JP4231149B2 - ヒートポンプの制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプの制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般にヒートポンプでは、1つの室外機に対して複数の室内機が接続される。従来は、冷媒の圧縮機吐出圧を目標吐出圧に収束させかつ過熱度を目標過熱度に収束させる制御として定常運転時においても、起動時や室内機運転容量の増減が生じた直後のような過渡応答時においてもフィードバック制御のみであった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし稼動する室内機の運転容量が増減した際に、従来のフィードバック制御のみでは圧縮機出口における冷媒の吐出圧や蒸発器出口における過熱度といった冷媒状態量が変化するまで時間が掛かり、その間、検出値である吐出圧や過熱度が変化しないので、フィードバック制御が有効に働かない。また、一旦変化が現れてからでは再度目標値に収束するまでに時間がかかる。本発明の課題は、稼動する室内機運転容量が増減しても短時間で冷媒の圧縮機出口における吐出圧や蒸発器出口における過熱度といった状態量を目標値に収束させるヒートポンプの制御装置を提供することである。
【0004】
また、吐出圧を一定に保つために圧縮機回転数を変更すると冷媒の過熱度も変動してしまい、また、冷媒の過熱度を一定に保つために膨張弁開度を変更すると吐出圧も変動してしまうため、フィードバック制御のみでは目標値に収束するまでに時間が掛かってしまう。本発明のもう一つの課題は、圧縮機回転数の過熱度への影響、膨張弁開度の吐出圧への影響を除去するヒートポンプの制御装置を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、室外機及び室内機を有し、圧縮機回転数及び膨張弁開度を制御することにより冷凍回路内を流れる冷媒の状態量を調整する、ヒートポンプ、を制御するヒートポンプの制御装置であって、圧縮機回転数に対する吐出圧力の第1伝達関数、圧縮機回転数に対する過熱度の第2伝達関数、膨張弁開度に対する吐出圧力の第3伝達関数、膨張弁開度に対する過熱度の第4伝達関数、室内機運転容量に対する吐出圧力の第5伝達関数、及び室内機運転容量に対する過熱度の第6伝達関数が、予め記憶された予測器を、備え、稼動する室内機の運転容量が変動したときに、吐出圧及び過熱度の、変動量を、推定し、圧縮機回転数が、推定した吐出圧の変動量を相殺するだけの回転数となるように、且つ、膨張弁開度が、推定した過熱度の変動量を相殺するだけの開度となるように、前記第1〜第6伝達関数が組込まれた予測器による、圧縮機の回転数と膨張弁の開度とに対する制御が、吐出圧及び過熱度の両方が設定値に収束するまで付加されることを特徴とするヒートポンプの制御装置である。
【0006】
請求項2の発明は、圧縮機回転数の変更による蒸発器出口における過熱度への影響を排除するデカップラを設けた請求項1に記載のヒートポンプの制御装置である。
【0007】
請求項3の発明は、膨張弁開度の変更による圧縮機出口における吐出圧への影響を排除するデカップラを設けた請求項1に記載のヒートポンプの制御装置である。
【0008】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明のヒートポンプ制御装置100の信号伝達経路図である。図1に示すようにヒートポンプ制御装置100は、後述する冷凍回路90に対してPIDコントローラ15からの制御信号と予測器30からの制御信号が入力され、最適な圧縮機6(図2)の回転数と膨張弁5又は膨張弁7〜9(図2)の開度が設定される。冷凍回路90において冷媒の吐出圧と過熱度を計測し、この計測した吐出圧と過熱度が目標吐出圧及び目標過熱度に収束するまで圧縮機6の回転数と膨張弁5又は膨張弁7〜9の開度が再度設定される。
【0009】
図1において、信号は矢印の向きに伝達され、かつ集結部20、21で信号が集結し、分岐部22で信号は分岐する。PIDコントローラ15で圧縮機6(図2)の回転数と膨張弁5、7〜9(図2)の開度を制御する制御信号を冷凍回路90へ入力する。
【0010】
また、予測器30の記憶部(図示せず)には、圧縮機回転数に対する吐出圧力の伝達関数(図5のG1)、圧縮機回転数に対する過熱度の伝達関数(図5のG2)、膨張弁開度に対する吐出圧力の伝達関数(図5のG3)、膨張弁開度に対する過熱度の伝達関数(図5のG4)、室内機運転容量に対する吐出圧力の伝達関数(図5のG5)及び室内機運転容量に対する過熱度の伝達関数(図5のG6)、が予め記憶されている。
【0011】
