JP2005121311A

JP2005121311A - 車両用空調装置

Info

Publication number: JP2005121311A
Application number: JP2003357621A
Authority: JP
Inventors: Hiroya Inaoka; 宏弥稲岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】コンプレッサ式冷房システムと吸着ヒートポンプ式冷房システムとを効果的に統合すること
【解決手段】本発明の車両用空調装置は、コンプレッサ式冷房システムと吸着ヒートポンプ式冷房システムとが統合された車両用空調装置であって、冷媒にアンモニアが使用され、コンプレッサ式冷房システムと吸着ヒートポンプ式冷房システムとが、前記冷媒が流通する共通の冷媒流路１８ａを含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンプレッサ式冷房システムと吸着ヒートポンプ式冷房システムとが統合された車両用空調装置に関する。

従来から、ＨＦ−１３４ａやＣＯ２の低沸点材料を冷媒として、噴霧器から冷媒を噴霧した際の急速な気化特性を利用して、その蒸発潜熱により冷房を行うコンプレッサ式冷房システムが広く知られている。また、他の冷房システムとして、水、メタノールのような蒸気圧が低く且つ蒸発潜熱の大きい冷媒を蒸発器で蒸発させ、その蒸発潜熱により冷房を行う吸着ヒートポンプ式冷房システムが広く知られている。この吸着ヒートポンプ式冷房システムにおいて、冷媒としてアンモニアを使用することも知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
特開平９−８９４１１号公報特開平７−８９３３７号公報

しかしながら、コンプレッサ式冷房システムは、冷房能力が高いが、コンプレッサ（圧縮器）の駆動損失が大きく、吸着ヒートポンプ式冷房システムに比してエネルギ効率的に不利な面がある。一方、吸着ヒートポンプ式冷房システムは、エネルギ効率的に有利であるが、冷房能力が原理上比較的低く、また、使用する冷媒の種類によっては高い環境温度で作動できないという不利な面がある。

そこで、本発明は、コンプレッサ式冷房システムと吸着ヒートポンプ式冷房システムとが効果的に統合された車両用空調装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一局面によれば、コンプレッサ式冷房システムと吸着ヒートポンプ式冷房システムとが統合された車両用空調装置であって、
検出した環境負荷が所定基準より高い場合、コンプレッサ式冷房システムが稼動され、所定基準より低い場合、吸着ヒートポンプ式冷房システムが稼動されることを特徴とする、車両用空調装置が提供される。

また、本発明のその他の一局面によれば、コンプレッサ式冷房システムと吸着ヒートポンプ式冷房システムとが統合された車両用空調装置であって、
冷媒にアンモニアが使用され、コンプレッサ式冷房システムと吸着ヒートポンプ式冷房システムとが、前記冷媒が流通する共通の冷媒流路を含むことを特徴とする、車両用空調装置が提供される。

本局面において、効果的には、前記共通の冷媒流路には、気化した冷媒を凝縮するためのコンデンサが設けられる。また、効果的には、環境負荷に応じてコンプレッサ式冷房システムと吸着ヒートポンプ式冷房システムとが選択的に使い分けられる。

本発明によれば、コンプレッサ式冷房システムと吸着ヒートポンプ式冷房システムとを効果的に統合することができる。また、高い冷房性能を維持しつつ、冷房システム全体の小型化及び高効率化を図ることも可能である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、本発明の一実施例による車両用空調装置（エアーコンディショナ）１０の構成図である。本実施例の車両用空調装置１０は、コンプレッサ式冷房システムと、吸着ヒートポンプ式冷房システムとを統合したハイブリッド冷房装置を構成する。

コンプレッサ式冷房システムは、アンモニアを冷媒として用いる。コンプレッサ式冷房システムは、エンジンを動力源として冷媒（アンモニア）を圧縮するコンプレッサ１２と、コンデンサ（凝縮器）１４と、レシーバ１５と、車室内に設けられるエバポレータ１６と、噴霧器１７とを含む。これらの各要素は、冷媒（アンモニア）が流通する冷媒通路１８を介して連通されている。

