JP2010001746A - 可変容量圧縮機の容量制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】弁体が安定に動作し、可変容量圧縮機の吐出容量が安定に制御される可変容量圧縮機の容量制御システムを提供する。
【解決手段】可変容量圧縮機の容量制御システム(A)は、キャリア信号を利用してデューティ比決定手段(403)によって決定されたデューティ比のパルス信号を生成し、当該パルス信号をスイッチング素子(413)に供給する駆動手段(410)を備える。駆動手段(410)はキャリア周波数調整手段（415）を有し、キャリア周波数調整手段（415）は、デューティ比決定手段(403)で決定されたデューティ比が５０％を含む中間範囲内にあるときに、パルス信号の周波数を第１の周波数に調整し、デューティ比決定手段(403)で決定されたデューティ比が中間範囲外にあるときに、パルス信号の周波数を第１の周波数に比べて容量制御弁(200)の可動ユニットの固有振動数に近い第２の周波数に調整する。
【選択図】図４

Description

本発明は、空調システムの冷凍サイクルに適用される可変容量圧縮機の容量制御システムに関する。

空調システムの冷凍サイクルに適用される可変容量圧縮機のための容量制御システムは、容量制御弁の弁開度を制御することにより、可変容量圧縮機の容量を制御する。
例えば特許文献１に記載された可変容量圧縮機の制御方法は、可変容量圧縮機の吸入室の圧力（吸入圧力）を制御すべく、容量制御弁のソレノイドアセンブリのコイルへ印加される入力電圧のデューティ比を変更することを特徴としている。この方法によれば、デューティ比を変更することにより、容量制御弁の弁体に作用するソレノイドアセンブリの電磁力を変化させて吐出容量が制御される。具体的には、ソレノイドアセンブリの電磁力を変化させることにより容量制御弁の弁開度が変更され、クランク室への冷媒の導入量が調整される。この結果として、斜板の傾角が変化し、吐出容量が調整される。

入力電圧のデューティ比の変更は、パルス幅変調（ＰＷＭ方式）方式によって行うことができる。この場合、電源からコイルへの給電はスイッチング素子を通じて行われ、スイッチング素子のゲート端子にパルス信号が入力される。このパルス信号のパルス幅（時間幅）を調整することにより、デューティ比が変更される。パルス信号は、例えば三角波や鋸波等の一定周期又は周波数のキャリア信号を利用して生成される。デューティ比は、パルス幅をキャリア信号の周期で除した値である。

一方、特許文献２は、冷凍サイクルにおける冷媒の圧力差、例えば、冷凍サイクルの吐出圧力領域または吸入圧力領域における２点間の圧力差を検知して、可変容量圧縮機の吐出容量を制御する方法を開示している。
また、特許文献３は、可変容量圧縮機の吐出圧力と吸入圧力との圧力差を制御して、可変容量圧縮機の吐出容量を制御する方法を開示している。
特開平１０−２２８４号公報 特開２００１−１０７８５４号公報 特開２００１−１５３０４２号公報

特許文献１が開示する制御方法は、キャリア信号の周期がコイルのインダクタンスにより定まる時定数よりも長く、電流が不連続に流れる電流不連続モードを採用している（特許文献１の図５参照）。電流不連続モードであっても、コイルに対してダイオードを並列に接続した場合、コイルを流れる電流を平滑化することができる。しかしながら、その場合であっても、コイルを流れる電流は、ある程度の電流振幅をもって、キャリア周波数にて振動する。

一方、容量制御弁の可動ユニットは、例えば、可動コア（プランジャ）、ソレノイドロッド、弁体、感圧ロッド、ベローズ及びばねで構成され、可動ユニットは複数の支持部で支持されている。このため可動ユニットが静止してしまうと、可動ユニットと支持部との間の静摩擦力の影響が強くなり、コイルを流れる電流の変化が小さい場合、可動ユニットの弁体の動作が電流変化に追従できなくなる。ＰＷＭ方式によれば、コイルに供給される電流が電流振幅を持つため、可動ユニットに対して作用するソレノイドアセンブリの電磁力が常時変動し、可動ユニットも常時動作する。従って、可動ユニットと支持部との間には、静摩擦力よりも小さい動摩擦力しか作用せず、弁体が円滑に動作する。

また、可動ユニットの固有振動数は、キャリア周波数とほぼ同等に設定されており、コイルに電流が供給されている間、可動ユニットは共振状態にある。可動ユニットを共振状態に保つことは、特に電流振幅の小さい領域で弁体を円滑に動作させるのに有効である。
ここで、コイルを流れる電流の電流振幅はデューティ比に依存して変化し、電流振幅はデューティ比が５０％近傍のときに最も大きくなる。可動ユニットが共振状態にあるときに電流振幅が大きくなると、かえって吐出容量制御の安定性が損なわれる。

より詳しくは、電流振幅が大きくなると、弁体が開開方向に大きく動作する。そしてこれに伴い、クランク室への冷媒の導入量、言い換えれば、クランク室の圧力が大きく変動し、斜板の傾角が不安定になる場合がある。特に、弁開度が微小な領域では、弁体が弁座に対する当接及び弁座からの離間を繰り返すため、斜板が不安定な挙動を示す傾向が強くなる。

