JP7034389B1 - 冷凍サイクル装置及び冷凍サイクル方法 - Google Patents

Abstract

本開示は、吸入した冷媒を圧縮する圧縮部（３）と、圧縮部（３）から吐出した冷媒を凝縮して熱交換させる凝縮部（４）と、凝縮部（４）から吐出した冷媒を貯蔵するレシーバ部（６）と、レシーバ部（６）から吐出した冷媒を気化して熱交換させる蒸発部（８）と、凝縮部（４）とレシーバ部（６）との間の配管に設置される上流膨張弁（５）と、レシーバ部（６）と蒸発部の間の配管に設置される下流膨張弁（７）と、上流膨張弁（５）と下流膨張弁（７）との開度の開度比を一定に保つように上流膨張弁（５）の開度と下流膨張弁（７）の開度とを連動させて制御する制御部（２０）とを備えることを特徴とする。

Description

本開示は、冷凍サイクルの膨張弁の制御技術に関する。

冷凍サイクル装置において、圧縮部、凝縮部、上流膨張弁、液冷媒を貯留するレシーバ部、及び下流膨張弁を含む冷媒回路を備え、上流膨張弁で過冷却度を、下流膨張弁で吸入過熱度をそれぞれ制御するように構成されたものがある。またこのような冷凍サイクル装置において、レシーバ部に液冷媒が溜まっているか否かを判定する液貯留判定部を有したものがある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の冷凍サイクル装置では、レシーバ部に液冷媒が溜まっていないと判定すると、圧縮部の吸入過熱度が予め定めた目標値に到達するまで上流膨張弁開度を大きくする構成とされる。

特開２０１９－１４８３９６号公報

しかしながら、従来の冷凍サイクル装置では、凝縮部やレシーバ部の液冷媒量変化が考慮されていない。例えば特許文献１に開示されている空気調和機では、上流膨張弁開度を大きくしても、下流膨張弁の開度を変更する間におけるレシーバ部の液冷媒の枯渇を事前に回避することができず、一時的に性能低下する課題がある。

本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、凝縮部やレシーバ部の液冷媒量が不必要に変動することを抑制して性能の低下を回避することを目的とする。

本開示に係る冷凍サイクル装置は、吸入した冷媒を圧縮する圧縮部と、圧縮部から吐出した冷媒を凝縮して熱交換させる凝縮部と、凝縮部から吐出した冷媒を貯蔵するレシーバ部と、レシーバ部から吐出した冷媒を気化して熱交換させる蒸発部と、凝縮部とレシーバ部との間の配管に設置される上流膨張弁と、レシーバ部と蒸発部の間の配管に設置される下流膨張弁と、圧縮部から吐出した冷媒の温度と相関のある第一物理量を測定する吐出温度検出部と、凝縮部またはレシーバ部の液冷媒量と相関のある第二物理量を測定するセンサ部と、第一物理量を目標値に追従させる下流膨張弁の開度を制御する制御指示部と、第二物理量を所定範囲内に保持するように上流膨張弁と下流膨張弁との開度比を変更して液冷媒量を制御する開度比決定部と、下流膨張弁の開度と開度比とを乗算した値に上流膨張弁の開度を制御する制御部とを備えることを特徴とする。

また、本開示に係る冷凍サイクル方法は、吸入した冷媒を圧縮部で圧縮するステップと、圧縮部から吐出した冷媒を凝縮部で凝縮して空気と熱交換させるステップと、凝縮部から吐出した冷媒をレシーバ部に貯蔵するステップと、レシーバ部から吐出した冷媒を蒸発部で気化して空気と熱交換させるステップと、圧縮部から吐出した冷媒の温度と相関のある第一物理量を測定するステップと、凝縮部またはレシーバ部の液冷媒量と相関のある第二物理量を測定するステップと、レシーバ部と蒸発部の間の配管に設置される下流膨張弁の開度を、第一物理量を目標値に追従させるように制御するステップと、凝縮部とレシーバ部との間の配管に設置される上流膨張弁と下流膨張弁との開度比を、第二物理量を所定範囲内に保持するように変更して液冷媒量を制御するステップと、下流膨張弁の開度と開度比とを乗算した値に上流膨張弁の開度を制御するステップとを備えることを特徴とする。

本開示によれば、凝縮部やレシーバ部の過渡的な液冷媒の枯渇を回避することで、冷媒回路の冷媒量の制御ができ、冷凍サイクル装置の性能の低下を回避できる。

実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成の一例を示す概略図である。 実施の形態１における制御部の機能を示す機能ブロック図である。 実施の形態１における制御部における上流膨張弁及び下流膨張弁の制御を行う部分の構成の一例を示す図である。 実施の形態１における開度比決定部の開度比決定のフローチャートである。 実施の形態１における式５を説明する図である。 実施の形態１における図５に記載のグラフを説明する一例を示す図である。 実施の形態１における制御部の構成を示すハードウェア構成図である。 実施の形態２における制御部の構成の一例を示す構成図である。 実施の形態２における開度比決定部が開度比を特定する処理のフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１について図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における冷凍サイクル装置１の構成の一例を示す概略図である。図１に示されるように、冷凍サイクル装置１は、制御部２０と、圧縮部３と、凝縮部４と、上流膨張弁５と、レシーバ部６と、下流膨張弁７と、蒸発部８とを備えている。

