JP4873468B2 - 冷凍機及び温度調整装置、もしくはこれらの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、室内の温度を調整する冷凍機や温度調整装置もしくはこれらの制御方法に係わり、特に、冷凍機の液バックを防止しつつ、室内温度を設定温度に制御するための技術に関する。

温度試験庫などの室内温度を、所望の設定温度にするための温度調整装置は、室内を冷却するための冷凍機と、室内を加熱するためのヒータとを備え、室内温度が設定温度になるように、冷凍機の出力とヒータの出力とをそれぞれ制御するようになっている。

冷凍機は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を配管で環状に接続し、その中で冷媒を循環させることにより冷凍サイクルを実現する装置である。冷媒は圧縮機で圧縮されて高温高圧のガスになり、凝縮器で潜熱を放出して液体となり、膨張弁を通る過程で低圧の液体になり、蒸発器で周囲から熱を吸収して蒸発して気化し、再び圧縮機で圧縮されるというように循環する。蒸発器は室内の空気を循環させる空調機内に設置されており、蒸発器で冷媒が気化する際に室内の冷却が行なわれる。

このような冷凍機では、室内の温度が低いにもかかわらず、蒸発器に流す冷媒の流量が多い場合には、蒸発器で冷媒が気化しきれずに一部が液体のまま圧縮機に戻ってしまう、所謂、液バック現象が生じてしまう。液バックの有無は、蒸発器の出口温度と入口温度との差である過熱度を測定することにより判断することができる。すなわち、蒸発器で冷媒の気化が不完全な場合は蒸発器の入口温度に対して出口温度の上昇はなく、冷媒が完全に気化し、さらに吸熱した場合は蒸発器の出口温度が入口温度より上昇する。そこで、測定された過熱度に基づいて冷凍機の制御が行なわれる。

たとえば、蒸発器の出口及び入口に装着した温度センサからの信号に基づいて算出された測定過熱度と、予め設定された設定過熱度とを比較し、冷凍機の電子膨脹弁の第１弁開度を算出すると共に、室内に装着した温度センサからの信号に基づいて検出された室内温度と予め設定された室内温度と比較して電子膨脹弁の第２弁開度を算出し、測定過熱度と設定過熱度の差分が所定の範囲内で、かつ、第２弁開度が所定の範囲内である場合には第２弁開度を、それ以外の場合は第１弁開度を電子膨脹弁に出力するように制御する方法が知られている（たとえば、特許文献１参照。）。

特開２００４−１２５２４３号公報

上記のような制御では、蒸発器の過熱度に基づく制御と、室内温度に基づく制御とを所定の条件により切り替えて使用するので、過熱度に基づく制御を選択している時間帯は、室内温度が制御に反映されなくなり、室内の温度はなりゆきになって乱れてしまうという問題があった。

これに対し、過熱度に基づく制御を行なわないで室内温度に基づく制御のみとした場合は、室内の温度の乱れという問題点は解決されるが、室内温度と設定温度のみで弁開度を決めてしまうと、設定温度が変更されたときや、庫内の負荷が急激に増えた場合などは弁を急激に開くように制御され、液バックが発生して冷凍機が故障してしまう。

また、インバータ方式の圧縮機を用いた冷凍機では、運転周波数による容量の制御範囲に制限があるので、運転周波数を最小にしたにもかかわらず室内の温度が設定温度を下回るという問題点も発生する。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、液バックを防止しつつ、室内温度を設定温度に速やかに到達させて保持することのできる冷凍機及び温度調整装置もしくはこれらの制御方法を提供することを目的としている。

かかる目的を達成するための本発明の要旨とするところは、次の各項の発明に存する。

［１］圧縮機の出側から、凝縮器と、電子膨張弁と、冷却対象の室内に設置された蒸発器とを経由して前記圧縮機の入側に戻るように冷媒を循環させる冷凍回路と、前記圧縮機の出側と前記凝縮器との間で前記冷凍回路から分岐し、前記室内に設けられた放熱器を経由して前記凝縮器と前記電子膨張弁との間で前記冷凍回路に合流するように冷媒を流すホットガスヒート回路と、前記ホットガスヒート回路に設けられた電磁弁とを備えた冷凍機の制御方法において、
前記室内の温度を測定し、該室内の温度を設定温度に近づけるための前記冷凍機の出力の目標値を求めるステップと、
空調機内の蒸発器の過熱度を測定し、該過熱度と予め定めた設定過熱度とに基づいて、前記電子膨張弁の弁開度を抑制するための抑制値を求めるステップと、
前記抑制値を超えない範囲で前記冷凍機の出力が前記目標値に近づくように前記電子膨張弁の弁開度を制御すると共に、前記冷凍機の出力を、前記電磁弁を閉じた状態で前記圧縮機を最小出力で動作させた場合に得られる最小出力未満にしたい場合は、前記圧縮機を動作させながら前記電磁弁を開くように制御するステップと
を有する
ことを特徴とする冷凍機の制御方法。

