JP2009062822A - 可変容量圧縮機の容量制御システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】可変容量圧縮機の容量制御システム(A)は、目標吸入圧力を設定する目標吸入圧力設定手段(420)と、ソレノイド(254)を有し、制御圧力を調整するための容量制御弁と、外部情報検知手段(403,404,405,406,407,408)によって検知された外部情報に基づいて、可変容量圧縮機の吐出容量が最大であると仮定したときの吸入圧力の推定値である推定吸入圧力を演算する吸入圧力推定手段(414)と、目標吸入圧力設定手段(420)によって設定された目標吸入圧力及び吸入圧力推定手段(414)によって演算された推定吸入圧力に基づいて、容量制御弁のソレノイド(254)に供給される制御電流若しくは当該制御電流に関連するパラメータを調整する制御電流調整手段(422,424)とを具備する。
【選択図】図7
Description
吐出容量の制御には吸入室の圧力(吸入圧力)を制御対象とする吸入圧力制御があり、吸入圧力制御を実行するための容量制御弁には、ソレノイドとともに、吸入圧力を感知するための感圧器を内蔵するものがある(例えば特許文献1参照)。このような容量制御弁を用いた可変容量圧縮機の容量制御システムでは、吸入圧力の目標である目標吸入圧力がソレノイドの電磁力即ち通電量によって決定され、吸入圧力は、目標吸入圧力に近付くように感圧器によって機械的にフィードバック制御される。
容量制御弁の弁体は、ソレノイドの電磁力とともに、感圧器のベローズが伸張しようとして発生する押圧力が作用するよう配置されている。そして、吸入圧力がソレノイドの通電量に対応して定まる目標吸入圧力に収束するよう、ベローズが伸縮することにより容量制御弁の開度が変化する。
吸入圧力を目標吸入圧力に到達させるためには、容量制御弁のソレノイドの通電量が操作される。例えば、吸入圧力を低下させるときには、ソレノイドの通電量は目標吸入圧力に基づいて決定される値まで瞬時に増大され、これにより可変容量圧縮機の吐出容量が増大させられる。すなわち、吸入圧力を制御対象とする容量制御システムは、ソレノイドの通電量と目標吸入圧力との間に存する相関関係に基づいて成立している。
また、車両若しくは空調システムの運転状況によっては、吸入圧力を目標吸入圧力に近付けるためであっても、可変容量圧縮機の起動直後から可変容量圧縮機を最大吐出容量で動作させる必要がない場合がある。
本発明は上述した事情に基づいてなされたもので、その目的の1つは、容量制御弁の消費電力が削減される可変容量圧縮機の容量制御システムを提供することにある。
更に、本発明の目的の1つは、可変容量圧縮機の信頼性が確保される可変容量圧縮機の容量制御システムを提供することにある。
好ましくは、前記制御電流調整手段は、前記目標吸入圧力を基準として閾値を設定する閾値設定手段を含み、前記閾値が前記推定吸入圧力よりも低いとき、前記吸入圧力が前記閾値に到達するために必要な制御電流若しくは当該制御電流に関連するパラメータに比べ、前記ソレノイドに供給される制御電流若しくは当該制御電流に関連するパラメータを小さくする(請求項3)。
好ましくは、前記閾値は、前記目標吸入圧力のばらつき範囲の下限値であり、前記指標は、前記推定吸入圧力のばらつき範囲の上限値である(請求項6)。
好ましくは、前記外部情報検知手段は、前記冷凍サイクルの吐出圧力領域の何れかの部位における前記冷媒の圧力である吐出圧力を検知するための吐出圧力検知手段と、前記蒸発器の熱負荷を検知するための熱負荷検知手段と、前記蒸発器の出口での前記冷媒の過熱度を検知するための過熱度検知手段と、前記可変容量圧縮機の回転数に相当する物理量を検知する回転数検知手段とを含み、前記吸入圧力推定手段は、前記吐出圧力検知手段によって検知された前記吐出圧力と、前記熱負荷検知手段によって検知された前記蒸発器の熱負荷と、前記過熱度検知手段によって検知された前記冷媒の過熱度と、前記回転数検知手段によって検知された前記可変容量圧縮機の回転数に関連する物理量と、前記吸入圧力との関係を示す実験式を用いて前記推定吸入圧力を演算する(請求項11)。
前記過熱度検知手段は、前記蒸発器の出口での前記冷媒の温度若しくは当該温度に関連する物理量を検知する手段と、前記膨張器の入口での前記冷媒の圧力を検知するための膨張器入口圧力検知手段とを含み、前記過熱度検知手段は、前記蒸発器の出口での前記冷媒の温度若しく当該温度に関連する物理量と前記膨張器の入口での前記冷媒の圧力に基づいて、前記過熱度を検知する(請求項12)。
好ましくは、前記外部情報検知手段は、前記蒸発器を通過した直後の空気流の温度の目標である蒸発器目標出口空気温度を設定する蒸発器目標出口温度設定手段を含み、前記目標吸入圧力推定手段は、前記蒸発器を通過した直後の空気流の温度が蒸発器目標出口温度設定手段によって設定された蒸発器目標出口空気温度に近づくように前記目標吸入圧力を設定する(請求項14)。
請求項7の可変容量圧縮機の容量制御システムでは、制御電流調整手段は、目標吸入圧力若しくは閾値が推定吸入圧力若しくは指標よりも低いときに、推定吸入圧力若しくは指標に到達するのに必要な制御電流若しくは当該制御電流に関連するパラメータ以下になるよう、ソレノイドに供給される制御電流若しくは当該制御電流に関連するパラメータを小さくする。これにより、可変容量圧縮機が最大吐出容量で動作しているときに、ソレノイドに過剰な制御電流が供給されるのが防止され、容量制御弁における消費電力が一層削減される。
請求項11の可変容量圧縮機の容量制御システムでは、吸入圧力推定手段が、吐出圧力、蒸発器の熱負荷、蒸発器の出口での冷媒の過熱度及び可変容量圧縮機の回転数に関連する物理量に基づいて推定吸入圧力を演算することにより、吸入圧力が精度良く推定される。この結果として、ソレノイドに供給される過剰な制御電流が確実に削減され、容量制御弁における消費電力が削減される。
一方、外気温度センサ及び蒸発器ファン電圧検知手段は、いずれも特殊な手段ではなく、空調システムの構成が複雑になることはない。この結果として、この容量制御システムによれば、簡単な構成にて、ソレノイドに供給される過剰な制御電流が確実に削減され、容量制御弁における消費電力が削減される。
