JPH0251116B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、霜が堆積した熱交換器を解霜するた
めの解霜サイクルを制御する装置及び方法に係
る。一層詳細には、本発明は、冷凍回路内の圧縮
器を付勢する電動機の位相角に基づいて解霜サイ
クルを開始する装置及び方法に係る。

空気調和装置、冷凍器及び熱ポンプは、所望の
蒸発器温度を得るべく適当な圧力条件下で液状冷
媒を熱交換器内で蒸発させることにより、制御さ
れた熱伝達を行う。液状冷媒は、冷却されている
媒体から蒸発の潜熱を除去し、またこの過程で同
一の圧力及び温度に於て蒸気に変換される。この
蒸気は次いで圧縮器内へ運ばれ、そこでその温度
及び圧力が下げられる。蒸気は次いで凝縮器とし
ての役割をする別の熱交換器に導かれ、そこで気
体状冷媒が熱交換により熱交換流体からその凝縮
熱を吸収し、気体から液体に状態を変化する。液
体は、液状冷媒の圧力を下げる作用をする膨張装
置を通過した後に蒸発器に供給され、こうして液
状冷媒は蒸発器内で蒸発して、その蒸発熱を吸収
し、サイクルを完了する。

この冷凍回路が組込まれる特定の用途では、蒸
発器としての役割をする熱交換器が用いられ、蒸
発器は水の結霜点以下の温度に於ける周囲空気内
に置かれ、若しくは熱交換器自体が水の結霜点以
下の表面温度を有する。何れの場合にも、空気が
熱交換器を通つて循環されるにつれて、空気中の
水蒸気は凝縮され、熱交換器の表面上に結霜す
る。霜が熱交換器の上に堆積するにつれて、氷の
層が冷媒を運ぶ熱交換器の部分とその上を流れる
空気との間にビルドアツプする。この氷の層は冷
媒と空気との間の熱伝達を禁止する絶縁層として
作用する。加えて、氷は熱伝達を強化するために
用いられているフインの間の狭い空気流通路を阻
止する作用をし得る。この追加的な作用は更に、
熱伝達を減ずる作用をする。何故ならば、冷媒を
運ぶコンジツトと熱交換して循環される空気の量
が減ずるからである。

熱ポンプが比較的低い屋外周囲空気条件で作動
する場合、又は冷凍回路の蒸発器が冷たい空間に
対して作動する場合のように蒸発器が上記条件に
晒される冷凍回路を有効に利用するためには、堆
積した霜を除去するための装置を設ける必要があ
る。従来、電気抵抗加熱を行う方法、蒸発器が凝
縮器となるように熱ポンプを逆作動させる方法、
高温の気体状冷媒を直接に結霜した熱交換器に向
ける方法等が知られている。これらの解霜方法の
多くはエネルギを用いており、その分だけ空気調
和されるべき空間に伝達される熱エネルギ又はシ
ステム全体の中で必要とされる熱エネルギが減ぜ
られる。解霜のために消費される熱エネルギの大
きさを減ずるため、必要とされるときのみ冷凍回
路を解霜モードとするようなシステムデザインが
選択される。

解霜開始のための種々の形式の制御装置が用い
られてきた。タイマ及びサーモスタツトの組合せ
が、解霜開始時点を決定するために用いられ得
る。タイマは周期的に、蒸発器温度又はそれに関
係する温度が選択されたレベルよりも低いか否か
をチエツクし、もしそうであれば、制御装置を解
霜モードとする。他の形式の公知の解霜開始シス
テムでは、冷媒を運ぶコイルのフインから放射さ
れる赤外線放射が測定され、熱交換器を通つて流
れる空気の圧力差が測定され、結霜を示す複数の
従属変数が測定され、フインの上に置かれており
装置の温度に関係して特性を変化する電気的装置
が用いられ、種々の電気的パラメータの監視を含
む光−電気的方法及び他の方法が用いられる。

