JPH0573981B2

JPH0573981B2 -

Info

Publication number: JPH0573981B2
Application number: JP59038531A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Fukushima; Seigo Myamoto; Masahiko Fujita; Masanori Takeso; Kosaku Sayo
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-03-02
Filing date: 1984-03-02
Publication date: 1993-10-15
Also published as: JPS60185075A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は冷媒流量制御装置に係り、特に広範囲
にわたつて熱負荷が変化する空気調和装置に好適
な冷媒流量制御装置に関する。

〔従来の技術〕

まず、従来の電気信号によりその弁開度が調整
可能な膨張弁を用いた冷媒流量制御装置を第１図
を参照して説明する。

第１図において、１は圧縮機、２は凝縮器、３
は電気信号により弁開度を調整しうる膨張弁、４
は蒸発器で、これらを冷媒配管で接続して冷凍サ
イクルが構成されている。

圧縮機１で圧縮され高温、高圧の過熱ガスとな
つて冷媒は、凝縮器２で冷却され、凝縮して高圧
液冷媒となつて流下し、冷媒流量制御弁３で流量
制御されるとともに断熱膨張して低圧冷媒となり
蒸発器４で外部から熱を奪いながら蒸発し再び圧
縮機１に吸入される。このような冷凍サイクルで
は、蒸発器４において外部の熱負荷に応じて冷媒
を過不足なく蒸発させるために、一般に蒸発器４
の出口に温度センサ５と圧力センサ６を設置し
て、これらの信号を基に冷媒流量制御装置７内の
過熱度演算回路８で蒸発器４の出口における冷媒
の過熱度SHを求める。そして、この値とあらか
じめ過熱度設定回路９で定められた値SH^*との偏
差を差動増幅器１０で求め、この偏差に応じて
PID演算回路１１で膨張弁３の開度を決定し、弁
駆動回路１２から膨張弁３のアクチユエータ（図
示せず）に信号を送りSHとSH^*の偏差が零とな
るように膨張弁３の開度を調整し冷媒流量を制御
する。

なお、ここで冷媒の過熱度とは、ある点の冷媒
圧力に対応した飽和温度以上に過熱されたガスの
温度と、その飽和温度の差をいう。そこで、過熱
度演算回路８には、蒸発器出口の圧力に対応した
飽和温度を求めるために、圧力センサ６の圧力信
号を電気信号に変換する歪ゲージ増幅器８ｂと、
この電気信号を飽和温度に相当する電気信号に変
更するための温度演算回路８ｃを有し、温度セン
サ５の温度信号を電気信号に変換し、飽和温度と
の差を求めるための直流増幅器８ａと差動増幅器
８ｄを有するのが普通である。

一般に、蒸発器４を有効に利用し、外部の熱負
荷に応じて冷媒を過不足なく蒸発させるために
は、蒸発器４の出口で冷媒が過熱ガスとならず、
過熱度が丁度零となることが望ましい。しかし、
熱負荷が小さく蒸発器４で冷媒が完全に蒸発を完
了せず液戻りを生じた場合でも、蒸発器４出口の
冷媒過熱度は零であるから、過熱度を零に制御し
ようとすると熱負荷が小さい場合の液戻りを防止
できず、圧縮機１の耐久上不都合な問題を惹起す
ることになる。そこでこれを避けるため通常、蒸
発器４出口における冷媒の過熱度は５℃前後の値
となるように過熱度の設定値SH^*を設定してあ
る。

従来、この過熱度の設定値SH^*はある標準の運
転状態に対して設定し、空気調和装置の熱負荷に
かかわらず一定値に保たれていた。

又、実公昭58−29827号公報には、冷蔵庫内温
度を検出して過熱度の設定値を指定し、吸入管上
の温度、圧力を検出して求めた過熱度を設定値と
等しくなるようにクーラ５への冷媒液供給量を制
御することが開示され、冷蔵庫内の温度が設定値
を下回つた場合は、過熱度の設定値を上げるよう
に、上回つた場合は、過熱度の設定値を下げるよ
うに指令することが開示されている。

