JP2002213847A - 冷媒充填量を監視する方法 - Google Patents

冷媒充填量を監視する方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 誤充填の確実な検知を僅かな支出で可能にす
る冷媒充填量監視方法を提供する。 【解決手段】 圧縮機と動作点に依存して超臨界範囲内
で作動する冷媒とを有する空調装置または熱ポンプ装置
の冷媒サイクル内の冷媒充填量を監視する方法であっ
て、圧縮機スイッチオフ時の停止充填量監視および／ま
たは圧縮機スイッチオン時の運転充填量監視を行う。運
転充填量監視のとき蒸発器での冷媒過熱（ｄＴｕ）が検
出され、過度に強い過熱のとき不足充填が推論される。
停止時には冷媒の圧力と温度が検出され、圧力（ｐKM）
が最低圧力値（ｐmin）以下のとき、または温度
（ＴKM）が最高飽和温度値（ＴS）以上であり、かつ圧
力が設定可能な目標圧力範囲（［ｐu、ｐo］）外である
とき、誤充填が推論される。例えば自動車の炭酸ガス空
調装置用として使用される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮機と動作点に
依存して超臨界範囲内で作動する冷媒とを有する空調装
置または熱ポンプ装置の冷媒サイクル内の冷媒充填量を
監視する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】動作点に依存して超臨界範囲内で作動す
る冷媒とは、可能な装置運転状態の少なくとも一部の間
超臨界範囲内にあり、こうしてその場合ガス冷却器とし
て機能する“凝縮器”から蒸発器に至る冷媒サイクルの
一部でも気体状態で存在する冷媒のことである。この方
法は、ますます自動車内で利用される炭酸ガス空調装置
内で炭酸ガス充填量を監視するのに特に適している。こ
の方法は停止充填量監視、すなわち圧縮機スイッチオフ
時の充填量監視および／または運転充填量監視、すなわ
ち圧縮機スイッチオン時の充填量監視を含む。
【０００３】米国特許公報４．７４５．７６５に述べら
れている運転充填量監視では、蒸発器出口での過熱冷媒
の測定された温度と周囲温度とに基づいて不足充填の可
能性が推論される。
【０００４】米国特許公報５．４８１．８８４に述べら
れている方法は停止充填量監視も運転充填量監視も含
む。このため、そこで検討された空調装置または熱ポン
プ装置の停止時、圧縮機吸込側の冷媒圧力と周囲温度が
測定される。測定された周囲温度について付属の飽和圧
力が算出されて基準圧力として利用され、測定された冷
媒圧力がこの基準圧力と比較される。測定された圧力が
基準圧力に比べて低すぎる場合、不足充填が推論され
る。継続的装置運転時、圧縮機吸込側で冷媒の温度と圧
力が測定される。測定された圧力について付属の飽和温
度が算出されて基準温度として利用され、測定された冷
媒温度がこの基準温度と比較される。測定された温度が
基準温度より過度に上であると、不足充填が推論され
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】空調装置または熱ポン
プ装置の冷媒サイクル内で動作点に依存して超臨界範囲
内で作動する冷媒の誤充填、すなわち不足充填および／
または過剰充填、の確実な検知を比較的僅かな支出で可
能とする、発明の属する技術分野に指摘した種類の冷媒
充填量を監視するための新規な方法を提供することが技
術的課題として本発明の根底にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明はこの課題を、請
求項１または３の特徴を有する冷媒充填量監視方法を提
供することによって解決する。
【０００７】請求項１の方法は特に装置停止時の充填量
監視を含み、冷媒の圧力と温度が検出される。一方で、
検出された冷媒圧力が好適に設定することのできる最低
圧力値以下であると、誤充填が推論される。その場合不
