JPS6314047A - 自動車用空調装置の冷媒流量制御装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分骨〕 本発明はパスエアコン（パス空調装置）やトラックエア
コンに適用される自動車用空調装置の冷媒流量制御装置
に関する。

〔従来の技術〕

第４図は従来の自動車用空調装置の冷媒系統図であり、
１はコンプレッサ、２は凝縮器、３はレシーバ、４は蒸
発器、５は温度式膨張弁の本体、６はその感温筒である
。

第４図において、感温筒６の内部には、冷凍サイクルに
使用される冷媒、又は類似の温度−圧力特性をもつガス
の蒸気が封入されており、温度式膨張弁５では、蒸発器
４の冷媒飽和圧力と感温筒６の封入ガス圧力の差に応じ
て弁開度が連続的に変化するようになされている。

感温筒６の封入ガス圧力は、蒸発器４の出口冷媒温度の
飽和圧力となるため、蒸発器４の冷媒飽和圧力との差は
、蒸発器４の出口冷媒の過熱度に対応してお９、温度式
膨張弁５は、過熱度のフィードバック比例制御によって
冷媒流量を制御するようになされている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記従来例における温度式膨張弁５は、蒸発器４出口の
冷媒温度を感温筒６により、蒸発器４出口管の管壁を介
して検出するので、管壁と感温筒６の熱容量のために温
度の検出遅れが生ずる。

この検出遅れのために、起動時やコンプレッサ１の回転
数変化時など運転条件の急変に伴って過熱度が変化した
場合には、膨張弁５の流量制御が追従できず、供給流量
の過不足によって、蒸発器４の能力低下や吹出し空気温
度分布差の増大、及びコンブレラ′ｙ′１への液戻夛が
生ずる。

コンブレラ”ｊ’ｌの起動初期には、この検出遅れによ
って、蒸発器４に供給される流量が不足し、これが原因
で、凍結防止サーモスタットによる短い周期（周期が２
０〜数十秒の／ｆターンが多い）のオン・オフ運転時（
以後ブーモ運転という）には、吹出し空気温度が十分に
低下せず、温度分布差も大きくなるため、十分な冷房感
が得られない。

また、蒸発器４自身に、管壁や冷媒の熱容量などの熱特
性に基づいた温度・圧力変化の応答遅れがあるために、
温度式膨張弁５による冷媒流量のフィードバック制御系
のみでは、周期的に流量が変動する・・ンチング現象が
発生しやすくなり、液戻リニよるコンプレッサ１の信頼
性低下の原因となる。

さらに、温度式膨張弁５では、感温筒６内封入冷媒の圧
力特性のために、特に低蒸発温度域で過熱度の制御偏差
が大きくなるなど、広範囲にわたって精度の良い過熱度
制御を行うことができず、蒸発器４性能低下や、コンプ
レツサ１の吐出温度上昇の原因となる等の問題点があっ
た。

本発明は上記従来の問題点を解消し、快適性および信頼
性の向上を図ると＼もに蒸発器の性能向上を図ることが
できる自動車用空調装置の冷媒流量制御装置を提供する
ことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による自動車用空調装置の冷媒流量制御装置は、
電子膨張弁の弁開度を、蒸発器出口の冷媒過熱度の検出
信号でフィードバック制御する系統に起動時の蒸発器熱
負荷を蒸発器管壁又は冷媒温度によって検出し、この検
出信号で予測制御する系統を加えた冷媒流量制御装置で
あって、弁開度を予測制御する系統は、蒸発器管壁又は
冷媒温度を検出するセンサの検出値からコンブレラ丈起
動時の弁開度初期値を演算する第１の手段と、弁開度の
定常値をあらかじめ設定した第２の手段と、前記第１及
び第２の手段の各出力値に応動して、電子膨張弁の弁開
度を制御する信号を発生する手段を備え、弁開度をフィ
ードバック制御する系統は、コンプレッサの起動か゛ら
所定時間経過以後は、前記蒸発器出口の冷媒過熱度の偏
差が、所定値以下では、比例動作における比例ゲインを
大から小に切換える手段を備えたことを特徴とする。

