JP2017197089A - 発電機能付き車両用空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制動動作によって車両が減速する際に生じる運動エネルギーを回収する効率を向上させることのできる発電機能付き車両用空気調和装置を提供する。
【解決手段】車室Ａ内の冷房及び除湿を行わない状態で、車両の制動動作によって生じる運動エネルギーによって圧縮機１１を駆動させ、圧縮機１１が吐出した冷媒によってタービン１８を回転させ、タービン１８の回転力によって発電機１９を駆動させている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、駆動力としてエンジンの動力に電動モータの動力を付加することが可能な所謂マイルドハイブリッドカーに適用される発電機能付き車両用空気調和装置に関するものである。

従来、この種の車両用空気調和装置としては、車両走行用のエンジンで駆動する圧縮機、凝縮器、膨張手段及び蒸発器が接続され、車室内の冷房または除湿を行う際に車室内に供給する空気を冷却するための冷媒回路を備えたものが知られている。

また、前記車両用空気調和装置が適用される車両としては、電動モータとしての機能及び発電機としての機能を有するモータジェネレータと、バッテリと、を備えたものが知られている。この車両は、走行を開始する際や走行中において加速する際にモータジェネレータを電動モータとして機能させてエンジンの駆動力に加えてモータジェネレータの駆動力を付加している。また、この車両は、制動動作によって減速する際に生じる運動エネルギーを利用してモータジェネレータを発電機として駆動させ、モータジェネレータが発電した電力をバッテリに貯えている。これにより、この車両では、エンジンの駆動によって消費される燃料の消費量の低減を図っている。

しかし、前記車両では、制動動作の際にモータジェネレータが発電する電力量や、バッテリの充電電流が小さく、制動動作によって減速する際の運動エネルギーを十分に回収できていない。

そこで、前記車両用空気調和装置が適用された車両では、制動動作によって減速する際に生じる運動エネルギーを冷媒回路に接続された圧縮機を駆動させるエネルギーとして回収し、車室内の冷房または除湿によって消費される燃料の消費量を低減させるようにしたものが考えられている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６１−７７５１７号公報

しかし、前記車両用空気調和装置では、例えば冬季など外気温が低い環境での車両の走行時において、エンジンから排出される熱を利用して車室内に供給する空気を加熱することで車室内の暖房を行っている。したがって、前記車両用空気調和装置では、車室内の暖房を行う場合や空調を行わない場合など、冷房及び除湿を行わない状態において、冷媒回路が利用されることはなく、圧縮機は停止した状態となっている。このため、前記車両用空気調和装置では、冷房及び除湿を行わない状態において、制動動作によって車両が減速する際に生じる運動エネルギーを回収することができない。

本発明の目的とするところは、制動動作によって車両が減速する際に生じる運動エネルギーを回収する効率を向上させることのできる発電機能付き車両用空気調和装置を提供することにある。

本発明は、前記目的を達成するために、車両走行用のエンジンで駆動する圧縮機、凝縮器、膨張手段及び蒸発器が接続され、車室内の冷房または除湿に用いられる冷媒回路と、膨張手段を迂回して凝縮器の冷媒流出側の冷媒流路と蒸発器の冷媒流入側の冷媒流路とを接続するバイパス流路と、バイパス流路を流通する冷媒によって駆動するタービンと、タービンから出力された回転力によって駆動する発電機と、車室内の冷房及び除湿を行わない状態で、車両の制動動作によって生じる運動エネルギーによって圧縮機を駆動させ、圧縮機が吐出した冷媒によってタービンを駆動させ、タービンから出力された回転力によって発電機を駆動させる発電機駆動手段と、を備えている。

これにより、車室内の冷房及び除湿を行わない状態で、車両の制動動作によって生じる運動エネルギーによって発電機が駆動されることから、車室内の冷房及び除湿に使用されていない冷媒回路を用いて車両の制動動作によって生じる運動エネルギーが電力として回収される。

本発明によれば、車室内の冷房及び除湿に使用されていない冷媒回路を用いて車両の制動動作によって生じる運動エネルギーを電力として回収することができるので、制動動作によって生じる運動エネルギーを回収する効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態を示す車両用空気調和装置の概略構成図である。 制御系を示すブロック図である。 発電動作制御処理を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態を示す車両用空気調和装置の概略構成図である。

