JPH0348428B2 - - Google Patents

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JPH0348428B2
JPH0348428B2 JP59265519A JP26551984A JPH0348428B2 JP H0348428 B2 JPH0348428 B2 JP H0348428B2 JP 59265519 A JP59265519 A JP 59265519A JP 26551984 A JP26551984 A JP 26551984A JP H0348428 B2 JPH0348428 B2 JP H0348428B2
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  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、圧縮すべき冷媒の過熱度に応答する
調節可能な冷媒膨脹弁によつて冷媒凝縮器から冷
媒蒸発器への冷媒の流量が制御される冷却装置
と、その冷媒流量制御方法に関する。
冷却装置においては、調整可能な膨脹弁を設
け、負荷冷却には十分であるが冷媒液が圧縮機の
シリンダに入ることがないような量の冷媒を蒸発
器に供給するように膨脹弁を制御する場合が多
い。そのように制御するのは、冷媒液が圧縮機の
シリンダに入る「スラツギング」または「フラツ
デイング」という状態では、圧縮機に激しい損傷
を生じることがあるからである。従来の冷却装置
の多くは、蒸発器内の冷媒圧力またはそれと等価
な温度、および蒸発器から出る過熱冷媒の温度を
検出することにより、膨脹弁を通過する冷媒流量
を制御している。そのような温度の差は、当該技
術分野では「過熱度」と呼ばれている。
従来の冷却装置は通常、圧縮機のスラツギング
を回避すべく、過熱度の安全余裕が大きくなるよ
うに膨脹弁を制御する設計になつている。このよ
うに過熱度の大きな安全余裕を必要としたのは、
ヘツド圧力、吸い込み圧力、必要冷却量など種々
の動作変動要因があり、膨脹弁の調節に対する装
置の応答が遅く、また過熱度の正確な測定が困難
であつたからである。そのような変動要因のため
に、従来の冷媒制御装置では冷却装置内の冷媒流
量を過大または過少に修正しやすく、その結果、
動作の不安定や冷却能力の低下を招いたり、時に
は冷媒圧縮機のフラツデイングを起こすことがあ
つた。
例えば、制御装置で高過熱度状態を検出した時
に過熱度が急激に上昇中であると、冷却装置の冷
媒流量が過少修正される傾向がある。逆に、制御
装置で高過熱度状態を検出した時に、他の装置変
動要因のために過熱度が低下中であると、冷媒流
量が過大修正される傾向がある。過大修正または
過少修正による不安定を招く上記並びに他の装置
状態は、凝縮器フアンの電源の投入または切断
時、圧縮機を作動させたり停止させたりした時、
冷却媒質の流量が変化した時、あるいは冷却負荷
が急に変動した時に主に生じる。
本発明によれば、凝縮器から蒸発器への冷媒の
流れは冷媒膨脹弁によつて調整されるが、この冷
媒膨脹弁は、冷媒の過熱度とその変化率に応じて
制御される。このように冷媒の過熱度の大きさと
変化率の両方に応じて冷媒流量を調整すれば、従
来の冷却装置におけるような冷媒流量の過大修正
や過少修正により装置が不安定になるという問題
を解決できる。
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。こ
こで説明する冷却装置は、一般に水冷却装置また
はブライン冷却装置と呼ばれるもので、空冷の凝
縮器、往復圧縮機、および、冷媒を直接的に膨脹
させて水またはブラインと熱交換させ、それらを
冷却する冷却容器を使用している。ただし本発明
は、熱ポンプ、発熱を主要な目的とする機械、水
冷却凝縮器、または他の種類の密封型圧縮機を用
いる機械に同様に適用できるものである。また、
内部の熱交換パイプの外側の水またはブラインを
冷却する直接膨脹蒸発容器に関して本発明を説明
するが、当該装置は熱交換パイプの外側に冷媒が
存在する溢れ蒸発器、あるいは空気または他の流
体を直接冷却する蒸発器を採用することもでき
る。さらに、上記形式の冷却装置は、実際的に
は、所望の冷却能力または発熱能力が得られるよ
うに、冷却容器、圧縮機および凝縮器を並例に設
けてもよいし、あるいは複数の冷却回路を直列接