上記発明では、測定した室内温度と設定温度とから室内温度を設定温度に近づけるための冷凍機の出力の目標値を求めると共に、過熱度と設定過熱度とから電子膨張弁の弁開度を抑制するための抑制値を求め、該抑制値を超えない範囲で冷凍機の出力が目標値に近づくように電子膨張弁の弁開度を制御する。すなわち、基本的には室内温度が設定温度に近づくように電子膨張弁の弁開度を制御するが、抑制値を超えるような急激な弁開度の増大は制限する。これにより、液バックを防止しつつ、室内温度を設定温度に向けて、あるいは設定温度に保持するように制御することができる。また、インバータ方式の圧縮機などを用いた出力可変の冷凍機では、予め定められた最小出力以下に出力を下げることはできないので、該最小出力以下に冷凍機の出力を下げたい場合は、過冷却となる分を、冷凍機のホットガスヒート回路の電磁弁を開き、高温の冷媒をホットガスヒート回路に流すことで相殺する。なお、抑制値で制限するのは、電子膨張弁を開く場合のみでよく、電子膨張弁を絞るときは制限しなくてよい。

［２］圧縮機の出側から、凝縮器と、電子膨張弁と、温度調整対象の室内に設置された蒸発器とを経由して前記圧縮機の入側に戻るように冷媒を循環させる冷凍回路と、前記圧縮機の出側と前記凝縮器との間で前記冷凍回路から分岐し、前記室内に設けられた放熱器を経由して前記凝縮器と前記電子膨張弁との間で前記冷凍回路に合流するように冷媒を流すホットガスヒート回路と、前記ホットガスヒート回路に設けられた電磁弁とを備えた冷凍機と前記室内を加熱するヒータとを備えた温度調整装置の制御方法において、
前記室内の温度を測定し、該室内の温度を設定温度に近づけるための前記温度調整装置の出力の目標値を求めるステップと、
空調機内の蒸発器の過熱度を測定し、該過熱度と予め定めた設定過熱度とに基づいて、前記冷凍機の電子膨張弁の弁開度を抑制するための抑制値を求めるステップと、
前記冷凍機の出力が前記抑制値を超えない範囲で前記温度調整装置の出力が前記目標値に近づくように、前記電子膨張弁の弁開度と前記ヒータの出力と前記電磁弁とを制御すると共に、前記冷凍機の出力を、前記電磁弁を閉じた状態で前記圧縮機を最小出力で動作させた場合に得られる最小出力未満にしたい場合は、前記圧縮機を動作させながら前記電磁弁を開くように制御し、前記加熱冷却部によって前記室内の加熱を要する場合にのみ前記ヒータによる加熱を行うように制御するステップと
を有する
ことを特徴とする温度調整装置の制御方法。

上記発明では、測定した室内温度と設定温度とから室内温度を設定温度に近づけるための温度調整装置（冷凍機とヒータの双方を合わせたもの）の出力の目標値を求めると共に、過熱度と設定過熱度とから、電子膨張弁の弁開度を抑制するための抑制値を求め、冷凍機の出力が該抑制値を超えない範囲で温度調整装置全体としての出力が目標値に近づくように電子膨張弁の弁開度とヒータの出力とホットガスヒート回路の電磁弁とを制御する。すなわち、基本的には室内温度が設定温度に近づくように電子膨張弁の弁開度とヒータの出力とを制御するが、急激な弁開度の増大は抑制される。また、インバータ方式の圧縮機などを用いた出力可変の冷凍機では、予め定められた最小出力以下に出力を下げることはできないので、該最小出力以下に冷凍機の出力を下げたい場合は、過冷却となる分を、冷凍機のホットガスヒート回路の電磁弁を開き、高温の冷媒をホットガスヒート回路に流すことで相殺する。なお、抑制値で制限するのは、電子膨張弁の弁開度を増大させる場合のみでよく、電子膨張弁を絞るときは制限しなくてよい。

［３］前記制御するステップにおいて、前記ヒータによる加熱量が所定値以上となる場合は、前記圧縮機を停止させるように制御する
ことを特徴とする［２］に記載の温度調整装置の制御方法。

［４］圧縮機の出側から、凝縮器と、電子膨張弁と、冷却対象の室内に設置された蒸発器とを経由して前記圧縮機の入側に戻るように冷媒を循環させる冷凍回路と、前記圧縮機の出側と前記凝縮器との間で前記冷凍回路から分岐し、前記室内に設けられた放熱器を経由して前記凝縮器と前記電子膨張弁との間で前記冷凍回路に合流するように冷媒を流すホットガスヒート回路と、前記ホットガスヒート回路に設けられた電磁弁とを備えた冷凍機と、
前記室内の温度を検出する第１温度センサと、
前記第１温度センサによって検出された室内の温度と、設定温度とを比較して、前記室内の温度を前記設定温度に近づけるための前記冷凍機の出力の目標値を求める温調演算部と、
空調機内の蒸発器の出口の温度を検出する第２温度センサと、
前記蒸発器の入口の温度を検出する第３温度センサと、
前記第２温度センサによって検出された温度と前記第３温度センサによって検出された温度とから前記蒸発器の過熱度を求め、該過熱度と予め定めた設定過熱度とに基づいて、前記電子膨張弁の弁開度を抑制するための抑制値を求める弁開度抑制演算部と、
前記抑制値を超えない範囲で前記冷凍機の出力が前記目標値に近づくように前記電子膨張弁の弁開度を制御すると共に、前記冷凍機の出力を、前記電磁弁を閉じた状態で前記圧縮機を最小出力で動作させた場合に得られる最小出力未満にしたい場合は、前記圧縮機を動作させながら前記電磁弁を開くように制御する出力制御部と
を有する
ことを特徴とする温度調整装置。

