KR101106383B1

KR101106383B1 - 냉동장치

Info

Publication number: KR101106383B1
Application number: KR1020107000299A
Authority: KR
Inventors: 시니치 가사하라; 데츠야 오카모토
Original assignee: 다이킨 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2012-01-17
Also published as: CN101688699A; WO2009004780A1; EP2175213A1; JP2009014212A; CN101688699B; EP2175213A4; EP2175213B1; US20100198416A1; AU2008272384B2; AU2008272384A1; KR20100033508A; JP4905271B2

Abstract

과열도 제어부(44)는, 실내팽창밸브(26)의 개방도 조작량을 결정하기 위한 제어이득에 기초하여 실내팽창밸브(26)의 개방도를 조정하도록 구성됨과 더불어, 목표과열도 결정부(39)가 목표과열도(SHs)를 현재값보다 높일 경우에는 제어이득(g)을 현재보다 높게 설정하며, 목표과열도(SHs)를 현재값보다 낮출 경우에는 제어이득(g)을 현재보다 낮게 설정하는 제어이득 결정부(41)를 구비한다.

Description

냉동장치{FREEZING APPARATUS}

본 발명은, 냉동장치에 설치된 팽창밸브의 제어기술에 관한 것이다.

종래, 냉매를 순환시켜 냉동사이클을 실행하는 냉매회로를 구비한 냉동장치가 알려져 있다. 그리고 이 냉동장치의 운전을 제어하는 방법의 하나로서, 예를 들어 특허문헌 1(일본 특허공개 2007-040567호 공보)에 개시된 바와 같은 전동팽창밸브를 이용한 과열도 제어가 있다.

이 과열도 제어는, 냉매회로에서 실제로 측정한 냉매의 증발기 출구온도로부터 구해지는 과열도(이하, 검출과열도라 함.)가 목표과열도가 되도록 상기 전동팽창밸브의 개방도를 조정하는 것이다. 일반적으로, 상기 냉매회로에 복수의 증발기가 설치되는 경우, 각 증발기의 능력을 제어하기 위해 상기 과열도 제어가 이용된다.

구체적으로, 각 증발기의 능력을 제어하는 제어기가, 각 증발기에 필요한 능력에 따라 목표과열도를 설정한다. 그러면 상기 과열도 제어는, 각 증발기의 검출과열도가 이 목표과열도가 되도록, 각 전동팽창밸브의 개방도를 조정한다. 즉, 증발기의 능력을 감소시키고자 할 경우에는, 목표과열도를 현재보다 높게 설정한다. 한편, 증발기의 능력을 증가시키고자 할 경우에는, 목표과열도를 현재보다 낮게 설정한다. 이와 같이 목표과열도를 설정함으로써, 각 증발기의 능력제어가 이루어진다.

그러나 상기 제어기가 목표과열도를 현재보다 낮게 설정한 경우, 증발기 출구온도가, 목표과열도에 대응하는 냉매의 출구온도(이하, 목표출구온도라 함.)에 대해 오버슈트(overshoot) 돼 버리는 경우가 있다. 이 오버슈트가 크면, 증발기 출구온도가 지나치게 낮아져, 증발기 출구의 냉매가 과열상태에서 습윤상태로 변화할 가능성이 커진다. 증발기 출구온도가 지나치게 낮아져, 증발기 출구의 냉매가 습윤상태로 되면, 냉매 액적의 영향 때문에 증발기 출구온도는 불안정해지며, 그 습윤상태가 계속되는 동안 상기 과열도 제어가 양호하게 이루어지지 않는다.

그래서, 전술한 오버슈트를 억제하도록 상기 전동팽창밸브의 개방도를 조정하면, 상기 제어기가 목표과열도를 현재보다 높게 설정한 경우에, 양호한 과열도 제어가 이루어지지 않을 가능성이 있다.

본 발명은 이러한 점에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 팽창밸브에 의한 과열도 제어를 실행하는 냉동장치에 있어서, 상기 과열도 제어의 제어성을 향상시키는 데 있다.

제 1 발명은, 적어도 1개 이상의 증발기(27)와, 이 증발기(27)에 대응하는 팽창밸브(26)가 접속되어 냉동사이클을 실행하는 냉매회로(20)와, 이 냉매회로(20)를 순환하는 냉매의 증발기 출구온도에 기초하여 냉매의 과열도를 산출하는 산출수단(40)과, 산출한 과열도가 목표과열도가 되도록 상기 팽창밸브(26)의 개방도를 조정하는 과열도 제어수단(44)을 구비하는 냉동장치를 대상으로 한다.

제 1 발명은, 상기 목표과열도를 변경하는 변경수단(39)이 설치된다. 그리고 상기 과열도 제어수단(44)은, 상기 팽창밸브(26)의 개방도 조작량을 결정하기 위한 제어이득에 기초하여 상기 실내팽창밸브(26)의 개방도를 조정하도록 구성됨과 더불어, 상기 변경수단(39)이 목표과열도를 현재값보다 높일 경우에는 상기 제어이득을 현재보다 높게 설정하며, 목표과열도를 현재값보다 낮출 경우에는 상기 제어이득을 현재보다 낮게 설정하는 제어이득 설정수단(41)을 구비한다.

여기서, 예를 들어 복수의 증발기(27)가 설치된 경우에는, 전술한 바와 같이 각 증발기(27)별로 능력을 제어할 필요가 있다. 그래서 상기 변경수단(39)은, 각 증발기(27)에 대해 요구된 능력이 얻어지도록, 각 증발기(27)별로 목표과열도를 변경한다. 이로써, 냉동부하가 큰 증발기(27)에 대해서는 목표과열도를 현재값보다 낮추며, 냉동부하가 작은 증발기(27)에 대해서는 목표과열도를 현재값보다 높이는 제어를 한다.

