JP2002195677A - ヒートポンプサイクル - Google Patents

ヒートポンプサイクル

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JP2002195677A JP2001285386A JP2001285386A JP2002195677A JP 2002195677 A JP2002195677 A JP 2002195677A JP 2001285386 A JP2001285386 A JP 2001285386A JP 2001285386 A JP2001285386 A JP 2001285386A JP 2002195677 A JP2002195677 A JP 2002195677A
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heat exchanger
during
pump cycle
side refrigerant
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Seiji Ito
誠司 伊藤
Motohiro Yamaguchi
素弘 山口
Yasushi Yamanaka
康司 山中
Yoshitaka Tomatsu
義貴 戸松
Toshio Hirata
敏夫 平田
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Denso Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 暖房運転時において必要な潤滑油量を確保し
つつ、成績係数の悪化を防止する。 【解決手段】 暖房運転時においても吐出側冷媒と吸入
側冷媒とを熱交換する。これにより、暖房運転時におい
ても、吸入側冷媒中の潤滑油を多く含む液相冷媒を吐出
側冷媒により加熱して液相冷媒を気化させることができ
るので、圧縮機１１０に吸入される液相冷媒量を減少さ
せることができる。したがって、圧縮機１１０の圧縮仕
事が増大することを防止しつつ、オイル戻し穴１４４の
開口面積を暖房運転時において最適な潤滑油量を確保す
ることができる程度まで拡大することができる。また、
吐出側冷媒と吸入側冷媒とを熱交換することにより吐出
側冷媒のエンタルピを下げることができるので、冷房運
転時及び暖房運転時のいずれの場合においても、空調に
寄与する熱量を増大させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、冷暖房切換可能な
ヒートポンプサイクルに関するもので、高圧側の冷媒圧
力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイ
クルに適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】冷暖房切換可能なヒートポンプサイクル
として、例えば特開２０００−１３０８７８号公報に記
載の発明では、圧縮機に吸入される吸入側冷媒と圧縮機
から吐出して減圧される前の吐出側冷媒とを熱交換する
内部熱交換器を設け、この内部熱交換器と室内熱交換器
との間に減圧器を配設することにより、冷房運転時には
吸入側冷媒と吐出側冷媒とを熱交換し、暖房運転時には
吸入側冷媒と吐出側冷媒とを熱交換させないような構成
としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、一般的に、
ヒートポンプサイクルに限らず、冷凍サイクルでは、冷
媒中に潤滑油を混合することにより圧縮機内の摺動部を
潤滑しているので、通常、潤滑油を多く含む液相冷媒を
取り出すオイル戻し穴をアキュムレータに設けて、その
オイル戻し穴にて取り出された潤滑油を多く含む冷媒を
アキュムレータにて分離された気相冷媒と共に圧縮機の
吸入側に供給しているところで、暖房運転時は、圧縮機
の圧縮仕事に相当する熱量を暖房に利用することができ
るので、一般的に、暖房運転時において必要とされる循
環質量流量は、冷房運転時において必要とされる循環質
量流量より少ない。
【０００４】このため、冷房運転時において最適な潤滑
油量を確保することができるようにオイル戻し穴の大き
さを決定すると、暖房運転時において必要な潤滑油量を
確保することができなくなるおそれがある。
【０００５】逆に、暖房運転時において最適な潤滑油量
を確保することができるようにオイル戻し穴の大きさを
決定すると、圧縮機に吸入される液相冷媒量が増大する
ので、圧縮機の圧縮仕事が増大し、冷房運転時及び暖房
運転時の成績係数（ＣＯＰ）が悪化してしまう。
【０００６】本発明は、上記点に鑑み、暖房運転時にお
いて必要な潤滑油量を確保しつつ、成績係数の悪化を防
止することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、請求項１に記載の発明では、冷暖房切換
可能なヒートポンプサイクルであって、冷媒を吸入圧縮
する圧縮機（１１０）と、室外空気と冷媒との間で熱交
換を行う室外熱交換器（１３０）と、室内に吹き出す室
内空気と冷媒との間で熱交換を行う室内熱交換器（１２
０）と、冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離するととも
に、潤滑油を含む液相冷媒を取り出すオイル戻し穴（１
４４）を有し、そのオイル戻し穴（１４４）から取り出
された潤滑油を含む液相冷媒と分離した気相冷媒とを圧
縮機（１１０）の吸入側に流出させるアキュムレータ
（１４０）と、室内熱交換器（１２０）と室外熱交換器
（１３０）との間を流通する吐出側冷媒とアキュムレー
タ（１４０）から流出して圧縮機（１１０）に吸入され
る吸入側冷媒とを熱交換する内部熱交換器（１５０）
と、室内熱交換器（１２０）と内部熱交換器（１５０）
