JP2008032251A - 冷凍空調装置の制御方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より高精度の制御を行うことができる冷凍空調装置の制御方法および制御装置を提供すること。
【解決手段】圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とを配管によって接続し該配管に冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成した冷凍空調装置の制御方法であって、前記蒸発器の蒸発管内の温度分布に基づいて前記蒸発管内における冷媒の気液二相領域と過熱蒸気領域との境界である蒸発完了点の位置を算出する蒸発完了点位置算出ステップと、前記算出した蒸発完了点の位置と目標とする蒸発完了点の位置との偏差が所定の許容範囲内に収まるように前記膨張弁の開度を制御する開度制御ステップと、を含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、冷凍空調装置の制御方法および制御装置に関し、さらに詳しくは、圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とを配管によって接続し、この配管に冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成した冷凍空調装置の制御方法および制御装置に関する。

従来から圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とを配管によって接続し、この配管に冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成した冷凍空調装置が開示されている（特許文献１、２参照）。

この種の冷凍空調装置においては、まず、蒸発器を出て低温低圧の気体となった冷媒は、圧縮機により圧縮されて高温高圧の気体となる。つぎにこの高温高圧の気体となった冷媒は、凝縮器を通過することで熱を奪われて凝縮し高温高圧の液体となる。つぎにこの高温高圧の液体となった冷媒は、電子膨張弁を通過して絞り膨張し低温低圧の液体となる。この低温低圧の液体となった冷媒は、蒸発器に入ると飽和液と飽和蒸気とが混合した気液二相の状態となり、周囲から蒸発潜熱として吸熱するにしたがって徐々に飽和蒸気の割合が増えていき、ある位置で飽和液の割合がゼロとなりすべて飽和蒸気となる。この位置を蒸発完了点と呼び、蒸発完了点以前の領域を気液二相領域とよぶ。冷媒は、蒸発完了点までの気液二相領域では蒸発潜熱によって基本的に温度変化しないが、それ以降の位置では吸熱した分の熱は飽和蒸気の温度上昇に寄与し、冷媒は過熱蒸気となる。この蒸発完了点以降の領域を過熱蒸気領域とよび、過熱蒸気領域における冷媒の温度上昇分を過熱度とよぶ。その後、低温低圧の過熱蒸気となった冷媒は蒸発器を出て再び圧縮機に入り、上記のサイクルを繰り返す。このサイクルを冷凍サイクルと呼ぶ。

上記の冷凍空調装置において、電子膨張弁の制御の役割は、蒸発完了点を蒸発器の出口部付近に保持することによって、冷媒が飽和液を含んだまま圧縮機に入って圧縮機を破損させる液バックとよばれる現象を防止するとともに蒸発器全体を有効に利用することである。蒸発完了点の位置は過熱蒸気領域の長さに関係し、蒸発完了点が蒸発器の出口部から離れるほど過熱度は大きくなる。すなわち、電子膨張弁の開度を制御して冷媒の流量を調整することによって、蒸発器が適度な過熱度を保つようにする。

従来の電子膨張弁の制御は、蒸発器の出口部の温度と入口部または中央部の温度とを検出し、検出した出口部の温度と入口部または中央部の温度との差を過熱度として算出し、算出した過熱度が外部から指示された目標の過熱度と一致するように、指示された過熱度と算出した過熱度との偏差を用いてＰＩＤ制御やファジィ制御で制御する制御装置により行っている。電子膨張弁は制御装置が出力する弁の開度指令に応じて自由に開度を調整でき、また開度指令は制御装置によって任意のアルゴリズムで制御が可能であるから、冷媒の流量の制御特性や流量の制御範囲を自由に設定した制御が可能である。なお、特許文献２では、蒸発器の運転効率を最大化するために過熱度がゼロ付近になるように制御するための電子膨張弁の開度の調整方法が開示されている。

