JP2004226061A - 赤外線検出を使用した温度制御 - Google Patents

Abstract

【課題】車両ＨＶＡＣシステムの温度を的確に制御できるようにする。
【解決手段】暖房／換気及び空調（ＨＶＡＣ）システムの温度を検出して制御するためのシステム及び方法において、赤外線センサを使用する。赤外線センサは、冷点が発生し得る蒸発器表面上の幾つかの異なった領域にわたって温度を検出するために使用される。さらに好ましくは、赤外線センサは、蒸発器の空気出口側の表面全体を連続的に走査する。検出温度を使用して、蒸発器表面上に動的に発生し得る冷点を検出することができる。システムは、検出温度に応じて制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、暖房／換気及び空調（ＨＶＡＣ）システムの温度を検出して制御するためのシステム及び方法に関する。さらに詳しく言うと、本発明は、赤外線（ＩＲ）センサを使用して車両ＨＶＡＣシステムの温度を制御するためのシステム及び方法に関する。

冷却システム、特に冷蔵庫、空調装置またはヒートポンプシステムの蒸発器コイルでは、運転中に霜が蓄積しがちである。霜の蓄積は、空気の通過を妨害することによって、空気流量を減少させ（時には、完全になくし）、システムの冷却効率を低下させ、システムの容量を減少させ、運転コストを増加させるため、望ましくない。冷却装置内の蒸発器コイルに対する氷または霜の蓄積は、大きな問題である。その蓄積によって、冷却すべき空気が、蒸発器ユニット内を循環中の低温冷媒流体から隔離され、その結果、冷却空間を所望温度に維持することが困難になる。

霜の蓄積を防止する１つの公知の方法は、ある所定の時間間隔でコンプレッサをオフにし、蒸発器コイルに隣接した加熱装置をオンにして、氷または霜を溶解させるタイムクロックを使用する。この技法の欠点は、氷または霜が、周囲の空気湿度及び温度に応じて、必ずしも一定の割合で蓄積しないことである。さらに、ほとんどのクロック作動式除氷システムは、氷または霜の蓄積を完全になくすために、大して注意することなく、必要以上に頻繁に除氷を行う。必要か否かにかかわらず、また、氷または霜の蓄積量に関係ない定期サイクルでのこの除氷は、非効率的であると共に、電力を浪費する。

別の方法は、氷または霜を溶解させるのにほぼ十分な所定時間長さにわたってコンプレッサをオフにするだけである。しかし、コンプレッサをオフにすると、冷却空間内の温度が上昇し、それは、所望温度を維持するためにコンプレッサ及びそのモータを過剰に働かせるだけである。

車両ＨＶＡＣシステムに使用される１つの周知の除氷制御方法は、蒸発器のフィン領域内などの、システム内の固定場所で温度を測定することを含む。たとえば、温度が所定温度まで降下した時に閉じる下限温度コントローラまたは凍結調整器をフィン領域内に設けることができる。あるいは、負の温度係数（ＮＴＣ）サーミスタを使用してもよい。いずれの場合も、センサの場所の温度が所定レベルまで降下したことが検出された時、コンプレッサがオフにされて、空気温度が上昇する。コンプレッサを再びオンにする前に到達する最高空気温度である所定温度を設定する。
米国特許第６，０７３，４５７号

前述のような方法に関連する１つの問題は、センサが単一場所だけを検出することである。しかし、冷媒充填レベル、ユニットの空気流分布、空気流レベル、コンプレッサのオン／オフサイクルなどに応じて、冷点（すなわち、氷を形成するのに十分な低温の場所）が表面全体にわたるさまざまな場所に発生するであろう。したがって、冷点の場所は予測不可能である。冷点が検出領域外で発生する場合、固定センサは最冷点を検出することができず、コンプレッサは、霜の蓄積を防止できるほど早期にはオフにされないであろう。この問題を軽減するために、切り換え温度を最適温度（たとえば、０℃）より高温に設定することができるが、これは、空気温度が理論最低温度を達成できないようにする。

