JPS6251384B2

JPS6251384B2 -

Info

Publication number: JPS6251384B2
Application number: JP18638081A
Authority: JP
Inventors: Isamu Okuda; Kenichiro Imasu; Akira Nakazawa; Masato Matsumori
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1981-11-19
Filing date: 1981-11-19
Publication date: 1987-10-29
Also published as: JPS5888554A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は熱電膨張弁等の電気式膨張弁を用いた
冷凍装置もしくは空調装置において、冷凍サイク
ルを常に効率よく維持することを目的とするもの
であり、冷凍サイクルの状態を検知し、電気式膨
張弁により冷凍サイクルを安定に制御し、最適化
を図ろうとするものである。従来より、冷凍サイクルを最適化する一手段と
して、蒸発器の温度と圧縮器の吸入部の温度との
差すなわち過熱度（スーパーヒート）を所定の値
に維持しようとする方法が採用されている。この種の制御装置として従来、過熱度を設定値
に維持するため、その偏差の値に応じて連続的に
比例積分あるいは比例積分微分の制御を行なう方
法が考えられている。この方法は、安定した制御
状態での特性は良好であるが、一方では、冷凍サ
イクルの状態変化に対する過熱度の変化特性にお
いて、分オーダーの遅い場合や秒オーダーの速い
場合が存在し、また膨張弁の応答速度の問題もあ
り、これらの状況に対応して常に過熱度を設定値
に維持するための制御装置の構成は極めて困難と
なつている。冷凍サイクルの負荷状態の変化等、
種々の状態に対して、しばしば過熱度の制御が大
きな振動現象となり、安定な制御は実現に至つて
いない。また従来、上記の問題点を軽減するため、過熱
度と設定値を比較し、正負２つの領域で検知し、
その符号に応じて所定時間毎もしくは符号変化時
に、膨張弁に印加する電圧を所定値だけ加減算す
るものがあつた。この方法は基本的には過熱度の
制御特性は振動状態となるが、冷凍サイクルの負
荷が大きく、冷媒流量が大きい場合には、過熱度
はほぼ設定値と等しく制御できる。しかしながら
冷凍サイクルの低負荷、すなわち冷媒流量が少な
い状況での制御は大きな振動状態となり、圧縮機
への液バツクの状況に陥りやすいものとなつた。
この低負荷における制御性を改善しようとする
と、今度は逆に通常の状態における制御上の応答
性が極めて遅いものとなり、いづれも安定性、効
率の面で難点を有していた。本発明は、従来の難点を極力解消し、過熱度の
安定制御を図り、冷凍サイクルの効率向上により
冷凍・空調機器の効率（いわゆるEER、SEER）
の向上を達成せんとするものである。特に本発明は、前述の従来の方法における利点
に鑑み、過熱度と設定値との差、すなわち偏差を
３つ以上の領域に区分（従来は正負の２領域）
し、かつ比例制御において行なう偏差の大きさに
応じて出力変化量を変更する方法を具備させ、早
期安定と振動幅の抑制を図つて、冷凍サイクルを
常に最適にし得る冷凍サイクル制御装置を提供す
るものである。以下本発明の冷凍サイクル制御装置の構成を図
面に基づいて説明する。第１図は本発明に基づく
冷凍サイクル制御装置の一実施例を示す構成図で
あり、特に冷房装置に用いた場合を示している。
第１図において、１は圧縮機、２は凝縮器、３は
凝縮器２用の送風機、４は電気信号により弁開度
を調節しうる膨張弁（ここでは熱電膨張弁とす
る）、５は蒸発器、６は蒸発器５用の送風機、７
は蒸発器５の入口部に設けた温度センサ、８は圧
縮機１の吸入部に設けた温度センサ、９は温度セ
ンサ７及び８よりの温度信号を入力し、膨張弁４
に電気信号（直流電圧）を出力する制御回路であ
る。第２図は、第１図に示す膨張弁４の内部構造を
示す構造断面図である。第２図において、４１は
膨張弁４のケース、４２は電気ヒータ、４３，４
