JP3794078B2 - 車両用空調装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍サイクルの蒸発器の除霜運転を行うことのできる車両用空調装置に関し、特に電気自動車に用いた場合に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような車両用空調装置として、本願出願人が先に出願した車両用空調装置（特願平７−７４７９８号）がある。これは、暖房運転時には、室内熱交換器を凝縮器、室外熱交換器を蒸発器としてそれぞれ機能させ、室内熱交換器にて温められた空気を車室内に吹き出す。
【０００３】
そして、室外熱交換器の出口配管に設けられた出口温度センサの検出値が所定温度（例えば−３℃）以下になると、室外熱交換器が着霜し始めたとみなして、第１タイマを作動させて、所定時間（例えば６０分）をカウントする。
そして、上記第１タイマがカウントアップした後に、さらに上記出口温度が外気温度よりも所定温度（例えば１２℃）以上低いか否かを判定する。ここで、ＹＥＳと判定されたときは、第２タイマを作動させて所定時間（例えば３分）をカウントする。そして、第２タイマがカウントアップしたときに、室外熱交換器を凝縮器として機能させる除霜運転が必要になったとみなして、除霜運転を開始するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記先願のものは、確かに、室外熱交換器が着霜していることは正確に検出できる。しかし、除霜運転を開始するタイミングが必ずしも適切であるとは言えないため、除霜運転を行わなくても良いのに行ってしまうこともあり、結果的に、除霜運転を行うことによる車室内暖房能力の低下を不必要に招いてしまう、といった問題が発生する。
【０００５】
以下、その理由を説明する。
例えば、低温の車室内を急速暖房するために、乗員が設定温度を最高温度に設定した場合には、圧縮機回転数は最高回転数となって低圧が低下するため、比較的容易に上記第１、第２タイマがカウントする条件となる。その後、車室内が温まってきて、さらに日射が照射される等して、乗員が設定温度を最低温度に近い方に変更した場合、圧縮機回転数は最低回転数付近まで低下するので、低圧は上がって、着霜が進行する条件ではなくなる。
【０００６】
しかし、この状態でも上記第１、第２タイマは作動し続けるため、いずれは両タイマがカウントアップする。そして、両タイマがカウントアップしたときに、除霜運転を開始するタイミングとなって除霜運転が始まる。その結果、本来なら行わなくても良い除霜運転が行われてしまい、この除霜運転による車室内暖房能力の低下を招いてしまう、といった問題が発生する。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、適切なタイミングで除霜運転を行い、ひいては不必要な除霜運転を防止することのできる車両用空調装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願発明者等は、上記タイミングを、車室内乗員が必要とする暖房能力を維持できなくなる程度まで蒸発器の着霜が進んだときとすれば、上記目的を達成できると考えた。そこで、上記タイミングを判定する手段を得るために、
車室内に空気を導く空気通路と、
この空気通路内に設けられた温水式熱交換器内に温水を供給する温水回路と、
冷媒を圧縮する圧縮機、この圧縮機が吐出した冷媒を凝縮させる凝縮器として機能するとともに、冷媒と上記温水回路内の温水とを熱交換させる冷媒水熱交換器、冷媒を減圧する減圧手段、および冷媒を蒸発させる蒸発器を備えた冷凍サイクルと、
上記温水式熱交換器内を流れる温水の温度を検出する水温検出手段とを備え、
上記水温検出手段が検出した検出水温が所定の目標水温となるように上記圧縮機の回転数を制御する車両用空調装置
を用いて、▲１▼上記蒸発器にほとんど着霜していない場合、▲２▼車室内乗員が必要とする暖房能力を維持できなくなる程度まで蒸発器の着霜が進んだ場合、のそれぞれについて、上記目標水温と上記検出水温とがどのような関係にあるかを実験した。
