JP2006341784A - 車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素などの冷媒を用いた車両用空調装置において、低温時における除霜運転を不要とし、且つ暖房性能を向上させる。
【解決手段】暖房モードにおいてコントローラ１６は、冷却ファン１５を逆回転させてラジエータ１４から室外熱交換器３に向けて空気を導入して、ラジエータ１４を通過した暖かい空気を室外熱交換器３に送るようにした。
【選択図】 図２

Description

この発明は、二酸化炭素などの冷媒を用いた車両用空調装置に関し、詳しくはエンジンなどの熱源を持たない電気自動車や燃料電池車など（以下、車両）に適した車両用空調装置に関する。

近年の車両用空調装置における冷凍サイクルには、気液臨界温度・圧力以上に保持された超臨界流体である炭酸ガスのように、温暖化係数が低い冷媒が用いられている。

炭酸ガスを冷媒とする冷凍サイクルは、コンプレッサ、室内熱交換器（サブガスクーラ）、内部熱交換器、室外熱交換器（ガスクーラ）、膨張弁、蒸発器（エバポレータ）、アキュームレータなどを備え、冷媒の循環経路を切り替えることにより、暖房モード（ヒートポンプ）、除湿暖房モード、および冷房（デアイス／クーラ）モードの運転を可能としている。

また、上記のような冷凍サイクルを備えた車両では、車両のエンジンルーム内に、モータやバッテリーなどの電気系部品を冷却するためのラジエータが設置され、その前方に空調冷媒を冷却するための室外熱交換器がラジエータと近接して設置されている。そして、ラジエータおよび室外熱交換器は車両の進行方向から導入された冷却風が通過することによって、冷却水及び冷媒を放熱させて冷却するように構成されている。

このような冷凍サイクルおいて、暖房モードの時にヒートポンプを長時間使用すると、室外熱交換器の表面に着霜して熱の汲み上げが困難になり、暖房性能が低下することがある。これを解決するための従来技術として、低温側熱交換器（室外熱交換器）の着霜を露点温度により判定する着霜予測手段を設け、低温側熱交換器が着霜する前に冷媒流量を減少するようにした冷凍機が知られている（特許文献１参照）。
特開２００４−１９８０２７号公報

上記特開２００４−１９８０２７号公報に開示された冷凍機では、室外熱交換器の表面に着霜が発生しうる状況と判定したときには、冷媒流量を減少するようにしているため、暖房性能が一時的に低下するという問題点があった。

この発明の目的は、低温時における除霜運転を不要とし、且つ暖房性能を向上させることができる車両用空調装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係わる車両用空調装置は、少なくとも、冷媒を圧縮・昇温する圧縮機と、冷媒と導入空気との間で熱交換させる室外熱交換器と、供給空気と冷媒との間で熱交換させる蒸発器と、前記室外熱交換器で冷却された冷媒と前記圧縮機に戻る低圧の冷媒との間で熱交換する内部熱交換器と、前記蒸発器へ送られる冷媒を減圧する第１減圧手段と、前記室外熱交換器へ送られる冷媒を減圧する第２減圧手段と、前記蒸発器を通過した供給空気と前記圧縮機で圧縮・昇温された冷媒との間で熱交換させる室内熱交換器と、前記室外熱交換器と並設されて冷却水と導入空気との間で熱交換させるラジエータと、前記室外熱交換器および前記ラジエータに空気を導入する正逆回転可能な冷却ファンと、設定温度に応じた冷媒流量並びに運転モードに応じた冷媒経路となるように各部を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、冷房モードでは前記冷却ファンを正回転させて前記室外熱交換器から前記ラジエータに向けて空気を導入し、暖房モードでは前記冷却ファンを逆回転させて前記ラジエータから前記室外熱交換器に向けて空気を導入することを特徴とする。

本発明によれば、暖房モードにおいては冷却ファンを逆回転させて、ラジエータから室外熱交換器に向かって空気を導入するようにしているので、ラジエータを通過した暖かい空気を室外熱交換器に与えることができる。これによれば、室外熱交換器を通過する冷媒の吸熱量が増加するため、暖房性能を向上させることができる。そして、ラジエータを通過した暖かい空気を室外熱交換器に与えることになるので、室外熱交換器への着霜を防止することができる。したがって、低温下で長時間ヒートポンプを使用した場合でも除霜運転が不要となり、着霜を検出して冷媒流量を減少させる従来技術のように暖房性能が一時的に低下することもないので、常に安定した暖房を行うことができる。

