JP2008002706A - 冷凍機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】冷凍機は、電気式膨脹弁16の弁開度を制御するコントローラ20を備え、コントローラ20は高圧側冷媒が超臨界状態にあるとき、ガスクーラ出口の高圧側冷媒の温度TGが最適なCOPを達成する目標温度TTGに一致すべく、膨脹弁16の弁開度を制御する。
【選択図】図4
Description
具体的には、特許文献1,2の冷凍機にあっては、最適なCOP(成績係数)を達成するため、高圧側冷媒の圧力をその目標圧に維持すべく電気式膨張弁の弁開度が制御されている。
上述の圧力変動を避けるため、特許文献1の冷凍機にあっては電気式膨張弁の弁開度制御とコンプレッサの容量制御と同時に実施しないようにしているものの、冷媒に対する制御の対象が何れも圧力であるため、高圧側冷媒及び低圧側冷媒の一方の圧力が制御されれば、その他方の側での圧力の変動を必然的に伴い、冷凍機の運転を不安定させる要因となる。
更に、特許文献1,2の冷凍機にあっては何れも、高圧側冷媒の圧力が臨界圧以上にあるとき、最適なCOPを達成すべく電気式膨張弁の弁開度を制御しているが、冷凍機の実際の運転に際しては、高圧側冷媒の圧力が臨界圧よりも低くなることも考えられ、このような状況下での制御の確立が望まれている。
上述の請求項1,2の冷凍機によれば、膨張手段における開口の開度が高圧側冷媒の圧力ではなく、高圧側冷媒の目標温度にその実温度を一致させるべく制御されるので、ここでの開度制御がコンプレッサの吐出量制御と干渉することはない。
更に、制御装置は、コンプレッサの吐出量が最小値若しくはその近傍に維持されているとき、膨張手段に所定の開度信号を出力する第3開度信号出力手段を更に含むことができ(請求項4)、この場合、所定の開度信号は全開度信号であるのが望ましい(請求項5)。
更に、開度設定手段は、高圧側冷媒の実圧力が臨界圧以上にあるときに膨張手段の目標開度を設定し、高圧側冷媒の実圧力が臨界圧よりも低いときには目標開度として所定の固定開度を設定する(請求項6)。
請求項6の冷凍機は、高圧側冷媒の圧力が臨界圧よりも低い亜臨界状態にあっても、膨張手段の開口開度を固定開度にするだけで、最適なCOPが得られ、亜臨界状態での制御が頗る簡単なものとなる。
冷凍機は冷媒の循環経路2を備え、この循環経路2は高圧経路部分2aと、低圧経路部分2bとに区分される。高圧経路部分2aには可変容量型のコンプレッサ4が介挿され、このコンプレッサ4は電磁クラッチ6を介してエンジン8に接続され、このエンジン8からの動力が電磁クラッチ6を経て伝達されることで駆動される。
一方、低圧経路部分2bには冷媒の循環方向に蒸発器12及びアキュムレータ14が順次介挿され、そして、低圧経路部分2bの上流端と高圧経路部分2aの下流端との間には膨張手段としての電気式の膨張弁16が配置されている。この膨張弁16はその弁口(開口)の開度、つまり、その弁開度が調整可能なものである。なお、アキュムレータ14は蒸発器12から流出した冷媒に対して気液分離作用をなし、その気相部分のみをコンプレッサ4に向けて供給する。
上述したコンプレッサ4の吐出量、電磁クラッチ6の断続及び膨張弁16の弁開度はコントローラ20からの制御信号を受けて制御され、このため、コントローラ20は各種のセンサやスイッチ類が電気的に接続されている。なお、コントローラ20はマイクロプロセッサ(MPU)、ROM,RAM等の記憶装置、入出力ポート(I/O)及び種々のドライバを含む。
図2はコントローラ20が実行するメインルーチンを示す。
メインルーチンにて、コントローラ20は先ず、初期化処理(ステップS1)を実施した後、信号処理を実施する(ステップS2)。このステップS2にて、センサ及びスイッチ類からの信号を読み込むための所定の処理が実施される。
コンプレッサ4のための吐出量制御(ステップS4)、そして、膨張弁16のための弁開度制御(ステップS5)を順次実施する。
クラッチ制御は、前述したA/Cスイッチ34からの切換信号に基づいて実施され、A/Cスイッチ34がオン操作されたとき、コントローラ20は電磁クラッチ6に制御信号を送信して電磁クラッチ6を繋ぎ、電磁クラッチ6を経てエンジン8の動力をコンプレッサ4に伝達させる。従って、この時点から、コンプレッサ4が駆動され、循環経路2内にて冷媒が循環し、車室内の冷房が開始される。
