WO2023209969A1 - 空気調和装置 - Google Patents

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WO2023209969A1
WO2023209969A1 PCT/JP2022/019332 JP2022019332W WO2023209969A1 WO 2023209969 A1 WO2023209969 A1 WO 2023209969A1 JP 2022019332 W JP2022019332 W JP 2022019332W WO 2023209969 A1 WO2023209969 A1 WO 2023209969A1
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WO
WIPO (PCT)
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expansion valve
opening degree
opening
control
refrigerant
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/019332
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
雄亮 田代
Original Assignee
三菱電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 三菱電機株式会社 filed Critical 三菱電機株式会社
Priority to PCT/JP2022/019332 priority Critical patent/WO2023209969A1/ja
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/30—Expansion means; Dispositions thereof
    • F25B41/31—Expansion valves

Definitions

  • the present disclosure relates to an air conditioner.
  • cooling and heating can be performed efficiently by controlling the operating frequency of the compressor. Furthermore, in an air conditioner, it is possible to control the cooling capacity and the heating capacity by adjusting the pressure of the refrigerant in response to adjusting the opening degree of the electronic expansion valve.
  • the number of steps in the stepping motor is limited, so if there is no step corresponding to the opening that matches the target opening of the electric expansion valve. There may be cases where the opening degree of the electric expansion valve cannot be finely adjusted.
  • Patent Document 1 in an air conditioner equipped with an electric expansion valve driven by a stepping motor, when controlling the opening degree of the electric expansion valve to a set target opening degree, a step matching the target opening degree is performed. It is described that the following control is executed by a microcomputer when there is no such control. If there is no step that matches the target opening, the microcomputer changes the step of the stepping motor between a step that is one step higher than the set opening and a step that is one step lower than the set opening. By repeatedly changing the opening degree, control is executed so that the average opening degree of the electric expansion valve becomes the set opening degree.
  • Patent Document 1 the control for repeatedly changing the opening degree of the electric expansion valve between a step increased by one step with respect to the target opening degree and a step decreased by one step with respect to the target opening degree is The adjustment width is fixed to one step. As a result, Patent Document 1 has a problem in that the adjustment range of the opening degree of the electric expansion valve is narrow.
  • the air conditioner of the present disclosure is intended to solve the above-mentioned problems, and aims to make it possible to widen the adjustment range of the opening degree when controlling the opening degree of the expansion valve.
  • the air conditioner of the present disclosure includes a refrigerant circuit that includes a compressor, a condenser, an expansion valve, and an evaporator, and that circulates refrigerant, and a control device that controls the refrigerant circuit.
  • the control device controls the expansion valve so that the average opening of the expansion valve becomes the target opening by repeatedly opening and closing the expansion valve between an open state and a closed state.
  • the adjustment range of the opening degree when controlling the opening degree of the expansion valve can be made as wide as possible.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a refrigerant circuit and a control circuit of an air conditioner according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the operating frequency of the compressor and the target opening degree of the expansion valve according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the opening degree and the flow rate of refrigerant in the expansion valve according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing, in a table format, an arithmetic expression used to determine a zero penetration flow rate.
  • 5 is a timing chart showing a first example of an opening/closing control pattern of an expansion valve according to the first embodiment.
  • 7 is a timing chart showing a second example of the opening/closing control pattern of the expansion valve according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a flowchart showing control of an expansion valve according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing in a table format a control method in opening/closing control performed in the first embodiment, an arithmetic expression for the average opening degree, and an example of a control signal.
  • FIG. 7 is a diagram showing, in a table format, a control method, an arithmetic expression for average opening degree, and an example of a control signal in opening/closing control performed by triangular wave control in the second embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing in a table format a control method in opening/closing control performed in the first embodiment, an arithmetic expression for the average opening degree, and an example of a control signal.
  • FIG. 7 is a diagram showing, in a table format, a control method, an arithmetic expression for average opening degree, and an example of a control signal in opening/closing control performed by sine wave control in Embodiment 2; 7 is a flowchart showing control of an expansion valve according to Embodiment 2.
  • FIG. 7 is a diagram showing, in a table format, a control method, an arithmetic expression for average opening degree, and an example of a control signal in opening/closing control performed by sine wave control in Embodiment 2; 7 is a flowchart showing control of an expansion valve according to Embodiment 2.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a refrigerant circuit 10 and a control circuit of an air conditioner 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 1 shows the state of the refrigerant circuit 10 of the air conditioner 100 during heating operation and during heating operation.
  • an air conditioner 100 includes a refrigerant circuit 10 including a first heat exchanger 1, a second heat exchanger 2, a compressor 3, an expansion valve 4, and a flow path switching device 5.
  • the refrigerant circuit 10 is a path for refrigerant used in the air conditioner 100.
  • the direction in which the refrigerant flows during cooling is shown by a solid line arrow, and the direction in which the refrigerant flows during heating is shown by a broken line arrow.
  • the flow path through which the refrigerant flows during cooling is shown by a solid line, and the flow path through which the refrigerant flows during heating is shown by a broken line.
  • the first heat exchanger 1 is an air heat exchanger that exchanges heat between outdoor air and a refrigerant.
  • the first heat exchanger 1 functions as a refrigerant condenser during cooling operation, and functions as a refrigerant evaporator during heating operation.
  • a blower fan is provided near the first heat exchanger 1 to supply air to the first heat exchanger 1.
  • the blower fan has a function of sucking in outdoor air and discharging the air, which has undergone heat exchange with the refrigerant by the first heat exchanger 1, to the outdoors.
  • the second heat exchanger 2 is a water heat exchanger that exchanges heat between water and refrigerant in an indoor unit (not shown).
  • the second heat exchanger 2 functions as a refrigerant evaporator during cooling operation, and functions as a refrigerant condenser during heating operation.
  • a compressor 3 that compresses the refrigerant is provided in the refrigerant path between the first heat exchanger 1 and the second heat exchanger 2.
  • the compressor 3 is driven by, for example, an inverter-controlled motor.
  • An expansion valve 4 is provided in the refrigerant path between the first heat exchanger 1 and the second heat exchanger 2.
  • the expansion valve 4 has a function of reducing the pressure of the refrigerant and expanding it, and is configured, for example, by an electronic expansion valve whose flow rate can be adjusted.
  • the expansion valve 4 can adjust the flow rate of refrigerant in the refrigerant path both during cooling operation and heating operation, and is used to reduce the pressure of the refrigerant and expand it.
  • a path on the discharge side of the compressor 3 in the refrigerant path is connected to either the first heat exchanger 1 or the second heat exchanger 2 via the flow path switching device 5.
  • the flow path switching device 5 switches the flow path through which the refrigerant flows, and is composed of, for example, a four-way valve.
  • the flow path switching device 5 switches the refrigerant flow path so that the path on the discharge side of the compressor 3 is connected to the first heat exchanger 1, as shown by the solid line.
  • the flow path switching device 5 switches the refrigerant flow path so that the path on the discharge side of the compressor 3 is connected to the second heat exchanger 2, as shown by the broken line.
  • the control device 9 includes a CPU (Central Processing Unit) 91, a memory 92 (ROM (Read Only Memory) and RAM (Random Access Memory)), an input/output buffer (not shown) for inputting and outputting various signals, and the like. It consists of: In the control device 9, various electronic components are mounted on a control board. The control board is necessary for controlling various devices such as a plurality of input ports used for inputting signals such as detection signals of various sensors, and control signals for the expansion valve 4, flow path switching device 5, and compressor 3, for example. and a plurality of output ports used for outputting signals.
  • the CPU 91 expands the program stored in the ROM into a RAM or the like and executes it.
  • the program stored in the ROM is a program in which the processing procedure of the control device 9 is written.
  • the control device 9 executes control of each device in the air conditioner 100 according to these programs. This control is not limited to processing by software, but can also be performed by dedicated hardware (electronic circuit).
  • the air conditioner 100 is provided with various sensors that detect operating data that indicates the operating state.
  • the following sensors are provided.
  • a discharge temperature sensor 21 that detects the discharge temperature T that is the temperature of the refrigerant discharged from the compressor 3
  • a pressure sensor 23 that detects the pressure P in the pipes in the refrigerant circuit 10.
  • the compressor 3 is provided with a frequency sensor 22 that detects the operating frequency F of the compressor 3.
  • the air conditioner 100 is provided with the following sensors as sensors that detect data indicating the operating state.
  • the first heat exchanger 1 is provided with a heat exchanger temperature sensor that detects the temperature of the first heat exchanger 1.
  • the heat exchanger temperature sensor detects the temperature of frost attached to the first heat exchanger 1.
  • An inlet temperature sensor is provided on the inlet side of the second heat exchanger 2 to detect the temperature of the refrigerant.
  • An outlet temperature sensor is provided on the outlet side of the second heat exchanger 2 to detect the temperature of the refrigerant.
  • a detection signal of the discharge temperature T detected by the discharge temperature sensor 21, a detection signal of the pipe internal pressure P detected by the pressure sensor 23, and a detection signal of the operating frequency F detected by the frequency sensor 22 are shown as representative examples. Detection signals from various sensors are input to the control device 9 .
  • the control device 9 provides control signals to each of the compressor 3, expansion valve 4, and flow path switching device 5.
  • the control device 9 controls the operating frequency of the compressor 3 based on the control signal.
  • the control device 9 controls the opening degree of the expansion valve 4 based on the control signal.
  • the control device 9 controls switching of the flow path of the flow path switching device 5 based on the control signal.
  • the expansion valve 4 includes a valve body 40 that is a valve structure, a motor 41 that operates the valve body 40, and a drive device 42 that drives the motor 41.
  • Motor 41 is a stepping motor.
  • the control device 9 supplies a control signal to the drive device 42 .
  • the drive device 42 rotates the motor 41 one step at a time in response to a control signal received from the control device 9. By rotationally driving the motor 41 one step at a time, the opening degree of the valve body 40 is changed one step at a time.
  • the control device 9 controls the flow path in the flow path switching device 5 to become a flow path as shown by the solid line in the figure.
  • the expansion valve 4 is opened by the control device 9 in accordance with the operating frequency F detected by the frequency sensor 22, the discharge temperature T detected by the discharge temperature sensor 21, and the internal pressure P detected by the pressure sensor 23. degree is controlled.
  • the high-temperature, high-pressure gas refrigerant compressed and discharged by the compressor 3 flows into the first heat exchanger 1 through the flow path switching device 5.
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant that has flowed into the first heat exchanger 1 radiates heat to outdoor air and the like, and is condensed to become a high-pressure liquid refrigerant.
  • the high-pressure liquid refrigerant flowing out from the first heat exchanger 1 flows into the expansion valve 4, is expanded and depressurized, and becomes a low-temperature, low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant.
  • the gas-liquid two-phase refrigerant flowing out of the expansion valve 4 flows into the second heat exchanger 2 .
  • the gas-liquid two-phase refrigerant that has flowed into the second heat exchanger 2 exchanges heat with water, evaporates, and becomes a low-temperature, low-pressure gas refrigerant.
  • the gas refrigerant flowing out of the second heat exchanger 2 is sucked into the compressor 3 via the flow path switching device 5 and is compressed again.
  • the control device 9 controls the flow path in the flow path switching device 5 to become a flow path as shown by the broken line.
  • the expansion valve 4 is opened by the control device 9 in accordance with the operating frequency F detected by the frequency sensor 22, the discharge temperature T detected by the discharge temperature sensor 21, and the internal pressure P detected by the pressure sensor 23. degree is controlled.
  • the high-temperature, high-pressure gas refrigerant compressed and discharged by the compressor 3 flows into the second heat exchanger 2 through the flow path switching device 5.
  • the high-temperature, high-pressure refrigerant that has flowed into the second heat exchanger 2 radiates heat to water and is condensed to become a high-pressure liquid refrigerant.
  • the high-pressure liquid refrigerant flowing out of the second heat exchanger 2 flows into the expansion valve 4, is expanded and depressurized, and becomes a low-temperature, low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant.
  • the gas-liquid two-phase refrigerant flowing out of the expansion valve 4 flows into the first heat exchanger 1 .
  • the gas-liquid two-phase refrigerant that has flowed into the first heat exchanger 1 exchanges heat with outdoor air, evaporates, and becomes a low-temperature, low-pressure gas refrigerant.
