JP3814964B2

JP3814964B2 - 車両用空調装置

Info

Publication number: JP3814964B2
Application number: JP21653897A
Authority: JP
Inventors: 聡小原; 伊藤　　公一
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-08-11
Filing date: 1997-08-11
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2017-08-11
Also published as: JPH1159158A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用空調装置であって、特に加熱用熱交換器であるヒータコアに供給される温水量を流量調整弁にて調整することで、空調風の温度を調整する所謂リヒート式の空調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車室内の温度を自動的に設定温度に制御する車両用空調装置において、上記リヒート式のものが周知である。例えば、外気温度、車室内温度、設定温度等の空調情報に基づいて、車室内に吹き出す必要熱量データ（目標吹出温度）を算出し、この目標吹出温度と実際の吹出温度との差を考慮して、流量調整弁の弁開度を制御している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来装置では、流量調整弁の弁開度を絶対位置で検出するポテンショメータを使用しているために、部品点数が増加し、コスト増となる。
そこで、本発明の目的は、上記ポテンショメータを廃止しながら、必要な弁開度へ制御可能な車両用空調装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１ないし３記載の発明では、空気を加熱する加熱用熱交換器（５）と、
この加熱用熱交換器（５）に供給される熱源流体の流量を調整する流量調整弁（１２）と、
この流量調整弁（１２）を駆動するサーボモータ（２７）とを有し、
流量調整弁（１２）の開度を調整することで、空調風の温度を調整する車両用空調装置であって、
空調情報を検出する空調情報検出手段（２１〜２４）と、
この空調情報検出手段（２１〜２４）にて検出された空調情報に基づいて、空調風の目標吹出温度（ＴＡＯ）を算出する目標吹出温度算出手段（Ｓ２０）と、
空調風の温度（Ｔn ）を検出する温度検出手段（２５）と、
目標吹出温度算出手段（Ｓ２０）にて算出された目標吹出温度（ＴＡＯ）と、温度検出手段（２５）にて検出された空調風の温度（Ｔn ）との差が大きくなる程、サーボモータ（２７）による流量調整弁作動時間（ＷVt）を長い時間として算出する時間算出手段（Ｓ３０）とを有し、
流量調整弁作動時間（Ｗ Vt ）にて流量調整弁（１２）の開度を制御することを特徴としている。
【０００５】
これにより、時間算出手段により、目標吹出温度と、空調風の温度（Ｔn ）との差が大きくなる程、流量調整弁の作動時間（ＷVt）を長い時間として算出するため、ポテンショメータを廃止しながら、必要な弁開度となるように制御できる。
また、請求項３記載の発明では、流量調整弁（１２）は、その所定作動量（Ｘ）に対して第１温度変化する第１温度特性範囲（Ａ）と、所定作動量に対して第１温度変化（Ａ）より大きい第２温度特性範囲（Ｂ）とを有し、時間算出手段（Ｓ４０）は、第１温度特性範囲（Ａ）と第２温度特性範囲（Ｂ）とで、上記差が同じであっても、第１温度特性範囲（Ａ）の方が第２温度特性範囲（Ｂ）より作動時間（ＷVt）を長く算出することを特徴としている。
【０００６】
