(57)【要約】過熱を生じることなく、冷却剤が完全な気相状態で蒸発器を離間するように、式η＝ＴｅｃＴｓｅ／ＴｓｔＴｓｅ（ここで、Ｔｅｃは圧縮機の入口（１）における温度であり、Ｔｓｅは蒸発器の出口（５）における温度であり、Ｔｓｔは冷却剤用冷却器の出口（２）における温度である）で示される内部熱交換器の効率ηを基準値に設定するよう、冷却剤のループの膨張器（４）を制御する空調ユニットに関する。
2004511747.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の乗員コンパートメントのための空調ユニット内の冷却剤ループを制御する方法であって、前記ループが、気相状態の冷却剤を受け、これを圧縮するようになっている圧縮機（１）と、該圧縮機により熱を第１媒体に伝えることにより、ほぼ一定圧力で圧縮機により圧縮される冷却剤を冷却するようになっている冷却剤用冷却器（２）と、該冷却剤用冷却器を離間する冷却剤の少なくとも一部を液相状態にすることにより、この冷却剤の圧力を下げるようになっている膨張器（４）と、第２媒体から熱を除去することにより、膨張器からの液相状態の冷却剤をほぼ一定圧力で気相状態にして通過させ、空調すべき空間を冷却するようになっている蒸発器（５）とを含み、このようにして蒸発した冷却剤が、圧縮機によって吸引されるようになっており、前記冷却剤用冷却器と前記膨張器との間の、内部熱交換器の第１通路（３−１）内を流れる冷却剤が、前記蒸発器と前記圧縮機との間の内部熱交換器の第２通路（３−２）内を流れる冷却剤に熱を与えることができるようになっている内部熱交換器（３）を、前記ループが備えている、空調ユニット内の冷却剤ループを制御するための方法において、
前記第２通路内の液相状態の冷却剤を発生し易い第１条件をモニタし、該第１条件が満たされたときに、ループ内の冷却剤の流量を低下させることを特徴とする、空調ユニット内の冷却剤ループを制御する方法。
【請求項２】
次の式［１］
【数１】
2004511747.tif 000009
（ここで、Ｔｐｉは、圧縮機の入口温度、Ｔｅｏは、蒸発器の出口温度、Ｔｃｏは、冷却器の出口温度である）で示される前記内部熱交換器の効率ηが、基準値η０よりも、低いことを前記第１条件が含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記蒸発器において、過熱ゾーンの発生を生じ易い第２条件を更にモニタし、前記第２条件が満たされた時に、ループ内の冷却剤の流量を増加させる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
請求項２に記載の効率ηが、基準値η０以上であることを前記第２条件が含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
冷却剤の流量を、前記基準値以上の効率ηに適合する最大値にほぼ設定した、請求項２〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
流量がどんな値であれ、流量が最大となり、前記第２通路が液相状態の冷却剤を含まない時に、効率ηがとる値ηｍを基準値として採用する、請求項２、４および５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
流量の所定の値Ｑｐに対し、前記第２通路が液相状態の冷却剤を含まない時に、効率ηがとる値ηｐを基準値として採用する、請求項２、４および５のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記膨張器に作用することにより流量を設定する、請求項２および４〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
式［１］に基づき、ηを評価するために、冷却剤に熱接触するセンサ（１０）（１１）によって測定された値を、前記温度のうちの少なくとも１つに対して使用する、請求項２および４〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
式［１］に基づき、ηを評価するために、前記蒸発器を通過した、前記第２媒体を構成する空気流（Ｆ）の温度を使用して、Ｔｅｏを表示する、請求項２および４〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
Ｔｐｉと前記設定ポイント値Ｔｐｉ、ｓｅｔとを比較し、次の式
【数２】
2004511747.tif 000010
