JP2006052943A - 容量可変型圧縮機の駆動トルク推定方法および冷凍サイクルの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容量可変型圧縮機の駆動トルクを正確に推定し、必要とするエンジン出力トルクに応じてエンジン負荷である容量可変型圧縮機の駆動トルクを制御することを可能にする容量可変型圧縮機の駆動トルク推定方法を提供する。
【解決手段】吐出圧力と吸入圧力との差圧が一定になるようクランク室内の圧力を容量制御弁５によって制御することにより吐出容量を外部から制御するようにした容量可変型圧縮機１と通路面積が変化しない膨張装置３とを備えた冷凍サイクルにおいて、容量制御弁５を制御する電気信号を直接測定し、これから冷凍サイクル内の冷媒高圧側圧力と低圧側圧力との差圧を推定し、さらに膨張装置３の通路面積とエンジン回転数とを利用して駆動トルクを推定する。冷凍サイクル内の差圧は、その差圧を制御する電気信号から得ることで精度よく推定できるので、これから推定される駆動トルクの精度を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は容量可変型圧縮機の駆動トルク推定方法および冷凍サイクルの制御方法に関し、特に膨張装置として弁開度の調整機能を持たないオリフィスチューブを用いた冷凍サイクルからなる自動車用空調装置にて容量可変型圧縮機を駆動するエンジンに対してできるだけ負荷が少なくかつ高精度な制御を可能にする容量可変型圧縮機の駆動トルク推定方法および冷凍サイクルの制御方法に関する。

自動車用空調装置においては、圧縮機がエンジンによって駆動されるため、運転状態がエンジンの運転状態によって大きく影響される。逆に、エンジンは、自動車用空調装置が負荷になっており、自動車用空調装置を駆動するための余分なエネルギを必要とする。

エンジンの出力は、その負荷である自動車用空調装置の運転状態に応じて制御する必要がある。たとえば自動車用空調装置が運転中は、圧縮機の駆動トルクを考慮し、その駆動トルクを余分に発生するようにエンジン出力トルクが制御されている。圧縮機の駆動トルクは、あらかじめ設定されていて、自動車用空調装置が運転されるときは、そのあらかじめ設定された固定値だけ余分に駆動トルクを発生するように制御している。

あらかじめ設定された駆動トルクは、実際の駆動トルクと大きく相違することがあるため、エンジン出力トルクも必要なトルクからずれて制御されることになる。そのため、たとえば特許文献１に記載の技術では、容量可変型圧縮機の吐出容量を外部から電気制御するための圧縮機制御信号に基づいて、容量可変型圧縮機の駆動トルクを推定し、これを上乗せしてエンジン出力トルクを制御するようにしている。

このような制御は、膨張装置が外部から与えられる信号によって弁開度が自由に設定できる圧力制御弁を使用した構成の冷凍サイクルについて述べているが、膨張装置として弁開度の調整機能を持たないオリフィスチューブを用いた冷凍サイクル（たとえば特許文献２。）においても同じことが言える。

すなわち、自動車用空調装置の運転中に自動車が発進または加速走行しようとしたときには、容量可変型圧縮機の駆動トルクを制御することにより、燃料消費を大きく増やすことなく発進または加速に必要なエンジン出力トルクを確保することができるのである。
特開２００１−１８０２６１号公報（段落番号〔０００６〕，図２） 特開昭５６−７９５９号公報（図１）

しかしながら、従来の冷凍サイクルの制御において、エンジン出力トルクの制御に必要な容量可変型圧縮機の駆動トルクについては、冷媒循環回路に設定された２つの圧力監視点間の差圧に容量可変型圧縮機の吐出容量が反映されていることから、２つの圧力監視点間の差圧を設定するための圧縮機制御信号から容量可変型圧縮機の吐出容量つまりはその駆動トルクを推定しているが、容量可変型圧縮機の駆動トルクを正確に推定することは難しいという問題点があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、容量可変型圧縮機の駆動トルクを正確に推定し、必要とするエンジン出力トルクに応じてエンジン負荷である容量可変型圧縮機の駆動トルクを制御することを可能にする容量可変型圧縮機の駆動トルク推定方法および冷凍サイクルの制御方法を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、容量可変型圧縮機および膨張装置を備えた冷凍サイクルにおける前記容量可変型圧縮機の駆動トルク推定方法において、前記冷凍サイクル内の高圧側圧力と低圧側圧力との差圧に基づいて前記容量可変型圧縮機の駆動トルクを推定するようにしたことを特徴とする容量可変型圧縮機の駆動トルク推定方法が提供される。

