JPS63163739A - 冷凍システムの制御方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は冷凍サイクルの冷媒流量制御にかかわシ、特に
蒸発器出口における冷媒の過熱度を一定に保つ電気駆動
冷媒流量制御手段の制御方法に関する。

〔従来の技術］ 冷凍サイクルにおける電気駆動冷媒流量制御手段として
は電子膨張弁、電動膨張弁と称する減圧装置が用いられ
る。従来の冷媒流量制御の構成を第５図に示し、この図
に基きその概要を説明する。

１は圧縮機で、電気駆動冷媒流量制御手段が用いられる
ときはインバータによる回転数可変のものが用いられる
ことが多め０２は凝縮器、３は電気信号により弁開度が
設定される電動膨張弁、４は蒸発器、５は蒸発温度を検
出するための第１の温度センサー、６は蒸発器出口の過
熱蒸気温度を検出するための第２の温度センサー、７は
制御回路である。

上記の構成からなる冷媒流量制御方法におりて、圧縮機
１の回転数も制御の対象となる場合及び蒸発器４または
凝縮機２の負荷につｂても制御の対象となる場合、など
制御すべき要素が複数になるとき４含め蒸発器の蒸発温
度とその出口における過熱蒸気温度との温度差を設定値
に保つという制御方法が通常採用されている。すなわち
、第１の温度センサー５と第２の温度センサー６との差
と、冷媒過熱度設定値との差を検出し、前記制御回路に
おいて、検出温度差ΔＴにもとづく信号を発生させ、こ
の電気信号を電動膨張弁３に出力させて、その弁開度を
設定し、冷媒流蓋を制御している。

この制御方法はもともと温度膨張弁の機能を生かす制御
方法でもありた。

１４気躯動弁の採用は、それ以前の温度膨張弁に比較し
てその制御方式において更にすぐれ几方法がとり得ると
考えられた九めである。

九とえば、温度膨張弁の制御信号が圧力差であるのに対
し、上記の１ａｃ動膨張弁を駆動させるための信号は電
気的信号であるから、検出温度差ΔＴに第１の比例定数
に、を乗じた第１の信号（以下比例項と呼ぶ）、検出温
度差ΔＴの時刻についての積分値に第２の比例定数に２
を乗じた第２の信号（以下積分項と呼ぶ）、および検出
温度差ΔＴの時刻についての微分値に第３の比例定数に
、を乗じ九第３の信号（以下微分項と呼ぶ）を発生させ
、これにより　ＰＩＤ　１ｉｌＪ　＠が可能である。こ
れに対して上記の温度膨張弁はＰ動作が基本である。

ＰＩＤ制御方式は次の式で示される。

ここで Ｅ：を気組動弁に与える開度指令信号 Δで：検出温度差（Ｔ２−Ｔ、）−ΔＴ０Ｔ、：第０Ｔ
、：センサーの検知温度 Ｔ２：第２の温度センサーの検知温置 ΔＴ０：冷媒過熱度の設定値 に、：比例項の比例定数 に２：積分項の比例定数 に３：微分項の比例定数 このように冷媒流量制御方法において、電動膨張弁は蒸
発器の冷媒過熱度を制御する場合、Ｋ、・ΔＴの比例項
の他にに２・訴ΔＴ）ｄ　ｔの積分項および比して艮好
な制御が行ない得るものと信ぜられていた。

ところが英断の制御においては、冷凍サイクルの運転に
あｔって過熱度制御が不可能となっ友り、応答性がいち
じるしく悪くなりたシする。

そこで、その対策として、従来から例えば次のような提
案がなされている。

［Ｆ］　冷凍サイクルの負荷条件が大きく変化すると、
蒸発器の冷媒過熱度制御を適正に行なえなくなると考え
、その理由として次のような考え方を示した。

圧力差ΔＰ、で冷凍サイクルが運転されている時、ある
検出温度差ΔＴの変化に応じて、一般的（１）式に従う
と弁開度ＥａからＥ、に増加し九場合を考える。

この時冷媒の流量増加量はΔＭ、であるとする。

次に冷凍サイクルの運転のポイントが変化して動作点の
圧力差ΔＰ２に移動し比とする。このとき、検出温度差
ΔＴの変化に応じて弁開度が上記と同様にＥｌｘ−＊　
Ｅ、に（１）式に従って変化する。このときの変化流量
は７Ｍ２である。しかし２２〜３Ｍの曲線は弁開度をパ
ラメータとして変化する故、同一検出温度差ΔＴが等し
くとも冷媒流量ΔＭは等しい値にはならない。

即ち、上記のような運転業件による流量制御弁の流ｉ−
特性が考慮されていないため、同一膨張弁の開度変化量
の指令にもかかわらず冷媒流量の変化量が大きく異なる
ことが応答性の悪いことの主要原因であるという考えで
ある。

この考え方からは膨張弁開度を決める信号の比例項、積
分項、微分項の中に含まれる係数が冷凍サイクルの運転
条件によらず一定になっていると運転条件によつて冷媒
流量の変化量が変わることがある。そこで、冷凍サイク
ルの凝紬温度も検出し、蒸発器入口温度と合わせて冷凍
サイクルの運転条件を求めて前記の各係数を補正するよ
うにし■　また、温度膨張弁との相似から次のような考
え方も提案されている。例えば、圧縮機回転数が固定さ
れ九第６図のシステムにおいて、蒸発器の熱負荷上昇が
あり、制御系の外乱として入力され九時蒸発温度が若干
上昇し、出口冷媒温度が大きく上昇する。この場合蒸発
器の熱容量は大きいので応答に遅れを生じる。この九め
蒸発器出口の冷媒過熱度は遅ｎをともなって増大し、そ
の過熱度信号にもとづき電子膨張弁開度が大きくなり冷
媒流量を増加させる。しかし蒸発器内冷媒の輸送遅れと
熱容量が原因で、冷媒流量増大の効果が蒸発器出口に到
達するまでにかなシの時間を要する。

