JP3847905B2

JP3847905B2 - ヒートポンプ式自動車用空気調和装置

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Publication number: JP3847905B2
Application number: JP17446597A
Authority: JP
Inventors: 圭俊野田
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Calsonic Kansei Corp
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2017-06-30
Also published as: KR100279134B1; EP0888912B1; EP0888912A3; JPH1120461A; US5910157A; EP0888912A2; DE69728973D1; DE69728973T2; KR19990006310A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン冷却水（温水）と冷媒とを用いて自動車の車室内を冷暖房するようにしたヒートポンプ式自動車用空気調和装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、最近の一部の高級車や比較的車室内空間が大きいワンボックスカーなどには、室内全体について快適な空調状態が得られるよう、車室内の前方領域（例えば、前席部分）はフロントユニットにより、後方領域（例えば、第２席、第３席などの後席部分）はリヤユニットによりそれぞれ独立に空気調和するデュアルカーエアコンと通称される自動車用空気調和装置が搭載されている。
【０００３】
この種の自動車用空気調和装置として、例えば、暖房運転時において、フロントユニットは、ヒータコアを設けて、エンジン冷却水を熱源として利用するが、リヤユニットは、サブコンデンサと称する室内熱交換器を設けて、コンプレッサにより圧縮された高温高圧の冷媒を熱源として利用するようにしたシステムがある。なお、この種の装置は、冷媒の循環過程（冷凍サイクル）において低温の外部空気から熱を汲み上げて車室内を暖房することから、ヒートポンプ式の自動車用空気調和装置と称されている。
【０００４】
ところが、この種の装置で暖房運転をする場合、例えば、冬季の朝のように外気温度が低いときには、起動時にエンジン冷却水の温度（エンジン冷却水温）が低く、また、冷媒の温度の上昇速度も俊敏でないため、運転開始と同時に暖かい空気が吹き出されるような状態になりにくく、いわゆる即暖性が不十分となり、また、暖房性能も不足気味となるおそれがある。特に、ディーゼルエンジンを搭載した車室内空間の大きいワンボックスカーでは、通常のガソリンエンジン車と比べてエンジン冷却水の温度上昇が遅く、しかも広い空間を暖房しなければならないことから、即暖性、暖房性能ともに不足する傾向がある。さらに、最近では、排気ガス対策および省エネルギー対策として効率の良い直噴エンジン（ガソリン、ディーゼル）が開発中で、すでに一部は実用化されているところであるが、このような直噴エンジン搭載車の場合には、放熱量の低下に伴うエンジン冷却水の温度の低下（低水温化）によって、慢性的に暖房不足を来すおそれがある。
【０００５】
そこで、本出願人は、サブエバポレータと称する室外熱交換器を設け、このサブエバポレータにおいてエンジン冷却水の熱を利用してコンプレッサへの帰還冷媒を加熱し、エンタルピーが増加したより高温の冷媒を用いて、より高い暖房性能を発揮するようにしたヒートポンプ式自動車用空気調和装置を提案した（例えば、特願平７−２７１６２１号参照）。さらに、この技術を前提として、エンジンの直噴化による低水温化に対応すべく、前後席ともヒートポンプシステムとした自動車用空気調和装置を提案した（例えば、特願平９−９０８５４号参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようなサブエバポレータを備えたヒートポンプ式自動車用空気調和装置においては、暖房運転安定時あるいは車両走行時にサイクル圧力が十分上昇すると、サブエバポレータへの温水流量を制御して、冷凍サイクルの保護を図るとともに吹出し温度を一定に維持するようにしている。このとき、コンプレッサの能力（仕事量）やエンジン冷却水の温度が上昇し過ぎると、コンプレッサ吐出圧力が上昇したり、また、単体として見た場合にヒータコアからの吹出し温度のほうがサブコンデンサからの吹出し温度よりも高くなることがあり、信頼性および性能の面からこれらを防止する必要がある。
【０００７】
すなわち、コンプレッサ吐出圧力が上昇したときには、冷凍サイクル（特にコンプレッサ）を保護するため、その吐出圧力に応じてコンプレッサをＯＮ−ＯＦＦする制御（ＯＮ−ＯＦＦ制御）が一般的に行われているところであり、上記したヒートポンプ式自動車用空気調和装置においても、吐出圧力上昇時のコンプレッサ保護の方策を講じておくべきであることは当然である。
【０００８】
そこで、この点につき、本出願人は、従来から一般的に行われているコンプレッサのＯＮ−ＯＦＦ制御に加えて、このコンプレッサＯＮ−ＯＦＦ制御を行う前段階において、サブエバポレータ用のウォータバルブのＯＮ−ＯＦＦ制御を行う技術を提案した（特願平８−２３６６３７号参照）。これにより、コンプレッサのＯＮ−ＯＦＦ頻度が減少してドライバビリティーの向上と快適性の維持（吹出し温度の変化の抑制）とを図りつつ圧力上昇からコンプレッサを保護することが可能となる。
【０００９】
しかしながら、実験の結果、このようにサブエバポレータへの温水流量調整をウォータバルブのＯＮ−ＯＦＦのみの制御で行う場合には、サイクル圧力やサイクル温度の上昇が急激であり、瞬間的に所定の制御値そのものを超えてしまう場合（オーバーシュート状態）があることがわかった（図８、図１１の流量制限なしの領域参照）。したがって、信頼性のより一層の向上を図るためには、サイクル圧力やサイクル温度の上昇代を緩和してオーバーシュートをなくし、制御値を超えないようにすることが望まれる。
