JP4481448B2

JP4481448B2 - 車両用空調装置

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Publication number: JP4481448B2
Application number: JP2000216068A
Authority: JP
Inventors: 政人坪井; 敦雄井上
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Holdings Corp
Priority date: 2000-07-17
Filing date: 2000-07-17
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2020-07-17
Also published as: FR2811617A1; FR2811617B1; DE10130181B4; JP2002029253A; DE10130181A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用空調装置に関し、とくに、冷凍回路の室外熱交換器に対し冷却ファンを備えた車両用空調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の車両用空調装置は、たとえば図７に示すように構成され、冷却ファンは図８に示すように制御されている。図７においては、車室内へと通じる空調ダクト１０１内に室内熱交換器、たとえば蒸発器１０２が設けられ、空調ダクト１０１外に室外熱交換器、たとえば凝縮器１０３が設けられている。エンジン１０４により駆動される圧縮機、たとえば可変容量型圧縮機１０５から凝縮器１０３を介して送られてきた冷媒が膨張弁１０６で膨張されて蒸発器１０２に供給され、蒸発器１０２からの冷媒が圧縮機１０５に戻されるように冷凍回路１０７が構成されている。
【０００３】
上記冷凍回路１０７においては、凝縮器１０３に対し冷却用空気流を発生させる冷却ファン１０８およびそれを駆動するモータ１０９が設けられている。この冷却ファンモータ１０９は、冷凍サイクルの冷媒圧縮機１０５が作動すると、それに連動してオン−オフ制御されている。つまり、メインコントローラ１１０からの圧縮機用クラッチコントロール信号１１２を介してオン−オフ制御されている。
【０００４】
あるいは、冷却ファンモータ１０９が冷凍サイクルの室外熱交換器１０３に対して以外に、ラジエータの冷却ファンモータも兼ねている場合等には、車速センサ１１３からの信号およびエンジン冷却水温度センサ１１４からの信号も考慮して、冷却ファンモータ１０９に所定の電圧を印加するようにしている。
【０００５】
したがって制御としては、図８に示すように、圧縮機クラッチ信号Ｓｍ、あるいはそれに加えて車速信号ＳＰ、エンジン冷却水信号Ｔｗに応じて、冷却ファンモータオン−オフ制御手段１１２を介し冷却ファンモータ１０９を制御している。いずれの場合にあっても、冷却ファンモータ１０９は、単なるオン−オフ制御、あるいは高−低の２段階電圧制御、あるいは高々高−低−オフの３段階電圧制御に頼っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上記のような従来の冷却ファンモータの制御においては、基本的に、単にオン−オフあるいは電圧の高−低の２段階制御しか行っておらず、冷却ファンモータの制御電圧の導出に、空調装置の総消費動力を考慮していないため、総消費動力が最適な状態にて冷却ファンモータが運転されていない場合がある。したがって、冷却ファンモータの運転によって空調装置の総消費動力が大きくなり、それによって車両エンジンの燃料消費量が大きくなる場合がある。
