JP2012013321A - ヒートポンプ式空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】外気温度が低くても温調対象である空気を好適に暖めることが可能なヒートポンプ式空調システムを提供する。
【解決手段】コンプレッサ１１と、暖房時に、コンプレッサ１１からの高温・高圧の冷媒と空気との間で熱交換させ、空気を暖めると共に冷媒を凝縮させる第１コンデンサ１２と、冷媒を膨張させると共に、開度を可変することで冷媒の膨張率を可変する膨張弁１５と、冷媒を蒸発させる第１エバポレータ１７と、外気温度を検出する温度センサ４３と、膨張弁１５の開度を制御するＥＣＵ７０と、を備え、暖房時に、冷媒が、コンプレッサ１１、第１コンデンサ１２、膨張弁１５、第１エバポレータ１７、コンプレッサ１１の順で循環する暖房用回路を有する空調システム１であって、暖房時に、外気温度が所定温度以下である場合、ＥＣＵ７０は、第１コンデンサ１２に流入する冷媒のエンタルピーが高くなるように、膨張弁１５の開度を小さくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式空調システムに関する。

電気自動車、燃料電池車等の内燃機関（熱源）を搭載しない車両では、ヒートポンプを搭載し、ヒートポンプのコンデンサ（熱交換器）をヒータとして利用し、このコンデンサで発生する熱で、車室に導入される空気を暖めている（特許文献１〜２参照）。

特開平７−４７５５号公報 特開２００９−２３５６４号公報

しかしながら、従来のヒートポンプ式空調システムでは、外気温度が低くなると（例えば−２０℃〜１０℃以下）、車室に向かう空気を好適に暖めることができないという虞があった。

そこで、本発明は、外気温度が低くても温調対象である空気を好適に暖めることが可能なヒートポンプ式空調システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、暖房時に、前記圧縮機からの高温・高圧の冷媒と温調対象である空気との間で熱交換させ、空気を暖めると共に冷媒を凝縮させる第１熱交換手段と、冷媒を膨張させると共に、開度を可変することで冷媒の膨張率を可変する膨張弁と、冷媒を蒸発させる第１蒸発器と、外気温度を検出する外気温度センサと、前記膨張弁の開度を制御する制御手段と、を備え、暖房時に、冷媒が、前記圧縮機、前記第１熱交換手段、前記膨張弁、前記第１蒸発器、前記圧縮機の順で循環する暖房用回路を有するヒートポンプ式空調システムであって、暖房時に、外気温度が所定温度以下である場合、前記制御手段は、前記圧縮機から前記第１熱交換手段に流入する冷媒のエンタルピーが高くなるように、前記膨張弁の開度を小さくすることを特徴とするヒートポンプ式空調システムである。

このようなヒートポンプ式空調システムによれば、暖房時に、外気温度が所定温度以下である場合、制御手段が、膨張弁の開度を小さくするので、圧縮機の仕事量が増加する。そうすると、圧縮機から第１熱交換手段に流入する冷媒のエンタルピーが高く、つまり、圧縮機から吐出され第１熱交換手段に流入する冷媒の温度及び圧力が高くなる。これにより、第１熱交換手段において、冷媒から空気に放熱される熱量が増加するので、暖房能力が高まり、空気を好適に暖めることができる。

また、本発明は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、暖房時に、前記圧縮機からの高温・高圧の冷媒と温調対象である空気との間で熱交換させ、空気を暖めると共に冷媒を凝縮させる第１熱交換手段と、冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁に向かう冷媒の流量を絞る絞り弁と、冷媒を蒸発させる第１蒸発器と、外気温度を検出する外気温度センサと、前記絞り弁の開度を制御する制御手段と、を備え、暖房時に、冷媒が、前記圧縮機、前記第１熱交換手段、前記膨張弁、前記第１蒸発器、前記圧縮機の順で循環する暖房用回路を有するヒートポンプ式空調システムであって、暖房時に、外気温度が所定温度以下である場合、前記制御手段は、前記第１熱交換手段において冷媒のエンタルピーが低くなるまで、冷媒の過冷却が進むように、前記絞り弁の開度を小さくすることを特徴とするヒートポンプ式空調システムである。

このようなヒートポンプ式空調システムによれば、暖房時に、外気温度が所定温度以下である場合、制御手段は、絞り弁の開度を小さくするので、第１熱交換手段において冷媒の過冷却は進み、冷媒のエンタルピーは低くなる。すなわち、過冷却が進むことにより、第１熱交換手段において、冷媒から空気に放熱される熱量が増加するので、暖房能力が高まり、空気を好適に暖めることができる。

また、本発明は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、暖房時に、前記圧縮機からの高温・高圧の冷媒と温調対象である空気との間で熱交換させ、空気を暖めると共に冷媒を凝縮させる第１熱交換手段と、前記第１熱交換手段において冷媒と熱交換するように空気を通流させる空気通流手段と、冷媒を膨張させる膨張弁と、冷媒を蒸発させる第１蒸発器と、外気温度を検出する外気温度センサと、前記空気通流手段による空気の流量を制御する制御手段と、を備え、暖房時に、冷媒が、前記圧縮機、前記第１熱交換手段、前記膨張弁、前記第１蒸発器、前記圧縮機の順で循環する暖房用回路を有するヒートポンプ式空調システムであって、暖房時に、外気温度が所定温度以下である場合、前記制御手段は、前記圧縮機から前記第１熱交換手段に流入する冷媒のエンタルピーが高くなるように、前記空気通流手段が通流させる空気の流量を少なくすることを特徴とするヒートポンプ式空調システムである。

