JP2011152863A - 車両用ヒートポンプ式空調システム及びその暖房始動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的に、低温時の効率的な昇温が遂行されるとともに、キャビン内の暖房を迅速に行うことを可能にする。
【解決手段】車両用ヒートポンプ式空調システム１０は、コンプレッサ１６を介して冷媒体を循環させるヒートポンプ循環路１８を備える。ヒートポンプ循環路１８には、冷媒体と外気とで熱交換を行うコンデンサ２０と、前記コンデンサ２０から送られる前記冷媒体を減圧させる膨張弁２２と、前記冷媒体と空調用空気とで熱交換を行う第１エバポレータ２４と、前記冷媒体と前記空調用空気とで熱交換を行う第１ヒータ２６と、キャビン１４から排出される熱媒体と前記冷媒体とで熱交換を行う第２エバポレータ３０と、前記ヒートポンプ循環路１８に配置され、電源４４から供給されるエネルギにより前記冷媒体を加熱する第２ヒータ４２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載されて乗員用のキャビンの空調を行うための車両用ヒートポンプ式空調システム及びその暖房始動方法に関する。

車両、例えば、内燃エンジンを組み込むエンジン自動車、エンジンと二次電池（又は二次電池と燃料電池等）とを併用するハイブリッド自動車、電気自動車及び燃料電池自動車等の自動車に対応して、種々の車両用空調システムが採用されている。

例えば、特許文献１に開示されている車両用ヒートポンプ式冷暖房装置は、図１６に示すように、暖房運転時にコンプレッサ１ａ、三方弁２ａ、放熱器３ａ、液タンク４ａ、膨張弁５ａ、上流側加熱器６ａ、吸熱器７ａ、下流側加熱器８ａ及び前記コンプレッサ１ａに循環する流路が設定されている。

放熱器３ａは、コンプレッサ１ａから吐出された高温の冷媒の熱を、外部から導入された空気に放熱し、吸熱器７ａは、送風された空気の熱を、冷媒に吸熱している。上流側加熱器６ａ及び下流側加熱器８ａは、低温起動時等に電圧を印加することにより、冷媒の加熱を行っている。

また、特許文献２に開示されている自動車用空気調和装置は、ヒートポンプ式空気調和装置である。この空気調和装置は、図１７に示すように、送風機１ｂにより取り入れられた空気を車室内に向かって送るための通風ダクト２ｂを有しており、この通風ダクト２ｂ内には、エバポレータ３ｂ及び第１コンデンサ４ｂが配設されている。通風ダクト２ｂの外には、第２コンデンサ５ｂが配設されており、第１コンデンサ４ｂは、主に暖房運転時に作用し、前記第２コンデンサ５ｂは、主に冷房運転時に作用している。

エバポレータ３ｂ、第１コンデンサ４ｂ及び第２コンデンサ５ｂは、配管によりリキッドタンク６ｂや膨張弁７ｂとともに、コンプレッサ８ｂに連結されて、冷凍サイクルを構成している。

通風ダクト２ｂ内には、第１コンデンサ４ｂの上流側近傍に、電気加熱ヒータとしてのＰＴＣヒータ９ｂが設置されている。このＰＴＣヒータ９ｂは、暖房性能が不足しがちな起動時や低負荷時に、通電されることによって、暖房性能不足を補うことができる、としている。

特開平７−４７５５号公報 実開平７−５８２５号公報

上記の特許文献１では、暖房運転時に吸熱器７ａで吸熱を行うとともに、ＰＴＣヒータが内設された上流側加熱器６ａ及び下流側加熱器８ａをオン（ＯＮ）している。しかしながら、吸熱器７ａは、氷点下で吸熱を行う際に、着霜が生じて吸熱ができなくなるという問題がある。

しかも、吸熱器７ａと上流側加熱器６ａ及び下流側加熱器８ａとを吸熱源としており、キャビン排熱等の熱源を活用することができない。従って、キャビンの暖房熱源として昇温即効性を得ることが困難であるという問題がある。

また、上記の特許文献２では、ＰＴＣヒータ９ｂは、エバポレータ３ｂを通過した冷却空気を加熱して昇温させ、第１コンデンサ４ｂに送り込まれる空気の温度を高くすることにより、前記第１コンデンサ４ｂの熱交換率を下げる機能を有している。このため、コンプレッサ８ｂの吐出圧力が上昇するものの、外気温度にのみ依存するため、効率的な暖房運転が遂行されないという問題がある。

しかも、ＰＴＣヒータ９ｂの効率的な運転が考慮されないという問題がある。その上、外気温度が低温である際に、エバポレータ３ｂに着霜が発生するおそれがある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的に、低温時の効率的な昇温が遂行されるとともに、キャビン内の暖房を迅速に行うことが可能な車両用ヒートポンプ式空調システム及びその暖房始動方法を提供することを目的とする。