  • the gas refrigerant flowing out of the first heat exchanger 1 is sucked into the compressor 3 via the flow path switching device 5 and is compressed again.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the operating frequency of the compressor 3 and the target opening degree of the expansion valve 4 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the opening degree and the flow rate of refrigerant in the expansion valve 4 according to the first embodiment.
  • control device 9 increases the target opening degree of the expansion valve 4 in accordance with the increase in the operating frequency of the compressor 3. The reason is that when the operating frequency of the compressor 3 increases, the flow rate of refrigerant in the refrigerant circuit 10 increases.
  • the control device 9 increases the target opening degree of the expansion valve 4 in order to correspond to the increase in the flow rate of refrigerant in the refrigerant circuit 10.
  • the discharge temperature T detected by the discharge temperature sensor 21 and the inside of the piping detected by the pressure sensor 23 are controlled.
  • the target opening degree is corrected according to the pressure P. For example, when the discharge temperature T is higher than the target discharge temperature, the target opening degree is corrected to be smaller in order to lower the discharge temperature T to the target temperature. Further, the target opening degree is corrected according to the operating state of the air conditioner 100 so that the pipe internal pressure P becomes the target pressure.
  • the control device 9 basically determines the target opening degree of the expansion valve 4 according to the operating frequency F of the compressor 3.
  • the target opening degree is determined by correcting the degree. In this way, the control device 9 determines the target according to the operating frequency F detected by the frequency sensor 22, the discharge temperature T detected by the discharge temperature sensor 21, and the pipe internal pressure P detected by the pressure sensor 23.
  • the opening degree is determined, and a control signal is output to the drive device 42 to drive the motor 41 so that the expansion valve 4 is operated so that the opening degree of the expansion valve 4 becomes the target opening degree.
  • the state in which the flow rate of the refrigerant increases and the descending liquid film of lubricating oil decreases is called zero penetration.
  • the flow rate of the refrigerant at zero penetration is called the zero penetration rate.
  • the flow rate of the refrigerant in the state of zero penetration is called the zero penetration flow rate.
  • the operating frequency of the compressor 3 necessary to obtain the refrigerant speed and flow rate in the zero penetration state is called the zero penetration frequency.
  • the compressor 3 If the compressor 3 is operated at a low frequency below the zero penetration frequency, the refrigerant flow rate will not exceed the zero penetration flow rate, the refrigerant flow rate will not exceed the zero penetration speed, and lubricating oil will stagnate in the piping of the refrigerant circuit 10. This makes it difficult for the compressor to return to the compressor 3.
  • the expansion valve 4 when the compressor 3 is operated at an operating frequency that does not cause the refrigerant flow rate to exceed the zero penetration speed, that is, the expansion valve 4 is controlled at a target opening that does not exceed the zero penetration flow rate.
  • opening/closing control is performed to control the expansion valve 4 so that the average opening of the expansion valve 4 becomes the target opening by repeatedly opening and closing the expansion valve 4 between an open state and a closed state. explain.
  • the maximum opening of the expansion valve 4 when the average opening of the expansion valve 4 is set as the target opening by repeatedly opening and closing the expansion valve 4 between the open state and the closed state, the maximum opening of the expansion valve 4 must be set to the zero penetration flow rate or more. If the opening degree is set such that a refrigerant flow rate of It seems possible.
  • FIG. 4 is a diagram showing the calculation formula used to determine the zero penetration flow rate in a table format.
  • the calculation formula shown in FIG. 4 is Wallis' experimental formula.
  • the zero penetration flow rate is obtained by first calculating the zero penetration speed Ug using the first calculation formula (1), and then calculating the zero penetration flow rate using the second calculation formula (2).
  • the zero penetration speed Ug is calculated using the gravitational acceleration g, the pipe inner diameter D, the oil density ⁇ oil, the refrigerant gas density ⁇ g, and the constant c. .
  • the pipe inner diameter D is the inner diameter of the pipe through which the refrigerant circulates in the refrigerant circuit 10.
  • the oil density ⁇ oil is the density of the lubricating oil of the compressor 3 in the pipe through which the refrigerant circulates.
  • the refrigerant gas density ⁇ g is the density of the refrigerant in the pipe in which the refrigerant circulates.
  • the constant c is a constant value determined between 0.8 and 1.12 depending on the shape of the piping through which the refrigerant circulates.
  • the pipe inner diameter D, the oil density ⁇ oil, the refrigerant gas density ⁇ g, and the constant c are values determined by the design values of the air conditioner 100. Therefore, the value of the zero penetration speed Ug may vary depending on the specifications of the air conditioner 100.
  • the zero penetration flow rate Gr is calculated using the refrigerant gas density ⁇ g, the pipe cross-sectional area A, the zero penetration speed Ug, and the constant 3600.
  • the pipe cross-sectional area A is the cross-sectional area of the pipe through which the refrigerant circulates, and is obtained from the pipe inner diameter D.
  • the zero penetration speed Ug is obtained by calculation using the first calculation formula.
  • the refrigerant gas density ⁇ g, the pipe cross-sectional area A, and the zero penetration speed Ug are values determined by the design values of the air conditioner 100.
  • FIG. 5 is a timing chart showing a first example of an opening/closing control pattern for the expansion valve 4 according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a timing chart showing a second example of the opening/closing control pattern of the expansion valve 4 according to the first embodiment.
  • the opening/closing control of the expansion valve 4 shown in FIGS. 5 and 6 is executed by the CPU 91 of the control device 9 according to the on/off operation of a control pattern of PWM control using a PWM (Pulse Width Modulation) signal.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • FIGS. 5 and 6 the vertical axis shows the opening degree of the expansion valve 4, and the horizontal axis shows the elapsed time.
  • a solid line indicates an opening/closing control pattern for controlling the opening of the expansion valve 4 so that the average value Lc of the opening of the expansion valve 4, which is indicated by a broken line, becomes the target opening L3. .
  • the following opening/closing control is performed in a cycle T in which the expansion valve 4 opens and closes once.
  • the opening degree of the expansion valve 4 rises from the closed state La to the open state Lb, it continues in the open state Lb for a period t1.
  • the opening degree of the expansion valve 4 falls from the open state Lb to the closed state La, it continues in the closed state La for a period t2.
  • the opening/closing operation within the period T is repeatedly executed as time passes, so that the average value Lc of the opening degree of the expansion valve 4 is controlled to become the target opening degree L3. Ru.
  • the closed state La is a state in which the expansion valve 4 is at a fully closed opening degree L1.
  • the open state Lb is defined as the first opening degree that allows the refrigerant to flow at a zero penetration flow rate that can ensure the return of lubricating oil to the compressor 3 at least as described above, and the expansion valve 4 in the open state Lb. Contamination determined according to the specifications, that is, the minimum second opening that does not cause foreign matter clogging, the opening that is the larger opening ⁇ 2 or more, the maximum opening L2 state. Therefore, the opening degree ⁇ 2 becomes an opening degree that satisfies both the first opening degree and the second opening degree.
  • the opening degree ⁇ 2 is the minimum opening degree necessary to ensure the return of lubricating oil and to prevent foreign matter from clogging the expansion valve 4, and may be referred to as the required opening degree in the following description.
  • the maximum opening degree L2 is set to, for example, an opening degree at which the flow rate of the refrigerant is 5% larger than the opening degree ⁇ 2 .
  • the expansion valve 4 has a fully closed opening degree L1 in the closed state La, which is a fully closed state, and a maximum opening degree in the open state Lb, which is set to ensure return of lubricating oil. It is opened and closed between L2 and L2.
  • the maximum opening degree L2 is set to an opening degree other than an opening degree that is 5% larger than the opening degree ⁇ 2 , if the opening degree is ⁇ 2 or more that allows the refrigerant to flow with zero penetration flow rate. may be done.
  • the duty ratio (t1/T) of the PWM control in FIG. 5 is set to the maximum opening L2.
  • a period t1 during which the multiplication result becomes the target opening degree L3 can be calculated.
  • a period t2 can be determined by subtracting the period t1 from the period T.
  • the target opening degree L3 is less than 50% of the maximum opening degree L2. Therefore, in the first example, the duty ratio (t1/T) of PWM control for setting the average value Lc of the opening degree of the expansion valve 4 to the target opening degree L3 is less than 50%, and the open state Lb of the maximum opening degree L2
  • the period t1 is a shorter opening/closing pattern than the period t2 of the closed state La with the fully closed opening degree L1.
  • the second example shown in FIG. 6 is a control example in which the maximum opening degree L4 is smaller than the maximum opening degree L2 of the first example.
  • the reason why the maximum opening degree L4 of the second example is smaller than the maximum opening degree L2 of the first example is that the above-mentioned required opening degree ⁇ 2 is smaller than that of the first example.
  • the following opening/closing control is performed in a cycle T in which the expansion valve 4 opens and closes once.
  • the open state Lb continues for a longer period t3 than in the first example.
  • the opening degree of the expansion valve 4 falls from the open state Lb to the closed state La
  • the closed state La continues for a period t4 shorter than in the first example.
  • the opening/closing operation within the period T is repeatedly executed as time passes, so that the average value Lc of the opening degree of the expansion valve 4 is controlled to become the target opening degree L3.
  • the open state Lb is an open state in which the expansion valve 4 has a maximum opening L4 set to the required opening ⁇ 2 or more .
  • the maximum opening L4 is set to, for example, an opening at which the flow rate of the refrigerant is 5% larger than the required opening ⁇ 2 .
  • the expansion valve 4 has an opening degree L1 in the closed state La, which is a fully closed state, and an opening degree L4 in the open state Lb, which is set to ensure return of lubricating oil. It opens and closes in between.
  • the duty ratio (t3/T) of the PWM control in FIG. 6 is set to the maximum opening L4.
  • a period t3 during which the multiplication result becomes the target opening degree L3 can be calculated.
  • a period t4 can be determined by subtracting the period t3 from the period T.
  • the target opening degree L3 exceeds 50% of the maximum opening degree L4. Therefore, in the second example, the duty ratio (t3/T) of PWM control for setting the average value Lc of the opening degree of the expansion valve 4 to the target opening degree L3 exceeds 50%, and the maximum opening degree L4 is
  • the opening/closing pattern is such that the period t3 of the state Lb is longer than the period t4 of the closed state La with the fully closed opening degree L1.
  • FIG. 7 is a flowchart showing control of the expansion valve 4 according to the first embodiment.
  • the control shown in FIG. 7 is executed by the CPU 91 of the control device 9.
  • the CPU 91 of the control device 9 executes the following processing in controlling the opening degree of the expansion valve 4.
  • step S1 the target opening degree of the expansion valve 4 is calculated. Specifically, in step S1, the discharge temperature T of the compressor 3 detected by the discharge temperature sensor 21, the operating frequency F of the compressor 3 detected by the frequency sensor 22, and the compressor temperature detected by the pressure sensor 23 are determined. It is calculated using the pipe internal pressure P of No. 3.
  • the target opening degree of the expansion valve 4 can be determined based on the basic correlation between the operating frequency F of the compressor 3 and the target opening degree, which have the correlation shown in FIG. It is corrected by T and the pipe internal pressure P of the compressor 3, and calculated using the corrected correlation.
  • the operating frequency of the compressor 3 used to calculate the target opening degree of the expansion valve 4 may be an operating frequency specified by command data used by the control device 9 to control the compressor 3.
  • step S2 opening degree control is started to control the opening degree of the expansion valve 4 to the target opening degree calculated in step S1.
  • step S3 it is determined whether the target opening degree calculated in step S1 is less than a threshold value.
  • the threshold value is an opening that is greater than or equal to the opening that allows stable return of oil to the compressor 3 in the refrigerant circuit 10, for example, an opening that is 5% larger than the opening that allows a flow rate that allows stable return of oil. It is set at a certain degree. Note that the threshold value is limited to an opening that is 5% larger than the opening that provides a flow rate that allows stable oil return, if the angle is larger than the opening that provides a flow rate that allows stable oil return. I can't do it.
  • step S4 as a control method for controlling the opening and closing of the expansion valve 4, the motor 41 is operated so that the steps of the motor 41 correspond to the target opening degree. Opening degree adjustment control for adjusting the opening degree is selected by driving and stopping 41.
