JP2006010136A - 超臨界式ヒートポンプサイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷媒放熱器を暖房に用いるときにおいて、冷媒放熱器から吹き出される吹出空気を所望する吹出空気温度となるように減圧手段を制御することで、快適な吹出空気温度を得るとともに、吹出空気温度の変動および冷凍サイクルの不安定を防止することが可能な超臨界式ヒートポンプサイクル装置を実現する。
【解決手段】 電気式膨張弁１３は、暖房運転の空調制御を行なうときに、その運転時における室内ガスクーラ１２で熱交換された吹出空気の吹出温度が予め設定した目標吹出温度ＴＡＯとなる高圧圧力を目標制御高圧として求めて、室内ガスクーラ１２内の冷媒の圧力が目標制御高圧となるように開度を制御する。これにより、快適な吹出空気温度が得られる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内部の圧力が冷媒の臨界圧力を超える冷媒放熱器を用いて、その冷媒放熱器内の冷媒と流体とを熱交換させて暖房能力を出力する超臨界式ヒートポンプサイクル装置に関するものであり、特に、暖房運転における減圧手段の制御に関する。

従来、この種の超臨界式ヒートポンプサイクル装置として、例えば、特許文献１に示すように、冷媒放熱器で熱交換された冷媒の出口側冷媒温度を検出し、その出口側冷媒温度に基づいて、冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）が最大となる予め設定された高圧圧力となるように減圧手段の開度を制御することが知られている（例えば、特許文献１参照。）
特許第２９３１６６８号公報

しかしながら、上記特許文献１によれば、冷媒蒸発器を室内に設置して室内の空気を冷却する冷房運転のときには、上述した冷媒放熱器が冷媒蒸発器で吸熱した熱、および圧縮機で発熱した熱を大気に放熱する機能を有しているため冷媒放熱器で熱交換される空気の加熱後の吹出空気温度およびその吹出空気温度に変動が生じても問題がない。

これに対して、冷媒放熱器を室内に設置して室内の空気を加熱する暖房運転のときには、冷媒放熱器から吹き出される吹出空気の吹出空気温度、その吹出空気温度の変動、およびその温度分布が暖房の快適性に大きく影響される。例えば、人間が暖房感の得られる吹出空気温度は体温以上の４０℃以上が望ましい。

これは、冷房の時は吸い込み空気温度が４０℃でも吹出空気温度が２０℃あれば冷房感を満足することができるが、暖房の時の吸い込み空気温度が、−２０℃〜０℃と低いときに、上記特許文献１のような制御を行なうと、外気温度に応じて冷媒放熱器出口側の冷媒温度が低下するためＣＯＰが最大となる高圧圧力も低下し、高圧圧力が低い圧力で制御されるため高い吹出空気温度を得ることができない。

また、暖房運転のときに、吹出空気温度の変動が大きいと快適性を損なうため、短時間に吹出空気温度が変動することを回避しなければならない。ところが、上記特許文献１のような制御をした場合には、冷媒放熱器の出口側冷媒温度は、冷媒放熱器を流通する送風量、吸い込み空気温度、および圧縮機の回転数（冷媒循環量）などにより変化するため吹出空気温度の変動が大きくなってしまう。

さらに、暖房運転における冷媒放熱器内の冷媒は、超臨界状態となり凝縮されることがないため、冷媒放熱器に流入された冷媒は室内空気との熱交換で徐々に冷媒温度が低下して出口に至る。これにより、冷媒放熱器の冷媒入口側と冷媒出口側とで温度分布が生ずる問題もある。

しかも、ヒートポンプサイクルで暖房をしたときに、暖房の時の吸い込み空気温度が０℃以下であると、室外に設置される冷媒蒸発器での蒸発圧力が低下することで、圧縮機の吸い込み圧力が低くなり、冷房時に比較して冷媒循環量が低下する。そこで、高い吹出空気温度を得るために、高圧圧力を高めると圧縮機の圧縮比が冷房時よりも大きくなる。

このような条件のときに、例えば、可変容量式の圧縮機を用いて、冷媒吐出容量を小さくして冷媒循環量を低下させると高圧圧力が低下する。これを防止するために、減圧手段で高圧圧力を保持しようと開度を小さくするように制御する。これにより、冷媒循環量がさらに低下して冷媒吐出容量を変化させるため、高圧圧力や冷媒吐出容量がいつまでも安定しないという現象が発生する。つまり、吸い込み空気温度が低いときは圧縮機の容量制御を行なうことが困難となる問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記点を鑑みたものであり、冷媒放熱器を暖房に用いるときにおいて、冷媒放熱器から吹き出される吹出空気を所望する吹出空気温度となるように減圧手段を制御することで、快適な吹出空気温度を得るとともに、吹出空気温度の変動および冷凍サイクルの不安定を防止することが可能な超臨界式ヒートポンプサイクル装置を提供することにある。

上記、目的を達成するために、請求項１ないし請求項１５に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、圧縮機（１１）、内部の圧力が冷媒の臨界圧力を超える冷媒放熱器（１２）、減圧手段（１３）、冷媒蒸発器（１４）およびアキュームレータ（１５）を順に環状に冷媒回路で接続し、前記冷媒放熱器（１２）内の冷媒と流体とを熱交換させて暖房能力を出力する超臨界式ヒートポンプサイクル装置において、
減圧手段（１３）は、暖房運転の空調制御を行なうときに、その運転時における冷媒放熱器（１２）で熱交換された流体の加熱後流体温度が予め設定した目標吹出温度（ＴＡＯ）となる高圧圧力を目標制御高圧として求めて、冷媒放熱器（１２）内の冷媒の圧力が目標制御高圧となるように開度を制御することを特徴としている。請求項１に記載の発明によれば、吹出空気温度を所望する目標吹出温度（ＴＡＯ）に近づかせることができることで吹出空気温度の高い暖房を得ることができる。