４はバイメタルである。バイメタル４３，４４は
一対となつており、プレート４５により平行に保
持され、前記電気ヒータ４２はバイメタル４３に
設けられている。バイメタル４４は雰囲気温度補
正用である。４６は端子であり、制御回路９より
供給される直流電圧が接続される。４７はバイメ
タル４４に連結されたスピンドル、４８はスピン
ドル４７を上方に押し上げるバネ、４９はスピン
ドルの弁座の役目をするシートである。この膨張
弁４は、電気ヒータ４２に直流電圧が供給される
と、バイメタル４３が加熱され、バイメタル４３
の変形により、プレート４５、バイメタル４４を
介して、スピンドル４７を下方に押し下げる。ス
ピンドル４７はバネ４８とバイメタル４３の応力
及び冷媒の圧力によつて直流電圧の大きさに対応
した位置でバランスされ、これによつて冷媒通路
の開度が与えられて、冷媒流量を変化させるよう
になる。第２図の構造は通電閉形であり、膨張弁
４に供給する直流の印加電圧（これをＶ_Tとす
る）を高くすれば、冷媒流量（これをＱとする）
を減少させ、低くすると冷媒流量Ｑを増大させ
る。この印加電圧Ｖ_Tに対する冷媒流量Ｑの特性
例を第３図に示す。図中、Ｑ_L及びＱ_Hは、圧縮機
１を運転している場合の冷媒流量Ｑの範囲の最小
及び最大を示しており、また曲線が２通りあるの
は、ヒステリシス特性があるためである。そこで第１図における構成において、圧縮機１
による冷媒の圧縮作用により冷媒が凝縮器２、膨
張弁４、蒸発器５、圧縮機１の吸入部の経路で循
環し、蒸発器５において冷房能力を出力する。こ
の冷凍サイクルの動作において、理想的には、蒸
発器５内で蒸発した冷媒が、その出口で乾燥飽和
蒸気となる時が最も効率的な運転状態となる。し
かし実際の構成上は、蒸発器５の内部及び蒸発器
５より圧縮機１の吸入部までの冷媒配管の通路抵
抗により温度降下があり、また圧縮機１が冷媒の
ガス液混合域で吸入して液圧縮するのを防止する
（アキユムレータを設けている場合は必らずしも
そうではないが）ため、冷媒ガスをわずか過熱し
て領域で動作させることが適切である。そこでこ
のような動作状態を達成するために温度センサ７
及び８の検知するそれぞれの温度の差（これを過
熱度SHとする）が常に設定値SHd（冷媒配管に
よつても異なるが例えば数deg）となるように膨
張弁４への印加電圧Ｖ_Tを変化し、冷媒数量を制
御するものである。なお過熱度SHは、理想冷凍サイクルにおける
ものに対して、前述のように冷媒配管の通路抵抗
による温度降下がある等、厳密な意味での過熱度
（スーパーヒート）ではないが、ここでは、第１
図に示す温度センサ７と８によつて得られた値を
示すものとする。次に制御回路９の構成を第４図に示す。第４図
において、１０は領域判定部、１１は演算処理
部、１２は信号出力部であり、演算処理部１１の
全部及び領域判定部１０と信号出力部１２の一部
をマイクロコンピユータ（以下マイコンと称す）
１３で構成している。領域判定部１０は、マイコ
ン１３の一部の他に、抵抗１４，１５、差動増幅
器１６、Ｄ／Ａ変換器１７、比較器１８とで構成
されている。信号出力部１２はマイコン１３の一
部の他に、Ｄ／Ａ変換器１９、オペアンプ２０、
抵抗２１、トランジスタ２２とで構成されてい
る。この構成において、領域判定部１０の動作を説
明すると、温度センサ７と抵抗１４とから蒸発器
５の入口の温度Ｔ_Eに対応した電圧Ｖ_Eが、また温
度センサ８と抵抗１５とから圧縮機１の入口の温
度TSに対応した電圧VSが得られ、それぞれ差動
増幅器１６に入力される。この差動増幅器１６は
電圧VSとVEの差を増幅して出力するもので、そ
の出力は過熱度SH＝TS−TEに対応した値であ
る。ここで過熱度の設定値をSHdとすると、その
偏差△SHは △SH＝SH−SHd である。今第５図のように、偏差△SHの領域Ａ
を４領域（A₁，A₂，A₃，A₄）とし、その境界を
△SH＝−2.5，０，＋2.5degとする。そこでマイコン１３により、△SH＝−2.5，
０，＋2.5degの３通りで、それぞれSHd＋△SHの
デイジタル量をＤ／Ａ変換器１７に入力し、その
出力SHR（＝SHd＋△SH）と過熱度SHを比較器
１８により比較することにより、その時の過熱度
