JP2003034127A - ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】特に加熱対象物の温度が低い場合において、暖
房能力の高いヒートポンプを提供する。 【解決手段】圧縮機５２によって圧縮された冷媒は、室
内凝縮器６２で凝縮され高温高圧のガス冷媒となり、こ
のガス冷媒によって外気または内気が加熱され車室内に
供給される。一方、外気または内気を加熱したガス冷媒
は、減圧弁９６によって液化することのない適正圧力ま
で減圧された後、圧縮機５２に戻される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に温度の低い加
熱対象物を効果的に加熱することのできるヒートポンプ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図９は、車載用エアコンで構築される従
来の一般的なヒートポンプ２の概略構成を示す。このヒ
ートポンプ２は、冷媒を吸入圧縮する圧縮機４と、冷媒
を高温高圧の冷媒とする室内凝縮器６と、凝縮された冷
媒を液体と気体とに分離する気液分離器８と、液体の冷
媒を膨張させて低温低圧の冷媒とする膨張弁１０と、膨
張した冷媒を蒸発させて外気から熱を奪う室外吸熱器１
２とから基本的に構成される。この場合、圧縮機４は、
車両のエンジン１４によって回転駆動される。

【０００３】以上の構成からなるヒートポンプ２の動作
を図１０に基づいて説明する。図１０は、冷媒の圧力と
エンタルピとの関係を示すモリエル線図と、ヒートサイ
クルとを重ねて表したものである。

【０００４】冷媒は、室外吸熱器１２において外気から
熱を吸収し、過熱度を持った完全なガス状態とされた
後、圧縮機４により圧縮されて室内凝縮器６に供給され
る。次いで、このガス状態の冷媒は、室内凝縮器６にお
いて、過冷却度を持った高温高圧の完全な液状態とな
る。この液状態の冷媒は、送風ファン１６によって送風
される空気を加熱し、温風を室内に供給する。一方、液
状態の冷媒は、気液分離器８を介して膨張弁１０に供給
され、急激に膨張させることで低圧の冷媒として室外吸
熱器１２に供給された後、再び、過熱度を持ったガス状
態の冷媒として圧縮機４に戻される。

【０００５】ところで、上記のようにして外気を加熱す
るヒートサイクルの場合、外気温が低い条件では、ヒー
トポンプ２が駆動される前の冷媒の圧力が低く、この状
態から圧縮機４を駆動すると、室外吸熱器１２による吸
熱量が減少して着霜し、圧縮機４の吸入圧力が低下して
しまう。さらには、圧縮機４の吸入圧力が負圧となり、
冷媒の流量が減少して暖房性能が著しく低下する不具合
が生じる。

【０００６】そこで、図１１に示すようにヒートポンプ
３２を構成した従来技術が提案されている（特開平９−
３９５５０号公報参照）。このヒートポンプ３２では、
図１２に示すように、エンジン３３で駆動される圧縮機
３４により冷媒を圧縮して室内凝縮器３６に供給し、送
風ファン３８によって送風される空気を加熱し、温風を
室内に供給する。一方、室内凝縮器３６から排出された
冷媒は、減圧弁４０によって中間圧の冷媒に減圧された
後、気液分離器４２によって液体と気体とに分離され、
気体状態の冷媒が圧縮機３４に直接供給される。また、
液体状態の冷媒は、膨張弁４４によって膨張され、低圧
の冷媒として室外吸熱器４６に供給された後、ガス状態
の冷媒として圧縮機３４に供給される。