請求項２に記載の発明では、目標制御高圧は、冷媒放熱器（１２）が最大暖房能力となる高圧圧力を上限として規制することを特徴としている。請求項２に記載の発明によれば、例えば、外気温度が低いときに、冷媒放熱器（１２）が最大暖房能力の高圧となる制御が行なわれることで、高めの吹出空気温度が得られることができる。また、目標吹出温度（ＴＡＯ）に対し、ヒートポンプサイクルの暖房能力が小さい場合も過度に高圧が上昇してしまい、かえって暖房能力が低下することを防止することができる。

請求項３に記載の発明では、圧縮機（１１）、内部の圧力が冷媒の臨界圧力を超える冷媒放熱器（１２）、減圧手段（１３）、冷媒蒸発器（１４）およびアキュームレータ（１５）を順に環状に冷媒回路で接続し、冷媒放熱器（１２）内の冷媒と流体とを熱交換させて暖房能力を出力する超臨界式ヒートポンプサイクル装置において、
減圧手段（１３）は、暖房運転の空調制御を行なうときに、その運転時における冷媒回路内の少なくとも低圧圧力に応じて冷媒放熱器（１２）が最大暖房能力となる高圧圧力を目標制御高圧として求めて、冷媒放熱器（１２）内の冷媒の圧力が目標制御高圧となるように開度を制御することを特徴としている。

請求項３に記載の発明によれば、従来の制御では、外気温度に応じて冷媒放熱器（１２）の出口側冷媒温度が低下すると、高圧圧力が低下して高い吹出空気温度を得ることができない。そこで、常時冷媒放熱器（１２）の最大暖房能力における高圧圧力で制御することで吹出空気温度の高い暖房を得ることができる。

請求項４に記載の発明では、目標制御高圧は、圧縮機（１１）の許容吐出温度以下となるように上限が規制されることを特徴としている。請求項４に記載の発明によれば、圧縮機（１１）が保護される高圧であるため、異常温度上昇などの 保護制御手段によるサイクルの停止の恐れがなく暖房運転の継続が可能である。

請求項５に記載の発明では、圧縮機（１１）は、冷媒吐出容量を可変する可変容量式の圧縮機であって、圧縮機（１１）を用いるときは、冷媒吐出容量を冷媒放熱器（１２）で熱交換された流体の加熱後流体温度と冷媒放熱器（１２）で熱交換された冷媒の出口側冷媒温度との温度差が予め設定された目標温度差となるように制御することを特徴としている。請求項５に記載の発明によれば、冷媒放熱器（１２）から吹き出される吹出空気の温度分布のばらつきが縮小されることで暖房感の向上が可能となる。

請求項６に記載の発明では、圧縮機（１１）は、冷媒吐出容量を可変する可変容量式の圧縮機であって、この圧縮機（１１）を用いるときは、冷媒吐出容量を冷媒放熱器（１２）内の圧力に対して、予め設定されたヒートポンプ成績効率（ＣＯＰ）が最大となる目標出口側冷媒温度と運転中の冷媒放熱器（１２）で熱交換された冷媒の出口側冷媒温度とが一致するように制御することを特徴としている。

請求項６に記載の発明によれば、このときには、冷媒吐出容量を成績効率（ＣＯＰ）が最大となる目標出口側冷媒温度になるように冷媒吐出容量を制御することにより、暖房能力が過剰となり、圧縮機（１１）の冷媒吐出容量を可変することで暖房能力を調整するときに、高圧圧力に対して、ヒートポンプ成績効率（ＣＯＰ）を高めることができる。

請求項７に記載の発明では、圧縮機（１１）は、冷媒吐出容量を可変する可変容量式の圧縮機であって、圧縮機（１１）を用いるときは、冷媒吐出容量を冷媒放熱器（１２）内の圧力に対して、予め設定された目標出口側冷媒温度と運転中の冷媒放熱器（１２）で熱交換された冷媒の出口側冷媒温度とが一致するように制御することを特徴としている。

請求項７に記載の発明によれば、暖房負荷が高く冷媒放熱器（１２）の出口側冷媒温度が低いときは圧縮機（１１）の冷媒吐出容量が１００％となり最大暖房能力を発揮し、暖房負荷が低下し冷媒放熱器（１２）の出口側冷媒温度が上昇し目標出口冷媒温度に達すると圧縮機（１１）の冷媒吐出容量を徐々に減らすことで圧縮機（１１）の動力を低減することができる。

請求項８に記載の発明では、圧縮機（１１）は、冷媒吐出容量を可変する可変容量式の圧縮機であって、圧縮機（１１）を用いるときは、冷媒放熱器（１２）に流れる冷媒流量が所定値以下のときに、冷媒吐出容量を１００％に固定した状態で使用することを特徴としている。

請求項８に記載の発明によれば、請求項１または請求項３のように高圧を目標制御高圧となるように開度を制御させて、さらに、圧縮機（１１）の冷媒吐出容量を可変させると、減圧手段（１３）の制御によりさらに冷媒流量が小さくなり、制御する高圧が不安定となる現象が発生する。そこで、冷媒流量が所定値以下のときは冷媒吐出容量を１００％に固定した状態で使用することで制御する高圧の不安定を防止することができる。

請求項９に記載の発明では、冷媒流量は、外気温度と圧縮機（１１）の回転数とに基づいて推定値を求めることを特徴としている。請求項９に記載の発明によれば、冷媒流量は圧縮機（１１）の吸入冷媒温度と関係が有るため、外気温度で吸入冷媒温度を推定するとともに、圧縮機（１１）の作動回転数で推定値を求めることができる。

請求項１０に記載の発明では、圧縮機（１１）は、外気温度が所定温度以下のときに、冷媒吐出容量を１００％に固定した状態で使用することを特徴としている。請求項１０に記載の発明によれば、請求項１または請求項３のように高圧を目標制御高圧となるように開度を制御させるとともに、別体の検出手段に基づいて冷媒吐出容量を可変させると、外気温度が低くときに、制御する高圧が不安定となる現象が発生する。そこで、外気温度が所定温度以下のときは冷媒吐出容量を１００％に固定した状態で使用することで制御する高圧の不安定を防止することができる。

