JP2006343001A - 圧力検出装置、過熱度検出装置及び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、圧力検出手段として高精度でないものを使用しても、高い精度で制御を行えるようにする。
【解決手段】冷凍サイクルの蒸発器４の出口温度を温度センサ６により検出する。圧力スイッチ１０からの圧力をサンプリングして圧力差分値を求める。冷媒の蒸発圧力相当温度の近傍域における圧力差分値に対応する蒸発圧力相当温度差分値を算出する。蒸発器入口側温度に温度差分値とオフセット値とを加算して蒸発圧力相当温度を算出する。この蒸発圧力相当温度から蒸発温度相当圧力を逆変換する。蒸発器出口側温度と圧力差分値に基づく蒸発圧力相当温度とから第３の過熱度を算出する。第３の過熱度により電動式膨張弁の操作量を算出する。
【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、蒸発器における蒸発温度相当圧力を検出する圧力検出装置、蒸発器における過熱度を検出する過熱度検出装置、及び、該過熱度検出装置を用いて、冷凍サイクルにおける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、例えば特許第３０５９５３４号公報（特許文献１）、特開平９−２２９４９５号公報（特許文献２）、特公昭６０−５８３８４号公報（特許文献３）がある。

特許文献１は、冷凍装置の蒸発器の出口側に温度センサおよび圧力センサを設けて冷媒の過熱度を算出し、可逆式比例型膨張弁の開度を調節して冷媒の流量を制御する制御方法に関する技術である。

特許文献２は、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。

特許文献３は、その第１頁右欄から第２頁左欄に、蒸発器入口部の温度センサは３０秒程度、蒸発器出口部の温度センサは６０秒程度の時間遅れを有していることを開示している。
特許第３０５９５３４号公報 特開平９−２２９４９５号公報 特公昭６０−５８３８４号公報

特許文献１の従来技術は、温度／圧力式による過熱度（第２の過熱度）を算出する方法を用いている。この場合、圧力センサによる信号検出は時間遅れがきわめて小さいので、膨張弁の開度を速やかに調節することができる。しかし、庫内温度を−２０℃〜−６０℃のような低温域に設定する場合、低温域では冷媒の飽和温度特性の勾配が緩やかになり、この低温域で用いる圧力センサの精度（確度）は±０．１％という高精度を必要とする。このため、広く普及している±１％程度の精度仕様品を用いることが不可能であり、非常に高価な圧力センサを必要とする点、経済性の面で問題がある。

特許文献２の従来技術は、蒸発器の入口側と出口側に各々温度センサを設けて温度／温度式による過熱度（第１の過熱度）を算出し、弁開度を制御している。しかし、特許文献３に開示されているように、温度センサに時間遅れがあるため、冷凍サイクルの運転中に大きな外乱が発生した場合など、好適な弁開度点に到達するまでに長い時間を要する点で改良の余地を残している。

本発明は、上記の課題を解決し、冷凍サイクルの信頼性を高めるとともに、冷却の応答性を向上させ、冷却工程をより高品位にする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の圧力検出装置は、圧力のサンプリング値から圧力差分値を算出し、圧力に対応する冷媒の蒸発圧力相当温度の近傍域における前記圧力差分値に対応する蒸発圧力相当温度の温度差分値を算出し、次に、蒸発器入口側温度に前記温度差分値と所定値とを加算して蒸発圧力相当温度を算出して蒸発温度相当圧力を算出することを特徴とする。なお、後述実施形態の記載において“ｎ，ｎ−１”等の添字はサンプリングのタイミングを示し、それぞれｎ回目、ｎ−１回目（ｎ回目の前回）のサンプリングのタイミングを示す。

