(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも圧縮機、放熱器、膨張手段、蒸発器を備えた蒸気圧縮式の冷凍サイクルを有する車両用空調装置において、冷凍サイクルの高圧側の冷媒密度に相関のある物理量を検知または推定することのできる高圧側冷媒密度検知手段を設けるとともに、該高圧側冷媒密度検知手段により検知または推定される冷凍サイクルの高圧側冷媒密度を参照し、予め定めた密度目標値へと制御する手段からなる高圧側冷媒密度制御手段により冷凍サイクルの高圧側冷媒密度を制御する車両用空調装置であって、高圧側冷媒圧力が予め定めた所定値以上である場合と所定値未満である場合とで前記密度目標値が異なることを特徴とする車両用空調装置。
【請求項２】
前記高圧側冷媒密度検知手段は、温度センサおよび圧力センサを備えており、該圧力センサにより前記高圧側冷媒圧力が検知される、請求項１に記載の車両用空調装置。
【請求項３】
少なくとも圧縮機、放熱器、膨張手段、蒸発器を備えた蒸気圧縮式の冷凍サイクルを有する車両用空調装置において、冷凍サイクルの高圧側の冷媒密度に相関のある物理量を検知または推定することのできる高圧側冷媒密度検知手段を設けるとともに、該高圧側冷媒密度検知手段により検知または推定される冷凍サイクルの高圧側冷媒密度を参照し、予め定めた密度目標値へと制御する手段からなる高圧側冷媒密度制御手段により冷凍サイクルの高圧側冷媒密度を制御する車両用空調装置であって、さらに、外気温度に相関のある物理量を検知する外気温度検知手段を備えており、該外気温度検知手段により検知される外気温度が予め定めた所定値以上である場合と所定値未満である場合とで前記密度目標値が異なることを特徴とする車両用空調装置。
【請求項４】
前記高圧側冷媒密度制御手段は、冷凍サイクルの高圧側冷媒密度、密度目標値を参照し、前記膨張手段の弁開度または膨張比を制御する手段からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の車両用空調装置。
【請求項５】
前記膨張手段は、前記高圧側冷媒密度検知手段により検知または推定される冷凍サイクルの高圧側冷媒密度に応じて予め定めた特性により、弁開度または膨張比を変化させる手段からなる、請求項１〜４のいずれかに記載の車両用空調装置。
【請求項６】
前記膨張手段は、前記高圧側冷媒密度検知手段により検知または推定される冷凍サイクルの高圧側冷媒密度が予め定めた所定の密度となるように、弁開度または膨張比を制御する手段からなる、請求項１〜５のいずれかに記載の車両用空調装置。
【請求項７】
前記高圧側冷媒密度検知手段と前記膨張手段が実質的に一体に構成されている、請求項１〜６のいずれかに記載の車両用空調装置。
【請求項８】
冷媒が炭酸ガスからなる、請求項１〜７のいずれかに記載の車両用空調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用空調装置に関し、とくに、自然系冷媒である炭酸ガスを用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルを備えたものに好適な車両用空調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用空調装置としての蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒として、自然系冷媒である炭酸ガスを用いている場合においては、外部からの制御信号によって膨張装置の弁開度を制御することで、冷媒の高圧側ラインの圧力を調節するものが知られている（例えば、特許文献１）。このような冷凍サイクルにおいては、冷凍サイクルの高圧側冷媒温度などを参照することにより冷凍サイクルの成績係数が最適となる高圧側冷媒圧力を演算し、高圧側冷媒圧力が最適となるように膨張装置の弁開度などを制御している。
【特許文献１】特開平７−２９４０３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述したように従来装置においては、高圧側冷媒の温度を参照することにより演算される最適な高圧側冷媒圧力となるように、電気式の膨張装置などを制御する一方で、蒸発器出口空気温度を調節するために、外部制御式の可変容量圧縮機の容量が制御されており、一般的に熱負荷等の情報から容量制御のための信号が演算される。
