JP2014054896A - 車両用ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】省スペース化を図る車両用ヒートポンプ装置を提供すること。
【解決手段】この車両用ヒートポンプ装置は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構および前記圧縮機構を駆動する電動圧縮機用電動モータを有する電動圧縮機と、前記電動圧縮機が吐出した高温高圧冷媒から、前記車両用ヒートポンプ装置の外部より導入された第１の冷却液へ、放熱させる高温側水冷媒熱交換器と、前記車両用ヒートポンプ装置の外部から導入された第２の冷却液を、前記電動圧縮機へ送られる低温低圧冷媒で冷却する低温側水冷媒熱交換器と、１つのウォータポンプ用電動モータの駆動力により前記第１冷却液および前記第２冷却液をそれぞれ独立して輸送するウォータポンプと、を具備する構成を採る。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両用ヒートポンプ装置に関する。

以前より、ヒートポンプを備え冷媒と冷却水との間で熱交換を行う車両用ヒートポンプ装置がある。非特許文献１には、車両用ヒートポンプ装置（ＨＰＡＣ：Heat Pump Air Conditioner）を備え、車両用ヒートポンプ装置が導出した冷却水を用いて、車室内の冷暖房を行う車両の温度調整システムが開示されている。この車両用ヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒から冷却水へ放熱を行うコンデンサと、冷却水を冷媒で冷やす冷却器と、コンデンサへ冷却水を送出するコンデンサポンプと、冷却器へ冷却水を送出する冷却器ポンプとを備えている。

Kowsky et al., "Unitary HPAC System", SAE International J. Passeng. Cars - Mech. Syst., 2012, doi:10.4271/2012-01-1050.

非特許文献１における車両用ヒートポンプ装置は、温水と冷水の２つの水回路用に、主にモータとインペラとで構成されるウォータポンプをそれぞれ備えている。非特許文献１においては、２つの水回路用のウォータポンプにそれぞれ電動モータを必要とするため、ヒートポンプ装置が大型化してしまうという問題がある。

本発明の目的は、省スペース化を図る車両用ヒートポンプ装置を提供することである。

本発明の一態様に係る車両用ヒートポンプ装置は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構および前記圧縮機構を駆動する電動圧縮機用電動モータを有する電動圧縮機と、前記電動圧縮機が吐出した高温高圧冷媒から、前記車両用ヒートポンプ装置の外部より導入された第１の冷却液へ、放熱させる高温側水冷媒熱交換器と、前記車両用ヒートポンプ装置の外部から導入された第２の冷却液を、前記電動圧縮機へ送られる低温低圧冷媒で冷却する低温側水冷媒熱交換器と、１つのウォータポンプ用電動モータの駆動力により前記第１冷却液および前記第２冷却液をそれぞれ独立して輸送するウォータポンプと、を具備する構成を採る。

本発明によれば、１つのウォータポンプ用電動モータの駆動力により第１冷却液および第２冷却液をそれぞれ独立して輸送することで、省スペース化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る車両用ヒートポンプ装置を示す斜視図 実施の形態の車両用ヒートポンプ装置を示す一部破断図 実施の形態の車両用ヒートポンプ装置の冷媒および冷却液の流れについて説明する図 車両用ヒートポンプ装置におけるウォータポンプを含む２系統の水回路を示す模式図 車両用ヒートポンプ装置のコンプレッサ筐体側の構成を示す断面図 図５のＤ−Ｄ線断面図 車両用ヒートポンプ装置におけるウォータポンプを含む２系統の水回路を示す他の模式図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一要素は原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。

＜車両用ヒートポンプ装置の構成＞
まず、本発明の実施の形態における各構成について、図１および図２を用いて説明する。図１および図２は、本実施の形態に係る車両用ヒートポンプ装置の構成を示す図である。

車両用ヒートポンプ装置１は、車両に搭載される装置であり、低温側水冷媒熱交換器１１０と、高温側水冷媒熱交換器１１１と、冷媒を圧縮する電動圧縮機１１２と、コンプレッサ筐体１０９等を備える。ここで、車両とは、例えば、電気自動車である。電気自動車とは、例えば、ＥＶ（Electric Vehicle）、ＰＨＥＶ（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）、またはＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）等、車両に搭載されている蓄電池を用いて走行する車両である。

