JP2007526435A - 蒸気圧縮システムにおける非線形制御アルゴリズム - Google Patents

Abstract

水を加熱するために使用される蒸気圧縮システムのＰＩＤコントロールは、エラー信号の特定の範囲、および非効率的な方向に移行するサイクルを示す可能性のあるエラー信号の導関数を識別する。この判別が行われる場合、エラー信号の代替が使用される。特に、エラーおよびエラーの導関数がともに負である場合に、判別は行われる。代替は、エラーにその導関数を乗じて、その結果、正の積をもたらす。これにより、システムは非効率的な方向に向かうことはなくなる。

Description

本願は、蒸気圧縮システムにおける潜在的な悪条件を回避する非線形ＰＩＤ制御アルゴリズムに関する。

冷媒サイクルは、処理される流体の温度変化をもたらす。一般に、冷媒サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮器と、圧縮された冷媒を受ける第１の熱交換器と、第１の熱交換器の下流に位置する膨張装置と、膨張装置の下流に位置する第２の熱交換器と、を備える。冷媒は、圧縮器から、第１の熱交換器、膨張装置、第２の熱交換器を通って流れ、圧縮器に戻る。流体は、前記の熱交換器の一方で加熱または冷却される。この基本システムは、特に、温水の提供、空調の提供、またはヒートポンプ機能の提供など、数多くの用途に用いられる。

冷媒サイクルの１つのタイプは、超臨界（トランスクリティカル）サイクルである。超臨界サイクルでは、動作が飽和圧力を上回る。したがって、達成される圧力に関して自由度がある。

本出願の譲受人によって近年開発された１つの特定の用途は、第１の熱交換器が加熱される水を受ける温水加熱システムにおけるものである。送水ポンプは、第１の熱交換器を通して水を搬送する。

本明細書と同日付で出願された「Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｔｒａｎｓｃｒｉｔｉｃａｌ ＨＶＡＣ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称で同時係属中の米国特許出願第１０／７９３，４８９号に開示されているように、コントロールは、ある温水温度を極めて効率的に達成するために所望の排出圧力を予測することができる。効率的な動作を達成するコントロールは、温水に関する１つの変数を監視し、かつ冷媒の排出圧力に関する１つの変数を監視する。これらの変数は、本明細書と同日付で出願された「Ｍｕｌｔｉ−Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ」という名称の米国特許出願第１０／７９３，５４２号に開示されている方法で制御される。

コントロールは、所望の水温と実際の水温との間および所望の排出圧力と実際の排出圧力との間のエラー、並びにこれらのエラーの導関数と積分を調べることにより、水温および冷媒排出圧力のエラー補正率を判別する。

図１には、基本システム２０が示されており、ここで、温水はライン２１から下流の用途（ユーザ）２２まで送られる。入力２４により、下流の用途２２のオペレータは、所望の温水温度を選択することができる。入力は、特定の温度の選択でなく、蛇口ハンドル、混合バルブハンドルなどの位置の場合もあることを理解されたい。これらの位置を所望の温度に変換するためのコントロールは周知のとおりであり、当業者の技術の範囲内に含まれる。センサ２６は、熱交換器２８から流出する実際の温水温度を感知する。送水ポンプ３０は、熱交換器２８を通して水を搬送する。センサ２６および入力２４からのフィードバック、並びに送水ポンプ３０からまたは該ポンプ３０へのフィードバックは全て電子コントロール３２に送られる。センサ３６により、水加熱サイクルに関連付けられた冷媒サイクル３５における圧縮器３４下流の排出圧力が感知される。膨張装置３８は、熱交換器２８の下流に配置され、第２の熱交換器４０は、膨張装置３８の下流に配置される。膨張装置３８は、コントロール３２によって制御されるとともに、コントロール３２がサイクル３５内の冷媒の圧力を制御するために膨張装置３８を開閉できるように可変開口部を有する。

超臨界（トランスクリティカル）モードで動作する冷媒システム３５において、所与の１組の周囲条件について使用可能な２つの異なる定常状態の動作サイクルがある。図２に示されたグラフにおいて、さらに右側に移動すると、動作の効率が低下する。図２に示されているのは、従来の制御が実装された場合の効率的（良好な）サイクルと非効率的（良好ではない）サイクルとの間の時間の推移である。本発明の主題は、１つの離散した効率的サイクルと代替の非効率的サイクルとの間の遷移を回避する代替制御である。