圧縮部３と、凝縮部４と、上流膨張弁５と、レシーバ部６と、下流膨張弁７と、蒸発部８とが配管９により接続されて冷媒回路１０を形成しており、冷媒回路１０には冷媒が流れている。図１中の実線の矢印は、冷媒が流れる方向を表す。

また、図１中の点線の矢印は、各センサ部から検出され、制御部２０へ送信されるデータの流れと、制御部２０からの上流膨張弁５と下流膨張弁７への制御指示の流れを表す。センサ部の詳細については後述する。以下、冷凍サイクル装置１が空気調和装置である場合を例に説明するが、特にこれに限定されるものではない。

圧縮部３は、吸入した冷媒を圧縮して吐出するものである。圧縮部３は、例えば、図示しないインバータ回路等により駆動周波数を任意に変化させることにより、圧縮部３の容量（単位時間あたりの冷媒を送り出す量）が変化するものでもよい。

凝縮部４は、圧縮部３の吐出側に設置されている。凝縮部４は、圧縮部３から吐出した冷媒を凝縮して空気と熱交換させる。凝縮部４は、冷媒と空気との熱交換を行うものであり、冷媒を凝縮して液化させるとともに、空気を加熱する。

レシーバ部６は、冷媒を貯溜する冷媒容器である。レシーバ部６は、凝縮部４と蒸発部８との間の配管９に設置され、運転中に余剰となった液状の冷媒（液冷媒）を貯溜する。レシーバ部６は、凝縮部４から吐出した冷媒を貯蔵する。すなわち、レシーバ部６は、凝縮部４から流出した液冷媒を溜める構成とされる。

蒸発部８は、冷媒と空気との熱交換を行うものであり、冷媒を蒸発させ気化させるとともに、空気を冷却する。蒸発部８は、レシーバ部６から吐出した冷媒を気化して空気と熱交換させる。

上流膨張弁５は、冷媒回路１０における凝縮部４とレシーバ部６との間の配管９に設けられる。上流膨張弁５は、例えば電子膨張弁のような開度可変の膨張弁で構成され、冷媒の圧力及び流量を調整する。

下流膨張弁７は、冷媒回路１０におけるレシーバ部６と蒸発部８との間の配管９に設けられる。下流膨張弁７は、例えば電子膨張弁のような開度可変の膨張弁で構成され、冷媒の圧力及び流量を調整する。蒸発部８は、圧縮部３の吸入側の配管９に設置される。

つまり、レシーバ部６は上流膨張弁５と下流膨張弁７との間の配管９に設けられ、上流膨張弁５の開度である上流膨張弁開度と、下流膨張弁７の開度である下流膨張弁開度とに応じて、レシーバ部６から配管９へ戻る液冷媒の量、及び配管９からレシーバ部６に留まる液冷媒の量が変化する構成とされている。つまり、上流膨張弁開度と下流膨張弁開度とに応じて、凝縮部４やレシーバ部６等の液冷媒量が変化する。

制御部２０は、上流膨張弁５と下流膨張弁７の開度比に基づいて上流膨張弁開度と下流膨張弁開度を制御する。制御部２０は、上流膨張弁５と下流膨張弁７との開度比を一定に保つように上流膨張弁開度と下流膨張弁開度とを連動させて制御する。ここで一定とは開度比自体が固定値をとるのではなく、上流膨張弁５と下流膨張弁７の開度の比が一定になるように連動して上流膨張弁開度と下流膨張弁開度とが制御されることを言う。制御部２０の制御の仕組みの詳細については後述する。

また冷凍サイクル装置１は、吐出温度センサ１１と、出口温度センサ１２と、高圧圧力センサ１３と、低圧圧力センサ１４等のセンサ部を備えている。吐出温度センサ１１及び高圧圧力センサ１３はそれぞれ圧縮部３の吐出側の配管９に配置され、吐出温度センサ１１は圧縮部３から吐出される冷媒の温度を検出し、高圧圧力センサ１３は圧縮部３から吐出される冷媒の圧力を検出する。

出口温度センサ１２は、凝縮部４における冷媒の出口に設置され、凝縮部４から流出する冷媒の温度を検出する。低圧圧力センサ１４は、圧縮部３の吸入側の配管９に配置され、圧縮部３へ吸入される冷媒の圧力を検出する。

図２は、実施の形態１における制御部２０の機能を示す機能ブロック図である。図２に示されるように、制御部２０には、上述した各種センサが接続され、各種センサから温度又は圧力等のデータが入力される。また、制御部２０には、図示していない操作部を介して利用者の指令等のデータが入力される。

図２に示されるように、制御部２０は、開度比決定部２０１、計時部２０２、補正部２０３、乗算部２０４、制御指示部２０５及び記憶部２０６を有している。

制御指示部２０５は、入力される温度等のデータに基づいて、演算及び判定等の処理を行い、圧縮部３、上流膨張弁５及び下流膨張弁７等の冷凍サイクル装置１の機器を制御するものである。