【０００７】
また、単にオン−オフあるいは電圧の高−低の２段階制御しか行っておらず、冷凍サイクルに対し、凝縮器（室外熱交換器）の放熱量を考慮した冷却制御が行われていないため、冷凍サイクルの安定性を低下させている場合がある。冷凍サイクルが不安定であると、ダクト吹出空気温度が安定しない。
【０００８】
さらに、オン−オフあるいは電圧高−低の２段階の制御状態しかないため、凝縮器の放熱量があまり必要とされていないときにも、冷却ファンモータの回転数が必要以上に高くなる場合があり、騒音発生の原因となる場合がある。また、高回転数で不必要に長時間運転することは、冷却ファンモータの寿命低下の原因ともなる。
【０００９】
そこで本発明の課題は、上記のような従来制御における問題点に着目し、室外熱交換器用の冷却ファンモータの駆動制御を最適化することで、空調装置全体の総消費動力を小さく抑えることができるようにし、それによって車両エンジンの燃料消費量の低減をはかることにある。
【００１０】
また、本発明の課題は、冷却ファンモータの駆動制御を最適化することにより、冷凍サイクルの安定性を向上してダクト吹出空気温度の安定性を向上するとともに、冷却ファンモータの低回転数での動作機会を増やし、その寿命延長および騒音低減をはかることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る車両用空調装置は、空調ダクト内に設けられた室内熱交換器、空調ダクト外に設けられた室外熱交換器、エンジンにより駆動される可変容量型圧縮機を備えた冷凍回路と、前記室外熱交換器に対し冷却用空気流を発生させる冷却ファンおよび該冷却ファンを駆動するモータを有する車両用空調装置において、少なくとも、前記圧縮機の容量に相関を持つ物理量を検出または推定する圧縮機容量認識手段と、前記冷却用空気流の温度を検出する外気温度認識手段と、車両の走行車速を認識する車速認識手段を設けるとともに、各認識手段の少なくとも１つの認識値と冷却ファンモータの駆動制御量との相関関係を予め求めたデータとして記憶するデータ記憶手段を設け、かつ、データ記憶手段に記憶された前記相関関係を参照して冷却ファンモータの制御量を算出する冷却ファンモータ制御量算出手段と、算出された制御量に応じて冷却ファンモータの駆動制御量を可変制御する冷却ファンモータ駆動制御手段を設け、さらに、室内熱交換器の入口空気温度に相関を持つ物理量を検出または推定する室内熱交換器入口空気温度認識手段、又は該室内熱交換器入口空気温度認識手段及び空調ダクト内に送風する送風機の送風量に相関を持つ物理量を検出または推定する送風量認識手段を有し、これら手段における認識値も参照し、該認識値と前回認識値との差により求められる前回認識値からの変化量に対応する冷却ファンモータの制御量の変化量を求めて冷却ファンモータの制御に供することを特徴とするものからなる。
【００１２】
上記車両用空調装置においては、さらに、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温度認識手段を有し、該冷却水温度認識手段における認識値も参照して冷却ファンモータの制御量を算出するようにしてもよい。
【００１４】
さらに、室内熱交換器の出口空気温度に相関を持つ物理量を検出または推定する室内熱交換器出口空気温度認識手段を有し、該手段における認識値も参照して冷却ファンモータの制御量を算出するようにしてもよい。
【００１５】
また、前記データに関しては、車両用空調装置の各機器の消費動力が極小値となるような、圧縮機容量認識値、外気温度認識値、車速認識値、室内熱交換器入の空気温度認識値、送風量認識値のうち少なくとも１つと冷却ファンモータの駆動制御量との相関関係として予め求められているものであることが好ましい。
【００１６】
