JP2006327428A - 車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 室外熱交換器に着霜があっても、暖房能力の制限を緩和可能な暖房運転が継続できる車両用空調装置を実現する。
【解決手段】 車室外の空気と冷却水とを熱交換するラジエータ２３を有し、燃料電池２０を循環する冷却水をラジエータ２３に流通させる冷却水循環回路２１と、室外熱交換器３が暖房運転の着霜状態のときに、低圧側の冷媒と冷却水循環回路２１内を循環する冷却水とを熱交換する第１水冷媒熱交換器６とを具備する。これにより、暖房能力の制限を緩和可能な暖房運転が継続できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒートポンプサイクル装置を有する車両用空調装置に関するものであり、特に、暖房運転時の室外熱交換器の着霜時における制御に関する。

従来、この種の車両用空調装置として、例えば、圧縮機、切替弁、室内熱交換器、減圧器、室外熱交換器、切替弁、およびアキュームレータの順に環状に管路で接続してなるヒートポンプサイクル装置が知られている。

そして、暖房運転を行う場合には、圧縮機から吐出した高圧冷媒を室内熱交換器に流入させて、その室内熱交換器にて車室内に吹き出す空気を加熱し、室内熱交換器から流出した冷媒を減圧した後、その減圧された冷媒を室外熱交換器→アキュームレータ→圧縮機の順に循環させることにより、室外熱交換器にて車室外の空気から吸熱して蒸発した冷媒の熱を室内熱交換器にて放熱している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２１８８５３号公報

しかしながら、上記特許文献１のようなヒートポンプサイクル装置では外気温度が０℃以下に低下してくると、空気中の水蒸気が霜となって室外熱交換器に着霜して風の流れが阻害されてくる。つまり、暖房運転が継続することができない問題がある。

圧縮機から吐出した高温のガス冷媒で室外熱交換器と室内熱交換器の両方を加熱することで、室外熱交換器の除霜と室内熱交換器による車室内の暖房を両立するホットガス運転では、室外熱交換器では吸熱できないうえに、ホットガスの一部が室外熱交換器の除霜に使われるため、室内熱交換器側の暖房能力が充分に発揮できず制限される問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記点に鑑みたものであり、室外熱交換器に着霜があっても、暖房能力の制限を緩和可能な暖房運転が継続できる車両用空調装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項９に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、冷媒を圧縮する圧縮機（１）と、車室内に吹き出す空気と冷媒とを熱交換する室内熱交換器（４）と、車室外の空気と冷媒とを熱交換する室外熱交換器（３）と、冷房運転時には圧縮機（１）から吐出された吐出冷媒を室外熱交換器（３）に向けて流通させ、暖房運転時には圧縮機（１）から吐出された吐出冷媒を室内熱交換器（４）に向けて流通させる切替手段（７）とを備える車両用空調装置において、
車室外の空気と冷却水とを熱交換するラジエータ（２３）を有し、熱機関もしくは発熱補機を循環する冷却水をラジエータ（２３）に流通させる冷却水循環回路（２１）と、室外熱交換器（３）が暖房運転の着霜状態のときに、低圧側の冷媒と冷却水循環回路（２１）内を循環する冷却水とを熱交換する第１水冷媒熱交換器（６）とを具備することを特徴としている。

この発明によれば、第１水冷媒熱交換器（６）により低圧の冷媒を加熱することができるため室外熱交換器（３）が着霜状態であっても圧縮機（１）に吸入される冷媒が加熱されることで暖房運転を継続させることができる。従って、暖房能力が制限されることはない。

請求項２に記載の発明では、第１水冷媒熱交換器（６）は、室外熱交換器（３）の上流側に配設されていることを特徴としている。これによれば、暖房運転を行いながら第１水冷媒熱交換器（６）で加熱された冷媒を室外熱交換器（３）に流入することができるため、着霜を溶かすことができる。言い換えると、暖房運転が制限を受けることがなく、かつ除霜が同時にできる。

請求項３に記載の発明では、第１水冷媒熱交換器（６）は、室外熱交換器（３）の下流側に配設されていることを特徴としている。この発明によれば、室外熱交換器（３）が着霜して低温の冷媒が圧縮機（１）に向けて流出されるが、第１水冷媒熱交換器（６）で加熱された冷媒を圧縮機（１）に吸入させることができる。これにより、室外熱交換器（３）が着霜状態であっても暖房運転を継続させることができる。

請求項４に記載の発明では、第１水冷媒熱交換器（６）は、ラジエータ（２３）の上流側に配設されていることを特徴としている。この発明によれば、ラジエータ（２３）で冷却される前の高温状態の冷却水で低圧側の冷媒を加熱することができる。これにより、除霜が容易にできる。また、圧縮機（１）に吸入される低圧の冷媒をガス冷媒とすることができる。

請求項５に記載の発明では、第１水冷媒熱交換器（６）は、ラジエータ（２３）に並列に配設されていることを特徴としている。この発明によれば、熱機関もしくは発熱補機からの廃熱を冷媒側で有効活用することができる。

請求項６に記載の発明では、室外熱交換器（３）の着霜状態を検出する検出手段（１６ａ〜１６ｇ）と、第１水冷媒熱交換器（６）に流通する冷却水の流量を調節する流量調節手段（２４、２５）と、検出手段（１６ａ〜１６ｇ）により検出された室外熱交換器（３）の着霜状態に基づいて、流量調節手段（２４、２５）の流量を制御する制御手段（３０）とを具備することを特徴としている。