【０００４】
しかしながら、上記の制御方法では、高圧側冷媒温度から最適な冷媒圧力に制御するため、冷凍サイクルの過渡状態においては、高圧側冷媒温度によって高圧側の目標圧力が時々刻々と変化するため、システムを安定に制御するためには複雑な制御系となるおそれがある。より具体的には、冷凍サイクルの過渡状態においては、システムのハンチングなどが懸念され、安定した制御が困難になるおそれがある。
【０００５】
そこで本発明の課題は、とくに蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒として自然系冷媒である炭酸ガスを用いた場合において、制御系としては簡素にしつつ、冷凍サイクルの高圧側冷媒密度に着目して該高圧側冷媒密度を制御することで制御系全体として安定した制御を可能とし、それによって冷凍サイクルの成績係数を向上させることが可能な車両用空調装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る第一の車両用空調装置は、少なくとも圧縮機、放熱器、膨張手段、蒸発器を備えた蒸気圧縮式の冷凍サイクルを有する車両用空調装置において、冷凍サイクルの高圧側の冷媒密度に相関のある物理量を検知または推定することのできる高圧側冷媒密度検知手段を設けるとともに、該高圧側冷媒密度検知手段により検知または推定される冷凍サイクルの高圧側冷媒密度を参照し、予め定めた密度目標値へと制御する手段からなる高圧側冷媒密度制御手段により冷凍サイクルの高圧側冷媒密度を制御する車両用空調装置であって、高圧側冷媒圧力が予め定めた所定値以上である場合と所定値未満である場合とで前記密度目標値が異なることを特徴とするものからなる。
また、本発明に係る第二の車両用空調装置は、少なくとも圧縮機、放熱器、膨張手段、蒸発器を備えた蒸気圧縮式の冷凍サイクルを有する車両用空調装置において、冷凍サイクルの高圧側の冷媒密度に相関のある物理量を検知または推定することのできる高圧側冷媒密度検知手段を設けるとともに、該高圧側冷媒密度検知手段により検知または推定される冷凍サイクルの高圧側冷媒密度を参照し、予め定めた密度目標値へと制御する手段からなる高圧側冷媒密度制御手段により冷凍サイクルの高圧側冷媒密度を制御する車両用空調装置であって、さらに、外気温度に相関のある物理量を検知する外気温度検知手段を備えており、該外気温度検知手段により検知される外気温度が予め定めた所定値以上である場合と所定値未満である場合とで前記密度目標値が異なることを特徴とするものからなる。
蒸気圧縮式冷凍サイクルとしては、自然系冷媒である炭酸ガスを用い、超臨界域で作動するものを使用できる。
【０００７】
この車両用空調装置においては、上記高圧側冷媒密度制御手段は、冷凍サイクルの高圧側冷媒密度を参照し、予め定めた密度目標値へと制御する手段から構成される。より詳しくは、例えば、上記高圧側冷媒密度制御手段は、冷凍サイクルの高圧側冷媒密度、密度目標値を参照し、前記膨張手段の弁開度または膨張比を制御する手段から構成できる。
【０００８】
また、上記膨張手段としては、上記高圧側冷媒密度検知手段により検知または推定される冷凍サイクルの高圧側冷媒密度に応じて予め定めた特性により、その膨張手段の弁開度または膨張比（膨張手段の入出口圧力比）を変化させる手段から構成できる。
【０００９】
また、上記膨張手段は、上記高圧側冷媒密度検知手段により検知または推定される冷凍サイクルの高圧側冷媒密度が予め定めた所定の密度（所定の一定の密度）となるように、弁開度または膨張比を制御する（例えば、フィードバック制御する）手段から構成することもできる。
【００１０】
上記高圧側冷媒密度検知手段と前記膨張手段とは、実質的に一体に構成されている構造とすることもできる。
【００１１】
本発明に係る第一の車両用空調装置において、上記高圧側冷媒密度検知手段は、温度センサおよび圧力センサを備えている構成とすることができる。検出される冷媒温度と冷媒圧力とから、後述の線図に示すように冷媒の高圧側密度を読み取りあるいは演算することができる。
