JP2011149287A - 可変容量型圧縮機の容量検出装置およびそれを備えた可変容量型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの被検出部に欠肉部等は不要で、基本的に近接センサからの出力信号だけで圧縮機の吐出容量を推定でき、演算処理工程と記憶容量を低減でき、より低コストで吐出容量を適切に推定可能な可変容量型圧縮機の容量検出装置を提供する。
【解決手段】（１）ピストンの側方に配置されたセンサであって、該センサの前方側にピストンのセンサ被検出面がある／なしの２種の検知信号を出力可能な近接センサと、
（２）最大容量運転時のピストン１ストローク分の検知信号のパターン（Ａ）を測定して記憶し、現在運転時のピストン１ストローク分の検知信号のパターン（Ｂ）を検出し、両パターン（Ａ）、（Ｂ）の比較から、現在運転時の圧縮機の容量を推定する推定手段と、を備えたことを特徴とする可変容量型圧縮機の容量検出装置、およびそれを備えた可変容量型圧縮機。
【選択図】図２

Description

本発明は、ピストンのストロークを変更することで吐出容量を変更可能な可変容量型圧縮機に関し、特に可変容量型圧縮機に適用されて適切にかつ簡単に圧縮機の容量を検出することが可能で安価に構成可能な容量検出装置に関する。

一般的に、車両空調設備等に用いられる圧縮機として、吐出容量を可変制御することができる可変容量型圧縮機（以下、単に「圧縮機」と呼ぶこともある。）が知られている。ピストン型圧縮機におけるこの種の圧縮機においては、例えば、駆動軸に対して傾斜可能な斜板がクランク室内に収容されている。斜板は、クランク室の圧力が高くなるにつれて駆動軸の軸線に対して直角に近づき（斜板の傾斜角度が小さくなる）、一方、クランク室の圧力が低くなる場合には、駆動軸の軸線に近づくように（斜板の傾斜角度が大きくなるように）斜板が傾斜する。圧縮機が備えるピストンのストロークは、斜板の傾斜状態に応じて変化する。例えば、クランク室の圧力が高く斜板の傾斜角度が小さい場合には、ピストンのストロークは小さく、逆に、クランク室の圧力が低く斜板の傾斜角度が大きい場合には、ピストンのストロークは大きい。したがって、ピストンのストロークが小さくなると吐出容量は少なくなり、また、ストロークが大きくなると吐出容量も大きくなる。

このような可変容量型圧縮機においては、圧縮機自体の制御や圧縮機が用いられている空調装置の冷凍回路の制御のために、圧縮機の現在運転時の容量を把握することが求められる場合が多い。特許文献１に開示された従来技術では、ピストンに、その軸方向にテーパ状をなす被検出面が形成されている。ピストンの側方には、被検出面に臨むようにして非接触型の位置検出センサが配置されている。位置検出センサは、ピストンのストローク変化によって近接離間する被検出面（検出対象ポイント）と位置検出センサとの間の距離を検出する。空調ＥＣＵ（Electronic Control Unit)は、位置検出センサからの検出距離情報に基づいてピストンのストロークを検出し、それに基づいて圧縮機の容量を把握する。

ところが、上記特許文献１に記載されているような、被検出面の位置の変化を連続的に検出可能な位置検出センサは、一般に高価である。そのため、このような位置検出センサを使用すると、装置全体が高価なものとなる。

装置全体を安価に構成するために、特許文献２には、ピストン又はピストンアーム部に被検出部として欠肉部を形成し、ピストンの側方に、被検出面に臨むようにして非接触型の近接センサが配置された構造が提案されている。この近接センサは、ピストン又はピストンアーム部が通過するときにパルスを生成し、その近接センサの出力信号と圧縮機の回転数信号に基づいて斜板カムの傾角を推定するようになっている。

特開２００３−１４８３５７号公報 特開２００３−３３６５７６号公報

しかし、特許文献２に記載の手法では、まず、ピストンに被検出部として欠肉部を形成する必要がある。また、カム角推定にも、近接センサからの出力信号と圧縮機の回転数信号の２つの入力が必要である。さらに、推定のための処理装置についても、圧縮機の回転数に基づき回転周期を演算する演算手段と、該回転周期における上記パルスの数を計数する計数手段と、上記パルスの電圧を平均化する電圧平滑手段と、上記カムの傾角と上記パルスの数及び上記近接センサの出力信号の平均値との所定の関係を記憶する記憶装置と、該記憶装置による所定の関係を参照して、上記計数手段によるパルス数と上記電圧平滑手段による平均電圧とに基づき上記カムの傾角を推定する傾角推定手段と、多くの演算処理工程と大きな記憶容量を必要としている。

そのため、ピストンに欠肉部を形成するための特別の加工が必要であるので、その分加工コストがかかる。また、近接センサからの出力信号と圧縮機の回転数信号の２つの信号が必要であるので、信号入力回路が複雑になる。さらに、推定のための処理装置に多くの演算処理工程と大きな記憶容量が必要とされるので、処理装置が複雑化するとともに処理時間がかかり、さらに大記憶容量とするため処理装置全体が高価なものとなる。