제 1 발명에서는, 목표과열도의 변화에 따라, 팽창밸브(26)의 개방도 조작 응답성을 변경할 수 있다. 즉, 상기 변경수단(39)이 목표과열도를 현재값보다 낮추고자 하는 경우에는, 상기 제어이득 설정수단(41)이 제어이득을 현재보다 낮게 설정한다. 이로써, 팽창밸브(26)의 개방도 조작량이 현재보다 작아지며, 목표과열도에 대한 검출과열도의 응답성이 완만해진다. 한편, 상기 변경수단(39)이 상기 목표과열도를 현재값보다 높이고자 하는 경우에는, 상기 제어이득 설정수단(41)이 제어이득을 현재보다 높게 설정한다. 이로써, 팽창밸브(26)의 개방도 조작량이 현재보다 커지며, 목표과열도에 대한 검출과열도의 응답성이 신속해진다.

제 2 발명은, 제 1 발명에 있어서 상기 제어이득 설정수단(41)은, 상기 목표과열도와 제어이득과의 관계가 미리 정해진 제 1 제어이득 함수에 기초하여, 상기 제어이득의 설정값을 연산하는 연산수단을 구비한다.

제 2 발명에서는, 상기 제 1 제어이득 함수에 기초하여, 상기 목표과열도로부터 최적의 제어이득 설정량을 연산할 수 있다. 여기서 상기 제 1 제어이득 함수란, 예를 들어 도 3에 나타내는 바와 같은 함수이다. 이 제 1 제어이득 함수에는, 목표과열도가 변화하면 제어이득도 변화하는 제 1 영역(A)과, 목표과열도가 변화해도 제어이득이 변화하지 않는 제 2 영역(B)이 있다. 제 1 영역(A)에서는, 목표과열도가 낮아질수록 제어이득이 낮아지므로, 팽창밸브(26)의 개방도 조작량이 현재보다 작아지며, 목표과열도에 대한 검출과열도의 응답성이 완만해진다. 한편, 목표과열도가 높아질수록 제어이득이 높아지므로, 팽창밸브(26)의 개방도 조작량이 현재보다 커지며, 목표과열도에 대한 검출과열도의 응답성이 신속해진다.

제 3 발명은, 제 1 발명에 있어서 상기 제어이득 설정수단(41)은, 상기 목표과열도와 상기 산출수단(40)이 산출한 실측 과열도와의 평균값과, 제어이득과의 관계가 미리 정해진 제 2 제어이득 함수에 기초하여, 상기 제어이득의 설정값을 연산하는 연산수단을 구비한다.

제 3 발명에서는, 상기 제 2 제어이득 함수에 기초하여, 상기 평균값으로부터 최적의 제어이득 설정량을 연산할 수 있다. 여기서 상기 제 2 제어이득 함수란, 예를 들어 도 4에 나타내는 바와 같은 함수이다. 이 제 2 제어이득 함수에는, 상기 평균값이 변화하면 제어이득도 변화하는 제 1 영역(A)과, 상기 평균값이 변화해도 제어이득은 변화하지 않는 제 2 영역(B)이 있다. 제 1 영역(A)에서는, 상기 평균값이 낮아질수록 제어이득이 낮아지므로, 팽창밸브(26)의 개방도 조작량이 현재보다 작아지며, 목표과열도에 대한 검출과열도의 응답성이 완만해진다. 한편, 상기 평균값이 높아질수록 제어이득은 높아지므로, 팽창밸브(26)의 개방도 조작량이 현재보다 커지며, 목표과열도에 대한 검출과열도의 응답성이 신속해진다.

제 4 발명은, 제 2 또는 제 3 발명에 있어서 상기 연산수단으로 연산한 제어이득의 설정값을 보정하는 제어이득 보정수단을 구비한다.

제 4 발명에서는, 상기 제어이득 보정수단을 구비함으로써, 상기 제 1 제어이득 함수의 목표과열도 또는 상기 제 2 제어이득 함수의 평균값과는 별도의 변수에 의해, 제어이득의 설정값을 보정할 수 있다.

제 5 발명은, 제 4 발명에 있어서 상기 제어이득 보정수단은, 상기 변경수단(39)에 의의 변경된 목표과열도와 변경 직전의 목표과열도로부터 얻어지는 편차(이하, 제 1 편차라 함.)와, 제어이득 보정률과의 관계가 미리 정해진 제 1 제어이득 보정함수에 기초하여, 상기 제어이득 설정값의 보정률(이하, 제어이득 보정률이라 함.)을 연산하는 보정연산수단을 구비한다. 여기서 상기 제어이득 보정률과 상기 제어이득 설정값을 적산함으로써, 보정된 제어이득의 설정값이 얻어진다.

제 5 발명에서는, 상기 제 1 제어이득 보정함수에 기초하여, 상기 제 1 편차로부터 최적의 제어이득 보정률을 연산할 수 있다. 여기서 상기 제 1 제어이득 보정함수란, 예를 들어 도 5에 나타내는 바와 같은 함수이다. 상기 제 1 제어이득 보정함수에는, 상기 제 1 편차가 변화하면 상기 제어이득 보정률도 변화하는 제 1 영역(C)과, 상기 제 1 편차가 변화해도 상기 제어이득 보정률이 변화하지 않는 제 2 영역(D)이 있다. 상기 제 1 영역(C)에서는, 상기 제 1 편차가 작아질수록 제어이득 보정률이 작아진다. 한편, 상기 제 1 편차가 커질수록 제어이득 보정률은 커진다.