請求項２の過熱度検出装置は、圧力のサンプリング値から圧力差分値を算出し、圧力に対応する冷媒の蒸発圧力相当温度の近傍域における前記圧力差分値に対応する蒸発圧力相当温度の温度差分値を算出し、次に、蒸発器入口側温度に前記温度差分値と所定値とを加算して蒸発圧力相当温度を算出して、蒸発器出口側温度から前記蒸発圧力相当温度を減算して第３の過熱度を算出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２に記載の過熱度検出装置を備え、該過熱度検出装置で検出される前記第３の過熱度と設定過熱度との偏差がなくなるように膨張弁の開度を調節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２に記載の過熱度検出装置を備え、冷凍サイクルが過渡状態運転である場合、蒸発器出口側温度と蒸発圧力相当温度とから第２の過熱度を算出し、冷凍サイクルが定常状態運転である場合、前記第２の過熱度または前記第３の過熱度を算出し、所定の制御工程に基づいて膨張弁の開度を調節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に記載の過熱度検出装置を備え、蒸発器出口側温度と蒸発器入口側温度とから第１の過熱度を算出して所定の制御工程に基づいて操作量ＭＴを算出し、蒸発器出口側温度と蒸発圧力相当温度とから算出した第２の過熱度または前記算出した第３の過熱度とを用いて所定の制御工程に基づいて膨張弁の操作量ＭＰを算出し、
Ｍ＝ＭＰ×５／１０＋ＭＴ×５／１０
により膨張弁の操作量Ｍを算出し、膨張弁の開度を調節することを特徴とする。

第１の過熱度は温度／温度式に基づき、第２の過熱度は温度／圧力式に基づき、第３の過熱度は圧力差分値を用いた温度／圧力式に基づいて算出する。温度／温度式に基づく第１の過熱度ＳＨＴ_n は、蒸発器入口側温度ＳＬ_n と蒸発器出口側温度ＳＧ_n とから下式により算出する。
ＳＨＴ_n ＝ＳＧ_n −ＳＬ_n …（１）
温度／圧力式に基づく第２の過熱度ＳＨＰ_n は、蒸発器出口側の蒸発圧力相当温度ＳＰＧ_n と蒸発器出口側温度ＳＧ_n とから下式により算出する。
ＳＨＰ_n ＝ＳＧ_n −ＳＰＧ_n …（２）
第１の過熱度ＳＨＴ_n と第２の過熱度ＳＨＰ_n との差、すなわちオフセット値（所定値）βを下式により算出する。
β＝ＳＨＴ_n −ＳＨＰ_n …（３）
（１）式、（２）式、（３）式から下式が得られる。
β＝ＳＰＧ_n −ＳＬ_n …（４）

一方、圧力は、ＰＧ_n ＝ＰＧ_n-1 ＋ΔＰＧ_n であるから、蒸発圧力相当温度は、ＳＰＧ_n ＝ＳＰＧ_n-1 ＋ΔＳＰＧ_n と表せる。ここで、圧力検出手段の確度（精度）が悪い場合、変換した温度データＳＰＧ_n 、ＳＰＧ_n-1 は全く信用できない値である。しかし、圧力差分値ΔＰＧ_n 、並びに前記圧力差分値ΔＰＧ_n を変換した温度差分値ΔＳＰＧ_n は信用できる値である。また、前式（４）において、冷凍サイクルに固有のオフセット値βと温度データＳＬ_n とは信用できる値であるから、ＳＰＧ_n ＝ＳＬ_n ＋βより、ＳＰＧ_n-1 ＝ＳＬ_n-1 ＋βを得る。ここで、ＳＰＧ_n ＝ＳＰＧ_n-1 ＋ΔＳＰＧ_n であるから、結局ＳＰＧ_n ＝（ＳＬ_n-1 ＋β＋ΔＳＰＧ_n ）を得るので、次に（２）式に代入すれば下式（５）を得る。
ＳＨＰ_n ＝ＳＧ_n −（ＳＬ_n-1 ＋ΔＳＰＧ_n ＋β） …（５）
この（５）式の括弧内は信用できる値であるから、逆変換して蒸発温度相当圧力ＲＰＧ_n とし、前述の信用できないＰＧ_n と符号を変えて区別する。ここで、（５）式の括弧内をＳＰＧ’_n （蒸発圧力相当温度）とし、後述の説明に使用する。また、（５）式の左辺は、圧力差分値を用いた温度／圧力式に基づく第３の過熱度である。さらに、（５）式の左辺を（２）式の左辺の第２の過熱度ＳＨＰ_n と区別するために、以後（５）式の左辺をＳＨＰ’_n とする。

