JP3929606B2

JP3929606B2 - 自動車用冷暖房装置

Info

Publication number: JP3929606B2
Application number: JP19294098A
Authority: JP
Inventors: 圭俊野田
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 1998-07-08
Filing date: 1998-07-08
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2018-07-08
Also published as: JP2000016073A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、除湿機能を備えたヒートポンプシステムにより車室内の除湿暖房を行う、特に電気自動車に好適な自動車用冷暖房装置の改良であって、特に、運転モードを暖房運転に切り替えたときに室外コンデンサに滞留している冷媒を低外気時でも回収できるようにしたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヒートポンプ式の電気自動車用冷暖房装置は、例えば、図３に示すような冷凍サイクル１を有し、室内ユニット１７のダクト（図示せず）内にサブコンデンサと呼ばれる室内熱交換器（室内コンデンサ）４を設け、電動コンプレッサ２によって圧縮された高温高圧の冷媒を暖房熱源として利用するようにしたシステムである。つまり、冷房、暖房ともに冷媒を用いたサイクル運転を行って車室内を冷暖房するようにしたものである。室内ユニット１７の外にはメインコンデンサと呼ばれる室外熱交換器（室外コンデンサ）３が設けられ、二つの電磁弁１０，１１により暖房運転時と冷房運転時とで機能させるコンデンサを切り替えることで、運転モードが切り替えられる。電動コンプレッサ２から吐出された冷媒は、冷房運転時にはメインコンデンサ３に導入され、暖房運転時にはバイパス管９によってメインコンデンサ３をバイパスして直接サブコンデンサ４に導入される。なお、以下では、冷房運転時に形成される冷凍サイクルを冷房サイクル、暖房運転時に形成される冷凍サイクルを暖房サイクルと呼ぶことにする。
【０００３】
このようなヒートポンプ式自動車用冷暖房装置においては、暖房運転時にメインコンデンサ３をバイパスさせる暖房サイクルとなるため、メインコンデンサ３に冷媒が過剰に滞留すると、暖房サイクルを循環する冷媒量が不足するおそれがある。そこで、冷媒回収管１２とこれを開閉する電磁弁１３とを設けて、暖房運転起動時にメインコンデンサ３に滞留している冷媒（いわゆる寝込み冷媒）を暖房サイクル内に戻すようにした冷媒回収システムが現在開発されている（例えば、特開平９−１０９６６９号公報参照）。また、本出願人は、冷媒回収能力を高めるため、冷媒回収をメインコンデンサ３の出口から液冷媒の形で行うようにしたシステム（図３参照）を既に提案した（特願平９−２９１０４４号参照）。
【０００４】
なお、図３中、５はリキッドタンク、６は膨脹弁、７はエバポレータ、８は冷媒配管、１４〜１６は逆止弁である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、その後の実験により、図３に示す冷媒回収システムでは、メインコンデンサ３内の下部に溜まっている液冷媒を液状態で回収するため、入口側からガス状態で回収するよりも冷媒回収能力は大幅に改善されるものの、例外的に、低外気（−２０℃以下）時においてメインコンデンサ３の飽和圧力が低くなり過ぎた場合には、低圧ライン（コンプレッサ吸入圧力）との差圧が少なくなるため、メインコンデンサ３に滞留している冷媒を十分に回収できなくなるおそれがあることがわかった。
【０００６】
本発明は、上記した従来技術の問題点に着目してなされたものであり、低外気時でも冷媒回収を行うことができる冷凍サイクルと冷媒回収制御を備えた、除湿暖房可能なヒートポンプ式の自動車用冷暖房装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【０００８】
