JP5875707B2 - 冷凍サイクル装置、及び冷凍サイクル装置の制御方法 - Google Patents

冷凍サイクル装置、及び冷凍サイクル装置の制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、圧縮機、凝縮器、開度が可変である膨張弁、及び、蒸発器を、配管によって環状に接続し、冷媒を循環させる冷凍サイクル装置、及びその制御方法に関する。
従来の冷凍サイクル装置においては、圧縮機の吐出側温度が上限温度を越えたとき電動式膨張弁を全開にさせると共に、全開させる前の弁開度を記憶しておく。その後、吐出側温度が下限温度まで下がったところで記憶していた開度よりも一定開度開いた開度に設定する。これにより、圧縮機の吐出側温度を異常に上昇させることなく、所定の開度にすみやかに設定できるとされている(例えば、特許文献1参照)。
特開昭60−140075号公報(第2頁)
従来の技術では、温度センサによって検出した吐出温度と上限温度とを比較して、膨張弁を制御している。しかし、温度センサによって検出された検出値に誤差がある場合、適切に膨張弁を制御することができない、という問題点があった。膨張弁の開度が適切に制御されない場合、COP(成績係数)及び能力が低下する、という問題点があった。
温度センサの検出値の誤差を考慮して目標温度を設定することも考えられるが、温度センサの検出値の誤差は、複数の冷凍サイクル装置を製造する際にはそれぞれ個体差がある。例えば、製造工程において、温度センサを冷媒配管に設置した際に、取り付けた状態にバラツキが生じる場合がある。また、温度センサ自体の分解能及び精度にも個体差がある。このため、温度センサの検出値の誤差を考慮して、各装置に個別に目標温度を設定することは困難である。
圧縮機の吐出温度の検出とは別に、凝縮器出口の過冷却度(SC:サブクール)を検出することで、膨張弁の開度を制御することも考えられる。しかし、低負荷運転時など、凝縮器出口の冷媒が過冷却状態とならない運転状態では、膨張弁を適切に制御することができない、という問題点があった。特に、室外機と室内機とを接続する配管が長くなる程冷媒量が不足するため、この問題点は顕著となる。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、温度センサの検出値の誤差及び冷凍サイクル装置の運転状態にかかわらず、COP及び能力を向上することができる冷凍サイクル装置及び冷凍サイクル装置の制御方法を得ることを目的とする。
本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、開度が可変である膨張弁、及び、蒸発器を、配管によって環状に接続し、冷媒を循環させる冷凍サイクル装置において、前記圧縮機から吐出された前記冷媒の吐出温度を検出する温度センサと、前記膨張弁の開度を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、現在の前記膨張弁の開度及び前記吐出温度の情報と、予め設定された算出式とを用いて、前記膨張弁の開度変化させた後の前記吐出温度の予測値を求め、前記膨張弁の開度変化させた際の、前記吐出温度の実測値と前記吐出温度の予測値との差基づき、前記膨張弁に設定する開度を決定する。
本発明は、温度センサの検出値の誤差及び冷凍サイクル装置の運転状態にかかわらず、COP及び能力を向上することができる。
本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 膨張弁3の開度とCOP改善率及び能力改善率との関係を示す図である。 膨張弁3の開度と吐出温度及び吸入SHとの関係を示す図である。 膨張弁3の開度と吐出温度の予測値及び実測値との関係、並びに、膨張弁3の開度とCOPとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の制御動作を示すフローチャートである。 STEP2の詳細を示すフローチャートである。 STEP2における膨張弁3の動作例を示す図である。 STEP2における膨張弁3の動作例を示す図である。 STEP2における膨張弁3の動作例を示す図である。 本発明の実施の形態1又は2に係る冷凍サイクル装置の他の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態1又は2に係る冷凍サイクル装置の他の構成例を示す図である。 図10及び図11に示す冷凍サイクル装置のPh線図である。
実施の形態1.
<冷凍サイクル装置の構成>
図1は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の構成図である。
図1に示すように、冷凍サイクル装置100は、室外機61と、室外機61から分離している室内機62とを備えている。室外機61と室内機62とは、液管5及びガス管7によって接続され、後述の冷媒回路20を構成している。室外機61は、熱源、例えば大気等へ放熱又は吸熱を行う。室内機62は、負荷、例えば室内空気への放熱又は吸熱を行う。なお、図1には室内機62を1台のみ備えた構成を示したが、複数台としてもよい。
<室外機の構成>
室外機61は、圧縮機1と、流路切り替え装置である四方弁8と、熱源側媒体と熱交換を行う室外熱交換器2と、冷媒緩衝容器であるアキュムレータ9と、減圧装置である膨張弁3とを備え、これらが冷媒配管で接続されている。室外機61は更に、大気や水等の熱源側媒体を室外熱交換器2に搬送する装置である室外ファン31を備えている。以下、室外機61を構成する各機器について順に説明する。
(圧縮機)