請求項１１に記載の発明では、冷媒蒸発器（１４）の入口側または出口側冷媒温度を検出する第２冷媒温度検出手段（２２）、もしくは外気温度を検出する外気温度検出手段（２１）が設けられ、外気温度は、第２冷媒温度検出手段（２２）により検出された冷媒蒸発器（１４）の冷媒温度に基づいて推定値を求めるか、または外気温度検出手段（２１）により検出された外気温度を用いるかのいずれか一方であることを特徴としている。請求項１１に記載の発明によれば、外気温度センサの代用として冷媒温度検出手段（２２）により低圧側の冷媒温度で外気温度を推定しても良い。また、外気温度検出手段（２１）を用いることで正確な外気温度を検出できる。

請求項１２に記載の発明では、低圧圧力は外気温度に基づいて推定値を求めることを特徴としている。請求項１２に記載の発明によれば、この種のヒートポンプサイクルでは、低圧圧力は外気温度に対する飽和冷媒圧力に近似しているため、外気温度に基づいて低圧圧力を推定することができる。そこで、低圧圧力を検出する第２圧力検出手段（２３）を設けなくとも、例えば、室内の暖房負荷を算出するために、既存の空調装置に設けられる外気温度センサなどの外気温度検出手段（２１）で外気温度を検出し、これに基づいて低圧圧力を推定して目標制御高圧を求めることができる。

請求項１３に記載の発明では、冷媒蒸発器（１４）の入口側または出口側冷媒温度を検出する第２冷媒温度検出手段（２２）が設けられ、外気温度は、第２冷媒温度検出手段（２２）により検出された冷媒蒸発器（１４）の冷媒温度に基づいて推定値を求めることを特徴としている。請求項１３に記載の発明によれば、外気温度センサの代用として第２冷媒温度検出手段（２２）により低圧圧力となる冷媒温度で低圧圧力を推定しても良い。これにより、低圧圧力を推定して目標制御高圧を求めることができる。

請求項１４に記載の発明では、外気温度を検出する外気温度検出手段（２１）が設けられ、外気温度は、外気温度検出手段（２１）により検出された外気温度を用いることを特徴としている。請求項１４に記載の発明によれば、上述の請求項１３では外気温度を出口側冷媒温度で推定したが外気温度検出手段（２１）を設けることで外気温度が正確に検出できる。

請求項１５に記載の発明では、冷媒回路には、低圧圧力を検出する第２圧力検出手段（２３）が設けられ、低圧圧力は、第２圧力検出手段（２３）により検出された低圧圧力を用いることを特徴としている。請求項１５に記載の発明によれば、低圧圧力を正確に検出できる。これにより、より正確な目標制御高圧を求めることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態における超臨界式ヒートポンプサイクル装置を図１ないし図５に基づいて説明する。図１は本発明を車両用空調装置に適用した超臨界式ヒートポンプサイクル装置の全体構成を示す模式図である。

本実施形態の超臨界式ヒートポンプサイクル装置は、図１に示すように、圧縮機１１、冷媒放熱器である室内ガスクーラ１２、減圧手段である電気式膨張弁１３、冷媒蒸発器である室外熱交換器１４およびアキュームレータ１５を順に環状に冷媒回路で接続している。その冷媒回路は、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）が封入された超臨界式のヒートポンプサイクルからなっている。

圧縮機１１は低温低圧の気相冷媒を吸い込んで高温高圧の超臨界状態に冷媒を圧縮する。圧縮機１１は、図示していない走行用エンジンを駆動源として、図示しないプーリー、Ｖベルトからなる動力伝達手段よりクラッチ（図示せず）を介して駆動されるようになっている。１１ａは圧縮機１１内のシリンダなどの容積を外部から制御して冷媒吐出容量を可変する容量可変機構であって、空調制御装置３０により制御されるように電気的に接続されている。

室内ガスクーラ１２は圧縮機１１で圧縮された高温高圧の冷媒を放熱する放熱器であり、送風機１２ａにより車室内の空気を吸入して、室内ガスクーラ１２を通過させることで内部を流れる冷媒と熱交換させて温風となって車室内を暖房する。なお、室内ガスクーラ１２、送風機１２ａは図示しない空調ユニット内に配設され、車両前方に搭載されたインストルメントパネル内に配設されている。また、室内ガスクーラ１２の内部の圧力は冷媒の臨界圧力を超える超臨界圧力である。

電気式膨張弁１３は室内ガスクーラ１２で冷却された冷媒を流入して減圧する圧力制御弁であり、ここでは、室内ガスクーラ１２の暖房能力が最大となる高圧から求められた目標制御高圧に基づいて室内ガスクーラ１２の内部の圧力を目標制御高圧となるように開度を制御している。そして、電気式膨張弁１３は空調制御装置３０により制御されるように電気的に接続されている。

室外熱交換器１４は電気式膨張弁１３で減圧された気液２相冷媒と室外送風機１４ａで送風される車室外空気とを熱交換させて気液２相冷媒を蒸発させる蒸発器である。アキュームレータ１５は室外熱交換器１４で蒸発された冷媒を流入して、液相冷媒と気相冷媒とに分離させる容器であり、液相冷媒と気相冷媒との比重により容器の下方に液相部、容器の上方に気相部が形成されるように構成している。そして、アキュームレータ１５で気液分離された冷媒のうち、気相部に貯められた気相冷媒が圧縮機１１に吸入される。

１６は圧縮機１１で圧縮された吐出冷媒の吐出温度を検出する吐出温度検出手段である吐出温度センサであり、圧縮機１１の吐出側の冷媒回路に設けられている。１７は室内ガスクーラ１２で熱交換された出口側冷媒温度を検出する第１冷媒温度検出手段である第１出口温度センサであり、室内ガスクーラ１２の出口側の冷媒回路に設けられている。１８は室内ガスクーラ１２内部の高圧圧力を検出する第１圧力検出手段である第１圧力センサであり、室内ガスクーラ１２の出口側の冷媒回路に設けられている。

１９は室内ガスクーラ１２で熱交換された空気側の吹出空気の吹出温度を検出する吹出空気温度検出手段である吹出温度センサであり、室内ガスクーラ１２の空気流れの下流側に設けられている。２１は車室外空気（外気）の外気温度を検出する外気温度検出手段である外気温センサであり車両前方の図示しない前面グリルの近傍に設けられている。

