JPH11501114A - 膨張弁のフィードフォワード制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 冷却システム（１０）の膨張弁（３０）の制御方法。この方法は、第１フィードバック制御基準に基づいて膨張弁（３０）の変調を制御する過程と、第２フィードフォワード制御基準に基づいて膨張弁（３０）の変調を制御する過程とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】 膨張弁のフィードフォワード制御発明の背景 本発明は、ヒーター、換気、エアコン／冷房（ＨＶＡＣ／Ｒ）システムで用い られる膨張弁のためのフィードフォワード制御に関する。ここに開示する本発明 の好適実施例においては、ＨＶＡＣ／Ｒシステムとして冷水機システムが用いら れる。冷水機を例にとって説明してあるが、本発明は、予測され得るシステム外 乱を有する全てのＨＶＡＣ／Ｒシステムに適用可能である。このようなシステム 外乱には、コンプレッサのステージング（staging）、ロード（負荷）の変化に よって生ずるコンプレッサキャパシティの変化、エバポレータまたはコンデンサ 内の水温の変化のような、システムによって利用される様々な冷媒に関する物理 的変化、ファンのステージングによって生ずるようなコンデンサ冷却キャパシテ ィの変化、エバポレータ熱交換器のキャパシティの変化、目標点の変化、クーリ ングタワー（cooling tower）のキャパシティの変化、及び建物の負荷の変動（b uilding load variations）によって生ずる変化がある。 冷水機システムにおいて、水はエバポレータ内で冷却され、エアコン等に使用 される冷媒となる。水は安価で、安全であり、一次水ループによりエアハンドラ にパイプを通して容易に送ることができる。このエアハンドラは、空気と水との 間での熱交換を行い、建物において使用するべく空気の温度を調節する。 水冷機システムにおけるエバポレータでは、水の温度を冷媒との熱交換により 調節している。冷媒は、冷媒ループにより冷却機システム全体 を循環する。冷媒ループにおいて、冷媒はエバポレータから出てコンプレッサに 入り、そこで冷媒の圧力が高められて、凝縮温度が変化させられる。圧縮された 冷媒はコンプレッサを出てコンデンサに入り、そこで典型的には二次水システム である冷媒との熱交換により冷媒が蒸気から液体に凝縮される。液体の冷媒は次 いで膨張装置を介してエバポレータに戻され、冷却システム内の循環を繰り返し てゆく。典型的な冷却システムの例は、Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈに付与された米 国特許第４，７８０，０６１号明細書、Ｔｉｓｃｈｅｒに付与された米国特許第 ４，７６２，４０９号明細書、Ｄｅｗｈｉｒｓｔに付与された米国特許第４，７ ３０，９９５号明細書、Ｔｉｓｃｈｅｒに付与された米国特許第４，６６２，８ ８９号明細書、及びＬａｋｏｗｓｋｅに付与された米国特許第５，２０１，６４ ８号明細書に記載されている。これらの特許の全ては、本発明の譲受人に譲渡さ れており、これら全ての特許明細書を本明細書と共に参照されたい。 冷却システムにおける膨張装置は、冷媒がコンプレッサを出た後特定された冷 媒の過熱量（superheat）に応じて冷媒の流れを変調する電気式膨張弁である。 典型的な電気式膨張弁は、Ｔｉｓｃｈｅｒに付与された米国特許第５，０８３， ７４５号明細書、Ｔｉｓｃｈｅｒに付与された米国特許第４，９８６，０８５号 明細書、Ｇｌａｍｍに付与された米国特許第４，９２８，４９４号明細書、及び Ｇｌａｍｍに付与された米国特許第５，０１１，１１２号明細書に記載されてい る。これらの特許は本発明の譲受人に譲渡されており、ここではこれらの明細書 を本明細書と共に参照されたい。 典型的には、コンプレッサのキャパシティはエバポレータから出てくる水の温 度に応じて変調される。コンプレッサキャパシティの制御方法及び冷却機のキャ パシティの制御方法の様々なものが、Ｒｅｎｔｍｅｅ ｓｔｅｒ等に付与された米国特許第５，０２７，６０８号明細書、Ａｎｄｅｒｓ ｏｎ等に付与された米国特許第５，２０３，６８５号明細書、Ｌｉｎｎｅｒｔ等 に付与された米国特許第５，２１１，０２６号明細書、Ｈａｎ等に付与された米 国特許第４，７１５，１９０号明細書、及びＨａｎ等に付与された米国特許第４ ，６８９，９６７号明細書に記載されている。これらの特許のそれぞれは、本発 明の譲受人に譲渡されており、これらの明細書を本明細書と共に参照されたい。 これらの様々な膨張装置の制御方法及びコンプレッサキャパシティの制御方法 により効率的で経済的な制御が実現されるが、両者に対してより一層の改善をな された制御方法が可能であり、また望まれている。特に、膨張弁の従来の制御は 、膨張弁の動作の結果、即ち典型的には測定された膨張弁の過熱量状態を表現す る信号をフィードバックすることにより達成される。このような制御ストラテジ ーは、制御が作用しているとき、予測された動きに対する反動を与える形で制御 している。従って、膨張弁は、コンプレッサキャパシティの変化のようなシステ ム外乱に対して常に反応していることになる。発明の要約 本発明の主な目的は、水冷機システムのような冷却システム及びＨＶＡＣに対 する改善された制御を提供することである。 本発明の目的、特徴、及び利点は、例えば負荷の変化、コンプレッサキャパシ ティの変化、またはシステムにおいて使用されている様々な熱交換液の温度変化 のようなシステム外乱と、膨張弁の制御を直接リンクしていることである。 