圧縮機1は例えば全密閉式圧縮機であり、制御装置50からの指令によってインバータで回転数を可変することができる圧縮機である。圧縮機1を回転数制御して冷媒回路20を循環する冷媒流量を調整することで、室内機62での放熱又は吸熱量を調整し、例えば負荷側が室内空気の場合は、室内空気温度を適正に保つことができる。
(四方弁)
四方弁8は、圧縮機1から吐出されたガス冷媒を室外熱交換器2又は室内熱交換器6に流すように流路を切り替えるために用いられる。四方弁8で流路を切り替えることで、例えば室外熱交換器2を凝縮器(放熱器)として機能させたり、蒸発器として機能させたりすることができる。
(室外熱交換器)
室外熱交換器2は、例えばフィンアンドチューブ型熱交換器で、室外ファン31から供給された熱源側媒体としての外気と、冷媒との熱交換を行う。なお、室外熱交換器2において冷媒と熱交換する熱源側媒体は、外気(空気)に限らず、例えば水や不凍液等を熱源として利用できるようにしても良い。この場合、室外熱交換器2にはプレート熱交換器を用い、熱源側搬送装置には室外ファン31ではなくポンプを用いる。また、室外熱交換器2は、熱交換配管を地中に埋めて地熱を利用することで年間を通じて安定した温度の熱源を供給できるようにしても良い。
(膨張弁)
膨張弁3は、制御装置50からの指令によって開度を可変することができる弁である。膨張弁3は、例えば、電子制御式膨張弁(Linear Expansion Valve:LEV)を用いる。膨張弁3は、開度を変化させることで流路抵抗が変化する。膨張弁3の開度を設定する動作は後述する。
(アキュムレータ)
アキュムレータ9は、蒸発器から流出した気液二相冷媒を気液分離する機能を持つ。このため、冷媒を圧縮機1に流入させる前にアキュムレータ9を通過させることで、圧縮機1に液冷媒が吸入されるのを抑制できる。よって、アキュムレータ9は、圧縮機1での液圧縮の防止や、圧縮機1内の油濃度の低下による軸焼付け防止等、信頼性向上に寄与する。一方で、アキュムレータ9は圧縮機1へ戻すべき冷凍機油も分離している。このため、アキュムレータ9内の吸入配管(図示しない)には、必要量の冷凍機油を圧縮機1に戻すための穴やパイプが配置され、冷凍機油を圧縮機1に戻すようにしており、冷凍機油が冷媒に溶けている場合は、冷凍機油と共に若干の液冷媒が圧縮機1に戻る。
<室内機の構成>
室内機62は、負荷側媒体と熱交換を行う室内熱交換器6と、負荷側媒体である室内空気を搬送する装置である室内ファン32とを備えている。以下、室内機62を構成する各機器について順に説明する。
(室内熱交換器)
室内熱交換器6は、例えばフィンアンドチューブ型熱交換器で構成され、室内ファン32から供給された負荷側媒体としての室内空気と、冷媒との熱交換を行う。なお、室内熱交換器6において冷媒と熱交換する負荷側媒体は、室内空気に限らず、例えば水や不凍液等を熱源として利用できるようにしても良い。この場合、室内熱交換器6にはプレート熱交換器を用い、負荷側搬送装置は室内ファン32ではなくポンプを用いる。
(接続配管)
液管5とガス管7は、室外機61と室内機62を接続する接続配管であり、接続に必要な所定の長さを持つ。また、一般的には液管5よりもガス管7の配管径は大きい。液管5は、室外機61の室外機液管接続部11と、室内機62の室内機液管接続部13との間に接続され、また、ガス管7は、室外機61の室外機ガス管接続部12と、室内機62の室内機ガス管接続部14との間に接続される。このように液管5及びガス管7により室外機61と室内機62とが接続されることで、圧縮機1、四方弁8、室内熱交換器6、膨張弁3、室外熱交換器2、四方弁8、アキュムレータ9の順に冷媒が循環する冷媒回路20が構成される。
<センサ類及び制御装置>
次に、冷凍サイクル装置100に備えられたセンサ類及び制御装置50について説明する。
室外機61において圧縮機1の吐出側には、圧縮機1から吐出された冷媒の温度(以下、吐出温度)を検出する吐出温度センサ41が設けられている。また、室外熱交換器2には、室外熱交換器2を流れる冷媒の温度(すなわち、冷房運転時における凝縮温度又は暖房運転時における蒸発温度に対応する冷媒温度)を検出する室外熱交飽和温度センサ42が設けられている。そして、室外熱交換器2の液側には、冷媒の温度を検出する室外熱交温度センサ43が設けられている。
室外熱交換器2は冷房運転時に凝縮器(放熱器)となり、冷房運転時の凝縮器出口の過冷却度(SC:サブクール)は、室外熱交温度センサ43の検出値から室外熱交飽和温度センサ42の検出値を減算することで求められる。このように、室外熱交飽和温度センサ42及び室外熱交温度センサ43により過冷却度検出装置が構成される。なお、過冷却度検出装置はこの構成に限らず、圧縮機1からの吐出圧力を検出するセンサを設けそのセンサの検出値から換算される冷媒飽和ガス温度を、室外熱交温度センサ43の検出値から減算して求める構成としてもよい。
また、室内機62において室内熱交換器6には、室内熱交換器6を流れる冷媒の温度(すなわち、冷房運転時における蒸発温度又は暖房運転時における凝縮温度に対応する冷媒温度)を検出する室内熱交飽和温度センサ44が設けられている。また、室内熱交換器6の液側には、冷媒の温度を検出する室内熱交温度センサ45が設けられている。
室内熱交換器6は暖房運転時に凝縮器(放熱器)となり、暖房運転時の凝縮器出口の過冷却度(SC:サブクール)は、室内熱交温度センサ45の検出値から室内熱交飽和温度センサ44の検出値を減算することで求められる。このように、室内熱交飽和温度センサ44及び室内熱交温度センサ45により過冷却度検出装置が構成される。なお、過冷却度検出装置はこの構成に限らず、圧縮機1からの吐出圧力を検出するセンサを設けそのセンサの検出値から換算される冷媒飽和ガス温度を、室内熱交温度センサ45の検出値から減算して求める構成としてもよい。