〔作　用〕

本発明によれば、膨張弁の弁開度制御において、起動前
または起動直後の蒸発器管壁温度によって、起動直後の
蒸発器熱負荷を検出し、予測制御する系統を、蒸発器出
口の冷媒過熱度でＰＩＤｆ！ｔｌＪ御する系統に加えた
制御方式とし、ＰＩＤ！ＩＩ御のＰ（比例）動作は、比
例ゲインを過熱度偏差が所定値以上では大に、前記所定
値以下では小にというように偏差に応じて可変にし、膨
張弁としては、上記の予測制御とＰＩＤ制御を行うため
に、電気信号で弁を開閉する電子膨張弁（電磁式又はス
テツブモータ式など）を用い、予測制御によって、起動
直後から蒸発器に適切な冷媒流量を供給することができ
、ＰＩＤ制御によって、急激な運転条件変化に速か、に
追従するとともに、定常運転時においては、ハンチング
のない安定した流量制御を行い、かつ、広い流量範囲に
おいて過熱度を精度良く目標値に制御することができる
。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例における冷媒系統図−１’ｌ
）、１はコンプレッサ、２は凝縮器、３はレシーバ、４
は蒸発器、７は電子膨張弁、８は電子膨張弁７の制御装
置、９は制御電圧Ｖにもとづいた電流工を発生して電子
膨張弁７を駆動する駆動装置である。電子膨張弁７とし
ては、電磁式やステツブモータ式などがあるが、本夾施
例では、弁作動の応答時間がフルストロークでも数十ミ
リ秒と短い電磁式膨張弁を例にして説明する。１０は蒸
発器４の冷媒入口部の管壁温度を検出するセンサ、１ノ
は蒸発器４の冷媒出口部の管壁温度を検出−ｊるセンサ
、１２はコンプレッサ１のマグネットクラッチの通電電
圧などによって、コンプレッサ１のオン及びオフを検出
するオンオフ検出器である。

第２図は第１図における制御装置８の制御ブロック図を
示し、１３は減算器で、出ロ管壁温度センブ１ノの検出
値Ｔｗ、から入口管壁温度センサ１０の検出値Ｔｗｌを
減算する。

減算器１５は、減算器Ｊ３の出力値ＳＨから、定数発生
器１４の出力値ＳＨ５を減算する。定数発生器１４の出
力値ＳＨＢは蒸発器出口の冷媒過熱度の目標値であって
、後述するように、コンプレッサ１の起動後の経過時間
に応じて出力値ＳＨｓが切換わる。

減算器１５の出力１６は冷媒過熱度の偏差・であり、Ｐ
ＩＤ調節器１７に入力される。ＰＩＤ調節器１７におい
て、Ｋｐは比例ゲインであって、後述するように、コン
プレッサーの起動後の経過時間と冷媒過熱度の偏差ｅに
応じて、比例ゲインＫｐが切換わる。又、Ｋｌは積分定
数、ＫＤは微分定数、Ｓはラグラス演算子であり、積分
補償量ＫＸ°０　は、コンプレッサーのオフと同期して
零にリセットされ、オフ期間中は零に維持される。

１８は関数発生器であり、入口管壁温度センサー０の検
出値Ｔｗ１に関係づけた出力値ΔＹｔ　　を発生する。

関数発生器１８の入出力関係の一例は次式で示される。

ΔＹｔ　＝　ａ　（Ｔｖ＋　　Ｔ＝ｔｏ　）上式におい
て、ａは電子膨張弁７の弁開度の操作量に対する蒸発器
４の入口管壁温度の影響係数、Ｔｗ、。は冷凍ブイクル
の基準運転状態における蒸発器４の入口管壁温度に相当
した定数である。

