JPS6115057A - 冷凍サイクルの冷媒流量測定装置 - Google Patents

冷凍サイクルの冷媒流量測定装置

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JPS6115057A
JPS6115057A JP59135304A JP13530484A JPS6115057A JP S6115057 A JPS6115057 A JP S6115057A JP 59135304 A JP59135304 A JP 59135304A JP 13530484 A JP13530484 A JP 13530484A JP S6115057 A JPS6115057 A JP S6115057A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は冷凍サイクルを流れる冷媒の流量を測定する冷
媒流量測定装置に関する。
〔発明の背景〕
冷凍サイクルの冷媒流量測定装置としてはJISB86
15−1979の付属書1の3.2.2項「冷媒流1計
法」に示されている様に、凝縮器と膨張弁の間にタービ
ン式流量計を配設し高圧液冷媒の流量を直接計測するも
のが知られている。
しかし、タービン式流量計の如く冷媒の流量を直接測定
する装置では、装置が大型になると共に可動部分が存在
する為長期使用や振動等を受ける使用条件の下での使用
に対して信頼性に乏しい欠点があり、試験設備等の様に
スペースをあまや問題とせず、使用頻度も少なく使用条
件のおだやかな場所での使用にのみ供していた。
〔発明の目的〕
本発明の目的は小型で装置の寿命が長く、厳しい使用条
件の下でも使用できる冷凍サイクルの冷媒流量測定装置
を提供するにある。
〔発明の概要〕
本発明は日本機械学会論文集(第2部)34巻257号
(843−1)92頁に示される如く、流体の流量が管
路の途中に設けた弁の開度と、その弁の上下流の流体圧
力差に基づいて算出できることに着目し、冷凍サイクル
の膨張弁の弁開度を検出する手段と膨張弁の上流側の冷
媒圧力を検出する圧力検出手段と、膨張弁の下流側の冷
媒圧力を検出する圧力検出手段と、更に両圧力検出手段
の出力からその差圧を求め、その差圧の平方根と膨張弁
の開度検出手段出力との積から冷媒流量を算出する演算
手段とによって冷媒流量測定装置を構成し、もって上記
目的を達成、するものである。
以下図面に示す一実施例に基づき本発明を具体的に説明
する。
本実施例は特公昭56−16353号に示される自動車
用空気調和装置に本発明を適用したものである。
圧縮機1はエンジン30の回転力を電磁クラッチ1aを
介して伝達することによって回転駆動される。
圧縮機1によって圧縮された高温高圧の気液混合冷媒は
凝縮器2で冷却され高圧の液相冷媒となる。
冷媒はリキッドタンク3で気液分離された後液冷媒のみ
取シ出される。
この液媒は膨張弁4の弁部を通過する際断熱膨張され低
圧の気化しやすい霧状冷媒となる。
低圧の霧状冷媒は蒸発器2で吸熱し、気化して圧縮機1
へ戻る。
蒸発器5の入口側冷媒配管に取付けられたサーミスタ1
0は蒸発器入口側の冷媒の温度を検出する。
蒸発器5の出口側冷媒配管に取付けられたサーミスタ1
0は蒸発器出口側の冷媒の温度を検出する。
蒸発器5を通る際冷媒はまわりの空気と熱交換して過熱
されるが、空気側の熱負荷が大きければその過熱度は大
きく、熱負荷が小さければその過熱度は小さい。
従って蒸発器出口の冷媒の過熱度を冷媒の性質、熱交換
器の容量等で決まる最適値になる様冷媒の流量を制御す
れば熱負荷に応じた効率の良い冷凍サイクルの運転が可
能となる。
本実施例でVi、%公56−16353号に示す様に蒸
発器の出入口の冷媒温度T+ 、T2からその過熱度を
