JP2004188995A - 空調装置及び空調方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】送風用ダクト1内に配設され、冷媒の蒸発により空気を冷却する蒸発器2、蒸発した冷媒を高温高圧にする圧縮器3、圧縮器3から排出された冷媒からの伝熱によって、冷却水を加熱する冷媒水熱交換器4及び、冷媒水熱交換器4から排出された冷媒を減圧する減圧器5を有する冷凍サイクル13と、送風用ダクト1内の送風方向を基準にして蒸発器2の下流側に設置され、加熱された冷却水により、送風空気を温めるヒータコア6、冷却水を冷却するためのラジエータ7、冷却された冷却水を循環させるためのポンプ8、ポンプ8より送り込まれた冷却水を用いて、冷却される動力機関9及び、冷媒水熱交換器4を有する冷却水サイクル14とを備え、暖房時には冷凍サイクル13は、除湿用の冷房を行う車両用空調装置である。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調装置及び空調方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、地球環境保護の観点から電気自動車の需要が拡大しつつあるが、電気自動車のバッテリーの能力は十分でないことから、エンジンを走行補助用もしくは発電用に用いるハイブリッド型の電気自動車や燃料電池を発電用に用いる電気自動車が提案されている。
【0003】
走行補助用エンジンを備えたハイブリッド型電気自動車の場合には、市街地を走行する時には車両駆動用モータによって走行し、バッテリの残量が少なくなったり郊外を走行する時にはエンジンによって走行するのである。また、発電用エンジンを備えたハイブリッド型電気自動車の場合には、車両駆動用モータによって走行し、バッテリの残量が少なくなった時にはエンジンを始動してバッテリを充電するのである。
【0004】
ところで、現在の電気自動車の空調装置においては、冷凍サイクルの圧縮機(開放型)を車両駆動用モータで駆動するのが一般的であるものの、上述したハイブリッド型の電気自動車の空調装置においては、エンジンが駆動状態の場合には、エンジンで圧縮機を駆動することにより車室内を冷房し、またエンジンが停止状態の場合は車両駆動用モータにより圧縮機を駆動するとともに、エンジンの停止状態でバッテリーの残量が少なくなったときはエンジンを始動して圧縮機を駆動することにより車室内を冷房することが考えられる。
【0005】
しかしながら、エンジンの回転を圧縮機に伝達する機構と、車両駆動用モータの回転を圧縮機に伝達する機構という2つの機構が必要となるとともに、それらの駆動方式を切替えるためのクラッチが必要となることから、システムが複雑となりコスト高となっていた。
【0006】
一方、暖房運転時には、エンジン冷却水が供給されるヒータコアに対して単に送風することにより車室内を暖房するようにしているので、エンジン起動時など冷却水の温度が低い場合などは、車室内の空調温度が目標の温度に到達するまでの時間が長くなっていた。また、低外気温時などには暖房能力も不足するため、PTCヒータを補助加熱手段に用いて、エンジン冷却水を加熱していた。ハイブリッド型の電気自動車でなくとも、近年の自動車のエンジンは高性能化してきており、エンジンからの放熱量が減少したため、同様にPTCヒータを補助加熱手段に用いて、エンジン冷却水を加熱していた。PTCヒータ等の電気ヒータを補助加熱手段に用いるため、ヒートポンプ式暖房と比較すると暖房効率が低かった。
【0007】
このため、従来技術では、図10に示すように、電動圧縮機104(密閉型)を用いてヒートポンプ式冷凍サイクルを構成し、その冷媒回路に暖房時の補助加熱手段として冷媒水熱交換器101を新たに設けて、暖房運転が指示された場合にエンジン冷却水の温度が設定温度以下のときは、第1の電磁弁102を閉鎖してかつ第2の電磁弁103を開放した状態で電動圧縮機104を駆動していた(特許文献1参照。)。
【0008】
これにより、冷媒水熱交換器101のみが凝縮器として機能するとともに蒸発器105には冷媒が供給されない。この結果、蒸発器105には低温の冷媒が流れないので送風空気を冷却することなく、冷媒水熱交換器101で補助加熱されたエンジン冷却水がヒータコア106を流れ、ダクト内の送風空気を加熱することができるので、エンジン冷却水の温度が低い場合でもPTCヒータなしで暖房能力を高めることができていた。
【0009】
【特許文献1】
特開平9−66722号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
このような空調装置の場合は、冷却水を加熱するために、加熱手段として冷媒水熱交換器101を追加して備えている。このため、暖房時には、蒸発器105に冷媒が流入しないように、電磁弁102,103、減圧弁108,109、室外熱交換器107等が必要となり、省スペース化が困難であるという課題を有している。
【0011】
さらに、暖房時に、エンジン冷却水の温度が低く、補助加熱手段として冷媒水熱交換器101を用いた場合でも、冷媒水熱交換器101を流れる冷媒の温度が充分に上昇し、空調装置が立ち上がるまでに時間を要するため、車室内の空調温度が目標の温度に到達するまでの時間が長くなる、あるいは冷風がヒータコアから車室内に吹出すという課題があった。
【0012】
また、蒸発器105が着霜すると、徐霜運転を行うため、断続運転をし、快適性が損なわれていた。
【0013】