上記発明では、温調演算部は、室内に設置した第１温度センサで測定した室内温度と、操作部などで設定された設定温度とに基づき、室内温度を設定温度に近づけるための冷凍機の出力の目標値を求める。弁開度抑制演算部は、蒸発器の出口に設けた第２温度センサの検出する温度と蒸発器の入口に設けた第３温度センサの検出する温度との差から蒸発器の過熱度を求め、該過熱度と設定過熱度とから電子膨張弁の弁開度を抑制するための抑制値を求める。出力制御部は、この抑制値を超えない範囲で冷凍機の出力が目標値に近づくように電子膨張弁の弁開度を制御する。すなわち、制御部は、基本的には室内温度が設定温度に近づくように電子膨張弁の弁開度を制御するが、急激な弁開度の増大は抑制値により制限する。また、冷凍機の出力をその最小出力以下に下げたい場合は、過冷却となる分を、冷凍機のホットガスヒート回路の電磁弁を開くことで相殺する。

［５］圧縮機の出側から、凝縮器と、電子膨張弁と、温度調整対象の室内に設置された蒸発器とを経由して前記圧縮機の入側に戻るように冷媒を循環させる冷凍回路と、前記圧縮機の出側と前記凝縮器との間で前記冷凍回路から分岐し、前記室内に設けられた放熱器を経由して前記凝縮器と前記電子膨張弁との間で前記冷凍回路に合流するように冷媒を流すホットガスヒート回路と、前記ホットガスヒート回路に設けられた電磁弁とを備えた冷凍機と、前記室内を加熱するヒータとを備えた加熱冷却部と、
前記室内の温度を検出する第１温度センサと、
前記第１温度センサによって検出された室内温度と、設定温度とを比較して、前記室内の温度を前記設定温度に近づけるための前記加熱冷却部の出力の目標値を求める温調演算部と、
空調機が有する蒸発器の出口の温度を検出する第２温度センサと、
前記蒸発器の入口の温度を検出する第３温度センサと、
前記第２温度センサによって検出された温度と前記第３温度センサによって検出された温度とから前記蒸発器の過熱度を求め、該過熱度と予め定めた設定過熱度とに基づいて、前記冷凍機の電子膨張弁の弁開度を抑制するための抑制値を求める弁開度抑制演算部と、
前記冷凍機の出力が前記抑制値を超えない範囲で前記加熱冷却部の出力が前記目標値に近づくように、前記電子膨張弁の弁開度と前記ヒータの出力と前記電磁弁とを制御する出力制御部と
を有し、
前記出力制御部は、前記冷凍機の出力を、前記電磁弁を閉じた状態で前記圧縮機を最小出力で動作させた場合に得られる最小出力未満にしたい場合は、前記圧縮機を動作させながら前記電磁弁を開くように制御し、前記加熱冷却部によって前記室内の加熱を要する場合にのみ前記ヒータによる加熱を行うように制御する
ことを特徴とする温度調整装置。

上記発明では、温調演算部は、室内に設置した第１温度センサで測定した室内温度と設定温度とから、室内温度を設定温度に近づけるための温度調整装置の出力（冷凍機とヒータとを合わせた全体としての出力）目標値を求め、弁開度抑制演算部は、第２温度センサおよび第３温度センサで検出された蒸発器の出口温度と入口温度との差から蒸発器の過熱度を求め、該過熱度と設定過熱度とから電子膨張弁の弁開度を抑制するための抑制値とを求める。出力制御部は、冷凍機の出力が該抑制値を超えない範囲で、温度調整装置全体としての出力が目標値に近づくように、電子膨張弁の弁開度とヒータの出力とを制御する。すなわち、基本的には室内温度が設定温度に近づくように電子膨張弁の弁開度とヒータの出力とを制御するが、急激な弁開度の増大は、抑制値により制限される。また、冷凍機の出力をその最小出力以下に下げたい場合は、過冷却となる分を、冷凍機のホットガスヒート回路の電磁弁を開くことで相殺する。

［６］前記出力制御部は、前記ヒータによる加熱量が所定値以上となる場合は、前記圧縮機を停止させる
ことを特徴とする［５］に記載の温度調整装置。

［７］前記冷凍機の出力の値は、前記電子膨張弁の弁開度として求める
ことを特徴とする［４］乃至［６］のいずれかに記載の温度調整装置。

上記発明では、冷凍機の出力は電子膨張弁の弁開度として求める。たとえば、弁開度抑制演算部は、過熱度と設定過熱度とに基づいて電子膨張弁の弁開度の抑制値を求め、出力制御部は、この抑制値が示す弁開度を超えない範囲で電子膨張弁の弁開度を制御する。

本発明に係わる冷凍機および温度調整装置もしくはこれらの制御方法によれば、冷凍機の出力が蒸発器の過熱度に基づく抑制値を超えないように制限しつつ、冷凍機もしくは温度調整装置の出力が目標値に近づくように、電子膨張弁の弁開度もしくは電子膨張弁の弁開度とヒータの出力とを制御するので、液バックを防止しつつ、室内の温度を速やかに設定温度に到達させて保持することができる。

