JP2001280713A - 電子式膨張弁の制御方法および制御装置 - Google Patents

電子式膨張弁の制御方法および制御装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷凍機やヒートポンプで使用される圧縮機の
分野に関し、特に、冷却器のピンチ度を制御しかつ吐出
過熱度を維持するための電子式膨張弁の制御方法および
制御装置を提供する。 【解決手段】 ヒートポンプや冷凍機のための冷凍サイ
クル10に使用する電子式膨張弁EXVは、冷却器の流
体温度CFTと飽和吸入温度SSTとの温度差をモニタ
することにより、適切な満液式冷却器の熱交換性能が確
保されるようにピンチ度を最小限に維持するために制御
される。液体がスラグを形成するのから圧縮機40を保
護するために、吐出過熱度DSHがモニタされる。DS
Hが期待される値より低い場合、EXV開口度が調整さ
れる。装置性能、適切なDSH、適切な冷媒負荷などを
最適化するようにEXVの最適位置を決定するために使
用される特定の装置変数が、制御装置15によってモニ
タされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍機やヒートポ
ンプで使用される圧縮機の分野に関し、特に、冷却器の
ピンチ度を制御しかつ吐出過熱度を維持するために電子
式膨張弁を使用することに関する。
【0002】
【従来の技術】ヒートポンプ装置では、循環ループの相
対的に高温側と相対的に低温側との間で熱エネルギーを
運ぶために冷媒が使用される。循環ループの高温側で圧
縮機によって冷媒が圧縮され、冷媒の温度が上昇する。
循環ループの低温側で冷媒が膨張させられ蒸発し、膨張
には熱が必要なので、温度が低下する。室内や室外の空
気と冷媒とのそれぞれの温度差により、室外空気を熱エ
ネルギー供給源または熱エネルギー吸収源として利用す
ることで、循環ループの一方で冷媒に熱エネルギーが与
えられ、他方で冷媒から熱エネルギーが奪われる。
【0003】この過程は可逆的であり、従って、ヒート
ポンプは加熱にも冷却にも使用することができる。適切
な弁と制御装置によって冷媒が室内や室外の熱交換器を
選択的に通り、それによって室内熱交換器が、暖房用に
は冷媒循環ループの高温側となり、冷房用には低温側と
なるので、住宅用の冷暖房装置は双方向的である。循環
送風機によって、室内空気が、室内熱交換器を通過しか
つ室内空間に通じるダクトを通過する。戻りダクトによ
って室内空間から空気が抜き取られ、この空気は室内熱
交換器に戻される。同様に送風機によって、周囲の空気
が、室外熱交換器を通過し、戸外に熱が放出され、また
は、戸外から利用可能な熱を吸収する。
【0004】このような種類のヒートポンプ装置は、そ
れぞれの熱交換器で空気と冷媒との間に熱エネルギーが
移動し続けるのに十分な温度差がある場合にのみ作動す
る。暖房用としては、空気と冷媒との温度差で利用可能
な熱エネルギーが圧縮機やそれぞれの送風機を作動させ
るのに必要な電気エネルギーを上まわる場合、ヒートポ
ンプ装置は有効である。冷房用には、空気と冷媒の温度
差は通常十分であり、暑い日ならなおさら十分である。
空調機や冷凍機はヒートポンプと同様に機能するが、室
内から室外に熱を移動させるだけである。それ以外の大
部分の特徴の中では、冷凍サイクルが同じである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】冷媒が凝縮器から蒸発
器に流れる際、冷媒は電子式膨張弁(EXV)などの弁
を通過する。装置内の主流制御は、高圧の凝縮器から低
圧の蒸発器に冷媒を膨張させるこの膨張弁にある。この
膨張によって、液体の一部が蒸発し、それによって、残
りの液体が冷却されて蒸発器の温度になる。蒸発器内の
冷媒の液面高さも、検出器入力に基づいて決定される冷
媒の液面高さにより、EXVによって制御される。第1
の検出器入力は、蒸発器内の温度検出器からであり、第
2の検出器入力は、飽和吸入温度からである。これら2
つの入力に基づいて、蒸発器内の液面高さが推定され
る。蒸発器内に温度検出器を取り付けることや、これら
2つの入力を使用しても蒸発器内の液面高さが正確に得