そこで本発明の課題は、上記のような従来技術における問題点に着目し、従来技術に比べ、ピストンの被検出部に欠肉部を必要とせず、通常の往復動式圧縮機に用いられているピストンで検出可能であり、基本的に近接センサからの出力信号だけで圧縮機の吐出容量を推定することが可能であり、推定のための処理装置についても、演算処理工程と記憶容量を低減でき、より低コストで吐出容量を適切に推定可能な可変容量型圧縮機の容量検出装置、およびそれを備えた可変容量型圧縮機を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る可変容量型圧縮機の容量検出装置は、ピストンの往復運動によってガス圧縮を行うとともに、ピストンのストロークを変更することで容量を変更可能な可変容量型圧縮機の容量検出装置であって、
（１）前記ピストンの側方に配置されたセンサであって、該センサの前方側に前記ピストンのセンサ被検出面がある状態とない状態の２種の状態の検知信号を出力可能な近接センサと、
（２）最大容量運転時のピストン１ストローク分の前記２種の状態の検知信号のパターン（Ａ）を測定して記憶し、現在運転時のピストン１ストローク分の前記２種の状態の検知信号のパターン（Ｂ）を検出し、前記パターン（Ａ）と前記パターン（Ｂ）の比較から、現在運転時のピストンストロークに対応する現在運転時の容量を推定する推定手段と、
を備えたことを特徴とするものからなる。

このような本発明に係る容量検出装置においては、ピストンの側方に配置された近接センサは、ピストンのセンサ被検出面において近接センサと正対する部位である検出対象ポイントが、ピストンの往復運動に応じて被検出面上を順次変化する場合、近接センサは、センサの前方側にセンサ被検出面がある状態の信号を検出、出力し、また、ピストンの位置によっては、被検出面が上記検出対象ポイントからはずれるので、その場合には、近接センサは、センサ被検出面がない状態の信号を検出、出力する。このセンサ被検出面がある状態とない状態の２種の状態の検知信号のパターン（例えば、センサ被検出面がある状態の検知信号と、センサ被検出面がない状態の検知信号の割合）は、ピストンのストロークの変化によって変化する。したがって、ピストン１ストローク中の上記２種の状態の検知信号のパターンを検出、把握することで、そのときの（現在運転時の）上死点から下死点に至るまでに上記２種の状態の検知信号がどのように切り換わるかの、ピストン１ストローク全体の上記２種の状態の検知信号のパターンを得ることができる。このピストン１ストローク分のパターンは、そのときの圧縮機の容量に対応しているとみなすことができる。本発明は、このピストン１ストローク中の上記２種の状態の検知信号のパターンと圧縮機の容量との対応を前提とし、最大容量運転時に得られる上記２種の状態の検知信号のパターン（Ａ）を測定して記憶し、このパターン（Ａ）を基準にして、現在運転時のピストン１ストローク分の上記２種の状態の検知信号のパターン（Ｂ）を検出し、上記パターン（Ａ）とパターン（Ｂ）を比較することにより、パターン（Ａ）に比べパターン（Ｂ）がどのように変化しているのかを把握して、現在運転時のピストンストロークに対応する現在運転時の容量を推定手段により推定するようにしている。この容量推定においては、上記近接センサは、上記２種の状態のみを検出できればよいので、例えば、前述の特許文献２に記載のようにピストンの被検出部に欠肉部を形成する必要がなく、通常の往復動式圧縮機に用いられているピストンで検出可能である。また、基本的に近接センサからの出力信号だけでも圧縮機の吐出容量を推定することが可能であり、信号処理手段への信号入力回路が簡素に構成可能である。さらに、容量推定手段についても、後述の実施形態に示すように、演算処理工程と記憶容量を大幅に低減できるようになる。その結果、より低コストで吐出容量を適切にしかも速い処理速度で迅速に推定できるようになる。また、前述の特許文献１の構造では、位置検出センサと被検出面との間を異物が通過した場合や、被検出面に磨耗、傷等が発生した場合、その影響がそのまま算出され吐出容量に反映されて異常値となる可能性が高いため、極めて外乱に弱いが、本発明では、ピストンの１ストローク分の上記２種の状態の検知信号のパターン（つまり、単なるオン／オフ信号に類似した検知信号のパターン）で判断するため、被検出面に磨耗や傷、異物の通過等のノイズの影響も受けにくく、外乱に強い。したがって、より的確にその時の圧縮機容量を精度良く推定することが可能となる。

