JPH0212340B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は冷凍サイクルを最適化し、冷凍・空
調機器の効率の向上を図る冷凍サイクル制御装置
に関するものである。

従来より、電気式膨張弁を用いて、圧縮機の吸
入温度と蒸発器の入口温度との差により得られる
冷凍サイクルの過熱度を制御する方法がある。こ
の種制御装置において、圧縮機始動後や、急激な
負荷変動があつた時、過熱度を設定値にすばやく
制御しようと動作するが、この制御動作の過程
で、一旦電気的膨張弁を極端に絞り過ぎると、冷
媒の流量が極端に減少し、この結果蒸発器の入口
温度が異常に高い温度となる。そのため、過熱度
が低下し、ますます膨張弁を絞る方向となつてし
まい、この状態に陥いると、容易に復帰できな
い。この状態では、冷凍サイクルの効率ははなは
だしく悪く、能力不足であるとともに機器の安全
性についても好ましくない。このようないわば制
御不能領域に陥りやすいのは蒸発器の雰囲気が低
く、正常時の膨張弁の絞り量が大きく冷媒流量の
少ない場合であるが、この他に制御装置の短期間
の電気的ノイズによる誤動作等によつても引き起
される可能性がある。

このような制御不能領域に陥つた場合の正常復
帰を図ること、あるいはこのような場合を未然に
防止することが必要であり、従来の試みとして、
蒸発器の入口温度を検知して、この絞り過ぎを回
避しようとするものがあつた。しかし、正常な制
御状態での蒸発器入口温度は蒸発器雰囲気により
変化し、雰囲気温度が高くなる程高く、この絞り
過ぎの起こりやすい状態、すなわち雰囲気が低い
状態での絞り過ぎ検知温度よりも高くなる。その
ため、この絞り過ぎ検知温度を一義的に設定する
ことは困難となり、実使用上有効でない場合が多
かつた。

したがつて、この発明の目的は、確実に膨張弁
の絞り過ぎを検知し、制御不能領域への移行を未
然に防止し、または早期回復するようにして、冷
凍サイクルの最適化を促進し、機器の性能並びに
安全性の向上を図ることのできる冷凍サイクル制
御装置を提供することである。

この発明の構成を第７図とともに説明する。

この発明の冷凍サイクル制御装置は、 圧縮機１と凝縮器２と蒸発器５とをこの順に循
環経路に設置してなる冷凍サイクルの前記凝縮器
２と蒸発器３との間に設けられて膨張弁駆動信号
によりその絞り量が調節可能な膨張弁４と、 蒸発器５の入口ないし中間部に設けられた第１
の温度センサ７と、蒸発器５の出口ないし圧縮器
１の吸入部に設けられた第２の温度センサ８と、 第１および第２の温度センサ７，８の温度信号
の差である過熱度信号を出力する過熱度検知手段
と１４と、 第１の温度センサ７の温度信号が設定値以上で
ある時に高温信号を出力する高温検知手段１０
と、 過熱度検知手段１４の過熱度信号と設定値とを
比較してその差を狭めるように膨張弁４を制御す
る制御信号を出力する定常時制御信号出力手段
と、 この定常時制御信号出力手段の制御信号に応動
して膨張弁４に膨張弁駆動信号を出力する駆動手
段と、 前記高温検知手段１４の高温信号が出力されか
つ前記膨張弁駆動信号が設定値以上の時に、前記
駆動手段に一定値の設定制御信号を出力し、前記
定常時制御信号出力手段の動作を停止する異常時
制御信号出力手段と、 前記高温検知手段１４の高温信号が停止したと
き、および前記過熱度信号が異常判別設定値以上
になつたときの何れか早い時点で前記定常時制御
信号出力手段の動作を復帰させ、前記異常時制御
信号出力手段の動作を停止する復帰手段 とを備えたものである。