斜板の傾角が不安定になると可変容量圧縮機の容量が不安定になる。そしてこれに伴い、吸入圧力の制御安定性が悪化して車室内の温度制御精度が悪化する。また、可変容量圧縮機の駆動負荷も変動するため、エンジン制御に悪影響を与えることになる。
そしてこのような問題は、特許文献１の制御方法を用いた場合のみでなく、特許文献２又は特許文献３の制御方法においてＰＷＭ方式を採用した場合にも発生する。

本発明は上述した事情に基づいてなされたもので、その目的は、弁体が安定に動作し、吐出容量が安定に制御される可変容量圧縮機の容量制御システムを提供することにある。

上記の目的を達成するべく、本発明によれば、空調システムの冷凍サイクルを構成すべく冷媒が循環する循環路に放熱器、膨張器及び蒸発器とともに介挿される可変容量圧縮機に適用され、容量制御弁の弁開度を制御することにより前記可変容量圧縮機の容量を制御する可変容量圧縮機の容量制御システムにおいて、前記容量制御弁のソレノイドアセンブリのコイルと電気的に並列に接続されたダイオードと、前記容量制御弁のソレノイドアセンブリのコイルと電気的に直列に接続され、自身に入力されるパルス信号に基づいて電源から前記コイルへの給電を許容するスイッチング素子と、前記パルス信号のデューティ比を決定するデューティ比決定手段と、キャリア信号を利用して前記デューティ比決定手段によって決定されたデューティ比のパルス信号を生成し、当該パルス信号を前記スイッチング素子に供給する駆動手段とを備え、前記駆動手段はキャリア周波数調整手段を有し、前記キャリア周波数調整手段は、前記デューティ比決定手段で決定されたデューティ比が５０％を含む中間範囲内にあるときに、前記パルス信号の周波数を第１の周波数に調整し、前記デューティ比決定手段で決定されたデューティ比が前記中間範囲外にあるときに、前記パルス信号の周波数を前記第１の周波数に比べて前記容量制御弁の可動ユニットの固有振動数に近い第２の周波数に調整することを特徴とする可変容量圧縮機の容量制御システムが提供される（請求項１）。

好ましくは、前記第１の周波数は、前記デューティ比決定手段で決定されたデューティ比に基づいて変化する（請求項２）。
好ましくは、デューティ比が連続的に変化するのに伴って前記キャリア信号の周波数を前記第１の周波数及び第２の周波数のうち一方から他方に調整するときに前記キャリア信号の周波数が連続的に変化するように、前記第１の周波数は前記デューティ比決定手段で決定されたデューティ比に基づいて変化する（請求項３）。

好ましくは、前記中間範囲の下限値及び前記上限値は、前記デューティ比が増大方向に変化する場合と減少方向に変化する場合とでそれぞれ異なる（請求項４）。
好ましくは、前記容量制御弁は、前記冷凍サイクルの吸入圧力領域の圧力に応答して動作する（請求項５）。
好ましくは、前記容量制御弁は、前記冷凍サイクルの吐出圧力領域の２つの圧力監視点間の圧力差に応答して動作する（請求項６）。

好ましくは、前記容量制御弁は、前記冷凍サイクルの吐出圧力領域の圧力と吸入圧力領域の圧力との圧力差に応答して動作する（請求項７）。

本発明の請求項１の可変容量圧縮機の容量制御システムによれば、キャリア周波数調整手段がデューティ比決定手段で決定されたデューティ比に応じてキャリア信号を調整することで、弁体の動作が安定になり、吐出容量の制御が安定する。
具体的には、デューティ比が５０％を含む中間範囲内にあるときに、キャリア信号の周波数が、第２の周波数に比べて容量制御弁の固有振動数から離れた第１の周波数に調整される。これにより、容量制御弁の可動ユニットがキャリア信号の周波数で共振しなくなり、コイルに供給される電流の振幅が大きくても、弁体が過剰に動作することが防止される。

一方、この容量制御システムでは、デューティ比が中間範囲外にあるとき、キャリア信号の周波数が容量制御弁の固有振動数により近い第２の周波数に調整される。これにより、可動ユニットは共振し、コイルに供給される電流の振幅が小さくても、弁体は確実に動作する。
これらの結果として、この容量制御システムによれば、弁体の動作が確実に安定になり、吐出容量の制御が安定する。

請求項２の可変容量圧縮機の容量制御システムによれば、第１の周波数は、前記デューティ比決定手段で決定されたデューティ比に基づいて変化することで、弁体の動作がより確実に安定になり、吐出容量の制御が安定する。
請求項３の可変容量圧縮機の容量制御システムによれば、第１の周波数と第２の周波数との間でキャリア周波数を切り替える際に、弁体は共振状態と非共振状態との中間状態を経るため、弁体の動作が急激に変化することが抑制される。この結果として、この容量制御システムによれば、弁体の動作がより確実に安定になり、吐出容量の制御が安定する。

請求項４の可変容量圧縮機の容量制御システムによれば、デューティ比の変化の方向に基づいて中間範囲の上限値及び下限値がそれぞれ設定されるため、弁体の動作が確実に安定になり、吐出容量の制御が安定する。
請求項５の可変容量圧縮機の容量制御システムによれば、弁体の動作が安定になることで吸入圧力が安定に制御され、結果として吐出容量の制御が安定する。

請求項６の可変容量圧縮機の容量制御システムによれば、弁体の動作が安定になることで吐出圧力領域の圧力監視点間の圧力差が安定に制御され、結果として吐出容量の制御が安定する。
請求項７の可変容量圧縮機の容量制御システムによれば、弁体の動作が安定になることで吐出圧力領域と吸入圧力領域との圧力差が安定に制御され、結果として吐出容量の制御が安定する。

