JP2010529410A

JP2010529410A - 蒸気圧縮システムを制御する方法

Info

Publication number: JP2010529410A
Application number: JP2010511491A
Authority: JP
Inventors: ティボ，クラウス; ウィスニュスキー，ラファエル
Original assignee: ダンフォス・アクチ−セルスカブ
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2028-06-11
Also published as: EP2171376B1; RU2426957C1; ATE546697T1; JP5185375B2; MX2009013343A; CN101680696A; CN101680696B; EP2171376A1; WO2008151630A1; US20100269527A1; US9303901B2

Abstract

冷却システム、好ましくは空調システムのような、少なくとも２つの蒸発器を備えた蒸気圧縮システムを制御する方法を提供する。蒸発器の共通の出口における過熱（ＳＨ）をモニタする一方で、このＳＨに応じて、及び最適なＳＨ値を得るために利用可能な冷媒の量を制御する。利用可能な冷媒は、分配キーに従って蒸発器間で分配される。分配キーは、各蒸発器ごとの動作状態を個々に考慮しながら得られることが好ましい。この結果、蒸発器の各々が最適に動作するとともにシステムが一般に最適に動作するように蒸気圧縮システムを動作させることができる。

Description

本発明は、空調システムのような冷却システムなどの蒸気圧縮システムを制御する方法に関する。より詳細には、本発明は、少なくとも２つの蒸発器を備えた蒸気圧縮システムを制御する方法に関する。

蒸発器を１つのみ備えた蒸気圧縮システムでは、蒸発器に供給される冷媒の質量流を、蒸発器の潜在的冷却能力が最大限可能な範囲まで利用されるように制御しようとすることが多い。一方では、冷却は蒸発器内に存在する冷媒の相転移により行われるため、蒸発器内の気体冷媒の量が多いと、蒸発器の冷却能力に悪影響を及ぼすので望ましくない。他方では、液体冷媒が蒸発器を通過できるようにすると、冷媒の全冷却能力が利用されなくなり、また圧縮機を損傷させる恐れがあるので望ましくない。従って、液体冷媒が蒸発器を通過できないようにして、冷媒の混合相、すなわち気体冷媒並びに液体冷媒を含む冷媒が、できる限り蒸発器の出口に近い位置まで及ぶように蒸発器への冷媒の質量流を制御することが望ましい。この目的のために、蒸発器の出口における過熱ＳＨ(superheat) が制御パラメータとして測定され使用されることが多い。高度の過熱は、蒸発器内に過剰な気体冷媒が存在するというサインである。ゼロの過熱は、液体冷媒が蒸発器を通過できるというサインである。従って、蒸発器に供給される冷媒の質量流を、最小ではあるが正の過熱が得られるように制御しようとすることが多い。

２又はそれ以上の蒸発器を備えた蒸気圧縮システムでは、例えば上述の意味において、システム内の冷媒の流れを、蒸発器の各々が適切に動作するように、及び一般に蒸気圧縮システムが効率的に動作するように制御することが課題となり得る。より詳細には、液体冷媒が蒸発器のいずれをも通過しないようにして、蒸発器の各々のＳＨができる限りゼロに近く制御されるようにこのような蒸気圧縮システムを制御することが望ましい。さらに、システムの構成要素数を大きく増加させずにこれを行うことが望ましい。

従って、少なくとも２つの蒸発器を備えた蒸気圧縮システムを制御して、各蒸発器の潜在的冷却能力を最大限可能な範囲まで利用できるようにする方法を提供することが本発明の目的である。

少なくとも２つの蒸発器を備えた蒸気圧縮システムを制御して、一般に蒸気圧縮システムを効率的に動作できるようにする方法を提供することが本発明のさらなる目的である。

本発明によれば、上記の及びその他の目的は、圧縮機と、コンデンサと、圧縮機と共通の出口との間に並列に流体接続された少なくとも２つの蒸発器と、蒸発器の各々を横切る冷媒の流れを制御するための膨脹装置とを含む、蒸気圧縮システムを制御する方法を提供することにより達成され、この方法は、
− 蒸発器間における利用可能な冷媒の割り当てを決定する分配キーを取得するステップと、
− 共通の出口における過熱ＳＨをモニタするステップと、
− ＳＨに応じて、及び最適なＳＨ値を得るために利用可能な冷媒の量を制御するステップと、
− 分配キーに従って、及び膨脹装置により蒸発器間で利用可能な冷媒を分配するステップと、
を含む。

本文脈では、「蒸気圧縮システム」という用語は、冷媒の流れが循環し交互に圧縮及び膨張することにより、容積の冷却又は加熱のいずれかを行うあらゆるシステムを意味するように解釈すべきである。従って、蒸気圧縮システムは、冷凍システム、空調システム、ヒートポンプなどであってもよい。

圧縮機は、単一の圧縮機であってもよいが、圧縮機ラックなどを形成する２又はそれ以上の圧縮機であってもよい。

蒸気圧縮システムは、好ましくは同じ冷却容積に対して冷却を行うように並列に配置された少なくとも２つの蒸発器を備える。

分配キーは、蒸発器間における利用可能な冷媒の割り当てを決定する。従って、分配キーは、ある一定量の利用可能な冷媒を仮定して、各蒸発器が、利用可能な冷媒のどれほど多くの部分を受け取るべきかを決定する。蒸発器の全てが最適な充填を得るために、分配キーは、蒸発器の各々の特定の動作状態に対して十分な考慮がなされるように生成されることが好ましい。例えば、動作状態の変化を定期的に考慮するために、動作中に分配キーを調整できることが好ましい。しかしながら、これとは別に分配キーを最初に固定することもできる。