制御装置50は、マイクロコンピュータで構成され、CPU、RAM及びROM等を備えており、ROMには制御プログラム及び後述のフローチャートに対応したプログラム等が記憶されている。制御装置50は、各センサからの検出値に基づいて圧縮機1、膨張弁3、室外ファン31及び室内ファン32を制御する。また、制御装置50は四方弁8の切り替えにより冷房運転又は暖房運転を行う。なお、制御装置50は、室外機61に設けられていても良いし、室内機62に設けられていても良いし、また、室内制御装置と室外制御装置とに分けて構成し、互いに連携処理を行う構成にしても良い。
次に、本実施の形態の冷媒回路20における暖房運転及び冷房運転について順次説明する。
<暖房運転時の冷媒の動作>
暖房運転時は、四方弁8が図1の実線で示される状態に切り替えられる。そして、圧縮機1から吐出した高温高圧の冷媒は、四方弁8を通過して室外機ガス管接続部12からガス管7へ流入する。ガス管7は所定の長さを持つため、ガス管7内に流入した冷媒はガス管7内の摩擦損失によって減圧される。その後、冷媒は、室内機ガス管接続部14から室内機62の室内熱交換器6へ流入する。室内熱交換器6は、暖房運転時は放熱器として働くことから、室内熱交換器6に流入した冷媒は室内ファン32からの室内空気と熱交換して放熱し、温度が低下して過冷却状態の液冷媒となって、室内熱交換器6から流出する。
室内熱交換器6から流出した液冷媒は、室内機液管接続部13より液管5へ流入する。液管5へ流入した冷媒は、液管通過時もガス管通過時と同様に摩擦損失によって減圧され室外機液管接続部11から室外機61に流入する。そして、室外機61に流入した冷媒は、冷媒熱交換器4でアキュムレータ9からの冷媒と熱交換して更に冷却された状態の冷媒となる。冷媒熱交換器4で冷却された状態の冷媒は、膨張弁3によって減圧されて気液二相冷媒となり、室外熱交換器2へ流入する。室外熱交換器2は、暖房運転時には蒸発器として働くことから、室外熱交換器2に流入した冷媒は室外ファン31からの室外空気と熱交換して吸熱、蒸発し、飽和ガスもしくは乾き度の高い気液二相冷媒となって室外熱交換器2から流出する。
室外熱交換器2から流出した冷媒は、四方弁8を通過してアキュムレータ9へ流入する。アキュムレータ9では気液二相で流入した冷媒を気液分離し、ガス冷媒が圧縮機1へ吸入される。
<冷房運転時の冷媒の動作>
冷房運転時は、四方弁8が図1の点線で示される状態に切り替えられる。圧縮機1から吐出した高温高圧の冷媒は、四方弁8を通過して室外熱交換器2へ流入する。室外熱交換器2に流入する冷媒は、圧縮機1から吐出した高温高圧冷媒と略変わらない冷媒状態である。室外熱交換器2は、冷房運転時は放熱器として働くことから、室外熱交換器2に流入した冷媒は、室外ファン31からの外気(大気)と熱交換して放熱し、温度が低下して過冷却状態の液冷媒となって、室内熱交換器6から流出する。
室外熱交換器2から流出した冷媒は、膨張弁3によって減圧されて気液二相冷媒となり、室外機液管接続部11を通過して液管5に流入する。液管5は所定の長さを持つため、液管5へ流入した冷媒は、液管5内の摩擦損失によって更に減圧され、その後、室内機液管接続部13から室内機62の室内熱交換器6に流入する。室内熱交換器6は、冷房運転時には蒸発器として働くことから、室内熱交換器6に流入した冷媒は、室内ファン32からの室内空気と熱交換して吸熱、蒸発し、飽和ガスもしくは乾き度の高い気液二相冷媒となって室内熱交換器6から流出する。
室内熱交換器6から流出した冷媒は、室内機ガス管接続部14を通過してガス管7へ流入する。ガス管7も液管5と同等の長さを持ち、ガス管7へ流入した冷媒は、ガス管通過時に摩擦損失によって減圧され、室内機ガス管接続部14及び四方弁8を通過してアキュムレータ9へ流入する。アキュムレータ9では気液二相で流入した冷媒が気液分離され、ガス冷媒が圧縮機1へ吸入される。
<膨張弁3の開度と、吐出温度、COP、能力との関係>
図2は、膨張弁3の開度とCOP改善率及び能力改善率との関係を示す図である。
図3は、膨張弁3の開度と吐出温度及び吸入SH(スーパーヒート)との関係を示す図である。
圧縮機1の回転数が一定の状態で、膨張弁3の開度を変化させた場合、成績係数(Coefficient Of Performance:COP)改善率及び能力改善率が最大となる開度が存在する。図2に示す例では、膨張弁3の開度が100pulseでCOP改善率及び能力改善率が最大となる。
また、COP改善率及び能力改善率が最大となる膨張弁3の開度においては、圧縮機1に吸入される冷媒には過熱度(以下、吸入SH)が若干付いた状態となる。例えば、図3に示すように、COP改善率及び能力改善率が最大となる膨張弁3の開度(100pulse)においては、吸入SHが約1Kとなる。一方、吸入SHが大きくなりすぎると、吸入飽和温度が大きく低下するためCOPが低下し、COP改善率及び能力改善率が低下することとなる。
冷媒回路20では、蒸発器出口の過熱度と、圧縮機1吸入の過熱度(吸入SH)とが略同じ値となる。このため、図3に示すように、吸入SHの変化と、吐出温度の変化とには相関があり、吸入SHが増加すると吐出温度も増加する。つまり、吐出温度は、COP改善率及び能力改善率と相関がある。
<実測値と予測値との誤差>
図4(a)は、膨張弁3の開度と吐出温度の予測値及び実測値との関係を示す図である。図4(b)は、膨張弁3の開度と吐出温度の変化量の予測値及び実測値との関係を示す図である。図4(c)は、膨張弁の開度とCOPとの関係を示す図である。
膨張弁3の開度を所定量変化させた後の吐出温度は、現在の吐出温度から、後述する算出式を用いて予測することができる。