記憶部２０６は、制御指示部２０５が処理を行うために必要となるデータを記憶する装置である。記憶部２０６は、データを一時的に記憶できるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等の揮発性記憶装置（図示せず）およびハードディスク、データを長期的に記憶できるフラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置（図示せず）を有している。

計時部２０２は、例えばタイマ等で構成され、計時を行うものである。計時部２０２は、制御指示部２０５の判定等に使用される。例えば、制御のタイミングを計時部２０２で測定される時間により特定する。

制御部２０で実行される処理は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の制御演算処理装置を有するマイクロコンピュータ等で構成することができる。記憶部２０６は、制御指示部２０５が行う処理手順をプログラムとしたデータを有している。制御演算処理装置が、プログラムのデータに基づいて処理を実行して制御を実現する。各処理部は、専用機器（ハードウェア）で構成することができる。

本実施の形態の制御部２０は、下流膨張弁開度を算出されている開度に変更する際に、算出されている上流膨張弁５と下流膨張弁７との開度比に、下流膨張弁開度を乗算することで上流膨張弁開度を算出するように構成されている。また制御部２０は、下流膨張弁開度を算出する際に、算出されている上流膨張弁５と下流膨張弁７との開度比を参照して定められる制御ゲインを用いる構成とされている。

本実施の形態にもかかわらず、制御部２０は、上流膨張弁５と下流膨張弁７との開度比に基づいて上流膨張弁開度と下流膨張弁開度を制御すればよく、制御の仕方がフィードバック制御による制御であっても、直接制御するものであってもよく制御のされ方は限定されない。

次に図１を参照して、冷凍サイクル装置１の動作について説明する。圧縮部３で圧縮されることにより高温高圧となったガス状の冷媒は、圧縮部３の吐出口から吐出されて凝縮部４へ流入する。凝縮部４に流入したガス状の冷媒は、凝縮部４で放熱して高圧下で液化し、凝縮部４から流出する。凝縮部４から流出した冷媒は、上流膨張弁５によって減圧され、中温の二相状態となり、レシーバ部６に流入する。レシーバ部６において二相状態の冷媒は、気相と液相とに分離され、レシーバ部６から液相の冷媒が吐出される。

レシーバ部６から吐出された冷媒は、下流膨張弁７によって減圧され、低温の二相状態となり、蒸発部８に流入する。蒸発部８に流入した低温の二相状態の冷媒は、蒸発部８において吸熱して低圧下で気化し、蒸発部８から流出する。蒸発部８から流出した冷媒は、圧縮部３に吸入されて再び圧縮される。このような動作を繰り返すことによって、冷凍サイクル装置１の冷凍サイクルが実現される。

なお、図１に示される冷媒回路１０は、本開示に係る冷凍サイクルを実現するための最小構成であり、必要に応じて、冷媒の流路を切り替える四方弁、及び圧縮部３への液冷媒の吸入を抑制するアキュムレータ等を含む構成としてもよい。また、凝縮部４及び蒸発部８は必ずしも冷媒と空気で熱交換するものでなくてもよく、例えば、冷媒と水で熱交換するものでもよく、冷媒が熱交換する対象は限定されない。

図３は、実施の形態１における制御部２０における上流膨張弁５及び下流膨張弁７の制御を行う部分の構成の一例を示す図である。繰り返し計算におけるステップ数をｋで表している。例えば、ｋが５の場合は５回計算が繰り返し行われることになる。

図３に示すように、制御部２０では開度比決定部２０１で開度比を決定し、決定された開度に基づいて、補正部２０３で制御ゲインを補正し、制御指示部２０５により各機器に制御指示が出される。上流膨張弁５については、制御部２０の乗算部２０４は、決定された開度比に下流膨張弁開度を乗じて上流膨張弁開度を算出する。算出された上流膨張弁開度に基づいて上流膨張弁５へ制御指示がだされる。

本実施の形態では開度比が下流膨張弁開度を上流膨張弁開度で除したものであるので、開度比と下流膨張弁開度を乗じているが、開度比が上流膨張弁開度を下流膨張弁開度で除したものとする場合は、開度比に上流膨張弁開度を乗じて下流膨張弁開度を算出するように制御してもよい。

制御指示部２０５は、吐出温度を目標値である目標吐出温度に追従させる下流膨張弁開度を演算する位置型のＰＩ制御部で構成されている。制御指示部２０５は、吐出温度センサ１１から取得した吐出温度と所定の目標吐出温度との偏差をＰＩ制御部に入力し、吐出温度を目標吐出温度に追従させる下流膨張弁開度を演算し、下流膨張弁開度を演算値に制御する。

制御指示部２０５が制御する所定の冷媒温度は吐出温度でなくてもよく、吐出温度と相関のある圧縮部吸入過熱度、圧縮部吐出過熱度、蒸発部出口過熱度、凝縮部入口過熱度等、吐出温度と相関のある温度であってもよいし、あるいは温度ではなく、圧縮部吸入乾き度や蒸発部出口乾き度であってもよい。