그리고 상기 제 1 편차가 제로, 즉, 목표과열도가 변화하지 않을 경우에는 제어이득 보정률이 1이 되며, 제어이득의 설정값은 변화하지 않는다. 상기 제 1 편차가 양 값일 경우(목표과열도가 저하될 경우)에는, 제어이득 보정률이 1보다 커지며, 제어이득의 설정값은 보정에 의해 증가된다. 상기 제 1 편차가 음 값일 경우(목표과열도가 상승될 경우)에는, 제어이득 보정률이 1보다 작아지며, 제어이득의 설정값은 보정에 의해 감소된다.

제 6 발명은, 제 4 발명에 있어서 상기 제어이득 보정수단은, 상기 변경수단(39)에 의해 변경한 목표과열도로부터 변경 직전의 목표과열도를 감하여 얻어지는 제 1 값과, 변경 직전에 상기 산출수단(40)이 산출한 실측 과열도로부터 변경 직전의 목표과열도를 감하여 얻어지는 제 2 값을 구하고, 제 1 값에서 제 2 값을 감하여 얻어지는 편차(이하, 제 2 편차라 함.)와 제어이득 보정률과의 관계가 미리 정해진 제 2 제어이득 보정함수에 기초하여, 상기 제어이득 설정값의 보정률을 연산하는 보정연산수단을 구비한다.

제 6 발명에서는, 상기 제 2 제어이득 보정함수에 기초하여, 상기 제 2 편차로부터 최적의 제어이득 보정률을 연산할 수 있다. 여기서 상기 제 2 제어이득 보정함수란, 예를 들어 도 6에 나타내는 바와 같은 함수이다. 상기 제 2 제어이득 보정함수에는, 상기 제 2 편차가 변화하면 상기 제어이득 보정률도 변화하는 제 1 영역(C)과, 상기 제 2 편차가 변화해도 상기 제어이득 보정률이 변화하지 않는 제 2 영역(D)이 있다. 상기 제 1 영역(C)에서는, 상기 제 2 편차가 작아질수록 제어이득 보정률이 작아진다. 한편, 상기 제 2 편차가 커질수록 제어이득 보정률은 커진다.

그리고 상기 제 2 편차가 제로, 즉, 목표과열도와 검출과열도의 편차가 변화하지 않을 경우에는 제어이득 보정률이 1이 되며, 제어이득의 설정값은 변화하지 않는다. 상기 제 2 편차가 양 값일 경우(목표과열도와 검출과열도의 편차가 커질 경우)에는, 제어이득 보정률이 1보다 커지며, 제어이득의 설정값은 보정에 의해 증가된다. 상기 제 2 편차가 음 값일 경우(목표과열도와 검출과열도의 편차가 작아질 경우)에는, 제어이득 보정률이 1보다 작아지며, 제어이득의 설정값은 보정에 의해 감소된다.

제 7 발명은, 제 4 발명에 있어서 상기 제어이득 보정수단은, 상기 변경수단(39)에 의해 변경된 목표과열도로부터, 이 목표과열도의 변경 시에 상기 산출수단(40)이 산출한 실측 과열도를 감하여 얻어지는 제 1 값과, 변경 직전의 목표과열도로부터, 변경 직전에 상기 산출수단(40)이 산출한 실측 과열도를 감하여 얻어지는 제 2 값을 구하고, 제 1 값에서 제 2 값을 감하여 얻어지는 편차(이하, 제 3 편차라 함.)와 제어이득 보정률과의 관계가 미리 정해진 제 3 제어이득 보정함수에 기초하여, 상기 제어이득 설정값의 보정률을 연산하는 보정연산수단을 구비한다.

제 7 발명에서는, 상기 제 3 제어이득 보정함수에 기초하여, 상기 제 3 편차로부터 최적의 제어이득 보정률을 연산할 수 있다. 여기서 상기 제 3 제어이득 보정함수란, 예를 들어 도 7에 나타내는 바와 같은 함수이다. 상기 제 3 제어이득 보정함수에는, 상기 제 3 편차가 변화하면 상기 제어이득 보정률도 변화하는 제 1 영역(C)과, 상기 제 3 편차가 변화해도 상기 제어이득 보정률이 변화하지 않는 제 2 영역(D)이 있다. 상기 제 1 영역(C)에서는, 상기 제 3 편차가 작아질수록 제어이득 보정률이 작아진다. 한편, 상기 제 3 편차가 커질수록 제어이득 보정률은 커진다.

그리고 상기 제 3 편차가 제로, 즉, 목표과열도와 검출과열도와의 편차가 변화하지 않을 경우에는 제어이득 보정률이 1이 되며, 제어이득의 설정값은 변화하지 않는다. 상기 제 3 편차가 양 값일 경우(목표과열도와 검출과열도의 편차가 커질 경우)에는 제어이득 보정률이 1보다 커지며, 제어이득의 설정값은 보정에 의해 증가된다. 상기 제 3 편차가 음 값일 경우(목표과열도와 검출과열도의 편차가 작아질 경우)에는 제어이득 보정률이 1보다 작아지며, 제어이득의 설정값은 보정에 의해 감소된다.

제 8 발명은, 제 1에서 제 6 발명 중 어느 하나에 있어서 상기 냉매는 이산화탄소인 것을 특징으로 한다.

제 8 발명에서는, 상기 냉매로서 이산화탄소를 이용한 냉동장치에 대해, 상기 과열도 제어수단(44)에 의한 제어를 실행할 수 있다.

