JP2009202736A - 車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自動空調運転での暖房サイクル運転と冷房サイクル運転との遷移域における車室内温度の制御性の向上および冷凍サイクルの効率向上を図る車両用空調装置を提供する。
【解決手段】車室内の空気調節を自動で行う車両用空調装置は、ヒートポンプ式冷凍サイクル２０の運転、エアミックスドア８の作動およびＰＴＣヒータ４０の通電を制御する制御装置５０を備える。制御装置５０は、自動空調運転において、暖房サイクル運転に切り替わる前の冷房サイクル運転時および暖房サイクル運転から切り替わる冷房サイクル運転時にＰＴＣヒータ４０に通電し、空調ケース１内を流れる空気を加熱することにより車室内への吹出し風の温度調節を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、車室内への送風空気を加熱する補助加熱手段とヒートポンプ式冷凍サイクルの運転とによって車室内の暖房を実施する車両用空調装置に関する。

従来の車両用空調装置の一例として、ヒートポンプ式冷凍サイクルによる暖房運転を補助し暖房性能を高める電気ヒータを備えた装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に記載のヒートポンプ式冷凍サイクルは、コンプレッサ１１、メインコンデンサ１２、サブコンデンサ１３、膨張弁１４および蒸発器１５を順に環状に接続して構成されている。そして、特許文献１に記載の車両用空調装置では、外気導入モードが選択されているときに外気温度が所定の閾値より小さい場合には電気ヒータ２７に通電してサブコンデンサ１３の加熱不足分を補うようにし、一方、冷房時には蒸発器１５で内気または外気を冷却するとともにサブコンデンサ１３での加熱を抑制するようにしている。

また、この従来の車両用空調装置において自動空調運転を行う場合、目標吹出し温度が高温であるマックスホット時には、冷凍サイクルの暖房サイクル運転において回転数制御あるいはＯＮ−ＯＦＦ制御によってコンプレッサ１１の回転数を制御したり、エアミックスドア２６の開度制御を行ったりして所望温度の暖房を提供する。また、目標吹出し温度が低温である冷房時には冷房サイクル運転においてコンプレッサ１１の容量制御、あるいはエアミックスドア２６の開度制御を行うことで、所望温度の冷房を提供する。
特開平８−２６８０３５号公報

図５は、特許文献１のような従来の車両用空調装置において自動空調運転を行った場合の、冷媒の運転サイクルと吹出し温度との関係を示したチャートである。図５に示すように、暖房サイクル運転時の吹出し温度の最低値と冷房サイクル運転時の吹出し温度の最高値との間には温度差があり、吹出し温度が不連続となる領域が生じることになる。これは、暖房サイクル運転での吹出し温度の最低値が、コンプレッサ１１の最低回転数またはＯＮ−ＯＦＦ制御による吹出し温度を低下させる限界と、エアミックスドア２６の制御によるコンプレッサ１１の吐出圧力を低下させる限界とによって制限されるからである。

したがって、暖房サイクル運転と冷房サイクル運転の遷移域で起こる上記温度域では吹出し温度を所望の温度に制御することができず、車室内温度の制御性が悪化し、乗員に対して不快感を与えるという問題があった。また、この暖房サイクル運転のＩ運転域（コンプレッサ１１のＯＮ−ＯＦＦ制御とエアミックスドア２６の制御による運転）と冷房サイクル運転とでは、コンプレッサの吐出圧力に大きな差があり、冷凍サイクルの効率が悪化することになる。特に特許文献１に記載の膨張弁１４が自在に冷媒圧力を調整できる機能を持たない機構であった場合（例えば固定絞り、定圧式膨張弁等）には、機構が簡単で低コストであるいった利点があるものの、上記問題点が顕著になる。

そこで、本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、自動空調運転での暖房サイクル運転と冷房サイクル運転との遷移域における車室内温度の制御性の向上および冷凍サイクルの効率向上を図る車両用空調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に以下の技術的手段を採用する。すなわち第１の発明は、冷媒を吸入し吐出する圧縮機（２１）、圧縮機（２１）から吐出された冷媒が流入し暖房サイクル運転時には車室内へ送風される空気を加熱する加熱用熱交換器（２２）、暖房サイクル運転時に加熱用熱交換器（２２）で冷却された冷媒を減圧する減圧装置（２４）、暖房サイクル運転時に減圧装置（２４）で減圧された冷媒を蒸発させて吸熱し、冷房サイクル運転時に放熱する室外熱交換器（２５）、および除湿を行う暖房サイクル運転時と前記冷房サイクル運転時に内部を流れる冷媒の吸熱作用によって車室内への前記送風空気を冷却する冷却用熱交換器（３０）を有するヒートポンプ式冷凍サイクル（２０）と、一方側に空気取入口（３，４）が形成され、他方側に、送風空気が車室内に向けて通過する吹出し開口（１１，１２）が形成され、空気取入口（３，４）と吹出し開口（１１，１２）との間に送風空気が通過する通風路（６，７）を有する空調ケース（１）と、空気取入口（３，４）から取り入れた送風空気を、加熱用熱交換器（２２）を通過する空気と加熱用熱交換器（２２）を通らない空気とに分けてその風量比率を調整する風量比率調整手段（８）と、空調ケース（１）の内部に設けられ通電されることにより発熱して送風空気を加熱する電気式補助加熱手段（４０）と、ヒートポンプ式冷凍サイクル（２０）の運転、風量比率調整手段（８）の作動、および電気式補助加熱手段（４０）の通電を制御する制御装置（５０）と、を備えて、車室内の空気調節を自動で行う車両用空調装置に係る発明である。

