JP5396246B2 - 車両用空調装置 - Google Patents
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Description
また、ヒータコアに熱媒体を循環させる二次循環路と、この二次循環路中に中間熱交換器を配設して二次循環路の熱媒体と熱交換を行うヒートポンプ(冷凍サイクル)の一次循環路とを備え、暖房時にヒートポンプの一次循環路により発生させた熱で中間熱交換器を介して二次循環路の熱媒体を加熱した後、さらにヒータにより二次循環路の熱媒体を加熱し、外気温が極低温状態にあっても十分な車室内暖房を可能にした車両用空調システムが知られている(例えば、特許文献2参照)。
また、上記特許文献2の車両用空調システムでは、二次循環路の熱媒体を中間熱交換器とヒータを併用して加熱する構成としているため、中間熱交換器における凝縮温度が熱媒体の温度の影響を受ける。ヒータを使用すると熱媒体の温度が上昇するため、中間熱交換器における凝縮温度が上昇し、同じ暖房能力を確保するためのヒートポンプ一次循環路の消費電力が増大する。つまり、ヒータの消費電力に加え、ヒートポンプ一次循環路における消費電力が増大する。
図1は本発明の第一の実施の形態の車両用空調装置の構成を示す図である。また、図2は本発明の第一の実施の形態の車両用空調装置の電気回路を示すブロック図である。第一の実施の形態の車両用空調装置は、冷却媒体(冷媒)40の圧縮、凝縮、膨張および蒸発を行う冷凍サイクルの冷媒循環路(一次循環路)90、この冷凍サイクルの冷媒循環路90と空調用熱交換器4Aを介して接続され、空調用熱交換器4Aと室内熱交換器7Aとの間に熱媒体41Aを循環させて車室内の冷房または暖房を行う空調用熱媒体循環路(二次循環路A)91A、および、冷凍サイクル冷媒循環路90と冷却用熱交換器4Bを介して接続され、冷却用熱交換器4B、発熱体9、室内熱交換器7Bおよびリザーバタンク34に熱媒体41Bを循環させて発熱体9の冷却または加熱と車室内の冷房または暖房を行う冷却用熱媒体循環路(二次循環路B)91Bの三つの熱媒体循環路を備えている。
図1は冷房運転時の冷媒流れを示し、この図1を参照して冷房運転時の動作を説明する。冷房運転モードでは、四方弁20と三方弁21を切り換えて図1に実線で示す状態とし、室外熱交換器2を凝縮器、空調用熱交換器4Aと冷却用熱交換器4Bをともに蒸発器として用い、空調用熱媒体循環路91Aにより車室内の冷房を行うとともに、冷却用熱媒体循環路91Bにより発熱体9の冷却を行う。なお、二方弁25を開いて二方弁26を閉じ、冷却用熱媒体41Bをバイパス回路30を通して循環させる。
次に、冷房除湿運転モードの動作を説明する。冷房除湿運転時には、図1に示す冷房運転時の冷媒流れにおいて二方弁25を閉じて二方弁26を開け、冷却用熱媒体41Bを主回路31の室内熱交換器7Bを通して循環させる。この冷房除湿運転モードでは、二方弁26を開いて空調用熱媒体41Aよりも温度が高い冷却用熱媒体41Bを室内熱交換器7Bへ導入することができるので、室内熱交換器7Aで冷却・除湿された空気が室内熱交換器7Bによって加熱されてから車室内へ吹き出される、いわゆる再熱除湿運転が可能となる。このとき、車室内へ供給される空気は相対湿度が低くなるため、室内空間の快適性を向上できる。なお、再熱器として利用される室内熱交換器7Bの熱源は発熱体9から発生するいわゆる廃熱であり、再熱用にヒータなどを用いる場合と異なり、新たにエネルギーを投入する必要がないので、消費電力を増大させることなく車室内の快適性を向上させることができる。