본 발명에 의하면, 목표과열도의 변화에 따라 팽창밸브(26)의 개방도 조작 응답성을 변경함으로써, 과열도 제어의 제어 성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 목표과열도를 현재값보다 낮추고자 할 경우에는, 팽창밸브(26)의 개방도 조작량이 현재보다 작아지며, 목표과열도에 대한 검출과열도의 응답성이 완만해지므로, 증발기 출구온도도 완만하게 목표 출구온도에 가까워진다. 이로써, 이 증발기 출구온도가 목표 출구온도에 대해 오버슈트 되기 어려워진다. 한편, 목표과열도를 현재값보다 높이고자 할 경우에는, 팽창밸브(26)의 개방도 조작량이 현재보다 커지며, 목표과열도에 대한 검출과열도의 응답성이 신속해지므로, 증발기 출구온도도 신속하게 목표 출구온도에 가까워진다. 이로써, 증발기 출구온도를 빨리 목표 출구온도로 수속시킬 수 있다.

또 상기 제 2 발명에 의하면, 상기 목표과열도로부터 얻어지는 최적의 제어이득 설정량에 기초하여, 팽창밸브(26)의 개방도 조작 응답성을 변화시키므로, 상기 과열도 제어의 제어 성능을 확실하게 향상시킬 수 있다. 즉, 목표과열도가 낮아질수록 개방도 조작의 응답성이 완만해지므로, 증발기 출구온도도 완만하게 목표 출구온도에 가까워진다. 이로써, 이 증발기 출구온도가 목표 출구온도에 대해 오버슈트 되기 어려워진다. 한편, 목표과열도가 높아질수록, 팽창밸브(26)의 개방도 조작 응답성이 신속해지므로, 증발기 출구온도도 신속하게 목표 출구온도에 가까워진다. 이로써, 증발기 출구온도를 빨리 목표 출구온도로 수속시킬 수 있다.

또한 상기 제 3 발명에 의하면, 제 2 발명과는 달리, 상기 목표과열도 및 검출과열도의 평균값으로부터 얻어지는 최적의 제어이득 설정량에 기초하여, 팽창밸브(26)의 개방도 조작 응답성을 변경한다. 예를 들어, 상기 목표과열도에 대해 검출과열도가 큰 경우, 제 2 발명에서는 목표과열도로부터만 제어이득의 설정량을 연산하므로, 급격하게 제어이득의 설정량이 감소되는데 반해, 제 3 발명에서는 상기 평균값으로부터 제어이득 설정량을 연산하므로, 경우에 따라서는 제 2 발명보다 제어이득 설정량의 감소량이 작아진다. 따라서 제 2 발명에 비해, 제어이득 설정량의 급격한 변화를 억제할 수 있다.

또 상기 제 4 발명에 의하면, 상기 제 1 제어이득 함수의 목표과열도 또는 상기 제 2 제어이득 함수의 평균값과는 별도의 변수에 의해 제어이득 설정값을 보정한다. 따라서 그 별도의 변수에 의한 영향을 배제한 제어이득 설정값에 기초하여, 팽창밸브(26)의 개방도 조작 응답성을 변화시키므로, 상기 과열도 제어의 제어 성능을 한층 더 향상시킬 수 있다.

또한 상기 제 5 발명에 의하면, 상기 제 1 편차로부터 얻어지는 최적의 제어이득 보정률에 기초하여 제어이득 설정값을 보정하므로, 보정하지 않는 경우에 비해, 목표과열도의 급격한 변화에 따른 제어이득 설정량의 급격한 변화를 억제할 수 있다. 따라서 상기 과열도 제어의 제어 성능을 한층 더 향상시킬 수 있다.

또 상기 제 6 발명에 의하면, 상기 제 2 편차로부터 얻어지는 최적의 제어이득 보정률에 기초하여 제어이득 설정값을 보정하므로, 보정하지 않는 경우에 비해, 목표과열도의 급격한 변화에 따른 제어이득 설정량의 급격한 변화를 억제할 수 있다. 따라서 상기 과열도 제어의 제어 성능을 한층 더 향상시킬 수 있다.

또한 상기 제 7 발명에 의하면, 상기 제 3 편차로부터 얻어지는 최적의 제어이득 보정률에 기초하여 제어이득 설정값을 보정하므로, 보정하지 않는 경우에 비해, 목표과열도의 급격한 변화에 따른 제어이득 설정량의 급격한 변화를 억제할 수 있다. 따라서 상기 과열도 제어의 제어 성능을 한층 더 향상시킬 수 있다.

또 상기 제 8 발명에 의하면, 상기 냉매로서 이산화탄소를 이용한 냉동장치에 대해, 상기 과열도 제어수단(44)에 의한 제어를 실행함으로써 목표과열도를 현재값보다 낮추고자 할 경우에는, 이 증발기 출구온도가 목표 출구온도에 대해 오버슈트 되기 어려워진다. 한편, 목표과열도를 현재값보다 높이고자 할 경우에는, 팽창밸브(26)의 개방도 조작 응답성이 신속해지므로, 증발기 출구온도를 빨리 목표 출구온도로 수속시킬 수 있다. 한편, 상기 이산화탄소는, 도 8에 나타내는 바와 같이 과열도 변화에 대한 COP의 변화가 프레온 냉매에 비해 크다. 이 때문에, COP가 낮아지지 않도록, 프레온 냉매에 비해, 목표과열도를 작게 설정해야 한다. 따라서 상기 과열도제어를 실행함으로써, 목표과열도를 작게 설정한 경우라도, 안정되게 증발기 출구온도를 제어할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 실시형태에 있어서 공기조화장치의 냉매회로도이다.
도 2는, 본 발명의 실시형태에 있어서 과열도 제어부의 제어블록도이다.
도 3은, 본 발명의 실시형태에 있어서 제 1 제어이득 함수의 그래프이다.
도 4는, 본 발명의 실시형태에 있어서 제 2 제어이득 함수의 그래프이다.
도 5는, 본 발명의 실시형태에 있어서 제 1 제어이득 보정함수의 그래프이다.
도 6은, 본 발명의 실시형태에 있어서 제 2 제어이득 보정함수의 그래프이다.
도 7은, 본 발명의 실시형태에 있어서 제 3 제어이득 보정함수의 그래프이다.
도 8은, 과열도와 COP의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는, 실시형태의 변형예에 있어서 과열도 제어부의 제어블록도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 공기조화장치(10)는 냉매회로(20)와 제어기(38)를 구비한다.