このような容量可変型圧縮機の駆動トルク推定方法によれば、容量可変型圧縮機を制御することにより、その容量可変型圧縮機によって冷凍サイクル内に直接的に発生された高圧側圧力と低圧側圧力との差圧に基づいて容量可変型圧縮機の駆動トルクを推定しているので、容量可変型圧縮機の駆動トルクを精度よく推定することを可能にしている。

また、本発明では、容量可変型圧縮機および膨張装置を備えた冷凍サイクルの制御方法において、前記冷凍サイクル内の高圧側圧力と低圧側圧力との差圧に基づいて前記容量可変型圧縮機の駆動トルクを推定し、自動車が発進または急加速時には、推定した前記駆動トルクがゼロに、前記自動車の加速または登坂走行時には、前記駆動トルクが小さくなるように、前記容量可変型圧縮機の吐出容量を外部から制御するための圧縮機制御信号を制御することを特徴とする冷凍サイクルの制御方法が提供される。

このような冷凍サイクルの制御方法によれば、容量可変型圧縮機の駆動トルク、すなわち冷凍サイクルのエネルギ状態を、容量可変型圧縮機によって冷凍サイクル内に直接的に発生された高圧側圧力と低圧側圧力との差圧に基づいて推定している。これにより、冷凍サイクルのエネルギ状態は、実際に容量可変型圧縮機を制御している圧縮機制御信号の値から算出していることにより、正確に推定することができるため、冷凍サイクルをよりきめ細かく制御することが可能になる。

本発明では、自動車用空調装置の冷凍サイクルにおいて、冷凍サイクル内の高圧側圧力と低圧側圧力との差圧を制御して容量可変型圧縮機の容量を制御するための容量制御弁に与えられる電気信号から、容量可変型圧縮機の前後に発生する差圧を推定し、これに基づいて容量可変型圧縮機の駆動トルクを推定するようにした。容量制御弁を制御している電気信号を直接利用できることで高い精度で容量可変型圧縮機の駆動トルクを推定することができるため、冷凍サイクルをよりきめ細かく制御することが可能になり、エンジンが大きな駆動トルクを必要とする場合に、圧縮機の駆動トルクを小さくするようなトルク制御が可能になり、急加速や登坂走行時の自動車の走行性能を改善することができる。

まず、本発明の原理から先に説明する。
冷凍サイクルの冷力Ｑ、すなわちエネルギは、冷凍サイクル内の冷媒の高圧側圧力と低圧側圧力との差圧ΔＰと冷媒流量Ｇｆとの積に比例し、
Ｑ∝Ｇｆ＊ΔＰ ・・・（１）
で表すことができる。一方、冷凍サイクルを動かすのに必要なエンジンのエネルギは、Ｎをエンジンの回転数、Ｔを駆動トルクとすると、
Ｑ∝Ｎ＊Ｔ ・・・（２）
で表される。これらの式から、
Ｑ∝Ｎ＊Ｔ∝Ｇｆ＊ΔＰ ・・・（３）
が得られる。この式から、冷凍サイクル内の冷媒高圧側圧力と低圧側圧力との差圧ΔＰと冷媒流量Ｇｆと回転数Ｎとが分かれば、容量可変型圧縮機の駆動トルクが分かることになる。ここで、差圧ΔＰは、容量可変型圧縮機の吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差であり、容量可変型圧縮機の差圧を外部から一定の差圧に制御する容量可変型圧縮機用の容量制御弁の電気信号の関数になっている。一方、冷媒流量Ｇｆは、膨張装置において冷媒が通過するオリフィスの面積およびその前後の差圧から求められる値であって、その差圧は容量可変型圧縮機の吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差でもあるので、容量可変型圧縮機を外部から一定の容量に制御する容量可変型圧縮機用の容量制御弁の電気信号の関数になっている。つまり、差圧ΔＰまたは冷媒流量Ｇｆは、外部からの電気信号によって容量制御弁のコイルへ供給される電流ｉによって決められるので、これらの電流値を直接検出することによって冷凍サイクルのエネルギを正確に求めることができる。

