JP3736847B2 - 空調装置及び空調方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調装置及び空調方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境保護の観点から電気自動車の需要が拡大しつつあるが、電気自動車のバッテリーの能力は十分でないことから、エンジンを走行補助用もしくは発電用に用いるハイブリッド型の電気自動車や燃料電池を発電用に用いる電気自動車が提案されている。
【０００３】
走行補助用エンジンを備えたハイブリッド型電気自動車の場合には、市街地を走行する時には車両駆動用モータによって走行し、バッテリの残量が少なくなったり郊外を走行する時にはエンジンによって走行するのである。また、発電用エンジンを備えたハイブリッド型電気自動車の場合には、車両駆動用モータによって走行し、バッテリの残量が少なくなった時にはエンジンを始動してバッテリを充電するのである。
【０００４】
ところで、現在の電気自動車の空調装置においては、冷凍サイクルの圧縮機（開放型）を車両駆動用モータで駆動するのが一般的であるものの、上述したハイブリッド型の電気自動車の空調装置においては、エンジンが駆動状態の場合には、エンジンで圧縮機を駆動することにより車室内を冷房し、またエンジンが停止状態の場合は車両駆動用モータにより圧縮機を駆動するとともに、エンジンの停止状態でバッテリーの残量が少なくなったときはエンジンを始動して圧縮機を駆動することにより車室内を冷房することが考えられる。
【０００５】
しかしながら、エンジンの回転を圧縮機に伝達する機構と、車両駆動用モータの回転を圧縮機に伝達する機構という２つの機構が必要となるとともに、それらの駆動方式を切替えるためのクラッチが必要となることから、システムが複雑となりコスト高となっていた。
【０００６】
一方、暖房運転時には、エンジン冷却水が供給されるヒータコアに対して単に送風することにより車室内を暖房するようにしているので、エンジン起動時など冷却水の温度が低い場合などは、車室内の空調温度が目標の温度に到達するまでの時間が長くなっていた。また、低外気温時などには暖房能力も不足するため、PTCヒータを補助加熱手段に用いて、エンジン冷却水を加熱していた。ハイブリッド型の電気自動車でなくとも、近年の自動車のエンジンは高性能化してきており、エンジンからの放熱量が減少したため、同様にPTCヒータを補助加熱手段に用いて、エンジン冷却水を加熱していた。PTCヒータ等の電気ヒータを補助加熱手段に用いるため、ヒートポンプ式暖房と比較すると暖房効率が低かった。
【０００７】
このため、従来技術では、図１０に示すように、電動圧縮機１０４（密閉型）を用いてヒートポンプ式冷凍サイクルを構成し、その冷媒回路に暖房時の補助加熱手段として冷媒水熱交換器１０１を新たに設けて、暖房運転が指示された場合にエンジン冷却水の温度が設定温度以下のときは、第１の電磁弁１０２を閉鎖してかつ第２の電磁弁１０３を開放した状態で電動圧縮機１０４を駆動していた（特許文献１参照。）。
【０００８】
これにより、冷媒水熱交換器１０１のみが凝縮器として機能するとともに蒸発器１０５には冷媒が供給されない。この結果、蒸発器１０５には低温の冷媒が流れないので送風空気を冷却することなく、冷媒水熱交換器１０１で補助加熱されたエンジン冷却水がヒータコア１０６を流れ、ダクト内の送風空気を加熱することができるので、エンジン冷却水の温度が低い場合でもPTCヒータなしで暖房能力を高めることができていた。
【０００９】
【特許文献１】
特開平９−６６７２２号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このような空調装置の場合は、冷却水を加熱するために、加熱手段として冷媒水熱交換器１０１を追加して備えている。このため、暖房時には、蒸発器１０５に冷媒が流入しないように、電磁弁１０２，１０３、減圧弁１０８，１０９、室外熱交換器１０７等が必要となり、省スペース化が困難であるという課題を有している。
【００１１】
また、蒸発器１０５が着霜すると、徐霜運転を行うため、断続運転をし、快適性が損なわれていた。
【００１２】
本発明は、上記従来の空調装置の課題を考慮し、省スペース化が達成でき、又快適性を損なうことなく着霜を回避することが可能な空調装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１の本発明は、送風用ダクト（１）内に配設され、冷媒の蒸発により空気を冷却する蒸発器（２）と、蒸発した前記冷媒を高温高圧にする圧縮器（３）と、前記圧縮器（３）から排出された前記冷媒からの伝熱によって、冷却水を加熱する第１の冷媒水熱交換器（３０）と、前記第１の冷媒水熱交換器（３０）から排出された前記冷媒の減圧を制御するための第１の減圧器（３１）と、前記第１の減圧器（３１）から排出された前記冷媒と前記冷却水との間で、熱の授受を行うための第２の冷媒水熱交換器（３２）と、前記第２の冷媒水熱交換器（３２）から排出された前記冷媒の減圧を制御するための第２の減圧器（３３）と、前記第２の減圧器（３３）によって減圧制御された前記冷媒の温度を測定する蒸発器入口冷媒温度検出手段（３４）と、前記蒸発器入口冷媒温度検出手段（３４）によって検出された値を用いて、前記第１の減圧器（３１）と前記第２の減圧器（３３）を制御する制御手段（３５）とを有する冷凍サイクル（３６）と、
前記送風用ダクト（１）内の送風方向を基準にして前記蒸発器（２）の下流側に設置され、加熱された前記冷却水により、送風空気を温めるヒータコア（６，２４）と、前記冷却水を冷却するためのラジエータ（７）と、前記ラジエータ（７）によって冷却された前記冷却水を循環させるためのポンプ（８）と、前記ポンプ（８）より送り込まれた前記冷却水を用いて、冷却される動力機関（９）と、前記第１の冷媒水熱交換器（３０）と、前記第２の冷媒水熱交換器（３２）とを有する冷却水サイクル（３７）とを備えた空調装置である。
【００１４】
また、第２の本発明は、前記制御手段（３５）は、前記蒸発器入口冷媒温度が、前記蒸発器に霜が付着する温度よりも低い場合は、前記第１の減圧器（３１）にて、前記冷媒が減圧されるように圧力制御し、かつ前記第２の減圧器（３３）を開放し、前記蒸発器（２）に霜が付着する温度よりも高い場合は、前記第１の減圧器（３１）を開放し、かつ前記第２の減圧器（３３）にて、前記冷媒が減圧されるように圧力制御を行う制御手段（３５）である第１の本発明の空調装置である。
【００１５】
また、第３の本発明は、前記冷媒水熱交換器（３０、３２）は、前記冷媒の流通方向と前記冷却水の流通方向が、逆である冷媒水熱交換器（３０、３２）である第１の本発明の空調装置である。
【００１６】
また、第４の本発明は、前記冷媒水熱交換器（３０、３２）は、前記圧縮器の周囲に巻き付けられている冷媒水熱交換器（３０、３２）である第１の本発明の空調装置である。
【００１７】
また、第５の本発明は、前記冷媒として二酸化炭素を用いる第３の本発明の空調装置である。
【００１８】
また、第６の本発明は、前記冷却水の前記ヒータコアへの入口と出口を繋ぐ、前記ヒータコアを経由しないためのバイパス（１１）と、前記ヒータコア（６）の入口の前記バイパス（１１）の分岐部に設置された三方弁（１０）と、運転モードによって、前記三方弁（１０）の開度を制御するための制御手段（１２）とを更に備えた第１の本発明の空調装置である。
【００１９】
また、第７の本発明は、前記送風用ダクト（１）は、車両内に空気を送風する送風用ダクトであり、前記動力機関（９）は、車両用の動力機関である第１の本発明の空調装置である。
【００２０】
