JPWO2017159455A1 - 空調装置 - Google Patents

Abstract

熱媒が十分に加熱されない状態で電気ヒータが停止することを回避し、暖房が急速に行われる空調装置を提供する。空調装置（１）は、送風空気を加熱するヒータコア（４２）に熱媒を循環させる加熱サイクル（４）と、電気ヒータによって熱媒を加熱する補助加熱器（４３）と、熱媒を加熱するコンデンサ（２２）に圧縮機（２１）から吐出される冷媒を循環させる冷凍サイクル（２）と、熱媒の温度が目標熱媒温度（Ｔｒｅｆｏ）になるように前記冷凍サイクル（２）を運転させる冷凍サイクル制御手段と、熱媒の温度が前記目標熱媒温度（Ｔｒｅｆｏ）になるように前記補助加熱器（４３）を運転させる補助加熱器制御手段と、熱媒の温度が閾値以上の状態では、前記冷凍サイクル（２）の運転を停止させる切り換え手段と、を備える。

Description

本発明は、送風空気の温度を調整する空調装置に関する。

ＪＰ２００９−２８００２０Ａには、車室内に吹き出す送風空気を加熱する熱媒ヒータと、熱媒ヒータに循環する熱媒を加熱する電気ヒータと、熱媒を加熱する冷媒／熱媒熱交換器に冷媒を循環させるヒートポンプと、を備える空調装置が開示されている。

上記空調装置では、外気温度が０℃近辺の暖房時に、電気ヒータとヒートポンプとの両方が作動することで、高出力で暖房が行われる。一方、外気温度が０℃以上の暖房時に、電気ヒータの作動が停止され、ヒートポンプのみが作動することで、低出力で暖房が行われる。

しかしながら、ＪＰ２００９−２８００２０Ａの空調装置では、外気温度が低いときのみに電気ヒータが作動するため、熱媒が十分に加熱されない状態で電気ヒータが停止することがある。そのため、暖房を急速に行うことができないおそれがある。

本発明は、暖房が急速に行われる空調装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、空調装置は、送風空気を加熱するヒータコアに熱媒を循環させる加熱サイクルと、電気ヒータによって熱媒を加熱する補助加熱器と、熱媒を加熱するコンデンサに圧縮機から吐出される冷媒を循環させる冷凍サイクルと、熱媒の温度が目標熱媒温度になるように前記冷凍サイクルを運転させる冷凍サイクル制御手段と、熱媒の温度が前記目標熱媒温度になるように前記補助加熱器を運転させる補助加熱器制御手段と、熱媒の温度が閾値以上の状態では、前記冷凍サイクルの運転を停止させる切り換え手段と、を備える。

上記態様によれば、冷凍サイクルによる加熱のみで目標熱媒温度に達する熱量が不足する場合には、補助加熱器及び冷凍サイクルが運転される。熱媒の温度が閾値以上に上昇して冷凍サイクルが低効率状態になる場合には、冷凍サイクルの運転が停止され、補助加熱器の運転によって暖房が行われる。したがって、暖房を急速に行うことができる。

図１は、本発明の実施形態に係る空調装置を示す概略構成図である。 図２は、空調装置における電気回路のブロック図である。 図３は、空調装置の制御に用いられる目標値を示す図表である。 図４は、空調装置における運転モードを切り換える制御処理を示すフローチャートである。 図５は、空調装置における補助加熱器の制御処理を示すフローチャートである。 図６は、空調装置における冷凍サイクルの制御処理を示すフローチャートである。 図７は、空調装置の制御例を示すタイムチャートである。 図８は、本発明の実施形態の変形例に係る空調装置の制御に用いられる目標値を示す図表である。 図９は、空調装置における運転モードを切り換える制御処理を示すフローチャートである。 図１０は、空調装置の制御例を示すタイムチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態に係る空調装置１について説明する。図１は空調装置１を示す概略構成図である。

空調装置１は、冷媒が循環する冷凍サイクル２と、熱媒が循環する加熱サイクル４と、空調に利用する空気が通過するＨＶＡＣ（Ｈｅａｔｉｎｇ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）ユニット５と、弁の動作などを制御するコントローラ１０（図２参照）と、から構成される冷暖房可能なヒートポンプシステムである。冷凍サイクル２を循環する媒体には、例えばＨＦＣ−１３４ａからなる冷媒が用いられる。加熱サイクル４を循環する液状の媒体には、例えば不凍液（冷却水）からなる熱媒が用いられる。なお、加熱サイクル４を循環する液状の媒体には、これに限らず、オイル等、他の液体を用いてもよい。

冷凍サイクル２は、圧縮機２１（コンプレッサ）と、コンデンサ２２と、第１膨張弁２７と、室外熱交換器２３と、リキッドタンク２４と、内部熱交換器６０と、第２膨張弁２８と、エバポレータ２５と、アキュムレータ２６と、これらを冷媒が循環可能となるように接続する冷媒流路２０と、から構成される。

圧縮機２１は、電動モータ（図示省略）によって駆動され、冷媒流路２０を循環する冷媒を圧縮して吐出する。

コンデンサ２２は、冷凍サイクル２を循環する冷媒と加熱サイクル４を循環する熱媒との間で熱交換をさせる熱交換器である。

室外熱交換器２３は、例えば車両のエンジンルーム（電気自動車においてはモータルーム）に設置され、冷媒と外気との間で熱交換を行わせる。室外熱交換器２３は、車両走行風又は室外ファン３２によって送られる強制風が熱交換部を通過するように配置される。室外ファン３２は、電動モータ（図示省略）によって駆動される。

