JP2004053180A

JP2004053180A - 可変容量圧縮機を用いた空調装置

Info

Publication number: JP2004053180A
Application number: JP2002213287A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Ochiai; 落合　芳宏
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2004-02-19
Also published as: US20050034469A1; US7024875B2; AU2003242318A1; DE10392657T5; WO2004010059A1

Abstract

【課題】冷媒循環回路の冷媒循環量を、簡単な構成で効率を低下させることなく制御できるようにした空調装置を提供すること。
【解決手段】可変容量型圧縮機１１を含む冷媒循環回路に流れている冷媒の衝突力を検出して衝突力検出値を生成する流量センサ２１を設ける。衝突力検出値を参照して可変容量圧縮機の吐出容量を制御する。吐出冷媒をクランク室に導入する弁部に冷媒の衝突力と電磁力とを逆向きに作用させ、電磁力に対して衝突力が大きい場合に弁部を開き、衝突力が電磁力に近づくように吐出容量を制御するようにしてもよい。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変容量型圧縮機を含む冷媒循環回路を備えた空調装置に関し，特に、吐出容量の制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の空調装置においては、冷媒循環回路を流れる冷媒の循環量、即ち、冷媒循環量を検出して制御することが重要である。従来、可変容量型圧縮機を含む冷媒循環回路にニつの圧力監視点を設け、これらの圧力監視点間の差圧を検出し、この検出差圧を制御目標差圧と比較しつつ制御目標差圧に近づくように可変容量型圧縮機の吐出容量をフィードバック制御するようにした空調装置が提案されている（例えば特開２００１−１４０７６７公報参照）。
【０００３】
この提案は、二つの圧力監視点間の差圧と冷媒循環量との相関性に着目したものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
可変容量型圧縮機の吐出容量のフィードバック制御を安定して行うためには、二つの圧力監視点間の差圧を精度良く検出することが不可欠である。差圧の検出精度を向上させるため、図１に示すように冷媒循環回路１の二つの圧力監視点間２，３間の距離を長くすることや、図２に示すように冷媒循環回路１に絞り４を設けることが考えられる。
【０００５】
前者の場合には、圧力監視点２，３の圧力を差圧センサ５に導くための二つの導管部６，７のうちどちらか一方が長くなり、結果として空調装置が複雑になる。後者の場合には、絞り４による圧力損失により空調装置としての効率が低下する。
【０００６】
また、上述した差圧を可変容量型圧縮機の制御弁の電磁力と直接対抗させる力として用いる場合には、二つの圧力監視点のうち一方を可変容量型圧縮機に導く通路が必要となる。可変容量圧縮機内部に絞りを設置して、制御弁の電磁力と対抗させる力として用いる場合には、圧力損失の問題がある。どちらの方法も可変容量圧縮機内部に差圧通路を設ける必要があり可変容量圧縮機の設計が煩雑となるという欠点がある。
【０００７】
それ故に本発明の課題は、冷媒循環回路の冷媒循環量を、簡単な構成で効率を低下させることなく制御できるようにした空調装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、可変容量型圧縮機を含む冷媒循環回路を備えた空調装置であって、前記冷媒循環回路に流れている冷媒の衝突力を検出して衝突力検出値を生成する衝突力検出手段と、前記衝突力検出値を参照して前記可変容量圧縮機の吐出容量を制御する吐出容量制御手段とを備えたことを特徴とする空調装置が得られる。