請求項１の圧力検出装置によれば、前式（５）のように、蒸発器入口側温度ＳＬ_n-1 に温度差分値ΔＳＰＧ_n とオフセット値（所定値）βとを加算して蒸発圧力相当温度ＳＰＧ’_n を算出するので、正確に蒸発圧力相当温度ＳＰＧ’_n が得られ、さらに、前記相当温度を変換して精度の高い蒸発温度相当圧力ＲＰＧ_n が得られる。

請求項２の過熱度検出装置によれば、請求項１と同様に、正確に蒸発圧力相当温度ＳＰＧ’_n が得られ、さらに、蒸発器出口側温度ＳＧ_n から蒸発圧力相当温度ＳＰＧ’_n を減算して、精度の高い第３の過熱度ＳＨＰ’_n が得られる。

請求項３の冷却システム用制御装置によれば、請求項２のように得られる精度の高い第３の過熱度ＳＨＰ’_n と設定過熱度との偏差がなくなるように膨張弁の開度を調節するので、例えば冷却システムの庫内温度が低いときに高精度でない圧力検出手段を用いても高精度の制御が可能となる。

請求項４の冷却システム用制御装置によれば、冷凍サイクルが過渡状態運転である場合、第２の過熱度ＳＨＰ_n または第３の過熱度ＳＨＰ’_n を算出し、所定の制御工程に基づいて膨張弁の開度を調節するので、速やかに好適な開度点近傍に調節できる。一方、冷凍サイクルが定常状態運転である場合、蒸発器入口側温度ＳＬ_n-1 は時間遅れの影響はなく精度良く検出しているので、上記第２の過熱度ＳＨＰ_n 、または、請求項２のように得られる精度の高い第３の過熱度ＳＨＰ’_n により膨張弁の開度を調節する。この圧力差分値を用いた温度／圧力式である第３の過熱度ＳＨＰ’_n による制御では、高精度でない圧力検出手段を用いても高精度の制御が可能となるとともに、大きな外乱が発生した場合など応答性に優れた制御が可能となる。なお、圧縮機の始動時や庫内温度に大な外乱が発生した時などに過渡状態運転となる。実施形態では過渡状態運転は定常状態運転でない場合に相当し、始動時としても説明している。ただし、過渡状態運転である場合の判定方法は実施形態に限定されるものではない。

請求項５の冷却システム用制御装置によれば、蒸発器出口側温度と蒸発器入口側温度とから第１の過熱度ＳＨＴ_n を算出して所定の制御工程に基づいて操作量ＭＴを算出し、蒸発器出口側温度と蒸発圧力相当温度とから算出した第２の過熱度ＳＨＰ_n または前記算出した第３の過熱度ＳＨＰ’_n とを用いて所定の制御工程に基づいて膨張弁の操作量ＭＰを算出し、Ｍ＝ＭＰ×５／１０＋ＭＴ×５／１０により膨張弁の操作量Ｍを算出し、膨張弁の開度を調節するので、庫内温度が高いときも低いときも応答性に優れ、かつ、高精度の制御を可能にする。

請求項１の圧力検出装置によれば、高精度で高価な圧力検出手段を用いなくても、多用されている例えば精度±１％の圧力検出手段でも、正確に蒸発圧力相当温度が得られ、さらに、前記相当温度を変換して精度の高い蒸発温度相当圧力が得られる。

請求項２の過熱度検出装置によれば、請求項１の効果に加えて、精度の高い第３の過熱度が得られる。

請求項３の冷却システム用制御装置によれば、請求項２の効果に加えて、例えば冷却システムの庫内温度が低いときに高精度でない圧力検出手段を用いても高精度の制御が可能となる。

