JPS58145855A - 冷媒流量制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は冷凍機または冷暖房装置の冷凍サイクルにおけ
る冷媒流量の制御装置の改良に関するものである。

たとえば冷凍機の冷凍サイクルは第１図に示すようで、
圧縮機７．モータ駆動膨張弁５．室内側熱交換器（蒸発
器）４．室外側熱交換器（凝縮器）５、制御装置（コン
トローラ）６および各種センサ（この例では温度センサ
ー１および圧力センサー２）によって構成されている。

なお図中矢印は冷媒の流れる方向である。

さて従来の温度式自動膨張弁（以下弁と略記）による過
熱度制御法では、蒸発器４内の液冷媒の蒸発量を蒸発器
内のガスの温度と圧力の変化によって検知し、蒸発器内
に流入する液冷媒の量を調節している。すなわち弁は蒸
発器の負荷の増減により過熱度の範囲内で開閉動作を行
い冷媒の流入量を調節している。他方この種の膨張弁に
おいては一般に起動時等に圧縮機に冷媒が液状のまま流
入する危険を防止するために、全過熱度（最低保留すべ
き静止過熱度十過熟度変化）、対弁の開度特性内で弁が
開き始めるまでの過熱度すなわち静止過熱度はできるだ
け大きくとることが要求される。しかしこのことは全過
熱度内で静止過熱度の占める割合が大きくなることであ
り、このため必然的に過熱度変化の占める割合が少さく
なる。そしてこの小さい過熱度変化でもって負荷の変動
に応じて冷媒流量を正確に制御しなければならない。

換言すればこのことは僅かな過熱度の変化を用いて負荷
の変動に応じた冷媒流量の正確な制御を行わねばならぬ
ということで、負荷変動幅が大きい条件下では弁の追従
制御が困難で、弁の開度を調整してバランスさせるに時
間がか＼り省エネルギー上好ましくないという欠点があ
った。本発明はこれらの欠点を除くために行ったもので
、以下詳細に説明する。

第１図は本発明を実施した冷凍機のシステム構成図であ
るが、これに示すような冷凍サイクルの圧縮機７の起動
時、アンロード時、デフロスト時、冷房と暖房の切換時
のように、負荷の変動幅が大きい運転モード変更時には
、冷媒が液のま＼圧縮機に流入する液バツクや冷媒流入
量減少による低圧カットなどによる機器の破損過熱等の
危険が生じるおそれがあることはよべ知られている。本
発明においてはこれらの不都合を防止する手段として、
蒸発器出口配管内の過熱度があらかじめ設定されたある
幅の不感帯に存在するように設定した過熱度設定値と実
際の過熱度との偏差を検出し、過熱度が常にこの不感帯
に存在するように膨張弁５の開閉を行うが、上記のよう
な負荷の変動幅が大きい運転モード変更時には、通常運
転時の制御に比べて過熱度をより早く不感帯に安定させ
るように運転モード変更信号を制御器に入力させ、過熱
度が不感帯に入るまで膨張弁を急速に開閉させると共に
、微小な過熱度変化に追従できるよう非常に微量な流量
制御を行うように構成したことが特徴で、実際の過熱度
を設定過熱度に接近させるに要する時間が短かくなりエ
ネルギの無駄が少くなることは大きな効果である。

第２図は本発明冷媒流量制御装置の構成例図で、温度セ
ンサー１．圧力センサー２．モータ駆動膨張弁３．冷凍
機電気回路８を除いたものがコントローラ６を構成する
。たソしこの例は電気信号によって駆動され弁の開度を
調整する膨張弁３としてパルス入力によって駆動される
ステッピング（モータ）駆動膨張弁を使用した場合で、
その制御パルスは蒸発器４の出口部に設けた圧力センサ
ー２と温度センサー１との出力に基いてコントローラ６
で形成される。次にコントローラ６の構成と動作を説明
する。