【００１０】
また、図１２はエンジン冷却水温と吹出し温度（吹出温）との関係を通常のヒータコアシステムとサブエバポレータを用いたヒートポンプシステムとについて示した特性図であるが、同図に示すように、ヒータコアシステムでは、エンジン冷却水温の上昇に伴って吹出し温度がほぼ直線的に上昇するが（曲線ａ）、上記ヒートポンプシステムでは、上記したコンプレッサ吐出圧力によるウォータバルブのＯＮ−ＯＦＦ制御により、実際には、曲線ｂに示すような特性となる。
【００１１】
同図から明らかなように、エンジン冷却水温が所定値（ここでは、例えば、７０℃）より低いときには上記ヒートポンプシステムのほうが吹出し温度が高く、エンジン冷却水温が所定値（７０℃）より高くなると、逆に、ヒータコアシステムのほうが吹出し温度が高くなる。したがって、上記ヒートポンプシステムにおいて、信頼性の向上を図りつつ吹出し温度（最大暖房性能）のさらなる向上を図ることが望まれるところである。
【００１２】
本発明は、本出願人が現在開発中のヒートポンプ式自動車用空気調和装置における上記課題に着目してなされたものであり、信頼性と性能のより一層の向上を図ることができるヒートポンプ式自動車用空気調和装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、冷凍サイクル内を状態変化しながら循環する冷媒の熱とエンジン（１）の冷却水の熱とを利用して車室内の暖房を行うもので、前記冷凍サイクルにエンジン冷却水との熱交換によりコンプレッサ（２）に帰還する冷媒を加熱する室外エバポレータ（８）を設けてなるヒートポンプ式自動車用空気調和装置において、エンジン冷却水を利用して取り入れ空気を加熱するヒータコア（１２）を流れるエンジン冷却水の流量を無段階に調整する流量調整手段（３１）と、エンジン（１）の回転数を検出するエンジン回転数検出手段（５５）と、前記エンジン回転数検出手段（５５）の出力に応じて前記流量調整手段（３１）の開度を制御して前記室外エバポレータ（８）を流れるエンジン冷却水の流量を制限する制御手段（５０）と、を有し、前記ヒータコア（１２）と室外エバポレータ（８）とは、エンジン冷却水が循環する温水回路において並列に接続されていることを特徴とする。
また、請求項１に従属する請求項３記載の発明は、さらに、前記室外エバポレータ（８）のエンジン冷却水注入口側に設けられた第２流量調整手段（３２）を有し、前記制御手段（５０）は、前記第２流量調整手段（３２）をＯＮ−ＯＦＦ制御しつつ、前記エンジン回転数検出手段（５５）によって検出されるエンジン（１）の回転数が高くなるにしたがって前記室外エバポレータ（８）を流れるエンジン冷却水の流量が減るように前記流量調整手段（３１）の開度を制御することを特徴とする。
【００１４】
この発明にあっては、エンジン回転数検出手段はエンジンの回転数を検出し、制御手段は、エンジン回転数検出手段の出力（エンジン回転数）に応じて流量調整手段の開度を制御して、室外エバポレータを流れるエンジン冷却水（温水）の流量を制限する。つまり、エンジン回転数に応じて流量調整手段の開度を制御することで、ヒータコアを流れる温水流量が無段階に調整され、その結果、温水系がヒータコアと並列に接続されている室外エバポレータへの温水流量が低減（制限）される。例えば、エンジン回転数が上がってコンプレッサの仕事量が増大しサイクル圧力などが上昇すると、エンジン回転数に応じて流量調整手段の開度が変化し、高回転域では室外エバポレータへの温水流量が減少することになる。そして、室外エバポレータへの温水流量が少なくなると冷媒の温水からの吸熱量が減少し、サイクル圧力、サイクル温度の上昇が緩やかになるため、室外エバポレータ用の流量制御弁のＯＮ−ＯＦＦ制御によるオーバーシュートが防止され、サイクル圧力などが制御値を超えないようになる。
【００１５】
請求項２記載の発明は、冷凍サイクル内を状態変化しながら循環する冷媒の熱とエンジン（１）の冷却水の熱とを利用して車室内の暖房を行うもので、前記冷凍サイクルにエンジン冷却水との熱交換によりコンプレッサ（２）に帰還する冷媒を加熱する室外エバポレータ（８）を設けてなるヒートポンプ式自動車用空気調和装置において、エンジン冷却水を利用して取り入れ空気を加熱するヒータコア（１２）を流れるエンジン冷却水の流量を無段階に調整する流量調整手段（３１）と、エンジン冷却水の温度を検出する水温検出手段（５７）と、前記水温検出手段（５７）の出力に応じて前記流量調整手段（３１）の開度を制御して前記室外エバポレータ（８）を流れるエンジン冷却水の流量を制限する制御手段（５０ａ）と、を有し、前記ヒータコア（１２）と室外エバポレータ（８）とは、エンジン冷却水が循環する温水回路において並列に接続されていることを特徴とする。
また、請求項２に従属する請求項４記載の発明は、さらに、前記室外エバポレータ（８）のエンジン冷却水注入口側に設けられた第２流量調整手段（３２）を有し、前記制御手段（５０）は、前記第２流量調整手段をＯＮ−ＯＦＦ制御しつつ、前記水温検出手段（５７）によって検出されるエンジン冷却水の温度が高くなるにしたがって前記室外エバポレータ（８）を流れるエンジン冷却水の流量が減るように前記流量調整手段（３１ ) の開度を制御することを特徴とする。
【００１６】
