(57)【要約】【課題】電子膨張弁を最適な係数でＰＩＤ制御することができる冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】冷凍サイクル装置は、圧縮機２、凝縮器３、電子膨張弁４及び蒸発器６等を順次配管接続して冷凍サイクルが構成されたものであって、電子膨張弁４の弁開度をＰＩＤ制御により調整して蒸発器６における過熱度を目標値に制御する制御装置７を備え、この制御装置７は、電子膨張弁４を全閉状態から一旦全開としたときの過熱度の変化に基づき、ＰＩＤ制御における比例係数、微分係数及び積分係数を決定する動作を実行する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、放熱器、電子膨張弁及び蒸発器等を順次配管接続して冷凍サイクルが構成された冷凍サイクル装置において、
前記電子膨張弁の弁開度をＰＩＤ制御により調整して前記蒸発器における過熱度を目標値に制御する制御装置を備え、
該制御装置は、前記電子膨張弁を全閉状態から一旦全開としたときの前記過熱度の変化に基づき、前記ＰＩＤ制御における比例係数、微分係数及び積分係数を決定する動作を実行することを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記各係数の決定動作を電源投入時に行うことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記過熱度の前記目標値への収束状況が不良の場合、前記制御装置は、前記各係数の決定動作を実行して更新することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記各係数の決定動作中に前記過熱度がマイナスとなった場合、初期設定されている各係数を用いて前記電子膨張弁を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子膨張弁を備えて冷凍サイクルが構成された冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来よりスーパーマーケットやコンビニエンスストアなどに設置されるショーケース等では、高精度且つ省エネルギーな制御を実現するために、冷凍サイクルの減圧装置として電子膨張弁が用いられ、蒸発器における過熱度を制御している。この電子膨張弁の弁開度の調整にはＰＩＤ制御が用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−１０６０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、上述したＰＩＤ制御には比例係数、微分係数及び積分係数の三つの係数を決定する必要があるが、従来では実験によって予め決定された各係数を使用し、その後の変更は行われていなかった。しかしながら、ショーケース等では機種によって蒸発器の大きさや形状、構造が異なるため、応答機種を開発する都度実験によって各係数を決定しなければならず、開発に時間を要していた。
【０００４】
また、各係数を決定したときの運転条件と、実際にショーケース等が設置された環境では条件が異なるため、実際には最適値でのＰＩＤ制御は困難となっていた。
【０００５】
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、電子膨張弁を最適な係数でＰＩＤ制御することができる冷凍サイクル装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、電子膨張弁及び蒸発器等を順次配管接続して冷凍サイクルが構成されたものであって、電子膨張弁の弁開度をＰＩＤ制御により調整して蒸発器における過熱度を目標値に制御する制御装置を備え、この制御装置は、電子膨張弁を全閉状態から一旦全開としたときの過熱度の変化に基づき、ＰＩＤ制御における比例係数、微分係数及び積分係数を決定する動作を実行することを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明の冷凍サイクル装置は、上記において制御装置は、各係数の決定動作を電源投入時に行うことを特徴とする。
【０００８】
請求項３の発明の冷凍サイクル装置は、上記各発明において過熱度の目標値への収束状況が不良の場合、制御装置は、各係数の決定動作を実行して更新することを特徴とする。
【０００９】
請求項４の発明の冷凍サイクル装置は、上記各発明において制御装置は、各係数の決定動作中に過熱度がマイナスとなった場合、初期設定されている各係数を用いて電子膨張弁を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、圧縮機、放熱器、電子膨張弁及び蒸発器等を順次配管接続して冷凍サイクルが構成された冷凍サイクル装置において、電子膨張弁の弁開度をＰＩＤ制御により調整して蒸発器における過熱度を目標値に制御する制御装置を備え、この制御装置は、電子膨張弁を全閉状態から一旦全開としたときの過熱度の変化に基づき、ＰＩＤ制御における比例係数、微分係数及び積分係数を決定する動作を実行するので、例えば請求項２の如く電源投入時に各係数の決定動作を行うようにすれば、装置の設置後にＰＩＤ制御の比例係数、微分係数及び積分係数の各係数が自動的に決定するため、設置環境において最適な係数での電子膨張弁制御を実現することが可能となる。
