JP2013184592A - 車両空調用、及び、自動車構成部品温度調整用冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空調と電池温度調整を制御する冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】冷媒が、圧縮機（１４）、コンデンサ（１５）、レシーバ（１６）、第１減圧装置（３１）、室内空調用エバポレータ（１７）、自動車構成部品に対する温度調整用エバポレータ（７）、前記圧縮機（１４）の順に構成された主冷媒回路を、循環する冷凍サイクル装置において、前記圧縮機（１４）と前記コンデンサ（１５）の間に、第１方向切替弁（２０、２０−１、２０−２）を設置して、主冷媒回路から分岐させて、第２減圧装置（３２）を通過後に、前記第１減圧装置（３１）と前記室内空調用エバポレータ（１７）の間で、前記主冷媒回路に合流するバイパス回路を具備して、室内空調の冷暖房と自動車構成部品の温度調整とを行う冷凍サイクル装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車等の車両空調装置と、電池、モータ、インバータなどの自動車構成部品の加熱・冷却装置に適用される冷凍サイクル装置に関する。

電気自動車やハイブリッド車などの電動車両では、２次電池などの蓄電装置に蓄えた電気エネルギーを、インバータなどを介してモータに供給し駆動させて、車両を走行する。これら電池やインバータ、モータなどの電子機器は、走行中など車両使用時に自己発熱し、高温になると十分な機能を得られないだけでなく、機器の劣化や破損を招いてしまうため、一定温度以下を維持するための冷却手段が必要となる。特に電池の場合は、高温時だけでなく冬季など低温時にも入出力特性が悪化し、走行のための十分な電力が得られない。また、電池はある温度範囲を超えると急速に劣化が進むため、高温の温風を当てることは避けねばならない。逆に、温度が低くなり過ぎると出力・回生量が低下するという問題がある。このため、十分な性能を引き出すためには冷却のみならず加熱手段も必要であり、電池に必要な温度範囲に温度調整する必要がある。一般的な空調と電池の最適な温度範囲を、図８に示す。

このような車両空調と電池の温度調整に対して、従来技術では、次のような冷凍サイクルで対応していた。特許文献１に見られるような従来技術では、空調に用いる冷凍サイクルの低圧側冷媒（吸熱側）を分岐し、空調のクーラの原理で電池などの機器を冷却している。この方式では、冷却はできるものの加熱ができないため、電気ヒータなど別の補助加熱手段を電池パック内に備える必要があり、搭載性が悪いという欠点があった。
また、特許文献２の従来技術には、同一の熱交換器で冷却と加熱を両立する手段としてホットガスサイクルが開示されている。これは、コンプレッサから吐出された冷媒を、室外器をバイパスしてエバポレータへ供給する構成とするものである。このサイクルは、コンプレッサ動力仕事を熱に変換しているので寒冷地でも使用可能であるが、車両空調用のみに着目したものであって、一つの熱交換器（エバポレータ）しか記載されていないため、空調用の冷凍サイクルを用いて、空調用の熱交換器と電池温調用の熱交換器を２つ設定することはできなかった。

特開２００２−３１３４４１号公報 特開平５−２２３３５７号公報

本発明は、上記問題に鑑み、車両空調用の冷凍サイクルを用いながら、電池などの電子機器の冷却・暖機を実施すると共に、ホットガスサイクルによりヒートポンプの苦手な寒冷地でも車室内の暖機を可能にし、また、電池温度調整用の熱交換器を一つとすることで省スペース化できる冷凍サイクル装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、冷媒が、圧縮機（１４）、コンデンサ（１５）、レシーバ（１６）、第１減圧装置（３１）、室内空調用エバポレータ（１７）、自動車構成部品に対する温度調整用エバポレータ（７）、前記圧縮機（１４）の順に構成された主冷媒回路を、循環する冷凍サイクル装置において、前記圧縮機（１４）と前記コンデンサ（１５）の間に、第１方向切替弁（２０、２０−１、２０−２）を設置して、主冷媒回路から分岐させて、第２減圧装置（３２）を通過後に、前記第１減圧装置（３１）と前記室内空調用エバポレータ（１７）の間で、前記主冷媒回路に合流するバイパス回路を具備して、室内空調の冷暖房と自動車構成部品の温度調整とを行う冷凍サイクル装置である。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

