(57)【要約】【課題】気液二相流となる冷媒の質量流量を簡単な構成により正確に測定することのできる冷媒流量測定方法及び空気調和装置を提供する。【解決手段】冷媒回路１１０内を流れる冷媒の流速、圧力及び温度をそれぞれ検出するとともに、検出した流速、圧力及び温度に基づいて較正式１４２から冷媒流速を較正し、較正された冷媒流速に基づいて冷媒の質量流量を算出するようにしたので、気液二相流の冷媒の質量流量を正確に算出することができる。従って、例えばコリオリ式の流量計のように大型で高価な装置を用いる必要がなく、空気調和装置の量産に用いる場合に極めて有利である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、蒸発器、凝縮器及び膨張手段を接続してなる冷媒回路を循環する冷媒の流量測定方法において、
冷媒回路内を流れる冷媒の流速、圧力及び温度をそれぞれ検出するとともに、検出した流速、圧力及び温度に基づいて所定の較正式から冷媒流速を較正し、
較正された冷媒流速に基づいて冷媒の質量流量を算出する
ことを特徴とする冷媒流量測定方法。
【請求項２】
前記冷媒回路内を流れる冷媒の圧力をダイヤフラム型の圧力センサで検出する
ことを特徴とする請求項１記載の冷媒流量測定方法。
【請求項３】
前記冷媒回路内を流れる冷媒の流速を熱線式の流速検出器で検出する
ことを特徴とする請求項１または２記載の冷媒流量測定方法。
【請求項４】
冷媒回路内を流れる冷媒の流速を複数回検出し、検出された各流速の平均値と冷媒の圧力及び温度に基づいて前記較正式を作成する
ことを特徴とする請求項１、２または３記載の冷媒流量測定方法。
【請求項５】
検出された冷媒の流速、圧力及び温度を記憶するとともに、
記憶した冷媒の流速、圧力及び温度と、新たに検出した冷媒の流速、圧力及び温度に基づいて前記較正式を作成する
ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の冷媒流量測定方法。
【請求項６】
冷媒の吐出容量を制御可能な圧縮機を蒸発器、凝縮器及び膨張手段に接続してなる冷媒回路を備えた空気調和装置において、
冷媒回路内を流れる冷媒の圧力を電気信号として出力する圧力検出手段と、
冷媒回路内を流れる冷媒の流速を電気信号として出力する流速検出手段と、
圧力検出手段及び流速検出手段から出力された電気信号と冷媒の温度に基づいて冷媒流速の較正式を作成する較正式作成手段と、
較正式作成手段により作成された較正式によって較正された冷媒流速に基づいて冷媒の質量流量を算出する冷媒流量算出手段と、
冷媒流量算出手段によって算出された冷媒の質量流量に応じて圧縮機における冷媒吐出容量を制御する吐出容量制御手段とを備えた
ことを特徴とする空気調和装置。
【請求項７】
前記圧力検出手段をダイヤフラム型の圧力センサで構成した
ことを特徴とする請求項６記載の空気調和装置。
【請求項８】
前記流速検出手段を熱線式の流速検出器で構成した
ことを特徴とする請求項６または７記載の空気調和装置。
【請求項９】
前記較正式作成手段を、流速検出手段から出力された電気信号を複数受信するとともに、各電気信号の平均値と圧力検出手段から出力された電気信号及び冷媒の温度に基づいて較正式を作成するように構成した
ことを特徴とする請求項６、７または８記載の空気調和装置。
【請求項１０】
前記圧力検出手段及び流速検出手段から出力された電気信号と冷媒の温度とを記憶する記憶手段を備え、
前記較正式作成手段を、記憶手段に記憶された情報と、圧力検出手段及び流速検出手段から出力された電気信号と冷媒の温度に基づいて冷媒流速の較正式を作成するように構成した
ことを特徴とする請求項６、７、８または９記載の空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として自動車等の車両に搭載された冷媒回路における冷媒流量測定方法及びその方法を用いた空気調和装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の空気調和装置としては、冷媒の吐出容量を制御可能な圧縮機を蒸発器、凝縮器及び膨張手段に接続してなる冷媒回路と、圧縮機における冷媒循環量を検出して電気信号に変換した流量検出信号を出力する熱線式流量検出手段と、検出した冷媒流量に応じて圧縮機における冷媒の吐出容量を制御する吐出容量制御手段とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この空気調和装置では、冷媒が気体のみの状態である場合には適切な制御を行うことが可能である。