られないことから、多くの問題が生じる。
【0006】
【課題を解決するための手段】簡単に説明すると、ヒー
トポンプや冷凍機のための冷凍サイクルに使用される電
子式膨張弁(EXV)は、冷却器の流体温度と飽和吸入
温度との温度差をモニタすることにより、満液式冷却器
の適切な熱交換性能が確保されるようにピンチ度を最小
限に維持するために制御される。液体がスラグを形成す
る(liquid slugging)のから圧縮機を
保護するために、吐出過熱度がモニタされる。吐出過熱
度が期待される値より低い場合、EXV開口度が調整さ
れる。装置性能、適切な吐出過熱度、適切な冷媒負荷な
どを最適化するようにEXVの最適位置を決定するため
に使用される特定の装置変数が、制御装置によってモニ
タされる。
【0007】本発明の実施態様によれば、冷凍サイクル
装置の電子式膨張弁を制御する方法は、前記冷却器の流
体温度と飽和吸入温度との温度差をモニタすることによ
り適切な満液式冷却器の熱交換性能を確保し、装置の吐
出過熱度をモニタすることにより装置の圧縮機を保護
し、吐出過熱度が所定値より低い場合、電子式膨張弁の
開口度を調整することを含む。
【0008】本発明の実施態様によれば、冷凍サイクル
装置の電子式膨張弁を制御する方法は、装置の飽和吸入
温度(SST)を測定し、装置の飽和吐出温度(SD
T)を測定し、装置の冷却器の流体温度(CFT)を測
定し、装置の飽和凝縮温度(SCT)を測定し、CFT
からSSTを引いた差としてピンチ度を決定し、ピンチ
度から設定ピンチ度を引いた差としてピンチ度誤差を決
定し、現在のピンチ度から所定時間前のピンチ度を引い
た差としてピンチ度変化率を決定し、SDTからSCT
を引いた差として吐出過熱度を決定し、吐出過熱度から
設定吐出過熱度を引いた差として吐出過熱度誤差を決定
し、現在の吐出過熱度から所定時間前の吐出過熱度を引
いた差として吐出過熱度変化率を決定し、所定温度の不
感帯を設定し、ピンチ度誤差、ピンチ度変化率、吐出過
熱度誤差、吐出過熱度変化率、不感帯に基づいて電子式
膨張弁の作動を制御することを含む。
【0009】本発明の実施態様によれば、冷凍サイクル
装置の電子式膨張弁の制御装置は、装置のピンチ度を決
定する手段と、装置のピンチ度誤差を決定する手段と、
装置のピンチ度変化率を決定する手段と、装置の吐出過
熱度を決定する手段と、装置の吐出過熱度誤差を決定す
る手段と、装置の吐出過熱度変化率を決定する手段と、
所定温度の不感帯を設定する手段と、ピンチ度誤差、ピ
ンチ度変化率、吐出過熱度誤差、吐出過熱度変化率、不
感帯に基づいて電子式膨張弁の作動を制御する手段とを
備える。
【0010】
【発明の実施の形態】図1を参照すると、基本的な冷凍
装置10は、電子式膨張弁EXVを介して蒸発器30に
流体が流れるように接続された凝縮器20を備える。弁
EXVは、制御装置15により制御される。蒸発器30
は、圧縮機40を介して流体が流れるように凝縮器20
に接続される。圧縮機は1台しか示されていないが、同
じ回路に平行して複数の圧縮機を接続することは、当業
技術で知られている。戻り水(または空気)が蒸発器3
0に供給され、そこで冷媒に熱が移動する。冷凍回路
は、1つしか示されていないが、2つの独立した冷凍回
路を使用することは、当業技術で知られている。冷却器
への供給水(または空気)が、冷却に必要なため循環さ
れる。変換器すなわちサーミスタ80によって、冷却器
の流体温度(CFT)が測定され、それを制御装置が受
け取る。圧力変換器50によって、冷媒の飽和凝縮圧が
測定され、その測定値は、制御装置15で飽和凝縮温度
(SCT)に変換される。圧力変換器60によって、冷
媒の飽和吸入圧が測定され、その測定値は、制御装置1
5で飽和吸入温度(SST)に変換される。吐出気体サ
ーミスタ検出器70によって、飽和吐出温度(SDT)
が制御装置15に送られる。あるいは、圧力変換器によ
って、冷媒の飽和吐出圧力が測定され、その測定値がS
DTに変換される。圧力変換器は、温度を直接測定する
通常の手段より正確なので、一般に使用される。
【0011】ピンチ度は、CFTからSSTを引いた
差、と定義される。吐出過熱度(DSH)は、SDTか