とを結ぶ冷媒通路に設けられ、室内に吹き出す空気を冷
却する冷房運転時に内部熱交換器（１５０）から流出す
る冷媒を減圧する第１減圧器（１６１）と、室外熱交換
器（１３０）と内部熱交換器（１５０）とを結ぶ冷媒通
路に設けられ、室内に吹き出す空気を加熱する暖房運転
時に内部熱交換器（１５０）から流出する冷媒を減圧す
る第２減圧器（１６２）とを備えることを特徴とする。
【０００８】これにより、暖房運転時においても、吸入
側冷媒中の潤滑油を多く含む液相冷媒を吐出側冷媒によ
り加熱して液相冷媒を気化させることができるので、圧
縮機（１１０）に吸入される液相冷媒量を減少させるこ
とができる。
【０００９】したがって、圧縮機（１１０）の圧縮仕事
が増大することを防止しつつ、オイル戻し穴（１４４）
の開口面積を暖房運転時において最適な潤滑油量を確保
することができる程度まで拡大することができる。
【００１０】また、吐出側冷媒と吸入側冷媒とを熱交換
することにより吐出側冷媒のエンタルピを下げることが
できるので、冷房運転時にあっては室内熱交換器（１２
０）における吸熱量、暖房運転時にあっては、室内熱交
換器（１２０）における放熱量を増大させることができ
る。
【００１１】以上に述べたように、本発明によれば、暖
房運転時において必要な潤滑油量を確保しつつ、成績係
数の悪化を防止することができる。
【００１２】ところで、暖房運転時において吐出側冷媒
と吸入側冷媒とを熱交換する主たる目的は、潤滑油と共
に圧縮機（１１０）に吸入される液相冷媒量を減少させ
ることである。このため、吸入側冷媒を過度に加熱する
と、圧縮機（１１０）に吸入される冷媒の加熱度が過度
に大きくなるので、却って、成績係数の悪化を招くおそ
れがある。一方、冷房運転時は、上記公報にも記載され
ているように、吐出側冷媒と吸入側冷媒とを積極的に熱
交換したほうがよい。
【００１３】これに対して、請求項２に記載の発明で
は、内部熱交換器（１５０）は、冷房運転時においては
吐出側冷媒と吸入側冷媒とが対向流れとなり、暖房運転
時において吐出側冷媒と吸入側冷媒とが同じ向きの流れ
となるように構成されていることを特徴としているの
で、冷房運転時においては吐出側冷媒と吸入側冷媒との
熱交換を促進し、暖房運転時において吐出側冷媒と吸入
側冷媒とが過度に熱交換されることを防止できる。
【００１４】したがって、冷房運転時及び暖房運転時の
いずれの場合においても、成績係数を向上させることが
できる。
【００１５】なお、請求項３に記載の発明のごとく、第
１減圧器（１６１）は、冷房運転時にはバルブ開度を可
変制御し、暖房運転時にはバルブ開度を全開状態とし、
さらに、第２減圧器（１６２）は、暖房運転時にはバル
ブ開度を可変制御し、冷房運転時にはバルブ開度を全開
状態とすることが望ましい。
【００１６】請求項４に記載の発明では、第１減圧器
（１６１）は、冷房運転時にバルブ開度を可変制御する
制御バルブ部（１６１ａ）、及び暖房運転時に制御バル
ブ部（１６１ａ）を迂回して冷媒を流通させるバイパス
部（１６１ｂ）を有して構成されており、さらに、第２
減圧器（１６２）は、暖房運転時に冷媒を減圧する開度
が固定された固定絞り部（１６２ａ）、及び冷房運転時
に固定絞り部（１６２ａ）を迂回して冷媒を流通させる
バイパス部（１６２ｂ）を有して構成されていることを
特徴とする。
【００１７】これにより、第２減圧器（１６２）の製造
原価を低減することができる。
【００１８】また、請求項５に記載の発明のごとく、ア
キュムレータ（１４０）、第１減圧器（１６１）及び内
部熱交換器（１５０）を一体化してもよい。
【００１９】さらに、請求項６に記載の発明のごとく、
冷媒として二酸化炭素を用いることが望ましい。
【００２０】因みに、上記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。
【００２１】
【発明の実施の形態】（第１実施形態）本実施形態は、
本発明に係るヒートポンプサイクルを、二酸化炭素を冷
媒とする電気自動車用の空調装置に適用したものであっ
て、図１は本実施形態に係る車両用空調装置の模式図で
ある。
【００２２】なお、図１中、一転鎖線で囲まれた機器が
本実施形態に係るヒートポンプ１００であり、ＦＣスタ
ック（高分子電解質型燃料電池）２００は酸素と水素と
を化学反応させることにより発電し、その発電した電力
を走行用電動モータ（図示せず）に供給する。
【００２３】インバータ制御方式の電動圧縮機１１０は
冷媒を吸入圧縮し、室内熱交換器１２０は室内に吹き出
す空気と冷媒とを熱交換し、室外熱交換器１３０は室外
空気と冷媒とを熱交換する。
【００２４】切換弁Ｖは圧縮機１１０から吐出した冷媒
を室内熱交換器１２０側に流通させる場合と室外熱交換
器１３０側に流通させる場合とを切り換える。アキュム
レータ１４０は冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して
気相冷媒を圧縮機１１０の吸入側に流出させるととも
に、ヒートポンプ中の余剰冷媒を蓄える。
【００２５】ここで、アキュムレータ１４０は、図２に
示すように、略円筒状のアキュムレータハウジング１４
１の上方側に設けられた冷媒流入口１４２、下方側に向
けて凸となるように略Ｊ字状に形成された冷媒排出管１
４３、及びアキュムレータ１４０内に流入する冷媒の噴
流によりアキュムレータ１４０内が撹拌されて液相冷媒
と気相冷媒とが混合してしまうことを防止する撹拌防止
プレート１４５等から構成されている。
【００２６】そして、冷媒排出管１４３は、その一端側
がアキュムレータハウジング１４１内の液相冷媒の液面
より上方側であって、かつ、冷媒流入口１４２より下方
側にて開口することにより気相冷媒を冷媒排出管１４３
内に導入し、その導入した気相冷媒を圧縮機１１０の吸
入側に向けて流出する。
【００２７】また、冷媒排出管１４３の下端部には、液
相冷媒より下方側に溜まった潤滑油を吸入するオイル戻
