JP2006266635A - 冷却システム用制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクルの電動式膨張弁の開度を制御する冷却システム用制御装置において、冷凍サイクルの起動後の電動式膨張弁の開度を起動開度点に自動的に設定し、使い勝手を向上させる。
【解決手段】冷凍サイクルの庫内温度を温度センサ８により検出する。蒸発器４の出口と入口の温度を温度センサ６，７により検出する。庫内温度から冷凍負荷の大／小を判定する。冷凍負荷が大きい時は起動開度を６７％点とし、小さい時は３３％点とする。５秒毎に、蒸発器出口温度と蒸発器入口温度との差から第１の過熱度（温度／温度式による算出）を演算し、過熱度の変化量に応じて弁開度の操作量を調節して初期開度に到達するよう制御を行い、３０秒後に定常状態運転に移行する。また、起動運転失敗時には起動開度を更新しておく。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍サイクルにおける冷却システム用制御装置に係り、詳細には、冷凍サイクルの起動後の電動式膨張弁の初期開度を制御して、庫内温度が設定庫内温度に移行するまでの該電動式膨張弁の開度を制御する冷却システム用制御装置に関する。

従来、本発明に関連する先行文献として、例えば特開平９−２２９４９５号公報（特許文献１）、特開２００３−２２２３６９号公報（特許文献２）、特許第２５２９３８７号公報（特許文献３）、がある。

特許文献１は、冷凍サイクル（冷凍システム）の蒸発器の出口および入口に装着した温度センサからの信号に基づいて過熱度を演算し、電動式比例型膨張弁の開度を制御する制御方法に関する技術である。そして、入力操作部から入力される、冷媒種類、コンプレッサ種類、膨張弁形式等の各種の入力データに基づいて、電動膨張弁の運転開始時の開度である初期開度を演算する。

特許文献２は、空気調和装置において電子膨張弁の制御定数を自動設定するにあたり、ステップ応答から時定数を求めて制御定数を決定するようにしている。

特許文献３は、冷凍サイクルの安定運転時の電子膨張弁の開度を予め求めておき、この求めておいた開度を、冷凍サイクルの起動毎に学習に伴う修正を加えるようにし、弁開度を制御するようにしている。
特開平９−２２９４９５号公報 特開２００３−２２２３６９号公報 特許第２５２９３８７号公報

特許文献２の従来技術は、ステップ応答から時定数を求めて制御定数を決定するため、定常状態の運転時における制御定数は求められるものの、起動時の制御に必要な、特に起動時の初期開度を得ることができないという問題がある。なお、ステップ応答は定常状態の運転時で作用する機能である。

特許文献３の従来技術は、開度を予め求めておく必要があるが、この開度を求めることに冷凍サイクル固有の特性を熟知する必要があり、使用者の負担が大きく使い勝手が悪いという問題がある。

特許文献１の従来技術は、冷却システムの運転開始時の初期開度を演算することで、使用者（ユーザ）の負担を低減する技術であるが、この初期開度を演算するために、多種類の設定パラメータの入力操作が必要であり、改良の余地を残している。

本発明は、上記の課題を解決し、使用者による各種設定値の設定操作を少なくし、操作性を改良して使い勝手を向上させた冷却システム用制御装置を提供することを課題とする。

請求項１の冷却システム用制御装置は、冷凍サイクルの膨張弁の開度を調節する冷却システム用制御装置において、前記冷凍サイクルの起動時の負荷温度に基づいて「冷凍負荷が大きい／小さい」を判定し、大きい場合は前記膨張弁の起動開度を半開点よりも全開側に操作し、小さい場合は前記膨張弁の起動開度を半開点よりも全閉側に操作し、所定時間後に過渡状態運転から定常状態運転に移行する制御工程を備えることを特徴とする。なお、本明細書において、冷凍サイクルの起動直後（過渡状態運転開始時）に設定する開度を「起動開度」、定常状態運転に移行した時点の開度を「初期開度」という。

請求項２の冷却システム用制御装置は、請求項１に記載の冷却システム用制御装置であって、前記冷凍サイクルの起動後、前記過渡状態運転を行い、過熱度を監視して「過熱度が所定範囲外か／所定範囲内か」を判定し、膨張弁を所定開度分、開閉操作し、所定時間後に前記定常状態運転に移行することを特徴とする。

請求項３の冷却システム用制御装置は、請求項１に記載の冷却システム用制御装置であって、前記冷凍サイクルの起動後、前記過渡状態運転を行い、単位時間当たりの過熱度の変化量を監視して「過熱が付く方向か／液戻り方向か」を判定し、膨張弁を所定開度分、開閉操作し、所定時間後に前記定常状態運転に移行することを特徴とする。

請求項４の冷却システム用制御装置は、請求項１に記載の冷却システム用制御装置であって、前記冷凍サイクルの起動後、前記過渡状態運転を行い、過熱度を監視して「過熱度が所定範囲外か／所定範囲内か」を判定するとともに、単位時間当たりの過熱度の変化量を監視して「過熱が付く方向か／液戻り方向か」を判定し、膨張弁を所定開度分、開閉操作し、所定時間後に前記定常状態運転に移行することを特徴とする。

請求項５の冷却システム用制御装置は、請求項２、３または４に記載の冷却システム用制御装置であって、前記膨張弁を前記所定開度分開閉操作した後、該開閉操作が操作不足の場合は同方向に該所定開度よりも少ない開閉操作を行い、操作過多の場合は逆方向に該所定開度よりも少ない開閉操作を行うことを特徴とする。