【０００７】この場合、圧縮機３４には、気液分離器４
２および室外吸熱器４６の双方からガス状態の冷媒が供
給されるため、十分な暖房能力を得ることができる。

【０００８】しかしながら、この従来技術では、ガス状
態の冷媒と液体状態の冷媒とを気液分離器４２によって
分離する必要があるため、配管経路が複雑になるばかり
でなく、圧縮機３４においては、図９に示す圧縮機４の
吸入ポートおよび吐出ポートに加えて、新たに気液分離
器４２からのガス状態の冷媒を吸入する吸入ポートが必
要となり、システム全体が複雑となる問題がある。ま
た、室外吸熱器４６を使用しているので、外気温が低い
場合には、室外吸熱器４６が着霜して暖房効率が低下し
てしまうという問題がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記の不具
合を解消するためになされたもので、特に加熱対象物の
温度が低い場合において、暖房能力の高いヒートポンプ
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明では、圧縮機によってガス冷媒を圧縮し、
凝縮器によって液化しない範囲でガス冷媒を凝縮し、そ
の際に発生する熱によって加熱対象物を加熱する。次い
で、凝縮されたガス冷媒は、減圧弁で負圧とならない適
正圧力まで減圧された後、圧縮機に戻される。

【００１１】この場合、冷媒は、圧縮機から液化される
ことなく凝縮器および減圧器を介して再び圧縮機に供給
されるため、圧縮機における吸入圧力が適正に保持さ
れ、冷媒流量が加熱対象物の温度によって減少すること
がなく、これによって高い暖房能力が保持される。

【００１２】なお、温度検出部により加熱対象物の温度
を検出し、加熱対象物供給制御部により加熱対象物の流
量を制御することで、ガス冷媒を液化しない状態で凝縮
器から排出することができる。

【００１３】また、温度検出部により加熱対象物の温度
を検出し、圧縮機制御部を制御することで、ガス冷媒を
液化しない状態で凝縮器から排出することができる。

【００１４】さらに、温度検出部により加熱対象物の温
度を検出し、減圧弁を制御することで、ガス冷媒を液化
しない状態で凝縮器から排出することができる。

【００１５】上記のように構成されるヒートポンプを車
載用エアコンの冷凍サイクルの一部によって構成するこ
とにより、効率的に冷暖房を遂行することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明のヒートポンプが
適用される本実施形態の車載用エアコン５０を示す。こ
の車載用エアコン５０は、冷凍サイクルとヒートサイク
ルとを備える。

【００１７】冷凍サイクルは、冷媒を吸入圧縮する圧縮
機５２と、ラジエータの前面に取り付けられ、冷却ファ
ン５４等によって送給される外気により高温高圧の冷媒
を冷却して液化する室外凝縮器５６と、レシーバ５８
と、冷媒を膨張させて低温低圧の状態とする膨張弁６０
と、車室側に配設され、膨張弁６０から供給された冷媒
を蒸発させることにより周囲から熱を吸収する室内吸熱
器６１とから基本的に構成される。なお、圧縮機５２と
室外凝縮器５６との間には、後述するヒートサイクル時
において機能する室内凝縮器６２と、冷凍サイクルおよ
びヒートサイクルを切り換えるための三方弁等からなる
切換弁６６とが配設される。

【００１８】室内吸熱器６１および室内凝縮器６２は、
車室側の空調ダクト６８内に配設される。空調ダクト６
８は、外気または内気を取り入れる吸入口７０、７２を
一端部に備える。吸入口７０、７２は、切換ドア７４に
よって切り換え可能に構成される。なお、吸入口７０の
近傍には、外気の温度を検出するための温度検出器７６
が配設される。また、空調ダクト６８内には、吸入口７
０、７２に近接し、モータ７８によって回転する送風フ
ァン８０、８２が配設される。

【００１９】空調ダクト６８の他端部には、室内吸熱器
６１または室内凝縮器６２によって温度調整された空気
を車室内の所定部位に導くためのフット吹出口８４、フ
ェイス吹出口８６およびデフロスタ吹出口８８が配設さ
れる。フット吹出口８４、フェイス吹出口８６およびデ
フロスタ吹出口８８には、それぞれ切換ドア９０、９２
および９４が配設される。なお、室内吸熱器６１と室内
凝縮器６２との間には、冷凍サイクルとヒートサイクル
とを切り換える切換ドア６３が配設される。

