JPS6045779B2 - 冷媒流量制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は冷凍サイクルの冷媒流量制御装置に係り、特
に冷凍サイクル中の膨張弁の開度をパルスにより駆動さ
れるモータにより調整して冷媒流量を制御する冷媒流量
制御装置に関するものである。

斯かる装置は、蒸発留出口部の温度に応じたガス圧に
よつて弁開度が調節される機械式膨張弁や、電気ヒータ
とバイメタルを組合せた弁駆動部を有し、バイメタルの
変形によつて弁開度が調節される熱動式膨張弁を冷凍サ
イクルに用いた従来の装置の応答性、制御性（精度）な
どの悪さを改善するために考えられたものである。

ところで、冷凍サイクルにおいて蒸発留出口部の過熱
度が設定過熱度より小さくなつた場合、負荷に対する適
性流量よりも多くの冷媒が流れていることになり、冷媒
が液のままコンプレッサに入る、所謂液パック状態が生
じ、コンプレッサが破損するという事態が起きかねなく
なる。

本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、その目
的とするところは、蒸発留出口部の過熱度が設定過熱度
より小さくなつても液パック状態が生じることがないよ
うに冷媒流量を制御できるようになした冷媒流量制御装
置を提供することにある。

以下本発明を実施例を示す図面について説明する。

第１図は本発明による冷媒流量制御装置を適用した冷
凍システムの一例を示し、冷凍システムは圧縮器１、凝
縮器２、膨張弁３、及ひ蒸発器４によつて構成されてい
る。

膨張弁３はその開度がパルスにより駆動されるステッピ
ングモータ５により調整されるようになつている。上記
パルスは、蒸発器４の出口部に設けた圧力センサ６と温
度センサ との出力に基き制御器８が発生する。 上記
圧力センサ６は、蒸発器４の出口部で冷媒の圧力を検出
して圧力に対応する大きさの電圧を出力するもので、第
２図ａに示すようにほとんど直線と見なしうる圧力対出
力電圧特性を有する。この圧力センサ６の出力は、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蒸発器４の出口部の過
熱度を決定するため、上記飽和温度を求めるために利用
されるが、一般に冷媒圧力対飽和温度の特性、すなわち
飽和蒸気圧線は直線的てなく、２次曲縮に近い曲線特性
となつているため、冷媒圧力相当温度に対する出力電圧
については、第２図をに示すような特性となり、直線的
でなくなる。しかし、熱電対温度変換器などに広く使用
されているリニアライザを用いれば、第２図ｂの特性を
容易に直線化できる。従つて、同じように温度センサ７
の出力特性も直線化しておけば、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関係を保つ
ことができる。上記圧力センサ６と温度センサ７の出力
は、第３図にブロック図で示す制御器の演算部８０１に
加えられる。

演算部８０１は、上記両センサ６及び７からの信号によ
り、上記定義に基き演算して蒸発器４の出口部の過熱度
を求めると共に、過熱度設定部８０２から入力される設
定過熱度に対する実際の過熱度の偏差ΔＳＨを演算によ
り求め、偏差に対して第４図に示すような関係にある電
圧の信号を出力する。この演算部８０１の偏差に関する
出力は、弁の開動作又は閉動作を行わせるために利用さ
れ、十偏差のあるときには、過熱状態がきき過ぎるので
冷媒の流量を増すように弁をより開く方向に動作させ、
一偏差のあるときには、逆に弁を閉じる方向に動作させ
る。上記演算部８０１の出力は、関数発生部８０３、偏
差極性検出部８０４及び大偏差検出部８０５に導かれて
いる。

関数発生部８０３は、偏差極性検出部８０４の制御のも
とて、入力電圧が正の−ときと負のときで利得が変えら
れるようになつており、一偏差のときの出力電圧の絶対
値か同じ大きさの十偏差のときよりも大きくなるように
し、第４図に示すような入力に対して第５図に示すよう
な出力を発生するように働く。具体的には、関数発生部
８０３及び偏差極性検出部８０４は第６図に示すように
構成されている。