次に、暖房除湿運転モードの動作を説明する。図3は暖房除湿運転時の冷媒流れを示す。再熱量が不足する場合には、三方弁21を図3に実線で示すように切り換えて暖房除湿運転を行う。この暖房除湿運転では、空調用熱交換器4Aを蒸発器のままとする一方、冷却用熱交換器4Bを凝縮器として用い、冷却用熱交換器4Bで冷却用熱媒体41Bの加熱を行う。この場合、圧縮機1で圧縮された冷媒40は四方弁20と三方弁21により分岐されて室外熱交換器2と冷却用熱交換器4Bへ導かれ、室外熱交換器2と冷却用熱交換器4Bで凝縮液化した後、レシーバタンク24内で合流する。その後、膨張弁22Aで減圧され、空調用熱交換器4Aで蒸発・ガス化した後、圧縮機1へ戻る。このように、冷却用熱交換器4Bを用いて冷却用熱媒体41Bを加熱することができるので、再熱量が不足する場合でも冷凍サイクル冷媒循環路90を用いて再熱量を増大させることができる。
次に、放熱運転モードの動作を説明する。図4は暖房運転時の冷媒流れを示す。暖房運転時には図4に実線で示すように四方弁20と三方弁21を切り換える。暖房負荷が小さい場合の暖房運転では、圧縮機1を停止して冷凍サイクル冷媒循環路90を利用せず、発熱体9からの廃熱を暖房に利用する放熱運転とする。この放熱運転モードでは、循環ポンプ5Bと室内ファン8を起動し、かつ二方弁26を開として室内熱交換器7Bに冷却用熱媒体41Bを導入する。冷却用熱媒体41Bは発熱体9によって加熱されているので、室内熱交換器7Bで室内吹出し空気へ放熱して冷却され、室内吹出し空気が加熱されて室内空間の暖房運転を行うことができる。このように、発熱体9からの廃熱を暖房に利用することが可能な構成となっており、エネルギー消費の少ない空調装置を実現することができる。
発熱体9の発熱量だけでは暖房負荷に満たない場合には、冷凍サイクル冷媒循環路90を併用する暖房放熱併用運転とする。四方弁20と三方弁21は図4に実線で示す放熱運転と同様な状態にし、冷凍サイクル冷媒循環路90において空調用熱交換器4Aを凝縮器、室外熱交換器2を蒸発器とするサイクルを形成するとともに、膨張弁22Aを全開にし膨張弁22Bを全閉にして冷却用熱交換器4Bは利用しない。圧縮機1で圧縮された冷媒40は、空調用熱交換器4Aで空調用熱媒体41Aへ放熱することによって凝縮・液化し、膨張弁23で減圧された後、室外熱交換器2において室外空気との熱交換によって蒸発・ガス化して圧縮機1へ戻る。
次に、暖房負荷が増大した場合の動作について説明する。暖房負荷が大きな場合には、上述したように冷却用熱媒体41Bの目標温度を高く設定すればよいが、発熱体9の仕様などにより温度を上げることが困難な場合には、暖房能力を増大させることができなくなる。このような場合には、冷却用熱媒体41Bの冷却と空調用熱媒体41Aの加熱を同時に実行するために、室内暖房発熱体冷却運転をおこなう。図5は室内暖房発熱体冷却運転時の冷媒流れを示す。図5を参照して室内暖房発熱体冷却運転モードの動作を説明する。
外気温度が低い冬季の始動時などにおいては、冷却用熱媒体41Bの温度が低いために運転開始直後の暖房に供することはできず、発熱体9からの廃熱による温度上昇を待つ必要がある。このような場合には、図5に示すサイクルにおいて膨張弁22Bを閉じて室内熱交換器7Aによる暖房運転を行う。また、二方弁26を閉じて二方弁25を開き、温度の低い冷却用熱媒体41Bが室内熱交換器7Bで室内へ吹き出す空気と熱交換することがないようにサイクルを構成する。
室外熱交換器2を蒸発器として用いる運転を継続すると、熱交換器の表面に霜が成長する場合があるため、霜を融かす除霜運転をおこなう必要がある。除霜運転時には、四方弁20と三方弁21を図7に実線で示すように切り換え、膨張弁22Aを全閉とし、室外熱交換器2を凝縮器、冷却用熱交換器4Bを蒸発器とするサイクルを形成する一方、二方弁26を閉じて主回路31への冷却用熱媒体41Bの流れを遮断し、バイパス回路30へ冷却用熱媒体41Bを流す。
ところで、第一の実施の形態では室外熱交換器2、空調用熱交換器4Aおよび冷却用熱交換器4Bの3つの熱交換器を用いて適宜、凝縮器と蒸発器の組合せを切り換え、各運転モードに対応した冷凍サイクル冷媒循環路90を構成している。各サイクルにおける適正な冷媒40の量は、蒸発器となる熱交換器の個数や内容積などにより変化するため、条件によっては余剰冷媒が発生し、凝縮圧力を増大させる可能性がある。そこで、この実施の形態では3つの熱交換器へ接続される液配管12をレシーバタンク24で合流させる構成とした。冷媒の流動しない配管系統にレシーバタンクを配置すると、冷媒量を調整する機能がうまく作用せずに冷媒が溜まり込むなどの不具合が生じるが、この実施の形態では3つの熱交換器へ接続される液配管12の合流部にレシーバタンク24が配置されているので、停止している熱交換器が存在する場合であっても、レシーバタンク24に接続された他の熱交換器はかならず動作しており、内部を冷媒40が流動することになるので、どの運転モードにおいても確実に冷媒量を調整する作用を得ることができる。