特公昭５８−４７６２８号公報 特開平９−３０３８８５号公報

しかしながら、従来の冷凍空調装置の制御装置は、過熱度を用いて電子膨張弁を制御しているため、高精度の制御を行うことが困難な場合があるという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より高精度の制御を行うことができる冷凍空調装置の制御方法および制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る冷凍空調装置の制御方法は、圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とを配管によって接続し該配管に冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成した冷凍空調装置の制御方法であって、前記蒸発器の蒸発管内の温度分布に基づいて前記蒸発管内における冷媒の気液二相領域と過熱蒸気領域との境界である蒸発完了点の位置を算出する蒸発完了点位置算出ステップと、前記算出した蒸発完了点の位置と目標とする蒸発完了点の位置との偏差が所定の許容範囲内に収まるように前記膨張弁の開度を制御する開度制御ステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る冷凍空調装置の制御装置は、圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とを配管によって接続し該配管に冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成した冷凍空調装置の制御装置であって、前記蒸発器の蒸発管内の温度分布に基づいて前記蒸発管内における冷媒の気液二相領域と過熱蒸気領域との境界である蒸発完了点の位置を算出する蒸発完了点位置算出手段と、前記算出した蒸発完了点の位置と目標とする蒸発完了点の位置との偏差が所定の許容範囲内に収まるように前記膨張弁の開度を制御する開度制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る冷凍空調装置の制御装置は、上記の発明において、前記蒸発完了点位置算出手段は、前記蒸発管上の離隔した位置に設けた該離隔した位置の温度を検出する温度検出手段と、前記検出した温度を用いて前記蒸発管内の温度分布を算定する温度分布算定手段と、前記算定した温度分布を用いて前記蒸発完了点の位置を算出する位置算出手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る冷凍空調装置の制御装置は、上記の発明において、前記温度分布算定手段は、近似曲線として折れ線または一次遅れ特性曲線を用いて前記温度分布を算定することを特徴とする。

また、本発明に係る冷凍空調装置の制御装置は、上記の発明において、前記蒸発完了点位置算出手段は、前記蒸発管上に長さ方向の所定区間にわたって連続して設けた抵抗体と、前記抵抗体に接続し該抵抗体の両端間の抵抗値を測定する抵抗値測定手段と、前記蒸発管内の温度分布を示す所定の温度分布曲線を用いて前記抵抗値から逆算して前記蒸発完了点の位置を算出する位置算出手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る冷凍空調装置の制御装置は、上記の発明において、前記蒸発完了点位置算出手段は、前記蒸発器の入口部に設けた該入口部の温度を検出する入口部温度検出手段を備え、前記位置算出手段は、前記入口部の温度を用いて前記蒸発完了点の位置を算出することを特徴とする。

また、本発明に係る冷凍空調装置の制御装置は、上記の発明において、前記蒸発完了点位置算出手段は、前記蒸発器の出口部に設けた該出口部の温度を検出する出口部温度検出手段を備え、前記位置算出手段は、前記出口部の温度を用いて前記蒸発完了点の位置を算出することを特徴とする。

また、本発明に係る冷凍空調装置の制御装置は、上記の発明において、前記位置算出手段は、折れ線または一次遅れ特性曲線を用いて近似した温度分布曲線を用いて前記蒸発完了点の位置を算出することを特徴とする。

また、本発明に係る冷凍空調装置の制御装置は、上記の発明において、前記抵抗体は、前記蒸発管にらせん状に巻き付けたものであることを特徴とする。

本発明によれば、蒸発器の蒸発管内の温度分布に基づいて蒸発完了点の位置を直接的に算出し、算出した蒸発完了点の位置と目標とする蒸発完了点の位置との偏差が所定の範囲内に収まるように膨張弁の開度を制御するので、従来のように蒸発完了点の位置を間接的に表す量である過熱度を制御量として用いる場合よりも高精度に冷凍空調装置を制御できるという効果を奏する。

以下に、図面を参照して本発明に係る冷凍空調装置の制御方法および制御装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る制御装置を備えた冷凍空調装置の構成を示すブロック図である。また、図２は、図１に示す制御装置の制御ブロック図である。図１、２に示すように、この制御装置１０ａは、圧縮機２と凝縮器３と電磁弁４と電子膨張弁５と蒸発器６とを配管１３によって接続し、配管１３に冷媒を循環させる従来と同様の冷凍サイクルを構成した冷凍空調装置１ａに備えたものである。そして、この制御装置１０ａは、蒸発器６の蒸発管６１上の離隔した位置に設けたｎ個（ｎは３以上の整数）の温度検出手段である温度センサ８−１〜８−ｎと、制御器７ａとを備える。また、制御器７ａは、温度分布算定部７１と、位置算出部７２と、開度制御部７３とを備える。

温度センサ８−１〜８−ｎと温度分布算定部７１と位置算出部７２とは蒸発完了点位置検出手段を構成する。温度分布算定部７１は、温度センサ８−１〜８−ｎが検出した温度であるθ1〜θnを用いて蒸発管６１内の温度分布を算定する。位置算出部７２は、温度分布算定部７１が算出した温度分布を用いて蒸発完了点の位置であるｘ_pを算出する。

