JP2515716B2 - 空気調和機 - Google Patents

空気調和機

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JP2515716B2 JP59034210A JP3421084A JP2515716B2 JP 2515716 B2 JP2515716 B2 JP 2515716B2 JP 59034210 A JP59034210 A JP 59034210A JP 3421084 A JP3421084 A JP 3421084A JP 2515716 B2 JP2515716 B2 JP 2515716B2
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誠吾 宮本
當範 武曽
耕作 佐用
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は空気調和機に係り、特に熱負荷、圧縮機回転
速度等の稼働条件が広範囲にわたって変化する自動車用
空気調和機に関する。
〔従来の技術〕
熱負荷や圧縮機回転速度が広範囲にわたって変化する
従来の空気調和機の例を自動車用空気調和機におけるエ
バポレータ(蒸発器)出口側冷媒過熱度制御を例にとっ
て説明する。
第1図において、該空気調和機は、圧縮機1、コンデ
ンサ(凝縮器)2、冷媒の流量を調整する電動膨張弁
3、エバポレータ4、エバポレータ入口側温度検知手段
5(この代わりにエバポレータ出口側に圧力検知手段を
設けてもよい。)、エバポレータ出口温度検知手段6、
信号発生器7より成り、エバポレータ出口側の冷媒過熱
度を検知して設定過熱度との偏差を求め、信号発生器7
においてこの偏差をPID処理して電動調整弁3に送って
冷媒過熱温度を設定値に保つ制御を行うものである。
〔発明が解決しようとする課題〕
この制御方法においては、PID制御定数がある一定値
に設定されていたため、ある条件下では冷媒過熱度を安
定に制御し得ても、他の条件下ではハンチング等の不安
定状態を惹起し乗員に不快感を与えたり、あるいは圧縮
機への液戻り現象を生ずるといった不都合があった。
本発明の目的は、広範囲の稼働条件にわたって安定し
た冷媒流量制御が可能な空気調和機を提供することにあ
る。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、回転数が変化する圧縮機
と、凝縮器と、冷媒の流量を調整する電動膨張弁と、蒸
発器とを有する冷凍サイクルと、前記蒸発器のある室内
の温度を検出する室内温度検出手段と、外気の温度を検
出する外気温度検出手段と、前記圧縮機の回転数を検出
する圧縮機回転数検出手段と、前記蒸発器の冷媒の入口
の温度を検出する冷媒入口温度検出手段と、前記蒸発器
の冷媒の出口の温度を検出する冷媒出口温度検出手段
と、前記蒸発器の冷媒入口温度と前記蒸発器の冷媒出口
温度から冷媒過熱度を算出する手段と、この算出された
冷媒過熱度と冷媒過熱度の目標値との偏差を入力し、前
記電動膨張弁の開度の指令を出力するPID制御手段とを
備えた空気調和機において、このPID制御定数が所定の
順序で検索されるように予め記憶した記憶手段と、前記
検出された室内温度、前記検出された室外温度及び前記
検出された圧縮機回転数に対応したPID制御定数を前記
記憶手段から取り出し、前記PID制御手段のPID制御定数
を変更する手段とを備えたものである。
ここで、PID制御定数とは、PID制御手段で用いるPID
制御方程式 における KP:比例感度 Ti:積分時間 TD:微分時間 の3種類の制御定数のことである。
なおここで、ΔV:電動膨張弁操作量 Δt:時間刻み幅 en:現在の冷媒過熱度偏差量 en-1:1ステップ前の冷媒過熱度偏差量 en-2:2ステップ前の冷媒過熱度偏差量 〔作用〕 冷凍サイクルにおいて、冷媒循環量の変化に対する冷
媒過熱度の応答は近似的にむだ時間と、時定数と、ゲイ
ンの関数で表される。ここで、むだ時間とは、冷媒循環
量が変化してから冷媒過熱度が変化を始めるまでの時
間、時定数とは、冷媒過熱度が変化を始めてから冷媒過
熱度の最終変化量の約63%に達するまでの時間、ゲイン
とは、冷媒循環量の変化量に対する冷媒過熱度の最終変
化量の比率を表している。第2図は、冷凍サイクル自身
の特性であるむだ時間、時定数、ゲイン及び冷媒循環量
は各々、室内温度、外気温度、圧縮機回転数から一義的
に定まることを示す実験結果である。上段のグラフは、
縦軸がむだ時間、横軸が冷媒循環量、実線が圧縮機回転
数、破線が室内温度を各々示し、圧縮機回転数と室内温
度が決まれば、その交点からむだ時間と冷媒循環量が定
まることが表され、同様に中段のグラフは、圧縮機回転
数と室内温度が決まれば、その交点から時定数と冷媒循
環量が定まることが示され、下段のグラフは、圧縮機回
