JP2005055167A - 空調装置 - Google Patents

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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可能と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10を備えた空調装置において、容量制御装置を備えた。容量制御装置は、冷媒循環回路に流れている冷媒の流体抵抗力を検出し、流体抵抗力に応じて可変容量圧縮機の吐出容量を制御する。
【選択図】図3

Description

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、可変容量型圧縮機の吐出容量の制御に関する。
従来、可変容量型圧縮機を含む冷媒循環回路に二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(特許文献1参照)。その提案は、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。
可変容量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。前者の場合には、圧力監視点2、3間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。また、前述した差圧を可変容量圧縮機の制御弁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における圧力を可変容量型圧縮機に導く通路が必要となる。可変容量型圧縮機内部に絞りを設置して、前述した差圧を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。どちらの場合も可変容量型圧縮機の内部に差圧通路を設ける必要がある。したがって、可変容量型圧縮機の設計が煩雑となる。
特開2001−107854号公報
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可能とした空調装置を提供することにある。
本発明の一態様によれば、可変容量型圧縮機(11)を含む冷媒循環回路(10)を備えた空調装置において、前記冷媒循環回路に流れている冷媒の流体抵抗力を検出し、前記流体抵抗力に応じて前記可変容量圧縮機の吐出容量を制御する容量制御装置(51)を備えたことを特徴とする空調装置が得られる。
前記容量制御装置は、前記冷媒循環回路に流れている冷媒の流体抵抗力を検出して抵抗力検出値を生成する抵抗力検出部(51a)と、前記抵抗力検出部に接続され、前記抵抗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部(51b)とを備えたものでもよい。
さらに、冷房負荷の変動を外部情報として検知する外部情報検知部(25)と、前記外部情報に基づき前記流体抵抗力に関する制御目標値を定める制御装置(23)とを含み、前記容量制御装置(51)は、前記制御目標値に前記流体抵抗力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。
前記外部情報検知部(25)は、少なくとも前記冷媒循環回路の高圧側圧力を前記外部情報として検知するものであり、さらに、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部(64)と、前記高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切り替え部(66)とを含むものでもよい。
前記可変容量圧縮機(11)の回転数信号と前記抵抗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(10)の冷媒の不足を検知する冷媒不足検出部(73)を備えたものでもよい。
前記冷媒不足検知部(73)は、前記制御目標値と前記抵抗力検出値との差を求める演算部(74)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判断部(75)とを有するものでもよい。
前記抵抗力検出部(51a)は、内部が円錐形状をした冷媒流路(59a)と、前記冷媒流路中に設けられた受圧片(65)と、前記受圧片を弾力的に支持した弾性部材(62,62a)と、前記受圧片の変位を検出する変位センサ(76)とを含むものでもよい。
前記可変容量型圧縮機(11)は、吸入室(16)と、吐出室(15)、とクランク室(18)と、前記クランク室と前記吸入室とを接続した放圧通路(19)とを含み、前記吐出容量制御部(51b)は、前記吐出室のガスを前記クランク室に導く制御用通路(60)と、前記制御用通路に設置した弁部(66)と、前記抵抗力検出値に基づいて前記弁部を駆動する駆動部(65a)とを有するものでもよい。