請求項６の冷却システム用制御装置は、冷凍サイクルの膨張弁の開度を調節する冷却システム用制御装置において、前記冷凍サイクルの起動時に、前記膨張弁の起動開度を半開点に操作し、過熱度と単位時間当たりの過熱度の変化量を監視して、該膨張弁の開閉操作量を経過時間に応じて減少させ、かつ該膨張弁を間欠的に開閉操作し、所定時間後に過渡状態運転から定常状態運転に移行する制御工程を備えたことを特徴とする。

請求項１の冷却システム用制御装置によれば、例えばプレハブ冷凍庫の場合、庫内温度が設定庫内温度よりも例えば２０℃以上高い時は冷凍負荷が大きく、２０℃未満の時は小さいと判定する。そして大きい時は起動開度を６７％点とし、小さい時は３３％点とする。過渡状態運転では過熱度が５℃〜１５℃内にあれば冷却は可能であるので、３０秒後に定常状態運転に移行して、例えばＰＩＤ動作により弁開度を制御する。また、「冷凍負荷が大きい／小さい」の判定点を、例えばプレハブ冷蔵庫は、設定庫内温度より１５℃高い点とし、例えば冷蔵ショーケースは、設定庫内温度より１０℃高い点とし、例えば空気調和機は、設定室内温度より５℃高い点（暖房時は５℃低い点）とすればよい。すなわち、冷却システムを構成する冷凍サイクル、及び設置場所の環境条件によって、好適に選択すればよいことはいうまでもない。

請求項２の冷却システム用制御装置によれば、冷凍サイクルが起動して例えば５秒経過すれば、過熱度とその変化傾向が判断できるので、過熱度が付き過ぎる方向と判断したら例えば１２．５％分、開方向に操作し、液戻り方向と判断したら例えば１２．５％分、閉方向に操作して、起動から例えば３０秒後に定常状態運転に移行する。すなわち、開度は７９．５％、５４．５％、４５．５％、または２０．５％である。

請求項３の冷却システム用制御装置によれば、冷凍サイクルが起動して例えば５秒経過すれば、好適な開度点からのズレが大きい程、過熱度の変化量も大きいので、過熱度が付く方向と判断したら例えば１２．５％分、開方向に操作し、液戻り方向と判断したら例えば１２．５％分、閉方向に操作して、起動から例えば３０秒後に定常状態運転に移行する。すなわち、開度は７９．５％、５４．５％、４５．５％、または２０．５％となる。

請求項４の冷却システム用制御装置によれば、請求項２及び３と同様な作用効果を奏する。

請求項５の冷却システム用制御装置によれば、請求項２、３または４において、操作不足の場合も、操作過多の場合も、今回の操作量は前回の操作量よりも少ないので、制御系が発散することなく好適な初期開度に到達する。ここで、制御系が発散しないように所定開度を、例えば、５秒時点で１２．５％分、１０秒時点で１０％分、１５秒時点で７．５％分、２０秒時点で５％分、２５秒時点で２．５％分とするとよい。

請求項６の冷却システム用制御装置によれば、冷凍サイクルの起動時に、膨張弁の起動開度が半開点に操作され、膨張弁の開閉操作量を経過時間に応じて減少さ、かつ膨張弁を間欠的に開閉操作し、所定時間後に定常状態運転に移行するので、請求項５と同様に、制御系が発散することなく好適な初期開度に到達する。この開閉操作は、過熱が付く方向か／液戻り方向かによって開操作／閉操作を決める。

請求項１の冷却システム用制御装置によれば、冷凍負荷の大／小を判断して起動開度点に開閉操作するので、使用者による各種設定値の設定操作が少なくても起動開度点に自動的に設定され、使い勝手が向上する。

請求項２の冷却システム用制御装置によれば、請求項１の効果に加えて、過熱度そのものを監視して好適な開度を選択するので、高品位の冷却制御が可能となる。

請求項３の冷却システム用制御装置によれば、請求項１の効果に加えて、単位時間当たりの過熱度の変化量を監視して好適な開度を選択するので、高品位の冷却制御が可能となる。

請求項４の冷却システム用制御装置によれば、請求項１と同様な効果が得られる。

請求項５の冷却システム用制御装置によれば、請求項２〜４の効果に加えて、所定開度が徐々に小さくなり、前回の操作に行き過ぎがあれば、今回は戻し操作を行うことができるので、速やかに好適な開度点に到達でき、高品位の冷却制御が可能となる。

請求項６の冷却システム用制御装置によれば、膨張弁の起動開度が半開点に操作され、その後、間欠的に開閉操作し、所定時間後に定常状態運転に移行するので、使用者による各種設定値の設定操作が少なくても起動開度点に自動的に設定され、使い勝手が向上するとともに、制御系が発散することなく好適な初期開度に到達し、高品位の冷却制御が可能となる。

次に、本発明の冷却システム用制御装置の実施形態を図面を参照して説明する。図１は実施形態の冷却システム用制御装置を適用した冷凍サイクルにおける急速冷却制御装置の基本構成を示す図である。この急速冷却制御装置は、冷凍サイクルの蒸発器の出口側と入口側とにそれぞれ装着した温度センサ６，７及び庫内温度センサ８からの信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部９１と、Ａ／Ｄ変換部９１から出力される温度センサ６，７の温度データに基づいて過熱度を演算する過熱度演算手段９２ａ−１と、この演算した過熱度から弁開度の操作量を演算する弁開度演算手段９２ａ−２と、Ａ／Ｄ変換部９１から出力される庫内温度センサ８の温度データにより庫内の各温度における弁開度の上限値及び下限値を演算する弁開度規制演算手段９２ａ−３と、弁開度規制演算手段９２ａ−３により演算した弁開度の上限値及び下限値と前記弁開度演算手段９２ａ−２により演算した弁開度とを比較し、その比較結果を弁駆動部５に送出して、電動式膨張弁３を駆動させる比較手段９２ａ−４と、Ａ／Ｄ変換部９１から出力される温度センサ８の温度データに基づいて冷凍負荷の大／小に応じて起動開度を設定するとともに、過熱度演算手段９２ａ−１で演算した過熱度（後述の第１の過熱度）の変化量により初期開度に到達するよう制御する初期開度制御手段９２ａ−５と、を備えている。

