JP2007327701A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器９の凍結防止機能の信頼性を高める。
【解決手段】電子制御装置５は、蒸発器吹出温度Ｔｅが第１の目標蒸発器温度Ｔｅ１よりも高く、かつ第３の目標蒸発器温度Ｔｅ３（＝７℃）よりも低い状態が第１の時間Ｔｓｅｔ１の間、継続したと判定したときには（ステップＳ３２：ＹＥＳ）、蒸発器９のうち温度センサ３２の位置以外の部分で凍結が生じる可能性があるとして判定して、圧縮機１を停止させるので（ステップＳ３３）、蒸発器９の凍結を未然に防ぐことができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、蒸発器に冷媒を循環させる圧縮機を備える冷凍サイクル装置に関する。

従来、車両用空調装置の冷凍サイクル装置では、蒸発器下流側温度を検出する温度センサを備え、温度センサの検出温度が第１の閾値以下になると圧縮機を停止し、温度センサの検出温度が第２の閾値よりも高くなると、圧縮機を稼働させて、蒸発器の凍結を防止するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−２４６８３２号公報

本発明者は、冷凍サイクル装置の蒸発器下流側の温度分布に着目して、蒸発器の凍結を防止することを検討したところ、次のような問題が分かった。

蒸発器下流側の温度分布は、空調装置の作動状態（圧縮機の作動状態、送風量）、および導入空気の温度などによって変化するため、温度センサが、蒸発器下流側温度の代表温度を適切に検出できない場合がある。

図４（ａ）、（ｂ）に、蒸発器下流側における４×４のマトリックス状の温度分布を示す。図４（ａ）、（ｂ）中の紙面奥側が蒸発器上流側、紙面手前側が蒸発器下流側を示している。

図４（ａ）に示すように、温度センサが第１の閾値としての「３℃」を検出するとき、他の領域が３℃と同等、或いは３℃よりも高い温度になっている場合、温度センサの検出温度が他の領域の温度よりも低くなっており、温度センサが、蒸発器下流側温度の代表温度を適切に検出していることになる。この場合、圧縮機を停止して、蒸発器が凍結することを未然に防ぐことになる。

しかし、蒸発器の下流側において部分的に凍結が生じる温度に到達しても、図４（ｂ）に示すように、温度センサの検出部位が３℃（＝第１の閾値）よりも高くなる場合がある。

すなわち、温度センサが７℃（＞閾値）を検出するときでも、蒸発器の部分的に凍結が生じて一部が−１℃になっている場合がある。このとき、蒸発器の部分的に凍結が生じていても、圧縮機が停止されないので、その後、圧縮機の稼働が継続されると、蒸発器の全体に凍結が生じてしまい、蒸発器として正常に機能することができなくなる場合がある。

本発明は、上記点に鑑み、蒸発器の凍結防止機能の信頼性を高めるようにした冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、温度センサの検出温度が第１の温度（Ｔｅ１）よりも高く、かつ第１の温度より高い第３の温度（Ｔｅ３）よりも温度センサの検出温度が低い状態が第１の所定時間（Ｔｓｅｔ１）の間、継続したか否かを判定する判定手段と、温度センサの検出温度が第１の温度（Ｔｅ１）よりも高く、かつ第３の温度（Ｔｅ３）よりも温度センサの検出温度が低い状態が第１の所定時間（Ｔｓｅｔ１）の間、継続したと判定手段が判定したときに、蒸発器のうち温度センサの検出部位以外の他の部位が凍結する温度に到達する可能性があると判定して、圧縮機を停止させる第２の制御手段と、を備えることを第１の特徴とする。

これによって、温度センサの検出温度が第１の温度よりも高く、かつ第１の温度より高い第３の温度（Ｔｅ３）よりも温度センサの検出温度が低い状態が第１の所定時間（Ｔｓｅｔ１）の間、継続したと判定したときには、蒸発器のうち温度センサの位置以外の部分で凍結が生じる可能性があるとして判定することができ、圧縮機を停止させるので、蒸発器の全体に凍結が生じることを未然に防ぐことができるので、蒸発器の凍結防止機能の信頼性を高めることができる。