これにより、流量調整弁の作動範囲に応じて、空調風の温度特性が異なり、その所定作動量に対して第１温度変化する第１温度特性範囲と、所定作動量に対して第１温度変化より大きい第２温度特性範囲とを有する場合において、時間算出手段にて、第１温度特性範囲の方が第２温度特性範囲より作動時間を長く算出するため、空調風の温度を調整可能な全範囲において、応答性を向上することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。図１に車両用空調装置の全体構成図を示す。車両用空調装置１は、車室内への空調風流路をなす空調ケース２を有する。空調ケース２には、車室内へ向かう空気流を発生する送風機３が設けられている。
【０００８】
空調ケース２内で、送風機３の下流側には、車両に搭載された冷凍サイクル（図示しない）のエバポレータ４が配置されている。このエバポレータ４は、内部に低温低圧冷媒が流れ、この低温低圧冷媒の蒸発潜熱により通過する空気から熱を奪うことで、空気を冷却する冷却用熱交換器を構成している。
さらに空調ケース２内で、上記エバポレータ４の下流側には、通過する空気を加熱する加熱用熱交換器５（以下、ヒータコア）が設置されている。このヒータコア５は、温水回路６内に設けられており、温水回路６を流れる温水（熱源流体、エンジン冷却水）が循環するようになっている。これにより、ヒータコア５では、通過する空気と温水とが熱交換することで、空気が加熱される。
【０００９】
ヒータコア５の下流側における空調ケース２には、図示しない車両窓ガラスの内面に向かって空調風を送風するデフロスタ用空気通路７、乗員の上半身に向けて空調風を送風するフェイス用空気通路８、および乗員の下半身に向けて空調風を送風するフット用空気通路９が形成されている。なお、これら空気通路７〜９は、図示しない吹出口切換ドアにて開閉されることで、吹出口モードとして周知のフェイスモード、バイレベルモード、フットモード、デフロスタモード等が切り換え可能となっている。
【００１０】
次に、上記温水回路６およびヒータコア５での空調風の温度調整について説明する。温水回路６は、図１に示すように車両駆動用エンジン１０（内燃機関）を冷却するエンジン冷却水（上記温水）が流れるものである。なお、図示しないが図１中エンジン１０の左側で、温水回路６には、エンジン冷却水を冷却する周知のラジエータを有する冷却水回路が接続されている。また、これら温水回路６および冷却水回路には、エンジン１０に内蔵された機械式のポンプ（図示しない）にて温水が流れる。
【００１１】
温水回路６には、エンジン冷却水がヒータコア５をパイパスするバイパス回路６ａが設けられている。そして、この温水回路６のうち、バイパス回路６ａとヒータコア５への温水流入回路６ｂとの分岐部には、ヒータコア５へ供給される温水流量を調整する３方弁タイプの流量調整弁１２が設けられている。本例では、この流量調整弁１２は、円筒状のハウジング１２ａ内に、弁体１２ｂが収納されたロータリ式のものである。弁体１２ｂには、図１に示すように温水が流れる制御用流路１２ｃが形成されている。なお、図１中弁体１２ｂには、その形状および制御流路１２ｃを分かりやすくするため、ハッチングがいれてある。
【００１２】
そして、本例では、弁体１２ｂは回動すると、制御流路１２ｃの温水入口側の開口部と、ハウジング１２ａに開口した温水取入口（図示しない）との重畳面積が変化する。さらに、制御流路１２ｃの温水出口側の開口部と、ハウジング１２ａに開口したバイパス回路６ａ用の温水取出口（図示しない）およびハウジング１２ａに開口した温水流入回路６ｂ用の温水取出口（図示しない）の重畳面積が変化する。
【００１３】
例えば、ヒータコア５へ温水供給量を最大（最大暖房）にするためには、図１中弁体１２ｂを時計回りに回動して、バイパス回路６ａを閉塞するとともに、上記温水取入口および温水流入回路６ｂとを全開とする。一方、ヒータコア５へ温水供給量を最小（０、最大冷房）にするためには、図１中弁体１２ｂを逆時計回りに回動して、バイパス回路６ａおよび上記温水取入口を若干開口するとともに、温水流入回路６ｂを閉塞する。