また蒸発器内冷媒の温度検出に用いた温度センサにも応
答遅れが存在する。

すなわち蒸発器と温度センサの応答遅れが原因で、冷媒
流量のフィードバック制御系の不安定条件が成立する゛
。

この不安定条件は電子膨張弁を用いる場会、遅れ補償要
素を弁駆動電気回路内に挿入することにより安定化でき
るという考え方である。

この考え方は、上記［Ｆ］の考え方のＰＩＤ動作のシス
テムの要素をもち込む他に位相遅れ−進め要素を持ち込
む。この技術思想は次のような提案となる。

熱負荷変化入力と冷媒流量変化入力に対して共に応答遅
れの大きな蒸発器出口冷媒過熱度信号によって冷媒流量
をフィードバック制御している几めにこのような過熱度
応答特性が悪くなるのだから、膨張弁の流量を過熱度信
号によつてフィードバック制御する系にさらにサーミス
ター等で検出される熱交換の為蒸発器に流入する空気温
展信号で弁流ｆｋを直接フィードフォワード制御する系
を加えると応答も速やかになゆ大巾に過熱度応答を改嵜
できる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし上記２種類の技術思想は、７を気駆動流量制御減
圧手段の過熱度信号を温度膨張弁のときのミＬ 過熱度信号とほぼ同一の性質のものと捕え、その過熱度
信号の本質に立ち入らず、これをそのままにして他の信
号を補助幻に導入することによって制御性を改嵜しよう
とし、かえって制御システムを複雑にし、所期の効果を
あげ得ない。

実際には、上記のように複雑な制御システムによっても
、温度膨張弁に比して過熱度制御という観点からは格段
にすぐれ九制御システムが得られているとはいえない。

コンピュータを用いたサンプリングホールド型の最適レ
ギユレータを用いて古典的なＰＩＤ方式に代るすぐｎた
制御の提案もあるが、現在のところこの場合も過熱度信
号の取扱いについては改善されていない。

〔問題点を解決する几めの手段〕 不発明は以上の問題点を解決する為に発明され友もので
本発明によれば冷凍システムの液冷媒を減圧し、冷媒を
蒸発器において気化を容易になさしめると共にその冷媒
の蒸発器への流入量ｔ制御するための手段として電気駆
動の冷媒流量制御減圧手段を用いる系において、冷媒の
蒸発器出口における過熱度に応答する信号により上記制
御手段を制御する際、上記の信号は、冷媒の蒸発温度に
相当する電気信号および蒸発器出口過熱冷媒気体の温度
に相当する電気信号よシ成シ、かつ上記の過熱冷媒気体
の温度に相当する電気信号を一定の一時遅２″Ｌを与え
る手段によって処理し、その処理信号と上記蒸発温度に
相当する電気信号との差の信号により制御することを要
旨としたものである。

〔作用〕

本発明は上記の問題点を取シ除く九め、蒸発温度を表す
電気信号Ｔ、（本来は、比例定数を乗じｔ表現とすべき
であるが簡単のためにＴ、と表記する。

以下Ｔ２．ΔＴの表現についても同様とする）と、蒸発
器出口の過熱蒸気温度を表す′ＦＪｔ気信号Ｔ２との差
ΔＴを制御の基本信号として直接に用いることをやめ、
上記の電気信号で２を一次遅れ回路に通し、それから出
たものｔ−Ｔ２’（−次遅れ回路を通して出口信号）と
し、蒸発温度を表す電気信号で、をその温度センサーの
時足数を減少せしめる位相進め回路を通し、それから出
たものｔＴ１’（位相進め回路を通して出た信号）とし
７２／　−Ｔ、１をΔＴ′とじΔＴ′をΔＴに替えて制
御の基本信号として用い、安定した制ａｔ可能にさせる
。ここで、温度センサーを適当に選ぶことによってＴ、
を位相進め回路を通さないで用いても比較的安定した制
御が可能である場合もあることを付言し、（後の実施例
で詳細に示す。）この場合も本発明に含まれるものとす
る。

〔実施例〕

以下、実施例に基いて説明するが、本発明のシステムに
おける安定性の判断基臨について述べる（冷凍システム
の安定性） フィードバック制御をする冷凍システム制御の安定性判
断は、簡単化され友ナイキストの安定判別法が一般的な
方法であり、ここでもそれを用いる。すなわちラプラス
変換を行な−）九−巡伝達関数Ｈ（１）にフィードバッ
クを施し九制御回路は、上記の一巡伝達関数Ｈ（ｓ）が
、Ｓ平面の右半分に極を４７ｔ　ナイ限Ｆ）　、　Ｈ（
ｓ）のＳ　ｉ　Ｊ、とし、このω１ｒ：０からｃｏまで
変化させたときのベクトル軌跡が（−１＋ｊ・０）の点
を左に見る場合安定である。

伊沢計介著自動制御入門（オーム社）第１３５頁参照。

上記の安定性判断を冷凍システムに適用するには、冷凍
システムの蒸発器動特性を明確に知る必要がある。そこ
で蒸発器の動特性については別項にその詳細を述べる。

ここではその動特性をもとに、温度膨張弁従来の制御方
法による電気駆動流量制御減圧手段、本発明の一実施例
としての電気駆動流故制御減圧手を庇較をし、本発明の
方法によってすぐれ次女定性が得られることを示す。た
だし電気駆動流量制御減圧手段の例としては本実施例で
はパルスモータ−駆動の膨張弁をその代表として用い「
電動膨張弁」と表現する。

従来の制御方法による電動膨張弁の安定性の悪さは、そ
れを温度膨張弁の単なる代替として使用することによる
不具合と考えられるので、まず温度膨張弁の制御動作に
ついて探究する。その結果温度膨張弁に設けた、蒸発器
出口の過熱蒸気温度を検知する九めの感熱筒（サーモバ
ルブ）に過熱蒸気の温度が伝わシ、それによって感熱筒
内部の充填気体の圧力変化にい之るまでの伝達関数は近
似的に１次遅れ回路が３個直結されているものと見るこ
とができ、一方冷凍システムの動特性は他の系と比較し
て複雑なものである故、大きな時定数を含む系として近
似できる。すなわち温度膨張弁においては上記の感温筒
の特性が実は冷凍システムの大きな時定数に応する動作
をし、それによって安定性に寄与しているということが
判明し友。

