JP4276173B2 - 湿度の検知と推定を行う装置を有する空調機 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用空調機に関する。

典型的な空調サイクルは、冷媒が流れるコンプレッサ、冷却装置、センサ、およびエバポレータを、この順で備えている。外気は、エバポレータを通り抜ける際に冷却され、最終的な冷却場所に送られる。冷媒は、エバポレータにおいて、外気の熱を奪って気化することにより、外気流を冷却する。

自動車の空調サイクルにおいては、コンプレッサによって消費される電力は、空気流の冷却に用いられるだけでなく（顕在的電力）、エバポレータに吹き付けられる外気に含まれる水分を凝縮するのにも用いられる（潜在的電力）。エバポレータに吹き付けられる外気の湿度が増せば、空調に消費される電力は増大する。したがって、空調サイクルの消費電力を調整するためには、外気の湿度を推定することが望ましい。

さらに、湿度を制御する際には、車室の快適さを考慮に入れなければならない。車室の湿度は、その温度と同様に、乗員の快適さ、または不快感に影響する。車室の温度が上昇すると、一定の閾値を超えて絶対湿度が上昇し、不快感をもたらすこととなる。同様に、湿度が低く過ぎても、乗員にとって快適ではない。したがって、車室内の空気流の湿度は、所定の範囲内に維持されるよう、制御されなければならない。

エバポレータの入口部に吹き付けられる外気の湿度が分かれば、空調サイクルの消費電力を節減し、かつ快適な条件を保ちうるよう、空調サイクルの稼働を調整することができる。

現在のところ、エバポレータの入口部における空気流の湿度、または車室内の空気流の湿度を測定するため、空調機に湿度センサが配置されている。このセンサは、空気流の相対湿度（所定体積の空気中における水蒸気の質量と、同じ体積の空気が、同じ条件下で含みうる飽和水蒸気の質量との百分率で表わされる）を測定する。しかし、このようなセンサは、寿命が短く、設置のコストも高い等の不都合がある。

また、空気流の温度の測定値、エバポレータ内における冷媒の温度の測定値、およびエバポレータの出口部における空気流の温度の測定値から、エバポレータの入口部における空気流の相対湿度を推定することも行われている。しかし、エバポレータ内の冷媒の温度は、測定箇所によって異なるため、このような方法による相対湿度の推定値は、あまり正確ではない。

この外、エバポレータの出口部における空気流の温度の測定値、およびエバポレータの上流側近傍における導管の所定箇所における冷媒の温度の測定値から、エバポレータの入口部における空気流の相対湿度を推定することも行われている。導管の所定箇所における冷媒の温度の測定は、エバポレータの上流側近傍の導管に取り付けられる熱伝導体と、この熱伝導体に固定される温度センサを用いて行われる。

しかし、この方法においては、熱伝導体を取り付けうるように、特別の配置が必要となる。また、この方法においては、典型的な空調サイクルにおいて設置される複数のセンサに加えて、さらに３つの温度センサが必要であり、かつエバポレータの入口部における相対湿度の推定は、空調機の始動後となる。

本発明は、エバポレータの入口部における湿った空気流を検知し、簡単かつ経済的な手段を用いて、その相対湿度を推定しうる空調機を提供することを目的としている。

また、本発明は、公知の典型的な空調機に見られる温度センサを用いない空調機を提供することも目的としている。

さらに、本発明は、エバポレータの入口部における相対湿度のリアルタイムの推定値から、車室の絶対湿度の変化を予測しうる空調機を提供することも目的としている。

本発明によれば、コンプレッサ、冷却器、安全弁、およびエバポレータを含む冷媒のサイクル、ならびにこの冷媒のサイクルとともに作動する電子制御装置を備える自動車用空調機であって、前記エバポレータは、その出口部から空調済の空気流が通り抜けるよう、ブロワから送られる空気流を、その入口部において受入れるようになっている空調機において、前記冷媒のサイクルにおける冷媒の流量を推定するための推定装置と、エバポレータの入口部における空気の温度に関連する値を提供しうる第１の推定手段と、エバポレータの出口部における空気の温度に関連する値を提供しうる第２の推定手段とをさらに備え、前記電子制御装置は、前記冷媒の流量、ならびに前記第１および第２の推定手段によって提供される各値から、エバポレータの入口部における湿度を推定しうるようになっていることを特徴とする空調機が提供される。

本発明の他の様相によれば、前記電子制御装置は、前記推定装置によって提供される冷媒の流量、ならびに前記第１および第２の推定手段によって提供される値から、エバポレータの入口部における相対湿度を推定しつつ、この推定値に対応した制御を行うことができるようになっている。

本発明に係る空調機は、空調に係る消費電力の推定値と、エバポレータにおいて消費される顕在的電力の推定値を提供することができ、前記電子制御装置は、前記空調に係る消費電力の推定値と、エバポレータにおいて消費される顕在的電力の推定値とを比較し、エバポレータの入口部における湿度を検知することができるようになっている。

前記電子制御装置は、エバポレータの入口と出口における冷媒のエンタルピーの差、および前記推定装置によって提供される冷媒の流量から、前記空調に係る消費電力を推定することができる。

本発明に係る空調機は、前記コンプレッサの入口における冷媒の圧力に関連する値と、コンプレッサの出口における冷媒の圧力に関連する値とを提供しうる推定手段をさらに備えることができ、前記電子制御装置は、前記推定手段によって提供される各値から、エバポレータの入口と出口における冷媒のエンタルピーの差を算出することができる。

前記電子制御装置は、前記第１および第２の推定手段によって提供される各値、およびエバポレータを通り抜ける空気の流量から、エバポレータにおいて消費される顕在的電力を推定することができる。

本発明に係る空調機は、自動車の外における気温を測定しうる温度センサを備えることができ、前記電子制御装置は、前記ブロワの位置、自動車の速度、および自動車の外における気温から、エバポレータを通り抜ける空気の流量を推定することができる。

本発明の第１の実施形態に係る空調機は、２つの入力部と１つの出力部とを有し、相対湿度、気温、および空気のエンタルピーの関係についての所与の値で充填された第１の表を含む記憶手段を備えることができる。

