JP4134433B2

JP4134433B2 - ヒートポンプ式空調装置

Info

Publication number: JP4134433B2
Application number: JP08978499A
Authority: JP
Inventors: 桂太本多
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: JP2000283611A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ式空調装置に関し、特に、室外熱交換器の着霜防止に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のヒートポンプ式空調装置は、圧縮機吐出ガス冷媒（ホットガス）を室内熱交換器に直接導入し、この室内熱交換器でガス冷媒から空調空気に放熱することにより暖房機能を発揮できるようにしている。また、室内熱交換器で凝縮された冷媒を減圧した後室外熱交換器に導入し、この室外熱交換器で空調空気から冷媒に吸熱した後、この冷媒を圧縮機に戻すようにしている。
【０００３】
そして、この種のヒートポンプ式空調装置においては室外熱交換器の着霜が問題となり、その対策として例えば特開平１０−７１８５０号公報に記載されたものがある。この従来装置では、圧縮機吐出側から凝縮器をバイパスして室外熱交換器入口側に直接連通するホットガスのバイパス回路を設けるとともに、このバイパス回路に電磁弁を設け、さらに室外熱交換器の温度を検出する温度センサを設けている。
【０００４】
そして、室外熱交換器の温度が所定温度より低くなると着霜状態と判定し、電磁弁を所定のデューティ比でオン・オフ制御して、圧縮機から吐出されたホットガスを室外熱交換器に導入することにより、室外熱交換器の表面に付着した霜を溶解させるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来装置では、着霜後に初めてホットガスを室外熱交換器に導入して除霜を行うのみであり、着霜を未然に防止することができないという問題がある。
また、電磁弁をオン・オフ制御しているため室外熱交換器にホットガスが断続的に流入し、その影響で除霜中に室内熱交換器に流れる冷媒の流量が大きく変動し、従って室内空気吹出温度がハンチングするという問題も生じている。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、室外熱交換器への着霜を未然に防止することを目的とする。また、着霜防止中の室内空気吹出温度の安定化を図ることを他の目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、室内へ吹き出される空調空気の通路を形成する空調ダクト（２）と、冷媒を圧縮し吐出する圧縮機（１３）と、空調ダクト（２）内に配置され、暖房時には圧縮機（１３）から吐出された冷媒と空調空気とを熱交換させて冷媒を凝縮させる室内熱交換器（９）と、室内熱交換器（９）で凝縮された冷媒を減圧する減圧手段（１９）と、室外に配置され、暖房時には減圧手段（１９）で減圧された冷媒と室外空気とを熱交換させて冷媒を蒸発させる室外熱交換器（１８）とを備えるヒートポンプ式空調装置において、圧縮機（１３）から吐出された冷媒を室外熱交換器（１８）に導くバイパス回路（３０）と、このバイパス回路（３０）を流れる冷媒の量を連続的に調整するバイパス制御弁（３１）と、外気温度を検出する外気温度センサ（３３）と、室外熱交換器（１８）の温度を検出する室外器温度センサ（３２）と、バイパス制御弁（３１）の作動を制御する制御手段（２４）とを備え、制御手段（２４）は、外気温度センサ（３３）で検出された外気温度から室外器温度センサ（３２）で検出された室外熱交換器（１８）の温度を減算して求めた温度差が、所定範囲内か、所定範囲の最大値以上か、あるいは所定範囲の最小値以下かを判定し（Ｓ１０２）、温度差が所定範囲の最大値以上の場合は、温度差が所定範囲の最大値よりも大きい第１所定値以上である状態が第１所定時間以上継続したか否かを判定し（Ｓ１０３）、温度差が所定範囲の最大値以上で第１所定値よりも低い場合、または温度差が第１所定値以上である状態が第１所定時間以上継続していない場合は、バイパス制御弁（３１）の開度を増加させる着霜予防制御を実行するとともに、着霜予防制御の実行により温度差が所定範囲内に移行したか否かを繰り返し判定し（Ｓ１０２、Ｓ１０４）、温度差が第１所定値以上である状態が第１所定時間以上継続したときには、第２所定時間が経過するまでバイパス制御弁（３１）の開弁状態を継続する除霜制御を実行する（Ｓ１０６、Ｓ１０７）ことを特徴とする。
