JP2010143533A - 車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車室内コンデンサやブロアの容量を大きくすることなく、充分な暖房能力を発揮させることができるようにする。
【解決手段】暖房用冷媒回路６ｂに、電動コンプレッサ８とサブコンデンサ４と電子膨張弁１２とエバポレータ３とが順次接続されており、エアコン制御装置２１は暖房運転においては、電子膨張弁１２を全開とし、冷媒を断熱膨張させることなく電子膨張弁１２から流出させる。その結果冷媒がエバポレータ３を通過する際に、空調用空気ダクト２内の空気を冷却することが無く、電動コンプレッサ８の圧縮仕事を熱源として車室内を効率よく暖房することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動コンプレッサの圧縮仕事を熱源として車室内の暖房を行う車両用空調装置に関する。

周知のように、電気自動車や燃料電池車等のような電気をエネルギ源とする車両に搭載されている空調装置は、冷房時においては、冷凍サイクル内を循環するヘリウム等の冷媒を媒介として車室内の熱を受熱し、受熱した熱を車室外へ廃熱するようにしている。

一方、暖房に際しては、電気をエネルギー源としてる車両には、エンジン搭載車のように、エンジンの発熱を熱源とすることができないため、ＰＴＣヒータ等の発熱手段を別途確保する必要がある。例えば特許文献１（特開平８−９１０４１号公報）には、空調用空気ダクトに、発熱手段として複数のＰＴＣヒータを配設し、この各ＰＴＣヒータを選択的に発熱させることで、空気の加熱温度を調整するようにした空調装置が開示されている。

又、特許文献２（特開２０００−３３８１６号公報）には、発熱手段として燃焼ヒータを採用し、この燃焼ヒータ内で燃焼させた際に発生した燃焼ガスにて温水を加熱することで、この温水が流通するヒータコアを通過する空気を加熱するようにした空調装置が開示されている。
特開平８−９１０４１号公報 特開２０００−３３８１６号公報

上述した各文献に開示されている技術では、発熱手段のみで暖房時の熱源を確保しようとしているため、容量の大きな発熱手段が必要となり、電力消費量が増すばかりでなく、容量が増加した分の発熱手段を設置するスペースを確保する必要があり、装置全体が大型化してしまう問題がある。

又、ヒートポンプ式空調装置を採用する車両では、四方弁を用いて、冷媒の流れを切換えることで、冷房運転と暖房運転とを選択的に実行させる技術が知られている。

ところで、ヒートポンプ式空調装置を暖房運転させるに際しては、暖房性能が車室内熱交換器の容量で決定されるため、コンプレッサの容量が同じ場合は、車室内熱交換器（暖房運転ではコンデンサとして機能するもの）の容量を大きくするか、この車室内熱交換器を通過する空気の単位時間あたりの通風量を増やす必要がある。

しかし、車室内熱交換器は、予め容積の決められた空調用空気ダクト内に配設されているため、この車室内熱交換器の容量を大きくすると、空調用空気ダクト内の空気流量が車室内熱交換器によって絞られてしまうため、空気流量を確保するにはブロアの容量を大きくする必要があり、電力消費量や騒音が増大してしまう不都合がある。

本発明は、上記事情に鑑み、発熱手段や車室内熱交換器、及びブロアの容量を大きくすることなく、充分な暖房能力を発揮させることのできる車両用空調装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明による車両用空調装置は、少なくとも電動コンプレッサと車室内コンデンサと電子膨張弁と車室内エバポレータとが順次接続された冷媒回路と、前記電子膨張弁の開度を制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、暖房運転時に前記電子膨張弁を全開させることを特徴とする。

本発明によれば、冷媒回路に設けた電子膨張弁の開度を、暖房運転時は全開させるようにしたので、電動コンプレッサの圧縮仕事により発生した熱を、そのまま車室内コンデンサへ導いて熱交換させることができると共に、電子膨張弁を通過する際に冷媒が断熱膨張することがないため、冷媒が車室内エバポレータを通過する際に空気を冷却することがなく、更に、車室内エバポレータを通過する冷媒が高温の場合は、この車室内エバポレータがコンデンサとして機能するため、車室内をより効率よく暖房することができる。

その結果、車室内の暖房を行うための発熱手段や車室内コンデンサ及び、車室内コンデンサを通過させて車室内に空気を送り込むブロアの容量を大きくすることなく、充分な暖房能力を発揮させることができる。従って、相対的に装置全体の小型化を実現することができる。