従って、蒸気圧縮システムの一部を形成しない記憶装置又は参照テーブルなどによる供給により分配キーを最初に取得してもよく、或いは１又はそれ以上の測定量などに基づいて動的に取得してもよい。

膨脹装置は、利用可能な冷媒が分配キーに従って蒸発器間で分配されることを確実にする。

動作中、共通の出口におけるＳＨがモニタされる。従って、ＳＨが測定される地点では、様々な蒸発器を通過する様々な流路をたどった冷媒が再び混合されて、共通の冷媒流を形成している。従って、モニタされるＳＨ値は、蒸気圧縮システム全体の性能尺度であり、単一の蒸発器の性能尺度ではない。モニタされたＳＨに応じて、及び最適なＳＨ値を得るために、利用可能な冷媒の量が制御される。上述したように、最適なＳＨ値は、正確にはゼロになることのないできる限り低い値であってもよい。これにより、蒸気圧縮システムが一般に効率的に動作することが確実になる。

従って、本発明の本方法によれば、この蒸気圧縮システムは、蒸気圧縮システムが一般に効率的に動作することが確実になる一方で、蒸発器の各々の潜在的冷却能力が最大限可能な範囲まで利用されることが確実になるように制御される。

膨脹装置は、少なくとも１つのバルブを含むことができる。例えば、膨脹装置は、各蒸発器ごとに１つのバルブを含むことができ、この場合、バルブを開くことによりこのバルブに接続された蒸発器に冷媒が供給され、バルブを閉じることによりこのような冷媒の供給が止められる。従って、バルブを開く時間及び／又は開く度合いにより、蒸発器間で利用可能な冷媒の分配が行われる。

これとは別に、或いはこれに加えて、膨脹装置は、蒸発器に冷媒を供給する時間間隔を各蒸発器ごとに調整できるように蒸発器の各々に接続された複数のバルブを備えることができ、利用可能な冷媒の量を制御するステップは、蒸発器間における冷媒の相互分配が維持されるように、蒸発器の各々に対して上記時間間隔を調整するステップを含むことができる。この実施形態によれば、１つの特別に設計されたバルブを使用して全ての蒸発器への冷媒の供給を制御し、これは、システムを効率的に動作させるために、分配キーに従うとともに蒸気圧縮システム内の冷媒の必要量に従って行われる。従って、この複数のバルブが、蒸発器間における利用可能な冷媒の量及びこの量の分配を制御する。

利用可能な冷媒の量を制御するステップは、例えば特定の周期内などにおける、蒸発器の１つに冷媒を供給する複合時間間隔の長さを、同じ周期内における、蒸発器に冷媒を全く供給しない複合時間間隔の長さに相対的に調整するステップを含むことができる。この実施形態によれば、利用可能な冷媒の量は、複数のバルブが閉じている、すなわち蒸発器に冷媒を供給しない時間と、複数のバルブが開いている、すなわち蒸発器の１つに冷媒を供給する時間とを調整することにより制御される。従って、より少量の利用可能な冷媒が望まれる場合、バルブがより多くの時間閉じているように操作すべきであり、より大量の利用可能な冷媒が望まれる場合、バルブがより多くの時間開いているように操作すべきである。いずれにせよ、この複合開口時間／閉鎖時間の調整は、蒸発器間における冷媒の相互分配を変更せずに、すなわち分配キーに従って分配を維持しながら行うべきである。

上述したように、分配キーを動的に取得することができる。従って、分配キーを取得するステップは、
− 液体冷媒が蒸発器を通過するのを妨げるのに十分に高いＳＨレベルを提供するように膨脹装置を操作するステップと、
− 第１の分配キーを取得するステップと、
− 蒸発器の各々を通る冷媒の分配を第１の分配キーに従うように調整するステップと、
− ＳＨレベルを低下させるように膨脹装置を操作するステップと、
− 第２の分配キーを取得するステップと、
を含むことができる。

この実施形態によれば、最初におおよその又は大まかな分配キーすなわち第１の分配キーを取得して、この第１の分配キーにより蒸気圧縮システムを動作させ、この分配キーを微調整して、より最適な分配キーすわなち第２の分配キーを取得することにより分配キーが取得される。

第１の分配キーは、ＳＨレベルが、液体冷媒が蒸発器を通過するのを妨げるほど十分に高い間に取得される。この結果、第１の分配キーが、誤って液体冷媒が蒸発器の１又はそれ以上を通過できるように利用可能な冷媒を分配しないことが保証される。これにより圧縮機が損傷から保護される。利用可能な冷媒の量を大幅に減量することなどにより、また膨脹装置の開口時間を減少させることなどにより、高いＳＨレベルを得ることができる。

蒸発器の各々を通る冷媒の分配が第１の分配キーに従うように調整されている場合、膨脹装置はＳＨレベルを低下させるように操作される。これは、膨脹装置の開口時間を増加させること、又は蒸気圧縮システムにかかる冷却負荷を減少させることなどによって得ることができる。或いは、その他のあらゆる好適な態様でこれを行うことができる。

