車両用空調装置
【課題】水温の早期上昇と水温の安定性を両立させることができるヒータ回路を有する車両用空調装置を提供する。
【解決手段】エアコンＥＣＵ２５は、目標水温と実水温との水温差が設定値ΔＴよりも小さい場合は、電気ヒータ１５の出力を最大値よりも小さい必要能力上限値となるように制御する。これによって水温差が設定値ΔＴよりも小さい場合、実水温の上昇速度を小さくすることができる。実水温の上昇速度が小さいので、実水温を目標水温にゆっくりと到達させることができ、実水温を目標水温で安定させることができる。
【解決手段】エアコンＥＣＵ２５は、目標水温と実水温との水温差が設定値ΔＴよりも小さい場合は、電気ヒータ１５の出力を最大値よりも小さい必要能力上限値となるように制御する。これによって水温差が設定値ΔＴよりも小さい場合、実水温の上昇速度を小さくすることができる。実水温の上昇速度が小さいので、実水温を目標水温にゆっくりと到達させることができ、実水温を目標水温で安定させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車室内の空調に用いられるヒータを制御する車両用空調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の車両用空調装置として、水が循環するヒータ回路を備え、循環する水を電気ヒータによって加熱し、暖房時の熱源とする装置が知られている。電気ヒータは、バッテリからの電力にて駆動される。電気ヒータの出力は、ヒータ回路を循環する水が目標水温となるように、エアコンＥＣＵによってＰＩ制御される（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２６４６２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
図６は、従来技術におけるヒータ回路の水温の変化を示すグラフである。グラフの縦軸は水温を示し、横軸は時間を示す。前述の従来技術では、電気ヒータの水温制御に関して、電気ヒータの出力上昇に対して水温上昇の遅れが大きいので、早期の水温上昇を満足させようとすると、目標水温に対して、オーバーシュート量またはアンダーシュート量が大きくなり、図６に示すように、水温の安定性が悪い。したがって空調風の吹き出し温度の変動が生じ、乗員のフィーリングが悪化するという問題がある。
【０００４】
そこで、本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、水温の早期上昇と水温の安定性を両立させることができるヒータ回路を有する車両用空調装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。
【０００６】
請求項１に記載の発明では、 空気を送風する送風機（１１）と、
前記送風機によって送風される空気が流れる空気通路（９）を形成する空調ケース（６）と、
水が循環する循環流路を構成するヒータ回路（３）と、
前記ヒータ回路に設けられ、前記ヒータ回路を循環する水を加熱するヒータ（１５）と、
前記ヒータ回路に設けられ、前記循環する水を熱源として、前記送風機によって送風される空気を加熱する加熱用熱交換器（１３）と、
前記ヒータ回路を循環する水の温度を検出する水温検出手段（３０，３１）と、
車室内の空調要求に応じて、前記ヒータの出力を制御する制御手段（２５）と、を含み、
前記制御手段は、前記空調要求を満足するための目標水温よりも前記水温検出手段によって検出された実水温が小さい場合であって、前記目標水温と前記実水温との水温差が予め定める設定値よりも小さいとき、前記ヒータの出力を最大値よりも小さく一定の値である制限値に制御することを特徴とする車両用空調装置である。
【０００７】
請求項１に記載の発明に従えば、水温差が設定値よりも小さい場合は、最大値よりも小さい一定の値の制限値となるように、制御手段によってヒータの出力を制御する。水温差が設定値以上の場合、ヒータの出力が最大値であっても、短時間で実水温が上昇して目標水温よりも大きくなる可能性が小さい。水温差が設定値よりも小さい場合には、ヒータの出力が最大値であると実水温が短時間で上昇して目標水温よりも大幅に大きくなる可能性がある。本発明では、水温差が設定値よりも小さい場合、制限値に制御されるので実水温の上昇速度を小さくすることができる。実水温の上昇速度が小さいので、実水温を目標水温にゆっくりと到達させることができ、実水温を目標水温で安定させることができる。また水温差が設定値になるまでは従来と同様の制御をすることによって、実水温を短時間で上昇させることができるので、短時間で目標水温に近づけることができる。このように本発明では、水温の早期上昇と水温の安定性を両立させることができる車両用空調装置を実現することができる。
【０００８】
また請求項２に記載の発明では、制御手段は、前記目標水温よりも前記実水温が小さい場合であって、前記水温差が前記設定値以上のとき、前記ヒータの出力が最大となるように制御することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明に従えば、水温差が設定値以上の場合、ヒータの出力が最大となるように制御手段によって制御される。水温差が設定値以上の場合は、前述したように、水温差が大きいので、ヒータの出力が最大値であっても、短時間で実水温が上昇して目標水温よりも大きくなる可能性が小さい。このような場合に、ヒータの出力を最大にすることによって、実水温を目標水温にさらに短時間で近づけることができる。またその後、水温差が設定値未満になると、前述のようにヒータの出力が制限値に制御されるので、短期間で、かつ安定した状態で目標水温に近づくけることができる。
【００１０】
さらに請求項３に記載の発明では、制御手段は、前記空調要求を満足するために必要な熱量を演算し、前記演算した熱量が得られるように前記制限値を設定することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明に従えば、水温差が設定値よりも小さい場合、制御手段によって空調要求を満足するために必要な熱量が演算される。これによって必要な熱量を用いて循環する水を加熱することができるので、実水温が目標水温をおおきく上回ることなく、目標水温に近づけることができる。
【００１２】
さらに請求項４に記載の発明では、制御手段は、前記演算された熱量に、予め定める余裕量を加えた熱量が得られるように、前記制限値を設定することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明に従えば、演算された熱量に余裕量を加えた熱量が得られるように、ヒータの出力が制御される。したがって実水温が目標水温をやや上回らせるヒータ出力となるので、短時間で目標水温に近づけることができる。
【００１４】
さらに請求項５に記載の発明では、空調ケース内に設けられ、前記送風機によって送風される空気を冷却する冷却用熱交換器（１２）と、
前記冷却用熱交換器を通過した空気の温度を検出する温度検出手段（３２）と、をさらに含み、
前記制御手段は、前記空調要求を満足するために必要な熱量を、目標吹出温度と前記温度検出手段によって検出された空気温度とを用いて演算することを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明に従えば、必要な熱量を、目標吹出温度と空気温度とを用いて演算するので、高精度に必要な熱量を演算することができる。
【００１６】
さらに請求項６に記載の発明では、水温検出手段は、前記加熱用熱交換器の出口における水温を検出し、
前記制御手段は、前記空調要求を満足するために必要な熱量を、前記目標水温と前記水温検出手段によって検出された実水温とを用いて演算することを特徴とする。
【００１７】
請求項６に記載の発明に従えば、必要な熱量を、目標水温と実水温とを用いて演算するので、高精度に必要な熱量を演算することができる。
【００１８】
なお、前述の各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を、複数の形態について説明する。各形態で先行する形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付し、重複する説明を略する場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。
