(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を減圧する膨張弁と、該膨張弁から送られた冷媒により空気等の被冷却物を冷却するクーラーとを備えた冷却システムにおいて、
前記冷媒のクーラー出口温度（ｔｇ）と蒸発温度演算器にて算出若しくは直接測定した冷媒の蒸発温度（ｔｅ）とよりスーパーヒート（ｔｇ−ｔｅ）を算出するスーパーヒート演算部と、
前記被冷却物のクーラー入口温度（ｔｒ）と、前記冷媒のクーラー出口温度（ｔｇ）との温度差（Δｔ＝ｔｒ−ｔｇ）の検出値（Δｔ）を演算するとともに、同検出値及び前記温度差の線形制御により設定した調整値（Δｔ１）を記憶する温度差演算記憶部と、
前記温度差の調整値（Δｔ１）を用いた線形制御演算により操作量（ｖ）を算出するとともに、前記温度差（Δｔ，Δｔ１）の逆数と前記操作量（ｖ）との積に比例するゲインを有する操作信号を前記膨張弁に出力する非線形操作量演算部とを備えたことを特徴とするスーパーヒート制御装置を備えた冷却システム。
【請求項２】
前記非線形操作量演算部は、前記温度差（ｔｒ−ｔｇ）が予め設定された設定温度差よりも小さくなったとき、前記膨張弁の開度を所定の速度で増大するような操作信号を該膨張弁に出力するように構成されてなる請求項１記載のスーパーヒート制御装置を備えた冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、膨張弁で減圧した冷媒をクーラー内で蒸発させて被冷却物を冷却する冷却システムに係り、特にスーパーヒート制御装置を備えた冷却システムに関する。
【０００２】
膨張弁で減圧された冷媒をクーラーに送出して蒸発させ、空気等の被冷却物を冷却する冷却システムにおいては、通常クーラー出口のガス状冷媒の温度と圧力を検出して膨張弁の開度を制御するスーパーヒート制御が採用されている。
【０００３】
かかるスーパーヒート制御においては制御系の入力条件、クーラーの構造やディストリビュータの分配能力、膨張弁の大きさ等に一定の条件が整うと、制御系の出力が自励振動を起こす、いわゆるハンチング現象の発生をみることが多々ある。
【０００４】
スーパーヒート制御装置においては、このハンチング現象は、スーパーヒート即ち冷媒のクーラー出口温度ｔｇと冷媒の蒸発温度ｔｅとの温度差（ｔｇ−ｔｅ）の自励振動として現れる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図４は前記クーラーにおける運転開始時のＰＩＤ制御のデータをグラフ化したものである。
図において、クーラーの運転は時間軸（横軸）の５分付近で開始したが、その直後、冷却管内に溜まっていた液冷媒が激しく沸騰したため前記スーパーヒートが急激に小さくなり、時間が経過してそれが治まると、比較的大きいスーパーヒートが続いている。
このときガス冷媒の温度はクーラーが収納される冷蔵庫内温度に極めて近い値となっている。
【０００６】
クーラー内に液冷媒が充分に溜まってくるとスーパーヒートは小さくなって行くが、ある時間（図４の時間軸の１８分付近）になると、スーパーヒートが急降下して“０”（ゼロ）に近い状態となる。
これにより膨張弁の開度制御系にハンチングが発生している。
【０００７】
このハンチングの現象が生起される膨張弁の開度特性は、制御装置により、膨張弁を必要以上に大きな開度に操作すると、大きな潛熱を持った液状の冷媒がクーラー内に溜まるため、基の状態に戻すには、膨張弁に開度操作量以上の大きさの閉塞操作量を与える必要があるという特性、即ち膨張弁が開く方向と閉じる方向とでその効果が異なる一種の非線形性を有している。