図4(a)、図8(b)に示すように、吐出温度の実測値と予測値とは、概ね一致している。ただし、膨張弁3の開度が大きくなると、実測値と予測値との誤差が大きくなる。また、図4(c)に示すように、実測値と予測値との誤差が大きくなる開度ではCOPが低下する。
即ち、圧縮機1に吸入される冷媒が湿り状態(吸入SH<0)の場合、つまり膨張弁3の開度がLPsより大きい第2領域では、実測値と予測値との誤差が大きくなる。また、吸入SH>0の場合、つまり膨張弁3の開度がLPsより小さい第1領域では、実測値と予測値との誤差が小さくなる。
よって、膨張弁3の開度を変化させた後の吐出温度の実測値と予測値との差の大きさに基づき、蒸発器出口の冷媒が飽和ガスとなる膨張弁3の開度(LPs)に近似した開度(LPz)、及び、飽和ガス温度に近似した吐出温度(Tdz)の探索が可能となる。つまり、COP改善率及び能力改善率を向上できる、膨張弁3の開度(LPm)及び目標吐出温度(Tdm)の探索が可能となる。
<吐出温度の予測値>
膨張弁3を変化させた後の吐出温度を予測する算出式について説明する。
圧縮過程をポリトロープ変化と考えると、吐出温度Tdと吸入温度Tsは、吐出圧力Pd、吸入圧力Ps、ポリトロープ指数αを用いて式(1)の関係となる。
Figure 0005875707
膨張弁3を変化させた後の吐出温度Tdと吸入温度Tsの関係は式(2)となる。
Figure 0005875707
ここで、膨張弁3の変化前後で、吐出圧力、吸入圧力、ポリトロープ指数が変化しないと仮定すると、式(1)と式(2)より、式(3)が求まる。
Figure 0005875707
ここで、吸入温度Tsは、吸入飽和温度ETと吸入過熱度SHsより式(4)で表すことができる。
Figure 0005875707
圧縮機1の回転数が一定のため、吐出圧力、吸入圧力が変化しないことから、吐出温度と吸入SHは、式(3)と式(4)より、式(5)の関係となる。
Figure 0005875707
つまり、吐出温度の変化量は、吸入SHの変化量に比例する。
また、膨張弁3の開度の変化量ΔLPは、吸入過熱度(吸入SH)の変化量と相関があるため、式(6)で表すことができる。
Figure 0005875707
なお、λは係数である。
式(6)を変形すると、吸入SHは、式(7)で表すように、膨張弁3の開度の変化量ΔLPの関数となる。
Figure 0005875707
ここで、LPは、現在の膨張弁3の開度、LPは、全閉開度を表す。
式(5)と式(7)から、膨張弁3開度を1回変化させた場合の吐出温度は、
式(8)で表すことができる。
Figure 0005875707
ここで、Kは、式(9)となる。
Figure 0005875707
式(8)より、膨張弁3の開度を1回変化させた場合における、吐出温度の変化量ΔTdの予測値は、式(10)で表すことができる。また、膨張弁3の開度を1回変化させた場合における、吐出温度の予測値は、式(11)で表すことができる。
Figure 0005875707
Figure 0005875707
ここで、βは実機用の補正係数である。比例係数Kは式(9)に示すように、運転時の吐出圧力Pd、吸入圧力Psなどによって決まる値である。補正係数β及び比例係数Kは、実験データ又はシミュレーションなどによって予め設定しても良いし、運転時に計測した結果を用いて算出しても良い。例えば、室外熱交飽和温度センサ42及び室内熱交飽和温度センサ44によって検出された飽和温度から、吐出圧力Pd、吸入圧力Psを算出し、これらの値を用いて比例係数Kを算出しても良い。このように、運転時の計測結果を用いて比例係数Kを算出することで、吐出温度の予測値を精度良く求めることができる。
<制御動作>
次に、膨張弁3の開度(LPz)を探索し、COP改善率及び能力改善率を向上させる膨張弁3の開度(LPm)及び目標吐出温度(Tdm)を設定する、制御動作を説明する。
図5は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の制御動作を示すフローチャートである。
以下、図5の各ステップに基づき説明する。
(STEP1)
制御装置50は、冷凍サイクル装置100が暖房運転又は冷房運転の運転状態において、開始条件を満たしたとき、膨張弁3の開度を最適化させる制御を開始する。
本制御は、できるだけ冷凍サイクルの動作が安定した状態から開始することで、吐出温度を正確に判定できる。
(開始条件)
例えば、以下の[(a)or(b)]and(c)を開始条件として設定する。
(a)吐出温度の変化量が予め設定した範囲(例えば±1K)内で所定時間(例えば5分)安定した場合。
(b)圧縮機1の回転数、室外ファン31の回転数、及び、室内ファン32の回転数が固定(一定制御)された場合。
(c)圧縮機1の起動から予め設定した第1の時間(例えば20分)経過した場合。
なお、本制御の開始前の運転状態において、アキュムレータ9に余剰冷媒が存在すると、吐出温度変化が遅くなるため、吸入SHが0以上(例えば5K)であるのが望ましい。このため、運転状態にかかわらず吸入SHが0以上(例えば吸入SH>5K)となる初期開度を、予め記憶しておく。そして、冷凍サイクル装置100の運転初期における膨張弁3の開度を、記憶した初期開度に設定する。
(STEP2)
制御装置50は、蒸発器出口の冷媒が飽和ガスとなる膨張弁3の開度(LPs)に近似した開度(LPz)及び飽和ガス温度に近似した吐出温度(Tdz)を探索する。STEP2の詳細を、図5を用いて説明する。
図6は、STEP2の詳細を示すフローチャートである。
以下、図6の各ステップに基づき説明する。
なお、iは膨張弁3の変化回数であり、初期値が0である。
(STEP2−1)
制御装置50は、変化回数iが0であるか否かを判断する。
変化回数iが0の場合は、STEP2−4aへ進む。変化回数iが0でない場合は、STEP2−2へ進む。