続してもよい。また、電気作動の弁ステツプモー
タを駆動するマイクロプロセツサ構成の制御装置
について本発明を説明するが、本発明の範囲内に
おいて、機械式、電気式、空気圧式、その他の制
御装置も使用可能である。
第１図に、制御装置２を備えた冷却装置１が示
されている。この冷却装置１は往復圧縮機４、空
冷凝縮器６、モータ９によつて制御される冷媒膨
脹弁８、蒸発器１０を備えている。典型的には、
蒸発器１０はパイプを筒状の冷却容器に収容した
構成であり、その容器１４の内部に熱交換パイプ
１６がパイプシートで支持され、このパイプシー
トによつて容器端部に冷媒入口ヘツダーと冷媒出
口ヘツダーが形成されている。ここに説明する冷
却装置は、実際的には、凝縮器および／または凝
縮部もしくはフアンを複数設け、それらを装置の
運転条件に応じて選択的に作動させたり停止させ
るのが望ましいであろう。
動作を説明すれば、冷媒蒸気は、蒸発器１０の
出口から吸い込み通路２０を通じて圧縮機４によ
り吸い出される。この冷媒蒸気は、圧縮機４の内
部で圧縮され、熱ガス通路２２を介して凝縮器６
へ送られ、そこで１つ以上のフアン７によつて凝
縮器の熱交換パイプに送られる空気などの冷却媒
質と熱交換して凝縮し、液体になる。この液体冷
媒は、膨脹弁８が途中に設けられた液体通路２４
を通つて蒸発器１０の冷媒入口へ流れ込む。膨脹
した低圧冷媒は熱交換パイプ１６を通過中に蒸発
し、暖水入口通路２６を介して蒸発器容器内に送
り込まれた水を冷す。蒸発器容器内で冷された水
は、冷房のために冷水出口通路２９を通じて所望
の場所へ送られる。あるいは、容器１４内で流体
を加熱したり、容器１４の代わりの他の周知の熱
交換装置を用いて、空気または他の媒質を冷却も
しくは加熱することも可能である。
制御装置２は、好ましくは、マイクロプロセツ
サ、メモリー、入出力回路、およびデジタル制御
可能なステツプモータ９を制御する電力スイツチ
ング素子からなるマイクロコンピユータ３０によ
り構成される。ステツプモータ９は、膨脹弁８の
開閉量を段階的に調整して、凝縮器６から蒸発器
１０へ流れる冷媒の流量を段階的に制御する。マ
イクロコンピユータ３０は、サーミスター３２，
３４などの感熱素子、または他の種頼のセンサー
からアナログまたは他の形式の入力信号を受け、
それらを処理してステツプモータ９を駆動するた
めのデジタル弁制御出力信号を発生する。適切な
マイクロコンピユータ制御の膨脹弁と、そのステ
ツプモータについては、同じ発明者の米国特許出
願（代理人の事件整理番号3767）にさらに詳細に
述べられている。
サーミスター３２は、蒸発器１０の冷媒入口ヘ
ツダー、または蒸発器内の飽和冷媒温度に対応す
る温度または圧力の検出に好適な他の場所に設け
られた蒸発器プローブ・アセンブリー３３に含ま
れている。サーミスター３４は圧縮機プローブ・
アセンブリー３５の一部であり、好ましくは圧縮
機４のハウジング内の所望位置における冷媒温
度、すなわち蒸発器１０から圧縮機４の圧縮部へ
送られる過熱冷媒の温度に対応する温度を検出す
る。
本発明によれば、マイクロコンピユータ３０
は、サーミスター（センサー）３２，３４から入
力される信号を処理し、検出された冷媒の過熱温
度の関数、および過熱温度の変化率の関数にした
がつて冷媒膨脹弁８を調整する。
第２図に、マイクロコンピユータを使用した好
ましい電子式制御装置に組込むことができる、上
記信号処理の基本論理プログラムのフローチヤー
トを示す。なお、ここに説明した形式の電子式制
御装置は好適であるが、必要ならば他の形式の温
度センサーと制御装置を採用してもよい。
ステツプ101において、サーミスター（センサ
ー）３２によつて検出された温度が読み込まれて
格納され、そして読み出される。ステツプ102で、
サーミスター（センサー）３４により検出された
現在の過熱冷媒温度が読み込まれて格納され、そ
して読み出される。ステツプ103で冷媒膨脹弁の
現在位置がメモリーから読み出され、ステツプ
104で過熱冷媒温度の直前の計算値がメモリーか
ら読み出される。
ステツプ105において、ステツプ101で読み出さ
れた飽和温度をステツプ102で読み出された過熱
冷媒温度から減算することにより、現在の過熱度
が算出され、現在過熱度信号が発生する。ステツ
プ106で、現在過熱度信号は所定の低過熱度温度、
例えば−10〓と比較され、その温度未満ならば、
ステツプ107で現在過熱度信号はその低い値（−
