JP3925324B2

JP3925324B2 - 空調装置

Info

Publication number: JP3925324B2
Application number: JP2002184950A
Authority: JP
Inventors: 誠司伊藤; 圭一北村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: JP2004026004A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気圧縮式冷凍機を用いた空調装置に関するもので、車両用空調装置に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
通常、車両用空調装置では、エンジンの廃熱を熱源とするヒータにより室内に吹き出す空気を加熱しているので、蒸気圧縮式冷凍機の蒸発器により室内に吹き出す空気を冷却除湿しながら、その冷却除湿した空気をヒータにより所望の温度まで加熱することができる。
【０００３】
しかし、電気自動車（ハイブリッド車も含む。）やディーゼルエンジン自動車等の比較的廃熱量が小さい自動車では、冷却除湿した空気をヒータにより所望の温度まで加熱することが難しい。
【０００４】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来の異なる新規な空調装置を提供し、第２には、廃熱が無い場合又は少ない場合であっても、除湿加熱（除湿暖房）することができる空調装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、冷媒と室外空気とを熱交換する室外熱交換器（２０）と、冷媒と室内に吹き出す空気とを熱交換する第１、２室内熱交換器（３１、３２）と、高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル（４１）、及びノズル（４１）から噴射する高い速度の冷媒流により冷媒を吸引するとともに、冷媒流と吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（４２、４３）を有するエジェクタ（４０）と、高圧冷媒を等エンタルピ的に減圧膨張させる減圧手段（７０）と、エジェクタ（４０）下流側の冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離器（５０）と、減圧手段（７０）を迂回させて冷媒を流す第１バイパス通路（７１）と、第１バイパス通路（７１）を開閉する第１バイパス弁（７２）と、エジェクタ（４０）を迂回させて冷媒を気液分離器（５０）へ導く第２バイパス通路（７４）と、第２バイパス通路（７２）を開閉する第２バイパス弁（７３）と、第２室内熱交換器（３２）にて熱交換させる通過空気量を調整する通過空気量調整手段（８１）と、第１バイパス弁（７２）、第２バイパス弁（７３）及び通過空気量調整手段（８１）の作動を制御する電子制御装置（９０）とを備え、気液分離器（５０）の気相冷媒流出口は、圧縮機（１０）の吸入側に接続され、気液分離器（５０）の液相冷媒流出口は、第１熱交換器（３１）の流入側に接続され、第２室内熱交換器（３２）には、圧縮機（１０）吐出冷媒が流入し、減圧手段（７０）は、第２室内熱交換器（３２）下流側に設けられ、室外熱交換器（２０）には、減圧手段（７０）下流側の冷媒が流入し、エジェクタ（４０）には、室外熱交換機（２０）下流側の冷媒が流入し、第１室内熱交換器（３１）に流入した液相冷媒は、エジェクタ（４０）へ吸引されるようになっており、室内の熱を室外に放熱する冷房運転時には、電子制御装置（９０）により、第１バイパス弁（７２）を開き、第２バイパス弁（７３）を閉じ、かつ、通過空気量調整手段（８１）を通過空気量が０となるように制御することで、第１室内熱交換器（３１）にてエジェクタ（４０）で減圧された冷媒に吸熱させながら、室外熱交換器（２０）にて放熱させ、室外の熱を室内に放熱する暖房運転時には、電子制御装置（９０）により、第１バイパス弁（７２）を閉じ、第２バイパス弁（７３）を開き、かつ、通過空気量調整手段（８１）を通過空気量が最大となるように制御することで、室外熱交換器（２０）にて減圧手段（７０）で減圧された冷媒に吸熱させながら、第２室内熱交換器（３２）にて放熱させ、さらに、室内に吹き出す空気を除湿する除湿運転時には、電子制御装置（９０）により、第１バイパス弁（７２）を閉じ、第２バイパス弁（７３）を閉じ、かつ、通過空気量調整手段（８１）を第２室内熱交換器（３２）にて冷媒と室内に吹き出す空気が熱交換し得る状態となるように制御することで、第１室内熱交換器（３１）にてエジェクタ（４０）で減圧された冷媒に吸熱させながら、第２室内熱交換器（３２）にて放熱させる空調装置を特徴とする。