本発明は、車両に搭載されて乗員用のキャビンの空調を行う車両用ヒートポンプ式空調システムに関するものである。

この空調システムは、圧縮機を介して冷媒体を循環させるヒートポンプ循環路に配置され、前記冷媒体と外気とで熱交換を行うコンデンサと、前記コンデンサから送られる前記冷媒体を減圧させる膨張弁と、前記ヒートポンプ循環路に配置され、前記膨張弁を通過した前記冷媒体と空調用空気とで熱交換を行う第１エバポレータと、前記ヒートポンプ循環路に配置され、前記圧縮機から送出される前記冷媒体と前記第１エバポレータを通過した前記空調用空気とで熱交換を行う第１ヒータと、前記ヒートポンプ循環路から分岐する分岐路に配置され、前記車両の内外から得られて前記冷媒体よりも高い温度である熱媒体と前記冷媒体とで熱交換を行う第２エバポレータと、前記ヒートポンプ循環路に配置され、前記空調システムの外部から供給されるエネルギにより前記冷媒体を加熱する第２ヒータとを備えている。そして、第２ヒータは、第２エバポレータの上流又は下流に配置されている。

また、第２ヒータは、圧縮機の上流に配設されることが好ましい。

さらに、本発明に係る空調システムは、圧縮機を介して冷媒体を循環させるヒートポンプ循環路に配置され、前記冷媒体と外気とで熱交換を行うコンデンサと、前記コンデンサから送られる前記冷媒体を減圧させる膨張弁と、前記ヒートポンプ循環路に配置され、前記膨張弁を通過した前記冷媒体と空調用空気とで熱交換を行う第１エバポレータと、前記ヒートポンプ循環路に配置され、前記圧縮機から送出される前記冷媒体と前記第１エバポレータを通過した前記空調用空気とで熱交換を行う第１ヒータと、前記ヒートポンプ循環路から分岐する分岐路に配置され、車両の内外から得られて前記冷媒体よりも高い温度である熱媒体と前記冷媒体とで熱交換を行う第２エバポレータと、前記第２エバポレータに近接して配置され、前記第２エバポレータに導入される前の前記熱媒体を、外部から供給されるエネルギにより加熱する第２ヒータとを備えている。

さらにまた、第２ヒータは、ヒートポンプ循環路外の発熱体から供給されるエネルギにより、冷媒体に熱を与える熱交換器であることが好ましい。

また、この空調システムは、暖房始動時にヒートポンプ循環路を循環する冷媒体のみでキャビンの温度が上昇可能な目標送出温度になるまで、第２ヒータを稼動させる制御部を備えることが好ましい。

さらに、制御部は、キャビンの温度が上昇するのに伴い、第２ヒータの出力を小さく調整することが好ましい。

さらにまた、第２エバポレータで冷媒体と熱交換を行う熱媒体は、キャビンからの排熱気体であることが好ましい。

また、本発明は、車両に搭載されて乗員用のキャビンの空調を行う車両用ヒートポンプ式空調システムの暖房始動方法に関するものである。

この暖房始動方法は、第１ヒータの作用下に、冷媒体と熱交換された空調用空気をキャビンに送出する工程と、キャビンへの送出温度を検出する工程と、前記送出温度が目標送出温度よりも低いと判断された際、第２ヒータを駆動させて前記冷媒体又は熱媒体を加熱する工程と、前記第２ヒータの駆動後に、前記送出温度が前記目標送出温度を超えたと判断された際、前記第２ヒータの駆動を停止する工程とを有している。

さらに、この暖房始動方法は、キャビンの温度が上昇するのに伴って、第２ヒータの出力を小さくすることが好ましい。

さらにまた、ヒートポンプ循環路には、圧力センサが設けられるとともに、この暖房始動方法は、前記ヒートポンプ循環路内の圧力が規定値以上である際、送出温度が目標送出温度を超えても、第２ヒータの駆動を継続することが好ましい。

また、この暖房始動方法は、キャビン内の空気を循環させる内気循環モードである際、第２ヒータの駆動を継続することが好ましい。

さらに、車両は、電力の供給が可能な電池を搭載するとともに、この暖房始動方法は、前記電池が低温運転モードである際、第２ヒータの駆動を継続することが好ましい。

さらにまた、日照センサを備えるとともに、この暖房始動方法は、前記日照センサによりキャビン内が昇温可能であると判断された際、送出温度が目標送出温度以下であっても、第２ヒータの駆動を停止することが好ましい。

また、第２ヒータのオン及びオフの切り換えを行う切り換えスイッチを備えるとともに、この暖房始動方法は、前記切り換えスイッチがオフに切り換えられる際、送出温度が目標送出温度以下であっても、第２ヒータの駆動を停止することが好ましい。

さらに、第２ヒータに対し、車両の外部からエネルギを供給することが好ましい。

本発明では、ヒートポンプ循環路に、空調システムの外部から供給されるエネルギにより冷媒体を加熱する第２ヒータが配置されるため、特に低温時にヒートポンプの熱源として有効に利用することができる。しかも、第２ヒータは、第２エバポレータの上流又は下流に配置されており、キャビンの暖房熱源として良好に機能し、前記キャビンを迅速に昇温させることが可能になる。

しかも、外気温度が低く、ヒートポンプの熱源が不足する際にも、キャビンから排出される熱媒体を、第２エバポレータを介して前記ヒートポンプの熱源として利用することが可能になる。これにより、簡単且つ経済的に、着霜を防止して低温時の効率的な昇温が遂行されるとともに、キャビン内の暖房を迅速に行うことができる。

