JP7842794B2 - 電子膨張弁の制御装置 - Google Patents

Description

本開示は、電子膨張弁の制御装置に関するものである。

電子膨張弁は、冷凍装置の冷媒回路に設けられ、冷媒の流れを制御するために用いられる。電子膨張弁は、弁体と、ステッピングモータとを備える。ステッピングモータは、弁体と一体に形成された回転子と、コイルを有する固定子とを備える。ステッピングモータが回転すると、電子膨張弁の開度が変化する。

特許文献１には、電子膨張弁の制御装置が開示されている。この制御装置は、電子膨張弁のステッピングモータを駆動するためのドライバを備える。ドライバは、パルス状の励磁電流を、ステッピングモータのコイルに向けて出力する。電子膨張弁のステッピングモータは、ドライバが出力した励磁電流を受けて回転する。

特開２０００－１４６００１号公報

１つの電子膨張弁を駆動するには、１つのドライバが必要である。電子膨張弁を駆動するためのドライバは、通常、電子膨張弁の製造者によって提供される。従って、冷凍装置に複数の電子膨張弁を設ける場合は、電子膨張弁と同数のドライバを購入して冷凍装置に設ける必要がある。そのため、電子膨張弁の制御装置の構成の複雑化や価格の上昇を招くおそれがある。

本開示の目的は、電子膨張弁の製造者が提供するドライバを用いずに、電子膨張弁の制御装置を実現することにある。

本開示の第１の態様は、ステッピングモータ（52）を備えた電子膨張弁（50）の開度を、該電子膨張弁（50）の開度に応じて変化する物理量である制御対象量に基づいて制御する制御装置（10）であって、ＰＬＣによって構成され、上記制御対象量の入力値と設定値に基づいて、上記電子膨張弁（50）の目標開度を算出する調節計部（21）と、ＰＬＣによって構成され、上記電子膨張弁（50）の開度を上記調節計部（21）が算出した上記目標開度にするための駆動パルスの数を算出する演算部（31）と、ＰＬＣによって構成され、上記演算部（31）が算出した数の駆動パルスを出力するパルス出力部（41）とを備える。

第１の態様の制御装置（10）は、調節計部（21）と、演算部（31）と、パルス出力部（41）とを備える。調節計部（21）、演算部（31）、及びパルス出力部（41）は、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）によって構成される。そのため、電子膨張弁（50）の製造者が提供するドライバを用いずに、電子膨張弁（50）の開度制御を行うことが可能になる。

本開示の第２の態様は、上記第１の態様において、上記パルス出力部（41）が出力した駆動パルスに基づいて作動し、上記電子膨張弁（50）の上記ステッピングモータ（52）に対して励磁電流を供給する無接点リレー（16）を備える。

第２の態様では、パルス出力部（41）が出力した駆動パルスに基づいて、無接点リレー（16）が作動する。無接点リレー（16）が出力した励磁電流は、ステッピングモータ（52）のコイルに供給される。電子膨張弁（50）のステッピングモータ（52）は、無接点リレー（16）から供給された励磁電流を受けて回転する。

本開示の第３の態様は、上記第１又は第２の態様において、ステッピングモータ（52）の駆動パルスのパルス幅が異なる複数種類の電子膨張弁（50）の開度を制御するように構成され、上記パルス出力部（41）では、パルスの出力間隔が、複数種類の上記電子膨張弁（50）のそれぞれにおける駆動パルスのパルス幅の最大公約数となっている。

第３の態様では、制御装置（10）によって制御される全ての電子膨張弁（50）の駆動パルスのパルス幅が、パルス出力部（41）におけるパルスの出力間隔の整数倍となる。そのため、パルス出力部（41）は、複数種類の電子膨張弁（50）のそれぞれが要求するパルス幅の駆動パルスを出力することができる。従って、この態様の制御装置（10）は、ステッピングモータ（52）の駆動パルスのパルス幅が異なる複数種類の電子膨張弁（50）の開度を制御できる。

図１は、制御装置によって制御される電子膨張弁の斜視図である。 図２は、制御装置の構成を示すブロック図である。 図３は、制御装置が出力する駆動パルスを示す図である。