図１乃至図３は、本発明の一実施形態を示すものである。

本発明の発電機能付き車両用空気調和装置は、エンジンＥの動力を駆動力とする走行、または、エンジンＥの動力及び電動モータの動力を駆動力とする走行が可能な車両に適用されるものである。この車両は、電動モータとしての機能及び発電機としての機能を有するモータジェネレータと、リチウムイオンバッテリ等のバッテリと、を備えている。この車両は、走行を開始する際や走行中に加速する際に、モータジェネレータを電動モータとして機能させることで、エンジンＥの動力及びモータジェネレータの動力を駆動力として走行する。またこの車両は、制動動作によって減速する際にモータジェネレータを発電機として機能させることで、モータジェネレータが発電した電力をバッテリに貯えている。

この空気調和装置１は、図１に示すように、車室Ａ内に供給する空気を冷却するための冷媒回路１０を備えている。

冷媒回路１０には、エンジンＥによって駆動する圧縮機１１と、圧縮機１１から吐出された冷媒を凝縮するための凝縮器１２と、凝縮器１２によって凝縮された冷媒を減圧するための膨張手段としての膨張弁１３と、膨張弁１３によって減圧された冷媒を蒸発させるための蒸発器１４と、を備えている。また、冷媒回路１０には、凝縮器１２から流出した冷媒と蒸発器１４から流出した冷媒とを熱交換するための内部熱交換器１５と、圧縮機１１の液圧縮を防止するために気体の冷媒と液体の冷媒とを分離するためのアキュムレータ１６と、を備えている。

さらに、冷媒回路１０には、膨張弁１３を迂回して内部熱交換器１５の高圧冷媒流出側（凝縮器１２の冷媒流出側）を蒸発器１４の冷媒流入側に接続するバイパス流路１７が設けられている。また、冷媒回路１０には、内部熱交換器１５の高圧冷媒流出側の冷媒流路を膨張弁１３側またはバイパス流路１７側に切り替えるための流路切替手段としての三方弁１７ａが設けられている。

バイパス流路１７には、バイパス流路１７を流通する冷媒の運動エネルギーを回転運動に変換するためのタービン１８が設けられている。タービン１８の回転軸には、発電機１９が連結されている。

圧縮機１１は、例えば、斜板式の可変容量型圧縮機であり、斜板の角度を変化させることで冷媒の吐出量を変化させることが可能である。圧縮機１１は、ベルトとプーリ等の動力伝達装置１１ａを介してエンジンＥに連結されており、エンジンＥの動力で駆動する。また、圧縮機１１の駆動軸には、電磁式のクラッチ１１ｂを介して動力伝達装置１１ａが連結されており、クラッチ１１ｂによって圧縮機１１の駆動軸に対するエンジンＥの動力の伝達と伝達の遮断とが切り替えられる。さらに、圧縮機１１は、車両の制動動作によって減速する際の運動エネルギーが動力伝達装置１１ａを介して作用することによっても駆動する。

三方弁１７ａは、電磁式の三方弁であり、後述するコントローラからの制御信号を受信して弁体内の流路を切り替えるものである。

タービン１８は、例えば、スクロール型の膨張機であり、バイパス流路１７を流通する冷媒によって回転動力を出力するものである。バイパス流路１７を流通する冷媒は、タービン１８を通過することで減圧された後に蒸発器１４に流入する。タービン１８は、回転軸の回転を規制するための冷媒貯留手段としての回転ロック機構１８ａを有しており、回転ロック機構１８ａによって回転軸の回転が自在な状態とロックされた状態との切り替えが可能である。

発電機１９は、タービン１８から出力された回転力が入力されて駆動するものである。発電機１９が発電した電力は、モータジェネレータを電動モータとして機能させる際に利用される電力としてバッテリに貯えられる。

また、空気調和装置１は、圧縮機１１の容量制御、三方弁１７ａの動作制御及び回転ロック機構１８ａの動作を制御するためのコントローラ２０を備えている。

コントローラ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ，ＲＡＭを有している。コントローラ２０は、入力側に接続された装置からの入力信号を受信すると、ＣＰＵが、入力信号に基づいてＲＯＭに記憶されたプログラムを読み出すとともに、入力信号によって検出された状態をＲＡＭに記憶したり、出力側に接続された装置に出力信号を送信したりする。

