JP2002213828A - 蒸気圧縮式冷凍サイクルの制御方法 - Google Patents

蒸気圧縮式冷凍サイクルの制御方法

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JP2002213828A
JP2002213828A JP2001006913A JP2001006913A JP2002213828A JP 2002213828 A JP2002213828 A JP 2002213828A JP 2001006913 A JP2001006913 A JP 2001006913A JP 2001006913 A JP2001006913 A JP 2001006913A JP 2002213828 A JP2002213828 A JP 2002213828A
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Hisatoshi Hirota
久寿 広田
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TGK Co Ltd
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    • F25B2309/061Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide with cycle highest pressure above the supercritical pressure
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超臨界域で作動する冷媒を用いた蒸気圧縮式
冷凍サイクルにおいて、圧縮機の出口側が異常高圧にな
らないようにすることを目的とする。 【解決手段】 圧縮容量を可変にすることができる容量
可変圧縮機10と、この容量可変圧縮機10の吐出圧力
Pdとクランク室圧力Pcとの差圧の設定値をソレノイ
ド電流で可変することにより圧縮容量の可変を開始する
圧力の制御を行う容量制御弁20とを備えた蒸気圧縮式
冷凍サイクルにおいて、容量可変圧縮機10の吐出圧力
Pdを圧力センサ40が検知し、その吐出圧力Pdが通
常運転時の圧力よりも高い所定の圧力に近くなると、容
量制御弁20の差圧の設定値を小さくして、圧縮容量を
低下させ、吐出圧力Pdがその所定の圧力以上にならな
いよう制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は蒸気圧縮式冷凍サイ
クルの制御方法に関し、特に自動車用空調装置などにお
いて超臨界域で作動する冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍サ
イクルの制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、自動車用などの空調装置の冷
凍サイクルには、冷媒としてフロンが使用されてきた
が、フロンはオゾン層破壊の原因となることから、フロ
ンに代わる冷媒を用いた冷凍サイクルが開発されてい
る。そこで、近年、冷媒として二酸化炭素を使った超臨
界冷凍サイクルが提案されている。
【0003】この冷媒として二酸化炭素を使った超臨界
冷凍サイクルの作動は、原理的には、フロンを使用した
従来の冷凍サイクルの作動と同じである。図2は超臨界
冷凍サイクルの作動を説明する説明図である。
【0004】この説明図は、二酸化炭素のモリエル線図
を示したもので、縦軸は冷媒の圧力、横軸はエンタルピ
を表している。ここで、冷凍サイクルは、モリエル線図
のa−b−c−d−aで示される線に沿って作動する。
すなわち、圧縮機が蒸発器で蒸発した気相状態の冷媒を
圧縮し(a→b)、圧縮することで高温高圧となった気
相状態の冷媒をガスクーラにて冷却し(b→c)、冷却
された冷媒を膨張装置により減圧し(c→d)、減圧す
ることにより気液二相状態となった冷媒を蒸発器にて蒸
発する(d→a)。この冷媒が蒸発するときに、車室内
の空気から蒸発潜熱を奪って車室内の空気を冷却する。
なお、二酸化炭素の場合は、ガスクーラによる冷却の際
に、圧力が飽和液線SLと交差しないため、ガスクーラ
出口では冷媒は凝縮せずに気相のままであり、膨張装置
による減圧の際に、圧力が飽和液線SLを下回るときか