別の問題は、設計上の制限のため、温度センサに適したコア及び取り付け場所を選択することが困難になることである。さらに、一部の用途において、選択されたコア及びシステムレイアウトでは、温度プローブをコアまたはフィンに突き通すことができない。

車両ＨＶＡＣシステムに使用される別の除氷方法は、たとえば、ＮＴＣサーミスタを使用した冷媒温度の測定を利用する。これは十分な作動結果をもたらすが、センサの交換には、冷媒を完全に除去する必要がある。さらに、この技法は、漏れの可能性を排除するために、センサの取り付け時に特別な注意を必要とする。

車両ＨＶＡＣを制御するさらに別の方法は、たとえば、ＮＴＣサーミスタで空気側温度を測定することを含む。しかし、そのような手法は、冷媒回路の動的負荷及び状態のために発生する冷点の正確な表示を行わない。この問題は、トラックに使用されるものなどの大型ＨＶＡＣユニットにおいて特に痛感される。

発明の実施の形態

本発明の１つの態様によれば、ＨＶＡＣシステムの制御のために温度を検出するシステムは、表面を有する蒸発器と、蒸発器表面の複数領域の温度を検出するように構成された少なくとも１つの赤外線センサと、蒸発器表面の複数領域の少なくとも１つで検出された温度が閾温度より低いか否かを決定するように構成されたプロセッサと、蒸発器表面の複数領域の少なくとも１つで検出された温度が閾温度より低いか否かに関する決定に応じて、ＨＶＡＣシステムの動作を制御するように構成された制御装置とを備えている。

本発明の別の態様によれば、複数領域は、蒸発器の空気出口側のほぼ全体を包含する。

本発明の別の態様によれば、蒸発器表面は、ラスタパターンで一行ずつ走査される。あるいは、蒸発器表面は、領域に分割されて、各領域の温度が検出される。

本発明のさらに別の態様によれば、制御装置は、センサから得られる信号に基づいて、ＨＶＡＣコンプレッサの性能を調節する。たとえば、コンプレッサの形式に応じたやり方で、信号を使用することができる。蒸発器表面の複数領域の少なくとも１つで検出された温度が閾温度より低いと決定された時、制御装置は固定コンプレッサをオフにするか、あるいは、可変容量形コンプレッサの性能を低下させることができる。

本発明のさらに別の態様によれば、所定温度は、０℃である。しかし、たとえば、湿度が比較的低い場合、所定温度が０℃より低くてもよい。

本発明の別の態様によれば、方法は、蒸発器表面の複数場所の温度を赤外線センサで検出すること、複数場所の温度を所定温度と比較すること、及び、その比較に応じてシステムを制御することを含む。

本発明のさらなる目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照した以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明は、赤外線センサを使用して、蒸発器の空気出口側の温度を検出する。好ましくは、冷点が発生し得る幾つかの異なった領域にわたって温度を測定する。さらに好ましくは、赤外線センサは、蒸発器の空気出口側の表面全体を連続的に走査する。検出された温度を使用して、蒸発器表面に動的に発生し得るすべての冷点を検出することができる。

本発明の１つの態様によれば、検出温度を使用して、車両のＨＶＡＣシステムを制御することができる。さらに詳しく言うと、本システムは、氷の蓄積を生じ得る１つまたは複数の冷点の検出時に、ＨＶＡＣシステム内のコンプレッサのスイッチを切ることができる。あるいは、システムは、１つまたは複数の冷点の検出時に可変容量形コンプレッサの性能を低下させることができる。

本発明には、幾つかの際立った利点がある。第１に、蒸発器表面の単一の固定点ではなく、異なった領域にわたって走査することによって、動的冷点を検出することができる。したがって、本発明に従ったシステム及び方法は、冷点の位置を変化させ得る冷媒負荷及び運転状態に関係なく、動作する。