このようなヒートポンプ式空調システムによれば、暖房時に、外気温度が所定温度以下である場合、空気通流手段が第１熱交換手段を通流させる空気の流量を少なくするので、ヒートポンプのＣＯＰ（Coefficient Of Performance、成績係数）は低下する。ところが、圧縮機から第１熱交換手段に流入する冷媒のエンタルピーが高く、つまり、圧縮機から吐出され第１熱交換手段に流入する冷媒の温度及び圧力が高くなる。これにより、第１熱交換手段において、冷媒が空気に放熱される熱量が増加するので、暖房能力が高まり、空気を好適に暖めることができる。

また、前記ヒートポンプ式空調システムにおいて、冷房時に、前記圧縮機からの高温・高圧の冷媒と外部との間で熱交換させ、冷媒の熱を外部に放熱すると共に冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記膨張弁で膨張することで圧力低下した冷媒と温調対象である外部からの空気との間で熱交換させ、空気を冷却すると共に冷媒を蒸発させる第２蒸発器と、を備え、冷房時に、冷媒が、前記圧縮機、前記凝縮器、前記膨張弁、前記第２蒸発器、前記圧縮機の順で循環する冷房用回路を有し、暖房時に冷媒が前記暖房用回路を通流し、冷房時に冷媒が前記冷房用回路を通流するように、冷媒の通流回路を切り替える冷暖切替手段をさらに備えることを特徴とする。

このようなヒートポンプ式空調システムによれば、冷暖切替手段によって、暖房用回路又は冷房用回路に、適宜に切り替えることができる。

本発明によれば、外気温度が低くても温調対象である空気を好適に暖めることが可能なヒートポンプ式空調システムを提供することができる。

第１実施形態に係る空調システムの構成を示す図であり、暖房時に冷媒が通流する暖房用回路を太線で示している。 第１実施形態に係る空調システムの構成を示す図であり、冷房時に冷媒が通流する冷房用回路を太線で示している。 第１実施形態に係る空調システムの暖房サイクルをモリエル線図上に示したものである。 第１実施形態に係る空調システムの暖房サイクルをモリエル線図上に示したものであって、膨張弁の開度を変化させた場合を模式的に示している。 第１実施形態に係る空調システムの暖房サイクルをモリエル線図上に示したものであって、絞り弁の開度を変化させた場合を模式的に示している。 第１実施形態に係る空調システムの暖房サイクルをモリエル線図上に示したものであって、第１コンデンサを通過する空気の流量を変化させた場合を模式的に示している。 第１実施形態に係る空調システムの動作を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る空調システムの構成を示す図であり、暖房時に冷媒が通流する暖房用回路を太線で示している。 第３実施形態に係る空調システムの構成を示す図であり、暖房時に冷媒が通流する暖房用回路を太線で示している。

≪第１実施形態≫
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。

≪空調システムの構成≫
第１実施形態に係る空調システム１（ヒートポンプ式空調システム）は、車両１００に搭載されている。車両１００は、例えば、四輪車、三輪車、二輪車、一輪車、列車であり、さらに具体的には、熱源となる内燃機関（エンジン）を備えない電気自動車、燃料電池車等である。
ただし、車両１００に限定されず、その他の移動体、例えば、船舶、航空機等に搭載される構成でもよい。

空調システム１は、冷媒を圧縮／膨張させながら循環させるヒートポンプ１０と、車外の空気を車室に導入する空気導入系と、車室の空気を車外に排出する空気排出系と、システムを電子制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。

ここで、説明の便宜上、車外から車室に導入される空気を導入空気Ａ、車室から車外に排出される空気を排出空気Ｂとする。つまり、導入空気Ａが温度調節対象である。
また、ここでは、外気導入モードが選択され車外から車室に空気が導入される場合を例示するが、内気循環モードが選択された場合でもよい。
さらに、ヒートポンプ１０を循環する冷媒の種類は特に限定はないが、過熱（スーパーヒート）及び過冷却（サブクール）が大きい冷媒、新冷媒を使用することが好ましい。

＜ヒートポンプ−暖房用回路＞
まず、暖房時に冷媒が循環する暖房用回路に関するヒートポンプ１０のデバイスについて、図１を参照して説明する。
ヒートポンプ１０は、冷媒を圧縮するコンプレッサ１１と、第１コンデンサ１２（第１熱交換手段）と、第１三方弁１３と、絞り弁１４（絞り手段）と、膨張弁１５と、第２三方弁１６と、第１エバポレータ１７（第１蒸発器）と、第３三方弁１８と、を備えている。

コンプレッサ１１の吐出口から下流に向かって、配管１１ａ、第１コンデンサ１２、第１三方弁１３、配管１３ａ、絞り弁１４、配管１４ａ、膨張弁１５、配管１５ａ、第２三方弁１６、配管１６ａ、第１エバポレータ１７、配管１７ａ、第３三方弁１８、配管１８ａ、コンプレッサ１１の吸入口に接続されている。
そして、コンプレッサ１１が作動すると、図１に示すように、冷媒が、コンプレッサ１１、第１コンデンサ１２、第１三方弁１３、絞り弁１４、膨張弁１５、第２三方弁１６、第１エバポレータ１７、第３三方弁１８、コンプレッサ１１、…を順に経由し、圧縮／膨張を繰り返しながら循環するようになっている。