この低いＳＨレベルにおいて第２の分配キーが取得される。上述したように、この第２の分配キーは、第１の分配キーの調整又は微調整と見なすことができる。

第３、第４、その他の分配キーを取得することができるという意味で上述の手順を繰り返すことができ、各分配キーは先行する分配キーの調整又は微調整となる。

第１の分配キーを取得するステップは、
ａ）共通の出口における冷媒の過熱ＳＨをモニタするステップと、
ｂ）全ての蒸発器を通る冷媒の総質量流を実質的に一定に保ちながら第１の蒸発器を通る冷媒の質量流が変化するように、蒸発器を通る冷媒の分配を修正するステップと、
ｃ）ＳＨの著しい変化が起きた場合、ステップｂ）中に得られる第１の蒸発器を通る冷媒の質量流の変化に基づいて制御パラメータを検出するステップと、
ｄ）残りの（単複の）蒸発器の各々に対してステップａ）からステップｃ）を繰り返すステップと、
を含むことができ、
蒸発器の各々を通る冷媒の分配を第１の分配キーに従うように調整するステップを、検出した制御パラメータに基づいて行うことができる。

この実施形態によれば、蒸発器を通る冷媒の分配が修正されると同時にＳＨがモニタされる。この修正は、選択したすなわち第１の蒸発器を通る冷媒の質量流が、特定の及び制御された態様で変化するように行われる。利用可能な冷媒の総量は変化しないので、第１の蒸発器を通る質量流の制御された修正を補償するように残りの蒸発器を通る冷媒の質量流を修正する必要がある。しかしながら、残りの蒸発器間における相互分配は実質的に一定に保たれる。

ＳＨの著しい変化が起きた場合、制御パラメータが検出される。これにより、この制御パラメータは、行われる修正に応じて第１の蒸発器の挙動にとって重要なものとなる。従って、制御パラメータは、その特定の蒸発器の動作及び性能に関する情報を提供する。

ＳＨの著しい変化とは、ＳＨの突然の増加又は減少などであってもよい。例えば、第１の蒸発器を通る質量流が増加した場合、液体冷媒が蒸発器を幅広く通過できるようになるほど質量流が十分に大きい場合、ＳＨは著しく減少することになる。従って、このようなＳＨの減少が検出された場合に制御パラメータが検出され、この結果、この制御パラメータがこのようなイベント中の第１の蒸発器の挙動に関する情報を提供する。理想的には、蒸気圧縮システムは、蒸発器の各々が正確に十分な冷媒を受け取り、液体冷媒が蒸発器を通過できないようにして、冷媒の混合した気相／液相が蒸発器の全長に沿って存在することを確実にするように動作すべきある。これを得ることができれば、蒸発器の各々の性能は最適なものとなり、この結果システムの総消費電力を増加させることなく蒸気圧縮システムの性能全体を最適化することができる。これについては上述した。蒸発器の各々の潜在的冷却能力が最大限可能な範囲まで利用されることを実現するためには、主に蒸発器が実質的に同じ程度の充填を有することを確実にすることが目標となる。これが得られれば、次に冷媒の混合相が各蒸発器の全長に沿って存在することを確実にすることができる。これは、利用可能な冷媒の量を調整することなどにより得ることができる。

残りの（単複の）蒸発器の各々に対してステップａ）からステップｃ）を繰り返すことにより、上述したような制御パラメータが蒸発器の各々ごとに得られる。蒸発器の各々ごとに個々の情報が得られるので、得た情報を使用して各蒸発器ごとの個々の特性を考慮に入れるように冷媒分配を調整することが可能となる。従って、蒸発器の各々の潜在的冷却能力が最大限可能な範囲まで利用されることを確実にする冷媒分配を選択することができる。この結果、システムの性能を低下させることなく蒸気圧縮システムの総消費電力を減少させることができるので、これは大きな利点である。

さらに、同じ測定機器を使用して蒸発器の各々ごとの個々の制御パラメータが得られ、すなわち蒸発器の各々に関連するセンサの組を組み込む必要はない。この結果、システムの構成要素数を最低限に保つことができ、これにより初期製造費用も最低限に保たれる。

さらに、第２の分配キーを取得するステップは、
ａ）共通の出口における冷媒の過熱ＳＨをモニタするステップと、
ｂ）蒸発器を通る冷媒の分配を、第１の蒸発器を通る冷媒の質量流が、全ての蒸発器を通る冷媒の総質量流を実質的に一定に保ちながら変化するように修正するステップと、
ｃ）ＳＨの著しい変化が起きた場合、ステップｂ）中に得られる第１の蒸発器を通る冷媒の質量流の変化に基づいて制御パラメータを検出するステップと、
ｄ）残りの（単複の）蒸発器の各々に対してステップａ）からステップｃ）を繰り返すステップと、
を含むことができる。

この実施形態によれば、第１の分配キーを取得するための上述の手順と基本的に同じ手順を使用して第２の分配キーが得られる。

或いは、第１の分配キーを取得するステップは、
ａ）共通の出口における冷媒の過熱ＳＨをモニタするステップと、
ｂ）蒸発器を通る冷媒の分配を、第１の蒸発器を通る冷媒の質量流が、全ての蒸発器を通る冷媒の総質量流を実質的に一定に保ちながら事前に設定した量だけ変化するように修正するステップと、
ｃ）ステップｂ）中に得られる第１の蒸発器を通る冷媒の質量流の変化に基づいて、冷媒の分配を修正した結果生じるＳＨの変化を反映した前記制御パラメータを検出するステップと、
ｄ）残りの（単複の）蒸発器の各々に対してステップａ）からステップｃ）を繰り返すステップと、
を含むことができ、
蒸発器の各々を通る冷媒の分配を第１の分配キーに従うように調整するステップを、検出した制御パラメータに基づいて行うことができる。

