JPS61175457A - 冷凍サイクルの冷媒流量制御方法及びその装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は冷凍サイクルの冷媒流量制御方法及びその装置
に関し、殊に、電気式膨張弁の弁開度を設定過熱度と実
際の過熱度との偏差を比例積分演算して得られ次電気信
号に基づいて制御する様に構成されたものに関する。

〔発明の背景〕

この様な従来の冷凍サイクルの冷媒流量制御方法及び装
置は特公昭５６−１６３５３号で提案されている。

ところが比例積分演算の結果に基づいて膨張弁の弁開度
を制御すると、冷凍サイクルが液パツク状態になっても
積分項の存在によって膨張弁が長時間弁開度の大きな状
態で制御され、圧縮機に悪影響をもたらすことがわかっ
た。

〔発明の目的〕

本発明の目的に上記点に鑑み、冷凍サイクルが液パツク
状態から早期に脱出できる冷媒流量制御方法及びその装
置を提供する点にある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は冷媒が液状で圧縮機に戻るいわゆる液パ
ツク状態では、設定過熱度と実際の過熱度との偏差の比
例演算結果によってのみ膨張弁の弁開度を制御する様に
した点にあシ、これによって液パツクの発生する様な低
負荷状態において積分項の影響による弁閉止の抑制作用
を防止し、液パツク状態を早期に解消できる様にした点
にある。

ま次側の発明の特徴は上記方法を具体化する為に、冷凍
サイクルが液パツク状態か否かを判定する判定手段を設
け、この判定手段の出力によって比例積分演算手段の積
分演算に基づく成分を無効にする手段を設け、上記目的
を達成する装置を構成し次点にある。

〔発明の実施例〕

以下図面に基づき本発明の一実施例を詳説する。

第１図は本発明の一実施例の原理図である。

過熱度検出手段人は冷凍サイクルの蒸発器出口における
冷媒の過熱度を検出する。　　　・過熱度偏差検出手段
Ｂは設定過熱度付与手段Ｃで設定された過熱度と過熱度
検出手段Ａからの出力との偏差を求める。演算増幅手段
ＤＨ偏差に比例した増幅信号を出力する。積分手段Ｂは
偏差を時間積分した信号を出力する。加算手段Ｆは演算
増幅手段りからの出力と積分手段からの出力とを加算し
て膨張弁駆動回路Ｇへ制御信号を出力する。

膨張弁Ｈに、制御信号に応じて蒸発器出口の過熱度が設
定過熱度になる様冷媒の流量を制御する。

判定手段工は実際の過熱度が設定過熱度よシ低いか否か
を検出し、低い時に液パツク状態でおると判断して信号
を発生する。尚、この時の設定過□ 熟度は過熱度偏差検出手段Ｂに用いる設定過熱度と同じ
かそれよシ所定値だけ低い値とする。

積分停止手段ＪＨ判定手段工が出力を出している間積分
手段Ｅに作用して積分手段Ｅの出力が加算手段Ｆに入力
されない様に働く。

かくして、実際の過熱度が設定過熱度以下になると膨張
弁制御信号内に含まれる積分項が除去され、比例項に応
じて膨張弁はすばやくステップ状に閉じ方向に制御され
る。

その結果冷凍サイクルは液パツク状態からすみやかに回
復する。

伺、液パツク状態か否かを判定する判定手段としては、
上記手段に限らず、直接冷媒の状態を検出してもよい。

例えば熱線流量計を管の内底壁近傍と管の中央とに設置
し両者の出力に所定の差が生じたら、液冷媒が管の内底
壁を流れていると判定する。あるいは冷媒の湿シ度によ
って静電容量その他、液パツクによって生じる種々の物
理量の変化によって検知することができる。

以下本発明の一具体例を図面に基づき詳説する。

圧縮機１によって圧縮された冷媒は高圧高温のガスとな
って凝縮器２に送られる。凝縮器２で冷却されて高圧の
液体となった冷媒は受液器８で気体と液体に分離され、
液体のみ膨張弁３に送られる。高圧の液冷媒は膨張弁３
で断熱膨張され気化し易い霧状の低圧冷媒となる。