また、第８の本発明は、第４の本発明の空調装置を用いて、空調する空調方法であって、前記送風用ダクト（１）内にて前記冷媒の蒸発により前記送風空気を冷却する蒸発工程と、蒸発した前記冷媒を高温高圧にする圧縮工程と、前記圧縮工程から排出された前記冷媒からの伝熱によって、冷却水を加熱する第１の冷媒水熱交換工程と、前記第１の冷媒水熱交換工程から排出された前記冷媒の減圧を制御する第１の減圧工程と、前記第１の減圧工程から排出された前記冷媒と前記冷却水との間で熱の授受を行うための第２の冷媒水熱交換工程と、前記第２の冷媒水熱交換工程から排出された前記冷媒の減圧を制御する第２の減圧工程と、前記第２の減圧工程によって減圧制御された前記冷媒の温度を測定する蒸発器入口冷媒温度検出工程と、前記蒸発器入口冷媒温度検出工程によって検出された値を用いて、前記第１の減圧工程と前記第２の減圧工程とを制御する工程とを有する冷凍サイクル工程と、
前記送風用ダクト（１）内の送風方向を基準にして前記蒸発器（２）の下流側に設置された前記ヒータコア（６、２４）内の加熱された前記冷却水によって、送風空気を温める工程と、前記冷却水を前記ラジエータ（７）によって、冷却する工程と、前記ラジエータ（７）によって冷却された前記冷却水を循環させる工程と、前記ポンプ（８）より送り込まれた前記冷却水を用いて、前記動力機関（９）が冷却される工程と、前記第１の冷媒水熱交換工程と前記第２の冷媒水熱交換工程とを有する冷却水サイクル工程とを備えた空調方法である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明に関連する発明の実施の形態１における車両用空調装置を示す構成図である。本実施の形態１の車両用空調装置は、冷凍サイクル１３と冷却水サイクル１４と車両内に、温度調整した空気を送り込む送風用ダクト１とを有している。
【００２３】
ここで、冷凍サイクル１３は、送風用ダクト１内に、冷媒の蒸発により空気を冷却する蒸発器２を有している。また、蒸発器２にて蒸発した冷媒の圧力を高める圧縮器３が設置されている。圧縮器３から排出された冷媒によって、冷却水を加熱する冷媒水熱交換器４が設置されている。さらに、冷媒水熱交換器４から排出された冷媒を蒸発器２に送り込む前に減圧する減圧器５を有している。
【００２４】
また、冷却水サイクル１４は、送風用ダクト１内の送風方向を基準にして、蒸発器２の下流側に設置されているヒータコア６を有している。さらに、冷却水を冷却するラジエータ７と、ラジエータ７で冷却された冷却水を循環させるポンプ８が設置されている。また、冷却水によって冷却される本車両の動力機関９が設置されている。さらに、冷却水によって冷媒を温める冷媒水熱交換器４が設置されている。また、動力機関９とは、例えばエンジンあるいは燃料電池などの発熱源となるものである。
【００２５】
ここで、冷媒水熱交換器４における、冷却水の入口側が、冷媒の出口側となり、冷却水の出口側が、冷媒の入口側となっている。すなわち、冷却水の流れる方向と冷媒の流れる方向は、逆方向となっている。
【００２６】
なお、冷媒水熱交換器４の出口とヒータコア６の入口との間に、三方弁１０が設置されており、また、三方弁１０を一端とし、ヒータコア６の出口とラジエータ７の入口の間を他端として接続するバイパス回路１１を備えている。さらに、運転モードによって三方弁１０の開方向を制御する制御手段１２が備えられている。ここで、冷却水がバイパス回路１１に流れる方向をＡ方向、ヒータコア６に流れる方向をＢ方向とする。図１における、矢印は、Ａ方向、Ｂ方向をそれぞれ示している。また、三方弁１０を制御するために、制御手段１２が設けられている。
【００２７】
上記構成の車両用空調装置の動作について図２のフローチャートを用いて以下に説明する。
【００２８】
はじめに、ステップ４０にて空調装置の運転モードが冷房モードであるか、暖房除湿モードであるかが検知される。
【００２９】
ここで、冷房モードと検知された場合は、ステップ４１に移り、三方弁１０はバイパス回路１１に、高温の冷却水が流れるように制御される。なお、図１において、図１のＡ方向の矢印の向きに冷却水が流れる。
【００３０】
以下に冷房モード時の冷凍サイクル１３と冷却水サイクル１４の動作について説明する。
【００３１】
冷房モード時の冷凍サイクル１３では、空調装置の運転が開始されると、圧縮器３で圧縮されて高温高圧のガスとなった冷媒は、冷媒水熱交換器４にて冷却水に放熱する。次に、冷媒水熱交換器４によって放熱された冷媒は、減圧器５で減圧されて低温低圧の気液二相状態となって、蒸発器２に導入される。この蒸発器２では、冷媒は室内の空気からの吸熱により蒸発して気液二相、又はガス状態となり、圧縮器３で圧縮される。これにより、送風用ダクト１内を流れる送風空気は、蒸発器２で冷却および除湿される。
【００３２】
また、冷却水サイクル１４では、冷却水はポンプ８により、動力機関９に圧送され、動力機関９にて加熱される。続いて、冷媒水熱交換器４にて、冷媒からの熱伝達によって、冷却水は加熱される。次に、三方弁１０がバイパス回路１１に冷却水が流れる方向に開いているため、高温の冷却水は、バイパス回路１１を流れる。このため、高温の冷却水は、ヒータコア６には流れないので、送風用ダクト１内の送風空気は加熱されない。最後にステップ４０に戻る。
【００３３】
また、ステップ４０にて暖房除湿モードであると検知された場合は、ステップ４２に移り、三方弁１０は、ヒータコア６に冷却水が流れるように制御される。図１では、Ｂ方向の矢印の向きに冷却水は流れる。
【００３４】
以下に暖房除湿モード時の冷凍サイクル１３と冷却水サイクル１４について説明する。
【００３５】
暖房除湿モード時の冷凍サイクル１３は、冷房モード時の動作と同じであり、省略する。ここで、冷凍サイクル１３は送風用ダクト１内の送風空気の除湿機能として作用する。また、冷却水サイクル１４では、動力機関９及び冷媒水熱交換器４にて加熱された高温の冷却水は、ヒータコア６に流れる。ここで、送風ダクト１内の送風空気が温められる。
【００３６】
このように、暖房モード時にも、除湿用として冷凍サイクル１３を用いることによって、従来例のように、電磁弁１０２，１０３、減圧弁１０８，室外熱交換器１０７等が必要ではなくなり、省スペース化が図ることが出来る。
【００３７】
また、暖房除湿モードは、外気温が低い場合に、車両のフロントガラスの曇りを取ることが出来る。
【００３８】
（実施の形態２）
本発明に関連する発明の実施の形態２における車両用空調装置は、基本的な構成は、実施の形態１と同じであるため、相違点を中心に説明する。なお、実施の形態１と同一の構成要素については、同一番号を付している。
【００３９】
図３は、本発明に関連する発明の実施の形態２における車両用空調装置の構成図である。
【００４０】
冷凍サイクル２６の構成は、実施の形態１と同じであるため省略する。また、冷却水サイクル２７は、実施の形態１と異なり、三方弁１０、バイパス回路１１及び制御手段１２を有していない。さらに、動力機関９とポンプ８の間に三方弁２０が設置されており、また、三方弁２０を一端とし、動力機関出口水温検出手段２１と冷媒水熱交換器４との間を他端として接続するバイパス２２を備えている。
【００４１】
また、動力機関出口水温検出手段２１にて検出された値を用いて、三方弁２０の開方向を制御する制御手段２３が備えられている。なお、冷却水が動力機関１５に流れる方向をＣ方向、バイパス２２に流れる方向をＤ方向とする。図３の矢印は、Ｃ方向、Ｄ方向をそれぞれ示している。
【００４２】
なお、実施の形態２のヒータコア２４は、実施の形態１のヒータコア６と異なり、ダンパー２５を備えている。ここで、ダンパー２５は、開閉することが出来る。ダンパー２５が開いているときは、ヒータコア２４を送風空気が通り、ダンパー２５が閉まっているときは、ヒータコア２４への送風空気の流入を遮断する。図３では、ダンパー２５の開いている状態を、二点鎖線で、閉じている状態を、実線で示している。