まず圧力センサー２は蒸発器の出口部で冷媒の圧力を検
出し圧力に対応する電圧を出力するもので、圧力対出力
電圧特性はほとんど直線とみなせるものが得られている
。この圧力センサー２の出力は次の目的に利用される。

すなわち蒸発器４の出口部の過熱度は蒸発器４の出口部
の過熱蒸気の温度とその蒸気の圧力に相当する飽和温度
との差で定義されるので、その飽和温度を求めるのに利
用される。たソし一般に冷媒圧力対飽和温度特性は直線
ではなく２次曲線に近いため、冷媒圧力相当温度に対す
る出力電圧特性も直線状ではなくなるが、リニアライザ
を用いてこの出力特性を直線化することは容易で、温度
センサー１の出力特性と共に出力特性を直線化しておく
ものとする。このようにすれば冷媒の過熱度は基準とな
る冷媒圧力相当温度が変化しても直線的な出力電圧（ｍ
Ｖ程度）特性が得られる。

圧力センサー２と温度センサー１の出力はコントローラ
６０入力端演算部６０１に送り込まれる。

演算部６０１はセンサー１および２よりの入力から上記
定義に基く演算を行って蒸発器４の出口の過熱度を求め
ると共に、過熱度設定部６０２から入力する設定過熱度
に対する実際の過熱度の偏差ΔＳＨを演算によって求め
、偏差に対して第５図に示すような関係にある電圧の信
号（ｅ）を次段の６０５〜６０５に送出する。この演算
部６０１の出力は後に弁５の開か閉の決定および開度制
御を行うに利用され、十偏差があるときは過熱状態が過
度であるから冷媒の流量を増すように弁６をより開かせ
、−偏差があるときは逆に弁を閉じさせる。

次に６０３，６０４，６０５はそれぞれ開閉動作、開側
不感帯、閉側不感帯の各検出部、Ｇ１はＯＲゲートであ
る。いま過熱度設定部６０２で設定した過熱度をＳＨ，
、温度センサー１と圧力センサー２とで検出された過熱
度をＳＨＦ、とすれば、設定過熱度よりの偏差（以下単
に偏差という）ΔＳＨは下式にて示される。

Δ５Ｈ＝ＳＨＥ、−８Ｈ８−・・・・・・・・（り開側
不感帯検出点（第３図および第５図参照）をΔＳＨ＋、
そのときの演算部６０１の出力電圧をｅ＋。

閉側不感帯検出点をΔＥＩＨ−、そのときの演算部６０
１の出力電圧をθ−とする。６０３〜６０５の検出部と
ＯＲゲー）Ｇ１の役目は本発明の特徴である検出過熱度
ＥＩＨＦ、が設定過熱度ＳＨ８の近傍にあるとΔＳＨ＜
：ΔＳＨ＜ΔＳＨ＋　　　・・・・・・・・・（２）で
あるときは弁３は固定したま＼動かさず、ΔＳＨ＞ΔＳ
Ｈのときは過熱が大きいので冷媒の流量を増すように弁
３をさらに開く方向に動作させ、ΔＳＨ＜ΔＳＨ−のと
きは逆に弁５を閉じる方向に動作させるためのもので、
第４図はその具体的な回路構成図、第５図はその動作説
明図である。

