(57)【要約】【課題】固定開度弁で減圧する冷凍サイクルを利用した車両用空調装置において、ＣＯＰの悪化を抑制しつつ、冷媒の流量を確保する。【解決手段】車両用空調装置１００は、冷媒を圧縮し、凝縮し、減圧するヒートポンプサイクル１を利用する。車両用空調装置１００は、圧縮前の冷媒の吸入圧Ｐｓに基づいて、凝縮後の冷媒が二相状態か液相状態かを判定する冷媒状態判定手段（コントローラ９０）と、冷媒状態判定手段によって冷媒が二相状態であると判定された場合に、ヒータコア３０の放熱量を増大させる放熱増大制御を行う放熱制御手段（コントローラ９０）と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮機で圧縮し、凝縮器で凝縮し、固定開度弁で減圧する冷凍サイクルを利用した車両用空調装置であって、
前記圧縮機で圧縮する前の冷媒の圧力に基づいて、凝縮後の冷媒が二相状態か液相状態かを判定する冷媒状態判定手段と、
前記冷媒状態判定手段によって冷媒が二相状態であると判定された場合に、前記凝縮器の放熱量を増大させる放熱増大制御を行う放熱制御手段と、
を備えることを特徴とする車両用空調装置。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用空調装置であって、
前記冷媒状態判定手段は、前記圧縮機の負荷の変化量に対する吸入圧の変化量が所定閾値よりも大きい場合に、冷媒が二相状態であると判定する、
ことを特徴とする車両用空調装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の車両用空調装置であって、
前記冷媒状態判定手段は、前記圧縮機の負荷の変化量に対する吸入圧の変化量が所定閾値以下の場合に、冷媒が液相状態であると判定する、
ことを特徴とする車両用空調装置。
【請求項４】
請求項１に記載の車両用空調装置であって、
前記冷媒状態判定手段は、前記固定開度弁と前記凝縮器との間の冷媒温度が飽和温度よりも低いときに冷媒が液相状態であると判定し、当該冷媒温度が飽和温度と一致したときに冷媒が二相状態であると判定する、
ことを特徴とする車両用空調装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の車両用空調装置であって、
前記放熱制御手段は、冷媒が液相状態であると判定されたときに、前記放熱増大制御を中止する、
ことを特徴とする車両用空調装置。
【請求項６】
車両用空調装置であって、
冷媒を圧縮する圧縮機と、
冷媒を凝縮する凝縮器と、
冷媒を減圧する固定開度弁と、
暖房運転時に蒸発器として機能する室外熱交換器と、
前記圧縮機の吸入圧を検出する吸入圧検出器と、
冷媒の熱を直接又は間接的に車室内に伝達する送風装置と、を備え、
前記送風装置の送風量は、前記圧縮機の負荷の変化量に対する吸入圧の変化量が所定閾値よりも大きい場合に、増大する、
ことを特徴とする車両用空調装置。
【請求項７】
請求項６に記載の車両用空調装置であって、
前記圧縮機の負荷の変化量に対する吸入圧の変化量が所定閾値以下に戻った場合に、前記送風装置の送風量を増大させる制御を中止して、設定値に応じた送風量に戻す、
ことを特徴とする車両用空調装置。
【請求項８】
車両用空調装置であって、
冷媒を圧縮する圧縮機と、
冷房運転時に凝縮器として機能する室外熱交換器と、
冷媒を減圧する固定開度弁と、
冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記圧縮機の吸入圧を検出する吸入圧検出器と、
前記室外熱交換器に風を送る室外ファンと、を備え、
前記室外ファンの送風量は、前記圧縮機の負荷の変化量に対する吸入圧の変化量が所定閾値よりも大きい場合に、増大する、
ことを特徴とする車両用空調装置。
【請求項９】
請求項８に記載の車両用空調装置であって、
前記圧縮機の負荷の変化量に対する吸入圧の変化量が所定閾値以下に戻った場合に、前記室外ファンの送風量を増大させる制御を中止する、
ことを特徴とする車両用空調装置。
【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するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、運転モードを切り替える際に、冷媒の循環流量が不足する状況があることを課題とし、圧縮機の回転数を制御するとともに、電動式の膨張弁の開度を制御することで冷媒の循環量を調整する車両用空気調和装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−９４６７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の車両用空気調和装置では、電動式の膨張弁の開度を調整することを前提としている。そのため、固定開度弁を膨張弁に適用した場合には、膨張弁の開度によって循環する冷媒の流量を調整することはできない。よって、冷媒の流量を増加させるために単に圧縮機の回転数を上げるだけではＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：成績係数）が悪化してしまう。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するために発明されたもので、固定開度弁で減圧する冷凍サイクルを利用した車両用空調装置において、ＣＯＰの悪化を抑制しつつ、冷媒の流量を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様に係る車両用空調装置は、冷媒を圧縮機で圧縮し、凝縮器で凝縮し、固定開度弁である減圧する冷凍サイクルを利用する。車両用空調装置は、圧縮機で圧縮する前の冷媒の圧力に基づいて、凝縮後の冷媒が二相状態か液相状態かを判定する冷媒状態判定手段と、冷媒状態判定手段によって冷媒が二相状態であると判定された場合に、凝縮器の放熱量を増大させる放熱増大制御を行う放熱制御手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
