JPH06185815A - ヒートポンプ系統の制御方法と制御装置 - Google Patents

ヒートポンプ系統の制御方法と制御装置

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JPH06185815A
JPH06185815A JP5218987A JP21898793A JPH06185815A JP H06185815 A JPH06185815 A JP H06185815A JP 5218987 A JP5218987 A JP 5218987A JP 21898793 A JP21898793 A JP 21898793A JP H06185815 A JPH06185815 A JP H06185815A
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temperature
heat exchanger
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heat pump
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オムプラカシュ バーヘル ビジェイ
Hank E Millet
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Mickey F Hickey
フランシス ヒキィ ミッキー
Hung Manh Pham
マーン ファム ハング
Gregory P Herroon
ポール ヘェルン グレゴリー
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 蒸発器コイルに供給する冷媒の流量を適正に
調整して、ヒートポンプ系統の効率を高めエネルギーを
節減する。 【構成】 ヒートポンプ系統内の冷媒温度を、例えば圧
縮機３８の吐出口で測定する温度センサ５６、及びヒー
トポンプ系統から切離されていて周囲温度を、例えば凝
縮器付近の循環空気温度から測定する温度センサ５６又
は６０を設けた。そしてこれらの温度センサの測定値を
基準として、マイクロプロセッサ依拠の制御により膨張
弁４２の開度設定値を変更することとした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は空気調和機、ヒートポ
ンプ及び冷却・冷凍装置用の電子制御装置に関するもの
である。特にこの発明はディジタル制御回路を用いて冷
却回路中の冷媒流量を制御し、冷却系統の効率を高める
と共に冷却系統の構成要素の寿命を向上させる制御装置
に係る。
【０００２】
【発明の背景】空気調和系統、ヒートポンプ系統及び冷
却・冷凍装置は、大量の電気エネルギーを消費する。居
住用及び商用の建物の所有者らは年々、ますます多くの
中央空気調和及びヒートポンプ方式を導入しつつある。
エネルギーの需要が高まるにつれ、またエネルギーがよ
り高価になるにつれ、冷却サイクルの効率改善が重要視
されて来ると考えられる。
【０００３】この効率改善のために期待できる１つの分
野は、冷却回路中の冷媒流量を調整する方法を改善する
ことである。冷媒は蒸発器コイルと通常呼ばれる熱交換
器中で蒸発することによって、冷却を行う。冷媒は蒸発
器コイルに対し、膨張弁とも呼ばれるオリフィスを通し
調量して供給される。冷却系統は、蒸発器コイル中にち
ょうど十分な量の冷媒が供給されて同冷媒が蒸発器コイ
ルの全長にわたり蒸発しつつ熱を奪うこととなるのが、
理想的である。しかし冷却系統の動態変動、サーモスタ
ットに対する設定の変更、太陽及び風等からする負荷の
変動のため、理想的な作動を得ることは必ずしも容易で
はない。
【０００４】例えば蒸発器コイルを取囲む空気の温度が
高いと冷媒が液相から気相へと迅速に転換し、蒸発器コ
イルの全体を満たすのに十分な液相冷媒が存在しなくな
る。そしてこの場合には蒸発器コイルの一部が利用され
ないことからして、効率が犠牲になる。一方、蒸発器コ
イルを取囲む空気の温度が低いと、冷媒の全部を液相か
ら気相へと蒸発させるのに必要な量の熱が存在しない可
能性がある。そしてこの場合には液体の冷媒が圧縮機に
入って、効率を低下させると共に圧縮機を損傷させる可
能性があることになる。従来の冷却系統で、蒸発器コイ
ルへ入る冷媒流量を調整するための数多くの異なった制
御体系が採用されて来ている。しかしその意図を或る程
度は達成しているものの、なお多くの改善の余地が残さ
れている。
【０００５】
【発明の要約】この発明はこの問題を、マイクロプロセ
ッサ依拠の制御装置とディジタル制御される弁とを利用
