JP2006027322A - 車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低外気温時での補助暖房機能を果たしながら、窓ガラスの曇りの発生を無くすことのできる車両用空調装置を提供する。
【解決手段】 車両用空調装置は、通常の冷凍サイクルを行う冷媒閉回路とエンジン冷却水を利用して暖房を行う冷却水閉回路とを有していて、冷媒閉回路には、高圧側放熱器４を迂回して切替弁３の入口側から、低圧側吸熱器６とアキュムレータ７とを結ぶ経路１２に接続するバイパス路９を設け、エンジン１１とヒータコア１０間に圧縮機１から吐出される冷媒とエンジンから排出される冷却水とを熱交換する水冷媒熱交換器２を設けて、両閉回路の熱交換を行えるようにしている。暖房運転時、バイパス路を利用して低圧側吸熱器を迂回するようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両に搭載される車両用空調装置に関し、特にエンジン水温が低いときの暖房運転開始時にエンジン水温・上昇を補助し、早期に車室内を快適温度にすることが可能な補助暖房機能を備えた車両用空調装置に関する。

従来、水冷式エンジンを搭載する車両では、エンジン冷却水を暖房用の熱源として利用しているが、エンジン始動時で冷却水温が低い時に暖房運転を開始すると、十分に加熱されていない空気が車室内に吹き出され、乗員に不快感を与えてしまう。そのため、従来のオートエアコンでは、冷却水温が所定水温以下のときは、ブロワ及び冷凍サイクルの作動を停止して、冷風の吹き出しを防止（ウォームアップ制御）している。

一方、暖房用熱源としてエンジン冷却水を利用することのできない電気自動車では、特許文献１に示されるようなヒートポンプ式空調装置を搭載する場合が多く、例えば高圧冷媒（高温）によって加熱された温水を熱源として（または高圧冷媒を熱源として）暖房運転を行っている。この電気自動車においても、エンジン搭載車と同様に熱源温度（温水温度、冷媒温度）が所定温度に達するまで冷風の吹き出しを防止するウォームアップ制御が行われている。

この特許文献１に示されるヒートポンプサイクルを用いたシステムにおいては、図３に示すように冷媒は、冷房運転時においては、電磁弁の切替えによって、冷媒圧縮機１より吐出され、水冷媒熱交換器２→室外熱交換器（凝縮器として働く）４→室内熱交換器（蒸発器）６を経て、冷媒圧縮機１に吸引されている。また、暖房運転時においては、電磁弁の切替えによって、冷媒圧縮機１より吐出された冷媒は、水冷媒熱交換器２→室外熱交換器（蒸発器として働く）４を経て、冷媒圧縮機１へと吸引されている。更に、除湿運転時においては、電磁弁の切替えによって、冷媒圧縮機１より吐出された冷媒は、水冷媒熱交換器２→室外熱交換器（凝縮器として働く）４→室内熱交換器（蒸発器）６を経て、冷媒圧縮機１へと吸引されている。このようにヒートポンプサイクルを用いたシステムでは、どんな運転時も必ず水冷媒熱交換器と凝縮器又は蒸発器を用いてヒートポンプを行っている。なお、符号１３は燃焼式ヒータであり、外気温度が低い時に、水冷媒熱交換器２だけでは十分に温水を加熱できないときに補助加熱装置として使用される。符号１０は、温水を利用したヒータコアである。

ところが、この特許文献１に示される電気自動車に搭載されるヒートポンプ式空調装置では、外気温度が低くなる程、室外熱交換器（蒸発器として働く）での吸熱量が減少するため、高圧冷媒の温度も低くなる。このため、ヒートポンプサイクルを用いたシステムでは、寒冷地の冬場のような極低温になるような状況では使用できないという欠点がある。

他方で、寒冷地でも使えるように、特許文献２に示すようなホットガスヒータシステムを用いた車両用空調装置も知られている。このホットガスヒータシステムは、図４に示すように冷房運転時においては、電磁弁の切替えによって、冷媒圧縮機１より吐出された冷媒は、室外熱交換器（凝縮器）４を通って室内熱交換器（蒸発器）６で空気を冷却した後に冷媒圧縮機１に吸引される。暖房運転時においては、電磁弁の切替えにより、冷媒圧縮機１より吐出された冷媒は、室外熱交換器４をバイパスして直接室内熱交換器（放熱器として働く）６に導入され、空気を加熱した後に冷媒圧縮機１に吸引される。この室内熱交換器６は、エンジン１１の冷却水を利用するヒータコア１０の空気の流れに対して上流に配置され、補助暖房機能として働いている。

