JP4797201B2 - 車両用空調装置の冷媒サイクルを調節するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用空調装置の冷媒サイクルを調節するための方法および装置に関する。

車両の室内快適性と熱的快適性とを改善するために一般に使用される空気調和システム（空調装置とも呼ばれる）は少なくとも１つの加熱・冷媒サイクルと１つの空調機器と１つの空気ガイドとで形成されている。加熱・冷媒サイクル、例えばいわゆるＲ７４４（ＣＯ_２）冷媒サイクルにおいて諸条件が不都合な場合、特に車両エンジンの回転数が低いとき空調圧縮機または冷媒圧縮機の軸動力がかなり低く、高い外気温度と強い日射のとき、また付加的に例えば信号停止、渋滞または類似状況のときもはや快適な室内空気調和が可能でない。さらに、相対風が不足して凝縮器またはガス冷却器の換気が不十分なことから冷凍能力がかなり損なわれる。

このように不十分な室内空気調和を避けるために、車両エンジンの回転数に左右されることなく調節することのできる独自の電動機を圧縮機に装備することが知られている。このような構想は特に代替駆動技術を備えた車両、例えば原動機に固定された空調圧縮機を有していない電気自動車、ハイブリッド車または燃料電池車で応用されている。従来の内燃エンジンにも、搭載電気系統がそのために必要な電気出力を提供できる限り、この構想は応用可能である。その際欠点として、この構想は内燃エンジンを備えた車両ではきわめて支出を要し、または特殊車両にのみ応用可能である。

そこで本発明の課題は、停止時にも極力良好な室内空気調和を可能とする冷媒サイクル調節方法および装置を提供することである。

本発明によれば、この課題は、請求項１に記載の方法と、請求項９に記載の装置とによって解決される。有利な諸構成は従属請求項の対象である。

発明の実施の形態

車両用空調装置の冷媒サイクルを調節するための方法において、基本調節回路（上位の調節部とも呼ばれる）内で蒸発器温度の目標値が設定され、この目標値は蒸発器温度を調節するための操作量を形成するために蒸発器温度調節器に供給される。

蒸発器温度を調節するための操作量は付加的に凝縮器ファンもしくはガス冷却器ファンを制御するのに使用される。

これにより、車両停止時またはいわゆるアイドリングストップ運転時に改良された室内空気調和が達成される。快適性ゲインは、追加費用、重量および構造空間なしに純プロセス技術的に達成される（ソフトウェアモジュール）。

望ましくは、操作量は蒸発器温度を０％〜８０％の第１範囲内で調節するために圧縮機の制御に使用される。操作量の７０％超の第２範囲およびそれとともに例えば１０％の交差範囲では操作量がファン制御部に供給される。換言するなら、下側の第１操作量範囲では、蒸発器温度を調節するための操作量が圧縮機の制御に使用される。圧縮機の完全駆動にもかかわらず所定の蒸発器温度に達しないと、操作量は自動的にさらに上側の第２範囲に上昇し、次にファン制御部に作用する。こうして、不都合な境界条件のとき所要の蒸発器温度との距離が少なくとも狭められる。

本方法の他の好ましい実施形態において蒸発器温度を調節するための操作量の第１範囲は一層小さな例えば０％〜６０％、６５％、７０％または７５％の値も、または多少大きな例えば０％〜８５％または９０％の値も、占めることができる。この第１範囲に合せて操作量の第２範囲は６０％超、例えば６５％、７０％、７５％、８０％または８５％の値で始めて、１００％で終了することができる。これらの範囲の部分的重なり範囲に関しては０％超、例えば５％、１０％、１５％、２０％、２５％または３０％の値が有利であると実証される。

選択的に、蒸発器温度の目標値と蒸発器温度の実際値との間の制御偏差をファン制御部に供給することができる。すなわち、ファン制御は制御偏差に依存しても行うことができる。さらに、走行速度の瞬時値はファン制御部に供給することができる。走行速度の瞬時値は外乱としてフィードフォワードされる。これにより、不都合な室内空気調和をもたらすような走行状態も早期に考慮される。

