JP2002156146A - 空気調和装置 - Google Patents
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Abstract
とで冷却能力を高めることができる空気調和装置を提供
する。 【解決手段】 圧縮機1とガスクーラ2との間の冷媒圧
力と、ガスクーラ2と膨張弁3との間の冷媒温度とに基
づいて膨張弁3に与えるべき第1の弁開度を算出し、現
在の室内温度と、目標とする室内の設定温度とに基づい
て膨張弁3に与えるべき第2の弁開度を算出し、第1、
第2の弁開度に基づいて膨張弁3に与えるべき最終的な
弁開度を算出し、これに従って膨張弁3を調節する。
Description
て二酸化炭素を冷媒として使用する空気調和装置に関す
る。
まっているが、空気調和装置の冷媒として使用されるR
134a等のフロン冷媒は、地球温暖化を助長すること
が懸念されている。このため、このようなフロン冷媒に
代わる物質として、元来自然界に存在する物質、いわゆ
る自然冷媒を用いた空気調和装置の研究が行われてい
る。
化炭素(以下、CO2と表記)が注目されている。CO2
は、地球温暖化への影響がフロンよりもはるかに小さい
だけでなく、可燃性がないうえ、基本的には人体に無害
である点が高く評価されている。
た蒸気圧縮式冷凍サイクル(以下、CO2冷凍サイクル
と表記)が提案されている。このCO2冷凍サイクルの
作動は、フロンを使用した従来の蒸気圧縮式冷凍サイク
ルと同様である。すなわち、図9のモリエル線図(圧力
−エンタルピ線図)に示すように、低温低圧のCO
2(気相状態)を圧縮機により圧縮し(A−B)、高温
高圧の気相状態とする。次に高温高圧のCO2(気相状
態)を凝縮器にて凝縮させ(B−C)、高温高圧の気液
二相状態とする。次に高温高圧のCO2(気液二相状
態)を減圧器によって減圧し(C−D)、低温低圧の気
液二相状態とする。次に低温低圧のCO2(気液二相状
態)CO2を蒸発器にて蒸発させ(D−A)、その際に
生じる蒸発潜熱を空気等の外部流体から奪って外部流体
を冷却する。
は、通常は一定の圧力(高圧値)を保って進行するが、
圧縮機の吐出流量が変化すると、凝縮器内に冷媒が過剰
に供給されたり逆に足りなくなったりして、凝縮器内の
圧力が一定に保てなくなることがある。また、冷媒の蒸
発も、通常は一定の圧力(低圧値)を保って進行する
が、圧縮機の吸入流量が変化すると、蒸発器内に冷媒が
過剰に供給されたり逆に足りなくなったりして、蒸発器
内の圧力が一定に保てなくなることがある。こうなる
と、十分な成績係数や冷却能力が得られないことが予想
される。
であり、冷凍サイクル内の冷媒を適正な状態に保つこと
で冷却能力を高めることができる空気調和装置を提供す
ることを目的としている。
めの手段として、次のような構成の空気調和装置を採用
する。すなわち本発明に係る請求項1記載の空気調和装
置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機により圧縮さ
れた前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器において
凝縮した前記冷媒を膨張させて減圧する膨張弁と、該膨
張弁により減圧された前記冷媒を蒸発させる蒸発器とを
備え、前記冷媒として二酸化炭素を使用して冷凍サイク
ルを構成する空気調和装置であって、前記圧縮機と前記
凝縮器との間の冷媒圧力と、前記凝縮器と前記膨張弁と
の間の冷媒温度とに基づいて前記膨張弁に与えるべき第
1の弁開度を算出し、現在の室内温度と、目標とする室
内の設定温度とに基づいて前記膨張弁に与えるべき第2
の弁開度を算出し、前記第1の弁開度と前記第2の弁開
度とに基づいて前記膨張弁に与えるべき最終的な弁開度
を算出し、該弁開度に従って前記膨張弁を調節すること
を特徴とする。
は、請求項1記載の空気調和装置において、前記膨張弁
を2つの膨張弁で構成し、これら第1、第2の膨張弁を
前記冷凍サイクル内に並列に配置し、いずれか一方を前
記第1の弁開度に従って調節するとともに他方を前記第
2の弁開度に従って調節することを特徴とする。
は、請求項1記載の空気調和装置において、前記膨張弁
を2つの膨張弁で構成し、これら第1、第2の膨張弁を
前記冷凍サイクル内に直列に配置し、いずれか一方を前