本発明は、上記従来の空調装置の課題を考慮し、省スペース化が達成でき、又目標の空調温度までの到達時間を短縮し、又徐霜時の快適性が損なわれない空調装置を提供することを目的としている。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第1の本発明は、送風用ダクト(1)内に配設され、冷媒の蒸発により空気を冷却する蒸発器(2)と、蒸発した前記冷媒を高温高圧にする圧縮器(3)と、前記圧縮器(3)から排出された前記冷媒からの伝熱によって、冷却水を加熱する冷媒水熱交換器(4)と、前記冷媒水熱交換器(4)から排出された前記冷媒を減圧するための減圧器(5)とを有する冷凍サイクル(13)と、
前記送風用ダクト(1)内の送風方向を基準にして前記蒸発器(2)の下流側に設置され、加熱された前記冷却水により、送風空気を温めるヒータコア(6、24)と、前記冷却水を冷却するためのラジエータ(7)と、前記ラジエータ(7)によって冷却された前記冷却水を循環させるためのポンプ(8)と、前記ポンプ(8)より送り込まれた前記冷却水を用いて、冷却される動力機関(9)と、前記冷媒水熱交換器(4)とを有する冷却水サイクル(14)とを備え、
暖房時には、前記冷凍サイクル(13)は、除湿用の冷房を行う空調装置である。
【0015】
また、第2の本発明は、送風用ダクト(1)内に配設され、冷媒の蒸発により空気を冷却する蒸発器(2)と、蒸発した前記冷媒を高温高圧にする圧縮器(3)と、前記圧縮器(3)から排出された前記冷媒からの伝熱によって、冷却水を加熱する冷媒水熱交換器(4)と、前記冷媒水熱交換器(4)から排出された前記冷媒を減圧するための減圧器(5)とを有する冷凍サイクル(26)と、
前記送風用ダクト(1)内の送風方向を基準にして前記蒸発器(2)の下流側に設置され、加熱された前記冷却水により、送風空気を温めるヒータコア(6、24)と、前記冷却水を冷却するためのラジエータ(7)と、前記ラジエータ(7)によって冷却された前記冷却水を循環させるためのポンプ(8)と、前記ポンプ(8)より送り込まれた前記冷却水を用いて、冷却される動力機関(9)と、前記動力機関(9)により加熱された前記冷却水の温度を測定する動力機関出口水温検出手段(21)と、前記冷却水の前記動力機関(9)への入口と出口を繋ぐ、前記動力機関(9)を経由しないためのバイパス(21)と、前記動力機関(9)の入口の前記バイパス(21)の分岐部に設置された三方弁(20)と、前記動力機関出口水温検出手段(21)によって検出された値を用いて、前記三方弁(20)の開度を制御するための制御手段(23)と、前記冷媒水熱交換器(4)とを有する冷却水サイクル(27)とを備えた空調装置である。
【0016】
また、第3の本発明は、前記制御手段(23)は、前記動力機関出口水温が所定の閾値よりも低い場合は、前記冷却水が前記動力機関(9)をバイパスするように三方弁(20)を制御し、前記動力機関出口水温が所定の閾値よりも高い場合は、前記冷却水が前記動力機関(9)へ流入するように三方弁(20)を制御する制御手段(23)である第2の本発明記載の空調装置である。
【0017】
また、第4の本発明は、送風用ダクト(1)内に配設され、冷媒の蒸発により空気を冷却する蒸発器(2)と、蒸発した前記冷媒を高温高圧にする圧縮器(3)と、前記圧縮器(3)から排出された前記冷媒からの伝熱によって、冷却水を加熱する第1の冷媒水熱交換器(30)と、前記第1の冷媒水熱交換器(30)から排出された前記冷媒の減圧を制御するための第1の減圧器(31)と、前記第1の減圧器(31)から排出された前記冷媒と前記冷却水との間で、熱の授受を行うための第2の冷媒水熱交換器(32)と、前記第2の冷媒水熱交換器(32)から排出された前記冷媒の減圧を制御するための第2の減圧器(33)と、前記第2の減圧器(33)によって減圧制御された前記冷媒の温度を測定する蒸発器入口冷媒温度検出手段(34)と、前記蒸発器入口冷媒温度検出手段(34)によって検出された値を用いて、前記第1の減圧器(31)と前記第2の減圧器(33)を制御する制御手段(35)とを有する冷凍サイクル(36)と、
前記送風用ダクト(1)内の送風方向を基準にして前記蒸発器(2)の下流側に設置され、加熱された前記冷却水により、送風空気を温めるヒータコア(6,24)と、前記冷却水を冷却するためのラジエータ(7)と、前記ラジエータ(7)によって冷却された前記冷却水を循環させるためのポンプ(8)と、前記ポンプ(8)より送り込まれた前記冷却水を用いて、冷却される動力機関(9)と、前記第1の冷媒水熱交換器(30)と、前記第2の冷媒水熱交換器(32)とを有する冷却水サイクル(37)とを備えた空調装置である。
【0018】
また、第5の本発明は、前記制御手段(35)は、前記蒸発器入口冷媒温度が、前記蒸発器に霜が付着する温度よりも低い場合は、前記第1の減圧器(31)にて、前記冷媒が減圧されるように圧力制御し、かつ前記第2の減圧器(33)を開放し、前記蒸発器(2)に霜が付着する温度よりも高い場合は、前記第1の減圧器(31)を開放し、かつ前記第2の減圧器(33)にて、前記冷媒が減圧されるように圧力制御を行う制御手段(35)である第4の本発明の空調装置である。
【0019】
また、第6の本発明は、前記冷媒水熱交換器(4、30、32)は、前記冷媒の流通方向と前記冷却水の流通方向が、逆である冷媒水熱交換器(4、30、32)である第1、2、又は4の本発明の空調装置である。
【0020】