上記本発明に係る容量検出装置においては、上記推定手段は、圧縮機１回転の周期の信号と、ピストンの上死点信号または下死点信号と、上記パターン（Ａ）と上記パターン（Ｂ）の比較とから、現在運転時の容量を推定するようにすることができる。また、上記推定手段は、上記パターン（Ａ）と上記パターン（Ｂ）における上記２種の状態の検知信号の割合の比較から、上記現在運転時の容量を推定するようにすることができる。このとき、上記推定手段は、上記２種の状態の検知信号の時間軸上での割合を、ピストンストローク方向の変位軸上での割合に変換して、上記パターン（Ａ）と上記パターン（Ｂ）を比較することにより上記現在運転時の容量を推定することが好ましい。

このように、例えば、最大容量運転時の上死点から下死点までのピストン運動から出力された近接センサ検出信号の「検出あり」と「検出無し」の領域の割合を記録し、推定したい可変容量運転においても同様の上死点から下死点までのピストン運動から出力された近接センサ検出信号の「検出あり」と「検出無し」の領域の割合を測定し、２つの容量運転時における検出信号の「検出あり」と「検出無し」の割合より、可変容量運転時の吐出容量を推定することができる。すなわち、ピストンのストローク変化によって、上死点から下死点までの間で近接センサが「センサ被検出面が、検出部上にある、または無い」と検出する時間割合が変化する。したがって、圧縮機の１回転の周期、上死点、又は下死点位置を感知する信号と上記近接センサからの信号の３つを得ることによって、その運転状態での吐出容量におけるピストンが上下死点間を移動する間の「センサ被検出面が、検出部上にある、または無い」と検出する時間割合を得ることができる。

ピストンストロークが変化しても、上記検出部から上死点までのピストンストローク方向の距離は、一定である。厳密に言うと、ストロークが変化すると上死点位置も変化するが、一般的な可変容量型圧縮機の場合、その変化量は１ｍｍ以下であり、全体のストローク量およそ３０ｍｍに対して非常に小さいため、本発明では、一定と仮定する。この一定位置にあると仮定された上死点位置では、例えば近接センサは、ピストンのセンサ被検出面がない状態の検知信号を出力し、ピストンが下死点方向に移動すると、やがてセンサ被検出面がある状態の検知信号を出力し、その位置からピストンの下死点に至りさらに折り返して再びその位置に戻ってくるまでセンサ被検出面がある状態の検知信号を出力し続ける。これらセンサ被検出面がある状態とない状態の２種の検知信号の割合、とくにピストン１ストローク分のこれら２種の検知信号の割合について、最大容量運転時の信号（つまり、パターン（Ａ））と推定したい可変容量運転時の信号（つまり、パターン（Ｂ））を比較することによって、可変容量運転時のストローク（つまり、容量）を推定することができる。

より具体的には、例えば、次のようなステップ順で推定することができる。
STEP１：最大容量運転時の容量（ストローク）を100％とすると、最大容量運転時の「検出部上に無い」区間は、近接センサによる検知信号の「検出部上に無い」時間割合「Ａ＿ＯＦＦ」を掛けることによって得られる。このストロークを「Ａ」とすると、Ａ＝１００＊Ａ＿ＯＦＦ（％）となる。
STEP２：次に推定したい容量運転時の「検出部上に無い」区間は、最大容量運転時の「検出部上に無い」区間のストロークと同じなのでストロークは「Ａ」である。そして、その「検出部上に無い」区間の信号の時間割合を「Ｂ＿ＯＦＦ」とすると、「Ｂ＿ＯＦＦ」は「Ａ」に相当する。すると、残りの「検出部上にある」区間を「Ｂ＿ＯＮ」とすると、Ｂ＿ＯＮ＝１−Ｂ＿ＯＦＦであり、ストロークは、（１−Ｂ＿ＯＦＦ）／Ｂ＿ＯＦＦ＊Ａとなる。したがって求めようとする推定したい吐出容量は、
「Ｂ＿ＯＮ」＋「Ｂ＿ＯＦＦ」＝Ａ＋Ｂ＿ＯＮ／Ｂ＿ＯＦＦ＊Ａ＝Ａ＿ＯＦＦ／Ｂ＿ＯＦＦ＊１００となる。

しかし、往復運動するピストンの場合、ピストンストロークが異なると検出対象ポイントにおける速度（センサ被検出面の移動速度）が変化する。このため横軸が時間であると、検出信号の「検出あり」と「検出なし」の区分に誤差が生じるので、速度の変化の影響を補正するため横軸を変位に変換することが好ましい。この変換によって、上死点、下死点近傍における誤差を大幅に低減させることができる。この変換はSTEP１の前に行えばよい（この変換ステップをSTEP０とする）。

推定したい信号と最大容量運転時の信号を用いて、STEP０→STEP１→STEP２の順に処理することによって、近接センサによる検知信号をを吐出容量（％）に変換可能となる。ここで、吐出容量を％で表したが、ストローク（ｍｍ）で表しても、ピストンの面積とピストン個数をかけて（ｃｃ）で表してもよい。前述の特許文献２の手法では、前述の如く、多くの演算回路と回転数ごとの波形パターンを記憶するための大きな記憶容量を必要としていた。しかし本発明では、変換処理は、実質的に、STEP０における時間から変位への変換とSTEP２の演算式の２ステップだけであり、記憶するデータもＡ＿ＯＦＦの１点で済み、処理数、容量とも大幅に低減できる。