【００２０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に関して、図１〜図４を用いて説明する。図１は、第１実施形態の車両用空調装置１の全体構成を示す模式図である。車両用空調装置１は、走行用電動モータ（図示せず）を走行用の駆動源とする車両に搭載される。車両用空調装置１は、冷凍サイクル２、ヒータ回路３、室内ユニット４および制御装置５を含む。車両用空調装置１は、たとえば車両の車室内前部の計器盤下部に設置される。
【００２１】
室内ユニット４を構成する空調ケース６は、一端側に空気の吸入口７，８を有し、他端側に車室内への吹出口（図示せず）を有し、吸入口７，８から吹出口へ空調空気を導く空調空気通路９を構成している。空調ケース６の一端側には内気を吸入する内気吸入口７、および外気を吸入する外気吸入口８が設けられている。内気吸入口７と外気吸入口８は内外気切替ドア１０により切替および開閉される。吸入口７，８に隣接して、空調ケース６内に空気を送風する送風機１１が設置される。空調ケース６の他端側には車室内へ通ずる複数の吹出口（図示せず）が形成されている。これらの吹出口は吹出モード切替ドア（図示せず）によりそれぞれ切替および開閉され、たとえばフェイス、バイレベル、フット、およびデフロスタ等の吹出モードが設定される。
【００２２】
送風機１１より空気下流側における空調ケース６内には冷凍サイクル２の室内器１２が設けられている。室内器１２は、冷凍サイクル２の低圧冷媒が空気から吸熱して、空気を冷却するものである。室内器１２より空気下流側にはヒータ回路３のヒータコア１３が設けられている。ヒータコア１３は、温水を加熱源として自身を流通する空調空気を加熱する熱交換器である。室内器１２およびヒータコア１３によって温度調節された空調空気は、選択された吹出口から車室内に吹出される。
【００２３】
ヒータ回路３は、温水（水）が循環する循環流路を構成する。ヒータ回路３には、温水を循環させる電動式のウォーターポンプ１４、温水を加熱する電気ヒータ１５、循環する温水の温度を検出する水温センサ３０，３１、およびヒータコア１３が設けられる。したがって電気ヒータ１５は、車室内に送風される空気を加熱して空調風を提供するときに、熱源として用いられる。ヒータコア１３は、電気ヒータ１５によって加熱された温水が、内部に流通するように構成される。
【００２４】
水温センサ３０，３１は、ヒータ回路３を循環する水の温度を検出する水温検出手段である。水温センサ３０，３１は、電気ヒータ１５を通過後、ヒータコア１３に流入前の温水の温度を検出する入口水温センサ３１と、ヒータコア１３を通過後、電気ヒータ１５を通過する前の温水の温度を検出する出口水温センサ３０とが設けられる。水温センサ３０，３１は、検出した温度情報を、制御装置５を構成するエアコンＥＣＵ２５に与える。
【００２５】
電気ヒータ１５には、車載のバッテリ１７から得た直流電力が、制御装置５を構成するインバータ部１８によって個別にデューティ制御されて供給される。電気ヒータ１５は、電力が供給されている状態での消費電力は一定であり、たとえばニクロム線を利用したシーズヒータである。
【００２６】
冷凍サイクル２は、電動圧縮機１９、膨張弁２０、室外器２１および室内器１２が環状のサイクル流路２２に順次接続される。冷凍サイクル２内を循環する冷媒としては、二酸化炭素（ＣＯ２）を用いており、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力よりも高い状態で使用される場合を有している。
【００２７】
電動圧縮機１９は、交流モータ（図示せず）によって駆動されて、空気を冷却して空調風を提供するときに用いられる冷媒を高温高圧に圧縮して室外器２１へ吐出する流体機械である。電動圧縮機１９は、作動回転数によって冷媒の吐出量を可変可能としている。電動圧縮機１９は、制御装置５によってその作動および冷媒吐出量が制御される。電動圧縮機１９の交流モータには、車載のバッテリ１７（本実施形態では定格電圧３００Ｖの直流電源）から得た直流電力がインバータ部１８によって交流電力に変換されて供給される。電動圧縮機１９の吐出側であって、たとえば電動圧縮機１９と室外器２１との間には、冷媒の状態量を検出する冷媒状態検出手段（図示せず）が設けられる。冷媒状態検出手段は、吐出された冷媒の温度を検出する温度センサおよび冷媒の圧力を検出する圧力センサによって実現される。各センサは、検出した温度情報および圧力情報を制御装置５に与える。
【００２８】
室外器２１は、凝縮器であって、電動圧縮機１９から吐出された冷媒とエンジンルーム内に流入する外気との間で熱交換する熱交換器である。室外器２１は、車両のエンジンルームの前方、たとえばグリルの後方に配置される。室外器２１の冷媒流出側であって、たとえば室外器２１と膨張弁２０との間には室外器２１から流出される冷媒の温度を検出する温度センサ（図示せず）が設けられる。温度センサは、検出した温度情報を制御装置５に与える。
【００２９】
膨張弁２０は、室外器２１から流出される冷媒を減圧する（低温低圧にする）減圧手段である。膨張弁２０には感温部（図示せず）およびキャピラリ（図示せず）が接続されており、室外器２１から流出される冷媒の温度に応じて膨張弁２０の弁開度が調節される機械式膨張弁としている。具体的には、感温部での冷媒温度が高いと弁開度が小さい側に可変されて室外器２１における冷媒圧力が高い側に維持され、逆に感温部での冷媒温度が低くなると弁開度が大きい側に可変されて室外器２１における冷媒圧力が低い側に維持される。
【００３０】
室内器１２は、室内ユニット４の空調ケース６内で空調空気通路９全体を横断するように配設される。室内器１２は、蒸発器であって、膨張弁２０で減圧された冷媒と空調ケース６内を流通する空調空気との間で熱交換して、空調空気を冷却する熱交換器である。室内器１２から流出された冷媒は、電動圧縮機１９に与えられる。室内器１２の空調空気流れの下流側には、冷却された空気温度（エバ後空気温度）を検出する室内器温度センサ３２が設けられる。室内器温度センサ３２は、検出した温度情報をエアコンＥＣＵ２５に与える。
【００３１】
空調ケース６内には、室内器１２に加えて、暖房器としてのヒータコア１３が配設されている。ヒータコア１３は、室内器１２に対して空調空気流れ下流側に配置されている。ヒータコア１３と空調ケース６との間にはヒータコア１３をバイパスして空調空気が流通するバイパス流路２３が形成されている。
【００３２】
ヒータコア１３の近傍には通過する空調空気量を調節するエアミックスドア２４が設けられている。エアミックスドア２４は、ヒータコア１３の空調空気流通部を開閉する回動式のドアである。エアミックスドア２４の開度に応じて、ヒータコア１３を流通する加熱空気とバイパス流路２３を流通する冷却空気との流量割合が調節されて、ヒータコア１３の下流側の空調空気温度が調節される。エアミックスドア２４の開度は、制御装置５によって制御される。
【００３３】
制御装置５は、エアコン電子制御装置（Electronic Control Unit：略称ＥＣＵ）２５とインバータ部１８を含む。エアコンＥＣＵ２５は、マイクロコンピュータとその周辺回路から構成される。エアコンＥＣＵ２５には、前述したセンサの他に、外気温を検出する外気温度センサ３３、内気温度を検出する内気温度センサ３４および日射量を検出する日射センサ３５からの情報が与えられる。エアコンＥＣＵ２５は、予め設定されたプログラムに従って各種センサから与えられる情報および操作パネル（図示せず）で乗員が設定する設定情報に対する演算処理を行う。エアコンＥＣＵ２５は、空調要求および空調負荷に基づいて、たとえばエアミックスドア２４、電動圧縮機１９、および電気ヒータ１５などを制御する。
【００３４】
インバータ部１８は、エアコンＥＣＵ２５からの指令によって電動圧縮機１９および電気ヒータ１５の作動を制御する。したがってインバータ部１８とエアコンＥＣＵ２５は、電気負荷である電動圧縮機１９および電気ヒータ１５への電力の供給を制御する制御手段を構成する。インバータ部１８には、バッテリ１７の直流電力がヒューズ２９を介して供給されている。バッテリ１７は、電源であって、たとえば水素と酸素との化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（図示せず）にて充電される蓄電手段である。インバータ部１８は、電気ヒータ用インバータ２６および電動圧縮機用インバータ２８を含む。各インバータ２６，２８は、バッテリ１７およびヒューズ２９に対して並列に接続される。