【０００９】
冷房負荷の変動を外部情報として検知可能な外部情報検知手段を備え、前記吐出容量制御手段は、前記外部情報に基づき前記衝突力に関する制御目標値を定め、前記制御目標値に前記衝突力検出値が近づくように前記吐出容量をフィードバック制御するものでもよい。
【００１０】
前記衝突力検出手段は、冷媒が衝突する可動板と、前記可動板を弾力的に支持した弾性部材と、前記可動板の変位を検出する変位センサとを含むものでもよい。
【００１１】
前記衝突力検出手段は、冷媒が衝突する可歪板と、前記可歪板の歪を検出する歪センサとを含むものでもよい。
【００１２】
前記外部情報検知手段は少なくとも前記冷媒循環回路の低圧側圧力を前記外部情報として検知するものであり、前記吐出容量制御手段は、前記外部情報に基づいて前記制御目標値として目標圧力を決定する目標圧力決定手段と、前記低圧側圧力と前記目標圧力とを比較して、前記低圧側圧力が前記目標圧力に近づくように前記フィードバック制御を切り替え可能な吐出容量制御手段とを含むものでもよい。
【００１３】
前記可変容量型圧縮機の回転数信号と前記衝突力検出値と前記制御目標値とを用いて前記冷媒循環回路の冷媒の不足を検知する冷媒不足検出手段を備えてもよい。
【００１４】
前記冷媒不足検知手段は、前記制御目標値と前記衝突力検出値との差を求める手段と、前記差と前記回転数信号とによって冷媒不足か否かを判断する手段とを有するものでもよい。
【００１５】
前記可変容量型圧縮機は吸入室と吐出室とクランク室とを有し、前記吐出容量制御手段は、前記クランク室と前記吸入室とを接続した放圧通路と、前記吐出室のガスを前記クランク室に導く通路に設置した電磁弁と、前記衝突力検出値に基づいて前記電磁弁を駆動し前記クランク室の圧力を調整する手段とを有するものでもよい。
【００１６】
前記可変容量型圧縮機は吸入室と吐出室とクランク室とを有し、前記吐出容量制御手段は、前記吐出室と前記クランク室とを接続した放圧通路と、前記クランク室のガスを前記吸入室に導く通路に設置した電磁弁と、前記衝突力検出値に基づいて前記電磁弁を駆動し前記クランク室の圧力を調整する手段とを有するものでもよい。
【００１７】
本発明によれば、可変容量型圧縮機を含む冷媒循環回路を備えた空調装置であって、前記冷媒循環回路に流れている冷媒を衝突させる衝突板と、前記衝突板にロッドを介して電磁力が作用し、前記ロッドに吐出ガスをクランク室に導入する弁部とを備え、冷媒の衝突により前記衝突板に作用する力が前記電磁力に対して大きい場合に前記弁部を開き、前記衝突板に作用する力が前記電磁力に近づくように前記可変容量圧縮機の吐出容量を制御することを特徴とする空調装置が得られる。
【００１８】
前記弁部は、前記電磁力を遮断したときに開放するように、ばね力が作用していてもよい。
【００１９】
前記弁部の開閉が前記衝突板に作用する冷媒の衝突力と前記ばね力及び電磁力とのみで行われるように、前記ロッドに作用するガス圧力と断面積とを調整してもよい。
【００２０】
冷房負荷変動を外部情報として検知可能な外部情報検知手段を備え、前記外部情報に基づき制御目標値となる電磁力を定め、前記衝突板に作用する力が前記制御目標値に近づくように前記可変容量圧縮機の吐出容量をフィードバック制御してもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
最初に、本発明の理解を容易にするために、流体中の物体が受ける力とその流体の流量との関係について説明する。
【００２２】
流れている流体中の物体が受ける力は、式（１）に示すような流体の密度・流量・流速との相関関係が知られている。
【００２３】
Ｆ∝ρＱｖ　・・・・　（１）
ここで、Ｆは物体が受ける力、ρは流体の密度、Ｑは流量、ｖは流速である。
【００２４】
流速と流量と流路面積との間には式（２）の関係がある。
【００２５】
流速＝流量÷流路面積　・・・・　（２）