又、特開昭58−142163号公報には、蒸発器の入
口、出口温度、t_ei、t_epおよび吐出ガス温度t_dを検
出し、t_dが設定値以上であれば、優先的に膨張弁
の開度を大きくする制御を行い、t_d＜設定値であ
れば（t_ep−T_ei）を一定とする制御、および過熱
度を設定値ΔT₁とΔT₂との間に入るように膨張弁
開度を制御することが開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記過熱度SHを設定値に一定に保つ従来技術
では、負荷が小さいときには、過熱度SHを設定
値SH^*に近づけるために冷媒流量を減少させる必
要があり、冷媒流量制御装置７は膨張弁３を閉じ
る信号を発生する。その結果、膨張弁３は絞られ
蒸発器４における蒸発圧力が低下し、蒸発温度が
低下するため蒸発器４のフイン表面に着霜して蒸
発器４の性能が低下する。そこで、冷媒流量制御
装置７は過熱度SHを設定値SH^*に近づけるため
更に膨張弁３を閉じる信号を発生し増々蒸発器圧
力は低下し着霜が進行して、ついには制御不可能
となつていた。一方、熱負荷が大きいときや、空
気調和装置の起動時等、冷媒流量の増加が必要な
ときも、過熱度SHが一定値SH^*となるよう制御
されるため、十分な冷房能力を得られないという
欠点があつた。更に過負荷時、冷媒流量が十分で
ないため、圧縮機１の冷却が不十分となり吐出ガ
ス温度が異常に上昇し圧縮機１の耐久上問題を生
じていた。

実公昭58−29827号公報に開示のものは、冷蔵
庫内の温度が設定値を下回つた場合、過熱度の設
定値を上げるように制御するものであつて、本発
明は、上記課題を解決するためになされたもの
で、冷凍サイクルの冷媒流量制御に当り、広い熱
負荷範囲で冷房能力の不足を生じることなく、制
御系の不安定性や制御不能を回避できる冷媒流量
制御装置を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の、冷媒流
量制御装置は、圧縮機と、室外側に設けられ冷媒
を凝縮する凝縮器と、電気信号によりその弁開度
が調整可能な膨張弁と、室内側に設けられ冷媒を
蒸発させる蒸発器を備えた空気調和装置における
前記蒸発器の出口の冷媒の過熱度を検出する手段
と、この過熱度を設定値に保つように前記膨張弁
へ電気信号を発する制御回路と、室内空気温度を
検出するセンサとを備え、前記過熱度の設定値を
空気調和装置の運転状態に応じて変化させるよう
にした冷媒流量制御装置において、前記過熱度の
設定値を前記センサで検出した空気調和装置の熱
負荷が設定値より大きいときは、熱負荷の増加に
伴つて過熱度の設定値を低下させ、熱負荷が設定
値より小さいときは、熱負荷の低下に伴つて過熱
度の設定値を減少させるように制御することを特
徴とするものである。

〔作用〕

上記のように、熱負荷が設定値より大きいとき
は、熱負荷の増加に伴つて過熱度の設定値を低下
させ、熱負荷が設定値より小さいときは、熱負荷
の低下に伴つて過熱度の設定値を減少させるよう
に制御しているので、熱負荷が減少して室温が低
下し設定値以下になつたときは、過熱度の設定値
が熱負荷に対応して低下し、膨張弁の絞りすぎを
防止するので、低熱負荷時でも安定して制御が可
能であり、一方、熱負荷が増加し、設定値より大
きくなると、過熱度が低下し膨張弁の開度が増加
するので、冷媒流量も増加して冷房能力の不足、
圧縮機の吐出ガス温度の異常上昇等を防止でき
る。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第２図により説明す
る。

第２図は、本発明の一実施例に係る冷媒流量制
御装置であり、図中、第１図と同一符号のものは
従来技術と同等部分であるから、その説明を簡略
にする。

第２図において、５は蒸発器４の出口における
冷媒温度を検知する温度センサ、６は蒸発器４出
口の圧力を検知する圧力センサ、８はこれらのセ
ンサの信号を基に冷媒の過熱度を演算する過熱度
演算回路、９は過熱度の設定値を指令する過熱度
設定回路、１０は測定した過熱度とその設定値と
の偏差を求める差動増幅器、１１はこの偏差を基
に膨張弁３の開度を決定する制御信号を発する
PID演算回路、１２はこの制御信号に従い、膨張
弁３のアクチユエータに駆動信号を発する弁駆動
回路である。

