JPS6251385B2

JPS6251385B2 -

Info

Publication number: JPS6251385B2
Application number: JP20387781A
Authority: JP
Inventors: Isamu Okuda; Akira Nakazawa; Masato Matsumori
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1981-12-17
Filing date: 1981-12-17
Publication date: 1987-10-29
Also published as: JPS58104465A

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して、冷
凍サイクルの状態を検知し、電気式膨張弁により
冷凍サイクルを制御し、その最適化を図るもので
特に冷凍サイクルにおける過熱度を常に安定に維
持する冷凍サイクル制御装置に関するものであ
る。従来より、冷凍サイクルを最適化する手段とし
て蒸発器の温度と圧縮機の吸入部の温度の差、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。この方法
において、従来、電気式の膨張弁により過熱度制
御をする場合、検知した過熱度の大きさと設定値
の差即ち偏差により、比例もしくは比例積分動作
を行なつていたが、その動作は膨張弁の動作状態
（絞り状態）にかかわらず偏差の大きさに対応し
て膨張弁の印加電圧を増減していた。このため、
膨張弁の絞り量が大きい時や小さい時の制御回路
としての比例定数あるいは積分定数が一定もしく
はほぼ一定となり、例えば絞り量が大きい時は過
熱度の制御特性は安定であるが、絞り量が小さく
なると不安定で振動状態になることがあつた。こ
れは絞り量の大きさ（冷媒流量の大きさ）によつ
て冷凍サイクルにおける過熱度と絞り量の関係
（伝達関数）が異なり、絞り量が大きい（冷媒流
量が少ない）時はわずかな絞り量の変化で大きな
過熱度の変化を起こすためである。従来このような過熱度の制御で、不安定となる
と、冷凍サイクルを常に最適化することが出来な
く、しいては冷凍・空調装置の効率を常に向上さ
せるということが困難となつた。そこで本発明は上記のような従来の難点を解消
し、過熱度制御における制御性の安定を図り、冷
凍サイクルを常に最適化し、冷凍・空調装置の効
率を一層向上せんとするものである。特に本発明
は、従来の難点を解消するために、過熱度制御に
おいて、膨張弁への電気信号（印加電圧）の大き
さが絞り量と所定の関係を有することに鑑み、膨
張弁の絞り量が大きく（冷媒流量が少なく）なる
程、過熱度とその設定値との差（偏差）に対する
膨張弁への電気信号の変化割合を小さくして、制
御系の安定を図ろうとするものである。以下本発明の冷凍サイクル制御装置を添付図面
に基いて説明する。第１図は本発明に基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、図は特に冷房装置
に用いた場合を示している。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、温度セ
ンサ７，８の検出温度の差の設定値に対する偏差
を求める領域判定部（偏差検出部）１０と、この
領域判定部１０の出力により、膨張弁４への電気
信号に対応する演算信号の増減量を求める増減量
演算手段１１ａ、並びに前記膨張弁４の絞り量が
大きい程、増減量演算手段１１ａからの演算信号
の増減割合を小さくした前記電気信号を発する信
号変換手段１１ｂを具備する演算処理部１１と、
この演算処理部１１の発する前記電気信号を膨張
弁４に出力する信号出力部１２を有している。膨張弁４は、ここでは通電開形であり、膨張弁
へ直流電圧が印加されると、その電圧に応じて絞
り量が大きくなり、冷媒流量が変化する膨張弁４
への印加電圧Ｖ_Tと冷媒流量Ｑの特性例を第２図
に示す。図中、Ｑ_L，及びＱ_Hは、圧縮機１を運転してい
