(57)【要約】  特に温水加熱システムに有用なコントローラは、温水熱交換器を出る水の所望の出口水温、および所望の出口水温を極めて効率的に達成する所望の冷媒条件の計算を含む。コントローラは、両方の所望の変数を調べ、それらを実際の変数と比較して、各々のエラーを判別する。コントローラは、両方のエラー、両方のエラーの積分、および両方のエラーの導関数を考慮に入れる２つの変数の各々のエラー補正アルゴリズムを含む。このようにして、一方の変数のエラー補正における敏感性が、他方の変数の変化により軽減され、システムはより効率的に機能する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮器と、
前記圧縮器の下流に位置する第１の熱交換器であって、前記圧縮器から冷媒を受け、さらに、前記第１の熱交換器内の前記冷媒によって調整される第２の流体の温度を変化させる第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器の下流に位置する膨張装置と、
前記膨張装置の下流に位置する第２の熱交換器であって、前記冷媒が前記圧縮器から前記第１の熱交換器、前記膨張装置、第２の熱交換器を通って、前記圧縮器まで戻る第２の熱交換器と、
前記冷媒の可変条件、および前記第１の熱交換器における前記第２の流体の可変条件を監視するコントローラであって、前記コントローラが、前記２つの可変条件の各々の所望の値を判別するとともに、前記２つの可変条件の各々の実際の値を監視し、前記コントローラが、前記２つの可変条件の各々の補正率を判別するエラー補正アルゴリズムを有し、前記エラー補正アルゴリズムの各々が、前記可変条件の両方について判別されたエラーを使用するコントローラと、
を備える冷媒サイクル。
【請求項２】
前記第２の流体が、温水加熱システムに使用される水であることを特徴とする請求項１に記載の冷媒サイクル。
【請求項３】
前記第２の流体の前記可変条件が、前記第１の熱交換器から流出する水温であり、前記温水加熱システムのユーザによって要求される所望の温度に基づくことを特徴とする請求項２に記載の冷媒サイクル。
【請求項４】
前記エラー補正アルゴリズムが、判別されたエラー、前記判別されたエラーの各々の積分、および前記判別されたエラーの各々の導関数をそれぞれ調べることを特徴とする請求項３に記載の冷媒サイクル。
【請求項５】
前記冷媒の条件が、前記膨張装置の開口を変化させることによって変更されることを特徴とする請求項４に記載の冷媒サイクル。
【請求項６】
前記エラー補正アルゴリズムが、温水ヒートポンプを駆動するための補正率ｕEXV、および膨張装置の開口の度合いｕVSPを計算し、前記アルゴリズムは以下のとおりであり、
【数２】
2007526436.tif 000004
ここで、ｅpは、前記膨張装置によって制御される前記条件のエラーであり、ｅTは、前記出口水温のエラーであり、Ｋ係数は、前記サイクルに対して計算された定数であることを特徴とする請求項５に記載の冷媒サイクル。
【請求項７】
前記エラー補正アルゴリズムが、判別されたエラー、前記判別されたエラーの各々の積分、および前記判別されたエラーの各々の導関数をそれぞれ調べることを特徴とする請求項１に記載の冷媒サイクル。
【請求項８】
前記冷媒の条件が、前記膨張装置の開口を変化させることによって変更される請求項１に記載の冷媒サイクル。
【請求項９】
（１）冷媒を圧縮する圧縮器と、
前記圧縮器の下流に位置する第１の熱交換器であって、前記圧縮器から冷媒を受け、さらに第１の熱交換器において前記冷媒によって調整される第２の流体を受ける第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器の下流に位置する膨張装置と、
前記膨張装置の下流に位置する第２の熱交換器であって、前記冷媒が前記圧縮器から前記第１の熱交換器、前記膨張装置および第２の熱交換器を通って前記圧縮器に戻る第２の熱交換器と、
前記冷媒の可変条件、および前記第１の熱交換器における前記第２の流体の可変条件を監視するコントローラであって、前記コントローラが、前記２つの可変条件の各々の所望の値を判別するとともに、前記２つの可変条件の各々の実際の値を監視し、前記コントローラが、前記２つの可変条件の各々の補正率を判別するエラー補正アルゴリズムを有し、前記エラー補正アルゴリズムの各々が、前記可変条件の両方について判別されたエラーを使用するコントローラと、
を提供するステップと、
（２）前記可変条件の両方についてエラーを判別し、かつ前記エラー補正アルゴリズムを用いてエラー信号を計算するステップと、
（３）前記エラー信号に基づいてシステム構成要素を調整するステップと、
を含む冷媒サイクルを調節する方法。
【請求項１０】
所望の可変条件を有する第１の構成要素、および所望の可変条件を有する第２の構成要素であって、前記第１および第２の所望の可変条件は、前記所望の可変条件の一方における変化が前記所望の可変条件の他方を変化させるように相互に関連する第１の構成要素および第２の構成要素と、