この低圧冷媒は蒸発器４を通過する際まわシの気体から
熱を奪ってこれを冷却する一方向らは完全に気化し過熱
されて圧縮機１に戻る。

膨張弁３は電気信号によって駆動制御されるステップモ
ータ１０によりその開度が制御される。

電気信号θ−は、蒸発器４出口の冷媒の過熱度ＳＨｓ　
と設定され九過熱度８Ｈａとの偏差ΔＳＨを（１）式に
基づき比例積分演算することによって得られる。

θ層＝（ＳＨｔ−８Ｈｇ）　＋ｋｘ／”　（８Ｈｔ−８
Ｈｓ　）　ｄ　ｔ　　・・・・・・（１）（但し、ｋｌ
は定数） 電気信号θ虐はステップモータｌＯへの印加電圧パルス
数ｖ１に対応し、それは結局ステップモータ１０によっ
て制御される膨張弁３の目標開度に対応する。

電気信号θＳが正の値をとるならば、その大きさに応じ
て膨張弁３が開度を増加する方向にステツプギータ１０
は回転する。逆に電気信号θ１が負の値をとるならば、
その大きさに応じて膨張弁３が開度を減少する方向にス
テップモータ１０は回転する。

制御回路７は電気信号θ■に対応する駆動信号パルス数
Ｖｓを演算して出−力し、ステップ毫−タ１０はそのパ
ルス数Ｖｓに応じて所定の角度だけ回転する。この回転
は減速機構を介して減速され、減速機構の出力端に設け
られ九回転−直線運動変換機構によって直線運動に変換
される。減速機構の減速比あるいにステップモータ１０
の１ステツプ６７ｔυの回転角度は膨張弁３０ストロー
クに基づいて設定される。ちなみに膨張弁３のストロー
クは０．５　ｗｓ程度であるから、１ステツプについて
約７．５度回転する４８極のステップモータを用い、減
速機構の減速比を１＝３０にしておけば、ステップモー
、夕の１ステツプで減速機構の出力軸を７゜７．５／３
０度回転させることができる。そこで回転−直線運動変
換機構は減速機構の出力軸が１回転する間に膨張弁を０
．５　ｗｍストロークさせる様に設定しておけば、ステ
ップモータの１ステツプで膨張弁開度を０．５／１４４
０ｍ（約０．３５ミクロン）ずつ開閉できる。

また、ステップモータｌＯの駆動信号パルスＶｍを１秒
間に２００パルス発生できる様にしておけば、膨張弁は
約７秒で全開から全閉までストロークする。

制御回路７は蒸発器４の出入口の冷媒温度を検出するセ
ンサ５，６°の出力信号に基づいて蒸発器４出口の過熱
度を演算する。

蒸発器４人口（膨張弁出口）の冷媒の温度と圧力とをそ
れぞれＴｔｔＰｔ、蒸発器４出口の冷媒の温度と圧力と
それぞれＴｍ、Ｐｔ、更に蒸発器出口の冷媒の圧力Ｐ、
に対する飽和温度をＴ、とすれば蒸発器４出口の冷媒の
過熱度ＳＨ，は、８Ｈ，＝Ｔ、　−Ｔ、　　　　　　　
　　　・・・・・・０）で表わされる。

ここで（２）式は蒸発器４人口の冷媒温度Ｔ、を用いて
変形すれば、 ＳＨＩ　＝ＴＩ　　Ｔｌ＋（Ｔｌ　−’Ｉ’ａ　）　　
　　　　・・・・・・（３）であ石。

ここでｄ　ｔ＝Ｔｔ−Ｔａとすると蒸発器４人口の冷媒
温度Ｔ８とΔｔとの間には第４図破線で示す如く一次関
数で近似できる関係があるとと、及びその関係は蒸発器
４の出入口の冷媒圧力の差ＪΔＰ　（＝Ｐ、−Ｐ、）に
よって同図の如く変化す　　゛るととが知られている。