コントローラ２０の入力側には、図２に示すように、エンジンＥと、バイパス流路１７におけるタービン１８の冷媒流入側の圧力を検出するための圧力センサ２１と、が接続されている。また、コントローラ２０の出力側には、圧縮機１１、クラッチ１１ｂ、三方弁１７ａ及び回転ロック機構１８ａ、が接続されている。

以上のように構成された発電機能付き車両用空気調和装置において、空気調和装置１は、車室Ａ内の空気を冷却する冷房運転及び車室Ａ内の空気を除湿する除湿運転を行う。冷房運転及び除湿運転では、三方弁１７ａによって冷媒回路１０の流路を膨張弁１３側に設定する。また、冷房運転及び除湿運転では、クラッチ１１ｂによって圧縮機１１の駆動軸に対してエンジンＥの動力が伝達される状態とする。さらに、冷房運転及び除湿運転では、圧縮機１１の容量が、車室内外の空気の温度や、車室内に吹き出す空気の目標温度等に基づいて調整される。

これにより、圧縮機１１は、エンジンＥの動力によって駆動する。圧縮機１１から吐出された冷媒は、凝縮器１２において車室Ａ外の空気と熱交換することにより放熱して液化する。凝縮器１２から流出した冷媒は、内部熱交換器１５において蒸発器１４から流出した冷媒と熱交換することにより過冷却の状態となる。内部熱交換器１５から流出した冷媒は、膨張弁１３において減圧された後、蒸発器１４において車室Ａ内に供給する空気と熱交換することにより蒸発する。蒸発器１４から流出した冷媒は、内部熱交換器１５において凝縮器１２から流出した冷媒と熱交換した後、アキュムレータ１６を介して圧縮機１１に吸入される。

また、空気調和装置１は、車室Ａ内の空気を加熱する暖房運転を行う。暖房運転では、エンジンＥの図示しないウォータジャケットを流通して加熱された冷却水と、車室Ａ内に供給する空気と、を図示しないヒータコアにおいて熱交換することで、車室Ａ内に供給する空気を加熱している。したがって、暖房運転における空気調和装置１では、冷媒回路１０が利用されないため、クラッチ１１ｂによって圧縮機１１の駆動軸に対するエンジンＥの動力の伝達を遮断した状態とする。

また、空気調和装置１は、冷房運転及び除湿運転を行わない状態において、走行する車両の制動動作によって減速する際の運動エネルギーを利用して発電機１９を駆動させる発電機駆動手段としての発電運転を行う。発電運転では、三方弁１７ａによって冷媒回路１０の流路をバイパス流路１７側に設定するとともに、クラッチ１１ｂによって圧縮機１１の駆動軸に対してエンジンＥの動力が伝達される状態とする。

これにより、圧縮機１１は、車両の制動動作によって減速する際の運動エネルギーによって駆動する。また、回転ロック機構１８ａのロックを解除すると、冷媒回路１０を流通する冷媒は、膨張弁１３によって減圧されることはなく、タービン１８を通過することで減圧される。タービン１８は、回転ロック機構１８ａのロックを解除すると、流通する冷媒によって駆動する。発電機１９は、タービン１８から出力された回転力が入力されることで駆動する。発電機１９において発電した電力は、バッテリに充電される。

ここで、暖房運転と同時に発電運転を行う空気調和装置１では、車室Ａ内に供給される空気が蒸発器１４を流通する冷媒と熱交換するため、車室Ａ内に供給される空気が冷却されることになる。しかし、蒸発器１４で冷却された空気は、ヒータコアを流通する加熱された冷却水によって再び加熱されて車室Ａ内に供給される。

発電運転において、コントローラ２０は、空気調和装置１の運転状態、車両の走行状態及び冷媒回路１０内の圧力に基づいて、冷媒回路１０の流路、圧縮機１１の容量及び回転ロック機構１８ａの設定を切り替える発電動作制御処理を行う。この時のコントローラ２０の動作を図３のフローチャートを用いて説明する。

