JP4460913B2

JP4460913B2 - 空調装置

Info

Publication number: JP4460913B2
Application number: JP2004038611A
Authority: JP
Inventors: 謙一鈴木
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Holdings Corp
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2024-02-16
Also published as: EP1717527B1; US20080223053A1; EP1717527A4; WO2005078362A1; US7775059B2; EP1717527A1; JP2005226971A

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は、熱負荷等の変化に対して、要求される冷房能力を適切に判断する手段の設定がないか、あるいは、たとえあっても適切な判断が行われないと、要求される冷房能力を達成することができず、また、乗員の快適感を得ることもできないという問題点がある。さらに、冷房能力過多の条件判定に関しても適切でないと、消費動力等のロスが大きくなる。
特開２００３−１９９０８号公報

そこで本発明の課題は、２つのの圧縮機構を備え、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、必要冷房能力の条件判定を適切に行い、最適な空調制御を実現するとともに、消費動力等のロスを適切に抑えることのできる空調装置、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つの圧縮機構を同時運転または単独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、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、蒸発器または蒸発器出口空気温度の目標温度（Toff）を算出する蒸発器目標温度算出手段を備えた空調装置において、冷凍サイクルが前記第１圧縮機構のみにより運転されているとき、前記蒸発器温度検出手段による検出温度（Teva）と、前記蒸発器目標温度算出手段による算出温度（Toff）と、予め定めた所定値Aとを参照し、
Teva−Toff≧A
の条件が成立した場合は、前記第１圧縮機構と前記第２圧縮機構を同時に運転することを特徴とするものからなる。

このような空調装置においては、さらに、上記条件
Teva−Toff≧A
が成立し、かつ、
その条件成立時からの第１圧縮機構の動力源との接続時間が予め定めた所定時間B以上
の付加条件が成立したとき、前記第１圧縮機構及び第２圧縮機構を同時に運転するようにすることができる。

また、この空調装置においては、さらに、空調対象室内の温度（Tin）を検出する室内温度検出手段と、室内の目標温度（Tset）を設定する室内温度設定手段とを備え、前記室内温度検出手段による検出温度（Tin ）と、前記車室内温度設定手段による設定温度（Tset）と、予め定めた所定値Cとを参照し、上記条件
Teva−Toff≧A
が成立し、かつ、
上記付加条件
第１圧縮機構の動力源との接続時間が予め定めた所定時間B以上
が成立し、かつ、
Tin−Tset≧C
の付加条件が成立したとき、前記第１圧縮機構及び第２圧縮機構を同時に運転するようにすることもできる。

また、このような空調装置においては、上記Tevaと、上記Toffと、上記所定値A よりも大きい予め定めた所定値Dを参照し、
Teva−Toff≧D
の条件が成立した場合は、上記のような付加条件にかかわらず、前記第１圧縮機構及び前記第２圧縮機構を同時に運転するようにすることもできる。つまり、この条件が成立した場合は無条件に同時運転する。

また、上記Tevaと、上記Toffと、上記Tinと、上記Tsetと、上記所定値C よりも大きい予め定めた所定値Eを参照し、
Tin−Tset≧E
の条件が成立した場合は、上記のような付加条件にかかわらず、前記第１圧縮機構及び前記第２圧縮機構を同時に運転するようにすることもできる。つまり、この条件が成立した場合にも無条件に同時運転する。

また、本発明に係る空調装置においては、前記第１及び第２圧縮機構により冷凍サイクルが運転されているとき、前記Tevaと、前記Toffと、予め定めた所定値Fと、予め定めた所定時間Gを参照し、
Teva−Toff≦Fが成立した時間がG以上
の条件が成立したとき、前記第１圧縮機構のみによる運転とするようにすることができる。つまり、同時運転から、第１圧縮機構のみによる運転への切替をこのように制御することができる。

さらに、前記Tinと、前記Tsetと、予め定めた所定値Hを参照し、
Teva−Toff≦Fが成立した時間がG以上
あるいは、
Tin−Tset≦H
あるいは
前記第２圧縮機構の容量が予め定めた所定値I 以下
のいずれかの条件が成立したとき、前記第１圧縮機構のみによる運転とするようにすることもできる。

さらに、予め定めた所定時間Ｊを参照し、
Teva−Toff≦Fが成立した時間がG以上
あるいは、
Tin−Tset≦Hが成立した時間がＪ以上
あるいは
前記第２圧縮機構の容量が予め定めた所定値I 以下
のいずれかの条件が成立したとき、前記第１圧縮機構のみによる運転とするようにすることもできる。