【０００８】
これによれば、室外熱交換器（１８）の必要以上の温度低下を防止できるため、室外熱交換器（１８）の温度が着霜温度域まで低下する可能性が小さくなり、従って着霜を未然に防止することが可能になる。
【０００９】
請求項３記載の発明では、請求項１または２に記載のヒートポンプ式空調装置において、制御手段（２４）は、室外熱交換器（１８）の温度が所定温度よりも低い場合、または室外熱交換器（１８）の温度が所定温度よりも高い状態が第２所定時間以上継続していない場合は、除霜制御を継続し、除霜制御の実行中において、室外熱交換器（１８）の温度が所定温度よりも高い状態が第２所定時間以上継続した場合は、除霜制御を終了する（Ｓ１０６、Ｓ１０７）ことを特徴とする。これによれば、着霜状態に至った場合でも確実に除霜を行うことができる。
【００１０】
請求項１記載の発明では、バイパス制御弁（３１）が、バイパス回路（３０）を流れる冷媒の量を連続的に調整することを特徴としている。これによれば、バイパス回路（３０）側の冷媒流量の変化を緩やかにできるため、室内熱交換器（９）側の冷媒流量の急激な変動が防止され、室内空気吹出温度を安定させることができる。
【００１１】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は本発明を電気自動車用空調装置に適用した一実施形態を示すもので、空調ユニット１は電気自動車の車室内に設置され，その空調ダクト２は、車室内に空調空気を導く空調空気通路を構成するものである。この空調ダクト２の一端側に内気を吸入する内気吸入口３と外気を吸入する外気吸入口４が設けられており、この両吸入口３、４は、内外気切替ドア５により切替開閉される。
【００１３】
上記吸入口３、４に隣接して、空調ダクト２内に空気を送風する送風機６が設置されており、この送風機６はモータ７により駆動される遠心ファンから構成されている。
そして、空調ダクト２内において、送風機６の空気吹出側には暖房用凝縮器９が設けられている。この暖房用凝縮器９は、冷凍サイクルの一部を構成する室内熱交換器であり、後述する暖房サイクル時に、内部を流れる冷媒の放熱作用によって、空調ダクト２内の空気を加熱する加熱器として機能する。
【００１４】
空調ダクト２内において、暖房用凝縮器９の側方には暖房用凝縮器９をバイパスして空気を流すバイパス通路１０が設けられており、暖房用凝縮器９の通風路とバイパス通路１０とを切り替える板状の切替ドア１１が回動可能に設けられている。この切替ドア１１は暖房時には暖房用凝縮器９の通風路を全開してバイパス通路１０を全閉する実線位置に操作され、冷房時には、暖房用凝縮器９の通風路を全閉してバイパス通路１０を全開する破線位置に操作される。
【００１５】
暖房用凝縮器９の空気下流側には冷房用蒸発器８が設けられ、この冷房用蒸発器８は、冷凍サイクルの一部を構成する室内熱交換器であり、後述する冷房サイクル時に、内部を流れる冷媒の吸熱作用によって、空調ダクト２内の空気を冷却除湿する冷却器として機能する。
空調ダクト２内において、冷房用蒸発器８の空気下流側には、車室内乗員の足元部に向かって空調空気を吹き出すフット吹出口９４、車室内乗員の上半身に向かって空調空気を吹き出すフェイス吹出口９５および車両窓ガラスの内面に空調空気を吹き出すデフロスタ吹出口９６が設けられる。この複数の吹出口９４〜９６は吹出モードドア９７、９８、９９により切替開閉される。
【００１６】
次に、上記冷房用の蒸発器８と暖房用の凝縮器９を含む冷凍サイクル１２について説明すると、冷凍サイクル１２は車室内の冷房および暖房を行うヒートポンプ式冷凍サイクルとして構成されており、電動式の冷媒圧縮機１３を備えている。圧縮機１３の吐出側と凝縮器９との間の流路には吐出圧（サイクル高圧圧力）を検出する圧力センサ１４が配置されている。
【００１７】
また、冷凍サイクル１２には、冷房用電磁弁１５、暖房用電磁弁１６、除湿用電磁弁１７、室外熱交換器１８、第１減圧器１９、第２減圧器２０、冷媒の気液を分離するとともに液冷媒を溜めて、ガス冷媒を導出するアキュームレータ２１が備えられている。