し穴１４４が設けられており、アキュムレータ１４０に
て分離蓄えられた潤滑油は、冷媒排出管１４３内を流通
する気相冷媒と共に圧縮機１００に吸入される。ここ
で、潤滑油は、ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）を
主成分としたオイルである。
【００２８】なお、潤滑油と液相冷媒とは、実際には図
２に示すように完全に分離しているものではない。した
がって、ここで言う潤滑油とは、純粋に潤滑油のみを意
味するものではなく、潤滑油を多量に含む液相冷媒を意
味するものである。
【００２９】また、図１中、内部熱交換器１５０は室内
熱交換器１２０と室外熱交換器１３０との間を流通する
吐出側冷媒とアキュムレータ１４０から流出して圧縮機
１１０に吸入される吸入側冷媒とを熱交換する。この内
部熱交換器１５０は、内筒側に吐出側冷媒が流れ、外筒
側に吸入側冷媒が流れる二重円筒式の熱交換器である。
【００３０】電気式の第１減圧器１６１は、内部熱交換
器１５０と室内熱交換器１２０とを結ぶ冷媒通路に設け
られて、室内に吹き出す空気を冷却する冷房運転時にお
いて室外熱交換器１３０から流出した冷媒を減圧する。
電気式の第２減圧器１６２は、室外熱交換器１３０と内
部熱交換器１５０とを結ぶ冷媒通路に設けられて、室内
に吹き出す空気を加熱する暖房運転時において室内熱交
換器１２０から流出した冷媒を減圧する。これら減圧器
（減圧弁）１６１、１６２の開度は、後述する電子制御
装置により制御されている。
【００３１】また、空調ケーシング３００は車室内に吹
き出す空気の通路を構成する。この空調ケーシング３０
０の空気流れ上流側には、室内空気を導入する内気導入
口３０１及び室外空気を導入する外気導入口３０２が設
けられている。
【００３２】そして、両導入口３０１、３０２は内外気
切換ドア３０３により切り換え開閉される。なお、遠心
式の送風機３０４は車室内に向けて空気を送風する。
【００３３】また、空調ケーシング３００内のうち送風
機３０４より空気流れ下流側には、ヒートポンプ１００
の室内熱交換器１２０が配設され、室内熱交換器１２０
の空気流れ下流側にはＦＣスタック２００で発生した廃
熱を回収した冷却水により空気を加熱するヒータコア２
１０が配設されている。
【００３４】エアミックスドア３０５はヒータコア２１
０を通過する温風の風量とヒータコア２１０を迂回して
下流側に流れる冷風の風量との風量割合を調節すること
により車室内に吹き出す空気の温度を調節する。
【００３５】なお、エアミックスドア３０５及びヒータ
コア２１０の空気流れ下流側には、車室内乗員の上半身
に空調空気を吹き出すためのフェイス開口部（図示せ
ず）と、車室内乗員の足元に空気を吹き出すためのフッ
ト開口部（図示せず）と、フロントガラス（図示せず）
の内面に向かって空気を吹き出すためのデフロスタ開口
部（図示せず）とが形成されており、これら開口部の空
気上流側部位それぞれには、各開口部を開閉する吹出モ
ード切換ドア（図示せず）が配設されている。
【００３６】そして、吹出モード切換ドア、エアミック
スドア３０５、及び内外気切換ドア３０３は駆動手段を
なすサーボモータＭ１〜Ｍ３により駆動されており、こ
れらサーボーモータＭ１〜Ｍ３及び送風機３０４の電動
モータＭ４は、図３に示すように、電子制御装置（ＥＣ
Ｕ）３１０により制御されている。
【００３７】また、ＥＣＵ３１０には、室外熱交換器１
３０から流出する冷媒の圧力を検出する第１圧力センサ
３１１、室外熱交換器１３０から流出する冷媒の温度を
検出する第１温度センサ３１２、室内熱交換器１２０か
ら流出する冷媒の圧力を検出する第２圧力センサ３１
３、室内熱交換器１２０から流出する冷媒の温度を検出
する第２温度センサ３１４、室外空気の温度を検出する
外気温度センサ３１５、室内熱交換器１２０を通過した
直後の空気の温度を検出する室内熱交換器後温度センサ
３１６、室内空気の温度を検出する内気気温度センサ３
１７、及び車室内に注がれる日射量を検出する日射セン
サ３１８の検出値、並びに乗員が希望する室内温度を設
定入力する温度コントロールパネル３１９に入力された
設定値が入力されている。
【００３８】そして、ＥＣＵ３１０は、センサ３１１〜
３１８の検出値及び温度コントロールパネルの設定温度
Ｔｓｅｔに基づいて予め設定されたプログラムに従って
吹出モード切換ドア（Ｍ１）、エアミックスドア３０５
（Ｍ２）、内外気切換ドア３０３（Ｍ３）、送風機３０
４（Ｍ４）、減圧器１６１、１６２、切換弁Ｖ、及び圧
縮機１１０を制御する。
【００３９】次に、本実施形態に係る空調装置の特徴的
作動を述べる。
【００４０】１．冷房運転時（図４参照） 冷房運転スイッチ（図示せず）が投入されると、図４に
示すように、エアミックスドア３０５にてヒータコア２
１０のコア面を塞ぐことにより、室内熱交換器１２０を
通過した冷風の全てをヒータコア２１０を迂回させて流
通させるとともに、冷媒を、圧縮機１１０→室外熱交換
器１３０→第２減圧器１６２→内部熱交換器１５０→第
１減圧器１６１→室内熱交換器１２０→アキュムレータ
１４０→内部熱交換器１５０→圧縮機１１０の順に循環
させる。
【００４１】このとき、第２減圧器１６２はバルブ開度
を全開として第２減圧器１６２で発生する圧力損失をで
きるだけ小さくし、第１減圧器１６１は、室外熱交換器
１３０出口側の冷媒温度、すなわち第１温度センサ３１
２の検出温度と室外熱交換器１３０出口側の冷媒圧力、
すなわち第１圧力センサ３１１の検出圧力とが、図５の
高圧制御線ηで示される関係となるようバルブ開度を可
変制御する。
【００４２】なお、高圧制御線ηとは、サイクルの成績
係数が最大となる高圧側の冷媒温度、すなわち室外熱交
換器１３０出口側の冷媒温度と高圧側の冷媒圧力、すな
わち室外熱交換器１３０出口側の冷媒圧力との関係を示
すもので、冷房運転時の高圧制御線ηと暖房運転時の高