本発明は、第２の制御手段が圧縮機を停止後に圧縮機の停止状態を第２の所定時間（Ｔｉ２）の間、継続させたときに、圧縮機を再稼働させる再起動制御手段を備えていることを第２の特徴とする。

これによって、蒸発器が十分に温度上昇して蒸発器に凍結が生じる可能性が低い状態になったときに、圧縮機を再稼働させることが可能になる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

図１は一実施形態の全体構成図であり、車両用空調装置の冷凍サイクルＲには冷媒を吸入、圧縮、吐出する圧縮機１が備えられている。圧縮機１は動力断続用の電磁クラッチ２を有し、圧縮機１には電磁クラッチ２およびベルト３を介して車両エンジン４の動力が伝達される。電磁クラッチ２への通電は電子制御装置５（図中エアコンＥＣＵと記す）により断続され、電磁クラッチ２への通電の断続により圧縮機１の運転が断続される。

圧縮機１としては、一定の冷媒吐出容量の固定容量型圧縮機が用いられる。そして、圧縮機１からから吐出された高温、高圧の過熱ガス冷媒は凝縮器６に流入し、ここで、図示しない冷却ファンより送風される外気と熱交換して冷媒は冷却されて凝縮する。この凝縮器６で凝縮した冷媒は次に受液器７に流入し、受液器７の内部で冷媒の気液が分離され、冷凍サイクルＲ内の余剰冷媒（液冷媒）が受液器７内に蓄えられる。

この受液器７からの液冷媒は膨張弁（減圧手段）８により低圧に減圧され、低圧の気液２相状態となる。膨張弁８は蒸発器９の出口冷媒の温度を感知する感温部８ａを有する温度式膨張弁である。この膨張弁８からの低圧冷媒は蒸発器（冷房用熱交換器）９に流入する。この蒸発器９は車両用空調装置の空調ケース１０内に設置され、蒸発器９に流入した低圧冷媒は空調ケース１０内の空気から吸熱して蒸発する。蒸発器９の出口は圧縮機１の吸入側に結合され、上記したサイクル構成部品によって閉回路を構成している。

空調ケース１０において、蒸発器９の上流側には送風機１１が配置され、送風機１１には遠心式送風ファン１２と駆動用モータ１３が備えられている。送風ファン１２の吸入側には内外気切替箱１４が配置され、この内外気切替箱１４内の内外気切替ドア１４ａにより外気導入口１４ｂと内気導入口１４ｃを開閉する。これにより、内外気切替箱１４内に外気（車室外空気）または内気（車室内空気）が切替導入される。内外気切替ドア１４ａはサーボモータからなる電気駆動装置１４ｅにより駆動される。

空調装置通風系のうち、送風機１１下流側に配置される空調ユニット１５部は、通常、車室内前部の計器盤内側において車両幅方向の中央位置に配置され、送風機１１部は空調ユニット１５部に対して助手席側にオフセット配置される。

空調ケース１０内で、蒸発器９の下流側にはエアミックスドア１９が配置されている。このエアミックスドア１９の下流側には車両エンジン４の温水（冷却水）を熱源として空気を加熱する温水式ヒータコア（暖房用熱交換器）２０が設置されている。この温水式ヒータコア２０の側方（上方部）には、温水式ヒータコア２０をバイパスして空気を流すバイパス通路２１が形成されている。

エアミックスドア１９は回動可能な板状ドアであり、サーボモータからなる電気駆動装置２２により駆動される。エアミックスドア１９は、温水式ヒータコア２０を通過する温風とバイパス通路２１を通過する冷風との風量割合を調節するものであって、この冷温風の風量割合の調節により車室内への吹出空気温度を調節する。従って、本例においては、エアミックスドア１９により車室内への吹出空気の温度調節手段が構成される。

温水式ヒータコア２０の下流側には下側から上方へ延びる温風通路２３が形成され、この温風通路２３からの温風とバイパス通路２１からの冷風が空気混合部２４で混合して、所望温度の空気を作り出すことができる。