また、冷凍サイクルを動かすのに必要なエンジンのエネルギの式（３）からは、エンジンの回転数Ｎが分かっているので、式（３）またはその冷媒流量Ｇｆを膨張装置のオリフィスの面積およびその前後の差圧で置き換えた式により駆動トルクＴが分かる。しかも、冷凍サイクルのエネルギを求めるパラメータが正確に検出できることから駆動トルクＴをより正確に求めることができる。

これにより、差圧ΔＰを電気信号によって制御することにより、冷凍サイクルのエネルギを自由に制御できるだけでなく、駆動トルクＴも自由に制御できることになる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

図１は冷凍システムの原理的な構成を示すシステム図である。
この冷凍システムは、冷媒を圧縮する容量可変型圧縮機１と、圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器２と、凝縮された冷媒を段熱膨張させる膨張装置３と、膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器４とを備えている。

容量可変型圧縮機１は、冷媒入口と出口との差圧を一定に制御する差圧制御式のものが用いられる。膨張装置３は、固定オリフィスを有するオリフィスチューブからなる。
容量可変型圧縮機１は、その吐出室から吐出される吐出圧力Ｐｄの冷媒を直接凝縮器２に供給するとともに、その一部を容量制御弁５で圧力Ｐｃにしてクランク室に供給するよう構成され、その容量制御弁５は、駆動回路６に接続されている。また、蒸発器４から戻ってきた吸入圧力Ｐｓの冷媒は、吸入室に供給するよう構成され、さらに、クランク室と吸入室との間には、オリフィス７が設けられている。

容量制御弁５は、容量可変型圧縮機１から吐出される冷媒を、吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差圧が駆動回路６によって与えられた制御信号により決まる一定の差圧で吐出するように制御する。

図２は差圧制御の容量可変型圧縮機を用いた冷凍システムの差圧−流量特性を示す図である。
この特性において、縦軸は容量可変型圧縮機１の吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差圧を示し、横軸は冷凍サイクルを流れる冷媒の流量を示している。

容量可変型圧縮機１は差圧制御式なので、その吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差圧ΔＰ（ｉ）は駆動回路６によって与えられる制御信号の電流ｉによって決められる。また、膨張装置３における差圧ΔＰに関しては、オリフィスの大きさによって傾きが決められる。したがって、この冷凍システムでは、電流ｉによって容量可変型圧縮機１の吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差圧ΔＰが分かるので、そのときの冷媒流量Ｇｆ（ｉ）および可変容量率を知ることができる。

次に、この冷凍システムを構成する差圧制御の容量可変型圧縮機１の具体例について説明する。
図３は差圧制御式の容量可変型圧縮機の一構成例を示す断面図、図４は差圧制御式の容量可変型圧縮機に用いられる容量制御弁の詳細を示す断面図である。

この容量可変型圧縮機は、気密に形成されたクランク室１０を有し、中には回転自在に支持された回転軸１１を有している。この回転軸１１の一端は、図示しない軸封装置を介してクランク室１０の外まで延びていてエンジンの出力軸から駆動力が伝達されるプーリ１２が固定されている。回転軸１１には、揺動板１３が傾斜角可変に設けられている。回転軸１１の軸線の回りには、複数（図示の例では１つ）のシリンダ１４が配置されている。各シリンダ１４には、揺動板１３の回転運動により往復運動に変換されたピストン１５が配置されている。各シリンダ１４は、それぞれ吸入用リリーフ弁１６および吐出用リリーフ弁１７を介して吸入室および吐出室に接続されている。各シリンダ１４の吸入室は、相互に連通して１つの部屋になっており、蒸発器に接続される。また、各シリンダ１４の吐出室も、相互に連通して１つの部屋になっており、吐出側冷媒流路を介して凝縮器に接続される。