前記可変容量型圧縮機(11)は、吸入室(16)と、吐出室(15)、とクランク室(18)と、前記クランク室と前記吐出室とを接続した放圧通路(19)とを含み、前記吐出容量制御部(51b)は、前記クランク室のガスを前記吸入室に導く制御用通路(60)と、前記制御用通路に設置した弁部(66)と、前記抵抗力検出値に基づいて前記弁部を駆動する駆動部(65a)とを有するものでもよい。
本発明の他の態様によれば、可変容量型圧縮機(11)を含む冷媒循環回路(10)を備えた空調装置であって、前記冷媒循環回路に備えた内部が円錐形状の冷媒流路(59a)と、前記冷媒流路に配された受圧片(65)と、前記受圧片に電磁力を作用させるロッド(61)と、前記ロッドに備えた、前記可変容量圧縮機の制御用通路(60)を制御する弁部(66)とを含み、前記冷媒流路を冷媒が通過することにより前記受圧片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、前記受圧片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型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。
前記電磁力を遮断したときに前記弁部(66)を開放させるばね力を生成するバネ(62)を備えたものでもよい。
前記弁部(66)の開閉が、前記受圧片(65)に作用する流体抵抗力と、前記ばね力と、前記電磁力とのみで行われるように、前記冷媒流路の流路断面積と前記受圧片の面積とを調整したものでもよい。
さらに、冷房負荷の変動を外部情報として検知する外部情報検知部(25)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、前記受圧片(65)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型圧縮機(11)の吐出容量をフィードバック制御するものでもよい。
上記括弧内の符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、これらに限定されない。
本発明によれば、可変容量型圧縮機において、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、過負荷による圧縮機の破損を防止することができる。
本発明の実施の形態の説明に先立ち、一般的な面積式流量計について説明する。一般的な面積式流量計は、鉛直に取り付けられた上開きのテーパ管と、その中を自由に上下するフロート(可動部)とから構成される。テーパ管の中に下方から流体を導入すると、流れはフロートにより絞られ、その前後に差圧が生じる。フロートは、この差圧による上向きの力を受けて上昇するが、フロートが上方へ移動するに伴い流路断面積が大きくなり、その上昇力は次第に減少し、フロートの浮力を差し引いた有効重量と平衡する位置で静止する。このとき、フロートの上昇高さによって決まる流路断面積と流量は比例関係にあるので、その位置を検出して流量を求めることができる。
以上を式で展開すると、次のようになる。
まず、フロートがある位置でつり合っているとき、フロートにかかる上向きと下向きの力が等しいから、次式(1)が成立する。
Wf+Af・P2=Af・P1 ・・・ (1)
ここで、P1:フロート上流側圧力
P2:フロート下流側圧力
Af:フロートの最大径部断面積
Wf:フロートの有効重量
である。
差圧ΔPは、
ΔP=(P1−P2)=Wf/Af ・・・ (2)
となる。
一方、管内に流れる流体の体積流量Qは
Q=C・A・υ=C・A√2g・ΔP/ρo ・・・ (3)
となる。
ここで、C:流出係数
A:流路面積
υ:フロートとテーパ管の隙間の流速
ρo:測定状態における流体の密度
g:重力加速度
である。
また、フロート(可動部)の等価密度をρf、フロート(可動部)の体積をVfとすると、次式(4)が得られる。
Wf=Vf(ρf−ρo) ・・・ (4)
式(3)に式(2)及び式(4)を代入すると、流通面積と体積流量の関係は
Q=C・A(2g・Vf(ρf−ρo)/Af・ρo)1/2 ・・・ (5)
となる。質量流量で表すと、W=Q・ρoより
W=C・A(2g・Vf・ρo(ρf−ρo)/Af)1/2 ・・・ (6)
となる。ここで、フロートの有効重量Wfはフロートに作用する一定の力F(電磁力による推力など)と置き換えることができる。流体の密度ρoは、流体の圧力および温度から求めることができるので、流路面積Aがわかれば流量QまたはWを求めることができる。流路面積Aの変化はフロート位置の変化によるので、フロート位置の変化により流量を推定できる。
次に、図3及び図4を参照して、本発明の実施の形態に係る空調装置について説明する。
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10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と蒸発器13の間に接続された膨張弁14とを備えている。