(STEP2−4a)
制御装置50は、吐出温度センサ41が検出した現在の吐出温度Td(i)と、膨張弁3に設定した現在の開度LP(i)とを記憶する。
(STEP2−5a)
制御装置50は、上記式(11)に、現在の吐出温度Td(i)、現在の開度LP(i)、開度の変化量ΔLP(i+1)(>0)を代入し、下記式(12)によって、膨張弁3の開度を変化(増加)させた後における、吐出温度の予測値Td(i+1)を算出する。
Figure 0005875707
そして、制御装置50は、下記式(13)によって、膨張弁3の開度を変化(増加)させた後における、吐出温度の変化量の予測値ΔTd(i+1)を算出する。
Figure 0005875707
(STEP2−6a)
制御装置50は、膨張弁3の現在の開度LP(i)を、変化量ΔLP(i+1)増加させた開度LP(i+1)に設定する。ここで、ΔLPは固定開度でも良いし、現時点の開度の数%としても良い。
(STEP2−7)
制御装置50は、所定時間Tint経過後に、STEP2−4a又はSTEP2−4bで記憶した吐出温度Td(i)と、膨張弁3を変化させた後の吐出温度の実測値Td(i+1)との差を算出し、吐出温度の変化量の実測値ΔTd(i+1)として記憶する。そして、制御装置50は、iの値をインクリメントし、STEP2−1に戻る。
(STEP2−2)
制御装置50は、吐出温度の変化量の予測値ΔTd(i+1)に対する、吐出温度の変化量の実測値ΔTd(i+1)の比率(以下、誤差比率)を算出する。
制御装置50は、誤差比率が所定値γより大きいか否かを判断する。
誤差比率が所定値γより大きい場合、つまり膨張弁3の開度がLPzより大きい第2領域の場合、STEP2−4bへ進む。
誤差比率が所定値γより大きくない場合、つまり膨張弁3の開度がLPzより小さい第2領域の場合、STEP2−3へ進む。
ここで、所定値γは、吸入SH>0の場合の誤差比率より小さく、且つ、吸入SH≦0の場合の誤差比率より大きい値を設定する。例えば20%の誤差などを設定する。
なお、この所定値γは、冷凍サイクル装置100の能力、膨張弁3の開度特性などによって異なる。例えば、冷凍サイクル装置100の機種に応じて、実験データ、シミュレーションなどによって決定することが可能である。
(STEP2−4b)
制御装置50は、吐出温度センサ41が検出した現在の吐出温度Td(i)と、膨張弁3に設定した現在の開度LP(i)とを記憶する。
(STEP2−5b)
制御装置50は、上記式(11)に、現在の吐出温度Td(i)、現在の開度LP(i)、開度の変化量ΔLP(i+1)(<0)を代入し、上記式(12)によって、膨張弁3の開度を変化(減少)させた後における、吐出温度の予測値Td(i+1)を算出する。
なお、変化量ΔLP(<0)の値(絶対値)は、前回のSTEP2−5a及びSTEP2−5aでの変化量ΔLP(>0)より小さい値を用いる。
そして、制御装置50は、上記式(13)によって、膨張弁3の開度を変化(減少)させた後における、吐出温度の変化量の予測値ΔTd(i+1)を算出する。
(STEP2−6b)
制御装置50は、膨張弁3の現在の開度LP(i)を、変化量ΔLP(i+1)減少させた開度LP(i+1)に設定する。
制御装置50は、STEP2−7へ進み、上述した動作を行う。
(STEP2−3)
制御装置50は、前回の変化回数(i)におけるSTEP2−2の判定で、誤差比率が所定値γより大きくないと判定した場合、STEP2−4aへ進む。
制御装置50は、前回の変化回数(i)におけるSTEP2−2の判定で、誤差比率が所定値γより大きいと判定した場合、今回の変化回数(i+1)における膨張弁3の開度LP(i+1)を、膨張弁3の開度(LPs)に近似した開度(LPz)として記憶する。また、制御装置50は、今回の変化回数(i+1)における吐出温度の実測値Td(i+1)を、飽和ガス温度に近似した吐出温度(Tdz)として記憶する。そして、制御装置50は、STEP2の探索動作を終了し、図5に示すSTEP3へ進む。
上述したSTEP2の探索動作の具体例を説明する。
図7、図8は、STEP2における膨張弁3の動作例を示す図である。
なお、図7、図8に示す矢印及び数字は、膨張弁3の変化回数を表している。
まず、図7の例で説明する。1回目の開度変更(増加)では、吐出温度の実測値と予測値との誤差が小さいため、STEP2−2がNoとなる。また、前回の判定結果が存在しないため、STEP2−3がNoとなり、STEP2−4aから2−6aにより、2回目の開度変更(増加)が実施される。
2回目の開度変更においても、吐出温度の実測値と予測値との誤差が小さいため、3回目の開度変更(増加)が実施される。
3回目の開度変更では、吐出温度の実測値と予測値との誤差が大きいため、STEP2−2がYesとなり、STEP2−4bから2−6bにより、4回目の開度変更(減少)が実施される。ここでの開度の減少値は、STEP2−4aから2−6aでの増加値よりも小さい。このため、4回目の開度変更後の開度は、2回目の開度と3回目の開度との間の開度に設定される。図7の例では、開度の減少値を増加値の半分に設定している。
4回目の開度変更では、吐出温度の実測値と予測値との誤差が小さいため、STEP2−2がNoとなる。また、3回目の判定で吐出温度の実測値と予測値との誤差が大きかったため、STEP2−3がYesとなり、4回目の開度及び吐出温度によって、開度(LPz)及び吐出温度(Tdz)が決定する。
次に、図8の例で説明する。1回目の開度変更(増加)では、吐出温度の実測値と予測値との誤差が小さいため、STEP2−2がNoとなる。また、前回の判定結果が存在しないため、STEP2−3がNoとなり、STEP2−4aから2−6aにより、2回目の開度変更(増加)が実施される。