制御指示部２０５で行われる制御はＰＩ制御でなくてもよく、Ｐ制御やＰＩＤ制御やモデル予測制御等の動的なフィードバック制御であってもよいし、事前に定められたテーブル等に従う動的または静的な制御であってもよい。フィードバック制御は制御ゲインにより制御量が調整される。

開度比決定部２０１は上流膨張弁開度Ｓｕと下流膨張弁開度Ｓｄの開度比α：＝Ｓｕ／Ｓｄを決定する。この決定される開度比は、適時適切な開度比に修正される。開度比決定部２０１は、センサ部で測定される凝縮部４またはレシーバ部６の液冷媒量と相関のある物理量が適正範囲内にあるように開度比を決定する。

ここで、物理量とは例えば、過冷却度がある。本実施の形態では過冷却度で説明するが、これに限定されず、凝縮部４またはレシーバ部６の液冷媒量と相関のある物理量であるならば何でもよい。また、適正範囲とは、凝縮部４またはレシーバ部６の液冷媒量の適正範囲をいい、本実施の形態では、例えば、最小過冷却度（ＳＣｍｉｎ）から最大過冷却度（ＳＣｍａｘ）の所定範囲内をいう。開度比の決定についての詳細は後述する。

乗算部２０４は、制御指示部２０５が出力する下流膨張弁開度Ｓｄと、開度比決定部２０１が決定する開度比αを乗算して上流膨張弁開度を算出する。すなわち、以下の式１に従って上流膨張弁開度を算出し、制御する。

補正部２０３は、少なくとも開度比決定部２０１が算出する開度比αから、制御指示部２０５の制御パラメータである制御ゲインを補正する。より具体的には、開度比αに基づいて、上流膨張弁開度と下流膨張弁開度の合成開度である直列膨張弁開度の制御ゲインを、下流膨張弁７の制御ゲインに補正する。補正の仕方の詳細については後述する。

図４は、実施の形態１における開度比決定部２０１の開度比決定のフローチャートである。まずステップＳ１０１で開度比決定部２０１は過冷却度（ＳＣ）が所定の最大過冷却度（ＳＣｍａｘ）以上かどうかを判定する。過冷却度（ＳＣ）が最大過冷却度（ＳＣｍａｘ）以上ｙの場合（Ｙｅｓ）はステップＳ１０２に進み、開度比決定部２０１は、配列のインデックスｉをプラス１し、ステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０１でｎｏの場合はステップＳ１０４に進み、開度比決定部２０１は、過冷却度（ＳＣ）が所定の最小過冷却度（ＳＣｍｉｎ）以下かどうかを判定する。過冷却度（ＳＣ）が最小過冷却度（ＳＣｍｉｎ）以下の場合（Ｙｅｓ）は、ステップＳ１０５に進み、開度比決定部２０１は、配列のインデックスｉをマイナス１し、ステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０４でｎｏの場合はそのままステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では開度比決定部２０１は配列のインデックスｉをゼロ以上Ｎ－１以下の整数に丸めて、ステップＳ１０６に進む。ここで、Ｎは配列の要素数であり、予め定められた定数である。ステップＳ１０６では開度比決定部２０１は開度比αに配列θのｉ番目の要素を代入し、開度比を決定して出力する。

そして、３分経過の後、ステップＳ１０１に戻る。３分経過したかどうかは計時部２０２等でカウントして判断する。本実施の形態では３分毎に過冷却度が最小過冷却度以下か最大過冷却度以上ではないかを確認しているが、これに限定されず２分や１分のように適時間隔は調整可能である。ここで、配列θはインデックスｉに対して、例えば以下の式２で定義される。

ここで、ｐは上流膨張弁５による圧損ｄＰｕｓと下流膨張弁７による圧損ｄＰｄｓの比（ｄＰｕｓ／ｄＰｄｓ）のとりうる値の内で最大の値、すなわち最大差圧比であり、予め設定される定数である。式２から明らかなようにθは定数に依存し、時間やセンサ値に依存しないため、リアルタイムで計算する必要はなく、制御部２０の計算負荷を増加させることはない。

式２は、インデックスｉが０からＮ－１まで動く間に、ｐは－１／２から１／２乗されるように調整された式である。つまりインデックスｉが大きくなると開度比は大きくなり、インデックスｉが小さくなると開度比は小さくなる。

つまり、開度比決定部２０１は測定された過冷却度が最大過冷却度以上の場合に開度比を大きくし、最小過冷却度以下の場合に開度比を小さくするように、開度比を決定する。開度比決定部２０１は式２により、最大過冷却度以上である期間に応じて段階的に開度比がより大きくなるように、最小過冷却度以下である期間に応じて段階的に開度比がより小さくなるように、開度比を決定する。

これにより過冷却度を適正範囲内に保持するように開度比を決定することができ、省エネになる。以下ではθの定義式の物理的な意味について解説する。θｉ ｉ＝０，…，Ｎ－１は、上流膨張弁開度Ｓｕと下流膨張弁開度Ｓｄの比なので以下の式３が成立する。