この発明にあっては、水温検出手段はエンジン冷却水（温水）の温度を検出し、制御手段は、水温検出手段の出力（エンジン冷却水温）に応じて流量調整手段の開度を制御して、室外エバポレータを流れるエンジン冷却水の流量を制限する。つまり、エンジン冷却水温に応じて流量調整手段の開度を制御することで、ヒータコアを流れる温水流量が無段階に調整され、その結果、温水系がヒータコアと並列に接続されている室外エバポレータへの温水流量が低減（制限）される。例えば、エンジン冷却水の温度が上がって室外エバポレータでの吸熱量が増大しサイクル圧力などが上昇すると、エンジン冷却水温に応じて流量調整手段の開度が変化し、高水温域では室外エバポレータへの温水流量が減少することになる。そして、室外エバポレータへの温水流量が少なくなると冷媒の温水からの吸熱量が減少し、サイクル圧力、サイクル温度の上昇が緩やかになるため、室外エバポレータ用の流量制御弁のＯＮ−ＯＦＦ制御によるオーバーシュートが防止され、サイクル圧力などが制御値を超えないようになる。
【００１７】
請求項５記載の発明は、上記請求項２または請求項４記載のヒートポンプ式自動車用空気調和装置において、前記ヒータコア（１２）の上流側に冷媒を利用して取り入れ空気を加熱する室内コンデンサ（１３）が設けられ、前記制御手段（５０ａ）は、前記室外エバポレータ（８）を流れるエンジン冷却水の流量を制限する際に、前記ヒータコア（１２）の前面に設けられたエアミックスドア（１６）を開状態に設定することを特徴とする。
【００１８】
この発明にあっては、エンジン冷却水の温度が上昇して室外エバポレータを流れるエンジン冷却水の流量制限が行われる際には、エアミックスドアが開状態に設定されるため、ヒートポンプシステムを構成する室内コンデンサで加熱された取り入れ空気は、高温のエンジン冷却水が流れるヒータコアで再度加熱されることになり、ヒートポンプシステムのみの場合よりも高い吹出し温度が得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を使って、本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
図１は本発明の一実施の形態に係るヒートポンプ式自動車用空気調和装置を示す概略構成図である。なお、ここでは、サブエバポレータと称する室外熱交換器を備えたヒートポンプ式のデュアルカーエアコンのうち、前後席ともに冷媒を利用して暖房を行うヒートポンプシステムを採用し（ただし、後席側については暖房のみ（除湿なし））、かつ、前席側についてはエンジン冷却水（温水）による暖房をも行いうるシステムを例示している。
【００２１】
この自動車用空気調和装置は、送風機（ブロア）により選択的に取り入れた車室内外の空気（内外気）を調和して車室内の前席および後席に向かってそれぞれ吹き出すフロントユニット１０とリヤユニット２０とを有する。
【００２２】
フロントユニット１０は、そのケーシング内に通風路１１が形成され、この通風路１１内には、白抜き矢印で示す空気の流れ方向の下流側から順に、エンジン１の冷却水（温水）を利用して取り入れ空気を加熱するヒータコア１２と、後述する冷凍サイクルを構成する室内コンデンサとしてのフロントサブコンデンサ１３と、同じく冷凍サイクルを構成する通常のエバポレータ１４と、前記送風機１５とが配設されている。なお、図示しないが、より詳細には、フロントユニット１０は、上流側から順に、インテークユニット、クーリングユニット、およびヒータユニットからなり、インテークユニットにはインテークドアと送風機１５が配置され、クーリングユニットにはエバポレータ１４が配置され、ヒータユニットにはフロントサブコンデンサ１３とエアミックスドア１６とヒータコア１２が配置されている。エアミックスドア１６は、ヒータコア１２の前面に回動自在に設けられ、ヒータコア１２を通過する空気とこれを迂回する空気との割合を調節してヒータコア１２の下流域で所望温度の空気を作ったり、あるいはヒータコア１２に空気が流通しないようにしている。また、ヒータユニットのヒータコア１２下流側には、エアミックス後の温度調節された空気を車室内の前席に向かって吹き出すための各種吹出口が形成されている。
【００２３】
一方、リヤユニット２０は、そのケーシング内に通風路２１が形成され、この通風路２１内には、白抜き矢印で示す空気の流れ方向の下流側から順に、冷凍サイクルを構成するリヤサブコンデンサ２２と、前記送風機２３とが配設されている。リヤサブコンデンサ２２は、当該冷凍サイクルの回路において、直列に接続されたフロントサブコンデンサ１３およびエバポレータ１４と並列に接続されている。なお、図示しないが、より詳細には、リヤユニット２０は、上流側から順に、インテークユニットおよびヒータユニットからなり、インテークユニットにはインテークドアと送風機２３が配置され、ヒータユニットにはリヤサブコンデンサ２２が配置されている。ヒータユニットのサブコンデンサ２２下流側には、加熱された空気を車室内の後席に向かって吹き出すための所定の吹出口が形成されている。本実施の形態では、リヤユニット２０は前述のごとく暖房のみ（除湿なし）のシステムであるため、エバポレータやエアミックスドアは削除されている。
【００２４】
これら両ユニット１０、２０の外部には、エンジン１により図示しないベルトを介して回転駆動されるコンプレッサ２と、メインコンデンサ３とが配設されている。冷凍サイクルは、これらコンプレッサ２とメインコンデンサ３、ならびに上記のフロントサブコンデンサ１３、エバポレータ１４、およびリヤサブコンデンサ２２を、配管により、フロント用のオリフィス付き電磁弁１６、ならびにリヤ用のリキッドタンク２４およびオリフィス付き電磁弁２５と連結し、その中に冷媒を封入して構成されている。オリフィス付き電磁弁１６、２５は、開閉弁としての電磁弁に冷媒膨脹用のオリフィス（例えば、 φ１.４５）を内蔵したものである。
【００２５】