以下、本発明の第１実施形態の可変容量圧縮機の容量制御システムＡについて説明する。
図１は、容量制御システムＡが適用された車両用空調システムの冷凍サイクル１０を示し、冷凍サイクル１０は、作動流体としての冷媒が循環する循環路１２を備える。循環路１２には、冷媒の流動方向でみて、圧縮機１００、放熱器（凝縮器又はガスクーラ）１４、膨張器１６及び蒸発器１８が順次介挿され、圧縮機１００が作動すると、圧縮機１００の吐出容量に応じて循環路１２を冷媒が循環する。

すなわち、圧縮機１００は、冷媒の吸入工程、吸入した冷媒の圧縮工程及び圧縮した冷媒の吐出工程からなる一連のプロセスを行う。
放熱器１４は、圧縮機１００から吐出された冷媒を冷却する機能を有し、冷却された冷媒は、膨張器１６を通過することによって膨張させられる。膨張した冷媒は蒸発器１８内で気化し、気化した冷媒は圧縮機１００に吸入される。

蒸発器１８は、車両用空調システムの空気回路の一部も構成しており、蒸発器１８を通過する空気流は、蒸発器１８内の冷媒によって気化熱を奪われることによって冷却される。気化した冷媒は、蒸発器１８の出口において過熱度を有するが、過熱度は膨張器１６によって所定値に略保たれる。
容量制御システムＡが適用される圧縮機１００は可変容量圧縮機であり、例えば斜板式のクラッチレス圧縮機である。圧縮機１００はシリンダーブロック１０１を備え、シリンダーブロック１０１には、複数のシリンダボア１０１ａが形成されている。シリンダーブロック１０１の一端にはフロントハウジング１０２が連結され、シリンダーブロック１０１の他端には、バルブプレート１０３を介してリアハウジング（シリンダヘッド）１０４が連結されている。

シリンダーブロック１０１及びフロントハウジング１０２はクランク室１０５を規定し、クランク室１０５内を縦断して駆動軸１０６が延びている。駆動軸１０６は、クランク室１０５内に配置された環状の斜板１０７を貫通し、斜板１０７は、駆動軸１０６に固定されたロータ１０８と連結部１０９を介してヒンジ結合されている。従って、斜板１０７は、駆動軸１０６に沿って移動しながら傾動可能である。

ロータ１０８と斜板１０７との間を延びる駆動軸１０６の部分には、斜板１０７を最小傾角に向けて付勢するコイルばね１１０が装着され、斜板１０７を挟んで反対側の部分、即ち斜板１０７とシリンダーブロック１０１との間を延びる駆動軸１０６の部分には、斜板１０７を最大傾角に向けて付勢するコイルばね１１１が装着されている。
駆動軸１０６は、フロントハウジング１０２の外側に突出したボス部１０２ａ内を貫通し、駆動軸１０６の外端には、動力伝達装置としてのプーリ１１２に連結されている。プーリ１１２は、ボール軸受１１３を介してボス部１０２ａによって回転自在に支持され、外部駆動源としてのエンジン１１４のプーリとの間にベルト１１５が架け回される。

ボス部１０２ａの内側には軸封装置１１６が配置され、フロントハウジング１０２の内部と外部とを遮断している。駆動軸１０６はラジアル方向及びスラスト方向にベアリング１１７，１１８，１１９，１２０によって回転自在に支持され、エンジン１１４からの動力がプーリ１１２に伝達され、プーリ１１２の回転と同期して回転可能である。
シリンダボア１０１ａ内にはピストン１３０が配置され、ピストン１３０には、クランク室１０５内に突出したテール部が一体に形成されている。テール部に形成された凹所１３０ａ内には一対のシュー１３２が配置され、シュー１３２は斜板１０７の外周部に対し挟み込むように摺接している。従って、シュー１３２を介して、ピストン１３０と斜板１０７とは互いに連動し、駆動軸１０６の回転によりピストン１３０がシリンダボア１０１ａ内を往復動する。

リアハウジング１０４の内部には、吸入室１４０及び吐出室１４２が区画形成され、吸入室１４０は、バルブプレート１０３に設けられた吸入孔１０３ａを介してシリンダボア１０１ａと連通可能である。吐出室１４２は、バルブプレート１０３に設けられた吐出孔１０３ｂを介してシリンダボア１０１ａと連通している。なお、吸入孔１０３ａ及び吐出孔１０３ｂは、図示しない吸入弁及び吐出弁によってそれぞれ開閉される。

シリンダーブロック１０１の外側にはマフラ１５０が設けられ、マフラケーシング１５２は、シリンダーブロック１０１に一体に形成されたマフラベース１０１ｂに図示しないシール部材を介して接合されている。マフラケーシング１５２及びマフラベース１０１ｂはマフラ空間１５４を規定し、マフラ空間１５４は、リアハウジング１０４、バルブプレート１０３及びマフラベース１０１ｂを貫通する吐出通路１５６を介して吐出室１４２と連通している。

マフラケーシング１５２には吐出ポート１５２ａが形成され、マフラ空間１５４には、吐出通路１５６と吐出ポート１５２ａとの間を遮るように逆止弁１７０が配置されている。具体的には、逆止弁１７０は、吐出通路１５６側の圧力とマフラ空間１５４側の圧力との圧力差に応じて開閉し、圧力差が所定値より小さい場合閉作動し、圧力差が所定値より大きい場合開作動する。