関数発生部８０３は、演算増幅器（以下０Ｐアンプと略
記する）Ｕ１と、抵抗Ｒｌ，Ｒ２及びＲ３と、抵抗Ｒ２
と並列の抵抗Ｒ３を接離するアナログスイッチＳ１とか
らなる反転増幅器として構成され、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３で
あるとすると、反転増幅器の利得はアナログスイッチＳ
１がオフのとき１、オンのとき２になる。一方、偏差極
性検出部８０４は０ＰアンプＵ２かＺらなるコンパレー
タとして構成され、入力すなわち偏差が正であればＬレ
ベル、負であればＨレベルの出力を送出する。

この偏差極性検出部８０４の出力は、上記関数発生部８
０３のアナログスイッチＳ１のオン・オフを制御するた
めの他、後述するステッピングモータの回転方向を指定
するために利用される。アナログスイッチＳ１は、その
入力にＬレベル信号が加わるとオフし、Ｈレベル信号が
加わるとオンするようになつているため、十偏差のとき
オフして反転増幅器の利得を１に、一偏差のときオンし
て反転増幅器の利得を２にそれぞれ設定する。

上述の具体例ては、関数発生部８０３を反転増Ｊ幅器で
構成していため、第４図のような入力があると、第５図
とは異なる第７図に示すような出力電圧が出力されるが
、もう一度反転増幅してやれば第５図のような出力特性
となることは明らかである。上記関数発生部８０３の出
力は、後にＡ／Ｄ変換するために絶対値変換部８０６に
導かれる。

絶対値変換部８０６は第８図に示されるように、０Ｐア
ンプＵ２と抵抗Ｒ４，Ｒ５とダイオードＤ，，Ｄ２とか
らなる直線検波回路と、０ＰアンプＵ４と抵抗Ｒ６，Ｒ
７，Ｒ８とからなる加算回路とによつて構成され、第５
図に示す入力が加えられると第９図に示す出力を発生す
る。すなわち、この絶対値変換部８０６は入力信号電圧
の極性にかかわらす常に正の出力電圧を出力するように
働く。絶対値変換部８０６の出力はＡ／Ｄ変換部８０７
に導かれる。

Ａ／Ｄ変換部８０７はタイマ部８０８によつて規定され
る周期毎にその入力の大きさに応じた数のパルスを出力
するように働く。タイマ部８０８は通常第１０図ａに示
すような周期Ｔ１持続時間ｔのパルスを発生し、設定過
熱度に対する実際の過熱度の偏差が予め定めた値以上の
とき、大偏差検出部８０５の制御のもとで第１０図ｂに
示すような周期２ｔ１持続時間ｔのパルスを発生するよ
うになつている。なお、上記周期Ｔは冷凍システムによ
つて異なつていて実験的に定められるが、約数分である
。

一方、パルスの持続時間ｔは３囲２以内に定められる。
通常はこのように、パルス駆動されるステッピングモー
タにより弁を一度調整すると、その調整結果が冷凍シス
テムに現われる数分間制御を停止するようにタイマによ
つてマスクし、次の制御時点でそのときの偏差に応じた
数のパルスを発生して制御を行つている。

ところが、蒸発器近傍の温度が急に変り負荷が急変した
場合や、システムの運転の都合で圧縮機の能力を変える
容量制御が行われた場合には、弁開度と冷媒流量とが実
際に必要とされるものから大巾にずれてしまい、偏差が
著しく大きくなる。

制御器８は偏差に応じてパルスを発生して弁を調整する
が、各周期毎に出力できる最大パルス数が限られている
ので、上述のような場合に冷媒の流量を適正にするよう
に弁を調整してバランスさせるためには多大な時間を要
し、省エネルギーの観点から好ましくない。従つて、こ
のように偏差が大きくなつたときには、タイマ８０８に
よるマスク時間を短くして弁の開度が所定位置に早く調
整できるように、タイマ８０８が発生するパルスの周期
を第１０図ｂのように短かくしてシステムのバランス点
を早く見つけるようにすればよい。

