten Ausführungsform das Öffnungsgradverhältnis spezifiziert.

MODUS ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Nachfolgend wird eine Kältekreislaufvorrichtung 1 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der gesamten Beschreibung sind Komponenten, die in den Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen haben, die gleichen oder gleichwertige Komponenten.
Erste Ausführungsform
1 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer Konfiguration der Kältekreislaufvorrichtung 1 in einer ersten Ausführungsform veranschaulicht. Wie in 1 dargestellt, umfasst die Kältekreislaufvorrichtung 1 eine Steuereinheit 20, einen Verdichter 3, einen Kondensator 4, ein stromaufwärtiges Expansionsventil 5, einen Sammler 6, ein stromabwärtiges Expansionsventil 7 und einen Verdampfer 8.
Der Verdichter 3, der Kondensator 4, das stromaufwärtige Expansionsventil 5, der Sammler 6, das stromabwärtige Expansionsventil 7 und der Verdampfer 8 sind durch eine Rohrleitung 9 miteinander verbunden, um einen Kältemittelkreislauf 10 zu bilden. In dem Kältemittelkreislauf 10 strömt ein Kältemittel. Die durchgezogenen Pfeile in 1 stellen die Richtungen dar, in die das Kältemittel strömt.
Einige gestrichelte Pfeile in 1 stellen den Strom der von den jeweiligen Sensoreinheiten erfassten und an die Steuereinheit 20 übertragenen Daten dar, während die anderen gestrichelten Pfeile den Strom der Steueranweisungen von der Steuereinheit 20 an das stromaufwärtige Expansionsventil 5 und das stromabwärtige Expansionsventil 7 darstellen. Die Einzelheiten der Sensoreinheiten werden weiter unten beschrieben. Nachfolgend wird ein Beispiel beschrieben, bei dem es sich bei der Kältekreislaufvorrichtung 1 um eine Klimaanlage handelt, aber die Kältekreislaufvorrichtung 1 ist nicht speziell auf die Klimaanlage beschränkt.
Der Verdichter 3 verdichtet angesaugtes Kältemittel und gibt das verdichtete Kältemittel ab. Der Verdichter 3 kann z. B. so eingerichtet sein, dass seine Kapazität (die pro Zeiteinheit gelieferte Kältemittelmenge) durch freie Variation seiner Antriebsfrequenz unter Verwendung einer nicht abgebildeten Inverterschaltung o. ä. verändert wird.
Der Kondensator 4 ist auf der Abgabeseite des Verdichters 3 vorgesehen. Der Kondensator 4 kondensiert das vom Verdichter 3 abgegebene Kältemittel, um Wärme mit Luft auszutauschen. Der Kondensator 4 tauscht Wärme zwischen dem Kältemittel und der Luft aus. Der Kondensator 4 kondensiert und verflüssigt das Kältemittel und erwärmt die Luft.
Der Sammler 6 ist ein Kältemittelbehälter, der das Kältemittel speichert. Der Sammler 6 ist an der Rohrleitung 9 zwischen dem Kondensator 4 und dem Verdampfer 8 vorgesehen und speichert das überschüssige verflüssigte Kältemittel (flüssiges Kältemittel) während des Betriebs. Der Sammler 6 speichert das aus dem Kondensator 4 abgegebene Kältemittel. Das heißt, der Sammler 6 ist eingerichtet, das aus dem Kondensator 4 ausströmende flüssige Kältemittel zu speichern.
Der Verdampfer 8 tauscht Wärme zwischen dem Kältemittel und der Luft aus. Der Verdampfer 8 verdampft und vaporisiert das Kältemittel und kühlt die Luft. Der Verdampfer 8 vaporisiert das vom Sammler 6 abgegebene Kältemittel, um Wärme mit Luft auszutauschen.
Das stromaufwärtige Expansionsventil 5 ist an der Rohrleitung 9 zwischen dem Kondensator 4 und dem Sammler 6 im Kältemittelkreislauf 10 vorgesehen. Das stromaufwärtige Expansionsventil 5 wird aus einem Expansionsventil mit variablem Öffnungsgrad gebildet, z. B. einem elektronischen Expansionsventil, und ist eingerichtet, den Druck und die Strömungsrate des Kältemittels anzupassen.
Das stromabwärtige Expansionsventil 7 ist an der Rohrleitung 9 zwischen dem Sammler 6 und dem Verdampfer 8 im Kältemittelkreislauf 10 vorgesehen. Das stromabwärtige Expansionsventil 7 wird aus einem Expansionsventil mit variablem Öffnungsgrad gebildet, z. B. einem elektronischen Expansionsventil, und ist eingerichtet, den Druck und die Strömungsrate des Kältemittels anzupassen. Der Verdampfer 8 ist an der Rohrleitung 9 auf der Saugseite des Verdichters 3 vorgesehen.
Das heißt, der Sammler 6 ist an der Rohrleitung 9 zwischen dem stromaufwärtigen Expansionsventil 5 und dem stromabwärtigen Expansionsventil 7 vorgesehen, und die Menge von flüssigem Kältemittel, die vom Sammler 6 in die Rohrleitung 9 zurückkehrt, und die Menge von flüssigem Kältemittel, die von der Rohrleitung 9 im Sammler 6 zurückgehalten wird, ändern sich in Abhängigkeit von einem Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils, der der Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils 5 ist, und einem Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils, der der Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils 7 ist. Das heißt, die Mengen von flüssigem Kältemittel im Kondensator 4, im Sammler 6 usw. ändern sich in Abhängigkeit vom Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils und vom Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils.
Die Steuereinheit 20 steuert den Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils und den Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils auf der Grundlage des Öffnungsgradverhältnisses zwischen dem stromaufwärtigen Expansionsventil 5 und dem stromabwärtigen Expansionsventil 7. Die Steuereinheit 20 steuert den Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils und den Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils in Verbindung miteinander, um das Öffnungsgradverhältnis zwischen dem stromaufwärtigen Expansionsventil 5 und dem stromabwärtigen Expansionsventil 7 konstant zu halten. In diesem Zusammenhang bedeutet der Ausdruck „das Öffnungsgradverhältnis konstant halten“ nicht, dass das Öffnungsgradverhältnis selbst ein fester Wert ist, sondern dass der Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils und der Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils in Verbindung miteinander gesteuert werden, um das Öffnungsgradverhältnis zwischen dem stromaufwärtigen Expansionsventil 5 und dem stromabwärtigen Expansionsventil 7 konstant zu halten. Die Einzelheiten eines Steuermechanismus der Steuereinheit 20 werden weiter unten beschrieben.
Die Kältekreislaufvorrichtung 1 weist auch Sensoreinheiten auf, wie z. B. einen Abgabetemperatursensor 11, einen Auslasstemperatursensor 12, einen Hochdruck-Drucksensor 13 und einen Niederdruck-Drucksensor 14. Der Abgabetemperatursensor 11 und der Hochdruck-Drucksensor 13 sind an der Rohrleitung 9 auf der Abgabeseite des Verdichters 3 vorgesehen. Der Abgabetemperatursensor 11 erfasst die Temperatur des aus dem Verdichter 3 abgegebenen Kältemittels. Der Hochdruck-Drucksensor 13 erfasst den Druck des aus dem Verdichter 3 abgegebenen Kältemittels.