本発明の第１実施形態を示す説明図である。 本発明の第１実施形態の夏季の空調（冷房）と電池温調（冷却）のモード、冬季の空調（暖房）と電池温調（加熱）のモードを示すモリエル線図である。 本発明の第１実施形態の夏季の空調と電池温調のモードを示す説明図である。 本発明の第１実施形態の冬季の空調と電池温調のモードを示す説明図である。 本発明の第１実施形態の単一冷媒でのモリエル線図である。 本発明の第２実施形態の混合冷媒でのモリエル線図である。 本発明の第３実施形態を示す説明図である。 本発明の第４実施形態を示す説明図である。 一般的な空調と電池の最適な温度範囲を示す表である。 ゴムホースの冷媒による漏れ量の比較例を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。
本発明は、電気自動車やハイブリッド車などの電動車両の空調装置や電池、モータ、インバータなどの自動車構成部品の加熱・冷却装置に適用されるものであるが、必ずしも電動車両に限定されるものではない。また、本発明の一実施形態においては、自動車構成部品の温度調整を、電池パック９の場合（以下、電池温調用という）で説明するが、これに限定されるものではない。インバータ、モータなどの電子機器に適用しても良い。本発明の実施形態では、冷媒としてＨＦＣ、ＨＦＯ系冷媒（Ｒ１３４ａ、Ｒ１２３４ｙｆ等）などに限らず、実施形態によっては、混合冷媒が使用される。

（第１実施形態）
本実施形態では、空調用の冷凍サイクルを主冷媒回路（ヒートポンプサイクル）に用いて、冷却用のエバポレータを空調用と電池温調用の２つを直列に設定している。さらに、方向切替弁２０を設置して、ホットガスサイクルを空調用と電池温調用とに使用できるようなバイパス回路を設定して（エバポレータを兼用）、ヒートポンプの苦手な寒冷地でも暖機を可能にし、また電池温調用の熱交換器を一つとすることで省スペース化できる温度調節装置としている。なお、ホットガスサイクルとは、暖房運転するために、冷房運転時に吸熱器として使用するエバポレータへ、放熱器（コンデンサ１５）をバイパスして、圧縮機直後の高温ガスを送り暖房に使用するものである。

まず、図１を参照して、第１実施形態の冷凍サイクルの回路構成を説明する。冷媒は、主冷媒回路において、圧縮機１４、コンデンサ１５、レシーバ１６、第１減圧装置３１、室内空調用エバポレータ１７、温度調整用エバポレータ７、アキュムレータ１９、圧縮機１４の順に循環する。圧縮機１４とコンデンサ１５の間に、第１方向切替弁２０を設置して、主冷媒回路から分岐させて、第２減圧装置３２を通過後に、第１減圧装置３１と室内空調用エバポレータ１７の間で、主冷媒回路に合流するバイパス回路が設定されている。第１方向切替弁２０は、２つの第１開閉弁２０−１、第２開閉弁２０−２から構成しても良く、その代わりに３方弁を使用しても良い。第１減圧装置３１は、膨張弁として機能する。

このように、図２に示すように、温度調整用エバポレータ（電池温調用エバポレータ）７を、空調用エバポレータ１７に直列配置すると共に、電池温調用エバポレータを冷媒流れの下流側に設置させている。第１方向切替弁２０の切替により、夏季には、ヒートポンプサイクルで、室内空調用エバポレータ１７、温度調整用エバポレータ７を冷却し、冬季には、ホットガスサイクルで、室内空調用エバポレータ１７、温度調整用エバポレータ７を加熱するものである。