第４図に示すように開閉動作検出部６０５は電圧比較器
Ｕ１　　とインバータＩ、にて構成される。

Ｕｌ　　の非反転入力端子をＯＶにしておけば演算部６
０１の出力電圧ｅがｅ〉０ならばＵ、の出力は低論理レ
ベル（■・レベル）、ｅ（０ならば高論理レベル（Ｈレ
ベル）になるが、インバータエ、ヲ経た出力は第５図■
のようになる。開側不感帯検出部６０４と閉側不感帯検
出部６０５の構成も６０５と同様で非反転入力端子に加
えた電圧のみが異り、その結果出力は第５図■、■、■
のようになることは容易に理解されるであろう。たソし
θ１．θ−の定義は上記の通りで演算部６０１の出力ｅ
がｅ−とθ１の間が弁３に動作を行わせない不感帯とな
る。第５図において弁３の動作に関係する信号は＠、■
の２つで、＠は弁３を開動作させるか閉動作させるかを
決定する信号である。この例では＠がＨレベルのとき弁
３の開方向信号、Ｌレベルのとき閉方向信号をモータ駆
動部６１９Ｖｃ与えて弁３の動作方向を制御する。他方
Ｇ１ゲートの出力信号■は偏差ΔＳＨが不感帯にあり弁
３を動作させる必要がないときはＬレベルにあり、また
ΔＳＢが不感帯外では弁５を動作させるため■はＨレベ
ルとなる。すなわち弁６の動作方向は■のレベルで決め
られる。なお■、■出力を発生するまでの部分を第１の
膨張弁開閉制御信号発生部と呼ぶ。

次に６０６〜６１１　、Ｇ２．Ｉｎは運転モード変更検
出部９を構成する。この部は前記のように冷凍機の状態
が変った時点では、新しい状態に対応する適正な冷媒流
量すなわちΔ５Ｈ＝Ｏとなるように弁５の開度を急速に
調整する必要があるので、その急速動作をさせる信号を
次段に送出する前に先づ運転モード変更の有無を検出す
る部である。

なお第２図に示した冷凍機電気回路８は冷凍機を運転す
るに必要な電磁開閉器、リレー、電磁弁などの電気回路
の総称で、これらの電気回路からそれぞれ所要の電気信
号を受取り、６０７〜６１１の各検出部で運転モード変
更の有無とタイミングを検出するのであるが、冷凍機の
電気回路は一般に交流回路であるからリレーまたはフォ
トカブラなどを介して入力を直流信号に変換しておくも
のとする。

さて運転モード検出部９において６０７は圧縮機始動信
号検出部で、第６図の動作説明図に示すように圧縮機４
の運転、停止信号を受けて始動時にのみ信号レベルの立
上りでワンショットパルスを発生する。６０８は圧縮機
のアンロード信号検出部で、圧縮機がたとえば１００％
、５０％の容量制御を行うのであればその容量制御信号
を受けて圧縮機が運転中のみ信号レベルの立上りおよび
立下りを検出してワンショットパルスを発生する。

なお第６図のｇ時点は圧縮機が停止中なのでパルスは発
生されない。６０９は冷房運転信号検出部、６１０は暖
房運転信号検出部、６１１は除霜運転信号検出部で、（
冷凍機の構成によってすべての検出部が必要とは限らな
い）いずれも６０７同様入来信号の立上りでワンショッ
トパルスを発生スる。そして６０７〜６１１よりの５種
のワンショットパルスは圧縮機の動作モードによっては
同時に発生することがあるが差しつかえなく、これらの
信号はオアゲートＧ２を通ってフリップフロップＦ１の
クロック信号となる。ＦｌのＱはこのクロック信号によ
ってセットされ、これによって第２図有半の本装置は急
速調整動作のシーケンスに入る。このシーケンスが終了
するのはり・セットパルス発生部６０６よりのリセット
パルスがフリップフロップ（ＦＦ）Ｆｌのリセット端子
Ｐに入力されたときである。なおＦｌと後述のＦ２は共
にＤタイプのＦＦであり、ＶＣＣは回路の電源電圧であ
るＯ 次に６１２．Ｇ５，７２，６１３．６ｔ４゜６１５．６
１６，６１７．Ｇ４．Ｇ５，６１１は実際に弁３を駆動
するタイミングを決定するタイマー出力部を構成し、オ
フ図はそれらの動作のタイムチャートを示す。