−ＰＨ蒸発器が特定されれば実験的に求まるので、各蒸
発器におけるｄＴとＴ１との関係は実験的に求めたΔＰ
に応じて一つの一次関数で近似できる。

例えば、ΔＰが０．３Ｋｇ／ｃｍ”の蒸発器であれば第
４図に実線で示す如くΔｔ＝＆２５−３／４０Ｔ８なる
一次関数で表すことができる。

従って（３）式は、 と変形でき、結局蒸発器４出口の過熱度は（４）式によ
って蒸発器４出入口温度の関数として求めることがで亀
る。

制御回路７は内部でとの（４）式に従って蒸発器４出口
の過熱度８Ｈ，を演算し、その値と設定過熱度ＳＨｗと
の偏差を求め、（１）式に従って膨張弁の開度信号とし
ての不テップモータ１０の駆動信号０−を演算する。

制御回路７は更に、設定過熱度８Ｈｍより低い第２の設
定過熱度８ＨＬと、（４）式に基づく演算によシ求めた
８Ｈ，とを比較し、８　Ｈｔ＜８１（、の時、前場α）
式に基づく電気信号θ露の演算過程において積分項の加
算を停止し、（４）式で演算した実際の過熱度が設定過
熱度８Ｈ−より高くなるまで、電気信号θｌは（１）式
の比例項のみによシ行う。

本実施例では設定過熱度ＳＨｓを５Ｃに、ＳＨＬを２Ｃ
に設定し友。

本実施例では蒸発器４出口の過熱度が２Ｃ以下になると
積分項の加算が停止されるので、約３Ｃの偏差に比例し
た負の電気信号θ虐が発生し、それまでの積分項が比例
項を正の方向に偏寄する値でおつ次としても、その影響
が取除かれ、膨張弁３は急速に閉方向にステップ状に操
作される。この動作は蒸発器４出口の過熱度ＳＨ，が５
Ｃに回復するまで維持される。過熱度が２Ｃ以下となっ
て一度比例項のみによる制御に入ると過熱度が５ＣＶｃ
なるまでその制御を維持する様にし九のは、システムに
ヒステリシスを持たせて制御上の信号のハンチング（即
ち信号が２Ｃを境に積分項を含んだ信号になったシ比例
項のみの信号になったシする状態）を回避してステップ
モータが信号のパンチングによって発振を生ずるのを防
止する為である。

本実施例を更に具体的に説明する。

制御回路７は図示しないエアミックスドア、モードドア
おるいは温水コック等の温度制御要素群Ｓ１プロワモー
タＩｎるいはコンプレッサ１の運転を制御するマイクロ
コンピュータＭ＋によって構成される。

マイクロコンピュータＭ＋は各種制御フロー、演算フロ
ーおるいは種々の命令をプログラムしたＲＯＭ、ＲＯＭ
の命令に基づいてそれを実行するＡＬＵ、入ＬＵが使用
する情報をストアするＲ、ＡＸ。

情報信号や制御信号を出し入れするＩ１０ボートＩＯ及
びＲＯＭからの命令の周期や演算等のタイミングを作る
為のカワンタＣ０ＵＮ、及びクロックパルス発生装置Ｃ
ＬＯＣＫ等から構成される。

第３図にこのマイクロコンピュータの制御フローチャー
トを示す。

蒸発器４の入口冷媒温度Ｔ、に対応したアナログ電圧■
１、同出口に冷媒温度Ｔ、に対応したアナログ電圧Ｖａ
ｕ内気温センナからのアナログ電圧Ｖｌ、外気温センサ
からのアナログ電圧Ｖ１、日射センサからのアナログ電
圧Ｖｚ等と共にＡ／Ｄ変換器ＡＤによってディジタル信
号に変換される。

空気調和装置が駆動されるとマイクロコンピュータＭｉ
は第３図の制御フローに従ってまずすべての制御信号が
ステップ１０１で初期値に設定される。

Ａ／Ｄ変換された上記各アナログ信号に対応したディジ
タル信号は操作パネルで設定される設定温度信号に対応
したディジタル信号Ｄａ、選択されたモードに対応する
ディジタル信号ニジ虐等と共にマルチプレクサＭ、によ
ってステップ１０２でマイクロコンピュータＭｌ！ｃ頭
次読み込まれ１．七バら諸値はＲＡＭに一旦スドアされ
る。

マイクロコンピュータＭｔｔ！ＲＯＭの指令に基づきス
テップ１０２でＲ入Ｍにストアし次諸値をＲＩＭから取
出して演算部ＡＬＵによ多温度制御、信号の算出（ステ
ップ１（ｊ３）、プロワモータ制御信号の算出（ステッ
プ１０４）及びモードの判定（ｉｏｓ）を行う。これら
演算や判定の結果に一旦几入Ｍにストアされる。

