JP2014189141A - 車両用ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒サイクルの他の性能をできるだけ低下させずに、安定性能を向上させることができる、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、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、温熱を輸送する高温側冷却液と、高温高圧冷媒との間で熱交換を行う高温側水冷媒熱交換器と、冷熱を輸送する低温側冷却液と、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、前記低温側水冷媒熱交換器に導入する前記低温側冷却液と、前記高温側水冷媒熱交換器に導入する前記高温側冷却液との間で熱交換を行う内部熱交換器と、を具備する構成を採る。
【選択図】図１

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、冷媒と冷却液との間で熱交換を行う車両用ヒートポンプ装置が知られている。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液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、冷媒から冷却液へ放熱を行うコンデンサと、冷却液を冷媒で冷やす冷却器と、コンデンサへ冷却液を送出するコンデンサポンプと、冷却器へ冷却液を送出する冷却器ポンプとを備えている。

車両用ヒートポンプ装置の冷媒サイクルは、できるだけ安定した状態を保つことが望ましく、さらに、できるだけ高いＣＯＰ（Coefficient Of Performance：成績係数）が得られることが望ましい。

冷媒サイクルを安定させるには、例えば、圧縮機へ送られる冷媒の温度を制御することが考えられる。ところが、非特許文献１に記載の車両用ヒートポンプ装置には、圧縮機へ送られる冷媒の温度を制御する仕組みは備えられていない。

一方で、例えば、特許文献１および特許文献２には、冷媒サイクルに内部熱交換器を設ける技術が記載されている。特許文献１および特許文献２に記載の車両用ヒートポンプ装置は、高温側熱交換器から導出された冷媒と、圧縮機に導入される冷媒との間で熱交換を行う、内部熱交換器を備えている。これにより、圧縮機に吸入される前の冷媒を加熱することができ、圧縮機へ送られる冷媒の温度を上昇させることができる。

このような特許文献１および特許文献２に記載の技術を適用することにより、非特許文献１に記載の車両用ヒートポンプ装置において、冷媒サイクルをより安定させ、より高いＣＯＰを得ることが可能になる。

特開２０００−２０５６７０号公報 特開２００９−５２８７０号公報

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

しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載された従来の車両用ヒートポンプ装置では、内部熱交換器における熱交換量が、圧縮機が備える電動モータのモータ回転数に依存する。すなわち、従来の車両用ヒートポンプ装置では、冷媒サイクルが稼動している間、内部熱交換を行うべきではない状況においても内部熱交換が行われる。この結果、例えば、コールドスタート時の立ち上がりが遅くなる、もしくは、最高暖房能力が低下するなど、冷媒サイクルの他の性能を損ねるおそれがあった。なお、コールドスタートとは、周囲の空気温度が比較的低い環境下において、冷凍サイクルの各部（特に、圧縮機）が、周囲の空気温度に馴染んだ冷たい状態から運転を開始することである。すなわち、コールドスタート時とは、例えば、寒い季節に、冷凍サイクルの運転を長時間停止した後に、当該冷凍サイクルの運転を再開した時である。

本発明の目的は、冷媒サイクルの他の性能をできるだけ低下させずに、安定性能を向上させることができる、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、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、温熱を輸送する高温側冷却液と、高温高圧冷媒との間で熱交換を行う高温側水冷媒熱交換器と、冷熱を輸送する低温側冷却液と、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、前記低温側水冷媒熱交換器に導入する前記低温側冷却液と、前記高温側水冷媒熱交換器に導入する前記高温側冷却液との間で熱交換を行う内部熱交換器と、を具備する構成を採る。

本発明によれば、冷媒サイクルの他の性能をできるだけ低下させずに、安定性能を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る車両用ヒートポンプ装置の構成を示すブロック図 車両用ヒートポンプ装置を用いた車両温度調整システムについて説明する図 車両用ヒートポンプ装置を用いた車両温度調整システムについて説明する図 本発明の実施の形態１の目標吐出温度テーブルの内容を示す模式図 本発明の実施の形態１の流量制御部の動作を示すフローチャート 本発明の実施の形態２に係る車両用ヒートポンプ装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態２の流量制御部の動作を示すフローチャート 図７に示したバイパス弁の制御による内部熱交換量の制御を示すフローチャート 本発明の実施の形態２の目標吐出温度テーブルの内容を示す模式図 本発明の実施の形態２に係る車両用ヒートポンプ装置の他の構成を示すブロック図

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。

（実施の形態１）
＜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１に係る車両用ヒートポンプ装置の構成について説明する。図１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、アキュムレータ１０８と、低温側水冷媒熱交換器１１０と、高温側水冷媒熱交換器１１１と、電動圧縮機１１２と、膨張弁１１４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。

電動圧縮機１１２は、高温側水冷媒熱交換器１１１の冷媒の入口の上流に配置されている。アキュムレータ１０８は、電動圧縮機１１２の冷媒の入口の上流に配置されている。膨張弁１１４は、低温側水冷媒熱交換器１１０の冷媒の入口の上流に配置されている。