  • step S5 a control signal is outputted to the expansion valve 4 instructing execution of drive control of the expansion valve 4 through opening adjustment control. As a result, the motor 41 is driven, and the opening degree of the expansion valve 4 is controlled to the target opening degree. When the opening degree of the expansion valve 4 reaches the target opening degree, the motor 41 is stopped.
  • step S6 as a control method for controlling the opening and closing of the expansion valve 4, the opening and closing of the expansion valve 4 is repeated by PWM control as described above. Select control.
  • step S7 the above-mentioned required opening degree ⁇ 2 and the opening degree of the open state Lb are determined in the opening/closing control as shown in FIGS. 5 and 6, for example.
  • the opening degree of the open state Lb determined in step S7 is, for example, the first opening degree that can be a zero penetration flow rate calculated from the first calculation formula (1) and the second calculation formula (2), and the opening degree of the expansion valve 4.
  • the larger opening degree is determined as the required opening degree ⁇ 2 , and from the determined required opening degree ⁇ 2 .
  • the opening degree is also determined to be 5% larger. Data for determining such required opening degree ⁇ 2 is stored in advance in the ROM, and is obtained by reading the data from the ROM.
  • the zero penetration flow rate can change depending on, for example, the density of the refrigerant depending on the operating condition.
  • the data of the zero penetration flow rate depending on the operating condition is stored, and the zero penetration flow rate can be changed depending on the operating condition.
  • Data may be selected, and data of zero penetration flow rate during rated operation determined in advance may be used regardless of the operating state. Further, the zero penetration flow rate may be calculated each time step S7 is executed. Further, the contamination that determines the second opening degree may be calculated every time step S7 is executed.
  • the opening degree of the open state Lb determined in step S7 may be set to an opening degree other than the opening degree that is 5% larger than the required opening degree, as long as the opening degree is the required opening degree or more.
  • the required opening degree ⁇ 2 determined in step S7 may be determined to be the first opening degree without comparing the first opening degree and the second opening degree.
  • the second opening degree may be determined without comparing the opening degree.
  • step S8 the average opening degree when opening and closing the expansion valve 4 at a predetermined period T as shown in FIGS. Then, determine the duty ratio (open period/period) in the PWM signal as shown in FIG. 5 and a closed period as shown in period t4 in FIG. 6 are determined.
  • step S9 it is determined whether the open period determined in step S8 is longer than a predetermined period constant A.
  • Such a period constant A is a period during which the refrigerant circulates once in the refrigerant circuit 10.
  • the refrigerant amount M is, for example, a constant amount obtained from a design value.
  • the circulation flow rate G is a flow rate determined according to the operating frequency of the compressor 3.
  • step S9 the expansion valve 4 is opened/closed by determining whether or not the expansion valve 4 is in the open state for a time longer than the time during which the refrigerant circulates once in the refrigerant circuit 10 in one period T of the opening/closing control. It is confirmed whether or not oil is returned in one open state Lb in the control.
  • step S10 the expansion is performed according to the opening determined in step S7 and the open period and closing time determined in step S8.
  • a control signal for driving the expansion valve 4 is outputted to the expansion valve 4 by opening/closing control for opening and closing the valve 4 .
  • the motor 41 is driven, and the opening/closing control in which the expansion valve 4 is repeatedly opened and closed between the closed state La and the open state Lb as shown in FIGS. 5 and 6 is executed, and the average opening is set to the target opening.
  • the expansion valve 4 is controlled so that. By controlling the opening and closing of the expansion valve 4 in this manner, oil return is performed in which the heavy lubricating oil is circulated once in one cycle T in the refrigerant circuit 10.
  • step S11 If it is determined in step S9 that the open period is not longer than the period constant A, then in step S11, the total value of the open period when the expansion valve 4 is opened and closed multiple times is greater than or equal to the period constant A. The number of times the expansion valve 4 is opened is calculated.
  • step S12 control is performed to open and close the expansion valve 4 according to the opening degree determined in step S7 and the opening period and closing time determined in step S8 over the number of openings calculated in step S11.
  • a control signal instructing execution of drive control of the expansion valve 4 is outputted to the expansion valve 4.
  • the motor 41 is driven, and the opening/closing control in which the expansion valve 4 is repeatedly opened and closed between the closed state La and the open state Lb as shown in FIGS. 5 and 6 is performed at least for the number of openings calculated in step S11.
  • the expansion valve 4 is controlled so that the average opening becomes the target opening.
  • FIG. 8 is a diagram showing, in a table format, a control method, an arithmetic expression for the average opening degree, and an example of a control signal in the opening/closing control performed in the first embodiment.
  • opening/closing control is performed using a control method called PWM control, as described above.
  • PWM control a control method
  • the function " ⁇ (t)" in the third arithmetic expression (3) is shown as a function that executes PWM control.
  • the opening/closing control by PWM control is based on the average opening degree ⁇ 0 in one period T of the PWM signal, as shown in the third calculation formula (3) of PWM control shown in FIG. 8, and the first control example and the second control example.
  • Control is executed using the function " ⁇ (t)" to open the expansion valve 4 at a duty ratio such that the opening degree becomes the target opening degree.
  • the maximum opening degree ⁇ 1 of the expansion valve 4 is set to an opening degree greater than or equal to the required opening degree ⁇ 2 in consideration of an opening degree that allows a flow rate greater than or equal to zero penetration flow rate and an opening degree that does not cause foreign matter clogging.
  • the required opening degree ⁇ 2 is the same in the first control example and the second control example, but the average opening degree ⁇ 0 is higher in the second control example than in the first control example.
  • An example of a low value is shown.
  • the duty ratio of the PWM signal becomes the duty ratio (t2/T) in the second control example rather than the duty ratio (t1/T) in the first control example, and the average opening degree ⁇ 0 becomes The second control example is lower than the first control example.
  • the aforementioned opening/closing control of the expansion valve 4 is controlled such that when the target opening of the expansion valve 4 is set to an opening smaller than a threshold value, the average opening of the expansion valve 4 becomes the target opening. Ru.
  • the average opening degree of the expansion valve 4 is the average value of the opening degrees that repeatedly change between the fully closed state and the maximum opening degree that is larger than the necessary opening degree that can ensure a flow rate of more than zero penetration flow rate. Therefore, in controlling the opening and closing of the expansion valve 4, the average opening degree can be controlled over a wider angular range than one drive step of the motor 41.
  • the maximum opening is set to a required opening such that a flow rate higher than the zero penetration flow rate and a flow rate higher than the flow rate capable of preventing foreign matter clogging is obtained. Since the refrigerant flow is controlled at the maximum opening degree, return of the lubricating oil can be ensured, and the expansion valve 4 can be prevented from being clogged with foreign matter.
  • the period during which the opening degree is the maximum is within one cycle of the opening/closing control, or in the total period of multiple cycles, when the refrigerant in the refrigerant circuit 10 is It is secured for a period longer than the period constant A, which is the period of circulation.
  • the target opening degree of the expansion valve 4 is low enough to cause lubricating oil to easily accumulate or foreign matter to become clogged in the expansion valve 4, oil will accumulate. There is a problem in that the operating state of the air conditioner becomes unstable due to the air conditioner being clogged with foreign matter.
  • the target opening degree of the expansion valve 4 is as low as described above, it is possible to ensure the return of lubricating oil and to reliably prevent foreign matter clogging in the expansion valve 4. can.
  • Embodiment 2 an example will be described in which the opening/closing control of the expansion valve 4 described in the first embodiment is executed using a control signal other than the PWM signal. Specifically, in the second embodiment, a first example in which opening/closing control of the expansion valve 4 is executed using a control signal of triangular wave control, and a first example in which opening/closing control of the expansion valve 4 is executed using a control signal of sine wave control. A second example will be explained.
  • FIG. 9 is a diagram showing, in a table format, a control method, an arithmetic expression for the average opening degree, and an example of a control signal in the opening/closing control performed by triangular wave control in the second embodiment.
  • opening/closing control is performed using a control method called triangular wave control.
  • the function " ⁇ (t)" in the fourth arithmetic expression (4) is shown as a function that executes triangular wave control.
  • the average opening degree ⁇ 0 in one period T of the triangular wave signal is the target opening degree.
  • Control in which the expansion valve 4 is opened at such a maximum opening degree is executed by the function " ⁇ (t)".
  • the maximum opening degree ⁇ 1 of the expansion valve 4 is determined such that the opening degree that is 1/2 of the maximum opening degree ⁇ 1 becomes the average opening degree ⁇ 0 .
  • the maximum opening degree ⁇ 1 of the expansion valve 4 may be set to the required opening degree ⁇ 2 or more, taking into account the opening degree that allows a flow rate greater than zero penetration flow rate and the opening degree that prevents foreign matter clogging. desirable.
  • the maximum opening degree ⁇ 1 of the expansion valve 4 is the required opening degree ⁇ 2 , which takes into account the degree of opening at which a flow rate greater than zero penetration flow rate is obtained and the degree of opening at which foreign matter clogging does not occur.
  • An example in which the above opening degree is set is shown.
  • FIG. 10 is a diagram showing, in a table format, a control method, an arithmetic expression for the average opening degree, and an example of a control signal in opening/closing control performed by sine wave control in the second embodiment.
  • opening/closing control is performed using a control method called sine wave control.
  • the function " ⁇ 1 cos 2 ⁇ t" in the fifth arithmetic expression (5) is shown as a function that executes sine wave control.
  • the fifth arithmetic expression (5) may be a function " ⁇ 1 sin 2 ⁇ t".
  • ” in the sixth arithmetic expression (6) is shown as a function that executes sine wave control.
  • the sixth arithmetic expression (6) may be a function “ ⁇ 1
  • These sixth arithmetic expressions (6) are control signals with waveforms of the same shape but different phases. In the second embodiment, since the control signal indicated by "sin” and the control signal indicated by "cos" have the same waveform, these control signals are representatively referred to as a sine wave.
  • opening/closing control performed using a sine wave signal corresponding to the fifth arithmetic expression (5) is shown as a first control example.
  • opening/closing control performed using a sine wave signal corresponding to the sixth arithmetic expression (6) is shown as a second control example.
  • the first control example of opening/closing control using sine wave control is based on one period T of the sine wave signal, as shown in the fifth calculation formula (5) of sine wave control shown in FIG. 10 and the control signal of the first control example.
  • Control is executed using the function " ⁇ 1 cos 2 ⁇ t" so that the expansion valve 4 is opened at the maximum opening such that the average opening ⁇ 0 becomes the target opening.
  • the maximum opening degree ⁇ 1 of the expansion valve 4 is determined such that the opening degree 1/2 of the maximum opening degree ⁇ 1 becomes the average opening degree ⁇ 0 .
  • the maximum opening degree ⁇ 1 of the expansion valve 4 may be set to the required opening degree ⁇ 2 or more, taking into account the opening degree that allows a flow rate greater than zero penetration flow rate and the opening degree that prevents foreign matter clogging. desirable.
  • the second control example of opening/closing control using sine wave control is based on one period T of the sine wave signal, as shown in the sixth arithmetic expression (6) of sine wave control shown in FIG. 10 and the control signal of the second control example.
  • Control is executed using the function " ⁇ 1
  • the maximum opening degree ⁇ 1 of the expansion valve 4 is determined such that the opening degree of 2/ ⁇ of the maximum opening degree ⁇ 1 becomes the average opening degree ⁇ 0 .
  • the maximum opening degree ⁇ 1 of the expansion valve 4 may be set to the required opening degree ⁇ 2 or more, taking into account the opening degree that allows a flow rate greater than zero penetration flow rate and the opening degree that prevents foreign matter clogging. desirable.
  • the maximum opening degree ⁇ 1 of the expansion valve 4 is the required opening degree ⁇ 2 , which takes into account the degree of opening at which a flow rate greater than the zero penetration flow rate is obtained and the degree of opening at which foreign matter clogging does not occur.
  • An example in which the above opening degree is set is shown.
  • FIG. 11 is a flowchart showing control of the expansion valve 4 according to the second embodiment.
  • opening/closing control is executed by triangular wave control
  • opening/closing control is executed by sine wave control
  • the control shown in FIG. 11 is executed by the CPU 91 of the control device 9.