（１）本発明に係る自動車用冷暖房装置は、冷凍サイクル内を状態変化しながら循環する冷媒の熱を利用して車室内の除湿暖房を行うヒートポンプ式の自動車用冷暖房装置において、コンプレッサ、室外コンデンサ、リキッドタンク、膨脹弁、および室内エバポレータをこの順序で冷媒配管により連結し、前記コンプレッサから吐出された冷媒を前記室外コンデンサをバイパスさせて直接前記リキッドタンクに導くバイパス管を設け、前記室外コンデンサの入口側配管に第１電磁弁を設け、前記バイパス管に室内コンデンサおよび第２電磁弁を設け、前記コンプレッサから吐出された冷媒を、冷房運転時には前記第１電磁弁を開きかつ前記第２電磁弁を閉じて前記室外コンデンサ側に導き、暖房運転時には前記第１電磁弁を閉じかつ前記第２電磁弁を開いて前記バイパス管側に導くようにするとともに、前記室外コンデンサの出口と前記コンプレッサの入口とを直接連通させる冷媒回収管を設け、該冷媒回収管に第３電磁弁を設け、暖房運転が選択されたときに前記第１電磁弁、第２電磁弁、および第３電磁弁の開閉を制御して前記室外コンデンサに滞留している冷媒を暖房サイクル内に回収するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
（２）暖房運転が選択されたときに、前記第１電磁弁を閉状態、前記第２電磁弁を閉状態、前記第３電磁弁を開状態にそれぞれ設定して前記コンプレッサを起動し、当該コンプレッサ起動後の経過時間が第１所定時間以上となった時に前記第１電磁弁を開状態、前記第２電磁弁を閉状態にそれぞれ切り替え、当該電磁弁切替後の経過時間が第２所定時間以上となった時に前記第１電磁弁を閉状態、前記第２電磁弁を開状態にそれぞれ切り替え、当該電磁弁切替後の経過時間が第３所定時間以上となった時に前記第３電磁弁を閉状態に切り替えるようにした。
【００１０】
【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。
【００１１】
図１は、本発明の一実施の形態に係る自動車用冷暖房装置の冷凍サイクルの構成図であって、電気自動車に搭載されるものを示している。なお、図３と共通する部材には同一の符号を付している。
【００１２】
この電気自動車用冷暖房装置は、冷房、暖房ともに冷媒を用いたサイクル運転を行うことによって車室内の冷房と除湿暖房を行ういわゆる除湿ヒートポンプシステムであって、図３に示す従来の除湿ヒートポンプシステムを改良したものである。
【００１３】
このシステムの冷凍サイクル２１は、電動コンプレッサ２（以下単に「コンプレッサ」という）、車室外に配置された室外コンデンサとしてのメインコンデンサ３、リキッドタンク５、膨脹弁６、および車室内に配置されたエバポレータ７をこの順序で冷媒配管８により連結するとともに、コンプレッサ２の出口側とリキッドタンク５の入口側とをバイパス管９で接続し、このバイパス管９に車室内に配置された室内コンデンサとしてのサブコンデンサ４ａを設け、その中に冷媒を封入して構成されている。つまり、図３に示す従来のシステムに対して、サブコンデンサの冷凍サイクル上の位置を変更して、サブコンデンサ４ａをバイパス管９上に設けている。冷媒の流路を切り替えるため、メインコンデンサ３の入口側配管には第１電磁弁１０が設けられ、バイパス管９のサブコンデンサ４ａ下流側には第２電磁弁１１が設けられている。後で詳述するように、コンプレッサ２から吐出された冷媒は、冷房運転時には第１電磁弁１０を開きかつ第２電磁弁１１を閉じることでメインコンデンサ３側に導き、暖房運転時には第１電磁弁１０を閉じかつ第２電磁弁１１を開くことでバイパス管９側（つまり、サブコンデンサ４ａ側）に導くようにしている。すなわち、コンプレッサ２から吐出された冷媒がメインコンデンサ３またはサブコンデンサ４ａのいずれか一方を選択的に通過するように構成されている。なお、第２電磁弁１１の位置はバイパス管９上であればよく、サブコンデンサ４ａへ入る冷媒について多少の圧力損失が許容されれば、サブコンデンサ４ａの上流側であってもよい。
【００１４】
また、バイパス管９を流れた冷媒がメインコンデンサ３の方へ逆流するのを完全に阻止するため、好ましくは、メインコンデンサ３の出口側配管には逆止弁１４が設けられている。
【００１５】