車両用ヒートポンプ装置１は、その内部にヒートポンプを有し、ヒートポンプの冷媒と低温側の冷却液（第２の冷却液に相当）および高温側の冷却液（第１の冷却液に相当）との間で熱交換を行う。低温側の冷却液と高温側の冷却液とは、車両用ヒートポンプ装置１の外部から導入される。

冷媒は、例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）など、電気自動車に要求される極低温の環境下でもヒートポンプサイクルの効率を向上できる一方、作動圧力が高くなるものが採用される。

冷却液は、例えば、エチレングリコール水溶液などの液体である。冷却液は、不凍液であれば良く、エチレングリコール水溶液以外にプロピレングリコール水溶液を用いることも可能である。

高温側の冷却液は、高温側導入管１０４を介してコンプレッサ筐体１０９の外部から導入される（図１の矢印Ｂ）。この導入された冷却液は、高温側水冷媒熱交換器１１１にて加熱され、高温側導出管１０５から導出される（図１の矢印Ｂ）。冷却液は、ウォータポンプ１０１が備えるウォータポンプ用電動モータ１１５の回転軸の一方に固定された高温側インペラ１１６（第１インペラに相当）が、ウォータポンプ用電動モータ１１５の駆動力にて回転して輸送される。

高温側水冷媒熱交換器１１１は、高温高圧の冷媒が流れる通路と高温側の冷却液が流れる通路とを備え、これら通路の間で熱を移動させるように構成されている。

低温側の冷却液は、低温側導入管１０６を介して車両用ヒートポンプ装置１の外部から導入される（図１の矢印Ａ）。導入された冷却液は、低温側水冷媒熱交換器１１０にて冷却され、低温側導出管１０７から導出される（図１の矢印Ａ）。冷却液は、ウォータポンプ１０１が備えるウォータポンプ用電動モータ１１５の回転軸の他方に固定された低温側インペラ１１７（第２インペラに相当）が、ウォータポンプ用電動モータ１１５の駆動力にて回転して輸送される。

低温側水冷媒熱交換器１１０は、低温低圧の冷媒が流れる通路と低温側の冷却液が流れる通路とを備え、これらの通路の間で熱を移動させるように構成されている。

電動圧縮機１１２は、電動圧縮機用電動モータ１１２ａと圧縮機構１１２ｂとにより構成される。圧縮機構１１２ｂは電動圧縮機用電動モータ１１２ａが発生する駆動力により冷媒を圧縮して吐出する機構である。圧縮機構１１２ｂは、例えば、スクロール型を用いることができる。電動圧縮機用電動モータ１１２ａは、インバータ１１３により電気的に駆動される。インバータ１１３は電力用半導体（例えばＩＧＢＴ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を有しており、給電部１０３から給電される直流電力を３相交流電力に変換して電動圧縮機用電動モータ１１２ａへ供給する。電力用半導体は、パワー半導体、パワーデバイスとも呼ばれる。

また、車両用ヒートポンプ装置１は、電動圧縮機１１２の冷媒の入口の上流にアキュムレータ１０８を備える。アキュムレータ１０８は、冷媒を気体と液体に分離させることで、電動圧縮機１１２へ気体の冷媒のみを供給する役割をなす。電動圧縮機１１２の破壊を防止するためである。

また、車両用ヒートポンプ装置１は、低温側水冷媒熱交換器１１０の冷媒の入口の上流に膨張弁１１４を備える。膨張弁１１４は、熱量を変化させずに高圧の冷媒を低圧にすることで、冷媒を低温にして低温側水冷媒熱交換器１１０へ送る。

また、車両用ヒートポンプ装置１は、車両用ヒートポンプ装置１の外部から電源供給を受けるための給電部１０３を備える。給電部１０３は、コンプレッサ筐体１０９の外壁に備える。給電部１０３へ供給された電気エネルギーは、電動圧縮機１１２、ウォータポンプ１０１が備えるウォータポンプ用電動モータ１１５の駆動に用いられる。

