JP2012127631A - 電動弁制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数種類の電動弁に対して共通に用いることができる電動弁の制御装置を提供する。
【解決手段】冷媒回路は圧縮機１０１、熱交換器１０２，２０１および電動弁１０３を有している。冷媒回路には冷媒が流れる。電動弁１０３を制御する制御装置は、複数種類の電動弁１０３についての複数の流量開度特性が記録される記録媒体と、電動弁１０３の運転を開始するとき、又は圧縮機１０１の回転速度の変動量が所定範囲以上であるときに、冷媒の流量の目標値と、電動弁１０３の種類に応じた流量開度特性の一つとを用いて電動弁１０３の開度の目標値を決定し、電動弁１０３の開度を開度の目標値に制御する制御部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動弁制御装置に関し、特に冷媒回路に取り付けられる電動弁の制御装置に関する。

特許文献１には、冷媒回路に取り付けられる電子膨張弁の開度を、所定のテーブルに基づいて制御する技術が記載されている。

特開平９−１５９２８５号公報 特開２００６−３３６８８９号公報

電動弁には複数の種類があり、同じ開度でも電動弁を通過する冷媒の流量は電動弁によって異なる。よって、特許文献１に記載の技術では、異なる種類の電動弁が設けられた場合に、適切な流量を流すことができない。

そこで、本発明は、複数種類の電動弁に対して共通に用いることができる電動弁の制御装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる電動弁制御装置の第１の態様は、圧縮機(101)、熱交換器(102,201)および電動弁(103)を有して冷媒が流れる冷媒回路において前記電動弁を制御する制御装置(110)であって、複数種類の前記電動弁についての複数の流量開度特性が記録される記録媒体(113)と、前記圧縮機の運転を開始するとき、又は前記圧縮機の回転速度の変動量が所定範囲以上であるときに、前記冷媒の流量の目標値と、前記電動弁の種類に応じた前記流量開度特性の一つとを用いて前記電動弁の開度の目標値を決定し、前記電動弁の開度を前記開度の前記目標値に制御する制御部(112)とを備える。

本発明にかかる電動弁制御装置の第２の態様は、第１の態様にかかる電動弁制御装置であって、前記流量の目標値は、凝縮器として機能する前記熱交換器(102,201)と熱交換する空気の温度と、前記温度についての基準温度との差、及び前記圧縮機(101)の回転速度に基づいて決定される。

本発明にかかる電動弁制御装置の第３の態様は、第２の態様にかかる電動弁制御装置であって、前記複数の流量開度特性は、前記回転速度と前記差とを変数として開度を求める関数またはテーブルであり、前記制御部(112)は前記回転速度と前記差とに基づいて前記電動弁(103)の開度を決定する。

本発明にかかる電動弁制御装置の第４の態様は、第１から第３のいずれか一つの態様にかかる電動弁制御装置であって、前記電動弁(103)の種類が書き込まれる書込み／読み取り可能な第２記録媒体(114)をさらに備え、前記記録媒体(113)は書込み不可である。

本発明にかかる電動弁制御装置の第１の態様によれば、電動弁の起動時や、圧縮機の回転速度が所定範囲を超えて変動する変動時において、所望の流量と流量開度特性に基づいて、電動弁の種類に応じた適切な開度を決定することができ、電動弁はかかる開度に制御される。よって、フィードバック制御による電動弁制御を行えば適切な領域に収束しない起動時又は変動時であっても、電動弁を適切に制御することができる。しかも、電動弁の種類に応じて流量開度特性が採用されるので、電動弁が異なる種類の電動弁に交換される場合であっても、本制御部を採用することができる。

本発明にかかる電動弁制御装置の第２の態様によれば、適切な流量の目標値の算出に資する。

本発明にかかる電動弁制御装置の第３の態様によれば、流量の目標値を算出する必要がない。

本発明にかかる電動弁制御装置の第４の態様によれば、高価な第２記録媒体に電動弁の種類が書き込まれ、安価な記録媒体に複数の流量開度特性が書き込まれるので、製造コストの低減に資する。

冷媒回路の概念的な一例を示す図である。 制御部の概念的な一例を示す図である。 流量開度特性の模式的な一例を示す図である。 制御部の動作の一例を示すフローチャートである。 制御部の動作の一例を示すフローチャートである。