10）にクランプされる。しかし、ステツプ106で
現在過熱度信号が所定の下限温度（−10〓）以上
ならば、論理はステツプ108へ進む。ステツプ108
で、現在過熱度信号は所定の高過熱度温度、例え
ば＋40〓と比較され、その温度限界を越えている
ならば、ステツプ109で現在過熱度温度信号はそ
の所定の高い値（＋40）にクランプされるが、そ
の温度限界以下ならば論理はステツプ110へ進む。
過熱度温度と比較する上記各限界温度は、実際の
冷却装置の応答特性を測定することにより経験的
に決定される。ステツプ106〜109は、過熱度の高
い状態と低い状態に対する制御装置の感度を制限
するためのクランプ機能を遂行する。
ステツプ110で、ステツプ109または108にて得
られた現在過熱度信号と、ステツプ104で読み出
された以前の過熱度信号の比較により、過熱度の
変化率が計算される。ステツプ111で、この過熱
度変化率は負の下限値、例えば−0.4〓／secと比
較され、−２未満ならばステツプ112で変化率信号
は−0.4にクランプされ、そうでなければステツ
プ113に進む。このステツプで、変化率信号はあ
る正の上限値、例えば＋0.4〓／secと比較され、
それより大きければ、変化率信号は＋0.4にクラ
ンプされる。ステツプ111〜114は、過熱度の急激
な変化に対する制御装置の感度を制限するための
クランプ機能を果すものである。変化率信号と比
較される上記各限界値も、冷却装置の特性を測定
し、それに基づいて経験的に決定される。
次に論理はステツプ115に進み、弁変化量信号
が算出される。このステツプで実行される弁変化
量信号の算出法は、ステツプ105で計算されステ
ツプ106〜109で修正された現在過熱度状態の第１
の関数を、ステツプ110で計算されステツプ111〜
114で修正された過熱度変化率の第２の関数に加
算するというものである。ステツプ115で計算す
る実際の演算式は、冷却装置を観測して得られる
諸特性、例えば装置の特定の物理的特性を変化さ
せた場合の過熱度の変化率と、必要とされる過熱
度の安全余裕に基づいた経験式である。代表的な
例を挙げるならば、この演算式は、計算した現在
過熱度のある所望の過熱度からの偏差に１未満の
係数を掛けた値と、計算した過熱度変化率に１よ
り大きい係数を掛けた値との和を求めるものであ
る。本最適実施例に関連して説明し、かつ前記米
国特許出願でさらに詳しく説明されている電子式
膨脹弁を用いた冷却装置の場合、次の演算式によ
り適切な弁変化量信号を得られることがわかつて
いる。
1/2（SH−15）＋８（dSH／dt） この冷却装置においては、過熱度安全係数を約
15〓に維持する必要があると仮定されており、1/
２（SH−15）の項は、検出された現在過熱度
（SH）の所望の過熱度（＋15〓）からの偏差を、
所望過熱度からの偏差に対する過大修正を防止す
るようにクランプ回路で修正した後の値に、１未
満の係数（1/2）を掛けた値を意味している。８
（dSH／dt）の項は、過熱度変化に対する過大修
正を防止するように修正した後の過熱度変化率
（dSH／dt）の倍数（８倍）を意味している。し
かし、このような演算式は、基本的には、特定の
冷却装置および制御装置について測定した特性に
基づき試行錯誤によつて得られるものである。た
だし、この関数の一般的性質は様々な冷却装置に
広く適用可能である。
ステツプ115で計算された弁変化量信号は、ス
テツプ116において、必要ならば装置の他の諸パ
ラメータに関連して修正される。例えば、装置の
温度、圧力、モータ電流などが所定の許容限界値
を越えた場合、必要に応じて装置運転を停止また
は変更させるように、弁変化量信号が修正され
る。ステツプ117で、必要ならば、弁の非直線性
を補償するように、弁変化量信号がさらに修正さ
れる。ステツプ118において、新しい弁位置が計
算され、後にステツプ103で使うためにメモリー
に格納される。ステツプ119で必要な弁モータの
ステツプ数が計算され、適当なデジタル信号が作
られてステツプ120で出力駆動論理に与えられる。
かくして、出力駆動論理から出る弁制御信号によ
り、所要ステツプ数分だけステツプモータ９の巻
線がパルス駆動され、弁位置がステツプ118で計
算された所望位置に調整される。
すでに分かつているように、冷媒過熱度の所望
値からの偏差だけでは、所望の過熱度に復帰させ
