JP6095030B2 - 蒸気圧縮システムおよび蒸気圧縮システムを制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、包括的には蒸気圧縮システムに関し、より詳細には、蒸気圧縮システムの動作を制御することに関する。

ヒートポンプ、冷凍システムおよび空調システム等の蒸気圧縮システムは、産業用および住宅用の用途において広く用いられている。蒸気圧縮システムは、多量の電気的エネルギーを消費し、冷却および加熱の効率的な手段を必要とする。蒸気圧縮システムのコンポーネントのコストを増加させることなく、蒸気圧縮サイクルの動作効率を改良することが望ましい。

可変速圧縮機、開度可変弁および可変速ファンを蒸気圧縮サイクルへ導入することによって、動作のフレキシビリティーが大いに改良されてきた。しかしながら、これらの可変アクチュエーターは、冷媒質量の流量の慎重な制御が要求される。環境（例えば、家の中の部屋または食料雑貨店内の食品展示ケース）を冷却することは、冷媒を蒸発させることによって達成される。冷却は、物質が液体から気体へ変換される蒸発プロセスを含む。このプロセスは、熱が冷媒によって吸収され、それによって、その熱が冷却されることになる空間から除去されるときに生じる。このプロセス中、冷媒のうちのあるものは、液相にあり、あるものは、蒸気相にあるとき、この冷媒は、２相混合であるといわれる。

蒸発プロセスは、一般に、蒸発器と呼ばれる熱交換器において生じる。最もエネルギー効率のよい動作のために、蒸発器に流入する冷媒の量は、慎重に制御されなければならない。理想的には、部分的に液体で、部分的に蒸気である２相混合を有する冷媒は、蒸発器に流入し、蒸発プロセスを経て、蒸発器を出るときに完全に蒸気に変換される。蒸発器に流入する冷媒が少なすぎる場合、冷媒が蒸発器を出る前に、すでに冷媒の全てが蒸気相に変換されている。このことは、蒸発器の表面積のかなりの割合が冷却を実行するのに用いられなかったことを暗に意味し、それにより、システムの効率を低下させる。逆に、蒸発器に流入する冷媒が多すぎる場合、冷媒は、部分的には未だ液相状態のまま蒸発器を出る。このことは、有用な冷却を実行する能力が蒸発器内で完全には発揮されていないことを暗に意味し、これもまた、効率を低下させる。加えて、蒸発器を流出する冷媒の液体成分は、圧縮機へ吸入される場合があり、これにより、損傷が生じる可能性がある。

一般的には、蒸発プロセスは（材料特性と蒸発中の冷媒の圧力とに依存する蒸発温度の）定温プロセスである。完全に蒸発した後に、蒸気相冷媒に遷移される追加の熱が、冷媒温度の温度上昇を引き起こす。上昇した蒸気相温度と蒸発温度との間の温度の差は、スーパーヒート温度と呼ばれる。蒸気相に完全に蒸発して蒸発器を出る冷媒は、蒸発温度より高い温度を提示し、換言すれば、正のスーパーヒート温度を有している。蒸発器の出口において、冷媒のスーパーヒート温度を適切に制御することによって効率を最適化し、蒸気圧縮機器を保護することができる。

冷媒のスーパーヒートを直接測定するために、種々の方法は、蒸発器への流入口における蒸発温度を求める。この場合、蒸発圧力を測定することが必要である。蒸発圧力を測定した後、蒸発温度は、冷媒の特性を用いて計算することができる。蒸発器の流出口における蒸気温度も測定され、スーパーヒートは、測定された流出蒸気温度と蒸発温度との差として算出される。この直接測定法は、少なくとも１つの圧力センサーと１つの（より一般的には２つの）温度測定値を必要とする。冷媒の圧力を測定するセンサーは、コストが高く、多くの場合、信頼性が低い。したがって、スーパーヒートの直接測定は、通常、高価な部品コストを許容し、センシングの冗長な手段を提供することが可能な非常に高価なシステムに限定される。

スーパーヒートを直接測定するのではなく、より安価な温度センサーを用いてスーパーヒートを推定することが可能である。例えば、特許文献１は、蒸発器の熱交換器の流入口と流出口との近くに配置された２つの専用温度センサーを用いてスーパーヒートを推定する方法を記載している。この方法は、スーパーヒート温度を妥当な精度にて推定することができるが、それでもなお、熱交換器の特定の位置に設置される追加の専用の温度センサーが必要である。この追加の温度センサーは、この機械のコストを増加させる。

特許文献２は、圧縮機排出温度（圧縮機を出る冷媒の温度）と外気温との組合せを用いてスーパーヒートを制御するような方法で冷媒を制御することができることを教示している。冷媒の正しい量を制御する弁開度は、これらのセンサーを用いて算出される。この方法は、不要な熱交換器温度または圧力センサーを排除するが、可変速圧縮機を備える蒸気圧縮システムには適していない。

上記を考慮して、当該技術分野において、可変速圧縮機を備える蒸気圧縮システムの効率およびコストを最適化するための、蒸発器に入る冷媒の量を測定する方法が必要とされている。

米国特許第６７６９２６４号明細書 米国特許第５３１１７４８号明細書

本発明のいくつかの実施の形態は、圧力センサーを用いることも、専用の熱交換器温度センサーに依存することもなく、蒸発器に対する冷媒の正しい量を求める。例えば、本発明の１つの実施の形態は、機器の保護および監視等の他の理由のために、蒸気圧縮システムに搭載されたセンサーのみを用いる。このようにして、部品コストを最少に抑えながら、効率的な動作を維持することが可能である。