＜全体構成＞
図１に例示するように、冷媒回路は圧縮機１０１と熱交換器１０２，２０１と電動弁１０３とを備えており、当該冷媒回路には冷媒が流れる。図１に例示する冷媒回路は例えば空気調和機に採用されることができる。図１の例示では、空気調和機の室外機１００と室内機２００とが示されており、圧縮機１０１、熱交換器１０２、電動弁１０３が室外機１００に設けられ、熱交換器２０１が室内機２００に設けられている。なお、本冷媒回路が空気調和機に搭載される場合、冷房運転と暖房運転とを切り替えて選択できるように冷媒回路には四方弁１０４が設けられる。四方弁１０４は室外機１００に設けられる。

圧縮機１０１は吸入管４２１から吸入される低圧の冷媒を圧縮し、圧縮した高圧の冷媒を吐出管４２２へと吐出する。

四方弁１０４には、熱交換器１０２，２０１の一端にそれぞれ繋がる２つの配管４２３，４２４と、吸入管４２１と吐出管４２２とが接続される。四方弁１０４は、配管４２３と吸入管４２１とを接続し配管４２４と吐出管４２２とを接続する第１状態と、配管４２４と吸入管４２１とを接続し配管４２３と吐出管４２２とを接続する第２状態とを選択的に切り替える。

熱交換器１０２，２０１の他端同士は配管４１によって相互に接続される。熱交換器１０２，２０１の各々は自身の内部を流れる冷媒と自身の外部を流れる空気との間で熱交換を行う。なお熱交換器１０２，２０１の近傍にはそれぞれファン１０５，２０２が設けられている。ファン１０５，２０２はそれぞれ熱交換器１０２，２０１へと送風して熱交換を促進させる。

電動弁１０３は配管４１に設けられ、配管４１を流れる冷媒の流量を調整する調整弁として機能すると共に、膨張弁としても機能する。

本冷媒回路が空気調和機に搭載される場合、第１状態及び第２状態は、室内機２００によってそれぞれ暖房運転、冷房運転（あるいは除湿運転）が行われる場合に相当する。図１では四方弁１０４が第１状態を採っている場合が例示されている。

かかる冷媒回路において、圧縮機１０１、電動弁１０３、四方弁１０４およびファン１０５，２０２は制御装置１０によって制御される（図２も参照）。制御装置１０は室外機制御装置１１０と室内機制御装置２１０とを備えている。図１の例示では、圧縮機１０１、電動弁１０３、四方弁１０４およびファン１０５は室外機１００に設けられているので、これらは室外機１００に設けられる室外機制御装置１１０によって制御される。またファン２０２は室内機２００に設けられているので、室内機２００に設けられる室内機制御装置２１０によって制御される。

室外機制御装置１１０および室内機制御装置２１０はそれぞれ制御部１１２，２１２を備えている。制御部１１２は圧縮機１０１、電動弁１０３、四方弁１０４およびファン１０５を制御し、制御部２１２はファン２０２を制御する。

図２に例示するように、室外機制御装置１１０および室内機制御装置２１０はそれぞれ通信部１１１，２１１を備えている。通信部１１１，２１１は有線又は無線により相互に通信することができる。

なお例えば室内機制御装置２１０と有線または無線により通信可能なリモートコントローラ（以下、リモコンと呼ぶ）が設けられていても良い。リモコンには例えば運転開始／停止の入力、冷房／暖房／除湿／送風運転の切り替え、設定温度の入力が行われる操作部が設けられる。ユーザはリモコンを操作して所望の空調運転を入力することにより、室外機制御装置１１０及び室内機制御装置２１０が協働して空気調和機を制御して、所望の空調運転を実現する。

また室外機制御装置１１０は記録媒体１１３を備えている。記録媒体１１３は例えばＲＯＭ(Read Only Memory)である。ＲＯＭは制御部１１２によって読み取り可能であるものの、一旦データが書き込まれた後は書込みできない記録媒体である。また図１の例示では室外機制御装置１１０は記録媒体１１４を備えている。記録媒体１１４は例えばＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）であり、制御部１１２によって読み取り及び書込み可能な記録媒体である。

なお、本実施の形態では、冷媒回路が空気調和機に設けられた態様について説明しているが、これに限らない。例えば冷蔵機器（或いは冷凍機器）又は温水機器に用いられても良い。この場合、四方弁１０４は設けられていなくても構わない。

＜電動弁の制御＞
記録媒体１１３には複数種類の電動弁１０３に対応した複数の流量開度特性が記録されている。図３にはかかる流量開度特性が模式的に例示されている。図３では互いに異なる３つの電動弁１０３にそれぞれ対応する３つの流量開度特性１０３ａ〜１０３ｃが例示されている。図３に例示するように、冷媒の流量は電動弁１０３の種類に拠らずに電動弁１０３の開度の増大とともに増大する。さらに図３の例示では、流量開度特性１０３ａ〜１０３ｃの各々において、開度の小さい領域における流量の変化率は、開度の大きい領域における流量の変化率よりも小さい。一方で、その流量の変化率は電動弁１０３の種類に依存して互いに相違する。図３の例示では、開度が小さい領域において、流量開度特性１０３ａでの流量の変化率が最も小さく、流量開度特性１０３ｃでの流量の変化率が最も大きい。また開度が大きい領域において、流量開度特性１０３ｂでの流量の変化率が最も大きく、流量開度特性１０３ａでの流量開度特性での流量の変化率が最も小さい。