開度制御部７３は、算出した蒸発完了点の位置ｘ_pが目標とする蒸発完了点の位置になるように電子膨張弁５の開度を制御する。この開度制御部７３は減算器７３１と開度演算部７３２とを備える。減算器７３１は、目標とする蒸発完了点の位置ｘ_prと算出した蒸発完了点の位置ｘ_pとの差すなわち位置偏差であるｘ_pe＝ｘ_pr−ｘ_pを算出する。目標とする蒸発完了点の位置ｘ_prは、たとえばユーザが設定した冷凍空調装置の温度に応じて、冷凍空調装置の主制御装置から指示される。

一方、開度演算部７３２は、位置偏差ｘ_peを用いて電子膨張弁５の開度に対する指令値νを算出して電子膨張弁５に出力し、位置偏差ｘ_peが所定の許容範囲内に収まるように電子膨張弁５の開度を制御する。上記のように位置偏差を制御量として膨張弁の開度を制御するので、高精度に冷凍空調装置を制御できる。

つぎに、図２に示す制御装置の制御ブロック図を参照して、冷凍空調装置の制御方法について説明する。まず、温度センサ８−１〜８−ｎは、蒸発管６１上の離隔した位置の温度θ1〜θnを検出し、制御器７ａに出力する。つぎに、制御器７ａにおいて、温度分布算定部７１は、温度θ1〜θnを受け付け、これらの温度を用いて蒸発管６１内の温度分布を算定し、その温度分布の情報を位置算出部７２に出力する。つぎに、位置算出部７２は、温度分布情報を受け付け、この温度分布情報を用いて蒸発完了点の位置を算出し、算出した蒸発完了点の位置ｘ_pを開度制御部７３に出力する。開度制御部７３において、減算器７３１は、冷凍空調装置１ａの主制御装置などから指示された目標とする蒸発完了点の位置ｘ_prを受け付けるとともに位置算出部７２が算出した蒸発完了点の位置ｘ_pを受け付け、位置偏差であるｘ_peを算出して開度演算部７３２に出力する。

つぎに、開度演算部７３２は、位置偏差ｘ_peを用いて電子膨張弁５の開度に対する指令値νを算出する。そして、開度演算部７３２は、電子膨張弁５に開度に対する指令値νを出力し、位置偏差ｘ_peが所定の許容範囲内に収まるように電子膨張弁５の開度を制御する。上記の位置偏差を制御量として電子膨張弁５の開度をフィードバック制御するので、高精度に冷凍空調装置を制御できる。なお、上記のフィードバック制御は、ＰＩＤ制御またはファジィ制御などを用いることができる。また、上記の許容範囲は、冷凍空調装置１ａの運転状態や算出した位置偏差ｘ_peなどに応じて、所望する制御の精度、応答速度や安定性を実現できるようにたとえば目標蒸発完了点位置ｘ_prの±１〜５％程度の範囲とする。

つぎに、図３を参照して、実施の形態１において温度分布算定部７１と位置算出部７２とが蒸発完了点の位置を算出する具体的な方法について説明する。本実施の形態１に係る温度分布算定部７１は、温度分布を示す温度分布曲線に対する近似曲線として折れ線を用いて温度分布を算定する。

図３は、実施の形態１において蒸発完了点の位置を算出する具体的な方法について説明する図であって、蒸発管６１内の各領域と温度分布を示す図である。図３の上側に示すように、冷媒が図面左方から右方へ流れる蒸発管６１の内部は飽和液と飽和蒸気とが混合した気液二相領域と飽和蒸気のみからなる過熱蒸気領域とからなり、気液二相領域と過熱蒸気領域との境界が蒸発完了点である。なお、蒸発管６１の周囲温度をＴａ、冷媒の蒸発温度をＴｅとする。図３の下側は蒸発管６１内の入口を原点とした位置ｘと温度Ｔとの関係を示すが、本実施の形態１に係る温度分布算定部７１は、温度分布曲線を示すＴ（ｘ）を気液二相領域においては直線Ｃ₁で近似し、過熱蒸気領域においては直線Ｃ₂で近似する。蒸発完了点の位置ｘ_p1は直線Ｃ₁と直線Ｃ₂との交点である。なお、直線Ｃ₁が負の傾きを持っているのは圧力損失による影響である。また、直線Ｃ₂は一定の正の傾きａ₂を持っていると仮定する。また、蒸発管６１の入口部から蒸発完了点位置ｘ_p1までが蒸発管６１の有効伝熱面積に相当する。

