JPS6353454B2

JPS6353454B2 -

Info

Publication number: JPS6353454B2
Application number: JP21305481A
Authority: JP
Inventors: Isamu Okuda; Akira Nakazawa; Masato Matsumori
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1981-12-31
Filing date: 1981-12-31
Publication date: 1988-10-24
Also published as: JPS58117967A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、冷凍サイクル制御装置に関し、熱電
膨脹弁等の電気式膨脹弁を用いた冷凍装置又は空
調装置において、冷凍サイクルの状態を検知し、
電気式膨脹弁により冷凍サイクルを安定に制御
し、かつ、急激な負荷変動等に対する応答性を高
めて最適化を図り、常に効率良く維持することを
目的とするものである。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の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、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、また膨脹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
化時に膨脹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
縮機への液バツク状態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するため加
減算する電圧値を小さくすると、負荷変動が起つ
て過熱度が設定値より大きくずれた場合、その回
復動作が極めて長時間となり、応答性の面で難点
を有するものとなつていた。そこで本発明は、従来の難点を極力解消し、過
熱度の制御における安定性、応答性を高め、冷凍
サイクルを最適化し、冷凍・空調機器の効率（い
わゆるEERおよびSEER）の向上を達成しようと
するものである。特に本発明は、通常は膨脹弁への印加電圧の変
更を比較的小さな電圧幅で行なつて振動の極めて
小さい安定な制御を行ない、また負荷変動等によ
り過熱度が設定値に対して大きくずれ、その状態
が一定時間継続した時には大きな電圧幅で修正動
作を行ない、通常の安定な制御への回復を早めよ
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、図は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は凝縮機、
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脹弁（ここでは熱電膨脹弁と
する）である。５は蒸発器、６は蒸発器５用の送
風機、７は蒸発器５の入口部に設けた第１の温度
センサ、８は圧縮機１の吸入部に設けた第２の温
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、膨脹弁４に電気信号（直流電圧）を
出力する制御回路である。膨脹弁４はここでは通
電閉形の熱電膨脹弁であり、膨脹弁４へ直流電圧
が加えられると、その電圧に応じて冷媒流量が与
えられるものである。膨脹弁４への印加電圧Vtに対する冷媒流量Ｑ
の特性例を第２図に示す。第２図中、Ql及びQh
は圧縮機１を運転している場合の冷媒流量Ｑのと
りうる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、
膨脹弁４、蒸発器５、圧縮機１の吸入部の径路で
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
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の温度センサ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
膨脹弁４への印加電圧Vt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。第３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との一
部がマイクロコンピユータ（以下マイコンと称
す）１３で構成されている。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。信号出力部１２はマイコン１３の
一部の他、Ｄ／Ａ変換器１９、オペアンプ２０、
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、第１の温度センサ７と抵抗１４から蒸
発器５の入口における温度Teに対応した電圧Ve
と、第２の温度センサ８と抵抗１５から、圧縮機
１の入口における温度Tsに対応した電圧Vsが差
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に対応した値に
なる。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 となる。いま、第４図に示すように、偏差△SH
を例えば４領域A₁，A₂，A₃，A₄に区分し、この
各領域の区分境界を△SH＝−2.5、０、＋2.5deg
の３通りとする。したがつて、第４図に示す４つ
の偏差領域は、偏差△SH＝0degすなわち過熱度
SHが設定値SHdと一致する点を基準に正、負そ
れぞれに対し２つずつの領域としてある。上記し
たそれぞれの偏差領域の値に設定値SHdを加え
た値、つまりSHd＋△SHのデジタル量をＤ／Ａ
変換器１７に入力し、その出力SHr（SHd＋△SH
のアナログ変換値）と、前記差動増幅器１６から
出力された過熱度SHを比較器１８により比較す
ることによつて、その時の過熱度SHと設定値
SHdの差、すなわち偏差△SHの領域を判定する
ことができる。前記演算処理部１１は前記領域判定部１０によ
つて区分された偏差△SHの領域Ａに基づいて、
信号出力部１２で出力する膨脹弁４への印加電圧
Vtの値を決定するものであつて、第７図のブロ
ツク図に示すように、第１のタイマ手段１１ａ
と、第２のタイマ手段１１ｂと、増減量設定手段
１１ｃと、演算手段１１ｄとにより構成されてい
る。第１のタイマ手段１１ｄは、、領域判定部１０
で判定された偏差△SHの領域Ａが所定領域とな
つた時点より所定時間Tx（例えば４分間）後に前
記増減量設定手段１１ｃへ信号を出力するもので
あつて、偏差△SHの符号が正および負のそれぞ
れにおいて、その絶対値が最大となる領域A₁，
A₄を前記所定領域として計時動作を行う。第２のタイマ手段１１ｂは、前記領域Ａの変化
時より一定時間Tc（例えば２分間）毎に、また偏
差△SHの値が第１のタイマ手段１１ａの計時開
始時と出力時とで同一領域にあるときは第１のタ
イマ手段１１ａの出力時より一定時間Tc毎に前
記増減量設定手段１１ｃへ信号を繰り返し出力す
るものである。この増減量設定手段１１ｃは、前記領域Ａの変
化時並びに前記第１および第２のタイマ手段１１
ａ，１１ｂの出力時に領域Ａに対応した所定の増
減量を設定するものであるが、この場合、前記所
定領域A₁，A₄における第１のタイマ手段１１ａ
の出力時の増減量を第２のタイマ手段１１ｂの出
力時の増減量よりも大きい値に設定するのであ
る。演算手段１１ｄは、前記所定の増減量を膨脹弁
４への電気信号に加減算するものである。このように構成された演算処理部１１では、安
定制御時において、偏差△SHの領域Ａが例えば
A₃からA₄へと変化した時、および前記第１のタ
イマ手段１１ａの計時開始時と出力時とで同一領
域（例えばA₄）にあるときは、第１のタイマ手
段１１ａの出力時から、それぞれ一定時間Tc（例
えば４分間）毎に第２のタイマ手段１１ｂから増
減量設定手段１１ｃへ繰り返し信号が出力され
る。この各信号が入力された増減量設定手段１１
ｃでは、各信号によつてもたらされた偏差△SH
の領域Ａに対応した増減量ｅ、すなわち印加電圧
Vtを変更するための変化量を設定し、この増減
量設定手段を演算手段１１ｄに出力する。演算手
段１１ｄにおいては、前記増減量ｅをそれまでの
印加電圧Vtの値に加減算し、新たに出力すべき
印加電圧Vtの値を決定し、その電気信号を信号
出力部１２へ出力するのである。この場合の増減
量ｅは例えば次表に示す通りである。表中の記中
「A_F」は、前回印加電圧Vtの変更処理を行なつた
時の領域を示し、記号「A_P」は、今回印加電圧
Vtの変更処理を行なうべく状態の領域であり、
A_F≠A_Pの場合は、領域Ａが変化した場合であり、
A_F＝A_Pは同一の領域Ａで所定時間T_C経過した場
合である。