−万、蒸発温度は温度膨張弁の場合は蒸発圧力として直
接にダイヤフラムに作用させている故、時定数を上記感
温筒の時定数に比較して甚だ小さな値と見ることができ
る。

第７図は後述するような通常の温度膨張弁のベクトル軌
跡−ナイキス）Ｍ図である。この場合位相余裕は４５１
′となりて十分安定である。（位相余裕はベクトル軌跡
が原点を中心としく一１＋ｊｏ）点を通る単位円と又わ
り次点と（−１＋　ｊ　ｏ　）点とが原点に対して張る
角をいう。ベクトル軌跡が（−１＋　ｊ　ｏ　）に近づ
けば位相余裕は減少する）後述のような温度膨張弁にお
いて感温筒のもつ遅れ作用を除去した場合のベクトル軌
跡−ナイキスト線図の１例を第８図に示す。この場合は
位相余裕が１８”　Ｋ減少する。上記いずれの場合も蒸
発温度にかかわる伝達関数の時定数を０と近似し几。

後述するように電動膨張弁を従来の制御方法に従って７
２−　Ｔ、すなわち温度差ΔＴに相当する電気信号によ
り直接制御したもののベクトル軌跡−ナイキス）Ｍ図が
第９図である。図中（−Ｘ、　＄　−Ｙ、　）と表示し
友軌跡は蒸発温度によるもの（Ｘ２＄Ｙ２）と表示した
軌跡が過熱蒸気温度によるものである。

その和が（ｘ、　、　ｙ、　）であるからΔＴによる直
接制御はそのベクトル軌跡がωの増加にともなって（−
１＋ｊｏ）を右側に見ており不安定である。

すなわち従来の制御方法は不安定であることがわかる。

電動膨張弁の過熱蒸気側信号の伝達関数側に２０秒の一
次遅ｆＬヲ与え°る本発明の一実施例のベクトル軌跡−
ナイキスト線図をｖＫ３図に示す。

他の条件は第９図と同様とする。第３図において過熱蒸
気側の信号によるベクトル軌跡（Ｘ２　ｔ　Ｙ２　）は
原点近傍にある之めこの図には示めされていない。従り
て蒸発温゛度側信号のベクトル軌跡（−Ｘ、。

−Ｙ、　）と相のベクトル軌跡（Ｘ、　＃　Ｙ、　＞が
重なっている。あきらかに第９図の湯今に比較して安定
性が増し位相余裕１７°が得られる。

ただし安定性の比較の上で第８図のケースと大差がない
ので、更に安定性を増す実施例のベクトル軌跡−ナイキ
スト線図を第４図に示す。これは蒸発温度にかかわる安
定性を増す九め蒸発温度Ｔ１に相当する電気信号に位相
進め回路を入れＴ、の温度センサーの時定数を実質的小
さくしたものである。この場合、位相余裕が５４＠とな
って、いちじるしく安定性が増す。この場合も前記ベク
トル軌跡（Ｘ２　ｐ　Ｙ２　）は小さいので図に示され
ていない。

次に上記の解析にもとすき電気信号を処理する九めの一
次遅れ及び−次進め回路を実現する几めの手段を説明す
る・ （１次遅れ回路の例） １次遅れ回路′Ｉｋ第１０図に基いて説明する。第１０
図のＥｉｎＶｃＴ２電気信号を入力し、”ｏｕｔからＴ
２′電気信号をとシ出す。これによつて−次遅れ回路で
処理した信号Ｔ２／が得られる。すなわちＲ１ｔ　８２
を抵抗、Ｃ１をコンデンサーとすると、この回路の伝達
関数ＧＸ（ｓ）は、 １＋ＳＴ。

Ｇｘ（ｓ）＝１＋ＳβＴｘ 数値例を示すと、Ｃ１〜２μｆｄＲ，〜０．５　ＭΩＲ
２〜９．５ＭΩのときＴｘ＝１＄β＝２０１＋ｊω すなわち　Ｇ、（ｊ（ｕ）　＝、１□０（１１２０秒の
１次遅れとなる。

（−次進め回路） 一次進め回路については第１１図に基いて説明する。第
１１図のＥ、ｎＫＴ、に相当する電気信号を入力し１ｇ
ｏｕｔからＴ、／　に相当する電気信号をとシ出すこと
によつて、蒸発温度に相当する電気信号は位相進め処理
が行なわれる。

Ｒ１，Ｒ２１１：それぞれ抵抗、Ｃ２ｔ−コンデンサー
としこの回路の伝達関数ＣＤ（ｓ）は 数値例としては０２〜１μｆｄ　、　Ｒ２〜ＩＭΩ。

Ｒ４＝１０にΩとすると　α中０．０１１＋８ＴＤで温
度センサーの時定数を相殺し、αＴＤ〜０．０１秒の時
定数が得られる。なおアンプによ９１倍に増幅しておく
必要がある。

α 本発明の具体的な作用および効果を説明する前に本発明
の技術思想の背景となる冷凍システムの蒸発器（すなわ
ち外界から熱を吸収するための熱交換器）とそれに流れ
込む冷媒量制御システムを含むサブシステムの基本式を
導く、ただし計算の都合上下記のような記号を用いる。

