(57)【要約】【課題】加熱度を正確に算出して制御する過熱度制御方法を提供する。【解決手段】冷凍サイクルの膨張装置として、エバポレータの入口と出口との前後差圧をソレノイドに供給する電流ｉによって決まる差圧ΔＰになるようにほぼ一定に制御する流量制御弁を用い、エバポレータの入口・出口にはそれぞれの温度を測定する温度センサを設ける。エバポレータの入口温度Ｔｘと電流ｉによって決まる差圧ΔＰとから冷媒の温度−圧力特性を基にエバポレータの蒸発圧力Ｐｅに相当する温度Ｔ（Ｐｅ）を求め、これを出口温度Ｔｅから差し引くことで過熱度ＳＨを算出する。この算定には、推定項目がないため、過熱度ＳＨを正確に算出できて冷凍サイクルを高精度に制御できるだけでなく、検出素子に安価な温度センサを使うことができるので、低コストの自動車用空調装置を構成できる。【選択図】        図１
2004271066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍サイクルにおける膨張装置がエバポレータの出口の冷媒状態が所定の過熱度になるように制御する過熱度制御方法において、
前記膨張装置に前記エバポレータの入口と出口との前後差圧をソレノイドに供給する電流によって決まる差圧になるよう制御する流量制御弁を用い、
前記エバポレータの入口および出口で測定した入口冷媒温度および出口冷媒温度と前記ソレノイドに供給する電流値によって決まる差圧とから前記過熱度を算出し、
前記過熱度が所定の値になるよう前記電流値を制御する、ことを特徴とする過熱度制御方法。
【請求項２】
前記過熱度は、測定した前記出口冷媒温度から前記エバポレータ内の蒸発圧力に相当する温度を差し引くことにより算出したことを特徴とする請求項１記載の過熱度制御方法。
【請求項３】
前記蒸発圧力に相当する温度は、冷媒の飽和蒸気圧力−温度特性を参照して前記入口冷媒温度に相当する圧力から前記電流値によって決まる前記差圧の分だけ低い圧力に相当する温度を、前記入口冷媒温度から差し引くことにより算出したことを特徴とする請求項２記載の過熱度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は過熱度制御方法に関し、特に自動車用空調装置などの冷凍サイクルにて膨張装置がエバポレータの出口温度を所定の過熱度になるように制御する過熱度制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば自動車用空調装置では、一般に、循環する冷媒を圧縮するコンプレッサと、圧縮された冷媒を凝縮するコンデンサと、冷凍サイクル内の冷媒を溜めるとともに凝縮された冷媒を気液に分離するレシーバと、分離された液冷媒を絞り膨張させる膨張弁と、膨張弁で膨張された冷媒を蒸発させるエバポレータとで冷凍サイクルが構成されている。膨張弁としては、エバポレータの出口における冷媒の温度および圧力を感知して、エバポレータに送り出す冷媒の流量を制御するようにした温度式膨張弁が用いられている。温度式膨張弁では、エバポレータ出口の冷媒温度を冷媒流量の制御のためにフィードバックしなければならないことと、コンプレッサに戻される冷媒に液分が含まれないようエバポレータで冷媒を完全に蒸発させたいということから、エバポレータ出口における冷媒に所定の過熱度を持たせるようにしている。
【０００３】
温度式膨張弁は、ダイヤフラムで仕切られて冷媒と同様の作動ガスが封入された感温部と冷媒を絞り膨張させる弁部とからなり、そのダイヤフラムにエバポレータ出口の冷媒を曝すことで、感温部内のエバポレータ出口の冷媒温度に対応した作動ガスの飽和圧力とエバポレータ出口の冷媒の飽和圧力との間に過熱度に相当する圧力差が生じ、その圧力差とスプリング力との釣り合いで弁部の開度が決定され、エバポレータへ送り出す冷媒の流量を制御している。
【０００４】
このような温度式膨張弁に対し、ソレノイド作動の電子制御弁が膨張弁として使用されている（たとえば、特許文献１参照。）。このような電子膨張弁は、ソレノイドに供給する電流を換えることによって弁部の開度を自由に変更することができるので、きめ細かな制御が可能になり、エバポレータ出口の冷媒の過熱度も制御が可能になる。
【０００５】
電子膨張弁を用いて、過熱度を制御するには、過熱度を知る必要がある。過熱度は、エバポレータ出口の冷媒温度とエバポレータの蒸発圧力に対応する冷媒温度との差であるため、エバポレータ出口の冷媒温度とエバポレータの蒸発圧力とを計測すれば求めることができる。
【０００６】
