JP4655893B2 - 車両用冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両エンジンにより駆動されて冷媒を圧縮する圧縮機の容量制御を行う車両用冷凍サイクル装置において、車両エンジンの加速性向上と冷房性能の確保との両立を図るための制御システムに関するものである。

従来の車両用冷凍サイクル装置として、例えば特許文献１に示されるものが知られている。即ち、この冷凍サイクル装置においては、圧縮機は外部からの制御信号により容量が可変される容量可変機構を備えており、車両エンジンが加速状態であると判定されると、所定時間だけ圧縮機を停止し、その後に、容量可変機構を部分容量の状態に設定して圧縮機を部分容量で運転し、更に、この部分容量で運転した後に、１００％容量で運転するようにしている。

これにより、車両エンジンの加速開始直後において、車両エンジンの圧縮機駆動動力をゼロにして、車両の加速性を向上させると共に、圧縮機の部分容量の運転により、サイクル内の循環冷媒流量をある程度確保して、車室内への吹出し温度の上昇を僅少に抑えるようにしている。そして、圧縮機の部分容量運転の後に１００％容量運転に移行することで、冷房性能をスムースに回復させるようにしている。
特開２０００−３３５２３２号公報

しかしながら、上記のような制御を、吸入圧力が所定吸入圧力に維持されつつ、容量可変が行われる吸入圧制御仕様の圧縮機に適用した場合、吸入圧力を制御する容量可変機構の特性から、以下のような問題が生じる。

斜板型可変容量圧縮機２では、図８に示すように、斜板２１の背面に位置するクランク室２２の圧力を容量可変機構（制御弁）１５で調節することにより斜板２１の傾きを変化させ、圧縮機２の吐出容量を制御する。本件のような吸入圧制御仕様の圧縮機２の場合、図９に示すように、容量可変機構１５において、制御電流による電磁コイル１５ａの推力（黒矢印）と、吸入室２３からの吸入圧Ｐｓ（白矢印）とのバランスにより、クランク室２２と吐出室２４との通路２５に位置する弁体１５ｂの開度を変え、クランク室２２内の圧力Ｐｃを調節する。即ち、吸入圧Ｐｓが狙い値よりも大きいと弁体１５ｂは閉じる方向に動き、吐出室２４からクランク室２２への通路２５が遮断され吐出容量が大きくなり、吸入圧Ｐｓは下がる。逆に吸入圧Ｐｓが狙い値よりも小さい時は、弁体１５ｂは開き、吐出室２４からの高圧々力がクランク室２２へ流れ込み吐出容量が下がり、吸入圧Ｐｓは上がる。その結果、吸入圧Ｐｓを自律的に所定の狙い値に維持することができる。

吸入圧制御仕様の圧縮機２は上記の特性を持つため、制御電流値が同じでも、蒸発器の熱負荷によっては狙いの吸入圧Ｐｓにするために必要な圧縮機２の吐出容量が異なり、圧縮機２の動力も異なる。例えば熱負荷が小さい時には吸入圧Ｐｓは低くなるため吐出容量は少なくて済み、圧縮機２の動力も小さい。逆に熱負荷が大きい時には吸入圧Ｐｓは高くなり、狙いの吸入圧Ｐｓにするためには吐出容量は多く必要で、動力も大きい。

そのため、本件のような加速制御を行う場合でも、熱負荷が異なると、制御電流低下時の動力が一意に決まらないため、狙いの省動力が得られない。即ち、熱負荷が小さい時には制御電流低下時に吐出容量が下がりすぎ、その後加速制御前の吐出容量に戻すのに時間がかかり吹出し温度が上昇するため乗客が不快感を感じる。また逆に熱負荷が大きい時には、制御電流低下時に吐出容量が充分に下がらないため、車両エンジンの省動力にならない。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、吸入圧制御仕様の圧縮機を用いる場合に、車両エンジンの加速性の向上と冷房性能の確保の両立を可能とする車両用冷凍サイクル装置を提供することにある。