第２図では更に、熱負荷を検出するための温度
センサ、このセンサの信号を基に過熱度の設定値
を決定する設定値演算回路１３を設け、この設定
値演算回路１３の出力信号に応じて、過熱度設定
回路９で過熱度の設定を行うように構成してあ
る。次に、このように構成した冷媒流量制御装置
７の動作を第３図、第４図により説明する。第３
図は過熱度の設定値SH^*を室温の関数として変化
させる一実施例を示している。室温Trが設定値
Tr₁より小さいときはSH^*はTrの減少に比例して
減少し、Trが設定値Tr₁より大きくTr₂より小さ
いときは、SH^*は一定値SH^* ₀となり、TrがTr₂
より大きいときはTrの増加に比例してSH^*が減
少する。このようなSH^*の変化パターンを発生さ
せるには、第４図に示す演算フローに従つて演算
回路を構成すればよい。すなわち、室温センサ１
４の信号Trと設定値Tr₁を比較器で（図示せず）
比較し、Tr＜Tr₁のときは、SH^*＝SH^* ₀−K₁
（Tr₁−Tr）なる演算回路でSH^*を求める。Tr₁
Tr＜Tr₂のときは、SH^*＝SH^* ₀一定とおき、
TrTrのときはSH^*＝SH^* ₀−K₂（Tr−Tr₂）で
SH^*を求める。ここでK₁、K₂は比例定数であり、
SH₀、Tr₁、Tr₂と同様にポテンシヨン等で自由
に設定可能である。これらの値は、空調システム
に応じて設定できる。

このように設定値演算回路１３を構成し、この
回路の演算結果に応じて、過熱度設定回路９で過
熱度の設定を行うように構成すれば、熱負荷が減
少して室温Trが低下しTr₁以下になつたときは、
過熱度の設定値SH^*が低下して膨張弁３の絞りす
ぎを防止するので、低熱負荷時でも安定して制御
が可能であり、一方、熱負荷が増加し、TrがTr₂
より大きくなると、SH^*が低下し膨張弁３の開度
が増大するので、冷媒流量も増加して冷房能力の
不足、圧縮機１の吐出ガス温度の異常上昇等を防
止できる効果がある。なお、室温がTr₁より大き
くTr₂より小さいときは、従来通りの設定値で制
御を行つても問題はない。

第５図は本発明の他の実施例で、第２図に示し
た実施例における、過熱度演算回路８、過熱度設
定回路９、差動増幅器１０、PID演算回路１１を
マイクロコンピユータで置き換えた点が第２図の
実施例と異なる。マイクロコンピユータは、
CPU１５、メモリユニツト１６、AD変換器１７
から構成されている。温度センサ１４で検知され
た室温信号は、熱負荷信号入力ポート１８から、
温度センサ５で検知された蒸発器４出口冷媒の温
度信号と、圧力センサ６で検知された蒸発器４出
口冷媒の圧力信号は、それぞれ過熱度信号入力ポ
ート１９ａおよび１９ｂから取り入れられ、AD
変換器１７でデジタル信号に変換された後、
CPUで処理される。CPUでは、これらの信号を
基に、過熱度を演算し、設定値との偏差を求め、
PID演算を行つて弁開度を決定し弁駆動回路１２
に信号を出す。弁駆動回路１２の出力信号は出力
ポート２０から膨張弁３のアクチユエータに送ら
れ流量が制御される。このように構成すると、第
４図に示した演算は演算回路を構成することな
く、プログラム上で処理できるので演算式の変更
も容易にできる。また、第５図に示すような従来
の演算回路で構成困難なパターンも、図中○印で
示した点のSH^*の値をTrの値に対応させて、メ
モリユニツト１６上にメモリマツプを作成し、任
意のTrの値に対し、SH^*の値をCPU上で補間し
て使用できるので、より精度の高い流量制御が可
能となる。なお、第６図は第４図の他の実施例
で、空調機設計点室温Tr^*より変温が低いときは
過熱度の設計値SH^*を室温Trの低下に対応して
低下させ、Tr^*より室温Trが高いときは、室温
Trの増加に応じてSH^*を低下させることにより、
設計点以外の熱負荷に対しても直ちに適応して流
量制御できるようにした点が第４図の実施例と異
なる。