吐出量制御では、先ず、前述の室温設定スイッチ32からの設定信号に基づき、調和空気の目標温度TOが読み込まれ(ステップS40)、そして、空気温度センサ22からの検出信号に基づき調和空気の実温度TAが読み込まれる(ステップS41)。この後、コントローラ20は、目標温度TO及び実温度TAに基づき、コンプレッサ4の目標吐出量QOを演算し(ステップS42)、そして、目標吐出量QOに応じたコンプレッサ4の制御量を出力する。従って、コンプレッサ4はその実吐出量を目標吐出量QOに一致させるべく、その駆動が制御され、ステップS4が繰り返して実施されることで、車室内の温度は目標温度TOに維持される。
弁開度制御にて、コントローラ20は先ず、コンプレッサ(コンプ)の駆動が開始(オン)されているか否かを判別し(ステップS50)、ここでの判別結果が真(Yes)の場合、コンプレッサの吐出量が最大吐出であるか否かを判別する(ステップS51)。そして、ここでの判別結果が偽(No)の場合、コントローラ20は更に、循環経路2の高圧経路部分2aを流れる冷媒、つまり、高圧側冷媒の圧力がその臨界圧以上であるか否かを判別する(ステップS52)。ここでの判別は、前述の冷媒圧力センサ28からの検出信号に基づいて実施され、冷媒圧力センサ28はガスクーラ10の出口での圧力を高圧側冷媒の圧力PHとして検出する。
高圧側冷媒の目標温度TTGを演算するにあたり、コントローラ20は循環経路2の低圧経路部分2b内を流れる冷媒、つまり、低圧側冷媒の圧力PSを読み込む(ステップS61)。具体的には、ここでは、前述の冷媒圧力センサ24からの検出信号が読み込まれ、この冷媒圧力センサ24はコンプレッサ4に吸引される低圧側冷媒の圧力を圧力PSとして検出する。
なお、図6及び図7から明らかなように、最適線で表される高圧側冷媒の圧力PH及び温度TGは、圧力PSや過熱度(SH)の相違に対して余り変化しないリニアな関係であるから、圧力PSや過熱度(SH)を無視することも可能であり、この場合、目標温度TTGは圧力PHに基づき、次式から演算することも可能である。
ここで、A,Bは定数である。
上述したようにして高圧側冷媒の目標温度TTGが設定されると、コントローラ20は次のステップS53(図4参照)にて、目標温度TTGに基づいて目標弁開度OEを演算する。具体的には、ここでは、目標温度TTGと高圧側冷媒の実温度TGAとの間の偏差が演算され、この偏差の解消に必要な膨張弁16の目標弁開度OEが演算される。なお、実温度TGAは前述の冷媒温度センサ30により検出される。
より詳しくは、図8から明らかなように膨脹弁16の目標弁開度OEは、目標温度TTGに対して高圧側冷媒の実温度TGAが高ければ、現弁開度を減少する閉方向に設定され、逆に、目標温度TTGに対して高圧側冷媒の実温度TGAが低ければ、現弁開度を増加する開方向に設定される。
以下の表1は、膨脹弁16の弁開度を変化させたとき、ガスクーラ10における出口での高圧側冷媒の圧力PH、温度TG及び冷媒の循環量を示す。
一方、図4の弁開度制御ルーチンにおいて、ステップS52での判別結果が偽となる場合、つまり、高圧側冷媒の圧力PHが臨界圧よりも低い場合、コントローラ20はステップS52からステップS55を実施し、このステップにて膨脹弁16の弁開度を所定の固定開度に設定する。それ故、次のステップS54にて、膨脹弁16はその弁開度を固定開度にすべく制御される。
出口(e位置)での高圧側冷媒の圧力PH及び温度TGは2相域に入るため、これら圧力PH及び温度TGを実質的に把握することはできない。しかしながら、ガスクーラ10の能力を測定し、ガスクーラ10の入口及び出口での高圧側冷媒の状態を算出したところ、実際の出口は図10中のα位置となる。
以下の表2は、膨脹弁16の弁開度を種々に変化させた際の冷凍機の挙動を示す。
表2中の蒸発器12の能力及びガスクーラ10の能力を参照すれば、膨脹弁16の弁開度が変化されたとき、前述したα位置及びβ位置はそれぞれ左右に動くものと推定される。それ故、最適なCOPを達成するにあたり、膨脹弁16の弁開度を固定開度に設定可能であり、これは実験により確認された。なお、実験に使用した冷凍機の場合、弁開度指示値が約28となる弁開度を固定開度としたとき、最適なCOPが達成された。
一方、ステップS51の判別結果が真となる場合、つまり、コンプレッサ4の吐出量が許容最大値若しくはその近傍に維持されている状況にあるとき、ステップS70にて、高圧側冷媒の目標圧TPGが演算され、その詳細を図12に示す。