また、本発明は、典型的なＨＶＡＣ試験プログラムの除氷部分の開発及び調整時間の短縮を実現する。さらに、本発明を使用した赤外線温度検出用の制御プロセスは、計算流体動力学（ＣＦＤ）を使用したものなど、実証済みで十分に確立されたアルゴリズムから導き出すことができる。

さらに、ＩＲセンサは非常に信頼性が高い。したがって、本発明は、高い耐久性が要求される、トラックなどのさまざまな用途及び環境で使用することができる。

本発明はさらに、保守容易度を高める。具体的に言うと、ＩＲセンサは、蒸発器コアの保守時に取り外し及び取り付け直しを行う必要がない。

本発明の好適な実施形態の以下の説明から、当業者には上記及び他の利点が明らかになるであろう。以下の説明は、例示的であって、本発明を制限するものではないことを理解されたい。

図１は、たとえば、本発明を使用することができる冷媒回路２２を示す。そのような回路は、本出願と共通の所有者の米国特許第６，０７３，４５７号に詳細に記載されており、その開示内容全体は、参照によって本明細書に援用される。冷媒回路は、コンプレッサ３１と、コンデンサ２５と、蒸発器２６と、膨張弁２７とを備えている。個々の装置２５、２６、２７、３１は、管路２４、２４’、２４”、２４’”によって相互連結されている。冷媒回路２２には、たとえば、Ｒ１３４ａなどの油含有冷媒を含めた適当な冷媒が充填されている。コンデンサ２５にはコンデンサブロワ２８が対応して設けられ、蒸発器２６を通過する空気流を発生するために、蒸発器ブロワ２９が設けられている。コンプレッサ３１は、駆動軸３２によってエンジン３０に連結されており、このエンジンは、たとえば、自動車を駆動する内燃機関である。コンプレッサは、固定コンプレッサ、可変容量形コンプレッサ、または外部制御式可変容量形コンプレッサを含めた、当該技術分野では周知の任意の形式でよい。コンプレッサは、（たとえば、固定コンプレッサの場合）オン／オフ式に制御されるが、（たとえば、可変容量形コンプレッサの場合）性能を低下させるように制御してもよい。

コンプレッサ３１の吸い込み側の管路２４’”に吸い込み圧力センサ２０が配置され、コンプレッサ３１の高圧側の管路２４に高圧センサ２３が設けられている。コンプレッサ３１が動作中のそれぞれの速度を検出するために、駆動軸３２の直ぐ近くにタコメータ３３が配置されている。センサ２０、２３、３３は、接続線２０’、２３’、３３’によって電子制御装置３４に接続されている。センサ２０、２３、３３で発生した信号は、電子制御装置３４へ送られ、それによってコンプレッサの動作を監視することができる。電子制御装置３４には、さらに詳細に後述するように赤外線センサを使用して得られるものを含めたさらなるパラメータも送られる。そのようなパラメータには、空調運転に関連した状態変数も含まれる。

図２は、構造の点で図１を参照しながら説明したものに対応する例示的な冷媒回路２２を示す。図示のように、蒸発器２６は、自動車の乗員室３５用の供給空気チャネル３６内に配置されている。空気流の方向において蒸発器２６の上流側に蒸発器ブロワ２９が配置されており、これは、吸い込み側で空気案内チャネル３７に接続されている。空気案内チャネル３７の前端部には、新鮮空気チャネル４０及び再循環空気チャネル４１が開いており、任意であるが、これらは空気フラップ４２によって空気案内チャネル３７に接続されることができる。空気フラップ４２は、新鮮空気／再循環空気フラップとして構成されており、電子制御装置３４によって駆動される位置決めモータ４３に連結されている。位置決めモータのそれぞれの現在位置が検出されて、対応の信号が制御装置３４に送られる。

