JP2009149288A - 車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
排気熱交換器に空気を送るための排気ブロアの回転数を、車室内に導入される空気量と対比して、車室内の圧力を車外の圧力よりも常に高くするように制御する。
【解決手段】
排気熱交換器２６と、これを通して車外へ排出させる排気ブロア２４とを車両に備え、車外へ排出される排気風量をフロント側のブロア電圧等から演算して車室内に導入される空気量よりも少なくする制御手段を有して、常に車室内を正圧に維持する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、車両に用いられる空調装置に関し、特に電気自動車等の暖房用熱源が不足しがちな車両において用いられる技術に関する。

近年、電気自動車、ハイブリッド自動車の開発、又はエンジンの高効率化等が盛んに行われているが、このような車両においては、従来のエンジン走行車のようにエンジン冷却水を暖房の熱源として用いることができない、又は困難であるため、十分な暖房機能を得るための熱源の確保が模索されている。

このような状況の下、ヒートポンプ冷暖房を行う車両用ヒートポンプ式空調装置において、車室内から排出する空気と導入される外気とを熱交換して、冷房時に冷却量を暖房時に加熱量をそれぞれ減少させ、もって、省エネルギーを図るヒートポンプ式空調装置が開示されている（特許文献１）。
特開平６−２０６４３３

また、別の従来技術が特許文献２に示されている。この特許文献２に開示されているヒートポンプ式自動車用空調装置は、車外に排出される空気が保有する熱を回収する熱回収暖房運転ができるモードを有している。即ち、車両の後方部にリア側内部熱交換器３４をユニットケース３２の風路３２ｆ内に配置したリアユニット３０を備え、そのリアユニット３０を用いて、第３の流量調整弁３７を絞り、フロント側内部熱交換器１４を放熱器（コンデンサ）として機能させることは暖房運転の場合と同様であるが、前記リア側内部熱交換器３４を吸熱器（エバポレータ）として機能させ、車外に排出する空気から熱を冷媒により回収するシステムである。
特開２０００−６２４４９

前記特許文献２に開示されるシステムについては、リアユニット３０を用いて、リアユニット内のリア側内部熱交換器３４を吸熱器として使用するものであるが、車両の後方部に配され、そこまで冷媒配管が延設されなければならず、配管を敷設する手段も繁雑となり、コスト増の要因となっている。

当出願人は、排出される空気が保有する熱を回収する目的のため、代替フロン等の冷媒を用いずに車両のフロント側に設けられた冷凍サイクルの吸熱用サブエバポレータと、車両の後方部に配された排気熱交換器との間に水を媒体とする排気回収サイクルを配した構成の発明を提案している。この構成によれば、配管を安価な樹脂チューブが利用できると共に、配管の管理も容易である等の利点を持っている。

しかし、排気熱交換器を通って車外に排出する排気ブロアの排気風量をフロント側の空調装置本体のブロアと同時に駆動し、所定風量を与えるようにした場合に、車室内の空気は排気ブロアにより常に所定風量が車外に排出されることになる。そして、フロント側の空調装置本体内のブロアの回転数のみならず、インテークドアの外気導入口の開度による外気導入量との関係から、車室内は正圧の状態と負圧の状態が繰り返して起こることとなる。

即ち、空調条件が内気循環の場合は、外気の導入量が無いため車室内は負圧となるし、またインテークドアの外気導入口の開度が小さければ、外気の導入量が少なく、これもまた車室内が負圧となるし、さらにフロント側のブロアの回転数が低ければ排気ブロアの回転数が勝り、同様に車室内が負圧となる原因となっている。このように負圧となると、ドアリムの隙間や車両本体の隙間から外気が入り込んで空調状態が撹乱され、空調条件が悪化してしまう。したがって、常に車室内を正圧に保つことが要望される。

そこで、この発明は、排気熱交換器を通って車外に排出する排気ブロアの排気風量を制御することで、常に車室内の空気圧を車外の空気圧よりも高くすることが望まれ、そのために排気ブロアの回転数を制御する車両用空調装置を提供することにある。