そして、これらの各センサ１６、１７、１８、１９、２１は、検出された温度、圧力情報が空調制御装置３０に入力するように電気的に接続されている。空調制御装置３０は、周知のように、コンピュータからなり、上記センサからの検知情報の他に、図示しない内気温度センサ、日射センサなどの他のセンサからの検知信号および図示しない操作パネルからの操作信号に基づいて、予め設定された空調制御プログラムに従って所定の演算処理を行なって、クラッチ（図示せず）、容量可変機構１１ａ、電気式膨張弁１３、および送風機１２ａ、１４ａを制御するものである。

次に、本発明の要部である内部の圧力が冷媒の臨界圧力を超える室内ガスクーラ１２を用いて車室内を暖房する暖房運転のときの空調制御について説明する。図２は空調制御装置３０に設けられた空調制御プログラムの制御処理を示すフローチャートである。図示しない暖房運転スイッチを作動させると制御処理が開始される。

まず、ステップ３１０にて、電気式膨張弁１３が所定の起動開度で開弁する。そして、クラッチ（図示せず）を作動させて圧縮機１１を駆動させ、室外送風機１４ａを作動する。このときに、タイマ（図示せず）を作動させて、電気式膨張弁１３が起動開度を保持している保持時間を測定する。

これにより、ヒートポンプサイクルが作動して室内ガスクーラ１２に高温高圧の気相冷媒が流入する。そして、ステップ３２０にて、吐出温度センサ１６で検出された吐出温度が所定温度に達したときに送風機１２ａを起動させる。そして、その送風機１２ａは検出された吐出空気温度の上昇に伴って送風量を段階的に増加する。これにより、室内ガスクーラ１２で熱交換された温風が車室内に吹き出される。

次に、ステップ３３０にて、電気式膨張弁１３の測定された保持時間が所定時間経過したか否かを判定する。なお、ここでは、電気式膨張弁１３の保持時間を所定時間としたが、これに限らず、第１圧力センサ１８で検出した高圧圧力、もしくは吐出温度センサ１６で検出した吐出温度のいずれか一方を用いても良い。

ここで、所定時間が経過すれば、ステップ３４０に移行して電気式膨張弁１３の定常時における開度の制御を行なうものである。ここでは、ヒートポンプサイクルにおける各センサ１６〜１９により、吐出温度、出口側冷媒温度、高圧圧力、吹出空気温度と、車両の暖房負荷を求めるための各センサ２１からの外気温度、内気温度、日射量、および乗員が設定する設定温度などを検出してデータとして読み込む。そして、ステップ３５０において、これらのデータにおける目標制御高圧ａ、ｂ、ｃ、ｄを算出する。

そして、ステップ３６０にて、求められた目標制御高圧ａ、ｂ、ｃ、ｄのうち、最小の目標制御高圧ａ、ｂ、ｃ、ｄを決定する。そして、ステップ３７０にて、第１圧力センサ１８で検出した高圧圧力が決定した最小の目標制御高圧となるように、電気式膨張弁１３の開度を制御する。ここで、ステップ３５０にて、算出する目標制御高圧ａ、ｂ、ｃ、ｄについて説明する。

目標制御高圧ａは、吹出温度センサ１９により検出された吹出空気温度が室内ガスクーラ１２の目標吹出温度ＴＡＯとなる高圧圧力である。この目標吹出温度ＴＡＯは、読み込まれたデータのうち、外気温度、内気温度、日射量および設定温度に基づいて算出した目標の吹出温度である。この目標制御高圧ａによれば、目標吹出温度ＴＡＯに一致する吹出温度の吹出空気が得られるので暖房の快適性が良い。

次に、目標制御高圧ｂは、室内ガスクーラ１２の暖房能力が最大となる高圧圧力である。この高圧圧力は、例えば、図３に示す特性図から求めている。図３は外気温度をパラメータとしたときの室内ガスクーラ１２の高圧圧力と暖房能力および吐出温度との関係を示す特性図である。高圧圧力、吐出温度は外気温度で決定される低圧圧力により決められるものである。

因みに、実線で示すＸは外気温度が−２０℃における吐出温度と高圧との関係を示す特性であり、実線で示すＹは外気温度が０℃における吐出温度と高圧との関係を示す特性である。また、破線で示すＸ１は外気温度が−２０℃における暖房能力と高圧との関係を示す特性であり、破線で示すＹ１は外気温度が０℃における暖房能力と高圧との関係を示す特性である。

ここで、目標制御高圧ｂは、外気温度に対して最大暖房能力になる高圧圧力である。つまり、Ｙ１において、外気温度が０℃のときに高圧圧力が１４．０ＭＰａとなり、Ｘ１において、外気温度が−２０℃のときに高圧圧力が１０ＭＰａとなる。そして、このときの高圧は、それぞれの外気温度に対して最高作動圧力範囲内での最大暖房能力であり、これを目標制御高圧ｂとする。

ところで、実線で示すＸおよびＹは、上述したように、外気温度で決定される低圧圧力により求められたものである。言い換えれば、低圧圧力を検出する圧力センサを設けていないので、この低圧圧力は、外気温度での飽和圧力であるため外気温センサ２１で検出された外気温度で低圧圧力の推定値を求めた後、高圧圧力および吐出温度を求めても良い。

次に、目標制御高圧ｃは、吐出温度が冷媒回路における許容吐出温度以下となる高圧圧力である。例えば、１２０℃を圧縮機１１の許容吐出温度と設定し、１２０℃以下の高圧圧力を言う。つまり、図中に示すＹにおいて、外気温度が０℃のときに高圧圧力が１３．６ＭＰａ、Ｘにおいて、外気温度が−２０℃のときに高圧圧力が１０．０ＭＰａが許容吐出温度以下となる高圧圧力であり、これを目標制御高圧ｃとする。そして、目標制御高圧ｄは冷媒回路における許容上限圧力を超えない高圧圧力である。