このような態様によれば、凝縮後の冷媒が二相状態と判定された場合に、凝縮器の放熱量を増大させるので、冷媒を液相状態まで冷やすことができる。このため、固定開度弁に密度の高い液相状態の冷媒を流すことができるようになる。したがって、固定開度弁を使用している場合でも、ＣＯＰが悪化することを抑制しつつ、冷媒の流量を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る車両用空調装置の構成図である。
【図２】第１実施形態に係るコントローラの空調制御に関する電気回路のブロック図である。
【図３】第１実施形態に係るコントローラが実行する暖房能力制御のフローチャートである。
【図４】圧縮機周波数及びブロア周波数の増大前後のモリエル線図である。
【図５】暖房運転時に、ヒータコアにて凝縮された後、第１膨張弁を通過する前の冷媒が、二相状態及び液相状態のときの冷媒の流量特性を示すグラフである。
【図６】第１膨張弁を通過する前の凝縮後の冷媒の相状態の違いによる圧縮機周波数と吸入圧との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第２実施形態に係る車両用空調装置の構成図である。
【図８】第２実施形態に係るコントローラの空調制御に関する電気回路のブロック図である。
【図９】第２実施形態に係るコントローラが実行する暖房能力制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る車両用空調装置１００の構成図である。
【００１１】
車両用空調装置１００は、ヒートポンプサイクル１と、ＨＶＡＣ（Ｈｅａｔｉｎｇ  Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ａｉｒ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）ユニット７０と、コントローラ９０とから構成される。
【００１２】
ヒートポンプサイクル１は、冷媒の流れる冷媒流路６０と、冷媒流路６０上に設けられ冷媒を気液分離するアキュムレータ１０と、冷媒を圧縮するコンプレッサ２０と、高圧となった冷媒の熱を放出するヒータコア３０と、冷媒と外気との間で熱交換を行う室外熱交換器４０と、冷媒に周囲の空気の熱を吸収させるエバポレータ５０と、を備える。冷媒には、例えばＨＦＣ−１３４ａが用いられる。
【００１３】
アキュムレータ１０は、冷媒流路６０を流れる冷媒を、気相冷媒と液相冷媒とに気液分離する。アキュムレータ１０は、分離した気相冷媒のみをコンプレッサ２０へと流す。
【００１４】
コンプレッサ２０は、アキュムレータ１０を通過した後の冷媒を吸引し圧縮する。コンプレッサ２０は、内部のモータの周波数設定に応じて回転数が変化する回転数可変型の圧縮機である。以下、コンプレッサ２０のモータに設定される周波数を、圧縮機周波数ｆｃと称する。気相冷媒は、コンプレッサ２０にて圧縮されることで温度が高くなる。
【００１５】
ヒータコア３０は、コンプレッサ２０を通過した後の冷媒を凝縮させる室内凝縮器である。ヒータコア３０は、冷媒の熱を用いて車室内空調に利用する空気を加熱する。
【００１６】
室外熱交換器４０は、冷媒と外気との間で熱交換を行う熱交換器である。室外熱交換器４０には、車両の走行や室外ファン８０の回転によって、外気が導入される。
【００１７】
室外ファン８０は、内部のモータの周波数設定に応じて回転数が変化する。以下、室外ファン８０のモータに設定される周波数を、室外ファン周波数ｆｆと称する。
【００１８】
エバポレータ５０は、室外熱交換器４０を通過した後の冷媒を蒸発させる蒸発器である。エバポレータ５０は、車室内空調に利用する空気の熱を冷媒に吸収させて、空気を冷却する。エバポレータ５０によって蒸発した冷媒は、アキュムレータ１０へ流される。
【００１９】
冷媒流路６０には、ヒータコア３０と室外熱交換器４０との間に、電磁弁６２と第１膨張弁６１とが並列に配置される。
【００２０】
電磁弁６２は、暖房運転時には閉じられており、冷房運転時又は除湿暖房運転時に開かれる。暖房運転時には電磁弁６２が閉じられることで、ヒータコア３０から流れてくる冷媒は、第１膨張弁６１を通過して減圧膨張して室外熱交換器４０へと流される。冷房運転時又は除湿暖房運転時には電磁弁６２が開かれることで、ヒータコア３０から流れてくる冷媒は、電磁弁６２を通過して減圧膨張せずに高圧のまま室外熱交換器４０へと流される。
【００２１】
第１膨張弁６１は、暖房運転時にヒータコア３０から流れてくる冷媒を減圧膨張させる。第１膨張弁６１は、予め使用頻度の高い特定の運転条件に対応するように開度が設定された固定開度弁である。第１膨張弁６１には、例えばオリフィスやキャピラリーチューブが用いられる。ヒータコア３０の上流のコンプレッサ２０によって圧縮され高圧となっている冷媒は、第１膨張弁６１中の小さな孔から噴射されることによって減圧膨張して霧状の低温の冷媒となる。
【００２２】
また、冷媒流路６０には、室外熱交換器４０とエバポレータ５０との間に、三方弁６３と第２膨張弁６４とが直列に配置される。