記第1の弁開度に従って調節するとともに他方を前記第
2の弁開度に従って調節することを特徴とする。
は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機により圧縮され
た前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器において凝
縮した前記冷媒を膨張させて減圧する膨張弁と、該膨張
弁により減圧された前記冷媒を蒸発させる蒸発器とを備
え、前記冷媒として二酸化炭素を使用して冷凍サイクル
を構成する空気調和装置であって、前記圧縮機と前記凝
縮器との間の冷媒圧力と、前記凝縮器と前記膨張弁との
間の冷媒温度とに基づいて前記膨張弁に与えるべき第1
の弁開度を算出し、前記蒸発器と前記圧縮機との間の冷
媒圧力および冷媒温度に基づいて前記膨張弁に与えるべ
き第2の弁開度を算出し、前記第1の弁開度と前記第2
の弁開度とに基づいて前記膨張弁に与えるべき最終的な
弁開度を算出し、該弁開度に従って前記膨張弁を調節す
ることを特徴とする。
は、請求項4記載の空気調和装置において、前記膨張弁
を2つの膨張弁で構成し、これら第1、第2の膨張弁を
前記冷凍サイクル内に並列に配置し、いずれか一方を前
記第1の弁開度に従って調節するとともに他方を前記第
2の弁開度に従って調節することを特徴とする。
は、請求項4記載の空気調和装置において、前記膨張弁
を2つの膨張弁で構成し、これら第1、第2の膨張弁を
前記冷凍サイクル内に直列に配置し、いずれか一方を前
記第1の弁開度に従って調節するとともに他方を前記第
2の弁開度に従って調節することを特徴とする。
の実施形態を図1および図2に示して説明する。フロン
の代替物としてのCO2を冷媒として冷凍サイクルを構
成する空気調和装置の主な構成を図1に示す。図に示す
空気調和装置は、例えば自動車のエアコンに適用される
ものであり、符号1は冷媒を圧縮する圧縮機、2は圧縮
された冷媒を凝縮させるガスクーラ(凝縮器)、3は凝
縮した冷媒を減圧する膨張弁、4は減圧された冷媒を蒸
発させるエバポレータ(蒸発器)、5は気化した冷媒中
に含まれるミストを分離除去するレシーバ、6はガスク
ーラに車外の空気を流通させるファン、7は車内の空気
を循環させつつエバポレータ4との熱交換を促すブロア
である。膨張弁3には開度調節が可能な電磁膨張弁が採
用されており、その弁開度は後述する各センサの検出値
や設定部の設定値に基づき制御部CUによって制御され
る。
車に搭載されたエンジン)から駆動力を得て駆動する。
ガスクーラ2は、圧縮機によって圧縮された冷媒を外気
と熱交換させて冷却し、凝縮させる。膨張弁3は、ガス
クーラ2において凝縮した冷媒を膨張させて減圧する。
エバポレータ4は、膨張弁3によって減圧された冷媒を
車内の空気と熱交換させて蒸発させ、冷媒が気化する際
の気化潜熱によって車内の空気を冷却する。
側の冷媒圧力を検出する高圧センサ8が設置され、ガス
クーラ2の冷媒出口にあたる部分には、冷媒温度を検出
する冷媒温度センサ9が設置されている。また、エバポ
レータ4と圧縮機1との間には、低圧側の冷媒圧力を検
出する低圧センサ10が設置されている。
温度センサ11と、目標とすべき車内の設定温度を設定
する温度設定部12と、ブロア6の回転数を変化させて
車内に供給すべき風量を設定する風量設定部13とが設
置されている。なお、車内の設定温度および風量は搭乗
者の操作によって決定される。
ンサ10、車内温度センサ11、温度設定部12、風量
設定部13はいずれも制御部CUに接続されており、制
御部CUに向けてそれぞれに検出値や入力値を出力す
る。
いては、高圧センサ8および冷媒温度センサ9の検出値
(HP,Tgo)に基づいて、ガスクーラ2内の圧力を最適
な大きさに保つために膨張弁3に与えられるべき弁開度
調整量(第1の弁開度)ΔX 1を算出し、低圧センサ1
0および室内温度センサ11の検出値(LP,Tcab)と、
温度設定部12および風量設定部13の入力値(SP(Tca
b),Yblw)とに基づいて、エバポレータ4内の圧力を最
適な大きさに保つために膨張弁3に与えられるべき弁開
度調整量(第2の弁開度)ΔX2を算出し、2つの弁開
度ΔX1,ΔX2に基づいて膨張弁3に与えるべき最終的
な弁開度調整量ΔXを算出し、この弁開度調整量ΔXを