さらに、本発明の種々の実施の形態が可変速圧縮機に明示的に適用され、それによって、蒸気圧縮システムの動作を不安定化させることなく、排気温度および弁の開度位置に影響を及ぼす。実際に、いくつかの実施の形態は、可変速圧縮機を備える蒸気圧縮システムにおいて、追加のセンサーを必要としない方法で、スーパーヒートを調整する。

本発明のいくつかの実施の形態は、小さい正のスーパーヒート温度に関連付けられている排気温度は、外気温および圧縮機速度とともに変動するという理解に基づいている。さらに、これら２つの要因を、所望のスーパーヒート温度を達成する正しい排気温度の算出において考慮に入れることができるということが理解される。

本発明のいくつかの実施の形態は、可変速蒸気圧縮システムにおいて、圧縮機速度は、ユーザー主導の室内設定点温度の変化に反応して急激に変化し、排気温度における急激な変化を引き起こす場合があるという別の理解に基づいている。一方、圧縮機の速度の変動性と独立制御とに起因して、排気温度における急激な変化は、蒸気圧縮システム全体の動作を不安定化させる可能性がある。

したがって、本発明のいくつかの実施の形態の目的は、削減された数のセンサーと可変速圧縮機とともに動作する蒸気圧縮システムの種々のコンポーネントの制御を安定して動作させるシステムおよび方法を提供することである。

したがって、１つの実施の形態は、可変速圧縮機を備える蒸気圧縮システムを制御する方法を開示する。本方法は、前記圧縮機の排気温度の値と、該圧縮機の速度の値と、外気温との間のマッピングを用いて前記圧縮機の所望の排気温度を求めることと、現在の排気温度を前記所望の排気温度へ遷移させる遷移関数を求めることであって、該遷移関数は、連続であるとともに該遷移関数の変化の割合が制限されていることと、前記遷移関数に基づいて前記排気温度を前記所望の排気温度へ遷移させるように前記蒸気圧縮システムの弁を制御することと、を含む。本方法のステップは、プロセッサによって実行することが可能である。

別の実施の形態は、蒸気圧縮システムを制御する方法を開示する。本方法は、所望の排気温度を求めることと、遷移関数を用いて前記所望の排気温度をフィルタリングし、それにより、割合制限付きの排気温度を生成することと、前記実際の排気温度と割合制限付きの排気温度との間の制御偏差を最小化するように前記蒸気圧縮システムの弁を制御することと、を含む。本方法のステップは、プロセッサによって実行することが可能である。

さらに、別の実施の形態は、蒸気圧縮システムを開示する。本システムは、冷媒を圧縮するとともに該システムを通してポンプ送出する速度を有する圧縮機であって、前記圧縮機の速度は、可変であり、１つまたは複数の環境パラメーターの変化に応答して、前記圧縮機の速度を求めるとともに調節するように構成される圧縮機制御装置によって制御される、圧縮機と、該蒸気圧縮システムの高圧部と低圧部との間に調節可能な圧力を提供する弁であって、該膨張弁は、弁制御装置によって制御される、弁と、を備える。また、本システムは、前記圧縮機の実際の排気温度を測定する第１の温度センサーと、外気温を測定する第２の温度センサーと、前記圧縮機の前記排気温度の値と、該圧縮機の速度の値と、前記外気温との間のマッピングを記憶するメモリと、前記メモリと、前記圧縮機制御装置と、前記第２のセンサーとに動作可能に接続されるプロセッサであって、前記外気温と、前記圧縮機の速度と、前記マッピングとを用いて所望の排気温度を求める、プロセッサと、前記第１の温度センサーによって測定される前記実際の排気温度と、遷移関数に従って求められる割合制限付きの所望の排気温度との間の制御偏差を低減する前記弁制御装置へのコマンドを生成するフィードバックコントローラーと、を備える。

本発明の１つの実施の形態に係る蒸気圧縮システムのブロック図を示す。 本発明の１つの実施の形態に係る蒸気圧縮システムの圧縮機の排気温度と、圧縮機の速度と、外気温との間のマッピングの概略図である。 本発明の別の実施の形態に係るマッピングを表す表である。 排気温度の値における変化と、実際の排気温度および所望の排気温度間の制御偏差との間の時間依存の関係を示す図である。 図３Ａとの関連で説明したいくつかの原理を使用している本発明の１つの実施の形態に係る蒸気圧縮を制御する方法のブロック図である。 別の実施の形態に係るフィードバック制御ループの概略図である。 別の実施の形態に係る蒸気圧縮システムを制御する方法のブロック図である。 本発明の１つの実施の形態に係る、遷移関数の平滑化係数を実験的に求める一例の図である。

本発明の種々の実施の形態は、システムの安定性が維持され、効率が最適化されるように、限定された数のセンサーおよびプロセス信号を用いて蒸気圧縮システムにおける冷媒の量を制御するシステムおよび方法を提供する。いくつかの実施の形態の原理を説明するために、例示の蒸気圧縮システムは、冷房モードにおいて動作している（すなわち、室内環境から熱を取り除いている）空調装置である。しかしながら、この例は、本発明の範囲を限定することを意味するものではなく、種々の実施の形態が、蒸気圧縮システム（冷房モードおよび暖房モードにおいて動作する空調装置、冷却装置、冷凍機等）の全ての動作モードを網羅することを意図している。

図１は、本発明のいくつかの実施の形態に係る蒸気圧縮システム１００のブロック図を示している。システム１００の例は、蒸気圧縮サイクルを実施する任意の暖房、換気、空調（ＨＶＡＣ）システムである。通常、蒸気圧縮サイクルは、制御システムによって制御可能な動作を有する蒸気圧縮システムのアクチュエーターを用いて実施される。

