(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、動作点に依存して超臨界範囲内で作動しうる冷媒とを有する空調装置または熱ポンプ装置の冷媒回路内の冷媒充填量を監視する方法であって、
少なくとも圧縮機スイッチオフ時の停止充填量監視を行い、その際、冷媒の圧力（ｐKM）および温度（ＴKM）の両方が検出され、検出された冷媒圧力が温度にかかわりなく、所定の最低圧力値（ｐmin）以下であるかどうか、または、検出された冷媒温度が所定の最高飽和温度値（ＴS）以上であるかどうか、かつ、検出された冷媒圧力が所定の目標圧力範囲（ｐu、ｐo）外であるかどうかが、それぞれ判定され、各場合に不適切な充填であると示されることを特徴とする方法。
【請求項２】
目標圧力範囲が下方では温度に依存した所定の下側圧力限界値（ｐu）によって限定され、および／または、上方では温度に依存した所定の上側圧力限界値（ｐo）によって限定されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
圧縮機スイッチオン時の運転充填量監視のときに、装置の蒸発器での冷媒過熱（ｄＴｕ）を検出し、検出された過熱（ｄＴｕ）が所定の限界値（ｄＴｕG）以上であるかどうかが判定され、不適切な充填であると示されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
装置が炭酸ガスを冷媒として利用する空調装置であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項５】
蒸発器出口側で測定された冷媒温度（ＴKVA）と蒸発器入口側で測定された冷媒温度（ＴKVE）との差を使用して、または媒体の冷却を目的に蒸発器を経由する媒体の蒸発器出口側で測定された温度（ＴLVA）と蒸発器入口側で測定された冷媒温度（ＴKVE）との間の差を使用して、蒸発器での冷媒過熱（ｄＴｕ）が検出されることを特徴とする、請求項４記載の方法。
【請求項６】
空調装置が自動車の空調装置であることを特徴とする、請求項４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機と動作点に依存して超臨界範囲内で作動する冷媒とを有する空調装置または熱ポンプ装置の冷媒回路内の冷媒充填量を監視する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
動作点に依存して超臨界範囲内で作動する冷媒とは、可能な装置運転状態の少なくとも一部の間超臨界範囲内にあり、こうしてその場合ガス冷却器として機能する“凝縮器”から蒸発器に至る冷媒回路の一部でも気体状態で存在する冷媒のことである。この方法は、ますます自動車内で利用される炭酸ガス空調装置内で炭酸ガス充填量を監視するのに特に適している。この方法は停止充填量監視、すなわち圧縮機スイッチオフ時の充填量監視および／または運転充填量監視、すなわち圧縮機スイッチオン時の充填量監視を含む。
【０００３】
米国特許公報４．７４５．７６５に述べられている運転充填量監視では、蒸発器出口での過熱冷媒の測定された温度と周囲温度とに基づいて不足充填の可能性が推論される。
【０００４】
米国特許公報５．４８１．８８４に述べられている方法は停止充填量監視も運転充填量監視も含む。このため、そこで検討された空調装置または熱ポンプ装置の停止時、圧縮機吸込側の冷媒圧力と周囲温度が測定される。測定された周囲温度について付属の飽和圧力が算出されて基準圧力として利用され、測定された冷媒圧力がこの基準圧力と比較される。測定された圧力が基準圧力に比べて低すぎる場合、不足充填が推論される。継続的装置運転時、圧縮機吸込側で冷媒の温度と圧力が測定される。測定された圧力について付属の飽和温度が算出されて基準温度として利用され、測定された冷媒温度がこの基準温度と比較される。測定された温度が基準温度より過度に上であると、不足充填が推論される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