この発明に係る車両用空調装置は、冷媒を圧縮するコンプレッサを持ち、２つの冷凍サイクルを備え、一方の冷凍サイクルは、圧縮冷媒の持つ熱を放出させ、導入空気の加熱源とするサブコンデンサと、このサブコンデンサより液化された冷媒に吸熱させるサブエバポレータと、このサブエバポレータからのガス冷媒を導き、一時的に溜めるアキュームレータとより成り、前記サブエバポレータには、車室内から車室外へ排出される排熱回収用の排気熱交換器との間に排熱回収サイクルを構成し、前記排気熱交換器を通って車外に排出する排気ブロアの排気風量を、前記空調装置本体内に導入される外気風量よりも少なく制御する制御手段を持つことにある（請求項１）。

この構成から、排気ブロアの排気風量は、常にフロントの空調装置本体のインテーク開度、フロントブロアの回転数等から演算され、車内に導入される風量を超えることはなく、常に車室内を正圧（外気圧より若干高い圧力）に保たれる。

前記した排気風量は、空調装置本体内に配される少なくともフロントブロアの電圧、インテークドアの開度、車速、吹出モード、ミックスドア開度の１つ又は複数から演算されることにある（請求項２）即ち、フロントブロアの回転数、インテークドアの開度による外気比率、選択される吹出モードによる空調ケース内の風量損失、ミックスドア開度によるヒータコア内を通る際の風量損失、車速による外気導入量の変化を種々考慮して最適な排気風量が演算される。また必要によりその他の条件を加えるようにしても良い。

前記インテークドアにより内気循環に設定されると、外気導入風量が無いため、排気風量は当然ながら零とし、車室内を正圧に保つようにしている（請求項３）。

外気温度によって、外気が低い時（例えば１０度以下）には排気ブロアの最大風量を増加させ、１０度以上時には最大風量を低下させる制御を行うことが好ましい（請求項４）。

前記２つの冷凍サイクルの他方は、前記２つの冷凍サイクルの他方は、圧縮冷媒と外気とを熱交換させるコンデンサと、空調装置本体内に収納され、前記コンデンサにより液化された冷媒を膨張弁を介して断熱膨張させ、導入空気の冷却源とするエバポレータと、このエバポレータからのガス冷媒を導き、一時的に溜めると共に前記コンプレッサへの接続される前記アキュームレータとより成り（請求項５）、空調装置本体内に配されるエバポレータにより、導入空気を冷やす働きをしている。

また、前記２つの冷凍サイクルの、前記一方の冷凍サイクル（暖房用）の前記サブコンデンサの下流から分岐して前記他方の冷凍サイクル（冷房用）の前記コンデンサの下流に接続する除湿回路を設け、この除湿回路に設けられる第３の開閉弁を開いて前記一方の冷凍サイクルの作動時である暖房時に前記他方の冷凍サイクルを構成する前記エバポレータに冷媒を流すようにして除湿運転が行われ（請求項６）、室内の湿度が高く且つ外気温が低いときにガラス面に生じやすいくもりの発生を防いでいる。また、導入空気を加熱するために、サブコンデンサは空調装置本体内に配されるが、それ以外の実施例として、空調装置本体外に配し、そのサブコンデンサと空調装置本体内に配されるヒータコアとの間にヒータコア加熱サイクルを設けるようにしても良い（請求項７）。

以上のように、この発明によれば、排気される空気が保有する熱を回収する目的のため、車両のフロント側に設けられた冷凍サイクルの吸熱用サブエバポレータと、車両の後方部に配された排気熱交換器との間に排気回収サイクルを配した車両用空調装置にあって、前記排気熱交換器内の排気ブロアの排気風量は、車内に導入される風量を超えることはなく、常に車室内を正圧（外気圧より若干高い圧力）に保つことができる。これにより、隙間から入り込む外気は無く、空調条件を乱す要因にはならず、車室内を快適に保つことができる（請求項１）。