【００２３】
三方弁６３は、室外熱交換器４０から第２膨張弁６４を介してエバポレータ５０へと流れる冷媒の流れを切り換え可能に配置される。ヒートポンプサイクル１では、三方弁６３を切り換えることで、第２膨張弁６４とエバポレータ５０とへ冷媒が流れる流路と、第２膨張弁６４とエバポレータ５０とをバイパスしてアキュムレータ１０へと冷媒が流れる流路と、を切り換える。三方弁６３は、冷房運転時には、室外熱交換器と第２膨張弁６４との間で冷媒流路６０を接続する。また、三方弁６３は、暖房運転時には、室外熱交換器４０とアキュムレータ１０との間で冷媒流路６０を直接接続する。
【００２４】
第２膨張弁６４は、冷房運転時に三方弁６３から流れてくる冷媒を減圧膨張させてエバポレータ５０へと流す。第２膨張弁６４は、第１膨張弁６１と同様に、予め使用頻度の高い特定の運転条件に対応するように開度が設定された固定開度弁である。第２膨張弁６４には、例えばオリフィスやキャピラリーチューブが用いられる。高圧の冷媒は、第２膨張弁６４中の小さな孔から噴射されることによって減圧膨張して霧状の低温の冷媒となる。
【００２５】
ＨＶＡＣユニット７０は、車室内に導入される空気を冷房、暖房又は除湿暖房することにより車室内を設定温度に調整する。ＨＶＡＣユニット７０は、空気を送風するブロア７２と、ヒータコア３０を通過する空気の量を調整するエアミックスドア７１と、を備える。ＨＶＡＣユニット７０内にはヒータコア３０とエバポレータ５０とが配置され、ブロア７２から送風された空気は、ヒータコア３０及びエバポレータ５０内を流れる冷媒との間で熱交換を行う。
【００２６】
ブロア７２は、ＨＶＡＣユニット７０内に空気を送風する送風機である。ブロア７２は、内部のモータの周波数設定に応じて回転数が変化する。以下、ブロア７２のモータに設定される周波数を、ブロア周波数ｆｂと称する。ブロア７２の回転数が変化することで、ブロア７２から送風される空気の送風量が変化する。このため、ヒータコア３０やエバポレータ５０の内部を流れる冷媒と、周囲の空気との間の、熱交換量が変化する。
【００２７】
エアミックスドア７１は、ＨＶＡＣユニット７０内に配置されたヒータコア３０のブロア７２側に設置される。暖房運転時には、エアミックスドア７１は、ブロア７２から送風される空気がヒータコア３０に当たるようにヒータコア３０の反対側に開かれる。よって、より多くの空気がヒータコア３０に当たるので、空気とヒータコア３０内の冷媒との間で熱交換が行われやすくなる。他方で暖房運転時以外には、エアミックスドア７１は、ヒータコア３０側に閉じられて、ヒータコア３０への空気の流れを遮る。よって、ヒータコア３０への空気の流れが遮られるので、空気とヒータコア３０内の冷媒との間で熱交換が行われにくくなる。なお、ヒートポンプサイクル１の冷媒流路６０にヒータコア３０をバイパスするバイパス通路を設けて、暖房運転時にヒータコア３０をバイパスするように冷媒を流すことによって、空気と冷媒との間の熱交換を回避してもよい。
【００２８】
吸入圧センサ９１は、冷媒流路６０のアキュムレータ１０とコンプレッサ２０との間に設置される。吸入圧センサ９１は、コンプレッサ２０に吸入される前の気相冷媒の吸入圧Ｐｓを検出する。
【００２９】
外気温センサ９２は、室外熱交換器４０に取り込まれる前の外気の温度を外気温Ｔａとして検出する。
【００３０】
吹出し温度センサ９３は、ＨＶＡＣユニット７０内に設置され、ヒータコア３０の下流側を通過する空気の吹出し実温度Ｔｐｖを検出する。
【００３１】
コントローラ９０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどによって構成され、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、車両用空調装置１００に各種機能を発揮させる。
【００３２】
図２は、コントローラ９０の空調制御に関する電気回路のブロック図である。
【００３３】
図２に示すように、コントローラ９０には、吸入圧検出器としての吸入圧センサ９１からの信号と、外気温センサ９２からの信号と、吹出し温度センサ９３からの信号と、が入力される。コントローラ９０は、入力された信号に基づいて、コンプレッサ２０の圧縮機周波数ｆｃと、ブロア７２のブロア周波数ｆｂと、室外ファン８０の室外ファン周波数ｆｆと、を設定する。
【００３４】
次に、車両用空調装置１００のコントローラ９０が実行する暖房能力制御について、図３のフローチャートを用いて説明する。
【００３５】
ステップＳ１０１では、コントローラ９０は、暖房運転時の目標吹出し温度Ｘｍを算出する。目標吹出し温度Ｘｍは、ＨＶＡＣユニット７０の出口を通過して車室内に吹き出す空気の目標温度である。目標吹出し温度Ｘｍは、外気温Ｔａと、吹出し実温度Ｔｐｖと、暖房要求の度合と、に基づいて設定される。外気温Ｔａは、外気温センサ９２の入力信号に基づいて検出される。吹出し実温度Ｔｐｖは、吹出し温度センサ９４の入力信号に基づいて検出される。暖房要求の度合は、車室内の温度が暖房運転の設定温度からかい離しているほど、高く決定される。なお、暖房要求の度合は、窓曇りの除去要求や車室内の暖房風量の増大要求や日照量の変化等も考慮して決定してもよい。
【００３６】
