JP2003080931A - ヒートポンプおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】温度が低い場合であっても、機器に支障を来す
ことなく、十分に高い暖房能力を得ることができるとと
もに、加熱対象物を効率的に加熱および除湿する。 【解決手段】圧縮機３２が駆動されると、高温高圧のガ
ス冷媒が空調ダクト４０内の室内凝縮器３４に供給さ
れ、送風ファン５０、５２によって送給された内気が加
熱される。一方、室内凝縮器３４から出力された冷媒
は、気液分離器７６によって気体と液体とに分離された
後、液体の冷媒が膨張弁７８によって急激に膨張され、
定温低圧の冷媒として室内吸熱器３６に供給される。従
って、空調ダクト４０内に供給された内気は、室内吸熱
器３６によって吸熱されることで除湿され、次いで、室
内凝縮器３４によって加熱された後、車室内に送給され
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および除湿することのできるヒ
ートポンプおよびその制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、車載用エアコンの場合、車室内
を暖房するための熱源としてエンジン冷却水の熱を利用
しているが、例えば、冬期のようにエンジン冷却水の熱
量が十分でない場合や、電気自動車のように基本的にエ
ンジンを持たない車両においては、エンジン冷却水以外
の車室内暖房用熱源が必要となる。このような熱源を供
給する手段の１つとしてヒートポンプが用いられる。

【０００３】図８は、ヒートポンプ機能を備えた従来技
術に係る車載用エアコン２の回路構成を示す（特許２６
７７９６６号公報参照）。

【０００４】この車載用エアコン２では、暖房開始初期
において、圧縮機４によって圧縮された冷媒を、室内凝
縮器６、気液分離器８、電磁弁１０および膨張弁１２を
介して室外吸熱器１４に導き、送風ファン１５により送
られた内気を室内凝縮器６の放熱によって加熱するとと
もに、送風ファン１７により送られた外気の熱を室外吸
熱器１４によって吸熱し、車室内の急速暖房を行う。

【０００５】なお、気液分離器８には、膨張弁１６を介
して室内吸熱器１８が接続され、室内吸熱器１８の出力
側は、蒸発圧力調整弁２０を介して圧縮機４に接続され
ている。この場合、暖房開始初期においては、蒸発圧力
調整弁２０の作用により、冷媒が室内吸熱器１８側より
も室外吸熱器１４側に多く流れるように調整される。

【０００６】車室内の温度が上昇すると、蒸発圧力調整
弁２０の作用により、室内吸熱器１８に多くの冷媒が流
れるように調整される。この結果、室内吸熱器１８によ
る内気の除湿が行われる。除湿された内気は、室内凝縮
器６によって加熱され、除湿暖房が遂行される。

【０００７】ところで、このようにして車室内の暖房を
行うヒートポンプでは、暖房開始初期における冷媒の圧
力が低いため、外気温が低すぎると、室外吸熱器１４が
着霜して外気の熱を吸熱することができず、十分な暖房
を行うことができない。

【０００８】また、低外気温時においては、車載用エア
コン２の稼動前の冷媒圧力が低いため、この状態から車
載用エアコン２を駆動すると、圧縮機４の吸入圧力が低
下し、さらには、圧縮機４の吸入圧力が負圧になってし
まう。この状態が継続すると、圧縮機４に十分な量の冷
媒が戻らないため、圧縮機４の焼き付きを惹起するおそ
れがある。

【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、温度が低い場合で
あっても、機器に支障を来すことなく、十分に高い暖房
能力を得ることができるとともに、加熱対象物を効率的
に加熱および除湿することのできるヒートポンプおよび
その制御方法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、ガス冷媒を圧縮機により圧縮し、液
化しない範囲で凝縮器に導いて凝縮させ、そのときに発
生する熱により加熱対象物を加熱する。なお、加熱対象
物を加熱したガス冷媒は、減圧弁により負圧とならない
範囲で減圧された後、ガス状態のまま圧縮機に戻され
る。

【００１１】上記のようにして冷媒をガス状態で循環さ
せることにより、圧縮機における吸入圧力が適正に保持
され、低温時であっても冷媒流量が減少することがない
ため、圧縮機を損傷することがなく、しかも、高い暖房
能力が保持される。