なお、符号１０で示す破線のブロックは圧力スイッチ、圧力センサ等の圧力検出手段であるが、冷凍サイクルに圧力検出手段１０を備えている冷却システムにおいては、この圧力検出手段１０を利用して弁開度の制御を行う。すなわち、圧力検出手段１０からの信号をＡ／Ｄ変換ブロック９１で圧力データに変換し、過熱度演算手段９２ａ−１において、出口側の温度センサ６で検出した温度データとに基づいて第２の過熱度（温度／圧力式による算出）を演算し、弁開度演算手段９２ａ−２において、前記温度センサ６，７の温度データに基づいて演算した過熱度（以後、「第１の過熱度」という。）と第２の過熱度とから弁開度の合計操作量を演算する。いうまでもなく、圧力検出手段１０を備えていない場合は前述の合計操作量は第１の過熱度から算出する。

弁開度演算手段９２ａ−２は、後述の過渡状態運転後の定常状態運転時に、第１の過熱度に対応する第１操作量ＭＴと第２の過熱度に対応する第２操作量ＭＰを演算し、庫内温度センサ８の温度データに応じた合計操作量Ｍを演算する。また、弁開度規制演算手段９２ａ−３は、第３優先制御工程として、庫内温度の低下によって弁開度の上限開度と下限開度を下げるように弁開度を規制するように演算し、第２優先制御工程として、過熱度の範囲が例えば５℃以上かつ２５℃以下となるように弁開度を演算し、第１優先制御工程として、ＭＯＰび低圧カットを規制するように弁開度を演算する。ここで段落［００２９］，［００３０］で記述した合計操作量については後述する。

ここで、ＭＯＰ及び低圧カットについて説明する。ＭＯＰ（Maximum Operating Pressure）とは、元々温度式膨張弁の機能である。ＭＯＰの規制の結果、圧縮機始動時の液戻り防止、圧縮機モータの過負荷防止が可能となる。一般的にいう、ハイ・リミットの機能である。低圧カットは低圧側圧力スイッチの主たる機能である。膨張弁、蒸発器など冷凍サイクルに異常が発生して冷媒が流れなくなると低圧側圧力が下がるので、そのとき低圧カットが作用して冷凍サイクルを保護する。一般的にいう、ロー・リミットの機能である。

初期開度制御手段９２ａ−５は、冷凍サイクルの起動後の初期開度運転時に、弁開度の開閉方向を判断するために第１の過熱度を検出するとともに、庫内温度に基づいて冷凍負荷の大／小を判断し、その大／小に応じた起動開度をメモリから読み出して弁駆動部５に対して設定する。そして、所定時間（例えば５秒）毎に、第１の過熱度の変化量に応じて弁開度を選択し、弁駆動部５に対して弁開度を開方向または閉方向に設定して、操作し、起動から所定時間（例えば３０秒）後に前記定常状態運転に移行する。なお、この実施形態では、メモリには起動開度のデフォルト値が記憶されており、初回起動時にはデフォルト値を用い、起動失敗時にはメモリの起動開度を書き換え、成功時にはまたデフォルト値に書き換える。

図２は実施形態の冷凍サイクルと急速冷却制御装置を示す図である。図において、１は圧縮機、２は凝縮器、３は電動式膨張弁、４は蒸発器であり、これらは配管で環状に接続することにより冷凍サイクルを構成し、冷媒の圧縮、凝縮液化、減圧（膨張）、蒸発気化を行う周知のサイクルを形成する。５は電動式膨張弁３の開度を入力信号に応じて調節する電磁石、パルスモータなどの弁駆動部、６，７は蒸発器４の出口側と入口側の温度をそれぞれ検出する温度センサ、８は冷凍庫内の庫内温度を検出する温度センサ、１０は蒸発器４の出口側の蒸発圧力を検出する圧力スイッチ（前記圧力検出手段）、９は圧力スイッチ１０と温度センサ６，７及び８が接続され、その出力に基づき弁駆動部５を制御する制御部である。

制御部９は、電動式膨張弁３を開閉させるパルス数を弁駆動部５に与える弁開度調節信号を印加することにより、電動式膨張弁３の開度を制御し、冷凍サイクルの冷媒流量を調節する。初期開度運転時には、蒸発器４の出口側と入口側の温度をそれぞれ検出する温度センサ６，７からのそれぞれの入力信号により蒸発器出口温度と冷媒温度すなわち蒸発器入口温度との差をとって第１の過熱度（温度／温度式による算出）を演算する。また、温度センサ８で検出した庫内温度により冷凍負荷の大／小を判断し、冷凍負荷が大きい場合は、電動式膨張弁３の弁開度が半開点よりも全開側の起動開度となるようにし、冷凍負荷が小さい場合は、電動式膨張弁３の弁開度が半開点よりも全閉側の起動開度となるようにする。そして、５秒毎に、前記同様に第１の過熱度を演算しながらこの５秒毎の第１の過熱度の変化量により開閉操作の操作方向および操作量を決定して、電動式膨張弁３の開度を初期開度に到達するよう制御し、起動から３０秒経過すると定常状態運転に入る。