前記第１の表は、前記第２の推定手段によって提供される値、およびエバポレータの出口部における空気の８０％またはこれを超える相対湿度の値から、エバポレータの出口部における空気のエンタルピーの推定値を提供することができる。

前記電子制御装置は、前記第２の推定手段によって提供される値、およびエバポレータの出口部における空気の８０％、またはこれを超える相対湿度の値から、エバポレータの出口部における空気のエンタルピーを推定するため、空気のエンタルピー、相対湿度、および気温を結びつける方程式を解くことができる。

前記電子制御装置は、エバポレータの出口部における空気のエンタルピー、および空調に係る消費電力から、エバポレータの入口部における空気のエンタルピーの推定値を提供することができる。

本発明の第１の実施形態においては、前記第１の表は、エバポレータの入口部における空気のエンタルピーの推定値、および前記第１の推定手段によって提供される値から、エバポレータの入口部における相対湿度をリアルタイムで提供することができる。

本発明の第２の実施形態においては、前記電子制御装置は、エバポレータの入口部における空気のエンタルピーの推定値、および前記第１の推定手段によって提供される値から、エバポレータの入口部における相対湿度を推定するための方程式を解くことができる。

前記記憶手段は、２つの入力部と１つの出力部を有し、絶対湿度、気温、および空気のエンタルピーの関係についての所与の値で充填された第２の表を含むことができ、この第２の表は、前記第１の表によって提供されるエバポレータの出口部における空気のエンタルピーの推定値、およびエバポレータの出口部における気温から、エバポレータの出口部における絶対湿度を提供することができる。

前記電子制御装置は、前記エバポレータの出口部における空気のエンタルピー、およびエバポレータの出口部における気温から、エバポレータの出口部における絶対湿度を推定するため、空気のエンタルピー、絶対湿度、および気温を結びつける方程式を解くことができる。

前記電子制御装置は、エバポレータの出口部における絶対湿度から、車室の絶対湿度を推定するため、車室の絶対湿度と、エバポレータの出口部における絶対湿度のリアルタイムの値とを結びつける方程式を解くことができる。

前記冷却器は、コンデンサとすることができ、前記冷媒流量の推定装置は、コンプレッサの出口における冷媒の圧力に関連する値、および前記コンデンサの入口における外気の温度に関連する値を提供しうる複数の推定手段を含むことができ、かつ前記電子制御装置は、前記複数の推定手段によって提供される各値から、冷媒の流量を推定することができる。

前記第１の推定手段は、エバポレータの上流側に設置され、エバポレータの入口部における気温を提供しうる温度センサを含むことができる。

この実施形態の変形例においては、前記第１の推定手段は、自動車の外の気温を提供しうる温度センサを含むことができ、前記電子制御装置は、この自動車の外の気温と、予め定められている補正因子とから、エバポレータの入口部における気温を推定することができる。

この実施形態の他の変形例においては、本発明に係る空調機は、エバポレータの上流側に位置する空気の入口ボックス内に、外気と車室の再循環空気とを混合しうるよう、位置を調整しうる吸気フラップを備えることができ、前記第１の推定手段は、自動車の外の気温の測定値、および車室の気温の測定値を提供しうる２つの温度センサを含むことができ、かつ前記電子制御装置は、これらの測定値および前記吸気フラップの位置から、エバポレータの入口部における気温を推定することができる。

前記第２の推定手段は、エバポレータの出口部に設置され、エバポレータの出口部における気温を提供しうる温度センサを含むことができる。

本発明に係る空調機は、送気管を介してエバポレータと連結された、エバポレータの出口部を通り抜けた空調済の空気流を受け入れるための送風サイクルを備えることができ、前記第２の推定手段は、前記送気管に設置された温度センサを含み、かつ前記電子制御装置は、この温度センサによって測定された気温、および予め定められた補正因子から、エバポレータの出口部における気温を推定することができる。

本発明によれば、エバポレータの入口部における湿った空気流を検知し、簡単かつ経済的な手段を用いて、その相対湿度を推定しうる空調機が提供される。

また、本発明によれば、公知の典型的な空調機に見られる温度センサを用いない空調機が提供される。

さらに、本発明によれば、エバポレータの入口部における相対湿度のリアルタイムの推定値から、車室の絶対湿度の変化を予測しうる空調機が提供される。

上記以外の本発明の特徴および効果は、以下に添付図面を参照して行う、実施形態の詳細な説明から明らかになると思う。

本明細書末尾の付録は、本発明に係る空調機において用いられる主要な方程式を集めたものである。

図１ａは、自動車に搭載される空調機を示す。この空調機は、冷媒が通過する順に、コンプレッサ14、冷却器11、安全弁12、およびエバポレータ13からなる、冷媒の閉サイクルを備えている。また、この閉サイクルは、エバポレータの出口と、コンプレッサの入口との間に、余分な液体を貯留しておくアキュムレータ17も備えている。

冷却器11は、所定の作動をするファン15によって導入される外気流16に晒され、車室から奪った熱を逃がす。

エバポレータ13は、外気流18を供給されるブロワ20から送られる空気流に晒され、車室に送られる空気流21を冷却する。

さらに、この空調機は、エバポレータの上流側に、大量の新鮮な外気と、車室からの再循環空気とが入り込む、空気の入口ボックス（図示せず）を備えている。外気の流入量と再循環空気の流入量との比は、入口ボックスの吸気フラップによって一定とされるが、この比は、空調サイクルの稼働条件に応じて調整することができる。

空気中に含まれている水分は、冷却器によって凝縮し、エバポレータのインペラブレードに付着する。エバポレータには、このインペラブレードに付着する水分を集めるための貯水器を備え付けることができる。

図１ａの空調サイクルには、未臨界冷媒、例えばＲ１３４ａ冷媒が流れる。このような冷媒は、熱源の圧力を超える臨界圧力を有する。この未臨界冷媒を用いる空調サイクルにおいては、冷却器11は、コンデンサである。安全弁12には、例えばゲージ式のオリフィス、またはサーモスタット式の弁を用いることができる。