【００３５】
ヒューズ２９は、ヒューズ許容電流が予め設定され、ヒューズ許容電流以上となるとヒューズ２９が断線し、過電流がバッテリ１７から電気負荷に流れないように動作する。ヒューズ２９の許容電流は、負荷の起動電流と定格電流とに基づいて設定され、負荷の定格電流がヒューズ２９の許容電流以上になるとヒューズ２９が断線する。
【００３６】
電動圧縮機用インバータ２８は、直流電力をスイッチングして可変周波数の交流出力（交流電力）を作りだし、その交流出力によって電動圧縮機１９の回転数を可変制御する。電気ヒータ用インバータ２６は、直流電力をスイッチングして、電気ヒータ１５に供給される電力をデューティ制御する。デューティ制御は、電気ヒータなどの負荷への通電を短い周期で繰り返しオン／オフさせ、１周期当たりのオン時間（通電パルスの幅）の比率（デューティ比）を制御することで、負荷電流や負荷電圧を制御することである。このデューティ制御によって、電気ヒータ１５にはバッテリ１７の電圧と等しい電圧が電気ヒータ用インバータ２６を介して印加される。各インバータ２６，２８のスイッチング素子としては、たとえば絶縁ゲートバイポーラトランジスタが用いられる。
【００３７】
次に、エアコンＥＣＵ２５の電気ヒータ用インバータ２６の制御処理に関して説明する。図２は、エアコンＥＣＵ２５における電気ヒータ用インバータ２６のデューティ比の決定手順を示すフローチャートである。エアコンＥＣＵ２５は、図２の制御処理が実行される以前に電動圧縮機１９の動作状態、たとえば運転および停止を決定している。またエアコンＥＣＵ２５は、図２に示す処理を短時間に繰返す。
【００３８】
ステップａ１では、ヒータ回路を循環する温水の目標水温を決定し、ステップａ２に移る。目標水温は、たとえば次式（１）によって演算される。
【００３９】
ＴＷＯ（ｎ）＝｛ＴＡＯ（ｎ）−ＴＥ（ｎ）｝／φ＋ＴＥ（ｎ） …（１）
ここで、ｎは本フローの処理回数を示し、ＴＷＯ（ｎ）は目標水温を示し、ＴＥ（ｎ）は室内器１２を通過した空気の温度を示し、ＴＡＯ（ｎ）は目標吹出温度を示し、φはヒータコア１３の温度効率を示す。このように式（１）では、目標吹出温度ＴＷＯ（ｎ）とエバ後温度ＴＥ（ｎ）との温度差からヒータコア１３にて必要な熱量を演算して、目標水温ＴＷＯ（ｎ）を求めている。
【００４０】
ステップａ２では、電気ヒータ１５の出力を決定し、ステップａ３に移る。電気ヒータ１５の出力は、たとえば次式（２）および式（３）によって演算される。
【００４１】
Ｅ（ｎ）＝ＴＷ（ｎ）−ＴＷＯ（ｎ） …（２）
Ｗ（ｎ）＝Ｗ（ｎ−１）＋Ｋｐ｛Ｅ（ｎ）−Ｅ（ｎ−１）｝＋（θ／Ｔｉ）×Ｅ（ｎ）
…（３）
ここで、Ｗ（ｎ）は電気ヒータ１５の出力を示し、ＴＷは現在の水温（実水温）を示し、
Ｗ（ｎ−１）が電気ヒータ１５の出力の前回値を示し、Ｋｐは比例定数を示し、θはサンプリング周期を示し、Ｔｉは積分定数を示す。式（３）に示すように、電気ヒータ１５の出力がＰＩ制御によって決定される。
【００４２】
ステップａ３では、ヒータ出力の決定処理を実行し、ステップａ４に移る。ヒータ出力の決定処理は、目標水温と実水温との差が小さい場合に、電気ヒータ１５の出力を最大値（最大能力値）よりも小さく、一定の値の制限値に決定し、小さくない場合には、前述のステップａ２で演算したヒータ出力に決定する処理である。
【００４３】
ステップａ４では、ステップａ２およびステップａ３で決定されたヒータ出力と電気ヒータ最大出力（Ｗｍａｘ）から、電気ヒータ１５のデューティ比（Ｄｕｔｙ）は、次式（４）によって演算される。
【００４４】
Ｄｕｔｙ＝Ｗ（ｎ）／Ｗｍａｘ …（４）
ステップａ５では、ステップａ４にて算出されたデューティ比（Ｄｕｔｙ）を電気ヒータ用インバータ２６へ出力し、本フローを終了する。これによってデューティ比が与えられた電気ヒータ用インバータ２６は、電気ヒータ１５を与えられたデューティ比でデューティ制御する。
【００４５】
このようにエアコンＥＣＵ２５は、ステップａ２にて目標水温に基づいて電気ヒータ１５の出力を仮決定する。エアコンＥＣＵ２５は、ステップａ２にて仮決定した電気ヒータ１５の出力が大きすぎて目標水温を上回るような場合は、ステップａ３にて出力を小さくするように制御し、最終的なヒータ出力を決定する。
【００４６】
次に、ステップａ３のヒータ出力の決定処理に関してさらに説明する。図３は、エアコンＥＣＵ２５におけるヒータ出力の決定処理を示すフローチャートである。エアコンＥＣＵ２５は、図２のステップａ２の処理がなされると、本フローを開始する。
【００４７】
ステップｂ１では、目標水温ＴＷＯと実水温ＴＷとの水温差が、予め定める設定値（たとえば５度）よりも小さいか否かを判断し、小さい場合、ステップｂ２に移り、大きい場合、本フローを終了する。
【００４８】
ステップｂ２では、水温差が設定値よりも小さいので、電気ヒータ１５の出力の制限値である必要能力上限値（Ｗｕｐｐｅｒ）を演算し、ステップｂ３に移る。必要能力上限値は、たとえば次式（５）によって演算される。
【００４９】
Ｗｕｐｐｅｒ＝｛ＴＡＯ（ｎ）−ＴＥ（ｎ）｝×Ｃ×ρ×Ｖａ＋α …（５）
ここでＣは空気比熱を示し、ρは空気密度を示し、Ｖａは風量を示し、αは余裕量を示す。このように式（５）では、目標吹出温度ＴＡＯとエバ後空気温度ＴＥとの差に、単位時間当たりの空気通過量を乗算して目標吹出温度ＴＡＯに必要な熱量を演算し、この必要な熱量に余裕量αを加算した値が必要能力上限値Ｗｕｐｐｅｒとして演算される。したがって必要能力上限値は、空調要求（目標吹出温度）を満足するために必要な熱量である。また必要能力上限値は、式（５）に示すように、実水温に依存しないので、目標水温ＴＡＯ（ｎ）が変化しない限り、一定の値となる。
【００５０】
ステップｂ３では、ステップａ２にて演算した出力Ｗ（ｎ）と、ステップｂ２にて演算した必要能力上限値Ｗｕｐｐｅｒとを比較し、出力Ｗ（ｎ）が大きい場合、ステップｂ４に移り、大きくない場合、本フローを終了する。ステップｂ４では、出力Ｗ（ｎ）が必要能力上限値Ｗｕｐｐｅｒよりも大きいので、出力Ｗ（ｎ）を必要能力上限値Ｗｕｐｐｅｒに値を書き換え、本フローを終了する。
【００５１】
このようにエアコンＥＣＵ２５は、ステップｂ２にて必要能力上限値を演算する。必要能力上限値は、前述したように目標吹出温度を達成するためにヒータ回路３によって確保すべき熱量に、余裕量を加算したものである。余裕量によって、実水温が目標水温に無限に近づくことを防止することができる。
【００５２】
次に、図３に示す決定処理を実行することによる効果に関して説明する。図４は、ヒータ回路３を循環する水の水温の変化を示すグラフである。図５は、電気ヒータ１５の出力の変化を示すグラフである。図４の縦軸は水温を示し、横軸は時間を示す。また図５の縦軸は電気ヒータ１５の出力を示し、横軸は時間を示す。また図４および図５では、エアコンＥＣＵ２５の処理の波形を実線で示し、従来技術の制御部の処理（以下、単に「従来制御」ということがある）の波形を破線で示す。従来制御は、図２のステップａ３を除いた、ステップａ１、ステップａ２、ステップａ４、およびステップａ５を順次実行する処理である。
【００５３】
図４に示すように、時刻ｔ０から時刻ｔ１までは、実水温と目標水温との水温差は設定値ΔＴ（たとえば５度）よりも大きいので、エアコンＥＣＵ２５のステップｂ１の判断処理にてステップａ４に移る。したがってエアコンＥＣＵ２５の処理と従来制御とは、同様の処理となる。これによって時刻ｔ０から水温差が設定値ΔＴよりも小さくなる時刻ｔ１までの波形は、互いに等しい。
【００５４】
時刻ｔ１では、水温差がΔＴよりも小さくなるので、エアコンＥＣＵ２５のステップｂ１の判断処理にてステップｂ２に移り、実水温が目標水温よりも小さいのでステップｂ３からステップｂ４に移り、ステップｂ４にて、ヒータ出力が必要能力上限値に決定される。したがって図５に示すように、時刻ｔ１にてヒータ出力が最大値から必要能力上限値まで下げられる。これに対して従来制御では、前述の式（３）に基づくＰＩ制御によってヒータ出力は最大値から多少は小さくなるが、図４に示すように、時刻ｔ２にて目標水温を達し、その後、ヒータ出力を低下するが、水温の上昇がすぐに止まらないので、目標水温を大きく上回る。
【００５５】