らSCTを引いた差、と定義される。本発明の方法で
は、これらの変数は、EXVの作動を制御するために、
従って、装置10内の冷媒の流れを制御するために使用
される。EXVは、冷却器の流体温度と飽和吸入温度と
の温度差をモニタすることにより、適切な満液式冷却器
の熱交換性能が確保されるようにピンチ度を最小限に維
持するために制御されるのが好ましい。EXVを開く
と、冷却器のピンチ度は通常低下し、従って、冷却器の
熱交換性能が向上する。しかしながら、EXVを開き過
ぎると、吐出過熱度が下がり、油圧が低下し、冷媒の流
量が減少する。従って、本発明には2つの目的があり、
1つの目的は、冷却器のピンチ度を低く維持することで
あり、もう1つの目的は、吐出過熱度を維持することで
ある。
【0012】図2を参照すると、初期化ステップ110
で、本発明の方法で使用されるさまざまな変数の値が設
定される。本発明の方法のフローチャートのサイクル
は、10秒毎に実行されるが、他の適切なサイクル時間
を使用することもできる。CFT、SST、SDT、S
CTの値は制御装置15(図1参照)によって読み取ら
れる。PINCH(ピンチ度)は、CFT−SST、と
定義され、PINCH_ERROR(ピンチ度誤差)
は、PINCH−PINCH_SETPOINT(設定
ピンチ度)(製造業者、設置業者、使用者などにより装
置の制御装置にプログラムされる)、と定義され、PI
NCH_RATE(ピンチ度変化率)は、現在のピンチ
度から10秒前のものを引いたPINCH−PINCH
_10S_AGO(10秒前のPINCH)、と定義さ
れる。DSH(吐出過熱度)は、SDT−SCT、と定
義され、DSH_ERROR(吐出過熱度誤差)は、D
SH−DSH_SETPOINT(設定吐出過熱度)
(製造業者、設置業者、使用者などにより装置の制御装
置にプログラムされる)、と定義され、DSH_RAT
E(吐出過熱度変化率)は、現在の吐出過熱度から10
秒前のものを引いたDSH−DSH_10S_AGO
(10秒前のDSH)、と定義される。
【0013】ステップ112で、PINCH_ERRO
Rの絶対値(ABSOLUTE(PINCH_ERRO
R))がDEADBAND(不感帯)と比較される。ピ
ンチ度誤差の絶対値が「不感帯」より小さい場合、EX
Vには何の作動量も加えられない。不感帯によって、検
出器の不正確さに起因する不安定性が回避される。不感
帯の値は、使用者により随意に設定されるが、本発明の
実施例として使用されるこの実施態様では、不感帯は、
0.4°F(0.2222℃)に設定される。
【0014】ステップ112で、PINCH_ERRO
Rの絶対値が不感帯より大きい場合、ステップ114
で、EXV_MOV(EXVの作動量)が、(PINC
H_ERROR−DEADBAND)*KP+PINC
H_RATE*KD、に設定される。そうでない場合、
上述のようにEXV_MOVの値は変化させずに、その
まま維持される。KPは、比例利得であり、ピンチ度誤
差と掛け合わせて比例作動量が得られる。この実施態様
では、KPは、0.33%/°F(0.33%/0.5
555℃)である。KDは、微分利得であり、ピンチ度
誤差の変化率と掛け合わせて微分作動量が得られる。こ
の実施態様では、KDは、0.33%/(°F・10
秒)(0.33%/(0.5555℃・10秒))であ
る。比例作動量と微分作動量の合計が、パーセントでの
EXVの作動量を表す。負の値は閉作動に対応し、正の
値は開作動に対応する。
【0015】次に、ステップ116で、装置の運転が3
分間を超えているか装置の時計が確認される。超えてい
ない場合、ステップ118で、EXV_POSITIO
N_LIMIT(EXVの位置制限)が、EXVの可能
な作動範囲の全体の52%に設定され、制御はステップ
162に進む。すなわち、所定時間が必要な運転開始時
には、吐出過熱度の維持は無視され、EXVの位置制限
が52%に再初期化される。
【0016】ステップ116で、装置の運転が3分間を
超えている場合、ステップ120で、DSH_ERRO
Rが確認され、DSH_ERRORが、−3.5°F
(−1.94425℃)より小さい場合、ステップ12
2で、EXV_MOVは、−0.33%+0.033*