走行速度を介したファン・パイロット制御によって調節プロセスの自発性が高まり、これにより、さらなる快適性向上が可能になる。前記実施形態は圧縮機およびファンの無段制御に関係している。他の実施形態においてファン制御も、圧縮機制御も、多段式にも単段式にも実施しておくことができる。

蒸発器温度調節器の操作量を介したファン制御部を補足して、ファン制御部による従来の冷媒高圧監視が実装されている。

空調装置の冷媒サイクルを調節するための装置の好ましい１実施形態では、この装置が蒸発器温度の目標値を求めるための基本調節回路と下流側に設けられる蒸発器温度調節器とを含み、調節器の操作量が圧縮機制御部もファン制御部も案内する。その際好ましくはファン制御部が操作量の特性曲線関数として構成されており、操作量の０％〜８０％の第１範囲内では操作量が圧縮機制御部に作用し、７０％超の第２範囲では操作量がファン制御部に作用する。

本装置の他の好ましい実施形態において、蒸発器温度を調節するための操作量の第１範囲は一層小さな例えば０％〜６０％、６５％、７０％または７５％の値も、または多少大きな例えば０％〜８５％または９０％の値も、占めることができる。この第１範囲に合せて操作量の第２範囲は６０％超、例えば６５％、７０％、７５％、８０％または８５％の値で始めて、１００％で終了することができる。これらの範囲の部分的重なり範囲について０％超、例えば５％、１０％、１５％、２０％、２５％または３０％の値が有利であると実証される。

他のまたは選択的入力信号を考慮するためにファン制御部は相応に設計されている。入力の１つは例えば蒸発器温度の目標値と蒸発器温度の実際値との間の制御偏差に依存してファンを制御するために設けられている。別の入力は例えば走行速度の瞬時値に依存してファンを制御するために設けられている。

本発明で達成される諸利点は特に、高い外気温度、強い日射等の不都合な条件のときにも（Ｅ‐圧縮機用）電動機等の付加的部材なしに凝縮器もしくはガス冷却器用の修正ファン制御部によって冷凍能力の上昇、それとともに改善された室内空気調和が確保されていることにある。このような解決は、冷媒サイクルの構造空間および重量を付加的に必要とすることなく諸利点をもたらす。

前記ファン制御部は常に需要に即して、すなわちエネルギー的に最適に作動する。不必要に高いファン回転数は走行速度に依存したファン制御部によって避けられる。

本発明の実施例が図面に基づいて詳しく説明される。

相対応する部品にはすべての図で同じ符号が付けてある。

車両用空気調和システム４（空調装置とも呼ばれる）のＲ１３４ａ冷媒サイクル２によって蒸発器温度を調節するための装置１が図１に示してある。

冷媒サイクル２は閉じた系であり、そのなかで冷媒ＫＭ Ｒ１３４ａは圧縮機１０から凝縮器６へと、そして膨張弁１２を介して蒸発器８へと循環案内される。その際、冷媒ＫＭは車両に流入する空気から熱を吸収し、この熱を周囲空気へと再び放出する。このため、冷媒ＫＭが空気に対して十分に大きな温度差を持つことが必要である。このため、冷媒サイクル２中に配置される膨張弁１２での圧力損失によって冷媒ＫＭの冷却が行われる。車室内に流入する空気の冷却は蒸発器８内での冷媒ＫＭの熱吸収によって行われる。

詳細には、冷媒サイクル２は例えば車両エンジンによって駆動される圧縮機１０、または気体冷媒ＫＭ Ｒ１３４ａを圧縮するための可変行程容積Ｈの圧縮機を含む。圧縮機１０は蒸発器８から膨張弁１２を介して到来する気体冷媒ＫＭを吸込む。吸込まれた気体冷媒ＫＭは低い温度と低い圧力とを有する。冷媒ＫＭは圧縮機１０によって圧縮され、その凝集状態を気体から液体へと変え、同時に加熱される。高温の気体冷媒ＫＭは凝縮器６に送られる。凝縮器６に流入する空気によって冷媒ＫＭはそれが液化するまで冷却される。