次にマイクロコンピュータＭｓｔ！ＲＯＭの指令に基づ
きステップ１０６で蒸発器出口過熱度Ｓ　Ｈｔ、電気信
号の比例項θ。、同積分項θ１及び両頂の和θｌを演算
し、６値をＲＡＭにストアする。

９にマイクロコンピュータＭ＋は蒸発器出口過熱度ＳＨ
８が設定過熱度ＳＨ−よシ大きいか小さいかをステップ
１０７で判定し、ＹＥＳの時（犬きい時）はステップ１
０６で演算したθ１をそのままステップ１０８ａで制御
信号としてＲＡＭにストアする。

Ｎｏの時は（小さい時）ステップ１０８ｂで蒸発器出口
過熱度Ｓ　Ｈｔが設定過熱度８Ｈｍより大きいか小さい
かを判定する。ＮＯの時（小さい時）はステップ１０６
で演算した比例項θ。をθＳとしてＲＡＭにストアし、
ＹＥＳの時（大きい時）は前回の膨張弁の開度制御が比
例項θ。だけで行なわれていたかどうかを判定する。判
定の結果ＹＥ８の場合は現在ヒステリシス動作中と判定
してステップ１０８Ｃでθ−を今回も比例項θ。に置き
換えてＲλＭにストアし、ＮＯの場合は通常運転中と判
定してステップ１０６で演算された比例積分項θ−をそ
のｔまθ１としてＲＡＭにストアする。

ヒステリシス動作Ｔ’Ｓ　Ｓ　ＨｓがＳＨｇよシ大きく
なったところで終了する。

かくしてステップ１０８ａか１０８ＣでＲＡＭにストア
された〇１に基づいてステップ１０９で膨張弁の制御を
行う。

ステップ１０９ではステップ１０８ａか１０８Ｃで決定
されたθ−をステップモータ駆動回路１２に出力し、駆
動回路１２はθ−に対応する数の電圧パルスＶｇをステ
ップモータ１０に供給しステツ゛プそ一部１０を回転駆
動する。

冷凍サイクルの起動時はサイクルが最大冷媒流量を要求
する時なので電圧パルスＶｇは１４４０パルスとなシ始
動から約７秒後には膨張弁が全開状態となる。

尚、弁の開閉を確実に行なう為、上記パルスに５０パル
スの余分なパルスを付加して弁を確実に全開位置に押付
ける様にすることができる。これは全閉時にも同様に行
なうことができる。

次にステップ１１０ではステップ１０３で演算した温度
制御信号をＲＩＭから取出し、入出カポ−）ＩＯを介し
て制御回路１３に出力する。制御回路１３は温度制御要
素群Ｓを制御信号に基づいて制御する。

更にステップ１１１ではステップ１０３で演算したブロ
ワモータ制御信号をＲＡＭから取出し、人出力ボートエ
０を介して制御回路１４に出力する。制御回路１４は制
御信号に基づいてプロワモータＢの回転数を制御する。

ステップ１１２ではステップ１０５で判定したモードを
ＲＡＭから取出し、入出力ポートＩＯを介してモード制
御回路１５に出力する。モード制御回路１５はモード信
号に基づきモード制御要素Ｅを切換えて空調装置の吹出
し口の切換えや温調モードの切換えを行う。

ステップ１１３ではステップ１０２で読み込みＲＡＭ内
にストアされ九設定温度や室内温度等を取シ出し、表示
装置１６の温度表示部Ｆに表示する。同様に表示装置に
は運転モード等の表示部を設けることができる。

ステップ１１４ではステップ１０３で演算した温度制御
信号に基づいて圧縮機の０′Ｎ・ＯＦＦ制御を行う。

このステップでに更に図示しない別の割込みルーチンで
判定された条件、例えば蒸発器が連結しそうになった時
（過熱度が所定時間を超えて１度あるいは０度以下の低
い値になった時）、冷媒洩れ状態となった時（過熱度が
異常に高くなった時）、あるいは外気温が１５Ｃ以下に
なった時、更には装置が省エネルギ運転モードに入った
時等にも圧縮機をＯＮからＯＦＦに切換え制御する。制
御信号はリレー等で構成される制御回路に与えられ、図
示しないマグネットクラッチへの通電を制御することに
よって行なわれる。