また、第7の本発明は、前記冷媒水熱交換器(4、30、32)は、前記圧縮器の周囲に巻き付けられている冷媒水熱交換器(4,30,32)である第1、2、又は4の本発明の空調装置である。
【0021】
また、第8の本発明は、前記冷媒として二酸化炭素を用いる第6の本発明の空調装置である。
【0022】
また、第9の本発明は、前記冷却水の前記ヒータコアへの入口と出口を繋ぐ、前記ヒータコアを経由しないためのバイパス(11)と、前記ヒータコア(6)の入口の前記バイパス(11)の分岐部に設置された三方弁(10)と、運転モードによって、前記三方弁(10)の開度を制御するための制御手段(12)とを更に備えた第1、2、又は4の本発明の空調装置である。
【0023】
また、第10の本発明は、前記送風用ダクト(1)は、車両内に空気を送風する送風用ダクトであり、前記動力機関(9)は、車両用の動力機関である第1、2、又は4の本発明の空調装置である。
【0024】
また、第11の本発明は、第1の本発明の空調装置を用いて、空調する空調方法であって、前記送風用ダクト(1)内にて前記冷媒の蒸発により前記送風空気を冷却する蒸発工程と、蒸発した前記冷媒を高温高圧にする圧縮工程と、前記圧縮工程から排出された前記冷媒からの伝熱によって、前記冷却水を加熱する冷媒水熱交換工程と、前記冷媒水熱交換工程から排出された前記冷媒を減圧するための減圧工程とを有する冷凍サイクル工程と、
前記送風用ダクト(1)内の送風方向を基準にして前記蒸発工程の下流側にて、加熱された前記冷却水によって、前記送風空気を温める工程と、前記冷却水を前記ラジエータ(7)によって、冷却する工程と、前記ラジエータ(7)によって冷却された前記冷却水を循環させる工程と、前記ポンプ(8)より送り込まれた前記冷却水を用いて、前記動力機関(9)を冷却する工程と、前記冷媒水熱交換工程とを有する冷却水サイクル工程とを備え、
暖房時には、前記冷凍サイクル工程によって、除湿用の冷房を行う空調方法である。
【0025】
また、第12の本発明は、第2の本発明の空調装置を用いて、空調する空調方法であって、前記送風用ダクト(1)内にて前記冷媒の蒸発により前記送風空気を冷却する蒸発工程と、蒸発した前記冷媒を高温高圧にする圧縮工程と、前記圧縮工程から排出された前記冷媒からの伝熱によって、前記冷却水を加熱する冷媒水熱交換工程と、前記冷媒水熱交換工程から排出された前記冷媒を減圧するための減圧工程とを有する冷凍サイクル工程と、
前記送風用ダクト(1)内の送風方向を基準にして前記蒸発工程の下流側にて、加熱された前記冷却水によって、前記送風空気を温める工程と、前記冷却水を前記ラジエータ(7)によって、冷却する工程と、前記ラジエータ(7)によって冷却された前記冷却水を循環させる工程と、前記ポンプ(8)より送り込まれた前記冷却水を用いて、前記動力機関(9)を冷却する工程と、前記動力機関(9)により加熱された前記冷却水の温度を測定する動力機関出口水温検出工程と、前記動力機関出口水温検出工程によって検出された値を用いて、前記三方弁(20)を制御する工程と、前記冷媒水熱交換工程とを有する冷却水サイクル工程とを備えた空調方法である。
【0026】
また、第13の本発明は、第4の本発明の空調装置を用いて、空調する空調方法であって、前記送風用ダクト(1)内にて前記冷媒の蒸発により前記送風空気を冷却する蒸発工程と、蒸発した前記冷媒を高温高圧にする圧縮工程と、前記圧縮工程から排出された前記冷媒からの伝熱によって、冷却水を加熱する第1の冷媒水熱交換工程と、前記第1の冷媒水熱交換工程から排出された前記冷媒の減圧を制御する第1の減圧工程と、前記第1の減圧工程から排出された前記冷媒と前記冷却水との間で熱の授受を行うための第2の冷媒水熱交換工程と、前記第2の冷媒水熱交換工程から排出された前記冷媒の減圧を制御する第2の減圧工程と、前記第2の減圧工程によって減圧制御された前記冷媒の温度を測定する蒸発器入口冷媒温度検出工程と、前記蒸発器入口冷媒温度検出工程によって検出された値を用いて、前記第1の減圧工程と前記第2の減圧工程とを制御する工程とを有する冷凍サイクル工程と、
前記送風用ダクト(1)内の送風方向を基準にして前記蒸発器(2)の下流側に設置された前記ヒータコア(6,24)内の加熱された前記冷却水によって、送風空気を温める工程と、前記冷却水を前記ラジエータ(7)によって、冷却する工程と、前記ラジエータ(7)によって冷却された前記冷却水を循環させる工程と、前記ポンプ(8)より送り込まれた前記冷却水を用いて、前記動力機関(9)が冷却される工程と、前記第1の冷媒水熱交換工程と前記第2の冷媒水熱交換工程とを有する冷却水サイクル工程とを備えた空調方法である。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【0028】
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における車両用空調装置を示す構成図である。
本実施の形態1の車両用空調装置は、冷凍サイクル13と冷却水サイクル14と車両内に、温度調整した空気を送り込む送風用ダクト1とを有している。
【0029】
ここで、冷凍サイクル13は、送風用ダクト1内に、冷媒の蒸発により空気を冷却する蒸発器2を有している。また、蒸発器2にて蒸発した冷媒の圧力を高める圧縮器3が設置されている。圧縮器3から排出された冷媒によって、冷却水を加熱する冷媒水熱交換器4が設置されている。さらに、冷媒水熱交換器4から排出された冷媒を蒸発器2に送り込む前に減圧する減圧器5を有している。
【0030】