以下では、蒸発管６１上において気液二相領域に対応する位置に備えた温度センサ８−ｋ１，８−ｋ３と、過熱蒸気領域に対応する位置に備えた温度センサ８−ｋ２を温度検出に用いる。３つの温度センサ８−ｋ１〜８−ｋ３は、温度センサ８−１〜８−ｎのいずれかから適宜選択できる。これらの３つの温度センサ８−ｋ１〜８−ｋ３の位置と検出温度との組み合わせをそれぞれ（ｘ₁、Ｔ₁）、（ｘ₂、Ｔ₂）、（ｘ₃、Ｔ₃）とすると、温度分布曲線を示すＴ（ｘ）は数式（１）、（２）で表される。なお、Ｔ₂は周囲温度Ｔａ以下の値であり、Ｔ₁、Ｔ₃は蒸発器６と電子膨張弁５との間の区間における圧力から算出した蒸発温度Ｔｅ以下であって蒸発器６と圧縮機２との間の区間における圧力から算出した蒸発温度Ｔｅ以上の値である。

なお、数式（２）において、傾きａ₂は過熱蒸気領域の温度上昇特性を表現している。傾きａ₂の値は温度上昇特性の一次遅れ特性曲線を微分して折れ線近似することにより求めたり、温度上昇特性の実測値からも同様に求めることができる。傾きａ₂の値はたとえば２．１［℃／ｍ］である。

温度分布算定部７１は、直線Ｃ₁、直線Ｃ₂の情報を位置算出部７２に出力する。そして、位置算出部７２は、数式（３）を用いて直線Ｃ₁と直線Ｃ₂との交点である蒸発完了点位置ｘ_p1を算出する。以上のように、蒸発管６１内の温度分布に基づいて蒸発完了点の位置が算出される。

つぎに、本実施の形態１の変形例として、温度分布算定部７１は、近似曲線として一次遅れ特性曲線を用いて温度分布を算出する場合について説明する。図４は、本変形例において蒸発完了点の位置を算出する具体的な方法について説明する図であって、図３と同様に蒸発管６１内の各領域と温度分布を示す図である。図４の上側は、図３と同様に、蒸発管６１の内部は気液二相領域と過熱蒸気領域とからなり、気液二相領域と過熱蒸気領域との境界が蒸発完了点であることを示す。

図４の下側は蒸発管６１内の入口を原点とした位置ｘと温度Ｔとの関係を示すが、本変形例に係る温度分布算定部７１は、温度分布曲線を示すＴ（ｘ）を気液二相領域においては直線Ｃ₃で近似し、過熱蒸気領域においては曲線Ｃ₄で近似する。蒸発完了点の位置ｘ_p1は直線Ｃ₃と曲線Ｃ₄との交点である。本変形例で用いる近似では、気液二相領域において蒸発管６１内は蒸発温度Ｔｅに近い温度であり、蒸発完了点において蒸発温度Ｔｅからの温度上昇が始まる。また、本変形例では、過熱蒸気領域において温度分布特性を一次遅れ特性で近似する。

以下では、蒸発管６１上において気液二相領域に対応する位置に備えた温度センサ８−ｋ４と、過熱蒸気領域に対応する位置に備えた温度センサ８−ｋ５を温度検出に用いる。２つの温度センサ８−ｋ４、８−ｋ５は、温度センサ８−１〜８−ｎのいずれかから適宜選択できる。これらの２つの温度センサ８−ｋ４、８−ｋ５の位置と検出温度との組み合わせをそれぞれ（ｘ₄、Ｔ₄）、（ｘ₅、Ｔ₅）とすると、温度分布曲線を示すＴ（ｘ）は数式（４）、（５）で表される。

なお、ΔＴは過熱蒸気領域における温度上昇分の上限値であり、ΔＴ≒Ｔａ−Ｔｅである。また、τは所定のパラメータである。また、上述のように気液二相領域において蒸発管６１内は蒸発温度Ｔｅに近い温度であるから、Ｔ₄＝Ｔｅとしてもよい。また、Ｔｅは冷凍空調装置１ａの冷凍サイクルの低圧部に圧力センサを設置し、この圧力センサによって検出した冷媒の圧力から算出してもよい。ここで冷凍サイクルの低圧部とは、電子膨張弁５の出口から圧縮機２の入口までの間の部分である。また、ΔＴは周囲温度ＴａとＴ₄からΔＴ＝Ｔａ−Ｔ₄として求めてもよい。ここで、曲線Ｃ₄が（ｘ₅、Ｔ₅）を通ることから、数式（６）が成り立つ。