この発明の一実施例を第１図ないし第５図に示
す。第１図はこの実施例の冷凍サイクル制御装置
の構成図であり、特に冷房装置に適用した場合を
示している。図において１は圧縮機、２は凝縮
器、５は蒸発器であり、これらを循環経路に設置
して冷凍サイクルが構成されている。３は凝縮器
２用の送風機、４は電気信号により弁開度を調節
しうる膨張弁（ここでは熱電膨張弁とする）、６
は蒸発器５用の送風機、７は蒸発器５の入口部に
設けた第１の温度センサ、８は圧縮機１の吸入部
に設けた第２の温度センサ、９は温度センサ７，
８よりの温度信号を入力して膨張弁１１に電気信
号（直流電圧）を出力する制御回路である。１０
は温度センサ７の検知する温度が所定の温度より
も高い時に高温信号を発する高温検知回路であ
る。

第２図は、第１図に示す膨張弁４の内部構造を
示す断面図である。第２図において、４１は膨張
弁４のケース、４２は電気ヒータ４３，４４はバ
イメタルである。バイメタル４３，４４は一対と
なつており、プレート４５により平行に保持され
ている。バイメタル４３には電気ヒータ４２が設
けられている。バイメタル４４は雰囲気温度補正
用である。４６は端子であり、制御回路９より供
給される直流電圧が接続される。４７はバイメタ
ル４４に連結されたスピンドルであり、４８はス
ピンドル４７を上方に押し上げるばねである。４
９はスピンドルの弁座の役目をするシートであ
る。

この膨張弁４は、電気ヒータ４２に直流電圧が
供給さるとバイメタル４３を加熱し、バイメタル
４３の変形により、プレート４５およびバイメタ
ル４４を介してスピンドル４７を下方に押し下げ
る。スピンドル４７はばね４０とバイメタル４３
の応力、および冷媒の圧力によつて、直流電圧の
大きさに対応した位置でバランスされ、これによ
つて冷媒通路の開度が与えられて、冷媒流量を変
化させるようになる。

第２図の構造は通電閉形であり、膨張弁４に供
給する直流の印加電圧（これをV_Tとする）を高
くすれば冷媒流量（これをＱとする）を減少さ
せ、低くすると冷媒流量Ｑを増大させる。この印
加電圧V_Tに対する冷媒流量Ｑの特性例を第３図
に示す。図中、Q_LおよびQ_Hは、圧縮機１を運転
している場合の冷媒流量Ｑの範囲の最小および最
大を示しており、また曲線が２通りあるのは、ヒ
ステリシス特性があるためである。

第１図における構成において、圧縮機１による
冷媒の圧縮作用により冷媒が凝縮器２、膨張弁
４、蒸発器５、圧縮機１の吸入部の経路で循環
し、蒸発器５において冷房能力を出力する。この
冷凍サイクルの動作において、理想的には蒸発器
５内で蒸発した冷媒が、その出口で乾燥飽和蒸気
となる時が最も効率的な運転状態となる。しかし
実際の構成上は、蒸発器５の内部および蒸発器５
より圧縮機１の吸入部までの冷媒配管の通路抵抗
により温度降下があり、また圧縮機１が冷媒のガ
ス液混合域で吸入して液圧縮するのを防止する
（アキユムレータを設けている場合は必ずしもそ
うではないが）ため、冷媒ガスをわずかに過熱し
た領域で動作させることが適切である。そこでこ
のような動作状態を達成するために、温度センサ
７，８の検知するそれぞれの温度の差（これを過
熱度SHとする）が常に設定値SHd（冷媒配管に
よつても異なるが、例えば数deg）となるように
膨張弁４への印加電圧V_Tを変化し、冷媒流量を
制御するものである。

なお過熱度SHは、理想冷凍サイクルにおける
ものに対して、前述のように冷媒配管の通路抵抗
による温度降下がある等、厳密な意味での過熱度
（スーパーヒート）ではないが、ここでは第１図
に示す温度センサ７と８によつて得られた値を示
すものとする。