請求項４の冷却システム用制御装置によれば、冷凍サイクルが過渡状態運転である場合、速やかに好適な開度点近傍に調節でき、冷凍サイクルが定常状態運転である場合、圧力差分値を用いた温度／圧力式である第３の過熱度による制御では、高精度でない圧力検出手段を用いても高精度の制御が可能となるとともに、大きな外乱が発生した場合など応答性に優れた制御が可能となる。

請求項５の冷却システム用制御装置によれば、冷凍負荷が大きい庫内温度では、偏差が大きいとき、温度／圧力式で速やかな操作を行い、偏差が小さい時、温度／温度式が作用し、庫内温度が高いときも低いときも応答性に優れ、かつ、高精度の制御を可能にする。すなわち、冷凍負荷が小さい庫内温度でも、制御精度を確保して、負荷が大きいときと同様の効果が得られる。また、偏差が小さい時、温度／温度式が作用して頻繁な開閉操作が抑制されるので、膨張弁の耐久性も向上する。

次に、本発明の圧力検出装置、過熱度検出装置及び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検出手段としての温度センサ６，７、庫内温度センサ８及び圧力検出手段１０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、圧力検出手段１０の圧力データに基づいて第１の過熱度、第２の過熱度及び第３の過熱度を演算する過熱度演算手段９２ａ−１と、この演算した第１の過熱度、第２の過熱度及び第３の過熱度から弁開度の合計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、を備えている。なお、圧力検出手段１０は、後述の圧力スイッチ、圧力センサに対応しており、これらの要素にも符号「１０」を用いる。

弁開度演算手段９２ａ−２は、後述のように、過熱度に対応する操作量ＭＴ，操作量ＭＰを演算し、さらに合計操作量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１７℃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及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、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。

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、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、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蒸発器入口温度（液冷媒温度）との差をとって第１の過熱度（温度／温度式による算出）を演算し、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動作に従った操作量ＭＰを求める。

さらに、制御部９は、圧力スイッチ１０からの入力信号をサンプリングして、圧力差分値を算出し、この圧力差分値を圧力相当温度の近傍の温度差分値に変換する。また、この温度差分値と入口側の温度センサ７からの信号及び所定値であるオフセット値とに基づいて圧力相当温度を算出し、この圧力相当温度を温度相当圧力に変換する。さらに、圧力差分値による第３の過熱度を算出する。さらに、この第３の過熱度から偏差信号にしたがって操作量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、第１〜第３の過熱度に対応する操作量ＭＴ、ＭＰから合計操作量Ｍを演算し、この（合計）操作量Ｍに対応する調節信号を出力する。すなわち、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整する。ここで前述した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。前述（７行目）の「庫内温度に応じて」は、実施形態では図８のステップＳ３１の処理を意味する。

図３は上記制御部９の内部構成を示し、同図において、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。ＣＰＵ９２ａは、温度センサ６，７からの信号及び圧力センサ１０からの信号に基づいて第１〜３の過熱度を演算し、この演算した第１〜第３の過熱度に基づく（合計）操作量Ｍから弁開度を演算する。また、蒸発圧力相当温度と入口側温度との差としてオフセット値βを演算し、このオフセット値βをその後の蒸発圧力相当温度の演算に用いる。そして、各種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、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１７℃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に（第２）所定値を加算した設定過熱度により弁開度の上限値を演算するので、設定過熱度に基づく弁開度の上限値に比べれば、前記加算した設定過熱度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は圧力、温度、過熱度の算出を行う割込みルーチンのフローチャート、図６はメインルーチンのフローチャート、図７は過渡状態の処理のサブルーチンのフローチャート、図８は定常状態の処理のサブルーチンのフローチャートである。