【００４３】
上記構成の車両用空調装置の動作について以下に説明する。まず、冷房モード時の動作について説明する。なお、冷凍サイクル２６では、実施の形態１と同様の動作が行われるため省略する。
【００４４】
冷却水サイクル２７では、三方弁２０は、動力機関９に冷却水が流れるように制御される。また、ポンプ８により圧送された冷却水は、動力機関９にて加熱されたのち、冷媒水熱交換器４にてさらに加熱される。そしてヒータコア２４を冷却水は流れ、ラジエータ７にてさらに放熱されたのち、ポンプ８に戻る。ここで、ヒータコア２４のダンパー２５は、閉まっているため、送風空気は、ヒータコア２４を通ることが出来ないため、温められない。
【００４５】
次に、暖房除湿モード時での三方弁２０の動作を図４のフローチャートを用いて説明する。なお、冷凍サイクル２６では、実施の形態１と同様の動作が行われるため省略する。
【００４６】
冷却水サイクル２７では、はじめに、暖房除湿モードの運転が開始されると、ステップ５０で動力機関出口水温検出手段２１にて検出された冷却水温Ｔ１と、希望の設定温度Ｔｘ１（例えば４０℃）が比較される。このＴｘ１の値は、暖房除湿運転時に室内側の吹き出し空気温度が快適性を損なわないように設定された値である。なお、暖房除湿モードでは、ダンパー２５が開き、設定温度Ｔｘ１に合わせて開度が調整されている。
【００４７】
続いて、Ｔ１がＴｘ１より小さい場合には、動力機関９の温度が低い状態であることを示しているため、ステップ５１に移る。ここで、三方弁２０はＤ方向に冷却水が流れるように制御することにより、冷却水はバイパス２２を流れて動力機関９には流れず、ヒータコア２４には冷媒水熱交換器４で加熱された冷却水のみが循環される。このため、低温の動力機関９により、冷却水が放熱される熱量を小さくできるので、より早くヒータコア２４に流れる冷却水の温度を上昇させることができる。
【００４８】
そして、ダンパー２５が開いているヒーターコア２４に流入した送風空気は、加温された冷却水によって温められる。この制御を行った後、ステップ５０に戻る。
【００４９】
一方、ステップ５０にてＴ１がＴｘ１以上の場合には、動力機関９の温度が十分高くなり冷却水の温度が一定値以上の状態であることを示しているため、ステップ５２に移る。ここで、三方弁２０はＣ方向に冷却水が流れるように制御されることにより、ヒータコア２４には冷媒水熱交換器４と動力機関９で加熱された冷却水が流れる。このため、圧縮機３の運転周波数を増加させて冷媒水熱交換器４の加熱能力を大きくすることなく、ヒータコア２４に流れる冷却水の温度を上昇させることができる。
【００５０】
そして、ダンパー２５が開いているヒーターコア２４に流入した送風空気は、加温された冷却水によって温められる。この制御を行った後、ステップ５０に戻る。
【００５１】
このように、暖房除湿モード運転直後の立ち上がり時に、三方弁２０を制御することによって、動力機関９が一定温度まで加熱されるまでは冷却水が低温の動力機関９をバイパスするように流す。これにより、放熱量を小さくすることができるので、より早くヒータコア２４に流れる水温の上昇を図り、即暖性すなわち快適性を高めることが可能となる。
【００５２】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における車両用空調装置は、基本的な構成は、実施の形態２と同じであるため、相違点を中心に説明する。なお、実施の形態２と同一の構成要素については、同一番号を付している。
【００５３】
図５は、本発明の実施の形態３における車両用空調装置の構成図である。
【００５４】
冷凍サイクル３６では、実施の形態２と同様に、蒸発器２と圧縮器３を有している。しかし、実施の形態２における冷媒水熱交換器４の代わりに、本実施の形態３では、第１の冷媒水熱交換器３０と第２の冷媒水熱交換器３２と、２つの冷媒水熱交換器３０、３２間に設置された第１の減圧器３１が設置されている。また、実施の形態２における減圧器５は、実施の形態３では、第２の減圧器３３とする。
【００５５】
さらに、第２の減圧器３３と蒸発器２の間に、蒸発器入口冷媒温度検出手段３４が設置されている。また、蒸発器入口冷媒温度検出手段３４の値によって、第１の減圧器３１と第２の減圧器３３とを制御する制御手段３５が設置されている。また、冷却水サイクル３７では、実施の形態２と異なり、三方弁２０、バイパス２２、動力機関出口水温検出手段２１及び制御手段２３を有していない。
【００５６】
上記構成の車両用空調装置の動作について以下に説明する。
【００５７】
まず、冷房モード時の動作について説明する。
【００５８】
冷房モード時の冷凍サイクル３６では、第１の減圧器３１は、冷媒が減圧されないように開放され、第２の減圧器３３は、冷媒が減圧されるように制御されている。これにより、圧縮器３にて、高温高圧にされた冷媒は、第１の冷媒水熱交換器３０と第２の冷媒水熱交換器３２にて、冷却水に熱を伝達することによって、放熱される。次に、第２の減圧器３３によって、冷媒は減圧され、蒸発器２にて送風用ダクト１内の送風空気を冷房除湿する。
【００５９】
また、冷却水サイクル３７では、ポンプ８により圧送された冷却水は、動力機関９にて加熱された後、第２の冷媒水熱交換器３２で加熱される。続いて、第１の冷媒水熱交換器３０で加熱される。次に、冷却水はヒータコア２４に流れる。ここで、ヒータコア２４のダンパー２５は閉じている状態であり、ヒータコア２４に送風空気は流れないため、送風空気は温められない。次に、ラジエータ７にて放熱された後、ポンプ８に戻る。
【００６０】
また、暖房除湿モード時での第１の減圧器３１および第２の減圧器３３の動作を図６のフローチャートを用いて説明する。
【００６１】
冷凍サイクル３６では、はじめに、暖房除湿モード時では、ステップ６０で蒸発器入口冷媒温度検出手段３４にて検出された冷媒温度Ｔ２と、ねらいの設定温度Ｔｘ２（例えば０℃）が比較される。このＴｘ２の値は、蒸発器２が着霜しないように設定された温度である。
【００６２】
そして、ステップ６０にて、Ｔ２がＴｘ２より小さい場合には、蒸発器２が着霜する可能性があることを示しており、ステップ６１に移り、第１の減圧器３１は冷媒を減圧するように、第２の減圧器３３は全開して冷媒を減圧しないように制御した後、ステップ６０に戻る。
【００６３】
ここで、図７は上述の冷凍サイクル３６の状態をモリエル線図に示したものであり、第１の冷媒水熱交換器３０の放熱量をＱ１、第２の冷媒水熱交換器３２の吸熱量をＱ２、蒸発器２の吸熱量をＱ３として表記している。本実施の形態３では、第１の冷媒水熱交換器３０が放熱器として作用し、第２の冷媒水熱交換器３２が蒸発器として作用するので、蒸発器として作用する熱交換伝熱面積が増加し、蒸発温度が上昇することによって、蒸発器２の着霜の発生を回避することができる。
【００６４】
また、Ｔ２がＴｘ２以上の場合には、蒸発器２が着霜する可能性が小さいため、ステップ６２に移り、第１の減圧器３１は全開になるように制御し、第２の減圧器３３は減圧するように制御したのち、ステップ６０に戻る。
【００６５】
ここで、図８は上述の冷凍サイクル３６の状態をモリエル線図に示したものであり、第１の冷媒水熱交換器３０の放熱量をＱ４、第２の冷媒水熱交換器３２の放熱量をＱ５、蒸発器２の吸熱量をＱ６として表記している。本実施の形態３では、室内の設置している蒸発器２の吸熱量を最大にし、すなわち除湿量を最大にしつつ暖房運転が可能となる。
【００６６】
なお、暖房除湿モード時における冷却水サイクル３７では、ヒータコア２４のダンパー２５が開いた状態になっており、送風空気はヒータコア２４を通り、温められる。
【００６７】