＜車両用ヒートポンプ装置の動作＞
次に、図３を用いて車両用ヒートポンプ装置１の冷媒と冷却液の流れについて説明する。ただし、図３では、便宜上、ウォータポンプ１０１を高温側ウォータポンプ１０１−１と低温側ウォータポンプ１０１−２に分けて示している。

始めに、冷媒の流れを説明する。図３の矢印Ｃは冷媒の流れる方向を示している。冷媒は、電動圧縮機１１２、高温側水冷媒熱交換器１１１、膨張弁１１４、低温側水冷媒熱交換器１１０を、この順で流れる。この冷媒の流れにより、ヒートポンプサイクルが構成される。

電動圧縮機１１２で圧縮された高温高圧の冷媒は、高温側水冷媒熱交換器１１１にて熱を放出して液体となる。液体となった冷媒は、膨張弁１１４にて急激に膨張され、低温低圧の冷媒となる。この低温低圧の冷媒は、低温側水冷媒熱交換器１１０にて熱を吸収して蒸発する。蒸発した冷媒はアキュムレータ１０８を通過して電動圧縮機１１２にて再度、圧縮される。

続いて、冷却液の流れを説明する。高温側導入管１０４を介してコンプレッサ筐体１０９の外部から導入された冷却液は、高温側水冷媒熱交換器１１１にて高温の冷媒と熱交換を行って加熱される。加熱された冷却液は、高温側ウォータポンプ１０１−１を介して高温側導出管１０５から導出される。

低温側導入管１０６を介して車両用ヒートポンプ装置１の外部から導入された冷却液は、低温側水冷媒熱交換器１１０にて低温の冷媒と熱交換を行って冷却され、低温側ウォータポンプ１０１−２を介して低温側導出管１０７から導出される。

このように、実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１では、装置内だけで冷媒を循環させてヒートポンプサイクルを実現している。さらに、高温側水冷媒熱交換器１１１および低温側水冷媒熱交換器１１０は、空気ではなく液体（冷却液）と冷媒との間で熱交換を行う。この構成により、車両用ヒートポンプ装置１は、冷却液を介して車両用ヒートポンプ装置１から離れた箇所から熱を吸収し、車両用ヒートポンプ装置１から離れた箇所へ熱を放出することができる。

＜ウォータポンプの配置＞
次に、実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１におけるウォータポンプ１０１の配置について詳細に説明する。

ウォータポンプ１０１は、図２に示すように、その筐体がコンプレッサ筐体１０９の外側に一体となって設けられている。また、車両用ヒートポンプ装置１は、低温側水冷媒熱交換器１１０と高温側水冷媒熱交換器１１１とが直線的に配置されており、低温側インペラ１１７を低温側水冷媒熱交換器１１０側に配置し、高温側インペラ１１６を高温側水冷媒熱交換器１１１側に配置している。これにより、車両用ヒートポンプ装置１内における冷却液の配管を短くすることができ、水回路の圧力損失を低減することができる。

なお、ウォータポンプ１０１は、低温側水冷媒熱交換器１１０と高温側水冷媒熱交換器１１１との間に直線的に配置されてもよい。また、低温側水冷媒熱交換器１１０側、または、高温側水冷媒熱交換器１１１側に直線的に配置されてもよい。

＜２系統の冷却液の流量制御＞
次に、実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１における２系統の冷却液の流量制御について説明する。

図４は、車両用ヒートポンプ装置におけるウォータポンプを含む２系統の水回路を示す模式図である。図４は、右側に温水用水回路、左側に冷水用水回路を示している。両水回路共に同一の構成を有しているので、ここでは、温水用水回路を例に説明する。

温水用水回路は、高温側導入管１０４から高温側インペラ１１６を介して高温側導出管１０５へ到る主流路と、高温側インペラ１１６の前後で主流路をバイパスするバイパス流路とを備えている。

バイパス流路の入口および出口には、ウォータバルブ１１８，１１９がそれぞれ設けられている。ウォータバルブ１１８，１１９は開度を調整し、主流路の流れを遮断することにより、主流路からバイパス流路へ冷却液を導入する。これにより、高温側インペラ１１６によって輸送された冷却液はバイパス流路と主流路の一部を循環することになり、温水用水回路全体の流量を少なくすることができる。逆に、ウォータバルブ１１８，１１９は開度を調整し、ウォータバルブ１１８，１１９が主流路の流路方向に平行とすることにより、主流路からバイパス流路への冷却液の導入が抑制され、温水用水回路全体の流量を多くすることができる。なお、ウォータバルブ１１８，１１９の開度は、段階的に調整してもよいし、無段階に調整してもよい。