本発明の１つの特徴によれば、図２のシステムでは、蒸発器の表面の温度を検出するために、蒸発器２６の出口側にＩＲ温度センサ４６が設けられている。赤外線センサ４６の動作については詳細に後述する。

ＨＶＡＣシステムの個々の構造及び動作に応じて、他のセンサも設けることができる。たとえば、図２に示された実施形態では、空気案内チャネル３７内にセンサ４４及び４５が配置されている。センサ４４は、蒸発器２６に送られる空気の湿度を検出し、センサ４５はその温度を検出する。自動車空調機では一般的であるように、外部温度センサ５０及び乗員室温度センサ５２も設けられている。必要ならば、車速を考慮に入れるために、車速センサ５１が電子制御装置３４に設けられる。図２の冷媒回路２２内の吸い込み圧力及び高圧用の、図１に関連してすでに説明したセンサ２０及び２３に加えて、冷媒回路２２の蒸発器２６の出口側に、過熱状態を決定するために使用される信号を発生する冷媒温度センサ５３が配置されている。さらに、この特定例では、任意であるが、別の温度センサ４７が蒸発器ブロックの内部に配置されている。

ＩＲセンサ４６は、蒸発器２６の出口側の幾つかの異なった領域にわたって温度を検出するように配置される。好ましくは、赤外線センサ４６は、出口側の表面全体の温度を検出するように配置される。そのような位置の一例が、図３に示されており、ＩＲセンサ４６が、蒸発器２６の下流側の視線上の表面に配置されている。明瞭な視線が確保され、センサまたは被検表面が粒子、液体または汚染物質で遮られないように考慮される限り、他の位置も可能であることは理解されるであろう。

本発明は必ずしも、いずれの特定形式の赤外線センサにも制限されない。好ましくは、ＩＲセンサ（赤外線センサ）は、蒸発器２６の表面全体を走査するように構成されている。走査ＩＲセンサは、当該技術分野では周知である。１つのそのようなＩＲセンサの構造及び動作が、米国特許第５，０９４，５４４号に記載されており、その全体は参照によって本明細書に援用される。

図４Ａに示されているように、走査ＩＲセンサ４６は、陰極線管内の電子ビームのラスタ走査と同様にして、蒸発器２６の表面を走査する。したがって、本例では、ＩＲセンサ４６は、ｘ方向に前後走査し、ｙ方向に上下移動する。ＩＲセンサ４６が蒸発器２６の表面を走査する時、それは、表面の温度の関数として変化する信号、たとえば、電圧を連続的に出力する。あるいは、図４Ｂに示されているように、蒸発器２６の表面上の１つまたは複数領域ａ〜ｏの温度を検出するように、個別のＩＲセンサを設けてもよい。

赤外線センサ４６からの信号を処理して、蒸発器２６上に冷点が形成されているか否かを決定しなければならない。この処理は、当該技術分野では周知のさまざまな技法に従って達成できることを理解されたい。一般的に、処理には、生出力信号の適切な検出と、その検出信号に基づいた温度の決定が含まれる。図３の例では、これが検出器５２によって行われ、それはＩＲセンサからの生信号を増幅する。検出器からの信号は次に、プロセッサ５４へ送られ、これは、当該技術分野では周知の技法に従って、検出信号から温度を求める。

検出器の視線上の領域の温度が求められると、それらを制御装置、たとえば、電子制御装置３４が利用して、システムを所望通り制御する。たとえば、検出温度Ｔ_Ｄを所定の閾温度Ｔ_ＴＨと比較する。所定閾温度は、たとえば、氷が発生すると予想される温度、通常は０℃付近であろう。それは、他の環境条件、たとえば、湿度に基づいて調節される値であろう。