本発明は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。

請求項１に記載の発明では、車室内への送風空気を冷却する蒸発器（６）と、動力伝達手段（１０）を介して車両エンジン（１１）により駆動され、蒸発器（６）で蒸発したガス冷媒を吸入して圧縮する圧縮機（２）と、圧縮機（２）の吸入圧力を所定吸入圧力以上に維持するようにして、外部（１４）からの制御信号（Ｉｃ）により圧縮機（２）の容量を可変する容量可変機構（１５）とを備える車両用冷凍サイクル装置において、
車両エンジン（１１）の加速状態を判定する判定手段（Ｓ１１０）と、蒸発器（６）の熱負荷を検出する検出手段（１３）と、検出手段（１３）で得られた熱負荷に応じて、車両エンジン（１１）に対する圧縮機（２）の駆動動力を低減して車両エンジン（１１）の加速性を確保すると共に、冷房性能の悪化分を許容し得る圧縮機（２）の許容容量とする最小制御信号（Ｉｃｍｉｎ）を決定する決定手段（Ｓ１２０）と、判定手段（Ｓ１１０）により車両エンジン（１１）の加速状態が判定されると、容量可変機構（１５）への制御信号（Ｉｃ）を、決定手段（Ｓ１２０）によって決定された最小制御信号（Ｉｃｍｉｎ）の値に低下させて、その後に、加速状態判定前の制御信号（Ｉｃ）の値に順次復帰させる低下復帰手段（Ｓ１３０、Ｓ１４０）とを備えることを特徴としている。

これにより、蒸発器（６）の熱負荷に応じた圧縮機（２）の容量可変を行う形となるので、容量可変機構（１５）による吸入圧力維持のための容量可変に引きずられることがなくなり、最小制御信号（Ｉｃｍｉｎ）に応じた容量の低下、および元の容量への復帰が確実に成され、吸入圧制御仕様の圧縮機（２）を用いる場合でも、車両エンジン（１１）の加速性の向上と冷房性能の確保の両立を可能とすることができる。

請求項２に記載の発明では、決定手段（Ｓ１２０）は、熱負荷が大きいほど、最小制御信号（Ｉｃｍｉｎ）を小さく決定することを特徴としている。

吸入圧力を所定吸入圧力に維持しようとする吸入圧制御仕様の圧縮機（２）においては、吸入圧力が低いほど、容量を増加させる際の制御信号（Ｉｃ）は大きく必要とし、逆に、吸入圧力が高いほど、容量を増加せるための制御信号（Ｉｃ）は小さくて良いものとなっている。吸入圧力は蒸発器（６）の熱負荷に相関するものであるので、熱負荷が大きいほど最小制御信号（Ｉｃｍｉｎ）を小さく決定することで、上記吸入圧制御仕様の圧縮機（２）の特性に応じた、加速状態判定時の制御が可能となる。

請求項３に記載の発明では、決定手段（Ｓ１２０）は、熱負荷が所定熱負荷より大きい場合は、最小制御信号（Ｉｃｍｉｎ）の低下率を小さく決定することを特徴としている。

これにより、熱負荷が高い条件では制御信号（Ｉｃ）を下げすぎることがなくなるので、加速状態判定後の制御において冷房性能が悪化しすぎるのを防止できる。

請求項４に記載の発明では、熱負荷は、蒸発器（６）によって冷却された送風空気の蒸発器後温度（Ｔｅ）、あるいは圧縮機（２）の吸入圧力で把握されることを特徴としている。

請求項５に記載の発明では、動力伝達手段（１０）は、車両エンジン（１１）と圧縮機（２）とを、常時接続状態とすることを特徴としている。

容量可変機構（１５）を有する圧縮機（２）においては、容量をゼロ近傍に可変することで、車両エンジン（１１）にとっては圧縮機駆動動力をほぼゼロにすることができ、クラッチ機構を不要として、常時接続状態を可能とする。