リキッドタンク２４は、冷房時に、室外熱交換器２３を通過して凝縮した冷媒を一時的に溜めるとともに、冷媒をガス状冷媒と液状冷媒とに気液分離する。

内部熱交換器６０では、冷媒流路２０において第２膨張弁２８の上流側と及びエバポレータ２５の下流側を流れる冷媒どうしの間で熱交換が行われる。

エバポレータ２５は、ＨＶＡＣユニット５内に設置される。エバポレータ２５は、冷媒とＨＶＡＣユニット５内を流れる送風空気との間で熱交換をさせて送風空気を冷却する熱交換器である。

アキュムレータ２６では、冷媒流路２０を流れる冷媒が一時的に溜められ、ガス状冷媒と液状冷媒とに気液分離される。

冷媒流路２０には、コンデンサ２２と室外熱交換器２３との間に第１膨張弁２７が介装される。第１膨張弁２７では、コンデンサ２２で凝縮した冷媒が減圧膨張する。第１膨張弁２７には、例えば、固定絞り（オリフィス）や可変絞り（電磁弁）が用いられる。

冷媒流路２０には、内部熱交換器６０とエバポレータ２５との間に第２膨張弁２８が介装される。第２膨張弁２８では、室外熱交換器２３及び内部熱交換器６０を通過して凝縮した冷媒が減圧膨張する。第２膨張弁２８には、エバポレータ２５を通過した冷媒の温度に応じて開度が調節される温度式膨張弁が用いられる。

冷媒流路２０には、第１開閉弁２９、第２開閉弁３０、及び第３開閉弁３１が設けられる。第１開閉弁２９、第２開閉弁３０、及び第３開閉弁３１は、コントローラ１０によって開閉されて冷媒の流れを切り換える。暖房時には、第１開閉弁２９及び第３開閉弁３１が閉じられ、第２開閉弁３０が開かれる。冷房時には、第１開閉弁２９及び第３開閉弁３１が開かれるとともに、第２開閉弁３０が閉じられる。

加熱サイクル４は、ウォータポンプ４１と、コンデンサ２２と、補助加熱器４３と、ヒータコア４２と、これらを熱媒が循環可能となるように接続する熱媒流路４０と、から構成される。熱媒流路４０において、コンデンサ２２の直下流側に補助加熱器４３が設けられ、補助加熱器４３の直下流側にヒータコア４２が設けられる。

ウォータポンプ４１は、熱媒流路４０内の熱媒を図１に実線の矢印で示すように循環させる。ウォータポンプ４１は、電動モータ（図示省略）によって駆動される。

ヒータコア４２は、ＨＶＡＣユニット５内に設置される。ヒータコア４２は、熱媒とＨＶＡＣユニット５流れる送風空気との間で熱交換をさせて送風空気を加熱する熱交換器である。

補助加熱器４３は、熱媒流路４０を循環する熱媒を電力によって加熱する。補助加熱器４３は、その内部に電気ヒータ（図示省略）を有する。電気ヒータには、例えば、シーズヒータやＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）ヒータが用いられる。

ＨＶＡＣユニット５は、空調に利用される送風空気を冷却又は加熱する。ＨＶＡＣユニット５は、空気を送風するブロワ５２と、エバポレータ２５と、ヒータコア４２と、ヒータコア４２を通過する空気の量を調整するエアミックスドア５３と、を備える。

ブロワ５２は、ＨＶＡＣユニット５内に空気を送風する送風機である。ブロワ５２は、電動モータ（図示省略）によって駆動される。

エアミックスドア５３は、暖房時にヒータコア４２側を開き、冷房時にヒータコア４２側を閉じる。エアミックスドア５３の開度により、送風空気とヒータコア４２内の熱媒との間で行われる熱交換量が調節される。

コントローラ１０は、冷房時に冷房モードに切り換えられ、暖房時に暖房モードに切り換えられて、冷凍サイクル２、加熱サイクル４、及びＨＶＡＣユニット５を制御する。

次に、暖房モード、冷房モードにおける空調装置１の作動について説明する。

＜暖房モード＞
冷凍サイクル２では、冷媒が図１に破線の矢印で示すように冷媒流路２０を循環する。圧縮機２１で圧縮されて高温になった冷媒は、コンデンサ２２に送られる。コンデンサ２２では、圧縮機２１によって高温高圧となった冷媒の熱が熱媒に伝達される。コンデンサ２２を通過して低温になった冷媒は、第１膨張弁２７を通って減圧膨張することで更に低温となって、室外熱交換器２３に送られる。室外熱交換器２３では、低温となった冷媒が外気の熱を吸収して加熱される。加熱された冷媒は、アキュムレータ２６を介して圧縮機２１に送られて循環する。こうして、冷凍サイクル２では、冷媒が外気の熱を吸収して加熱サイクル４を循環する熱媒に放熱するヒートポンプ運転が行われる。

一方、加熱サイクル４では、熱媒が図１に実線の矢印で示すように熱媒流路４０を循環し、コンデンサ２２、補助加熱器４３によって加熱される。加熱された熱媒は、ヒータコア４２の内部を流れて送風空気を加熱する。

ＨＶＡＣユニット５では、ヒータコア４２を通過して加熱された送風空気が図１に白抜き矢印で示すように車室内に送られ、暖房が行われる。

＜冷房モード＞
冷房モードでは、第１開閉弁２９及び第３開閉弁３１が開かれるとともに、第２開閉弁３０が閉じられる。これにより、圧縮機２１で圧縮されて高温になった冷媒は、室外熱交換器２３へと送られる。室外熱交換器２３では、冷媒の熱が外気に放熱される。室外熱交換器２３を通過した冷媒は、第２膨張弁２８を通って減圧膨張することで更に低温となってエバポレータ２５に送られる。エバポレータ２５では、低温となった冷媒によって送風空気が冷却される。エバポレータ２５を通過することで蒸発してガス状となった冷媒は、内部熱交換器６０を通過することで加熱された後、アキュムレータ２６を介して圧縮機２１に送られて循環する。こうして、冷凍サイクル２では循環する冷媒が車室内に送られる送風空気の熱を吸収して外気に放熱するヒートポンプ運転が行われる。