一方、冷媒流量をＧｒ［ｋｇ／ｓ］とすると、上流膨張弁５による差圧ｄＰｕｓと下流膨張弁７による差圧ｄＰｄｓと以下のような式４の関係を持つ。ここで、Cは定数である。

式２～４より、以下の式５を得る。

図５は、実施の形態１における式５を説明する図である。図５は式５をｙ軸片対数としてグラフ化した図であり、横軸に配列θのインデックスをとり、縦軸に差圧比ｄＰｕｓ／ｄＰｄｓをとっている。すなわちθのインデックスによって上流膨張弁５による圧損ｄＰｕｓと下流膨張弁７による圧損ｄＰｄｓの比が規定されることとなる。

図６は、実施の形態１における図５に記載のグラフを説明する一例を示す図である。図６では、例えば、上流膨張弁５の圧損ｄＰｕｓと下流膨張弁７の圧損ｄＰｄｓの和ｄＰが２ＭＰａで固定の時、θの各要素に対する各膨張弁の差圧ｄＰｕｓ、ｄＰｄｓがどのように変化するかを示している。図６は、θのインデックスを変化させることで中圧圧力を変化させ、結果としてレシーバ部６の液冷媒量（結果として過冷却度）を制御できることを示唆している。

動作としては過冷却度を増加させたい場合にはθのインデックスを小さくすることで、上流膨張弁５を閉じる方向に開度比を更新させればよく、逆に過冷却度を減少させたい場合にはθのインデックスを大きくすることで、上流膨張弁５を開く方向に開度比を更新させればよい。

すなわち、過冷却度を増加させたい場合は上流膨張弁５が閉じるように開度比を変更し、過冷却度を減少させたい場合は、上流膨張弁５が開くように開度比を変更する。よってθのインデックスを変化させる条件は過冷却度（ＳＣ）に関連付ける。それが図４におけるステップＳ１０１とステップＳ１０４であり、過冷却度を適正な範囲に制御するために、θのインデックスを変化させるフローとなっている。

図４ではインデックスｉを変化させるための条件文として最も基本的な条件を用いたが、必ずしも図４に記載した条件でなくてもよく、例えば下流膨張弁７が所定の開度より大きい場合にはインデックスを増加させ、所定の開度より小さい場合にはインデックスを減少させるといった条件を付与してもよい。あるいは、下流膨張弁７が所定の開度範囲内にない場合にはインデックスを増減させないといった条件を付与してもよい。

あるいは、吐出温度が目標値よりも所定の温度以上高い場合にはインデックスを減少させないといった条件を付与してもよい。あるいは上記例の組み合わせをとって条件として付与してもよい。

また、図４において、過冷却度の適正範囲を規定するＳＣｍａｘやＳＣｍｉｎは定数であってもよいし、運転状態によって変化する値であってもよく、例えば、凝縮温度と吸込み温度と適当な温度効率から計算される時々刻々と変化する値をＳＣｍａｘやＳＣｍｉｎとして定義してもよい。

また、図４ではインデックスの増減量を±１としたが、条件によって増減量を変更させてもよく、例えば、ＳＣ＞ＳＣｍａｘ１であればｉ＝ｉ＋１、ＳＣ＞ＳＣｍａｘ２であればｉ＝ｉ＋２のようにしてもよい。θとｉの関係は式２で定義されるものでなくてもよく、単調減少あるいは単調増加の関係があればよい。

先にも述べたが、図４ではインデックスの更新周期を３分としたが、必ずしも３分でなくてもよく、任意の周期をとることができる。すなわち、制御指示部２０５の制御周期と同期させる必要もない。

また、図４の条件文では過冷却度を判定条件のための指標として採用したが、必ずしも過冷却度でなくてもよく、本質的には凝縮部４又はレシーバ部６の液冷媒量を適正範囲に保持するように条件文が作成されればよい。図４の例では凝縮部４又はレシーバ部６の液冷媒量を適正範囲に保持するために、凝縮部４又はレシーバ部６の液冷媒量と相関のある物理量である過冷却度を判定条件のための指標として用いたが、例えば凝縮部４の液冷媒量を測定するセンサが設置されている場合には、その液冷媒量を指標としてもよいし、例えばレシーバ部６の液冷媒量を測定するセンサが設置されている場合には、その液冷媒量を指標としてもよい。

また、それらの組み合わせを条件文の指標として用いてもよい。そして、凝縮部４の液冷媒量が適正範囲以上であれば、上流膨張弁５を開く方向に開度比を更新させ、凝縮部４の液冷媒量が適正範囲以下であれば上流膨張弁５を閉じる方向に開度比を更新させればよい。同様に、レシーバ部６の液冷媒量が適正範囲以上であれば、上流膨張弁５を閉じる方向に開度比を更新させ、レシーバ部６の液冷媒量が適正範囲以下であれば、上流膨張弁５を開く方向に開度比を更新させればよい。

次に補正部２０３の動作について説明する。補正部２０３は開度比決定部２０１が算出する開度比αから、以下の式６によって制御ゲイン補正値Ｃｏｒを算出し、制御指示部２０５の制御パラメータである制御ゲインを補正する。