この方法は、上述した方法と非常に類似しており、従ってすでに上述した特徴についてはここでは詳細には説明しない。代わりに上記の説明を参照されたい。

この実施形態による方法では、ステップｂ）及びステップｃ）は以下の方式で行われる。まず第１の蒸発器を通る冷媒の質量流が、事前に設定した量だけ、すなわち既知の制御された態様で変化する。これは、第１の蒸発器を通る冷媒の質量流を固定量増加又は減少させることにより行うことができる。或いは、第１の蒸発器を通る冷媒の流れを既知の制御された態様で、例えば正弦波パターンなどに従って変化させることにより、これを行うことができる。この間に、残りの蒸発器の各々を通る冷媒の質量流も第１の蒸発器を通る質量流の変化を補償するように変化することにより、蒸発器の全てを通る冷媒の総質量流が実質的に一定に保たれる。さらに、このステップ中にＳＨがモニタされる。

冷媒の分配が上述のように修正された場合、制御パラメータが検出される。この制御パラメータは、冷媒の分配を修正した結果生じるＳＨの変化を反映している。検出される制御パラメータは、以下の方法で判明することができる。冷媒の温度が蒸発器の長さの関数として測定される場合、冷媒の温度は、液相中又は混合した液相／気相中に冷媒が存在する蒸発器の一部において実質的に一定であることが判明する。混合相が終わり、純粋な気相が始まる蒸発器の位置において、冷媒の温度が増加し始め、この温度の上昇は蒸発器の出口に達するまで続く。温度曲線の勾配は始めは比較的急勾配であるが、温度は漸近的に外気の温度に近づくことになり、すなわち勾配は蒸発器に沿った位置の関数として減少することになる。

このため、混合相が終了して気相が始まる地点が蒸発器の出口に比較的近い場合、冷媒供給の、従って上述の地点の位置の変化は、出口における冷媒の温度に比較的重大な影響を及ぼすと予想する必要がある。一方で、上述の地点が出口から比較的遠い場合、出口における冷媒温度に対する影響は幾分小さいと予想する必要があり、重要ではないと予想することさえできる。従って、共通の出口における冷媒の温度の測定した差異は、混合相が終了して気相が始まる地点がどれほど出口の近くに位置するかに関する情報を提供することになる。前記地点は、液体冷媒が蒸発器を通過できないようにしてできるだけ出口に近いことが望ましいので、測定される温度差は好ましい制御パラメータである。

さらに、第２の分配キーを取得するステップは、
ａ）共通の出口における冷媒の過熱ＳＨをモニタするステップと、
ｂ）蒸発器を通る冷媒の分配を、第１の蒸発器を通る冷媒の質量流が、全ての蒸発器を通る冷媒の総質量流を実質的に一定に保ちながら事前に設定した量だけ変化するように修正するステップと、
ｃ）ステップｂ）中に得られる第１の蒸発器を通る冷媒の質量流の変化に基づいて、冷媒の分配を修正した結果生じるＳＨの変化を反映した前記制御パラメータを検出するステップと、
ｄ）残りの（単複の）蒸発器の各々に対してステップａ）からステップｃ）を繰り返すステップと、
を含むことができる。

この実施形態によれば、第１の分配キーを取得するための上述の手順と基本的に同じ手順を使用して第２の分配キーが取得される。

この方法は、
− 検出した制御パラメータを蒸発器の各々ごとに比較するステップと、
− 検出した蒸発器の制御パラメータが残りの検出した蒸発器の制御パラメータと著しく異なる場合、オペレータに対して故障信号を生成するステップと、
をさらに含むことができる。

蒸発器の１つの制御パラメータが残りの（単複の）蒸発器の制御パラメータと著しく異なる場合、或いはこれが予想したものと単純に著しく異なる場合、これは、この蒸発器が正しく機能していないというサインである可能性がある。例えば蒸発器が故障している場合があり、汚れている場合があり、或いは霜取りの必要がある場合がある。いずれにせよ、オペレータに対して故障警報を生成することによりオペレータの注意を引き、その後このオペレータが検出した制御パラメータにおける差異の原因を調査し、場合によっては必要な行動をとってあらゆる問題を解決することができる。

従って、この方法は、故障警報信号の生成時に、著しく異なる制御パラメータを有する蒸発器の霜取りを開始するステップをさらに含むことができる。このステップは、生成した故障警報信号が、問題の蒸発器の霜取りの必要性により引き起こされたものであるということを立証したオペレータが手動で開始することもできる。或いは、このステップは、例えば、制御パラメータの差異が、霜取りが必要であることを示すものであるとわかっている一定の基準を満たす場合に自動的に開始することができる。これは、関連する蒸発器への冷媒の供給を一時的に遮断することにより、蒸気圧縮システムの部分的な霜取りを実行する一方で、残りの蒸発器が、好ましくは蒸気圧縮システムの全性能を低下させずに、或いはわずかしか低下させずに動作し続けるようにする可能性を広げる。この結果、システムの動作に影響を与えることなく霜取りを行うことができる。