ところで、これらの目標制御高圧ａ、ｂ、ｃ、ｄは、冷媒吐出容量を可変する機構を備えた圧縮機１１を用いて暖房するときは、吐出容量の可変により目標制御高圧ａ、ｂ、ｃ、ｄが不安定となる問題がある。因みに、外気温度が、例えば０℃以下の低いときは、室外に設置される室外熱交換器１４側の蒸発圧力が低下することで、圧縮機１１の吸い込み圧力が低くなり、冷房運転時に比較して冷媒流量が低下する。そこで、高い吹出空気温度を得るために、高圧圧力を高めると圧縮機１１の圧縮比が冷房時よりも大きくなる。

このような条件のときに、例えば、可変容量式の圧縮機１１を用いて、冷媒吐出容量を小さくして冷媒流量を低下させると高圧圧力が低下する。これを防止しようとして電気式膨張弁１３で高圧圧力を保持しようと開度を小さくするように制御されると、冷媒流量がさらに低下して冷媒吐出容量を変化させるため、高圧圧力や冷媒吐出容量がいつまでも安定しないという現象が発生する。そこで、本実施形態では、冷媒循環量が少ないときおよび外気温度が低いときに、可変容量を１００％で固定させることで安定しないという現象を防止するようにしている。

具体的には、ステップ３９０およびステップ４００で、冷媒流量と外気温度を判定した後、冷媒量量が安定流量を超えたとき、外気温度が所定温度以上のときに、冷媒吐出容量を可変するようにしている。つまり、ステップ３８０にて、検出された高圧が目標制御高圧ａ、ｂ、ｃ、ｄとなるように電気式膨張弁１３の開度を制御されたときの冷媒流量の推定値を求める。

この推定値は、例えば、外気温度に基づいて低圧圧力を推定して、圧縮機１１の回転数とに基づいて推定値を求めるようにしている。そして、ステップ３９０にて、求めた冷媒流量の推定値が予め設定された安定限界流量よりも多いか否かを判定する。ここで、冷媒流量の推定値が安定限界流量よりも少ないときには、ステップ４３０にて、容量可変機構１１ａを可変させずに容量を１００％で固定するようにする。

一方、冷媒流量の推定値が安定限界流量よりも多いときには、ステップ４００にて、外気温度が所定温度以上か否かを判定する。ここで、所定温度以下であれば、ステップ４３０にて、容量可変機構１１ａを可変させずに容量を１００％で固定する。ここで、外気温度が所定温度以上であれば、ステップ４１０にて、図４に示す特性図より、決定した目標制御高圧に基づいて室内ガスクーラ１２の熱交換後の目標出口側冷媒温度を求める。

そして、ステップ４２０にて、第１出口温度センサ１７で検出された出口側冷媒温度と、ステップ４１０にて求めた目標出口側冷媒温度とが一致するように容量可変機構１１ａを制御して容量を可変する。つまり、ここで、圧縮機１１の容量を変化させたうえ、目標制御高圧となるように電気式膨張弁１３の開度が制御されることになるため冷媒流量も変化することになる。従って、本実施形態では、ステップ４１０で目標制御高圧に対する目標出口側冷媒温度の求める方法について図４に基づいて説明する。

図４は目標制御高圧と目標出口側冷媒温度との関係を示す特性図である。本実施形態では、この目標出口側冷媒温度を２種類の制御ラインＢ、Ｃのいずれか一方を選択するようにしている。つまり、一点鎖線で示す制御ラインＣは、容量制御した後に、開度の制御により冷媒流量を多く変動するように設定し、破線で示す制御ラインＢは、容量制御した後に、開度の制御により冷媒流量を制御ラインＣよりも少なく変動するように設定している。因みに、同一目標制御高圧に対し、制御ラインＣが制御ラインＢよりも目標出口側冷媒温度が高くなるようにしている。

また、制御ラインＣは冷媒流量が多くなると、圧縮機１１の動力が増加するが、室内ガスクーラ１２の入口、出口の空気温度差が縮小するため吹出空気温度の温度分布が縮小される。従って、運転中の吹出空気温度が目標吹出温度ＴＡＯに対して所定の温度差を有するときに、制御ラインＣを用いて、目標制御高圧に対して予め設定された目標出口側冷媒温度と運転中の出口側冷媒温度とが一致するようにステップ４２０にて吐出容量を制御させると良い。

これによれば、電気式膨張弁１３の弁開度が大きめになるため電気式膨張弁１３の開度変化に対する高圧変動が小さくなりサイクルの安定性が良くなるとともに、目標制御高圧が低めになるため吹出空気温度の温度変動に対して高圧調整範囲が広くなることで吹出空気温度の変動が少なくなる。従って、吹出空気温度の変動の少ない吹出温度の温風を吹き出すことができる。

一方、制御ラインＢは、容量制御した後に、冷媒流量を少なく変化するように設定したもので、目標制御高圧に対して成績係数ＣＯＰを高める目標出口側冷媒温度と運転中の出口側冷媒温度とが一致するように制御するための制御特性である。例えば、暖房を開始して吸い込み温度が上昇して吹出空気温度が目標吹出温度ＴＡＯに対して近似したときになどに用いられる。

これを図５で説明すると、図５は室内ガスクーラ１２の熱交換後の出口側冷媒温度３５、３７、４１℃をパラメータとしたときの成績係数ＣＯＰと高圧圧力との関係を示す特性図である。室内ガスクーラ１２を蒸発器、室外ガスクーラ１４を冷媒放熱器として用いて冷房運転をしたときにおいて、容量可変を行なうと、一般的に成績係数ＣＯＰは、図５に示す制御例Ａのように、高圧圧力が８〜１０ＭＰａの範囲内で、出口側冷媒温度の順に成績係数ＣＯＰを高めることができるが、室外熱交換器は室内熱交換器よりも大型化できるため、冷房運転時は室外ガスクーラ１４出口側冷媒温度に基づいて目標制御高圧を設定すれば、作動高圧範囲で成績係数ＣＯＰが常に高い状態で運転することができる。

