JP2005098660A - ヒートポンプ式空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的安価で、簡単かつ正確に着霜現象を検出するようにしたヒートポンプ式空調装置を提供する。
【解決手段】 配管内を循環する冷媒を加圧するコンプレッサ２と、このコンプレッサ２に加圧された冷媒の熱を空調風に伝える室内熱交換器３と、この室内熱交換器３で放熱した冷媒を断熱膨張させる膨張弁１３と、断熱膨張した冷媒に室外気の熱を伝える室外熱交換器４とを備えたヒートポンプ式空調装置に、室外熱交換器４の冷媒入口４ａに温度センサ１７を設け、この温度センサ１７によって検出された冷媒温度から室外熱交換器４の着霜状態を推定する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ヒートポンプサイクルを利用して暖房を行うヒートポンプ式空調装置に関する。

快適な室内の温度環境を実現するために、ヒートポンプサイクルを利用した空調装置が従来から広く活用されている。ところが、ヒートポンプサイクルを利用して暖房を行なった場合には、外気温度、および吸熱器の表面温度によって、外気中の水蒸気が吸熱器表面で凍結し、吸熱器の熱交換効率が低下するとともに、吸熱器の通風抵抗が悪化するという問題があった。そこで、特許文献１に示されるように、吸熱器の着霜状態を判断し、着霜している場合には除霜運転を行なう制御が行なわれている。
特開平８−１９７９３７号公報

しかしながら、このような従来のヒートポンプサイクルの着霜検出方法では、ヒートポンプサイクルの低圧圧力のみから着霜を検出するため、着霜の正確に着霜状態を判断することが困難であった。また、着霜現象は外気中に含まれる水分量（湿度）に大きく起因しており、湿度検出を合わせて着霜現象を検出する装置を構築しようとすると、湿度を正確に検出するためのセンサーが高価となるため、この湿度検出方式を採用することは困難である。

そこで本発明は、比較的安価で、簡単かつ正確に着霜現象を検出するようにしたヒートポンプ式空調装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、配管内を循環する冷媒を加圧するコンプレッサと、このコンプレッサに加圧された冷媒の熱を空調風に伝える室内熱交換器と、この室内熱交換器で放熱した冷媒を断熱膨張させる膨張弁と、断熱膨張した冷媒に室外気の熱を伝える室外熱交換器とを備えたヒートポンプ式空調装置であって、前記室外熱交換器の冷媒入口に温度センサが設けられ、
この温度センサによって検出された冷媒温度から該室外熱交換器の着霜状態を推定することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１に記載のヒートポンプ式空調装置において、少なくとも室内温度を検出し、目標室内温度に応じてコンプレッサの冷媒吐出量が変化することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、室外熱交換器の入口における冷媒温度から室外熱交換器の着霜状態を推定することによって、ヒートポンプサイクルを複雑にすることなく、比較的安価で室外熱交換器の着霜状態を判断することができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、目標室内温度に応じてコンプレッサの冷媒吐出量が変化することにより、冷媒吐出量を増やして目標室内温度に素早く調整することができるとともに、目標室内温度に達した後は冷媒吐出量を減らしてコンプレッサの負荷を低減することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に掛かるヒートポンプ式空調装置の冷房モードでの運転状態を示す模式図、図２は暖房モードでの運転状態を示す模式図、図３は除湿モードでの運転状態を示す模式図、図４は除霜モードでの運転状態を示す模式図、図５は除霜モードを実行するフローチャートを示す説明図である。

本実施形態のヒートポンプ式空調装置は車両用空調装置に適用した場合を示し、かつ、冷媒として超臨界相と気相の間で相変化させた炭酸ガス（ＣＯ２）を用いてあり、図１〜図４に示すようにヒートポンプ式空調装置１には、冷媒を加圧するコンプレッサ２と、加圧された冷媒と外気とを熱交換するヒータとして機能する室内熱交換器としてのサブガスクーラ３と、運転モードに応じて吸熱器および放熱器として機能する室外熱交換器４と、これらサブガスクーラ３および室外熱交換器４で放熱した冷媒を断熱膨張させる第１膨張弁５と、断熱膨張した冷媒を蒸発させる吸熱器としてのエバポレータ６と、室外熱交換器４下流側の高圧冷媒とエバポレータ６下流側の低圧冷媒との間で熱交換する冷媒間熱交換器７とが設けられている。

コンプレッサ２は、定容量式のコンプレッサで、要求に応じて回転数を変え、回転数を上げることで冷媒の吐出量を増大し、回転数を下げることで冷媒の吐出量を低減するようになっている。また、室内温度を検出し、目標室内温度との温度差に応じてコンプレッサ２の冷媒吐出量が変化するように制御されている。