第１１図は上記大偏差検出部８０５、Ａ／Ｄ変換部８０
７及びタイマ部８０８の具体例を示す。

大偏差検出部８０５は、０Ｐアンプｙからなる＋側大偏
差検出用コンパレータと、０ＰアンプＵ６からなる一側
大偏差検出用コンパレータと、両コンパレータのオアを
とるオアゲートＧ２とにより構成され、０ＰアンプＵ，
の反転入力端子と０ＰアンプＵ６の非反転入力端子とに
は、検出すべき十及ひ一の大偏差に相当する電圧＋ｅと
−ｅとがそれぞれ加えられている。この結果、大偏差検
出部８０５への偏差相当電圧入力をｅ１とすると、０Ｐ
アンプＵ５の出力はＥｊ〉＋ｅのときＨレベル、Ｅｊく
十ｅのときＬレベルとなり、０ＰアンプＵ６の出力はＥ
ｉ〉−ｅのときＬレベル、Ｅｉく−ｅのときＨレベルと
なるため、オアゲートＧ２の出力は、偏差が所定値以下
か以上てあるかによつてそれぞれＬ及びＨレベルとなる
。タイマ部８０８は、周期Ｔ１持続時間ｔのパルスを発
生する第１タイマＴ１と、周期２ｔ１持続時間ｔのパル
スを発生する第２タイマＴ２と、大偏差検出部８０５の
出力がＬレベルであるかＨレベルてあるかによつて切換
る切換用アナログスイッチＳ２とにより構成され、スイ
ッチＳ２には大偏差検出部８０５の出力がＬレベルのと
き第１タイマＴ１を、Ｈレベルのとき第２タイマＴ２を
それぞれ選択してそれからのパルスを選択的に出力する
。

Ａ／Ｄ変換部８０７は一般的なランプ形Ａ／Ｄ変換器と
して構成され、０ＰアンプＵ７，Ｕ８からそれぞれなる
２組のコンパレータと、０ＰアンプＵ９、コンデンサＣ
１アナログスイッチＳ３などからなる積分器と、セット
入力端子及びリセット入力端子に０ＰアンプＵ８及びＵ
７の出力がそれぞれ接続されているＲ−Ｓフリップフロ
ップＦＦと、一定周波数のパルスを発生するパルス発生
器Ｐと、一方の入力にフリップフロップＦＦのＱ出力、
他方の入力にパルス発生器Ｐからのパルスが加えられて
いるアンドゲートＧ３とにより構成されている。このＡ
／Ｄ変換部８０７は、絶対値変換部８０６の出力が入力
Ｖｉｎとして０ＰアンプＵ７の反転入力端子に入力され
、かつタイマ部８０８からのパルスがインバータＩを介
してアナログスイッチ。

に入力されている。そして、アナログスイッチＳ３はそ
の入力がＬレベルのときオフし、Ｈレベルのときオンす
るようになつている。ところで、０ＰアンプＵ９の反転
入力端子と非反転入力端子には、それぞれ−Ｖｒｅｆと
−Ｖｓ（１Ｖｒｅｆ１＞１Ｖｓ１）とが印加されている
ため、第１２図に示すように時点ｔ１で立上る持続時間
ｔのパルスがタイマ部８０８から加えられてアナログス
イッチＳ３がオフすると、積分器の出力電圧が１２図ｂ
に示すように一■Ｓから徐々に増大するようになる。

そして出力電圧が時点Ｔ２でＯ■になると、コンパレー
タＵ８の出力がＨとなり、このことによつてフリップフ
ロップＦＦがセットされるようになる。このフリップフ
ロップ下Ｆのセット”によりそのＱ出力が第１２図ｃに
示すようにＬからＨレベルに立上るようになる。このた
め、アンドゲートＧ３が開いて第１２図ｄに示すような
パルス発生器ＰからのパルスがアンドゲートＧ３を通過
するようになる。上記積分器の出力が更に増大し、絶対
値変換部８０６からの入力Ｖｊｎの値を越える時点Ｔ３
に達すると、コンパレータＵ７の出力がＨとなり、この
ことによつてフリップフロップ下Ｆがリセットされ、こ
のＱ出力がＨからＬレベルになる。

