KR20130037730A - 팽창 밸브 제어 장치, 열원기 및 팽창 밸브 제어 방법 - Google Patents

Abstract

열원기에 대한 부하나 외적 조건에 관계없이, 팽창 밸브의 개방도를 적정한 개방도로 한다. 팽창 밸브 제어 장치(40)는, 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 냉각수에 의해 응축시키는 응축기와, 응축된 냉매를 증발시키는 동시에 상기 냉매와 냉수를 열교환하는 증발기와, 응축기에 저류된 액상의 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브를 구비한 터보 냉동기의 팽창 밸브(18)의 개방도를 제어하는 것이다. 그리고 팽창 밸브 제어 장치(40)는, 터보 압축기가 흡입하는 냉매의 목표 과열도와 측정 과열도의 차에 기초하여, 팽창 밸브(18)의 개방도를 산출하고, 팽창 밸브(18)를 통과시키는 냉매 유량의 추정값인 계획 CV값에 기초하여, 팽창 밸브(18)의 개방도를 산출하고, 산출한 상기 2개의 팽창 밸브(18)의 개방도로부터, 팽창 밸브 개방도 지령값을 산출한다.

Description

팽창 밸브 제어 장치, 열원기 및 팽창 밸브 제어 방법{EXPANSION VALVE CONTROL DEVICE, HEAT SOURCE MACHINE, AND EXPANSION VALVE CONTROL METHOD}

본 발명은, 팽창 밸브 제어 장치, 열원기 및 팽창 밸브 제어 방법에 관한 것이다.

열원기, 예를 들어 냉동기에는, 압축기에 의해 압축된 후에 응축기에 있어서 응축된 고온 고압의 냉매를 팽창시켜, 저온 저압으로 하기 위한 팽창 밸브가 설치되어 있다. 냉동기가 고효율이며 또한 안정적으로 운용되기 위해서는, 부하나 외적 조건에 따라 팽창 밸브는, 적정한 개방도로 유지될 필요가 있다.

팽창 밸브의 적정한 개방도로부터의 어긋남은, 다음과 같은 문제를 발생시킨다.

팽창 밸브의 개방도가 과대한 경우에는, 냉매 유량이 과대해지고, 냉동기의 동력이 과대해지는 결과, 성적 계수[COP(Coefficient Of Performance)]가 저하되거나, 압축기가 액상의 냉매를 말려 들어가게 하는, 소위, 액 백이 발생하거나, 응축기에서의 과냉각이 불충분하므로 응축기에 있어서 냉매의 일부가 액상으로 되지 않고, 기상인 채로 증발기에 흐르는 가스 바이패스가 발생할 가능성이 있다.

한편, 팽창 밸브의 개방도가 과소한 경우에는, 응축기와 증발기의 압력 차가 과대해지고, 냉동기의 동력이 과대해지는 결과, COP가 저하될 가능성이 있다.

따라서, 터보 냉동기의 냉동 효율을 개선하는 것을 목적으로 하여, 특허문헌 1에는, 흡입 과열도가 소정의 목표 과열도로 되도록 팽창 밸브의 개방도를 제어하는 제어 장치를 터보 냉동기가 구비하고, 제어 장치는, 터보 압축기의 냉매 증기 흡입 유량을 증가측으로 변경한 경우에는 목표 과열도를 감소측으로, 냉매 증기 흡입 유량을 감소측으로 변경한 경우에는 목표 과열도를 증가측으로 변경하는 기술이 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 공기 조화 장치에 있어서, 제어부는, 응축기에 접속된 부하에 따라 설정된 설정 조건으로부터 산출되는 예측 개방도와, 현재의 조건으로부터 산출되는 현재 개방도와, 예측 개방도 및 현재 개방도에 기초하여 산출되고, 팽창 밸브에 부여되는 지시 개방도를 각 시각에 있어서 갖고, 히트 펌프 운전 시에, 예측 개방도가 급격하게 또는 스텝적으로 변화된 경우, 예측 개방도보다도 작은 개방도를 지시 개방도로서 팽창 밸브에 부여하는 기술이 기재되어 있다.

일본 특허 출원 공개 제2010-8013호 공보 일본 특허 출원 공개 제2006-284034호 공보

특허문헌 1에 기재된 기술은, 압축기가 흡입하는 냉매의 온도 및 압력으로부터 압축기가 흡입하는 냉매의 과열도를 산출하고, 냉수의 출구 온도를 제어하는 베인의 개방도 설정값으로부터 목표 과열도를 산출하고, 과열도가 목표 과열도로 되도록 팽창 밸브를 피드백 제어하고 있다. 이로 인해, 특허문헌 1에 기재된 기술은, 냉수의 출구 온도, 냉매의 온도 및 압력 등의 냉동기의 출력 정보만을 사용한 피드백 제어만으로 팽창 밸브를 제어하고 있으므로, 냉수의 입구 온도나 냉수의 유량 등의 냉동기의 부하나 냉각수의 입구 온도나 냉각수의 유량 등의 외적 조건 변동에 대한 추종성이 불충분하였다.