サブガスクーラ３は、空調ダクト８内に配設され、コンプレッサ２で加圧された冷媒が通路Ｐ１を通じて導入され、この冷媒が加圧された際に発生した熱を暖房熱源として空調ダクト８内を通過する空調風に熱を伝えるとともに、切換ドア９によって空調風がサブガスクーラ３を通過する加熱通路８ａと、サブガスクーラ３を迂回するバイパス通路８ｂとを切換えるようになっている。

室外熱交換器４は、サブガスクーラ３で放熱した冷媒が通路Ｐ２を通じて導入されるとともに、車両前方に配置され、外気風と熱交換が行えるように構成されている。また、室外熱交換器４の冷媒入口４ａ部分には、冷媒温度を計測する温度センサ１７が設けられ、この温度センサ１７によって検出された冷媒温度から室外熱交換器４の着霜状態を推定するようになっている。

第１膨張弁５は、室外熱交換器４で冷却された冷媒が通路Ｐ３を通じて導入される。また、第１膨張弁５は、可変絞り機能を備えることにより、絞り量の制御が可能となっており、室外熱交換器４の出口温度の上昇に伴って絞り弁を絞るように制御される。さらに、室外熱交換器４が着霜する等によって、冷媒の室外熱交換器４出口温度が通常の制御範囲を超えて上昇した場合には、強制的に絞り弁を開けるように制御されている。

エバポレータ６は、第１膨張弁５の下流側に位置する低圧通路Ｐ４に配設されつつ、空調ダクト８内のサブガスクーラ３の上流側に配設され、第１膨張弁５で断熱膨張した冷媒が導入されて、空調ダクト８内に導入されエバポレータ６を通過する空調風から熱を奪うことで、冷却、除湿を行なうようになっている。

冷媒間熱交換器７は、冷房運転時に室外熱交換器４下流側の比較的高温状態にある高圧冷媒と、エバポレータ６で断熱膨張した低圧冷媒との間で熱交換することにより、第１膨張弁５に流入する冷媒を冷却するとともに、コンプレッサ２に吸入される冷媒を加熱することができる。

低圧通路Ｐ４には、エバポレータ６と冷媒間熱交換器７との間にアキュムレータ１０が設けられ、このアキュムレータ１０によってエバポレータ６を通過した冷媒が気液分離されて、気相冷媒のみが冷媒間熱交換器７を通過し、コンプレッサ２に吸入されるようになっている。

サブガスクーラ３と室外熱交換器４とを繋ぐ通路Ｐ２には三方弁１１が設けられ、この三方弁１１を切換えることにより、室外熱交換器４を通路Ｐ２に連通する経路（第１切換位置）と、室外熱交換器４をエバポレータ６の下流側でアキュムレータ１０の上流側に連通するリターン通路Ｐ５に連通する経路（第２切換位置）とが切換わるようになっている。

また、低圧通路Ｐ２の三方弁１１の上流側と通路Ｐ３とが、電磁弁１２を備えた第１バイパス通路Ｐ６によって連通されるとともに、冷媒間熱交換器７の下流側で、且つ第１膨張弁５の上流側と室外熱交換器４の出口側とが、第２膨張弁１３を備えた第２バイパス通路Ｐ７によって連通されている。

通路Ｐ３には、室外熱交換器４と第１バイパス通路Ｐ６の連通部との間に、室外熱交換器４から冷媒間熱交換器７方向への冷媒通過を許容する第１逆止弁１４が設けられているとともに、前記第２バイパス通路Ｐ７の第２膨張弁１３の下流側に、室外熱交換器４方向への冷媒通過を許容する第２逆止弁１５が設けられている。また、リターン通路Ｐ５には室外熱交換器４からコンプレッサ２への戻り方向の冷媒通過を許容する第３逆止弁１６が設けられている。

そして、このように構成されたヒートポンプ式空調装置１は、図１〜図３に示されるように冷房モード、暖房モード、除湿モードで運転するようになっている。さらに、室外熱交換器４に着霜した場合には、図４に示すように除霜モードで運転するようになっている。なお、図１〜図４の模式図では、冷媒が流通する経路が実線で示され、冷媒が供給されない経路は破線で示されている。

＜冷房モード＞
ヒートポンプ式空調装置１の冷房モード運転では、図１に示されるように三方弁１１を第１切換位置に切換えるとともに、電磁弁１２を遮断することで、コンプレッサ２で加圧された冷媒は、サブガスクーラ３→（三方弁１１）→室外熱交換器４→冷媒間熱交換器７→第１膨張弁５→エバポレータ６→アキュムレータ１０→冷媒間熱交換器７の順に通過し、コンプレッサ２に吸引にされるという循環経路を構成されている。

