JP3851512B2 - 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 Download PDFInfo
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- Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
- Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating
Description
【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（ＳＤＴ）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３０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１５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ＳＤＴ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、ＳＣＴ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、ＰＩＮＣＨ＿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、ＤＳＨ−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＿ＲＡＴＥ（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＿ＥＲＲＯＲの絶対値（ＡＢＳＯＬＵＴＥ（ＰＩＮＣＨ＿ＥＲＲＯＲ））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、ＥＸＶ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＿ＥＲＲＯＲ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、（ＰＩＮＣＨ＿ＥＲＲＯＲ−ＤＥＡＤＢＡＮＤ）＊ＫＰ＋ＰＩＮＣＨ＿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％／０．５５５５℃）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＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ＿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＿ＥＲＲＯＲが確認され、ＤＳＨ＿ＥＲＲＯＲが、−３．５°Ｆ（−１．９４４２５℃）より小さい場合、ステップ１２２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、ＥＸＶ＿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、ＤＳＨ＿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１３２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１３６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＿ＯＬＤ＿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＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ−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＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ−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、ＰＩＮＣＨ＿ＬＡＳＴ＿ＥＸＶ（直前のＥＸＶでのピンチ度）−ＰＩＮＣＨ＿ＥＲＲＯＲが０．６°Ｆ（０．３３３３℃）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＿ＬＩＭＩＴ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、ＥＸＶ＿ＯＬＤ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮは、ＥＸＶ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ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１４８で、ＥＸＶ＿ＭＯＶは０％に設定され、ＥＸＶ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ＿ＬＩＭＩＴは、ＥＸＶ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ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＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ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１６２に進む。
【００２７】
ステップ１５０で、ＥＸＶ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ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＿ＭＯＶ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、ＤＳＨ＿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＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ＿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−ＰＩＮＣＨ＿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１６８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ＳＳＴ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
【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（ＳＤＴ）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３０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１５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ＳＤＴ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、ＳＣＴ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、ＰＩＮＣＨ＿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、ＤＳＨ−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＿ＲＡＴＥ（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＿ＥＲＲＯＲの絶対値（ＡＢＳＯＬＵＴＥ（ＰＩＮＣＨ＿ＥＲＲＯＲ））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、ＥＸＶ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＿ＥＲＲＯＲ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、（ＰＩＮＣＨ＿ＥＲＲＯＲ−ＤＥＡＤＢＡＮＤ）＊ＫＰ＋ＰＩＮＣＨ＿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％／０．５５５５℃）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＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ＿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＿ＥＲＲＯＲが確認され、ＤＳＨ＿ＥＲＲＯＲが、−３．５°Ｆ（−１．９４４２５℃）より小さい場合、ステップ１２２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、ＥＸＶ＿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、ＤＳＨ＿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１３２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１３６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＿ＯＬＤ＿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＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ−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＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ−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、ＰＩＮＣＨ＿ＬＡＳＴ＿ＥＸＶ（直前のＥＸＶでのピンチ度）−ＰＩＮＣＨ＿ＥＲＲＯＲが０．６°Ｆ（０．３３３３℃）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＿ＬＩＭＩＴ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、ＥＸＶ＿ＯＬＤ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮは、ＥＸＶ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ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１４８で、ＥＸＶ＿ＭＯＶは０％に設定され、ＥＸＶ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ＿ＬＩＭＩＴは、ＥＸＶ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ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＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ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１６２に進む。
【００２７】
ステップ１５０で、ＥＸＶ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ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＿ＭＯＶ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、ＤＳＨ＿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＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ＿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−ＰＩＮＣＨ＿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１６８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ＳＳＴ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)
- 冷凍サイクル装置の満液式冷却器の流体温度から冷凍サイクル装置の飽和吸入温度を引いた差として決定されるピンチ度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、
前記ピンチ度が所定ピンチ度に維持されない場合、電子式膨張弁の開口度を調整し、
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。 - 冷凍サイクル装置の飽和吸入温度（ＳＳＴ）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し、
前記ピンチ度誤差の絶対値が前記不感帯より大きい場合、電子式膨張弁の作動量は、前記ピンチ度誤差、前記ピンチ度変化率に基づいて設定され、
前記吐出過熱度誤差が所定値より小さい場合、電子式膨張弁の作動量は、前記吐出過熱度変化率に基づいて設定される、
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。 - 冷凍サイクル装置の冷却器の流体温度から冷凍サイクル装置の飽和吸入温度を引いた差として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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