(57)【要約】【課題】流量センサを設置することなく、圧縮機のトルクを適切に推定する。【解決手段】冷媒の圧縮機、凝縮器、減圧機構、蒸発器を備えた冷凍サイクルにおいて、圧縮機のトルクを、圧縮機の吐出冷媒圧力と吸入冷媒圧力との圧力差、または該圧力差に相関のある物理量により算出することを特徴とする、冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置、およびそれを用いた制御装置。【選択図】  図２
2005016309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒の吐出容量を可変可能な可変容量圧縮機、凝縮器、減圧機構、蒸発器を備えた冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置であって、圧縮機のトルクを、圧縮機の吐出冷媒圧力と吸入冷媒圧力との圧力差、または該圧力差に相関のある物理量により算出することを特徴とする、冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置。
【請求項２】
前記可変容量圧縮機が、吐出冷媒圧力と吸入冷媒圧力との圧力差を制御可能な可変容量圧縮機であり、前記圧力差に相関のある物理量が、圧縮機の容量制御信号である、請求項１の冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置。
【請求項３】
さらに、圧縮機の回転数も参照して圧縮機のトルクまたは動力を算出する、請求項１または２の冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置。
【請求項４】
圧縮機トルクの目標値を設定し、該圧縮機トルクの目標値から圧縮機の容量制御信号を算出し、前記推定される圧縮機のトルクが前記圧縮機トルクの目標値となるように、算出された容量制御信号を圧縮機へ出力する、請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置を用いた制御装置。
【請求項５】
冷凍サイクルが、車両用空調装置に組み込まれた冷凍サイクルである、請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置。
【請求項６】
冷凍サイクルが、車両用空調装置に組み込まれた冷凍サイクルである、請求項５に記載の冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置を用いた制御装置。
【請求項７】
算出した圧縮機トルク推定値をもとに、圧縮機の駆動源となるエンジンの目標出力トルクを算出し、それに基づいてエンジン制御を行うことを特徴とする、請求項６の制御装置。
【請求項８】
前記推定された圧縮機のトルクをエンジンＥＣＵに出力する、請求項６の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置およびそれを用いた制御装置に関し、とくに車両用空調装置に組み込まれた冷凍サイクルにおける圧縮機のトルクを適切に算出することができる圧縮機トルク算出装置およびそれを用いた制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷媒の圧縮機、凝縮器、減圧機構、蒸発器を備えた冷凍サイクルにおける圧縮機のトルクを求めるに際し、例えば特許文献１においては、高圧側冷媒圧力と低圧側冷媒圧力と冷媒流量をもとに、圧縮機のトルクを演算している。この圧縮機のトルク演算は、次のような根拠に基づいている。
【０００３】
すなわち、圧縮機のトルクＴｒは次式により算出できる。
Ｔｒ＝ｋ・Ｐｓ｛（Ｐｄ／Ｐｓ）ｍ  −１｝Ｖｃ
Ｔｒ：圧縮機トルク［ｋｇ−ｍ］、Ｐｄ：吐出圧力、Ｐｓ：吸入圧力、ｋ，ｍ：定数、Ｖｃ：圧縮機吐出量［ｃｃ］である。ここでＶｃは次式で算出可能である。
Ｖｃ＝Ｇｒ／（Ｎｃ・Ｆ）
ここで、Ｇｒ：冷媒流量［ｋｇ／ｈ］、Ｎｃ：圧縮機回転数［ｒｐｍ］  、  Ｆ：体積重量［ｋｇ／ｃｍ３］である。さらに体積重量Ｆは、Ｐｓに相関が高いためＴｒは次式で算出できる。
Ｔｒ＝ｋ・Ｐｓ｛（Ｐｄ／Ｐｓ）ｍ  −１｝Ｇｒ／（Ｎｃ・Ｐｓ・ｔ）
ここで、ｔは定数である。
