JP2013129353A - 車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】走行中にはバッテリの電力を除霜に消費するのを避けつつ、車室外熱交換器にフロストが生じても暖房運転を継続できる車両用空調装置を提供する。
【解決手段】車室内蒸発器８と電動圧縮機２０の吸入側との間に、車室外蒸発器３２と並列に設けられ、電動圧縮機２０に吸入される冷媒を加熱する冷媒加熱器４１と、車室外蒸発器３２が着霜したか否かを判定する空調制御装置５０と、を備え、暖房モードで運転されている間に、空調制御装置５０により車室外蒸発器３２が着霜していると判定すると、車室内凝縮器９で熱交換された冷媒は、車室外蒸発器３２への供給が停止されるとともに、冷媒加熱器４１へ供給されて加熱されてから電動圧縮機２０に吸入される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッド車等の空調装置に適用されるヒートポンプ式車両用空調装置およびその除霜方法に関するものである。

電気自動車やハイブリッド車に適用される車両用空調装置では、エンジン冷却水などの燃焼排熱を利用した暖房運転を行うことができない。また、エンジンに代わる走行用モータやバッテリからの排熱を利用することは可能であるが、排熱量が少ないため、排熱のみを熱源とした暖房システムは成立しない。また、ハイブリッド車においても省燃費のためにエンジンをできるだけ停止する制御がなされるため、冷媒を用いたヒートポンプ暖房若しくはクーラントを媒体とした電気ヒータによる暖房が検討されている。暖房運転に使用する消費電力は非常に大きく、高ＣＯＰ暖房としてのヒートポンプシステムが望ましい（電気ヒータCOP≦１）が，低外温時（例えば−１０℃）のヒートポンプ暖房では、空気中の水分が凝縮し室外に配置される熱交換器に着霜（フロスト）が起こり暖房能力低下を招く可能性がある。

例えば家庭用のルームエアコンの室外熱交換器に着霜すると、いわゆるリバース運転（暖房→冷房運転）を行い、室外熱交換器の除霜を行う。しかし，車両用のヒートポンプシステムで同様な除霜を実施すると、暖房運転を停止することにともない、視界確保の保安基準を満足できない場合が想定される。
この点について、特許文献１は、室外熱交換器と室内熱交換器を並列に配置し、低外気温域において室外熱交換器がフロスト状態となった場合に、圧縮機から吐出した加熱ガスの一部を室外熱交換器（蒸発器）へバイパスさせつつ、室内熱交換器へも冷媒を流入させることで、除霜を行いながら暖房運転を継続させる回路を開示している。この回路は、室外熱交換器（蒸発器）で吸熱できない不足分を冷媒加熱器で補うことで必要な暖房能力を確保している。

特開２０１０−２３６７０９号公報

しかしながら、特許文献１は、車両の走行中にバッテリに蓄えられている電力を除霜に消費するので、当該車両の走行距離を縮めてしまう。
本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、走行中にはバッテリの電力を除霜に消費するのを避けつつ、車室外熱交換器にフロストが生じても暖房運転を継続できる車両用空調装置を提供することを目的とする。

かかる目的のもとなされた本発明のヒートポンプ式の車両用空調装置は、圧縮機から吐出された冷媒を車室外凝縮器で熱交換した後に減圧して車室内蒸発器に供給する冷房モードと、圧縮機から吐出した冷媒を車室内凝縮器で熱交換した後に減圧して車室外蒸発器に供給する暖房モードと、を切り替えて運転することを前提とする。
本発明の車両用空調装置は、車室内蒸発器と圧縮機の吸入側との間に冷媒加熱器が設けられる。この冷媒加熱器は、車室外蒸発器と並列に設けられ、圧縮機に吸入される冷媒を加熱する。本発明の車両用空調装置は、車室外蒸発器が着霜したか否かを判定する着霜判定部を備える。
そして、暖房モードで運転されている間に、車室外蒸発器が着霜したと着霜判定部が判定すると、凝縮側車室内熱交換器で熱交換された冷媒は、車室外蒸発器への供給が停止されるとともに、冷媒加熱器へ供給されて加熱されてから圧縮機に吸入されることを特徴とする。

以上の本発明の車両用空調装置は、車室外蒸発器が着霜したと着霜判定部が判定すると、車室内凝縮器で熱交換された冷媒は、車室外蒸発器への供給が停止されるとともに、冷媒加熱器へ供給されて加熱されてから圧縮機に吸入されるので、走行中にはバッテリの電力を除霜に消費するのを避けつつ、車室外蒸発器にフロストが生じても暖房運転を継続できる。

本発明の車両用空調装置において、車室内凝縮器と車室外蒸発器の間に温度式第１膨張弁、および、車室内蒸発器と冷媒加熱器の間に温度式第２膨張弁、を備え、冷媒加熱器の動作に連動して温度式第１膨張弁及び温度式第２膨張弁の開度が制御されることで、冷媒の流路を特定することができる。このように、温度式膨張弁を用いることにより、膨張弁の制御のためのコストを低減できる。

本発明の車両用空調装置において、着霜判定部が、車室外蒸発器が着霜していないと判定する間は、圧縮機から吐出した冷媒は車室内凝縮器で放熱した後に減圧され、さらに車室外蒸発器で吸熱してから、圧縮機に吸入される、というサイクルを辿ることで、暖房運転を実行できる。
一方で、車室外蒸発器が着霜していると判定する間は、圧縮機から吐出した冷媒は車室内凝縮器で放熱した後に減圧され、さらに車室内蒸発器で吸熱し、しかる後に冷媒加熱器にて加熱されてから圧縮機に吸入される、というサイクルを辿ることができる。つまり、車室外蒸発器が着霜していると判定している間は、内気（車室内の空気）を循環する除湿暖房運転が行われる。
また、他の選択肢として、圧縮機から吐出した冷媒が車室内凝縮器で放熱した後に、冷媒加熱器にて加熱されてから圧縮機に吸入される冷媒加熱器を熱源とした外気導入による暖房運転を行なうことができる。
いずれかを選択するかは、例えば乗員が外気導入を指示するか否かで決定することができる。