また、本発明では、第２エバポレータに近接して配置され、前記第２エバポレータに導入される前の熱媒体を、空調システムの外部から供給されるエネルギにより加熱する第２ヒータを備えている。従って、キャビンから第２エバポレータに導入される熱媒体を、さらに昇温させることができ、前記第２エバポレータによる吸熱量が良好に増加可能になる。このため、キャビン内の暖房を迅速に行うことができる。

さらに、本発明では、ヒートポンプの熱源のみでキャビンの暖房が可能な状態になった際には、第２ヒータの駆動が停止される。これにより、ヒートポンプの熱源のみによる高効率運転が容易に遂行可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る車両用ヒートポンプ式空調システムの概略ブロック図である。 前記空調システムの暖房運転時の概略説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る暖房始動方法を説明するフローチャートである。 第２ヒータの有無によるキャビン温度及び送出温度の説明図である。 暖房性能の説明図である。 消費電力の説明図である。 前記空調システムの内部循環モードの暖房運転時の概略説明図である。 前記空調システムの冷房運転時の概略説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る暖房始動方法を説明するフローチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る暖房始動方法を説明するフローチャートである。 本発明の第４の実施形態に係る車両用ヒートポンプ式空調システムの概略説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る車両用ヒートポンプ式空調システムの概略説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る車両用ヒートポンプ式空調システムの概略説明図である。 本発明の第７の実施形態に係る車両用ヒートポンプ式空調システムの概略説明図である。 本発明の第８の実施形態に係る車両用ヒートポンプ式空調システムの概略説明図である。 特許文献１に開示されている車両用ヒートポンプ式冷暖房装置の説明図である。 特許文献２に開示されている自動車用空気調和装置の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る車両用ヒートポンプ式空調システム１０は、自動車（車両）１２に搭載されており、乗員用のキャビン（車室）１４の空調を行う。自動車１２は、エンジン自動車、エンジンと二次電池（又は二次電池と燃料電池等）とを併用するハイブリッド自動車、電気自動車又は燃料電池自動車等のいずれであってもよい。

空調システム１０は、コンプレッサ（圧縮機）１６を介して冷媒体を循環させるヒートポンプ循環路１８を備える。ヒートポンプ循環路１８には、冷媒体と外気とで熱交換を行うコンデンサ２０と、前記コンデンサ２０から送られる前記冷媒体を減圧させる膨張弁２２と、前記膨張弁２２を通過した前記冷媒体と空調用空気とで熱交換を行う第１エバポレータ２４と、前記コンプレッサ１６から送出される前記冷媒体と前記第１エバポレータ２４を通過した前記空調用空気とで熱交換を行う第１ヒータ（コンデンサ）２６とが配置される。

ヒートポンプ循環路１８から分岐路２８が分岐されるとともに、前記分岐路２８には、自動車１２の内外から得られる熱媒体、例えば、キャビン１４から前記自動車１２の外に排出される熱媒体（キャビン１４からの排熱気体）と冷媒体で熱交換を行う第２エバポレータ３０が配置される。

ここで熱交換される熱媒体は、キャビン１４からの排熱気体であるため、前記キャビン１４の持つ熱を無駄に捨てずに有効利用することができる。また、空調システム１０の暖気起動時に、キャビン１４の暖気に供された熱を回収し、再投入することができるため、迅速な立ち上がりが遂行されるという利点がある。

コンデンサ２０は、例えば、ラジエータを構成しており、自動車１２の前方側に配置されるとともに、前記コンデンサ２０の両側には、電磁弁３２ａと逆止弁３４とが配置される。ヒートポンプ循環路１８には、コンデンサ２０と平行に第１バイパス路３６ａが設けられ、前記第１バイパス路３６ａには、電磁弁３２ｂが配置される。

膨張弁２２は、空調用空気を冷却する第１エバポレータ２４から送出された冷媒体の温度を検出する手段（図示せず）を有する。この膨張弁２２は、第１エバポレータ２４から送出された冷媒体の温度に応じて、開度を自動的に変更させることにより、冷媒体流量を変更可能に構成される。

ヒートポンプ循環路１８には、膨張弁２２に近接する部位と、分岐路２８の入り口側との接続部位に対応して、三方弁３８ａが配置される。ヒートポンプ循環路１８には、第１エバポレータ２４をバイパスする第２バイパス路３６ｂの出口部と前記ヒートポンプ循環路１８との接続部位に対応して、三方弁３８ｂが配置される。第２エバポレータ３０は、自動車１２の後部側に配置される（図２参照）。

第１エバポレータ２４と第１ヒータ２６との間には、前記第１エバポレータ２４により冷却された空調用空気を、前記第１ヒータ２６を迂回させてキャビン１４に送出するためのエアミックスダンパ４０が設けられる。

ヒートポンプ循環路１８には、第２エバポレータ３０の下流に位置して、具体的には、コンプレッサ１６の上流側であって膨張弁２２と三方弁３８ｂとの間に位置して、第２ヒータ４２が配置される。第２ヒータ４２は、電気ヒータで構成されており、空調システム１０の外部から電源供給がある場合として、個別の電源（熱源）４４から供給されるエネルギにより、又は前記空調システム１０の外部から電源供給がない場合には、例えば、車両の電池の発電電力により冷媒体を加熱する。