また念の九め特にことわらないかぎシ用いる単位につい
ては〔〕内に示す。

記号　　（説明）　　　　　　　　　〔単位〕Ａ　蒸発
器の断面積　　　　　　　〔ｍ２〕Ｃ比熱　　　　　　
　　　　　　ＣＪｋｇ−’　Ｋ−’　］Ｃ１圧縮機の特
性値 Ｃ２膨張弁の特性値 ｄｌ　　　蒸発器の内径　　　　　　　　（ｍ）ｄｏ　
　　蒸発器の外径　　　　　　　　（ｍ）ｈ　　比エン
タルピー　　　　　　　ＣＪｋｇ−１］ｈ１　　　蒸発
器に入る冷媒の比エンタルピー　　ＣＪｋ＆−’）Ｌ　
蒸発器の長さ　　　　　　　　（ｍ）ｍ　二相部におる
冷媒の質量　　　〔ゆ〕ｐ　　圧力　　　　　　　　　
　　　　〔Ｐ＆〕ｔ　　時間　　　　　　　　　　　　
　〔、〕Ｔ　温度　　　　　　　　　　　　ＣＫ）Ｔ’
ｓｔ、　　蒸発器終廂部の加熱がスの温度　　ＣＫ）Ｘ
　　蒸発器の入口から蒸発器に沿う座標　〔ｍ〕ｙ　　
二相部の長さく遷移点の座標）　〔ｍ〕マ　　冷媒の比
体積　　　　　　　　（ｍ’ゆ一１〕α。　　蒸発器の
外面と空気との熱伝達係数　　　１：Ｗｍ−２に−’　
］α１１　　過熱部における蒸発器内面と冷媒　［Ｗ’
ｍ−２Ｃ’　］との熱伝達係数 φ　　質重流量　　　　　　　　　　（ｋｇｇ　−１）
φ１　　膨張弁に入る質重流量　　　　　（ｋｇｍ−’
］ρ　密度　　　　　　　　　　　　Ｃｊｇｍ−’）下
添字としては ｂ　感温筒を示す ｅ　蒸発器を示す（Ｔｏ：蒸発温度） ｔ　液を示す −過熱蒸気を示す（Ｔ８：過熱蒸気温度）Ｖ　蒸気を示
す Ｗ　蒸発器の壁を示す 定常状態を示す場合添字Ｏを用いる。

伝達関数を示すｔめにＨをもちいる。いずれもラプラス
変換をしたものとする。

馬（ｓｌ　−Ｔ、（＠）／φ１（８） Ｈ２（ａ）　＝Ｔ　８　Ｌ　（ｓｌ　／φ１（ｓ）　　
（ＴｓＬは蒸発器終端の冷媒温度）Ｈｊ・（“”＝　ｘ
＋ｔ、ｓ　　　蒸発温度″′ササ−伝達関数Ｈｃ　２（
１１＝　　　　　　　制御伝達関数ｌ十τ４Ｓ 微分の符号としては ρｌミｄρｔ（１）　／　ｃｉＴ、（ｓ）ρ′ヨｄρｖ
（ａ）／　ｄＴ、（ｓ） ｈノ＝ｄ　ｈｚ（ｓ）　／　ｄＴ、（ｍｌｈ′ミｄｈ　
（ｓｌ／　ｄＴ　ｆｓｌ ｖ　　　　　　　　ｖ　　　　　　　　　　＠α′ヨｄ
α１（ａｔ／　ｄＩｐｌ（ａ）αｉｇ’ミｄα１（１）
／ｄψｖ（ｓｌ但し τ、温度センサーの時定数（秒） τ２　過熱蒸気温度センサーの時定数（秒）τ、吸込ｉ
Ｊ？４グ壁面の時定数（秒）τ４　制御の時定数（秒） この説明に用いる蒸発器を第１５図にもとづき次のよう
にモデル化する。

内径ｄ１の一本の長い／４’イブがおる。（／ｆイブの
有効長さＬ）このノ９イブの外部２″：フィンを付け、
外部面積は内部面積のＲ倍でるる。従って単位長さあｆ
ｃシの外部面積は πｄ　　＝Ｒ・πｄ１゜ 蒸発器を二相部および過熱部の二領域にわける。二相部
の長さｙは二相流特有の撮動をしているのでこのモデル
においては適当な時間平均をｙとする。

（基本方程式） ％式％ 質量の平衡式 φ、−φ、＝　　　（ｍｔ＋ｍｖ）　　　　・・・（１
）ｔ ｍｔ＝（１−α）Ａρｔ’７　　　　　　　　・・・（
２）ｍｖ＝αＡρｖｙ　　　　　　　　　　・・・（３
）冷媒のエネルギー平衡式 ％式％） 二相部の壁の熱平均 一α１πｄ、（ＴＷ−Ｔ、）　　　　　　・・・（５）
蒸発器よシ流出するφ７はコンプレッサー流」であシＴ
。によりコンプレッサー特性で変化するため φｖ（ｓｌ＝　ｃ、　’ｒ、　（ｓ）　　　　　　　　
　　、、、（６）ｉＢ）　　過熱部 過熱蒸気の温度Ｔ、は時間と場所の関数故・・・（７） 軸方向の熱伝達を省略した形で、蒸発器壁のエネルギー
平衡式は 一αに、πｄｌ（Ｔｗｓ　　”ｔｒ）　　　・・・（８
）上記（１）〜（８）を基本方程式とする。

（二相部の計算） 変動部分だけについて基本方程式を書き直す（２）式か
ら ｍｔ（ｓｌ　＝　（１−α）ＡＣρｚＯｙ（ｓ）＋ｙ０
ρｔ’Ｔ、（！１１）・・・（Ｌ２） （３）式から ｍｖ（ｍｌ　”αＡ〔ρ　ｙ（ｓｌ　＋　Ｔｏρｙ’Ｔ
、（ｓ））　　　・・−（Ｌ３）Ｏ 上記の式と下の記号を用い、（１ン式の変動分はφ曵−
φｖ（”’　＝（Ｍｙ（”ｌ　”　Ｍ’　％ＴＩ（８）
）　Ｓ　　　・・−（Ｌｌ）ただし ・・・（Ｄｌ） Ｍ＝（１−α）ｈｐｔ０＋顛ρ７゜ Ｍ’＝（１−α）Ａρｔ′＋αＡρ′７　　　　°−（
Ｄ２）Ｅ’Ｗ　（１−α）ｈｐ　　与ｔ’＋αＡρｖｏ
ｈｖ’　　　”’　（Ｄ’）ｔｏ、。