算出し、それに基づいて電磁式膨張弁の0N−OFFデ
ューテ(開弁時間と閉弁時間の割合)を制御して冷媒の
流量を制御している。
時分56−16353号に示す如く蒸発器の出入口の冷
媒温度’r、 、 T、と蒸発器出口の冷媒の過熱度S
Hとの相関関係は、次式で近似される。
8H= (Tt−T+ )十ΔT  ′ ・・・・・・
・・・(1)ここで、ΔTは蒸発器内部で発生する圧力
損失に対する補正値で、例えば にすれば良いことが実験で確められている。
サーミスタ10.11の出力信号は制御回路15の差動
増幅器15aに入力される。
差動増幅器15aは両サーミスタの出力の差に応じた電
圧信号Vsiを出力する。
過熱度設定回路15bは、5〜10 deρ範囲で冷凍
サイクルの運転状態に応じて過熱度を設定し、設定過熱
度に応じた電圧出力信号Vsgoを出力する。
冷凍サイクルの運転状態とは圧縮機の急加減速状態、蒸
発器内での圧損、サイクルの起動時か否か、あるいは圧
縮機の吐出ガス温度Td等がある。
自動車用空気調和装置では圧縮機はエンジンによって回
転駆動される為熱負荷の大きさに無関係に圧縮機の回転
数が決まる。その回転数変化が々めらかな状態であれば
、圧縮機の回転数変化による冷媒流量の変化はゆるやか
な過熱度の変化として表われ比例積分演算による膨張弁
開度制御がこレニ追従する。一方、エンジンの急加減速
時の圧縮機の回転数変化による冷媒流量の急変は過熱度
の急変を引き起こす。ところが膨張弁の家制御には比例
積分演算を用いている為積分項が作用して膨張弁の開度
変化はこの急激な過熱度の変化には追従できない。この
為エンジンの急加減速時に冷房不足や冷房過多を生ずる
ことがある。
従ってこの様な過渡運転状態時には、過熱度に基づく膨
張弁の開度制御信号を加減速の度合に応じて補正する必
要がある。
また、蒸発器の内部では液状冷媒と気化後のガス状冷媒
とが共存しており、その境界がどこにあるかによって蒸
発器の出入口温度差が同じでも実際の過熱度は単純な上
記温度差に基づく過熱度に対して補正する必要がある。
これは一般に圧損と呼ばれ、時分56−16353号に
詳細に説明されている。この圧損補正値は蒸発器入口の
温度TIの一次関数として近似することができ、例えば
前式(2)で示される。
更に、サイクルが起動した直後は蒸発器出入口の冷媒は
同一物性でちる故、温度差がない。この状態はサーミス
タ10,1.1の出力から過熱度を演算している差動増
幅器15aの出力は過熱度零の出力を出す。過熱度が零
の様に小さい値だと膨張弁は閉弁方向に制御される。故
に起動前に閉止していた膨張弁は閉弁状態を継持しよう
とするのでいつまでも開弁しないという誤動作を生じる
この為、時分56−16353号に示す如く、起動時に
は予め定めたオンオフ時間の割合で強制的に膨張弁を開
弁する等して、起動時には強制的に弁を開く出力を与え
る必要がある。
かくして過熱度設定回路15bは圧縮機の加減速の度合
に応じた補正信号CN、圧損浦正信号及び起動時の強制
開弁信号SSを加味した過熱度設定信号を出力する。
更に圧縮機の吐出ガス温度が異常に高くなった場合膨張
弁の開度信号に関係なく、弁を全開にして吐出ガス温度
を低下させ、圧縮機の焼き付きやサイクルの破壊を未然
に防止する必要がある。この為その様な異常高温になっ
た際は演算回路15bからは全開信号を出力する。
過熱度設定回路15bで設定された設定過熱度信号V+
++oと蒸発器5の出入口の温度の偏差に基づく過熱度
信号Vsnとの偏差Δ■を演算回路15Cで比例積分演
算しその結果を電圧信号Vxとルて出力する。
出力回路15dは演算回路15Cの出力電圧信号Vxに
基づき膨張弁の0N−OFFデューテ信号Voを出力し
、その出力Voで膨張弁の0N−OFFデューテを制御
して冷媒流量を制御し、実際の過熱度V++iが設定過