このような第１、第２圧縮機構の同時運転への切替え制御、さらには同時運転から第１圧縮機構のみによる運転への切替制御を行う、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、冷凍サイクル内に複数の（第１、第２の）圧縮機構を有する空調装置において、必要となる冷房能力を的確に条件判定して両圧縮機構の同時運転を制御するので、要求される冷房能力に応じた最適な運転状態に制御することが可能となる。さらに、冷房能力の過不足を適切に判定して同時運転への切替、単独運転への切替を制御することもできるので、頻繁な運転状態の切替を防ぎ、消費動力を削減することが可能となる。

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、外気温度センサ１８、日射センサ１９からの検出信号もそれぞれ送られるようになっている。

本実施態様では図２〜図６に示すような制御が行われる。
第１圧縮機構９または第２圧縮機構１２のどちらかにより運転されているときは、蒸発器温度制御は蒸発器目標温度算出手段により算出された蒸発器出口空気温度の目標温度により、蒸発器温度制御を行うこととするが、第１圧縮機構９および第２圧縮機構１２の同時運転に切り替える際の条件および制御を以下に示す。

まず図２に示す制御においては、冷凍サイクル６が第１圧縮機構９のみにより運転されているとき、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による検出温度（Teva）と、蒸発器目標温度算出手段による算出温度（Toff）と、予め定めた所定値Aとを参照し、
Teva−Toff≧A
の条件が成立した場合には、第１圧縮機構９と第２圧縮機構１２を同時に運転するように切り替える。すなわち、検出温度（Teva）と算出目標温度（Toff）との差が所定値A以上となって、同時運転すべき条件が成立したと判断された場合には、固定容量式の第１圧縮機構９のみによる単独運転から、第１圧縮機構９と第２圧縮機構１２の同時運転に切り替えられる。第２圧縮機構１２は可変容量式の圧縮機構であるから、第１圧縮機構９による吐出容量に、熱負荷に応じた第２圧縮機構１２による吐出容量を付加することになり、全体として、そのときの熱負荷に応じた最適な冷凍サイクル６の運転が可能になり、この同時運転の結果、TevaがToffに近づくように適切に制御されることになる。

また、図３に示す制御においては、上記制御に加え、さらに、上記条件
Teva−Toff≧A
が成立し、かつ、
その条件成立時からの第１圧縮機構９の動力源との接続時間が予め定めた所定時間B以上の付加条件が成立したとき、第１圧縮機構９及び第２圧縮機構１２を同時に運転するようにすることができる。この所定時間Bを設定しておくことにより、不必要に頻繁な切替を抑えることができ、消費動力の削減が可能となる。

また、図示は省略するが、この空調装置においては、さらに、空調対象室内の温度（Tin）を検出する室内温度検出手段（車室内温度センサ１７）と、室内の目標温度（Tset）を設定する室内温度設定手段（メインコントローラ７への室内温度設定手段）とを備え、室内温度検出手段による検出温度（Tin ）と、車室内温度設定手段による設定温度（Tset）と、予め定めた所定値Cとを参照し、上記条件
Teva−Toff≧A
が成立し、かつ、
上記付加条件
第１圧縮機構の動力源との接続時間が予め定めた所定時間B以上
が成立し、かつ、
Tin−Tset≧C
の条件が成立したとき、第１圧縮機構９及び第２圧縮機構１２を同時に運転するようにすることもできる。このような所定値Cを設定しておくことによっても、不必要に頻繁な切替を抑えることができ、消費動力の削減が可能となる。

ただし、上記のような制御においては、上記Tevaと、上記Toffと、上記所定値A よりも大きい予め定めた所定値Dを参照し、
Teva−Toff≧D
の条件が成立した場合は、上記のような付加条件にかかわらず、第１圧縮機構９及び第２圧縮機構１２を同時に運転するようにすることもできる。つまり、 Teva−Toff≧Dが成立した場合には、同時運転しなければ必然的に冷房不足が発生すると判断し、この条件が成立した場合は無条件に同時運転する。

さらに、上記Tevaと、上記Toffと、上記Tinと、上記Tsetと、上記所定値C よりも大きい予め定めた所定値Eを参照し、
Tin−Tset≧E
の条件が成立した場合は、上記のような付加条件にかかわらず、第１圧縮機構９及び第２圧縮機構１２を同時に運転するようにすることもできる。実際の室内温度Tinと設定温度Tsetとの間に予め定めた値E以上の差が生じている場合には、実際に冷房不足が発生していると判断し、この条件が成立した場合にも無条件に同時運転する。