この式（２）の関係を式（１）に代入すると、
Ｆ∝ρＱ^２／（πｄ^２／４）　・・・・　（３）
となる。
【００２６】
式（３）より流量Ｑは、
Ｑ∝√［Ｆ（πｄ^２／４）／ρ］　・・・・　（４）
となる。
【００２７】
流体の密度ρは、流体の圧力及び温度から求めることができるので、物体が受けるカＦを測定すれば、流量Ｑを求めることができる。つまり、物体が受ける力Ｆは、流量を推し量る指標となることを示している。
【００２８】
さて図３を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る空調装置の全体について説明する。
【００２９】
図３の空調装置は車両用空調装置であり、容量可変型斜板式圧縮機１１と外部冷媒回路とから構成された冷媒循環回路を含んでいる。外部冷媒回路は、圧縮機１１の吐出側に接続された凝縮器１２と、圧縮機１１の吸入側に接続された蒸発器１３と、凝縮器１２及び蒸発器１３の間に接続された膨張弁１４とを備えている。
【００３０】
容量可変型斜板式圧縮機１１は、周知のように、凝縮器１２に接続された吐出室１５と、蒸発器１３に接続された吸入室１６と、吐出室１５及び吸入室１６の間に介在したシリンダボア１７と、シリンダボア１７内のピストン（図示せず）を往復動させるためのカム（斜板等）のクランク機構（図示せず）を配したクランク室１８と、吐出室１５をクランク室１８に接続した経路に挿入された電磁弁１９とを有している。電磁弁１９はクランク室１８の圧力を制御し、周知の原理に従って容量可変型斜板式圧縮機１１の吐出容量を変化させるためのものである。圧縮機１１は、さらに、吐出室１５の出口側に接続された流量センサ２１を備えている。
【００３１】
図３の空調装置は、さらに、電磁弁１９を駆動するための電磁弁駆動回路２２と、電磁弁駆動回路２２の動作を制御するための制御装置２３と、制御装置２３に接続された操作パネル２４及び外部情報検知手段２５と、操作パネル２３の操作により直接的に又は間接的に駆動駆動されるブロアモータ２６及びダンパ２７と備えている。ブロアモータ２６は蒸発器１３の周囲に送風して熱交換を促進するためのものである。ダンパ２７は送風路の断面積や経路を制御するためのものである。
【００３２】
次に図３と共に図４を参照して、流量センサ２１について説明する。
【００３３】
流量センサ２１は、流力検知器２８と変位センサ（位置センサ）２９とより構成されている。流力検知器２８は、吐出室１５から吐出される冷媒が衝突することでその流れの力を検知する円板状の可動板３１と、可動板３１を冷媒の流れに逆らう向きに付勢したコイルばね（弾性部材）３２とを有している。冷媒の流れによる力は、コイルばね３２に作用する。可動板３１は、冷媒の流れによる力とコイルばね３２による付勢力とが釣り合う位置まで移動する。即ち、可動板３１は冷媒が衝突する力に応じて変位する。
【００３４】
変位センサ２９は可動板３１に間隔３３をおいて対向配置され、可動板３１の変位にしたがう間隔３３の変動に応じた衝突力検出値を出力する。この衝突力検出値に基づき冷媒の流れによる力を求めれば、冷媒流量を測定することができる。ここで、流量センサ２１は衝突力検出手段として働く。
【００３５】
なお、コイルばね３２は、可動板３１を弾力的に支持した他の弾性部材に置換可能である。また可動板３１は、冷媒が衝突する可歪板に置換可能であり、その場合には、変位センサ２９が可歪板の歪を検出する歪センサに置換される。
【００３６】
図４に示すように、変位センサ２９は操作パネル２４及び外部情報検知手段２５と共に制御装置２３に接続され、その検出値を制御装置２３に入力する。外部情報検知手段２５は、吐出圧・温度センサ３４、吸入圧力センサ３５、Ａ／Ｃスイッチ３６、温度設定器３７、温度センサ３８、車速センサ３９、エンジン回転数センサ４１、及びアクセル開度センサ４２等を含み、これらの出力信号も制御装置２３に入力される。
【００３７】
次に、圧縮機１１の吐出容量の制御について説明する。
