JP2008527244A - 可変容量型コンプレッサを制御するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

制御方式の一部としてクランクケース圧力をフィードバックすることによって、可変容量型コンプレッサの容積を制御するためのシステムおよび方法が開示される。

Description

本発明は一般に可変容量型コンプレッサ（ｖａｒｉａｂｌｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）の制御に関する。

本出願は２００５年１月１４日に出願された米国仮特許出願第６０／６４４，０９７号に対する優先権を主張するものである。

本発明は米国標準技術局（ＮＩＳＴ）によって付与された共同合意第７０ＮＡＮＢ２Ｈ３００３に基づく米国政府の支援によってなされたものである。米国政府は本発明に対して一定の権利を有するものである。

開示内容が参照によって本明細書に組み込まれるスキナー（Ｓｋｉｎｎｅｒ）への米国特許第４，４２８，７１８号“Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ”（可変容量型コンプレッサの弁構成）（スキナー‘７１８号）は、可変容量型コンプレッサ、従来型の空気圧制御弁、可変容量型コンプレッサの基本的機能、および制御弁とコンプレッサとの相互作用を記載している。

ここで図１を参照すると、図１はスキナー‘７１８号に記載の可変容量型冷却コンプレッサ２１０を示している。可変容量型冷却コンプレッサ２１０は、コンプレッサの吐出側と吸入側との間に記載順に配置された通常のコンデンサ２１２、オリフィス管２１４、蒸発器２１６およびアキュムレータ２１８を有する自動車の空調システムに接続された可変角度斜板型のコンプレッサである。コンプレッサ２１０はヘッド２２２と、その反対端に密閉して固締されたクランクケース２２４とを有するシリンダ・ブロック２２０を備えている。駆動軸２２６は軸受によってコンプレッサ２１０内の中心のシリンダ・ブロック２２０およびクランクケース２２４の位置に支承されている。駆動軸２２６は、クランクケース２２４上に取り付けられ、クラッチ２３６のプーリ２４０と噛み合うベルト２３８によってエンジン駆動される電磁クラッチ２３６によって自動車エンジン（図示せず）に連結されるようにクランクケース２２４を通して延在している。

シリンダ・ブロック２２０はこれを通る５つの軸シリンダ（１つだけを図示）を有しており、これらは駆動軸２２６の軸を基点に等間隔を隔て、かつ軸から離れている。シリンダ２４２は駆動軸２２６と平行に延び、ピストン２４４は各シリンダ２４２内で往復摺動するように取り付けられている。分離したピストン・ロッド２４８は各ピストン２４４の裏面を非回転式の環状斜板２５０に連結する。

非回転式の斜板２５０はその内径２６４の部分で回転駆動版２６８のジャーナル２６６に取り付けられている。駆動板２６８はそのジャーナル２６６の部分で、駆動軸２２６に摺動自在に取り付けられたスリーブ２７６に一対のピボット・ピン（図示せず）によって枢着され、駆動板２６８と斜板２５０とを駆動軸２２６に対して角度を持つことができるようにされている。駆動軸２２６は駆動板２６８に駆動連結されている。斜板２５０は回転駆動板２６８に対して角度を持つことができるとともに、ガイド・ピン２７０によって回転駆動板と共回転することが防止されている。

斜板２５０の角度が駆動軸２２６の軸に対して、図１に示されているフル・ストロークの実線の大きい角位置からゼロ・ストロークである図示されたゼロ角度の点線位置へと変更されることによって、ピストン２２４のストロークを、ひいてはこれらの両極端の間でのコンプレッサ２１０の容量、すなわち容積を変更する。駆動軸２２６上の溝内に取り付けられ、斜板角度ゼロ位置（ｚｅｒｏ ｗｏｂｂｌｅ ａｎｇｌｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）への移動中にスリーブ２７６が噛み合うスプリット・リング式戻りばね（ｓｐｌｉｔ ｒｉｎｇ ｒｅｔｕｒｎ ｓｐｒｉｎｇ）２７２が備えられ、それによって戻り運動を開始するように調整されている。

シリンダ２４２の作動端は、シリンダ・ブロック２２０にこれとヘッド２２２との間で固締されている吸入弁ディスクと吐出弁ディスクとからなる弁板アセンブリ２８０によってカバーされている。ヘッド２２２には、蒸発器２１６の下流のアキュムレータ２１８から気相冷媒を受けるために外部ポート２８４を通して連結されている吸入領域２８２が備えられている。吸入領域２８２は、各シリンダの位置で吸入弁ディスクと一体に形成されたリード弁をそれぞれ経て冷媒が吸入ストロークでそれぞれのシリンダに流入される各シリンダ２４２の作動端で、弁板アセンブリ２８０内の吸気ポート２８０へと開かれている。次に圧縮行程で、各シリンダ２４２の作動端へと開かれた吐出口２８８が、圧縮された冷媒が吐出弁ディスクと一体形成された吐出リード弁によってヘッド２２２内の吐出領域２９０内に吐出されることを可能にする。コンプレッサの吐出領域２９０は圧縮された気相冷媒を給送するようにコンデンサ２１２に連結されており、そこから冷媒はオリフィス管２１４を経て蒸発器２１６に戻るように送られて、図１に示すような冷媒回路を確立する。

斜板角度、ひいてはコンプレッサ容積は、吸入圧に対するピストン２４４の背後のクランクケース２２４の密封された内部２７８の冷媒ガス圧を制御することによって制御可能である。この種類の制御では、斜板２５０の角度はピストン２４４上の力の均衡によって決まる。クランクケース内の圧力と吸入圧との圧力差（吸入圧制御設定点）が設定値を超えると、ピストン２４４上の正味力（ｎｅｔ ｆｏｒｃｅ）によって斜板のピボット・ピン（図示せず）を支点にして斜板角度が縮小するのに充分に大きい転回運動が生じ、それによってピストン２４４のストローク長が短縮するのでコンプレッサ容積が低減する。

可変容量型コンプレッサ２１０の重要な要素はコンプレッサ２１０のヘッド部２２２内に挿入された空気圧制御弁３００である。制御弁３００はコンプレッサ２１０に戻る冷媒ガスの圧力状態（吸入圧）を検知することによって空調負荷を検知する。制御弁３００はクランクケース室２７８に作用的に連結されている。コンプレッサ２１０のシリンダ・ブロック２２０とヘッド２２２内には、コンプレッサ２１０の制御弁３００と吸入領域２８２、および吐出領域２９０とクランクケース室２７８との間のガス流のための流路がある。制御弁３００は、ピストン２４４の背面と斜板２５０とに作用するクランクケース室２７８内のガス圧を調整することによってコンプレッサ２１０内のピストン２４４の容積を制御する。

制御弁３００はコンプレッサ・ヘッド２２２内に形成された段付きの制御弁盲空洞（ｂｌｉｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ ｃａｖｉｔｙ）２９８内に挿入される。制御弁空洞２９８の盲端部はポート２９２を通して吐出領域２９０と直に連通している。制御弁空洞ポート２９４および２９５はトランクケース室２７８と連通している。制御弁空洞レポート２９６は吸入領域２８２と連通している。制御弁３００は、制御弁３００の特定の形状構造がポート２９２、２９４、２９５および２９６と整合するように制御弁空洞２９８内に密封されている。

開示内容が参照によって本明細書に組み込まれるクーメ（Ｋｕｍｅ）等の米国特許第６，７６９，６６７号“Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ ｆｏｒ ａ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ”（可変容量型コンプレッサ用制御弁）（クーメ‘６６７号）は、ソレノイドおよび吸入圧基準ベローを有する電気／空気圧制御を利用する制御弁を記載している。

開示内容が参照によって本明細書に組み込まれるブース（Ｂｏｏｔｈ）等の米国特許第６，３９０，７８２号”Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ ｆｏｒ ａ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ”（可変容量型コンプレッサ用制御弁）（ブース‘７８２号）はソレノイドおよび吸入圧基準ベローを有する電気／空気圧制御を利用する制御弁を記載している。

ブース‘７８２号に開示されている先行技術による可変設定点制御弁（可変制御弁）１０が図２に示されている。図２には可変制御弁１０が横断面図で示されており、これは前述の（図１を参照）スキナー‘７１８号の可変容量型コンプレッサの制御弁空洞２９８に適合するのに適した形状および配置構成を有している。可変制御弁１０はガスを圧縮するコンプレッサ１００に結合されている。可変制御弁１０はガス量およびコンプレッサ１００内でガスが圧縮される度合いを制御する。図２に示された実施形態では、コンプレッサ１００内で圧縮されるガスは、例えば自動車にある空調ユニットのような空調ユニットで使用されるような冷媒である。