請求項15の可変容量圧縮機の容量制御システムでは、弁体に作用する吐出圧力に対し、吸入圧力若しくは制御圧力とソレノイドの電磁力とが対抗する方向に作用するため、吸入圧力の制御範囲が広い。この結果として、可変容量圧縮機の起動直後から、容量制御弁の消費電力が有効に削減される。
図1は、容量制御システムAが適用された車両用空調システムの冷凍サイクル10を示し、冷凍サイクル10は、作動流体としての冷媒が循環する循環路12を備える。循環路12には、冷媒の流動方向でみて、圧縮機100、放熱器(凝縮器又はガスクーラ)14、膨張器16及び蒸発器18が順次介挿され、圧縮機100が作動すると、圧縮機100の吐出容量に応じて循環路12を冷媒が循環する。
放熱器14は、圧縮機100から吐出された冷媒を冷却する機能を有し、冷却された冷媒は、膨張器16を通過することによって膨張させられる。膨張した冷媒は蒸発器18内で気化し、気化した冷媒は圧縮機100に吸入される。
より詳しくは、図2に示したように、膨張器16は円筒状のケーシング180を有し、ケーシング180の一端側には入口ポート180aが形成されている。また、ケーシング180の中央部には出口ポート180bが形成され、入口ポート180aと出口ポート180bとは、ケーシング180の内部に設けられた弁孔182を通じて連通している。弁孔182は入口ポート180a側にて弁体184によって開閉され、弁体184には、閉弁方向に圧縮コイルばね185の付勢力fs1が作用している。
ダイアフラム194の中央部にはエンドキャップ190が当接し、感温部の内部の圧力Ptが上昇することにより、弁体184が開弁方向に付勢される。
膨張器16は、ブロック198内に固定され、ブロック198には入口側流路198a、出口側流路198b及び感温路198cが形成されている。入口側流路198aを通じて、膨張器16の入口ポート180aと放熱器14とが連通し、出口側流路198bを通じて、膨張器16の出口ポート180bと蒸発器18とが連通する。
ここで、図3の直線C1は、膨張器16の入口での冷媒の圧力Pinが所定の一定値であるときの、蒸発器18の出口における冷媒の温度と圧力Peとの関係(過熱度特性)を示しており、膨張器16の構造によって定まる。曲線C2は、冷媒(R134a)の飽和温度と飽和圧力との関係を示しており、横軸方向での直線C1と曲線C2との差が、蒸発器18の出口における冷媒の過熱度SHに対応する。
なお、膨張器16において、弁体184に作用する開弁方向の力をFoとし、閉弁方向に作用する力をFcとすると、Fo及びFcは、式(1)、(2)でそれぞれ表される。そして、膨張器16の開弁条件は、式(3)にて示される。
Fc=fs1+(Pin−Pout)・Sev ・・・(2)
Fo>Fc ・・・(3)
但し、式(1),(2)中、Poutは膨張器16の出口での冷媒の圧力、Sdはダイアフラム194の有効面積、Sevは弁体184のシール面積、Serは伝達ロッド188の断面積である。また、Ptは、前述したように感温部の内部の圧力である。
駆動軸106は、フロントハウジング102の外側に突出したボス部102a内を貫通し、駆動軸106の外端には、動力伝達装置としてのプーリ112に連結されている。プーリ112は、ボール軸受113を介してボス部102aによって回転自在に支持され、外部駆動源としてのエンジン114のプーリとの間にベルト115が架け回される。
シリンダボア101a内にはピストン130が配置され、ピストン130には、クランク室105内に突出したテール部が一体に形成されている。テール部に形成された凹所130a内には一対のシュー132が配置され、シュー132は斜板107の外周部に対し挟み込むように摺接している。従って、シュー132を介して、ピストン130と斜板107とは互いに連動し、駆動軸106の回転によりピストン130がシリンダボア101a内を往復動する。
リアハウジング104には、容量制御弁(電磁制御弁)200が収容され、容量制御弁200は給気通路160に介挿されている。給気通路160は、吐出室142とクランク室105との間を連通するようにリアハウジング104からバルブプレート103を経てシリンダーブロック101にまで亘っている。
また、吸入室140は、リアハウジング104に形成された感圧通路166を通じて、給気通路160とは独立して容量制御弁200に接続されている。
感圧室214内には感圧器228が収容され、感圧器228の一端が支持部材224に固定されている。従って、キャップ222は、支持部材224を介して感圧器228を支持している。
なお、弁ハウジング202に対するキャップ222の圧入量は、容量制御弁200が所定の動作をするように調整される。
固定コア242の中央部から他端部に亘る部分には、有底のスリーブ244が嵌合されている。スリーブ244の底壁と固定コア242の他端との間には、コア収容空間248が区画され、コア収容空間248には可動コア246が配置されている。可動コア246は、スリーブ244によって摺動自在に支持され、ソレノイドハウジング240の軸線方向に往復動可能である。
ここで、固定コア242の先端部の根元には、径方向孔256が形成され、弁ハウジング202には、径方向孔256と感圧室214とを連通する連通孔258が形成されている。また、固定コア242の中央部及び他端部の内径は、弁体210及びソレノイドロッド250の外径よりも大きく、感圧室214とコア収容空間248との間は、固定コア242の中央部及び他端部の内側、径方向孔256及び連通孔258を介して連通している。
なお、弁孔204の面積と、固定コア242の先端部に支持される弁体210の部分の断面積とを同等に設定することによって、弁体210の開閉動作には、弁室208内の圧力、換言すれば、吐出室142の圧力(吐出圧力Pd)は関与しない。この場合、容量制御弁200の吸入圧力制御特性は、吐出圧力Pdの影響を受けない。この結果として、図6及び式(4)に示すように、ソレノイド254に供給する電流(制御電流I)に基づいて、制御対象となる吸入圧力Psの目標値(目標吸入圧力Pss)が一義的に決定される。