しかし、本発明は、未臨界冷媒を用い、かつコンデンサ型の冷却器を具備する空調サイクルに限られるものではない。特に、空調サイクルは、超臨界冷媒、例えばＣＯ₂冷媒を用いることもできる。超臨界冷媒の場合、高温時の高圧は、冷媒の臨界圧力を上回る。

図１ｂは、超臨界冷媒であるＣＯ₂冷媒を用いる空調サイクルを示す。この空調サイクルにおいては、冷却器11は、外部クーラ（ガスクーラ）である。安全弁12は、例えば、電磁弁、または機械駆動式の弁とすることができる。この空調サイクルは、すでに述べたエバポレータ12、アキュムレータ17、およびコンプレッサ14の外、内部熱交換器９を備えている。

超臨界冷媒を用いる空調サイクルにおいては、冷媒を圧縮した後にこれを冷却しても、相変化は生じない。冷媒は、安全弁12を通過するときにのみ液相となる。内部熱交換器９は、非常に強力な冷却を行い、外部クーラ11から流出した冷媒を確実に液化する。

以下の説明は、一つの例として、Ｒ１３４ａ冷媒のような未臨界冷媒を用いる空調サイクル（図１ａ参照）に即して行う。

図２は、本発明に係る自動車用空調機の模式図である。この空調機は、図１ａにおいて説明したものと同様の空調サイクル10を備えている。さらに、この空調機は、室温制御装置41と空調サイクル制御装置402とを含む空調演算器40を備えている。室温制御装置41は、エバポレータ13の入口部に送られる外気流18の温度を設定する。

冷却器11は、ブロワ20とともに、車室202に配置され、他方、これ以外の空調サイクル10の構成要素は、エンジンルーム201に配置される。

本発明者は、エバポレータの入口部における湿った空気流を検知し、冷媒の流量ｍ、エバポレータの入口部へ送られる空気流の温度Ｔ_ae、およびエバポレータの出口部を通り抜ける空気流の温度Ｔ_asから、エバポレータの入口部における空気流の相対湿度の推定値φ_aeを提供しうる空調装置を完成した。

また、本発明によると、特に空調機の消費電力を調整するため、車室の絶対湿度Ｗ_habを推定しうる空調装置も提供される。この場合、室温制御装置41と空調サイクル10は、情報交換のため、例えば電子制御盤のような電子制御装置401に接続されている。

電子制御装置401は、湿った空気流の存在する箇所を検知し、その箇所における相対湿度を推定する方程式を解きうるよう、プログラムを組むことができる。電子制御装置401は、自動車にガソリン噴射量の演算器が搭載されている場合には、この演算器に、得られた相対湿度の推定値を伝送しうる構成とすることができる。電子制御装置401は、空調演算装置40の一部と捉えることもできる。

電子制御装置401は、空調サイクル制御装置402とも接続されている。空調サイクル制御装置402は、エバポレータの出口部を通り抜ける空気流の設定温度、または車室におけるセンサの設定温度を確保するため、特に、車室から奪う熱量、すなわち空調に係る消費電力を調整する役割を果たす。

本発明に係る第１の実施形態においては、電子制御装置は、２つの入力部と１つの出力部をもつ第１の表を内蔵する記憶手段に接続されている。第１の表は、相対湿度φについて、予め計算しておいた複数の値を有する。これらの値は、相対湿度φを、空気流の温度および空気流のエンタルピーに結びつける方程式から得られる。これらの値は、それぞれ、空気流の温度およびエンタルピーの各値に対応する。

記憶手段は、空調演算器40に備え付けられ、乾湿球湿度計による湿度測定値のグラフと関連する一種のマップを構成している。

本発明の第２の実施形態においては、電子制御装置は、さらに、相対湿度φを空気流の温度および空気流のエンタルピーに結びつける方程式を解きうるようなプログラムを組むことができる。

この実施形態に係る第１の変形例においては、記憶手段は、２つの入力部と１つの出力部をもち、空気の温度およびエンタルピーの各値に対応する、予め算出された絶対湿度Ｗの値を含む第２の表を内蔵することができる。以下の説明は、この第１の変形例についてのものである。

一方、この実施形態に係る第１の変形例においては、電子制御装置は、さらに、絶対湿度Ｗを空気流の温度および空気流のエンタルピーに結びつける方程式を解きうるよう、プログラムを組むことができる。

したがって、電子制御装置は、記憶手段と相互に交信を行うか、またはエバポレータの入口部における空気流の相対湿度φ_ae、および車室の絶対湿度Ｗを推定するための方程式を解くことができる。次に、記憶手段を備える第１の変形例を説明する。

電子制御装置401は、センサからの情報、特に冷媒の流量ｍ、エバポレータの入口部に送られる空気流の温度Ｔ_ae、およびエバポレータの出口部を通り抜ける空気流の温度Ｔ_asの各値を受け取るため、ケーブル30,31を介して、空調サイクル10と相互に交信を行う。これらの各値は、ケーブル30を介して電子制御装置401へ送られる。

本発明に係る空調機には、冷媒の流量を推定する推定装置を設けることもできる。このような推定装置は、例えばフランス国特許出願第01 16568号明細書に記載されている。このような推定装置を用いる場合、冷却器は、Ｒ１３４ａ冷媒のような未臨界冷媒に対応しうるコンデンサである。前記フランス国特許出願に係る推定装置は、コンデンサの入口部における外気流の温度Ｔ_aek、およびコンプレッサの出口における冷媒のいわゆる高圧ＨＰに関連する種々の値を測定しうる複数の測定装置を備えている。

電子制御装置も、空調機の一部を構成し、コンデンサの入口部における外気流の温度Ｔ_aek、およびコンプレッサの出口における冷媒の高圧ＨＰから、空調サイクルにおける冷媒の流量を算出するため、付録Ａ１における方程式を解く。上述の値Ｔ_aekおよびＨＰは、各センサによって電子制御装置に提供される。

