JPS6045780B2 - 冷媒流量制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は冷凍サイクルの冷媒流量制御装置に係り、特
に冷凍サイクル中の膨張弁の開度をパルスにより駆動さ
れるモータにより調整して冷媒流量を制御する冷媒流量
制御装置に関するものである。

斯かる装置は、蒸発留出口部の温度に応じたガス圧に
よつて弁開度が調節される機械式膨張弁や、電気ヒータ
とバイメタルを組合せた弁駆動部を有し、パイメタルの
変形によつて弁開度が調節される熱動式膨張弁を冷凍サ
イクルに用いた従来の装置の応答性、制御性（精度）な
どの悪さを改善するために考えられたものである。

ところで、斯かる冷媒流量制御装置は、その開度によ
り冷媒の流量を制御する膨張弁と、パルスにより駆動さ
れて上記膨張弁の開度を調整するモータと、蒸発器の出
口部について予め設定した過熱度に対する実際の過熱度
の偏差を求め、この偏差の大きさに応じた数のパルスを
発生して上記モータを駆動する制御器とを備えるが、斯
かる装置では一般に、パルス駆動されるモータにより弁
の開度を一度調整すると、その調整結果がシステムに現
われるまでの数分間制御を停止するようにタイマにより
マスクし、次の制御時点でそのときの偏差に応じた数の
パルスを発生して制御を行うようになつている。

このため、蒸発器近傍の温度が急に変り負荷が急変した
場合や、システムの運転の都合で圧縮機の能力を変える
容量制御が行われた場合のように、弁開度と冷媒流量と
が実際に必要とされるものから大巾にずれてしまい、偏
差が著しく大きくなつたときには、上述のような長い周
期毎の制御では、冷媒流量を適正にするように弁開度を
調整してバランスさせるのに多大な時間を要し、省エネ
ルギーなどの観点から好ましくない。 本発明は上述し
た点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは
、負荷の急変などにより設定過熱度に対する実際の過熱
度の偏差が著しく大きくなつたとき、システムのバラン
ス点を早急に見つけ出すことができるようにした冷媒流
量制御装置を提供することにある。

以下本発明を実施例を示す図面について説明する。

第１図は本発明による冷媒流量制御装置を適用した冷
凍システムの一例を示し、冷凍システムは圧縮機１、凝
縮器２、膨張弁３、及び蒸発器４によつて構成されてい
る。

膨張弁３はその開度がパルスにより駆動されるステッピ
ングモータ５により調整されるようになつている。上記
パルスは、蒸発器４の出口部に設けた圧力センサ６と温
度センサ７との出力に基き制御器８が発生する。上記圧
力センサ６は、蒸発器４の出口部で冷媒の圧力を検出し
て圧力に対応する大きさの電圧を出力するもので、第２
図ａに示すようにほとんど直線と見なしうる圧力対出力
電圧特性を有する。この圧力センサ６の出力は、蒸発器
４の出口部の過熱蒸気の温度とその蒸気の圧力に相当す
る飽和温度との差て定義される蒸発器４の出口部の過熱
度を決定するため、上記飽和温度を求めるために利用さ
れるが、一般に冷媒圧力対飽和温度の特性、すなわち飽
和蒸気圧線は直線的でなく、２次曲線に近い曲線特性と
なつているため、冷媒圧力相当温度に対する出力電圧に
ついては、第２図ｂに示すような特性となり、直線的で
なくなる。しかし、熱電対温度変換器などに広く使用さ
れているリニアライザを用いれば、第２図ｂの特性を容
易に直線化できる。従つて、同じように温度センサ７の
出力特性も直線化しておけば、冷媒の過熱度は基準とな
る冷媒圧力相当温度が変化しても直線的な関係を保つこ
とができる。上記圧力センサ６と温度センサ７の出力は
、第３図にブロック図で示す制御器の演算部８０１に加
えられる。

演算部８０１は、上記両センサ６及び７からの信号によ
り、上記定義に基き演算して蒸発器４の出口部の過熱度
を求めると共に、過熱度設定部８０２から入力される設
定過熱度に対する実際の過熱度の偏差ΔＳＨを演算によ
り求め、偏差に対して第４図に示すような関係にある電
圧の信号を出力する。この演算部８０１の偏差に関する
出力は、弁の開動作又は閉動作を行わせるために利用さ
れ、十偏差のあるときには、過熱状態がきき過ぎるので
冷媒の流量を増すように弁をよ．り開く方向に動作させ
、一偏差のあるときには、逆に弁を閉じる方向に動作さ
せる。上記演算部８０１の出力は、関数発生部８０３、
偏差極性検出部８０４及び大偏差検出部８０５に導かれ
ている。