温度分布算定部７１は、直線Ｃ₃、曲線Ｃ₄の情報を位置算出部７２に出力する。そして、位置算出部７２は、数式（７）を用いて直線Ｃ₃と曲線Ｃ₄との交点である蒸発完了点の位置ｘ_p2を算出する。以上のように、蒸発管６１内の温度分布に基づいて蒸発完了点の位置が算出される。

以上説明したように、本実施の形態１およびその変形例に係る冷凍空調装置の制御装置１０ａは、蒸発管６１上の離隔した位置の温度を検出し、検出した温度を用いて蒸発管６１内の温度分布を算定し、この温度分布を用いて蒸発完了点の位置を直接的に算出し、目標とする蒸発完了点の位置と算出した蒸発完了点の位置との差である位置偏差を制御量として電子膨張弁５の開度をフィードバック制御するので、高精度に冷凍空調装置を制御できる。特に蒸発完了点が蒸発器の入口側に近い場合は蒸発完了点の位置の変化に対する過熱度の変化の感度が著しく低下するので、従来の過熱度を用いる方法では蒸発完了点の位置を高精度に制御することはほとんどできなかったが、本実施の形態１に係る冷凍空調装置の制御装置では高精度に制御できる。また、蒸発完了点位置を高精度に制御できるので、液バックの防止も一層確実にできるとともに、蒸発完了点位置を蒸発器出口に近い位置に安定して制御することができるので、蒸発器６の利用効率を安定して高めることができ、冷凍空調装置１ａの省エネルギー化を図れるという効果も奏する。

（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係る冷凍空調装置の制御装置について説明する。本実施の形態２に係る冷凍空調装置の制御装置は、蒸発管内の温度分布に基づいて蒸発管内における蒸発完了点の位置を算出する点については実施の形態１に係る冷凍空調装置の制御装置と同様であるが、蒸発管上に長さ方向の所定区間にわたって連続して設けた抵抗体の両端間の抵抗値を測定し、蒸発管内の温度分布を示す所定の温度分布曲線を用いて抵抗値から逆算して蒸発完了点の位置を算出する点が異なる。

図５は、本実施の形態２に係る制御装置を備えた冷凍空調装置の構成を示すブロック図である。また、図６は、図５に示す制御装置の制御ブロック図である。図５、６に示すように、この制御装置１０ｂは、実施の形態１に係る冷凍空調装置１ａと同様の構成を備えた冷凍空調装置１ｂに備えたものである。そして、この制御装置１０ｂは、蒸発管６１上に設けた抵抗体９ａと、制御器７ｂとを備える。また、制御器７ｂは、抵抗値測定部７４と、位置算出部７５と、開度制御部７３とを備える。

抵抗体９ａは蒸発管６１の長さ方向の所定区間にわたって連続して直線的に設けた帯状または線状の単一の抵抗体である。この抵抗体９ａは蒸発管６１と比較して熱容量を無視できるほどに十分に薄いまたは細いものとする。その結果、この抵抗体９ａは長さ方向にわたって蒸発管内と同じ温度分布をもつものとなるので、抵抗率分布についても蒸発管内の温度分布を反映したものとなる。

抵抗値測定部７４と位置算出部７５とは蒸発完了点位置算出手段を構成する。抵抗値測定部７４は、抵抗体９ａに接続しており、抵抗体９ａの両端間の抵抗値を測定し、その抵抗値であるＲを位置算出部７５に出力する。位置算出部７５は、所定の温度分布曲線を用いて抵抗値Ｒから逆算して蒸発完了点の位置を算出する。すなわち、抵抗値Ｒは蒸発完了点の位置の情報を含む温度分布を反映した抵抗率分布を用いて表現できるので、本実施の形態２においては逆にこの関係を利用して、抵抗値Ｒから逆算して蒸発完了点の位置であるｘ_pが算出される。

また、開度制御部７３は、実施の形態１の場合と同様に、算出した蒸発完了点の位置ｘ_pが目標とする蒸発完了点の位置になるように電子膨張弁５の開度を制御する。その結果、高精度に冷凍空調装置を制御できる。