いまゲートＧ２からの運転モード変更信号Ｇ２（Ｆｌ−
ｃ）（オフ図参照）によってＦＦ　　Ｆｌがセットされ
、オフ図のＦｌ　−Ｑに示すＱ出力がアンドゲート０５
とマスクタイマー６１２に出力される。マスクタイマー
６１２はＦｌ−Ｑ信号のレベルの立上りで計時を始め、
オフ図に６１２として示すように時間ＴＭ　の間Ｈレベ
ルの出力をリセットパルス発生部６０６および６１３．
サンプリングタイマー６１４に送出する。リセットパル
ス発生部６１３は６１２の出力レベルの立下り（ｊ時点
等）でワンショットパルスを発生し、マスクタイマー６
１２をリセットすると共にＯＦゲ−）Ｇ５に送る。なお
マスクタイマー６１２はモード変更信号（Ｇ２）によっ
て１回だけ動作するタイマーである。

サンプリングタイマー６１４はマスクタイマー６１２の
出力レベルの立下りでトリガーされ、周期Ｔｆ３　でＬ
レベルとＨレベルの転換を行うことを繰返す発振器で、
オフ図に６１４として示したタイムチャートのような出
力をトリガーパルス発生部６１５に送り出す。トリガー
パルス発生部６１５はサンプリングタイマー６１４の出
力レベルの立下りでワンショットパルスを発生シ、ソの
パルスをＯＦゲートＧ５を経て通常動作出力タイマー６
１６および急速動作出力タイマー６１７に送る。

６１６．６１７の２つのタイマーは共にＯＲゲー）Ｇ５
からのワンショットパルス入力があった場合に、牙７図
の６１６，６１７に示すようにそれぞれ時間ｔ、および
Ｆ２（Ｆ２〉ｔ、）の期間だけＨレベルを出力する。

次に本発明の特徴である運転モード変更時の急速動作に
ついて、この動作を実現するアンドゲートＧ５．Ｄタイ
プのＦＦであるＦ２．リセットパルス発生部６０６の動
作によって説明する。

（１）　　運転モード変更があった時に過熱度の偏差Δ
ＳＨが第５図に示す不感帯にあればｏＦｌゲートＧ１の
出力はＬレベルであるから、モード変更によってＦＦ　
　ＦｌのＱがセットされてもＡＮＤゲートＧ３の出力は
Ｌレベルのま＼でＦＦ　　Ｆ２のクロック信号は入力さ
れない。しかしモード変更があったので次オに偏差が大
きくなりΔＳＨ（ΔＳＨｉたはΔＳＨ，＞ΔＳＨ＋とな
れば、ＯＲゲートＧ１出力がＨレベルに転じ、またＡＮ
Ｄゲート０５の出力すなわちＦＦ　　Ｆ２のクロック信
号をＨレベルとする。この結果ＦＦ　　Ｆ２のＱ出力が
Ｈレベルとなる（オフ図ＱＦ　２−　Ｑ）／　）。この
Ｑ出力によってアナログスイッチＳ１は急速動作タイマ
ー６１７側に切替わる。こ＼で前記のマスクタイマー６
１２の計時が終了すると急速動作出力タイマー６１７の
出力（オフ図６１２に示すように６１２出力のｊ時点立
下りによる６１７の継続時間ｔ２　の）々ルス）はＡＮ
Ｄゲー）Ｇ４に送られる。この動作は偏差ΔＳＨが不感
帯に達するまですなわちΔＳＨ−＜ΔＳＨ＜ΔＳＨ＋に
なるまで急速動作を続ける。

（６１７はオフ図のようにＦ２　時間のみＨレベルで短
時間Ｌレベルの繰返しを出力する）偏差ΔＳＨが不感帯
に入るとＯＲゲートＧ１の出力レベルはＨレベルからＬ
レベルに転するが、その立下り（オフ図０１のｈ時点）
を用いてリセットパルス発生１１６０６よりワンショッ
トパルス（：１７図の６０６）を発生させ、ＦＦ　　Ｆ
ｌおよびＦ２をリセットする。このためＦ２によるアナ
ログスイッチＳ１の切替が行われ、通常動作出力タイマ
ー６１６の出力がＡＮＤゲートＧ４に送られる。