ステップＳ１０２では、コントローラ９０は、コンプレッサ２０の圧縮機周波数ｆｃ及びブロア７２のブロア周波数ｆｂを設定する。圧縮機周波数ｆｃ及びブロア周波数ｆｂには、目標吹出し温度Ｘｍに対応する予め決められた値が設定される。例えば、車両の走行状態が変化して外気温度が低下した場合について説明する。このような場合には、コントローラ９０は、車室内がより暖まるよう暖房運転を実行するために、ステップＳ１０１において目標吹出し温度Ｘｍをこれまで設定されていた温度より高めの温度に設定する。また、コントローラ９０は、高めに設定された目標吹出し温度Ｘｍに対応するように、圧縮機周波数ｆｃ及びブロア周波数ｆｂの設定値を増大させる。
【００３７】
ここで、図４を参照して、コントローラ９０が圧縮機周波数ｆｃ及びブロア周波数ｆｂの設定値を増大させたときの暖房能力への影響について説明する。図４は、圧縮機周波数ｆｃ及びブロア周波数ｆｂの増大前後のモリエル線図である。図４の太実線は、圧縮機周波数ｆｃ及びブロア周波数ｆｂを増大させる前のモリエル線図を表しており、図４の破線は、圧縮機周波数ｆｃ及びブロア周波数ｆｂを増大させた後のモリエル線図を表している。
【００３８】
図４に太実線で示すように、圧縮機周波数ｆｃ及びブロア周波数ｆｂを増大させる前のモリエル線図において、点ａ１は、コンプレッサ２０に吸入される前の吸入圧Ｐｓ１のときの冷媒の状態を表す。冷媒がコンプレッサ２０に圧縮されることによって、コンプレッサ２０の仕事分、冷媒の圧力も比エンタルピｈ［ｋＪ／ｋｇ］も増大して、冷媒は、点ａ１から点ｂ１の状態となる。比エンタルピｈは、ヒータコア３０の周囲の空気中に放熱される単位流量あたりの冷媒の熱量である。圧縮機から吐出された後の冷媒は、点ｂ２の状態となり、冷媒の圧力は、吐出圧Ｐｄ１となる。その後、冷媒は、ヒータコア３０を通過する際に比エンタルピｈの変化量としてΔｈ１分の熱を奪われることで、点ｃ１の状態となる。そして、冷媒が第１膨張弁６１を通過する際に膨張させられることで、冷媒は、圧力が吐出圧Ｐｄ１から吸入圧Ｐｓ１まで低下し、点ｄ１の状態となる。
【００３９】
図３のステップＳ１０２の処理で、コントローラ９０がコンプレッサ２０の圧縮機周波数ｆｃを設定することで、コンプレッサ２０の回転数は変化する。例えば、コントローラ９０が、コンプレッサ２０の圧縮機周波数ｆｃを増大させ負荷を上げた場合には、コンプレッサ２０の回転数が増大する。コンプレッサ２０の回転数が増大するとより多くの冷媒がコンプレッサ２０から吐出されるので、図４に示すようにコンプレッサ２０の吐出圧Ｐｄは、Ｐｄ１からＰｄ２に増大する。また、コンプレッサ２０の回転数が増大するとより多くの冷媒がコンプレッサ２０に吸入されるので、コンプレッサ２０の吸入圧Ｐｓは、Ｐｓ１からＰｓ２に減少する。
【００４０】
コントローラ９０は、コンプレッサ２０の圧縮機周波数ｆｃの増大に対応するようにブロア７２のブロア周波数ｆｂを増大させる。ブロア７２のブロア周波数ｆｂが増大することで、ブロア７２の回転数は増大する。ブロア７２の回転数の増大によってＨＶＡＣユニット７０内の空気の送風量が増えるので、ヒータコア３０で周囲の空気に放熱される冷媒の比エンタルピｈの変化量は、Δｈ１からΔｈ２に増大する。
【００４１】
圧縮機周波数ｆｃ及びブロア周波数ｆｂが増大すると、モリエル線図は、図４の破線に示すように図４の太実線から拡張される。増大後の点ａ２〜点ｄ２は、増大前の点ａ１〜点ｄ１に対応する点である。
【００４２】
図４に破線で示すように、圧縮機周波数ｆｃ及びブロア周波数ｆｂを増大させた後のモリエル線図では、コンプレッサ２０に吸入される前の冷媒は、点ａ２の状態となる。また、コンプレッサ２０から吐出された後の冷媒は、点ｂ２の状態となる。点ｂ２の状態のときの冷媒は、回転数の増大したコンプレッサ２０の仕事分、点ｂ１よりも大きな比エンタルピｈとなる。さらに、コンプレッサ２０から吐出された後の冷媒は、ヒータコア３０を通過する際に比エンタルピｈの変化量としてΔｈ２分の熱を奪われることで点ｃ２の状態となり、第１膨張弁６１で膨張させられることで点ｄ２の状態となる。点ｃ２の状態のときの冷媒は、回転数の増大したブロア７２によって、液相状態となるようにヒータコア３０でΔｈ１よりも大きな比エンタルピｈの変化量としてΔｈ２だけ熱を奪われる。
【００４３】
図４の飽和蒸気線は、冷媒の二相状態と気相状態との境界を表す線である。比エンタルピｈが、飽和蒸気線よりも大きい場合には、冷媒は、すべてガス化して気相状態となる。例えば、点ａ１、点ａ２、点ｂ１、及び点ｂ２の状態のときの冷媒の比エンタルピｈは、飽和蒸気線よりも大きくなるように設定され、このときの冷媒は、過熱度を持った気相状態となる。
【００４４】
図４の飽和液線は、冷媒の二相状態と液相状態との境界を表す線である。比エンタルピｈが、飽和液線よりも小さい場合には、冷媒は、すべて液化して液相状態となる。例えば、点ｃ１、及び点ｃ２の状態のときの冷媒の比エンタルピｈは、飽和液線よりも小さくなるように設定され、このときの冷媒は、過冷却度を持った液相状態となる。
【００４５】
比エンタルピｈが飽和蒸気線と飽和液線との間の値である場合には、冷媒は、ガス化した気相冷媒と液化した液相冷媒とが混在する二相状態となる。
【００４６】
ここで、第１膨張弁６１は、固定開度弁であり、圧縮機周波数ｆｃ及びブロア周波数ｆｂの増大に対して流量可変制御性がないので、第１膨張弁６１を通過する冷媒の循環流量が不足する場合がある。そこで、コントローラ９０は、第１膨張弁６１を通過する冷媒の循環流量が不足しているか否かを判定するために、図３のステップＳ１０３の処理を実行する。
【００４７】
ステップＳ１０３では、コントローラ９０は、第１膨張弁６１を通過する前の凝縮後の冷媒が、二相状態であるか否かを判定する。ここで、図５及び図６を参照して、冷媒が二相状態であるか否かの判定について説明する。
【００４８】