なお流量開度特性は例えば次の表１〜３のようにテーブルとして記録されていても良い。表１〜３はそれぞれ流量開度特性１０３ａ〜１０３ｃを表している。

かかる制御装置１０において、例えば図４のフローチャートに則って電動弁１０３が制御される。まずステップＳ１にて、ユーザから電源が投入される。かかる電源の投入は例えばユーザがリモコンを操作して運転の開始を入力することで実行される。

次にステップＳ２にて、制御部１１２は冷媒回路に設けられた電動弁１０３の種類を認識する。これは例えば次のように実行される。すなわち記録媒体１１４には電動弁１０３の種類が書き込まれ、制御部１１２が電動弁１０３の種類を記録媒体１１４から読み取る。なお電動弁１０３の種類の、記録媒体１１４への書き込みは、例えば空気調和機の製造段階で行われてもよい。或いは、電動弁１０３を異なる種類の電動弁１０３に交換するときに現地において作業員が書き込みを行っても良い。或いは、電動弁１０３の種類を制御部１１２が判別してその種類を記録媒体１１４に書き込んでも良い。かかる判別は、例えば電動弁１０３に種類判別用の部品（例えば抵抗）を設け、制御部１１２が当該部品から電動弁１０３の種類（例えば抵抗値、当該抵抗値は０を含む）を取り込むことで行われても良い。

次にステップＳ３にて、制御部１１２は電動弁１０３の種類に対応した流量開度特性の一つを記録媒体１１３から読み取って、使用する流量開度特性を決定する。

次にステップＳ４にて、制御部１１２は圧縮機１０１を起動して運転を開始する。

次に制御部１１２はステップＳ５〜Ｓ７の動作を含む電動弁起動時制御を行う。即ち、ステップＳ５〜Ｓ７の動作は電動弁１０３の運転を開始するときに行われる制御である。以下、詳細に説明する。ステップＳ５にて制御部１１２は冷媒の流量の目標値（以下、目標電動弁流量と呼ぶ）を決定する。目標電動弁流量は、例えば圧縮機１０１の回転速度と、次に説明する温度差とに基づいて決定されてもよい。当該温度差は、凝縮器として機能する熱交換器と熱交換する空気の温度と、基準温度との差である。より詳細には、目標電動弁流量Ｆ*は次式で表すことができる。

Ｆ*＝ａ・ω＋ｂ（ｔ−ｔｒｅｆ）＋ｃ （１）

ここで、ａ，ｂ，ｃは実験又はシミュレーションにより決定されるパラメータである。ωは圧縮機１０１の回転速度である。ｔは凝縮器として機能する熱交換器と熱交換する空気の温度を示す。例えば冷房運転（或いは除湿運転）ではｔは室外温度を示し、暖房運転ではｔは室内温度を示す。ｔｒｅｆは基準温度を示し、ｔが室内温度であれば室内温度についての基準温度（例えば摂氏２７度）であり、ｔが室外温度であれば室外温度についての基準温度（例えば摂氏３５度）である。

圧縮機１０１の回転速度としては、これを検出する回転速度検出部を設け、かかる回転速度検出部からの検出値を採用してもよい。或いは例えば制御部１１２が指示する回転速度の目標値を採用してもよい。室外温度および室内温度はそれぞれ室外温度センサー及び室内温度センサーを設けることで制御部１１２が認識することができる。基準温度ｔｒｅｆは例えば実験またはシミュレーションによって決定されるとよい。

次にステップＳ６にて、制御部１１２は目標電動弁流量Ｆ*と電動弁１０３の種類に応じた流量開度特性の一つとを用いて電動弁１０３の開度の目標値（以下、目標電動弁開度と呼ぶ）を決定する。流量開度特性がテーブルとして記録されているときには、例えば一次線形により近似して目標電動弁流量Ｆ*に対応する目標電動弁開度を求めるとよい。

次にステップＳ７にて、制御部１１２は電動弁１０３の開度を目標電動弁開度に制御する。より詳細には例えば制御部１１２は目標電動弁開度となるパルスを電動弁１０３へと与える。