SHと設定値SHdの差、すなわち偏差△SHの領域
Ａを判定する。第５図に示す４つの領域は偏差△
SH＝0degを中心に正，負それぞれに対して２つ
づつの領域となつている。次に演算処理部１１の動作を説明する。演算処
理部１１は、領域判定部１０によつて区分された
偏差△SHの領域Ａにより、信号出力部１２で出
力する膨張弁４への印加電圧Ｖ_Tの値を決定する
ものである。この演算処理部１１は、領域Ａが変化（例えば
A₃からA₄など）した時及び同一の領域Ａで所定
時間（例えば２分間）を経過する毎に、それぞれ
の状態に対応した増減量ｅ、すなわち印加電圧Ｖ
_Tを変更するための変化量をそれまでの印加電圧
Ｖ_Tの値に加減算し、新たに出力すべき印加電圧
Ｖ_Tの値を決定する。この場合、増減量ｅは例え
ば第１表に示す通りである。表中の記中「AF」
は前回印加電圧Ｖ_Tの変更処理を行なつた時の領
域を示し、記号「AP」は今回印加電圧Ｖ_Tの変更
処理を行なうべく状態の領域を示し、AF≠APの
場合は、領域Ａが変化した場合であり、AF＝AP
は同一の領域Ａで所定時間経過した場合である。

【表】増減量ｅを具体数値で示すと例えば下の通りで
ある。 e₁₁＝25mV e₁₂＝50mV e₂₁＝50mV e₂₂＝0mV e₂₃＝100mV これらの数値において、偏差△SHの絶対値の
大きい領域すなわちA₁，A₄は、その小さな領域
すなわちA₂，A₃に対して、AF＝AP時の増減量
ｅを大きな値（e₁₂＞e₁₁）となしている。これは比
例制御で行なう、偏差の大きさに対応してその変
化量を与える方法に類似するもので、偏差△SH
が大きい程増減量ｅを大きくし、大きな修正動作
をして早く偏差△SH＝0degとなるようにするた
めである。またAF≠APの動作において、A₁からA₂また
はA₄からA₃の時、すなわち偏差△SHが大きい領
域から小さい領域への変化に対しては、増減量
e₂₂＝0mVとなし、逆の場合の増減量e₂₁＝50mV
と区別している。これは、偏差△SHの変化方向
が△SH＝0degとなる方向であつて好ましい特性
となつているので、この時にe₂₂＝e₂₁となせば、
逆に行き過ぎが大きくなつて過熱度SHが振動特
性に陥いることを防止するためである。また領域ＡがA₂からA₃及びA₃からA₂となる場
合の増減量e₂₃は100mVとなしている。これは、
偏差△SHがほぼ適当な値での変化であり、あえ
て修正動作を行なわないようにすることが適当で
あるが、膨張弁４の印加電圧Ｖ_Tと冷媒流量Ｑの
関係は、第３図のように、若干ヒステリシス特性
を有しており、また偏差△SH＝0degを境として
今回の領域Ａに対しA₁，A₂は加算処理A₃，A₄は
減算処理となるため、ここでは、その後の処理を
考慮してe₂₃＝100mVとなし、ヒステリシスに相
当する増減量を与えているものである。上記動作により、演算処理部１１は、前回変更
後の印加電圧をＶ_TFとすると、新たな印加電圧Ｖ
_TをＶ_T＝Ｖ_TF±ｅ（＋は加算、−は減算）として与えるものである。次に信号出力部１２は演算処理部１１で与えら
れた新しい印加電圧Ｖ_Tの値のデイジタル信号を
Ｄ／Ａ変換器１９に入力し、その出力電圧をオペ
アンプ２０、トランジスタ２２を用いて、膨張弁
４に印加する。膨張弁４への印加電圧Ｖ_Tは、演
算処理部１１で新たに加減算処理が行なわれるま
での間は、常に前回与えられた値に維持される。以上により制御回路９の構成並びに動作を説明
したが、第４図の制御回路９を用いて、第１図の
装置を動作させた時の過熱度の偏差△SH等の特
性例を第６図に示す。第６図ａは冷媒流量の少な
い低負荷条件でかつ送風機６の風量が最底の場合
の特性であり、ｂは標準条件でかつ送風機６の風
量が最大の場合の特性である。また過熱度の設定
値は共にSHd＝4deg程度である。なお図中、ａのt₀及びｂのt₁は、共に領域が同
一で、印加電圧Ｖ_Tの変更処理を行なう場合の所
定時間を示しており、t₀＝２分12秒、t₁＝２分
（それぞれ電源周波数50Hz，60Hz基準のため）と
した。図より明らかなように安定状態での偏差△SH
の変化状況は、ｂの方が良く、ａは±1deg程度
の振動となつている。より一定にすることが望ま