【０００９】
その結果、上記▲１▼の場合については、圧縮機の回転数を上げれば、冷凍サイクルの高圧が上がり、冷媒水熱交換器での温水加熱量が多くなって、上記検出水温を上記目標水温に一致させることができた。
ところが、上記▲２▼の場合は、圧縮機の回転数を上げても、冷凍サイクルの高圧がそれに応じて上がらないため、冷媒水熱交換器での温水加熱量もそれに応じて上がらず、その結果、上記検出水温は、上記目標水温に対して所定温度以上低い関係となることが分かった。
【００１０】
上記の実験結果に鑑みて、請求項１、２記載の発明は、上記検出水温が上記目標水温に対して上記所定温度以上低いと判定されてから、上記検出水温が所定時間低下し続けているか否かを判定する除霜タイミング判定手段を設け、この判定手段にて肯定判定されたときを上記タイミングとみなして、蒸発器の除霜運転を行うことを特徴としている。
【００１１】
ここで、上記検出水温が上記目標水温に対して上記所定温度以上低い場合としては、車室内乗員が必要とする暖房能力を維持できなくなる程度まで蒸発器の着霜が進んだ場合の他に、例えば冷えた車室内を急速暖房する初期の場合もある。そこで本発明では、さらに上記検出水温が低下し続けているか否かを判定する。そして、ここで肯定判定されたときは、前者の場合とみなせるので、このときに上記タイミングとして除霜運転を行う。
【００１２】
このように、本発明では、車室内乗員が必要とする暖房能力を維持できなくなる程度まで蒸発器の着霜が進んだときに、除霜運転を行うので、不必要な除霜運転を防止することができる。
なお、上記所定温度とは、上記検出水温と上記目標水温との温度差がこの所定温度以上となる原因が、明らかに、車室内乗員が必要とする暖房能力を維持できなくなる程度まで蒸発器の着霜が進んだことである、と思われる程度の温度であり、それ以外の原因で上記温度差が生じた場合は含まない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を電気自動車用空調装置に適用した実施形態を、図１〜７に基づいて説明する。まず、図１を用いて本実施形態の全体構成を説明する。
室内ユニット１は、車室内に空気を導く空気通路としての空調ケース２を備える。この空調ケース２の空気上流側部位には、内気吸入口３、外気吸入口４、および各吸入口３、４を開閉する内外気切換ドア５が設けられており、この内外気切換ドア５はサーボモータ５１（図３参照）によって駆動される。
【００１４】
この内外気切換ドア５の下流側には、空調ケース２内に空気流を発生する送風手段としてのファン６が設けられている。このファン６は、ファンモータ７にて駆動される。
また、空調ケース２内には、後述する冷凍サイクル８の一部をなす室内熱交換器９が設けられている。この室内熱交換器９は、後述する暖房運転時には内部に冷媒は流れず、後述する除霜運転時、冷房運転時には蒸発器として機能する。
【００１５】
また、空調ケース２内には、室内熱交換器９の下流側に、後述する温水回路１０の一部をなすヒータコア１１が設けられている。このヒータコア１１は、空調ケース２内の空気を加熱する加熱器として機能する熱交換器である。そして、このヒータコア１１を通過する風量とバイパス通路１２を通過する風量との割合は、エアミックスドア１３の開度によって決定され、このエアミックスドア１３はサーボモータ５２（図３参照）によって駆動される。
【００１６】
また、空調ケース２の空気下流側には、空調空気をフロントガラス内面に吹き出すデフロスタ吹出口１４、空調空気を車室内乗員の上半身に向けて吹き出すフェイス吹出口１５、および空調空気を車室内乗員の足元に向けて吹き出すフット吹出口１６が形成されている。そして、これらの吹出口１４〜１６は、それぞれのドア１７〜１９によってそれぞれ開閉され、これらのドア１７〜１９はサーボモータ５３（図３参照）によって駆動される。
【００１７】