【００１４】
なお、このように若干ながらバイパス回路６ａおよび上記温水取入口を開口したのは、急激に流量調整弁１２により温水流れを遮断すると、ウォーターハンマー音が発生するため、本例では温水がバイパス回路６ａに流れるようにして、上記ウォーターハンマー音の発生を防止している。また、図１に示した流量調整弁１２の状態は、弁開度が上記最大暖房と上記最大冷房との中間の状態を表している。
【００１５】
さらに、本例では、流量調整弁１２は、その作動範囲を上記最大暖房から上記最大冷房までの範囲と規制するために、例えばハウジング１２ａには、図示しない一対のストッパー部が形成されており、弁体１２ｂ（回動軸心方向の一端部）には、このストッパー部と係合する係合部が形成されている。これにより、流量調整弁１２は、弁体１２ｂの作動位置が上記最大暖房となると、一方のストッパー部と係合部とがぶつかることで、それ以上弁体１２ｂが作動しないようにしている。一方、流量調整弁１２は、弁体１２ｂの作動位置が上記最大冷房となると、他方のストッパー部と係合部とがぶつかることで、それ以上弁体１２ｂが作動しないようにしている。
【００１６】
このようにして、ヒータコア５への温水供給量が変化し、ヒータコア５での空気の加熱度合いが変化するため、空調風の温度が調整される。
また、上記バイパス回路６ａには、均圧弁１１が設けられている。この均圧弁１１は、ヒータコア５の温水上流側と温水下流側との間の圧力を一定にすることで、エンジン回転数によるヒータコア５を流れる温水流量の変化を和らげるために設けられている。
【００１７】
詳しく説明すると、上記エンジン１０の回転数が変動すると、上記ポンプの回転数が変化し、温水の吐出量（吐出圧力）が変化する。従って、例えば図１に示すような弁開度が、所定の中間開度であるときに、エンジン回転数によって、ヒータコア５に供給される温水流量が変動するが、例えば、エンジン回転数が上昇して温水の圧力が上昇すると、均圧弁１１が開弁する。これにより、ヒータコア５の温水上流側と温水下流側との間の圧力を一定にでき、エンジン回転数によるヒータコア５を流れる温水流量の変化を和らげることができる。
【００１８】
次に、上述の車両用空調装置１の制御系について説明する。
図１に示すように車両用空調装置１は、制御装置２０にて空調制御されるようになっている。制御装置２０は、周知のコンピュータ手段であり、空調プログラムが記憶されたＲＯＭや、データを一時的に記憶するＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器、タイマー等を有するものである。
【００１９】
制御装置２０は、入力端子として空調情報を検出する空調情報検出手段である各種センサが接続されている。具体的には、制御装置２０には、車室外の温度を検出する外気温センサ２１と、車室内の温度を検出する内気温センサ２２と、車室内に入射する日射量を検出する日射センサ２３と、ヒータコア５の空気下流側に設置され、ヒータコア５にて温度調整された空調風の温度を検出する空調風温度センサ２５と、温水回路５を循環する温水温度を検出する水温センサ２４と、車室内の設定温度を設定する温度設定器２６とが接続されている。
【００２０】
一方、制御装置２０は、出力端子として、上記流量調整弁１２の弁体１２ｂを回動する手段であるサーボモータ２７、上記送風機３を駆動する図示しない駆動回路、上記吹出口切換ドアを駆動する図示しないサーボモータ等に接続されている。
次に、本発明の要部である上記サーボモータ２７（流量調整弁１２）の駆動制御内容について図２のフローチャートにて説明する。
【００２１】
先ず、ステップＳ１０では、空調情報入力として、上記各種センサ２１〜２５の検出値（デジタル値）を読み込むとともに、上記温度設定器２６の設定温度（デジタル値ＴSET ）を読み込む。