しかし、圧力を検出する圧力センサは、温度を検出する温度センサに比べて非常に高価であるため、自動車用空調装置のコストを上げる要因になる。そこで、従来では、エバポレータの蒸発圧力をエバポレータ入口の温度から推定する方法が採られている。
【０００７】
すなわち、エバポレータ入口の冷媒温度を計測し、使用冷媒の飽和蒸気圧力−温度特性を参照することにより、その温度に対応するエバポレータ入口の圧力を求めることができる。また、エバポレータを冷媒が通過するときに圧力損失が生じるが、その圧力差は、ここでは、概ね一定であるとする。その圧力差を先に求めたエバポレータ入口の圧力から差し引くことでエバポレータの蒸発圧力を算出することができるので、その算出した蒸発圧力に対応する温度を使用冷媒の飽和蒸気圧力−温度特性を参照することにより求めることができる。このようにして求めたエバポレータの蒸発圧力に対応する冷媒温度を、温度センサで計測したエバポレータ入口の冷媒温度から差し引くことで、過熱度を求めることができる。
このようにして、エバポレータの入口および出口で計測した冷媒温度から制御目標値である過熱度を推定している。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−１５３４９５号公報（段落番号〔００１０〕〜〔００２２〕，図１、図２）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来では、計測した２つの冷媒温度から、エバポレータの圧力損失による差圧が一定であるとの仮定の元におおよその過熱度を推定しているが、実際には、その差圧は冷媒の流量によって変化しているので、正確な過熱度が求められているわけではない。したがって、エバポレータを流れる冷媒の流量が変化したときには、計算上の過熱度と実際の過熱度とに差が生じることによって、過熱度の正確な制御はできていないという問題点があった。
【００１０】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、加熱度を正確に算出して制御する過熱度制御方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記問題を解決するために、冷凍サイクルにおける膨張装置がエバポレータの出口の冷媒状態が所定の過熱度になるように制御する過熱度制御方法において、前記膨張装置に前記エバポレータの入口と出口との前後差圧をソレノイドに供給する電流によって決まる差圧になるよう制御する流量制御弁を用い、前記エバポレータの入口および出口で測定した入口冷媒温度および出口冷媒温度と前記ソレノイドに供給する電流値によって決まる差圧とから前記過熱度を算出し、前記過熱度が所定の値になるよう前記電流値を制御する、ことを特徴とする過熱度制御方法が提供される。
【００１２】
このような過熱度制御方法によれば、従来推定していたエバポレータの差圧を、この差圧を制御する流量制御弁のソレノイドに供給する電流値から直接知ることができるので、正確な過熱度を算出することができ、これによって、より正確に冷凍サイクルを制御することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明による過熱度制御方法を説明するための冷媒の飽和蒸気温度−圧力線図である。
【００１４】
冷媒の温度と圧力との間には一定の関係があることが知られており、その関係を示したのが図１に示した冷媒の飽和蒸気温度−圧力線図である。この図において、横軸はエバポレータ出口温度Ｔｅを表し、縦軸はエバポレータ出口圧力Ｐｅを表している。曲線は、冷媒の温度に対する圧力の変化を示すＴ−Ｐ曲線である。このＴ−Ｐ曲線の変化は、冷媒の種類によって決まっており、冷媒の種類と温度が分かれば、そのときの圧力を知ることができるのである。
【００１５】
さて、本発明では、実際に計測するのは、従来と同様に、エバポレータの入口温度Ｔｘと出口温度Ｔｅである。過熱度ＳＨは、エバポレータの出口温度Ｔｅとエバポレータの蒸発圧力Ｐｅに相当する温度Ｔ（Ｐｅ）との差であるので、
【００１６】
【数１】
ＳＨ＝Ｔｅ−Ｔ（Ｐｅ）・・・（１）
で表すことができる。したがって、これらの実測値から蒸発圧力Ｐｅに相当する温度Ｔ（Ｐｅ）を求めることができれば、過熱度ＳＨを求めることができる。
【００１７】
蒸発圧力Ｐｅに相当する温度Ｔ（Ｐｅ）は、このＴ−Ｐ曲線から、差圧ΔＰの分だけ低い圧力Ｐｅに相当する温度であることから、
【００１８】
【数２】
Ｔ（Ｐｅ）＝Ｔｘ−ΔＴ（ΔＰ，Ｔｘ）・・・（２）