ステップＳ７の後のステップＳ８にて、制御部１１２はシステムが安定したときに電動弁１０３の開度をフィードバック制御する。かかるシステムの安定は例えば次のように判定される。すなわち、例えば冷媒の凝縮温度が予め定められたある閾値を超えるとフィードバック制御を実行する。これによって、冷媒循環が十分に成立している状態でフィードバック制御を実行することができる。かかる凝縮温度は凝縮器として機能する熱交換器を流れる冷媒の温度を検出する（後述する温度センサー１２２，２２１を用いる）ことで検出される。なお、凝縮温度が一定値と等しいときには肯定的な判定がなされてもよく、否定的な判定がなされてもよい。この点は、比較値と所定値との大小関係に基づくその他の判定にも適用可能であるため、以下では繰り返しの説明を避ける。また、この判定の条件は、凝縮温度が一定値を超えることを推定できる条件であってもよい。例えば圧縮機１０１の運転開始から所定時間の経過を以ってシステムが安定したと判定しても良い。

電動弁１０３のフィードバック制御は例えば次のように実行される。即ち、吐出管４２２に温度センサー１２１を設け、温度センサー１２１によって吐出管４２２を流れる冷媒の温度（吐出管温度と呼ぶ）が検出される。そして、制御部１１２はその吐出管温度がその目標値と一致するように電動弁１０３の開度が制御される。かかる目標値は、例えば熱交換器１０２，２０１における冷媒の温度に基づいて決定される。かかる冷媒の温度は熱交換器１０２，２０１に温度センサー１２２，２２１を設けることで検出される。これらの冷媒の温度の一方は凝縮温度であり、他方は蒸発温度である。

さて、運転開始時のようにシステムが不安定なときに電動弁１０３のフィードバック制御を行うと、電動弁１０３の開度が収束すべき値に収束せずに、例えば効率の低い値に収束しえる。一方、本実施の形態では、電動弁１０３は、その運転開始時において、圧縮機１０１の回転速度および温度ｔと基準温度ｔｒｅｆとの差に基づく目標電動弁流量と、流量開度特性とを用いて、目標電動弁開度を決定している。したがって、運転開始時において電動弁１０３をフィードバック制御することがなく、これに起因する上述の不具合を解消することができる。

しかも目標電動弁開度は電動弁１０３の種類に対応した流量開度特性に基づいて決定される。したがって電動弁１０３が異なる種類の電動弁１０３へと交換されたとしても、適切に電動弁１０３を制御することができる。

なお生産途中において、電動弁１０３について異なる種類の電動弁１０３を採用することは、例えば圧縮機１０１について異なる種類の圧縮機１０１を採用する場合と比較して多く発生する。このような場合に、室外機制御装置１１０を変更しなくてよいので生産が容易である。また既に現地に設置された電動弁１０３を異なる種類の電動弁１０３に交換する場合であっても、室外機制御装置１１０を変更しなくて良いので交換が容易である。

上述の例では電動弁１０３の運転開始時における動作について説明したが、フィードバック制御が開始した後であっても、圧縮機１０１の回転速度の変動量が所定範囲を超える場合には、ステップＳ８の実行を中断してステップＳ５〜Ｓ７と同様の制御を実行することが望ましい。このような場合には、たとえ凝縮温度が一定値を超えて冷媒循環が十分に成立したとしても、電動弁１０３の開度が圧縮機１０１の回転速度の急激な変化に対応できず、最適点への収束が遅れ、例えば効率の低い状態での運転が長くなる等の問題が発生し得るからである。なお、必ずしもステップＳ５〜Ｓ７を実行する必要はなく、電動弁の開度を次のように決定しても良い。即ち、例えばステップＳ８の実行を中断した時の目標電動弁開度（目標電動弁開度）に対して、周波数変化量（圧縮機１０１の周波数の変化量）Δωとパラメータａ（段落００３７参照）とを乗算して算出された値Δω・ａを加算して電動弁開度を補正する。そして、補正後の電動弁開度に基づいて電動弁１０３の開度を制御してもよい。

図５はステップＳ８以降の動作の一例を示している。即ち、制御部１１２はステップＳ１１にて制御部１１２は目標吐出管温度制御を実行する。なお図５のフローチャートは図４のフローチャートの続きであって、ステップＳ１１はステップＳ８と同じステップである。そして、ステップＳ１２にて制御部１１２は圧縮機の回転速度の変動量が所定範囲以上であるかどうかを判定する。ステップＳ１２にて否定的な判定がなされれば、ステップＳ１１を実行する。ステップＳ１２にて肯定的な判定がなされれば、ステップＳ５〜ステップＳ７とそれぞれ同じステップＳ１３〜Ｓ１５を実行する。次にステップＳ１６にて制御部１１２は圧縮機の回転速度が所定値以下であるかどうかを判定する。ステップＳ１６にて否定的な判定がなされれば、ステップＳ１５を実行する。ステップＳ１６にて肯定的な判定がなされれば、ステップＳ１１を実行する。