【０００８】
つまり前記ハンチングの主たる原因は、膨張弁の開度制御系が非線形性を有していることにあるが、従来提供されている制御装置のゲインを調整する等の手段ではかかるハンチング現象を完全に阻止することはできない。
【０００９】
本発明の目的は、膨張弁で減圧した冷媒をクーラーに送給する冷却システムにおいて、膨張弁開度制御系の前記のような非線形性を補正することにより、制御系のハンチングの発生を阻止することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の特徴は空気などの被冷却物のクーラー入口温度（ｔｒ）と冷媒のクーラー出口温度（ｔｇ）との温度差（Δｔ＝ｔｒ−ｔｇ）の検出値（Δｔ）を演算するとともに、前記温度差の安定状態での線形制御による調整値（Δｔ１  ）を求めて両温度差（Δｔ，Δｔ１  ）を記憶する手段と、前記調整値（Δｔ１  ）を用いた線形制御演算により操作量（ｖ）を算出し、前記温度差（Δｔ，Δｔ１  ）の逆数と前記操作量（ｖ）との積に比例するゲインを有する操作信号を膨張弁に出力する非線形操作量演算部とを備えたスーパーヒート制御装置付き膨張弁制御装置にある。
【００１１】
また、本発明の第２の特徴は、前記非線形操作量演算部を、前記温度差（ｔｒ−ｔｇ）が予め設定された設定温度差（Δｔ０  ）よりも小さくなったとき、膨張弁の開度を所定の速度で増大するような操作信号を膨張弁に出力するように構成したことである。
【００１２】
クーラー用冷媒のスーパーヒートが小さくなったときに発生するハンチングの原因は、クーラーの熱交換部における非線形性である。
本発明は、クーラーの非線形性を修正して線形化することにより、ハンチングを防止し、スーパーヒート制御の安定性を確保するものである。
【００１３】
先ずクーラーの出口冷媒温度（ｔｇ）及びクーラー入口の被冷却物温度（ｔｒ）の検出値より検出温度差（Δｔ＝ｔｒ−ｔｇ）を算出し記憶し、Δｔ１  とする。
又、クーラーが線形であるとした線形制御演算により前記調整完了後の温度差（Δｔ１  ）及び操作量ｖを演算する。
【００１４】
次に、前記設定温度差（Δｔ０  ）と検出温度差（Δｔ）とを比較し、
１）Δｔ＜Δｔ０  のときは、現状の操作量（ｒｉ（ｉ））に安定状態にて設定した操作量の増加量Δｒｉを加算し、膨張弁の操作量として、
ｒｉ＝ｒｉ（ｉ）＋Δｒｉ
を出力で、膨張弁の開度は所定の速度で増加するように制御される。
【００１５】
Δｔ≧Δｔ０  のときは、検出された冷媒ガス温度（ｔｇ）及びガス圧力（Ｐｅ）に基づくスーパーヒートの算出値、前記検出温度差（Δｔ）、及び調整完了後の温度差（Δｔ１  ）を使用して次の線形式により、膨張弁の操作量を演算し、膨張弁に出力する。
【数１】
0003578789.tif 000002
以上の制御システムにより、膨張弁の制御系はハンチングを起すことなく、スーパーヒート制御の安定性が向上する。
【００１６】
以下図１〜図３を参照して本発明の実施例につき詳細に説明する。
但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００１７】
図１は本発明に係るスーパーヒート制御装置を備えた冷却システムのハード構成図、図２は制御ブロック図、図３はフローチャートである。
図１において１はクーラー、１ａは該クーラーの冷却管、２は膨張弁であり、該膨張弁２で減圧された冷媒が前記クーラー１の冷却管１ａに送給される。
【００１８】
