(第1実施形態)
図1~図7を用いて、本発明の第1実施形態を説明する。本実施形態では、本発明に係る冷凍サイクル装置10を、電動モータから走行用の駆動力を得る電気自動車に搭載された車両用空調装置1に適用している。車両用空調装置1は、電池温度調整機能付きの空調装置である。車両用空調装置1は、空調対象空間である車室内の空調を行うとともに、電池の温度を調整する。
電池は、電動モータ等の車載機器へ供給される電力を蓄える二次電池である。本実施形態の電池は、リチウムイオン電池である。電池は、複数の電池セル81を積層配置し、これらの電池セル81を電気的に直列あるいは並列に接続することによって形成された、いわゆる組電池である。
この種の電池は、低温になると出力が低下しやすく、高温になると劣化が進行しやすい。このため、電池の温度は、電池の充放電容量を充分に活用することができる適切な温度範囲内(本実施形態では、15℃以上かつ55℃以下)に維持されている必要がある。
そこで、車両用空調装置1では、冷凍サイクル装置10によって生成された冷熱によって電池を冷却することができるようになっている。本実施形態の冷凍サイクル装置10における冷却対象物は、空気および電池である。
車両用空調装置1は、図1の全体構成図に示すように、冷凍サイクル装置10、室内空調ユニット30、高温側熱媒体回路40等を備えている。
冷凍サイクル装置10は、車室内の空調を行うために、車室内へ送風される空気を冷却し、高温側熱媒体回路40を循環する高温側熱媒体を加熱する。
冷凍サイクル装置10は、車室内の空調を行うために、様々な運転モード用の冷媒回路を切替可能である。例えば、冷房モードの冷媒回路、除湿暖房モードの冷媒回路、暖房モードの冷媒回路等を切替可能である。冷凍サイクル装置10は、空調用の各運転モードにおいて、電池を冷却する運転モードと電池の冷却を行わない運転モードとを切替可能である。
冷凍サイクル装置10では、冷媒としてHFO系冷媒(具体的には、R1234yf)を採用しており、圧縮機11から吐出された吐出冷媒の圧力が冷媒の臨界圧力を超えない蒸気圧縮式の亜臨界冷凍サイクルを構成している。冷媒には圧縮機11を潤滑するための冷凍機油が混入されている。冷凍機油の一部は、冷媒とともにサイクルを循環している。
冷凍サイクル装置10の構成機器のうち、圧縮機11は、冷凍サイクル装置10において冷媒を吸入し、圧縮して吐出する。圧縮機11は、車室の前方に配置されて電動モータ等が収容される駆動装置室内に配置されている。圧縮機11は、吐出容量が固定された固定容量型の圧縮機構を電動モータにて回転駆動する電動圧縮機である。圧縮機11は、サイクル制御装置60から出力される制御信号によって、回転数(すなわち、冷媒吐出能力)が制御される。
圧縮機11の吐出口には、水冷媒熱交換器12の冷媒通路の入口側が接続されている。水冷媒熱交換器12は、圧縮機11から吐出された高圧冷媒を流通させる冷媒通路と、高温側熱媒体回路40を循環する高温側熱媒体を流通させる水通路とを有している。水冷媒熱交換器12は、冷媒通路を流通する高圧冷媒と、水通路を流通する高温側熱媒体とを熱交換させて、高温側熱媒体を加熱する加熱用の熱交換器である。
水冷媒熱交換器12の冷媒通路の出口には、互いに連通する3つの流入出口を有する第1三方継手13aの流入口側が接続されている。このような三方継手としては、複数の配管を接合して形成されたものや、金属ブロックや樹脂ブロックに複数の冷媒通路を設けることによって形成されたものを採用することができる。
冷凍サイクル装置10は、第2~第8三方継手13b~13hを備えている。第2~第8三方継手13b~13hの基本的構成は、第1三方継手13aと同様である。
第1三方継手13aの一方の流出口には、暖房用膨張弁14aの入口側が接続されている。第1三方継手13aの他方の流出口には、バイパス通路22aを介して、第2三方継手13bの一方の流入口側が接続されている。バイパス通路22aには、除湿用開閉弁15aが配置されている。
除湿用開閉弁15aは、第1三方継手13aの他方の流出口側と第2三方継手13bの一方の流入口側とを接続する冷媒通路を開閉する電磁弁である。冷凍サイクル装置10は、暖房用開閉弁15bを備えている。暖房用開閉弁15bの基本的構成は、除湿用開閉弁15aと同様である。
除湿用開閉弁15aおよび暖房用開閉弁15bは、冷媒通路を開閉することで、各運転モードの冷媒回路を切り替えることができる。除湿用開閉弁15aおよび暖房用開閉弁15bは、サイクルの冷媒回路を切り替える冷媒回路切替部である。除湿用開閉弁15aおよび暖房用開閉弁15bは、サイクル制御装置60から出力される制御電圧によって制御される。
暖房用膨張弁14aは、少なくとも車室内の暖房を行う運転モード時に、水冷媒熱交換器12の冷媒通路から流出した高圧冷媒を減圧させるとともに、下流側へ流出させる冷媒の流量(質量流量)を調整する暖房用減圧部である。暖房用膨張弁14aは、絞り開度を変更可能に構成された弁体と、この弁体の開度を変化させる電動アクチュエータとを有して構成される電気式の可変絞り機構である。
冷凍サイクル装置10は、冷房用膨張弁14b、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dを備えている。冷房用膨張弁14b、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dの基本的構成は、暖房用膨張弁14aと同様である。
暖房用膨張弁14a、冷房用膨張弁14b、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dは、弁開度を全開にすることで流量調整作用および冷媒減圧作用を殆ど発揮することなく単なる冷媒通路として機能する全開機能、および弁開度を全閉にすることで冷媒通路を閉塞する全閉機能を有している。
この全開機能および全閉機能によって、暖房用膨張弁14a、冷房用膨張弁14b、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dは、各運転モードの冷媒回路を切り替えることができる。暖房用膨張弁14a、冷房用膨張弁14b、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dは、冷媒回路切替部として機能する。暖房用膨張弁14a、冷房用膨張弁14b、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dは、サイクル制御装置60から出力される制御信号(制御パルス)によって制御される。
暖房用膨張弁14aの出口には、室外熱交換器16の冷媒入口側が接続されている。室外熱交換器16は、暖房用膨張弁14aから流出した冷媒と図示しない冷却ファンにより送風された外気とを熱交換させる熱交換器である。室外熱交換器16は、駆動装置室内の前方側に配置されている。このため、車両走行時には、室外熱交換器16に走行風を当てることができる。
室外熱交換器16の冷媒出口には、第3三方継手13cの流入口側が接続されている。第3三方継手13cの一方の流出口には、暖房用通路22bを介して、第4三方継手13dの一方の流入口側が接続されている。暖房用通路22bには、この冷媒通路を開閉する暖房用開閉弁15bが配置されている。
第3三方継手13cの他方の流出口には、第2三方継手13bの他方の流入口側が接続されている。第3三方継手13cの他方の流出口側と第2三方継手13bの他方の流入口側とを接続する冷媒通路には、逆止弁17が配置されている。逆止弁17は、第3三方継手13c側から第2三方継手13b側へ冷媒が流れることを許容し、第2三方継手13b側から第3三方継手13c側へ冷媒が流れることを禁止する。
第2三方継手13bの流出口には、第5三方継手13eの流入口側が接続されている。第5三方継手13eの一方の流出口には、冷房用膨張弁14bの入口側が接続されている。第5三方継手13eの他方の流出口には、第7三方継手13gの流入口側が接続されている。
冷房用膨張弁14bは、少なくとも車室内の冷房を行う運転モード時に、室外熱交換器16から流出した冷媒を減圧させるとともに、下流側へ流出させる冷媒の流量を調整する冷房用膨張弁である。
冷房用膨張弁14bの出口には、室内蒸発器18の冷媒入口側が接続されている。室内蒸発器18は、室内空調ユニット30の空調ケース31内に配置されている。室内蒸発器18は、冷房用膨張弁14bにて減圧された低圧冷媒と送風機32から送風された空気とを熱交換させて低圧冷媒を蒸発させ、低圧冷媒に吸熱作用を発揮させることによって空気を冷却する室内蒸発器である。
室内蒸発器18の冷媒出口には、蒸発圧力調整弁20の入口側が接続されている。蒸発圧力調整弁20は、室内蒸発器18の着霜を抑制するために、室内蒸発器18における冷媒蒸発圧力を、予め定めた基準圧力以上に維持する。蒸発圧力調整弁20は、室内蒸発器18の出口側冷媒の圧力の上昇に伴って、弁開度を増加させる機械式の可変絞り機構である。これにより、蒸発圧力調整弁20は、室内蒸発器18における冷媒蒸発温度を、室内蒸発器18の着霜を抑制可能な着霜抑制温度(本実施形態では、1℃)以上に維持している。
蒸発圧力調整弁20の出口には、第6三方継手13fの一方の流入口側が接続されている。
第7三方継手13gの一方の流出口には、第1冷却用膨張弁14cの入口側が接続されている。第7三方継手13gの他方の流出口には、第2冷却用膨張弁14dの入口側が接続されている。
第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dは、少なくとも電池の冷却を行う運転モード時に、室外熱交換器16から流出した冷媒を減圧させるとともに、下流側へ流出させる冷媒の流量を調整する冷却用膨張弁である。
第1冷却用膨張弁14cの出口には、第1電池冷却器19aの冷媒通路の入口側が接続されている。第1電池冷却器19aは、第1冷却用膨張弁14cにて減圧された低圧冷媒を流通させる冷媒通路を有している。第1電池冷却器19aは、冷媒通路を流通する低圧冷媒を電池の熱によって蒸発させて吸熱作用を発揮させる蒸発部である。第1電池冷却器19aの冷媒通路の出口には、第8三方継手13hの一方の流入口側が接続されている。
第2冷却用膨張弁14dの出口には、第2電池冷却器19bの冷媒通路の入口側が接続されている。第2電池冷却器19bは、第2冷却用膨張弁14dにて減圧された低圧冷媒を流通させる冷媒通路を有している。第2電池冷却器19bは、冷媒通路を流通する低圧冷媒を電池の熱によって蒸発させて吸熱作用を発揮させる蒸発部である。第2電池冷却器19bの冷媒通路の出口には、第8三方継手13hの他方の流入口側が接続されている。
例えば、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bは、空気や冷却水等の熱媒体を介して電池から吸熱する熱交換器である。第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bは、空気や冷却水等の熱媒体を介することなく、熱伝導によって電池から直接吸熱する冷却器であってもよい。
第8三方継手13hの流出口には、第6三方継手13fの他方の流入口側が接続されている。第6三方継手13fの流出口には、第4三方継手13dの他方の流入口側が接続されている。第4三方継手13dの流出口には、アキュムレータ21の入口側が接続されている。アキュムレータ21は、内部に流入した冷媒の気液を分離して、サイクル内の余剰液相冷媒を蓄える気液分離部である。アキュムレータ21の気相冷媒出口には、圧縮機11の吸入口側が接続されている。
アキュムレータ21には、分離された液相冷媒中に混在する冷凍機油を圧縮機11に戻すオイル戻し穴が形成されている。アキュムレータ21内の冷凍機油は、少量の液相冷媒とともに圧縮機11へ戻される。
本実施形態の第5三方継手13eは、室外熱交換器16から流出した冷媒の流れを分岐する分岐部である。第6三方継手13fは、室内蒸発器18から流出した冷媒の流れと第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bから流出した冷媒の流れとを合流させて、圧縮機11の吸入側へ流出させる合流部である。
第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bは、室内蒸発器18に対して、冷媒流れにおいて互いに並列的に接続されている。バイパス通路22aは、水冷媒熱交換器12の冷媒通路から流出した冷媒を、分岐部の上流側へ導いている。暖房用通路22bは、室外熱交換器16から流出した冷媒を、圧縮機11の吸入口側へ導いている。
高温側熱媒体回路40は、高温側熱媒体を循環させる熱媒体循環回路である。高温側熱媒体としては、エチレングリコール、ジメチルポリシロキサン、あるいはナノ流体等を含む溶液、不凍液等を採用することができる。高温側熱媒体回路40には、水冷媒熱交換器12の水通路、高温側熱媒体ポンプ41、ヒータコア42等が配置されている。