で表される。つまり、蒸発圧力Ｐｅに相当する温度Ｔ（Ｐｅ）は、入口温度Ｔｘから差圧ΔＰおよび入口温度Ｔｘを関数とする温度差ΔＴ（ΔＰ，Ｔｘ）を差し引くことにより求められる。
【００１９】
ここで、差圧ΔＰは、エバポレータの入口圧力Ｐｘと出口圧力Ｐｅとの差圧であり、これを正確に求めることができれば、最終的に正確な過熱度ＳＨを求めることが可能になる。
【００２０】
本発明では、膨張弁として、エバポレータの入口と出口との前後差圧をソレノイドに供給する電流によって決まる所定の差圧になるよう制御する流量制御弁を用いることにより、差圧ΔＰをソレノイドに供給する電流値から直接読み取るようにしている。この電流値は、流量制御弁が制御しようとする差圧の目標値であるため、エバポレータの入口圧力Ｐｘと出口圧力Ｐｅとの差圧ΔＰを直接、かつ正確に知ることができるのである。
【００２１】
このように、この差圧ΔＰは、ソレノイドに供給する電流ｉの関数になっているため、
【００２２】
【数３】
ΔＰ＝ΔＰ（ｉ）・・・（３）
で表すこととができ、上記の式１および式２から、過熱度ＳＨは、
【００２３】
【数４】
ＳＨ＝Ｔｅ−Ｔｘ＋ΔＴ（ΔＰ（ｉ），Ｔｘ）・・・（４）
となり、正確に求めることができる。
【００２４】
図２は本発明を適用した冷凍サイクルを示した図である。
冷凍サイクルは、循環する冷媒を圧縮するコンプレッサ１と、圧縮された冷媒を凝縮するコンデンサ２と、冷凍サイクル内の冷媒を溜めるとともに凝縮された冷媒を気液に分離するレシーバ３と、液冷媒を絞り膨張させる流量制御弁４と、この流量制御弁４で膨張された冷媒を蒸発させてコンプレッサ１に戻すエバポレータ５とを備えている。エバポレータ５には、その入口に冷媒の入口温度Ｔｘを検出する温度センサ６と出口に冷媒の出口温度Ｔｅを検出する温度センサ７とが設けられており、これら温度センサ６，７の検出出力は、制御装置８に入力される。この制御装置８は、流量制御弁４を制御する電流ｉを出力する。
【００２５】
図３は流量制御弁の一例を示す中央縦断面図である。
この流量制御弁４は、本体ブロック１１に、レシーバ３から圧力Ｐｏの冷媒が送られてくる高圧冷媒入口１２と、冷媒が膨張しながらエバポレータ５に送り出される低圧冷媒出口１３と、エバポレータ５から冷媒が戻ってくる戻り冷媒入口１４と、戻ってきた冷媒をコンプレッサ１に送り出す戻り冷媒出口１５とが設けられている。高圧冷媒入口１２には、その通路を塞ぐようにストレーナ１６が配置されている。
【００２６】
本体ブロック１１の上部には、大径の穴が形成され、中央部には、その大径の穴と同心のシリンダが図の上下方向に形成され、下部には、中央部のシリンダと連通する穴が形成されている。その下部の穴は、戻り冷媒入口１４および戻り冷媒出口１５と戻り通路１７によって連通され、さらに、本体ブロック１１の下端面に開口している。この開口部は、パッキンおよびパッキン押さえ１８を介してねじ１９を本体ブロック１１に螺入することで閉塞されている。
【００２７】
中央部のシリンダは、その上端縁部が弁座２０を構成し、その弁座２０に図の上方から対向して接離自在に弁体２１が配置されている。この弁体２１は、シリンダ内をその軸線方向に進退自在に配置された感圧部材としてのピストン２２と小径シャフトによって連結された形で一体に形成されている。シリンダは、その小径シャフトが位置する部分に高圧冷媒入口１２と連通する冷媒通路が開口されている。本体ブロック１１の上部に形成された大径の穴からなるシリンダ上部の部屋も、冷媒通路を介して低圧冷媒出口１３と連通されている。
【００２８】
本体ブロック１１の上部には、ソレノイドが配置されている。このソレノイドは、弁体２１と一体に形成されたプランジャ２３と、このプランジャ２３と同心上に配置されたコア２４と、これらの周りに配置された電磁コイル２５と、プランジャ２３とコア２４との間に配置されたスプリング２６と、電磁コイル２５を囲繞するヨーク２７とを備えている。コア２４は中空形状を有し、その内部には、スプリング２６の荷重を調節するアジャストねじ２８が螺着されている。このアジャストねじ２８も、中空形状を有していて、下端部がプランジャ２３に固定されたシャフト２９を軸線方向に進退自在に支持する軸受を構成している。コア２４の上部開口端は、ボール３０および固定ねじ３１によって気密に閉止されている。このソレノイドは、連結部３２によって本体ブロック１１の上部に形成された大径の穴に螺着されている。
【００２９】
ここで、ソレノイドが通電されていないとき、プランジャ２３は、スプリング２６によってコア２４から離れる方向に付勢されているため、弁体２１が弁座２０に着座し、この流量制御弁４は、全閉状態になっている。