上記のような本発明に係る車両用空調装置においては、冷却ファンモータが、予め求められた車両用空調装置の総消費動力との相関関係の（オフライン）データに基づいて、そのときの状態に応じて実質的に無段階の最適な制御条件にて駆動制御される。したがって、室外熱交換器の冷却制御が最適化されつつ、空調装置の総消費動力が小さくなるように制御される。空調装置の総消費動力が小さくなる結果、車両エンジンの燃料消費量も低く抑えられる。
【００１７】
また、冷却ファンモータの駆動制御が無段階に最適化されるので、室外熱交換器の放熱状態が無段階に最適に調整され、それによって冷凍サイクルにおける冷媒の状態の変動が小さく抑えられる。その結果、室内熱交換器での熱交換性能の変動が小さく抑えられ、ダクト吹出空気温度の安定性が向上される。
【００１８】
さらに、冷却ファンモータの無段階での最適制御により、従来のオン−オフあるいは電圧高−低の２段階制御の場合に比べ、低回転数での動作時間が増え、前述の空調装置の総消費動力の低減がはかられつつ、冷却ファンとそのモータの寿命延長および騒音低減も達成される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１および図２は、本発明の基本形態に係る車両用空調装置を示している。図１において、空調ダクト１内には、室内熱交換器としての蒸発器２が設けられており、空調ダクト１外に、室外熱交換器としての凝縮器３が設けられている。車両エンジン４によって駆動される可変容量型圧縮機５（可変容量コンプレッサ）で圧縮された冷媒が凝縮器３で凝縮され、膨張弁６を介して蒸発器２に送られ、蒸発器２から圧縮機５に戻されるように冷凍回路７が構成されている。
【００２０】
この冷凍回路７の凝縮器３に対し、冷却用空気流を発生させる冷却ファン８が設けられており、冷却ファン８は冷却ファンモータ９によって駆動される。この冷却ファンモータ９の駆動は、冷却ファンモータ制御量演算手段としてのメインコントローラ１０からの冷却ファンモータ制御量信号に基づき、冷却ファンモータ駆動制御手段としての冷却ファン電圧コントローラ１１を介して制御される。メインコントローラ１０からは、可変容量型圧縮機５に容量制御信号が送られる。メインコントローラ１０には、上記冷却ファンモータ制御量を演算するために、車速認識手段としての車速センサ１２からの車速信号、外気温度認識手段としての外気温度センサ１３からの外気温度信号、冷却水温度認識手段としてのエンジン冷却水温度センサ１４からの冷却水温度信号が入力されるようになっている。
【００２１】
メインコントローラ１０では、冷却ファンモータ制御量の演算は、たとえば図２に示すように行われる。
冷却ファン制御電圧の目標値Ｖの演算、選択には、メインコントローラ１０内で演算された圧縮機容量制御信号Ｉｃ、外気温度センサ１３からの外気温度信号Ｔｏｕｔ、車速センサ１２からの車速信号ＳＰ、冷却水温度Ｔｗが用いられるが、まず、外気温度信号Ｔｏｕｔと車速信号ＳＰを用いて、冷却ファン制御電圧の第１の目標値Ｖ１（計算値）が演算される。
【００２２】
そして、表１に示すように、車速信号ＳＰと予め定めた一定値Ｂ１、Ｂ２（Ｂ１＜Ｂ２）との大小関係、圧縮機容量制御信号Ｉｃと予め定めた一定値Ａ１との大小関係、および、冷却水温度Ｔｗと予め定めた一定値Ｃ１、Ｃ２（Ｃ１＜Ｃ２）との大小関係に応じて、各場合の組み合わせ毎に、そのときの冷却ファン制御電圧の目標値Ｖを、上記冷却ファン制御電圧の第１の目標値Ｖ１（計算値）と、予め定めた一定値Ｖ０、Ｖ２（Ｖ０≦Ｖ１≦Ｖ２）の中から選択する。
【００２３】
【表１】

【００２４】
このように決定された冷却ファン制御電圧の目標値Ｖの信号が、冷却ファンモータ電圧コントローラ１１に送られ、冷却ファンモータ９の駆動が制御される。
【００２５】