高温側熱媒体ポンプ41は、高温側熱媒体を水冷媒熱交換器12の水通路の入口側へ圧送する水ポンプである。高温側熱媒体ポンプ41は、サイクル制御装置60から出力される制御電圧によって、回転数(すなわち、圧送能力)が制御される電動ポンプである。
水冷媒熱交換器12の水通路の出口には、ヒータコア42の熱媒体入口側が接続されている。ヒータコア42は、水冷媒熱交換器12にて加熱された高温側熱媒体と室内蒸発器18を通過した空気とを熱交換させて、空気を加熱する熱交換器である。ヒータコア42は、室内空調ユニット30の空調ケース31内に配置されている。ヒータコア42の熱媒体出口には、高温側熱媒体ポンプ41の吸入口側が接続されている。
高温側熱媒体回路40では、高温側熱媒体ポンプ41が、ヒータコア42へ流入する高温側熱媒体の流量を調整することによって、ヒータコア42における高温側熱媒体の空気への放熱量(すなわち、ヒータコア42における空気の加熱量)を調整することができる。
水冷媒熱交換器12および高温側熱媒体回路40の各構成機器は、圧縮機11から吐出された冷媒を熱源として、空気を加熱する加熱部である。
室内空調ユニット30は、冷凍サイクル装置10によって温度調整された空気を車室内へ吹き出すためのものである。室内空調ユニット30は、車室内最前部の計器盤(インストルメントパネル)の内側に配置されている。
室内空調ユニット30は、その外殻を形成する空調ケース31内に形成された空気通路内に送風機32、室内蒸発器18、ヒータコア42等を収容したものである。
空調ケース31は、車室内に送風される空気の空気通路を形成している。空調ケース31は、ある程度の弾性を有し、強度的にも優れた樹脂(例えば、ポリプロピレン)にて成形されている。
空調ケース31の空気流れ最上流側には、内外気切替装置33が配置されている。内外気切替装置33は、空調ケース31内へ内気(すなわち車室内空気)と外気(すなわち車室外空気)とを切替導入するものである。
内外気切替装置33は、空調ケース31内へ内気を導入させる内気導入口および外気を導入させる外気導入口の開口面積を、内外気切替ドアによって連続的に調整して、内気の導入風量と外気の導入風量との導入割合を変化させる。内外気切替ドアは、内外気切替ドア用の電動アクチュエータによって駆動される。内外気切替ドア用の電動アクチュエータは、サイクル制御装置60から出力される制御信号によって制御される。
内外気切替装置33の空気流れ下流側には、送風機32が配置されている。送風機32は、内外気切替装置33を介して吸入した空気を車室内へ向けて送風する。送風機32は、遠心多翼ファンを電動モータにて駆動する電動送風機である。送風機32は、サイクル制御装置60から出力される制御電圧によって、回転数(すなわち、送風能力)が制御される。
送風機32の空気流れ下流側には、室内蒸発器18、ヒータコア42が、空気流れに対して、この順に配置されている。室内蒸発器18は、ヒータコア42よりも、空気流れ上流側に配置されている。
空調ケース31内には、室内蒸発器18通過後の空気を、ヒータコア42を迂回して流す冷風バイパス通路35が設けられている。空調ケース31内の室内蒸発器18の空気流れ下流側、かつヒータコア42の空気流れ上流側には、エアミックスドア34が配置されている。
エアミックスドア34は、室内蒸発器18通過後の空気のうち、ヒータコア42側を通過する空気の風量と冷風バイパス通路35を通過させる空気の風量との風量割合を調整する風量割合調整部である。エアミックスドア34は、エアミックスドア用の電動アクチュエータによって駆動される。この電動アクチュエータは、サイクル制御装置60から出力される制御信号によって制御される。
空調ケース31内のヒータコア42および冷風バイパス通路35の空気流れ下流側には、混合空間が配置されている。混合空間は、ヒータコア42にて加熱された空気と冷風バイパス通路35を通過して加熱されていない空気とを混合させる空間である。
空調ケース31の空気流れ下流部には、混合空間にて混合された空気(すなわち、空調風)を、空調対象空間である車室内へ吹き出すための開口穴が配置されている。
この開口穴としては、フェイス開口穴、フット開口穴、およびデフロスタ開口穴(いずれも図示せず)が設けられている。フェイス開口穴は、車室内の乗員の上半身に向けて空調風を吹き出すための開口穴である。フット開口穴は、乗員の足元に向けて空調風を吹き出すための開口穴である。デフロスタ開口穴は、車両前面窓ガラス内側面に向けて空調風を吹き出すための開口穴である。
これらのフェイス開口穴、フット開口穴、およびデフロスタ開口穴は、それぞれ空気通路を形成するダクトを介して、車室内に設けられたフェイス吹出口、フット吹出口およびデフロスタ吹出口(いずれも図示せず)に接続されている。
エアミックスドア34が、ヒータコア42を通過させる風量と冷風バイパス通路35を通過させる風量との風量割合を調整することによって、混合空間にて混合される空調風の温度が調整される。これにより、各吹出口から車室内へ吹き出される空気(空調風)の温度が調整される。
フェイス開口穴、フット開口穴、およびデフロスタ開口穴の空気流れ上流側には、それぞれ、フェイスドア、フットドア、およびデフロスタドア(いずれも図示せず)が配置されている。フェイスドアは、フェイス開口穴の開口面積を調整するものである。フットドアは、フット開口穴の開口面積を調整するものである。デフロスタドアは、デフロスタ開口穴の開口面積を調整するものである。
これらのフェイスドア、フットドア、デフロスタドアは、吹出口モードを切り替える吹出口モード切替装置を構成するものである。これらのドアは、リンク機構等を介して、吹出口モードドア駆動用の電動アクチュエータに連結されて連動して回転操作される。この電動アクチュエータも、サイクル制御装置60から出力される制御信号によって、その作動が制御される。
吹出口モード切替装置によって切り替えられる吹出口モードとしては、具体的に、フェイスモード、バイレベルモード、フットモード等がある。
フェイスモードは、フェイス吹出口を全開としてフェイス吹出口から車室内乗員の上半身に向けて空気を吹き出す吹出口モードである。バイレベルモードは、フェイス吹出口とフット吹出口の両方を開口して車室内乗員の上半身と足元に向けて空気を吹き出す吹出口モードである。フットモードは、フット吹出口を全開とするとともにデフロスタ吹出口を小開度だけ開口して、フット吹出口から主に空気を吹き出す吹出口モードである。
乗員が操作パネル70に設けられた吹出モード切替スイッチをマニュアル操作することによって、デフロスタモードに切り替えることもできる。デフロスタモードは、デフロスタ吹出口を全開としてデフロスタ吹出口からフロント窓ガラス内面に空気を吹き出す吹出口モードである。
次に、本実施形態の電気制御部の概要について説明する。サイクル制御装置60は、CPU、ROMおよびRAM等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。そして、そのROM内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、その出力側に接続された各種制御対象機器11、14a~14d、15a、15b、32、41等の作動を制御する。
サイクル制御装置60の入力側には、図2のブロック図に示すように、内気温センサ61、外気温センサ62、日射センサ63、第1~第8冷媒温度センサ64a~64h、蒸発器温度センサ64i、第1~第2冷媒圧力センサ65a~65b、高温側熱媒体温度センサ66a、電池制御装置69等が接続されている。そして、サイクル制御装置60には、これらのセンサ群の検出信号が入力される。
内気温センサ61は、内気温Tr(すなわち車室内温度)を検出する内気温検出部である。外気温センサ62は、外気温Tam(すなわち車室外温度)を検出する外気温検出部である。日射センサ63は、車室内へ照射される日射量Tsを検出する日射量検出部である。
第1冷媒温度センサ64aは、圧縮機11から吐出された冷媒の温度T1を検出する吐出冷媒温度検出部である。第2冷媒温度センサ64bは、水冷媒熱交換器12の冷媒通路から流出した冷媒の温度T2を検出する第2冷媒温度検出部である。第3冷媒温度センサ64cは、室外熱交換器16から流出した冷媒の温度T3を検出する第3冷媒温度検出部である。第4冷媒温度センサ64dは、室内蒸発器18から流出した冷媒の温度T4を検出する第4冷媒温度検出部である。
第5冷媒温度センサ64eは、第1電池冷却器19aの冷媒通路に流入する冷媒の温度T5を検出する第5冷媒温度検出部である。第6冷媒温度センサ64fは、第1電池冷却器19aの冷媒通路から流出した冷媒の温度T6を検出する第6冷媒温度検出部である。第7冷媒温度センサ64gは、第2電池冷却器19bの冷媒通路に流入する冷媒の温度T7を検出する第7冷媒温度検出部である。第8冷媒温度センサ64hは、第2電池冷却器19bの冷媒通路から流出した冷媒の温度T8を検出する第8冷媒温度検出部である。
蒸発器温度センサ64iは、室内蒸発器18における冷媒蒸発温度である蒸発器温度Tefinを検出する蒸発器温度検出部である。本実施形態の蒸発器温度センサ64iは、室内蒸発器18の熱交換フィン温度を検出している。
第1冷媒圧力センサ65aは、水冷媒熱交換器12の冷媒通路から流出した冷媒の圧力P1を検出する第1冷媒圧力検出部である。第2冷媒圧力センサ65bは、第1電池冷却器19aの冷媒通路および第2電池冷却器19bの冷媒通路から流出した冷媒の圧力P2を検出する第2冷媒圧力検出部である。
高温側熱媒体温度センサ66aは、水冷媒熱交換器12の水通路から流出した高温側熱媒体の温度である高温側熱媒体温度TWHを検出する高温側熱媒体温度検出部である。
電池制御装置69は、電池の入出力を制御する電池制御部である。電池制御装置69には、電池温度センサ69aからの検出信号が入力される。
電池温度センサ69aは、電池温度TB(すなわち、電池の温度)を検出する電池温度検出部である。本実施形態の電池温度センサ69aは、複数の温度センサを有し、電池の複数の箇所の温度を検出している。このため、サイクル制御装置60では、電池の各部の温度差を検出することもできる。電池温度TBとしては、複数の温度センサの検出値の平均値を採用している。
サイクル制御装置60には、電池制御装置69から、電池の急速充電を開始する時刻や、電池温度TB等の情報が入力される。
サイクル制御装置60の入力側には、車室内前部の計器盤付近に配置された操作パネル70が接続され、この操作パネル70に設けられた各種操作スイッチからの操作信号が入力される。
操作パネル70に設けられた各種操作スイッチとしては、具体的に、車両用空調装置の自動制御運転を設定あるいは解除するオートスイッチ、室内蒸発器18で空気の冷却を行うことを要求するエアコンスイッチ、送風機32の風量をマニュアル設定する風量設定スイッチ、車室内の目標温度Tsetを設定する温度設定スイッチ、吹出モードをマニュアル設定する吹出モード切替スイッチ等がある。
なお、本実施形態のサイクル制御装置60は、その出力側に接続された各種制御対象機器を制御する制御部が一体に構成されたものである。サイクル制御装置60のうちそれぞれの制御対象機器の作動を制御する構成(ハードウェアおよびソフトウェア)は、それぞれの制御対象機器の作動を制御する制御部である。
例えば、サイクル制御装置60のうち、圧縮機11の冷媒吐出能力(具体的には、圧縮機11の回転数)を制御する構成は、圧縮機制御部60aである。また、暖房用膨張弁14a、冷房用膨張弁14b、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dの作動を制御する構成は、膨張弁制御部60bである。除湿用開閉弁15aおよび暖房用開閉弁15bの作動を制御する構成は、冷媒回路切替制御部60cである。
高温側熱媒体ポンプ41の高温側熱媒体の圧送能力を制御する構成は、高温側熱媒体ポンプ制御部60dである。
次に、上記構成における本実施形態の作動について説明する。本実施形態の車両用空調装置1は、車室内の空調を行うとともに、電池の温度を調整する。冷凍サイクル装置10では、冷媒回路を切り替えて、以下の11種類の運転モードでの運転を行うことができる。
(1)冷房モード:冷房モードは、電池の冷却を行うことなく、空気を冷却して車室内へ吹き出すことによって車室内の冷房を行う運転モードである。
(2)直列除湿暖房モード:直列除湿暖房モードは、電池の冷却を行うことなく、冷却されて除湿された空気を再加熱して車室内へ吹き出すことによって車室内の除湿暖房を行う運転モードである。
(3)並列除湿暖房モード:並列除湿暖房モードは、電池の冷却を行うことなく、冷却されて除湿された空気を直列除湿暖房モードよりも高い加熱能力で再加熱して車室内へ吹き出すことによって車室内の除湿暖房を行う運転モードである。
(4)暖房モード:暖房モードは、電池の冷却を行うことなく、空気を加熱して車室内へ吹き出すことによって車室内の暖房を行う運転モードである。