制御ゲイン補正値Ｃｏｒによって制御指示部２０５を構成するＰＩ制御の制御ゲインは以下の式７、式８に従って補正される。ここではＰＩ制御としているがこれに限定されずＰ制御やＰＩＤ制御等でも良く限定されない。

ここで、ｋｐ，ｋｉはそれぞれＰＩ制御部の比例ゲインと積分ゲインであり、ｋｐ＿ｂａｓｅとｋｉ＿ｂａｓｅはそれぞれ基準となる（補正前の）比例ゲインと積分ゲインである。以下で式７、式８の導出を説明する。

まず、基準となる制御ゲインｋｐ＿ｂａｓｅとｋｉ＿ｂａｓｅは、直列膨張弁開度に対して設計する。ここで、直列膨張弁開度とは上流膨張弁５と下流膨張弁７を一つの膨張弁と考えた時の合成開度である。なお、直列膨張弁開度Ｓｓｅｒは、上流膨張弁開度Ｓｕと下流膨張弁開度Ｓｄと以下の式９のような関係を持つ。

基準となる制御ゲインを直列膨張弁開度に対して設計することにより、ベースとなる比例ゲインと積分ゲインからは吐出温度を目標値に追従させるための直列膨張弁開度が導出される。基準となる制御ゲインは直列膨張弁開度に対して設計されるが、図３の制御指示部２０５は直列膨張弁開度ではなく、下流膨張弁開度を出力するため、以下の式１０の展開によって、直列膨張弁開度Ｓｓｅｒを下流膨張弁開度Ｓｄに変換する。

以上より、ＳｓｅｒからＳｄに変換するためには式１１の変換を行えばよい。それをあらかじめ制御ゲインに組み込むことで実現し、それはすなわち、式７と式８のようにベースの直列膨張弁開度に対しての制御ゲインをＣｏｒで割ることに他ならない。

上記では開度比αから式６～８によって直列膨張弁開度に対しての制御ゲインの補正を行ったが、その他の補正式や関係式、またはテーブルを用いてもよい。本質的には、補正部２０３は、開度比αが小さくなると、下流膨張弁７の制御ゲインが大きくなるように補正し、逆に開度比αが大きくなると下流膨張弁７の制御ゲインが小さくなるように補正する。このため、補正部２０３は、開度比αと制御ゲインが負の相関を持つような効果のある補正を定義しておけばよい。

また、上記では開度比αに対する制御ゲイン補正方法について説明したが、その他の補正がさらに加わるような構成としてもよい。

また、補正対象はＰＩ制御の制御ゲインに限らずともよく、本質的には開度比αが大きいときに制御指示部２０５の出力する操作量の変化幅が小さくなるように制御指示部２０５の制御パラメータが補正されていればよい。

上記のように開度比決定部２０１で開度比αを算出し、その値と下流膨張弁開度を乗算部２０４に入力することよって上流膨張弁開度を算出することで、過冷却度を適切な値、あるいは適切な範囲に、高精度かつ安定的に制御することができる。すなわち、開度比を一定に保つように上流膨張弁開度と下流膨張弁開度が連動して動作することにより、凝縮部４やレシーバ部６の液冷媒分布が過渡的に大きく変動することなく所望の冷媒状態に遷移させることが可能となる。これは凝縮部４やレシーバ部６の過渡的な液冷媒枯渇防止にも効果があると言える。

上述した通り、本実施の形態では上流膨張弁開度と下流膨張弁開度が連動して動作するように開度比を一定に保持する。これにより、下流膨張弁開度を制御する際、レシーバ部６の上流と下流における液冷媒流量の変動が抑制されることにより、凝縮部４やレシーバ部６の冷媒量の変動を抑制し、過渡的な液冷媒の枯渇を回避することができる。したがって、下流膨張弁開度が変更されている間でも、上流膨張弁５及び下流膨張弁７の制御により、凝縮部４やレシーバ部６に貯留されている液冷媒量を用いて冷媒回路１０の冷媒量の制御ができ、上流膨張弁５及び下流膨張弁７の制御性能の低下を回避できる。

また、開度比決定部２０１の条件文を適切に記述することで、冷媒不足や長配管時等の過冷却度が生じないケースにおいても、冷凍サイクルを破綻させることなく、最適な運転状態を保持することが可能となる。また、開度比決定部２０１の条件文に、制御指示部２０５の制御対象の情報を組み込むことで、制御指示部２０５の制御対象の過渡的な制御を優先して実施するといったことが可能となり、そのような柔軟な制御を実現できることもできる。

上記のように、補正部２０３によって制御指示部２０５の制御パラメータを補正することで、上流膨張弁開度と下流膨張弁開度の開度バランスによらず、高精度な制御が実現できる。ここで、開度バランスとは上流膨張弁開度と下流膨張弁開度の大小関係を指している。開度バランス着目する理由は、一般に、開度バランスによって、各膨張弁から冷凍サイクルへの影響度合いが変化してしまうためである。