【０００６】
これにより、従来の異なる新規な空調装置を得ることができるとともに、廃熱が無い場合又は少ない場合であっても、除湿加熱（除湿暖房）することができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、第１、２室内熱交換器（３１、３２）は、冷媒と室内空気とを直接的に熱交換することを特徴とするものである。
【０００８】
請求項３に記載の発明では、第２室内熱交換器（３２）を通過する室内空気量を調節する通過空気量調節手段（８１）を備えることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項４に記載の発明では、第２室内熱交換器（３２）は、第１室内熱交換器（３１）より空気流れ下流側に設置されていることを特徴とするものである。
【００１０】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る空調装置を電気自動車用の空調装置に適用したものであって、図１は本実施形態に係る空調装置の模式図である。
【００１２】
圧縮機１０は電動モータにより駆動されて冷媒を吸入圧縮するものであり、室外熱交換器２０は圧縮機１０から吐出した冷媒と室外空気とを熱交換して冷媒を冷却又は加熱するものであり、第１、２室内熱交換器３１、３２は室内に吹き出す空気と冷媒とを熱交換させるものである。
【００１３】
このとき、第２室内熱交換器３２は、空調ケーシング８０内において第１室内熱交換器３１より空気流れ下流側に設置されているとともに、そのコア面には、第２室内熱交換器３２を通過する室内空気量を調節する通過空気量調節手段をなすエアミックスドア８１が設けられている。
【００１４】
また、エジェクタ４０は高圧冷媒を減圧膨張させて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１０の吸入圧を上昇させるものである。
【００１５】
具体的には、エジェクタ４０は、図２に示すように、流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル４１、ノズル４１から噴射する高い速度の冷媒流により気相冷媒を吸引しながら、ノズル４１から噴射する冷媒流とを混合する混合部４２、及びノズル４１から噴射する冷媒と蒸発器３０から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ４３等からなるものである。
【００１６】
このとき、混合部４２においては、駆動流の運動量と吸引流の運動量との和が保存されるように駆動流と吸引流とが混合するので、混合部４２においても冷媒の圧力が（静圧）が上昇する。
【００１７】
一方、ディフューザ４３においては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の速度エネルギ（動圧）を圧力エネルギ（静圧）に変換するので、エジェクタ４０においては、混合部４２及びディフューザ４３の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、以下、混合部４２とディフューザ４３とを総称して昇圧部と呼ぶ。
【００１８】
因みに、本実施形態では、ノズル４１から噴出する冷媒の速度を音速以上まで加速するために、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部４１ａを有するラバールノズル（流体工学（東京大学出版会）参照）を採用しているが、勿論、先細ノズルを採用してもよいことは言うまでもない。
【００１９】
また、図１中、気液分離器５０はエジェクタ４０から流出した冷媒が流入するとともに、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離手段であり、気液分離器５０の気相冷媒流出口は圧縮機１０の吸引側に接続され、液相冷媒流出口は第１室内熱交換器３１側の流入側に接続される。
【００２０】
そして、本実施形態では、冷媒を二酸化炭素として、図３に示すように、圧縮機１０にてノズル４１に流入する高圧の冷媒を冷媒の臨界圧力以上まで昇圧しているが、冷媒をフロン（Ｒ１３４ａ）等として高圧冷媒の圧力を臨界圧力未満としてよいことは言うまでもない。
【００２１】
内部熱交換器６０は、減圧される前の高圧冷媒と圧縮機１０に吸入される低圧冷媒とを熱交換するもので、この内部熱交換器６０は、本実施形態では高圧冷媒が流れるチューブ６２と低圧冷媒が流れるチューブ６１とをろう付けすることにより構成されている。
【００２２】