DSH_RATEに設定され、制御はステップ162に
進む。
【0017】ステップ120で、DSH_ERRORが
−3.5°F(−1.94425℃)より小さくない場
合、ステップ124で、EXV_MOVが0%より小さ
いかが確認される。
【0018】ステップ124で、EXV_MOVが0%
より小さい場合、すなわち、ピンチ度が設定ピンチ度よ
り小さい場合、ステップ126で、制御装置によって、
DSH_ERRORが2°F(1.111℃)より大き
く、かつEXV_POSITION(EXVの位置)が
40%より小さく、かつPINCH_ERRORが−
0.5°F(−0.27775℃)より大きいかが確認
され、いずれも該当する場合、ステップ128で、EX
V_MOVは、0%に設定される。
【0019】ステップ126で、いずれか1つでも該当
しない場合、ステップ130で、制御装置によって、D
SH_ERRORが−1°F(−0.5555℃)より
大きく、かつEXV_POSITIONが36%より小
さいかが確認され、両方とも該当する場合、ステップ1
32で、EXV_MOVは、0%に設定される。
【0020】ステップ130で、どちらか一方でも該当
しない場合、制御はステップ162に進む。
【0021】ステップ124で、EXV_MOVが0%
より小さくない場合、ステップ134で、制御装置によ
って、DSH_ERRORが−2°F(−1.111
℃)より小さいかが確認され、小さい場合、ステップ1
36で、EXV_MOVは−0.2%に設定され、その
後、制御はステップ162に進む。、ステップ134
で、DSH_ERRORが−2°F(−1.111℃)
より小さくない場合、ステップ138で、制御装置によ
って、EXV_POSITION−6%がEXV_OL
D_POSITION(EXVの以前の位置)より大き
いかが確認される。すなわち、6%を超えるEXV開作
動がある場合、冷却器のピンチ度の実際の低下が生じて
いるかが制御装置によって確認されるのであり、冷却器
のピンチ度の実際の低下(ステップ140で0.6°F
(0.3333℃)より大きい変化量として定義され
る)が生じていない場合、EXVは最適な位置で開状態
にある。
【0022】ステップ138で、EXV_POSITI
ON−6%がEXV_OLD_POSITIONより大
きくない場合、制御はステップ146に進む。
【0023】ステップ138で、EXV_POSITI
ON−6%がEXV_OLD_POSITIONより大
きい場合、ステップ140で、制御装置によって、PI
NCH_LAST_EXV(直前のEXVでのピンチ
度)−PINCH_ERRORが0.6°F(0.33
33℃)より大きいかが確認され、大きくない場合、ス
テップ142で、EXV_POSITION_LIMI
TがEXV_POSITIONに設定される。
【0024】ステップ140で、PINCH_LAST
_EXV−PINCH_ERRORが0.6°F(0.
3333℃)より大きい場合、ステップ144で、EX
V_OLD_POSITIONは、EXV_POSIT
IONに設定され、PINCH_LAST_EXVは、
PINCH_ERRORに設定される。
【0025】次に、ステップ146で、制御装置によっ
て、DSH_ERRORが−1°F(−0.5555
℃)より小さいかが確認され、小さい場合、ステップ1
48で、EXV_MOVは0%に設定され、EXV_P
OSITION_LIMITは、EXV_POSITI
ONに設定され、その後、制御はステップ162に進
む。
【0026】ステップ146で、DSH_ERRORが
−1°F(−0.5555℃)より小さくない場合、ス
テップ150で、制御装置によって、EXV_POSI
TIONがEXV_POSITION_LIMITより
大きいかが確認され、大きい場合、ステップ152で、
EXV_MOVは0%に設定され、制御はステップ16
2に進む。
【0027】ステップ150で、EXV_POSITI
ONがEXV_POSITION_LIMITより大き
くない場合、ステップ154で、DSH_ERRORが
1°F(0.5555℃)より小さく、かつEXV_M
OVが0.46%より大きいかが確認され、両方とも該
当する場合、ステップ156で、EXV_MOVは0.