このように、暖房除湿モード時において、第１の減圧器３１と第２の減圧器３３を制御することによって、第２の冷媒水熱交換器３２を蒸発器として作用させることにより、蒸発温度を上昇させることができるので、快適性を損なうことなく蒸発器２の着霜を回避することができる。
【００６８】
なお、本実施の形態３の冷凍サイクル３６に、実施の形態２の冷却水サイクル２７を組み合わせた車両用空調装置としてもよい。この場合、暖房除湿モード運転直後の立ち上がり時には、放熱量を小さくすることができるので、より早くヒータコアに流れる水温の上昇を図り、即暖性すなわち快適性を高めることが可能となり、又、快適性を損なうことなく蒸発器２の着霜を回避することも出来る。
【００６９】
また、実施の形態２，３において、ダンパー２５を備えたヒータコア２４を設置せずに、実施の形態１のようにヒータコアへの冷却水の入口と出口を繋ぐバイパス回路を設置し、高温の冷却水が冷房時にヒータコアを通らない構造にしてもよい。
【００７０】
（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４における圧縮機３と冷媒水熱交換器４の一体型の構成を示している。
【００７１】
図１における冷媒水熱交換器４は２重管であり、内側を冷媒が、外側を水が対向流となるように流れるような構造である。この冷媒水熱交換器４を圧縮器３に巻きつける。Ａ部拡大図に、圧縮器３によって高温高圧にされた冷媒の、冷媒水熱交換器４での入口部分を示す。図に示すように、冷媒の管は、冷却水の管よりも小さく、冷却水の冷媒水熱交換器４の出口側から、冷却水の管内に入り、冷却水の冷媒水熱交換器４の入口側から、冷却水の管内より出る構造になっている。
【００７２】
このような２重管構造の冷媒水熱交換器４を、圧縮器３の外郭に巻きつける構造にすることによって、圧縮器３と冷媒水熱交換器４それぞれを個別に設置する場合に比べて、省スペース化を図ることができる。
【００７３】
また、冷房モード時においては、圧縮器３の放熱をより促進させることができるので、圧縮器３から吐出される冷媒温度の過剰な温度上昇を抑制することが可能となるため、空調装置の信頼性をより高めることができる。
【００７４】
また、暖房除湿モード時には、圧縮器３からの放熱を冷却水の加熱源として用いることができるので、より早くヒータコア６及び２４に流れる水温を上昇させることができる。
【００７５】
なお、本発明の冷媒水熱交換器の構造はこの二重管構造に限定されるものではなく、冷媒と冷却水との間で伝熱することが出来る構造でありさえすればよい。
【００７６】
また、本発明の冷媒水熱交換器では、冷却水と冷媒の流れる方向は、対向流となっているが、同一方向にしてもよい。
【００７７】
しかし、従来用いられているＨＣＦＣ冷媒あるいはＨＦＣ冷媒の場合、気液二相状態の凝縮する過程で、冷媒の温度変化はほとんどないが、冷媒が二酸化炭素の場合は高圧側が超臨界サイクルとなるために、常に温度変化しながら放熱する。
【００７８】
そこで、本発明の水冷媒熱交換器のように、冷媒と冷却水が対向流となるように熱交換させる場合、冷媒と水の温度差が小さくなり、温度勾配が従来の冷媒よりも平行に近くなる。このため二酸化炭素を冷媒として用いることができ、しかも、より高い熱交換効率を得ることが可能であり、高いＣＯＰ（冷凍サイクルの成績係数）で空調装置の運転を行うことが可能となる。
【００７９】
なお、第１の本発明の第１の減圧器、第２の減圧器は、実施の形態３における第１の減圧器３１、第２の減圧器３３に相当する。ここで、実施の形態３では、本発明の減圧器は、流量調節可能な弁で構成されているが、本構成に限らず流体の圧力の制御可能な減圧器でありさえすればよい。
【００８０】
なお、本発明の動力機関および空調装置は、実施の形態３、又は４においては、車両用の動力機関および空調装置に相当するが、工場に用いられる動力機関および空調装置であってもよく、又航空機の動力機関および空調装置であってもよく、車両用に限るものではない。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように本発明によれば、省スペース化を図りつつ、冷暖房運転を行うことが可能となる。
【００８２】
また、暖房除湿モード時において、蒸発温度を上昇させることができるので、快適性を損なうことなく蒸発器の着霜を回避することができる。
【００８３】
また、圧縮機の外郭を冷媒水熱交換器が覆うような一体型の構造にすることによって、省スペース化を図ることができる。
【００８４】
また、冷媒として、二酸化炭素を用いることによって、従来の冷媒よりもより高い熱交換効率を得ることができるため、高いＣＯＰで空調装置の運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に関連する発明の実施の形態１における車両用空調装置の構成図
【図２】 本発明に関連する発明の実施の形態１における車両用空調装置の制御フローチャート
【図３】 本発明に関連する発明の実施の形態２における車両用空調装置の構成図
【図４】 本発明に関連する発明の実施の形態２における車両用空調装置の制御フローチャート
【図５】 本発明の実施の形態３における車両用空調装置の構成図
【図６】 本発明の実施の形態３における車両用空調装置の制御フローチャート
【図７】 本発明の実施の形態３における車両用空調装置のモリエル線図
【図８】 本発明の実施の形態３における車両用空調装置のモリエル線図
【図９】 本発明の実施の形態４における圧縮器と冷媒水熱交換器の構成図
【図１０】 従来の車両用空調装置の構成図
【符号の説明】
１：送風用ダクト
２：蒸発器
３：圧縮機
４：冷媒水熱交換器
５：減圧器
６：ヒータコア
７：ラジエータ
８：ポンプ
９：動力機関
１０：三方弁
１１：バイパス回路
１２：制御手段
１３：冷凍サイクル
１４：冷却水サイクル
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調装置及び空調方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境保護の観点から電気自動車の需要が拡大しつつあるが、電気自動車のバッテリーの能力は十分でないことから、エンジンを走行補助用もしくは発電用に用いるハイブリッド型の電気自動車や燃料電池を発電用に用いる電気自動車が提案されている。
【０００３】
走行補助用エンジンを備えたハイブリッド型電気自動車の場合には、市街地を走行する時には車両駆動用モータによって走行し、バッテリの残量が少なくなったり郊外を走行する時にはエンジンによって走行するのである。また、発電用エンジンを備えたハイブリッド型電気自動車の場合には、車両駆動用モータによって走行し、バッテリの残量が少なくなった時にはエンジンを始動してバッテリを充電するのである。
【０００４】
ところで、現在の電気自動車の空調装置においては、冷凍サイクルの圧縮機（開放型）を車両駆動用モータで駆動するのが一般的であるものの、上述したハイブリッド型の電気自動車の空調装置においては、エンジンが駆動状態の場合には、エンジンで圧縮機を駆動することにより車室内を冷房し、またエンジンが停止状態の場合は車両駆動用モータにより圧縮機を駆動するとともに、エンジンの停止状態でバッテリーの残量が少なくなったときはエンジンを始動して圧縮機を駆動することにより車室内を冷房することが考えられる。
【０００５】
しかしながら、エンジンの回転を圧縮機に伝達する機構と、車両駆動用モータの回転を圧縮機に伝達する機構という２つの機構が必要となるとともに、それらの駆動方式を切替えるためのクラッチが必要となることから、システムが複雑となりコスト高となっていた。
【０００６】