高圧の液体冷媒は、低圧容器、例えば、蒸発器１０７へと放出される。圧力の大幅な低下の結果として、冷媒が蒸発を開始して、これが蒸発器の周囲の空気から熱を除去し、それにより、空気の温度を低下させる。蒸発器から除去される熱の量は、一般に、冷房モードにおいて動作しているシステムの熱負荷であるとみなされる。冷媒と空気との間の熱交換を増加させるために、空気を蒸発器に強制的に行き渡らせるファン１０８を用いることが可能である。

蒸発器に流入する冷媒は、流量制限装置によって制御することが可能である。流量制限装置は、冷媒質量の流量を制限し、２つの圧力ゾーン、すなわち、流量制限器の上流の高圧ゾーンと、下流の低圧ゾーンとを確立するように、冷媒管の十分な割合をブロックする。この例において、流量制限装置は、蒸気圧縮システムの高圧部と低圧部との間の調節可能な圧力降下を提供する膨張弁である。膨張弁は、弁制御装置１０９からのコマンド１０４を受信する電気的なステッピングモーター１０３によって作動される開度可変弁１０２を含むことができる。弁の他の実施態様も可能である。

蒸気圧縮システムの追加のコンポーネントは、蒸発器を出る低圧の蒸気冷媒を回収し、冷媒を高圧の液体状態に戻すように機能する。本システムは、冷媒を圧縮し、システムを通して冷媒をポンプ送出する、ある速度を有する圧縮機１０１を備えることが可能である。圧縮機の速度は、可変であり、圧縮機制御装置１１０によって制御される。圧縮機制御装置は、１つまたは複数の環境パラメーターの変化に応答して、圧縮機の速度を求め、圧縮機の速度を調節するように構成される。

環境パラメーターの例は、限定ではないが、ユーザーによって提供される所望の温度、システム上の熱負荷、ならびに蒸発器および凝縮器における空気の温度を含む。環境室内温度等のパラメーターのうちのいくつかは、蒸気圧縮システムのユーザーにとっての所望の値、すなわち、設定点を有する。例えば、設定点は、１つの変数、例えば、室内温度とすることが可能である。また、設定点は、室内大気の温度および相対湿度等の複数の変数の組とすることが可能である。

圧縮機１０１は、蒸発器から低圧の冷媒を取り入れ、冷媒を高圧の蒸気に圧縮する。可変速蒸気圧縮システムにおいて、圧縮機は、圧縮機の速度を指定するコマンド１０５を圧縮機制御装置１１０から受信する。圧縮機速度を変えることによって、質量流量および圧力比を熱負荷および温度設定点に基づいて調節することができる。

圧縮機を出る高圧の蒸気は、別の熱交換器、すなわち、凝縮器１０６へ送られ、凝縮器１０６は、高温高圧の冷媒に含まれる熱を周囲環境へと取り除く働きをする。冷媒から熱が除去されると、冷媒は、液体の状態へと凝縮される。蒸発器と同様に、ファン１１４を用いて凝縮器にわたって空気を移動させて熱交換率を高めることが可能である。凝縮器を出る結果としての冷媒は、高圧を有し、液体の状態であり、流量制限装置を通過してサイクルを完了する。

本発明のいくつかの実施の形態は、圧縮機の速度と、外気温と、圧縮機の排気温度との間にマッピングの関係があるという理解と、以下でより詳細に説明するように、マッピングを用いて蒸気圧縮システムのスーパーヒートを制御することが可能であるという理解とに基づいている。

したがって、いくつかの実施の形態において、システム１００は、圧縮機１０１の排気温度を測定する第１の温度センサー１１１と、外気温を測定する第２の温度センサー１１２と、圧縮機の速度の値、外気温の値および圧縮機の排気温度の値の間のマッピングを記憶するメモリ１１３とをさらに備えている。また、本システムは、メモリ１１３と、圧縮機制御装置１１０と、第２の温度センサー１１２とに動作可能に接続されているプロセッサ１１６とを備えている。プロセッサ１１６は、マッピングと外気温および圧縮機の速度の値とを用いて所望の排気温度を求めるように構成されている。同様に、所望の排気温度を用いてスーパーヒートを制御することが可能である。

また、システム１００は、弁制御装置１０９へのコマンドを生成して、第１の温度センサー１１１によって測定される現在の排気温度と所望の排気温度との間の制御偏差を低減するフィードバックコントローラー１１８を備えることが可能である。種々の実施の形態において、所望の排気温度は、遷移関数を用いて平滑化されて、割合制限付きの排気温度を生成する。以下で説明するように、遷移関数は、急激な遷移とは対照的に、現在の排気温度を所望の排気温度へ連続的に遷移させるように求められる。このようにして、システム１００の動作が安定化される。

いくつかの実施の形態において、遷移関数が連続であるとともに、遷移関数の変化の割合が制限されるように、遷移モジュール１１７によって遷移関数が生成される。代替の実施の形態において、遷移関数は、プロセッサ１１６によって生成される。一方、他の実施態様が可能である。例えば、いくつかの実施の形態において、プロセッサ１１６を用いてコントローラー１０９、１１０および１１８のうちの１つまたは複数を実施する。代替の実施の形態において、コントローラーは、追加のプロセッサを用いて実施される。