（１）　　運転モード変更があった時すでに備差ΔＢＨ
が不感帯から外れているとき、すなわちΔＳＨ（Δ８Ｈ
−またはΔＳＨ）Δ８Ｈ＋であった場合。

（ａ）　　運転モード変更の直前にΔＳＨ＜ΔＳＨ−（
またはΔＳＢ＞ΔＳＨ）であって通常動作をしており運
転モード変更後もΔＳＨ＜ΔＳＨ（またはΔＳＨ＞ΔＳ
Ｈ”）であって急速動作をするとき、すなわち偏差−側
で通常動作から急速動作に切替わる場合または偏差＋側
で通常動作から急速動作に切替わる場合に］ は、マスクタイマ６１２０ＴＭ時間の計時中に不感帯九
人ることはなくＯＲゲー）Ｇ１の出力がＬレベルとなる
ことはない。そして時間ＴＭ　中にリセットハルスパル
ス発生部６０６からリセットパルスを発生することなく
（１）項と同じ動作をする。

（ｂ）運転モード変更の直前にΔＳＨ＜Δ５ｎ−（ある
いはΔＳＣ＞ΔＳＨ）であって通常動作をしており、運
転モード変更によって一度不感帯を通ってΔＳＨ＞ΔＳ
Ｈ＋（あるいはΔＳＨ（Δ５Ｈ−）になって急速動作を
するときは、偏差ΔＳＨが不感帯に入るためＯＲゲート
Ｇ１の出力が一度Ｌレベルになる。このときの立下り（
オフ図０１のｈ）でリセットパルス発生部６０６がワン
ショットパルスを発生すると折角セットされたＦｌ、７
２がリセットされてしまい、マスクタイマー６１２の計
時終了後の急速動作が不可能になる。従って時間ＴＭ計
時中、すなわちマスクタイヤ−６１２の出力がＨレベル
のときは、この入力を利用してオフ図のＧに示すようＩ
ＣＯＲゲートＧ１の出力の立下りｔがあってもリセット
パルス発生部６０６はワン７ヨツトパルスを発生するこ
とがないように構成されている。

以上（１）ｆｌｉｌの説明のように本発明の制御装置で
は運転モードの変更があった時は偏差の状態に応じて１
回だけ急速動作を行い、その結果偏差が不感帯に入るこ
とで通常動作に切替わり、その後偏差に応じて弁５を動
作させる。たｙし通常動作と急速動作のいずれにあって
も偏差が不感帯にあれば弁５は固定されて動作しない。

オフ図最下段ｍ。

ｋの場合はこれを示すもので、このときＧ１の出力はＬ
レベルでパルス発生９，６１８よりのパルスはＡＮＤゲ
ー）Ｇ４を通ることはなく弁３は動作しない。なお９〜
ｓ１の運転モードの変更検出と通常動作と急速動作決定
部の部分な第２の膨張弁開閉制御信号発生部と呼ぶ。

最後に牙２図中のモータ駆動部６１９について説明する
。パルス発生部６１８はモータ駆動膨張弁５を駆動する
のに必要な周波数のモータ駆動用パルスを発生する。Ａ
ＮＤゲートＧ４は通常動作のときは３１，６１８，６１
６のＡＮＤ信号を、急速動作のときはＧ１，６１８，６
１７のＡＮＤ信号をモータ駆動部６１９に送る。従って
６１９に入力するパルス数はオフ図の０４列に示すよう
に、Ｇ１と６１６またはＧ１と６１７の組合わせによっ
て通常動作または急速動作にそれぞれ適応するように選
定されており、弁３開閉用のステッピングモータ（図示
せず、第２図ではモータは５内に含むとする）を短時間
または長時間駆動する。