また、冷却水サイクル14は、送風用ダクト1内の送風方向を基準にして、蒸発器2の下流側に設置されているヒータコア6を有している。さらに、冷却水を冷却するラジエータ7と、ラジエータ7で冷却された冷却水を循環させるポンプ8が設置されている。また、冷却水によって冷却される本車両の動力機関9が設置されている。さらに、冷却水によって冷媒を温める冷媒水熱交換器4が設置されている。また、動力機関9とは、例えばエンジンあるいは燃料電池などの発熱源となるものである。
【0031】
ここで、冷媒水熱交換器4における、冷却水の入口側が、冷媒の出口側となり、冷却水の出口側が、冷媒の入口側となっている。すなわち、冷却水の流れる方向と冷媒の流れる方向は、逆方向となっている。
【0032】
なお、冷媒水熱交換器4の出口とヒータコア6の入口との間に、三方弁10が設置されており、また、三方弁10を一端とし、ヒータコア6の出口とラジエータ7の入口の間を他端として接続するバイパス回路11を備えている。さらに、運転モードによって三方弁10の開方向を制御する制御手段12が備えられている。ここで、冷却水がバイパス11に流れる方向をA方向、ヒータコア6に流れる方向をB方向とする。図1における、矢印は、A方向、B方向をそれぞれ示している。また、三方弁10を制御するために、制御手段12が設けられている。
【0033】
上記構成の車両用空調装置の動作について図2のフローチャートを用いて以下に説明する。
【0034】
はじめに、ステップ40にて空調装置の運転モードが冷房モードであるか、暖房除湿モードであるかが検知される。
【0035】
ここで、冷房モードと検知された場合は、ステップ41に移り、三方弁10はバイパス11に、高温の冷却水が流れるように制御される。なお、図1において、図1のA方向の矢印の向きに冷却水が流れる。
【0036】
以下に冷房モード時の冷凍サイクル13と冷却水サイクル14の動作について説明する。
【0037】
冷房モード時の冷凍サイクル13では、空調装置の運転が開始されると、圧縮器3で圧縮されて高温高圧のガスとなった冷媒は、冷媒水熱交換器4にて冷却水に放熱する。次に、冷媒水熱交換器4によって放熱された冷媒は、減圧器5で減圧されて低温低圧の気液二相状態となって、蒸発器2に導入される。この蒸発器2では、冷媒は室内の空気からの吸熱により蒸発して気液二相、又はガス状態となり、圧縮器3で圧縮される。これにより、送風用ダクト1内を流れる送風空気は、蒸発器2で冷却および除湿される。
【0038】
また、冷却水サイクル14では、冷却水はポンプ8により、動力機関9に圧送され、動力機関9にて加熱される。続いて、冷媒水熱交換器4にて、冷媒からの熱伝達によって、冷却水は加熱される。次に、三方弁10がバイパス11に冷却水が流れる方向に開いているため、高温の冷却水は、バイパス11を流れる。このため、高温の冷却水は、ヒータコア6には流れないので、送風用ダクト1内の送風空気は加熱されない。最後にステップ40に戻る。
【0039】
また、ステップ40にて暖房除湿モードであると検知された場合は、ステップ42に移り、三方弁10は、ヒータコア6に冷却水が流れるように制御される。
図1では、B方向の矢印の向きに冷却水は流れる。
【0040】
以下に暖房除湿モード時の冷凍サイクル13と冷却水サイクル14について説明する。
【0041】
暖房除湿モード時の冷凍サイクル13は、冷房モード時の動作と同じであり、省略する。ここで、冷凍サイクル13は送風用ダクト1内の送風空気の除湿機能として作用する。また、冷却水サイクル14では、動力機関9及び冷媒水熱交換器4にて加熱された高温の冷却水は、ヒータコア6に流れる。ここで、送風ダクト1内の送風空気が温められる。
【0042】
このように、暖房モード時にも、除湿用として冷凍サイクル13を用いることによって、従来例のように、電磁弁102,103、減圧弁108,室外熱交換器107等が必要ではなくなり、省スペース化が図ることが出来る。
【0043】
また、暖房除湿モードは、外気温が低い場合に、車両のフロントガラスの曇りを取ることが出来る。
【0044】
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2における車両用空調装置は、基本的な構成は、実施の形態1と同じであるため、相違点を中心に説明する。なお、実施の形態1と同一の構成要素については、同一番号を付している。
【0045】
図3は、本発明の実施の形態2における車両用空調装置の構成図である。
【0046】
冷凍サイクル26の構成は、実施の形態1と同じであるため省略する。また、冷却水サイクル27は、実施の形態1と異なり、三方弁10、バイパス11及び制御手段12を有していない。さらに、動力機関9とポンプ8の間に三方弁20が設置されており、また、三方弁20を一端とし、動力機関出口水温検出手段21と冷媒水熱交換器4との間を他端として接続するバイパス22を備えている。
【0047】
また、動力機関出口水温検出手段21にて検出された値を用いて、三方弁20の開方向を制御する制御手段23が備えられている。なお、冷却水が動力機関15に流れる方向をC方向、バイパス22に流れる方向をD方向とする。図3の矢印は、C方向、D方向をそれぞれ示している。
【0048】
なお、実施の形態2のヒータコア24は、実施の形態1のヒータコア6と異なり、ダンパー25を備えている。ここで、ダンパー25は、開閉することが出来る。ダンパー25が開いているときは、ヒータコア24を送風空気が通り、ダンパー25が閉まっているときは、ヒータコア24への送風空気の流入を遮断する。図3では、ダンパー25の開いている状態を、二点鎖線で、閉じている状態を、実線で示している。