数々の実験を通じて、スーパーヒートは、以下の値、すなわち、（ｉ）圧縮機速度、（ｉｉ）外気温、および（ｉｉｉ）圧縮機排気温度から一意的に求めることが可能であることが理解される。したがって、それらの速度および温度を制御することによって、スーパーヒート温度を制御することが可能である。

図２Ａは、圧縮機の排気温度と、圧縮機の速度と、外気温との間のマッピング２００の例を説明する多様体２０１を示している。しかしながら、可変速圧縮機を有する蒸気圧縮システムにおいて、圧縮機速度は、通常、例えば、環境パラメーターのうちの１つの変化に応答して、圧縮機制御モジュール１１０によって独自に求められる。同様に、外気温は、制御することができない。したがって、いくつかの実施の形態は、圧縮機の速度および外気温を測定するか、または別の方法で求め、マッピング２００に従って圧縮機の排気温度を求める。膨張弁を用いて排気温度が所望の排気温度になるように制御する。このようにして、スーパーヒートを間接的に制御することが可能である。

図２Ａの多様体２０１は、蒸気圧縮システムのモデルを用いて求めることもできるし、商用のシステムには存在していないセンサーおよび計装を用いることによって蒸発器のスーパーヒートを測定することが可能である場合には、実験を通じて経験的に求めることもできる。実験中、膨張弁を用いて蒸発器のスーパーヒートを小さい正の値に直接調整し、圧縮機速度および外気温等の条件を変動させる。こうした様々な条件にて排気温度が測定され、個々の実験結果２０２をプロットして、実験データに最も適する多様体２０１を求めることが可能である。この多様体は、パラメーターによって、または実験的に表現することが可能である。いくつかの実施の形態は、マッピング２００を等式として、またはルックアップテーブルとして表現する。

図２Ｂは、圧縮機速度２２０と、外気温２３０と、排気温度２４０との間のマッピングを表す表２１０を示している。通常、表２１０は、あらかじめ求められ、メモリ内に記憶される。蒸気圧縮システムの動作中、プロセッサ１１６は、例えば、圧縮機制御装置１１０によって提供される圧縮機の速度、および第２の温度センサー１１２によって提供される室外温度の値に基づいて、値の組２５０を求めることが可能である。

いくつかの実施の形態において、圧縮機制御装置は、室外温度に基づいて圧縮機の速度を求める。こうした実施の形態において、表２１０は、圧縮機の速度と圧縮機の排気温度との間のマッピングのみを含むことが可能である。こうした実施の形態において、外気温は、圧縮機制御装置を通じて間接的に考慮される。マッピングの他の変形形態が可能である。例えば、１つの実施の形態は、マッピングを圧縮機の速度および外気温の関数として記憶する。

所望の排気温度を求めることに応答して、フィードバックコントローラーは、第１の温度センサーによって測定される現在の排気温度と、マッピング２００を用いてプロセッサ１１６によって求められる所望の排気温度との間の制御偏差を減少させる、弁制御装置へのコマンドを生成することが可能である。

しかしながら、可変速圧縮機を用いるいくつかのシステムの場合、圧縮機の速度の急激な変動に応答した弁の制御における急激な変化は、以下で説明するように、システムの動作を不安定化させる場合がある。特に、フィードバックコントローラーは、制御偏差信号に対して作用し、その制御偏差信号の大きさおよび周波数の内容によって、閉ループシステムの安定性を求めることが可能である。したがって、いくつかの実施の形態は、現在の排気温度を所望の排気温度へと連続的に遷移させる遷移関数に従って、割合制限付きの所望の排気温度を求める。

例えば、多くの蒸気圧縮システムにおいて、可変速圧縮機の速度は、所望の温度の変化に応答して頻繁に変更される。例えば、ユーザーは、サーモスタットの設定点を下げる場合がある。この室温設定点における急激な変化は、多くの場合、圧縮機速度における対応する急激な変化を伴う。圧縮機速度がマッピング２００の一成分であることに起因して、対応する所望の排気温度も急激に変化する可能性がある。

図３Ａは、排気温度の値の変化３１０と、実際の排気温度および所望の排気温度間の制御偏差３２０との間の時間依存の関係３１５を示している。例えば、所望の排気温度３０１が急激に変化した場合、膨張弁を駆動するようにフィードバックコントローラーへ提供される制御偏差信号３０４も、通常は、大幅に、急激に変化する。

制御偏差信号におけるこの大幅で急激な変化は、蒸気圧縮システムの不安定化をもたらす可能性がある。例えば、ユーザーが環境パラメーターを変化させた場合、例えば、サーモスタット設定点を下げた場合、圧縮機制御装置は、圧縮機速度を急激に増大させて蒸発器における冷媒温度を低下させ、これによって室温を低下させる。マッピング２００に従って、所望の圧縮機排気温度において対応する上昇が生じ、これが膨張弁を制御する弁制御装置に提供される。排気温度の上昇を達成するために、弁制御装置は、弁の開度を減ずるように弁に指令する。これによって、蒸発器に入る冷媒の量の低下をもたらす。蒸発器内での熱遷移は、冷媒の温度と質量流量との双方に依存するので、弁を閉じることによって、冷媒の質量流量を低下させて、こうした熱遷移を妨げる可能性がある。結果として、蒸気圧縮機システムは、所望の室温を達成することができず、圧縮機制御装置は、圧縮機にさらに速度を増加させるように指令し、究極的には、最大の圧縮機速度および最小の弁開度である暴走状態に至る。