定常状態運転では、制御部９は、第１の過熱度を演算して、この第１の過熱度と設定過熱度とを比較して算出した偏差信号をＰＩＤ動作に従った第１操作量ＭＴを求める。また、制御部９は、圧力スイッチ１０からの入力信号と前記出口側の温度センサ６からの信号とに基づいて第２の過熱度（温度／圧力式による算出）を演算し、この第２の過熱度と設定過熱度とを比較して算出した偏差信号をＰＩ動作に従った第２操作量ＭＰを求める。そして、温度センサ８で検出した庫内温度に応じて合計操作量Ｍを演算し、この全操作量Ｍに対応する調節信号を出力する。ここに、前述したＰＩＤ動作とはＤ要素のないＰＩ動作も含まれることはいうまでもない。ここで記述した合計操作量Ｍについては後述する。

図３は上記制御部９の内部構成を示し、同図において、Ａ／Ｄ変換部９１は蒸発器出口温度センサ６、入口温度センサ７、庫内温度センサ８及び圧力センサ１０からの信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器、９２は予め定めたプログラムに従って動作するマイクロコンピュータであり、マイクロコンピュータ９２はＣＰＵ９２ａ、プログラムや各種の固定データを格納したＲＯＭ９２ｂ及び各種のデータエリアやワークエリアを有する書き換え可能なＲＡＭ９２ｃを有する。なお、このＲＡＭ９２ｃには後述の失敗フラグ、負荷大時の起動開度及び負荷小時の起動開度を記憶しておく領域が設定されている。ＣＰＵ９２ａは、起動時にＲＡＭ９２ｃから起動開度を読み出し、弁駆動部５に送出して電動式膨張弁３を起動時の開度とする。次に、ＣＰＵ９２ａは内部のタイマにより５秒毎の処理を行う。この５秒毎の処理では、温度センサ６，７からの信号に基づいて第１の過熱度とその変化量を演算し、この変化量に応じて弁開度の操作量（及び方向）を選択する。そして、起動から３０秒後に定常状態運転に移行する。

定常状態運転では、ＣＰＵ９２ａは、温度センサ６，７と圧力センサ１０からの信号に基づいて第１及び第２の過熱度を演算し、この演算した第１及び第２の過熱度から弁開度を演算する。そして、この演算による弁開度を弁駆動部５に送出して、電動式膨張弁３を動作させる。また、ＣＰＵ９２ａは、ＲＯＭ９２ｂ中の所定エリア内に格納した庫内温度、電動式膨張弁の能力（形式）、必要冷却能力などの各種設定値から、庫内の各温度における弁開度の上限値及び下限値を演算する。制御部９が電動式膨張弁３を操作して、この上限値及び下限値に達すると弁開度は上限値／下限値で制限される。

図４は庫内温度に対して演算により求められる弁開度の上限値及び下限値の変化、及び優先制御工程による開度の規制の概念を示す説明図であり、説明図から分かるように、曲線ａは庫内温度の低下によって上限開度が下がる様子を、曲線ｂは庫内温度の低下によって下限開度が下がる様子をそれぞれ示している。これが第３優先制御工程である。また、曲線ａを跨ぐ斜線の範囲は、過熱度の範囲を例えば５℃以上に規制する概念、及びＭＯＰを規制する概念を示している。これが第２優先制御工程、及び第１優先制御工程である。さらに、曲線ｂを跨ぐ斜線の範囲は、過熱度の範囲を例えば２５℃以下に規制する概念、及び低圧カットを規制する概念を示している。これが第２優先制御工程、及び第１優先制御工程である。本発明には直接関係しないが、曲線ｃは初期所定開度であり、この初期所定開度は、下限（曲線ｂ）から、この下限と上限（曲線ａ）との間隔の７０％の値となっている。庫内温度が高いとき下限開度を上げている理由は、冷凍負荷が大きい場合の電動式膨張弁３の閉めすぎを防止するためである。

以上説明したように、庫内温度が高いときには設定過熱度ＳＨに（第２）所定値αを加算した設定過熱度ＳＨαにより弁開度の上限値を演算するので、設定過熱度ＳＨに基づく弁開度の上限値に比べれば、設定過熱度ＳＨαに基づく方が過熱度が大きい分、低めの弁開度の上限値に設定し、庫内温度の低下とともに上限値を下げ、最終的には設定過熱度ＳＨで運転できるようにしている。これは、急速冷却の負荷の大きな初期段階における蒸発器出口での初期過熱度が、急速冷却の負荷が小さくなる最終段階での最終過熱度に比べて大きいという特性を利用したのであり、冷却初期にはやや過熱気味の運転となるが、液量過多による弁閉動作を防止することができるので、無駄な操作がなくなり、結果的に冷却速度をアップして最終的な冷却温度を得るための時間を短縮することができる（液量過多になると弁の開閉を繰り返すので冷却速度が遅くなる。）。

以上概略説明した動作の詳細を、ＲＯＭ９２ｂに格納したプログラムに従ってＣＰＵ９２ａが行う処理を示すフローチャートを参照して以下説明する。図５〜図９は実施例のフローチャートである。なお、本実施形態では第２の過熱度でも弁開度を制御しているが、この第２の過熱度は必ずしも必要としないので、図５及び図６のフローチャートにおいて圧力センサ１０のみに関するブロックは破線で図示してある。ＣＰＵ９２ａは電源の投入によって動作を開始し、その最初のステップＳ１において初期設定を行う。この初期設定は、ＲＯＭ９２ｂに格納されている庫内温度、電動式膨張弁の能力（形式）、必要冷却能力、設定過熱度の値ＳＨなどの各種設定値をＲＡＭ９２ｃ内の所定のエリアに書き込むことによって行われる。