メインコンデンサ３の入口側には回路切換弁としての四方弁４が設けられている。この四方弁４は、密閉ケースに一つの入口ポートと三つの出口ポートを設けるとともに、同ケース内に前記三つの出口ポートのうち二つの出口ポートを連通するスライド部材を設け、このスライド部材によって選択された出口ポート以外の出口ポートが入口ポートと連通するように構成されている。したがって、スライド部材の位置によって入口ポートと連通される出口ポートが選択されることになる。ここでは、四方弁４の入口ポートはコンプレッサ２の吐出側と接続され、四方弁４の三つの出力ポートは、それぞれ、メインコンデンサ３の入口、コンプレッサ２の吸入側（冷媒回収通路５）、メインコンデンサ３の出口（バイパス通路６）と接続されている。この四方弁４により、フロント側に関しては、コンプレッサ２から吐出された冷媒をメインコンデンサ３に導く冷房運転用冷媒回路（以下単に「冷房用回路」という）と、コンプレッサ２から吐出された冷媒をメインコンデンサ３のバイパス通路６に導く暖房運転用冷媒回路（以下単に「暖房用回路」という）とが切り換えられる。なお、図１では、暖房運転時の四方弁４の状態を示している。
【００２６】
また、前記両ユニット１０、２０の外部には、ヒートポンプによる暖房性能を高めるため、コンプレッサ２の吸入側と、フロント側とリヤ側との合流点７との間の低圧側冷媒通路に、室外エバポレータ（室外熱交換器）として機能するサブエバポレータ８を設けている。このサブエバポレータ８は、内部を流通する冷媒をエンジン冷却水（温水）との熱交換により加熱する機能を有しており、いわば温水−冷媒熱交換器ともいうべきものである。
【００２７】
このようなサブエバポレータ８を設けることで、たとえ低温のため空気と熱交換してもただちに暖房用として使用できないエンジン冷却水であっても、当該サブエバポレータ８において流入した冷媒と熱交換させることにより、その冷媒はエンジン冷却水が保有する熱を有効に取り込んで加熱された（つまり、エンタルピーが増加した）後、コンプレッサ２に帰還し、再度コンプレッサ２で圧縮、加圧されることになるので、コンプレッサ２から吐出される冷媒はより高温の冷媒となって、サブコンデンサ１３、２２に供給されることになる。その結果、サブコンデンサ１３、２２の放熱性能が高まり、そこで熱交換された空気はより高温となるため、より高い暖房性能が発揮され、即暖性も向上することになる。
【００２８】
また、サブエバポレータ８とコンプレッサ２との間には、上記のごとく通常の温度式膨脹弁に代えて冷媒流量調整機能を持たないオリフィス付き電磁弁１６を採用した関係で、余剰冷媒の貯溜と気液の分離を行いガス冷媒のみをコンプレッサ２に戻すためのアキュムレータ９が設けられている。アキュムレータ９は、冷媒を貯溜する比較的容量のある容器であるため、仮に冷媒が液状態で帰還してきても、これを気化してコンプレッサ２に戻すことができ、液圧縮によるコンプレッサ２の破損を防止することができる。
【００２９】
暖房運転時、コンプレッサ２から吐出された冷媒は、通常、後述する回路（暖房用回路）を通ってフロントユニット１０側とリヤユニット２０側の双方に流れる。このとき、フロントユニット１０側とリヤユニット２０側にそれぞれ冷媒を導くための二つの電磁弁１６、２５はどちらも開いた状態にある。すなわち、暖房運転時、コンプレッサ２から出た冷媒は、四方弁４→バイパス通路６と流れてここからフロントユニット１０側とリヤユニット２０側とに分岐して流れた後、サブエバポレータ８の入口（合流点７）で合流して、コンプレッサ２に帰還する。より具体的には、前者においては、バイパス通路６を流れた冷媒は、フロントサブコンデンサ１３→オリフィス（付き電磁弁）１６→エバポレータ１４と流れた後、サブエバポレータ８→アキュムレータ９と流れて、コンプレッサ２に帰還する。また、後者においては、バイパス通路６を流れた冷媒は、リヤサブコンデンサ２２→リキッドタンク２４→オリフィス（付き電磁弁）２５と流れた後、サブエバポレータ８→アキュムレータ９と流れて、コンプレッサ２に帰還する。なお、後席を暖房しない場合には、電磁弁２５は閉じておく。
【００３０】
一方、冷房運転時、コンプレッサ２から吐出された冷媒は、通常、後述する回路（冷房用回路）を通ってフロントユニット１０側のみに流れる。このとき、リヤユニット２０側の電磁弁２５は閉じた状態にある。すなわち、冷房運転時、コンプレッサ２から出た冷媒は、四方弁４→メインコンデンサ３→フロントサブコンデンサ１３→オリフィス（付き電磁弁）１６→エバポレータ１４→サブエバポレータ８→アキュムレータ９と流れて、コンプレッサ２に帰還する。
【００３１】
また、エンジン冷却水が循環する温水回路については、図２にも示すように、ヒータコア１２とサブエバポレータ８とは並列に接続されており、ヒータコア１２の温水入口には流量調整手段として機能するヒータコア流量調整弁３１が設けられ、サブエバポレータ８の温水入口にはサブエバポレータ流量調整弁３２（以下「サブエバ流量調整弁」と略称する）が設けられている。ヒータコア流量調整弁３１は、例えば、アクチュエータなどにより開度調節可能なウォータバルブであって、ヒータコア１２を流れる温水流量を無段階に調整しうるものである。また、サブエバ流量調整弁３２は、例えば、ＯＮ−ＯＦＦ制御可能なウォータバルブである。暖房運転時においてサブエバポレータ８を作動させる場合には、サブエバ流量調整弁３２を開いて（ＯＮ）、エンジン１から流出した温水をサブエバポレータ８に導入する。その際、サブエバポレータ８を流れる温水流量は、ヒータコア流量調整弁３１の開度を制御してヒータコア１２を流れる温水流量を調整することによって調整される。
【００３２】
図３はサブエバポレータ８を流れる温水流量の制御特性図である。温水回路を循環する温水流量は一定であるため、サブエバ流量調整弁３２がＯＮ状態にあるとき、同図に示すように、ヒータコア流量調整弁３１の開度を大きくするにつれてヒータコア１２を流れる温水流量は増大し、その結果、サブエバポレータ８を流れる温水流量は減少する。つまり、ヒータコア流量調整弁３１が全閉状態（ヒータコア１２へのバイパスなし）にあるとき、サブエバポレータ８を流れる温水流量は最大となり、逆に、ヒータコア流量調整弁３１が全開状態（ヒータコア１２へのバイパスあり）にあるとき、サブエバポレータ８を流れる温水流量は最小となる。後述するように、本発明では、暖房運転安定時において、サブエバポレータ８を流れる温水流量を、エンジン回転数またはエンジン冷却水温に応じてヒータコア流量調整弁３１の開度を制御することにより、制限するようにしている。なお、サブエバポレータ８を流れる温水流量をゼロにする（つまり、サブエバポレータ８の作動を停止させる）には、サブエバ流量調整弁３２を閉じればよい（ＯＦＦ）。