続いて、ステップＳ２０にて、上記ステップＳ１０にて読み込まれた空調情報に基づいて、以下の数式１より空調風の目標温度である目標吹出温度ＴＡＯを算出する。
【００２２】
【数１】
ＴＡＯ＝ＫSET ×ＴSET −Ｋr ×Ｔr −Ｋam×Ｔam−Ｋs ×Ｔs ＋Ｃ
ここで、ＴSET は温度設定器２６の検出値、Ｔr は内気温センサ２２の検出値、Ｔamは外気温センサ２１の検出値、Ｔs は日射センサ２３の検出値である。また、ＫSET 、Ｋr 、Ｋam、Ｋs はそれぞれゲインであり、Ｃは補正用定数である。
【００２３】
次にステップＳ３０（時間算出手段）では、上記サーボモータ２７のバルブ駆動時間ＳWt（通電時間）を以下の数式（比例積分制御の制御式）２から算出する。
【００２４】
【数２】
ＳWt＝Ｋp 〔｛（ＴＡＯ_n−Ｔ_n）−（ＴＡＯ_n-1−Ｔ_{n -1}）｝＋（θ／Ｔｉ）・（ＴＡＯ_n−Ｔ_n）〕
なお、Ｔ_nは上記空調風温度センサ２５の検出値、つまり空調風の実際の温度であり、Ｔ_nは今回（最新）の検出値、Ｔ_{n -1}は前回の検出値、ＴＡＯ_nは今回（最新）のＴＡＯ、ＴＡＯ_n-1は前回のＴＡＯである。また、Ｋｐは比例定数、Ｔｉは積分定数、θはサンプリング時間を表す。
【００２５】
そして、上記数式２は、前回と今回とで空調情報が全く変化しておらずＴＡＯ_n＝ＴＡＯ_n-1とすると、以下の数式３となる。なお、この数式３の意味は後で詳述する。
【００２６】
【数３】
ＳWt＝Ｋp 〔｛（−Ｔ_n＋Ｔ_{n -1}）｝＋（θ／Ｔｉ）・（ＴＡＯ_n−Ｔ_n）〕
続いて、ステップＳ４０では、上記バルブ駆動時間ＳWtを補正して、最終的なバルブ駆動時間ＷVtを以下の数式４にて算出する。なお、詳細は後で説明する。
【００２７】
【数４】
ＷVt＝ＳWt・Ｋg
但し、Ｋgは補正項である。そして、ステップＳ５０では、上記バルブ駆動時間ＷVtが０より大きい場合では、サーボモータ２７を正転し、上記バルブ駆動時間ＷVtが０より小さい場合では、サーボモータ２７を逆転するように制御信号をサーボモータ２７に出力する。
但し、ここでいう正転とは、弁体１２ｂがヒータコア５の循環温水流量を増加して空調風の温度を高める方向（図１中矢印ａ方向）に回動する方向と定義し、逆転とは、弁体１２ｂがヒータコア５の循環温水流量を減少して空調風の温度を下げる方向（図１中矢印ｂ方向）に回動する方向と定義する。
【００２８】
次に上述のステップＳ３０での数式３の意味について説明する。先ず、（ＴＡＯ_n−Ｔ_n）の意味を説明する。なお、説明を分かりやすくするため、（−Ｔ_n＋Ｔ_{n -1}）を０と見なして説明する。
例えば、夏場において車室内が非常に高温な状態にあり、急速に車室内を冷却する場合では、上記ＴＡＯ_nは、上記数式１にて例えば−１５℃といった値が算出される。この場合は、Ｔ_nが−１５℃には成りえないため、ＴＡＯ_n＜Ｔ_nの関係となり、この差（ＴＡＯ_n−Ｔ_n）は負で、絶対値は大きな値となる。このため、バルブ駆動時間ＳWtが長くなり、バルブ駆動時間ＷVtも長く算出される。
【００２９】
つまり、（ＴＡＯn −Ｔn ）の差が大きくなる程、バルブ駆動時間ＳWtが長くなり、バルブ駆動時間ＷVtも長く算出される。これにより、ステップＳ５０では、サーボモータ２７にて弁体１２ｂを図１中矢印ｂ方向に大きく回動させるので、空調風の温度は最大限低い温度となる。
この後、車室内の温度（Ｔr ）が設定温度程度まで下がってくるにつれて、上記ＴＡＯn も徐々に高くなり、差（ＴＡＯn −Ｔn ）も徐々に小さくなる。そして、例えば車室内の温度が（Ｔr ）が設定温度まで下がって安定してくると、ＴＡＯn がＴn より高くなって、差（ＴＡＯn −Ｔn ）が正となる。
【００３０】