(5)冷房冷却モード:冷房冷却モードは、電池の冷却を行うとともに、空気を冷却して車室内へ吹き出すことによって車室内の冷房を行う運転モードである。
(6)直列除湿暖房冷却モード:直列除湿暖房冷却モードは、電池の冷却を行うとともに、冷却されて除湿された空気を再加熱して車室内へ吹き出すことによって車室内の除湿暖房を行う運転モードである。
(7)並列除湿暖房冷却モード:並列除湿暖房冷却モードは、電池の冷却を行うとともに、冷却されて除湿された空気を直列除湿暖房冷却モードよりも高い加熱能力で再加熱して車室内へ吹き出すことによって車室内の除湿暖房を行う運転モードである。
(8)暖房冷却モード:暖房冷却モードは、電池の冷却を行うとともに、空気を加熱して車室内へ吹き出すことによって車室内の暖房を行う運転モードである。
(9)暖房直列冷却モード:暖房直列冷却モードは、電池の冷却を行うとともに、空気を暖房冷却モードよりも高い加熱能力で加熱して車室内へ吹き出すことによって車室内の暖房を行う運転モードである。
(10)暖房並列冷却モード:暖房並列冷却モードは、電池の冷却を行うとともに、空気を暖房直列冷却モードよりも高い加熱能力で加熱して車室内へ吹き出すことによって車室内の暖房を行う運転モードである。
(11)冷却モード:車室内の空調を行うことなく、電池の冷却を行う運転モードである。
これらの運転モードの切り替えは、制御プログラムが実行されることによって行われる。制御プログラムは、乗員の操作によって操作パネル70のオートスイッチが投入(ON)されて、車室内の自動制御が設定された際に実行される。図3~図7を用いて、制御プログラムについて説明する。また、図3等のフローチャートに示す各制御ステップは、サイクル制御装置60が有する機能実現部である。
まず、図3のステップS10では、上述したセンサ群の検出信号、および操作パネル70の操作信号を読み込む。続くステップS20では、ステップS10にて読み込んだ検出信号および操作信号に基づいて、車室内へ送風される空気の目標温度である目標吹出温度TAOを決定する。従って、ステップS20は、目標吹出温度決定部である。
具体的には、目標吹出温度TAOは、以下数式F1によって算出される。
TAO=Kset×Tset-Kr×Tr-Kam×Tam-Ks×Ts+C…(F1)
なお、Tsetは温度設定スイッチによって設定された車室内設定温度である。Trは内気センサによって検出された車室内温度である。Tamは外気センサによって検出された車室外温度である。Tsは日射センサによって検出された日射量である。Kset、Kr、Kam、Ksは制御ゲインであり、Cは補正用の定数である。
次に、ステップS30では、エアコンスイッチがON(投入)されているか否かが判定される。エアコンスイッチがONされていることは、乗員が車室内の冷房あるいは除湿を要求していることを意味している。換言すると、エアコンスイッチがONされていることは、室内蒸発器18にて空気を冷却することが要求されていることを意味している。
ステップS30にて、エアコンスイッチがONされていると判定された場合は、ステップS40へ進む。ステップS30にて、エアコンスイッチがONされていないと判定された場合は、ステップS160へ進む。
ステップS40では、外気温Tamが予め定めた基準外気温KA(本実施形態では、0℃)以上であるか否かが判定される。基準外気温KAは、室内蒸発器18にて空気を冷却することが、空調対象空間の冷房あるいは除湿を行うために有効となるように設定されている。
より詳細には、本実施形態では、室内蒸発器18の着霜を抑制するために、蒸発圧力調整弁20によって室内蒸発器18における冷媒蒸発温度を着霜抑制温度(本実施形態では、1℃)以上に維持している。このため、室内蒸発器18では、空気を着霜抑制温度より低い温度に冷却することができない。
つまり、室内蒸発器18へ流入する空気の温度が着霜抑制温度の温度よりも低くなっている際には、室内蒸発器18にて空気を冷却することは有効ではない。そこで、基準外気温KAを着霜抑制温度より低い値に設定し、外気温Tamが基準外気温KAより低くなっている際には、室内蒸発器18にて空気を冷却しないようにしている。
ステップS40にて、外気温Tamが基準外気温KA以上であると判定された場合は、ステップS50へ進む。ステップS40にて、外気温Tamが基準外気温KA以上ではないと判定された場合は、ステップS160へ進む。
ステップS50では、目標吹出温度TAOが冷房用基準温度α1以下であるか否かが判定される。冷房用基準温度α1は、サイクル制御装置60によって決定される。
ステップS50にて、目標吹出温度TAOが冷房用基準温度α1以下であると判定された場合は、ステップS60へ進む。ステップS50にて、目標吹出温度TAOが冷房用基準温度α1以下ではないと判定された場合は、ステップS90へ進む。
ステップS60では、電池の冷却が必要であるか否かが判定される。具体的には、本実施形態では、電池温度センサ69aによって検出された電池温度TBが予め定めた基準冷却温度KTB(本実施形態では、35℃)以上となっている際に、電池の冷却が必要であると判定する。また、電池温度TBが基準冷却温度KTBより低くなっている際に、電池の冷却は必要でないと判定する。
ステップS60にて、電池の冷却が必要であると判定された場合は、ステップS70へ進み、運転モードとして(5)冷房冷却モードが選択される。ステップS60にて、電池の冷却が必要でないと判定された場合は、ステップS80へ進み、運転モードとして(1)冷房モードが選択される。
ステップS90では、目標吹出温度TAOが除湿用基準温度β1以下であるか否かが判定される。除湿用基準温度β1は、サイクル制御装置60によって決定される。除湿用基準温度β1は、冷房用基準温度α1よりも高い値に決定される。
ステップS90にて、目標吹出温度TAOが除湿用基準温度β1以下であると判定された場合は、ステップS100へ進む。ステップS90にて、目標吹出温度TAOが除湿用基準温度β1以下ではないと判定された場合は、ステップS130へ進む。
ステップS100では、ステップS60と同様に、電池の冷却が必要であるか否かが判定される。
ステップS100にて、電池の冷却が必要であると判定された場合は、ステップS110へ進み、冷凍サイクル装置10の運転モードとして(6)直列除湿暖房冷却モードが選択される。ステップS100にて、電池の冷却が必要でないと判定された場合は、ステップS120へ進み、運転モードとして(2)直列除湿暖房モードが選択される。
ステップS130では、ステップS60と同様に、電池の冷却が必要であるか否かが判定される。
ステップS130にて、電池の冷却が必要であると判定された場合は、ステップS140へ進み、冷凍サイクル装置10の運転モードとして(7)並列除湿暖房冷却モードが選択される。ステップS100にて、電池の冷却が必要でないと判定された場合は、ステップS150へ進み、運転モードとして(3)並列除湿暖房モードが選択される。
続いて、ステップS30あるいはステップS40からステップS160へ進んだ場合について説明する。ステップS30あるいはステップS40からステップS160へ進んだ場合は、室内蒸発器18にて空気を冷却することが有効ではないと判定された場合である。ステップS160では、図4に示すように、目標吹出温度TAOが暖房用基準温度γ以上であるか否かが判定される。
暖房用基準温度γは、サイクル制御装置60によって決定される。暖房用基準温度γは、ヒータコア42にて空気を加熱することが、空調対象空間の暖房を行うために有効となるように設定されている。
ステップS160にて、目標吹出温度TAOが暖房用基準温度γ以上であると判定された場合は、ヒータコア42にて空気を加熱する必要がある場合であり、ステップS170へ進む。ステップS160にて、目標吹出温度TAOが暖房用基準温度γ以上ではないと判定された場合は、ヒータコア42にて空気を加熱する必要がない場合であり、ステップS240へ進む。
ステップS170では、ステップS60と同様に、電池の冷却が必要であるか否かが判定される。
ステップS170にて、電池の冷却が必要であると判定された場合は、ステップS180へ進む。ステップS170にて、電池の冷却が必要でないと判定された場合は、ステップS230へ進み、運転モードとして(4)暖房モードが選択される。
ここで、ステップS170にて、電池の冷却が必要であると判定されてステップS180へ進んだ場合は、車室内の暖房と電池の冷却との双方を行う必要がある。このため、冷凍サイクル装置10では、水冷媒熱交換器12にて冷媒が高温側熱媒体へ放熱する放熱量と、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bにて冷媒が電池から吸熱する吸熱量とを適切に調整する必要がある。
そこで、本実施形態の冷凍サイクル装置10では、車室内の暖房と電池の冷却との双方を行う必要がある場合には、図4のステップS180~S220に示すように、(8)暖房冷却モード、(9)暖房直列冷却モード、(10)暖房並列冷却モードの3つの運転モードを切り替える。
まず、ステップS180では、目標吹出温度TAOが低温側冷却基準温度α2以下であるか否かが判定される。低温側冷却基準温度α2は、サイクル制御装置60によって決定される。低温側冷却基準温度α2は、冷房用基準温度α1よりも高く、かつ除湿用基準温度β1よりも低い値に決定される。
ステップS180にて、目標吹出温度TAOが低温側冷却基準温度α2以下であると判定された場合は、ステップS190へ進み、運転モードとして(8)暖房冷却モードが選択される。ステップS180にて、目標吹出温度TAOが低温側冷却基準温度α2以下ではないと判定された場合は、ステップS200へ進む。
ステップS200では、目標吹出温度TAOが高温側冷却基準温度β2以下であるか否かが判定される。高温側冷却基準温度β2は、サイクル制御装置60によって決定される。高温側冷却基準温度β2は、除湿用基準温度β1よりも高い値に決定される。
ステップS200にて、目標吹出温度TAOが高温側冷却基準温度β2以下であると判定された場合は、ステップS210へ進み、運転モードとして(9)暖房直列冷却モードが選択される。ステップS200にて、目標吹出温度TAOが高温側冷却基準温度β2以下ではないと判定された場合は、ステップS220へ進み、運転モードとして(10)暖房並列冷却モードが選択される。
続いて、ステップS160からステップS240へ進んだ場合について説明する。ステップS160からステップS240へ進んだ場合は、ヒータコア42にて空気を加熱する必要がない場合である。そこで、ステップS240では、ステップS60と同様に、電池の冷却が必要であるか否かが判定される。
ステップS240にて、電池の冷却が必要であると判定された場合は、ステップS250へ進み、運転モードとして(11)冷却モードが選択される。ステップS200にて、電池の冷却が必要でないと判定された場合は、ステップS260へ進み、運転モードとして送風モードが選択されて、ステップS10へ戻る。
送風モードは、圧縮機11を停止させて、風量設定スイッチによって設定された設定信号に応じて送風機32を作動させる運転モードである。なお、ステップS240にて、電池の冷却が必要でないと判定された場合は、車室内の空調および電池の冷却のための冷凍サイクル装置10を作動させる必要がない場合である。
本実施形態の制御プログラムでは、以上の如く、冷凍サイクル装置10の運転モードの切り替えを行う。さらに、この制御プログラムでは、冷凍サイクル装置10の各構成機器の作動のみならず、加熱部を構成する高温側熱媒体回路40の高温側熱媒体ポンプ41の作動も制御している。
具体的には、サイクル制御装置60は、上述した冷凍サイクル装置10の運転モードによらず、予め定めた各運転モード毎の基準圧送能力を発揮するように、高温側熱媒体ポンプ41の作動を制御する。
従って、高温側熱媒体回路40では、水冷媒熱交換器12の水通路にて、高温側熱媒体が加熱されると、加熱された高温側熱媒体がヒータコア42へ圧送される。ヒータコア42へ流入した高温側熱媒体は、空気と熱交換する。これにより、空気が加熱される。ヒータコア42から流出した高温側熱媒体は、高温側熱媒体ポンプ41に吸入されて、水冷媒熱交換器12へ圧送される。
以下に、各運転モードにおける車両用空調装置1の詳細作動について説明する。各運転モードでは、サイクル制御装置60が、各運転モードの制御フローを実行する。
(1)冷房モード
冷房モードでは、制御装置60が、図5に示す冷房モードの制御フローを実行する。まず、ステップS600では、目標蒸発器温度TEOを決定する。目標蒸発器温度TEOは、目標吹出温度TAOに基づいて、サイクル制御装置60に記憶された制御マップを参照して決定される。本実施形態の制御マップでは、目標吹出温度TAOの上昇に伴って、目標蒸発器温度TEOが上昇するように決定される。