付録Ａ１における方程式は、冷媒の凝縮温度Ｔ_k、コンデンサの入口における外気流の温度Ｔ_aek、および係数Ａを知ることができれば、冷媒の流量ｍを推定しうることを示している。

前記フランス国特許出願に係る実施形態においては、冷媒の流量を推定する装置は、冷媒の凝縮温度Ｔ_k、およびコンデンサの入口部における外気流の温度Ｔ_aekを測定する２つのセンサを備えている。冷媒の凝縮温度Ｔ_kは、冷媒の飽和法則によって、冷媒の高圧と関連づけられる。

冷媒の凝縮温度Ｔ_kは、コンデンサの入口において冷媒に直接晒される温度センサによって測定することができる。この温度センサは、例えば、コンデンサが４本の通路を有する場合、その最初の通路の終端で、冷媒が気液二相状態にあるような箇所に配置される。

この外、冷媒の凝縮温度Ｔ_kは、間接的に測定することもできる。このためには、図２に示すように、コンプレッサの出口において高圧ＨＰの値を測定する圧力センサ22を用いる。この場合、電子制御装置401が、冷媒の飽和法則を用いて、冷媒の凝縮温度Ｔ_kを算出する。高圧ＨＰのリアルタイムの値を測定するセンサ22は、コンプレッサの出口とコンデンサの入口との間、または所望により、コンデンサの出口と安全弁の入口との間の適当な箇所に配置することができる。

図２において、コンデンサ11の入口部における外気流の温度Ｔ_aekは、ファン15とコンデンサ11との間に設置される温度センサ24によって測定される。

この変形例においては、コンデンサ11の入口部における外気流の温度Ｔ_aekは、自動車の速度Ｖと自動車の外の気温Ｔ_extの各リアルタイム値から、電子制御装置によって算出される。

あらゆるタイプの冷媒と冷却器に対応しうる他の冷媒流量推定装置も、用いることができる。例えば特開2001-73941号公報に記載されている冷媒流量推定装置は、冷却器として外部クーラ（ガスクーラ）を用い、かつ冷媒として超臨界冷媒であるＣＯ₂（Ｒ７４４冷媒）を用いる空調サイクルにおいて使用することができる。

図３は、本発明に係る空調サイクルにおいて、エバポレータの入口部における湿った空気流の検知、およびこの空気流の相対湿度の推定に係る各過程を示す流れ図である。

過程100においては、冷媒流量推定装置が、空調サイクル内での冷媒の流量ｍを推定し、電子制御装置401に対して、この推定値を提供する。

過程102においては、エバポレータの入口部に吹き付けられる空気流の温度Ｔ_aeを推定する。このため、本発明に係る空調機は、第１の推定手段を備えている。

この第１の推定手段として、エバポレータの入口部に温度センサ25を設置することができる。この温度センサは、エバポレータの入口部に吹き付けられる空気流の温度Ｔ_aeのリアルタイムの値を測定し、この値を電子制御装置401に提供する。

この変形例として、第１の推定手段は、自動車の外の気温Ｔ_extを提供しうる温度センサを備えることもできる。電子制御装置は、この温度Ｔ_ext、および予め設定しておいた補正因子を用いて、エバポレータの入口部における空気流の温度Ｔ_aeを推定する。

他の変形例においては、第１の推定手段は、それぞれ外気の温度Ｔ_extと、車室の温度Ｔ_habを測定する２つのセンサを備えている。これら２つの温度の値は、空気の入口ボックスにおける吸気フラップの位置と同様に、電子制御装置401に提供される。電子制御装置401は、付録Ａ２における方程式に現れるこれらの値Ｔ_extとＴ_habから、エバポレータの入口部における空気流の温度Ｔ_aeを推定する。同式における係数αは、空気の入口ボックスにおける吸気フラップの位置から求められる。

過程104においては、エバポレータの出口部を通り抜ける空気の温度Ｔ_aeを推定する。本発明の他の実施形態に係る空調サイクルは、このために、第２の推定手段を備えている。この第２の推定手段は、エバポレータの出口部に設置される温度センサ26を含んでいる。この温度センサ26は、エバポレータの出口部を通過する空気の温度Ｔ_asのリアルタイムの値を提供する。

過程106においては、電子制御装置は、エバポレータの入口部と出口部における冷媒のエンタルピーの差ΔＨ_evを算出する。本発明に係る空調サイクルは、このための推定手段、例えば、高圧ＨＰに関連する値、およびコンプレッサの入口における冷媒の圧力、すなわち低圧に関連する値を測定し、これらの値を電子制御装置に提供しうる圧力センサを備えている。

前述のフランス国特許出願第01 16568号明細書に記載されている冷媒のエンタルピーの差ΔＨ_evを推定する態様においては、特にコンプレッサによって消費される電力を推定するため、上述のような推定手段が用いられている。

図２に示す実施形態においては、それぞれ高圧と低圧の測定値を提供する圧力センサ22と23を用いている。この実施形態においては、これら以外の測定手段も用いられている。

過程108においては、電子制御装置401が、過程100において推定された冷媒の流量ｍ、および過程102において推定されたエンタルピーの差から、付録Ａ３における方程式に従って、空調に係る消費電力Ｐ_fを算出する。

これと並行して、過程109においては、エバポレータの入口部に吹き付けられる空気の温度Ｔ_ae（過程102において求めたもの）と、エバポレータの出口部を通り抜ける空気の温度Ｔ_as（過程104において求めたもの）とから、空気流の冷却に用いられる顕在的電力Ｐ_sensが算出される。

電子制御装置401は、自動車の速度Ｖ_a、エバポレータのブロワ20に印加される電圧、外気の温度Ｔ_ext、空気の入口ボックスにおける吸気フラップの位置Ｐ_volet等の情報を入手しうるときには、これを受け取る。これらの情報があると、エバポレータを通過する空気の流量Ｑ_airを求めることができる。付録Ａ４における方程式は、顕在的電力Ｐ_sensを算出する際に用いられるものである。

過程110においては、電子制御装置401により、過程108において得られた空調に係る消費電力Ｐ_fと、過程109において得られた顕在的電力Ｐ_sensとが比較される。