２０は加算器であシ、関数発生器１８の出力値ΔＹＩ　
　と定数発生器１９の出力値Ｙ０を加算して、出力値Ｙ
１を出力する。定数発生器１９の出力値Ｙｏは、冷凍ブ
イクルの基準運転状態における冷媒流量に対応し九弁開
度の操作量である。

２１は１次遅れ要素であシ、スイッチ２３の接点２４が
接点２６との接続から接点２５との接続に切換るのと同
期して、切換る直前の加算器２゜の出力値ＹＩを初期値
、定数発生器１９の出力値Ｙｏを定常値とし、所定の時
定数τ３の１次遅れ応答出力値ＹＦ　’ｆ：発生する。

１次遅れ要素２ノにおける記号Ｓはラグラス演算子であ
る。

スイッチ２３では、オンオフ検出器ノ２によって、コン
プレッサ１のオンが検出された場合に、接点２４と接点
２５が接続し、逆にコンプレッサ１のオフが検出された
場合に接点２４と接点２６が接続する。

２８は加算器であって、スイッチ２３の出力値２７とＰ
ＩＤ調節器Ｊ７の出力値ＹＢを加算し、電子膨張弁７の
弁開度の操作量Ｙを出力する。コンプレッサ１がオンの
場合には、スイッチ２３の出力値２７は１次遅れ要素２
ノの出力値ＹＦに等しい。

２９は変換器であって、弁開度の操作量Ｙに応じて、駆
動装置９に対する制御入力電圧Ｖ（又は電流）を出力す
る。変換器２９は、コンプレッサ１のオフをオンオフ検
出器１２によって検出し、オフ期間中は電子膨張弁７の
弁開度が零になるような出力Ｖを発生する。

３０はタイマであって、コンプレツサ１がオフからオン
に転するのと同期して、オンオフ検出器１２の出力によ
シ時間のカウントを開始し、コンブレラ′＋ｊ１がオン
からオフに転じた時、リセットされる。タイマ３０の出
力３１は、定数発生器１４に入力され、定数発生器１４
の出力値５ｋｉｓ　　は、所定の設定時間ｔ１の経過時
点で、７人からＴＢに所定の時定数τ、の１次遅れ応答
で変化する。

タイマ３０の出力３１は、さらにＰＩＤ調節器１７に入
力され、Ｐより調節器１７における比例ゲインＫｐは、
所定の設定時間ｔ、の経過以前は、ＫＰｔであり、設定
時間ｔ、経過後は、過熱度の偏差・の絶対値１０１が所
定値０８以上では第１の比例ゲイン設定値Ｋｐ１、所定
値ｅ、以下では第２の比例ゲイン設定値ＫＰｔにという
ように偏差ｅに応じて切換わる。Ｋｐ＋からＫｐ、　、
およびＫｐｔかＫＰ＋への変化は、時定数τ、の１次遅
れ応答である０ 上記本発明の一実施例の作用を第１図、第２図訃よび第
３図の制御フａ−図に基づいて説明する。

第１図において、自動車用空調装置が運転を開始すると
、制御装置８は、第３図の制御フロー図のスタートステ
ップ１００から制御演算処理を開始し、初期設定ステッ
プ１０１に進んで、タイマ３０、変換器２９、定数発生
器１４、ＰＩＤ調節器１７などを制御演算開始に必要な
初期状態にセットする０ 次に検出信号入力ステップ１０２に進み、入口管壁温度
センサ１０、出口管壁温度センサ１１、オンオフ検出器
１２の各検出信号を制御装置８に入力する。

そして、コン１レッサ１のオンオフ判定ステップ１０３
に進み、コングレップ１がオンの場合はタイマカウント
ステップ１０４に、コンブレラｖ１がオフの場合はタイ
マリセットステップ１１９ＶＣ進む。