ソレノイド254には圧縮機100の外部に設けられた制御装置400Aが接続され、制御装置400Aからソレノイド254に制御電流Iが供給されると、可動コア246に電磁力F(I)が作用する。電磁力F(I)によって、可動コア246は固定コア242に向けて吸引され、これにより弁体210が閉弁方向に付勢される。
容量制御システムAは、1つ以上の外部情報を検知する外部情報検知手段を有し、外部情報検知手段は、蒸発器目標温度設定手段401及び蒸発器出口空気温度検知手段としての蒸発器温度センサ402を含む。
また、外部情報検知手段は吐出圧力検知手段を含み、吐出圧力検知手段は、その一部を構成する圧力センサ403を有する。吐出圧力検知手段は、吐出室142の冷媒の圧力である吐出圧力Pdを検知するための手段である。圧力センサ403は、放熱器14の入口側に装着され(図1参照)、当該部位における冷媒の圧力(以下、検知圧力Phという)を検知し、制御装置400Aに入力する。
更に、外部情報検知手段は、外気温度センサ404及び車内温度センサ405を含む。外気温度センサ404は、車両のエアーインテーク部に配置され、車両用空調システムの空気回路に導入される外気の温度Taを検知する。車内温度センサ405は、車室内に設置されて車室内の空気の温度Ttを検知する。
また、外部情報検知手段は、圧縮機100の回転数Ncnを検知するための圧縮機回転数検知手段を含む。圧縮機回転数検知手段は、エンジン114の回転数を検知するエンジン回転数センサ408を有し、エンジン回転数センサ408によって検知されたエンジン114の回転数に、所定のプーリー比を乗じることにより、圧縮機100の回転数Ncnを検知することができる。
制御装置400Aは、圧力補正手段410、過熱度演算手段412及び吸入圧力推定手段414を有する。
このように検知圧力Phを補正するのは、吐出室142と放熱器14の入口との間では、同じ吐出圧力領域であっても、特に熱負荷が大きいときには、冷媒の圧力に差が生じるためである。吐出圧力Pdは、検知圧力Phを変数とする関数Pd=f(Ph)によって演算することができる。関数f(Ph)は予め求めておくことができる。
膨張器16の入口での冷媒の圧力Pin若しくは当該圧力Pinに関連する物理量に基づいて過熱度SHを演算するのは、図4に示したように、蒸発器18の出口における冷媒の過熱度SHが、膨張器16の入口での冷媒の圧力Pinに依存して変化するためである。
なお、過熱度SHが図4に示したように膨張器16の入口での圧力Pinに対して依存性を有するのは、膨張器16が前述した式(1)〜(3)の関係に基づいて動作することによる。膨張器16の入口圧力Pin、即ち、冷凍サイクル10の高圧領域の圧力が変化すると、弁体184を閉じる方向の力Fcが変化し、過熱度SHが変化してしまうのである。
なお、過熱度検知手段として、蒸発器18の出口での冷媒の温度を検知するセンサを用いてもよい。
吸入圧力推定手段414は、圧縮機100が機械的に決定される最大吐出容量で動作していると仮定して、外部情報検知手段によって検知された外部情報に基づいて、吸入圧力Psの推定値である推定吸入圧力Pseを演算する。
実験式は、好ましくは、吐出圧力Pdと、膨張器16の入口での冷媒の過冷度SCと、蒸発器18の熱負荷Qと、蒸発器18の出口での冷媒の過熱度SHと、圧縮機100の回転数Ncnと、吸入圧力Psとの関係を示すものである。これら吐出圧力Pd、過冷度SC、熱負荷Q、過熱度SH及び回転数Ncnと、吸入圧力Psとの関係を示す実験式によれば、吸入圧力Psを正確に推定することができる。例えば、実験式はPse=h(Pd,SC,Q,SH,Ncn)で示される。
例えば、蒸発器18の熱負荷Qは、外気温度Ta、車室内温度Tt、蒸発器ファンの電圧Vf及び通風経路の状態Asを変数とする関数Q=i(Ta,Tt,Vf,As)にて演算することができる。すなわち、通風系路の状態Asが外気導入モードである場合には、外気温度Ta及び電圧Vfを変数として熱負荷Qを演算することができる。一方、通風系路の状態Asが内気循環モードである場合には、車室内温度Tt及び電圧Vfを変数として熱負荷Qを演算することができる。
なお、外気及び車室内の湿度が判れば、蒸発器18の熱負荷Qの演算精度が向上するため、外部情報検知手段に、外気湿度センサ及び車室内湿度センサを更に含ませ、外気及び車室内の湿度に更に基づいて熱負荷Qを検知しても良い。
また、膨張器16の入口の冷媒の過冷度SCは、温度自動膨張弁である膨張器16を使用した冷凍サイクル10では大きく変化しない。このため、例えば、適当な概算値を予め設定しておき、この概算値を他の既知の変数である吐出圧力Pd、外気温度Ta、電圧Vf及び通風経路の状態As等で補正すれば、十分な精度で過冷度SCを演算することができる。
以上をまとめると、吸入圧力推定手段414は、実験式:Pse=h(Pd,SC,Q,SH,Ncn)のみならず、その変形である実験式:Pse=l(Pd,Ta,Tt,Vf,As,SH,Ncn)等によっても、推定吸入圧力Pseを演算することができる。
目標吸入圧力設定手段420は目標吸入圧力Pssを設定する。目標吸入圧力Pssは、制御目標となる吸入圧力Psの目標値である。
本実施形態では、目標吸入圧力設定手段420は、蒸発器温度センサ402によって実際に検知された蒸発器出口空気温度Teと、蒸発器目標温度設定手段401によって設定された蒸発器目標出口空気温度Tesとの偏差ΔTに基づいて、目標吸入圧力Pssを設定する。すなわち、目標吸入圧力設定手段420は、蒸発器出口空気温度Teが蒸発器目標出口空気温度Tesに近付くように、目標吸入圧力Pssを設定する。
なお、目標吸入圧力Pssを設定すれば、図6及び式(4)に示したように制御電流Iが定まることから、目標吸入圧力設定手段420が目標吸入圧力Pssを設定することには、制御電流I若しくは制御電流Iに関連するパラメータとしてのデューティ比を設定することが含まれる。
また、制御信号制限手段422は指標設定手段を含み、指標設定手段は、吸入圧力推定手段414で演算された推定吸入圧力Pseを基準として指標を設定する。指標は、推定吸入圧力Pseそのものであってもよいが、推定吸入圧力Pseのばらつき範囲を考慮して設定することができる。例えば、指標は、推定吸入圧力Pseのばらつき範囲の上限値PseH又は下限値PseLであってもよい。