これに対してエアコンＥＣＵ２５は、ヒータ出力を早めの段階（時刻ｔ１）で必要能力上限値まで低下させているので、ゆるやかに水温が上昇し、時刻ｔ３にて目標水温に達する。実水温が目標水温に達した時刻ｔ３以降は、ステップｂ３における判断で、ステップａ４に移るので、前述の式（３）に基づくＰＩ制御に再び戻り、目標水温が維持される。したがって図４に示すように、従来制御では温度変化の波形が大きく波打っているが、エアコンＥＣＵ２５による処理では、ゆるやかな曲線で目標水温に達して、維持される。また目標水温に達するまでの時間は、従来制御と大きくかわらないので、ヒータ出力が最大値の従来制御と同様に、短時間で目標水温にすることができる。
【００５６】
以上説明したように本実施の形態のエアコンＥＣＵ２５は、水温差が設定値ΔＴよりも小さい場合は、電気ヒータ１５の出力を最大値よりも小さく一定の値である必要能力上限値となるように制御する（図５参照）。これによって水温差が設定値ΔＴよりも小さい場合、実水温の上昇速度を小さくすることができる。実水温の上昇速度が小さいので、実水温を目標水温にゆっくりと到達させることができ、実水温を目標水温で安定させることができる。また設定値ΔＴまではＰＩ制御をすることによって、実水温を短時間で上昇させることができるので、短時間で目標水温に近づけることができる。このように本実施形態では、水温の早期上昇と水温の安定性を両立させることができる。したがって乗員のフィーリングが悪化することなく、快適な空調空間を提供することができる。
【００５７】
また本実施の形態では、水温差が設定値ΔＴ以上（時刻ｔ１まで）の場合、電気ヒータ１５の出力が最大となるようにエアコンＥＣＵ２５によって制御される（図５参照）。水温差が設定値ΔＴ以上の場合は、前述したように、水温差が大きいので、電気ヒータ１５の出力が最大値であっても、短時間で実水温が上昇して目標水温よりも大きくなる可能性が小さい。このような場合に、電気ヒータ１５の出力を最大にすることによって、実水温を目標水温に短時間で近づけることができる。したがって実水温をさらに短時間で上昇させることができる。
【００５８】
また本実施の形態では、水温差が設定値ΔＴよりも小さい場合、エアコンＥＣＵ２５によって空調要求を満足するために必要な熱量が式（５）によって演算される。これによって必要な熱量を用いて循環する水を加熱することができる。
【００５９】
さらに本実施の形態では、式（５）では余裕量αが加算されているので、実水温が目標水温をやや上回るので、短時間で目標水温に近づけることができる。また余裕量αが小さすぎると、実水温が無限に目標水温に近づくような制御となるので、余裕量αは確実に目標水温に達することができる値に設定される。このように余裕量αは、必要な熱量を補正する補正量としての効果も有する。
【００６０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に関して説明する。前述の第１実施形態では熱量の演算は式（５）を用いていたが、本実施の形態では、次式（６）によって演算される点に特徴を有する。
【００６１】
Ｗｕｐｐｅｒ＝｛ＴＡＯ（ｎ）−ＴＷｏｕｔ（ｎ）｝×Ｃｗ×ρｗ×Ｇｗ＋α …（６）
ここでＴＷｏｕｔ（ｎ）は出口水温センサ３０によって検出される出口水温を示し、Ｃｗはヒータ回路３を循環する温水の比熱を示し、ρｗは温水の密度を示し、Ｇｗは温水の流量を示し、αは余裕量を示す。このように式（６）では、目標吹出温度ＴＡＯと出口水温ＴＷｏｕｔとの差に、単位時間当たりの流量を乗算して目標吹出温度に必要な熱量を演算し、この必要な熱量に余裕量αを加算した値が必要能力上限値として演算している。したがって必要能力上限値は、空調要求（目標吹出温度）を満足するために必要な熱量となる。このように前述の式（５）に換えて式（６）を用いても、前述の第１実施形態と同様の作用および効果を達成することができる。
【００６２】
（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
【００６３】
前述の第１実施形態では、電気ヒータ１５はヒータ回路３に１つだけ設けられていたが、１つに限ることはなく、２つ以上であってもよい。
【００６４】
また空調要求を満足するために必要な熱量は、前述の第１実施形態では式（５）を用いて演算し、前述の第２実施形態では式（６）を用いて演算しているが、この２つの式に限ることはなく、他のパラメータから必要な熱量を演算してもよく、また予め設定される制御マップなどから熱量を決定してもよい。
【００６５】
また前述の第１実施形態では、電気ヒータ１５をデューティ制御しているが、デューティ制御に限ることはなく、デューティ比に依存することなく通電状態と非通電状態を単に切り替えるように制御してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】第１実施形態の車両用空調装置１の全体構成を示す模式図である。図である。
【図２】エアコンＥＣＵ２５における電気ヒータ用インバータ２６のデューティ比の決定手順を示すフローチャートである。
【図３】エアコンＥＣＵ２５におけるヒータ出力の決定処理を示すフローチャートである。
【図４】ヒータ回路３を循環する水の水温の変化を示すグラフである。
【図５】電気ヒータ１５の出力の変化を示すグラフである。
【図６】従来技術におけるヒータ回路の水温の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６７】
１…車両用空調装置
３…ヒータ回路
５…制御装置（制御手段）
９…空調空気通路（空気通路）
１１…送風機
１２…室内器（冷却用熱交換器）
１３…ヒータコア（加熱用熱交換器）
１５…電気ヒータ（ヒータ）
１７…バッテリ
１８…インバータ部
１９…電動圧縮機
２５…エアコンＥＣＵ（制御手段）
２６…電気ヒータ用インバータ
２８…電動圧縮機用インバータ
２９…ヒューズ
３０…出口水温センサ
３１…入口水温センサ
３２…室内器温度センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車室内の空調に用いられるヒータを制御する車両用空調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の車両用空調装置として、水が循環するヒータ回路を備え、循環する水を電気ヒータによって加熱し、暖房時の熱源とする装置が知られている。電気ヒータは、バッテリからの電力にて駆動される。電気ヒータの出力は、ヒータ回路を循環する水が目標水温となるように、エアコンＥＣＵによってＰＩ制御される（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２６４６２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
図６は、従来技術におけるヒータ回路の水温の変化を示すグラフである。グラフの縦軸は水温を示し、横軸は時間を示す。前述の従来技術では、電気ヒータの水温制御に関して、電気ヒータの出力上昇に対して水温上昇の遅れが大きいので、早期の水温上昇を満足させようとすると、目標水温に対して、オーバーシュート量またはアンダーシュート量が大きくなり、図６に示すように、水温の安定性が悪い。したがって空調風の吹き出し温度の変動が生じ、乗員のフィーリングが悪化するという問題がある。
【０００４】
そこで、本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、水温の早期上昇と水温の安定性を両立させることができるヒータ回路を有する車両用空調装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。
【０００６】
請求項１に記載の発明では、 空気を送風する送風機（１１）と、
前記送風機によって送風される空気が流れる空気通路（９）を形成する空調ケース（６）と、
水が循環する循環流路を構成するヒータ回路（３）と、
前記ヒータ回路に設けられ、前記ヒータ回路を循環する水を加熱するヒータ（１５）と、
前記ヒータ回路に設けられ、前記循環する水を熱源として、前記送風機によって送風される空気を加熱する加熱用熱交換器（１３）と、
前記ヒータ回路を循環する水の温度を検出する水温検出手段（３０，３１）と、
車室内の空調要求に応じて、前記ヒータの出力を制御する制御手段（２５）と、を含み、