足充填、すなわち過度に少ない充填量が存在する。測定
された冷媒温度が設定可能な最高飽和温度値より上で、
かつ測定された冷媒圧力が設定可能な目標圧力範囲外で
あるときにも、誤充填は推論される。目標圧力範囲を下
まわるか上まわるかのいずれが検知されるのかに応じ
て、不足充填または過剰充填、すなわち過度に少ない充
填量または過度に高い充填量が推論される。その際、冷
媒温度が最高飽和温度よりも上のとき圧力は温度一定時
充填量の低下に伴って減少し、もしくは充填量の増加に
伴って増加するとの事実が利用される。
【０００８】この停止充填量監視の１構成において請求
項２によれば、温度に依存して設定可能な上側圧力限界
値および／または温度に依存して設定可能な下側圧力限
界値を利用して目標圧力範囲が確定される。これは、充
填量一定のとき温度上昇に伴って圧力が増加する事実を
考慮したものである。
【０００９】請求項３に記載された方法は特に継続的装
置運転時の充填量監視を含み、詳細には、蒸発器での冷
媒過熱が算出され、すなわち蒸発器を経由する冷媒の温
度上昇が算出され、過熱が設定可能な最大値を上まわる
とき、不足充填が推論される。
【００１０】この運転充填量監視の１構成において請求
項４によれば、蒸発器入口と蒸発器出口とで冷媒温度の
測定と差形成とによって直接に、または蒸発器入口側冷
媒温度と蒸発器によって冷却される例えば空気流等の媒
体の蒸発器出口側温度とを利用して間接的に、冷媒過熱
は算出される。後者は蒸発器出口側冷媒温度の直接的測
定に比べて計測学上の簡素化をもたらすことができる。
【００１１】本発明の有利な実施形態が図面に示してあ
る。以下にそれを説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１が空調装置構成要素を概略示
しており、この空調装置は炭酸ガスを冷媒として作動
し、例えば自動車内に配備することができる。空調装置
が含む冷媒サイクルが圧縮機１を備えており、圧縮機の
後段に高圧側でガス冷却器２が設けられている。ガス冷
却器の後段に膨張部材３が設けられており、これに蒸発
器４が続いている。冷媒、すなわち炭酸ガスは受液器５
を介して再び圧縮機１に達する。冷却されるべき空気流
７は蒸発器４を経由して例えば自動車の車室内に吹き込
まれる。ガス冷却器２はそこを経由する空気流１５によ
って冷やされる。
【００１３】従来の、それゆえにここで詳しくは示さな
い仕方で空調装置制御ユニット６が空調装置の運転を制
御する。付加的に制御装置は付属の検出手段と一緒に炭
酸ガス充填量の監視を行う。以下でその点に詳しく言及
する。
【００１４】このために設けられる検出手段は蒸発器４
の入口側の第１冷媒温度センサ１０と蒸発器４の空気出
口側の空気温度センサ１１とを含む。選択的に、図１に
破線で示唆したように、ガス冷却器２の出口側に配置さ
れる第２冷媒温度センサ８および／または例えば圧縮機
１とガス冷却器２との間に配置される冷媒圧力センサ９
を設けておくことができる。
【００１５】空気温度センサ１１の代わりに、図１に破
線で示唆したように、第３冷媒温度センサ１２を蒸発器
４の出口側に設けておくことができる。さらに、第２冷
媒温度センサ８の代わりに空気温度センサ１３をガス冷
却器２の空気入口側に設け、または周囲空気温度センサ
１４を設けておくことができ、そのことが図１にそれぞ
れ破線で示唆されている。このような空気温度センサ１
３、１４はしばしば別の目的のために元々設けられてい
るので、これは場合によっては、達成可能な精度が冷媒
温度推定に十分であるなら、ガス冷却器出口側の冷媒温
度センサ８を不要とすることができる。
【００１６】空調装置制御ユニット６は上記センサから
付属の測定信号を受信し、停止時および継続的装置運転
時に炭酸ガス充填量監視に適したように測定信号を評価
する。図２は付属の充填量監視方法を流れ図として概略
示す。
【００１７】図２からわかるように、本方法によれば、
装置が運転中かまたは停止中か、すなわち圧縮機１がス