【００３８】
制御装置２３は、外部情報検知手段２５からの入力信号に基づき制御目標冷媒流量を決定し、変位センサ２９の検出値を参照して空調装置の冷媒流量を演算すると同時に、制御目標冷媒流量と比較して、制御目標冷媒流量に対して実冷媒流量が多い場合は、電磁弁駆動回路２２へ信号を送り電磁弁１９の単位時間当りの開放時間が長くなるように電磁弁１９を制御する。電磁弁１９の単位時間当りの開放時間が長くなると、圧縮機１１のクランク室１８の圧力は、高くなり、周知のように斜板の傾き角、即ち、カム傾角が減少して吐出容量が減少するので、冷媒流量は減少する。制御目標冷媒流量と比較して、制御目標冷媒流量に対して実冷媒流量が少ない場合は、電磁弁１９の単位時間当りの開放時間が短くなるように電磁弁１９を制御して、冷媒流量が大きくなる。このように、実冷媒流量による吐出容量のフィードバック制御とすることで、実冷媒流量を制御目標冷媒流量に精度よく合わせ込むことができる。
【００３９】
図５に移り、本発明の第２の実施の形態に係る空調装置の全体について説明する。図３と同様な部分には同じ参照符号を付して説明を省略する。
【００４０】
図５の空調装置は、図３の空調装置における電磁弁１９及び流量センサ２１に代えて、吐出室１５と凝縮器１２及びクランク室１８との間に制御弁５１を備えている。制御弁５１は、電磁力を利用し、その電磁力と吐出室１５からの吐出冷媒の流れによる力とが釣り合うことで、吐出室１５からクランク室１８に向かう冷媒の流量を調節してクランク室１８の圧力を制御し、周知の原理に従って容量可変型斜板式圧縮機１１の吐出容量を変化させる役目を果たすものである。制御弁５１にはこれを駆動するための制御弁駆動回路５２が接続されている。制御弁駆動回路５２も、制御装置２３により駆動を制御される。
【００４１】
次に図６を参照して、制御弁４１について説明する。
【００４２】
制御弁５１は、凝縮器１２、吐出室１５、及びクランク室１８に接続された弁筐体５３と、弁筐体５３に挿入された弁装置５４と、弁筐体５３及び弁装置５４の間をシールした第１、第２、及び第３のシール部材５５，５６，５７とを有している。シール部材５５，５６，５７を設けたことにより、吐出室１５の吐出ガスを弁装置５４の動作に影響されることなく弁筐体５３を通して凝縮器１２に導く吐出用通路５８と、吐出室１５の吐出ガスを弁装置５４の動作により制御を受けつつクランク室１８に導く制御用通路５９とが形成される。
【００４３】
弁装置５４は、制御用通路５９の開閉又は開度を制御できる図中で左右に可動な弁部材（ロッド）６１と、弁部材６１を制御用通路５９の開方向（図中で右方向）に付勢したバネ６２と、弁部材６１に結合された可動なブランジャー６３と、通電時にプランジャー６３を制御用通路５９の閉方向（図中で左方向）に付勢する電磁力を発生するコイル６４と、吐出用通路５８に配置されかつ弁部材６１に結合された流力検知部材（衝突板）６５とを有している。流力検知部材６５は、吐出室１５から吐出用通路５８に吐出される冷媒が衝突することで冷媒の流力を検知するものである。具体的には、冷媒が衝突すると、流力検知部材６５は弁部材６１を開放方向に付勢する。したがって、圧縮機１１の運転時には、流力検知部材６５で検知した冷媒流力Ｆ１と、コイル６４の通電による電磁力Ｆ２と、バネ６２の付勢力Ｆ３とが釣り合った状態で、弁部材６１が制御用通路５９の開閉又は開度を制御し、冷媒流量を調節することになる。
【００４４】
図７をも参照して、制御弁５１の動作を説明する。
【００４５】
コイル６４による電磁力は、制御装置２３に接続されている外部情報検知手段２５から制御装置２３に入力される信号に基づき次の作用を得るように決定される。電磁力に対して冷媒の流れによる力が大きい場合は、吐出ガスがクランク室１８へ流れるように、弁部材６１が制御用通路５９を開き（弁部を開き）、クランク室圧力が高くなり、カム傾角が減少し吐出容量が減少するので冷媒流量は減少する。冷媒流量が減少すると、冷媒の流れによる力は低下して、電磁力に近づく。逆の場合はクランク室圧力が低くなるので、カム傾角が増加し吐出容量が増加するので冷媒流量は増加し、冷媒の流れによる力に近づく。つまり、実冷媒流量による可変容量圧縮機の吐出容積のフィードバック制御を行うことができる。