本発明は、圧縮器を駆動する電動機の位相角を
検出して解霜制御を行おうとするものである。電
動機の負荷が減少するにつれて、電動機の力率が
減少しまた位相角が増大することが見出されてい
る。ここに用いられている位相角という用語は、
圧縮器に供給される電圧と圧縮器を通つて流れる
電流との間の角度の差を意味している。圧縮器の
負荷が変化するにつれて、位相角も変化する。無
霜条件に於ける適当な位相角を決定することによ
り、冷凍回路の最大負荷が決定される。熱交換器
に霜が堆積するにつれて、圧縮機電動機の負荷が
減少する。何故ならば、霜の堆積による効率低下
のために、伝達される熱エネルギの大きさが減少
するからである。圧縮器の負荷が減少するにつれ
て、圧縮機電動機の負荷が減少し、従つてまたそ
の位相角が増大する。無霜条件下での位相角と実
際の作動条件下での位相角とを比較することによ
り、その差が解凍を開始するために用いられ得
る。

本発明の目的は冷凍回路と共に使用するための
解凍制御装置及び方法を提供することである。

本発明の他の目的は、空気調和又は冷凍回路に
対して解凍を開始する時点を決定する方法を提供
することである。

本発明の別の目的は、解霜を開始すべき時点を
知るために冷凍回路の圧縮機電動機の電気回路の
パラメータを測定する検出方法を提供することで
ある。

本発明の更に他の目的は、解霜開始時点を知る
ために位相角データを用いる方法及び装置を提供
することである。

本発明の更に別の目的は、安全で、経済的で、
信頼性に富み且製造及び設置の容易な解凍装置を
提供することである。

本発明の更に他の目的は、解霜開始時点を決定
するための、マイクロコンピユータに適したデジ
タル信号を発生し得る位相角検出回路を提供する
ことである。

本発明の更に別の目的は、マイクロプロセツサ
により制御される解霜調節用熱ポンプに使用する
のに適した解霜装置及び方法を提供することであ
る。

本発明の他の目的は以下の説明から明らかにな
ろう。

上記及び他の目的は、冷凍回路の一部分をなす
熱交換器から堆積した霜を除去するため解霜サイ
クルを開始する時点を決定する本発明の方法によ
り達成される。電動機により駆動される圧縮器が
冷凍回路内に含まれており、また解霜を開始する
時点を決定する方法は、熱交換器が無霜条件にあ
る時に圧縮器を駆動する電動機の位相角に等しく
基準位相角を決定するステツプと、電動機の動作
位相角を監視するステツプと、動作位相角を基準
位相角と比較するステツプと、動作位相角が所定
の値だけ基準位相角を超過したことが前記比較ス
テツプにより判定された時点で解霜サイクルを開
始するステツプとを含んでいる。

加えて、交流電源に接続されている電動機の位
相角を示す信号を発生するための回路が開示され
ている。電源に接続されている第一の手段が、電
源の電圧が正の値若しくは負の値の有するときを
検出し、正の値が検出されるとき若しくは負の値
が検出されるときに第一の信号を発生する。電源
と電動機との間に接続されている第二の手段が、
電動機を通つて流れる電流が正の値若しくは負の
値を有するときを検出し、負の値が検出されると
き若しくは正の値が検出されるときに第二の信号
を発生する。加えて、第一及び第二の信号が共に
存在するときに、位相角を示す出力信号を発生す
る出力手段が設けられている。

以下の実施例に用いられている電動機位相角監
視・検出回路は一例であり、同一の効果が得られ
る他の回路も同様に用いられ得ることは理解され
よう。加えて、ここに説明する解霜方法及び装置
はマイクロコンピユータを用いて実現されている
が、固定配線の部品を用いる場合にも、手動操作
による場合にも、同一の結果が得られることは理
解されよう。

第１図を参照すると、圧縮機電動機の位相角を
検出するための回路が示されている。電源は導線
L₁及びL₂を通じて回路に供給される。圧縮機電
動機１０は導線L₁及びL₂の間に接続されており、
それらを通じて電力を供給される。導線１００は
圧縮機電動機１０及び変圧器１２を導線L₁に接
続している。導線L₂は導線１０２を介して圧縮
機電動機１０及び変圧器１２に接続されている。