さらに、冷凍機の出力を、該冷凍機の最小出力未満にしたい場合はホットガスヒート回路の電磁弁を開くように制御するので、冷却能力の余剰分を電気ヒータで補う必要がなくなると共に、室内負荷にあわせた冷却容量制御が行なえるため、省エネルギでかつ高精度の温度制御が可能になる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係わる温度調整装置１０の概略構成を示している。温度調整装置１０は、温度試験庫５の室内５ａを冷却する冷凍機と室内５ａを加熱するヒータ３１とを備えた加熱冷却部と、該加熱冷却部の出力を制御する制御部４０とを備えている。

冷凍機は、運転周波数により容量を可変に制御される圧縮機２１と、凝縮器２２と、電子膨張弁２３と、蒸発器２４とを配管で環状に接続し、冷媒をその中で循環させて冷凍サイクルを実現するように構成されている。蒸発器２４は、温度試験庫５の室内５ａに設置された空調機６の中に配置され、冷凍機を構成する他の部分は温度試験庫５の室外に配置されている。空調機６の中にはさらに、電気ヒータ３１と、ホットガスヒート回路３２の放熱器をなす加熱コイル３３と、ファン８とが配置されている。空調機６はファン８を作動させることで、室内５ａから取り入れた空気を加熱コイル３３及び蒸発器２４、電気ヒータ３１を通過させた後、室内５ａへ送り出して循環させる機能を果たす。

ホットガスヒート回路３２は、圧縮機２１の吐出側で冷凍機の配管から分岐（図中のＡ地点）し、電磁弁３４および加熱コイル３３を経由して凝縮器２２の下流（図中のＢ地点）で冷凍機の配管に合流するように構成された回路であり、電磁弁３４を開くことで、圧縮機２１から吐出される高温高圧のガス（冷媒）が加熱コイル３３内を流れて放熱するようになっている。

室内５ａには、室内５ａの温度を検出する室内温度センサ１１（第１温度センサ）が設置されている。さらに蒸発器２４の入口には、蒸発器２４の入口温度を検出する蒸発器入口温度センサ１２（第２温度センサ）が設置され、蒸発器２４の出口には、蒸発器２４の出口温度を検出する蒸発器出口温度センサ１３（第３温度センサ）が設置されている。

制御部４０には、室内温度センサ１１、蒸発器入口温度センサ１２、蒸発器出口温度センサ１３からの信号が入力される。また電子膨張弁２３および電磁弁３４には、弁開度を制御するための制御信号が制御部４０から入力される。さらに電気ヒータ３１には、ヒータの出力を制御するための制御信号が制御部４０から入力される。

図２は、制御部４０の構成を示すブロック図である。制御部４０は、室内温度センサ１１及び蒸発器入口温度センサ１２、蒸発器出口温度センサ１３からのアナログ電気信号を温度情報を示すデジタル信号に変換して出力するＡ／Ｄ（analog to digital）変換部４１、４２、４３と、弁開度抑制演算部４４と、温調演算部４５と、制御出力演算部４６とを備えている。

温調演算部４５は、Ａ／Ｄ変換部４３から入力される温度情報が示す室内温度と、図示省略の操作部で設定された設定温度とを比較して、室内５ａの温度を設定温度に近づけるための冷凍機の出力の目標値である温調出力値を算出する機能を果たす。

弁開度抑制演算部４４は、Ａ／Ｄ変換部４２から入力される温度情報が示す蒸発器２４の出口温度とＡ／Ｄ変換部４１から入力される温度情報が示す蒸発器２４の入口温度とから蒸発器２４の過熱度（測定過熱度）を求め、該測定過熱度と予め定めた設定過熱度とに基づいて、電子膨張弁２３の弁開度を抑制するための抑制値（弁開度抑制値）を求める機能を果たす。

制御出力演算部４６は、冷凍機の出力が弁開度抑制演算部４４の求めた弁開度抑制値を超えない範囲で、加熱冷却部の出力が温調演算部４５の求めた温調出力値に近づくように、電子膨張弁２３の弁開度と、電気ヒータ３１の出力と、電磁弁３４の弁開度とを制御する機能を果たす。

なお、制御部４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とＲＯＭ（Read Only Memory）とＲＡＭ（Random Access Memory）とを主要部として構成されており、ＲＯＭに格納されたプログラムＣＰＵが実行することにより、弁開度抑制演算部４４及び温調演算部４５、制御出力演算部４６としての機能を実現するようになっている。

次に、制御部４０の各部が行なう演算および制御処理について説明する。

次の段落に示す各式は、弁開度抑制演算部４４による演算内容を示している。蒸発器入口温度センサ１２及び蒸発器出口温度センサ１３からの温度情報に基づいて算出された測定過熱度をΔＴとし、予め設定された設定過熱度をＴｓｖとする。また、冷凍機の運転を起動させるための予め定められた定数をＭＶＲ（冷却ＯＮ設定値）とする。式（１）では設定過熱度Ｔｓｖと測定過熱度ΔＴとの差分を求め、これを過熱度偏差Ｔｅとする。また予め設定された百分率の定数を過熱度偏差比例帯Ｔｐｅとし、式（２）では過熱度偏差Ｔｅを設定過熱度Ｔｓｖと過熱度偏差比例帯Ｔｐｅとで除して得た値と定数１との差分を取り、これに冷却ＯＮ設定値ＭＶＲを乗じたものを弁開度抑制制御値ΔＭＶＥとして求めている。但し、ΔＭＶＥは、−ＭＶＲとＭＶＲの間に収まるものとする。弁開度抑制制御値ΔＭＶＥは、液バックが生じないようにするための、冷凍機の出力の増加量の抑制値（制限値）になっており、予め定められたサイクルタイム毎に算出される。なお、ΔＭＶＥは、冷凍能力を増大させる場合には負の値になる。