これにより、ステップＳ５０では、サーボモータ２７にて弁体１２ｂを図１中矢印ａ方向に若干回動させるので、空調風の温度は上昇する。また、車室内の温度（Ｔr ）が設定温度にほぼ安定しても、日射等によってＴＡＯn が変動するため、上記（ＴＡＯn −Ｔn ）が正となったり負となったりすることで、日射等の空調環境の変化に追従して、空調風の温度が調整される。
【００３１】
一方、例えば、冬場において車室内が非常に低温な状態にあり、急速に車室内を暖房する場合では、上記ＴＡＯ_nは、上記数式１にて例えば７０℃といった値が算出される。この場合は、Ｔ_nが７０℃には成りえないため、ＴＡＯ_n＞Ｔ_nの関係となり、この差（ＴＡＯ_n−Ｔ_n）は正で、絶対値は大きな値となる。このため、バルブ駆動時間ＳWtが長くなり、バルブ駆動時間ＷVtも長く算出される。
【００３２】
そして、バルブ駆動時間ＳWtは、（ＴＡＯn −Ｔn ）の差が大きくなる程、長くなり、バルブ駆動時間ＷVtも長く算出される。これにより、ステップＳ５０では、サーボモータ２７にて弁体１２ｂを図１中矢印ａ方向に大きく回動させるので、空調風の温度は最大限高い温度となる。
そして、この後、車室内の温度（Ｔr ）が設定温度程度まで上昇してくるにつれて、上記ＴＡＯn も徐々に低くなり、差（ＴＡＯn −Ｔn ）も徐々に小さくなる。そして、例えば車室内の温度（Ｔ r ）が設定温度まで上昇して安定してくると、ＴＡＯn がＴn より低くなって、差（ＴＡＯn −Ｔn ）が負となる。
【００３３】
これにより、ステップＳ５０では、サーボモータ２７にて弁体１２ｂを図１中矢印ｂ方向に若干回動させるので、空調風の温度は低下する。また、車室内の温度（Ｔr ）が設定温度にほぼ安定しても、日射等によってＴＡＯn が変動するため、上記（ＴＡＯn −Ｔn ）が正となったり負となったりすることで、日射等の空調環境の変化に追従して、空調風の温度が調整される。
【００３４】
このようにすることで、目標吹出温度ＴＡＯと、空調風の温度Ｔn との差が大きくなる程、流量調整弁１２のバルブ駆動時間（ＷVt）を長くするようにしたため、従来使用していたポテンショメータを廃止しながら、必要な弁開度となるように制御できる。
次に、（−Ｔ_n＋Ｔ_{n -1}）の意味について説明する。先ず、上述の（ＴＡＯ_n−Ｔ_n）だけによるバルブ駆動時間ＷVt算出では、以下のような問題がある。
【００３５】
つまり、空調風の温度をＴＡＯに近づけようとして、弁体１２ｂを駆動したとしても、温水流量はこれに追従して変動せずに若干遅れたり、温水回路５における流量調整弁１２とヒータコア５との流路長さや、ヒータコア５の熱伝達による遅れによって、空調風の温度は直ぐさま変わらない。
従って、例えば空調風の温度を上記ＴＡＯ（例えば２５℃とする）に近づけるべく、上昇しようとしても、直ぐさま空調風の温度が上昇しないため、さらに弁体１２ｂが図１中矢印ａ方向に回動する。
これにより、例えば温水流量が追従してきたときには、空調風の温度が２５℃を大きく越えてしまい（オーバーシュート）、今度は弁体１２ｂを図１中矢印ｂ方向に回動するので、弁体１２ｂが頻繁に作動する。
【００３６】
そこで、このような不具合を防止するために、数式３中に（−Ｔn ＋Ｔn -1）が含まれている。つまり、空調風の温度を上昇する過程では、ＴＡＯn ＞Ｔn にあり、Ｔn ＞Ｔn -1となるため、（−Ｔn ＋Ｔn -1）は負となる。
これにより、（−Ｔn ＋Ｔn -1）は、バルブ駆動時間ＷVtを短く算出するように寄与するため、弁体１２ｂの作動を抑制しようと機能する。この結果、空調風の温度がオーバーシュートすることを低減でき、弁体１２ｂが頻繁に作動することが防止できる。なお、空調風の温度を低下する場合でも、同様に（−Ｔn ＋Ｔn -1）が機能する。
【００３７】
次に、上記ステップＳ４０の内容について詳しく説明する。図３は、本発明者が上記弁体１２ｂの作動位置（開度）に対する空調風の温度を実験した温度コントロール特性の結果である。なお、弁開度０°とは、ヒータコア５に温水を供給しない最大冷房時であり、バルブ開度１００とは、ヒータコア５に最大限温水を供給する最大暖房時のことである。
