JP3792565B2

JP3792565B2 - 自動車用空調装置

Info

Publication number: JP3792565B2
Application number: JP2001371675A
Authority: JP
Inventors: 長治佐久間
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2021-12-05
Also published as: JP2003170733A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ方式による暖房機能を備えた自動車用空調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の室内の暖房を行う方法として、例えば、エンジンの冷却水を熱源とする方法がある。この方法では、廃熱を有効に利用できる利点があるが、エンジンが十分に暖まっていないときには、室内の暖房や窓ガラスの除霜を短時間に行うことができない欠点がある。
【０００３】
一方、冷却水を用いる代わりに、冷媒を用いて外気熱や冷却水の冷却熱を汲み上げ、その熱を用いて室内を暖房するヒートポンプ方式を利用したものがある。
【０００４】
しかしながら、このヒートポンプ方式では、外気温が低い場合、外気熱を十分に汲み上げて効率的な暖房を行うことができないばかりか、外気熱を汲み上げる室外熱交換器が着霜し、熱交換が不可能になってしまうおそれがあるため、適用可能な外気温の下限値に限界がある。また、冷却水から冷却熱を汲み上げる場合には、冷却水と冷媒との間で熱交換する熱交換器が別途必要となるため、余分なスペースを占有する問題が生じる。
【０００５】
そこで、特開平８−２０２３９号公報では、室外熱交換器が着霜状態にあることを検知したとき、自動車用空調装置の運転モードを一旦除霜モードに変更し、除霜を行った後、再びヒートポンプ方式による暖房を行うようにした技術を提案している。また、特開平１０−３２９５３２号公報では、冷却水の廃熱を室外熱交換器に供給して除霜を行うようにした技術を提案している。
【０００６】
なお、近年、自動車の燃費向上の要求に伴い、高効率エンジンが注目されている。この場合、エンジンの高効率化は、エンジン廃熱の減少を招来するため、冷却水の低温化による暖房性能の低下が大きな課題となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、外気温が低い場合であっても、自動車の室内を効率的に暖房することのできる簡易な構成からなる自動車用空調装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本発明では、暖房運転の際、圧縮機により冷媒を吸入圧縮して室内熱交換器に供給して凝縮させ、発生する凝縮熱によって自動車の室内の空気を加温する。次いで、冷媒は、室外熱交換器に供給されて蒸発することにより、外気熱を吸熱して圧縮機に戻される。
【０００９】
この場合、外気温が低いと、室外熱交換器が着霜し、熱交換の効率が著しく低下するおそれがあるが、本発明では、自動車のエンジン回りの空気を室外熱交換器に送風することにより、エンジン、特に高温となるエキゾーストマニホールド、シリンダブロック、ラジエータ等から熱を奪い、その熱を室外熱交換器で吸熱させ、室内熱交換器を介して室内に供給することができる。これにより、低外気温であっても、室外熱交換器が着霜することがなく、ヒートポンプの連続運転が可能となる。
【００１０】
また、エンジンルームと外界とを連通する連通路の少なくとも一部を開閉扉を駆動して閉塞し、エンジンルームで発生する熱が外気に放出されることを阻止するとともに、送風機を駆動して熱を室外熱交換器に供給することにより、室外熱交換器を効果的に加熱することができる。これにより、室外熱交換器が着霜することがなく、外気熱およびエンジン廃熱を効率よく吸熱し、室内熱交換器を介して熱を室内に供給することができる。
【００１１】