上記冷凍サイクル８は、上記室内熱交換器９の他に、圧縮機２０、冷媒水熱交換器２１、室外熱交換器２２、暖房用膨張弁２３、冷房用膨張弁２４、アキュムレータ２５、および冷媒の流れ方向を切り換える電磁弁２６、２７が、それぞれ冷媒配管２８によって接続された構成となっている。なお、図中２９は室外ファンである。
【００１８】
上記圧縮機２０は、図示しない電動モータによって駆動されたときに冷媒の吸入、圧縮、吐出を行う。この電動モータは、圧縮機２０と一体的に密封ケース内に配置されており、インバータ３０（図３参照）により制御されることによって回転速度が連続的に変化する。また、このインバータ３０は、制御装置３１（図３参照）によって通電制御される。
【００１９】
また、上記冷媒水熱交換器２１は、具体的にはアルミニウム合金よりなり、図１のＡ−Ａ矢視断面図である図２に示すように、中空円柱状パイプ２１ａの肉厚部に複数形成された通路２１ｂに冷媒配管２８が接続され、パイプ２１ａの内部通路２１ｃに、温水回路１０の温水配管３４（後述する）が接続されている。そして、圧縮機２０が吐出した高温高圧の冷媒が上記通路２１ｂを流れ、温水回路１０内の温水が上記内部通路２１ｃを流れることによって、冷媒と温水とが熱交換して、冷媒は凝縮し、温水は温められる。
【００２０】
また、上記室外熱交換器２２は、後述する暖房運転時には蒸発器として機能し、後述する除霜運転時、冷房運転時には凝縮器として機能する。また、上記暖房用膨張弁２３は、後述する暖房運転時に減圧手段として機能し、上記冷房用膨張弁２４は、後述する除霜運転時、冷房運転時に減圧手段として機能する。また、上記電磁弁２６、２７は制御装置３１（図３参照）によって通電制御される。
【００２１】
上記温水回路１０は、上記ヒータコア１１の他に、温水回路１０内に温水流を発生するウォータポンプ３２、温水を加熱する燃焼式ヒータ３３、および上記冷媒水熱交換器２１が、それぞれ温水配管３４によって接続された構成となっている。
次に、本実施形態の制御系について図３を用いて説明する。
【００２２】
制御装置３１は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータや、ファンモータ７へ印加するファン電圧を制御する駆動回路、Ａ／Ｄ変換回路等を備え、イグニッションスイッチ３５がオンされたときにバッテリ３６から電源が供給される。
制御装置３１の入力端子には、車室内空気温度を検出する内気温センサ３７、外気温度を検出する外気温センサ３８、車室内に照射される日射量を検出する日射センサ３９、ヒータコア１１に密着して設けられ、ヒータコア１１内の水温を検出する水温センサ４０、室内熱交換器９を通過した直後の空気温度を検出する吸込温度センサ４１、圧縮機２０が吐出した冷媒圧力を検出する圧力センサ４２、および室外熱交換器２２の出口冷媒温度を検出する出口温度センサ４３からの各信号が入力される。
【００２３】
また、制御装置３１の入力端子には、コントロールパネル４４の各スイッチ、レバーからの信号が入力される。この各スイッチ、レバーとしては、図４に示すように、吹出モードの設定を行う吹出モード設定レバー４５、車室内への吹出風量を設定する風量設定レバー４６、内外気切換モードを設定する内外気切換レバー４７、冷凍サイクル８を冷房運転させる冷房スイッチ４８、冷房サイクル８を暖房運転させる暖房スイッチ４９、および車室内目標温度を設定する温度設定レバー５０を備える。
【００２４】
なお、上記各センサ３７〜４３からの信号は、上記Ａ／Ｄ変換回路にてＡ／Ｄ変換された後、上記マイクロコンピュータへ入力されるように構成されている。
また、制御装置３１の出力端子からは、ファンモータ７、電磁弁２６、２７、室外ファン２９、インバータ３０、燃焼式ヒータ３３、およびサーボモータ５１〜５３へ制御信号が出力される。
【００２５】
次に、上記マイクロコンピュータが行うインバータ３０についての制御処理を、図５のフローチャートに基づいて説明する。
図５のルーチンが起動されて最初に行われるステップＳ１０では、イグニッションスイッチ３５からの信号、上記各センサ３７〜４３からの信号、およびコントロールパネル４４からの信号を読み込む。そして、次のステップＳ２０にて、イグニッションスイッチ３５がオンされたか否かを判定し、オフであればそのままこのルーチンを抜け、オンであれば次のステップＳ３０に進む。