前記制御手段は、前記空調要求を満足するための目標水温よりも前記水温検出手段によって検出された実水温が小さい場合であって、前記目標水温と前記実水温との水温差が予め定める設定値よりも小さいとき、前記ヒータの出力を最大値よりも小さく一定の値である制限値に制御することを特徴とする車両用空調装置である。
【０００７】
請求項１に記載の発明に従えば、水温差が設定値よりも小さい場合は、最大値よりも小さい一定の値の制限値となるように、制御手段によってヒータの出力を制御する。水温差が設定値以上の場合、ヒータの出力が最大値であっても、短時間で実水温が上昇して目標水温よりも大きくなる可能性が小さい。水温差が設定値よりも小さい場合には、ヒータの出力が最大値であると実水温が短時間で上昇して目標水温よりも大幅に大きくなる可能性がある。本発明では、水温差が設定値よりも小さい場合、制限値に制御されるので実水温の上昇速度を小さくすることができる。実水温の上昇速度が小さいので、実水温を目標水温にゆっくりと到達させることができ、実水温を目標水温で安定させることができる。また水温差が設定値になるまでは従来と同様の制御をすることによって、実水温を短時間で上昇させることができるので、短時間で目標水温に近づけることができる。このように本発明では、水温の早期上昇と水温の安定性を両立させることができる車両用空調装置を実現することができる。
【０００８】
また請求項２に記載の発明では、制御手段は、前記目標水温よりも前記実水温が小さい場合であって、前記水温差が前記設定値以上のとき、前記ヒータの出力が最大となるように制御することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明に従えば、水温差が設定値以上の場合、ヒータの出力が最大となるように制御手段によって制御される。水温差が設定値以上の場合は、前述したように、水温差が大きいので、ヒータの出力が最大値であっても、短時間で実水温が上昇して目標水温よりも大きくなる可能性が小さい。このような場合に、ヒータの出力を最大にすることによって、実水温を目標水温にさらに短時間で近づけることができる。またその後、水温差が設定値未満になると、前述のようにヒータの出力が制限値に制御されるので、短期間で、かつ安定した状態で目標水温に近づくけることができる。
【００１０】
さらに請求項３に記載の発明では、制御手段は、前記空調要求を満足するために必要な熱量を演算し、前記演算した熱量が得られるように前記制限値を設定することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明に従えば、水温差が設定値よりも小さい場合、制御手段によって空調要求を満足するために必要な熱量が演算される。これによって必要な熱量を用いて循環する水を加熱することができるので、実水温が目標水温をおおきく上回ることなく、目標水温に近づけることができる。
【００１２】
さらに請求項４に記載の発明では、制御手段は、前記演算された熱量に、予め定める余裕量を加えた熱量が得られるように、前記制限値を設定することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明に従えば、演算された熱量に余裕量を加えた熱量が得られるように、ヒータの出力が制御される。したがって実水温が目標水温をやや上回らせるヒータ出力となるので、短時間で目標水温に近づけることができる。
【００１４】
さらに請求項５に記載の発明では、空調ケース内に設けられ、前記送風機によって送風される空気を冷却する冷却用熱交換器（１２）と、
前記冷却用熱交換器を通過した空気の温度を検出する温度検出手段（３２）と、をさらに含み、
前記制御手段は、前記空調要求を満足するために必要な熱量を、目標吹出温度と前記温度検出手段によって検出された空気温度とを用いて演算することを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明に従えば、必要な熱量を、目標吹出温度と空気温度とを用いて演算するので、高精度に必要な熱量を演算することができる。
【００１６】
さらに請求項６に記載の発明では、水温検出手段は、前記加熱用熱交換器の出口における水温を検出し、
前記制御手段は、前記空調要求を満足するために必要な熱量を、前記目標水温と前記水温検出手段によって検出された実水温とを用いて演算することを特徴とする。
【００１７】
請求項６に記載の発明に従えば、必要な熱量を、目標水温と実水温とを用いて演算するので、高精度に必要な熱量を演算することができる。
【００１８】
なお、前述の各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を、複数の形態について説明する。各形態で先行する形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付し、重複する説明を略する場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。
【００２０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に関して、図１〜図４を用いて説明する。図１は、第１実施形態の車両用空調装置１の全体構成を示す模式図である。車両用空調装置１は、走行用電動モータ（図示せず）を走行用の駆動源とする車両に搭載される。車両用空調装置１は、冷凍サイクル２、ヒータ回路３、室内ユニット４および制御装置５を含む。車両用空調装置１は、たとえば車両の車室内前部の計器盤下部に設置される。
【００２１】
室内ユニット４を構成する空調ケース６は、一端側に空気の吸入口７，８を有し、他端側に車室内への吹出口（図示せず）を有し、吸入口７，８から吹出口へ空調空気を導く空調空気通路９を構成している。空調ケース６の一端側には内気を吸入する内気吸入口７、および外気を吸入する外気吸入口８が設けられている。内気吸入口７と外気吸入口８は内外気切替ドア１０により切替および開閉される。吸入口７，８に隣接して、空調ケース６内に空気を送風する送風機１１が設置される。空調ケース６の他端側には車室内へ通ずる複数の吹出口（図示せず）が形成されている。これらの吹出口は吹出モード切替ドア（図示せず）によりそれぞれ切替および開閉され、たとえばフェイス、バイレベル、フット、およびデフロスタ等の吹出モードが設定される。
【００２２】
送風機１１より空気下流側における空調ケース６内には冷凍サイクル２の室内器１２が設けられている。室内器１２は、冷凍サイクル２の低圧冷媒が空気から吸熱して、空気を冷却するものである。室内器１２より空気下流側にはヒータ回路３のヒータコア１３が設けられている。ヒータコア１３は、温水を加熱源として自身を流通する空調空気を加熱する熱交換器である。室内器１２およびヒータコア１３によって温度調節された空調空気は、選択された吹出口から車室内に吹出される。
【００２３】
ヒータ回路３は、温水（水）が循環する循環流路を構成する。ヒータ回路３には、温水を循環させる電動式のウォーターポンプ１４、温水を加熱する電気ヒータ１５、循環する温水の温度を検出する水温センサ３０，３１、およびヒータコア１３が設けられる。したがって電気ヒータ１５は、車室内に送風される空気を加熱して空調風を提供するときに、熱源として用いられる。ヒータコア１３は、電気ヒータ１５によって加熱された温水が、内部に流通するように構成される。
【００２４】
水温センサ３０，３１は、ヒータ回路３を循環する水の温度を検出する水温検出手段である。水温センサ３０，３１は、電気ヒータ１５を通過後、ヒータコア１３に流入前の温水の温度を検出する入口水温センサ３１と、ヒータコア１３を通過後、電気ヒータ１５を通過する前の温水の温度を検出する出口水温センサ３０とが設けられる。水温センサ３０，３１は、検出した温度情報を、制御装置５を構成するエアコンＥＣＵ２５に与える。
【００２５】
電気ヒータ１５には、車載のバッテリ１７から得た直流電力が、制御装置５を構成するインバータ部１８によって個別にデューティ制御されて供給される。電気ヒータ１５は、電力が供給されている状態での消費電力は一定であり、たとえばニクロム線を利用したシーズヒータである。
【００２６】
冷凍サイクル２は、電動圧縮機１９、膨張弁２０、室外器２１および室内器１２が環状のサイクル流路２２に順次接続される。冷凍サイクル２内を循環する冷媒としては、二酸化炭素（ＣＯ２）を用いており、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力よりも高い状態で使用される場合を有している。