【００３３】
また、上記構成の冷媒回路の高圧側には、コンプレッサ２の吐出圧力（Ｐd ）と吐出温度（Ｔd ）を検出するための図示しない吐出圧力検出手段と吐出温度検出手段がそれぞれ設けられている。吐出圧力検出手段は、例えば、ダイヤフラムを内蔵した圧力スイッチ、または、検出した圧力を電圧値に変換する圧力トランスデューサ（圧力センサ）で構成され、吐出温度検出手段は、検出した温度を電圧値に変換する温度センサなどで構成されている。後述するように、コンプレッサ２の吐出圧力Ｐd または吐出温度Ｔd が上昇すると、コンプレッサ２を保護するため、各検出値に応じて、コンプレッサ２の吐出圧力や吐出温度を下げるための各種制御が行われるようになっている。
【００３４】
なお、上記したように四方弁４の出口側（出口ポートの１つ）とコンプレッサ２の吸入側との間には冷媒回収通路５が設けられているが、この冷媒回収通路５は、外気温度が低く、エンジン冷却水をただちに暖房用熱源として使用できない場合に、メインコンデンサ３などに滞留しているいわゆる寝込み冷媒をコンプレッサ２に戻し、多量の冷媒を用いて性能の高い暖房ができるようにするためのものである。
【００３５】
また、図１中、４０はメインコンデンサ３を冷却するための電動ファンであり、４１、４２、４３、４４、４５はそれぞれ反対方向の流れを阻止するための逆止弁である。
【００３６】
次に、作用を説明する。なお、ここでは、本発明が適用される暖房運転時の作用についてのみ説明する。
【００３７】
暖房運転初期
暖房運転開始時に外気温度が低い場合には、エンジン冷却水の温度も低く、これをただちに暖房用として使用することはできない（ヒータコア１２の場合）。また、冷媒もメインコンデンサ３などの内部に寝込んでおり、コンプレッサ２にはあまり存在していない。この状態で前後席を暖房する場合には、例えば、ヒータコア流量調整弁３１を全閉状態、サブエバ流量調整弁３２をＯＮ状態、二つの電磁弁１６、２５をともに開状態、四方弁４を図１に示す状態にそれぞれ設定する。また、エアミックスドア１６は、空気がヒータコア１２を通過しないよう、全閉位置Ａに設定する。
【００３８】
この状態でコンプレッサ２をＯＮすると、主としてメインコンデンサ３の内部に寝込んでいる冷媒が、四方弁４および冷媒回収通路５を通ってコンプレッサ２の吸入側に導かれ、回収される。
【００３９】
これにより、コンプレッサ２は多量の冷媒を吐出しうる運転状態となり、コンプレッサ２から吐出された高温高圧の冷媒は、四方弁４→バイパス通路６と流れた後、分岐して、一部はフロントサブコンデンサ１３→オリフィス（付き電磁弁）１６→エバポレータ１４とフロントユニット１０側を流れ、一部はリヤサブコンデンサ２２→リキッドタンク２４→オリフィス（付き電磁弁）２５とリヤユニット２０側を流れて、合流点７で合流して、サブエバポレータ８→アキュムレータ９と流れて、コンプレッサ２に帰還する。この循環過程において、サブエバポレータ８に流入した低温低圧の冷媒は、エンジン冷却水との熱交換により加熱され、より高温となってコンプレッサ２に吸入され、再度圧縮される。これにより、コンプレッサ２に帰還し再度圧縮された冷媒は、エンタルピーが増加して（つまり、サイクルバランスが上昇して）より高温高圧となって吐出されることになる。サブコンデンサ１３、２２の暖房能力（放熱性能）は冷媒の温度に関係するため、このように吐出冷媒の温度が上昇することで、より高い暖房性能が発揮されることになる。また、このような傾向は時間の経過につれて増幅されることから、このようにエンジン冷却水からの熱の回収をいわばトリガーとすることで冷媒温度の迅速かつ効率的な上昇が可能となり、いわゆる即暖性も大幅に向上することになる。
【００４０】
このとき、フロントユニット１０内に取り込まれた空気は、エバポレータ１４で除湿（冷房）され、さらにフロントサブコンデンサ１３で加熱された後、流下し、所定の吹出口から車室内に吹き出される。これにより、除湿した空気を加熱する除湿暖房が実現される。また、リヤユニット２０内に取り込まれた空気は、リヤサブコンデンサ２２で加熱された後、流下し、所定の吹出口から車室内に吹き出され、暖房（除湿なし）が実現される。
【００４１】
なお、暖房運転初期においても、例えば、急加速時などにアクセルを踏み込むなどしてエンジン１の回数数、したがってコンプレッサ２の回転数が急激に増大し、コンプレッサ１の吐出圧力が急上昇することがありうるので、コンプレッサ２保護のため、コンプレッサ２の吐出圧力を下げるための制御を行う必要があるが、このことは安定時においても同様であるため、次でまとめて説明することにする。
【００４２】
暖房運転安定時
エンジン冷却水の温度がある程度上昇し、車室内の温度もある程度上昇すると、吹出し温度を一定に保つよう、サブエバポレータ８への温水流量を制御する。本案では、上記のように、ヒータコア流量調整弁３１の開度を制御することで、サブエバポレータ８を流れる温水流量を制御する。
【００４３】
すなわち、温水安定時には、サブエバポレータ８を流れる温水流量が増大すると、コンプレッサ２の吐出圧力・温度が上昇して、吹出し温度が高くなる。この原理はすでに説明したとおりであって、サブエバポレータ８に流れる温水流量が増大すると、冷媒との熱交換量が増加するため、サブエバポレータ８出口の冷媒温度が上昇して、コンプレッサ２に吸入される冷媒温度が上昇し、この吸入冷媒温度の上昇に伴ってコンプレッサ２の吐出圧力・温度が増大する。これにより、サブコンデンサ１３、２２での放熱能力が高まり、吹出し温度が上昇する。逆に、サブエバポレータ８を流れる温水流量が減少すると、冷媒との熱交換量が減少するため、コンプレッサ２の吐出圧力・温度が下がり、吹出し温度が低下する。したがって、サブエバポレータ８への温水流量を制御することにより、具体的には、吹出し温度が低過ぎる場合にはサブエバポレータ８への温水流量を増加させ、吹出し温度が高過ぎる場合にはサブエバポレータ８への温水流量を減少させることにより、吹出し温度を一定（の範囲内）に維持することができる。