さらに、空調ケース１０内で、空気混合部２４の下流側に吹出モード切替部が構成されている。すなわち、空調ケース１０の上面部にはデフロスタ開口部２５が形成され、このデフロスタ開口部２５は図示しないデフロスタダクトを介して車両フロントガラス内面に空気を吹き出すものである。デフロスタ開口部２５は、回動自在な板状のデフロスタドア２６により開閉される。

また、空調ケース１０の上面部で、デフロスタ開口部２５より車両後方側の部位にフェイス開口部２７が形成され、このフェイス開口部２７は図示しないフェイスダクトを介して車室内乗員の上半身に向けて空気を吹き出すものである。フェイス開口部２７は回動自在な板状のフェイスドア２８により開閉される。

また、空調ケース１０において、フェイス開口部２７の下側部位にフット開口部２９が形成され、このフット開口部２９は図示しないフットダクトを介して車室内乗員の足元に向けて空気を吹き出すものである。フット開口部２９は回動自在な板状のフットドア３０により開閉される。

上記した吹出モードドア２６、２８、３０は共通のリンク機構（図示せず）に連結され、このリンク機構を介してサーボモータからなる電気駆動装置３１により駆動される。

次に、本実施形態における電気制御部の概要を説明すると、蒸発器９の温度センサとしてサーミスタからなる温度センサ３２を有している。この温度センサ３２は空調ケース１０内で蒸発器９の空気吹出直後の部位に配置され、蒸発器吹出温度Ｔｅを検出する。

電子制御装置５には、上記の温度センサ３２の他に、空調制御のために、内気温Ｔｒ、外気温Ｔａｍ、日射量Ｔｓ、温水温度Ｔｗ等を検出する周知のセンサ３３〜３６から検出信号が入力される。また、車室内計器盤近傍に設置される空調制御パネル３７には乗員により手動操作される操作スイッチ３７ａ〜３７ｅが備えられ、この操作スイッチ３７ａ〜３７ｅの操作信号も電子制御装置５に入力される。

この操作スイッチとして、具体的には、温度設定信号Ｔｓｅｔを発生する温度設定スイッチ３７ａ、風量切替信号を発生する風量スイッチ３７ｂ、吹出モード信号を発生する吹出モードスイッチ３７ｃ、内外気切替信号を発生する内外気切替スイッチ３７ｄ、圧縮機１の稼働を許可するエアコンスイッチ３７ｅ等が設けられている。吹出モードスイッチ３７ｃは、フェイスモード、フットモード、バイレベルモード、フットデフモード、デフロスタモードの各モードを手動操作で切り替えるものである。

電子制御装置５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータと、その周辺回路にて構成されるものである。電子制御装置５は、電磁クラッチ２による圧縮機断続制御部、内外気切替ドア１４ａによる内外気吸込制御部、送風機１１の風量制御部、エアミックスドア１９による温度制御部、吹出口２５、２７、２９の切替による吹出モード制御部等を有している。

次に、上記構成において本実施形態の作動を説明する。図２のフローチャートは電子制御装置５のマイクロコンピュータにより実行される制御処理の概要を示し、図２の制御ルーチンは、車両エンジン４のイグニッションスイッチがオンされて制御装置５に電源が供給されとスタートする。

先ず、ステップＳ１ではフラグ、タイマ等の初期化がなされ、次のステップＳ２で空調制御パネル３７の操作スイッチ３７ａ〜３７ｆの操作信号を読み込む。次のステップＳ３で車両環境状態の信号、すなわち、センサ３２〜３６からの検出信号等を読み込む。