なお、複数の送風機を独立に制御し、例えば、エンジン側から室外熱交換器に対して送風した後、再びエンジン側に送風するように空気を循環させることにより、エンジンルームの空気温度を上昇させ、暖房効率をさらに向上させることができる。
【００１２】
ここで、自動車の外気温度、または、冷却水温度、若しくは、エンジンルームの空気温度が所定温度以下のとき、連通路を閉塞すべく変形する形状記憶合金部材を用いて開閉扉を駆動することにより、電気的な制御回路を不要とすることができる。なお、モータやシリンダ等のアクチュエータを用いて開閉扉を開閉するように構成することも可能である。
【００１３】
また、自動車の室内に冷却水が導入されるヒータコアを配設することで、室内熱交換器によって発生する熱と、ヒータコアによって発生する熱とにより室内を効率的に暖房することができる。さらに、冷却水が低水温であるとき、室内熱交換器から放熱する凝縮熱をヒータコアに導くことにより、冷却水を加熱してエンジンの暖機時間を短縮することもできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態の自動車用空調装置１０の構成を示す。
【００１５】
自動車用空調装置１０は、冷媒を吸入圧縮する圧縮機１２と、冷媒の供給方向を制御する四方弁１４と、四方弁１４から圧縮機１２に向かう冷媒の通路中に配設されるアキュムレータ１６と、自動車１８の室内に連通するユニット２０内に配設される室内熱交換器２２と、自動車１８のフロント部分に配設される室外熱交換器２６と、室内熱交換器２２および室外熱交換器２６間に配設される開度調整可能な２つの電磁弁２８、３０とを備える。
【００１６】
室内熱交換器２２には、室内ファン２４が近接して配置される。また、ユニット２０の室内側には、デフロスタ吹き出し口３２、フェース吹き出し口３４およびフット吹き出し口３６が夫々設けられる。各吹き出し口３２、３４および３６は、ダンパ３８、４０および４２により開閉可能に構成される。
【００１７】
自動車１８のエンジン４４は、ウォータポンプ４６によって流動する冷却水が供給されるウォータジャケット４８を備える。ウォータジャケット４８には、室外熱交換器２６に近接配置されるラジエータ５０がサーモスタット７５を介して接続される。なお、サーモスタット７５とウォータポンプ４６とは、バイパス通路７７によって接続される。ラジエータ５０には、図２に示すように、２つの室外ファン５８および６０（送風機）が近接して配置される。
【００１８】
また、ウォータジャケット４８には、ユニット２０内に配設されるヒータコア５２がウォータバルブ５４を介して接続される。なお、室内熱交換器２２とヒータコア５２との間には、ヒータコア５２を室内熱交換器２２から遮断するためのダンパ５６が配設される。
【００１９】
一方、室外熱交換器２６およびラジエータ５０と自動車１８の外界とを連通するダクト６２（連通路）には、ダクト６２を開閉するためのシャッタ６４ａ〜６４ｄが配設される。各シャッタ６４ａ〜６４ｄは、図３および図４に示すように、両側部の支軸６６ａ〜６６ｄを介してダクト６２に回動可能に支持される。そして、支軸６６ａ〜６６ｄから偏心した端部に形成された軸部６８ａ〜６８ｄがダクト６２の両側部に配設した変位部材７０に軸支される。
【００２０】
変位部材７０は、下端部がスリーブ７２に収納される。スリーブ７２内には、変位部材７０の下端部の上下に当接するスプリング７４および７６が収納される。この場合、下部に配設されるスプリング７４は、例えば、外気温が略１０℃以上の冷房モード域のとき、上部のスプリング７６の弾発力によって圧縮される一方（図３）、外気温が略１０℃以下の暖房モード域のとき、上部のスプリング７６の弾発力に抗し予め記憶されていた所定量伸張した状態（図４）に変形する形状記憶合金部材によって形成される。
【００２１】
本実施形態の自動車用空調装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作について説明する。