ステップS610では、圧縮機11の回転数の増減量ΔIVOを決定する。増減量ΔIVOは、目標蒸発器温度TEOと蒸発器温度センサ64iによって検出された蒸発器温度Tefinとの偏差に基づいて、フィードバック制御手法により、蒸発器温度Tefinが目標蒸発器温度TEOに近づくように決定される。
圧縮機11の回転数を増減量ΔIVOで増減させると圧縮機11の回転数が下限回転数Ncmin(本実施形態では、1000rpm)未満となる場合は、圧縮機11を停止させる。
ステップS620では、室外熱交換器16から流出した冷媒の目標過冷却度SCO1を決定する。目標過冷却度SCO1は、例えば、外気温Tamに基づいて、制御マップを参照して決定される。本実施形態の制御マップでは、サイクルの成績係数(COP)が極大値に近づくように、目標過冷却度SCO1を決定する。
ステップS630では、冷房用膨張弁14bの絞り開度の増減量ΔEVCを決定する。増減量ΔEVCは、目標過冷却度SCO1と室外熱交換器16の出口側冷媒の過冷却度SC1との偏差に基づいて、フィードバック制御手法により、室外熱交換器16の出口側冷媒の過冷却度SC1が目標過冷却度SCO1に近づくように決定される。
室外熱交換器16の出口側冷媒の過冷却度SC1は、第3冷媒温度センサ64cによって検出された温度T3および第1冷媒圧力センサ65aによって検出された圧力P1に基づいて算出される。
ステップS640では、以下数式F2を用いて、エアミックスドア34の開度SWを算定する。
SW={TAO+(Tefin+C2)}/{TWH+(Tefin+C2)}
…(F2)
なお、TWHは、高温側熱媒体温度センサ66aによって検出された高温側熱媒体温度である。C2は制御用の定数である。
ステップS650では、冷凍サイクル装置10を冷房モードの冷媒回路に切り替えるために、暖房用膨張弁14aを全開状態とし、冷房用膨張弁14bを冷媒減圧作用を発揮する絞り状態とし、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dを全閉状態とし、除湿用開閉弁15aを閉じ、暖房用開閉弁15bを閉じる。さらに、上述のステップで決定された制御状態が得られるように、各制御対象機器に対して制御信号あるいは制御電圧を出力して、ステップS10へ戻る。
従って、冷房モードの冷凍サイクル装置10では、圧縮機11、水冷媒熱交換器12、暖房用膨張弁14a、室外熱交換器16、逆止弁17、冷房用膨張弁14b、室内蒸発器18、蒸発圧力調整弁20、アキュムレータ21、圧縮機11の順に冷媒が循環する蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。
つまり、冷房モードの冷凍サイクル装置10では、水冷媒熱交換器12および室外熱交換器16が圧縮機11から吐出された冷媒を放熱させる放熱器(換言すれば放熱部)として機能し、冷房用膨張弁14bが冷媒を減圧させる減圧部として機能し、室内蒸発器18が蒸発器として機能する蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。
これによれば、室内蒸発器18にて、空気を冷却することができるとともに、水冷媒熱交換器12にて、高温側熱媒体を加熱することができる。
従って、冷房モードの車両用空調装置1では、エアミックスドア34の開度調整によって、室内蒸発器18にて冷却された空気の一部をヒータコア42にて再加熱し、目標吹出温度TAOに近づくように温度調整された空気を車室内へ吹き出すことによって、車室内の冷房を行うことができる。
(2)直列除湿暖房モード
直列除湿暖房モードの制御フローでは、最初のステップで、冷房モードと同様に、目標蒸発器温度TEOを決定する。次のステップでは、冷房モードと同様に、圧縮機11の回転数の増減量ΔIVOを決定する。
圧縮機11の回転数を増減量ΔIVOで増減させると圧縮機11の回転数が下限回転数Ncmin(本実施形態では、1000rpm)未満となる場合は、圧縮機11を停止させる。
次のステップでは、ヒータコア42にて空気を加熱できるように、高温側熱媒体の目標高温側熱媒体温度TWHOを決定する。目標高温側熱媒体温度TWHOは、目標吹出温度TAOおよびヒータコア42の効率に基づいて、制御マップを参照して決定される。本実施形態の制御マップでは、目標吹出温度TAOの上昇に伴って、目標高温側熱媒体温度TWHOが上昇するように決定される。
次のステップでは、暖房用膨張弁14aの絞り開度および冷房用膨張弁14bの絞り開度を決定する。具体的には、直列除湿暖房モードでは、目標吹出温度TAOが上昇するに伴って、暖房用膨張弁14aの絞り開度が小さくなり、冷房用膨張弁14bの絞り開度が大きくなる。
次のステップでは、冷房モードと同様に、エアミックスドア34の開度SWを算定する。ここで、直列除湿暖房モードでは、冷房モードよりも目標吹出温度TAOが高くなるので、エアミックスドア34の開度SWが100%に近づく。このため、直列除湿暖房モードでは、室内蒸発器18通過後の空気のほぼ全流量がヒータコア42を通過するように、エアミックスドア34の開度が決定される。
次のステップでは、冷凍サイクル装置10を直列除湿暖房モードの冷媒回路に切り替えるために、暖房用膨張弁14aを絞り状態とし、冷房用膨張弁14bを絞り状態とし、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dを全閉状態とし、除湿用開閉弁15aを閉じ、暖房用開閉弁15bを閉じる。さらに、上述のステップで決定された制御状態が得られるように、各制御対象機器に対して制御信号あるいは制御電圧を出力して、ステップS10へ戻る。
従って、直列除湿暖房モードの冷凍サイクル装置10では、圧縮機11、水冷媒熱交換器12、暖房用膨張弁14a、室外熱交換器16、逆止弁17、冷房用膨張弁14b、室内蒸発器18、蒸発圧力調整弁20、アキュムレータ21、圧縮機11の順に冷媒が循環する蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。
つまり、直列除湿暖房モードの冷凍サイクル装置10では、水冷媒熱交換器12が圧縮機11から吐出された冷媒を放熱させる放熱器(換言すれば放熱部)として機能し、暖房用膨張弁14aおよび冷房用膨張弁14bが減圧部として機能し、室内蒸発器18が蒸発器として機能する蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。
さらに、室外熱交換器16における冷媒の飽和温度が、外気温Tamよりも高くなっている際には、室外熱交換器16が放熱器(換言すれば放熱部)として機能するサイクルが構成される。室外熱交換器16における冷媒の飽和温度が、外気温Tamよりも低くなっている際には、室外熱交換器16が蒸発器として機能するサイクルが構成される。
これによれば、室内蒸発器18にて、空気を冷却することができるとともに、水冷媒熱交換器12にて、高温側熱媒体を加熱することができる。従って、直列除湿暖房モードの車両用空調装置1では、室内蒸発器18にて冷却されて除湿された空気を、ヒータコア42にて再加熱して車室内へ吹き出すことによって、車室内の除湿暖房を行うことができる。
(3)並列除湿暖房モード
並列除湿暖房モードの制御フローの最初のステップでは、ヒータコア42にて空気を加熱できるように、直列除湿暖房モードと同様に、高温側熱媒体の目標高温側熱媒体温度TWHOが決定される。
次のステップでは、圧縮機11の回転数の増減量ΔIVOを決定する。圧縮機11の回転数を増減量ΔIVOで増減させると圧縮機11の回転数が下限回転数Ncmin(本実施形態では、1000rpm)未満となる場合は、圧縮機11を停止させる。
並列除湿暖房モードでは、増減量ΔIVOは、目標高温側熱媒体温度TWHOと高温側熱媒体温度TWHとの偏差に基づいて、フィードバック制御手法により、高温側熱媒体温度TWHが目標高温側熱媒体温度TWHOに近づくように決定される。
次のステップでは、室内蒸発器18の出口側冷媒の目標過熱度SHEOを決定する。目標過熱度SHEOとしては、予め定めた定数(本実施形態では、5℃)を採用することができる。
次のステップでは、暖房用膨張弁14aの絞り開度および冷房用膨張弁14bの絞り開度を決定する。並列除湿暖房モードでは、目標過熱度SHEOと室内蒸発器18の出口側冷媒の過熱度SHEとの偏差に基づいて、フィードバック制御手法により、過熱度SHEが目標過熱度SHEOに近づくように決定される。
室内蒸発器18の出口側冷媒の過熱度SHEは、第4冷媒温度センサ64dによって検出された温度T4および蒸発器温度Tefinに基づいて算出される。
次のステップでは、冷房モードと同様に、エアミックスドア34の開度SWを算定する。ここで、並列除湿暖房モードでは、冷房モードよりも目標吹出温度TAOが高くなるので、直列除湿暖房モードと同様に、エアミックスドア34の開度SWが100%に近づく。このため、並列除湿暖房モードでは、室内蒸発器18通過後の空気のほぼ全流量がヒータコア42を通過するように、エアミックスドア34の開度が決定される。
次のステップでは、冷凍サイクル装置10を並列除湿暖房モードの冷媒回路に切り替えるために、暖房用膨張弁14aを絞り状態とし、冷房用膨張弁14bを絞り状態とし、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dを全閉状態とし、除湿用開閉弁15aを開き、暖房用開閉弁15bを開く。さらに、上述のステップで決定された制御状態が得られるように、各制御対象機器に対して制御信号あるいは制御電圧を出力して、ステップS10へ戻る。
従って、並列除湿暖房モードの冷凍サイクル装置10では、圧縮機11、水冷媒熱交換器12、暖房用膨張弁14a、室外熱交換器16、暖房用通路22b、アキュムレータ21、圧縮機11の順に冷媒が循環するとともに、圧縮機11、水冷媒熱交換器12、バイパス通路22a、冷房用膨張弁14b、室内蒸発器18、蒸発圧力調整弁20、アキュムレータ21、圧縮機11の順に冷媒が循環する蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。
つまり、並列除湿暖房モードの冷凍サイクル装置10では、水冷媒熱交換器12が圧縮機11から吐出された冷媒を放熱させる放熱器(換言すれば放熱部)として機能し、暖房用膨張弁14aが減圧部として機能し、室外熱交換器16が蒸発器として機能するとともに、暖房用膨張弁14aおよび室外熱交換器16に対して並列的に接続された冷房用膨張弁14bが減圧部として機能し、室内蒸発器18が蒸発器として機能する冷凍サイクルが構成される。
これによれば、室内蒸発器18にて空気を冷却することができるとともに、水冷媒熱交換器12にて、高温側熱媒体を加熱することができる。従って、並列除湿暖房モードの車両用空調装置1では、室内蒸発器18にて冷却されて除湿された空気を、ヒータコア42にて再加熱して車室内へ吹き出すことによって、車室内の除湿暖房を行うことができる。
(4)暖房モード
暖房モードの制御フローの最初のステップでは、並列除湿暖房モードと同様に、高温側熱媒体の目標高温側熱媒体温度TWHOが決定される。次のステップでは、並列除湿暖房モードと同様に、圧縮機11の回転数の増減量ΔIVOを決定する。圧縮機11の回転数を増減量ΔIVOで増減させると圧縮機11の回転数が下限回転数Ncmin(本実施形態では、1000rpm)未満となる場合は、圧縮機11を停止させる。
次のステップでは、水冷媒熱交換器12の冷媒通路から流出した冷媒の目標過冷却度SCO2を決定する。目標過冷却度SCO2は、室内蒸発器18へ流入する空気の吸込温度あるいは外気温Tamに基づいて、制御マップを参照して決定される。本実施形態の制御マップでは、サイクルの成績係数(COP)が極大値に近づくように、目標過冷却度SCO2を決定する。
次のステップでは、暖房用膨張弁14aの絞り開度の増減量ΔEVHを決定する。増減量ΔEVHは、目標過冷却度SCO2と水冷媒熱交換器12の冷媒通路から流出した冷媒の過冷却度SC2との偏差に基づいて、フィードバック制御手法により、水冷媒熱交換器12の冷媒通路から流出した冷媒の過冷却度SC2が目標過冷却度SCO2に近づくように決定される。
水冷媒熱交換器12の冷媒通路から流出した冷媒の過冷却度SC2は、第2冷媒温度センサ64bによって検出された温度T2および第1冷媒圧力センサ65aによって検出された圧力P1に基づいて算出される。
次のステップでは、冷房モードと同様に、エアミックスドア34の開度SWを算定する。ここで、暖房モードでは、冷房モードよりも目標吹出温度TAOが高くなるので、エアミックスドア34の開度SWが100%に近づく。このため、暖房モードでは、室内蒸発器18通過後の空気のほぼ全流量がヒータコア42を通過するように、エアミックスドア34の開度が決定される。
次のステップでは、冷凍サイクル装置10を暖房モードの冷媒回路に切り替えるために、暖房用膨張弁14aを絞り状態とし、冷房用膨張弁14bを全閉状態とし、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dを全閉状態とし、除湿用開閉弁15aを閉じ、暖房用開閉弁15bを開く。さらに、上述のステップで決定された制御状態が得られるように、各制御対象機器に対して制御信号あるいは制御電圧を出力して、ステップS10へ戻る。