るための最適な弁位置変化量を必ずしも指定でき
るものではない。しかし、本発明によつて得られ
る弁制御信号は、現在の過熱度の所望過熱度から
の偏差の関数と、過熱度の変化率の関数とを主要
素としている。これらの２つの要因を考慮してい
るため、凝縮器から蒸発器へ流れる冷媒の流量を
極めて適切に制御でき、冷却装置が不安定になつ
たり圧縮機のフラツデイングを引き起こしたりす
る危険を大幅に減らすことができる。
例えば、複数の圧縮機および凝縮器フアンのス
テージを使用する液体冷却装置において、圧縮機
ステージが装置に追加されると、吸い込み圧力お
よび飽和温度が急激に低下するため、その圧縮機
へ流れる冷媒の過熱度を急に増加させる。同様
に、例えば、凝縮器フアン・ステージが投入され
た時や、冷却負荷が急に増加した時などに、冷却
装置のヘツド圧力が急激に低下すると、過熱度も
急上昇する傾向がある。このような状況におい
て、制御装置が所要過熱度からの現在の偏差だけ
にしか応答しない場合、過熱度の急激な上昇を考
慮しないため、膨脹弁を過熱度の偏差によつて示
される量以上に開かねばならない。この問題を解
決するために本発明は、正の変化率関数を弁制御
信号に加えて膨脹弁を余分に開かせることによ
り、冷媒流量の増加要求に対する応答性を過熱度
信号だけの場合より向上させる。
他方、ある圧縮機ステージまたは凝縮器フア
ン・ステージを停止させた時や、負荷が急に低下
した時のように、吸い込み圧力または凝縮器圧力
が急に上昇した場合、過熱度が急速に減少しがち
であり、蒸発器に冷媒が過剰供給されて圧縮機の
フラツデイングを生じる危険がある。このような
状況下で、本発明による制御装置は、負の変化率
関数を弁制御信号に加えて膨脹弁を余分に閉じさ
せることにより、蒸発器に対する冷媒流量の減少
速度を高め、圧縮機のフラツデイングを防止す
る。
また、過熱度が所望値から正または負の方向に
変動しても、弁の位置は殆どもしくは全く変化さ
せる必要がないという運転状況もある。このよう
な状況が生じるのは、冷却装置の運転変更によつ
て、過熱度の変化率と所望過熱度からの偏差の変
化率とが逆になる場合である。圧縮機を１台追加
すると同時に１台の凝縮器フアンを停止させた場
合に、そのような状況になることがある。この場
合、圧縮機能力の増加によつて過熱度の一時的な
急上昇が検出され、ヘツド圧力の上昇により変化
率が負になる。したがつて、膨脹弁の過大修正に
より冷却装置は不安定になる危険がある。かかる
状況下において、本発明による制御装置は、弁を
開くための信号を減少させるか、または弁を閉じ
るための信号を増加させるような変化率信号を発
生し、冷却装置がオーバーシユートして不安定に
ならないようにする。
一般に、本発明の制御装置および制御方法によ
れば、過熱度が設計値を越え、かつ正の変化率が
検出される時、または過熱度が設計値を下回り、
かつ負の変化率が検出される時には、冷媒膨脹弁
を素早く応答させる。他方、本発明の制御装置
は、過熱度は設計値を越えているが、その変化率
は負の時、または過熱度は設計値を下回つている
が、その変化率は正の時には、冷媒膨脹弁の応答
速度を下げる。したがつて、本発明の制御装置
は、過熱度の変化率と偏差とが同一方向に変化し
ている時に、膨脹弁の応答を早め、過熱度の変化
率と偏差とが互いに逆方向に変化している時に、
膨脹弁の応答を遅くする。その結果、過熱度とそ
の偏差が同一方向に変化している時に、過熱度の
オーバーシユートやアンダーシユートが起こらな
くなり、また過熱度の変化率と偏差とが逆方向に
変化している時に、装置が不安定になつたりハン
チングを起こしたりしなくなる。
以上説明した制御装置および制御方法によれ
ば、過熱度の安全余裕を減らしても冷却装置を安
全に運転でき、したがつて、冷却装置の蒸発器熱
交換面を縮小したり、冷却能力の増大と効率改善
を図ることができる。
なお、本発明の好ましい一実施例について説明
したが、本発明は特許請求の範囲に定義した本発
明の範囲内で変形して実施し得るものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による冷却装置とその制御装置
の概略図、第２図はマイクロプロセツサ構成の制
御装置によつて本発明を実施するための好適な論
理を示すフローチヤートである。 １……冷却装置、２……制御装置、４……圧縮
機、６……凝縮器、８……膨脹弁、９……ステツ
プモータ（弁モータ）、１０……蒸発器、３０…