したがって吐出室１４２は、吐出通路１５６、マフラ空間１５４及び吐出ポート１５２ａを介して循環路１２の往路部分と連通可能であり、マフラ空間１５４は逆止弁１７０によって断続される。一方、吸入室１４０は、リアハウジング１０４に形成された吸入ポート１０４ａを介して循環路１２の復路部分と連通している。
リアハウジング１０４には、容量制御弁（電磁制御弁）２００が収容され、容量制御弁２００は給気通路１６０に介挿されている。給気通路１６０は、吐出室１４２とクランク室１０５との間を連通するようにリアハウジング１０４からバルブプレート１０３を経てシリンダーブロック１０１にまで亘っている。

一方、吸入室１４０は、クランク室１０５と抽気通路１６２を介して連通している。抽気通路１６２は、駆動軸１０６とベアリング１１９，１２０との隙間、空間１６４及びバルブプレート１０３に形成された固定オリフィス１０３ｃからなる。
また、吸入室１４０は、リアハウジング１０４に形成された感圧通路１６６を通じて、給気通路１６０とは独立して容量制御弁２００に接続されている。

より詳しくは、図２に示すように、容量制御弁２００は、バルブアセンブリとソレノイドアセンブリとからなる。バルブアセンブリは、円筒状の弁ハウジング２０２を有し、弁ハウジング２０２の内部には弁孔２０４が形成されている。弁孔２０４は、弁ハウジング２０２の軸線方向に延び、弁孔２０４の一端は出口ポート２０６に繋がっている。出口ポート２０６は、弁ハウジング２０２を径方向に貫通しており、弁孔２０４は出口ポート２０６及び給気通路１６０の下流側部分を介してクランク室１０５と連通している。

弁ハウジング２０２のソレノイドアセンブリ側には弁室２０８が区画され、弁孔２０４の他端は弁室２０８の端壁にて開口している。弁室２０８内には、円柱状の弁体２１０が収容され、弁体２１０は、弁室２０８内を弁ハウジング２０２の軸線方向に移動可能である。弁体２１０の一端が弁室２０８の端壁に当接することにより、弁体２１０は弁孔２０４を閉塞可能であり、弁室２０８の端壁は弁座として機能する。

また、弁ハウジング２０２には入口ポート２１２が形成され、入口ポート２１２も弁ハウジング２０２を径方向に貫通している。入口ポート２１２は、給気通路１６０の上流側部分を介して吐出室１４２と連通している。入口ポート２１２は、弁室２０８の周壁にて開口しており、入口ポート２１２、弁室２０８、弁孔２０４及び出口ポート２０６を通じて、吐出室１４２とクランク室１０５とは連通可能となっている。

更に、弁ハウジング２０２には、ソレノイドアセンブリと反対側に感圧室２１４が区画され、感圧室２１４の周壁には感圧ポート２１６が形成されている。感圧ポート２１６及び感圧通路１６６を通じて、感圧室２１４は吸入室１４０と連通している。また、感圧室２１４と弁孔２０４との間には軸方向孔２１８が設けられ、軸方向孔２１８は、弁孔２０４と同軸上を延びている。

弁体２１０の他端には、感圧ロッド２２０が一体且つ同軸に連結されている。感圧ロッド２２０は、弁孔２０４及び軸方向孔２１８内を延び、感圧ロッド２２０の先端部は、感圧室２１４内に突出している。感圧ロッド２２０は先端側に大径部を有しており、感圧ロッド２２０の大径部は、軸方向孔２１８の内周面によって摺動可能に支持されている。従って、感圧ロッド２２０の大径部によって、感圧室２１４と弁孔２０４との間の気密性が確保されている。

感圧室２１４の端壁は、弁ハウジング２０２の端部に圧入されたキャップ２２２により形成され、キャップ２２２は段付きの有底円筒状をなす。キャップ２２２の小径部には、支持部材２２４の筒部が摺動自在に嵌合され、キャップ２２２の底壁と支持部材２２４との間には強制開放ばね２２６が配置されている。
感圧室２１４内には感圧器２２８が収容され、感圧器２２８の一端が支持部材２２４に固定されている。従って、キャップ２２２は、支持部材２２４を介して感圧器２２８を支持している。

感圧器２２８はベローズ２３０を有し、ベローズ２３０は、弁ハウジング２０２の軸線方向に伸縮可能である。ベローズ２３０の両端はキャップ２３２，２３４によって気密に閉塞され、ベローズ２３０の内部は、真空状態（減圧状態）に保たれている。また、ベローズ２３０の内部には、圧縮コイルばね２３６が配置され、圧縮コイルばね２３６は、ベローズ２３０が伸張するように、キャップ２３２，２３４を相互に離間する方向に付勢している。

感圧器２２８のキャップ２３４は、アダプタ２３８を介して感圧ロッド２２０に当接可能であり、感圧室２１４内の圧力が低下して感圧器２２８が伸張した場合、感圧ロッド２２０を介して弁体２１０が開弁方向に付勢される。
なお、弁ハウジング２０２に対するキャップ２２２の圧入量は、容量制御弁２００が所定の動作をするように調整される。