そして、空調ダクト８内では、サブガスクーラ３の空調風の流入側が切換ドア９によって遮断され、エバポレータ６を通過した冷房風のみがバイパス通路８ａを通過して車室内に送風されるようになっている。

＜暖房モード＞
ヒートポンプ式空調装置１の暖房モード運転では、図２に示されるように第１膨張弁５を遮断し、三方弁１１を第２切換位置に切換え、かつ、電磁弁１２を開くことによって、コンプレッサ２で加圧された冷媒は、サブガスクーラ３→（電磁弁１２）→冷媒間熱交換器７→第２膨張弁１３→室外熱交換器４→（三方弁１１）→アキュムレータ１０→冷媒間熱交換器７の順に通過し、コンプレッサ２に吸引されるという循環経路が構成されている。

そして、空調ダクト８内では、切換ドア９によってバイパス通路８ｂが開度調節され、空調風がサブガスクーラ３の加熱通路８ａと絞られたバイパス通路８ｂとを通過して、温度調節された暖房風として車室内に送風されるようになっている。なお、この状態でエバポレータ６は機能していない。

＜除湿モード＞
ヒートポンプ式空調装置１の除湿モード運転では、図３に示されるように第１膨張弁５を開き、電磁弁１２を開くことによって、コンプレッサ２で加圧された冷媒は、サブガスクーラ３→（電磁弁１２）→冷媒間熱交換器７→第１膨張弁５→エバポレータ６→アキュムレータ１０→冷媒間熱交換器７の順に通過し、コンプレッサ２に吸引されるという循環経路が構成されている。

そして、空調ダクト８内では、切換ドア９によってバイパス通路８ｂが開度調節され、エバポレータ６を通過して冷却された空調風がサブガスクーラ３の加熱通路８ａを通過して加熱されることで、適当な温度に調節され、車室内に送風されるようになっている。

＜除霜モード＞
ヒートポンプ式空調装置１の除霜モード運転は、室外熱交換器４に着霜した場合に、除霜するために実行され、図４に示されるように三方弁１１を第１切換位置に切換え、電磁弁１２を遮断することによって、コンプレッサ２で加圧された冷媒は、サブガスクーラ３→（三方弁１１）→室外熱交換器４→冷媒間熱交換器７→第１膨張弁５→エバポレータ６→アキュムレータ１０→冷媒間熱交換器７の順に通過し、コンプレッサ２に吸引にされるという循環経路が構成されている。

つまり、この除霜モードでの冷媒循環経路は冷房モードの冷媒循環経路と同じであるが、空調ダクト８内の切換ドア９の切換位置が異なっており、この切換ドア９は除湿モードと同様にバイパス通路８ｂを遮断し、エバポレータ６を通過して冷却された空調風がサブガスクーラ３の加熱通路８ａを通過して加熱されることで適当な温度に調節されて、車室内に送風されるようになっている。勿論、この場合にあっても切換ドア９でバイパス通路８ｂの開度調節することができる。

そこで、本実施形態では除霜モードを自動運転するためには室外熱交換器４の着霜を自動検出しており、室外熱交換器４の冷媒入口４ａ部分に設けられた温度センサ１７によって冷媒温度が検出され、この冷媒温度が所定の温度よりも低い場合には室外熱交換器４が着霜していると判断し、除霜モード運転に移行し、この除霜モード運転によって温度センサ１７によって計測される冷媒温度が別の所定温度よりも高くなった場合には暖房モード運転に戻るように制御されている。

ステップＳ１１でサブガスクーラ３の出口側空調風温度ＴＳＣが所定の温度（本実施形態では６０℃）以下であるか否かを判断し、６０℃よりも高い場合には暖房能力が過剰なので、サイクル内を循環する冷媒量を減らすためにコンプレッサ２回転数を小さくする（ステップＳ１６）。

また、ステップＳ１１でサブガスクーラ３の出口側空調風温度ＴＳＣが６０℃以下であった場合には、空調風の目標吹出し温度Ｘｍとサブガスクーラ３の出口側空調風温度ＴＳＣとの温度差ΔＴが所定の温度差（本実施形態では３．３３℃）以上あるか否かを判定する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２で温度差ΔＴが３．３３℃以上あった場合には、暖房能力が不足しているので、サイクル内を循環する冷媒量を増やすためにコンプレッサ２回転数を大きくし（ステップＳ１４）、温度差ΔＴが３．３３℃よりも小さかった場合には、暖房能力が適正なので、サイクル内を循環する冷媒量を保持するためにコンプレッサ２回転数をそのまま保持する（ステップＳ１５）。

ステップＳ１４〜ステップＳ１６で暖房能力の調整を行なったあと、外気温が所定の温度（本実施形態では３℃）よりも低いか否かを判断し（ステップＳ２０）、外気温が３℃以上あった場合には、ステップＳ２１に移行し、外気温が３℃よりも低い場合にはステップＳ２２に移行する。