凝縮器６内で冷却された冷媒ＫＭはそれに続く圧縮機１０の吸込圧力側供給部へと膨張弁１２を介して送られ、この膨張弁が絞りとして働く。その際に冷媒ＫＭが除圧され、冷媒ＫＭは強く冷却される。冷却された冷媒ＫＭは膨張弁１２によって蒸発器８内に噴射され、冷媒ＫＭは流入する空気、例えば新鮮空気から所要の蒸発熱を奪う。これにより空気が冷却される。冷却された空気は詳しくは図示しない送風機と空気ガイドとを介して車室内に送られる。冷媒ＫＭは蒸発器８後に吸込圧力側で再び圧縮機１０に供給される。

冷媒サイクル２を調節するために装置１は以下で詳しく述べられる拡張された蒸発器温度調節部を含む。

ここに示さない上位の調節部によって蒸発器温度ＶＴの目標値ＳＷ（ＶＴ）が、２℃から１０℃までスライド式に設定される。温度センサ１４によって蒸発器８で蒸発器温度ＶＴの実際値ＩＷ（ＶＴ）が算定される。蒸発器温度ＶＴの目標値ＳＷ（ＶＴ）と実際値ＩＷ（ＶＴ）との差に基づいて蒸発器温度ＶＴの制御偏差ＲＷ（ＶＴ）が算定される。制御偏差ＲＷ（ＶＴ）は蒸発器温度調節器１６、例えばＰＩ調節器に供給され、この調節器がこれから操作量Ｕを形成する。蒸発器調節器１６の操作量Ｕはパルス幅変調器１８によって伝達特性曲線に基づいてパルス幅変調操作信号Ｓに変換される。引き続き、パルス幅変調操作信号Ｓは行程容積Ｈを制御するために圧縮機１０の調節弁２０に供給される。

図１では吸込圧力調節部を一体化した外部制御可能な圧縮機１０が使用される。この形式の圧縮機は実質的に圧縮機調節弁２０と、可変行程容積を介した吸込圧力調節器２２および圧力センサ２４による機械的吸込圧力調節部とからなる。

外部制御・内部調節式圧縮機１０に付属するコンポーネントは一点鎖線でまとめてある。

冷媒サイクル２内の冷凍能力を高めることによる十分に良好な室内空気調和のため、蒸発器温度ＶＴを調節するための操作量Ｕは付加的にファン制御部２６に供給される。その際、ファン制御部２６は一方で蒸発器温度調節器１６の操作量Ｕによって案内される。他方で選択的に蒸発器温度（ＶＴ）の目標値ＳＷ（ＶＴ）と蒸発器温度ＶＴの実際値ＩＷ（ＶＴ）との間の制御偏差ＲＷ（ＶＴ）をファン制御部２６に供給することができる。

操作量制御によって修正されたこのようなファン制御部２６にはさらに付加的に他の入力量Ｅとして走行速度ｖの瞬時値を供給することができる。その際、走行速度ｖの瞬時値は外乱としてフィードフォワードされる。これによりファン制御部２６において特に、不都合な室内空気調和をもたらすような走行状態が考慮される。ファン制御部２６はその際特性曲線関数ＫＬとして実施されており、この特性曲線関数は図３、図４のグラフに基づいて詳しく説明される。ファン制御部２６の特性曲線ＫＬに基づいて次に無段または多段式ファン調節部２８用操作信号ＳＫが形成される。

付加的に、従来の監視関数３０の限界値Ｇ、特に高圧監視が入力量Ｅとしてファン調節部２８に実装される。ファン調節部２８によって凝縮器６用ファン３２を制御するための操作量ＳＬが形成される。蒸発器８で冷却された空気は送風機調節器３４を備えた空調送風機３６によって空気案内通路を介して車室内に供給される。

図２が示す冷媒Ｒ７４４を使った選択的空気調和システム４はガス冷却器３８と蒸発器８とそれらの間に設けられる内部熱交換器４０とを含み、このシステムでは空気調和または冷却の基礎となる循環プロセスが空気調和システム４の運転とは逆に実施することもでき、空気調和システム４は熱ポンプとしても機能する。熱ポンプ運転は本願の対象でない。以下では図２による冷媒サイクル２用空気調和システム４が詳しく説明される。