【００２６】
ステップＳ３０では、暖房スイッチ４９がオンされているか否かを判定する。ここで、オフであればステップＳ１０に戻り、オンであれば、次のステップＳ４０にて、ＲＯＭに予め記憶された下記数式１に基づいて、車室内に吹き出す目標吹出温度ＴＡＯを算出する。
【００２７】
【数１】
ＴＡＯ＝Ｋset ×Ｔset −Ｋr ×Ｔr −Ｋam×Ｔam−Ｋs ×Ｔs −Ｃ
ここで、Ｔset は温度設定レバー５０の設定位置によって決定される設定温度、Ｔr は内気温センサ３７が検出した内気温度、Ｔamは外気温センサ３８が検出した外気温度、およびＴs は日射センサ３９が検出した日射量である。また、Ｋset 、Ｋr 、Ｋam、およびＫs はそれぞれゲインであり、Ｃは定数である。
【００２８】
そして、次のステップＳ５０にて、ヒータコア１１の温度効率φ（Ｖ）を、ファン６の運転状態によって決定される風量Ｖ（ｍ³/h ）に応じて算出する。
そして、次のステップＳ６０にて、予めＲＯＭに記憶された下記数式２に基づいて、ヒータコア１１内を流れる温水の目標水温ＴＷＯを算出する。
【００２９】
【数２】
ＴＷＯ＝（ＴＡＯ−Ｔe ）／φ（Ｖ）＋Ｔe
ここで、Ｔe はヒータコア１１の吸込側における空気温度であり、本実施形態では、室内熱交換器９を通過した直後の空気温度を検出する吸込温度センサ４１の検出値にて代用している。
【００３０】
そして、次のステップＳ７０にて、水温センサ４０にて検出した水温ＴＷが目標水温ＴＷＯとなるように、インバータ３０へ入力する電流を制御する。例えば、検出水温ＴＷが目標水温ＴＷＯよりも低ければ、圧縮機２０の回転数を上げるようにインバータ３０を制御する。これによって、冷凍サイクル８の高圧が上がり、冷媒水熱交換器２１における温水加熱量が多くなって、検出水温が目標水温ＴＷＯに近づく。
【００３１】
次に、上記マイクロコンピュータが行う電磁弁２６、２７についての制御処理を、図６のフローチャートに基づいて説明する。
図６のルーチンが起動されて最初に行われるステップＳ１１０では、イグニッションスイッチ３５からの信号、上記各センサ３７〜４３からの信号、コントロールパネル４４からの信号、および図５のステップＳ６０で算出した目標水温ＴＷＯを読み込む。
【００３２】
そして、次のステップＳ１２０にて、イグニッションスイッチ３５がオンされたか否かを判定し、オフであればそのままこのルーチンを抜け、オンであれば次のステップＳ１３０に進む。このステップＳ３０では、暖房スイッチ４９がオンされているか否かを判定し、オフであればステップＳ１１０に戻り、オンであれば、次のステップＳ１４０に進む。
【００３３】
ステップＳ１４０では、電磁弁２６を閉じ、電磁弁２７を開く。これによって、冷凍サイクル８内の冷媒は、圧縮機２０→冷媒水熱交換器２１→暖房用膨張弁２３→室外熱交換器２２→アキュムレータ２５→圧縮機２０の順（図中黒矢印で示す）で流れ、暖房運転が行われる。
そして、次のステップＳ１５０では、上記検出水温ＴＷが、上記目標水温ＴＷＯよりも所定温度Ｔ1 （本実施形態では１０（℃））以上低いか否かを判定する。つまり、このステップＳ１５０は、請求項２記載の発明でいう水温判定手段を構成している。そして、このステップＳ１５０にてＮＯと判定されたときはステップＳ１１０に戻り、ＹＥＳと判定されたときは、ステップＳ１６０にてカウンタｎをクリアする。
【００３４】
そして、次のステップＳ１７０にて、ＴＷｎに検出水温ＴＷをセットし、次のステップＳ１８０にてカウントＭをクリアし、次のステップＳ１９０にて、このカウンタＭをインクリメントする。そして、次のステップＳ２００にて、このカウンタＭが所定数（本実施形態では６０）となったか否かを判定し、ＮＯであればステップＳ１９０に戻り、ＹＥＳの場合はステップＳ２１０に移る。
【００３５】
