JP4436152B2

JP4436152B2 - 空調装置

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Publication number: JP4436152B2
Application number: JP2004038595A
Authority: JP
Inventors: 謙一鈴木
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2024-02-16
Also published as: JP2005225439A; EP1717075A1; US20080223058A1; EP1717075A4; WO2005077689A1

Description

本発明は、冷媒の圧縮機を有する冷凍サイクルを備えた空調装置に関し、とくに、互いに独立した固定容量圧縮機構及び可変容量圧縮機構を備えた冷凍サイクルを好適に制御できるようにした空調装置に関する。

従来の空調装置、たとえば建設機械用空調装置においては、原動機により、冷凍サイクルの圧縮機を運転し、空調装置として構成されるものがある。また、建設機械の室内空間（たとえば、キャビン内空間）が大きな場合や、熱負荷等が大きく変動するような場合においては、１つの冷凍サイクルで複数台の圧縮機を用い、それぞれに駆動力伝達系を設ける場合がある。さらに、２つの圧縮機を持つ冷凍サイクルにおいて、１つを固定容量タイプの圧縮機で、もう１つを可変容量タイプの圧縮機とした空調装置もある（たとえば、特許文献１）。

しかしながら、２つの圧縮機を用いる場合において、第２圧縮機の単独運転時に対して２つの圧縮機を同時に運転する場合では、第２圧縮機による容量制御方法が運転状態によらず同一であると、単独運転の場合と同時運転の場合とでは蒸発器温度等の応答が異なるため、蒸発器温度を適切に制御することが困難になるという問題がある。その結果、蒸発器温度制御がうまくいかず、要求される冷房性能に対して、蒸発器温度を適切に安定して制御することは困難となっていた。
特開２００３−１９９０８号公報

そこで本発明の課題は、２つの圧縮機構を備え、一つは固定容量式の圧縮機構とし、もう一方は容量を変えることのできる可変容量式の圧縮機構とした冷凍システムを有する空調装置において、異なる運転状態においても最適なフィードフォワードまたは／及びフィードバック制御を実施することにより、要求される冷房性能に対して、安定した適切な空調制御を可能にすることにあり、たとえば建設機械のキャビン用として好適な空調装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る空調装置は、冷凍サイクル中に、互いに独立した、固定容量式の第１圧縮機構と可変容量式の第２圧縮機構との２つの圧縮機構を有し、前記第２圧縮機構の容量を制御する第２圧縮機構容量制御手段、前記２つの圧縮機構による運転、またはどちらか一方の圧縮機構による運転に切り替える圧縮機構運転切替制御手段、空調用空気を冷却する冷媒の蒸発器、冷媒の凝縮器、蒸発器に空気を送風する送風機、第２圧縮機構におけるフィードフォワード制御のための圧縮容量としての第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量を算出する第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量演算手段を備えた空調装置において、前記第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量演算手段が、前記第２圧縮機構による単独運転時と、前記第１圧縮機構及び第２圧縮機構の同時運転時とについて、互いに異なる第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量演算式により第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量を算出し、第２圧縮機構単独運転時には冷凍サイクル熱負荷を参照することにより、第１及び第２圧縮機構同時運転時には冷凍サイクル熱負荷及び、第１圧縮機構の駆動源である原動機の回転数または／及び該原動機により走行される車の速度を参照することにより、第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量を算出することを特徴とするものからなる。また、上記のような空調装置においては、前記第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量演算手段は、第２圧縮機構単独運転時には冷凍サイクル熱負荷を参照することにより、第１及び第２圧縮機構同時運転時には冷凍サイクル熱負荷及び、第１圧縮機構の駆動源である原動機の回転数または／及び該原動機により走行される車の速度を参照することにより、第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量を算出するようにすることが好ましい。