一方、ソレノイドアセンブリは、弁ハウジング２０２に同軸的に連結された円筒状のソレノイドハウジング２４０を有し、ソレノイドハウジング２４０内には、同心上に円筒状の固定コア２４２が配置されている。固定コア２４２の一端部は、弁ハウジング２０２の端部に嵌合して弁室２０８を区画するとともに、弁体２１０を摺動自在に支持している。
固定コア２４２の中央部から他端部に亘る部分には、有底のスリーブ２４４が嵌合されている。スリーブ２４４の底壁と固定コア２４２の他端との間には、コア収容空間２４６が区画され、コア収容空間２４６には可動コア２４８が配置されている。可動コア２４８は、スリーブ２４４によって摺動自在に支持され、ソレノイドハウジング２４０の軸線方向に往復動可能である。

弁体２１０の他端には、固定コア２４２内を延びるソレノイドロッド２５０の一端が当接し、ソレノイドロッド２５０の他端部は、可動コア２４８と一体に固定されている。従って、弁体２１０は、可動コア２４８が固定コア２４２によって吸引されると、可動コア２４８に連動して閉弁方向に移動する。可動コア２４８とスリーブ２４４の底壁との間には、圧縮コイルばね２５２が配置され、圧縮コイルばね２５２は、可動コア２４８及びソレノイドロッド２５０を介して弁体２１０を閉弁方向に常時付勢する。

スリーブ２４４の周囲には、ボビン２５３に巻回された状態で円筒形のコイル（ソレノイドコイル）２５４が配置され、ボビン２５３及びコイル２５４は、一体に成型された樹脂部材２５５によって囲まれている。ソレノイドハウジング２４０、固定コア２４２及び可動コア２４８はいずれも磁性材料で形成されて磁気回路を構成し、一方、スリーブ２４４は非磁性のステンレス系材料で形成されている。

ここで、固定コア２４２の先端部の根元には、径方向孔２５６が形成され、弁ハウジング２０２には、径方向孔２５６と感圧室２１４とを連通する連通孔２５８が形成されている。また、固定コア２４２の中央部及び他端部の内径は、弁体２１０及びソレノイドロッド２５０の外径よりも大きく、感圧室２１４とコア収容空間２４６との間は、固定コア２４２の中央部及び他端部の内側、径方向孔２５６及び連通孔２５８を介して連通している。

従って、弁体２１０の一端面には、クランク室１０５の圧力（クランク圧力Ｐｃ）が開弁方向の力として作用し、一方、弁体２１０の他端面には吸入室１４０の圧力（吸入圧力Ｐｓ）が閉弁方向の力として作用する。
なお、弁孔２０４の面積と、固定コア２４２の先端部に支持される弁体２１０の部分の断面積とを略同等に設定することによって、弁体２１０の開閉動作には、弁室２０８内の圧力、換言すれば、吐出室１４２の圧力（吐出圧力Ｐｄ）は関与しない。この場合、容量制御弁２００の吸入圧力制御特性は、吐出圧力Ｐｄの影響を受けない。

また、弁孔２０４の面積と、軸方向孔２１８と摺動する感圧ロッド２２０の部分の断面積とを同等に設定することによって、弁体２１０の開閉動作には、弁孔２０４内の圧力、換言すれば、クランク室１０５の圧力（クランク圧力Ｐｃ）は関与しない。
これらの結果として、容量制御弁２００の吸入圧力制御特性は、吐出圧力Ｐｄ及びクランク圧力Ｐｃの影響を実質的に受けない。このため、図３及び式（１）に示すように、コイル２５４に供給する電流（駆動電流Ｉ）に基づいて、制御対象となる吸入圧力Ｐｓの目標値（目標吸入圧力Ｐｓｓ）が一義的に決定される。

なお、式（１）中のＦ（Ｉ）は、コイル２５４に通電することによって可動コア２４８に作用する電磁力であり、Ｓｂは、ベローズ２３０の有効面積である。また、ｆｓ１は圧縮コイルばね２５２の付勢力であり、ｆｓ２は、感圧器２２８の圧縮コイルばね２３６の付勢力である。

コイル２５４には圧縮機１００の外部に設けられた制御装置４００Ａが接続され、制御装置４００Ａからコイル２５４に駆動電流Ｉが供給されると、可動コア２４８に電磁力Ｆ（Ｉ）が作用する。電磁力Ｆ（Ｉ）によって、可動コア２４８は固定コア２４２に向けて吸引され、これにより弁体２１０が閉弁方向に付勢される。
図４は、制御装置４００Ａを含む容量制御システムＡの概略構成を示したブロック図である。

容量制御システムＡは、１つ以上の外部情報を検知する外部情報検知手段を有し、外部情報検知手段は、蒸発器目標温度設定手段４０１及び蒸発器出口空気温度検知手段としての蒸発器温度センサ４０２を含む。
蒸発器目標温度設定手段４０１は、車室内温度設定を含む種々の外部情報に基づいて、空気回路における蒸発器１８の出口での空気の温度（蒸発器出口空気温度Ｔｅ）の目標値（蒸発器目標出口空気温度Ｔｅｓ）を設定する。蒸発器出口空気温度Ｔｅは、車両用空調システムの制御対象（制御量）であり、蒸発器温度センサ４０２は制御対象を検知する手段（制御対象検知手段）である。

蒸発器目標出口空気温度Ｔｅｓは、車両用空調システムの目標値であり、容量制御システムＡの最終的な目標値でもある。蒸発器目標温度設定手段４０１は、設定した蒸発器目標出口空気温度Ｔｅｓを外部情報の１つとして制御装置４００Ａに入力する。
蒸発器温度センサ４０２は、空気回路における蒸発器１８の出口に設置され（図１参照）、蒸発器出口空気温度Ｔｅを検知する。検知された蒸発器出口空気温度Ｔｅは、外部情報の１つとして制御装置４００Ａに入力される。

