JP2007225169A

JP2007225169A - 空調装置

Info

Publication number: JP2007225169A
Application number: JP2006045092A
Authority: JP
Inventors: Seiji Ito; 誠司伊藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-09-06
Also published as: US20070193292A1; EP1826508A2

Abstract

【課題】複数のエバポレータを有する簡素な空調装置を得ること。
【解決手段】空調装置は、冷媒を圧縮するコンプレッサ１１と、前記コンプレッサ１１から吐出する冷媒を冷却するガスクーラ１２と、前記ガスクーラ１２から流出する冷媒を減圧する膨張弁１４と、前記膨張弁１４から流出する冷媒を蒸発させるエバポレータ１５，１６を備える。エバポレータ１５，１６は、直列に接続され、ブロア１５０，１６０からの送風により互いに独立に動作する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のエバポレータへ冷媒を供給する空調装置に関し、特に車両用空調装置に適用して好適である。

例えば、車室内容積が大きい大型乗用車では、車両用空調装置にも大きな能力が要求され、それに伴って、車室内空調用のユニットも、車室内前席側のみに空調ユニットを配置するシングルエアコンから車室内の前席側と後席側の両方に空調ユニットを配置するデュアルエアコンへと変化してきている。

このデュアルエアコンの冷凍サイクルでは、前席側と後席側でエバポレータを含む空調ユニットを並列に設け、コンプレッサとコンデンサは共通に使用している。近年、膨張弁を共通にして、コストの増大を避けるようにしたものが提案されているが、それぞれのエバポレータに冷媒を分配するための流量調整弁を必要とする（特許文献１参照）。

特開２００５−１０６３１８号公報

本発明は、上記問題に鑑み、複数のエバポレータを備えた簡素な冷凍サイクルを有する空調装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の空調装置は、冷媒を圧縮するコンプレッサ（１１）と、前記コンプレッサ（１１）から吐出する冷媒を冷却するガスクーラ（１２）と、前記ガスクーラ（１２）から流出する冷媒を減圧する膨張弁（１４）と、前記膨張弁（１４）から流出する冷媒を蒸発させる、直列に接続され、互いに独立に動作する複数のエバポレータ（１５、１６）とを備える。これにより、複数のエバポレータを備えながら、流量調整弁などの付属部品の必要がない簡素な構造の空調装置を得ることができ、製造コストを抑えることができる。

請求項２に記載の空調装置においては、前記膨張弁（１４）は、前記ガスクーラ（１２）の出口温度によって、その開度が調節される。このように膨張弁を高圧側で制御すると、安定した制御を行うことができる。

請求項３に記載の空調装置は、さらに余剰冷媒をためるタンクを前記膨張弁から前記圧縮機までの低圧側に有する。

請求項４に記載の空調装置においては、前記冷媒は、前記ガスクーラにおいて超臨界圧力に達する流体であるので、例えばＣＯ２のような環境に配慮した冷媒を得るこができる。

請求項５に記載の空調装置においては、前記複数のエバポレータは各々、ブロアを備え、該ブロアは、お互いに独立して制御される。これにより、ブロアのオン・オフで空調のオン・オフを行うことができる。

請求項６に記載の空調装置は、車両の空調に用いられ、前記複数のエバポレータは、第１のエバポレータ（１５）と第２のエバポレータ（１６）からなり、前記第１のエバポレータ（１５）は、前記車両の副温調空間を温度調節するように配置され、前記第２のエバポレータ（１６）は、前記車両の主温調空間を温度調節するように配置される。また、請求項７に記載の空調装置は、前記主温調空間は車両の前席空間であり、前記副温調空間は車両の後席空間であるようにする。さらに、請求項８に記載の空調装置では、前記第１のエバポレータ（１５）は、冷媒の流れに関して前記第２のエバポレータ（１６）よりも上流側に設けられている。このようにすると、第１のエバポレータが冷媒通路として使用される場合、圧力損失を低減できる。