この発明によれば、室外熱交換器（３）の着霜状態を確実に検出することができるとともに、室外熱交換器（３）の着霜状態であっても、圧縮機（１）に吸入される低圧側の冷媒をガス冷媒とすることができる。

請求項７に記載の発明では、検出手段（１６ａ〜１６ｇ）は、室外熱交換器（３）を通過する風速を検出する風速センサ（１６ｆ）、外気温度を検出する外気温度センサ（１６ａ）と室外熱交換器（３）から流出した冷媒の圧力を検出する室外熱交換器冷媒圧力センサ（１６ｂ）、外気温度センサ（１６ａ）と室外熱交換器（３）を通過した直後の空気温度を検出する室外熱交換器空気温度センサ（１６ｃ）、外気温度センサ（１６ａ）と室外熱交換器（３）から流出した冷媒の温度を検出する室外熱交換器冷媒温度センサ（１６ｄ）、外気温度センサ（１６ａ）と室外熱交換器（３）のフィン温度を検出する室外熱交換器フィン温度センサ（１６ｅ）、もしくは、室外熱交換器（３）の着霜状態を検出するカメラ（１６ｇ）のいずれか一つもしくは二つを用いることを特徴としている。

この発明によれば、外気温度センサ（１６ａ）、室外熱交換器冷媒圧力センサ（１６ｂ）、および室外熱交換器冷媒温度センサ（１６ｄ）を用いると、空調装置の温度制御のための検出センサであるため新たな部品を増加させることなく着霜状態の検出ができる。

また、風速センサ（１６ｆ）、室外熱交換器空気温度センサ（１６ｃ）、および室外熱交換器フィン温度センサ（１６ｅ）などを用いると、既存の風速または温度センサを配設するだけで良い。さらに、カメラ（１６ｇ）では、着霜状態の検出が精度良くできる。

請求項８に記載の発明では、制御手段（３０）は、流量調節手段（２４、２５）の弁開度を全開となるまで徐々に大きくするように制御することを特徴としている。この発明によれば、冷却水循環回路（２１）側の温度変化が徐々に低下することになるので熱機関もしくは発熱補機などの被冷却体を冷却する冷却水温度が急速に低下することがない。

発熱補機として、例えば、後述する燃料電池（２０）では、急速に冷却水温度を低下させると耐久性を著しく劣化させるのでその劣化を防止することができる。また、熱機関として、例えば、液冷式内燃機関では、急速に冷却水温度を低下させると燃費特性を低下させるのでその低下を防止することができる。

請求項９に記載の発明では、発熱補機は、燃料電池車に搭載される燃料電池（２０）であることを特徴としている。この発明によれば、特に、燃料電池（２０）では、発電特性が良好な最適温度を狙って冷却するように構成しているため、急速に冷却温度を低下させると最適温度を通過して発電効率を低下させるのでその発電効率の低下を防止することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態における車両用空調装置を図１ないし図４に基づいて説明する。本発明に係る車両用空調装置を、燃料電池２０を搭載する電気自動車用の空調装置に適用したものであって、図１は本実施形態による車両用空調装置の全体構成を示す模式図である。図２は流量調節弁２４の冷却水の流れ方向を示す模式図である。また、図３は制御装置３０における暖房運転のときの制御処理を示すフローチャートである。図４は外気温度と室外熱交換器出口圧力との特性を示す特性図である。

なお、本実施形態に係る発熱補機である燃料電池（ＦＣスタック）２０は、酸素と水素とを化学反応させることで発電させて走行用電動モータ（図示せず）に電力を供給している。そして、発電による発熱を冷却するために、図１に示すように、燃料電池２０を冷却水循環回路２１内に配置させて熱媒体として冷却水を循環するように構成している。

そして、冷却水循環回路２１には、上記燃料電池２０の他に、ポンプ２２、ラジエータ２３、第１水冷媒熱交換器６、第２水冷媒熱交換器２、ヒータコア１２および流量調節手段である流量調節弁２４を配置している。ここで、冷却水は、例えば、水にエチレングリコール系の不凍液を混合した流体を採用している。

ポンプ２２は冷却水を燃料電池２０に流通させて冷却水循環回路２１内を循環する電動ポンプであって、燃料電池２０の上流側に配置されている。そしてポンプ２２の上流側が後述するヒータコア１２の出口側と後述する流量調節弁２４を介してラジエータ２３の出口側とに連通するように接続されている。

ラジエータ２３は、燃料電池２０から流出された冷却水と車室外の空気とを熱交換してその冷却水を冷却する熱交換器であり、燃料電池２０の下流側に連通するように配置されている。そして、第１水冷媒熱交換器６および第２水冷媒熱交換器２は、後述するヒートポンプサイクル装置１０内を流通する冷媒と燃料電池２０から流出された冷却水とを熱交換するための熱交換器である。

第１水冷媒熱交換器６は、冷却水側がラジエータ２３と燃料電池２０との間に配置され、第２水冷媒熱交換器２は、冷却水側が燃料電池２０の下流側とヒータコア１２との間に配置されている。つまり、本実施形態の第１水冷媒熱交換器６はラジエータ２３の上流側に配置し、第２水冷媒熱交換器２はヒータコア１２の上流側に配置している。なお、第１水冷媒熱交換器６と第２水冷媒熱交換器２とのヒートポンプサイクル装置１０内への冷媒側の接続先については後述する。