好ましくは、図6に示したように、制御信号制限手段422は、閾値が指標よりも小さい場合には、ソレノイド254に供給される制御電流I若しくは当該制御電流Iのデューティ比が、指標に対応する制御電流Ii若しくはデューティ比になるよう、吐出容量制御信号を変更する。
一方、制御信号制限手段422は、閾値が指標に等しいかそれよりも大きい場合には、吐出容量制御信号を変更せずに、目標吸入圧力設定手段420から入力された吐出容量制御信号をソレノイド駆動手段424に入力する。
ソレノイド駆動手段424は、スイッチング素子430を有し、スイッチング素子430は、電源450とアースとの間を延びる電源ラインに、容量制御弁200のソレノイド254と直列に介挿されている。スイッチング素子430は、電源ラインを電気的に断続可能であり、スイッチング素子430の動作によって、所定の駆動周波数(例えば400〜500Hz)のPWM(パルス幅変調)にてソレノイド254に制御電流Iが供給される。
スイッチング素子430には、制御信号発生手段434から所定の駆動信号が入力され、この信号に対応して、PWMにおけるデューティ比が変更される。
また、電源ラインには、電流センサ436が介挿され、電流センサ436は、ソレノイド254を流れる制御電流Iを検知する。電流センサ436は、制御電流Iに相当する物理量を検知可能であれば電流計に限られず、電圧計であってもよい。
以下、上述した車両用空調システムの動作(使用方法)を説明する。
図9は、制御装置400Aが実行するプログラムのメインルーチンを示している。メインルーチンは、例えば車両のエンジンキーがオン状態になると起動され、オフ状態になると停止される。
なお、圧縮機100の容量が最小であるとき、逆止弁170の前後の圧力差は所定値よりも低く、圧縮機100は冷凍サイクル10に冷媒を吐出することができない。このため、最小の吐出容量でシリンダボア101aから吐出室142に吐出された冷媒は、吐出室142から給気経路160を経てクランク室105に流入し、次いで、クランク室105から抽気通路162を経て吸入室140に戻る。つまり、圧縮機100の容量が最小であるとき、冷媒は圧縮機100の内部を循環する。
吸入圧力制御ルーチンS14では、圧縮機100の吐出容量制御の目標となる蒸発器目標出口空気温度Tesが設定され読み込まれる(S100)とともに、蒸発器温度センサ402によって検知された蒸発器出口空気温度Teが読み込まれる(S102)。
それから、蒸発器目標出口空気温度Tesと、実際の蒸発器出口空気温度Teとの偏差ΔTが演算される(S104)。演算された偏差ΔTに基づいて、例えばPI制御のための所定の演算式により制御電流Iが演算される(S106)。
この後、演算された制御電流Iは、予め設定された下限値I1以上であるか否か比較判定される(S108)。S108の判定結果がNoであれば、下限値I1が制御電流Iとして読み込まれる(S110)。S108の判定結果がYesであれば、演算された制御電流Iは、予め設定された上限値I2以下であるか否か比較判定される(S112)。S112の判定結果がNoであれば、上限値I2が制御電流Iとして読み込まれる(S114)。
一方、吸入圧力制御ルーチンS14では、S106で設定された目標吸入圧力Pssに基づいて閾値が設定される(S116)。本実施形態では、例えば、目標吸入圧力Pssのばらつき範囲の下限値PssLが閾値として設定される。
S122の判定の結果がNoの場合、S120で設定された指標に対応する制御電流Iiが演算され、演算された制御電流Iiが制御電流Iとして読み込まれる(S126)。そして、S126で読み込まれた制御電流IがS124で出力される。ソレノイド駆動手段は、S124で出力された制御電流Iに近付くように、ソレノイド254に実際に供給される制御電流Iを調整する。
閾値が指標以上になると、目標吸入圧力Pssに対応する制御電流Iがソレノイド254に供給される。ソレノイド254に制御電流Iが供給されることで、吸入圧力Psが目標吸入圧力Pssに近付く。そして、吸入圧力Psが目標吸入圧力Pssに近付くと、感圧器228が伸縮することによって、吸入圧力Psが目標吸入圧力Pssに維持される。そしてこの結果として、蒸発器出口空気温度Teが蒸発器目標出口空気温度Tesに近付くように吐出容量が制御されるため、車室の温度が高精度にて制御され、車室の快適性が確保される。
具体的には、容量制御システムAでは、制御電流調整手段は、閾値が指標よりも低いときに、吸入圧力Psが指標に到達するのに必要な制御電流Iiまで、ソレノイド254に供給される制御電流I若しくは当該制御電流Iに関連するパラメータを小さくする。これにより、図6を参照すると、ΔIだけ制御電流Iが削減される。この結果として、容量制御システムAでは、圧縮機100が最大吐出容量で動作しているときに、ソレノイド254に過剰な制御電流Iが供給されるのが防止され、容量制御弁200における消費電力が削減される。
また、容量制御システムAでは、吸入圧力推定手段414が、吐出圧力検知手段で検知された吐出圧力Pdと、過熱度検知手段で検知された過熱度SHと、外気温度センサ404で検知された外気温度Taと、車内温度センサ405で検知された車室内温度Ttと、蒸発器ファン電圧検知手段406で検知された電圧Vfと、内外気切換ドア位置検知手段407で検知された通風系路の状態Asと、エンジン回転数センサ408で検知された圧縮機回転数Ncnに基づいて推定吸入圧力Pseを演算することにより、吸入圧力Psが精度良く推定される。
これらの結果として、容量制御システムAによれば、簡単な構成にて、ソレノイド254に供給される過剰な制御電流Iが確実に削減され、容量制御弁200における消費電力が削減される。
容量制御システムBは、容量制御弁200に代えて、図11に示された容量制御弁300を用いて圧縮機100の吐出容量を制御する。
より詳しくは、容量制御弁300は、弁ユニットと弁ユニットを開閉作動させる駆動ユニットとからなる。弁ユニットは、円筒状の弁ハウジング301を有し、弁ハウジング301の一端には入口ポート(弁孔301a)が形成されている。弁孔301aは、給気通路160の上流側部分を介して吐出室142と連通し、且つ、弁ハウジング301の内部に区画された弁室303に開口している。