本発明は、システムのコントロールが非効率的なモードに移行する場合に、予測して対処することを対象としている。以下に示すように、エラー補正値を判別するエラー補正アルゴリズムは、判別されたエラーおよびその判別されたエラーの導関数を調べる。コントロールは、本発明の教示のもとに、エラーおよびその導関数がいずれも負である場合に、代替のエラー計算を用いるように変更される。開示される実施形態において、コントロールは、エラーおよびエラーの導関数が負である象限においてエラーの導関数を乗じたエラーを用いる。他のすべての象限において、エラーは変更されない。これについては、図３に図示している。これらの係数はいずれも負であるため、積は正数となり、図２に示した非効率的な動作への時間の推移は回避される。

本発明のこれらの特徴または他の特徴は、以下の明細書および図面からよりよく理解することができる。以下に図の簡単な説明を示す。

図１に示したシステムは、所望の温度で温水を供給するように動作可能である。コントロール３２は、前述の「Ｍｕｌｔｉ−Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ」という名称で同時係属中の米国特許出願に開示されているように、実際の温度および実際の圧力（３６）を監視し、エラー補正信号を判別することが好ましい。エラー補正アルゴリズムを以下に記載する。

Ｕ_EXVは、膨張装置のエラー補正率であり、Ｕ_VSPは、送水ポンプのエラー補正率である。ｅ_pは、圧力エラー、つまり実際の圧縮器排出圧力と所望の圧縮器排出圧力との差である。ｅ_Tは、温度エラー、つまり実際の搬送水温と所望の搬送水温との差である。Ｋ_p11、Ｋ_p12などは数値定数である。定数Ｋは、システムに基づいて選択され、また、例えば、送水ポンプ速度の特定の変化が圧力にもたらすと予想された変化に基づいて選択される。定数を選択する方法は数多くある。好ましい方法は、例えば、「Ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｄｅｓｉｇｎ」、Ｊ．Ｍ．Ｍａｃｉｅｊｏｗｓｋｉ著（Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ、１９８９年）のテキストに説明されているような、Ｈ_∞（Ｈ無限大）の設計方法である。これらの式によれば、ｕ_EXVおよびｕ_VSPは、現在の圧力および現在の温度の両方に依存することに留意されたい。

本発明において、補正を可能にするとともに、水温のエラーおよびエラーの導関数がともに負である特定の条件を回避する調節があることが好ましい。このアルゴリズムは、基本的に、エラーがいずれも負である場合、検出エラーの導関数を乗じた検出エラーの倍数であるエラーを利用する。このようにして、他の方法では潜在的に不十分となりうる条件を回避することができる。

開示される実施形態は、熱交換器２８を経由するポンプ３０からの流水量を変更することにより、水温エラーを調節する。この流量が減少すると、２６における温度は上昇する。しかし、図３から理解されるように、水温のエラーおよびそのエラーの導関数がともに負である場合、流水量をさらに減少することによって、もはや温度が上昇しないが、代わりに、出口水温が低下する。コントロールがこの問題に対処するように調節されていない場合、コントロールは、流水量が最小レベルに減少するまで流水量の更なる減少を要求し続ける。ヒートポンプは、ユーザの要求に対応しなくなり、さらに図２に示した非効率的なサイクルで動作する。

本発明は、ｅ_VSPおよびｅ_VSPの導関数がいずれも負である場合に、ｅ_VSP数値の変更されたエラー係数を使用することにより、この問題に対処する。したがって、以下の式は制御方法に組み込まれる。

代替エラーは、図３に示す変更された結果を提供する。したがって、本発明は、上記で開示されているようなシステムの潜在的な問題に対処する。

本発明は、蒸気圧縮サイクルの特定の応用例において示されているが、本発明は、超臨界的に動作している他の蒸気圧縮サイクルにも利点をもたらす。

本発明の好ましい実施形態が開示されたが、いくつかの変更が本発明の範囲内に含まれることを当業者であれば理解されるであろう。したがって、以下の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲および内容を判断するために検討されたい。

温水を供給するシステムを示す概略図である。 圧力ｖ．エンタルピーを示す図である。 エラーおよびエラーの導関数が負である象限においてコントロールにより使用される実際のエラーが変更されることを示す、従来のエラー計算と補正されたエラー計算を示す図である。

Claims (10)