또한, 특허문헌 2에 기재된 기술은, 실기(實機)의 제원과 사전에 설정된 개방도를 산출하기 위한 산출식이나 설정 조건 등의 파라미터와의 사이에 어긋남이 있는 경우, 팽창 밸브를 적정 개방도로 유지할 수 없고, COP의 저하를 억제할 수 없다.

본 발명은, 이러한 사정에 비추어 이루어진 것이며, 열원기에 대한 부하나 외적 조건에 관계없이, 팽창 밸브의 개방도를 적정한 개방도로 할 수 있는 팽창 밸브 제어 장치, 열원기 및 팽창 밸브 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 팽창 밸브 제어 장치, 열원기 및 팽창 밸브 제어 방법은 이하의 수단을 채용한다.

즉, 본 발명의 제1 형태에 관한 팽창 밸브 제어 장치는, 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 열원 매체에 의해 응축시키는 응축기와, 응축된 냉매를 증발시키는 동시에 상기 냉매와 열매체를 열교환하는 증발기와, 상기 응축기에 저류된 액상의 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브를 구비한 열원기의 상기 팽창 밸브의 개방도를 제어하는 팽창 밸브 제어 장치이며, 상기 압축기가 흡입하는 냉매의 과열도의 목표값과 상기 과열도의 측정값의 차에 기초하여, 상기 팽창 밸브의 개방도를 산출하는 제1 산출부와, 상기 팽창 밸브를 통과시키는 냉매 유량의 추정값에 기초하여, 상기 팽창 밸브의 개방도를 산출하는 제2 산출부와, 상기 제1 산출부에 의해 산출된 상기 팽창 밸브의 개방도와 상기 제2 산출부에 의해 산출된 상기 팽창 밸브의 개방도로부터, 상기 팽창 밸브의 개방도를 제어하기 위한 지령값을 산출하는 지령값 산출부를 구비한다.

상기 제1 형태에 따르면, 팽창 밸브 제어 장치는, 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 열원 매체에 의해 응축시키는 응축기와, 응축된 냉매를 증발시키는 동시에 상기 냉매와 열매체를 열교환하는 증발기와, 응축기에 저류된 액상의 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브를 구비한 열원기의 팽창 밸브의 개방도를 제어한다.

그리고 제1 산출부에 의해, 압축기가 흡입하는 냉매의 과열도의 목표값과 상기 과열도의 측정값의 차에 기초하여, 팽창 밸브의 개방도가 산출된다. 또한, 제2 산출부에 의해, 팽창 밸브를 통과시키는 냉매 유량의 추정값에 기초하여, 팽창 밸브의 개방도가 산출된다.

즉, 본 발명은, 제1 산출부에 의해, 팽창 밸브의 개방도를, 열원기에 대한 부하나 외적 조건에 따라 변화되기 쉬운 과열도에 기초하여 피드백 제어하게 되고, 제2 산출부에 의해, 팽창 밸브의 개방도를, 열원기에 대한 부하나 외적 조건에 따라 변화되기 쉬운 냉매 유량의 추정값에 기초하여 피드포워드 제어하게 된다.

또한, 지령값 산출부에 의해, 제1 산출부에서 산출된 팽창 밸브의 개방도와 제2 산출부에서 산출된 팽창 밸브의 개방도로부터, 팽창 밸브의 개방도를 제어하기 위한 지령값이 산출된다.

이와 같이, 상기 제1 형태에 따르면, 피드백 제어에 의한 안정성을 유지하고, 또한 열원기에 있어서의 입력 정보를 사용한 피드포워드 제어를 병용하여 팽창 밸브의 개방도를 제어하므로, 열원기에 대한 부하나 외적 조건에 관계없이, 팽창 밸브의 개방도를 적정한 개방도로 할 수 있다.

또한, 상기 제1 형태의 팽창 밸브 제어 장치는, 상기 과열도의 목표값을, 상기 증발기에 유입되는 열매체의 온도에 기초하여 산출해도 된다.

증발기에 유입되는 열매체의 온도는, 열원기에 대한 부하에 관련된다. 이로 인해, 상기 제1 형태에 따르면, 증발기에 유입되는 열매체의 온도에 기초하여, 과열도의 목표값이 산출되므로, 팽창 밸브의 개방도의 제어에 대하여 효과적인 피드백 제어를 할 수 있다.

또한, 상기 제1 형태의 팽창 밸브 제어 장치는, 상기 과열도의 목표값을, 상기 증발기에 유입되는 열매체의 온도가 낮을수록 크게 산출해도 된다.

과열도가 작으면 압축기가 액상의 냉매를 말려 들어가게 할 가능성이 높아지지만, 증발기에 유입되는 열매체와 냉매의 온도 차가 작으면 과열도는 커지기 어렵다. 따라서, 상기 제1 형태에 따르면, 과열도의 목표값은, 증발기에 유입되는 열매체의 온도가 낮을수록 크게 산출되므로, 압축기의 액상의 냉매의 말려 들어감(액 백)을 방지할 수 있다.

또한, 상기 제1 형태에 관한 팽창 밸브 제어 장치는, 상기 유량을, 상기 증발기에 유입되는 열매체의 온도 및 상기 응축기에 유입되는 열원 매체의 온도 중 적어도 한쪽에 기초하여 산출해도 된다.