減圧器７０は、第２室内熱交換器３２の冷媒出口側と室外熱交換器２０の冷媒入口側とを結ぶ冷媒通路に設けられて高圧冷媒を等エンタルピ的に減圧膨張させる可変絞り型の膨脹弁であり、バイパス通路７１は減圧器７０を迂回させて冷媒を流す通路であり、第１バイパス弁７２はバイパス通路７１を開閉する電磁弁である。
【００２３】
第２バイパス弁７３は、内部熱交換器６０を流出してエジェクタ４０に向かって流れる冷媒をエジェクタ４０を迂回させて気液分離器５０に導くバイパス通路７４を開閉する電磁弁であり、可変絞り７５は気液分離器５０から第１室内熱交換器３１に供給される冷媒を減圧するとともに、第１室内熱交換器３１から流出する冷媒過熱度が所定範囲となるようにその供給量、つまり絞り開度を制御する弁である。
【００２４】
また、電子制御装置（ＥＣＵ）９０は、第１室内熱交換器３１直後の空気温度を検出する第１温度センサ９１の検出温度Ｔｅ、第２室内熱交換器３２直後の空気温度を検出する第２温度センサ９２の検出温度Ｔｇｃ、外気温度を検出する外気センサ９３の検出温度ＴＡＭ、内気温度を検出する内気センサ９４の検出温度Ｔｒ、及び室内に注がれる日射量を検出する日射センサ９５の検出値Ｔｓ等の空調センサの検出値、乗員が希望する室内温度Ｔｓｅｔを設定入力するための温度設定パネル９６の設定値等に基づいて、圧縮機１０の回転数及びエアミックスドア８１の開度、送風機８２、内外気切替装置８３及び吹出モード切替装置８４等を制御する。
【００２５】
次に、本実施形態の特徴的作動の説明する。
【００２６】
１．冷房運転時（図４参照）
第１バイパス弁７２を開き、第２バイパス弁７３を閉じ、かつ、エアミックスドア８１を閉じて第２室内熱交換器３２を通過する風量を０とした状態で圧縮機１０を稼動させる。
【００２７】
これにより、圧縮機１０から吐出した冷媒は、第２室内熱交換器３２→第１バイパス弁７２（バイパス通路７１）→室外熱交換器２０→内部熱交換器６０（チューブ６２）→エジェクタ４０（ノズル４１→混合部４２→ディフューザ４３）→気液分離器５０→内部熱交換器６０（チューブ６１）→圧縮機１０の順に循環する。
【００２８】
このとき、エアミックスドア８１を閉じて第２室内熱交換器３２を通過する風量を０としているので、圧縮機１０から吐出した高温・高圧冷媒は、第２室内熱交換器３２にて室内に吹き出す空気に放熱することなく、室外熱交換器２０にて外気中に放熱して冷却される。
【００２９】
そして、室外熱交換器２０にて冷却された冷媒は、エジェクタ４０のノズル４１にて等エントロピ的に減圧膨張して、音速以上の速度で混合部４２内に流入するため、混合部４２に流入した高速冷媒の巻き込み作用に伴うポンプ作用により、第１室内熱交換器３１で室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発した冷媒が混合部４２内に吸引されるため、低圧側の冷媒が気液分離器５０→第１室内熱交換器３１→エジェクタ４０（昇圧部）→気液分離器５０の順に循環する。
【００３０】
また、第１室内熱交換器３１から吸引された冷媒（吸引流）とノズル４１から吹き出す冷媒（駆動流）とは、混合部４２にて混合しながらディフューザ４３にてその動圧が静圧に変換されて気液分離器５０に戻る。したがって、室内の熱が室外に放熱される。
【００３１】
また、高圧冷媒と低圧冷媒とが内部熱交換器６０で熱交換されるため、第１室内熱交換器３１の冷媒入口側と冷媒出口側とのエンタルピ差が増大し、吸熱能力（冷凍能力）は増大する。
【００３２】
なお、圧縮機１０の回転数は、室内に吹き出す空気の温度、つまり第１温度センサ９１の検出温度Ｔｅが目標温度となるように制御される。
【００３３】
２．暖房運転時（図５参照）
第１バイパス弁７２を閉じ、第２バイパス弁７３を開き、かつ、エアミックスドア８１を開いて全風量が第２室内熱交換器３２を通過するようにした状態で圧縮機１０を稼動させる。
【００３４】
これにより、圧縮機１０を吐出した冷媒は、第２室内熱交換器３２→減圧器７０→室外熱交換器２０→内部熱交換器６０（チューブ６２）→第２バイパス弁７３（バイパス通路７４）→気液分離器５０→内部熱交換器６０（チューブ６１）→圧縮機１０の順に循環し、第１室内熱交換器３１には冷媒が循環しない。
【００３５】
したがって、圧縮機１０を吐出した高温・高圧冷媒は、第２室内熱交換器３２にて室内に吹き出す空気中に放熱し、減圧器７０にて減圧されて室外熱交換器２０に流入し、室外熱交換器２０に流入した低温・低圧の冷媒は、外気から吸熱して蒸発した後、気液分離器５０に流入する。したがって、室外の熱が室内に放熱される。
【００３６】
なお、チューブ６１内を流れる冷媒の温度とチューブ６２内を流れる冷媒の温度とは略等しいので、内部熱交換器６０では熱交換されない。