尚、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。

以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態を示す全体構成図であり、冷凍サイクル１には冷媒を吸入、圧縮、吐出する圧縮機２が備えられている。圧縮機２は、後述する電子制御装置（本発明における外部に対応）１４からの制御信号（具体的には制御電流Ｉｃ）により電気的に制御される容量可変機構１５を備える斜板型可変容量式の吸入圧制御仕様のものとなっており、上記「課題」の項で説明したものと同じである。容量可変機構１５への制御電流Ｉｃを大きくするほど、吐出容量は大きくなり、吐出容量は、ほぼゼロ容量〜１００％容量へ連続的に切替え可能となっている。この圧縮機２から吐出された高温、高圧の過熱ガス冷媒は凝縮器３に流入し、ここで、図示しない冷却ファンより送風される外気と熱交換して冷媒は冷却されて凝縮する。

凝縮器３で凝縮した冷媒は次に受液器４に流入し、受液器４の内部で冷媒の気液が分離され、冷凍サイクル１内の余剰冷媒（液冷媒）が受液器４内に蓄えられる。この受液器４からの液冷媒は膨張弁（減圧手段）５により低圧に減圧され、気液２相状態となる。この膨張弁５からの低圧冷媒は蒸発器６に流入する。この蒸発器６は車両用空調装置の空調ダクト（空調ケース）７内に設置され、蒸発器６に流入した低圧冷媒は空調ダクト７内の送風空気から吸熱して蒸発する。

膨張弁５は蒸発器６の出口冷媒の温度を感知する感温筒５ａを有する温度式膨張弁であり、蒸発器６の出口冷媒の過熱度を所定値に維持するように弁開度（冷媒流量）を調整する。上記したサイクル構成部品（１〜６）の間はそれぞれ冷媒配管８によって結合され、閉回路を構成している。また、圧縮機２はベルト（本発明における動力伝達手段に対応）１０を介して車両走行用エンジン（以下、エンジン）１１により駆動される。

空調ダクト７の上流側には送風機１２が備えられており、周知の内外気切替え箱（図示せず）から吸入された車室内の空気（内気）または車室外の空気（外気）は送風機１２により空調ダクト７内を送風される。この送風空気は蒸発器６を通過して冷却された後に、図示しない温水式ヒータコア（加熱手段）部で加熱量が調節されて温度調節される。この温度調節された空気が空調ダクト７の空気下流端に設けられたフェイス吹出し口、フット吹出し口、およびデフロスタ吹出し口のうち、いずれか１つまたは複数の吹出し口から車室内へ吹出す。

また、空調ダクト７内のうち、蒸発器６の空気吹出し直後の部位には、蒸発器６を通過した直後の空気温度（以下、蒸発器後温度Ｔｅ）を検出する蒸発器後温度センサ（本発明における検出手段に対応）１３が設けられている。蒸発器後温度センサ１３によって検出された温度信号（蒸発器後温度Ｔｅ）は、後述する電子制御装置１４に入力される。

次に、本実施形態の制御系を前述の図１に基づいて説明すると、電子制御装置（以下、ＥＣＵ）１４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と、その周辺回路にて構成されるものであって、ＥＣＵ１４の入力端子には、前述の蒸発器後温度センサ１３の他に、空調制御に必要な情報を検出する各種センサ１６が接続される。

この各種センサ１６は、具体的には、車室内温度（内気温度）の検出手段である内気温センサ、車室外温度（外気温度）の検出手段である外気温センサ、車室内に入射する日射量の検出手段である日射センサ、温水式ヒータコアの温水温度の検出手段である水温センサ等である。更に、エンジン１１の加速状態（高負荷状態）の検出手段として、本例では、エンジン１１のスロットル開度に応じた信号を発生するスロットルセンサ１７がＥＣＵ１４の入力端子に接続される。

また、ＥＣＵ１４の入力端子には、車室内の計器盤周辺に設置され、乗員により操作される空調操作パネル１８の各種操作スイッチが接続される。この空調操作パネル１８の各種操作スイッチとしては、空調の自動制御を設定するオートスイッチ、車室内の設定温度を設定するための温度設定スイッチ、風量切替えスイッチ、内外気切替えスイッチ、吹出しモード切替えスイッチ、圧縮機２の作動オンオフ（吐出容量を任意の値とするかゼロとする）用のエアコンスイッチ等が設けられる。