2回目の開度変更では、吐出温度の実測値と予測値との誤差が大きいため、STEP2−2がYesとなり、STEP2−4bから2−6bにより、3回目の開度変更(減少)が実施される。ここでの開度の減少値は、STEP2−4aから2−6aでの増加値よりも小さい。このため、3回目の開度変更後の開度は、1回目の開度と3回目の開度との間の開度に設定される。図3の例では、開度の減少値を増加値の1/3に設定している。
3回目の開度変更においても、吐出温度の実測値と予測値との誤差が大きいため、4回目の開度変更(減少)が実施される。
4回目の開度変更では、吐出温度の実測値と予測値との誤差が小さいため、STEP2−2がNoとなる。また、3回目の判定で吐出温度の実測値と予測値との誤差が大きかったため、STEP2−3がYesとなり、4回目の開度及び吐出温度によって、開度(LPz)及び吐出温度(Tdz)が決定する。
このような動作によって、蒸発器出口の冷媒が飽和ガスとなる膨張弁3の開度(LPs)に近似した開度(LPz)及び飽和ガス温度に近似した吐出温度(Tdz)を探索することができる。
ここで、STEP2の動作の変形例について説明する。
図9は、STEP2における膨張弁3の動作の変形例を示す図である。
なお、図9に示す矢印及び数字は、膨張弁3の変化回数を表している。
制御装置50は、上述したSTEP2−3においてYesと判定した場合、開度の変化量ΔLP(>0)の値(絶対値)を、前回の変化回数での変化量ΔLP(<0)より小さい値に設定し、STEP2−4aから2−6aを実施して開度を増加させる。そして、増加の開度において、誤差比率が所定値γより小さい判定した場合、その開度及び吐出温度によって、開度(LPz)及び吐出温度(Tdz)を決定しても良い。
図9の例で説明する。1回目の開度変更(増加)では、吐出温度の実測値と予測値との誤差が小さいため、STEP2−2がNoとなる。また、前回の判定結果が存在しないため、STEP2−3がNoとなり、STEP2−4aから2−6aにより、2回目の開度変更(増加)が実施される。
2回目の開度変更では、吐出温度の実測値と予測値との誤差が大きいため、STEP2−2がYesとなり、STEP2−4bから2−6bにより、3回目の開度変更(減少)が実施される。ここでの開度の減少値は、STEP2−4aから2−6aでの増加値よりも小さい。このため、3回目の開度変更後の開度は、1回目の開度と2回目の開度との間の開度に設定される。図9の例では、開度の減少値を増加値の2/3に設定している。
3回目の開度変更では、吐出温度の実測値と予測値との誤差が小さいため、STEP2−2がNoとなる。また、2回目の判定で吐出温度の実測値と予測値との誤差が大きかったため、STEP2−3がYesとなる。本変形例では、さらに、STEP2−4aから2−6aにより、4回目の開度変更(増加)が実施される。ここでの開度の増加値は、STEP2−4bから2−6bでの減少値よりも小さい。このため、4回目の開度変更後の開度は、2回目の開度と3回目の開度との間の開度に設定される。図9の例では、開度の増加値を減少値の半分に設定している。
4回目の開度変更では、吐出温度の実測値と予測値との誤差が小さいため、制御装置50は、この4回目の開度及び吐出温度によって、開度(LPz)及び吐出温度(Tdz)を決定する。
このような変形例の動作により、さらに精度良く、蒸発器出口の冷媒が飽和ガスとなる膨張弁3の開度(LPs)に近似した開度(LPz)及び飽和ガス温度に近似した吐出温度(Tdz)を探索することができる。
再び、図5に基づき説明する。
(STEP3)
制御装置50は、上記STEP2で探索した、膨張弁3の開度(LPz)及び吐出温度(Tdz)に基づいて、目標吐出温度(Tdm)及び目標開度(LPm)の少なくとも一方を設定する。
上記図2及び図3で説明したように、COP改善率及び能力改善率が最大となるのは、冷媒に過熱度が若干付いた状態(例えばSH=1K程度)である。つまり、COP改善率及び能力改善率が最大となるときの吐出温度は、探索した吐出温度(Tdz)に対して若干高くなる場合がある。
よって、制御目標とする目標吐出温度(Tdm)は、以下の式(14)に示すように、吐出温度(Tdz)に、予め設定した補正温度dTを加算した温度とする。
Figure 0005875707
また、COP改善率及び能力改善率が最大となる、膨張弁3の目標開度(LPm)は、探索した膨張弁3の開度(LPz)より若干小さい開度となる。
よって、制御目標とする目標開度(LPm)は、以下の式(15)に示すように、開度(LPz)に、予め設定した補正温度dLPを減算した温度とする。
Figure 0005875707
なお、目標開度(LPm)の算出動作はこれに限定されない。例えば、第1領域における、膨張弁3の開度LPと吐出温度Tdとの関係を直線で近似した関係式を求め、関係式に、目標吐出温度(Tdm)を代入して、目標開度(LPm)を算出しても良い。具体例を以下に説明する。
上記STEP2の探索動作によって、制御装置50は、誤差比率が所定値γより小さくなる第1領域、つまり吸入SH>0における、吐出温度Td及び膨張弁3の開度LPの実測値の情報を、少なくとも2つ以上取得できる。
制御装置50は、第1領域の情報に基づき、膨張弁3の開度LPと吐出温度Tdとの関係を直線で近似した関係式を求める。
この直線の関係式は、取得した情報から、例えば最小二乗法によって求める。
直線の傾きをa、切片をbとすると、直線の関係式は、以下の式(16)となる。
Figure 0005875707
式(16)の関係式に、式(14)で求めた目標吐出温度(Tdm)を代入し、以下の式(17)により、目標開度(LPm)が求まる。
Figure 0005875707