そして、当該制御装置（５０）は、自動空調運転において、暖房サイクル運転に切り替わる前の冷房サイクル運転時および暖房サイクル運転から切り替わる冷房サイクル運転時に、電気式補助加熱手段（４０）に通電することにより送風空気を加熱する。

この発明によれば、冷房サイクル運転における最大吹出し温度を電気式補助加熱手段（４０）に通電することにより上昇させるので、冷房サイクル運転における吹出し温度制御可能範囲を拡大することが可能となり、暖房サイクル運転での吹出し温度制御可能範囲との間の制御不能範囲を低減することができる。したがって、暖房サイクル運転と冷房サイクル運転との遷移域における車室内温度の制御性の向上および冷凍サイクルの効率向上を図ることができる。

また、制御装置（５０）は、演算により算出した目標吹出し温度が、空調ケース（１）内に吸い込まれる空気の温度（Ｔ１）より高く、閾温度（Ｔ２）より低い場合には、ヒートポンプ式冷凍サイクル（２０）を冷房サイクルで運転するとともに、電気式補助加熱手段（４０）に通電することが好ましい。

冷房サイクル運転時は室外熱交換器に流れる外気の温度によって圧縮機の吐出圧力が決まるため、加熱用熱交換器の吹出し温度は外気温度程度までしか上昇しない。本発明では、空調ケース内に吸い込まれる空気が外気である場合でも、冷房サイクル運転において電気式補助加熱手段に通電することによって吹出し空気を加熱して吹出し温度を上昇させ、吹出し温度の不連続性を解消することができる。これによって暖房サイクル運転の最低吹出し温度が外気温度よりも高い状況でも冷房サイクル運転と暖房サイクル運転との遷移域で連続的な吹出し温度の制御を実現することができる。

また、制御装置（５０）は、暖房サイクル運転において圧縮機（２１）をＯＮ−ＯＦＦ制御し、さらに風量比率調整手段（８）を制御することによって圧縮機（２１）の回転数を最も小さくしたときに得られた吹出し温度を求め、このようにして求めた吹出し温度を上記閾温度（Ｔ２）として採用することが好ましい。

暖房サイクル運転で低下させることのできる吹出し温度の限界点は冷凍サイクルの構成、仕様にかかわってくるが、本発明によれば、これをより正確に求めることができるので、制御不能範囲をなくすようにすることができる。したがって、電気式補助加熱手段への通電タイミングの精度向上、車室内温度の制御性向上、およびスムーズな吹出し温度の制御を実現できる。

また、電気式補助加熱手段（４０）は加熱用熱交換器（２２）よりも送風空気の下流側に配置され、制御装置（５０）は、電気式補助加熱手段（４０）を通過する前の空気温度と、電気式補助加熱手段（４０）による発熱量とによって閾温度（Ｔ２）を算出することが好ましい。この発明によれば、制御困難な吹出し温度状態をより確実に検出することができる。

また、上記減圧装置（２４）は固定式の膨張弁であることが好ましい。これによれば、コスト的に安価な冷凍サイクルであっても、冷房サイクル運転と暖房サイクル運転との遷移域で制御不能な温度範囲をなくすようにでき、サイクルの効率面および車室温度の制御性に優れた冷凍サイクルを提供することができる。

なお、上記各技術的手段や特許請求の範囲の各請求項における括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
本発明の一実施形態である第１実施形態について図１から図４にしたがって説明する。図１は本実施形態に係る車両用空調装置の構成を示した概略図である。図２は、車両用空調装置における制御構成を示したブロック図である。図１において、黒塗り太矢印は暖房サイクル運転時の冷凍サイクル内の冷媒流れを示しており、斜線太矢印は除湿サイクル運転時の冷凍サイクル内の冷媒流れを示しており、白抜き太矢印は冷房サイクル運転時の冷凍サイクル内の冷媒流れを示している。

本実施形態の車両用空調装置は、ヒートポンプ式冷凍サイクル２０および電気式補助加熱手段であるＰＴＣヒータ４０を備え、図１に示す構成部品を用いて空調運転を行うものであり、例えばハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池車等に使用することができる。電気式補助加熱手段は、入力（通電量）に対して入力分と同程度の出力（発熱量）が得られるエネルギー損失の少ない機器を選択することが好ましく、本実施形態ではその一例としてＰＴＣヒータ４０を採用する。

内部に空気の通風路を備える空調ケース１は、車室内前方のインストルメントパネルの裏側に設けられている。空調ケース１には一方側に空気取入口である外気吸入口３および内気吸入口４が形成され、他方側に車室内に吹き出される空気調節された空気（以下、空調空気とする）が通過するフット吹出し開口１１、フェイス吹出し開口１２、デフ吹出し開口（図示せず）が少なくとも形成されている。

フット吹出し開口１１は車室内の乗員の足元に吹き出される空調空気が通過する開口であり、フェイス吹出し開口１２は車室内の乗員の上半身に向かって吹き出される空調空気が通過する開口であり、デフ吹出し開口は車両のフロントガラスの内面に吹き出される空調空気が通過する開口である。これらの各開口は、それぞれ吹出しダクト（図示せず）を介して車室内空間に接続されており、吹出し開口切替えドア（図示せず）によって吹出しモードに対応して開閉される。外気吸入口３と内気吸入口４は内外気切替えドア１０により、空気取入れモードに対応してその開放、閉鎖が切替え自在に行われる。