本発明の目的、特徴、及び利点は、通常のキャパシティ制御の間に、膨張弁が コンプレッサキャパシティの変化に応じた位置に来れるようにして、システム外 乱を前もって処理できるようにするフィードフォワー ド制御を提供することである。 本発明の目的、特徴及び利点は、コンプレッサキャパシティの変化に直接応答 する膨張弁を提供することである。 本発明の目的は、エバポレータに入る入水の温度の変化に直接応答する膨張弁 を提供することである。 本発明の目的は、エバポレータに入る入水の温度とエバポレータから出ていく 出水の温度との温度差の変化に直接応答する膨張弁を提供することである。 本発明の目的、特徴及び利点は、第１基準に基づく膨張弁のクローズドループ 制御と、第２基準に基づく膨張弁のオープンループ制御とを提供することである 。 本発明の別の目的は、第１基準を放出過熱量にし、第２基準をエバポレータの 入水温度、若しくはエバポレータの入水温度とエバポレータからの出水温度との 差の何れかにすることである。 本発明の別の目的は、第１基準をエバポレータにおける冷媒液レベルの測定値 とし、第２基準をコンプレッサキャパシティの測定値とすることである。 本発明の目的、特徴及び利点は、システム外乱が発生した場合、コンプレッサ アンローダからのフィードフォワード制御信号を用いて、即時的に膨張弁を再位 置決めし、それによって放出過熱量若しくは冷媒液の量のぶれを減らすことであ る。 本発明の目的、特徴及び利点は、アンローダの位置、飽和エバポレータ温度、 及び飽和凝縮温度を表す信号または複数の信号の関数として電気式膨張弁の位置 を決定し制御することである。 本発明の他の目的は、アンローダ位置の変化または飽和動作温度の変化の発生 時に、瞬時に膨張弁を再位置決めすることである。 本発明の別の目的は、液体レベルが増減した場合に膨張弁の位置を調節するこ とによりエバポレータ内の液体レベルを制御することである。 本発明の別の目的は、放出過熱量が上下にぶれた場合に、膨張弁の位置を調節 することにより放出過熱量を制御することである。 本発明の別の目的は、モータ電流の変化に基づいて膨張弁を再位置決めするこ とである。 本発明の目的、特徴及び利点は、膨張弁前後の圧力差及び冷媒密度に基づいて 計算されたコンプレッサポンピング速度で開放される膨張弁を提供することであ る。 本発明は冷却システムの膨張弁の制御方法を提供する。この方法は、第１フィ ードバック制御基準に基づいて膨張弁の変調を制御する過程と、第２フィードフ ォワード制御基準に基づいて膨張弁の変調を制御する過程とを含む。 本発明は、膨張装置及び圧縮装置を含む冷却システムにおける冷媒の流れを制 御する方法も提供する。この方法は、圧縮装置のポンピングキャパシティまたは ＣＦＭ変位キャパシティを測定する過程と、測定されたコンプレッサキャパシテ ィに一致するように膨張装置を変調する過程とを含む。 本発明は、（ａ）第１の測定された基準に基づいて膨張弁を継続的に制御する 過程と、（ｂ）前記膨張弁により制御されるシステムにおいて第２測定基準で外 乱を求める過程と、（ｃ）第２基準に基づいて前記膨張弁にフィードバック制御 信号を供給する過程と、（ｄ）第２基準に基づいて前記膨張弁を制御する過程と を含む膨張弁の制御方法も提供する。 本発明は、冷却機またはＨＶＡＣシステムに於ける膨張弁の制御方法も提供す る。この方法は、第１基準に基づく膨張弁のクローズドループ制御を提供する過 程と、少なくとも前記第１基準とは異なる第２基準に 基づく膨張弁のオープンループ制御を提供する過程とを含む。 本発明は更に、冷却機システムのキャパシティの制御方法を提供する。ここで この冷却機システムは、循環ループをなすように結合されたコンプレッサ、コン デンサ、膨張装置、及びエバポレータを有する。このシステムにおいて、エバポ レータは入水温度を有する入水を受け取り、出水温度を有する出水を供給する。 またこのときコンプレッサは測定された過熱量を有する冷媒を圧縮する。この方 法は、出水温度及び冷媒の過熱量を測定する過程と、排水温度と目標点との差の 関数として出水の温度エラーを決定する過程と、前記膨張弁が前記測定された過 熱量に応答して変調される第１モードのキャパシティ制御を提供する過程と、前 記膨張弁が前記出水温度エラー若しくはコンプレッサキャパシティの変化に応じ て変調される第２モードのキャパシティ制御を提供する過程とを含む。 本発明は、システムキャパシティの変化に応じて冷却器内の膨張弁を再位置決 めする方法を提供する。この冷却機システムは、入水の温度を調節して出水を供 給するエバポレータを有する。この方法は、エバポレータの入水温度をモニタす る過程と、エバポレータの出水温度をモニタする過程と、入水温度と出水温度と の間の温度差を求める過程と、温度差目標点を決定する過程と、前記水温差と温 度差目標点とを比較して、エラーを確立する過程と、前記エラーが最小化するよ うに前記膨張弁を再位置決めする過程とを含む。 本発明は更に、水冷機システムを提供する。この水冷機システムは、水を冷却 するためのエバポレータと、前記エバポレータから加熱された冷媒を受け取り、 圧縮により冷媒の凝縮温度を変化させるコンプレッサとを有する。このシステム は、前記コンプレッサからの圧縮された冷媒を受け取り、前記圧縮された冷媒を 凝縮するコンデンサと、前記コンデ ンサからの凝縮された冷媒を受け取り、前記凝縮された冷媒を前記エバポレータ に制御しつつ戻す膨張装置と、前記膨張装置と機能的に結合され、前記膨張装置 の動作を制御するコントローラとを有する。