상기 냉매회로(20)는, 냉매로서 이산화탄소가 충전된 폐회로이다. 냉매회로(20)에서는 냉매가 순환하여 증기압축식 냉동사이클을 실행하도록 구성된다. 또 이 냉매회로(20)는, 고압이 이산화탄소의 임계압력 이상의 값으로 설정되는 초임계 냉동사이클(즉, 이산화탄소의 임계온도 이상의 증기압영역을 포함한 냉동사이클)을 실행하도록 구성된다.

상기 냉매회로(20)에는 압축기(21), 사방밸브(22), 실외열교환기(23), 실외팽창밸브(24), 수액기(25), 실내팽창밸브(팽창밸브)(26) 및 실내열교환기(증발기)(27)가 접속된다. 이 냉매회로(20)에서는, 복수(본 실시형태에서는 2개)의 실내열교환기(27)가 서로 병렬로 접속되며, 각 실내열교환기(27)별로 실내팽창밸브(26)가 접속된다. 그리고 상기 압축기(21), 사방밸브(22), 실외열교환기(23), 실외팽창밸브(24) 및 수액기(25)는 실외기에 설치되며, 상기 실내팽창밸브(26) 및 실내열교환기(27)는 실내기에 설치된다.

구체적으로 상기 냉매회로(20)에서 압축기(21)는, 토출측이 사방밸브(22)의 제 1 포트에, 흡입측이 사방밸브(22)의 제 2 포트에 각각 접속된다. 또 냉매회로(20)에서는, 사방밸브(22)의 제 3 포트에서 제 4 포트를 향해 차례로, 실외열교환기(23), 실외팽창밸브(24), 수액기(25), 2조의 실내팽창밸브(26) 및 실내열교환기(27)의 순으로 배치된다.

상기 압축기(21)는 가변용량형의, 이른바 전 밀폐형으로 구성된다. 이 압축기(21)는 흡입한 냉매(이산화탄소)를 그 임계압력 이상으로 압축하여 토출한다. 실외열교환기(23)는, 실외팬(28)에 의해 도입된 실외공기와 냉매가 열교환하는 공기열교환기를 구성한다. 실내열교환기(27)는, 실내팬(29)에 의해 도입된 실내공기와 냉매가 열교환하는 공기열교환기를 구성한다. 실외팽창밸브(24) 및 실내팽창밸브(26)는 각각 개방도 가변인 전자팽창밸브로 구성된다. 여기서, 이 실내팽창밸브(26)의 개방도 제어에 대해서는 후술하기로 한다. 또 실내팽창밸브(26)가 본 발명에 관한 팽창밸브를 구성한다.

상기 사방밸브(22)는, 제 1 포트와 제 3 포트가 연통하며 제 2 포트와 제 4 포트가 연통하는 제 1 상태(도 1에 실선으로 나타내는 상태)와, 제 1 포트와 제 4 포트가 연통하며 제 2 포트와 제 3 포트가 연통하는 제 2 상태(도 1에 점선으로 나타내는 상태)로 전환 가능하게 구성된다. 즉, 냉매회로(20)에서 사방밸브(22)가 제 1 상태인 경우, 냉매가 냉방사이클로 순환하며, 실내열교환기(27)가 증발기로서, 실외열교환기(23)가 방열기(가스쿨러)로서 각각 기능한다. 또 냉매회로(20)에서 사방밸브(22)가 제 2 상태인 경우, 냉매가 난방사이클로 순환하며, 실내열교환기(27)가 방열기(가스쿨러)로서, 실외열교환기(23)가 증발기로서 각각 기능한다.

상기 냉매회로(20)에는, 실내온도센서(31), 제 1 냉매온도센서(32) 및 제 2 냉매온도센서(33)가 설치된다. 실내온도센서(31)는, 실내열교환기(27)에 도입된 실내공기의 온도를 검출하는 온도검출수단이다. 제 1 냉매온도센서(32)는, 냉매회로(20)에서 냉매가 냉방사이클로 순환할 때, 실내열교환기(27)의 출구 냉매온도를 검출하는 온도검출수단이다. 제 2 냉매온도센서(33)는, 냉매회로(20)에서 냉매가 난방사이클로 순환할 때, 실내열교환기(27)의 출구 냉매온도를 검출하는 온도검출수단이다. 또 상기 냉매회로(20)의 저압압력을 검출하는 저압압력센서(35)가 설치된다.

상기 제어기(38)는, 변경수단인 목표과열도 결정부(39)와 과열도 제어수단인 과열도 제어부(44)를 구비한다. 이 과열도 제어부(44)는, 산출수단인 검출과열도 산출부(40)와, 제어이득 결정수단인 제어이득 결정부(41) 및 밸브제어부(42)를 구비한다. 그리고 상기 제어기(38)는, 냉방운전 시의 실내팽창밸브(26) 개방도를 제어하도록 구성된다.