【0049】
上記構成の車両用空調装置の動作について以下に説明する。まず、冷房モード時の動作について説明する。なお、冷凍サイクル26では、実施の形態1と同様の動作が行われるため省略する。
【0050】
冷却水サイクル27では、三方弁20は、動力機関9に冷却水が流れるように制御される。また、ポンプ8により圧送された冷却水は、動力機関9にて加熱されたのち、冷媒水熱交換器4にてさらに加熱される。そしてヒータコア24を冷却水は流れ、ラジエータ7にてさらに放熱されたのち、ポンプ8に戻る。ここで、ヒータコア24のダンパー25は、閉まっているため、送風空気は、ヒータコア25を通ることが出来ないため、温められない。
【0051】
次に、暖房除湿モード時での三方弁20の動作を図4のフローチャートを用いて説明する。なお、冷凍サイクル26では、実施の形態1と同様の動作が行われるため省略する。
【0052】
冷却水サイクル27では、はじめに、暖房除湿モードの運転が開始されると、ステップ50で動力機関出口水温検出手段21にて検出された冷却水温T1と、希望の設定温度Tx1(例えば40℃)が比較される。このTx1の値は、暖房除湿運転時に室内側の吹き出し空気温度が快適性を損なわないように設定された値である。なお、暖房除湿モードでは、ダンパー25が開き、設定温度Tx1に合わせて開度が調整されている。
【0053】
続いて、T1がTx1より小さい場合には、動力機関9の温度が低い状態であることを示しているため、ステップ51に移る。ここで、三方弁20はD方向に冷却水が流れるように制御することにより、冷却水はバイパス回路22を流れて動力機関9には流れず、ヒータコア24には冷媒水熱交換器4で加熱された冷却水のみが循環される。このため、低温の動力機関9により、冷却水が放熱される熱量を小さくできるので、より早くヒータコア24に流れる冷却水の温度を上昇させることができる。
【0054】
そして、ダンパー25が開いているヒーターコア24に流入した送風空気は、加温された冷却水によって温められる。この制御を行った後、ステップ50に戻る。
【0055】
一方、ステップ50にてT1がTx1以上の場合には、動力機関9の温度が十分高くなり冷却水の温度が一定値以上の状態であることを示しているため、ステップ52に移る。ここで、三方弁20はC方向に冷却水が流れるように制御されることにより、ヒータコア24には冷媒水熱交換器4と動力機関9で加熱された冷却水が流れる。このため、圧縮機3の運転周波数を増加させて冷媒水熱交換器4の加熱能力を大きくすることなく、ヒータコア24に流れる冷却水の温度を上昇させることができる。
【0056】
そして、ダンパー25が開いているヒーターコア24に流入した送風空気は、加温された冷却水によって温められる。この制御を行った後、ステップ50に戻る。
【0057】
このように、暖房除湿モード運転直後の立ち上がり時に、三方弁20を制御することによって、動力機関9が一定温度まで加熱されるまでは冷却水が低温の動力機関9をバイパスするように流す。これにより、放熱量を小さくすることができるので、より早くヒータコア24に流れる水温の上昇を図り、即暖性すなわち快適性を高めることが可能となる。
【0058】
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3における車両用空調装置は、基本的な構成は、実施の形態2と同じであるため、相違点を中心に説明する。なお、実施の形態2と同一の構成要素については、同一番号を付している。
【0059】
図5は、本発明の実施の形態3における車両用空調装置の構成図である。
【0060】
冷凍サイクル36では、実施の形態2と同様に、蒸発器2と圧縮器3を有している。しかし、実施の形態2における冷媒水熱交換器4の代わりに、本実施の形態3では、第1の冷媒水熱交換器30と第2の冷媒水熱交換器32と、2つの冷媒水熱交換器30、32間に設置された第1の減圧器31が設置されている。また、実施の形態2における減圧器12は、実施の形態3では、第2の減圧器33とする。
【0061】
さらに、第2の減圧器33と蒸発器4の間に、蒸発器入口冷媒温度検出手段34が設置されている。また、蒸発器入口冷媒温度検出手段34の値によって、第1の減圧器31と第2の減圧器33とを制御する制御手段35が設置されている。また、冷却水サイクル37では、実施の形態2と異なり、三方弁20、バイパス22、動力機関出口水温検出手段21及び制御手段23を有していない。
【0062】
上記構成の車両用空調装置の動作について以下に説明する。
【0063】
まず、冷房モード時の動作について説明する。
【0064】
冷房モード時の冷凍サイクル36では、第1の減圧器31は、冷媒が減圧されないように開放され、第2の減圧器33は、冷媒が減圧されるように制御されている。これにより、圧縮器3にて、高温高圧にされた冷媒は、第1の冷媒水熱交換器30と第2の冷媒水熱交換器32にて、冷却水に熱を伝達することによって、放熱される。次に、第1の減圧器31によって、冷媒は減圧され、蒸発器2にて送風用ダクト1内の送風空気を冷房除湿する。
【0065】
また、冷却水サイクル37では、ポンプ8により圧送された冷却水は、動力機関9にて加熱された後、第2の冷媒水熱交換器33で加熱される。続いて、第1の冷媒水熱交換器30で加熱される。次に、冷却水はヒータコア24に流れる。