ＨＶＡＣユニット５では、エバポレータ２５を通過して冷却された送風空気が車室内に送られ、冷房が行われる。

なお、エバポレータ２５で空気を冷却することによって空気中の水蒸気を凝縮させ取り除いた後、ヒータコア４２で再加熱することによって、除湿風を得ることもできる（除湿暖房モード）。

圧縮機２１の吐出側の冷媒流路２０には、吐出圧センサ１１が設置される。吐出圧センサ１１は、圧縮機２１によって圧縮された冷媒の圧力Ｐを検出する。

室外熱交換器２３の出口付近の冷媒流路２０には、室外熱交換器出口温度センサ１２が設置される。室外熱交換器出口温度センサ１２は、室外熱交換器２３を通過した冷媒の温度を検出する。なお、室外熱交換器出口温度センサ１２は、室外熱交換器２３の出口に設置されてもよい。

ＨＶＡＣユニット５内におけるエバポレータ２５の下流側には、エバポレータ温度センサ１３が設置される。エバポレータ温度センサ１３は、エバポレータ２５を通過した送風空気の温度Ｔを検出する。なお、エバポレータ温度センサ１３は、エバポレータ２５の内部に設置されてもよい。

水温センサ１４は、補助加熱器４３の出口付近の熱媒流路４０に設置され、補助加熱器４３を通過した熱媒の温度Ｔｗを検出する。

図２は、コントローラ１０に係る電気回路の構成を示すブロック図である。コントローラ１０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等によって構成されるマイクロコンピュータである。コントローラ１０を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。コントローラ１０は、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＣＰＵによって読み出すことで、空調装置１に各種機能を発揮させる。コントローラ１０には、各種センサ１１〜１７、及び温度設定器１８からの信号が入力される。コントローラ１０は、入力された信号に基づいて、補助加熱器４３、圧縮機２１、ウォータポンプ４１、ブロワ５２、第１開閉弁２９、第２開閉弁３０、第３開閉弁３１、及びエアミックスドア５３の作動をそれぞれ制御する。

コントローラ１０は、暖房モードにおいて、加熱サイクル４を循環する熱媒の温度Ｔｗを目標熱媒温度Ｔｗｏに近づけるように補助加熱器４３の出力をフィードバック制御（図５参照）する。そして、コントローラ１０は、熱媒の温度Ｔｗを目標熱媒温度Ｔｗｏに近づけるように冷凍サイクル２（圧縮機２１）の出力をフィードバック制御する（図６参照）。

図３の図表に示すように、コントローラ１０では、補助加熱器４３及び冷凍サイクル２の出力制御に用いられる目標値として、演算上の目標吹き出し温度Ｔｔａｒｇｅｔ、制御上の目標吹き出し温度Ｔｏ、目標熱媒温度Ｔｗｏ、及び目標冷媒圧力Ｐｏがそれぞれ設定される。

演算上の目標吹き出し温度Ｔｔａｒｇｅｔは、ＨＶＡＣユニット５から車室内に送風される空気の吹き出し温度Ｔの目標値であり、運転条件として車室内の温度を温度設定器１８によって設定された温度に維持するように設定される。目標吹き出し温度Ｔｔａｒｇｅｔは、運転条件として外気温度センサ１５により検出される外気温度、室内温度センサ１６により検出される室内温度、及び日射センサ１７により検出される日射量に応じて算出される。

制御上の目標吹き出し温度Ｔｏは、目標吹き出し温度Ｔｔａｒｇｅｔに所定の上限値（例えば８０℃）が設定された値である。後述するように、この上限値８０℃は、圧縮機２１による冷媒の圧縮比が上限値を超えるように設定される。

目標熱媒温度Ｔｗｏは、加熱サイクル４を循環する熱媒の温度の目標値である。目標熱媒温度Ｔｗｏは、下記数式（１）に基づき、目標吹き出し温度Ｔｏに応じて算出される。Ｔｗｏ ＝ Ｔｏ ＋ Ｃｗ …（１）
但し、Ｃｗは定数であり、例えば２℃に設定される。目標吹き出し温度Ｔｏの上限値が６０℃に設定されているため、目標熱媒温度Ｔｗｏの上限値は６２℃に設定される。

目標冷媒圧力Ｐｏは、圧縮機２１から吐出される冷媒の圧力Ｐの目標値である。目標冷媒圧力Ｐｏは、コンデンサ２２に流入する冷媒の飽和温度の目標値Ｔｒｅｆｏになる圧力である。目標冷媒温度Ｔｒｅｆｏは、下記数式（２）に基づき、目標熱媒温度Ｔｗｏ（目標吹き出し温度Ｔｏ）に応じて算出される。
Ｔｒｅｆｏ ＝ Ｔｗｏ ＋ Ｃｒｅｆ …（２）
但し、Ｃｒｅｆは定数であり、例えば５℃に設定される。目標熱媒温度Ｔｗｏは６２℃に設定されているため、目標冷媒温度（目標冷媒圧力）の目標値Ｔｒｅｆｏの上限値は６７℃に設定される。

なお、コントローラ１０は、吐出圧センサ１１の検出値Ｐに応じて冷凍サイクル２の運転をフィードバック制御する構成に限らない。例えば、コントローラ１０は、圧縮機２１から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度センサ（図示省略）を設け、吐出温度センサの検出値に応じて冷凍サイクル２の運転をフィードバック制御する構成としてもよい。