空調ケース１は、一方側に、内外気切替えドア１０を備える内外気切替箱と、その吸込部が外気吸入口３と内気吸入口４に接続されている送風機５とを備えている。例えば、冬季等の暖房時には、外気取入れモードを行うことにより外気吸入口３から湿度の低い外気を導入し、通風路を通して空調してフロントガラスの内面に吹き出すことにより防曇効果を高めることができる。また、内気モードを行うことにより内気吸入口４から温度の高い内気を導入し、通風路を通して空調し乗員の足元に向けて吹き出すことにより暖房負荷を軽減することができる。

送風機５は遠心多翼ファン（例えばシロッコファン）とこれを駆動するモータとからなり、遠心多翼ファンの周囲はスクロールケーシングで囲まれている。また、空調ケース１は複数のケース部材からなり、その材質は例えばポリプロピレン等の樹脂成形品である。

送風機５の吹出口は、遠心多翼ファンの遠心方向に延びるように設けられた通風路に接続されている。この通風路は、送風空気の上流側から順に、冷却用熱交換器である蒸発器３０が横断する通路と、蒸発器３０の送風空気下流側からフット吹出し開口１１に向かって延びるフット吹出し側通路６および蒸発器３０の送風空気下流側からフェイス吹出し開口１２に向かって延びるフェイス吹出し側通路７と、フット吹出し側通路６とフェイス吹出し側通路７とを流れてきた空気が混合される空気混合部と、からなっている。フット吹出し側通路６とフェイス吹出し側通路７は、空調ケース１内に設けられた仕切り壁１３によって区画され、空調ケース１内部の横断方向に並ぶように配されている。

送風機５よりも送風空気の下流側における空調ケース１内の通風路には、上流側から下流側に進むにしたがい順に、蒸発器３０、ヒータコア９、凝縮器２２（加熱用熱交換器）、ＰＴＣヒータ４０（電気式補助加熱手段）が配置されている。

蒸発器３０は送風機５直後の通路全体を横断するように配置されており、送風機５から吹き出された空気全部が通過するようになっている。蒸発器３０は冷房運転時や除湿運転時において内部を流れる冷媒の吸熱作用によって、フット吹出し側通路６およびフェイス吹出し側通路７に流入する手前の送風空気を除湿したり冷却したりする冷却用熱交換器として機能する。蒸発器３０の空気が通過する入口部（蒸発器３０の上流側部位）には、空調ケース１内に吸い込まれた空気の温度（例えば外気温度、内気温度等）を検出する蒸発器前温度センサ１４が設けられている。蒸発器前温度センサ１４によって検出された信号は制御装置５０に入力される。

ヒータコア９は少なくともその伝熱部分がフット吹出し側通路６のみに位置するように蒸発器３０よりも送風空気の下流側に配置されている。ヒータコア９は暖房サイクル運転時において、内部を流れる車両走行用エンジンの冷却水の熱を利用して周囲の空気を加熱する熱交換器として機能する。

凝縮器２２は、少なくともその伝熱部分がフット吹出し側通路６のみに位置して配置されており、ヒータコア９よりもさらに送風空気の下流側に配置されている。凝縮器２２は暖房サイクル運転時、除湿サイクル運転時および冷房サイクル運転時において内部を流れる冷媒の放熱作用によってフット吹出し側通路６を流れる送風空気を加熱する加熱用熱交換器として機能する。

ＰＴＣヒータ４０は、少なくともその伝熱部分がフット吹出し側通路６のみに位置して配置されており、凝縮器２２よりもさらに送風空気の下流側に配置されている。ＰＴＣヒータ４０は暖房サイクル運転や冷房サイクル運転においてフット吹出し側通路６を流れる送風空気を加熱する補助的な加熱手段である。ＰＴＣヒータ４０は、通電発熱素子部を備え、通電発熱素子部に通電されることによって発熱し、周囲の空気を暖めることができる。

この通電発熱素子部は、耐熱性を有する樹脂材料（例えば、６６ナイロンやポリブタジエンテレフタレートなど）で成形された樹脂枠の中に複数個のＰＴＣ素子を嵌め込むことにより構成したものである。また、ＰＴＣヒータ４０は、さらに通電発熱素子部からの発熱を伝達する熱交換フィン部を有してもよい。この熱交換フィン部は、アルミニウムの薄板を波形状に成形したコルゲートフィンと、このコルゲートフィンを一定の形状に保つとともにＰＴＣ素子や電極板との接触面積を確保するアルミニウムプレートと、をろう付け接合することにより構成したものである。

ＰＴＣヒータ４０よりも下流側のフット吹出し側通路６には、つまり、空気混合部に流入する手前のフット吹出し側通路６にはこの通路から流出する空気の温度を検出する通路出口温度センサ１５が設けられている。通路出口温度センサ１５によって検出された信号は制御装置５０に入力される。

蒸発器３０よりも下流側であってヒータコア９や凝縮器２２よりも上流側の通風路には、蒸発器３０を通過した空気を、凝縮器２２を通る空気と凝縮器２２を迂回する空気とに分けたり、切り替えたりして、これらの空気の風量比率を調整できるエアミックスドア８が設けられている。

エアミックスドア８は、アクチュエータ等によりそのドア本体位置を変化させることで、フット吹出し側通路６およびフェイス吹出し側通路７のそれぞれの一部または全部を塞ぐことができる。そして、エアミックスドア８によるフット吹出し側通路６の開度は、フット吹出し側通路６の横断方向の開口が開放される割合のことであり、０から１００％の範囲で調整可能である。また、エアミックスドア８によるフェイス吹出し側通路７の開度は、フェイス吹出し側通路７の横断方向の開口が開放される割合のことであり、０から１００％の範囲で調整可能である。