することによって解決するものである。冷媒の適正な流
量調整は冷却回路から切離したセンサ配置によって可能
とされ、同センサ配置によると冷却系統の動態変動によ
り生ぜしめられる、従来は処理困難であった誤差が実質
的に排除される。これによって冷却系統は、これまでは
達成されえなかったような低温度レベルで効率的な動作
を維持できることになる。
【０００６】その結果、現在提供されている空気調和或
はヒートポンプ系統について高い効率と経費節減が与え
られる。冷媒流量が適正に制御されることからして、液
相の冷媒が圧縮機中に入る可能性は大幅に減らされる。
これによって圧縮機の寿命が向上する。
【０００７】以下、従来技術と対比しつつ本発明を詳細
に説明する。この発明の特徴及び長所とするところは、
同説明によって明瞭に理解できる。
【０００８】
【実施例】この発明は空気調和機、ヒートポンプ及び冷
却系統において冷却サイクルを最適化するのに用いられ
る装置及び方法に係る。この発明に係る制御系では冷却
系統の過熱を最適に制御するために、独特のセンサー機
構と電子制御膨張弁とを有するマイクロプロセッサ依拠
の制御が用いられる。この発明の原理とするところを説
明するために、加熱と冷却の両者を行うヒートポンプ系
統について説明する。本型式のヒートポンプ系統は商用
又は居住用の建物の暖房及び冷房を行うのに好適してい
るが、この発明の原理とするところは商用及び居住用の
冷暖房に限らず全ゆる熱伝達ポンプ系に適用可能であ
る。
【０００９】好ましい実施例について詳細に述べる前
に、冷却サイクルについて概観する。本サイクルを、図
１に模式的に示した基本冷却系統を参照して説明する。
【００１０】冷却サイクルは、温度を下げるため或は周
囲の「空気調和」を行うために蒸発の冷却効果を利用す
る。この冷却効果は加圧冷媒を（普通は液相で）低圧領
域中に放出して、同冷媒を気体と液体との低温混合物へ
と膨張させることにより得られる。上記低圧領域は普
通、図１に示す蒸発器コイル１０のような蒸発器コイル
を有する。蒸発器コイル１０中に入った冷媒混合物は、
所望の冷却を行うべき領域の高温周囲空気にさらされ
る。冷媒の液体から気体への蒸発によって周囲空気から
熱が吸収され同空気が冷却される。周囲空気を循環させ
冷蒸発器コイルと迅速に接触させて熱伝達を増大させる
ためよく、ファン又はブロワ（図示せず）が用いられ
る。冷媒は、低圧力とされることからして蒸発器コイル
中で蒸発或は沸騰しうる。液体から気体への転換により
周囲空気から蒸発潜熱が奪われる。
【００１１】低圧の蒸発器コイル中への冷媒の放出割合
は通常、普通膨脹弁１２と称される制限オリフィスない
し絞り弁によって制御される。今日では単純な調整不能
の毛細管からパルス幅制御弁のような電気調整弁までに
わたる、種々の型式の多数の膨脹弁手段が存在してい
る。
【００１２】圧力下で蒸発器コイル中に導入し膨脹させ
るのに利用できる冷媒が無限に供給され、そのような冷
媒を大気中に安全に排出できるのであれば、冷却系は所
期の機能を奏するために蒸発器コイルだけを備えていれ
ばよいことになる。しかし圧力下で使用でき次いで大気
中に排出できる便利な冷媒源はほとんど存在しないか
ら、基本的な冷却系統はまた蒸発器コイルの出口で冷媒
を集め、それを再び高圧状態へと圧縮し、同冷媒を再び
使用できるように液相へと凝縮する回収装置も含んでい
る。
【００１３】したがって基本的な冷却サイクルは気体冷
媒を蒸発器コイル１０の出口から圧縮機１４へと送る過
程を含み、圧縮機１４は気体冷媒を圧縮して実質的によ
り高い圧力へともたらし、同時に冷媒温度を高める。な
お液相にある高圧で高温の冷媒は次に熱除却装置へと供
給され、そこで高圧冷媒気体が凝縮して液相のものとな
る。
【００１４】この熱除去装置は普通、凝縮器コイル１６
と呼ばれる別のコイルを備えている。凝縮器コイルを加
圧冷媒の温度よりも低い周囲条件に置くことにより冷媒
から熱が奪われ、同冷媒が液相へ転換するように冷却さ
れる。凝縮器コイル１６の出口を出る液体冷媒は任意の
受液槽１８に貯留でき、その後に再び膨脹弁１２へ再循
環させて再びサイクルを開始できる。
【００１５】蒸発器コイル中での液相から気相への冷媒
膨脹は、瞬時には起きない。冷却サイクルの稼働中に蒸
発器コイル１０の内部を験べてみたとしたら、入口端
（膨脹弁に隣接した端）において気相の冷媒と液相の冷
媒とを見出すことになろう。冷媒がコイル中を移行する
につれてますます多量の冷媒が気相へと沸騰或は蒸発し
て、ますます少量の冷媒のみが液相に留まることになろ
う。
【００１６】或る点（コイルの内部でもありうるし、コ