転数が決まれば、ゲインと冷媒循環量が定まることが示
されている。一方、本制御で用いるPID制御定数である
比例感度、積分時間及び微分時間は、冷媒循環量の変化
に対する冷媒過熱度の応答が完全にむだ時間、時定数、
ゲインの関数で表記される場合は、ジグラ・ニコルスの
公式等を用いてむだ時間、時定数及びゲインから求めら
れることが知られている。従って、PID制御定数である
比例感度、積分時間及び微分時間は、室内温度、外気温
度、圧縮機回転数から演算により求めることができ、こ
の定数を冷媒過熱度制御に用いれば空気調和機は良好に
動作する筈である。しかし、実際には、むだ時間、時定
数及びゲインから算出された比例感度、積分時間及び微
分時間を用いた冷媒過熱度制御では制御系が不安定に動
作することがわかった。そこで、この原因を調べるた
め、室内温度、外気温度及び圧縮機回転数を各々変化さ
せ最適比例感度、最適積分時間及び最適微分時間を求め
る実験を行った。その結果が第3図である。第3図の上
段のグラフは、縦軸が最適比例感度、横軸が冷媒循環
量、実線が圧縮機回転数、破線が室内温度である。この
図には、圧縮機回転数と室内温度が決まれば、その交点
から最適比例感度と冷媒循環量が定まることが示されて
いる。同様に下段のグラフには、圧縮機回転数と室内温
度が決まれば、その交点から最適積分時間と冷媒循環量
が定まることが示されている。なお最適微分時間は圧縮
機回転数及び室内温度に関わらず「0」の時制御が安定
することを確認した。これらの値を室内温度、外気温度
及び圧縮機回転数に対応させて記憶手段に記憶させ、現
在の室内温度、外気温度及び圧縮機回転数から、最適比
例感度、最適積分時間及び最適微分時間を読み出し、新
たなPID制御定数として採用することによって、室内温
度、外気温度及び圧縮機回転数が変化しても、安定した
冷媒過熱度制御を行うことができる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第4図に示した系統図によ
り説明する。本実施例は自動車用空気調和機に関しエバ
ポレータ出口冷媒過熱度制御を行うもので、圧縮機回転
数検知手段8、車室内温度(室内温度)検知手段9、コ
ンデンサ前面温度(外気温度)検出手段10を設け、これ
らの検知手段に基づいて第3図に示すような最適のPID
制御定数を求めるものである。なお本実施例ではエバポ
レータ吐出空気温度検知手段11、及び圧縮機出口温度検
知手段12を設けてある。次いで第4図に示された信号発
生器7の一例を第5図に示す。本信号発生器7は、マイ
クロコンピュータを用いる場合を一例にとると第5図に
示す構成となり、検知された冷媒過熱度を基に電動膨張
弁3に送る信号のPID演算を行うCPU13、プログラム、各
サイクル稼働条件における最適のPID制御定数等を記憶
している読み出し専用記憶ユニット(ROM)14、プログ
ラムの動作中、使用される一時記憶ユニット(RAM)1
5、タイマー部16、割込み制御部17、電動膨張弁3に駆
動信号を送る弁駆動回路18、圧縮機1の起動停止動作回
路19、自動車用空気調和機の起動停止スイッチ20からの
信号を処理する起動停止信号処理回路21、温度検知手段
5、6、回転数検知手段8、温度検知手段9、10、11、
12の信号変換回路22、A/D変換器23、CPU13と上記各回路
部との情報転送に使用するコモンバス24とから成る。以
上述べた実施例の動作を第6図のフローチャートを用い
て説明する。まず起動時には、電動膨張弁3に一定開度
の信号を送信し、この状態を一定時間続ける。次いで停
止信号の有無を調べ、エバポレータ吐出空気温度11が凍
結温度以下となっていないかどうかを調べる。停止信号
が出ている場合あるいはエバポレータ吐出空気温度が設
定値以下となっており凍結の恐れのあるときは動作を停
止する。ただし、エバポレータ吐出空気温度が回復すれ
ば再び運転を始める。次いで圧縮機出口温度を検知し、
前記温度が設定値を越えるときもやはり運転を停止す
る。
以上の異常検知条件に該当しない場合には、冷凍サイ
クルが正常に動作するものとして、次のように冷媒過熱
度制御を行う。まず、エバポレータ出口温度6からエバ
ポレータ入口温度5を差引いてエバポレータ出口冷媒過
熱度を検知し、また圧縮機回転数8、室内温度9、外気
温度10を検知しこれらの値に基づいて、読み出し専用記
憶ユニット14に蓄えられているマップデータを用いてPI
D制御定数の値を読み出す。次いで、次式に示す演算を
行って電動膨張弁3に送る信号を求める。
ここで、ΔV:電動膨張弁操作量の変化分 Vn:次の時刻の電動膨張弁操作量 Vn-1:1ステップ前の時刻に求められた電動膨張弁操作量 KP:比例感度 Ti:積分時間 TD:微分時間 Δt:時間刻み幅 en:現在の冷媒過熱度偏差量 en-1:1ステップ前の時刻の冷媒過熱度偏差量 en-2:2ステップ前の時刻の冷媒過熱度偏差量 以上の動作を停止信号を発せられるまでくり返す。な