従って、暖房モードの冷凍サイクル装置10では、圧縮機11、水冷媒熱交換器12、暖房用膨張弁14a、室外熱交換器16、暖房用通路22b、アキュムレータ21、圧縮機11の順に冷媒が循環する蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。
つまり、暖房モードの冷凍サイクル装置10では、水冷媒熱交換器12が圧縮機11から吐出された冷媒を放熱させる放熱器(換言すれば放熱部)として機能し、暖房用膨張弁14aが減圧部として機能し、室外熱交換器16が蒸発器として機能する冷凍サイクルが構成される。
これによれば、水冷媒熱交換器12にて、高温側熱媒体を加熱することができる。従って、暖房モードの車両用空調装置1では、ヒータコア42にて加熱された空気を車室内へ吹き出すことによって、車室内の暖房を行うことができる。
(5)冷房冷却モード
冷房冷却モードでは、制御装置60が、図6~7に示す冷房冷却モードでの制御フローを実行する。まず、ステップS1100にて、切替前回転数Nc0が3000rpm以下であったか否かを判定する。切替前回転数Nc0は、冷房冷却モードに切り替えられる前の圧縮機11の回転数である。
ステップS1100にて、切替前回転数Nc0が3000rpm以下であったと判定された場合はステップS1110へ進む。ステップS1100にて、切替前回転数Nc0が3000rpm以下でなかったと判定された場合はステップS1140へ進む。
ステップS1110では、電池の冷却開始初期であるか否かが判定される。本実施形態では、冷房冷却モードに切り替えられてからの経過時間tcが予め定めた所定時間tcO(例えば100秒)以内である場合、電池の冷却開始初期であると判定する。冷房冷却モードに切り替えられてからの経過時間tcが所定時間tcOを越えている場合、電池の冷却開始初期でないと判定する。
ステップS1110にて、電池の冷却開始初期であると判定された場合、ステップS1120へ進む。ステップS60にて、電池の冷却開始初期でないと判定された場合、ステップS1130へ進む。
ステップS1120では、制御実施フラグをONしてステップS1140へ進む。ステップS1130では、制御実施フラグをOFFしてステップS1140へ進む。
制御実施フラグは、(1)冷房モード等から(5)冷房冷却モードに切り替えられた際の室内蒸発器18の吹出温度変動を抑制する制御を行うためのフラグである。
ステップS1140では、圧縮機11の下限回転数Ncminを他の運転モードよりも高い回転数に決定する。換言すれば、圧縮機11の冷媒吐出能力の下限能力を他の運転モードよりも高い能力に決定する。
具体的には、(1)冷房モード等では下限回転数Ncminが1000rpmであるのに対し、(5)冷房冷却モードでは下限回転数Ncminを3000rpmまで増加させる。ただし、下限回転数Ncminを3000rpmまで一気に増加させるのではなく、時間経過に伴って徐々に増加させる。具体的には、前回の下限回転数Ncminに所定回転数を加算した回転数を今回の下限回転数Ncminとする。前回の下限回転数Ncminに所定回転数を加算した回転数が3000rpm以上になる場合、下限回転数Ncminを3000rpmとする。
ステップS1150~S1190では、冷房モードのステップS600~S640と同様に、目標蒸発器温度TEO、圧縮機11の回転数の増減量ΔIVO、冷房用膨張弁14bの絞り開度の増減量ΔEVC、エアミックスドア34の開度SWを決定する。
次に、ステップS1200では、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bの冷媒通路の出口側冷媒の目標過熱度SHCOを決定する。目標過熱度SHCOとしては、予め定めた定数(本実施形態では、5℃)を採用することができる。
ステップS1210では、第1冷却用膨張弁14cの絞り開度の増減量ΔEVB1、および第2冷却用膨張弁14dの絞り開度の増減量ΔEVB2を決定する。
冷房冷却モードでは、第1冷却用膨張弁14cの絞り開度の増減量ΔEVB1は、目標過熱度SHCOと第1電池冷却器19aの冷媒通路から流出した冷媒の過熱度SHC1との偏差に基づいて、フィードバック制御手法により、第1電池冷却器19aの冷媒通路から流出した冷媒の過熱度SHC1が目標過熱度SHCOに近づくように決定される。
第1電池冷却器19aの冷媒通路から流出した冷媒の過熱度SHC1は、第5冷媒温度センサ64eによって検出された温度T5および第2冷媒圧力センサ65bによって検出された圧力P2に基づいて算出される。
冷房冷却モードでは、第2冷却用膨張弁14cの絞り開度の増減量ΔEVB2は、目標過熱度SHCOと第2電池冷却器19bの冷媒通路から流出した冷媒の過熱度SHC2との偏差に基づいて、フィードバック制御手法により、第2電池冷却器19bの冷媒通路から流出した冷媒の過熱度SHC2が目標過熱度SHCOに近づくように決定される。
第2電池冷却器19bの冷媒通路から流出した冷媒の過熱度SHC2は、第7冷媒温度センサ64gによって検出された温度T7および第2冷媒圧力センサ65bによって検出された圧力P2に基づいて算出される。
次に、ステップS1220では、蒸発器温度Tefinが目標蒸発器温度TEOに到達しているか否かを判定する。ステップS1220にて、蒸発器温度Tefinが目標蒸発器温度TEOに到達していると判定された場合、ステップS1230へ進む。ステップS1220にて、蒸発器温度Tefinが目標蒸発器温度TEOに到達していないと判定された場合、ステップS1270へ進む。
ステップS1230では、制御実施フラグがONされているか否かを判定する。ステップS1230にて、制御実施フラグがONされていないと判定された場合、ステップS1240へ進む。ステップS1230にて、制御実施フラグがONされていると判定された場合、ステップS1270へ進む。
ステップS1240では、電池温度TBが目標電池温度TBOに到達しているか否かを判定する。すなわち、電池を冷却する必要があるか否かを判定する。ステップS1240にて、電池温度TBが目標電池温度TBOに到達していると判定された場合、すなわち電池を冷却する必要がない場合、ステップS1250へ進む。ステップS1240にて、電池温度TBが目標電池温度TBOに到達していないと判定された場合、すなわち電池を冷却する必要がある場合、ステップS1260へ進む。
ステップS1240において、電池を冷却する必要があるかを、第1電池冷却器19aの温度および第2電池冷却器19bの温度が目標温度に到達しているか否かで判定してもよい。
ステップS1250では、圧縮機11を停止させることを決定して、ステップS1330へ進む。ステップS1260では、冷房用膨張弁14bを全閉状態とすることを決定して、ステップS1330へ進む。
ステップS1270では、電池温度TBが目標電池温度TBOに到達しているか否かを判定する。ステップS1270にて、電池温度TBが目標電池温度TBOに到達していると判定された場合、ステップS1280へ進む。ステップS1270にて、電池温度TBが目標電池温度TBOに到達していないと判定された場合、ステップS1300へ進む。
ステップS1280では、制御実施フラグがONされているか否かを判定する。ステップS1280にて、制御実施フラグがONされていないと判定された場合、ステップS1290へ進む。ステップS1280にて、制御実施フラグがONされていると判定された場合、ステップS1300へ進む。
ステップS1290では、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dを全閉状態とすることを決定して、ステップS1330へ進む。
ステップS1300では、制御実施フラグがONされているか否かを判定する。ステップS1300にて、制御実施フラグがONされていると判定された場合、ステップS1320へ進む。ステップS1300にて、制御実施フラグがONされていないと判定された場合、ステップS1330へ進む。
ステップS1320では、第1冷却用膨張弁14cの絞り開度および第2冷却用膨張弁14dの絞り開度を、ステップS1210で決定された絞り開度よりも大きな絞り開度に決定する。例えば、ステップS1210で決定された絞り開度の2.5倍の絞り開度に決定する。
ステップS1330では、冷凍サイクル装置10を冷房冷却モードの冷媒回路に切り替えるために、暖房用膨張弁14aを全開状態とし、冷房用膨張弁14bを絞り状態とし、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dを絞り状態とし、除湿用開閉弁15aを閉じ、暖房用開閉弁15bを閉じる。さらに、ステップS1140、S1160、S1180、S1190、S1210、S1250、S1260、S1290、S1320で決定された制御状態が得られるように、各制御対象機器に対して制御信号あるいは制御電圧を出力して、ステップS10へ戻る。
従って、冷房冷却モードの冷凍サイクル装置10では、圧縮機11、水冷媒熱交換器12、暖房用膨張弁14a、室外熱交換器16、逆止弁17、冷房用膨張弁14b、室内蒸発器18、蒸発圧力調整弁20、アキュムレータ21、圧縮機11の順に冷媒が循環するとともに、圧縮機11、水冷媒熱交換器12、暖房用膨張弁14a、室外熱交換器16、逆止弁17、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14d、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19b、アキュムレータ21、圧縮機11の順に冷媒が循環する蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。
つまり、冷房冷却モードの冷凍サイクル装置10では、水冷媒熱交換器12および室外熱交換器16が圧縮機11から吐出された冷媒を放熱させる放熱器として機能し、冷房用膨張弁14bが減圧部として機能し、室内蒸発器18が蒸発器として機能するとともに、冷房用膨張弁14bおよび室内蒸発器18に対して並列的に接続された第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dが減圧部として機能し、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bが蒸発器として機能する冷凍サイクルが構成される。
これによれば、室内蒸発器18にて送風空気を冷却することができるとともに、水冷媒熱交換器12にて、高温側熱媒体を加熱することができる。
従って、冷房冷却モードの車両用空調装置1では、エアミックスドア34の開度調整によって、室内蒸発器18にて冷却された送風空気の一部をヒータコア42にて再加熱し、目標吹出温度TAOに近づくように温度調整された送風空気を車室内へ吹き出すことによって、車室内の冷房を行うことができる。
さらに、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bにて電池の冷却を行うことができる。
圧縮機11の回転数Ncが3000rpm以下の低負荷時に冷房冷却モードへ切り替えられた場合、ステップS1140にて圧縮機11の下限回転数Ncminが1000rpmから3000rpmへ徐々に増加される。
これによると、冷房冷却モードへ切り替えられた際に室内蒸発器18に流入する冷媒の流量が一気に増加して室内蒸発器18からの吹出空気温度が大きく変動することを抑制できる。
圧縮機11の回転数Ncが3000rpm以下の低負荷時に冷房冷却モードへ切り替えられた場合において冷房冷却モードへ切り替えられてから所定時間tcOまでの間は、ステップS1320にて第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dの絞り開度が通常制御時よりも大きくされる。
これによると、冷房冷却モードへ切り替えられた際に室内蒸発器18に流入する冷媒の流量が一気に増加して室内蒸発器18からの吹出空気温度が大きく変動することを抑制できる。
圧縮機11の回転数Ncが3000rpm以下の低負荷時に冷房冷却モードへ切り替えられた場合において冷房冷却モードへ切り替えられてから所定時間tcOまでの間は、蒸発器温度Tefinが目標蒸発器温度TEOに到達してもステップS1230により冷房用膨張弁14bが全閉状態にされない。
これによると、室内蒸発器18におけるアンダーシュートおよびオーバーシュートを抑制できるので、室内蒸発器18からの吹出空気温度が大きく変動することを抑制できる。
圧縮機11の回転数Ncが3000rpm以下の低負荷時に冷房冷却モードへ切り替えられた場合において冷房冷却モードへ切り替えられてから所定時間tcOまでの間は、電池温度TBが目標電池温度TBOに到達してもステップS1280により第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dが全閉状態とされない。