また、次の段落に示す各式は、温調演算部４５による演算内容を示している。温調演算部４５は、室内温度センサ１１によって検出された室内温度と設定温度との差分により、予め定められたサイクルタイムで温調出力値を演算する。この温調出力値をＭＶnとし、前回の温調出力値をＭＶn-1とする。式（１１）ではＭＶnとＭＶn-1との差分を求め、これを温調出力変化量ΔＭＶnとして求めている。なお、ΔＭＶnは、冷凍能力を増大させる場合は負の値になる。温調出力値は、室内温度が設定温度に近づくようにするための出力値であり、ＰＩＤ（Proportinal、Integral、Differential）制御により求めている。ＰＤＩ制御を用いることで、素早く目標値に収束させることができる。

図３は、制御部４０が行なう制御処理の流れを示している。図中の破線で囲った部分は制御出力演算部４６により行なわれる。前述したように、蒸発器入口温度センサ１２および蒸発器出口温度センサ１３により蒸発器２４の出口温度および入口温度を測定し（Ｓ１１）、弁開度抑制演算部４４により弁開度抑制値ΔＭＶＥを算出する（Ｓ１２）。また、これと並行して室内温度センサ１１により室内温度を測定し（ステップＳ２１）、温調演算部４５により温調出力値ＭＶnおよび温調出力変化量ΔＭＶnを求める（ステップＳ２２）。

制御出力演算部４６は、冷凍機の運転を起動させるための予め定められた定数をＭＶＲ（冷却ＯＮ設定値）とし、温調演算部４５により求められた温調出力値ＭＶnと比較して、冷却ＯＮ設定値ＭＶＲの値が大きい時は（ステップＳ１０１；Ｙ）、冷凍機による冷却動作を要と判断し、電子膨張弁２３の弁開度を制御するための制御出力値ＭＶｃを算出する（ステップＳ１０２〜Ｓ１０５）。

また、温調出力値ＭＶnが定数５０以上の場合は（ステップＳ２０１；Ｙ）、電気ヒータ３１の制御出力値ＭＶＨを算出する（ステップＳ２０２）。なお、ＭＶnは０〜１００の範囲の値をとり、図４に示すように、５０以上は加熱の出力値を、ＭＶＲ以下は冷却の出力値を示している。温調出力値ＭＶnが定数５０以上の場合は電気ヒータ３１による加熱が必要なケースになる。

さらにホットガスヒート回路３２の電磁弁３４の制御を開始させるための予め定められた定数をＭＶｈｈ（電磁弁制御開始設定値）とし、温調演算部４５より求められた温調出力値ＭＶnと比較して、電磁弁制御開始設定値ＭＶｈｈの値が小さかった時は（ステップＳ３０１；Ｙ）、ホットガスヒート回路３２の電磁弁制御出力値ＭＶＨＧを算出する（ステップＳ３０２）。

電子膨張弁２３の制御出力値を算出する場合は（ステップＳ１０１；Ｙ）、制御出力演算部４６は温調演算部４５で算出された温調出力変化量ΔＭＶnと弁開度抑制演算部４４で算出された弁開度抑制値ΔＭＶＥとを比較し（ステップＳ１０２）、温調出力変化量ΔＭＶnの値が弁開度抑制値ΔＭＶＥを超える場合は（ステップＳ１０２；Ｙ）、温調出力値ＭＶnは、図中の式（２１）「ＭＶn＝ＭＶn-1＋ΔＭＶｎ」により、前回の温調出力値ＭＶnに弁開度抑制値ΔＭＶｎを加算した値として求める。（ステップＳ１０３）。

一方、制御出力変化量ΔＭＶnの値が弁開度抑制値ΔＭＶＥより小さかった場合は（ステップＳ１０２；Ｎ）、温調出力値ＭＶnは、式（２２）「ＭＶn＝ＭＶn-1＋ΔＭＶＥ」より、前回の温調出力値ＭＶn-1に温調出力変化量ΔＭＶＥを加算した値として求める（ステップＳ１０４）。なお、冷凍能力を増大させる場合、ΔＭＶn、ΔＭＶＥは負の値になるので、温調出力変化量ΔＭＶnの値が弁開度抑制値ΔＭＶＥより小さい場合は、ΔＭＶnの示す冷凍能力の増大量がΔＭＶＥの示す冷凍能力増大量より大きい場合であり、弁開度抑制値ΔＭＶＥにより冷凍能力の増大量を制限している。さらに、このようにしてステップＳ１０３またはＳ１０４で求めたＭＶnの値を基に、該ＭＶn値に対応する電子膨張弁２３の弁開度の制御出力値ＭＶｃを、図中の式（２３）「ＭＶｃ＝１００−ＭＶn／ＭＶＲ×１００ 」により求める（ステップＳ１０５）。ただし、電子膨張弁２３の制御出力値ＭＶｃの範囲は、予め定められた定数である冷却出力最小値Ｍｖｃminと定数１００との間に収まるものとする。制御出力演算部４６は、こうして求めた制御出力値ＭＶｃを電子膨張弁２３に出力してその弁開度を制御する（ステップＳ１０６）。