可変容量型斜板圧縮機11は、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17と、クランク室18とを有している。クランク室18には、シリンダ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)を有するクランク機構(図示せず)が配置されている。クランク室18は放圧通路19を介して吸入室16に接続されている。
可変容量型斜板圧縮機11は、さらに、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へ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駆動回路52が接続されている。駆動回路52は、制御装置23により駆動を制御される。
制御弁51は、吐出室15と凝縮器12との間に配置された抵抗力検出部51aと、吐出室15とクランク室18との間に設けられた電磁弁を有する吐出量制御部51bとを含んでいる。抵抗力検出部51aは、冷媒循環回路10に流れている冷媒の流体抵抗力を検出して抵抗力検出値を生成する。吐出量制御部51bは、抵抗力検出部51aに接続され、抵抗力検出値を参照して可変容量圧縮機11の吐出容量を制御する。
図4は制御弁51の詳細を示している。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、第3、第4のシール部材55、56、57、58とを有している。シール部材55、56、57、58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開口54aを通して凝縮器12に導く吐出用通路59と、吐出室15の吐出ガスを弁装置54の動作による制御を受けつつクランク室18に導く制御用通路60とが形成される。吐出用通路59は、内部が円錐形状の冷媒流路59aを構成している。
弁装置54は、制御用通路60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60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プランジャー63と、通電時にプランジャー63を制御用通路60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59に配置されかつ弁部材61に結合された受圧片65とを有している。
受圧片65は、吐出室15から吐出用通路59に吐出される冷媒中に配されることで冷媒の流体抵抗力を検知するものである。冷媒が流れると、受圧片65は駆動部65aを介して弁部材61を開放方向に付勢する。従って、圧縮機11の運転時には、受圧片65で検知した流体抵抗力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に設けた弁部66が制御用通路60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。
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。
所定の電磁力に対して冷媒の流れが大きい場合、冷媒の流れによる流体抵抗力により弁部材61は図中右方向に動く。これにしたがい、弁部66が制御用通路60を開き、吐出ガスがクランク室18へ流れる。その結果としてクランク室圧力が高くなると、容量可変型斜板圧縮機11の原理にしたがってカム傾斜が減少し、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、冷媒の流れによる流体抵抗力は低下して、電磁力と釣り合う位置に弁部材は動く。その結果、弁部66が制御用通路60を閉じて所定の吐出容量を維持する。
所定の電磁力に対して冷媒の流れが少ない場合は、冷媒の流れによる流体抵抗力により弁部材61は図中左方向に動く。これにしたがい、弁部66が制御用通路60を閉じ、吐出ガスがクランク室18へ流れないようになる。その結果としてクランク室圧力が低くなると、容量可変型斜板圧縮機11の原理にしたがってカム角度が増加し、吐出容量が増加するので冷媒流量は増加する。すると、冷媒の流れによる流体抵抗力は増加して、電磁力と釣り合う位置に弁部材61は動き、弁部66が制御用通路60を開いて所定の吐出容量を維持する。このように、可変容量圧縮機11の制御用通路を弁部66により制御し、冷媒流量による可変容量圧縮機11の吐出容量のフィードバック制御を行うことができる。
バネ62は、コイル64への通電をオフしたとき可変容量圧縮機の吐出容量を最小に維持するために、弁部材61を強制的に開いて吐出ガスをクランク室18へ導入する目的で設置される。こうして、弁装置54は、図4における左側の部分が抵抗力検出部51aとして働き、右側の部分が吐出容量制御部51bとして働くように構成されている。
上述した可変容量型圧縮機において、抵抗力検出部51a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る。このとき、抵抗力検出部51aは流量センサとして働く。したがって、エンジンの負荷調整や車両空調の制御を改良できる。また、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、過負荷による圧縮機の破損を防止することができる。