室内空調装置は、室内空調ユニット（ＨＶＡＣ）１８を備えている。室内空調ユニット１８は、車室内最前部の計器盤（インストルメントパネル）の内側に配置されて、その外殻を形成する空調ケース内にブロア１１、室内空調用エバポレータ１７、ミックスドア１２、ヒータコア１３（エンジン冷却水等）を収容したものである。室内空調用エバポレータ１７の空気流れ下流側には、ヒータコア１３に向う空気を流す加熱用冷風通路、そのバイパス通路といった空気通路が仕切壁によって形成され、エアミックスドア１２によって、風量割合を制御している。さらに、それらの空気流れ下流側には、混合空間が形成されて、空調対象空間である車室内へ温度調整された送風空気を吹き出す吹出口（図示せず）が配置されている。この吹出口としては、具体的に、車室内の乗員の上半身に向けて空調風を吹き出すフェイス吹出口、乗員の足元に向けて空調風を吹き出すフット吹出口、および、車両前面窓ガラス内側面に向けて空調風を吹き出すデフロスタ吹出口が設けられている。

電池温調用エバポレータ７は、電池パック９内の風通路内に設置されている。バッテリー冷却装置（電池パック９）は、ブロア６によって送風され、電池温調用エバポレータ７で冷風又は温風にされて、電池スタック８に送り込まれて、電池スタック８を最適の温度に調整する。電池温調用エバポレータ７は、後述するように冷却と加熱することができる。図１の冷凍サイクル装置は、コンデンサ１５の出口に、レシーバ１６が挿入されており、アキュムレータ１９が、圧縮機１４の直前に挿入されているが、いずれか一方だけであっても良い。バイパス回路はホットガスサイクルなので、アキュムレータ１９はホットガスタンクとして機能する。

本実施形態は、ホットガスサイクルと、ＨＶＡＣ１８や電池パック９のブロワ制御を組み合わせることで、空調と電池温調の両立、あるいは、どちらか一方のみでも可能な構成としている。図３、４を参照して、本実施形態の作動モードを説明する。
（１）夏季の場合（冷却モード）
第１開閉弁２０−１を開とし、第２開閉弁２０−２を閉とした場合で、ヒートポンプサイクルを構成する。空調要求温度と電池に対する要求温度、すなわち、空調や電池温度等から算出された要求温度（加熱量）から、低圧圧力（エバポレータ蒸発温度）を算出し、その圧力となるように圧縮機１４の回転数（又は容量）を制御することで冷却風の温度を制御する。冷房能力については、空調用ブロワと電池用ブロワの風量を制御することで調整する。また、電池温調が冷却のみのモードでは、空調に必要な温度までエバポレータの温度を低くする必要が無いため、低圧圧力（エバポレータ蒸発温度）の圧力を上げて制御する。

ａ．空調冷房＋電池温調冷却モード
空調を冷房とし、電池温調を冷却とするモードである。空調用ブロア１１、電池ブロア６の双方を、ＯＮとしている。冷房モード時に、空調や電池温度から算出された要求温度、すなわち、空調や電池温度等から算出された要求温度（冷却量）により、圧縮機１４の回転数（又は容量）を制御し、空調と電池等の電子機器の能力割合は、各システムに設置されている空調用ブロア１１、電池ブロア６により制御する。
ｂ．空調冷房のみモード
空調用ブロア１１をＯＮ、電池ブロア６をＯＦＦとしている。
ｃ．電池温調冷却のみモード
空調用ブロア１１をＯＦＦ、電池ブロア６をＯＮとしている。

（２）冬季の場合（暖房モード）
第１開閉弁２０−１を閉とし、第２開閉弁２０−２を開とした場合で、ホットガスサイクルを構成する。空調要求温度と電池要求温度から、第２減圧装置３２の絞り開度とコンプレッサ回転数を制御することで、温風の温度を制御する。また、暖房能力については、空調用ブロワ１１と電池用ブロワ６の風量を制御することで調整する。