る場合の膨張弁を通る冷媒流量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、また圧縮器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
熱した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、冷媒流量
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３図に示す。演算処
理部１１及び領域判定部１０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
の他抵抗１４，１５、差動増幅器１６，Ｄ／Ａ変
換器１７，比較器１８より構成されている。演算
処理部１１はマイコン１３の一部とＤ／Ａ変換器
１９より成り、信号出力部１２はオペアンプ２
０，抵抗２１，トランジスタ２２により構成され
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より蒸発器５の
入口の温度Ｔ_Eに対応した電圧Ｖ_Eと、温度センサ
８と抵抗５より、圧縮機１の入口の温度Ｔ_Sに対
応した電圧Ｖ_Sが差動増幅器１６に入力される。
この差動増幅器１６は、電圧Ｖ_SとＶ_Eの差を増幅
して出力するもので、その出力は過熱度SH＝Ｔ_S
−Ｔ_E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ΔSHは ΔSH＝SH−SHd である。今第４図のように、偏差ΔSHの領域Ａ
を４領域（A₁，A₂，A₃，A₄）とするため、その
境界を ΔSH＝−2.5，０，＋2.5degとする。そこでマイコン１３により、ΔSH＝−2.5，
０，＋2.5degの３通りで、それぞれSHd＋ΔSHの
デジタル量をＤ／Ａ変換器１７に入力し、その出
力SH_R（＝SHd＋ΔSH）と過熱度SHを比較器１
８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ΔSHの領域
Ａを判定することができる。第４図に示す４つの領域は、偏差ΔSH＝0deg
を中心に正，負それぞれに対し２つづつ領域とな
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ΔSHの領域Ａにより、信号出力部１
２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て、印加電圧Ｖ
_Tを変更するように演算処理し、Ｄ／Ａコンバー
タ１９を介して信号出力部１２へ出力する。この演算処理部１１における演算処理はマイコ
ン１３によりデイジタル量によつて行ない、領域
Ａの変化もしくは所定時間毎に、その状態に対応
した増減量ｘを加減算した演算信号を得る。マイ
コン１３の出力形式及びＤ／Ａコンバータ１９の
構成は第５図に示す通りであり、マイコン１３は
オープンドレインタイプのトランジスタ２３の出
力が出力端子Ｐ７となつており、出力端子Ｐ６〜
Ｐ０についても同様である。Ｄ／Ａコンバータ１
９は、出力端子Ｐ０〜Ｐ７にそれぞれ重み付けラ
ダー回路２４が接続されている。重み付けラダー
回路２４のうち抵抗Ｒ０〜Ｒ６は順次２倍の抵抗
値を有するもので、R6＝2R5＝4R₄＝…64R0とな
つている。抵抗Ｒ７は抵抗Ｒ８とにより、印加電圧Ｖ_Tの
通常制御時の最底値を与えるように選定されてい
る。従つて、Ｄ／Ａコンバータ１９の出力電圧V₀
は、マイコン１３の出力端子Ｐ７〜Ｐ０のそれぞ
れのトランジスタ２３等がすべてオフのとき、
V₀＝Ｏ_Vとなりトランジスタ２３のみオンの状態
でV₀＝Ｖ_OL、トランジスタ２３等がすべてオン
（出力端子Ｐ７〜Ｐ０がすべてＶ_CC）のとき最高
となりV₀＝Ｖ_OHとなる。このマイコン１３の出
力端子Ｐ７〜Ｐ０の出力状態を、16進２桁（P7
が最上位）で示した時、Ｄ／Ａコンバータ１９の
出力電圧V₀の特性例は、第６図の通りである。
なおマイコン１３の出力は、出力端子Ｐ７がオフ
のときは、他の出力端子Ｐ６〜Ｐ０はすべてオフ