またこのシステムは、前記コントロ ーラに接続された、前記エバポレータのロードの変化を予測するフィードフォワ ードコントロールを有し、これにより前記フィードフォワードコントロールは第 １の弁を検出し、検知された前記第１の弁に応じて前記膨張弁の動作を制御する 第１センサを含む。図面の簡単な説明 第１図は、本発明のフィードフォワードの概念を適用した水冷機システムを示 した図である。 第２図は、膨張弁がコンプレッサキャパシティの変化に応答しこれによって液 体レベルの外乱を最小化している、スプレーツリー型（spray tree）エバポレー タを使用した別の実施例を示した図である。 第３図は、本発明の動作の制御ブロック図である。 第４図は、第１好適実施例及び第２好適実施例それぞれに対して、定常状態の もとで及びシステム外乱条件の下で使用されるそれぞれの制御方法を示した表で ある。 第５図は、第１好適実施例のグラフである。 第６図は、第２好適実施例のグラフである。発明の詳細な説明 第１図に示すのは、エアコン用の冷却水を供給すべく冷媒を用いる典型的な冷 却器システム１０である。この冷却器システム１０は、エバポレータ２０、膨張 弁３０のような膨張装置、コンデンサ４０、及びコンプレッサ５０を含む冷媒ル ープ１２を有する。システム全体は、電気式コントローラ６０により制御をされ る。 エバポレータ２０は、フラデット型エバポレータ(flooded evaporator)、 直接膨張型（direct expansion）エバポレータ、スプレーツリー型エバポレータ 、流下薄膜型エバポレータ等であり得る。エバポレータ２０は、膨張弁３０を介 してそれに供給される冷媒を利用して水温を調節する。入ってくる水である入水 はエアハンドラ７２からのコンジット７０により供給され、入水温度センサ７４ により温度が測定される。電気的接続７６により、特定された入水温度（ＥＷＤ ）がコントローラ６０に供給される。入水がエバポレータ２０内で熱交換を受け た後、コンジット７８によりエアハンドラ７２に下ろされる。エバポレータ２０ から出ていく水は、一般に出水として知られている。この出水の温度（ＬＷＤ） は、出水温度センサ８０により測定され、電気的接続８２によりコントローラ６ ０に供給される。温度調節された出水は、エアハンドラ７２内において、空気と の熱交換を行う。この空気は次いでダクト８４を介してエアコン用として建物等 に供給される。エアハンドラ７２、コンジット７０、７８、及びエバポレータ２ ０は第１水ループ８６を形成する。 エバポレータ２０内の冷媒は、第１水ループ８６との熱交換により気化された 。冷媒ループ１２の一部分として、気化した冷媒はエバポレータ２０を出て通路 ９０を介してコンプレッサ５０に向かう。コンプレッサ５０において、冷媒は圧 縮される。典型的にはＣＦＭのポンピングキャパシティとして測定されるコンプ レッサのキャパシティは、米国特許第５，２０３，６８５号（前述）に開示され ているようなピストンアンローダ機構（piston unloader arrangement）のよう な流れ制御デバイスにより変調される。このようなアンローダ機構は、符号１０ ０を付して示されており、電気的接続１０２とソレノイド弁（図示せず）または 米国特許第５，２０３，６８５号明細書に記載されているような機構を用いてシ ステムコントローラ６０により制御され得る。このアンローダピストンは、ステ ッパモータのような直接位置決め装置により直接制御 されるか、若しくはピストンセンサ１０１により測定されて、電気的コネクタ１ ０３によりコントローラ６０に信号として送られ得る。センサ１０１の一例を挙 げると、Ｃｌａｒｋ等に付与された米国特許第５，２５７，９２１号明細書に記 載されているもの、及びＫｏｃｈｅｒに付与された米国特許第４，６１０，６１ ２号明細書に記載されているものがあり、これらを本明細書と共に参照されたい 。 圧縮された冷媒はコンプレッサ５０から排出され、通路１０４を介してコンデ ンサ４０に向かう。冷媒の過熱量は、センサ９２により測定された冷媒温度とセ ンサ１０６により測定された冷媒温度との温度差として測定される（他の過熱量 の測定方法は後に定義される）。これらの信号はそれぞれ電気的接続９４及び１ ０８を介してコントローラ６０に供給される。 コンデンサ４０において、第２水ループ１１０のような冷却媒体は、圧縮され 気化された冷媒を凝縮させて液体にする。凝縮された液体の冷媒は、通路１２０ 、膨張弁３０、及び通路１２２を介してエバポレータ２０に戻される。膨張弁３ ０は以前に参照した特許明細書に記載されているものである。冷却ループ１２は 、効果的にエバポレータ２０、通路９０、コンプレッサ５０、通路１０４、コン デンサ４０、通路１２０、膨張弁３０及び通路１２２を有する。 従来より、測定された過熱量は膨張弁３０を通過する冷媒の量を変調するのに 用いられてきた。本発明においては、コントローラ６０が電気的接続１２４を介 して膨張弁３０の制御を行う。 本発明は、コンプレッサ５０の通常のキャパシティ制御の間の膨張弁の位置制 御を含む。従来には、クローズドループ、フィードバック制御が用いられて、膨 張弁３０がセンサ９２、１０６により測定された過熱量が制御されるまで、コン プレッサキャパシティの変化を調節しなかっ た。これは、制御がコンプレッサキャパシティの実際の変化が起きた後数分の内 に行われることから、フィードバック制御である。 