Der Auslasstemperatursensor 12 ist an einem Auslass des Kondensators 4 für das Kältemittel vorgesehen und erfasst die Temperatur des aus dem Kondensator 4 ausströmenden Kältemittels. Der Niederdruck-Drucksensor 14 ist an der Rohrleitung 9 auf der Saugseite des Verdichters 3 vorgesehen und erfasst den Druck des in den Verdichter 3 angesaugten Kältemittels.
2 ist ein funktionelles Blockdiagramm, das die Funktionen der Steuereinheit 20 in der ersten Ausführungsform veranschaulicht. Wie in 2 dargestellt, sind verschiedene oben beschriebene Sensoren mit der Steuereinheit 20 verbunden, und Daten der Temperatur, des Drucks oder dergleichen werden von den Sensoren in die Steuereinheit 20 eingegeben. Daten, wie z. B. Anweisungen eines Benutzers, werden über einen nicht abgebildeten Bedienabschnitt in die Steuereinheit 20 eingegeben.
Wie in 2 dargestellt, weist die Steuereinheit 20 eine Öffnungsgrad-Bestimmungseinheit 201, eine Zeitgebereinheit 202, einen Korrektor 203, einen Multiplizierer 204, eine Steuerungsanweisungseinheit 205 und einen Speicher 206 auf.
Die Steuerungsanweisungseinheit 205 führt auf der Grundlage von Eingabedaten der Temperatur oder ähnlichem eine Verarbeitung, wie z. B. eine Berechnung und Bestimmung, durch, um die Komponenten der Kältekreislaufvorrichtung 1, einschließlich des Verdichters 3, des stromaufwärtigen Expansionsventils 5 und des stromabwärtigen Expansionsventils 7, zu steuern.
Der Speicher 206 ist eine Einrichtung, die Daten speichert, die für die von der Steuerungsanweisungseinheit 205 durchgeführte Verarbeitung erforderlich sind. Der Speicher 206 verfügt über eine flüchtige Speichereinrichtung (nicht abgebildet), z. B. einen Arbeitsspeicher (RAM), in dem Daten vorübergehend gespeichert werden können, und einen nicht flüchtigen Zusatzspeicher (nicht abgebildet), z. B. eine Festplatte und einen Flash-Speicher, in denen Daten über einen längeren Zeitraum gespeichert werden können.
Die Zeitgebereinheit 202 besteht z. B. aus einem Timer oder ähnlichem und misst die Zeit. Die Zeitgebereinheit 202 wird für die von der Steuerungsanweisungseinheit 205 durchgeführte Bestimmung oder ähnliches verwendet. So wird beispielsweise der Steuerungszeitpunkt auf der Grundlage der von der Zeitgebereinheit 202 gemessenen Zeit spezifiziert.
Die von der Steuereinheit 20 ausgeführte Verarbeitung kann z. B. durch einen Mikrocomputer mit einem arithmetischen Steuerungsprozessor wie einer CPU (Central Processing Unit) erfolgen. Der Speicher 206 speichert Daten als Programm eines von der Steuerungsanweisungseinheit 205 durchzuführenden Verarbeitungsvorgangs. Der arithmetische Steuerungsprozessor führt die Verarbeitung auf der Grundlage der Daten des Programms durch, um die Steuerung zu erreichen. Jede Verarbeitungseinheit kann aus einer dedizierten Komponente (Hardware) bestehen.
Die Steuereinheit 20 dieser Ausführungsform ist so eingerichtet, dass, wenn die Steuereinheit 20 den Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils auf den berechneten Öffnungsgrad ändert, die Steuereinheit 20 den Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils berechnet, indem das berechnete Öffnungsgradverhältnis zwischen dem stromaufwärtigen Expansionsventil 5 und dem stromabwärtigen Expansionsventil 7 mit dem Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils multipliziert wird. Ferner ist die Steuereinheit 20 so eingerichtet, dass wenn die Steuereinheit 20 den Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils berechnet, die Steuereinheit 20 eine Steuerverstärkung verwendet, die unter Bezugnahme auf das berechnete Öffnungsgradverhältnis zwischen dem stromaufwärtigen Expansionsventil 5 und dem stromabwärtigen Expansionsventil 7 bestimmt wird.
Unabhängig von dem Beispiel dieser Ausführungsform ist es ausreichend, dass die Steuereinheit 20 den Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils und den Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils auf der Grundlage des Öffnungsgradverhältnisses zwischen dem stromaufwärtigen Expansionsventil 5 und dem stromabwärtigen Expansionsventil 7 steuert. Das Steuerungsverfahren ist nicht begrenzt und kann entweder eine Rückkopplungssteuerung oder eine direkte Steuerung sein.
Nachfolgend wird der Betrieb der Kältekreislaufvorrichtung 1 unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Das vom Verdichter 3 verdichtete gasförmige Hochtemperatur- und Hochdruck-Kältemittel wird aus einem Abgabeauslass des Verdichters 3 abgegeben und strömt in den Kondensator 4. Das in den Kondensator 4 einströmende gasförmige Kältemittel gibt im Kondensator 4 Wärme ab, verflüssigt sich unter hohem Druck und strömt aus dem Kondensator 4. Das aus dem Kondensator 4 ausströmende Kältemittel wird durch das stromaufwärtige Expansionsventil 5 in einen Zwischentemperatur-Zweiphasenzustand gebracht und strömt in den Sammler 6. Das Zweiphasenkältemittel im Sammler 6 wird in eine Gasphase und eine Flüssigphase getrennt, und das Flüssigphasenkältemittel wird aus dem Sammler 6 abgegeben.
Das aus dem Sammler 6 abgegebene Kältemittel wird durch das stromabwärtige Expansionsventil 7 in einen Niedertemperatur-Zweiphasenzustand entspannt und strömt in den Verdampfer 8. Das in den Verdampfer 8 einströmende Niedertemperatur-Zweiphasenkältemittel nimmt im Verdampfer 8 Wärme auf, um unter niedrigem Druck vaporisiert zu werden, und strömt aus dem Verdampfer 8 aus. Das aus dem Verdampfer 8 ausströmende Kältemittel wird vom Verdichter 3 wieder angesaugt und verdichtet. Durch Wiederholung dieser Betriebe wird der Kältekreislauf in der Kältekreislaufvorrichtung 1 erreicht.
In dieser Hinsicht ist der in 1 dargestellte Kältemittelkreislauf 10 die Mindestkonfiguration zur Verwirklichung des Kältekreislaufs gemäß der vorliegenden Offenbarung und kann eine Konfiguration aufweisen, die ein Vier-Wege-Ventil zum Schalten des Strömungswegs für das Kältemittel, einen Akkumulator zum Unterdrücken des Ansaugens des flüssigen Kältemittels in den Verdichter 3 und ähnliches je nach Bedarf umfasst. Der Kondensator 4 und der Verdampfer 8 tauschen nicht notwendigerweise Wärme zwischen dem Kältemittel und der Luft aus. Der Kondensator 4 und der Verdampfer 8 können zum Beispiel Wärme zwischen dem Kältemittel und Wasser austauschen. Das Objekt, mit dem das Kältemittel Wärme austauscht, ist nicht begrenzt.