また、弁ハウジング301の外周面には出口ポート301bが形成され、出口ポート301bは、給気通路160の下流側部分を介してクランク室105と連通する。出口ポート301bも弁室303に開口しており、弁孔301a、弁室303及び出口ポート301bを通じて、吐出室142とクランク室105とは連通可能である。
またソレノイドハウジング310内には、同心上に円筒状の固定コア318が収容され、固定コア318は、弁ハウジング301からエンドキャップ312に向けてソレノイド316の中央まで延びている。固定コア318のエンドキャップ312側はスリーブ320によって囲まれ、スリーブ320は、エンドキャップ312側に閉塞端を有する。
挿通孔318aには、ソレノイドロッド326が摺動可能に挿通され、ソレノイドロッド326の一端に弁体304が一体且つ同軸的に連結されている。ソレノイドロッド326の他端は可動コア収容空間324内に突出し、ソレノイドロッド326の他端部は、可動コア322に形成された貫通孔に嵌合され、ソレノイドロッド326と可動コア322とは一体化されている。また、可動コア322の段差面と固定コア318の端面との間には、開放ばね328が配置され、可動コア322と固定コア318との間には所定の隙間が確保されている。
ソレノイドハウジング310には感圧ポート310aが形成され、感圧ポート310aには、感圧通路166を介して吸入室140が接続されている。固定コア318の外周面には、軸線方向に延びる感圧溝318bが形成され、感圧ポート310aと感圧溝318bとは互いに連通している。従って、感圧ポート310a及び感圧溝318bを通じて、吸入室140と可動コア収容空間324とが連通し、ソレノイドロッド326を介して、弁体304の背面側には、閉弁方向に吸入室140の圧力、則ち吸入圧力Psが作用する。
容量制御弁300にあっては、好ましくは、弁体304が弁孔301aを閉じた時に吐出室142の圧力、則ち吐出圧力Pdが作用する弁体304の受圧面積(シール面積Svと呼ぶ)と、吸入圧力Psが作用する弁体304の面積、即ちソレノイドロッド326の断面積とが同等に形成される。
なお、ソレノイド316への通電量を増加させると、吸入圧力Psを低下させることができる。一方、ソレノイド316への通電量をゼロとすれば、開放ばね328の付勢力fs5により弁体304が離間して弁孔301aが強制開放される。これにより吐出室142からクランク室105に冷媒が導入され、吐出容量は最小に維持される。
容量制御システムBは、目標吸入圧力設定手段420に代えて、目標吸入圧力設定手段426及び制御信号演算手段428を有する点において、容量制御システムAとは異なる。よって、以下では、目標吸入圧力設定手段426及び制御信号演算手段428について説明する。
容量制御システムAの目標吸入圧力設定手段420は、制御電流Iも設定したが、容量制御システムBの目標吸入圧力設定手段426は、目標吸入圧力Pssを設定するのみである。そして、設定された目標吸入圧力Pssは、制御信号演算手段428に入力される。
制御装置400Bが実行するメインルーチンは、制御装置400Aが実行するメインルーチンと略同じである。図9を参照すると、制御装置400Bが実行するメインルーチンの初期条件設定S16では、ソレノイド316に供給される制御電流Iが、圧縮機100の吐出容量が最小容量となる初期値I0に設定される。
図14は、容量制御システムBが実行する吸入圧力制御ルーチンS18の詳細を示すフローチャートである。
吸入圧力制御ルーチンS18では、吐出圧力検知手段によって検知された吐出圧力Pdが読み込まれる(S150)。
それから、目標吸入圧力設定ルーチンS158で制御目標となる目標吸入圧力Pssが設定される。この後、S158で設定された目標吸入圧力Pssと、吐出圧力検知手段によって検知された吐出圧力Pdとから所定の演算式により、ソレノイド316へ通電される制御電流Iが演算される(S160)。例えば図14に示したように、制御電流Iは、吐出圧力Pdと目標吸入圧力Pssとの差に比例定数b1を乗じた値に定数b2を足した値として演算される。
一方、S162の判定の結果、演算された制御電流Iが下限値I3以上であれば(Yesの場合)、演算された制御電流Iは、予め設定された下限値I3より大きい上限値I4以下であるか否か比較判定される(S166)。S166の判定の結果、制御電流Iが上限値I4を超えていれば(Noの場合)、上限値I4が制御電流Iとして読み込まれる(S168)。
ただし、S170の閾値の設定では、S158で設定された目標吸入圧力Pssに基づいて閾値が設定され、本実施形態では、例えば、目標吸入圧力Pssのばらつき範囲の下限値PssLが閾値として設定される。
Ii=b1・(Pd-PseH)+b2 (b1,b2定数)
に基づいて制御電流Iiが演算される。そして、演算された制御電流Iiで制御電流Iが置換される。
2回目の吸入圧力制御ルーチンS18では、前回のS156でフラグF1が1に設定されたためS152の判定結果がNoとなり、タイマにより計測された経過時間tが所定時間t1に到達したか否かが判定される(S182)。S182の判定の結果、タイマのスタートから所定時間t1経過していなければ(Yesの場合)、前回のS158で設定された目標吸入圧力Pssと今回のS150で読み込まれた吐出圧力Pdから制御電流Iが演算される(S160)。この後、初回と同様にS178を経由し、制御装置400Bはメインルーチンに戻る。
つまり制御装置400Bでは、常時読込まれる吐出圧力Pdと、所定時間t1ごとに更新される目標吸入圧力Pssとに基づいて、吸入圧力Psが目標吸入圧力Pssを維持するように制御電流Iが演算される。そして、閾値が指標よりも小さければ、ソレノイド316には、吐出圧力Pd及び目標吸入圧力Pssに基づいて演算された制御電流Iではなく、吐出圧力Pd及び指標に基づいて演算された制御電流Iiが供給される。
目標吸入圧力設定ルーチンS158における、蒸発器目標出口空気温度Tesの設定読込み(S200)、蒸発器出口空気温度の読込み(S202)及び偏差ΔTの演算(S204)は、容量制御システムAの吸入圧力制御ルーチンS14におけるS100、S102及びS104とそれぞれ同じである。