本発明は、コンプレッサキャパシティの変化時に、膨張弁３０の位置決めを行 うべく、過熱量の変化を予測してスピードフォワード信号を利用することを提案 している。第１好適実施例においては、本発明は、センサ７４により測定された 入水温度ＥＷＴとセンサ８０により測定された出水温度ＬＷＴとの間のエバポレ ータ水温差（ΔＴ）を、アンローダ１００の位置変化が生じたとき膨張弁３０を 再位置決めするスピードフォワード信号として利用している。エバポレータ水温 差によって供給されるようなコンプレッサキャパシティの間接的な測定は、水温 差により示されるロードの変化に基づき、膨張弁を再位置決めするのに用いられ 得る。飽和エバポレータ温度または圧力、若しくは飽和凝縮温度または圧力の変 化のようなシステム外乱における二次的な変化は、一次システム外乱が発生した ときに発生する。この場合、一次システム外乱は、コンプレッサキャパシティの 変化である。これらの二次変化の効果は、膨張弁３２を較べるフィードフォワー ド信号の計算に使用され得る。 実際上、エバポレータ水温差が概ね一定である限り、膨張弁３０はセンサ９２ 、１０６により測定された放出過熱量に応じて従来通り制御される。しかし、エ バポレータ水温差が変化する場合には、膨張弁３０は、予測方向及びエバポレー タ水温差の変化量に基づいて再位置決めされる。これにより、コンプレッサキャ パシティの変化と同時に膨張弁３０へのフィードフォワード制御信号が供給され ることになる。後に第５図に関連して説明するように、従来の膨張弁３０の制御 によりフィードフォワード制御を同時平行的に行うことができる。 第２図に示すのは、コンデンサ４０、膨張弁３０、及びエバポレータ２０から なる特定の構成である。これは、冷媒ループ１２における冷媒 の量を最小化することが必要な場合に好適である、本発明の第２好適実施例であ る。この第２好適実施例の図面においては、できる限り前に説明した図面と同じ 符号を付してその構成要素を示してある。 第２図の第２好適実施例は、通路１２０に配置された、コンデンサ４０からの 液体の冷媒を受け取り、蓄積し、若しくは副冷却するためのレシーバまたはサブ クーラ１３０が含まれている。膨張弁３０は、コンデンサ４０及び液体レシーバ １３０からエバポレータ２０への冷媒の流れを制御する。 第１好適実施例において使用されるフラデッドエバポレータ２０とは異なり、 第２図のエバポレータ２０は液体冷媒が液体／蒸気分離器１３２に蓄積されるス プレイドバンドル型（sprayed bundle）エバポレータであって、ここで液体冷媒 はチュービング１３４を通して一連のスプレーチューブ１３６に集配される。ス プレーチューブ１３６は、第１水ループ８６において水を運ぶチュービング１３ ８上に冷媒をスプレーする。スプレーされた冷媒は水チューブ１３８に接触し、 ここから熱を吸収して、エバポレータから出て通路９０を介してコンプレッサ５ ０に入る。液体の冷媒はエバポレータ２０の下側領域１４４に蓄積するが、ここ で冷媒の深さＨＩが電気的接続１４６を介してコントローラ６０に接続されたセ ンサ１４４のような機構を利用して従来のように測定される。必要ならば、液体 ／気体分離器１３２における液体の高さＨ２、コンデンサ４０における液体冷媒 の高さＨ３も同様に測定され得る。 第２図の第２好適実施例は、実験データに基づく理論上のアンローダ位置１０ ０に応じて膨張弁３０を延長し、膨張弁の位置がアンローダの位置を追跡するよ うにする。従って、この実施例では位置１００の変化に応じて膨張弁３０のフィ ードフォワード変調と、前述のシステムにおいて用いられたような測定された過 熱量に応じた膨張弁３０の変調の代 わりである液体量Ｈ１、Ｈ２、またはＨ３の何れか１つ（好ましくははＨ１）に 応じた膨張弁の位置のフィードバック変調とを用いている。 詳述すると、膨張弁３０のフィードフォワード変調は、コントローラ６０によ る命令の通りに、アンローダ１００の位置の変化に応じて達成され、膨張弁３０ のフィードバック変調は、センサ１４４によりコントローラ６０に信号が送られ たときに、エバポレータ２０の底部１４０にある液体冷媒の深さＨ１に応じて達 成される。フィードバック変調において、膨張弁３０は、エバポレータ２０の底 部１４０にある液体冷媒の深さＨ１の低下に応じて暫時開放され、エバポレータ ２０の底部１４０に蓄積された液体冷媒の深さＨ１の増加に応じて暫時閉じられ る。 第２図に示す第２好適実施例の別の形態においては、液体／気体分離器１３２ における液体冷媒の高さＨ２に応じて、若しくはコンデンサ４０における冷媒の 高さＨ３に応じて膨張弁の位置が変調され得る。 第３図は、コントローラ６０における、従来の制御ストラテジーで動作する、 本発明の制御の流れを示したブロック図である。ブロック図２００は、定例的に 初期化されるか、あるいは所定の回数のイベントを達成する度に開始される。こ のような所定のイベントには、アンローダ１００の位置の任意の変化、入水温度 若しくは出水温度の任意の変化、若しくは液体冷媒の深さＨ１、Ｈ２若しくはＨ ３の何れかの任意の変化が含まれる。 ステップ２１において、システム外乱が発生中であるか否かの判定がなされる 。システム外乱は、フィードバック式膨張弁制御に用いられる量とは異なる変量 の変化であって、この変化によりシステムの動作条件が変わる。このようなシス テム外乱は、コンプレッサキャパシティ、即ちアンローダ１００の移動の測定値 、若しく入水温度と出水温度との温度差によって測定される値の変化により示さ れる。