制御装置４００Ａは、デューティ比決定手段（回路）４０３及び容量制御弁２００の駆動手段（回路）４１０を有する。
デューティ比決定手段４０３は、蒸発器出口空気温度Ｔｅが蒸発器目標出口空気温度Ｔｅｓに近づくように、容量制御弁２００のコイル２５４に流す駆動電流Iを演算する。そして、駆動電流Iをパルス幅変調方式（ＰＷＭ方式）にて供給するためのデューティ比を決定し、当該デューティ比に対応する電圧のデューティ比信号を生成する。

駆動手段４１０は、キャリア信号生成手段４１１、パルス信号生成手段４１２、スイッチング素子４１３及びダイオード４１４を有する。
キャリア信号生成手段４１１は、例えば三角波又は鋸波のキャリア信号を生成する。キャリア信号は、パルス信号生成手段４１２に入力される。
パルス信号生成手段４１２には、デューティ比信号も入力され、パルス信号生成手段４１２は、キャリア信号を利用して、デューティ比決定手段４０３で決定されたデューティ比のパルス信号を生成する。例えば、パルス信号生成手段４１２はコンパレータを有し、コンパレータにキャリア信号及びデューティ比信号を入力することで、コンパレータからパルス信号が出力される。パルス信号は、スイッチング素子のゲート端子に入力される。

スイッチング素子４１３は、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）である。スイッチング素子４１３は、そのソース端子及びドレイン端子を介して、電源４５０に接続された電源ラインに容量制御弁２００のコイル２５４と直列に介挿される。スイッチング素子４１３は、ゲート端子に供給されるパルス信号の電圧の高低に対応してオン・オフされる。スイッチング素子４１３は、オン状態にあるとき電源４５０からコイル２５４への給電を許容し、オフ状態にあるとき給電を遮断する。

ダイオード４１４は、整流素子であり、コイル２５４と並列に接続されてフリーホイール回路（フライホイール回路）を構成する。従って、スイッチング素子４１３がオフ状態であっても、コイル２５４の逆起電力に起因した駆動電流Ｉがコイル２５４を流れ、駆動電流Ｉが平滑化若しくは平均化される。
ここで、キャリア信号生成手段４１１は、キャリア周波数調整手段４１５を有し、キャリア周波数調整手段４１５は、デューティ比決定手段４０３で決定されたデューティ比に応じて、キャリア信号の周波数（キャリア周波数）を調整する。このために、デューティ比信号は、キャリア信号生成手段４１１にも入力される。

例えば図５に示したように、キャリア周波数調整手段は、デューティ比に応じて、周波数ｆ１及び周波数ｆ２のうち一方をキャリア周波数として選択する。
具体的には、デューティ比が５０％を含む中間範囲内にあるときのキャリア周波数を第１の周波数と定義すれば、第１の周波数は周波数ｆ１に調整される。一方、デューティ比が中間範囲外にあるとき、即ち、中間範囲の下限値ＲＬ未満であるか又は中間範囲の上限値ＲＨを超えているときのキャリア周波数を第２の周波数と定義すれば、第２の周波数は、周波数ｆ２に調整される。

なお、中間範囲の下限値ＲＬは、２０％以上４０％以下の値に設定されるのが好ましく、上限値ＲＨは、６０％以上８０％以下の値に設定されるのが好ましい。
第２の周波数ｆ２は、例えば４００Ｈｚであり、容量制御弁２００の可動ユニットの固有振動数（本明細書では、単に容量制御弁２００の固有振動数ともいう。）に略等しい。容量制御弁２００の可動ユニットは、感圧器２２８、アダプタ２３８、感圧ロッド２２０、弁体２１０、ソレノイドロッド２５０、可動コア２４８、及び、圧縮コイルばね２５２からなり、これらの各部品は、可動ユニット全体の固有振動数が４００Ｈｚになるよう設計されている。

ただし、可動ユニットを共振状態又は共振状態に近い状態にすることができればよいので、第２の周波数は可動ユニットの固有振動数に一致するか若しくはこれに近い値であれば問題はない。実際には、可動ユニットの固有振動数と第２の周波数は、例えば、設定が４００Ｈｚであるときに、それぞれ±１０Ｈｚ程度のばらつきを考慮する必要がある。この程度の範囲であれば、可動ユニットを共振状態又は共振状態に近い状態にすることができる。

一方、第１の周波数は、周波数ｆ１に限定されることはなく、例えば、２５０Ｈｚ以上３５０Ｈｚ以下の値に設定される。第１の周波数は、第２の周波数に比べて容量制御弁２００の固有振動数から離れており、第１の周波数のキャリア信号を用いてパルス信号を生成したときに、容量制御弁２００の可動ユニットが共振することがないように設定される。

当然のことながら、デューティ比に応じてキャリア周波数が変化しても、パルス信号生成手段４１２から出力されるパルス信号のデューティ比は、デューティ比決定手段４０３で決定されたデューティ比に維持される。そのために、例えばパルス信号生成手段４１２は、デューティ比若しくはキャリア周波数に応じて、コンパレータに入力されるデューティ比信号若しくはキャリア信号の電圧を増減する機能を有する。