ヒートポンプ式冷凍サイクル２０は、冷凍サイクル内を流れる冷媒（例えば、Ｒ１３４ａ、ＣＯ_２等）の状態変化を利用することにより、冷房用の蒸発器３０と暖房用の凝縮器２２によって冷房、暖房および除湿を行うことができる。

ヒートポンプ式冷凍サイクル２０の構成部品は、図１に示すように冷媒を吸入して吐出する圧縮機２１と、暖房サイクル運転時に圧縮機２１から吐出された冷媒と空気とを熱交換させて空気を加熱する凝縮器２２と、暖房サイクル運転時に凝縮器２２から流入した冷媒を減圧する減圧装置としての膨張弁２４と、暖房サイクル運転時に膨張弁２４で減圧された冷媒を蒸発させる室外熱交換器２５と、室外熱交換器２５から圧縮機２１への冷媒流れを制御するように設けられた電磁弁２６と、冷媒を気液分離するアキュムレータ２７と、であり、これらを配管により環状に接続することによりサイクルが形成されている（暖房サイクル運転経路（圧縮機２１→凝縮器２２→三方弁２３→膨張弁２４→分岐部３２→室外熱交換器２５→電磁弁２６→アキュムレータ２７→圧縮機２１））。

さらにヒートポンプ式冷凍サイクル２０には、除湿サイクル運転経路（膨張弁２４→分岐部３２→分岐部３４→電磁弁３１→蒸発器３０→アキュムレータ２７→圧縮機２１）が各構成部品を配管により環状に接続することによって形成されている。この除湿サイクル運転経路は、除湿サイクル運転時に膨張弁２４で減圧された冷媒が室外熱交換器２５に流入しないで蒸発器３０に流入した後、アキュムレータ２７を経由して圧縮機２１に吸入される経路である。また、凝縮器２２の下流側に接続された配管の途中には、三方弁２３が設けられている。

さらに、ヒートポンプ式冷凍サイクル２０には、冷房サイクル運転経路（凝縮器２２→三方弁２３→分岐部３３→室外熱交換器２５→分岐部３２→分岐部３３→電磁弁２８→膨張弁２９→蒸発器３０→アキュムレータ２７→圧縮機２１）が各構成部品を配管により環状に接続することによって形成されている。冷房サイクル運転経路は、三方弁２３を分岐部３３側の流路に切り替えることによって、冷房サイクル運転時に凝縮器２２で送風空気と熱交換して冷却された冷媒が膨張弁２４を通らないで分岐部３３を通って室外熱交換器２５に流入し、電磁弁２８によって開放された流路を通り膨張弁２９で減圧された後、蒸発器３０に流入し、アキュムレータ２７を経由して圧縮機２１に吸入される経路である。

室外熱交換器２５は車両の車室外に配置されており、室外ファンにより強制的に送風される外気と冷媒とを熱交換する。膨張弁２４および膨張弁２９は固定絞り等の固定式膨張弁（例えばキャピラリチューブ）、定圧式膨張弁、機械式膨張弁等で構成される。機械式の場合は感温筒を備え、室外熱交換器２５出口や蒸発器３０出口の冷媒の蒸発状態が適度な過熱度をもつように出口冷媒温度をフィードバックし適切な弁開度によって冷媒流量を制御する温度作動方式を採用する。固定式膨張弁を採用した場合には、凝縮器２２の出口に固定絞りが直接接続され、凝縮器２２の出口冷媒を固定絞りで直接減圧、膨張させるアキュムレータサイクルが構成されることになる。そして、この減圧後の低圧冷媒を蒸発器３０で吸熱して蒸発させ、この蒸発器３０を通過した冷媒をアキュムレータ２７に流入させ、このアキュムレータ２７で蒸発器３０の出口冷媒の気液を分離し、アキュムレータ２７内のガス冷媒を圧縮機２１に吸入させることができる。

圧縮機２１は、回転数制御およびＯＮ−ＯＦＦ制御が可能である。圧縮機２１はインバータにより周波数が調整された交流電圧が印加されてそのモータの回転速度が制御される。インバータは車載バッテリから直流電源の供給を受け、制御装置５０により制御されている。圧縮機２１は冷媒の圧縮容量を可変できる可変容量式の圧縮機でもある。圧縮機２１には、吐出容量を変化させる容量制御機構である容量制御弁が設けられている。容量制御弁は、電磁駆動式の弁であり、例えば、デューディ制御により冷媒の供給通路を繰り返して開閉することができる開閉弁である。容量制御弁は、制御装置５０により容量制御信号としてＯＮ−ＯＦＦの二値からなるデューティ信号形式の電流が供給されることにより、その開弁時間が制御される。

制御装置５０からの容量制御信号により、容量制御弁が作動し、圧縮機２１のケース内の制御圧力Ｐｃが変化する。この制御圧力Ｐｃが変化すると、ピストン等のストロークが変化して圧縮機２１の容量が変化することになる。

デューティ信号は、短時間毎にＯＮ、ＯＦＦを繰り返すパルス状波形の電流の信号である。信号のＯＮ、ＯＦＦは、容量制御弁の開弁、閉弁に対応する。圧縮機２１の容量は、容量制御弁の開弁させたときは減少し、閉弁させたときは増加する。つまり容量を小さくする必要があるときは開弁時間を長くする信号を送り制御圧力Ｐｃを上昇させ、容量を大きくする必要があるときは開弁時間を短くする信号を送りＰｃを低下させる。このようにパルス信号のデューティ比を変化させることにより、圧縮機２１の容量を無段階に変化させて自由に制御することができる。