図2は、暖房時の冷凍回路90の冷媒の流通経路図である。図2に示すように、冷凍回路90は、1つの室外機1と3つの室内機2、3、4から構成されている。図2では室外機1に対して3つの室内機2、3、4が接続されているが、必要に応じて室内機数を変更しても差し支えない。
【0012】
室外機1は、膨張弁5、蒸発器として作用する熱交換器10及び圧縮機6で構成されている。室内機2は、凝縮器として作用する熱交換器11と膨張弁7から構成されている。室内機3及び4も室内機2と同様にそれぞれ凝縮器として作用する熱交換器12、13と膨張弁8、9から構成されている。
【0013】
各室内機2〜4の膨張弁7〜9は、それぞれ室外機1の膨張弁5と配管で接続されており、また、室外機1の圧縮機6は、各室内機2〜4の熱交換器11〜13と配管で接続されている。図2に示すように、室外機1と室内機2〜4は、閉じた回路(冷凍回路90)を形成しており、冷媒は冷凍回路90を矢印の向きに流れる。
【0014】
図3は、冷房時の冷凍回路90の冷媒の流通経路図である。図3の冷凍回路は、図2の冷凍回路と構成は同じであり、矢印で示す冷媒の流通する方向のみが逆になっている。このとき、室外機1の熱交換器10は凝縮器として作用し、室内機2〜4の熱交換器11〜13は蒸発器として作用する。
【0015】
図2の冷凍回路90を例にとって以下説明する。冷凍回路90内を流れる適切な冷媒の状態量は、外気温度・冷凍回路90を構成する配管の長さ・室内設定温度、各室内機の定格容量及び稼動させる室内機数等の要素で決まる室内機運転容量で決定される。
【0016】
圧縮機6の回転数を増減させると、冷凍回路90内を流通する圧縮機6の出口における冷媒の吐出圧が変化する。逆に、稼動する室内機の運転容量が変化した際に圧縮機6の回転数を調整すると、冷凍回路90内を流通する圧縮機6の出口における冷媒の吐出圧を一定に保つことができる。
【0017】
また、膨張弁5の開度を変化させると、熱交換器10(暖房時の蒸発器)又は熱交換器11〜13(冷房時の蒸発器)出口における過熱度が変化する。逆に稼動する室内機の運転容量が変化した際に、膨張弁5(又は膨張弁7、8、9)の開度を調整すると、過熱度を一定に保つことができる。
【0018】
また、圧縮機回転数の変化は過熱度にも干渉し、膨張弁開度の変化は吐出圧にも干渉する。従って、吐出圧と過熱度を一定に保つためには、これらの干渉を除去する必要がある。
【0019】
図5の破線枠91は、過熱度、吐出圧力、圧縮機回転数、膨張弁開度及び室内機運転容量の相関関係を示したものである。G1は圧縮機回転数と吐出圧の関係を示す伝達関数であり、G2は圧縮機回転数と過熱度の関係を示す伝達関数である。G3は膨張弁開度と吐出圧の関係を示す伝達関数であり、G4は膨張弁開度と過熱度の関係を示す伝達関数である。また、G5は室内機運転容量と吐出圧の関係を示す伝達関数であり、G6は室内機運転容量と過熱度の関係を示す伝達関数である。
【0020】
稼動する室内機運転容量が変動した際において、圧縮機6出口における冷媒吐出圧と蒸発器(暖房時には熱交換器10、冷房時には熱交換器11〜13)出口における過熱度を室内機運転容量が変動する前の吐出圧と過熱度のままに保つことにより、稼動する室内機の能力を発揮する(冷房又は暖房効果を奏する)ことができる。そこで冷媒の吐出圧と過熱度を一定に保つように圧縮機6の回転数と膨張弁5の開度を制御する。その制御方法を以下に説明する。
【0021】
稼動中の室内機に停止信号が入力されたり、停止中の室内機に稼動開始信号が入力されると稼動する室内機の台数が変わる。その停止信号及び稼動開始信号は、例えば人手でエアコンスイッチをON又はOFFにすることにより、または室温を一定(例えば20℃)に保つ自動制御機構により予測器30(図1)へ伝達される。
【0022】
例えば、図2の室内機2、3の2台が稼動していたところ、室内機4を稼動させる稼動開始信号が予測器30に入力されると、予測器30は稼動する室内機の台数が1台増加したことによる吐出圧の落ち込み方と過熱度の変動量を推定し、圧縮機回転数が推定した落ち込み量を相殺するだけの回転数となるようにかつ膨張弁開度が推定した変動量を相殺するだけの開度となるように伝達関数G1〜G6がモデルとして組込まれた予測器30により圧縮機6の回転数と膨張弁5の開度を設定する。予測器30による制御は吐出圧と過熱度の両方が設定値に収束するまで繰り返される。
【0023】
膨張弁5は、室内機2〜4の全ての熱交換器11〜13を通過する冷媒流量に影響を及ぼすため、図3の冷房時においては、常時全開状態にしておき、各室内機2〜3に設けた膨張弁7〜9の開度を調整することにより冷媒流量を調整する。逆に図2の暖房時においては、膨張弁7〜9は全開にしておき、膨張弁5の開度を調整することにより冷媒流量を調整する。