以上の様に実施例の膨張弁３は実際の過熱度が第１の設
定過熱度よシ大きい間は両者の偏差を比例積分演算して
得られた信号θ１に基づいて制御され、更に実際の過熱
度が第１の設定過熱度よシ低い第２の設定過熱度よシ更
に低くなると実際の過熱度と第１の設定過熱度との偏差
を比例演算して得られた信号θ。に基づいて制御される
ので、熱負荷が小さい運転状態時に積分項の影響によっ
て膨張弁の閉弁制御が遅れることがなくなシ、圧縮機へ
の液戻シ現象の発生が防止できる。

伺、本実施例ではサイクルが液パツク状態か否かの判定
は蒸発器出口の過熱度が所定値以下になつ几か否かを判
定して間接的に行ったが、低圧配管内に冷媒の気液状態
を検出するセンナを取付けて、液パツク状態を検出し、
この出力によって０１を比例項のみにするか否かを決定
する様にしてもよい。

また本実施例においては設定過熱度を２つ設定してヒス
テリシス制御を行っているが、設定過熱度を（例えば２
度）一つだけ設定し、実際の過熱度がそれ以下になった
時、比例項のみの運転に切換え、同時にタイマーを作動
させて、所定時間は実際の過熱度が設定過熱度より高く
なっても比例積分項による運転に戻らない様にしてもよ
い。

更に本実−例では膨張弁の駆動手段としてステップモー
タを用いたが、比例ソレノイド屋の電磁弁、ヒータとバ
イメタルを用いた電気制御膨張弁等にも同様に利用でき
る。

更にｔ九、本実施例では蒸発器出入口の冷媒の温度を検
出して、その値から蒸発器出口の過熱度を算出したが、
圧力センサを蒸発器出口に設け、この冷媒圧力センサの
出力と蒸発器出口に設けた冷媒温度センナの出力とから
蒸発器出口の過熱度を算出してもよい。

〔発明の効果〕

以上説明した様に本発明によれば冷凍サイクル゛　が液
パツク状態となる様な運転状態では膨張弁の目標開度演
算に積分項を加算しない様にしたので比例積分制御型の
電子制御膨張弁の閉弁制御が速やかに行なわれる様にな
シ液バックによる圧縮機の破損事故を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明する為の図面、第２図は本
発明を適用した自動車用空気調和装置の制御回路図、第
３図は同制御回路の制御フローチャート、第４図は実施
例を説明するのに用いる特性図である。 １・・・圧縮機、２・・・凝縮器、３・・・（電子制御
）膨張弁、４・・・蒸発器、５，６・・・温度センサ、
Ｍ、・・・マイクロコンピュータ、１０…ステツプモー
タ。 篤３０

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．蒸発器出口の過熱度を検出して該過熱度が予じめ定
   められた該設定過熱度になる様、該設定過熱度と実際の
   過熱度との偏差を比例積分演算した信号に基づいて蒸発
   器入口に設けた膨張弁の弁開度を電気的に制御して冷媒
   流量を調整する様にしたものにおいて、前記冷媒が液状
   態で圧縮機に戻る液パツク運転状態時には前記過熱度の
   偏差の比例分によつてのみ前記膨張弁の弁開度を制御す
   る様にしたことを特徴とする冷媒流量制御方法。
2. ２．蒸発器出口の過熱度を検出する過熱度検出手段、予
   じめ定められた設定過熱度と前記過熱度検出手段によつ
   て検出された過熱度との偏差を比例積分演算する演算手
   段、該演算手段の出力信号に応じて蒸発器入口に設けた
   膨張弁の弁開度を電気的に制御して冷媒流量を調整する
   制御手段とを有するものにおいて、前記冷媒が液状態で
   圧縮機に戻る液パツク運転状態か否かを判定する判定手
   段と、該判定手段の出力に応答して前記演算手段の出力
   のうち積分演算に基づく成分を無効にする手段とを設け
   たことを特徴とする冷媒流量制御装置。