付録Ａ５は、図４の湿った空気流の乾湿球湿度計による湿度の測定値を示すグラフとの関連において、相対湿度に対応する空調に係る消費電力Ｐ_fと顕在的電力Ｐ_sensとの差を表わす表である。図４には、この表に現れる特徴的な値に係る３つの点が示されている。

−点１は、エバポレータにおいて強力な凝縮を受ける非常に湿った空気（φ＝９０％）に対応している。この場合の潜在的電力は非常に大きい（２５７０Ｗ）ため、空調に係る消費電力と顕在的電力との差は非常に大きい。

−点２は、エバポレータにおいて、さほど強力でない凝縮を受ける湿った空気（φ＝６０％）に対応している。この場合の潜在的電力も大きい（１３７２Ｗ）ため、空調に係る消費電力と顕在的電力との差は大きい。

−点３は、エバポレータにおいて、非常に弱い凝縮しか受けない乾燥した空気（φ＝２５％）に対応している。この場合の潜在的電力は小さい（５Ｗ）ため、空調に係る消費電力と顕在的電力との差は小さい。てlet

したがって、非常に湿った空気を空調にかける場合には、潜在的電力が大きくなり、このような場合、空調に係る消費電力Ｐ_fは、顕在的電力Ｐ_sensに比して、非常に大きい。逆に、ほとんど湿っていないか、または乾燥している空気においては、空調に係る消費電力Ｐ_fは、顕在的電力Ｐ_sensをわずかに上回る程度である。

よって、空調に係る消費電力Ｐ_fが、顕在的電力Ｐ_sensに比して非常に大きいときには、電子制御装置は、エバポレータの上流側において、湿った空気の存在を検知し、エバポレータの入口部に吹き付けられる空気流の相対湿度φ_aeを推定する（過程112〜118）。この場合、空気流の入口ボックスにおける吸気フラップを閉じることにより、空調に係る消費電力を低減させることができる。

吸気フラップを閉じているときには、ブロワを用いて、車室内の空気の全部または一部を再循環させ、熱を取り出す。この空気は、エバポレータを通過するときに、乾燥され、凝縮が生じるような水分は含まなくなっている。したがって、潜在的電力（車室において、快適な気温と湿度を保つためにコンプレッサに必要な電力）は、低減される。

この反対に、電子制御装置401が、空気がほとんど湿っていないと認知した場合には、空気流の入口ボックスにおける吸気フラップの制御は、単に車室の気温Ｔ_habと自動車の外の気温Ｔ_extとを比較することによって行われる。

図４は、相対湿度が高い（約６０％以上）点の近傍においては、同一の相対湿度を表わす複数の曲線が互いに接近し、その後、同一の気温において、湿度が高い２つの点の間に相対湿度に小さな差があっても、両点間のエンタルピーには、わずかの差しか生じないことを示している。

この反対に、相対湿度が低い点の近傍においては、同一の相対湿度を表わす複数の曲線は漸次離間し、湿度が高い２つの点の間における相対湿度の小さな差は、両点間のエンタルピーの大きな差につながっていくことを示している。

本発明においては、エバポレータの出口部を通り抜ける空気流のエンタルピーの推定を行うために、このような相対湿度の高い２つの点の間におけるエンタルピーＨ_asのわずかな変動を利用する。実際、エバポレータの上流側における空気が湿っていればいるほど、水の凝縮量は多くなり、これは、エバポレータの出口部における空気が、ほぼ飽和水蒸気量を含むことを意味する。

したがって、過程114において、エバポレータの入口部において湿った空気が検知された場合には、エバポレータの出口部における空気が、ほぼ飽和水蒸気量を含み、８０％またはこれを超える相対湿度曲線上において、エバポレータの出口部における空気のエンタルピーＨ_asを推定しうることを示している。この場合、飽和蒸気圧曲線（φ＝１００％）に近づけば近づくほど、推定値は正確になる。

過程118においては、エバポレータの出口部における空気のエンタルピーＨ_asを推定するため、電子制御装置401が、過程１０４において得られた、エバポレータの出口部における空気流の温度Ｔ_as、および８０％またはこれを超える相対湿度の値を、前述の記憶手段における第１の表の入力部へ送る。

過程114においては、電子制御装置は、過程108において推定された空調に係る消費電力Ｐ_fとエバポレータにおける空気の流量とから、エバポレータの入口部と出口部における空気のエンタルピーの差ΔＨ_airを算出する。電子制御装置401は、自動車の速度Ｖ_a、エバポレータのブロワ20へ印加される電圧、外気の温度、および空気の入口ボックスにおける吸気フラップの位置に関する情報を入手しうる場合、これらの情報から、エバポレータを通り抜ける空気の流量を求める。

これらの情報は、ガソリン噴射量の演算器が搭載されている場合には、この演算器から提供される。空気の流量Ｑ_airを種々の物理量に結びつける方程式は、空調機の流体力学に関する分野において知られている。エンタルピーの差を算出するための方程式は、付録Ａ６に示されている。

過程116においては、電子制御装置401は、過程112において推定された、エバポレータの出口部における空気のエンタルピーＨ_as、および過程114において推定されたエバポレータの入口部と出口部における空気のエンタルピーの差ΔＨ_airの値を用い、付録Ａ７の方程式に従って、エバポレータの入口部における空気のエンタルピーＨ_aeを推定する。

過程118においては、電子制御装置401は、温度Ｔ_aeの値（過程102において求められたもの）と、エバポレータの入口部における空気のエンタルピーＨ_aeの値（過程116において求められたもの）を、記憶手段の第１の表における入力部へ送る。この第１の表は、エバポレータの上流側における相対湿度φ_aeをリアルタイムで提供する。