よって、トルクを計算するためには、ＰｄとＰｓと冷媒流量Ｇｒと圧縮機の回転数Ｎｃを検知または推定する必要がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３１７４６７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような方法により圧縮機のトルクを求めようとすると、冷媒の流量を検知する必要があり、冷媒流量を検知するには、流量を制御可能な可変容量圧縮機を用いるか、流量センサを設置する必要があり、とくに後者の場合には冷媒流路に圧力損失を生じてしまうという問題があった。
【０００６】
そこで本発明の課題は、流量の検知量または推定値を用いることなく、とくに流量センサを設置することなく、圧縮機のトルクを適切に推定できるようにした冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置、およびそれを用いた制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置は、冷媒の吐出容量を可変可能な可変容量圧縮機、凝縮器、減圧機構、蒸発器を備えた冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置であって、圧縮機のトルクを、圧縮機の吐出冷媒圧力と吸入冷媒圧力との圧力差、または該圧力差に相関のある物理量により算出することを特徴とするものからなる。可変容量圧縮機が、吐出冷媒圧力と吸入冷媒圧力との圧力差を制御可能な可変容量圧縮機である場合には、前記圧力差に相関のある物理量として、圧縮機の容量制御信号を用いることができる。
【０００８】
すなわち、本発明においては、圧縮機の吐出圧力と吸入圧力を検知または推定し、吐出圧力と吸入圧力との差である、圧縮機出入口圧力差を算出する。様々な冷房負荷条件、走行条件における実験データを分析した結果、圧縮機出入口圧力差は、圧縮機トルクと大きな相関があることが判明した。したがって、本発明は、この圧縮機出入口圧力差から圧縮機トルクを算出することが可能であることに着目したものである。
【０００９】
本発明に係る冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置においては、さらに、圧縮機の回転数も参照して圧縮機のトルクまたは動力を算出することにより、トルク推定の精度を高めることが可能である。
【００１０】
このような本発明に係る冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置により算出された圧縮機トルクは、圧縮機の実際のトルク制御、さらには、車両用空調装置における圧縮機の駆動源として使用されるエンジンの出力制御にも利用可能である。
【００１１】
すなわち、本発明に係る冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置を用いた制御装置は、圧縮機トルクの目標値を設定し、該圧縮機トルクの目標値から圧縮機の容量制御信号を算出し、前記推定される圧縮機のトルクが前記圧縮機トルクの目標値となるように、算出された容量制御信号を圧縮機へ出力するものからなる。
【００１２】
また、本発明に係る冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置は、車両用空調装置に組み込まれた冷凍サイクルに対して好適に適用できる。圧縮機トルク算出装置を用いた制御装置もまた、車両用空調装置に組み込まれた冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置に対して好適に適用できる。
【００１３】
このような制御装置として、例えば、算出した圧縮機トルク推定値をもとに、圧縮機の駆動源となるエンジンの目標出力トルクを算出し、それに基づいてエンジン制御を行うことを特徴とする制御装置に構成することができる。また、圧縮機トルク算出装置とエンジンＥＣＵが別体の場合は、トルク算出装置からエンジンＥＣＵへ算出されたトルク推定値を出力できるようにすればよい。これによりエンジンＥＣＵは圧縮機トルクを参照した最適なエンジン出力を決定することができる。
【００１４】
