(57)【要約】  冷媒充填不足を判定する方法と、この方法を実行するようにプログラムされた制御装置を備えた冷却システムを提供する。このシステムを流れる冷媒の質量流量は、少なくとも２つの異なる方法を利用して計算される。質量流量の２つの計算値が比較され、それらが所定の値よりも大きな差を有する場合は、前記システム内で冷媒充填の不足が生じていると判定される。
2008527298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮して下流側のコンデンサに送るコンプレッサであって、冷媒が前記コンデンサから膨張装置に流れ、前記膨張装置からエバポレータに流れ、かつ冷媒が前記エバポレータからコンプレッサに戻るようにするコンプレッサと、
冷却システムを制御する制御装置であって、前記制御装置には複数のセンサーからの様々なシステム変数が与えられ、前記制御装置がシステム変数に基づいて少なくとも２つの方法により質量流量を計算することができ、前記制御装置が前記２つの方法によって計算された質量流量の値を互いに比較するように動作可能であり、かつ前記２つの方法によって計算された質量流量の計算値が所定の値よりも大きな差を有する場合は前記冷却システム内で冷媒充填が不足していることを示す制御装置と、
を含むことを特徴とする冷却システム。
【請求項２】
前記２つの方法の少なくとも一方が、前記コンプレッサの両側の間での圧力比を調べ、コンプレッサモデルに基づいて計算されることを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記２つの方法の他方が、前記膨張装置の両側の間の差圧を求め、また質量流量を計算するために公式を利用することにより、計算されることを特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
【請求項４】
前記２つの方法の他方が、エバポレータにおける熱伝達量に基づく公式を参照することで計算されることを特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの方法が下記の式：
ｍr＝Ｖsurρ
ここで
Ｖsur＝(ａ−ｂＰrc)
であり、
ａ、ｂ、ｃは製造者の熱量計データから推定される定数であり、Ｐｒ＝Ｐdis／Ｐsucであってこれは前記コンプレッサの排出圧力と吸い込み圧力の比である
を利用することを特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
【請求項６】
前記２つの方法のうち少なくとも１つが、前記膨張装置の両側の間での圧力比と下記の式：
【数１】
2008527298.tif 000011
ここで前記Δρの値が前記膨張装置の両側の間の差圧であり、前記%の記号は膨張装置の開度をパーセントで表すものであり、Ｃvは前記膨張装置の特性定数である
を利用することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記２つの方法のうち少なくとも１つが下記の式：
【数２】
2008527298.tif 000012
ここで
ｍa：空気の質量流量、ｋｇ／ｓ
ｍr：冷媒の質量流量、ｋｇ／ｓ
Ｃp1：乾燥空気の比熱、Ｊ／ｋｇＫ
Ｔ1ｉｎ／ｏｕｔ：（前記エバポレータへの流入および流出する）空気の温度、℃
ＳＨＲ：前記エバポレータに流入および流出する空気の状態から求めた顕熱比
ｈr1、ｈr2：前記エバポレータに流入および流出する冷媒蒸気の固有エンタルピー、Ｊ／Ｋｇ
を利用することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
【請求項８】
冷却システムを制御する制御装置であって、前記制御装置には複数のセンサーからのシステム変数が与えられ、前記制御装置はシステム変数に基づいて少なくとも２つの方法により質量流量を計算するように動作可能であり、前記制御装置は前記２つの方法によって計算された質量流量の値を互いに比較するように動作可能であり、かつ前記２つの質量流量の計算値が所定の値よりも大きな差を有する場合は前記冷却システム内で冷媒充填が不足していることを示す制御装置である冷却システム用制御装置。