第一の実施の形態では、冷却用熱媒体41Bの温度が外気温度よりも高い場合に、サーモサイフォンによるサイクルを構成し、圧縮機1を起動せずに発熱体9を冷却可能としているので、この場合の動作について図8および図9を参照して説明する。
図10は第二の実施の形態の車両用空調装置の構成を示す図であり、冷房運転時の冷媒の流れを示す。なお、図1〜図9に示す第一の実施の形態の機器と同様な機器に対しては同一の符号を付して相違点を中心に説明する。また、冷房運転モード以外のモードにおける冷媒の流れは上述した第一の実施の形態と同様であり、各モードにおける冷媒の流れの図示と説明を省略する。この第二の実施の形態では、図1〜図9に示す第一の実施の形態で用いた三方弁21を用いず、冷却用熱交換器4Bの冷媒出入口37を圧縮機1の吸込配管11に接続する。この第二の実施の形態の電気回路は、図2に示す第一の実施の形態の電気回路から三方弁21とその駆動回路21dを省略しただけであり、図示と説明を省略する。
図11は第三の実施の形態の車両用空調装置の構成を示す。第三の実施の形態では、図1〜図9に示す第一の実施の形態に対し、独立した空調用熱媒体循環路91Aと空調用熱交換器4Aを廃止し、冷凍サイクル冷媒循環路90の冷媒40を室内熱交換器7Aへ導き、室内熱交換器7Aにおいて冷媒40と車室内導入空気との間で直接、熱交換を行う構成とする。また、第一の実施の形態に対し三方弁21を廃止し、冷却用熱交換器4Bを圧縮機1の吸込配管11に接続する冷凍サイクル冷媒循環路90とする。この第三の実施の形態の車両用空調装置では、冷凍サイクル冷媒循環路90の一部を空調用熱交換回路として用い、この空調用熱交換回路の空調用熱交換器4Aと冷却用熱媒体循環路91Bの冷却用熱交換器4Bとが、冷凍サイクルの冷媒循環路90において並列に接続されている。すなわち、空調用熱交換回路と冷却用熱媒体循環路91Bとが冷凍サイクルの冷媒循環路90において並列に接続されている。
上述した図11に示す第三の実施の形態では、冷却用熱媒体循環路91Bにおいて室内熱交換器7Bと並列に放熱器50を設ける例を示したが、図13に示すように室内熱交換器7Bと直列に放熱器50を配置してもよい。放熱器50の追加により、冷凍サイクル冷媒循環路90を用いずに外気への放熱が可能になる。例えば、暖房放熱運転を行っているときに車室内の暖房負荷が低下すると、車室内への放熱量が減少するため、放熱しきれなくなる。このような場合に、放熱器50を用いて外気へ放熱することによって放熱不足を解消できる。冷却用熱媒体循環路91Bに外気への放熱器50を設置し、図13に示すように冷却用熱媒体41Bを発熱体9→室内熱交換器7B→放熱器50→冷却用熱交換器4Bの経路で流し、車室内への放熱と外気への放熱を行った結果、まだ放熱不足がある場合には最終的に冷却用熱交換器4Bで冷却を行う。
図14は第四の実施の形態の車両用空調装置の構成を示す。なお、図1に示す第一の実施の形態の機器と同様な機器に対しては同一の符号を付して相違点を中心に説明する。この第四の実施の形態では、第一の実施の形態の車両用空調装置に対して、空調用熱交換器4Aと冷却用熱交換器4Bを直列に接続し、それらの熱交換器4Aと4Bの間に膨張弁(減圧弁)55を設けた点が上述した第一の実施の形態と異なる。
Claims (14)
- 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒と車室外空気との間で熱交換を行う室外熱交換器と、前記冷媒を減圧する膨張弁とを有し、前記冷媒が循環する冷凍サイクル用冷媒循環路と、
