JP5787106B2 - 冷凍装置の制御装置および制御方法、並びに該制御装置を具備する冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍装置の制御装置および制御方法、並びに該制御装置を具備する冷凍装置に関し、より詳細には、運転条件の変動に対する過熱度についての制御安定性を確保可能な冷凍装置の制御装置および制御方法、並びに該制御装置を具備する冷凍装置に関する。

従来より、冷媒を循環させて冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた冷凍装置において、この冷凍装置の運転を制御する方法のひとつとして、例えば特許文献１に開示されているような電子膨張弁を利用した過熱度制御が用いられている。

この過熱度制御は、冷媒回路において実測した冷媒の蒸発器出口温度と蒸発圧力相当の飽和温度との差から求められる過熱度（以下、検出過熱度という。）が目標過熱度となるように電子膨張弁の開度調整を行うものである。

具体的には、主に圧縮機に吸入される冷媒の液バックを防止する観点から、目標過熱度の値を設定したうえで、検出過熱度が目標過熱度より小さい場合には、電子膨張弁の開度を大きくすることにより、冷媒流量を増大する一方、検出過熱度が目標過熱度より大きい場合には、電子膨張弁の開度を小さくすることにより、冷媒流量を減少している。

このように、冷凍装置の冷媒回路において、検出過熱度に応じて膨張弁の開度を調整して、圧縮機の健全性を確保しているが、液圧縮の危険性を回避しつつ、膨張弁の制御の安定性を確保できるのであれば、目標過熱度は小さい方が、冷凍装置の冷凍能力が大きくなり、かつ高効率となる点で好ましい。
しかしながら、冷媒回路の蒸発器において、熱源側流体の加熱効果により冷媒が加熱されるところ、蒸発器出口の冷媒温度は、熱源側流体の蒸発器入口温度に引きずられる傾向があることから、蒸発器における熱交換に余裕がある状態で、熱源側流体の蒸発器入口温度と蒸発器出口の冷媒温度とが大きくなるように目標過熱度を小さく設定しても、電子膨張弁が頻繁に開閉動作を繰り返し、系全体の安定性が確保困難となるので、目標過熱度を予め大きく設定しておく必要がある。
特に、熱源側流体の蒸発器入口温度と蒸発器出口の冷媒温度との温度差が大きくなると、蒸発器出口の冷媒ガス温度が蒸発器入口の熱源側流体から受ける熱的な影響が強くなり、小さい過熱度の設定では、制御が不安定になりやすい。
このような過熱度の制御の不安定性の原因について、本件出願人は、より具体的には、以下のように推測するものである。

蒸発器において、熱源側流体により冷媒が加熱されて、冷媒の蒸発器出口温度が上昇し、その結果、検出過熱度が増加する。
検出過熱度を減少させるために、電子膨張弁の過熱度コントローラが弁の開度を増大し、その結果、冷媒の流量が増大する。
しかしながら、冷媒ガス温度が低下し始めるには、所定時間を要することから、この時間遅れの間に、蒸発器内に冷媒液が溜まる。
この場合、冷媒の蒸発温度は、熱源側流体の蒸発器出口温度より高くなることはないので、冷媒ガス温度が低下しない限り、検出過熱度は、下げ止まりとなる。
この結果、蒸発器内に溜まった冷媒液が一部液滴のまま蒸発器外に流出し、冷媒の蒸発器出口温度が急激な低下するとともに、検出過熱度が急激に低下する。
この結果、電子膨張弁の過熱度コントローラが弁の開度を減少し、冷媒の蒸発温度が低下し、蒸発器内に溜まった冷媒液が蒸発する。
以上のように、検出過熱度の増減が繰り返されるハンチング現象が生じて、場合によっては、冷凍装置の定常運転を停止する事態となり得る。
蒸発器における熱源側流体の出入口温度差のような運転条件の変動について、たとえば二元冷凍装置であれば、高元側冷凍サイクルでは、低元側冷凍サイクルの圧縮比や冷媒の低圧の変化によって、吐出冷媒ガスの過熱度が大きく変動することから、高元側で冷却する温度差も変化し、一方、排熱回収ヒートポンプであれば、熱源水の流量や温度が変動する場合が多いところ、通常、これに対してヒートポンプは成り行きで運転されることから、熱源水の出入り口温度も成り行きとなり、いずれも、運転条件の変動に対する過熱度についての制御安定性を確保するのは困難である。
この点、特許文献１においては、ＰＩ、ＰＩＤに代表される制御パラメータ値が一定の値に固定されているため、過熱度についての制御安定性を確保するのは困難である。
特開２００７−０４０５６７号公報