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へ気体の冷媒のみが供給されるようにし、電動圧縮機１１２の破壊を防止する。電動圧縮機１１２は、電動モータを備え、この電動モータの駆動力により冷媒を圧縮して高温高圧にする。膨張弁１１４は、高温側水冷媒熱交換器１１１の下流側の高圧冷媒を、膨張させて低温低圧にし、低温側水冷媒熱交換器１１０へ送る。

すなわち、車両用ヒートポンプ装置１は、その内部に、低温側水冷媒熱交換器１１０、アキュムレータ１０８、電動圧縮機１１２、高温側水冷媒熱交換器１１１、および膨張弁１１４をこの順序で配置した、ヒートポンプを有する。以下、低温側水冷媒熱交換器１１０、電動圧縮機１１２、高温側水冷媒熱交換器１１１、および膨張弁１１４をこの順序で冷媒が循環するヒートポンプ系統は、「冷媒系統」という。

また、車両用ヒートポンプ装置１は、ヒートポンプの冷媒と低温側の冷却液および高温側の冷却液との間で熱交換を行う。低温側の冷却液および高温側の冷却液は、例えば、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（以下、適宜「高温側冷却液」という）は、高温側導入管１０４を介して導入される（図１の矢印Ｂ）。この導入された高温側冷却液は、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’）。高温側冷却液は、高温側ウォータポンプ１０１が備える電動モータの駆動力にて輸送される。

高温側水冷媒熱交換器１１１は、冷媒が流れる通路と高温側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。すなわち、高温側水冷媒熱交換器１１１は、冷媒から温熱を吸収して輸送する高温側冷却液と、電動圧縮機１１２が吐出した高温高圧冷媒との間で熱交換を行う。

低温側の冷却液（以下、適宜「低温側冷却液」という）は、低温側導入管１０６を介して導入される（図１の矢印Ａ）。導入された低温側冷却液は、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’）。低温側冷却液は、低温側ウォータポンプ１０２が備える電動モータの駆動力にて輸送される。

低温側水冷媒熱交換器１１０は、冷媒が流れる通路と低温側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。また、低温側水冷媒熱交換器１１０は、冷媒の流れる向きと、冷却液の流れる向きとを対向させた対向流を形成して熱交換を行う。

また、車両用ヒートポンプ装置１は、電源供給を受けるための給電部（図示せず）を備える。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のそれぞれが備える電動モータの駆動に用いられる。

また、車両用ヒートポンプ装置１は、内部熱交換器１１５を備える。内部熱交換器１１５は、従来技術とは異なり、低温側水冷媒熱交換器１１０に導入される低温側冷却液と、高温側水冷媒熱交換器１１１に導入される高温側冷却液との間で熱交換を行う。すなわち、内部熱交換器１１５は、高温側冷却液を冷却し、低温側冷却液を加熱する。また、内部熱交換器１１５は、低温側冷却液の流れる向きと、高温側冷却液の流れる向きとを対向させた対向流を形成して熱交換を行ってもよい。

また、車両用ヒートポンプ装置１は、内部熱交換器１１５に導入する低温側冷却液の流量（以下「低温側冷却液流量」という）を制御する流量制御部１３０を有する。

流量制御部１３０は、電動圧縮機１１２の吐出温度の目標値（以下、「目標吐出温度」という）を決定する。そして、流量制御部１３０は、電動圧縮機１１２が吐出した高温高圧冷媒の吐出温度（以下、「実吐出温度」という）と決定した目標吐出温度とに基づいて、低温側冷却液流量を制御する。

より具体的には、流量制御部１３０は、外気温度および電動圧縮機１１２が備える電動モータの回転数（以下、「モータ回転数」という）を取得する。流量制御部１３０は、取得した外気温度およびモータ回転数に基づいて、電動圧縮機１１２の目標吐出温度を決定する。本実施の形態において、流量制御部１３０は、外気温度およびモータ回転数に応じて、目標吐出温度を異なる値で予め設定しているものとする。

流量制御部１３０は、実吐出温度が目標吐出温度より小さい場合、実吐出温度が目標吐出温度以上である場合に比べて、低温側冷却液流量が少なくなるように制御する。なお、流量制御部１３０は、低温側ウォータポンプ１０２の回転数（以下、「ポンプ回転数」という）を制御することにより、低温側冷却液流量を制御する。

流量制御部１３０は、外気に接する箇所に設けられた温度センサ１３１から、外気温度を取得する。すなわち、外気温度とは、車両の車室の外（車室外）の温度である。また、流量制御部１３０は、冷媒系統の電動圧縮機１１２吐出側に設けられた温度センサ１３２から、実吐出温度を取得する。さらに、流量制御部１３０は、電動圧縮機１１２を制御する制御部（図示せず）から、モータ回転数を取得する。なお、本実施の形態において、電動圧縮機１１２の実吐出温度とは、必ずしも電動圧縮機１１２の吐出温度そのものでなくてもよく、他のパラメータから推定した電動圧縮機１１２の吐出温度であってもよい。