すなわち、第１実施形態において、暖房時に冷媒が循環する暖房用回路は、配管１１ａと、配管１２ａと、配管１３ａと、配管１４ａと、配管１５ａと、配管１６ａと、配管１７ａと、配管１８ａと、を備えて構成されている。
なお、暖房時、第１三方弁１３は配管１２ａと配管１３ａとが連通するように、第２三方弁１６は配管１５ａと配管１６ａとが連通するように、第３三方弁１８は配管１７ａと配管１８ａとが連通するように、ＥＣＵ７０によってそれぞれ制御される。

この他、第１エバポレータ１７からの冷媒を、後記する第２エバポレータ２２を経由させた後、コンプレッサ１１に流入させる構成としてもよい。このような構成にすれば、第２エバポレータ２２によって導入空気Ａを一旦冷却し、導入空気Ａに含まれる水蒸気を結露させた後、第１コンデンサ１２で暖めることができる、つまり、除湿暖房できる。

＜コンプレッサ＞
コンプレッサ１１は、気体状態（又は気液混合状態）の冷媒を圧縮し、冷媒を圧送する圧縮装置である。コンプレッサ１１は、図示しない高圧バッテリを電源としており、その回転速度（冷媒の吐出量、吐出圧）はＥＣＵ７０によって適宜に制御される。コンプレッサ１１によって圧縮されると、冷媒（気体）の温度・圧力は上昇し、過熱状態となる（図３、ａ→ｂ）。
なお、図３のモリエル線図は、冷媒の種類に対応した固有のものであり、事前試験、シミュレーション等によって得られる。

＜第１コンデンサ＞
第１コンデンサ１２は、暖房時に、コンプレッサ１１からの高温・高圧の冷媒（過熱状態、気体状態）と低温の導入空気Ａとを熱交換させ、冷媒の熱を導入空気Ａに放熱し、冷媒を凝縮すると共に導入空気Ａを暖める熱交換器である。

なお、冷媒（気体）は、第１コンデンサ１２を通流すると、気体状態（過熱状態）で圧力一定のまま飽和蒸気温度まで温度低下し（図３、ｂ→ｃ）、その後、気液混合状態で温度・圧力一定のまま徐々に凝縮し、液体状態の冷媒が増加する（図３、ｃ→ｄ）。その後、冷媒（液体）は圧力一定のまま温度低下し過冷却状態となる（図３、ｄ→ｅ）。

＜絞り弁＞
絞り弁１４は、ＥＣＵ７０からの指令に従って開度を可変することで、第１コンデンサ１２から膨張弁１５に向かう冷媒（液体）の流量を制御する電子制御式の膨張弁である。すなわち、絞り弁１４は、第１コンデンサ１２と膨張弁１５との中間位置で、その開度を制御することで、冷媒流量を適宜に絞る（少なくする）ものであり、中間絞り弁とも称される。

このような絞り弁１４は、例えば、リニアソレノイドを内蔵し、ＥＣＵ７０によってＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御される電磁弁で構成される。そして、冷媒（液体）が、絞り弁１４を通流すると、同一温度のまま、圧力（液圧）が低下するようになっている（図３、ｅ→ｆ）。

＜膨張弁＞
膨張弁１５は、ＥＣＵ７０からの指令に従って開度を可変することで、絞り弁１４から第１エバポレータ１７に向かう冷媒を適宜な膨張率で膨張させると共に、その二次側圧力を適宜に制御する電子制御式の膨張弁である。
このような膨張弁１５は、例えば、リニアソレノイドを内蔵し、ＥＣＵ７０によってＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御されることで開度が可変する電磁弁で構成される。

そして、冷媒が膨張弁１５を通流すると、膨張弁１５の開度（絞り量）に対応して膨張、つまり、液冷媒の一部が蒸発して、気液混合状態となる（図３、ｆ→ｇ）。このように膨張すると、冷媒全体のエンタルピーは同一のままであるが、冷媒の圧力及び温度は低下する。

＜第１エバポレータ＞
第１エバポレータ１７（第１蒸発器）は、車両１００の後側に配置され、車室から車外に排出される排出空気Ｂと、膨張弁１５からの冷媒（気液混合）とを熱交換させ、排出空気Ｂの熱を冷媒で回収する熱交換器である。

そして、冷媒（気液混合）が、第１エバポレータ１７を通流すると、圧力・温度一定のまま、排出空気Ｂからの熱によって、液体状態の冷媒が徐々に蒸発し、気体状態の冷媒の割合が徐々に増加する（図３、ｇ→ａ）。

＜ヒートポンプ−暖房能力＞
ここで、ヒートポンプ１０の暖房能力は、冷媒から導入空気Ａに放熱される熱量が大きくなるほど高くなる。すなわち、図３において、ｂｅ工程（区間）が長くなるほど、暖房能力が高くなる。