このとき、ＲＯＭ９２ｂに格納されている起動開度のデフォルト値もＲＡＭ９２ｃに書き込まれる。図１０はＲＡＭ９２ｃの起動開度及び失敗フラグの記録内容を示す図であり、図１０(a) は失敗フラグがリセットされるとともにデフォルト値が記録された状態を示す。また、図１０(b) は過熱が付く方向で起動運転に失敗して失敗フラグがセットされ、修正された起動開度が記録された状態を示す。また、図１０(c) は過熱が付かない方向で起動運転に失敗して失敗フラグがセットされ、修正された起動開度が記録された状態を示す。すなわち、初期設定において図１０(a) の状態とされ、起動運転の失敗時に図１０(b) または(c) のように書き換えられ、さらに、失敗後に起動運転に成功したときは、図１０(a) の状態に書き換えられる。

ステップＳ２では、図示しない起動スイッチの操作による起動信号があるか否かを判定し、この判定がＹＥＳになるのを待つ。起動信号があるとステップＳ３で図７のサブルーチンにより弁初期開度運転を行って、ステップＳ４に進む。この図７のサブルーチンの処理により、ＣＰＵ９２ａは起動開度を設定するとともに初期開度に到達するよう制御する初期開度制御手段９２ａ−５として機能している。

後述のように、図７の弁初期開度運転によって起動開度が設定されるとともに、３０秒間で初期開度に到達するよう調節が行われ、ステップＳ４に戻る。ステップＳ４は通信処理を行いステップＳ５に進む。この通信処理は、例えば複数の蒸発器をそれぞれ制御する複数の冷却システム用制御装置を接続した場合に各制御装置間（親機と子機間）で通信を行う処理である。ステップＳ５では、圧力センサ１０からの信号を読み込み、Ａ／Ｄ変換して蒸発器出口圧力ＰＧ、蒸発圧力相当温度ＳＰＧを演算し、ステップＳ６に進む。ステップＳ６では、温度センサ６，７，８からの信号を読み込み、Ａ／Ｄ変換して温度データＳＧ（蒸発器出口温度）、ＳＬ（蒸発器入口温度）、ＳＲ（庫内温度）とする。次に、ステップＳ７で、第１の過熱度ＳＨＴを式ＳＨＴ＝ＳＧ−ＳＬにより演算する。このステップＳ７の処理により、ＣＰＵ９２ａは蒸発器４の出口及び入口の冷媒配管に装着した温度センサ６，７からの信号に基づいて第１の過熱度を演算する過熱度演算手段９２ａ−１として機能している。次に、ステップＳ８で、第２の過熱度ＳＨＰを式ＳＨＰ＝ＳＧ−ＳＰＧにより演算し、ステップＳ９に進む。ここで、図５のステップＳ５以降の処理において、圧力検出手段を備えない場合、破線の処理、すなわち圧力データに関わる処理が実行されないことはいうまでもない。

ステップＳ９では、第１の過熱度ＳＨＴと設定過熱度ＳＨとの差である第１の過熱度偏差ΔＳＨＴを補正値βも加味して、式ΔＳＨＴ＝ＳＨＴ−（ＳＨ＋β）により演算し、ステップＳ１０で、第２の過熱度ＳＨＰと設定過熱度ＳＨとの差である第２の過熱度偏差ΔＳＨＰを式ΔＳＨＰ＝ＳＨＰ−ＳＨにより演算し、図６のステップＳ１１に進む。なお、補正値βは、想定される実際の過熱度（あるいは第２の過熱度ＳＨＰ）と第１の過熱度ＳＨＴとのズレを考慮した値であり、補正値βはメモリに格納しているデフォルト値でもよいし、第１の過熱度ＳＨＴと第２の過熱度ＳＨＰとを減算した値でもよい。また、冷却システムによっては補正値βが変化する場合もある。この場合には、例えば、庫内温度ＳＲを１０℃毎に区分して、区分１における補正値βの代表値βｉを記憶手段に格納しておけば、庫内温度ＳＲの変化に対して好適な補正値βｉが得られるので、より高品位の制御ができる。

図６のステップＳ１１では、“０←ΔＳＨＴ”となるような電動式膨張弁３の第１操作量ＭＴを演算してＲＡＭ９２ｃに蓄え、ステップＳ１２で“０←ΔＳＨＰ”となるような電動式膨張弁３の第２操作量ＭＰを演算してＲＡＭ９２ｃに蓄え、ステップＳ１３に進む。次に、ステップＳ１３では庫内温度ＳＲが−５℃以上であるかを判定し、ステップＳ１５では庫内温度ＳＲが−１０℃以上であるかを判定する。そして、庫内温度ＳＲが−５℃以上の場合は、ステップＳ１４で合計操作量Ｍを第２操作量ＭＰとしてステップＳ１８に進む。庫内温度ＳＲが−５℃未満〜−１０℃以上の場合は、ステップＳ１６で操作量ＭＰと操作量ＭＴとの割合を庫内温度ＳＲに応じて変えながら合計操作量Ｍを演算し、ステップＳ１８に進む。また、庫内温度ＳＲが−１０℃未満の場合は、ステップＳ１７で合計操作量Ｍを第１操作量ＭＴとしてステップＳ１８に進む。なお、ステップＳ１６での割合は、ＳＲ＝−５℃でＭ＝ＭＰ、ＳＲ＝−１０℃でＭ＝ＭＴとなるようにその間を補間するような割合である。ここで、圧力検出手段を備えない場合、ステップＳ１３〜Ｓ１６の処理は行わす、ステップＳ１７のみを実行することはいうまでもない。