圧制御線ηとは通常相違している。
【００４３】これにより、室内熱交換器１２０では、冷
媒が室内に吹き出す空気から熱を奪って蒸発することに
より室内に吹き出す空気を冷却し、室外熱交換器１３０
では、室内に吹き出す空気から奪った熱を外気に放熱す
ることにより冷媒温度が低下する。
【００４４】このとき、内部熱交換器１５０では、吐出
側冷媒と吸入側冷媒とが対向流れとなった状態で熱交換
される。
【００４５】一方、空調ケーシング３００内では、室内
熱交換器１２０にて冷却された空気がヒータコア２１０
を迂回して流通するので、車室内に冷風が供給される。
このとき、車室内に吹き出す空気の温度は、圧縮機１１
０の回転数を制御することにより行われる。
【００４６】２．暖房運転 暖房運転スイッチ（図示せず）が投入されると、図６に
示すように、エアミックスドア３０５を全開とすること
により、室内熱交換器１２０を通過した温風をヒータコ
ア２１０を通過するように流通させるとともに、冷媒
を、圧縮機１１０→室内熱交換器１２０→第１減圧器１
６１→内部熱交換器１５０→第２減圧器１６２→室外熱
交換器１３０→アキュムレータ１４０→内部熱交換器１
５０→圧縮機１１０の順に循環させる。
【００４７】このとき、第１減圧器１６１はバルブ開度
を全開として第１減圧器１６１で発生する圧力損失をで
きるだけ小さくし、第２減圧器１６２は、室内熱交換器
１２０出口側の冷媒温度、すなわち第２温度センサ３１
４の検出温度と室内熱交換器１２０出口側の冷媒圧力、
すなわち第２圧力センサ３１２の検出圧力とが高圧制御
線ηで示される関係となるようバルブ開度を可変制御す
る。
【００４８】これにより、室内熱交換器１２０では、冷
媒が室内に吹き出す空気に放熱することにより冷媒温度
が低下する。室外熱交換器１３０では、冷媒が外気から
熱を奪って蒸発する。
【００４９】このとき、内部熱交換器１５０では、吐出
側冷媒と吸入側冷媒とが同じ向きの流れとなった状態で
熱交換される。
【００５０】一方、空調ケーシング３００内では、室内
熱交換器１２０にて加熱された空気がヒータコア２１０
にて再加熱されて流通し、車室内に温風が供給される。
このとき、車室内に吹き出す空気の温度は、圧縮機１１
０の回転数を制御することにより行われる。ヒータコア
２１０にて十分な暖房能力を得ることができるときに
は、圧縮機１１０は停止する。
【００５１】次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００５２】本実施形態によれば、暖房運転時において
も吐出側冷媒と吸入側冷媒とを熱交換するので、暖房運
転時においても、吸入側冷媒中の潤滑油を多く含む液相
冷媒を吐出側冷媒により加熱して液相冷媒を気化させる
ことができる。
【００５３】このため、圧縮機１１０に吸入される液相
冷媒量を減少させることができるので、圧縮機１１０の
圧縮仕事が増大することを防止しつつ、オイル戻し穴１
４４の開口面積を暖房運転時において最適な潤滑油量を
確保することができる程度まで拡大することができる。
【００５４】また、吐出側冷媒と吸入側冷媒とを熱交換
することにより吐出側冷媒のエンタルピを下げることが
できるので、冷房運転時にあっては室内熱交換器１２０
における吸熱量、暖房運転時にあっては、室内熱交換器
１２０における放熱量を増大させることができる。
【００５５】以上に述べたように、本実施形態によれ
ば、暖房運転時において必要な潤滑油量を確保しつつ、
成績係数の悪化を防止することができる。
【００５６】なお、図５の破線で示すサイクルの状態線
図は吐出側冷媒と吸入側冷媒とを熱交換しない場合を示
しており、図５の実線で示すサイクルの状態線図は吐出
側冷媒と吸入側冷媒とを熱交換する場合を示している。
また、図７は吐出側冷媒と吸入側冷媒とを熱交換しない
場合及び熱交換する場合の放熱量と成績係数と潤滑油の
オイル循環とを示すグラフである。
【００５７】そして、これらグラフからも明らかなよう
に、本実施形態によれば、暖房運転時において必要な潤
滑油量を確保しつつ、成績係数の悪化を防止することが
できることが判る。
【００５８】ところで、暖房運転時において吐出側冷媒
と吸入側冷媒とを熱交換する主たる目的は、前述のごと
く、潤滑油と共に圧縮機１１０に吸入される液相冷媒量
を減少させることである。
【００５９】このため、吸入側冷媒を過度に加熱する
と、圧縮機１１０に吸入される冷媒の加熱度が過度に大
きくなるので、却って、成績係数の悪化を招くおそれが
ある。一方、冷房運転時は、上記公報にも記載されてい
るように、吐出側冷媒と吸入側冷媒とを積極的に熱交換
したほうがよい。
【００６０】これに対して、本実施形態では、内部熱交
換器１５０は、冷房運転時においては吐出側冷媒と吸入
側冷媒とが対向流れとなり、暖房運転時において吐出側
冷媒と吸入側冷媒とが同じ向きの流れとなるように構成
されているので、冷房運転時においては吐出側冷媒と吸
入側冷媒との熱交換を促進し、暖房運転時において吐出
側冷媒と吸入側冷媒とが過度に熱交換されることを防止
できる。
【００６１】したがって、冷房運転時及び暖房運転時の
いずれの場合においても、成績係数を向上させることが
できる。
【００６２】（第２実施形態）第１実施形態では、第１
減圧器１６１は、暖房運転時にはバルブ開度を全開とす
ることにより第１減圧器１６１で発生する圧力損失をで
きるだけ小さくするバイパス手段を構成し、冷房運転時
には室外熱交換器１３０出口側の冷媒温度に基づいて室
外熱交換器１３０出口側の冷媒圧力を制御したが、本実
施形態は、図８に示すように、室外熱交換器１３０出口
側の冷媒温度に基づいて室外熱交換器１３０出口側の冷
媒圧力を制御する機械式の膨張弁１６１ａ、膨張弁１６
１ａを迂回して冷媒を流通させるバイパス回路１６１
ｂ、及びバイパス回路１６１ｂを開閉する電磁弁１６１
ｃにより第１減圧器１６１を構成したものである。
【００６３】なお、電磁弁１６１ｃは冷房運転時はバイ