に従い、Ｔｐｉが設定ポイント値未満の時に、ηを基準値未満とみなし、Ｔｐｉが前記設定ポイント値より大である時に、ηを基準値より大とみなす、請求項２および４〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記圧縮機が、外部からの制御により通過容積を可変するタイプのものである、前記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記圧縮機が、冷却剤を臨界超過圧力まで圧縮する、前記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
請求項１記載の冷却剤ループと、前記第２通路において、液相状態の冷却剤の発生を生じ易い第１条件、およびオプションとして、前記蒸発器内で過熱ゾーンの発生を生じ易い第２条件をモニタするためのモニタ手段（１０）〜（１５）（１７）と、このモニタの結果に従って、ループ内の冷却剤の流量を制御するための手段（１９）（２０）（２１）とを備える、前記請求項のいずれかに記載の方法を実施するようになっている、自動車の乗員コンパートメントのための空調ユニット。
【請求項１５】
前記モニタ手段が、前記圧縮機の入口における温度Ｔｐｉ、前記蒸発器の出口における温度Ｔｅｏ、および冷却器の出口における温度Ｔｃｏを評価するための手段（１０〜１５）と、
次の式［１］
【数３】
2004511747.tif 000011
に基づき、内部熱交換器の効率ηを前記温度から計算するための手段（１７）と、前記効率ηと基準値とを比較するための手段とを備えた、請求項１４記載のユニット。
【請求項１６】
前記ループ内の冷却剤の流量を決定し、この流量から、前記基準値を決定するための手段（７）を更に含む、請求項１５記載のユニット。
【請求項１７】
前記温度を評価する前記手段が、前記冷却剤と熱接触する少なくとも１つの温度センサ（１０）（１１）を含む、請求項１５または１６に記載のユニット。
【請求項１８】
温度Ｔｅｏを評価するための前記手段が、前記蒸発器を通過した空気流（Ｆ）と熱接触する温度センサ（１４）を含む、請求項１５〜１７のいずれかに記載のユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、自動車の乗員コンパートメントのための空調ユニット内の冷却剤ループを制御する方法であって、前記ループが、気相状態の冷却剤を受け、これを圧縮するようになっている圧縮機と、該圧縮機により熱を第１媒体に伝えることにより、ほぼ一定圧力で圧縮機により圧縮される冷却剤を冷却するようになっている冷却剤用冷却器と、該冷却剤用冷却器を離間する冷却剤の少なくとも一部を液相状態にすることにより、この冷却剤の圧力を下げるようになっている膨張器と、第２媒体から熱を除去することにより、膨張器からの液相状態の冷却剤をほぼ一定圧力で気相状態にして通過させ、空調すべき空間を冷却するようになっている蒸発器とを含み、このようにして蒸発した冷却剤が、圧縮機によって吸引されるようになっており、前記冷却剤用冷却器と前記膨張器との間の、内部熱交換器の第１通路内を流れる冷却剤が、前記蒸発器と前記圧縮機との間の内部熱交換器の第２通路内を流れる冷却剤に熱を与えることができるようになっている内部熱交換器を更に前記ループが含む、空調ユニット内の冷却剤ループを制御する方法に関する。
【０００２】
従来、自動車の空調において、冷却剤として使用されているフッ素化合物が環境に与える有害な影響を防止するために、二酸化炭素ＣＯ２を使用することが推奨されている。
【０００３】
この化合物は、圧縮機による冷却剤の圧縮中に圧力が越える臨界圧力が比較的低く、相転移を生じることなく、従来のループのうちの凝縮機の代わりに使用されている冷却剤用冷却器によって冷却剤を冷却する。相転移がない場合、冷却器内の冷却剤の温度を低下させるだけで、熱エネルギーを散逸できる。
【０００４】
この熱エネルギーの散逸は、一般に大気の流れで生じるので、冷却器に進入する冷却剤の温度を大気圧の温度よりも実質的に高くする必要がある。その理由は、冷却剤が蒸発器と冷却器との間に流入した時に、冷却剤を暖めることができ、かつ冷却剤が冷却器と膨張器との間に流入した時に、冷却剤を冷却できるようにする内部熱交換器を使用しているからである。
【０００５】
【数４】
2004511747.tif 000003
【０００６】
式［１］によって示される内部熱交換器の効率η（ここで、Ｔｐｉは、圧縮機の入口温度、Ｔｅｏは、蒸発器の出口温度、Ｔｃｏは、冷却器の出口温度である）は、次の式［２］で示される、冷却器を通過する冷却剤の流量の減少関数となる。
【０００７】
【数５】
2004511747.tif 000004
【０００８】
ここで、ａおよびｂは、内部熱交換器の特性定数である。