ところで、冷媒温度Ｔｒｅｆが所定値（例えば６７℃）を超えて高まる運転時には、圧縮機２１による冷媒の圧縮比が上限値を超えて過度に高くなるため、冷凍サイクル２の効率（入力に対する暖房能力の比）が補助加熱器４３の効率より低下する低効率状態になる。熱媒の温度Ｔｗが所定値（例えば６２℃）を超えて高まる運転状態では、冷媒温度Ｔｒｅｆが所定値（例えば６７℃）を超えて高まり、冷凍サイクル２が低効率状態になるおそれがある。

そこで、コントローラ１０では、冷凍サイクル２の運転を停止することを判定する熱媒の温度Ｔｗの閾値６２℃が設定される。コントローラ１０は、熱媒の温度Ｔｗが閾値６２℃を超えて高まることを判定して冷凍サイクル２の運転を禁止する構成とする。

次に、コントローラ１０が実行する空調装置１の運転モードを切り換えるルーチンについて、図４のフローチャートを用いて説明する。この制御ルーチンが作動条件に応じて運転モードを切り換える切り換え手段に相当する。この制御ルーチンは、車両のイグニッションスイッチ（図示省略）がオンにされてコントローラ１０に電源が供給されることでスタートし、所定周期毎に実行される。

まず、ステップＳ１０１では、空調装置１を作動させる空調スイッチ（図示省略）がオンにされているか否かを判定する。ここで空調スイッチがオフであると判定された場合には、ステップＳ１０２に進み、補助加熱器４３の運転を禁止する。続いて、ステップＳ１０３に進み、冷凍サイクル２の運転を禁止する。続いて、ステップＳ１０４に進み、空調ＯＦＦモードに切り換える。こうして、空調装置１の運転が停止された状態が保たれる。

一方、ステップＳ１０１で空調スイッチがオンであると判定された場合には、ステップＳ１０５に進み、演算上の目標吹き出し温度Ｔｔａｒｇｅｔを、外気温度センサ１５、室内温度センサ１６、及び日射センサ１７の検出値に応じて算出する。

続いて、ステップＳ１０６〜１０８に進み、目標吹き出し温度Ｔｔａｒｇｅｔに基づいて制御上の目標吹き出し温度Ｔｏを求める。ステップＳ１０６にて、目標吹き出し温度Ｔｔａｒｇｅｔが上限値８０℃を超えていると判定された場合には、ステップＳ１０８に進んで、目標吹き出し温度Ｔｏを上限値８０℃にする。一方、目標吹き出し温度Ｔｔａｒｇｅｔが上限値６０℃以下と判定された場合には、ステップＳ１０７に進んで、目標吹き出し温度ＴｏをＴｔａｒｇｅｔにする。

続いて、ステップＳ１０９に進み、設定条件に応じて暖房モードか冷房モードかを判定する。ここで、冷房モードと判定された場合には、ステップＳ１１０に進み、空調装置１の運転を冷房モードに切り換える。冷房モードでは、別の制御ルーチン（図示省略）によって冷凍サイクル２が運転され、車室内の冷房が行われる。

一方、ステップＳ１０９で暖房モードと判定された場合には、ステップＳ１１１以降に進み、暖房モードの処理が行われる。

暖房モードでは、まず、ステップＳ１１１に進み、空調装置１の運転を停止させる空調ＯＦＦモードから空調装置１を運転させる空調ＯＮモードに切り換えられる暖房開始時か否かを判定する。ここで、暖房開始時と判定された場合には、ステップＳ１１２に進み、補助加熱器４３の運転を許可する。続いて、ステップＳ１１３に進み、冷凍サイクル２の運転を許可する。

一方、ステップＳ１１１にて既に暖房が開始されている暖房時と判定された場合には、ステップＳ１１４に進み、補助加熱器４３の運転が許可されていることを判定して、ステップＳ１１５に進んで補助加熱器４３の運転を制御する（図５参照）。

続いて、ステップＳ１１６に進み、熱媒の温度Ｔｗが閾値（６２℃）より低いか否かを判定する。ここで、熱媒の温度Ｔｗが閾値（６２℃）以上であると判定された場合には、ステップＳ１１７に進み、冷凍サイクル２の運転を禁止する。

一方、ステップＳ１１６にて熱媒の温度Ｔｗが閾値（６２℃）より低いと判定された場合には、ステップＳ１１８に進み、冷凍サイクル２の運転を許可する。

続いて、ステップＳ１１９に進み、圧縮機２１の運転が許可されていることを判定して、ステップＳ１２０に進んで冷凍サイクル２の運転を制御する（図６参照）。

上記制御ルーチンが実行されることにより、空調装置１は、作動条件に応じて運転モードが切り換えられる。

次に、コントローラ１０が実行する補助加熱器４３の出力を制御するルーチンについて、図５のフローチャートを用いて説明する。この制御ルーチンが、熱媒の温度Ｔｗが目標熱媒温度Ｔｗｏになるように補助加熱器４３を運転させる補助加熱器制御手段に相当する。この制御ルーチンは、所定周期毎に実行される。