以下、本発明に係わる車両用空調装置の実施例について説明する。この実施例では、本発明を二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルを備えた車両の空調装置に適用した例について説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る車両用空調装置の構成を示すブロック図である。本実施例に係わる車両用空調装置１００は、冷媒となる二酸化炭素を圧縮・昇温する圧縮機１と、この圧縮機１で圧縮・昇温された冷媒と供給空気との間で熱交換させる室内熱交換器２と、冷媒と導入空気との間で熱交換させる室外熱交換器３と、冷媒と供給空気との間で熱交換する蒸発器４と、気相状態の冷媒と蒸発器４または室外熱交換器３を通った高圧冷媒との間で熱交換する内部熱交換器５と、蒸発器４へ送られる冷媒を減圧する第１膨張弁６と、冷媒を気液分離するアキュームレータ７と、内部熱交換器５で熱交換された冷媒を減圧して室外熱交換器３へ送り出す第２膨張弁８と、室外熱交換器３への逆流を防止する逆止弁９、１０と、室外熱交換器３から吐出された冷媒と室外熱交換器３へ流入する冷媒の流れを切り替える三方弁１１と、室内熱交換器２からの冷媒の流れをコントロールする電磁弁１２と、図示していないブロアファンから送られてくる空調風の流れをコントロールするエアミックスドア１３と、冷却水と導入空気との間で熱交換するラジエータ１４と、室外熱交換器３およびラジエータ１４に空気を導入する冷却ファン１５と、設定温度に応じた冷媒流量および運転モードに応じた冷媒経路となるように各部を制御するコントローラ１６とを備えている。

圧縮機１は、図示しないモータまたは車両駆動装置からの駆動力を得て気相状態の二酸化炭酸（ガス）を圧縮し、高温高圧の冷媒として吐出している。

室内熱交換器２は、空調ダクト１７内に配置され、圧縮機１から供給された高温高圧の冷媒によりブロアファンから吹き出された供給空気（空調風）を加温する。

室外熱交換器３は、暖房モードでは第２膨張弁８から送り出された低圧の冷媒と導入空気とを熱交換させて吸熱し、冷房モードでは室内熱交換器２から送り出された高温高圧の冷媒と導入空気とを熱交換させて放熱している。

本実施例では、車両の進行方向から導入される外気（進行風）と、冷却ファン１５の正逆回転により発生する冷却風とを総称して導入空気という。

蒸発器４は、空調ダクト１７内に配置され、冷房モードまたは除湿暖房モードにおいて、第１膨張弁６で減圧（膨張）された低温低圧の冷媒とブロアファンから吹き出された供給空気との間で熱交換させて、供給空気を冷却、除湿している。

内部熱交換器５は、アキュームレータ７から送り出された気相状態の冷媒と、室内熱交換器２または室外熱交換器３を通った高圧冷媒とを熱交換して圧縮機１に送り出している。

第１膨張弁６は、内部熱交換器５から送られてきた高圧の冷媒を減圧（膨張）させて蒸発器４へ送り出している。この第１膨張弁６の開閉および開度はコントローラ１６により制御されている。

アキュームレータ７は、室外熱交換器３から送り出された冷媒、または蒸発器４から送り出された冷媒を気液分離して、気相状態の冷媒のみを内部熱交換器５へ送り出し、液相状態の冷媒を一時的に貯留する。

第２膨張弁８は、室内熱交換器２から内部熱交換器５を経て送られてきた高圧の冷媒を減圧（膨張）させて室外熱交換器３へ送り出している。この第２膨張弁８の開閉および開度はコントローラ１６により制御されている。

逆止弁９は、内部熱交換器５から室外熱交換器３へと冷媒が流れることを防止している。

逆止弁１０は、蒸発器４やアキュームレータ７から三方弁１１へ冷媒が流れることを防止している。

三方弁１１は、暖房モードのときには室外熱交換器３からアキュームレータ７へ冷媒を流し、冷房モードのときには室内熱交換器２から室外熱交換器３へ冷媒を流すように流路を切り替えている。この三方弁１１の流路の切り替え（および閉栓）はコントローラ１６により制御されている。

電磁弁１２は、暖房モードおよび除湿暖房モードでは開栓して室内熱交換器２から内部熱交換器５を経由して室外熱交換器３へ冷媒を流し、冷房モードでは閉栓して室内熱交換器２から室外熱交換器３へ冷媒を流している。この電磁弁１２の開閉はコントローラ１６により制御されている。