他のシステム外乱に は、ファンのステージングによって引き起こされるコンデンサ冷却キャパシティ の変化、目標点の変化、クーリングタワーのキャパシティの変化、建物の負荷の 変動、若しくはモータ電流の変化が含まれる。Ｓｗａｎｓｏｎ等に付与された米 国特許第５，０５８，０３１号明細書には、モータ電流を測定する例が示されて いる。この特許は、本発明の譲受人に譲渡されており、本明細書と共に参照され たい。 システム外乱は、フィードフォワードコントロール２０６に送られる。フィー ドフォワードコントロール２０６は、システム外乱の効果を相殺するように設計 されている。膨張弁３０は、外乱に起因するシステムへの影響についての既知の データに基づいてフィードフォワードコントロールにより位置決めされる。本発 明の第１実施例及び第２実施例においては、外乱によりコンプレッサ５０を通過 する流量の変化が引き起こされる。エバポレータ２０に対する影響を相殺するべ く、フィードフォワードコントロール２０６は膨張弁３０の位置決めを行って、 エバポレータ２０におけるマスバランスを維持せしめる。 外乱が無い場合には、従来のフィードバック膨張弁コントロール２０５が、ス テップ２０２において、目標点２０３と測定された過熱量のような従来のフィー ドバック信号２０４と比較することによって継続される。制御エラーは、ブロッ ク２０２において決定され、膨張弁３０を制御すべくフィードバックコントロー ルアルゴリズム３０５により処理される。フィードバック膨張弁コントロール２ ０５は、典型的には、測定された過熱量に基づいて膨張弁の位置を変調するが、 これと別の形態として、上述のように気体のレベルに基づいて変調を行うことも できる。 システム外乱がステップ２０１において求められた場合には、本発明のフィー ドフォワードコントロール２０６が実現される。測定された過熱量若しくは液体 レベルに関するエラー信号を最小化する代わりに、フ ィードフォワードコントロール２０６は、システム外乱を反映したエラー信号を 最小化しようとする。例えば、入水温度と出水温度の温度差が、エラーと考えら れるに十分な大きさだけ所定の値から外れた場合には、膨張弁３００が即座に調 整されてエラーを小さくする。第２の例において、アンローダ位置１００の任意 の変化により、速度にこれに対応する膨張弁位置の変化が生ずる。 フィードバックコントロール２０５は、フィードフォワードコントロール２０ ６と同時並行的に動作する。フィードバックコントロール２０５は、過熱量の他 、目評点の変化２０３及びフィードフォワードコントロール２０６におけるモデ リングエラーのような所定の変量における外乱に応答する。フィードバック信号 ２０４と目標点２０３との差がエラーとみなすに十分な大きさである場合には、 フィードバックコントロール２０５は、エラーを最小化すべく、膨張弁３０に対 する適切なコマンド信号を発生する。フィードフォワード信号２０６及びフィー ドバック信号２０５は、ブロック２０７で合計され、システム１０の制御に用い られる。 第４図は、前記の第１好適実施例及び第２好適実施例に適用されているような クローズドループコントロールとオープンループコントロールとの異なる制御ス トラテジーを対照して示した表である。 第１好適実施例においては、膨張弁のクローズドループコントロールが、放出 過熱量に基づくフィードバック制御をなす。第１実施例においてシステム外乱が 生じた場合には、入水温度と出水温度との差であるΔＴに基づくフィードフォワ ードコントロールストラテジーが実現される。両コントロールストラテジーは同 時平行的に動作するが、フィードフォワードコントロールストラテジーはオープ ンループコントロールとして機能する一方で、フィードバックコントロールはク ローズドループコン トロールとして作用する。 第５図は、第１好適実施例の２つの制御ストラテジーを具体的に示したグラフ である。ΔＴ、即ち入水温度と出水温度との温度差は、縦座標２２０に示されて おり、一方膨張弁の位置は、最小位置から最大位置の範囲に亘って横軸２２２に 示されている。曲線２２４は、フィードフォワードコントロールを示しており、 ここではΔＴの任意の変化が、膨張弁の位置の曲線２２４に沿った同時平行的な 対応する変化をもたらす。曲線２２４に重複しているサイン波２２６は、放出過 熱量コントロールが、いかにして、たとえΔＴに基づくフィードフォワードコン トロールが作用したとしても、膨張弁の位置を曲線２２４の近傍に変調し続ける かを示している。第１好適実施例の利点の一つは、従来のコントロールにおいて 発生した膨張弁位置の振れの幅を小さくした点である。このような振れ幅の大き さは、膨張弁３０がシステム外乱に応じてその最小位置から最大位置の間を変化 した場合のライン２２８によって示されている。このような大幅な振れは、本発 明では起こらないようになっている。 第４図を再び参照すると、第２好適実施例は、測定値Ｈ１若しくは別の形態と して測定値Ｈ２若しくはＨ３により決定される、エバポレータ内の液体レベルに 基づく液体レベルコントロールを有する。第２好適実施例は、アンローダ位置の 変化等によるシステム外乱を検出した場合、即座に対応する膨張弁３０の位置の 変化を起こさしめる。 このことは、アンローダ位置が縦軸２０４に、膨張弁（ＥＸＶ）位置が横軸２ ４２に示されている第６図に示されている。システム外乱に応じたスピードフォ ワードコントロールは、曲線２４４で示されている。