変流器１６はその二次巻線を圧縮機電動機１０
と導線L₂と間の導線１０２中に接続されており、
圧縮器と電源との間を流れる電流を検出する。変
流器１６は導線１１２及び１１０を介して零交さ
検出器１８に接続されている。零交さ検出器１８
は導線１１６を介して、導線１２０を介してアン
ドゲート２４に接続されているインバータ・バツ
フアー２２に接続されている。

変圧器１２の一次巻線は導線１００及び１０２
を介して電源の導線L₁及びL₂に接続されており、
またその二次巻線は一端では接地され、また他端
では導線１０４を介して零交さ検出器１４に接続
されている。零交さ検出器１４は導線１０６によ
り、導線１０８によりアンドゲート２４に接続さ
れているバツフア２０に接続されている。導線１
２０はアンドゲート２４の出力端に接続されてい
る。

零交さ検出器１４及び１８は共に、それぞれ入
力線１０４及び１１０に接続された演算増幅器を
含んでいる。零交さ検出器は、導線１０４及び１
１０上の信号の値が正若しくは負である周囲の間
に方形波信号を発生するように作用する。これら
の二つの零交さ検出器の作動の仕方は第２図を参
照して一層明白に説明される。

第２図の五つのグラフは上から順に導線１０
４，１１０，１０８，１２０及び１２２上の信号
を表わしている。これらのグラフの横軸は何れも
時間である。導線１０４と記入されている一番上
のグラフは電源に於て検出される電圧のグラフで
あり、典型的に正弦波である。これは導線１０４
から零交さ検出器１４に通過する信号である。導
線１１０記入されている二番目のグラフは変流器
１６により発生される信号のグラフであり、従つ
てまた導線１１０上の信号である。導線１０４の
グラフは零で開始する正弦波であり、導線１１０
のグラフはそれに対して少し位相のずれた正弦波
である。導線１０４上の信号の零交さと導線１１
０上の信号の零交さとの間の角度のずれはφで示
されている。このφが電動機の電圧と電流との間
の位相角である。

導線１０８と記入されている三番目のグラフは
零交さ検出器１４により発生される信号を表わし
ている。零交さ検出器１４は、信号線１０４の電
圧レベルが正であるときには常に方形波が発生さ
れるように構成されている。従つて、導線１０８
は、導線１０４の正弦波が零線よりも上側にある
ときには常に一定振幅の方形波であり、導線１０
４上の正弦波が零線よりも下側にあるときには常
に信号を有さない。同様に、導線１２０の信号
は、導線１１０のグラフ中に示されている信号が
負又は零電流線の下側であるときには常に発生さ
れる方形波である。従つて、導線１２０には、正
弦波が零線の下側にある半周期の間に信号が生ず
る。第１図に示されているように、バツフア２２
は零交さ検出器１８を反転させるように作用する
ので、導線１１０上の信号が正ではなく負である
ときに信号が発生される。

導線１２２と記入されている五番目のグラフは
アンドゲート２４の出力信号を示す。このグラフ
は、正の信号が導線１０８及び１２０の双方に存
在する間に発生される方形波信号を示している。
この信号の継続時間は、電圧信号（導線１０４）
が正であり且他方の信号又は電流信号（導線１２
０）が負である時間の長さを示す。この時間の長
さは、角度に変換されれば、位相角と等価であ
る。60Hzの電源に対して位相角は21.6゜毎ミリ秒
である。従つて、導線１２２上の各信号パルスの
継続時間を求めることにより、位相角が求められ
得る。その継続時間を求めるため、通常のよう
に、導線１２２上のパルスの長さがデジタルにカ
ウントされる。パルスの継続時間に21.6゜毎ミリ
秒を乗算すれば所望の位相角の大きさが得られ
る。