＜暖房能力−膨張弁の開度＞
図４に示すように、膨張弁１５の開度を小さくすると、ａ点及びｂ点が右にシフトし、ｂｅ工程が長くなるので、暖房能力は高くなる。つまり、膨張弁１５の開度を小さくすると、コンプレッサ１１から第１コンデンサ１２に流入する冷媒のエンタルピー（ｂ点）が高くなる。逆に、膨張弁１５の開度を大きくすると、ａ点及びｂ点が左にシフトし、ｂｅ工程が短くなるので、暖房能力は低くなる。

なぜなら、ｇ点における冷媒（第１エバポレータ１７に流入する冷媒）のエンタルピーは、膨張弁１５の開度に関わらず略一定であって、第１エバポレータ１７で排出空気Ｂから吸熱する吸熱量も略一定であると仮定した場合、第１エバポレータ１７におけるエンタルピー増加量は、「第１エバポレータ１７における吸熱量／冷媒流量（ｋｇ／ｈ）」で与えられる。そして、膨張弁１５の開度が小さくなると、冷媒流量が少なくなり、第１エバポレータ１７におけるエンタルピー増加量が大きくなるからである。
このようにして、第１エバポレータ１７におけるエンタルピー増加量が大きくなると、ａ点及びｂ点が右にシフトすることになる。

＜暖房能力−絞り弁の開度（絞り量）＞
次に、図５に示すように、絞り弁１４の開度を小さくすると（絞り量を大きくすると）、絞り弁１４の一次側の圧力（液圧）が高くなり、ｄｅ工程（過冷却工程）と、ｂｃ工程（過熱工程）とが長くなり、その結果、ｂｅ工程が長くなり、暖房能力は高くなる。つまり、絞り弁１４の開度を小さくすると、ｅ点は左にシフトし、冷媒のエンタルピーが低くなるまで、冷媒の過冷却が進むことになる。
逆に、絞り弁１４の開度を大きくすると（絞り量を小さくすると）、絞り弁１４の一次側の圧力（液圧）が低くなり、ｄｅ工程（過冷却工程）と、ｂｃ工程（過熱工程）とが短くなり、その結果、ｂｅ工程が短くなり、暖房能力は低くなる。

＜暖房能力−導入空気の流量＞
次に、図６に示すように、第１コンデンサ１２を通流する導入空気Ａの流量を少なくすると、第１コンデンサ１２における熱交換効率及びヒートポンプ１０のＣＯＰ（成績係数）は低下する。ところが、ｂｅ工程における圧力が高くなると共に、ｂｅ工程は長くなり、暖房能力は高くなる。つまり、導入空気Ａの流量を少なくすると、コンプレッサ１１から第１コンデンサ１２に流入する冷媒のエンタルピー（ｂ点）が高くなる。

＜ヒートポンプ−冷房用回路＞
次に、冷房時に冷媒が循環する冷媒用回路に関するヒートポンプ１０のデバイスについて、図２を参照して説明する。
ヒートポンプ１０は、第２コンデンサ２１（第２凝縮器）と、第２エバポレータ２２（第２蒸発器）と、を備えている。
第２コンデンサ２１の上流側は配管１３ｂを介して第１三方弁１３に接続されており、第２コンデンサ２１の下流側は配管２１ａを介して配管１４ａに接続されている。第２エバポレータ２２の上流側は配管１６ｂを介して第２三方弁１６に接続されており、第２エバポレータ２２の下流側は配管２２ａを介して第３三方弁１８に接続されている。

そして、コンプレッサ１１が作動すると、図２に示すように、冷媒が、コンプレッサ１１、第１コンデンサ１２、第１三方弁１３、第２コンデンサ２１、膨張弁１５、第２三方弁１６、第２エバポレータ２２、第３三方弁１８、コンプレッサ１１、…を順に経由し、圧縮／膨張を繰り返しながら循環するようになっている。

すなわち、第１実施形態において、冷房時に冷媒が循環する冷房用回路は、配管１１ａと、配管１２ａと、配管１３ｂと、配管２１ａと、配管１４ａの一部と、配管１５ａと、配管１６ｂと、配管２２ａと、配管１８ａと、を備えて構成されている。
なお、冷房時、第１三方弁１３は配管１２ａと配管１３ｂとが連通するように、第２三方弁１６は配管１５ａと配管１６ｂとが連通するように、第３三方弁１８は配管２２ａと配管１８ａとが連通するように、ＥＣＵ７０によってそれぞれ制御される。

そして、第１実施形態において、暖房時に冷媒が暖房用回路を通流し、冷房時に冷媒が冷房用回路を通流するように、冷媒の通流回路を切り替える冷暖切替手段は、第１三方弁１３と、第２三方弁１６と、第３三方弁１８と、を備えて構成されている。
ただし、冷暖切替手段の具体的構成はこれに限定されず、例えば、第１三方弁１３に代えて、配管１３ａと配管１３ｂとに開閉弁をそれぞれ設け、この開閉弁を適宜に開閉することで、冷媒の通流回路を切り替える構成としてもよい。

＜第２コンデンサ＞
第２コンデンサ２１は、フロントバンパ（図示しない）の裏に配置された所謂ラジエータであって、冷房時に、コンプレッサ１１からの高温・高圧の冷媒と、外気（外部）との間で熱交換させ、冷媒の熱を外気に放熱すると共に冷媒を凝縮させる凝縮器である。