可変制御弁１０はコンプレッサ容積制御部３０と可変設定点制御部８０とからなっている。コンプレッサ容積制御部３０は可変制御弁１０に流入、流出するコンプレッサ１００からのガス流を制御し、一方、可変設定点制御部８０はコンプレッサ容積制御部３０の動作を制御する。可変制御弁１０の弁体１２は後述する可変制御弁の多くの機能的要素を伴って形成されている。図２に示された実施形態では、弁体１２は図示した横断面図から推察できるように、ほぼ円筒形の形状である。Ｏリング保持澪１４が弁体１２の外側の３つの位置に示されている。可変制御弁１０がコンプレッサ１００の制御弁空洞内に挿入されると（例えば図１を参照）、差圧源が可変制御弁１０の異なる部分およびポートと連通できるようにＯリング・シールが組付けられる。

コンプレッサ容積制御３０は、弁体１２内に形成された可変制御弁吸入ポート３４および吸入圧経路１１２を経てコンプレッサ１００の吸入領域１２０とガス連通する弁体１２の下端部１６内に形成された吸入圧室３２を備えている。冷媒回線１１１が吸入領域１２０とコンプレッサ弁板１２６とを介して低圧ガスをコンプレッサ１００の圧縮室１１４へと給送する。冷媒回線１１１は低圧冷媒ガスを空調システム（図示せず）のアキュムレータ１４４から戻す回線である。

コンプレッサ１００はさらにピストン１１６、クランクケース室１１８、および吐出領域１２４を備えている。簡単に説明すると、コンプレッサ１００の動作は下記のとおりである。圧縮室１１４内の冷媒ガスは、ピストン１１６がコンプレッサ弁板１２６の方向に移動すると、ピストン１１６のストロークによって圧縮される。コンプレッサ弁板１２６は高圧ガスを吐出領域１２４に流入させる。冷媒回線１１１は吐出領域１２４に連結されている。ピストン１１６の圧縮室１１４に沿った容積（ストローク）１２８が大きいほど、冷媒ガスがコンプレッサ弁板１２６を通過する際の冷媒ガスの圧力と流量容積が大きくなる。次に冷媒ガスは冷媒回線１１１からコンデンサ１４０へと移動し、そこでコンデンサ・コイル内で液相に凝結される。液体は次に蒸発器１４２へと流れ、そこで液体は蒸発器１４２内のオリフィスで膨張し、蒸発する。コイルを通る空気が熱エネルギーを発し、これが液相から気相への状態変化のためのエネルギーとなる。冷却された空気は次に、自動車の客室、または冷房のために空調システムが必要ないずれかの室へと吹き込まれる。膨張後、冷媒ガスは低圧状態にあり、冷媒回線１１１を通ってコンプレッサ１００に戻される。

コンプレッサ１００は可変コンプレッサであり、すなわち必要な空調システムの負荷に応じてピストン１１６のストロークが変化する。例えば、ユーザーが蒸発器のコイル上方を通過する空気をさらに冷却したい場合は、冷媒回線１１１内に吐出される冷媒の流量が増大される。流量を増加するには、ピストン１１６のストローク１２８を増大させる。

クランクケース室１１８内の圧力はピストン１１６の背面に印加される。クランクケース室１１８内の圧力が吸入圧と対比して大きいほど、（弁板１２６からの）戻り行程でピストン１１６にかかる圧力が高いので、圧縮後のピストン１１６の戻りストローク１２８は短くなる。逆に、クランクケース室１１８内の圧力が吸入圧と対比して低いほど、ピストン１１６にかかる圧力が低いので、圧縮後のピストン１１６の戻りストロークは長くなる。クランクケース室１１８内の圧力を変更し、ひいてはピストン１１６の容積１２８を、また究極的には冷媒回線１１１を通る吐出圧を変更することによって、蒸発器からの空気の温度が制御される。

コンプレッサ容積制御部３０は吸入圧室３２から延びている弁体１２の中心にある穴として形成された中間室４０を有している。第１の中間ポート４２は、弁体１２内に形成され中間室４０に連通されており、第１のクランクケース圧力経路１３０を通してクランクケース室１１８とガス連通されている。可変制御弁１０はさらに、吸入圧室３２に晒された感圧部材であるダイアフラム３６を備えている。吸入圧室３２と中間室４０との間の気体の連通経路を開閉するため、弁体１２内に形成された吸入弁閉鎖部材、吸入弁球３８、および吸入弁座３７を含む吸入圧弁が備えられている。

吸入弁球３８は、ダイアフラム３６と浮動接触している剛性部材４１によって吸入弁座３７に押圧されている。中間室４０内に保持されているバイアスばね４４は吸入弁球３８を吸入弁座３７から離れるように、すなわち吸入弁部が開くように押圧する。さらに、バイアスばね４４が吸引弁座３７の方向へのダイアフラム３６の移動に対抗し、それによって等価の圧力、すなわちばねバイアス圧として作用し、ダイアフラム３６の受圧領域に吸入圧を追加することも分かる。可変制御弁の吸引圧弁はコンプレッサ１００の吸入領域１２０とクランクケース室１１８との間の連通経路を開閉する。

可変制御弁１０の吐出圧弁は、弁体１２内に形成された吐出弁部材、吐出弁球５０、および吐出弁座５２からなっている。吐出弁球５０は弁体１２の上端部１８に形成された吐出圧室６０内に位置している。弁インサート６４は吐出弁球５０を吐出弁座５２と整合するように位置決めする段付きの貫通穴６２を有している。吐出弁球５０の正常位置をさらに調整するために球心立てばね５８を使用してもよい。粒子フィルタ・キャップ７４は弁体１２の端部を密閉してカバーし、吐出圧室６０を完全なものにする。可変制御弁１０がコンプレッサ１００内に挿入されると、弁体１２の上端部１８は、図１に示された空洞２９８のような制御弁空洞の盲端部内に密閉される。コンプレッサの吐出領域１２４からの吐出圧経路１１０は制御弁空洞２９８の盲端部と連通する。それによって吐出加圧ガスはフィルタ７４を通して可変制御弁の吐出圧室６０と連通する。

可変制御弁１０は弁体１２を貫いて形成された段付き中心穴７０を有している。中心穴７０は、吐出弁座５２が形成されている吐出圧室６０の近傍の上端部に直径が大きい穴部分を有している。中央穴７０と中間室４０とは互いに位置合わせされている。第２の中間ポート５６が弁体１２内に形成され、中心穴７０の大きい穴部分と連通している。第２の中間ポート５６は第２のクランクケース圧力回路１３２を経てクランクケース室１１８とガス連通している。吐出弁球５０が吐出弁座５２から離れて移動すると、吐出加圧ガスは穴７０を通って第２の中間ポート５６へ、また次の第２のクランクケース圧力経路１３２を経由してクランクケース室１１８に流れることができる。

中心穴７０内に挿入される弁棒５４は、可変制御弁１０の吸入弁部と吐出弁部の動作を部分的に連動させる。弁棒５４は中心穴７０の小さい穴部分よりもわずかに小さい直径を有している。弁棒５４は中心穴７０内を自由に摺動するが、中間室４０と吐出圧室６０との間のガス連通を実質的に閉塞する。弁棒５４の長さは、密封された吐出弁球５０と、全開（全く密封されていない）位置の吸入弁球３８とに同時に接触するように選択される。この構成は部分的な開閉関係で吸入弁部と吐出弁部とを連係させる。吸入弁球３８が弁閉鎖方向に移動すると、弁棒５４は吐出球５０を弁開放方向に押し出す。吐出弁球５０が弁閉鎖方向に移動すると、弁棒５４は吸入球３８を弁開放方向に押す。

図２の実施形態では、弁棒５４は弁閉鎖球３８、５０のどちらにも取り付けられていない。弁棒５４は可変制御弁の吐出または吸入弁部のいずれかを開くように動作するが、それらを閉じるようには動作しない。吐出弁部を閉じるように作用する力は、吐出弁球５０の有効受圧領域にかかる吐出ガスの圧力、および球心立てばね５８によって加えられる小さいばね力である。吸入圧弁部を閉じるように作用する力は剛性部材４１を介して感圧ダイアフラム３６の移動により誘発される。双方の弁閉鎖部材が弁棒５４のような結合手段に取り付けられる先行技術の米国特許第６，３９０，７８２号の他の実施形態は、制御弁の分野の当業者には明らかであろう。双方の弁部材が不動に連結されていれば、全開−全閉関係が存在する。