前記した排気風量は、フロントブロアの回転数やインテークドアの開度による外気比率等から演算されるため、最適な排気風量が得られ、導入される外気風量よりも若干少なく車室内を正圧に保つことができる（請求項２）。

また、外気導入風量が無い内気循環時には、排気風量は零で、排気ブロアは停止され、車室内を正圧に保つことができる（請求項３）。

前記排気ブロアの最大風量は、その最大風量比が外気が低い時（例えば１０度以下）にあっては増加させ、１０度以上時には最大風量を低下させる制御することが好ましく、熱の回収を促進することができる（請求項４）。

前記２つの冷凍サイクルを並設しているから、空調装置本体内に配されるエバポレータによって、導入空気を冷却することができる（請求項５）。

この発明が用いられる車両用空調装置は、２つの冷凍サイクルを持ち、他方の冷凍サイクルを作動させることで、冷房を行い、一方の冷凍サイクルを作動させることで、暖房を行っているが、前記一方の冷凍サイクルの前記サブコンデンサの下流から分岐して前記他方の冷凍サイクルの前記コンデンサの下流に接続する除湿回路を設け、この除湿回路に設けられる第３の開閉弁を用いて前記一方の冷凍サイクルの作動時である暖房運転時に除湿運転を行うことができ、そのような際にあっても、排気熱交換器による熱の回収が行われると共に、排気ブロアが前記請求項２の条件により回転数が演算され、排気風量が導入される外気風量よりも若干少なくできて車室内を正圧に保つことができる（請求項６）。

空調装置本体内に導入空気を加熱する手段として、サブコンデンサを直接配置する以外に間接的に配置するヒータコア加熱サイクルを構成することで、冷凍サイクルの配管の簡素化を図ることができる（請求項７）。

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

図１において、車両用空調装置１は、車室３内の温度等を制御する装置であり、車両２に搭載された空調装置本体４は、空調ケース５の上流側にインテーク部６を備え、インテークドア７の作動によって内気導入口１０と外気導入口１１を切換えて、内気又は外気の導入を選択している。そして、ブロア１２により導入される内気又は外気を下流へ送り出している。

前記インテーク部６の下流には、導入空気を冷却するためのエバポレータ１４が配され、ここを通過する空気が冷却されて冷風となり、更に下流に配されるヒータコア１６に送られる。このエバポレータ１４は下記に説明する冷凍サイクル３０の構成要素となっている。

ヒータコア１６は、下記する冷凍サイクル３０からの熱の供給を受けて、ここを通過する空気を加熱している。このヒータコア１６への通過空気量は、その前に設けられたミックスドア１７にて制御され、この下流域でヒータコア１６を通過して暖められた温風と、このヒータコア１６をバイパスする冷風と混合することで、吹出空気温度が調温されている。

そして、調温された空気が、選択されている吹出モードによりデフロスト吹出口１８、ベント吹出口１９及び足元吹出口２０から車室３内に吹出される。２１は熱源不足時に用いられるＰＴＣなどの補助ヒータである。

車室３内の後方には、排気空気から熱を回収する排気熱交換器２６が設けられ、この排気熱交換器２６は排気ブロア２４も共に排気ケース２５に包まれ、車室３内から排出される空気（内気）から熱交換して熱の回収を図っている。この排気熱交換器２６は下記に説明する排気熱回収サイクル４７を構成している。

冷凍サイクル３０は、冷媒を加圧するモータ駆動のコンプレッサ３３を共通化し、該コンプレッサ３３からの吐出側に２つの第１及び第２の冷凍サイクル３１及び３２を備えている。前記第１の冷凍サイクル３１は、第１の切換弁３４を介してコンデンサ３５に接続され、ここで放熱され、冷媒は液化され、一方向弁３６を介して前記エバポレータ１４に流される。

エバポレータ１４は積層型、フィンアンドチューブ型等で、その上流側に絞り弁３８を持ち、該絞り弁３８により冷媒は断熱膨張され吸熱し、エバポレータ１４を通る空気と熱交換し、導入空気を冷風化する。そして、冷媒は吸熱して気化されながら、該エバポレータ１４の出口からアキュームレータ３９に至り、そこで、一時的に貯められる。即ち、第１の冷凍サイクル３１を稼働させることで、車室内を冷房する働きが行われる。