そして、ＥＣＵ１４のＲＯＭには、予め図２に示す制御マップが記憶されている。この制御マップは、蒸発器６の熱負荷を蒸発器後温度Ｔｅとして捉えた時の、蒸発器後温度Ｔｅと容量可変機構１５に付加する制御電流Iｃとを関係付けたものであり、後述するエンジン１１の加速状態判定時の圧縮機２の吐出容量制御に使用されるものとしている。

制御マップは、蒸発器６の蒸発器後温度Ｔｅ（例えば送風機１２の風量をＬｏ、Ｍ２、Ｍ４、Ｈｉの順に高くした時の４段階に設定）に対して、制御電流Ｉｃを通常作動時から低下させた時に、圧縮機２の吐出容量低下に基づくトルク低下量が所定量（２Ｎ）以上となり、かつ、車室内への吹出し温度の上昇量が所定量（３℃）以下となる時の制御電流Ｉｃを捉えて、蒸発器後温度Ｔｅとの関係付けをしたものである。尚、図３は、熱負荷Ｈｉの場合における制御電流Ｉｃ、圧縮機２のトルク、車室内への吹出し温度の変化を示したものである。

上記圧縮機２のトルク低下の所定量（２Ｎ）は、エンジン１１に対する圧縮機駆動動力を低減してエンジン１１の加速性を確保するために必要とされる値として決定している。また、車室内への吹出し温度上昇の所定量（３℃）は、冷房性能の悪化分を許容しうるものとして決定している。この制御マップによって、蒸発器後温度Ｔｅに対する制御電流Ｉｃを最小制御電流Ｉｃｍｉｎとして算出する。即ち、この制御マップは、請求項１で示した、「熱負荷に応じた圧縮機２の許容容量とする最小制御信号（Ｉｃｍｉｎ）を決定する」ものである。

制御マップにおいては、蒸発器後温度Ｔｅが大きいほど、制御電流Ｉｃが小さく設定されるが、ここでは、蒸発器後温度Ｔｅが８℃近傍以上（所定熱負荷より大きい領域）では、一定となるように（低下率が小さくなるように）しいる。

次に、本実施形態の作動を図４〜図６に基づいて説明する。図４はＥＣＵ１４のマイクロコンピュータにより実行される制御処理を示すフローチャート、図５は制御電流Ｉｃの変化を示すタイムチャート、図６は圧縮機２の動力の変化を示すタイムチャートである。

まず、エンジン１１のイグニッションスイッチがオンされ、かつ空調操作パネル１８のオートスイッチがオンされると、図４の制御ルーチンが起動される。

そして、ＥＣＵ１４は、ステップＳ１００にて上記各センサ１３、１６、１７の各検出値を読み込むと共に、空調操作パネル１８の各種操作スイッチからの操作信号を読み込む。次に、判定手段としてのステップＳ１１０にてエンジン１１が加速状態にあるか判定する。この判定は、具体的には、スロットルセンサ１７の検出値に基づいて行い、エンジン１１のスロットル開度が予め定めた判定値以上に増加すると加速状態であると判定する。

ステップＳ１１０で否と判定すると、ステップＳ１００に戻り、ステップＳ１００、Ｓ１１０を繰り返すが、肯定判定すると、即ち、車両エンジン１１が加速状態にあると判定すると、決定手段としてのステップＳ１２０に進み、ＲＯＭ内の制御マップ（図２）から最小制御電流Ｉｃｍｉｎを決定する。即ち、蒸発器後温度センサ１３から得られる蒸発器後温度Ｔｅに対応する制御電流Ｉｃを最小制御電流Ｉｃｍｉｎとして決定する。

そして、低下復帰手段としてのステップＳ１３０、ステップＳ１４０に進む。ステップＳ１３０では、容量可変機構１５に付加する制御電流Ｉｃを、ステップＳ１２０で決定した最小制御電流Ｉｃｍｉｎまで低下させる（図５中のア）。すると、圧縮機２の吐出容量は低下され、それに伴って、図６中のウに示すように、圧縮機２の動力が低下され、加速時におけるエンジン１１の圧縮機駆動動力が低下されて、エンジン１１の加速性が向上される。尚、上記制御マップ作成の考え方で説明したように、圧縮機２の吐出容量低下に伴う冷房性能の悪化は、僅少（３℃以下）に抑えられる。