以上の技術的問題点に鑑み、本発明の目的は、運転条件の変動に対する過熱度についての制御安定性を確保可能な冷凍装置の制御装置、および該制御装置を具備する冷凍装置を提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明の冷凍装置の制御装置は、
圧縮機と、凝縮器と、電子膨張弁と、蒸発器とがこの順に接続されて、冷媒が循環する冷媒回路を構成する冷凍装置の制御装置において、
前記電子膨張弁に対する目標過熱度を設定する目標過熱度設定手段と、
冷凍サイクルの運転中において、該蒸発器における負荷変動を算出する負荷変動算出手段と、
該負荷変動算出手段によって算出された負荷変動に応じて、前記電子膨張弁の目標過熱度を変動させる目標過熱度変動手段と、
前記電子膨張弁の検出過熱度が該目標過熱度変動手段によって変動された目標過熱度となるように、前記電子膨張弁の開度調整を行う開度調整手段とを、有する構成としている。

本発明は、従来、当業者が認識していなかった、運転条件の変動に対する冷凍装置における過熱度制御の不安定性の原因究明に基づいて、過熱度制御の安定性を確保可能とする冷凍装置の制御装置を提供するものである。
すなわち、上記構成の冷凍装置の制御装置によれば、蒸発器における負荷変動に応じて電子膨張弁の目標過熱度を変動させることにより、電子膨張弁の開度調整において、変動させた目標過熱度となるように、目標過熱度と検出過熱度との差に応じて、電子膨張弁の開度を調整することで、たとえば、電子膨張弁の過熱度コントローラの制御パラメータ値を変更することなく、運転条件の変動に対する過熱度についての制御安定性を確保可能であり、冷凍装置の運転が不安定となり、場合により運転停止するような事態を未然に防止することが可能である。
この場合、運転条件の変動に対する過熱度についての制御安定性とは、たとえば運転条件の変動に対して冷凍運転が安定に収束するまでの過度的な運転状態の際の過熱度についての制御安定性だけでなく、冷凍運転がいったん安定した後に、外乱により不安定となる場合をも含む。

また、前記負荷変動算出手段は、前記蒸発器における熱源側流体の蒸発器入口温度を検出する蒸発器入口温度検出手段と、前記蒸発器における熱源側流体の蒸発器出口温度を検出する蒸発器出口温度検出手段と、検出された熱源側流体の蒸発器入口温度と、検出された熱源側流体の蒸発器出口温度との温度差を検出する温度差算出手段とを有するのがよい。
さらに、前記負荷変動算出手段は、熱源側流体の流量を検出する流量検出手段と、前記蒸発器における熱源側流体の蒸発器入口温度を検出する蒸発器入口温度検出手段と、検出された熱源側流体の流量と、検出された熱源側流体の蒸発器入口温度と、前記冷凍装置の冷凍能力とに基づいて熱源側流体の蒸発器出口温度を算出し、検出された熱源側流体の蒸発器入口温度と、算出された熱源側流体の蒸発器出口温度との温度差を検出する温度差算出手段とを有するのでもよい。

さらにまた、前記目標過熱度変動手段は、熱源側流体の蒸発器入口温度と熱源側流体の蒸発器出口温度との温度差に対応して、目標過熱度を設定する過熱度設定テーブルを有するのがよい。
加えて、検出過熱度の安定性を評価するための検出過熱度評価手段と、
検出過熱度の安定性を評価するための評価パラメータに対する目標値を設定する評価パラメータ目標値設定手段とをさらに有し、
該検出過熱度評価手段は、検出された検出過熱度の評価パラメータ実測値と評価パラメータ目標値との違いを算出し、その違いが所定範囲内であれば、過熱度を安定と評価し、前記過熱設定値をそのままに保持し、一方その違いが所定範囲外であれば、過熱度を不安定と評価し、前記目標過熱度を前記目標過熱度変動手段により変動させるのでもよい。

さらに、前記目標過熱度変動手段は、検出される検出過熱度の評価パラメータの値に係らず、前記目標過熱度の初期値を一定値に設定し、前記検出過熱度評価手段が過熱度を安定と評価するまで、前記検出過熱度評価手段が過熱度を不安定と評価するたびに前記目標過熱度を漸次増大させるのでもよい。
この場合、前記目標過熱度変動手段は、前記目標過熱度をタイマーにより段階的に変動させるのでもよい。
さらにまた、前記目標過熱度変動手段は、検出される検出過熱度の評価パラメータの値に応じて、前記目標過熱度の初期値を設定し、前記検出過熱度評価手段が過熱度を安定と評価するまで、前記目標過熱度を漸次増大させるのでもよい。
加えて、前記評価パラメータは、検出過熱度の大きさの変化幅であり、前記評価パラメータ目標値設定手段は、前記変化幅に対する目標値を設定するのでもよい。

さらに、前記評価パラメータは、検出過熱度の変化速度であり、前記評価パラメータ目標値設定手段は、検出過熱度の変化速度に対する目標値を設定するのでもよい。
さらにまた、前記評価パラメータ目標値設定手段は、前記検出過熱度評価手段が過熱度を不安定と評価するたびに、評価パラメータに対する目標値を再設定するのでもよい。

上記課題を達成するために、本発明の冷凍装置は、請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の冷凍装置の制御装置を具備する冷凍装置がよい。