空調装置または熱ポンプ装置の冷媒回路内で動作点に依存して超臨界範囲内で作動する冷媒の誤充填、すなわち不足充填および／または過剰充填、の確実な検知を比較的僅かな支出で可能とする、発明の属する技術分野に指摘した種類の冷媒充填量を監視するための新規な方法を提供することが技術的課題として本発明の根底にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、この課題を、請求項１の特徴を有する冷媒充填量監視方法を提供することによって解決する。
【０００７】
請求項１の方法は特に装置停止時の充填量監視を含み、冷媒の圧力と温度が検出される。一方で、検出された冷媒圧力が好適に設定することのできる最低圧力値以下であると、誤充填が推論される。その場合、不足充填、すなわち過度に少ない充填量が存在する。測定された冷媒温度が設定可能な最高飽和温度値より上で、かつ測定された冷媒圧力が設定可能な目標圧力範囲外であるときにも、誤充填は推論される。目標圧力範囲を下まわるか上まわるかのいずれが検知されるのかに応じて、不足充填または過剰充填、すなわち過度に少ない充填量または過度に高い充填量が推論される。その際、冷媒温度が最高飽和温度よりも上のとき圧力は温度一定時充填量の低下に伴って減少し、もしくは充填量の増加に伴って増加するとの事実が利用される。
【０００８】
この停止充填量監視の１構成において請求項２によれば、温度に依存して設定可能な上側圧力限界値および／または温度に依存して設定可能な下側圧力限界値を利用して目標圧力範囲が確定される。これは、充填量一定のとき温度上昇に伴って圧力が増加する事実を考慮したものである。
【０００９】
特に継続的装置運転時の充填量監視を含み、詳細には、蒸発器での冷媒過熱が算出され、すなわち蒸発器を経由する冷媒の温度上昇が算出され、過熱が設定可能な最大値を上まわるとき、不足充填が推論されうる。
【００１０】
この運転充填量監視の１構成において請求項５によれば、蒸発器入口と蒸発器出口とで冷媒温度の測定と差形成とによって直接に、または蒸発器入口側冷媒温度と蒸発器によって冷却される例えば空気流等の媒体の蒸発器出口側温度とを利用して間接的に、冷媒過熱は算出される。後者は蒸発器出口側冷媒温度の直接的測定に比べて計測学上の簡素化をもたらすことができる。
【００１１】
本発明の有利な実施形態が図面に示してある。以下にそれを説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１が空調装置構成要素を概略示しており、この空調装置は炭酸ガスを冷媒として作動し、例えば自動車内に配備することができる。空調装置が含む冷媒回路が圧縮機１を備えており、圧縮機の後段に高圧側でガス冷却器２が設けられている。ガス冷却器の後段に膨張部材３が設けられており、これに蒸発器４が続いている。冷媒、すなわち炭酸ガスは受液器５を介して再び圧縮機１に達する。
冷却されるべき空気流７は蒸発器４を経由して例えば自動車の車室内に吹き込まれる。ガス冷却器２はそこを経由する空気流１５によって冷やされる。
【００１３】
従来の、それゆえにここで詳しくは示さない仕方で空調装置制御ユニット６が空調装置の運転を制御する。付加的に制御装置は付属の検出手段と一緒に炭酸ガス充填量の監視を行う。以下でその点に詳しく言及する。
【００１４】
このために設けられる検出手段は蒸発器４の入口側の第１冷媒温度センサ１０と蒸発器４の空気出口側の空気温度センサ１１とを含む。選択的に、図１に破線で示唆したように、ガス冷却器２の出口側に配置される第２冷媒温度センサ８および／または例えば圧縮機１とガス冷却器２との間に配置される冷媒圧力センサ９を設けておくことができる。
【００１５】
空気温度センサ１１の代わりに、図１に破線で示唆したように、第３冷媒温度センサ１２を蒸発器４の出口側に設けておくことができる。さらに、第２冷媒温度センサ８の代わりに空気温度センサ１３をガス冷却器２の空気入口側に設け、または周囲空気温度センサ１４を設けておくことができ、そのことが図１にそれぞれ破線で示唆されている。このような空気温度センサ１３、１４はしばしば別の目的のために元々設けられているので、これは場合によっては、達成可能な精度が冷媒温度推定に十分であるなら、ガス冷却器出口側の冷媒温度センサ８を不要とすることができる。
【００１６】