次に制御回路９および高温検知回路１０の構成
を第４図に示す。第４図において、V_CCは直流電
源電圧、１１は制御回路９の主体を構成するマイ
クロコンピユータ（以下マイコンと称す）であ
り、１２，１３は抵抗、１４は過熱度検知回路で
ある。過熱度検知回路１４は温度センサ７，８よ
りの温度信号（図中の記号V_EおよびV_S）により、
温度センサ７の検知する温度T_Eと、温度センサ
８の検知する温度T_Sとの差、すなわち過熱度SH
＝T_S−T_Eを検知し、この過熱度SHをマイコン１
１に出力する。１５はＤ／Ａコンバータであり、
マイコン１１よりの膨張弁４へ印加すべき電圧
V_Tに対応するデイジタル信号を入力し、それを
アナログ信号に変換する。１６はオペアンプ、１
７は抵抗、１８はトランジスタであり、これらは
Ｄ／Ａコンバータ１５の出力のインピーダンスを
変換し、膨張弁４に印加電圧V_Tを出力する駆動
回路を構成する。

このような回路構成において、過熱度検知回路
１４により検知された過熱度SHはマイコン１１
に入力され、マイコン１１はこの過熱度SHの値
に対応して印加電圧V_Tの出力すべき値を演算し
出力する。ここで過熱度SHが設定値SHdよりも
低ければ、過熱度SHを上昇させるように印加電
圧V_Tを上昇し、膨張弁４の絞り量を増大させる。
過熱度SHが設定値SHdよりも高くなれば、前述
とは逆に印加電圧V_Tを減少させる。このような
動作を繰り返して過熱度SHを設定値SHdにほぼ
一定に維持するものである。

ところで、このような過熱度SHを一定に維持
する制御状態より、何らかの原因で膨張弁４の絞
り量を極端に大きく（弁開度を極めて小さくし）
してしまつた場合、蒸発器５の入口温度が冷媒量
不足により過熱されて上昇すると、すなわち温度
センサ７の検知する温度T_Eが高くなると、過熱
度SHは減少することになる。過熱度SHが設定値
SHdよりも低くなると、前述の説明の通り、印
加電圧V_Tを上昇させるように動作する。したが
つて、膨張弁４はますます絞られることとなり、
温度T_Eが一層上昇し、結局この状態からの離脱
が困難となる。このような制御不能領域から離脱
可能な場合は圧縮機１の吸込温度T_Sが極めて高
くなる時であるが、この場合は、圧縮機１の吸入
部の雰囲気等が非常に高い場合であつて、通常は
吸入部の圧力低下により吸入温度が低下すること
から、前記の制御不能領域からの離脱は必ずしも
達成しえない。

この制御不能領域に陥る原因としては、圧縮機
１の起動後、冷凍サイクルがまだ安定していない
状態の時や、蒸発器５や圧縮機１の吸入部の雰囲
気が低い時、あるいは単純な制御回路９の誤動作
などが上げられるが、いづれの場合であつても制
御不能領域から離脱しうる対策を設ける必要があ
る。

そこで、その対策として、蒸発器５の入口温度
T_Eが所定の温度T_E1より高く、また膨張弁４の印
加電圧V_Tが最大値V_THとなつた時に、膨張弁４が
絞り過ぎであると判定し、この時に、膨張弁４の
印加電圧V_Tを適当な値（第３図に示すV_TM）とす
れば絞り量を回復させるものである。印加電圧
V_T＝V_TMとすると、冷媒流量Ｑ＝Q_Mとなりこの
とき膨張弁４はキヤピラリチユーブと同等の働き
をなし、冷凍サイクルを最適ではないが、比較的
安全な状態に維持させることができる。この状態
より、正常な過熱度SHの制御に回復させるには、
蒸発器５の入口温度T_Eが所定値T_E2（＜T_E1）より
低くなつたことを検知し、再び膨張弁４の印加電
圧V_Tの制御を行なうようにすれば良い。