また、本発明に係る容量検出装置においては、上記圧縮機１回転の周期の信号と、ピストンの上死点信号または下死点信号は、上記近接センサとは別の検出手段によって取得することもできるし、上記近接センサによる上記２種の状態の検知信号自体から、上記推定手段により算出することもできる。とくに後者の手法では、ピストンの側方に配置された近接センサの検知信号から吐出容量に必要な圧縮機１回転の周期情報と上死点、下死点位置を算出し、上記近接センサの検知信号のみの信号から運転中の吐出容量を連続的に推定するが可能である。つまり、容量推定に必要な検出手段は、近接センサだけでよい。前述の特許文献２記載の手法では、容量検出には、近接センサと回転数検出回路の２つの信号の入力が必要であるが、上記手法では、更なる検出手段の簡略化とコストダウンが可能となる。

なお、この場合の近接センサの検知信号から圧縮機１回転の周期情報と上死点、下死点位置を算出する方法に関しては、例えば次の通りである。
STEP１：近接センサの検知信号から、「検出あり」から「検出なし」に変化する時間位置と「検出なし」から「検出あり」に変化する時間位置を取得する。その方法としては、ある閾値を設定し、その値を跨ぐ時間を抽出するようにすればよい。
STEP２：上死点、下死点位置での時間を取得する。上死点位置は、「検出あり」から「検出なし」に変化する位置と次の「検出なし」から「検出あり」に変化する位置の中点である。また、下死点位置は、逆に「検出なし」から「検出あり」に変化する位置と次の「検出あり」から「検出なし」に変化する位置の中点である。また、圧縮機１回転の周期は、「検出あり」から「検出なし」に変化する位置から次の「検出あり」から「検出なし」に変化する位置までの時間である。または、「検出なし」から「検出あり」に変化する位置から次の「検出なし」から「検出あり」に変化する位置までの時間である。
このような近接センサからのの検知信号を用いてSTEP１→STEP２の処理をすることによって、圧縮機１回転の周期情報と上死点、下死点位置を算出することができる。

また、上記圧縮機１回転の周期の信号は、上記近接センサとは別の検出手段によって取得することもでき、例えば、圧縮機の駆動源の回転信号から求めることができる。また、上記ピストンの上死点信号は、例えば、圧縮機の駆動用回転体（例えば、駆動力伝達用のプーリーや、クラッチ、トルクリミッター等の駆動部）のピストン上死点に対応する部位に設けられた被検出体と、該被検出体に正対する位置に設けられた検出手段によって求めることができる。このようにすれば、圧縮機１回転の周期、上死点または下死点位置がわかる信号を用いて、近接センサからの連続的な信号を、上死点から下死点までの信号区分に分け、運転中の圧縮機の吐出容量を連続的に推定することが可能になる。

また、本発明に係る容量検出装置においては、上記ピストンのセンサ被検出面は、上記近接センサの検出有効距離限度近辺に段差、勾配が無い形状の面に形成されていることが好ましい。例えば、近接センサの検出有効距離限度近辺にピストンのセンサ被検知面がある場合、正しくピストン頭部を検出することができないことがある。しかしこの近辺に段差、勾配が無いことにより、ピストンのセンサ被検知面が検出対象ポイント上にあるか否かの状態を明瞭に検出することができるようになる。

上記近接センサは、渦電流式、電磁誘導式、静電容量式、光電反射式のいずれかのセンサを用いることが、信号波形を鮮明に確保する点で好ましい。

例えば、上記近接として電磁誘導式のセンサを用いる場合には、ピストンの被検出面に、磁気特性を備えた塗料等が塗布されている、もしくは、磁石が埋め込まれている構成等を採用することができる。つまり、センサ被検出面に磁気特性を備える金属粉末等を混入させた塗料、樹脂を塗布したり、メッキを施したり、あるいは、被検出面に磁石を埋め込んで磁気特性を持たせるようにした構成である。

また、上記位置検出センサとして光電反射式のセンサを用いる場合には、より鮮明な検出信号を得るために、上記ピストンのセンサ被検出面に、光特性を備えた塗料が塗布されている、もしくは、光反射体が埋め込まれている構成等を採用することができる。

さらに本発明においては、上記推定手段は、上記近接センサによる検出信号が、ピストンのセンサ被検出面の傷、磨耗等によって初期値に対し変化した場合においても、その状態における上記パターン（Ａ）を再記録することにより、その変化による影響を補正して現在運転時の容量を推定するようにすることが可能である。例えば、仮に傷、磨耗等によって上記被検出面から鮮明度の高い反射媒体の分布形状が初期値に対し変化した場合でも、再度、その状態での最大容量運転時に得られる検出信号パターンを取得することによって、反射媒体の分布パターンの変化の影響を補正でき、劣化時の精度を向上できるようになる。この最大容量運転時に得られる検出信号パターンの取得は、特に圧縮機を停止したり外したりする必要は無く、運転中に取得でき、容易に実施可能である。