続いて、ステップＳ４にて、車室内へ吹き出される空調風の目標吹出温度ＴＡＯを算出する。この目標吹出温度ＴＡＯは車室内を温度設定スイッチ３７ａの設定温度Ｔｓｅｔに維持するために必要な吹出温度であり、下記数式１に基づいて算出される。
（数１）
ＴＡＯ＝Ｋｓｅｔ×Ｔｓｅｔ−Ｋｒ×Ｔｒ
−Ｋａｍ×Ｔａｍ−Ｋｓ×Ｔｓ＋Ｃ
但し、Ｔｒ：内気センサ３３により検出される内気温
Ｔａｍ：外気センサ３４により検出される外気温
Ｔｓ：日射センサ３５により検出される日射量
Ｋｓｅｔ、Ｋｒ、Ｋａｍ、Ｋｓ：制御ゲイン
Ｃ：補正用の定数
次に、ステップＳ５にて送風機１１により送風される空気の目標送風量、具体的には送風機駆動用モータ１３の印加電圧であるブロワ電圧Ｖｅを上記ＴＡＯに基づいて決定する。このブロワ電圧Ｖｅの決定方法は周知であり、上記ＴＡＯの高温側（最大暖房側）および低温側（最大冷房側）でブロワ電圧（目標風量）Ｖｅを大きくし、上記ＴＡＯの中間温度域でブロワ電圧（目標風量）Ｖｅを小さくする。

次に、ステップＳ６にて内外気モードを決定する。この内外気モードは例えば設定温度Ｔｓｅｔに対して内気温Ｔｒが所定温度以上、大幅に高いとき（冷房高負荷時）に内気モードとし、その他の時は外気モードとする。あるいは、上記ＴＡＯが低温側から高温側へ上昇するにつれて、全内気モード→内外気混入モード→全外気モードと切替設定してもよい。

次に、ステップＳ７にて上記ＴＡＯに応じて吹出モードを決定する。この吹出モードは周知のごとくＴＡＯが低温側から高温側へ上昇するにつれてフェイスモード→バイレベルモード→フットモードと切替設定される。

次に、ステップＳ８にて、エアミックスドア１９の目標開度ＳＷを上記ＴＡＯ、蒸発器吹出温度Ｔｅ、及び温水温度Ｔｗに基づいて次の数式２により算出する。
（数２）
ＳＷ＝〔（ＴＡＯ−Ｔｅ）／（Ｔｗ−Ｔｅ）〕×１００（％）
ここで、エアミックスドア１９の目標開度ＳＷは、エアミックスドア１９の最大冷房位置（図１の実線位置）を０％とし、エアミックスドア１９の最大暖房位置（図１の一点鎖線位置）を１００％とする百分率で表される。

次に、ステップＳ１０に進み、上記ステップＳ５〜Ｓ８で決定された制御状態が得られるように、各種アクチュエータ部（２、１３、１４ｅ、２２、３１）に制御信号が出力される。次のステップＳ１１で制御周期τの経過を判定すると、ステップＳ２に戻る。

以上のような制御処理に対して、図３の圧縮機作動の断続（ＯＮ−ＯＦＦ）制御が時分割で実施される。圧縮機作動の断続制御は、温度センサ３２により検出される蒸発器吹出温度Ｔｅを用いて行われる。

まず、ステップＳ２０にてセンサ３２から蒸発器吹出温度Ｔｅを読み込んで、蒸発器吹出温度Ｔｅが第１の目標蒸発器温度Ｔｅ１（＝３℃）よりも低いか否かを判定する。第１の目標蒸発器温度Ｔｅ１としては、蒸発器９のフロスト（着霜）を防止できる最低温度域に設定されている。

蒸発器吹出温度Ｔｅが第１の目標蒸発器温度Ｔｅ１（＝３℃）以下のときにはステップＳ２１でＹＥＳと判定して、電磁クラッチ２をＯＦＦする。このため、圧縮機１を停止（ＯＦＦ）する。

次のステップＳ２３において、温度センサ３２から蒸発器吹出温度Ｔｅを読み込んで、蒸発器吹出温度Ｔｅが第２の目標蒸発器温度Ｔｅ２（＝４℃）よりも低いか否かを判定する。蒸発器吹出温度Ｔｅが第２の目標蒸発器温度Ｔｅ２より低いときにはＮＯと判定して、蒸発器吹出温度Ｔｅが第２の目標蒸発器温度Ｔｅ２よりも高くなるまで、ステップＳ２３、Ｓ２４の制御処理を繰り返す。