とし、即ちマイコン１３の出力状態は「00」及び
「80」より「FF」までの値をとりえるものとす
る。そこで演算処理部１１によつて得られる演算出
号は、16進２桁で出力端子Ｐ７〜Ｐ０より出力さ
れ、この出力状態により、第６図のようにデイジ
タル量がアナログ量の出力電圧V₀に変換され
る。即ちマイコン１３が演算する演算信号は、そ
の時の印加電圧Ｖ_T（＝出力電圧V₀）に対応する
値に、前述の増減量ｘを加減算した値で表わされ
る。この増減量ｘは、例えば次表に示す通りであ
る。表中の記号「Ａ_F」は前回加減算した時の領
域，記号「Ａ_P」は今回加減算を行なうべき状態
の領域であり、Ａ_F≠Ａ_Pの場合は、領域Ａが変化
した時であり、Ａ_F＝Ａ_Pの場合は、同一領域で所
定時間経過した場合である。

【表】表の増減量ｘを具体数値（16進２桁）で示すと
例えば次の通りである。 x₁＝02 x₂＝01 x₃＝04 x₄＝00 x5＝06 この増減量ｘにおいて、x₅は偏差の符号が逆転
する場合であり、第２図に示すようなヒステリシ
スの影響を除くため、ヒステリシス相当分を含め
ている。上記の具体数値は、第６図のように出力
電圧V₀に変換されると、その変化量は、例えば
x₂＝01は、V₀＝7.0V付近で約30mV程度である。
またV₀＝Ｖ_0H＝8.5V付近では約20mV程度、V₀＝
Ｖ_0L＝4.0V付近では約60mV程度となる。x₁，x₃
〜x₅についても同等にその時のV₀の値によつて
変化するようになつている。ゆえに、マイコン１３で行なう演算処理は、偏
差ΔSHの領域Ａにのみ関係して単純に増減量ｘ
を加減算し、その演算信号を出力端子Ｐ７〜Ｐ０
に出力するが、Ｄ／Ａコンバータ１９は、第６図
のように演算信号の出力状態により、曲線的に出
力電圧V₀を発することになる。信号出力部１２は出力電圧V₀により低インピ
ーダンスで印加電圧Ｖ_Tを膨張弁４に印加するの
で、結局、過熱度SHの偏差ΔSHによる膨張弁４
への印加電圧Ｖ_Tの変化割合は、印加電圧Ｖ_Tが高
い程小さくなり、膨張弁４の後り量が大きく、絞
り量変化に対する過熱度SHの変化割合が大きい
状態程、印加電圧Ｖ_Tの変化割合を小さくなし
て、制御系の安定動作を拡大する働きをなしてい
る。また冷媒流量の変化に伴なう冷凍サイクル上の
伝達関数の変化のみならず、第２図に示すよう
に、膨張弁４自体も、印加電圧Ｖ_Tに対する冷媒
流量Ｑの変化が直線的でなく、冷媒流量Ｑが少な
い程、変化割合（ゲイン）が大きくなる面もあ
り、これらの総合して、過熱度制御の伝達関数を
与えることが最適であり、Ｄ／Ａコンバータ１９
の変換特性も、これに対応するように構成されて
いる。第７図に第１図〜第６図に示す実施例による過
熱度制御の特性例を示す。図において、e₁〜e₅は
印加電圧Ｖ_T−7.2V近傍における増減量X₁〜X₅に
対するＶ_Tの変化量であり、印加電圧Ｖ_Tが低くな
れば同一の増減量X₁〜X₅であつても、e₁〜e₅の値
は小さくなる。従つて図中の２つのe₅は、同一の
増減量X₅に対する値であるが、厳密にはこれら
２つのe₅の値は若干異なつている。またＴ_Cは偏
差の領域Ａが同一領域であるとき、Ｖ_Tの変更を
行なうべき所定時間（ここでは２分）を示してい
る。この特性例は時刻ｔ＝t₀より、冷凍サイクル
における負荷の変動で過熱度SHが大きくなろう
とした後の場合を示している。この特性例は印加
電圧Ｖ_T＝7.0V近傍であるが、前述のごとくＶ_T
が高くなれば、図中のe₁〜e₅値は小さくなり、Ｖ
_Tが低くなれば、e₁〜e₅の値は大きくなつて、過
熱度SHを第７図と同等程度に、ほぼ安定して制
御することが出来るものである。以上本発明に基く冷凍サイクル制御装置を、添
付図面に示す実施例により説明したが、実施例の
他の構成が可能である。制御回路９における演算処理部１１は増減量
ｘを領域Ａにのみによつて与えられるようにな
して演算信号を求めた後、重み付けラダー回路
２４を用いて印加電圧Ｖ_Tに変換したが、増減
量ｘをその時の印加電圧Ｖ_Tの値と領域Ａによ
り与え、その演算信号を例えばＲ−2Rラダー