本発明の車両用空調装置において、車室外蒸発器が着霜していると判定する間は、車両を停止した後、乗員がいない状態で、かつ車両バッテリの充電時もしくはその容量に余裕がある時に車室内蒸発器を除霜する、ことができる。
また本発明の車両用空調装置において、温度式第２膨張弁が、減圧機構を備える第１通路と、減圧機構を備えない第２通路と、を備え、冷媒加熱器から流出する冷媒が、第２通路を通って圧縮機に吸入されるように配管経路を構成することが好ましい。

本発明によれば、走行中にはバッテリの電力を除霜に消費するのを避けつつ、蒸発側車室内熱交換器にフロストが生じても暖房運転を継続できる車両用空調装置を提供する。

本発明の第１実施形態にかかるヒートポンプ式車両用空調装置の冷媒回路図である。 図１に示すヒートポンプ式車両用空調装置の冷房時の冷媒流れを示す冷媒回路図である。 図１に示すヒートポンプ式車両用空調装置の暖房時（着霜前）の冷媒流れを示す冷媒回路図である。 図１に示すヒートポンプ式車両用空調装置の暖房時（着霜後）の冷媒流れを示す冷媒回路図である。 図１に示すヒートポンプ式車両用空調装置の暖房時（除湿暖房）の冷媒流れを示す冷媒回路図である。 図１に示すヒートポンプ式車両用空調装置の除霜時の冷媒流れを示す冷媒回路図である。 図１に示すヒートポンプ式車両用空調装置を制御する制御装置のブロック図である。 図７に示す制御装置による運転制御フロー図である。 図７に示す制御装置による冷房運転時の制御フロー図である。 図７に示す制御装置による暖房運転時の制御フローの一部を示す図である。 図１０の残りの部分を示す図である。 図７に示す制御装置による除霜運転時の制御フロー図である。 図１０の残りの部分を示す図である。

［第１実施形態］
以下、添付する図１〜図１２に示す第１実施形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１に示されるヒートポンプ式の車両用空調装置１は、ＨＶＡＣユニット（Ｈｅａｔｉｎｇ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２と、冷暖房可能なヒートポンプサイクル３とを備えている。

［ＨＶＡＣユニット２ 概要］
ＨＶＡＣユニット２は、内外気切替えダンパ４を介して車室内からの内気または外気のいずれかを切替え導入し、下流側に圧送するブロア５と、ブロア５に連なる空気流路６中に上流側から下流側にかけて順次配設されている車室内蒸発器８と、温調ダンパ１０と、車室内凝縮器９とを備えている。このＨＶＡＣユニット２は、車室内前方のインストルメントパネル内に設置され、車室内蒸発器８および車室内凝縮器９により温調された空気を、車室内に向けて開口されているデフ吹出し口１１、フェイス吹出し口１２、フット吹出し口１３のいずれかから、吹出しモード切替えダンパ１４，１５，１６により切替えられる吹出しモードに従って車室内に吹出し、車室内を設定温度に空調するものである。

［ヒートポンプサイクル３］
冷暖房可能なヒートポンプサイクル３は、冷媒を圧縮する電動圧縮機２０と、車室外凝縮器２１と、レシーバ２２と、第１電磁弁２３および第１膨張弁２４と、上記車室内蒸発器８と、逆止弁２５とがこの順に冷媒配管２６を介して接続されることで、閉サイクルのヒートポンプサイクル（冷媒回路）を構成する。この冷凍サイクル２７は、エンジン駆動方式の車両に適用されている現行の車両用空調装置と同様のものである。

ヒートポンプサイクル３には、冷凍サイクル２７に対して、電動圧縮機２０からの吐出配管（吐出回路）２６Ａに、ＨＶＡＣユニット２内に設置されている車室内凝縮器９が接続されている。また、車室外凝縮器２１の入口側冷媒配管２６Ｂには、三方切替え弁（切替え手段）２８が設けられ、この三方切替え弁２８を介してレシーバ２２に車室内凝縮器９で凝縮された冷媒を導く第１暖房用回路２９が接続されている。
また、レシーバ２２の出口冷媒配管２６Ｄと、電動圧縮機２０への吸入配管２６Ｅとの間には、第２電磁弁３０、温度式第１膨張弁３１及び車室外蒸発器３２および逆止弁３３が順次設けられている、第２暖房用回路３４が接続されている。吸入配管２６Ｅには、冷媒加熱器４１、温度式第２膨張弁４２が、逆止弁２５の側からこの順に設けられている。そして、出口冷媒配管２６Ｄと吸入配管２６Ｅとの間には、第２電磁弁３０と温度式第２膨張弁４２が配置される冷媒配管２６Ｆが設けられている。冷媒加熱器４１は、例えば発熱体としての電熱線を絶縁した状態で金属パイプにより被覆する、いわゆる電気式のシーズヒータで構成することができる。また、冷媒加熱器４１は、ＰＴＣ（positive temperature coefficient）素子を使用した電気式のＰＴＣヒータを用いることができる。この冷媒加熱器４１は、車室内凝縮器９と電動圧縮機２０の吸入側との間に、車室外蒸発器３２と並列に設けられている。
温度式第１膨張弁３１、温度式第２膨張弁４２は、各々、減圧機構を備える通路３１ａ，４２ａと、減圧機構を備えていない通路３１ｂ，４２ｂと、を備えている。そして、減圧機構を備えない通路３１ｂ，４２ｂ側で温度を検知することで、各々、通路３１ａ，４２ａの減圧機構の開度を調整することができるようになっている。

これにより、電動圧縮機２０と、ＨＶＡＣユニット２内に設置されている車室内凝縮器９と、三方切替え弁２８と、第１暖房用回路２９と、レシーバ２２と、第２暖房用回路３４とがこの順に冷媒配管２６を介して接続されることで、閉サイクルのヒートポンプサイクル（冷媒回路）３５が構成する。なお、三方切替え弁２８の具体的な構成は問わず、２個の電磁弁を組み合わせてもよい。