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Konfiguration eines Teils der Steuereinheit 20 veranschaulicht, die das stromaufwärtige Expansionsventil 5 und das stromabwärtige Expansionsventil 7 in der ersten Ausführungsform steuert. Die Anzahl der Schritte bei der wiederholten Berechnung wird mit k bezeichnet. Wenn k zum Beispiel 5 ist, wird die Berechnung fünfmal wiederholt.
Wie in 3 dargestellt, bestimmt in der Steuereinheit 20 die Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit 201 das Öffnungsgradverhältnis, der Korrektor 203 korrigiert die Steuerverstärkung auf der Grundlage des bestimmten Öffnungsgrades, und die Steuerungsanweisungseinheit 205 sendet Steuerungsanweisungen an die jeweiligen Komponenten. In Bezug auf das stromaufwärtige Expansionsventil 5 berechnet der Multiplizierer 204 der Steuereinheit 20 den Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils, indem das bestimmte Öffnungsgradverhältnis mit dem Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils multipliziert wird. Auf der Grundlage des berechneten Öffnungsgrads des stromaufwärtigen Expansionsventils wird die Steuerungsanweisung an das stromaufwärtige Expansionsventil 5 gesendet.
Da das Öffnungsgradverhältnis in dieser Ausführungsform durch Division des Öffnungsgrades des stromaufwärtigen Expansionsventils durch den Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils erhalten wird, wird das Öffnungsgradverhältnis mit dem Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils multipliziert. Falls jedoch das Öffnungsgradverhältnis durch Division des Öffnungsgrades des stromabwärtigen Expansionsventils durch den Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils erhalten wird, kann die Steuereinheit eine Steuerung durchführen, um den Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils zu berechnen, in dem das Öffnungsgradverhältnis mit dem Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils multipliziert wird.
Die Steuerungsanweisungseinheit 205 besteht aus einem PI-Regler vom Positionstyp, der den Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils berechnet, der eine Abgabetemperatur veranlasst, einem Zielwert, d. h. der Soll-Abgabetemperatur, zu folgen. Die Steuerungsanweisungseinheit 205 gibt in den PI-Regler eine Abweichung zwischen der vom Abgabetemperatursensor 11 erworbenen Abgabetemperatur und der vorgegebenen Soll-Abgabetemperatur ein, berechnet einen Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils, der die Abgabetemperatur veranlasst, der Soll-Abgabetemperatur zu folgen, und steuert den Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils auf den berechneten Wert.
Die vorgegebene Kältemitteltemperatur, die von der Steuerungsanweisungseinheit 205 gesteuert werden soll, muss nicht die Abgabetemperatur sein, sondern kann eine Temperatur sein, die mit der Abgabetemperatur korreliert, wie z. B. ein Verdichteransaugüberhitzungsgrad, ein Verdichterabgabeüberhitzungsgrad, ein Verdampferauslassüberhitzungsgrad und ein Kondensatoreinlassüberhitzungsgrad. Alternativ kann die Steuerungsanweisungseinheit 205 statt der Temperatur auch eine Verdichteransaugtrockenheit oder eine Verdampferauslasstrockenheit steuern.
Die von der Steuerungsanweisungseinheit 205 durchgeführte Steuerung muss nicht unbedingt die PI-Regelung sein, sondern kann eine dynamische Rückkopplungssteuerung sein, wie z. B. die P-Regelung, die PID-Regelung oder die Modellvorhersageregelung, oder sie kann eine dynamische oder statische Steuerung gemäß der vordefinierten Tabelle oder dergleichen sein. Bei der Rückkopplungssteuerung wird die Steuergröße durch die Steuerverstärkung eingestellt.
Die Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit 201 bestimmt ein Öffnungsgradverhältnis α = Su/Sd zwischen einem Öffnungsgrad eines stromaufwärtigen Expansionsventils Su und einem Öffnungsgrad eines stromabwärtigen Expansionsventils Sd. Dieses bestimmte Öffnungsgradverhältnis wird gegebenenfalls auf ein geeignetes Öffnungsgradverhältnis korrigiert. Die Öffnungsgrad-Bestimmungseinheit 201 bestimmt das Öffnungsgradverhältnis so, dass die physikalische Größe, die mit der von der Sensoreinheit gemessenen Menge an flüssigem Kältemittel im Kondensator 4 oder im Sammler 6 korreliert, innerhalb eines geeigneten Bereichs liegt.
Die physikalische Größe ist hier z. B. der Unterkühlungsgrad. In dieser Ausführungsform wird der Unterkühlungsgrad als physikalische Größe beschrieben, aber die physikalische Größe ist nicht darauf beschränkt und kann jede physikalische Größe sein, die mit der Menge von flüssigem Kältemittel im Kondensator 4 oder im Sammler 6 korreliert. Der geeignete Bereich bezieht sich auf einen geeigneten Bereich der Menge des flüssigen Kältemittels im Kondensator 4 oder im Sammler 6. In dieser Ausführungsform entspricht dieser Bereich zum Beispiel einem vorgegebenen Bereich vom minimalen Unterkühlungsgrad (SCmin) bis zum maximalen Unterkühlungsgrad (SCmax). Die Einzelheiten der Bestimmung des Öffnungsgradverhältnisses werden weiter unten beschrieben.
Der Multiplizierer 204 berechnet den Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils durch Multiplizieren des von der Steuerungsanweisungseinheit 205 ausgegebenen Öffnungsgrads des stromabwärtigen Expansionsventils Sd mit dem von der Öffnungsgrad-Bestimmungseinheit 201 ermittelten Öffnungsgradverhältnis α. Das heißt, der Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils wird nach der folgenden Gleichung 1 berechnet, wodurch die Steuerung durchgeführt wird.
[Gleichung 1] $S u (k) = α (k) \times S d (k)$
Der Korrektor 203 korrigiert die Steuerverstärkung, die ein Steuerparameter der Steuerungsanweisungseinheit 205 ist, mindestens auf der Grundlage des von der Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit 201 berechneten Öffnungsgradverhältnisses α. Genauer gesagt, wird auf der Grundlage des Öffnungsgradverhältnisses α die Steuerverstärkung eines Reihenexpansionsventil-Öffnungsgrades, der ein zusammengesetzter Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils und des stromabwärtigen Expansionsventils ist, zu einer Steuerverstärkung des stromabwärtigen Expansionsventils 7 korrigiert. Die Einzelheiten des Korrekturverfahrens werden weiter unten beschrieben.
4 ist ein Flussdiagramm der Bestimmung des Öffnungsgradverhältnisses, das von der Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit 201 in der ersten Ausführungsform durchgeführt wird. Zunächst bestimmt die Öffnungsgrad-Bestimmungseinheit 201 in Schritt S101, ob der Unterkühlungsgrad (SC) größer als oder gleich wie der vorgegebene maximale Unterkühlungsgrad (SCmax) ist oder nicht. Falls der Unterkühlungsgrad (SC) größer als oder gleich wie der maximale Unterkühlungsgrad (SCmax) ist (falls Ja), wird der Betrieb mit Schritt S102 fortgesetzt. In Schritt S102 addiert die Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit 2011 zu einem Index i eines Arrays. Dann fährt der Betrieb mit Schritt S103 fort.