このような本発明に係る冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置においては、冷媒流量を検知することなく、高精度で圧縮機トルクを算出することが可能になる。また、冷媒流量を検知する必要がないため、センサを設置するコストが削減できるとともに、流量センサ設置に伴う圧力損失発生の問題も生じない。また、吐出冷媒圧力と吸入冷媒圧力の差圧を制御可能な可変容量圧縮機を用いる場合には、圧縮機への容量制御信号から直接トルクを算出することが可能になる。さらに、容量制御信号とトルクの相関が高いため、容量制御信号により直接トルクの制御を行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置を備えた車両用空調装置のシステム構成図を示している。冷凍サイクル１には、車両のエンジン等により駆動される、吐出容量を可変可能な可変容量圧縮機２が設けられており、エンジンの駆動力は例えば電磁クラッチ等を介して伝達される。冷凍サイクル１の冷媒配管中を冷媒が循環され、上記圧縮機２により圧縮された高温高圧の冷媒が、凝縮器３により外気と熱交換して冷却され、凝縮し液化する。受液器４により気液が分離され、液冷媒が減圧機構５（膨張弁）によって減圧される。減圧された低圧の冷媒は、蒸発器６に流入して、送風機１０により送風された空気と熱交換される。蒸発器６において蒸発し気化した冷媒は再び圧縮機２に吸入され圧縮される。
【００１６】
車室内空調を行う空気が通過する通風ダクト１１には、送風機１０が配置されており、空調風吸入口１２から吸入された空気が送風機１０により蒸発器６へと送風される。蒸発器６を通過した空気の一部は、下流側に配置されたヒータユニット９へと送られるが、ヒータユニット９を通過される空気の量と、バイパスされる空気の量との割合が、エアミックスダンパ８によって調整される。本実施例では、蒸発器６の出口側に、蒸発器６通過後の空気温度Ｔｅｖａを検知するための蒸発器出口空気温度センサ７が設けられており、検知された信号は空調制御を行う空調制御装置１３へ入力される。この空調制御装置１３内に、本発明における、冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置が組み込まれており、空調制御装置１３は本発明に係る演算装置としても機能している。また、この空調制御装置１３は車両のエンジン制御装置も兼ねた演算装置に構成してもよく、エンジンＥＣＵを別に設けてもよい。通風ダクト１１の下流側には、ＤＥＦ、ＶＥＮＴ、ＦＯＯＴ等の各吹き出し口１４、１５、１６が設けられており、図示を省略した各ダンパにより所定の吹き出し口が選択されるようになっている。
【００１７】
上記のような冷凍サイクルを有する車両用空調装置において、圧縮機２のトルクは次のように、算出、推定される。
【００１８】
トルクの算出
実施例１
圧縮機の吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓの圧力差を検知し、圧力差からトルクを演算する。圧縮機トルクＴｒは次式により算出できる。
Ｔｒ＝  ｆ  （  Ｐｄ  ，  Ｐｓ  ）
例えば  Ｔｒ  ＝  ａ  ＊  （  Ｐｄ  −  Ｐｓ  ）２  ＋  ｂ  ＊  （  Ｐｄ  −  Ｐｓ  ）  ＋  ｍ
Ｔｒ：トルク、Ｐｄ：吐出圧力、Ｐｓ：吸入圧力、  ａ，ｂ，ｍ：実験によりもとめた定数ここで、吐出圧力Ｐｄには圧力センサによる検知量を用いることができる。吸入圧力Ｐｓは、圧力センサにより検知してもよいし、蒸発器の温度あるいは蒸発器通過後の空気温度あるいは蒸発器内冷媒温度から推定してもよい。
【００１９】
この吸入冷媒圧力Ｐｓの推定は次のように行うことができる。すなわち、蒸発器において冷媒は気液二相状態であるため、蒸発器内の冷媒温度から冷媒圧力は一義的に決定される。したがって、蒸発器通過後の空気温度または蒸発器の表面温度または蒸発器内の冷媒温度を検知することにより、蒸発器内の冷媒圧力を推定することが可能である。また、実際の冷凍サイクルにおいては、蒸発器から圧縮機までの配管で圧力損失による冷媒の圧力降下が生じる。この圧力損失は、冷媒流量が増えるほど大となるため、冷媒流量を検知することにより、圧力損失を推定可能である。よって、圧縮機への吸入冷媒の圧力は、蒸発器内の冷媒温度と冷媒流量に大きな相関を持つことになり、この二つを検知または推定することにより、吸入冷媒圧力を適切に推定することが可能になる。
【００２０】
より具体的には、例えば次式を用いて吸入冷媒圧力が推定される。
Ｐｓ’＝    ａ  ・Ｇｒ＋  ｂ・Ｔｅｖａ＋  ｃ