つぎに、図６に示す制御装置の制御ブロック図を参照して、冷凍空調装置の制御方法について説明する。まず、制御器７ｂにおいて、抵抗値測定部７４は、抵抗体９ａの両端間の抵抗値を測定し、抵抗値Ｒを位置算出部７５に出力する。つぎに、位置算出部７５は、この抵抗値Ｒから逆算して蒸発完了点の位置ｘ_pを算出し、算出した蒸発完了点の位置ｘ_pを開度制御部７３に出力する。開度制御部７３においては、実施の形態１の場合と同様に、減算器７３１が位置偏差であるｘ_peを算出して開度演算部７３２に出力し、開度演算部７３２が位置偏差ｘ_peを用いて電子膨張弁５の開度に対する指令値νを算出して電子膨張弁５に出力し、位置偏差ｘ_peが所定の許容範囲内に収まるように電子膨張弁５の開度を制御する。その結果、高精度に冷凍空調装置を制御できる。

つぎに、図７、８を参照して、実施の形態２において位置算出部７５が蒸発完了点の位置を算出する具体的な方法について説明する。本実施の形態２に係る蒸発完了点位置算出部７５は、蒸発管６１内の温度分布曲線の近似曲線として一次遅れ特性曲線を用いる。

図７は、実施の形態２において蒸発完了点位置を算出する具体的な方法について説明する図であって、蒸発管６１内の各領域と温度分布を示す図である。図７の上側に示すように、蒸発管６１の内部は気液二相領域と過熱蒸気領域とからなり、気液二相領域と過熱蒸気領域との境界が蒸発完了点である。なお、蒸発管６１の周囲温度をＴａ、冷媒の蒸発温度をＴｅとする。また、蒸発管６１上に帯状の抵抗体９ａを設けている。

図７の下側は蒸発管６１の入口に近い抵抗体９ａ端部の位置を原点とした位置ｘと温度Ｔとの関係を示すが、本実施の形態２に係る蒸発完了点位置算出部７５は、温度分布曲線を示すＴ（ｘ）を気液二相領域においては直線Ｃ₅で近似し、過熱蒸気領域においては曲線Ｃ₆で近似する。蒸発完了点位置ｘ_p3は直線Ｃ₅と曲線Ｃ₆との交点である。本実施の形態２で用いる近似では、気液二相領域において蒸発管６１内は蒸発温度Ｔｅに近い温度であり、蒸発完了点において蒸発温度Ｔｅからの温度上昇が始まる。そして、抵抗体９ａの長さをＬ、過熱蒸気領域の長さをｌとすると、蒸発完了点の位置はＬ−ｌであり、温度分布曲線を示すＴ（ｘ）は数式（８）、（９）で表される。

なお、ΔＴは過熱蒸気領域における温度上昇分の上限値であり、ΔＴ≒Ｔａ−Ｔｅである。また、τは所定のパラメータである。また、気液二相領域の温度Ｔ₀としては、蒸発温度Ｔｅで近似してよく、その場合はＴ₀の代わりにＴｅを用いてもよい。また、蒸発器６の入口部に温度センサを設けて入口部の温度を検出し、検出した入口部温度をＴ₀の代わりに用いてもよい。また、Ｔｅは冷凍空調装置１ａの冷凍サイクルの低圧部に圧力センサを設置し、この圧力センサによって検出した冷媒の圧力から算出してもよい。また、ΔＴは周囲温度ＴａとＴ₀からΔＴ＝Ｔａ−Ｔ₀として求めてもよい。また、蒸発器６の出口部に温度センサを設けて出口部の温度を検出し、検出した出口部温度をＴａの代わりに用いてもよい。

つぎに、位置算出部７５が抵抗体９ａの抵抗値Ｒから蒸発完了点を算出する方法を説明する。図８に蒸発管６１上に設けた抵抗体９ａとその温度分布および抵抗率分布を示す。抵抗体９ａは抵抗率がρの均一の材質からなり、その断面積は蒸発管６１の長さ方向に依らず一定値Ｓをもつものとする。また、抵抗率ρは数式（１０）で示される温度特性を有するとする。

なお、ρ₀は温度Ｔ＝０における抵抗率、α₀は温度Ｔ＝０における温度係数である。このとき、抵抗率分布曲線を示すρ（ｘ）は気液二相領域においては直線Ｃ₇で近似され、過熱蒸気領域においては曲線Ｃ₈で近似される。直線Ｃ₇、曲線Ｃ₈はそれぞれ数式（８）、（９）を数式（１０）に代入して得られるものである。その結果、抵抗値Ｒは数式（１１）で表され、単位断面積あたりの抵抗値は数式（１２）で表される。