Bei Nein in Schritt S101 fährt der Betrieb mit Schritt S104 fort, in dem die Öffnungsgrad-Bestimmungseinheit 201 bestimmt, ob der Unterkühlungsgrad (SC) kleiner als oder gleich wie der vorgegebene minimale Unterkühlungsgrad (SCmin) ist oder nicht. Wenn der Unterkühlungsgrad (SC) kleiner als oder gleich wie der vorbestimmte minimale Unterkühlungsgrad (SCmin) ist (falls Ja), wird der Betrieb mit Schritt S105 fortgesetzt, in dem die Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit 2011 vom Index i des Arrays subtrahiert. Dann fährt der Betrieb mit Schritt S103 fort. Bei Nein in Schritt S104 geht der Betrieb weiter zu Schritt S103.
In Schritt S103 rundet die Öffnungsgrad-Bestimmungseinheit 201 den Index i des Arrays auf eine ganze Zahl zwischen Null und N-1, und der Betrieb wird dann mit Schritt S106 fortgesetzt. Dabei ist N die Anzahl von Elementen des Arrays und ist eine Konstante, die im Voraus bestimmt wird. In Schritt S106 ersetzt die Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit 201 das i-te Element des Arrays θ in das Öffnungsgradverhältnis α, um das Öffnungsgradverhältnis zu bestimmen und auszugeben.
Nach Ablauf von drei Minuten kehrt der Betrieb zu Schritt S101 zurück. Ob drei Minuten verstrichen sind oder nicht, wird durch Zählen der Zeit mit Hilfe der Zeitgebereinheit 202 oder ähnlichem bestimmt. In dieser Ausführungsform wird alle drei Minuten überprüft, ob der Unterkühlungsgrad kleiner als oder gleich wie der minimale Unterkühlungsgrad ist oder ob der Unterkühlungsgrad größer als oder gleich wie der maximale Unterkühlungsgrad ist. Die Prüfung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt, und das Zeitintervall für die Prüfung kann auf ein geeignetes Zeitintervall angepasst werden, z. B. zwei Minuten oder eine Minute. Hier wird das Array θ für den Index i beispielsweise durch die folgende Gleichung 2 definiert.
[Gleichung 2] $θ_{i} = p^{\frac{2 (i + 1) - N - 1}{_{2 (N - 1)}}}, i = 0, \dots, N - 1$
Dabei ist p der Maximalwert des Verhältnisses (dPus/dPds) eines Druckabfalls dPus durch das stromaufwärtige Expansionsventil 5 und eines Druckabfalls dPds durch das stromabwärtige Expansionsventil 7, d. h. das maximale Differenzdruckverhältnis, und ist eine Konstante, die im Voraus bestimmt wird. Wie aus Gleichung 2 deutlich hervorgeht, hängt θ von einer Konstanten ab und ist nicht von der Zeit oder den Sensorwerten abhängig. Dadurch ist es nicht notwendig, eine Berechnung in Echtzeit vorzunehmen, und somit nimmt die Rechenlast der Steuereinheit 20 nicht zu.
Gleichung 2 wird so angepasst, dass p auf die Potenz von -1/2 bis 1/2 erhöht wird, während sich der Index i von 0 auf N-1 bewegt. Das heißt, mit steigendem Index i nimmt das Öffnungsgradverhältnis zu. Wenn der Index i abnimmt, nimmt das Öffnungsgradverhältnis ab.
Das heißt, dass die Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit 201 das Öffnungsgradverhältnis so bestimmt, dass das Öffnungsgradverhältnis zunimmt, wenn der gemessene Unterkühlungsgrad größer als oder gleich wie der maximale Unterkühlungsgrad ist, und so, dass das Öffnungsgradverhältnis abnimmt, wenn der gemessene Unterkühlungsgrad kleiner als oder gleich wie der minimale Unterkühlungsgrad ist. Die Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit 201 verwendet Gleichung 2, um das Öffnungsgradverhältnis so zu bestimmen, dass das Öffnungsgradverhältnis schrittweise in Übereinstimmung mit der Periode ansteigt, während der der gemessene Unterkühlungsgrad größer als oder gleich wie der maximale Unterkühlungsgrad ist, und so, dass das Öffnungsgradverhältnis schrittweise in Übereinstimmung mit der Periode abnimmt, während der gemessene Unterkühlungsgrad kleiner als oder gleich wie der minimale Unterkühlungsgrad ist.
Auf diese Weise kann das Öffnungsgradverhältnis so bestimmt werden, dass der Unterkühlungsgrad in einem angemessenen Bereich gehalten wird, was eine Energieeinsparung ermöglicht. Im Folgenden wird die physikalische Bedeutung der Gleichung, die θ definiert, erläutert. Da θi (i = 0, ..., N-1) das Verhältnis zwischen dem Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils Su und dem Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils Sd ist, ist die folgende Gleichung 3 erfüllt.
[Gleichung 3] $S d = θ_{i} \times S u$
Unter der Annahme, dass die Strömungsrate des Kältemittels Gr [kg/s] ist, stehen unterdessen der Differenzdruck dPus aufgrund des stromaufwärtigen Expansionsventils 5 und der Differenzdruck dPds aufgrund des stromabwärtigen Expansionsventils 7 in der durch die folgende Gleichung 4 gegebenen Beziehung. Dabei ist C eine Konstante.
[Gleichung 4] $G r = C * S u \sqrt{d P u s} = C * S d \sqrt{d P d s}$
Die folgende Gleichung 5 wird aus den Gleichungen 2 bis 4 erhalten.
[Gleichung 5] $\frac{d P u s}{d P d s} = θ_{i}^{2} = p \frac{2 (i + 1) - N - 1}{N - 1}$
5 ist ein Diagramm zum Erläutern von Gleichung 5 in der ersten Ausführungsform. 5 ist ein Graph, der Gleichung 5 mit einer logarithmischen Skala auf der y-Achse darstellt. In 5 stellt die horizontale Achse den Index des Arrays θ dar, während die vertikale Achse das Differenzdruckverhältnis dPus/dPds darstellt. Mit anderen Worten: Der Index θ definiert das Verhältnis zwischen dem Druckabfall dPus durch das stromaufwärtige Expansionsventil 5 und dem Druckabfall dPds durch das stromabwärtige Expansionsventil 7.
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zum Erläutern des in 5 dargestellten Graphen in der ersten Ausführungsform veranschaulicht. 6 zeigt, wie sich die Differenzdrücke dPus und dPds der jeweiligen Expansionsventile für jedes Element von θ ändern, wenn die Summe dP des Druckabfalls dPus des stromaufwärtigen Expansionsventils 5 und des Druckabfalls dPds des stromabwärtigen Expansionsventils 7 auf 2 MPa festgelegt ist. 6 zeigt, dass durch Variation des Index von θ ein Druck des Mediums verändert werden kann und folglich die Menge des flüssigen Kältemittels im Sammler 6 (und damit der Unterkühlungsgrad) gesteuert werden kann.
Wenn bei dem Betrieb der Unterkühlungsgrad erhöht werden soll, kann das Öffnungsgradverhältnis in die Richtung des Schließens des stromaufwärtigen Expansionsventils 5 aktualisiert werden, indem der Index von θ verringert wird. Wenn umgekehrt der Unterkühlungsgrad verringert werden soll, kann das Öffnungsgradverhältnis in die Richtung des Öffnens des stromaufwärtigen Expansionsventils 5 aktualisiert werden, indem der Index von θ erhöht wird.