流量制御部１３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および制御プログラムを格納したＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶媒体を有し、ＣＰＵが制御プログラムを実行することにより上記機能を発揮する。

なお、低温側ウォータポンプ１０２は、インバータ搭載型のポンプである。すなわち、流量制御部１３０は、低温側ウォータポンプ１０２のインバータの駆動を制御することにより、ポンプ回転数を制御し、低温側冷却液流量を制御する。

電動圧縮機１１２の吐出温度の最適値は、外気温度およびモータ回転数に応じて異なる。そこで、流量制御部１３０は、例えば、外気温度とモータ回転数との組み合わせごとに目標吐出温度を定義したテーブル（以下、「目標吐出温度テーブル」）を予め格納している。流量制御部１３０は、目標吐出温度テーブルを参照し、電動圧縮機１１２の実吐出温度が、外気温度およびモータ回転数に対応する目標吐出温度に近付くように、ポンプ回転数を制御する。流量制御部１３０の制御の詳細については後述する。

＜車両用ヒートポンプ装置の動作＞
次に、図１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１の各矢印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で圧縮されて電動圧縮機１１２から吐出された高温高圧冷媒は、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を介して導入された高温側冷却液は、内部熱交換器１１５にて低温側冷却液と熱交換を行って放熱する。そして、放熱した冷却液は、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。加熱された高温側冷却液は、高温側導出管１０５から導出される。

低温側導入管１０６を介して導入された低温側冷却液は、内部熱交換器１１５にて高温側冷却液と熱交換を行って吸熱する。そして、吸熱した低温側冷却液は、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、本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）を取り入れ、この液体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。

また、本実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１は、上述の通り、低温側冷却液の流量を制御することにより、内部熱交換器の熱交換量を制御することができる。また、内部熱交換器１１５が低温側冷却液と高温側冷却液との間で熱交換を行うため、冷媒を用いた場合に比べて内部熱交換器１１５の耐圧を低くすることができ、コストを抑制することができる。

さらに、本実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１は、内部熱交換器１１５によって低温側水冷媒熱交換器１１０に導入される低温側冷却液の温度を上昇させることができ、これに伴い、低温側水冷媒熱交換器１１０から導出される冷媒の温度が上昇し、電動圧縮機１１２の吸入圧力が上昇するため、電動圧縮機１１２の消費電力を低減し、より高いＣＯＰを得ることが可能になる。

＜車両温度調整システム＞
次に、図２および図３を用いて、車両用ヒートポンプ装置１を用いた車両温度調整システムについて説明する。図２は車両温度調整システムの暖房運転時の説明図である。図３は、車両温度調整システムの冷房運転時の説明図である。

高温側導出管１０５から導出した加熱された高温側冷却液、および、低温側導出管１０７から導出した冷却された低温側冷却液は車両用空調装置２へ導入され、冷房もしくは暖房に用いられる。車両用空調装置２は、ファイアウォール７の車室側に配置され、車室内の空調を行う装置である。車両用ヒートポンプ装置１は、ファイアウォール７の車室外の側に配置される。

車両用空調装置２は、冷房用空気水熱交換器２００、暖房用空気水熱交換器２０１、ブロワファン２０２、および、切換ドア２０３を備える。

冷房用空気水熱交換器２００は、ブロワファン２０２により送風された空気と、低温側導出管１０７から導出した冷却された低温側冷却液との間で熱交換を行い、空気を冷却するものである。冷却された空気は車室内へ導かれ、車室内の冷房に用いられる。

冷房用空気水熱交換器２００にて加熱された低温側冷却液は、低温側導入管１０６を介して、再度、車両用ヒートポンプ装置１へ導入される。

暖房用空気水熱交換器２０１は、ブロワファン２０２により送風された空気と、高温側導出管１０５から導出した加熱された高温側冷却液との間で熱交換を行い、空気を加熱するものである。加熱された空気は車室内へ導かれ、車室内の暖房に用いられる。

暖房用空気水熱交換器２０１にて冷却された高温側冷却液は、高温側導入管１０４を介して、再度、車両用ヒートポンプ装置１へ導入される。なお、第１のラジエータ５は、冷房時の高温側冷却液の放熱に用いられる。

車両用ヒートポンプ装置１が導出する低温側冷却液は、発熱体３の冷却に用いることも可能である。ここで、発熱体３とは、例えば、電気自動車に用いられる走行用モータ、走行用モータを駆動するためのインバータ、走行用モータへ電気エネルギーを供給するための蓄電池、車両外部から蓄電池を充電するための充電器、蓄電池の電圧変換を行うためのＤＣ−ＤＣ変換器などの発熱部材である。これら発熱部材は、電気自動車の走行中等に冷却を必要とする。