この容量可変型圧縮機は、吐出室からクランク室１０へ向かう冷媒流路の途中にＰｄ−Ｐｓ差圧制御の容量制御弁７０が設けられ、吐出室とクランク室１０との間、およびクランク室１０と吸入室との間には、それぞれ固定オリフィス７１，２１が設けられている。

この容量制御弁７０は、図４に示したように、吐出室の吐出圧力Ｐｄを受けてクランク室１０に圧力Ｐｃを導入する弁体７２を有し、この弁体７２には感圧ピストン７３が一体に形成されている。感圧ピストン７３の図の上端は、通路７４を介してクランク室１０の圧力Ｐｃを受けるよう構成されている。弁体７２は、その弁座７５から離れる方向にスプリング７６によって付勢されている。

弁体７２とソレノイド部との間には、径の異なる２つのピストンロッド７７，７８が軸線方向に進退自在に配置されている。その上側のピストンロッド７７は、弁座７５の直径と同じ直径を有し、下側のピストンロッド７８は、弁体７２と一体に形成された感圧ピストン７３と同じ直径を有している。これらのピストンロッド７７，７８の連結部は、縮径されていて、吸入室に連通して吸入圧力Ｐｓを受ける空間を構成している。ピストンロッド７８の図の下端は、通路７９，８０を介してクランク室１０の圧力Ｐｃを受けるよう構成されている。

ソレノイド部は、電磁コイル８１、コア８２、プランジャ８３、シャフト８４を有している。シャフト８４の両端は、ガイド８５，８６によって支持され、上端部は、ピストンロッド７８に当接している。シャフト８４には、Ｅリング８７が嵌着されており、プランジャ８３がコア８２に吸着するよう移動したとき、シャフト８４も一緒に移動するようにしている。そして、プランジャ８３の軸線方向両端側には、スプリング８８，８９が配置されている。

この容量制御弁７０は、吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差圧ΔＰを感じて動作する差圧弁を構成し、その差圧ΔＰが一定になるよう吐出室からクランク室１０へ流れる冷媒の流量を制御する。その一定に制御しようとする差圧ΔＰ（ｉ）は、ソレノイドの電磁コイル８１へ供給する電流ｉによって決めることができる。

ここで、容量制御弁７０に供給される制御信号は、差圧ΔＰに対応したソレノイド力を発生させる信号であるので、吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差圧ΔＰを表しており、この差圧ΔＰは膨張装置３の前後の差圧でもある。膨張装置３のオリフィスチューブの流路面積は固定であることから、制御信号を直接測定することにより、そのときの冷媒流量Ｇｆを正確に知ることができる。したがって、差圧ΔＰおよび冷媒流量Ｇｆが分かり、そのときのエンジンの回転数Ｎは分かっているので、駆動トルクＴを求めることができるのである。

このようにして求められた容量可変型圧縮機の駆動トルクＴは、自動車が発進または急加速時には、ゼロに、自動車の加速または登坂走行時には、小さくなるように制御信号を制御する。具体的には、差圧ΔＰを表す制御信号を、差圧がゼロになるよう制御し、登坂走行時に差圧が小さくなるよう制御する。このように、自動車の走行状態に応じて容量可変型圧縮機の駆動トルクＴを変えるようにしたことで、エンジンの駆動トルクを大きくしたいときに容量可変型圧縮機の駆動トルクＴが小さくなって、自動車の走行性能を改善することができる。