さらに、圧縮機１３の吐出側と凝縮器９との間から分岐したバイパス回路３０は、室外熱交換器１８の入口側に接続されており、このバイパス回路３０の途中には、バイパス回路３０の開度を連続的に調整可能なバイパス制御弁３１が設置されている。
【００１８】
このバイパス制御弁３１は、例えば、冷媒通路となる円形の開口部に円錐状の弁体を出入りさせて開度を調整する形式の弁を使用し、円錐状の弁体をステップモータにて駆動する。
上記の室外熱交換器１８は電気自動車の車室外に設置され、電動室外ファン１８ａにより送風される外気と熱交換するようになっている。室外熱交換器１８には室外器温度センサ３２が配置され、この室外器温度センサ３２は、暖房時の冷媒流れにおいて室外熱交換器１８の出口側（暖房用電磁弁１６側）となる配管の温度を検出する。室外熱交換器１８の空気入口側には、室外熱交換器１８に流入する空気（外気）の温度を検出する外気温度センサ３３が配置されている。
【００１９】
また、上記冷媒圧縮機１３は、電動式圧縮機であって、図示しない電動モータ（交流モータ）を一体に密封ケース内に内蔵し、このモータにより駆動されて冷媒の吸入、圧縮、吐出を行う。
この冷媒圧縮機１３の交流モータにはインバータ２２により交流電圧が印加され、このインバータ２２により交流電圧の周波数を調整することによってモータ回転速度を連続的に変化させるようになっている。従って、インバータ２２は圧縮機１３の回転数調整手段をなすものであり、このインバータ２２には、車載バッテリ２３から直流電圧が印加される。
【００２０】
そして、インバータ２２は空調用制御装置（制御手段）２４によって通電制御される。この空調用制御装置２４はマイクロコンピータとその周辺回路にて構成される電子制御装置であって、インバータ２２の他に電磁弁１５〜１７、さらにはバイパス制御弁３１の作動を制御する。さらに、空調ユニット１の内外気切替ドア５、送風機の６モータ７、エアミックドア１１、および室外ファン１８ａ等の機器も制御装置２４により作動が制御される。
【００２１】
上記制御装置２４には、前述の圧力センサ１４、室外器温度センサ３２、外気温度センサ３３の他に、車室内温度を検出する内気センサ、冷房用蒸発器８の吹出直後の空気温度を検出する蒸発器温度センサ、車室内への日射量を検出する日射センサ等を含む空調用センサ群２５からセンサ信号が入力されるようになっている。また、車室内運転席近傍に設けられた空調操作パネル２６の各レバー、スイッチ群２７からの信号（温度設定信号等）も制御装置２４に入力される。
【００２２】
次に、上記構成においてこの実施形態の作動を説明する。
まず、暖房運転時には、制御装置２４の出力により冷凍サイクル１２の冷房用電磁弁１５と除湿用電磁弁１７が閉弁され、暖房用電磁弁１６が開弁される。これにより、圧縮機１３が作動すると、図１の太線で示す経路、すなわち、圧縮機１３→凝縮器９→第１減圧器１９→室外熱交換器１８→暖房用電磁弁１８→アキュームレータ２１→圧縮機１３という経路にて冷媒が流れる。
【００２３】
従って、室外熱交換器１８＝蒸発器となり、室外熱交換器１８にて吸熱された熱量および圧縮仕事による熱量を空調ユニット１内の室内凝縮器９にて凝縮熱として放熱することができる。従って、切替ドア１１を図１の実線位置のように開くことにより、送風機６の送風空気が凝縮器９を通過して加熱され、温風となり、車室内を暖房できる。
【００２４】
そして、目標吹出空気温度等に基づいてサイクル高圧圧力の目標圧を演算し、その目標圧となるよう圧縮機１３の回転数を制御することにより、吹出空気温度を調整する。
一方、冷房運転時には、制御装置２４の出力により冷凍サイクル１２の冷房用電磁弁１５が開弁され、暖房用電磁弁１６と除湿用電磁弁１７が閉弁される。従って、圧縮機１３が作動すると、圧縮機１３→凝縮器９→冷房用電磁弁１５→室外熱交換器１８→第２減圧器２０→蒸発器８→アキュームレータ２１→圧縮機１３という経路にて冷媒が流れる。また、冷房時には、切替ドア１１を図１の破線位置に操作して、凝縮器９の通風路を全閉し、バイパス通路１０を全開する。そのため、送風機６の送風空気はすべてバイパス通路１０を通過し、凝縮器９を通過しない。その結果、凝縮器９は単なる冷媒通路となり、凝縮作用を行わない。
【００２５】