【００２２】
先ず、図５に示すフローチャートに従い、暖房運転を行う場合の動作について説明する。
【００２３】
シャッタ６４ａ〜６４ｄの周辺の温度、例えば、自動車１８の外気温が略１０℃以下の暖房モード域のとき（ステップＳ１）、シャッタ６４ａ〜６４ｄは、ダクト６２を閉塞状態とする（ステップＳ２）。すなわち、図３に示すスプリング７４は、上部のスプリング７６の弾発力に抗し、記憶していた形状に伸張し、変位部材７０を上方向に変位させる。これにより、端部が変位部材７０に連結されたシャッタ６４ａ〜６４ｄが支軸６６ａ〜６６ｄを中心として回動し、ダクト６２を閉塞する（図４参照）。なお、外気温が略５℃以上で外気熱のみの吸熱でも十分に暖房を行うことができる場合には、シャッタ６４ａ〜６４ｄを開成保持するように設定してもよい。
【００２４】
次に、ドライバＤが自動車用空調装置１０の図示しない操作パネルを操作し、暖房運転を選択すると、ダンパ３８、４０および４２が動作し、デフロスタ吹き出し口３２、フェース吹き出し口３４およびフット吹き出し口３６の開閉状態が適宜設定される（ステップＳ３）。
【００２５】
暖房運転が選択されると、圧縮機１２から冷媒が室内熱交換器２２側に供給されるように、四方弁１４が図１の状態に設定される（ステップＳ４）。次いで、ヒートアップ優先モードが選択されず、エンジン４４の冷却水を利用して暖房運転を行う場合（ステップＳ５）、ウォータバルブ５４が開成され、エンジン４４の冷却水がヒータコア５２に供給可能な状態に設定される（ステップＳ６）。また、ダンパ５６が室内熱交換器２２とヒータコア５２との間から退避する（ステップＳ７）。
【００２６】
さらに、室内熱交換器２２と室外熱交換器２６との間に配設される電磁弁２８、３０の開度が調整される（ステップＳ８）。すなわち、室内熱交換器２２に圧縮冷媒を効率的に供給して室内を加温するため、電磁弁２８が全開状態に設定される一方、冷媒を霧状として室外熱交換器２６に供給することで外気熱およびエンジン廃熱を汲み上げるため、電磁弁３０を所定の設定開度に調整する。
【００２７】
次に、室内ファン２４が回転駆動され、自動車１８の室内空気が室内熱交換器２２およびヒータコア５２を介して選択されたデフロスタ吹き出し口３２、フェース吹き出し口３４またはフット吹き出し口３６に送給される（ステップＳ９）。
【００２８】
また、ステップＳ２においてシャッタ６４ａ〜６４ｄが閉塞されているとき（ステップＳ１０）、ラジエータ５０に近接配置された２つの室外ファン５８および６０が正転方向（空気を外界から自動車１８内に取り込む方向）および逆転方向（空気を自動車１８から外界に送り出す方向）に回転駆動される（ステップＳ１１）。この場合、図２および図６に示すように、エンジン４４側の空気は、逆転駆動される室外ファン５８によってラジエータ５０および室外熱交換器２６を介してダクト６２側に送給された後、正転駆動される室外ファン６０によって吸引され、閉塞状態にあるシャッタ６４ａ〜６４ｄ側から室外熱交換器２６およびラジエータ５０を介してエンジン４４側に取り込まれる。
【００２９】
なお、シャッタ６４ａ〜６４ｄの周辺の温度、例えば、外気温がさほど低くなく、シャッタ６４ａ〜６４ｄが開成されたままの状態のときには（ステップＳ１０）、２つの室外ファン５８および６０をいずれも正転方向または逆転方向に回転させることにより（ステップＳ１２）、空気を室外熱交換器２６側からラジエータ５０側に、あるいは、ラジエータ５０側から室外熱交換器２６側に送り出す。
【００３０】
以上の準備作業が完了した後、圧縮機１２が駆動され（ステップＳ１３）、暖房運転が開始される（ステップＳ１４）。
【００３１】
そこで、圧縮機１２から吐出された高温高圧の圧縮冷媒は、四方弁１４を介して室内熱交換器２２に供給され、凝縮される。このとき、室内ファン２４によって供給された空気は、室内熱交換器２２によって加温された後、ヒータコア５２を介して選択されたデフロスタ吹き出し口３２、フェース吹き出し口３４またはフット吹き出し口３６から室内に供給される。