なお、数式（１２）においては数式（１３）を用いて変形を行った。

さらに、数式（１２）を変形すると、数式（１４）が求められる。

数式（１４）の左辺はｌの関数ｆ（ｌ）である一方、右辺は測定した抵抗値Ｒをはじめとして、測定値と既知の値より計算できる量であり、これをｌ₀とした。したがって、数式（１４）を逆算して数式（１５）から求められる値ｌを用いて、蒸発完了点の位置ｘ_p3は、Ｌ−ｌとして求められる。

位置算出部７５は上記の手順で蒸発完了点位置ｘ_p3を求める。ただし、ｆ（ｌ）＝ｌ₀はｌに関する陰関数表現であり、陽関数ｆ^-1（・）の形に表すことができないので、位置算出部７５が（ｌ、ｆ(ｌ)）の対応表を予め記憶しておき、補間演算を併用することによって数式（１３）を満たすｌを求めてもよい。

なお、上記のｌ₀は数式（９）においてτ→０として温度分布曲線を矩形近似した場合の過熱蒸気領域の長さと考えることができる。したがって、蒸発完了点の位置の近似値として、Ｌ−ｌ₀を用いることができる。このように考えていくと、過熱蒸気領域および蒸発完了点位置の計算誤差ｅは数式（１６）で表される。

通常はτ≧０なので、計算誤差ｅは通常は負の値を取る。すなわち、過熱蒸気領域の長さの計算値は現実の値よりも短くなるように誤差を生じることになる。したがって、上記の手順で算出した蒸発完了点の位置を制御に用いれば、蒸発完了点の位置は蒸発器の出口部から遠ざかる方向に誤差が生じるので、液バックの防止の意味で安全な方向に誤差が生じることになる。

なお、蒸発完了点位置算出部７５が、以下のようにｌの近似値を求めれば、上記の計算誤差はより改善される。１つの方法は、まず、ｌ₀を用いて数式（１７）によって計算誤差の近似値ｅ₀を求める。そしてこれを用いてｌ₀に対する補正値ｌ₁を数式（１８）によって求める。そして蒸発完了点の位置の近似値としてＬ−ｌ₁を用いれば、より誤差の少ない蒸発完了点の位置を算出できる。

また別の方法は、まず、ｌ≫τを仮定して、数式（１９）によって計算誤差の近似値ｅ₁を求める。そしてこれを用いてｌ₀に対する補正値ｌ₂を数式（２０）によって求める。そして蒸発完了点位置の近似値としてＬ−ｌ₂を用いれば、より誤差の少ない蒸発完了点位置を算出できる。

以上説明したように、本実施の形態２に係る冷凍空調装置の制御装置１０ｂは、実施の形態１に係る冷凍空調装置の制御装置１０ａと同様に、高精度に冷凍空調装置を制御できるとともに、液バックの防止も一層確実にでき、冷凍空調装置１ｂの省エネルギー化を図れるという効果も奏する。また、蒸発完了点の位置を算出するために単一の抵抗体を用いるので多数の温度センサを設けなくてもよく、温度センサの使用数を削減できる。

なお、本実施の形態２の変形例として、蒸発管上に設ける抵抗体は、蒸発管にらせん状に巻き付けたものであってもよい。図９は、本変形例に係る抵抗体を設けた蒸発管の断面と側面とを示した図である。図９に示すように、本変形例に係る抵抗体９ｂは、蒸発管６１にらせん状に巻き付けたものである。なお、符号９１ｂ、９２ｂは抵抗体９ｂの両端に設けた抵抗値測定用の端子を示す。

本変形例によれば、蒸発管内の冷媒やオイルの分布特性が複雑であるために蒸発管の断面の円周方向において温度分布が生じている場合であっても、らせん状に巻きつけた抵抗体９ｂの両端の抵抗値は上述の円周方向の温度分布を平均化した値となるので、安定して高精度な蒸発完了点の位置の算出が可能となる。さらに、らせん状に巻きつけた抵抗体９ｂの長さが蒸発管６１上において抵抗体９ｂを巻き付けた区間の長さのｋ倍である場合は、実施の形態２に係る抵抗体９ａのように直線的に設けた場合よりも温度の位置分解能をｋ倍に高めることができる。なお、らせん状に巻き付けた抵抗体の抵抗率分布を位置方向で１／ｋ倍することで、直線的に設けた抵抗体の抵抗率分布に容易に変換することができる。