なお、冷房時は、後記するダンパ４２によって導入空気Ａの流路が切り替えられ、導入空気Ａが第１コンデンサ１２をバイパス（迂回）するようになっている。よって、コンプレッサ１１からの高温・高圧の冷媒（過熱状態）は、第１コンデンサ１２で熱交換せず、高温・高圧のまま、第２コンデンサ２１に供給されるようになっている。

＜第２エバポレータ＞
第２エバポレータ２２は、膨張弁１５で膨張することで、温度・圧力低下した冷媒（気液混合）と、導入空気Ａとの間で熱交換させ、導入空気Ａを冷却すると共に冷媒を蒸発させる蒸発器である。

＜ヒートポンプ−その他機器＞
ヒートポンプ１０は、温度センサ３１、３２と、圧力センサ３５と、を備えている。

温度センサ３１は、配管１１ａに取り付けられており、コンプレッサ１１が吐出し、第１コンデンサ１２に向かう熱交換前の冷媒（過熱状態、気体）の温度を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。したがって、ＥＣＵ７０は、この温度に基づいて、第１コンデンサ１２に流入する冷媒のエンタルピーを算出可能となる。

温度センサ３２は、配管１２ａに取り付けられており、第１コンデンサ１２から排出された熱交換後の冷媒（過冷却状態、液体）の温度を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。したがって、ＥＣＵ７０は、この温度に基づいて、第１コンデンサ１２から流出した熱交換後の冷媒のエンタルピーを算出可能となる。
なお、レイアウトやコスト等の都合により、温度センサ３２を取り付けることができない場合、例えば、ＥＣＵ７０が、後記する圧力センサ３５によって検出される冷媒の圧力に基づいて、冷媒の温度を推定することもできる。

圧力センサ３５は、配管１１ａに取り付けられており、コンプレッサ１１が吐出し、第１コンデンサ１２に向かう熱交換前の冷媒（過熱状態、気体）の圧力を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。

＜空気導入系＞
空気導入系は、フロントブロワ４１（空気通流手段）と、ダンパ４２と、温度センサ４３（外気温度センサ）と、を備えている。

フロントブロワ４１は、エアスクープ（図示しない）等を介して車外の空気を吸気し、導入空気Ａとして吐出し、車室に向けて送る空気圧送装置である。フロントブロワ４１は、図示しないバッテリを電源として作動し、その回転速度（吸気量、吐出量）は、ＥＣＵ７０によって適宜に制御されるようになっている。

ダンパ４２は、フロントブロワ４１から車室に向かう導入空気Ａの流路を適宜に切り替える回動式、スライド式等の切り替え板である。
具体的には、暖房時には、導入空気Ａが、第２エバポレータ２２、第１コンデンサ１２の順で経由し（図１参照）、冷房時には、導入空気Ａが、第２エバポレータ２２のみを経由するように構成されている（図２参照）。

温度センサ４３は、外気温度を検出するセンサであり、第１実施形態では、車両１００のフロントバンパ（図示しない）付近に取り付けられている。そして、温度センサ４３は、検出した外気温度をＥＣＵ７０に出力するようになっている。

＜空気排出系＞
空気排出系は、リアブロワ５１を備えている。
リアブロワ５１は、車室の空気を吸気し、排出空気Ｂとして吐出し、第１エバポレータ１７を通過させ、車外に向けて送る空気圧送装置である。リアブロワ５１は、図示しないバッテリを電源として作動し、その回転速度（吸気量、吐出量）は、ＥＣＵ７０によって適宜に制御されるようになっている。

＜その他機器＞
操作パネル６１は、空調システム１を制御するために運転者等が操作するパネルであり、運転席周りに配置されている。操作パネル６１は、暖房／冷媒切換スイッチ、大・中・小のポジションを有する風量スイッチ等、を備えている。そして、操作パネル６１は、これらスイッチの信号をＥＣＵ７０に出力するようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０（制御手段）は、空調システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種機器を制御するようになっている。

≪空調システムの動作≫
次に、空調システム１の動作について、図７のフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７０は、操作パネル６１を構成する暖房／冷房切換スイッチからの信号に基づいて、乗員（運転者等）から暖房要求があるか否か判定する。
暖房要求があると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０２に進む。一方、暖房要求がないと判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１３１に進む。

＜冷房制御＞
先に、ステップＳ１３１を説明する。
ステップＳ１３１において、ＥＣＵ７０は、冷媒の通流する回路を冷房用回路に切り替える（図２参照）。
具体的には、ＥＣＵ７０は、第１三方弁１３によって配管１２ａと配管１３ｂとを連通させ、第２三方弁１６によって配管１５ａと配管１６ｂとを連通させ、第３三方弁１８によって配管２２ａと配管１８ａとを連通させる。

ステップＳ１３２において、ＥＣＵ７０は、冷房制御を実行する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、操作パネル６１からの冷房要求量に対応して、コンプレッサ１１の回転速度、膨張弁１５の開度を制御する。そうすると、膨張弁１５で膨張することで温度低下した冷媒が、第２エバポレータ２２において、導入空気Ａを冷却する。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、リターンを通ってスタートに戻る。