熱度■IjIOになる機制御する。
この実適例では膨張弁4は時分56−16353号に示
す0N−OFF電磁弁で構成され、電磁駆動部4aとそ
れによって操作される弁部4bとから成る。その動作は
時分56−16353号に示す通シである。
次に冷媒流量の測定について説明する。
冷凍サイクルの分野では日立評論(VOL、53゜A5
,1971.I)、447の(2)式)等に示される如
く膨張弁を通過する冷媒の流量が次式で与えられること
がよく矧られている。
q=cAV石開=L丁r I  (K9/ S )・・
・・・・・・・(8) ここで、C:冷媒の流蓋係数(一定) A:膨張弁の開口面積(m2) PL:膨示弁の入口圧力(Kg/m”)P、:膨張弁の
出口圧力(Kダ/m2)γ1:膨張弁の入口の冷媒密度
(Kg/m2)そこで本発明ではこれら諸量を直接ある
いは間接的に検出して電気信号に変換する手段を設ける
と共に冷凍サイクルの制−回路内にこれら諸量を示す電
気信号から流量Qを算出する演算手段を設け、冷凍サイ
クル自体に冷媒流量の測定機能を持たせた。
以下具体例を第1図に基づき詳説する。
膨張弁の開口面積算出回路18aFi周知の関数発生回
路で構成できる。
膨張弁の開口面積は0N−OFF弁の場合次式%式% 但し、A、:全開時の開口面積(m3)Td :弁の一
開閉周期における開時間の占める割合(%) A、はあらかじめ計測された固定値である。
Tdは演算回路15Cの出力電圧VXに対応する値とし
て一義的に決定される。
従って(4)式は次の様に変形できる。
A+ =A−XK+・Vx =(A、・K+)XVx    ・・・・・・・・・(
5)但し、K+は比例定数 そこで開口面積算出回路18aの関数発生回路は演算回
路15Cの出力電圧Vxを(A、・K+)倍した信号電
圧■、を発生する様に構成する。
膨張弁の入口圧力検出手段はリキッドタンク3の気相部
に取付けたキーミスタ等の温度センサ12と、温度−圧
力換算回路18bとから構成される。
温度−圧力換算回路18bは周知の関数発生回路を含ん
で構成される。
リキッドタンク3内では液冷媒とガス冷媒とが共存して
いることを考慮すれば、リキッドタンク3内の気相部の
ガス冷媒温度trgは飽和温度1゜2に等しいと言える
冷媒(フロンR12)の飽和特性は第3図の実線(イ)
の如く示されることはよく知られており、冷媒の種類が
特定されればその飽和温度に対する飽和圧力はこの特性
図から求められる。
従って、温度−圧力換算回路18bの関数発生回路の特
性をこの冷媒の飽和特性に一致させておけば、リキッド
タンク3内の気相冷媒の飽和温度に対応したサーミスタ
12の出力電圧に応じて温度−圧力換算回路18bから
リキッドタンク3内の気相冷媒の飽和圧力に対応した電
圧信号V p v Iを出力することができる。
ここでリキッドタンク3から膨張弁4までの間の配管内
における圧力損失ΔP r + 1は一般には無視でき
る程度に小さい。
しかしこの間の配管が長く引き回わされる場合にはあら
かじめそこでの圧力損失を測定あるいは算出して関数発
生回路の特性をそれに基づいて補正しておくことが必要
である。
膨張弁の出口圧力検出手段は蒸発65の入口の冷媒温度
を検出するサーミスタ10と、温度−圧力換算回路18
Cとから構成される。
温度−圧力換算回路18Cも周知の関数発生回路を含ん
で構成される。
周知の通り膨張弁4出口から蒸発器5の入口までは気液
混合の飽和状態にある。従って膨張弁入口圧力P?+の
検出と同様、第3図の冷媒の飽和特性に対応する様に関
数発生回路の特性を設定することによって、冷媒の蒸発
器入口飽和温度に対応したサーミスタ10の出力電圧に
応じて温度−圧力換算回路18Cから蒸発器5人口部の
冷媒の飽和圧力P7゜K対応した電圧信号V、7.を出
力することができる。