ここで、ヒータコア24のダンパー25は閉じている状態であり、ヒータコア24に送風空気は流れないため、送風空気は温められない。次に、ラジエータ7にて放熱された後、ポンプ8に戻る。
【0066】
また、暖房除湿モード時での第1の減圧器30および第2の減圧器32の動作を図6のフローチャートを用いて説明する。
【0067】
冷凍サイクル36では、はじめに、暖房除湿モード時では、ステップ60で蒸発器入口温度検出手段34にて検出された冷媒温度T2と、ねらいの設定温度Tx2(例えば0℃)が比較される。このTx2の値は、蒸発器2が着霜しないように設定された温度である。
【0068】
そして、ステップ60にて、T2がTx2より小さい場合には、蒸発器4が着霜する可能性があることを示しており、ステップ61に移り、第1の減圧器31は冷媒を減圧するように、第2の減圧器33は全開して冷媒を減圧しないように制御した後、ステップ60に戻る。
【0069】
ここで、図7は上述の冷凍サイクル36の状態をモリエル線図に示したものであり、第1の冷媒水熱交換器30の放熱量をQ1、第2の冷媒水熱交換器32の吸熱量をQ2、蒸発器2の吸熱量をQ3として表記している。本実施の形態3では、第1の冷媒水熱交換器30が放熱器として作用し、第2の冷媒水熱交換器32が蒸発器として作用するので、蒸発器として作用する熱交換伝熱面積が増加し、蒸発温度が上昇することによって、蒸発器2の着霜の発生を回避することができる。
【0070】
また、T2がTx2以上の場合には、蒸発器2が着霜する可能性が小さいため、ステップ62に移り、第1の減圧器31は全開になるように制御し、第2の減圧器33は減圧するように制御したのち、ステップ60に戻る。
【0071】
ここで、図8は上述の冷凍サイクル36の状態をモリエル線図に示したものであり、第1の冷媒水熱交換器30の放熱量をQ4、第2の冷媒水熱交換器32の放熱量をQ5、蒸発器2の吸熱量をQ6として表記している。本実施の形態3では、室内の設置している蒸発器2の吸熱量を最大にし、すなわち除湿量を最大にしつつ暖房運転が可能となる。
【0072】
なお、暖房除湿モード時における冷却水サイクル37では、ヒータコア24のダンパー25が開いた状態になっており、送風空気はヒータコア24を通り、温められる。
【0073】
このように、暖房除湿モード時において、第1の減圧器31と第2の減圧器33を制御することによって、第2の冷媒水熱交換器32を蒸発器として作用させることにより、蒸発温度を上昇させることができるので、快適性を損なうことなく蒸発器2の着霜を回避することができる。
【0074】
なお、本実施の形態3の冷凍サイクル36に、実施の形態2の冷却水サイクル27を組み合わせた車両用空調装置としてもよい。この場合、暖房除湿モード運転直後の立ち上がり時に、即暖性すなわち快適性を高めることが可能となり、又、快適性を損なうことなく蒸発器2の着霜を回避することも出来る。
【0075】
また、実施の形態2,3において、ダンパー25を備えたヒータコア24を設置せずに、実施の形態1のようにヒータコアへの冷却水の入口と出口を繋ぐバイパスを設置し、高温の冷却水が冷房時にヒータコアを通らない構造にしてもよい。
【0076】
(実施の形態4)
図9は、本発明の実施の形態4における圧縮機3と冷媒水熱交換器4の一体型の構成を示している。
【0077】
図1における冷媒水熱交換器4は2重管であり、内側を冷媒が、外側を水が対向流となるように流れるような構造である。この冷媒水熱交換器4を圧縮器3に巻きつける。A部拡大図に、圧縮器3によって高温高圧にされた冷媒の、冷媒水熱交換器4での入口部分を示す。図に示すように、冷媒の管は、冷却水の管よりも小さく、冷却水の冷媒水熱交換器4の出口側から、冷却水の管内に入り、冷却水の冷媒水熱交換器4の入口側から、冷却水の管内より出る構造になっている。
【0078】
このような2重管構造の冷媒水熱交換器4を、圧縮器3の外郭に巻きつける構造にすることによって、圧縮器3と冷媒水熱交換器4それぞれを個別に設置する場合に比べて、省スペース化を図ることができる。
【0079】
また、冷房モード時においては、圧縮器3の放熱をより促進させることができるので、圧縮器3から吐出される冷媒温度の過剰な温度上昇を抑制することが可能となるため、空調装置の信頼性をより高めることができる。
【0080】
また、暖房除湿モード時には、圧縮器3からの放熱を冷却水の加熱源として用いることができるので、より早くヒータコア4及び24に流れる水温を上昇させることができる。
【0081】
なお、本発明の冷媒水熱交換器の構造はこの二重管構造に限定されるものではなく、冷媒と冷却水との間で伝熱することが出来る構造でありさえすればよい。
【0082】
また、本発明の冷媒水熱交換器では、冷却水と冷媒の流れる方向は、対向流となっているが、同一方向にしてもよい。
【0083】
しかし、従来用いられているHCFC冷媒あるいはHFC冷媒の場合、気液二相状態の凝縮する過程で、冷媒の温度変化はほとんどないが、冷媒が二酸化炭素の場合は高圧側が超臨界サイクルとなるために、常に温度変化しながら放熱する。
【0084】
そこで、本発明の水冷媒熱交換器のように、冷媒と冷却水が対向流となるように熱交換させる場合、冷媒と水の温度差が小さくなり、温度勾配が従来の冷媒よりも平行に近くなる。このため二酸化炭素を冷媒として用いることができ、しかも、より高い熱交換効率を得ることが可能であり、高いCOP(冷凍サイクルの成績係数)で空調装置の運転を行うことが可能となる。
【0085】