上記課題を達成するために、本発明の冷凍装置の制御方法は、
圧縮機と、凝縮器と、電子膨張弁と、蒸発器とがこの順に接続されて、冷媒が循環する冷媒回路を構成する冷凍装置の制御方法において、
前記電子膨張弁に対する過熱度の初期を設定する段階と、
冷凍サイクルの運転中において、前記電子膨張弁の過熱度を検出するとともに、該蒸発器における負荷変動を算出する段階と、
算出された負荷変動に応じて、前記電子膨張弁の目標過熱度を変動させる段階と、
前記電子膨張弁の検出過熱度が、変動された目標過熱度となるように、前記電子膨張弁の開度調整を行う段階とを、有する構成としている。

また、検出過熱度の安定性を評価する段階と、
検出過熱度の安定性を評価するための評価パラメータに対する目標値を設定する段階とを、さらに有し、
該検出過熱度評価段階において、検出された検出過熱度の評価パラメータ実測値と評価パラメータ目標値との違いを算出し、その違いが所定範囲内であれば、過熱度を安定と評価し、前記過熱設定値をそのままに保持し、一方その違いが所定範囲外であれば、過熱度を不安定と評価し、前記目標過熱度を変動させるのがよい。
さらに、前記検出過熱度が目標過熱度となるように、フィードバック制御を行うのがよい。

本発明に係る冷凍装置の制御装置および制御方法の実施形態を図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。
図１において、冷凍装置１２は、概略的には、圧縮機１８の吐出側に一端が接続された冷媒往管２０の他端が、凝縮器２２、電子膨張弁２４を介して蒸発器１６の１次側流路入口に接続され、１次側流路出口に一端が接続された冷媒復管２６の他端が、圧縮機１８の吸入側に接続され、冷媒回路を構成している。冷媒については、たとえば、フロン系として、Ｒ２２およびＲ２３、非フロン系として、アンモニア冷媒および二酸化炭素冷媒を用いてもよい。

蒸発器１６は、乾式の蒸発器として構成され、蒸発器１６の内部に冷媒回路１２と接続された熱交換管（図示せず）が配設され、胴側に冷媒ガスが充満するようにして、排水の熱回収をすることにより、冷媒を加熱している。
より詳細には、冷媒と管外の排水とが熱交換し、排水が冷媒液を加熱することにより、蒸発器１６の出口で冷媒が乾きガスとなって圧縮機１８に吸引され、一方温水の排水が冷水として排出されるようにしている。

圧縮機１８は、たとえば、容量制御式の往復圧縮機または回転あるいは遠心圧縮機が用いられる。特に、往復式圧縮機であれば、潤滑剤をクランク室等の低圧チャンバーに戻し、スクリュー圧縮機であれば、圧縮機ケーシングの低圧域又は中間圧域に戻すようにする。冷媒回路１２における圧縮機１８の駆動用モータ３８には、インバータ装置４０を設けて駆動用モータ３８を回転数制御できるようにしてある。

圧縮機１８の下流側には油分離器４２が設けられ、油分離器４２で分離された潤滑剤は圧縮機１８に戻される。油分離器４２の下流側には、順に凝縮器２２及び受液器４４が設けられ、受液器４４の下流側には、運転の開始時又は停止時に冷媒回路１２の開閉を行なう電磁弁（図示せず）と、膨張弁２４とが設けられている。凝縮器２２は、蒸発式、水冷式又は空冷式でもよい。圧縮機１８の上流側の冷媒復管２６には、冷媒ガス温度を検出する温度センサ（図示せず）と冷媒ガス圧力を検出する圧力センサ（図示せず）が設けられている。
電子膨張弁２４には、従来既知の過熱度コントローラ２５が付設され、後に説明するように、運転中に検出される検出過熱度が、後に説明する制御装置１００により調整された目標過熱度（目標過熱度）となるように、過熱度コントローラ２５が、たとえばＰＩＤ制御により、電子膨張弁２４の開度を調整するようにしてある。

蒸発器１６において、冷媒液は熱交換されて冷媒ガスとして気化し、冷媒復管２６を経て圧縮機１８に吸入されるが、その際、液圧縮防止の観点から、運転状態の過熱度（検出過熱度）が目標過熱度になるように調整している。
以下、冷媒回路１２の過熱度の調整について説明する。
図２に示すように、圧縮機１８の吸入側における冷媒圧力PLおよび冷媒温度T1が検出され、PLは飽和蒸気温度T２に変換されて、過熱度SHがT1−T2により計算され、この過熱度が目標過熱度SHとなるように、電子膨張弁２４を制御する。
より具体的には、過熱度ＳＨは次の算式で求められる。
過熱度ＳＨ＝（冷媒の蒸発器出口冷媒ガス温度Ｔ１）−（冷媒の蒸発圧力相当飽和温度Ｔ２）
算式中、冷媒の蒸発器出口冷媒ガス温度Ｔ１は、温度センサで検出される。蒸発器１６での冷媒の蒸発圧力相当飽和温度Ｔ２は、圧力センサで検出された冷媒の蒸発圧力PLからコントローラで換算され、コントローラで算式を演算して、冷媒の過熱度ＳＨが求められる。