そして、室外熱交換器１８が凝縮器となり、室外熱交換器１８にて放熱し凝縮した冷媒は第２減圧器２０で減圧された後に蒸発器８に流入する。ここで、低圧冷媒が蒸発して送風空気を冷却する。この冷却された冷風はバイパス通路１０を通過して車室内へ吹出し、冷房を行う。
次に、本実施形態の特徴である、暖房運転時の室外熱交換器１８の着霜防止制御および除霜制御について説明する。図２はそれらの制御を行うために制御装置２４にて実行される制御ルーチンを示し、以下図１、２に基づいて説明する。
【００２６】
暖房運転時には、バイパス制御弁３１が全閉位置に制御されている場合を除き、図１に破線で示すように圧縮機１３から吐出された高温・高圧のガス冷媒の一部を、バイパス回路３０を介して室外熱交換器１８に導入するようになっており、暖房運転中は図２の制御ルーチンにしたがって、バイパス制御弁３１の開度を制御する。
【００２７】
暖房運転開始後１０分以内であれば（ステップＳ１００がＹＥＳ）、バイパス制御弁３１を全閉位置に制御し（ステップＳ１０１）、圧縮機１３の吐出冷媒を全量凝縮器９に導入して暖房能力を最大に発揮させる。
暖房運転開始後１０分が経過すると（ステップＳ１００がＮＯ）、外気温度センサ３３で検出した外気温度と、室外器温度センサ３２で検出した室外熱交換器１８の温度との温度差ΔＴを判定する（ステップＳ１０２）。ここで、ΔＴ＝外気温度−室外熱交換器温度、である。
【００２８】
そして、温度差ΔＴが目標温度範囲、すなわち、０°Ｃ＜ΔＴ＜５°Ｃの場合は、バイパス制御弁３１が全閉のまま暖房運転が継続される。
一方、ΔＴ≧５°ＣであればステップＳ１０３に進み、ΔＴ＜２０°Ｃの場合、または、ΔＴ≧２０°Ｃの状態が１０分未満の場合は、ステップＳ１０３がＮＯとなり、ステップＳ１０４でバイパス制御弁３１を１％開く。
【００２９】
これにより、圧縮機１３から吐出されたガス冷媒の一部がバイパス回路３０を介して室外熱交換器１８に導入され、そのガス冷媒により室外熱交換器１８が暖められる。従って、室外熱交換器１８の温度が上昇するか、もしくは室外熱交換器１８の温度低下が抑制される。
ΔＴ≧５°Ｃで、ステップＳ１０３がＮＯの状態が続いている間は、ステップＳ１０４でバイパス制御弁３１の開度が１％ずつ増加され、室外熱交換器１８へのガス冷媒導入量が増加され、室外熱交換器１８の温度が上昇する。
【００３０】
ステップＳ１０２〜１０４の制御によって室外熱交換器１８の温度が上昇し、温度差ΔＴが目標温度範囲（０°Ｃ＜ΔＴ＜５°Ｃ）に調整されると、その時点でのバイパス制御弁３１の開度を維持したまま暖房運転が継続される。
また、室外熱交換器１８の温度が外気温度を越えた場合（ΔＴ＜０°Ｃ）、ステップＳ１０２からステップＳ１０５に進んでバイパス制御弁３１の開度を１％減少させ、室外熱交換器１８へのガス冷媒導入量を減少させる。
【００３１】
そして、ΔＴ＜０°Ｃの状態が続いている間は、ステップＳ１０５でバイパス制御弁３１の開度が１％ずつ減少され、室外熱交換器１８へのガス冷媒導入量が減少され、室外熱交換器１８の温度が低下する。
次に、除霜制御について説明する。ΔＴ≧２０°Ｃの状態が１０分以上続くと着霜状態と判定し（ステップＳ１０３がＹＥＳ）、ステップＳ１０６でバイパス制御弁３１を１％開いて除霜制御を開始する。
【００３２】
そして、室外熱交換器１８の温度Ｔｏｈが０°Ｃより低い場合、または、Ｔｏｈ＞０°Ｃの状態が５分未満の場合は、ステップＳ１０７がＮＯとなり、ステップＳ１０６でバイパス制御弁３１の開度が１％増加され、室外熱交換器１８へのガス冷媒導入量が増加されて除霜が行われる。これによって、Ｔｏｈ＞０°Ｃの状態が５分以上継続すると除霜完了と判定し（ステップＳ１０７がＹＥＳ）、除霜制御を終了する。
【００３３】
なお、ステップＳ１０２〜１０４のサイクル、ステップＳ１０２、１０５のサイクル、およびステップＳ１０６、１０７のサイクルを各々１秒に設定すれば、バイパス制御弁３１の開度を１００秒で全閉から全開まで変化させることができる。
上記した本実施形態によれば、温度差ΔＴを目標温度範囲に調整することにより、室外熱交換器１８の必要以上の温度低下を防止でき、従って室外熱交換器１８の温度が着霜温度域まで低下する可能性が小さくなり、着霜を未然に防止することができる。
【００３４】
また、室外熱交換器１８へのガス冷媒導入量を、オン・オフ的ではなく連続的に制御しているため、凝縮器９を流れる冷媒の流量の急激な変動が防止され、従って室内空気吹出温度を安定させることができる。