実施形態について説明する。本実施形態の制御装置（10）は、複数の電子膨張弁（50）の開度を個別に制御するように構成される。また、本実施形態の制御装置（10）は、駆動パルスのパルス幅が異なる複数種類の電子膨張弁（50）の開度を制御するように構成される。

－電子膨張弁－
本実施形態の制御装置（10）によって制御される電子膨張弁（50）について、図１を参照しながら説明する。

電子膨張弁（50）は、本体部（51）とステッピングモータ（52）とを備える。本体部（51）には、弁体と弁座とが内蔵される。ステッピングモータ（52）は、固定子（52a）と回転子とを備える。固定子（52a）は、コイルを内蔵し、本体部（51）の上部を囲うように設けられる。固定子（52a）が内蔵するコイルは、４相である。回転子は、弁体と一体に形成され、本体部（51）に内蔵される。ステッピングモータ（52）の回転子が回転すると、回転子と一体の弁体が移動し、電子膨張弁（50）の開度が変化する。

電子膨張弁（50）の本体部（51）には、第１接続管部（53）と第２接続管部（54）とが接続される。第１接続管部（53）は、本体部（51）から側方へ延びる。第２接続管部（54）は、本体部（51）から下方へ延びる。

本実施形態の制御装置（10）によって制御される複数の電子膨張弁（50）は、第１電子膨張弁（50a）と第２電子膨張弁（50b）とを含む。第１電子膨張弁（50a）のステッピングモータ（52）は、２相励磁方式で駆動される。第１電子膨張弁（50a）のステッピングモータ（52）の駆動パルスは、パルス幅ＰＷ１が１０ｍｓである。第２電子膨張弁（50b）のステッピングモータ（52）は、１－２相励磁方式で駆動される。第２電子膨張弁（50b）のステッピングモータ（52）の駆動パルスは、パルス幅ＰＷ２が２０ｍｓである。

－制御装置－
本実施形態の制御装置（10）について、図２を参照しながら説明する。

本実施形態の制御装置（10）は、最大で八つの電子膨張弁（50）の開度を個別に制御できる。図２は、本実施形態の制御装置（10）が第１電子膨張弁（50a）と第２電子膨張弁（50b）を制御する場合を示す。なお、制御装置（10）が制御可能な電子膨張弁（50）の数は、単なる一例である。

制御装置（10）は、１つのＰＬＣ（15）と、複数の無接点リレー（16）とを備える。ＰＬＣは、「Programmable Logic Controller」の略称である。ＰＬＣ（15）は、リレー制御回路をソフトウェアで実現するための装置である。本実施形態の制御装置（10）において、ＰＬＣ（15）は、ＰＩＤユニット（20）と、ＣＰＵユニット（30）と、出力ユニット（40）とを備える。

〈ＰＩＤユニット〉
ＰＩＤユニット（20）は、複数（本実施形態では、八つ）の調節計部（21）を形成する。複数の調節計部（21）は、それぞれが１つの電子膨張弁（50）に対応する。図２に示す制御装置（10）では、第１調節計部（21a）が第１電子膨張弁（50a）に対応し、第２調節計部（21b）が第２電子膨張弁（50b）に対応する。

調節計部（21）には、対応する電子膨張弁（50）に関する制御対象量の入力値ＰＶと設定値ＳＶとが入力される。制御対象量は、電子膨張弁（50）の開度に応じて変化する物理量である。制御対象量の一例としては、蒸発器の出口における冷媒の過熱度、蒸発器における冷媒の蒸発圧力、蒸発器において冷却された空気の温度などが挙げられる。入力値ＰＶは、冷媒回路等に設けられたセンサの計測値、またはセンサの計測値を用いて算出された値である。設定値ＳＶは、冷凍装置のユーザーや管理者等によって設定された値である。

調節計部（21）は、制御対象量の入力値ＰＶと設定値ＳＶに基づいて、対応する電子膨張弁（50）の目標開度を算出する。本実施形態の調節計部（21）は、制御対象量の入力値ＰＶと設定値ＳＶを用いたＰＩＤ制御によって、対応する電子膨張弁（50）の目標開度を算出する。調節計部（21）は、入力された制御対象量の入力値ＰＶが設定値ＳＶに近づくような開度、又は入力値ＰＶが設定値ＳＶに保たれるような開度を算出し、算出した開度を電子膨張弁（50）の目標開度に設定する。電子膨張弁（50）の開度は、例えば、全閉状態を０％とし、全開状態を１００％とした百分率で表現される。