【００１２】また、凝縮器によって加熱対象物を加熱す
るとともに、凝縮器からのガス冷媒を膨張弁を介し膨張
させて吸熱器に導くことにより、ガス冷媒の蒸発による
吸熱作用を用いて加熱対象物の除湿を行う。これによ
り、加熱対象物の除湿および加熱が効率的に遂行され
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１〜図４は、本発明のヒートポ
ンプおよびその制御方法が適用される本実施形態の車載
用エアコン３０の回路構成を示す。この車載用エアコン
３０は、ヒートサイクルである「低外気温暖房モード」
（図１）、「除湿暖房モード」（図２）および「通常暖
房モード」（図３）と、冷凍サイクルである「冷房モー
ド」（図４）とを備える。なお、図１〜図４において、
実線で示す回路は各モードで機能している回路を示し、
点線で示す回路は各モードで機能していない回路を示
す。

【００１４】車載用エアコン３０は、冷媒を吸入圧縮す
る圧縮機３２と、車室内に配設される室内凝縮器３４お
よび室内吸熱器３６と、ラジエータの前面に取り付けら
れる室外吸熱器３８とを備える。なお、室外吸熱器３８
には、冷却ファン３９が併設される。

【００１５】室内凝縮器３４および室内吸熱器３６は、
空調ダクト４０内に配設される。空調ダクト４０は、外
気または内気を取り入れる吸入口４２、４４を一端部に
備える。吸入口４２、４４は、切換ドア４６によって切
り換え可能に構成される。また、空調ダクト４０内に
は、吸入口４２、４４に近接し、モータ４８によって回
転する送風ファン５０、５２が配設される。

【００１６】空調ダクト４０の他端部には、室内凝縮器
３４および／または室内吸熱器３６によって温湿度調整
された空気（内気または外気）を車室内の所定部位に導
くためのフット吹出口５４、フェイス吹出口５６および
デフロスタ吹出口５８が配設される。フット吹出口５
４、フェイス吹出口５６およびデフロスタ吹出口５８に
は、それぞれ切換ドア６０、６２および６４が配設され
る。なお、室内凝縮器３４と室内吸熱器３６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６６が配設される。

【００１７】図１に示す「低外気温暖房モード」の回路
では、圧縮機３２の出力側と室内凝縮器３４の入力側と
が接続される。室内凝縮器３４の出力側は、切換弁６
８、７０および減圧弁７２を順に介して圧縮機３２の入
力側に接続される。なお、減圧弁７２としては、圧縮機
３２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ことができる。

【００１８】図２に示す「除湿暖房モード」の回路にお
いて、室内凝縮器３４の出力側は、切換弁６８、７０、
７４、気液分離器７６および膨張弁７８を順に介して室
内吸熱器３６の入力側に接続される。室内吸熱器３６の
出力側は、圧縮機３２の入力側に接続される。

【００１９】図３に示す「通常暖房モード」の回路にお
いて、室内凝縮器３４の出力側は、切換弁６８、８０、
気液分離器８２、膨張弁８４および切換弁８６を順に介
して室外吸熱器３８の入力側に接続される。室外吸熱器
３８の出力側は、切換弁８８を介して圧縮機３２の入力
側に接続される。

【００２０】図４に示す「冷房モード」の回路におい
て、室内凝縮器３４の出力側は、切換弁６８、８０およ
び８６を順に介して室外吸熱器３８の入力側に接続され
る。室外吸熱器３８の出力側は、切換弁８８、７４、気
液分離器７６および膨張弁７８を順に介して室内吸熱器
３６の入力側に接続される。室内吸熱器３６の出力側
は、圧縮機３２の入力側に接続される。

【００２１】本実施形態の車載用エアコン３０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。

【００２２】先ず、図１に従い、「低外気温暖房モー
ド」での動作について説明する。

【００２３】圧縮機３２が駆動されると、ガス状態にあ
る冷媒が吸入圧縮され、高温高圧のガス冷媒として空調
ダクト４０内の室内凝縮器３４に供給される。この場
合、送風ファン５０、５２によって送給された外気は、
室内凝縮器３４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５４、フェイス吹出口５６またはデフ
ロスタ吹出口５８から車室内に送風され、急速暖房が行
われる。一方、外気によって冷却されたガス冷媒は、減
圧弁７２によって適正圧力まで減圧された後、圧縮機３
２に戻される。