…マイクロコンピユータ、３２，３４……サーミ
スター（センサー）。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ (A) 冷媒蒸気を凝縮する凝縮器と、 (B) 冷媒液を蒸発させ冷す蒸発器と、 (C) 前記蒸発器内で形成された冷媒蒸気を圧縮
    し、その圧縮冷媒蒸気を前記凝縮器へ送る圧縮
    機と、 (D) 前記凝縮器から前記蒸発器への冷媒の流れを
    制御する調整可能な冷媒膨脹弁と、 (E) 前記蒸発器内の冷媒の飽和温度に対応する当
    該冷却装置の第１の温度を検出する第１の検出
    手段と、前記蒸発器から前記圧縮機へ流れる冷
    媒の温度に対応する当該冷却装置の第２の温度
    を検出する第２の検出手段とを含み、前記蒸発
    器から前記圧縮機へ流れる冷媒の過熱度に対応
    する前記第１の温度と前記第２の温度との差の
    関数である過熱度温度信号を発生する温度信号
    発生手段と、 (F) 前記第１の温度と前記第２の温度との差の変
    化率の関数である過熱度変化率信号を発生する
    変化率信号発生手段と、 (G) 前記過熱度温度信号によつて示される前記第
    １の温度および前記第２の温度の差と所定の過
    熱度温度との差に１未満の係数を乗じた値と、
    前記過熱度変化率信号によつて示される前記第
    １の温度と前記第２の温度との差の変化率に１
    より大きい係数を乗じた値との和の関数である
    弁制御信号を発生するようにプログラムされた
    マイクロコンピユータを有してなる制御信号発
    生手段と、 (H) 前記マイクロコンピユータから与えられる前
    記弁制御信号に応じて前記冷媒膨脹弁を調整す
    る、該冷媒膨脹弁に連結されたモータを有して
    なる弁制御手段と、 からなることを特徴とする冷媒装置。 ２ 所定の過熱度温度からの前記過熱度温度信号
    の大きな偏差に対する前記弁制御信号の感度を低
    下させる信号処理手段を備えた特許請求の範囲第
    １項に記載の冷媒装置。 ３ 前記過熱度変化率信号の大きな変化に対する
    前記弁制御信号の感度を低下させる信号処理手段
    を備えた特許請求の範囲第１項に記載の冷却装
    置。 ４ 凝縮器、調整可能な冷媒膨脹弁、蒸発器およ
    び圧縮機を備える冷却装置における冷媒の流量を
    制御する方法であつて、 (A) 前記蒸発器から前記圧縮機へ冷媒蒸気を送る
    段階と、 (B) 前記蒸発器内の冷媒の飽和温度に対応する前
    記冷却装置の第１の温度を検出する段階と、 (C) 前記蒸発器から前記圧縮機へ流れる冷媒の温
    度に対応する前記冷却装置の第２の温度を検出
    する段階と、 (D) 前記蒸発器から前記圧縮機へ流れる冷媒の過
    熱度に対応する前記第１の温度と前記第２の温
    度との差の関数である過熱度温度信号を発生す
    る段階と、 (E) 前記第１の温度と前記第２の温度との差の変
    化率の関数である過熱度変化率信号を発生する
    段階と、 (F) 前記過熱度温度信号によつて示される前記第
    １の温度および前記第２の温度の差と所定の過
    熱度温度との差の関数を前記過熱度変化率信号
    の関数に加えて、前記蒸発器から前記圧縮機へ
    流れる冷媒の過熱度およびその変化率の関数で
    ある弁制御信号を発生する段階と、 (G) 前記弁制御信号に応じて前記冷媒膨脹弁を調
    整することにより前記凝縮器から前記蒸発器へ
    の冷媒の流れを制御する段階と、 からなることを特徴とする冷媒流量制御方法。 ５ 前記弁制御信号発生段階は、前記過熱度温度
    信号の所定の過熱度温度からの大きな偏差に対す
    る前記冷却装置の感度を制限する段階を含むこと
    を特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の冷媒
    流量制御方法。 ６ 前記弁制御信号発生段階は、前記過熱度変化
    率信号の大きな変化に対する前記冷却装置の感度
    を制限する段階を含むことを特徴とする特許請求
    の範囲第４項に記載の冷媒流量制御方法。
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