この方法は、第２の分配キーを取得するステップを繰り返すステップをさらに含むことができる。この実施形態によれば、分配キー、従って冷媒分配が繰り返し調整されることにより冷媒分配が最適な状態を保つことが確実となる。第２の分配キーを取得するステップは、予想される蒸気圧縮システムの動作状態の変化に応じて規則的に１時間毎、１５分毎、５分毎などの所定の時間間隔で繰り返すことができる。さらに連続してステップを繰り返すこともできる。

或いは、第２の分配キーを取得するステップの繰り返しを過熱制御装置により開始することができる。この実施形態によれば、過熱制御装置が、蒸発器間における冷媒の分配が最適でないことを示すサインを検出することができる。これについては、例えば過熱制御装置がＳＨを実質的に一定に保つことが困難な場合などが考えられる。過熱制御装置は、ＳＨが振動又は循環していること、すなわちＳＨの変化が増加していることなどを検出することができる。これは、蒸発器の少なくとも１つが、液体冷媒を少なくとも定期的に通過できるようにしているという指標になり得る。液体冷媒が蒸発器の１つを通過できるようにすることがＳＨの急激な減少を引き起こし、液体冷媒がもはや蒸発器を通過しなくなると、ＳＨが再び急激に増加することになる。このような問題は、蒸発器間における冷媒の分配を調整することにより緩和することができる。従って、過熱制御装置が調整を「要求」できる場合にはこのことが有利であり、すなわち上述したような状況が起きた場合、第２の分配キーを取得するステップを開始する。代替例として、過熱制御装置は、既知の動作状態の変化が起きた場合に第２の分配キーを取得するステップを開始することができる。例えば、蒸発器を横切る二次流体の流れ、例えば、蒸気圧縮システムが空調システムである場合には空気の流れが変化した場合、過熱制御装置は、このような既知の変化を補償する冷媒の分配の調整を行うために第２の分配キーを取得するステップを開始することができる。この場合、第２の分配キーを取得するステップの開始をフィードフォワード法の一部と見なすことができる。

この方法は、
− 蒸気圧縮システムの少なくとも１つの障害に関する情報を取得するステップと、
− 取得した情報から少なくとも１つのパラメータを導出するステップと、
− 利用可能な冷媒の量を、導出した（単複の）パラメータに基づいて、及び予想される（単複の）障害の結果を考慮に入れて制御するステップと、
をさらに含むことができる。

この実施形態によれば、利用可能な冷媒の量を制御する際にシステムの既知の障害が考慮に入れられる。このような障害は、大気温度などの検出した周囲の状態の変化、又はこれを含むものであってもよく、或いはこれらは、手動で又はシステムが自動的に行う１又はそれ以上の動作パラメータに対する修正、又はこれを含むものであってもよい。後者の場合、動作状態の変化が生じる前であっても、修正から予想される蒸気圧縮システムの動作に対する影響を考慮に入れることができる。いずれにせよ、システムが、障害の結果として利用可能な冷媒の量を調整する必要があることを検出できるようになる前に、予想される変動を考慮に入れることができる。この結果、フィードフォワード法を使用して、利用可能な冷媒の量を積極的に制御することができる。この目的のために、障害が検出された場合、或いはまさに障害が起きようとしていることがわかっている場合、測定可能な障害と蒸発器の挙動との間の既知の関係を使用して利用可能な冷媒の量が補償される。

取得される情報は、蒸発器を横切って流れる二次流体流の入口温度を含むことができる。二次流体流は、蒸気圧縮システムの動作中に蒸発器から冷却又は加熱を受けるように蒸発器を横切って流れる。流体流は、蒸気圧縮システムの種類及び特定の用途に応じて液体、空気、スラッシュ氷などの形態であってもよい。例えば、蒸気圧縮システムが空調システムである場合、通常、二次流体流は、空調システムが位置する部屋で所望の温度を得るために蒸発器を横切って循環する空気の流れとなる。

二次流体流の入口温度の変化は、二次流体流の所望の出口温度を得るために、必要な冷却能力も変化すると予想する必要があることの指標である。例えば、蒸気圧縮システムが冷却を行い、二次流体流の入口温度が低下している場合、所望の温度を維持するためにより少ない冷却能力で済むことになる。一方で、二次流体流の入口温度が上昇している場合、所望の温度を維持するためにより多くの冷却能力が必要となると予想する必要がある。

これとは別に、或いはこれに加えて、取得される情報は、蒸発器を横切る二次流体流の流速を含むことができる。二次流体流が空気の流れである場合、蒸発器に直接隣接するような二次流体流の流路に配置されたファンの回転速度により流速を決定することができる。このようなファンは、蒸発器を横切って空気を吹き込み、或いは押し出すことができる。従って、二次流体流の流速に関する情報は、ファンの回転速度の変化に関する情報などのこのようなファンの回転速度に関する情報、又はこれを含むものであってもよい。ファンの回転速度がより速いと、二次流体流の質量流が増加するようになる。従って、蒸発器に対する熱伝達が増加し、周囲の環境をより加熱／冷却するようになる。二次流体流が液体の流れである場合、ファンの代わりにポンプを使用して同様の状況を得ることができる。代替例として、流速を流量計などにより直接測定することができる。

これとは別に、或いはこれに加えて、取得される情報は、蒸発器を横切って流れる二次流体の圧力の変化を含むことができる。制御装置から見れば、この種の障害により蒸発器に追加の熱が入りこむようになる。対応する冷媒の追加の質量流を計算することにより、フィードフォワード要因がこの障害を補償する。