３はスーパーヒート制御装置、４はクーラー出口の冷媒温度を検出する温度検出器、５はクーラー出口の冷媒ガス圧力を検出する圧力検出器、１１はクーラー入口の被冷却物温度即ち空気温度を検出する空気温度検出器、８、９、１２は前記各検出器４、５、１１とスーパーヒート制御装置３とを接続する制御回線である。
また、７はスーパーヒート制御装置３と膨張弁２とを接続する制御回線で、該スーパーヒート制御装置３からの制御信号を膨張弁２に伝送する。
【００１９】
前記膨張弁２にて減圧された液状の冷媒は、クーラー１の冷却管１ａ内を流れて空気（被冷却物）１３から熱を奪いながら蒸発してガス化し、冷却管１ａの最下部より外部（圧縮機）へ送出される。
【００２０】
前記冷媒温度検出器４により検出されたクーラー出口の冷媒ガス温度ｔｇ及び圧力検出器５にて検出された冷媒圧力Ｐｅ（ガス化された冷媒の圧力）は検出回線８、９を介してスーパーヒート制御装置３に入力される。
【００２１】
前記スーパーヒート制御装置３においては、冷媒温度、被冷却物（空気）温度及び冷媒圧力の検出信号を用いて図２及び図３に示すような制御を行い、その出力信号即ち膨張弁２の開度の制御信号を膨張弁２に出力する。
【００２２】
図２において、スーパーヒート制御装置３は、スーパーヒート演算部３１、蒸発温度演算部３２、温度差演算記憶部３３、非線形操作量演算部３４及び基準値設定部３５より成る。
【００２３】
蒸発温度演算部３２は、検出された冷媒圧力Ｐｅを飽和温度に変換してこれを蒸発温度ｔｅとして出力する。
【００２４】
スーパーヒート演算部３１は、前記冷媒ガス温度の検出値ｔｇと前記蒸発温度演算部３２にて算出された蒸発温度ｔｅから、スーパーヒートＪを、次式により演算する。
Ｊ＝ｔｇ−ｔｅ
【００２５】
温度差演算記憶部３３は、クーラー１の試運転時または再調整完了時において安定状態にて線形制御として調整した後の空気温度ｔｒｉと冷媒ガス温度ｔｇ１  との温度差Δｔ１  ＝Δｔｒ１  −ｔｇ１  を記憶しておく。
そして、空気温度の検出値ｔｒと冷媒ガス温度の検出値ｔｇとより温度Δｔ＝ｔｒ−ｔｇを演算し、このΔｔと前記安定状態におけるΔｔ１  を後述する非線形操作量演算部３４に入力する。
【００２６】
非線形操作量演算部３４は、これに入力されるスーパーヒート演算部３１からのスーパーヒート（Ｊ）及び、温度差演算記憶部３３からの調整温度差（Δｔ１  ＝ｔｒ１  −ｔｇ１  ）及び検出温度差（Δｔ＝ｔｒ−ｔｇ）に基づき、膨張弁制御システムの非線形性を修正して膨張弁操作量（ｒｉ）の線形化計算を行い、膨張弁２に出力する。
【００２７】
基準値設定部３５は、前記非線形操作量演算部３４に、線形制御演算による操作量の算出に使用される安定状態における各種設定値及び制御目標値の設定値を入力する。
【００２８】
次に前記のように構成されたスーパーヒート制御装置を備えた冷却システムの動作を説明する。
【００２９】
先ず、前記非線形操作量演算部３４における膨張弁２の操作量の算出根拠につき説明する。
【００３０】
クーラー１の冷却管１ａ内の冷媒は、冷媒入口側の液状部（ウェット部）とガス状部（ドライ部）とに２分化されている。
【００３１】
ここで、
ｔｒ＝クーラー入口空気温度
ｔｇ＝クーラー出口冷媒ガス温度
ｔｅ＝蒸発温度
ｔｒ２  ＝ウェット部とドライ部の境界での空気温度
ｒｃ１  ＝クーラー内にある液冷媒の量
ｒｅｖ＝クーラー内で蒸発する冷媒量
ｒｏ＝クーラーからの冷媒流出流量（重量）
ｒｉ＝クーラーへの冷媒流入流量即ち膨張弁からの冷媒流出量（重量）
Ｖ＝冷却管内体積
Ｓ＝冷却管の全伝熱面積
Ｓｄ＝冷却管ドライ部の伝熱面積
Ｓｗ＝冷却管ウェット部の伝熱面積
Ｋｄ＝ドライ部伝熱係数
Ｋｗ＝ウェット部伝熱係数
Ｃｒ＝冷却管出口ガスの比熱
ｖｉ＝冷媒の液状態での比体積