【００２７】
電動圧縮機１９は、交流モータ（図示せず）によって駆動されて、空気を冷却して空調風を提供するときに用いられる冷媒を高温高圧に圧縮して室外器２１へ吐出する流体機械である。電動圧縮機１９は、作動回転数によって冷媒の吐出量を可変可能としている。電動圧縮機１９は、制御装置５によってその作動および冷媒吐出量が制御される。電動圧縮機１９の交流モータには、車載のバッテリ１７（本実施形態では定格電圧３００Ｖの直流電源）から得た直流電力がインバータ部１８によって交流電力に変換されて供給される。電動圧縮機１９の吐出側であって、たとえば電動圧縮機１９と室外器２１との間には、冷媒の状態量を検出する冷媒状態検出手段（図示せず）が設けられる。冷媒状態検出手段は、吐出された冷媒の温度を検出する温度センサおよび冷媒の圧力を検出する圧力センサによって実現される。各センサは、検出した温度情報および圧力情報を制御装置５に与える。
【００２８】
室外器２１は、凝縮器であって、電動圧縮機１９から吐出された冷媒とエンジンルーム内に流入する外気との間で熱交換する熱交換器である。室外器２１は、車両のエンジンルームの前方、たとえばグリルの後方に配置される。室外器２１の冷媒流出側であって、たとえば室外器２１と膨張弁２０との間には室外器２１から流出される冷媒の温度を検出する温度センサ（図示せず）が設けられる。温度センサは、検出した温度情報を制御装置５に与える。
【００２９】
膨張弁２０は、室外器２１から流出される冷媒を減圧する（低温低圧にする）減圧手段である。膨張弁２０には感温部（図示せず）およびキャピラリ（図示せず）が接続されており、室外器２１から流出される冷媒の温度に応じて膨張弁２０の弁開度が調節される機械式膨張弁としている。具体的には、感温部での冷媒温度が高いと弁開度が小さい側に可変されて室外器２１における冷媒圧力が高い側に維持され、逆に感温部での冷媒温度が低くなると弁開度が大きい側に可変されて室外器２１における冷媒圧力が低い側に維持される。
【００３０】
室内器１２は、室内ユニット４の空調ケース６内で空調空気通路９全体を横断するように配設される。室内器１２は、蒸発器であって、膨張弁２０で減圧された冷媒と空調ケース６内を流通する空調空気との間で熱交換して、空調空気を冷却する熱交換器である。室内器１２から流出された冷媒は、電動圧縮機１９に与えられる。室内器１２の空調空気流れの下流側には、冷却された空気温度（エバ後空気温度）を検出する室内器温度センサ３２が設けられる。室内器温度センサ３２は、検出した温度情報をエアコンＥＣＵ２５に与える。
【００３１】
空調ケース６内には、室内器１２に加えて、暖房器としてのヒータコア１３が配設されている。ヒータコア１３は、室内器１２に対して空調空気流れ下流側に配置されている。ヒータコア１３と空調ケース６との間にはヒータコア１３をバイパスして空調空気が流通するバイパス流路２３が形成されている。
【００３２】
ヒータコア１３の近傍には通過する空調空気量を調節するエアミックスドア２４が設けられている。エアミックスドア２４は、ヒータコア１３の空調空気流通部を開閉する回動式のドアである。エアミックスドア２４の開度に応じて、ヒータコア１３を流通する加熱空気とバイパス流路２３を流通する冷却空気との流量割合が調節されて、ヒータコア１３の下流側の空調空気温度が調節される。エアミックスドア２４の開度は、制御装置５によって制御される。
【００３３】
制御装置５は、エアコン電子制御装置（Electronic Control Unit：略称ＥＣＵ）２５とインバータ部１８を含む。エアコンＥＣＵ２５は、マイクロコンピュータとその周辺回路から構成される。エアコンＥＣＵ２５には、前述したセンサの他に、外気温を検出する外気温度センサ３３、内気温度を検出する内気温度センサ３４および日射量を検出する日射センサ３５からの情報が与えられる。エアコンＥＣＵ２５は、予め設定されたプログラムに従って各種センサから与えられる情報および操作パネル（図示せず）で乗員が設定する設定情報に対する演算処理を行う。エアコンＥＣＵ２５は、空調要求および空調負荷に基づいて、たとえばエアミックスドア２４、電動圧縮機１９、および電気ヒータ１５などを制御する。
【００３４】
インバータ部１８は、エアコンＥＣＵ２５からの指令によって電動圧縮機１９および電気ヒータ１５の作動を制御する。したがってインバータ部１８とエアコンＥＣＵ２５は、電気負荷である電動圧縮機１９および電気ヒータ１５への電力の供給を制御する制御手段を構成する。インバータ部１８には、バッテリ１７の直流電力がヒューズ２９を介して供給されている。バッテリ１７は、電源であって、たとえば水素と酸素との化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（図示せず）にて充電される蓄電手段である。インバータ部１８は、電気ヒータ用インバータ２６および電動圧縮機用インバータ２８を含む。各インバータ２６，２８は、バッテリ１７およびヒューズ２９に対して並列に接続される。
【００３５】
ヒューズ２９は、ヒューズ許容電流が予め設定され、ヒューズ許容電流以上となるとヒューズ２９が断線し、過電流がバッテリ１７から電気負荷に流れないように動作する。ヒューズ２９の許容電流は、負荷の起動電流と定格電流とに基づいて設定され、負荷の定格電流がヒューズ２９の許容電流以上になるとヒューズ２９が断線する。
【００３６】
電動圧縮機用インバータ２８は、直流電力をスイッチングして可変周波数の交流出力（交流電力）を作りだし、その交流出力によって電動圧縮機１９の回転数を可変制御する。電気ヒータ用インバータ２６は、直流電力をスイッチングして、電気ヒータ１５に供給される電力をデューティ制御する。デューティ制御は、電気ヒータなどの負荷への通電を短い周期で繰り返しオン／オフさせ、１周期当たりのオン時間（通電パルスの幅）の比率（デューティ比）を制御することで、負荷電流や負荷電圧を制御することである。このデューティ制御によって、電気ヒータ１５にはバッテリ１７の電圧と等しい電圧が電気ヒータ用インバータ２６を介して印加される。各インバータ２６，２８のスイッチング素子としては、たとえば絶縁ゲートバイポーラトランジスタが用いられる。
【００３７】
次に、エアコンＥＣＵ２５の電気ヒータ用インバータ２６の制御処理に関して説明する。図２は、エアコンＥＣＵ２５における電気ヒータ用インバータ２６のデューティ比の決定手順を示すフローチャートである。エアコンＥＣＵ２５は、図２の制御処理が実行される以前に電動圧縮機１９の動作状態、たとえば運転および停止を決定している。またエアコンＥＣＵ２５は、図２に示す処理を短時間に繰返す。
【００３８】
ステップａ１では、ヒータ回路を循環する温水の目標水温を決定し、ステップａ２に移る。目標水温は、たとえば次式（１）によって演算される。
【００３９】
ＴＷＯ（ｎ）＝｛ＴＡＯ（ｎ）−ＴＥ（ｎ）｝／φ＋ＴＥ（ｎ） …（１）
ここで、ｎは本フローの処理回数を示し、ＴＷＯ（ｎ）は目標水温を示し、ＴＥ（ｎ）は室内器１２を通過した空気の温度を示し、ＴＡＯ（ｎ）は目標吹出温度を示し、φはヒータコア１３の温度効率を示す。このように式（１）では、目標吹出温度ＴＷＯ（ｎ）とエバ後温度ＴＥ（ｎ）との温度差からヒータコア１３にて必要な熱量を演算して、目標水温ＴＷＯ（ｎ）を求めている。
【００４０】
ステップａ２では、電気ヒータ１５の出力を決定し、ステップａ３に移る。電気ヒータ１５の出力は、たとえば次式（２）および式（３）によって演算される。
【００４１】
Ｅ（ｎ）＝ＴＷ（ｎ）−ＴＷＯ（ｎ） …（２）
Ｗ（ｎ）＝Ｗ（ｎ−１）＋Ｋｐ｛Ｅ（ｎ）−Ｅ（ｎ−１）｝＋（θ／Ｔｉ）×Ｅ（ｎ）
…（３）
ここで、Ｗ（ｎ）は電気ヒータ１５の出力を示し、ＴＷは現在の水温（実水温）を示し、
Ｗ（ｎ−１）が電気ヒータ１５の出力の前回値を示し、Ｋｐは比例定数を示し、θはサンプリング周期を示し、Ｔｉは積分定数を示す。式（３）に示すように、電気ヒータ１５の出力がＰＩ制御によって決定される。
【００４２】
ステップａ３では、ヒータ出力の決定処理を実行し、ステップａ４に移る。ヒータ出力の決定処理は、目標水温と実水温との差が小さい場合に、電気ヒータ１５の出力を最大値（最大能力値）よりも小さく、一定の値の制限値に決定し、小さくない場合には、前述のステップａ２で演算したヒータ出力に決定する処理である。