【００１２】
この場合、上記高圧側冷媒密度検知手段が備える圧力センサの高圧側冷媒圧力検知量に応じて密度目標値を変化させ、高圧側冷媒密度検知手段が備える圧力センサの高圧側冷媒圧力検知量が予め定めた所定値以上である場合と所定値未満である場合とで密度目標値が異なるようにする。
【００１３】
本発明に係る第二の車両用空調装置においては、さらに、外気温度に相関のある物理量を検知する外気温度検知手段を備えており、該外気温度検知手段により検知される外気温度に応じて密度目標値を変化させる構成とする。この場合、外気温度検知手段により検知される外気温度が予め定めた所定値以上である場合と所定値未満である場合とで密度目標値が異なるようにする。すなわち、時々刻々変化させるのではなく、所定値以上である場合と所定値未満である場合とで意図的に密度目標値を変えるのである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る車両用空調装置によれば、蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒として自然系冷媒である炭酸ガスを用いた車両用空調装置において、冷凍サイクルの高圧側冷媒密度を制御することで、制御系としては簡素に構成しつつ、システム制御の安定性を向上させることができ、かつ、冷凍サイクルの効率を高く維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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は、本発明の一実施態様に係る車両用空調装置を示している。図１は、車両用の空調としての自然系冷媒である炭酸ガスを用いた冷凍サイクル装置の機械的な構成部分全体を示しており、通風回路と冷凍回路が設けられている。冷凍回路には、圧縮機１、放熱器としてのガスクーラ４、膨張手段としての電子膨張弁８、冷却器としての蒸発器９、気液分離器としてのアキュームレータ１３が設けられており、さらに本実施態様では、高圧側冷媒と低圧側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器７が設けられている。ガスクーラ４は、放熱器用送風機５によって送られてくる外部空気により放熱できるようになっている。通風回路内においては、蒸発器９が、空調ユニットのダクト１２内に配置されており、送風機１１から送られてくる空気を冷却して車室内へと送ることができるようになっている。
【００１６】
圧縮機１としては、固定容量式または容量可変式のいずれも使用可能である。その駆動源は、車両のエンジン、エンジン以外の駆動源のいずれも使用可能である。また、冷却器としての蒸発器９の温度制御は、蒸発器出口空気温度センサ１０によって検知される蒸発器出口空気温度を参照して、圧縮機１の容量制御信号（容量制御弁２を介しての制御）、または、圧縮機１のクラッチ（図示略）のオン／オフ制御にて行うことができる。この冷凍サイクル中の気液分離器としてのアキュームレータ１３は、蒸発器９からの流出冷媒の気液を分離するとともに、液冷媒を貯蔵する機能があり、アキュームレータ１３に流入した冷媒のうち気冷媒を流出させ、圧縮機１へと続く冷凍サイクル回路中に気冷媒を供給するものである。
【００１７】
図１において、３は圧縮機１の吐出側におけるＰＴセンサ（Ｐ：圧力、Ｔ：温度）、６はガスクーラ４により冷却された高圧側冷媒の圧力および温度を検知するＰＴセンサを示している。これらＰＴセンサ３からの検知信号（Ｐｄ、Ｔｄ）、ＰＴセンサ６からの検知信号（Ｐｇｏｕｔ（ガスクーラの出口側冷媒圧力）、Ｔｇｏｕｔ（ガスクーラの出口側冷媒温度））、および前述の蒸発器出口空気温度センサ１０からの検知信号が、この空調装置の制御装置であるコントローラ１４に送られる。また、コントローラ１４には、圧縮機回転数信号Ｎｃ、送風機１１の電圧（回転数）信号ＢＬＶ、車速信号ＶＳ、外気温度信号Ｔａｍｂ等が入力され、コントローラ１４からは、圧縮機１の容量制御信号が容量制御弁２に出力される。
【００１８】