ここで、蒸発器５の入口温度T_EがT_E1より高く
なつたこと、あるいはT_E2より低くなつたことを
検知するのが高温検知回路１０である。この高温
検知回路１０は、T_EがT_E1以上となつた時点より
T_E2以下になるまで高温信号を制御回路９に出力
する。制御回路９は高温信号を入力し、かつその
時の印加電圧がV_T＝V_THとなつた時に、V_T＝V_TM
を出力するものである。なお、高温検知回路１０
における高温検知に関し、T_E1，T_E2と２つの値
を定めているのは、デイフアレンシヤルを与え
て、その検知動作をより確実にするためである。
また温度センサ７の出力する温度信号は電圧V_E
で与えられ、そのV_Eは温度T_Eに対し、第５図の
ような特性で示される（温度センサ８の温度信号
についても同等）。したがつて、高温検知回路１
０は、温度T_E＝T_E1，T_E2に対する電圧V_E1，V_E2
をオン点およびオフ点とするヒステリシスのある
比較器により容易に構成することができる。

第６図は、第１図ないし第５図に示す実施例の
動作特性例である。横軸ｔは時刻を示す。時刻t₀
において圧縮機１が起動し、これに応じて印加電
圧V_T＝V_TMを所定時間（例えば３分）維持して、
冷凍サイクルの初期の不安定な状態を回避した
後、過熱度SHを設定値SHdに維持する制御動作
を開始する。ところが冷凍サイクルの応答遅れや
雰囲気条件で、時刻t₁でT_E＝T_E1となり、高温検
知回路１０が高温信号を出力するようになつた。
しかし、過熱度SHを制御するため、所定時間毎
に印加電圧V_Tを上昇させるが、その後t₂にV_T＝
V_THとなつた時、膨張弁４が絞り過ぎであること
を判定し、V_T＝V_TMとする。これにより温度T_E
がしだいに回復し、時刻t₃でT_E＝T_E2となつた
時、再び正常な過熱度制御を行ない、過熱度SH
を設定値SHdにほぼ等しくなるように制御する。
このように膨張弁４の絞り過ぎを検知し、未然に
制御不能領域での継続を解除し、安定な制御への
回復を図ることができる。

なお、前記の実施例の構成および動作に関し、
絞り過ぎの検知は、温度T_E≧T_E1でかつ印加電圧
V_T≧V_THとなつた時、直ちに絞り過ぎと判定する
ようになしているが、絞り過ぎ検知の後、印加電
圧V_T＝V_TMとするから、制御上は大きな変化を与
えることになる。このため、もしこの絞り過ぎ検
知が短時間のノイズ等による誤動作で発生するよ
うなことがあると、逆に不都合である。したがつ
て、より安定な制御を達成するために、前記の条
件、すなわちT_E≧H_E1，かつV_T≧V_THであつて、
その状態が一定時間（例えば10秒等）継続した
時、初めて絞り過ぎであると判定するように構成
することもできる。

また、第６図の動作特性例において、絞り過ぎ
を判定した時、印加電圧V_T＝V_TMとして、絞り過
ぎの回復を行なうようにしているが、使用対象に
よつては、回復が遅い場合がある。このような場
合には、V_T＝V_TLあるいはV_T＝OV（膨張弁４の
開度が全開）などとし、冷媒流量を充分多くし、
絞り過ぎの回復を早めることが可能である。この
場合、絞り過ぎの回復を検知した時は、制御上の
安定化のため、一旦V_T＝V_TMとなし、その後、過
熱度SHに対する通常の制御動作を行なうことが
適当と考えられる。すなわち、第６図で時刻t₂か
らt₃までの間を、V_T＝V_TL又はOVとなすことで
ある。ただし、この方法は絞り過ぎが回復した直
後の制御性が若干悪くなる可能性があるため、回
復時間との関係から適宜選択することが望まし
い。