空調装置制御ユニット６は上記センサから付属の測定信号を受信し、停止時および継続的装置運転時に炭酸ガス充填量監視に適したように測定信号を評価する。図２は付属の充填量監視方法を流れ図として概略示す。
【００１７】
図２からわかるように、本方法によれば、装置が運転中かまたは停止中か、すなわち圧縮機１がスイッチオンかまたはスイッチオフかが、制御ユニット６によってまず確認される（ステップ２０）。装置が運転中のとき、制御ユニット６は付属の温度センサ１０、１１を介して蒸発器入口側の冷媒温度ＴKVEと、蒸発器４の空気出口側で蒸発器４を経由する空気流７の温度ＴLVEを検出する（ステップ２１）。それらから制御ユニット６は蒸発器４での過熱ｄＴｕを式
ｄＴｕ＝ＴKVA−ＴKVE＝Ｆ・（ＴLVA−ＴKVE）
に基づいて算出し、ここにＴKVAは蒸発器出口側の冷媒温度、Ｆは比例ゲインを表す（ステップ２２）。選択的冷媒温度センサ１２がそこに設けられている場合、蒸発器出口側の冷媒温度ＴKVAはこのセンサで直接測定することができ、次に蒸発器４での過熱ｄＴｕを算定するためにその定義式ｄＴｕ＝ＴKVA−ＴKVEを直接に利用することができる。選択的に、蒸発器４での過熱ｄＴｕが蒸発器４の空気出口温度ＴLVEと冷媒入口温度ＴKVEとの差に比例している事実を利用することができ、比例ゲインＦは蒸発器４を経由する空気量に依存し、従って図示しない付属する送風機の調整された性能に依存している。というのも、空気量は蒸発器４の空気側熱伝達に影響するからである。
【００１８】
蒸発器４での過熱ｄＴｕが一方または他方の仕方で算定されたのち、制御ユニット６は、算出された瞬時過熱ｄＴｕが例えば５Ｋの設定限界値ｄＴｕGよりも上であるかどうかを確認する（ステップ２３）。限界値よりも上である場合、不足充填が推論され、すなわち冷媒回路内の冷媒充填量が過度に少ないと推論され、制御ユニット６は相応する不足充填情報を出力する（ステップ２４）。
【００１９】
装置が停止中であるとき制御ユニット６は、例えば蒸発器の冷媒温度センサ１０または１２を介して冷媒温度ＴKMを検出し、また圧力センサ９を介して直接に、または例えば温度検出を介して間接的に、冷媒回路中の冷媒圧力ｐKMを検出する（ステップ２５）。冷媒温度を直接検出する代わりに、装置のセンサ装備に応じて、周囲空気温度センサ１４を介して測定される周囲空気温度、および／またはガス冷却器２の空気入口側で付属の空気温度センサ１３によって測定されるガス冷却器２を経由する空気流１５の温度、に基づいて冷媒温度の間接的算定を予定しておくことができる。センサ１４もしくはセンサ１５によって測定される空気温度は装置の停止時、特に装置の長期停止後、または装置のスイッチオフ以降に経過した時間を考慮して、冷媒温度の十分に正確な推定を可能とすることができる。
【００２０】
次に制御ユニット６は、検出された冷媒圧力ｐKMが例えば１５ｂａｒの設定可能な最低圧力ｐminよりも大きいかどうかを確認する（ステップ２６）。大きくない場合、これはやはり冷媒回路の不足充填と評価され、制御ユニット６が不足充填情報を出力する（ステップ２４）。
【００２１】
それに対して、測定された冷媒圧力ｐKMが最低圧力ｐminよりも上であると、制御ユニット６は次に、検出された冷媒温度ＴKMが設定された最高飽和温度ＴS よりも上であるかどうかを確認する（ステップ２７）。この最高飽和温度は冷媒回路中の冷媒の設定された目標密度もしくは最適密度によって決定されており、この密度は例えば約２５０ｋｇ／ｍ3であり、冷媒回路の内部容積、例えば約２ｄｍ3と希望する炭酸ガス目標量、例えば約５００ｇとから得られる。それと同時に、設定可能な目標密度に属する最高飽和圧力ｐSが確定している。
【００２２】
図３にはこれらの事情が炭酸ガス圧力−エンタルピー線図を基に示してある。
参考として飽和蒸気Ｌ１、飽和液Ｌ２の限界線と臨界温度Ｔkritの特性曲線が示してある。この臨界温度は、それより上では炭酸ガスがなお気体状態でのみ存在しうる限界温度である。さらに、２５０ｋｇ／ｍ3の仮定された最適密度Ｄoptの密度特性曲線が示してあり、これと飽和蒸気限界線Ｌ１との交点Ａはこの目標密度Ｄoptに属する最高飽和圧力ｐSと付属する最高飽和温度ＴSとを表す。
【００２３】