コイル64による電磁力は制御装置23により制御される。制御装置23には操作パネル24及び外部情報検知部25が接続されている。したがって、操作パネル24及び外部情報検知部25から入力される信号を用いて、制御装置23はコイル64による電磁力を制御する。
冷媒循環回路10の高圧側には圧力センサ71が接続されている。圧力センサ71は冷媒循環回路10の高圧側圧力を検出し、外部情報の一つとして外部情報検知部25に供給するものである。外部情報は制御装置23に供給される。
制御装置23は、外部情報に基づき、流体抵抗力に関する制御目標を定める。その制御目標にしたがって、駆動回路52が制御弁51を駆動する。即ち、制御弁51は、流体抵抗力が制御目標値に近づくように容量可変型斜板圧縮機11の吐出容量をフィードバック制御する。具体的には、コイル64の通電が制御され、前記制御目標値として目標圧力つまり電磁力が決定される。結果として、高圧側圧力が前記目標圧力に近づくように弁部66がその動作を制御される。こうして、フィードバック制御が実行される。このとき、コイル64は目標圧力決定部として働き、また弁部66は切り替え部として働く。
なお、外部情報検知部25には、他の外部情報として、エンジン回転数、ラジエータの水温、容量可変型斜板圧縮機11の吸入圧力、日射量、車外温度、車内温度、湿度などが供給されてもよい。また制御装置23は、操作パネル24の操作によっても流体抵抗力に関する制御目標を定めることができるように構成されてもよい。
図5を参照して、冷媒循環回路10の冷媒不足を検出する冷媒不足検出部73について説明する。
冷媒不足検出部73は制御装置23に配置され、演算部74と判断部75とを含んでいる。演算部74は、制御装置23及び抵抗力検出部51aに接続され、制御目標値と前記抵抗力検出値との差を求める。判断部75は、演算部74及び可変容量型圧縮機11に接続され、圧縮機11から得た回転数信号と演算部74で得た差とに基づいて冷媒不足か否かを判断する。判断部75における冷媒不足との判断結果は、例えば、圧縮機での空気圧縮による機器破損を防止するため、あるいは、冷却能力不足を警報する警報ランプを点灯したり、冷房運転を停止したりするために使用できる。
図4と共に図6及び7を参照して、制御弁51の変形について説明する。同様な機能をもつ部分について同じ参照符号を付して説明を省略する。
制御弁51は、抵抗力検出部51aと吐出量制御部51bとに分割形成されてもよい。図6の抵抗力検出部51aにおいて、受圧片65は冷媒流路59aに配置されかつバネまたは弾性部材62aにより弾力的に支持されている。受圧片65の動きは、変位センサ76によって検出される。変位センサ76の出力信号は、吐出量制御部51bの動作制御に使用されてもよい。
図7の吐出量制御部51bにおいて、弁部66は円錐状に形成されている。弁部66は、バネまたは弾性部材62bによって弁孔77から離間する向きに付勢されている。
なお、上述ではクランク室18と吸入室16とを接続した放圧通路19を設け、吐出室15のガスをクランク室18に導く通路に制御弁51を設置した例について説明したが、吐出室15とクランク室18とを接続した放圧通路を設け、クランク室18のガスを吸入室16に導く通路に制御弁を設置してもよい。
本発明の空調装置は、自動車に搭載されてその車室内の空調を行うのに適している。
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。 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。 本発明の実施の形態に係る空調装置の概念図である。 図3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。 冷媒循環回路の冷媒不足を検出する冷媒不足検出部を示すブロック図である。 制御弁の変形を説明するための抵抗力検出部を示す断面図である。 制御弁の変形を説明するための吐出量制御部の断面図である。
符号の説明
10 冷媒循環回路
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
18 クランク室
19 放圧通路
23 制御装置
24 操作パネル
25 外部情報検知部
26 ブロアモータ
27 ダンパ
51 制御弁
51a 抵抗力検出部
51b 吐出量制御部
52 駆動回路
53 弁筐体
54 弁装置
54a 開口
55 第1のシール部材
56 第2のシール部材
57 第3のシール部材
58 第4のシール部材
59 吐出用通路
59a 冷媒流路
60 制御用通路
61 弁部材(ロッド)
62 バネ
62a、62b 弾性部材
63 プランジャー
64 コイル
65 受圧片
65a 駆動部
66 弁部
71 圧力センサ
73 冷媒不足検出部
74 演算部
75 判断部
76 変位センサ

Claims (13)