【００３７】
また、圧縮機１０の回転数及び減圧器７０の絞り開度は、室内に吹き出す空気の温度、つまり第２温度センサ９２の検出温度Ｔｇｃが目標温度となるように制御される。
【００３８】
３．除湿運転（図６参照）
第１バイパス弁７２及び第２バイパス弁７３を閉じ、かつ、エアミクスドア８１を開いて第２室内熱交換器３２にて冷媒と室内に吹き出す空気とが熱交換し得る状態で圧縮機１０を稼動させる。
【００３９】
これにより、圧縮機１０から吐出した冷媒は、第２室内熱交換器３２→減圧器７０→室外熱交換器２０→内部熱交換器６０（チューブ６２）→エジェクタ４０（ノズル４１→混合部４２→ディフューザ４３）→気液分離器５０→内部熱交換器６０（チューブ６１）→圧縮機１０の順に循環する。
【００４０】
このとき、エアミックスドア８１を開いているので、圧縮機１０から吐出した高温・高圧冷媒は、少なくとも第２室内熱交換器３２にて室内に吹き出す空気中に放熱して冷却される。
【００４１】
一方、ノズル４１に流入した冷媒は、冷房運転時と同様に、ノズル４１にて等エントロピ的に減圧膨張するため、エジェクタ４０でポンプ作用が発生し、第１室内熱交換器３１で室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発した冷媒が混合部４２内に吸引されるため、低圧側の冷媒が気液分離器５０→第１室内熱交換器３１→エジェクタ４０（昇圧部）→気液分離器５０の順に循環する。
【００４２】
そして、室内に吹き出す空気は、第１室内熱交換器３１にて冷却除湿された後、第２室内熱交換器３２にて室内に吹き出す空気の温度、つまり第２温度センサ９２の検出温度Ｔｇｃが目標温度となるまで加熱される。
【００４３】
したがって、廃熱が無い場合又は少ない場合であっても、除湿加熱（除湿暖房）することができる。
【００４４】
また、エアミックスドア８１は、原則として全風量が第２室内熱交換器３２を通過するように全開とし、減圧器７０の開度を調節することにより第２室内熱交換器３２での放熱量を調節して吹出空気温度を制御する
具体的には、第２室内熱交換器３２での放熱量を増大させるには、減圧器７０の絞り開度を小さくして減圧器７０での減圧量を増大させ、逆に、第２室内熱交換器３２での放熱量を減少させるには、減圧器７０の絞り開度を大きくして減圧器７０での減圧量を減少させる。
【００４５】
なお、このとき、減圧器７０の絞り開度制御とともに、エアミックスドア８１の開度を制御してもよいことは言うまでもない。
【００４６】
また、圧縮機１０の回転数は、十分な除湿能力が発揮されるように、第１温度センサ９１の検出温度Ｔｅが目標温度（例えば、３℃〜４℃）となるように制御される。
【００４７】
（第２実施形態）
第１実施形態では、第２室内熱交換器３２は、冷媒と室内に吹き出す空気とを直接的に熱交換して室内に吹き出す空気を加熱したが、本実施形態は、熱媒体と室内に吹き出す空気とを熱交換する第１熱交換器３２ａと、熱媒体と冷媒とを熱交換する第２熱交換器３２ｂとにより第２室内熱交換器３２を構成して、室内に吹き出す空気と冷媒とを間接的に熱交換するようにしたものである。
【００４８】
因みに、熱媒体は、水にエチレングリコール系の不凍液を添加した流体である。
【００４９】
なお、熱媒体は、冷媒に加えてエンジン（内燃機関）やインバータ等で発生する廃熱とも熱交換するため、冷媒の熱に加えて回収した廃熱も室内に吹き出す空気に与えられる。
【００５０】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、圧縮機１０から吐出した冷媒は、運転モードによらず第２室内熱交換器３２に流入したが、圧縮機１０の吐出側に冷媒流れを切り換えるバルブを設け、冷房運転時には、圧縮機１０から吐出した冷媒を第２室内熱交換器３２を迂回させて直接に室外熱交換器２０に流し、暖房運転時及び除湿運転時に、圧縮機１０から吐出した冷媒を第２室内熱交換器３２に流すようにしてもよい。なお、この場合には、エアミックスドア８１を廃止してもよい。
【００５１】
また、上述の実施形態では、内部熱交換器６０設けたが、内部熱交換器６０を廃止してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る空調装置の模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図３】ｐ−ｈ線図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る空調装置の冷房運転時における冷媒流れを示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る空調装置の暖房運転時における冷媒流れを示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る空調装置の除湿運転時における冷媒流れを示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る空調装置の模式図である。