更に、ステップＳ１４０では、最小制御電流Ｉｃｍｉｎの値を一定の増加量（増加率）で上昇させていき（図５中のイ）、圧縮機２の吐出容量を増加させていく。尚、この時の最小制御電流Ｉｃｍｉｎの増加量（増加率）は、エンジン１１に対して急激な動力増加とならないような、また、冷房性能がスムースに回復するような値（図６中のエ）として決定している。

そして、ステップ１５０で加速状態判定前の吐出容量で圧縮機２の運転を継続する。

以上のように、本実施形態においては、蒸発器６の熱負荷に応じて、容量可変機構１５へ付加する制御電流Ｉｃを、エンジン１１の圧縮機駆動動力の低減分、および冷房性能悪化への許容分を考慮して、最小制御電流Ｉｃｍｉｎとして決定して、エンジン１１の加速状態判定時に圧縮機２の吐出容量を低減するようにしている。よって、蒸発器６の熱負荷に応じた圧縮機２の容量可変を行う形となり、容量可変機構１５による吸入圧力維持のための容量可変に引きずられることがなくなる。そして、最小制御信号Ｉｃｍｉｎに応じた容量の低下、および元の容量への復帰が確実に成され、吸入圧制御仕様の圧縮機２を用いる場合でも、車両エンジン１１の加速性の向上と冷房性能の確保の両立を可能とすることができる。

また、吸入圧制御仕様の圧縮機２においては、吸入圧力が低いほど、容量を増加させる際の制御信号Ｉｃは大きく必要とし、逆に、吸入圧力が高いほど、容量を増加せるための制御信号Ｉｃは小さくて良いものとなっている。吸入圧力は蒸発器６の熱負荷に相関するものであるので、制御マップにおいて熱負荷が大きいほど最小制御信号Ｉｃｍｉｎを小さく決定することで、上記吸入圧制御仕様の圧縮機２の特性に応じた、加速状態判定時の制御が可能となる。

また、制御マップにおいて、熱負荷が所定熱負荷より大きい場合は、最小制御電流Ｉｃｍｉｎの低下率を小さく（本実施形態では一定となるように）しているので、熱負荷が高い条件では制御電流Ｉｃを下げすぎることがなくなり、加速状態判定後の制御において冷房性能が悪化しすぎるのを防止できる。

また、容量可変機構１５を有する圧縮機２においては、容量をゼロ近傍に可変することで、エンジン１１にとっては圧縮機駆動動力をほぼゼロにすることができるので、クラッチ機構を不要として、ベルト１０による常時接続状態が可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図７に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して最小制御電流Ｉｃｍｉｎを決定するための制御マップを変更したものである。

ここでは、蒸発器６の熱負荷を圧縮機２の吸入圧力と捉えて、吸入圧力に対する制御電流Ｉｃを関係付けたものとしている。吸入圧力は圧縮機２の吸入側に圧力センサを設けることで、その検出が可能である。

これにより、上記第１実施形態と同様の制御が可能となり、また、同様の効果を得ることができる。

（その他の実施形態）
上記第１実施形態では最小制御電流Ｉｃｍｉｎを決定するための制御マップの熱負荷が所定熱負荷より大きい場合は、最小制御電流Ｉｃｍｉｎの低下率を小さくするようにしたが、冷房性能との兼ね合いから、同等の低下率となるようにしても良い。

また、図４の制御フロー中のステップＳ１４０で制御電流Ｉｃを上昇させる際に、一定の増加量（増加率）で上昇するようにしたが、これに限らず、増加率が順次大きくなるようにしたり、階段状となるようにしても良い。

また、エンジン１１と圧縮機２との間（動力伝達手段）には、クラッチ機構を設けて、圧縮機２の吐出容量に係わらず、エンジン１１との断続を可能とするようにしても良い。

また、エンジン１１の加速状態をエンジン１１のスロットル開度に基づいて判定するようにしたが、エンジン１１のスロットルバルブを操作するアクセルペダル操作機構の操作量（ペダル踏み込み量）に基づいてエンジン１１の加速状態を判定しても良い。