【０００９】
上記のことは、全体が気相状態にある冷却剤を内部熱交換器が、蒸発器から受けたときにしか当てはまらない。これとは逆に、内部熱交換器が液相状態の冷却剤を蒸発器から受け取った場合、その効率は大幅に低下する。
【００１０】
本発明の目的は、この欠点を解消するように、ループの作動を最適にすることである。
【００１１】
蒸発器によって冷却される空気流を均一温度とするためには、蒸発器が過熱ゾーンを有していなくてもよい。換言すれば、冷却剤は、蒸発器を通る通路の終端部までで完全に蒸発しなければならない。本発明の別の目的は、この条件を満足させることにある。
【００１２】
本発明の課題は、明細書の冒頭に記載した方法であって、前記第２通路内に液相状態の冷却剤が生じ易い第１条件をモニタし、この第１条件が満足された場合に、ループ内の冷却剤の流量を低減できる方法を提供することである。
【００１３】
熱力学の原理に基づくこの制御モードによって、発振を生じることなく、ループの作動条件を短時間で安定化することが可能となる。特に本発明は、自動車が加速する際のコールドピークの発生を防止するものである。
【００１４】
互いに相補的または代替的である本発明の別の特徴事項は、次のとおりである。
次の式［１］
【００１５】
【数６】
2004511747.tif 000005
【００１６】
（ここで、Ｔｐｉは、圧縮機の入口温度、Ｔｅｏは、蒸発器の出口温度、Ｔｃｏは、冷却器の出口温度である）で示される前記内部熱交換器の効率ηが、基準値η０よりも低いことを、前記第１条件が含んでいる。
【００１７】
前記蒸発器において、過熱ゾーンの発生を生じ易い第２条件を更にモニタし、前記第２条件が満たされた時に、ループ内の冷却剤の流量を増加させる。
【００１８】
請求項２に記載の効率ηが、基準値η０以上であることを、前記第２条件が含んでいる。
【００１９】
冷却剤の流量を、前記基準値以上の効率ηに適合した最大値にほぼ設定した。
【００２０】
流量がどんな値であれ、流量が最大となり、前記第２通路が、液相状態の冷却剤を含まない時に効率ηがとる値ηｍを、基準値として採用する。
【００２１】
流量の所定の値Ｑｐに対し、前記第２通路が液相状態の冷却剤を含まない時に効率ηがとる値ηｐを、基準値として採用する。
【００２２】
前記膨張器に作用することにより、流量を設定する。
【００２３】
式［１］に基づき、ηを評価するために、冷却剤に熱接触するセンサによって測定された値を、前記温度のうちの少なくとも１つに対して使用する。
【００２４】
過した、前記第２媒体を構成する空気流（Ｆ）の温度を使用して、Ｔｅｏを表示する。Ｔｐｉと、前記設定ポイント値Ｔｐｉ、ｓｅｔとを比較し、次の式
【００２５】
【数７】
2004511747.tif 000006
【００２６】
に従い、Ｔｐｉが設定ポイント値未満の時に、ηを基準値未満とみなし、Ｔｐｉが前記設定ポイント値より大である時に、ηを基準値より大とみなす。
【００２７】
前記圧縮機は、外部からの制御により通過容積を可変するタイプのものである。
【００２８】
前記圧縮機は、冷却剤を臨界超過圧力まで圧縮するようになっている。
【００２９】
本発明の要旨は、前記冷却剤ループと、前記第２通路において液相状態の冷却剤の発生を生じ易い第１条件、およびオプションとして、前記蒸発器内で過熱ゾーンの発生を生じ易い第２条件をモニタするためのモニタ手段と、このモニタの結果に従って、ループ内の冷却剤の流量を制御するための手段とを備えた、前記方法を実施するようになっている、自動車の乗員コンパートメントのための空調ユニットにある。
【００３０】
本発明に係わるユニットは、次の特徴事項の少なくとも一部を含むことができる。
【００３１】
−前記圧縮機の入口における温度Ｔｐｉ、前記蒸発器の出口における温度Ｔｅｏ
および冷却器の出口における温度Ｔｃｏを評価するための手段と、
次の式［１］
【００３２】
【数８】
2004511747.tif 000007
【００３３】
に基づき、内部熱交換器の効率ηを前記温度から計算するための手段と、前記効率ηと基準値とを比較するための手段とを備えたモニタユニット。
−前記ループ内の冷却剤の流量を決定し、該流量から前記基準値を決定するための手段。
−前記冷却剤と熱接触する少なくとも１つの温度センサを含む、前記温度を評価する手段。
−前記蒸発器を通過した空気流（Ｆ）と熱接触する温度センサを含む、温度Ｔｃｏを評価するための手段。
【００３４】
添付図面を参照して行う、次の記載において、本発明の特徴および利点について、より詳細に説明する。
【００３５】
図２は、臨界超過熱力学的サイクルにおいて、冷却剤として二酸化炭素を使用する自動車の乗員コンパートメントのための空調ループの公知の構造を示す。