イル出口を越えて圧縮機へと導かれているラインの内部
でもありうる。）で冷媒は完全に気相へと蒸発してしま
うことになる。この点は乾燥点（ｄｒｙ ｏｕｔ ｐｏ
ｉｎｔ）と呼ばれる。この乾燥点は、同点が冷媒の飽和
温度或は沸点以上への温度上昇可能点を示すものである
ことからして、重要である。飽和温度より高い温度への
温度上昇が過熱（ｓｕｐｅｒｈｅａｔ）と称される。
【００１７】過熱現象を理解するために、蒸発器コイル
のような閉鎖系中では一定圧力で沸騰中の液体が、系中
に液体が残っている限り一定の沸点に留まることを、理
解しなければならない。この沸点はもちろん、熱力学の
法則によって示されるように圧力に依存する。全ての液
体冷媒が沸騰してしまうと、気体冷媒は今や追加の熱を
積極的に吸収して沸点よりも高い温度へと上昇可能とな
る。
【００１８】気体冷媒が液体冷媒と接触しているとき、
この状態は飽和状態と普通呼ばれている。飽和状態で気
体冷媒の温度は沸点と同じである。全ての液体が沸騰し
てしまい、蒸気の温度を沸点よりも高い温度へと高める
ように追加の熱が加えられているとすると、蒸気は過熱
されていると称される。「過熱」といった用語は、蒸気
温度と飽和温度（沸騰点温度）間の温度差を示すのに用
いられる。
【００１９】蒸発器コイルを出る冷媒の過熱を測定する
ことによって、冷却系統がどの程度効率的に稼働してい
るかを或る程度知ることができる。例えば過熱が何ら行
れていないとすると、蒸発器コイル中で冷媒が完全には
蒸発しつつないと推量できる。このことは蒸発器に高濃
度の液相冷媒があってそれが圧縮機に対し供給される可
能性、つまり圧縮機の効率を大きく損じ圧縮機の損傷す
ら生じさせうる条件、を示すことにもなる。
【００２０】他方、過度に高い過熱値は蒸発器コイルが
もっと多量の冷媒を受入れ可能であったことを、したが
ってまた低効率の指標を、意味することになる。冷却制
御系の設計目標は精密に適量の冷媒が秤量されて蒸発器
コイルに供給され、圧縮機を液体状態で通過することと
なるような過剰の冷媒が蒸発器コイルに溢れることなし
に同コイルの全長が有効に利用されるようにすることに
ある。
【００２１】冷却サイクルの基本原理を概括したので、
次に本発明の好ましい実施例について説明する。この発
明は数多くの型式で実施できるが、図２に示したヒート
ポンプ系統を例にとって説明を進める。
【００２２】図２においてヒートポンプ系統の全体は符
号２０で指してある。この系統２０は屋内ユニット２
２、ルームユニットないしサーモスタットユニット２
３、及び屋外ユニット２４を含んでいる。屋内ユニット
２２は屋内コイルないし熱交換器２６、及び屋内ファン
２８を含んでいる。屋内ファン２８は、可変速モータ３
０により駆動されるものであるのが好ましい。屋内ファ
ン２８及びコイル２６は適当したダクト構造を用いてフ
ァン２８により周囲の室内空気が屋内コイル２６を、可
変速モータ３０の速度で決定される流速で横切って流れ
るように配置されている。
【００２３】屋外ユニット２４は屋外コイルないし熱交
換器３２、及び適当なモータ３６によって駆動される屋
外ファン３４を含んでいる。屋外ユニットは屋外コイル
３２及び屋外ファン３４を取囲む保護ハウジングであっ
て、ファン３４が周囲の屋外空気を引込み屋外コイル３
２を横切らせて流動させ熱伝達を高めるようにする保護
ハウジングを、備えているのが望ましい。図示の同ハウ
ジングは圧縮機３８も内部に収容するものとされてい
る。
【００２４】図２に示す系統は屋内コイルと屋外コイル
の機能を単に逆転するのみで冷却及び加熱の両者に用い
ることができることからして、いわゆる「ヒートポン
プ」系統である。逆転は四方弁４０を用いて行われる。
図２で四方弁４０が図示のＣＯＯＬＩＮＧ（冷却）位置
に置かれているときは、屋内コイル２６が蒸発器コイル
として機能し屋外コイル３２が凝縮器コイルとして機能
する。四方弁４０がＨＥＡＴＩＮＧ（加熱）位置（別の
位置）へと切替えられるとコイル２６，３２の機能が逆
転される。つまり屋内コイル２６が凝縮器、屋外コイル
３２が蒸発器として働く。
【００２５】屋内外のコイル及び圧縮機に加えて本系は
電子的に制御可能である膨脹弁４２も用いる。図示の好
ましい実施例において膨脹弁４２は無段に可変（又は有
段に可変）であるステッパモータ弁であり、この弁はオ
リフィス寸法ないし開口度を、完全開放状態から完全閉
鎖状態までの広範囲にわたって電子的に制御可能であ
る。この発明に係る制御系に電気的に制御される他の型
式の弁、例えばパルス幅制御弁を、設けることもできる
が、図示実施例のようにステッパモータ弁を用いるの
が、同弁が脈動なく動作すると共に故障が少ないことか