さらに、本発明に係る空調装置は、冷凍サイクル中に、互いに独立した、固定容量式の第１圧縮機構と可変容量式の第２圧縮機構との２つの圧縮機構を有し、前記第２圧縮機構の容量を制御する第２圧縮機構容量制御手段、前記２つの圧縮機構による運転、またはどちらか一方の圧縮機構による運転に切り替える圧縮機構運転切替制御手段、空調用空気を冷却する冷媒の蒸発器、冷媒の凝縮器、蒸発器に空気を送風する送風機、第２圧縮機構におけるフィードフォワード制御のための圧縮容量としての第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量を算出する第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量演算手段、蒸発器または蒸発器出口空気温度を検出する蒸発器温度検出手段、蒸発器または蒸発器出口空気温度の目標温度を算出する蒸発器目標温度算出手段、蒸発器または蒸発器出口空気温度と蒸発器または蒸発器出口空気温度の目標温度との偏差を参照することにより第２圧縮機構におけるフィードバック制御のための圧縮容量としての第２圧縮機構フィードバック圧縮容量を演算する第２圧縮機構フィードバック圧縮容量演算手段を備えた空調装置において、前記第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量演算手段が、前記第２圧縮機構による単独運転時と、前記第１圧縮機構及び第２圧縮機構の同時運転時とについて、互いに異なる第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量演算式により第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量を算出するとともに、前記第２圧縮機構フィードバック圧縮容量演算手段が、前記第２圧縮機構による単独運転時と、前記第１圧縮機構及び第２圧縮機構の同時運転時とについて、係数が互いに異なる第２圧縮機構フィードバック圧縮容量演算式により第２圧縮機構フィードバック圧縮容量を演算し、第２圧縮機構単独運転時には冷凍サイクル熱負荷を参照することにより、第１及び第２圧縮機構同時運転時には冷凍サイクル熱負荷及び、第１圧縮機構の駆動源である原動機の回転数または／及び該原動機により走行される車の速度を参照することにより、第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量を算出することを特徴とするものからなる。

この空調装置においては、前記圧縮機構運転切替制御手段により、第１圧縮機構による単独運転から、第１圧縮機構及び第２圧縮機構による同時運転に切替時、予め定めた所定時間内においては、前記第２圧縮機構フォードバック圧縮容量演算手段により演算されたフィードバック圧縮容量を参照することなく前記第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量のみを参照し、前記第２圧縮機構容量制御手段により第２圧縮機構の容量を制御して同時運転に切り替えるようにすることが好ましい。

前述の所定時間は、たとえば、冷凍サイクル熱負荷及び、第１圧縮機構の駆動源である原動機の回転数または／及び該原動機により走行される車の速度を参照することにより、算出することができる。

また、上述の冷凍サイクル熱負荷は、外気温度、及び、室内温度、及び、送風量あるいは送風量に相関のある物理量、及び、日射量を検知することにより、または、これらのいずれか少なくとも１つを検知することにより算出することができる。

本発明に係る空調装置において、上記第２圧縮機構は、容量制御信号による容量可変圧縮機構、または回転数制御による容量可変圧縮機構から構成することができる。

このようなフィードフォワードまたは／及びフィードバック制御を行う、本発明に係る空調装置は、車両用空調装置として、中でも建設機械用空調装置として好適なものである。

本発明に係る空調装置によれば、第２圧縮機構の容量制御方法に対して、同時運転時、または、第２圧縮機構単独運転時等の異なる運転状態においても最適なフィードフォワードまたは／及びフィードバック制御を行うことが可能となり、それによって、要求される冷房性能に対して、安定した適切な空調制御を行うことが可能となる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る空調装置、たとえば建設機械用空調装置の概略機器系統図を示している。図１において、１は空調装置全体を示しており、室内（たとえば、キャビン内）へと開口する通風ダクト２内の上流側には、外気または／および内気導入口３からの吸気を圧送する送風機４が設けられている。送風機４の下流側には、送風される空気を冷却する冷却器としての蒸発器５が設けられている。図示を省略するが、必要に応じて、蒸発器５の下流側には、加熱器としてのヒータコアが設けられていてもよい。蒸発器５を通過し、冷却された空気が室内へと吹き出される。

上記のような空調装置１に、上記蒸発器５を備えた冷凍サイクル６が設けられている。冷凍サイクル６は、各機器が冷媒配管を介して接続された冷媒回路に構成されており、この冷凍サイクル６には、原動機（たとえば、エンジン）等を駆動源とし、メインコントローラ７からの駆動制御信号８により駆動が制御される、固定容量式の第１圧縮機構９と、吐出容量信号１０がメインコントローラ７に送られ、メインコントローラ７からの容量制御信号１１により容量が制御される可変容量式の第２圧縮機構１２が設けられている。第２圧縮機構１２は、本実施態様では、電動モータによって駆動されるようになっている。冷凍サイクル６には、第１圧縮機構９および／または第２圧縮機構１２で圧縮された高温高圧の冷媒を凝縮する凝縮器１３、凝縮された冷媒の気液を分離する受液器１４、受液器１４からの冷媒を減圧、膨張させる膨張弁１５、膨張弁１５からの冷媒を蒸発させ通風ダクト２内を送られてくる空気との熱交換により該空気を冷却する蒸発器５がこの順に配置されており、蒸発器５からの冷媒が上記圧縮機構に吸入されて再び圧縮される。蒸発器５の温度制御は、たとえば、原動機から第１圧縮機構９への駆動力伝達回路に設けられたクラッチのコントロールおよび第２圧縮機構１２駆動用の電動モータの制御信号により行われるようになっている。