【００２４】ここで、本実施形態では、図５に示すよう
に、圧縮機３２によりガス冷媒を圧縮して室内凝縮器３
４に供給した後、室内凝縮器３４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７２
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３２に
戻すようにしている。この場合、圧縮機３２の回転数を
増加させても吸入圧力が負圧となることがなく、従っ
て、圧縮機３２を損傷することなく、冷媒の流量を必要
に応じて増加させ、所望の急速暖房を行うことができ
る。

【００２５】また、室外吸熱器３８を経由することなく
暖房を行うため、低外気温時であっても、室外吸熱器３
８が凍結するおそれはない。

【００２６】次に、図２に従い、「除湿暖房モード」で
の動作について説明する。この場合、「除湿暖房モー
ド」は、空調ダクト４０内に導入される内気または外気
が室内吸熱器３６を着霜させない温度以上であることを
条件として起動させる。本実施形態では、上述した「低
外気温暖房モード」によって内気温が上昇した後、その
内気を空調ダクト４０内に供給して行う。なお、外気温
が高い場合には、空調ダクト４０内に外気を供給して除
湿暖房を行うこともできる。

【００２７】そこで、圧縮機３２が駆動されると、高温
高圧のガス冷媒が空調ダクト４０内の室内凝縮器３４に
供給され、送風ファン５０、５２によって送給された内
気が加熱される。

【００２８】一方、室内凝縮器３４から出力された冷媒
は、気液分離器７６によって気体と液体とに分離された
後、液体の冷媒が膨張弁７８によって急激に膨張され、
定温低圧の冷媒として室内吸熱器３６に供給される。従
って、空調ダクト４０内に供給された内気は、室内吸熱
器３６によって吸熱されることで除湿される。そして、
除湿された内気は、室内凝縮器３４によって加熱された
後、車室内に送給される。

【００２９】図６は、「低外気温暖房モード」から「除
湿暖房モード」に切り換え制御を行った場合における内
気温の変化状態の説明図である。

【００３０】「低外気温暖房モード」では、特性（ａ）
で示すように、内気が室内凝縮器３４によって加熱さ
れ、急速に上昇する。次いで、内気温がＴ１となった時
点で「除湿暖房モード」に切り換えると、特性（ｂ）で
示すように、内気温が室内凝縮器３４によって徐々に加
熱され、目標温度Ｔ０に到達する。この場合、内気は、
室内凝縮器３４によって加熱されるとともに、室内吸熱
器３６によって除湿されるため、車室内のウインドウ等
が結露することはない。なお、「除湿暖房モード」に切
り換えることなく「低外気温暖房モード」を継続した場
合には、特性（ｃ）に示すように、内気が除湿されるこ
となく目標温度Ｔ０以上まで急速に加熱されてしまうた
め、結露が発生するおそれがある。

【００３１】次に、図３に従い、「通常暖房モード」で
の動作について説明する。

【００３２】圧縮機３２が駆動されると、高温高圧のガ
ス冷媒が空調ダクト４０内の室内凝縮器３４に供給さ
れ、送風ファン５０、５２によって送給された内気が加
熱される。一方、室内凝縮器３４から出力された冷媒
は、気液分離器８２によって気体と液体とに分離された
後、液体の冷媒が膨張弁８４によって膨張されて室内吸
熱器３６に供給され、外気の熱を吸熱して車室内に供給
する。

【００３３】最後に、図４に従い、「冷房モード」での
動作について説明する。

【００３４】圧縮機３２が駆動されると、高温高圧のガ
ス冷媒が空調ダクト４０内の室内凝縮器３４に供給され
る。このとき、切換ドア６６は、空調ダクト４０内に供
給された外気を室内凝縮器３４を経由することなく車室
内に供給する。従って、内気が室内凝縮器３４によって
加熱されることはない。

【００３５】一方、室内凝縮器３４から出力された高温
高圧のガス冷媒は、室外吸熱器３８に供給され、冷却フ
ァン３９によって供給される外気により冷却された後、
液状冷媒とされ、気液分離器７６を介して調整された液
状冷媒が膨張弁７８に供給される。膨張弁７８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３６に供給する。従って、送風ファン５０、５２に
よって供給された外気は、室内吸熱器３６によって吸熱
されて冷却される。冷却された外気は、車室内に送風さ
れ、冷房が行われる。