ところが、暖房運転のときは、室内ガスクーラ１２は車室内のインストルメントパネル内に配設することで大きさが制限されるため、冷媒流量に対して室内ガスクーラ１２出口側冷媒温度は大きく変動する。例えば、図に示す制御例Ｂように、高圧１０ＭＰａ、出口側冷媒温度４１℃、圧縮機１１の吐出容量１００％の状態から、高圧１２ＭＰａ、圧縮機１１の吐出容量８０％の状態に容量可変すると、出口側冷媒温度が４１℃から３５℃に低下しても成績係数ＣＯＰを高めることができる。従って、このようなときには制御ラインＢで制御すると良い。

つまり、吹出空気温度が目標吹出温度ＴＡＯを満足する目標制御高圧に対して成績係数ＣＯＰが最大となる目標出口側冷媒温度と運転中の出口側冷媒温度とが一致するように吐出容量を制御すれば良い。なお、図４に示す制御ラインＡは、室内ガスクーラ１２を蒸発器として用いて冷房運転を行なったときの目標制御高圧に対する目標出口側冷媒温度である。

以上の制御によれば、この種のヒートポンプサイクルでは外気温度に応じて室内ガスクーラ１２出口側冷媒温度が低下するため高圧圧力が低い圧力で制御されるため高い吹出空気温度を得ることができない。そこで、吹出空気温度が室内ガスクーラ１２の目標吹出温度ＴＡＯとなる高圧である目標制御高圧ａになるように電気式膨張弁１３の開度を制御することにより、吹出温度の高い吹出空気が得られる。

また、最大暖房能力が得られる高圧である目標制御高圧ｂになるように電気式膨張弁１３の開度を制御することにより、吹出温度の高い吹出空気が得られ、目標吹出温度ＴＡＯに対し、ヒートポンプサイクルの暖房能力が小さい場合でも過度に高圧が上昇してしまい、かえって暖房能力が低下することを防止することができる。

また、吹出空気温度が目標吹出温度ＴＡＯに到達してくると、電気式膨張弁１３の開度を大きくして高圧を下げて吹出空気温度が目標吹出温度ＴＡＯになるようにするので、そのうちに、目標制御高圧が低くなることで目標出口側冷媒温度と、室内ガスクーラ１２の熱交換後の出口側冷媒温度との温度差が小さくなってくるが、制御ラインＢのように目標制御高圧に対して目標出口側冷媒温度を下げるようにして容量制御することで成績係数ＣＯＰを高める状態で制御することができる。

以上の第１実施形態による超臨界式ヒートポンプサイクル装置によれば、電気式膨張弁１３は、暖房運転の空調制御を行なうときに、その運転時における室内ガスクーラ１２で熱交換された吹出空気温度が予め設定した目標吹出温度ＴＡＯとなる高圧圧力を目標制御高圧ａとして求めて、室内ガスクーラ１２内の冷媒の圧力が目標制御高圧となるように開度を制御することにより、吹出空気温度を所望する目標吹出温度ＴＡＯに近づかせることができることで吹出空気温度の高い暖房を得ることができる。

また、上記の他に、冷媒回路の低圧圧力に応じて室内ガスクーラ１２が最大暖房能力となる高圧圧力を目標制御高圧として求めて、室内ガスクーラ１２内の冷媒の圧力が目標制御高圧となるように開度を制御することにより、常時室内ガスクーラ１２の最大暖房能力における高圧圧力で制御することができ、目標吹出温度ＴＡＯに対し、ヒートポンプサイクルの暖房能力が小さい場合でも過度に高圧が上昇してしまい、かえって暖房能力が低下することを防止することができる。

なお、上記の目標制御高圧ａ、ｂは、圧縮機１１の許容吐出温度以下となるように上限が規制されることにより、圧縮機１１が保護される高圧であるため、異常温度上昇などの保護制御手段によるサイクルの停止の恐れがなく暖房運転の継続が可能である。

また、可変容量式の圧縮機１１を用いるときは、冷媒吐出容量を室内ガスクーラ１２内の圧力に対して、予め設定された目標出口側冷媒温度と運転中の室内ガスクーラ１２で熱交換された冷媒の出口側冷媒温度とが一致するように制御することにより、出口側冷媒温度が目標出口側冷媒温度に達しない場合は、最大暖房能力となるように冷媒吐出容量を１００％に保持する。

さらに、吹出空気温度が目標吹出温度ＴＡＯに到達するなど暖房負荷が小さくなると、目標制御高圧に応じて目標出口側冷媒温度を下げるようにして容量を減少させるように制御されることで、成績係数ＣＯＰを高める状態で制御することができる。これにより、吹出空気温度が目標吹出温度ＴＡＯに達すると成績係数ＣＯＰを高める状態で作動するように連続的に制御することができる。

また、可変容量式の圧縮機１１を用いるときは、室内ガスクーラ１２に流れる冷媒流量が所定値以下のときに、冷媒吐出容量を１００％に固定した状態で使用することにより、開度の制御で冷媒流量が小さくなると制御する高圧が不安定となる現象が発生する。そこで、冷媒流量が所定値以下のときは冷媒吐出容量を１００％に固定した状態で使用することで制御する高圧の不安定を防止することができる。

なお、このときの冷媒流量を、例えば外気温度と圧縮機１１の回転数とに基づいて推定値を求めることにより、冷媒流量は圧縮機１１の吸入冷媒温度と関係が有るため、外気温度で吸入冷媒温度を推定するとともに、圧縮機１１の作動回転数で推定値を容易に求めることができる。

また、可変容量式の圧縮機１１を用いるときは、外気温度が所定温度以下のときに、冷媒吐出容量を１００％に固定した状態で使用することにより、外気温度が低くなると、高圧圧力を高めるため開度を小さくすることで冷媒流量が低下して高圧が不安定となる現象が発生する。そこで、外気温度が所定温度以下のときは冷媒吐出容量を１００％に固定した状態で使用することで制御する高圧の不安定を防止することができる。