コンプレッサ式冷房システムの稼動時、コンプレッサ１２により圧縮された冷媒は、コンデンサ１４やエバポレータ１６を含む冷媒通路１８を循環する（冷媒の流れ方向を図中矢印Ａにより指示）。コンデンサ１４は、気化冷媒を冷却して、エバポレータ１６に供給するための液冷媒に変化させる（凝縮させる）機能をする。エバポレータ１６は、噴霧器１７と協働して、コンプレッサ１２により圧縮された冷媒を気化する。この際に発生する冷媒の蒸発潜熱により、エバポレータ１６を通過する空気が冷却される。コンデンサ１４の前側には、コンデンサ１４を冷却するための吸い込み式電動ファン１５が配設されている。また、エバポレータ１６の前側には、その回転速度が調整可能なブロアモータ（ブロアファン）２２が配設されている。ブロアモータ２２は、車外又は車室内の空気（即ち、外気又は内気）をエバポレータ１６を介して車室内に送り込む機能を有する。尚、レシーバ１５は、コンデンサ１４により凝縮された液冷媒をエバポレータ１６の前段で一時的に貯留する役割をする。

尚、車室内に送り込まれる空気の流量（ブロア風量）は、ブロアモータ２２の回転速度を制御することにより調整される。また、車室内に送り込まれる空気の温度は、ヒーターコア（図示せず）によるリヒート機能（即ち、エアミックスドアの開度）を制御することにより調整される。このような制御は、後述するコンプレッサ式冷房システムと吸着ヒートポンプ式冷房システムとの間の切り替え制御と同様、電子制御ユニット（以下、「エアコンＥＣＵ」と称す）により実現される。尚、エアコンＥＣＵは、図示しないバスを介して互いに接続されたＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータとして構成されている。

吸着ヒートポンプ式冷房システムは、アンモニアを冷媒として用いる。吸着ヒートポンプ式冷房システムは、冷媒（アンモニア）が流通する冷媒通路７８を備える（冷媒の流れ方向を図中矢印Ｂにより指示）。冷媒通路７８は、コンプレッサ式冷房システムの冷媒通路１８に方向性バルブ８０，８２の方向切り替え制御により選択的に接続される。方向性バルブ８０，８２は、冷媒通路１８のコンデンサ１４の前段と後段にそれぞれ設けられる。従って、吸着ヒートポンプ式冷房システムは、コンデンサ１４を含む冷媒通路１８の一部を共有し、コンプレッサ式冷房システムと冷媒（アンモニア）を共用する。尚、以下、コンプレッサ式冷房システムと吸着ヒートポンプ式冷房システムとが共有する、コンデンサ１４を含む冷媒通路１８の一部を「共通冷媒通路１８ａ」という。

吸着ヒートポンプ式冷房システムの冷媒通路７８には、蒸発器７２と、吸着器７４と、ポンプ７６とが設けられる。本実施例の吸着器７４は２つ設けられる。吸着器７４は、内部に吸着剤（好ましくは、粉末状の活性炭）を備える。吸着器７４には、蒸発器７２で蒸発した冷媒の蒸気が導入される。この際、冷媒の蒸気は、方向性バルブ９０によりいずれか一方の吸着器７４に供給される。吸着器７４に供給される冷媒の蒸気は、吸着器７４の吸着剤に吸着される。以下、この工程を「吸着工程」という。吸着工程中の吸着器７４には、吸着用冷媒通路９２を介して、環境温度に相当する吸着用熱媒体が供給される。これにより、吸着器７４の内部の吸着剤が冷却され（吸着時に発生する熱が取り除かれる）、吸着剤が吸着可能な状態に維持される。尚、吸着用冷媒通路９２の吸着用熱媒体は、冷媒通路１８から供給されるものであってもよい。

吸着器７４の内部の吸着剤が冷媒の吸着飽和に達すると、方向性バルブ９０の切り替えにより、当該吸着器７４への冷媒の蒸気の供給が停止され、他方の吸着器７４への冷媒の蒸気の供給が開始される。この際、吸着飽和に達した吸着器７４に対しては、吸着用熱媒体の供給が停止され、これに代えて、脱着用冷媒通路９４を介して脱着用熱媒体が供給される。吸着飽和状態の吸着器７４に脱着用熱媒体が導入されると、吸着器７４の内部の吸着剤が加熱され、吸着剤に吸着した冷媒が蒸発させられる。以下、この工程を「脱着工程」という。

尚、脱着用熱媒体の熱源には、エンジンの排熱を用いてよく、若しくは、脱着用熱媒体は、エンジンの排気ガスであってもよい。例えば、脱着用熱媒体は、緯度の高い仕向け先ではエンジン冷却水を用いることが可能であり、また、緯度の低い仕向け先では、吸着器７４には、エンジン排気熱から１００℃〜１３０℃の高温がシリコーンオイル等の熱媒体を介して導入されてもよい。

脱着工程により吸着剤から脱着した冷媒の蒸気は、ポンプ７６（例えば、電動式液体ポンプ）の駆動の下、吸着器７４から方向性バルブ９１を介して冷媒通路７８及び共通冷媒通路１８ａを循環し、コンデンサ１４により凝縮された後、蒸発器７２に戻される。