まず、コン１レッサ１がオンの場合を説明すると、タイ
マカウントステップ１０４では、コングレッーＦノの起
動と同期して、タイマ３０がカウントを開始し、次に第
１の経過時間判定ステップ１０５に進み、コン１レッサ
１の起動後、設定時間ｔ１（−例として５秒）が経過し
たかどうかを判定する。そして、設定時間ｔ、の経過以
前ならば、第１の過熱度目標値設定ステップ１０６へ、
設定時間ｔ、の経過後ならば、第２の過熱度目標値設定
ステップ１０７へ進む。

まず、設定時間ｔ１の経過以前の場合を説明すると、第
１の過熱度目標値設定ステップ１０６で、定数発生器１
４における過熱度目標値ＳＨｓを１人（−例としてＯｄ
ｏｇ　）に設定した後、過熱度偏差演算ステップ１０９
に進み、減算器１５において次式によシ、過熱度偏差・
を求める。

ｅ　　＝　　Ｓ）Ｉ　−ＳＨａ 上式において、過熱度ＳＨは減算器１３の出力値である
。

過熱度偏差演算ステップ１０９の次は、第２の経過時間
判定ステップ１１０に進み、コン１レッサ１の起動後、
設定時間ｔｍ　（−例として１５秒）が経過し九かどう
かを判定する。そして、設定時間ｔ、の経過以前ならば
、第１の比例ゲイン設定ステップ１１１へ、設定時間ｔ
、の経過後ならば、過熱度偏差判定ステップ１１２へ進
む。過熱度目標値。

定ステッグ１１２では、過熱度偏差の絶対値１．１が所
定値Ｓｌｔ　　（−例として４　ｄｏｇ　）に比べて大
きいかどうかを判定する。そして、過熱度偏差の絶対値
１．１が所定値６１以上ならば第１の比例ゲイン設定ス
テップ１１１へ、過熱度偏差の絶対値１．１が所定値・
、よシ小ならば、第２の比例ゲイン設定ステップ１１３
へ進む。

まず、設定時間ｔ、の経過以前の場合を説明すると、第
１の比例ゲイン設定ステップ１１１で比例ゲインＫｐｏ
をＫＰｔに設定した後、比例ゲインの１次遅れ応答ステ
ップ１１４に進む。比例ゲインの１次遅れ応答ステップ
１１４では、初期値が初期設定ステップ１０１において
、第１の比例ゲイン設定ステップ１１１における比例ゲ
イン設定値ＫＰ＋と同一値に設定されているので、比例
ゲインの値ＫｐはＫＰ＋に等しく変化しない。

比例ゲインの１次遅れ応答ステップ１１４の次は、ＰＩ
ＤＩＤ演算ステツブ１１進み、ＰＩＤ調節器１７におい
て次式によシミ予膨張弁７のＰＩＤ補償に関する弁開度
の操作量ＹＢを求める。

ｒＪ　Ｉ　Ｄ演算ステラ１１１５０次は、予測補償量演
算ステップ１１６に進み、１次遅れ要素２１において、
コン１レッサ１がオンする直前の加算器２０の出力値Ｙ
ｒを初期値、定数発生器１９の出力値Ｙｏを定常値とし
、時定数τ、０１次遅れ応答出力値Ｙｒを発生する。予
測補償量演算ステップ・１１６における１次遅れ応答出
力値Ｙｙは、予測補償に関する弁開度の操作量である。

予測補償量演算スフフグ１１６０次は、弁開度の操作！
ｌｌ演算ステツブ１７に進み、加算器２８において、次
式によシ、電子膨張弁７の−ｊＰ開度の操作量Ｙを求め
る。

Ｙ　”　Ｙｎ　＋　ＹＦ 上式において、Ｙｖは１次遅れ要素２１の出力値であシ
、コンプレツブ１のオンによってスイッチ２３の接点２
４と接点２５が接続されるので加算器２８に入力される
ことになる。

弁開度の操作量演算ステツブ１１７の次は、駆動装置の
制御入力演算ステツブ１１８に進み、変換器２９におい
て、電子膨張弁７の弁開度を、制御演算結果から得られ
た弁開度Ｙにするために必要な駆動装置９０制御入力電
圧Ｖ（又は電流）を演算する。