しいが、ａの場合であつても、この程度の振動
は、冷凍サイクル上、問題にならず、また効率的
にもほぼ満足しえるものとなつている。なおａにおいて、安定状態で、増減量e₂₃のみ
で領域がA₂とA₃に変化（偏差△SHの符号が反
転）しているが、これはe₂₃が第３図で示すヒス
テリシス幅よりも若干大きすぎたためであり、
e₂₃をやや小さな値となすことが適切であろう。
またａの特性を一層向上させるには、e₁₁につい
てもやや小さな値となすことが考えられる。しか
しながら前述のe₂₃やe₁₁を小さくすれば、逆にｂ
における応答性が悪くなることも考えられるた
め、これらを総合して、増減量ｅを選定すること
が望ましい。ここで、前記の領域Ａに対する増減量ｅの第１
表において、e₂₃＝100mVとなしているが、e₂₃＝
0mVとなすと共に、ヒステリシス相当分の増減
量をe₀＝100mVとし、前回の加減算処理に対し、
今回の処理が逆のときのみそれぞれの増減量ｅに
e₀を加算するように考えても良い。この場合は、
領域Ａの変化等にかかわらず、印加電圧Ｖ_Tを所
定値だけ変更する処理をする場合にあつても適応
可能であり、適応範囲が拡大される。次に第７図に領域処理部１０における領域区分
の数を多くした場合を示している。図において、
偏差△SH＝0degを中心に1degづつ合計８つの領
域に区分する。これらの領域Ａに対る増減量ｅの
具体例を第２表に示す。この第２表において、領
域A₄及びA₅は共にいわゆる不感帯領域となし、
この領域で所定時間経過しても、また他の領域よ
りこの領域に変化しても、ヒステリシス相当のe₀
＝100mV（A₄よりA₅またはA₅よりA₄への変化
時）を除いて、常に増減量ｅ＝0mVとなしてい
る。従つてこの不感帯領域A₄，A₅である限り、
印加電圧Ｖ_Tはヒステリシス相当分の増減量e₀＝
100mVの変化を除いては変更が行なわれない。また例えばA₅よりA₆への変化時は20mV、A₆で
所定時間経過時は15mVなどね領域変化時の増減
量を大きくすると共に、偏差の△SHの絶対値が
大きくなる程、増減量を大きくしている。また、
偏差△SHの絶対値が大きい領域から小さい領域
へ変化した場合は、その増減量ｅは基本的には零
としているが、偏差△SHの最も大きいA₈よりA₇
及びA₁よりA₂の場合のみ、若干増減量を与え、
応答性の向上を図るようにしている。

【表】この第７図に基づく領域判定部１０及び演算処
理部１１の動作により、過熱度SHの値をきめ細
かく検知できるため、第６図に示すものに比して
一層制御性の向上（安定性、応答性、効率）を期
待することが出来る。なお、第７図に基づく増減量ｅにおいて、ヒス
テリシス相当e₀＝100mVをA₄よりA₅もしくはA₅
よりA₄への変化時に与えているが、他の方法と
して、前回の増減量ｅが零でない加減算処理よ
り、今回、前回とは逆の処理でかつ増減量ｅが零
でない場合にのみヒステリシス相当のe₀を増減量
に加算するようにすれば、領域A₄，A₅では全く
印加電圧Ｖ_Tを変更することがない。これらの方
法は、制御性の状態に応じて決定すると良い。次に第８図に不感帯領域を有する最も簡単な領
域区分の例を示している。この図は第７図に示す
ものを極めて簡略化したものであつて、不感帯領
域はA₂である。この場合制御性は第６図に示す
ものと比して劣るが領域判定部１０の構成並びに
演算処理部１１の動作は一層簡単なものとなる。
なお第７図におけるヒステリシス相当の増減量e₀
を与えるのは、領域A₂よりA₁もしくはA₂よりA₃
に変化した場合で、かつ前回と逆の加減算処理を
する時である。以上本発明に基づく冷凍サイクル制御装置を図
面に示す実施例により説明したが、この実施例の
他に、以下の構成が可能である。１温度センサ７及び８はそれぞれ蒸発器５の入
口部より中間部までの任意の位置、蒸発器５の
出口部より圧縮機１の入口部までの任意の位置
に配置することが可能であり、それぞれの位置
における検出温度と過熱度の関係を求め、その
設定値を与えれば同様の動作が可能である。２制御回路９において、マイクロコンピユータ
１３を主体として構成したが、他のデイジタル
集積回路や、アナログ回路を用いても構成が可
能である。３膨張弁４として、第２図に示すいわゆる熱電