しかしながら、冷媒回路内には冷媒の他に圧縮機の潤滑油等が混入することがあり、例えば潤滑油が熱線式流量検出手段の流量検出部に付着した場合に正確な冷媒の流量を測定することが困難であるという問題があった。また、冷媒は液体と気体とが混合した気液二相流の状態で冷媒回路を循環するので、潤滑油等が混入しない場合でも液体を含む冷媒の流量を正確に測定することが困難であるという問題もあった。
【０００４】
そこで、冷媒が気液二相流となる場合でも正確に流量を計測することが可能なコリオリ式の流量計を用いることも考えられていた。
【特許文献１】特開２００４−４４５７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、コリオリ式の流量計を用いる場合には、流量計が大型且つ高価であるため空気調和装置の量産に適さないという問題があった。さらに、コリオリ式の流量計は、冷媒の循環によって生じる振動を利用して測定を行うので、外部の振動により受ける影響が大きく、車両に搭載する空気調和装置において正確に冷媒の流量を測定するのが困難であるという問題もあった。
【０００６】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、気液二相流となる冷媒の質量流量を簡単な構成により正確に測定することのできる冷媒流量測定方法及び空気調和装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記目的を達成するために、圧縮機、蒸発器、凝縮器及び膨張手段を接続してなる冷媒回路を循環する冷媒の流量測定方法において、冷媒回路内を流れる冷媒の流速、圧力及び温度をそれぞれ検出するとともに、検出した流速、圧力及び温度に基づいて所定の較正式を用いて冷媒流速を較正し、較正された冷媒流速に基づいて冷媒の質量流量を算出する。
【０００８】
これにより、冷媒の温度と冷媒に含まれる液体の量に応じて変化する冷媒の圧力に基づいて冷媒の流速が較正され、較正された流速から冷媒の質量流量が算出されるから、気液二相流の冷媒の質量流量を簡単な構成により正確に算出することができる。
【０００９】
また、本発明は、冷媒の吐出容量を制御可能な圧縮機を蒸発器、凝縮器及び膨張手段に接続してなる冷媒回路を備えた空気調和装置において、冷媒回路内を流れる冷媒の圧力を電気信号として出力する圧力検出手段と、冷媒回路内を流れる冷媒の流速を電気信号として出力する流速検出手段と、圧力検出手段及び流速検出手段から出力された電気信号と冷媒の温度に基づいて冷媒流速の較正式を作成する較正式作成手段と、較正式作成手段により作成された較正式によって較正された冷媒流速に基づいて冷媒の質量流量を算出する冷媒流量算出手段と、冷媒流量算出手段によって算出された冷媒の質量流量に応じて圧縮機における冷媒吐出容量を制御する吐出容量制御手段とを備えている。
【００１０】
これにより、冷媒の温度と冷媒に含まれる液体の量に応じて変化する冷媒の圧力に基づいて冷媒の流速が較正され、較正された流速から冷媒の質量流量が算出されるから、気液二相流の冷媒の質量流量を簡単な構成で正確に算出することができるとともに、気液二相流の冷媒の質量流量に基づいて圧縮機を制御することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の冷媒流量測定方法によれば、気液二相流の冷媒の質量流量を正確に算出することができるので、例えばコリオリ式の流量計のように大型で高価な装置を用いる必要がなく、空気調和装置の量産に用いる場合に極めて有利である。
【００１２】
また、本発明の空気調和装置によれば、気液二相流の冷媒の質量流量を正確に算出することができるので、例えばコリオリ式の流量計のように大型で高価な装置を用いる必要がなく、量産に極めて有利である。さらに、算出した冷媒の質量流量に基づいて圧縮機を制御することができるので、冷媒回路を流れる冷媒の量を最適化することが可能となり、空気調和装置の省エネルギー化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１乃至図５は本発明の一実施形態を示すもので、図１は空気調和装置の機能ブロック図、図２は冷媒回路の機能ブロック図、図３は流量検出部の構成を示す図、図４は計測情報のデータ構造の一例を示す図、図５は冷媒流量の測定方法を示すフローチャートである。