【００４４】
また、コンプレッサ２の吐出圧力（温度）が上昇したときの保護対策として、本案では、コンプレッサ２の吐出圧力・温度に応じてコンプレッサ２のＯＮ−ＯＦＦ制御とサブエバ流量調整弁３２のＯＮ−ＯＦＦ制御を行う。
【００４５】
コンプレッサ２のＯＮ−ＯＦＦ制御は、例えば、図４に示す制御特性に基づいて行われる。すなわち、コンプレッサ２は、ＯＮ状態において吐出圧力（Ｐd ）が２３kg/cm²Ｇ以上に上昇するか（同図（Ａ）参照）または吐出温度（Ｔd ）が１２０℃以上に上がると（同図（Ｂ）参照）ＯＦＦされ、ＯＦＦ状態において吐出圧力（Ｐd ）が２０kg/cm²Ｇ以下に下降するか（同図（Ａ）参照）または吐出温度（Ｔd ）が８０℃以下に下がると（同図（Ｂ）参照）ＯＮ状態に戻る。
【００４６】
サブエバ流量調整弁３２のＯＮ−ＯＦＦ制御は、例えば、図５に示す制御特性に基づいて行われる。すなわち、サブエバ流量調整弁３２は、開いた（ＯＮ）状態において吐出圧力（Ｐd ）が２０kg/cm²Ｇ以上に上昇するか（同図（Ａ）参照）または吐出温度（Ｔd ）が１００℃以上に上がると（同図（Ｂ）参照）閉じられ（ＯＦＦ）、閉じた（ＯＦＦ）状態において吐出圧力（Ｐd ）が１７kg/cm²Ｇ以下に下降するか（同図（Ａ）参照）または吐出温度（Ｔd ）が８０℃以下に下がると（同図（Ｂ）参照）開いた（ＯＮ）状態に戻る。サブエバ流量調整弁３２を閉じるとサブエバポレータ８での熱交換がなくなるため、コンプレッサ２に吸入される冷媒の温度が下がり、コンプレッサ２の吐出圧力（Ｐd ）と吐出温度（Ｔd ）が低下することになる。なお、ここでは、サブエバ流量調整弁３２のＯＮ−ＯＦＦ制御をコンプレッサ２のＯＮ−ＯＦＦ制御を行う前の段階でするようにしているが、これは、前述のように、コンプレッサ２のＯＮ−ＯＦＦの頻度を少なくしてコンプレッサ２のＯＮ−ＯＦＦによるドライバビリティーの低下などを防止するためである。
【００４７】
さらに、本発明では、サブエバ流量調整弁３２のＯＮ−ＯＦＦ制御に伴う不具合、具体的には、前述したごとく、サブエバ流量調整弁３２のＯＮ−ＯＦＦ制御のみではサイクル圧力・温度の上昇が急激であり、瞬間的に制御値を超えてしまう場合（オーバーシュート）があるという不具合を解消するため、エンジン回転数またはエンジン冷却水温に応じてサブエバポレータ８への温水流量を制限するようにしている。
【００４８】
まず、エンジン回転数に応じてサブエバポレータ８への温水流量制限を行う場合について説明する。
【００４９】
図６はかかるシステムのブロック図である。なお、ここでは、上記したコンプレッサ２およびサブエバ流量調整弁３２のＯＮ−ＯＦＦ制御の回路も示してある。
【００５０】
制御手段として機能するオートアンプ５０はマイコンを内蔵しており、その入力側にはシステムスイッチ５１、エアコンスイッチ５２、コンプレッサ吐出圧力（Ｐd ）を検出する吐出圧力検出手段５３、コンプレッサ吐出温度（Ｔd ）を検出する吐出温度検出手段５４、およびエンジン１の回転数（つまり、コンプレッサ２の回転数）を検出するエンジン回転数検出手段５５が接続され、その出力側にはコンプレッサ２（のマグネットクラッチ）、ヒータコア流量調整弁３１、およびサブエバ流量調整弁３２が接続されている。システムスイッチ５１は、サブエバポレータ８を用いた暖房システムを作動させるための操作スイッチであり、エアコンスイッチは、サブエバポレータ８を使用しない通常の冷暖房システムとして作動させるための操作スイッチである。また、エンジン回転数検出手段５５は、例えば、クランク角センサで構成されている。エンジン回転数信号は、クランク角センサから直接入力してもよいが、好ましくは、クランク角センサからの信号を入力するエンジン制御システムから受け取るのがよい。オートアンプ５０は、システムスイッチ５１がＯＮでかつエアコンスイッチ５２がＯＦＦであるとき、サブエバポレータ８を用いた暖房システムを作動させ、その中で、コンプレッサ２およびサブエバ流量調整弁３２のＯＮ−ＯＦＦ制御、ならびに本発明に係るエンジン回転数によるサブエバポレータ８への温水流量制限を行う。なお、サブエバポレータ８を用いた暖房システム、ならびにコンプレッサ２およびサブエバ流量調整弁３２のＯＮ−ＯＦＦ制御についてはすでに説明してあるので、以下では、エンジン回転数によるサブエバポレータ８への温水流量制限についてのみ説明する。
【００５１】
オートアンプ５０の内蔵メモリ５６には、例えば、図７に示すような制御特性データが記憶されている。この制御特性データは、エンジン回転数に対するヒータコア流量調整弁３１の開度の指令データである。この場合、エンジン回転数が１２００ｒｐｍ以下のとき（アイドリング時またはそれに相当する車速時）には、ヒータコア流量調整弁３１を全閉にしてサブエバポレータ８への温水流量を最大にし、３０００ｒｐｍ以上のときには、ヒータコア流量調整弁３１を全開にしてサブエバポレータ８への温水流量を最小にし、１２００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下のときには、エンジン回転数に比例してヒータコア流量調整弁３１の開度を開いていきサブエバポレータ８への温水流量を徐々に減少させる（図３参照）。
【００５２】