本発明は、上記のような容量検出装置を備えた可変容量型圧縮機についても提供する。このような圧縮機においては、推定した容量と少なくとも圧縮機の吐出圧力と吸入圧力から圧縮機のトルクを推定することが可能である。また、推定した容量を入力情報として、圧縮機の容量を可変させる容量制御弁の弁開度を制御することも可能である。

このように、本発明に係る可変容量型圧縮機およびその容量検出装置によれば、前述の特許文献２に開示されているような従来技術に比べ、ピストンの被検出部に欠肉部を必要とせず、通常の往復動式圧縮機に用いられているピストンで検出可能であり、基本的に近接センサからの出力信号だけで圧縮機の吐出容量を推定することも可能であり、推定のための処理装置についても、演算処理工程と記憶容量を低減でき、より低コストで吐出容量を適切に推定可能となる。また、被検出面に磨耗や傷等が発生した場合にあっても、その影響を最小限に抑えることが可能になり、外乱に強い容量推定を的確に行うことができるようになる。

本発明の一実施態様に係る容量検出装置を備えた可変容量型圧縮機の縦断面図である。 本発明に係る容量検出装置における容量推定の一手法例を示す説明図である。 図２の手法における検出信号パターン例を示す説明図である。 図２の手法において近接センサの信号から上死点、下死点、圧縮機の１周期を求める手法の例を示す説明図である。 本発明に係る容量検出装置における検出信号に関して時間軸から変位軸への変換手法の例を示す説明図である。 本発明に係る容量検出装置における容量推定の計算例を含めた一手法をまとめた説明図である。 本発明に係る容量検出装置における容量推定の一手法例を示す制御フローチャートである。 本発明に係る容量検出装置における望ましいピストンのセンサ被検出面の形状を例示した説明図である。

以下、本発明を、車両用空調装置に用いられる斜板式可変容量型圧縮機の容量検出装置において具体化した一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る容量検出装置２を備えた可変容量型圧縮機１を示しており、その圧縮機１の最小容量時の状態の縦断面を示している。まず、可変容量型圧縮機１について説明するに、外部駆動源からの回転駆動力が、ベルト等を介してプーリー３に伝達され、そこからトルクリミッター機構４を介して圧縮機の駆動軸５に伝達される。フロントハウジング６、シリンダブロック７によって形成されるクランク室８内には、駆動軸５と一体に回転されるロータ９と、ロータ９にリンク機構１０を介して連結され、駆動軸５に対する傾斜角が可変可能な斜板１１とが設けられており、斜板１１は駆動軸５と同期して回転される。シリンダブロック７には複数のシリンダボア１２が配設されており（１気筒のみ図示してある）、各シリンダボア１２内には往復動自在にピストン１３が挿入されている。ピストン１３の一端部１３ａ（首部）は、斜板１１の両側面に摺接する一対のシュー１４を介して、斜板１１に連接されており、斜板１１の回転運動がピストン１３の往復運動に変換される。ピストン１３の往復運動のストロークは、斜板１１の傾斜角に対応して可変され、斜板１１の傾斜角は、前述の如く、例えばクランク室８内の圧力に応じて変化される。ピストン１３の往復運動に応じて、シリンダヘッド１５内に形成された吸入室１６から被圧縮流体（例えば、冷媒）がシリンダボア１２内に吸入され、シリンダボア１２内で圧縮された圧縮流体が、吐出室１７を通して外部回路へと吐出される。

このような可変容量型圧縮機１において、その吐出容量は、ピストン１３の押しのけ容積に依存して、つまり、ピストン１３のストロークに依存して決まる。本発明における容量検出装置２は、このピストン１３のストロークに対応する現在運転時の容量を推定するもので、例えば次のように構成されている。

すなわち、図１に示されているピストン１３の複数において、一つのピストン１３の背面が近接センサ２２による検出のためのセンサ被検出面２１とされている。近接センサ２２は、ピストン１３の１サイクルの往復運動の際、近接センサ２２と正対する部位である検出対象ポイント上にセンサ被検出面２１がある場合、「検出部上にある」の信号を検出、出力し、センサ被検出面２１が上記検出対象ポイントからはずれる場合、近接センサ２２は「検出部上に無い」の信号を検出、出力する。

通常の斜板式可変容量圧縮機に用いられているピストンの形状の背面は、頭部、首部、円筒部があり変化に富むが、近接センサ２２の検出有効距離は、それらに対し十分に長い。したがって、検出対象ポイント上にセンサ被検出面２１がある場合、近接センサ２２は「検出部上にある」の信号を出し続ける。センサ被検出面２１は、その一部がフロントハウジング６の内周面６ａに対向するように、軸線Ｓ周りにおいて駆動軸５と反対側に配置されている。