  • the CPU 91 of the control device 9 executes the following processing in controlling the opening and closing of the expansion valve 4.
  • steps S21 to S25 processes similar to steps S1 to S5 described in FIG. 7 of the first embodiment are executed.
  • step S26 an opening/closing control in which the expansion valve 4 is repeatedly opened and closed is selected as the control method for the opening/closing control of the expansion valve 4.
  • step S26 when using the above-mentioned triangular wave control, the opening/closing control in which the expansion valve 4 is repeatedly opened and closed by the triangular wave control is selected.
  • step S26 when using the above-mentioned sine wave control, the opening/closing control in which the expansion valve 4 is repeatedly opened and closed by the sine wave control is selected.
  • step S27 a required opening degree similar to the required opening degree determined in step S7 described in FIG. 7 of the first embodiment is determined.
  • step S28 the maximum opening is determined such that the average opening when opening and closing the expansion valve 4 at a predetermined period T as shown in FIG. 9 or 10 becomes the target opening calculated in step S21. Determine ⁇ 1 and period T.
  • the maximum opening degree ⁇ 1 is determined so that the target opening degree is 1/2 of the maximum opening degree.
  • the maximum opening degree ⁇ 1 is determined such that the target opening degree is 1/2 of the maximum opening degree.
  • the maximum opening degree ⁇ 1 is determined such that the target opening degree is 2/ ⁇ of the maximum opening degree.
  • step S29 it is determined whether the maximum opening degree ⁇ 1 determined in step S28 is larger than the opening degree ⁇ 2 , which is the above-mentioned required opening degree. If the maximum opening degree ⁇ 1 is larger than the required opening degree ⁇ 2 in step S29, in step S30, the period during which the opening degree of the expansion valve 4 is equal to or greater than the required opening degree ⁇ 2 in one cycle T is determined to be the above-mentioned period. It is determined whether the period is longer than constant A.
  • step S32 If the period in which the opening degree of the expansion valve 4 is equal to or greater than the required opening degree ⁇ 2 in step S30 is longer than the period constant A, in step S32, the maximum opening degree ⁇ 1 determined in step S28 and the period are determined.
  • a control signal for driving the expansion valve 4 is outputted to the expansion valve 4 by opening/closing control by T.
  • the motor 41 is driven, and opening/closing control is executed in which the expansion valve 4 is repeatedly opened and closed between the closed state and the open state, and the expansion valve 4 is controlled so that the average opening degree ⁇ 0 becomes the target opening degree. be done.
  • oil return is performed in which the heavy lubricating oil is circulated once in one cycle T in the refrigerant circuit 10.
  • step S32 when using the above-mentioned triangular wave control, opening/closing control is executed using the triangular wave control as shown in FIG. 9 using the maximum opening degree ⁇ 1 and period T determined in step S28.
  • step S32 when using the first control example of the sine wave control described above, opening/closing control is performed using the sine wave control as shown in the first control example of FIG. 10 using the maximum opening degree ⁇ 1 and period T determined in step S28. Execute.
  • step S32 when using the second control example of sine wave control described above, opening/closing control is performed using sine wave control as shown in the second control example of FIG. 10 using the maximum opening degree ⁇ 1 and period T determined in step S28. Execute.
  • step S31 If the period in which the opening degree of the expansion valve 4 is equal to or greater than the required opening degree ⁇ 2 in step S30 is not longer than the period constant A, in step S31, the opening degree of the expansion valve 4 is equal to or greater than the required opening degree ⁇ 2 .
  • the period T of the opening/closing control is increased so that the period becomes longer than the period constant A, and the process proceeds to step S32.
  • step S32 a control signal for driving the expansion valve 4 by the opening/closing control as described above is outputted to the expansion valve 4.
  • oil return is performed in which the heavy lubricant oil circulates once in one cycle T in the refrigerant circuit 10.
  • step S32 a control signal for driving the expansion valve 4 by the opening/closing control as described above is outputted to the expansion valve 4.
  • Embodiment 2 in addition to the effects obtained in Embodiment 1 described above, the following effects can be obtained.
  • the opening/closing control of the expansion valve 4 is executed using the triangular wave control or the sine wave control described in the second embodiment, compared to the case where the opening/closing control of the expansion valve 4 is executed using PWM control, the fully closed state and the maximum open state are different. Since the rate of change in the degree of opening when switching between the two states is small, the pressure in the piping of the refrigerant circuit 10 can be stabilized.
  • step S9 if it is determined in step S9 that the open period is not longer than the period constant A, the open period is set to be longer than the period constant A without changing the duty. Both the open period and the period T may be increased so that.
  • the present disclosure relates to an air conditioner 100.
  • the air conditioner 100 includes a compressor 3, a condenser (first heat exchanger 1, second heat exchanger 2), an expansion valve 4, and an evaporator (first heat exchanger 1, second heat exchanger 2). ), and includes a refrigerant circuit 10 that circulates refrigerant, and a control device 9 that controls the refrigerant circuit.
  • the control device 9 controls the expansion valve 4 so that the average opening degree ⁇ 0 of the expansion valve 4 becomes the target opening degree by repeatedly opening and closing the expansion valve 4 between the open state and the closed state (Fig. 7 Steps S6 to S12 of , and steps S26 to S32 of FIG. 11).
  • the expansion valve 4 is controlled so that the average opening degree ⁇ 0 of the expansion valve 4 becomes the target opening degree.
  • the average opening degree can be controlled over a wider angular range than between one drive step of the motor 41.
  • control device 9 executes control to repeatedly open and close the expansion valve 4 (step S10 in FIG. 7) when the target opening degree is smaller than the threshold value (step S3 YES in FIG. 7, step S23 YES in FIG. 11). , S11, step S32 in FIG. 11).
  • the opening degree of the expansion valve 4 can be adjusted over a wide range.
  • control device 9 controls the opening so that the refrigerating machine oil discharged from the compressor 3 can be returned to the compressor 3 via the refrigerant circuit 10. (steps S8 to S12 in FIG. 7 and steps S28 to S32 in FIG. 11).
  • the expansion valve 4 is controlled to open and close repeatedly so that the opening degree is such that the refrigerating machine oil discharged from the compressor 3 can be returned to the compressor 3 via the refrigerant circuit 10.
  • the flow of refrigerant in the open state ensures the return of refrigerating machine oil.
  • control device 9 controls the expansion valve to an opening degree that prevents foreign matter from clogging the expansion valve 4 (steps S8 to S12 in FIG. 7, and FIG. 11 steps S29 to S32).
  • the expansion valve 4 is controlled to open and close repeatedly so that the opening degree is such that the expansion valve 4 is not clogged with foreign matter, so that the flow of refrigerant in the open state suppresses the foreign matter from clogging the expansion valve 4. be able to.
  • control device 9 determines the duty ratio (t1/T) and period T in the PWM signal so that the average opening degree ⁇ 0 of the expansion valve 4 becomes the target opening degree, and the determined duty ratio (t1/T ) and a PWM signal with period T to control opening and closing (Fig. 8).
  • the duty ratio (t1/T) and period T in the PWM signal are determined so that the average opening degree ⁇ 0 of the expansion valve 4 becomes the target opening degree, and the determined duty ratio (t1/T) and period T
  • opening/closing control can be realized using a PWM control method.
  • control device 9 determines the amplitude ⁇ 1 and period T of the triangular wave signal so that the average opening ⁇ 0 of the expansion valve 4 becomes the target opening, and opens and closes using the triangular wave signal with the determined amplitude ⁇ 1 and period T. control ( Figure 9).
  • the amplitude ⁇ 1 and period T of the triangular wave signal are determined so that the average opening ⁇ 0 of the expansion valve 4 becomes the target opening, and the opening/closing control is performed using the triangular wave signal with the determined amplitude ⁇ 1 and period T.
  • opening/closing control can be realized using a triangular wave control method.
  • the control device 9 determines the amplitude ⁇ 1 and the period T of the sine wave signal so that the average opening ⁇ 0 of the expansion valve 4 becomes the target opening, and the control device 9 determines the amplitude ⁇ 1 and period T of the sine wave signal, and generates the sine wave with the determined amplitude ⁇ 1 and period T. Opening/closing is controlled by signals ( Figure 10).
  • the amplitude ⁇ 1 and period T of the sine wave signal are determined so that the average opening ⁇ 0 of the expansion valve 4 becomes the target opening, and the opening/closing control is performed using the sine wave signal with the determined amplitude ⁇ 1 and period T.
  • opening/closing control can be realized using a sine wave control method.
  • Air conditioner 100 Air conditioner, 3 Compressor, 1 First heat exchanger, 2 Second heat exchanger, 4 Expansion valve, 10 Refrigerant circuit, 9 Control device.