関数発生部８０３は、偏差極性検出部８０４の制御のも
とで、入力電圧が正のときと負のときで利得が変えられ
るようになつており、一偏差のときの出力電圧の絶対値
が同じ大きさの十偏差のときよりも大きくなるようにし
、第４図に示すような入力に対して第５図に示すような
出力を発生するように働く。具体的には、関数発生部８
０３及び偏差極性検出部８０４は第６図に示すように構
成されている。

関数発生部８０３は、演算増幅器（以下０Ｐアンプと略
記する）Ｕ１と、抵抗Ｒｌ，Ｒ２及びＲ３と、抵抗Ｒ２
と並列の抵抗Ｒ３を接離するアナログスイッチＳ１とか
らなる反転増幅器として構成され、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３で
あるとすると、反転増幅器の）利得はアナログスイッチ
Ｓ１がオフのとき１、オンのとき２になる。一方、偏差
極性検出部８０４は０ＰアンプＵ２か一らなるコンパレ
ータとして構成され、入力すなわち偏差が正であればＬ
レベル、負であればＨレベ・ルの出力を送出する。

この偏差極性検出部８０４の出力は、上記関数発生部８
０３のアナログスイッチＳ１のオン・オフを制御するた
めの他、後述するステッピングモータの回転方向を指定
するために利用される。アナログスイッチＳ１は、その
入力にＬレベル信号が加わるとオフし、Ｈレベル信号が
加わるとオンするようになつているため、十偏差のとき
オフして反転増幅器の利得を１に、一偏差のときオンし
て反転増幅器の利得を２にそれぞれ設定する。

上述の具体例では、関数発生部８０３を反転増幅器で構
成しているため、第４図のような入力があると、第５図
とは異なる第７図に示すような出力電圧が出力されるが
、もう一度反転増幅してやれは第５図のような出力特性
となることは明らかである。上記関数発生部８０３の出
力は、後にＡ／Ｄ変換するために絶対値変換部８０６に
導かれる。

絶対値変換部８０６は第８図に示されるように、０Ｐア
ンプＵ３と抵抗Ｒ４９Ｒ５とダイオードＤｌ，Ｄ２とか
らなる直線検波回路と、０ＰアンプＵ４と抵抗Ｒ６，Ｒ
７，Ｒ８とからなる加算回路とによつて構成され、第５
図に示す入力が加えられると第９図に示す出力を発生す
る。すなわち、この絶対値変換部８０６は入力信号電圧
の極性にかかわらず常に正の出力電圧を出力するように
働く。絶対値変換部８０６の出力はＡ／Ｄ変換部８０７
に導かれる。

Ａ／Ｄ変換部８０７はタイマ部８０８によつて規定され
る周期毎にその入力の大きさに応じた数のパルスを出力
するように働く。夕イマ部８０８は通常第１０図ａに示
すような周期Ｔ、持続時間ｔのパルスを発生し、設定過
熱度に対する実際の過熱度の偏差が予め定めた値以上の
とき、大偏差検出部８０５の制御のもとて第１０図ｂに
示すような周期２ｔ１持続時間ｔのパルスを発生するよ
うになつている。なお、上記周期Ｔは冷凍システムによ
つて異なつていて実験的に定められるが、約数分である
。

一方、パルスの持続時間ｔは３叩２以内に定められる。
通常はこのように、パルス駆動されるステッピングモー
タにより弁を一度調整すると、その調整結果が冷凍シス
テムに現われる数分間制御を停止するようにタイマによ
つてマスクし、次の制御時点でそのときの偏差に応じた
数のパルスを発生して制御を行つている。ところが、蒸
発器近傍の温度が急に変り負荷が急変した場合や、シス
テムの運転の都合で圧縮機の能力を変える容量制御が行
われた場合には、弁開度と冷媒流量とが実際に必要とさ
れるものから大巾にずれてしまい、偏差が著しく大きく
なる。