【００３６】図７は、以上説明した各モードでの適切な
動作範囲を示す。

【００３７】「低外気温暖房モード」では、例えば、外
気温が−２０℃以下〜１０℃の範囲で動作させることが
望ましい。１０℃以上でも動作可能であるが、内気の温
度上昇率が高いため、過剰暖房となるおそれがある。な
お、圧縮機３２の回転数を増加させることにより、より
低い外気温に対応可能である。

【００３８】「通常暖房モード」では、例えば、外気温
が０℃〜２０℃の範囲で動作させることが望ましい。２
０℃以上でも動作可能であるが、過剰暖房となるおそれ
がある。０℃以下では、室外吸熱器３８が着霜するおそ
れがある。なお、０℃〜１０℃の範囲では、「低外気温
暖房モード」または「通常暖房モード」のいずれでも対
応可能である。

【００３９】「除湿暖房モード」では、切換ドア４６を
内気導入状態に設定した場合、例えば、例えば、外気温
が−２０℃以下〜２０℃の範囲で動作させることが望ま
しい。なお、この場合の動作は、室内吸熱器３６の着霜
を回避するため、内気がある程度加熱されてから起動さ
せるものとする。

【００４０】切換ドア４６を外気導入状態に設定した場
合、例えば、外気温が１５℃〜４０℃の範囲で動作させ
ることが望ましい。４０℃以上では、過剰暖房となり、
１５℃以下では室内吸熱器３６が着霜するおそれがあ
る。なお、２０℃以下では、内気導入状態で対応可能で
ある。また、３０℃以上では、「冷房モード」で対応可
能である。

【００４１】「冷房モード」では、例えば、外気温が３
０℃以上で動作させることが望ましい。

【００４２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、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。また、圧縮機に戻される
冷媒の圧力も適正に保持されるため、冷媒流量が減少す
ることがなく、圧縮機を損傷するようなおそれもない。

【００４３】さらに、加熱対象物を加熱する状態から、
除湿および加熱する状態に切り換え、加熱対象物を所望
の温度および湿度からなる状態に効率的に調整すること
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における「低外気
温暖房モード」での回路構成図である。

【図２】本実施形態の車載用エアコンにおける「除湿暖
房モード」での回路構成図である。

【図３】本実施形態の車載用エアコンにおける「通常暖
房モード」での回路構成図である。

【図４】本実施形態の車載用エアコンにおける「冷房モ
ード」での回路構成図である。

【図５】本実施形態の車載用エアコンにおける「低外気
温暖房モード」でのヒートサイクルの説明図である。

【図６】本実施形態の車載用エアコンにおける「低外気
温暖房モード」から「除湿暖房モード」に至る際の内気
温の変化状態の説明図である。

【図７】本実施形態の車載用エアコンにおける各モード
の動作範囲の説明図である。

【図８】従来技術に係るヒートポンプの回路構成図であ
る。

【符号の説明】

３０…車載用エアコン ３２…圧縮機 ３４…室内凝縮器 ３６…室内吸熱器 ３８…室外吸熱器 ４０…空調ダクト ４６、６０、６２、６４、６６…切換ドア ６８、７０、７４、８０、８６、８８…切換弁 ７２…減圧弁 ７６、８２…気液分
離器 ７８、８４…膨張弁

───────────────────────────────────────────────────── 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 (3)

【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しない範囲で凝縮させる
   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、 前記凝縮器と前記減圧弁との間に配設される切換弁と、 前記切換弁を介して前記凝縮器から導かれた前記ガス冷
   媒を膨張させる膨張弁と、 膨張された前記ガス冷媒を用いて吸熱する吸熱器と、 を備え、前記圧縮機、前記凝縮器および前記減圧弁を介
   して前記圧縮機に至る回路において加熱対象物を加熱す
   る一方、前記圧縮機、前記凝縮器、前記膨張弁および前
   記吸熱器を介して前記圧縮機に至る回路において前記加
   熱対象物を加熱および除湿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、 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。
3. 【請求項３】ガス冷媒を圧縮機により圧縮し、液化しな
   い範囲で凝縮器に導いて凝縮させ、加熱対象物を加熱す
   るステップと、 凝縮された前記ガス冷媒を減圧して前記圧縮機に導いて
   循環させるステップと、 前記加熱対象物が所定温度に加熱されたとき、前記ガス
   冷媒を前記凝縮器から膨張弁を介して吸熱器に導き、前
   記加熱対象物を加熱および除湿するステップと、 からなることを特徴とするヒートポンプ制御方法。