ＣＰＵ９２ａは電源の投入によって動作を開始し、図６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。ステップＳ２は、複数の制御装置で複数の蒸発器を制御するシステム構成の場合に実行される処理であり、各制御装置との間で通信処理を行う。ここで、複数の制御装置で複数の蒸発器を制御するシステム構成でなくても、例えば、圧力センサ１０からの信号が通信により授受される場合もあり得ることはいうまでもない。次に、ステップＳ３で、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、起動信号が無ければステップＳ４で停止時の処理を行ってステップＳ２に戻り、起動信号があるとステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、「定常状態運転であるか否か」を判定し、判定がＹｅｓのの場合、ステップＳ９で図８の処理を行い、判定がＮｏ（始動時）の場合、ステップＳ６に進む。ステップＳ６では、「サーモＯＮによる再始動か」を判定し、判定がＹｅｓの場合、ステップＳ８で「過渡状態処理（２）」を実行し、判定がＮｏの場合、ステップＳ７で図７の処理を行う。なお、ステップＳ８の処理では、弁の初期所定開度を例えば全開の１／３点になるように操作する。ここで、ステップＳ８の処理では、前回のサーモＯＦＦ時の弁の開度を記憶し、再始動の場合は前記弁開度を初期所定開度としてもよい。

次に、ステップＳ１０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、ステップＳ７、あるいはＳ８、あるいはＳ９で演算した合計操作量Ｍに対して、Ｓ１０の規制が優先する。よって、合計操作量Ｍの１００％で弁の開閉操作をするとは限らない。ステップＳ１１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Ｓ１０の第３優先制御処理の規制を経ても、このステップＳ１１の規制が優先する。よって、この場合も、合計操作量Ｍの１００％で弁の開閉操作をするとは限らない。ステップＳ１２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な操作量を演算し、ＭＯＰ規制、低圧カット規制の処理を行う。よって、この場合も、合計操作量Ｍの１００％で弁の開閉操作をするとは限らない。そして、ステップＳ１３で「開度規制の範囲内か」の判定を行い、判定がＮｏの場合、ステップＳ１４で開度規制の範囲内で弁の開閉操作を実行してステップＳ２に戻り、判定がＹｅｓの場合、ステップＳ１５で合計操作量Ｍの１００％で弁の開閉操作を実行してステップＳ２に戻る。なお、ステップＳ１４で操作可能な操作量は、Ｍ≧（操作可能な操作量）≧０であることはいうまでもない。

図７の過渡状態の処理では、ステップＳ２１で「弁の初期開度設定」の処理を実行する。この処理は冷凍サイクルの起動時の１回のみ開度設定を行うものであり破線で図示してある。次に、ステップＳ２２で１０秒タイマが計時をタイムアップしたかを判定し、タイムアップしていなければ元のルーチンに復帰し、タイムアップすると、ステップＳ２３で、１０秒前の第２の過熱度ＳＨＰ_i-10から現時点の第２の過熱度ＳＨＰ_i までの変化量δＳＨＰ_i を式δＳＨＰ_i ＝ＳＨＰ_i −ＳＨＰ_i-10により演算する。次に、ステップＳ２４で、起動から４０秒が経過したかを判定し、４０秒経過すれば元のルーチンに復帰し、４０秒経過していなければステップＳ２５に進む。すなわち、このステップＳ２５以降の処理は、１０秒／２０秒／３０秒の時に行われる。

ステップＳ２５では、起動時の第２の過熱度ＳＨＰ_n が５℃以上で１５℃未満の範囲であるかを判定し、過熱度ＳＨＰ_n がこの５℃以上１５℃未満の範囲内にあればそのまま元のルーチンに復帰し、過熱度ＳＨＰ_n が前記範囲の外側であれば、ステップＳ２６で１５℃以上であるか否かを判定する。過熱度ＳＨＰ_n が１５℃以上であればステップＳ２７に進み、１５℃以上でなければ（５℃未満であれば）ステップＳ２８に進む。