これによると、電池温度TBが目標電池温度TBOに到達した際に室内蒸発器18に流入する冷媒の流量が一気に増加して室内蒸発器18からの吹出空気温度が大きく変動することを抑制できる。
(6)直列除湿暖房冷却モード
直列除湿暖房冷却モードの制御フローの最初のステップでは、直列除湿暖房モードと同様に、目標蒸発器温度TEO、圧縮機11の回転数の増減量ΔIVO、目標高温側熱媒体温度TWHO、暖房用膨張弁14aの絞り開度、冷房用膨張弁14bの絞り開度、エアミックスドア34の開度SWを決定する。
次のステップでは、冷房冷却モードと同様に、目標過熱度SHEO、第1冷却用膨張弁14cの絞り開度の増減量ΔEVB1、第2冷却用膨張弁14dの絞り開度の増減量ΔEVB2を決定する。
次のステップでは、冷凍サイクル装置10を直列除湿暖房冷却モードの冷媒回路に切り替えるために、暖房用膨張弁14aを絞り状態とし、冷房用膨張弁14bを絞り状態とし、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dを絞り状態とし、除湿用開閉弁15aを閉じ、暖房用開閉弁15bを閉じる。
さらに、上述のステップで決定された制御状態が得られるように、各制御対象機器に対して制御信号あるいは制御電圧を出力して、ステップS10へ戻る。
従って、直列除湿暖房冷却モードでは、圧縮機11、水冷媒熱交換器12、暖房用膨張弁14a、室外熱交換器16、逆止弁17、冷房用膨張弁14b、室内蒸発器18、蒸発圧力調整弁20、アキュムレータ21、圧縮機11の順に冷媒が循環するとともに、圧縮機11、水冷媒熱交換器12、暖房用膨張弁14a、室外熱交換器16、逆止弁17、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14d、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19b、アキュムレータ21、圧縮機11の順に冷媒が循環する蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。
つまり、直列除湿暖房冷却モードの冷凍サイクル装置10では、水冷媒熱交換器12が放熱器(換言すれば放熱部)として機能し、室内蒸発器18、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dが蒸発器として機能する蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。
つまり、直列除湿暖房モードの冷凍サイクル装置10では、水冷媒熱交換器12が圧縮機11から吐出された冷媒を放熱させる放熱器(換言すれば放熱部)として機能し、暖房用膨張弁14aが減圧部として機能し、さらに、冷房用膨張弁14bが減圧部として機能し、室内蒸発器18が蒸発器として機能するとともに、冷房用膨張弁14bおよび室内蒸発器18に対して並列的に接続された第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dが減圧部として機能し、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bが蒸発器として機能する冷凍サイクルが構成される。
さらに、室外熱交換器16における冷媒の飽和温度が、外気温Tamよりも高くなっている際には、室外熱交換器16が放熱器(換言すれば放熱部)として機能するサイクルが構成される。室外熱交換器16における冷媒の飽和温度が、外気温Tamよりも低くなっている際には、室外熱交換器16が蒸発器として機能するサイクルが構成される。
これによれば、室内蒸発器18にて空気を冷却することができるとともに、水冷媒熱交換器12にて、高温側熱媒体を加熱することができる。
従って、直列除湿暖房冷却モードの冷凍サイクル装置10では、室内蒸発器18にて冷却されて除湿された空気を、ヒータコア42にて再加熱して車室内へ吹き出すことによって、車室内の除湿暖房を行うことができる。
さらに、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bにて電池の冷却を行うことができる。
(7)並列除湿暖房冷却モード
並列除湿暖房冷却モードの制御フローの最初のステップでは、並列除湿暖房モードと同様に、目標高温側熱媒体温度TWHO、圧縮機11の回転数の増減量ΔIVO、目標過熱度SHEO、暖房用膨張弁14aの絞り開度、冷房用膨張弁14bの絞り開度、エアミックスドア34の開度SWを決定する。
次のステップでは、冷房冷却モードと同様に、目標過熱度SHEO、第1冷却用膨張弁14cの絞り開度の増減量ΔEVB1、第2冷却用膨張弁14dの絞り開度の増減量ΔEVB2を決定する。
次のステップでは、冷凍サイクル装置10を並列除湿暖房冷却モードの冷媒回路に切り替えるために、暖房用膨張弁14aを絞り状態とし、冷房用膨張弁14bを絞り状態とし、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dを絞り状態とし、除湿用開閉弁15aを開き、暖房用開閉弁15bを開く。
さらに、上述のステップで決定された制御状態が得られるように、各制御対象機器に対して制御信号あるいは制御電圧を出力して、ステップS10へ戻る。
従って、並列除湿暖房冷却モードの冷凍サイクル装置10では、圧縮機11、水冷媒熱交換器12、暖房用膨張弁14a、室外熱交換器16、暖房用通路22b、アキュムレータ21、圧縮機11の順に冷媒が循環するとともに、圧縮機11、水冷媒熱交換器12、バイパス通路22a、冷房用膨張弁14b、室内蒸発器18、蒸発圧力調整弁20、アキュムレータ21、圧縮機11の順に冷媒が循環し、さらに、圧縮機11、水冷媒熱交換器12、バイパス通路22a、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14d、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19b、アキュムレータ21、圧縮機11の順に冷媒が循環する蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。
つまり、並列除湿暖房冷却モードの冷凍サイクル装置10では、水冷媒熱交換器12が圧縮機11から吐出された冷媒を放熱させる放熱器(換言すれば放熱部)として機能し、暖房用膨張弁14aが減圧部として機能し、室外熱交換器16が蒸発器として機能するとともに、暖房用膨張弁14aおよび室外熱交換器16に対して並列的に接続された冷房用膨張弁14bが減圧部として機能し、室内蒸発器18が蒸発器として機能し、さらに、暖房用膨張弁14aおよび室外熱交換器16に対して並列的に接続された第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dが減圧部として機能し、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bが蒸発器として機能する冷凍サイクルが構成される。
これによれば、室内蒸発器18にて空気を冷却することができるとともに、水冷媒熱交換器12にて、高温側熱媒体を加熱することができる。
従って、並列除湿暖房冷却モードの車両用空調装置1では、室内蒸発器18にて冷却されて除湿された空気を、ヒータコア42にて再加熱して車室内へ吹き出すことによって、車室内の除湿暖房を行うことができる。この際、室外熱交換器16における冷媒蒸発温度を室内蒸発器18における冷媒蒸発温度よりも低下させることで、直列除湿暖房冷却モードよりも高い加熱能力で空気を再加熱することができる。
さらに、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bにて電池の冷却を行うことができる。
(8)暖房冷却モード
暖房冷却モードの制御フローの最初のステップでは、圧縮機11の回転数の増減量ΔIVOを決定する。暖房冷却モードでは、増減量ΔIVOは、電池温度TBと目標電池温度TBOとの偏差に基づいて、フィードバック制御手法により、電池温度TBが目標電池温度TBOに近づくように決定される。目標電池温度TBOは、電池の発熱量および外気温Tamに基づいて、制御マップを参照して決定される。
圧縮機11の回転数を増減量ΔIVOで増減させると圧縮機11の回転数が下限回転数Ncmin(本実施形態では、1000rpm)未満となる場合、圧縮機11を停止させる。
次のステップでは、室外熱交換器16から流出した冷媒の目標過冷却度SCO1を決定する。暖房冷却モードの目標過冷却度SCO1は、外気温Tamに基づいて、制御マップを参照して決定される。本実施形態の制御マップでは、サイクルの成績係数(COP)が極大値に近づくように、目標過冷却度SCO1を決定する。
次のステップでは、冷却用膨張弁14cの絞り開度の増減量ΔEVBを決定する。増減量ΔEVBは、目標過冷却度SCO1と室外熱交換器16の出口側冷媒の過冷却度SC1との偏差に基づいて、フィードバック制御手法により、室外熱交換器16の出口側冷媒の過冷却度SC1が目標過冷却度SCO1に近づくように決定される。過冷却度SC1は、冷房モードと同様に算出される。
次のステップでは、冷房モードと同様に、エアミックスドア34の開度SWを算定する。
次のステップでは、冷凍サイクル装置10を暖房冷却モードの冷媒回路に切り替えるために、暖房用膨張弁14aを全開状態とし、冷房用膨張弁14bを全閉状態とし、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dを絞り状態とし、除湿用開閉弁15aを閉じ、暖房用開閉弁15bを閉じる。さらに、上述のステップで決定された制御状態が得られるように、各制御対象機器に対して制御信号あるいは制御電圧を出力して、ステップS10へ戻る。
従って、暖房冷却モードの冷凍サイクル装置10では、圧縮機11、水冷媒熱交換器12、暖房用膨張弁14a、室外熱交換器16、逆止弁17、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14d、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19b、蒸発圧力調整弁20、アキュムレータ21、圧縮機11の順に冷媒が循環する蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。
つまり、暖房冷却モードの冷凍サイクル装置10では、水冷媒熱交換器12および室外熱交換器16が圧縮機11から吐出された冷媒を放熱させる放熱器(換言すれば放熱部)として機能し、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dが冷媒を減圧させる減圧部として機能し、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bが蒸発器として機能する蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。
これによれば、水冷媒熱交換器12にて、高温側熱媒体を加熱することができる。従って、暖房冷却モードの車両用空調装置1では、ヒータコア42にて加熱された空気を車室内へ吹き出すことによって、車室内の暖房を行うことができる。さらに、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bにて電池の冷却を行うことができる。
(9)暖房直列冷却モード
暖房直列冷却モードの制御フローの最初のステップでは、暖房冷却モードと同様に、圧縮機11の回転数の増減量ΔIVOを決定する。
圧縮機11の回転数を増減量ΔIVOで増減させると圧縮機11の回転数が下限回転数Ncmin(本実施形態では、1000rpm)未満となる場合、圧縮機11を停止させる。
次のステップでは、直列除湿暖房モードと同様に、高温側熱媒体の目標高温側熱媒体温度TWHOを決定する。
次のステップでは、暖房用膨張弁14aの絞り開度、第1冷却用膨張弁14cの絞り開度および第2冷却用膨張弁14dの絞り開度を決定する。具体的には、暖房直列冷却モードでは、目標吹出温度TAOが上昇するに伴って、暖房用膨張弁14aの絞り開度を小さくし、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dの絞り開度を大きくする。
次のステップでは、冷房モードと同様に、エアミックスドア34の開度SWを算定する。
次のステップでは、冷凍サイクル装置10を暖房直列冷却モードの冷媒回路に切り替えるために、暖房用膨張弁14aを絞り状態とし、冷房用膨張弁14bを全閉状態とし、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dを絞り状態とし、除湿用開閉弁15aを閉じ、暖房用開閉弁15bを閉じる。さらに、上述のステップで決定された制御状態が得られるように、各制御対象機器に対して制御信号あるいは制御電圧を出力して、ステップS10へ戻る。