ここで膨張弁4から蒸発器5までの間の配管内における
圧力損失ΔP w + *はリキッドタンク3から膨張
弁までの圧力損失ΔP、−7より更に小さく、はとんど
無視できる。これは膨張弁4が一般には蒸発器5を収納
するユニットケース内に配置され、同じ雰囲気中で且つ
両者の間の配管の長さが極めて短いからである。従って
蒸発器5人口の冷媒飽和圧力は膨張弁4出口の冷媒飽和
圧力と做し得る。
しかし、より精密にこの部分の圧力を検出する為にこの
部分の圧力損失を測定し、温度−圧力換算回路18Cの
関数発生回路の特性を補正することを阻げるものではな
い。
サーミスタ12の出力信号は更に温度−密度換算回路1
8dに入力される。
温度−密度換算回路18dも周知の関数発生回路で構成
することができる。
膨張弁4人口の冷媒は液体であるがその密度はその部分
での冷媒の飽和温度に対して第4図に示す如き相関関係
がある。
膨張弁入口部の冷媒の飽和温度は前述した如く圧力損失
を無視できるとすればリキッドタンク3内の気相部の冷
媒温度と同一と做すことができる。
従って温度−密度換算回路18dを構成する関数発生回
路の特性を第4図の特性に一致させておけば、リキッド
タンク3の気相部の冷媒1度に対応した信号電圧を入力
することによって膨張弁4人口の密度γ1に対応した電
圧信号出力■、を得ることができる。
冷媒流量演算回路18eは周知のマイクロコンピュータ
やA/D変換器で構成できる。
膨張弁開口面積算出回路18、温度−圧力換算回路18
b、18c及び温匿−密度換算回路18dからのそれぞ
れの出力V a + V pvI+  V□、及びV、
は冷媒流量演算回路18e内のA/D変換器でディジク
ル値に変換された後マイクロコンピュータのRAMに記
憶される。
マイクロコンピュータのROM内には(3)式を実行す
る為の演算フローがプログラムされていて、所定の周期
でIL A M内に記憶された諸値を読み出し、演算フ
ローに従って冷媒流量を演算する。
演算結果はD/A変換され、冷媒流量信号V。
として出力される。
本実施例ではこの冷媒流量信号Voは過熱度の設定に用
いる圧損補正信号の精度向上の為に圧損値の演算の一費
素として利用する。
圧損値は冷媒の流量に応じて2次関数的に変化するので
、この冷媒流量信号Voに応じて圧損値を補正する様に
すれは時分56−16353号に開示された式で求める
よりはるかに精度よく圧損値を求めることができる。
この冷媒流量信号は更に次の様な値の演算や判定に利用
できる。
(1)冷媒洩れの検出 圧縮機から吐出される冷媒の流量G、は圧縮機の回転数
をN1圧縮機の体積効率をη7、圧縮様の比容積をVと
した時次式で与えられる。
η7 G、=に、・N・−・・・・・・・・・(6)(但し、
K、は定数) ところで圧縮機の体積効率η7は圧Ji 磯の回転数N
と膨張弁の出入口圧力Pv+IPveの関数として与え
られることが知られている。
更に圧縮機の比容積Vは膨張弁出口の圧力P7゜の関数
として与えられることが知られている。
従って、圧縮機から吐出される冷媒の流量G。
は圧縮機の回転数N、膨張弁出入口の圧力P v l 
HP□の関数として与えられる。
かくして求めた圧縮機を通る冷媒流量G。と膨張弁を通
る冷媒流量Qとを比較し、予め設定されている両者間の
関係がくずれた時、例えば、Q〉G。となった時冷媒が
漏洩していると判断する。
(2)冷力の算出 冷凍サイクルの冷力Yは次式により与えられる。
Y=Q(i+  iz) 但し、11 =蒸発器入力部のエンタルピ12 :蒸発
器出口部のエンタルピ しかるに蒸発器入力部のエンタルピ11は蒸発器出口の
温度T2の関数として与えられ、蒸発器出口部のエンタ
ルピ12は、膨張弁入口圧力P・1の関数として与えら
れるので、冷力Yはこれら諸値から算出することができ