【００３６】
冷却剤が臨界超過状態となるように、圧縮機１は冷却剤を圧縮し、圧縮後、冷却剤は冷却剤用冷却器２を通過するように流れる。冷却器２を離間した冷却剤は、内部熱交換器３の通路３−１に沿って走行し、次に膨張器４を通過し、その後、蒸発器５に達する。
【００３７】
蒸発器の下流側において、冷却剤はタンク６を通過し、次に内部熱交換器３の通路３−２を通過し、その後、圧縮機１へ戻る。通路３−１と３−２とは向流状態の配置で並置されている。すなわち、通路３−１の入口ｉ１と出口ｏ１とは、それぞれ通路３−２の出口ｏ２および入口ｉ２に隣接している。このような条件下では、内部熱交換器の効率ηは、次の式［１］によって示される。
【００３８】
【数９】
2004511747.tif 000008
【００３９】
ここで、Ｔｐｉは、圧縮機１の入口（または出口ｏ２）における冷却剤の温度であり、Ｔｅｏは、蒸発器５の出口（または入口ｉ２）における冷却剤の温度であり、Ｔｃｏは、冷却器２の出口（または入口ｉ１）における冷却剤の温度である。
【００４０】
内部交換器を気相状態の冷却剤が専ら通過する時、効率ηは、図１において曲線Ｃ１を一例として示されている曲線に従い、ループ内の冷却剤の質量流量Ｑの減少関数となることに留意するべきである。この曲線は、ポイントＡからポイントＢまで延び、これらのポイントは、ループ内でそれぞれ得られる最小流量および最大流量に対応している。これらのポイントの間で、この曲線は、内部熱交換器の幾何学的特性および冷却剤の性質にしか依存していない。
【００４１】
冷却剤のすべてを、蒸発器がその最大流量まで蒸発できる程度に、ループの熱負荷が十分である場合に限り、上記条件は満たされる。これと反対の場合、蒸発器内で蒸発できる限界流量に対応するポイントＬまでしか、効率は曲線Ｃ１に従わない。この限界流量を越えると、内部熱交換器は液相状態の冷却剤を蒸発器から受ける。このことは、効率がほぼ垂直の曲線線分Ｃ２に沿って急に低下することを意味し、この線分Ｃ２の次に、多少水平の線分Ｃ３が続き、この線分では、効率は実質的にゼロとなる。
【００４２】
本発明に係わる空調ユニットを示す図３には、再び部品１〜６が示されている。これらの部品には、液相状態で蒸発器５を通過する冷却剤の質量流量を測定するよう、蒸発器５の上流側に設置された流量センサ７と、読み出しデバイス１２および１３にそれぞれ連動する２つの温度センサ１０および１１とが追加されている。
【００４３】
これら２つの温度センサ１０および１１は、冷却剤用冷却器２の出口と内部熱交換器３の通路３−１の入口ｉ１との間の冷却剤の温度および内部熱交換器の通路３−２の出口ｏ２と、圧縮機１の入口との間の冷却剤の温度をそれぞれ測定するようになっている。読み出しデバイス１５に連動する別のセンサ１４は、ブロワー１６の作用により蒸発器５を通過した後の空気流Ｆの温度を測定する。この空気流は、自動車の乗員コンパートメント内の温度を制御するよう、コンパートメント内へ送られるようになっている。
【００４４】
本発明によれば、冷却器２の出口（または入口ｉ１）における温度Ｔｃｏ、および冷却された空気の温度は、デバイス１２および１５を介して、処理デバイス１７へそれぞれ送られる。
【００４５】
処理デバイス１７は、流量センサ７にも接続されており、必要であれば、冷却された空気の温度と蒸発器２の出口（または入口ｉ２）における温度Ｔｅｏとの差を考慮するように、補正により、上記測定値から設定値Ｔｐｉ、ｓｅｔ　を計算するようになっている。この設定値とは、式［１］に従って計算された内部交換器３の効率ηが、曲線Ｃ１上のポイントＰのｙ座標に等しい基準値ηｐをとるように、圧縮機１の入口（または出口ｏ２）における冷却剤の温度Ｔｐｉが有しなければならない温度であり、曲線Ｃ１は、センサ７が測定した流量Ｑｐをｘ座標に有する。デバイス１３が出力するＴｐｉの実際の値とこの設定値とは、比較器１８によって比較される。
【００４６】
Ｔｐｉ＜Ｔｐｉ、ｓｅｔである場合、このことは、実際の効率が基準値よりも低く、従って、図１内のグラフ上の効率を示すポイントが曲線Ｃ１よりも下に位置し、よって内部熱交換器内に液体が存在することを示す線分Ｃ２およびＣ３のうちの１つにあることを意味する。
【００４７】
次に、比較器１８は、エラー信号１９を発生し、このエラー信号は、レギュレータ２０へ送られる。このレギュレータは、流量を減少するように、膨張器４を制御する制御デバイス２１に作用する。
【００４８】
上記とは逆に、Ｔｐｉ＝Ｔｐｉ、ｓｅｔである場合、このことは、内部交換器は全体に気相状態となっている冷却剤を含むこと、および図１内のグラフで効率を示すポイントが曲線Ｃ１上に位置することを意味する。