【００４３】
ステップａ４では、ステップａ２およびステップａ３で決定されたヒータ出力と電気ヒータ最大出力（Ｗｍａｘ）から、電気ヒータ１５のデューティ比（Ｄｕｔｙ）は、次式（４）によって演算される。
【００４４】
Ｄｕｔｙ＝Ｗ（ｎ）／Ｗｍａｘ …（４）
ステップａ５では、ステップａ４にて算出されたデューティ比（Ｄｕｔｙ）を電気ヒータ用インバータ２６へ出力し、本フローを終了する。これによってデューティ比が与えられた電気ヒータ用インバータ２６は、電気ヒータ１５を与えられたデューティ比でデューティ制御する。
【００４５】
このようにエアコンＥＣＵ２５は、ステップａ２にて目標水温に基づいて電気ヒータ１５の出力を仮決定する。エアコンＥＣＵ２５は、ステップａ２にて仮決定した電気ヒータ１５の出力が大きすぎて目標水温を上回るような場合は、ステップａ３にて出力を小さくするように制御し、最終的なヒータ出力を決定する。
【００４６】
次に、ステップａ３のヒータ出力の決定処理に関してさらに説明する。図３は、エアコンＥＣＵ２５におけるヒータ出力の決定処理を示すフローチャートである。エアコンＥＣＵ２５は、図２のステップａ２の処理がなされると、本フローを開始する。
【００４７】
ステップｂ１では、目標水温ＴＷＯと実水温ＴＷとの水温差が、予め定める設定値（たとえば５度）よりも小さいか否かを判断し、小さい場合、ステップｂ２に移り、大きい場合、本フローを終了する。
【００４８】
ステップｂ２では、水温差が設定値よりも小さいので、電気ヒータ１５の出力の制限値である必要能力上限値（Ｗｕｐｐｅｒ）を演算し、ステップｂ３に移る。必要能力上限値は、たとえば次式（５）によって演算される。
【００４９】
Ｗｕｐｐｅｒ＝｛ＴＡＯ（ｎ）−ＴＥ（ｎ）｝×Ｃ×ρ×Ｖａ＋α …（５）
ここでＣは空気比熱を示し、ρは空気密度を示し、Ｖａは風量を示し、αは余裕量を示す。このように式（５）では、目標吹出温度ＴＡＯとエバ後空気温度ＴＥとの差に、単位時間当たりの空気通過量を乗算して目標吹出温度ＴＡＯに必要な熱量を演算し、この必要な熱量に余裕量αを加算した値が必要能力上限値Ｗｕｐｐｅｒとして演算される。したがって必要能力上限値は、空調要求（目標吹出温度）を満足するために必要な熱量である。また必要能力上限値は、式（５）に示すように、実水温に依存しないので、目標水温ＴＡＯ（ｎ）が変化しない限り、一定の値となる。
【００５０】
ステップｂ３では、ステップａ２にて演算した出力Ｗ（ｎ）と、ステップｂ２にて演算した必要能力上限値Ｗｕｐｐｅｒとを比較し、出力Ｗ（ｎ）が大きい場合、ステップｂ４に移り、大きくない場合、本フローを終了する。ステップｂ４では、出力Ｗ（ｎ）が必要能力上限値Ｗｕｐｐｅｒよりも大きいので、出力Ｗ（ｎ）を必要能力上限値Ｗｕｐｐｅｒに値を書き換え、本フローを終了する。
【００５１】
このようにエアコンＥＣＵ２５は、ステップｂ２にて必要能力上限値を演算する。必要能力上限値は、前述したように目標吹出温度を達成するためにヒータ回路３によって確保すべき熱量に、余裕量を加算したものである。余裕量によって、実水温が目標水温に無限に近づくことを防止することができる。
【００５２】
次に、図３に示す決定処理を実行することによる効果に関して説明する。図４は、ヒータ回路３を循環する水の水温の変化を示すグラフである。図５は、電気ヒータ１５の出力の変化を示すグラフである。図４の縦軸は水温を示し、横軸は時間を示す。また図５の縦軸は電気ヒータ１５の出力を示し、横軸は時間を示す。また図４および図５では、エアコンＥＣＵ２５の処理の波形を実線で示し、従来技術の制御部の処理（以下、単に「従来制御」ということがある）の波形を破線で示す。従来制御は、図２のステップａ３を除いた、ステップａ１、ステップａ２、ステップａ４、およびステップａ５を順次実行する処理である。
【００５３】
図４に示すように、時刻ｔ０から時刻ｔ１までは、実水温と目標水温との水温差は設定値ΔＴ（たとえば５度）よりも大きいので、エアコンＥＣＵ２５のステップｂ１の判断処理にてステップａ４に移る。したがってエアコンＥＣＵ２５の処理と従来制御とは、同様の処理となる。これによって時刻ｔ０から水温差が設定値ΔＴよりも小さくなる時刻ｔ１までの波形は、互いに等しい。
【００５４】
時刻ｔ１では、水温差がΔＴよりも小さくなるので、エアコンＥＣＵ２５のステップｂ１の判断処理にてステップｂ２に移り、実水温が目標水温よりも小さいのでステップｂ３からステップｂ４に移り、ステップｂ４にて、ヒータ出力が必要能力上限値に決定される。したがって図５に示すように、時刻ｔ１にてヒータ出力が最大値から必要能力上限値まで下げられる。これに対して従来制御では、前述の式（３）に基づくＰＩ制御によってヒータ出力は最大値から多少は小さくなるが、図４に示すように、時刻ｔ２にて目標水温を達し、その後、ヒータ出力を低下するが、水温の上昇がすぐに止まらないので、目標水温を大きく上回る。
【００５５】
これに対してエアコンＥＣＵ２５は、ヒータ出力を早めの段階（時刻ｔ１）で必要能力上限値まで低下させているので、ゆるやかに水温が上昇し、時刻ｔ３にて目標水温に達する。実水温が目標水温に達した時刻ｔ３以降は、ステップｂ３における判断で、ステップａ４に移るので、前述の式（３）に基づくＰＩ制御に再び戻り、目標水温が維持される。したがって図４に示すように、従来制御では温度変化の波形が大きく波打っているが、エアコンＥＣＵ２５による処理では、ゆるやかな曲線で目標水温に達して、維持される。また目標水温に達するまでの時間は、従来制御と大きくかわらないので、ヒータ出力が最大値の従来制御と同様に、短時間で目標水温にすることができる。
【００５６】
以上説明したように本実施の形態のエアコンＥＣＵ２５は、水温差が設定値ΔＴよりも小さい場合は、電気ヒータ１５の出力を最大値よりも小さく一定の値である必要能力上限値となるように制御する（図５参照）。これによって水温差が設定値ΔＴよりも小さい場合、実水温の上昇速度を小さくすることができる。実水温の上昇速度が小さいので、実水温を目標水温にゆっくりと到達させることができ、実水温を目標水温で安定させることができる。また設定値ΔＴまではＰＩ制御をすることによって、実水温を短時間で上昇させることができるので、短時間で目標水温に近づけることができる。このように本実施形態では、水温の早期上昇と水温の安定性を両立させることができる。したがって乗員のフィーリングが悪化することなく、快適な空調空間を提供することができる。
【００５７】
また本実施の形態では、水温差が設定値ΔＴ以上（時刻ｔ１まで）の場合、電気ヒータ１５の出力が最大となるようにエアコンＥＣＵ２５によって制御される（図５参照）。水温差が設定値ΔＴ以上の場合は、前述したように、水温差が大きいので、電気ヒータ１５の出力が最大値であっても、短時間で実水温が上昇して目標水温よりも大きくなる可能性が小さい。このような場合に、電気ヒータ１５の出力を最大にすることによって、実水温を目標水温に短時間で近づけることができる。したがって実水温をさらに短時間で上昇させることができる。
【００５８】
また本実施の形態では、水温差が設定値ΔＴよりも小さい場合、エアコンＥＣＵ２５によって空調要求を満足するために必要な熱量が式（５）によって演算される。これによって必要な熱量を用いて循環する水を加熱することができる。
【００５９】
さらに本実施の形態では、式（５）では余裕量αが加算されているので、実水温が目標水温をやや上回るので、短時間で目標水温に近づけることができる。また余裕量αが小さすぎると、実水温が無限に目標水温に近づくような制御となるので、余裕量αは確実に目標水温に達することができる値に設定される。このように余裕量αは、必要な熱量を補正する補正量としての効果も有する。
【００６０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に関して説明する。前述の第１実施形態では熱量の演算は式（５）を用いていたが、本実施の形態では、次式（６）によって演算される点に特徴を有する。
【００６１】
Ｗｕｐｐｅｒ＝｛ＴＡＯ（ｎ）−ＴＷｏｕｔ（ｎ）｝×Ｃｗ×ρｗ×Ｇｗ＋α …（６）