すなわち、アイドリング時またはそれに相当する車速時にはサブエバポレータ８への温水流量を制限せず（つまり、最大）、サブエバ流量調整弁３２のＯＮ−ＯＦＦ制御によってサイクル圧力・温度などを制御する。そして、この状態からエンジン回転数が上がってコンプレッサ２の仕事量が増大しサイクル圧力・温度が上昇すると、エンジン回転数に応じてヒータコア流量調整弁３１の開度が変化し、高回転域ではサブエバポレータ８への温水流量が減少することになる。このようにサブエバポレータ８への温水流量が少なくなると冷媒の温水からの吸熱量が減少し、図８の流量制限ありの部分に示すように、サイクル圧力、サイクル温度の上昇が緩やかになるため、サブエバ流量制御弁３２のＯＮ−ＯＦＦ制御によるオーバーシュートが防止され、サイクル圧力などが制御値ｐを超えないようになる。よって、信頼性が向上する。また、図８の同部分に示すように、サイクル圧力・温度の変動が上下の制御値ｐとｑの間に収まるようになり、吹出し温度の変動幅（ディファレンシャル）の最適化が可能となる。
【００５３】
なお、図８において、例えば、サイクル圧力をコンプレッサ吐出圧力（Ｐd ）とすれば、上限の制御値ｐの値は２０kg/cm²Ｇで、下限の制御値ｑの値は１７kg/cm²Ｇとなる（図５（Ａ）参照）。また、サイクル温度をコンプレッサ吐出温度（Ｔd ）とすれば、上限の制御値ｐの値は１００℃で、下限の制御値ｑの値は８０℃となる（図５（Ｂ）参照）。また、これら以外に、サイクル温度としてコンプレッサ２入口での過熱度（スーパーヒート）などを考慮することも可能である。
【００５４】
次に、エンジン冷却水温に応じてサブエバポレータ８への温水流量制限を行う場合について説明する。
【００５５】
図９はかかるシステムのブロック図である。なお、ここでは、図６と同様、上記したコンプレッサ２およびサブエバ流量調整弁３２のＯＮ−ＯＦＦ制御の回路も示してある。また、図６と共通する部分には同一の符号を付し、その説明を一部省略する。
【００５６】
制御手段として機能するオートアンプ５０ａはマイコンを内蔵しており、その入力側にはシステムスイッチ５１、エアコンスイッチ５２、吐出圧力検出手段５３、吐出温度検出手段５４、およびエンジン冷却水の温度を検出する水温検出手段としての水温センサ５７が接続され、その出力側にはコンプレッサ２（のマグネットクラッチ）、ヒータコア流量調整弁３１、サブエバ流量調整弁３２、エアミックスドア１６を駆動するエアミックスドアアクチュエータ５８が接続されている。水温信号は、本案のように水温センサ５７から直接入力してもよいが、水温センサ５７からの信号を入力するエンジン制御システムから受け取るようにしてもよい。オートアンプ５０ａは、システムスイッチ５１がＯＮでかつエアコンスイッチ５２がＯＦＦであるとき、サブエバポレータ８を用いた暖房システムを作動させ、その中で、コンプレッサ２およびサブエバ流量調整弁３２のＯＮ−ＯＦＦ制御、ならびに本発明に係るエンジン冷却水温によるサブエバポレータ８への温水流量制限を行う。なお、ここでも、以下では、エンジン冷却水温によるサブエバポレータ８への温水流量制限についてのみ説明する。
【００５７】
オートアンプ５０ａの内蔵メモリ５６には、例えば、図１０に示すような制御特性データが記憶されている。この制御特性データは、エンジン冷却水温に対するヒータコア流量調整弁３１の開度の指令データである。この場合、エンジン冷却水温が６０℃以下のときには、ヒータコア流量調整弁３１を全閉にしてサブエバポレータ８への温水流量を最大にし、７０℃以上のときには、ヒータコア流量調整弁３１を全開にしてサブエバポレータ８への温水流量を最小にし、６０℃以上７０℃以下のときには、エンジン冷却水温に比例してヒータコア流量調整弁３１の開度を開いていきサブエバポレータ８への温水流量を徐々に減少させる（図３参照）。なお、数値はあくまで一例であって、車種や仕様に応じて適宜最適な数値を選択すればよいことは、他の特性図の場合と同様である。
【００５８】
すなわち、エンジン冷却水温が低いときにはサブエバポレータ８への温水流量を制限せず（つまり、最大）、サブエバ流量調整弁３２のＯＮ−ＯＦＦ制御によってサイクル圧力・温度を制御する。そして、この状態からエンジン冷却水の温度が上がってサブエバポレータ８での吸熱量が増大しサイクル圧力・温度が上昇すると、エンジン冷却水温に応じてヒータコア流量調整弁３１の開度が変化し、高水温域ではサブエバポレータ８への温水流量が減少することになる。このようにサブエバポレータ８への温水流量が少なくなると冷媒の温水からの吸熱量が減少し、図１１の流量制限ありの部分に示すように、サイクル圧力、サイクル温度の上昇が緩やかになるため、サブエバ流量制御弁３２のＯＮ−ＯＦＦ制御によるオーバーシュートが防止され、サイクル圧力・温度が制御値ｐを超えないようになる。よって、信頼性が向上する。また、図１１の同部分に示すように、サイクル圧力・温度の変動が上下の制御値ｐとｑの間に収まるようになり、吹出し温度の変動幅（ディファレンシャル）の最適化が可能となる。なお、図１１におけるサイクル圧力および温度の具体例については、図８の場合と同様であるから、その説明は省略する。
【００５９】
さらに、この場合には、エンジン冷却水温が一定値（６０℃）以上になって上記のようなサブエバポレータ８への温水流量制限が始まると、この流量制限とともに、オートアンプ５０は、エアミックスドア１６を開く制御を行う。このようにエアミックスドア１６を開くことにより、フロントユニット１０においては、サブコンデンサ１３で加熱された取り入れ空気を、高温のエンジン冷却水が流れるヒータコア１２で再度加熱して、車室内に吹き出すことになり、図１１に示すように、吹出し温度が効率良く向上し、ヒートポンプシステムのみの場合（流量制限なしの部分参照）よりも高い吹出し温度が得られる。
【００６０】
なお、上記した実施の形態では、前後席をともに暖房しうるデュアルカーエアコンを例にとって説明したが、これに限定されるわけではなく、本発明は、サブエバポレータを備えたヒートポンプ式の自動車用空気調和装置で、一つのユニット内に暖房熱源としてサブコンデンサとヒータコアを備えたシステムであれば、どのようなタイプのものにでも適用可能である。
【００６１】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１および請求項３記載の発明によれば、エンジン回転数が高くなると室外エバポレータへの温水流量を制限するので、サイクル圧力、サイクル温度の上昇が緩やかになり、オーバーシュートをしなくなるため、サイクル圧力などが制御値を超えないようになり、信頼性が向上する。