【表】表の増減量ｅを具体数値で示すと、例えば次の
通りである。 e₁＝50mV、e₂＝25mV、e₃＝75mV、e₄＝
0mV、e₅＝100mV この増減量ｅにおいて、e₅は偏差の符号が逆転
する場合であり、印加電圧Vtの増減を逆にする。
そこで第２図に示すようなヒステリシスの影響を
除くため、e₅にはヒステリシス相当分（例えば
75mV）を含めている。またe₁及びe₂はそれぞれ
偏差の絶対値の大きさに対応するような値に選ん
でいる。以上は安定制御時の場合であるが、第１図で示
す送風機６の風量が変更された場合など、急激な
負荷変動があると、それにより偏差の領域がA₁
もしくはA₄へ大きくずれてしまう。この領域か
らA₂もしくはA₃へ回復するために、常に増減量
e₁で所定時間T_C（２分）毎に修正動作をすると、
実際に回復されるまで極めて長い時間を要するこ
とになる。状況によつても異なるが、例えば30分
以上も要する場合も起こりえる。そこで、このような状況を避けるため、この演
算処理部１１は、偏差の領域がA₁もしくはA₄と
なつた後、所定時間Tx（例えば４分）経過した時
は、第１のタイマ手段１１ａの出力により増減量
設定手段１１ｃにおいて増減量e₁を十分に大きな
増減量e₁′に変更（例えば200mV）し、一定時間
T_C（２分）毎に演算手段１１ｄで加減算を行う。
その後、領域が偏差△SHが小さいA₂もしくはA₃
となつた時、再び前述の安定制御時の動作に移行
する。この動作により、過熱度SHが大きくずれた場
合には増減量e₁を増大し、増大された値e₁′によ
り早期に安定制御へ回復させることができる。こ
こで、この増減量e₁を増大するタイミングとし
て、A₂またはA₃からA₁またはA₄へ変化した時に
所定時間T_Xを置かずに直ちに増減量を変更し、
e₃の替わりに増大したe₁′を加減算し、その後一
定時間T_C（２分）毎に加減算することが考えられ
るが、この方法をとると短時間のみA₁またはA₄
となるような安定制御動作であつても、この増大
されたe₁′が大き過ぎて、逆に大きな振動状態に
陥るおそれが大きいため、所定時間T_X（４分）だ
け余裕を与えるものである。なお、所定時間T_X＝一定時間T_C（２分）となせ
ば、前記の表の増減量e₁の値として200mVとす
ることで対応でき、かつ所定時間T_Xを設定する
必要は特にない。この場合は、使用対象によつて
は振動状態に陥りやすいこともあり、安定性と応
答性から適宜選択することが良い。以上の動作に
より演算処理部１１は前回変更後の印加電圧を
Vtfとすると、新たな印加電圧Vtを、 Vt＝Vtf±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Vtの値のデジタル信号を
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、膨脹弁
４に印加する。膨脹弁４への印加電圧Vt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、制御回路９の構成並びに動作を説明した
が、次に、この制御回路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の特性例
を第５図に示す。第５図ｉは冷媒流量の少ない低負荷条件で、か
つ送風機６の風量が最低の場合の特性である。ま
た第５図において実線の特性は標準条件で、か
つ送風機６の風量が最大および標準の場合の特性
であり、破線の特性は増減量e₁を増大する機能の
ない場合の参考特性であり、また時刻ｔ＝t₀は風
量を最大より標準に変更した時刻である。なお過
熱度の設定値SHd＝4degとした。図より明らかなように、安定状態での偏差△
SHの変化特性はの方が良く、は±1deg程度
の振動となつているが、の場合でもこの程度に
抑えられておれば冷凍サイクル上は特に問題にな
らず、効率的にもほぼ満足しえるものである。また第５図において、時刻ｔ＝t₀で負荷変動
があり、過熱度SHの回復動作は、比較的にすみ
やかに行なわれており、破線で示した特性、すな
わち増減量e₁を増大せずに一定の値で制御するも
のに比べて、十分優れた特性となつている。これら第５図，の特性を更に向上するには
増減量ｅの値並びに所定時間T_Xや一定時間T_Cを
変更することが考えられるが、この場合、安定性
と応答性を総合的に判断し、選定することが望ま
しい。ここで前述の演算処理回路１１において、増減
量e₅をヒステリシス相当分を加えているが、別の
方法として、ヒステリシス相当分の増減量をe₀と
し、印加電圧V_Tの増減を前回と逆方向に行なう
ときのみ、所定の増減量ｅにe₀を加算するように
しても良い。次に領域判定部１０及び演算処理部１１の他の
実施例を説明する。第６図は領域判定部１０の構
成を簡素化し、領域Ａを偏差△SHが正、負の２
つの領域、即ち△SH＜０のときA₅、△SH０
のときA₆としている。この領域A₅，A₆に対する
増減量ｅは例えば次の通りである。