エアミックスドア１３は、室内熱交換器２の前面に配置され、コントローラ１６によって開度（混合比）が制御されている。そして、ブロアファンからの供給空気を室内熱交換器２で加温するときには、そのときの必要加温度に応じてドアを下方に所定量回動し（混合比０〜１００％）、供給空気を加温しないときはドアを上方に回動する（混合比０％）ように制御される。

ラジエータ１４は、図示しないモータやバッテリーなどの電気系部品を冷却するための冷却水と導入空気とを熱交換して放熱している。このラジエータ１４は、車両の進行方向（図上部方向）から見て室外熱交換器３の後側に並設されている。

冷却ファン１５は、車両の進行方向から見てラジエータ１４の後側に設置され、正方向または逆方向に回転して、室外熱交換器３およびラジエータ１４に空気を導入している。この冷却ファン１５におけるファンの回転数および回転方向はコントローラ１６により制御されており、冷房モードでは正回転させて室外熱交換器３からラジエータ１４に向かって空気を導入し、暖房モードでは逆回転させてラジエータ１４から室外熱交換器３に向かって空気を導入している。

コントローラ１６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むマイクロコンピュータで構成され、図示していない各種センサやタイマーなどから各種データを定期的または必要に応じて取り込むとともに、ＲＯＭに格納された各種プログラムと各種データに基づいて演算処理を実行している。そして、乗員の設定した運転モード、設定量などに応じて三方弁１１、電磁弁１２の切り替えや開閉、第１膨張弁６、８の開閉および開度の制御、ブロアファンの風量、エアミックスドア１３の開度、並びに冷却ファン１５の回転数および回転方向などを含めた装置全体の動作を制御している。

次に、上記車両用空調装置１００の暖房モード、冷房モードにおける動作について説明する。

図２は、暖房モードにおける冷媒の経路を示すブロック図であり、図１に対応している。図中、実線は冷媒（一部に冷却水）の主流を示す経路、破線はそれ以外の経路示している（図３についても同じ）。

乗員により暖房モードが設定されると、コントローラ１６は、三方弁１１を制御して室外熱交換器３から内部熱交換器５の低圧部への流路を連通させるとともに、電磁弁１２を開栓して、室内熱交換器２から室外熱交換器３へ冷媒を流すようにしている。これにより、圧縮機１−室内熱交換器２−電磁弁１２−内部熱交換器５（高圧部）−第２膨張弁８−室外熱交換器３−三方弁１１−逆止弁１０−アキュームレータ７−内部熱交換器５（低圧部）の順に冷媒が循環する第１循環経路Ｌ１を設定している。このとき、コントローラ１６は、除湿の要・不要に応じて第１膨張弁６の開度を調整している。

また、コントローラ１６は、暖房モードでは冷却ファン１５を逆回転させて、ラジエータ１４から室外熱交換器３に向かって空気を導入している。これにより、図中の矢印に示すように、ラジエータ１４を通過した空気が室外熱交換器３へ送られることになる。

この第１循環経路Ｌ１が設定されると、冷媒は圧縮機１により圧縮・昇温されて高圧高温となり、室内熱交換器２に導かれる。そして、ブロアファンから送られてくる供給空気と熱交換して供給空気を加熱し、温度の上がった供給空気は暖房風として車室内へ送風される。このとき、エアミックスドア１３は設定温度に応じて回動量が制御される。この後、室内熱交換器２で供給空気と熱交換した冷媒は、電磁弁１２を通過して内部熱交換器５へ送られる。この内部熱交換器５で圧縮機１への戻り冷媒と熱交換した冷媒は第２膨張弁８で減圧されて室外熱交換器３へ送られる。そして、室外熱交換器３で外気と熱交換して吸熱した後、三方弁１１、逆止弁１０を通過してアキュームレータ７に導かれる。

アキュームレータ７では、冷媒が気液分離されて気相状態の冷媒が内部熱交換器５の低圧部に送り出され、液相状態の冷媒は一時的にアキュームレータ７に貯留される。そして、内部熱交換器５を通過した冷媒は、再び圧縮機１で圧縮・昇温されて高圧高温となり、室内熱交換器２へ送り出される。

図２に示すように、暖房モードでは、圧縮機１で高圧高温となった冷媒を室内熱交換器２で放熱して供給空気を加熱し、その後、第２膨張弁８で減圧して、室外熱交換器３で導入空気から吸熱させ、さらに内部熱交換器５の低圧部を通過させて再び圧縮機１へ戻して循環させるサイクルで運転している。したがって、低温にした冷媒により供給空気から熱を汲み上げるヒートポンプとして暖房を行うことができる。