この不安定な状態は、弁制御装置へ提供される信号を適切にフィルタリングするか、その信号を整形することによって回避することが可能であることが理解される。再び図３Ａを参照すると、所望の圧縮機排気温度の変化を表す急激で不連続な関数３０１は、現在の排気温度３１２が所望の排気温度３１４へと遷移することに関して、この遷移が連続的であるとともに遷移の変化の割合が制限されるように、平滑化する（３０３）ことが可能である。平滑化は、時間の関数として割合制限付きの所望の排気温度を求める遷移関数に従って行うことが可能である。不連続の遷移３０１とは対照的に、遷移３０３を規定する遷移関数は、連続的である。遷移関数の変化の割合が制限されることによって、遷移の平滑化を確実にするとともに、以前の排気温度の値から新たな排気温度の値への遷移の間、遷移関数が全ての時間インスタンスにおいて微分可能であることを意味する。

遷移関数の変化の割合を制限することによって、割合制限付きの排気温度３０３と実際の排気温度３０２との間の差は、結果として、より小さな制御偏差信号３０５となる。この制御偏差信号は、フィードバックコントローラーによって制御される蒸気圧縮システムの動作を不安定化させない。

本明細書において用いられるとき、所望の排気温度は、マッピング２００を用いて求められるような圧縮機の排気温度である。所望の排気温度の例は、値３１４である。割合制限付きの所望の排気温度は、遷移関数を用いて求められた排気温度である。１つの実施の形態において、遷移関数への入力は、所望の排気温度であり、出力は、様々な時点における割合制限付きの所望の排気温度を表す遷移３０３である。

実際の排気温度は、様々な時点において測定された排気温度である。実際の排気温度の例は、信号３０２である。いくつかの実施の形態において、実際の排気温度は、制御偏差信号３０５の制御偏差を求めるための、実際の排気温度と割合制限付きの所望の排気温度との対に対応する入力として取得され、フィードバックコントローラーによって所望の排出値へと駆動される。

フィードバックコントローラーは、制御偏差信号をゼロに駆動するように弁の開度の増加または減少を指令する。例えば、弁開度を増加することによって、冷媒の流量を増大させ、実際の排気温度をこれに対応して低下させる。逆に、弁開度を減少させることによって、実際の排気温度をこれに対応して上昇させる。この一般的な関係に従って、例えば、統合された機能を有し、割合制限付きの所望の排気温度および実際の排気温度の対応する対間の差である制御偏差信号に対して動作するフィードバックコントローラーを用いて、制御偏差信号をゼロに駆動するように弁を制御することが可能である。

図３Ｂは、可変速圧縮機を備える蒸気圧縮システムを制御する方法のブロック図を示している。本方法は、図３Ａとの関連で説明したいくつかの原理を使用している。本方法は、プロセッサ３９９を用いて実施することが可能である。本方法は、外気温と、圧縮機の排気温度の値、および圧縮機の速度の値３３３、および外気温の間のマッピング２００とを用いて圧縮機の排気温度（ＴＤ）３３５の新たな値３３５を求める（３３０）。マッピング２００の例は、多様体２０１または表２１０である。通常、排気温度の新たな値は、蒸気圧縮システムの圧縮機の速度の変化に応答して求められる。

次に、本方法は、遷移関数が連続であるとともに遷移関数の変化の割合が制限されているように、排気温度の以前の値から排気温度の新たな値へ遷移する遷移関数３４５を生成する（３４０）。以前の値の例は、本方法の以前の反復によって求められた新たな値３３５である。

遷移関数３４５を用いて、本方法は、遷移関数に基づいて、排気温度が現在の値から新たな値へ遷移するように、蒸気圧縮システムの弁を制御する。例えば、いくつかの実施の形態において、あるコマンドによって、遷移関数を用いて、ある時点において測定された現在の排気温度とその時点において遷移関数を用いて求められた所望の排気温度との間の制御偏差を低減するように、弁の開度を変更する。このようにして、システムの制御は、効率的であるとともに、システムを安定状態にとどめる。

図４Ａおよび図４Ｂは、別の実施の形態に係るフィードバック制御ループの概略図および蒸気圧縮システムを制御する方法のブロック図を示している。外気温は、凝縮器と相互作用する外気の流路内に位置する第２の温度センサー１１２によって測定される（４２０）。加えて、圧縮機速度は、圧縮機速度の直接測定によって、または圧縮機制御装置１１０との通信を通じて求められる（４２１）。次に、外気温４１１および圧縮機速度１０５は、所望の排気温度を求める（４２２）遷移モジュール４０２へ提供される。遷移モジュール４０２は、プロセッサ１１６を用いて実施することが可能である。

次に、この所望の排気温度４０５は、フィルタリングされ、割合が制限されて（４２３）、割合制限付きの所望の排気温度４０６を提供する。割合制限付きの所望の排気温度は、遷移関数３４５を用いて求めることが可能である。遷移関数は、所定のものとするか、またはオンラインで決定することが可能である。独立して実際の排気温度が、例えば、第１の温度センサー１１１によって測定され、求められる（４２４）。

割合制限付きの所望の排気温度４０６および実際の排気温度４０７を比較して（４２５）、制御偏差信号４０８を求める。この制御偏差信号は、フィードバックコントローラー４０４へ提供されて、フィードバックコントローラー４０４は、膨張弁へのコマンドを決定する（４２６）。次に、コマンド１０４は、膨張弁へ提供されることによって、弁をこれに対応して動かして（４２７）制御偏差を最小化させる。

フィードバック制御ループは、遷移関数の的確な実施態様を提供する。排気温度の変化は、弁開度位置の調節をもたらすフィードバック制御ループの各ステップにおいて反復的に平滑化される。こうしたステップを、実際の排気温度が所望の排気温度に到達するまで繰り返すことが可能である。