らして好ましい。ステッパモータ弁４２はオリフィス寸
法の調整時にのみ動かされる。この必要性は典型的な連
続稼働中に数回生じうる（例えば１時間に数回）。これ
に対しパルス幅制御弁は連続稼働時間の全体にわたり連
続して動作を反復する。
【００２６】本実施例の好ましい制御系はマイクロプロ
セッサ依拠の系であり、本制御系は各種センサからデー
タを収集し、収集されたデータに基いて膨脹弁について
の正しい設定を決定する。より詳細に述べると本実施例
は３個のマイクロプロセッサ依拠のコントロールユニッ
ト４４，４５，４６を用いる。コントロールユニット４
４は屋外ユニット２４と組合されており、コントロール
ユニット４６は屋内ユニット２２と組合されている。ま
たルームユニットないしサーモスタットユニット２３
が、マイクロプロセッサ依拠のコントロールユニット４
５を含んでいる。全３個のマイクロプロセッサ依拠のコ
ントロールユニット４４，４５，４６は互に、並列或は
直列のデータリンクのような適当したデータリンク４８
を介して接続されている。屋外コントロールユニット４
４は主にデータ収集を司どり、一方屋内コントロールユ
ニット４６は系のオン／オフ切替え、屋内ファン速度の
調整、膨脹弁の制御、要求時除霜不良検出の開始／終
結、及び系診断機能の遂行を司どる。
【００２７】膨脹弁についての適正な設定に到達するこ
とは見掛けほど簡単ではない。蒸発器中の過熱条件に基
いて膨脹弁を制御するのが慣例である。先に説明したよ
うに過熱は系効率の尺度であり、したがって制御パラメ
ータとして使うことができる。過熱は飽和温度ないし沸
点より高い冷媒の温度差ないし温度上昇を表す差分パラ
メータ（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐａｒａｍｅｔｅ
ｒ）である。差分パラメータであることからして過熱
は、それを決定するために２つの値の測定を必要とす
る。
【００２８】熱力学の法則を利用して過熱は、蒸発器コ
イルの出口での圧力と温度の両者を知れば計算すること
ができる。温度センサと比較して圧力センサは極く高価
である。この事実からして従来のほとんどの系では過熱
を、２つの異なった点（例えば蒸発器コイルの入口と出
口）の温度を測定することによって決定している。従来
の系は圧力センサを省略し、両温度測定点の圧力が同じ
であると仮定している（しばしば誤まっている仮定）。
そして２つの測定温度の差を求めることで過熱値を引出
している。
【００２９】この従来法は単純ではあるが正確ではな
い。前述したように乾燥点となる蒸発器コイル内の位置
は普通の冷却サイクル中に予測不能な態様で移行しがち
である。この乾燥点の移行からして従来の温度−温度測
定法の信頼性は大きく損なわれる。
【００３０】説明のために乾燥点が蒸発器コイルの中間
部の或る位置、つまり出口温度センサのはるか上流側で
生じる場合を考えてみる。この場合には中間部から出口
に至るまでの間に温度上昇を可能とされて来た過熱蒸気
の温度を出口温度センサが読取ることからして、高い過
熱値が測定されることになる。逆に乾燥点が出口温度セ
ンサの下流側で生じるとすると、その場合には出口温度
センサが飽和蒸気にさらされることからして過熱は何ら
測定されないことになる。
【００３１】温度センサが蒸発器コイル上の２つの固定
点、例えば入口と出口、に配置されている従来の系に関
し、図３の（ａ），（ｂ）は膨脹弁を通して導入される
冷媒流量の関数として過熱値がどのように変わるかを示
している。低流量では冷媒がほとんど導入されず、乾燥
は早期に生じて過熱値が高い。或る高流量では乾燥が生
ぜず、系は飽和状態に留まり過熱値は零である。系中で
の変動及び乾燥点の移動からして過熱値を予測不能であ
る、図３の（ａ）でＡで指した不安定領域が存在する。
過熱値を予測不能であることからして従来の制御系は、
不安定領域を排除する最小安定過熱値（図３の（ａ）中
のＴｍｉｎ）を選択することによって不安定領域の生成
を避けるように構成されている。この最小安定過熱値は
例えば１０°ないし２０°Ｆのオーダーのものである。
不安定領域は典型的には、５°Ｆ付近での過熱値に対応
する。
【００３２】図３の（ｂ）は最小安定過熱値Ｔｍｉｎを
どう求めるかを説明している。この図３の（ｂ）は圧縮
機吐出温度を圧縮機過熱度の関数として画いたグラフで
ある。両軸は華氏温度で目盛られている。このグラフは
角印ないしデータ点として示してある、実験的に決定し
た測定値を使って画いたものである。約５°より高い過
熱温度ではプロットされたカーブは実質的に、なだらか
な上向き傾斜（勾配約０．９）を有する直線である。こ