図２に示す制御装置（10）において、第１調節計部（21a）には、第１電子膨張弁（50a）の開度に応じて変化する制御対象量の入力値ＰＶと設定値ＳＶが入力される。第１調節計部（21a）は、入力された制御対象量の入力値ＰＶと設定値ＳＶを用いたＰＩＤ制御によって、第１電子膨張弁（50a）の目標開度を算出する。また、第２調節計部（21b）には、第２電子膨張弁（50b）の開度に応じて変化する制御対象量の入力値ＰＶと設定値ＳＶが入力される。第２調節計部（21b）は、入力された制御対象量の入力値ＰＶと設定値ＳＶを用いたＰＩＤ制御によって、第２電子膨張弁（50b）の目標開度を算出する。

〈ＣＰＵユニット〉
ＣＰＵユニット（30）は、複数（本実施形態では、八つ）の演算部（31）を形成する。複数の演算部（31）は、それぞれが１つの電子膨張弁（50）に対応する。図２に示す制御装置（10）では、第１演算部（31a）が第１電子膨張弁（50a）に対応し、第２演算部（31b）が第２電子膨張弁（50b）に対応する。

演算部（31）は、同じ電子膨張弁（50）に対応する調節計部（21）が算出した目標開度を、その調節計部（21）から読み出す。また、演算部（31）は、対応する電子膨張弁（50）の現在の開度を記憶する。演算部（31）は、対応する電子膨張弁（50）の開度を目標開度にするための駆動パルスの数を算出する。

具体的に、演算部（31）は、対応する電子膨張弁（50）の現在の開度と、対応する調節計部（21）から読み出した目標開度との差分（開度差）を算出し、算出した開度差に対応する駆動パルスの数を算出する。例えば、対応する電子膨張弁（50）の現在の開度が５０％であり、対応する調節計部（21）から読み出した目標開度が７０％である場合、演算部（31）は、両者の差分である２０％（＝７０％－５０％）だけ電子膨張弁（50）の開度を増やすために必要な駆動パルスの数を算出する。

図２に示す制御装置（10）において、第１演算部（31a）は、第１電子膨張弁（50a）の現在の開度と、第１調節計部（21a）から読み出した目標開度との差分（開度差）を算出し、算出した開度差に対応する駆動パルスの数を算出する。また、第２演算部（31b）は、第２電子膨張弁（50b）の現在の開度と、第２調節計部（21b）から読み出した目標開度との差分（開度差）を算出し、算出した開度差に対応する駆動パルスの数を算出する。

〈出力ユニット〉
出力ユニット（40）は、複数（本実施形態では、八つ）のパルス出力部（41）を形成する。複数のパルス出力部（41）は、それぞれが１つの電子膨張弁（50）に対応する。図２に示す制御装置（10）では、第１パルス出力部（41a）が第１電子膨張弁（50a）に対応し、第２パルス出力部（41b）が第２電子膨張弁（50b）に対応する。

パルス出力部（41）には、同じ電子膨張弁（50）に対応する演算部（31）が出力した“駆動パルスの数”が入力される。パルス出力部（41）は、パルス出力機能プログラムを実行することによって、入力された“駆動パルスの数”と同数の駆動パルスを出力する。

図２に示す制御装置（10）において、第１パルス出力部（41a）は、第１演算部（31a）が出力した“駆動パルスの数”と同数の駆動パルスを出力する。図３に示すように、第１パルス出力部（41a）は、第１電子膨張弁（50a）のステッピングモータ（52）に対して（具体的には、固定子（52a）のコイルに対して）、駆動パルスを出力する。上述したように、第１電子膨張弁（50a）のステッピングモータ（52）は、２相励磁方式で駆動される。そこで、第１パルス出力部（41a）は、２相励磁方式に対応した駆動パルスを出力する。第１電子膨張弁（50a）のステッピングモータ（52）は、八つの駆動パルスによって一回転する。