ステップＳ２７では、現時点の過熱度の変化量δＳＨＰ_i が１．０℃以上であるか否かを判定し、１．０℃以上でなければそのまま元のルーチンに復帰し、過熱度の変化量δＳＨＰ_i が１．０℃以上であれば、ステップＳ２９で起動開始後の経過時間（ｉ）に応じた量だけ弁を開操作する。１０秒経過時点（ｉ＝１０）では２０％分、２０秒経過時点（ｉ＝２０）では１０％分、３０秒経過時点（ｉ＝３０）では５％分、それぞれ開操作し、元のルーチンに復帰する。

ステップＳ２８では、現時点の過熱度の変化量δＳＨＰ_i が１．０℃以上であるか否かを判定し、１．０℃以上であればそのまま元のルーチンに復帰し、過熱度の変化量δＳＨＰ_i が１．０℃以上でなければ、ステップＳ３０で起動開始後の経過時間（ｉ）に応じた量だけ弁を閉操作する。１０秒経過時点（ｉ＝１０）では２０％分、２０秒経過時点（ｉ＝２０）では１０％分、３０秒経過時点（ｉ＝３０）では５％分、それぞれ閉操作し、元のルーチンに復帰する。

図８のステップＳ３１では、現在の庫内温度ＳＲ_n が−１０℃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Ｓ３２に進み、判定がＮｏのとき（冷凍負荷が小さいとき）ステップＳ３５に進む。ステップＳ３２では、庫内温度ＳＲ_n により設定過熱度ＳＨの補正演算を行って可変設定過熱度ＳＨ’とし、ステップＳ３３に進む。ステップＳ３３では、第１の過熱度ＳＨＴ_n と可変設定過熱度ＳＨ’との差である第１の過熱度偏差ΔＳＨＴ_n を補正値βも加味して、式ΔＳＨＴ_n ＝ＳＨＴ_n −（ＳＨ’＋β）により演算し、ステップＳ３４で、第２の過熱度ＳＨＰ_n と可変設定過熱度ＳＨ’との差である第２の過熱度偏差ΔＳＨＰ_n を式ΔＳＨＰ_n ＝ＳＨＰ_n −ＳＨ’により演算し、ステップＳ３７に進む。

ステップＳ３５では、第１の過熱度ＳＨＴ_n と設定過熱度ＳＨとの差である第１の過熱度偏差ΔＳＨＴ_n を補正値βも加味して、式ΔＳＨＴ_n ＝ＳＨＴ_n −（ＳＨ＋β）により演算し、ステップＳ３６で、第３の過熱度ＳＨＰ’_n と設定過熱度ＳＨとの差である第３の過熱度偏差ΔＳＨＰ’_n を式ΔＳＨＰ’_n ＝ＳＨＰ’_n −ＳＨにより演算し、ステップＳ３７に進む。

次に、ステップＳ３７で“０←ΔＳＨＴ_n ”となるような電動式膨張弁３の操作量ＭＴ_n を演算してＲＡＭ９２ｃに蓄え、ステップＳ３８で“０←ΔＳＨＰ’_n ”となるような電動式膨張弁３の操作量ＭＰ_n を演算してＲＡＭ９２ｃに蓄え、ステップＳ３９に進む。次に、ステップＳ３９で、Ｍ_n ＝ＭＰ_n ×５／１０＋ＭＴ_n ×５／１０により合計操作量Ｍ_n を演算して元のルーチンに復帰する。ここで、前記演算式の各々の操作量の添字ｎはサンプリング処理のために必要であり請求項５では付されていない。また、記述を省略したがステップＳ３４の処理の最後で“ΔＳＨＰ’_n ←ΔＳＨＰ_n ”の処理を実行して、ステップＳ３８に進むことはいうまでもない。（本発明は第３の過熱度が特徴であるのでステップＳ３８の式としているのである）

図５の割込み処理では、ステップＳ５１で、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_n 、蒸発圧力相当温度ＳＰＧ_n を演算し、ステップＳ５２で、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_n （蒸発器出口温度）、ＳＬ_n （蒸発器入口側温度）、ＳＲ_n （庫内温度）とする。次に、ステップＳ５３で、第１の過熱度ＳＨＴ_n を式ＳＨＴ_n ＝ＳＧ_n −ＳＬ_n により演算する。次に、ステップＳ５４で、第２の過熱度ＳＨＰ_n を式ＳＨＰ_n ＝ＳＧ_n −ＳＰＧ_n により演算し、ステップＳ５５に進む。