ヒータコア１２は、燃料電池２０および第２水冷媒熱交換器２を流通させた冷却水を熱源として室内に吹き出す空気を加熱する熱交換器である。ヒータコア１２は後述する空調ケース１１内に配置され、その上流側が第２水冷媒熱交換器２の出口側に接続され、下流側がポンプ２２の入口側に接続されている。

ところで、冷却水循環回路２１には、燃料電池２０の下流側に分岐点２１ａが設けられ、その分岐点２１ａと後述する流量調節弁２４とを結ぶバイパス回路２１ｂが設けられている。言い換えると、燃料電池２０から流出された冷却水が、第２水冷媒熱交換器２、およびヒータコア１２側に流通する経路と、第１水冷媒熱交換器６、ラジエータ２３側に流通する経路と、バイパス回路２１ｂ、流量調節弁２４側に流通する経路とが形成される。

これにより、ポンプ２２が作動すると、燃料電池２０から流出された冷却水がそれらの経路の抵抗バランスに対応してそれぞれの経路に分流される。

そして、流量調節弁２４は、ラジエータ２３の出口側とポンプ２２の上流側との間と、バイパス管２１ｂとの交点に設けられ、第１水冷媒熱交換器６、ラジエータ２３を流通する冷却水の流量を調節する流量弁である。また、流量を調節する他に、燃料電池２０から流出された冷却水が、第１水冷媒熱交換器６、ラジエータ２３側に流通する流量と、第１水冷媒熱交換器６、ラジエータ２３側を迂回させる流量との配分を調節する弁である。

本実施形態の流量調節弁２４は、例えば、電動ロータリーバルブを採用し、後述する制御装置３０に電気的に接続されて制御される。その概略構造は、図２に示すように、弁体２４ａに流量調節機構が形成され、その開度（詳しくは後述する）に基づいて弁体２４ａを回転することで、ラジエータ２３側から流入する流量（図中に示す流れ方向ａ）とバイパス回路２１ｂから流入する流量（図中に示す流れ方向ａ）とを調節する。

なお、流量調節弁２４は、空調装置を制御する後述する制御装置３０の他に、燃料電池２０を流出した冷却水を冷却するための図示しない冷却水制御手段によって制御されている。つまり、本実施形態の空調装置に係わらず、イグニッションキーがＯＮしているときは、燃料電池２０の廃熱を冷却するために、燃料電池２０に流入する冷却水の冷却水温度に基づいて流量調節弁２４の開度が制御される。

一方、ヒートポンプサイクル装置１０は、圧縮機１、第２水冷媒熱交換器２、第２減圧器８ｂ、切替手段である切替弁７、室内熱交換器４、第１減圧器８ａ、内部熱交換器５、第１水冷媒熱交換器６、室外熱交換器３、およびアキュームレータ９から構成される。圧縮機１は冷媒を吸入圧縮するポンプ手段であって、回転数を可変するインバータ制御方式の電動圧縮機を採用している。

第２水冷媒熱交換器２は、燃料電池２０から流出した冷却水のうち、ヒータコア１２に供給される冷却水と圧縮機１から吐出した冷媒とを熱交換するように配置している。なお、図１では、第２水冷媒熱交換器２が冷媒と冷却水とは並行流で表示されているが、実際の第２水冷媒熱交換器２では、両者を対向流させて熱交換効率を高めている。これにより、ヒータコア１２に供給される冷却水が圧縮機１から吐出した高温冷媒により加熱される。

室外熱交換器３は冷媒と車室外の空気とを熱交換する熱交換器である。室内熱交換器４は室内に吹き出す空気と冷媒とを熱交換する熱交換器である。内部熱交換器５は圧縮機１に吸引される低圧冷媒と減圧される前の高圧冷媒とを熱交換する熱交換器である。

切替弁７は、圧縮機１から吐出した減圧される前の高圧冷媒を室外熱交換器３側に流通させる場合と室内熱交換器４側に流通させる場合とを切り替えるバルブである。第１減圧器８ａおよび第２減圧器８ｂは、圧力損失が殆ど発生しない全開状態から冷媒を減圧膨脹させる所定開度まで連続的に絞り開度を変化させることができる減圧器である。なお、両減圧器８ａ、８ｂの絞り開度は後述する制御装置３０により制御される。

第１水冷媒熱交換器６は、冷媒側が暖房運転のときに低圧となる内部熱交換器５と室外熱交換器３との間に配置され、室外熱交換器３が暖房運転の着霜状態のときに、燃料電池２０から流出した冷却水により室外熱交換器３に流入する冷媒を加熱させている。これにより、室外熱交換器３が着霜していても、この着霜を溶かして暖房運転を継続するようにしている。アキュームレータ９は、冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して余剰冷媒を液相冷媒として蓄えるとともに、気相冷媒を圧縮機１の吸入側に供給するものである。

空調ケース１１は、室内熱交換器４、およびその空気流れ下流側にヒータコア１２を収納して車室内に吹き出す空調空気の空気通路を形成するユニットである。ここで、ヒータコア１２は、第２水冷媒熱交換器２で加熱された冷却水を熱源として車室内に吹き出す空気を加熱するので、冷却水を介して車室内に吹き出す空気と冷媒とを間接的に熱交換することとなる。