まず、ステップＳ２０１では、制御上の目標吹き出し温度Ｔｏから目標熱媒温度Ｔｗｏを前記数式（１）に基づいて算出する（図３参照）。

続いて、ステップＳ２０２に進み、目標熱媒温度Ｔｗｏと熱媒の温度Ｔｗとの差ΔＴを下記数式（３）に基づいて算出する。
ΔＴ ＝ Ｔｗｏ − Ｔｗ …（３）

続いて、ステップＳ２０３に進み、演算上の目標出力Ｄｔａｒｇｅｔを下記数式（４）に基づいて算出する。
Ｄｔａｒｇｅｔ ＝ Ｋｐｗ＊ΔＴ ＋ Ｋｉｗ＊ΔＴ ＋ ＥＥｗ …（４）
但し、Ｋｐｗは比例係数であり、Ｋｉｗは積分係数であり、ＥＥｗは前回までの積算積分項である。

続いて、ステップＳ２０４に進み、今回の積算積分項ＥＥｗを下記数式（５）に基づいて、前回までの積算積分項に上書きする。
ＥＥｗ ＝ Ｋｉｗ＊ΔＴ ＋ ＥＥｗ …（５）

上記制御ルーチンが実行されることにより、熱媒の温度Ｔｗが目標熱媒温度Ｔｗｏに次第に近づくように、補助加熱器４３の出力がフィードバック制御される。

次に、コントローラ１０が実行する冷凍サイクル２（圧縮機２１）の出力を制御するルーチンについて、図６のフローチャートを用いて説明する。この制御ルーチンが熱媒の温度Ｔｗが目標熱媒温度Ｔｗｏになるように冷凍サイクル２を運転させる冷凍サイクル制御手段に相当する。この制御ルーチンは、所定周期毎に実行される。

まず、ステップＳ３０１では、制御上の目標吹き出し温度Ｔｏから目標冷媒温度Ｔｒｅｆｏを前記数式（２）に基づいて算出する（図３参照）。

続いて、ステップＳ３０２に進み、目標冷媒温度Ｔｒｅｆｏから目標冷媒圧力Ｐｏを算出する。

続いて、ステップＳ３０３に進み、目標冷媒圧力Ｐｏと吐出圧センサ１１によって検出される吐出冷媒圧力Ｐｄとの差ΔＴを下記数式（６）に基づいて算出する。
ΔＴ ＝ Ｐｏ − Ｐｄ …（６）

続いて、ステップＳ３０４に進み、演算上の目標回転速度Ｒｔａｒｇｅｔが下記数式（７）に基づいて算出する。
Ｒｔａｒｇｅｔ ＝ Ｋｐｐ＊ΔＰ ＋ Ｋｉｐ＊ΔＰ ＋ ＥＥｐ …（７）
但し、Ｋｐｐは比例係数であり、Ｋｉｐは積分係数であり、ＥＥｐは前回までの積算積分項である。

続いて、ステップＳ３０４に進み、今回の積算積分項ＥＥｗを下記数式（８）に基づいて、前回までの積算積分項に上書きする。
ＥＥｐ ＝ Ｋｉｐ＊ΔＰ ＋ ＥＥｐ …（８）

上記制御ルーチンが実行されることにより、熱媒の温度Ｔｗが目標熱媒温度Ｔｗｏに近づくように、圧縮機２１の回転速度（出力）が制御される。

次に、図７のタイムチャートを用いて、空調装置１が低外気温時に暖房運転を開始する場合に行われる作動について説明する。

タイムチャートの時刻ｔ０において、暖房モードで空調装置１の暖房運転が開始される。この運転開始時には、送風空気の吹き出し温度Ｔと熱媒の温度Ｔｗとの両方が低いため、高い暖房能力が必要とされる。この状況に対応して、演算上の目標吹き出し温度Ｔｔａｒｇｅｔは上限値８０℃を超えて高い値になるように設定されているが、制御上の目標吹き出し温度Ｔｏは上限値８０℃になり、目標熱媒温度Ｔｗｏは上限値８２℃になる（図３参照）。

時刻ｔ０以降の運転開始後の運転時では、熱媒の温度Ｔｗが目標値Ｔｗｏより低く、冷媒温度Ｔｒｅｆが目標値Ｔｒｅｆｏより低いため、補助加熱器４３及び冷凍サイクル２が運転される高出力モードに切り換えられる。この高出力モードでは、加熱サイクル４を循環する熱媒が補助加熱器４３及び冷凍サイクル２によって加熱されることにより、熱媒に与える熱量が高められ、暖房が急速に行われる。

時刻ｔ１において、熱媒の温度Ｔｗが閾値６２℃を超えて上昇するのに伴って、冷凍サイクル停止モードに切り換えられる。この冷凍サイクル停止モードでは、冷凍サイクル２が低効率状態にならないように、冷凍サイクル２の運転が停止され、補助加熱器４３のみが運転される。これにより、熱媒の温度Ｔｗは、高出力モードから続いて上昇してピークに達した後に、次第に低下する。

時刻ｔ２において、熱媒の温度Ｔｗが閾値６２℃より低下するのに伴って、冷凍サイクル２の運転が再開されて、補助加熱器４３及び冷凍サイクル２が運転される高出力モードに切り換えられる。この高出力モードでは、目標吹き出し温度Ｔｏ及び目標熱媒温度Ｔｗｏが次第に低下するのに伴って、補助加熱器４３の出力が減少し、冷凍サイクル２の出力分担分が次第に増加する。

時刻ｔ３において、熱媒の温度Ｔｗが目標熱媒温度Ｔｗｏに達すると、補助加熱器４３が停止され、冷凍サイクル２のみが運転される高効率モードに切り換えられる。この高効率モードでは、補助加熱器４３に比べて効率が高い冷凍サイクル２のみが運転されることにより、消費電力を抑えて暖房が行われる。

以上のように、図７のタイムチャートでは、時刻ｔ０からｔ１の間で高出力モードによる運転が行われ、時刻ｔ１からｔ２の間で冷凍サイクル停止モードによる運転が行われ、時刻ｔ２からｔ３の間で再び高出力モードによる運転が行われ、時刻ｔ３以降で高効率モードによる運転が行われる。