  1. 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おいて、前記冷媒循環回路に流れている冷媒の流体抵抗力を検出し、前記流体抵抗力に応じて前記可変容量圧縮機の吐出容量を制御する容量制御装置を備えたことを特徴とする空調装置。
  2. 請求項1に記載された空調装置であって、前記容量制御装置は、前記冷媒循環回路に流れている冷媒の流体抵抗力を検出して抵抗力検出値を生成する抵抗力検出部と、前記抵抗力検出部に接続され、前記抵抗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部とを備えたことを特徴とする空調装置。
  3. 請求項1又は2に記載された空調装置であって、さらに、冷房負荷の変動を外部情報として検知する外部情報検知部と、前記外部情報に基づき前記流体抵抗力に関する制御目標値を定める制御装置とを含み、前記容量制御装置は、前記制御目標値に前記流体抵抗力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ことを特徴とする空調装置。
  4. 請求項3に記載された空調装置であって、前記外部情報検知部は、少なくとも前記冷媒循環回路の高圧側圧力を前記外部情報として検知することを特徴とする空調装置であり、さらに、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部と、前記高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切り替え部とを含むことを特徴とする空調装置。
  5. 請求項3に記載された空調装置であって、前記可変容量圧縮機の回転数信号と前記抵抗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部を備えたことを特徴とする空調装置。
  6. 請求項5に記載された空調装置であって、前記冷媒不足検知部は、前記制御目標値と前記抵抗力検出値との差を求める演算部と、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判断部とを有することを特徴とする空調装置。
  7. 請求項2から6のいずれかに記載された空調装置であって、前記抵抗力検出部は、内部が円錐形状をした冷媒流路と、前記冷媒流路中に設けられた受圧片と、前記受圧片を弾力的に支持した弾性部材と、前記受圧片の変位を検出する変位センサとを含むことを特徴とする空調装置。
  8. 請求項2から6のいずれかに記載された空調装置であって、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、前記クランク室と前記吸入室とを接続した放圧通路とを含み、前記吐出容量制御部は、前記吐出室のガスを前記クランク室に導く制御用通路と、前記制御用通路に設置した弁部と、前記抵抗力検出値に基づいて前記弁部を駆動する駆動部とを有することを特徴とする空調装置。
  9. 請求項2から6のいずれかに記載された空調装置であって、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、前記クランク室と前記吐出室とを接続した放圧通路とを含み、前記吐出容量制御部は、前記クランク室のガスを前記吸入室に導く制御用通路と、前記制御用通路に設置した弁部と、前記抵抗力検出値に基づいて前記弁部を駆動する駆動部とを有することを特徴とする空調装置。
  10. 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備えた内部が円錐形状の冷媒流路と、前記冷媒流路に配された受圧片と、前記受圧片に電磁力を作用させるロッドと、前記ロッドに備えた、前記可変容量圧縮機の制御用通路を制御する弁部とを含み、前記冷媒流路を冷媒が通過することにより前記受圧片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、前記受圧片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型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。
  11. 請求項10に記載の空調装置であって、前記電磁力を遮断したときに前記弁部を開放させるばね力を生成するバネを備えたことを特徴とする空調装置。
  12. 請求項10又は11に記載の空調装置であって、前記弁部の開閉が、前記受圧片に作用する流体抵抗力と、前記ばね力と、前記電磁力とのみで行われるように、前記冷媒流路の流路断面積と前記受圧片の面積とを調整したことを特徴とする空調装置。
  13. 請求項10から12のいずれかに記載の空調装置であって、さらに、冷房負荷の変動を外部情報として検知する外部情報検知部を備え、前記外部情報に基づき制御目標値となる電磁力を定め、前記受圧片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型圧縮機の吐出容量をフィードバック制御することを特徴とする空調装置。

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