JP2014163600A - 車両用ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプサイクル内に滞留するオイルを電動圧縮機に戻す機構を簡易な構成とし、さらに小型化を実現す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モータを有する電動圧縮機と、冷熱を輸送する第１冷却液と低温低圧冷媒との間で熱交換を行う低温側水冷媒熱交換器と、前記電動圧縮機および前記低温側水冷媒熱交換器を収容する筐体と、前記筐体の一部に設けられ、前記低温側水冷媒熱交換器から前記電動圧縮機に到る、オイルが流れるオイル流路と、を具備する構成を採る。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両用ヒートポンプ装置に関する。

自動車の空調装置には、冷媒の圧縮および膨張を繰り返し行うヒートポンプサイクルが用いられる。このヒートポンプサイクルは、電動圧縮機が冷媒を圧縮して吐出し、吐出された冷媒がコンデンサ、膨張弁、エバポレータ等を経て、電動圧縮機に戻るサイクルによって成り立っている。

電動圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮機構および圧縮機構を駆動する電動モータを備え、圧縮機構および電動モータは摺動部を有する。このため、電動圧縮機内には、摺動部の摩耗を抑え、潤滑させるオイルが貯留されており、冷媒の吐出と共にオイルも吐出される。吐出されたオイルは、ヒートポンプサイクル内を巡回するが、エバポレータで滞留しやすい。これは、エバポレータ内において液体の冷媒が気体に相転移し、気体の冷媒とオイルが分離するためである。

多くのオイルがエバポレータに滞留すると、電動圧縮機内のオイルが不足し、電動圧縮機に焼き付き等が生じることがある。これを防止するため、エバポレータに滞留したオイルを電動圧縮機に戻す技術が、例えば、特許文献１等に開示されている。

特許文献１には、エバポレータと電動圧縮機との間を連通する導管Ｐとは別に、エバポレータと電動圧縮機とをバイパスするバイパス通路Ｐｂと、バイパス通路Ｐｂに電磁開閉弁とを設け、電磁開閉弁を開閉動作させることにより、エバポレータ内に滞留したオイルを電動圧縮機に戻すオイル戻し装置が開示されている。

特開平８−１５０８２９号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示のオイル戻し装置では、エバポレータと電動圧縮機との間に、オイルを戻すための配管（バイパス通路）および圧力を調整する弁が必要であり、複雑な構成となると共に、部品点数が増加し、装置が大型化するという問題がある。

本発明の目的は、ヒートポンプサイクル内に滞留するオイルを電動圧縮機に戻す機構を簡易な構成とし、さらに小型化を実現す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モータを有する電動圧縮機と、冷熱を輸送する第１冷却液と低温低圧冷媒との間で熱交換を行う低温側水冷媒熱交換器と、前記電動圧縮機および前記低温側水冷媒熱交換器を収容する筐体と、前記筐体の一部に設けられ、前記低温側水冷媒熱交換器から前記電動圧縮機に到る、オイルが流れるオイル流路と、を具備する構成を採る。

本発明によれば、ヒートポンプサイクル内に滞留するオイルを電動圧縮機に戻す機構を簡易な構成とし、さらに小型化を実現することができる。

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を示す断面図 オイル流路の一部を示す拡大図 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一部破断の斜視図 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６のＤ−Ｄ線断面図 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

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〜図４を用いて説明する。図１〜図４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（図５参照）と、冷媒を圧縮して吐出する電動圧縮機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サイクルを有し、ヒートポンプの冷媒と低温側の冷却液（第１冷却液に相当）および高温側の冷却液（第２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、高温側ウォータポンプ１０１が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、低温側ウォータポンプ１０２が回転して輸送される。

低温側水冷媒熱交換器１１０は、複数のプレートが積層され、積層されたプレートの間隙によって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交互に配置し、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。冷媒が流れる通路の下端には、微細な孔１１６が設けられ、オイル流路１１５と連通している（図４参照）。なお、オイル流路１１５と連通する孔１１６は冷媒が流れる全ての通路に設けられる必要はなく、一定の間隔で、または一定の個数、孔１１６を設けてもよい。これは、孔が多いと冷媒もオイル流路１１５に流れてしまい、サイクル効率が低下してしまうので、これを防止ためである。

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（駆動回路に相当）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、図示せぬ給電部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、パワー素子とも呼ばれる。

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、アキュムレータ１０８には、図４に示すように、その底部に貫通孔１１７が設けられ、アキュムレータ１０８の内部とオイル流路１１５とが連通する。なお、図では、アキュムレータ１０８を筐体内壁によって形成した様子を示しているが、アキュムレータ１０８を別体として筐体内に収容するようにしてもよい。

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を備える。膨張弁は、熱量を変化させずに高圧の冷媒を膨張させて低圧にすることで、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を備える。給電部は、コンプレッサ筐体１０９の外壁に備える。給電部へ供給された電気エネルギーは、電動圧縮機１１２、高温側ウォータポンプ１０１、および、低温側ウォータポンプ１０２の駆動に用いられる。

オイル流路１１５は、低温側水冷媒熱交換器１１０の筐体内部の鉛直下方（底部）に形成された溝と、アキュムレータ１０８及びインバータ１１３を収容する筐体の下部を貫通する貫通孔とからなり、電動圧縮機１１２の冷媒の導入口に達する。このように、オイル流路１１５の電動圧縮機１１２側は、冷媒の導入口に達しており、電動圧縮機１１２の冷媒の導出口から離れて位置することになる。これは、電動圧縮機１１２に到達したオイルが電動圧縮機１１２から吐出された冷媒と混合することを防止するためである。なお、溝と貫通孔とは連結されており、オイル流路１１５の中心軸は段差のない直線状である。また、オイル流路１１５の幅は、例えば、１．２〜１．５ｍｍ程度である。このため、流路内において圧損がなく、圧力調整用の弁などを設ける必要がない。