팽창 밸브를 통과시키는 냉매 유량은, 열원기에 대한 부하나 외적 조건, 즉, 증발기에 유입되는 열매체의 온도나 응축기에 유입되는 열원 매체의 온도에 의해 변화된다. 이로 인해, 상기 제1 형태에 따르면, 증발기에 유입되는 열매체의 온도 및 응축기에 유입되는 열원 매체의 온도 중 적어도 한쪽에 기초하여, 상기 유량이 산출되므로, 팽창 밸브의 개방도의 제어에 대하여 효과적인 피드포워드 제어를 할 수 있다.

또한, 상기 제1 형태의 팽창 밸브 제어 장치는, 상기 유량을, 상기 증발기에 유입되는 열매체의 온도가 낮을수록 적게 산출되고, 상기 응축기에 유입되는 열원 매체의 온도가 낮을수록 크게 산출해도 된다.

증발기에 유입되는 열매체의 온도가 낮은 경우에는, 열원기의 부하가 작은 경우이며, 냉매 유량은 적어도 된다. 또한, 응축기에 유입되는 열원 매체의 온도가 낮은 경우에는, 응축기 내의 압력이 낮으므로, 팽창 밸브의 상류측의 압력이 낮고, 과냉각도가 작아지므로(비용적이 증가함.), 팽창 밸브의 개방도를 크게 하여 냉매 유량을 크게 할 필요가 있다.

이로 인해, 상기 제1 형태에 따르면, 팽창 밸브를 통과시키는 냉매 유량을, 증발기에 유입되는 열매체의 온도가 낮을수록 적게 산출하고, 응축기에 유입되는 열원 매체의 온도가 낮을수록 크게 산출하므로, 팽창 밸브의 개방도의 피드포워드 제어를 보다 고정밀도로 할 수 있다.

또한, 상기 제1 형태의 팽창 밸브 제어 장치는, 상기 열원기가, 상기 압축기의 냉매의 흡입구와 상기 압축기의 냉매의 배출구 사이를 바이패스하는 바이패스관을 구비하고, 상기 과열도의 측정값을, 상기 증발기로부터 유출된 열매체의 온도와 상기 압축기에 의해 압축되는 냉매의 압력에 기초하여 산출해도 된다.

상기 제1 형태에 따르면, 압축기의 냉매의 흡입구와 압축기의 냉매의 배출구 사이를 바이패스하는 바이패스관을 열원기가 구비함으로써, 압축기의 출구에 있어서의 기상의 냉매와 증발기의 출구에 있어서의 기상의 냉매가 혼합된 냉매가, 압축기에 흡입되게 된다. 그로 인해, 과열도의 측정에, 압축기에 의해 압축되는 냉매의 온도를 사용하면, 상기 혼합된 냉매의 온도, 즉 냉매의 증발기의 출구 온도와 다른 온도를 사용하게 되고, 과열도를 정확하게 측정한 것으로는 되지 않는다.

따라서, 상기 제1 형태는, 냉매의 증발기의 출구 온도와 증발기로부터 유출된 열매체의 온도가 등가라고 하고, 과열도의 측정값을, 증발기로부터 유출된 열매체의 온도와 압축기에 의해 압축되는 냉매의 압력에 기초하여 산출하므로, 열원기가 바이패스관을 구비하고 있어도, 과열도를 고정밀도로 측정할 수 있다.

한편, 본 발명의 제2 형태에 관한 열원기는, 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 열원 매체에 의해 응축시키는 응축기와, 응축된 냉매를 증발시키는 동시에 상기 냉매와 열매체를 열교환하는 증발기와, 상기 응축기에 저류된 액상의 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브와, 상기 기재된 팽창 밸브 제어 장치를 구비한다.

또한, 본 발명의 제3 형태에 관한 팽창 밸브 제어 방법은, 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 열원 매체에 의해 응축시키는 응축기와, 응축된 냉매를 증발시키는 동시에 상기 냉매와 열매체를 열교환하는 증발기와, 상기 응축기에 저류된 액상의 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브를 구비한 열원기의 상기 팽창 밸브의 개방도를 제어하는 팽창 밸브 제어 방법이며, 상기 압축기가 흡입하는 냉매의 과열도의 목표값과 상기 과열도의 측정값의 차에 기초하여, 상기 팽창 밸브의 개방도를 산출하는 제1 공정과, 상기 팽창 밸브를 통과시키는 냉매 유량의 추정값에 기초하여, 상기 팽창 밸브의 개방도를 산출하는 제2 공정과, 상기 제1 공정에 의해 산출된 상기 팽창 밸브의 개방도와 상기 제2 공정에 의해 산출된 상기 팽창 밸브의 개방도로부터, 상기 팽창 밸브의 개방도를 제어하기 위한 지령값을 산출하는 제3 공정을 포함한다.