このステップＳ２１０では、水温が低下しているか否かを判定する。具体的には、検出水温ＴＷが、上記ステップＳ１７０でセットしたＴＷn よりも低いか否かで上記判定を行う。そして、このステップＳ２１０でＮＯと判定されたときは、例えば冷えた車室内を急速暖房する初期の場合とみなして、ステップＳ１４０に戻る。
【００３６】
また、ステップＳ２１０にてＹＥＳと判定されたときは、次のステップＳ２２０にて上記カウンタｎをインクリメントし、次のステップＳ２３０にて、このカウンタｎが所定数（本実施形態では６）となったか否かを判定する。このステップＳ２３０は、請求項２記載の発明でいう水温低下判定手段を構成している。このステップＳ２３０にてＮＯと判定されたときはステップＳ１７０に戻る。
【００３７】
逆に、ステップＳ２３０にてＹＥＳと判定されたときは、検出水温ＴＷが目標水温ＴＷＯに対して所定温度Ｔ1 （１０℃）以上低く、かつ低温水温ＴＷが所定時間低下し続けているということなので、車室内乗員が必要とする暖房能力を維持できなくなる程度まで室外熱交換器２２の着霜が進んだとみなして、このときを除霜運転開始のタイミングとして、次のステップＳ２４０にて除霜運転を開始する。
【００３８】
このステップＳ２４０では、電磁弁２６を開き、電磁弁２７を閉じる。これによって、冷凍サイクル８内の冷媒は、圧縮機２０→冷媒水熱交換器２１→室外熱交換器２２→冷房用膨張弁２４→室内熱交換器９→アキュムレータ２５→圧縮機２０の順（図中白矢印で示す）で流れ、室外熱交換器２２を凝縮器させてこの室外熱交換器２２の除霜をする除霜運転が行われる。
【００３９】
そして、次のステップＳ２５０にて、出口温度センサ４３が検出した出口温度Ｔo が所定温度α以上か否かを判定する。つまり、除霜が終了すると、室外熱交換器２２の出口温度が上昇することから、ステップＳ２５０ではこの出口温度をみて除霜が終了したか否かを判定する。そして、終了したと判定されたときは、ステップＳ１４０に戻って暖房運転を再開する。
【００４０】
なお、乗員によって冷房スイッチ４８がオンされたときには、マイクロコンピュータは、除霜運転時と同じように電磁弁２６、２７を制御する。
以上説明した構成によると、外気温度が低いときには、暖房運転を続けていっても、室外熱交換器２２の着霜量は、車室内乗員が必要とする暖房能力を維持できなくなる程度までは進まない（多くても５０〜７０％）。
【００４１】
従って、このときは、圧縮機２０の回転数を上げれば、冷凍サイクル８の高圧が上がり、冷媒水熱交換器２１での温水加熱量が多くなるので、図７（ａ）の実験データに示すように、車室内急速暖房初期には目標水温ＴＷＯよりもかなり低い検出水温ＴＷは、その後、図５のような圧縮機回転数制御をすることによって徐々に上昇し、いずれは目標水温ＴＷＯに一致して、そのまま推移する。
【００４２】
しかし、外気湿度が高いときは、暖房運転を続けていくと、次第に室外熱交換器２２の着霜量が多くなっていき、圧縮機２０の回転数を上げても、冷凍サイクル８の高圧がそれに応じて上がらなくなり、冷媒水熱交換器２１での温水加熱量もそれに応じて上がらなくなる。
従って、このときには図７（ｂ）の実験データに示すように、図５のような圧縮機回転数制御をすることによって、検出水温ＴＷは、一旦は目標水温ＴＷＯとなるが、その後、暖房運転を続けることによって室外熱交換器２２の着霜量も進み、目標水温ＴＷに対して検出水温ＴＷが徐々に低下していく。
【００４３】
図６のステップＳ１５０では、図７（ｂ）に示すように、検出水温ＴＷが目標水温ＴＷＯよりも所定温度Ｔ1 低くなるとなるときを判定し、このときから更に所定時間ｔ1 （図６のカウンタｎが６になるまでの時間）、検出水温ＴＷが低下し続けているか否かを図６のステップＳ２３０で判定している。
以上説明したように、本実施形態によると、車室内乗員が必要とする暖房能力を維持できなくなる程度まで室外熱交換器２２の着霜が進んだときに、除霜運転を行い、それ以外のときでの除霜運転は行わないので、不必要な除霜運転を防止することができる。
【００４４】
（他の実施形態）