なお、S206の演算式中、目標吸入圧力Pssが含まれているが、目標吸入圧力Pssの初期値はPss0である。
また、目標吸入圧力設定ルーチンS158を1回実行するごとに、S204で偏差ΔTが演算され、S206の演算式中の偏差ΔTの添字nは、偏差ΔTが今回のS204で演算されたものであることを示す。同様に添字n−1は、偏差ΔTが前回のS204で演算されたものであることを示す。
一方、S208の判定の結果がYesであれば、演算されたPssは、予め設定されたPs1より大きい上限値Ps2以下であるか否か比較判定される(S212)。S212の判定結果がNoであれば、上限値Ps2が目標吸入圧力Pssとして読み込まれる(S214)。
上述した容量制御システムBにおいても、閾値が指標よりも小さいときに、ソレノイド316に供給される制御電流Iを指標に対応する制御電流Iiまで小さくすることにより、容量制御弁300の消費電力が削減される。
一方、この容量制御システムBでは、感圧器228を有さない容量制御弁300を用いても、目標吸入圧力設定手段426が目標吸入圧力Pssを設定し、目標吸入圧力Pss及び吐出圧力Pdに基づいて制御電流Iを演算することにより、吸入圧力Psが目標吸入圧力Pssに近付くように吐出容量が制御される。
第1及び第2実施形態の容量制御システムA,Bでは、圧力センサ403が吐出圧力領域にて冷媒の圧力を検知したけれども、圧力センサ403を配置する部位は特に限定されず、冷凍サイクル10の高圧領域の何れかの部位に配置してもよい。すなわち、高圧領域の冷媒の圧力に基づいて、推定吸入圧力Pse及び過熱度SHをそれぞれ演算してもよい。なお、高圧領域とは、吐出圧力領域に放熱器14から膨張器16の入口までの領域を加えた領域である。
その上、ソレノイド254,316に供給される制御電流Iを制御電流Iiに等しくなるまで小さくした場合、従来、最大吐出容量で動作していた領域において、圧縮機100が、指標をフィードバック制御の基準とした吐出容量制御状態で確実に動作するため、圧縮機100の消費動力が削減されるとともに信頼性が確保される。
例えば、車両が高速走行をしているような場合、圧縮機100の回転数Ncnが非常に高くなり、圧縮機100の能力も増大する。しかしながら、空調システムの能力は、空調システム全体の構成によって、特に蒸発器18の能力によって制約を受ける。それ故、圧縮機100の能力が増大したとしても、圧縮機100の能力を十分に活用することができない。従ってこのような場合、圧縮機100が最大吐出容量で動作すると、圧縮機100で動力が無駄に消費される。
また特に、圧縮機100の回転数Ncnが所定値以上であり且つ蒸発器18の熱負荷Qが所定値以上であるときに、ソレノイド254,316に供給される制御電流Iを制御電流Iiよりも小さくすれば、圧縮機100での消費動力の削減効果が大であるのみならず、圧縮機100の機械的負荷が軽減される。この結果として、圧縮機100の信頼性も確保される。
また、指標として、推定吸入圧力Pseのばらつき範囲の上限値PseHが設定されていたけれども、指標は、推定吸入圧力Pseに基づいて設定されていればよい。従って、指標として、推定吸入圧力Pse自体若しくは推定吸入圧力Pseのばらつき範囲の下限値PseLを設定してもよい。
下限値PssLは、容量制御弁200,300の生産時における部品寸法公差等により発生する目標吸入圧力Pssのばらつきの範囲の下限値であることから、下限値PssLは、目標吸入圧力Pssに対応する制御電流Iをソレノイド254,316に供給したときに吸入圧力Psが到達しうる最小値である。
従って、閾値としての下限値PssLが指標としての上限値PseHよりも低ければ(PssL<PseH)、目標吸入圧力Pssに対応する制御電流Iをソレノイド254,316に供給したときに吸入圧力Psが到達可能な圧力が、推定時点の現実の吸入圧力Psよりも低い可能性がある。このため、PssL<PseHの場合には、圧縮機100が最大吐出容量で作動している可能性があり、圧縮機100が最大吐出容量で作動していれば、ソレノイド254,316に供給される制御電流Iを目標吸入圧力Pssに対応する制御電流Iよりも小さくすることにより、過剰な制御電流Iを削減することができる。
第1及び第2実施形態の容量制御システムA,Bでは、閾値として、目標吸入圧力Pssのばらつき範囲の上限値PssH又は下限値PssLを設定することができるが、目標吸入圧力Pssと閾値との差は、目標吸入圧力Pssの大小に応じて変化させるのが好ましい。具体的には、目標吸入圧力Pssが大きいほど、目標吸入圧力Pssと閾値との差が大きくなるのが好ましい。容量制御システムA,Bでは、閾値が指標に比べて低いときに、圧縮機100が最大吐出容量で動作していると実質的に判定しており、目標吸入圧力Pssと閾値との差が目標吸入圧力Pssの大小に応じて変化することにより、当該判定精度が向上するからである。そしてこの結果として、圧縮機100が最大吐出容量で動作しているときに、ソレノイド254,316に供給される過剰な制御電流Iが一層確実に削減され、容量制御弁200,300における消費電力が削減される。
なおこの場合、容量制御システムAでは、目標吸入圧力Pssとスイッチング素子430を駆動するデューティ比との相関を予め求めておけばよい。蒸発器目標温度設定手段401によって設定された蒸発器目標出口空気温度Tesと蒸発器温度センサ402によって検知された蒸発器出口空気温度Teとの偏差ΔTが決まると、当該相関に基づいて、デューティ比を演算することができる。
第2実施形態の容量制御システムBでは、吸入圧力制御ルーチンS18のS160及びS180において、制御電流Iの演算式としてI=α・Pd−β・Pss+γ(ただしα、β、γは定数)を用いても良いし、演算式に(Pd−Pss)nの項を含ませて非線形としても良い。
目標吸入圧力Pssの設定に用いられる外部情報としては、蒸発器18の熱負荷Qを検知するために用いられる外部情報と同じものを用いることができ、更には、圧縮機100や車両の運転状態に関する情報を用いることができる。車両の運転状態に関する情報とは、例えば、エンジン114の回転数、車速、加速度等である。