従って、暖房直列冷却モードの冷凍サイクル装置10では、圧縮機11、水冷媒熱交換器12、暖房用膨張弁14a、室外熱交換器16、逆止弁17、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14d、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19b、アキュムレータ21、圧縮機11の順に冷媒が循環する蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。
つまり、暖房直列冷却モードの冷凍サイクル装置10では、水冷媒熱交換器12が圧縮機11から吐出された冷媒を放熱させる放熱器(換言すれば放熱部)として機能し、暖房用膨張弁14a、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dが減圧部として機能し、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bが蒸発器として機能する蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。
さらに、室外熱交換器16における冷媒の飽和温度が、外気温Tamよりも高くなっている際には、室外熱交換器16が放熱器(換言すれば放熱部)として機能するサイクルが構成される。室外熱交換器16における冷媒の飽和温度が、外気温Tamよりも低くなっている際には、室外熱交換器16が蒸発器として機能するサイクルが構成される。
これによれば、水冷媒熱交換器12にて、高温側熱媒体を加熱することができる。従って、暖房直列冷却モードの車両用空調装置1では、ヒータコア42にて加熱された空気を車室内へ吹き出すことによって、車室内の暖房を行うことができる。さらに、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bにて電池の冷却を行うことができる。
(10)暖房並列冷却モード
暖房並列冷却モードの制御フローの最初のステップでは、ヒータコア42にて空気を加熱できるように、直列除湿暖房モードと同様に、高温側熱媒体の目標高温側熱媒体温度TWHOが決定される。
次のステップでは、圧縮機11の回転数の増減量ΔIVOを決定する。暖房並列冷却モードでは、増減量ΔIVOは、直列除湿暖房モードと同様に、目標高温側熱媒体温度TWHOと高温側熱媒体温度TWHとの偏差に基づいて、フィードバック制御手法により、高温側熱媒体温度TWHが目標高温側熱媒体温度TWHOに近づくように決定される。
圧縮機11の回転数を増減量ΔIVOで増減させると圧縮機11の回転数が下限回転数Ncmin(本実施形態では、1000rpm)未満となる場合、圧縮機11を停止させる。
次のステップでは、第1電池冷却器19aの冷媒通路の出口側冷媒の目標過熱度SHCO、および第2電池冷却器19bの冷媒通路の出口側冷媒の目標過熱度SHCOを決定する。目標過熱度SHCOとしては、予め定めた定数(本実施形態では、5℃)を採用することができる。
次のステップでは、暖房用膨張弁14aの絞り開度、第1冷却用膨張弁14cの絞り開度、および第2冷却用膨張弁14dの絞り開度を決定する。暖房並列冷却モードでは、目標過熱度SHCOと第1電池冷却器19aの冷媒通路の出口側冷媒の過熱度SHC1との偏差、および目標過熱度SHCOと第1電池冷却器19bの冷媒通路の出口側冷媒の過熱度SHC2との偏差に基づいて、フィードバック制御手法により、過熱度SHC1、SHC2が目標過熱度SHCOに近づくように決定される。
次のステップでは、冷房モードと同様に、エアミックスドア34の開度SWを算定する。次のステップでは、冷凍サイクル装置10を暖房並列冷却モードの冷媒回路に切り替えるために、暖房用膨張弁14aを絞り状態とし、冷房用膨張弁14bを全閉状態とし、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dを絞り状態とし、除湿用開閉弁15aを開き、暖房用開閉弁15bを開く。
さらに、上述のステップで決定された制御状態が得られるように、各制御対象機器に対して制御信号あるいは制御電圧を出力して、ステップS10へ戻る。
従って、暖房並列冷却モードの冷凍サイクル装置10では、圧縮機11、水冷媒熱交換器12、暖房用膨張弁14a、室外熱交換器16、暖房用通路22b、アキュムレータ21、圧縮機11の順に冷媒が循環するとともに、圧縮機11、水冷媒熱交換器12、バイパス通路22a、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14d、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19b、アキュムレータ21、圧縮機11の順に冷媒が循環する蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。
つまり、暖房並列冷却モードの冷凍サイクル装置10では、水冷媒熱交換器12が圧縮機11から吐出された冷媒を放熱させる放熱器(換言すれば放熱部)として機能し、暖房用膨張弁14aが減圧部として機能し、室外熱交換器16が蒸発器として機能するとともに、暖房用膨張弁14aおよび室外熱交換器16に対して並列的に接続された第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dが減圧部として機能し、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bが蒸発器として機能する冷凍サイクルが構成される。
これによれば、水冷媒熱交換器12にて、高温側熱媒体を加熱することができる。従って、暖房並列冷却モードの車両用空調装置1では、ヒータコア42にて加熱された空気を車室内へ吹き出すことによって、車室内の暖房を行うことができる。さらに、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bにて電池の冷却を行うことができる。
(11)冷却モード
冷却モードの制御フローの最初のステップでは、暖房冷却モードと同様に、圧縮機11の回転数の増減量ΔIVO、目標過冷却度SCO1、目標過冷却度SCO2、第1冷却用膨張弁14cの絞り開度の増減量ΔEVB1、第2冷却用膨張弁14dの絞り開度の増減量ΔEVB2、エアミックスドア34の開度SWを決定する。
ここで、冷却モードでは、目標吹出温度TAOが暖房用基準温度γより低くなるので、エアミックスドア34の開度SWが0%に近づく。このため、冷却モードでは、室内蒸発器18通過後の空気のほぼ全流量が冷風バイパス通路35を通過するように、エアミックスドア34の開度が決定される。
次のステップでは、冷凍サイクル装置10を冷却モードの冷媒回路に切り替えるために、暖房用膨張弁14aを全開状態とし、冷房用膨張弁14bを全閉状態とし、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dを絞り状態とし、除湿用開閉弁15aを閉じ、暖房用開閉弁15bを閉じる。さらに、上述のステップで決定された制御状態が得られるように、各制御対象機器に対して制御信号あるいは制御電圧を出力して、ステップS10へ戻る。
従って、冷却モードの冷凍サイクル装置10では、圧縮機11、水冷媒熱交換器12、暖房用膨張弁14a、室外熱交換器16、逆止弁17、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14d、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19b、アキュムレータ21、圧縮機11の順に冷媒が循環する蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。
つまり、冷却モードの冷凍サイクル装置10では、室外熱交換器16が圧縮機11から吐出された冷媒を放熱させる放熱器(換言すれば放熱部)として機能し、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dが減圧部として機能し、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bが蒸発器として機能する蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。
これによれば、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bにて電池の冷却を行うことができる。
以上の如く、本実施形態の冷凍サイクル装置10では、各種運転モードを切り替えることができる。これにより、車両用空調装置1では、電池の温度を適切に調整しつつ、車室内の快適な空調を実現することができる。
本実施形態では、冷房モードから冷房冷却モードへ切り替えた際に、室内蒸発器18からの吹出空気温度の変動を抑制するために変動抑制制御を行う。具体的には、上述のステップS1140、S1230、S1280、S1320の制御を行う。以下、本実施形態の変動抑制制御による作用効果を説明する。
図8は比較例の作動例を示すタイムチャートであり、図9は本実施形態の作動例を示すタイムチャートである。図8~9はいずれも、冷房モードから冷房冷却モードへの切り替え前後における圧縮機11の回転数Nc、冷房用膨張弁14bの開度EVC、第1~第2冷却用膨張弁14c~14dの開度EVB、ならびに蒸発器温度Tefinの時間推移を示している。
図8に示す比較例では、本実施形態の変動抑制制御を行っていない。そのため、図8に示す比較例では、冷房モードから冷房冷却モードへ切り替えた際に圧縮機11の下限回転数Ncminが徐々に増加することなく1000rpmから3000rpmへ一気に増加されるので、圧縮機11の回転数Ncも1000rpmから3000rpmへ一気に増加する。その結果、室内蒸発器18に流入する冷媒の流量が増加して蒸発器温度Tefinが低下して目標蒸発器温度TEOに到達する。蒸発器温度Tefinが目標蒸発器温度TEOに到達することで冷房用膨張弁14bが全閉とされる。冷房用膨張弁14bが全閉とされることで室内蒸発器18内の冷媒が圧縮機11の吸入圧力によって引かれて蒸発器温度Tefinが目標蒸発器温度TEOを下回ってしまう(いわゆるアンダーシュート)。そして、室内蒸発器18内の冷媒が蒸発して蒸発器温度Tefinが急上昇し目標蒸発器温度TEOに到達する。蒸発器温度Tefinが上昇して目標蒸発器温度TEOに到達することで冷房用膨張弁14bが再び開かれて室内蒸発器18に冷媒が流れ出すが蒸発器温度Tefinの上昇を抑えきれず蒸発器温度Tefinが急上昇し目標蒸発器温度TEOを上回ってしまう(いわゆるオーバーシュート)。このようなアンダーシュートとオーバーシュートにより蒸発器温度Tefinの変動が大きくなり、室内蒸発器18からの吹出空気の変動が大きくなってしまう。
一方、図9に示す本実施形態では、変動抑制制御を行うので、冷房モードから冷房冷却モードへ切り替えた際に圧縮機11の下限回転数Ncminが1000rpmから3000rpmへ徐々に増加されるとともに、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dの絞り開度が通常制御時よりも大きくされる。その結果、室内蒸発器18に流入する冷媒の流量が増加することが抑制され、蒸発器温度Tefinの低下が緩やかになる。さらに、蒸発器温度Tefinが目標蒸発器温度TEOに到達しても冷房用膨張弁14bが全閉状態にされないので、室内蒸発器18におけるアンダーシュートおよびオーバーシュートを抑制できる。そして、電池の冷却を開始してからの経過時間tcが所定時間tcOを越えると第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dの絞り開度が通常制御時の絞り開度に戻される。このように、本実施形態では、変動抑制制御を行うことにより蒸発器温度Tefinの変動を抑制でき、ひいては室内蒸発器18からの吹出空気の変動を抑制できる。
本実施形態では、制御装置60は、冷房モードから冷房冷却モードに切り替える場合、変動抑制制御を行う。変動抑制制御では、室内蒸発器18における冷媒の流量変動を抑制するように圧縮機11の回転数を制御する。また、変動抑制制御では、室内蒸発器18における冷媒の流量変動を抑制するように第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dを制御する。
これによると、冷房モードから冷房冷却モードに切り替えられる際に室内蒸発器18における冷媒の流量変動が抑制されるので、室内蒸発器18からの吹出空気温度の変動を抑制できる。