ｄ．空調暖房＋電池温調加熱モード
空調用ブロア１１、電池ブロア６の双方をＯＮとしている。
ｅ．空調暖房のみモード
空調用ブロア１１をＯＮ、電池ブロア６をＯＦＦとしている。
ｆ．電池温調加熱のみモード
空調用ブロア１１をＯＦＦ、電池ブロア６をＯＮとしている。

なお、図８に見られるように、冷却モード時は、空調に必要な温度（０〜１０℃）に対し、電池の最適温度の方が高いため、電池温調用のエバポレータを冷媒流れの後流側に設置する方が良い。暖房モード時は、空調に必要な温度（６０℃以上）に対し電池の最適温度の方が低いため、電池温調用のエバポレータを冷媒流れの後流側に設置する方が良い。

以上説明したように、本実施形態では、１つの電池温調用熱交換器で冷却だけでなく加熱もできるため、熱交換器の数が削減できコストダウンとなる。電池パック内へ、冷却用と加熱用の熱交換器を２枚配置する場合と比べ、熱交換器搭載スペースが約半分となるため電池パックの小型化が図れる。また、２枚配置と同等の熱交換器搭載スペースが確保できる場合は、１枚にすることでより大きな熱交換器を配置でき、電池温調の大能力化が可能となる。

（第２実施形態）
エンジンからの駆動力によって圧縮機を駆動している場合、振動によるトラブルを避けるため、カーエアコンの各構成要素間の接続にはゴムホースを使用している。ゴムホースでは、冷媒や水分を少しずつ透過してしまう（金属配管の場合は透過しない。）この透過量は、冷媒の種類に異なることが分かっている。図９に示すように、ゴムホースは、冷媒の種類によって、ゴムホースからの冷媒通過に著しい差異が見られる。混合冷媒の場合、透過により混合比が変わり物性も変化してしまうため、冷凍サイクル中にホースが存在するシステムでは使用ができなかった。すなわち、複数種類の冷媒からなる混合冷媒を使用した場合、ゴムホースからの選択的な冷媒透過が発生して冷媒物性が変化するため、これまでカーエアコンでは混合冷媒が使用できなかった。また、充填作業においても、混合冷媒では、液充填をする必要が有り、サービス性が悪化するため、現在では単一冷媒をカーエアコンに使用するのが通常である。

近年、ハイブリッド車両（ＨＶ）や電気自動車（ＥＶ）では、電動モータが圧縮機に使用されており、ゴムホースを使用しないエアコンのパッケージ化が進んできている。パッケージ化することで、ホースは不要となるため混合冷媒を使用することも可能となってきた。一方で、混合冷媒は、温度グライドがあり、同一圧力での液からガスに状態変化する中で、冷媒温度が変化する特性を有している。この温度グライドに着目して、図８に見られるような空調に必要な温度と電池の最適温度との差（冷却モード時は空調に必要な温度（０〜１０℃）に対し、電池の最適温度の方が高い）に、好適に適用した実施形態が、第２実施形態である。なお、温度グライドとは、蒸発（凝縮）という相変化を行うと、蒸発（凝縮）の生じる温度と終了する温度が異なり、この相変化時に生じる温度差のことを指している。

第１実施形態のように、室内空調用エバポレータ１７と電池温調用のエバポレータ７とを直列に配置した場合、空調用と電池温調用エバポレータの圧力が同じになる。しかしながら、混合冷媒を、第１実施形態に使用すれば、この温度グライドを、図５Ａと比較して、図５Ｂに示すように好適に活用することができ、空調と電池温調を共に最適な温度に管理することが可能になる。特に低圧側の温度グライドが５〜１５℃くらいある冷媒が最も良い。このような混合冷媒とは、具体的には、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１２Ａ、Ｒ４１４Ａ、Ｒ４１４Ｂ等であり、これらの温度グライドは５〜１０℃程度ある。