ステップＳ１８では、弁開度の上限値／下限値を規制する第３優先制御処理であり、前記ステップＳ１４、あるいはＳ１６、あるいはＳ１７で演算した合計操作量Ｍに対して、Ｓ１８の規制が優先する。よって、合計操作量Ｍが１００％で弁の開閉操作をするとは限らない。ステップＳ１９は、第１の過熱度の範囲を規制する第２優先制御処理であり、冷媒量が多すぎて液バックしないように、または少なすぎて過熱が付きすぎないように規制する。すなわち、ステップＳ１８の第３優先制御処理の規制を経ても、このステップＳ１９の規制が優先する。よって、この場合も、合計操作量Ｍが１００％で弁の開閉操作をするとは限らない。ステップＳ２０は、第１優先制御処理であり、蒸発器出口圧力ＰＧがＭＯＰ設定値以下となるような操作量、蒸発器出口圧力ＰＧが低圧カット設定値以上となるように操作量を演算し、ＭＯＰ規制、低圧カット規制の処理を行う。すなわち、ステップＳ１８の第３優先制御処理、およびステップＳ１９の第２優先制御処理の規制を経ても、このステップＳ２０の規制が優先する。よって、この場合も、合計操作量Ｍが１００％で弁の開閉操作をするとは限らない。そして、ステップＳ２１で、ステップＳ１３〜Ｓ２０の処理の結果により、弁の開閉操作を実行し、図５のステップＳ４に戻る。

次に、図７の弁初期開度運転のサブルーチンについて説明するが、以下の説明及びフローチャートにおいて、「ｎ」は予め“０”にリセットされ５秒毎の経過時間を示すレジスタ及びその格納データを示し、「ＳＨＴ_n 」、「δＳＨＴ_n 」は上記経過時間ｎ（添字）に対応する第１の過熱度及び変化量を示すレジスタ及びその格納データを示している。また、前記ステップＳ２で起動信号が検出されると内部時計による５秒タイマ及び３０秒タイマが起動される。さらに、起動時には弁の開度は全開（１００％点）若しくは全閉（０％）となっている。

先ず、ステップＳ３０では、温度センサ６，７，８からの信号を読み込み、Ａ／Ｄ変換して温度データＳＧ、ＳＬ及びＳＲとする。次に、ステップＳ３１で、第１の過熱度ＳＨＴ（＝ＳＨＴ₀ ）を式ＳＨＴ（＝ＳＨＴ₀ ）＝ＳＧ−ＳＬにより演算し、ステップＳ３２に進む。ステップＳ３２では、現在の庫内温度ＳＲと設定庫内温度ＳＲＳとの差が２０℃以上であるかを判定し、判定がＹＥＳのとき（冷凍負荷が大きいとき）ステップＳ３３に進み、判定がＮＯのとき（冷凍負荷が小さいとき）ステップＳ３４に進む。ステップＳ３３では、メモリに格納されている負荷大時の起動開度（例えば６７％点）を読み出して、弁の開閉操作を行い、ステップＳ３５に進む。ステップＳ３４では、メモリに格納されている負荷小時の起動開度（例えば３３％点）を読み出して、弁の開閉操作を行い、ステップＳ３５に進む。

ステップＳ３５では「起動運転は成功したか」の判定を行い、判定がＮＯ（起動失敗）であれば図８のステップＳ４７に進む。判定がＹＥＳ（起動成功）であればステップＳ３６で５秒タイマが計時をタイムアップしたかを判定し、ステップＳ３６で５秒タイマがタイムアップするまでステップＳ３５及びＳ３６を繰り返す。そして、タイムアップするとステップＳ３７で３０秒タイマにより起動から３０秒が経過したかを判定する。３０秒経過すれば図９のステップＳ５１に進み、３０秒経過していなければステップＳ３８に進む。これにより、起動から３０秒間は５秒毎にステップＳ３８以降の処理が行われる。

ステップＳ３８では、レジスタｎの値（経過時間）を５（秒）だけ増加させ、ステップＳ３９で温度センサ６，７からの信号を読み込み、Ａ／Ｄ変換して温度データＳＧ及びＳＬとする。そして、ステップＳ４０で、現時点の第１の過熱度ＳＨＴ_n を式ＳＨＴ_n ＝ＳＧ−ＳＬにより演算するとともに、５秒前の第１の過熱度ＳＨＴ_n-5 から現時点の第１の過熱度ＳＨＴ_n までの変化量δＳＨＴ_n を式δＳＨＴ_n ＝ＳＨＴ_n −ＳＨＴ_n-5 により演算する。次に、ステップＳ４１で、起動時の第１の過熱度ＳＨＴが５℃以上で１５℃未満の範囲であるかを判定し、過熱度ＳＨＴがこの５℃以上１５℃未満の範囲内にあればそのままステップＳ３５に戻り、過熱度ＳＨＴが前記範囲の外側であれば、ステップＳ４２で１５℃以上であるか否かを判定する。過熱度ＳＨＴが１５℃以上であればステップＳ４３に進み、１５℃以上でなければ（５℃未満であれば）ステップＳ４５に進む。

ステップＳ４３では、現時点の過熱度の変化量δＳＨＴ_n が０．５℃以上であるか否かを判定し、０．５℃以上でなければそのままステップＳ３５に戻る。過熱度の変化量δＳＨＴ_n が０．５℃以上であれば、ステップＳ４４で起動開始後の経過時間（ｎ）に応じた量だけ弁を開操作する。５秒経過時点（ｎ＝５）では１２．５％分、１０秒経過時点（ｎ＝１０）では１０％分、１５秒経過時点（ｎ＝１５）では７．５％分、２０秒経過時点（ｎ＝２０）では５％分、２５秒経過時点（ｎ＝２５）では２．５％分、それぞれ開操作し、ステップＳ３５に戻る。