冷媒サイクル２は閉じた系であり、そのなかで冷媒ＫＭ 二酸化炭素＝Ｒ７４４はガス冷却器３８から内部熱交換器４０を介して蒸発器８へと循環案内される。その際、冷媒ＫＭは車両に流入する空気から熱を吸収し、この熱を周囲空気へと再び放出する。このため、冷媒ＫＭが空気に対して十分に大きな温度差を持つことが必要である。このため、冷媒サイクル２中に配置される膨張弁１２での圧力損失によって冷媒ＫＭの冷却が行われる。車室に流入する空気の冷却は蒸発器８内での冷媒ＫＭの熱吸収によって行われる。

詳細には、冷媒サイクル２は気体冷媒ＫＭを圧縮するための可変行程容積Ｈの圧縮機１０を含む。圧縮機１０は気体冷媒ＫＭを吸込む。吸込まれた気体冷媒ＫＭは低い温度と低い圧力とを有する。冷媒ＫＭは圧縮機１０によって圧縮され、同時に加熱される。高温の気体冷媒ＫＭはガス冷却器３８に送られる。ガス冷却器３８に流入する空気によって冷媒ＫＭは冷却される。

ガス冷却器３８内で冷却された冷媒ＫＭはそれに続く圧縮機１０の吸込圧力側供給部へと内部熱交換器４０および膨張弁１２を介して送られ、この膨張弁が絞りとして働く。その際に冷媒ＫＭが除圧され。冷媒ＫＭは強く冷却される。冷却された冷媒ＫＭは膨張弁１２によって蒸発器８内に噴射され、そこで冷媒ＫＭは流入する空気、例えば新鮮空気から所要の蒸発熱を奪う。これにより空気が冷却される。冷却された空気は詳しくは図示しない送風機と空気ガイドとを介して車室内に送られる。冷媒ＫＭは蒸発器８後に内部熱交換器４０を介して吸込圧力側で再び圧縮機１０に供給される。

安定性の理由から、そして例えば圧縮機１０のホットスタート時または急激な回転数上昇時に冷媒サイクル２内で高い圧力ピークを避けるために、冷媒サイクル２を調節するために装置１は以下で詳しく述べられる拡張された蒸発器温度調節部を含む。蒸発器温度調節部は下位の修正冷媒高圧調節部を含む。

ここには図示しない上位の調節部によって、蒸発器温度ＶＴの目標値ＳＷ（ＶＴ）は、例えば２℃から１０℃までスライド式に設定される。温度センサ１４によって蒸発器８で蒸発器温度ＶＴの実際値ＩＷ（ＶＴ）が検出される。蒸発器温度ＶＴの目標値ＳＷ（ＶＴ）と実際値ＩＷ（ＶＴ）との差に基づいて蒸発器温度調節器１８、例えばＰＩ調節器が案内される。蒸発器温度調節器１８の操作量Ｕから基本特性曲線４２によって、冷媒サイクル２中でガス冷却器３８後の冷媒ＫＭの高圧ＨＤの目標値ＳＷ（ＨＤ）は導き出される。

冷媒ＫＭ Ｒ７４４の物性に基づいて、場合によっては付加的補正特性曲線４４が必要であり、この補正特性曲線でもって、基本特性曲線４２から得られる高圧ＨＤの目標値ＳＷ（ＨＤ）が修正され、補正または修正された高圧目標値ＳＷ（ＨＤｍ）が得られる。補正特性曲線４４に基づいて高圧ＨＤの目標値ＳＷ（ＨＤ）を補正するための入力量Ｅ１〜Ｅｎとして役立つのは例えば空気入口温度、空気入口水分、空気量および／または圧縮機１０の回転数である。

さらに、高圧実際値ＩＷ（ＨＤ）を求めるために圧力センサ４６が設けられており、この圧力センサはガス冷却器３８後に冷媒サイクル２中の高圧ＨＤを検出する。高圧目標値ＳＷ（ＨＤ）またはＳＷ（ＨＤｍ）と高圧実際値ＩＷ（ＨＤ）との差は案内のための圧力差値Δｐとして高圧調節器４６に供給される。圧力差値Δｐに基づいて高圧調節器４６によって、圧縮機１０の行程容積Ｈを調節弁２０で制御するための操作量Ｕｐが算定される。操作量Ｕｐはパルス幅変調器４８によって伝達特性曲線に基づいて調節弁２０用のパルス幅変調操作信号Ｓに変換される。引き続きパルス幅変調操作信号Ｓは行程容積Ｈを制御するために圧縮機１０の調節弁２０に供給される。ＣＯ_２圧縮機１０のコンポーネントは一点鎖線でまとめてある。