Ｅ“＝　（１−α）ＡρノｈＬｏ＋αＡρｖ′ｈｖ　ｏ
　　　　・・・　（Ｄ５）（４）式から ｈｌφ１（ａ）−ｈｖｏφｖ（８）−φｖｏ”ｖＴ＠１
（ａｌ＋α１゜πｔ１　ｌｙ　ｏ　（Ｔ、（ｓｌ　　’
ｒ、　（１１＋ｄ、。πｄｌｙ（ｓ）　（Ｔｗ。−Ｔ６
゜）＋αｆπｄｋ’ｏ（Ｔｗｅ−Ｔａ。）φ１（３）＝
　ＥＩＩｙ１ｍｌ＋　（Ｅ’＋Ｅ”）ｙｏＳＴ・（ｍｌ
・・・（Ｌ４） （５）式から ＴＶ（ａ）　−Ｔ、（ａ）　＝ ρｖ　”　Ｃｗ　’〜−８＋α。πｄ０＋α１０πｄ。

・・・（Ｌ５） （Ｌ５）を（Ｌ４）に代入、（６）を用い、更に次のよ
うに記号を足置する。

λ、　（ａｌＥＥ　ｈ　、　＋佇πｄｉ’ｏ（Ｔｗｏ　
　”ｓ。）λ−）ミα１ｏπｄｌ（Ｔｗｏ−Ｔｅｏ）−
Ｅｉ　　　　・・・（Ｄｌ）λ３（６）ミ（ｇ’　＋　
Ｅ”）　Ｙｏｌｌ＋φ、。ｈｖ’　＋　ｃ、ｈｖｏ ・・・（Ｄ８） この記号で（Ｌ５）を変形し λ、（Ｓ）φ；（Ｓ）＋λ２（ａ）ｙ（ｍｌ　＝λｘ（
ａ）　’ｒ、　（ｓ）　　　　　”・（”）（６）と（
Ｌｌ）から φ１　（ｓ）　−Ｍ、　３’（ｇ）＝　（Ｃ，＋Ｍ’ｙ
Ｊ　）　Ｔ、（ａ）　　　　　・・−（Ｂ）体）と（Ｂ
ｌよシｙ（ｓ）を消去すると次のように伝達関数Ｈ１（
ｓｌが得られる。

上記において基本方程式から定常部の関係を導くことは
簡単のため省略した。

（過熱部の計算） 基本方程式および式を見やすくするために用いた次の表
記法によυ、Ｈ２（１）の導出を行なう。

Ｃｖφ７゜＝γ、　　　　　　　　　・・・（Ｄ９）・
・・（Ｂ１２） なお上記の計算においてｙ　カニ変イヒする境界である
故Δｙ０の変化に対するΔＴ、。を考慮している。

更に次の表記を用いる。

上記から ＴＩＩＬ（１）＝βｓＴ、（ｓｌ＋β７φｖ（＠ｌ＝（
β５＋Ｃ１β７）　Ｔ　、　（ｓ　ｌが得られ、移動境
界の補正をすると Ｔ　１１　Ｌ　（ｓ）　＝（β５＋Ｃ，β７）Ｔ、（ｓ
）−β４ｙ（ｍｌ　　　　　　・・・（Ｅ）二相部の（
Ｂ１式を援用しｙ（８）を消去するとＩ（２（８１７５
”得られる。

（計算に都合のよい、馬（８）およびＢ２（ａ）の導出
）上記のＨ，（ａ）お工び［２（ｓ）をＳの多項式の分
子および分母をもつ形式に整理する。このためにその係
数の関係は次のよつにあられされる。

ｕ、　ａαｔ　ＯＫ　ｄ　ｌ　）’　。

Ｕユヨα。πｄ／ρＪ−〜 Ｕ、ヨ（α。にｄ０＋α１゜πｄ、）／ρアＣ−−ｕ４
　＝　（Ｅ’＋Ｅ“）ｙｏ ｕ５ヨφ、。ｈｖ’　＋　Ｃｔｈｖ。

Ｂ６”α、　。ａ　、　（Ｔ、。”５ｏ）Ｂ７　ヨ　ｈ
１＋α′ｉπｄａｙｏ（Ｔｙｏ　　”５ｏ）ｕａ　’Ｅ
”−ｕ６Ｙｏαｉ′πａ、／ρｖＩＣｆＡ１Ｃ（１）Ｓ
２＋Ｃ（２）　Ｓ　＋Ｃ（３）””）＝Ｃ（４）８３＋
Ｃ（５）Ｓ２＋Ｃ（６）８＋Ｃ（７）ただし Ｃ（１）”；Ｅ＝　Ｍｕ　７−Ｅ Ｃ（２）−’Ｍ（ｕｘｕｙ　ｕａ）　＋　Ｂ４−　Ｅｕ
５Ｃ（３）＝＝ｕ３ｕ６ Ｃ（４）”Ｍｕ４−　ＥｙＯＭ’ Ｃ（５）５４５Ｍ（ｕ、＋ｕ５＋ｕ３ｕ４）＋ｕ６ｙｏ
Ｍ’−Ｃ，トｕ、ＥｙＯＭ’Ｃ（ｓ）＝＝　Ｍ　（ｕ　
、ｕ　ｚ　十ｕ　ｓ　ｕ　ｓ　）　十Ｃｔ　ｕ　６　＋
（ｕ　ｂ　ｙ　ｏＭ’−〇　、Ｅ　）　ｕ　５Ｃ（７）
ヨＣ＋　ｕ　ｓ　ｕ　６ １次 ｕ９＝ｐｖＣｖＡ ”ＩＱ＝（α。にｄ０＋α１．。πｄ１）／ρｗＣｖＡ
ｗ口　　　ｉｉ、ｏ　　１ ｕ１２５α。πｄ、／ρＷＣＷＡＷ 念だし Ｃ（８）＝Ｊ。