しかしながら、上記従来のホットガスヒータシステムを用いた車両用空調装置においては、冷房運転時において、低圧側吸熱器である蒸発器として機能させる室内熱交換器６を、暖房時には高圧側放熱器として機能させるため、冷房運転時に室内熱交換器６に発生した凝縮水、着霜等が暖房運転時に温められて蒸発し、これが窓ガラスに吹き出されて窓ガラスが曇ってしまう恐れがある。

特開平８−２１６６５５号公報 特許第３２３７１８７号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、冬季もしくは寒冷地での補助暖房機能を果たしながら、窓ガラスの曇りの発生をなくすことのできる車両用空調装置を提供することである。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の車両用空調装置を提供する。
請求項１に記載の車両用空調装置は、通常の冷凍サイクルを行う冷媒閉回路とエンジン冷却水を利用して暖房を行う冷却水閉回路とを有していて、冷媒閉回路には、高圧側放熱器を迂回して切替手段の入口側から、低圧側吸熱器とアキュムレータとを結ぶ経路に接続されるバイパス路を設けると共に、両閉回路で熱交換を行わせるために、エンジンと主暖房装置間であって、主暖房装置の冷却水上流側に、圧縮機から吐出される冷媒とエンジンから排出される冷却水とを熱交換する水冷媒熱交換器を設け、暖房（ホットガス）運転時に、バイパス路を利用して水冷媒熱交換器のみに冷媒を流して、低圧側吸熱器に冷媒を流さないようにしたものである。これにより、低外気温時にエンジン冷却水の温度上昇を補助し、室内が快適温度に達するまでの時間を短くする補助暖房機能を果たすと共に、低圧側吸熱器の凝縮水が蒸発して窓ガラスの曇りが発生するのを防止することができる。

請求項２の車両用空調装置は、水冷媒熱交換器を主暖房装置の上流側に代えて下流側に設けるようにしたものであり、このように水冷媒熱交換器の配置位置を変えても、請求項１の車両用空調装置と同様の作用効果を奏する。
請求項３の車両用空調装置は、圧縮機の駆動をエンジンによって行うことを規定したものである。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態の車両用空調装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態の車両用空調装置の全体構成を示す概念図である。圧縮機１は、電磁クラッチ（図示せず）を介して水冷式の車両エンジン１１によりベルト駆動されるものである。

圧縮機１の吐出側は、後述する水冷媒熱交換器２及び切替手段である切替弁３を介して高圧側放熱器（凝縮器）４に接続されている。この高圧側放熱器４の出口側は、第１減圧手段である膨張弁５を介して低圧側吸熱器（蒸発器）６に接続されている。更に、この低圧側吸熱器６の出口側は、アキュムレータ７を介して圧縮機１の吸入側に接続されている。このアキュムレータ７は、液冷媒とガス冷媒とを分離し、ガス冷媒を圧縮機１に流している。

高圧側放熱器４は圧縮機１等とともに車両エンジンルーム内に配置され、電動式の冷却ファン（図示せず）により送風される外気（冷却空気）と熱交換して、熱を放出している。一方、低圧側吸熱器６は、車室内に向かって空気が流れる車両用空調装置のダクト１４内に配置され、ダクト１４内を通る空気から熱を奪っている（吸熱）。

また本実施形態においては、高圧側放熱器４を迂回して、切替弁３の入口側から、低圧側吸熱器６とアキュムレータ７とを結ぶ経路１２に接続するバイパス路９が設けられており、このバイパス路９に第２減圧手段である絞り８が設けられる。また、圧縮機１と切替弁３との間には、エンジン冷却水と圧縮機１の吐出冷媒とを熱交換させる水冷媒熱交換器２が設けられている。

一方、車両用空調装置のダクト１４内において、低圧側吸熱器（蒸発器）６の空気下流側には車両エンジン１１からのエンジン冷却水（温水）を熱源として送風空気を加熱する主暖房装置である温水式ヒータコア１０が設置されており、エンジン１１とヒータコア１０との間で冷却水の閉回路を形成している。本実施形態では、この冷却水の閉回路中に水冷媒熱交換器２を設置している。図１では、この水冷媒熱交換器２は、車両エンジン１１から出た冷却水がヒータコア１０に送られる往回路中（ヒータコア１０の冷却水上流側）に設置されているが、ヒータコア１０から出た冷却水が車両エンジン１１に戻される復回路中（ヒータコア１０の冷却水下流側）に設置することも可能である。このようにして、圧縮機１の吐出冷媒とエンジン冷却水とが熱交換される。この水冷媒熱交換器２は、種々のタイプの熱交換器が可能であるが、二重管構造の熱交換器が好適である。