上記実施形態では、図６のステップＳ１５０にてＹＥＳと判定されてから、所定時間続けて検出水温ＴＷが低下しているときに、除霜運転を行うようにしたが、必ずしも、ステップＳ１５０にてＹＥＳと判定されてからの時間をカウントする必要がなく、単純に検出水温ＴＷが低下し続けていると判定されたときに除霜運転を行うようにしても良い。
【００４５】
また、上記実施形態では、請求項１記載の水温検出手段を、ヒータコア１１に密着して設けた水温センサ４０にて構成したが、この水温センサは必ずしもヒータコア１１に密着させる必要はなく、温水配管３４の任意の場所に設け、この場所における検出水温に基づいて、ヒータコア１１内を流れる温水の温度を算出するようにしても良い。
【００４６】
また、一般的に、室外熱交換器２２の温度変化と圧縮機２０の吐出圧力変化は対応しているため、図６のステップＳ２５０での判定を、圧力センサ４２のセンサ値に基づいて行うようにして、上記出口温度センサ４３を無くしても良い。
また、上記実施形態では、温水回路１０の温水配管３４途中に燃焼式ヒータ３３を設けたが、この燃焼式ヒータ３３は無くしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態の全体構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】上記実施形態の制御系のブロック図である。
【図４】上記実施形態のコントロールパネル４４の正面図である。
【図５】上記実施形態のインバータ３０についての制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】上記実施形態の電磁弁２６、２７についての制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】上記実施形態の検出水温ＴＷと目標水温ＴＷＯの推移についての実験データを示す図である。
【符号の説明】
２…空調ケース（空気通路）、８…冷凍サイクル、１０…温水回路、
１１…ヒータコア（温水式熱交換器）、２０…圧縮機、２１…冷媒水熱交換器、
２２…室外熱交換器（蒸発器）、２３…暖房用膨張弁（減圧手段）、
４０…水温センサ（水温検出手段）。

Claims (2)

1. 車室内に空気を導く空気通路（２）と、
   この空気通路（２）内に設けられた温水式熱交換器（１１）内に温水を供給する温水回路（１０）と、
   冷媒を圧縮する圧縮機（２０）、この圧縮機（２０）が吐出した冷媒を凝縮させる凝縮器として機能するとともに、冷媒と前記温水回路（１０）内の温水とを熱交換させる冷媒水熱交換器（２１）、冷媒を減圧する減圧手段（２３）、および冷媒を蒸発させる蒸発器（２２）を備えた冷凍サイクル（８）と、
   前記温水式熱交換器（１１）内を流れる温水の温度を検出する水温検出手段（４０）とを備え、
   前記水温検出手段（４０）が検出した検出水温が所定の目標水温となるように前記圧縮機（２０）の回転数を制御する車両用空調装置であって、
   前記検出水温が前記目標水温に対して所定温度以上低いと判定されてから、前記検出水温が所定時間低下し続けているか否かを判定する着霜タイミング判定手段（Ｓ１５０〜Ｓ２３０）を有し、
   この着霜タイミング判定手段（Ｓ１５０〜Ｓ２３０）によって肯定判定されたとき、前記蒸発器（２２）の除霜運転を行うことを特徴とする車両用空調装置。
2. 前記着霜タイミング判定手段（Ｓ１５０〜Ｓ２３０）は、
   前記検出水温が前記目標水温に対して所定温度以上低いか否かを判定する水温判定手段（Ｓ１５０）と、
   この水温判定手段（Ｓ１５０）によって、前記検出水温が前記目標水温に対して前記所定温度以上低いと判定されてから、前記検出水温が所定時間低下し続けているか否かを判定する水温低下判定手段（Ｓ２３０）と
   を備え、この水温低下判定手段（Ｓ２３０）によって肯定判定されたとき、前記蒸発器（２２）の除霜運転を行うことを特徴とする請求項１記載の車両用空調装置。

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