JPWO2007108066A1

JPWO2007108066A1 - 車両空調装置

Info

Publication number: JPWO2007108066A1
Application number: JP2006540063A
Authority: JP
Inventors: 昭二磯田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2009-07-30
Also published as: WO2007108066A1

Abstract

温度調整された空気を車内空間へ供給する際、吹出し空気温度の変動をより少なくできる車両空調装置を提案する。冷熱量を段階的に変更可能な冷房装置5と、発熱量を段階的に変更可能な暖房装置6を構成する異なる発熱能力を有するヒータ6A,6B,6Cと、車内空間2への供給熱量を算出する供給熱量演算部30Aおよび供給熱量演算部30Aで算出された供給熱量を基に、冷房装置5と暖房装置6の発生熱量を設定する発熱量／冷熱量設定部30Bを有した制御装置30とを備えた車両空調装置。

Description

この発明は、空調装置に係り、特に車両用の空調装置に関するものである。

冷凍サイクルを利用した車両空調装置が既に知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。これに加えて、近年は、車内温度を目標温度に一致させるように空調能力を自動的に調整する自動制御を行っている。制御装置（温度コントローラ）は目標温度と車内温度の偏差から、必要な空調能力を連続的に要求するが、冷房装置に使用される圧縮機は配管系の共振等の問題により、安全性が確認された周波数のみでの段階的な運転しか行えないので、空調能力（冷房能力）も段階的にしか変更ができない。さらに、冷熱機器の回転部や摺動部の潤滑のため、冷媒回路に混入される潤滑油の安定した循環も必要であるため、低周波（例えば、30Hz未満）での運転が行えない場合もあり、微小冷房負荷に対応することが難しい。上記のような空調装置のハードウェア上の制約がある場合、必要な空調能力を近似的に生成するため、従来は圧縮機の段階運転とヒータの通電率制御（通電時間制御）を併用する方法が採用されている。ヒータの通電率制御は、時間平均では発熱量を無段階に制御できるので、巨視的には発熱量を連続で制御していることになる。
特開平５−１３９１４２号公報特開２００４−１８２２０１号公報

上記のように、従来の車両空調装置では、圧縮機の段階運転とヒータの通電率制御を併用することで必要な空調能力を近似的に生成しているため、ヒータ通電と非通電の繰り返しに起因する吹出し空気温度の変動により、車内温度も変動するという問題があった。さらに、吹出し風の温度変動（温度リプル）により、吹出し口付近の乗員へ不快感を与えるといった問題もあった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、温度調整された空気を車内へ供給する際、吹出し空気温度の変動を従来の装置に比べてより低減できる車両空調装置を提案することを目的とする。

この発明に係る車両空調装置は、冷熱量を段階的に変更可能な冷房装置と、発熱量を段階的に変更可能な暖房装置と、入力情報に基づいて車内への供給熱量を算出し、算出された供給熱量を基に前記冷房装置と前記暖房装置の発生熱量を設定する制御装置と、を備えたものである。
なお、通常は、車内温度の目標値を設定する目標温度設定手段と、車内温度を検出する車内温度検出手段とをさらに備え、前記制御装置は、前記目標温度設定手段の設定値と前記車内温度検出手段の検出値との入力情報に基づいて車内への供給熱量を算出する。

この発明に係る車両空調装置は、冷熱量を段階的に変更可能な冷房装置と、発熱量を段階的に変更可能な暖房装置とを組合わせて空調能力を決定しているので、吹出し空気温度の瞬時変動を抑制しながら、常に最適な熱量（冷熱量、発熱量）を車内へ供給して、車内温度の瞬時変動を抑制できるという効果を有する。また、冷房装置と暖房装置の段階的な変化量を細かく設定すれば、空調能力の微調整も可能となる。
さらに、この発明の車両空調装置は、ヒータの通電率制御を行わなくても最適な熱量を車内へ供給できるため、ヒータ駆動用開閉器の開閉（ON/OFF）頻度を大幅に低減して、開閉器の製品寿命を改善できるという効果も奏する。

この発明の実施の形態に係る車両空調装置の車両への適用例を示す説明図。図１の車両空調装置を構成する冷房装置の冷凍サイクル構成図。この発明の実施の形態に係る車両空調装置の構成を示すブロック図。図３の車両空調装置を構成する制御装置の制御内容を示すフローチャート。図３の車両空調装置の動作の一例を示すタイミングチャート。

図１はこの発明の実施の形態における車両空調装置の構成図である。図１において、空調装置20が設置される車両1は、車内空間（単に車内ともいう）2、床下空間3および屋根上空間4からなるものとする。なお、図１では、空調装置20が床下空間3へ設置される場合を記載しているが、空調装置20は屋根上空間4へ設置される場合もある。空調装置20は、冷熱量を段階的に変更可能な冷房装置5、発熱量を段階的に変更可能な暖房装置6、室内ファン7および室外ファン8を備えている。
なお、図１中の符号9は車内空間2から空調装置20へ空気を戻すリターンダクトを、符号10は空調装置20から車内空間2への空気を送る吹出しダクトを、それぞれ示している。