一方、暖房運転時には、エンジン冷却水が供給されるヒータコアに対して単に送風することにより車室内を暖房するようにしているので、エンジン起動時など冷却水の温度が低い場合などは、車室内の空調温度が目標の温度に到達するまでの時間が長くなっていた。また、低外気温時などには暖房能力も不足するため、PTCヒータを補助加熱手段に用いて、エンジン冷却水を加熱していた。ハイブリッド型の電気自動車でなくとも、近年の自動車のエンジンは高性能化してきており、エンジンからの放熱量が減少したため、同様にPTCヒータを補助加熱手段に用いて、エンジン冷却水を加熱していた。PTCヒータ等の電気ヒータを補助加熱手段に用いるため、ヒートポンプ式暖房と比較すると暖房効率が低かった。
【０００７】
このため、従来技術では、図１０に示すように、電動圧縮機１０４（密閉型）を用いてヒートポンプ式冷凍サイクルを構成し、その冷媒回路に暖房時の補助加熱手段として冷媒水熱交換器１０１を新たに設けて、暖房運転が指示された場合にエンジン冷却水の温度が設定温度以下のときは、第１の電磁弁１０２を閉鎖してかつ第２の電磁弁１０３を開放した状態で電動圧縮機１０４を駆動していた（特許文献１参照。）。
【０００８】
これにより、冷媒水熱交換器１０１のみが凝縮器として機能するとともに蒸発器１０５には冷媒が供給されない。この結果、蒸発器１０５には低温の冷媒が流れないので送風空気を冷却することなく、冷媒水熱交換器１０１で補助加熱されたエンジン冷却水がヒータコア１０６を流れ、ダクト内の送風空気を加熱することができるので、エンジン冷却水の温度が低い場合でもPTCヒータなしで暖房能力を高めることができていた。
【０００９】
【特許文献１】
特開平９−６６７２２号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このような空調装置の場合は、冷却水を加熱するために、加熱手段として冷媒水熱交換器１０１を追加して備えている。このため、暖房時には、蒸発器１０５に冷媒が流入しないように、電磁弁１０２，１０３、減圧弁１０８，１０９、室外熱交換器１０７等が必要となり、省スペース化が困難であるという課題を有している。
【００１１】
また、蒸発器１０５が着霜すると、徐霜運転を行うため、断続運転をし、快適性が損なわれていた。
【００１２】
本発明は、上記従来の空調装置の課題を考慮し、省スペース化が達成でき、又快適性を損なうことなく着霜を回避することが可能な空調装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１の本発明は、送風用ダクト（１）内に配設され、冷媒の蒸発により空気を冷却する蒸発器（２）と、蒸発した前記冷媒を高温高圧にする圧縮器（３）と、前記圧縮器（３）から排出された前記冷媒からの伝熱によって、冷却水を加熱する第１の冷媒水熱交換器（３０）と、前記第１の冷媒水熱交換器（３０）から排出された前記冷媒の減圧を制御するための第１の減圧器（３１）と、前記第１の減圧器（３１）から排出された前記冷媒と前記冷却水との間で、熱の授受を行うための第２の冷媒水熱交換器（３２）と、前記第２の冷媒水熱交換器（３２）から排出された前記冷媒の減圧を制御するための第２の減圧器（３３）と、前記第２の減圧器（３３）によって減圧制御された前記冷媒の温度を測定する蒸発器入口冷媒温度検出手段（３４）と、前記蒸発器入口冷媒温度検出手段（３４）によって検出された値を用いて、前記第１の減圧器（３１）と前記第２の減圧器（３３）を制御する制御手段（３５）とを有する冷凍サイクル（３６）と、
前記送風用ダクト（１）内の送風方向を基準にして前記蒸発器（２）の下流側に設置され、加熱された前記冷却水により、送風空気を温めるヒータコア（６，２４）と、前記冷却水を冷却するためのラジエータ（７）と、前記ラジエータ（７）によって冷却された前記冷却水を循環させるためのポンプ（８）と、前記ポンプ（８）より送り込まれた前記冷却水を用いて、冷却される動力機関（９）と、前記第１の冷媒水熱交換器（３０）と、前記第２の冷媒水熱交換器（３２）とを有する冷却水サイクル（３７）とを備えた空調装置である。
【００１４】
また、第２の本発明は、前記制御手段（３５）は、前記蒸発器入口冷媒温度が、前記蒸発器に霜が付着する温度よりも低い場合は、前記第１の減圧器（３１）にて、前記冷媒が減圧されるように圧力制御し、かつ前記第２の減圧器（３３）を開放し、前記蒸発器（２）に霜が付着する温度よりも高い場合は、前記第１の減圧器（３１）を開放し、かつ前記第２の減圧器（３３）にて、前記冷媒が減圧されるように圧力制御を行う制御手段（３５）である第１の本発明の空調装置である。
【００１５】
また、第３の本発明は、前記冷媒水熱交換器（３０、３２）は、前記冷媒の流通方向と前記冷却水の流通方向が、逆である冷媒水熱交換器（３０、３２）である第１の本発明の空調装置である。
【００１６】
また、第４の本発明は、前記冷媒水熱交換器（３０、３２）は、前記圧縮器の周囲に巻き付けられている冷媒水熱交換器（３０、３２）である第１の本発明の空調装置である。
【００１７】
また、第５の本発明は、前記冷媒として二酸化炭素を用いる第３の本発明の空調装置である。
【００１８】
また、第６の本発明は、前記冷却水の前記ヒータコアへの入口と出口を繋ぐ、前記ヒータコアを経由しないためのバイパス（１１）と、前記ヒータコア（６）の入口の前記バイパス（１１）の分岐部に設置された三方弁（１０）と、運転モードによって、前記三方弁（１０）の開度を制御するための制御手段（１２）とを更に備えた第１の本発明の空調装置である。
【００１９】
また、第７の本発明は、前記送風用ダクト（１）は、車両内に空気を送風する送風用ダクトであり、前記動力機関（９）は、車両用の動力機関である第１の本発明の空調装置である。
【００２０】
また、第８の本発明は、第４の本発明の空調装置を用いて、空調する空調方法であって、前記送風用ダクト（１）内にて前記冷媒の蒸発により前記送風空気を冷却する蒸発工程と、蒸発した前記冷媒を高温高圧にする圧縮工程と、前記圧縮工程から排出された前記冷媒からの伝熱によって、冷却水を加熱する第１の冷媒水熱交換工程と、前記第１の冷媒水熱交換工程から排出された前記冷媒の減圧を制御する第１の減圧工程と、前記第１の減圧工程から排出された前記冷媒と前記冷却水との間で熱の授受を行うための第２の冷媒水熱交換工程と、前記第２の冷媒水熱交換工程から排出された前記冷媒の減圧を制御する第２の減圧工程と、前記第２の減圧工程によって減圧制御された前記冷媒の温度を測定する蒸発器入口冷媒温度検出工程と、前記蒸発器入口冷媒温度検出工程によって検出された値を用いて、前記第１の減圧工程と前記第２の減圧工程とを制御する工程とを有する冷凍サイクル工程と、
前記送風用ダクト（１）内の送風方向を基準にして前記蒸発器（２）の下流側に設置された前記ヒータコア（６、２４）内の加熱された前記冷却水によって、送風空気を温める工程と、前記冷却水を前記ラジエータ（７）によって、冷却する工程と、前記ラジエータ（７）によって冷却された前記冷却水を循環させる工程と、前記ポンプ（８）より送り込まれた前記冷却水を用いて、前記動力機関（９）が冷却される工程と、前記第１の冷媒水熱交換工程と前記第２の冷媒水熱交換工程とを有する冷却水サイクル工程とを備えた空調方法である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明に関連する発明の実施の形態１における車両用空調装置を示す構成図である。本実施の形態１の車両用空調装置は、冷凍サイクル１３と冷却水サイクル１４と車両内に、温度調整した空気を送り込む送風用ダクト１とを有している。
【００２３】
ここで、冷凍サイクル１３は、送風用ダクト１内に、冷媒の蒸発により空気を冷却する蒸発器２を有している。また、蒸発器２にて蒸発した冷媒の圧力を高める圧縮器３が設置されている。圧縮器３から排出された冷媒によって、冷却水を加熱する冷媒水熱交換器４が設置されている。さらに、冷媒水熱交換器４から排出された冷媒を蒸発器２に送り込む前に減圧する減圧器５を有している。