る。
算出された冷力Yを利用して空気側の制御、例えはエア
ミックスドアの開度、ブロワの回転数制御、モードの切
換等々、種々の制御を直接あるいは間接的に行うことが
できる。
以上説明した2I5xs例によれば、膨張弁の出入口の
圧力をこれらと相関関係を有する蒸発器入口の温度及び
リキッドタンクの気相部の温度から換算する様にしたの
で、高価な圧力センサを用いる必要がなく、安価な流電
測定装置が得られる。
また膨張弁出口の冷媒温度の検出サーミスタを過熱度測
定用に蒸発器入口に取付けられたサーミスタと兼用する
様にしたので、更にサーミスタの数を減少できた。
次に本発明の変形例、応用例を説明する。
(1)第1の実施例では電気式jIe張弁を用いた冷凍
サイクルについて説明したが、従来がら知られている機
械式の膨張弁を用いた冷凍サイクルにも本発明は適用で
きる。この場合膨張弁の開度を検出する為に、周知の電
磁式ストロークセンサを用い、ストロークセンサの出力
信号aXから開度を算出することができる。また膨張弁
が比例電磁弁式の膨張弁の場合でも膨張弁の制御信号V
xから開度を算出できる。特に弁体を第2図に示す周知
のポペット弁を用いれば、その開口面積Aは次式で求め
られる。
A=π・x−8LIlθ(d、−x・8inθ・(Xl
llθ)但し、X:弁のストローク(m) d、ニオリフイス径(m) θ:弁頂角(式ン そして弁のストロークXはストロークセンサの出力SX
あるいは膨張弁の制御信号Vxで与えられるから他の固
定値が設定されると電気的に演算することができる。
(2)本実施例では膨張弁入口の冷媒密度γ量を冷媒流
量Q算出の一要素として与えたが、冷凍サイクルの運転
条件の変化が少なく、リキッドタンク内の気相冷媒温度
の変動中が比較的狭い場合は密度r1を一定値、即ち、
予め定めた定数と同様に扱っても良い。この場合は結局
流量は膨張弁出入口の圧力と膨張弁の開度によって求ま
る。
(8)  本実施例では、膨張弁出入口の圧力を検出す
る為に、蒸発器の入口冷媒温度とりキットリンク内の気
相部の冷媒温度を用いたが、前者は蒸発器入口と膨張弁
出口との間の冷媒温度であればどこで検出しても良いし
、後者は凝縮器出口から膨張弁入口までの間の冷媒温度
であればどこで検出しても良い。冷媒の飽和温度に最も
近い温度を示すリキッドタンクの気相部で検出するのが
最も良いことは前述したADである。
また、コスト上昇を問題としなければ半導体圧力センサ
を前記各区間の冷媒流路内に配設して直接膨張弁出入口
の圧力を検出しても良い。
この時は圧力検出手段は温度−圧力換算手段を必要とせ
ず、センサからの出力を演算回路18eに直接入力でき
る。
(4)本実施例では、マイクロコンビエータで構成され
る演算回路の前段に温度−圧力換算回路を設けたが、マ
イクロコンピュータのROM内に温度−圧力の換算マツ
プをプログラムしておいて、センサからの出力を直接マ
イクロコンピュータに入力する様にしても良い。
(5)本実施例では冷媒流量測定装置と膨張弁開度制御
装置とを独立した回路で構成したが、冷媒流量演算回路
を構成するマイクロコンピュータに膨張弁開度の計算式
をプログ2ムし、#張弁開度の演算と冷媒流量の演算と
を同一のマイクロコンピュータで演算することもできる
。・〔発明の効果〕 以上説明した様に本発明によれば#張弁の開度を検出し
て電気信号に変換すると共に膨張弁前後の圧力を検出し
て電気信号に変換し、これら3者の電気信号から所定の
演算式に基づいて冷媒流量を算出する様にしたので、冷
媒流量測定装置を冷凍サイクルの制御装置の一部として
構成でき、試験装置だけでなく、製品自体に冷媒流量演
算回路を付加できた。その結果膨張弁の開度計算や他の
サイクルの制御信号として冷媒流量を使用できる様にな