-운전동작-

다음으로 상기 공기조화장치(10)의 운전동작에 대하여 설명한다. 이 공기조화장치(10)에서는 냉방운전과 난방운전이 전환 가능하게 구성된다.

먼저, 냉방운전 시에는 사방밸브(22)가 제 1 상태로 설정된다. 이 상태에서 압축기(21)를 운전하면, 실외열교환기(23)가 방열기가 되며, 각 실내열교환기(27)가 증발기가 되어 냉동사이클이 이루어진다. 구체적으로, 압축기(21)로부터 토출된 초임계상태인 냉매는 실외열교환기(23)로 흐르고 실외공기에 방열한다. 방열한 냉매는 실외팽창밸브(24) 및 수액기(25)를 통과한 후, 각 실내팽창밸브(26)를 통과할 때 팽창되어(감압되어) 실내열교환기(27)로 흐른다. 실내열교환기(27)에서는 냉매가 실내공기로부터 흡열하여 증발하며, 냉각된 실내공기가 실내로 공급된다. 증발한 냉매는 압축기(21)로 흡입되어 압축된다.

난방운전 시에는 사방밸브(22)가 제 2 상태로 설정된다. 이 상태에서 압축기(21)를 운전하면, 실내열교환기(27)가 방열기가 되며, 실외열교환기(23)가 증발기가 되어 냉동사이클이 이루어진다. 구체적으로, 압축기(21)로부터 토출된 초임계상태인 냉매는 각 실내열교환기(27)로 흐르고 실내공기에 방열한다. 이로써, 가열된 실내공기가 실내로 공급된다. 방열한 냉매는 실내팽창밸브(26)를 통과할 때 팽창된다(감압된다). 팽창된 냉매는 수액기(25)를 통과한 후, 실외팽창밸브(24)를 통과할 때 다시 팽창된다(감압된다). 즉, 수액기(25)를 포함한 실외팽창밸브(24)와 실내팽창밸브(26) 사이의 냉매가 중간압 상태로 된다. 실외팽창밸브(24)에서 팽창된 냉매는 실외열교환기(23)로 흐르며, 실외공기로부터 흡열하여 증발한다. 증발한 냉매는 압축기(21)로 흡입되어 압축된다.

<실내팽창밸브의 제어>

다음에, 냉방운전에서의 각 실내팽창밸브(26)의 개방도 제어 동작에 대하여 도 2의 제어블록도를 참조하여 설명한다.

먼저, 실내 리모콘(도시 생략)으로부터 출력된 실내설정온도(Ts)와, 실내기의 실내온도센서(31)로부터 피드백 된 실내온도(Ta)와의 편차(e1)가 연산되며, 상기 목표과열도 결정부(39)로 입력된다. 이 목표과열도 결정부(39)는, 입력된 편차(e1)를 목표과열도(SHs)로 변환하여 출력한다.

상기 목표과열도 결정부(39)가 출력한 목표과열도(SHs)는, 실내기로부터 상기 검출과열도 산출부(40)를 통해 피드백 된 검출과열도(SH)와의 편차(e2)가 연산되고, 상기 밸브제어부(42)에 설치된 PID 제어부(45)로 입력되며, 또, 상기 제어이득 결정부(41)로 입력된다. 즉, 상기 과열도 제어부(44)는, 상기 실내팽창밸브(26)의 개방도 조작량을 결정하기 위한 제어이득에 기초하여 상기 실내팽창밸브(26)의 개방도를 조정하도록 구성된다.

상기 제어이득 결정부(41)는, 미리 기억된 제어이득 함수에 기초하여, 상기 목표과열도(SHs)를 제어이득(g)으로 변환하여 출력한다. 상기 제어이득 결정부(41)는, 상기 제어이득(g)의 설정값을 연산하는 연산수단을 구비한다. 여기서 상기 연산수단이 연산하는 제어이득 함수는, 전술한 도 3에 나타내는 제 1 제어이득 함수라도 되며, 도 4에 나타내는 제 2 제어이득 함수라도 된다. 또 제 2 제어이득 함수는, 상기 목표과열도와 상기 검출과열도 산출부(40)가 산출한 실측 과열도와의 평균값과, 제어이득과의 관계가 미리 정해진 함수이다. 그리고 제 2 제어이득 함수를 이용할 경우에는, 목표과열도(SHs)만이 아니라 검출과열도(SH)를 입력할 필요가 있다.

예를 들어, 상기 제어이득 함수를 제 1 제어이득 함수로 구성했다고 하면, 도 3에 나타내는 바와 같이 상기 목표과열도 결정부(39)가 목표과열도(SHs)를 현재값보다 낮춘 경우, 상기 제어이득 결정부(41)는 현재보다 낮은 제어이득(g)을 출력한다. 한편, 상기 목표과열도 결정부(39)가 목표과열도(SHs)를 현재값보다 높인 경우, 상기 제어이득 결정부(41)는 현재보다 높은 제어이득(g)을 출력한다.

상기 PID 제어부(45)는, 상기 편차(e2)를 상기 실내기의 실내팽창밸브(26)의 개방도 양(EV)으로 변환하여 출력한다. 그리고 상기 개방도 양(EV)은, 상기 제어이득 결정부(41)로부터 입력되는 제어이득(g)에 기초하여 조정된다. 여기서 현재보다 낮은 제어이득(g)이 입력되면, 상기 편차(e2)와 개방도 양(EV)의 비율이 작아지며, 목표과열도(SHs)에 대한 검출과열도(SH)의 응답성은 완만해진다. 한편, 상기 편차(e2)와 개방도 양(EV)의 비율이 커지며, 목표과열도(SHs)에 대한 검출과열도(SH)의 응답성은 신속해진다.