図５は、暖房運転時に、ヒータコア３０にて凝縮された後、第１膨張弁６１を通過する前の冷媒が、二相状態及び液相状態のときの冷媒の流量特性を示すグラフである。図５の縦軸は単位時間あたりの冷媒の流量［ｋｇ／ｈ］であり、横軸は冷媒の状態を示したものである。冷媒の状態は、二相状態のときの乾き度Ｘと液相状態のときの過冷却度ＳＣ［℃］とによって表される。
【００４９】
乾き度Ｘは、二相状態のときの液相冷媒に対する気相冷媒の重量の比率である。例えば、２０％ガス化していれば、乾き度Ｘは０．２となる。乾き度Ｘが大きくなるほど冷媒の密度が小さくなるので、冷媒の流量は低くなる。
【００５０】
過冷却度ＳＣは、液相状態の冷媒と飽和液温度との温度差を表したものである。例えば、飽和液温度よりも２℃低くなるように過冷却された液相状態の冷媒であれば、過冷却度ＳＣは２℃となる。
【００５１】
二相状態のときの冷媒は、乾き度Ｘが大きくなるほど冷媒の密度が小さくなるので低流量となる。他方で、液相状態のときの冷媒は、過冷却度ＳＣが高くなるほど冷媒の密度が大きくなるので高流量となる。なお、二相状態と液相状態の境界である飽和液のときの冷媒は、乾き度Ｘも過冷却度ＳＣも０である。
【００５２】
図５に示すように、二相状態のときの冷媒と液相状態のときの冷媒とでは、冷媒の流量特性は、大きく変化する。冷媒の流量特性の変化は、図６を参照して算出される。
【００５３】
図６は、ヒータコア３０にて凝縮された後、第１膨張弁６１を通過する前の冷媒の相状態の違いによる圧縮機周波数ｆｃと吸入圧Ｐｓとの関係を示すグラフである。図６の縦軸は、コンプレッサ２０が冷媒を吸入する吸入圧Ｐｓ［Ｐａ］であり、図６の横軸は、コンプレッサ２０の負荷を示す圧縮機周波数ｆｃ［Ｈｚ］である。
【００５４】
例えば、ステップＳ１０２の処理でコントローラ９０がコンプレッサ２０の圧縮機周波数ｆｃをｆｃ１からｆｃ２までΔｆｃだけ増大させてコンプレッサ２０の回転数が増えると、液相状態の冷媒の吸入圧Ｐｓは、ｐ１からｐ２までΔＰｓｌだけ減少する。
【００５５】
他方で、ステップＳ１０２の処理でコントローラ９０がコンプレッサ２０の圧縮機周波数ｆｃをｆｃ１からｆｃ２までΔｆｃだけ増大させると、二相状態の冷媒の吸入圧Ｐｓは、ｐ３からｐ４までΔＰｓｔだけ変化する。
【００５６】
図６に示すように、コンプレッサ２０の圧縮機周波数ｆｃがΔｆｃだけ変化するとき、液相状態のときの冷媒の吸入圧Ｐｓの変化量ΔＰｓｌよりも、二相状態のときの冷媒の吸入圧Ｐｓの変化量ΔＰｓｔの方が、急激に減少する。
【００５７】
また、飽和液のときの冷媒は、液相状態と二相状態との間の傾きで圧縮機周波数ｆｃが大きくなるほど、吸入圧Ｐｓが減少する。
【００５８】
このように、図５と図６とを用いて、二相状態のときの冷媒の特性として圧縮機周波数ｆｃに対する吸入圧Ｐｓの傾きをみることで、冷媒が二相状態であるか否かを判定できる。冷媒の圧縮機周波数ｆｃに対する吸入圧Ｐｓの傾きは、吸入圧Ｐｓの変化量ΔＰｓｌ又はΔＰｓｔを圧縮機周波数ｆｃの変化量Δｆｃで除算することで算出される。
【００５９】
冷媒が飽和液のときの傾きよりも小さな傾きを持っている場合には、冷媒が液相状態であると判定される。他方で、冷媒が飽和液のときの傾きよりも大きな傾きを持っている場合には、冷媒が二相状態であると判定される。したがって、飽和液のときの冷媒の傾きを基準に、冷媒が二相状態であるか液相状態であるかを判定できる。コントローラ９０は、吸入圧Ｐｓの誤差を考慮して、飽和液よりも過冷却度ＳＣを少し持たせた冷媒の傾きを基準に、冷媒の相状態を判定する。傾きの基準となる過冷却度ＳＣは、過冷却度ＳＣの下限値ＳＣｍｉｎとして設定され、例えば１℃に設定される。下限値ＳＣｍｉｎは、冷媒が過冷却度ＳＣを持った液相状態であると判定できる測定上の最小値である。
【００６０】
コントローラ９０は、二相状態であるか否かを判定するために、圧縮機周波数ｆｃの変化量Δｆｃと吸入圧Ｐｓの変化量ΔＰｓとを算出する。コントローラ９０は、ステップＳ１０２でコントローラ９０がコンプレッサ２０の圧縮機周波数ｆｃを増大させたときの変化量を、圧縮機周波数ｆｃの変化量Δｆｃとして算出する。また、コントローラ９０は、その時のコンプレッサ２０の吸入圧Ｐｓの変化量として、吸入圧Ｐｓの変化量ΔＰｓｌ又はΔＰｓｔを算出する。すなわち、吸入圧Ｐｓの変化量ΔＰｓｌ又はΔＰｓｔは、図４の点ａ１から点ａ２の圧力差となる。なお、コントローラ９０は、圧縮機周波数ｆｃを一時的に変化させて、吸入圧Ｐｓの変化量ΔＰｓと圧縮機周波数ｆｃの変化量Δｆｃとを算出してもよい。
【００６１】
コントローラ９０は、冷媒の圧縮機周波数ｆｃに対する吸入圧Ｐｓの傾きの絶対値が、下限値ＳＣｍｉｎのときの傾きの絶対値以下であるか否かに基づいて冷媒が二相状態であることを判定する。冷媒の圧縮機周波数ｆｃに対する吸入圧Ｐｓの傾きの絶対値が、下限値ＳＣｍｉｎのときの傾きの絶対値以下である場合には、コントローラ９０は、第１膨張弁６１を通過する前の凝縮後の冷媒が液相状態であると判定し、処理をステップＳ１０５へ進める。冷媒の圧縮機周波数ｆｃに対する吸入圧Ｐｓの傾きの絶対値が、下限値ＳＣｍｉｎのときの傾きの絶対値以下でない場合には、コントローラ９０は、第１膨張弁６１を通過する前の凝縮後の冷媒が二相状態であると判定し、処理をステップＳ１０４へ進める。このように、コントローラ９０は、下限値ＳＣｍｉｎのときの傾きの絶対値を、二相状態であるか否かの判定のための閾値として用いる。
【００６２】
コントローラ９０による処理は、冷媒が二相状態であると判定された場合にはステップＳ１０４に進み、冷媒が二相状態ではないと判定された場合、すなわち液相状態であると判定された場合には、ステップＳ１０５に進む。このように、コントローラ９０は、ステップＳ１０３の処理において冷媒状態判定手段として機能する。