また、暖房運転起動時にメインコンデンサ３に滞留している冷媒を前述のように回収しやすい液状態で暖房サイクル内に回収するため、メインコンデンサ３の出口側とコンプレッサ２の入口側とを冷媒回収管１２で接続し、この冷媒回収管１２には第３電磁弁１３を設けている。好ましくは、コンプレッサ２の入口側からメインコンデンサ３側への冷媒の逆流を防止するため、冷媒回収管１２の第３電磁弁下流側には逆止弁１６が設けられている。また、好ましくは、冷媒回収管１２により回収された冷媒がエバポレータ７側へ逆流するのを防止するため、エバポレータ７の出口側配管にも逆止弁１５が設けられている。
【００１６】
一方、本システムにおける冷凍サイクル以外の構成は、従来のシステムと全く同様である。
【００１７】
すなわち、この電気自動車用冷暖房装置は、車室内外の空気（内外気）を選択的に取り入れて空気調和した後車室内に所定の場所に向かって吹き出す室内ユニット１７を有し、この室内ユニットのダクト（図示せず）内には、空気流れ方向上流側から順に、内気取入口および外気取入口を選択的に開閉するインテークドア（いずれも図示せず）と、このインテークドアにより選択された内外気をダクト内に導入し下流側に向かって圧送するブロア装置（図示せず）と、冷媒を蒸発させて空気を冷却させる前記エバポレータ７と、暖房運転時に機能しガス冷媒を凝縮液化させて空気を加熱する前記サブコンデンサ４ａとが配置されている。サブコンデンサ４ａの前面には、サブコンデンサ４ａを通過する空気とこれを迂回する空気との割合を調節するためのエアミックスドア（図示せず）が回動自在に設けられ、また、サブコンデンサ４ａの下流側には、温度調節された空気を車室内の所定の場所に向かって吹き出すための各種吹出口（例えば、ベント吹出口、フット吹出口、デフ吹出口などで、いずれも図示せず）が形成されている。また、室内ユニット１７の外に配置されているメインコンデンサ３の背面には、このメインコンデンサ３に空気を供給するコンデンサファン（図示せず）が設けられている。メインコンデンサ３は、冷房運転時に機能し、空気との熱交換によりガス冷媒を冷却し凝縮液化させるものである。
【００１８】
なお、リキッドタンク５や膨脹弁６の機能は周知のとおりである。すなわち、前者は、気液を分離して液冷媒を一度蓄え、液冷媒のみを膨脹弁１１に送り出すものであり、通常、エアの分離や水分・異物の除去を行う機能も有している。また、後者は、液冷媒を減圧膨脹させて蒸発しやすい低温低圧の霧状冷媒にするとともに、エバポレータ出口温度を感知して冷媒流量を自動調節する（温度作動式の場合）機能を有している。
【００１９】
次に、作用を説明する。
【００２０】
本システムでは、二つの電磁弁１０，１１のみで冷暖房の切替えを行う。具体的な内容は、下記のとおりである。なお、冷房運転時、暖房運転時ともに第３電磁弁１３は閉じておく。
【００２１】
冷房運転時には、第１電磁弁１０を開きかつ第２電磁弁１１を閉じて、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側に導く。すなわち、コンプレッサ２から吐出された冷媒は、第１電磁弁１０→メインコンデンサ３→逆止弁１４→リキッドタンク５→膨脹弁６→エバポレータ７→逆止弁１５と流れてコンプレッサ２に帰還する（冷房サイクル）。このとき、好ましくは、エアミックスドアは、サブコンデンサ４ａを全閉する位置に設定され、エバポレータ７通過後の空気がサブコンデンサ４ａを通過しないようにしている。
【００２２】
このような循環過程において、コンプレッサ２から出た高温高圧のガス冷媒は、第１電磁弁１０を通ってメインコンデンサ３に流入し、ここで外気と熱交換されて凝縮液化される。メインコンデンサ３から出た中温高圧の液冷媒は、逆止弁１４を通過しリキッドタンク５で抽出された後、エバポレータ７の入口に設けられた膨脹弁６によって断熱膨脹されて低温低圧の霧状冷媒となり、エバポレータ７に入る。この低温低圧の霧状冷媒は、エバポレータ３にて熱交換により取入れ空気を冷却しながら低温低圧のガス冷媒となり、逆止弁１５を通過してコンプレッサ２に戻される。このようにして車室内の冷房が行われる。
【００２３】
一方、暖房運転時には、第１電磁弁１０を閉じかつ第２電磁弁１１を開いて、コンプレッサ２から吐出された冷媒をバイパス管９側つまりサブコンデンサ４ａ側に導く。すなわち、コンプレッサ２から吐出された冷媒は、サブコンデンサ４ａ→第２電磁弁１１→リキッドタンク５→膨脹弁６→エバポレータ７→逆止弁１５と流れてコンプレッサ２に帰還する（暖房サイクル）。このとき、エアミックスドアは、例えば、サブコンデンサ４ａを全開する位置に設定され、エバポレータ７通過後の空気がすべてサブコンデンサ４ａを通過するようにしている。