運転が開始されると、冷媒回路１２内に冷媒が循環し始め、運転開始時の電子膨張弁２４の開度は０％とする。次に、コントローラで膨張弁２４の開方向への操作量を演算する。膨張弁２４の動作はコントローラにより、たとえばＰＩＤ制御される。冷媒ＳＨの目標値は、たとえば、ＳＶ＝６Ｋに設定される。

選択された操作量となるように、コントローラでＭＶ＝０〜１００％の範囲で膨張弁２４をＰＩＤ制御により操作する。
以上は、電子膨張弁２４が動作方向正（開方向）に動作する場合であるが、膨張弁２４が動作方向負（閉方向）に動作する場合であっても同様の制御を行なう。
なお、コントローラにおいて、電子膨張弁２４の開度を調整するのに電気信号を膨張弁２４に送信するようにしている。この場合、たとえば電気信号の０ないし２０ｍＡを過熱度０ないし３０Ｋに線形に対応させるようにしておく。

図３に示すように、冷凍装置の制御装置１００は、電子膨張弁２４に対する目標過熱度を設定する目標過熱度設定手段１０２と、冷凍運転中において、蒸発器１６における負荷変動を算出する負荷変動算出手段１０４と、負荷変動算出手段１０４によって算出された負荷変動に応じて、電子膨張弁２４の目標過熱度を変動させる目標過熱度変動手段１０６と、電子膨張弁２４の検出過熱度が目標過熱度変動手段１０６によって変動された目標過熱度となるように、電子膨張弁２４の開度調整を行う開度調整手段１０８とを、有する。

負荷変動算出手段１０４は、蒸発器１６における熱源側流体の蒸発器入口温度を検出する蒸発器入口温度検出手段１１０と、蒸発器１６における熱源側流体の蒸発器出口温度を検出する蒸発器出口温度検出手段１１２と、検出された熱源側流体の蒸発器入口温度と、検出された熱源側流体の蒸発器出口温度との温度差を検出する温度差算出手段１１４とを有する。

変形例として、負荷変動算出手段１０４は、熱源側流体の流量を検出する流量検出手段１１６と、蒸発器１６における熱源側流体の蒸発器入口温度を検出する蒸発器入口温度検出手段１１０と、検出された熱源側流体の流量と、検出された熱源側流体の蒸発器入口温度と、冷凍装置の冷凍能力とに基づいて熱源側流体の蒸発器出口温度を算出し、検出された熱源側流体の蒸発器入口温度と、算出された熱源側流体の蒸発器出口温度との温度差を検出する温度差算出手段１１４とを有するのでもよい。
目標過熱度変動手段１０６は、熱源側流体の蒸発器入口温度と熱源側流体の蒸発器出口温度との温度差に対応して、目標過熱度を設定する過熱度設定テーブル１１８を有する。たとえば、過熱度設定テーブル１１８は、このような温度差データと目標過熱度データとを対応付けたデータベースとして構成してもよい。

さらに、目標過熱度演算手段１０６により演算した目標過熱度を電子膨張弁２４の過熱度コントローラ２５に送信する目標過熱度送信手段を有する。
加えて、検出過熱度の安定性を評価するための検出過熱度評価手段１２０と、検出過熱度の安定性を評価するための評価パラメータに対する目標値を設定する評価パラメータ目標値設定手段１２２とを有する。
検出過熱度評価手段１２０は、検出された検出過熱度の評価パラメータの実測値と評価パラメータ目標値との差を算出し、その差が所定範囲内であれば、過熱度を安定と評価し、過熱設定値をそのままに保持し、一方その差が所定範囲外であれば、過熱度を不安定と評価し、目標過熱度を目標過熱度変動手段１０６により変動させる。
なお、この場合、評価パラメータの実測値と評価パラメータ目標値との差でなく、評価パラメータの実測値と評価パラメータ目標値との比により、両者の違いを評価してもよい。

この場合、目標過熱度変動手段１０６は、検出される検出過熱度の評価パラメータの値に係らず、目標過熱度の初期値を一定値に設定し、検出過熱度評価手段１２０が過熱度を安定と評価するまで、検出過熱度評価手段１２０が過熱度を不安定と評価するたびに目標過熱度を漸次増大させる。
この場合、過熱度を漸次増大させる増分値は、試運転による試行錯誤により設定すればよいが、増分値は、一定でもよいし、増分値を変動させ、たとえば過熱度を不安定と評価するカウント数が記録しておき、カウント数が多くなるほど、増分値を低減させてもよい。
また、目標過熱度変動手段１０６は、目標過熱度をタイマーにより段階的に変動させるのでもよい。