利用可能な冷媒の量を制御するステップは、導出した（単複の）パラメータに基づいて得られる前記フィードフォワード要因により冷媒の質量流を増加させるステップを含むことができる。

利用可能な冷媒の量を制御するステップは、最小かつ正のＳＨ値が得られるように行うことができる。上述したように、これにより、蒸気圧縮システムが、個々の蒸発器並びにシステム全体の潜在的冷却能力が最大限可能な範囲まで利用されると同時に液体冷媒が蒸発器の１又はそれ以上を通過するのを妨げるように動作することが確実になる。

この方法は、少なくとも１つの蒸発器への冷媒供給を遮断することにより蒸気圧縮システムの吸気圧を低下させるステップをさらに含むことができる。本発明のこの実施形態は、蒸気圧縮システムが空調システムである場合に特に有用である。この場合、冷却能力を増大させることなく冷却容積の除湿の増大を得ることができる。これは以下の方法で得られる。蒸発器の１つへの冷媒供給が遮断されると、新たな平衡点が見つかるまで蒸気圧縮システムの吸気圧が低下する。これにより、閉ループシステム、すなわちフィードバック制御装置を有する蒸発器における冷媒の総質量流、従って利用可能な冷媒の量が減少する。しかしながら、総質量流の減少は、これ以上冷媒を受け取らない蒸発器に以前に供給された冷媒の量に完全に達することはない。従って、残りの蒸発器の各々への冷媒供給が増加し、これがこれらの蒸発器の各々の表面温度を低下させる。従って、残りの蒸発器の表面で凝縮の増大が起こり、従ってシステムの冷却能力を増大させることなく除湿の増大が得られるようになる。

本発明は、集中化方式で構成されたシステム並びに非集中化方式で構成されたシステムを含む様々な種類の冷却システムに適用することができる。本文脈では、「集中化方式で構成されたシステム」という用語は、１又はそれ以上の中心に位置する圧縮機が複数の冷却部位に冷媒を供給するシステムのことを意味するように解釈すべきである。このようなシステムの例として、通常スーパーマーケットで使用される種類の、或いは特定の工業用冷却システムで使用される種類のシステムが挙げられる。

同様に、本文脈では、「非集中化方式で構成されたシステム」という用語は、１又はそれ以上の圧縮機が単一の冷却部位に冷媒を供給するシステムのことを意味するように解釈すべきである。このようなシステムの例として、冷却コンテナ、空調システムなどが挙げられる。

以下、添付の図面を参照しながら本発明についてさらに詳細に説明する。

本発明の実施形態による方法で使用するための蒸気圧縮システムの概略図である。図１の蒸気圧縮システムの一部の概略図であり、本発明の実施形態による制御方法を示す図である。図１の蒸気圧縮システムの一部の概略図であり、本発明の別の実施形態による制御方法を示す図である。

図１は、冷却システムなどの蒸気圧縮システム１の概略図である。蒸気圧縮システム１は、冷媒回路を形成するように接続された圧縮機２、コンデンサ３、バルブ４及び数多くの蒸発器５（これらのうちの３つを示す）を備える。蒸発器５は、バルブ４と、圧縮機２に流体接続された共通の出口６との間に並列に接続され、コンデンサ３は、圧縮機２とバルブ４との間に直列に結合される。

バルブ４は、事前に設定した分配キーに従って蒸発器５の各々に冷媒を分配することができる種類のものである。

共通の出口６に、或いは共通の出口６のすぐ下流に、この位置における冷媒の温度を測定するための温度センサ（図示せず）を配置することが好ましい。従って、様々な蒸発器５を通過した冷媒が温度センサの地点において再び混合され、従って測定されるのはこの混合済みの冷媒の温度である。この測定した温度を使用して、共通の出口における過熱（ＳＨ）をモニタし、上述したように蒸気圧縮システムを制御する際にこのモニタしたＳＨが使用される。

図２は、図１の蒸気圧縮システム１の一部の概略図であり、本発明の実施形態による制御方法を示す図である。

図２に示す制御システムは、蒸気圧縮システム１へ、特にバルブ４へ制御信号を伝えるようになっている総和ユニット７を含む。総和ユニット７は、フィードバックユニット８及びフィードフォワードユニット９から入力信号を受け取る。

フィードバックユニット８は通信線１０を介して基準信号を受け取る。基準信号は、所望のＳＨレベルに関する情報を蒸気圧縮システム１に提供できるという利点を有する。フィードバックユニット８は通信線１１を介してフィードバック信号をさらに受け取る。フィードバック信号は、共通の出口６で、或いはその近くで測定された量に関する情報を提供する。この測定量は、共通の出口６における冷媒温度であっても、或いは共通の出口６におけるＳＨレベルの測定値であってもよいという利点を有する。フィードバックユニット８は、通信線１０、１１を介して受けとった信号に基づいて総和ユニット７に対して入力信号を生成し、この入力信号は、測定量が基準値に従うものであるかどうかに関する情報を提供し、従っていない場合には偏差の大きさ及び兆候に関する情報を提供する。総和ユニット７は、この入力信号に基づいて蒸気圧縮システム１の動作に必要な修正を計算し、必要な制御信号をシステム１の関連する構成要素へ送信する。