れに対し５°より低い過熱温度ではデータ点が、広い圧
縮機吐出温度範囲にわたってかなり散らばっている（デ
ータ点ｍをデータ点ｎと比較されたい。）。また本領域
でのカーブの傾斜は極く急である（勾配約１５．２）。
この実験的に求められたデータに基き最小安定過熱値Ｔ
ｍｉｎは、緩傾斜と急傾斜間の傾斜変化点ないし屈曲点
で確定される。系はＡで示された不安定領域を避けるた
めに、Ｔｍｉｎ又はそれより若干高い点で稼働するよう
に設計される。
【００３３】この不安定領域の正味の効果からして従来
の制御系は比較的高い目標過熱値で動作するよう、強い
られていた。すなわち従来の制御系は、通常の稼働範囲
の全体にわたり出口温度センサが変動する乾燥点付近に
絶対に位置せしめられないことを保証するように、設計
されていた。温度センサの位置が固定されているので、
乾燥点の位置変動を追跡する簡便な方法は存在しない。
したがって従来の制御系は乾燥点を、比較的高い過熱温
度での閉ループ制御を遂行することにより避けねばなら
ない。このことは本質的に非能率的であるが、従来法で
は回避できないところである。
【００３４】本発明に係る制御系はこの固有の非予測性
を、変動する乾燥点によって容易には影響されることの
ない現象についの測定値を基準とした制御を行うこと
で、回避するものである。より詳しく言うと同制御系は
冷却系統の稼働温度を指示する第１の温度センサ、及び
冷却系統が置かれている環境の温度を指示する第２の温
度センサを用いる。これらの温度センサの配置は図４に
示してあり、図５には比較のために従来の制御系を示し
てある。図４，５の何れも環境５２中に置かれた冷却系
統５０を画いている。何れの冷却系統５０も蒸発器コイ
ル１０、膨脹弁１２、圧縮機１４及び凝縮器コイル１６
を有する。模式的に図示したように本発明に係る系統
（図４）の第１の温度センサ５４は冷却系統５０内に位
置させてあるが、第２の温度センサ５６は環境５２中に
位置させて冷却系統５０から切離してある。これに対し
従来の系統（図５）の温度センサは両方とも、冷却系統
５０内（すなわち蒸発器コイル１０の両端）に配置され
ている。
【００３５】図２（及び図４）に示すように本発明の好
ましい実施例において第１の温度センサ５４は、圧縮機
３８を出る加圧冷媒の吐出温度を測定するように配置さ
れている。別のセンサ配置も選択できたであろうが、図
示の配置は精密で反復性のよい測定結果を与える。この
理由は一部、圧縮機吐出温度の変化は乾燥点の変動から
して生じる温度の乱れと比較的に無関係であることによ
る。
【００３６】第２の温度センサ５６は凝縮器コイル３２
を囲む、或は同コイル３２を横切って流れる周囲空気の
温度を測定するように、空気流通路中に配置するのが好
ましい。周囲空気の温度は実際上、冷却系統中で生じる
何れの作動乱れからも完全に切離されることとなる安定
した基準温度（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔ
ｕｒｅ）を与える。
【００３７】このように温度測定を冷却系統と切離した
結果、この発明に係る制御系は従来のものよりも低い最
小安定過熱設定点で動作可能である。図示の好ましい実
施例において制御系は、呼び過熱度（ｎｏｍｉｎａｌ
ｓｕｐｅｒｈｅａｔ）５°Ｆで動作するものに構成され
ている。これは十分に、図３の不安定とした領域（領域
Ａ）内にある。しかし測定される変量（ｖａｒｉａｂｌ
ｅｓ）が変動する乾燥点によって生ぜしめられる乱れか
ら切離されていることから、本発明に係る制御系はこの
低い過熱温度で安定である。
【００３８】この周囲空気温度センサの配置は重要であ
る。凝縮器コイルを屋外に位置させたＣＯＯＬＩＮＧ
（冷却）モードで周囲温度センサは、それが直射日光を
受けないように配置すべきである。この配置は周囲温度
センサを、空気流を通すが直射日光からは遮えぎられて
いる管又は囲い中に置くことによって得られる。
【００３９】図６は周囲温度センサを遮えぎる１つの方
法を示している。図示のようにセンサ５６は、屋外ユニ
ット２４のハウジング側壁に支持させた管５８内に配置
してある。管５８は図示のようにセンサ５６を直射日光
から遮えぎるが、大気中とハウジング内とに開口してい
て周囲空気が屋外ファン３４の働きでセンサ５６を横切
って流れることとする。ファン３４によって作り出され
る移動空気流は実質上、太陽の放射エネルギーによるハ
ウジングの加熱によって生ぜしめられる放射及び伝導加
熱効果を全て打消すこととする。その結果、ファン３４
によって引込まれ屋外コイル３２を横切って流れる周囲
空気の温度が正確に測定される。
【００４０】ＨＥＡＴＩＮＧ（加熱）モードにおいて周