前記所望の可変条件を達成するコントローラであって、前記所望の可変条件の実際の条件のフィードバック、および前記所望の可変条件の各々についての所望の条件のフィードバックを受け、前記所望の可変条件の各々について補正率を判別するエラー補正アルゴリズムを含み、前記変数の各々についての前記エラー補正アルゴリズムが、前記可変条件の両方における判別されたエラーを調べるコントローラと、
を備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、冷媒システムにおいて少なくとも２つの異なる変数のエラーを修正する独自の制御および方法であって、２つのエラーの修正アルゴリズムの各々が両方の変数からのエラー信号を考慮に入れる制御および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷媒システムは、通常、冷媒を圧縮するコンプレッサと、冷媒を受ける第１の熱交換器と、を備える。第１の熱交換器の下流には、冷媒を膨張させる膨張装置が位置している。調整可能な膨張装置が周知であり、この調整可能膨張装置は、システム全体にわたって冷媒圧力を変更するように、様々な量に対して開口可能である。冷媒は、膨張装置から第２の熱交換器に移動して、その後、コンプレッサに戻る。
【０００３】
システムのコントローラは、蛇口における特定の給湯温度を求めるユーザの要求などの入力を取り込むように動作可能である。他の用途としては、冷媒サイクル（空調またはヒートポンプ）によって調整された環境の温度を達成すること、および要求された温度を実現するように冷媒サイクルの制御側面とすることができる。一例として、冷媒サイクルの１つの用途において、第１の熱交換器は、水を加熱するために使用される。水を加熱する温水システムとしての用途もある。
【０００４】
温水システムにおいては、コントローラは、特定の水温を求めるオペレータの要求を取り込み、第１の熱交換器を通流する水量を制御する。第１の熱交換器を流れる水量が増加すると、それに応じて、流出口の温水の温度はより低くなる。したがって、より高い水温を実現するためには、流水量を減少させる。
【０００５】
さらに、温水に要求される望ましい温度を達成するためには、冷媒回路は、所望の温度まで水を加熱するために第１の熱交換器において十分な熱をもたらすように制御される必要がある。したがって、第１の熱交換器を流れる水量および冷媒サイクルの側面という、温水回路の２つの側面が制御される必要がある。第１の熱交換器に搬送される水量は、送水ポンプの速度を制御することによって制御することができる。１つの実施形態において、冷媒サイクルは、望ましい排出圧力を提供するように膨張装置を制御することにより、本出願の譲受人によって開発されたシステムにおいて制御される。もちろん、所望の温度または他の条件も提供することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
２つの変数（例えば、送水ポンプ速度および膨張装置の開口）を制御するためのコントローラは、通常、エラー、そのエラーの積分、およびこのエラーの導関数をそれぞれ考慮に入れていた。そのようなコントローラは、ＰＩＤコントローラとして知られている。この種のコントローラは、条件を制御し、要望通りの状態が維持されるように条件を調整するフィードバックを提供する際に極めて有用である。そのようなコントローラは、単一入力、単一出力、または「ＳＩＳＯ」として知られている。これらのシステムは、例えば、周囲の気温、熱交換器に流入する水の温度など、システムを取り巻く一部の変数の変動に多少敏感である。
【０００７】
２つの制御変数が相互に影響を及ぼす場合、前述のコントローラに別の欠陥が生じる。つまり、変数の１つ（例えば、送水ポンプ速度など）が変化すると、圧力が変化するが、それでもなお、一方の変数のエラー修正アルゴリズムは、他方の変数の変化が引き起こす影響を、その変化が生じるまで予期しない。したがって、全システムの効率は、２つの変数の各々が他方の変数の変化に敏感であるため、要求されるほど高くならないことがある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の開示される実施形態において、ＰＩＤコントローラは、２つの変数の各々についてエラー補正値を計算する。変数は、一方の変化が、結果として他方の変化をもたらすような方法で相互に作用する。各々の変数のエラー補正アルゴリズムは、他方の変数のエラーを考慮する。したがって、２つのエラー補正アルゴリズムは、他方の変数の変化の予測を含むことによって、必然的な変化をより良く予測することができる。
【０００９】