上記した実施形態に係る空調装置１によれば、以下の効果を得ることができる。

空調装置１は、送風空気を加熱するヒータコア４２に熱媒を循環させる加熱サイクル４と、電気ヒータによって熱媒を加熱する補助加熱器４３と、熱媒を加熱するコンデンサ２２に圧縮機２１から吐出される冷媒を循環させる冷凍サイクル２と、冷凍サイクル２及び補助加熱器４３の運転を制御するコントローラ１０と、を備える。そして、コントローラ１０は、熱媒の温度Ｔｗが目標熱媒温度Ｔｗｏになるように冷凍サイクル２を運転させる冷凍サイクル制御手段と、熱媒の温度Ｔｗが目標熱媒温度Ｔｗｏになるように補助加熱器４３を運転させる補助加熱器制御手段と、冷凍サイクル２の効率が所定値より低くなる低効率状態を判定して冷凍サイクル２の運転を停止させる切り換え手段と、を備える構成とする。

また、空調装置１は、熱媒の温度Ｔｗが上昇する過程で、熱媒の温度Ｔｗに応じて補助加熱器４３及び冷凍サイクル２が運転される高出力モードに切り換えられた後に、冷凍サイクル２の運転が停止されて補助加熱器４３のみが運転される冷凍サイクル停止モードに切り換えられる構成とする。

上記構成に基づき、空調装置１によれば、熱媒の温度Ｔｗが上昇する過程で、熱媒の温度Ｔｗが低いときに、冷凍サイクル２による加熱のみで熱媒の温度Ｔｗが所定時間内で目標熱媒温度Ｔｗｏに達するのに必要な熱量が不足する場合には、補助加熱器４３及び冷凍サイクル２が運転される。これにより、熱媒に与える熱量が高められ、暖房が急速に行われる。熱媒の温度Ｔｗが上昇するのに伴って、冷凍サイクル２の効率が低下する低効率状態になる場合には、冷凍サイクル２の運転が停止され、補助加熱器４３の運転によって暖房が行われる。こうして、空調装置１では、暖房が急速に行われるとともに、冷凍サイクル２の効率が低下する低効率状態になることがなく、暖房が効率よく行われる。

また、切り換え手段は、熱媒の温度Ｔｗが閾値６２℃以上である場合を低効率状態と判定して冷凍サイクル２の運転を停止させる構成とする。

上記構成に基づき、冷凍サイクル２は、圧縮機２１による冷媒の圧縮比が上限値を超えないように運転される。これにより、目標熱媒温度Ｔｗｏは、圧縮機２１による冷媒の圧縮比が上限値を超えるように設定することが可能となり、低外気温時における暖房開始時などでは、冷凍サイクル２の運転を停止して補助加熱器４３による加熱のみで熱媒の温度Ｔｗが高められ、暖房が急速に行われる。

また、補助加熱器制御手段は、冷凍サイクル２による加熱のみで熱媒の温度Ｔｗが目標熱媒温度Ｔｗｏに達する熱量が得られる場合に補助加熱器４３の運転を停止させる構成とする。

上記構成に基づき、熱媒の温度Ｔｗが上昇する過程で、冷凍サイクル２による加熱のみで熱媒の温度Ｔｗが所定時間内で目標熱媒温度Ｔｗｏに達するのに必要な熱量が足りる場合には、補助加熱器４３の運転が停止されて冷凍サイクル２のみが運転され、消費電力が抑えられる。

また、コントローラ１０は、送風空気の目標吹き出し温度Ｔｏに応じて目標熱媒温度Ｔｗｏを算出する目標熱媒温度算出手段と、目標熱媒温度Ｔｗｏに応じて目標冷媒温度Ｔｒｅｆｏを算出する目標冷媒温度算出手段と、を備える。そして、冷凍サイクル制御手段は、圧縮機２１から吐出される冷媒の温度Ｔｒｅｆ（冷媒の圧力）を目標冷媒温度Ｔｒｅｆｏに近づけるように冷凍サイクル２の運転を制御し、補助加熱器制御手段は、熱媒の温度Ｔｗを目標熱媒温度Ｔｗｏに近づけるように補助加熱器４３の運転を制御する構成とする。

上記構成に基づき、空調装置１は、冷媒温度Ｔｒｅｆ（冷媒の圧力）に応じて冷凍サイクル２が運転されるとともに、熱媒の温度Ｔｗに応じて補助加熱器４３が運転されることにより、作動条件に応じて暖房が効率よく行われる。

また、目標熱媒温度Ｔｗｏは、目標冷媒温度Ｔｒｅｆｏと比較して低い値に設定される。

上記構成に基づき、高出力モードにて送風空気の温度Ｔが目標吹き出し温度Ｔｔａｒｇｅｔに近づくときに、熱媒の温度Ｔｗが目標熱媒温度Ｔｗｏに到達して補助加熱器が停止した後にも冷媒の温度Ｔｒｅｆが目標冷媒温度Ｔｒｅｆｏに到達せず、冷凍サイクル２のみが運転される高効率モードに切り換えられる。

以上、図１〜７に示す空調装置１について説明した。次に、図８〜１０に示す空調装置１の変形例について説明する。

本変形例に係る空調装置１のコントローラ１０では、図８の図表に示すように、冷凍サイクル２の運転を開始させることを判定する目標熱媒温度Ｔｗｏの閾値６２℃が設定される。コントローラ１０は、目標熱媒温度Ｔｗｏが閾値６２℃以上になる場合に冷凍サイクル２の運転を停止させ、目標熱媒温度Ｔｗｏが閾値６２℃より低下したことを判定して冷凍サイクル２の運転を開始させる構成とする。これにより、熱媒の温度Ｔｗが閾値６２℃を超えて高まる可能性がある運転状態では、冷凍サイクル２の運転が停止されるため、冷媒温度Ｔｒｅｆが所定値（６７℃）を超えて高まり、冷凍サイクル２が低効率状態になることが回避される。