それから、第２の冷凍サイクル３２は、前記コンプレッサ３３の吐出側に前記第１の切換弁３４に並設の第２の切換弁４１を介してサブコンデンサ４２が接続され、ここで高温高圧の吐出ガスの熱が放熱され、その熱は下記する受熱部４２ａにより回収される。このサブコンデンサ４２は、冷媒の流れる部位と前記受熱部４２ａの水が流れる部位との間にフィンを介在した構成で、熱は水側に伝えられる。

前記受熱部４２ａは、循環ポンプ４３と前記したヒータコア１６とで閉サイクルのヒータコア加熱サイクル４４が構成され、回収された熱は、ヒータコア１６の熱源となっている。即ち、第２の冷凍サイクル３２を稼働させることで、車室内を暖房する働きが行われる。

そして、前記サブコンデンサ４２からの冷媒は、サブエバポレータ４５に流れ、上流側に設けられた絞り弁４６により断熱膨張され、サブエバポレータ４５が冷却される。このサブエバポレータ４５は吸熱部として作用させるため、冷媒の流れる部位と水が流れる部位との間にフィンを介した構成で、熱が放熱部４５ａから吸熱される。

前記放熱部４５ａは、循環ポンプ４８と前記排気熱交換器２６とで閉サイクルの排熱回収サイクル４７が構成されている。なお、この排熱回収サイクル４７には、他の熱源であるモータ等の機器から吸熱するための吸熱部４９も接続されている。

さらに、サブエバポレータ４５からの冷媒は、熱を吸収して蒸発され、前記したアキュームレータ３９に至り、ここで貯められ、再びコンプレッサ３３の稼働により吸引されることになる。

それから、冷凍サイクル３０には、暖房運転時に除湿ができる除湿回路５０が組込まれ、前記第２の冷凍サイクル３２の前記サブコンデンサ４２の下流側から分岐し、第３の切換弁５１及び一方向弁５２を介して第１の冷凍サイクル３１のコンデンサ３５の下流側に接続されている。

この除湿回路５０は、第３の切換弁５１を開けることで、暖房運転時である第２の冷凍サイクル３２の稼働時に一部の冷媒を、エバポレータ１４に供給する。これにより量的には少ないが、エバポレータ１４が働き、車室内の湿度が高く、車外の温度が低い時にガラス面に発生するくもりを晴らす効果を持たすことができる。

以上の構成において、暖房モード時にあって、排気空気温度が低い時における制御フローを図２に用いて説明すると、制御が開始されると、ステップ１０１により第１の切換弁３４が閉じられ、第２の切換弁４１が開かれる。即ち、暖房モードが選択されたことになる。

そしてステップ１０２に進んで、インテークドアの開度から内気循環（ＦＵｌｌ ＲＥＣ）が判断され、ＹＥＳであれば、ステップ１０３に進んで第３の切換弁５１を開き、除湿回路５０に冷媒を流し、エバポレータ１４を稼働させ、除湿運転が行われる。

内気循環（ＦＵｌｌ ＲＥＣ）でない場合（ＮＯ）は、ステップ１０４に進み、排気吹出温度の検出値が所定温度例えば３℃以下かが判断され、３℃以上の場合Ａには、このフローを抜け、３℃以下の場合Ｂには、ステップ１０５に進み、室温が判断される。室温が所定温度例えば０℃以下であれば、ステップ１０６に進み、補助ヒータ２１を作動させる。そして、０℃以上であれば、ステップ１０７に進み、内気混入量が演算される。即ち、室温が高くなるにつれて、内気の混入量が多くなる制御がなされる。