上記フロントハウジング６の内周面６ａにおいてピストン１３の首部１３ａの外周側、つまり首部１３ａの側方側には、ピストン１３のセンサ被検出面２１に臨むようにして、非接触型の近接センサ２２の検出ヘッド２２ａが配置されている。近接センサ２２としては、例えば渦電流損検出タイプのものが用いられている。

ピストン１３が往復運動されると、センサ被検出面２１が近接センサ２２（検出ヘッド２２ａ）の前方側（検出ヘッド２２ａが測定を行う方向側のことであって、図面上での単なる位置関係で表現すれば下方側）で横動される。したがって、センサ被検出面２１において近接センサ２２の検出ヘッド２２ａと正対する部位である検出対象ポイント上にセンサ被検出面２１がある場合、「検出部上にある」の信号を検出する。また、センサ被検出面２１が上記検出対象ポイントからはずれる場合、近接センサ２２は、「検出部上に無い」の信号を検出する。この検出信号をコントローラ２３からエアコンＥＣＵ２４へ出力する。

上記エアコンＥＣＵ２４はコンピュータ類似の電子制御ユニットであり、近接センサ２２からの検出信号に基づいて圧縮機の吐出容量を推定、把握する。つまり、エアコンＥＣＵ２４が容量推定手段を構成している。エアコンＥＣＵ２４は、把握した圧縮機の容量情報を、図示しないエンジンＥＣＵに送信する。したがって、例えば、エンジンＥＣＵによるエンジンのアイドリング制御等を、圧縮機の負荷トルク等を考慮した好適なものとすることが可能となる。

さて、前述したように、ピストン１３の１往復において、センサ被検出面２１は、検出部上にある場合と無い場合がある。図２、図３に示すように、ピストン１３が上死点位置と下死点位置との間を移動される間において、近接センサ２２からエアコンＥＣＵ２４へ出力される検知信号のパターンは、それぞれの吐出容量の運転時で異なる。図２に示すように、最大容量運転時におけるピストン１ストローク分の検出部上にある場合と無い場合の検知信号のパターン（Ａ）に対し、ある容量制御運転時（現在運転時）におけるピストン１ストローク分の検出部上にある場合と無い場合の検知信号は、パターン（Ｂ−１）やパターン（Ｂ−２）のようになる。

本実施態様では、例えば、吐出容量の検出に３つの情報を必要としている。１つ目は、上記で説明した近接センサ２２から得られる「検出部上にあるか否か」の検出信号パターンである。２つ目は、往復運動の際の上死点位置の検出信号である。３つ目は、ピストン往復運動の周期情報、または１ストローク分に相当する情報である。

本実施態様においては、ピストン往復運動の際の上死点位置と周期情報は、近接センサ２２から得られる「検出部上にあるか否か」の検出信号パターンから検出する。したがって、本実施形態において吐出容量検出に用いられる検知用装置は、近接センサ２２の１つだけである。ただし、前述したように、ピストン往復運動の際の上死点位置と周期情報の検出は、例えば図１に示すように、圧縮機の上死点位置に対応するトルクリミッターのプーリー部やクラッチの場合は、アマチュア部に反射式の被検出部２５を設置し、被検出部２５に臨むようにして、非接触型の検出センサ２６を配置して行うこともできる。検出センサ２６としては、例えば光電反射式タイプのものが用いられる。

本実施態様においては、まず、近接センサ２２からの検出信号から上死点（ＴＤＣと表す場合もある）、下死点（ＢＤＣと表す場合もある）の位置と圧縮機の１回転の周期情報を検出する。検出方法を、図４に例示する。
STEP１：近接センサ２２からの検出信号から、「検出あり」から「検出なし」に変化する時間位置Ａと「検出なし」から「検出あり」に変化する時間位置Ｂを取得する。方法としては、例えば、ある閾値を設定して、その値を跨ぐ時間を抽出する。
STEP２：上死点、下死点位置での時間を取得する。上死点位置は、「検出あり」から「検出なし」に変化する位置と次の「検出なし」から「検出あり」に変化する位置の中点である。また下死点位置は、逆に「検出なし」から「検出あり」に変化する位置と次の「検出あり」から「検出なし」に変化する位置の中点である。また、圧縮機１回転の周期は、「検出あり」から「検出なし」に変化する位置から次の「検出あり」から「検出なし」に変化する位置までの時間（ＡＡ間の時間）、または、「検出なし」から「検出あり」に変化する位置から次の「検出なし」から「検出あり」に変化する位置までの時間（ＢＢ間の時間）である。
近接センサ２２からの検出信号を用いてSTEP１→STEP２の処理をすることによって、圧縮機１回転の周期情報と上死点、下死点位置を算出することができる。