吸着ヒートポンプ式冷房システムの稼動時、方向性バルブ８０，８２が、吸着ヒートポンプ式冷房システムの冷媒通路７８側に開とされ、コンプレッサ式冷房システムのコンプレッサ１２側の冷媒通路１８が遮断される（コンプレッサ１２の駆動も停止）。蒸発器７２では、内部の冷媒（アンモニア）の蒸発が継続的に生じ、その際の蒸発潜熱により冷熱が発生する。この冷熱は、ポンプ８４及び冷媒通路８６を介して熱交換器８８に供給される。熱交換器８８は、図１に示すように、車室内に設けられ、蒸発器７２から得た冷熱を車室内に拡散する機能を果たす。尚、熱交換器８８は、図１に示すように、ブロアモータ２２及びエバポレータ１６からなる車室内冷却ユニット１９に内蔵されてよく、熱交換器８８は、ブロアモータ２２により車室内に送り込まれる外気又は内気を冷却するものであってよい。また、冷媒通路８６には、例えばＬＬＣを含む水やシリコーンオイル等の冷媒が流通されてよい。

また、吸着ヒートポンプ式冷房システムの稼動時、蒸発器７２で発生する冷媒の蒸気は、上述の如く、一方の吸着器７４に供給され、その内部の吸着剤に吸着される。この際、他方の吸着器７４では、脱着工程が行われてよい。また、一方の吸着器７４の吸着剤が飽和状態に達した場合には、脱着工程が完了した他方の吸着器７４による吸着工程が速やかに実現される。

次に、図２を参照して、コンプレッサ式冷房システムと吸着ヒートポンプ式冷房システムとの間の切り替え制御について説明する。本実施例のエアコンＥＣＵは、環境負荷に応じて切り替え制御を行う。

具体的には、エアコンＥＣＵは、先ずステップ１００にて、環境負荷を判断する。環境負荷（乗員を取り巻く環境条件の厳しさ）は、例えば冷媒の圧力・温度、日射量、外気温、内気温、温度設定ダイヤルの位置、ブロアスピード及びエアミックスドア開度等を含む種々のパラメータ又はこれらの任意の組み合わせに基づいて判断されてよい。

環境負荷が高負荷である場合、エアコンＥＣＵは、ステップ１１０にて、コンプレッサ式冷房システムを稼動するように制御する。例えば、エアコンＥＣＵは、内気温が６０℃を超えた場合に高負荷と判断してよい。この際、吸着ヒートポンプ式冷房システムは作動されない（但し、必要に応じて上述の脱着工程が実行されてもよい）。コンプレッサ式冷房システムが作動されると、その高い冷房能力により、高負荷に応じた急速な冷房が実現される。

一方、環境負荷が高負荷でない場合、エアコンＥＣＵは、ステップ１２０にて、吸着ヒートポンプ式冷房システムを稼動するように制御する。この際、コンプレッサ式冷房システムは作動されない。尚、当然に、エアコンＥＣＵは、環境負荷に応じて、吸着ヒートポンプ式冷房システムの冷房能力を段階的に調整してよい。

以上の通り、本実施例によれば、環境負荷が高負荷である場合には、高い冷房能力を発揮するコンプレッサ式冷房システムを作動させる一方、環境負荷が高負荷でない場合には、コンプレッサ１２の動力損失が大きいコンプレッサ式冷房システムを停止させ、吸着ヒートポンプ式冷房システムを作動させることで、冷房機能を損なうことなく燃費の向上を図ることができる。また、脱着用熱媒体の熱源に自動車の排熱を利用することで、燃費の更なる向上を図ることができる。

また、吸着ヒートポンプ式冷房システムの冷媒にアンモニアを用いることで、環境温度（即ち、ラジエータの取り付け高さに相当する位置のラジエータ付近の温度（又は、冷媒の温度））が高い場合にも、吸着ヒートポンプ式冷房システムを作動させることができる。即ち、高い環境温度（例えば、５０℃以上）では吸・脱着に必要な相対圧力差が得難い水に代えて、アンモニアを冷媒として用いることで、吸着ヒートポンプ式冷房システムを広い環境温度範囲で稼動させることができる。また、蒸発潜熱が低いフロンに代えて、アンモニアを冷媒として用いることで、より高い冷房能力を得ることができる。

尚、吸着剤である活性炭の重量は、高い環境温度で単位重量あたりのアンモニア吸着量が０．２ｋｇ以上となるように、１４ｋｇ程度であってよい。この場合、１．５ｋＷ以上の冷房能力が得られる。これは、エンジン排熱から１．５ｋＷを回収できることを意味する。