また、エンジン１１の回転数はエンジン１１のスロットル開度と相関関係があるため、エンジン１１の回転数や圧縮機２の回転数に基づいてエンジン１１の加速状態を判定しても良い。

また、圧縮機２としては斜板型以外に、スクロール型、ベーン型等も使用可能である。

本発明は、車両空調用冷凍サイクル装置に限らず、冷凍車における冷凍、冷蔵用の冷凍サイクル装置等にも適用できる。

第１実施形態における車両空調用冷凍サイクル装置を示す全体構成図である。 第１実施形態における最小制御電流を決定するための制御マップである。 制御マップ作成のための制御電流、トルク、吹出し温度の変化を示すグラフである。 第１実施形態における制御処理を示すフローチャートである。 図４のフローチャート実行時における制御電流の変化を示すタイムチャートである。 図４のフローチャート実行時における動力の変化を示すタイムチャートである。 第２実施形態における最小制御電流を決定するための制御マップである。 斜板型可変容量式の圧縮機を示す断面図である。 容量可変機構を示す断面図である。

符号の説明

２ 圧縮機
６ 蒸発器
１０ ベルト（動力伝達手段）
１１ 車両走行用エンジン
１３ 蒸発器後温度センサ（検出手段）
１４ 電子制御装置（外部）
１５ 容量可変機構

Claims (5)

1. 車室内への送風空気を冷却する蒸発器（６）と、
   動力伝達手段（１０）を介して車両エンジン（１１）により駆動され、前記蒸発器（６）で蒸発したガス冷媒を吸入して圧縮する圧縮機（２）と、
   前記圧縮機（２）の吸入圧力を所定吸入圧力以上に維持するようにして、外部（１４）からの制御信号（Ｉｃ）により前記圧縮機（２）の容量を可変する容量可変機構（１５）とを備える車両用冷凍サイクル装置において、
   前記車両エンジン（１１）の加速状態を判定する判定手段（Ｓ１１０）と、
   前記蒸発器（６）の熱負荷を検出する検出手段（１３）と、
   前記検出手段（１３）で得られた前記熱負荷に応じて、前記車両エンジン（１１）に対する前記圧縮機（２）の駆動動力を低減して前記車両エンジン（１１）の加速性を確保すると共に、冷房性能の悪化分を許容し得る前記圧縮機（２）の許容容量とする最小制御信号（Ｉｃｍｉｎ）を決定する決定手段（Ｓ１２０）と、
   前記判定手段（Ｓ１１０）により前記車両エンジン（１１）の加速状態が判定されると、前記容量可変機構（１５）への前記制御信号（Ｉｃ）を、前記決定手段（Ｓ１２０）によって決定された前記最小制御信号（Ｉｃｍｉｎ）の値に低下させて、その後に、前記加速状態判定前の制御信号（Ｉｃ）の値に順次復帰させる低下復帰手段（Ｓ１３０、Ｓ１４０）とを備えることを特徴とする車両用冷凍サイクル装置。
2. 前記決定手段（Ｓ１２０）は、前記熱負荷が大きいほど、前記最小制御信号（Ｉｃｍｉｎ）を小さく決定することを特徴とする請求項１に記載の車両用冷凍サイクル装置。
3. 前記決定手段（Ｓ１２０）は、前記熱負荷が所定熱負荷より大きい場合は、前記最小制御信号（Ｉｃｍｉｎ）の低下率を小さく決定することを特徴とする請求項２に記載の車両用冷凍サイクル装置。
4. 前記熱負荷は、前記蒸発器（６）によって冷却された前記送風空気の蒸発器後温度（Ｔｅ）、あるいは前記圧縮機（２）の吸入圧力で把握されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の車両用冷凍サイクル装置。
5. 前記動力伝達手段（１０）は、前記車両エンジン（１１）と前記圧縮機（２）とを、常時接続状態とすることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の車両用冷凍サイクル装置。

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