本実施態様では、メインコントローラ７には、蒸発器または蒸発器出口空気温度（Teva）を検出する蒸発器温度検出手段としての蒸発器出口空気温度センサ１６により検出された蒸発器出口空気温度（Teva）の信号が送られる。また、メインコントローラ７には、車室内温度センサ１７により検出された車室内温度（Tin ）の信号、外気温度センサ１８により検出された外気温度（Tamb）の信号、日射センサ１９により検出された日射量（Rsun）の信号もそれぞれ送られるようになっている。

本実施態様では、メインコントローラ７により、たとえば図２、図３に示すような制御が行われる。
第１圧縮機構９は、固定容量式であり、クラッチ信号によりコントロールされ、クラッチ信号は、蒸発器温度目標値（Toff) と、蒸発器出口空気温度センサ１６により検出された蒸発器出口空気温度（Teva）とから、次式によって演算される。
クラッチ信号＝ｆ（Toff, Teva）
そして、第２圧縮機構１２が運転されているときは、蒸発器温度制御は、その容量制御手段により行われ、容量制御信号１１により容量可変機構を制御するか、あるいは、第２圧縮機構１２駆動用の電動モータの回転数制御により制御される。この第２圧縮機構１２の制御方法の例を、図２、図３を参照しながら説明する。

まず、第２圧縮機構蒸発器温度制御方法についてであるが、第２圧縮機構１２は、フィードフォワード（FF）演算項、フィードバック（FB）演算項により、その圧縮容量が制御されるものである。但し、FF、FB演算項は運転状態に適合した、制御方法を持つものである。特に、第２圧縮機構単独運転時と比較して、第１及び第２圧縮機構による同時運転時との違いを持たせてある。ここでは、本システムにおける第２圧縮機構１２の同時運転状態による制御方法を示す。

第１及び第２圧縮機構による同時運転時制御方法：
（１）第１圧縮機構９及び第２圧縮機構１２により同時に運転されるとき、第２圧縮機構１２のフィードフォワード演算項により、フィードフォワード容量演算値が出力され、その演算値を参照し、第２圧縮機構１２の圧縮容量が制御される。但し、同時に運転されるときは、第２圧縮機構１２のフィードフォワード演算項は、第２圧縮機構単独時のフィードフォワード演算項の演算方法を変更し、第１及び第２圧縮機構による同時運転に適合したフィードフォワード演算値を算出するものとする。つまり、第２圧縮機構１２の圧縮容量の制御演算値(Nmo) としては、次式のようにフィードフォワード演算値(NmoFF) とフィードバック演算値(NmoFB) との合計値とされ、フィードフォワード演算値(NmoFF）はたとえば蒸発器温度目標値（Toff) 、外気温度(Tamb)、車速(VS)やエンジン回転数(Ne)、ブロワ（送風機）電圧(BLV) 等から次式のように算出される。
Nmo=NmoFF+NmoFB
NmoFF=A ×Toff + B×Tamb + C×VS + D×BLV
ここで、A 、B 、C 、D は定数である。

同様に、フィードバック演算値を用いる場合にも、フィードバック演算値(NmoFB) は、第２圧縮機構単独運転時と、第１及び第２圧縮機構による同時運転時とは異なる演算値とされることが好ましく、これはとくに、フィードバック演算値(NmoFB) が次式のように演算される際、その比例ゲインKpを変更することにより行われる。つまり、第１及び第２圧縮機構により同時に運転されるとき、第２圧縮機構のフィードフォワード及びフィードバック演算項により制御されるが、第２圧縮機構のフィードバック演算項は、第２圧縮機構単独時のフィードバック演算項の演算に関わる係数（比例ゲイン等）を変更し、第１及び第２圧縮機構による同時運転に適したフィードバックとするものである。
NmoFB=NmoP（比例演算値）+ NmoI（積分演算値）
NmoP =Kp×(Teva-Toff)
NmoI =NmoIn-1 + Kp/Ti ×(Teva-Toff)
ここで、Kpは比例ゲイン、Tiは積分時間、NmoIn-1 はNmoIの前回演算値である。