第７図は、本発明の他の実施例に係る冷媒流量
制御装置の図である。圧縮機１のガス吐出部に、
温度センサ１４を設置して、この信号を熱負荷信
号入力ポート１８かあ取入れるようにした点が、
第２図および第５図の実施例と異なる。圧縮機１
の吐出ガス温度を検出して過熱度の設定値を変化
させる方法としては、第８図に示した演算を
CPUで行えばよい。すなわち、過熱度の設定値
SH^*をSH^* ₀に初期設定し、熱負荷信号入力ポー
ト１８から取り入れた吐出ガス温度信号Tdが所
定の値Td^*より小さいときは、係数Ｃ＝１とお
き、TdがTd^*より大きいときは、Ｃ＝１−K₃
（Td−Td^*）とおく。この係数ＣをSH^*に掛けた
値、SH^*＝SH^*×Ｃか過熱度の設定値である。こ
のようにすると、K₃は正の定数であるから、Td
がTd^*より大きいときは、第９図に示したよう
に、SH^*はTdの増加に比例して減少するので、
冷媒循環量が増加し圧縮機１の吐出ガスの異常上
昇を防止できる。ここで、第９図のSH^*の変化パ
ターンは、第５図と同様に、メモリユニツト１６
に、メモリマツプとして記憶させてもよい。

第１０図は、本発明の他の実施例で、温度セン
サ１４ａで室内温度を、温度センサ１４ｂで圧縮
機１の吐出ガス温度を検出し、これらの信号をそ
れぞれ熱負荷信号入力ポート１８ａ、および１８
ｂから取り入れるようにした点が第５図および第
７図の実施例と異なる。第１１図は、本実施例の
冷媒流量制御装置における過熱度の設定方法の一
実施例を示す。この実施例では、室温Trが設定
値Tr₁より小さいときは過熱度の設定値SH^*はTr
の減少に比例して減少し、TrがTr₁より大きく、
Tr₂より小さいときは、一定値SH^*＝SH^* ₀に保
たれ、TrがTr₂より大きいときは、Trの増加に
比例してSH^*が減少する点は第４図に示した実施
例と同様である。第１１図に示した実施例では更
に、室内温度Trで定まつたSH^*に、圧縮機１の
吐出ガス温度Tdで定まる係数Ｃを乗じるように
した点が第４図の実施例と異なる。このように構
成すると、第１２図に示すように、室内温度Tr
で定まるSH^*のパターン(A)に対し、圧縮機１の吐
出ガス温度Tdが、設定値Td^*より大きいときは、
係数ＣがTdの増加に比例して減少する１より小
さい数となるパターン(B)を乗ずるので、圧縮機１
の吐出ガス温度がTd^*より小さいときは室内温度
Trに従つて過熱度の設定値SHが定まり、Tdが
Td^*より大きいときは、この信号を優先してSH^*
が定まり、圧縮機吐出ガス温度の異常上昇を惹起
することなく、室内温度Trに従つて過熱度の設
定が可能となる。

第１３図は本発明の他の実施例で、温度センサ
１４を蒸発器４の空気吹出し部に設置し、蒸発器
４で冷却された空気の温度を測定して、この信号
を熱負荷入力ポート１８から取込むようにした点
が他の実施例と異なる。このように構成すると、
特に自動車用空気調和機において、春、秋などの
中間期にヒータ（図示せず）を併用して空内温度
調整を行う場合や、圧縮機１の回転数が増加した
場合に、蒸発器４の蒸発温度の低下を検知できる
ので、フイン２１の着霜、凍結を防止できる効果
がある。