また、第２パルス出力部（41b）は、第２演算部（31b）が出力した“駆動パルスの数”と同数の駆動パルスを出力する。図３に示すように、第２パルス出力部（41b）は、第２電子膨張弁（50b）のステッピングモータ（52）に対して（具体的には、固定子（52a）のコイルに対して）、駆動パルスを出力する。上述したように、第２電子膨張弁（50b）のステッピングモータ（52）は、１－２相励磁方式で駆動される。そこで、第２パルス出力部（41b）は、１－２相励磁方式に対応した駆動パルスを出力する。第２電子膨張弁（50b）のステッピングモータ（52）は、八つの駆動パルスによって一回転する。

本実施形態のパルス出力部（41）において、パルスの出力間隔ＰＷは、制御装置（10）によって制御される複数種類の電子膨張弁（50）のそれぞれにおける駆動パルスのパルス幅の最大公約数となっている。パルスの出力間隔ＰＷは、パルス出力部（41）におけるパルス出力機能プログラムの実行周期時間である。

上述したように、第１電子膨張弁（50a）のステッピングモータ（52）の駆動パルスは、パルス幅ＰＷ１が１０ｍｓであり、第２電子膨張弁（50b）のステッピングモータ（52）の駆動パルスは、パルス幅ＰＷ２が２０ｍｓである。そのため、本実施形態のパルス出力部（41）において、パルスの出力間隔ＰＷは、パルス幅ＰＷ１（＝１０ｍｓ）とパルス幅ＰＷ２（＝２０ｍｓ）の最大公約数である「１０ｍｓ」に設定される。

図３に示すように、第１電子膨張弁（50a）のステッピングモータ（52）を駆動するための駆動パルスのパルス幅ＰＷ１は、第１パルス出力部（41a）のパルスの出力間隔ＰＷの「１倍」である。そのため、第１パルス出力部（41a）は、パルス出力機能プログラムを１回実行することによって、一つの駆動パルスを生成する。

一方、第２電子膨張弁（50b）のステッピングモータ（52）を駆動するための駆動パルスのパルス幅ＰＷ２は、第２パルス出力部（41b）のパルスの出力間隔ＰＷの「２倍」である。そのため、第２パルス出力部（41b）は、パルス出力機能プログラムを２回実行することによって、一つの駆動パルスを生成する。

〈無接点リレー〉
図２に示すように、無接点リレー（16）は、電子膨張弁（50）のステッピングモータ（52）の固定子（52a）を構成するコイルの各相に対応して、一つずつ設けられる。本実施形態の制御装置（10）によって制御される第１電子膨張弁（50a）及び第２電子膨張弁（50b）のそれぞれは、ステッピングモータ（52）の固定子（52a）を構成するコイルが４相である。そのため、本実施形態の制御装置（10）では、第１電子膨張弁（50a）と第２電子膨張弁（50b）のそれぞれに対応して、無接点リレー（16）が四つずつ設けられる。

無接点リレー（16）は、対応するパルス出力部（41）から入力された駆動パルスに基づいて作動する。無接点リレー（16）は、対応する電子膨張弁（50）のステッピングモータ（52）の固定子（52a）に供給する励磁電流を、駆動パルスに連動して断続する。第１電子膨張弁（50a）に対応する四つの無接点リレー（16）は、それぞれが第１パルス出力部（41a）から入力された駆動パルスに基づいて作動する。第２電子膨張弁（50b）に対応する四つの無接点リレー（16）は、それぞれが第２パルス出力部（41b）から入力された駆動パルスに基づいて作動する。

－制御装置の動作－
図２に示す制御装置（10）では、第１調節計部（21a）、第１演算部（31a）、及び第１パルス出力部（41a）が第１電子膨張弁（50a）に対応する。第１電子膨張弁（50a）のステッピングモータ（52）は、第１パルス出力部（41a）が出力した駆動パルスの数に対応した角度だけ回転する。その結果、第１電子膨張弁（50a）の開度は、第１調節計部（21a）が算出した目標開度になる。