検出温度が所定の閾温度Ｔ_ＴＨより低いことがわかると、電子制御装置３４がコンプレッサ３１をオフにして、蒸発器表面が暖かくなるようにする。あるいは、検出温度に応じて、制御装置が可変容量形コンプレッサの性能を低下させてもよい。正確度を改善するために、幾つかの比較を行うことができ、検出温度Ｔ_Ｄが数回の測定を包含する所定時間長さにわたって閾温度Ｔ_ＴＨより低いことがわかった場合だけ、コンプレッサ３１をオフにする（または、その性能を低下させる）。

これの全体的動作が、図５に示されている。ステップＳ５１０において、センサの走査経路上に位置する蒸発器の領域の温度Ｔ_Ｄに対応する温度信号を検出する。ステップ５２０において、検出温度Ｔ_Ｄを所定の閾温度Ｔ_ＴＨと比較する。検出温度Ｔ_Ｄが閾温度Ｔ_ＴＨより高い場合、本方法が繰り返される。検出温度が閾温度Ｔ_ＴＨより低い場合、カウンタをインクリメントする。温度Ｔ_Ｄがカウンタによって計測されたある所定時間にわたって閾値を超えると（Ｓ５４０）、電子制御装置３４がコンプレッサ３１をオフにする（Ｓ５５０）。次に、システムは、温度の監視を継続して、すべての冷点がまったく検出されないかを決定してから、コンプレッサをオンにする。あるいは、コンプレッサを完全にオン及びオフするのではなく、検出温度に基づいて、可変コンプレッサの性能を調節することもできる。

検出器５２、プロセッサ５４及び制御装置または電子制御装置３４は、ハードウェアまたはソフトウェア、あるいはその両者の組み合わせで実現できることは、理解されるであろう。さらに、それらは、同一装置によって、あるいは、個別の専用装置によって実現することができる。たとえば、プロセッサ５４は、アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器と、検出温度Ｔ_Ｄを計算してその温度を所定温度Ｔ_ＴＨと比較するようにプログラムされた専用マイクロプロセッサとを含むことができる。好ましくは、マイクロプロセッサは、浮動小数点計算用のデジタル信号処理命令を組み込んだ低コストで高速の１６ビット／２４ビットプロセッサを含むであろう。そのようなプロセッサ５４は、ＣＰＵの動作制御用のソフトウェアの格納、検出データと比較するためのデータの格納、またはＣＰＵによる計算の支援を行うための関連メモリを含むであろう。そのような「専用」プロセッサは、蒸発器が冷点を有することがわかった、あるいは、冷点を有しないことがわかったことを表示する信号を電子制御装置３４に送り、電子制御装置３４は、それに従ってＨＶＡＣシステムのコンプレッサまたは他の構成要素を制御する。

あるいは、検出器５２からの信号をデジタル形式に変換して、電子制御装置３４に相当する車両コンピュータに直接的に送るようにしてもよい。その場合、車両コンピュータは、冷点の検出及びＨＶＡＣの制御に必要なすべての計算を処理する。

以上の説明から、本発明の基本原理は、他の用途にも、たとえば、水弁調節システム及び空気混合装置の混合室用の吐出し温度の制御にも使用することができる。それはまた、可変容量形コンプレッサの速度及び／または容量を変化させるために、外部システムにエクスポートすることもできる。

さらに、さまざまな変更構造及び改善が可能であることも、明らかであろう。たとえば、正確度を改善すると共に、環境の個々の変動を補償するために、本発明に組み合わせて複数のＩＲセンサを使用してもよい。したがって、本発明に従った特定の実施形態を以上に図示して説明しているが、本発明が特許請求の範囲内でさまざまな形及び実施形態をとることができることは、明白である。

本発明の１つの実施形態に従った冷媒回路の概略図である。 構造の点で図１を参照しながら説明したものに対応する冷媒回路を示す概略図である。 本発明の実施形態に従って蒸発器の下流側の視線上の表面に配置された赤外線センサ４の上面図である。 本発明の実施形態に従った、蒸発器の表面に沿った走査赤外線センサの走査経路を示す図である。 本発明の別の実施形態に従って１つまたは複数の赤外線センサによってそれぞれの温度が決定される、蒸発器表面の個別領域を示す図である。 本発明の動作を全体的に示すフローチャートである。