【００４６】
冷媒流力Ｆ１とコイル６４による電磁力Ｆ２とバネ６２によるバネ力Ｆ３との関係を式（５）に示す。
【００４７】
Ｆ１＋Ｐｄ×ＳＡ−Ｐｄ（ＳＡ−ＳＢ）−Ｐｃ（ＳＢ−ＳＣ）−Ｆ２＋Ｆ３−Ｐｄ×ＳＤ＋Ｐｃ（ＳＢ−ＳＣ）＋Ｐｄ（ＳＤ−ＳＢ）＝０　・・・・　（５）
ここで、Ｐｄは吐出室圧力、Ｐｃはクランク室圧力を示し、またＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤはそれぞれ、矢印７１、７２、７３で示した部分の断面積を示す。
【００４８】
式（５）を整理すると、
Ｆ１＝Ｆ２−Ｆ３　・・・・　（６）
の関係にある。したがって、ガス圧力の影響を受けることなく、冷媒流力と電磁力とを釣り合わせることが可能である。なお、バネ６２は、コイル６４ヘの通電をオフして可変容量圧縮機の吐出容積を最小容量に維持するために、弁部材６１を強制的に開いて吐出ガスをクランク室へ導入する目的で設置されたものであり、したがってそれの付勢力は、弁部材６１の開閉ストロークの範囲内では一定とみなすことができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、可変容量圧縮機において、流量検知器により圧縮機の流量を電気信号として知ることが可能となり、エンジンの負荷調整や車両空調の制御を高度化できる。冷媒流量から圧縮機に作用する負荷を推定することができるので、過負荷による圧縮の破損を防止することができる。さらに、制御目標冷媒流量と少なくとも圧縮機回転数を考慮し実冷媒流量を比較して、実冷媒流最が大幅に低い場合は、冷媒の洩れの可能性があるとすることができる。こうして冷媒の洩れを予測することができるので圧縮機の焼損を防止することが可能となる。
【００５０】
冷媒回路の低圧側圧力を検知する検知手段も付加し、流量検知器によるフィードバック制御と切り替える手段を備えれば、それぞれの制御の利点を引き出した最適な制御が可能となり、快適性とエンジン負荷低減をより高い次元で調和させることが可能となる。特に、低負荷領域は、燕発器の着霜防止をするうえで低圧側圧力のフィードバック制御のほうが望ましい。高負荷領域は、エンジン負荷が大きく、急加速時等においてエンジン負荷を確実に低減できる冷媒流量のフィードバック制御が好適である。
【００５１】
制御弁構造とすると場合、冷媒もれ検知と流量・吸入圧力の制御手段の切り替えは困難であるが、圧縮機への取り付けが容易であること及び複雑な差圧通路が不要であり、制御弁の構造も簡略化が可能であり圧縮機を低価格で提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】冷媒循環回路の二つの圧力監視点間の差圧の検出方法の一例の説明図である。
【図２】冷媒循環回路の二つの圧力監視点間の差圧の検出方法の他例の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る空調装置の概念図である。
【図４】図３の空調装置の要部を詳細に示した説明図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る空調装置の概念図である。
【図６】図５の空調装置に含まれた制御弁を詳細に示した断面図である。
【図７】図６に示した制御弁の動作を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１１　容量可変型斜板式圧縮機
１２　凝縮器
１３　蒸発器
１４　膨張弁
１５　吐出室
１６　吸入室
１７　シリンダボア
１８　クランク室
１９　電磁弁
２１　流量センサ
２２　電磁弁駆動回路
２３　制御装置
２４　操作パネル