ステップＳ４５では、現時点の過熱度の変化量δＳＨＴ_n が０．５℃以上であるか否かを判定し、０．５℃以上であればそのままステップＳ３５に戻る。過熱度の変化量δＳＨＴ_n が０．５℃以上でなければ、ステップＳ４６で起動開始後の経過時間（ｎ）に応じた量だけ弁を閉操作する。５秒経過時点（ｎ＝５）では１２．５％分、１０秒経過時点（ｎ＝１０）では１０％分、１５秒経過時点（ｎ＝１５）では７．５％分、２０秒経過時点（ｎ＝２０）では５％分、２５秒経過時点（ｎ＝２５）では２．５％分、それぞれ閉操作し、ステップＳ３５に戻る。

以上のように、起動時の過熱度ＳＨＴが１５℃以上で変化量δＳＨＴ_n が０．５℃以上の場合、過熱度が付く方向と判断して開方向に操作し、起動時の過熱度ＳＨＴが５℃未満で変化量δＳＨＴ_n が０．５℃以上でない場合、液戻り方向と判断して閉方向に操作する。また、５秒以降は、今回の操作量を前回の操作量よりも少なくして制御系が発散しないように操作する。これにより好適な初期開度に到達する。なお、極端に過熱が付く方向や極端に液戻り方向となる場合には、２０秒後及び２５秒時点で、累算上の開度が１００％または０％を越える場合もあるが、その場合は全開または全閉として固定する。さらに、弁開度と弁の流量特性とは必ずしもリニアではなく、流量特性の１００％または０％により制御してもよい。この場合の流量特性は段落［００３７］で記述した電動式膨張弁の能力（形式）から得られることはいうまでもない。

この実施形態では、ステップＳ３５で起動運転に失敗したと判断されたときは、図８に進み、ステップＳ４７で失敗フラグをセットし、ステップＳ４８で過熱が付く方向であったか否かを判定する。過熱が付く方向であったら、ステップＳ４９でメモリに格納されている起動開度（デフォルト値は６７％点と３３％点）を＋１５％分修正して処理を終了し、過熱が付く方向でなければ、ステップＳ５０でメモリに格納されている起動開度を−１５％分修正して処理を終了する。すなわち、開度不足で起動運転に失敗した時は、次回の再起動は８２％点／４８％点の開度で起動し、開き過ぎで失敗した時は、次回の再起動は５２％点／１８％点の開度で起動する。これにより、次回の再起動では冷凍負荷に好適な開度点に速やかに到達できる。実際の冷却システムの運転結果により、失敗フラグがセットされることが多ければ、マイクロコンピュータ９２が記憶しているデフォルト値を好適な方向の値に変更すればよいことはいうまでもない。

また、起動運転が「成功した」場合は、ステップＳ３７を経て図９のステップＳ５１で失敗フラグをリセットし、ステップＳ５２でメモリに格納されている負荷大時の起動開度を開度６７％、負荷小時の起動開度を開度３３％に修正して図５のステップＳ４に復帰する。

図１１は起動後の経過時間に対する弁開度の説明図である。この例では、起動後１０秒経過時点では開度操作が必要ないと判定され、その他の時点で開操作または閉操作を繰り返している場合を示している。また、１０秒経過までは戻し操作の例も示しているが、この戻し操作により全開（１００％）から全閉（０％）の範囲で好適な初期開度に調整される。なお、図７のステップＳ４１〜Ｓ４３，Ｓ４５の判定により５通りの状態が判定される。例えば図１２に１０秒時点の例を示すように、過熱度ＳＨＴが５℃以上で１５℃未満の範囲内の場合、過熱度ＳＨＴが５℃未満または１５℃以上の場合、変化量δＳＨＴ₁₀がそれぞれ増加する方向と減少する方向が判定される。

以上の実施形態では、起動運転の失敗時に起動開度を更新するようにしているので、次回の起動運転の信頼性がより高まるが、本発明を実施するにあたっては起動開度の更新は必ずしも必要ではない。

以上の実施形態では、起動開度として、デフォルト値の６７％点と３３％点、起動失敗時の８２％点と４８％点、及び５２％点と１８％点のように、半開点よりも全開側と半開点よりも全閉側の値を採用しているが、例えば図１１に破線の矢印で示したように、起動開度として半開点（５０％）にしてもよい。この場合には、図７のステップＳ３２〜Ｓ３４に代えて、冷凍負荷の判定（ＳＲとＳＲＳとの差の判定）を行わずに起動開度を５０％とするステップを実行し、ステップＳ３５以降で第１の過熱度の変化量δＳＨＴ_n に基づいて初期開度を調節すればよい。

冷却システムがプレハブ冷凍・冷蔵庫の場合、一般的に低圧側に圧力検出手段を備えるので前記実施形態を実施すれば最適である。容量可変式の圧縮機にも対応できる。

冷却システムが冷凍・冷蔵ショーケースの場合、一般的に低圧側に圧力検出手段を備えていないが、温度／温度式による第１の過熱度のみで制御するように本発明を実施すれば好適である。ショーケースの場合、庫内に複数の温度センサを備える場合がある。特に、オープンショーケースの場合、本発明の適用には、蒸発器の入口側及び出口側の２本の温度センサと庫内空気吹き出し温度センサとの３本で考えるのが一般的である。すなわち、オープンのため、外気温度の影響を受けるので、吹き出し温度で制御する方が安定する。

冷却システムが空気調和機の場合、一般的に低圧側に圧力検出手段を備えていないし、また、庫内温度（室内側温度）のレンジも狭いが、本発明を実施して好適である。ヒートポンプ式空気調和機の場合、例えば暖房時に吐出温度制御を行っていても、蒸発器（冷房時は凝縮器）を温度／温度式の第１の過熱度で監視する場合は同様である。