図４（Ａ）に示すように、評価パラメータとして、たとえば、検出過熱度の大きさの変化幅とし、評価パラメータ目標値設定手段１２２は、変化幅Ａに対する目標値を設定するのでもよく、図４（Ｂ）に示すように、評価パラメータとして、検出過熱度の変化速度Ａとし、評価パラメータ目標値設定手段１２２は、検出過熱度の変化速度に対する目標値を設定するのでもよい。
場合により、評価パラメータ目標値設定手段１２２は、検出過熱度評価手段１２０が過熱度を不安定と評価するたびに、評価パラメータに対する目標値を再設定してもよい。
変形例として、目標過熱度変動手段１０６は、検出される検出過熱度の評価パラメータの値に応じて、目標過熱度の初期値を設定し、検出過熱度評価手段１２０が過熱度を安定と評価するまで、目標過熱度を漸次増大させるのでもよい。
目標過熱度を漸次増大するのに、上述のように、過熱度を漸次増大させる増分値は、試運転による試行錯誤により設定すればよいが、増分値は、一定でもよいし、増分値を変動させるのでもよい。

次に、冷凍運転における膨張弁の開度制御動作について、図５の制御ブロック図により説明する。

まず、温度センサー（図示せず）により検出された熱源流体の蒸発器入口温度Ｔiと、温度センサー（図示せず）により検出された熱源流体の蒸発器出口温度Ｔoとの差ｅ１が演算され、目標過熱度設定部に入力される。目標過熱度設定部は、入力された差ｅ１を目標過熱度ＳＨｓに変換して出力する。

目標過熱度設定部から出力された目標過熱度ＳＨｓのうち、一方は、冷媒の蒸発器出口温度Ｔoおよび圧縮機吸入側冷媒圧力Pに基づいて、過熱度算出部を介してフィードバックされた検出過熱度ＳＨとの差ｅ２が演算され、膨張弁制御部に設けられたＰＩＤ制御部に入力され、他方は、制御ゲイン決定部に入力される。

制御ゲイン決定部は、予め記憶された制御ゲイン関数に基づいて、目標過熱度ＳＨｓを制御ゲインｇに変換して出力する。
この場合、たとえば、目標過熱度設定部が目標過熱度ＳＨｓを現在値よりも下げた場合には、制御ゲイン決定部は、現在よりも低い制御ゲインｇを出力し、一方、目標過熱度設定部が目標過熱度ＳＨｓを現在値よりも上げた場合には、制御ゲイン決定部は現在よりも高い制御ゲインｇを出力してもよい。

ＰＩＤ制御部は、差ｅ２を電子膨張弁２４の開度量ＥＶに変換し出力する。この場合、開度量ＥＶは、制御ゲイン設定部から入力される制御ゲインｇに基づいて調整されている。ここで、現在よりも低い制御ゲインｇが入力されると、差ｅ２と開度量ＥＶとの比が小さくなり、目標過熱度ＳＨｓに対する検出過熱度ＳＨの応答性は緩やかになる。一方、現在よりも高い制御ゲインｇが入力されると、偏差ｅ２と開度量ＥＶとの比が大きくなり、目標過熱度ＳＨｓに対する検出過熱度ＳＨの応答性は速やかになる。

ＰＩＤ制御部から出力された開度量ＥＶにより、電子膨張弁２４の開度が変更される。これにより、温度センサーにより検出される蒸発器出口温度Ｔo、および圧力センサーにより検出される圧縮機吸入側冷媒圧力Pが変化し、蒸発器出口温度Ｔo及び圧縮機吸入側冷媒圧力Pは検出過熱度設定部で検出過熱度ＳＨに変換されて、差ｅ２を演算するためにフィードバックされる。

このような制御動作が繰り返されて、電子膨張弁２４の開度が調整されることにより、検出過熱度ＳＨが目標過熱度ＳＨｓに近づく。

変形例として、図６に示すように、電子膨張弁２４のＰＩＤ制御に対して、目標過熱度の変動にかかわらず、ゲインの設定は初期値を固定して、目標過熱度のみを変動させてもよい。

次に、検出した過熱度の安定性評価について、説明する。
図７に示すように、ステップ１において、評価パラメータの目標値を設定する。次いで、ステップ２において、上述のようにして、過熱度を検出する。次いで、ステップ３において、検出された過熱度に基づいて、評価パラメータを検出する。この場合、検出すべき評価パラメータは、図４（Ａ）に示すように、検出した過熱度の変化の幅Ａであったり、図４（Ｂ）に示すように、検出した過熱度の変化速度Ａであったり、さらには、検出した過熱度の変化加速度であったりしてもよい。次いで、ステップ４において、設定した評価パラメータと検出した評価パラメータとの差を算出する。次いで、ステップ５において、算出した差が所定範囲内であるから否かを判定する。この所定範囲は、予め試運転を行い、試行錯誤により設定してもよい。次いで、ステップ６において、算出した差が所定範囲外である場合には、目標過熱度変動手段により、目標過熱度の値を変動したうえで、再度、ステップ１に戻り、算出した差が所定範囲内に収まるまで、ステップ１からステップ６までの操作を繰り返す。ステップ５において、算出した差が所定範囲内である場合には、ステップ１における評価パラメータの目標値の設定は、省略したうえで、過熱度を常時検出して、設定されている評価パラメータと検出した評価パラメータとの差が所定範囲内となるかを継続してモニタリングする。
以上のような操作により、検出した過熱度の安定性を評価し、不安定な場合には安定するように調整する。