現状の弁開度Xに反映させて膨張弁3を通過する冷媒流
量を調節する。
理を実行する。まず、高圧センサ8によって冷凍サイク
ル内の冷媒の高圧値HPを、冷媒温度センサ9によってガ
スクーラ2出口付近の冷媒温度Tgoをそれぞれ検出する
(ステップS1)。次に、冷媒温度Tgoに基づいて高圧
目標値SP(HP)を算出する(ステップS2)。次に、高圧
目標値SP(HP)と高圧値HPとの差をとって高圧値制御偏差
Err(HP)を算出する(ステップS3)。次に、高圧制御
偏差Err(HP)を記憶する(ステップS4)。この値はErr
(HP)'として次回の制御サイクルに活かされる。次に、
高圧制御偏差Err(HP)と前回の制御サイクルで記憶した
高圧制御偏差Err(HP)'との差をとって高圧制御偏差の変
化量ΔErr(HP)を算出する(ステップS5)。次に、高
圧値制御偏差Err(HP)および高圧制御偏差の変化量ΔErr
(HP)に基づいて弁開度調整量ΔX1を算出する(ステッ
プS6)。
ル内の冷媒の低圧値LPを、室内温度センサ11によって
現状の車内温度Tcabをそれぞれ検出する。同時に、温度
設定部12によって目標とすべき車内の設定温度SP(Tca
b)を、風量設定部13によって車内に供給すべき風量Yb
lwをそれぞれ検出する(ステップS7)。次に、現状の
車内温度Tcab、設定温度SP(Tcab)および風量Yblwに基づ
いて低圧目標値SP(LP)を算出する(ステップS8)。次
に、低圧目標値SP(LP)と低圧値LPとの差をとって低圧制
御偏差Err(LP)を算出する(ステップS9)。次に、低
圧制御偏差Err(LP)を記憶する(ステップS10)。こ
の値はErr(LP)'として次回の制御サイクルに活かされ
る。次に、低圧制御偏差Err(LP)と前回の制御サイクル
で記憶した低圧制御偏差Err(LP)'との差をとって低圧制
御偏差の変化量ΔErr(LP)を算出する(ステップS1
1)。次に、低圧制御偏差Err(LP)および低圧制御偏差
の変化量ΔErr(LP)に基づいて弁開度調整量ΔX2を算出
する(ステップS12)。
て弁開度調整量ΔXを算出する(ステップS13)。次
に、現状の弁開度Xに弁開度調整量ΔXを加えて最終的
な弁開度X'を算出する(ステップS14)。次に、弁
開度X'を膨張弁3に出力する(ステップS15)。そ
の後、運転停止命令が下っていなければステップS1に
戻って上記処理を繰り返し、運転停止命令が下っていれ
ば処理を終了する(ステップS16)。
冷凍サイクル内の冷媒の高圧値および低圧値を適度な大
きさに保って冷却能力を高めることができる。
を図3ないし図5に示して説明する。なお、上記第1の
実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を
付して説明は省略する。本実施形態においては、図3に
示すように、ガスクーラ2とエバポレータ4との間にレ
シーバ5の上流側と下流側とに2つに分けて膨張弁(第
1、第2の膨張弁)14,15が設置されている。これ
ら2つの膨張弁14,15についても制御部CUによっ
て制御される。
いては、算出された2つの弁開度ΔX1,ΔX2を膨張弁
14,15の個々の弁開度に反映させて冷媒流量を調節
する。
理を実行する。なお、ステップS1からステップS6ま
での処理は第1の実施形態と同じなので説明は省略す
る。弁開度ΔX1が算出されたら、これを膨張弁14の
現状の弁開度XAに加えて最終的な弁開度XA'を算出す
る(ステップS17)。次に、弁開度XA'を膨張弁14
に出力する(ステップS18)。続く処理も第1の実施
形態におけるステップS8からステップS12と同じな
ので説明は省略する。
弁15の現状の弁開度XBに加えて最終的な弁開度XB'
を算出する(ステップS19)。次に、弁開度XB'を膨
張弁15に出力する(ステップS20)。以後の処理も
第1の実施形態のステップS13以降と同じなので説明
は省略する。
も、冷凍サイクル内の冷媒の高圧値および低圧値を適度
な大きさに保って冷却能力を高めることができる。
張弁14を冷媒の高圧値をもとに制御し、下流側の膨張
弁15を低圧値をもとに制御したが、これは逆であって
も構わない。また、2つの膨張弁14,15を、レシー
バ5を挟んで直列に設置したが、図5に示すように並列
に設置しても構わない。