なお、目標圧TPGは次式から演算することができる。
なお、C,Dは定数である。
この後、次のステップS57では、目標圧TGPに基づいて膨脹弁16の目標弁開度OEが演算され、ステップS54の実施を経て、膨脹弁16の弁開度は目標弁開度OEに一致すべく小刻みに変化される。
一方、ステップS70を経て、膨脹弁16の弁開度が制御されても、このとき、コンプレッサ4はその吐出量を実質的に可変できる状況にないから、弁開度制御と吐出量制御とが互いに干渉し合うようなことはなく、よって、最適なCOPを達成することができる。
例えば、本発明が適用可能な冷凍機のコンプレッサはその吐出量が温度TA,圧力PS、その吐出圧PD又はPD−PSの差圧を一定に維持すべき制御されるものであってよく、また、冷凍機はオイルパレータやレシーバを備えるものであってよいことは言うまでもない。
2a 高圧経路部分
2b 低圧経路部分
4 コンプレッサ
6 電磁クラッチ
10 ガスクーラ
12 蒸発器
14 アキュムレータ
16 膨脹弁
18 内部熱交換器
20 コントローラ(制御装置)
22 空気温度センサ
26,30 冷媒温度センサ
24,28 冷媒圧力センサ
32 室温設定スイッチ
34 A/Cスイッチ
Claims (6)
- 高圧経路部分と低圧経路部分に分けられる冷媒の循環経路と、
前記高圧経路部分に介挿され、冷媒を圧縮して吐出する可変容量型のコンプレッサと、
前記高圧経路部分に前記コンプレッサの下流に位置して介挿され、前記コンプレッサから吐出された高圧側冷媒を冷却するガスクーラと、
前記高圧経路部分の下流端と前記低圧経路部分の上流端との間に設けられた開口を有し、この開口の開度を調整可能とした膨張手段と、
前記低圧経路部分に介挿され、前記膨張手段の前記開口から流出した低圧側冷媒を蒸発させ、調和空気を冷却する蒸発器と、
前記蒸発器から供給されるべき前記調和空気の設定温度を設定する調和温度設定手段と、
前記調和空気の実温度を検出する空気温度検出手段と、
前記高圧経路部分内の前記高圧側冷媒の実温度を検出する冷媒温度検出手段と、
前記高圧経路部分内の前記高圧側冷媒の実圧力を検出する冷媒圧力検出手段と、
前記膨張手段における前記開口の開度を制御する制御装置と
を具備し、
前記制御装置は、
前記高圧側冷媒の実圧力に基づき、前記高圧側冷媒の目標温度を演算する目標温度演算手段と、
前記高圧側冷媒の前記目標温度とその前記実温度との間の偏差に基づき、前記膨張手段における前記開口の目標開度を設定する開度設定手段と、
前記目標開度に基づいて、前記膨張手段に開度信号を出力する開度信号出力手段と
を含むことを特徴とする冷凍機。 - 前記制御装置は、
前記調和空気の前記目標温度とその前記実温度との間の偏差に基づき、前記コンプレッサの目標吐出量を演算する吐出量演算手段と、
前記目標吐出量に基づき、前記コンプレッサに容量信号を出力する容量信号出力手段と
を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の冷凍機。 - 前記制御装置は、
前記コンプレッサの吐出量が許容最大値若しくはその近傍に維持されているとき、前記高圧側冷媒の目標圧を演算する目標圧演算手段と、
前記目標圧に基づいて、前記膨張手段に開度信号を出力する第2開度信号出力手段とを更に含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の冷凍機。 - 前記制御装置は、
前記コンプレッサの吐出量が最小値若しくはその近傍に維持されているとき、前記膨張手段に所定の開度信号を出力する第3開度信号出力手段を更に含むことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の冷凍機。 - 前記所定の開度信号は全開信号であることを特徴とする請求項4に記載の冷凍機。
- 前記開度設定手段は、前記高圧側冷媒の実圧力が臨界圧以上にあるときに前記膨張手段の前記目標開度を設定し、前記高圧側冷媒の実圧力が臨界圧よりも低いときには前記目標開度として所定の固定開度を設定することを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の冷凍機。
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