制御装置５０は、車室内の空調を制御する装置であり、マイクロコンピュータと、車室内前面に設けられた操作パネル５１上の各種スイッチからの信号や、蒸発器前温度センサ１４、通路出口温度センサ１５、外気温センサ、蒸発器温度センサ、吐出圧センサ、室外熱交換器２５の出口の冷媒温度センサ等からセンサ信号が入力される入力回路と、各種アクチュエータに出力信号を送る出力回路と、を備えている。マイクロコンピュータは、ＲＯＭ（読み込み専用記憶装置）、ＲＡＭ（読み込み書き込み可能記憶装置）等のメモリおよびＣＰＵ（中央演算装置）等から構成されており、操作パネル５１等から送信された運転命令に基づいた演算に使用される各種プログラムを有している。

制御装置５０は、エアコン環境情報、エアコン運転条件情報、および車両環境情報を受信してこれらを演算し、圧縮機２１の設定すべき容量を算出する。そして、制御装置５０はエアコン制御のアンプでもあり、容量に適合するデューティ信号の容量制御信号を電流として容量制御弁に出力し、圧縮機２１の容量を制御する。

乗員が操作パネル５１を操作して空調装置の運転・停止および設定温度などの操作信号などが制御装置５０に入力され、各種センサの検出信号が入力されると、それに応じて圧縮機２１、送風機５、ＰＴＣヒータ４０、電磁弁２６，２８，３１等の各機器の運転が制御装置５０によって制御される。

次に、上記構成に係る車両空調装置の各運転モード（冷房、暖房、除湿）の作動を説明する。操作パネル５１のエアコンスイッチがＯＮ状態のとき、制御装置は圧縮機２１を起動し、そして乗員が設定した温度と各種センサから受信した信号とから運転すべき運転モードを冷房運転と判定すると、三方弁２３の流通方向を分岐部３３側（図１の破線）、電磁弁２８を開状態、電磁弁２６および電磁弁３１を閉状態に制御する。さらに制御装置５０は、冷房運転であるので吹出しモードがフェイス吹出しとなるように吹出し開口切替えドアを制御する。

冷房サイクル運転時の冷媒の流れは図１に白抜き太矢印で示した流れであり、圧縮機２１から吐出された高温高圧のガス冷媒は凝縮器２２に流入し凝縮器２２内を通るときに周囲の空気に熱を奪われて冷却されるが、吹出しモードがフェイス吹出しであるため凝縮器２２の周囲を通過する送風量は少なく冷却度合いは大きくない。そして冷媒は、三方弁２３によって分岐部３３を通過して室外熱交換器２５に流入し、室外熱交換器２５内を通るときに室外ファンにより送風された空気に熱を奪われて冷却され霧状冷媒となる。

その後、霧状冷媒は電磁弁２８を通った後、膨張弁２９で減圧されて蒸発器３０に流入し、送風機５によって空調ケース１内の通風路を流れる送風空気から吸熱して蒸発器３０内で蒸発し、冷媒はアキュムレータ２７で気液分離された後、圧縮機２１に吸入される。蒸発器３０で吸熱され冷却された冷風はさらに通風路を進んで主にフェイス吹出し開口１２から乗員の上半身に向けて吹き出されて車室内を冷房する。

次に、暖房サイクル運転が行われた場合の冷媒の流れを説明する。制御装置５０は操作パネル５１のエアコンスイッチがＯＮ状態のとき、圧縮機２１を起動し、そして乗員が設定した温度と各種センサから受信した信号とから運転すべきモードを暖房サイクル運転と判定すると、三方弁２３の流通方向を膨張弁２４側、電磁弁２６を開状態、電磁弁２８および電磁弁３１を閉状態に制御する。さらに制御装置５０は、暖房運転時であるので吹出しモードが設定温度に応じてフット吹出し、またはデフ吹出しとなるように吹出し開口切替えドアを制御する。

暖房サイクル運転時の冷媒の流れは図１に黒塗り太矢印で示した流れであり、圧縮機２１から吐出された高温高圧のガス冷媒は凝縮器２２に流入し凝縮器２２内を通るときに周囲の送風空気に熱を奪われて冷却され凝縮される。そして冷媒は、膨張弁２４に流入し、膨張弁２４によって室外熱交換器２５出口で冷媒の蒸発状態が適度な過熱度をもつような冷媒圧力に減圧され、また膨張弁２４が固定絞り弁である場合は所定の低圧に減圧される。このように膨張弁２４によって低圧に減圧された冷媒は分岐部３２を通過して室外熱交換器２５に流入し、室外熱交換器２５内を通るときに室外ファンにより送風された空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器２５で蒸発したガス冷媒は分岐部３３を経由して電磁弁２６を通りアキュムレータ２７で気液分離された後、圧縮機２１に吸入される。

暖房サイクル運転時に空調ケース１内に取り込まれた低温の空気（例えば冬期の外気）は、蒸発器３０を通過した後、エアミックスドア８によって主にフット吹出し側通路６を流れ、凝縮器２２によって加熱され温風となる。そして、暖房時にデフ吹出しモードが行われる場合は、この温風は凝縮器２２を通過した後、吹出し開口切替えドアによって開放されたデフ吹出し開口を通ってフロントウィンドウの内面に向けて吹き出される。また、暖房時にフット吹出しモードが行われる場合は、この温風は凝縮器２２を通過した後、吹出し開口切替えドアによって開放されたフット吹出し開口１１を通って乗員の足元に向けて吹き出される。