制御装置４００Ａは、独立したＥＣＵ（電子制御ユニット）によって構成することができるが、車両用空調システム全体を制御するためのＥＣＵ（エアコン用ＥＣＵ）に含ませることもできる。また、デューティ比決定手段４０３のみを、エアコン用ＥＣＵに含ませることもできる。
上述した容量制御システムＡによれば、キャリア周波数調整手段４１５がデューティ比決定手段４０３で決定されたデューティ比に応じてキャリア周波数を調整することで、弁体２１０の動作が安定になり、制御対象である吸入圧力Ｐｓが安定する。この結果として、吐出容量の制御が安定する。理由を以下に示す。

図６は、容量制御システムＡにおける、駆動電流Ｉの振幅（電流振幅）と、キャリア周波数と、デューティ比との関係を概略的に示している。図６からわかるように、ダイオード４１４によって平滑化されたとしても、駆動電流Ｉはある程度の電流振幅を有する。電流振幅はデューティ比に依存し、デューティ比が５０％のときに最大になり、デューティ比が５０％から高い側又は低い側に離れると小さくなる。

容量制御弁２００の可動ユニットを共振状態に保つことは、電流振幅が小さいときに弁体２１０の動作を円滑にする点からは好ましい。そこで、この容量制御システムＡでは、デューティ比が中間範囲外にあるとき、キャリア周波数が、第１の周波数に比べて容量制御弁２００の固有振動数に近い第２の周波数に調整される。これにより、可動ユニットは共振し、コイル２５４を流れる駆動電流Ｉの電流振幅が小さくても、弁体２１０は確実に動作する。

しかしながら、一方では、可動ユニットが共振状態にあるときに駆動電流Iの電流振幅が大きくなると、弁体２１０の動作が過大になり、かえって吐出容量制御の安定性が損なわれる。
そこで、上述した容量制御システムＡでは、デューティ比が５０％を含む中間範囲内にあるときには、キャリア周波数が、第２の周波数に比べて容量制御弁２００の固有振動数から離れた第１の周波数に調整される。これにより、容量制御弁２００の可動ユニットがキャリア周波数で共振しなくなり、コイル２５４を流れる駆動電流Iの電流振幅が大きくても、弁体２１０が過剰に動作することが防止される。

これらの結果として、この容量制御システムによれば、弁体の動作がデューティ比の全域に渡って安定になり、吐出容量の制御が安定する。
本発明は上述した一実施形態に限定されることはなく、種々変形が可能である。
例えば、上述した容量制御システムＡにおいて、キャリア周波数調整手段４１５の構成は特に限定されず、駆動手段４１０が、デューティ比に応じてキャリア周波数を調整する手段を有していればよい。

例えば、キャリア信号生成手段４１１が、キャリア周波数の異なる２つ以上のキャリア信号を同時に生成してパルス信号生成手段４１２に入力し、パルス信号生成手段４１２が、入力されたキャリア信号のうちからデューティ比に応じて適当なものを選択し、そして、選択したキャリア信号を利用してパルス信号を生成してもよい。
上述した容量制御システムＡにおいて、第１の周波数は、中間範囲の全域に渡って一定値である必要はなく、デューティ比に基づいて変化してもよい。このようにすることで、中間範囲内における電流振幅の変化に合わせて、より適当なキャリア周波数が選択され、弁体の動作がより安定になる。

具体的には、図７に示したように、中間範囲の下限値ＲＬ及び上限値ＲＨの近傍の各領域で、下限値ＲＬ及び上限値ＲＨに近づくに連れて第１の周波数が連続的に高くなるようにしてもよい。このようにすることで、デューティ比が連続的に変化するのに伴って第１の周波数と第２の周波数との間でキャリア周波数を切り替える際に、弁体２１０は共振状態と非共振状態との中間の状態（準共振状態）を経ることになる。これにより、弁体２１０の動作が急激に変化することが抑制される。この結果として、弁体２１０の動作がより確実に安定になる。

また、図８に下限値ＲＬ近傍におけるキャリア周波数の変化を拡大して示したように、中間範囲の下限値ＲＬ及び上限値ＲＨの近傍の各領域で、第１の周波数が段階的に変化してもよい。
更に、図９に示したように、第１の周波数は、第２の周波数に比べて、容量制御弁２００の固有振動数から離れていればよく、第１の周波数を、第２の周波数よりも高い所定の周波数ｆ３に設定してもよい。この場合、例えば、第１の周波数は、４５０Ｈｚ以上５５０Ｈｚ以下の値に設定することができる。なおこの場合も、第１の周波数は、中間範囲内でデューティ比に応じて変化してもよい。

また、中間範囲の下限値ＲＬと上限値ＲＨは、デューティ比が増大方向に変化する場合と、減少方向に変化する場合とでそれぞれ異なるように設定しても良い。これは、容量制御弁２００の可動ユニットの共振による、制御対象としての吸入圧力Ｐｓの不安定な変動は、デューティ比が増大方向に変化する場合と、減少方向に変化する場合とで発生する領域が異なる場合があるためである。

上述した容量制御システムＡは、デューティ比を決定するための外部情報を提供する外部情報検知手段として、蒸発器目標温度設定手段４０１と蒸発器温度センサ４０２とを有していたが、デューティ比を決定するための外部情報は、これらに限定されることはない。そして、使用する外部情報に合わせて、適当な外部情報検知手段を用いることができる。