第2実施形態の容量制御システムBにおいては、容量制御弁300の弁体304に対して、吐出圧力Pd及び吸入圧力Psが相互に対抗するように作用するが、吐出圧力Pdと吸入圧力Psとが対抗しているときに、更にクランク圧力Pcが作用してもよい。
例えば、一端が開口し、他端が閉塞した小型のベローズを用いた場合、ベローズの閉塞端を、弁孔301aとは反対側の弁体304の一端に固定する。ソレノイドロッド326先端側の部分は、ベローズの開口端を通じてベローズの内側に挿入され、ソレノイドロッド325の先端をベローズの閉塞端の内面に連結する。これにより、ソレノイドロッド326が弁体304を電磁力G(I)にて付勢可能にする。そして、ベローズの内側の圧力は吸入圧力Psに等しくなるようにし、弁体304に吸入圧力Psを作用させる。
なお、制御圧力とは、往復動圧縮機の場合には、クランク室の圧力(クランク圧力Pc)である。
第1及び第2実施形態の容量制御システムA,Bでは、容量制御弁200,300は、吐出室142とクランク室105との間を繋ぐ給気通路160に配置されていたけれども、圧縮機100が斜板式又は揺動板式の場合、給気通路160に容量制御弁300を配置せずに、クランク室105と吸入室140との間を繋ぐ抽気通路162に容量制御弁を配置してもよい。即ち、給気通路160の開度を制御する入口制御に限定されず、抽気通路162の開度を制御する出口制御であってもよい。
第1及び第2実施形態の容量制御システムA,Bが適用される冷凍サイクル10では、冷媒はR134aや二酸化炭素に限定されず、その他の新冷媒を使用してもよい。つまり、容量制御システムA,Bは、従来の空調システムにも適用可能である。
401 蒸発器目標温度設定手段(外部情報検知手段)
402 蒸発器温度センサ(外部情報検知手段)
403 圧力センサ(外部情報検知手段)
404 外気温度センサ(外部情報検知手段)
405 車内温度センサ(外部情報検知手段)
406 蒸発器ファン電圧検知手段(外部情報検知手段)
407 内外気切換ドア位置検知手段(外部情報検知手段)
408 エンジン回転数センサ(外部情報検知手段)
414 吸入圧力推定手段
420 目標吸入圧力設定手段
422 制御信号制限手段(制御電流調整手段)
424 ソレノイド駆動手段(制御電流調整手段)
Claims (16)
- 空調システムの冷凍サイクルを構成すべく冷媒が循環する循環路に放熱器、膨張器及び蒸発器とともに介挿される可変容量圧縮機に適用され、吸入圧力を目標吸入圧力に近付けるために制御圧力を調整する容量制御システムにおいて、
1つ以上の外部情報を検知するための外部情報検知手段と、
前記外部情報検知手段によって検知された外部情報に基づいて、前記目標吸入圧力を設定する目標吸入圧力設定手段と、
ソレノイドを有し、前記制御圧力を調整するための容量制御弁と、
前記外部情報検知手段によって検知された外部情報に基づいて、前記可変容量圧縮機の吐出容量が最大であると仮定したときの前記吸入圧力の推定値である推定吸入圧力を演算する吸入圧力推定手段と、
前記目標吸入圧力設定手段によって設定された目標吸入圧力及び前記吸入圧力推定手段によって演算された推定吸入圧力に基づいて、前記容量制御弁のソレノイドに供給される制御電流若しくは当該制御電流に関連するパラメータを調整する制御電流調整手段と
を具備することを特徴とする可変容量圧縮機の容量制御システム。 - 前記制御電流調整手段は、
前記目標吸入圧力が前記推定吸入圧力よりも低いとき、前記吸入圧力を前記目標吸入圧力に到達させるために必要な制御電流若しくは当該制御電流に関連するパラメータに比べ、前記ソレノイドに供給される制御電流若しくは当該制御電流に関連するパラメータを小さくする
ことを特徴とする請求項1に記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。 - 前記制御電流調整手段は、
前記目標吸入圧力を基準として閾値を設定する閾値設定手段を含み、
前記閾値が前記推定吸入圧力よりも低いとき、前記吸入圧力が前記閾値に到達するために必要な制御電流若しくは当該制御電流に関連するパラメータに比べ、前記ソレノイドに供給される制御電流若しくは当該制御電流に関連するパラメータを小さくする
ことを特徴とする請求項1に記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。 - 前記制御電流調整手段は、
前記目標吸入圧力を基準として閾値を設定する閾値設定手段と、
前記推定吸入圧力を基準として指標を設定する指標設定手段とを含み、
前記閾値が前記指標よりも低いとき、前記吸入圧力が前記閾値に到達するために必要な制御電流若しくは当該制御電流に関連するパラメータに比べ、前記ソレノイドに供給される制御電流若しくは当該制御電流に関連するパラメータを小さくする
ことを特徴とする請求項1に記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。 - 前記閾値は、前記目標吸入圧力のばらつき範囲の上限値及び下限値のうち一方であり、
前記目標吸入圧力と前記閾値との差は、前記目標吸入圧力の大小に応じて変化する
ことを特徴とする請求項4に記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。 - 前記閾値は、前記目標吸入圧力のばらつき範囲の下限値であり、前記指標は、前記推定吸入圧力のばらつき範囲の上限値であることを特徴とする請求項4又は5に記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。
- 前記制御電流調整手段は、前記目標吸入圧力若しくは前記閾値が前記推定吸入圧力若しくは前記閾値よりも低いときに、前記吸入圧力が前記推定吸入圧力若しくは前記指標に到達するのに必要な制御電流若しくは当該制御電流に関連するパラメータ以下になるよう、前記ソレノイドに供給される制御電流若しくは当該制御電流に関連するパラメータを小さくすることを特徴とする請求項2乃至6の何れかに記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。
- 前記外部情報検知手段は、前記可変容量圧縮機の回転数に関連を有する物理量を検知する回転数検知手段を有し、