상기 PID 제어부(45)로부터 출력된 개방도 양(EV)은 실내기로 입력되며, 실내팽창밸브(26)의 개방도가 변경된다. 그러면, 제 1 냉매온도센서(32)에서 검지된 출구 냉매온도(Te), 상기 저압압력센서(35)에서 검지된 저압압력(P), 및 실내온도센서(31)에서 검지된 상기 실내온도(Ta)가 변화한다. 그리고 상기 출구 냉매온도(Te) 및 저압압력(P)은 상기 검출과열도 산출부(40)에서 검출과열도(SH)로 변환되며, 상기 편차(e2)를 연산하기 위해 피드백 된다. 한편, 상기 실내온도(Ta)는 상기 편차(e1)를 연산하기 위해 피드백 된다.

이와 같은 제어동작이 반복되어 실내팽창밸브(26)의 개방도가 조정됨으로써, 검출과열도(SH)가 목표과열도(SHs)에 가까워진다.

-실시형태의 효과-

본 실시형태에 따르면, 상기 과열도 제어부(44)는, 목표과열도(SHs)의 변화에 따라, 실내팽창밸브(26)의 개방도 조작 응답성을 변경할 수 있다. 따라서, 상기 목표과열도 결정부(39)가 목표과열도(SHs)를 현재값보다 낮춘 경우에는, 실내팽창밸브(26)의 개방도 조작 응답성이 완만해지므로, 증발기 출구온도도 완만하게 목표 출구온도에 가까워진다. 이로써, 이 증발기 출구온도가 목표 출구온도에 대해 오버슈트 되기 어려워진다. 한편, 목표과열도(SHs)를 현재값보다 높인 경우에는, 실내팽창밸브(26)의 개방도 조작 응답성이 신속해지므로, 증발기 출구온도도 빨리 목표 출구온도에 가까워진다. 이로써, 증발기 출구온도를 신속하게 목표출구온도로 수속시킬 수 있다.

-실시형태의 변형예-

본 실시형태의 변형예는, 도 9에 나타내는 바와 같이 상기 제어이득 결정부(41)와 상기 PID 제어부(45) 사이에, 제어이득 보정수단인 제어이득 보정부(46)가 설치된다.

상기 제어이득 보정부(46)는, 제어이득 결정부(41)의 연산수단이 연산한 제어이득 설정값을 보정하도록 구성되며, 제어이득 설정값의 보정률을 연산하는 보정연산수단을 구비한다. 즉, 상기 제어이득 보정부(46)는, 미리 기억된 제어이득 보정함수에 기초하여 상기 제어이득(g)을 보정하며, 제어이득(g')으로 변환하여 출력한다. 여기서 상기 제어이득(g')은, 상기 목표과열도 결정부(39)로부터 입력되는 목표과열도 편차(제 1 편차)(ΔSHs)에 기초하여 조정된다. 또 상기 제어이득 보정함수는, 전술한 도 5에 나타내는 제 1 제어이득 보정함수라도 되며, 도 6에 나타내는 제 2 제어이득 보정함수라도 되고, 도 7에 나타내는 제 3 제어이득 보정함수라도 된다. 제 2, 제 3 제어이득 보정함수를 이용할 경우에는, 목표과열도(SHs)뿐만이 아니라 검출과열도(SH)를 입력할 필요가 있다.

즉, 상기 제 1 제어이득 보정함수는, 목표과열도 결정부(39)에 의해 변경된 목표과열도와 변경 직전의 목표과열도로부터 얻어지는 편차(제 1 편차)(ΔSHs)와, 제어이득 보정률과의 관계가 미리 정해져 있다.

또 상기 제 2 제어이득 보정함수는, 목표과열도 결정부(39)에서 변경된 목표과열도로부터, 변경 직전의 목표과열도를 감하여 얻어지는 제 1 값과, 변경 직전에 상기 검출과열도 산출부(40)가 산출한 실측과열도로부터, 변경 직전의 목표과열도를 감하여 얻어지는 제 2 값을 구하고, 제 1 값에서 제 2 값을 감하여 얻어지는 편차와 제어이득 보정률과의 관계가 미리 정해져 있다.

또한 상기 제 3 제어이득 보정함수는, 목표과열도 결정부(39)에서 변경된 목표과열도로부터, 이 목표과열도의 변경 시에 상기 검출과열도 산출부(40)가 산출한 실측과열도를 감하여 얻어지는 제 1 값과, 변경 직전의 목표과열도로부터, 변경 직전에 상기 검출과열도 산출부(40)가 산출한 실측과열도를 감하여 얻어지는 제 2 값을 구하고, 제 1 값에서 제 2 값을 감하여 얻어지는 편차와 제어이득 보정률과의 관계가 미리 정해져 있다.

예를 들어, 상기 제어이득 보정함수를 제 1 제어이득 보정함수로 구성했다 하면, 도 5에 나타내는 바와 같이 상기 목표과열도 편차(ΔSHs)가 작을수록 제어이득 보정률은 작아진다. 한편, 상기 목표과열도 편차(ΔSHs)가 클수록 제어이득 보정률은 커진다. 즉, 상기 목표과열도 결정부(39)가 목표과열도(SHs)를 크게 변경한 경우, 보정하지 않으면 제어이득(g)도 급격하게 변화하지만, 상기 제어이득 보정부(46)에서 보정함으로써, 그 급격한 변화를 억제할 수 있다. 따라서 상기 과열도 제어부(44)의 제어 성능을 한층 더 향상시킬 수 있다.