ステップＳ５５では、冷凍サイクルの運転が「定常状態か」を判定し、判定がＮｏ（始動時）の場合、ステップＳ５６で予めＲＯＭ９２ｂに格納しているβ０（デフォルト値として例えば５℃）をオフセット値βとしてＲＡＭ９２ｃに格納し、ステップＳ５９に進む。ステップＳ５５の判定がＹｅｓの場合、ステップＳ５７で現在の庫内温度ＳＲ_n が−１０℃以上であるかを判定し、判定がＮｏのとき（冷凍負荷が小さいとき）ステップＳ５９に進み、判定がＹｅｓのとき（冷凍負荷が大きいとき）ステップＳ５８に進む。ステップＳ５８では、オフセット値βを蒸発圧力相当温度ＳＰＧ_n と蒸発器入口側温度ＳＬ_n とから、β＝ＳＰＧ_n −ＳＬ_n により演算し、最新のオフセット値βとしてＲＡＭ９２ｃに格納し、ステップＳ５９に進む。

ステップＳ５９では、現在の圧力のサンプリング値ＰＧ_n と前回の圧力のサンプリング値ＰＧ_n-1 とから、圧力差分値ΔＰＧ_n を、ΔＰＧ_n ＝ＰＧ_n −ＰＧ_n-1 により算出し、ＲＡＭ９２ｃに格納する。次に、ステップＳ６０で、蒸発圧力相当 温度ＳＰＧ_n-1 の近傍域の温度差分値ΔＳＰＧ_n を、関数ｆ₂ を用いて、ΔＳＰＧ_n ＝ｆ₂ （ΔＰＧ_n ）により算出し、ステップＳ６１に進む。ステップＳ６１では、蒸発圧力相当温度ＳＰＧ’_n を、蒸発器入口側温度ＳＬ_n-1 、温度差分値ΔＳＰＧ_n 、オフセット値βを用いて、ＳＰＧ’_n ＝ＳＬ_n-1 ＋ΔＳＰＧ_n ＋βにより算出し、ＲＡＭ９２ｃに格納する。

次に、ステップＳ６２で、蒸発温度相当圧力ＲＰＧ_n を、蒸発圧力相当温度ＳＰＧ’_n と関数Ｆ₃ を用いて、ＲＰＧ_n ＝Ｆ₃ （ＳＰＧ’_n ）により算出し、ステップＳ６３に進む。ステップＳ６３では、圧力差分値による第３の過熱度ＳＨＰ’_n を、現在の蒸発器出口温度ＳＧ_n と蒸発圧力相当温度ＳＰＧ’_n とから、ＳＨＰ’_n ＝ＳＧ_n −ＳＰＧ’_n により演算し、ＲＡＭ９２ｃに格納して、元のルーチンに復帰する。なお、蒸発圧力相当温度と蒸発圧力との関係は例えば図９のようになっており、この関係を示す前記の関数ｆ₂ 、Ｆ₃ は冷媒の特性によって予め与えられる関数である。なおこの関数は互いに逆関数の関係にある。また、前述したステップＳ５１の処理において、関数ｆ₁ を用いて、ＳＰＧ_n ＝ｆ₁ （ＰＧ_n ）を実行していることの記述は省略した。