そして、コントローラ１０には冷凍サイクル２の運転を停止することを判定する熱媒の温度Ｔｗの閾値６２℃が設定される。コントローラ１０は、熱媒の温度Ｔｗが閾値６２℃を超えて高まることを判定して冷凍サイクル２の運転を禁止する構成とする。

次に、コントローラ１０が実行する空調装置１の運転モードを切り換えるルーチンについて、図９に示すフローチャートを用いて説明する。

暖房モードでは、まず、ステップＳ１１１に進み、空調装置１の運転を停止させる空調ＯＦＦモードから空調装置１を運転させる空調ＯＮモードに切り換えられる暖房開始時か否かを判定する。ここで、暖房開始時と判定された場合には、ステップＳ１１２に進み、補助加熱器４３の運転を許可する。

一方、ステップＳ１１１にて既に暖房が開始されている暖房時と判定された場合には、ステップＳ１２３に進み、補助加熱器４３の運転が許可されていることを判定して、ステップＳ１２４に進んで補助加熱器４３の運転を制御する（図５参照）。

続いて、ステップＳ１２５に進み、目標熱媒温度Ｔｗｏが閾値６２℃より低いか否かを判定する。ここで、目標熱媒温度Ｔｗｏが閾値６２℃以上であると判定された場合には、ステップＳ１２７に進み、冷凍サイクル２の運転を禁止する。これにより、冷凍サイクル２が低効率状態になることが回避される。一方、目標熱媒温度Ｔｗｏが閾値６２℃より低下していると判定された場合には、ステップＳ１２６に進む。

なお、上記した構成に限らず、ステップＳ１２３では、目標吹き出し温度Ｔｏが閾値６０℃より低いか否かを判定してもよい。ここで、目標吹き出し温度Ｔｏが閾値６０℃以上であると判定された場合には、ステップＳ１２７に進み、冷凍サイクル２の運転を禁止する。これによっても、冷凍サイクル２が低効率状態になることが回避される。一方、目標吹き出し温度Ｔｏが閾値６０℃より低下したと判定された場合には、ステップＳ１２６に進む。

ステップＳ１２６では、熱媒の温度Ｔｗが閾値（６２℃）より低いか否かを判定する。ここで、熱媒の温度Ｔｗが閾値（６２℃）以上であると判定された場合には、ステップＳ１２７に進み、冷凍サイクル２の運転を禁止する。

一方、ステップＳ１２６にて熱媒の温度Ｔｗが閾値（６２℃）より低いと判定された場合には、ステップＳ１２８に進み、冷凍サイクル２の運転を許可する。

続いて、ステップＳ１２９に進み、圧縮機２１の作動が許可されていることを判定して、ステップＳ１３０に進んで冷凍サイクル２の運転を制御する（図６参照）。

上記制御ルーチンが実行されることにより、空調装置１は、作動条件に応じて運転モードが切り換えられる。

次に、図１０のタイムチャートを用いて、空調装置１が低外気温時に運転を開始する場合に行われる作動について説明する。

タイムチャートの時刻ｔ０において、暖房モードで空調装置１の運転が開始される。この運転開始時に、送風空気の吹き出し温度Ｔと熱媒の温度Ｔｗとの両方が低いため、高い暖房能力が必要とされる。この状況に対応して、演算上の目標吹き出し温度Ｔｔａｒｇｅｔは上限値８０℃を超えて高い値になるように設定されているが、制御上の目標吹き出し温度Ｔｏは上限値８０℃になり、目標熱媒温度Ｔｗｏは上限値８２℃になる（図８参照）。

時刻ｔ０以降の運転開始後の運転時では、目標熱媒温度Ｔｗｏが閾値６２℃以上であることが判定されて冷凍サイクル停止モードになる。冷凍サイクル停止モードでは、冷凍サイクル２の運転が禁止され、補助加熱器４３が運転される。前記冷凍サイクル停止モードでは、加熱サイクル４を循環する熱媒が補助加熱器４３によって加熱されることで、熱媒の温度Ｔｗが上昇するのに伴って、目標吹き出し温度Ｔｏ及び目標熱媒温度Ｔｗｏが次第に低下する。これにより、熱媒の温度Ｔｗが６２℃を超えて上昇してピークに達した後に、次第に低下する。

時刻ｔ１において、目標熱媒温度Ｔｗｏが閾値６２℃より低下するのに伴って、高出力モードに切り換えられる。高出力モードでは、冷凍サイクル２の運転が開始されることで、補助加熱器４３と冷凍サイクル２との両方が運転される。高出力モードでは、目標吹き出し温度Ｔｏ及び目標熱媒温度Ｔｗｏが次第に低下するのに伴って、補助加熱器４３の出力が減少し、冷凍サイクル２の出力分担分が次第に増加する。

時刻ｔ２において、熱媒の温度Ｔｗが目標熱媒温度Ｔｗｏに達すると、高効率モードに切り換えられる。高効率モードでは、補助加熱器４３が停止され、補助加熱器４３に比べて効率が高い冷凍サイクル２のみが運転されることにより、消費電力を抑えて暖房が行われる。

以上のように、図１０のタイムチャートでは、時刻ｔ０からｔ１の間で冷凍サイクル停止モードによる運転が行われ、時刻ｔ１からｔ２の間で高出力モードによる運転が行われ、時刻ｔ２以降で高効率モードによる運転が行われる。