さらに、請求項９に記載の空調装置では、高圧側冷媒と低圧側冷媒を熱交換する内部熱交換器を有することを特徴とする。

なお、上記各部材に付した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的部材との対応関係を示す一例である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態に用いられる冷凍サイクルを示す。冷凍サイクルの冷媒は、例えば二酸化炭素（ＣＯ２）のような超臨界流体となる材料を用いることができる。冷凍サイクルは、冷媒を圧縮して昇圧するコンプレッサ１１と、コンプレッサ１１により圧縮された冷媒を冷却する放熱器であるガスクーラ１２と、ガスクーラ１２から流出する高圧の冷媒と、コンプレッサ１１に吸入される低圧の冷媒とで、熱交換を行う内部熱交換器１３と、内部熱交換器１３を通過した高圧の冷媒を減圧する膨張弁１４と、膨張弁１４から噴射して低圧・低温となった冷媒を蒸発させるための、直列に接続された第１のエバポレータ１５と第２のエバポレータ１６と、第２のエバポレータ１６から流出する冷媒を気液分離するアキュムレータ１７を備える。

ここで、内部熱交換器１３は、高圧の冷媒が通過する高圧側通路１３１と低圧の冷媒が通過する低圧側通路１３２を備えて、熱交換を行う。

また、膨張弁１４の開度は、ガスクーラ１２の出口側の圧力と温度を検出するセンサ１８からの信号に基づいて調節される。すなわち、ガスクーラ１２の出口側の圧力が、最大ＣＯＰ（Coefficient of Performance）が得られる圧力となるように、ガスクーラ１２の出口側の冷媒温度に基づいて、膨張弁１４の開度を調節する。具体的には、検出温度が高くなるほど、開度を小さくして、ガスクーラ１２の出口側の冷媒圧力を上昇させ、検出温度が低くなるほど、開度を大きくして、ガスクーラ１２の出口側の冷媒圧力を低下させる。ガスクーラ１２の出口側の冷媒温度を検出して膨張弁１４の開度を調節する具体的手段としては、適宜公知の手段を選択することができる。

図１で明らかなように、膨張弁１４とアキュムレータ１７との間には、第１のエバポレータ１５と第２のエバポレータ１６とが、なんらの弁を介することなく、この順に直列に配置され、両者は独立に動作可能となっている。また、第１のエバポレータ１５に対して、送風用のファン１５１と、ファン１５１を回転させるファンモータ１５２とからなる第１のブロワ１５０と、外気を導入可能な切替えダンパ１５３が備えられている。同様に、第２のエバポレータ１６に対して、送風用のファン１６１と、ファン１６１を回転させるファンモータ１６２とからなる第２のブロワ１６０と、外気を導入可能な切替えダンパ１６３が備えられている。

このように、第１のエバポレータ１５と第２のエバポレータ１６が直列に配置されているので、コンプレッサ１１が運転を開始して冷媒が循環すると、第１のエバポレータ１５と第２のエバポレータ１６に共通に冷媒が流れる。したがって、エバポレータ１５、１６に送風するブロワ１５０、１６０のオン・オフで、第１および第２のエバポレータ１５、１６の両方を働かせるか、いずれか一方のみを働かせるかを切替えることができる。

第１のエバポレータ１５と第２のエバポレータ１６の双方が使用可能なエネルギーは、膨張弁１４の出口側の冷媒のもつエネルギーとアキュムレータ１７の入口側の冷媒のもつエネルギーとの差で決まる。このエネルギー差が、第１のエバポレータ１５の負荷と第２のエバポレータ１６の負荷に応じて分配されるので、第１のエバポレータ１５と第２のエバポレータ１６の配置の順により、両者に性能の差がでてくるということはない。

なお、ここでは冷媒をＣＯ２として、膨張弁の開度を高圧側の温度を感温して制御しているが、超臨界流体ではない冷媒を用いて低圧側の温度を感温して膨張弁の開度を調整する冷凍サイクルであっても、エバポレータを直列に接続して動作させることができる。

以上のとおり、本発明の実施形態が採用している冷凍サイクルでは、第１のエバポレータと第２のエバポレータとが直列に接続されている簡素な構成により、両者を独立に動作させることにより、所望の空調を行うことができる。

図２及び図３を参照して、本発明の一実施形態である車両用空調装置を説明する。図２の車両用空調装置は、図１の冷凍サイクルを採用し、ミニバンタイプの乗用車５０に配置されている。図２には、図１の冷凍サイクルとともに、空調制御に必要なセンサを示す。なお、図２において図１と同じ部材には、図１と同じ符号を付している。