発熱体３から放出される熱は、低温側冷却液に吸熱させる。すなわち、低温側冷却液は加熱される。この加熱された低温側冷却液は、低温側導入管１０６へ導かれ、車両用ヒートポンプ装置１にて冷却される。この加熱された低温側冷却液は、第２のラジエータ６で放熱させることで、冷却することもできる。

車両用空調装置２を車室内の暖房に用いる場合は、発熱体３から放出された熱を、低温側冷却液に吸熱させる。すなわち、低温側冷却液は加熱される。この加熱された低温側冷却液は、低温側導入管１０６へ導かれ、低温側水冷媒熱交換器１１０にて冷却される。

この際、冷媒に回収（吸熱）された熱を、高温側水冷媒熱交換器１１１にて高温側冷却液に回収（吸熱）させ、この高温側冷却液を高温側導出管１０５から導出させ、暖房用空気水熱交換器２０１に導くことで、車室内の空気の加熱に利用することも可能である。

車両温度調整システムでは、図２と図３とに示すように、複数の三方弁Ｔによる冷却液の経路の切り替え、ならびに、切換ドア２０３による車室内へ向かう空気の経路の切り替えにより、車室内の暖房および冷房等の切り替えを行うことができる。

＜流量制御部の制御＞
次に、流量制御部１３０による低温側冷却液流量の制御について説明する。図４は、本実施の形態の目標吐出温度テーブルの内容を示す模式図である。

目標吐出温度テーブル３１０は、外気温度［℃］３１１とモータ回転数［ｒｐｍ］３１２との組み合わせごとに、目標吐出温度［℃］３１３を定義している。

例えば、０℃〜１０℃の外気温度３１１と、３０００ｒｐｍ〜５０００ｒｐｍのモータ回転数３１２との組み合わせに対しては、８０℃という目標吐出温度が定義されている。全体的にみると、外気温度３１１が低いほど、また、モータ回転数３１２が高いほど、より高い値の目標吐出温度３１３が定義されている。これは、外気温度が低いほど、また、モータ回転数が高いほど、より高い暖房能力が必要となり、目標吐出温度を高くする必要が生じるためである。

流量制御部１３０は、このような目標吐出温度テーブル３１０を参照することにより、外気温度およびモータ回転数から目標吐出温度を決定することができる。なお、流量制御部１３０は、目標吐出温度テーブル３１０を使用するのではなく、予め定められた演算手法により、外気温度およびモータ回転数から目標吐出温度を算出してもよい。

また、流量制御部１３０は、空調負荷ごとに、通常時回転数および制限時回転数を予め設定している。空調負荷は、例えば、車内目標温度、外気温度、および送風量の組み合わせから決定される。通常時回転数は、通常の低温側冷却液流量とするためのポンプ回転数である。制限時回転数とは、制限された低温側冷却液流量とするためのポンプ回転数であり、通常時回転数よりも低い値となっている。制限時回転数は、例えば、０.１ｌ／ｍｉｎの流量に相当するポンプ回転数である。そして、流量制御部１３０は、通常時回転数と制限時回転数との間でポンプ回転数を切り替えることにより、実吐出温度を目標吐出温度に近付けるようにする。

図５は、本実施の形態の流量制御部１３０の動作を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１０００において、流量制御部１３０は、外気温度Ｔａおよびモータ回転数Ｒｃを取得し、取得した外気温度Ｔａおよびモータ回転数Ｒｃから、目標吐出温度Ｔｄ０を決定する。

ステップＳ２０００において、流量制御部１３０は、実吐出温度Ｔｄが、決定した目標吐出温度Ｔｄ０よりも低いか否かを判断する。流量制御部１３０は、実吐出温度Ｔｄが目標吐出温度Ｔｄ０以上である場合（Ｓ２０００：ＮＯ）、ステップＳ３０００へ進む。また、流量制御部１３０は、実吐出温度Ｔｄが目標吐出温度Ｔｄ０よりも低い場合（Ｓ２０００：ＹＥＳ）、ステップＳ４０００へ進む。

ステップＳ３０００において、流量制御部１３０は、ポンプ回転数Ｒｐが通常時回転数Ｒｐ０に一致するように、低温側ウォータポンプ１０２を制御する。

ステップＳ４０００において、流量制御部１３０は、ポンプ回転数Ｒｐが制限時回転数Ｒｐ１に一致するように、低温側ウォータポンプ１０２を制御する。すなわち、流量制御部１３０は、外気温度や吐出温度が比較的低い場合、低温側冷却液流量を制限し、内部熱交換器１１５における内部熱交換を抑制する。

ステップＳ５０００において、流量制御部１３０は、ユーザ操作等によりポンプ回転数の制御の終了を指示されたか否かを判断する。流量制御部１３０は、制御の終了を指示された場合（Ｓ５０００：ＹＥＳ）、一連の処理を終了する。また、流量制御部１３０は、制御の終了を指示されていない場合（Ｓ５０００：ＮＯ）、ステップＳ６０００へ進む。