次に、往復運動するピストンの場合、ピストンストロークが異なると検出対象ポイントにおける速度が変化する。このため上記のように横軸が時間であると、検出信号の「検出あり」と「検出なし」との区分が実際のピストンの位置に対して誤差が生じる。そこで図５に示すように、速度の変化の影響を補正するために、横軸を時間から変位に変換する。この変換によって、上死点、下死点近傍における検出誤差が大幅に低減する。ピストンストロークの時間軸における位置をＴ、変換した変位軸における位置をＮｅｗ Ｔとすると、Ｎｅｗ Ｔ＝０．５＊（１−ｃｏｓ（Ｔπ））で変位軸におけるＮｅｗ Ｔを算出することができる。ただし、０＜Ｔ＜１である。

次に、図６に示すように、最大容量運転時の検出信号と推定したい容量運転時の信号における近接センサ２２の「検出部上に無い」と検出された距離を比較することによって吐出容量を推定する。
STEP１：最大容量運転時の容量は100％であるので、最大容量運転時の「検出部上に無い」区間は、信号の「検出部上に無い」割合「Ａ＿ＯＦＦ」を掛けることによって得られる。このストロークを「Ａ」とすると、Ａ＝１００＊Ａ＿ＯＦＦ（％）となる。
STEP２：次に推定したい容量運転時の「検出部上に無い」区間は、最大容量運転時の「検出部上に無い」区間のストロークと同じなのでストロークは「Ａ」である。そして、その「検出部上に無い」区間の信号の割合を「Ｂ＿ＯＦＦ」とすると、「Ｂ＿ＯＦＦ」＝「Ａ」となる。すると、残りの「検出部上にある」区間を「Ｂ＿ＯＮ」とすると、Ｂ＿ＯＮ＝１−Ｂ＿ＯＦＦであり、ストロークは、（１−Ｂ＿ＯＦＦ）／Ｂ＿ＯＦＦ＊Ａとなる。したがって求める推定したい吐出容量は、前述したように、
「Ｂ＿ＯＮ」＋「Ｂ＿ＯＦＦ」＝Ａ＋Ｂ＿ＯＮ／Ｂ＿ＯＦＦ＊Ａ＝Ａ＿ＯＦＦ／Ｂ＿ＯＦＦ＊１００となる。

推定したい検出信号と最大容量運転時の検出信号を用いて、上記STEP１→STEP２の処理をすることによって、近接センサ２２からの検出信号を吐出容量に変換できる。前述の特許文献２の手法では、多くの演算回路と回転数ごとの波形パターンを記憶するための大きな記憶容量を必要としていた。しかし本発明では、変換処理は、実質、上述の時間から変位への変換と上記STEP２の変換式の２ステップだけであり、記憶するデータもＡ＿ＯＦＦの１点であり、処理数、容量とも大幅に低減できる。

このような推定処理を上死点から下死点までの区分ごとに連続的に行うことによって、運転時の吐出容量を実質的にリアルタイムで推定することができる。このような検出、演算処理の処理手順は、例えば図７に示す容量検出方法における処理手順として表すことができる。

上記のような容量推定のための検出においては、図８（Ａ）に示すように、近接センサ２２の検出有効距離限度近辺に段差や勾配があると検出誤差が発生しやすいので、図８（Ｂ）に示すように、検出有効距離限度近辺に段差や勾配が無いようにピストン１３の形状（ピストン１３のセンサ被検出面の形状）を設定しておくことが好ましく、それによって、検出対象ポイント上にあるか否かの状態を明瞭に検出することができる。

さらに前述したように、圧縮機運転中に仮に傷、磨耗等によってピストンの被検出面２１からの検出信号（例えば、鮮明度の高い反射媒体の分布形状の信号）が初期値と著しく変化した場合でも、再度、その状態での最大容量運転時に得られる検出信号パターンを取得することによって、反射媒体の検出信号パターンの変化の影響を補正でき、劣化時における検出、容量推定精度を向上できる。この最大容量運転時に得られるパターンの取得は、特に圧縮機を停止したり外したりする必要は無く、運転中に取得できるので、極めて容易に取得可能である。

上記のように推定された吐出容量Ｖを用い、圧縮機システムの状態パラメータの観測値を用いて圧縮機の駆動トルクＴを算出することができる。演算式は、例えば、
Ｔ＝Ｋ・Ｐｓ・｛（Ｐｄ／Ｐｓ）ｍ−１｝・Ｖ
で表すことができる。ここで、Ｐｄは吐出圧力、Ｐｓは吸入圧力、Ｋおよびｍは定数である。この圧縮機の駆動トルク情報をエンジンＥＣＵに送り、エンジンの負荷調整に利用することもできる。

また、エアコンＥＣＵで推定した、吐出容量やトルクを圧縮機の制御弁の制御に利用することもできる。これにより、例えば、圧縮機のトルクや圧縮機のＯＮ／ＯＦＦ時の過渡的な吐出容量の変動を制御することが可能になる。

本発明に係る容量検出装置は、あらゆるピストンタイプ可変容量型圧縮機に適用でき、それによって容易に低コストで精度の高い容量推定を行うことができ、その容量推定を介して可変容量型圧縮機のトルク推定等に利用できる。