本実施態様では、ＰＴセンサ６によって検知された高圧側冷媒の圧力および温度を参照して、高圧側冷媒の密度が演算される。この高圧側冷媒密度は、図４に示すように、高圧側冷媒圧力および高圧側冷媒温度から求めることができる。図４は、炭酸ガス冷媒の圧力−エンタルピー線図を示すものであるが、その線図の中に、等温線と密度線が加えてある。図４に示すように、ＰＴセンサ６により高圧側冷媒の圧力、温度が検出できれば（超臨界域における検出）、冷媒特性から任意の冷媒圧力、冷媒温度（例えば、圧力１、圧力２と、その時の温度１、温度２）に基づいて、冷媒の密度を算出することが可能となる。例えば、密度１＝ｆ（圧力１，温度１）、密度２＝ｆ（圧力２，温度２）として算出できる。
【００１９】
図２は、本実施態様における制御系の構成を示している。
（１）検出された高圧側冷媒圧力Ｐｈと高圧側冷媒温度Ｔｈを参照することで、高圧側冷媒密度Ｄｈの演算を行う。
（２）密度目標値Ｄｔと算出された高圧側冷媒密度Ｄｈを参照し、高圧側冷媒密度制御を実施する。具体的には、密度目標値Ｄｔを参照して演算される値と、高圧側冷媒密度目標値Ｄｔと高圧側冷媒密度Ｄｈの偏差を元に比例積分演算を実施することで、電子膨張弁８への制御信号を演算する。
（３）電子膨張弁８への制御信号を電子膨張弁制御コントローラへ出力し、電子膨張弁８を制御することで、高圧側冷媒密度Ｄｈを高圧側密度目標値Ｄｔへ制御する。
【００２０】
図３は、本実施態様における制御フローを示している。
ステップＳ１で上記センサ値の読込を行い、ステップＳ２で図２に示した高圧側冷媒密度演算を行う。ステップＳ３で外気温度Ｔａｍｂが予め定めた所定値Ａ以上か未満かの判定を行い、ステップＳ４、Ｓ５で密度目標値を設定する。所定値Ａ以上の場合には高圧側冷媒密度目標値Ｄｔを予め定めた値Ｂに設定し（ステップＳ４）、所定値Ａ未満の場合には高圧側冷媒密度目標値Ｄｔを予め定めた値Ｃに設定する（ステップＳ５）。したがって、高圧側冷媒密度目標値Ｄｔは外気温度Ｔａｍｂに応じて変化するものの、時々刻々変化するものではなく、簡素な制御系の構成でありながらシステムの制御安定性が確保される。
【００２１】
そして、ステップＳ６で密度偏差を判定し、偏差が所定値Ｄ以上の場合には密度フィードバック（ＦＤ）演算を行って（ステップＳ７）、高圧側冷媒密度目標値Ｄｔとなるように、電子膨張弁に制御信号が出力される（ステップＳ８）。
【００２２】
なお、上記実施態様では、高圧側冷媒圧力はガスクーラ出口側で検知したが、圧縮機吐出側の圧力として検知（ＰＴセンサ３で検知）してもよい。また、高圧側冷媒温度については、ガスクーラ出口側で検出（ＰＴセンサ６で検出）することが望ましい。
【００２３】
また、上記ステップＳ３で、高圧側冷媒圧力Ｐｈが予め定められた所定値Ｅ以上か未満かの判定を行い、密度目標値を設定してもよい。また、上記実施態様では、膨張手段として電子膨張弁を用いているが、機械式の膨張機構や、膨張機（エキスパンダ）のようなものを用いてもよい。
【００２４】
このような制御により、簡素な制御システムでありながら制御の安定性を確保でき、冷凍サイクルの高い成績係数の維持が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施態様に係る車両用空調装置の概略機器系統図である。
【図２】図１の装置の制御ブロック図である。
【図３】図１の装置の制御フロー図である。
【図４】本発明において高圧側冷媒密度を冷媒圧力と冷媒温度から求めることができることを説明する、炭酸ガス冷媒の圧力−エンタルピー線図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  圧縮機
２  容量制御弁
３、６  ＰＴセンサ（Ｐ：圧力、Ｔ：温度）
４  放熱器としてのガスクーラ
５  放熱器用送風機
７  内部熱交換器
８  膨張手段としての電子膨張弁
９  冷却器としての蒸発器
１０  蒸発器出口空気温度センサ
１１  送風機
１２  空調ユニットのダクト
１３  気液分離器としてのアキュームレータ
１４  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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