なお、本実施形態では、低圧圧力を検出する圧力センサを設けずに、低圧圧力を外気温度に基づいて推定値を求めることにより、例えば、室内の暖房負荷を算出するために、既存の空調装置に設けられる外気温度センサ２１で外気温度を検出し、これに基づいて低圧圧力を推定して目標制御高圧を求めることができる。

（第２実施形態）
以上の第１実施形態では、本発明を冷媒放熱器である室内ガスクーラ１２を車室内に設置して暖房専用として超臨界式のヒートポンプサイクルに適用させたが、これに限らず、四方弁を用いて、冷房および暖房運転を切り替える超臨界式のヒートポンプサイクルに適用しても良い。

図６および図７は本実施形態における超臨界式ヒートポンプサイクル装置の全体構成を示す模式図であり、図６は冷房運転を示し、図７は暖房運転を示す。具体的には、図６および図７に示すように、第１実施形態に対して、圧縮機１１の吸入側、吐出側の流路を切り替える四方弁２５、暖房運転時に高圧冷媒が流れる室外熱交換器１４の出口側に出口側冷媒温度を検出する第２温度検出手段である第２出口温度センサ２２とが設けられている。

また、図中に示す２４は内部熱交換器であって、この内部熱交換器２４は冷房運転時に、圧縮機１１に吸入される気相冷媒と室外熱交換器１４で放熱された高圧冷媒とを熱交換する熱交換器である。なお、圧力センサ１８は、第１実施形態とは設置場所が異なるが、圧縮機１１の吐出側に設けられ、冷房時および暖房時ともに高圧圧力を検出する。また、同じように、吐出温度センサ１６も圧縮機１１の吐出側に設けられ、冷房運転時および暖房運転時ともに吐出温度を検出する。

次に、以上の構成による作動について説明する。図６に示す冷房運転では、例えば、第２出口温度センサ２２で検出された出口側冷媒温度と、成績係数ＣＯＰが最大となる目標制御高圧と一致するように電気式膨張弁１３の開度を制御するとともに、吹出温度センサ１９で検出された吹出空気温度が目標吹出温度ＴＡＯとなるように容量制御することにより、成績係数ＣＯＰが最大となる制御ができる。

一方、図７に示す暖房運転においては、第１実施形態と同じように、図２による空調制御プログラムの制御処理を行なうことで同様な効果を奏する。なお、本実施形態では、室外熱交換器１４の入口側冷媒温度を検出する第２出口温度センサ２２を設けたことにより、圧縮機１１に吸入される低圧を正確に検出できるため、外気温度に基づいて、低圧圧力を推定して、高圧、吐出温度を求めて目標制御高圧を求めていた第１実施形態よりも正確に低圧圧力を検出できる。

また、本実施形態で設けられた内部熱交換器２４は、暖房運転においては、電気式膨張弁１３で減圧された気液２相の冷媒と圧縮機１１に吸入される気相冷媒とが熱交換されるため互いの冷媒の温度差が小さいため熱交換器としての機能が少ない。

（他の実施形態）
以上の第１実施形態では、低圧圧力を外気温度から推定するように構成したが、これに限らず、図８に示すように、室外熱交換器１４で熱交換された冷媒の出口側温度を検出する第２冷媒温度検出手段である第２出口温度センサ２２を設けても良い。これによれば、外気温度を用いて運転中の低圧圧力を推定するときに、出口側冷媒温度によれば外気温度よりもさらに正確に低圧圧力を算出することができる。さらに、図８に示すように、低圧側に低圧圧力を検出する第２圧力検出手段である第２圧力センサ２３を設けても良い。これによれば、運転中の低圧圧力を容易に検出できる。

また、以上の実施形態では、暖房運転のときに、図２に示すステップ４２０にて、第１出口温度センサ１７で検出された出口側冷媒温度と目標出口側冷媒温度とを一致するように容量可変機構１１ａを制御して容量を可変させたが、これに限らず、室内ガスクーラ１２で熱交換された吹出空気の吹出空気温度と室内ガスクーラ１２で熱交換された冷媒の出口側冷媒温度との温度差が予め設定された目標温度差となるように制御しても良い。

また、以上の実施形態では、図４において、制御ラインＡ、Ｂ、Ｃのうち、制御ラインＢ、Ｃを用いたが、冷房時と同じように制御ラインＡを用いて制御しても良く、この他にＡ、Ｂ、Ｃ以外の任意の制御ラインを選定しても良い。

また、以上の実施形態では、圧縮機１１の吐出容量可変するために、外部から制御する可変容量機構１１ａを有する可変容量式の圧縮機１１を構成したが、これに限らず、図示しない直流電源から電力が供給されて駆動するインバータ制御によって回転速度が連続的に可変させて冷媒吐出容量が連続的に可変する電動圧縮機であっても良い。さらに、以上の実施形態では本発明を車両用空調装置に適用させたが、これに限らず、空調装置に適用しても良い。

本発明の第１実施形態における超臨界式ヒートポンプサイクル装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態における空調制御プログラムの制御処理を示すフローチャートである。 外気温度をパラメータとしたときにおける室内ガスクーラ１２の高圧圧力と暖房能力および吐出温度との関係を示す特性図である。 制御ラインＡ、Ｂ、Ｃをパラメータとしたときにおける目標制御高圧と室内ガスクーラ１２の目標出口側冷媒温度との関係を示す特性図である。 出口側冷媒温度をパラメータとしたときにおける高圧圧力と成績係数との関係を示す特性図である。 本発明の第２実施形態における超臨界式ヒートポンプサイクル装置の冷房運転時の全体構成を示す模式図である。 本発明の第２実施形態における超臨界式ヒートポンプサイクル装置の暖房運転時の全体構成を示す模式図である。 他の実施形態における超臨界式ヒートポンプサイクル装置の全体構成を示す模式図である。

符号の説明

１１…圧縮機
１２…室内ガスクーラ（冷媒放熱器）
１３…電気式膨張弁（減圧手段）
１４…室外熱交換器（冷媒蒸発器）
１５…アキュームレータ
２１…外気温度センサ（外気温度検出手段）
２２…第２出口温度センサ（第２冷媒温検出手段）
２３…第２圧力センサ（第２圧力検出手段）