上記演算において、冷却ファンモータ制御電圧Ｖ１の計算式は、図３に示すようなプロセスにより予め求められた空調装置の総消費動力と冷却ファンモータの駆動制御量との相関関係に関するオフラインデータが記憶され、記憶された相関関係を参照して算出される。なお、この図３は、後述の参考形態と共通に使用するプロセスとして表してある。
【００２６】
図３に示すように、空調装置の総消費動力は、圧縮機消費動力Ｗｃｏｍｐと各種電気機器消費動力Ｗｅｌｃとの合計となり、各種電気機器消費動力には、原動機（エンジン）の発生動力に対しオルタネータ・レギュレータの効率分が上乗せされた動力が消費される。圧縮機消費動力Ｗｃｏｍｐは、各種条件（蒸発器流出空気温度Ｔｅｏｕｔ、外気温度Ｔｏｕｔ、内気温度Ｔｉｎ、インテーク状態ＩＮＴ（後述の第２実施態様参照）、送風機電圧演算値ＢＬＶ、圧縮機容量制御信号Ｉｃ、冷凍回路の高圧圧力Ｐｄ）に応じて発生する消費動力であり、電気機器消費動力Ｗｅｌｃも、各種条件（冷却ファンモータ使用電圧Ｖｆａｎ、バッテリ電圧ＶＢ、電気ヒータ電圧Ｖｈ、送風機電圧演算値ＢＬＶ）に応じて発生する消費動力である。
【００２７】
これら消費動力を合計した空調装置の総消費動力Ｗと、冷却ファンモータ電圧Ｖｆａｎ（つまり、冷却ファンモータの実際に行った駆動制御量）との相関関係（相関データ）が、各パラメータ（各説明変数）毎に採られる。すなわち、Ｖｆａｎを目的変数とし、各パラメータを説明変数として、説明変数毎に相関関係がオフラインデータとして求められる。第１実施態様においては、外気温度Ｔｏｕｔと車速ＳＰが説明変数とされ、冷却ファンモータ電圧Ｖｆａｎが目的変数とされて、相関関係がオフラインデータとして求められ、それがメインコントローラ１０のオフラインデータ記憶手段に記憶される。このＶｆａｎとＷとの相関関係は、各説明変数に関して、一般に図に示すような最低極値（極小値）をもつデータとなる。この極小値Ｗｍｉｎあるいはその近傍のＷとなるＶｆａｎに制御すれば、冷却ファンモータの消費動力を、そのときの条件に応じて最適に低減することが可能になる。単なる冷却ファンモータ電圧のオン−オフ制御や高低２段階制御では、このような、そのときの条件に応じた冷却ファンモータの消費動力の低減、冷却ファンモータ電圧制御の最適化はできない。
【００２８】
本発明では、上記のような技術思想に基づき、上記オフラインデータから、目的変数と説明変数の相関式ｆを導出する。そして、第１実施態様では、
Ｖｆａｎ＝ｆ（Ｔｏｕｔ，ＳＰ）
の相関式を導出し、この相関式を用いて、前述の図２に示したようにＶ１を演算し、そのときの条件に応じて、実際に冷却ファンモータ電圧コントローラ１１に出力する指令信号Ｖを決定する。
【００２９】
このような制御においては、予め求められたオフラインデータに基づいて、そのときの車両や空調装置の状態に応じて、実質的に無段階にて、冷却ファンモータの電圧を最適に制御することが可能となる。つまり、冷却ファンモータ電圧は、空調装置の総消費動力が可能な限り小さくなるように制御され、同時に冷凍サイクルの冷媒の状態の変動が抑えられダクト吹出空気温度変動が抑えられるように制御される。空調装置の総消費動力が小さく抑えられることにより、車両エンジンの燃料消費量が低く抑えられ、冷凍サイクルの安定化により、ダクト吹出空気温度の安定性が確保される。
【００３０】
また、冷却ファンモータを低回転数で運転する機会が増えるから、冷却ファンおよびそのモータの寿命延長や騒音低減も達成される。
【００３１】
図４は、本発明の参考形態に係る車両用空調装置を示しており、図５はその制御を示している。図４においては、図１に示した装置に比べ、さらに、外気導入口２１と内気導入口２２との吸気空気量を切替ダンパ２３を介して調節するインテークアクチュエータ２４、送風機のファン２５およびそのモータ２６の電圧を制御する送風機電圧コントローラ２７、蒸発器２の出口空気温度を検出する蒸発器出口空気温度センサ２８、内気温度を検出する車室内温度センサ２９を備えている。３０、３１、３２は、それぞれ、車室内への温調空気吹出口を示している。
