JP3934257B2 - 自動車用冷暖房装置 - Google Patents

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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電気自動車は、走行駆動源が電気モータであるため、高温のエンジン冷却水を利用するエンジン搭載車に比べて暖房熱源が不足する。このため、従来の電気自動車用冷暖房装置においては、冷房のみならず暖房にも冷媒を用いてサイクル運転を行い、窓曇りを防止しながら車室内を暖房することができる除湿暖房可能なヒートポンプ式カーエアコン（以下「除湿ヒートポンプシステム」という）が開発されている（例えば、特開平５−２０１２４３号参照）。
【０００３】
この種の電気自動車用冷暖房装置は、例えば、図６に示すように、ダクト１内に、空気を取り入れるブロア装置２と、エバポレータ３と、主に暖房運転時に機能する室内側のサブコンデンサ４とが配設され、さらに、ダクト１の外には、主に冷房運転時に機能する室外側のメインコンデンサ５が配設されている。
【０００４】
サブコンデンサ４とメインコンデンサ５とは、冷凍サイクル内に設けられた四方弁６によって暖房運転時と冷房運転時とで切り換えられ、暖房運転時においては、冷媒がメインコンデンサ５をバイパスして流れるようにし、電動コンプレッサ７から吐出された冷媒は、四方弁６→バイパス通路９→サブコンデンサ４→リキッドタンク１０→膨脹弁１１→エバポレータ３と流れて、コンプレッサ７に帰還する（暖房サイクル）。この循環過程において、コンプレッサ７から吐出され四方弁６でメインコンデンサ５をバイパスしたガス冷媒は、サブコンデンサ４で凝縮液化されて放熱を行うので、エバポレータ３で除湿（および冷却）された空気はサブコンデンサ４で加熱され、車室内が除湿暖房されることになる。
【０００５】
また、四方弁６の出口側（出口ポートの一つ）とコンプレッサ７の吸入側との間には冷媒回収通路１２が設けられ、さらに、この冷媒回収通路１２には電磁弁１３が取り付けられている。そして、暖房運転開始時に外気温度が低いときには、四方弁６により冷媒回収通路１２とメインコンデンサ５とを連通させ、電磁弁１３を開くことによって、主としてメインコンデンサ５に滞留しているいわゆる寝込み冷媒をコンプレッサ７に戻して、暖房サイクル内の冷媒不足を補うようにしている。
【０００６】
なお、図６中、８は冷媒配管、１４，１５，１６は逆止弁、１７はエアミックスドア、１８はコンデンサファンである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来の除湿ヒートポンプシステムでは、十分な除湿暖房効果を発揮しうるものの、冷凍サイクルを含めたシステム全体の構成が複雑であることなどから、下記の点が問題となりうる。
【０００８】
第一に、従来の構成では、外気温度が低いときにメインコンデンサ５などに冷媒が溜りやすいので（寝込み冷媒の存在）、暖房運転時においてサイクル内を循環する冷媒量を確保するため、上記のように、寝込み冷媒を回収するためのライン（四方弁６、冷媒回収通路１２、電磁弁１３など）を設けるとともにその制御を行うことが必要である。
【０００９】
第二に、従来の構成では、暖房運転時と冷房運転時とで冷媒の流れを切り換えたりまた寝込み冷媒を回収するために、四方弁６、逆止弁１４〜１６などの弁類が追加されているが、こうした弁類の追加によって、作動上の信頼性を確保するための対策が必要となり、さらに、作動音が発生したり、コストおよび重量が増加するおそれがある。
【００１０】
本発明は、従来の除湿ヒートポンプシステムにおける上記の課題に着目してなされたものであり、冷媒回収ラインが不要で部品点数も削減された簡素化されたシステム構成を有しつつ、信頼性の向上やコストの低減などを図ることができる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。
【００１１】
【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。
【００１２】