自動車１２には、外気を空調用空気として取り入れるための外気取り入れ口４６が形成される。この外気取り入れ口４６の下流には、第１エバポレータ２４及び第１ヒータ２６が、この順に配置される。

第２ヒータ４２は、出力調整可能であり、暖房始動時に冷媒体のみでキャビン１４の温度が調整可能になるまで、制御部（ＥＣＵ）４８により稼動される（図１参照）。制御部４８は、空調システム１０全体の駆動制御を行う。

このように構成される空調システム１０の動作について、第１の実施形態に係る暖気始動方法との関連で、図３に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。

先ず、空調システム１０の暖房がオンされると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、コンプレッサ１６が駆動される。コンプレッサ１６は、例えば、最低回転数を維持して駆動される。このため、コンプレッサ１６からヒートポンプ循環路１８に送出される冷媒体は、図２に示すように、第１ヒータ２６に供給され、この第１ヒータ２６で空調用空気と熱交換（放熱）を行い、前記空調用空気を昇温させる。

電磁弁３２ａが閉塞される一方、電磁弁３２ｂが開放されるため、第１ヒータ２６から排出される冷媒体は、放熱器であるコンデンサ２０を迂回して第１バイパス路３６ａを通り、膨張弁２２に送られる。膨張弁２２で減圧された冷媒体は、三方弁３８ａを介して分岐路２８に分岐され、第２エバポレータ３０に導入される。第２エバポレータ３０では、冷媒体がキャビン１４内の熱源と熱交換（吸熱）を行った後、第１エバポレータ２４を迂回して第２バイパス路３６ｂから膨張弁２２を通って、再度、コンプレッサ１６に送られる。

次に、ステップＳ３に進んで、キャビン１４に送出される空調用空気の温度（以下、送出温度ともいう）が検出される。この送出温度が閾値（予め設定される目標送出温度）以下であると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、コンプレッサ１６の回転数が最大回転数であるか否かが判断される。

コンプレッサ１６の回転数が最大回転数であると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、暖房がオンされているか否かが判断される。そして、暖房がオフであれば（ステップＳ５中、ＮＯ）、処理が終了する一方、暖房がオンであれば（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、第２ヒータ４２が駆動（電源４４がオン）される。このため、第２エバポレータ３０でキャビン１４内の熱源と熱交換を行って吸熱した冷媒体は、さらに第２ヒータ４２により吸熱して昇温された後、膨張弁２２に送られる。

なお、ステップＳ３で、送出温度が閾値を超えていると判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ７に進んで、コンプレッサ１６の回転数が低減される。一方、ステップＳ４で、コンプレッサ１６の回転数が最大回転数以下であると判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、ステップＳ８に進んで、前記コンプレッサ１６の回転数の増加が行われる。

ステップＳ６では、制御部４８を介して第２ヒータ４２が駆動されるため、図４に示すように、キャビン１４に送出される空調用空気は、ヒートポンプと第２ヒータ４２とにより加温されている。このため、ヒートポンプのみによる加温に比べて、キャビン１４の温度が迅速に昇温し、目標送出温度まで一気に上昇させることができる。ここで、目標送出温度は、外気温度、車内温度及び日射等から決定される。

そして、送出温度（吐気温度）が閾値（目標送出温度）以上であると判断されると（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０に進んで、第２ヒータ４２の出力が低下される。また、キャビン温度が閾値未満であると判断された際には（ステップＳ９中、ＮＯ）、ステップＳ１１に進んで、第２ヒータ４２の出力が増加される。

ステップＳ１０で、第２ヒータ４２の出力が低下された後、ステップＳ１２に進んで、送出温度が閾値以上であるか否かが判断される。第２ヒータ４２の出力が低下され、且つ送出温度が閾値以上であると判断されると（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１３に進んで、第２ヒータ４２による補助量が０（電源４４がオフ）であるか否かが判断される。第２ヒータ４２による補助量が０であると判断されると（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１に戻る。

また、ステップＳ１２において、送出温度が閾値未満であると判断されると（ステップＳ１２中、ＮＯ）、ステップＳ１４に進んで、第２ヒータ４２の出力増加が行われる。

このように、第１の実施形態では、ヒートポンプ循環路１８に、第２エバポレータ３０の下流に位置し、個別の熱源である電源４４を介して冷媒体を加熱するための第２ヒータ（電気ヒータ）４２が配置されている。このため、冷媒体がヒートポンプ循環路１８を循環するだけでは、キャビン１４の温度を目標送出温度まで上昇し難い際に、第２ヒータ４２を前記冷媒体の吸熱用熱源として良好に機能させることが可能になる。これにより、キャビン１４の温度を迅速に昇温させることができるという利点がある（図４及び図５参照）。

しかも、第１の実施形態では、送出温度が閾値以上であると判断された際には、ヒートポンプによる暖房を継続する一方、第２ヒータ４２の出力を低下させている。そして、ヒートポンプのみによりキャビン温度が目標送出温度を維持し得ると判断された際には、第２ヒータ４２の電源４４がオフされている。従って、補助熱源である第２ヒータ４２の消費電力は、図６に示すように、有効に低減され、ヒートポンプのみによる高効率運転が遂行可能になるという効果がある。