空調ケース１１に配設されたエアミックスドア１３は、室内熱交換器４を通過した空気のうちヒータコア１２を通過して加熱される温風と、ヒータコア１２を迂回して流れる冷風との風量割合を調節することにより室内に吹き出す空気の温度を調節するものである。

また、空調ケース１１の空気流れ最上流側には、空調ケース１１内に導入する車室内空気量（内気）と車室外空気量（外気）と調節する内外気切換ユニット１４、および室内に空気を送風する送風機１５が設けられている。

そして、空調ケース１１の空気流れ最下流側には、空気を吹き出させる吹出口を選択開閉する吹出モード切換装置（図示せず）が設けられている。また、ラジエータ２３、および室外熱交換器３の空気流れ下流側には、車室外の空気をラジエータ２３、および室外熱交換器３に送風する図示しない送風機が設けられている。

そして、本実施形態では、暖房運転のときに、室外熱交換器３が着霜状態を検出するための検出手段が設けられている。具体的には、検出手段として、外気温度を検出する外気温度センサ１６ａと室外熱交換器３から流出した冷媒の圧力を検出する室外熱交換器冷媒圧力センサ１６ｂとを設けている。そして、これらのセンサ１６ａ、１６ｂにより検出された温度、圧力情報を検出信号として後述する制御装置３０に出力するように接続している。

さらに、これら温度、圧力センサ１６ａ、１６ｂの他に、図示しないが、圧縮機１から吐出する冷媒の温度を検出する吐出冷媒温度センサ、圧縮機１から吐出する冷媒の圧力検出する吐出冷媒圧力センサ、第２水冷媒熱交換器２から流出する冷媒の温度を検出する第２水冷媒熱交換器冷媒温度センサ、室外熱交換器３から流出する冷媒の温度を検出する室外熱交換器冷媒温度センサ、室内熱交換器４から流出した冷媒の圧力を検出する室内熱交換器冷媒圧力センサ、室内熱交換器４から流出した冷媒の温度を検出する室内熱交換器冷媒温度センサ、第１水冷媒熱交換器６から流出する冷媒の温度を検出する第１水冷媒熱交換器冷媒温度センサなどがヒートポンプサイクル装置１０内に設けられている。

また、第１水冷媒熱交換器６に流入する冷却水の温度を検出する水温センサ、第２水冷媒熱交換器２に流入する冷却水の温度を検出する水温センサが冷却水循環回路２１内に設けられている。

さらに、車室内には、車室内空気温度を検出する内気温センサ、車室内に注がれる日射を検出する日射センサが設けられている。空調ケース１１内には、室内熱交換器４を通過した直後の空気温度を検出する室内熱交換器空気温度センサが設けられている。そして、これらの各種センサから検出された温度、圧力情報を検出信号として後述する制御装置３０に出力するように接続されている。

次に、制御手段である制御装置３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵のＲＯＭ（図示せず）には予め設定された制御プログラムが設けられている。そして、制御装置３０は、温度、圧力センサ１６ａ、１６ｂの他に、上述した各種センサ類で検出された検出信号、および図示しない操作盤からの操作情報に基づいて、流量調整弁２４、切替弁７、圧縮機１の回転数、エアミックスドア１３、内外気切換ユニット１４、送風機１５および吹出モード切換装置（図示せず）を制御している。

次に、以上の構成による車両用空調装置の作動について説明する。まず、冷房運転のときは、外気温センサ１６ａ、内気温センサ（図示せず）および日射センサ（図示せず）の検出値、並びに乗員が設定入力した所望する室内温度（設定温度）などに基づいて算出された目標吹出温度ＴＡＯが所定温度以下のときに実行される。

そして、エアミックスドア１３により、ヒータコア１２のコア面を閉じて室内に流れ込む温風量を０とした状態で、切替弁７が作動され、冷媒が、圧縮機１→第２水冷媒熱交換器２→第２減圧器８ｂ→切替弁７→室外熱交換器３→第１水冷媒熱交換器６→内部熱交換器５→第１減圧器８ａ→室内熱交換器４→切替弁７→アキュームレータ９→内部熱交換器５→圧縮機１の順に循環される。

このとき、第２減圧器８ｂにて冷媒が減圧されないように第２減圧器８ｂの絞り開度を全開とする。そして、吐出冷媒圧力センサ（図示せず）の検出圧力が室外熱交換器冷媒温度センサ（図示せず）によって決定される目標高圧圧力Ｐｏとなるように第１減圧器８ａの絞り開度を制御する。これにより、室内熱交換器４にて室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発した冷媒の熱を第１水冷媒熱交換器６および室外熱交換器３にて放熱する。

従って、冷却水循環回路２１側には、室内熱交換器４にて吸熱した熱のうち、第１水冷媒熱交換器６、および第２水冷媒熱交換器２で放熱された熱が冷却水に受熱されるが、図示しない冷却水制御手段により燃料電池２０の廃熱とともに流量調節弁２４の開度を制御してラジエータ２３により放熱される。

ここで、目標高圧圧力Ｐｏとは、蒸気圧縮式冷凍機の成績係数が略最大となる圧力であり、この目標高圧圧力Ｐｏは高圧側での放熱能力によって変化するため、冷房運転時では、室外熱交換器冷媒温度センサ（図示せず）の検出温度に基づいて決定する。また、室内熱交換器空気温度センサ（図示せず）の検出温度が目標吹出温度ＴＡＯとなるように圧縮機１の回転数が制御される。