また、冷水用水回路についても温水用水回路と同様にウォータバルブ１２０，１２１を調整することにより、冷水用水回路全体の流量を調整することができる。

このような構成により、１つのウォータポンプ用電動モータ１１５の駆動力により温水側水回路の流量と冷水側水回路の流量とをそれぞれ独立して制御することができる。

＜高温側水冷媒熱交換器の詳細＞
次に、実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１におけるコンプレッサ筐体１０９側の構成を詳細に説明する。

図５は、車両用ヒートポンプ装置のコンプレッサ筐体側の構成を示す断面図である。図６は、図５のＤ−Ｄ線断面図である。

高温側水冷媒熱交換器１１１および電動圧縮機１１２は、コンプレッサ筐体１０９に収められて一体化されている。コンプレッサ筐体１０９は、密閉性を有し、冷却液および冷媒の各導入口および各導出口を除いて、高温側水冷媒熱交換器１１１と電動圧縮機１１２とを内部に閉じ込める。

高温側水冷媒熱交換器１１１は、図５および図６に示すように、冷媒が流れる通路１１１ａと、冷却液が流れる通路１１１ｂとを備えている。

冷却液の通路１１１ｂは、例えば、電動圧縮機１１２の周囲に沿って二次元方向に広がる空間により構成され、通路１１１ｂの一端および他端に冷却液の導入口１１１ｂｉｎと導出口１１１ｂｏｕｔとが設けられている。導出口１１１ｂｏｕｔは、ウォータポンプ１０１の高温側に通じている。また、通路１１１ｂの一部は、コンプレッサ筐体１０９の壁体により構成されている。

冷媒の通路１１１ａは、例えば、複数の直線状且つ筒状の配管により構成され、冷却液の通路１１１ｂを横切るように通路１１１ｂを囲う空間内に配置されている。図６に示すように、複数の通路１１１ａは、電動圧縮機１１２の周方向に分散して配置されている。各通路１１１ａの一端は、図５に示すように、電動圧縮機１１２の冷媒導出口につながる冷媒室１１１ｃに通じ、各通路１１１ａの他端は、膨張弁１１４につながる冷媒室１１１ｄに通じている。冷媒室１１１ｃ、１１１ｄの一部は、コンプレッサ筐体１０９の壁体により構成されている。

高温側水冷媒熱交換器１１１は、図５および図６に示すように、電動圧縮機１１２（電動圧縮機用電動モータ１１２ａおよび圧縮機構１１２ｂ）の周囲を囲うように配置され、電動圧縮機１１２と高温側水冷媒熱交換器１１１とは熱的に結合している。

冷媒は、導入口１４２（図５を参照）を介して、低温側水冷媒熱交換器１１０から電動圧縮機１１２へ導入される。また、冷媒は、導出口１４１（図５を参照）を介して、高温側水冷媒熱交換器１１１から膨張弁１１４へ導出される。

＜実施の形態の効果＞
以上のように、本実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１によれば、ウォータポンプ１０１の筐体がコンプレッサ筐体１０９の外側に一体となって設けられ、１つのウォータポンプ用電動モータ１１５によって高温側の冷却液と低温側の冷却液とをそれぞれ独立して輸送する。これにより、車両用ヒートポンプ装置１の省スペース化を図ることができる。

また、本実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１によれば、直線的に配置された低温側水冷媒熱交換器１１０と高温側水冷媒熱交換器１１１とに対して、低温側インペラ１１７を低温側水冷媒熱交換器１１０側に配置し、高温側インペラ１１６を高温側水冷媒熱交換器１１１側に配置する。これにより、車両用ヒートポンプ装置１内における冷却液の配管を短くすることができ、水回路の圧力損失を低減することができる。