前記制御電流調整手段は、前記回転数検知手段によって検知された物理量が所定値以上であるときに、前記可変容量圧縮機の吐出容量が最大よりも小さくなるように前記ソレノイドに供給される制御電流若しくは当該制御電流に関連するパラメータを制限する
ことを特徴とする請求項7に記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。 - 前記外部情報検知手段は、前記蒸発器の熱負荷を検知する熱負荷検知手段を有し、
前記制御電流調整手段は、前記熱負荷検知手段によって検知された前記蒸発器の熱負荷が所定値以上であるときに、前記可変容量圧縮機の吐出容量が最大よりも小さくなるように前記ソレノイドに供給される制御電流若しくは当該制御電流に関連するパラメータを制限する
ことを特徴とする請求項8に記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。 - 前記吸入圧力推定手段は、前記外部情報検知手段によって検知された外部情報を、当該外部情報と前記推定吸入圧力との間の関係を示す実験式に代入して前記推定吸入圧力を演算することを特徴とする請求項1乃至9の何れかに記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。
- 前記外部情報検知手段は、
前記冷凍サイクルの吐出圧力領域の何れかの部位における前記冷媒の圧力である吐出圧力を検知するための吐出圧力検知手段と、
前記蒸発器の熱負荷を検知するための熱負荷検知手段と、
前記蒸発器の出口での前記冷媒の過熱度を検知するための過熱度検知手段と、
前記可変容量圧縮機の回転数に相当する物理量を検知する回転数検知手段とを含み、
前記吸入圧力推定手段は、前記吐出圧力検知手段によって検知された前記吐出圧力と、前記熱負荷検知手段によって検知された前記蒸発器の熱負荷と、前記過熱度検知手段によって検知された前記冷媒の過熱度と、前記回転数検知手段によって検知された前記可変容量圧縮機の回転数に関連する物理量と、前記吸入圧力との関係を示す実験式を用いて前記推定吸入圧力を演算する
ことを特徴とする請求項10に記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。 - 前記膨張器は、前記蒸発器の出口での前記冷媒の温度に基づいて前記冷媒の流量を調整する温度自動膨張弁であり、
前記過熱度検知手段は、前記蒸発器の出口での前記冷媒の温度若しくは当該温度に関連する物理量を検知する手段と、前記膨張器の入口での前記冷媒の圧力を検知するための膨張器入口圧力検知手段とを含み、
前記過熱度検知手段は、前記蒸発器の出口での前記冷媒の温度若しく当該温度に関連する物理量と前記膨張器の入口での前記冷媒の圧力に基づいて、前記過熱度を検知する
ことを特徴とする請求項11に記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。 - 前記空調システムは車両に適用され、
前記熱負荷検知手段は、
外気温度を検知するための外気温度センサと、
前記蒸発器のためのファンに印加される電圧を検知するための蒸発器ファン電圧検知手段と
を少なくとも含む
ことを特徴とする請求項11に記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。 - 前記外部情報検知手段は、前記蒸発器を通過した直後の空気流の温度の目標である蒸発器目標出口空気温度を設定する蒸発器目標出口温度設定手段を含み、
前記目標吸入圧力推定手段は、前記蒸発器を通過した直後の空気流の温度が蒸発器目標出口温度設定手段によって設定された蒸発器目標出口空気温度に近づくように前記目標吸入圧力を設定する
ことを特徴とする請求項1乃至13の何れかに記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。 - 前記容量制御弁は、前記冷凍サイクルの吐出圧力領域の何れかの部位における前記冷媒の圧力を吐出圧力としたときに、前記吐出圧力を受けるとともに、前記吐出圧力と対抗する方向にて前記吸入圧力及び制御圧力のうち一方と前記ソレノイドの電磁力とを受けて弁孔を開閉可能な弁体を有し、前記弁孔を開閉して前記制御圧力を変化させることにより前記可変容量圧縮機の容量を調整可能であり、
前記外部情報検知手段は、前記吐出圧力を検知するための吐出圧力検知手段を含み、
前記制御電流調整手段は、前記吐出圧力検知手段によって検知された吐出圧力と前記目標吸入圧力とに基づいて、前記吸入圧力が前記目標吸入圧力に到達するために必要な制御電流若しくは当該制御電流に関連するパラメータを演算する
ことを特徴とする請求項1乃至14の何れかに記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。 - 前記可変容量圧縮機は、
内部に吐出室、クランク室、吸入室及びシリンダボアが区画形成されたハウジングと、
前記シリンダボアに配設されたピストンと、
前記ハウジング内に回転可能に支持された駆動軸と、
前記駆動軸の回転を前記ピストンの往復運動に変換する傾角可変の斜板要素を含む変換機構と、
前記吐出室と前記クランク室とを連通する給気通路と、
前記吸入室と前記クランク室とを連通する抽気通路とを備え、
前記容量制御弁は、前記給気通路及び前記抽気通路のうち一方に介挿されている
ことを特徴とする請求項1乃至15の何れかに記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。
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CN102128162A (zh) * | 2010-08-23 | 2011-07-20 | 安徽省皖江质检科技有限公司 | 压缩机远程监控系统及其监控方法 |
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JPH11201054A (ja) * | 1998-01-13 | 1999-07-27 | Toyota Autom Loom Works Ltd | 可変容量型圧縮機用制御弁 |
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