また、第１圧縮機構９のみによる運転状態から第１及び第２圧縮機構により同時に運転されるとき、第２圧縮機構１２のフィードフォワード演算値のみにより、第２圧縮機構１２を起動し、容量を制御し、予め求めた所定時間（Ｔ）は、第２圧縮機構１２のフィードバック演算項の出力を制限または演算停止させて、所定時間（Ｔ）経過後に前記フィードバック演算項の制限または演算停止解除し、フィードフォワード及びフィードバックによる制御とすることができる。このような制御のフローの例を図３に示す。すなわち、フィードフォワード制御によって起動し、フィードバック制御を所定時間制限または演算停止するものである。

本発明に係る空調装置は、互いに独立した固定容量圧縮機構及び可変容量圧縮機構を備えた、あらゆる冷凍サイクルを好適に適用でき、とくに熱負荷変動の激しい建設機械のキャビン用空調装置に適用して最適なものである。

本発明の一実施態様に係る空調装置の概略機器系統図である。図１の空調装置の制御の一例を示すブロック図である。図１の空調装置の制御の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１空調装置
２通風ダクト
３外気または／および内気導入口
４送風機
５蒸発器
６冷凍サイクル
７メインコントローラ
８駆動制御信号
９第１圧縮機構
１０吐出容量信号
１１容量制御信号
１２第２圧縮機構
１３凝縮器
１４受液器
１５膨張弁
１６蒸発器出口空気温度センサ
１７車室内温度センサ
１８外気温度センサ
１９日射センサ