熱の物理学に関連付けられる自然な振る舞いに起因して、圧縮機の排気温度を任意の値へ瞬間的に変化させることは、可能ではない。圧縮機は、比較的質量のあるコンポーネントであり、鋼または金属合金を含んでいる。熱の瞬間的な変化は、材料の大きな熱容量によってフィルタリングされ、したがって、温度は、圧縮機の熱時定数に規定されるように、ゆっくり反応する。したがって、いくつかの実施の形態において、遷移関数の変化の割合は、圧縮機の質量、圧縮機を形成する材料の熱伝導性、もしくは外気温、またはそれらの組合せに基づいて決定される。

例えば、材料の密度ｐ、体積Ｖ、熱容量ｃｐ、および表面積Ａを有する圧縮機のエネルギーバランスによって、以下の微分方程式が与えられる。

ここで、ｔａｕは、熱時定数であり、以下の式で与えられる。

Ｔは、圧縮機排気温度、Ｔａは、外気の温度、ｈは、圧縮機と空気との間の熱伝導率である。この微分方程式の解は、１次の指数関数である。

いくつかの実施の形態は、内部フィードバックコントローラーの制御偏差信号をより小さく保つために、圧縮機の所望の排気温度の変化は、圧縮機の自然な応答をたどるべきであるという理解に基づく。

したがって、いくつかの実施の形態において、遷移関数の変化の割合は、圧縮機の熱時定数に比例する。例えば、遷移関数は、ローパスフィルター、例えば、圧縮機の熱時定数に比例するか、圧縮機の熱時定数と等しい時定数を有する１次ローパスフィルターとして求めることが可能である。こうしたフィルターの１つの実現形態は、離散時間１次指数移動平均式である。例えば、１つの実施の形態において、遷移関数は、以下の式に従って求められる。

ここで、ｙ［ｋ］は、時間ステップｋにおける遷移関数の出力値であり、ｕ［ｋ］は、時間ステップｋにおける遷移関数への入力であり、ｙ［ｋ−１］は、以前の時間ステップにおける遷移関数の出力である。

パラメーターａは、０〜１の間の値を有する平滑化係数である。平滑化係数は、遷移関数の変化の割合として求めることが可能である。より小さなａの値に対して、出力値は、より緩やかに、より厳しい割合制限を与えて応答する。ローパスフィルターにおけるａの値は、蒸気圧縮システムのモデルを用いるか、または経験的に、いくつかの方法によって求めることができる。

図５は、本発明の１つの実施の形態に係る、遷移関数の平滑化係数を経験的に求める一例を示している。例えば、圧縮機速度５０１を初期値５０２から最終値５０３へ急激に増加させ、排気温度の測定値５０４を記録するという実験が実施される。次に、パラメーターａが、実験データに一致する応答５０５を最も良好に生成する値として求められる（５０６）。

ローパスフィルターの時定数を求める別の方法は、上記で与えられたｔａｕに関する式を解析的に用いることである。熱時定数は、圧縮機の材料成分を含む圧縮機の設計から既知のパラメーターの関数である。この設計によって熱容量ｃｐ、材料密度ｐおよび寸法が決定され、それらによって、堆積Ｖおよび表面積Ａが決定される。

所望の排気温度が制限される変化の割合は、圧縮機のある特定の物理特性に関連付けることができる。圧縮機の変化の割合は、圧縮機の質量、圧縮機を形成する材料の熱伝導率および外気温に基づくことが可能である。したがって、それらのパラメーターの推定値から、適切な割合制限を算出することが可能である。

上記で説明した実施の形態は、多数の方法のうちの任意の方法で実施することができる。例えば、実施の形態は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組合せを用いて実施することができる。ソフトウェアにて実施するとき、ソフトウェアのコードは、単独のコンピューターに提供される場合であっても、または複数のコンピューター間に分散される場合であっても、任意の適切なプロセッサまたはプロセッサの集合体上で実行することが可能である。こうしたプロセッサは、集積回路として実施することができる。このとき、１つまたは複数のプロセッサが、集積回路コンポーネント内にある。とはいえ、プロセッサは、任意の適切な形態の回路類を用いて実施することができる。

さらに、コンピューターは、ラック搭載型コンピューター、デスクトップコンピューター、ラップトップコンピューター、ミニコンピューターまたはタブレットコンピューター等のいくつかの形式のうちの任意の形式で具現化することができることを理解されたい。また、コンピューターは、１つまたは複数の入力装置および出力装置を有することができる。これらの装置を用いて、とりわけ、ユーザーインターフェースを提供することが可能である。ユーザーインターフェースを提供するのに用いることが可能な出力装置の例は、視覚的な出力を提供するプリンターまたは表示スクリーンと、聴覚的な出力を提供するスピーカーまたは他の音声発生装置とを含むことができる。ユーザーインターフェースのために用いることが可能な入力装置の例は、キーボードと、マウス、タッチパッド、およびデジタイズタブレット等のポインティング装置とを含む。別の例として、コンピューターは、音声認識または他の聴覚フォーマットを通じて入力情報を受信することができる。

こうしたコンピューターは、企業ネットワークまたはインターネット等のローカルエリアネットワークまたはワイドエリアネットワークを含む任意の適切な形式の１つまたは複数のネットワークによって相互接続することができる。こうしたネットワークは、任意の適切な技術に基づくことができ、任意の適切なプロトコルに従って動作することができ、無線ネットワーク、有線ネットワークまたは光ファイバーネットワークを含むことができる。