駆動装置の制御入力演算ステツブ１１Ｂの次は、再び、
検出信号入力ステツブ１０２へもどる。以後は、第３図
の制御フａ−図にし九がって、この検出信号入力ステツ
ブ１０２から各種制御演算ステツブを縁り返すことによ
り、電子膨張弁７の弁開度制御が実行され、コンブレラ
−”１１の起動直後から、蒸発器４には、過不足のない
適切な冷媒流量が供給される。

次に、コンプレツブ１の起動後、設定時間ｔ１が経過し
た場合を説明すると、第１の経過時間判定ステツブ１０
５において、判定がＹＥＳになって、第２の過熱度目標
値設定ステツブ７０７へ進み、第２の過熱度目標値の定
常値ＳＨ８Ｂ　をＴＢ（−例として５　ｄ＠ｇ　）にセ
ットした後、過熱度目標値の１次遅れ応答ステツブＪＯ
Ｂへ進む。

コンプレツブ１の起動前は、蒸発器４の出口の冷媒過熱
度がほぼ零であシ、起動後しばらくは、入口管壁温度セ
ンサ１０、出ロ管壁温度センブ１ノの検出遅れのために
、過熱度ＳＨの増加が、実際の冷媒過熱度の増加に対し
て遅れる。このため、過熱度目標値５）ＩｌｌがＴｎ（
＝５ｄ・ｇ）では、電子膨張弁７が、閉じる方向に作動
して、冷媒流量が不足してしまうので、起動から設定時
間ｔ、までは過熱度目標値Ｓ　ＨｓをＴＡ（＝Ｏｄｅｇ
）　　にセットした。そして、設定時間ｔ、以後は、過
熱度目標値の１次遅れ応答ステツブ１０８において、過
熱度目標値ＳＨｓは、初期値をＴＡ、定常値をＴＢ（＝
５ｄｅｇ）とし、時定数τ、（−例として１０秒）の１
次遅れ応答値とな夛、定常時の過熱度目標値ＴＢに徐々
に近づいていくため、過熱度目標値ＳＨｓ　　の急変に
よる弁開度の不安定な動作が防止される。

次に、コンブレラｖ１の起動後、設定時間ｔ。

が経過した場合を説明すると、第２の経過時間判定ステ
ツブ１１０において、判定がＹＥＳになって、過熱度偏
差判定ステツブ１１２へ進む。

コンプレツブ１の起動初期は、蒸発器４の熱負荷が急激
に変動するので、過熱度の急変に追従するために、設定
時間ｔ、以前では、ＰＩＤＭＡ節器１７における比例ゲ
インＫｐをＫ　Ｐ　＋と大きな値にセットし九が、所定
時間ｔ、以後は、過熱度偏差の絶対値１・１が所定値０
１以上と大きい場合は、比例ゲインＫｐをＫＰｔ　　と
大きな値にセットして、速かに過熱度偏差６°を零に近
づけるべく、電子膨張弁７の弁開度制御を行うが、過熱
度偏差の絶対値１・１が所定値ｅ、より小さくなった場
合は、比例ゲインＫｐをＫＰｔ　　と小さな値にセット
して、ハンチングのない安定した弁開度制御を行う。

比例ゲインの１次遅れ応答ステツブ１１４においては、
比例ゲインＫｐのＫｐｔ　からＫｐｔへの変化、および
ＫＰｔからＫＰｔべの変化が時定数τ、（−例として２
０秒）の１次遅れ応答値となって緩かに変化するため、
比例ゲインＫｐの急変による弁開度の不安定な動作が防
止される。

次に、自動車用空調装置の停止時またはブーモ違転時に
おいて、一旦起動したコンブレラ″ＦｊＪが停止した場
合を説明すると、コンプレツブ１のオンオフ判定ステツ
ブ１０３において、判定がＮφになって、タイマリセッ
トステツブ１１９へ進み、タイマ３０が時刻零にリセッ
トされ、以後コンプレツブＪのオフ期間中は、タイマ３
０はカウントしない。