図２は冷房装置5の構成図であり、冷房装置5は、蒸発器21、圧縮機22、凝縮器23、膨張弁24が配管で順に接続された冷媒回路からなる冷凍サイクルが構成されている。また、車内空間2には、車内温度検出手段としての温度センサ11が備えられている。

次に、上記車両1における空調装置20の空調動作について説明する。車内空間2の車内空気は、室内ファン7により駆動され、リターンダクト9を経由して空調装置20に取り込まれる。そして、空調装置20内部の蒸発器21により冷却され、必要な場合にはさらに暖房装置6により加熱され、吹出しダクト10を経由して車内空間2へ供給される。一方、室外ファン8により駆動された外気が凝縮器23を通過する際に、冷凍サイクル内の冷媒が冷却される。

図３は空調装置20およびその付属機器の構成を示すブロック図である。空調装置20は、先に説明したように、冷熱量を段階的に変更可能な冷房装置5と、発熱量を段階的に変更可能な暖房装置を構成する発熱体として、発熱能力の相違する複数のヒータ6A、6B、6Cを備えている。

冷房装置5の冷房能力はインバータ32により、冷房装置5を構成する圧縮機22の運転周波数を制御することで変更できるようにしている。ここでは、冷房装置5の運転周波数は、冷媒回路の振動面と潤滑油の循環の制約により、40/50/60Hzの３段階のみを使用するものとし、それぞれの冷房能力は、-5/-7/-9kWとする。なお、圧縮機22の運転周波数は必ずしもこの３つの段数や値に限定されるものではなく、安全性が確保されている範囲で適宜変更しても良い。

一方、暖房装置6は、発熱体として発熱能力がそれぞれ異なる３種類のヒータ6A、6B、6Cが1本ずつ備えられて構成されており、各ヒータ6A、6B、6Cは、それぞれ対応する開閉器31A、31B、31Cにより通電が制御される。ここでは、ヒータ6A、6B、6Cの発熱能力は、それぞれ1/2/4kWであり、トータルの発熱能力は7kWとなっている。
なお、暖房装置6を構成するヒータは、その本数や発熱能力が上記の例に限定されるものではなく、冷房装置5の冷熱量の段階的な変化に応じて、空調温度をより細かく設定できる本数や能力とすることができる。また、ヒータ以外の発熱体の利用も可能である。

この例では、最小の発熱能力を有する１つのヒータの動作による暖房能力と複数の全ヒータの動作による暖房能力との間で、等間隔に暖房能力が設定できる発熱能力を有し、かつ圧縮機22の停止時と最大運転周波数での動作時との間で、等間隔に冷房能力が設定できる発熱能力を有するヒータを選定して設置している（後述する表２参照）。

空調装置20はさらに、車内空間2への供給熱量を算出する供給熱量演算部30Aと、供給熱量演算部30Aで算出された供給熱量を基に、冷房装置5とヒータ6A、6B、6Cの発生熱量を設定する発熱量／冷熱量設定部30Bとを有した制御装置30を備えている。

供給熱量演算部30Aは、目標値と車内空間２の実際の温度に基づいて、車内空間２を目標温度へ設定するのに必要な供給熱量を算出する。これは、例えば比例積分（PI）計算により行うことができる。比例積分（PI）計算では、目標温度と車内空間2の温度との偏差に比例ゲインをかけたものと、さらにその偏差を時間積分し積分ゲインをかけたものの和から空調能力指令値（または供給熱量指令値）Ｑを算出するものである。
発熱量／冷熱量設定部30Bは、供給熱量演算部30Aで算出された供給熱量が得られるように、冷却装置5とヒータ6A、6B、6Cの動作を設定し、それに応じて開閉器31A、31B、31Cやインバータ32を制御する。従って、制御装置30は、上記の演算および制御機能が予めプログラムされたマイクロコンピュータなどから構成される。

なお、図３に示すように、ここでは目標値の設定を行う目標温度設定手段として操作盤１２が、車内空間２の温度検出を行う車内温度検出手段として温度センサ１１が、それぞれ備えられており、それらの設定データおよび検出データが、入力情報として制御装置30に取り込まれる。

以上の構成による空調装置20の空調能力を表１に示す。

図４は制御装置30の制御内容を示すフローチャートである。この図４を利用して、制御装置30の作用を説明する。
（ステップＳ１）．操作盤12により設定される車内空間2の目標温度と、温度センサ11により検出される車内温度2の現在値が、空調装置20の制御装置30に入力される。
（ステップＳ２）．制御装置30では、Ｓ１で取り込まれた値を基に、供給熱量演算部30Aにおいて、車内空間２を目標温度へ設定するのに必要な供給熱量を算出する。これは例えば、目標温度と実際の車内温度の偏差を基に比例積分（PI）計算を行って、上記供給熱量に対応する空調能力指令値Ｑを算出する。なお、空調能力指令値Ｑは、比例積分微分（PID）計算によっても代用することが可能である。
（ステップＳ３）．制御装置30は、空調能力指令値Ｑに基づき、冷房装置5の運転周波数と、通電するヒータ6A、6B、6Cの組合せにより予め決定して記憶しておいた運転パターンから、対応する運転パターンを選択する。空調能力指令値Ｑに対する運転パターンは、例えば、表２ように決定されているものとする。
（ステップＳ４、Ｓ５）．制御装置30は、選択した運転パターンに従い、インバータ32と開閉器31A、31B、31Cを制御して、冷房装置５とヒータ6A、6B、6Cの動作を制御し、空調装置20の空調能力を自動的に調整する。