＜変形例＞
なお、本実施の形態では、２系統の冷却液の流量制御を、バイパス流路の出入口に設けたウォータバルブの開度を制御することによって行ったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図７に示すように、ギヤボックス１２２は、高温側インペラ１１６と低温側インペラ１１７とを回転させるギヤ比をそれぞれ独立して設定し、ウォータポンプ用電動モータ１１５の駆動力をギヤ比に応じた回転数に変えて、高温側インペラ１１６と低温側インペラ１１７とに伝達するようにしてもよい。これにより、温水側水回路の流量と冷水側水回路の流量をそれぞれ独立して制御することができる。

本発明にかかる車両用ヒートポンプ装置は、車両内の各部の温度を調整するシステム等に用いるのに好適である。

１ 車両用ヒートポンプ装置
１０１ ウォータポンプ
１０３ 給電部
１０４ 高温側導入管
１０５ 高温側導出管
１０６ 低温側導入管
１０７ 低温側導出管
１０８ アキュムレータ
１０９ コンプレッサ筐体
１１０ 低温側水冷媒熱交換器
１１１ 高温側水冷媒熱交換器
１１１ａ 冷媒の通路
１１１ｂ 冷却液の通路
１１２ 電動圧縮機
１１２ａ 電動圧縮機用電動モータ
１１２ｂ 圧縮機構
１１３ インバータ
１１４ 膨張弁
１１５ ウォータポンプ用電動モータ
１１６ 高温側インペラ
１１７ 低温側インペラ
１１８〜１２１ ウォータバルブ
１２２ ギヤボックス

Claims (5)

1. 車両用ヒートポンプ装置であって、
   吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構および前記圧縮機構を駆動する電動圧縮機用電動モータを有する電動圧縮機と、
   前記電動圧縮機が吐出した高温高圧冷媒から、前記車両用ヒートポンプ装置の外部より導入された第１の冷却液へ、放熱させる高温側水冷媒熱交換器と、
   前記車両用ヒートポンプ装置の外部から導入された第２の冷却液を、前記電動圧縮機へ送られる低温低圧冷媒で冷却する低温側水冷媒熱交換器と、
   １つのウォータポンプ用電動モータの駆動力により前記第１冷却液および前記第２冷却液をそれぞれ独立して輸送するウォータポンプと、
   を具備する、
   車両用ヒートポンプ装置。
2. 前記車両用ヒートポンプ装置の外部から導入された前記第１冷却液を前記車両用ヒートポンプ装置の外部に輸送する第１主流路と、
   前記第１主流路における前記ウォータポンプの前後をバイパスする第１バイパス流路と、
   前記車両用ヒートポンプ装置の外部から導入された前記第２冷却液を前記車両用ヒートポンプ装置の外部に輸送する第２主流路と、
   前記第２主流路における前記ウォータポンプの前後をバイパスする第２バイパス流路と、
   前記第１バイパス流路の出入口および前記第２バイパス流路の出入口にそれぞれ設けられ、開度を調整するウォータバルブと、
   を具備する請求項１に記載の車両用ヒートポンプ装置。
3. 前記ウォータポンプは、
   前記ウォータポンプ用モータ電動モータの回転軸に固定されて前記第１冷却液を輸送する第１インペラと、
   前記ウォータポンプ用モータ電動モータの回転軸に固定されて前記第２冷却液を輸送する第２インペラと、
   前記第１インペラと前記第２インペラとを回転させるギヤ比をそれぞれ独立して設定するギヤボックスと、
   を具備する請求項１に記載の車両用ヒートポンプ装置。
4. 前記ウォータポンプは、
   前記ウォータポンプ用モータ電動モータの回転軸に固定されて前記第１冷却液を輸送する第１インペラと、
   前記ウォータポンプ用モータ電動モータの回転軸に固定されて前記第２冷却液を輸送する第２インペラと、を有し、
   前記第１インペラが前記低温側水冷媒熱交換器側に配置され、前記第２インペラが前記高温側水冷媒熱交換器側に配置される、
   請求項１に記載の車両用ヒートポンプ装置。
5. 前記ウォータポンプは、前記低温側水冷媒熱交換器と前記高温側水冷媒熱交換器との並びに対して、側方に配置される、
   請求項１に記載の車両用ヒートポンプ装置。
   

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