制御器８は偏差に応じてパルスを発生して弁を調整する
が、各周期毎に出力できる最大パルス数が限られている
ので、上述のような場合に冷媒の流量を適正にするよう
に弁を調整してバランスさせるためには多大な時間を要
し、省エネルギーの観点から好ましくない。従つて、こ
のように偏差が大きくなつたときには、タイマ８０８に
よるマスク時間を短くして弁の開度が所定位置に早く調
整できるように、タイマ８０８が発生するパルスの周期
を第１０図ｂのように短かくしてシステムのバランス点
を早く見つけるようにすればよい。

第１１図は上記大偏差検出部８０５、Ａ／Ｄ変換部８０
７及びタイマ部８０８の具体例を示す。

大偏差検出部８０５は、０Ｐアンプｙからなる＋側大偏
差検出用コンパレータと、０ＰアンプＵ６からなる一側
大偏差検出用コンパレータと、両コンパレータのオアを
とるオアゲートＧ２とにより構成され、０Ｐアンプ硯の
反転入力端子と０ＰアンプＵ６の非反転入力端子とには
、検出すべき十及び一の大偏差に相当する電圧＋ｅと−
ｅとがそれぞれ加えられている。この結果、大偏差検出
部８０５への偏差相当電圧入力をＥ，とすると、０Ｐア
ンプＵ５の出力はＥ，〉＋ｅのときＨレベル、Ｅ，く＋
ｅのときＬレベルとなり、０ＰアンプＵ６の出力はＥ，
〉−ｅのときＬレベル、Ｅ，〈−ｅのときＨレベルとな
るため、オアゲートＧ２の出力は、偏差が所定値以下か
以上であるかによつてそれぞれＬ及びＨレベルとなる。
タイマ部８０８は、周期Ｔ１持続時間ｔのパルスを発生
する第１タイマＴ１と、周期２ｔ１持続時間ｔのパルス
を発生する第２タイマＴ２と、大偏差検出部８０５の出
力がＬレベルであるかＨレベルであるかによつて切換る
切換用アナログスイッチＳ２とにより構成され、スイッ
チＳ２は大偏差検出部８０５の出力がＬレベルのとき第
１タイマＴ１を、Ｈレベルのとき第２タイマＴ２をそれ
ぞれ選択してそれらからのパルスを選択的に出力する。

Ａ／Ｄ変換器８０７は一般的なランプ形Ａ／Ｄ変換器と
して構成され、０ＰアンプＵ７，Ｕ８からそれぞれなる
２組のコンパレータと、０ＰアンプＵ９、コンデンサＣ
１アナログスイッチＳ３などからならる積分器と、セッ
ト入力端子及びリセット入力端子に０ＰアンプＵ８及び
Ｕ７の出力がそれぞれ接続されているＲ−Ｓフリップフ
ロップＦＦと、一定周波数のパルスを発生するパルス発
生器Ｐと、一方の入力にフリップフロップＦＦ（７）Ｑ
出力、他方の入力にパルス発生器Ｐからのパルスが加え
られているアンドゲートＧ３とにより構成されている。
このＡ／Ｄ変換部８０７は、絶対値変換部８０６の出力
が入力■。として０ＰアンプＵ７の反転入）力端子に入
力され、かつタイマ部８０８からのパルスがインバータ
Ｉを介してアナログスイッチＳ３に入力されている。そ
して、アナログスイッチＳ３はその入力がＬレベルのと
きオフし、Ｈレベルのときオンするようになつている。
夕 ところで、０ＰアンプＵ９の反転入力端子と非反転
入力端子には、それぞれ一■Ｅｆと−Ｖｓ（１■１、Ｅ
ｆｌ＞１Ｖ３１）とが印加されているため、第１２図に
示すように時点ｔ１で立上る持続時間ｔのパルスがタイ
マ部８０８から加えられてアナログスＯインチＳ３がオ
フすると、積分器の出力電圧が第１２図ｂに示すように
一■から徐々に増大するようになる。そして出力電圧が
時点Ｔ２で０■となると、コンパレータＵ８の出力がＨ
となり、このことによつてフリップフロップＦＦがセッ
トされるようになる。このフリップフロップＦＦのセッ
トによりそのＱ出力が第１２図ｃに示すようにＬからＨ
レベルに立上るようになる。このため、アンドゲートＧ
３が開いて第１２図ｄに示すようなパルス発生器Ｐから
のパルスがアンドゲートＧ３を通過するようになる。上
記積分器の出力が更に増大し、絶対値変換部８０６から
の入力■。