この空調装置20では、ヒータ6A、6B、6Cの発熱能力をそれぞれ1/2/4kWとしたことで、1kW刻みの空調能力が選択可能である。これに対して、ヒータ6A、6B、6Cのトータルの発熱量7kWを満足するために、例えば7kW÷3＝2.3kWの発熱能力をもつ１種類のヒータ３本で暖房装置6を構成した場合には、空調能力の最小設定刻みは2.3kWとなるので、表２の組合せと比べ、空調能力の分解能（刻み）が悪くなる。なお、ここでは、ヒータが３本の構成について具体例を示したが、ヒータの本数に制限を設ける必要はない。

図５は上記のように構成された空調装置20における、空調能力指令値Ｑが-4kWから-3kWへ移行する場合の、関連部分のタイミング動作を示すタイミングチャートである。
空調能力指令値Ｑが-4kWのとき、-3＞Ｑ≧-4のため、運転パターンは表２の”ｌ”が選択される。次に、空調能力指令値Ｑが増加し-3kWとなった場合には、-2＞Ｑ≧-3のため、運転パターンは表２の”ｋ”が選択される。

以上説明したように、この空調装置20においては、冷房能力と暖房能力とを組合わせて、得られる空調能力の分解能（刻み）を小さくできるように、ヒータの発熱量を組合選択している。これにより、単純なヒータのON/OFF制御によって、空調能力指令値Ｑに応じて、安定した熱量を常に車内空間2へ供給することが可能となる。言い換えると、吹出し空気温度の変動を抑制しながら、常に最適な熱量（冷熱量、発熱量）を車内に供給できるので、車内空間2の温度を、変動の小さい状態で安定に制御できることになる。

加えて、この実施形態に係る空調装置20によれば、従来の通電率制御（通電時間制御）を行わなくても空調能力を細かく制御できるので、ヒータ駆動用開閉器のON/OFF頻度が大幅に低減でき、開閉器の製品寿命も改善することができる。
なお、吹出し空気温度の変動が、車内温度に与える影響は車体特性（車体の熱容量、放熱特性など）により異なるが、この発明の車両空調装置は、運転席の空調など車内空間が狭く、熱容量の小さい場合の空調に適している。

符号の説明

１車両、２車内空間、３床下空間、４屋根上空間、５冷房装置、６暖房装置、６Ａ，６Ｂ，６Ｃヒータ、７室内ファン、８室外ファン、９リターンダクト、１０吹出しダクト、１１温度サンサ、１２操作盤、２０空調装置、２１蒸発器、２２圧縮機、２３凝縮器、２４膨張弁、３０制御装置、３０Ａ供給熱量演算部、３０Ｂ発熱量／冷熱量設定部、３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ開閉器、３２インバータ。

Claims

冷熱量を段階的に変更可能な冷房装置と、
発熱量を段階的に変更可能な暖房装置と、
入力情報に基づいて車内への供給熱量を算出し、算出された供給熱量を基に前記冷房装置と前記暖房装置の発生熱量を設定する制御装置と、
を備えたことを特徴とする車両空調装置。
車内温度の目標値を設定する目標温度設定手段と、
車内温度を検出する車内温度検出手段とを備え、
前記制御装置は、前記目標温度設定手段の設定値と前記車内温度検出手段の検出値との入力情報に基づいて車内への供給熱量を算出することを特徴とする請求項１記載の車両空調装置。
前記冷房装置は運転周波数を複数段に切換可能な圧縮機を有した冷凍サイクル装置であり、前記圧縮機の運転周波数の切換えにより冷熱量を段階的に変更可能としていることを特徴とする請求項１または２記載の車両空調装置。
前記暖房装置は異なる発熱能力を有する複数の発熱体を備え、それらの発熱体の動作の組合わせにより、発熱量を段階的に変更可能とし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車両空調装置。
前記複数の発熱体は、最小の発熱能力を有する１つの発熱体の動作による暖房能力と複数の全発熱体の動作による暖房能力との間で、等間隔に暖房能力が設定できる発熱能力を有し、かつ前記圧縮機の停止時と最大運転周波数での動作時との間で、等間隔に冷房能力が設定できる発熱能力を有したものであることを特徴とする請求項４記載の車両空調装置。
前記制御装置は、所定の供給熱量毎に前記圧縮機の運転周波数と前記発熱体の組合わせによる予め定められた運転パターンを持ち、該運転パターンに基づいて前記冷房装置と前記暖房装置とを制御することを特徴とする請求項４または５記載の車両空調装置。