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Abstract

空気調和装置（１００）は、圧縮機（３）、凝縮器（第１熱交換器１、第２熱交換器２）、膨張弁（４）、および、蒸発器（第１熱交換器１、第２熱交換器２）を含み、冷媒を循環させる冷媒回路（１０）と、冷媒回路を制御する制御装置（９）とを備える。制御装置（９）は、膨張弁（４）を開状態と閉状態との間で繰返し開閉させることにより、膨張弁（４）の平均開度が目標開度になるように膨張弁（４）を制御する。

Description

空気調和装置
　本開示は、空気調和装置に関する。
　従来の空気調和装置においては、圧縮機の運転周波数を制御することにより、冷房および暖房を効率的に行うことが可能である。また、空気調和装置においては、電子膨張弁の開度を調整することに応じて冷媒の圧力を調整することにより、冷房能力および暖房能力を制御することが可能である。
　ステッピングモータにより駆動される電動膨張弁を備えた空気調和機では、ステッピングモータにおけるステップの数に限りがあるので、電動膨張弁の開度の目標値と一致する開度に対応するステップがない場合が生じるなど、電動膨張弁の開度が微調整できない場合が生じ得る。
　特許文献１では、ステッピングモータにより駆動される電動膨張弁を備えた空気調和機において、設定された目標開度に電動膨張弁の開度を制御するときに、当該目標開度と一致するステップがない場合に、次のような制御がマイクロコンピュータにより実行されることが記載されている。マイクロコンピュータでは、目標開度と一致するステップがない場合に、ステッピングモータのステップを、設定開度に対して１ステップ増加したステップと、設定開度に対して１ステップ減少したステップとの間で繰返し変更することにより、電動膨張弁の平均開度が設定開度となるようにする制御が実行される。
特開平１０－１３２３９２号公報
　しかし、特許文献１では、目標開度に対して１ステップ増加したステップと、目標開度に対して１ステップ減少したステップとの間で電動膨張弁の開度を繰返し変更する制御は、開度の調整幅が１ステップ間という調整幅に固定されている。これにより、特許文献１では、電動膨張弁の開度の調整範囲が狭いという問題があった。
　本開示の空気調和装置は、上記課題を解決するものであり、膨張弁の開度を制御する場合における開度の調整範囲を可能な範囲で広くできるようにすることを目的とする。
　本開示の空気調和装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、および、蒸発器を含み、冷媒を循環させる冷媒回路と、冷媒回路を制御する制御装置とを備える。制御装置は、膨張弁を開状態と閉状態との間で繰返し開閉させることにより、膨張弁の平均開度が目標開度になるように膨張弁を制御する。
　本開示の空気調和装置によれば、膨張弁の開度を制御する場合における開度の調整範囲を可能な範囲で広くすることができる。
実施の形態１による空気調和装置の冷媒回路および制御回路の構成を示す図である。 実施の形態１による圧縮機の運転周波数と膨張弁における目標開度との関係を示す図である。 実施の形態１による膨張弁における開度と冷媒の流量との関係を示す図である。 ゼロペネトレーション流量を求めるために用いられる演算式を表形式で示す図である。 実施の形態１による膨張弁の開閉制御パターンの第１例を示すタイミングチャートである。 実施の形態１による膨張弁の開閉制御パターンの第２例を示すタイミングチャートである。 実施の形態１による膨張弁の制御を示すフローチャートである。 実施の形態１において実行される開閉制御における制御方式、平均開度の演算式、および、制御信号例を表形式で示す図である。 実施の形態２において三角波制御で実行される開閉制御における制御方式、平均開度の演算式、および、制御信号例を表形式で示す図である。 実施の形態２において正弦波制御で実行される開閉制御における制御方式、平均開度の演算式、および、制御信号例を表形式で示す図である。 実施の形態２による膨張弁の制御を示すフローチャートである。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組み合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
　実施の形態１．
　［空気調和装置１００の構成］
　図１は、実施の形態１による空気調和装置１００の冷媒回路１０および制御回路の構成を示す図である。
　図１には、暖房運転時および暖房運転時における空気調和装置１００の冷媒回路１０の状態が示される。
　図１を参照して、空気調和装置１００は、第１熱交換器１、第２熱交換器２、圧縮機３、膨張弁４、および、流路切替装置５を含む冷媒回路１０を備える。冷媒回路１０は、空気調和装置１００で用いられる冷媒の経路である。
　冷房時に冷媒が流れる方向が実線の矢印で示され、暖房時に冷媒が流れる方向が破線の矢印で示されている。流路切替装置５については、冷房時に冷媒が流れる流路が実線で示され、暖房時に冷媒が流れる流路が破線で示される。
　第１熱交換器１は、室外の空気と冷媒との間で熱交換をする空気熱交換器である。第１熱交換器１は、冷房運転時に冷媒の凝縮器として機能し、暖房運転時に冷媒の蒸発器として機能する。図示を省略するが、第１熱交換器１の近傍には、第１熱交換器１に空気を供給する送風機ファンが設けられる。送風機ファンは、室外の空気を吸入し、第１熱交換器１によって冷媒との間で熱交換された空気を室外に排出する機能を有する。
　第２熱交換器２は、図示を省略する室内機の水と冷媒との間で熱交換をする水熱交換器である。第２熱交換器２は、冷房運転時に冷媒の蒸発器として機能し、暖房運転時に冷媒の凝縮器として機能する。
　第１熱交換器１と第２熱交換器２との間における冷媒経路においては、冷媒を圧縮する圧縮機３が設けられる。圧縮機３は、例えばインバータ制御がされるモータによって駆動される。
　第１熱交換器１と第２熱交換器２との間における冷媒経路においては、膨張弁４が設けられる。膨張弁４は、冷媒を減圧して膨張させる機能を有し、例えば流量が調整可能な電子膨張弁で構成される。膨張弁４は、冷房運転時と暖房運転時との両方で冷媒経路における冷媒の流量を調整することが可能であり、冷媒を減圧して膨張させるために使用される。
　冷媒経路における圧縮機３の吐出側の経路は、流路切替装置５を経て、第１熱交換器１と第２熱交換器２とのいずれかに接続される。流路切替装置５は、冷媒が流れる流路を切り替えるものであり、例えば四方弁で構成される。
　冷房運転時において、流路切替装置５は、実線で示す経路のように、圧縮機３の吐出側の経路が第１熱交換器１と接続されるように冷媒の流路を切り替える。暖房運転時において、流路切替装置５は、破線で示す経路のように、圧縮機３の吐出側の経路が第２熱交換器２と接続されるように冷媒の流路を切り替える。
　制御装置９は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）９１、メモリ９２（ＲＯＭ（Read　Only　Memory）およびＲＡＭ（Random　Access　Memory））、および、各種信号を入出力するための入出力バッファ（図示せず）などを含んで構成される。制御装置９においては、各種の電子部品が制御基板上に取付けられている。制御基板は、例えば各種センサの検出信号等の信号の入力に用いる複数の入力ポートと、例えば膨張弁４、流路切替装置５、および、圧縮機３の制御信号等の各種機器の制御に必要となる信号の出力に用いる複数の出力ポートとを備える。
　ＣＰＵ９１は、ＲＯＭに格納されているプログラムをＲＡＭ等に展開して実行する。ＲＯＭに格納されるプログラムは、制御装置９の処理手順が記されたプログラムである。制御装置９は、これらのプログラムに従って、空気調和装置１００における各機器の制御を実行する。この制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。
　空気調和装置１００には、運転状態を示すデータである運転データを検出する各種のセンサが設けられている。センサとしては、次のようなものが設けられている。例えば、圧縮機３の吐出側には、圧縮機３から吐出された冷媒の温度である吐出温度Ｔを検出する吐出温度センサ２１、および、冷媒回路１０における配管内圧力Ｐを検出する圧力センサ２３が設けられている。圧縮機３には、圧縮機３の運転周波数Ｆを検出する周波数センサ２２が設けられている。
　その他に、空気調和装置１００には、運転状態を示すデータを検出するセンサとして、次のようなセンサが設けられている。第１熱交換器１には、第１熱交換器１の温度を検出する熱交換器温度センサが設けられている。熱交換器温度センサは、第１熱交換器１に付着した霜の温度を検出するものである。第２熱交換器２の入口側には、冷媒の温度を検出する入口温度センサが設けられている。第２熱交換器２の出口側には、冷媒の温度を検出する出口温度センサが設けられている。吐出温度センサ２１により検出された吐出温度Ｔの検出信号、圧力センサ２３により検出された配管内圧力Ｐの検出信号、および、周波数センサ２２により検出された運転周波数Ｆの検出信号を代表例として示す各種のセンサの検出信号が、制御装置９に入力される。
　制御装置９は、圧縮機３、膨張弁４、および、流路切替装置５のそれぞれに制御信号を与える。制御装置９は、制御信号に基づいて圧縮機３の運転周波数を制御する。制御装置９は、制御信号に基づいて膨張弁４の開度を制御する。制御装置９は、制御信号に基づいて流路切替装置５の流路を切替える制御をする。
　膨張弁４は、弁の構造体である弁体４０、弁体４０を動作させるモータ４１、および、モータ４１を駆動する駆動装置４２を含む。モータ４１は、ステッピングモータである。制御装置９は、駆動装置４２に制御信号を供給する。駆動装置４２は、制御装置９から受けた制御信号に応じてモータ４１を１ステップずつ回転駆動する。モータ４１が１ステップずつ回転駆動されることにより、弁体４０の開度が１ステップずつ変更される。
　次に、空気調和装置１００における冷房運転時の動作について説明する。冷房運転時には、制御装置９によって、流路切替装置５における流路が図中実線で示すような流路となるように制御される。膨張弁４は、周波数センサ２２により検出された運転周波数Ｆ、吐出温度センサ２１により検出された吐出温度Ｔ、および、圧力センサ２３により検出された配管内圧力Ｐに応じて、制御装置９により開度が制御される。
　圧縮機３によって圧縮されて吐出された高温高圧のガス冷媒は、流路切替装置５を通って第１熱交換器１へ流入する。第１熱交換器１に流入した高温高圧の冷媒は、室外空気等に対して放熱し、凝縮されて高圧の液冷媒となる。第１熱交換器１から流出した高圧の液冷媒は、膨張弁４へ流入し、膨張および減圧されて、低温低圧の気液二相冷媒となる。膨張弁４から流出した気液二相冷媒は、第２熱交換器２へ流入する。第２熱交換器２へ流入した気液二相冷媒は、水と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となる。第２熱交換器２から流出したガス冷媒は、流路切替装置５を経て圧縮機３へ吸入され、再び圧縮される。
　次に、空気調和装置１００における暖房運転時の動作について説明する。暖房運転時には、制御装置９によって、流路切替装置５における流路が破線に示すような流路となるように制御される。膨張弁４は、周波数センサ２２により検出された運転周波数Ｆ、吐出温度センサ２１により検出された吐出温度Ｔ、および、圧力センサ２３により検出された配管内圧力Ｐに応じて、制御装置９により開度が制御される。
　圧縮機３によって圧縮されて吐出された高温高圧のガス冷媒は、流路切替装置５を通って第２熱交換器２へ流入する。第２熱交換器２に流入した高温高圧の冷媒は、水に対して放熱し、凝縮されて高圧の液冷媒となる。第２熱交換器２から流出した高圧の液冷媒は、膨張弁４へ流入し、膨張および減圧されて、低温低圧の気液二相冷媒となる。膨張弁４から流出した気液二相冷媒は、第１熱交換器１へ流入する。第１熱交換器１へ流入した気液二相冷媒は、室外空気と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となる。第１熱交換器１から流出したガス冷媒は、流路切替装置５を経て圧縮機３へ吸入され、再び圧縮される。
　［膨張弁４の開閉制御］
　図２は、実施の形態１による圧縮機３の運転周波数と膨張弁４における目標開度との関係を示す図である。図３は、実施の形態１による膨張弁４における開度と冷媒の流量との関係を示す図である。