본 발명에 따르면, 열원기에 대한 부하나 외적 조건에 관계없이, 팽창 밸브의 개방도를 적정한 개방도로 할 수 있다고 하는 우수한 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 터보 냉동기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 베인 개방도 제어부 및 팽창 밸브 개방도 제어부의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 계획 CV값과 냉수 입구 온도 및 냉각수 입구 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 CV값과 팽창 밸브의 개방도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 터보 냉동기의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 베인 개방도 제어부 및 팽창 밸브 개방도 제어부의 구성을 나타내는 블록도이다.

이하에, 본 발명에 관한 팽창 밸브 제어 장치, 열원기 및 팽창 밸브 제어 방법의 일 실시 형태에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.

〔제1 실시 형태〕

이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 대해 설명한다.

도 1은 본 제1 실시 형태에 관한 열원기의 일례인 터보 냉동기(10)의 구성을 나타낸다.

터보 냉동기(10)는, 냉매를 압축하는 터보 압축기(12), 터보 압축기(12)에 의해 압축된 기상의 냉매(가스 냉매)를 열원 매체인 냉각수에 의해 응축시켜 액상의 냉매(액 냉매)로 하는 응축기(14)와, 응축기(14)에 의해 응축된 냉매를 증발시키는 동시에 상기 냉매와 열매체인 냉수를 열교환하는 증발기(16)와, 응축기(14)에 저류된 액 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브(18)를 구비한다.

터보 압축기(12)는, 일례로서 원심식의 2단 압축기이며, 전동 모터에 의해 구동된다. 터보 압축기(12)의 냉매 흡입구에는, 흡입하는 냉매 유량을 제어하는 압축기 입구 베인(20)(IGV)이 설치되어 있어, 터보 압축기(12)의 용량 제어가 가능하게 되어 있다. 또한, 터보 압축기(12)의 냉매 흡입구에는, 압축되는 냉매의 온도(이하, 「압축기 흡입 온도」라 함.)를 측정하는 압축기 흡입 온도 측정부(22) 및 압축되는 냉매의 압력(이하, 「압축기 흡입 압력」이라 함.)을 측정하는 압축기 흡입 압력 측정부(24)가 설치되어 있다.

응축기(14)에는, 냉각수가 흐르는 냉각 전열관(26)이 삽입 관통되어 있다. 응축기(14)에 유입되는 냉각수의 온도(이하, 「냉각수 입구 온도」라 함.)는 냉각수 입구 온도 측정부(28)에 의해 측정되고, 응축기(14)로부터 유출되는 냉각수의 온도(이하, 「냉각수 출구 온도」라 함.)는 냉각수 출구 온도 측정부(30)에 의해 측정된다. 또한, 응축기(14)로부터 유출된 냉각수는, 도시하지 않은 냉각탑에 있어서 외부로 배열된 후에, 다시 응축기(14)로 유도된다.

증발기(16)에는, 외부 부하에 공급되는 냉수를 냉매에 의해 냉각하기 위한 냉수 전열관(32)이 삽입 관통되어 있다. 또한, 증발기(16)에 유입되는 냉수의 온도(이하, 「냉수 입구 온도」라 함.)는 냉수 입구 온도 측정부(34)에 의해 측정되고, 증발기(16)로부터 유출되는 냉수의 온도(이하, 「냉수 출구 온도」라 함.)는 냉수 출구 온도 측정부(36)에 의해 측정된다.

또한, 터보 압축기(12)는, 터보 압축기(12) 전체의 제어를 담당하는 제어 장치(40)를 구비하고 있다. 제어 장치(40)는, 압축기 입구 베인(20)의 개방도를 제어하는 베인 개방도 제어부(42) 및 팽창 밸브(18)의 개방도를 제어하는 팽창 밸브 개방도 제어부(44)를 구비한다.

본 제1 실시 형태에 관한 베인 개방도 제어부(42)는, 냉수 출구 온도에 기초한 피드백 제어에 의해, 압축기 입구 베인(20)의 개방도를 제어하기 위한 지령값(이하, 「베인 개방도 지령값」이라 함.)을 산출한다.

본 제1 실시 형태에 관한 팽창 밸브 개방도 제어부(44)는, 터보 압축기(12)가 흡입하는 냉매의 과열도의 목표값과 상기 과열도의 측정값의 차에 기초하여, 팽창 밸브(18)의 개방도를 산출하고, 팽창 밸브(18)를 통과시키는 냉매 유량의 추정값인 계획 CV값에 기초하여, 팽창 밸브(18)의 개방도를 산출한다. 그리고 팽창 밸브 개방도 제어부(44)는, 산출한 상기 2개의 팽창 밸브(18)의 개방도로부터, 팽창 밸브(18)의 개방도를 제어하기 위한 지령값(이하, 「팽창 밸브 개방도 지령값」이라 함.)을 산출한다.

즉, 본 제1 실시 형태에 관한 팽창 밸브 개방도 제어부(44)는, 팽창 밸브(18)의 개방도를, 터보 냉동기(10)에 대한 부하나 외적 조건에 따라 변화되기 쉬운 과열도에 기초하여 피드백 제어하고, 터보 냉동기(10)에 대한 부하나 외적 조건에 따라 변화되기 쉬운 냉매 유량의 추정값인 계획 CV값에 기초하여 피드포워드 제어하게 된다.