ここで、Ｐｓ’：吸入冷媒圧力推定値、Ｇｒ：冷媒流量、Ｔｅｖａ：蒸発器出口空気温度または蒸発器表面温度または蒸発器内冷媒温度、ａ，ｂ，ｃ：実験により求められた定数である。そして、冷媒流量Ｇｒは、減圧機構５（膨張弁）の開度から流量を推定、あるいは、可変容量圧縮機の容量制御信号から流量を推定することが可能である。
【００２１】
実施例２
圧縮機の吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓの圧力差を制御可能な可変容量圧縮機を用いる場合には、ＰｄとＰｓの圧力差を制御するため、容量制御信号から圧縮機トルクを直接演算することが可能である。圧縮機トルクＴｒは次式により算出できる。
Ｔｒ＝  ｆ  （ＥＭＰＣＶ）
例えば  Ｔｒ  ＝  ａ  ＊  ＥＭＰＣＶ２  ＋  ｂ  ＊  ＥＭＰＣＶ  ＋  ｃ
ＥＭＰＣＶ：圧縮機容量制御信号  ａ，ｂ，ｃ  ：実験によりもとめた定数
【００２２】
さらに、圧縮機回転数（またはエンジン回転数）を参照することにより圧縮機トルク推定の精度を高めることができる。
Ｔｒ＝  ｆ  （  ＥＭＰＣＶ  ，  Ｎｃ  ）  または
Ｔｒ＝  ｆ  （  ＥＭＰＣＶ  ，  Ｎｅ  ）
例えば  Ｔｒ  ＝  ａ  ＊  ＥＭＰＣＶ２  ＋  ｂ  ＊  ＥＭＰＣＶ  ＋  Ｃ  ＊  Ｎｅ  ＋  ｍ
ＥＭＰＣＶ：圧縮機容量制御信号、Ｎｃ：圧縮機回転数、Ｎｅ：エンジン回転数、ａ，ｂ，ｃ，ｍ：実験によりもとめた定数
さらに、圧縮機のトルクと動力には次の関係がある。
Ｐ  ＝  ｋ＊Ｎｃ＊Ｔｒ
ここで、Ｐ：圧縮機動力、ｋ：定数、Ｎｃ：  圧縮機回転数、Ｔｒ：  圧縮機トルクである。よって、圧縮機動力Ｐ  はトルクと同様に次式で演算可能である。
Ｐ  ＝  ｆ（ＥＭＰＣＶ，  Ｎｃ）    または、
Ｐ  ＝  ｆ（ＥＭＰＣＶ，  Ｎｅ）
【００２３】
さらに本発明においては、上記のような圧縮機トルク推定を利用して実際の圧縮機のトルク制御やエンジンの出力制御を、例えば次のように行うことができる。
【００２４】
トルク算出値を用いた制御（上記実施例１、２に共通）
▲１▼圧縮機トルク制御
圧縮機トルク目標値を設定し、該トルク目標値から圧縮機容量制御信号を算出し、それに基づいて圧縮機へ出力する。ここで、圧縮機トルク目標値は、エンジンへの負荷等により設定される値である。すなわち、加速時や登坂時のエンジン負荷が非常に大きい場合に、エンジンへの負荷を軽減することを目的として、比較的小さい値のトルク目標値を設定する。このトルク目標値は、エンジン負荷が増加するほど小さい値を設定するとよい。エンジン負荷は、アクセルの踏み込み量、エンジン回転数、車速等により検知することが可能である。また、吐出圧力と吸入圧力の差圧を制御可能な容量可変圧縮機を用いた場合には、前述のように吐出圧力と吸入圧力の差圧は、トルクに大きな相関があることから、目標のトルクから直接容量制御信号が算出できる。
【００２５】
たとえば図２に示すように、エンジン目標トルクＴｒｅ  がｋ以上となり、非常に大きい場合（急加速時や、登坂時等）には、圧縮機のトルクに上限値をもたせるようにする。すなわち、制御の流れとしては、たとえば図２に示すように、Ａ／Ｃ（エアコン）ＯＮ（圧縮機ＯＮ）時において、アクセル開度ＡＣＣ、エンジン回転数Ｎｅ、圧縮機トルク推定値Ｔｒを参照し、目標エンジン出力トルクＴｒｅを算出する。Ｔｒｅがある設定値ｋ以上の場合は、圧縮機の目標トルクＴｒｃを算出することとし、Ｔｒｃは圧縮機のトルク上限値とする。ここでＴｒｃは、目標エンジン出力トルクＴｒｅから算出する。トルクの上限値であるＴｒｃが現在の圧縮機トルクＴｒよりも大きい場合は、圧縮機トルクがＴｒｃとなるよう、ＥＭＰＣＶをＴｒｃから算出し、圧縮機へＥＭＰＣＶ信号を出力する。Ｔｒｅがｋ以下の場合と、算出されたＴｒｃが現在のトルクＴｒ以上の場合は、蒸発器出口空気温度が目標値となるよう容量制御信号を制御する。
【００２６】
図２のフローにおいて、圧縮機の目標トルクＴｒｃは、エンジン目標トルクＴｒｅに対して、たとえば図３のように決定される。図３における斜線領域では、蒸発器出口空気温度が目標値となるよう容量制御信号を制御する。
【００２７】
▲２▼圧縮機トルク情報を参照したエンジン出力制御（実施例１、２に共通）