ｖｏ＝冷媒のガス状態での比体積
ｋ＝面積、体積比＝Ｓ／Ｖ
ｒａ＝空気流量
ｖａ＝空気の比体積
Ｃａ＝空気の比熱
ｇｒ＝冷媒の潛熱（一定）
ｂｕ＝泡による膨張度（一定）
とすると、ｒｅｖ＝ｒｏであるから、
（ｄ／ｄｔ）ｒｃ１  ＝ｒｉ−ｒｏ……（１）
【００３２】
この冷媒量がＳｗに反映する量ｄｓｗ／ｄｔは、
（ｄ／ｄｔ）Ｓｗ＝（ｄ／ｄｔ）ｒｃ１  ，ｖｉｂｕｋ＝ｖｉｂｕｋ（ｒｉ−ｒｏ）……（２）
ｄｓｄ／ｄｔ＝−ｄｓｗ／ｄｔであるから、（２）式は、
（ｄ／ｄｔ）Ｓｄ＝ｖｉｂｕｋ（ｒｏ−ｒｉ）……（３）
【００３３】
ドライ部における熱交換量をＱｄとするとＱｄは２通りに表わされる。その１つは対数平均温度差によるもので、
【数２】
0003578789.tif 000003
Ｑｄは極めて小さいのでｔｒ−ｔｒ２  ＝０として、ｔｒ２  にｔｒを代入すると
【数３】
0003578789.tif 000004
【００３４】
他の１つはガス冷媒の比熱に基づくもので、次式で表わされる。
Ｑｄ＝Ｃｒ  ｒｏ（ｔｇ−ｔｅ）……（５）
（４）、（５）式の右辺を等しいとおいて整理すると、
ｌｏｇ（ｔｒ−ｔｇ／ｔｒ−ｔｅ）＝−（ｋｄ／Ｃｒ  ｒｏ）Ｓｄとおき、両辺を微分すると、
【数４】
0003578789.tif 000005
β＝αｖｉｂｕｋ＝（Ｋｄ／Ｃｒ  ｒｏ）ｖｉｂｕｋとおき、（６）式を（３）式に代入すると、
（ｄ／ｄｔ）ｔｇ＝（ｔｒ−ｔｇ）（ｒｏ−ｒｉ）……（７）
【００３５】
ｘ＝ｔｒ−ｔｇとおき、ｔｒ＝ｃｏｎｓｔ（一定）とすれば（７）式は、
（ｄ／ｄｔ）ｘ＝−βｒｏｘ＋βｒｉｘ
これを変形すると（ｒｏの符号を逆にする）
（ｄ／ｄｔ）ｘ＝（βｒｏ）ｘ＋（ｘβ）ｒｉ……（８）
微小時間中はｒｏ＝ｃｏｎｓ  ｔとし、
ｒｉ＝ｖ／ｘと定義すると、（８）式は、
（ｄ／ｄｔ）ｘ＝（βｒｏ）ｘ＋βｖ……（９）
なる線形システムと同じ形の式となる。
【００３６】
即ちクーラー１が線形であるとして求めた操作量ｖに対して、
ｒｉ＝ｖ／ｘ……（１０）
なる操作量ｒｉを採用することにより非線形システムの操作量に対応することとなる。
そこで（９）式を厳密な線形化法で解くと、次の（１１）式が得られる。
ｒｉ＝−ｒｏ＋（１／βｘ）ｖ……（１１）
即ち、膨張弁の操作量（膨張弁からの冷媒流出量）ｒｉは、クーラー１が線形であるとして求めた操作量ｖの１次式で表わされる。
【００３７】
前記のような算出根拠に基づき、膨張弁操作量を線形制御演算により算出する手順を図３のフローチャートに示す。
【００３８】
前記（１１）式において、右辺の分母ｘ＝ｔｒ−ｔｇが“０”（ゼロ）に近くなると、大きな操作量ｒｉが現われる。
本発明においてはこれを防止するために、ｘ（以下Δｔとする）＝ｔｒ−ｔｇが予め定められた設定値ｘ０  （以下Δｔ０    とする）より小さくなったときは、（１１）式による除算は行わずに、現在の操作量ｒｉに、予め定めておいた操作量の増加量Δｒｉを加え、膨張弁２の開度を所定の速度で増大するような操作信号を出力する。
これは、ｘ＝ｔｒ−ｔｇが“０”（ゼロ）に近くなるということは冷却管１ａのドライ部の面積が充分にあること、即ちクーラー１の内部の液冷媒の量が少ないことを意味していることによる。
【００３９】
前記温度差演算記憶部３３においては、クーラー１の試運転時また再調整完了時において、前記β即ち
β＝（Ｋｄ／Ｃｒ  ｒｏ）ｖｉｂｕｋ
と温度差設定値Δｔ０即ち
Δｔ０  ＝ｘ０  ＝ｔｒ０  −ｔｇ０
と操作量の増加量Δｒｉの値の設定を行い、この安定状態で線形制御により温度差Δｔ１  を調整する。