また、暖房サイクル運転時のバイレベルモードが行われる場合は、空調ケース１内に取り込まれた低温の空気はエアミックスドア８によって、フット吹出し側通路６およびフェイス吹出し側通路７のそれぞれを流れる空気に適切な風量比率で分けられることになる。そして、フット吹出し側通路６を流れる低温の空気は、凝縮器２２によって加熱された温風になった後、さらにＰＴＣヒータ４０によって加熱されて温度上昇し、空気混合部でフェイス吹出し側通路７を流れてきた低温の空気と混ざり合って温度調節され、フット吹出し開口１１を通って乗員の足元に向けて吹き出される。他方、フェイス吹出し側通路７を流れる低温の空気は、凝縮器２２等の加熱手段を通らないため加熱されることなく、低温のまま空気混合部でフット吹出し側通路６で加熱されてきた温風と混ざり合って温度調節され、フェイス吹出し開口１２を通って乗員の上半身に向けて吹き出される。このようにして、乗員の上半身と足元とに適切な温度差（例えば１０〜１５℃）のある空気が吹き出されるので、乗員に対し頭寒足熱（足元が暖かく、頭部付近が涼しい）の空調を提供することができる。なお、目標とする空気温度が高い場合には、ヒータコア９による加熱を積極的に実施するとよい。

次に、除湿サイクル運転が行われた場合の冷媒の流れを説明する。制御装置５０は操作パネル５１のエアコンスイッチがＯＮ状態のとき、圧縮機２１を起動し、そして乗員が設定した温度と各種センサから受信した信号とから運転すべきモードを除湿運転と判定すると、三方弁２３の流通方向を膨張弁２４側、電磁弁３１を開状態、電磁弁２６および電磁弁２８を閉状態に制御する。さらに制御装置５０は、除湿運転時であるので主にデフ吹出しまたはフット吹出しやリアフット吹出しとなるように吹出し開口切替えドアを制御する。

除湿サイクル運転では蒸発器３０および凝縮器２２に冷媒が流れ、空調ケース１内の送風空気はまず蒸発器３０で冷却、除湿され、その後に凝縮器２２で加熱されて温風となる。この温風は主にデフ吹出し開口を通ってフロントウィンドウの内面に向かって吹き出され、防曇効果を発揮するとともに車室内を除湿暖房する。

除湿サイクル運転時の冷媒の流れは図１に斜線の太矢印で示した流れであり、圧縮機２１から吐出された高温高圧のガス冷媒は凝縮器２２に流入し凝縮器２２内を通るときに周囲の送風空気に熱を奪われて冷却され凝縮される。そして冷媒は膨張弁２４で減圧され、膨張弁２４の出口で冷媒の蒸発状態が適度な過熱度をもつような冷媒圧力に減圧され、その後、室外熱交換器２５に流入しないで分岐部３２，３４を通過して蒸発器３０に流入する。蒸発器３０内部では、送風機５によって空調ケース１内の通風路を流れる送風空気から吸熱して蒸発し、アキュムレータ２７で気液分離されてから圧縮機２１に吸入される。

蒸発器３０で吸熱されて冷却、除湿された空気は、さらに通風路を進んで凝縮器２２によって加熱される。この空気は凝縮器２２を通過した後、吹出し開口切替えドアによって開放されたデフ吹出し開口を通ってフロントウィンドウの内面に向けて吹き出される。

次に、自動空調運転について、図３および図４にしたがって説明する。図３は、自動空調運転における運転サイクルと吹出し温度との関係を示したチャートである。図４は自動空調運転の流れを示したフローチャートである。まず、操作パネル５１等の操作により制御装置５０に自動空調運転命令が入力されると、空調制御処理が開始され、制御装置５０はＲＯＭ，ＲＡＭなどのメモリに記憶された制御プログラムをスタートさせてＲＡＭに記憶されるデータなどを初期化する。

そして制御装置５０は、操作パネル５１、各種センサからの信号を読み込み、ＲＯＭに記憶されたプログラムを用いて車室内に吹き出す空気の目標吹出し温度ＴＡＯを演算するとともに、送風機５のブロワレベル（送風空気の風量）を演算する（ステップ１）。

次に制御装置５０は、ステップ１で演算した目標吹出し温度ＴＡＯが空調ケース１内に吸い込まれる空気の温度Ｔ１以下であるか否かを判定する（ステップ２）。このＴ１は、蒸発器前温度センサ１４によって検出される温度である。外気モードのときは外気が外気吸入口３から吸い込まれるため、Ｔ１は外気温度である。内気モードのときは内気が内気吸入口４から吸い込まれるため、Ｔ１は車室内の空気温度である。目標吹出し温度ＴＡＯがＴ１以下であると判定された場合には、制御装置５０は、前述の冷房サイクル運転を開始するとともに、ステップ１で算出した目標吹出し温度ＴＡＯを満たすように圧縮機２１の容量制御、エアミックスドア８の開度制御、およびその他の各部の制御を実施する（ステップ３）。このステップ３での運転は、図３に示す冷房サイクル運転での運転域Ｉに相当する。

逆に、目標吹出し温度ＴＡＯがＴ１より高いと判定された場合には、制御装置５０は、さらに目標吹出し温度ＴＡＯが閾温度Ｔ２以下であるか否かを判定する（ステップ４）。閾温度Ｔ２は、Ｔ１よりも大きな値であって、暖房サイクル運転で制御可能な最低吹出し温度であり、あらかじめ制御装置５０に記憶されている。また、Ｔ２は、暖房サイクル運転において圧縮機２１をＯＮ−ＯＦＦ制御するとともに、エアミックスドア８の開度を制御することによって圧縮機２１の回転数を最も小さくしたときに得られる吹出し温度でもあり、制御装置５０はこの吹出し温度を算出して求め、閾温度Ｔ２に採用して記憶し、ステップ４での判定に用いる。