【００６３】
ステップＳ１０４では、コントローラ９０は、ブロア７２のブロア周波数ｆｂを増大させる。ブロア周波数ｆｂが大きくなることでブロア７２の送風量が増大するので、ヒータコア３０を通過する冷媒は、周囲の空気によって熱をより多く奪われる。このため、ヒータコア３０を通過する冷媒の比エンタルピｈの変化量は、Δｈ２よりも一時的に大きくなる。その結果、第１膨張弁６１を通過する前の凝縮後の冷媒は、一時的に大きな過冷却度ＳＣを持った液相状態となる。このときの過冷却度ＳＣは、例えば１０℃である。その後、コントローラ９０による処理は、ステップＳ１０３に戻り、冷媒が二相状態であるか否かの判定が再度実行される。このように、コントローラ９０は、ステップＳ１０４の処理において放熱増大制御を実行する放熱制御手段として機能する。
【００６４】
ステップＳ１０５では、コントローラ９０は、吹出し実温度Ｔｐｖが目標吹出し温度Ｘｍ以上であるか否かを判定する。
【００６５】
吹出し実温度Ｔｐｖが目標吹出し温度Ｘｍ以上である場合には、コントローラ９０は、車室内を暖めるのに十分な暖房能力が得られていると判定して暖房能力制御の実行を終了する。また、この際、ステップＳ１０４の処理で放熱増大制御が実行されている場合には、コントローラ９０は、放熱増大制御を中止して、一時的に上昇したブロア７２のブロア周波数ｆｂをステップＳ１０２で設定した値に戻す。
【００６６】
他方で、吹出し実温度Ｔｐｖが目標吹出し温度Ｘｍ未満である場合には、コントローラ９０は、車室内を暖めるのに十分な暖房能力が得られていないと判定して暖房能力をより増大させるためにステップＳ１０２の処理に戻って圧縮機周波数ｆｃとブロア周波数ｆｂとを再設定する。
【００６７】
上記した第１実施形態に係る車両用空調装置１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【００６８】
車両用空調装置１００は、冷媒をコンプレッサ２０で圧縮し、ヒータコア３０で凝縮し、固定開度弁である第１膨張弁６１で減圧するヒートポンプサイクル１を利用する。車両用空調装置１００のコントローラ９０は、コンプレッサ２０で圧縮する前の冷媒の吸入圧Ｐｓに基づいて、第１膨張弁６１を通過する前の凝縮後の冷媒が二相状態か液相状態かを判定する冷媒状態判定手段と、冷媒状態判定手段によって冷媒が二相状態であると判定された場合に、ヒータコア３０の放熱量を増大させる放熱増大制御を行う放熱制御手段と、して機能する。
【００６９】
車両用空調装置１００によれば、凝縮後の冷媒が二相状態と判定された場合に、ヒータコア３０の放熱量をブロア７２のブロア周波数ｆｂに基づいて増大させるので、冷媒を液相状態まで冷やすことができる。このため、固定開度弁である第１膨張弁６１に密度の高い液相状態の冷媒を流すことができるようになる。したがって、第１膨張弁６１に固定開度弁を使用している場合でも、ＣＯＰが悪化することを抑制しつつ、冷媒の流量を確保することができる。
【００７０】
車両用空調装置１００では、冷媒状態判定手段としてのコントローラ９０は、コンプレッサ２０の圧縮機周波数ｆｃの変化量Δｆｃに対する吸入圧Ｐｓの変化量ΔＰｓｔの傾きの絶対値が、過冷却度ＳＣの下限値ＳＣｍｉｎのときの傾きの絶対値よりも大きい場合に、冷媒が二相状態であると判定する。
【００７１】
車両用空調装置１００では、冷媒状態判定手段としてのコントローラ９０は、コンプレッサ２０の圧縮機周波数ｆｃの変化量Δｆｃに対する吸入圧Ｐｓの変化量ΔＰｓｌの傾きの絶対値が、過冷却度ＳＣの下限値ＳＣｍｉｎのときの傾きの絶対値以下である場合に、冷媒が液相状態であると判定する。
【００７２】
車両用空調装置１００は、冷媒を圧縮するコンプレッサ２０と、冷媒を凝縮するヒータコア３０と、冷媒を減圧する固定開度弁である第１膨張弁６１と、暖房運転時に蒸発器として機能する室外熱交換器４０と、コンプレッサ２０の吸入圧Ｐｓを検出する吸入圧センサ９１と、冷媒の熱を直接的に車室内に伝達するブロア７２と、を備える。ブロア７２の送風量は、コンプレッサ２０の圧縮機周波数ｆｃの変化量Δｆｃに対する吸入圧Ｐｓの変化量ΔＰｓｔの傾きの絶対値が、過冷却度ＳＣの下限値ＳＣｍｉｎの傾きの絶対値よりも大きい場合に、増大する。
【００７３】
車両用空調装置１００によれば、吸入圧センサ９１で検出したコンプレッサ２０の吸入圧Ｐｓの変化量に基づいて、冷媒が二相状態であるか液相状態であるかを判定する。このため、室外熱交換器４０の出口付近に冷媒の圧力を検出する圧力センサや冷媒の温度を検出する温度センサを別途設ける必要がなく、安価に冷媒の相状態を判定することができる。
【００７４】
車両用空調装置１００では、放熱制御手段としてのコントローラ９０は、冷媒が液相状態であると判定されたときに、放熱増大制御を中止する。
【００７５】
車両用空調装置１００では、コントローラ９０は、コンプレッサ２０の圧縮機周波数ｆｃの変化量Δｆｃに対する吸入圧Ｐｓの変化量ΔＰｓｌの傾きの絶対値が、下限値ＳＣｍｉｎの傾きの絶対値以下に戻った場合に、ブロア７２の送風量を増大させる制御を中止して、設定値に応じた送風量に戻す。
【００７６】
車両用空調装置１００によれば、冷媒が液相状態と判定されれば、コントローラ９０は、放熱増大制御を中止して一時的に上昇したブロア７２のブロア周波数ｆｂを元の値に戻すので、車室内に冷えた風が継続して吹き出すことを抑制することができる。
【００７７】