例えばエンジンＥＣＵにおいて、算出されたエンジンの目標トルクに、圧縮機のトルク推定値を足した値を最終のトルク目標値とする。これにより、圧縮機を駆動するためのトルクが変化しても、車両を駆動するための駆動力は不変であるため、ドライバビリティの向上が可能となる。また、アイドル時には、圧縮機のトルク推定値に応じて、エンジン回転数をより低い値に設定可能（圧縮機のトルクが小さい場合は、回転数を低く設定してもエンストが起こらないため）であるため、燃費を向上させることができる。ここで、エンジンＥＣＵが直接圧縮機のトルク推定値を算出するようにしてもよいし、空調制御装置からトルク推定値をエンジンＥＣＵへ出力するようにしてもよい。
【００２８】
たとえば図４に、圧縮機トルク算出装置とエンジンＥＣＵが一体である場合の制御の流れの例を示す。図４に示すように、Ａ／Ｃ（エアコン）ＯＮ（圧縮機ＯＮ）時において、まず蒸発器出口空気温度を参照し、蒸発器出口空気温度が目標値となるよう、容量制御信号を制御する。現在の容量制御信号ＥＭＰＣＶから圧縮機トルクＴｒを算出する。アクセル開度信号ＡＣＣ、エンジン回転数信号Ｎｅを参照し、算出されたＴｒにより、目標エンジン出力トルクＴｒｅを算出する。そして、この目標エンジン出力トルクＴｒｅに基づきエンジン出力制御を行う。
【００２９】
また、図５に、圧縮機トルク算出装置とエンジンＥＣＵが別体である場合の制御の流れの例を示す。図５に示すように、Ａ／Ｃ（エアコン）ＯＮ（圧縮機ＯＮ）時において、まず蒸発器出口空気温度を参照し、蒸発器出口空気温度が目標値となるよう、容量制御信号を制御する。現在の容量制御信号ＥＭＰＣＶから圧縮機トルクＴｒを算出する。そして、算出された圧縮機トルクＴｒをエンジンＥＣＵへ出力する。
【００３０】
さらに、図６は、アイドル時のエンジン回転数制御の一例を示している。アイドル時のエンジン回転数目標値Ｎｅｔは、圧縮機トルク推定値Ｔｒにより、図６に示すように決定することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置によれば、冷媒流量を検知することなく、高い精度での圧縮機トルク推定が可能となる。また、冷媒流量を検知する必要がないため、センサを設置するコストが削減できるとともにシステム全体を簡素化できる。
【００３２】
また、吐出冷媒圧力と吸入冷媒圧力の差圧を制御可能な可変容量圧縮機を用いた場合、圧縮機への容量制御信号から直接トルクを算出することが可能となる。さらに、容量制御信号とトルクの相関が高いため、容量制御信号により直接トルクの制御を行うことができる。
【００３３】
さらに、このような冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置を利用することにより、実際の圧縮機トルクのより適切な制御や、エンジンへの負荷を考慮したエンジン出力の適切な制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様に係る冷凍サイクルにおける圧縮機トルク算出装置を備えた車両用空調装置のシステム構成図である。
【図２】本発明の一実施態様に係る圧縮機トルク算出装置を用いた圧縮機トルク制御の一例を示す制御フロー図である。
【図３】図２のフローにおける圧縮機目標トルク決定の一例を示す、エンジン目標トルクと圧縮機目標トルクとの関係図である。
【図４】本発明の一実施態様に係る圧縮機トルク算出装置を用いたエンジン出力制御の一例を示す制御フロー図である。
【図５】本発明の一実施態様に係る圧縮機トルク算出装置を用いたエンジン出力制御の別の例を示す制御フロー図である。
【図６】本発明におけるアイドル時のエンジン回転数制御の一例を示す、圧縮機トルク推定値とエンジン回転数目標値との関係図である。
【符号の説明】
１  冷凍サイクル
２  圧縮機
３  凝縮器
４  受液器
５  減圧機構
６  蒸発器
７  蒸発器出口空気温度センサ
８  エアミックスダンパ
９  ヒータユニット
１０  送風機
１１  通風ダクト
１２  空調風吸入口
１３  演算装置としての空調制御装置
１４、１５、１６  吹き出し口
【図１】
2005016309.tif 000003
【図２】
2005016309.tif 000004
【図３】
2005016309.tif 000005
【図４】
2005016309.tif 000006
【図５】
2005016309.tif 000007
【図６】
2005016309.tif 000008