これによって、電動弁１０３の開度が例えば効率の低い値に収束することなく、適切な制御を行うことができる。

なお上述した例では、一旦、目標電動弁流量Ｆ*を求め、かかる目標電動弁流量Ｆ*を求めていたが、これに限らない。以下、詳細に説明する。目標電動弁流量Ｆ*は式（１）に例示するように、圧縮機１０１の回転速度ω、及び温度ｔと基準温度ｔｒｅｆとの差を変数としている。一方、目標電動弁開度は目標電動弁流量Ｆ*を用いて流量開度特性から求められる。

よって目標電動弁開度は回転速度ω、及び温度ｔと基準温度ｔｒｅｆとの差を変数とした関数で求めることができる。例えば式（１）を簡略化してＦ*＝ｆ（ω，ｔ−ｔｒｅｆ）と表し、流量開度特性を目標電動弁開度＝ｇ（Ｆ*）と表せば、目標電動弁開度はｇ（ｆ（ω，ｔ−ｔｒｅｆ））で表すことができる。したがって、記録媒体１１３には、流量開度特性として、圧縮機１０１の回転速度ω、及び温度ｔと基準温度ｔｒｅｆとの差を変数として開度を求める関数（ｇ（ｆ（ω，ｔ−ｔｒｅｆ）））または、当該関数の離散値を採って作成されるテーブルが記録されていても良い。そして、制御部１１２が、電動弁１０３の種類に応じて関数（又はテーブル）の一つを決定し、回転速度ωおよび温度ｔと基準温度ｔｒｅｆとの差を用いて当該関数（又はテーブル）の一つから目標電動弁開度を求めればよい。

これによれば、制御部１１２は目標電動弁流量Ｆ*を算出することなく、回転速度ω及び温度ｔと基準温度ｔｒｅｆとの差に基づいて、目標電動弁開度を求めることができる。よって処理速度を高めることができる。

また上述の例では、電動弁１０３の種類が記録媒体１１４に記録され、複数種類の電動弁１０３にそれぞれ対応する複数種類の流量開度特性が記録媒体１１３に記録されている。さて電動弁１０３の種類を表すデータ量は複数種類の流量開度特性を表すデータ量よりも小さい。また書込み／読出し可能な記録媒体１１４（例えばＥＥＰＲＯＭ）は書込み不可能な記録媒体１１３（例えばＲＯＭ）に比べて高価である。ここではデータ量の小さい情報を記録媒体１１４に記録し、データ量の大きい情報を記録媒体１１３に記録しているので、製造コストの低減に資することができる。なお、製造コストの低減が不要であれば、複数の流量開度特性および電動弁の種類のいずれが記録媒体１１４に記録されても良い。

１０１ 圧縮機
１０２，２０１ 熱交換器
１０３ 電動弁
１１２ 室外機制御装置
１１３，１１４ 記録媒体

Claims (4)

1. 圧縮機(101)、熱交換器(102,201)および電動弁(103)を有して冷媒が流れる冷媒回路において前記電動弁を制御する制御装置(110)であって、
   複数種類の前記電動弁についての複数の流量開度特性が記録される記録媒体(113)と、
   前記圧縮機の運転を開始するとき、又は前記圧縮機の回転速度の変動量が所定範囲以上であるときに、前記冷媒の流量の目標値と、前記電動弁の種類に応じた前記流量開度特性の一つとを用いて前記電動弁の開度の目標値を決定し、前記電動弁の開度を前記開度の前記目標値に制御する制御部(112)と
   を備える、電動弁制御装置。
2. 前記流量の目標値は、凝縮器として機能する前記熱交換器(102,201)と熱交換する空気の温度と、前記温度についての基準温度との差、及び前記圧縮機(101)の回転速度に基づいて決定される、請求項１に記載の電動弁制御装置。
3. 前記複数の流量開度特性は、前記回転速度と前記差とを変数として開度を求める関数またはテーブルであり、
   前記制御部(112)は前記回転速度と前記差とに基づいて前記電動弁(103)の開度を決定する、請求項２に記載の電動弁制御装置。
4. 前記電動弁(103)の種類が書き込まれる書込み／読み取り可能な第２記録媒体(114)をさらに備え、
   前記記録媒体(113)は書込み不可である、請求項１から３のいずれか一つに記載の電動弁制御装置。

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