その後、蒸発器吹出温度Ｔｅが第２の目標蒸発器温度Ｔｅ２より高くなると、ステップＳ２４でＹＥＳと判定して電磁クラッチ２をＯＮして、圧縮機１を稼働（ＯＮ）させる（ステップＳ２５）。

ここで、圧縮機１の稼働／停止に際して、第１、２の目標蒸発器温度Ｔｅ１、Ｔｅ２として互いに異なる温度を設定してヒステリシス特性を設定することにより、制御ハンチングを未然に防いでいる。

その後、ステップＳ２０に戻り、温度センサ３２から蒸発器吹出温度Ｔｅを読み込んで、蒸発器吹出温度Ｔｅが第１の目標蒸発器温度Ｔｅ１（＝３℃）よりも高いとしてステップＳ２１でＮＯと判定すると、ステップＳ３０に移行する。

このとき、蒸発器吹出温度Ｔｅが第３の目標蒸発器温度Ｔｅ３（＝７℃）よりも低いか否かを判定する。第３の目標蒸発器温度Ｔｅ３としては、第１、２の目標蒸発器温度Ｔｅ１、Ｔｅ２よりも高い温度に設定されている。

ここで、蒸発器吹出温度Ｔｅが第３の目標蒸発器温度Ｔｅ３よりも低いときには、ステップＳ３０でＹＥＳと判定してタイマのカウントを開始させる（ステップＳ３１）。

次のステップＳ３２において、タイマの計時時間Ｔｉが第１の時間Ｔｓｅｔ１（＝４００ｓｅｃ）よりも長いか否かを判定する。タイマの計時時間Ｔｉが第１の時間Ｔｓｅｔ１よりも短いときにはＮＯと判定して、タイマをリセットしてステップＳ２０に戻る。

このため、第１の目標蒸発器温度Ｔｅ１＜蒸発器吹出温度Ｔｅ＜第３の目標蒸発器温度Ｔｅ３の場合には、Ｔｅ読み込み（ステップＳ２０）、第１の温度判定（ステップＳ２１：ＮＯ）、第３の温度判定（ステップＳ３０：ＮＯ）、およびタイマ時間判定（ステップＳ３２：ＮＯ）を繰り返す。

その後、Ｔｅ１＜Ｔｅ＜Ｔｅ３の状態が第１の時間Ｔｓｅｔ１の間継続すると、ステップＳ３２でＹＥＳと判定する。このとき、第１の目標蒸発器温度Ｔｅ１＜蒸発器吹出温度Ｔｅであるものの、蒸発器９のうち温度センサ３２の位置以外の部分に凍結が生じる可能性があると判定されることになる。そこで、電磁クラッチ２をＯＦＦして、圧縮機１を停止して（ステップＳ３３）、かつタイマをリセットする。これにより、蒸発器９の全体に凍結が生じることを未然に防ぐことができる。

その後、ステップＳ３４でタイマのカウントを開始して、次のステップＳ３５で、タイマの計時時間Ｔｉが第２の時間Ｔｓｅｔ２（＝５ｓｅｃ）よりも長いか否かを判定する。タイマの計時時間Ｔｉが第１の時間Ｔｓｅｔ２よりも短いときにはＮＯと判定してステップＳ３４に戻り、タイマのカウントを継続する。

その後、タイマの計時時間Ｔｉが第１の時間Ｔｓｅｔ２よりも長くなるまで、タイマのカウント（ステップＳ３４）および計時時間判定（ステップＳ３５：ＮＯ）を繰り返し、タイマの計時時間Ｔｉが第１の時間Ｔｓｅｔ２よりも長くなると、蒸発器９の温度が十分に上昇して、蒸発器９に凍結が生じる可能性が低いと判定する。

この場合、ステップＳ３５でＹＥＳと判定して電磁クラッチ２をＯＮして、圧縮機１を再稼働させる（ステップＳ３６）。その後、タイマをリセットしてステップＳ２０に戻り、センサ３２からの蒸発器吹出温度Ｔｅに基づいて、電磁クラッチ２をＯＮ／ＯＦＦする。