ここで、特に可変制御弁１０の可変設定点制御部８０を参照する。可変設定点制御８０は可変制御弁ダイアフラム３６で界接された密閉基準室９０と、吸入圧室３２が形成される際に弁体１２の下端１６に形成される壁９１と、弁端キャップ２０とを備えている。ダイアフラム３６は、基準弁キャリヤ８１によって吸入圧室３２内の内段９３に配置され、これに対して密閉されている。ダイアフラム３６は吸入圧室３２内の吸引圧に晒される吸引圧受圧領域を有する第１の側面４３と、基準室９０内の基準圧に晒される吸引圧受圧領域を有する第２の側面３９とを有している。ダイアフラム３６は基準室９０を吸入圧室３２、吐出圧室６０、中間室４０、または中心穴７０との直のガス連通から密封するように配置されている。

２つの圧力抽気通路、すなわち吐出抽気通路６８と吸引抽気通路７２とが弁体１２内に設けられ、弁体の内段９３に対して密閉されたダイアフラム３６内の２つの穴と位置合わせされている。弁インサート６４は吐出圧室６０を吐出抽気通路６８と連通させるために設けられた弁インサート抽気穴６９を有している。抽気通路、弁インサート抽気穴、および対応するダイアフラム穴は基準室９０への吸入圧ガスと吐出圧ガスの供給源を備える。吐出圧ガスを可変制御弁吐出圧室６０から基準室９０に供給する図示した構成は、この設計が基準室９０内の構成部品および通路を異物から保護するためにフィルタ７４を使用しているので重要である。

基準室９０内に格納されている可変制御弁の構成部品は図３により明確に示されている。基準室弁手段はさらに図４により詳細なレベルで示されている。図２〜４の同じ要素には同じ番号が付されている。

ここで図２〜４を参照すると、基準弁キャリヤ８１は弁体１２の下端部１６に形成された壁９１の内部に密閉可能に嵌め込まれる外壁を有する壁厚シリンダとして形成されている。基準弁キャリヤ８１の上端部はダイアフラムに対して密閉されている。２つの小さい盲室、すなわち吸入抽気室９６と吐出抽気室９８とは、ダイアフラム３６に対して密閉された上端部から基準弁キャリヤ８１内に形成されている。吸入抽気室９６の開放端は吸入抽気通路７２と位置合わせされ、吐出抽気室９８の開放端は吐出抽気通路６８と位置合わせされている。基準室弁手段は全体として基準吸入弁８８および基準吐出弁８６として示されている。

図４に転じてこれを参照すると、基準吸入弁８８は基準吸入弁閉鎖部材１６２と、基準吸入貫通穴１６０と、基準吸入弁座１６４とを備えている。基準吸入貫通穴１６０は吐出抽気室９８へと繋がる円筒形の基準弁キャリヤ８１の内表面から形成されている。基準吸入弁座１６４は吸入貫通穴１６０の周囲に形成されており、この位置で弁座は基準室９０内にある基準弁キャリヤ８１から出る。基準吸入弁閉鎖部材１６２は、吸入ソレノイド・アクチュエータ９４の一部である吸入弁押し棒１６７に取り付けられられている。電流信号が吸入ソレノイド・リード８５に印加されると、吸入弁押し棒１６７がソレノイド・アクチュエータ９４の中心に引き込まれ、基準吸入弁閉鎖部材１６２を基準吸入弁座１６４へと押圧して基準吸入貫通穴１６０を閉鎖する。基準吸入貫通穴１６０は基準室９０を吐出抽気室９８と連通させる。このように、吸入ソレノイド・アクチュエータ９４に印加された電気信号による基準吸入弁８８の開閉が基準室９０への吐出ガスの流入を制御する。

吸入ソレノイド板ばね１６８は吸入弁押し棒１６７を図４に示す引っ込み位置にバイアスさせるように配置されている。この吸入ソレノイドばねバイアス構造は、吸入ソレノイド・アクチュエータ９４のコイルを付勢する電気信号がない場合に基準吸入弁８８が吐出圧ガスの流れに対して基準室９０を開くことを意味している。図示した基準吸入弁は常開であるといえる。基準吸入弁８８を常閉状態にバイアスする逆のばね構造は、先行技術の米国特許第６，３９０，７８２号の別の実施形態でも良好に使用できる基準吸入弁手段の代替構造である。

基準吐出弁８６は、基準吐出弁閉鎖部材１７２、基準吐出貫通穴１７０、および基準吐出弁座１７４からなっている。

基準吐出貫通穴１７０は吸入抽気室９６へと繋がる円筒形の基準弁キャリヤ８１の内表面から形成されている。基準吐出弁座１７４は吐出貫通穴１７０の周囲に形成されており、この位置で弁座は基準室９０内にある基準弁キャリヤ８１から出る。基準吐出弁閉鎖部材１７２は、吐出ソレノイド・アクチュエータ９２の一部である吐出弁押し棒１７７に取り付けられられている。電流信号が吐出ソレノイド・リード８７に印加されると、吐出弁押し棒１７７がソレノイド・アクチュエータ９２の中心に引き込まれ、基準吐出弁閉鎖部材１７２を基準吐出弁座１７４から引き離して基準吐出貫通穴１７０を開放する。基準吐出貫通穴１７０は、基準室９０を吸入抽気室９６と連通させる。このように、吐出ソレノイド・アクチュエータ９２に印加された電気信号による基準吐出弁８６の開閉が基準室９０への吸入ガスの流入を制御する。

吐出ソレノイド板ばね１７８は、吐出弁押し棒１７７を図４に示す伸張位置にバイアスさせるように配置されている。この吐出ソレノイドばねバイアス構造は、吐出ソレノイド・アクチュエータ９２のコイルを付勢する電気信号がない場合に基準吐出弁８６が吸入圧ガスの流れに対して基準室９０を閉じることを意味している。したがって図示した基準吐出弁８６は常閉であるといえる。基準吐出弁８６を常開状態にバイアスする逆のばね構造は、先行技術の米国特許第６，３９０，７８２号の別の実施形態でも良好に使用できる基準吐出弁手段の代替構造である。

ここではソレノイド・アクチュエータが説明され、図２〜４に示されているが、基準吸入弁８８および基準吐出弁８６を開閉するためにどのような電気駆動の物理的アクチュエータ手段をも使用することもできることも理解されたい。

可変設定点制御部８０はさらに、電子制御ユニット８２、圧力センサ８４、電気回路キャリヤ８３、および可変制御弁電気リード８９を備えている。圧力センサ８４は先行技術の米国特許第６，３９０，７８２号の実施形態のオプション機能である。これは感圧部分に加わるガス圧に関連する電気信号を発生するトランスデューサ・デバイスである。圧力センサ８４は、閉鎖された基準室９０内のガス圧に反応するように電気回路キャリヤ８３上に装着される。圧力センサ８４を基準室９０の内部に直接装着することは、先行技術の米国特許第６，３９０，７８２号を実施する上では必要ない。代替実施形態では、センサ８４の感圧部が基準室９０とガス連通状態にされていれば、圧力センサをいずれか別の位置で装着することもできよう。

電子制御ユニット８２は先行技術の米国特許第６，３９０，７８２号の実施形態のオプション機能である。制御ユニット８２は基準室弁手段を制御し、または圧力センサ８４によって発生された電気信号を受信し、処理する電子回路を含んでいてもよい。先行技術の米国特許第６，３９０，７８２号のこのオプション機能の実施形態では、制御ユニット８２の電気部品が電気回路キャリヤ８３によって圧力センサ８４とともに装着される。オプションの制御ユニット８２のその他の機能は後述する。

可変制御弁電気リード８９は電気回路キャリヤ８３から、弁端キャップ２０内の密閉された開口部を経て配線される。可変制御弁１０に必要な電気リードの本数はオプションの電気制御ユニット８２によって実行される機能、およびオプションの圧力センサ８４のデバイス特性によって左右される。電気制御ユニット８２も基準室圧力センサ８４も使用されない場合は、可変制御弁電気リード８９は、基準室弁手段を起動させるための電気信号を伝達するために必要なものだけでよい。