囲空気温度センサは、屋内コイルを横切って流れる空気
の温度を測定する。したがって図２に示すように系サー
モスタット中に設けてある温度センサ６０を、所望に応
じ同温度信号を付与するものとして利用できる。この屋
内空気温度センサの配置に関し注意を払うことは普通、
系サーモスタットが通常は直射日光により不当な影響を
受けない場所に配置されていることからして必要でな
い。系サーモスタットはＨＥＡＴＩＮＧ（加熱）モード
用の環境センサとして適切に使用できるけれども、所望
の場合には別の温度センサを空気戻しダクト構造中に、
屋内コイル２６を横切らせて同センサへと引渡される周
囲空気の温度を測定するように配置することもできる。
サーモスタットは、使用者が温度設定可能であるものと
されている。図２において６２は、建物内の湿度を検出
する湿度センサである。
【００４１】圧縮機吐出温度及び周囲空気温度は過熱度
に等しい値を直接には産み出さないが、これらの温度は
事実、過熱度を示す値を産み出す。何故なら過熱度、つ
まり冷媒飽和温度と上昇した蒸気温度との差は結局、冷
却系統内の温度（例えば圧縮機吐出温度）と冷却系統に
対し熱的な要求を課しつつある環境の温度とによって示
されることになるからである。実際に過熱温度を決定す
る目的は膨脹弁オリフィスの適正な設定を行うための指
標を得ることにある。１つの系統指示温度と１つの環境
指示温度（例えば圧縮機吐出温度と周囲空気温度）を用
いることにより、２つの系統依存温度に依拠した従来の
制御系によって達成されるよりもより優れた結果、つま
りより正確でより反復性に富む結果が得られることを、
見出した。
【００４２】系統温度及び周囲温度の測定値を適正な膨
脹弁設定値へと翻訳するために、計算アルゴリズム（ｃ
ａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）又はルック
アップ表を利用できる。図示の好ましい実施例では圧縮
機吐出温度設定値上に測定された周囲温度を写像するた
めに、直線ないしｙ＝ｍχ＋ｂの形の一次方程式を利用
している。これは図８，９にグラフとして示してある。
過熱度（ΔＴ）と圧縮機吐出温度設定値間の関係は直線
の勾配ｍとｙ軸切片ｂについての実験値に基いて計算で
きる。これらの実験値は冷却系統ごとに異なり、種々の
周囲温度についての通常の稼働温度範囲にわたって実験
系統の単純な温度測定を行うことにより求められる。最
も効率のよい稼働状態を示すデータ点を選択するのが理
想的である。図７は１つの実験系統のデータをこの場合
に好ましい、或は推賞される稼働範囲を表示しつつ、示
している。図８，９に示すような直線グラフを作成する
のに十分でデータ点が測定されると勾配ｍとｙ軸切片ｂ
を求めることができ、事後にそれらの値を、周囲温度の
測定値に基いて適正な系統温度設定点を演算処理して求
めるために利用できる。
【００４３】図示の実施例では一次式計算法の方が、ル
ックアップ表法よりも好ましい。ほとんどの処理システ
ムにおいてステッパモータ弁の設定値は、一次式計算法
により容易に処理できるような頻度で更新されて行く。
弁をより頻繁に制御しなければならないような用途又は
直線による近似が適切でない場合にはもちろん、ルック
アップ表法を利用するのが好ましい。
【００４４】弁設定値は過熱値（ΔＴ）の間接的な関数
であり、所望の定常状態目標設定値を表している。弁設
定値の更新は普通、連続的にではなく時々のみ必要とな
る。図示の好ましい実施例では修正した積分制御アルゴ
リズムを、冷却系統の要求に応じて膨脹弁設定値を時間
的に変更する方法を制御するために用いている。弁設定
値は屋外温度を基準とした割合ないし頻度で更新され
る。弁設定値はまた、実際の設定点温度と上述の演算式
ｙ＝ｍχ＋ｂにより求められる演算設定温度間の差ない
し誤差に基いて、増分的ないし段階的に更新される。
【００４５】図１０は屋外温度の変化に伴って弁設定値
を更新して行く好ましい割合ないし時間計画を示してい
る。図１０のカーブで示されているように弁設定値更新
割合（分）と屋外空気温度とは反比例関係に設定されて
いる。弁設定値は様々な屋外温度での応答時間により必
要とされるところに従い屋外温度が高い時にはより頻繁
に、低い時にはより小さな頻度で、更新される。
【００４６】図１１は実際の系統温度と望ましい温度間
の差ないし誤差に基いて弁設定値を変更するための好ま
しい方法を、示している。本実施例の膨脹弁は前述した
ようにステッパモータ弁であることに、留意されたい。
そのような弁であることからして同膨脹弁は増分的ない
し段階的に調整可能である。図１１のカーブで示される