【請求項９】
前記２つの方法の少なくとも１つが、コンプレッサの両側の間の圧力比を調べ、コンプレッサモデルに基づき計算されることを特徴とする請求項８に記載の制御装置。
【請求項１０】
前記２つの方法の他方が、前記膨張装置の両側の間の差圧を求め、また質量流量を計算する公式を利用して計算されることを特徴とする請求項９に記載の制御装置。
【請求項１１】
前記２つの方法の他方が、エバポレータを通過する熱伝達量に基づく公式を利用して計算されることを特徴とする請求項９に記載の制御装置。
【請求項１２】
少なくとも１つの方法が下記の式：
ｍr＝Ｖsurρ
ここで
Ｖsur＝(ａ−ｂＰrc)
であり、
ａ、ｂ、ｃは製造者の熱量計データから推定される定数であり、Ｐｒ＝Ｐdis／Ｐsucであってこれは前記コンプレッサの排出圧力と吸い込み圧力の比である
を利用することを特徴とする請求項９に記載の制御装置。
【請求項１３】
前記２つの方法のうち少なくとも１つが、使用される膨張装置の両側の間の圧力比と下記の式：
【数３】
2008527298.tif 000013
ここで前記Δρの値が前記使用される膨張装置の両側の間の差圧であり、%の記号は前記使用される膨張弁の開度をパーセントで表すものであり、Ｃvは前記膨張装置の特性定数である
を利用することを特徴とする請求項８に記載の制御装置。
【請求項１４】
前記２つの方法のうち少なくとも１つが下記の式：
【数４】
2008527298.tif 000014
ここで
ｍa：空気の質量流量、ｋｇ／ｓ
ｍr：使用されるエバポレータを通過する冷媒の質量流量、ｋｇ／ｓ
Ｃp1：乾燥空気の比熱、Ｊ／ｋｇＫ
Ｔ1ｉｎ／ｏｕｔ：（使用されるエバポレータへの流入および流出する）空気の温度、℃
ＳＨＲ：使用されるエバポレータへの流入および流出空気の状態から求めた顕熱比
ｈr1、ｈr2：使用されるエバポレータの入口と出口における冷媒蒸気の固有エンタルピー、Ｊ／Ｋｇ
である
を利用することを特徴とする請求項８に記載の制御装置。
【請求項１５】
冷媒を圧縮して冷媒を下流側のコンデンサに送り、冷媒が前記コンデンサから膨張装置に流れ、前記膨張装置からエバポレータに流れ、かつ冷媒が前記エバポレータからコンプレッサに戻るようにするコンプレッサを備えること、および
冷却システムを制御し、複数のセンサーからのシステム変数を制御装置に与え、前記制御装置は前記システム変数に基づいて少なくとも２つの方法により質量流量を計算し、前記制御装置は前記２つの方法によって計算された質量流量の値を互いに比較し、かつ前記２つの方法によって計算された質量流量の計算値が所定の値よりも大きな差を有する場合は前記冷却システム内で冷媒充填が不足していることを示すこと、
を含む冷媒充填不足を判定する方法。
【請求項１６】
前記２つの方法の少なくとも１つが、コンプレッサモデルに基づき、かつ前記コンプレッサの両側の間の圧力比を調べて計算されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記２つの方法の他方が、前記膨張装置の両側の間の差圧を求め、また質量流量を計算する公式を利用することにより計算されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記２つの方法の他方が、前記エバポレータを通過する熱伝達量に基づく公式を利用して計算されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記２つの方法の少なくとも一方が、前記膨張装置の両側の間の差圧を求め、また質量流量を計算する公式を利用することにより計算されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記２つの方法の少なくとも一方が、前記エバポレータを通過する熱伝達量に基づく公式を利用することにより計算されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却システムにおける冷媒の充填不足を判定するための簡単な方法および制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷却システムは環境の調整に利用され、空調装置またはヒートポンプを含むことができる。従来の冷却システムでは、シールされた接続部を通していくつかの要素の間を冷媒が循環する。時間と共に、また様々な理由により、冷媒の一部はシールされたシステムから散逸することがある。その結果、所要レベルよりも冷媒充填率が低くなる可能性がある。