【００３２】
また、エンジン４４によって加熱された冷却水は、ウォータポンプ４６により、ウォータジャケット４８からウォータバルブ５４を介してヒータコア５２に供給されている。従って、室内ファン２４によって室内熱交換器２２に供給され加温された空気は、ヒータコア５２を通過することでさらに加温され、室内に供給される。この結果、室内の空気は、室内熱交換器２２およびヒータコア５２によって効率的に加温される。
【００３３】
一方、室内熱交換器２２に供給された冷媒は、全開状態に設定されている電磁弁２８から所定の開度に設定された電磁弁３０に供給されることで霧状の低温低圧の冷媒となった後、室外熱交換器２６に供給されて蒸発する。そのとき、蒸発する冷媒が室外熱交換器２６の周囲の空気から冷却熱を汲み上げる。この場合、外気温が低いと、室外熱交換器２６が着霜するおそれがある。室外熱交換器２６が着霜すると、空気が流れず、吸熱ができなくなってしまう。
【００３４】
本実施形態においては、エンジン４４から冷却水の供給されるラジエータ５０が室外熱交換器２６に近接して配置されており、且つ、外気温が略１０℃以下の場合、シャッタ６４ａ〜６４ｄが閉塞され、室外ファン５８が逆転し、室外ファン６０が正転している。従って、図６に示すように、室外熱交換器２６の周囲の空気は、室外ファン５８によってエンジン４４側から室外熱交換器２６に供給された後、室外ファン６０によってシャッタ６４ａ〜６４ｄ側から再び室外熱交換器２６を介してエンジン４４側に戻るように循環することになる。
【００３５】
この場合、エンジン４４、特にエキゾーストマニホールドやシリンダブロック等で発生した熱が室外熱交換器２６に効率的に供給されるため、室外熱交換器２６が着霜することがない。また、シャッタ６４ａ〜６４ｄが閉塞状態となっているため、自動車１８の走行中におけるラム圧の影響を受けることがない。従って、エンジンルーム内の空気は良好に循環し、これによって室外熱交換器２６の加熱が効果的に行われるため、室外熱交換器２６内の冷媒が周囲の空気から効率的に吸熱することができる。この結果、ヒートポンプ方式による急速暖房が実現される。
【００３６】
また、冷却水がエンジン４４の廃熱によって上昇し、所定温度、例えば、略８０℃以上になると、サーモスタット７５が作動して冷却水がエンジン４４側からラジエータ５０側に供給される。このとき、ラジエータ５０で発生した冷却水の熱が、室外ファン５８、６０によって室外熱交換器２６に効果的に供給されて冷媒を加熱するため、暖房効率が一層向上することになる。
【００３７】
なお、ステップＳ５において、ドライバＤによりヒートアップ優先モードが選択され、低温状態にある冷却水を利用せずに暖房運転を行う場合には、ウォータバルブ５４を閉塞するとともに（ステップＳ１５）、ダンパ５６を室内熱交換器２２とヒータコア５２との間に配置する（ステップＳ１６）。この状態において、上述した場合と同様の暖房運転を開始することにより、室内熱交換器２２によってのみ加温された空気が室内に供給され、ヒートアップ優先モードによる暖房が行われる。
【００３８】
ここで、外気温との関係でエンジン４４の高温化が懸念されるような場合、例えば、図７に示すように、シャッタ６４ａ〜６４ｄを閉塞して室外熱交換器２６の周囲の空気を循環させるとともに、空気の一部を外部に逃がすような制御を行うこともできる。また、図８に示すように、シャッタ６４ａ〜６４ｄを閉塞するとともに、室外ファン５８および６０をいずれも逆転駆動して空気を外界方向に送給することにより、室外熱交換器２６を加熱するとともに、冷却水の冷却効果を確保するように制御することもできる。
【００３９】
なお、シャッタ６４ａ〜６４ｄの周辺の温度、例えば、外気温がさほど低くない場合には、シャッタ６４ａ〜６４ｄを開成し（ステップＳ１）、エンジン４４の熱を放熱するとともに、室外熱交換器２６を加熱し、その吸熱作用により暖房運転を遂行する。
【００４０】