可変設定点制御部８０はコンプレッサ容積制御部３０の動作を制御する。基準室９０内の圧力を制御することによって、可変設定点制御部８０は可変制御弁１０の吸入圧弁部と吐出圧弁部の開／閉状態を調整することができる。例えば、基準室９０内の圧力が、吸入圧室３２に圧力およびバイアスばね４４によって加えられる力よりも小さい力をダイアフラム３６に加えると、ダイアフラム３６は基準室９０内に、すなわち基準吸入アクチュエータ９４の方向にひずむ。この動きによって吸入弁球３８は吸入弁座３７から移動して、第１のクランクケース圧力経路１３０から吸入圧室３２へとガス流を開放する。それと同時に、吐出圧弁部は吐出ガスの圧力によって閉鎖され、吐出弁球５０を吐出弁座５２上へと押圧する。可変制御弁１０の吸入弁部を通る流れを開放することによって、クランクケース室１１８からのガスは吸入圧室３２内に流入し、そこから吸入圧経路１１２を経てコンプレッサ１００の吸入領域１２０へと流出する。クランクケース室１１８からガスが抽気されると、ピストン１１６に加わる力が少なくなり、ピストン１１６の容積は大きくなる。このようにして、システムの蒸発器に流入する冷媒ガスの流量が増大する。

基準室９０内の圧力が、吸入圧室３２に圧力およびバイアスばね４４によって加えられる力よりも大きい力をダイアフラム３６に加えると、ダイアフラム３６は吸入圧室３２内に、すなわち吸入弁座３７の方向にひずむ。この動きが可変制御弁の吸入弁部を閉鎖し、同時に弁棒５４によって吐出弁球５０を吐出弁座５２から押し離すことによって、可変制御弁の吐出弁部を開放する。吐出弁部が開放されると、吐出圧力経路１１０からの高圧ガスが吐出圧室６０、段付き中心穴７０、第２の中間ポート５６、および第２のクランクケース圧力経路１３２を通ってクランクケース室１１８に流入する。圧力がクランクケース室１１８内で上昇し、それによってピストン１１６に力を加える。このようにして、ピストン１１６の容積１２８は制限され、システムの蒸発器内に入る冷媒ガスの量が低減される。

バイアスばね４４がダイアフラム３６に加える力は、可変制御弁１０の全体的な性能を変化させるための重要な設計である。経験を通して、ばね力が２ないし２０ｐｓｉの、また最も好ましくは４ないし１０ｐｓｉの吸入圧に等しくなるように調整されれば最も有利であることが判明している。このような範囲のばねバイアス力によって、コンプレッサの容積が極めて小さい範囲の条件で、すなわちコンプレッサがほぼ完全なデストローク動作（ｎｅａｒ ｆｕｌｌ ｄｅ−ｓｔｒｏｋｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）にある場合に可変制御弁１０の充分な動作範囲が可能になる。

基準室９０内の圧力は基準吐出弁８６と基準吸入弁８８とを開閉することによって制御される。これらの弁は各々、圧力センサ８４と電子制御ユニット８２とによって作用的に制御される。具体的には、基準室９０内の圧力は圧力センサ８４とガス連通状態にあり、電子制御ユニット８２に連係された圧力センサ８４は基準室９０内のガス圧を測定し、その圧力を電子制御ユニット８２に通信する。電子制御ユニット８２は制御信号と情報とをコンプレッサ制御ユニット１４６から受信する。乗員の快適レベルの設定、および環境状態および車輌の運転状態に関するその他の情報がコンプレッサ制御ユニット１４６によって受信される。コンプレッサ制御ユニット１４６は、記憶されたコンプレッサ性能アルゴリズムを利用して、圧縮室１１４内でピストン１１６によって圧縮される必要なガス量を計算し、所望の状態が生ずるようにする。すなわち、乗員の快適レベルの設定が環境および車輌の動作要因によって加えられる制約内で最適に達成されるようにする。

コンプレッサの所要容積を満たすために基準室９０内に必要な圧力を計算するため、計算されたコンプレッサの所要容積、圧力センサ８４からの圧力情報、可変制御弁１０の周知の物理応答特性が可変制御弁性能アルゴリズムによって利用される。コンプレッサ制御ユニットによって決定された必要性を満たすために要する計算されたこの基準圧は、所定基準圧と呼ばれる。それによって可変容量型コンプレッサ１００は所定基準圧の決定、および基準室９０内のガス圧をこの所定の圧力レベルに保つことによって制御される。

あるいは、圧力センサ８４が使用されない場合は、可変制御弁１０の周知の公称特性に基づいて事前に計算された、記憶された基準圧レベルのセットから所定基準圧を選択してもよく、または較正準備手順によって可変制御弁用にカスタマイズされてもよい。先行技術の米国特許第６，３９０，７８２号のこのような代替実施形態の場合は、所望のコンプレッサ容積制御を達成するために最適な所定の基準圧を決定するために、計算された所要容積が参照テーブル方式で利用される。

基準吐出弁８６と基準吸入弁８８との制御は、アクチュエータ９２および９４のそれぞれを介して電子制御ユニット８２によって行われる。電子制御ユニット８２内のアルゴリズム出力に応じて、電子制御ユニット８２は、吐出アクチュエータ９２を作動させて基準吐出弁８６を開閉し、また吸入アクチュエータ９４を作動させて基準吸入弁８８を開閉する。例えば、基準室９０内の圧力を上昇させる必要がある場合は、吸入アクチュエータ９４が基準吸入弁部材１６２を引っ込めて、高圧ガスが吐出圧室６０から弁インサート抽気穴６９、吐出圧抽気経路６８、および吐出抽気室９８を経て基準室９０へと流入できるようにする。それと同時に、吐出アクチュエータ９２は基準吐出弁８６を閉じ、それによって基準室９０内の圧力の上昇を可能にする。逆に、基準室９０内の圧力を低下させるには、電子制御ユニット８２が吐出アクチュエータ９２を作動させて基準吐出弁部材１７２を引っ込めて、基準室９０からの流れが吸入抽気室９６を経て吸入圧室３２への吸入圧抽気吸入経路７６への流れを開放し、それによって圧力を抽気する。同時に、アクチュエータ９４は電子制御ユニット８２から、基準吸入弁部材１６２を伸張させて基準室９０への吐出圧の流れを遮断するようにする信号を受ける。

基準室９０内の圧力を所定基準圧へと制御することによって、電子制御ユニット８２はアクチュエータ１７０および１７２を介してダイアフラム３６の撓みを制御し、ひいてはピストン１１６の容積１２８の変化を制御する。図２〜４に示した実施形態では、基準室圧力を圧力センサ８４によって継続的に、または周期的に監視することができる。この圧力情報は、選択された誤差範囲内で基準室９０を所定の基準圧に保つために、圧力サーボ制御アルゴリズム内のフィードバック信号として制御ユニット８２によって利用されることが可能である。

本明細書に記載の可変制御弁の設計の重要な利点は、所定基準圧を厳密に保つことによって弁の制御性能を保つことが可能であることだと期待される。開示した設計によってさらに、システムが所定基準圧を電子的に変更することによって、可変容量型コンプレッサが動作する吸入圧設定点を変更することが可能になる。それによって、乗員の快適さと車輌性能の所望のバランスを達成するために、車輌が環境要因を変更する際にコンプレッサ制御を調整することが可能になる。乗員の快適さと車輌性能とのバランスが取れていることの利点は、基準室内の圧力が制御に敏感に応答するほどより充分に実現される。

基準圧制御システムの応答性は、吸入弁８８を通る吐出圧ガスの流入、および吐出弁８６からの流出の吸入圧に対する特性によって部分的に左右される。図５および６は基準吸入弁８８と基準吐出弁８６との幾つかの重要な形状構成の詳細を示している。

先ず図５を参照すると、吸入弁閉鎖部材１６２が、この吸入弁部材１６２の有効受圧面積ＡＩに当たる吐出圧ガスの力を遮断する全閉位置で示されている。図５にはさらに、吐出抽気室９８から繋がっている基準吸入ポート１６０の直径ＤＩが示されている。ＤＩの数値が大きいと大量の吐出圧が流入することによって基準室圧を上昇させる指令により迅速に応答できるようになる。所与の基準室圧力上昇時間を達成するために必要なＤＩのサイズは、基準室のガス容積に左右される。基準室のガス容積がより大きい場合、基準室のガス容積が小さい場合と同様の基準室圧力上昇時間を達成するには、より大きい基準吸入ポート１６０が必要である。

しかし、ＤＩのサイズが大きいとＡＩ、すなわち有効吸入弁部材受圧面積の値も対応して大きいことが必要になる。このことは他方では、吸入弁アクチュエータ９４からの必要な閉鎖力も大きくなることをも意味するであろう。閉鎖力を大きくするには、吸入弁を閉鎖状態に保つために物理的に大きいアクチュエータを必要とし、または過剰な力を必要とするであろう。その結果、基準吸入ポート１６０の直径ＤＩ、および受圧面積ＡＩの選択には競合する要求のバランスを取ることが含まれる。