更に、本実施例によれば、吸着ヒートポンプ式冷房システムの冷媒にアンモニアを用いることで、吸着ヒートポンプ式冷房システムとコンプレッサ式冷房システムとで、冷媒を共用することができ、コンデンサ１４（及び、共通冷媒通路１８ａ）の共用化及びこれによる冷房システム全体の小型化を図ることができる。即ち、本実施例では、共用のコンデンサ１４と、蒸発器７２と、吸着器７４とがヒートポンプを構成している。但し、吸着ヒートポンプ式冷房システムは、共用のコンデンサ１４に代えて、共用でないコンデンサを新たに有するものであってもよい。

また、本実施例によれば、上述の如く２槽の吸着器７４が、交互に吸着工程・脱着工程を繰り返すことで、吸着ヒートポンプ式冷房システムの連続的な稼動が可能となり、安定した冷房能力の供給が可能となる。

次に、図３を参照して、本発明の第２実施例について説明する。本実施例は、上述の実施例に対して、吸着ヒートポンプ式冷房システムの蒸発器７２の搭載位置及びそれに関連する構成のみが異なる。従って、他の構成については上述の実施例と同様であってよい。

本実施例の蒸発器７２は、車室内に設けられ、ブロアモータ２２よりも車室側に設けられる。蒸発器７２内の媒体の蒸発時に発生する冷熱は、熱交換器８８を介することなく直接的に、ブロアモータ２２により車室内に拡散される。従って、本実施例では、蒸発器７２に接続される熱交換器８８及び冷媒通路８６等が不要である。尚、蒸発器７２は、図３に示すように、ブロアモータ２２及びエバポレータ１６からなる車室内冷却ユニット１９に内蔵されてよい。

本実施例によれば、上述の実施例と同様の効果と共に、冷房システム全体の更なる小型化・簡略化を図ることができる。尚、蒸発器７２は、同様の態様で、ラゲージルーム、フェンダー内、フロア内のような適切な場所に分散して搭載されてもよい。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述した実施例では、２槽の吸着器７４に対して共通の蒸発器７２が設けられているが、各槽の吸着器７４に対して別々の蒸発器７２が設定されてもよい。この場合、それぞれの蒸発器７２を熱交換器８８に接続する冷媒通路８６には、バルブが設けられ、吸着工程にある吸着器７４側の蒸発器７２から冷熱が熱交換器８８に導かれるようにしてよい。

また、上述した実施例では、比較的低い温度（８０℃から９０℃）で効率的な脱着が可能な活性炭を吸着剤として使用しているが、メソ多孔体、ゼオライトやシリカゲルのような他の吸着剤を使用するものであってもよい。また、本発明は、３槽以上の吸着器を備える構成に対しても同様に適用可能である。

本発明の一実施例による車両用空調装置１０の構成図である。本発明による車両用空調装置１０の動作を概略的に示すフローチャートである。本発明の第２実施例による車両用空調装置１０の構成図である。

符号の説明

１０車両用空調装置
１２コンプレッサ
１４コンデンサ
１５レシーバ
１６エバポレータ
１７噴霧器
１８コンプレッサ式冷房システムの冷媒通路
１８ａ共通冷媒通路
１９車室内冷却ユニット
７２蒸発器
７４吸着器
７６ポンプ
７８吸着ヒートポンプ式冷房システムの冷媒通路
８０，８２方向性バルブ
８４ポンプ
８６冷媒通路
８８熱交換器
９０，９１方向性バルブ
９２吸着用冷媒通路
９４脱着用冷媒通路

Claims

コンプレッサ式冷房システムと吸着ヒートポンプ式冷房システムとが統合された車両用空調装置であって、
検出した環境負荷が所定基準より高い場合、コンプレッサ式冷房システムが稼動され、所定基準より低い場合、吸着ヒートポンプ式冷房システムが稼動されることを特徴とする、車両用空調装置。
コンプレッサ式冷房システムと吸着ヒートポンプ式冷房システムとが統合された車両用空調装置であって、
冷媒にアンモニアが使用され、コンプレッサ式冷房システムと吸着ヒートポンプ式冷房システムとが、前記冷媒が流通する共通の冷媒流路を含むことを特徴とする、車両用空調装置。
前記共通の冷媒流路には、気化した冷媒を凝縮するためのコンデンサが設けられている、請求項２記載の車両用空調装置。
環境負荷に応じてコンプレッサ式冷房システムと吸着ヒートポンプ式冷房システムとを選択的に使い分ける、請求項２又は３記載の車両用空調装置。