そして、目標吹出し温度ＴＡＯが閾温度Ｔ２より高いと判定された場合には、制御装置５０は、前述の暖房サイクル運転を開始するとともに、ステップ１で算出した目標吹出し温度ＴＡＯに応じて、その他の各部の制御に加え、圧縮機２１のＯＮ−ＯＦＦ制御およびエアミックスドア８の開度制御（図３に示す暖房サイクル運転の運転域Ｉに相当）、圧縮機２１のＯＮ−ＯＦＦ制御（図３に示す暖房サイクル運転の運転域ＩＩに相当）、圧縮機２１の回転数制御（図３に示す暖房サイクル運転の運転域ＩＩＩに相当）のいずれかを実施する（ステップ５）。

逆に、目標吹出し温度ＴＡＯが閾温度Ｔ２以下であると判定された場合には、制御装置５０は、前述の冷房サイクル運転を開始するとともに、ステップ１で算出した目標吹出し温度ＴＡＯを満たすために、圧縮機２１の容量制御、エアミックスドア８の開度制御、およびその他の各部の制御に加え、ＰＴＣヒータ４０に通電することにより車室内への送風空気を加熱する（ステップ６、図３に示す冷房サイクル運転の運転域ＩＩに相当）。

ステップ６で実施する冷房サイクル運転の運転域ＩＩは、従来装置の暖房サイクル運転では下げることができず冷房サイクル運転では上げることのできない吹出し温度を制御することができる運転域となる。言い換えれば、暖房サイクル運転時は吹出し温度を圧縮機の回転数によって制御しているが、圧縮機の最低回転数には制限があるため吹出し温度の下限には限界がある。一方、冷房サイクル運転での凝縮器２２によるリヒートでは外気温度が低い場合等には凝縮器２２での冷媒圧力が上がらず吹出し温度の上限には限界がある。このような状況が図３の冷房サイクル運転の運転域ＩＩである。

この運転域ＩＩは、暖房サイクル運転に切り替わる前の冷房サイクル運転時や暖房サイクル運転から切り替わる冷房サイクル運転時でもあり、この制御困難な吹出し温度域で上記ステップ６の処理を実行することにより、吹出し温度を連続的に可変制御できるようになり、車室内温度の制御性について特有の効果が得られる。また、上記ステップ６の処理は、図３に示すように冷房サイクル運転の運転域ＩＩにおける圧縮機２１の吐出圧力を抑制することになるので、冷凍サイクルの効率が良化し有効である。

また、Ｔ２として上記のような閾温度を用いてもよいし、通路出口温度センサ１５によって検出された実測温度を用いてもよい。すなわち、制御装置５０は、ステップ４において、ステップ１で演算した目標吹出し温度ＴＡＯが通路出口温度センサ１５の検出温度以下であるか否かを判定し、判定結果によって上記の各処理を実行する。またＴ２として、ＰＴＣヒータ４０を通過する前の空気温度と、ＰＴＣヒータ４０による発熱量とによって閾温度Ｔ２を算出してもよい。この場合のＴ２は、ＰＴＣヒータ４０を通過する前の空気温度に、ＰＴＣヒータ４０による発熱量から算出した空気の温度上昇分を加えて算出される温度である。これによれば、制御不能な吹出し温度範囲をより確実に検出することができる。

本実施形態の車両用空調装置の制御装置５０は、自動空調運転において、暖房サイクル運転に切り替わる前の冷房サイクル運転時および暖房サイクル運転から切り替わる冷房サイクル運転時にＰＴＣヒータ４０に通電し、空調ケース１内を流れる空気を加熱することにより車室内への吹出し風の温度調節を行う。

これにより、冷房サイクル運転における最大吹出し温度をＰＴＣヒータ４０に通電することにより上昇させるので、冷房サイクル運転における吹出し温度の制御可能範囲を拡大することが可能となり、暖房サイクル運転での吹出し温度の制御可能範囲との間の制御不能範囲をなくして車室内温度の制御性を優れたものにすることができる。また、暖房サイクル運転と冷房サイクル運転との遷移域における冷凍サイクルの効率の向上も図れる。

また、制御装置５０は、演算により算出した目標吹出し温度が、蒸発器３０の吸込み空気の温度Ｔ１より高く、閾温度Ｔ２より低い場合には、冷房サイクル運転を実施するとともに、ＰＴＣヒータ４０に通電する。これによれば、空調ケース１内に吸い込まれる空気が外気である場合でも、冷房サイクル運転とＰＴＣヒータ４０の作動によって吹出し空気を加熱して吹出し温度を上昇させ、吹出し温度を制御可能にすることができる。

また、制御装置５０は、暖房サイクル運転において圧縮機２１をＯＮ−ＯＦＦ制御し、さらにエアミックスドア８の開度を制御することによって圧縮機２１の回転数を最も小さくしたときに得られた吹出し温度を求め、このようにして求めた吹出し温度を上記閾温度Ｔ２として採用してもよい。これによれば、制御不能な吹出し温度の範囲をより正確に求めることができる。

また、制御装置５０は、ステップ４において、ステップ１で演算した目標吹出し温度ＴＡＯが通路出口温度センサ１５の検出温度以下であるか否かを判定するようにしてもよい。これにより、制御困難な吹出し温度状態をより確実に検出することができる。

また、膨張弁２４を固定式の膨張弁で構成することにより、コスト的に安価な冷凍サイクルであっても、冷房サイクル運転と暖房サイクル運転との遷移域で制御不能な温度範囲をなくして、サイクルの効率面および車室温度の制御性に優れた冷凍サイクルが得られる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。