さらにまた、第１の実施形態では、ヒートポンプ循環路１８に分岐路２８を介して第２エバポレータ３０が接続されている。第２エバポレータ３０は、暖房運転時に、キャビン１４から排出される排熱気体を熱源として冷媒体に吸熱処理を施すことにより、前記冷媒体の温度を一層高めることができる。

これにより、特に外気温度が低く、ヒートポンプの熱源が不足する際にも、第２エバポレータ３０を介してキャビン１４から排出される排熱気体を前記ヒートポンプの熱源として利用することが可能になる。このため、簡単且つ経済的に、低温時の効率的な昇温が遂行されるとともに、キャビン１４内の暖房を迅速に行うことができる。

また、第１の実施形態では、第２ヒータ４２が、コンプレッサ１６の上流側、すなわち、ヒートポンプ循環路１８の低圧側の冷媒体を加熱している。従って、低圧側圧力が向上し、コンプレッサ１６における冷媒体量の不足による貧潤滑を良好に回避するとともに、吸熱器である第１エバポレータ２４が着霜することを阻止することが可能になる。

次に、空調システム１０による内気循環モードの湿暖房運転について、図７を参照しながら説明する。

内気循環モードの暖房運転時には、三方弁３８ａが操作されることにより、分岐路２８がヒートポンプ循環路１８から遮断される。このため、コンプレッサ１６の作用下に、ヒートポンプ循環路１８に送出される冷媒体は、第１ヒータ２６を通って放熱された後、膨張弁２２を通過して低圧及び低温となり、第２ヒータ４２で吸熱された後、コンプレッサ１６に送られる。

その際、キャビン１４から排出される排熱気体が熱源として不足しても、第２ヒータ４２により冷媒体を温めることができ、前記キャビン１４を良好に昇温させることが可能になる。

さらにまた、空調システム１０による冷房運転が、図８に示されている。

この冷房運転時には、電磁弁３２ａが開放されるとともに、電磁弁３２ｂが閉塞されて、コンデンサ２０がヒートポンプ循環路１８に接続される。一方、三方弁３８ａ、３８ｂの切替作用下に、分岐路２８がヒートポンプ循環路１８から遮断され、且つ第１エバポレータ２４が前記ヒートポンプ循環路１８に接続される。そして、エアミックスダンパ４０は、全閉姿勢に配置される。

このため、コンプレッサ１６の作用下に、圧縮されて高温となった冷媒体は、第１ヒータ２６を通過してコンデンサ２０で冷却された後、膨張弁２２でさらに低温及び低圧の冷媒体となった後、第１エバポレータ２４に供給される。従って、第１エバポレータ２４では、低温の冷媒体が通過して空調用空気と熱交換することにより、前記空調用空気が冷却される一方、冷媒体は、吸熱後に膨張弁２２からコンプレッサ１６に戻される。

第１エバポレータ２４により冷却された空調用空気は、エアミックスダンパ４０の閉塞によって第１ヒータ２６で暖められることがなく、キャビン１４に送出されるため、前記キャビン１４の冷房が行われる。その際、第２ヒータ４２は、オフされている。

なお、第１の実施形態では、キャビン１４の温度が昇温するのに従って、補助ヒータである第２ヒータ４２の出力を低下させているが、場合によっては、前記電気ヒータ４２を継続して使用することが好ましい。

例えば、キャビン１４の温度が目標送出温度に上昇する一方、ヒートポンプ循環路１８におけるヒートポンプ圧力が規定値以上の値である際には、コンプレッサ１６の回転数を上昇させることができないため、第２ヒータ４２を継続使用することが好ましい。また、内気循環モードにおいて、上記の暖房運転でヒートポンプが作動する際には、第２エバポレータ３０による吸熱が行われないため、第２ヒータ４２を継続使用することが好ましい。

さらに、電力を供給可能な種々の電池、例えば、燃料電池を搭載した燃料電池車のように、燃料電池の発電安定性を考慮し、特に前記燃料電池が低温運転モードである際、自己発熱による昇温を迅速に遂行するために、第２ヒータ４２を継続使用することが好ましい。なお、第２ヒータ４２の電源としては、燃料電池が用いられ、この第２ヒータ４２が負荷となって前記燃料電池の自己発熱を促進させることができる。

さらにまた、起動時に発電量を多くして水温を上昇させたい場合、燃料電池車を極寒冷地で始動させる場合、又はアイドリング条件や排気管の凍結条件等により水温が低下した場合には、第２ヒータ４２を継続使用することが好ましい。

一方、第２ヒータ４２は、キャビン１４の温度の上昇に応じて出力を低下させることが、省エネ運転において望ましい。但し、場合によっては、キャビン１４の温度が目標送出温度に到達する前に、第２ヒータ４２をオフすることにより、省エネ運転を一層向上させることもできる。

例えば、日射量が充分にあり、第２ヒータ４２を停止してもキャビン１４の温度が上昇している際や、エコモード等の運転者の意思により、前記第２ヒータを停止する際等に好適である。