上記したヒートポンプサイクル３において、暖房用のヒートポンプサイクル３５を構成している車室外蒸発器３２は、冷房用の冷凍サイクル２７を構成している車室外凝縮器２１に対して、外気を通風する車室外ファン３６の通風路中における下流側に、車室外凝縮器２１と互いに平行に設置されており、車室外ファン３６を共用化している。なお、本実施形態においては、車室外蒸発器３２の上流側に、更に車両駆動用のモータ、インバータおよびバッテリ等の冷却媒体を冷却するラジエータ３７が設置された構成とされている。車室外凝縮器２１、車室外蒸発器３２及びラジエータ３７の配置は任意であるが、本実施形態のように配置すると、車室外凝縮器２１および車両用のラジエータ３７によって、降雪時や積雪時における雪をブロックし、車室外蒸発器３２に対する雪の付着を軽減することができる。従って、車室外蒸発器３２での熱交換性能を確保し、暖房性能を向上することができるとともに、車室外蒸発器３２の雪の付着による凍結を防止することができる。また、車両用のラジエータ３７から放熱がある場合には、それを吸熱して暖房能力の向上を図ることができる。

さらに、本実施形態のレシーバ２２は、図１に示されるように、車室外凝縮器２１からの冷媒配管２６Ｃおよび第１暖房用回路２９が接続される２つの冷媒流入口にそれぞれ逆止弁３８，３９が一体的に組み込まれた逆止弁付きのレシーバとされている。また、レシーバ２２の出口冷媒配管２６Ｄと、電動圧縮機２０への吸入配管２６Ｅとの間には、出口冷媒配管２６Ｄ内を流通する高圧液冷媒と、吸入配管２６Ｅ内を流通する低圧ガス冷媒とを熱交換させ、高圧液冷媒を過冷却する内部熱交換器４０が設けられている。内部熱交換器４０を設けることにより、冷房時および暖房時共に、内部熱交換器４０で低圧ガス冷媒と高圧液冷媒とを熱交換させて高圧液冷媒を過冷却し、蒸発器８，３２での吸熱量を増加させることができ、これによって、冷房効率および暖房効率を高め、車両用空調装置１の冷暖房性能を向上することができる。ただし、内部熱交換器４０は本発明において必須の構成ではないため、車両用空調装置を簡素化する場合には内部熱交換器４０を省くことができる。

次に、上記車両用空調装置１の運転時の冷媒流れを、図２〜図６を用いて説明する。なお、各図において、運転時の冷媒流れ経路が太線で表されている。
［冷房運転］
冷房運転時、電動圧縮機２０で圧縮された冷媒は、図２に示されるように、吐出配管２６Ａより車室内凝縮器９、三方切替え弁２８を経由して車室外凝縮器２１に循環され、車室外ファン３６を介して通風される外気と熱交換されて凝縮液化される。この液冷媒は、冷媒配管２６Ｃ、逆止弁３８を経てレシーバ２２内に導入され、いったん貯留された後、出口冷媒配管２６Ｄ、内部熱交換器４０、第１電磁弁２３を経て第１膨張弁２４に導かれ、ここで減圧されて気液二相状態となり、車室内蒸発器８に供給される。高圧液冷媒は、内部熱交換器４０を流通する際、車室内蒸発器８で蒸発された低圧ガス冷媒と熱交換されて過冷却される。

車室内蒸発器８でブロア５から送風されてくる内気または外気と熱交換されて蒸発ガス化された冷媒は、逆止弁２５、冷媒加熱器４１、温度式第２膨張弁４２及び内部熱交換器４０を経て電動圧縮機２０に吸入され、再圧縮される。また、このとき冷媒加熱器４１は、停止（ＯＦＦ）状態とされている。以下、同様のサイクルを繰り返す。この冷凍サイクル２７は、エンジン駆動方式の車両に用いられている現行の車両用空調装置の冷凍サイクルと同様のものであり、そのまま共用化することができる。車室内蒸発器８で冷媒との熱交換されることにより冷却された内気または外気は、吹出しモード切替えダンパ１４，１５，１６により切替えられる吹出しモードに応じて、デフ吹出し口１１、フェイス吹出し口１２、フット吹出し口１３のいずれかから車室内に吹出され、車室内の冷房に供されることになる。
ここで、冷媒加熱器４１から流出する冷媒は、温度式第２膨張弁４２の減圧機構を備えていない第２通路４２ｂを通って電動圧縮機２０に吸入されるように配管が設けられていることで、冷媒加熱器４１から電動圧縮機２０までの配管経路を、冷房運転のみならず、暖房運転及び除霜運転で共有することができる。つまり、後述するように、着霜検知後のケース２の暖房運転（図５）、及び、除霜運転（図６）の際にも、温度式第２膨張弁４２の当該通路４２ｂを冷媒が通り、電動圧縮機２０に吸入される。

なお、冷房運転時、車室内凝縮器９への通風は、温調ダンパ１０によって遮断され、車室内蒸発器８で冷却された冷風がそのまま車室内へと吹出されることになるため、冷媒は車室内凝縮器９で殆んど凝縮されることなく、車室外凝縮器２１に循環され、車室外凝縮器２１で外気と熱交換されることによって凝縮液化されることになる。一方、冷凍サイクル２７を運転しながら、車室内凝縮器９の入口に設けられている温調ダンパ１０を開き、車室内蒸発器８で冷却された冷風の一部を車室内凝縮器９に通風して再熱することによって、再熱除湿運転を行うことができる。

［暖房運転（着霜前）］
暖房運転時、車室外蒸発器３２に着霜する迄の間は、図３に示されるように、電動圧縮機２０で圧縮された冷媒は、吐出配管２６Ａにより車室内凝縮器９に導入され、ここで、ブロア５から送風されてくる内気または外気と熱交換されて放熱される。これによって加熱された空気は、吹出しモードに応じて、デフ吹出し口１１、フェイス吹出し口１２およびフット吹出し口１３のいずれかから車室内に吹出され、車室内の暖房に供されることになる。なお、通常の暖房運転は、窓の曇りを防止するため、外気導入モードで行われる。