図５および図６ａは、未臨界冷媒であるＲ１３４ａ冷媒を用いる空調機において、エバポレータの上流側における湿度が高い場合の影響を示している。

図５において、点Ａは、エバポレータの入口における湿度（φ＝６０％）を示し、点Ｂは、エバポレータの出口部における乾燥した空気の湿度（φ＝３０％）を示す。

図６ａは、未臨界冷媒であるＲ１３４ａ冷媒についてのモリエール線図であり、上記点Ａの条件に対応する空調サイクル（破線）と、上記点Ｂの条件に対応する空調サイクル（実線）とを示す。この図から、エバポレータの入口において湿度が高い場合（点Ａ）には、乾燥した空気よりも高圧が発生し、空調に係る消費電力が大きくなることが分かる。

同様に、図６ｂは、超臨界冷媒であるＲ７７４冷媒（ＣＯ₂）についてのモリエール線図であり、上記点Ａの条件に対応する空調サイクル（破線）と、上記点Ｂの条件に対応する空調サイクル（実線）を示す。この図から、湿った空気に対応する破線の曲線は、乾燥した空気に対応する実線の曲線よりも一回り大きく、超臨界冷媒の場合も、湿度が高くなればなるほど、高圧の程度が大きく、空調に係る消費電力が増大することが分かる。これは、湿度が高くなると、冷媒ＣＯ₂の流量が増すという事実と符合する。したがって、外部冷却器（ガスクーラ）の出口における温度も上昇し、より高い圧力を生じさせる。

エバポレータの上流側において空気が湿っている場合と、乾燥している場合との空調に係る消費電力の差は、自動車の外における温度が高い場合にも大きくなる。したがって、空調に係る消費電力を節減するには、エバポレータの上流側における外気流の取入れを制御するべく、空気の入口ボックスにおける吸気フラップの位置を調整しなければならない。このような場合には、車室の空気は、外気に比べて乾燥しているため、車室の空気を最大限循環させるのが望ましい。これは、エバポレータの熱価、特に潜在的電力を低減させる効果がある。

電子制御装置は、過程112で得られたエバポレータの出口部におけるエンタルピーＨ_asと、過程104で得られたエバポレータの出口部における温度Ｔ_asから、エバポレータの出口部における絶対湿度Ｗ_as（エバポレータの出口部を通り抜ける空気に含まれる水分の量を表わす）を算出する。すなわち、電子制御装置401は、エバポレータの出口部におけるエンタルピーＨ_asと、エバポレータの出口部における温度Ｔ_asとを、記憶手段における第２の表の入力部に伝え、この入力部からは、エバポレータの出口部における絶対湿度Ｗ_asの値がリアルタイムで出力部に送られる。

エバポレータの出口部における絶対湿度Ｗ_asを推定すると、車室の絶対湿度の経時的な変化を予測することが可能になる。付録Ａ８−１における方程式は、車室における水分の収支バランスを表わす。同式において、Ｍ_ahは車室内における空気の質量を、Ｑ_airはエバポレータの出口部を通り抜ける空気の流量を、およびＭ_eauは乗員の身体から蒸発する水分の質量を、それぞれ表わす。この方程式は、車室の絶対湿度Ｗ_asを、エバポレータの出口部における絶対湿度Ｗ_asに結びつけるものである。

乗員の身体から蒸発する水分の流量は、平均して１時間当たり８０ｇであるから、これは、車室内で入れ替えられる空気の１時間当たりの流量である３００ｋｇと比較すると、低い値である。よって、乗員の身体から蒸発する水分の流量を無視すると、付録Ａ８−１の方程式は、付録Ａ８−２の方程式に帰着する。この方程式によれば、車室内での絶対湿度の変化を、エバポレータの出口部における絶対湿度Ｗ_as、車室内の絶対湿度のｔ＝０における値Ｗ_hab(t=0)、および車室内で入れ替えられる空気の流量Ｑ_airから、リアルタイムで予測することができる。

例えば、車室内で入れ替えられる空気の流量Ｑ_airが１時間当たり４００kgで、車室内における空気の質量が約７kgの場合、時定数τの値は、約６０秒となる。したがって、車室内における絶対湿度Ｗ_habの値は、約３分間後に、エバポレータの出口部を通り抜ける空気の絶対湿度Ｗ_asの値に到達すると結論づけることができる。すなわち、車室内における絶対湿度の初期値Ｗ_hab(0)がいかなる値であろうと、約３分間後には、エバポレータの出口部を通り抜ける絶対湿度が、車室内における絶対湿度にとって替わる。

よって、付録Ａ８−２の方程式は、外気が湿っている場合には、車室の湿度制御は、エバポレータの出口部の温度を想定して行われることを示している。

車室内の湿度を検知すると、低い温度下で窓ガラスが曇るおそれを回避するため、制御パラメータを調整しうるようになる。例えば、空気再循環モードにおいては、窓ガラスが曇るのを回避し、空調に係る消費電力を最小にするため、外気に対する再循環空気の割合を調整することができる。

付録Ａ８−３の方程式は、本発明に係る空調機を用いることによって、空調が最適化されている例を示している。この方程式においては、空調機は、再循環モードで稼働している。この例の初期設定においては、外気の温度Ｔ_extは低く（約１０℃）、空調機は作動していない。自動車には乗員が４名おり、車室の空気が汚れている等の理由で、空気再循環用の吸気フラップは閉じられている。乗員から蒸発する水分の質量は大きく、車室内の湿度は、ほとんど変化していない。付録Ａ８−３の方程式は、このような条件下において、付録Ａ８−１の方程式から導かれる。

自動車の窓ガラスが急速に曇ってくると、空調を行う必要が生じる。これまでの空調機は作動を開始するのが遅く、温度が０℃に近くなってようやく作動する。しかし、本発明に係る空調機は、このような状況を検知し、これまでの空調機よりも早く、約５℃で空調を開始する。このように、本発明に係る空調機は、５℃の温度で作動を開始するため、０℃で稼働を開始するこれまでの空調機よりも消費電力が少ない。

付録
Ａ１．冷媒流量の推定
ｍ＝Ａ（Ｔ_k−Ｔ_aek）
Ｔ_k＝ｆ(ＨＰ)