具体的には、通常用いられている日照センサ（図示せず）を備え、この日照センサによりキャビン１４内が昇温可能であると判断された際、送出温度が目標送出温度以下であっても、第２ヒータ４２の駆動を停止する。また、第２ヒータ４２のオン及びオフの切り換えを行う切り換えスイッチ（図示せず）を備えるとともに、前記切り換えスイッチが、運転者の意思によりオフに切り替えられる際、送出温度が目標送出温度以下であっても、第２ヒータ４２の駆動を停止する。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る暖房始動方法を説明するフローチャートである。なお、第１の実施形態に係る暖房始動方法と同一の工程については、その詳細な説明は省略する。

空調システム１０の暖房がオンされると（ステップＳ１０１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０２に進んで、コンプレッサ１６が最大回転数で運転を開始する。そして、外気温度、キャビン温度又は冷媒体温度が、閾値以下であると判断されると（ステップＳ１０３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、キャビン１４に送出される空調用空気の送出温度が、閾値以下であると判断されると（ステップＳ１０４中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０５に進んで、コンプレッサ１６が最大回転数の回転を維持しながら、第２ヒータ４２がオンされる。

さらに、送出温度が閾値（目標送出温度）以上であると判断されると（ステップＳ１０６中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０７に進んで、暖房がオンであるか否かが判断される。暖房がオンであれば（ステップＳ１０７中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０８に進んで、第２ヒータ４２の出力が低下される。次いで、送出温度が閾値以上であると判断されると（ステップＳ１０９中、ＹＥＳ）、ステップＳ１１０に進んで、第２ヒータ４２がオフされたか否かが判断される。

なお、ステップＳ１０６で、送出温度が閾値未満であると判断されると（ステップＳ１０６中、ＮＯ）、ステップＳ１１１に進んで、第２ヒータ４２の出力が増加される。一方、ステップＳ１０９で、送出温度が閾値未満であると判断されると（ステップＳ１０９中、ＮＯ）、ステップＳ１１２に進んで、第２ヒータ４２の出力が増加される。

ステップＳ１１０において、第２ヒータ４２がオフされたと判断されると（ステップＳ１１０中、ＹＥＳ）、ステップＳ１１３に進んで、送出温度が閾値以上であると判断される。送出温度が閾値以上であると判断されると（ステップＳ１１３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１１４に進んで、暖房がオンであるか否かが判断される。暖房がオンであれば（ステップＳ１１４中、ＹＥＳ）、ステップＳ１１５に進んで、コンプレッサ１６の回転数が低減される。

また、送出温度が閾値未満であると判断されると（ステップＳ１１３中、ＮＯ）、ステップＳ１１６に進んで、コンプレッサ１６の回転数が最大値であるか否かが判断される。コンプレッサ１６の回転数が最大値ではないと判断されると（ステップＳ１１６中、ＮＯ）、ステップ１１７に進んで、前記コンプレッサ１６の回転数が高められる。

このように、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る暖房始動方法を説明するフローチャートである。なお、第１の実施形態に係る暖房始動方法と同一の工程については、その詳細な説明は省略する。

この第３の実施形態では、ステップＳ２０４で、コンプレッサ１６の回転数が最大回転数以下であると判断された際（ステップＳ２０４中、ＮＯ）、ステップＳ２０８に進んで、前記コンプレッサ１６の吸い込み冷媒体圧力が、下限値ＰＬ以下であるか否かが判断される。この下限値ＰＬは、コンプレッサ１６における冷媒体量の不足による貧潤滑に基因して、前記コンプレッサ１６の耐久性が低下することや第１エバポレータ２４が着霜することを阻止するために設定される。

従って、ステップＳ２０８で、コンプレッサ１６の吸入圧力が下限値ＰＬ以下であると判断されると（ステップＳ２０８中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０５以降に進む。これにより、第２ヒータ４２を吸熱源として、コンプレッサ１６の貧潤滑を回避して良好な暖房が遂行可能になる。

図１１は、本発明の第４の実施形態に係る車両用ヒートポンプ式空調システム６０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る空調システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第５の実施形態以降においても同様に、その詳細な説明は省略する。

この空調システム６０では、第２ヒータ４２が、分岐路２８上に第２エバポレータ３０の下流に近接して設置される。

図１２は、発明の第５の実施形態に係る車両用ヒートポンプ式空調システム７０の概略構成説明図である。

この空調システム７０では、第２ヒータ４２が、分岐路２８上に第２エバポレータ３０の上流に近接して設置される。

上記の第４及び第５の実施形態では、第２ヒータ４２が、分岐路２８上に第２エバポレータ３０の下流又は上流に近接して配置されている。このため、特に、第２ヒータ４２の伝熱面積を良好に拡大させることができるという利点がある。これにより、第２ヒータ４２の電力密度を小さくすることが可能になるとともに、床下スペース等を有効利用することができる。

図１３は、本発明の第６の実施形態に係る車両用ヒートポンプ式空調システム８０の概略構成説明図である。

この空調システム８０では、第２ヒータ４２がコンプレッサ１６と膨張弁２２との間に配置されている。従って、コンプレッサ１６の上流に近接して、電気ヒータである第２ヒータ４２が設置されている。このため、開度を自動的に変更可能な膨張弁２２と第２ヒータ４２との協調制御によって、コンプレッサ１６の吸い込み状態を確実に調整することが可能になる。