ステップ１０８においては、前述のステップ１０７で演算された内気混入量の演算から、インテークドアの開度の調節が行われ、一部内気循環となる。そしてステップ１０９に進み、エバポレータ１４の温度を監視し、所定温度（例えば０℃）以下となると、ステップ１１０に進み、第３の電磁弁５１は閉じられ、所定温度以上となると、ステップ１０３に進み、第３の電磁弁５１を開いて、除湿運転が開始され、低温度状態時でも、着霜防止をしながら除湿作用を持つ暖房運転が行われる。

この発明に係る構成として、前記排気回収サイクル４７を構成する排気熱交換器２６を作動させるために、それに車室内の空気を送る排気ブロア２４の制御例が図３に示されている。この排気ブロア２４の回転数は、車室３内を負圧にさせないように、常に車室内を正圧に保つべく維持されている。

即ち、図３に示すように、排気ブロア２４の制御フローが開始されると、ステップ２０１において、インテークドアの開度が検出されて読み込まれる。そしてステップ２０２に進み、内気循環（ＦＵｌｌ ＲＥＣ）なのか判断され、ＦＵｌｌ ＲＥＣの場合には、ステップ２０３に進み、排気ブロアの回転は停止される。

またＦＵｌｌ ＲＥＣ以外の場合には、ステップ２０４に進み、フロント側に設けられているフロント側のブロア１２の電圧が読み込まれる。このフロント側のブロア１２の電圧は、図示しないが空調装置を司る制御用コンピュータが必要とされる車室内の熱負荷に基づいて決定されている。前記ブロア電圧以外にもステップ２０５において、ミックスドア開度、吹出モード、車速、外気温度等も読み込まれる。

ステップ２０６において、外気導入量は、ブロア１２の回転数（電圧）以外にインテークドア７の開度（外気導入口の比率）のみならず、ミックスドア１７の位置によるヒータコア１６通過時の空気圧損、吹出モードによる空気圧損、それから車速等から種々を考慮して演算される。

ステップ２０７に進み、外気温が例えば１０℃前後を分岐点として、それよりも高い場合には排気ブロアの最高回転数を６６％以下に抑えても良いが、それよりも低い場合には、排気ブロアの最高回転数を上げる制御が行われる。即ち、下記するステップ２０８においての排気ブロア２４の電圧の演算に考慮される。

ステップ２０８に至ると、排気ブロア２４の回転数を定めるべく、排気ブロア電圧が演算される。これらは、前記ステップ２０６で演算した外気導入量よりも少なくする値となる。これにより、車室内から排出量が常に数％程少なくなり、車室内を正圧に保つことができる。この数％は車両ごとに車載して計測して適切な値が選択される。

この排気ブロア電圧が演算されたら、ステップ２０９に進み、排気ブロア電圧が排気ブロア２４に出力される。このように、排気ブロアの回転数が演算されるため、排気空気量は常に外気導入量よりも少なく保て、車室内を正圧に維持することができる。そして外気導入量に関連する排気空気量であるから、車室内の暖房効果を削くことにもならず、排熱の回収にも充分な能力を得られる。

図４において、車両用空調装置１の導入空気の加熱源として、前記実施例１と異なる例を示している。即ち、前記実施例１にあっては、サブコンデンサ４２が空調装置本体４外に設けられ、このサブコンデンサ４２からの放熱を受熱部４２ａで回収し、空調装置本体４内に配されたヒータコア１６へヒータコア加熱サイクル４４を介して伝熱している。この構成により、加熱用の冷凍サイクルの配管を空調装置本体４内に導くことなく、配管の簡素化が図られるが、部品点数が増加する欠点を有している。

これに対して、実施例２にあっては、サブコンデンサ４２を直接空調装置本体４内に配し、前記エバポレータ１４の下流に設けられるようにしている。即ち、導入空気はエバポレータ１４で冷却されて冷風となり、更に下記のサブコンデンサ４２に送られ、加熱される。サブコンデンサ４２における加熱空気量は、サブコンデンサ４２より前方に配されたエアミックスドア１７により制御され、この下流域でサブコンデンサ４２を通過して温められた温風と、サブコンデンサ４２をバイパスした冷風とが混合して、吹出空気温度が調温されている。この構成にあっては、前記実施例１より部品点数の減少が図られているが、どちらの構成を採用するかは任意である。なお、その他の部分は実施例１と同一のため、同一部分に同一の番号を付して説明を省略した。