この制御の技法は広く応用できるが、特に温水を供給するシステムで利用される。開示される主な応用分野は、温水加熱（給湯）システムにおけるものであり、ここで、一方の変数は、第１の熱交換器を通して水を流す送水ポンプの速度であり、他方の変数は、第１の熱交換器内の水を加熱する冷媒回路内の冷媒条件である。開示される実施形態において、冷媒条件は、圧縮器の下流における冷媒の排出圧力であり、この変数は膨張装置の開口によって制御される。膨張装置が閉鎖されると、圧力は増大する。圧力が増大すると、温度が上昇する。したがって、冷媒圧力が増大すると、第１の熱交換器から流出する温水の温度（ＬＷＴ）が上昇する。また、ＬＷＴは、送水ポンプ速度を変えることによって制御されるので、冷媒圧力の増大に応じて、要求されるＬＷＴを達成するために以前予想されていたほど、ポンプ速度を減少させる必要はなくなる。したがって、両変数のエラーを考慮することにより、コントローラは、より迅速に所望の状態に達するように各変数をよりよく調節することができる。
【００１０】
本発明のこれらの特徴および他の特徴は、以下の明細書および図面から最もよく理解することができる。以下に図の簡単な説明を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
蛇口などの最終用途２２における温度を制御するためのシステム２０が、図１に示されている。周知のように、用途２２のユーザは、ハンドル２５などを介して所望の温度を設定することができる。温水は、用途２２における温度を制御し、所望の温度となるように、温水供給ライン２４から第１の熱交換器２７に供給される。そのようなシステムは当技術分野において既知であり、このシステムの動作は、本発明の一部を形成するものではない。
【００１２】
ハンドル２５からのフィードバックは、中央コントローラ２６に送られる。さらに、第１の熱交換器２７から出る温水２４の出口温度２８（ＬＷＴ）は、コントローラ２６へのフィードバックとして提供される。コントローラは、ハンドル２５から要求された温度に基づいて所望のＬＷＴを識別する。実際のＬＷＴ２８は、コントローラ２６に提供され、コントローラ２６は、所望のＬＷＴに適合するように実際のＬＷＴ２８を調節するため、温水供給システムの変数を制御するように動作可能である。そのような変数の１つは、水を第１の熱交換器２７を経て用途２２まで流すための送水ポンプ３０の速度である。ポンプのモーター速度３０が減少すると、熱交換器２７内を流れる水量も減少するため、ポンプ３０の速度が大きい場合に比べて、より高い温度まで水が加熱される。
【００１３】
同時に、冷媒３４は、水を加熱するように、第１の熱交換器２７を通流する。周知のように、冷媒は、圧縮器３６によって圧縮され、第１の熱交換器２７に搬送され、次いで、膨張装置３８に搬送される。膨張装置３８は調節可能であり、冷媒３４の条件を制御するようにそのオリフィスの大きさを調節できるようになっている。膨張装置３８の下流において、冷媒は、第２の熱交換器４０を通流する。冷媒は、第２の熱交換器４０から圧縮器３６まで戻る。
【００１４】
開示される冷媒３４の条件を制御するためのシステム条件は、圧縮器３６の下流の排出圧力４２である。コントローラ２６は、所望の圧力を識別して、４２における実際の排出圧力を所望の排出圧力と比較するように動作可能である。コントローラ２６は、実際の排出圧力４２が所望の排出圧力に近づくように実際の排出圧力４２を変化させるために膨張装置３８を調節する。所望の排出圧力を判別する方法は、本明細書と同日付で出願された「Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  Ｔｒａｎｓｃｒｉｔｉｃａｌ  ＨＶＡＣ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の同時係属中の特許出願第１０／７９３，４８９号に開示されている。
【００１５】
好ましくは、実際のＬＷＴと所望のＬＷＴとの間のエラーのみが取り込まれるだけでなく、コントローラ２６により、エラーの導関数、およびそのエラーの積分も取り込まれることが好ましい。同様のことは、所望の排出圧力と実際の排出圧力４２との間のエラーについてもあてはまる。そのようなコントローラは、ＰＩＤコントローラとして知られており、当技術分野において既知である。
【００１６】
図１に示されたシステムの場合、一方の変数の変化により、他方の変数の変化が生じるという点で、２つの変数の制御にある種の課題がある。したがって、例えば、冷媒の排出圧力が変化した場合、これにより、ＬＷＴ２８に影響が及ぶ。さらに、第１の熱交換器２７を通流する水量の変化により、冷媒３４から得られる熱の量が変化し、これにより、排出圧力４２に影響が及ぶ。これまで２つの変数は単独に制御されていたため、２つの変数は、各々の変数の変化に対して敏感であり、所望の安定状態に到達するまで、所望よりも多くの時間が必要となり、全体的なシステム効率に影響が及ぶ。
【００１７】
一般に、所望のＬＷＴを達成するための所望の排出圧力は、最高の成績係数（ＣＯＰ）、つまり最高のシステム効率を達成するために（上記で参照した特許出願に開示されているように）開発された様々な実験データに基づいている。したがって、システムを適切に制御しないことによって効率を低下させることは、所望の圧力を選択するという主要目的の１つを損なうことになる。