第１４図は、本発明の他の実施例で温度センサ
１４をフイン２１の表面に設置した点が第１３図
の実施例と異なる。このように構成すると、直接
フイン２１の温度を検知するので、更にフイン２
１の凍結防止に有効である。

第１５図は、本発明の他の実施例で、蒸発器４
の入口冷媒温度、すなわ蒸発温度を温度センサ５
ｂで検知して、熱負荷信号入力ポートから取込む
ようにした点が第５図の実施例と異なる。このよ
うに構成すると、熱負荷の状態を直接、蒸発温度
として検出するので、実際に蒸発器に作用する熱
負荷が検知可能となり精度の高い流量制御ができ
る。

第１６図は本発明の他の実施例で、蒸発器４の
出口に設置した圧力センサ６の信号を蒸発温度信
号の代りに使用するようにした点が第１５図の実
施例と異なる。このように構成しても第１５図の
実施例と同様の制御が可能であり、更にセンサの
個数を低減できる利点がある。

第１７図は、更に本発明の他の実施例で、蒸発
器４出口に設けた温度センサ５ａと、蒸発器４入
口に設けた温度センサ５ｂとを使用して蒸発器４
出口における冷媒の過熱度を求めるとともに、温
度センサ５ｂで検知した蒸発温度信号を熱負荷信
号入力ポート１８から取込むようにした点が、第
１５図および第１６図の実施例と異なる。このよ
うに構成すると、第１５図の実施例と比較してセ
ンサの数を減らすことができるとともに、第１６
図の実施例に比べ、高価な圧力センサ６および、
歪ゲージ増幅器等の回路を使用することなく流量
制御が可能となる。

本発明によれば、熱負荷が変化しても、それに
対応して過熱度の設定値を変化できるので、熱負
荷が小さいときの制御不能、熱負荷が大きいとき
の冷房能力不足等を惹起することなく、広い熱負
荷範囲で冷媒流量の制御を可能にする効果があ
る。

なお、以上の実施例は空気調和装置の運転状態
が急激に変化しない準定常状態では有効である
が、自動車用空気調和装置におけるクールダウン
初期（空気調和装置起動直後）のように車室温度
が非常に高くなつていて車室温度を速やかに低下
させる必要がある場合には、膨張弁を少し絞りぎ
みにして蒸発器における蒸発温度を低下させた方
が効果的である。これは、クールダウン初期のよ
うな過渡状態では、蒸発器内を流れる冷媒が蒸発
器から吸収する熱量と、蒸発器が車室内空気から
吸収する熱量が異なり、まず蒸発器が冷媒によつ
て冷却され、次に冷却された蒸発器によつて空気
が冷却されるためである。すなわちクールダウン
初期には蒸発器の温度も高いので空気を冷却する
には、まず蒸発器を速やかに冷却する必要があ
り、このためには冷媒の蒸発温度を下げ蒸発器と
の温度差を大きくする必要があるためである。

本発明の実施例で述べた冷媒流量制御装置にお
いて、膨張弁を絞りぎみにするには過熱度の設定
値を大きくすればよい。第１８図に示すように、
過熱度の設定値が大きいａの方がクールダウン初
期における車室内平均温度の低下は速いが、空気
調和機の起動後、蒸発器も十分冷却されてくると
過熱度の設定値を下げて膨張弁を開きぎみにして
冷媒流量を増加させたｂの方が車室内はよく冷え
る。