検出された冷媒温度ＴKMが設定された目標密度Ｄoptに属する最高飽和温度ＴSよりも高くない場合、炭酸ガスは２相共存領域の内部にある。この範囲内では充填量の低下もしくは上昇に伴って蒸気含有量が増加もしくは減少し、その際に冷媒の圧力と温度が一定に留まるので、得られた圧力・温度測定データから充填量を推論することはできず、これに関する断定は行われない。それに対して、検出された冷媒温度ＴKMが最高飽和温度ＴSよりも上であると、すなわち炭酸ガスが２相共存領域の外にあると、圧力は温度一定時に充填量の低下に伴って、従って密度Ｄの減少に伴って、図３の線図から明らかとなるように低下する。
【００２４】
この性質は、測定された炭酸ガス圧力ｐKMが下側限界値ｐuよりも小さいかどうかを制御ユニット６が確認することによって、この特殊な系状態において充填量監視に利用される。この下側限界値は設定された最低密度Ｄminに依存し、従って特定最低充填量に一致し、同時に実際の冷媒温度に依存しており、そのことが図３でｐOもしくはＤminについて付属の破線特性曲線で示してある（ステップ２８）。測定された冷媒圧力ｐKMが設定された下側圧力限界値ｐuを下まわると、これを制御ユニット６は不足充填と認識し、再び相応する不足充填情報を発生する（ステップ２４）。
【００２５】
測定された冷媒圧力ｐKMが、実際の冷媒温度ＴKMに属する下側圧力限界値ｐu （ＴKM）より上であると、制御ユニット６はさらに、それが設定可能な上側圧力限界値ｐOよりも上であるかどうかを確認し、この上側圧力限界値は設定可能な最高密度Ｄmaxに一致し（図３の付属の破線特性曲線参照）、従ってやはり実際の冷媒温度ＴKMに依存している（ステップ２９）。それよりも上である場合、過剰充填、すなわち充填量が過度に高いと推論され、制御ユニット６は相応する過剰充填情報を発生する（ステップ３０）。それに対して、上側圧力限界値よりも上ではない場合、冷媒圧力ｐKMは、例えば１５０ｋｇ／ｍ3の設定可能な最低密度Ｄminに相当する下側圧力限界値ｐuと例えば３５０ｋｇ／ｍ3の最高密度Ｄmaxに相当する上側圧力限界値ｐOとの間の許容可能範囲内にある。
【００２６】
有利な実施形態についての上記説明から明らかとなるように、本発明による方法は、空調装置または熱ポンプ装置の冷媒回路内を循環し動作点に依存して超臨界範囲内で作動する炭酸ガス等冷媒の確実な充填量監視を装置の停止時にも運転中にも行う。不足充填または過剰充填が検知されると、相応する警告情報が発生される。これはさまざまな幅広い措置に利用することができる。警告情報は例えばパイロットランプを介して視覚的に表示することができる。さらに、運転信頼性にとって危険な不足充填が継続運転中に確認されると、例えば付属するカップリングを外して圧縮機を切ることによって、またはカップリングなしの圧縮機の場合には短絡運転に切換えることによって、自動的系非活性化を行うことができる。
【００２７】
本発明による方法は、特に、自動車内で使用されるようないわゆる“オリフィス管”付き低圧受液器および／または高圧制御装置を備えた炭酸ガス空調装置にも適している。応用事例に応じて、添付された請求項で確定された本発明の範囲の内部で図示方法変種の変更が可能である。例えば、他の方法変種において停止充填量監視のみ、または運転充填量監視のみを実現しておくことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  炭酸ガス充填量監視に必要な手段を備えた炭酸ガス空調装置の略ブロック図である。
【図２】  図１の空調装置の充填時および継続運転時における炭酸ガス充填量監視の流れ図である。
【図３】  図２の冷媒充填量監視方法を具体的に示す炭酸ガス圧力−エンタルピュー線図を示す。
【符号の説明】
１  圧縮機
２  ガス冷却器
３  膨脹部
４  蒸発器
５  受液器
６  空調装置制御ユニット
７、１５  空気流
８  第２冷媒温度センサ
９  冷媒圧力センサ
１０  第１冷媒温度センサ
１１、１３  空気温度センサ
１２  第３冷媒温度センサ
１４  周囲空気温度センサ
１５  空気流、センサ
【図１】
0004071486.tif 000002
【図２】
0004071486.tif 000003
【図３】
0004071486.tif 000004