図１４は、本発明の第７の実施形態に係る車両用ヒートポンプ式空調システム９０の概略構成説明図である。

この空調システム９０では、第２ヒータ４２が、第２エバポレータ３０に近接して且つヒートポンプ循環路１８の外部に配置される。この第７の実施形態では、第２ヒータ４２が第２エバポレータ３０に近接して配置されるため、前記第２エバポレータ３０に導入される前のキャビン１４からの熱媒体を加熱することができる。

従って、キャビン１４から第２エバポレータ３０に導入される熱媒体を、さらに昇温させることが可能になり、前記第２エバポレータ３０による吸熱量が良好に増加されるという利点がある。このため、キャビン１４内の暖房を迅速に行うことができるととともに、第２エバポレータ３０が凍結した際の解氷機能を有することが可能になる。

図１５は、本発明の第８の実施形態に係る車両用ヒートポンプ式空調システム１００の概略構成説明図である。

空調システム１００は、熱交換器である第２ヒータ１０２を備えるとともに、前記第２ヒータ１０２は、コンプレッサ１６の上流側であって膨張弁２２と三方弁３８ｂとの間に位置して配置される。この第２ヒータ１０２には、熱源１０４が温水循環路１０６を介して接続される。

熱源１０４は、特に排熱が多量に存在する車両において、例えば、燃料電池用冷却水、エンジン用冷却水、ドライブトレイン用冷却水、バッテリ用冷却水又は排気熱等から回収された熱を利用した温水が、温水循環路１０６を介して第２ヒータ１０２に循環される。

このように構成される第８の実施形態では、排熱が多量に発生する車両において、前記排熱を有効利用することができ、電力消費が削減されて経済的であるという効果が得られる。なお、第２ヒータ１０２は、第７の実施形態に係る空調システム９０の第２ヒータ４２に代えて用いることもできる。

なお、上記の各実施形態に対し、第２エバポレータ３０と熱交換される熱媒体は、キャビン１４からの排熱気体の他、モータ類の放熱やバッテリの放熱、内燃機関を備える際には、該内燃機関の放熱、制御部５２からの熱、さらには外気熱等、前記第２エバポレータ３０に流れ込む冷媒体よりも高温な媒体であれば、いずれでも適用可能である。

このため、エネルギ供給源を車両に搭載する必要がなく、簡単且つ経済的に昇温、暖房を行うことができる。具体的には、駐車場において、駐車中の車両に対し、１００Ｖや２００Ｖの家庭用に据え付けられた商用電源からエネルギを得ることが可能になる。

また、流路切り換え用の三方弁４６ａ、４６ｂは、３方向の分岐と弁機構とが一体に構成されるもの以外に、分岐ブロックと電磁弁との組み合わせで流路切り換え可能に構成されていてもよい。

１０、６０、７０、８０、９０、１００…空調システム
１２…自動車 １４…キャビン
１６…コンプレッサ １８…ヒートポンプ循環路
２０…コンデンサ ２２…膨張弁
２４、３０…エバポレータ ２６、４２、１０２…ヒータ
２８…分岐路 ４４…電源
４６…外気取り入れ口 ４８…制御部
１０４…熱源 １０６…温水循環路

Claims (15)