以上、本発明をその好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はその特定の実施の形態に限定されるものではない。たとえば、以上の実施の形態では、吐出室とクランク室１０との間に容量制御弁を設けて、容量制御弁が吐出圧力Ｐｄの冷媒をクランク室１０に導入する量を制御する方式の冷凍システムについて説明したが、クランク室１０と吸入室との間に容量制御弁を設けて、クランク室１０から吸入室に逃す冷媒量を制御したり、吐出室とクランク室１０との間およびクランク室１０と吸入室との間に容量制御弁を設けて、クランク室１０に入れる冷媒量とクランク室１０から抜き出す冷媒量とを同時に制御するいずれの方式でもよい。

また、上記の実施の形態では、膨張装置３としてオリフィスチューブを用いたが、冷凍サイクルの高圧圧力および低圧圧力から冷媒流量を正確に知り得ることができるものであればよく、たとえば特開２０００−１５４９５２号公報に記載の差圧弁とオリフィスとを組み合わせたものや、実開平２−７３５６９号公報に記載の圧力検知式オリフィスチューブ、さらには、チューブに比較して長さの短い固定オリフィスを用いてもよい。

そして、上記の冷凍システムでは、冷媒に代替フロンＨＦＣ−１３４ａを使用した場合の冷凍サイクルの構成例であるが、冷媒に炭酸ガスを使用した超臨界冷凍サイクルにおいても凝縮器がガスクーラに変更されるだけで同じように適用できることは言うまでもないことである。

冷凍システムの原理的な構成を示すシステム図である。 差圧制御の容量可変型圧縮機を用いた冷凍システムの差圧−流量特性を示す図である。 差圧制御式の容量可変型圧縮機の一構成例を示す断面図である。 差圧制御式の容量可変型圧縮機に用いられる容量制御弁の詳細を示す断面図である。

符号の説明

１ 容量可変型圧縮機
２ 凝縮器
３ 膨張装置
４ 蒸発器
５ 容量制御弁
６ 駆動回路
７ オリフィス
１０ クランク室
１１ 回転軸
１２ プーリ
１３ 揺動板
１４ シリンダ
１５ ピストン
１６ 吸入用リリーフ弁
１７ 吐出用リリーフ弁
２１ 固定オリフィス
７０ 容量制御弁
７１ 固定オリフィス
７２ 弁体
７３ 感圧ピストン
７４ 通路
７５ 弁座
７６ スプリング
７７，７８ ピストンロッド
７９，８０ 通路
８１ 電磁コイル
８２ コア
８３ プランジャ
８４ シャフト
８５，８６ ガイド
８７ Ｅリング
８８，８９ スプリング

Claims (5)

1. 容量可変型圧縮機および膨張装置を備えた冷凍サイクルにおける前記容量可変型圧縮機の駆動トルク推定方法において、
   前記冷凍サイクル内の高圧側圧力と低圧側圧力との差圧に基づいて前記容量可変型圧縮機の駆動トルクを推定するようにしたことを特徴とする容量可変型圧縮機の駆動トルク推定方法。
2. 前記差圧は、吐出圧力と吸入圧力との差圧が一定になるよう前記容量可変型圧縮機のクランク室内の圧力を制御することにより吐出容量を外部から制御するための圧縮機制御信号を直接検出することによって得るようにしたことを特徴とする請求項１記載の容量可変型圧縮機の駆動トルク推定方法。
3. 前記駆動トルクは、前記差圧と、前記膨張装置のオリフィス部の通路面積と、エンジンの回転数とから推定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の容量可変型圧縮機の駆動トルク推定方法。
4. 前記膨張装置は、通路面積が固定のオリフィスチューブであることを特徴とする請求項３記載の容量可変型圧縮機の駆動トルク推定方法。
5. 容量可変型圧縮機および膨張装置を備えた冷凍サイクルの制御方法において、
   前記冷凍サイクル内の高圧側圧力と低圧側圧力との差圧に基づいて前記容量可変型圧縮機の駆動トルクを推定し、
   自動車が発進または急加速時には、推定した前記駆動トルクがゼロに、前記自動車の加速または登坂走行時には、前記駆動トルクが小さくなるように、前記容量可変型圧縮機の吐出容量を外部から制御するための圧縮機制御信号を制御することを特徴とする冷凍サイクルの制御方法。

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