（第３、４実施形態）
図６に見られる第３実施形態では、電池の温調を送風によって実施する代わりに、冷凍サイクル側の電池温調用熱交換器を水-冷媒熱交換器７’とし、熱交換された液冷媒（水、自動車用ロングライフクーラントＬＬＣ等）にて電池を温調する構成としても良い。空調用ブロア１１の風量とウォータポンプ４０の水量をそれぞれ調整して室内空調と電池スタック８の温度を所定の温度となるように制御する。この場合には、熱交換効率が良いため電池パック９の体格を一層小さくすることが出来る。
図７に見られる第４実施形態は、電池パック９内の電池スタック８を直接主冷媒回路で冷却する場合の実施形態である。この場合は、電池スタック８に冷媒を流さないことも出来るように、第２方向切替弁を設置する。第２方向切替弁は、２つの開閉弁２１−１、２１−２であってもよいが、３方弁を使用しても良い。

７ 温度調整用エバポレータ
１４ 圧縮機
１５ コンデンサ
１６ レシーバ
１７ 室内空調用エバポレータ

Claims (10)

1. 冷媒が、圧縮機（１４）、コンデンサ（１５）、レシーバ（１６）、第１減圧装置（３１）、室内空調用エバポレータ（１７）、自動車構成部品に対する温度調整用エバポレータ（７）、前記圧縮機（１４）の順に構成された主冷媒回路を、循環する冷凍サイクル装置において、
   前記圧縮機（１４）と前記コンデンサ（１５）の間に、第１方向切替弁（２０、２０−１、２０−２）を設置して、主冷媒回路から分岐させて、第２減圧装置（３２）を通過後に、前記第１減圧装置（３１）と前記室内空調用エバポレータ（１７）の間で、前記主冷媒回路に合流するバイパス回路を具備して、室内空調の冷暖房と自動車構成部品の温度調整とを行う冷凍サイクル装置。
2. 前記冷媒が、混合冷媒であり、その温度グライドを活用して室内空調と自動車構成部品の温度調整を所定の温度に管理するようにした請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記自動車構成部品は、電池パック（９）又は電池スタック（８）であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記室内空調用エバポレータが、室内空調ユニット（１８）に使用されており、該室内空調ユニット（１８）には、空調用ブロア（１１）を有し、
   前記温度調整用エバポレータ（７）が、前記電池パック（９）に使用されており、前記電池パック（９）には、電池ブロア（６）を有していることを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記空調用ブロア、前記電池ブロアのいずれか又は双方の風量を、室内空調と前記電池パックに要求された所定の温度になるように制御したことを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記第１方向切替弁を切替えるとともに、前記空調用ブロア、前記電池ブロアのいずれか又は双方を、ＯＮ・ＯＦＦ制御して、
   室内空調を冷房とし、前記電池パックを冷却とするモード、
   室内空調を暖房とし、前記電池パックを加熱とするモード、
   室内空調を冷房のみとするモード、
   前記電池パックのみを冷却とするモード、
   室内空調のみを暖房とするモード、又は、
   前記電池パックのみを加熱とするモードで作動できるようにしたことを特徴とする請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記室内空調用エバポレータが、室内空調ユニットに使用されており、該室内空調ユニットには、空調用ブロアを有し、
   前記温度調整用エバポレータが、水−冷媒熱交換器（７’）であり、前記温度調整用エバポレータには、該水−冷媒熱交換器（７’）及び前記電池スタックに冷却水を循環させるウォータポンプ（４０）が付属していることを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記空調用ブロアの風量、ウォータポンプの水量のいずれか又は双方を、室内空調と前記電池スタックに要求された所定の温度になるように制御したことを特徴とする請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記室内空調用エバポレータの下流には、第２方向切替弁（２１−１、２１−２）を設置して、前記温度調整用エバポレータに冷媒が循環する場合と循環しない場合に切替えることができ、前記温度調整用エバポレータが、前記電池スタックを直接冷却又は加熱することを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記第１方向切替弁が、２つの開閉弁、又は、３方弁で構成されたことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

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