【００２０】一方、ヒートサイクルは、圧縮機５２と、
冷媒を凝縮させることにより発生する熱により外気また
は内気（加熱対象物）を加熱する室内凝縮器６２と、凝
縮された冷媒を減圧して圧縮機５２に戻す減圧弁９６と
から基本的に構成される。室内凝縮器６２と減圧弁９６
との間には、冷凍サイクルおよびヒートサイクルを切り
換えるための切換弁６６が配設される。なお、減圧弁９
６としては、圧縮機５２により吸入される冷媒の圧力を
一定に保持することのできる吸入圧力調整弁を用いるよ
うにしてもよい。

【００２１】図２は、ヒートサイクルの制御ブロックを
示す。本実施形態のヒートサイクルを制御する制御部９
８（加熱対象物供給制御部、圧縮機制御部、減圧弁制御
部）は、圧縮機５２、室内凝縮器６２および減圧弁９６
の間で循環する冷媒が、常時、ガス状態となるように、
温度検出器７６（温度検出部）によって検出された外気
温に応じて、送風ファン８０、８２による送風量、圧縮
機５２の回転数、減圧弁９６の設定圧力を制御する。

【００２２】本実施形態の車載用エアコン５０は、基本
的には以上のように構成されるものであり、次に、その
動作について説明する。

【００２３】先ず、冷凍サイクルについて説明する。こ
の場合、切換ドア６３は、室内吸熱器６１を通過した外
気または内気が室内凝縮器６２を経由することなく、直
接フット吹出口８４、フェイス吹出口８６またはデフロ
スタ吹出口８８へ送給されるよう、室内吸熱器６１と室
内凝縮器６２との間に設定される。また、切換弁６６
は、冷媒が室内凝縮器６２から室外凝縮器５６へ導入さ
れるように設定される。なお、図１において、冷却サイ
クルの回路の一部および冷媒の流れ方向は、点線で示し
ている。

【００２４】そこで、圧縮機５２がエンジンあるいはバ
ッテリにより駆動されると、ガス冷媒が圧縮され、室内
凝縮器６２および切換弁６６を介し高温高圧のガス冷媒
として室外凝縮器５６に供給される。室外凝縮器５６に
供給されたガス冷媒は、冷却ファン５４によって供給さ
れる外気により冷却され、高温高圧の液状冷媒とされた
後、レシーバ５８を介して安定した量の液状冷媒が膨張
弁６０に供給される。膨張弁６０は、液状冷媒を急激に
膨張させ、低温低圧の霧状の冷媒を室内吸熱器６１に供
給する。

【００２５】一方、送風ファン８０、８２によって空調
ダクト６８内に供給された外気または内気は、室内吸熱
器６１内の冷媒の蒸発によって吸熱されて冷却される。
冷却された外気または内気は、フット吹出口８４、フェ
イス吹出口８６またはデフロスタ吹出口８８から車室内
に送風され、冷房が行われる。

【００２６】なお、室内吸熱器６１内で蒸発した低温低
圧のガス冷媒は、再び圧縮機５２によって圧縮されるこ
とにより、冷凍サイクルが繰り返される。

【００２７】次に、ヒートサイクルについて説明する。
この場合、切換ドア６３は、室内吸熱器６１を通過した
外気または内気が室内凝縮器６２を経由してフット吹出
口８４、フェイス吹出口８６またはデフロスタ吹出口８
８へ送給される状態に設定される（図１参照）。また、
切換弁６６は、冷媒が室内凝縮器６２から減圧弁９６へ
と導入されるように設定される。なお、図１において、
ヒートサイクルでの冷媒の回路および流れ方向は、実線
で示している。