本実施形態の変動抑制制御では、ステップS1140で説明したように、圧縮機11の下限回転数Ncminの上昇速度を所定速度以下にする。これにより、冷房モードから冷房冷却モードに切り替えられた時に、室内蒸発器18における冷媒の流量変動を確実に抑制できる。特に、圧縮機11の回転数が急上昇することで室内蒸発器18の冷却能力が過剰になって冷房用膨張弁14bが閉じられてしまうことを抑制できる。その結果、室内蒸発器18における冷媒の流量変動を確実に抑制できるので、室内蒸発器18からの吹出空気の温度変動を抑制できる。
本実施形態では、ステップS1230で説明したように、変動抑制制御において冷房モードから冷房冷却モードに切り替えてからの経過時間tcが所定時間tcO以内である場合、室内蒸発器18で空気を冷却する必要がなくなっても室内蒸発器18に冷媒が流れ続けるように冷房用膨張弁14bを制御する。
これによると、冷房用膨張弁14bが閉じられることで室内蒸発器18の冷媒が圧縮機11の吸入圧力によって引かれて室内蒸発器18の温度が急上昇することを抑制できるので、室内蒸発器18からの吹出空気の温度変動を抑制できる。
本実施形態では、ステップS1280で説明したように、変動抑制制御において冷房モードから冷房冷却モードに切り替えてからの経過時間tcが所定時間tcO以内である場合、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bで電池を冷却する必要がなくなっても第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bに冷媒が流れ続けるように第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dを制御する。
これによると、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dが閉じられることで室内蒸発器18における冷媒の流量が急激に増加することを抑制できるので、室内蒸発器18からの吹出空気の温度変動を抑制できる。また、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dが閉じられることで第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bの冷媒が圧縮機11の吸入圧力によって引かれて第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bの温度が急上昇することを抑制できる。そのため、電池の温度変動を抑制できる。
本実施形態では、ステップS1320で説明したように、変動抑制制御において冷房モードから冷房冷却モードに切り替えるときの圧縮機11の回転数が所定回転数(具体的には3000rpm)を下回っている場合、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dの開度を通常制御と比較して増加させる。
これにより、変動抑制制御において圧縮機11の回転数が上昇する際に第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bに冷媒が流れやすくなるので室内蒸発器18における冷媒の流量増加を抑制できる。その結果、室内蒸発器18の冷却能力が過剰になって冷房用膨張弁14bが閉じられてしまうことを抑制できるので、室内蒸発器18からの吹出空気の温度変動を抑制できる。
(第2実施形態)
上記第1実施形態では、冷房用膨張弁14b、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dは、弁開度を全閉にすることで冷媒通路を閉塞する全閉機能を有しているが、本実施形態では、図10に示すように、冷凍サイクル装置10は、冷房用開閉弁15cおよび冷却用開閉弁15dを有し、冷房用膨張弁14b、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dの全閉機能を廃止している。
冷房用開閉弁15cおよび冷却用開閉弁15dの基本的構成は、高圧側開閉弁15aと同様である。冷房用開閉弁15cおよび冷却用開閉弁15dは、冷媒通路を開閉することで、各運転モードの冷媒回路を切り替えることができる。冷房用開閉弁15cおよび冷却用開閉弁15dは、サイクルの冷媒回路を切り替える冷媒回路切替部である。冷房用開閉弁15cおよび冷却用開閉弁15dは、サイクル制御装置60から出力される制御電圧によって制御される。
冷房用開閉弁15cは、第5三方継手13eの一方の流出口側と冷房用膨張弁14bの入口側とを接続する冷媒通路に冷房用開閉弁15cが配置されていて、この冷媒通路を開閉する。
冷却用開閉弁15dは、第5三方継手13eの他方の流出口側と第7三方継手13gの流入口側とを接続する冷媒通路に配置されていて、この冷媒通路を開閉する。
本実施形態では、第8三方継手13hの流出口側と第6三方継手13fの他方の流入口側とを接続する冷媒通路には、第2逆止弁17bが配置されている。第2逆止弁17bは、第6三方継手13f側から第8三方継手13h側へ冷媒が流れることを許容し、第8三方継手13h側から第6三方継手13f側へ冷媒が流れることを禁止する。
本実施形態においても、上記第1実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
(他の実施形態)
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
(a)上述の実施形態では、複数の運転モードに切り替え可能な冷凍サイクル装置10について説明したが、冷凍サイクル装置10の運転モードの切り替えはこれに限定されない。少なくとも、室内蒸発器18で空気を冷却し第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bで電池を冷却しない第1モードと、室内蒸発器18で空気を冷却し第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bで電池を冷却する第2モードとが切り替えられるようになっていればよい。そして、第1モードから第2モードに切り替える際に変動抑制制御を行うようにすればよい。
また、各運転モードの詳細制御は、上述の実施形態に開示されたものに限定されない。例えば、ステップS260で説明した送風モードを、圧縮機11のみならず送風機32を停止させる停止モードとしてもよい。
(b)上述の実施形態のステップS1260において、冷房用膨張弁14bを全閉とする代わりに、圧縮機11の回転数を低下させるようにしてもよい。すなわち、制御装置60は、変動抑制制御において室内蒸発器18で空気を冷却する必要がなくなって室内蒸発器18に冷媒が流れないようにした場合、圧縮機11の回転数を一時的に低下させるようにしてもよい。
これによると、冷房用膨張弁14bが閉じられても、室内蒸発器18の冷媒が圧縮機11の吸入圧力によって引かれることを抑制できるので、室内蒸発器18の温度が急上昇することを抑制でき、ひいては室内蒸発器18からの吹出空気の温度変動を抑制できる。
(c)上述の実施形態のステップS1290において、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dを全閉とする代わりに、圧縮機11の回転数を低下させるようにしてもよい。すなわち、制御装置60は、変動抑制制御において第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bの冷媒で電池を冷却する必要がなくなって第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bに冷媒が流れないようにした場合、圧縮機11の回転数を一時的に低下させるようにしてもよい。
これによると、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dを全閉とされても、室内蒸発器18における冷媒の流量が急激に増加することを抑制できるので、室内蒸発器18からの吹出空気の温度変動を抑制できる。また、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dを全閉とされても、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bの冷媒が圧縮機11の吸入圧力によって引かれることを抑制できるので、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bの温度が急上昇することを抑制できる。
(d)上述の各実施形態のステップS1140において、冷房冷却モードでは冷房モードよりも圧縮機11の下限回転数Ncminを高くするが、冷房冷却モードの変動抑制制御において冷房モードから冷房冷却モードに切り替えてからの経過時間tcが所定時間tcO以内である場合、圧縮機11の下限回転数Ncminを冷房モードよりも高くすることを禁止してもよい。
これにより、冷房モードから冷房冷却モードに切り替えた直後に圧縮機11の回転数が上昇することで室内蒸発器18の冷却能力が過剰になることを抑制できる。そのため、冷房用膨張弁14bが閉じられて室内蒸発器18における冷媒の流量が変動することを抑制できるので、室内蒸発器18からの吹出空気の温度変動を抑制できる。
(e)冷凍サイクル装置の構成機器は、上述の実施形態に開示されたものに限定されない。上述した効果を発揮できるように、複数のサイクル構成機器を一体化等を行ってもよい。例えば、第2三方継手13bと第5三方継手13e、第4三方継手13dと第6三方継手13f等、2つの三方継手を一体化させた四方継手構造のものを採用してもよい。また、冷房用膨張弁14b、第1冷却用膨張弁14cおよび第2冷却用膨張弁14dとして、全閉機能を有しない電気式膨張弁と開閉弁とを直接的に接続したものを採用してもよい。
また、上述の実施形態では、冷媒としてR1234yfを採用した例を説明したが、冷媒はこれに限定されない。例えば、R134a、R600a、R410A、R404A、R32、R407C、等を採用してもよい。または、これらの冷媒のうち複数種を混合させた混合冷媒等を採用してもよい。さらに、冷媒として二酸化炭素を採用して、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルを構成してもよい。
(f)加熱部の構成は、上述の実施形態に開示されたものに限定されない。例えば、第1実施形態で説明した高温側熱媒体回路40に対して、三方弁および高温側ラジエータを追加し、余剰の熱を外気に放熱させるようにしてもよい。さらに、ハイブリッド車両のように内燃機関(エンジン)を備える車両では、高温側熱媒体回路40にエンジン冷却水を循環させるようにしてもよい。
(g)第1実施形態に対して、高温側熱媒体回路40を廃止して、室内凝縮器を採用してもよい。室内凝縮器は、圧縮機11から吐出された高温高圧冷媒と、室内蒸発器18で冷却された空気とを熱交換させて、冷媒を凝縮させるとともに空気を加熱する加熱部である。室内凝縮器は、第1実施形態で説明したヒータコア42の代わりに、室内空調ユニット30の空調ケース31内に配置されていればいよい。
(h)上述の実施形態では、冷却部にて冷却される冷却対象物が電池である例を説明したが、冷却対象物はこれに限定されない。直流電流と交流電流とを変換するインバータ、電池に電力を充電する充電器、電力を供給されることによって走行用の駆動力を出力するとともに、減速時等には回生電力を発生させるモータジェネレータのように作動時に発熱を伴う電気機器であってもよい。
(i)上述の各実施形態では、本発明に係る冷凍サイクル装置10を車両用空調装置1に適用したが、冷凍サイクル装置10の適用はこれに限定されない。例えば、据置型電池の温度を適切に調整しつつ、室内の空調を行う電池冷却機能付きの空調装置等に適用してもよい。
(j)上述の各実施形態において、電池を冷却する方式は、直冷式であってもよいし、空冷式や水冷式であってもよい。直冷式は、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bが、空気や冷却水等の熱媒体を介することなく、熱伝導によって電池から直接吸熱する方式である。空冷式は、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bが空気を冷却し、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bによって冷却された空気によって電池を冷却する方式である。水冷式は、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bが冷却水を冷却し、第1電池冷却器19aおよび第2電池冷却器19bによって冷却された冷却水によって電池を冷却する方式である。