【００２４】
このような循環過程において、コンプレッサ２から吐出された高温高圧のガス冷媒は、直ちにバイパス管９上のサブコンデンサ４ａに入り、ここで取入れ空気に熱を放出して凝縮液化され、中温高圧の液冷媒となる。この液冷媒はバイパス管９を流下して第２電磁弁１１を通って、リキッドタンク５に至り、さらに膨脹弁６によって断熱膨脹されて低温低圧の霧状冷媒となった後、エバポレータ７で熱交換により取入れ空気を冷却・除湿し、逆止弁１５を経てコンプレッサ２に戻される。このように、エバポレータ７で冷却され除湿された取入れ空気をサブコンデンサ４ａで加熱して車室内に吹き出すことによって、車室内が除湿暖房される。なお、温調制御は、エアミックスドアの開度を調整することによって行うことができる。
【００２５】
また、本システムでは、三つの電磁弁１０，１１，１３を適当に開閉制御して暖房運転起動時にメインコンデンサ３に滞留している冷媒の回収を実施する。図２は、そのような冷媒回収時の電磁弁開閉制御の一例を示すフローチャートである。
【００２６】
手動または自動で暖房運転モードが選択されると（Ｓ１）、冷媒回収モードに入り、まず、第１段階として、電磁弁の初期状態として第１電磁弁１０を閉じ、第２電磁弁１１を閉じ、かつ、第３電磁弁１３を開いて（Ｓ２）、コンプレッサ２を起動する（Ｓ３）。つまり、この第１段階では、コンプレッサ２の吐出側流路を閉鎖した状態で冷媒回収管１２を開く。
【００２７】
その後、コンプレッサ２を起動してからの経過時間をカウントし、第１の所定時間（例えば、３０秒）が経過した時点で（Ｓ４）、第２段階として、第１電磁弁１０を開き、かつ、第２電磁弁１１を閉じる（Ｓ５）。第３電磁弁１３は開いたままである。つまり、この第２段階では、冷媒回収管１３を開いたままの状態で冷房サイクルの回路を形成する。
【００２８】
その後、Ｓ５の電磁弁切替え動作後の経過時間をカウントし、第２の所定時間（例えば、３０秒）が経過した時点で（Ｓ６）、第３段階として、第１電磁弁１０を閉じ、かつ、第２電磁弁１１を開く（Ｓ７）。第３電磁弁１３は開いたままである。つまり、この第３段階では、冷媒回収管１３を開いたままの状態で回路を暖房サイクルへ切り替える。
【００２９】
その後、Ｓ７の電磁弁切替え動作後の経過時間をカウントし、第３の所定時間（例えば、９０秒）に到達した時点で（Ｓ８）、第３電磁弁１３を閉じて（Ｓ９）、つまり冷媒回収管１３を閉じて、冷媒回収の動作を終了し、引き続いて前述の暖房運転に移行する。
【００３０】
このような冷媒回収制御にあっては、冷媒回収時に、まず第１段階で、コンプレッサ２の吐出側流路を第１所定時間だけ閉鎖して（コンプレッサ起動後３０秒間）、高圧ラインの圧力（コンプレッサ吐出圧力）を上昇させた後、次の第２段階で、第２所定時間（第１冷媒回収時間）だけ一時的に冷房サイクルを形成して（電磁弁切替後３０秒間）、メインコンデンサ３に高圧となったコンプレッサ吐出圧力を導入してメインコンデンサ３内の圧力を上昇させ、メインコンデンサ３内の冷媒を低圧サイクル側に一気に回収させる（いわゆるホットガスバイパス）。このホットガスバイパス後、次の第３段階で、回路を本来の暖房サイクルに切り替えて、さらに第３所定時間（第２冷媒回収時間）だけ冷媒回収管１２を開いて（サイクル切替後９０秒間）、メインコンデンサ３内に滞留している冷媒を回収する。この第３段階では、第２段階におけるホットガスバイパスによるメインコンデンサ３内への高圧力の導入によって、低外気（−２０℃以下）時でも、飽和圧力が高くなっており、低圧ラインとの差圧が発生するため、その差圧によってメインコンデンサ３内に溜まっている冷媒が低圧サイクル側へ移動し、暖房サイクル内に回収されることになる。よって、本システムの冷凍サイクルにおいて、ホットガスバイパスの利用により−２０℃以下の低外気の下でも冷媒回収が可能となる。
【００３１】
したがって、本実施の形態によれば、図３に示す従来のシステムと比較して、サブコンデンサ４ａをバイパス管９に設けてコンプレッサ２の出口に近づけたので、コンプレッサ２の出口とサブコンデンサ４ａの入口との間の配管経路が短くなる。よって、暖房運転時においてその配管経路の短縮分だけガス冷媒の温度降下が防止されるため、サブコンデンサ４ａを流れる冷媒の温度がより高くなり、暖房性能の向上が図られる。
【００３２】