ｃ（９）＝　（Ｌ−ｙｏ）　ｕｑ／γ。

ＣＣ’０＝（Ｌ）’　ｏ　）　（”　９　ｕ　、ａ　Ｔ
ｕ　１．）　／　７　。

ｃＣＬｌ＝（Ｉ’−３’０）ｕ、Ｔｕ、２／γ。

伝達関数Ｈ２（ｍｌは上記のβ５およびＨｌ（ｍｌを用
いて次のようにあられされる。

ただし ＣＣＪ２＝ｕｑ ＣＱ３＝ｕ９ｕ、（、十ｕ１．−γ。

ＣＣＬ４＝Ｃ１ｕｔ４ｕ、３ ＣＱ５＝：Ｃ，ｕ、２ｕ、、ｕ、４ ＣｑＱヨｕ９ ｃａｉ岨叩−Ｃ１ｕ、。

ＣＭ＝−Ｃ＋　ｕｓ　２”１ｓ Ｃ（ロ）＝βｂｙ０Ｍ’／Ｍ Ｃ四ヨＣ１β６７Ｍ Ｃ＠１１　ＥＥβ６７Ｍ 本発明の制御方法が有効に作用することを制御システム
の伝達関数を求めベクトル軌跡−ナイキスト線図を援用
して説明する。

第１図は本発明の実施例のブロック線図である。

前項に従って伝達関数は次の過多である。

ただし 制御システムは簡単のため膨張弁の流量制御系について
はその比例動作部分のみを表示した。

第１図のブロック線図は従来の制御システムに一次遅れ
要素Ｈｃ２　を付加したシステムである。

従来の制御システムをブロック線図ｅ７．第１２図に示
す。第１２図は、設定過熱度信号と、実際の過熱度信号
を比較し、コントローラ（伝達関数Ｈｅ）を経て電動膨
張弁の開度を指定する信号となシミ動膨張弁を経て流量
φｌ信号となる。次いで蒸発器においては蒸発温度に加
わる伝達関数Ｈ４と過熱蒸気温度にかかわる伝達関数Ｈ
２を経て、一方は蒸発温度信号Ｔ６．他方は過熱温度信
号Ｔ、ｌとなる。Ｔ、は温度センサーを含む測定部の伝
達関数（Ｈｊｌ）によって電気的信号に変換されＴ１と
なυ、他方Ｔ’ｓｘ、は温度センサーを含む測定部の伝
達関数（Ｈｊ２）によって電気的信号に変換されＴ２と
なる。これをただちにＴ２−Ｔ、（＝＝ΔＴ）とし、こ
のΔＴをフィードバックする。これに対して第１図は、
上記の第１２図の’ｒ２−’ｒ、によって制御するとい
う考え方と違いを明確にするため設定過熱度と比較の九
めにフィードバックする信号については伝達関数［ｊ２
によってＴ、となった信号を一次遅れ回路（伝達関数Ｈ
ｃりを通してＴ７としそのＴ！′とＴ１　　との間の差
Ｔ、’−Ｔ、を用いることにしたものである。

前に述べたように温度センサーの時定数を蒸発温度側を
Ｔ８、過熱蒸気温度側をＴ２とし、蒸発温度の温度セン
サーの伝達関数をＨｊｌ（８）、過熱蒸気温度の温度セ
ンサーの伝達関数をＨＪ　ｔ　（ｓ）であられす。

Ｈ・（ｓ）　＝　−Ｌ− Ｈｌ＋τ、Ｓ Ｈ・”）＝ＴＴ所７丁丁でフＷ Ｊま ただしＴ１は吸込管の熱伝達にかかわる時定数である。

−次遅れ制御部の伝達関数は前に述べたようにＨ・・（
“）＝１＋・４Ｓ 電動膨張弁の伝達関数はＫｃ　　であるから第１図に示
すブロック線図の１巡・伝達関数は、Ｋｃ（Ｈ，・Ｈｊ
ｔＨｃ２−　Ｈ，・Ｈｊｔ　）　　である。

この４クトル軌跡は８＝ｊωとしてωを０から（資）に
変化させるととくよって得られる。

φ１　＝　０．０１１７　、τ、；１１τ、＝２、τ、
＝８．１２゜Ｔ４　＝２０　ＳＫｃ　＝　−０，００３
９という定数をいれて、前項で求めた一巡伝達関数によ
って計算した結果は第３図である。第１図に示したＴ８
、側に一次遅れ要素を導入した結果は、Ｈｏ、を付加し
ない従来例のτ、以外は同じ定数を用いた結果の第９図
に比較し安定性が増したことを示す。次に第２図のブロ
ック線図に示す本発明の一実施例一次遅れ回路（伝達関
数Ｈｃ２）および位相進め回路（伝達関数１（ｃｔ　）
を入れた場合について説明する。

第２図のブロック線図はＨｃ、およびＨ６２を入れた効
果を明確にするため他の部分については第１図のブロッ
ク線図と同一にしたものである。

すなわち第１図のＨ３、を出た信号Ｔは慣に位相進め回
路によ’）　Ｔｔ’　としフィードバック信号ΔＴ／　
＝Ｔ、／　−Ｔ１／とする。すなわち、現在の過熱度と
設定過熱度との差すなわち偏差にに、を乗じた補正流量
が蒸発器に加えられ、この結果はニガにわかれる。一方
はＨ！（８）を通って過熱蒸気温度Ｔ’ｓｔ、となシこ
れが吸込管と温度センサーを通って（伝達関数Ｈｊ２　
）更に本発明による制御Ｈｃ’２（ｓ）を施され過熱蒸
気温度を代表する電気信号となる。

他方は％　Ｈｌ（１）を通って蒸発温度Ｔ、となり、温
度センサー（伝達関数Ｈｊ１）′ｔ−通って電気信号と
なシ更に本発明による位相進め回路のＨ６１（ｓ）が施
され蒸発温度を代表する電気信号となる。