イッチオンかまたはスイッチオフかが、制御ユニット６
によってまず確認される（ステップ２０）。装置が運転
中のとき、制御ユニット６は付属の温度センサ１０、１
１を介して蒸発器入口側の冷媒温度ＴKVEと、蒸発器４
の空気出口側で蒸発器４を経由する空気流７の温度Ｔ
LVEを検出する（ステップ２１）。それらから制御ユニ
ット６は蒸発器４での過熱ｄＴｕを式 ｄＴｕ＝ＴKVA−ＴKVE＝Ｆ・（ＴLVA−ＴKVE） に基づいて算出し、ここにＴKVAは蒸発器出口側の冷媒
温度、Ｆは比例ゲインを表す（ステップ２２）。選択的
冷媒温度センサ１２がそこに設けられている場合、蒸発
器出口側の冷媒温度ＴKVAはこのセンサで直接測定する
ことができ、次に蒸発器４での過熱ｄＴｕを算定するた
めにその定義式ｄＴｕ＝ＴKVA−ＴKVEを直接に利用する
ことができる。選択的に、蒸発器４での過熱ｄＴｕが蒸
発器４の空気出口温度ＴLVEと冷媒入口温度ＴKVEとの差
に比例している事実を利用することができ、比例ゲイン
Ｆは蒸発器４を経由する空気量に依存し、従って図示し
ない付属する送風機の調整された性能に依存している。
というのも、空気量は蒸発器４の空気側熱伝達に影響す
るからである。
【００１８】蒸発器４での過熱ｄＴｕが一方または他方
の仕方で算定されたのち、制御ユニット６は、算出され
た瞬時過熱ｄＴｕが例えば５Ｋの設定限界値ｄＴｕGよ
りも上であるかどうかを確認する（ステップ２３）。限
界値よりも上である場合、不足充填が推論され、すなわ
ち冷媒サイクル内の冷媒充填量が過度に少ないと推論さ
れ、制御ユニット６は相応する不足充填情報を出力する
（ステップ２４）。
【００１９】装置が停止中であるとき制御ユニット６
は、例えば蒸発器の冷媒温度センサ１０または１２を介
して冷媒温度ＴKMを検出し、また圧力センサ９を介して
直接に、または例えば温度検出を介して間接的に、冷媒
サイクル中の冷媒圧力ｐKMを検出する（ステップ２
５）。冷媒温度を直接検出する代わりに、装置のセンサ
装備に応じて、周囲空気温度センサ１４を介して測定さ
れる周囲空気温度、および／またはガス冷却器２の空気
入口側で付属の空気温度センサ１３によって測定される
ガス冷却器２を経由する空気流１５の温度、に基づいて
冷媒温度の間接的算定を予定しておくことができる。セ
ンサ１４もしくはセンサ１５によって測定される空気温
度は装置の停止時、特に装置の長期停止後、または装置
のスイッチオフ以降に経過した時間を考慮して、冷媒温
度の十分に正確な推定を可能とすることができる。
【００２０】次に制御ユニット６は、検出された冷媒圧
力ｐKMが例えば１５ｂａｒの設定可能な最低圧力ｐmin
よりも大きいかどうかを確認する（ステップ２６）。大
きくない場合、これはやはり冷媒サイクルの不足充填と
評価され、制御ユニット６が不足充填情報を出力する
（ステップ２４）。
【００２１】それに対して、測定された冷媒圧力ｐKMが
最低圧力ｐminよりも上であると、制御ユニット６は次
に、検出された冷媒温度ＴKMが設定された最高飽和温度
ＴSよりも上であるかどうかを確認する（ステップ２
７）。この最高飽和温度は冷媒サイクル中の冷媒の設定
された目標密度もしくは最適密度によって決定されてお
り、この密度は例えば約２５０ｋｇ／ｍ3であり、冷媒
サイクルの内部容積、例えば約２ｄｍ3と希望する炭酸
ガス目標量、例えば約５００ｇとから得られる。それと
同時に、設定可能な目標密度に属する最高飽和圧力ｐS
が確定している。
【００２２】図３にはこれらの事情が炭酸ガス圧力−エ
ンタルピー線図を基に示してある。参考として飽和蒸気
Ｌ１、飽和液Ｌ２の限界線と臨界温度Ｔkritの特性曲線
が示してある。この臨界温度は、それより上では炭酸ガ
スがなお気体状態でのみ存在しうる限界温度である。さ
らに、２５０ｋｇ／ｍ3の仮定された最適密度Ｄoptの密
度特性曲線が示してあり、これと飽和蒸気限界線Ｌ１と
の交点Ａはこの目標密度Ｄoptに属する最高飽和圧力ｐS
と付属する最高飽和温度ＴSとを表す。