Claims (15)

1. 圧縮機（１１）、内部の圧力が冷媒の臨界圧力を超える冷媒放熱器（１２）、減圧手段（１３）、冷媒蒸発器（１４）およびアキュームレータ（１５）を順に環状に冷媒回路で接続し、前記冷媒放熱器（１２）内の冷媒と流体とを熱交換させて暖房能力を出力する超臨界式ヒートポンプサイクル装置において、
   前記減圧手段（１３）は、暖房運転の空調制御を行なうときに、その運転時における前記冷媒放熱器（１２）で熱交換された流体の加熱後流体温度が予め設定した目標吹出温度（ＴＡＯ）となる高圧圧力を目標制御高圧として求めて、前記冷媒放熱器（１２）内の冷媒の圧力が前記目標制御高圧となるように開度を制御することを特徴とする超臨界式ヒートポンプサイクル装置。
2. 前記目標制御高圧は、前記冷媒放熱器（１２）が最大暖房能力となる高圧圧力を上限として規制することを特徴とする請求項１に記載の超臨界式ヒートポンプサイクル装置。
3. 圧縮機（１１）、内部の圧力が冷媒の臨界圧力を超える冷媒放熱器（１２）、減圧手段（１３）、冷媒蒸発器（１４）およびアキュームレータ（１５）を順に環状に冷媒回路で接続し、前記冷媒放熱器（１２）内の冷媒と流体とを熱交換させて暖房能力を出力する超臨界式ヒートポンプサイクル装置において、
   前記減圧手段（１３）は、暖房運転の空調制御を行なうときに、その運転時における冷媒回路内の少なくとも低圧圧力に応じて前記冷媒放熱器（１２）が最大暖房能力となる高圧圧力を目標制御高圧として求めて、前記冷媒放熱器（１２）内の冷媒の圧力が前記目標制御高圧となるように開度を制御することを特徴とする超臨界式ヒートポンプサイクル装置。
4. 前記目標制御高圧は、前記圧縮機（１１）の許容吐出温度以下となるように上限が規制されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の超臨界式ヒートポンプサイクル装置。
5. 前記圧縮機（１１）は、冷媒吐出容量を可変する可変容量式の圧縮機であって、前記圧縮機（１１）を用いるときは、冷媒吐出容量を前記冷媒放熱器（１２）で熱交換された流体の加熱後流体温度と前記冷媒放熱器（１２）で熱交換された冷媒の出口側冷媒温度との温度差が予め設定された目標温度差となるように制御することを特徴とする請求項１または請求項３に記載の超臨界式ヒートポンプサイクル装置。
6. 前記圧縮機（１１）は、冷媒吐出容量を可変する可変容量式の圧縮機であって、前記圧縮機（１１）を用いるときは、冷媒吐出容量を前記冷媒放熱器（１２）内の圧力に対して、予め設定されたヒートポンプ成績効率（ＣＯＰ）が最大となる目標出口側冷媒温度と運転中の前記冷媒放熱器（１２）で熱交換された冷媒の出口側冷媒温度とが一致するように制御することを特徴とする請求項１または請求項３に記載の超臨界式ヒートポンプサイクル装置。
7. 前記圧縮機（１１）は、冷媒吐出容量を可変する可変容量式の圧縮機であって、前記圧縮機（１１）を用いるときは、冷媒吐出容量を前記冷媒放熱器（１２）内の圧力に対して、予め設定された目標出口側冷媒温度と運転中の前記冷媒放熱器（１２）で熱交換された冷媒の出口側冷媒温度とが一致するように制御することを特徴とする請求項１または請求項３に記載の超臨界式ヒートポンプサイクル装置。
8. 前記圧縮機（１１）は、冷媒吐出容量を可変する可変容量式の圧縮機であって、前記圧縮機（１１）を用いるときは、前記冷媒放熱器（１２）に流れる冷媒流量が所定値以下のときに、前記冷媒吐出容量を１００％に固定した状態で使用することを特徴とする請求項１または請求項３に記載の超臨界式ヒートポンプサイクル装置。
9. 前記冷媒流量は、外気温度と前記圧縮機（１１）の回転数とに基づいて推定値を求めることを特徴とする請求項８に記載の超臨界式ヒートポンプサイクル装置。
10. 前記圧縮機（１１）は、外気温度が所定温度以下のときに、前記冷媒吐出容量を１００％に固定した状態で使用することを特徴とする請求項１または請求項３に記載の超臨界式ヒートポンプサイクル装置。
11. 前記冷媒蒸発器（１４）の入口側または出口側冷媒温度を検出する第２冷媒温度検出手段（２２）、もしくは外気温度を検出する外気温度検出手段（２１）が設けられ、
    前記外気温度は、前記第２冷媒温度検出手段（２２）により検出された前記冷媒蒸発器（１４）の冷媒温度に基づいて推定値を求めるか、または前記外気温度検出手段（２１）により検出された外気温度を用いるかのいずれか一方であることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の超臨界式ヒートポンプサイクル装置。
12. 前記低圧圧力は、外気温度に基づいて推定値を求めることを特徴とする請求項３に記載の超臨界式ヒートポンプサイクル装置。
13. 前記冷媒蒸発器（１４）の入口側または出口側冷媒温度を検出する第２冷媒温度検出手段（２２）が設けられ、
    前記外気温度は、前記第２冷媒温度検出手段（２２）により検出された前記冷媒蒸発器（１４）の冷媒温度に基づいて推定値を求めることを特徴とする請求項１２に記載の超臨界式ヒートポンプサイクル装置。
14. 外気温度を検出する外気温度検出手段（２１）が設けられ、
    前記外気温度は、前記外気温度検出手段（２１）により検出された外気温度を用いることを特徴とする請求項１２に記載の超臨界式ヒートポンプサイクル装置。
15. 前記冷媒回路には、低圧圧力を検出する第２圧力検出手段（２３）が設けられ、
    前記低圧圧力は、前記第２圧力検出手段（２３）により検出された低圧圧力を用いることを特徴とする請求項３に記載の超臨界式ヒートポンプサイクル装置。

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