タイマリセットステツブ１１９の次は、弁開度零ステッ
グ１２０へ進み、変換器２９において、電子膨張弁７の
弁開度が零になるような出力Ｖを出力するので、駆動装
ｅ９を介して、電子膨張弁７は全閉となる。

弁開度零ステップ１２０の次は、起動時の初期弁開度演
算ステッｆ１２ノへ進み、入口管壁温度センｔＪｏによ
って、停止中に上昇していく蒸発器４のＩＷ携湿温度検
出した後、関数発生器１８において、入口管壁温度セン
サ１’０の検出値ＴＷＩに関係づけた弁開度補償金ΔＹ
！を発生し、さらに定数発生器１９において、基準運転
状態の冷媒流量値に対応した弁開度操作ｆｋＹｏを発生
し、加算器２０において、次式によシ、起動時の初期弁
開度の操作：１ｔＹｒを求める。

Ｙｔ＝Ｙｏ＋ΔＹｌ 起動時の初期弁開度の操作量Ｙｘにおいては、コンプレ
ッサ１の起動直前の値が、起動時における１次遅れ要素
２ノの出力Ｙｒの初期値としてセットされる。

起動時の初期弁開度演算ステッグ１２ノの次は、積分補
償量のリセットステツブ１２２へ進ミ、ッｖ１の起動時
に初期値が零になっている必要があるので、停止中に零
にリセットしておく。

そして、積分補償量のリセットステツブ１２２の次は、
再び、検出信号人カステッｆ１ｏｚへもどシ、以後は、
第３図の制御フロー図にしたがって、各機制御演算ステ
ッグを繰シ返す。

〔発明の効果〕

以上、具体的に説明したように、本発明では、予測制御
とＰＩＤ制御を組合せた電子膨張弁制御方式としたため
、起動時やブーモ運転時などの過渡状態において、蒸発
器に適切な冷媒流量が供給できるようになり、蒸発器性
能が向上して、冷房能力の増加と吹出し空気温度の低下
により快適性が向上する。さらに定常運転時においても
ハンチングのない安定した冷媒流量制御が実現でき、液
もどシの防止によシ、コングレップの信頼性が向上する
。加えて、広い運転範囲において精度の良い過熱度制御
が得られ蒸発器性能が向上する等の優れた効果が奏せら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における冷媒系統図、第２図
は第１図における制御装置の詳細ブロック図、第３図は
第１図における制御装置の制御フロー図、第４図は従来
例における冷媒系統図である。 ７・・・電子膨張弁、８・・・制御装置、９・・・駆動
装置、１０・・・入口管壁温度センサ、Ｊｌ・・・出口
管壁温度センサ、１２・・・コングレップのオンオフ検
出器。 出題人復代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　電子膨張弁の弁開度を、蒸発器出口の冷媒過熱度の検
   出信号でフィードバック制御する系統に起動時の蒸発器
   熱負荷を蒸発器管壁又は冷媒温度によって検出し、この
   検出信号で予測制御する系統を加えた冷媒流量制御装置
   であって、 弁開度を予測制御する系統は、蒸発器管壁又は冷媒温度
   を検出するセンサの検出値からコンプレッサ起動時の弁
   開度初期値を演算する第１の手段と、弁開度の定常値を
   あらかじめ設定した第２の手段と、前記第１及び第２の
   手段の各出力値に応動して、電子膨張弁の弁開度を制御
   する信号を発生する手段を備え、 弁開度をフィードバック制御する系統は、コンプレッサ
   の起動から所定時間経過以後は、前記蒸発器出口の冷媒
   過熱度の偏差が、所定値以下では、比例動作における比
   例ゲインを大から小に切換える手段を備えたことを特徴
   とする自動車用空調装置の冷媒流量制御装置。