なお、図１０のタイムチャートには図示していないが、高出力モードによる運転が行われているときに熱媒の温度Ｔｗが閾値６２℃を超えて上昇する場合には、冷凍サイクル停止モードに切り換えられる。冷凍サイクル停止モードでは、冷凍サイクル２が低効率状態にならないように、冷凍サイクル２の運転が停止され、補助加熱器４３のみが運転される。

以上のように、本変形例に係るコントローラ１０は、熱媒の温度Ｔｗが目標熱媒温度Ｔｗｏになるように冷凍サイクル２を運転させる冷凍サイクル制御手段と、熱媒の温度Ｔｗが目標熱媒温度Ｔｗｏになるように補助加熱器４３を運転させる補助加熱器制御手段と、目標熱媒温度Ｔｗｏが閾値６２℃未満に低下した場合に冷凍サイクル２の運転を開始させる切り換え手段と、を備える構成とする。

上記構成に基づき、空調装置１によれば目標熱媒温度Ｔｗｏが閾値６２℃以上になる場合（目標吹き出し温度Ｔｏが閾値６０℃以上になる場合）には、冷凍サイクル２の運転が停止されて補助加熱器４３のみが運転される。これにより、目標熱媒温度Ｔｗｏは、圧縮機２１による冷媒の圧縮比が上限値を超えるように設定することが可能となる。したがって、低外気温時における暖房開始時などでは、冷凍サイクル２の状態に影響されずに補助加熱器４３の運転によって熱媒の温度Ｔｗが高められる。

一方、熱媒の温度Ｔｗが上昇するのに伴って、目標熱媒温度Ｔｗｏが閾値６２℃未満に低下した場合（目標吹き出し温度Ｔｏが閾値６０℃未満に低下した場合）には、冷凍サイクル２の運転が開始され、熱媒に与える熱量が高められる。

こうして、空調装置１では、暖房が急速に行われるとともに、冷凍サイクル２の効率が低下する低効率状態になることがなく、暖房が効率よく行われる。

また、空調装置１は、熱媒の温度Ｔｗが上昇する過程で、冷凍サイクル２の運転が停止されて補助加熱器４３のみが運転される冷凍サイクル停止モードに切り換えられた後に、補助加熱器４３及び冷凍サイクル２が運転される高出力モードに切り換えられる構成とする。

上記構成に基づき、空調装置１によれば、急速暖房が要求される暖房初期に、冷凍サイクル停止モードによる運転が行われることで、冷凍サイクル２の状態に影響されずに熱媒の温度Ｔｗが高められる。その後、高出力モードに切り換えられることにより、熱媒に与える熱量が高められ、暖房が急速に行われる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

本発明は、車両に搭載される空調装置として好適であるが、車両以外に使用される空調装置にも適用できる。

本願は、２０１６年３月１４日に日本国特許庁に出願された特願２０１６−０４９８５０，及び２０１６年３月１４日に日本国特許庁に出願された特願２０１６−０４９８５９に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (7)

1. 空調装置であって、
   送風空気を加熱するヒータコアに熱媒を循環させる加熱サイクルと、
   電気ヒータによって熱媒を加熱する補助加熱器と、
   熱媒を加熱するコンデンサに圧縮機から吐出される冷媒を循環させる冷凍サイクルと、
   熱媒の温度が目標熱媒温度になるように前記冷凍サイクルを運転させる冷凍サイクル制御手段と、
   熱媒の温度が前記目標熱媒温度になるように前記補助加熱器を運転させる補助加熱器制御手段と、
   熱媒の温度が閾値以上の状態では、前記冷凍サイクルの運転を停止させる切り換え手段と、を備える、
   空調装置。
2. 請求項１に記載の空調装置であって、
   熱媒の温度が上昇する過程で、前記補助加熱器及び前記冷凍サイクルが運転される高出力モードに切り換えられた後に、前記冷凍サイクルの運転が停止されて前記補助加熱器のみが運転される冷凍サイクル停止モードに切り換えられる、
   空調装置。
3. 請求項１又は２に記載の空調装置であって、
   前記切り換え手段は、前記目標熱媒温度が閾値未満に低下した場合に前記冷凍サイクルの運転を開始させる、
   空調装置。
4. 請求項３に記載の空調装置であって、
   熱媒の温度が上昇する過程で、前記冷凍サイクルの運転が停止されて前記補助加熱器のみが運転される冷凍サイクル停止モードが行われた後に、前記補助加熱器及び前記冷凍サイクルが運転される高出力モードが行われる、
   空調装置。
5. 請求項１から４のいずれか一つに記載の空調装置であって、
   前記補助加熱器制御手段は、前記冷凍サイクルによる加熱のみで前記目標熱媒温度に達する熱量が得られる場合に前記補助加熱器の運転を停止させる、
   空調装置。
6. 請求項１から５のいずれか一つに記載の空調装置であって、
   運転条件に応じて設定される送風空気の目標吹き出し温度に応じて前記目標熱媒温度を算出する目標熱媒温度算出手段と、
   前記目標熱媒温度に応じて目標冷媒温度を算出する目標冷媒温度算出手段と、を更に備え、
   前記冷凍サイクル制御手段は、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を前記目標冷媒温度に近づけるように前記冷凍サイクルの運転を制御し、
   前記補助加熱器制御手段は、熱媒の温度を前記目標熱媒温度に近づけるように前記補助加熱器の運転を制御する、
   空調装置。
7. 請求項６に記載の空調装置であって、
   前記目標熱媒温度は、前記目標冷媒温度と比較して低い値に設定される、
   空調装置。

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