また、図２に示す制御装置（10）では、第２調節計部（21b）、第２演算部（31b）、及び第２パルス出力部（41b）が第２電子膨張弁（50b）に対応する。第２電子膨張弁（50b）のステッピングモータ（52）は、第２パルス出力部（41b）が出力した駆動パルスの数に対応した角度だけ回転する。その結果、第２電子膨張弁（50b）の開度は、第２調節計部（21b）が算出した目標開度になる。

－実施形態の特徴－
本実施形態の制御装置（10）は、調節計部（21）と、演算部（31）と、パルス出力部（41）とを備える。調節計部（21）、演算部（31）、及びパルス出力部（41）は、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）によって構成される。そのため、電子膨張弁（50）の製造者が提供するドライバを用いずに、電子膨張弁（50）の開度制御を行うことが可能になる。

また、本実施形態の制御装置（10）では、パルス出力部（41）が出力した駆動パルスに基づいて無接点リレー（16）が作動し、無接点リレー（16）から電子膨張弁（50）のステッピングモータ（52）の固定子（52a）に励磁電流が供給される。そのため、電子膨張弁（50）のステッピングモータ（52）を回転させるために必要な大きさの励磁電流を、電子膨張弁（50）のステッピングモータ（52）の固定子（52a）に対して、パルス出力部（41）が出力した駆動パルスに対応して供給することができる。

また、本実施形態の制御装置（10）では、制御装置（10）によって制御される全ての電子膨張弁（50）の駆動パルスのパルス幅ＰＷ１,ＰＷ２が、パルス出力部（41）におけるパルスの出力間隔ＰＷの整数倍となる。そのため、パルス出力部（41）は、複数種類の電子膨張弁（50）のそれぞれが要求するパルス幅の駆動パルスを出力することができる。従って、本実施形態の制御装置（10）は、ステッピングモータ（52）の駆動パルスのパルス幅が異なる複数種類の電子膨張弁（50）の開度を制御できる。

以上、実施形態を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、明細書および特許請求の範囲の「第１」、「第２」…という記載は、これらの記載が付与された語句を区別するために用いられており、その語句の数や順序までも限定するものではない。

以上説明したように、本開示は、電子膨張弁の制御装置について有用である。

10 制御装置
16 無接点リレー
21 調節計部
31 演算部
41 パルス出力部
50 電子膨張弁
52 ステッピングモータ

Claims (2)

1. ステッピングモータ（52）を備えた電子膨張弁（50）の開度を、該電子膨張弁（50）の開度に応じて変化する物理量である制御対象量に基づいて制御する制御装置（10）であって、
   ＰＬＣによって構成され、上記制御対象量の入力値と設定値に基づいて、上記電子膨張弁（50）の目標開度を算出する調節計部（21）と、
   ＰＬＣによって構成され、上記電子膨張弁（50）の開度を上記調節計部（21）が算出した上記目標開度にするための駆動パルスの数を算出する演算部（31）と、
   ＰＬＣによって構成され、上記演算部（31）が算出した数の駆動パルスを出力するパルス出力部（41）とを備え、
   ステッピングモータ（52）の駆動パルスのパルス幅が異なる複数種類の電子膨張弁（50）の開度を制御するように構成され、
   上記パルス出力部（41）では、パルスの出力間隔が、複数種類の上記電子膨張弁（50）のそれぞれにおける駆動パルスのパルス幅の最大公約数であり、
   上記パルス出力部（41）は、パルス出力機能プログラムを実行することによって上記駆動パルスを出力し、
   上記パルス出力部（41）において、上記パルスの出力間隔は、上記パルス出力機能プログラムの実行周期時間であり、
   上記パルス出力部（41）では、一つの上記駆動パルスを出力するための上記パルス出力機能プログラムの実行回数が、上記駆動パルスの出力対象である上記電子膨張弁（50）が備えるステッピングモータ（52）の駆動パルスのパルス幅に応じて設定されている
   制御装置。
2. 上記パルス出力部（41）が出力した駆動パルスに基づいて作動し、上記電子膨張弁（50）の上記ステッピングモータ（52）に対して励磁電流を供給する無接点リレー（16）を備える
   請求項１に記載の制御装置。