回路を用いて直線的にアナログ量に変換するこ
ともできる。この場合、領域Ａに対する標準の
増減量ｘを与えておき、その増減量ｘをその時
の印加電圧Ｖ_T（前回出力するために求めた演
算信号）によつて補正して加減算すればよい。
ただ、このように行なう時、マイコン１３の出
力できる端子の数や、内部で扱う加減算の桁数
が多ければ、第６図と同等の出力特性が得られ
るが、少ない場合は特性のなめらかさが悪くな
るので、注意する必要はある。制御回路９はマイコン１３を主体に構成する
以外に、デイジタル回路やアナログ回路を用い
ても同等の構成が可能であろう。領域判定部１０において、過熱度SHの設定
値SHdに対する偏差ΔSHを、前述の実施例の
ように４つの領域となす他、それ以上あるいは
以下であつても良い。ただ領域の数が多い程、
きめ細かな制御が可能であり、十分多ければ、
連続あるいはほぼ連続な制御（Ｐ，PI，PID制
御）が可能となる。第１図では冷房装置について示したが、ヒー
トポンプ式冷暖房装置や冷凍装置についても適
応可能であり、また膨張弁４として、いわゆる
熱電膨張弁を用いる以外に他の電気式の膨張弁
であつても本発明相当の制御が実現可能と考え
られる。このように本発明によれば、冷凍サイクルの過
熱度を広範囲の負荷状態に対応して常に安定に維
持するため、膨張弁の絞り量が大きく、冷媒流量
が少ない状態である程、過熱度の変化に対する膨
張弁の印加電圧の変更割合を小さくなして、制御
系の振動等を防止することができる。即ち、冷凍
サイクルの冷媒流量に対する制御上の伝達関数の
変化に対し、制御回路で、その変化を補償して制
御出力を発するように構成するもので、これによ
り、制御上の安定性，負荷変動に対する追従性を
良くし、冷凍サイクルの最適化を図り、機器の効
率（EER，あるいはSEER）の向上を図ることが
期待でき、省エネルギー面で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図は本発明に基く冷凍サイクル制御装置の
一実施例を示す構成図、第２図は膨張弁の特性
図、第３図は同制御回路図、第４図は制御回路の
動作説明図、第５図は制御回路における演算処理
部の回路図、第６図は第５図に示す演算処理部の
特性図、第７図は第１図〜第６図に基く本発明装
置の動作特性図である。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（偏差検出部）、１１
…演算処理部、１２……信号出力部、２４……重
み付けラダー回路、ΔSH……偏差、ｘ，ｅ……
増減量。

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、蒸発器の入口あるいは中間部に設けた第１
の温度センサと、前記蒸発器の出口あるいは圧縮
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検出信号の差を
設定値に維持するように前記膨張弁への電気信号
を制御する制御回路とより成り、前記制御回路
は、前記検出温度の差の設定値に対する偏差を求
める偏差検出部と、この偏差検出部の出力によ
り、前記膨張弁への電気信号に対応する演算信号
の増減量を求める増減量演算手段、並びに前記膨
張弁の絞り量が大きい程、前記増減量演算手段か
らの演算信号の増減割合を小さくした前記電気信
号を発する信号変換手段を具備する演算処理部
と、前記演算処理部の発する前記電気信号を、前
記膨張弁に出力する信号出力部を有してなる冷凍
サイクル制御装置。２演算処理部は、膨張弁への電気信号の増減量
を、偏差及びその時の前記電気信号の値とにより
決定するように構成された特許請求の範囲第１項
に記載の冷凍サイクル制御装置。３演算処理部において、演算信号を複数ビツト
の２進化数とし、前記演算信号を膨張弁への電気
信号に変換する信号変換手段を重み付けラダー回
路により構成した特許請求の範囲第１項に記載の
冷凍サイクル制御装置。４重み付けラダー回路を、その一部が順次２倍
の抵抗値を有するラダー回路とした特許請求の範
囲第３項に記載の冷凍サイクル制御装置。