車室内空調用の空調用熱媒体が循環する空調用熱媒体循環路と、
車載機器の温度を調整するための機器用熱媒体が循環する機器用熱媒体循環路と、
前記冷凍サイクル用冷媒循環路および前記空調用熱媒体循環路がそれぞれ接続され、前記冷媒と前記空調用熱媒体との間の熱交換が行われる空調用熱交換器と、
前記冷凍サイクル用冷媒循環路および前記機器用熱媒体循環路がそれぞれ接続され、前記冷媒と前記機器用熱媒体との間の熱交換が行われる機器用熱交換器と、
前記圧縮機の吐出配管と吸込配管との間に接続され、前記圧縮機の吐出配管と前記室外熱交換器とが接続されると共に、前記圧縮機の吸込配管と前記空調用熱交換器とが接続される第一接続状態と、前記圧縮機の吐出配管と前記空調用熱交換器とが接続されると共に、前記圧縮機の吸込配管と前記室外熱交換器とが接続される第二接続状態と、の間で切り換え可能な第一流路切換弁と、
前記圧縮機の吐出配管と吸込配管との間に第一流路切換弁と並列に接続され、前記圧縮機の吸込配管と前記機器用熱交換器とが接続される第三接続状態と、前記圧縮機の吐出配管と前記機器用熱交換器とが接続される第四接続状態と、の間で切り換え可能な第二流路切換弁と、を備え、
前記空調用熱交換器と前記機器用熱交換器とが前記冷凍サイクル用冷媒循環路に対して並列に接続されるように、前記空調用熱交換器が前記第一流路切換弁に接続されると共に前記機器用熱交換器が前記第二流路切換弁に接続され、
前記空調用熱交換器は、前記冷媒を減圧する空調用膨張弁を介して前記膨張弁に接続され、
前記機器用熱交換器は、前記冷媒を減圧する機器用膨張弁を介して前記膨張弁に接続され、
前記空調用熱媒体循環路には、車室内導入空気と前記空調用熱媒体との間で熱交換を行う第一室内熱交換器と、前記空調用熱交換器と前記第一室内熱交換器との間で前記空調用熱媒体を循環させる空調用循環ポンプとが設けられ、
前記機器用熱媒体循環路には、車室内導入空気と前記機器用熱媒体との間で熱交換を行う第二室内熱交換器と、前記車載機器と前記機器用熱交換器との間で前記機器用熱媒体を循環させる機器用循環ポンプと、が設けられ、
前記第一室内熱交換器を通過した車室内導入空気が前記第二室内熱交換器を通過するように、前記第一室内熱交換器の空気流れの下流側に前記第二室内熱交換器が配置されている車両用空調装置。 - 請求項1に記載の車両用空調装置において、
前記第二室内熱交換器をバイパスするバイパス路と、
前記第二室内熱交換器と前記バイパス路を流れる前記機器用熱媒体の流量を制御する流量制御弁と、を備える車両用空調装置。 - 請求項1または2に記載の車両用空調装置において、
前記冷凍サイクル冷媒循環路の前記膨張弁から吐出された前記冷媒を、前記空調用熱交換器と前記機器用熱交換器とに分岐するためのレシーバタンクを備える車両用空調装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の車両用空調装置において、
車室内の空調と前記車載機器の冷却を制御する制御装置と、
前記空調用熱媒体の温度を検出する検出器と、を備え、
前記制御装置は、前記室外熱交換器を凝縮器として動作させ、前記空調用熱交換器を蒸発器として動作させる冷房運転時に、前記空調用熱媒体の温度が目標温度となるように前記圧縮機の回転速度を制御する車両用空調装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の車両用空調装置において、
車室内の空調と前記車載機器の冷却を制御する制御装置と、
車室外空気の温度を検出する検出器と、
前記機器用熱媒体の温度を検出する検出器とを備え、
前記制御装置は、前記室外熱交換器を凝縮器として動作させ、前記空調用熱交換器と前記機器用熱交換器を蒸発器として動作させる冷房運転時に、前記機器用熱媒体の目標温度に前記車室外空気の温度よりも高い温度を設定し、前記機器用熱媒体の温度が前記目標温度になるように前記機器用膨張弁を制御する車両用空調装置。 - 請求項5に記載の車両用空調装置において、