また、本実施例の暖房モードでは、冷却ファン１５を逆回転させて、ラジエータ１４から室外熱交換器３に向かって空気を導入するようにしているので、ラジエータ１４を通過した暖かい空気を室外熱交換器３に与えることができる。これによれば、室外熱交換器３を通過する冷媒の吸熱量が増加するため、暖房性能を向上させることができる。そして、ラジエータ１４を通過した暖かい空気を室外熱交換器３に与えることになるので、室外熱交換器３への着霜を防止することができる。このため、本実施例の暖房モードでは、低温下で長時間ヒートポンプを使用した場合でも除霜運転が不要となり、着霜を検出して冷媒流量を減少させる従来技術のように暖房性能が一時的に低下することもないので、常に安定した暖房を行うことができる。

図３は、冷房モードにおける冷媒の流れを示すブロック図である。この冷房モードにおいてコントローラ１６は、三方弁１１を制御して室内熱交換器２から室外熱交換器３への流路を連通させるとともに、電磁弁１２および第２膨張弁８を閉栓して、室内熱交換器２からの冷媒を室外熱交換器３側へ流すことにより、圧縮機１−室内熱交換器２−三方弁１１−室外熱交換器３−逆止弁９−内部熱交換器５（高圧部）−第１膨張弁６−蒸発器４−アキュームレータ７−内部熱交換器５（低圧部）の順に冷媒が循環する第２循環経路Ｌ２を設定している。

この第２循環経路Ｌ２が設定されると、冷媒は圧縮機１により圧縮・昇温されて高圧高温となり、室内熱交換器２に導かれる。ただし、このときエアミックスドア１３は上方に回動しているため、供給空気との間で熱交換は行われない。

そして、室内熱交換器２を通過した冷媒は、三方弁１１を通過して室外熱交換器３へ送られ、ここで導入空気と熱交換して放熱して温度を下げる。

なお、コントローラ１６は、冷房モードでは冷却ファン１５を正回転させて、室外熱交換器３からラジエータ１４に向かって空気を導入している。これにより、図中の矢印に示すように、室外熱交換器３を通過して冷媒を冷却した空気がラジエータ１４へ送られることになる。

この室外熱交換器３を通過して温度の下がった冷媒は逆止弁９を通過して内部熱交換器５の高圧部へ送られ、ここでも熱交換して温度を下げ、さらに第１膨張弁６で減圧されて低圧低温となり、蒸発器４へ送られる。そして、低圧低温の冷媒はブロアファンから送られてくる供給空気と熱交換して供給空気を冷却し、温度の下がった供給空気は冷房風として車室内へ送風される。

さらに、蒸発器４で熱交換した冷媒はアキュームレータ７に送られる。ここで、冷媒は気液分離されて気相状態の冷媒が内部熱交換器５の低圧部に送り出され、液相状態の冷媒は一時的にアキュームレータ７に貯留される。そして、内部熱交換器５で熱交換した冷媒は、再び圧縮機１で圧縮・昇温されて高圧高温となり、室内熱交換器２へ送り出される。

図３に示す冷房モードでは、圧縮機１において高圧高温となった冷媒は室外熱交換器３で導入空気と熱交換して温度が下がり、さらに内部熱交換器５において蒸発器４を通過した低圧冷媒との間で熱交換し、その後、蒸発器４で供給空気から吸熱して、再び内部熱交換器５で熱交換して圧縮機１へ戻される。

この冷房モードでは、室外熱交換器３で温度を下げた冷媒を、さらに内部熱交換器５で低圧部の冷媒と熱交換するようにしているため、成績効率を向上させることができる。

図４は、導入空気の通過風速（ｍ／ｓ）と室外熱交換器３の吸熱性能（Ｗ）との関係を示す特性図である。各グラフは室外熱交換器３の各前面温度（−２０℃、−１０℃、０℃）による特性を示している。基準となる吸熱性能（約３５００Ｗ）を得るためには、前面温度が低いほど冷却ファン１５の風速を上げて、ラジエータ１４で温められた空気を室外熱交換器３へ多く送る必要がある。しかしながら、ラジエータ１４の出口空気温度は、通常は外気温が−２０℃の時においても０℃以上になることがみこまれるため、ラジエータ１４で０℃まで温められた空気を０．５ｍ／ｓ程度の風速で送ることができれば、十分に吸熱性能を向上させることができる。