次に、暖房運転のときは、外気温センサ１６ａで検出された外気温度が０℃以下に低下してくると、空気中の水蒸気が霜となって室外熱交換器３に着霜して風の流れが阻害される。これを防止するために、外気温センサ１６ａで検出される外気温度と室外熱交換器冷媒圧力センサ１６ｂで検出される出口圧力との関係から室外熱交換器３の着霜状態を検出して流量調節弁２４を制御している。

具体的には、図３に示すフローチャートに示す制御処理に基づいて制御する。まず、暖房運転は、外気温センサ１６ａ、内気温センサ（図示せず）および日射センサ（図示せず）の検出値、並びに乗員が設定入力した所望する室内温度（設定温度）などに基づいて算出された目標吹出温度ＴＡＯが所定温度以上のときに実行される。

そして、エアミックスドア１３によって、ヒータコア１２を迂回する空気通路を閉じた状態で、切替弁７が作動される。これにより、冷媒が、圧縮機１→第２水冷媒熱交換器２→第２減圧器８ｂ→切替弁７→室内熱交換器４→第１減圧器８ａ→内部熱交換器５→第１水冷媒熱交換器６→室外熱交換器３→切替弁７→アキュームレータ９→圧縮機１の順に循環される。

このとき、第２減圧器８ｂにて冷媒が減圧されないように第２減圧器８ｂの絞り開度を全開に制御する。そして、室内熱交換器冷媒圧力センサ（図示せず）の検出圧力が室内熱交換器冷媒温度センサ（図示せず）によって決定される目標高圧圧力Ｐｏとなるように第１減圧器８ａの絞り開度を制御する。

そして、図３に示すように、ステップ３１０にて、暖房運転中であるか否かを判定して、暖房運転中であれば制御処理をスタートする。ここでは、目標吹出温度ＴＡＯが所定温度以上であれば暖房運転中と判定する。

次に、ステップ３２０にて、ＯＲＦＣを算出する。このＯＲＦＣは、燃料電池２０の廃熱を冷却するための冷却量から算出した第１水冷媒熱交換器６に流通する流量を最適な流量とする流量調節弁２４の開度である。そして、ステップ３３０にて、開度の変数であるＯＲをＯＲ＿Ｃと設定する。ここで、ＯＲ＿Ｃは、図示しない冷却水制御手段により指令された燃料電池２０を冷却するための現時点における実際の流量調節弁２４の開度である。

そして、ステップ３４０にて、図示しないデータ処理用メモリ（ＲＡＭ）の記憶内容などの初期化および繰り返し回数ｎを０にセットする。そして、ステップ３５０にて、繰り返し回数ｎをカウントする。ここではｎ＋１となる。そして、ステップ３６０にて、室外熱交換器３が着霜状態であるか否かを判定する。

ここで、着霜状態の判定は、図４に示す着霜判定特性が制御装置３０内に予め記憶されており、外気温センサ１６ａで検出される外気温度と室外熱交換器冷媒圧力センサ１６ｂで検出される出口圧力との関係から着霜状態を判定する。

より具体的に説明すると、図４は発明者が外気温度と室外熱交換器３の出口圧力との関係に基づいて着霜限界特性を実験で求めた着霜判定特性である。図４に示すように、図中の実線で示す着霜限界特性の下方側が着霜判定領域の範囲であって、検出された外気温度と出口圧力とが着霜判定領域範囲内であれば着霜状態であると判定する。

ステップ３６０で着霜しているときは、ステップ３７０ａにて、現在の開度変数ＯＲに＋０．００８を加算する。つまり、ステップ３３０で求めたＯＲ＿Ｃに＋０．００８を加算して開度変数ＯＲを決定する。

そして、ステップ３８０ａにて、決定したＯＲが１を超えているか否かを判定する。ここで、ＯＲが１を超えておれば、ステップ３９０ａでＯＲを１と決定する。ＯＲが１を超えていなければ、そのＯＲを決定してステップ４００に移行する。

ステップ４００にて、決定された開度変数ＯＲに基づいて流量制御弁２４の開度を制御する。具体的には、流量制御弁２４の開度は燃料電池２０から流出した冷却水が第１水冷媒熱交換器６側に流通する流量となる開度変数ＯＲとしている。従って、燃料電池２０から流出した冷却水が第１水冷媒熱交換器６を迂回するバイパス回路２１ｂ側に流通する流量となる開度変数は１−ＯＲとしている。

また、ここで、開度変数ＯＲが１のときは全開であって、第１水冷媒熱交換器６側に流通する流量が最大である。また、開度変数ＯＲが０のときは全閉であって、第１水冷媒熱交換器６側を迂回するバイパス回路２１ｂ側に流通する流量が最大である。さらに、開度変数ＯＲが１以下のときは、燃料電池２０から流出した冷却水が第１水冷媒熱交換器６側とバイパス回路２１ｂ側とに配分が調整される。

そして、ステップ４１０にて、暖房運転の停止信号を受信したか否かを判定する。ここで、受信していなければ、ステップ４２０にて、繰り返し回数ｎが１００回を超えたか否かを判定する。

ここで、繰り返し回数ｎが１００回以下であれば、ステップ３５０に戻り、そのステップ３５０にて、繰り返し回数ｎを、さらに１を加算して、以下のステップに移行する。つまり、ステップ３５０からステップ４２０までに至る繰り返し回数ｎは、ステップ３７０で決定した開度変数ＯＲが１の全開となるまで徐々に開度変数ＯＲを大きくなるように流量制御弁２４の開度を制御している。