【００６２】
請求項２および請求項４記載の発明によれば、エンジン冷却水温が高くなると室外エバポレータへの温水流量を制限するので、サイクル圧力、サイクル温度の上昇が緩やかになり、オーバーシュートをしなくなるため、サイクル圧力などが制御値を超えないようになり、信頼性が向上する。
【００６３】
請求項５記載の発明によれば、上記請求項２または請求項４記載の発明の効果に加え、エンジン冷却水温が上昇して室外エバポレータへの温水流量制限を行う際にはエアミックスドアを開くので、室内コンデンサで加熱された空気は高温の温水が流れるヒータコアで再加熱されることになり、吹出し温度が効率良く向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るヒートポンプ式自動車用空気調和装置を示す概略構成図である。
【図２】温水回路の概略構成図である。
【図３】サブエバポレータを流れる温水流量の制御特性図である。
【図４】コンプレッサＯＮ−ＯＦＦ制御の制御特性図である。
【図５】サブエバ流量調整弁ＯＮ−ＯＦＦ制御の制御特性図である。
【図６】エンジン回転数に応じてサブエバポレータへの温水流量制限を行うシステムの制御ブロック図である。
【図７】図６のシステムにおけるヒータコア流量調整弁の制御特性図である。
【図８】図６のシステムの作用効果の説明に供する図である。
【図９】エンジン冷却水温に応じてサブエバポレータへの温水流量制限を行うシステムの制御ブロック図である。
【図１０】図９のシステムにおけるヒータコア流量調整弁の制御特性図である。
【図１１】図９のシステムの作用効果の説明に供する図である。
【図１２】エンジン冷却水温と吹出し温度との関係をヒータコアシステムとサブエバポレータを用いたヒートポンプシステムとについて示した特性図である。
【符号の説明】
１…エンジン
２…コンプレッサ
８…サブエバポレータ（室外エバポレータ）
１０…フロントユニット
１２…ヒータコア
１３…フロントサブコンデンサ（室内コンデンサ）
１４…エバポレータ
１６…エアミックスドア
２０…リヤユニット
２２…リヤサブコンデンサ
３１…ヒータコア流量調整弁（流量調整手段）
３２…サブエバ流量調整弁
５０、５０ａ…オートアンプ（制御手段）
５５…エンジン回転数検出手段
５７…水温センサ（水温検出手段）

Claims

冷凍サイクル内を状態変化しながら循環する冷媒の熱とエンジン（１）の冷却水の熱とを利用して車室内の暖房を行うもので、前記冷凍サイクルにエンジン冷却水との熱交換によりコンプレッサ（２）に帰還する冷媒を加熱する室外エバポレータ（８）を設けてなるヒートポンプ式自動車用空気調和装置において、
エンジン冷却水を利用して取り入れ空気を加熱するヒータコア（１２）を流れるエンジン冷却水の流量を無段階に調整する流量調整手段（３１）と、
エンジン（１）の回転数を検出するエンジン回転数検出手段（５５）と、
前記エンジン回転数検出手段（５５）の出力に応じて前記流量調整手段（３１）の開度を制御して前記室外エバポレータ（８）を流れるエンジン冷却水の流量を制限する制御手段（５０）と、を有し、
前記ヒータコア（１２）と室外エバポレータ（８）とは、エンジン冷却水が循環する温水回路において並列に接続されていることを特徴とするヒートポンプ式自動車用空気調和装置。
冷凍サイクル内を状態変化しながら循環する冷媒の熱とエンジン（１）の冷却水の熱とを利用して車室内の暖房を行うもので、前記冷凍サイクルにエンジン冷却水との熱交換によりコンプレッサ（２）に帰還する冷媒を加熱する室外エバポレータ（８）を設けてなるヒートポンプ式自動車用空気調和装置において、
エンジン冷却水を利用して取り入れ空気を加熱するヒータコア（１２）を流れるエンジン冷却水の流量を無段階に調整する流量調整手段（３１）と、
エンジン冷却水の温度を検出する水温検出手段（５７）と、
前記水温検出手段（５７）の出力に応じて前記流量調整手段（３１）の開度を制御して前記室外エバポレータ（８）を流れるエンジン冷却水の流量を制限する制御手段（５０ａ）と、を有し、
前記ヒータコア（１２）と室外エバポレータ（８）とは、エンジン冷却水が循環する温水回路において並列に接続されていることを特徴とするヒートポンプ式自動車用空気調和装置。
さらに、前記室外エバポレータ（８）のエンジン冷却水注入口側に設けられた第２流量調整手段（３２）を有し、
前記制御手段（５０）は、前記第２流量調整手段（３２）をＯＮ−ＯＦＦ制御しつつ、前記エンジン回転数検出手段（５５）によって検出されるエンジン（１）の回転数が高くなるにしたがって前記室外エバポレータ（８）を流れるエンジン冷却水の流量が減るように前記流量調整手段（３１）の開度を制御することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式自動車用空気調和装置。
さらに、前記室外エバポレータ（８）のエンジン冷却水注入口側に設けられた第２流量調整手段（３２）を有し、
前記制御手段（５０）は、前記第２流量調整手段をＯＮ−ＯＦＦ制御しつつ、前記水温検出手段（５７）によって検出されるエンジン冷却水の温度が高くなるにしたがって前記室外エバポレータ（８）を流れるエンジン冷却水の流量が減るように前記流量調整手段（３１ ) の開度を制御することを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ式自動車用空気調和装置。
前記ヒータコア（１２）の上流側に冷媒を利用して取り入れ空気を加熱する室内コンデンサ（１３）が設けられ、前記制御手段（５０ａ）は、前記室外エバポレータ（８）を流れるエンジン冷却水の流量を制限する際に、前記ヒータコア（１２）の前面に設けられたエアミックスドア（１６）を開状態に設定することを特徴とする請求項２または請求項４記載のヒートポンプ式自動車用空気調和装置。