また、冷媒回収時、電磁弁１０，１１の開閉を３段階に制御することで、ホットガスバイパスを利用してメインコンデンサ３内の冷媒を回収するようにしたので、−２０℃以下の低外気時であっても冷媒回収に必要な圧力差が発生し、冷媒回収が可能となり、冷媒回収能力が向上する。
【００３３】
なお、本発明は、上記した実施の形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内において種々改変することができる。
【００３４】
例えば、上記した実施の形態では、電気自動車用の冷暖房装置について説明したが、本発明は、これのみに限定されるものではなく、エンジン搭載車など通常の自動車の冷暖房装置にも適用することができることはいうまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、サブコンデンサをバイパス管に設けてコンプレッサの出口に近づけたので、コンプレッサから吐出されサブコンデンサに流入する冷媒の温度降下が少なく、暖房性能の向上が図られる。
【００３６】
また、冷媒回収時、電磁弁の開閉を３段階に制御することで、まずコンプレッサ吐出圧力を上昇させた後、冷房サイクルを形成して冷媒を回収し、さらに暖房サイクルに切り替えて残余の冷媒を回収するようにしたので、ホットガスバイパスの利用により低外気（−２０℃以下）時であっても冷媒回収が可能となり、冷媒回収能力が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る自動車用冷暖房装置の冷凍サイクルの構成図である。
【図２】冷媒回収時における電磁弁の開閉制御の一例を示すフローチャートである。
【図３】従来のヒートポンプ式自動車用冷暖房装置の冷凍サイクルの構成図である。
【符号の説明】
２…電動コンプレッサ、
３…メインコンデンサ（室外コンデンサ）、
４ａ…サブコンデンサ（室内コンデンサ）、
５…リキッドタンク、
６…膨脹弁、
７…エバポレータ（室内エバポレータ）、
８…冷媒配管、
９…バイパス管、
１０…第１電磁弁、
１１…第２電磁弁、
１２…冷媒回収管、
１３…第３電磁弁、
１４，１５，１６…逆止弁、
１７…室内ユニット。

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を利用して車室内の除湿暖房を行うヒートポンプ式の自動車用冷暖房装置において、
コンプレッサ(2)、室外コンデンサ(3)、リキッドタンク(5)、膨脹弁(6)、および室内エバポレータ(7)をこの順序で冷媒配管(8)により連結し、前記コンプレッサ(2)から吐出された冷媒を前記室外コンデンサ(3)をバイパスさせて直接前記リキッドタンク(5)に導くバイパス管(9)を設け、前記室外コンデンサ(3)の入口側配管に第１電磁弁(10)を設け、前記バイパス管(9)に室内コンデンサ(4a)および第２電磁弁(11)を設け、前記コンプレッサ(2)から吐出された冷媒を、冷房運転時には前記第１電磁弁(10)を開きかつ前記第２電磁弁(11)を閉じて前記室外コンデンサ(3)側に導き、暖房運転時には前記第１電磁弁(10)を閉じかつ前記第２電磁弁(11)を開いて前記バイパス管(9)側に導くようにするとともに、
前記室外コンデンサ(3)の出口と前記コンプレッサ(2)の入口とを直接連通させる冷媒回収管(12)を設け、該冷媒回収管(12)に第３電磁弁(13)を設け、暖房運転が選択されたときに前記第１電磁弁(10)、第２電磁弁(11)、および第３電磁弁(13)の開閉を制御して前記室外コンデンサ(3)に滞留している冷媒を暖房サイクル内に回収するようにしたことを特徴とする自動車用冷暖房装置。
暖房運転が選択されたときに、前記第１電磁弁(10)を閉状態、前記第２電磁弁(11)を閉状態、前記第３電磁弁(13)を開状態にそれぞれ設定して前記コンプレッサ(2)を起動し、当該コンプレッサ(2)起動後の経過時間が第１所定時間以上となった時に前記第１電磁弁(10)を開状態、前記第２電磁弁(11)を閉状態にそれぞれ切り替え、当該電磁弁(10,11)切替後の経過時間が第２所定時間以上となった時に前記第１電磁弁(10)を閉状態、前記第２電磁弁(11)を開状態にそれぞれ切り替え、当該電磁弁(10,11)切替後の経過時間が第３所定時間以上となった時に前記第３電磁弁(13)を閉状態に切り替えるようにしたことを特徴とする請求項１記載の自動車用冷暖房装置。