この構成の実施例２にあっても、この発明に係る構成である排気熱交換器２６を作動させるために、排気ブロア２４の回転制御が図３に示す制御例により行われ、車室３内を負圧にさせないように、常に車室内を正圧に保つことが継続される。

この発明に係る車両用空気調和装置の実施例１の概略の構成図である。 暖房モード時にあって、排気空気温が低い時における制御フローの図である。 排気ブロアの制御フローの図である。 この発明に係る車両用空調装置の実施例２の概略の構成図である。

符号の説明

１ 車両用空調装置
２ 車両
３ 車室
４ 空調装置本体
６ インテーク部
１２ フロント側のブロア
１４ エバポレータ
１６ ヒータコア
１７ ミックスドア
２１ 補助ヒータ
２４ 排気ブロア
２５ 排気ケース
２６ 排気熱交換器
３０ 冷凍サイクル
３１ 第１の冷凍サイクル
３２ 第２の冷凍サイクル
３３ コンプレッサ
３４ 第１の切換弁
３５ コンデンサ
３９ アキュームレータ
４１ 第２の切換弁
４２ サブコンデンサ
４４ ヒータコア加熱サイクル
４５ サブエバポレータ
４７ 排気回収サイクル
５０ 除湿回路
５１ 第３の切換弁

Claims (7)

1. 冷媒を圧縮するコンプレッサを持ち、２つの冷凍サイクルを備え、
   一方の冷凍サイクルは、圧縮冷媒の持つ熱を放出させ、導入空気の加熱源とするサブコンデンサと、
   このサブコンデンサより液化された冷媒に吸熱させるサブエバポレータと、
   このサブエバポレータからのガス冷媒を導き、一時的に溜めるアキュームレータとより成り、
   前記サブエバポレータには、車室内から車室外へ排出される排熱回収用の排気熱交換器との間に排熱回収サイクルを構成し、
   前記排気熱交換器を通って車外に排出する排気ブロアの排気風量を、前記空調装置本体内に導入される外気風量よりも少なく制御する制御手段を持つことを特徴とする車両用空気調和装置。
2. 排気風量は、空調装置本体内に配される少なくともフロントブロアの電圧、インテークドアの開度、車速、吹出モード、ミックスドア開度の１つ又は複数から演算されることを特徴とする請求項１記載の車両用空気調和装置。
3. インテークドアにより内気循環に設定されると、排気ブロアを止めることを特徴とする請求項１又は２記載の車両用空気調和装置。
4. 外気温度が検出され、この外気温により排気ブロアの最大風量比を決定するようにしたことを特徴とする請求項２記載の車両用空気調和装置。
5. 前記２つの冷凍サイクルの他方は、圧縮冷媒と外気とを熱交換させるコンデンサと、空調装置本体内に収納され、前記コンデンサにより液化された冷媒を膨張弁を介して断熱膨張させ、導入空気の冷却源とするエバポレータと、
   このエバポレータからのガス冷媒を導き、一時的に溜めると共に前記コンプレッサへ接続される前記アキュームレータとより成ることを特徴とする請求項１記載の車両用空気調和装置。
6. 前記２つの冷凍サイクルの前記一方の冷凍サイクルの前記サブコンデンサの下流から分岐して前記他方の冷凍サイクルの前記コンデンサの下流に接続する除湿回路を設け、この除湿回路に設けられる第３の開閉弁を開いて前記一方の冷凍サイクルの作動時である暖房運転時に前記他方の冷凍サイクルを構成する前記エバポレータに冷媒を流して除湿運転を行うことを特徴とする請求項５記載の車両用空気調和装置。
7. 前記サブコンデンサは空気装置本体内に配されるヒータコアとの間にヒータコア加熱サイクルを構成したことを特徴とする請求項１記載の車両用空調装置。

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