＜暖房制御＞
次に、ステップＳ１０２を説明する。
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７０は、冷媒の通流する回路を暖房用回路に切り替える。
具体的には、ＥＣＵ７０は、第１三方弁１３によって配管１２ａと配管１３ａとを連通させ、第２三方弁１６によって配管１５ａと配管１６ａとを連通させ、第３三方弁１８によって配管１７ａと配管１８ａとを連通させる。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、温度センサ４３を介して検出される現在の外気温度が所定温度以下であるか否か判定する。所定温度は、外気温度が低すぎるため、空調システム１（ヒートポンプ１０）を、後記する通常暖房制御時（Ｓ１２１）よりも暖房能力を高める必要があると判断される温度（例えば−２０℃〜１０℃）に設定される。
なお、ステップＳ１０３の初回判定時、現在の外気温度に関わらず、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１２１に進む構成とすればよい。

外気温度は所定温度以下であると判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０４に進む。一方、外気温度は所定温度以下でないと判定した場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１２１に進む。

ステップＳ１２１において、ＥＣＵ７０は、通常の暖房運転条件で、コンプレッサ１１、絞り弁１４、膨張弁１５、フロントブロワ４１、リアブロワ５１を作動させる。
その後、ＥＣＵ７０の処理はリターンを通ってスタートに戻る。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ７０は、現在要求されている暖房性能を満たしているか否か判定する。
暖房性能を満たしていると判定した場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１２１に進む。一方、暖房性能を満たしていないと判定した場合（Ｓ１０４・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０５に進む。

ここで、暖房性能を満たしているか否かについては、例えば、第１コンデンサ１２を通流する冷媒が導入空気Ａに放熱した熱量（図３のｂｅ工程におけるエンタルピー減少量）が、現在の要求熱量以上である場合、暖房性能を満たしていると判定される。
この場合、第１コンデンサ１２において冷媒が導入空気Ａに放熱した熱量は、フロントブロワ４１に印加される電圧に対応した吐気量（吐出空気の流量）及び吐気温度（吐出空気の温度）に基づいて算出される。そして、現在の要求熱量は、ＥＣＵ７０により算出された目標吐気温度に基づいて算出される。なお、目標吐気温度は、例えば、操作パネル６１の風量スイッチのポジションが小、中、大となるにつれて、高くなる関係となっている。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ１１の現在の回転速度が最大回転速度以下であるか否か判定する。コンプレッサ１１の最大回転速度は、例えばコンプレッサ１１がオーバーヒートしない程度の上限値に設定される。

現在の回転速度が最大回転速度以下であると判定した場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０６に進む。
一方、現在の回転速度が最大回転速度以下でないと判定した場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０７に進む。なお、この場合、コンプレッサ１１のオーバーヒートを防止するため、コンプレッサ１１の回転速度を最大回転速度以下に低下させることが好ましい。

ステップＳ１０６において、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ１１の回転速度を、所定回転速度量にて増加させる。なお、所定回転速度量は事前試験等により適宜に設定される。
そして、このようにコンプレッサ１１の回転速度を増加させると、コンプレッサ１１の仕事量が増加し、冷媒に付与される熱量が増加し、コンプレッサ１１から第１コンデンサ１２に流入する冷媒のエンタルピーが高くなる。すなわち、冷媒の過熱が進み、図３のｂ点が右上にシフトし、ｂｅ工程は長くなり、第１コンデンサ１２の暖房能力は高くなる。

ステップＳ１０７において、ＥＣＵ７０は、温度センサ３１を介して検出された第１コンデンサ１２に流入する冷媒の現在の温度が、上限温度以上であるか否か判定する。上限温度は、例えば、コンプレッサ１１の耐熱温度や、オーバーシュート等を考慮して前記耐熱温度よりも若干低い温度に設定される。

冷媒の現在の温度は上限温度以上であると判定した場合（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０８に進む。一方、冷媒の現在の温度は上限温度以上でないと判定した場合（Ｓ１０７・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０８において、ＥＣＵ７０は、膨張弁１５の開度を所定量にて大きくする。そうすると、図４に示すように、冷媒のエンタルピーは低下する。

ステップＳ１０９において、ＥＣＵ７０は、膨張弁１５の開度を所定量にて小さくする。そうすると、図４に示すように、コンプレッサ１１から吐出され第１コンデンサ１２に流入する冷媒のエンタルピーは高くなり、暖房能力が高くなる。
なお、前記所定量は事前試験等により求められ、膨張弁１５の開度の変更は、ＥＣＵ７０が膨張弁１５に出力するＰＷＭ信号のデューティ比を変更することにより実行される。

ステップＳ１１０において、ＥＣＵ７０は、圧力センサ３５を介して検出された第１コンデンサ１２に流入する冷媒の現在の圧力が、上限圧力以上であるか否か判定する。上限圧力は、例えば、コンプレッサ１１の耐圧温度や、オーバーシュートを考慮して前記耐熱温度よりも若干低い圧力に設定される。

冷媒の現在の圧力は上限圧力以上であると判定した場合（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１１に進む。一方、冷媒の現在の圧力は上限圧力以上でないと判定した場合（Ｓ１１０・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１２に進む。

ステップＳ１１１において、ＥＣＵ７０は、絞り弁１４の開度を所定量にて大きく、つまり、絞り量を所定量にて小さくする。そうすると、図５に示すように、コンプレッサ１１から吐出される冷媒の圧力は低下する。