車室内凝縮器９で放熱して凝縮液化された冷媒は、三方切替え弁２８を介して第１暖房用回路２９に導かれ、逆止弁３９を経てレシーバ２２内に導入される。ここで、いったん貯留された冷媒は、出口冷媒配管２６Ｄ、内部熱交換器４０を介して第２暖房用回路３４に導かれ、第２電磁弁３０を経て温度式第１膨張弁３１の減圧機構を備える通路を通過する過程で減圧されることにより気液二相状態となり、車室外蒸発器３２に供給される。高圧液冷媒は、内部熱交換器４０を流通する際、車室外蒸発器３２で蒸発された低圧ガス冷媒と熱交換されて過冷却される。

車室外蒸発器３２に供給された冷媒は、車室外蒸発器３２で車室外ファン３６により通風される外気と熱交換され、外気から吸熱することで蒸発ガス化された後、温度式第１膨張弁３１、逆止弁３３、内部熱交換器４０を経て電動圧縮機２０に吸入され、再圧縮される。以下、同様のサイクルが繰り返され、この暖房用のヒートポンプサイクル３５によって、ヒートポンプ暖房が行なわれることになる。

このように、冷房用の冷凍サイクル２７の吐出配管（吐出回路）２６Ａに車室内凝縮器９、車室外凝縮器２１の入口側に設けられた三方切替え弁２８とレシーバ２２との間に第１暖房用回路２９、更にレシーバ２２の出口側と電動圧縮機２０の吸入側との間に第１電磁弁３０、温度式第１膨張弁３１および車室外蒸発器３２が設けられている第２暖房用回路３４等の最小限の暖房用回路および機器を接続することによって、圧力条件が同一となる回路部分および機器類を共用化して暖房用のヒートポンプサイクル３５を構成することができる。

［暖房運転（着霜後）］
以上説明したように、車室外蒸発器３２により、外気から吸熱して暖房運転を行うと、低外気温時、車室外蒸発器３２の表面に着霜し、着霜が進むに連れて暖房能力が低下し、ついには暖房不能に陥るおそれがある。そこで、本実施形態では、以下の２つのケースから選択された運転を行なえるようにしている。詳しくは後述するが、乗員による外気導入の要求があった場合にはケース１が選択され、そのような要求がなければケース２が選択され、暖房運転が行なわれる。
（ケース１）
ケース１は、車室外蒸発器３２に代えて冷媒加熱器４１により冷媒を加熱する。
ケース１では、車室外蒸発器３２に対して着霜が検知された場合、冷媒加熱器４１を作動させる。こうして冷媒加熱器４１により冷媒が蒸発し過熱がつき始めると、温度式第２膨張弁４２の減圧機構を備える通路が開き（ＯＮ）、図４に示すように、冷媒配管２６Ｆを通って冷媒が冷媒加熱器４１へ流入する。これに伴って、図４に示すように、車室外蒸発器３２へ流入する冷媒量が減少し、過熱が付かない状態となり、温度式第１膨張弁３１の減圧機構を備える通路が閉じる（ＯＦＦ）。なお、この段階では、第１電磁弁２３は閉（ＯＦＦ）、第２電磁弁３０は開（ＯＮ）とされる。
冷媒加熱器４１で加熱された冷媒は、内部熱交換器４０を経て電動圧縮機２０で圧縮されてから、吐出配管２６Ａにより車室内凝縮器９に導入され、ここで、ブロア５から送風されてくる外気と熱交換されて放熱されることは、除霜前の暖房運転と同様である。
車室内凝縮器９で放熱して凝縮液化された冷媒は、三方切替え弁２８、逆止弁３９を経てレシーバ２２内に導入される。ここでいったん貯留された冷媒は、出口冷媒配管２６Ｄ、内部熱交換器４０、第１電磁弁３０を経由して、第２温度式膨張弁４２に戻される。以下、同様のサイクルが繰り返され、冷媒加熱器４１を利用したヒートポンプ暖房が行なわれる。

（ケース２）
このケース２は、温度が高い車室内空気から吸熱して暖房できるように、内気循環モードに切替えて暖房運転を行なう。
図５に示すように、電動圧縮機２０で圧縮された冷媒は、着霜前の暖房運転時（図３）と同様、まず吐出配管２６Ａにより車室内凝縮器９に導入され、ここで、ブロア５から送風されてくる内気と熱交換されて放熱される。これによって加熱された空気は、吹出しモードに応じて、デフ吹出し口１１、フェイス吹出し口１２およびフット吹出し口１３のいずれかから車室内に吹出され、車室内の暖房に供されることになる。

車室内凝縮器９で放熱して凝縮液化された冷媒は、三方切替え弁２８を介して第１暖房用回路２９に導かれ、逆止弁３９を経てレシーバ２２内に導入される。ここで、いったん貯留された冷媒は、出口冷媒配管２６Ｄ、内部熱交換器４０および第１電磁弁２３を経て第１膨張弁２４に導かれ、減圧されて気液二相状態となり、車室内蒸発器８に供給される。高圧液冷媒は、内部熱交換器４０を流通する際、車室内蒸発器８で蒸発された低圧ガス冷媒と熱交換されて過冷却される。

車室内蒸発器８において、ブロア５から送風されてくる内気と熱交換されて蒸発ガス化された冷媒は、逆止弁２５、冷媒加熱器４１、温度式第２膨張弁４２、内部熱交換器４０を経て電動圧縮機２０に吸入され、再圧縮される。以下、同様のサイクルを繰り返すことになる。この車室内蒸発器８で冷媒に吸熱されることによって冷却除湿された空気（内気）は、上記の如く車室内蒸発器８の下流側に設置されている車室内凝縮器９で加熱され、デフ吹出し口１１、フェイス吹出し口１２およびフット吹出し口１３のいずれかから車室内に吹出されることで、車室内の暖房に供される。
以上の通り、このケース２では、車室内蒸発器８を利用した除湿暖房運転が行われることになるので、窓曇りの心配がない。