更に上記両者の電気信号の差を設定過熱度を電気信号に
変換したものと比較して偏差を得る。

計算は設定過熱度を温度単位としたため偏差も温度単位
で比較する。Ｋｅについては比例部分のみを用いる。た
だし過熱度が設定温度よシ大きくなると、偏差は負とな
り、この場合弁の開口面積を大きくしなければならない
。従ってＫｅはマイナス符号をもつ。Ｋｃの性質の一例
を第１３図に示す。

Ｋｃの絶対値ＩＫｃｌは偏差ＩＫあたりの流量変化（開
口面積と流量は比例関係にある）である。第１３図の場
合例えば静止過熱度（ＳＳと表示している）が３にの場
合、設定過熱度を５にとすれば、５−３＝２にで所定の
流量φ１を出すように設定する。

すなわち φ１　＝０．０１５ｋｇｇ−’のとき　ＫＯ＝−０，０
０７５である。

とじ、前の実施例とあわせる次め、定数としてφｌ＝ｏ
、ｏ　１１７、τ１−ｏ、ｏｉ、τ２＝２、τ５＝８．
１２、τ４＝２０、Ｋｅ＝−０，００３９をとるとその
ベクトル軌跡は第４図に示される。位相余裕５４°です
ぐれた安定性を示す。

これは、温度膨張崎・による安定性を示し次第７図よシ
もすぐれたものである。

第７図に示すベクトル軌跡−ナイキスト線図を計算する
次めの温度膨張弁のブロック線図を第１４図に示す。

第１４図のブロック線図によれば、温度膨張弁の場合設
定過熱度とフィードバックされた過熱度信号との偏差に
よって膨張弁の開度がきまり流量φ負が決まシ次いで蒸
発器において一方は蒸発温度にかかわる伝達関数Ｈ１に
より蒸発温度Ｔ０となるが。

温度膨張弁のダイヤプラムに加わる実際の信号の形は“
蒸発圧力”として作用する。他方に蒸発器出口の過熱蒸
気温度を吸込管を経た感温筒でとらえその温度と平衡す
る感温筒内の気体の圧力に変換した信号となる上記の二
つの圧力信号の差の圧力信号がフィードバック信号とな
っている。

第１４図のブロック線図の１巡伝達関数はＫｃ　（Ｈ２
φＨｂ−Ｃ２Ｐｂ’−Ｈ，Ｃ２Ｐ、’］の形である。Ｈ
ｌ　ｅ　Ｈ２は前述の形である。Ｃ２は温度膨張弁の特
性値　ｐ、／は蒸発圧力の温度微分、Ｐｂ′は感温筒圧
力の温度微分。Ｈｂ（ｓ）は簡単のためにノ臂うメータ
嚢示をやめ とした。これ等はいずれも冷　システムに用いる冷媒に
１２２を用いる場合を考えて、具体的な数値をいれて計
算した。また蒸発温度側の信号は蒸発圧力を用いる故“
温度信号”の場合とことなシτ、＝０とした。

なお上記の実施例において具体的数値を入れてる場合は
特に明記しないときは冷媒としてＲ２２を用いるシステ
ムを想定した数値を用いた。しかし本発明は使用冷媒を
Ｒ２２に限るものではない。

〔発明の効果〕

上記のように本発明によれば、電動膨張弁に代表される
、電気駆動流量制御減圧手段による制御の安定性がいち
じるしく改善される。

本発明によって電気駆動流量制御減圧手段のもつとも弱
点とされ九「温度膨張弁に比較してその過熱度制御を行
なう場合の安定性を欠く」という欠点を克服することが
でき、温度膨張弁の有しない他のすぐれ九機能を発揮さ
せ、システム全体としての制御性を高めることが可能と
なる。