<그 밖의 실시형태>

상기 실시형태에 대해서는, 이하와 같은 구성으로 해도 된다.

상기 실시형태에서는, 상기 제어이득 함수로서 제 1 제어이득 함수 및 제 2 제어이득 함수를 나타냈으나, 이에 한정될 필요는 없으며, 목표과열도가 작아지면 제어이득도 작아지는 다른 함수라도 된다.

상기 실시형태의 변형예에서는, 상기 제어이득 보정함수로서 제 1 제어이득 보정함수, 제 2 제어이득 보정함수 및 제 3 제어이득 보정함수를 나타냈으나, 이에 한정될 필요는 없으며, 목표과열도에 검출과열도가 가까워질수록 제어이득 보정률이 작아지는 다른 함수라도 된다.

또 상기 실시형태에서는, 실내열교환기(27)가 복수 설치된 냉매회로(20)에 대해 설명했으나, 이에 한정될 필요는 없으며, 예를 들어 이 실내열교환기(27)가 1대만 설치된 냉매회로라도, 과열도 제어의 제어 성능을 향상시킬 수 있다.

그리고 이상의 실시형태는 본질적으로 바람직한 예시이며, 본 발명, 그 적용물, 또는 그 용도범위의 제한을 의도하는 것은 아니다.

[산업상 이용 가능성]

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, 팽창밸브에 의한 과열도 제어를 실행하는 냉동장치에 대해 유용하다.

10 : 공기조화장치 20 : 냉매회로
26 : 실내팽창밸브(팽창밸브) 27 : 실내열교환기(증발기)
31 : 실내온도센서 32 : 제 1 냉매온도센서
33 : 제 2 냉매온도센서 35 : 저압압력센서
38 : 제어기 39 : 목표과열도 결정부(변경수단)
40 : 검출과열도 산출부(산출수단)
41 : 제어이득 결정부(제어이득 결정수단)
42 : 밸브제어부
44 : 과열도 제어부(과열도 제어수단)
45 : PID 제어부
46 : 제어이득 보정부(제어이득 보정수단)

Claims

적어도 1개 이상의 증발기(27)와, 이 증발기(27)에 대응하는 팽창밸브(26)가 접속되어 냉동사이클을 실행하는 냉매회로(20)와, 이 냉매회로(20)를 순환하는 냉매의 증발기 출구온도에 기초하여 냉매의 과열도를 산출하는 산출수단(40)과, 산출한 과열도가 목표과열도가 되도록 상기 팽창밸브(26)의 개방도를 조정하는 과열도 제어수단(44)을 구비하는 냉동장치에 있어서,
상기 목표과열도를 변경하는 변경수단(39)이 설치되며,
상기 과열도 제어수단(44)은, 상기 팽창밸브(26)의 개방도 조작량을 결정하기 위한 제어이득에 기초하여 상기 팽창밸브(26)의 개방도를 조정하도록 구성됨과 더불어, 상기 변경수단(39)이 목표과열도를 현재값보다 높일 경우에는 상기 제어이득을 현재보다 높게 설정하며, 목표과열도를 현재 값보다 낮출 경우에는 상기 제어이득을 현재보다 낮게 설정하는 제어이득 설정수단(41)을 구비하고,
상기 제어이득 설정수단(41)은, 상기 목표과열도와 상기 산출수단(40)이 산출한 실측 과열도의 평균값과, 제어이득과의 관계가 미리 정해진 제 2 제어이득 함수에 기초하여, 상기 제어이득의 설정값을 연산하는 연산수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
청구항 1에 있어서,
상기 연산수단으로 연산한 제어이득의 설정값을 보정하는 제어이득 보정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제어이득 보정수단은, 상기 변경수단(39)에 의해 변경된 목표과열도와 변경 직전의 목표과열도로부터 얻어지는 편차와, 제어이득 보정률과의 관계가 미리 정해진 제 1 제어이득 보정함수에 기초하여, 상기 제어이득의 설정값의 보정률을 연산하는 보정연산수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제어이득 보정수단은, 상기 변경수단(39)에 의해 변경된 목표과열도로부터 변경 직전의 목표과열도를 감하여 얻어지는 제 1 값과, 변경 직전에 상기 산출수단(40)이 산출한 실측 과열도로부터 변경 직전의 목표과열도를 감하여 얻어지는 제 2 값을 구하고, 제 1 값에서 제 2 값을 감하여 얻어지는 편차와 제어이득 보정률과의 관계가 미리 정해진 제 2 제어이득 보정함수에 기초하여, 상기 제어이득의 설정값의 보정률을 연산하는 보정연산수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제어이득 보정수단은, 상기 변경수단(39)에 의해 변경된 목표과열도로부터, 이 목표과열도의 변경 시에 상기 산출수단(40)이 산출한 실측 과열도를 감하여 얻어지는 제 1 값과, 변경 직전의 목표과열도로부터, 변경 직전에 상기 산출수단(40)이 산출한 실측 과열도를 감하여 얻어지는 제 2 값을 구하고, 제 1 값에서 제 2 값을 감하여 얻어지는 편차와 제어이득 보정률과의 관계가 미리 정해진 제 3 제어이득 보정함수에 기초하여, 상기 제어이득의 설정값의 보정률을 연산하는 보정연산수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
청구항 1 내지 5 중 어느 하나에 있어서,
상기 냉매는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 냉동장치.
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