なお、膨張弁3の開度と吐出温度との関係を近似した関係式の算出方法は、最小二乗法に限らず、任意の回帰分析法を用いても良い。また、膨張弁3の開度と吐出温度との関係を多変数関数で近似しても良い。
なお、上記説明では、目標吐出温度(Tdm)を求めたあと、この目標吐出温度(Tdm)を用いて、目標開度(LPm)を求める場合を説明したが、これに限定されない。
例えば、目標開度(LPm)は、探索した開度(LPz)に、予め設定した補正開度dLPを減算した開度とする。そして、直線の関係式に、目標開度(LPm)を代入して、目標吐出温度(Tdm)を求めても良い。
(STEP4)
制御装置50は、膨張弁3の開度を、目標開度(LPm)に設定する。
または、制御装置50は、吐出温度センサ41によって検出された吐出温度が、目標吐出温度(Tdm)となるように膨張弁3の開度を設定する。
(STEP6)
制御装置50は、終了条件が成立したとき、本制御を終了する。
(終了条件)
例えば、以下の(a)、(b)、(c)の何れか1つの条件が成立した場合、制御を終了する。
(a)目標吐出温度(Tdm)及び目標開度(LPm)が決定した場合。
(b)圧縮機1の運転が停止した場合。
(c)本制御を終了させる制御終了信号を、外部機器等(例えばリモートコントローラ等)から受信した場合。
以上のように本実施の形態1においては、現在の膨張弁3の開度LP(i)及び吐出温度Td(i)の情報と、予め設定された算出式とを用いて、膨張弁3の開度を変化量ΔLP(i+1)変化させた後の吐出温度の予測値Td(i+1)を求める。そして、膨張弁3の開度を変化量ΔLP(i+1)変化させた際の、吐出温度の実測値Td(i+1)と予測値Td(i+1)との差の大きさ(誤差比率)に基づき、膨張弁3に設定する開度を決定する。
このため、例えば低能力運転時など、凝縮器出口の冷媒に過冷却度(SC:サブクール)が付かない条件であっても、適正なサイクル状態となるように膨張弁3を制御することができる。
また、吐出温度の実測値Td(i+1)と予測値Td(i+1)との差の大きさ(誤差比率)を用いることで、吐出温度センサ41の取り付け状態のバラツキや固体差などによって、複数の冷凍サイクル装置を製造する際に吐出温度の検出値の誤差に個体差が生じた場合であっても、COP及び性能のバラツキを抑制することができる。
また、膨張弁3の開度と吐出温度との特性を把握することで、一回で目標とするサイクル状態(例えばCOPが最大、能力が最大)なるように、膨張弁3の開度を設定できるため、フィードバック制御による吐出温度制御と比較して、運転状態が安定しやすく、運転状態の再現性(性能がばらつかない)を高くすることができる。
また、誤差比率が所定値γより小さい場合、膨張弁3の開度を増加させ、誤差比率が所定値γより大きい場合、膨張弁3の開度を減少させる。
このため、膨張弁3の開度の変化量ΔLPの値を大きくしたとしても、誤差比率が大きくなる第2領域の場合には膨張弁3の開度を減少させて、第1領域の開度に戻すことができる。即ち、最適な開度を探索するために膨張弁3の開度を変化する回数を少なくすることができる。
なお、本実施の形態1においては、吐出温度の予測が可能であることから、吸入SHが付いている状態であれば、保護制御などで適正な膨張弁3の開度へ素早く設定できる(保護制御)。
また、本実施の形態1では、STEP2−2及びSTEP2−3及びにおいて、吐出温度の変化量の予測値ΔTdに対する、吐出温度の変化量の実測値ΔTdの比率(誤差比率)を用いたが、本発明はこれに限定されない。吐出温度の予測値Tdと吐出温度の実測値Tdとの差分(絶対値)の大きさを用いても良い。
また、上記実施の形態1では、冷凍サイクル装置100の構成において、液管5及びガス管7によって、室外機61と室内機62とを接続する構成を説明したが、液管5及びガス管7を設けない構成、又は、液管5及びガス管7を短くした構成でも良い。
また、冷凍サイクル装置100の構成において、冷媒回路20に2以上の膨張弁を直列に備える構成であっても良い。例えば、図10に示すように、膨張弁3aを室外熱交換器2と液管5との間に備え、膨張弁3bを液管5と室内熱交換器6との間に備える構成としても良い。また例えば、図11に示すように、アキュムレータ9を室外熱交換器2と液管5との間に配置し、アキュムレータ9内の冷媒と、圧縮機1の吸入側配管内の冷媒とが熱交換する構成とする。そして、膨張弁3aを室外熱交換器2とアキュムレータ9との間に備え、膨張弁3bをアキュムレータ9と液管5との間に備える構成としても良い。図10及び図11の構成における減圧工程は、図12のBからEに示すように、膨張弁3a及び膨張弁3bのそれぞれで実施される。このように、冷媒回路20に2以上の膨張弁を直列に備える構成の場合には2以上のうち制御対象の1つを選択し、その他の膨張弁の開度を固定することで、同様の制御動作が可能となる。
また、冷媒回路20に2以上の膨張弁を直列に備える構成において、複数の膨張弁のそれぞれの流路抵抗を用いて、それぞれの膨張弁に設定する開度を決定しても良い。具体的には、各膨張弁3n(n=1、2、…N)の流路抵抗をRn(n=1、2、…N)とすると、冷媒回路20に2以上の膨張弁を直列にした場合の合成流路抵抗Rは、以下の式(18)で表される。
Figure 0005875707
ここで、流路抵抗Rnは、例えば膨張弁3nのCv値、又は開度を用いる。なお、流路抵抗Rnは、接続配管及び熱交換器等の構成機器内の流路抵抗などを考慮して設定しても良い。
この合成流路抵抗Rの値と吐出温度との関係を、上記図3に示した膨張弁3の開度と吐出温度との関係に置き換えることで、上述したような膨張弁3が1つの場合と同様の制御動作が可能となる。