도 2는 본 제1 실시 형태에 관한 베인 개방도 제어부(42) 및 팽창 밸브 개방도 제어부(44)의 구성을 나타내는 블록도이다.

베인 개방도 제어부(42)는, 냉수 출구 온도 목표값 설정부(50), 감산부(52) 및 PI 제어부(54)를 구비하고 있다.

냉수 출구 온도 목표값 설정부(50)는, 냉수 출구 온도의 목표값의 설정을 행하고, 설정된 상기 목표값을 감산부(52)에 출력한다. 또한, 냉수 출구 온도의 목표값은, 예를 들어, 터보 냉동기(10)의 조작자에 의해 도시하지 않은 조작 입력부를 통해 입력되고, 상기 입력된 목표값이 설정값으로 된다.

감산부(52)는, 냉수 출구 온도 측정부(36)에 의해 측정된 냉수 출구 온도가 입력되고, 상기 냉수 출구 온도로부터 냉수 출구 온도의 목표값을 감산하고, 감산 결과를 PI 제어부(54)에 출력한다.

PI 제어부(54)는, 감산부(52)로부터 입력된 감산 결과에 기초하여, 베인 개방도 지령값을 산출하고, 압축기 입구 베인(20)에 출력한다. 압축기 입구 베인(20)은, 베인 개방도 지령값이 입력되면, 상기 베인 개방도 지령값에 따라 개방도를 변경한다.

이와 같이, 베인 개방도 제어부(42)는, 냉수 출구 온도에 기초한 피드백 제어에 의해, 베인 개방도 지령값을 산출한다.

한편, 본 제1 실시 형태에 관한 팽창 밸브 개방도 제어부(44)는, 목표 과열도 산출부(60), 과열도 산출부(62), 감산부(64), PI 제어부(66), 계획 CV값 산출부(68), 팽창 밸브 개방도 산출부(70) 및 가산부(72)를 구비한다.

목표 과열도 산출부(60)는, 냉수 입구 온도 측정부(34)에 의해 측정된 냉수 입구 온도에 기초하여 과열도의 목표값(이하, 「목표 과열도」라 함.)을 산출한다.

보다 구체적으로는, 목표 과열도 산출부(60)는, 냉수 입구 온도가 낮을수록 목표 과열도를 크게 산출한다. 이 이유를 이하에 설명한다.

터보 냉동기(10)는, COP를 최대로 하기 위해서는 증발기(16) 출구의 과열도를 0(제로)으로 하는 운전을 행하는 것이 바람직하다. 그러나 과열도를 0으로 하면, 액 백이 발생할 가능성이 높아지고, 액 백이 발생하면 터보 압축기(12)의 동력이 증가하고, 터보 냉동기(10)는, 과부하 트립을 일으킬 가능성이 있다.

액 백을 방지하기 위해서는, 냉매의 포화 상태까지의 여유도를 얻기 위해 과열도를 확보할 필요가 있지만, 증발기(16)에 유입되는 냉수와 냉매의 온도 차가 작으면 과열도는 커지기 어렵다. 따라서, 목표 과열도 산출부(60)는, 목표 과열도를, 증발기(16)에 유입되는 냉수의 온도가 낮을수록 크게 산출한다.

또한, 목표 과열도 산출부(60)는, 터보 냉동기(10)의 특성에 따른, 목표 과열도와 냉수 입구 온도의 관계를 나타내는 테이블 정보 또는 함수 정보를 미리 기억하고 있고, 상기 테이블 정보 또는 함수 정보에 기초하여 목표 과열도를 산출한다.

과열도 산출부(62)는, 압축기 흡입 온도 측정부(22)에서 측정한 압축기 흡입 온도[냉매의 증발기(16)의 출구 온도] 및 압축기 흡입 압력 측정부(24)에서 측정한 압축기 흡입 압력에 기초하여, 과열도의 측정값(이하, 「측정 과열도」라 함.)을 산출한다.

또한, 과열도 산출부(62)는, 예를 들어 p―h 선도(몰리에르 선도) 등의 물성 정보를 미리 기억하고 있고, 압축기 흡입 온도, 압축기 흡입 압력, 상기 정보 및 기억하고 있는 물성 정보로부터 측정 과열도를 산출한다.

감산부(64)는, 목표 과열도 산출부(60)에 의해 산출된 목표 과열도와 과열도 산출부(62)에 의해 산출된 측정 과열도가 입력되고, 측정 과열도로부터 목표 과열도를 감산하고, 감산 결과를 PI 제어부(66)에 출력한다.

PI 제어부(66)는, 감산부(64)로부터 입력된 감산 결과에 기초하여, 팽창 밸브(18)의 개방도를 산출하고, 가산부(72)에 출력한다.

이와 같이, 본 제1 실시 형태에 관한 팽창 밸브 개방도 제어부(44)는, 목표 과열도 산출부(60), 과열도 산출부(62), 감산부(64) 및 PI 제어부(66)에 의해, 팽창 밸브(18)의 개방도를 과열도에 기초하여 피드백 제어하게 된다.