【００２８】そこで、圧縮機５２がエンジンあるいはバ
ッテリにより駆動されると、ガス冷媒が圧縮され、高温
高圧のガス冷媒として空調ダクト６８内の室内凝縮器６
２に供給される。この場合、送風ファン８０、８２によ
って送給された外気あるいは内気は、室内凝縮器６２内
の高温高圧のガス冷媒によって加熱され、フット吹出口
８４、フェイス吹出口８６またはデフロスタ吹出口８８
から車室内に送風され、暖房が行われる。一方、外気ま
たは内気によって冷却されたガス冷媒は、減圧弁９６に
よって減圧された後、再び圧縮機５２に供給される。

【００２９】ここで、本実施形態では、図３に示すよう
に、圧縮機５２によりガス冷媒を圧縮して室内凝縮器６
２に供給した後、室内凝縮器６２において、モリエル線
図の飽和蒸気線を超えない範囲でガス媒体を凝縮させる
ことにより、過熱度を持ったガス媒体として減圧弁９６
に供給している。次いで、このガス媒体を負圧とならな
い適正圧力まで減圧し、ガス状態のままで圧縮機５２に
戻すようにしている。

【００３０】従って、圧縮機５２の回転数を増加させて
も、吸入圧力を図３の点線で示す従来のヒートサイクル
（図１０参照）より高くすることができ（図３、吸入圧
力Ｐ参照）、これによって、冷媒の流量を必要に応じて
増加させ、急速暖房を行うことができる。

【００３１】図４〜図６は、図３に示すように、冷媒に
対して過熱度を持たせた状態でヒートサイクルを実現さ
せるための条件を示す。

【００３２】先ず、送風ファン８０、８２によって室内
凝縮器６２に供給される外気の送風量は、圧縮機５２の
回転数および減圧弁９６の設定圧力を一定として、外気
温に対してハッチングで示す範囲で設定する必要があ
る。図４に示すように、例えば、外気温が低い場合に
は、送風ファン８０、８２による送風量を少なく設定
し、冷媒の外気による過度の冷却での液化を回避するよ
うにする。

【００３３】また、冷媒の流量を決定する圧縮機５２の
回転数は、送風ファン８０、８２の送風量および減圧弁
９６の設定圧力を一定として、外気温に対してハッチン
グで示す範囲で設定する必要がある。図５に示すよう
に、例えば、外気温が低い場合には、圧縮機５２の回転
数を高く設定し、十分な流量の媒体を室内凝縮器６２に
供給し、高温高圧として冷媒の液化を回避するようにす
る。

【００３４】さらに、冷媒の流量を決定する減圧弁９６
の設定圧力は、送風ファン８０、８２の送風量および圧
縮機５２の回転数を一定として、外気温に対してハッチ
ングで示す範囲で設定する必要がある。図６に示すよう
に、例えば、外気温が低い場合には、減圧弁９６の設定
圧力を高く設定し、十分な流量の媒体を室内凝縮器６２
に供給し、高温高圧として冷媒の液化を回避するように
する。

【００３５】本実施形態では、図２に示すように、温度
検出器７６で外気温を検出し、その検出値に従って、モ
ータ７８を制御して送風ファン８０、８２による送風量
を制御し、圧縮機５２および減圧弁９６を制御して冷媒
の供給量を制御している。

【００３６】図７は、前記のようにして制御を行った場
合の圧縮機５２における吸入圧力変化（実線）を、図９
および図１０に示す従来技術の場合の圧縮機４における
吸入圧力変化（点線）と比較したものである。また、図
８は、圧縮機５２の駆動開始からの経過時間と車室内の
温度変化との関係を示す。図８の実線ａ１、ａ２は、本
実施形態を示し、点線は、従来技術を示す。

【００３７】この場合、従来技術においては、圧縮機４
の駆動開始当初において、負圧が生じており（図７中、
点線参照）、冷媒が十分に供給されていないことが了解
される。これに対して、本実施形態においては、圧縮機
５２の駆動開始当初から十分に高い吸入圧力が得られて
おり、室内凝縮器６２に対して冷媒を十分に供給し、外
気を迅速に過熱できることが了解される。従って、図８
に示すように、本実施形態では、圧縮機５２を駆動して
からの車室内の温度上昇率が従来技術に比較して相当に
高くなっている。なお、実線ａ２は、実線ａ１よりも圧
縮機５２の回転数を高く設定した場合を示す。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、加熱対
象物の温度が低い場合であっても、圧縮機を介して凝縮
器に冷媒を十分に供給することができ、これによって、
加熱対象物を迅速に加熱することができる。