また、絞り過ぎ検知後、正常な過熱度制御に回
復させる方法として、高温検知回路１０が高温信
号を停止したことを検知する以外に、過熱度SH
が所定値に達した時、例えばSH≧SHdとなつた
時に、正常な領域に復帰したと判定するように構
成しても良い。この方法は、第６図に示すような
特性においては回復が遅くなるが、機器の構成や
負荷条件等によつては同等もしくは、より早く回
復させることができる。また、高温信号が停止す
るかあるいはSH≧SHdとなるいづれか早い時点
で正常な領域に復帰したと判定するように構成し
ても良く、使用対象に応じて選択しうる。

なお、前記実施例は冷房装置に適用した場合に
ついて説明したが、この発明はこの他にヒートポ
ンプを初め、他の冷凍空調装置にあつても適用し
うるものである。

また、膨張弁４として熱電膨張弁を用いたが、
他の電気式の膨張弁であつても同様に構成できる
ことは明らかである。この他、制御回路９の構成
において異常時の動作状態を発光ダイオード等の
表示器その他により示すようになすことも容易に
実現でき、使用対象に応じて選択すれば良い。

以上のように、この発明の冷凍サイクル制御装
置は、電気信号によりその絞り量が調節可能な膨
張弁を用いて、冷凍サイクルを過熱度制御により
最適化を図るものであり、特にこの過熱度制御に
おける膨張弁の絞り過ぎ時の制御不能な状態を未
然に防止して、いかなる条件下であつても適切な
制御を継続して、制御性能を向上させることがで
きる。これにより、機器の効率の向上を図ること
ができ、種々の冷凍空調への適応性を一層拡大す
ることが可能となる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の冷凍サイクル制
御装置の構成図、第２図は第１図に示す装置の膨
張弁の断面図、第３図は第２図に示す膨張弁の特
性図、第４図は第１図における制御回路および高
温検知回路の構成図、第５図は第４図の回路の動
作説明図、第６図は第１図ないし第５図の装置の
動作特性例の説明図、第７図はこの発明の構成の
説明図である。 １…圧縮機、２…凝縮器、４…膨張弁、５…蒸
発器、７…第１の温度センサ、８…第２の温度セ
ンサ、９…制御回路、１０…高温検知手段（高温
検知回路）、１１…マイクロコンピユータ、１４
…過熱度検知手段（過熱度検知回路）、V_T…電気
信号（印加電圧）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮機と凝縮器と蒸発器とをこの順に循環経
   路に設置してなる冷凍サイクルの前記凝縮器と蒸
   発器との間に設けられて膨張弁駆動信号によりそ
   の絞り量が調節可能な膨張弁と、 蒸発器の入口ないし中間部に設けられた第１の
   温度センサと、前記蒸発器の出口ないし前記圧縮
   器の吸入部に設けられた第２の温度センサと、 前記第１および第２の温度センサの温度信号の
   差である過熱度信号を出力する過熱度検知手段
   と、 前記第１の温度センサの温度信号が設定値以上
   である時に高温信号を出力する高温検知手段と、 前記過熱度検知手段の過熱度信号と設定値とを
   比較してその差を狭めるように膨張弁を制御する
   制御信号を出力する定常時制御信号出力手段と、 この定常時制御信号出力手段の制御信号に応動
   して前記膨張弁に膨張弁駆動信号を出力する駆動
   手段と、 前記高温検知手段の高温信号が出力されかつ前
   記膨張弁駆動信号が設定値以上の時に、前記駆動
   手段に一定値の設定制御信号を出力し、前記定常
   時制御信号出力手段の動作を停止する異常時制御
   信号出力手段と、 前記高温検知手段の高温信号が停止したとき、
   および前記過熱度信号が異常判別設定値以上にな
   つたときの何れか早い時点で前記定常時制御信号
   出力手段の動作を復帰させ、前記異常時制御信号
   出力手段の動作を停止する復帰手段 とを備えた冷凍サイクル制御装置。 ２ 前記高温検知手段を比較器により構成すると
   ともに、この高温検知手段が前記第１の温度セン
   サの温度信号によつて高温信号を出力する設定温
   度とこの高温信号を停止する設定温度とに差を設
   けた特許請求の範囲第１項記載の冷凍サイクル制
   御装置。