例えば、上記実施形態において電気式補助加熱手段としてＰＴＣヒータ４０を採用しているが、これに限定するものではない。電気式補助加熱手段は、通電されることにより、発熱体等から発熱して周囲の空気や物体を加熱できれば他の装置でもよい。

また、上記実施形態では、ＰＴＣヒータ４０を凝縮器２２よりも送風空気の下流側に配置しているが、凝縮器２２よりも送風空気の上流側に配置するようにしても、暖房サイクル運転との遷移域にあたる冷房サイクル運転時において吹出し温度を上昇させる効果を奏することに変わりはない。

また、上記実施形態の空調ケース１には、他方側にフット吹出し開口１１、フェイス吹出し開口１２およびデフ吹出し開口が形成されているが、この他、リアフット吹出し開口等が形成されてもよい。リアフット吹出し開口は車室内の後席乗員の足元に吹き出される空調空気が通過する。空調ケース１に形成されたこれらの各開口は、それぞれ吹出しダクトを介して車室内空間に接続されており、また吹き出しモードに対応して吹出し開口切換ドア（図示せず）によって開閉されるようになっている。

第１実施形態に係る車両用空調装置の構成を示した概略図である。 同車両用空調装置における制御構成を示したブロック図である。 同車両用空調装置の自動空調運転における、運転サイクルと吹出し温度との関係を示したチャートである。 同車両用空調装置の自動空調運転の流れを示したフローチャートである。 従来の車両用空調装置の自動空調運転における、運転サイクルと吹出し温度との関係を示したチャートである。

符号の説明

１…空調ケース
３…外気吸入口（空気取入口）
４…内気吸入口（空気取入口）
６…フット吹出し側通路（通風路）
７…フェイス吹出し側通路（通風路）
８…エアミックスドア（風量比率調整手段）
１１…フット吹出し開口（吹出し開口）
１２…フェイス吹出し開口（吹出し開口）
２０…ヒートポンプ式冷凍サイクル
２１…圧縮機
２２…凝縮器（加熱用熱交換器）
２４…膨張弁（減圧装置）
２５…室外熱交換器
３０…蒸発器（冷却用熱交換器）
４０…ＰＴＣヒータ（電気式補助加熱手段）
５０…制御装置

Claims (5)

1. 冷媒を吸入し吐出する圧縮機（２１）、前記圧縮機（２１）から吐出された冷媒が流入し暖房サイクル運転時には車室内へ送風される空気を加熱する加熱用熱交換器（２２）、前記暖房サイクル運転時に前記加熱用熱交換器（２２）で冷却された冷媒を減圧する減圧装置（２４）、前記暖房サイクル運転時に前記減圧装置（２４）で減圧された冷媒を蒸発させて吸熱し、冷房サイクル運転時に放熱する室外熱交換器（２５）、および除湿を行う暖房サイクル運転時と前記冷房サイクル運転時に内部を流れる冷媒の吸熱作用によって車室内への前記送風空気を冷却する冷却用熱交換器（３０）を有するヒートポンプ式冷凍サイクル（２０）と、
   一方側に空気取入口（３，４）が形成され、他方側に、前記送風空気が前記車室内に向けて通過する吹出し開口（１１，１２）が形成され、前記空気取入口（３，４）と前記吹出し開口（１１，１２）との間に前記送風空気が通過する通風路（６，７）を有する空調ケース（１）と、
   前記空気取入口（３，４）から取り入れた前記送風空気を、前記加熱用熱交換器（２２）を通過する空気と前記加熱用熱交換器（２２）を通らない空気とに分けてその風量比率を調整する風量比率調整手段（８）と、
   前記空調ケース（１）の内部に設けられ通電されることにより発熱して前記送風空気を加熱する電気式補助加熱手段（４０）と、
   前記ヒートポンプ式冷凍サイクル（２０）の運転、前記風量比率調整手段（８）の作動、および前記電気式補助加熱手段（４０）の通電を制御する制御装置（５０）と、
   を備えて、前記車室内の空気調節を自動で行う車両用空調装置であって、
   前記制御装置（５０）は、自動空調運転において、前記暖房サイクル運転に切り替わる前の冷房サイクル運転時および前記暖房サイクル運転から切り替わる冷房サイクル運転時に、前記電気式補助加熱手段（４０）に通電することにより前記送風空気を加熱することを特徴とする車両用空調装置。
2. 前記制御装置（５０）は、目標吹出し温度を演算して算出し、
   前記演算された目標吹出し温度が、前記空調ケース（１）内に吸い込まれる空気の温度（Ｔ１）より高く、閾温度（Ｔ２）より低い場合には、前記ヒートポンプ式冷凍サイクル（２０）を冷房サイクルで運転するとともに、前記電気式補助加熱手段（４０）に通電す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. 前記制御装置（５０）は、前記暖房サイクル運転において前記圧縮機（２１）をＯＮ−ＯＦＦ制御し、前記風量比率調整手段（８）を制御することによって前記圧縮機（２１）の回転数を最も小さくしたときに得られる吹出し温度を求め、前記求めた吹出し温度を前記閾温度（Ｔ２）として採用することを特徴とする請求項２に記載の車両用空調装置。
4. 前記電気式補助加熱手段（４０）は前記加熱用熱交換器（２２）よりも送風空気の下流側に配置され、
   前記制御装置（５０）は、前記電気式補助加熱手段（４０）を通過する前の空気温度と、前記電気式補助加熱手段（４０）による発熱量とによって前記閾温度（Ｔ２）を算出することを特徴とする請求項２に記載の車両用空調装置。
5. 前記減圧装置（２４）は固定式の膨張弁であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の車両用空調装置。

Images