態を図6および図7に示して説明する。なお、上記第1
の実施形態において既に説明した構成要素には同一符号
を付して説明は省略する。本実施形態においては、図6
に示すように、エバポレータ4の冷媒出口にあたる部分
に、冷媒温度を検出する温度センサ16が設置されてい
る。温度センサ16も制御部CUに接続されており、制
御部CUに向けて検出値を出力する。
いては、高圧センサ8および冷媒温度センサ9の検出値
(HP,Tgo)に基づいて、ガスクーラ2内の圧力を最適
な大きさに保つために膨張弁3に与えられるべき弁開度
調整量ΔX1を算出し、低圧センサ10および冷媒温度
センサ16の検出値(LP,Tevao)に基づいて、エバポ
レータ4内の圧力を最適な大きさに保つために膨張弁3
に与えられるべき弁開度調整量ΔX2を算出し、2つの
弁開度ΔX1,ΔX2に基づいて膨張弁3に与えるべき最
終的な弁開度調整量ΔXを算出し、この弁開度調整量Δ
Xを現状の弁開度Xに反映させて膨張弁3を通過する冷
媒流量を調節する。
理を実行する。なお、ステップS1からステップS6ま
での処理は第1の実施形態と同じなので説明は省略す
る。ステップS6に続いて、低圧センサ10によって冷
凍サイクル内の冷媒の低圧値LPを、冷媒温度センサ16
によってエバポレータ4出口付近の冷媒温度Tevaoをそ
れぞれ検出する(ステップS21)。次に、冷媒の低圧
値LPに基づいて飽和温度Tsat(LP)を算出する(ステップ
S22)。次に、冷媒温度Tevaoと飽和温度Tsat(LP)と
の差をとってエバポレータ4出口付近の冷媒の過熱度SH
evaoを算出する(ステップS23)。次に、過熱度目標
値SP(SH)と過熱度SHevaoとの差をとって過熱度制御偏差
Err(SH)を算出する(ステップS24)。なお、過熱度
目標値SP(SH)は固定(例えば5℃)とする。次に、過熱
度制御偏差Err(SH)を記憶する(ステップS25)。こ
の値はErr(SH)'として次回の制御サイクルに活かされ
る。次に、過熱度制御偏差Err(SH)と前回の制御サイク
ルで記憶した過熱度制御偏差Err(SH)'との差をとって過
熱度制御偏差の変化量ΔErr(SH)を算出する(ステップ
S26)。次に、過熱度制御偏差Err(SH)および過熱度
制御偏差の変化量ΔErr(SH)に基づいて弁開度調整量Δ
X2を算出する(ステップS27)。以後の処理も第1
の実施形態のステップS13以降と同じなので説明は省
略する。
冷凍サイクル内の冷媒の高圧値およびエバポレータ4出
口での過熱度を適度な大きさに保って冷却能力を高める
ことができる。
態を図8に示して説明する。なお、上記の各実施形態に
おいて既に説明した構成要素には同一符号を付して説明
は省略する。本実施形態においては、図8に示すよう
に、温度センサ17が、圧縮機1の吸入口にあたる部分
に設置されている。その他の構成は第2の実施形態と同
じである。
いては、高圧センサ8および冷媒温度センサ9の検出値
(HP,Tgo)に基づいて、ガスクーラ2内の圧力を最適
な大きさに保つために膨張弁3に与えられるべき弁開度
調整量ΔX1を算出し、低圧センサ10および冷媒温度
センサ17の検出値(LP,Tcmpi)に基づいて、エバポ
レータ4内の圧力を最適な大きさに保つために膨張弁3
に与えられるべき弁開度調整量ΔX2を算出し、2つの
弁開度ΔX1,ΔX2に基づいて膨張弁3に与えるべき最
終的な弁開度調整量ΔXを算出し、この弁開度調整量Δ
Xを現状の弁開度Xに反映させて膨張弁3を通過する冷
媒流量を調節する。
本的に第2の実施形態と同じであり、圧縮機吸入側の冷
媒温度をもとに過熱度を算出する点のみが異なるだけで
ある(処理フローは省略)。
冷凍サイクル内の冷媒の高圧値および圧縮機1吸入側で
の過熱度を適度な大きさに保って冷却能力を高めること
ができる。
調和装置によれば、圧縮機と凝縮器との間の冷媒圧力
と、凝縮器と膨張弁との間の冷媒温度とに基づいて膨張
弁に与えるべき第1の弁開度を算出し、現在の室内温度
と、目標とする室内の設定温度とに基づいて膨張弁に与
えるべき第2の弁開度を算出し、第1、第2の弁開度に
基づいて膨張弁に与えるべき最終的な弁開度を算出し、
これに従って膨張弁を調節することにより、冷凍サイク
ル内の冷媒の高圧値および低圧値を適度な大きさに保っ
て冷却能力を高めることができる。
機と凝縮器との間の冷媒圧力と、凝縮器と膨張弁との間