コンプレッサ１１、ガスクーラ１２、内部熱交換器１３及びアキュムレータ１７は、エンジンが搭載されているエンジンコンパートメントに、第２のエバポレータ１６は、車両室内の最前部の計器盤の内側部に収納されている。この車室前部に配置された第２のエバポレータ１６は、前席側空間の空調のための前席側のエアコンに用いられ、以下、前席側エバポレータ１６として働く。ここで、前席側空間は、運転者の運転席を含み、車室内の主温調空間としての主空調空間である。膨張弁１４と、膨張弁に接続する第１のエバポレータ１５は、車両５０の後部に配置されている。この第１のエバポレータ１５は、後席側空間を空調するための後席側のエアコンに用いられ、後席側エバポレータ１５として働く。ここで、後席側空間は、同乗者の座席を含み、車室内の副温調空間としての副空調空間である。

また、車室前部には、外気導入のための内外気切替ダンパを備え、前席側エバポレータ１６に対して、外気を導入することができる。また、エバポレータの下流直後にエアミックス・ダンパとヒータコア（図示せず）を備え、エアミックス・ダンパを制御することにより、吹出口温度を調整することができる。さらに、通風路の下流に、デフロスタ吹出口、フェイス吹出口、フット吹出口（図示せず）を備え、吹出モードダンパにより切替えて吹出口を選択することができる。

後席側エバポレータ１５の下流直後には吹出開口部と吹出モードダンパ（図示せず）を備え、通風ダクト（図示せず）を介して天井吹出口まで冷風を案内して、後席の乗員の頭上から冷風を吹き出すようにすることができる。以上のような空調設備およびその制御は、公知のものであるので、詳しい説明は省略する。

図３は、図２の車両用空調装置の制御部である空調ＥＣＵ（Electronic Control Unit）を示す。空調ＥＣＵの入力は、各種センサからの信号入力とパネルを介する乗員の入力である。圧力センサ３１は、コンプレッサ１１の下流に配置され、コンプレッサ１１から吐出する冷媒の圧力を検出する。吐出温度センサ３２は、圧力センサ３１の近傍に配置され、コンプレッサ１１から吐出する冷媒の温度を検出する。エバポレータ後温度センサ３３は、エバポレータ１６の近傍に配置され、コンプレッサの作動状態を検出する。内気センサ３４は、例えば計器盤に設けられ、車室内の温度を検出する。外気センサ３５は、例えば車両前面に設けられ、外気温を検出する。日射センサ３６は、計器盤上に配置され、フロントウインドウを通過する日射量を検出する。

空調ＥＣＵからは、図３に示すような、内外気切替ダンパを駆動するサーボモータ４１、エアミックス・ダンパを駆動するサーボモータ４２、吹出口を制御するモード切替モータ４３、前席側エバポレータ１６のブロア１６１を駆動するサーボモータ４４、後席側エバポレータ１５のブロア１５１を駆動するサーボモータ４５、コンプレッサ制御弁４６などを制御するための信号が出力される。

空調のオートコントロールの場合は、乗員が、計器盤に配置された設定温度の入力部３８により、設定温度すなわち希望温度を入力すると、空調ＥＣＵは、各センサの入力に基づいて、最適な制御状態を計算して、サーボモータ４１，４２，４３を駆動して、内外気の切替、エアミックス、吹出口の選択を行って、温度・風量などを調整する。さらに、前席側ブロワあるいは後席側ブロワの駆動により、前席側エアコンあるいは後席側エアコンを動作させ、最適な空調を自動的に実行する。

本実施形態の車両空調装置においては、後席側エバポレータ１５を、前席側エバポレータ１６より、冷凍サイクルの上流に配置している。一般に車両では、後席側のエアコンは、前席側のエアコンに比較して使用率が低い。すなわち、一方のエアコンだけが動作する場合、前席側エバポレータ１６だけが動作している場合が多い。このとき、後席側エバポレータ１５は冷媒通路として使用されることになる。冷媒通路については、乾き度が大きい冷媒が流れるより、乾き度が小さいすなわち湿り度の大きな冷媒が流れるほうが、冷凍サイクルの圧力損失は小さい。したがって、本実施形態では、冷媒通路としてのみ使用される場合が多いと予想される後席側エバポレータ１５を前席側エバポレータ１６より上流に配置して、圧力損失を小さくするようにしている。