【００１４】
この空気調和装置１０は、冷凍サイクルを構成する冷媒回路１１０と、冷媒の流量を検出する流量検出部１２０と、各種の外部情報を検出する外部情報検出部１３０と、各種情報を記憶する記憶部１４０と、流量検出部１２０によって検出された冷媒の流量または外部情報検出部１３０によって検出された外部情報に基づいて冷媒回路１１０の制御を行う制御部１５０とを備えている。
【００１５】
冷媒回路１１０は、圧縮機１１１、凝縮器１１２、膨張弁１１３及び蒸発器１１４を備え、これらは冷媒流通用の配管１１５によって接続されている。また、蒸発器１１４と圧縮機１１１との間には、配管１１５内を流通する冷媒の流量を検出する流量検出部１２０が設けられている。図２に示すように、圧縮機１１１の吐出側は凝縮器１１２の吸入側に接続され、凝縮器１１２の吐出側は膨張弁１１３の吸入側に接続されている。さらに、膨張弁１１３の吐出側は蒸発器１１４の吸入側に接続され、蒸発器１１４の吐出側は流量検出部１２０を介して圧縮機２１の吸入側に接続されている。また、圧縮機１１１の吐出側には、開閉することにより冷媒の吐出量の制御を行うコントロールバルブ１１１ａが設けられており、コントロールバルブ１１１ａの開閉は後述の制御部１５０によって制御される。さらに、圧縮機１１１には、エンジン１６０からの動力伝達用のプーリ１６１が接続されている。
【００１６】
流量検出部１２０は、図３に示すように、配管１１５内に設けられた熱線式の流速検出器１２１と圧力センサ１２２と温度センサ１２３とから構成されている。流速検出器１２１には１本の抵抗線が設けられており、この抵抗線は電流を流すことにより発生するジュール熱で加熱され、一定温度に保たれる。冷媒の流速は、加熱された抵抗線から冷媒によって奪われた熱量に基づいて求められ、冷媒の流速Ｖと熱量との関係は、ａ，ｂを定数とし、加熱された抵抗線の電流、電圧及び抵抗値をそれぞれＩ，Ｅ，Ｒ、初期設定温度をＴ、冷媒の温度をＴａとした場合に、ＩＲ＝Ｅ／Ｒ＝（ａ＋ｂ／Ｖ）（Ｔ−Ｔａ）と表される。また、流量検出部１２０は、加熱された抵抗線の温度が一定となるように電流Ｉを制御するとともに検出された抵抗線の電圧Ｅを制御部１５０に出力する。
【００１７】
圧力センサ１２２は、ステンレスからなるダイヤフラム１２２ａと歪みゲージ１２２ｂとから構成されており、配管１１５の壁部１１５ａ内に設けられている。歪みゲージ１２２ｂは、配管１１５内を通過する冷媒によって押圧されたダイヤフラム１２２ａを介して歪み、歪み量に応じた電圧を制御部１５０に出力する。なお、配管１１５内に絞り部を設け、絞り部によって生じた差圧に基づいて冷媒の圧力を検出してもよい。また、温度センサ１２３は配管１１５内に設けられており、冷媒の温度に応じた電圧を制御部１５０に出力する。
【００１８】
外部情報検出部１３０には、車速を電流等の電気信号として出力する車速センサ１３１と、エンジンの回転数を電流等の電気信号として出力するエンジン回転数センサ１３２と、エンジンの吸気管に設けられたスロットル弁の開度を電流等の電気信号として出力するスロットルセンサ１３３とが設けられており、これらは車両の運転状況に関する情報を制御部１５０に出力するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１３４に接続されている。また、外部情報検出部１３０には、空気調和装置１０のＯＮ／ＯＦＦ信号を出力するＡ／Ｃスイッチ１３５と、空気の設定温度を出力する温度設定器１３６と、冷媒回路１１０の蒸発器１１４によって冷却された空気の温度を検出する温度センサ１３７とが設けられており、これらは制御部１５０に接続されている。
【００１９】
記憶部１４０は、ＥＥＰＲＯＭ等の書き換え可能な記憶素子であり、図４に示すように、冷媒の圧力、温度、流速及び流速検出器１２１から出力された電圧の測定値からなる測定情報１４１と冷媒の流速を較正する較正式１４２が記憶されている。なお、較正式１４２の内容については後述する。また、記憶部１４０には、配管１１５の断面積と、冷媒の圧力に対応した冷媒の密度とが予め記憶されている。