膨張弁を用いたが、他の構成の電気式の膨張弁
であつても同種の制御が可能である。また膨張
弁４の特性として、第３図に示すように、ヒス
テリシス特性を有している場合について説明し
たが、このヒステリシス特性がほとんど無視で
きるかもしくはヒステリシスがない方がより良
く、この場合には、演算処理部１１において、
ヒステリシス相当の増減量e₀を与える必要がな
くなり、処理が簡素化される。４領域判定部１０において、過熱度SHと比較
データSHRとを比較する構成において、比較
器１８もしくは比較データSHRにデイフアレ
ンシヤルを与えるようにすれば、領域判定時の
誤動作を軽減でき、確実な判定が可能となる。
また、温度センサ７及び８の検知する温度信号
TE及びTSを、直接Ａ／Ｄ変換器によりデイジ
タル信号に変換し、これらより領域の判定を行
なつても良く、コスト、性能等の面で使用対象
に応じて選定することが望ましい。５実施例では、過熱度SHの比較的安定してい
る状況での特性、動作について説明したが、圧
縮機１の停止時や起動直後は、膨張弁４への印
加電圧Ｖ_Tを所定の一定値に維持（全開を含
む）し、圧縮機１の起動後冷凍サイクルが比較
的安定する時点、すなわち圧縮機１の起動より
数分経過した時点で実施例に示す制御動作を行
なわせるか、もしくは偏差△SHが所定の値に
達するまで印加電圧Ｖ_Tを所定時間毎に所定値
ずつ増減した後、実施例に示す制御動作を行な
わせることにより、安定制御状態へ確実にかつ
早急に移行することが出来るものとなる。６第１図では冷房装置について示しているが、
この他、ヒートポンプ式冷暖房装置や冷凍装置
に適応しうることは明らかであり、いづれに対
しても機器の高効率化に寄与することが期待で
きる。以上本発明の冷凍サイクル制御装置を詳細に説
明したが、本発明によれば、過熱度とその設定値
との差、すなわち偏差を少なくとも３つ以上の領
域で検知し、その状態に応じて膨張弁への電気信
号を所定の増減量によりきめ細かく変更するもの
であり、これにより過熱度の制御特性において、
その安定性と応答性を十分向上することができ、
冷凍サイクルを常に効率良く維持できる。また冷
凍サイクルの効率向上、特にSEERの向上が期待
できるもので、省エネルギー面で極めて優れた効
果を発揮しえるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく冷凍サイクル制御装置
の一実施例の構成図、第２図は第１図における膨
張弁の一例を示す構造断面図、第３図は第２図に
示す膨張弁の特性図、第４図は第１図における制
御回路の構成図、第５図は領域判定部の検知する
領域区分の説明図、第６図ａ及びｂは第１図〜第
５図に示す実施例による動作説明図、第７図及び
第８図はそれぞれ領域判定部の検知する領域区分
の他の実施例の説明図である。１…圧縮機、２…凝縮器、４…膨張弁、５…蒸
発器、７…第１の温度センサ、８…第２の温度セ
ンサ、９…制御回路、１０…領域判定部、１１…
演算処理部、１２…信号出力部、１３…マイクロ
コンピユータ。

Claims

【特許請求の範囲】１電気信号によりその絞り量が調節可能な膨張
弁と、蒸発器の入口ないし中間部に設けた第１の
温度センサと、前記蒸発器の出口ないし圧縮機の
吸入部に設けた第２の温度センサと、前記第１お
よび第２の温度センサよりの温度信号を入力し、
前記膨張弁へ電気信号を発する制御回路とより成
り、前記制御回路は、前記２つの温度信号の差と
その設定値を比較し、その偏差を少なくとも３つ
以上の領域に区分する領域判定部と、前記領域判
定部で得られた領域が変化した時、もしくは同一
の領域で所定時間経過する毎に、それぞれの状態
に対応した所定の増減量を加減算し、前記膨張弁
へ発する電気信号の値を決定する演算処理部と、
前記演算処理部より与えられた電気信号を前記膨
張弁へ出力する信号出力部とを具備した冷凍サイ
クル制御装置。２膨張弁を、制御回路の発する電気信号が給電
される電気ヒータと、前記電気ヒータの発熱によ
り変形するバイメタルと、前記バイメタルの変形
により冷媒通路の開度を変化させるスピンドルと
を主体として構成した特許請求の範囲第１項記載
の冷凍サイクル制御装置。