Claims

冷凍サイクル中に、互いに独立した、固定容量式の第１圧縮機構と可変容量式の第２圧縮機構との２つの圧縮機構を有し、前記第２圧縮機構の容量を制御する第２圧縮機構容量制御手段、前記２つの圧縮機構による運転、またはどちらか一方の圧縮機構による運転に切り替える圧縮機構運転切替制御手段、空調用空気を冷却する冷媒の蒸発器、冷媒の凝縮器、蒸発器に空気を送風する送風機、第２圧縮機構におけるフィードフォワード制御のための圧縮容量としての第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量を算出する第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量演算手段、蒸発器または蒸発器出口空気温度を検出する蒸発器温度検出手段、蒸発器または蒸発器出口空気温度の目標温度を算出する蒸発器目標温度算出手段、蒸発器または蒸発器出口空気温度と蒸発器または蒸発器出口空気温度の目標温度との偏差を参照することにより第２圧縮機構におけるフィードバック制御のための圧縮容量としての第２圧縮機構フィードバック圧縮容量を演算する第２圧縮機構フィードバック圧縮容量演算手段を備えた空調装置において、
前記第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量演算手段が、前記第２圧縮機構による単独運転時と、前記第１圧縮機構及び第２圧縮機構の同時運転時とについて、互いに異なる第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量演算式により第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量を算出するとともに、前記第２圧縮機構フィードバック圧縮容量演算手段が、前記第２圧縮機構による単独運転時と、前記第１圧縮機構及び第２圧縮機構の同時運転時とについて、係数が互いに異なる第２圧縮機構フィードバック圧縮容量演算式により第２圧縮機構フィードバック圧縮容量を演算し、
前記圧縮機構運転切替制御手段により、第１圧縮機構による単独運転から、第１圧縮機構及び第２圧縮機構による同時運転に切替時、予め定めた所定時間内においては、前記第２圧縮機構フィードバック圧縮容量演算手段により演算された第２圧縮機構フィードバック圧縮容量を参照することなく前記第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量のみを参照し、前記第２圧縮機構容量制御手段により第２圧縮機構の容量を制御して同時運転に切り替えることを特徴とする空調装置。
前記第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量演算手段は、第２圧縮機構単独運転時には冷凍サイクル熱負荷を参照することにより、第１及び第２圧縮機構同時運転時には冷凍サイクル熱負荷及び、第１圧縮機構の駆動源である原動機の回転数または／及び該原動機により走行される車の速度を参照することにより、第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量を算出する、請求項１の空調装置。
冷凍サイクル中に、互いに独立した、固定容量式の第１圧縮機構と可変容量式の第２圧縮機構との２つの圧縮機構を有し、前記第２圧縮機構の容量を制御する第２圧縮機構容量制御手段、前記２つの圧縮機構による運転、またはどちらか一方の圧縮機構による運転に切り替える圧縮機構運転切替制御手段、空調用空気を冷却する冷媒の蒸発器、冷媒の凝縮器、蒸発器に空気を送風する送風機、第２圧縮機構におけるフィードフォワード制御のための圧縮容量としての第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量を算出する第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量演算手段を備えた空調装置において、
前記第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量演算手段が、前記第２圧縮機構による単独運転時と、前記第１圧縮機構及び第２圧縮機構の同時運転時とについて、互いに異なる第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量演算式により第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量を算出し、第２圧縮機構単独運転時には冷凍サイクル熱負荷を参照することにより、第１及び第２圧縮機構同時運転時には冷凍サイクル熱負荷及び、第１圧縮機構の駆動源である原動機の回転数または／及び該原動機により走行される車の速度を参照することにより、第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量を算出することを特徴とする空調装置。
冷凍サイクル中に、互いに独立した、固定容量式の第１圧縮機構と可変容量式の第２圧縮機構との２つの圧縮機構を有し、前記第２圧縮機構の容量を制御する第２圧縮機構容量制御手段、前記２つの圧縮機構による運転、またはどちらか一方の圧縮機構による運転に切り替える圧縮機構運転切替制御手段、空調用空気を冷却する冷媒の蒸発器、冷媒の凝縮器、蒸発器に空気を送風する送風機、第２圧縮機構におけるフィードフォワード制御のための圧縮容量としての第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量を算出する第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量演算手段、蒸発器または蒸発器出口空気温度を検出する蒸発器温度検出手段、蒸発器または蒸発器出口空気温度の目標温度を算出する蒸発器目標温度算出手段、蒸発器または蒸発器出口空気温度と蒸発器または蒸発器出口空気温度の目標温度との偏差を参照することにより第２圧縮機構におけるフィードバック制御のための圧縮容量としての第２圧縮機構フィードバック圧縮容量を演算する第２圧縮機構フィードバック圧縮容量演算手段を備えた空調装置において、
前記第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量演算手段が、前記第２圧縮機構による単独運転時と、前記第１圧縮機構及び第２圧縮機構の同時運転時とについて、互いに異なる第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量演算式により第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量を算出するとともに、前記第２圧縮機構フィードバック圧縮容量演算手段が、前記第２圧縮機構による単独運転時と、前記第１圧縮機構及び第２圧縮機構の同時運転時とについて、係数が互いに異なる第２圧縮機構フィードバック圧縮容量演算式により第２圧縮機構フィードバック圧縮容量を演算し、第２圧縮機構単独運転時には冷凍サイクル熱負荷を参照することにより、第１及び第２圧縮機構同時運転時には冷凍サイクル熱負荷及び、第１圧縮機構の駆動源である原動機の回転数または／及び該原動機により走行される車の速度を参照することにより、第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量を算出することを特徴とする空調装置。
前記圧縮機構運転切替制御手段により、第１圧縮機構による単独運転から、第１圧縮機構及び第２圧縮機構による同時運転に切替時、予め定めた所定時間内においては、前記第２圧縮機構フィードバック圧縮容量演算手段により演算された第２圧縮機構フィードバック圧縮容量を参照することなく前記第２圧縮機構フィードフォワード圧縮容量のみを参照し、前記第２圧縮機構容量制御手段により第２圧縮機構の容量を制御して同時運転に切り替える、請求項４の空調装置。
前記所定時間は、冷凍サイクル熱負荷及び、第１圧縮機構の駆動源である原動機の回転数または／及び該原動機により走行される車の速度を参照することにより、算出する、請求項１〜５のいずれかに記載の空調装置。
前記冷凍サイクル熱負荷は、外気温度、及び、室内温度、及び、送風量あるいは送風量に相関のある物理量、及び、日射量を検知することにより、または、これらのいずれか少なくとも１つを検知することにより算出する、請求項２〜６のいずれかに記載の空調装置。
前記第２圧縮機構は、容量制御信号による容量可変圧縮機構、または回転数制御による容量可変圧縮機構からなる、請求項１〜７のいずれかに記載の空調装置。