また、オイル流路１１５は、低温側水冷媒熱交換器１１０の冷媒通路の下端に設けられた孔１１６を介して冷媒通路と連通している。このため、低温側水冷媒熱交換器１１０で分離したオイルが重力によってオイル流路１１５に流れ込む。

また、オイル流路１１５は、アキュムレータ１０８の底部に設けられた貫通孔１１７を介してアキュムレータ１０８の内部と連通している。このため、アキュムレータ１０８に滞留するオイルが重力によってオイル流路１１５に流れ込む。

＜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一部破断の斜視図である。図６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７は、図７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〜図７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（図５のＸ−Ｒ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、高温側ウォータポンプ１０１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７に示すように、複数の通路１１１ａは、電動圧縮機１１２の周方向（図５のＲ方向）に分散して配置されている。各通路１１１ａの一端は、図６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〜図７に示すように、電動圧縮機１１２（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６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６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。

＜オイルの流れ＞
次に、車両用ヒートポンプ装置１のオイルの流れについて説明する。低温側水冷媒熱交換器１１０において冷媒から分離されたオイルは、冷媒通路の下端に設けられた孔１１６を通って、オイル流路１１５に流れ込む。また、アキュムレータ１０８において冷媒から分離から分離されたオイルは、アキュムレータ１０８の底部に設けられた貫通孔１１７を通って、オイル流路１１５に流れ込む。

オイル流路１１５に流れ込んだオイルは、電動圧縮機１１２の冷媒の導入口１４２まで到達し、冷媒と共に電動圧縮機１１２内に冷媒の導入口１４２から吸入される。電動圧縮機１１２内に吸入されたオイルは冷媒と共に移動し、各摺動部を潤滑させる。

＜車両用ヒートポンプ装置の動作＞
次に、図８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。

始めに、冷媒の流れを説明する。図８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、先ず、インバータ１１３から熱を吸収する（インバータ１１３の冷却構造については後述する）。続いて、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。

＜実施の形態の効果＞
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、低温側水冷媒熱交換器１１０および電動圧縮機１１２を収容する筐体を一体化し、筐体底部に溝および貫通孔からなるオイル流路１１５を低温側水冷媒熱交換器１１０から電動圧縮機１１２に設け、低温側水冷媒熱交換器１１０の冷媒通路の下端、および、アキュムレータ１０８内の底部にオイル流路１１５に連通する孔１１７を設ける。このような簡易な構成により、低温側水冷媒熱交換器１１０およびアキュムレータ１０８において冷媒から分離されたオイルを電動圧縮機１１２内へ戻すことができると共に、車両用ヒートポンプ装置１の小型化に寄与することができる。

なお、本実施の形態では、車両用ヒートポンプ装置１を一体化した場合を例に説明した。しかし、本発明は、車両用ヒートポンプ装置１を一体化せず、各構成部材をそれぞれ離間して配置してもよい。

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 高温側ウォータポンプ
１０２ 低温側ウォータポンプ
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
１１１ｃ、１１１ｄ 冷媒室
１１２ 電動圧縮機
１１２ａ 電動モータ
１１２ｂ 圧縮機構
１１３ インバータ
１１５ オイル流路
１１６ 孔
１１７ 貫通孔
１４１ 導出口
１４２ 導入口

Claims (8)

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モータを有する電動圧縮機と、
   冷熱を輸送する第１冷却液と低温低圧冷媒との間で熱交換を行う低温側水冷媒熱交換器と、
   前記電動圧縮機および前記低温側水冷媒熱交換器を収容する筐体と、
   前記筐体の一部に設けられ、前記低温側水冷媒熱交換器から前記電動圧縮機に到る、オイルが流れるオイル流路と、
   を具備する車両用ヒートポンプ装置。
2. 前記オイル流路は、前記筐体の鉛直下方に設けられた、
   請求項１に記載の車両用ヒートポンプ装置。
3. 前記オイル流路は、前記冷媒が吸入される前記電動圧縮機の導入口に連通する、
   請求項１又は請求項２に記載の車両用ヒートポンプ装置。
4. 前記オイル流路は、前記冷媒が吐出される前記電動圧縮機の導出口と離れた位置に連通する、
   請求項１から請求項３のいずれかに記載の車両用ヒートポンプ装置。
5. 前記オイル流路は、その中心軸が直線状である、
   請求項１から請求項４のいずれかに記載の車両用ヒートポンプ装置。
6. 前記低温側水冷媒熱交換器は、前記冷媒の通路と前記第１冷却液の通路とを熱交換可能に備え、前記冷媒の通路の下端に設けられた孔を介して前記オイル流路と連通する、
   請求項１から請求項５のいずれかに記載の車両用ヒートポンプ装置。
7. 前記低温側水冷媒熱交換器は、複数のプレートが積層され、積層された前記複数のプレートによって前記冷媒の通路と前記第１冷却液の通路とが交互に配置された、
   請求項６に記載の車両用ヒートポンプ装置。
8. 前記低温側水冷媒熱交換器を通過した冷媒から液相の冷媒と気相の冷媒とを分離し、前記オイル流路と連通する貫通孔が底面に設けられたアキュムレータを具備する、
   請求項１から請求項７のいずれかに記載の車両用ヒートポンプ装置。
   

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