【００１１】
また、請求項３の発明の如く過熱度の目標値への収束状況が不良の場合、各係数の決定動作を実行して更新することにより、設置後の環境変化によって各係数が最適では無くなった場合にも、自動的に最適値が決定されて更新されるようになる。
【００１２】
更に、請求項４の発明の如く各係数の決定動作中に過熱度がマイナスとなった場合、初期設定されている各係数を用いて電子膨張弁を制御するようにすれば、係数の決定動作中における圧縮機への液バックの発生も未然に回避することができるようになるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、図面を参照して本発明の実施形態について詳述する。図１は本発明を適用した冷凍サイクル装置の実施例としてのショーケース１の冷媒回路図である。ショーケース１は、例えばコンビニエンスストアなどの店舗内に据え付けられる冷蔵オープンケースであり、圧縮機２、放熱器としての凝縮器３、減圧装置として機能する電子膨張弁４及び蒸発器６等（他にはドライヤやアキュムレータ等が接続される）が環状に配管接続されて冷凍サイクルが構成されている。
【００１４】
電子膨張弁４はステッピングモータによって弁開度を高精度に調整することができる膨張弁である。７はこれら圧縮機２、電子膨張弁４を制御する制御装置であり、８及び９は蒸発器６の入口温度（冷媒温度）並びに出口温度（冷媒温度）を検出する温度センサである。制御装置７はこれら温度センサ９が検出する蒸発器６の出口温度から温度センサ８が検出する入口温度を差し引くことで蒸発器６における冷媒の過熱度を算出する。
【００１５】
制御装置７は図示しないショーケース１の庫内温度に基づき、設定温度（例えば５℃等の冷蔵温度）の上に設定された上限温度に達した場合に圧縮機２を起動し、下に設定された下限温度まで低下した場合に圧縮機２を停止する。圧縮機２が起動されると、圧縮されて高温となった冷媒ガスは凝縮器３で放熱して液化し、電子膨張弁４で絞られた後、蒸発器６に流入して蒸発する。このときの吸熱作用で蒸発器６は冷却効果を発揮する。
【００１６】
蒸発器６と熱交換した冷気は図示しない送風機によってショーケース１の庫内に循環されるので、庫内は設定温度に冷却維持される。尚、蒸発器６を出た冷媒は再び圧縮機２に吸い込まれて圧縮される。
【００１７】
制御装置７は前述したように各温度センサ８、９が検出する入口温度と出口温度から算出された蒸発器６の過熱度が冷凍サイクルに最適な目標値となるように電子膨張弁４の弁開度を調整する。この場合、電子膨張弁４の弁開度が小さ過ぎると過熱度は大きくなり、冷媒は蒸発器６を出る以前に蒸発し切ってしまうため、蒸発器６での冷却効果は低下する。一方、電子膨張弁４の弁開度が大き過ぎれば過熱度はマイナスとなり、蒸発器６から未蒸発の冷媒が流出して圧縮機２に吸い込まれる所謂液バック減少が発生するようになる。
【００１８】
制御装置７は係る問題が発生しないように電子膨張弁４の弁開度を冷凍サイクルの運転上最適な目標値に調整するものであるが、その際の制御方式としてはＰＩＤ制御が用いられる。このＰＩＤ制御は、比例制御（目標値との偏差ｅを無くす方向の制御量を決定）、積分制御（定常的な偏差ｅを無くす方向の制御量を決定）及び微分制御（偏差ｅの変化を無くす方向の制御量の決定）による制御量の合算から最終的な電子膨張弁４の弁開度の制御量を決定するもので、その際には図５に示すような比例係数ＫP、積分係数ＫI及び微分係数ＫDを求める必要がある。
【００１９】
制御装置７には予め実験により決定された比例係数ＫP、積分係数ＫI及び微分係数ＫDの初期値がデフォルトで書き込まれているが、ショーケース１が店舗に設置された後、電源が投入された時に以下に説明する各係数の決定動作を実行する。
【００２０】
即ち、ショーケース１に電源が投入されると、制御装置７は電子膨張弁４の基点出しのために電子膨張弁４を一旦全閉とした後、一気に弁開度を全開とする。図２にこの場合の蒸発器６における冷媒の過熱度の変化を示す。横軸は時間、縦軸は蒸発器６における冷媒の過熱度である。過熱度は、電子膨張弁４が全開となった時点（１）から一旦上昇した後、再び降下し、０付近で収束する（２）。これが電子膨張弁４による過熱度のステップ応答である。
【００２１】
次に、電子膨張弁４を全開にした後の過熱度のピーク値から０になるまでのデータを用いて、比例係数ＫP、積分係数ＫI及び微分係数ＫDの算出を行う（４）。そして、各係数を算出された値に更新し、更新された各係数を用いてＰＩＤ制御を行い、電子膨張弁４の弁開度を求めて過熱度を目標値に一致させるように制御する（５）。