有効吸入弁部材受圧面積ＡＩは、吸入弁が完全に閉じている場合に吐出圧に晒される吸入弁閉鎖部材の正味の、不均衡な領域である。すなわち、吐出圧の力を有効に受ける領域ＡＩを、吐出圧によって吸入弁閉鎖部材に加えられる力を測定し、かつ吐出圧で除算することによって計算してもよい。有効吸入弁部材受圧領域ＡＩは、基準室ガス容積が約２ミリリッターである場合、３０，０００平方ミクロン未満、好ましくは７５００平方ミクロン未満に選択することが有利であることが経験を通して判明している。自動車の典型的な空調コンプレッサ動作条件では、有効吸入弁部材受圧領域ＡＩが約７５００平方ミクロン未満である場合は、基準吸入弁閉鎖力は１ポンド未満で充分であろう。

図６を参照すると、吐出弁閉鎖部材１７２が、有効ガス流領域を通ってガスが基準室９０から流出する全開位置で示されている。基準室９０と吸入抽気室９６との間の所与の圧力差で、ガス容積の流れに関して同じ結果を得るために、基準吐出ポート１７０の多くの形状設計を選択できる。有効流れ面積は競合する性能特性のバランスを取るように選択される。基準室圧力を低下させる指令への迅速な応答を確保するため、吐出弁８６の大きい有効流れ面積を有することが望ましい。他方では、吸入弁８８を吐出圧に開放する場合に基準室内の迅速な圧力上昇の抑制を補助し、かつ発生することがある基準圧のオーバーシュートを軽減するため、吐出弁８６の有効流れ面積を小さくすることが有効である。

基準吐出弁８６の有効ガス流面積は吸入弁８８の有効流れ面積との比率として選択することが有利である。あるいは、基準吐出ポート１７０の直径ＤＯが基準吸入ポート１６０の直径ＤＩとの比率として選択されてもよい。有利なＤＯとＤＩとの比率は０．５から５．０、最も好ましくは０．７から２．０であることが経験および分析から判定されている。これに対応して吸入ポートと吐出ポートの断面積の有利な比率、すなわち吸入ポートと吐出ポートの面積比は０．２５から２５．０、最も好ましくは０．５から４．０である。吸入および吐出ガス流領域の形状が図５および６に示された環状通路よりも複雑である場合は、ガス流の断面積を分析し、または経験的に決定し、吸入ポートと吐出ポートの面積比設計のガイドラインを作ればよい。

例えば基準室９０のガス容積が約２ミリメータである場合、基準吸入ポート１６０の直径ＤＩが１００ミクロンで、基準吸入ポートの直径と基準吸入ポートの直径の比率が１．０である場合は、基準吐出ポート１７０の直径ＤＯを１００ミクロンに選択することが有効であることが経験から判明している。これらのパラメータ値によって、また典型的な自動車の空調装置のコンプレッサ動作条件下で、基準室圧力が制御可能に変更され、または１０ｐｓｉ／秒の速度で所定基準圧に追跡されることが可能である。

圧力センサを使用しない可変制御弁１０の代替実施例では、コンプレッサ制御ユニット１４６は冷却システムの性能を保持するために必要なコンプレッサの容積状態を周期的に再計算（ｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅ）してもよい。これらの計算（ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ）での計算の大きさ（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）および時間変化（ｔｉｍｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ）に基づいて、コンプレッサ制御ユニット１４６は所定の基準圧レベルを再確立するために基準室圧力を増減するように命令信号を可変制御弁電子制御ユニット８２に送ってもよい。基準室内の圧力の所定レベルへのサーボ制御に作用するこの方法は、基準室圧力の直接的な測定を利用して実施できる方法よりも時宜を得たものではないことが当業者には理解されよう。それにも関わらず、このルーズ・サーボ方式（ｌｏｏｓｅ−ｓｅｒｖｏ ｍｅｔｈｏｄ）は先行技術の米国特許第６，３９０，７８２号の低コストの実施形態には有効かつ適切であり得る。

可変制御弁電子制御ユニット８２およびコンプレッサ制御ユニット１４６による機能は、可変制御弁１０、コンプレッサ１００および冷却装置を使用したシステム全体内のその他のコンピュータ資源によって実施することも可能であろう。例えば、システム全体が中央プロセッサを搭載した自動車である場合は、所定基準圧を選択し、保持するために必要な制御情報および計算は全て自動車の中央プロセッサによって収集され、実施されることが可能であろう。圧力センサ８４への、またそれからの信号は中央プロセッサの吸入／吐出ポートへと送られ、また基準吸入吐出弁起動信号は中央プロセッサの別の入力／出力ポートから可変制御弁１０へと送られることが可能であろう。あるいは、コンプレッサ制御ユニット１４６が可変制御弁１０を管理するために必要な制御機能の全てを実施することが可能であろう。また最後に、コンプレッサの所要容積の計算を行うとともに所定基準圧を選択し、保持するために必要な回路、メモリおよびプロセッサ資源を可変制御弁制御ユニット８２に備えることも可能であろう。

発明の要約

本発明は一般に可変容量型コンプレッサに関し、より具体的には可変容量型コンプレッサの容積を制御するためのシステムおよび方法に関するものである。本発明の一実施形態では、可変容量型コンプレッサの容積はクランクケース圧力を利用して制御される。

本発明の様々な目的および利点は添付図面に照らして読めば以下の詳細な説明により当業者には明らかになろう。

図面を再び参照すると、本発明の第１の実施形態によるシステム４１０が図７に示されている。図７は下記に記載の例外を除いて基本的に図２と同様であり、同じ構成部品には同じ番号が付されている。

システム４１０は分離壁４１２を含んでいる。分離壁４１２は基準室９０を隔離された２つの室、すなわち上室４９０ａと下室４９０ｂとに分離する。上室４９０ａはダイアフラム３６および分離壁４１２によって対向する両端で画定されている。下室４９０ｂは分離壁４１２および弁の端部キャップ２０によって対向する両端で画定されている。

下部クランクケース・ポート４１４は第３のクランクケース圧力経路４１６を介してクランクケース室１１８と流体連通されている。このようにして、圧力センサ８４はクランクケース室１１８の実際の圧力を測定する動作が可能である。本出願で用いられる「圧力センサ」という用語は、圧力、またはそれから圧力を推測可能な他のどのパラメータをも測定するあらゆるセンサを意味している。システム４１０は、例えば後述する方法によってコンプレッサ１００の容積を制御するためにクランクケース圧力を制御する。

図８は、クランクケース室１１８の圧力を利用してコンプレッサ１００の容積を制御するための、本発明の第２の実施形態によるシステム４２０を示していること以外は図７と同様であり、同じ構成部品には同じ番号が付されている。

システム４２０はセンサ４２２を含んでいる。センサ４２２は必ずしもそうである必要はないが電子圧力センサである。センサ４２２はクランクケース室１１８内に設置され、実際のクランクケース圧力を測定する動作が可能である。しかし、センサ４２２を必ずクランクケース室１１８の主空洞の内部全体に設置する必要はないことを理解されたい。例えば、センサ４２２を通路、副室、またはセンサ４２２がクランクケース室１１８内の圧力を検知できる他の適切な位置のいずれに設置してもよい。センサ４２２はセンサ４２２がピストン１１６、またはコンプレッサ１００内の他の可動部品の動きを妨げないような位置に設置される。

センサ４２２は電気通信のためにセンサのリード４２４によってコンプレッサ制御ユニット１４６に電気的に接続されている。この実施形態では、センサ４２２はクランクケース１１８内の圧力を測定し、圧力センサ信号を制御ユニット１４６に送る。次に制御ユニット１４６は、受信された圧力センサ信号に基づいて可変制御弁１０の位置を変更するために可変制御弁１０への制御信号を変更する。このようにシステム４１０は測定された実際のクランクケース圧力に応答してコンプレッサ１００の容積を制御する。

この実施形態はコンプレッサ１００の容積の電気制御手段を有するものとして記載してきた。この電気制御は例えばコンピュータ・チップ、実際のクランクケース圧力を測定する圧力トランスデューサ、および電気作動デバイスを使用して達成されてもよい。このような場合は、電気制御は目標クランクケース圧力を設定し、目標クランクケース圧力と実際のクランクケース圧力とを比較し、実際のクランクケース圧力と目標クランクケース圧力との差を基に、可変制御弁１０の移動量を判定することによって達成されることができる。次に、マイクロ弁、または基準吸入弁８８および／または基準吐出弁８６のようなソレノイド動作の微小サイズの弁のような電気起動デバイス（単数または複数）が、実際のクランクケース圧力を変更するように所望の制御弁応答（すなわち［背景技術］に記載したような応答）を行うように起動される。コンピュータ・チップが使用される電子制御の場合は、好適には後述するように可変制御弁１０が微調整方式で応答するようにするプログラムが書き込まれる。