【００２４】
また、冷却水サイクル１４は、送風用ダクト１内の送風方向を基準にして、蒸発器２の下流側に設置されているヒータコア６を有している。さらに、冷却水を冷却するラジエータ７と、ラジエータ７で冷却された冷却水を循環させるポンプ８が設置されている。また、冷却水によって冷却される本車両の動力機関９が設置されている。さらに、冷却水によって冷媒を温める冷媒水熱交換器４が設置されている。また、動力機関９とは、例えばエンジンあるいは燃料電池などの発熱源となるものである。
【００２５】
ここで、冷媒水熱交換器４における、冷却水の入口側が、冷媒の出口側となり、冷却水の出口側が、冷媒の入口側となっている。すなわち、冷却水の流れる方向と冷媒の流れる方向は、逆方向となっている。
【００２６】
なお、冷媒水熱交換器４の出口とヒータコア６の入口との間に、三方弁１０が設置されており、また、三方弁１０を一端とし、ヒータコア６の出口とラジエータ７の入口の間を他端として接続するバイパス回路１１を備えている。さらに、運転モードによって三方弁１０の開方向を制御する制御手段１２が備えられている。ここで、冷却水がバイパス回路１１に流れる方向をＡ方向、ヒータコア６に流れる方向をＢ方向とする。図１における、矢印は、Ａ方向、Ｂ方向をそれぞれ示している。また、三方弁１０を制御するために、制御手段１２が設けられている。
【００２７】
上記構成の車両用空調装置の動作について図２のフローチャートを用いて以下に説明する。
【００２８】
はじめに、ステップ４０にて空調装置の運転モードが冷房モードであるか、暖房除湿モードであるかが検知される。
【００２９】
ここで、冷房モードと検知された場合は、ステップ４１に移り、三方弁１０はバイパス回路１１に、高温の冷却水が流れるように制御される。なお、図１において、図１のＡ方向の矢印の向きに冷却水が流れる。
【００３０】
以下に冷房モード時の冷凍サイクル１３と冷却水サイクル１４の動作について説明する。
【００３１】
冷房モード時の冷凍サイクル１３では、空調装置の運転が開始されると、圧縮器３で圧縮されて高温高圧のガスとなった冷媒は、冷媒水熱交換器４にて冷却水に放熱する。次に、冷媒水熱交換器４によって放熱された冷媒は、減圧器５で減圧されて低温低圧の気液二相状態となって、蒸発器２に導入される。この蒸発器２では、冷媒は室内の空気からの吸熱により蒸発して気液二相、又はガス状態となり、圧縮器３で圧縮される。これにより、送風用ダクト１内を流れる送風空気は、蒸発器２で冷却および除湿される。
【００３２】
また、冷却水サイクル１４では、冷却水はポンプ８により、動力機関９に圧送され、動力機関９にて加熱される。続いて、冷媒水熱交換器４にて、冷媒からの熱伝達によって、冷却水は加熱される。次に、三方弁１０がバイパス回路１１に冷却水が流れる方向に開いているため、高温の冷却水は、バイパス回路１１を流れる。このため、高温の冷却水は、ヒータコア６には流れないので、送風用ダクト１内の送風空気は加熱されない。最後にステップ４０に戻る。
【００３３】
また、ステップ４０にて暖房除湿モードであると検知された場合は、ステップ４２に移り、三方弁１０は、ヒータコア６に冷却水が流れるように制御される。図１では、Ｂ方向の矢印の向きに冷却水は流れる。
【００３４】
以下に暖房除湿モード時の冷凍サイクル１３と冷却水サイクル１４について説明する。
【００３５】
暖房除湿モード時の冷凍サイクル１３は、冷房モード時の動作と同じであり、省略する。ここで、冷凍サイクル１３は送風用ダクト１内の送風空気の除湿機能として作用する。また、冷却水サイクル１４では、動力機関９及び冷媒水熱交換器４にて加熱された高温の冷却水は、ヒータコア６に流れる。ここで、送風ダクト１内の送風空気が温められる。
【００３６】
このように、暖房モード時にも、除湿用として冷凍サイクル１３を用いることによって、従来例のように、電磁弁１０２，１０３、減圧弁１０８，室外熱交換器１０７等が必要ではなくなり、省スペース化が図ることが出来る。
【００３７】
また、暖房除湿モードは、外気温が低い場合に、車両のフロントガラスの曇りを取ることが出来る。
【００３８】
（実施の形態２）
本発明に関連する発明の実施の形態２における車両用空調装置は、基本的な構成は、実施の形態１と同じであるため、相違点を中心に説明する。なお、実施の形態１と同一の構成要素については、同一番号を付している。
【００３９】
図３は、本発明に関連する発明の実施の形態２における車両用空調装置の構成図である。
【００４０】
冷凍サイクル２６の構成は、実施の形態１と同じであるため省略する。また、冷却水サイクル２７は、実施の形態１と異なり、三方弁１０、バイパス回路１１及び制御手段１２を有していない。さらに、動力機関９とポンプ８の間に三方弁２０が設置されており、また、三方弁２０を一端とし、動力機関出口水温検出手段２１と冷媒水熱交換器４との間を他端として接続するバイパス２２を備えている。
【００４１】
また、動力機関出口水温検出手段２１にて検出された値を用いて、三方弁２０の開方向を制御する制御手段２３が備えられている。なお、冷却水が動力機関１５に流れる方向をＣ方向、バイパス２２に流れる方向をＤ方向とする。図３の矢印は、Ｃ方向、Ｄ方向をそれぞれ示している。
【００４２】
なお、実施の形態２のヒータコア２４は、実施の形態１のヒータコア６と異なり、ダンパー２５を備えている。ここで、ダンパー２５は、開閉することが出来る。ダンパー２５が開いているときは、ヒータコア２４を送風空気が通り、ダンパー２５が閉まっているときは、ヒータコア２４への送風空気の流入を遮断する。図３では、ダンパー２５の開いている状態を、二点鎖線で、閉じている状態を、実線で示している。
【００４３】
上記構成の車両用空調装置の動作について以下に説明する。まず、冷房モード時の動作について説明する。なお、冷凍サイクル２６では、実施の形態１と同様の動作が行われるため省略する。
【００４４】
冷却水サイクル２７では、三方弁２０は、動力機関９に冷却水が流れるように制御される。また、ポンプ８により圧送された冷却水は、動力機関９にて加熱されたのち、冷媒水熱交換器４にてさらに加熱される。そしてヒータコア２４を冷却水は流れ、ラジエータ７にてさらに放熱されたのち、ポンプ８に戻る。ここで、ヒータコア２４のダンパー２５は、閉まっているため、送風空気は、ヒータコア２４を通ることが出来ないため、温められない。
【００４５】
次に、暖房除湿モード時での三方弁２０の動作を図４のフローチャートを用いて説明する。なお、冷凍サイクル２６では、実施の形態１と同様の動作が行われるため省略する。
【００４６】
冷却水サイクル２７では、はじめに、暖房除湿モードの運転が開始されると、ステップ５０で動力機関出口水温検出手段２１にて検出された冷却水温Ｔ１と、希望の設定温度Ｔｘ１（例えば４０℃）が比較される。このＴｘ１の値は、暖房除湿運転時に室内側の吹き出し空気温度が快適性を損なわないように設定された値である。なお、暖房除湿モードでは、ダンパー２５が開き、設定温度Ｔｘ１に合わせて開度が調整されている。
【００４７】
続いて、Ｔ１がＴｘ１より小さい場合には、動力機関９の温度が低い状態であることを示しているため、ステップ５１に移る。ここで、三方弁２０はＤ方向に冷却水が流れるように制御することにより、冷却水はバイパス２２を流れて動力機関９には流れず、ヒータコア２４には冷媒水熱交換器４で加熱された冷却水のみが循環される。このため、低温の動力機関９により、冷却水が放熱される熱量を小さくできるので、より早くヒータコア２４に流れる冷却水の温度を上昇させることができる。
【００４８】