なお、電子膨張弁２３の弁開度の制御出力値ＭＶｃは、冷凍機の出力が抑制値を超えない範囲で温調出力値ＭＶnに近づくように調整された弁開度の制御出力値である。すなわち、弁開度抑制値ΔＭＶＥは、冷凍機の出力の現在値に対する、出力の増大量の抑制値（制限値）を表わしており、温調出力変化量ΔＭＶnは、室内温度を設定温度に近づけるための温調制御で求めた冷凍機の出力の増大量に対応している。温調制御による冷凍機の出力の増大量が抑制値（冷凍機の出力の抑制値）より少ない場合は、温調制御に従って電子膨張弁２３の弁開度を制御し、温調制御による冷凍機の出力の増大量が抑制値より大きい場合は、電子膨張弁２３の弁開度の増大量は抑制値に制限される。

このように、急激な冷却能力の増大に制限をかけつつ、冷凍機の出力を温調制御に基づいて制御するので、液バックすることなく、室内温度を設定温度に速やかに到達させることができると共に、室内温度を設定温度に保持することが可能になる。

電気ヒータ３１の制御出力値を算出する場合は（ステップＳ２０１；Ｙ）、制御出力演算部４６は温調演算部４５で算出された温調出力値ＭＶnを基に、図中の式（２４）「ＭＶＨ＝（ＭＶn−５０）×２ 」より電気ヒータ３１の制御出力値ＭＶＨを算出する（ステップＳ２０２）。ただし、電気ヒータ３１の制御出力値ＭＶＨの範囲は定数０から定数１００の間に収まるものとする。制御出力演算部４６は、こうして求めた制御出力値ＭＶＨを電気ヒータ３１に出力して電気ヒータ３１の出力（加熱量）を制御する（ステップＳ２０３）。

ホットガスヒート回路３２の電磁弁制御出力値を算出する場合は（ステップＳ３０１；Ｙ）、制御出力演算部４６は温調演算部４５で算出された温調出力値ＭＶnと電磁弁制御開始設定値ＭＶｈｈと冷却ＯＮ設定値ＭＶＲとを基に、式（２５）「ＭＶＨＧ＝（ＭＶn−ＭＶｈｈ／ＭＶＲ−ＭＶｈｈ×１００）」により、電磁弁制御出力値ＭＶＨＧを算出する（ステップＳ３０２）。ただし、電磁弁制御開始設定値ＭＶｈｈの範囲は定数０から定数１００の間に収まるものとする。制御出力演算部４６は、こうして求めた制御出力値ＭＶＨＧを電磁弁３４に出力してその弁開度を制御する（ステップＳ３０３）。

図４は、温度調整装置１０における制御方法を示す。ＭＶnが５０％以上の領域は加熱領域であり、温調演算部４５で算出された温調出力値ＭＶnが５０％より高い場合は電気ヒータ３１の制御を行ない、電気ヒータ３１に対して制御出力値ＭＶＨを出力する。ＭＶnが冷却ＯＮ設定値ＭＶＲより小さい領域は冷却を要する冷却領域であり、ＭＶnが冷却ＯＮ設定値ＭＶＲより小さい場合は電子膨張弁２３の制御を行ない、電子膨張弁２３に対して制御出力値ＭＶｃを出力する。また、ＭＶnが電磁弁制御開始設定値ＭＶｈｈより大きい場合は電磁弁３４の制御を行ない、電磁弁３４に対して制御出力値ＭＶＨＧを出力する。

本実施の形態で使用している圧縮機２１は、インバータ方式を用いた出力可変の圧縮機であり、吸入圧力が一定範囲に収まるように 運転周波数を自動制御するようになっている。したがって、電子膨張弁２３の弁開度を変化させると、それに伴って運転周波数が変化し、冷凍機としての出力を調整できるようになっている。しかし、運転周波数の範囲には下限があり、それ以下に出力を下げる場合は圧縮機２１を停止させなければならない。また、圧縮機２１の発停を繰り返すことは、きめ細かい温度制御を困難にすると共に、圧縮機２１の劣化を早める。

そこで、本実施の形態では、最小出力で圧縮機２１を動かし続け、これによる余剰の冷却分をホットガスヒート回路３２による放熱で補うようになっている。ここでは、ＭＶｈｈを調整可能な冷凍機の最小出力とし、冷凍機の出力を最小出力ＭＶｈｈ以下に制御したい場合（図４のグラフではＭＶnがＭＶｈｈより大きくなる領域）は、制御したい出力値とＭＶｈｈとの差分だけ、ホットガスヒート回路３２の加熱コイル３３で放熱が行なわれるように制御出力値ＭＶＨＧを出力して電磁弁３４を開き、高温の冷媒を加熱コイル３３に流すように制御している。言い換えると、圧縮機２１の運転周波数を最小にしたにもかかわらず室内温度が低下したとき、ホットガスヒート回路３２の電磁弁３４を開いて、蒸発器２４での冷却能力余剰分を相殺させ、室内温度を設定温度に維持するようになっている。これにより、冷却能力余剰分を電気ヒータ３１で補う必要がなくなり、室内負荷に合せた冷却容量制御が行なえるため、省エネルギかつ高精度の温度制御が可能となる。