次表は圧力差分値に基づく圧力相当温度算出を説明するものであり、これらの表は冷媒としてＲ２２を用いた場合の精度に対する相当温度の温度差を示している。

これらの表では、０．００ＭＰａ（メガパスカル）が−４０．８６℃、−０．０２ＭＰａが−４５．３０℃、−０．０４ＭＰａが−５０．９８℃とする例を示している。表１は精度±１％の圧力検出手段によれば−１０℃以下で信用できないことを、表２は精度±０．１％の圧力検出手段によれば−５０℃まで信用できることを示している。表３は圧力センサの精度が±１％のときの、圧力差分値に対する温度差分値を説明している。表３では圧力センサの精度が±１％の場合、温度の変化偏差は±１℃以内であるので、圧力差分値を按分比例して温度差分値を求め、次に、温度相当圧力に逆変換することによって圧力データＲＰＧ_n を求めることができることを示している。また、実施形態では圧力の変化幅を０．０２ＭＰａ区分のときの実施例を示したが、０．０１ＭＰａ区分とすれば、さらに変換精度を確保できることはいうまでもない。

本実施形態では、第１の過熱度による操作量ＭＴと、第２の過熱度または第３の過熱度による操作量ＭＰとの割合を、５／１０、５／１０としたが、応答性を重視するなら（温度／圧力式をより作用させるため）操作量ＭＰの割合を多くし、逆に耐久性を重視するなら（温度／温度式をより作用させるため）操作量ＭＴの割合を多くするよう、演算式を任意に定めればよい。

本実施形態では、圧力センサの精度が±１％、用いる冷媒がＲ２２という条件の場合において、ステップＳ３１の処理、すなわち第２の過熱度と第３の過熱度との切替え点を−１０℃とした。この切替え点も圧力センサの精度、冷媒の種類によって任意であることはいうまでもない。

本発明による実施形態の圧力検出装置、過熱度検出装置及び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。 実施形態における割込みルーチンのフローチャートである。 実施形態におけるメインルーチンのフローチャートである。 実施形態における過渡状態の処理のサブルーチンのフローチャートである。 実施形態における定常状態の処理のサブルーチンのフローチャートである。 実施形態における冷媒の蒸発圧力相当温度と蒸発圧力との関係及び関数の例を示す図である。

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
９ 制御部
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）

Claims (5)

1. 圧力のサンプリング値から圧力差分値を算出し、圧力に対応する冷媒の蒸発圧力相当温度の近傍域における前記圧力差分値に対応する蒸発圧力相当温度の温度差分値を算出し、次に、蒸発器入口側温度に前記温度差分値と所定値とを加算して蒸発圧力相当温度を算出して蒸発温度相当圧力を算出することを特徴とする圧力検出装置。
2. 圧力のサンプリング値から圧力差分値を算出し、圧力に対応する冷媒の蒸発圧力相当温度の近傍域における前記圧力差分値に対応する蒸発圧力相当温度の温度差分値を算出し、次に、蒸発器入口側温度に前記温度差分値と所定値とを加算して蒸発圧力相当温度を算出して、蒸発器出口側温度から前記蒸発圧力相当温度を減算して第３の過熱度を算出することを特徴とする過熱度検出装置。
3. 請求項２に記載の過熱度検出装置を備え、該過熱度検出装置で検出される前記第３の過熱度と設定過熱度との偏差がなくなるように膨張弁の開度を調節することを特徴とする冷却システム用制御装置。
4. 請求項２に記載の過熱度検出装置を備え、冷凍サイクルが過渡状態運転である場合、蒸発器出口側温度と蒸発圧力相当温度とから第２の過熱度を算出し、冷凍サイクルが定常状態運転である場合、前記第２の過熱度または前記第３の過熱度を算出し、所定の制御工程に基づいて膨張弁の開度を調節することを特徴とする冷却システム用制御装置。
5. 請求項２に記載の過熱度検出装置を備え、蒸発器出口側温度と蒸発器入口側温度とから第１の過熱度を算出して所定の制御工程に基づいて操作量ＭＴを算出し、蒸発器出口側温度と蒸発圧力相当温度とから算出した第２の過熱度または前記算出した第３の過熱度とを用いて所定の制御工程に基づいて膨張弁の操作量ＭＰを算出し、
   Ｍ＝ＭＰ×５／１０＋ＭＴ×５／１０
   により膨張弁の操作量Ｍを算出し、膨張弁の開度を調節することを特徴とする冷却システム用制御装置。

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