ら、気相状態から気液二相状態に相変化する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、冷媒を
二酸化炭素とする超臨界冷凍サイクルでは、ガスクーラ
にて冷媒が凝縮しないことから、圧縮機の出口圧力が高
くなり易く、特に、運転初期においては、圧縮機の出口
圧力が異常に高くなる場合があり、圧縮機や高圧ライン
にある機器などが破壊してしまうという問題点があっ
た。
【0006】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、圧縮機の出口側が異常高圧にならないように
した蒸気圧縮式冷凍サイクルの制御方法を提供すること
を目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明では上記問題を解
決するために、外部の電気信号により圧縮容量を小さく
し始める設定値を変えることのできる容量可変圧縮機を
備え、超臨界域で作動する冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍
サイクルの制御方法において、前記容量可変圧縮機の出
口圧力が通常運転時の圧力よりも高い所定の圧力に近く
なると、前記容量可変圧縮機の圧縮容量を低下させる方
向に前記設定値を変更して、前記出口圧力が異常に高く
なることを防止することを特徴とする蒸気圧縮式冷凍サ
イクルの制御方法が提供される。
【0008】このような蒸気圧縮式冷凍サイクルの制御
方法によれば、運転中に容量可変圧縮機の出口圧力が異
常上昇したとしても、所定の圧力よりも高くなることは
ないので、容量可変圧縮機およびその下流側の高圧側が
異常高圧によって壊れる危険が回避される。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、自
動車用空調装置の蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧縮容量制
御装置に適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明
する。
【0010】図1は蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧縮容量
制御装置の全体構成を示す縦断面図である。自動車用空
調装置の蒸気圧縮式冷凍サイクルに用いられる圧縮機
は、その駆動源にエンジンの出力を用いているため、回
転数制御を行うことができない。そのため、エンジンの
回転数に制約されることなく適切な冷房能力を得るよう
にするのに、圧縮容量(冷媒吐出量)を変えることがで
きる容量可変圧縮機10とそれを制御する容量制御弁2
0とが用いられている。この構成は、本願出願人による
特願平11−314573号にて提案した、圧縮機の吸
入圧力またはクランク室圧力と吐出圧力との差圧を制御
して冷媒吐出量を制御する、圧縮容量制御装置を基本と
し、冷凍サイクルで使われる冷媒は、二酸化炭素であ
る。
【0011】容量可変圧縮機10は、模式的に示してあ
り、その中央には、回転軸11が気密に構成されたクラ
ンク室12(調圧室)から図示しない軸封装置を介して
外部に出るよう設けられている。回転軸11の外側端部
には、エンジンの動力が伝達される駆動プーリ13が設
けられている。クランク室12内の回転軸11には、揺
動板14が傾斜状態で設けられており、回転軸11の回
転に応動して揺動するよう構成されている。
【0012】クランク室12内の周辺部には、複数のシ
リンダ15が周設されている。それらのシリンダ15内
には、それぞれピストン17が往復動自在に配置されて
おり、ロッド18によってピストン17と揺動板14と
が連結されている。
【0013】したがって、回転軸11の回転に応動して
揺動板14が揺動すると、ピストン17がシリンダ15
内で往復動して吸入室1からシリンダ15内に低圧(吸
入圧力Ps)の冷媒が吸入され、その冷媒がシリンダ1
5内で圧縮されて、高圧(吐出圧力Pd)になった冷媒
が吐出室2に吐出される。
【0014】吸入室1には、その上流側の蒸発器(図示
せず)側から冷媒が送り込まれる吸入管路3が接続さ
れ、吐出室2には、これからその下流側のガスクーラ
(図示せず)側へ高圧冷媒を送り出す吐出管路4が接続