２５　外部情報検知手段
２６　ブロアモータ
２７　ダンパ
２８　流力検知器
２９　変位センサ
３１　可動板
３２　コイルばね
５１　制御弁
５２　制御弁駆動回路
５３　弁筐体
５４　弁装置
５８　吐出用通路
５９　制御用通路
６１　弁部材
６２　バネ
６３　ブランジャー
６４　コイル
６５　流力検知部材

Claims

可変容量型圧縮機を含む冷媒循環回路を備えた空調装置であって、前記冷媒循環回路に流れている冷媒の衝突力を検出して衝突力検出値を生成する衝突力検出手段と、前記衝突力検出値を参照して前記可変容量圧縮機の吐出容量を制御する吐出容量制御手段とを備えたことを特徴とする空調装置。
冷房負荷の変動を外部情報として検知可能な外部情報検知手段を備え、前記吐出容量制御手段は、前記外部情報に基づき前記衝突力に関する制御目標値を定め、前記制御目標値に前記衝突力検出値が近づくように前記吐出容量をフィードバック制御するものである請求項１に記載の空調装置。
前記衝突力検出手段は、冷媒が衝突する可動板と、前記可動板を弾力的に支持した弾性部材と、前記可動板の変位を検出する変位センサとを含む請求項１又は２に記載の空調装置。
前記衝突力検出手段は、冷媒が衝突する可歪板と、前記可歪板の歪を検出する歪センサとを含む請求項１又は２に記載の空調装置。
前記外部情報検知手段は少なくとも前記冷媒循環回路の低圧側圧力を前記外部情報として検知するものであり、前記吐出容量制御手段は、前記外部情報に基づいて前記制御目標値として目標圧力を決定する目標圧力決定手段と、前記低圧側圧力と前記目標圧力とを比較して、前記低圧側圧力が前記目標圧力に近づくように前記フィードバック制御を切り替え可能な吐出容量制御手段とを含む請求項２に記載の空調装置。
前記可変容量型圧縮機の回転数信号と前記衝突力検出値と前記制御目標値とを用いて前記冷媒循環回路の冷媒の不足を検知する冷媒不足検出手段を備えた請求項２から５のいずれかに記載の空調装置。
前記冷媒不足検知手段は、前記制御目標値と前記衝突力検出値との差を求める手段と、前記差と前記回転数信号とによって冷媒不足か否かを判断する手段とを有する請求項６に記載の空調装置。
前記可変容量型圧縮機は吸入室と吐出室とクランク室とを有し、前記吐出容量制御手段は、前記クランク室と前記吸入室とを接続した放圧通路と、前記吐出室のガスを前記クランク室に導く通路に設置した電磁弁と、前記衝突力検出値に基づいて前記電磁弁を駆動し前記クランク室の圧力を調整する手段とを有する請求項１又は２に記載の空調装置。
前記可変容量型圧縮機は吸入室と吐出室とクランク室とを有し、前記吐出容量制御手段は、前記吐出室と前記クランク室とを接続した放圧通路と、前記クランク室のガスを前記吸入室に導く通路に設置した電磁弁と、前記衝突力検出値に基づいて前記電磁弁を駆動し前記クランク室の圧力を調整する手段とを有する請求項１又は２に記載の空調装置。
可変容量型圧縮機を含む冷媒循環回路を備えた空調装置であって、前記冷媒循環回路に流れている冷媒を衝突させる衝突板と、前記衝突板にロッドを介して電磁力が作用し、前記ロッドに吐出ガスをクランク室に導入する弁部とを備え、冷媒の衝突により前記衝突板に作用する力が前記電磁力に対して大きい場合に前記弁部を開き、前記衝突板に作用する力が前記電磁力に近づくように前記可変容量圧縮機の吐出容量を制御することを特徴とする空調装置。
前記弁部は、前記電磁力を遮断したときに開放するように、ばね力が作用している請求項１０に記載の空調装置。
前記弁部の開閉が前記衝突板に作用する冷媒の衝突力と前記ばね力及び電磁力とのみで行われるように、前記ロッドに作用するガス圧力と断面積とを調整した請求項１０又は１１に記載の空調装置。
冷房負荷変動を外部情報として検知可能な外部情報検知手段を備え、前記外部情報に基づき制御目標値となる電磁力を定め、前記衝突板に作用する力が前記制御目標値に近づくように前記可変容量圧縮機の吐出容量をフィードバック制御する請求項１０から１２のいずれかに記載の空調装置。