図９は、以上のように動作する本実施形態のヒートポンプ方式による暖房運転時におけるエンタルピと冷媒の圧力との関係（実線）を、室外熱交換器２６を加温しない従来のヒートポンプ方式の場合（点線）と比較してモリエル線図に重畳させて示したものである。この図９から了解されるように、従来の方式では、室内熱交換器２２での冷媒の圧力が低く、発熱量が少ないのに対して、本実施形態の方式では、室外熱交換器２６に十分な量の冷媒が供給されるため、室内熱交換器２２に高温高圧の冷媒が供給され、これによって室内の空気を効率的に加温できる。
【００４１】
次に、図１０に示すフローチャートに従い、本実施形態の自動車用空調装置１０を用いて冷房運転を行う場合の動作について説明する。
【００４２】
冷房運転を行う場合、シャッタ６４ａ〜６４ｄの周辺の温度、例えば、自動車１８の外気温は、一般に高い温度となっているため、シャッタ６４ａ〜６４ｄはダクト６２を開成状態としている。すなわち、図３に示すように、スプリング７４は、上部のスプリング７６の弾発力によって縮退状態となっており、変位部材７０が下方向に変位してシャッタ６４ａ〜６４ｄを開成状態とする。
【００４３】
ドライバＤが自動車用空調装置１０の図示しない操作パネルを操作し、冷房運転を選択すると、ダンパ３８、４０および４２が動作し、デフロスタ吹き出し口３２、フェース吹き出し口３４およびフット吹き出し口３６の開閉状態が適宜設定される（ステップＳ２１）。
【００４４】
冷房運転が選択されると、圧縮機１２から冷媒が室外熱交換器２６側に供給されるように、四方弁１４が制御される（ステップＳ２２）。また、ウォータバルブ５４が閉塞され、ヒータコア５２に対する冷却水の供給が阻止される（ステップＳ２３）。なお、ダンパ５６は、室内熱交換器２２とヒータコア５２との間となるように閉塞状態に設定される（ステップＳ２４）。
【００４５】
さらに、室外熱交換器２６によって凝縮された冷媒を霧状の低温低圧の冷媒として室内熱交換器２２に効率的に供給するため、電磁弁３０が全開状態に調整されるとともに、電磁弁２８が所定の開度に調整される（ステップＳ２５）。
【００４６】
室内ファン２４は、外気を室内熱交換器２２を介して室内に供給するように駆動され（ステップＳ２６）、室外ファン５８および６０は、外気を取り込んで室外熱交換器２６およびラジエータ５０を冷却するように、正転駆動される（ステップＳ２７）。
【００４７】
以上の準備作業が完了した後、圧縮機１２が駆動され（ステップＳ２８）、冷房運転が開始される（ステップＳ２９）。
【００４８】
この場合、圧縮機１２から吐出された高温高圧の圧縮冷媒は、四方弁１４を介して室外熱交換器２６に供給され、凝縮される。なお、この高温高圧の冷媒は、室外ファン５８および６０によって取り込まれた外気により冷却される。
【００４９】
次いで、冷媒は、電磁弁３０を介して電磁弁２８に供給され、霧状になった後、室内熱交換器２２において蒸発することにより、室内ファン２４によって供給された外気を冷却し、室内を冷房する。蒸発した冷媒は、四方弁１４からアキュムレータ１６に供給された後、冷媒の気体の部分が圧縮機１２によって吸入されることにより、冷房運転が継続される。
【００５０】
なお、上述した実施形態では、シャッタ６４ａ〜６４ｄの周辺の温度に従って変位部材７０を変位させることで開閉するように構成しているが、例えば、冷却水の温度を検出し、その温度に応じてシャッタ６４ａ〜６４ｄを開閉させるようにしてもよい。また、エンジンルームの空気温度に応じて開閉させるようにしてもよい。さらに、シャッタ６４ａ〜６４ｄの開閉手段としては、形状記憶合金部材を用いる代わりに、モータやシリンダ等のアクチュエータを利用することも可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、外界との連通路を閉塞し、エンジンが駆動することによって発生する排気熱、冷却熱、摩擦熱等のエンジン廃熱を送風機を用いて室外熱交換器に効率的に供給することにより、外気温が低い場合であっても室外熱交換器が着霜することがなく、ヒートポンプ方式による暖房を効果的に行うことができる。