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。図１に車両用空調装置の回路構成を示す。尚、本実施形態では、車両として電気自動車(ＥＶ:Electric Vehicle)を例示して説明するが、エンジン駆動系が搭載されている車両であっても、エンジンの発熱を熱源として利用することができない車両にも適用することができる。

同図に示すように、車両用空調装置１は、インストルメントパネルの内部等に配設されて外気或いは内気を車室内へ導く空調用空気ダクト２を有している。尚、図示しないが空調用空気ダクト２の上流には、内気或いは外気を下流方向へ送り出すブロアが配設されている。

又、この空調用空気ダクト２内の、ブロアにより内気或いは外気が吹き出される上流側に車室内エバポレータとしてのエバポレータ３が配設され、下流側に車室内コンデンサとしてのサブコンデンサ４が配設されている。このサブコンデンサ４は、後述するメインコンデンサ１０よりも容量が小さく、このサブコンデンサ４による加熱不足は、その直下流に配設されている発熱手段としてのＰＴＣ(Positive Temperature Coefficient)ヒータ５の発熱によって補われる。ＰＴＣヒータ５は後述するエアコン制御装置（Ａ／Ｃ＿ＥＣＵ）２１からの制御電圧に基づいて発熱温度が設定される。

このエバポレータ３は冷媒配管６に介装されている。この冷媒配管６は、冷房運転時の冷凍サイクルを形成する冷房用冷媒回路６ａと、暖房運転時の冷凍サイクルを形成する暖房用冷媒回路６ｂとを備えていると共に、両冷凍回路６ａ，６ｂの一部が共用されている。この両冷凍回路６ａ，６ｂの共用部分にエバポレータ３が介装されており、このエバポレータ３上流側にアキュムレータ７が介装され、更に、その上流に冷媒を送出する電動式エアコンコンプレッサ（以下「電動コンプレッサ」と称する）８が介装されている。又、エバポレータ３の下流側に、絞り開度を全開から予め設定されている開度まで可変可能な電子膨張弁１２が介装されている。

又、冷凍回路６ａ，６ｂの共用部分であって、電動コンプレッサ８の上流側に、流路切換手段としての流路切換弁１４が介装されている。両冷凍回路６ａ，６ｂは流路切換弁１４を介して、その上流側が各々独立され、この独立された各冷媒回路６ａ，６ｂが電子膨張弁１２の下流側で合流されている。独立された冷房用冷媒回路６ａの上流側に、クーリングファン９により送風を受ける車室外コンデンサとしてのメインコンデンサ１０が介装され、その下流にレシーバ１１が介装されている。更に、独立された暖房用冷媒回路６ｂにサブコンデンサ４が介装されている。

上述した流路切換弁１４は三方弁であり、冷房運転時は暖房用冷媒回路６ｂ側を遮断し、電動コンプレッサ８をメインコンデンサ１０側に連通させ、暖房運転時は冷房用冷媒回路６ａを遮断し、電動コンプレッサ８をサブコンデンサ４側へ連通させる。従って、冷房運転時は、図１の黒塗り矢印で示すように、電動コンプレッサ８から送出された冷媒が、メインコンデンサ１０、レシーバ１１、ドライヤ（図示せず）、電子膨張弁１２、エバポレータ３、アキュムレータ７を循環する冷房用冷凍サイクルが形成される。又、暖房運転時は、図１の白抜き矢印で示すように、電動コンプレッサ８から送出された冷媒が、サブコンデンサ４、ドライヤ（図示せず）、電子膨張弁１２、エバポレータ３、アキュムレータ７を循環する暖房用冷凍サイクルが形成される。

上述したＰＴＣヒータ５、電動コンプレッサ８、電子膨張弁１２、流路切換弁１４は、Ａ／Ｃ＿ＥＣＵ２１からの信号に基づいて制御動作される。尚、本実施形態では、流路切換弁１４は非通電（ＯＦＦ）状態で、暖房用冷媒回路６ｂ側を遮断して、電動コンプレッサ８をメインコンデンサ１０に連通させ、又、通電（ＯＮ）状態でメインコンデンサ１０側を遮断し、電動コンプレッサ８を暖房用冷媒回路６ｂ側に接続するように設定されている。