ステップＳ６０００において、流量制御部１３０は、外気温度Ｔａあるいはモータ回転数Ｒｃが変化したか否かを判断する。流量制御部１３０は、外気温度Ｔａあるいはモータ回転数Ｒｃが変化していない場合（Ｓ６０００：ＮＯ）、ステップＳ５０００へ戻る。また、流量制御部１３０は、外気温度Ｔａあるいはモータ回転数Ｒｃが変化した場合（Ｓ６０００：ＹＥＳ）、ステップＳ１０００へ戻る。

なお、流量制御部１３０は、空調負荷の変化の有無を判断し、空調負荷の変化があった場合にステップＳ１０００あるいはステップＳ２０００へ戻るようにしてもよい。また、流量制御部１３０は、ステップＳ６０００において、外気温度Ｔａおよびモータ回転数Ｒｃを取得した場合には、次のステップＳ１０００においてはこれらの取得を行わなくてもよい。

また、流量制御部１３０は、低圧側冷媒と高圧側冷媒との温度差が所定のレベル以下となっている間は低温側冷却液流量を低く抑え、かかる温度差が所定のレベルを超えてから、低温側冷却液流量を増大させるような制御を行ってもよい。また、流量制御部１３０は、実吐出温度Ｔｄが目標吐出温度Ｔｄ０よりも低い場合に、実吐出温度Ｔｄが目標吐出温度Ｔｄ０よりも低くなるにつれて、ポンプ回転数Ｒｐを低下させるようにしてもよい。さらに、流量制御部１３０は、ステップＳ２０００において、実吐出温度Ｔｄと目標吐出温度Ｔｄ０との比較を行っているが、電動圧縮機１１２の運転開始からの経過時間と所定時間との比較を行ってもよい。

＜実施の形態１の効果＞
以上のように、実施の形態１に係る車両用ヒートポンプ装置１は、低温側冷却液と高温側冷却液との間で熱交換を行う内部熱交換器１１５を有し、外気温度および圧縮機吐出温度に基づいて、内部熱交換器１１５における低温側冷却液の流量を制御する。

これにより、車両用ヒートポンプ装置１は、内部熱交換を行うべきではない状況においても内部熱交換が行われるのを抑制することができる。この結果、例えば、コールドスタート時の立ち上がりが遅くなるのを防ぎ、また、最高暖房能力が低下するのを防ぐことができる。すなわち、冷媒サイクルの他の性能をできるだけ低下させずに、安定性能を向上させることができる。

特に、二酸化炭素冷媒を用いる場合、フロン系の冷媒を用いる場合に比べてＣＯＰが劣るため、このような性能向上は好ましい。

また、車両用ヒートポンプ装置１は、内部熱交換器１１５によって低温側水冷媒熱交換器１１０に導入される低温側冷却液の温度を上昇させることができ、これに伴い、低温側水冷媒熱交換器１１０から導出される冷媒の温度が上昇し、電動圧縮機１１２の吸入圧力が上昇するため、電動圧縮機１１２の消費電力を低減し、ＣＯＰを向上させることができる。

また、車両用ヒートポンプ装置１は、内部熱交換器１１５において低温側と高温側の冷却液同士の間で熱交換を行うため、冷媒を用いた場合に比べて内部熱交換器１１５の耐圧を低くすることができ、コストを抑制することができる。

なお、本実施の形態では、流量制御部１３０は、低温側ウォータポンプ１０２の回転数を制御して、低温側冷却液流量を制御する場合について説明した。しかし、本発明はこれに限らず、流量制御部１３０は、高温側ウォータポンプ１０１の回転数を制御して、高温側冷却液流量を制御するようにしてもよい。すなわち、流量制御部１３０は、高温側ウォータポンプ１０１または低温側ウォータポンプ１０２のいずれか一方の回転数を制御して、内部熱交換量を制御できればよい。

（実施の形態２）
＜車両用ヒートポンプ装置の構成＞
本発明の実施の形態２は、低温側冷却液流量の制御を、低温側冷却液のバイパス系統を用いて行う例である。図６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１ａは、内部熱交換器１１５の低温側冷却液の導入側と導出側とを接続するバイパス配管１３３ａと、このバイパス配管１３３ａに挿入された電磁弁であるバイパス弁１３４ａとを備える。

すなわち、車両用ヒートポンプ装置１ａは、低温側冷却液の通路であるメイン配管１３５ａ（第１の通路に相当）と、第１の通路のバイパス配管１３３ａ（第２の通路に相当）と、バイパス配管１３３ａを流れる低温側冷却液流量を調整するバイパス弁１３４ａ（流量調整機構に相当）とを有する。メイン配管１３５ａは、例えば車両用ヒートポンプ装置１ａの外部より導入され、内部熱交換器１１５を経由して、低温側水冷媒熱交換器１１０へ至る、低温側冷却液が流れる通路である。バイパス配管１３３ａは、メイン配管１３５ａのうち、内部熱交換器１１５の導入側の通路から内部熱交換器１１５の導出側の通路へ低温側冷却液をバイパスする通路である。