さらに、エバポレータ１５は副温調空間の温度調節を担うために比較的小容量とすることができ、例えば主温調空間の温度調節を担うエバポレータ１６より小容量とすることができる。また、エバポレータ１５は副温調空間の温度調節を担うために比較的低圧損とすることができ、例えばエバポレータ１６より低圧損とすることができる。このようなエバポレータ１５とエバポレータ１６との構造上の相違にも起因して、副温調空間の温度調節を担うエバポレータ１５を冷媒流れに関して主温調空間の温度調節を担うエバポレータ１６よりも上流側に配置する利点がある。

図４及び５は、本実施形態の冷凍サイクルを、モリエル線図（横軸エンタルピ、縦軸圧力）上の冷凍サイクル６５と重ねて記載した説明図である。図４は、後席側エバポレータ１５と前席側エバポレータ１６をともに使用する場合を示し、図５は、後席側エバポレータ１５を使用せず、前席側エバポレータ１６のみを使用する場合である。冷凍サイクル中の部材には、図１と同一の符号を付している。

図４の冷凍サイクル６５では、気相状態の冷媒をコンプレッサ１１で圧縮し、この高温高圧の超臨界状態の冷媒をガスクーラ１２で冷却する。そしてこの高温高圧の冷媒を膨張弁１４で減圧して、気液２相状態となった冷媒を後席側及び前席側エバポレータ１５、１６で蒸発させて、車室内に吹き出す吹出空気から蒸発潜熱を奪って冷却する。図には、飽和液線６２と飽和蒸気線６３とその臨界点６１を記載している。飽和液線６２の左側は、過冷却液域であり、飽和蒸気線６３の右側は、過熱ガス域である。

前席側エバポレータ１６のみを使用する場合は、図５に示すように、エバポレータ１５は、エバポレータとして使用されない。すなわち、エバポレータ１５のブロワ１５０は動作しない。このような場合は単に冷媒通路１５’として使用される。冷媒通路１５’は、膨張弁１４に近いので乾き度が小さく、ここでの圧力損失が小さいことがわかる。

以下、図６を参照して、本実施形態における、空調ＥＣＵにおけるエアコンの起動動作を説明する。

まず、空調ＥＣＵには、各種センサからの入力があり（ステップＳ１）、さらにエアコン設定パネルから乗員により各種設定入力がなされる（ステップＳ２）。

ステップＳ１とＳ２における情報入力が終わると、少なくとも１つのブロアのスイッチがオンされているかが判定される（ステップＳ３）。本実施形態では、ブロアは、前席側ブロア１６１と後席側ブロア１５１とがあるので、各ブロアスイッチのオン・によって、次ぎの４通りがある。

（１）前席側ブロア１６１オン
後席側ブロア１５１オン
（２）前席側ブロア１６１オン
後席側ブロア１５１オフ
（３）前席側ブロア１６１オフ
後席側ブロア１５１オン
（４）前席側ブロア１６１オフ
後席側ブロア１５１オフ
（１）〜（３）のように、前席側ブロア１６１と後席側ブロア１５１の少なくとも１つが動作している場合、空調装置の運転の可能性がある。（４）の場合のみ、すべてのブロアが停止して送風がなく、空調も動作しない。したがって、このフローを終了する。

（１）〜（３）の場合は、次にエアコンのスイッチがオンとなっているか否かが判定される（ステップＳ４）。エアコンのスイッチがオフであれば、コンプレッサ１１を起動することなく、ブロアの送風のみの送風モードに設定して終了する（Ｓ８）。送風モードは、（１）〜（３）に対応して、前席側と後席側の双方からの送風と、前席側のみあるいは後席側のみの送風とがある。

エアコンのスイッチがオンであれば、次に実際にコンプレッサ１１が起動可能か否かを判定する（ステップＳ５）。ここでは、圧力センサ３１の値を参照して、所定値より高い場合に、起動可能と判断する。これは、実際に冷凍サイクルにおける熱交換が可能であるかを判定するものである。コンプレッサ１１が起動可能でなければ、やはり送風モードに設定して運転制御する。