【００３２】
この車両用空調装置おける冷却ファンモータ電圧の制御は図５に示すように行われる。蒸発器流入空気温度Ｔｅｉｎが、
Ｔｅｉｎ＝Ｔｏｕｔ×α＋Ｔｉｎ×（１−α）
で演算される。但し、
α＝ｆ（ＩＮＴ）
であり、切替ダンパ２３の開度（％または状態量）を表している。ここで、Ｔｏｕｔは外気温度、Ｔｉｎは内気温度、ＩＮＴはインテーク状態（切替ダンパ２３の開度）を表している。
【００３３】
そして、前述の基本形態と同様に、冷却ファン制御電圧の第１目標値Ｖ１が、
Ｖ１＝ｆ（Ｉｃ，Ｔｅｉｎ，Ｔｏｕｔ，ＢＬＶ，ＳＰ）
で演算される。ここで、ＢＬＶは送風機電圧、ＳＰは車速である。
【００３４】
しかる後、冷却ファン制御電圧の目標値Ｖが基本形態と同様に前記表１にしたがって決められ、この目標値Ｖの信号が、冷却ファンモータ電圧コントローラ１１に送られ、冷却ファンモータ９の駆動が制御される。
【００３５】
この制御においても、Ｖ１＝ｆ（ＩＣ，Ｔｅｉｎ，Ｔｏｕｔ，ＢＬＶ，ＳＰ）の演算式は、図３に示したと同様の予め定められたオフラインデータに基づく相関式として求められ、それに基づいてＶ１が演算される。したがって、この第２実施態様では、冷却ファンモータの電圧は、圧縮機容量、内気温度とインテーク状態を含む蒸発器流入空気温度、外気温度、送風機電圧、車速、冷却水温度を考慮して、最適な電圧に制御されることになる。
【００３６】
図６は、本発明の一実施態様に係る車両用空調装置の制御を示している。本実施態様においては、冷却ファンモータ電圧は、蒸発器流入空気温度、蒸発器流出空気温度、送風機電圧を参照して求められる。
【００３７】
すなわち、図６に示すように、送風機電圧演算値ＢＬＶに関し、前回演算値（前回認識値）ＢＬＶ’からの変化量がΔＢＬＶ＝ＢＬＶ−ＢＬＶ’として求められ、それに対応する冷却ファン電圧変化量ＶｂがＶｂ＝ｆ（ΔＢＬＶ）で求められる。同様に、蒸発器流出空気温度Ｔｅｏｕｔに関し、ΔＴｅｏｕｔ＝Ｔｅｏｕｔ’−Ｔｅｏｕｔ（Ｔｅｏｕｔ’：前回認識値）が求められ、それに対応する冷却ファン電圧変化量ＶｏがＶｏ＝ｆ（ΔＴｅｏｕｔ）で求められる。蒸発器流入空気温度Ｔｅｉｎに関し、ΔＴｅｉｎ＝Ｔｅｉｎ−Ｔｅｉｎ’（Ｔｅｉｎ’：前回認識値）が求められ、それに対応する冷却ファン電圧変化量ＶｉがＶｉ＝ｆ（ΔＴｅｉｎ）で求められる。すなわち、これら前回認識値からの変化量に対応する冷却ファンモータの制御量の変化量を求められて冷却ファンモータの制御に供される。Ｔｅｉｎは、たとえば、図５に示したように外気温度Ｔｏｕｔ、内気温度Ｔｉｎ、インテーク状態ＩＮＴから推定してもよい。
【００３８】
上記のように求められたＶｂ、Ｖｏ、Ｖｉと、前回の冷却ファン電圧Ｖｆａｎ’から、基本形態、参考形態と同様に、冷却ファン制御電圧の第１目標値Ｖ１が、
Ｖ１＝Ｖｆａｎ’＋Ｖｂ＋Ｖｏ＋Ｖｉ
で演算される。
【００３９】
そして、冷却ファン制御電圧の目標値Ｖが基本形態、参考形態と同様に前記表１にしたがって決められ、この目標値Ｖの信号が、冷却ファンモータ電圧コントローラ１１に送られ、冷却ファンモータ９の駆動が制御される。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る車両用空調装置によれば、空調装置へ総消費動力を考慮し、そのときの状態に応じて冷却ファンに使用すべき動力を最適に制御できるようにしたので、冷却ファンの消費動力、ひいては空調装置の総消費動力を小さく抑えることができ、車両エンジンの燃料消費量を抑えることができる。