符号の説明

２０ 吸い込み圧力センサ
２２ 冷媒回路
２３ 高圧センサ
２４、２４’、２４”、２４’” 管路
２５ コンデンサ
２６ 蒸発器
２７ 膨張弁
２８ コンデンサブロワ
２９ 蒸発器ブロワ
３０ エンジン
３１ コンプレッサ
３２ 駆動軸
３３ タコメータ
３４ 電子制御装置
３５ 乗員室
３６ 供給空気チャネル
３７ 空気案内チャネル
４０ 新鮮空気チャネル
４１ 再循環空気チャネル
４２ 空気フラップ
４３ 位置決めモータ
４４、４５ センサ
４６ 赤外線センサ
５０ 外部温度センサ
５１ 車速センサ
５２ 乗員室温度センサ
５３ 冷媒温度センサ
５４ プロセッサ
Ｔ_Ｄ 検出温度
Ｔ_ＴＨ 閾温度

Claims (16)

1. ＨＶＡＣシステムの制御のために温度を検出するシステムであって、
   表面を有する蒸発器と、
   該蒸発器表面の複数領域の温度を検出するように構成された少なくとも１つの赤外線センサと、
   前記蒸発器表面の前記複数領域の少なくとも１つで検出された温度が閾温度より低いか否かを決定するように構成されたプロセッサと、
   前記蒸発器表面の前記複数領域の少なくとも１つで検出された温度が前記閾温度より低いか否かに関する決定に応じて、ＨＶＡＣシステムの動作を制御するように構成された制御装置と、
   を備えたシステム。
2. 前記複数領域は、前記蒸発器の空気出口側のほぼ全体を包含する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記蒸発器表面は、ラスタパターンで一行ずつ走査される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記蒸発器表面は、１つまたは複数のセンサで走査され、その各々が、前記複数領域の１つまたは複数での温度を検出する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記制御装置は、前記蒸発器表面の前記複数領域の少なくとも１つで検出された温度が前記閾温度より低いと決定された時、ＨＶＡＣコンプレッサの性能を制限する、請求項１に記載のシステム。
6. 前記所定温度は、０℃である、請求項１に記載のシステム。
7. 蒸発器、コンデンサ及び制御装置を備えた空調システムにおいて、
   蒸発器表面の複数場所の温度を赤外線センサで検出すること、
   前記複数場所の温度を所定温度と比較すること、及び、
   該比較に応じて前記システムを制御すること、
   を含む方法。
8. 前記検出することは、前記蒸発器の空気出口側のほぼ全体を走査することを含む請求項７に記載の方法。
9. 前記システムを制御することは、前記場所の少なくとも１つが前記所定温度以下である場合、コンプレッサをオフにすることを含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記所定温度は、０℃である、請求項７に記載の方法。
11. 前記空調システムは、車両内の空気温度を調整する、請求項７に記載の方法。
12. 空調システムを制御するための装置であって、
    蒸発器表面の複数場所の温度を検出するように構成された赤外線センサと、
    前記複数場所の温度を所定温度と比較する手段と、
    前記比較に応じて前記システムを制御する手段と、
    を備えた装置。
13. 前記赤外線センサは、前記蒸発器の空気出口側のほぼ全体を走査するように構成されている、請求項１２に記載の装置。
14. 前記制御する手段は、前記場所の少なくとも１つが前記所定温度以下である場合、コンプレッサをオフにする手段を有する、請求項１２に記載の装置。
15. 前記所定温度は、０℃である、請求項１２に記載の装置。
16. 前記空調システムは、車両内の空気温度を調整する、請求項１２に記載の装置。
    
    

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