なお、ＭＶｈｈの定数値は、圧縮機２１の出力を最小にしても、なお室温が下がる状態と、下がらない状態との境界に対応して設定される。また、図４では、常時、冷凍機を作動し続けるようにしたが、ＭＶｎがある値以上になったとき（たとえば、７０パーセント）は、圧縮機２１を停止させるように制御してもよい。加熱領域での制御が長く続くと想定される場合は圧縮機２１（冷凍機）を停止させても頻繁な発停にならないので、圧縮機２１を劣化させることなく省エネルギを図ることができる。

以上、本発明の実施の形態を図面によって説明してきたが、具体的な構成は実施の形態に示したものに限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

たとえば、実施の形態では、冷却能力余剰分をホットガスヒート回路３２で相殺するようにしたが、電気ヒータ３１など別途の加熱装置で補填するようにしてもよい。また、制御すべき温度範囲が低温領域に限定されるような場合には、電気ヒータ３１を設けなくてもよい。

また、実施の形態では、弁開度の抑制値として、冷凍機の出力の増加量の抑制値ΔＭＶＥを求め、これと温調出力変化量ΔＭＶnとを比較した結果に基づいて電子膨張弁２３の弁開度を抑制するようにしたが、増大量や変化量に代えて、たとえば、冷凍機の出力の温調制御による目標値（Ｓ１０３で求める値MVn-1＋ΔMVn）と過熱度制御による抑制値（Ｓ１０４で求める値ＭＶn-1＋ΔＭＶＥ）とを比較してもよし、電子膨張弁２３の弁開度の目標値（Ｓ１０５において、ＭＶn-1＋ΔＭＶnをＭＶnとした場合に求まるＭＶｃ）と弁開度の抑制値（Ｓ１０５において、ＭＶn-1＋ΔＭＶＥをＭＶnとした場合に求まるから求まるＭＶｃ）とを求め、これらを比較してもよい。要するに、電子膨張弁２３の弁開度が、液バックを防止するための弁開度を超えない範囲で、温調制御に基づく弁開度に近づくように制御されればよい。

本発明の実施の形態に係わる温度調整装置の概略構成を示す系統図である。 本発明の実施の形態に係わる温度調整装置の制御部の構成を示すブロック図である。 制御部が行なう制御処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係わる温度調整装置の制御方法を示す説明図である。

符号の説明

５…温度試験庫
５ａ…室内
６…空調機
８…ファン
１０…温度調整装置
１１…室内温度センサ
１２…蒸発器入口温度センサ
１３…蒸発器出口温度センサ
２１…圧縮機
２２…凝縮器
２３…電子膨張弁
２４…蒸発器
３１…電気ヒータ
３２…ホットガスヒート回路
３３…加熱コイル
３４…電磁弁
４０…制御部
４１、４２、４３…Ａ／Ｄ変換部
４４…弁開度抑制演算部
４５…温調演算部
４６…制御出力演算部

Claims (7)