　図２を参照して、制御装置９では、圧縮機３の運転周波数の増加に応じて、膨張弁４の目標開度を増加させる。その理由は、圧縮機３の運転周波数が増加すると、冷媒回路１０における冷媒の流量が増加するからである。
　図３を参照して、膨張弁４の開度の増加に応じて、膨張弁４を経て流れる冷媒の流量が増加する。したがって、制御装置９では、圧縮機３の運転周波数の増加に応じて、冷媒回路１０における冷媒の流量の増加に対応するために、膨張弁４の目標開度を増加させる。
　圧縮機３の運転周波数と、膨張弁４の目標開度との関係は、必ずしも直線的な関係ばかりではないが、図２においては、運転周波数と目標開度との関係の概略がわかりやすく示されている。また、膨張弁４の開度と流量との関係は、必ずしも図３に示すような関係ばかりではないが、図３においては、膨張弁４の開度と流量との関係の概略がわかりやすく示されている。
　制御装置９では、圧縮機３の運転周波数に応じて膨張弁４の目標開度を設定する場合に、吐出温度センサ２１により検出された吐出温度Ｔ、および、圧力センサ２３により検出された配管内圧力Ｐに応じて、目標開度を補正する。例えば、吐出温度Ｔが目標吐出温度に対して高い場合に、吐出温度Ｔを目標温度まで下げるために目標開度を小さくする補正をする。また、空気調和装置１００の運転状態に応じて、配管内圧力Ｐが目標圧力となるように目標開度を補正する。
　制御装置９では、基本的に圧縮機３の運転周波数Ｆに応じて膨張弁４の目標開度を決定するが、その決定をする際に、吐出温度Ｔおよび配管内圧力Ｐに応じて目標開度を補正することにより目標開度を確定する。このように、制御装置９は、周波数センサ２２により検出された運転周波数Ｆ、吐出温度センサ２１により検出された吐出温度Ｔ、および、圧力センサ２３により検出された配管内圧力Ｐに応じて、目標開度を決定し、膨張弁４の開度が目標開度となるように、駆動装置４２に制御信号を出力し、モータ４１を駆動させることにより膨張弁４を動作させる。
　［ゼロペネトレーション流量］
　次に、ゼロペネトレーション流量について説明する。冷媒回路１０において、冷媒と圧縮機３の潤滑油（冷凍機油ともいう）とが気液二相流での流動様相となるガス冷媒が流れる配管部分では、特に上昇流においては気体である冷媒の流速により液体である潤滑油の流動状態が変化する。冷媒の流速が大きい場合は、潤滑油が冷媒流中に同伴されて上昇し、冷媒の流速が減少すると潤滑油が配管の管壁に沿って下降する。冷媒の流速が速まり潤滑油の下降液膜が減少した状態がゼロペネトレーションと呼ばれる。ゼロペネトレーションの状態における冷媒の流速は、ゼロペネトレーション速度と呼ばれる。ゼロペネトレーションの状態における冷媒の流量は、ゼロペネトレーション流量と呼ばれる。また、ゼロペネトレーションの状態における冷媒の速度および流量を得るために必要な圧縮機３の運転周波数は、ゼロペネトレーション周波数と呼ばれる。
　ゼロペネトレーション周波数未満の低周波数で圧縮機３を運転すると、冷媒の流量がゼロペネトレーション流量以上にならず、冷媒の流速がゼロペネトレーション速度以上にならなくなり、潤滑油が冷媒回路１０の配管内に停滞して圧縮機３に戻りにくくなる。
　そこで、この実施の形態１では、冷媒の流速がゼロペネトレーション速度以上にならない運転周波数で圧縮機３が運転される場合、すなわち、ゼロペネトレーション流量以上にならない目標開度で膨張弁４が制御される場合に、膨張弁４を開状態と閉状態との間で繰返し開閉させることにより、膨張弁４の平均開度が目標開度になるように膨張弁４を制御する開閉制御を実行する例を説明する。
　開閉制御において、膨張弁４を開状態と閉状態との間で繰返し開閉させて膨張弁４の平均開度を目標開度とする場合には、膨張弁４の最大開度をゼロペネトレーション流量以上となる冷媒の流量が得られる開度にして、膨張弁４においてゼロペネトレーション流量以上の流量で冷媒を流す期間を設ければ、潤滑油が冷媒回路１０の配管内に停滞しないようにすることができると考えられる。
　図４は、ゼロペネトレーション流量を求めるために用いられる演算式を表形式で示す図である。図４に示す演算式は、Wallisの実験式である。
　ゼロペネトレーション流量は、まず、第１演算式（１）を用いてゼロペネトレーション速度Ｕｇを算出し、その後、第２演算式（２）を用いてゼロペネトレーション流量を算出することにより得られる。
　第１演算式（１）においては、図４に示すように、重力加速度ｇ、管内径Ｄ、油密度ρoil、冷媒ガス密度ρｇ、および、定数ｃを用いて、ゼロペネトレーション速度Ｕｇが演算される。管内径Ｄは、冷媒回路１０で冷媒が循環する配管の内径である。油密度ρoilは、冷媒が循環する配管内における圧縮機３の潤滑油の密度である。冷媒ガス密度ρｇは、冷媒が循環する配管内における冷媒の密度である。定数ｃは、冷媒が循環する配管の形状により０．８～１．１２の間で決まる定数値である。管内径Ｄ、油密度ρoil、冷媒ガス密度ρｇ、および、定数ｃは、空気調和装置１００の設計値により定められる値である。したがって、ゼロペネトレーション速度Ｕｇの値は、空気調和装置１００の仕様により異なる値となり得る。
　第２演算式（２）においては、冷媒ガス密度ρｇ、管断面積Ａ、ゼロペネトレーション速度Ｕｇ、および、定数３６００を用いて、ゼロペネトレーション流量Ｇrが演算される。管断面積Ａは、冷媒が循環する配管の断面積であり、管内径Ｄから得られる。ゼロペネトレーション速度Ｕｇは、第１演算式での演算により得られたものである。冷媒ガス密度ρｇ、管断面積Ａ、および、ゼロペネトレーション速度Ｕｇは、空気調和装置１００の設計値により定められる値である。
　［膨張弁４の開閉制御パターン］
　次に、前述のような開閉制御により膨張弁４を制御する開閉制御パターンの代表例を説明する。図５は、実施の形態１による膨張弁４の開閉制御パターンの第１例を示すタイミングチャートである。図６は、実施の形態１による膨張弁４の開閉制御パターンの第２例を示すタイミングチャートである。図５および図６に示す膨張弁４の開閉制御は、制御装置９のＣＰＵ９１がＰＷＭ(Pulse　Width　Modulation)信号を用いたＰＷＭ制御の制御パターンのオンオフ動作に従って実行する。
　図５および図６においては、縦軸に膨張弁４の開度が示され、横軸に経過時間が示される。図５および図６においては、破線で示される膨張弁４の開度の平均値Ｌｃが目標開度Ｌ３となるように膨張弁４の開度を制御する場合の開閉制御パターンが実線で示される。
　図５に示す第１例では、膨張弁４が１回開閉する周期Ｔにおいて、次のような開閉制御が行われる。図５に示すように、膨張弁４の開度が、閉状態Ｌａから開状態Ｌｂに立上った後、開状態Ｌｂで期間ｔ１に亘り継続される。そして、膨張弁４の開度が、開状態Ｌｂから閉状態Ｌａに立下がった後、閉状態Ｌａで期間ｔ２に亘り継続される。第１例では、このような周期Ｔ内での開閉動作が、時間経過に応じて繰り返し実行されることにより、膨張弁４の開度の平均値Ｌｃが目標開度Ｌ３となるように制御される。
　閉状態Ｌａは、膨張弁４の全閉開度Ｌ１の状態である。開状態Ｌｂは、膨張弁４において、少なくとも前述のように圧縮機３への潤滑油の返油を担保できるゼロペネトレーション流量で冷媒を流すことが可能となる第１開度と、膨張弁４の仕様に応じて定められたコンタミネーション、すなわち、異物詰まりが生じない最小限の第２開度とのうち、大きい方の開度である開度Φ２以上に設定された最大開度Ｌ２の開状態である。したがって、開度Φ２は、第１開度と第２開度との両方を満たす開度となる。
　開度Φ２は、潤滑油の返油を担保するとともに、膨張弁４の異物詰まりを防ぐために必要となる最小限の開度であり、以下の説明において、必要開度と呼ぶ場合がある。最大開度Ｌ２は、たとえば、冷媒の流量が、開度Φ２よりも５％大きい開度に設定される。このように、第１例では、膨張弁４が、全閉状態の閉状態Ｌａの全閉開度Ｌ１と、潤滑油の返油などを担保できるように設定された開状態Ｌｂの最大開度Ｌ２との間で開閉される。
　なお、最大開度Ｌ２は、ゼロペネトレーション流量で冷媒を流すことが可能となる開度Φ２以上の開度であれば、当該開度Φ２よりも５％大きい開度以外の開度に設定されてもよい。
　図５に示す開閉制御パターンの第１例では、周期Ｔを予め定められた設定値にすることが決定されると、最大開度Ｌ２に図５のＰＷＭ制御のディーティ比（ｔ１／Ｔ）を乗算した結果が目標開度Ｌ３となるような期間ｔ１を演算により求めることができる。このような期間ｔ１を求めると、周期Ｔから期間ｔ１を減算することにより期間ｔ２を求めることができる。
　図５に示す開閉制御パターンの第１例では、目標開度Ｌ３が最大開度Ｌ２の５０％未満である。したがって、第１例では、膨張弁４の開度の平均値Ｌｃを目標開度Ｌ３とするためのＰＷＭ制御のディーティ比（ｔ１／Ｔ）が５０％未満となり、最大開度Ｌ２の開状態Ｌｂの期間ｔ１が、全閉開度Ｌ１の閉状態Ｌａの期間ｔ２よりも短い開閉パターンとなる。
　図６に示す第２例は、最大開度Ｌ４が第１例の最大開度Ｌ２よりも小さい制御例である。第２例の最大開度Ｌ４が第１例の最大開度Ｌ２よりも小さい理由は、前述した必要開度Φ２が第１例の場合よりも小さいからである。
　図６に示す第２例では、膨張弁４が１回開閉する周期Ｔにおいて、次のような開閉制御が行われる。図６に示すように、膨張弁４の開度が、第１例と同じ全閉開度Ｌ１の閉状態Ｌａから第１例よりも小さい最大開度Ｌ４の開状態Ｌｂに立上った後、開状態Ｌｂが第１例よりも長い期間ｔ３に亘り継続される。そして、膨張弁４の開度が、開状態Ｌｂから閉状態Ｌａに立下がった後、閉状態Ｌａが第１例よりも短い期間ｔ４に亘り継続される。第１例では、このような周期Ｔ内での開閉動作が、時間経過に応じて繰り返し実行されることにより、膨張弁４の開度の平均値Ｌｃが目標開度Ｌ３となるように制御される。
　開状態Ｌｂは、膨張弁４において、必要開度Φ２以上に設定された最大開度Ｌ４の開状態である。最大開度Ｌ４は、たとえば、冷媒の流量が、必要開度Φ２よりも５％大きい開度に設定される。このように、第２例では、膨張弁４が、全閉状態の閉状態Ｌａの開度Ｌ１と、潤滑油の返油などを担保できるように設定された開状態Ｌｂの開度Ｌ４との間で開閉される。
　図６に示す開閉制御パターンの第２例では、周期Ｔを予め定められた設定値にすることが決定されると、最大開度Ｌ４に図６のＰＷＭ制御のディーティ比（ｔ３／Ｔ）を乗算した結果が目標開度Ｌ３となるような期間ｔ３を演算により求めることができる。このような期間ｔ３を求めると、周期Ｔから期間ｔ３を減算することにより期間ｔ４を求めることができる。
　図６に示す開閉制御パターンの第２例では、目標開度Ｌ３が最大開度Ｌ４の５０％を超えている。したがって、第２例では、膨張弁４の開度の平均値Ｌｃを目標開度Ｌ３とするためのＰＷＭ制御のディーティ比（ｔ３／Ｔ）が５０％を超えており、最大開度Ｌ４の開状態Ｌｂの期間ｔ３が、全閉開度Ｌ１の閉状態Ｌａの期間ｔ４よりも長い開閉パターンとなる。
　［膨張弁４の制御の処理］
　次に、膨張弁４において前述のような開閉制御を実行する実施の形態１による膨張弁４の制御の処理を説明する。
　図７は、実施の形態１による膨張弁４の制御を示すフローチャートである。図７に示す制御は、制御装置９のＣＰＵ９１が実行する。制御装置９のＣＰＵ９１は、膨張弁４の開度制御において、以下のような処理を実行する。
　ステップＳ１においては、膨張弁４の目標開度を算出する。具体的に、ステップＳ１では、吐出温度センサ２１により検出された圧縮機３の吐出温度Ｔ、周波数センサ２２により検出された圧縮機３の運転周波数Ｆ、および、圧力センサ２３により検出された圧縮機３の配管内圧力Ｐを用いて算出される。例えば、膨張弁４の目標開度は、前述したように、図１に示す相関関係がある圧縮機３の運転周波数Ｆと目標開度との基本的な相関関係を、圧縮機３の吐出温度Ｔおよび圧縮機３の配管内圧力Ｐで補正し、補正した相関関係を用いて算出される。なお、膨張弁４の目標開度の算出に用いる圧縮機３の運転周波数は、制御装置９が圧縮機３を制御するために用いる指令データにより特定される運転周波数を用いてもよい。
　ステップＳ２においては、膨張弁４の開度をステップＳ１で算出された目標開度に制御する開度制御を開始させる。ステップＳ３においては、ステップＳ１で算出された目標開度が閾値未満であるか否かを判断する。閾値は、冷媒回路１０において圧縮機３への安定した返油が可能となる開度以上の開度であり、例えば安定した返油が可能となる流量が得られる開度よりも５％大きい開度に設定されている。なお、閾値は、安定した返油が可能となる流量が得られる開度よりも大きい角度であれば、安定した返油が可能となる流量が得られる開度よりも５％大きい開度に限られない。