46%に設定される。
【0028】ステップ154で、どちらか一方でも該当
しない場合、ステップ158で、制御装置によって、D
SH_ERRORが0°F(0℃)より大きいかが確認
され、大きい場合、ステップ160で、EXV_POS
ITION_LIMITはEXV_POSITION+
2%に設定される。
【0029】ステップ158で、DSH_ERRORが
0°F(0℃)より大きくない場合、ステップ162
で、制御装置によって、PINCH_RATEが0.4
°F(0.2222℃)より大きいかが確認され、これ
によって作動条件が変化したことが示される。
【0030】ステップ162で、PINCH_RATE
が0.4°F(0.2222℃)より大きい場合、ステ
ップ164で、EXV_OLD_POSITIONは、
EXV_POSITIONに設定される。
【0031】ステップ162で、PINCH_RATE
が0.4°F(0.2222℃)より大きくない場合、
ステップ166で、PINCH_LAST_EXV−P
INCH_ERRORが−0.2°F(−0.1111
℃)より小さいかが確認され、小さい場合、ステップ1
68で、PINCH_LAST_EXVはPINCH_
ERRORに設定され、制御はステップ170に進む。
【0032】ステップ166で、PINCH_LAST
_EXV−PINCH_ERRORが−0.2°F(−
0.1111℃)より小さくない場合、制御はステップ
170に進む。
【0033】次に、ステップ170で、EXVが作動さ
れ、EXV_MOV変数は0にリセットされる。さら
に、フローチャートのサイクルは最初から再び開始され
る。
【0034】本発明によれば、EXVは、CFTとSS
Tとの間の温度差をモニタすることにより冷却器の熱交
換性能を確保するために、ピンチ度が最小限に維持され
るように制御される。EXVの開作動によって、冷却器
のピンチ度は通常低下し、それによって、冷却器の熱交
換性能は向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】冷凍装置の概略図。
【図2】本発明による方法を実施するための改良された
フローチャートの最初の一部を示す図。
【図3】本発明による方法を実施するための改良された
フローチャートであって、図2のフローチャートに続く
中間部を示す図。
【図4】本発明による方法を実施するための改良された
フローチャートであって、図3のフローチャートに続く
最終部を示す図。
【符号の説明】
10…冷凍装置 15…制御装置 20…凝縮器 30…蒸発器 40…圧縮機 50…圧力変換器 60…圧力変換器 70…吐出気体サーミスタ検出器 80…サーミスタ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 満液式冷却器の流体温度と飽和吸入温度
    との温度差をモニタすることにより満液式冷却器の適切
    な熱交換性能を確保し、 冷凍サイクル装置の吐出過熱度をモニタすることにより
    前記冷凍サイクル装置の圧縮機を保護し、 前記吐出過熱度が所定値より低い場合、電子式膨張弁の
    開口度を調整する、 ことを含むことを特徴とする冷凍サイクル装置の電子式
    膨張弁を制御する方法。
  2. 【請求項2】 冷凍サイクル装置の飽和吸入温度(SS
    T)を測定し、 前記冷凍サイクル装置の飽和吐出温度(SDT)を測定
    し、 前記冷凍サイクル装置の冷却器の流体温度(CFT)を
    測定し、 前記冷凍サイクル装置の飽和凝縮温度(SCT)を測定
    し、 前記CFTから前記SSTを引いた差としてピンチ度を
    決定し、 前記ピンチ度から設定ピンチ度を引いた差としてピンチ
    度誤差を決定し、 現在のピンチ度から所定時間前のピンチ度を引いた差と
    してピンチ度変化率を決定し、 前記SDTから前記SCTを引いた差として吐出過熱度
    を決定し、 前記吐出過熱度から設定吐出過熱度を引いた差として吐
    出過熱度誤差を決定し、 現在の吐出過熱度から所定時間前の吐出過熱度を引いた
    差として吐出過熱度変化率を決定し、 所定温度の不感帯を設定し、 前記ピンチ度誤差、前記ピンチ度変化率、前記吐出過熱
    度誤差、前記吐出過熱度変化率、前記不感帯に基づいて
    電子式膨張弁の作動を制御する、 ことを含むことを特徴とする冷凍サイクル装置の電子式
    膨張弁を制御する方法。
  3. 【請求項3】 冷凍サイクル装置のピンチ度を決定する
    手段と、 前記冷凍サイクル装置のピンチ度誤差を決定する手段
    と、 前記冷凍サイクル装置のピンチ度変化率を決定する手段
    と、 前記冷凍サイクル装置の吐出過熱度を決定する手段と、 前記冷凍サイクル装置の吐出過熱度誤差を決定する手段
    と、 前記冷凍サイクル装置の吐出過熱度変化率を決定する手
    段と、 所定温度の不感帯を設定する手段と、 前記ピンチ度誤差、前記ピンチ度変化率、前記吐出過熱
    度誤差、前記吐出過熱度変化率、前記不感帯に基づいて
    電子式膨張弁の作動を制御する手段と、 を備えることを特徴とする冷凍サイクル装置の電子式膨
    張弁の制御装置。
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