される。なお、図示はしないが、複数のシリンダ15の
吸入室1同士および吐出室2同士は相互に連通されて、
それぞれ吸入管路3および吐出管路4に接続されてい
る。
【0015】揺動板14の傾斜角度はクランク室12の
圧力(クランク室圧力Pc)とピストン17が吸入圧縮
を行う部屋の圧力の平均値との差圧によって変化し、揺
動板14の傾斜角度によってピストン17のストローク
が変わり、シリンダ15からの冷媒の吐出量、すなわ
ち、圧縮容量が変化する。
【0016】容量制御弁20は、クランク室圧力Pcを
電磁ソレノイドにより制御して圧縮容量制御を行う電磁
制御弁であって、電磁コイル21と、固定鉄芯22と、
可動鉄芯23と、固定鉄芯22内を軸線方向に進退自在
に挿入配置されたロッド24と、このロッド24の先端
に固定された弁体25と、この弁体25を着座させる弁
座26と、可動鉄芯23および弁体25をこれらの両端
側から付勢する圧縮コイルスプリング27,28とを備
えている。
【0017】弁座26は、クランク室12に連通するク
ランク室連通路5と吐出室2に連通する吐出室連通路6
との間に形成されており、弁体25がクランク室連通路
5側から弁座26に対向して配置されている。なお、ク
ランク室連通路5と吸入管路3との間は、細いリーク路
7を介して連通している。
【0018】このような構成により、弁体25には、吐
出圧力Pdとクランク室圧力Pcとの差圧Pd−Pcと
圧縮コイルスプリング28の付勢力とが開き方向に作用
し、閉じ方向には、容量制御弁20の電磁力と圧縮コイ
ルスプリング27の付勢力とが作用する。
【0019】したがって、電磁コイル21への通電電流
値によって決まる容量制御弁20の設定値が一定の場
合、すなわち、容量制御弁20の電磁力が一定の状態で
は、吐出圧力Pdとクランク室圧力Pcとの差圧Pd−
Pcの変動に伴って弁体25が開閉されて、差圧Pd−
Pcが一定に維持され、それによって、クランク室圧力
Pcが吐出圧力Pdに対応する値に制御される。
【0020】ここで、電磁コイル21への通電電流値を
変化させて容量制御弁20の設定値を変更すると、容量
制御弁20の電磁力が変わり、それに対応して一定に保
たれる差圧Pd−Pcが変化し、それによって、容量可
変圧縮機10の能力が変化する。
【0021】すなわち、容量制御弁20の設定値を小さ
くすると、電磁力が小さくなり、一定に保たれる差圧P
d−Pcも小さくなるため、容量可変圧縮機10の能力
が低下し、吐出量が小さくなって、吐出圧力Pdが小さ
くなる。
【0022】逆に、容量制御弁20の設定値を大きくす
ると、電磁力が大きくなり、一定に保たれる差圧Pd−
Pcも大きくなるので、容量可変圧縮機10の能力が上
がり、吐出量が大きくなって、吐出圧力Pdが大きくな
る。
【0023】このようにして、容量可変圧縮機10が吐
出圧力Pdとクランク室圧力Pcとの差圧Pd−Pcが
一定となるよう制御されているときに、容量制御弁20
の差圧の設定値を小さく設定すると、容量制御弁20
は、容量可変圧縮機10の能力を低下させ、吐出量を小
さくして、容量可変圧縮機10の吐出圧力Pdを低下さ
せる方向に制御を行う。また、起動時には、差圧Pd−
Pcはゼロであるため、容量可変圧縮機10は、100
%の能力で冷媒を圧縮していき、吐出圧力Pdとクラン
ク室圧力Pcとの差圧が容量制御弁20の設定値である
所定の差圧Pd−Pcに達すると、容量制御弁20が開
き始めることによって、圧縮容量は小さくなる方向に制
御されることになる。ここで、容量制御弁20は、差圧
を、たとえば3MPa〜10MPa程度まで設定できる
ようにしてある。
【0024】この容量制御弁20の差圧の設定値をいく
つに設定するかは、制御部30から供給される電気信
号、すなわち電磁コイル21への通電電流値の制御によ
り行われる。制御部30は、エンジン、車室内外の温
度、蒸発器センサ、その他各種条件を検知する複数のセ
ンサからの検知信号を入力して演算し、その演算結果に
基づいて電磁コイル21に供給される電流値が決定され
る。
【0025】この制御部30には、さらに、容量可変圧
縮機10の吐出圧力Pdを検出する圧力センサ40が接
続される。制御部30は、容量可変圧縮機10の吐出圧
力Pdを監視し、吐出圧力Pdが通常運転時のたとえば
12MPaよりも高い所定の圧力、たとえば15MPa
に近くなると、容量制御弁20の設定値を小さくする方