ここでＴＷｏｕｔ（ｎ）は出口水温センサ３０によって検出される出口水温を示し、Ｃｗはヒータ回路３を循環する温水の比熱を示し、ρｗは温水の密度を示し、Ｇｗは温水の流量を示し、αは余裕量を示す。このように式（６）では、目標吹出温度ＴＡＯと出口水温ＴＷｏｕｔとの差に、単位時間当たりの流量を乗算して目標吹出温度に必要な熱量を演算し、この必要な熱量に余裕量αを加算した値が必要能力上限値として演算している。したがって必要能力上限値は、空調要求（目標吹出温度）を満足するために必要な熱量となる。このように前述の式（５）に換えて式（６）を用いても、前述の第１実施形態と同様の作用および効果を達成することができる。
【００６２】
（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
【００６３】
前述の第１実施形態では、電気ヒータ１５はヒータ回路３に１つだけ設けられていたが、１つに限ることはなく、２つ以上であってもよい。
【００６４】
また空調要求を満足するために必要な熱量は、前述の第１実施形態では式（５）を用いて演算し、前述の第２実施形態では式（６）を用いて演算しているが、この２つの式に限ることはなく、他のパラメータから必要な熱量を演算してもよく、また予め設定される制御マップなどから熱量を決定してもよい。
【００６５】
また前述の第１実施形態では、電気ヒータ１５をデューティ制御しているが、デューティ制御に限ることはなく、デューティ比に依存することなく通電状態と非通電状態を単に切り替えるように制御してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】第１実施形態の車両用空調装置１の全体構成を示す模式図である。図である。
【図２】エアコンＥＣＵ２５における電気ヒータ用インバータ２６のデューティ比の決定手順を示すフローチャートである。
【図３】エアコンＥＣＵ２５におけるヒータ出力の決定処理を示すフローチャートである。
【図４】ヒータ回路３を循環する水の水温の変化を示すグラフである。
【図５】電気ヒータ１５の出力の変化を示すグラフである。
【図６】従来技術におけるヒータ回路の水温の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６７】
１…車両用空調装置
３…ヒータ回路
５…制御装置（制御手段）
９…空調空気通路（空気通路）
１１…送風機
１２…室内器（冷却用熱交換器）
１３…ヒータコア（加熱用熱交換器）
１５…電気ヒータ（ヒータ）
１７…バッテリ
１８…インバータ部
１９…電動圧縮機
２５…エアコンＥＣＵ（制御手段）
２６…電気ヒータ用インバータ
２８…電動圧縮機用インバータ
２９…ヒューズ
３０…出口水温センサ
３１…入口水温センサ
３２…室内器温度センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を送風する送風機（１１）と、
前記送風機によって送風される空気が流れる空気通路（９）を形成する空調ケース（６）と、
水が循環する循環流路を構成するヒータ回路（３）と、
前記ヒータ回路に設けられ、前記ヒータ回路を循環する水を加熱するヒータ（１５）と、
前記ヒータ回路に設けられ、前記循環する水を熱源として、前記送風機によって送風される空気を加熱する加熱用熱交換器（１３）と、
前記ヒータ回路を循環する水の温度を検出する水温検出手段（３０，３１）と、
車室内の空調要求に応じて、前記ヒータの出力を制御する制御手段（２５）と、を含み、
前記制御手段は、前記空調要求を満足するための目標水温よりも前記水温検出手段によって検出された実水温が小さい場合であって、前記目標水温と前記実水温との水温差が予め定める設定値よりも小さいとき、前記ヒータの出力を最大値よりも小さく一定の値である制限値に制御することを特徴とする車両用空調装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記目標水温よりも前記実水温が小さい場合であって、前記水温差が前記設定値以上のとき、前記ヒータの出力が最大となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記空調要求を満足するために必要な熱量を演算し、前記演算した熱量が得られるように前記制限値を設定することを特徴とする請求項１または２に記載の車両用空調装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記演算された熱量に、予め定める余裕量を加えた熱量が得られるように、前記制限値を設定することを特徴とする請求項３に記載の車両用空調装置。
【請求項５】
前記空調ケース内に設けられ、前記送風機によって送風される空気を冷却する冷却用熱交換器（１２）と、
前記冷却用熱交換器を通過した空気の温度を検出する温度検出手段（３２）と、をさらに含み、
前記制御手段は、前記空調要求を満足するために必要な熱量を、目標吹出温度と前記温度検出手段によって検出された空気温度とを用いて演算することを特徴とする請求項３または４に記載の車両用空調装置。
【請求項６】
前記水温検出手段は、前記加熱用熱交換器の出口における水温を検出し、
前記制御手段は、前記空調要求を満足するために必要な熱量を、前記目標水温と前記水温検出手段によって検出された実水温とを用いて演算することを特徴とする請求項３または４に記載の車両用空調装置。
【請求項１】
空気を送風する送風機（１１）と、
前記送風機によって送風される空気が流れる空気通路（９）を形成する空調ケース（６）と、
水が循環する循環流路を構成するヒータ回路（３）と、
前記ヒータ回路に設けられ、前記ヒータ回路を循環する水を加熱するヒータ（１５）と、
前記ヒータ回路に設けられ、前記循環する水を熱源として、前記送風機によって送風される空気を加熱する加熱用熱交換器（１３）と、
前記ヒータ回路を循環する水の温度を検出する水温検出手段（３０，３１）と、
車室内の空調要求に応じて、前記ヒータの出力を制御する制御手段（２５）と、を含み、
前記制御手段は、前記空調要求を満足するための目標水温よりも前記水温検出手段によって検出された実水温が小さい場合であって、前記目標水温と前記実水温との水温差が予め定める設定値よりも小さいとき、前記ヒータの出力を最大値よりも小さく一定の値である制限値に制御することを特徴とする車両用空調装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記目標水温よりも前記実水温が小さい場合であって、前記水温差が前記設定値以上のとき、前記ヒータの出力が最大となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記空調要求を満足するために必要な熱量を演算し、前記演算した熱量が得られるように前記制限値を設定することを特徴とする請求項１または２に記載の車両用空調装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記演算された熱量に、予め定める余裕量を加えた熱量が得られるように、前記制限値を設定することを特徴とする請求項３に記載の車両用空調装置。
【請求項５】
前記空調ケース内に設けられ、前記送風機によって送風される空気を冷却する冷却用熱交換器（１２）と、
前記冷却用熱交換器を通過した空気の温度を検出する温度検出手段（３２）と、をさらに含み、
前記制御手段は、前記空調要求を満足するために必要な熱量を、目標吹出温度と前記温度検出手段によって検出された空気温度とを用いて演算することを特徴とする請求項３または４に記載の車両用空調装置。
【請求項６】
前記水温検出手段は、前記加熱用熱交換器の出口における水温を検出し、
前記制御手段は、前記空調要求を満足するために必要な熱量を、前記目標水温と前記水温検出手段によって検出された実水温とを用いて演算することを特徴とする請求項３または４に記載の車両用空調装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−９５２２９（Ｐ２０１０−９５２２９Ａ）
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７０２０９（Ｐ２００８−２７０２０９）
【出願日】平成２０年１０月２０日（２００８．１０．２０）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２０日（２００８．１０．２０）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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