そこで、クールダウン初期には過熱度の設定値
を大きくし、車室内の温度が低下したら既述の制
御方法に切換えるとより効果的な冷媒流量制御が
可能となる。第１９図は、クールダウン初期に過
熱度の設定値を大きくする制御と、第４図に示し
た実施例を組合せた制御の実施例である。ここ
で、Tr₁＜Tr₂＜Tr₃、SH₀ ^*＜SH₁ ^*であり、クー
ルダウン初期に車室内平均温度TrがTr₃より大き
いときは過熱度設定値SH^*をSH₁ ^*と置き、Trが
Tr₃より小さくなつた時点で第４図に示した制御
に切換えるようにしてある。このクールダウン初
期の過熱度設定値を大きくする制御と既述の制御
方法とを切換える信号としては、車室内温度のほ
かに、車室内温度と設定値の差（Tr−Tr₂又は
Tr−Tr₃）、蒸発温度、蒸発器の温度または蒸発
圧力を使用しても同様の効果が得られる。第２０
図は蒸発温度を切換信号として使用した実施例で
ある。このほか、第２１図に示すように、空気調
和機の起動後一定時間内は過熱度の設定値を大き
くしてもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、熱負荷が変化してもそれに対
応して過熱度の設定値を変化できるので、熱負荷
が小さいとき膨張弁の絞りすぎを防止するので、
安定して制御が可能であり、熱負荷が大きいとき
の冷房能力不足等を惹起することなく、広い熱負
荷範囲で冷媒流量の制御を可能にする効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の冷媒流量制御装置の構成図、第
２図は本発明の一実施例に係る冷媒流量制御装置
の構成図、第３図は第２図の実施例に係る制御パ
ターンを示す図、第４図はその演算のフロー、第
５図は、本発明のさらに他の実施例に係る構成
図、第６図は、他の制御パターンを示す図、第７
図は他の実施例の構成図、第８図、第９図は第７
図の実施例に係る、演算フローと制御パターン、
第１０図は本発明の他の実施例に係る構成図、第
１１図、第１２図は、第１０図の実施例に係る、
演算フロート制御パターンを示す図、第１３図、
第１４図、第１５図、第１６図、第１７図は、い
ずれも、本発明のさらに他の実施例に係る冷媒流
量制御装置の構成図である。第１８図は過熱度設
定値がクールダウン初期の車室温度変化に及ぼす
影響を説明する図、第１９図はクーンダウン初期
に過熱度の設定値を大きくする制御の一実施例、
第２０図、第２１図は本発明の他の実施例を説明
する図である。１……圧縮機、３……膨張弁、４……蒸発器、
５……温度センサ、６……圧力センサ、７……冷
媒流量制御装置、８……過熱度演算回路、９……
過熱度設定回路、１３……設定値演算回路、１４
……温度センサ、１５……CPU、１６……メモ
リユニツト、１７……AD変換器、１８……熱負
荷信号入力ポート、１９……過熱度信号入力ポー
ト、２０……出力ポート、２１……フイン。

Claims

【特許請求の範囲】１圧縮機と、室外側に設けられ冷媒を凝縮する
凝縮器と、電気信号によりその弁開度が調整可能
な膨張弁と、室内側に設けられ冷媒を蒸発させる
蒸発器を備えた空気調和装置における前記蒸発器
の出口の冷媒の過熱度を検出する手段と、この過
熱度を設定値に保つように前記膨張弁へ電気信号
を発する制御回路と、室内空気温度を検出するセ
ンサとを備え、前記過熱度の設定値を空気調和装
置の運転状態に応じて変化させるようにした冷媒
流量制御装置において、前記過熱度の設定値を前
記センサで検出した空気調和装置の熱負荷が設定
値より大きいときは、熱負荷の増加に伴つて過熱
度の設定値を低下させ、熱負荷が設定値より小さ
いときは、熱負荷の低下に伴つて過熱度の設定値
を減少させるように制御することを特徴とする冷
媒流量制御装置。２前記熱負荷が前記センサで検出した室内空気
温度で代表されるものであつて、前記熱負荷の設
定値が第１の設定値および該第１の設定値より高
い第２の設定値を有し、前記室内空気温度がその
範囲内にあるときは、過熱度の設定値を一定に保
ち、室内空気温度が第２の設定値より高いとき
は、室内温度の増加に伴つて過熱度の設定値を減
少させ、室内空気温度が第１の設定値より低いと
きは、室内空気温度の低下に伴つて過熱度の設定
値を低下させるように制御することを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の冷媒流量制御装置。３圧縮機吐出ガス温度が一定値以下のときは、
蒸発器出口冷媒の過熱度の設定を一定に保ち、前
記圧縮機吐出ガス温度が一定値より大きい場合に
は、この圧縮機吐出ガス温度の増加に従つて前記
過熱度の設定値を減少させるように制御すること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の冷媒流
量制御装置。