Das heißt, wenn der Unterkühlungsgrad erhöht werden soll, wird das Öffnungsgradverhältnis so geändert, dass das stromaufwärtige Expansionsventil 5 geschlossen wird, wohingegen das Öffnungsgradverhältnis so geändert wird, dass das stromaufwärtige Expansionsventil 5 geöffnet wird, wenn der Unterkühlungsgrad verringert werden soll. Daher sind die Bedingungen für die Veränderung des Indexes von θ mit dem Unterkühlungsgrad (SC) verknüpft. Dies ist der Grund für Schritt S101 und Schritt S104 in 4. In der Strömung wird der Index von θ variiert, um den Unterkühlungsgrad so zu steuern, dass er in einem geeigneten Bereich ist.
In 4 wird die grundlegendste Bedingung als bedingte Anweisung für die Veränderung des Index i verwendet. Die bedingte Anweisung für die Veränderung des Index i ist jedoch nicht unbedingt die in 4 beschriebene Bedingung. Die Bedingung kann zum Beispiel so lauten, dass der Index erhöht wird, wenn der Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils 7 größer als der vorgegebene Öffnungsgrad ist, während der Index verringert wird, wenn der Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils 7 kleiner als der vorgegebene Öffnungsgrad ist. Alternativ kann die Bedingung so lauten, dass der Index weder erhöht noch verringert wird, wenn sich das stromabwärtige Expansionsventil 7 nicht innerhalb des vorgegebenen Öffnungsgradbereichs befindet.
Alternativ kann die Bedingung so lauten, dass der Index nicht verringert wird, wenn die Abgabetemperatur um eine vorgegebene Temperatur höher ist als der Zielwert. Alternativ kann die Kombination auch durch Kombinieren der oben beschriebenen Beispiele erfolgen.
In 4 können sowohl SCmax als auch SCmin, die den geeigneten Bereich des Unterkühlungsgrads definieren, eine Konstante oder ein Wert sein, der je nach Betriebszustand variiert. Beispielsweise kann ein Wert, der sich gelegentlich ändert und der aus der Kondensationstemperatur, der Ansaugtemperatur und dem geeignetenTemperaturwirkungsgrad berechnet wird, als SCmax oder SCmin definiert werden.
Obwohl die Menge der Erhöhung oder Verringerung des Indexes in 4 auf ±1 eingestellt ist, kann die Menge der Erhöhung oder Verringerung je nach den Bedingungen geändert werden. So ist es zum Beispiel möglich, i = i+1 einzustellen, wenn SC > SCmax1, und i = i+2, wenn SC > SCmax2. Die Beziehung zwischen θ und i ist nicht unbedingt durch Gleichung 2 definiert, und es reicht aus, dass θ und I eine monoton fallende oder monoton steigende Beziehung aufweisen.
Wie oben beschrieben, ist in 4 eine Indexaktualisierungsperiode auf drei Minuten eingestellt, die jedoch nicht unbedingt drei Minuten betragen muss, sondern beliebig sein kann. Das heißt, diese Periode ist nicht unbedingt mit dem Steuerzyklus der Steuerungsanweisungseinheit 205 synchronisiert.
In der bedingten Anweisung in 4 wird der Unterkühlungsgrad als Indikator für die Bestimmungsbedingung verwendet, aber der Indikator ist nicht unbedingt der Unterkühlungsgrad. Im Wesentlichen reicht es aus, dass die bedingte Anweisung so getroffen wird, dass die Menge des flüssigen Kältemittels im Kondensator 4 oder im Sammler 6 innerhalb des geeigneten Bereichs bleibt. Um die Menge des flüssigen Kältemittels im Kondensator 4 oder im Sammler 6 innerhalb des geeigneten Bereichs zu halten, wird im Beispiel von 4 der Unterkühlungsgrad, der eine physikalische Größe ist, die mit der Menge des flüssigen Kältemittels im Kondensator 4 oder im Sammler 6 korreliert, als Indikator für die Bestimmungsbedingung verwendet. Wenn jedoch beispielsweise ein Sensor zur Messung der Menge des flüssigen Kältemittels im Kondensator 4 vorgesehen ist, kann die Menge des flüssigen Kältemittels im Kondensator 4 als Indikator verwendet werden. Wenn alternativ beispielsweise ein Sensor zur Messung der Menge des flüssigen Kältemittels im Sammler 6 vorgesehen ist, kann die Menge des flüssigen Kältemittels im Sammler 6 als Indikator verwendet werden.
Alternativ kann auch eine Kombination dieser Indikatoren als Indikator für die bedingte Anweisung verwendet werden. Wenn die Menge von flüssigem Kältemittel im Kondensator 4 den geeigneten Bereich nicht unterschreitet, kann das Öffnungsgradverhältnis in Richtung der Öffnung des stromaufwärtigen Expansionsventils 5 aktualisiert werden. Wenn andererseits die Menge von flüssigem Kältemittel im Kondensator 4 den geeigneten Bereich nicht überschreitet, kann das Öffnungsgradverhältnis in Richtung der Schließung des stromaufwärtigen Expansionsventils 5 aktualisiert werden. Wenn in ähnlicher Weise die Menge von flüssigem Kältemittel im Sammler 6 den geeigneten Bereich nicht unterschreitet, kann das Öffnungsgradverhältnis in Richtung der Schließung des stromaufwärtigen Expansionsventils 5 aktualisiert werden. Wenn andererseits die Menge von flüssigem Kältemittel im Sammler 6 den geeigneten Bereich nicht überschreitet, kann das Öffnungsgradverhältnis in Richtung der Öffnung des stromaufwärtigen Expansionsventils 5 aktualisiert werden.
Als nächstes wird der Betrieb des Korrektors 203 erläutert. Der Korrektor 203 berechnet einen Steuerverstärkung-Korrekturwert Cor durch die folgende Gleichung 6 aus dem durch die Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit 201 berechneten Öffnungsgradverhältnis α und korrigiert dadurch die Steuerverstärkung, die ein Steuerparameter der Steuerungsanweisungseinheit 205 ist.
[Gleichung 6] $C o r (k) = \sqrt{\frac{1}{1 + \frac{1}{α^{2}}}}$
Die Steuerverstärkungen der PI-Regelung, die die Steuerungsanweisungseinheit 205 bilden, werden um den Steuerverstärkung-Korrekturwert Cor gemäß den folgenden Gleichungen 7 und 8 korrigiert. Obwohl hier eine PI-Regelung verwendet wird, ist die Steuerung nicht darauf beschränkt, und es können auch P-Regelung, PID-Regelung o. ä. verwendet werden.
[Gleichung 7] $k p = \frac{k p_b a s e}{C o r (k)}$

[Gleichung 8] $k i = \frac{k i_b a s e}{C o r (k)}$
Dabei sind kp und ki jeweils eine Proportionalverstärkung und eine Integralverstärkung des PI-Reglers und kp_base und ki_base sind jeweils eine Referenzproportionalverstärkung und eine Referenzintegralverstärkung (vor der Korrektur). Die Herleitung der Gleichungen 7 und 8 wird im Folgenden beschrieben.
Zunächst werden die Referenzsteuerverstärkungen kp_base und ki_base für den Reihenexpansionsventil-Öffnungsgrad angelegt. Hier ist der Reihenexpansionsventil-Öffnungsgrad der zusammengesetzte Öffnungsgrad, wenn das stromaufwärtige Expansionsventil 5 und das stromabwärtige Expansionsventil 7 als ein Expansionsventil betrachtet werden. In diesem Zusammenhang steht der Reihenexpansionsventil-Öffnungsgrad Sser mit dem Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils Su und dem Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils Sd in Beziehung, die durch die folgende Gleichung 9 gegeben ist.