【００３９】また、本発明を冷凍サイクルとヒートサイ
クルとを備えた車載用エアコンに適用した場合、コンパ
クトな構成で効率的な冷暖房を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の車載用エアコンの構成図である。

【図２】図１に示す車載用エアコンにおけるヒートサイ
クルの制御ブロック図である。

【図３】図１に示す車載用エアコンにおけるヒートサイ
クルの説明図である。

【図４】本実施形態におけるヒートポンプの外気温に対
する送風量の適正範囲の説明図である。

【図５】本実施形態におけるヒートポンプの外気温に対
する圧縮機回転数の適正範囲の説明図である。

【図６】本実施形態におけるヒートポンプの外気温に対
する減圧弁設定圧力の適正範囲の説明図である。

【図７】本実施形態におけるヒートポンプの圧縮機と従
来技術の圧縮機との吸入圧力変化の比較説明図である。

【図８】本実施形態におけるヒートポンプと従来技術の
ヒートポンプとの車室内温度変化の比較説明図である。

【図９】従来技術に係るヒートポンプの構成図である。

【図１０】図９に示すヒートポンプによるヒートサイク
ルの説明図である。

【図１１】さらに他の従来技術に係るヒートポンプの構
成図である。

【図１２】図１１に示すヒートポンプによるヒートサイ
クルの説明図である。

【符号の説明】

５０…車載用エアコン ５２…圧縮機 ５６…室外凝縮器 ５８…レシーバ ６０…膨張弁 ６１…室内吸熱器 ６２…室内凝縮器 ６６…切換弁 ７６…温度検出器 ７８…モータ ８０、８２…送風ファン ８４…フット吹出
口 ８６…フェイス吹出口 ８８…デフロスタ
吹出口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鷲足 純哉 栃木県塩谷郡高根沢町宝積寺字サギノヤ東 2021番地８ 株式会社ケーヒン栃木開発セ ンター内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガス冷媒を吸入圧縮する圧縮機と、 圧縮された前記ガス冷媒を液化させない範囲で凝縮する
   凝縮器と、 凝縮された前記ガス冷媒を減圧して前記圧縮機に導く減
   圧弁と、 を備え、前記凝縮器において発生する熱により加熱対象
   物を加熱することを特徴とするヒートポンプ。
2. 【請求項２】請求項１記載のヒートポンプにおいて、 加熱前の前記加熱対象物の温度を検出する温度検出部
   と、 前記温度に応じた前記ガス冷媒を液化させることのない
   流量の前記加熱対象物を前記凝縮器に供給する加熱対象
   物供給制御部と、 を備えることを特徴とするヒートポンプ。
3. 【請求項３】請求項１記載のヒートポンプにおいて、 加熱前の前記加熱対象物の温度を検出する温度検出部
   と、 前記温度に応じて前記圧縮機を制御し、前記ガス冷媒を
   液化させることのない流量の前記ガス冷媒を前記凝縮器
   に供給する圧縮機制御部と、 を備えることを特徴とするヒートポンプ。
4. 【請求項４】請求項１記載のヒートポンプにおいて、 加熱前の前記加熱対象物の温度を検出する温度検出部
   と、 前記温度に応じて前記減圧弁を制御し、前記ガス冷媒を
   液化させることのない流量の前記ガス冷媒を前記凝縮器
   から排出させる減圧弁制御部と、 を備えることを特徴とするヒートポンプ。
5. 【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載のヒートポ
   ンプにおいて、 当該ヒートポンプは、車載用エアコンの冷凍サイクルの
   一部によって構成されることを特徴とするヒートポン
   プ。