【００１８】
冷媒３４は、超臨界サイクルの一部として動作可能な冷媒であることが好ましい。１つの実施形態において、冷媒はＣＯ2である。超臨界サイクルにおいて、圧縮器排出圧力は、飽和特性によって決まらないので、上記で参照した特許出願により、サイクル全体にわたってかなりの制御を達成する方法が提供される。
【００１９】
しかし、２つの変数の問題は、効率の目標達成を多少困難にする場合もある。本発明は、各変数からのエラー信号を両方のエラー補正アルゴリズムに組み入れることにより、２つの変数の独立的な制御を改良するものである。基本的な流れ図を図２に示す。開示されるアルゴリズムにおいて、温水温度および冷媒圧力の補正率は、両方のエラー、両方のエラーの導関数、および両方のエラーの積分を含む。いくつかの係数が様々な定数によって重み付けされるが、これらはそれぞれに考慮される。膨張バルブ信号ｕEXV、および送水ポンプ速度の制御信号ｕVSPの調節のための、開示されるエラー補正アルゴリズムは、以下のとおりである。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
ｅpは、圧力エラー、つまり、実際の圧縮器排出圧力と所望の圧縮器排出圧力との差である。ｅtは、温度エラー、つまり、実際の搬送水温と所望の搬送水温との差である。Ｋp11、Ｋp12などは数値定数である。定数Ｋは、システムに基づいて選択され、また、例えば、送水ポンプ速度の特定の変化により圧力にもたらされると予想される変化に基づいて選択される。定数を選択する方法は数多くある。好ましい方法は、例えば、「Ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｂｌｅ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ  Ｄｅｓｉｇｎ」、Ｊ．Ｍ．Ｍａｃｉｅｊｏｗｓｋｉ著（Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ、１９８９年）のテキストに説明されているような、Ｈ∞（「Ｈ無限大」）設計方法である。これらの式によれば、ｕEXVおよびｕVSPは、現在の圧力および現在の温度の両方に依存することに留意されたい。これにより、コントローラが「多変量」となる。「単変量」コントローラは、圧力のみに依存するｕEXV、および温度のみに依存するｕVSPを有する。
【００２２】
さらに、補正を実現し、水温のエラーおよびエラーの導関数が共に負である特定の条件を回避する調節があることが好ましい。このアルゴリズムは、基本的に、エラーがいずれも負である場合、検出エラーの導関数を乗じた検出エラーの倍数であるエラーを利用する。このようにして、他の方法では潜在的に不十分となりうる条件を回避することができる。この修正アルゴリズムの詳細は、本明細書と同日付で出願された「Ｎｏｎ−Ｌｉｎｅａｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ  ｉｎ  Ｖａｐｏｒ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」という名称の米国特許出願第１０／７９３，４８６号に開示されている。
【００２３】
コントローラ２６は、対応するセンサから圧力および温度の現行値を読み取り、前述の数式を使用してｕEXVおよびｕVSPを計算し、これらの値をそれぞれ膨張バルブおよび送水ポンプに送信する。この手順は、周期的に（例えば、２秒毎に）繰り返される。
【００２４】
基本的に、前述のエラー補正アルゴリズムは、各々の変数の補正率を計算するために両変数のエラーを考慮する。このようにして、補正率は、他方の変数における変化を予測する。
【００２５】
他のエラー補正アルゴリズムが本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。本発明は、２つの変数のエラー情報をそれぞれのエラー補正アルゴリズムに組み入れるエラー補正アルゴリズムにより２つの変数を制御する概念まで広く及んでいる。さらに、任意のタイプの適切なコントローラを使用することができる。
【００２６】
本発明の好ましい実施形態が開示されたが、当業者であれば、特定の変更が本発明の範囲内で行われることを理解されるであろう。したがって、本発明の真の範囲および内容を判断するために添付の特許請求の範囲を検討されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明を組み込む温水加熱システムを示す概略図である。
【図２】本発明を示す流れ図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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