例えば、上流膨張弁開度が下流膨張弁開度よりもかなり小さな開度である場合には、下流膨張弁開度を変更してもほとんど冷凍サイクルへの影響はない。逆に、上流膨張弁開度が下流膨張弁開度よりもかなり大きな開度である場合には、下流膨張弁開度を少し変更しただけでも冷凍サイクルへは大きな影響を及ぼす結果となる。

このように開度バランスによって各膨張弁開度から冷凍サイクルへの影響度合いが変わってしまうため、固定の制御ゲインを用いると、開度バランスの変化によって、ハンチングが発生する、あるいは目標値への到達時間が長くなってしまうといった不都合が生じる可能性がある。本実施の形態のように開度バランスを考慮した補正を制御ゲインに対して行うことによって、どのような開度バランスであっても高い制御性能を維持することができる。

図７は実施の形態１における制御部２０の構成を示すハードウェア構成図である。制御部２０は入力インタフェース４０１、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等である演算装置４０２、記憶装置４０３、出力インタフェース４０４とからなる。インタフェースは以降ＩＦと表記する。

制御部２０の、開度比決定部２０１、計時部２０２、補正部２０３、乗算部２０４、制御指示部２０５等の機能は、演算装置４０２がプログラムを実行することによって実現される。センサ部から取得されるデータや操作部から取得されるデータ等のデータは記憶装置４０３に記憶される。

センサ部から取得されるデータや操作部から取得されるデータ等は入力ＩＦ４０１から入力される。入力はユーザから直接受け付けてもよいし、外部にあるデータサーバから受け付けてもよく、入力元は限定されない。出力ＩＦ４０４からは、算出される開度比に基づいて制御指示等の制御情報が出力される。

なお、ＩＦはケーブル用ポートなどの有線ポート、ＵＳＢポート、直接接続のポート、無線ネットワークのポートである。記憶装置４０３はＨＤＤやＳＳＤ、フラッシュメモリなどの記憶媒体である。

実施の形態２．
図８は、実施の形態２における制御部３０の構成の一例を示す構成図である。実施の形態１とは、制御部３０が異なる。より具体的には制御部３０の開度比決定部３０１の処理が異なり、過冷却度指示部３０２を有する部分が異なる。その他構成及び動作は、実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

実施の形態２の開度比決定部３０１は、条件文によるフローチャートにより離散的なインデックスｉから開度比αを算出するのではなく、過冷却度指示部３０２から出力される連続的な引数から開度比αを算出する点で、実施の形態１の開度比決定部２０１と異なる。

過冷却度指示部３０２は、過冷却度を制御量としたフィードバック制御等の制御を行う。過冷却度を目標過冷却度に追従させるように制御する場合に、状況におうじて様々な引数をとる。

過冷却度指示部３０２は、例えばＰＩ制御によって構成されるが、必ずしもＰＩ制御でなくてもよく、Ｐ制御やＰＩＤ制御やモデル予測制御等の動的なフィードバック制御であってもよいし、事前に定められたテーブル等に従う動的または静的な制御であってもよい。

図９は、実施の形態２における開度比決定部３０１が開度比を特定する処理のフローチャートである。実施の形態１では、最大過冷却度以上か最小過冷却度以下を判定して、インデックスを増減させて関数に入力することで開度比を特定していたが、本実施の形態では、過冷却度指示部３０２の過冷却度を目標値に追従させるため変更される引数を関数に入力することで開度比を特定する。

まず、過冷却度指示部３０２は過冷却度を目標過冷却度に制御するための暫定引数を出力する。スッテプＳ２０１で、開度比決定部３０１は、過冷却度指示部３０２から出力される暫定引数を取得する。ステップＳ２０２で、開度比決定部３０１は、所定の上下限に丸めて引数を出力する。ステップＳ２０３で、開度比決定部３０１は、まるめた引数を入力とし、ある関数で演算した結果を開度比αとして出力する。ここで、ある関数は、式２を用いてもよいし、ほかの関数を用いてもよい。本質的には引数に対して単調非減少の関数であれば何でもよい。

上記では過冷却度指示部３０２は過冷却度を目標過冷却度に制御するための暫定引数を出力するものとしたが、必ずしも目標過冷却度に制御せずともよく、所定の許容過冷却度範囲内に保持するための暫定引数を出力するものとしてもよい。

上記のような構成にすることにより、上流膨張弁開度と下流膨張弁開度の動作をすべて連続的に実現することができる。それにより、滑らかでバンプレスな制御とすることができ、運転条件と運転状態が連続的につながることとなり、評価試験を効率的に実施できるという利点が生じる。また、制御の再現性も向上するため、良質な冷凍サイクル装置を提供することが可能となる。

本開示の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることができ、また各実施の形態を適宜、変形、又は省略することが可能である。本実施の形態は詳細に説明されたが、上記の説明は、すべての態様において、例示であって、本実施の形態がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、本実施の形態の範囲から外れることなく想定されうる。