このた・め、アンドゲートＧ３が閉じられ、その出力に
ノルス発生器Ｐからのパルスが現われなくなる。従つて
、アンドゲートＧ３の出力は、第１２図ｅに示すように
時点！とＴ３の間でパルスを送出する。積分器の出力は
以後も増大し続けるが、時点Ｔ４でタイマ部８０８から
のパルスがＬとなり、アナログスイッチＳ３がオンする
と、コンデンサＣに充電されていた電荷がアナログスイ
ッチＳ３を通じて放電されるため、積分器の出力は−Ｖ
ｓの電圧まで魚速に降下するようになる。上記アンドゲ
ートＧ３を通過するパルスの数は、絶対値変換部８０６
からの入力が■ｍｌのように大きくなると、その分丈積
分器の出力電圧がＶｉｎ″を越える時点が遅れ、それま
でフリップフロップ下Ｆがリセットされないため、アン
ドゲートＧ３は時点！″まで閉じられず、時点Ｔ３とＴ
３″との間の時間分だけ余分のパルスがアンドゲートを
通じて送出されるようになる。

このように送出されたパルスは、ステッピングモータ駆
動部８０９に導かれる。

ステッピングモータ駆動部８０９は、偏差極性検出部８
０４からの信号に応じステッピングモータ５を、Ａ／Ｄ
変換部８０７からのパルス数に応じた角度丈正転又は反
転させるように働き、偏差が正のときは膨張弁３を開く
方向に、負のときには膨張弁を閉じる方向にステッピン
グモータ５を回転させる。本発明は上述したように、蒸
発器出口部の過熱度が設定過熱度より小さいとき、すな
わち設定過熱度に対する実際の過熱度の偏差が負のとき
、同じ大きさの正の偏差のときよりも多くのパルスを５
発生してモータの回転駆動量を大きくしているため、弁
開度の制御量、すなわち冷媒流量の制御量が弁閉方向で
大きくなつて冷媒流量が速かに減少されるようになり、
冷媒が液のままコンプレッサに入り、所謂液バック状態
を生じることが未然に防がれるようになつている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による冷媒流量制御装置を適用した冷凍
システムの一例を示す簡略図、第２図ａ及びｂは第１図
中の圧力センサの圧力対出力電圧特性と、冷媒圧力相当
温度対出力電圧特性とをそれぞれ示すグラフ、第３図は
本発明による冷媒流量制御装置の一実施例を示すブロッ
ク図、第４図は第３図中の演算部の出力特性を示すグラ
フ、第５図は第３図中の関数発生部の出力特性を示すグ
ラフ、第６図は第３図中の関数発生部と偏差極性検出部
の具体例を示す回路図、第７図は第６図中の関数発生部
の出力特性を示すグラフ、第８図は第３図中の絶対値変
換部の具体例を示す回路図、第９図は第８図の絶対値変
換部の出力特性を示すグラフ、第１０図ａ及びｂは第３
図中のタイマ部の周期の異なる出力パルスの波形図、第
１１図は第３図中の大偏差検出部、Ａ／Ｄ変換部及びタ
イマ部の具体例を示す回路図、並びに第１２図は第１１
図の回路の動作を説明するための波形図である。 ３・・・・・・膨張弁、４・・・・・・蒸発器、５・・
・・・・ステッピングモータ、４・・・・・・圧力セン
サ、７・・・・・・温度センサ、８・・・・・・制御器
、８０１・・・・・・演算部、８０２・・・・・・過熱
度設定部、８０３・・・・・・関数発生部、８０４・・
・・・偏差検出部、８０７・・・・・・Ａ／Ｄ変換部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ その開度により冷媒の流量を調整する膨張弁と、パ
   ルスにより駆動されて前記膨張弁の開度を調整するモー
   タと、蒸発器の出口部について予め設定した過熱度に対
   する実際の過熱度の偏差を求め、該偏差の大きさに応じ
   た数のパルスを発生して前記モータを駆動する制御器と
   を具備し、前記制御器が、負の極性の偏差に応じて発生
   するパルスの数を同じ大きさの正の極性の偏差に応じて
   発生するパルスの数よりも多くする手段を備えることを
   特徴とする冷媒流量制御装置。