すなわちステッピングモータの回転角度従って弁５の開
閉度はこの駆動用パルス数に対応することになる。前記
のように弁３の開か閉かの決定は開閉動作検出部６０５
の出力・レベルの高低によって決定され、ΔＳＨ＞ΔＳ
Ｈのときは開動作、ΔＳＨ＜ΔＳＨ−のききは閉動作と
なるようにモータを正転または逆転させる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施した冷凍機の冷凍システム構成図
、第２図は第１図中の冷媒流量制御装置の構成例ブロッ
ク図、第３図は過熱度の偏差ΔＳＨと演算部出力電圧の
関係図、第４図は牙２図中の６０３〜６０５各検出部の
回路構成側図、第５図は第４図の動作説明図、第６図は
第２図中の６０７と６０８の動作説明図、牙７図は第２
同各部の出力のタイムチャートである。 １・・・温度センサー、　２・・・圧力センサー、　５
・・・モータ駆動膨張弁（弁）、　４・・・室内側熱交
換器（蒸発器）、　　５・・・室外側熱交換器（凝縮器
）、６・・・制御装置（コントローラ）、　　７・・・
圧縮器、８・・・冷凍機電気回路、　　９・・・運転モ
ード変更検出部、　Ｍ・・・弁５の駆動用モータ、　　
６０１・・・演算部、　　６０２・・・過熱度設定部、
　　６０５・・・開閉動作検出部、　　６０４・・・開
側不感帯検出部、６０５・・・閉側不感帯検出部、　　
６０６・・・リセットパルス発生部、　　６０７・・・
圧縮機始動信号検出部、６０８・・・圧縮機アンロード
信号検出部、　　６０９・・・冷房運転信号検出部、　
　６１０・・・暖房運転信号検出部、　　６１１・・・
除霜運転信号検出部、６１２・・・マスクタイマー、　
　６１５・・・リセットパルス発生部、　　６１４・・
・サンプリングタイマー、６１５・・・トリガーパルス
発生部、　　６１６・・・通常動作出力タイマー、　　
６１７・・・急速動作出力タイマー、　　６１８・・・
（モータ駆動）ハルス発生部、６１９・・・モータ駆動
部、　Ｇ１・・・６０４と６０５各出力のＯＲゲート、
　Ｇ２・・・６０７〜６１１各出力のＯＲゲート、　Ｇ
５・・・Ｇ１とＦｌのＡＮＤゲート、　Ｇ４−６１８．
Ｇ１．５１１７）ＡＮＤゲート、　　Ｇ５・・・６１５
と６１５の０沢ゲート、Ｓｌ・・・アナログスイッチ、
　　Ｆｌ、Ｆ２・・・フリップフロップ回路（ＦＦ）。 特許出願人　　株式会社鷺宮製作所 代理人　大塚　学 外１名 兜３図 第４図 兜５図 聞動作剣Ｉ臥　不Ｓ吊　　開動作々酊匈尭６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 蒸発器の出口配管内に設けられ配管内の冷媒蒸発圧力を
   検出する圧力センサーと冷媒の蒸発温度を検出する温度
   センサーの出力に基き電気式自動調整膨張弁にその開閉
   制御信号を送出する装置を備えた冷凍装置の冷媒流量制
   御装置において、過熱度の設定値からの偏差を検出して
   実際の過熱度が常にあらかじめ設定された幅の不感帯に
   存在するように膨張弁を開閉制御する信号を送る通常運
   転時の第１の膨張弁開閉制御信号発生部と、圧縮機の始
   動停止などの運転モード変更時に発生される運転モード
   変更信号によって制御され通常運転時に比し膨張弁の開
   閉度を大きくする制御信号を送出する運転モード変更時
   の第２の膨張弁開閉制御信号発生部と、上記運転モード
   変更信号によって制御されて膨張弁開閉制御信号を上記
   通常運転時の開閉制御信号から上記運転モード変更時の
   開閉制御信号に切替える開閉器を備えて、運転モード変
   更時の急速制御を可能にしたことを特徴とする冷媒流量
   制御装置。