ここで、ステップＳ１１１における絞り弁１４の開度の制御処理に代えて、フロントブロワ４１の回転速度を調整（制御）する処理を実行してもよい。
すなわち、ＥＣＵ７０が、フロントブロワ４１の回転速度を所定回転速度にて増大させてもよい。このように増大させると、図６に示すように、第１コンデンサ１２を通流する導入空気Ａの流量が多くなり、第１コンデンサ１２に流入する冷媒のエンタルピーが低くなると共に、冷媒の圧力が低下する。

その後、ＥＣＵ７０の処理は、リターンを通って、スタートに戻る。

ステップＳ１１２において、ＥＣＵ７０は、絞り弁１４の開度を所定量にて小さく、つまり、絞り量を所定量にて大きくする。そうすると、図５に示すように、ｂｃ工程（過熱状態）及びｄｅ工程（過冷却状態）が長くなり、暖房能力が高くなる。

ここで、ステップＳ１１２における絞り弁１４の開度の制御処理に代えて、フロントブロワ４１の回転速度を調整（制御）する処理を実行してもよい。
すなわち、ＥＣＵ７０が、フロントブロワ４１の回転速度を所定回転速度にて減少させてもよい。このように減少させると、図６に示すように、第１コンデンサ１２を通流する導入空気Ａの流量が少なくなり、第１コンデンサ１２に流入する冷媒のエンタルピーが高くなると共に、冷媒の圧力が高くなり、暖房能力も高くなる。

その後、ＥＣＵ７０の処理は、リターンを通って、スタートに戻る。

≪空調システムの効果≫
このような空調システム１によれば、次の効果を得る。

外気温度が所定温度以下である場合において（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、冷媒温度が上限以上でないとき（Ｓ１０７・Ｎｏ）、膨張弁１５の開度を小さくすることにより（Ｓ１０９）、第１コンデンサ１２に流入する冷媒のエンタルピー（温度）が高くなる（図４参照）。これにより、ヒータとして機能する第１コンデンサ１２の暖房能力が高くなり、導入空気Ａを好適に暖めることができる。

外気温度が所定温度以下である場合において（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、冷媒圧力が上限圧力以上でないとき（Ｓ１１０・Ｎｏ）、絞り弁１４の開度を小さくすることにより（Ｓ１１２）、第１コンデンサ１２に流入する冷媒のエンタルピー（温度）が高くなると共に、第１コンデンサ１２において低エンタルピーまで冷媒の過冷却が進む（図５参照）。これにより、ヒータとして機能する第１コンデンサ１２の暖房能力が高くなり、導入空気Ａを好適に暖めることができる。
なお、過冷却させる冷媒のエンタルピー（温度）の下限値は、放熱先である導入空気Ａのエンタルピー（温度）となる。

外気温度が所定温度以下である場合において（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、冷媒圧力が上限圧力以上でないとき（Ｓ１１０・Ｎｏ）、導入空気Ａの流量を減少させることにより、第１コンデンサ１２に流入する冷媒のエンタルピー（温度）が高くなる（図６参照）。これにより、ヒータとして機能する第１コンデンサ１２の暖房能力が高くなり、導入空気Ａを好適に暖めることができる。

≪変形例≫
以上、本発明の第１実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば次のように変更できる。

前記した実施形態では、空調システム１が車両１００に搭載された構成を例示したが、その他に例えば、家庭用の据え置き型の空調システムである構成でもよい。

≪第２実施形態≫
次に、本発明の第２実施形態について図８を参照して説明する。なお、第１実施形態と異なる部分のみを説明する。
第２実施形態に係るヒートポンプ１０Ａは、気液分離器２３と、過冷却用熱交換器２４とをさらに備えている。そして、絞り弁１４に接続された配管１４ａの下流端は、気液分離器２３に接続されている。

気液分離器２３は、気体状態の冷媒と液体状態の冷媒とを分離する装置である。配管１４ａは、気液分離器２３内において、気液分離器２３内に一時的に貯溜される液体状態の冷媒の液面よりも上方に延び、分離された液体状態の冷媒が配管１４ａを逆流しないようになっている。なお、第２実施形態において、第２コンデンサ２１の下流に接続された配管２１ａは、配管１４ａに合流している。

そして、気液分離器２３の底部は、配管２３ａを介して過冷却用熱交換器２４に接続されており、分離された液体状態の冷媒が、配管２３ａを通って、過冷却用熱交換器２４に供給されるようになっている。

過冷却用熱交換器２４は、これに導入される冷媒（液体状態）の熱を外気に放熱し、冷媒をさらに過冷却するものである。そして、過冷却された冷媒（液体状態）は、配管２４ａを通って膨張弁１５に供給されるようになっている。

ここで、第２実施形態において、「暖房時に、圧縮機からの高温・高圧の冷媒と温調対象である空気との間で熱交換させ、空気を暖めると共に冷媒を凝縮させる第１熱交換手段」は、第１コンデンサ１２と、気液分離器２３と、過冷却用熱交換器２４とを備えて構成されている。そして、絞り弁１４の開度を小さくすると、過冷却用熱交換器２４において、冷媒の過冷却が進むようになっている。

≪第３実施形態≫
次に、本発明の第３実施形態について図９を参照して説明する。
第３実施形態に係るヒートポンプ１０Ｂは、第２実施形態に係るヒートポンプ１０Ａに対して、気液分離器２３及び過冷却用熱交換器２４のレイアウトが異なる。