【００２３】検出された冷媒温度ＴKMが設定された目標
密度Ｄoptに属する最高飽和温度ＴSよりも高くない場
合、炭酸ガスは２相共存領域の内部にある。この範囲内
では充填量の低下もしくは上昇に伴って蒸気含有量が増
加もしくは減少し、その際に冷媒の圧力と温度が一定に
留まるので、得られた圧力・温度測定データから充填量
を推論することはできず、これに関する断定は行われな
い。それに対して、検出された冷媒温度ＴKMが最高飽和
温度ＴSよりも上であると、すなわち炭酸ガスが２相共
存領域の外にあると、圧力は温度一定時に充填量の低下
に伴って、従って密度Ｄの減少に伴って、図３の線図か
ら明らかとなるように低下する。
【００２４】この性質は、測定された炭酸ガス圧力ｐKM
が下側限界値ｐuよりも小さいかどうかを制御ユニット
６が確認することによって、この特殊な系状態において
充填量監視に利用される。この下側限界値は設定された
最低密度Ｄminに依存し、従って特定最低充填量に一致
し、同時に実際の冷媒温度に依存しており、そのことが
図３でｐOもしくはＤminについて付属の破線特性曲線で
示してある（ステップ２８）。測定された冷媒圧力ｐKM
が設定された下側圧力限界値ｐuを下まわると、これを
制御ユニット６は不足充填と認識し、再び相応する不足
充填情報を発生する（ステップ２４）。
【００２５】測定された冷媒圧力ｐKMが、実際の冷媒温
度ＴKMに属する下側圧力限界値ｐu（ＴKM）より上であ
ると、制御ユニット６はさらに、それが設定可能な上側
圧力限界値ｐOよりも上であるかどうかを確認し、この
上側圧力限界値は設定可能な最高密度Ｄmaxに一致し
（図３の付属の破線特性曲線参照）、従ってやはり実際
の冷媒温度ＴKMに依存している（ステップ２９）。それ
よりも上である場合、過剰充填、すなわち充填量が過度
に高いと推論され、制御ユニット６は相応する過剰充填
情報を発生する（ステップ３０）。それに対して、上側
圧力限界値よりも上ではない場合、冷媒圧力ｐKMは、例
えば１５０ｋｇ／ｍ3の設定可能な最低密度Ｄminに相当
する下側圧力限界値ｐuと例えば３５０ｋｇ／ｍ3の最高
密度Ｄmaxに相当する上側圧力限界値ｐOとの間の許容可
能範囲内にある。
【００２６】有利な実施形態についての上記説明から明
らかとなるように、本発明による方法は、空調装置また
は熱ポンプ装置の冷媒サイクル内を循環し動作点に依存
して超臨界範囲内で作動する炭酸ガス等冷媒の確実な充
填量監視を装置の停止時にも運転中にも行う。不足充填
または過剰充填が検知されると、相応する警告情報が発
生される。これはさまざまな幅広い措置に利用すること
ができる。警告情報は例えばパイロットランプを介して
視覚的に表示することができる。さらに、運転信頼性に
とって危険な不足充填が継続運転中に確認されると、例
えば付属するカップリングを外して圧縮機を切ることに
よって、またはカップリングなしの圧縮機の場合には短
絡運転に切換えることによって、自動的系非活性化を行
うことができる。
【００２７】本発明による方法は、特に、自動車内で使
用されるようないわゆる“オリフィス管”付き低圧受液
器および／または高圧制御装置を備えた炭酸ガス空調装
置にも適している。応用事例に応じて、添付された請求
項で確定された本発明の範囲の内部で図示方法変種の変
更が可能である。例えば、他の方法変種において停止充
填量監視のみ、または運転充填量監視のみを実現してお
くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭酸ガス充填量監視に必要な手段を備えた炭酸
ガス空調装置の略ブロック図である。
【図２】図１の空調装置の充填時および継続運転時にお
ける炭酸ガス充填量監視の流れ図である。
【図３】図２の冷媒充填量監視方法を具体的に示す炭酸
ガス圧力−エンタルピュー線図を示す。
【符号の説明】