【００２０】
制御部１５０はＣＰＵ等を備え、流速検出部１２１によって検出された冷媒の流速、圧力センサ１２２によって検出された冷媒の圧力及び温度センサ１２３によって検出された冷媒の温度に基づいて較正式１４２を作成するとともに、較正式１４２に基づいて冷媒の質量流量を算出し、算出した冷媒の質量流量に基づいてコントロールバルブ１１１ａの開閉を制御する。また、制御部１５０は、外部情報検出部１３０から出力された各種情報に基づいて圧縮機１１１のコントロールバルブ１１１ａの開閉を制御する。
【００２１】
以上のように構成された空気調和装置において、冷媒の質量流量を測定する方法について図５のフローチャートを参照して説明する。まず、制御部１５０は、予め記憶部１４０の計測情報１４１に記憶された冷媒の圧力、温度、流速及び流速検出部１２１の出力電圧を読み出し、重回帰分析を行うことにより冷媒の流速を較正する較正式１４２を求める。冷媒の流速Ｖ（単位をｍ／ｓとする）の較正式１４２は、α，β，γを定数とし、Ｐを圧力センサ１２２によって検出された圧力（単位をＭＰａとする）、Ｔを冷媒の温度（単位をＫとする）、Ｅを流速検出器１２１から出力された電圧（単位をＶとする）とした場合に、以下の式（１）で表される。制御部１５０は、求められた較正式１４２を記憶部１４０に記憶する。
【００２２】
Ｖ＝α×Ｐ＋β×Ｔ＋γ×Ｅ  …（１）
次に、制御部１５０は、圧力センサ１２２から出力された電圧と圧力センサ１２２の出力特性に基づいて冷媒の圧力値を求めるとともに（ステップＳ１）、流速検出器１２１から出力された電圧を受信する（ステップＳ２）。なお、制御部１５０は、流速検出器１２１から出力電圧を複数回（例えば、０．００１秒間隔で１００回）受信して、各出力電圧の平均値を求める。これにより、例えば流速検出器１２１の加熱された抵抗線に油等が一時的に付着した場合に、流速検出器１２１から出力された異常値に基づいて冷媒の流速が較正されることを防止することができる。また、制御部１５０は、温度センサ１２３から受信した出力電圧と温度センサ１２３の出力特性に基づいて冷媒の温度を求める（ステップＳ３）。
【００２３】
次いで、制御部１５０は、冷媒の圧力、温度及び流速検出器１２１の出力電圧を記憶部に記憶された較正式１４２に代入して演算を行うことにより、較正した冷媒流速を算出する（ステップＳ４）。
【００２４】
次に、制御部１５０は、較正式１４２によって較正された流速に記憶部１４０に記憶された配管１１５の断面積を掛けることにより、冷媒の体積流量を算出する（ステップＳ５）。そして、制御部１５０は、算出された体積流量に冷媒の密度を掛けることにより冷媒の質量流量を算出する（ステップＳ６）。具体的には、制御部１５０は、記憶部１４０に記憶された冷媒の密度のうち圧力センサ１２２によって検出された圧力に対応する密度を抽出し、抽出した密度を体積流量に掛ける。
【００２５】
これにより、較正された冷媒の流速に基づく質量流量が求められ、制御部１５０は、求められた冷媒の質量流量に応じてコントロールバルブ１１１ａの開閉を制御することが可能となる。
【００２６】
なお、制御部１５０は、上記ステップＳ４の後にステップＳ１乃至Ｓ４で求めた冷媒の圧力、温度、流速検出器１２１の出力電圧及び較正した冷媒の流速を記憶部１４０の計測情報１４１に追記する。さらに、制御部１５０は、計測情報１４１に記録された情報に基づいて重回帰分析により較正式１４２を新たに作成して、記憶部１４０の較正式１４２を更新する。
【００２７】
このように、本実施形態の冷媒流量測定方法によれば、冷媒回路１１０内を流れる冷媒の流速、圧力及び温度をそれぞれ検出するとともに、検出した流速、圧力及び温度に基づいて較正式１４２から冷媒流速を較正し、較正された冷媒流速に基づいて冷媒の質量流量を算出するようにしたので、気液二相流の冷媒の質量流量を正確に算出することができる。従って、コリオリ式の流量計のように大型で高価な装置を用いる必要がなく、空気調和装置の量産に用いる場合に極めて有利である。
【００２８】
さらに、冷媒回路１１０内を流れる冷媒の圧力をダイヤフラム型の圧力センサ１２２で検出するようにしたので、配管１１５内を通過する冷媒の圧力をダイヤフラム１２２ａを介して検出することができ、冷媒の循環効率の低下を防止することができる。
【００２９】