［除霜運転］
上記のように、車室外蒸発器３２を機能させ、暖房運転しているときに、車室外蒸発器３２に対して着霜が検知された場合でも、直ちに除霜運転は行わず、前述したケース１（外気を利用した暖房運転（図４））、又は、ケース２（内気を利用した除湿暖房運転（図５））に切替えることにより、そのまま暖房運転を継続するようにしている。このため、車両が走行（使用）されている間は、強制的な除霜は行わず、外気で自然にデフロストされるのを待つことになる。しかし、外気温の低い状態が続くと、除霜されずに霜が付着したままとなることが想定される。

そこで、車両が停止（駐車）とされ、乗員がいなくなった状態で、望ましくは車両バッテリの充電時または充電後でバッテリ容量に余裕がある時に、空調装置１を運転し、除霜運転を行うようにしている。この除霜運転は、図６に示されるように、電動圧縮機２０で圧縮されたホットガス冷媒を、吐出配管２６Ａにより車室内凝縮器９、三方切替え弁２８を経由して車室外凝縮器２１に循環させ、車室外ファン３６を介して通風される外気に放熱させることによって行う。ホットガス冷媒からの放熱で昇温された外気は、温風となって車室外凝縮器２１の下流側に配設されている車室外蒸発器３２に吹き付けられ、霜を融解する。

車室外凝縮器２１で放熱して凝縮された冷媒は、冷媒配管２６Ｃ、レシーバ２２、出口冷媒配管２６Ｄ、内部熱交換器４０、第１電磁弁２３を経て第１膨張弁２４に至り、ここで減圧されて車室内蒸発器８に供給される。車室内蒸発器８に供給された気液二相冷媒は、ブロア５を介して循環される車室内空気（内気）から吸熱して蒸発され、逆止弁２５、冷媒加熱器４１、温度式第２膨張弁４２、内部熱交換器４０を経て電動圧縮機２０に吸入される。以下、この冷凍サイクル２７を繰り返すことによって、車室外凝縮器２１で放熱されるホットガス冷媒の熱を利用して間接的に車室外蒸発器３２の霜を融解し、除霜することができる。

このため、除霜運転時にも、低圧仕様の車室外蒸発器３２に対して高圧のホットガス冷媒を流通させることなく、その除霜を行うことが可能となる。また、この除霜運転は、乗員がいない状態で行われることから、ＨＶＡＣユニット２側において、車室内の空調状態や吹出しモードに対して特段考慮する必要がなく、除霜に適合する最適なモードに設定して運転することができる。本実施形態では、車室内蒸発器８で可能な限り温度の高い空気から吸熱できるように、内外気切替えダンパ４を内気循環モードとするとともに、車室内凝縮器９での放熱による熱ロスを低減するため、温調ダンパ１０を最大冷房位置（ＭＡＸ ＣＯＯＬ位置）に設定して除霜運転するようにしている。このようにホットガスの熱量を有効に利用して除霜できるため、短時間で除霜することができる。また、除霜運転は、車両を停止した後、乗員がいない状態で、かつ車両バッテリの充電中もしくは充電後に行うようにしているので、除霜運転が車両の走行距離に影響を及ぼすことを回避することができるとともに、車両バッテリの充電時もしくは充電後のバッテリ容量に余裕がある時に除霜運転を行うことができ、従って、乗員に何ら影響を及ぼさない状態で効率よく確実に車室外蒸発器３２を除霜することができる。

さらに、吹出しモードについても、仮にフットモードを選択してフット吹出し口１３から空気を吹出すようにすると、フット吹出し口１３から吹出された空気が、フット吹出し口１３に近接して開口されている内気循環用の吸込み口にショートサーキットし、車室内の温度の高い空気を吸込むことができ難くなる虞がある。そこで、除霜運転時には、吹出しモードをフットモード以外の、デフモード、フェイスモード、バイレベルモードのいずれかを選択するようにしている。従って、内気循環により車室内から吸込まれる空気の温度を可及的に高めにし、短時間で効果的に車室外蒸発器３２を除霜することができる。

また、除霜運転の終了は、車室外蒸発器３２を用いたヒートポンプ暖房運転（着霜前の暖房運転）を実施して、着霜検知手段（後述する車室外蒸発器冷媒温度センサ（Ｔ１）５８と外気温度センサ（Ｔａｍｂ）５４との温度差が設定値ａ以上か否かで判定）により着霜がないことを確認した時点で除霜運転を終了させるようにしている。つまり、着霜検知手段が作動しないことを以って除霜が完了していることを確認して、除霜残しがないように確実に車室外蒸発器３２を除霜できるようにしている。

［空調制御装置５０］
以上説明した運転モードは、図７に示されている空調制御装置５０を介して制御されるようになっている。この空調制御装置５０は、上位に当たる車両制御装置５１と接続され、車両側から関係情報が入力可能とされているとともに、コントロールパネル５２を備えている。そして、空調制御装置５０は、以下説明する各種センサからの検出信号と、車両制御装置５１およびコントロールパネル５２からの入力情報とに基づいて、車両用空調装置１の運転制御を行う。

空調制御装置５０には、車両の適所に設置されている車室内温度センサ（Ｔｒ）５３、外気温度センサ（Ｔａｍｂ）５４、日射センサ（Ｔｓ）５５、車速センサ５６の他、車両用空調装置１側の車室内蒸発器８に設置されているフロストセンサ（ＦＳ）５７、車室外蒸発器３２に設置されている車室外蒸発器冷媒温度センサ（Ｔ１）５８、吐出配管２６Ａに設置されている高圧センサ（ＨＰ）５９、車室内凝縮器９に設置されている車室内凝縮器吹出し温度センサ（Ｔｃ）６０からの検出信号が入力されるようになっている。