【００４９】
しかし、等式は、次の３つのケースを区別することができない。すなわち、代表的なポイントが上記ポイントＬである場合、または代表的なポイントがポイントＬの左側にある場合、またはポイントＬが存在せず、内部熱交換器はどんな冷却剤の流量でも液体を受けないように、ループの熱負荷が十分である場合を区別できない。
【００５０】
蒸発器は、過熱ゾーンを有しないこと、すなわち過熱ゾーンが最小であることが望まれる場合、流量を少ない増分量だけ増加するように、膨張器４を制御することができる。従って、このことは、ポイントＬが存在する場合に、ポイントＬのまわりで制御を行い、これと逆のケースでは、ポイントＢに対応する最大値まで流量を安定化し、最小過熱ゾーンを保証することができる。
【００５１】
変形例として、センサ７を除く手段によって、冷却剤の質量流量を決定できる。例えば圧縮機内の冷却剤の容積流量は、圧縮機の通過容積および速度から決定でき、冷却剤の性質、すなわち、温度および圧力によって決まる冷却剤の密度を考慮することにより、上記容積流量から質量流量を推定しうる。
【００５２】
別の変形例では、冷却剤の流量を考慮せず、ポイントＢのｙ座標に等しい基準値ηｍと効率ηとを比較する。不等式η＜ηｍが成立することは、効率を示すポイントが、ｘ座標でηｍを有する線分Ｃ２のポイントＫより下方の線分Ｃ２およびＣ３の一方にあり、流量を低減しなければならないことを意味する。
【００５３】
蒸発器の過熱ゾーンを解消したり、またはこれを最小にしたい場合、値ηｍに効率を維持するように膨張器を制御し、よってポイントＫのまわりで制御を行うか、または作動ポイントをポイントＢにする。ポイントＫに対応する流量は、ポイントＬに対応するポイントに極めて近似している。
【００５４】
当然ながら、熱交換器の効率の基準値を使用して、設定値Ｔｐｉ、ｓｅｔを計算する代わりに、実際の効率ηと基準値とを直接比較し、その比較に基いて、エラー信号を発生させることもできる。これら２つの方法は、厳密に均等な方法である。
【００５５】
更に、本発明は、第１通路内に液相の冷却剤が存在すること、または蒸発器内に過熱ゾーンが存在することを示す指標として、内部熱交換器の効率をモニタすることだけに限定されているわけではない。これらの現象は、他の手段、例えば内部熱交換器または蒸発器に割り当てられた特定のセンサによって検出できる。
【００５６】
以上、二酸化炭素を使用することに関連して、本発明について詳細に説明したが、本発明は、任意の冷却剤、特に臨界超過サイクルに従って作動し、内部熱交換器を必要とする冷却剤を使って有利に実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に係わる方法、およびユニットで使用できる代表的な内部熱交換器における冷却剤の流量Ｑを関数として、効率ηの変化を示すグラフである。
【図２】
本発明に係わるユニットの一部を形成する冷却剤ループの回路図である。
【図３】
本発明に係わる方法およびユニットを示す機能図である。
【符号の説明】
１　　　　圧縮機
２　　　　冷却剤用冷却器
３　　　　内部熱交換器
３−１　　第１通路
３−２　　第２通路
４　　　　膨張器
５　　　　蒸発器
７　　　　流量センサ
１０、１１　　　温度センサ
１２、１３　　　読み取りデバイス
１４　　　センサ
１５　　　読み取りデバイス
１７　　　処理デバイス
【国際公開パンフレット】
2004511747.tif 000012
2004511747.tif 000013
2004511747.tif 000014
2004511747.tif 000015
2004511747.tif 000016
2004511747.tif 000017
2004511747.tif 000018
2004511747.tif 000019
2004511747.tif 000020
2004511747.tif 000021
2004511747.tif 000022
2004511747.tif 000023
2004511747.tif 000024
2004511747.tif 000025
2004511747.tif 000026
2004511747.tif 000027
2004511747.tif 000028
2004511747.tif 000029
【国際調査報告】
2004511747.tif 000030
2004511747.tif 000031
2004511747.tif 000032
2004511747.tif 000033
2004511747.tif 000034
2004511747.tif 000035