1. 圧縮機の出側から、凝縮器と、電子膨張弁と、冷却対象の室内に設置された蒸発器とを経由して前記圧縮機の入側に戻るように冷媒を循環させる冷凍回路と、前記圧縮機の出側と前記凝縮器との間で前記冷凍回路から分岐し、前記室内に設けられた放熱器を経由して前記凝縮器と前記電子膨張弁との間で前記冷凍回路に合流するように冷媒を流すホットガスヒート回路と、前記ホットガスヒート回路に設けられた電磁弁とを備えた冷凍機の制御方法において、
   前記室内の温度を測定し、該室内の温度を設定温度に近づけるための前記冷凍機の出力の目標値を求めるステップと、
   空調機内の蒸発器の過熱度を測定し、該過熱度と予め定めた設定過熱度とに基づいて、前記電子膨張弁の弁開度を抑制するための抑制値を求めるステップと、
   前記抑制値を超えない範囲で前記冷凍機の出力が前記目標値に近づくように前記電子膨張弁の弁開度を制御すると共に、前記冷凍機の出力を、前記電磁弁を閉じた状態で前記圧縮機を最小出力で動作させた場合に得られる最小出力未満にしたい場合は、前記圧縮機を動作させながら前記電磁弁を開くように制御するステップと
   を有する
   ことを特徴とする冷凍機の制御方法。
2. 圧縮機の出側から、凝縮器と、電子膨張弁と、温度調整対象の室内に設置された蒸発器とを経由して前記圧縮機の入側に戻るように冷媒を循環させる冷凍回路と、前記圧縮機の出側と前記凝縮器との間で前記冷凍回路から分岐し、前記室内に設けられた放熱器を経由して前記凝縮器と前記電子膨張弁との間で前記冷凍回路に合流するように冷媒を流すホットガスヒート回路と、前記ホットガスヒート回路に設けられた電磁弁とを備えた冷凍機と前記室内を加熱するヒータとを備えた温度調整装置の制御方法において、
   前記室内の温度を測定し、該室内の温度を設定温度に近づけるための前記温度調整装置の出力の目標値を求めるステップと、
   空調機内の蒸発器の過熱度を測定し、該過熱度と予め定めた設定過熱度とに基づいて、前記冷凍機の電子膨張弁の弁開度を抑制するための抑制値を求めるステップと、
   前記冷凍機の出力が前記抑制値を超えない範囲で前記温度調整装置の出力が前記目標値に近づくように、前記電子膨張弁の弁開度と前記ヒータの出力と前記電磁弁とを制御すると共に、前記冷凍機の出力を、前記電磁弁を閉じた状態で前記圧縮機を最小出力で動作させた場合に得られる最小出力未満にしたい場合は、前記圧縮機を動作させながら前記電磁弁を開くように制御し、前記加熱冷却部によって前記室内の加熱を要する場合にのみ前記ヒータによる加熱を行うように制御するステップと
   を有する
   ことを特徴とする温度調整装置の制御方法。
3. 前記制御するステップにおいて、前記ヒータによる加熱量が所定値以上となる場合は、前記圧縮機を停止させるように制御する
   ことを特徴とする請求項２に記載の温度調整装置の制御方法。
4. 圧縮機の出側から、凝縮器と、電子膨張弁と、冷却対象の室内に設置された蒸発器とを経由して前記圧縮機の入側に戻るように冷媒を循環させる冷凍回路と、前記圧縮機の出側と前記凝縮器との間で前記冷凍回路から分岐し、前記室内に設けられた放熱器を経由して前記凝縮器と前記電子膨張弁との間で前記冷凍回路に合流するように冷媒を流すホットガスヒート回路と、前記ホットガスヒート回路に設けられた電磁弁とを備えた冷凍機と、
   前記室内の温度を検出する第１温度センサと、
   前記第１温度センサによって検出された室内の温度と、設定温度とを比較して、前記室内の温度を前記設定温度に近づけるための前記冷凍機の出力の目標値を求める温調演算部と、
   空調機内の蒸発器の出口の温度を検出する第２温度センサと、
   前記蒸発器の入口の温度を検出する第３温度センサと、
   前記第２温度センサによって検出された温度と前記第３温度センサによって検出された温度とから前記蒸発器の過熱度を求め、該過熱度と予め定めた設定過熱度とに基づいて、前記電子膨張弁の弁開度を抑制するための抑制値を求める弁開度抑制演算部と、
   前記抑制値を超えない範囲で前記冷凍機の出力が前記目標値に近づくように前記電子膨張弁の弁開度を制御すると共に、前記冷凍機の出力を、前記電磁弁を閉じた状態で前記圧縮機を最小出力で動作させた場合に得られる最小出力未満にしたい場合は、前記圧縮機を動作させながら前記電磁弁を開くように制御する出力制御部と
   を有する
   ことを特徴とする温度調整装置。
5. 圧縮機の出側から、凝縮器と、電子膨張弁と、温度調整対象の室内に設置された蒸発器とを経由して前記圧縮機の入側に戻るように冷媒を循環させる冷凍回路と、前記圧縮機の出側と前記凝縮器との間で前記冷凍回路から分岐し、前記室内に設けられた放熱器を経由して前記凝縮器と前記電子膨張弁との間で前記冷凍回路に合流するように冷媒を流すホットガスヒート回路と、前記ホットガスヒート回路に設けられた電磁弁とを備えた冷凍機と、前記室内を加熱するヒータとを備えた加熱冷却部と、
   前記室内の温度を検出する第１温度センサと、
   前記第１温度センサによって検出された室内温度と、設定温度とを比較して、前記室内の温度を前記設定温度に近づけるための前記加熱冷却部の出力の目標値を求める温調演算部と、
   空調機が有する蒸発器の出口の温度を検出する第２温度センサと、
   前記蒸発器の入口の温度を検出する第３温度センサと、
   前記第２温度センサによって検出された温度と前記第３温度センサによって検出された温度とから前記蒸発器の過熱度を求め、該過熱度と予め定めた設定過熱度とに基づいて、前記冷凍機の電子膨張弁の弁開度を抑制するための抑制値を求める弁開度抑制演算部と、
   前記冷凍機の出力が前記抑制値を超えない範囲で前記加熱冷却部の出力が前記目標値に近づくように、前記電子膨張弁の弁開度と前記ヒータの出力と前記電磁弁とを制御する出力制御部と
   を有し、
   前記出力制御部は、前記冷凍機の出力を、前記電磁弁を閉じた状態で前記圧縮機を最小出力で動作させた場合に得られる最小出力未満にしたい場合は、前記圧縮機を動作させながら前記電磁弁を開くように制御し、前記加熱冷却部によって前記室内の加熱を要する場合にのみ前記ヒータによる加熱を行うように制御する
   ことを特徴とする温度調整装置。
6. 前記出力制御部は、前記ヒータによる加熱量が所定値以上となる場合は、前記圧縮機を停止させる
   ことを特徴とする請求項５に記載の温度調整装置。
7. 前記冷凍機の出力の値は、前記電子膨張弁の弁開度として求める
   ことを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の温度調整装置。

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