そして、ダンパー２５が開いているヒーターコア２４に流入した送風空気は、加温された冷却水によって温められる。この制御を行った後、ステップ５０に戻る。
【００４９】
一方、ステップ５０にてＴ１がＴｘ１以上の場合には、動力機関９の温度が十分高くなり冷却水の温度が一定値以上の状態であることを示しているため、ステップ５２に移る。ここで、三方弁２０はＣ方向に冷却水が流れるように制御されることにより、ヒータコア２４には冷媒水熱交換器４と動力機関９で加熱された冷却水が流れる。このため、圧縮機３の運転周波数を増加させて冷媒水熱交換器４の加熱能力を大きくすることなく、ヒータコア２４に流れる冷却水の温度を上昇させることができる。
【００５０】
そして、ダンパー２５が開いているヒーターコア２４に流入した送風空気は、加温された冷却水によって温められる。この制御を行った後、ステップ５０に戻る。
【００５１】
このように、暖房除湿モード運転直後の立ち上がり時に、三方弁２０を制御することによって、動力機関９が一定温度まで加熱されるまでは冷却水が低温の動力機関９をバイパスするように流す。これにより、放熱量を小さくすることができるので、より早くヒータコア２４に流れる水温の上昇を図り、即暖性すなわち快適性を高めることが可能となる。
【００５２】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における車両用空調装置は、基本的な構成は、実施の形態２と同じであるため、相違点を中心に説明する。なお、実施の形態２と同一の構成要素については、同一番号を付している。
【００５３】
図５は、本発明の実施の形態３における車両用空調装置の構成図である。
【００５４】
冷凍サイクル３６では、実施の形態２と同様に、蒸発器２と圧縮器３を有している。しかし、実施の形態２における冷媒水熱交換器４の代わりに、本実施の形態３では、第１の冷媒水熱交換器３０と第２の冷媒水熱交換器３２と、２つの冷媒水熱交換器３０、３２間に設置された第１の減圧器３１が設置されている。また、実施の形態２における減圧器５は、実施の形態３では、第２の減圧器３３とする。
【００５５】
さらに、第２の減圧器３３と蒸発器２の間に、蒸発器入口冷媒温度検出手段３４が設置されている。また、蒸発器入口冷媒温度検出手段３４の値によって、第１の減圧器３１と第２の減圧器３３とを制御する制御手段３５が設置されている。また、冷却水サイクル３７では、実施の形態２と異なり、三方弁２０、バイパス２２、動力機関出口水温検出手段２１及び制御手段２３を有していない。
【００５６】
上記構成の車両用空調装置の動作について以下に説明する。
【００５７】
まず、冷房モード時の動作について説明する。
【００５８】
冷房モード時の冷凍サイクル３６では、第１の減圧器３１は、冷媒が減圧されないように開放され、第２の減圧器３３は、冷媒が減圧されるように制御されている。これにより、圧縮器３にて、高温高圧にされた冷媒は、第１の冷媒水熱交換器３０と第２の冷媒水熱交換器３２にて、冷却水に熱を伝達することによって、放熱される。次に、第２の減圧器３３によって、冷媒は減圧され、蒸発器２にて送風用ダクト１内の送風空気を冷房除湿する。
【００５９】
また、冷却水サイクル３７では、ポンプ８により圧送された冷却水は、動力機関９にて加熱された後、第２の冷媒水熱交換器３２で加熱される。続いて、第１の冷媒水熱交換器３０で加熱される。次に、冷却水はヒータコア２４に流れる。ここで、ヒータコア２４のダンパー２５は閉じている状態であり、ヒータコア２４に送風空気は流れないため、送風空気は温められない。次に、ラジエータ７にて放熱された後、ポンプ８に戻る。
【００６０】
また、暖房除湿モード時での第１の減圧器３１および第２の減圧器３３の動作を図６のフローチャートを用いて説明する。
【００６１】
冷凍サイクル３６では、はじめに、暖房除湿モード時では、ステップ６０で蒸発器入口冷媒温度検出手段３４にて検出された冷媒温度Ｔ２と、ねらいの設定温度Ｔｘ２（例えば０℃）が比較される。このＴｘ２の値は、蒸発器２が着霜しないように設定された温度である。
【００６２】
そして、ステップ６０にて、Ｔ２がＴｘ２より小さい場合には、蒸発器２が着霜する可能性があることを示しており、ステップ６１に移り、第１の減圧器３１は冷媒を減圧するように、第２の減圧器３３は全開して冷媒を減圧しないように制御した後、ステップ６０に戻る。
【００６３】
ここで、図７は上述の冷凍サイクル３６の状態をモリエル線図に示したものであり、第１の冷媒水熱交換器３０の放熱量をＱ１、第２の冷媒水熱交換器３２の吸熱量をＱ２、蒸発器２の吸熱量をＱ３として表記している。本実施の形態３では、第１の冷媒水熱交換器３０が放熱器として作用し、第２の冷媒水熱交換器３２が蒸発器として作用するので、蒸発器として作用する熱交換伝熱面積が増加し、蒸発温度が上昇することによって、蒸発器２の着霜の発生を回避することができる。
【００６４】
また、Ｔ２がＴｘ２以上の場合には、蒸発器２が着霜する可能性が小さいため、ステップ６２に移り、第１の減圧器３１は全開になるように制御し、第２の減圧器３３は減圧するように制御したのち、ステップ６０に戻る。
【００６５】
ここで、図８は上述の冷凍サイクル３６の状態をモリエル線図に示したものであり、第１の冷媒水熱交換器３０の放熱量をＱ４、第２の冷媒水熱交換器３２の放熱量をＱ５、蒸発器２の吸熱量をＱ６として表記している。本実施の形態３では、室内の設置している蒸発器２の吸熱量を最大にし、すなわち除湿量を最大にしつつ暖房運転が可能となる。
【００６６】
なお、暖房除湿モード時における冷却水サイクル３７では、ヒータコア２４のダンパー２５が開いた状態になっており、送風空気はヒータコア２４を通り、温められる。
【００６７】
このように、暖房除湿モード時において、第１の減圧器３１と第２の減圧器３３を制御することによって、第２の冷媒水熱交換器３２を蒸発器として作用させることにより、蒸発温度を上昇させることができるので、快適性を損なうことなく蒸発器２の着霜を回避することができる。
【００６８】
なお、本実施の形態３の冷凍サイクル３６に、実施の形態２の冷却水サイクル２７を組み合わせた車両用空調装置としてもよい。この場合、暖房除湿モード運転直後の立ち上がり時には、放熱量を小さくすることができるので、より早くヒータコアに流れる水温の上昇を図り、即暖性すなわち快適性を高めることが可能となり、又、快適性を損なうことなく蒸発器２の着霜を回避することも出来る。
【００６９】
また、実施の形態２，３において、ダンパー２５を備えたヒータコア２４を設置せずに、実施の形態１のようにヒータコアへの冷却水の入口と出口を繋ぐバイパス回路を設置し、高温の冷却水が冷房時にヒータコアを通らない構造にしてもよい。
【００７０】
（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４における圧縮機３と冷媒水熱交換器４の一体型の構成を示している。
【００７１】
図１における冷媒水熱交換器４は２重管であり、内側を冷媒が、外側を水が対向流となるように流れるような構造である。この冷媒水熱交換器４を圧縮器３に巻きつける。Ａ部拡大図に、圧縮器３によって高温高圧にされた冷媒の、冷媒水熱交換器４での入口部分を示す。図に示すように、冷媒の管は、冷却水の管よりも小さく、冷却水の冷媒水熱交換器４の出口側から、冷却水の管内に入り、冷却水の冷媒水熱交換器４の入口側から、冷却水の管内より出る構造になっている。
【００７２】
このような２重管構造の冷媒水熱交換器４を、圧縮器３の外郭に巻きつける構造にすることによって、圧縮器３と冷媒水熱交換器４それぞれを個別に設置する場合に比べて、省スペース化を図ることができる。
【００７３】
また、冷房モード時においては、圧縮器３の放熱をより促進させることができるので、圧縮器３から吐出される冷媒温度の過剰な温度上昇を抑制することが可能となるため、空調装置の信頼性をより高めることができる。