Ａ２．エバポレータの入口部における空気流の温度(Ｔ_ae)の推定方法の例
Ｔ_ae＝（１−α）Ｔ_hab＋αＴ_ext

Ａ３．空調に係る消費電力Ｐ_fの計算
Ｐ_f＝ｍ・ΔＨ_ev

Ａ４．顕在的電力Ｐ_sensの計算
Ｐ_sens＝ＫＱ_air(Ｔ_ae−Ｔ_as）
Ｑ_air＝ｆ(Ｖ_p；Ｔ_ext，Ｖ_a；Ｐ_volet)

Ａ５．湿った空気流の乾湿球湿度計による湿度の測定値を示すグラフにおける特徴点

Ａ６．エバポレータの上流側における空気流のエンタルピーの差の計算
ΔＨ_air＝Ｐ_f／Ｑ_air
Ｑ_air＝ｆ(Ｖ_p；Ｔ_ext，Ｖ_a；Ｐ_volet)

Ａ７．エバポレータの上流側における空気流のエンタルピーの計算
Ｈ_ae＝Ｈ_as−ΔＨ_air

Ａ８．車室の絶対湿度の推定
Ａ８−１‐車室における水分の収支バランスを示す微分方程式
Ｍ_ah×(∂Ｗ_hab／∂t)＝Ｑ_air(Ｗ_as−Ｗ_hab)＋Ｍ_eau
Ａ８−２‐車室における水分の収支バランスを示す方程式
Ｗ_hab(t)＝Ｗ_hab(t=0)＋（Ｗ_as(t)−Ｗ_hab(t=0))・(１−exp(-t/τ))
τ＝Ｍ_ah／Ｑ_air
Ａ８−３‐車室における水分の収支バランスを示す方程式
Ｗ_hab(t)＝Ｗ_as(t)＋Ｍ_eau／Ｑ_air

自動車に搭載される、未臨界冷媒を用いる空調機の一例を示す斜視図である。 超臨界冷媒を用いる空調サイクルの模式図である。 本発明に係る制御装置を備えた自動車用空調機の模式図である。 エバポレータの入口部における湿った空気流を検知し、相対湿度を推定するために、本発明に係る空調機において行われる過程の流れ図である。 乾湿球湿度計による湿度の測定値を示すグラフである。 エバポレータの入口部における非常に湿った空気と、エバポレータの出口部におけるほとんど湿っていない空気との、乾湿球湿度計による湿度測定値の差を示すグラフである。 エバポレータの入口部において非常に湿った空気流を利用する未臨界冷媒型空調サイクルと、エバポレータの入口部においてほとんど湿っていない空気流を利用する空調サイクルとの消費電力の差を示す、図５に対応するモリエール線図である。 エバポレータの入口部において非常に湿った空気流を利用する超臨界冷媒型空調サイクルと、エバポレータの入口部においてほとんど湿っていない空気流を利用する空調サイクルとの消費電力の差を示す、図５に対応するモリエール線図である。

符号の説明

９ 内部熱交換器
10 空調サイクル
11 冷却器
12 安全弁
13 エバポレータ
14 コンプレッサ
15 ファン
16 外気流
17 アキュムレータ
20 ブロワ
21 車室に送られる空気流
22,23 圧力センサ
24,25,26 温度センサ
30,31 ケーブル
40 空調演算器
41 室温制御装置
201 エンジンルーム
202 車室
401 電子制御装置
402 空調サイクル制御装置

Claims (22)