【０００３】
冷媒充填不足が生じた場合は、システムが冷却空気を環境に送るなどのその機能を遂行することが困難になる。そしてコンプレッサに余分な負荷がかかってコンプレッサが正常に運転できなくなり、あるいは環境に送られる空気をシステムが十分に調整できなくなる可能性がある。
【０００４】
そのため、冷媒充填不足を検出するための様々な方法が使用されてきた。１つの簡単な方法として、エバポレータからコンプレッサに送られる冷媒が過大な過熱を含むかどうかを調べるものがある。高い過熱値は冷媒充填不足を示すのである。
【０００５】
しかし現在の冷却システムでは、冷媒をエバポレータに送る膨張弁は、高い過熱を検出してその過熱のレベルに応じて電子的に制御され、そして制御装置が過熱のレベルを下げるように膨張弁を調節する。このような制御では、冷媒充填不足が隠されてしまう可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そのため、複雑な冷却システムにおいて有用な、冷媒充填不足を判定する単純な方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の開示された実施形態による方法と該方法を実行するようにプログラムされた制御装置は、冷却システムから様々な標準的な変数を取り入れる。周知のように、様々な診断目的のために、冷却システム内の様々な場所で圧力と温度が測定されている。本発明ではこれらの標準的な測定値が、冷媒の質量流量を求めるために使用される。冷媒の質量流量は、いくつかの方法のうち任意の１つで、また前記標準的な測定値の異なる値を使用して計算することができる。この方法では、質量流量のこれらの計算値のうちの２つを比較することにより、各測定値が互いの誤差の範囲内にあるかどうかを判定する。冷媒充填が不足している場合は、質量流量の計算値は不正確になり、従って互いに相違する。質量流量の計算値に十分な差が認められた場合は、制御装置はシステムに冷媒充填不足が起きたと判定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明のこれらの特徴およびその他の特徴は、以下の説明と簡単に説明する図面から理解されるであろう。
【０００９】
図１は、冷媒を圧縮してそれをコンデンサ２４に送るコンプレッサ２２を含む冷却システム２０を示す。ファン２６がコンデンサに空気を吹きつけ、また空調モードではコンデンサ内の冷媒から熱を奪う。コンデンサ２４の下流側には膨張装置２８がある。複雑なシステムでは、コンプレッサ２２に向かう冷媒の過熱温度に基づく閉フィードバックループにより、この膨張装置を電子的に制御することができる。
【００１０】
膨張装置２８の下流側にはエバポレータ３０があり、エバポレータ３０は空気をエバポレータ３０に吹き付けて調整すべき環境内に送り込むためのファン３２を有する。エバポレータ３０に向かう空気の温度をセンサー５０で測定し、エバポレータを通過した空気の温度をセンサー５２で測定し、エバポレータ３０に向かう冷媒の温度をセンサー５４で測定し、エバポレータの下流側の冷媒の温度をセンサー５６で測定し、コンプレッサに向かう冷媒の圧力をセンサー５８で測定し、コンプレッサ２２に向かう冷媒の温度をセンサー６０で測定し、コンプレッサの下流側の冷媒の圧力（センサー６２）と温度（センサー６４）を測定する。これらの測定値は、様々な診断目的のために、現在の多くの冷却システムで既に測定され、利用されているものである。
【００１１】
膨張弁２８を通過する冷媒の質量流量は、下記の既知の式：
【００１２】
【数５】
2008527298.tif 000003
【００１３】
で計算される。
【００１４】
冷媒の質量流量は、弁の両側での差圧（Δρ）と弁の開度（％）の関数である。Ｃvは弁の特性定数である。差圧を測定することができれば、弁のこの所定の特性を使用して、冷媒の流量を測ることができる。