また、本明細書において概説されている種々の方法およびプロセスは、種々のオペレーティングシステムまたはプラットフォームのうちの任意のものを使用する１つまたは複数のプロセッサ上で実行可能なソフトウェアとしてコーディングすることができる。代替的に、または加えて、本発明は、伝搬信号等のコンピューター可読記憶媒体以外のコンピューター可読媒体として具現化することができる。

また、本発明の実施の形態は、その例が提供されている方法として実施することもできる。方法の一部分として実行される動作は、任意の順序で並べ換えることができる。したがって、実施の形態は、その動作が例示されたものとは異なる順序で実行されるように構築することができ、このことは、いくつかの動作を、例示の実施の形態においては逐次の動作として示されていたとしても、同時に実行することを含むことができる。

本明細書において用いられるとき、用語「プログラム」、「ソフトウェア」は、一般的な意味で用いられて、コンピューターまたは他のプロセッサをプログラミングして上記で検討した本発明の種々の態様を実施することが可能な任意のタイプのコンピューターコードまたはコンピューター実行可能命令の組を指す。

「コンピューター」は、構造化された入力を受け取ること、構造化された入力を所定の規則に従って処理すること、および処理の結果を出力として生成することが可能である任意の機器を指す。コンピューターの例は、コンピューター、汎用コンピューター、スーパーコンピューター、メインフレーム、スーパーミニコンピューター、ミニコンピューター、ワークステーション、マイクロコンピューター、サーバー、双方向テレビ、コンピューターと双方向テレビとの複合混成、ならびにコンピューターおよび／またはソフトウェアをエミュレートする用途特定ハードウェアを含む。コンピューターは、単一のプロセッサ、または複数のプロセッサを有することが可能であり、それらは、並列および／または非並列にて動作可能である。また、コンピューターは、コンピューター間で情報を送受信するネットワークを介して、ともに接続された２つ以上のコンピューターも指す。こうしたコンピューターの例は、ネットワークによってリンクされたコンピューターを介して情報を処理する分散コンピューターシステムを含む。

「中央処理ユニット（ＣＰＵ）」または「プロセッサ」は、ソフトウェア命令を読んで実行するコンピューターまたはコンピューターのコンポーネントを指す。

「メモリ」または「コンピューター可読媒体」は、コンピューターによってアクセス可能なデータを記憶する任意のストレージを指す。例は、電子メールの送受信またはネットワークのアクセスおよびコンピューターメモリ、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）において用いられる電子データ等の、コンピューター可読電子データを搬送するのに用いられる、磁気ハードディスク、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭまたはＤＶＤのような光ディスク、磁気テープ、メモリチップ、ならびに搬送波を含む。

「モジュール」、「ユニット」は、タスクまたはタスクの一部分を実行するコンピューターにおける基本コンポーネントを指す。これは、ソフトウェアまたはハードウェアのいずれかによって実施することが可能である。

「蒸気圧縮システム」は、熱力学、流体力学および／または熱伝導の原理に基づいて、蒸気圧縮サイクルを用いて冷媒をシステムのコンポーネントを通って移動させるシステムを指す。蒸気圧縮システムは、限定ではないが、ヒートポンプ、冷凍システムおよび空調装置システムとすることが可能である。蒸気圧縮システムは、住宅用空間または商業用空間の空調を超えた用途において用いられる。例えば、蒸気圧縮サイクルは、高性能のコンピューティング用途において、コンピューターチップを冷却する蒸気圧縮システムによって用いることが可能である。

「ＨＶＡＣ」システムは、蒸気圧縮サイクルを実施する任意の暖房、換気、空調（ＨＶＡＣ）システムを指す。ＨＶＡＣシステムは、戸外の空気を建物の居住者に供給するだけのシステムから、建物の温度を制御するだけのシステム、温度および湿度を制御するシステムまでの範囲の、非常に幅広いシステムの組に及んでいる。

「蒸気圧縮システムのアクチュエーター」は、制御システムによって制御可能な動作を有する蒸気圧縮システムの任意のコンポーネントを指す。アクチュエーターは、限定ではないが、冷媒を圧縮し、システムを通して冷媒をポンプ送出する可変速の圧縮機、システムの高圧部と低圧部との間に調節可能な圧力の低下を提供する膨張弁、ならびに、いずれも熱交換器を通る気流を調節する可変速ファンを組み込む蒸発熱交換器および凝縮熱交換器を含む。

「蒸発器」は、熱交換器を通過する冷媒が熱交換器の長さにわたって蒸発し、それによって熱交換器の流出口における冷媒の比エンタルピーが熱交換器の流入口における冷媒の比エンタルピーより高くなり、通常は、冷媒が液体から気体に変わる、蒸気圧縮システムにおける熱交換器を指す。蒸気圧縮システム内には、１つまたは複数の蒸発器が存在する場合がある。

「凝縮器」は、熱交換器を通過する冷媒が熱交換器の長さにわたって凝縮し、それによって熱交換器の流出口における冷媒の比エンタルピーが熱交換器の流入口における冷媒の比エンタルピーより低くなり、通常は、冷媒が気体から液体に変わる、蒸気圧縮システムにおける熱交換器を指す。蒸気圧縮システム内には、１つまたは複数の凝縮器が存在する場合がある。

特許請求の範囲内において、「第１の」、「第２の」等の順序を表す用語を用いて構成要件を修飾することは、それのみにて任意の優先順位の順序、出現の順序、または１つの構成要件の別の構成要件に対する順序もしくは方法の動作が実行される時間的な順序を意味するわけではなく、単なるラベルとして用いられており、ある特定の名称を有する１つの構成要件を、（順序を表す用語を用いる以外は）同じ名称を有する別の構成要件と識別して、それらの複数の構成要件を識別するものである。