なお、第1、2の本発明の減圧器は、実施の形態1、2における減圧器5に相当し、又第4の本発明の第1の減圧器、第2の減圧器は、実施の形態3における第1の減圧器31、第2の減圧器33に相当する。ここで、実施の形態1,2,3では、本発明の減圧器は、流量調節可能な弁で構成されているが、本構成に限らず流体の圧力の制御可能な減圧器でありさえすればよい。
【0086】
なお、本発明の動力機関および空調装置は、実施の形態1,2,3,又は4においては、車両用の動力機関および空調装置に相当するが、工場に用いられる動力機関および空調装置であってもよく、又航空機の動力機関および空調装置であってもよく、車両用に限るものではない。
【0087】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように本発明によれば、省スペース化を図りつつ、冷暖房運転を行うことが可能となる。
【0088】
また、暖房除湿モード運転直後の立ち上がり時には、放熱量を小さくすることができるので、より早くヒータコアに流れる水温の上昇を図り、即暖性すなわち快適性を高めることが可能となる。
【0089】
また、暖房除湿モード時において、蒸発温度を上昇させることができるので、快適性を損なうことなく蒸発器の着霜を回避することができる。
【0090】
また、圧縮機の外郭を冷媒水熱交換器が覆うような一体型の構造にすることによって、省スペース化を図ることができる。
【0091】
また、冷媒として、二酸化炭素を用いることによって、従来の冷媒よりもより高い熱交換効率を得ることができるため、高いCOPで空調装置の運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1における車両用空調装置の構成図
【図2】本発明の実施の形態1における車両用空調装置の制御フローチャート
【図3】本発明の実施の形態2における車両用空調装置の構成図
【図4】本発明の実施の形態2における車両用空調装置の制御フローチャート
【図5】本発明の実施の形態3における車両用空調装置の構成図
【図6】本発明の実施の形態3における車両用空調装置の制御フローチャート
【図7】本発明の実施の形態3における車両用空調装置のモリエル線図
【図8】本発明の実施の形態3における車両用空調装置のモリエル線図
【図9】本発明の実施の形態4における圧縮器と冷媒水熱交換器の構成図
【図10】従来の車両用空調装置の構成図
【符号の説明】
1:送風用ダクト
2:蒸発器
3:圧縮機
4:冷媒水熱交換器
5:減圧器
6:ヒータコア
7:ラジエータ
8:ポンプ
9:動力機関
10:三方弁
11:バイパス回路
12:制御手段
13:冷凍サイクル
14:冷却水サイクル
Claims (13)
- 送風用ダクト内に配設され、冷媒の蒸発により送風空気を冷却する蒸発器と、蒸発した前記冷媒を高温高圧にする圧縮器と、前記圧縮器から排出された前記冷媒からの伝熱によって、冷却水を加熱する冷媒水熱交換器と、前記冷媒水熱交換器から排出された前記冷媒を減圧するための減圧器とを有する冷凍サイクルと、
前記送風用ダクト内の送風方向を基準にして前記蒸発器の下流側に設置され、加熱された前記冷却水により、前記送風空気を温めるヒータコアと、前記冷却水を冷却するためのラジエータと、前記ラジエータによって冷却された前記冷却水を循環させるためのポンプと、前記ポンプより送り込まれた前記冷却水を用いて、冷却される動力機関と、前記冷媒水熱交換器とを有する冷却水サイクルとを備え、
暖房時には、前記冷凍サイクルは、除湿用の冷房を行う空調装置。 - 送風用ダクト内に配設され、冷媒の蒸発により送風空気を冷却する蒸発器と、蒸発した前記冷媒を高温高圧にする圧縮器と、前記圧縮器から排出された前記冷媒からの伝熱によって、冷却水を加熱する冷媒水熱交換器と、前記冷媒水熱交換器から排出された前記冷媒を減圧するための減圧器とを有する冷凍サイクルと、
前記送風用ダクト内の前記送風方向を基準にして前記蒸発器の下流側に設置され、加熱された前記冷却水により、送風空気を温めるヒータコアと、前記冷却水を冷却するためのラジエータと、前記ラジエータによって冷却された前記冷却水を循環させるためのポンプと、前記ポンプより送り込まれた前記冷却水を用いて、冷却される動力機関と、前記動力機関により加熱された前記冷却水の温度を測定する動力機関出口水温検出手段と、前記冷却水の前記動力機関への入口と出口を繋ぐ、前記動力機関を経由しないためのバイパスと、前記動力機関の入口の前記バイパスの分岐部に設置された三方弁と、前記動力機関出口水温検出手段によって検出された値を用いて、前記三方弁の開度を制御するための制御手段と、前記冷媒水熱交換器とを有する冷却水サイクルとを備えた空調装置。 - 前記制御手段は、前記動力機関出口水温が所定の閾値よりも低い場合は、前記冷却水が前記動力機関をバイパスするように三方弁を制御し、前記動力機関出口水温が所定の閾値よりも高い場合は、前記冷却水が前記動力機関へ流入するように三方弁を制御する制御手段である請求項2記載の空調装置。