通り、誤差が小さい時には弁は少ないステップ（例えば
誤差が１０°Ｆより小である時は１ステップ又は２ステ
ップ）だけ変更される。誤差が大きい時には多いステッ
プ（例えば誤差が１０°Ｆと２０°Ｆ間であると１度に
４ステップ、誤差が２０°Ｆと３０°Ｆ間であると１度
に８ステップ、誤差が３０°Ｆより大であると１度に１
２ステップ）だけ変更される。
【００４７】以上の説明から明らかなように本発明は、
従来の冷却サイクル制御法とは大きく異なった制御法に
係る。切離された温度（圧縮機吐出温度及び周囲空気温
度）の測定値を利用するものであるが、ヒートポンプ或
は空調サイクルを、従来は達成しえなかった程度に制御
できることとする。本制御系は従来のものでは到達しえ
なかった低最小過熱状況下で、従来得られていたよりも
高い効率で作動する。
【００４８】この発明をヒートポンプに関する好ましい
実施例について説明して来たが、この発明は数多くの型
式の空気調和系統及び冷却・冷凍系統に適用可能である
ことが、理解されるべきである。したがってこの発明は
実施例によって限定されるべきではなく、特許請求の範
囲に特定した発明範囲を逸脱することなしに実施例の構
成に修正及び変更を加えて実施できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】基本的な冷却サイクルを示す模式図である。
【図２】ヒートポンプに係る、本発明冷却制御系の好ま
しい実施例を示す模式図である。
【図３】過熱値と冷媒流量及び圧縮機吐出温度間の関係
を示すグラフで、最小安定過熱値と不安定領域を説明し
てある。
【図４】本発明で利用する切離されたセンサ配置を示す
模式図である。
【図５】図４に類似の模式図で、従来技術に従った温度
センサ配置を示している。
【図６】放射加熱効果を減らすための、本発明に係る周
囲温度センサの好ましい配置態様を示す断面図である。
【図７】種々の屋外温度での圧縮機吐出温度と圧縮機過
熱度間の関係を示すグラフで、最大の系統効率を得るた
めの過熱に関する推賞稼働範囲を示してある。
【図８】冷却モードに対する圧縮機吐出温度と屋外空気
温度間の関係を示すグラフである。
【図９】加熱モードに対する圧縮機吐出温度と屋内空気
温度間の関係を示すグラフである。
【図１０】好ましい弁設定値更新割合を屋外温度の関数
として示すグラフである。
【図１１】温度誤差に基いて弁設定値を段階的ないし増
分的に変更する、好ましい方法を示すグラフである。
【符号の説明】
２２ 屋内ユニット ２３ サーモスタットユニット ２４ 屋外ユニット ２６ 熱交換器（屋内コイル） ２８ 屋内ファン ３０ 可変速モータ ３２ 熱交換器（屋外ファン） ３４ 屋外ファン ３６ モータ ３８ 圧縮機 ４０ 四方弁 ４２ 膨脹弁（ステッパモータ弁） ４４，４５，４６ コントロールユニット ４８ データリンク ５４，５６，６０ 温度センサ
フロントページの続き (72)発明者 ハンク ユージェン ミレット アメリカ合衆国、45365オハイオ州、ピー カ、ノース ユニオン シェルバイ ロー ド 8655 (72)発明者 ミッキー フランシス ヒキィ アメリカ合衆国、45365オハイオ州、シド ニー、ワパコニータ ロード、ハージン 9249 (72)発明者 ハング マーン ファム アメリカ合衆国、45414オハイオ州、ディ トン、スティル ミード ドライブ 6671 (72)発明者 グレゴリー ポール ヘェルン アメリカ合衆国、45365オハイオ州、ピー カ、ノース ワシントン ロード 5495

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 屋内熱交換器と屋外熱交換器、及び冷媒
    を屋内熱交換器中へ引渡してヒートポンプ系統が置かれ
    ている環境から熱を奪わせることとする膨張弁を有する
    ヒートポンプ系統の冷却サイクルを制御する方法であっ
    て、 ヒートポンプ系統内の予め決めた位置で冷媒の温度を示
    す第１のパラメータを測定し、 屋外熱交換器が置かれている環境の温度を示す第２のパ
    ラメータを測定し、 これらの第１及び第２のパラメータを用いて膨張弁を制
    御して、屋内熱交換器に引渡される冷媒の流量を調整す
    る制御方法。
  2. 【請求項２】 ヒートポンプ系統が冷媒を、屋内熱交換
    器中での熱奪取後に処理して昇圧下で吐出する圧縮機を
    備えていて、 前記第１のパラメータの測定を、吐出される冷媒の温度
    を測定することによって行う請求項１の制御方法。
  3. 【請求項３】 屋外熱交換器が冷媒を、膨張弁を通して
    屋内熱交換器中に引渡すのに先立ち処理するための凝縮