以上のように、本発明は、従来、当業者が認識していなかった、運転条件の変動に対する冷凍装置における過熱度制御の不安定性の原因究明に基づいて、過熱度制御の安定性を確保可能とする冷凍装置の制御装置１００を提供するものである。

すなわち、上記構成の冷凍装置の制御装置１００によれば、蒸発器１６における負荷変動に応じて電子膨張弁２４の目標過熱度を変動させることにより、電子膨張弁２４の開度調整において、変動させた目標過熱度となるように、目標過熱度と検出過熱度との差に応じて、電子膨張弁２４の開度を調整することで、たとえば、電子膨張弁２４の過熱度コントローラの制御パラメータ値を変更することなく、運転条件の変動に対して冷凍運転が安定に収束するまでの過度的な運転状態において、過熱度についての制御安定性を確保可能であり、冷凍装置の運転が不安定となり、場合により運転停止するような事態を未然に防止することが可能である。

本発明者は、上述の冷凍装置の制御装置１００および制御方法を用いて、電子膨張弁２４の制御性能試験を２種類行った。
概略の試験条件は以下の通りである。
（Ａ）試験１
（１） 排温水冷却温度差ΔＴ：２０Ｋ（７５℃と５５℃）
（２） 試験パラメータ
（い）過熱度：１０Ｋ、１３Ｋおよび１５Ｋ
（ろ）ＰＩＤ：Ｐ：２０、３０、Ｉ：１００、２００、Ｄ：０
（３） 測定データ
（い）製造温水温度
（ろ）製造蒸気温度
（は）排温水入口温度
（に）排温水出口温度
（ほ）アキュムレータ〜圧縮機間冷媒温度
（へ）アキュムレータ入口冷媒温度
（と）圧縮機吐出冷媒圧力
（ち）圧縮機吸入冷媒圧力
（り）給水流量

（Ｂ）試験２
（１） 排温水冷却温度差ΔＴ：４０Ｋ（８５℃と４５℃）
（２） 試験パラメータ
（い）過熱度：２３Ｋ、１３Ｋおよび１５Ｋ
（ろ）ＰＩＤ：Ｐ：２０、３０、Ｉ：１００、２００、Ｄ：０
（３） 測定データ
試験１と同様である。

試験１および２において、検出過熱度の安定性評価について、検出過熱度の大きさの変化幅により評価した。

試験結果を図８ないし図１２に示す。
図８および図９に示すように、試験１について、時点Ａにおいて、ＰＩＤは変えずに、目標過熱度を１３Ｋから１０Ｋに変更したことにより、圧縮機吐出冷媒圧力の変化にみられるように、制御が不安定となっている。
これより、本装置のバランスでは、７５℃から５５℃という熱源流体の冷却温度差に対して、目標過熱度１０Ｋが小さ過ぎることがわかる。
時点Ｂにおいて、ＰＩＤについて、変更したが、制御の不安定性に対する改善は見られない。
時点Ｃにおいて、ＰＩＤは変えずに、目標過熱度を１０Ｋから１５Ｋに変更したことにより、圧縮機吐出冷媒圧力の変化にみられるように、制御が安定となっている。
すなわち、ＰＩＤを変えなくても、目標過熱度の変更のみで、制御の安定化を達成
可能であることを確認した。
時点Ｄにおいて、ＰＩＤについて、変更したが、さらに、若干の制御の安定性に対する改善が確認された。
時点Ｅにおいて、ＰＩＤは変えずに、目標過熱度を１５Ｋから１２Ｋに変更したことにより、圧縮機吐出冷媒圧力の変化にみられるように、制御が再び不安定となっている。
以上より、７５℃から５５℃という熱源流体の冷却温度差に対して、目標過熱度の下限値は、１３Ｋであることを確認した。

次に、図１０ないし図１２に示すように、試験２について、熱源流体の冷却温度差とＰＩＤは一定のまま、目標過熱度を２６Ｋから１７Ｋまで段階的に低下させている。
この場合、目標過熱度が２１Ｋから制御の乱れが大きくなり始め、１９Ｋは、完全に不安定となっており、これより、熱源流体の冷却温度差が大きい場合には、目標過熱度を小さくし過ぎると、制御が不安定になりやすいことを確認した。