１ 圧縮機 ２ ガス冷却器 ３ 膨脹部 ４ 蒸発器 ５ 受液器 ６ 空調装置制御ユニット ７、１５ 空気流 ８ 第２冷媒温度センサ ９ 冷媒圧力センサ １０ 第１冷媒温度センサ １１、１３ 空気温度センサ １２ 第３冷媒温度センサ １４ 周囲空気温度センサ １５ 空気流、センサ
フロントページの続き (72)発明者 フォルカー キルシュナー ドイツ連邦共和国、 75417 ミューラッ カー、 ライズヴェーク ５ (72)発明者 マルティン コッシュ ドイツ連邦共和国、 71634 ルードヴィ ッヒスブルク、 ホイティングスハイマー ストラッセ 25 (72)発明者 ハンス・ヨアヒム クラウス ドイツ連邦共和国、 70567 ストットガ ルト、 バリンガーストラッセ 22 (72)発明者 ハーゲン ミッテルシュトラス ドイツ連邦共和国、 71149 ボンドルフ、 ハインブッヒェンストラッセ 13 (72)発明者 ハラルド ライザー ドイツ連邦共和国、 72336 バリンゲン、 マルティン・ハウグ・ストラッセ ９ (72)発明者 ミヒャエル ズィッケルマン ドイツ連邦共和国、 70435 ストットガ ルト、 ヴァイケルスハイマーストラッセ 23 (72)発明者 カール・ハインツ シュタッファ ドイツ連邦共和国、 70567 ストットガ ルト、 バリンガーストラッセ 79 (72)発明者 クリストフ ヴァルター ドイツ連邦共和国、 70376 ストットガ ルト、 イラーストラッセ 16

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧縮機と動作点に依存して超臨界範囲内
    で作動する冷媒とを有する空調装置または熱ポンプ装
    置、特に炭酸ガス空調装置、の冷媒サイクル内の冷媒充
    填量を監視する方法であって、−圧縮機スイッチオフ時
    の停止充填量監視および／または圧縮機スイッチオン時
    の運転充填量監視を行い、−停止充填量監視のとき冷媒
    の圧力（ｐKM）も温度（ＴKM）も検出され、検出された
    冷媒圧力が温度にかかわりなく設定可能な最低圧力値
    （ｐmin）以下のとき、または検出された冷媒温度が設
    定可能な最高飽和温度値（ＴS）以上であり、かつ検出
    された冷媒圧力が設定可能な目標圧力範囲（［ｐu、
    ｐo］）外であるとき、誤充填が推論されることを特徴
    とする方法。
  2. 【請求項２】 さらに、目標圧力範囲が下方では温度に
    依存して設定可能な下側圧力限界値（ｐu）によって限
    定され、および／または、上方では温度に依存して設定
    可能な上側圧力限界値（ｐo）によって限定されること
    を特徴とする、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 圧縮機と動作点に依存して超臨界範囲内
    で作動する冷媒とを有する空調装置または熱ポンプ装置
    の冷媒サイクル内の冷媒充填量を監視する、特に請求項
    １または２記載の方法であって、−圧縮機スイッチオフ
    時の停止充填量監視および／または圧縮機スイッチオン
    時の運転充填量監視を行い、−運転充填量監視のとき装
    置の蒸発器（４）での冷媒過熱（ｄＴｕ）が検出され、
    検出された過熱（ｄＴｕ）が設定可能な限界値（ｄＴｕ
    G）以上のとき、誤充填が推論されることを特徴とする
    方法。
  4. 【請求項４】 さらに、蒸発器出口側で測定された冷媒
    温度（ＴKVA）と蒸発器入口側で測定された冷媒温度
    （ＴKVE）との差に基づいて、または冷却を目的に蒸発
    器を経由する媒体の蒸発器出口側で測定された温度（Ｔ
    LVA）と蒸発器入口側で測定された冷媒温度（ＴKVE）と
    の間の差に基づいて、蒸発器（４）での冷媒過熱（ｄＴ
    ｕ）が検出されることを特徴とする、請求項３記載の方
    法。
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