パス回路１６１ｂを閉じ、暖房運転時にはバイパス回路
１６１ｂを開くようにＥＣＵ３１０により制御される。
なお、第２減圧器１６２の作動は、第１実施形態と同じ
である。
【００６４】（第３実施形態）第１実施形態では、第２
減圧器１６２は、冷房運転時にはバルブ開度を全開とす
ることにより第２減圧器１６２で発生する圧力損失をで
きるだけ小さくするバイパス手段を構成し、暖房運転時
には室内熱交換器１２０出口側の冷媒温度に基づいて室
内熱交換器１２０出口側の冷媒圧力を制御したが、本実
施形態は、図９に示すように、開度が固定されたオリフ
ィスやキャピラリチューブ等の固定絞り１６２ａ、固定
絞り１６２ａを迂回して冷媒を流通させるバイパス回路
１６２ｂ、及びバイパス回路１６２ｂを開閉する電磁弁
１６２ｃにより第２減圧器１６２を構成したものであ
る。
【００６５】なお、電磁弁１６２ｃは冷房運転時はバイ
パス回路１６２ｂを開き、暖房運転時にはバイパス回路
１６２ｂを閉じるようにＥＣＵ３１０により制御され
る。なお、第１減圧器１６１の作動は、第１実施形態と
同じである。
【００６６】（第４実施形態）第２、３実施形態では、
バイパス回路１６１ｂ、１６２ｂを電磁弁１６１ｃ、１
６２ｃにて開閉したが、本実施形態は、図１０、１１に
示すように、電磁弁１６１ｃ、１６２ｃに変えて一方向
のみ冷媒が流通することを許容する逆止弁１６１ｄ、１
６２ｄとしたものである。
【００６７】なお、図１０は第２実施形態に対して本実
施形態を適用した例であり、図１１は第３実施形態に対
して本実施形態を適用した例である。
【００６８】（第５実施形態）本実施形態は、図１２に
示すように、第４実施形態の固定絞り１６２ａ、バイパ
ス回路１６２ｂ、及び逆止弁１６２ｄを一体化し、第２
減圧器としたものである。
【００６９】具体的には、図１３に示すように、冷媒通
路を構成するハウジング１６２Ａと、ハウジング１６２
Ａに形成された弁口１６２Ｂを開閉するとともに、固定
絞り１６２ａをなすオリフィス１６２Ｅが形成された弁
体１６２Ｃと、弁口１６２Ｂを閉じる向きの弾性力を弁
体１６２Ｃに作用させる弾性部材としてのコイルバネ１
６２Ｄとからなるものである。
【００７０】そして、冷房運転時には、図１４に示すよ
うに、弁口１６２Ｂ側から弁体１６２Ｃに作用する冷媒
流れの動圧により弁口１６２Ｂが全開状態となって第２
減圧器１６２で発生する圧力損失をできるだけ小さくす
るバイパス手段を構成する。
【００７１】一方、暖房運転時には、図１５に示すよう
に、コイルバネ１６２Ｄ側から弁体１６２Ｃに作用する
冷媒流れの動圧により弁口１６２Ｂが閉じるので、冷媒
はオリフィス１６２Ｅにて絞られて減圧される。
【００７２】（第６実施形態）本実施形態は、図１６に
示すように、第４実施形態における第１減圧器１６１
（図１０参照）、アキュムレータ１４０及び内部熱交換
器１５０を一体化し、アキュムレータモジュール４００
とした。なお、第２減圧器１６２及びその作動は第２実
施形態と同じである 図１７はアキュムレータモジュール４００の断面模式図
であり、アキュムレータハウジング１４１の上方側は、
機械式の膨張弁１６１ａ、バイパス回路１６１ｂ及び逆
止弁１６１ｄが一体化されたバルブモジュール４０１に
て閉塞され、アキュムレータハウジング１４１内には内
部熱交換器１５０及び冷媒排出管１４３が収納されてい
る。
【００７３】なお、本実施形態では、オイル戻し穴１４
４には、冷媒排出管１４３内に異物が吸引されることを
防止する網状の金属メッシュにて形成されたフィルタ１
４４ａが設けられている。
【００７４】ここで、内部熱交換器１５０は、図１８、
１９に示すように、吐出側冷媒が流通する渦巻き状に巻
かれた扁平チューブ１５１が収納された円筒状のケーシ
ング１５２、及びケーシング１５２に形成された冷媒の
流出入用の開口部１５３〜１５６等からなるものであ
る。
【００７５】なお、冷房運転時において、開口部１５３
は扁平チューブ１５１に吐出側冷媒を供給するものであ
り、開口部１５５は内部熱交換を終えた吐出側冷媒をケ
ーシング１５２外に流出させるものである。また、開口
部１５４はケーシング１５２内に吸入側冷媒を供給する
ものであり、開口部１５６は内部熱交換を終えた吸入側
冷媒を圧縮機１１０に流出させるものである。
【００７６】ここで、扁平チューブ１５１の扁平面に
は、その長手方向全域に渡って突出する複数本の突条１
５１ａが押し出し加工又は引く抜き加工にて扁平チュー
ブ１５１と共に一体成形されており、この突条１５１ａ
の先端が隣り合う扁平チューブ１５１の扁平面に接触す
ることにより隣り合う扁平チューブ１５１間に吸入側冷
媒が流れる通路が形成されている。
【００７７】また、図２０はバルブモジュール４０１の
断面を示しており、以下、バルブモジュール４０１につ
いて述べる。
【００７８】制御弁本体４１０は、高圧側の冷媒温度に
応じて内圧が変化する感温部４１１を有し、感温部４１
１の内圧の変化にて機械的に連動して弁口４１２の開度
を調節する。ケーシング４３０は制御弁本体４１０を収
納する。
【００７９】なお、ケーシング４３０は、ケーシング本
体部４３２、第１センタハウジング４３４、第２センタ
ハウジング３４４ａ、及びカバー４３４ｂから構成され
ている。ケーシング本体部４３４には、制御弁本体部４
１０が固定され、第２減圧装置１６２と連通する第１冷
媒通路４３１が形成されている。第２センタハウジング
４３４ａには、室内熱交換器１２０と連通する第２冷媒
通路４３５が形成され、また、逆止弁１６１ｄが収納さ
れている。カバー４３４ｂは、ケーシング本体部４３２
に制御弁本体４１０を挿入組み付けするための開口部を
閉塞する。
【００８０】そして、ケーシング本体部４３２には、内
部熱交換器１５０の冷媒開口部１５３に接続される冷媒
出口４３５、及び内部熱交換器１５０の冷媒開口部１５
５に接続される冷媒入口４３６が形成されている。そし