ステップＳ５で、コンプレッサ１１が起動可能であれば、コンプレッサ１１を起動する（Ｓ６）。コンプレッサを起動すると、ブロアスイッチのオン・オフで、前席側と後席側の空調動作が決定される。上述の（１）のように、前席側ブロア１６１と後席側ブロア１５１とが駆動されている場合は、前席側エアコンと後席側エアコンの両方がオンとなり、（２）のように、前席側ブロア１６１のみが駆動されている場合、前席側エアコンのみがオン、（３）のように、後席側ブロア１５１のみが駆動されている場合は、後席側エアコンのみがオンとなる。

コンプレッサ１１の起動の後、空調モードに入り（ステップＳ７）、目標温度に合わせるように、コンプレッサの容量制御が行われて、空調運転を続行する。

エアコンスイッチとして、前席用空調スイッチを設ける場合は、前席用空調スイッチをオンすることにより、前席用ブロア１６０とコンプレッサ１１を起動するようにしておけばよい。また、後席用空調スイッチを設ける場合は、後席用空調スイッチをオンすることにより、後席用ブロア１５０とコンプレッサ１１とを起動するようにしておけばよい。

なお、上述の実施形態では、二つのエバポレータを直列に接続するものを例にしたが、３以上のエバポレータを直列に接続するようにしてもよい。

また、本実施形態では、前席側空間をと主空調空間し、後席側空間を副空調空間としたが、前席の運転席を主空調空間とし、前席の助手席を副空調空間としてもよい。さらには、車室内全体あるいは運転席を含む空間を主温調空間とし、車両に搭載された冷蔵庫あるいは冷凍庫を副温調空間としてもよい。

本発明の一実施形態である空調装置の冷凍サイクルを示す図である。本発明の一実施形態である車両用空調装置を示す図である。車両用空調装置の空調ＥＣＵを示す図である。直列のエバポレータの両方を駆動する場合の冷凍サイクルを説明する図である。直列のエバポレータの一方を駆動する場合の冷凍サイクルを説明する図である。車両用空調装置の起動フローを示す図である。

符号の説明

１１コンプレッサ
１２ガスクーラ
１３内部熱交換器
１３１内部熱交換器の高圧側通路
１３２内部熱交換器の低圧側通路
１４膨張弁
１５第１のエバポレータ（後席側エバポレータ）
１５０第１のブロア（後席側ブロア）
１５１ファン
１５２モータ
１５３切替ダンパ
１６第２のエバポレータ（前席側エバポレータ）
１６０第２のブロア（前席側ブロア）
１６１ファン
１６２モータ
１６３切替ダンパ
１７アキュムレータ
１８センサ

Claims

冷媒を圧縮するコンプレッサ（１１）と、
前記コンプレッサ（１１）から吐出する冷媒を冷却するガスクーラ（１２）と、
前記ガスクーラ（１２）から流出する冷媒を減圧する膨張弁（１４）と、
前記膨張弁（１４）から流出する冷媒を蒸発させる、直列に接続され、互いに独立に動作する複数のエバポレータ（１５、１６）と
を備えることを特徴とする空調装置。
前記膨張弁（１４）は、前記ガスクーラ（１２）の出口温度によって、その開度が調節されることを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
さらに、余剰冷媒をためるタンクを前記膨張弁から前記圧縮機までの低圧側に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の空調装置。
前記冷媒は、前記ガスクーラにおいて超臨界圧力に達する流体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の空調装置。
前記複数のエバポレータは各々、ブロアを備え、該ブロアは、お互いに独立して制御されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の空調装置。
車両の空調に用いられ、前記複数のエバポレータは、第１のエバポレータ（１５）と第２のエバポレータ（１６）とを含み、前記第１のエバポレータ（１５）は、前記車両の副温調空間を温度調節するように配置され、前記第２のエバポレータ（１６）は、前記車両の主温調空間を温度調節するように配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の空調装置。
前記主温調空間は車両の前席空間であり、前記副温調空間は車両の後席空間であることを特徴とする請求項６に記載の空調装置。
前記第１のエバポレータ（１５）は、冷媒の流れに関して前記第２のエバポレータ（１６）よりも上流側に設けられていることを特徴とする請求項６又は７に記載の空調装置。
さらに、高圧側冷媒と低圧側冷媒を熱交換する内部熱交換器を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の空調装置。