の冷媒温度とに基づいて膨張弁に与えるべき第1の弁開
度を算出し、蒸発器と圧縮機との間の冷媒圧力および冷
媒温度に基づいて膨張弁に与えるべき第2の弁開度を算
出し、第1、第2の弁開度に基づいて膨張弁に与えるべ
き最終的な弁開度を算出し、これに従って膨張弁を調節
することにより、冷凍サイクル内の冷媒の高圧値および
蒸発器と圧宿器との間の冷媒の過熱度を適度な大きさに
保って冷却能力を高めることができる。
を示す概略構成図である。
弁の制御の仕方を示す流れ図である。
を示す概略構成図である。
弁の制御の仕方を示す流れ図である。
ある。
を示す概略構成図である。
弁の制御の仕方を示す流れ図である。
ある。
調和装置によって実現される冷凍サイクルのモリエル線
図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によ
り圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器
において凝縮した前記冷媒を膨張させて減圧する膨張弁
と、該膨張弁により減圧された前記冷媒を蒸発させる蒸
発器とを備え、前記冷媒として二酸化炭素を使用して冷
凍サイクルを構成する空気調和装置であって、 前記圧縮機と前記凝縮器との間の冷媒圧力と、前記凝縮
器と前記膨張弁との間の冷媒温度とに基づいて前記膨張
弁に与えるべき第1の弁開度を算出し、 現在の室内温度と、目標とする室内の設定温度とに基づ
いて前記膨張弁に与えるべき第2の弁開度を算出し、 前記第1の弁開度と前記第2の弁開度とに基づいて前記
膨張弁に与えるべき最終的な弁開度を算出し、該弁開度
に従って前記膨張弁を調節することを特徴とする空気調
和装置。 - 【請求項2】 前記膨張弁を2つの膨張弁で構成し、こ
れら第1、第2の膨張弁を前記冷凍サイクル内に並列に
配置し、いずれか一方を前記第1の弁開度に従って調節
するとともに他方を前記第2の弁開度に従って調節する
ことを特徴とする請求項1記載の空気調和装置。 - 【請求項3】 前記膨張弁を2つの膨張弁で構成し、こ
れら第1、第2の膨張弁を前記冷凍サイクル内に直列に
配置し、いずれか一方を前記第1の弁開度に従って調節
するとともに他方を前記第2の弁開度に従って調節する
ことを特徴とする請求項1記載の空気調和装置。 - 【請求項4】 冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によ
り圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器
において凝縮した前記冷媒を膨張させて減圧する膨張弁
と、該膨張弁により減圧された前記冷媒を蒸発させる蒸
発器とを備え、前記冷媒として二酸化炭素を使用して冷
凍サイクルを構成する空気調和装置であって、 前記圧縮機と前記凝縮器との間の冷媒圧力と、前記凝縮
器と前記膨張弁との間の冷媒温度とに基づいて前記膨張
弁に与えるべき第1の弁開度を算出し、 前記蒸発器と前記圧縮機との間の冷媒圧力および冷媒温
度に基づいて前記膨張弁に与えるべき第2の弁開度を算
出し、 前記第1の弁開度と前記第2の弁開度とに基づいて前記
膨張弁に与えるべき最終的な弁開度を算出し、該弁開度
に従って前記膨張弁を調節することを特徴とする空気調
和装置。 - 【請求項5】 前記膨張弁を2つの膨張弁で構成し、こ
れら第1、第2の膨張弁を前記冷凍サイクル内に並列に
配置し、いずれか一方を前記第1の弁開度に従って調節
するとともに他方を前記第2の弁開度に従って調節する
ことを特徴とする請求項4記載の空気調和装置。 - 【請求項6】 前記膨張弁を2つの膨張弁で構成し、こ
れら第1、第2の膨張弁を前記冷凍サイクル内に直列に
配置し、いずれか一方を前記第1の弁開度に従って調節
するとともに他方を前記第2の弁開度に従って調節する
ことを特徴とする請求項4記載の空気調和装置。
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- 2000-11-17 JP JP2000351029A patent/JP4616461B2/ja not_active Expired - Fee Related
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