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
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Description
<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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
式(8)で表すことができる。
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。
以下、図5の各ステップに基づき説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (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、前記膨張弁の開度を変化させた後の前記吐出温度の予測値を求め、
前記膨張弁の開度を変化させた際の、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
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 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に基づき、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。 - 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を求め、
前記差が予め設定した値より小さくなる開度であって、
前記差が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。 - 前記制御装置は、
前記差が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、
前記差が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が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が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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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、前記膨張弁の開度を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、
前記膨張弁の開度を変化させた際の、前記吐出温度の実測値と前記吐出温度の予測値との差に基づき、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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