【0024】
図4は、ヒートポンプ制御装置100の動作の流れ図である。図4において、室内機の稼動台数に変更があると予測器30(図1)が作動する。図4において破線で囲った部分が予測器30の動作である。
【0025】
図示しない検出器により吐出圧と過熱度を検出し、検出した値を結合部20へ送り、この検出した値と目標値との差をPIDコントローラ15へ入力する。PIDコントローラ15は、これら入力された目標値との偏差により再度圧縮機回転数と膨張弁開度を設定する。この作業を繰り返すことにより吐出圧と過熱度を目標値に収束させるフィードバック制御を行う。
【0026】
図4において、非干渉制御とは、圧縮機回転数と膨張弁開度は各々過熱度と吐出圧に影響を及ぼすが、これを圧縮機回転数の過熱度への干渉を除去し、かつ膨張弁開度の吐出圧への干渉を除去する制御をいう。
【0027】
図5のデカップラ50、51が、圧縮機回転数が過熱度に及ぼす影響と膨張弁開度が吐出圧に及ぼす影響を除去する非干渉制御を行うための演算部である。デカップラ50を用いることにより圧縮機回転数の過熱度への干渉つまりG2の干渉を除去し、デカップラ51を用いることにより膨張弁開度の吐出圧への干渉つまりG3の干渉を除去することができる。
【0028】
図4の流れ図における予測器30が作動する(稼動する室内機運転容量が変わる)までは、デカップラ50、51による非干渉制御とPIDコントローラ15によるフィードバック制御が繰り返し行われる。稼動する室内機の運転容量が変動すると、予測器30(図1)が目標過熱度及び目標吐出圧を実現する圧縮機回転数と膨張弁開度を予測する制御が付加される。
【0029】
吐出圧と過熱度が目標範囲内に収束すると、吐出圧と過熱度は目標値に達したものと見なし、予測器30を停止させ、PIDコントローラ15によるフィードバック制御と、デカップラ50、51による非干渉制御を行う。
【0030】
【発明の効果】
請求項1の発明によると、予測器30により室内機の運転容量が変動しても吐出圧と過熱度への影響を予め推定することができるので、従来よりも早く吐出圧と過熱度を一定に保つことができ、極めて短時間で冷凍回路90内を流通する冷媒の状態量を調整することができる。
【0031】
請求項2、3の発明では、デカップラ50、51を備えることにより、圧縮機回転数が過熱度に及ぼす影響と膨張弁開度が吐出圧に及ぼす影響を除去することができるので、冷凍回路90内を流通する冷媒の状態量を調整するための時間を短縮することができ、吐出圧と過熱度を一定に保ち易くなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のヒートポンプ制御装置の信号伝達経路図である。
【図2】暖房時の冷凍回路の冷媒の流通経路図である。
【図3】冷房時の冷凍回路の冷媒の流通経路図である。
【図4】ヒートポンプ制御装置の動作の流れ図である。
【図5】圧縮機回転数が過熱度に及ぼす影響と膨張弁開度が吐出圧に及ぼす影響を除去するためにデカップラを設けた信号系統図である。
【符号の説明】
1 室外機
2〜4 室内機
5、7〜9 膨張弁
6 圧縮機
10 熱交換器(蒸発器(暖房時))
11〜13 熱交換器(蒸発器(冷房時))
30 予測器
50、51 デカップラ
90 冷凍回路
Claims (3)
- 室外機及び室内機を有し、圧縮機回転数及び膨張弁開度を制御することにより冷凍回路内を流れる冷媒の状態量を調整する、ヒートポンプ、を制御するヒートポンプの制御装置であって、
圧縮機回転数に対する吐出圧力の第1伝達関数、圧縮機回転数に対する過熱度の第2伝達関数、膨張弁開度に対する吐出圧力の第3伝達関数、膨張弁開度に対する過熱度の第4伝達関数、室内機運転容量に対する吐出圧力の第5伝達関数、及び室内機運転容量に対する過熱度の第6伝達関数が、予め記憶された予測器を、備え、
稼動する室内機の運転容量が変動したときに、吐出圧及び過熱度の、変動量を、推定し、
圧縮機回転数が、推定した吐出圧の変動量を相殺するだけの回転数となるように、且つ、膨張弁開度が、推定した過熱度の変動量を相殺するだけの開度となるように、前記第1〜第6伝達関数が組込まれた予測器による、圧縮機の回転数と膨張弁の開度とに対する制御が、吐出圧及び過熱度の両方が設定値に収束するまで付加されることを特徴とするヒートポンプの制御装置。 - 圧縮機回転数の変更による蒸発器出口における過熱度への影響を排除するデカップラを設けた請求項1に記載のヒートポンプの制御装置。
- 膨張弁開度の変更による圧縮機出口における吐出圧への影響を排除するデカップラを設けた請求項1に記載のヒートポンプの制御装置。
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