例えばポイント２４６から ポイント２４８へのキャパシティの増加のような、アンローダ１００によって引 き起こされるキャパシティの任意の変化は、膨張弁位置のポイント２５０からポ イント２５２への変化によ って即座に反映される。膨張弁の位置については曲線２４４に沿った大きな変化 が達成されるが、液体レベルコントロールストラテジーは、曲線２４４に重複し て示されたサイン波２５４によって示されているような膨張弁３０の位置のコン トロール変調を継続する。 本発明の予測型フィードフォワードコントロールの第３の実施例では、センサ ７４によって測定された入水温度（ＥＷＴ）と冷却された水温の目標点との直接 の比較を行う。検出された水の温度の任意の変化は、エバポレータ水ループ８６ 内の負荷（ロード）の変化に反映される。次いで、膨張点３０が、検出されたロ ードの変化に応じて制御され、システムキャパシティの変化を予測する。このよ うなシステム外乱は、入水温度と目標点との差によって測定されるコンプレッサ キャパシティの変化によって示され得る。第３実施例においては、このシステム 外乱は、完全にアンロードされたアンローダ１００と共に得られた最小キャパシ ティに満たないシステム冷却キャパシティの必要な変化である。必要なロード変 化の作用を相殺するべく、フィードフォワードコントロール２０６は、膨張弁３ ０の位置を調節して、気化した冷媒が、必要なロードに逆比例してコンデンサ４ ０から流れ出るようにする。入水温度が目標点から所定の大きさよりずれており 、エラーと考えられる場合には、膨張弁３０は、即座に調節されて、目標点から のエラーを低減する。アンローダが完全にアンロードされているときの膨張弁の 変調の詳細は、Ｌｅｅ Ｌ． Ｓｉｂｉｋ， Ｄａｎｉｅｌ Ｃ． Ｌｅａｖｅｒ 及び Ｐａｕｌ Ｒ． Ｇｌａｍｍによる“Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ Ｗａｔｅ ｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ａ Ｃｈｉｌｌｅｒ” なる名称の１９９４年４月２８日出願の米国特許出願第０８／２３４，２９１号 に記載されている。この出願は、本発明の譲受人に譲渡されており、ここでは本 明細書と共に参照されたい。 上述のことから、本発明が、水冷機システムのフィードフォワードコントロー ルを提供していることは明らかである。本発明が他の冷凍装置、ＨＶＡＣ及び冷 却システムに適用することができ、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく様 々な変更も可能であることを理解されたい。このような変更には、ここに記載し たスクリュー式コンプレッサの代わりに、キャパシティ可変型遠心コンプレッサ 、スピード可変型スクロールコンプレッサ、スピード可変型レシプロ式コンプレ ッサ等を用いることが含まれる。例えば、本発明を遠心式冷却機に適用したもの では、クローズドループ、フィードバック制御基準として、入水温度若しくはΔ Ｔを用いることができ、またオープンループ、フィードフォワード制御基準とし てコンプレッサ速度または入口ガイドベーン位置の何れかを用いることができる 。ここで記載したフラデッドエバポレータの代わりに従来の直接膨張型エバポレ ータを含むエバポレータを用いる他の変更も可能である。更に、空気冷却コンデ ンサにおけるファンのステージングのような他のフィードフォワード信号も利用 することができる。このようなステージングは、Ｃｌａｎｉｎ等に付与された米 国特許第５，１３８，８４４号明細書に記載されている。この特許は、譲受人が 本発明と共通であり、本明細書と共に参照されたい。ここに記載した膨張弁のフ ィードフォワード制御が、現在用いられているＰＩＤ膨張弁制御と同時平行的に 動作できることが一般に期待されていることを理解されたい。従って、例えば、 膨張弁は、たとえアンローダの移動によりシステムキャパシティの大きな変化え を予想するフィードフォワード信号が生成された場合においても、測定された過 熱量に基づいて冷媒の流れを変調し得る。 最後に、過熱量は、センサ９２によって測定された冷媒温度とセンサ１０６に よって測定された冷媒温度との差として説明してきたが、当業者は膨張弁３０の 制御のために別の過熱量の定義を用いることもできる ということを理解されたい。第１図を参照すると、過熱量は、センサポイント２ ８０及び２８２によって具体的に示されているように、エバポレータ２０を横切 って測定され得る。単純化のため、これらのセンサのコントローラ６０への電気 的な接続は省略されているが、センサポイント２８及び２８２の間の差によって 表現される過熱量の測定値の累積は、膨張弁３０を制御するための基準として今 日用いられている。更に、過熱量の別の定義として、膨張弁３０の制御を行うた めのセンサポイント２８０とセンサ９２との間の差を用いることができる。過熱 量の他の定義は、当該発明が属する技術分野において従来より既知となっている ものであり、このような他の全ての定義は、ここで用いられる過熱量の定義に含 まれる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，Ｕ Ｇ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 リーバー、ダニエル・シー アメリカ合衆国ウィスコンシン州54601・ ラクロス・ハーゲンロード エヌ1658 (72)発明者 ガショー、クレイグ・エム アメリカ合衆国ウィスコンシン州54601・ ラクロス・サウスナインスストリート 421・アパートメント シー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．