本発明の実施の形態１に係る制御装置を備えた冷凍空調装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す制御装置の制御ブロック図である。 実施の形態１において蒸発完了点の位置を算出する具体的な方法について説明する図である。 実施の形態１の変形例において蒸発完了点の位置を算出する具体的な方法について説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る制御装置を備えた冷凍空調装置の構成を示すブロック図である。 図５に示す制御装置の制御ブロック図である。 実施の形態２において蒸発完了点の位置を算出する具体的な方法について説明する図である。 実施の形態２において蒸発管上に設けた抵抗体とその温度分布および抵抗率分布を示す図である。 実施の形態２の変形例に係る抵抗体を設けた蒸発管の断面と側面とを示した図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ 冷凍空調装置
１０ａ、１０ｂ 冷凍空調装置の制御装置
２ 圧縮機
３ 凝縮器
４ 電磁弁
５ 電子膨張弁
６ 蒸発器
６１ 蒸発管
７ａ、７ｂ 制御器
７１ 温度分布算定部
７２、７５ 位置算出部
７３ 開度制御部
７３１ 減算器
７３２ 開度演算部
７４ 抵抗値測定部
８−１〜８−ｎ、８−ｋ１〜８−ｋ５ 温度センサ
９ａ、９ｂ 抵抗体
９１ｂ、９２ｂ 端子
１３ 配管

Claims (9)

1. 圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とを配管によって接続し該配管に冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成した冷凍空調装置の制御方法であって、
   前記蒸発器の蒸発管内の温度分布に基づいて前記蒸発管内における冷媒の気液二相領域と過熱蒸気領域との境界である蒸発完了点の位置を算出する蒸発完了点位置算出ステップと、
   前記算出した蒸発完了点の位置と目標とする蒸発完了点の位置との偏差が所定の許容範囲内に収まるように前記膨張弁の開度を制御する開度制御ステップと、
   を含むことを特徴とする冷凍空調装置の制御方法。
2. 圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とを配管によって接続し該配管に冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成した冷凍空調装置の制御装置であって、
   前記蒸発器の蒸発管内の温度分布に基づいて前記蒸発管内における冷媒の気液二相領域と過熱蒸気領域との境界である蒸発完了点の位置を算出する蒸発完了点位置算出手段と、
   前記算出した蒸発完了点の位置と目標とする蒸発完了点の位置との偏差が所定の許容範囲内に収まるように前記膨張弁の開度を制御する開度制御手段と、
   を備えることを特徴とする冷凍空調装置の制御装置。
3. 前記蒸発完了点位置算出手段は、
   前記蒸発管上の離隔した位置に設けた該離隔した位置の温度を検出する温度検出手段と、
   前記検出した温度を用いて前記蒸発管内の温度分布を算定する温度分布算定手段と、
   前記算定した温度分布を用いて前記蒸発完了点の位置を算出する位置算出手段と、
   を備えることを特徴とする請求項２に記載の冷凍空調装置の制御装置。
4. 前記温度分布算定手段は、近似曲線として折れ線または一次遅れ特性曲線を用いて前記温度分布を算定することを特徴とする請求項３に記載の冷凍空調装置の制御装置。
5. 前記蒸発完了点位置算出手段は、
   前記蒸発管上に長さ方向の所定区間にわたって連続して設けた抵抗体と、
   前記抵抗体に接続し該抵抗体の両端間の抵抗値を測定する抵抗値測定手段と、
   前記蒸発管内の温度分布を示す所定の温度分布曲線を用いて前記抵抗値から逆算して前記蒸発完了点の位置を算出する位置算出手段と、
   を備えることを特徴とする請求項２に記載の冷凍空調装置の制御装置。
6. 前記蒸発完了点位置算出手段は、前記蒸発器の入口部に設けた該入口部の温度を検出する入口部温度検出手段を備え、
   前記位置算出手段は、前記入口部の温度を用いて前記蒸発完了点の位置を算出することを特徴とする請求項５に記載の冷凍空調装置の制御装置。
7. 前記蒸発完了点位置算出手段は、前記蒸発器の出口部に設けた該出口部の温度を検出する出口部温度検出手段を備え、
   前記位置算出手段は、前記出口部の温度を用いて前記蒸発完了点の位置を算出することを特徴とする請求項５または６に記載の冷凍空調装置の制御装置。
8. 前記位置算出手段は、折れ線または一次遅れ特性曲線を用いて近似した温度分布曲線を用いて前記蒸発完了点の位置を算出することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一つに記載の冷凍空調装置の制御装置。
9. 前記抵抗体は、前記蒸発管にらせん状に巻き付けたものであることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一つに記載の冷凍空調装置の制御装置。

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