図２に示すように、Ａ／Ｃ＿ＥＣＵ２１は、マイクロコンピュータを主体に構成され、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有している。このＡ／Ｃ＿ＥＣＵ２１の入力側に、エアコンスイッチ２６、車外温度を検出する外気温センサ２７、車室内温度を検出する内気温センサ２８等が接続されている。又、出力側に、上述したＰＴＣヒータ５、電動コンプレッサ８、電子膨張弁１２及び流路切換弁１４等が接続されている。尚、本実施形態で採用する車両用空調装置１は、いわゆるオートエアコンであり、操作者がエアコンスイッチ２６をＯＮした場合、予めセットした目標空調温度と車室内温度及び車外温度とに応じて冷房運転と暖房運転と除湿運転とが自動的に設定される。ただし、この車両用空調装置１は、エアコンスイッチ２６の操作により、冷房と暖房との何れかをを選択すると共に目標空調温度を設定する、いわゆるマニュアルエアコンであっても良い。

Ａ／Ｃ＿ＥＣＵ２１で実行される空調運転は、具体的には、図３に示す空調制御ルーチンに従って処理される。

このルーチンは、エアコンスイッチ２６がＯＮされた後、所定演算周期毎に実行され、先ず、ステップＳ１で、運転者等がセットした温度である目標空調温度と内気温センサ２８で検出した車室内温度との差温に基づき、暖房運転と冷房運転との何れを行うかを判定する。そして、暖房運転実行と判定された場合、ステップＳ２へ進み、冷房運転実行と判定された場合、ステップＳ３へ進む。

以下においては、先ず、暖房運転について説明し、次いで冷房運転について説明する。暖房運転実行と判定されて、ステップＳ２へ進むと、流路切換弁１４に対して通電（ＯＮ）し、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、外気温センサ２７で検出した車外温度と内気温センサ２８で検出した車室内温度との差温に基づき、除湿運転を行うか否かを調べ、除湿運転が不要と判定した場合は、ステップＳ５へ進み、除湿運転が必要と判定した場合はステップＳ６へ進む。そして、ステップＳ５で電子膨張弁１２を全開として、ルーチンを抜ける。

一方、冷房運転実行と判定してステップＳ３へ進むと、流路切換弁１４を非通電（ＯＦＦ）とし、ステップＳ６へ進む。ステップＳ３或いはステップＳ４からステップＳ６へ進むと、電子膨張弁１２を設定開度まで絞り、ルーチンを抜ける。

Ａ／Ｃ＿ＥＣＵ２１において、暖房運転を実行すべく、流路切換弁１４をＯＮさせると共に、電子膨張弁１２を全開にすると、図１に白抜き矢印で示すように、電動コンプレッサ８で圧縮されて送出された高圧高温のガス冷媒は、流路切換弁１４から暖房用冷媒回路６ｂを通り、空調用空気ダクト２の下流に配設されているサブコンデンサ４に流入される。そして、このサブコンデンサ４を通過する際に、このサブコンデンサ４を流れる空気と熱交換し、空気を加熱すると共に、冷媒が凝縮されて液体となり、この液体冷媒がドライヤ（図示せず）を経て電子膨張弁１２を通り、その上流側に配設されているエバポレータ３を通り、アキュムレータ７を経て電動コンプレッサ８に吸い込まれて循環される。

その際、電子膨張弁１２は全開状態にあるため、冷媒が電子膨張弁１２を通過する際に、断熱膨張することはなく、従って、この冷媒がエバポレータ３を通過しても、空気を冷却することはない。逆に、エバポレータ３を通過する冷媒が高温の場合、このエバポレータ３がコンデンサとして機能し、このエバポレータ３を通過する空気が冷媒にて加熱される。

エバポレータ３をコンデンサとして機能させることで、サブコンデンサ４の容量を増やすことなく、効率の良い暖房を行うことができる。更に、冷媒がメインコンデンサ１０をバイパスしてサブコンデンサ４に送出されるため、外気への熱損失がほとんど無く、内気循環のままでの暖房が可能となり、車室内をより効率よく暖房することができる。

尚、Ａ／Ｃ＿ＥＣＵ２１は、車外温度が低い等の影響で、サブコンデンサ４及びコンデンサとして機能するエバポレータ３の熱量では、車室内へ供給する空気を充分に昇温させることが困難と判定した場合、ＰＴＣヒータ５を発熱させて発熱量の不足分を補う。このＰＴＣヒータ５は従来と同様であるため、説明を省略する。