て、冷媒出口４３５は第１冷媒通路４３１に連通し、冷
媒入口４３６は、制御弁本体４１０の弁口４１２の冷媒
流れ上流側に連通している。
【００８１】なお、以下、第１冷媒通路４３１から冷媒
出口４３５までの冷媒通路を感温室４３７と呼び、冷媒
入口４３６から弁口４１２までの冷媒通路を上流側冷媒
通路４３８と呼ぶ。
【００８２】ところで、制御弁本体４１０の感温部４１
１は、感温室４３７内に位置して室外熱交換器１３０出
口側の冷媒温度を感知するものであり、この感温部４１
１は、薄膜状のダイヤフラム４１１ａ、ダイヤフラム４
１１ａと共に制御室４１１ｃを形成するダイヤフラムカ
バー４１１ｂ、及びダイヤフラムカバー４１１ｂと共に
ダイヤフラム４１１ａを挟み込むようにしてダイヤフラ
ム４１１ａを固定すダイヤフラムサポート４１１ｄから
構成されている。
【００８３】なお、制御室４１１ｃ内には、冷媒の温度
が０℃での飽和液密度から冷媒の臨界点での飽和液密度
に至る範囲の密度（本実施形態では約６２５ｋｇ／
ｍ3）で封入されており、ダイヤフラム４１１ａを挟ん
で制御室４１１ｃの反対側には、導圧通路４１１ｅを介
して感温室４３７の圧力が導かれている。
【００８４】また、４１１ｆは制御室４１１ｃに冷媒を
封入する封入管であり、この封入管４１１ｆは、感温室
４３７内の冷媒温度に対して制御室４１１ｃ内の冷媒温
度を時間差無く追従させるべく、銅などの熱伝導率の高
い金属製である。
【００８５】ニードル弁体４１３は弁口４１２の開度を
調節する。このニードル弁体４１３は、ダイヤフラム４
１１ａに接合されて制御室４１１ｃの内圧上昇に機械的
に連動して弁口４１２の開度を縮小させる向きに可動す
るように構成されている。
【００８６】また、バネ４１４は、弁口４１２の開度を
縮小させる向きの弾性力をニードル弁体４１３に作用さ
せる弾性部材であり、ニードル弁体４１３はバネ４１４
の弾性力と、制御室４１１ｃ内外の差圧による力との釣
り合いに応じて可動する。
【００８７】このとき、バネ４１４の初期設定荷重は、
調整ナット４１５を回すことにより調節され、その初期
設定荷重、すなわち弁口４１２を閉じた状態での弾性力
は、冷媒が臨界圧力以下の凝縮域において、所定の過冷
却度（本実施形態では約１０℃）を有するように設定さ
れている。具体的には、初期設定荷重における、制御室
４１１ｃ内での圧力換算で約１［ＭＰａ］である。な
お、バネ座４１５ａは、調整ナット４１５を回す際にバ
ネ４１４と調節ナット４１５が直接に擦れることを防止
する。
【００８８】以上に述べた構成により、膨張弁１６１ａ
は、超臨界領域では、６２５ｋｇ／ｍ3の等密度線に沿
うように、室外熱交換器１３０出口側の冷媒温度に基づ
いて、室外熱交換器１３０出口側の冷媒圧力を制御し、
凝縮域では、室外熱交換器１３０出口側の冷媒の過冷却
度が所定値となるように、室外熱交換器１３０出口側の
冷媒圧力を制御する。このとき、超臨界域においては、
高圧制御線ηと６２５ｋｇ／ｍ3の等密度線とは略一致
するので、室外熱交換器１３０出口側の冷媒圧力が高圧
制御線ηに沿うように制御される。
【００８９】ところで、制御弁本体４１０のダイヤフラ
ムカバー４１１ｂ及びダイヤフラムサポート４１１ｄ
は、感温室４３７と上流側冷媒通路４３８とを離隔する
とともに、上流側冷媒通路４３８側の冷媒が感温室４３
７側の冷媒によって加熱されることを防止する隔壁部を
構成している。
【００９０】なお、ニードル弁体４１３は、ニードル弁
体４１３の摺動を案内するダイヤフラムサポート４１１
ｄを貫通して感温室４３７側から上流側冷媒通路４３８
側に到達しているので、ニードル弁体４１３とダイヤフ
ラムサポートとの隙間は、感温室４３７からこの隙間を
経由して上流側冷媒通路４３８に多くの冷媒が流通しな
い程度としなければならない。
【００９１】因みに、図２０は冷房運転時における冷媒
流れを示しており、図２１は暖房運転時における冷媒流
れを示している。暖房時、制御室４１１ｃ内外の差圧に
よる力とバネ４１４の付勢力とのバランスにより、ニー
ドル弁体４１３により弁口４１２は完全に閉じられる。
このため、室内熱交換器１２０からバルブモジュール４
０１に流入した冷媒は、第２冷媒通路４３３を通過せ
ず、逆止弁１６１ｄの側へ流れる。逆止弁１６１ｄは冷
媒の動圧により開状態となり、冷媒は逆止弁１６１で、
暖房用冷媒通路４３９、冷媒入口４３６を経て内部熱交
換器１５０に流入する。
【００９２】（第７実施形態）本実施形態は、ヒータコ
ア２１０が無い場合に対処するものであり、具体的に
は、図２２に示すように、室内熱交換器１２０を空気を
冷却する第１室内熱交換器１２１と空気を加熱する第２
室内熱交換器１２２とから構成したものである。
【００９３】なお、内部熱交換器１５０は、図２３に示
すように、３つの熱交換器１５０ａ、１５０ｂ、１５０
ｃから構成されており、第１内部熱交換器１５０ａと第
３内部熱交換器器１５０ｃとによって第２室内熱交換器
１２２を流通した冷媒と圧縮機１１０に吸入される冷媒
とを熱交換し、第２内部熱交換器１５０ｂと第３内部熱
交換器１５０ｃとによって第１室内熱交換器１２１へ流
入する冷媒と圧縮機１１０に吸入される冷媒とを熱交換
するようになっている。
【００９４】また、内部熱交換器１５０ｂ及び第１減圧
器１６１を迂回させて第１室内熱交換器１２１に冷媒を
導くバイパス回路１７１を、第１バイパス弁１７０によ
って開閉し、内部熱交換器１５０ａ及び第２減圧器１６
２を迂回させて第２室内熱交換器１２２に冷媒を導くバ
イパス回路１７３を、第２バイパス弁１７２によって開
閉するようになっている。
【００９５】次に、本実施形態の作動を述べる。
【００９６】１．冷房運転 エアミックスドア３０５を全閉とした状態で、圧縮機１
１０→第２室内熱交換器１２２→第２バイパス弁１７２
→室外熱交換器１３０→第２内部熱交換器１５０ｂ→第
１減圧器１６１→第１室内熱交換器１２１→アキュムレ