【符号の説明】
１０…圧縮機、２０…室外熱交換器、３１…第１室内熱交換器、
３２…第２室内熱交換器、４０…エジェクタ、５０…気液分離器、
７１…減圧器、７２…第１バイパス弁、７３…第２バイパス弁。

Claims

冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、
冷媒と室外空気とを熱交換する室外熱交換器（２０）と、
冷媒と室内に吹き出す空気とを熱交換する第１、２室内熱交換器（３１、３２）と、
高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル（４１）、及び前記ノズル（４１）から噴射する高い速度の冷媒流により冷媒を吸引するとともに、前記冷媒流と吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（４２、４３）を有するエジェクタ（４０）と、
高圧冷媒を等エンタルピ的に減圧膨張させる減圧手段（７０）と、
前記エジェクタ（４０）下流側の冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離器（５０）と、
前記減圧手段（７０）を迂回させて冷媒を流す第１バイパス通路（７１）と、
前記第１バイパス通路（７１）を開閉する第１バイパス弁（７２）と、
前記エジェクタ（４０）を迂回させて冷媒を前記気液分離器（５０）へ導く第２バイパス通路（７４）と、
前記第２バイパス通路（７２）を開閉する第２バイパス弁（７３）と、
前記第２室内熱交換器（３２）にて熱交換させる通過空気量を調整する通過空気量調整手段（８１）と、
前記第１バイパス弁（７２）、前記第２バイパス弁（７３）及び前記通過空気量調整手段（８１）の作動を制御する電子制御装置（９０）とを備え、
前記気液分離器（５０）の気相冷媒流出口は、前記圧縮機（１０）の吸入側に接続され、
前記気液分離器（５０）の液相冷媒流出口は、前記第１熱交換器（３１）の流入側に接続され、
前記第２室内熱交換器（３２）には、前記圧縮機（１０）吐出冷媒が流入し、
前記減圧手段（７０）は、前記第２室内熱交換器（３２）下流側に設けられ、
前記室外熱交換器（２０）には、前記減圧手段（７０）下流側の冷媒が流入し、
前記エジェクタ（４０）には、前記室外熱交換機（２０）下流側の冷媒が流入し、
前記第１室内熱交換器（３１）に流入した前記液相冷媒は、前記エジェクタ（４０）へ吸引されるようになっており、
室内の熱を室外に放熱する冷房運転時には、前記電子制御装置（９０）により、前記第１バイパス弁（７２）を開き、前記第２バイパス弁（７３）を閉じ、かつ、前記通過空気量調整手段（８１）を前記通過空気量が０となるように制御することで、前記第１室内熱交換器（３１）にて前記エジェクタ（４０）で減圧された冷媒に吸熱させながら、前記室外熱交換器（２０）にて放熱させ、
室外の熱を室内に放熱する暖房運転時には、前記電子制御装置（９０）により、前記第１バイパス弁（７２）を閉じ、前記第２バイパス弁（７３）を開き、かつ、前記通過空気量調整手段（８１）を前記通過空気量が最大となるように制御することで、前記室外熱交換器（２０）にて前記減圧手段（７０）で減圧された冷媒に吸熱させながら、前記第２室内熱交換器（３２）にて放熱させ、
さらに、室内に吹き出す空気を除湿する除湿運転時には、前記電子制御装置（９０）により、前記第１バイパス弁（７２）を閉じ、前記第２バイパス弁（７３）を閉じ、かつ、前記通過空気量調整手段（８１）を前記第２室内熱交換器（３２）にて冷媒と室内に吹き出す空気が熱交換し得る状態となるように制御することで、前記第１室内熱交換器（３１）にて前記エジェクタ（４０）で減圧された冷媒に吸熱させながら、前記第２室内熱交換器（３２）にて放熱させることを特徴とする空調装置。
前記第１、２室内熱交換器（３１、３２）は、冷媒と室内空気とを直接的に熱交換することを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
前記第２室内熱交換器（３２）を通過する室内空気量を調節する通過空気量調節手段（８１）を備えることを特徴とする請求項２に記載の空調装置。
前記第２室内熱交換器（３２）は、前記第１室内熱交換器（３１）より空気流れ下流側に設置されていることを特徴とする請求項３に記載の空調装置。