ステップＳ２１では、外気温が比較的高い場合の室外熱交換器４の入口側冷媒温度を判定し、室外熱交換器４の入口側冷媒温度が所定の温度（本実施形態では−６℃）よりも高い場合には、ステップＳ２５に移行し、室外熱交換器４の入口側冷媒温度が−６℃以下の場合には、室外熱交換器４の熱交換部分に着霜していると判断して、暖房モード運転を中止して、除霜モード運転を開始する。

ステップＳ２２では、外気温が比較的低い場合の室外熱交換器４の入口側冷媒温度を判定し、室外熱交換器４の入口側冷媒温度が所定の温度（本実施形態では−１０℃）よりも高い場合には、ステップＳ２５に移行し、室外熱交換器４の入口側冷媒温度が−１０℃以下の場合には、室外熱交換器４の熱交換部分に着霜していると判断して、暖房モード運転を中止して、除霜モード運転を開始する。

ステップＳ２３で除霜モード運転を開始したあとは、ステップＳ２４で室外熱交換器４の入口側冷媒温度をチェックし、室外熱交換器４の入口側冷媒温度が所定の温度（本実施形態では７℃）よりも低い場合には、ステップＳ２３に移行して除霜運転を継続し、室外熱交換器４の入口側冷媒温度が７℃以上の場合にはステップＳ２５に移行する（ステップＳ２４）。

ステップＳ２５では、暖房スイッチが入っているか否かを判定し、暖房スイッチが入っていればステップＳ１０に移行して暖房モード運転を継続し、暖房スイッチが切られていれば暖房モード運転を終了する。

以上の構成により本実施形態のヒートポンプ式空調装置１にあっては、比較的安価な温度センサ１７を室外熱交換器４の冷媒入口４ａ部分に取付けることで、室外熱交換器４の冷媒入口４ａにおける冷媒温度から室外熱交換器４の着霜状態を推定するので、ヒートポンプサイクルを複雑にすることなく、比較的安価で室外熱交換器４の着霜状態を判断することができる。

また、目標室内温度に応じてコンプレッサ２の冷媒吐出量が変化することにより、冷媒吐出量を増やして目標室内温度に素早く調整することができるとともに、目標室内温度に達した後は冷媒吐出量を減らしてコンプレッサ２の負荷を低減することができる。

なお、本実施形態のヒートポンプ式空調装置では、超臨界相と気相との間で冷媒としての炭酸ガスが相変化するように構成されているが、冷媒として他の物質を使用し、液相と気相との間で相変化するように構成されたヒートポンプ式空調装置に本願発明を適用した場合など、本実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種他の実施形態を採ることができるとともに、同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態のコンプレッサ２は定容量式のコンプレッサで、要求に応じて回転数を変え、回転数を上げることで冷媒の吐出量を増大し、回転数を下げることで冷媒の吐出量を低減するようになっているが、可変容量式のコンプレッサを用いてコンプレッサの回転数に影響されることなく冷媒の吐出量を変化させた場合でも同様の効果を得ることができる。

本発明の一実施形態におけるヒートポンプ式空調装置の冷房モードでの運転状態を示す模式図。 本発明の一実施形態におけるヒートポンプ式空調装置の暖房モードでの運転状態を示す模式図。 本発明の一実施形態におけるヒートポンプ式空調装置の除湿モードでの運転状態を示す模式図。 本発明の一実施形態におけるヒートポンプ式空調装置の除霜モードでの運転状態を示す模式図。 本発明の一実施形態における除霜モードを実行するフローチャートを示す説明図。

符号の説明

１…ヒートポンプ式空調装置
２…コンプレッサ
３…室内熱交換器
４…室外熱交換器
４…該室外熱交換器
４ａ…冷媒入口
１３…膨張弁
１７…温度センサ

Claims (2)

1. 配管内を循環する冷媒を加圧するコンプレッサ（２）と、このコンプレッサ（２）に加圧された冷媒の熱を空調風に伝える室内熱交換器（３）と、この室内熱交換器（３）で放熱した冷媒を断熱膨張させる膨張弁（１３）と、断熱膨張した冷媒に室外気の熱を伝える室外熱交換器（４）とを備えたヒートポンプ式空調装置であって、
   前記室外熱交換器（４）の冷媒入口（４ａ）に温度センサ（１７）が設けられ、
   この温度センサ（１７）によって検出された冷媒温度から該室外熱交換器（４）の着霜状態を推定することを特徴とするヒートポンプ式空調装置。
2. 請求項１に記載のヒートポンプ式空調装置において、
   少なくとも室内温度を検出し、目標室内温度に応じてコンプレッサ（２）の冷媒吐出量が変化することを特徴とするヒートポンプ式空調装置。
   

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