図２による実施例の修正されたファン制御部２６は図１による実施形態に一致している。

図３と図４は、例示的にファン制御部２６用特性曲線ＫＬを示している。数値は例示的に記載されている。図３は、図２に示すガス冷却器３８または図１に示す凝縮器６について圧縮機１０制御用の第１範囲ＢＩおよびファン３２制御用の第２範囲ＢＩＩにおける蒸発器温度調節部１６の操作量範囲の分布を示す。操作量Ｕは圧縮機１０の圧縮機制御部の０％〜８０％の第１範囲ＢＩにおいて蒸発器温度ＶＴを調節するのに役立つ。操作量Ｕの７０％超の第２範囲ＢＩＩにおいて、この操作量はファン制御部２６に作用して凝縮器６またはガス冷却器３８用ファン３２を制御するのに役立つ。換言するなら、下側の第１操作量範囲ＢＩにおいて、操作量Ｕは圧縮機１０の圧縮機制御用に蒸発器温度ＶＴを調節するのに使用される。設定された蒸発器温度ＶＴに達しないと、操作量Ｕは上側の第２範囲ＢＩＩに上昇し、その場合ファン制御部２６に作用する。こうして、境界条件が不都合な場合に所要の蒸発器温度ＶＴとの距離は少なくとも低減される。

図４はファン制御部の特性曲線ＫＬに対する外乱としての走行速度ｖのフィードフォワードに関する特性曲線ＫＶを示す。

特にアイドリング運転時に冷凍能力を高めるための凝縮器用修正ファン制御部を備えたＲ１３４ａ冷媒サイクルを調節するための装置の略図である。 特にアイドリング運転時に冷凍能力を高めるためのガス冷却器用修正ファン制御部を備えたＲ７４４冷媒サイクルを調節するための装置の選択的実施形態の略図である。 圧縮機およびファンを制御するための操作量範囲において蒸発器温度を調節するための操作量の分布に関するグラフである。 ファン制御部に対する走行速度瞬時値の外乱フィードフォワードに関するグラフである。

符号の説明

１ 蒸発器温度調節装置
２ 冷媒サイクル
４ 空気調和システム
６ 凝縮器
８ 蒸発器
１０ 圧縮機
１２ 膨張弁もしくは膨張部材
１４ 温度センサ
１６ 蒸発器温度調節器
１８ パルス幅変調器
２０ 調節弁
２２ 吸込圧力調節器
２４ 圧力センサ
２６ ファン制御部
２８ ファン調節部
３０ 監視関数
３２ ファン
３４ 送風機調節器
３６ 送風機
３８ ガス冷却器
４０ 内部熱交換器
４２ 基本特性曲線
４４ 補正特性曲線
４６ 高圧調節器
４８ パルス幅変調器
Ｅ 入力
Ｅ１〜Ｅｎ 入力量
Ｇ 限界値
Ｈ 圧縮機の行程容積
ＨＤ 高圧
ＩＷ（ＨＤ） 高圧実際値
ＩＷ（ＶＴ） 蒸発器温度実際値
Ｋ 特性曲線
ＫＬ ファン制御部用特性曲線
ＫＶ 外乱フィードフォワード用特性曲線
ＫＭ 冷媒
ｐ 吸込圧力
Δｐ 差圧値
ＲＷ（ＶＴ） 蒸発器温度制御偏差
Ｓ 調節弁用操作信号
ＳＬ ファン用操作量
ＳＫ ファン調節部用操作信号
ＳＷ（ＨＤ） 高圧目標値
ＳＷ（ＨＤｍ） 修正高圧目標値
ＳＷ（ＶＴ） 蒸発器温度目標値
Ｕ 蒸発器温度およびファン制御部用操作量
Ｕｐ 高圧用操作量
Ｖ 走行速度
ＶＴ 蒸発器温度

Claims (16)