1. 冷媒サイクルであって、
   圧縮器と、
   前記圧縮器の下流の第１の熱交換器と、
   前記第１の熱交換器の下流の膨張装置と、
   前記膨張装置の下流の第２の熱交換器と、
   前記圧縮器から、前記第１の熱交換器、前記膨張装置、前記第２の熱交換器へと通過し、前記圧縮器に戻るとともに、前記冷媒サイクル内において超臨界モードで動作する冷媒と、
   前記冷媒サイクルの一側面を制御して所望の値に近づくように前記一側面を移行するためのエラー補正アルゴリズムを有するコントロールであって、前記エラー補正アルゴリズムが、実際の値と前記所望の値との間の判別されたエラーおよび前記判別されたエラーの導関数を調べ、前記サイクルが非効率的なモードに移行していることを条件が示す場合に、前記エラー補正アルゴリズムが代替のエラー値を代用するコントロールと、
   を備える冷媒サイクル。
2. 前記条件が、前記判別されたエラーおよび前記判別されたエラーの前記導関数がともに負であることを見出すことを特徴とする請求項１に記載の冷媒サイクル。
3. 前記第１の熱交換器が、前記冷媒によって加熱される水を受け、前記エラー補正アルゴリズムによって制御される前記一側面が、前記水の出口温度を制御するように前記第１の熱交換器を通して送られる水量であることを特徴とする請求項２に記載の冷媒サイクル。
4. 前記コントロールが、さらに前記冷媒の所望の排出圧力を識別し、また、前記水量の前記エラー補正アルゴリズムが、前記水量のエラー補正率の判別において前記冷媒の圧力のエラーを考慮することを特徴とする請求項３に記載の冷媒サイクル。
5. 前記代替エラー値が、前記判別されたエラーに前記判別されたエラーの前記導関数を乗じて正の代替エラー値をもたらすことにより得られることを特徴とする請求項２に記載の冷媒サイクル。
6. 圧縮器と、前記圧縮器の下流の第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器の下流の膨張装置と、前記膨張装置の下流の第２の熱交換器と、前記圧縮器から前記第１の熱交換器、前記膨張装置、前記第２の熱交換器を通って流れ前記圧縮器に戻る冷媒と、を備える冷媒サイクルであって、前記冷媒が、前記冷媒サイクル内において超臨界モードで動作する冷媒サイクルと、
   送水ポンプによって前記第１の熱交換器に供給され、加熱される水と、
   所望の温水温度の選択を可能にする入力と、
   前記第１の熱交換器の下流における実際の温水温度の値を取り込み、前記実際の温水温度を前記所望の温水温度と比較して判別されたエラーを計算するコントロールであって、前記コントロールが、前記第１の熱交換器に搬送される水量を変更するように前記送水ポンプを制御するエラー補正アルゴリズムを有し、前記エラー補正アルゴリズムが、前記判別されたエラーおよび前記判別されたエラーの導関数を考慮し、前記判別されたエラーと前記判別されたエラーの導関数がともに負である場合に、前記エラー補正アルゴリズムが、代替のエラー値を代用し、前記代替値が、正の値であるコントロールと、
   を備えるシステム。
7. 前記温水温度のエラー補正アルゴリズムが、
   

   

   であり、上式で、ｕ_VSPは、水量を変更するための前記送水ポンプのエラー補正であり、ｅ_tは、実際の搬送温水温度と所望の搬送温水温度との間の温度エラーであり、ｅ_pは、所望の圧縮器排出圧力と実際の圧縮器排出圧力との間のエラーであり、Ｋ値は、数値定数であることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
8. 冷媒サイクルを動作する方法であって、
   （１）圧縮器と、前記圧縮器の下流の第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器の下流の膨張装置と、前記膨張装置の下流の第２の熱交換器と、前記膨張装置を制御するコントロールと、を備える冷媒サイクルを提供するステップと、
   （２）前記圧縮器から、前記第１の熱交換器、前記膨張装置、前記第２の熱交換器を経て、前記圧縮器まで冷媒を循環させるステップであって、前記冷媒が、前記冷媒サイクル内において超臨界モードで動作する循環ステップと、
   （３）少なくとも１つの値のエラーを監視し、監視されたエラーおよび前記監視されたエラーの導関数をともに考慮するエラー補正アルゴリズムを使用し、かつサイクルが非効率的なモードに移行していることを前記監視されたエラーおよび前記監視されたエラーの前記導関数が示す場合に、前記エラー補正アルゴリズムの代替エラー値を使用するステップと、
   を含む冷媒サイクル動作方法。
9. 前記第１の熱交換器に加熱される水を供給するステップをさらに含み、前記判別されたエラーが、要求された水温と実際の水温との差であることを特徴とする請求項８に記載の冷媒サイクル動作方法。
10. 前記監視されたエラーと前記判別されたエラーの前記導関数がともに負である場合に、前記代替エラー値が使用されることを特徴とする請求項８に記載の冷媒サイクル動作方法。

Images