【００５２】
また、複数の送風機を制御し、エンジンと室外熱交換器との間で空気を循環させることにより、暖房効率をさらに向上させることができる。
【００５３】
さらに、温度に応じて変形する形状記憶合金部材を用いて開閉扉を駆動して連通路を閉塞することにより、電気的な制御回路を不要とし、構成を簡易なものとすることができる。
【００５４】
さらにまた、冷却水をヒータコアによって室内に導くことにより、室内熱交換器およびヒータコアで発生する熱を用いて、室内を一層効率的に暖房することができる。
【００５５】
なお、冷却水が低温であるとき、室内熱交換器から放熱する凝縮熱をヒータコアに導くことにより、冷却水を加熱してエンジンの暖機時間を短縮し、燃費向上に寄与することができる。
【００５６】
また、冷媒を用いた暖房であるため、冷却水による暖房に比較してヒートマスが小さく、暖房を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の自動車用空調装置の構成図である。
【図２】本実施形態の自動車用空調装置におけるラジエータ、室外熱交換器間での空気の循環状態を示す斜視説明図である。
【図３】本実施形態の自動車用空調装置におけるシャッタの開成状態を示す斜視説明図である。
【図４】本実施形態の自動車用空調装置におけるシャッタの閉塞状態を示す斜視説明図である。
【図５】本実施形態の自動車用空調装置における暖房運転の動作フローチャートである。
【図６】本実施形態の自動車用空調装置における密閉状態での空気循環説明図である。
【図７】本実施形態の自動車用空調装置における一部開放状態での空気循環説明図である。
【図８】本実施形態の自動車用空調装置における一部開放状態での空気排出説明図である。
【図９】本実施形態の自動車用空調装置における暖房運転時のエンタルピと冷媒圧力との関係を示す説明図である。
【図１０】本実施形態の自動車用空調装置における冷房運転の動作フローチャートである。
【符号の説明】
１０…自動車用空調装置１２…圧縮機
１４…四方弁１６…アキュムレータ
１８…自動車２２…室内熱交換器
２４…室内ファン２６…室外熱交換器
２８、３０…電磁弁４４…エンジン
４６…ウォータポンプ４８…ウォータジャケット
５０…ラジエータ５２…ヒータコア
５４…ウォータバルブ５８、６０…室外ファン
６４ａ〜６４ｄ…シャッタ７４、７６…スプリング

Claims

エンジンルーム内にエンジンを収容した自動車用空調装置であって、
前記空調装置は、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機と、
圧縮された前記冷媒を凝縮する室内熱交換器と
前記冷媒を蒸発させる室外熱交換器と、
前記エンジン側から前記室外熱交換器に空気を送風する第１の送風機と、
前記室外熱交換器側から前記エンジン側に空気を戻す第２の送風機と、
前記室外熱交換器と前記自動車の外界とを連通する連通路と、
前記自動車の外気温度、または、冷却水温度、若しくは、前記エンジンルームの空気温度に従って前記連通路を開閉する開閉扉と、
を備え、当該温度が所定温度以下のとき、前記開閉扉により前記連通路の少なくとも一部を閉塞するとともに、前記第１の送風機で前記エンジン側から前記室外熱交換器に空気を送風し、前記第２の送風機で前記室外熱交換器側から前記エンジン側に空気を戻すことにより、前記開閉扉によって閉塞された前記エンジンルームで空気を循環させることを特徴とする自動車用空調装置。
請求項１記載の装置において、
前記開閉扉は、当該温度が所定温度以下のとき、前記連通路を閉塞すべく変形する形状記憶合金部材により駆動されることを特徴とする自動車用空調装置。
請求項１記載の装置において、
前記開閉扉は、当該温度が所定温度以下のとき、前記連通路を閉塞すべく変位するアクチュエータにより駆動されることを特徴とする自動車用空調装置。
請求項１記載の装置において、
前記自動車の室内に配設され、エンジンを冷却する冷却水が導入されるヒータコアを有することを特徴とする自動車用空調装置。