さらに、着霜状態と判定した場合には、バイパス回路３０を流れるガス冷媒の量を増加させて速やかにかつ確実に除霜を行うことができる。
（他の実施形態）
なお、本発明は上記実施形態のような車両用に限定されることなく、種々な用途の空調装置に適用可能である。
【００３５】
また、バイパス制御弁３１として、バイパス回路３０をオン・オフ的に開閉する形式の弁を採用しても、上記実施形態と同様に着霜防止および除霜を行うことができる。
また、バイパス回路３０およびバイパス制御弁３１を備えていない空調装置においては、バイパス制御弁３１の開度を制御するのに代えて、圧縮機１３の回転数または圧縮機１３のオン・オフを制御して室外熱交換器１８の温度を制御することにより、上記実施形態と同様に着霜防止および除霜を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の全体システム図である。
【図２】本発明の一実施形態の作動説明に供するフローチャートである。
【符号の説明】
２…空調ダクト、９…凝縮器（室内熱交換器）、１３…圧縮機、
１８…室外熱交換器、１９…減圧器（減圧手段）、２４…空調用制御装置（制御手段）、３０…バイパス回路、３１…バイパス制御弁。

Claims

室内へ吹き出される空調空気の通路を形成する空調ダクト（２）と、冷媒を圧縮し吐出する圧縮機（１３）と、前記空調ダクト（２）内に配置され、暖房時には前記圧縮機（１３）から吐出された冷媒と空調空気とを熱交換させて冷媒を凝縮させる室内熱交換器（９）と、前記室内熱交換器（９）で凝縮された冷媒を減圧する減圧手段（１９）と、室外に配置され、暖房時には前記減圧手段（１９）で減圧された冷媒と室外空気とを熱交換させて冷媒を蒸発させる室外熱交換器（１８）とを備えるヒートポンプ式空調装置において、
前記圧縮機（１３）から吐出された冷媒を前記室外熱交換器（１８）に導くバイパス回路（３０）と、このバイパス回路（３０）を流れる冷媒の量を連続的に調整するバイパス制御弁（３１）と、外気温度を検出する外気温度センサ（３３）と、前記室外熱交換器（１８）の温度を検出する室外器温度センサ（３２）と、前記バイパス制御弁（３１）の作動を制御する制御手段（２４）とを備え、
前記制御手段（２４）は、
前記外気温度センサ（３３）で検出された外気温度から前記室外器温度センサ（３２）で検出された前記室外熱交換器（１８）の温度を減算して求めた温度差が、所定範囲内か、前記所定範囲の最大値以上か、あるいは前記所定範囲の最小値以下かを判定し（Ｓ１０２）、
前記温度差が前記所定範囲の最大値以上の場合は、前記温度差が前記所定範囲の最大値よりも大きい第１所定値以上である状態が第１所定時間以上継続したか否かを判定し（Ｓ１０３）、
前記温度差が前記所定範囲の最大値以上で前記第１所定値よりも低い場合、または前記温度差が前記第１所定値以上である状態が前記第１所定時間以上継続していない場合は、前記バイパス制御弁（３１）の開度を増加させる着霜予防制御を実行するとともに、前記着霜予防制御の実行により前記温度差が前記所定範囲内に移行したか否かを繰り返し判定し（Ｓ１０２、Ｓ１０４）、
前記温度差が前記第１所定値以上である状態が前記第１所定時間以上継続したときには、第２所定時間が経過するまで前記バイパス制御弁（３１）の開弁状態を継続する除霜制御を実行する（Ｓ１０６、Ｓ１０７）ことを特徴とするヒートポンプ式空調装置。
前記制御手段（２４）は、暖房運転を開始してから第３所定時間が経過するまでは、前記バイパス制御弁（３１）を全閉位置に制御する（Ｓ１００、Ｓ１０１）ことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式空調装置。
前記制御手段（２４）は、前記室外熱交換器（１８）の温度が所定温度よりも低い場合、または前記室外熱交換器（１８）の温度が前記所定温度よりも高い状態が前記第２所定時間以上継続していない場合は、前記除霜制御を継続し、前記除霜制御の実行中において、前記室外熱交換器（１８）の温度が前記所定温度よりも高い状態が前記第２所定時間以上継続した場合は、前記除霜制御を終了する（Ｓ１０６、Ｓ１０７）ことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ式空調装置。