[Gleichung 9] $S s e r = \sqrt{\frac{S u^{2} S d^{2}}{S u^{2} + S d^{2}}}$
Durch Auslegen der Referenzsteuerverstärkungen für den Reihenexpansionsventil-Öffnungsgrad wird aus der Proportionalverstärkung und der Integralverstärkung, die als Basis dienen, der Reihenexpansionsventil-Öffnungsgrad abgeleitet, der die Abgabetemperatur veranlasst, dem Zielwert zu folgen. Die Referenzsteuerverstärkungen sind für den Reihenexpansionsventil-Öffnungsgrad ausgelegt, aber die Steuerungsanweisungseinheit 205 von 3 gibt den Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils und nicht den Reihenexpansionsventil-Öffnungsgrad aus. Daher wird der Reihenexpansionsventil-Öffnungsgrad Sser durch Erweitern von Gleichung 10 in den Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils Sd umgewandelt.
[Gleichung 10] $\begin{matrix} S s e r = \sqrt{\frac{S u^{2} + S d^{2}}{S u^{2} + S d^{2}}} \\ \begin{array}{l} = \sqrt{\frac{{(α * S d)}^{2} S d^{2}}{{(α * S d)}^{2} + S d^{2}}} \\ = S d \sqrt{\frac{1}{1 + \frac{1}{α^{2}}}} \end{array} \end{matrix}$

[Gleichung 11] $\begin{array}{l} S d = \frac{1}{\sqrt{\frac{1}{1 + \frac{1}{α^{2}}}}} S s e r \\ = \frac{1}{C o r} S s e r \end{array}$
Daraus ergibt sich, dass die Umwandlung von Sser in Sd durch die in Gleichung 11 dargestellte Umwandlung erfolgen kann. Die Umwandlung wird im Voraus in die Steuerverstärkungen einbezogen. Dies bedeutet, dass die Steuerverstärkungen für den Basis-Reihenexpansionsventil-Öffnungsgrad durch Cor geteilt werden, wie in den Gleichungen 7 und 8.
Wie oben beschrieben, werden die Steuerverstärkungen für den Reihenexpansionsventil-Öffnungsgrad anhand des Öffnungsgradverhältnisses α durch die Gleichungen 6 bis 8 korrigiert, es können jedoch auch andere Korrekturgleichungen, Beziehungsgleichungen oder Tabellen verwendet werden. Im Wesentlichen führt der Korrektor 203 eine Korrektur so durch, dass die Steuerverstärkung des stromabwärtigen Expansionsventils 7 zunimmt, wenn das Öffnungsgradverhältnis α abnimmt, und so, dass die Steuerverstärkung des stromabwärtigen Expansionsventils 7 abnimmt, wenn das Öffnungsgradverhältnis α zunimmt. Im Korrektor 203 ist die Korrektur also so definiert, dass sie effektiv eine negative Korrelation zwischen dem Öffnungsgradverhältnis α und der Steuerverstärkung aufzeigt.
Auch wenn das Steuerverstärkungskorrekturverfahren für das Öffnungsgradverhältnis α oben beschrieben wurde, können weitere Korrekturen hinzugefügt werden.
Das zu korrigierende Objekt ist nicht auf die Steuerverstärkungen der PI-Regelung beschränkt, und im Wesentlichen reicht es aus, dass ein Steuerparameter der Steuerungsanweisungseinheit 205 so korrigiert wird, dass eine Änderung der von der Steuerungsanweisungseinheit 205 ausgegebenen Betriebsmenge abnimmt, wenn das Öffnungsgradverhältnis α groß ist.
Wie oben beschrieben, berechnet die Öffnungsgrad-Bestimmungseinheit 201 das Öffnungsgradverhältnis α, und der berechnete Wert und der Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils werden in den Multiplizierer 204 eingegeben, wodurch der Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils berechnet wird. Auf diese Weise ist es möglich, den Unterkühlungsgrad stabil und mit hoher Genauigkeit auf einen geeigneten Wert oder innerhalb eines geeigneten Bereichs zu steuern. Das heißt, der Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils und der Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils werden in Verbindung miteinander betrieben, um das Öffnungsgradverhältnis konstant zu halten, und daher ist es möglich, den Übergang des flüssigen Kältemittels im Kondensator 4 oder im Sammler 6 in einen gewünschten Kältemittelzustand zu ermöglichen, ohne die Verteilung des Kältemittels vorübergehend signifikant zu verändern. Dadurch wird eine vorübergehende Entleerung des flüssigen Kältemittels im Kondensator 4 oder im Sammler 6 wirksam verhindert.
Wie oben beschrieben, werden in dieser Ausführungsform der Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils und der Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils in Verbindung miteinander betrieben, um das Öffnungsgradverhältnis konstant zu halten. Bei der Steuerung des Öffnungsgrades des stromabwärtigen Expansionsventils werden somit Schwankungen der Strömungsrate des flüssigen Kältemittels auf der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Seite des Sammlers 6 unterdrückt. Daher können Schwankungen in der Kältemittelmenge im Kondensator 4 oder im Sammler 6 unterdrückt werden, und die vorübergehende Entleerung des flüssigen Kältemittels kann unterdrückt werden. Daher kann die Kältemittelmenge im Kältemittelkreislauf 10 auch während der Änderung des Öffnungsgrads des stromabwärtigen Expansionsventils gesteuert werden, indem die im Kondensator 4 oder im Sammler 6 gespeicherte Menge an flüssigem Kältemittel verwendet wird, um dadurch das stromaufwärtige Expansionsventil 5 und das stromabwärtige Expansionsventil 7 zu steuern. Dadurch kann die Verringerung der Steuerbarkeit des stromaufwärtigen Expansionsventils 5 und des stromabwärtigen Expansionsventils 7 vermieden werden.
Durch eine geeignete Beschreibung der bedingten Anweisung für die Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit 201 kann der optimale Betriebszustand auch dann gehalten werden ohne den Kältekreislauf weiterzugeben, wenn kein Unterkühlungsgrad auftritt, wie z. B. bei Kältemittelmangel oder wenn lange Rohrleitungen installiert sind. Durch die Einbeziehung von Informationen über das von der Steuerungsanweisungseinheit 205 zu steuernde Objekt in die bedingte Anweisung für die Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit 201 ist es außerdem möglich, die vorübergehende Steuerung des von der Steuerungsanweisungseinheit 205 zu steuernden Objekts bevorzugt durchzuführen. Auf diese Weise kann eine solche flexible Kontrolle erreicht werden.
Wie oben beschrieben, kann die hochpräzise Steuerung dadurch erreicht werden, dass die Steuerparameter für die Steuerungsanweisungseinheit 205 durch den Korrektor 203 korrigiert werden, unabhängig vom Öffnungsgradausgleich zwischen dem Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils und dem Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Öffnungsgradausgleich auf das Größenverhältnis zwischen dem Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils und dem Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils. Der Grund für die Fokussierung auf den Öffnungsgradausgleich ist, dass sich der Einflussgrad eines jeden Expansionsventils auf den Kältekreislauf im Allgemeinen in Abhängigkeit vom Öffnungsgradausgleich ändert.