なお、参考技術例として次のようなものが考えられる。例えば圧縮機１の運転容量信号を受ける入力部を設け、庫内温度に基づく判定工程よりも優先して、「冷凍負荷が大きい／小さい」の判定あるいは「冷凍負荷の大／中／小」の判定を運転容量に基づいて判定するようにしてもよい。冷凍サイクルにおける圧縮機の運転容量信号に基づいて判定するので、容量制御されるアンローダ式圧縮機において、または能力可変されるインバータ式圧縮機において、好適な起動開度が決定できて速やかに過渡状態運転から定常状態運転に移行できる。

また、圧力検出手段を備えている場合、起動時の庫内温度よりも１０℃低い温度に相当する蒸発圧力となるように膨張弁の起動開度を操作し、３０秒後に過渡状態運転から定常状態運転に移行するようにしてもよい。この場合、冷媒の特性から、庫内温度（ＳＲ−１０℃）に相当する蒸発圧力を求めて、圧力データがこの蒸発圧力となるように膨張弁の開度を操作するので、応答遅れが極めて小さい圧力信号で制御するので好適な起動開度に速やかに到達できる。

冷却システムがチラーユニットの場合、利用側熱交換器（冷却時は蒸発器で冷水を得る）は熱交換の媒体は空気ではなく、水やブラインであるが考え方は空気調和機、ヒートポンプ式空気調和機と同じである。利用側熱交換器は温水を得る場合は凝縮器となるが、四方切換弁と圧縮機の吸入側との配管に、温度センサと圧力センサとを設ければ、冷却時も過熱時も蒸発器の過熱度制御を行うことができ、参考技術例と同様である。

本発明による実施形態の冷却システム用制御装置を適用した冷凍サイクルにおける急速冷却制御装置の基本構成を示す図である。 実施形態の冷凍サイクルと急速冷却制御装置を示す図である。 実施形態における制御部の内部構成を示す図である。 実施形態における弁開度の上限値及び下限値の変化、及び優先制御工程による開度の規制の概念を示す説明図である。 実施形態におけるメインルーチンのフローチャートの一部である。 実施形態におけるメインルーチンのフローチャートの他の一部である。 実施形態におけるサブルーチンのフローチャートの一部である。 実施形態におけるサブルーチンのフローチャートの他の一部である。 実施形態におけるサブルーチンのフローチャートのさらに他の一部である。 実施形態における起動開度及び失敗フラグの記録内容を示す図である。 実施例における起動後の経過時間に対する弁開度の説明図である。 実施形態における過熱度及び過熱度の変化量の代表例を示す図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ 電動式膨張弁
４ 蒸発器
５ 弁駆動部
６ 蒸発器出口温度センサ
７ 蒸発器入口温度センサ
８ 庫内温度センサ
１０ 圧力スイッチ（圧力検出手段）
９２ａ−１ 過熱度演算手段（ＣＰＵ）
９２ａ−２ 弁開度演算手段（ＣＰＵ）
９２ａ−３ 弁開度規制演算手段（ＣＰＵ）
９２ａ−４ 比較手段（ＣＰＵ）
９２ａ−５ 初期開度制御手段

Claims (6)

1. 冷凍サイクルの膨張弁の開度を調節する冷却システム用制御装置において、
   前記冷凍サイクルの起動時の負荷温度に基づいて「冷凍負荷が大きい／小さい」を判定し、大きい場合は前記膨張弁の起動開度を半開点よりも全開側に操作し、小さい場合は前記膨張弁の起動開度を半開点よりも全閉側に操作し、所定時間後に過渡状態運転から定常状態運転に移行する制御工程を備えることを特徴とする冷却システム用制御装置。
2. 前記冷凍サイクルの起動後、前記過渡状態運転を行い、過熱度を監視して「過熱度が所定範囲外か／所定範囲内か」を判定し、膨張弁を所定開度分、開閉操作し、所定時間後に前記定常状態運転に移行することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム用制御装置。
3. 前記冷凍サイクルの起動後、前記過渡状態運転を行い、単位時間当たりの過熱度の変化量を監視して「過熱が付く方向か／液戻り方向か」を判定し、膨張弁を所定開度分、開閉操作し、所定時間後に前記定常状態運転に移行することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム用制御装置。
4. 前記冷凍サイクルの起動後、前記過渡状態運転を行い、過熱度を監視して「過熱度が所定範囲外か／所定範囲内か」を判定するとともに、単位時間当たりの過熱度の変化量を監視して「過熱が付く方向か／液戻り方向か」を判定し、膨張弁を所定開度分、開閉操作し、所定時間後に前記定常状態運転に移行することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム用制御装置。
5. 前記膨張弁を前記所定開度分開閉操作した後、該開閉操作が操作不足の場合は同方向に該所定開度よりも少ない開閉操作を行い、操作過多の場合は逆方向に該所定開度よりも少ない開閉操作を行うことを特徴とする請求項２、３または４に記載の冷却システム用制御装置。
6. 冷凍サイクルの膨張弁の開度を調節する冷却システム用制御装置において、
   前記冷凍サイクルの起動時に、前記膨張弁の起動開度を半開点に操作し、
   過熱度と単位時間当たりの過熱度の変化量を監視して、該膨張弁の開閉操作量を経過時間に応じて減少させ、かつ該膨張弁を間欠的に開閉操作し、所定時間後に過渡状態運転から定常状態運転に移行する制御工程を備えたことを特徴とする冷却システム用制御装置。

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