この実施形態は電気制御手段を有するものとして記載してきたが、空気圧制御、電気−空気圧制御、油圧制御、またはその他のいずれかの適切な制御手段を有するシステム、およびそれらを使用する方法であってもよい。

空調システム６００の空気圧制御のための構成（部分的にしか図示せず）が図１０に概略的に示されている。図示のように、ダイアフラムまたはベロー６１０は、クランクケース１１８内の圧力を選択的に上昇させ、クランクケース１１８内の圧力を保持し、またはクランクケース１１８内の圧力を低下させるのに適した３方弁６２０の位置を制御する。図示した実施例では、目標クランクケース圧力を発生するためにベローの内部が基準圧で制御される。基準圧は可変空気圧調整器を含むいずれかの適宜の方法で発生されてもよい。しかし図示のように、目標クランクケース圧力はファン６３４によって発生される空調システムの空気流内に配置されたセンサ・バルブ６３２を有するサーモスタット・システム６３０によって発生される。バルブ６３２は蒸発器２１６の下流の吐出空気流内に配置されることで、空気流の温度が上昇するとバルブ６３２内の流体媒体が加熱され、膨張するので、バルブ６３２内の（ひいてはベロー６１０内部の）圧力が上昇する。逆に、空気流の温度が低下すると、バルブ６３２内の圧力、ひいてはベロー６１０内部の目標クランクケース圧力も低下する。したがって、この場合はバルブ６３２の周囲の空気流温度の場合がそうであるように、冷却を強めることが望まれる場合にはピストンのストロークを増大し、冷却を強化するためにコンプレッサ１００のクランクケース圧力が低下しなければならないので、基準圧は目標クランクケース圧力の逆関数である。さらに、従来の多くのサーモスタット・システムと同様に、例えばユーザーが空調システム６００からのより冷たい、またはより暖かい空気流を選択できるようにするため、バルブ６３２がその中に設置される空気流の所与の温度に対する空調システム６００の応答を調整するための機構（図示せず）をサーモスタット・システムに備えてもよいことも留意されたい。

ベロー６１０はクランクケース１１８と流体連通する室６４０内に配置され、したがって実際のクランクケース圧力を含んでいる。したがってベロー６１０は、ベロー６１０内の基準圧と室６４０内の、ベロー６１０の外側の実際のクランクケース圧力との圧力差に応答して膨張または収縮する。ベロー６１０の移動端は弁６２０の移動素子６５０と機械的に連結されている。

弁６２０はコンプレッサ１００の吐出領域６５２と流体連通している吸入室６２２と、コンプレッサ１００の吸入１２０と流体連通している吐出圧室６５４と、クランクケース１１８と流体連通している負荷室６５６とを有している。

基準圧が実際のクランクケース圧力よりも高い場合のベロー６１０が膨張すると、３方弁６２０は、クランクケース１１８が弁６２０の室６５６および６５４を経由してコンプレッサ１００の吸入流経路に、より具体的には吸入１２０に接続される減圧位置の方向、図１０で見て右側に調整される。吸入１２０での圧力は空調システム内の最低圧であるため、クランクケース１１８が吸入１２０にこのように通気されると、クランクケース１１８内の圧力は低下する。

基準圧が実際のクランクケース圧力未満である場合にベロー６１０が収縮すると、３方弁６２０はクランクケース１１８が弁６２０の室６５６および６５２を経由してコンプレッサ１００の吐出流経路に、より具体的には吐出１２４に接続される昇圧位置の方向、図１０で見て左側に調整される。吐出１２４での圧力は空調システム内の最高圧であるため、クランクケース１１８が吐出１２４に接続さると、クランクケース１１８内の圧力は上昇する。

図１０に示されているものとは逆に基準圧がベロー６１０の外側の室６４０に接続され、またクランクケース１１８はその代わりにベロー６１０の内側に接続されてもよいことが理解されよう。このような場合は、なすべきことは、この代替実施形態が基本的に前述のように動作するように、吐出１２４を室６５４に、また吸入１２０を室６５２に接続することが全てである。

あるいは、図示したサーモスタット・システム６３２の変わりに、基準圧を発生するために適するいずれかの構成を備えることが考えられる。

ベロー６１０および弁６２０に適切に代わり得る代替の構成は圧力作動式の３方マイクロ弁であろう。適切に適応し得る弁の１つは、開示内容が参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第６，６９４，９９８号（‘９９８号特許）に記載されているパイロット作動弁１０であろう。（注：以下の説明では、‘９９８号特許の参照番号であると特記しない限り、参照番号は本明細書にこれまで記載された構成部品を示す。）（サーモスタット・システム６３２からのものでも、‘９９８号特許のマイクロ弁９のような電気的に制御されるパイロット・マイクロ弁を含む他のいずれかの構成からのものでも）基準圧は、‘９９８号特許の制御室１２５内に誘導され、‘９９８号特許の摺動要素２４０の（‘９９８号特許の）第２端部２７６の軸面に作用する。‘９９８号特許のポート２２０はコンプレッサ１００の吐出１２４に接続され、ポート２３０はコンプレッサ１００の吸入１２０に接続され、また‘９９８号特許のポート２２６はクランクケース１１８に接続されている。‘９９８号特許に記載のように、‘９９８号特許の摺動要素２４０は‘ ’９９８号特許のポート２２６を９９８号特許の制御室１２５内の圧力、この場合は基準圧（この場合は所望の目標クランクケース圧力）に保持するように動作する。

さらに、弁６２０はベロー６１０によって直接作動され、クランクケース１１８と吸入１２０および吐出１２４との間の接続を直接制御する３方弁として示されているが、パイロット弁およびパイロット作動弁の構成も考えられる。パイロット弁（図示せず）を基準圧とパイロット作動弁の直接流体圧への実際のクランクケース圧力との差によって動作させることもできよう。パイロット作動弁（図示せず）はパイロット弁の流体圧によって、吐出１２４をクランクケース１１８に接続する昇圧位置、吸入１２０をクランクケース１１８に接続する減圧位置、およびクランクケース１１８が吸入および吐出流路から隔絶される保持位置に選択的に位置決めすることができよう。このようなパイロット弁またはパイロット作動弁の構成は、それ以外は基本的に図１０に示されているシステム６００と同様に動作することが可能である。パイロット弁、およびおそらくパイロット作動弁もマイクロ弁でよいと考えられる。勿論、図１０に示されている弁６２０の代替としてマイクロ弁を使用することが適切であるかどうかは、この段落での記載としてもこれまでの段落でも、それらが搭載される特定のシステムの所要流量、および弁自体の流量容積に左右される。

電気−空気圧制御の場合は、空気圧制御の場合で前述したように、基準室（図示せず）内の基準圧を所望のクランクケース圧力を得るために設定してもよい。ダイアフラムまたはベローは、ダイアフラムまたはベローの膨張または収縮の量によって基準圧と実際のクランクケース圧力との差を効果的に測定できる。ダイアフラムまたはベローの動きを測定し、基準圧と実際のクランクケース圧力との差を表す信号を生成するセンサ（図示せず）が備えられる。次に、電気作動式のマイクロ弁またはマクロサイズの弁（単数または複数）のような電気作動デバイスが少なくとも部分的にセンサの信号に基づいて制御弁が応動して、実際のクランクケース圧力を変更するように動作することができる。別の実施形態では、マイクロ弁またはマクロサイズの弁（単数または複数）はクランクケース１１８からの圧力を直接移動または通気して、センサの信号に基づいて実際のクランクケース圧力を変更する。

図９は本発明によるクランクケース圧力を利用した可変容量型コンプレッサに容積を制御するための方法５１０を示すフローチャートである。例えば、この方法５１０は、図７に示されているようなシステム４１０、図８に示されているようなシステム４２０、または図１０に示されているようなシステム６００で実施することができる。

本発明の方法５１０による第１の工程５１２では、基準圧が設定される。基準圧とは、コンプレッサ１００が所望の熱伝達を生ずる容積で動作することが予期される目標（所望）クランクケース圧力に関する圧力である。前述のように、基準圧は（システム４１０および４２０の場合のように）目標クランクケース圧力でもよく、またはシステム６００の基準圧のような、ある態様で目標クランクケース圧力に関連する（すなわち基準圧は目標クランクケース圧力の関数である）圧力でもよい。

第２の工程５１４で、クランクケース１１８内の実際の圧力が測定される。この実際の（測定された）クランクケース圧力は、例えばシステム４１０内のセンサ８４、システム４２０内のセンサ４２２、またはシステム６００内のベロー６１０のようなダイアフラムまたはベローへの直接接続のようないずれかの適宜の方法で測定できる。