前記空調用熱交換器から流出する冷媒の温度を検出する検出器と、
前記機器用熱交換器から流出する冷媒の温度を検出する検出器とを備え、
前記制御装置は、前記冷房運転時に、前記機器用熱交換器から流出する冷媒の温度が前記空調用熱交換器から流出する冷媒の温度よりも高くなるように前記機器用膨張弁を制御する車両用空調装置。 - 請求項2に記載の車両用空調装置において、
車室内の空調と前記車載機器の冷却を制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記室外熱交換器を凝縮器として動作させ、前記空調用熱交換器と前記機器用熱交換器を蒸発器として動作させる冷房運転時に、前記流量制御弁により前記機器用熱媒体の一部または全部を前記第二室内熱交換器へ流し、前記第一室内熱交換器で冷却された車室内導入空気を前記第二室内熱交換器で加熱する運転を行う車両用空調装置。 - 請求項3に記載の車両用空調装置において、
車室内の空調と前記車載機器の冷却を制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記室外熱交換器を凝縮器として動作させ、前記空調用熱交換器を蒸発器として動作させる冷房運転時に、前記第二流路切換弁により前記機器用熱交換器を凝縮器として動作させるように切り換え、前記冷凍サイクル冷媒循環路の前記冷媒により前記機器用熱媒体循環路の前記機器用熱媒体を加熱する車両用空調装置。 - 請求項2または3に記載の車両用空調装置において、
車室内の空調と前記車載機器の冷却を制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記第一流路切換弁により前記空調用熱交換器を凝縮器として動作させるとともに前記室外熱交換器を蒸発器として動作させる暖房運転に切り換え、前記機器用膨張弁により前記機器用熱交換器への前記冷媒の流れを遮断するとともに、前記流量制御弁により前記機器用熱媒体を前記第二室内熱交換器へ流す車両用空調装置。 - 請求項9に記載の車両用空調装置において、
前記制御装置は、前記暖房運転時に前記機器用熱媒体の温度が目標温度となるように前記圧縮機の回転速度を制御する車両用空調装置。 - 請求項3に記載の車両用空調装置において、
車室内の空調と前記車載機器の冷却を制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記第一流路切換弁により前記空調用熱交換器を凝縮器として動作させるとともに前記室外熱交換器を蒸発器として動作させる暖房運転に切り換え、かつ、前記第二流路切換弁により前記機器用熱交換器を蒸発器として動作させるように切り換え、前記流量制御弁により前記機器用熱媒体を前記バイパス路へ流す車両用空調装置。 - 請求項2または3に記載の車両用空調装置において、
車室内の空調と前記車載機器の冷却を制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記室外熱交換器を凝縮器として動作させるとともに、前記機器用熱交換器を蒸発器として動作させ、前記空調用膨張弁により前記空調用熱交換器への前記冷媒の流れを遮断するとともに、前記流量制御弁により前記機器用熱媒体を前記バイパス路へ流し、前記室外熱交換器の除霜運転を行う車両用空調装置。 - 請求項12に記載の車両用空調装置において、
前記室外熱交換器に車室外空気を送風する室外ファンと、
車速を検出する検出器と、を備え、
前記制御装置は、前記除霜運転時には前記室外ファンを非除霜運転時と逆方向に回転させ、該逆回転速度を前記車速に応じて制御する車両用空調装置。 - 請求項1乃至13のいずれか一項に記載の車両用空調装置において、
前記車載機器が複数個ある場合には、前記複数個の車載機器を、前記機器用熱媒体循環路を流れる前記機器用熱媒体の流れ方向の上流から下流へ向かって、許容温度の低い順または熱時定数の小さい順に配置する車両用空調装置。
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