なお、車両用空調装置１００では、ヒータコア３０で凝縮された後の冷媒温度を直接検出する温度センサを、第１膨張弁６１とヒータコア３０との間に設置して、当該温度センサによって、冷媒が液相状態であるか否かを判定することとしてもよい。車両用空調装置１００のコントローラ９０は、温度センサからの入力信号に基づいて、冷媒温度が飽和温度よりも低いときに冷媒が液相状態であると判定し、当該冷媒温度が飽和温度と一致したときに冷媒が二相状態であると判定する。このような車両用空調装置１００によれば、凝縮後の冷媒の温度が温度センサの信号から直接検出することができるので、冷媒が液相状態であるか二相状態であるかを容易に判定することができる。
【００７８】
（第２実施形態）
図７を参照して、本発明の第２実施形態に係る車両用空調装置２００について説明する。図７は、第２実施形態の車両用空調装置２００の構成図である。第２実施形態の車両用空調装置２００では、ヒータコア３０と熱交換を行う対象が、第１実施形態とは相違する。なお、以下の実施形態では、第１実施形態と同じ機能を果たす構成には同一の符号を用い、重複する記載を適宜省略して説明する。
【００７９】
車両用空調装置２００は、冷却水の流れる冷却水流路３４を備える。冷却水には、例えば不凍液が用いられる。
【００８０】
冷却水流路３４には、ヒータコア３０と、ウォータポンプ３１と、温水ヒータ３２と、水冷媒熱交換器３３と、が接続されている。
【００８１】
ウォータポンプ３１は、冷却水流路３４内の冷却水を送液して循環させる。ウォータポンプ３１は、内部のモータの周波数設定に応じて回転数が変化して、冷却水の送液量を調整する。以下、ウォータポンプ３１のモータに設定される周波数を、ウォータポンプ周波数ｆｗと称する。
【００８２】
温水ヒータ３２は、通過する冷却水を加熱して暖める。
【００８３】
水冷媒熱交換器３３は、コンプレッサ２０によって圧縮された後の冷媒と冷却水流路３４の冷却水との間で熱交換を行わせる。
【００８４】
車両用空調装置２００では、コンプレッサ２０によって圧縮され高温になった冷媒の熱は、水冷媒熱交換器３３で冷却水に吸熱される。ヒータコア３０は、冷却水が冷媒から吸収した熱を利用して車室内空調に利用する空気を加熱する。なお、水冷媒熱交換器３３で冷却水が冷媒から十分に吸熱できない場合には、冷却水は、温水ヒータ３２によって暖められる。
【００８５】
図８は、車両用空調装置２００のコントローラ９０の空調制御に関する電気回路のブロック図である。図８に示すように、車両用空調装置２００のコントローラ９０には、吸入圧センサ９１からの信号と、外気温センサ９２からの信号と、吹出し温度センサ９３からの信号と、が入力される。コントローラ９０は、入力された信号に基づいて、圧縮機周波数ｆｃとブロア周波数ｆｂと室外ファン周波数ｆｆとを設定するとともに、ウォータポンプ３１のウォータポンプ周波数ｆｗをさらに設定する。
【００８６】
次に、車両用空調装置２００のコントローラ９０が実行する暖房能力制御について、図９のフローチャートを用いて説明する。
【００８７】
ステップＳ２０１では、コントローラ９０は、ステップＳ１０１と同様に目標吹出し温度Ｘｍを設定する。
【００８８】
ステップＳ２０２では、コントローラは、ステップＳ１０１で設定した目標吹出し温度Ｘｍに対応したコンプレッサ２０の圧縮機周波数ｆｃ、ブロア７２のブロア周波数ｆｂ、及びウォータポンプ３１のウォータポンプ周波数ｆｗを設定する。圧縮機周波数ｆｃ及びブロア周波数ｆｂは、ステップＳ１０２と同様の方法により設定される。ウォータポンプ周波数ｆｗも、圧縮機周波数ｆｃ及びブロア周波数ｆｂと同様に目標吹出し温度Ｘｍに対応する予め決められた値が設定される。コントローラ９０は、設定された目標吹出し温度Ｘｍに対応するようにウォータポンプ周波数ｆｗを設定する。
【００８９】
ステップＳ２０３では、コントローラ９０は、ステップＳ１０３と同様に第１膨張弁６１を通過する前の冷媒が二相状態であるか液相状態であるかを判定する。コントローラ９０による処理は、第１膨張弁６１を通過する前の冷媒が二相状態である場合にはステップＳ２０４に進み、第１膨張弁６１を通過する前の冷媒が液相状態である場合にはステップＳ２０５に進む。
【００９０】
ステップＳ２０４では、コントローラ９０は、ウォータポンプ３１のウォータポンプ周波数ｆｗを増大させる。ウォータポンプ周波数ｆｗが大きくなることで、ヒータコア３０や水冷媒熱交換器３３を通過する冷却水の流量が増大するので、冷媒の熱は、間接的により多くヒータコア３０の周囲の空気に吸熱される。このため、水冷媒熱交換器３３を通過する冷媒の比エンタルピｈの変化量は、ウォータポンプ周波数ｆｗの増大とともに一時的に大きくなる。その結果、第１膨張弁６１を通過する前の凝縮後の冷媒は、一時的に大きな過冷却度ＳＣを持った液相状態となる。このときの過冷却度ＳＣは、例えば１０℃である。その後、コントローラ９０による処理は、ステップＳ２０３に戻り、冷媒が二相状態であるか否かの判定が再度実行される。
【００９１】
ステップＳ２０５では、コントローラ９０は、ステップＳ１０５と同様に吹出し実温度Ｔｐｖが目標吹出し温度Ｘｍ以上であるか否かを判定する。吹出し実温度Ｔｐｖが目標吹出し温度Ｘｍ以上である場合には、コントローラ９０は、車室内を暖めるのに十分な暖房能力が得られていると判定し暖房能力制御の実行を終了する。
【００９２】
他方で、吹出し実温度Ｔｐｖが目標吹出し温度Ｘｍ以上ではない場合には、コントローラ９０は、車室内を暖めるのに十分な暖房能力が得られていないと判定して暖房能力をより増大させるためにステップＳ２０２の処理に戻って、圧縮機周波数ｆｃとブロア周波数ｆｂとウォータポンプ周波数ｆｗとを再設定する。