　ステップＳ３で目標開度が閾値以上であると判断された場合は、ステップＳ４において、膨張弁４の開閉制御の制御方式として、モータ４１のステップが目標開度に対応するステップとなるようにモータ４１を駆動して停止させることにより開度を調節する開度調節制御を選択する。ステップＳ５においては、開度調節制御による膨張弁４の駆動制御の実行を指示する制御信号を膨張弁４に向けて出力させる。これにより、モータ４１が駆動され、膨張弁４の開度が目標開度に制御される。膨張弁４の開度が目標開度になるとモータ４１は停止させられる。
　一方、ステップＳ３で目標開度が閾値未満であると判断された場合は、ステップＳ６において、膨張弁４の開閉制御の制御方式として、前述のようにＰＷＭ制御により膨張弁４の開閉を繰り返す開閉制御を選択する。ステップＳ７においては、例えば図５および図６に示すような開閉制御において前述の必要開度Φ２と開状態Ｌｂの開度とを決定する。
　ステップＳ７において決定される開状態Ｌｂの開度は、例えば、第１演算式（１）および第２演算式（２）から演算されるゼロペネトレーション流量となり得る第１開度と、膨張弁４の仕様に応じて定められたコンタミネーション、すなわち、異物詰まりが生じない最小限の第２開度とのうち、大きい方の開度を必要開度Φ２として決定、決定した必要開度Φ２よりも５％大きい開度に決定される。このような必要開度Φ２を決定するためのデータは、ＲＯＭに予め記憶されており、ＲＯＭからデータを読出すことにより取得される。ゼロペネトレーション流量は、例えば運転状態により冷媒の密度などが変化することに応じて変化し得るので、運転状態に応じたゼロペネトレーション流量のデータを記憶しておき、運転状態に応じてゼロペネトレーション流量のデータを選択するようにしてもよく、運転状態によらず、予め定めた定格運転時のゼロペネトレーション流量のデータなどを用いてもよい。また、ゼロペネトレーション流量は、ステップＳ７が実行されるごとに計算するようにしてもよい。また、第２開度を定めるコンタミネーションは、ステップＳ７が実行されるごとに計算するようにしてもよい。
　なお、ステップＳ７で決定される開状態Ｌｂの開度は、必要開度以上の開度であれば、必要開度よりも５％大きい開度以外の開度に設定されてもよい。また、ステップＳ７において決定される必要開度Φ２は、第１開度と第２開度とを比較することなく第１開度に決定されてもよく、第１開度と第２開度とを比較することなく第２開度に決定されてもよい。
　ステップＳ８においては、図５および図６に示すような予め定められた周期Ｔで膨張弁４を開閉する場合の平均開度が、ステップＳ１で算出された目標開度となるように、図５および図６に示すようなＰＷＭ信号におけるデューティ比（開期間／周期）を決定し、決定したデューティ比を用いて、図５の期間ｔ１および図６の期間ｔ３に示すような開期間と、図５の期間ｔ２および図６の期間ｔ４に示すような閉期間とを決定する。
　ステップＳ９においては、ステップＳ８で決定された開期間が、予め定められた期間定数Ａよりも長期間であるか否かを判断する。期間定数Ａは、冷媒回路１０における冷媒量Ｍ（ｋｇ）と、冷媒回路１０において冷媒が循環する循環流量Ｇ（ｋｇ／ｓ）とから、Ａ＝Ｍ／Ｇ（ｓ）という演算式で求められる期間に設定される。このような期間定数Ａは、冷媒回路１０において冷媒が１回循環する期間である。冷媒量Ｍは、例えば設計値から得られる一定量である。循環流量Ｇは、圧縮機３の運転周波数に応じて決まる流量である。
　圧縮機３から出た冷媒が冷媒回路１０内で１回循環すれば、圧縮機３から冷媒とともに出た潤滑油も冷媒回路１０内で１回循環すると考えられる。したがって、ステップＳ９では、開閉制御の１周期Ｔにおいて冷媒回路１０内で冷媒が１回循環する時間よりも長い時間に亘り膨張弁４が開状態になっているか否かを判断することにより、開閉制御における１回の開状態Ｌｂで返油が行われるか否かが確認される。
　ステップＳ９で開期間が期間定数Ａよりも長期間であると判断された場合は、ステップＳ１０において、ステップＳ７で決定された開度と、ステップＳ８で決定された開期間および閉時間とにより膨張弁４を開閉する開閉制御により膨張弁４を駆動する制御信号を膨張弁４に向けて出力させる。これにより、モータ４１が駆動され、膨張弁４が図５および図６に示すような閉状態Ｌａと開状態Ｌｂとの間で繰返し開閉される開閉制御が実行され、平均開度が目標開度となるように膨張弁４が制御される。このような膨張弁４の開閉制御により、冷媒回路１０内において、１回の周期Ｔで重滑油が１回循環する返油が行われる。
　ステップＳ９で開期間が期間定数Ａよりも長期間ではないと判断された場合は、ステップＳ１１において、膨張弁４を複数回開閉したときの開期間の合計値が期間定数Ａ以上となるような膨張弁４の開回数を算出する。ステップＳ１２においては、ステップＳ７で決定された開度と、ステップＳ８で決定された開期間および閉時間とによる膨張弁４の開閉を、ステップＳ１１で算出された開回数に亘り実行する制御を１制御単位として開閉させるために、膨張弁４の駆動制御の実行を指示する制御信号を膨張弁４に向けて出力させる。これにより、モータ４１が駆動され、膨張弁４が図５および図６に示すような閉状態Ｌａと開状態Ｌｂとの間で繰返し開閉される開閉制御が、少なくともステップＳ１１で算出された開回数に亘り実行され、平均開度が目標開度となるように膨張弁４が制御される。このような膨張弁４の開閉制御により、ステップＳ１１で算出された開回数の周期Ｔで重滑油が１回循環する返油が行われる。
　［膨張弁４の開閉制御をＰＷＭ制御で実行する例のまとめ］
　次に、実施の形態１において実行される開閉制御について、制御方式、平均開度の演算式、および、制御信号例を一覧化して説明する。図８は、実施の形態１において実行される開閉制御における制御方式、平均開度の演算式、および、制御信号例を表形式で示す図である。
　図８を参照して、実施の形態１では、前述したようにＰＷＭ制御という制御方式で開閉制御が実行される。図８においては、第３演算式（３）における“Φ（ｔ）”という関数がＰＷＭ制御を実行する関数として示されている。
　ＰＷＭ制御による開閉制御は、図８に示すＰＷＭ制御の第３演算式（３）と、第１制御例および第２制御例とに示すように、ＰＷＭ信号の１周期Ｔにおける平均開度Φ０が目標開度となるようなデューティ比で膨張弁４が開状態となる制御が関数“Φ（ｔ）”により実行される。膨張弁４の最大開度Φ１は、ゼロペネトレーション流量以上の流量が得られる開度および異物詰まりが生じないような開度を考慮した必要開度Φ２以上の開度に設定される。
　図８の制御信号例では、例えば、第１制御例と第２制御例とで必要開度Φ２が同じであるが、平均開度Φ０が第１制御例よりも第２制御例の方が低い例が示されている。このような場合には、ＰＷＭ信号のディーティ比が、第１制御例でのディーティ比（ｔ１／Ｔ）よりも第２制御例でのディーティ比（ｔ２／Ｔ）となり、平均開度Φ０が第１制御例よりも第２制御例の方が低くなる。
　実施の形態１では、前述した膨張弁４の開閉制御が実行されることにより、膨張弁４の開度を制御する場合における開度の調整範囲を広くすることができる。例えば、前述した膨張弁４の開閉制御は、膨張弁４の目標開度が閾値よりも小さい開度に設定される場合に、膨張弁４の平均開度が目標開度となるように制御される。その場合における膨張弁４の平均開度は、全閉状態と、ゼロペネトレーション流量以上の流量が担保できる必要開度よりも大きい最大開度との間で繰返し変化する開度の平均値となる。したがって、膨張弁４の開閉制御においては、モータ４１における１駆動ステップよりも広い角度範囲で平均開度を制御することができる。
　また、実施の形態１では、膨張弁４の開閉制御において、最大開度が、ゼロペネトレーション流量よりも多い流量、および、異物詰まりを防ぐことが可能な流量以上の流量が得られるような必要開度に制御されるので、最大開度での冷媒の流れにより、潤滑油の返油を担保できるとともに、膨張弁４での異物詰まりを防ぐことが可能となる。
　そして、実施の形態１では、膨張弁４の開閉制御において、最大開度とされる期間が、開閉制御の１周期内の期間、または複数周期での合計期間において、冷媒回路１０で冷媒が１回循環する期間である期間定数Ａよりも長い期間に亘り確保される。これにより、最大開度での冷媒の流れにより、潤滑油の返油を確実に担保できるとともに、膨張弁４での異物詰まりを確実に防ぐことができる。
　また、例えば膨張弁４の目標開度が、潤滑油が滞留しやすくなったり、膨張弁４で異物詰まりが生じやすくなったりするような、低い開度となった場合には、オイルが滞留したり、異物が詰まったりすることにより、空気調和装置の動作状態が不安定になるという問題があった。しかし、実施の形態１では、膨張弁４の目標開度が前述のような低い開度でも、潤滑油の返油を確実に担保できるとともに、膨張弁４での異物詰まりを確実に防ぐことができる。
　実施の形態２．
　実施の形態２では、実施の形態１で説明した膨張弁４の開閉制御を、ＰＷＭ信号以外の制御信号を用いて実行する例を説明する。具体的に、実施の形態２では、三角波制御の制御信号を用いて膨張弁４の開閉制御を実行する第１例と、正弦波制御の制御信号を用いて膨張弁４の開閉制御を実行する第２例とを説明する。
　［膨張弁４の開閉制御を三角波制御で実行する第１例］
　次に、実施の形態２において実行される開閉制御を三角波制御で実行する例について、制御方式、平均開度の演算式、および、制御信号例を一覧化して説明する。図９は、実施の形態２において三角波制御で実行される開閉制御における制御方式、平均開度の演算式、および、制御信号例を表形式で示す図である。
　図９を参照して、第１例では、三角波制御という制御方式で開閉制御が実行される。図９においては、第４演算式（４）における“Φ（ｔ）”という関数が三角波制御を実行する関数として示されている。
　三角波制御による開閉制御は、図９に示す三角波制御の第４演算式（４）と、制御信号例とに示すように、三角波信号の１周期Ｔにおける平均開度Φ０が目標開度となるような最大開度で膨張弁４が開状態となる制御が関数“Φ（ｔ）”により実行される。三角波制御による開閉制御においては、膨張弁４について、最大開度Φ１の１／２の開度が平均開度Φ０となるように、最大開度Φ１が決定される。膨張弁４の最大開度Φ１は、ゼロペネトレーション流量以上の流量が得られる開度および異物詰まりが生じないような開度を考慮した必要開度Φ２以上の開度に設定されることが望ましい。
　図９の制御信号例では、例えば、膨張弁４の最大開度Φ１が、ゼロペネトレーション流量以上の流量が得られる開度および異物詰まりが生じないような開度を考慮した必要開度Φ２以上の開度に設定される例が示されている。
　［膨張弁４の開閉制御を正弦波制御で実行する第２例］
　次に、実施の形態２において実行される開閉制御を正弦波制御で実行する例について、制御方式、平均開度の演算式、および、制御信号例を一覧化して説明する。図１０は、実施の形態２において正弦波制御で実行される開閉制御における制御方式、平均開度の演算式、および、制御信号例を表形式で示す図である。
　図１０を参照して、第２例では、正弦波制御という制御方式で開閉制御が実行される。図１０においては、第５演算式（５）における“Φ１ｃｏｓ2ωｔ”という関数が正弦波制御を実行する関数として示されている。第５演算式（５）は、“Φ１ｓｉｎ2ωｔ”という関数であってもよい。これらの第５演算式（５）は、位相が異なるが同一形状の波形の制御信号である。
　また、図１０においては、第６演算式（６）における“Φ１｜ｃｏｓωｔ｜”という関数が正弦波制御を実行する関数として示されている。第６演算式（６）は、“Φ１｜ｓｉｎωｔ｜”という関数であってもよい。これらの第６演算式（６）は、位相が異なるが同一形状の波形の制御信号である。実施の形態２では、“ｓｉｎ”により示される制御信号と、“ｃｏｓ”により示される制御信号とが同一形状の波形であるので、これらの制御信号を代表して正弦波と呼ぶ。
　図１０の制御信号例では、第５演算式（５）に対応する正弦波信号で実行される開閉制御が第１制御例として示されている。図１０の制御信号例では、第６演算式（６）に対応する正弦波信号で実行される開閉制御が第２制御例として示されている。
　正弦波制御による開閉制御の第１制御例は、図１０に示す正弦波制御の第５演算式（５）と、第１制御例の制御信号とに示すように、正弦波信号の１周期Ｔにおける平均開度Φ０が目標開度となるような最大開度で膨張弁４が開状態となる制御が関数“Φ１ｃｏｓ2ωｔ”により実行される。第１制御例では、膨張弁４について、最大開度Φ１の１／２の開度が平均開度Φ０となるように、最大開度Φ１が決定される。膨張弁４の最大開度Φ１は、ゼロペネトレーション流量以上の流量が得られる開度および異物詰まりが生じないような開度を考慮した必要開度Φ２以上の開度に設定されることが望ましい。