以上説明した本実施形態では、電子制御装置５は、蒸発器吹出温度Ｔｅが第１の目標蒸発器温度Ｔｅ１よりも高く、かつ第３の目標蒸発器温度Ｔｅ３（＝７℃）よりも低い状態が第１の時間Ｔｓｅｔ１の間、継続したと判定したときには、蒸発器のうち温度センサの検出位置以外の部分で凍結が生じる可能性があるとして判定して、圧縮機１を停止させるので、蒸発器９の全体に凍結が生じることを未然に防ぐことができるので、蒸発器９の凍結防止機能の信頼性を高めることができる。

（他の実施形態）
上述の実施形態では、温度センサ３２としては、蒸発器９の空気吹出直後の部位を検出するものについて説明したが、これに代えて、温度センサ３２としては、蒸発器９自体の表面温度を検出するものを用いてもよい。

上述の実施形態では、圧縮機１の稼働／停止に際して、第１、２の目標蒸発器温度Ｔｅ１、Ｔｅ２として互いに異なる温度を設定するようにした例について説明したが、これに限らず、第１、２の目標蒸発器温度Ｔｅ１、Ｔｅ２として同一温度を設定してもよい。

上述の実施形態では、圧縮機１としては、固定容量型圧縮機を用いた例について説明したが、これに代えて、可変容量型圧縮機を用いてもよく、電動型圧縮機を用いてもよい。

上述の実施形態では、車両用空調装置に本発明に係る冷凍サイクル装置を適用した例について説明したが、これに限らず、車両用空調装置に以外の冷蔵庫、冷凍庫、設置型空調装置などに本発明に係る冷凍サイクル装置を適用してもよい。

以下、上記実施形態と特許請求項の範囲の構成との対応関係について説明すると、ステップＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２４、Ｓ２５が第１の制御手段に相当し、ステップＳ３０、Ｓ３１、Ｓ３２が判定手段に相当し、ステップＳ３３が第２の制御手段に相当し、ステップＳ３３、Ｓ３４、Ｓ３５、Ｓ３６が再起動制御手段に相当する。

本発明の車両用空調装置の概略構成を示す模式図である。 図１の電子制御装置の空調制御処理を示すフローチャートである。 図１の電子制御装置の圧縮機制御処理を示すフローチャートである。 蒸発器の下流側の温度分布を示す図である。

符号の説明

１…圧縮機、２…電磁クラッチ、５…電子制御装置、９…蒸発器９、
３２…温度センサ。

Claims (2)

1. 冷媒を蒸発して空気を冷却する蒸発器と、
   前記蒸発器に冷媒を循環させる圧縮機と、
   前記蒸発器の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの検出温度が第１の温度（Ｔｅ１）以下であるとき前記圧縮機を停止し、前記温度センサの検出温度が第２の温度（Ｔｅ２）よりも高いとき前記圧縮機を稼働する第１の制御手段と、を備える冷凍サイクル装置であって、
   前記温度センサの検出温度が前記第１の温度（Ｔｅ１）よりも高く、かつ前記第１の温度より高い第３の温度（Ｔｅ３）よりも前記温度センサの検出温度が低い状態が第１の所定時間（Ｔｓｅｔ１）の間、継続したか否かを判定する判定手段と、
   前記温度センサの検出温度が前記第１の温度（Ｔｅ１）よりも高く、かつ前記第３の温度（Ｔｅ３）よりも前記温度センサの検出温度が低い状態が第１の所定時間（Ｔｓｅｔ１）の間、継続したと前記判定手段が判定したときに、前記蒸発器のうち前記温度センサの検出部位以外の他の部位が凍結する温度に到達する可能性があると判定して、前記圧縮機を停止させる第２の制御手段と、
   を備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記第２の制御手段が前記圧縮機を停止後に前記圧縮機の停止状態を第２の所定時間（Ｔｉ２）の間、継続させたときに、前記圧縮機を再稼働させる再起動制御手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。

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