【００４１】
また、冷却ファンを実質的に無段階に最適に制御できるので、ダクト吹出空気温度の安定性を向上でき、かつ冷却ファンは低回転数での運転機会が増えることから、寿命延長および騒音低減をはかることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本形態に係る車両用空調装置の概略構成図である。
【図２】図１の装置の制御を示すブロック図である。
【図３】オフラインデータ採取例を示す説明図である。
【図４】本発明の参考形態に係る車両用空調装置の概略構成図である。
【図５】図２の装置の制御を示すブロック図である。
【図６】本発明の一実施態様に係る車両用空調装置の制御ブロック図である。
【図７】従来の車両用空調装置の概略構成図である。
【図８】図７の装置の制御を示すブロック図である。
【符号の説明】
１空調ダクト
２室内熱交換器としての蒸発器
３室外熱交換器としての凝縮器
４車両エンジン
５可変容量型圧縮機
６膨張弁
７冷凍回路
８冷却ファン
９冷却ファンモータ
１０メインコントローラ
１１冷却ファン電圧コントローラ
１２車速センサ
１３外気温度センサ
１４エンジン冷却水温度センサ
２１外気導入口
２２内気導入口
２３切替ダンパ
２４インテークアクチュエータ
２５送風機ファン
２６送風機モータ
２７送風機電圧コントローラ
２８蒸発器出口空気温度センサ
２９車室内温度センサ
３０、３１、３２吹出口

Claims

空調ダクト内に設けられた室内熱交換器、空調ダクト外に設けられた室外熱交換器、エンジンにより駆動される可変容量型圧縮機を備えた冷凍回路と、前記室外熱交換器に対し冷却用空気流を発生させる冷却ファンおよび該冷却ファンを駆動するモータを有する車両用空調装置において、少なくとも、前記圧縮機の容量に相関を持つ物理量を検出または推定する圧縮機容量認識手段と、前記冷却用空気流の温度を検出する外気温度認識手段と、車両の走行車速を認識する車速認識手段を設けるとともに、各認識手段の少なくとも１つの認識値と冷却ファンモータの駆動制御量との相関関係を予め求めたデータとして記憶するデータ記憶手段を設け、かつ、データ記憶手段に記憶された前記相関関係を参照して冷却ファンモータの制御量を算出する冷却ファンモータ制御量算出手段と、算出された制御量に応じて冷却ファンモータの駆動制御量を可変制御する冷却ファンモータ駆動制御手段を設け、さらに、室内熱交換器の入口空気温度に相関を持つ物理量を検出または推定する室内熱交換器入口空気温度認識手段、又は該室内熱交換器入口空気温度認識手段及び空調ダクト内に送風する送風機の送風量に相関を持つ物理量を検出または推定する送風量認識手段を有し、これら手段における認識値も参照し、該認識値と前回認識値との差により求められる前回認識値からの変化量に対応する冷却ファンモータの制御量の変化量を求めて冷却ファンモータの制御に供することを特徴とする車両用空調装置。
さらに、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温度認識手段を有し、該冷却水温度認識手段における認識値も参照して冷却ファンモータの制御量を算出する、請求項１の車両用空調装置。
さらに、室内熱交換器の出口空気温度に相関を持つ物理量を検出または推定する室内熱交換器出口空気温度認識手段を有し、該手段における認識値も参照して冷却ファンモータの制御量を算出する、請求項１または２の車両用空調装置。
前記データは、車両用空調装置の各機器の消費動力が極小値となるような、圧縮機容量認識値、外気温度認識値、車速認識値、室内熱交換器入の空気温度認識値、送風量認識値のうち少なくとも１つと冷却ファンモータの駆動制御量との相関関係として予め求められている、請求項１ないし３のいずれかに記載の車両用空調装置。