【００３８】
これを見て分かるように本例では、流量調整弁１２は、弁開度０〜３０°（３０°を所定作動量に値する）に対して空調風の温度が１０〜１５℃（第１温度，５°）変化する第１温度特性範囲Ｍ、弁開度３０〜６０°（３０°、上記所定作動量と同じ）に対して空調風の温度が１５〜６５℃（第２温度）変化する第２温度特性範囲Ｌを有する。
【００３９】
つまり、本例では、上記第１温度特性範囲Ｍでは、上記第２温度特性範囲に比べて温度変化が少なく、非常に応答性が悪い。
このため、本例では、上記応答性を向上させるために、上記補正項Ｋg を設け、この補正項Ｋg は、図４に示すマップから決定される。つまり、この補正項Ｋg は、図３の応答性が悪い所程、大きく決定される。すなわち、図３の応答性が悪い所程、バルブ駆動時間ＷVtが長く算出されるので、空調風の温度の全範囲において、応答性を向上することができる。
【００４０】
（変形例）
上記実施形態では、バイパス回路６ａを設けたが、本発明はバイパス回路６ａを設けない温水回路６でも適用できる。なお、この場合は、流量調整弁１２を２方弁タイプのものを使用すれば良い。
また、上記各実施形態では、流量調整弁１２は、ロータリ式のものを使用したが、バタフライ式のものであっても良いし、どのようなタイプのものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における車両用空調装置の全体概略構成図である。
【図２】上記実施形態おける制御装置の制御内容を表すフローチャートである。
【図３】上記実施形態における流量調整弁の温度コントロール特性を表す図である。
【図４】上記実施形態におけるＫg の決定方法を示す図である。
【符号の説明】
５…ヒータコア、１２…流量調整弁、２０…制御装置。

Claims

空気を加熱する加熱用熱交換器（５）と、
この加熱用熱交換器（５）に供給される熱源流体の流量を調整する流量調整弁（１２）と、
この流量調整弁（１２）を駆動するサーボモータ（２７）とを有し、
前記流量調整弁（１２）の開度を調整することで、空調風の温度を調整する車両用空調装置であって、
少なくとも車室内の設定温度（ＴSET ）と車室内の温度（Ｔr ）とに基づいて、空調風の目標吹出温度（ＴＡＯ）を算出する目標吹出温度算出手段（Ｓ２０）と、
前記空調風の温度（Ｔn ）を検出する温度検出手段（２５）と、
前記目標吹出温度算出手段（Ｓ２０）にて算出された目標吹出温度（ＴＡＯ）と、前記温度検出手段（２５）にて検出された空調風の温度（Ｔn ）との差が大きくなる程、前記サーボモータ（２７）による流量調整弁作動時間（ＷVt）を長い時間として算出する時間算出手段（Ｓ３０）とを有し、
前記流量調整弁作動時間（Ｗ Vt ）にて前記流量調整弁（１２）の開度を制御することを特徴とする車両用空調装置。
前記目標吹出温度（ＴＡＯ）が前記空調風の温度（Ｔn ）より高いときには、前記流量調整弁（１２）を前記熱源流体の流量が大きくなるように制御するとともに、前記目標吹出温度（ＴＡＯ）が前記空調風の温度（Ｔn ）より低いときには、前記流量調整弁（１２）を前記熱源流体の流量が少なくなるように制御するようになっている請求項１記載の車両用空調装置。
前記流量調整弁（１２）は、その所定作動量に対して第１温度変化する第１温度特性範囲（Ｍ）と、前記所定作動量に対して前記第１温度変化より大きい第２温度特性範囲（Ｌ）とを有し、
前記時間算出手段（Ｓ４０）は、前記第１温度特性範囲（Ｍ）と前記第２温度特性範囲（Ｌ）とで、前記差が同じであっても、前記第１温度特性範囲（Ｍ）の方が前記第２温度特性範囲（Ｌ）より前記作動時間（ＷVt）を長く算出することを特徴とする請求項１または２記載の車両用空調装置。