具体的には、第１コンデンサ１２から下流に向かって、配管１２ａ、気液分離器２３、配管２３ａ、過冷却用熱交換器２４、配管２４ａ、第１三方弁１３の順に接続されている。そして、第１コンデンサ１２からの気液混合状態の冷媒は、気液分離器２３で気液分離され、液体状態の冷媒は過冷却用熱交換器２４でさらに過冷却されるようになっている。

また、第３実施形態では、導入空気Ａの流れ方向において、上流から下流に向かって、過冷却用熱交換器２４、気液分離器２３、第１コンデンサ１２の順に配置されている。そして、過冷却用熱交換器２４で放熱される冷媒の熱は、導入空気Ａに与えられるようになっている。

１ 空調システム（ヒートポンプ式空調システム）
１０ ヒートポンプ
１１ コンプレッサ（圧縮機）
１２ 第１コンデンサ（第１熱交換手段、第１凝縮器）
１３ 第１三方弁（冷房切替手段）
１４ 絞り弁（絞り手段）
１５ 膨張弁
１６ 第２三方弁（冷暖切替手段）
１７ 第１エバポレータ（第１蒸発器）
１８ 第３三方弁（冷暖切替手段）
２１ 第２コンデンサ（第２凝縮器）
２２ 第２エバポレータ（第２蒸発器）
３１、３２ 温度センサ
３５ 圧力センサ
４１ フロントブロワ（空気通流手段）
４３ 温度センサ（外気温度センサ）
７０ ＥＣＵ（制御手段）
１００ 車両（移動体）

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
   暖房時に、前記圧縮機からの高温・高圧の冷媒と温調対象である空気との間で熱交換させ、空気を暖めると共に冷媒を凝縮させる第１熱交換手段と、
   冷媒を膨張させると共に、開度を可変することで冷媒の膨張率を可変する膨張弁と、
   冷媒を蒸発させる第１蒸発器と、
   外気温度を検出する外気温度センサと、
   前記膨張弁の開度を制御する制御手段と、
   を備え、
   暖房時に、冷媒が、前記圧縮機、前記第１熱交換手段、前記膨張弁、前記第１蒸発器、前記圧縮機の順で循環する暖房用回路を有するヒートポンプ式空調システムであって、
   暖房時に、外気温度が所定温度以下である場合、
   前記制御手段は、前記圧縮機から前記第１熱交換手段に流入する冷媒のエンタルピーが高くなるように、前記膨張弁の開度を小さくする
   ことを特徴とするヒートポンプ式空調システム。
2. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
   暖房時に、前記圧縮機からの高温・高圧の冷媒と温調対象である空気との間で熱交換させ、空気を暖めると共に冷媒を凝縮させる第１熱交換手段と、
   冷媒を膨張させる膨張弁と、
   前記膨張弁に向かう冷媒の流量を絞る絞り弁と、
   冷媒を蒸発させる第１蒸発器と、
   外気温度を検出する外気温度センサと、
   前記絞り弁の開度を制御する制御手段と、
   を備え、
   暖房時に、冷媒が、前記圧縮機、前記第１熱交換手段、前記膨張弁、前記第１蒸発器、前記圧縮機の順で循環する暖房用回路を有するヒートポンプ式空調システムであって、
   暖房時に、外気温度が所定温度以下である場合、
   前記制御手段は、前記第１熱交換手段において冷媒のエンタルピーが低くなるまで、冷媒の過冷却が進むように、前記絞り弁の開度を小さくする
   ことを特徴とするヒートポンプ式空調システム。
3. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
   暖房時に、前記圧縮機からの高温・高圧の冷媒と温調対象である空気との間で熱交換させ、空気を暖めると共に冷媒を凝縮させる第１熱交換手段と、
   前記第１熱交換手段において冷媒と熱交換するように空気を通流させる空気通流手段と、
   冷媒を膨張させる膨張弁と、
   冷媒を蒸発させる第１蒸発器と、
   外気温度を検出する外気温度センサと、
   前記空気通流手段による空気の流量を制御する制御手段と、
   を備え、
   暖房時に、冷媒が、前記圧縮機、前記第１熱交換手段、前記膨張弁、前記第１蒸発器、前記圧縮機の順で循環する暖房用回路を有するヒートポンプ式空調システムであって、
   暖房時に、外気温度が所定温度以下である場合、
   前記制御手段は、前記圧縮機から前記第１熱交換手段に流入する冷媒のエンタルピーが高くなるように、前記空気通流手段が通流させる空気の流量を少なくする
   ことを特徴とするヒートポンプ式空調システム。
4. 冷房時に、前記圧縮機からの高温・高圧の冷媒と外部との間で熱交換させ、冷媒の熱を外部に放熱すると共に冷媒を凝縮させる凝縮器と、
   前記膨張弁で膨張することで圧力低下した冷媒と温調対象である外部からの空気との間で熱交換させ、空気を冷却すると共に冷媒を蒸発させる第２蒸発器と、
   を備え、
   冷房時に、冷媒が、前記圧縮機、前記凝縮器、前記膨張弁、前記第２蒸発器、前記圧縮機の順で循環する冷房用回路を有し、
   暖房時に冷媒が前記暖房用回路を通流し、冷房時に冷媒が前記冷房用回路を通流するように、冷媒の通流回路を切り替える冷暖切替手段をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式空調システム。

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