また、本実施の形態1では、吐出温度の検出値を用いて、COP改善率及び能力改善率が最大となる、膨張弁3の開度(LPm)及び目標吐出温度(Tdm)を探索する動作を説明したが、吐出温度だけでなく、凝縮器出口の過冷却度、蒸発器出口の過熱度、圧縮機1の吸入温度もしくは吸入SHを用いてもよい。これにより、代表温度の偏差を用いるので、取り付けのバラツキに伴う検出誤差による性能への影響を抑制することができる。また、現在の制御目標が凝縮器出口の過冷却度である場合、この制御目標を変更する必要がなくなり、制御構築が容易となる。
1 圧縮機、2 室外熱交換器、3 膨張弁、4 冷媒熱交換器、5 液管、6 室内熱交換器、7 ガス管、8 四方弁、9 アキュムレータ、11 室外機液管接続部、12 室外機ガス管接続部、13 室内機液管接続部、14 室内機ガス管接続部、20 冷媒回路、31 室外ファン、32 室内ファン、41 吐出温度センサ、42 室外熱交飽和温度センサ、43 室外熱交温度センサ、44 室内熱交飽和温度センサ、45 室内熱交温度センサ、50 制御装置、61 室外機、62 室内機、100 冷凍サイクル装置。

Claims (8)

  1. 圧縮機、凝縮器、開度が可変である膨張弁、及び、蒸発器を、配管によって環状に接続し、冷媒を循環させる冷凍サイクル装置において、
    前記圧縮機から吐出された前記冷媒の吐出温度を検出する温度センサと、
    前記膨張弁の開度を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    現在の前記膨張弁の開度及び前記吐出温度の情報と、予め設定された算出式とを用いて、前記膨張弁の開度変化させた後の前記吐出温度の予測値を求め、
    前記膨張弁の開度変化させた際の、前記吐出温度の実測値と前記吐出温度の予測値との差基づき、前記膨張弁に設定する開度を決定する
    ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
  2. 前記制御装置は、
    前記吐出温度の実測値と前記吐出温度の予測値との差基づき、前記蒸発器出口の前記冷媒が飽和ガスとなる前記膨張弁の開度(LPs)に近似した開度(LPz)を求め、該膨張弁の開度(LPz)に基づき、前記膨張弁に設定する開度を決定する
    ことを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 前記制御装置は、
    前記膨張弁の開度を複数回変化させ、各開度における、前記吐出温度の実測値と前記吐出温度の予測値との差求め、
    前記差予め設定した値より小さくなる開度であって、
    前記差前記予め設定した値より大きくなる開度に最も近い開度を、
    前記蒸発器出口の前記冷媒が飽和ガスとなる前記膨張弁の開度(LPs)に近似した開度(LPz)として求め、該膨張弁の開度(LPz)に基づき、前記膨張弁に設定する開度を決定する
    ことを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 前記制御装置は、
    前記差前記予め設定した値より小さい場合、前記膨張弁の開度を増加させ、
    前記差前記予め設定した値より大きい場合、前記膨張弁の開度を減少させ、
    前記膨張弁の開度を変化させる前の前記差前記予め設定した値より大きく、
    前記膨張弁の開度を変化させた後の前記差前記予め設定した値より小さいとき、
    前記膨張弁の開度を変化させた後の前記膨張弁の開度を、前記蒸発器出口の前記冷媒が飽和ガスとなる前記膨張弁の開度(LPs)に近似した開度(LPz)として求める
    ことを特徴とする請求項3に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 前記制御装置は、
    前記膨張弁の開度(LPs)に近似した開度(LPz)に、予め設定した補正開度を減算した開度を前記膨張弁に設定する
    ことを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 前記制御装置は、
    前記膨張弁の開度(LPs)に近似した開度(LPz)における、前記吐出温度の実測値(Tdz)に、予め設定した補正値温度を加えた温度を、目標吐出温度として設定し、
    検出された前記吐出温度が、前記目標吐出温度となるように前記膨張弁の開度を設定する
    ことを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 前記制御装置は、
    前記圧縮機の起動から第1の時間経過し、
    前記吐出温度の変化量が予め設定した範囲内で安定した場合、又は、前記圧縮機の回転数が固定された場合、
    前記膨張弁に設定する開度を決定する制御動作を開始する
    ことを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  8. 圧縮機、凝縮器、開度が可変である膨張弁、及び、蒸発器を、配管によって環状に接続し、冷媒を循環させる冷凍サイクル装置の制御方法において、
    現在の前記膨張弁の開度及び前記圧縮機から吐出された前記冷媒の吐出温度の情報と、予め設定された算出式とを用いて、前記膨張弁の開度変化させた後の前記吐出温度の予測値を求めるステップと、
    前記膨張弁の開度変化させた際の、前記吐出温度の実測値と前記吐出温度の予測値との差基づき、前記膨張弁に設定する開度を決定するステップと、
    を有する
    ことを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
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