これにより、第１水冷媒熱交換器６側に流通する冷却水の流量が全開に至るまで徐々に増加するとともに、室外熱交換器３に流入する冷媒が冷却水により加熱されることで、室外熱交換器３の着霜を溶かすことすできる。なお、ステップ３５０からステップ４２０に至る繰り返し周期は、例えば、１６ｍｓ程度である。

また、暖房運転したときに、燃料電池２０を循環する冷却水の流量を徐々に増加するように制御しているので燃料電池２０の冷却水入口温度が急変することはない。従って、燃料電池２０の耐久性を向上することができるとともに、燃料電池２０の発電効率の低下を防止することができる。

次に、ステップ４２０にて、繰り返し回数ｎが１００回を超えたときは、ステップ３２０に戻るようにしている。また、ステップ４１０にて、暖房運転の停止信号を受信しておれば、ステップ４３０にて、運転停止を出力する。

ところで、ステップ３６０にて、着霜していないときは、ステップ４４０にて、ステップ３２０で算出したＯＲＦＣと現時点における実際の０Ｒ＿Ｃとを比較して、ＯＲＦＣが０Ｒ＿Ｃよりも大きいか否かを判定する。例えば、運転開始直後の当初から着霜していないときはステップ３３０にて設定した０Ｒ＿Ｃと比較する。

そして、ここで、ＯＲＦＣが現時点における実際の０Ｒ＿Ｃよりも大きいときは、第１水冷媒熱交換器６側に流通させる流量が少ないのでステップ３７０ａに移行する。つまり、ステップ３７０ａからステップ４４０までに至るサブルーチンを繰り返して実際の０Ｒ＿ＣをＯＲＦＣである最適流量となるまで徐々に増加するように制御する。

また、ステップ４４０にて、ＯＲＦＣが現時点における実際の０Ｒ＿Ｃよりも小さいときは、ステップ３７０ｂに移行する。つまり、例えば、着霜状態から着霜していない状態に切り替わったときは、実際の０Ｒ＿ＣがＯＲＦＣよりも大となっているので、ステップ３７０ｂにて、現在の開度変数ＯＲから０．００８を減算して新たな開度変数ＯＲの価とする。

そして、ステップ３８０ｂにて、ステップ３７０ｂで設定したＯＲがＯＲＦＣを超えているか否かを判定する。ここで、ＯＲがＯＲＦＣよりも小さくなったときには、ステップ３９０ｂで開度変数ＯＲをＯＲＦＣと決定する。また、ステップ３８０ｂにて、ＯＲがＯＲＦＣよりも小さくなければ、その開度変数ＯＲを決定してステップ４００に移行し、決定された開度変数ＯＲで流量制御弁２４の開度を制御する。

そして、ステップ４１０、４２０を経由し、ステップ３５０からステップ４４０を経由し、ステップ３７０ｂ、３８０ｂ、３９０ｂおよびステップ４２０に至ることを繰り返す。これにより、着霜していないときは、第１水冷媒熱交換器６側に流通する開度を最適流量の開度であるＯＲＦＣとして流量調節弁２４の開度を制御する。

そして、その最適流量の開度を超える流量のときは、最適流量に至るまで徐々に開度を閉じるように制御している。従って、第１水冷媒熱交換器６に流通する流量は、最適流量に維持されるとともに、最適流量を超える流量のときは、最適流量に至るまでに、徐々に流量を減少することができる。

また、このときにおいても、燃料電池２０を循環する冷却水の流量を徐々に減少するように制御しているので燃料電池２０の冷却水入口温度が急変することはない。これにより、燃料電池２０の耐久性を向上することができるとともに、燃料電池２０の発電効率の低下を防止することができる。

一方、室外熱交換器３にて車室外の空気から吸熱して蒸発した冷媒の熱を第２水熱交換器２および室内熱交換器４にて放冷する。このため、室内に吹き出す空気は室内熱交換器４およびヒータコア１２にて加熱されて室内に吹き出される。

なお、ヒータコア１２に供給される冷却水（温水）は、燃料電池２０および第２水冷媒熱交換器２で加熱されており、ヒータコア１２に供給される冷却水の温度は第２水冷媒熱交換器２の加熱能力で決定されることから、ヒータコア１２に供給される冷却水の温度が、目標吹出温度ＴＡＯにヒータコア１２での熱交換効率γを乗じた目標水温ＴＷＯ（＝ＴＡＯ×γ）となるように圧縮機１の回転数を制御する。

具体的には、目標水温ＴＷＯと水温センサ（図示せず）の検出温度との温度差、および温度差の変化率からファジー理論に基づいて圧縮機１の回転数変化量Δｆを決定するものである。なお、内部熱交換器５の圧縮機１側および第１減圧器８ａ側には、ともに減圧後の冷媒が流れるため、実質的に熱交換が行われない。

以上の第１実施形態による車両用空調装置によれば、燃料電池２０を循環する冷却水をラジエータ２３に流通させる冷却水循環回路２１と、室外熱交換器３が暖房運転の着霜状態のときに、低圧側の冷媒と冷却水循環回路２１内を循環する冷却水とを熱交換する第１水冷媒熱交換器６とを有している。

これにより、第１水冷媒熱交換器６で低圧の冷媒を加熱することができるため室外熱交換器３が着霜状態であっても圧縮機１に吸入される冷媒が加熱されることで暖房運転を継続させた状態で室外熱交換器３の着霜を除霜することができる。