シ、極めて精度の高い冷媒流量の制御ができ、且つ多機
能な冷凍サイクルを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例となるシステム構成図、第2
図は膨張弁の弁体の要部構造図、第3図は冷媒の飽和特
性図、第4図は弁入口冷媒の飽和温度と密度の関係を示
した図である。 1・・・圧縮機、1a・・・電磁クラッチ、2・・・凝
縮器、3・・・貯液器、4・・・電気式膨張弁、4a・
・・アクチュエータ、4b・・・弁体、5・・・蒸発器
、10,11゜12・・・温度センサ、15・・・制御
回路、15a・・・差動増巾回路、15b・・・制御目
標設定回路、15c・・・制御演算回路、15d・・・
出力回路、18・・・流量演算回路、18a・・・開口
面積算出回路、18b・・・1度−圧力変換回路、18
d・・・@度−密度変換回路、18e・・・流量算出回
路。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、冷媒を断熱膨張させる膨張弁を有する冷凍サイクル
    の冷媒流量を測定するものにおいて、前記膨張弁の上流
    側圧力を検出する高圧側圧力検出手段、前記膨張弁の下
    流側圧力を検出する低圧側圧力検出手段、前記膨張弁の
    開度を検出する膨張弁開度検出手段及び前記両圧力検出
    手段の出力から両圧力の差圧を求め、その差圧の平方根
    と前記膨張弁開度検出手段の出力との積から前記膨張弁
    を通過する冷媒の流量を算出する演算手段とから成る冷
    凍サイクルの冷媒流量測定装置。 2、特許請求の範囲第1項に記載した発明において、膨
    張弁入口部の冷媒の密度を検出する冷媒密度検出手段を
    設け、該検出手段の出力の増減に応じて前記算出された
    冷媒流量を増減補正することを特徴とする冷凍サイクル
    の冷媒流量測定装置。 3、特許請求の範囲第1項乃至第2項に記載したいずれ
    かの発明において、前記高・低圧側両圧力検出手段がそ
    れぞれ前記膨張弁の上流側冷媒温度を検出する上流側温
    度検出手段と前記膨張弁の下流側冷媒温度を検出する下
    流側温度検出手段と、両温度検出手段からの出力に基づ
    いて高圧・低圧側両圧力を求める温度−圧力換算手段か
    ら成ることを特徴とする冷凍サイクルの冷媒流量測定装
    置。 4、特許請求の範囲第1項乃至第3項に記載のいずれか
    の発明において、前記膨張弁開度検出手段が前記膨張弁
    のストロークを検出するストローク検出手段と該ストロ
    ーク検出手段の出力に基づいて弁開度を求めるストロー
    ク−弁開度換算手段とから構成されることを特徴とする
    冷凍サイクルの冷媒流量測定装置。 5、冷媒を断熱膨張させる膨張弁を有する冷凍サイクル
    の冷媒流量を測定するものにおいて、前記冷凍サイクル
    の運転状態に応じて前記膨張弁の目標開度を演算する演
    算手段、前記演算手段の出力に基づいて前記膨張弁を変
    位させる電磁駆動手段、前記膨張弁の上流側圧力を検出
    する高圧側圧力検出手段、前記膨張弁の下流側圧力を検
    出する低圧側圧力検出手段、前記両圧力検出手段の出力
    から両圧力の差圧を求め、その差圧の平方根と前記膨張
    弁の目標開度演算手段の出力との積から前記膨張弁を通
    過する冷媒の流量を算出する冷媒流量演算手段とから成
    る冷凍サイクルの冷媒流量測定装置。
JP59135304A 1984-07-02 1984-07-02 冷凍サイクルの冷媒流量測定装置 Granted JPS6115057A (ja)

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