空調制御装置５０は、以上の各種センサからの検出信号と、コントロールパネル５２および車両制御装置５１からの入力情報とに基づき、予め設定されているプログラムに従って所要の演算、処理等を行い、吹出しモード切替えダンパ１４，１５，１６用のアクチュエータ６１、内外気切替えダンパ４用のアクチュエータ６２、温調ダンパ１０用のアクチュエータ６３、ブロア５用のモータ６４、車室外ファン３６用のモータ６５、電動圧縮機２０用のモータ６６、冷媒加熱器４１用のオン／オフスイッチ６７、三方切替え弁２８用の電磁コイル６８および電磁弁２３，３０用の電磁コイル６９等を制御し、上記の如く車両用空調装置１を運転制御する機能を担うものである。

［運転制御］
以下に、この空調制御装置５０による車両用空調装置１の運転制御を、図８ないし図１２に示すフローチャートを参照して説明する。
図８は、車両用空調装置１のメイン制御フロー図であり、制御が開始されると、まずステップＳ１０１において、コントロールパネル５２の設定を読み込み、更にステップＳ１０２において、各種のセンサ５３〜６０からの検出値を読み込む。これらの設定値および検出値に基づいて、ステップＳ１０３では、目標吹出し温度Ｔｔａｒを算出し、ステップＳ１０４に移行する。ここでは、除湿運転ありか否かが判定され、除湿運転がなされている（Ｙｅｓ）であれば、ステップＳ１０５に移行して「冷房運転制御」に入り、除湿運転がなされていなければ（Ｎｏ）、ステップＳ１０６に移行して「暖房運転制御」に入り、その後、ステップＳ１０７において、各種センサ５３〜６０の検出値を出力し、スタート点に戻る。

上記ステップＳ１０５において「冷房運転制御」に入ると、図９に示される冷房運転制御が実行される。
冷房運転制御では、まずステップＳ２０１において、三方切替え弁２８の流路が決定され、冷媒を車室外凝縮器２１側に流す回路に接続される。続いて、ステップＳ２０２において、電磁弁の開閉が決定され、第１電磁弁２３が開（ＯＮ）、第２電磁弁３０が閉（ＯＦＦ）とされる。これによって、冷房用の冷凍サイクル２７が設定される。

引き続き、ステップＳ２０３において電動圧縮機２０の回転数、ステップＳ２０４において内外気切替えダンパ４の切替えによる吸込みモード、ステップＳ２０５において吹出しモード切替えダンパ１４，１５，１６の切替えによる吹出しモード、ステップＳ２０６において温調ダンパ１０の開度、ステップＳ２０７においてブロア５の駆動電圧、ステップＳ２０８において車室外ファン３６の駆動電圧がそれぞれ決定され、モータおよびアクチュエータ６１〜６６が駆動されることにより、車室内温度が設定温度となるように冷房運転が実行されるようになっている。その後、Ｃ１（ステップＳ１０７）に移行され、冷房運転が継続される。

また、図８のステップＳ１０６において「暖房運転制御」に入ると、図１０及び図１１に示される暖房運転制御が実行される。
暖房運転制御では、まずステップＳ３０１において、三方切替え弁２８の流路が決定され、冷媒を第１暖房用回路２９側に流す回路に接続される。続いて、ステップＳ３０２において、電磁弁の開閉が決定され、電磁弁２３が閉、電磁弁３０が開とされる。これにより、着霜前の暖房用のヒートポンプサイクル３５が設定され、その後、ステップＳ３０３に移行される。ステップＳ３０３においては、車室外蒸発器３２に対する着霜の有無が判定される。

ステップＳ３０３における着霜の有無は、車室外蒸発器冷媒温度センサ５８の検出値Ｔ１と外気温度センサ５４の検出値Ｔａｍｂとの差が、設定値ａ以上か否か（Ｔａｍｂ−Ｔ１）≧ａ）で判定される。着霜あり（Ｙｅｓ）と判定されると、ステップＳ３０４に移行され、着霜なし（Ｎｏ）と判定されると、ステップＳ５０１（図１１参照）に移行される。ここで、着霜なしと判定された場合には、車室外蒸発器３２を蒸発器として機能させ、着霜前のヒートポンプサイクル３５により暖房運転（図３）されることになる。ステップＳ５０１では、内外気切替えダンパ４が外気導入モードと決定され、ステップＳ３０６に移行される。

ステップＳ５０２において冷媒加熱器４１をＯＦＦに設定した後に、ステップＳ５０３において電動圧縮機２０の回転数、ステップＳ５０４において吹出しモード切替えダンパ１４，１５，１６の切替えるによる吹出しモード、ステップＳ５０５において温調ダンパ１０の開度、ステップＳ５０６においてブロア５の駆動電圧、ステップＳ５０７において車室外ファン３６の駆動電圧等がそれぞれ決定され、モータおよびアクチュエータ６１，６３〜６６が駆動されることにより、車室内温度が設定温度となるように暖房運転が実行されるようになっている。その後、Ｃ１（ステップＳ１０７）に移行され、暖房運転が継続される。

一方、ステップＳ３０３において、着霜ありと判定され、ステップＳ３０４に移行されると、車両電源が入っているか（ＯＮ）か否か（ＯＦＦ）が判定され、ＯＦＦ（Ｎｏ）の場合にはステップＳ４０１に移行し、ＯＮ（Ｙｅｓ）の場合にはステップＳ３０５に移行される。
ステップＳ３０５においては、外気導入モードを選択する指令の有無が判断される。外気導入モードを選択する旨の指令（外気指令）がなければ、内気循環モードと決定され（Ｙｅｓ）、次いで、ステップＳ３１３において、第１電磁弁２３が開（ＯＮ）、第２電磁弁３０が閉（ＯＦＦ）とされる。
引き続き、ステップＳ３０６に移行される。ここでは、目標吹出し温度Ｔｔａｒと車室内凝縮器吹出し温度センサ６０の検出値Ｔｃｏとの差が、設定値ｂ以上か否か（Ｔｔａｒ−Ｔｃｏ≧ｂ）、または、フロストセンサ５７による検出値Ｆｓが、設定値ｃ以下か否か（Ｆｓ≦ｃ）が判定される。Ｔｔａｒ−Ｔｃｏ≧ｂ、または、Ｆｓ≦ｃ（Ｙｅｓ）と判定されると、ステップＳ３０７に移行して冷媒加熱器４１がＯＮされる。そうでなければ（Ｎｏ）、ステップＳ３０８に移行して冷媒加熱器４１がＯＦＦされるようになっている。このように、ヒートポンプによる暖房だけでは能力が足りないと判断される場合、冷媒加熱器４１により暖房能力を補うようにしている。