（ステップＳ１）
ステップＳ１においてＣＰＵは、空気調和装置１が冷房運転または除湿運転を行っているか否かを判定する。冷房運転または除湿運転を行っていると判定した場合には発電動作制御処理を終了し、冷房運転または除湿運転を行っていると判定しなかった場合にはステップＳ２に処理を移す。

（ステップＳ２）
ステップＳ１において空気調和装置１が冷房運転または除湿運転を行っていると判定しなかった場合に、ステップＳ２においてＣＰＵは、冷媒回路１０の冷媒流路をバイパス流路１７側に設定し、ステップＳ３に処理を移す。

（ステップＳ３）
ステップＳ３においてＣＰＵは、車両が制動動作によって減速しているか否かを判定する。制動動作によって減速していると判定した場合にはステップＳ４に処理を移し、制動動作によって減速していると判定しなかった場合にはステップＳ１に処理を移す。
ここで、車両が制動動作によって減速している状態は、エンジンＥの回転数の変化量等のエンジンＥの状態に基づいて検出される。

（ステップＳ４）
ステップＳ３において車両が制動動作によって減速していると判定した場合に、ステップＳ４においてＣＰＵは、クラッチ１１ｂをオンにすることで圧縮機１１の駆動軸に対してエンジンＥの動力が伝達される状態とし、ステップＳ５に処理を移す。

（ステップＳ５）
ステップＳ５においてＣＰＵは、圧縮機１１の容量を所定の容量に設定し、ステップＳ６に処理を移す。

（ステップＳ６）
ステップＳ６においてＣＰＵは、圧力センサ２１の検出圧力Ｐが第１所定圧力Ｐ１（例えば、１ＭＰａ）以上であるか否かを判定する。第１所定圧力Ｐ１以上であると判定した場合にはステップＳ７に処理を移し、第１所定圧力Ｐ１以上であると判定しなかった場合にはステップＳ１に処理を移す。

（ステップＳ７）
ステップＳ６において圧力センサ２１の検出圧力Ｐが第１所定圧力Ｐ１以上であると判定した場合に、ステップＳ７においてＣＰＵは、回転ロック機構１８ａによるタービン１８の回転軸のロックを解除し、ステップＳ８に処理を移す。

（ステップＳ８）
ステップＳ８においてＣＰＵは、圧力センサ２１の検出圧力Ｐが第１所定圧力Ｐ１よりも小さい第２所定圧力Ｐ２以下であるか否かを判定する。第２所定圧力Ｐ２以下であると判定した場合にはステップＳ９に処理を移し、第２所定圧力Ｐ２以下であると判定しなかった場合にはステップＳ７に処理を移す。

（ステップＳ９）
ステップＳ８において圧力センサ２１の検出圧力Ｐが第２所定圧力Ｐ２以下であると判定した場合に、ステップＳ９においてＣＰＵは、回転ロック機構１８ａによってタービン１８の回転軸をロックし、ステップＳ１０に処理を移す。

（ステップＳ１０）
ステップＳ１０においてＣＰＵは、クラッチ１１ｂをオフにすることで圧縮機１１の駆動軸に対してエンジンＥの動力の伝達を遮断した状態とし、ステップＳ１１に処理を移す。

（ステップＳ１１）
ステップＳ１１においてＣＰＵは、冷媒回路１０の冷媒流路を膨張弁１３側に設定し、発電動作制御処理を終了する。

このように、本実施形態の発電機能付き車両用空気調和装置によれば、車室Ａ内の冷房及び除湿を行わない状態で、車両の制動動作によって生じる運動エネルギーによって圧縮機１１を駆動させ、圧縮機１１が吐出した冷媒によってタービン１８を駆動させ、タービン１８から出力された回転力によって発電機１９を駆動させている。

これにより、車室Ａ内の冷房及び除湿に使用されていない冷媒回路１０を用いて車両の制動動作によって生じる運動エネルギーを電力として回収することができるので、制動動作によって生じる運動エネルギーを回収する効率を向上させることができる。

また、凝縮器１２から流出する冷媒の流路を膨張弁１３側またはバイパス流路１７側に切り替えるための三方弁１７ａを備えている。

これにより、内部熱交換器１５の高圧側（凝縮器１２）から流出した全ての冷媒によってタービン１８を駆動させることができるので、確実にタービン１８を駆動させることができ、車両の制動動作によって生じる運動エネルギーをより効率的に回収することが可能となる。