한편, 계획 CV값 산출부(68)는, 냉수 입구 온도 측정부(34)에 의해 측정된 냉수 입구 온도 및 냉각수 입구 온도 측정부(28)에 의해 측정된 냉각수 입구 온도에 기초하여, 계획 CV값을 산출한다.

도 3은 본 제1 실시 형태에 관한 계획 CV값과 냉수 입구 온도 및 냉각수 입구 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.

또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 본 제1 실시 형태에 관한 계획 CV값 산출부(68)는, 계획 CV값을, 냉수 입구 온도가 낮을수록 적게 산출하고, 냉각수 입구 온도가 낮을수록 크게 산출한다.

냉수 입구 온도가 낮을수록 계획 CV값을 적게 하는 이유는, 냉수 입구 온도가 낮은 경우라 함은, 터보 냉동기(10)의 부하가 작은 경우를 말하며, 냉수의 유량은 적어도 되기 때문이다. 한편, 냉각수 입구 온도가 낮을수록 계획 CV값을 크게 하는 이유는, 냉각수 입구 온도가 낮은 경우, 응축기(14) 내의 압력이 낮으므로, 팽창 밸브(18)의 상류측의 압력이 낮고, 과냉각도가 작아지므로(비용적이 증가함.), 팽창 밸브(18)의 개방도를 크게 하여 냉매 유량을 크게 하기 위해서이다.

또한, 계획 CV값 산출부(68)는, 도 3에 나타내는 계획 CV값과 냉수 입구 온도 및 냉각수 입구 온도의 관계를 나타내는 정보를 미리 기억하고 있고, 상기 정보에 기초하여 계획 CV값을 산출한다.

팽창 밸브 개방도 산출부(70)는, 계획 CV값 산출부(68)에 의해 산출된 계획 CV값에 기초하여, 팽창 밸브(18)의 개방도를 산출한다. 도 4는 본 제1 실시 형태에 관한 CV값과 팽창 밸브(18)의 개방도의 관계를 나타내는 그래프이며, CV값이 클수록 팽창 밸브(18)의 개방도가 커지는 것을 나타내고 있다.

또한, 팽창 밸브 개방도 산출부(70)는, 도 4에 나타내는 CV값과 팽창 밸브(18)의 개방도를 나타내는 정보를 미리 기억하고 있고, 상기 정보에 기초하여 팽창 밸브(18)의 개방도를 산출한다.

이와 같이, 본 제1 실시 형태에 관한 팽창 밸브 개방도 제어부(44)는, 계획 CV값 산출부(68) 및 팽창 밸브 개방도 산출부(70)에 의해, 팽창 밸브(18)의 개방도를 냉매 유량의 추정값에 기초하여 피드포워드 제어하게 된다.

그리고 가산부(72)는, PI 제어부(66)로부터 입력된 팽창 밸브(18)의 개방도와 팽창 밸브 개방도 산출부(70)로부터 입력된 팽창 밸브(18)의 개방도의 합을, 팽창 밸브 개방도 지령값으로서 산출하고, 팽창 밸브(18)에 출력한다. 팽창 밸브(18)는, 팽창 밸브 개방도 지령값이 입력되면, 상기 팽창 밸브 개방도 지령값에 따라 개방도를 변경한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 제1 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)는, 목표 과열도와 측정 과열도의 차에 기초하여 팽창 밸브(18)의 개방도를 산출하고, 계획 CV값에 기초하여 팽창 밸브(18)의 개방도를 산출하고, 산출한 상기 2개의 팽창 밸브(18)의 개방도로부터, 팽창 밸브 개방도 지령값을 산출한다.

이와 같이, 본 제1 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)는, 피드백 제어에 의한 안정성을 유지하고, 또한 터보 냉동기(10)에 있어서의 입력 정보를 사용한 피드포워드 제어를 병용하여 팽창 밸브(18)의 개방도를 제어하므로, 터보 냉동기(10)에 대한 부하나 외적 조건에 관계없이, 팽창 밸브(18)의 개방도를 적정한 개방도로 할 수 있다.

또한, 본 제1 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)는, 터보 냉동기(10)에 대한 부하에 관련되는 냉수 입구 온도에 기초하여, 목표 과열도를 산출하므로, 팽창 밸브(18)의 개방도의 제어에 대하여 효과적인 피드백 제어를 할 수 있다.

또한, 본 제1 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)는, 목표 과열도를, 냉수 입구 온도가 낮을수록 크게 산출하므로, 터보 압축기(12)의 액상의 냉매의 말려 들어감(액 백)을 방지할 수 있다.

또한, 본 제1 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)는, 냉수 입구 온도 및 냉각수 입구 온도에 기초하여, 계획 CV값을 산출하므로, 부하나 외적 조건에 따른, 팽창 밸브(18)의 개방도의 제어에 대하여 효과적인 피드포워드 제어를 할 수 있다.

또한, 본 제1 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)는, 계획 CV값을, 냉수 입구 온도가 낮을수록 적게 산출하고, 냉각수 입구 온도가 낮을수록 크게 산출하므로, 팽창 밸브(18)의 개방도의 피드포워드 제어를 보다 고정밀도로 할 수 있다.