１ 可変容量型圧縮機
２ 容量検出装置
３ プーリー
４ トルクリミッター機構
５ 駆動軸
６ フロントハウジング
６ａ フロントハウジングの内周面
７ シリンダブロック
８ クランク室
９ ロータ
１０ リンク機構
１１ 斜板
１２ シリンダボア
１３ ピストン
１３ａ ピストンの首部
１４ シュー
１５ シリンダヘッド
１６ 吸入室
１７ 吐出室
２１ ピストンのセンサ被検出面
２２ 近接センサ
２２ａ 近接センサの検出ヘッド
２３ コントローラ
２４ エアコンＥＣＵ
２５ 被検出部
２６ 検出センサ

Claims (15)

1. ピストンの往復運動によってガス圧縮を行うとともに、ピストンのストロークを変更することで容量を変更可能な可変容量型圧縮機の容量検出装置であって、
   （１）前記ピストンの側方に配置されたセンサであって、該センサの前方側に前記ピストンのセンサ被検出面がある状態とない状態の２種の状態の検知信号を出力可能な近接センサと、
   （２）最大容量運転時のピストン１ストローク分の前記２種の状態の検知信号のパターン（Ａ）を測定して記憶し、現在運転時のピストン１ストローク分の前記２種の状態の検知信号のパターン（Ｂ）を検出し、前記パターン（Ａ）と前記パターン（Ｂ）の比較から、現在運転時のピストンストロークに対応する現在運転時の容量を推定する推定手段と、
   を備えたことを特徴とする可変容量型圧縮機の容量検出装置。
2. 前記推定手段は、圧縮機１回転の周期の信号と、ピストンの上死点信号または下死点信号と、前記パターン（Ａ）と前記パターン（Ｂ）の比較とから、前記現在運転時の容量を推定する、請求項１に記載の可変容量型圧縮機の容量検出装置。
3. 前記推定手段は、前記パターン（Ａ）と前記パターン（Ｂ）における前記２種の状態の検知信号の割合の比較から、前記現在運転時の容量を推定する、請求項１または２に記載の可変容量型圧縮機の容量検出装置。
4. 前記推定手段は、前記２種の状態の検知信号の時間軸上での割合を、ピストンストローク方向の変位軸上での割合に変換して、前記パターン（Ａ）と前記パターン（Ｂ）を比較することにより前記現在運転時の容量を推定する、請求項３に記載の可変容量型圧縮機の容量検出装置。
5. 前記圧縮機１回転の周期の信号と、ピストンの上死点信号または下死点信号は、前記近接センサによる前記２種の状態の検知信号自体から、前記推定手段により算出される、請求項２〜４のいずれかに記載の可変容量型圧縮機の容量検出装置。
6. 前記圧縮機１回転の周期の信号は、圧縮機の駆動源の回転信号から求められる、請求項２〜４のいずれかに記載の可変容量型圧縮機の容量検出装置。
7. 前記ピストンの上死点信号は、圧縮機の駆動用回転体のピストン上死点に対応する部位に設けられた被検出体と、該被検出体に正対する位置に設けられた検出手段によって求められる、請求項２〜４のいずれかに記載の可変容量型圧縮機の容量検出装置。
8. 前記ピストンのセンサ被検出面は、前記近接センサの検出有効距離限度近辺に段差、勾配が無い形状の面に形成されている、請求項１〜７のいずれかに記載の可変容量型圧縮機の容量検出装置。
9. 前記近接センサは、渦電流式、電磁誘導式、静電容量式、光電反射式のいずれかのセンサからなる、請求項１〜８のいずれかに記載の可変容量型圧縮機の容量検出装置。
10. 前記ピストンのセンサ被検出面に、磁気特性を備えた塗料が塗布されている、もしくは、磁石が埋め込まれている、請求項９に記載の可変容量型圧縮機の容量検出装置。
11. 前記ピストンのセンサ被検出面に、光特性を備えた塗料が塗布されている、もしくは、光反射体が埋め込まれている、請求項９に記載の可変容量型圧縮機の容量検出装置。
12. 前記推定手段は、前記近接センサによる検出信号が、前記ピストンのセンサ被検出面の傷、磨耗等によって初期値に対し変化した場合においても、その状態における前記パターン（Ａ）を再記録することにより、前記変化による影響を補正して現在運転時の容量を推定する、請求項１〜１１のいずれかに記載の可変容量型圧縮機の容量検出装置。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の容量検出装置を備えた可変容量型圧縮機。
14. 推定した容量と少なくとも圧縮機の吐出圧力と吸入圧力から圧縮機のトルクを推定する、請求項１３に記載の可変容量型圧縮機。
15. 推定した容量を入力情報として、圧縮機の容量を可変させる容量制御弁の弁開度が制御される、請求項１３または１４に記載の可変容量型圧縮機。

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