Wenn beispielsweise der Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils viel kleiner ist als der Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils, hat eine Änderung des Öffnungsgrads des stromaufwärtigen Expansionsventils kaum Auswirkungen auf den Kältekreislauf. Wenn umgekehrt der Öffnungsgrad des stromaufwärtigen Expansionsventils viel größer ist als der Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils, hat selbst eine leichte Änderung des Öffnungsgrads des stromaufwärtigen Expansionsventils große Auswirkungen auf den Kältekreislauf zur Folge.
Der Einflussgrad eines jeden Expansionsventil-Öffnungsgrades auf den Kältekreislauf ändert sich in Abhängigkeit vom Öffnungsgradausgleich. Wenn also eine feste Steuerverstärkung verwendet wird, kann es aufgrund der Änderung des Öffnungsgradausgleichs zu Fehlern wie Schwingen oder einer längeren Zeit bis zum Erreichen des Zielwerts kommen. In dieser Ausführungsform wird die Korrektur, die den Öffnungsgradausgleich berücksichtigt, an der Steuerverstärkung durchgeführt und so kann eine hohe Steuerbarkeit bei jedem Öffnungsgradausgleich beibehalten werden.
7 ist ein Hardware-Konfigurationsdiagramm, das eine Konfiguration der Steuereinheit 20 in der ersten Ausführungsform zeigt. Die Steuereinheit 20 besteht aus einer Eingabeschnittstelle 401, einer arithmetischen Einrichtung 402, bei der es sich um eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) oder ähnliches handelt, einer Speichereinrichtung 403 und einer Ausgabeschnittstelle 404. Die Schnittstelle wird im Folgenden als IF (engl.: interface) bezeichnet.
Die Funktionen der Öffnungsgrad-Bestimmungseinheit 201, der Zeitgebereinheit 202, des Korrektors 203, des Multiplizierers 204 und der Steuerungsanweisungseinheit 205 der Steuereinheit 20 werden implementiert, indem die arithmetische Einrichtung 402 veranlasst wird, Programme auszuführen. Daten, die von der Sensoreinheit erworbene Daten und von der Betriebseinheit erworbene Daten beinhalten werden in der Speichereinrichtung 403 gespeichert.
Daten, die von der Sensoreinheit erworben werden, Daten, die von der Betriebseinheit erworben werden und andere Daten werden von der Eingabe IF 401 eingegeben. Die Eingabe kann direkt vom Benutzer oder von einem externen Datenserver empfangen werden, wobei die Eingabequelle nicht begrenzt ist. Die Ausgabe-IF 404 gibt auf der Grundlage des berechneten Öffnungsgradverhältnisses Steuerungsinformationen einschließlich Steuerungsanweisungen aus.
In diesem Zusammenhang ist die IF ein kabelgebundener Anschluss, z. B. ein Kabelanschluss, ein USB-Anschluss, ein Anschluss für eine Direktverbindung oder ein Anschluss für ein drahtloses Netzwerk. Die Speichereinrichtung 403 ist ein Speichermedium wie zum Beispiel ein HDD, ein SSD oder ein Flash-Speicher.
Zweite Ausführungsform
8 ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel einer Konfiguration einer Steuereinheit 30 in einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch die Steuereinheit 30. Genauer gesagt unterscheidet sich die zweite Ausführungsform von der ersten Ausführungsform durch die Verarbeitung, die von einer Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit 301 der Steuereinheit 30 durchgeführt wird, und dadurch, dass die Steuereinheit 30 eine Unterkühlungsgrad-Anweisungseinheit 302 aufweist. Andere Konfigurationen und Betriebe sind die gleichen wie in der ersten Ausführungsform, und somit wird auf ihre Beschreibung verzichtet.
Die Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit 301 der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit 201 der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit 301 das Öffnungsgradverhältnis α nicht aus dem diskreten Index i durch das auf der bedingten Anweisung basierende Flussdiagramm, sondern aus einem von der Unterkühlungsgrad-Anweisungseinheit 302 ausgegebenen kontinuierlichen Argument berechnet.
Die Unterkühlungsgrad-Anweisungseinheit 302 führt eine Steuerung wie z. B. eine Rückkopplungssteuerung unter Verwendung des Unterkühlungsgrads als Steuergröße durch. Bei der Steuerung des Unterkühlungsgrades werden je nach Situation verschiedene Argumente verwendet, damit der Unterkühlungsgrad dem Zielunterkühlungsgrad folgt.
Die von der Unterkühlungsgrad-Anweisungseinheit 302 durchgeführte Steuerung ist z. B. eine PI-Regelung, muss aber nicht unbedingt eine PI-Regelung sein. Dabei kann es sich um eine dynamische Rückkopplungssteuerung handeln, wie z. B. P-Regelung, PID-Regelung oder Modellvorhersageregelung, oder um eine dynamische oder statische Steuerung in Übereinstimmung mit der vorab bestimmten Tabelle oder Ähnlichem.
9 ist ein Flussdiagramm einer Verarbeitung, durch die eine Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit 301 in der zweiten Ausführungsform das Öffnungsgradverhältnis spezifiziert. Bei der ersten Ausführungsform wird der Index erhöht oder verringert, indem bestimmt wird, ob der Unterkühlungsgrad größer als oder gleich wie der maximale Unterkühlungsgrad ist oder ob der Unterkühlungsgrad kleiner als oder gleich wie der minimale Unterkühlungsgrad ist, und das Öffnungsgradverhältnis wird durch Eingabe des erhöhten oder verringerten Index in die Funktion spezifiziert. In dieser Ausführungsform wird das Öffnungsgradverhältnis jedoch durch Eingabe des geänderten Arguments in eine Funktion spezifiziert, um zu veranlassen, dass der von der Unterkühlungsgrad-Anweisungseinheit 302 bereitgestellte Unterkühlungsgrad dem Zielwert folgt.
Zunächst gibt die Unterkühlungsgrad-Befehlseinheit 302 ein vorläufiges Argument zur Steuerung des Unterkühlungsgrads als Zielunterkühlungsgrad aus. In Schritt S201 erwirbt die Öffnungsgrad-Bestimmungseinheit 301 das vorläufige Argument, das von der Unterkühlungsgrad-Anweisungseinheit 302 ausgegeben wird. In Schritt S202 rundet die Öffnungsgrad-Bestimmungseinheit 301 das vorläufige Argument auf spezifizierte obere und untere Grenzwerte und gibt das gerundete Argument aus. In Schritt S203 verwendet die Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit 301 das gerundete Argument als die Eingabe und gibt dann als das Öffnungsgradverhältnis α das Ergebnis der Berechnung des eingegebenen gerundeten Arguments unter Verwendung einer bestimmten Funktion aus. Hier kann die bestimmte Funktion Gleichung 2 oder eine andere Funktion sein. Im Wesentlichen kann die Funktion jede Funktion sein, die eine monoton nicht abnehmende Funktion in Bezug auf das Argument ist.
In der obigen Beschreibung gibt die Unterkühlungsgrad-Anweisungseinheit 302 das vorläufige Argument für die Steuerung des Unterkühlungsgrads aus, um den Zielunterkühlungsgrad zu erreichen, aber es ist auch möglich, den Unterkühlungsgrad nicht auf den Zielunterkühlungsgrad zu steuern. Die Unterkühlungsgrad-Anweisungseinheit 302 kann ein vorläufiges Argument ausgeben, um den Unterkühlungsgrad innerhalb eines vorgegebenen zulässigen Unterkühlungsgradbereichs zu halten.