また、本空調装置では、同時運転から、単独運転、とくに第１圧縮機構のみによる運転への切替の条件、制御を特定することができる。たとえば図４に示すように、第１圧縮機構９及び第２圧縮機構１２の同時運転により冷凍サイクル６が運転されているとき、上記Tevaと、上記Toffと、予め定めた所定値Fと、予め定めた所定時間Gを参照し、
Teva−Toff≦Fが成立した時間がG以上
の条件が成立したとき、前記第１圧縮機構９のみによる運転とするようにすることができる。つまり、同時運転する必要が無くなった場合には第１圧縮機構９のみによる単独運転に切り替え、かつ、その条件が所定時間G以上継続されたときには確実に同時運転する必要が無くなったと判断し、頻繁な切替を防止しつつ、消費動力の削減が可能としたものである。

さらに、上記Tinと、上記Tsetと、予め定めた所定値Hを参照し、
Teva−Toff≦Fが成立した時間がG以上
あるいは、
Tin−Tset≦H
あるいは
第２圧縮機構１２の容量が予め定めた所定値I 以下
のいずれかの条件が成立したとき、第１圧縮機構９のみによる運転とするようにすることもできる。たとえば図５に示すように、上記のうち、第２圧縮機構１２の容量が予め定めた所定値I 以下になった場合には、第２圧縮機構１２の運転を停止し、第１圧縮機構９のみによる運転とする。このような制御によっても、頻繁な切替を防止しつつ、消費動力の削減が可能となる。

さらに、予め定めた所定時間Ｊを参照し、
Teva−Toff≦Fが成立した時間がG以上
あるいは、
Tin−Tset≦Hが成立した時間がＪ以上
あるいは
第２圧縮機構１２の容量が予め定めた所定値I 以下
のいずれかの条件が成立したとき、第１圧縮機構９のみによる運転とするようにすることもできる。たとえば図６に示すように、上記のうち、 Tin−Tset≦Hが成立した時間がＪ以上になった場合には、第２圧縮機構１２の運転を停止し、第１圧縮機構９のみによる運転とする。このような制御によっても、頻繁な切替を防止しつつ、消費動力の削減が可能となる。

上述したような制御により、冷凍サイクル内に複数の圧縮機構を有する空調装置において、必要となる冷房能力を的確に条件判定して両圧縮機構の同時運転を制御でき、要求される冷房能力に応じた最適な運転状態に制御することができる。また、冷房能力の過不足を適切に判定するため、同時運転、単独運転への頻繁な運転状態の切替を防ぎ、消費動力を削減することが可能となる。

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タイムチャートである。図１の空調装置の制御の別の例を示すタイムチャートである。図１の空調装置の制御のさらに別の例を示すタイムチャートである。図１の空調装置の制御のさらに別の例を示すタイムチャートである。図１の空調装置の制御のさらに別の例を示すタイムチャートである。