向に制御する。これにより、電磁コイル21の電磁力が
小さくなるため、弁体25が弁座26から離間する方向
に動作する。すると、差圧Pd−Pcが小さくなるの
で、クランク室圧力Pcが上昇し、揺動板14が回転軸
11の軸に対して垂直な面に近づいて揺動角が小さくな
ることにより、ピストン17のストロークが短くなり、
吐出量が減少して、吐出圧力Pdが低下する。
【0026】このような制御を行うことにより、空調装
置の運転中に、容量可変圧縮機10の吐出圧力Pdが1
5MPaに近づいた場合には、容量制御弁20の設定値
が小さくなるよう制御するため、容量可変圧縮機10の
吐出圧力Pdが15MPaを超えることはなくなり、容
量可変圧縮機10の吐出圧力Pdが異常上昇することで
容量可変圧縮機10および高圧側の機器が壊れてしまう
ことはない。
【0027】また、運転初期においては、容量制御弁2
0の設定値をその下限である3MPa程度に設定してお
くことにより、急激に上昇する容量可変圧縮機10の吐
出圧力Pdが15MPaを超えることはなくなる。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、圧縮
機の出口側の圧力を検出し、その圧力が通常運転時の圧
力よりも高い所定値に近づいた場合には、圧縮容量を小
さくし始める設定値、すなわち圧縮機を制御する制御弁
の設定差圧を下げるようにして、圧縮機の出口側が異常
高圧にならないよう制御する構成にした。これにより、
圧縮機の出口側の圧力が通常運転時のたとえば12MP
aよりも高い所定値、たとえば15MPaを越えてしま
うことがないため、高圧側機器の安全性を高めることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧縮容量制御装置の
全体構成を示す縦断面図である。
【図2】超臨界冷凍サイクルの作動を説明する説明図で
ある。
【符号の説明】
1 吸入室 2 吐出室 3 吸入管路 4 吐出管路 5 クランク室連通路 6 吐出室連通路 7 リーク路 10 容量可変圧縮機 11 回転軸 12 クランク室 13 駆動プーリ 14 揺動板 15 シリンダ 17 ピストン 18 ロッド 20 容量制御弁 21 電磁コイル 22 固定鉄芯 23 可動鉄芯 24 ロッド 25 弁体 26 弁座 27,28 圧縮コイルスプリング 30 制御部 40 圧力センサ Pc クランク室圧力 Pd 吐出圧力 Ps 吸入圧力

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外部の電気信号により圧縮容量を小さく
    し始める設定値を変えることのできる容量可変圧縮機を
    備え、超臨界域で作動する冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍
    サイクルの制御方法において、 前記容量可変圧縮機の出口圧力が通常運転時の圧力より
    も高い所定の圧力に近くなると、前記容量可変圧縮機の
    圧縮容量を低下させる方向に前記設定値を変更して、前
    記出口圧力が異常に高くなることを防止することを特徴
    とする蒸気圧縮式冷凍サイクルの制御方法。
  2. 【請求項2】 前記設定値は、前記容量可変圧縮機の出
    口圧力とクランク室内の圧力との差圧を制御して前記圧
    縮容量を制御する電磁ソレノイド式の容量制御弁の設定
    値であることを特徴とする請求項1記載の蒸気圧縮式冷
    凍サイクルの制御方法。
  3. 【請求項3】 前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの運転開始
    時に、前記設定値をその設定可能範囲の下限値に設定す
    ることを特徴とする請求項1記載の蒸気圧縮式冷凍サイ
    クルの制御方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102384617A (zh) * 2010-08-31 2012-03-21 三洋电机株式会社 容量控制型螺旋式冷冻装置的运转控制方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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