上記構成よりなる本実施形態の車両用空調装置の作動について説明する。冷房運転の場合、まず切替弁３によって冷房モードに切り替えられる。次いで電磁クラッチが接続状態となり、圧縮機１が車両エンジン１１によって駆動されると、圧縮機１の吐出冷媒は、まず水冷媒熱交換器２に流入して、エンジン冷却水との間で熱交換される。次いで切替弁３を通って高圧側放熱器（凝縮器）４に流入し、ここで外気に放熱することで冷媒が冷却されて凝縮する。高圧側放熱器４を通過後の冷媒は、膨張弁５によって減圧され低温低圧の気相２相状態となる。

次に、この低圧冷媒は低圧側吸熱器（蒸発器）６に流入し、ダクト１４内を流れる空調空気から吸熱して蒸発する。低圧側吸熱器６で冷却された空調空気は車室内へ吹き出して車室内を冷房する。低圧側吸熱器６で蒸発したガス冷媒はアキュムレータ７を介して圧縮機１に吸入され、圧縮される。なお、低圧側吸熱器６で冷却された空調空気は、図示されていないエアミックスドアによって一部は分岐され、ヒータコア１０で加熱され、ヒータコア１０通過後に再合流され、最適な温度に調整されて、各吹出口より車室内に放出される。

このようにして、冷房運転時においては、圧縮機１の吐出側から水冷媒熱交換器→切替弁（切替手段）３→高圧側放熱器（凝縮器）４→膨張弁（第１減圧手段）５→低圧側吸熱器（蒸発器）６→アキュムレータ７を経て圧縮機１の吸入側に戻る冷媒閉回路により、冷房用冷凍サイクルが構成される。

次に、暖房運転の場合、まず切替弁３によって暖房モード（ホットガスモード）に切り替えられる。圧縮機１が車両エンジン１１によって駆動されると、圧縮機１の吐出冷媒は、まず水冷媒熱交換器２に流入して、エンジン冷却水との間で熱交換が行われる。これにより、エンジン冷却水を加熱し、水冷媒熱交換器２を補助暖房機能として作用させる。次いで冷媒は切替弁３からバイパス路９に流入し、絞り５により減圧されて、気液２相状態となり、低圧側吸熱器（蒸発器）６をバイパスしてアキュムレータ７に流入する。アキュムレータ７からガス冷媒が圧縮機１に吸入され、圧縮される。

このようにして、暖房運転時においては、圧縮機１の吐出側から水冷媒熱交換器２→切替弁（切替手段）３→絞り（第２減圧手段）８→アキュムレータ７を経て圧縮機１の吸入側に戻る冷媒閉回路により暖房用ホットガスヒータサイクルが構成される。

次に本実施形態の車両用空調装置の作用効果について説明する。本実施形態においては、冷房運転時の冷房用冷凍サイクル及び暖房運転時の暖房用ホットガスヒータサイクルのどちらのサイクルにおいても、圧縮機１からの吐出冷媒を水冷媒熱交換器２を通してエンジン冷却水との熱交換を行っていると共に、暖房用ホットガスヒータサイクルにおいては、高圧側放熱器（凝縮器）４に加えて低圧側吸熱器（蒸発器）６をもバイパスさせるようにしている。従って以下のような作用効果を奏するものである。

図２は、本実施形態の車両用空調装置の暖房運転時における暖房性能を示すグラフである。グラフの横軸は、エンジン冷却水の水温（℃）を示し、縦軸は暖房性能（kW）を示している。このグラフから分かるように、エンジン冷却水の水温上昇と共に圧縮機１の吐出冷媒の圧力が上昇するため、暖房性能が向上する傾向があり、圧縮機動力によりエンジン冷却水の水温が上昇する分を含めたトータルの暖房性能は、水温６０℃で２．５kW程度発揮できる。逆に外気温が低温時には、暖房性能は低くなるが、エンジン冷却水を用いるため、例えばウォームアップの最初だけ暖房性能が低いだけで、エンジン冷却水の水温上昇と共に次第に暖房性能は向上する。例えば、外気温が−２０℃の場合、冷却水の水温が−２０℃から１０℃にまで上昇するまでの時間は、２分程度である。