＜流量制御部の制御＞
図７は、本実施の形態の流量制御部１３０ａの動作を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１２００において、流量制御部１３０ａは、電動圧縮機１１２の吸入圧力Ｐｓおよび電動圧縮機１１２の吸入温度Ｔｓを取得し、取得した吸入圧力Ｐｓおよび吸入温度Ｔｓから電動圧縮機１１２の吸入過熱度ＳＨを算出する。

ステップＳ２２００において、流量制御部１３０ａは、電動圧縮機１１２の運転開始からの経過時間Ｔｎが所定時間Ｔｎ０（例えば、２０分）未満か否かを判断する。流量制御部１３０ａは、運転開始からの経過時間Ｔｎが所定時間Ｔｎ０以上である場合（Ｓ２２００：ＮＯ）、ステップＳ４２００へ進む。また、流量制御部１３０ａは、運転開始からの経過時間Ｔｎが所定時間Ｔｎ０未満である場合（Ｓ２２００：ＹＥＳ）、ステップＳ３２００へ進む。

ステップＳ３２００において、流量制御部１３０ａは、バイパス弁１３４ａの制御による内部熱交換量の制御を行い、一連の処理を終了する。なお、ステップＳ３２００における詳細な処理手順については後述する。

ステップＳ４２００において、流量制御部１３０ａは、吸入過熱度ＳＨが０未満であるか否かを判断する。流量制御部１３０ａは、吸入過熱度ＳＨが０未満である場合（Ｓ４２００：ＹＥＳ）、ステップＳ５２００へ進む。また、流量制御部１３０ａは、吸入過熱度ＳＨが０以上である場合（Ｓ４２００：ＮＯ）、ステップＳ６２００へ進む。

ステップＳ５２００において、流量制御部１３０ａは、低温側ウォータポンプ１０２の回転数の制御による内部熱交換量の制御を行い、一連の処理を終了する。なお、ステップＳ５２００における詳細な処理手順は、バイパス弁１３４ａが閉じた状態で図５に示した手順と同一である。

ステップＳ６２００において、流量制御部１３０ａは、内部熱交換量の制御を行わない、すなわち、バイパス弁１３４ａを閉じ、低温側ウォータポンプ１０２の回転数を通常時回転数とする通常制御を行い、一連の処理を終了する。

図８は、図７に示したバイパス弁１３４ａの制御による内部熱交換量の制御を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１４００において、流量制御部１３０ａは、外気温度Ｔａを取得し、取得したＴａから目標吐出温度Ｔｄ０を決定する。

ステップＳ２４００において、流量制御部１３０ａは、実吐出温度Ｔｄが、決定した目標吐出温度Ｔｄ０よりも低いか否かを判断する。流量制御部１３０は、実吐出温度Ｔｄが目標吐出温度Ｔｄ０以上である場合（Ｓ２４００：ＮＯ）、ステップＳ４４００へ進む。また、流量制御部１３０は、実吐出温度Ｔｄが目標吐出温度Ｔｄ０よりも低い場合（Ｓ２４００：ＹＥＳ）、ステップＳ３４００へ進む。

ステップＳ３４００において、流量制御部１３０ａは、バイパス弁１３４ａの開度Ｘｖを全開Ｘｖ１に制御し、一連の処理を終了する。

ステップＳ４４００において、流量制御部１３０ａは、バイパス弁１３４ａの開度Ｘｖを全閉Ｘｖ０に制御し、一連の処理を終了する。

図９は、本実施の形態の目標吐出温度テーブルの内容を示す模式図である。

目標吐出温度テーブル４１０は、外気温度［℃］４１１ごとに、目標吐出温度［℃］４１３を定義している。

例えば、０℃〜１０℃の外気温度４１１に対しては、８０℃という目標吐出温度が定義されている。全体的にみると、外気温度４１１が低いほど、より高い値の目標吐出温度４１３が定義されている。これは、外気温度が低いほど、より高い暖房能力が必要となり、目標吐出温度を高くする必要が生じるためである。

流量制御部１３０ａは、このような目標吐出温度テーブル４１０を参照することにより、外気温度から目標吐出温度を決定することができる。なお、流量制御部１３０ａは、目標吐出温度テーブル４１０を使用するのではなく、予め定められた演算手法により、外気温度から目標吐出温度を算出してもよい。

このように、車両用ヒートポンプ装置１ａの流量制御部１３０ａは、低温側ウォータポンプ１０２のポンプ回転数制御に加え、バイパス弁１３４ａの開度を更に制御して、バイパス配管１３３ａにおける低温側冷却液の流量（バイパス量）を制御する。バイパス弁１３４ａの開閉は、例えば、実施の形態１と同様に、電動圧縮機１１２の吐出温度に基づいて行われる。