また、冷媒回路１０内にタービン１８を駆動させる冷媒を貯えるための回転ロック機構１８ａを備えている。

これにより、一回の制動動作によって生じる運動エネルギーが小さい場合に、複数回の制動動作によって貯えられた冷媒でタービン１８を駆動させることが可能となり、制動動作によって生じる運動エネルギーを電力として確実に回収することが可能となる。

また、タービン１８の回転軸をロックすることによって貯えられた冷媒の圧力を検出するための圧力センサ２１を備え、圧力センサ２１の検出圧力Ｐが第１所定圧力Ｐ１以上になると、タービン１８の回転軸をロックを解除して貯えられた冷媒によってタービン１８を駆動させている。

これにより、簡単な制御系によって冷媒回路１０内に冷媒を貯えて、貯えた冷媒によってタービン１８を駆動させることができるので、製造コストの低減を図ることができる。

また、本発明の車両用空気調和装置は、既存の車両用空気調和装置に対して、バイパス流路１７、三方弁１７ａ、タービン１８及び発電機１９を付加することによって構成することが可能である。このため、既存の車両用空気調和装置から本発明の車両用空気調和装置への設計変更が容易である。

また、本発明の車両用空気調和装置は、車室Ａ内の空調を行わない状態において、車両の走行時のエネルギー消費量の低減に貢献することが可能なものである。このため、本発明の車両用空気調和装置は、車両のカタログ等に表記される燃費のように、車室Ａ内の空調を行わないことを基準として測定される車両の燃費を向上させることが可能である。

尚、前記実施形態では、冷媒貯留手段として、回転ロック機構１８ａによってタービン１８の回転軸の回転を規制することでタービン１８の冷媒流入側の冷媒流路に冷媒を貯えるようにしたものを示したが、これに限られるものではない。タービン１８の冷媒流入側の冷媒流路に冷媒を貯えることが可能であれば、図４に示すように、バイパス流路１７のタービン１８の冷媒流通方向の上流側に電磁式の開閉弁１７ｂを設けるようにしてもよい。

また、前記実施形態では、内部熱交換器１５およびアキュムレータ１６が接続された冷媒回路１０を示したが、これに限られるものではない。少なくとも圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器が接続された冷媒回路であれば、本発明を適用することが可能である。

１…空気調和装置、１０…冷媒回路、１１…圧縮機、１２…凝縮器、１３…膨張弁、１４…蒸発器、１７…バイパス流路、１７ａ…三方弁、１７ｂ…開閉弁、１８…タービン、１８ａ…回転ロック機構、１９…発電機、２０…コントローラ、２１…圧力センサ、Ｅ…エンジン。

Claims (4)

1. 車両走行用のエンジンで駆動する圧縮機、凝縮器、膨張手段及び蒸発器が接続され、車室内の冷房または除湿に用いられる冷媒回路と、
   膨張手段を迂回して凝縮器の冷媒流出側の冷媒流路と蒸発器の冷媒流入側の冷媒流路とを接続するバイパス流路と、
   バイパス流路を流通する冷媒によって駆動するタービンと、
   タービンから出力された回転力によって駆動する発電機と、
   車室内の冷房及び除湿を行わない状態で、車両の制動動作によって生じる運動エネルギーによって圧縮機を駆動させ、圧縮機が吐出した冷媒によってタービンを駆動させ、タービンから出力された回転力によって発電機を駆動させる発電機駆動手段と、を備えた
   発電機能付き車両用空気調和装置。
2. 凝縮器から流出する冷媒の流路を、膨張手段側またはバイパス流路側に切り替える流路切替手段を備えた
   請求項１に記載の発電機能付き車両用空気調和装置。
3. 冷媒回路内にタービンを駆動させる冷媒を貯える冷媒貯留手段を備えた
   請求項１または２に記載の発電機能付き車両用空気調和装置。
4. 冷媒貯留手段によって貯えられた冷媒の圧力を検出する圧力センサと、
   圧力センサの検出した圧力が所定の圧力以上になると、冷媒貯留手段によって貯えられた冷媒によってタービンを駆動させる発電動作制御手段と、を備えた
   請求項３に記載の発電機能付き車両用空気調和装置。

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