これに続いて、ステップＳ３０９において電動圧縮機２０の回転数、ステップＳ３１０において吹出しモード切替えダンパ１４，１５，１６の切替えによる吹出しモード、ステップＳ３１１において温調ダンパ１０の開度、ステップＳ３１２においてブロア５の駆動電圧がそれぞれ決定され、モータおよびアクチュエータ６１，６３，６４，６６が駆動されることにより、車室内温度が設定温度となるように、車室外蒸発器３２に着霜後の暖房運転が実行されるようになっている。その後、Ｃ１（＝ステップＳ１０７）に移行され、暖房運転が継続される。

ステップＳ３０５において、外気導入モードを選択する旨の指令（外気指令）があれば、外気導入モードと決定され（Ｎｏ）、次いで、図１３に示すステップＳ３１４において、第１電磁弁２３が閉（ＯＦＦ）、第２電磁弁３０が開（ＯＮ）とされる。
以後のステップＳ３１５〜Ｓ３２１は、各々、内気循環モードのステップＳ３０６〜Ｓ３１２と同様に実行され、暖房運転が継続される。

さらに、ステップＳ３０３において、Ｎｏ、すなわち車両電源がＯＦＦと判定され、ステップＳ４０１に移行すると、車両電源（バッテリ）が充電中または充電完了か否かが判定される。ここで、充電中または充電完了（Ｙｅｓ）と判定されると、車両が停車中（駐車中）で、乗員が乗っておらず、かつ車両バッテリが充電中もしくは充電完了していると判断し、ステップＳ４０２に移行して車室外蒸発器３２に着霜している霜の「除霜運転制御」が実施される。車室外蒸発器３２の霜は、着霜後の継続運転中において、自然にデフロストされている可能性もあるが、着霜判定された後の車両電源ＯＦＦ時、必ず「除霜運転制御」が実行されるようになっている。
一方、車両電源（バッテリ）が充電中または充電完了していなければ（ステップＳ４０１ Ｎｏ）、除霜運転は一時中断される。

この「除霜運転制御」では、図１２に示されるように、ステップＳ６０１において、三方切替え弁２８の流路が決定され、冷媒を車室外凝縮器２１側に流す回路に接続される。続いて、ステップＳ６０２において、電磁弁の開閉が決定され、電磁弁２３が開、電磁弁３０が閉とされる。これにより、除霜運転用の冷凍サイクル２７が設定され、その後、ステップＳ６０３に移行される。ステップＳ６０３においては、車室内温度センサ５３の検出値Ｔｒと外気温度センサ５４の検出値Ｔａｍｂとの差が、設定値ｄ以下か否か（Ｔｒ−Ｔａｍｂ≦ｄ）、またはフロストセンサ５７による検出値Ｆｓが、設定値ｃ以下か否か（Ｆｓ≦ｃ）が判定される。

ステップＳ６０３で、Ｙｅｓと判定されると、ステップＳ６０４に移行して冷媒加熱器４１がＯＮされ、ＮＯと判定されると、ステップＳ６０５に移行して冷媒加熱器４１がＯＦＦされるようになっている。このように、車室内温度が低く、車室内蒸発器８で十分な吸熱が期待できず、除霜に必要な熱量が不足していると判断される場合、冷媒加熱器４１により車室内蒸発器８に循環される冷媒を加熱できるようにしている。

次に、ステップＳ６０６において電動圧縮機２０の回転数、ステップＳ６０７において内外気切替えダンパ４の切替えによる吸込みモード（内気循環モード）、ステップＳ６０８において吹出しモード切替えダンパ１４，１５，１６の切替えによる吹出しモード、ステップＳ６０９において温調ダンパ１０の開度（ＭＡＸ ＣＯＯＬ位置）、ステップＳ６１０においてブロア５の駆動電圧、ステップＳ６１１において、車室外ファン３６の駆動電圧がそれぞれ決定され、モータおよびアクチュエータ６１〜６６が駆動されることにより、温調ダンパ１０を最大冷房位置（ＭＡＸ ＣＯＯＬ位置）にして車室内凝縮器９での放熱を抑制しながら、内気循環モードで除霜運転が実行されるようになっている。

また、本実施形態においては、この除霜運転時、吹出しモード切替えダンパ１４，１５，１６によりデフモード、フェイスモードもしくはバイレベルモードのいずれかの吹出しモードにして運転するようにしている。これは、内気循環モードによって行われる除霜運転時、フット吹出し口１３から車室内に吹出された低温の空気が近くの内気循環用の吸込み口からショートサーキットするのを防ぐためである。

図１２に示されるステップＳ６０１ないしステップＳ６１１の「除霜運転制御」が終了すると、その後、Ｃ２（ステップＳ４０３）に移行され、着霜判定が実施される。この着霜判定は、ステップＳ３０３で行われる着霜判定と同様、車室外蒸発器冷媒温度センサ５８の検出値Ｔ１と外気温度センサ５４の検出値Ｔａｍｂとの差が、設定値ａ以上か否か（Ｔａｍｂ−Ｔ１≧ａ）で判定される。そして、着霜あり（ＹＥＳ）と判定されると、ステップＳ４０２に戻り、「除霜運転制御」が継続され、ＮＯ（着霜なし）と判定されると、ステップＳ４０３に移行して除霜運転が終了されるようになっている。

［作用・効果］
本実施形態の車両用空調装置１によれば、以下の作用効果が奏される。
低外気温時に車室外蒸発器３２への着霜が検知されると冷媒加熱器４１を作動させるが、走行時には車室外蒸発器３２へ冷媒を流入させる除霜を行なわない。したがって、車両の走行距離に除霜運転が影響を及ぼすことを回避できる。