以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の範囲から逸脱しない範囲内において、当業者であれば、種々の修正あるいは変更が可能である。
たとえば、本実施形態においては、冷凍装置の立ち上げの際、冷凍装置の運転が安定するまでの過度状態において過熱度を漸次増大させる場合を説明したが、それに限定されることなく、検出過熱度の安定性を評価するための評価パラメータを常時モニタリングすることを前提に、いったん安定した後に、外乱により冷凍装置の運転が不安定となった場合に、過熱度を漸次増大させたり、あるいは、冷凍装置の運転が安定したが、過剰安定の場合に、過熱度を漸次低減させてもよい。
たとえば、本実施形態においては、排熱回収ヒートポンプに対して過熱度の制御を行う場合を説明したが、それに限定されることなく、冷凍装置における被冷却側の温度差は、負荷温度や流量の変動を受けて、必ずしも一定であるとは限らない以上、たとえば、二元冷凍装置に対して、本実施形態の過熱度の制御を適用することにより、低元側冷凍サイクルの圧縮比や冷媒の低圧の変化によって、吐出冷媒ガスの過熱度が大きく変動し、高元側での冷却温度差も変化する場合に、過熱度の安定な制御に有効である。
また、たとえば、本実施形態においては、評価パラメータとして、検出過熱度の大きさの変化幅または検出過熱度の変化速度を選択したが、それに限定されることなく、これらの評価パラメータを組み合わせても用いてもよいし、たとえば、検出過熱度の変化加速度を用いてもよい。

本発明の実施形態に係る冷凍装置の全体構成図である。 本発明の実施形態に係る冷凍装置の過熱度の検出に係る部分の概略図である。 本発明の実施形態に係る冷凍装置の過熱度の制御部の構成図である。 本発明の実施形態に係る冷凍装置の過熱度の制御に用いる評価パラメータを示す概念図である。 本発明の実施形態に係る冷凍装置の過熱度の制御ブロック図である。 図５の変形例である。 本発明の実施形態に係る冷凍装置の過熱度の制御フローチャートである。 電子膨張弁２４の制御性能確認試験１について、第１運転状態、第２運転状態および第３運転状態において、目標過熱度および制御パラメータ値に応じて、各種運転パラメータが時間的にどのように変化するかを示すグラフである。 電子膨張弁２４の制御性能確認試験１について、第４運転状態、第５運転状態および第６運転状態において、目標過熱度および制御パラメータ値に応じて、各種運転パラメータが時間的にどのように変化するかを示す図８と同様な図である。 電子膨張弁２４の制御性能確認試験２について、第１運転状態、第２運転状態において、目標過熱度および制御パラメータ値に応じて、各種データ測定値が時間的にどのように変化するかを示すグラフである。 電子膨張弁２４の制御性能確認試験２について、第３運転状態および第４運転状態において、目標過熱度および制御パラメータ値に応じて、各種データ測定値が時間的にどのように変化するかを示す図１０と同様なグラフである。 電子膨張弁２４の制御性能確認試験２について、第５運転状態および第６運転状態において、目標過熱度および制御パラメータ値に応じて、各種データ測定値が時間的にどのように変化するかを示す図１０と同様なグラフである。

Ａ 評価パラメータ
１０ 冷凍装置
１２ 冷媒回路
１６ 蒸発器
１８ 圧縮機
２０ 冷媒往管
２２ 凝縮器
２４ 電子膨張弁
２６ 冷媒復管
３８ 駆動用モータ
４０ インバータ装置
４２ 油分離器
４４ 受液器
４６ アキュムレータ
５２ 制御部
１００ 制御装置
１０２ 目標過熱度設定手段
１０４ 負荷変動算出手段
１０６ 目標過熱度変動手段
１０８ 開度調整手段
１１０ 蒸発器入口温度検出手段
１１２ 蒸発器出口温度検出手段
１１４ 温度差算出手段
１１６ 流量検出手段
１１８ 過熱度設定テーブル
１２０ 検出過熱度評価手段
１２２ 評価パラメータ目標値設定手段

Claims (15)