〔제2 실시 형태〕

이하, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해 설명한다.

도 5는 본 제2 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)의 구성을 나타낸다. 또한, 도 5에 있어서의 도 1과 동일한 구성 부분에 대해서는 도 1과 동일한 부호를 부여하여, 그 설명을 생략한다.

본 제2 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)는, 터보 압축기(12)의 냉매의 흡입구와 터보 압축기(12)의 냉매의 배출구 사이[응축기(14)의 기상부와 증발기(16)의 기상부 사이]를 바이패스하는 핫 가스 바이패스관(80)을 구비하고 있다. 그리고 핫 가스 바이패스관(80)은, 핫 가스 바이패스관(80) 내를 흐르는 냉매 유량을 제어하기 위한 핫 가스 바이패스 밸브(82)가 설치되어 있다.

본 제2 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)는, 핫 가스 바이패스 밸브(82)에 의해 핫 가스 바이패스 유량이 조정됨으로써, 압축기 입구 베인(20)에서는 제어가 충분하지 않은 매우 작은 영역의 용량 제어가 가능하게 되어 있다.

핫 가스 바이패스관(80)을 터보 냉동기(10)가 구비함으로써, 터보 압축기(12)의 출구에 있어서의 기상의 냉매와 증발기(16)의 출구에 있어서의 기상의 냉매가 혼합된 냉매가, 터보 압축기(12)에 흡입되게 된다. 그로 인해, 과열도의 측정에, 터보 압축기(12)에 의해 압축되는 냉매의 온도를 사용하면, 상기 혼합된 냉매의 온도, 즉 냉매의 증발기(16)의 출구 온도와 다른 온도를 사용하게 되고, 과열도를 정확하게 측정한 것으로는 되지 않는다.

따라서, 본 제2 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)는, 냉매의 증발기(16)의 출구 온도와 냉수 출구 온도가 등가라고 하고, 측정 과열도를, 냉수 출구 온도와 압축기 흡입 압력에 기초하여 산출한다.

도 6은 본 제2 실시 형태에 관한 베인 개방도 제어부(42) 및 팽창 밸브 개방도 제어부(44)의 구성을 나타낸다. 또한, 도 6에 있어서의 도 2와 동일한 구성 부분에 대해서는 도 2와 동일한 부호를 부여하여, 그 설명을 생략한다.

본 제2 실시 형태에 관한 팽창 밸브 개방도 제어부(44)는, 제1 실시 형태에 관한 팽창 밸브 개방도 제어부(44)가 구비하고 있는 과열도 산출부(62) 대신에 압축기 흡입 포화 온도 산출부(84)를 구비한다.

압축기 흡입 포화 온도 산출부(84)는, 압축기 흡입 압력 측정부(30)에 의해 측정된 압축기 흡입 압력에 기초하여, 압축기에 흡입되는 냉매의 포화 온도(이하, 「압축기 흡입 포화 온도」라 함.)를 산출한다.

압축기 흡입 포화 온도 산출부(84)는, 냉매의 압력과 포화 온도의 관계를 나타낸 물성 정보를 미리 기억하고 있고, 압축기 흡입 압력과 상기 물성 정보에 기초하여 압축기 흡입 포화 온도를 산출한다.

또한, 본 제2 실시 형태에 관한 팽창 밸브 개방도 제어부(44)는, 감산부(86)를 구비한다.

감산부(86)는, 압축기 흡입 포화 온도 산출부(84)에 의해 산출된 압축기 흡입 포화 온도와 냉수 출구 온도 측정부(36)에 의해 측정된 냉수 출구 온도가 입력되고, 냉수 출구 온도로부터 압축기 흡입 포화 온도를 감산함으로써 측정 과열도를 산출한다.

감산부(64)는, 목표 과열도 산출부(60)에 의해 산출된 목표 과열도와 감산부(86)에 의해 산출된 측정 과열도가 입력되고, 측정 과열도로부터 목표 과열도를 감산하고, 감산 결과를 PI 제어부(66)에 출력한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 제2 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)는, 측정 과열도를, 냉수 출구 온도와 압축기 흡입 압력에 기초하여 산출하므로, 핫 가스 바이패스관(80)을 구비하고 있어도, 과열도를 고정밀도로 측정할 수 있다.

이상, 본 발명을, 상기 각 실시 형태를 이용하여 설명하였지만, 본 발명의 기술적 범위는 상기 각 실시 형태에 기재된 범위에는 한정되지 않는다. 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 상기 각 실시 형태에 다양한 변경 또는 개량을 가할 수 있고, 상기 변경 또는 개량을 가한 형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

예를 들어, 상기 각 실시 형태에서는, 냉수 입구 온도 및 냉각수 입구 온도를 사용하여 계획 CV값을 산출하는 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은, 이것에 한정되는 것이 아니라, 냉수 입구 온도 및 냉각수 입구 온도 중 어느 한쪽만을 사용하여 계획 CV값을 산출하는 형태로 해도 된다.