Claims (12)

1. 可変速圧縮機を備える蒸気圧縮システムを制御する方法であって、
   前記圧縮機の排気温度の値と、該圧縮機の速度の値と、外気温との間のマッピングを用いて前記圧縮機の所望の排気温度を求めるステップと、
   現在の排気温度を前記所望の排気温度へ連続的に遷移させる遷移関数を求めるステップであって、前記所望の排気温度を入力とし、時間経過に伴う様々な時点における割合制限付きの所望の排気温度を出力とする時間関数であり、かつ、前記出力の変化の割合が前記圧縮機の熱時定数に比例するように制限される時間関数として、前記遷移関数を求めるステップと、
   前記遷移関数に基づいて前記排気温度を前記所望の排気温度へ遷移させるように前記蒸気圧縮システムの弁を制御するステップと、
   を含み、該方法のステップは、プロセッサによって実行される、可変速圧縮機を備える蒸気圧縮システムを制御する方法。
2. 前記制御するステップは、
   実際の排気温度の測定値を受信するステップと、
   前記所望の排気温度と前記遷移関数とを用いて前記割合制限付きの所望の排気温度を求めるステップと、
   前記実際の排気温度を前記割合制限付きの所望の排気温度と比較し、それにより制御偏差を求めるステップと、
   前記弁の開度を変更するコマンドを生成し、それにより前記制御偏差を低減させるステップと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記実際の排気温度が前記所望の排気温度に到達するまで前記制御するステップを繰り返すステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記圧縮機の質量、前記圧縮機を形成する材料の熱伝導性もしくは前記外気温、またはそれらの組合せに基づいて、前記遷移関数の前記変化の割合を決定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記圧縮機の熱時定数に比例する時定数を有する１次ローパスフィルターとして前記遷移関数を求めるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記遷移関数を以下の式に従って求めるステップであって、
   

   

   ここで、ｙ［ｋ］は、時間ステップｋにおける前記遷移関数の出力であり、ｕ［ｋ］は、前記時間ステップｋにおける前記遷移関数への入力であり、ｙ［ｋ−１］は、以前の時間ステップにおける前記遷移関数の出力であり、パラメーターａは、０〜１の間の値を有する平滑化係数である、求めるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記システムのモデルを用いて前記マッピングを求めるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 蒸気圧縮システムを制御する方法であって、
   所望の排気温度を求めるステップと、
   現在の排気温度を前記所望の排気温度へ連続的に遷移させる遷移関数を求めるステップであって、前記所望の排気温度を入力とし、時間経過に伴う様々な時点における割合制限付きの所望の排気温度を出力とする時間関数であり、かつ、前記出力の変化の割合が前記圧縮機の熱時定数に比例するように制限される時間関数として前記遷移関数を求めるステップと、
   前記遷移関数を用いて前記所望の排気温度をフィルタリングし、それにより割合制限付きの排気温度を生成するステップと、
   実際の排気温度と割合制限付きの排気温度との間の制御偏差を最小化するように前記蒸気圧縮システムの弁を制御するステップと、
   を含み、該方法のステップは、プロセッサによって実行される、蒸気圧縮システムを制御する方法。
9. 前記圧縮機の速度の値と、外気温の値と、前記圧縮機の排気温度の値との間のマッピングを求めるステップと、
   前記マッピングと、前記圧縮機の前記速度と、前記外気温とを用いて前記所望の前記排気温度を求めるステップと
   をさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 蒸気圧縮システムであって、
    冷媒を圧縮するとともに該システムを通してポンプ送出する速度を有する圧縮機であって、前記圧縮機の速度は、可変であり、１つまたは複数の環境パラメーターの変化に応答して、前記圧縮機の速度を求めるとともに調節するように構成される圧縮機制御装置によって制御される、圧縮機と、
    該蒸気圧縮システムの高圧部と低圧部との間に調節可能な圧力を提供する弁であって、該弁は、弁制御装置によって制御される、弁と、
    前記圧縮機の実際の排気温度を測定する第１の温度センサーと、
    外気温を測定する第２の温度センサーと、
    前記圧縮機の前記排気温度の値と、該圧縮機の速度の値と、前記外気温との間のマッピングを記憶するメモリと、
    前記メモリと、前記圧縮機制御装置と、前記第２の温度センサーとに動作可能に接続されるプロセッサであって、前記外気温と、前記圧縮機の速度と、前記マッピングとを用いて所望の排気温度を求めるとともに、現在の排気温度を前記所望の排気温度へ連続的に遷移させる遷移関数を求めるプロセッサと、
    前記第１の温度センサーによって測定される前記実際の排気温度と、前記遷移関数に従って求められる割合制限付きの所望の排気温度との間の制御偏差を低減する前記弁制御装置へのコマンドを生成するフィードバックコントローラーと、
    を備え、
    前記プロセッサは、前記所望の排気温度を入力とし、時間経過に伴う様々な時点における割合制限付きの所望の排気温度を出力とする時間関数であり、かつ、前記出力の変化の割合が前記圧縮機の熱時定数に比例するように制限される時間関数として、前記遷移関数を求める
    蒸気圧縮システム。
11. 前記遷移関数を用いて前記所望の排気温度をフィルタリングすることによって、前記割合制限付きの所望の排気温度を求める遷移モジュールをさらに備える、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記遷移モジュールおよび前記フィードバックコントローラーは、前記プロセッサを用いて実施される、請求項１１に記載のシステム。

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