1. 圧縮機と、凝縮器と、電子膨張弁と、蒸発器とがこの順に接続されて、冷媒が循環する冷
   媒回路を構成する冷凍装置の制御装置において、
   前記電子膨張弁に対する目標過熱度を設定する目標過熱度設定手段と、
   冷凍サイクルの運転中において、該蒸発器における熱源側流体の負荷変動を算出する負荷変動算出手段
   と、
   該負荷変動算出手段によって算出された熱源側流体の負荷変動に応じて、前記電子膨張弁の目標過熱度を変動させる目標過熱度変動手段と、
   前記電子膨張弁の検出過熱度が該目標過熱度変動手段によって変動された目標過熱度とな
   るように、前記電子膨張弁の開度調整を行う開度調整手段とを、有することを特徴とする
   冷凍装置の制御装置。
2. 前記負荷変動算出手段は、前記蒸発器における熱源側流体の蒸発器入口温度を検出する蒸
   発器入口温度検出手段と、前記蒸発器における熱源側流体の蒸発器出口温度を検出する蒸
   発器出口温度検出手段と、検出された熱源側流体の蒸発器入口温度と、検出された熱源側
   流体の蒸発器出口温度との温度差を検出する温度差算出手段とを有する、請求項１に記載
   の冷凍装置の制御装置。
3. 前記負荷変動算出手段は、熱源側流体の流量を検出する流量検出手段と、前記蒸発器にお
   ける熱源側流体の蒸発器入口温度を検出する蒸発器入口温度検出手段と、検出された熱源
   側流体の流量と、検出された熱源側流体の蒸発器入口温度と、前記冷凍装置の冷凍能力と
   に基づいて熱源側流体の蒸発器出口温度を算出し、検出された熱源側流体の蒸発器入口温
   度と、算出された熱源側流体の蒸発器出口温度との温度差を検出する温度差算出手段とを
   有する、請求項１に記載の冷凍装置の制御装置。
4. 前記目標過熱度変動手段は、熱源側流体の蒸発器入口温度と熱源側流体の蒸発器出口温度
   との温度差に対応して、目標過熱度を設定する過熱度設定テーブルを有する、請求項２ま
   たは請求項３に記載の冷凍装置の制御装置。
5. さらに、検出過熱度の安定性を評価するための検出過熱度安定性評価手段と、
   検出過熱度の安定性を評価するための評価パラメータに対する目標値を設定する評価パラ
   メータ目標値設定手段とを有し、
   該検出過熱度評価手段は、検出された検出過熱度の評価パラメータ実測値と評価パラメー
   タ目標値との違いを算出し、その違いが所定範囲内であれば、過熱度を安定と評価し、前
   記過熱設定値をそのままに保持し、一方その違いが所定範囲外であれば、過熱度を不安定
   と評価し、前記目標過熱度を前記目標過熱度変動手段により変動させる、請求項１ないし
   請求項４のいずれか１項に記載の冷凍装置の制御装置。
6. 前記目標過熱度変動手段は、検出される検出過熱度の評価パラメータの値に係らず、前記
   目標過熱度の初期値を一定値に設定し、前記検出過熱度評価手段が過熱度を安定と評価す
   るまで、前記検出過熱度評価手段が過熱度を不安定と評価するたびに前記目標過熱度を漸
   次増大させる、請求項５に記載の冷凍装置の制御装置。
7. 前記目標過熱度変動手段は、前記目標過熱度をタイマーにより段階的に変動させる、請求
   項６に記載の冷凍装置の制御装置。
8. 前記目標過熱度変動手段は、検出される検出過熱度の評価パラメータの値に応じて、前記
   目標過熱度の初期値を設定し、前記検出過熱度評価手段が過熱度を安定と評価するまで、
   前記目標過熱度を漸次増大させる、請求項５に記載の冷凍装置の制御装置。
9. 前記評価パラメータは、検出過熱度の大きさの変化幅であり、前記評価パラメータ目標値
   設定手段は、前記変化幅に対する目標値を設定する、請求項５ないし請求項８のいずれか
   １項に記載の冷凍装置の制御装置。
10. 前記評価パラメータは、検出過熱度の変化速度であり、前記評価パラメータ目標値設定手
    段は、検出過熱度の変化速度に対する目標値を設定する、請求項５ないし請求項８のいず
    れか１項に記載の冷凍装置の制御装置。
11. 前記評価パラメータ目標値設定手段は、前記検出過熱度評価手段が過熱度を不安定と評価
    するたびに、評価パラメータに対する目標値を再設定する、請求項５ないし請求項１０の
    いずれか１項に記載の冷凍装置の制御装置。
12. 請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の冷凍装置の制御装置を具備する冷凍装
    置。
13. 圧縮機と、凝縮器と、電子膨張弁と、蒸発器とがこの順に接続されて、冷媒が循環する冷
    媒回路を構成する冷凍装置の制御方法において、
    前記電子膨張弁に対する過熱度の初期値を設定する段階と、
    冷凍サイクルの運転中において、前記電子膨張弁の過熱度を検出するとともに、該蒸発器
    における熱源側流体の負荷変動を算出する段階と、
    算出された熱源側流体の負荷変動に応じて、前記電子膨張弁の目標過熱度を変動させる段階と、
    前記電子膨張弁の検出過熱度が、変動された目標過熱度となるように、前記電子膨張弁の
    開度調整を行う段階とを、有することを特徴とする冷凍装置の制御方法。
14. さらに、検出過熱度の安定性を評価する段階と、
    検出過熱度の安定性を評価するための評価パラメータに対する目標値を設定する段階と、
    を有し、
    該検出過熱度評価段階において、検出された検出過熱度の評価パラメータ実測値と評価パ
    ラメータ目標値との違いを算出し、その違いが所定範囲内であれば、過熱度を安定と評価
    し、前記過熱設定値をそのままに保持し、一方その違いが所定範囲外であれば、過熱度を
    不安定と評価し、前記目標過熱度を変動させる、請求項１３に記載の冷凍装置の制御方法
    。
15. 前記検出過熱度が目標過熱度となるように、フィードバック制御を行う、請求項１３また
    は請求項１４に記載の冷凍装置の制御方法。
    

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