これにより、流量制御部１３０ａは、バイパス弁１３４ａを閉じた状態において、低温側冷却液の流量を制限した場合には、低温側水冷媒熱交換器１１０に導入する冷却液の温度が上昇し、低温側水冷媒熱交換器１１０から導出する冷却液の温度が比較的低くなる。よって、低温側水冷媒熱交換器１１０の冷媒圧力を維持したまま、冷媒の乾き度を確保することができる。また、流量制御部１３０ａは、バイパス弁１３４ａを開き、低温側冷却液の流量を通常（低温側ウォータポンプ１０２の回転数を通常時回転数）とした場合には、低温側水冷媒熱交換器１１０に導入する低温側冷却液の温度と、低温側水冷媒熱交換器１１０から導出する冷却液の温度との差を小さくしたまま、低温側水冷媒熱交換器１１０における低温側冷却液の平均温度を上昇させることができる。よって、低温側水冷媒熱交換器１１０の冷媒圧力を上昇させることになり、ＣＯＰを向上させることができる。

＜実施の形態２の効果＞
以上のように、実施の形態２に係る車両用ヒートポンプ装置１ａは、低温側水冷媒熱交換器１１０における低温側冷却液の流量への影響を抑えた状態で、内部熱交換器１１５における低温側冷却液の流量を変化させることができる。したがって、本実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１ａは、内部熱交換量の制御の自由度を向上させることができ、例えば、暖房動作中は内部熱交換を抑制するといった制御が可能となる。また、本実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１ａは、内部熱交換量の切り替えを素早く行うことができるので、冷房動作から暖房動作へと切り替えられたときでも、このような内部熱交換の制御を素早く行うことができる。

なお、本実施の形態では、バイパス弁１３４ａを低温側水冷媒熱交換器１１０の低温側冷却液の導入側に設ける場合について説明した。しかし、本発明はこれに限らず、図１０に示すように、バイパス弁１３４ｂを高温側水冷媒熱交換器１１１の高温側冷却液の導入側に設けてもよい。

また、内部熱交換器１１５は、バイパス弁１３４ａが設けられていない側に寄せて配置することにより、圧損を抑制することができる。特に、バイパス弁を高温側水冷媒熱交換器１１１の高温側冷却液の導入側に設ける場合には、低温側冷却液の通路の方が高温側冷却液の通路より圧損が大きいため、内部熱交換器１１５を低温側水冷媒熱交換器１１０に寄せて配置することにより、低温側冷却液の通路を短くし、圧損を抑えることができる。

また、本実施の形態では、バイパス弁１３４ａの開度を全開と全閉の２つの場合について説明した。しかし、本発明はこれに限らず、バイパス弁１３４ａの開度を段階的または無段階的に開度を調整してもよい。

以上、本発明の各実施の形態について説明した。

なお、上記各実施の形態では、低圧側冷媒の熱交換器として、冷却液との熱交換を行う低温側水冷媒熱交換器を用いた構成を例にとって説明した。しかし、低圧側冷媒の熱交換器は、これに制限されるものではなく、空気との熱交換を行う熱交換器であってもよい。

また、上記各実施の形態では、冷媒として二酸化炭素を用いた構成を例にとって説明したが、その他の様々な冷媒を用いてもよい。また、高温側水冷媒熱交換器および低温側水冷媒熱交換器は、図示された具体的な構成に制限されるものではない。

また、上記各実施の形態では、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の外でも交わらない構成を例にとって説明した。しかしながら、システム構成によっては、低温側の冷却液の通路と高温側の冷却液の通路とが車両用ヒートポンプ装置の外で１本につながる構成としてもよい。

また、上記各実施の形態では、冷却液のポンプが車両用ヒートポンプ装置に備わる構成を例にとって説明したが、冷却液のポンプは車両温度調整システムに設けて、車両用ヒートポンプ装置から省いてもよい。

また、上記各実施の形態では、車両用ヒートポンプ装置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。

また、上記各実施の形態では、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機として電動圧縮機を用いた場合を例に説明した。しかし、本発明は、電動圧縮機に限らず、ベルト駆動式など、他の駆動方式による圧縮機を用いてもよい。

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、１ａ、１ｂ 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
１１０ 低温側水冷媒熱交換器
１１１ 高温側水冷媒熱交換器
１１２ 電動圧縮機
１１４ 膨張弁
１１５ 内部熱交換器
１３０、１３０ａ、１３０ｂ 流量制御部
１３１、１３２ 温度センサ
１３３ａ、１３３ｂ バイパス配管
１３４ａ、１３４ｂ パイパス弁
１３５ａ、１３５ｂ メイン配管
２ 車両用空調装置
２００ 冷房用空気水熱交換器
２０１ 暖房用空気水熱交換器
２０２ ブロワファン
２０３ 切換ドア
３ 発熱体
５ 第１のラジエータ
６ 第２のラジエータ
７ ファイアウォール

Claims (14)

1. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
   温熱を輸送する高温側冷却液と、高温高圧冷媒との間で熱交換を行う高温側水冷媒熱交換器と、
   冷熱を輸送する低温側冷却液と、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、
   前記低温側水冷媒熱交換器に導入する前記低温側冷却液と、前記高温側水冷媒熱交換器に導入する前記高温側冷却液との間で熱交換を行う内部熱交換器と、
   を具備する車両用ヒートポンプ装置。
2. 前記低温側水冷媒熱交換器に導入する前記低温側冷却液の流量、または前記高温側水冷媒熱交換器に導入する前記高温側冷却液の流量を制御する流量制御部を具備する、
   請求項１に記載の車両用ヒートポンプ。
3. 前記内部熱交換器を経由して、前記低温側水冷媒熱交換器へ至る前記低温側冷却液が流れる第１の通路と、
   前記内部熱交換器の導入側の通路から前記内部熱交換器の導出側の通路へ前記低温側冷却液をバイパスする第２の通路と、
   前記第２の通路を流れる前記低温側冷却液の流量を調整する流量調整機構と、
   を更に具備し、
   前記流量制御部は、前記流量調整機構を制御する、
   請求項２に記載の車両用ヒートポンプ装置。
4. 前記内部熱交換器を経由して、前記高温側水冷媒熱交換器へ至る前記高温側冷却液が流れる第１の通路と、
   前記内部熱交換器の導入側の通路から前記内部熱交換器の導出側の通路へ前記高温側冷却液をバイパスする第２の通路と、
   前記第２の通路を流れる前記高温側冷却液の流量を調整する流量調整機構と、
   を更に具備し、
   前記流量制御部は、前記流量調整機構を制御する、
   請求項２又は請求項３に記載の車両用ヒートポンプ装置。
5. 前記流量制御部は、
   前記圧縮機の運転開始からの経過時間または前記圧縮機の吸入過熱度に基づいて、前記低温側冷却液の流量、または前記高温側冷却液の流量を制御する、
   請求項２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. 前記流量制御部は、
   前記圧縮機の運転開始からの経過時間または前記圧縮機の吸入過熱度に基づいて、前記第２の通路を流れる前記低温側冷却液の流量を調整するよう前記流量調整機構を制御する、
   請求項３に記載の車両用ヒートポンプ装置。
7. 前記流量制御部は、
   前記圧縮機の運転開始からの経過時間または前記圧縮機の吸入過熱度に基づいて、前記第２の通路を流れる前記高温側冷却液の流量を調整するよう前記流量調整機構を制御する、
   請求項４に記載の車両用ヒートポンプ装置。
8. 前記流量制御部は、
   外気温度を取得し、取得した前記外気温度に基づいて前記圧縮機の目標吐出温度を決定し、前記圧縮機が吐出した高温高圧冷媒の吐出温度と前記目標吐出温度とに基づいて、前記流量調整機構を制御する、
   請求項３又は請求項４に記載の車両用ヒートポンプ装置。
9. 前記流量制御部は、
   前記圧縮機が吐出した高温高圧冷媒の吐出温度が前記目標吐出温度より小さい場合、前記圧縮機が吐出した高温高圧冷媒の吐出温度が前記目標吐出温度以上である場合と比べて、前記第２の通路を流れる前記低温側冷却液の流量が多くなるように前記流量調整機構を制御する、
   請求項８に記載の車両用ヒートポンプ装置。
10. 前記流量制御部は、
    前記圧縮機が吐出した高温高圧冷媒の吐出温度が前記目標吐出温度より小さい場合、前記圧縮機が吐出した高温高圧冷媒の吐出温度が前記目標吐出温度以上である場合と比べて、前記第２の通路を流れる前記高温側冷却液の流量が多くなるように前記流量調整機構を制御する、
    請求項８に記載の車両用ヒートポンプ装置。
11. 前記流量制御部は、
    前記圧縮機の目標吐出温度を決定し、前記圧縮機が吐出した高温高圧冷媒の吐出温度と前記目標吐出温度とに基づいて、前記低温側冷却液の流量、または前記高温側冷却液の流量を制御する、
    請求項５に記載の車両用ヒートポンプ装置。
12. 前記流量制御部は、
    外気温度および前記圧縮機の回転数を取得し、取得した前記外気温度および前記モータ回転数に基づいて前記圧縮機の目標吐出温度を決定する、
    請求項１１に記載の車両用ヒートポンプ装置。
13. 前記流量制御部は、
    前記圧縮機が吐出した高温高圧冷媒の吐出温度が前記目標吐出温度より小さい場合、前記圧縮機が吐出した高温高圧冷媒の吐出温度が前記目標吐出温度以上である場合と比べて、前記低温側冷却液の流量、または前記高温側冷却液の流量が少なくなるように制御する、
    請求項１１に記載の車両用ヒートポンプ装置。
14. 前記流量制御部は、
    前記低温側冷却液を循環させる低温側ポンプの回転数、または前記高温側冷却液を循環させる高温側ポンプの回転数を制御することにより、前記低温側冷却液の流量、または前記高温側冷却液の流量を制御する、
    請求項２から請求項１３のいずれかに記載の車両用ヒートポンプ装置。
    

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