1. 車両に搭載されて乗員用のキャビンの空調を行う車両用ヒートポンプ式空調システムであって、
   圧縮機を介して冷媒体を循環させるヒートポンプ循環路に配置され、前記冷媒体と外気とで熱交換を行うコンデンサと、
   前記コンデンサから送られる前記冷媒体を減圧させる膨張弁と、
   前記ヒートポンプ循環路に配置され、前記膨張弁を通過した前記冷媒体と空調用空気とで熱交換を行う第１エバポレータと、
   前記ヒートポンプ循環路に配置され、前記圧縮機から送出される前記冷媒体と前記第１エバポレータを通過した前記空調用空気とで熱交換を行う第１ヒータと、
   前記ヒートポンプ循環路から分岐する分岐路に配置され、前記車両の内外から得られて前記冷媒体よりも高い温度である熱媒体と前記冷媒体とで熱交換を行う第２エバポレータと、
   前記ヒートポンプ循環路に配置され、前記車両用ヒートポンプ式空調システムの外部から供給されるエネルギにより前記冷媒体を加熱する第２ヒータと、
   を備え、
   前記第２ヒータは、前記第２エバポレータの上流又は下流に配置されることを特徴とする車両用ヒートポンプ式空調システム。
2. 請求項１記載の空調システムにおいて、前記第２ヒータは、前記圧縮機の上流に配設されることを特徴とする車両用ヒートポンプ式空調システム。
3. 車両に搭載されて乗員用のキャビンの空調を行う車両用ヒートポンプ式空調システムであって、
   圧縮機を介して冷媒体を循環させるヒートポンプ循環路に配置され、前記冷媒体と外気とで熱交換を行うコンデンサと、
   前記コンデンサから送られる前記冷媒体を減圧させる膨張弁と、
   前記ヒートポンプ循環路に配置され、前記膨張弁を通過した前記冷媒体と空調用空気とで熱交換を行う第１エバポレータと、
   前記ヒートポンプ循環路に配置され、前記圧縮機から送出される前記冷媒体と前記第１エバポレータを通過した前記空調用空気とで熱交換を行う第１ヒータと、
   前記ヒートポンプ循環路から分岐する分岐路に配置され、前記車両の内外から得られて前記冷媒体よりも高い温度である熱媒体と前記冷媒体とで熱交換を行う第２エバポレータと、
   前記第２エバポレータに近接して配置され、前記第２エバポレータに導入される前の前記熱媒体を、外部から供給されるエネルギにより加熱する第２ヒータと、
   を備えることを特徴とする車両用ヒートポンプ式空調システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の空調システムにおいて、前記第２ヒータは、前記ヒートポンプ循環路外の発熱体から供給されるエネルギにより、前記冷媒体に熱を与える熱交換器であることを特徴とする車両用ヒートポンプ式空調システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の空調システムにおいて、暖房始動時に前記ヒートポンプ循環路を循環する前記冷媒体のみで前記キャビンの温度が上昇可能な目標送出温度になるまで、前記第２ヒータを稼動させる制御部を備えることを特徴とする車両用ヒートポンプ式空調システム。
6. 請求項５記載の空調システムにおいて、前記制御部は、前記キャビンの温度が上昇するのに伴い、前記第２ヒータの出力を小さく調整することを特徴とする車両用ヒートポンプ式空調システム。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の空調システムにおいて、前記第２エバポレータで前記冷媒体と熱交換を行う前記熱媒体は、前記キャビンからの排熱気体であることを特徴とする車両用ヒートポンプ式空調システム。
8. 車両に搭載されて乗員用のキャビンの空調を行う車両用ヒートポンプ式空調システムの暖房始動方法であって、
   前記車両用ヒートポンプ式空調システムは、圧縮機を介して冷媒体を循環させるヒートポンプ循環路に配置され、前記冷媒体と外気とで熱交換を行うコンデンサと、
   前記コンデンサから送られる前記冷媒体を減圧させる膨張弁と、
   前記ヒートポンプ循環路に配置され、前記膨張弁を通過した前記冷媒体と空調用空気とで熱交換を行う第１エバポレータと、
   前記ヒートポンプ循環路に配置され、前記圧縮機から送出される前記冷媒体と前記第１エバポレータを通過した前記空調用空気とで熱交換を行う第１ヒータと、
   前記ヒートポンプ循環路から分岐する分岐路に配置され、前記車両の内外から得られて前記冷媒体よりも高い温度である熱媒体と前記冷媒体とで熱交換を行う第２エバポレータと、
   前記車両用ヒートポンプ式空調システムの外部から供給されるエネルギにより前記冷媒体又は前記熱媒体を加熱する第２ヒータと、
   を備え、
   前記暖房始動方法は、前記第１ヒータの作用下に、前記冷媒体と熱交換された前記空調用空気を前記キャビンに送出する工程と、
   前記キャビンへの送出温度を検出する工程と、
   前記送出温度が目標送出温度よりも低いと判断された際、前記第２ヒータを駆動させて前記冷媒体又は前記熱媒体を加熱する工程と、
   前記第２ヒータの駆動後に、前記送出温度が前記目標送出温度を超えたと判断された際、前記第２ヒータの駆動を停止する工程と、
   を有することを特徴とする車両用ヒートポンプ式空調システムの暖房始動方法。
9. 請求項８記載の暖房始動方法において、前記キャビンの温度が上昇するのに伴って、前記第２ヒータの出力を小さくすることを特徴とする車両用ヒートポンプ式空調システムの暖房始動方法。
10. 請求項８又は９記載の暖房始動方法において、前記ヒートポンプ循環路には、圧力センサが設けられるとともに、
    前記ヒートポンプ循環路内の圧力が規定値以上である際、前記送出温度が前記目標送出温度を超えても、前記第２ヒータの駆動を継続することを特徴とする車両用ヒートポンプ式空調システムの暖房始動方法。
11. 請求項８〜１０のいずれか１項に記載の暖房始動方法において、前記キャビン内の空気を循環させる内気循環モードである際、前記第２ヒータの駆動を継続することを特徴とする車両用ヒートポンプ式空調システムの暖房始動方法。
12. 請求項８〜１１のいずれか１項に記載の暖房始動方法において、前記車両は、電力の供給が可能な電池を搭載するとともに、
    前記電池が低温運転モードである際、前記第２ヒータの駆動を継続することを特徴とする車両用ヒートポンプ式空調システムの暖房始動方法。
13. 請求項８〜１２のいずれか１項に記載の暖房始動方法において、日照センサを備えるとともに、
    前記日照センサにより前記キャビン内が昇温可能であると判断された際、前記送出温度が前記目標送出温度以下であっても、前記第２ヒータの駆動を停止することを特徴とする車両用ヒートポンプ式空調システムの暖房始動方法。
14. 請求項８〜１３のいずれか１項に記載の暖房始動方法において、前記第２ヒータのオン及びオフの切り換えを行う切り換えスイッチを備えるとともに、
    前記切り換えスイッチがオフに切り換えられる際、前記送出温度が前記目標送出温度以下であっても、前記第２ヒータの駆動を停止することを特徴とする車両用ヒートポンプ式空調システムの暖房始動方法。
15. 請求項８〜１１のいずれか１項に記載の暖房始動方法において、前記第２ヒータに対し、前記車両の外部からエネルギを供給することを特徴とする車両用ヒートポンプ式空調システムの暖房始動方法。

Images