上述した容量制御システムＡにおいて、容量制御弁２００のコイル２５４を実際に流れる駆動電流Ｉをセンサを用いて検知し、検知結果をデューティ比決定手段４０３にフィードバックしてもよい。
上述した容量制御システムＡでは、吸入圧力Ｐｓを検知する感圧器２２８を有する容量制御弁２００を用いたが、容量制御弁は電磁弁であればよい。容量制御弁として、例えば特開２００１−１０７８５４号公報で開示されているような、冷凍サイクルの吐出圧力領域の２つの圧力監視点間の圧力差、又は、吸入圧力領域の２つの圧力監視点間の圧力差に応答して動作する容量制御弁を用いても良い。あるいは、特開２００１−１５３０４２号公報で開示されている吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの圧力差に応答して動作する容量制御弁を用いてもよい。

なお、圧力差に応答して動作するとは、弁体に対して、ソレノイドアセンブリの電磁力の外に、圧力差に相当する力が作用することを意味する。
上述した容量制御システムＡが適用された可変容量圧縮機１００は、クラッチレス圧縮機であったが、電磁クラッチを装着した圧縮機であってもよい。また、可変容量圧縮機であれば、揺動板式、ベーン式、又は、スクロール式の圧縮機であってもよい。更には、電動タイプの可変容量圧縮機であってもよい。

上述した容量制御システムＡが適用される冷凍サイクル１０では、冷媒はＲ１３４ａや二酸化炭素に限定されず、その他の新冷媒を使用してもよい。つまり、容量制御システムＡは、従来の空調システムにも適用可能である。
最後に、本発明に係る可変容量圧縮機の容量制御システムは、車両用空調システム以外の室内用空調システム等、空調システム全般に適用可能である。

第１実施形態の容量制御システムを適用した車両用空調システムの冷凍サイクルの概略構成を可変容量縮機の縦断面とともに示す図である。 図１の冷凍サイクルに用いられた容量制御弁の概略構成を、圧縮機における容量制御弁の接続状態とともに説明するための図である。 図１の冷凍サイクルにおける、容量制御弁のコイルを流れる駆動電流と目標吸入圧力との関係を示すグラフである。 第１実施形態の容量制御システムの概略構成を示すブロック図である。 図４の容量制御システムにおける、デューティ比とキャリア周波数との関係を示すグラフである。 図４の容量制御システムにおける、デューティ比とキャリア周波数と駆動電流の電流振幅との関係を概略的に示すグラフである。 変形例の容量制御システムにおける、デューティ比とキャリア周波数との関係を示すグラフである。 他の変形例の容量制御システムにおける、デューティ比とキャリア周波数との関係の一部を示すグラフである。 更に他の変形例の容量制御システムにおける、デューティ比とキャリア周波数との関係を示すグラフである。

符号の説明

２００ 容量制御弁
２５４ コイル
４０３ デューティ比決定手段
４１０ 駆動手段
４１３ スイッチング素子
４１４ ダイオード
４１５ キャリア周波数調整手段
４５０ 電源

Claims (7)

1. 空調システムの冷凍サイクルを構成すべく冷媒が循環する循環路に放熱器、膨張器及び蒸発器とともに介挿される可変容量圧縮機に適用され、容量制御弁の弁開度を制御することにより前記可変容量圧縮機の容量を制御する可変容量圧縮機の容量制御システムにおいて、
   前記容量制御弁のソレノイドアセンブリのコイルと電気的に並列に接続されたダイオードと、
   前記容量制御弁のソレノイドアセンブリのコイルと電気的に直列に接続され、自身に入力されるパルス信号に基づいて電源から前記コイルへの給電を許容するスイッチング素子と、
   前記パルス信号のデューティ比を決定するデューティ比決定手段と、
   キャリア信号を利用して前記デューティ比決定手段によって決定されたデューティ比のパルス信号を生成し、当該パルス信号を前記スイッチング素子に供給する駆動手段と
   を備え、
   前記駆動手段はキャリア周波数調整手段を有し、
   前記キャリア周波数調整手段は、前記デューティ比決定手段で決定されたデューティ比が５０％を含む中間範囲内にあるときに、前記パルス信号の周波数を第１の周波数に調整し、前記デューティ比決定手段で決定されたデューティ比が前記中間範囲外にあるときに、前記パルス信号の周波数を前記第１の周波数に比べて前記容量制御弁の可動ユニットの固有振動数に近い第２の周波数に調整する
   ことを特徴とする可変容量圧縮機の容量制御システム。
2. 前記第１の周波数は、前記デューティ比決定手段で決定されたデューティ比に基づいて変化することを特徴とする請求項１に記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。
3. デューティ比が連続的に変化するのに伴って前記キャリア信号の周波数を前記第１の周波数及び第２の周波数のうち一方から他方に調整するときに前記キャリア信号の周波数が連続的に変化するように、前記第１の周波数は前記デューティ比決定手段で決定されたデューティ比に基づいて変化することを特徴とする請求項２に記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。
4. 前記中間範囲の下限値及び前記上限値は、前記デューティ比が増大方向に変化する場合と減少方向に変化する場合とでそれぞれ異なることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。
5. 前記容量制御弁は、前記冷凍サイクルの吸入圧力領域の圧力に応答して動作することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。
6. 前記容量制御弁は、前記冷凍サイクルの吐出圧力領域の２つの圧力監視点間の圧力差に応答して動作することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。
7. 前記容量制御弁は、前記冷凍サイクルの吐出圧力領域の圧力と吸入圧力領域の圧力との圧力差に応答して動作することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の可変容量圧縮機の容量制御システム。

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