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つの圧縮機構を同時運転または単独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、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、蒸発器または蒸発器出口空気温度の目標温度（Toff）を算出する蒸発器目標温度算出手段、空調対象室内の温度（Tin）を検出する室内温度検出手段、室内の目標温度（Tset）を設定する室内温度設定手段を備えた空調装置において、
冷凍サイクルが前記第１圧縮機構のみにより運転されているとき、前記蒸発器温度検出手段による検出温度（Teva）と、前記室内温度検出手段による検出温度（Tin）と、前記室内温度設定手段による設定温度（Tset）と、前記蒸発器目標温度算出手段による算出温度（Toff）と、予め定めた所定値Aと、予め定めた所定値Cとを参照し、
Teva−Toff≧A
の条件が成立し、かつ、
その条件成立時からの第１圧縮機構の動力源との接続時間が予め定めた所定時間B以上
の付加条件が成立し、かつ、
Tin−Tset≧C
の付加条件が成立したとき、前記第１圧縮機構と前記第２圧縮機構を同時に運転することを特徴とする空調装置。
前記Tevaと、前記Toffと、前記所定値A よりも大きい予め定めた所定値Dを参照し、
Teva−Toff≧D
の条件が成立した場合は、前記付加条件にかかわらず、前記第１圧縮機構及び前記第２圧縮機構を同時に運転することを特徴とする、請求項１の空調装置。
前記Tevaと、前記Toffと、前記Tinと、前記Tsetと、前記所定値C よりも大きい予め定めた所定値Eを参照し、
Tin−Tset≧E
の条件が成立した場合は、前記付加条件にかかわらず、前記第１圧縮機構及び前記第２圧縮機構を同時に運転することを特徴とする、請求項１の空調装置。
前記第１及び第２圧縮機構により冷凍サイクルが運転されているとき、前記Tevaと、前記Toffと、予め定めた所定値Fと、予め定めた所定時間Gを参照し、
Teva−Toff≦Fが成立した時間がG以上
の条件が成立したとき、前記第１圧縮機構のみによる運転とすることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の空調装置。
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つの圧縮機構を同時運転または単独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、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、蒸発器または蒸発器出口空気温度の目標温度（Toff）を算出する蒸発器目標温度算出手段を備えた空調装置において、
冷凍サイクルが前記第１圧縮機構のみにより運転されているとき、前記蒸発器温度検出手段による検出温度（Teva）と、前記蒸発器目標温度算出手段による算出温度（Toff）と、予め定めた所定値Aとを参照し、
Teva−Toff≧A
の条件が成立し、かつ、
その条件成立時からの第１圧縮機構の動力源との接続時間が予め定めた所定時間B以上
の付加条件が成立したとき、前記第１圧縮機構及び第２圧縮機構を同時に運転し、
前記Tevaと、前記Toffと、前記所定値A よりも大きい予め定めた所定値Dを参照し、
Teva−Toff≧D
の条件が成立した場合は、前記付加条件にかかわらず、前記第１圧縮機構及び前記第２圧縮機構を同時に運転することを特徴とする空調装置。
前記第１及び第２圧縮機構により冷凍サイクルが運転されているとき、前記Tevaと、前記Toffと、予め定めた所定値Fと、予め定めた所定時間Gを参照し、
Teva−Toff≦Fが成立した時間がG以上
の条件が成立したとき、前記第１圧縮機構のみによる運転とすることを特徴とする、請求項５の空調装置。
さらに、空調対象室内の温度（Tin）を検出する室内温度検出手段、室内の目標温度（Tset）を設定する室内温度設定手段を備え、前記Tinと、前記Tsetと、予め定めた所定値Hを参照し、
Teva−Toff≦Fが成立した時間がG以上
あるいは、
Tin−Tset≦H
あるいは
前記第２圧縮機構の容量が予め定めた所定値I 以下
のいずれかの条件が成立したとき、前記第１圧縮機構のみによる運転とすることを特徴とする、請求項４または６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つの圧縮機構を同時運転または単独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、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、蒸発器または蒸発器出口空気温度の目標温度（Toff）を算出する蒸発器目標温度算出手段、空調対象室内の温度（Tin）を検出する室内温度検出手段、室内の目標温度（Tset）を設定する室内温度設定手段を備えた空調装置において、
冷凍サイクルが前記第１圧縮機構のみにより運転されているとき、前記蒸発器温度検出手段による検出温度（Teva）と、前記蒸発器目標温度算出手段による算出温度（Toff）と、予め定めた所定値Aとを参照し、
Teva−Toff≧A
の条件が成立した場合は、前記第１圧縮機構と前記第２圧縮機構を同時に運転し、
前記第１及び第２圧縮機構により冷凍サイクルが運転されているとき、前記Tevaと、前記Toffと、前記Tinと、前記Tsetと、予め定めた所定値Fと、予め定めた所定時間Gと、予め定めた所定値Hを参照し、
Teva−Toff≦Fが成立した時間がG以上
あるいは、
Tin−Tset≦H
あるいは
前記第２圧縮機構の容量が予め定めた所定値I 以下
のいずれかの条件が成立したとき、前記第１圧縮機構のみによる運転とすることを特徴とする空調装置。
前記条件
Teva−Toff≧A
が成立し、かつ、
その条件成立時からの第１圧縮機構の動力源との接続時間が予め定めた所定時間B以上
の付加条件が成立したとき、前記第１圧縮機構及び第２圧縮機構を同時に運転することを特徴とする、請求項８の空調装置。
さらに、予め定めた所定時間Ｊを参照し、
Teva−Toff≦Fが成立した時間がG以上
あるいは、
Tin−Tset≦Hが成立した時間がＪ以上
あるいは
前記第２圧縮機構の容量が予め定めた所定値I 以下
のいずれかの条件が成立したとき、前記第１圧縮機構のみによる運転とすることを特徴とする、請求項７〜９のいずれかに記載の空調装置。