今までの説明はこの発明における制御と他の冷凍システ
ムの制御系との相互作用について詳細に触れていない。

ただし本発明は蒸発器の熱交換の有効性を目的とするも
の故、他の制御システムに有害な影響を与えることはな
く、はとんどの制御論理と併用可能である。従って本発
明方法は空調機、自動車冷房、ショーケース等の一般の
冷却システムにも利用し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による一次遅れ回路を組み込んだＴ３１
気駆動膨張弁による制御のブロック線図、第２図は同じ
く本発明による一次遅れ回路及び−次進め回路を組み込
んだ同様のブロック線図、第３図は本発明の一実施例の
一次遅れ回路をフ１す・た場合のベクトル軌跡、第４図
は本発明の他の実施例の一次遅れ回路及び位相進め回路
をつけた場合のベクトル軌跡、第５図はインバータ能力
制御圧縮機を、とりつけ次冷媒流量制御の説明図、第６
図は固定回転数圧縮機をとシつけた時の電気駆動流量制
御手段による制御の説明図、第７図は温度膨張弁の制御
安定性を示すベクトル軌跡、第８図は温度膨張弁の感温
筒部を他の温度センサーに置き換えた場合の制御安定性
を示すベクトル軌跡、第９図は従来の電気駆動流量制御
減圧手段の従来の制御方法による制御安定性を示すベク
トル軌跡、第１０図は一次遅れ回路の概略図、第１１図
は一次進め回路の概略図、第１２図は電動膨張弁の従来
のブロック線図で第１５図は蒸発器のモデル図である。 出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦第３図 第５図 第６図 （−ｘｌぎ１） 第７図 第１１図 手続補正書 １．事件の表示 特願昭６１−３０８６１７号 ２、発明の名称 冷凍システムの制御方法 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 株式会社　不二工機製作所 ４、代理人 東京都千代田区霞が関３丁目７番２号　ＵＢＥビルｓ−
：、シー、５； ＼−（ｐ、、 ７、補正の内容 （１）特許請求の範囲を別紙の通り訂正する。 （２）本願明細書中箱１０頁第６行「一時」を「−次」
と訂正する。 （３）第１１頁第１７行「・・・Ｈ（ｓ）に」を「・・
・Ｈ（ｓ）である」と訂正する。 （４）　　同頁第１９行「Ｊ（Ｊ）」を「Ｊω」と訂正
する。 （５）第１２頁第１行ｒ（−１＋ｊ・０）」をｒ（−１
＋ｊ・０）」と訂正する。 （６）第１３頁第１８行、同１９行、第１４頁第１行及
び第１５行の各ｒ（−１＋ｊｏ）Ｊをｒ（−１＋ｊψＯ
）と夫々訂正する。 （７）　　第１４頁第１１行「・・・によるもの」を「
・・・によるもの、」と訂正する。 （８）第１５頁第１７行、第１６頁第１３行、同１４行
の各「−次」を「位相」と夫々訂正する。 （９）第１６頁第１２行「１次」を「−次」と訂正する
。 （ｌＯ）第１７頁第６行の式を と訂正する。 （１１）同頁第８行の式を と訂正する。 （１２）第１８頁第６行の「都合上」とあるのを「都合
上、」と訂正する。 （１３）第１９頁第９行の「αＯ・・・・・・熱伝達係
数」の次のｒ　（Ｗａ＋−２に一’）を［（Ｗ　ａｍ−
２に一’　］　Ｊと訂正する。 （１４）第２１頁第１４行の「πｄＯ−Ｒ・πｄ１・」
を「πｄｏ−Ｒ・πａｔＪと訂正する。 （１５）第２３頁第３行の式を と訂正する。 る。 （１７）同頁第５行の式（７）を ３Ｔｓ９Ｔ ρ　ＣＡ−＋Ｃφ− Ｖ　　Ｖ　　９ｔＶ　　Ｖ９Ｘ −αｌ、πｄｌ（ＴＶ８−Ｔｓ） と訂正する。 （１８）同頁の式（８）を ＴＷ ρ　ＣＡ− ｖ　　ｗ　　ｖ３ｔ ■α０πｄｏ（Ｔｏ−Ｔ− 一α１８πｄｌ　（Ｔｖｓ−”ｓ　） と訂正する。 （１９）第２４頁の式（Ｌ４）を ｈ１φｉ　（Ｓ）−ｈｖｏφｖ（ｓ）−φｖｏｈＪ　’
ｒ８（ｓ）＋α１ｏπｄ１ｙｏ（ＴＶ（Ｓ）−丁８（Ｓ
））＋α１ｏπｄ１　ｙ（ｓ）（ＴｗｏＴ、。）＋αｌ
″πｄ１ｙｏ（ＴＶ。−丁ｏ０）φ１（Ｓ）−ＥＳｙ（
ｓ）　＋　（Ｅ　−＋Ｅ’　）　ｙ　ＳＴ　（ｓ）Ｏθ と訂正する。 （２０）第２５頁の式（Ｄ６）を λ１　（Ｓ） と訂正する。 （２１）同頁の式（Ｄ８）を λ３（Ｓ） ａｍ　（Ｅ”十Ｅ’　）　ｙ　　Ｓ ＋φ　ｈ−＋Ｃ１ｈ ｖｏ　　ｖ　　　　　　　　ｖ。 と訂正する。 （２２）第２６頁の式（Ｂ）を φ＋　（ｓ）−ＭＳｙ（ｓ）−（Ｃ１＋Ｍ’ｙ□Ｓ）　
”ｒｏ（ｓ）と訂正する。 （２３）第２７頁の式（ＤＬ２）を γ２Ｗρ　ＣＡＳ 　　　Ｖ と訂正する。 （２４）第２８頁の式（ＦＪを Ｈ２（Ｓ） Ｔ　５Ｌ（Ｓ） φ１（Ｓ） と訂正する。 （２５）第３０頁のｒＣ（１３）＝ｕｇ　ｕｌＯ＋ｕｌ
ｌ−７．Ｊの式をｒ　Ｃ（１３）＝　ｕ　９　ｕ　［＋
　ｕ　ｔ　１−７３　Ｊと訂正する。 （２６）第３２頁第１１行及び第３４頁第４行の各ｒ　
Ｔ　ｓｌＪを夫々「ＴｓＬ」と訂正する。 （２７）第３３頁第１４行の「１巡・伝達関数」を「１
巡伝達関数」と訂正する。 （２８）第３７頁第１４行の「温度微分。」を「温度微
分、」と訂正する。 （２９）同頁第１７行の「冷」の次に「凍」の−宇を挿
入する。 （３０）第３図、第５図及び第１１図を別紙のように訂
正する。 ２、特許請求の範囲 （１）冷凍システムの液冷媒を減圧し、冷媒を蒸発器に
おいて気化を容易になさしめると共にその冷媒の蒸発器
への流入量を制御するための手段として電気駆動の冷媒
流量制御減圧手段を用いる系において、冷媒の蒸発器出
口における過熱度に応答する信号により上記制御手段を
制御する際、上記の信号は冷媒の蒸発温度に相当する電
気信号および蒸発器出口過熱冷媒気体の温度に相当する
電気信号より成りかつ上記の過熱冷媒気体の温度に相当
する電気信号を一定の一次遅れを与える手段によって処
理し、その処理信号と上記蒸発温度に相当する電気信号
との差の信号により制御することを特徴とする冷凍シス
テムの制御方法。 （２）　　前記蒸発温度に相当する電気信号を一定の位
相進め回路によって処理することを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の冷凍システムの制御方法。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第３図 第５図 第１１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）冷凍システムの液冷媒を減圧し、冷媒を蒸発器に
   おいて気化を容易になさしめると共にその冷媒の蒸発器
   への流入量を制御するための手段として電気駆動の冷媒
   流量制御減圧手段を用いる系において、冷媒の蒸発器出
   口における過熱度に応答する信号により上記制御手段を
   制御する際、上記の信号は冷媒の蒸発温度に相当する電
   気信号および蒸発器出口過熱冷媒気体の温度に相当する
   電気信号より成りかつ上記の過熱冷媒気体の温度に相当
   する電気信号を一定の一時遅れを与える手段によって処
   理し、その処理信号と上記蒸発温度に相当する電気信号
   との差の信号により制御することを特徴とする冷凍シス
   テムの制御方法
2. （２）前記蒸発温度に相当する電気信号を一定の位相進
   め回路によって処理することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の冷凍システムの制御方法