【００２２】
尚、過熱度が０に収束した後、マイナスになるような場合には（３）、制御装置７は直ぐに前述した各係数の初期値を用いてＰＩＤ制御を行い、電子膨張弁４の弁開度を調整する。これにより、係る係数の決定動作中における圧縮機２へ液バックの発生を未然に回避する。
【００２３】
ここで、電子膨張弁４による過熱度のステップ応答は冷凍機からの配管長やショーケース１の寸法（尺数）、冷凍か冷蔵かなどの庫内設定温度によって図３に示すように異なってくる。一般的に配管長が短い程過熱度の降下は急峻となり、最適な比例係数ＫP、積分係数ＫI及び微分係数ＫDは大きくなる。また、配管長が長い程過熱度の降下は緩慢となり、各係数は小さくなる。また、尺数が大きい程過熱度の降下は緩慢となり、最適な係数は小さくなると共に、冷凍では過熱度の降下は急峻となり、係数は大きくなる傾向となる。
【００２４】
次に、具体的な比例係数ＫP、積分係数ＫI及び微分係数ＫDの決定手法を図４で説明する。先ず、過熱度が降下し始めた点（Ａ）から水平に線Ｗ１を引く。次に、過熱度の傾きが最も大きい点で過熱度の波形に接線Ｗ２を引く。実際には過熱度のデータの２点間の差が最大となる２点（図４の黒丸）を直線で結ぶ。そして、この接線Ｗ２が点（Ａ）の水平な直線Ｗ１と交わる点を（Ｂ）とする。
【００２５】
次に、過熱度の収束値（０℃）と最大値との差をＫ（℃）とする。また、点（Ａ）の水平な直線Ｗ１を基準として収束値の方向に０．６３＊Ｋとなる点で点（Ａ）の水平な線に平行な線Ｗ３を引く。そして、この線Ｗ３と過熱度の波形が交差する点から垂直に補助線Ｗ４を引く。実際には線Ｗ３と最も近い測定点（図４の二重丸）から補助線Ｗ４を引き、線Ｗ１との交点を（Ｃ）とする。
【００２６】
そして、点（Ａ）−点（Ｂ）間の距離をＬ、点（Ｂ）−点（Ｃ）間の距離をＴとし、Ｋ、Ｌ、Ｔの値を図５の計算式に当てはめて比例係数ＫP、積分係数ＫI及び微分係数ＫDを算出する。算出された各係数で制御装置７のメモリ上の各値を書き換え、制御装置７は書き換えられた各係数を用いてＰＩＤ制御を実行し、電子膨張弁４の弁開度を決定して過熱度を目標値に一致させていく。従って、設置現場での環境に合った係数がＰＩＤ制御に用いられるので、精度の良い過熱度制御を実現できるようになる。
【００２７】
ここで、ショーケース１の設置後に環境が大きく変化した場合には、上述した各係数では最適な制御ができなくなり、目標値への収束状況が悪化してくる。制御装置７は運転中に過熱度の値を常時監視しており、以下のような状況が発生した場合にはショーケース１の次回の霜取り復帰時、或いは、圧縮機２が起動されるときに上述した各係数の決定動作を再度実行し、算出された比例係数ＫP、積分係数ＫI及び微分係数ＫDに各係数の値を書き換えてＰＩＤ制御を実行する。
【００２８】
即ち、
・過熱度が許容範囲から逸脱してから許容範囲内に戻るまでの時間が所定時間を超えているとき。
・過熱度のオーバーシュートが所定値を超えているとき。
・過熱度が常時振動し、安定した制御が行われていないとき。
【００２９】
このようにして運転中にもＰＩＤの各係数を自動的に調整（オートチューニング）するので、設置後の環境変化によって各係数が最適では無くなった場合にも、自動的に最適値が決定されて更新され、常に最適な過熱度制御を実現することができるようになる。
【００３０】
尚、上記実施例では圧縮機等を含む冷却装置を内蔵したショーケースで本発明を適用したが、それに限らず、圧縮機を含む冷凍機がショーケースとは別置きとして設けられたタイプでも本発明は有効である。その場合には、各係数の決定動作を当該ショーケースに冷媒を供給するために電子膨張弁４が開くときに行うことになる。また、実施例ではショーケースを例にとって説明したが、電子膨張弁をＰＩＤ制御する冷凍サイクルを備えた各種装置に本発明は有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明を適用した冷凍サイクル装置の実施例としてのショーケースの冷媒回路図である。
【図２】図１の電子膨張弁による過熱度のステップ応答を示す図である。
【図３】ショーケースの種類による図２のステップ応答の変化を示す図である。
【図４】図１の電子膨張弁をＰＩＤ制御するための比例係数、積分係数及び微分係数をもとめる手順を説明する図である。
【図５】図４の手順から最終的に各係数を求める際の計算方法を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  ショーケース
２  圧縮機
３  凝縮器（放熱器）
４  電子膨張弁
６  蒸発器
７  制御装置
８、９  温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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