１ 冷凍サイクル装置、３ 圧縮部、４ 凝縮部、５ 上流膨張弁、６ レシーバ部、７ 下流膨張弁、８ 蒸発部、９ 配管、１０ 冷媒回路、１１ 吐出温度センサ、１２ 出口温度センサ、１３ 高圧圧力センサ、１４ 低圧圧力センサ、２０ ３０ 制御部、２０１ ３０１ 開度比決定部、２０２ 計時部、２０３ 補正部、２０４ 乗算部、２０５ 制御指示部、２０６ 記憶部、３０２ 過冷却度指示部。

Claims (9)

1. 吸入した冷媒を圧縮する圧縮部と、
   前記圧縮部から吐出した前記冷媒を凝縮して熱交換させる凝縮部と、
   前記凝縮部から吐出した前記冷媒を貯蔵するレシーバ部と、
   前記レシーバ部から吐出した前記冷媒を気化して熱交換させる蒸発部と、
   前記凝縮部と前記レシーバ部との間の配管に設置される上流膨張弁と、
   前記レシーバ部と前記蒸発部との間の配管に設置される下流膨張弁と、
   前記圧縮部から吐出した前記冷媒の温度と相関のある第一物理量を測定する吐出温度検出部と、
   前記凝縮部または前記レシーバ部の液冷媒量と相関のある第二物理量を測定するセンサ部と、
   前記第一物理量を目標値に追従させる前記下流膨張弁の開度を制御する制御指示部と、
   前記第二物理量を所定範囲内に保持するように前記上流膨張弁と前記下流膨張弁との開度比を変更して前記液冷媒量を制御する開度比決定部と、
   前記下流膨張弁の開度と前記開度比とを乗算した値に前記上流膨張弁の開度を制御する制御部と
   を備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記制御指示部は、制御ゲインを有するフィードバック制御を行い、
   前記開度比に基づいて、直列膨張弁開度の制御ゲインを前記下流膨張弁の制御ゲインに補正する補正部
   を備え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. 前記補正部は、前記開度比が小さくなると、前記下流膨張弁の制御ゲインが大きくなるように補正し、前記開度比が大きくなると、前記下流膨張弁の制御ゲインが小さくなるように補正する
   ことを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記第二物理量は過冷却度であり、
   前記開度比決定部は、前記過冷却度を所定範囲内に保持するように前記開度比を決定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記開度比決定部は、測定された前記過冷却度が最大過冷却度以上の場合に前記開度比を大きくし、最小過冷却度以下の場合に前記開度比を小さくするように、前記開度比を決定する
   ことを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記開度比決定部は、前記最大過冷却度以上である期間に応じて段階的に前記開度比がより大きくなるように、前記最小過冷却度以下である期間に応じて段階的に前記開度比がより小さくなるように、前記開度比を決定する
   ことを特徴とする請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記過冷却度を制御量とする過冷却度指示部とを備え、
   前記開度比決定部は、前記過冷却度指示部から出力される前記過冷却度を制御するための操作量が大きいほど前記開度比が大きくなるように、前記開度比を決定する
   ことを特徴とする請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
8. 吸入した冷媒を圧縮する圧縮部と、
   前記圧縮部から吐出した前記冷媒を凝縮して熱交換させる凝縮部と、
   前記凝縮部から吐出した前記冷媒を貯蔵するレシーバ部と、
   前記レシーバ部から吐出した前記冷媒を気化して熱交換させる蒸発部と、
   前記凝縮部と前記レシーバ部との間の配管に設置される上流膨張弁と、
   前記レシーバ部と前記蒸発部との間の配管に設置される下流膨張弁と、
   吐出温度を目標値に追従させる前記下流膨張弁の開度を、制御ゲインを有するフィードバック制御により制御し、前記上流膨張弁と前記下流膨張弁との開度比を一定に保つように前記上流膨張弁の開度と前記下流膨張弁の開度とを連動させて制御する制御部と、
   前記開度比に基づいて、直列膨張弁開度の制御ゲインを前記下流膨張弁の制御ゲインに補正する補正部と
   を備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
9. 吸入した冷媒を圧縮部で圧縮するステップと、
   前記圧縮部から吐出した前記冷媒を凝縮部で凝縮して空気と熱交換させるステップと、
   前記凝縮部から吐出した前記冷媒をレシーバ部に貯蔵するステップと、
   前記レシーバ部から吐出した前記冷媒を蒸発部で気化して空気と熱交換させるステップと、
   前記圧縮部から吐出した前記冷媒の温度と相関のある第一物理量を測定するステップと、
   前記凝縮部または前記レシーバ部の液冷媒量と相関のある第二物理量を測定するステップと、
   前記レシーバ部と前記蒸発部の間の配管に設置される下流膨張弁の開度を、前記第一物理量を目標値に追従させるように制御するステップと、
   前記凝縮部と前記レシーバ部との間の配管に設置される上流膨張弁と前記下流膨張弁との開度比を、前記第二物理量を所定範囲内に保持するように変更して前記液冷媒量を制御するステップと
   前記下流膨張弁の開度と前記開度比とを乗算した値に前記上流膨張弁の開度を制御するステップと
   を備えることを特徴とする冷凍サイクル方法。

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