第３の工程５１６で、基準クランクケース圧力と実際のクランクケース圧力とが比較される。例えば、この比較はベロー６１０のようなダイアフラムまたはベローへの差圧の作用のように機械的に行ってもよい。あるいは、制御ユニット１４６によって目標クランクケース圧力と測定されたクランクケース圧力とを比較する計算を行ってもよい。

例えば、比較方法の１つは最適化アルゴリズムを利用して目標クランクケース圧力と実際のクランクケース圧力との差を最小限にすることである。適正などの最適化アルゴリズムを利用してもよい。多くの最適化アルゴリズムを利用できるが、基本的に３つの範疇、すなわち微分（ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）、焼鈍シミュレーション（ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）、および汎用（ｇｅｎｅｔｉｃ）に入る。一実施形態では、シミュレートされた焼鈍アルゴリズムは事前テストでキーになる最適化パラメータが確立された場合に利用される。これらのパラメータは特定のシステム構成に依存する。別の比較方法は、目標クランクケース圧力と実際のクランクケース圧力との差に応じて可変段階機能を用いることであろう。例えば、差が比較的大きい場合は、目標までの比較的大きい段階が採られる。すなわち、制御弁１０の位置の比較的大幅な変更が指令される（制御弁１０を使用した実施形態の場合）。実際のクランクケース圧力が目標圧に近づくと、差は比較的小さくなるので、比較的小さい段階が指令されよう。後述するように、図９に示された方法の工程は、反復工程で繰り返されるのでこのような反復は必要ないが、第３の工程が反復されるごとにより小さい段階が指令される。実際のクランクケース圧力が目標クランクケース圧力に近づくにつれ、オーバーシュートおよび振動の傾向を最小限に抑えるためにより小さい段階が採られる。段階サイズの縮小量は目標クランクケース圧力と実際のクランクケース圧力との差の大きさに基づいてもよく、または時間に基づくものでもよい。すなわちある一定間隔で段階的に縮小されてもよい。段階の大きさはゼロ（位置修正されず）から最大位置修正信号までのどれでも可能であろう。例えば、クランクケース１１８への圧力の移動、およびクランクケース１１８からの圧力の通気を制御するために関連する弁（単数または複数）へのパルス幅変調信号を利用する場合は、ゼロ信号とは全印加間隔でゼロ電圧が印加されることであり（パルスなし）、また最大信号は全印加間隔で印加されるフルパワー・パルスであろう。さらに、本発明は実際のクランクケース圧力が目標クランクケース圧力に比較的近い場合は、信号の変化がないことも考慮している。

図示した方法５１０は次に、制御弁１０の位置が基準と実際のクランクケース圧力との比較に基づいて修正され、それによって制御弁１０の位置を所望の位置に変更するに工程５１８で終了する。例えばシステム４１０および４２０では、制御ユニット１４６は基準吐出弁８６および／または基準吸入弁８８に適宜の信号を送って、少なくとも部分的に目標圧と実際のクランクケース圧力との比較に基づいて状態を変更し、制御弁１０の位置を変えることによって、実際のクランクケース圧力を目標クランクケースへと調整する。さらに別の実施例として、システム６００で弁６２０がベロー６１０に作用する差圧によって位置変更されて、クランクケース圧力が目標クランクケース圧力へと変更される。

本発明の代替実施形態では、図９に示されている方法は継続な反復工程であり、したがって方法５１０は、可変容量型コンプレッサ１００が点線５２０で示すように動作中、工程５１２から５１８までを継続的に循環を繰り返す。

テストでは、図９に示されている方法を実施する制御プログラムはＬａｂＶＩＥＷコンピュータ開発ソフトウエア（テキサス州オースティンのナショナルインスツルメントコーポレーションから市販）を使用して開発され、コンピュータ制御システムにロードされた。デルフィコーポレーション（ミシガン州トロイ）製造の小型可変コンプレッサが従来の自動車空調システムの構成要素に接続された。電気式圧力センサは、小型可変コンプレッサのクランクケース室内に配設され置かれた。センサはクランクケース室内のクランクケース圧力の状態を監視するのに適していた。マイクロスターク社（ワシントン州べーリンガム）製のＭｉｃｒｏｓｔａｑ（商標）マイクロ弁がクランクケース室内の圧力を制御するために小型可変コンプレッサに接続された。クランクケースのフィードバック、すなわちセンサからの圧力測定を利用して、制御プログラムはＭｉｃｒｏｓｔａｑ（商標）マイクロ弁に対してクランクケース室内の圧力を調整するように指令した。吸入圧状態ではなくクランクケース圧力の状態を監視し、このクランクケース圧力をその他の入力とともにコンプレッサの容積を制御するためのフィードバック信号として利用することによって、（コンプレッサ容積を制御するための信号として吸入圧を利用した）先行技術によって達成されるよりも優れたコンプレッサ制御が達成された。

図１１には本発明によるコンプレッサ・システム７１０の概略図が示されている。コンプレッサ・システム７１０は、コンプレッサ７１２を備えている。コンプレッサ７１２はコンプレッサの容積がクランクケース圧力によって制御される図１の可変容量型冷媒コンプレッサ２１０、図２のコンプレッサ１００、またはいずれかの適宜のコンプレッサのような可変容量型コンプレッサである。コンプレッサ７１２は７１４で示すように、コンプレッサ７１２内でクランクケース（図示せず）と流体連通するクランクケース・ポートを含んでいる。コンプレッサ７１２は７１６で示す吐出ポートと、７１８で示す吸入ポートとを含んでいる。コンプレッサ・システム７１０は吐出ポート７１６と流体連通する入力７２２と、吸入ポート７１８と流体連通する出力７２４とを有するＡ／Ｃシステム７２０を含んでいる。Ａ／Ｃシステム７１０は例えば、コンプレッサの吐出ポート７１６、コンプレッサの吸入ポート７１８との間に記載順に配置された通常のコンデンサ２１２、オリフィス管２１４、蒸発器２１６およびアキュムレータ２１８を有する図１の自動車の空調システム、コンプレッサ１４０、蒸発器１４２、およびアキュムレータ１１４を有する図２の空調ユニット、またはいずれかの適宜の空調システムであってよい。

コンプレッサ・システム７１０はクランクケース・ポート７１４と流体連通する、７２８で示すクランクケース・インターフェースを有する制御機構７２６を含んでいる。制御機構７２６は吐出ポート７１６と流体連通する吐出インターフェース７３０を有している。制御機構７２６は吸入ポート７１８と流体連通する吸入インターフェース７３２を有している。制御機構は、前述の態様でクランクケース圧力を制御するために、クランクケース・インターフェース７２８、吐出インターフェース７３０および吸入インターフェース７３２間を選択的に連通させる弁構成を含んでいる。制御機構７２６は例えば下記のような構成を含んでいてもよい。
−図１の制御弁３００と同様の空気圧制御弁
−図２の可変制御弁１０および制御ユニット１４６と同様の電子制御弁および制御ユニット
−差圧によって作動され、または電子制御ユニット（図示せず）に制御された電気、空気圧または電気−空気圧作動され、直接作動弁でもよく、またはパイロット弁およびパイロット作動弁として構成されてもよい１つまたは複数のマイクロ弁および／または１つまたは複数のマクロサイズ弁
−図１０に示された構成のようなベローおよび弁構成、またはダイアフラムおよび弁構成
−実際のクランクケース圧力と、目標クランクケース圧力に関連する基準圧との差に応じてクランクケース圧力を制御するように制御機構の弁部分を作動させる、コンプレッサ７１２のクランクケース内の圧力を制御するためのその他のいずれかの制御構成

本発明は先行技術と比較してコンプレッサ出力制御を大幅に強化する。これは所定の変更でシステム入力（クランクケース圧力の変更）とフィードバック（圧力センサ信号）との時間を短縮することによって達成される。先行技術のコンプレッサ制御方法では、フィードバック基準として吸入圧が利用されてきた。コンプレッサの出力を変更するため、制御弁がクランクケース内の圧力を変更する。コンプレッサのピストンが吸入圧、冷媒の圧縮性および空調システムの容積を変更するためのストロークの必要性のような要因により、発明者は制御弁の位置変化とその結果として生ずる吸入圧の変化との間に比較的長い時間遅延があることを発見した。さらに、先行技術のコンプレッサ・システムにはコンプレッサを特殊な状態、例えば可変制御が開放され、クランクケース圧力が最大になった場合に最小出力へと駆り立てる傾向がある生来の不安定さがある。これらの要因によって先行技術のコンプレッサは極端になる傾向、すなわち制御弁の設定のわずかな変更で最大出力または最小出力になる傾向がある。