또한, 상기 각 실시 형태에서는, 응축기(14)에 삽입 관통되는 냉각 전열관(26) 내를 흐르는 열원 매체를 냉각수로 하는 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은, 이것에 한정되는 것이 아니라, 열원 매체를 기체(외기)로 하고, 응축기를 공기 열교환기로 하는 형태로 해도 된다. 이 형태의 경우, 냉각수 입구 온도 측정부(28) 대신에, 열원 매체인 기체(외기)를 측정하는 측정부를 구비하고, 상기 각 실시 형태에서 사용한 냉각수 입구 온도 대신에 상기 측정한 기체의 온도를 사용한다.

또한, 상기 각 실시 형태에서는, 냉동 운전을 행하는 터보 냉동기(10)에 본 발명을 적용한 경우에 대해 설명하였지만, 이에 한정하지 않고, 본 발명을 히트 펌프 운전도 가능한 히트 펌프식 터보 냉동기에 적용해도 된다.

또한, 상기 각 실시 형태에서는, 터보 냉동기(10)를, 원심 압축기를 사용한 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니라, 다른 압축 형식이어도 적용할 수 있고, 예를 들어 스크류 압축기를 사용한 스크류 히트 펌프여도 된다.

10 : 터보 냉동기
12 : 터보 압축기
14 : 응축기
16 : 증발기
18 : 팽창 밸브
28 : 냉각수 입구 온도 측정부
34 : 냉수 입구 온도 측정부
36 : 냉수 출구 온도 측정부
40 : 제어 장치
44 : 팽창 밸브 개방도 제어부
80 : 핫 가스 바이패스관

Claims (8)

1. 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 열원 매체에 의해 응축시키는 응축기와, 응축된 냉매를 증발시키는 동시에 상기 냉매와 열매체를 열교환하는 증발기와, 상기 응축기에 저류된 액상의 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브를 구비한 열원기의 상기 팽창 밸브의 개방도를 제어하는 팽창 밸브 제어 장치이며,
   상기 압축기가 흡입하는 냉매의 과열도의 목표값과 상기 과열도의 측정값의 차에 기초하여, 상기 팽창 밸브의 개방도를 산출하는 제1 산출부와,
   상기 팽창 밸브를 통과시키는 냉매 유량의 추정값에 기초하여, 상기 팽창 밸브의 개방도를 산출하는 제2 산출부와,
   상기 제1 산출부에 의해 산출된 상기 팽창 밸브의 개방도와 상기 제2 산출부에 의해 산출된 상기 팽창 밸브의 개방도로부터, 상기 팽창 밸브의 개방도를 제어하기 위한 지령값을 산출하는 지령값 산출부를 구비한, 팽창 밸브 제어 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 과열도의 목표값은, 상기 증발기에 유입되는 열매체의 온도에 기초하여 산출되는, 팽창 밸브 제어 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 과열도의 목표값은, 상기 증발기에 유입되는 열매체의 온도가 낮을수록 크게 산출되는, 팽창 밸브 제어 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유량은, 상기 증발기에 유입되는 열매체의 온도 및 상기 응축기에 유입되는 열원 매체의 온도 중 적어도 한쪽에 기초하여 산출되는, 팽창 밸브 제어 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 유량은, 상기 증발기에 유입되는 열매체의 온도가 낮을수록 적게 산출되고, 상기 응축기에 유입되는 열원 매체의 온도가 낮을수록 크게 산출되는, 팽창 밸브 제어 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열원기는, 상기 압축기의 냉매의 흡입구와 상기 압축기의 냉매의 배출구 사이를 바이패스하는 바이패스관을 구비하고,
   상기 과열도의 측정값은, 상기 증발기로부터 유출된 열매체의 온도와 상기 압축기에 의해 압축되는 냉매의 압력에 기초하여 산출되는, 팽창 밸브 제어 장치.
7. 냉매를 압축하는 압축기와,
   압축된 냉매를 열원 매체에 의해 응축시키는 응축기와,
   응축된 냉매를 증발시키는 동시에 상기 냉매와 열매체를 열교환하는 증발기와,
   상기 응축기에 저류된 액상의 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브와,
   제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 팽창 밸브 제어 장치를 구비한, 열원기.
8. 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 열원 매체에 의해 응축시키는 응축기와, 응축된 냉매를 증발시키는 동시에 상기 냉매와 열매체를 열교환하는 증발기와, 상기 응축기에 저류된 액상의 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브를 구비한 열원기의 상기 팽창 밸브의 개방도를 제어하는 팽창 밸브 제어 방법이며,
   상기 압축기가 흡입하는 냉매의 과열도의 목표값과 상기 과열도의 측정값의 차에 기초하여, 상기 팽창 밸브의 개방도를 산출하는 제1 공정과,
   상기 팽창 밸브를 통과시키는 냉매 유량의 추정값에 기초하여, 상기 팽창 밸브의 개방도를 산출하는 제2 공정과,
   상기 제1 공정에 의해 산출된 상기 팽창 밸브의 개방도와 상기 제2 공정에 의해 산출된 상기 팽창 밸브의 개방도로부터, 상기 팽창 밸브의 개방도를 제어하기 위한 지령값을 산출하는 제3 공정을 포함하는, 팽창 밸브 제어 방법.

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