- 送風用ダクト内に配設され、冷媒の蒸発により送風空気を冷却する蒸発器と、蒸発した前記冷媒を高温高圧にする圧縮器と、前記圧縮器から排出された前記冷媒からの伝熱によって、冷却水を加熱する第1の冷媒水熱交換器と、前記第1の冷媒水熱交換器から排出された前記冷媒の減圧を制御するための第1の減圧器と、前記第1の減圧器から排出された前記冷媒と前記冷却水との間で、熱の授受を行うための第2の冷媒水熱交換器と、前記第2の冷媒水熱交換器から排出された前記冷媒の減圧を制御するための第2の減圧器と、前記第2の減圧器によって減圧制御された前記冷媒の温度を測定する蒸発器入口冷媒温度検出手段と、前記蒸発器入口冷媒温度検出手段によって検出された値を用いて、前記第1の減圧器と前記第2の減圧器を制御する制御手段とを有する冷凍サイクルと、前記送風用ダクト内の送風方向を基準にして前記蒸発器の下流側に設置され、加熱された前記冷却水により、前記送風空気を温めるヒータコアと、前記冷却水を冷却するためのラジエータと、前記ラジエータによって冷却された前記冷却水を循環させるためのポンプと、前記ポンプより送り込まれた前記冷却水を用いて、冷却される動力機関と、前記第1の冷媒水熱交換器と、前記第2の冷媒水熱交換器とを有する冷却水サイクルとを備えた空調装置。
- 前記制御手段は、前記蒸発器入口冷媒温度が、前記蒸発器に霜が付着する温度よりも低い場合は、前記第1の減圧器にて、前記冷媒が減圧されるように圧力制御し、かつ前記第2の減圧器を開放し、前記蒸発器に霜が付着する温度よりも高い場合は、前記第1の減圧器を開放し、かつ前記第2の減圧器にて、前記冷媒が減圧されるように圧力制御を行う制御手段である請求項4記載の空調装置。
- 前記冷媒水熱交換器は、前記冷媒の流通方向と前記冷却水の流通方向が、逆である冷媒水熱交換器である請求項1,2,又は4記載の空調装置。
- 前記冷媒水熱交換器は、前記圧縮器の周囲に巻き付けられている冷媒水熱交換器である請求項1、2、又は4記載の空調装置。
- 前記冷媒として二酸化炭素を用いる請求項6記載の空調装置。
- 前記冷却水の前記ヒータコアへの入口と出口を繋ぐ、前記ヒータコアを経由しないためのバイパスと、前記ヒータコアの入口の前記バイパスの分岐部に設置された三方弁と、運転モードによって、前記三方弁の開度を制御するための制御手段とを更に備えた請求項1、2、又は4記載の空調装置。
- 前記送風用ダクトは、車両内に空気を送風する送風用ダクトであり、前記動力機関は、車両用の動力機関である請求項1、2、又は4記載の空調装置。
- 請求項1記載の空調装置を用いて、空調する空調方法であって、
前記送風用ダクト内にて前記冷媒の蒸発により前記送風空気を冷却する蒸発工程と、蒸発した前記冷媒を高温高圧にする圧縮工程と、前記圧縮工程から排出された前記冷媒からの伝熱によって、前記冷却水を加熱する冷媒水熱交換工程と、前記冷媒水熱交換工程から排出された前記冷媒を減圧するための減圧工程とを有する冷凍サイクル工程と、
前記送風用ダクト内の送風方向を基準にして前記蒸発工程の下流側にて、加熱された前記冷却水によって、前記送風空気を温める工程と、前記冷却水を前記ラジエータによって、冷却する工程と、前記ラジエータによって冷却された前記冷却水を循環させる工程と、前記ポンプより送り込まれた前記冷却水を用いて、前記動力機関を冷却する工程と、前記冷媒水熱交換工程とを有する冷却水サイクル工程とを備え、
暖房時には、前記冷凍サイクル工程によって、除湿用の冷房を行う空調方法。 - 請求項2記載の空調装置を用いて、空調する空調方法であって、
前記送風用ダクト内にて前記冷媒の蒸発により前記送風空気を冷却する蒸発工程と、蒸発した前記冷媒を高温高圧にする圧縮工程と、前記圧縮工程から排出された前記冷媒からの伝熱によって、前記冷却水を加熱する冷媒水熱交換工程と、前記冷媒水熱交換工程から排出された前記冷媒を減圧するための減圧工程とを有する冷凍サイクル工程と、
前記送風用ダクト内の送風方向を基準にして前記蒸発工程の下流側にて、加熱された前記冷却水によって、前記送風空気を温める工程と、前記冷却水を前記ラジエータによって、冷却する工程と、前記ラジエータによって冷却された前記冷却水を循環させる工程と、前記ポンプより送り込まれた前記冷却水を用いて、前記動力機関を冷却する工程と、前記動力機関により加熱された前記冷却水の温度を測定する動力機関出口水温検出工程と、前記動力機関出口水温検出工程によって検出された値を用いて、前記三方弁を制御する工程と、前記冷媒水熱交換工程とを有する冷却水サイクル工程とを備えた空調方法。 - 請求項4記載の空調装置を用いて、空調する空調方法であって、
前記送風用ダクト内にて前記冷媒の蒸発により前記送風空気を冷却する蒸発工程と、蒸発した前記冷媒を高温高圧にする圧縮工程と、前記圧縮工程から排出された前記冷媒からの伝熱によって、冷却水を加熱する第1の冷媒水熱交換工程と、前記第1の冷媒水熱交換工程から排出された前記冷媒の減圧を制御する第1の減圧工程と、前記第1の減圧工程から排出された前記冷媒と前記冷却水との間で熱の授受を行うための第2の冷媒水熱交換工程と、前記第2の冷媒水熱交換工程から排出された前記冷媒の減圧を制御する第2の減圧工程と、前記第2の減圧工程によって減圧制御された前記冷媒の温度を測定する蒸発器入口冷媒温度検出工程と、前記蒸発器入口冷媒温度検出工程によって検出された値を用いて、前記第1の減圧工程と前記第2の減圧工程とを制御する工程とを有する冷凍サイクル工程と、
前記送風用ダクト内の送風方向を基準にして前記蒸発器の下流側に設置された前記ヒータコア内の加熱された前記冷却水によって、送風空気を温める工程と、前記冷却水を前記ラジエータによって、冷却する工程と、前記ラジエータによって冷却された前記冷却水を循環させる工程と、前記ポンプより送り込まれた前記冷却水を用いて、前記動力機関が冷却される工程と、前記第1の冷媒水熱交換工程と前記第2の冷媒水熱交換工程とを有する冷却水サイクル工程とを備えた空調方法。
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