Mit der oben beschriebenen Konfiguration können die gesamten Betriebe des stromaufwärtigen Expansionsventils und des stromabwärtigen Expansionsventils kontinuierlich durchgeführt werden. Dadurch wird eine sanfte und stoßfreie Steuerung ermöglicht und eine kontinuierliche Verknüpfung zwischen Betriebsbedingung und Betriebszustand kann erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass der Bewertungstest effizient durchgeführt werden kann. Darüber hinaus wird auch die Reproduzierbarkeit der Steuerung verbessert, so dass eine qualitativ hochwertige Kältekreislaufvorrichtung bereitgestellt werden kann.
Die jeweiligen Ausführungsformen können im Rahmen der vorliegenden Offenbarung frei kombiniert werden, und sie können gegebenenfalls geändert oder weggelassen werden. Obwohl die Ausführungsformen im Detail beschrieben wurden, ist die obige Beschreibung in allen Aspekten illustrativ, und die Ausführungsformen sind nicht darauf beschränkt. Zahlreiche hier nicht dargestellte Modifikationen sind denkbar, ohne den Rahmen der Ausführungsformen zu verlassen.
BESCHREIBUNG VON BEZUGSZEICHEN
1: Kältekreislaufvorrichtung, 3: Verdichter, 4: Kondensator, 5: stromaufwärtiges Expansionsventil, 6: Sammler, 7: stromabwärtiges Expansionsventil, 8: Verdampfer, 9: Rohrleitung, 10: Kältemittelkreislauf, 11: Abgabetemperatursensor, 12: Auslasstemperatursensor, 13: Hochdruck-Drucksensor, 14: Niederdruck-Drucksensor, 20, 30: Steuereinheit, 201, 301: Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit, 202: Zeitgebereinheit, 203: Korrektor, 204: Multiplizierer, 205: Steuerungsanweisungseinheit, 206: Speicher, 302: Unterkühlungsgrad-Anweisungseinheit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2019148396 [0003]

Claims

Kältekreislaufvorrichtung, aufweisend: einen Verdichter zum Verdichten eines angesaugten Kältemittels; einen Kondensator zum Kondensieren des vom Verdichter abgegebenen Kältemittels, um Wärme auszutauschen; einen Sammler zum Speichern des aus dem Kondensator abgegebenen Kältemittels; einen Verdampfer zum Verdampfen des vom Sammler abgegebenen Kältemittels, um Wärme auszutauschen; ein stromaufwärtiges Expansionsventil, das an einer Rohrleitung zwischen dem Kondensator und dem Sammler vorgesehen ist; ein stromabwärtiges Expansionsventil, das an einer Rohrleitung zwischen dem Sammler und dem Verdampfer vorgesehen ist; und eine Steuereinheit zum Steuern eines Öffnungsgrades des stromaufwärtigen Expansionsventils und eines Öffnungsgrades des stromabwärtigen Expansionsventils in Verbindung miteinander, um ein Öffnungsgradverhältnis zwischen dem stromaufwärtigen Expansionsventil und dem stromabwärtigen Expansionsventil konstant zu halten.
Kältekreislaufvorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Sensoreinheit zum Messen einer physikalischen Größe, die mit einer Menge des flüssigen Kältemittels im Kondensator oder im Sammler korreliert; und eine Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit zum Bestimmen des Öffnungsgradverhältnisses, um die physikalische Größe innerhalb eines vorgegebenen Bereichs zu halten.
Kältekreislaufvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die physikalische Größe ein Unterkühlungsgrad ist, und wobei die Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit das Öffnungsgradverhältnis so bestimmt, dass das Öffnungsgradverhältnis zunimmt, wenn der gemessene Unterkühlungsgrad größer als oder gleich wie ein maximaler Unterkühlungsgrad ist, und so, dass das Öffnungsgradverhältnis abnimmt, wenn der gemessene Unterkühlungsgrad kleiner als oder gleich wie ein minimaler Unterkühlungsgrad ist.
Kältekreislaufvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit das Öffnungsgradverhältnis so bestimmt, dass das Öffnungsgradverhältnis schrittweise in Übereinstimmung mit einer Periode ansteigt, während der der Unterkühlungsgrad größer als oder gleich wie der maximale Unterkühlungsgrad ist, und so, dass das Öffnungsgradverhältnis schrittweise in Übereinstimmung mit einer Periode abnimmt, während der der Unterkühlungsgrad kleiner als oder gleich wie der minimale Unterkühlungsgrad ist.
Kältekreislaufvorrichtung nach Anspruch 3, ferner aufweisend: eine Unterkühlungsgrad-Anweisungseinheit zum Verwenden des Unterkühlungsgrads als Steuergröße, wobei die Öffnungsgradverhältnis-Bestimmungseinheit das Öffnungsgradverhältnis so bestimmt, dass das Öffnungsgradverhältnis zunimmt, wenn eine von der Unterkühlungsgrad-Anweisungseinheit ausgegebene Betriebsmenge zunimmt, um die Zunahmen des Unterkühlungsgrads zu steuern.
Kältekreislaufvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinheit einen Öffnungsgrad des stromabwärtigen Expansionsventils steuert, um eine Abgabetemperatur zu veranlassen, durch Rückkopplungssteuerung mit einer Steuerverstärkung einem Zielwert zu folgen, und die Kältekreislaufvorrichtung ferner aufweist: einen Korrektor zum Korrigieren einer Steuerverstärkung eines Reihenexpansionsventil-Öffnungsgrades zu der Steuerverstärkung des stromabwärtigen Expansionsventils auf der Grundlage des Öffnungsgradverhältnisses.
Kältekreislaufvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Korrektor die Korrektur so durchführt, dass die Steuerverstärkung des stromabwärtigen Expansionsventils zunimmt, wenn das Öffnungsgradverhältnis abnimmt, und so, dass die Steuerverstärkung des stromabwärtigen Expansionsventils abnimmt, wenn das Öffnungsgradverhältnis zunimmt.
Kältekreislaufverfahren, umfassend die Schritte: Verdichten eines angesaugten Kältemittels in einem Verdichter; Kondensieren des vom Verdichter abgegebenen Kältemittels in einem Kondensator, um Wärme mit Luft auszutauschen; Speichern des aus dem Kondensator abgegebenen Kältemittels in einem Sammler; Verdampfen des vom Sammler abgegebenen Kältemittels in einem Verdampfer, um Wärme mit Luft auszutauschen; und Steuern eines Öffnungsgrades eines stromaufwärtigen Expansionsventils und eines Öffnungsgrades eines stromabwärtigen Expansionsventils in Verbindung miteinander, um ein Öffnungsgradverhältnis zwischen dem stromaufwärtigen Expansionsventil und dem stromabwärtigen Expansionsventil konstant zu halten, wobei das stromaufwärtige Expansionsventil an einer Rohrleitung zwischen dem Kondensator und dem Sammler vorgesehen ist, wobei das stromabwärtige Expansionsventil an einer Rohrleitung zwischen dem Sammler und dem Verdampfer vorgesehen ist.