お第一の実施例では圧縮機回転数を検知したが、代わり
に第7図に示すように車速検知手段25を設けても同様の
制御が可能である。また第8図に示すように車速検知手
段25と圧縮機回転数検知手段8を併用してPID制御定数
を求めてもよい。
なおPID制御定数は、例えば次の方法で決定する。
読み出し専用記憶ユニット(ROM)14に、第9図に示
すように数値を割付けておく。制御定数決定に、室内空
気温度9、コンデンサ外気温度10、圧縮機回転数11の3
つを用いるとすると、室内空気温度9に対応する制御定
数群26(26a,26b,26c)を設け、前記各制御定数群26を
さらに、外気温度10に対応する制御定数群27(27a,27b,
27c…)に分割し、制御定数群27をさらに圧縮機回転数1
1に対応させておく。このように数値を割付けておくこ
とによって、上記サイクル条件を検知するとほぼ同時に
最適制御定数28(28a,28b,28c…)を探すことができ
る。
最後に、電動膨張弁3の構造図の一例を示す。電動膨
張弁3は、コンデンサ2からの高圧側通路44a、低圧側
通路44bへと連通され、ソレノイド45が励磁された場合
にばねの付勢に応じてプランジャ47が高圧側通路44aと
低圧側通路44bを連通すべく移動するようになってお
り、ソレノイド50が励磁されていない場合には弁座48に
当接して高圧側通路44aと低圧側通路44bを遮断するよう
になっている。このソレノイド45には信号線49を介して
信号発生器7からの信号が送られてくるものである。
〔発明の効果〕
以上に示したように、本発明によれば現在の環境に応
じて、最適なPID制御定数を容易に決定することができ
るので、広範囲の稼働条件にわたって安定した冷媒加熱
度制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の空気調和機の系統図、第2図は冷凍サイ
クルの伝達関数の無駄時間、時定数、ゲインを示す図、
第3図は最適制御定数の組合せを示す図、第4図は本発
明の一実施例の系統図、第5図は第4図の信号発生器の
一例の構成図、第6図は第5図の動作フローチャート、
第7図及び第8図は他の実施例の系統図、第9図は制御
定数を読み出し専用記憶ユニット(ROM)に割付ける方
法の一例を示す図である。第10図は、本発明における電
動膨張弁の一例を示す図。1……圧縮機、2……凝縮
器、3……電動膨張弁、4……エバポレータ、5,6,9,1
0,11,12……温度検知手段、7……信号発生器、25……
車速検知手段。
フロントページの続き (72)発明者 宮本 誠吾 土浦市神立町502番地 株式会社日立製 作所機械研究所内 (72)発明者 武曽 當範 勝田市大字高場2520番地 株式会社日立 製作所佐和工場内 (72)発明者 佐用 耕作 勝田市大字高場2520番地 株式会社日立 製作所佐和工場内 (72)発明者 江見 健二 勝田市大字高場2520番地 株式会社日立 製作所佐和工場内 (56)参考文献 特開 昭57−14156(JP,A) 実開 昭57−168411(JP,U)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】回転数が変化する圧縮機と、凝縮器と、冷
    媒の流量を調整する電動膨張弁と、蒸発器とを有する冷
    凍サイクルと、前記蒸発器のある室内の温度を検出する
    室内温度検出手段と、外気の温度を検出する外気温度検
    出手段と、前記圧縮機の回転数を検出する圧縮機回転数
    検出手段と、前記蒸発器の冷媒の入口の温度を検出する
    冷媒入口温度検出手段と、前記蒸発器の冷媒の出口の温
    度を検出する冷媒出口温度検出手段と、前記蒸発器の冷
    媒入口温度と前記蒸発器の冷媒出口温度から冷媒過熱度
    を算出する手段と、この算出された冷媒過熱度と冷媒過
    熱度の目標値との偏差を入力し、前記電動膨張弁の開度
    の指令を出力するPID制御手段とを備えた空気調和機に
    おいて、室内温度、外気温度及び圧縮機回転数に対応し
    たPID制御定数を、このPID制御定数が所定の順序で検索
    されるように予め記憶した記憶手段と、前記検出された
    室内温度、前記検出された室外温度及び前記検出された
    圧縮機回転数に対応したPID制御定数を前記記憶手段か
    ら取り出し、前記PID制御手段のPID制御定数を変更する
    手段とを備えた空気調和機。
  2. 【請求項2】前記所定の順序は、室内温度、外気温度、
    圧縮機回転数の順序である特許請求の範囲第1項記載の
    空気調和機。
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