又、暖房運転中に除湿運転が必要と判定して、電子膨張弁１２の開度を絞ると、この電子膨張弁１２に流入する冷媒は、この電子膨張弁１２にて断熱膨張されて、低圧・低温化されて吐出される。そして、この冷媒がエバポレータ３を流れることで、このエバポレータ３を通過する空気を除湿する。従って、除湿された空気がサブコンデンサ４を通過する際に加熱されて車室内へ供給される。

一方、Ａ／Ｃ＿ＥＣＵ２１が、冷房運転実行と判定して、流路切換弁１４を非通電（ＯＦＦ）すると共に、電子膨張弁１２の開度を絞ると、図１に黒塗り矢印で示すように、電動コンプレッサ８から送出された高圧冷媒は、メインコンデンサ１０を通過する際に冷却されて凝縮液化される。そして、凝縮液化された冷媒がレシーバ１１、及びドライヤ（図示せず）を経て、電子膨張弁１２へ送られ、この電子膨張弁１２を通過する際に断熱膨張された後、エバポレータ３へ送られる。このエバポレータ３は空調用空気ダクト２の上流に臨まされており、このエバポレータ３を通過する空気を冷却し、車室内に冷風を送り込む。又、エバポレータ３にて熱交換されて昇温された冷媒は、アキュムレータ７を経て電動コンプレッサ８に吸い込まれて循環される。

このように、本実施形態によれば、車両用空調装置１の膨張弁として電子膨張弁１２を採用し、暖房運転時は、この電子膨張弁１２を全開にしたので、この電子膨張弁１２の下流側に配設されているエバポレータ３もコンデンサとして機能させることができ、サブコンデンサ４とエバポレータ３との双方で、車室内へ送られる空気を効率よく加熱して、車室内温度を早期に昇温させることができる。エバポレータ３をコンデンサとして機能させるので、コンデンサの容量を実施的に増加させることができる。

更に、暖房運転時は、電動コンプレッサ８から送出された冷媒を、メインコンデンサ１０を通過させることなく、暖房用冷媒回路６ｂを通りサブコンデンサ４へ直接送り込むことができるので、この暖房用冷媒回路６ｂを車室内で配管することが可能となり、外気への熱流失をより一層防止することができる。その結果、ＰＴＣヒータ５やサブコンデンサ４、及びブロアの容量を大きくすることなく、電動コンプレッサ８の圧縮仕事を熱源として、車室内をより効率よく昇温させることができる。従って、相対的に装置全体の小型化も実現することができる。

車両用空調装置の回路構成図 エアコン制御装置の構成図 空調制御ルーチンを示すフローチャート

符号の説明

１…車両用空調装置、
２…空調用空気ダクト、
３…エバポレータ、
４…サブコンデンサ、
５…ＰＴＣヒータ、
６…冷媒配管、
６ａ…冷房用冷媒回路、
６ｂ…暖房用冷媒回路、
８…電動コンプレッサ、
１２…電子膨張弁、
１４…流路切換弁、
２１…エアコン制御装置

Claims (3)

1. 少なくとも電動コンプレッサと車室内コンデンサと電子膨張弁と車室内エバポレータとが順次接続された冷媒回路と、
   前記電子膨張弁の開度を制御する制御手段と
   を有し、
   前記制御手段は、暖房運転時に前記電子膨張弁を全開させる
   ことを特徴とする車両用空調装置。
2. 前記制御手段は、暖房運転時に除湿運転を行う場合、前記電子膨張弁を設定開度に絞る
   ことを特徴とする請求項１記載の車両用空調装置。
3. 前記冷媒回路の前記電動コンプレッサと前記サブコンデンサとの間に流路切換手段を介装し、
   前記流路切換手段を介して冷房用冷媒回路を分岐すると共に、該冷房用冷媒回路の下流を前記サブコンデンサと前記電子膨張弁との間に接続して、該冷房用冷媒回路に車室外コンデンサを介装し、
   前記制御手段は、前記流路切換手段を切換え動作させて、暖房運転時は前記車室外コンデンサ側を遮断して前記電動コンプレッサを前記車室内コンデンサ側へ接続させ、又冷房運転時は前記車室内コンデンサ側を遮断して前記電動コンプレッサを前記車室外コンデンサ側へ接続させる
   ことを特徴とする請求項１或いは２記載の車両用空調装置。

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