また、低外気温時、車室外蒸発器３２に着霜したとしても、第２暖房用回路３４への冷媒流れを遮断して、前述した、ケース１（外気を利用した暖房運転（図４））、又は、ケース２（内気を利用した除湿暖房運転（図５））のいずれかに切替える。このため、車室外蒸発器３２に対する着霜したとしても、そのままヒートポンプ暖房運転を継続することができるので、走行時の暖房運転中に除霜運転に切替えることによる暖房運転の中断や消費電力のロスを解消することができる。

また、本実施形態は、車室外蒸発器３２に対応する膨張弁及び冷媒加熱器４１に対応する膨張弁として、温度式膨張弁３１、４２を用いているので、電子膨張弁に比べると膨張弁の制御装置のコストが軽減される。ただし、本発明は電子膨張弁、又はシャットオフ式の温度膨張弁を用いることを許容する。これら膨張弁は全閉状態を容易に得ることができるので、冷媒の溜まり込みの防止に有効である。

本発明は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では、ヒートポンプ暖房運転時、車室外蒸発器３２に着霜しても、車両走行中等には除霜運転しないようにしているが、車両走行中に着霜した霜が自然にデフロストされた場合、車室外蒸発器３２用いたヒートポンプ暖房運転を復帰させるようにしてもよい。

また、上記した実施形態では、吹出しモード切替えダンパを、デフダンパ１４、フェイスダンパ１５、フットダンパ１６の３ダンパ方式としているが、デフダンパ１４およびフェイスダンパ１５を１つのダンパで兼用し、フットダンパ１６との２ダンパ方式としてもよい。さらに、上記実施形態では、第１膨張弁２４の入口側に第１電磁弁２３を設けているが、これらの第１電磁弁２３と第１膨張弁２４は、各々を一体化した電磁開閉弁付き温度式自動膨張弁としてもよい。
さらに、上記した実施形態では、車室内蒸発器と車室内凝縮器を個別に設けたが、これを一体化することを本発明は許容する。

１ 車両用空調装置
２ ＨＶＡＣユニット
３ ヒートポンプサイクル
８ 車室内蒸発器
９ 車室内凝縮器
２０ 電動圧縮機
２１ 車室外凝縮器
２３ 第１電磁弁
２４ 第１膨張弁
２６ 冷媒配管
２６Ａ 吐出配管
２６Ｂ 三方弁入口側冷媒配管
２６Ｃ 冷媒配管
２６Ｄ レシーバ出口冷媒配管
２６Ｄ 冷媒配管
２６Ｅ 吸入配管
２６Ｆ 冷媒配管
２７ 冷凍サイクル
２９ 第１暖房用回路
３０ 第２電磁弁
３１ 温度式第１膨張弁
３２ 車室外蒸発器
３４ 第２暖房用回路
３５ ヒートポンプサイクル
４０ 内部熱交換器
４１ 冷媒加熱器
４２ 温度式第２膨張弁
５０ 空調制御装置

Claims (5)

1. 圧縮機から吐出された冷媒を車室外凝縮器で熱交換した後に減圧して車室内蒸発器に供給する冷房運転と、
   前記圧縮機から吐出した冷媒を車室内凝縮器で熱交換した後に減圧して車室外凝縮器に供給する暖房運転と、を切り替えて運転するヒートポンプ式の車両用空調装置において、
   前記車室内蒸発器と前記圧縮機の吸入側との間に、前記車室外蒸発器と並列に設けられ、前記圧縮機に吸入される冷媒を加熱する冷媒加熱器と、
   上記車室外蒸発器が着霜したか否かを判定する着霜判定部と、を備え、
   前記暖房モードで運転されている間に、前記着霜判定部により前記車室外蒸発器が着霜していると判定すると、
   前記車室内凝縮器で熱交換された冷媒は、前記車室外蒸発器への供給が停止されるとともに、前記冷媒加熱器へ供給されて加熱されてから前記圧縮機に吸入される、
   ことを特徴とする車両用空調装置。
2. 前記車室内凝縮器と前記車室外蒸発器の間に温度式第１膨張弁、および、前記車室内蒸発器と前記冷媒加熱器の間に温度式第２膨張弁、を備え、
   前記冷媒加熱器の動作に連動して前記温度式第１膨張弁及び温度式第２膨張弁の開度が制御されることで、冷媒の流路が特定される、
   請求項１に記載の車両用空調装置。
3. 前記暖房運転中に、前記着霜判定部が、
   前記車室外蒸発器が着霜していないと判定する間は、
   前記圧縮機から吐出した冷媒は前記車室内凝縮側で放熱した後に減圧され、さらに前記車室外蒸発器で吸熱してから、前記圧縮機に吸入される暖房運転が行なわれ、
   前記車室外蒸発器が着霜していると判定する間は、
   前記圧縮機から吐出した冷媒は前記車室内凝縮器で放熱した後に減圧され、さらに前記車室内蒸発器で吸熱し、しかる後に前記冷媒加熱器にて加熱されてから前記圧縮機に吸入される内気循環による除湿暖房運転か、又は、
   前記圧縮機から吐出した冷媒は前記車室内凝縮器で放熱した後に、前記冷媒加熱器にて加熱されてから前記圧縮機に吸入される前記冷媒加熱器を熱源とした外気導入による暖房運転が行われる、
   請求項１又は２に記載の車両用空調装置。
4. 前記車室外蒸発器が着霜していると判定する間は、
   車両を停止した後、乗員がいない状態で、かつ車両バッテリの充電時もしくはその容量に余裕がある時に前記車室外蒸発器を除霜する、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用空調装置。
5. 前記温度式第２膨張弁は、減圧機構を備える第１通路と、減圧機構を備えない第２通路と、を備え、前記冷媒加熱器から流出する冷媒は、前記第２通路を通って前記圧縮機に吸入される、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両用空調装置。

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