また、第１水冷媒熱交換器６をラジエータ２３の上流側に配設したことにより、ラジエータ２３で冷却される前の高温状態の冷却水で低圧側の冷媒を加熱することができる。従って、除霜が容易にできる。また、圧縮機１に吸入される低圧の冷媒をガス冷媒とすることができる。

また、室外熱交換器３の着霜状態を検出する検出手段として、外気温度センサ１６ａと室外熱交換器冷媒圧力センサ１６ｂとを用いることにより室外熱交換器３の着霜状態を確実に検出することができる。

また、制御装置３０は、現在の流量が少ないときに流量調節弁２４の開度を全開となるまで徐々に大きくするように制御するとともに、現在の流量が多いときに流量調節弁２４の開度を最適流量となるまで徐々に小さくする制御することにより、冷却水循環回路２１側の温度変化が徐々に低下することになるので燃料電池２０などの被冷却体を冷却する冷却水温度が急速に低下することがない。

従って、燃料電池２０においては、急速に冷却水温度を低下させると耐久性を著しく劣化させるのでその劣化を防止することができる。また、燃料電池２０では、発電特性が良好な最適温度を狙って冷却するように構成しているため、急速に冷却温度を低下させると最適温度を通過して発電効率を低下させるのでその発電効率の低下を防止することができる。

（第２実施形態）
以上の第１実施形態では、室外熱交換器３の着霜状態を検出する検出手段として、外気温度センサ１６ａと室外熱交換器冷媒圧力センサ１６ｂとを用いたが、これに限らず、これらの温度、圧力センサ１６ａ、１６ｂの他のセンサを検出手段として用いても良い。

具体的には、室外熱交換器３を通過する風速を検出する風速センサ１６ｆを検出手段として用いる。例えば、図６に示すように、室外熱交換器３の冷媒入口近傍のコア部に設ける。そして、検出された風速が所定値（例えば、１ｍ／ｓ）以下であれば着霜状態であると検出する。

また、図６に示すように、外気温度センサ１６ａと室外熱交換器３を通過した直後の空気温度を検出する室外熱交換器空気温度センサ１６ｃとを設ける。そして、検出された外気温度と空気温度との差が所定値（例えば、５℃）以下であれば着霜状態であると検出する。

さらに、図６に示すように、外気温度センサ１６ａと室外熱交換器３から流出した冷媒の温度を検出する室外熱交換器冷媒温度センサ１６ｄとを設け。そして、検出された外気温度と冷媒温度との差が所定値（例えば、１０℃）以上であれば着霜状態であると検出する。

また、図６に示すように、外気温度センサ１６ａと室外熱交換器３のフィン温度を検出する室外熱交換器フィン温度センサ１６ｅとを設ける。そして、検出された外気温度とフィン温度との差が所定値（例えば、５℃）以上であれば着霜状態であると検出する。

また、図６に示すように、室外熱交換器３の着霜状態を検出するカメラ１６ｇを室外熱交換器３の近傍に設ける。そして、例えば、画像処理を利用して室外熱交換器３前面の閉塞率に基づいて着霜状態を検出しても良い。なお、カメラ１６ｇを用いるときは、モニター画面を見て除霜スイッチを操作しても良い。

以上の構成のうち、外気温度センサ１６ａおよび室外熱交換器冷媒温度センサ１６ｄを用いると、空調装置の温度制御のための検出センサであるため新たな部品を増加させることなく着霜状態の検出ができる。また、風速センサ１６ｆ、室外熱交換器空気温度センサ１６ｃ、および室外熱交換器フィン温度センサ１６ｅを用いると、既存の風速または温度センサを配設するだけで良い。さらに、カメラ１６ｇでは、着霜状態の検出が精度良くできる。

（第３実施形態）
以上の実施形態では、第１水冷媒熱交換器６をラジエータ２３と別体に配置させたが、具体的には、図６に示すように、第１水冷媒熱交換器６とラジエータ２３とを一体に構成しても良い。これによれば、第１水冷媒熱交換器６、ラジエータ２３、および室外熱交換器３とを接続する接続配管を簡素に配設することができる。

（第４実施形態）
以上の実施形態では、第１水冷媒熱交換器６をラジエータ２３の上流側に配置したが、これに限らず、具体的には、図７に示すように、第１水冷媒熱交換器６をラジエータ２３と並列に配置するとともに、第１水冷媒熱交換器６の下流側に流量調節手段である流量調節弁２５を設けるように構成しても良い。

なお、この構成のときは、流量調節弁２４は、図示しない冷却水制御手段により燃料電池２０を冷却するための最適開度で制御すれば良い。そして、第１水冷媒熱交換器６の下流側に設けられた流量調節弁２５は、着霜状態のときに開弁させて全開となるまで、徐々に開度を大きくするように制御すれば良い。

そして、着霜していないときは閉弁させても良い。これにより、燃料電池２０の廃熱を利用して室外熱交換器３に流入する冷媒を第１水冷媒熱交換器６加熱することができる。また、室外熱交換器３が着霜状態であっても圧縮機１に吸入される冷媒が加熱されることで暖房運転を継続させた状態で室外熱交換器３の着霜を除霜することができる。