零交さ検出器及び第１図の回路の作動の仕方に
ついての上記の説明は、電圧信号の正部分が電流
信号の負部分と比較されることを前提としてい
る。しかし、電圧信号の負部分を電流信号の正部
分と比較することによつても同様な測定が行われ
得る。加えて、電圧波の正部分を電流波の正部分
と比較して、これらの二つの波が同一の極性であ
る時間の長さを求め、その長さを各波の全時間又
は１秒の1/60から差引き、その結果に21.6゜毎ミ
リ秒を乗算できることにより位相角を求めること
もできる。

第３図は圧縮機電動機の一例について力率及び
位相角と屋外温度との関係を示すグラフである。
このグラフから解るように、圧縮機電動機の位相
角は温度低下と共に上昇する。換言すれば、屋外
温度が低下するにつれて、位相角が大きくなり、
圧縮機電動機の負荷又はトルクの減少を示す。勿
論、力率に対しては逆のことが真である。屋外温
度が上昇するにつれて、力率は増大する。力率は
位相角のコサインであるから、この関係は当然で
ある。

熱ポンプの実際の作動の仕方には、屋外熱交換
器が屋外空気と連通する位置に配置された蒸発器
としての役割をする場合を含んでいる。従つて、
位相角は、温度が変化するにつれて変化する。グ
ラフに示されているように、この関係はほぼ直線
的である。この圧縮機電動機の例では、温度が１
〓低下すると位相角はほぼ0.425゜減少するものと
計算される。

この関係が解霜を開始するための用いられ得
る。何故ならば、熱交換器に霜が堆積するとき、
全熱伝達能力が減少するからである。熱交換器を
通つて流れる冷媒は、以前のように熱エネルギを
周囲空気に伝達し得ない。従つて熱交換器の温度
は低下し、屋外周囲温度が低下した場合と同一の
仕方で位相角に影響を与える。熱交換器の温度変
化に基づく位相角変化の検出により解凍が開始さ
れる。結霜による熱交換器温度の低下は自然環境
温度の変化による屋外温度の低下よりも遥かに迅
速である。

加えて、以下に説明するように、解凍を開始す
るのに位相角を用いる方法は、屋外周囲温度の変
化を考慮に入れるべく基準位相角の値を連続的に
更新する過程を含んでいる。従つて、単に熱交換
器が温度の低下する周囲条件下に配置されている
ために位相角が連続的に減少するように屋外温度
が上昇する場合には、動作位相角が比較される基
準位相角は連続的に減ぜられることになり、従つ
て屋外周囲温度の変化は解霜開始時点の決定に影
響しない。

次に第４図を参照すると、解凍を調節するため
に用いられるロジツクのフローチヤートが示され
ている。開始ステツプ200に続くステツプ202で、
圧縮器が付勢されているか否かが判定される。も
し解答がノーであれば、ロジツクフローは開始ス
テツプに戻る。もし解答がイエスであれば、ロジ
ツクフローはステツプ204に進み、そこで位相角
が定常であるか以下が判定される。このステツプ
は、冷凍回路が付勢されたばかりであり過渡状態
にあるか否か、又は冷凍回路が定常状態で動作し
ているか否かを判定するために用いられる。もし
冷凍回路が定常状態になければ、ロジツクフロー
は開始ステツプに戻る。もし冷凍回路が定常状態
で作動していれば、ロジツクフローはステツプ
206に進む。ステツプ206でφ₁がφにセツトされ
る。φはその時点で検出された圧縮機電動機の位
相角である。

次いでロジツクフローはステツプ208に進み、
そこでφ₂がφ₁よりも大きいか否かが質問される。
φ₂は、熱交換器が無霜条件にあるときのφの基
準値である。φ₂は最小位相角であるから、もし
検出された位相角が基準位相角よりも小さいと判
定されたときには、基準位相角が減ぜられる必要
があることが知られる。このことが典型的に生じ
るのは、屋外周囲温度が上昇しており、且解霜の
必要がないときである。もしステツプ208に於け
る解答がイエスであれば、ロジツクフローはステ
ツプ210に進み、そこで基準位相角φ₂がφ₁に等し
くセツトされる。もしステツプ208に於ける解答
がノーであれば、位相角の基準値が検出された位
相角よりも小さいことが示され、ロジツクフロー
はステツプ212に進む。