1. 車両用空調装置（４）の冷媒サイクル（２）を調節するための方法において、
   基本調節回路内で蒸発器温度（ＶＴ）の目標値（ＳＷ（ＶＴ））が設定され、この目標値に基づいて蒸発器温度調節器（１６）によって蒸発器温度（ＶＴ）を調節するための操作量（Ｕ）が求められ、この操作量が付加的にファン制御部（２６）に供給される方法であって、
   操作量（Ｕ）が、蒸発器温度（ＶＴ）を０％〜８０％の第１範囲（ＢＩ）内で調節するために圧縮機制御部に供給され、
   操作量（Ｕ）が、蒸発器温度（ＶＴ）をファン制御部（２６）の７０％超の第２範囲（ＢＩＩ）内で調節するためにファン制御部に供給される方法。
2. ファン制御部（２６）が蒸発器温度（ＶＴ）の操作量（Ｕ）によって案内される、請求項１記載の方法。
3. 蒸発器温度（ＶＴ）の目標値（ＳＷ（ＶＴ））と蒸発器温度（ＶＴ）の実際値（ＩＷ（ＶＴ））との間の制御偏差（ＲＷ（ＶＴ））がファン制御部（２６）に供給される、請求項１〜２のいずれか１項記載の方法。
4. 走行速度（ｖ）の瞬時値がファン制御部（２６）に供給される、請求項１〜３のいずれか１項記載の方法。
5. 走行速度（ｖ）の瞬時値が外乱としてフィードフォワードされる、請求項４記載の方法。
6. ファン制御部（２６）によって特性曲線（ＫＬ）に基づいて無段または多段式ファン調節部（２８）用操作信号（ＳＫ）が形成される、請求項１〜５のいずれか１項記載の方法。
7. ファン（３２）を制御するための監視関数（３０）、特に高圧監視が実装される、請求項１〜６のいずれか１項記載の方法。
8. 監視関数（３０）が制御量としてファン調節部（２８）に供給される、請求項７記載の方法。
9. 車両用空調装置の冷媒サイクル（２）を調節するための装置において、
   蒸発器温度（ＶＴ）の目標値（ＳＷ（ＶＴ））を求めるための基本調節回路と、この目標値に基づいて蒸発器温度（ＶＴ）を調節するための操作量（Ｕ）を算定する、下流側に設けられる蒸発器温度調節器（１６）とを有し、蒸発器温度調節器（１６）の下流側に設けられたファン制御部（２６）に蒸発器温度調節器（１６）の操作量（Ｕ）が供給されるように構成された装置であって、
   操作量（Ｕ）が、蒸発器温度（ＶＴ）を０％〜８０％の第１範囲（ＢＩ）内で調節するために圧縮機制御部に供給され、
   操作量（Ｕ）が、蒸発器温度（ＶＴ）をファン制御部（２６）の７０％超の第２範囲（ＢＩＩ）内で調節するためにファン制御部に供給される方法。
10. ファン制御部（２６）が操作量（Ｕ）の特性曲線関数（ＫＬ）として構成されており、操作量（Ｕ）の０％〜８０％の第１範囲（ＢＩ）内では操作量が圧縮機（１０）の圧縮機制御部に作用し、操作量（Ｕ）の７０％超の第２範囲（ＢＩＩ）内では操作量がファン制御部（２６）に作用する、請求項９記載の装置。
11. ファン制御部（２６）が複数の入力（Ｅ）を備えている、請求項９または１０記載の装置。
12. 入力（Ｅ）の１つが蒸発器温度（ＶＴ）の目標値（ＳＷ（ＶＴ））と蒸発器温度（ＶＴ）の実際値（ＩＷ（ＶＴ））との間の制御偏差（ＲＷ（ＶＴ））に依存してファン（３２）を制御するために設けられている、請求項１１記載の装置。
13. 入力（Ｅ）の１つが走行速度（ｖ）の瞬時値に依存してファン（３２）を制御するために設けられている、請求項１１または１２記載の装置。
14. ファン制御部（２６）の下流側にファン調節部（２８）が設けられている、請求項９〜１３のいずれか１項記載の装置。
15. 監視関数（３０）、特に高圧監視がファン調節部（２８）にフィードフォワードされる、請求項１４記載の装置。
16. ファン制御部（２６）がソフトウェアモジュールとして構成され、またはアナログ回路技術で構成されている、請求項１１〜１５のいずれか１項記載の装置。

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