そして温度差演算記憶部３３は前記調整後調整終了時の温度差Δｔ１  ＝ｔｒ１  −ｔｇ１  を記憶する。
【００４０】
また、温度差演算記憶部３３においては、空気温度の検出値ｔｒ及び冷媒ガスの検出値ｔｇとにより、検出温度差Δｔ＝ｔｒ−ｔｇを演算し記憶する。
【００４１】
非線形操作量演算部３４においては、前記（１１）式に基づく膨張弁操作量ｒｉの演算を図３のフローチャートのＡ部の手順により行う。
【００４２】
即ち、クーラー１が線形であるとした線形制御演算により、操作量ｖを先ず算出する。この場合、前記安定時における各種設定及び制御目標の設定は基準値設定部３５にて行い、前記操作量ｖの算出に用いる。
【００４３】
次いで、温度差演算記憶部３３から入力された検出温度差Δｔ＝ｔｒ−ｔｇと、前記温度差設定値Δｔ０  ＝ｔｒ０  −ｔｇ０  とを比較する。
【００４４】
そして、
Δｔ＜Δｔ０
のときは、前記のように現在の操作量ｒｉ（ｉ）に前記増加量Δｒｉを加算し、
ｒｉ＝ｒｉ（ｉ）＋Δｒｉ……（１２）
として膨張弁２の操作量を算出し、膨張弁２に操作信号として出力する。即ち、この場合、膨張弁２は前記操作信号によりその開度を所定の速度で増大するように操作される。
【００４５】
一方、
Δｔ≧Δｔ０
のときは、前記スーパーヒート演算部３１から入力されるスーパーヒートＪ＝ｔｇ−ｔｅを使用し、前記（１１）式に基づく次の式の（１４）式により膨張弁２の操作量ｒｉを算出する。
【数５】
0003578789.tif 000006
【００４６】
上記のように、本発明においては、非線形制御の状態にある膨張弁２の操作量を空気（被冷却物）温度ｔｒと冷媒ガス温度ｔｇとの温度差Δｔの逆数と線形制御演算により算出した操作量ｖとの積をゲインとする線形制御にて算出するとともに、前記温度差Δｔが設定温度差Δｔ０  よりも小さいときは、現在の操作量ｒｉ操作量の増加量Δｒｉを加えるように制御することにより膨張弁開度制御系の発散及び振動の発生がなく、これによるハンチングの発生が阻止される。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、クーラーの非線形性と被冷却物のクーラー入口温度（ｔｒ）と冷媒ガス温度（ｔｇ）との温度差（Δｔ＝ｔｒ−ｔｇ）の逆数と線形制御演算により算出した操作量（ｖ）との積に比例するゲインを有する線形制御に置きかえて膨張弁の操作量を算出するとともに、検出温度差が設定した設定温度差よりも小さい時は、上記線形制御演算を行わずに現状の操作量に予め設定された操作量の増加量を加えて膨張弁の開度を増大させるという、きわめて簡単な手法で以ってハンチングの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るスーパーヒート制御装置を備えたクーラーシステムの系統図（ハード構成図）。
【図２】図１のスーパーヒート制御装置のブロック図。
【図３】図１のスーパーヒート制御装置の作動フローチャート。
【図４】スーパーヒート制御装置を備えたクーラーシステムの制御線図。
【符号の説明】
１    クーラー
２    膨張弁
３    スーパーヒート制御装置
４    冷媒温度検出器
５    冷媒圧力検出器
１１    空気温度検出器
１３    空気（被冷却物）
３１    スーパーヒート演算部
３２    蒸発温度演算部
３３    温度差演算記憶部
３４    非線形操作量演算部
【図１】
0003578789.tif 000007
【図２】
0003578789.tif 000008
【図３】
0003578789.tif 000009
【図４】
0003578789.tif 000010