    器であって、 前記第２のパラメータの測定を、上記凝縮器付近の循環
    空気の温度を測定することによって行う請求項１の制御
    方法。
  4. 【請求項４】 屋内熱交換器と屋外熱交換器、及び冷媒
    を屋内熱交換器中へ引渡してヒートポンプ系統が置かれ
    ている環境から熱を奪わせることとする膨張弁を有する
    ヒートポンプ系統において、冷媒の流量を制御するため
    の装置であって、 ヒートポンプ系統に熱的に接続されていて、冷媒の温度
    を示す第１のパラメータを測定する第１のセンサ手段、 ヒートポンプ系統と熱的に切離されていて、屋外熱交換
    器が置かれている環境の温度を示す第２のパラメータを
    測定する第２のセンサ手段、及びこれらの第１及び第２
    のセンサ手段と膨張弁とに電気的に接続されていて、上
    記第１及び第２のパラメータに基いて屋内熱交換器へ引
    渡される冷媒の流量を制御する処理手段、を備えた制御
    装置。
  5. 【請求項５】 ヒートポンプ系統が冷媒を、屋内熱交換
    器中での熱奪取後に処理して昇圧下で吐出する圧縮機手
    段を備えていて、 前記第１のセンサ手段が、上記圧縮機手段から吐出され
    る冷媒の吐出温度を測定するようにヒートポンプ系統に
    対し熱的に接続されている温度センサを備えている請求
    項４の制御装置。
  6. 【請求項６】 屋外熱交換器が、冷媒を膨張弁により屋
    内熱交換器中へ引渡すのに先立ち処理する凝縮器手段を
    備えていて、 前記第２のセンサ手段が、上記凝縮器手段付近の循環空
    気の温度を測定する温度センサを備えている請求項４の
    制御装置。
  7. 【請求項７】 ヒートポンプ系統が、使用者が調整可能
    であるサーモスタットを含むものである請求項４の制御
    装置。
  8. 【請求項８】 第１の場所で環境から熱を奪い第２の場
    所で環境中に熱を放出するように冷媒を循環させる冷媒
    回路、上記第１の場所に配置された第１の熱交換器、上
    記第２の場所に配置された第２の熱交換器、及び冷媒を
    加圧して冷媒回路中を流動させる圧縮機を備えたヒート
    ポンプ系統において、冷媒の流量を制御するための装置
    であって、 上記した圧縮機と第１及び第２の熱交換器とに接続され
    ている逆転弁であって、冷媒流れが第１の熱交換器から
    第２の熱交換器向きに行れる加熱モードと冷媒流れが第
    ２の熱交換器から第１の熱交換器向きに行れる冷却モー
    ドとに変更するための逆転弁、 上記第１及び第２の熱交換器間に配置され、該両熱交換
    器間の冷媒流量を調整する膨張弁手段、 ヒートポンプ系統から熱的に切離されていて、上記第１
    の場所で環境の温度を示す第１のパラメータを測定する
    第１のセンサ手段、 ヒートポンプ系統から熱的に切離されていて、上記第２
    の場所で環境の温度を示す第２のパラメータを測定する
    第２のセンサ手段、 ヒートポンプ系統に対し熱的に接続されていて、冷媒の
    温度を示す第３のパラメータを測定する第３のセンサ手
    段、及び上記した第１、第２及び第３のセンサ手段と膨
    張弁手段とに対し電気的に接続されていて、上記加熱モ
    ードでは上記第１及び第３のパラメータに基いて膨張弁
    手段を制御して上記第２の熱交換器へ引渡される冷媒の
    流量を調整する一方、上記冷却モードでは上記第２及び
    第３のパラメータに基いて膨張弁手段を制御して上記第
    １の熱交換器へ引渡される冷媒の流量を制御する処理手
    段、を備えた制御装置。
  9. 【請求項９】 前記第１のセンサ手段が、使用者が調整
    可能であるサーモスタットと組合されている温度センサ
    である請求項８の制御装置。
  10. 【請求項１０】 前記第３のセンサ手段が、前記圧縮機
    に近接した位置で前記冷媒回路に対し熱的に接続されて
    いる温度センサである請求項８の制御装置。
  11. 【請求項１１】 前記第３のセンサ手段が、前記圧縮機
    から吐出される冷媒の吐出温度を測定するように前記冷
    媒回路に対し熱的に接続されている温度センサである請
    求項８の制御装置。
JP5218987A 1992-08-12 1993-08-11 ヒートポンプ系統の制御方法と制御装置 Pending JPH06185815A (ja)

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