フィードフォワードユニット９は、蒸気圧縮システム１の既知の障害に関する情報を記憶する。フィードフォワードユニット９は、特定の種類の障害を検出することができる１又はそれ以上のセンサからこのような障害に関する情報を受け取ることができる。これとは別に、或いはこれに加えて、フィードフォワードユニット９は、蒸発器５を横切って空気の二次流を引き起こすファンの回転速度を制御する制御装置などの、制御システムの関連する構成要素から特定の種類の障害に関する情報を受け取ることができる。これについてはすでに上述した。フィードフォワードユニット９は、記憶した情報に基づいて総和ユニット７に対して入力信号を生成する。この入力信号に基づいて、総和ユニット７は、（単複の）障害により生じるシステム１の動作に対する影響を補償するために必要な蒸気圧縮システム１の動作の修正を計算する。次に、総和ユニット７は、適切な制御信号をシステム１の関連する構成要素へ送信する。

従って、図２に示す蒸気圧縮システム１は、フィードバック制御方法に従って、及び蒸気圧縮システム１の既知の障害を十分に考慮して、すなわちフィードフォワード制御方法に従って動作する。

図３は、図１の蒸気圧縮システム１の一部の概略図であり、本発明の別の実施形態による制御方法を示す図である。

図３に示す制御システムは、制御ユニット１２及び適合ユニット１３を備える。制御ユニット１２は、蒸気圧縮システム１へ、特にバルブ４へ制御信号を伝えるようになっている。制御ユニット１２は通信線１０を介して基準信号を受け取る。基準信号は、所望のＳＨレベルに関する情報を蒸気圧縮システム１に提供できるという利点を有する。制御ユニット１２は通信線１１を介してフィードバック信号をさらに受け取る。フィードバック信号は、共通の出口６で、或いはその近くで測定された量に関する情報を提供する。この測定量は、共通の出口６における冷媒温度であっても、或いは共通の出口６におけるＳＨレベルの測定値であってもよいという利点を有する。最後に、制御ユニット１２は適合ユニット１３から適合信号を受け取る。適合信号は、分配キーの修正を含む、分配キーに関する情報を提供する。従って、適合ユニット１３は、分配キーに関する情報を記憶し、分配キーに必要な調整を行い、現在のすなわち有効な分配キーを制御ユニット１２に伝える。

全てのこの情報に基づいて、制御ユニット１２は制御信号を生成し、これを蒸気圧縮システム１に伝える。従って、蒸気圧縮システム１は、測定量が基準値に従っているかどうかに関する情報、及び分配キーに関する情報に基づいて制御される。

さらに、制御ユニット１２はフィードバック信号を生成し、これを適合ユニット１３に伝える。適合ユニット１３は、このフィードバック信号に基づいて分配キーに必要な調整を計算する。分配キーが調整されると、上述したように調整済みの分配キーが制御ユニット１２に伝えられる。フィードバック信号は、通信線１１を介して受け取ったフィードバック信号を考慮に入れながら生成されることが好ましい。これにより、前述したように、測定量に対する影響に基づいて分配キーが調整される。

従って、図３に示す蒸気圧縮システム１は、フィードバック制御方法並びに適合ユニット１３が記憶し調整した分配キーに従って動作する。さらに、フィードバック制御方法に従って分配キーが調整される。