【００１５】
定差圧弁を使用して冷媒の流れを規制することができ、そのような場合には弁の両側での差圧を測定する必要は無い。その他のタイプの制御弁では、流量を計算するために弁の両側の間での差圧を直接測定するか、または間接的に推定する必要がある。
【００１６】
図１にはエバポレータの動作を監視する４つのセンサー（５０，５２，５４，５６）が示されている。向流型熱交換器に対する熱伝達式は、
空気側で
【００１７】
【数６】
2008527298.tif 000004
【００１８】
冷媒側で
【００１９】
【数７】
2008527298.tif 000005
【００２０】
ここで
Ｑ：熱伝達の流量、Ｗ
ｍa：空気の質量流量、ｋｇ／ｓ
ｍr1：冷媒の質量流量、ｋｇ／ｓ
Ｃp1：乾燥空気の比熱、Ｊ／ｋｇＫ
Ｔ1ｉｎ／ｏｕｔ：空気の温度（センサー５０，５２）、℃
ＳＨＲ：流入および流出空気の状態から求めた顕熱比
ｈr1，ｈr2：エバポレータの入口と出口における冷媒蒸気の固有エンタルピー、Ｊ／Ｋｇ
冷媒のエンタルピーｈr1，ｈr2は、温度と圧力の測定値を使用して、冷媒の物性から求めることができる。ＳＨＲと空気の質量流量が既知であるという条件下では、式（２）と式（３）を解くことで冷媒の質量流量を求めることができる。
【００２１】
【数８】
2008527298.tif 000006
【００２２】
冷媒の質量流量はまた、製造者のデータから得られるコンプレッサのモデルを使用して推定することもできる。コンプレッサの体積流量の理論的なモデルを近似する３項モデルは以下のように与えられる：
【００２３】
【数９】
2008527298.tif 000007
【００２４】
ここで
ａ、ｂ、ｃは製造者の熱量計データから推定される定数である。
Ｐｒ＝Ｐdis／Ｐsucはコンプレッサの圧力比であり、これは吐出圧力（Ｐdis、センサ６２）と吸い込み圧力（Ｐsuc、センサ５８）の比である。
【００２５】
体積流量は、冷媒の密度を使って次のように求められる：
【００２６】
【数１０】
2008527298.tif 000008
【００２７】
ここでρは冷媒の密度である。
【００２８】
当業者であれば、冷媒の流量は（５）と異なる形式のコンプレッサモデルを使用しても計算できることが理解できるであろう。
【００２９】
（６）のコンプレッサモデルに従って推定された冷媒の流量は、通常の条件下では（１）または（４）を使用して計算された値に近いものであるべきである。冷媒充填不足の条件下では、これら２つの流量の値の間に大きな違いが生じる。
【００３０】
その結果、２つの流量値の間の差すなわち残差（Θ）として、警告指標が定義される：
【００３１】
【数１１】
2008527298.tif 000009
【００３２】
残差の値が所定の閾値を超えると、冷媒充填が不足しているという判断が行われる。経時的に残差の推定値を追跡すれば、冷媒が少しずつ漏れていることを予測する上で役に立つ。
【００３３】
この技術は、マルチ空調システムとして知られる、複数のエバポレータを有するもっと複雑なシステムに拡張することもできる。拡張された冷媒充填不足指標は、コンプレッサの流量と、個々のエバポレータを通過する流量の総量として表される：
【００３４】
【数１２】
2008527298.tif 000010
【００３５】
ここでｉはシステム内の各エバポレータの番号であり、ｍir2はｉ番目のエバポレータを通る冷媒空気流量である。
【００３６】
このように、本発明は既存のセンサーを使用して冷媒充填不足の指標を与える。
【００３７】
本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明の範囲内である種の変更が行えることが、当業者には理解されるであろう。従って本発明の厳密な範囲と内容は、請求項を検討することにより定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明を実施するための冷却システムの模式図である。
【図２】本発明のフローチャートである。
【図１】
2008527298.tif 000015
【図２】
2008527298.tif 000016
【国際調査報告】
2008527298.tif 000017