【００３０】
ソレノイドの電磁コイル２５に所定の電流ｉが供給されると、プランジャ２３はスプリング２６の付勢力に抗してコア２４に吸引されるので、弁体２１が弁座２０からリフトされ、流量制御弁４は、ソレノイドの電流ｉに応じたソレノイド力とスプリング２６の荷重とのバランスによって決まる開度に設定される。このとき、高圧冷媒入口１２に導入された冷媒は、弁体２１と弁座２０との間の隙間を通過するときに絞られて膨張し、低圧冷媒出口１３からエバポレータ５に送り出される。
【００３１】
弁座２０の有効径とピストン２２の有効径とはほぼ等しいので、弁体２１とピストン２２との間の空間に供給される冷媒の圧力Ｐｏは、弁体２１を押し上げる方向とピストン２２を押し下げる方向とに働く力がほぼ等しくてキャンセルされるので、圧力Ｐｏがこれら弁体２１およびピストン２２の動きに影響を与えることはない。
【００３２】
また、これら弁体２１およびピストン２２は、弁体２１にその下流側の圧力である流量制御弁４の出口圧力、すなわちエバポレータ５の入口圧力Ｐｘがかかり、ピストン２２の下面には、冷媒の戻り通路１７を介してエバポレータ５の出口圧力Ｐｅがかかっている。したがって、弁体２１およびピストン２２は、エバポレータ５の入口圧力Ｐｘと出口圧力Ｐｅとの差圧を受け、ソレノイドの電流ｉによって設定された差圧ΔＰに対応する位置から差圧の変化にしたがって軸線方向に動くことになる。たとえば、エバポレータ５の入口圧力Ｐｘと出口圧力Ｐｅとの差圧が大きくなると、エバポレータ５の出口圧力Ｐｅがピストン２２を押し下げようとするため、弁体２１は閉じる方向に動き、これにより冷媒の流量が減って、差圧が小さくなるよう作用する。逆に、差圧が小さくなると、差圧が大きくなる方向に作用する。したがって、この流量制御弁４は、エバポレータ５を固定オリフィスとみなし、エバポレータ５の入口圧力Ｔｘと出口圧力Ｐｅとの差圧を所定の差圧ΔＰになるようほぼ一定に制御する定差圧弁として機能し、この結果、エバポレータ５に送り込まれる冷媒は、ソレノイドの通電電流ｉによって決まるほぼ一定の流量に制御することになる。このような流量制御の膨張弁は、コンプレッサ１が吐出圧力と吸入圧力との差圧をほぼ一定に制御する差圧制御の場合に有用であり、冷凍サイクルの中で行われる２つの制御を競合なしで行うことができる。
【００３３】
なお、流量制御弁４は、その低圧冷媒出口１３に、エバポレータ入口の冷媒温度を検出する温度センサ６を配置し、戻り冷媒入口１４に、エバポレータ出口の冷媒温度を検出する温度センサ７を配置して一体に構成してもよい。
【００３４】
また、本発明による過熱度制御は、自動車用空調装置の冷凍サイクルに限定されるものではなく、家庭用、産業用などで用いられている他の冷凍サイクルにおいても適用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、安価な２つの温度センサとエバポレータの前後差圧をほぼ一定に制御する流量制御弁の制御電流とから、エバポレータ出口における冷媒の過熱度を算出する構成にした。これにより、過熱度の算出に推定項目がないため、過熱度を正確に算出でき、精度よく制御できる低コストの自動車用空調装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による過熱度制御方法を説明するための冷媒の飽和蒸気温度−圧力線図である。
【図２】本発明を適用した冷凍サイクルを示した図である。
【図３】流量制御弁の一例を示す中央縦断面図である。
【符号の説明】
１  コンプレッサ
２  コンデンサ
３  レシーバ
４  流量制御弁
５  エバポレータ
６，７  温度センサ
８  制御装置
１１  本体ブロック
１２  高圧冷媒入口
１３  低圧冷媒出口
１４  戻り冷媒入口
１５  戻り冷媒出口
１６  ストレーナ
１７  戻り通路
１８  パッキン押さえ
１９  ねじ
２０  弁座
２１  弁体
２２  ピストン
２３  プランジャ
２４  コア
２５  電磁コイル
２６  スプリング
２７  ヨーク
２８  アジャストねじ
２９  シャフト
３０  ボール
３１  固定ねじ
３２  連結部
Ｐｅ  エバポレータの出口圧力（蒸発圧力）
Ｐｘ  エバポレータの入口圧力
ＳＨ  過熱度
【図１】
2004271066.tif 000003
【図２】
2004271066.tif 000004
【図３】
2004271066.tif 000005