【表】 e₁＝50mV、e₅＝100mV（ヒステリシス相当分
75mV含む）、一定時間T_C＝２分、所定時間T_X＝
７分。ただしe₁は同一の領域でT_X経過後は、e₁′＝
200mVとする。この場合、所定時間T_Xは第５図における値よ
りも大きくしているが、これはe₁を増大する動作
に早く移行しすぎると、逆に振動が大きくなつて
しまうのを防止するためである。この第６図による特性は、第４図に示すものに
比して一般に劣るが、領域判定部１０や演算処理
部１１の構成、処理が簡単であり、低コスト化が
図れる利点はある。以上偏差の領域を第４図では４つに区分、第６
図では２つに区分したが、この他、それ以外の数
に区分しそれぞれの領域に対応した増減量ｅを決
めることにより、同様の動作を行なえることは明
らかである。以上本発明に基づ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、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を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
能であろう。３）膨脹弁４として、いわゆる熱電膨脹弁を用
いたが、他の構成の電気式の膨脹弁であつても
同種の制御が可能であろう。また膨脹弁４の特
性として、第２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SH_R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SH_R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
T_E及びT_Sを、直接Ｄ／Ａ変換器によりデジタ
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）第１図では冷房装置について示したが、こ
の他ヒートポンプ式冷暖房装置や、冷凍装置に
ついても適応できるものである。以上本発明の冷凍サイクル制御装置を詳細に述
べたが、本発明によれば、過熱度を設定値に維持
するため、過熱度の設定値に対する偏差を２つ以
上の領域に区分し、その状態に応じて膨脹弁へ電
気信号を所定の増減量によりきめ細かく変更する
と共に、負荷変動等に対して過熱度が設定値より
大きくずれた時は、その領域から所定時間内に適
当な領域まで回復しないことにより検知し、所定
の増減量を増大して回復動作を速めるものであ
り、過熱度の制御における安定性と応答性を十分
向上することができる。これにより冷凍サイクル
の効率向上、特にSEERの向上が期待でき、省エ
ネルギー面で極めて優れた効果を奏することがで
きる。