（第５実施形態）
以上の実施形態では、第１水冷媒熱交換器６を室外熱交換器３と内部熱交換器５との間に配置したが、これに限らず、具体的には、図８および図９に示すように、室外熱交換器３と切替弁７との間に設けても良い。つまり、室外熱交換器３を流出する冷媒を第１水冷媒熱交換器６で加熱するようにしている。

これによれば、暖房運転のときに、室外熱交換器３が着霜して低温の冷媒が圧縮機１に向けて流出されるが、第１水冷媒熱交換器６で加熱された冷媒を圧縮機１に吸入させることができる。これにより、室外熱交換器３が着霜状態であっても暖房運転を継続させることができる。

（他の実施形態）
以上の実施形態では、冷却水循環回路２１に燃料電池２０を配置して燃料電池２０の排熱を利用して第１水冷媒熱交換器６によりヒートポンプサイクル装置１０の冷媒を加熱するように構成したが、これに限らず、冷却水循環回路２１内に熱機関である液冷式内燃機関を配置してその液冷式内燃機関の廃熱を利用しても良い。

本発明の第１実施形態における車両用空調装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態における流量調節弁２４の冷却水の流れ方向を示す模式図である。 本発明の第１実施形態における暖房運転のときの制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態における着霜状態を検出するための外気温度と室外熱交換器出口圧力との特性を示す特性図である。 本発明の第２実施形態における車両用空調装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第３実施形態における車両用空調装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第４実施形態における車両用空調装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第５実施形態における車両用空調装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第５実施形態の変形例における車両用空調装置の全体構成を示す模式図である。

符号の説明

１…圧縮機
３…室外熱交換器
４…室内熱交換器
６…第１水冷媒熱交換器
７…切替弁（切替手段）
１６ａ…外気温度センサ
１６ｂ…室外熱交換器冷媒圧力センサ
１６ｃ…室外熱交換器空気温度センサ
１６ｄ…室外熱交換器冷媒温度センサ
１６ｅ…室外熱交換器フィン温度センサ
１６ｆ…風速センサ
１６ｇ…カメラ
２０…燃料電池（発熱補機）
２１…冷却水循環回路
２３…ラジエータ
２４、２５…流量調節弁（流量調節手段）
３０…制御装置（制御手段）

Claims (9)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機（１）と、
   車室内に吹き出す空気と冷媒とを熱交換する室内熱交換器（４）と、
   車室外の空気と冷媒とを熱交換する室外熱交換器（３）と、
   冷房運転時には前記圧縮機（１）から吐出された吐出冷媒を前記室外熱交換器（３）に向けて流通させ、暖房運転時には前記圧縮機（１）から吐出された吐出冷媒を前記室内熱交換器（４）に向けて流通させる切替手段（７）とを備える車両用空調装置において、
   車室外の空気と冷却水とを熱交換するラジエータ（２３）を有し、熱機関もしくは発熱補機を循環する冷却水を前記ラジエータ（２３）に流通させる冷却水循環回路（２１）と、
   前記室外熱交換器（３）が暖房運転の着霜状態のときに、低圧側の冷媒と前記冷却水循環回路（２１）内を循環する冷却水とを熱交換する第１水冷媒熱交換器（６）とを具備することを特徴とする車両用空調装置。
2. 前記第１水冷媒熱交換器（６）は、前記室外熱交換器（３）の上流側に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置。
3. 前記第１水冷媒熱交換器（６）は、前記室外熱交換器（３）の下流側に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置。
4. 前記第１水冷媒熱交換器（６）は、前記ラジエータ（２３）の上流側に配設されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の車両用空調装置。
5. 前記第１水冷媒熱交換器（６）は、前記ラジエータ（２３）に並列に配設されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の車両用空調装置。
6. 前記室外熱交換器（３）の着霜状態を検出する検出手段（１６ａ〜１６ｇ）と、
   前記第１水冷媒熱交換器（６）に流通する冷却水の流量を調節する流量調節手段（２４、２５）と、
   前記検出手段（１６ａ〜１６ｇ）により検出された前記室外熱交換器（３）の着霜状態に基づいて、前記流量調節手段（２４、２５）の流量を制御する制御手段（３０）とを具備することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の車両用空調装置。
7. 前記検出手段（１６ａ〜１６ｇ）は、前記室外熱交換器（３）を通過する風速を検出する風速センサ（１６ｆ）、外気温度を検出する外気温度センサ（１６ａ）と前記室外熱交換器（３）から流出した冷媒の圧力を検出する室外熱交換器冷媒圧力センサ（１６ｂ）、前記外気温度センサ（１６ａ）と前記室外熱交換器（３）を通過した直後の空気温度を検出する室外熱交換器空気温度センサ（１６ｃ）、前記外気温度センサ（１６ａ）と前記室外熱交換器（３）から流出した冷媒の温度を検出する室外熱交換器冷媒温度センサ（１６ｄ）、前記外気温度センサ（１６ａ）と前記室外熱交換器（３）のフィン温度を検出する室外熱交換器フィン温度センサ（１６ｅ）もしくは、前記室外熱交換器（３）の着霜状態を検出するカメラ（１６ｇ）のいずれか一つもしくは二つを用いることを特徴とする請求項６に記載の車両用空調装置。
8. 前記制御手段（３０）は、前記流量調節手段（２４、２５）の弁開度を全開となるまで徐々に大きくするように制御することを特徴とする請求項６に記載の車両用空調装置。
9. 前記発熱補機は、燃料電池車に搭載される燃料電池（２０）であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の車両用空調装置。

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