【００９３】
上記した第２実施形態による車両用空調装置２００によれば、第１実施形態による車両用空調装置１００の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
【００９４】
車両用空調装置２００は、冷却水の流れる冷却水流路３４と、冷却水流路３４の冷却水を介して冷媒の熱を間接的に車室内に伝達するブロア７２と、を備える。冷却水流路３４には、ヒータコア３０とウォータポンプ３１と水冷媒熱交換器３３とが、接続されており、冷媒の熱は、ヒータコア３０で車室内空調に利用する空気を加熱するために間接的に利用される。ウォータポンプ３１の送液量は、コンプレッサ２０の圧縮機周波数ｆｃの変化量Δｆｃに対する吸入圧Ｐｓの変化量ΔＰｓｔの傾きの絶対値が、過冷却度ＳＣの下限値ＳＣｍｉｎの傾きの絶対値よりも大きい場合に、増大する。
【００９５】
車両用空調装置２００によれば、水冷媒熱交換器３３にて凝縮された後の冷媒が二相状態と判定された場合に、ウォータポンプ３１の送液量を増大させることで水冷媒熱交換器３３での熱交換量を増やすことができ、冷媒を液相状態まで冷やせる。このため、冷媒を液相状態まで冷やす際にブロア７２の送風量を増大させる必要がないので、車室内に吹出し風量の強い冷たい風が吹き出すことを回避できる。
【００９６】
なお、車両用空調装置２００では、ステップＳ２０４の処理で、ウォータポンプ周波数ｆｗのみを増大させることとしたが、ウォータポンプ周波数ｆｗとともにブロア周波数ｆｂを増大させることとしてもよい。このような車両用空調装置２００によれば、ウォータポンプ３１の送液量とともにブロア７２の送風量が増えるので、ヒータコア３０の冷却水とヒータコア３０の周囲の空気との熱交換量をより増大させることができる。このため、冷媒の流量をより効率よく確保することができる。
【００９７】
以上の実施形態では、車両用空調装置１００、２００を用いて暖房運転を行う場合について説明した。以下、車両用空調装置１００、２００を用いて冷房運転を行う場合について説明する。
【００９８】
冷房運転時の車両用空調装置１００、２００のコントローラ９０は、入力された信号に基づいてコンプレッサ２０の圧縮機周波数ｆｃと、ブロア７２のブロア周波数ｆｂ等を設定するとともに、室外ファン８０の室外ファン周波数ｆｆをさらに設定する。
【００９９】
車両用空調装置１００、２００は、冷房運転時に凝縮器として機能する室外熱交換器４０と、冷媒を減圧する固定開度弁である第２膨張弁６４と、冷媒を蒸発させるエバポレータ５０と、室外熱交換器４０に風を送る室外ファン８０と、を備える。室外ファン８０の送風量は、コンプレッサ２０の圧縮機周波数ｆｃの変化量Δｆｃに対する吸入圧Ｐｓの変化量ΔＰｓｔの傾きの絶対値が、過冷却度ＳＣの下限値ＳＣｍｉｎの傾きの絶対値よりも大きい場合に、増大する。
【０１００】
車両用空調装置１００、２００では、コンプレッサ２０の圧縮機周波数ｆｃの変化量Δｆｃに対する吸入圧Ｐｓの変化量ΔＰｓｌの傾きの絶対値が、過冷却度ＳＣの下限値ＳＣｍｉｎの傾きの絶対値以下に戻った場合に、室外ファン８０の送風量を増大させる制御を中止する。
【０１０１】
車両用空調装置１００、２００によれば、上記実施形態の効果と同様に、室外熱交換器４０の出口付近に冷媒の圧力センサや温度センサを別途設ける必要がなく、安価に冷媒の相状態を判定することができる。
【０１０２】
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。
【０１０３】
例えば、室外熱交換器４０の出口付近の冷媒流路６０に圧力センサや温度センサを設置した場合には、当該圧力センサや温度センサに基づいて、第１膨張弁６１又は第２膨張弁６４を通過する前の凝縮後の冷媒が二相状態であるか液相状態であるかを判定できる。このように、室外熱交換器４０の出口付近の冷媒流路６０に圧力センサや温度センサを設置した場合でも、上記実施形態の具体的な構成をそのまま適用することができる。
【０１０４】
また、上記実施形態では、コントローラ９０は、コンプレッサ２０の負荷の変化量を圧縮機周波数ｆｃの変化量Δｆｃから算出したが、コンプレッサ２０の回転数やコンプレッサ２０に供給される供給電圧から算出してもよい。同様にコントローラ９０は、ブロア７２、室外ファン８０、又はウォータポンプ３１の負荷の変化量を、ブロア７２、室外ファン８０、又はウォータポンプ３１の回転数等から算出してもよい。
【符号の説明】
【０１０５】
１００、２００    車両用空調装置
１    ヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）
１０    アキュムレータ
２０    コンプレッサ（圧縮機）
３０    ヒータコア（凝縮器）
３１    ウォータポンプ
３３    水冷媒熱交換器（凝縮器）
４０    室外熱交換器（蒸発器、凝縮器）
５０    エバポレータ（蒸発器）
６０    冷媒流路
６１    第１膨張弁（固定開度弁）
６４    第２膨張弁（固定開度弁）
７０    ＨＶＡＣユニット
７２    ブロア（送風装置）
８０    室外ファン
９０    コントローラ（冷媒状態判定手段、放熱制御手段）
９１    吸入圧センサ（吸入圧検出器）
【図１】
2016164055.tif 000003
【図２】
2016164055.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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