　正弦波制御による開閉制御の第２制御例は、図１０に示す正弦波制御の第６演算式（６）と、第２制御例の制御信号とに示すように、正弦波信号の１周期Ｔにおける平均開度Φ０が目標開度となるような最大開度で膨張弁４が開状態となる制御が関数“Φ１｜ｃｏｓωｔ｜”により実行される。第２制御例では、膨張弁４について、最大開度Φ１の２／πの開度が平均開度Φ０となるように、最大開度Φ１が決定される。膨張弁４の最大開度Φ１は、ゼロペネトレーション流量以上の流量が得られる開度および異物詰まりが生じないような開度を考慮した必要開度Φ２以上の開度に設定されることが望ましい。
　図１０の制御信号例では、例えば、膨張弁４の最大開度Φ１が、ゼロペネトレーション流量以上の流量が得られる開度および異物詰まりが生じないような開度を考慮した必要開度Φ２以上の開度に設定される例が示されている。
　［膨張弁４の制御の処理］
　次に、膨張弁４において前述のような開閉制御を実行する実施の形態２による膨張弁４の制御の処理を説明する。
　図１１は、実施の形態２による膨張弁４の制御を示すフローチャートである。図１１においては、開閉制御を三角波制御で実行する例と、開閉制御を正弦波制御で実行する例との両方がまとめて記載されている。
　図１１に示す制御は、制御装置９のＣＰＵ９１が実行する。制御装置９のＣＰＵ９１は、膨張弁４の開閉制御において、以下のような処理を実行する。
　ステップＳ２１～Ｓ２５においては、実施の形態１の図７で説明したステップＳ１～Ｓ５と同様の処理が実行される。
　ステップＳ２３で目標開度が閾値未満であると判断された場合は、ステップＳ２６において、膨張弁４の開閉制御の制御方式として、膨張弁４の開閉を繰り返す開閉制御を選択する。ステップＳ２６では、前述の三角波制御を用いる場合、三角波制御により膨張弁４の開閉を繰り返す開閉制御を選択する。ステップＳ２６では、前述の正弦波制御を用いる場合、正弦波制御により膨張弁４の開閉を繰り返す開閉制御を選択する。
　ステップＳ２７においては、実施の形態１の図７で説明したステップＳ７で決定される必要開度と同様の必要開度を決定する。
　ステップＳ２８においては、図９または図１０に示すような予め定められた周期Ｔで膨張弁４を開閉する場合の平均開度が、ステップＳ２１で算出された目標開度となるような最大開度Φ１と周期Ｔとを決定する。ステップＳ２８では、前述の三角波制御を用いる場合、目標開度が最大開度の１／２となるような最大開度Φ１を決定する。ステップＳ２８では、前述の正弦波制御の第１制御例を用いる場合、目標開度が最大開度の１／２となるような最大開度Φ１を決定する。ステップＳ２８では、前述の正弦波制御の第２制御例を用いる場合、目標開度が最大開度の２／πとなるような最大開度Φ１を決定する。
　ステップＳ２９においては、ステップＳ２８で決定された最大開度Φ１が前述の必要開度である開度Φ２よりも大きいか否かを判断する。ステップＳ２９で最大開度Φ１が必要開度Φ２よりも大きい場合は、ステップＳ３０により、１周期Ｔにおいて、膨張弁４の開度が必要開度Φ２以上となる期間が、前述の期間定数Ａよりも長期間であるか否かを判断する。
　ステップＳ３０で膨張弁４の開度が必要開度Φ２以上となる期間が、期間定数Ａよりも長期間である場合は、ステップＳ３２において、ステップＳ２８で決定された最大開度Φ１および周期Ｔによる開閉制御により膨張弁４を駆動する制御信号を膨張弁４に向けて出力させる。これにより、モータ４１が駆動され、膨張弁４が閉状態と開状態との間で繰返し開閉される開閉制御が実行され、平均開度Φ０が目標開度となるように膨張弁４が制御される。このような膨張弁４の開閉制御により、冷媒回路１０内において、１回の周期Ｔで重滑油が１回循環する返油が行われる。
　ステップＳ３２では、前述の三角波制御を用いる場合、ステップＳ２８で決定された最大開度Φ１および周期Ｔにより図９に示すような三角波制御で開閉制御を実行する。ステップＳ３２では、前述の正弦波制御の第１制御例を用いる場合、ステップＳ２８で決定された最大開度Φ１および周期Ｔにより図１０の第１制御例に示すような正弦波制御で開閉制御を実行する。ステップＳ３２では、前述の正弦波制御の第２制御例を用いる場合、ステップＳ２８で決定された最大開度Φ１および周期Ｔにより図１０の第２制御例に示すような正弦波制御で開閉制御を実行する。
　ステップＳ３０で膨張弁４の開度が必要開度Φ２以上となる期間が、期間定数Ａよりも長期間でない場合は、ステップＳ３１において、膨張弁４の開度が必要開度Φ２以上となる期間が期間定数Ａよりも長期間となるように、開閉制御の周期Ｔを増加させ、ステップＳ３２に進む。これにより、ステップＳ３２においては、前述したような開閉制御により膨張弁４を駆動する制御信号が膨張弁４に向けて出力される。これにより、冷媒回路１０内において１回の周期Ｔで重滑油が１回循環する返油が行われる。
　また、ステップＳ２９で最大開度Φ１が必要開度Φ２よりも大きくない場合は、ステップＳ３２に進む。これにより、ステップＳ３２においては、前述したような開閉制御により膨張弁４を駆動する制御信号が膨張弁４に向けて出力される。
　実施の形態２では、前述した実施の形態１で得られる効果に加えて、次のような効果を得ることができる。
　実施の形態２で説明した三角波制御または正弦波制御により膨張弁４の開閉制御を実行する場合には、ＰＷＭ制御により膨張弁４の開閉制御を実行する場合と比べて、全閉状態と最大開度状態との間の切換え時における開度の変化率が小さいので、冷媒回路１０の配管内の圧力を安定化させることができる。
　［変形例］
　（１）前述の実施の形態１および実施の形態２では、膨張弁４の開度が閾値よりも小さい場合に、膨張弁４の開閉制御を実行する例を示した。しかし、これに限らず、膨張弁４の開閉制御は、膨張弁４の開度がどのような開度であっても実行してもよい。
　（２）前述の実施の形態１では、ステップＳ９で開期間が期間定数Ａよりも長期間ではないと判断された場合に、ディーティを変化させずに、開期間が期間定数Ａよりも長期間となるように、開期間と周期Ｔとの両方を増加させるようにしてもよい。
　［実施の形態のまとめ］
　以上説明した実施の形態について、再び図面を参照して説明する。
　本開示は、空気調和装置１００に関する。空気調和装置１００は、圧縮機３、凝縮器（第１熱交換器１、第２熱交換器２）、膨張弁４、および、蒸発器（第１熱交換器１、第２熱交換器２）を含み、冷媒を循環させる冷媒回路１０と、冷媒回路を制御する制御装置９とを備える。制御装置９は、膨張弁４を開状態と閉状態との間で繰返し開閉させることにより、膨張弁４の平均開度Φ０が目標開度になるように膨張弁４を制御する（図７のステップＳ６～Ｓ１２、図１１のステップＳ２６～Ｓ３２）。
　このように、膨張弁４を開状態と閉状態との間で繰返し開閉させることにより、膨張弁４の平均開度Φ０が目標開度になるように膨張弁４を制御するので、膨張弁４の開閉制御においては、モータ４１における１駆動ステップ間よりも広い角度範囲で平均開度を制御することができる。これにより、膨張弁４の開度を制御する場合における開度の調整範囲を可能な限り広くすることができる。
　好ましくは、制御装置９は、目標開度が、閾値よりも小さい場合（図７のステップＳ３ＹＥＳ、図１１のステップＳ２３ＹＥＳ）に、膨張弁４を繰返し開閉させる制御を実行する（図７のステップＳ１０，Ｓ１１、図１１のステップＳ３２）。
　このように、目標開度が、閾値よりも小さい場合に、膨張弁４を繰返し開閉させる制御を実行するので、例えば、比較的低開度のような膨張弁４の動作が安定しにくい開度範囲において、膨張弁４の開度を広範囲で調整することができる。
　好ましくは、制御装置９は、膨張弁４を繰返し開閉させる制御をする場合において、圧縮機３から吐出された冷凍機油が冷媒回路１０を経て圧縮機３に返油されることが可能となる開度となるように膨張弁を制御する（図７のステップＳ８～Ｓ１２、図１１のステップＳ２８～Ｓ３２）。
　このように、圧縮機３から吐出された冷凍機油が冷媒回路１０を経て圧縮機３に返油されることが可能となる開度となるように膨張弁４を繰返し開閉させる制御をするので、開状態での冷媒の流れにより冷凍機油の返油を担保することができる。
　好ましくは、制御装置９は、膨張弁４を繰返し開閉させる制御をする場合において、膨張弁４に異物が詰まらない開度となるように膨張弁を制御する（図７のステップＳ８～Ｓ１２、図１１のステップＳ２９～Ｓ３２）。
　このように、膨張弁４に異物が詰まらない開度となるように、膨張弁４を繰返し開閉させる制御をするので、開状態での冷媒の流れにより膨張弁４への異物の詰まりを抑制することができる。
　好ましくは、制御装置９は、膨張弁４の平均開度Φ０が目標開度になるようにＰＷＭ信号におけるデューティ比（ｔ１／Ｔ）および周期Ｔを決定し、決定したデューティ比（ｔ１／Ｔ）および周期ＴのＰＷＭ信号で開閉制御をする（図８）。
　このように、膨張弁４の平均開度Φ０が目標開度になるようにＰＷＭ信号におけるデューティ比（ｔ１／Ｔ）および周期Ｔを決定し、決定したデューティ比（ｔ１／Ｔ）および周期ＴのＰＷＭ信号で開閉制御をすることにより、ＰＷＭ制御方式で開閉制御を実現することができる。
　好ましくは、制御装置９、膨張弁４の平均開度Φ０が目標開度になるように三角波信号における振幅Φ１および周期Ｔを決定し、決定した振幅Φ１および周期Ｔの三角波信号で開閉制御をする（図９）。
　このように、膨張弁４の平均開度Φ０が目標開度になるように三角波信号における振幅Φ１および周期Ｔを決定し、決定した振幅Φ１および周期Ｔの三角波信号で開閉制御をすることにより、三角波制御方式で開閉制御を実現することができる。
　好ましくは、制御装置９は、膨張弁４の平均開度Φ０が目標開度になるように正弦波信号における振幅Φ１および周期Ｔを決定し、決定した振幅Φ１および周期Ｔの正弦波信号で開閉制御をする（図１０）。
　このように、膨張弁４の平均開度Φ０が目標開度になるように正弦波信号における振幅Φ１および周期Ｔを決定し、決定した振幅Φ１および周期Ｔの正弦波信号で開閉制御をすることにより、正弦波制御方式で開閉制御を実現することができる。
　今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１００　空気調和装置、３　圧縮機、１　第１熱交換器、２　第２熱交換器、４　膨張弁、１０　冷媒回路、９　制御装置。

Claims (7)

  1. 　圧縮機、凝縮器、膨張弁、および、蒸発器を含み、冷媒を循環させる冷媒回路と、
    　前記冷媒回路を制御する制御装置とを備え、
    　前記制御装置は、前記膨張弁を開状態と閉状態との間で繰返し開閉させることにより、前記膨張弁の平均開度が目標開度になるように前記膨張弁を制御する、空気調和装置。
  2. 　前記制御装置は、前記目標開度が、閾値よりも小さい場合に、前記膨張弁を繰返し開閉させる制御を実行する、請求項１に記載の空気調和装置。
  3. 　前記制御装置は、前記膨張弁を繰返し開閉させる制御をする場合において、前記圧縮機から吐出された冷凍機油が前記冷媒回路を経て前記圧縮機に返油されることが可能となる開度となるように前記膨張弁を制御する、請求項１または請求項２に記載の空気調和装置。
  4. 　前記制御装置は、前記膨張弁を繰返し開閉させる制御をする場合において、前記膨張弁に異物が詰まらない開度となるように前記膨張弁を制御する、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の空気調和装置。
  5. 　前記制御装置は、前記膨張弁の平均開度が目標開度になるようにＰＷＭ信号におけるデューティ比および周期を決定し、決定したデューティ比および周期のＰＷＭ信号で前記開閉制御をする、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の空気調和装置。
  6. 　前記制御装置は、前記膨張弁の平均開度が目標開度になるように三角波信号における振幅および周期を決定し、決定した振幅および周期の三角波信号で前記開閉制御をする、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の空気調和装置。
  7. 　前記制御装置は、前記膨張弁の平均開度が目標開度になるように正弦波信号における振幅および周期を決定し、決定した振幅および周期の正弦波信号で前記開閉制御をする、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の空気調和装置。
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