【００７４】
また、暖房除湿モード時には、圧縮器３からの放熱を冷却水の加熱源として用いることができるので、より早くヒータコア６及び２４に流れる水温を上昇させることができる。
【００７５】
なお、本発明の冷媒水熱交換器の構造はこの二重管構造に限定されるものではなく、冷媒と冷却水との間で伝熱することが出来る構造でありさえすればよい。
【００７６】
また、本発明の冷媒水熱交換器では、冷却水と冷媒の流れる方向は、対向流となっているが、同一方向にしてもよい。
【００７７】
しかし、従来用いられているＨＣＦＣ冷媒あるいはＨＦＣ冷媒の場合、気液二相状態の凝縮する過程で、冷媒の温度変化はほとんどないが、冷媒が二酸化炭素の場合は高圧側が超臨界サイクルとなるために、常に温度変化しながら放熱する。
【００７８】
そこで、本発明の水冷媒熱交換器のように、冷媒と冷却水が対向流となるように熱交換させる場合、冷媒と水の温度差が小さくなり、温度勾配が従来の冷媒よりも平行に近くなる。このため二酸化炭素を冷媒として用いることができ、しかも、より高い熱交換効率を得ることが可能であり、高いＣＯＰ（冷凍サイクルの成績係数）で空調装置の運転を行うことが可能となる。
【００７９】
なお、第１の本発明の第１の減圧器、第２の減圧器は、実施の形態３における第１の減圧器３１、第２の減圧器３３に相当する。ここで、実施の形態３では、本発明の減圧器は、流量調節可能な弁で構成されているが、本構成に限らず流体の圧力の制御可能な減圧器でありさえすればよい。
【００８０】
なお、本発明の動力機関および空調装置は、実施の形態３、又は４においては、車両用の動力機関および空調装置に相当するが、工場に用いられる動力機関および空調装置であってもよく、又航空機の動力機関および空調装置であってもよく、車両用に限るものではない。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように本発明によれば、省スペース化を図りつつ、冷暖房運転を行うことが可能となる。
【００８２】
また、暖房除湿モード時において、蒸発温度を上昇させることができるので、快適性を損なうことなく蒸発器の着霜を回避することができる。
【００８３】
また、圧縮機の外郭を冷媒水熱交換器が覆うような一体型の構造にすることによって、省スペース化を図ることができる。
【００８４】
また、冷媒として、二酸化炭素を用いることによって、従来の冷媒よりもより高い熱交換効率を得ることができるため、高いＣＯＰで空調装置の運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に関連する発明の実施の形態１における車両用空調装置の構成図
【図２】 本発明に関連する発明の実施の形態１における車両用空調装置の制御フローチャート
【図３】 本発明に関連する発明の実施の形態２における車両用空調装置の構成図
【図４】 本発明に関連する発明の実施の形態２における車両用空調装置の制御フローチャート
【図５】 本発明の実施の形態３における車両用空調装置の構成図
【図６】 本発明の実施の形態３における車両用空調装置の制御フローチャート
【図７】 本発明の実施の形態３における車両用空調装置のモリエル線図
【図８】 本発明の実施の形態３における車両用空調装置のモリエル線図
【図９】 本発明の実施の形態４における圧縮器と冷媒水熱交換器の構成図
【図１０】 従来の車両用空調装置の構成図
【符号の説明】
１：送風用ダクト
２：蒸発器
３：圧縮機
４：冷媒水熱交換器
５：減圧器
６：ヒータコア
７：ラジエータ
８：ポンプ
９：動力機関
１０：三方弁
１１：バイパス回路
１２：制御手段
１３：冷凍サイクル
１４：冷却水サイクル
Claims (8)
- 送風用ダクト内に配設され、冷媒の蒸発により送風空気を冷却する蒸発器と、蒸発した前記冷媒を高温高圧にする圧縮器と、前記圧縮器から排出された前記冷媒からの伝熱によって、冷却水を加熱する第１の冷媒水熱交換器と、前記第１の冷媒水熱交換器から排出された前記冷媒の減圧を制御するための第１の減圧器と、前記第１の減圧器から排出された前記冷媒と前記冷却水との間で、熱の授受を行うための第２の冷媒水熱交換器と、前記第２の冷媒水熱交換器から排出された前記冷媒の減圧を制御するための第２の減圧器と、前記第２の減圧器によって減圧制御された前記冷媒の温度を測定する蒸発器入口冷媒温度検出手段と、前記蒸発器入口冷媒温度検出手段によって検出された値を用いて、前記第１の減圧器と前記第２の減圧器を制御する制御手段とを有する冷凍サイクルと、
前記送風用ダクト内の送風方向を基準にして前記蒸発器の下流側に設置され、加熱された前記冷却水により、前記送風空気を温めるヒータコアと、前記冷却水を冷却するためのラジエータと、前記ラジエータによって冷却された前記冷却水を循環させるためのポンプと、前記ポンプより送り込まれた前記冷却水を用いて、冷却される動力機関と、前記第１の冷媒水熱交換器と、前記第２の冷媒水熱交換器とを有する冷却水サイクルとを備えた空調装置。 - 前記制御手段は、前記蒸発器入口冷媒温度が、前記蒸発器に霜が付着する温度よりも低い場合は、前記第１の減圧器にて、前記冷媒が減圧されるように圧力制御し、かつ前記第２の減圧器を開放し、前記蒸発器に霜が付着する温度よりも高い場合は、前記第１の減圧器を開放し、かつ前記第２の減圧器にて、前記冷媒が減圧されるように圧力制御を行う制御手段である請求項１記載の空調装置。
- 前記冷媒水熱交換器は、前記冷媒の流通方向と前記冷却水の流通方向が、逆である冷媒水熱交換器である請求項１記載の空調装置。
- 前記冷媒水熱交換器は、前記圧縮器の周囲に巻き付けられている冷媒水熱交換器である請求項１記載の空調装置。
- 前記冷媒として二酸化炭素を用いる請求項３記載の空調装置。
- 前記冷却水の前記ヒータコアへの入口と出口を繋ぐ、前記ヒータコアを経由しないためのバイパスと、前記ヒータコアの入口の前記バイパスの分岐部に設置された三方弁と、運転モードによって、前記三方弁の開度を制御するための制御手段とを更に備えた請求項１記載の空調装置。
- 前記送風用ダクトは、車両内に空気を送風する送風用ダクトであり、前記動力機関は、車両用の動力機関である請求項１記載の空調装置。
- 請求項１記載の空調装置を用いて、空調する空調方法であって、
前記送風用ダクト内にて前記冷媒の蒸発により前記送風空気を冷却する蒸発工程と、蒸発した前記冷媒を高温高圧にする圧縮工程と、前記圧縮工程から排出された前記冷媒からの伝熱によって、冷却水を加熱する第１の冷媒水熱交換工程と、前記第１の冷媒水熱交換工程から排出された前記冷媒の減圧を制御する第１の減圧工程と、前記第１の減圧工程から排出された前記冷媒と前記冷却水との間で熱の授受を行うための第２の冷媒水熱交換工程と、前記第２の冷媒水熱交換工程から排出された前記冷媒の減圧を制御する第２の減圧工程と、前記第２の減圧工程によって減圧制御された前記冷媒の温度を測定する蒸発器入口冷媒温度検出工程と、前記蒸発器入口冷媒温度検出工程によって検出された値を用いて、前記第１の減圧工程と前記第２の減圧工程とを制御する工程とを有する冷凍サイクル工程と、
前記送風用ダクト内の送風方向を基準にして前記蒸発器の下流側に設置された前記ヒータコア内の加熱された前記冷却水によって、送風空気を温める工程と、前記冷却水を前記ラジエータによって、冷却する工程と、前記ラジエータによって冷却された前記冷却水を循環させる工程と、前記ポンプより送り込まれた前記冷却水を用いて、前記動力機関が冷却される工程と、前記第１の冷媒水熱交換工程と前記第２の冷媒水熱交換工程とを有する冷却水サイクル工程とを備えた空調方法。
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