ータ１４０→第３内部熱交換器１５０ｃ→圧縮機１１０
の順に冷媒を循環させる。
【００９７】これにより、第１室内熱交換器１２１で冷
却された空気は、第２室内熱交換器１２２にて加熱され
ることなく室内に吹き出す。なお、吹出温度の制御は、
圧縮機１１０の回転数又は循環冷媒流量で制御する。
【００９８】２．暖房運転 エアミックスドア３０５を全開とした状態で、圧縮機１
１０→第２室内熱交換器１２２→第１内部熱交換器１５
０ａ→第２減圧器１６２→室外熱交換器１３０→第１バ
イパス弁１７０→アキュムレータ１４０→第３内部熱交
換器１５０ｃ→圧縮機１１０の順に冷媒を循環させる。
これにより、第２室内熱交換器１２２で加熱された空気
は室内に吹き出す。なお、吹出温度の制御は、圧縮機１
１０の回転数又は循環冷媒流量で制御する。
【００９９】３．除湿運転 エアミックスドア３０５を全開とした状態で、圧縮機１
１０→第２室内熱交換器１２２→第１内部熱交換器１５
０ａ→第２減圧器１６２→室外熱交換器１３０→第２内
部熱交換器１５０ｂ→第１減圧器１６１→第１室内熱交
換器１２１→アキュムレータ１４０→第３内部熱交換器
１５０ｃ→圧縮機１１０の順に冷媒を循環させる。
【０１００】これにより、第１室内熱交換器１２１にて
冷却除湿された空気は、第２室内熱交換器１２２にて加
熱されて室内に吹き出す。このとき、加熱能力は第２減
圧器１６２の開度を調節することにより室外熱交換器１
３０の圧力を制御することにより制御する。
【０１０１】なお、第２減圧器１６２の開度を小さくす
ると、室外熱交換器１３０の圧力が低下して外気から吸
熱するので加熱能力が増大し、逆に、開度を大きくする
と、室外熱交換器１３０の圧力が上昇して外気中に放熱
するので加熱能力が低下する。
【０１０２】以上に述べたように、本実施形態によれ
ば、燃料電池やエンジン等の廃熱源が無くても、冷房運
転時及び暖房運転時のいずれの場合においても、成績係
数を向上させながら空調を行うことができる。
【０１０３】（その他の実施形態）上述の実施形態で
は、燃料電池自動車に本発明を適用したが、本発明はこ
れに限定されるものでは、バッテリ等の二次電池を電源
とする電気自走車や、ガソリンエンジンやディーゼルエ
ンジン等の熱機関を有する自動車等にも適用することが
できる。
【０１０４】また、熱源は、ＦＣスタック２００に限定
されるものではなく、走行用モータのインバータ回路等
の電気回路や熱機関等のその他の発熱機器であってもよ
い。
【０１０５】また、上述の実施形態では、二酸化炭素を
冷媒とするヒートポンプを例に本発明を説明したが、本
発明はこれに限定されるものではなく、例えば、エチレ
ン、エタン、酸化窒素等を冷媒とする、高圧側冷媒圧力
が冷媒の臨界圧力を越える超臨界冷凍サイクルは勿論、
フロン等を冷媒とする、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧
力未満である冷凍サイクルに対しても適用することがで
きる。
【０１０６】また、上述の実施形態では、オイル戻し穴
１４４から取り出された潤滑油は、アキュムレータ１４
０にて分離された気相冷媒と共にアキュムレータ１４０
から流出されたが、両者を分離して流出させて圧縮機１
１０にて混合してもよい。
【０１０７】なお、この場合、冷房運転時は、分離され
た気相冷媒と吐出側冷媒との間で熱交換を行い、暖房運
転時は、取り出された潤滑油を含む液相冷媒と吐出側冷
媒との間で熱交換を行うように内部熱交換器１５０を構
成することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るヒートポンプサイ
クルの模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るアキュムレータの
模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るヒートポンプサイ
クルの制御系の模式図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るヒートポンプサイ
クルの冷房運転時における模式図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るヒートポンプサイ
クルのモリエル線図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係るヒートポンプサイ
クルの暖房運転時における模式図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係るヒートポンプサイ
クルの暖房能力と成績係数を示すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態に係るヒートポンプサイ
クルの模式図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係るヒートポンプサイ
クルの模式図である。
【図１０】本発明の第４実施形態に係るヒートポンプサ
イクルの模式図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係るヒートポンプサ
イクルの模式図である。
【図１２】本発明の第５実施形態に係るヒートポンプサ
イクルの模式図である。
【図１３】本発明の第５実施形態に係るヒートポンプサ
イクルに適用される第２減圧器の模式図である。
【図１４】本発明の第５実施形態に係るヒートポンプサ
イクルに適用される第２減圧器の冷房運転時における模
式図である。
【図１５】本発明の第５実施形態に係るヒートポンプサ
イクルに適用される第２減圧器の暖房運転時における模
式図である。
【図１６】本発明の第６実施形態に係るヒートポンプサ
イクルの模式図である。
【図１７】本発明の第６実施形態に係るヒートポンプサ
イクルに適用されるアキュムレータモジュールの模式断