の値を越える時点Ｔ３に達すると、コンパレータＵ７の
出力がＨとなり、このことによつてフリップフロップ下
Ｆがリセットされ、そのＱ出力がＨからＬレベルになる
。このため、アンドゲートＧ３が閉じられ、この出力に
パルス発生器Ｐからのパルスが現われなくなる。従つて
、アンドゲートＧ３の出力は、第１２図ｅに示すように
時点！とＴ３の間でパルスを送出する。積分器の出力は
以後も増大し続けるが、時点Ｔ４でタイマ部８０８から
のパルスがＬとなり、アナログスイッチＳ３がオンする
と、コンデンサＣに充電されていた電荷がアナログスイ
ッチＳ３を通じて放電されるため、積分器の出力は一■
８の電圧まで急速に降下するようになる。上記アンドゲ
ートＧ３を通過するパルスの数は、絶対値変換部８０６
からの入力が■。″のように大きくなると、その分丈積
分器の出力電圧が■。″を越える時点が遅れ、それまで
フリツプフ，ロツフ下Ｆがリセットされていないため、
アンドゲートＧ３は時点ち″まで閉じられず、時点Ｔ３
とち″との間の時間分だけ余分のパルスがアンドゲート
を通じて送出されるようになる。このように送出された
パルスは、ステッピングモータ駆動部８０９に導かれる
。

ステッピングモータ駆動部８０９は、偏差極性検出部８
０４からの信号に応じステッピングモータ５を、Ａ／Ｄ
変換部８０７からのパルス数に応じた角度丈正転又は反
転させるように働き、偏差が正のときは膨張２弁３を開
く方向に、負のときは膨張弁３を閉じる方向にステッピ
ングモータ５を回転させる。本発明は上述したように、
負荷などの急変によつて、蒸発器出口部についての設定
過熱度に対する実際の過熱度の偏差が予め定めた値より
大きくなつたとき、パルス駆動されるモータによる膨張
弁の調整頻度を高くするようにしているため、システム
をバランスさせて実際の過熱度を設定過熱度に接近させ
るのに要する時間が短くてすむようになり、エネルギー
の無駄を省くことができるよｌうになつている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による冷媒流量制御装置を適用した冷凍
システムの一例を示す簡略図、第２図ａ及びｂは第１図
中の圧力センサの圧力対出力電圧特性と、冷媒圧力相当
温度対出力電圧特性とをそれぞれ示すグラフ、第３図は
本発明による冷媒流量制御装置の一実施例を示すブロッ
ク図、第４図は第３図中の演算部の出力特性を示すグラ
フ、第５図は第３図中関数発生部の出力特性を示すグラ
フ、第６図は第３図中の関数発生部と偏差極性検出部の
具体例を示す回路図、第７図は第６図中の関数発生部の
出力特性を示すグラフ、第８図は第３図中の絶対値変換
部の具体例を示す回路図、第９図は第８図の絶対値変換
部の出力特性を示すグラフ、第１０図ａ及びｂは第３図
中のタイマ部の周期の異なる出力パルスの波形図、第１
１図は第３図中の大偏差検出部、Ａ／Ｄ変換部及びタイ
マ部の具体例を示す回路図、並びに第１２図は第１１図
の回路の動作を説明するための波形図である。 ３・・・・・・膨張弁、４・・・・・・蒸発器、５・・
・・・・ステッピングモータ、６・・・・・・圧力セン
サ、７・・・・・・温度センサ、８・・・・・・制御器
、８０１・・・・・・演算部、８０２・・・・・過熱度
設定部、８０５・・・・・・大偏差検出部、８０７・・
・・・・Ａ／Ｄ変換部、８０８・・・・・・タイマ部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ その開度により冷媒の流量を制御する膨張弁と、パ
   ルスにより駆動されて前記膨張弁の開度を調整するモー
   タと、蒸発器の出口部において予め設定した過熱度に対
   する実際の過熱度の偏差を求め、該偏差の大きさに応じ
   た数のパルスを発生して前記モータを駆動する制御器と
   を具備し、前記制御器は、前記偏差が予め設定した値よ
   り大きい場合において、前記モータにより前記膨張弁を
   調整する頻度を高くする手段を備えることを特徴とする
   冷媒流量制御装置。