さらに、冷媒回路１１０内を流れる冷媒の流速を熱線式の流速検出器１２１で検出するようにしたので、１本の抵抗線により冷媒の流速を検出することができ、冷媒の流量を測定する装置の小型化が実現可能となる。
【００３０】
さらに、冷媒回路１１０内を流れる冷媒の流速を複数回検出し、検出された各流速の平均値と冷媒の圧力及び温度に基づいて冷媒流速を較正する較正式１４２を作成するようにしたので、例えば冷媒回路内を流れる油滴が流速検出器１２１の抵抗線に一時的に付着した場合でも、異常な出力電圧に基づいて流速を較正することを防止でき、常に正確な流量を測定することが可能となる。
【００３１】
さらに、検出された冷媒の流速、圧力及び温度を記憶するとともに、記憶した冷媒の流速、圧力及び温度と、新たに検出した冷媒の流速、圧力及び温度に基づいて冷媒流速を較正する較正式１４２を作成するようにしたので、冷媒の流速、圧力及び温度を検出した回数に応じて較正式１４２を更新することができ、冷媒の質量流量の測定精度が向上する。
【００３２】
また、本実施形態の空気調和装置によれば、冷媒回路１１０内を流れる冷媒の圧力を電気信号として出力する圧力センサ１２２と、冷媒回路１１０内を流れる冷媒の流速を電気信号として出力する流速検出器１２１と、制御部１５０とを備え、制御部１５０を圧力センサ１２２及び流速検出器１２１から出力された電気信号と冷媒の温度に基づいて冷媒流速の較正式を作成するとともに、較正式によって較正された冷媒流速に基づいて冷媒の質量流量を算出し、算出された冷媒の質量流量に応じて圧縮機１１１のコントロールバルブ１１１ａを制御するように構成したので、気液二相流の冷媒の質量流量を簡単な構成で正確に算出することができるとともに、気液二相流の冷媒の質量流量に基づいて圧縮機を制御することができる。従って、例えばコリオリ式の流量計のように大型で高価な装置を用いる必要がなく、量産に極めて有利であるとともに、冷媒回路１１０を流れる冷媒の量を最適化することが可能となり、空気調和装置の省エネルギー化を図ることができる。
【００３３】
さらに、ダイヤフラム型の圧力センサ１２２を設けたので、配管１１５内を通過する冷媒の圧力をダイヤフラム１２２ａを介して検出することができ、冷媒の循環効率の低下を防止することができる。
【００３４】
さらに、熱線式の流速検出器１２１を設けたので、１本の抵抗線により冷媒の流速を検出することができ、流量検出部１２０を小型化することが可能となる。
【００３５】
さらに、制御部１５０を、流速検出器１２１から出力された電気信号を複数受信するとともに、各電気信号の平均値と圧力センサ１２２から出力された電気信号及び冷媒の温度に基づいて較正式を作成するように構成したので、例えば冷媒回路内を流れる油滴が流速検出器１２１の抵抗線に一時的に付着した場合でも、異常な出力電圧に基づいて流速を較正することを防止でき、常に正確な流量を測定することが可能となる。
【００３６】
さらに、圧力センサ１２２及び流速検出部１２１から出力された電気信号と冷媒の温度とを記憶する記憶部１４０を備え、制御部１５０を、記憶部１４０に記憶された計測情報１４１と、圧力センサ１２２及び流速検出部１２１から出力された電気信号と冷媒の温度に基づいて冷媒流速の較正式１４２を作成するように構成したので、冷媒の流速、圧力及び温度を検出した回数に応じて較正式１４２を更新することができ、冷媒の質量流量の測定精度が向上する。
【００３７】
なお、上記実施形態では主として車両に搭載される冷媒回路について説明したが、ショーケースや自動販売機の冷媒回路に適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態を示す空気調和装置のブロック図
【図２】冷媒回路のブロック図
【図３】流量検出部の構成を示す図
【図４】計測情報のデータ構造の一例を示す図
【図５】冷媒流量の測定方法を示すフローチャート
【符号の説明】
【００３９】
１０…空気調和装置、１１０…冷媒回路、１１１…圧縮機、１１２…凝縮器、１１３…膨張弁、１１４…蒸発器、１２１…流速検出器、１２２…圧力センサ、１４０…記憶部、１４２…較正式、１５０…制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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