ステツプ212では、φ₁として検出された位相角
が基準位相角φ₂の関数よりも大きいか否かが質
問される。この関数は、位相角が基準位相角より
も10％又は20％大きいときに解霜が開始されるべ
きであることを示すため例えば1.1又は1.2の線形
係数を掛けるために用いられ得る。もしステツプ
212に於ける質問への解答がイエスであれば、ロ
ジツクフローはステツプ214に進み、熱ポンプの
解霜が行われる。もしステツプ212に於ける解答
がノーであれば、ロジツクフローは開始ステツプ
に戻り、再び上記のサイクルが開始される。φ₂
の関数は、検出された位相角と解霜を開始すべき
位相角との間に非線形な関係を持たせるためにも
用いられ得る。そのためには、特定の基準位相角
の関数値をテーブルとして記憶しているマイクロ
コンピユータを用いるのが有利であり、そのテー
ブル値が実際位相角と比較される。

ステツプ214からロジツクフローはステツプ216
に進み、そこで、位相角が定常であるか否かが判
定される。もし解答がノーであれば、ロジツクフ
ローは、過渡的状態が消滅するまで循環する。も
し位相角が定常的であれば、ロジツクフローはス
テツプ218に進み、そこでφ₂がφに等しくセツト
され、又は位相角の基準値が検出された位相角に
等しくセツトされる。このことは、基準値が解霜
完了時点に於ける位相角の値に等しく連続的に更
新されることを可能にする。従つて、この新しい
基準値が、検出される位相角が他の解霜を開始す
る基準値の関数から十分に離れているか否かを判
定するために用いられる。

本発明をその特定の実施態様について説明して
きたが、本発明の範囲内で種々の変更が可能であ
ることは当業者により理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は位相角検出回路の概要を示す図であ
る。第２図は第１図の回路の種々の点に於ける波
形を示す図である。第３図は冷凍回路に用いられ
る圧縮機電動機の一例について位相角及び力率と
屋外温度との関係を示すグラフである。第４図は
検出された位相角に基づいて解霜を開始する方法
の詳細を示すフローチヤートである。 １０……圧縮機電動機、１２……変圧器、１４
……零交さ検出器、１６……変流器、１８……零
交さ検出器、２０……バツフア、２２……インバ
ータ・バツフア、２４……アンドゲート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電動機により駆動される圧縮器を含む冷凍サ
   イクルの一部分をなす熱交換器から堆積した霜を
   除去する解霜サイクルを開始する時点を決定する
   方法に於て、 熱交換器が無霜条件にあるときに圧縮器を駆動
   する電動機の位相角に等しい基準位相角を決定す
   るステツプと、 電動機の動作位相角を監視するステツプと、 動作位相角を基準位相角と比較するステツプ
   と、 動作位相角が所定の値だけ基準位相角を超過し
   たことが前記比較ステツプにより判定された時点
   で解霜サイクルを開始するステツプと、 を含むことを特徴とする解霜制御方法。 ２ 霜を堆積する熱交換器と、電動機により駆動
   される圧縮器と、熱交換器を解霜するための手段
   とを含む冷凍回路を有する熱交換装置を制御する
   ための解霜制御装置に於て、 電動機の位相角を示す出力信号を連続的に発生
   するための手段と、 熱交換器が無霜条件にあるときの前記出力信号
   の値を基準信号として記憶するための記憶手段
   と、 前記基準信号の記憶された値を前記出力信号と
   比較するためのコンパレータ手段と、 前記出力信号の値が所定の大きさだけ前記基準
   信号の値を超過するとき熱交換器を解霜するため
   の手段の動作を開始させるための解霜開始手段
   と、を含んでいることを特徴とする解霜制御装
   置。