図５は、本発明の実施例２に係わる車両用空調装置の構成を示すブロック図であり、暖房モードにおける冷媒の経路を示している。ただし、実施例１と同等部分を同一符号で示している。

本実施例に係わる車両用空調装置２００では、車両の進行方向から見て室外熱交換器３の前側に第２冷却ファン１８を設置している（駆動部を省略）。この第２冷却ファン１８は、正方向または逆方向に回転して室外熱交換器３およびラジエータ１４に空気を導入するための冷却ファンであって、ファンの回転数および回転方向はコントローラ１６により制御されている。そして、この第２冷却ファン１８は、冷却ファン１５と連動して室外熱交換器３の通過空気を同一方向に流すように制御されている。すなわち、冷房モードでは第２冷却ファン１８を正回転させて室外熱交換器３からラジエータ１４に向かって空気を導入し、暖房モードでは逆回転させてラジエータ１４から室外熱交換器３に向かって空気を導入している。

本実施例の暖房モードでは、冷却ファン１５と第２冷却ファン１８を共に逆回転させて、ラジエータ１４から室外熱交換器３に向かって空気を導入するようにしている。このため、車両の走行により室外熱交換器３に導入される外気が多い場合でも、ラジエータ１４を通過した暖かい空気を室外熱交換器３により多く与えることができる。したがって、室外熱交換器３において熱の汲み上げが難しい状況においても、この室外熱交換器３を通過する冷媒の吸熱量を増加させて、暖房性能を向上させることができる。また、本実施例においても、ラジエータ１４を通過した暖かい空気を室外熱交換器３に与えることにより、室外熱交換器３への着霜を防止することができるので、低温下で長時間ヒートポンプを使用した場合でも除霜運転が不要となる。したがって、着霜を検出して冷媒流量を減少させる従来技術のように暖房性能が一時的に低下することもないので、常に安定した暖房を行うことができる。

なお、本実施例の冷房モードでは、冷却ファン１５と第２冷却ファン１８を共に正回転させて、室外熱交換器３からラジエータ１４に向かって空気を導入するようにしている。これによれば、室外熱交換器３を通過する冷媒をより冷却することができるため、冷房性能を向上させることができる（図示を省略）。

実施例１に係る車両用空調装置の構成を示すブロック図。 実施例１の暖房モードにおける冷媒の経路を示すブロック図。 実施例１の冷房モードにおける冷媒の流れを示すブロック図。 導入空気の通過風速と室外熱交換器の吸熱性能との関係を示す特性図。 実施例２に係わる車両用空調装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

１…圧縮機
２…室内熱交換器
３…室外熱交換器
４…蒸発器
５…内部熱交換器
６…第１膨張弁
７…アキュームレータ
８…第２膨張弁
９、１０…逆止弁
１１…三方弁
１２…電磁弁
１３…エアミックスドア
１４…ラジエータ
１５…冷却ファン
１６…コントローラ
１７…空調ダクト
１８…第２冷却ファン
１００、２００…車両用空調装置

Claims (1)

1. 少なくとも、冷媒を圧縮・昇温する圧縮機（１）と、冷媒と導入空気との間で熱交換させる室外熱交換器（３）と、供給空気と冷媒との間で熱交換させる蒸発器（４）と、前記室外熱交換器（３）で冷却された冷媒と前記圧縮機（１）に戻る低圧の冷媒との間で熱交換する内部熱交換器（５）と、前記蒸発器（４）へ送られる冷媒を減圧する第１減圧手段（６）と、前記室外熱交換器（３）へ送られる冷媒を減圧する第２減圧手段（８）と、前記蒸発器（４）を通過した供給空気と前記圧縮機（１）で圧縮・昇温された冷媒との間で熱交換させる室内熱交換器（２）と、前記室外熱交換器（３）と並設されて冷却水と導入空気との間で熱交換させるラジエータ（１４）と、前記室外熱交換器（３）および前記ラジエータ（１４）に空気を導入する正逆回転可能な冷却ファン（１５）と、設定温度に応じた冷媒流量並びに運転モードに応じた冷媒経路となるように各部を制御する制御手段（１６）とを備え、
   前記制御手段（１６）は、冷房モードでは前記冷却ファン（１５）を正回転させて前記室外熱交換器（３）から前記ラジエータ（１４）に向けて空気を導入し、暖房モードでは前記冷却ファン（１５）を逆回転させて前記ラジエータ（１４）から前記室外熱交換器（３）に向けて空気を導入することを特徴とする車両用空調装置。
   

Images