冷却システムにおける膨張弁の制御方法であって、 第１フィードバック制御基準に基づき前記膨張弁の変調を制御する過程と、 第２フィードフォワード制御基準に基づき前記膨張弁の変調を制御する過程と を有することを特徴とする冷却システムの膨張弁の制御方法。 ２．前記膨張弁のフィードバック変調が、ＰＩＤ制御に基づいていることを特徴 とし、 前記膨張弁のフィードフォワード変調が、フィードフォワード制御ストラテジ ーに基づいていることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ３．前記システムが、冷却された水を供給するエバポレータを有し、前記冷却さ れた水が、流水温度、出水温度、及び前記入水温度と前記出水温度との温度差Δ Ｔを有することを特徴とし、 前記第２基準がΔＴの関数であることを特徴とする請求項２に記載の方法。 ４．前記第１基準が放出過熱量の関数であることを特徴とする請求項３に記載の 方法。 ５．前記システムが、キャパシティ可変コンプレッサを有することを特徴とし、 前記第２基準が、コンプレッサキャパシティの関数であることを特徴とする請 求項２に記載の方法。 ６．前記システムが冷媒レベルセンサを有することを特徴とし、 前記第１基準が、前記冷媒レベルセンサによって測定された測定値の関数であ ることを特徴とする請求項５に記載の方法。 ７．前記システムが冷却された水を供給するエバポレータを有し、前記冷却され た水が、流水温度及び出水温度を有することを特徴とし、 前記第２基準が、前記入水温度と目標点との温度差の関数であること を特徴とする請求項２に記載の方法。 ８．システム外乱の存在を判定する過程を更に有することを特徴とする請求項１ に記載の方法。 ９．システム外乱の存在が判定される度に、前記第２基準に基づく前記膨張弁の 同時平行的制御を開始する過程を更に有することを特徴とする請求項８に記載の 方法。 １０．膨張弁の制御方法であって、 第１の測定された基準に基づき膨張弁を継続的に制御する過程と、 前記膨張弁によって制御されるシステムにおける第２の測定された基準におけ る外乱の存在を判定する過程と、 前記第２基準に基づき前記膨張弁にフィードフォワード制御信号を供給する過 程と、 前記第２基準に基づき前記膨張弁を制御する過程とを有することを特徴とする 膨張弁の制御方法。 １１．前記第１基準が、測定された過熱量か、若しくは測定された液体レベルの 何れかであって、前記第２基準が、コンプレッサのキャパシティの測定値、エバ ポレータによって冷却された液体の温度の測定値、若しくは前記システムの冷却 キャパシティの測定値の何れかであることを特徴とする請求項１０に記載の方法 。 １２．コンプレッサのキャパシティの測定値が、コンプレッサのモータ電流の変 化、若しくはコンプレッサのポンピングキャパシティの変化により決定されるこ とを特徴とする請求項１１に記載の方法。 １３．前記フィードフォワード制御信号が、飽和エバポレータ温度、飽和エバポ レータ圧力、飽和コンデンサ温度、若しくは飽和コンデンサ圧力のようなシステ ム外乱の二次的変化に応じて変更されることを特徴とする請求項１０に記載の方 法。 １４．冷却器若しくはＨＶＡＣシステムにおける膨張弁の制御方法であって、 第１基準に基づく膨張弁のクローズドループ制御を提供する過程と、 少なくとも、前記第１基準からの第２基準の偏差に基づいて、前記膨張弁のオ ープンループ制御を提供する過程とを有することを特徴とする冷却器若しくはＨ ＶＡＣシステムにおける膨張弁の制御方法。 １５．前記第１基準が測定された過熱量か、若しくは測定された液体レベルの何 れかであって、前記第２基準が、コンプレッサのキャパシティの測定値、エバポ レータにより冷却される液体の温度の測定値、若しくはシステムの冷却キャパシ ティの測定値の何れかであることを特徴とする請求項１４に記載の方法。 １６．前記オープンループ制御及び前記クローズドループ制御が同時平行的に実 現されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。 １７．膨張装置及び圧縮装置を有する冷却システムにおける冷媒の流れの制御方 法であって、 前記圧縮装置のキャパシティを測定する過程と、 前記測定された圧縮器のキャパシティに応じて前記膨張装置を変調する過程と を有することを特徴とする冷却システムにおける冷媒の流れの制御方法。 １８．前記システムにおける過熱量の測定値を決定する過程と、 測定されたコンプレッサキャパシティが所定のパラメータを超えるまで、測定 された過熱量に基づき前記膨張弁を変調する過程とを有することを特徴とする請 求項１７に記載の方法。 １９．前記測定されたコンプレッサキャパシティが、任意の測定値を求めること により決定されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。 ２０．前記圧縮装置がスライド弁を含み、前記任意の測定値が前記スラ イド弁の位置を表すことを特徴とする請求項１９に記載の方法。 ２１．前記測定値が前記スライド弁の指示された位置を表すことを特徴とする請 求項２０に記載の方法。 ２２．前記冷却システムが水を冷却するためのエバポレータ、前記エバポレータ に冷却されるべく入ってくる入水温度の測定のための入水温度センサを有するこ とを特徴とし、 前記測定値が前記入水温度を表すことを特徴とする請求項１９に記載の方法。 ２３．前記エバポレータが、前記エバポレータによって冷却される水の温度を測 定する出水温度センサを有することを特徴とし、 前記測定値が前記入水温度と前記出水温度との温度差を表すことを特徴とする 請求項２２に記載の方法。 ２４．循環式リンクトコンプレッサ、コンデンサ、膨張装置、及びエバポレータ を有する冷却システムのキャパシティを制御する方法であって、 前記エバポレータが入水温度を有する入水を受け取り、出水温度を有する出水 を供給することを特徴とし、 前記コンプレッサが測定された過熱量を有する冷媒を圧縮することを特徴とし 、 水の温度及び前記冷媒の過熱量を測定する過程と、 前記水温と目標点との差の関数として水温エラーを決定する過程と、 測定された過熱量に応じて前記膨張弁が変調される第１モードのキャパシテ ィ制御を提供する過程と、 前記水温エラーに応じて前記膨張弁が変調される第２モードのキャパシティ 制御を提供する過程とを有することを特徴とする冷却システムのキャパシティの 制御方法。 ２５．前記水温エラーを、前記入水温度と前記出水温度との温度差の関 数として決定する過程を更に有することを特徴とする請求項２４に記載の方法。 ２６．前記水温エラーを、前記出水温度と目標点との差の関数として決定する過 程を更に有することを特徴とする請求項２４に記載の方法。 ２７．前記水温エラーを、前記入水温度と目標点との差の関数として決定する過 程を更に有することを特徴とする請求項２４に記載の方法。 ２８．システムキャパシティの変化に応じて冷却システムの膨張弁を位置決めす る方法であって、 前記冷却システムが入ってくる水である入水の温度調節をし、出ていく水であ る出水を供給するエバポレータを有することを特徴とし、 前記エバポレータの前記入水の温度をモニタする過程と、 前記エバポレータの前記出水の温度をモニタする過程と、 前記入水の温度と前記出水の温度との温度差を求める過程と、 温度差の目標点を決定する過程と、 前記水温と前記温度差目標点とを比較してエラーを設定する過程と、 前記エラーを最小化すべく前記膨張弁を再位置決めする過程とを有することを 特徴とするシステムキャパシティの変化に応じた冷却システムにおける膨張弁の い再位置決め方法。 ２９．水冷機システムにおける出水温度の制御方法であって、 前記出水温度を測定する過程と、 前記出水温度と目標点とを比較してエラーを決定する過程と、 前記エラーを最小化すべく膨張弁を変調する過程とを有することを特徴とする 水冷機システムの出水温度の制御方法。 ３０．冷水機システムであって、 流体を冷却するためのエバポレータと、 前記エバポレータからの加熱された冷媒を受け取り、圧縮により前記 冷媒の凝結温度を変化させるためのコンプレッサと、 前記コンプレッサからの圧縮された冷媒を受け取り、前記圧縮された冷媒を凝 縮させるためのコンデンサと、 前記コンデンサからの凝縮された冷媒を受け取り、前記凝縮された冷媒を前記 エバポレータに制御しつつ戻すための膨張装置と、 前記コントローラに接続されており、前記エバポレータの負荷の変化を予測す るためのフィードフォワードコントロールとを有することを特徴とし、 前記フィードフォワードコントロールが第１値を検知する第１センサを有して おり、かつ検知された前記第１値に応じて前記第１値を検知し、前記検知された 第１値に応じて前記膨張装置の動作を制御することを特徴とする冷水機システム 。 ３１．前記第１センサが前記コントローラに機能的に接続されており、流体が前 記エバポレータに入ったときの温度を測定することを特徴とし、 前記入水温度が前記第１の値であることを特徴とする請求項３０に記載の例衰 期システム。 ３２．前記コントローラに機能的に接続され、前記エバポレータへ入る液体の温 度を測定する第１温度センサと、 前記コントローラに機能的に接続され、前記エバポレータから排出される液体 の温度を測定する第２温度センサと、 前記コントローラと機能的に関連し、前記第１及び第２センサによって測定さ れた温度差を求める比較器とを有することを特徴とし、 前記温度差の値が前記第１の値となることを特徴とする請求項３０に記載の冷 水機システム。 ３３．前記コンプレッサが、 スライド弁と、 前記コントローラに機能的に関連し、前記スライド弁の位置を決定する装置と を有することを特徴とし、 前記スライド弁の位置が前記第１の値であることを特徴とする請求項３０に記 載の冷水機システム。 ３４．前記エバポレータに関連し、前記コントローラと機能的に結合されて、前 記エバポレータの底部に溜まっている液体冷媒の深さを決定する第２センサを更 に有することを特徴とし、 前記エバポレータの底部に溜まった前記液体の測定された深さを、前記膨張装 置の位置の制御のための第２の値として用いることを特徴とする請求項３３に記 載の冷水機システム。 ３５．前記エバポレータが、液体／気体分離器を有することを特徴とし、 前記第１センサが前記液体／気体分離器に蓄積された液体の冷媒の量を決定し 、前記コントローラに測定された量を表す信号を供給することを特徴とし、 前記第１の値が前記液体／気体分離器における液体冷媒の測定量であることを 特徴とする請求項３０に記載の冷水機システム。 ３６．前記第１センサが、前記コンデンサの底部に蓄積された冷媒の量を測定し 、前記コントローラにその蓄積量を表す信号を送ることを特徴とし、 前記コンデンサにおける液体冷媒の蓄積量の測定値が前記第１の値であること を特徴とする請求項３０に記載の冷水機システム。