【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
脹弁の特性例、第３図は第１図における制御回路
の構成図、第４図は領域判定部の検知する領域区
分の説明図、第５図は第１図乃至第４図に示す実
施例の動作特性図、第６図は領域判定部の領域区
分の他の実施例の説明図、第７図は第３図に示し
た制御回路のブロツク図である。１…圧縮機、２…凝縮機、４…膨脹弁、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、１１ａ…第１のタイマ手段、１１ｂ
…第２のタイマ手段、１１ｃ…増減量設定手段、
１１ｄ…演算手段、１２…信号出力部、１３…マ
イクロコンピユータ、△SH…偏差、Ａ…領域、
ｅ…増減量、T_C…一定時間、T_X…所定時間、Vt
…電気信号（印加電圧）。

Claims

【特許請求の範囲】１電気信号により絞り量が調節可能な膨脹弁
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検出温度の差を設定値
に維持するように前記膨脹弁への電気信号を制御
する制御回路とを設け、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少なくとも２
つ以上の領域に区分する領域判定部と、前記領域
が所定領域となつた時点より所定時間経過後に出
力する第１のタイマ手段、前記領域の変化時より
一定時間毎に繰り返し出力するとともに偏差の値
が前記第１のタイマ手段の計時開始時と出力時と
で同一領域にあるときは前記第１のタイマ手段の
出力時より前記一定時間毎に繰り返し出力する第
２のタイマ手段、前記領域の変化時並びに前記第
１および第２のタイマ手段の出力時に前記領域に
対応した所定の増減量を設定し、かつ前記所定領
域において、前記第１のタイマ手段の出力以前の
前記第２のタイマ手段の出力時の増減量に対し、
前記第１のタイマ手段の出力時およびその後の第
２のタイマ手段の出力時の増減量を大なる値とす
る増減量設定手段、前記所定の増減量を前記電気
信号に加減算する演算手段よりなる演算処理部
と、前記演算処理部より与えられた電気信号を前
記膨脹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領域判定部を、偏差を３つ以上の領域に区分
する構成とし、演算処理部の第１のタイマ手段を
偏差の符号が正および負のそれぞれにおいて、そ
の絶対値が最も大きい領域を所定領域として計時
動作する構成と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。