１蒸気圧縮システム
２圧縮機
３コンデンサ
４バルブ
５蒸発器
６出口

Claims

蒸気圧縮システムを制御する方法であって、
前記蒸気圧縮システムが、圧縮機と、コンデンサと、前記圧縮機と共通の出口との間に並列に流体接続された少なくとも２つの蒸発器と、該蒸発器の各々を横切る冷媒の流れを制御するための膨脹装置とを備え、前記方法は、
前記蒸発器間における利用可能な冷媒の割り当てを決定する分配キーを取得するステップと、
前記共通の出口における過熱ＳＨをモニタするステップと、
前記ＳＨに応じて及び最適なＳＨ値を得るために、利用可能な冷媒の量を制御するステップと、
前記分配キーに従って、及び前記膨脹装置により、前記利用可能な冷媒を前記蒸発器間で分配するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
前記膨脹装置が少なくとも１つのバルブを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記膨脹装置が、前記蒸発器に冷媒を供給する時間間隔を各蒸発器ごとに調整できるように前記蒸発器の各々に接続された複数のバルブを備え、前記利用可能な冷媒の量を制御するステップが、前記蒸発器間における冷媒の相互分配が維持されるように、前記蒸発器の各々に対して前記時間間隔を調整するステップを含む、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
前記利用可能な冷媒の量を制御するステップが、前記蒸発器の１つに冷媒を供給する複合時間間隔の長さを、前記蒸発器に冷媒を全く供給しない前記複合時間間隔の長さに相対的に調整するステップを含む、
ことを特徴とする請求項３に記載の方法。
前記分配キーを取得するステップが、
前記膨脹装置を、液体冷媒が前記蒸発器を通過するのを妨げるのに十分に高いＳＨレベルを提供するように操作するステップと、
第１の分配キーを取得するステップと、
前記蒸発器の各々を通る前記冷媒の分配を前記第１の分配キーに従うように調整するステップと、
前記膨脹装置を、前記ＳＨレベルを低下させるように操作するステップと、
第２の分配キーを取得するステップと、
を含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の方法。
前記第１の分配キーを取得するステップが、
ａ）前記共通の出口における冷媒の過熱ＳＨをモニタするステップと、
ｂ）前記蒸発器を通る冷媒の前記分配を、第１の蒸発器を通る冷媒の質量流が、全ての前記蒸発器を通る冷媒の前記総質量流を実質的に一定に保ちながら変化するように修正するステップと、
ｃ）ＳＨの著しい変化が起きた場合、ステップｂ）中に得られる前記第１の蒸発器を通る冷媒の質量流の前記変化に基づいて制御パラメータを検出するステップと、
ｄ）前記残りの（単複の）蒸発器の各々に対してステップａ）からステップｃ）を繰り返すステップと、
を含み、
前記蒸発器の各々を通る冷媒の前記分配を前記第１の分配キーに従うように調整するステップが、前記検出した制御パラメータに基づいて行われる、
ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
前記第２の分配キーを取得するステップが、
ａ）前記共通の出口における冷媒の過熱ＳＨをモニタするステップと、
ｂ）前記蒸発器を通る冷媒の前記分配を、第１の蒸発器を通る冷媒の質量流が、全ての前記蒸発器を通る冷媒の前記総質量流を実質的に一定に保ちながら変化するように修正するステップと、
ｃ）ＳＨの著しい変化が起きた場合、ステップｂ）中に得られる前記第１の蒸発器を通る冷媒の質量流の変化に基づいて制御パラメータを検出するステップと、
ｄ）前記残りの（単複の）蒸発器の各々に対してステップａ）からステップｃ）を繰り返すステップと、
を含むことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の方法。
前記第１の分配キーを取得するステップが、
ａ）前記共通の出口における冷媒の過熱ＳＨをモニタするステップと、
ｂ）前記蒸発器を通る冷媒の前記分配を、第１の蒸発器を通る冷媒の質量流が、全ての前記蒸発器を通る冷媒の前記総質量流を実質的に一定に保ちながら事前に設定した量だけ変化するように修正するステップと、
ｃ）ステップｂ）中に得られる前記第１の蒸発器を通る冷媒の質量流の変化に基づいて、前記冷媒の分配の前記修正の結果として生じるＳＨの変化を反映した前記制御パラメータを検出するステップと、
ｄ）前記残りの（単複の）蒸発器の各々に対してステップａ）からステップｃ）を繰り返すステップと、
を含み、
前記蒸発器の各々による冷媒の前記分配を前記第１の分配キーに従うように調整するステップが、前記検出した制御パラメータに基づいて行われる、
ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
前記第２の分配キーを取得するステップが、
ａ）前記共通の出口における冷媒の過熱ＳＨをモニタするステップと、
ｂ）前記蒸発器を通る冷媒の前記分配を、第１の蒸発器を通る冷媒の質量流が、全ての前記蒸発器を通る冷媒の前記総質量流を実質的に一定に保ちながら事前に設定した量だけ変化するように修正するステップと、
ｃ）ステップｂ）中に得られる前記第１の蒸発器を通る冷媒の質量流の変化に基づいて、前記冷媒の分配の前記修正の結果として生じるＳＨの変化を反映した前記制御パラメータを検出するステップと、
ｄ）前記残りの（単複の）蒸発器の各々に対してステップａ）からステップｃ）を繰り返すステップと、
を含むことを特徴とする請求項５又は請求項８に記載の方法。
前記検出した制御パラメータを前記蒸発器の各々ごとに比較するステップと、
前記検出した蒸発器の制御パラメータが、前記残りの蒸発器の前記検出した制御パラメータと著しく異なる場合、オペレータに対して故障警報信号を生成するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項６から請求項９のいずれかに記載の方法。
故障警報信号の生成時に、著しく異なる制御パラメータを有する前記蒸発器の霜取りを開始するステップをさらに含む、
ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
第２の分配キーを取得するステップを繰り返すステップをさらに含む、
ことを特徴とする請求項５から請求項１１のいずれかに記載の方法。
前記蒸気圧縮システムの少なくとも１つの障害に関する情報を取得するステップと、
前記取得した情報から少なくとも１つのパラメータを導出するステップと、
前記利用可能な冷媒の量を、前記導出した（単複の）パラメータに従って、及び予想される前記（単複の）障害の結果を考慮に入れて制御するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれかに記載の方法。
前記取得した情報が、前記蒸発器を横切って流れる二次流体流の入口温度を含む、
ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
前記取得した情報が、前記蒸発器を横切る二次流体流の流速を含む、
ことを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の方法。
前記取得した情報が、前記蒸発器を横切って流れる二次流体の圧力の変化を含む、
ことを特徴とする請求項１３から請求項１５のいずれかに記載の方法。
前記取得した情報が、前記蒸発器を横切る二次流体流を引き起こすファンの回転速度の変化を含む、
ことを特徴とする請求項１３から請求項１６のいずれかに記載の方法。
前記利用可能な冷媒の量を制御するステップが、前記冷媒の質量流を、前記導出した（単複の）パラメータに基づいて得られるフィードフォワード要因により増加させるステップを含む、
ことを特徴とする請求項１３から請求項１７のいずれかに記載の方法。
前記利用可能な冷媒の量を制御するステップが、最小かつ正のＳＨ値が得られるように行われる、
ことを特徴とする請求項１から請求項１８のいずれかに記載の方法。
少なくとも１つの蒸発器への冷媒供給を遮断することにより、前記蒸気圧縮システムの吸気圧を低下させるステップをさらに含む、
ことを特徴とする請求項１から請求項１９のいずれかに記載の方法。