このように、本実施形態では、暖房運転することによって低外気温時にエンジン冷却水の水温上昇を補助し、室内が快適温度に達するまでの時間を短くする補助暖房として使用することができるものである。
また、特許文献２に示されるような従来のホットガスヒータに比較して、次のような利点がある。
（１）例えば外気温０℃付近のように冷房モードでの運転を除湿として作動させながら、エンジン冷却水の水温を早く立ち上がらせたいような場合にも、本実施形態では、吐出冷媒を水冷媒熱交換器に通すことで補助ヒータとして使用することができる。
（２）また、例えば外気温０℃付近のように冷房モードでの運転を除湿として作動させた場合、従来においては、蒸発器での凝縮水が蒸発して窓ガラスの曇りが発生するのを防止するために補助暖房性能を抑制していたが、本実施形態では、暖房運転時に低圧側吸熱器（蒸発器）をバイパスさせて使用しないため、そのような補助暖房性能を抑制する必要もなく、いつでも最大の補助暖房性能を発揮できる。
（３）更に、暖房運転においては、従来ではガス冷媒が循環するために冷媒の流れる音が車室内で聞こえ易かったが、本実施形態では、低圧側吸熱器をバイパスして、車室内に冷媒を循環させないため、冷媒の流れる音が聞こえにくい。

本実施形態においては、更に冷房運転時においても、
（１）エンジン回転数が高回転のときの吐出冷媒の吐出温度を下げることができる。これは、エンジン冷却水の水温が８０℃程度であるのに対し、圧縮機からの吐出ガス冷媒の温度が１２０℃程度であるためである。
（２）エンジン冷却水の水温が低い時のクールダウン初期には、冷房性能を向上することができる。
という効果を奏する。

本発明の実施の形態の車両用空調装置の全体構成を示す概念図である。 本発明の実施の形態の車両用空調装置の暖房運転時における暖房性能を示すグラフである。 従来の車両用ヒートポンプ式空調装置の概略の全体構成図である。 従来のホットガスサイクルを用いた車両用空調装置の概略の全体構成図である。

符号の説明

１ 圧縮機（冷媒圧縮機）
２ 水冷媒熱交換器
３ 切替弁（切替手段）
４ 高圧側放熱器（凝縮器、室外熱交換器）
５ 膨張弁（第１減圧手段）
６ 低圧側吸熱器（蒸発器、室内熱交換器）
７ アキュムレータ
８ 絞り（第２減圧手段）
９ バイパス路
１０ ヒータコア（主暖房装置）
１１ エンジン（車両エンジン）

Claims (3)

1. エンジン冷却水を利用して車室内を暖房する主暖房装置を備えた車両用空調装置であって、
   圧縮機と、
   前記圧縮機の吐出側に接続される高圧側放熱器と、
   前記圧縮機の吸入側に接続される低圧側吸熱器であって、車室内に空気を送るためのダクト内において前記主暖房装置の上流側に配置された低圧側吸熱器と、
   前記低圧側吸熱器の入口側に設けられる第１減圧手段と、
   前記低圧側吸熱器の排出側と前記圧縮機の吸入側とを接続する経路に設けられるアキュムレータと、
   前記圧縮機と前記高圧側放熱器とを結ぶ経路に設けられる切替手段と、
   前記高圧側放熱器を迂回して前記切替手段の入口側から、前記低圧側吸熱器と前記アキュムレータとを結ぶ経路に接続されるバイパス路と、
   前記バイパス路に設けられる第２減圧手段と、
   エンジンと前記主暖房装置間であって前記主暖房装置の冷却水上流側に設けられ、前記圧縮機から吐出される冷媒と前記エンジンから排出される冷却水とを熱交換する水冷媒熱交換器と、
   を備えていて、
   冷房運転時には、前記圧縮機からの冷媒を前記水冷媒熱交換器、前記切替手段、前記高圧側放熱器、前記第１減圧手段、前記低圧側吸熱器、前記アキュムレータの順に流して前記圧縮機に戻し、
   暖房運転時には、前記圧縮機からの冷媒を前記水冷媒熱交換器、前記切替手段、前記第２減圧手段、前記アキュムレータの順に流して前記圧縮機に戻すことで、暖房運転時に前記低圧側吸熱器をバイパスさせることを特徴とする車両用空調装置。
2. 前記水冷媒熱交換器を前記主暖房装置の冷却水上流側に代えて、冷却水下流側に配置したことを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置。
3. 前記圧縮機がエンジンにより駆動されることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用空調装置。

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