1. コンプレッサ(14)、冷却器(11)、安全弁(12)、およびエバポレータ(13)を含む冷媒のサイクル(10)、ならびにこの冷媒のサイクルとともに作動する電子制御装置(401)を備える自動車用空調機であって、前記エバポレータは、その出口部から空調済の空気流(21)が通り抜けるよう、ブロワ(20)から送られる空気流(18)を、その入口部において受入れるようになっている空調機において、
   前記冷媒のサイクルにおける冷媒の流量(ｍ)を推定するための推定装置と、エバポレータの入口部における空気の温度(Ｔ_ae)に関連する値を提供しうる第１の推定手段と、エバポレータの出口部における空気の温度(Ｔ_as)に関連する値を提供しうる第２の推定手段とをさらに備え、前記電子制御装置は、前記冷媒の流量(ｍ)、ならびに前記第１および第２の推定手段によって提供される各値(Ｔ_ae)(Ｔ_as)から、エバポレータの入口部における湿度を推定しうるようになっていることを特徴とする空調機。
2. 前記電子制御装置は、前記推定装置によって提供される冷媒の流量(ｍ)、ならびに前記第１および第２の推定手段によって提供される各値(Ｔ_ae)(Ｔ_as)から、エバポレータの入口部における相対湿度(φ_ae)を推定しつつ、この推定値に対応した制御を行いうるようになっていることを特徴とする請求項１記載の空調機。
3. 空調に係る消費電力(Ｐ_f)の推定値と、エバポレータにおいて消費される顕在的電力(Ｐ_sens)の推定値を提供することができ、かつ前記電子制御装置(401)は、前記空調に係る消費電力(Ｐ_f)の推定値と、エバポレータにおいて消費される顕在的電力(Ｐ_sens)の推定値とを比較して、エバポレータの入口部における湿度を検知しうるようになっていることを特徴とする請求項１または２記載の空調機。
4. 前記電子制御装置(401)は、エバポレータの入口と出口における冷媒のエンタルピーの差(ΔＨ_ev)、および前記推定装置によって提供される冷媒の流量(ｍ)から、前記空調に係る消費電力(Ｐ_f)を推定しうるようになっていることを特徴とする請求項３記載の空調機。
5. 前記コンプレッサの入口における冷媒の圧力に関連する値と、コンプレッサの出口における冷媒の圧力に関連する値とを提供しうる推定手段をさらに備え、かつ前記電子制御装置は、この推定手段によって提供される各値から、エバポレータの入口と出口における冷媒のエンタルピーの差(ΔＨ_ev)を算出しうるようになっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空調機。
6. 前記電子制御装置(401)は、前記第１および第２の推定手段によって提供される各値(Ｔ_ae)(Ｔ_as)、およびエバポレータを通り抜ける空気の流量(Ｑ_air)から、エバポレータにおいて消費される顕在的電力(Ｐ_sens)を推定しうるようになっていることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の空調機。
7. 自動車の外における気温(Ｔ_ext)を測定しうる温度センサを備え、かつ前記電子制御装置(401)は、前記ブロワの位置、自動車の速度(Ｖ_a)、および自動車の外における空気の温度(Ｔ_ext)から、エバポレータを通り抜ける空気の流量(Ｑ_air)を推定しうるようになっていることを特徴とする請求項６記載の空調機。
8. ２つの入力部と１つの出力部とを有し、相対湿度(φ)、気温、および空気のエンタルピーの関係についての所与の値で充填された第１の表を含む記憶手段を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の空調機。
9. 前記第１の表は、前記第２の推定手段によって提供される値(Ｔ_as)、およびエバポレータの出口部における空気の８０％、またはこれを超える相対湿度の値(φ_as)から、エバポレータの出口部における空気のエンタルピー(Ｈ_as)の推定値を提供しうることを特徴とする請求項８記載の空調機。
10. 前記電子制御装置は、前記第２の推定手段によって提供される値(Ｔ_as)、およびエバポレータの出口部における空気の８０％、またはこれを超える相対湿度の値(φ_as)から、エバポレータの出口部における空気のエンタルピー(Ｈ_as)を推定するため、空気のエンタルピー、相対湿度、および気温を結びつける方程式を解きうることを特徴とする請求項２〜７のいずれかに記載の空調機。
11. 前記電子制御装置は、エバポレータの出口部における空気のエンタルピー(Ｈ_as)、および空調に係る消費電力(Ｐ_f)から、エバポレータの入口部における空気のエンタルピー(Ｈ_ae)の推定値を提供しうることを特徴とする請求項９または１０記載の空調機。
12. 前記第１の表は、エバポレータの入口部における空気のエンタルピー(Ｈ_ae)の推定値、および前記第１の推定手段によって提供される値(Ｔ_ae)から、エバポレータの入口部における相対湿度(φ_ae)をリアルタイムで提供しうることを特徴とする請求項９記載の空調機と、請求項１１記載の空調機との組合せに係る空調機。
13. 前記電子制御装置は、エバポレータの入口部における空気のエンタルピー(Ｈ_ae)の推定値、および前記第１の推定手段によって提供される値(Ｔ_ae)から、エバポレータの入口部における相対湿度(φ_ae)を推定するための方程式を解きうることを特徴とする請求項９記載の空調機と、請求項１１記載の空調機との組合せに係る空調機。
14. 前記記憶手段は、２つの入力部と１つの出力部を有し、絶対湿度(Ｗ)、気温、および空気のエンタルピーの関係についての所与の値で充填された第２の表を含み、およびこの第２の表は、前記第１の表によって提供されるエバポレータの出口部における空気のエンタルピー(Ｈ_as)の推定値、およびエバポレータの出口部における気温(Ｔ_as)から、エバポレータの出口部における絶対湿度(Ｗ_as)を提供しうることを特徴とする、請求項９記載の空調機と、請求項１〜８または請求項１０〜１３のいずれかに記載の空調機との組合せに係る空調機。
15. 前記電子制御装置は、前記エバポレータの出口部における空気のエンタルピー(Ｈ_as)、およびエバポレータの出口部における気温(Ｔ_as)から、エバポレータの出口部における絶対湿度(Ｗ_as)を推定するため、空気のエンタルピー、絶対湿度、および気温を結びつける方程式を解きうることを特徴とする、請求項１０記載の空調機と、請求項１〜９または請求項１１〜１３のいずれかに記載の空調機との組合せに係る空調機。
16. 前記電子制御装置は、エバポレータの出口部における絶対湿度(Ｗ_as)から、車室の絶対湿度(Ｗ_hab)を推定するため、車室の絶対湿度(Ｗ_hab)と、エバポレータの出口部における絶対湿度(Ｗ_as)のリアルタイムの値とを結びつける方程式を解きうることを特徴とする請求項１４または１５記載の空調機。
17. 前記冷却器はコンデンサであり、前記冷媒流量(ｍ)の推定装置は、コンプレッサの出口における冷媒の圧力に関連する値(ＨＰ)、および前記コンデンサの入口における外気の温度に関連する値(Ｔ_aek)を提供しうる複数の推定手段を含み、かつ前記電子制御装置(401)は、前記複数の推定手段によって提供される各値から、冷媒の流量(ｍ)を推定しうることを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の空調機。
18. 前記第１の推定手段は、エバポレータの上流側に設置され、エバポレータの入口部における気温を提供しうる温度センサ(25)を含むことを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の空調機。
19. 前記第１の推定手段は、自動車の外の気温を提供しうる温度センサを含み、かつ前記電子制御装置(401)は、この自動車の外の気温と、予め定められている補正因子とから、エバポレータの入口部における気温を推定しうることを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の空調機。
20. エバポレータの上流側に位置する空気の入口ボックス内に、外気と車室の再循環空気とを混合しうるよう、位置を調整しうる吸気フラップを備えること、前記第１の推定手段は、自動車の外の気温(Ｔ_ext)の測定値、および車室の気温(Ｔ_hab)の測定値を提供しうる２つの温度センサを含み、かつ前記電子制御装置(401)は、これらの測定値および前記吸気フラップの位置から、エバポレータの入口部における気温(Ｔ_ae)を推定しうることを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の空調機。
21. 前記第２の推定手段は、エバポレータの出口部に設置され、エバポレータの出口部における気温を提供しうる温度センサ(26)を含むことを特徴とする請求項１〜２０のいずれかに記載の空調機。
22. 送気管を介してエバポレータと連結された、エバポレータの出口部を通り抜けた空調済の空気流を受け入れるための送風サイクルを備え、前記第２の推定手段は、前記送気管に設置された温度センサを含み、かつ前記電子制御装置(401)は、この温度センサによって測定された気温、および予め定められた補正因子から、エバポレータの出口部における気温(Ｔ_as)を推定しうることを特徴とする請求項１〜２０のいずれかに記載の空調機。

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