クランクケース圧力がフィードバック基準として監視される本発明では、フィードバック基準がコンプレッサ機構および空調冷媒容積によって通信されないので、クランクケース内の圧力、ひいてはコンプレッサ出力に及ぼす制御弁の変化の影響が従来技術と比較して大幅に迅速に認識される。その結果、クランクケース圧力の変化が迅速に認識され、コンプレッサのオーバーシュートを最小限にし、またはなくすように可変制御弁を調整できるので、コンプレッサがオーバーシュートする傾向が低減する。

好ましい実施形態を自動車の空調システム用に使用するのに適したコンプレッサに関連して記載してきたが、本発明をクランクケース圧力がコンプレッサの容積を制御するどのような適宜のコンプレッサまたはコンプレッサ・システムで実施してもよいことを理解すべきである。

本発明の原理と動作モードを好ましい実施形態で説明し、図示してきた。しかし、本発明はその趣旨と範囲から逸脱することなく、特に説明し図示したもの以外で実施してもよいことが理解されるべきである。

自動車で使用される、先行技術の米国特許第４，４２８，７１８号の可変容量型コンプレッサの横断面図である。 先行技術の米国特許第６，３９０，７８２号の好ましい実施形態による可変設定点制御弁の横断面図である。 図２の可変制御弁の可変設定点制御部の横断面である。 図２および３の可変制御弁の基準室弁手段の横断面図である。 図２〜４の可変制御弁の基準室弁手段の弁部材の横断面である。 図２〜４の可変制御弁の基準室弁手段の弁座の横断面である。 本発明の第１の実施形態による可変設定点制御弁の横断面図である。 本発明の第２の実施形態による可変設定点制御弁の横断面図である。 本発明による、クランクケース圧力を利用して可変容量型コンプレッサの容積を制御するための方法を示すフローチャートである。 本発明の別の実施形態による可変容量型コンプレッサの空気圧制御の構成の概略図である。 本発明によるコンプレッサ・システムの概略図である。

Claims (21)

1. 可変容量型コンプレッサを制御するためのシステムであって、
   可変容量型コンプレッサのクランクケース内の圧力を制御するための制御弁と、
   前記制御弁を制御する際に前記クランクケース内の圧力に応答する、前記制御弁を制御するための制御ユニットと、を備えるシステム。
2. 前記クランクケース内に配置された圧力センサをさらに備え、前記圧力センサは前記制御ユニットに圧力センサ信号を送るために前記制御ユニットと通信し、前記制御ユニットは前記圧力センサ信号に応答して前記制御弁の位置を変化させる請求項１に記載のシステム。
3. 前記圧力センサが、電子圧力センサと機械フィードバック圧力センサのいずれか１つである請求項２に記載のシステム。
4. 前記圧力センサが、前記クランクケースの通路または副室内に配置される請求項２に記載のシステム。
5. 前記制御弁がパイロット作動式のマクロサイズ弁であり、その位置は前記制御ユニットによって作動されるマイクロ弁によって制御される請求項１に記載のシステム。
6. 前記制御弁が、開弁して前記クランクケース内の圧力を上昇させ、前記システムが開弁して前記クランクケース内の圧力を下降させる第２の制御弁をさらに備え、前記制御ユニットが少なくとも部分的に前記クランクケースへの圧力に基づいて前記制御弁と前記第２の制御弁の双方を制御する請求項１に記載のシステム。
7. 前記制御弁および前記第２の制御弁が第３の制御弁の位置を制御するパイロット弁であり、前記第３の制御弁は前記第３の制御弁が高圧流体を前記コンプレッサの吐出路から前記クランクケースへと移動させて前記クランクケース内の圧力を上昇させる位置と、前記第３の制御弁が前記クランクケースを前記コンプレッサの吸入流路へと通気して前記クランクケース内の圧力を低下させる位置と、前記クランクケースが前記吐出流路から隔離され、また前記吸入流路から隔離されて前記クランクケース内の圧力を一定に保つようにする位置とに選択的に位置させることができる請求項５に記載のシステム。
8. 少なくとも部分的に前記クランクケースへの圧力に基づいて前記制御弁と前記第２の制御弁の位置を制御する複数のパイロット弁をさらに備える請求項１に記載のシステム。
9. 前記制御ユニットが一方の側が基準圧に、他方の側が実際のクランクケース圧力に晒されるベローとダイアフラムのいずれか１つであり、前記制御弁の位置が、前記ベローとダイアフラムのいずれか１つに作用する圧力の差に応動する前記ベローとダイアフラムのいずれか１つの動きによって決定される請求項１に記載のシステム。
10. 前記制御ユニットが電気制御ユニット、空気圧制御ユニット、電気−空気圧制御ユニットおよび油圧制御ユニットのいずれか１つである請求項１に記載のシステム。
11. 前記制御ユニットに接続されたサーモスタット・システムをさらに備え、前記サーモスタット・システムは、目標クランクケース圧力を発生するように動作可能であり、前記制御ユニットが少なくとも部分的に前記目標クランクケース圧力に基づいて前記制御弁を制御するように応動する請求項１に記載のシステム。
12. クランクケースの圧力を利用してコンプレッサの容積を制御するための制御弁を有する可変容量型コンプレッサを制御する方法であって、
    ａ）目標クランクケース圧力を設定する工程と、
    ｂ）可変型コンプレッサのクランクケース圧力を測定する工程と、
    ｃ）前記目標クランクケース圧力と前記測定されたクランクケース圧力とを比較して、前記目標クランクケース圧力と前記測定されたクランクケース圧力との差を判定する工程と、
    ｄ）前記目標クランクケース圧力と前記実際のクランクケース圧力との判定された差に基づいて前記コンプレッサの容積を制御するために、制御弁の所望の位置変更を決定する工程と、
    ｅ）前記制御弁の位置を前記所望の位置に変更する工程と、
    を含む方法。
13. 工程ｄ）で決定される前記所望の位置変更が、あらかじめ定められた最適化パラメータに依存してシミュレートされた焼鈍アルゴリズムを用いて決定される請求項１２に記載の方法。
14. 工程ｄ）で決定される前記所望の位置変更が、工程ｃ）で判定された差の大きさに少なくとも部分的に基づく請求項１２に記載の方法。
15. 工程ｄ）で実行される判定は、微分最適化アルゴリズム、焼鈍シミュレーション・アルゴリズム、および遺伝的アルゴリズムの１つを利用することによって目標クランクケース圧力と実際のクランクケース圧力との差を最小限にする請求項１２に記載の方法。
16. コンプレッサの容積を制御するためにクランクケースの実際の圧力を利用して可変容量型コンプレッサを制御する方法であって、
    ａ）基準圧を設定する工程と、
    ｂ）実際のクランクケース圧力を測定する工程と、
    ｃ）前記基準圧と前記実際のクランクケース圧力とを比較して、前記基準圧と前記実際のクランクケース圧力との差を判定する工程と、
    ｄ）前記実際のクランクケースの圧と前記基準圧との比較に基づいてクランクケース圧力を制御する制御弁の位置を変更する工程と、を含む方法。
17. 前記基準圧は目標クランクケース圧力である請求項１６に記載の方法。
18. 前記基準圧は逆関数としての目標クランクケース圧力に関係する請求項１６に記載の方法。
19. クランクケースの圧力を利用してコンプレッサの容積を制御するための制御弁を有する可変容量型コンプレッサを制御する方法であって、
    ａ）目標クランクケース圧力を設定する工程と、
    ｂ）可変容量型コンプレッサのクランクケース圧力を測定する工程と、
    ｃ）前記目標クランクケース圧力と前記測定されたクランクケース圧力とを比較して、前記目標クランクケース圧力と前記測定されたクランクケース圧力との差を判定する工程と、
    ｄ）前記目標クランクケース圧力と前記測定されたクランクケース圧力との判定された差に基づいて前記コンプレッサの容積を制御するために、制御弁の位置を制御する工程と、を含む方法。
20. クランクケース圧力を変更することによって前記コンプレッサの容積が制御される種類の可変容量型コンプレッサを制御する方法であって、少なくとも部分的に、測定されたクランクケース圧力の関数としてコンプレッサの容積を制御するために信号を変更する工程を含む方法。
21. コンプレッサを制御するためのシステムであって、
    コンプレッサのクランクケース内に配置され、前記クランクケース内の圧力を示す信号を生成するように構成された圧力センサと、
    少なくとも部分的に前記信号に基づいて前記コンプレッサの動作を制御するように構成された制御機構と、を備えるシステム。

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