面図である。
【図１８】本発明の第６実施形態に係るアキュムレータ
モジュール内に収納される内部熱交換器の外観図であ
る。
【図１９】図１８のＡ−Ａ断面図である。
【図２０】本発明の第６実施形態に係るバルブモジュー
ルの冷房運転時における模式断面図である。
【図２１】本発明の第６実施形態に係るバルブモジュー
ルの暖房運転時における模式断面図である。
【図２２】本発明の第７実施形態に係るヒートポンプサ
イクルの模式図である。
【図２３】本発明の第７実施形態に係るヒートポンプサ
イクルに採用される内部熱交換機の模式図である。
【符号の説明】
１１０…圧縮機、１２０…室内熱交換器、１３０…室外
熱交換器、１４０…アキュムレータ、１５０…内部熱交
換器、１６１…第１減圧器、１６２…第２減圧装置、２
００…ＦＣスタック、２１０…ヒータコア。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２５Ｂ 43/00 Ｆ２５Ｂ 43/00 Ｇ (72)発明者 山中 康司 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 戸松 義貴 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 平田 敏夫 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 3L092 AA01 AA08 BA16 BA21 BA27 DA15 EA02 FA27

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 冷暖房切換可能なヒートポンプサイクル
    であって、 冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１１０）と、 室外空気と冷媒との間で熱交換を行う室外熱交換器（１
    ３０）と、 室内に吹き出す室内空気と冷媒との間で熱交換を行う室
    内熱交換器（１２０）と、 冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離するとともに、潤滑
    油を含む液相冷媒を取り出すオイル戻し穴（１４４）を
    有し、そのオイル戻し穴（１４４）から取り出された潤
    滑油を含む液相冷媒と、分離した気相冷媒とを前記圧縮
    機（１１０）の吸入側に流出させるアキュムレータ（１
    ４０）と、 前記室内熱交換器（１２０）と前記室外熱交換器（１３
    ０）との間を流通する吐出側冷媒と前記アキュムレータ
    （１４０）から流出して前記圧縮機（１１０）に吸入さ
    れる吸入側冷媒とを熱交換する内部熱交換器（１５０）
    と、 前記室内熱交換器（１２０）と前記内部熱交換器（１５
    ０）とを結ぶ冷媒通路に設けられ、室内に吹き出す空気
    を冷却する冷房運転時に前記内部熱交換器（１５０）か
    ら流出する冷媒を減圧する第１減圧器（１６１）と、 前記室外熱交換器（１３０）と前記内部熱交換器（１５
    ０）とを結ぶ冷媒通路に設けられ、室内に吹き出す空気
    を加熱する暖房運転時に前記内部熱交換器（１５０）か
    ら流出する冷媒を減圧する第２減圧器（１６２）とを備
    えることを特徴とするヒートポンプサイクル。
  2. 【請求項２】 前記内部熱交換器（１５０）は、冷房運
    転時においては前記吐出側冷媒と前記吸入側冷媒とが対
    向流れとなり、暖房運転時において前記吐出側冷媒と前
    記吸入側冷媒とが同じ向きの流れとなるように構成され
    ていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ
    サイクル。
  3. 【請求項３】 前記第１減圧器（１６１）は、冷房運転
    時にはバルブ開度を可変制御し、暖房運転時にはバルブ
    開度を全開状態とし、 さらに、前記第２減圧器（１６２）は、暖房運転時には
    バルブ開度を可変制御し、冷房運転時にはバルブ開度を
    全開状態とすることを特徴とすることを特徴とする請求
    項１又は２に記載のヒートポンプサイクル。
  4. 【請求項４】 前記第１減圧器（１６１）は、冷房運転
    時にバルブ開度を可変制御する制御バルブ部（１６１
    ａ）、及び暖房運転時に前記制御バルブ部（１６１ａ）
    を迂回して冷媒を流通させるバイパス部（１６１ｂ）を
    有して構成されており、 さらに、前記第２減圧器（１６２）は、暖房運転時に冷
    媒を減圧する開度が固定された固定絞り部（１６２
    ａ）、及び冷房運転時に前記固定絞り部（１６２ａ）を
    迂回して冷媒を流通させるバイパス部（１６２ｂ）を有
    して構成されていることを特徴とすることを特徴とする
    請求項１又は２に記載のヒートポンプサイクル。
  5. 【請求項５】 前記アキュムレータ（１４０）、前記第
    １減圧器（１６１）及び前記内部熱交換器（１５０）が
    一体化されていることを特徴とする請求項４に記載のヒ
    ートポンプサイクル。
  6. 【請求項６】 冷媒として二酸化炭素を用いたことを特
    徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のヒー
    トポンプサイクル。
  7. 【請求項７】 前記室内熱交換器は、空気を冷却する第
    １室内熱交換器（１２１）と空気を加熱する第２室内熱
    交換器（１２２）とを有して構成されていることを特徴
    とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のヒート
    ポンプサイクル。
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