（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、車室外に配置された室外コンデンサ、車室内に配置された室内コンデンサ、リキッドタンク、膨脹弁、および車室内に配置されたエバポレータをこの順序で冷媒配管により連結してなり、前記室外コンデンサは、縦置き型のパラレルフロー式コンデンサであって、該コンデンサ内の冷媒流れの最初パス部に連通するタンク内最上部空間に設けられた第１冷媒入口と、該コンデンサ内の冷媒流れの最終パス部に連通するタンク内最下部空間に設けられた第２冷媒入口とを有し、前記コンプレッサの出口と前記室外コンデンサの前記第２冷媒入口とをバイパス管で接続し、前記コンプレッサから吐出された冷媒を冷媒流路切換手段により、冷房運転時には前記室外コンデンサの前記第１冷媒入口に導き、暖房運転時には前記室外コンデンサの前記第２冷媒入口に導くようにしたことを特徴とする。
【００１３】
（２）前記冷媒流路切換手段は、前記バイパス管に設けられた電磁弁である。
【００１４】
（３）前記冷媒流路切換手段は、前記冷媒配管と前記バイパス管との接続点に設けられた三方弁である。
【００１５】
（４）前記室外コンデンサの前記第２冷媒入口は、内部バイパス管によって直接当該室外コンデンサの冷媒出口と連通している。
【００１６】
（５）前記内部バイパス管にはフィンが設けられていない。
【００１７】
（６）前記第１冷媒入口と連通する冷媒管、前記第２冷媒入口と連通するバイパス管、および前記冷媒流路切換手段を一体化して前記室外コンデンサの入口側タンクに設けてなる。
【００１８】
【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。
【００１９】
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概略構成図であって、電気自動車に搭載されるものを示している。なお、同図中、図６と共通する部材には同一の符号を付してある。
【００２０】
この電気自動車用冷暖房装置は、冷房、暖房共に冷媒を用いたサイクル運転を行うことにより車室内の冷房と除湿暖房を行う除湿ヒートポンプシステムであって、図６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。
【００２１】
このシステムの冷凍サイクルは、電動コンプレッサ７（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２０、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４、リキッドタンク１０、膨脹弁１１、および車室内に配置されたエバポレータ３をこの順序で冷媒配管８により連結するとともに、メインコンデンサ２０に二つの冷媒入口２１，２２を上下に設けて下側の冷媒入口２２とコンプレッサ７の出口とをバイパス管２３で接続し、その中に冷媒を封入して構成されている。バイパス管２３には、冷媒流路切換手段としての電磁弁２４が設置されている。
【００２２】
特に、メインコンデンサ２０は、今日主流になりつつある縦置き型のパラレルフロー式コンデンサであり、前記二つの冷媒入口２１，２２のうち、上側の冷媒入口２１は、従来一般のコンデンサ入口と同様のものであって、このタイプのコンデンサ内の冷媒流れの最初のパス部に連通するタンク内最上部空間に設けられた冷媒入口（第１冷媒入口）であり、また、下側の冷媒入口２２は、本発明で新たに加えられた別個のコンデンサ入口であって、該タイプのコンデンサ内の冷媒流れの最終のパス部に連通するタンク内最下部空間に設けられた第２の冷媒入口である。本実施の形態では、パス設定として３パス化した例、つまりＳターンの例を示している。
【００２３】
図２は、図１のメインコンデンサ２０の詳細を示す拡大模式図である。なお、ここでは、簡単化のため、チューブ内を流れる冷媒の通路のみを示し、チューブ間のフィンは省略してある（図３および図４において同じ）。
【００２４】
すなわち、このメインコンデンサ２０では、入口側タンク２６内と出口側タンク２７内にそれぞれ一つの仕切り板２８，２９を入れることにより、第１冷媒入口２１から流入した冷媒について、左右のタンク２６，２７間における冷媒の流れとして上方から順に、入口側タンク２６から出口側タンク２７に向かう最上部の第１の流れ（最初パス）、出口側タンク２７から入口側タンク２６に向かう中間部の第２の流れ、および入口側タンク２６から出口側タンク２７に向かう最下部の第３の流れ（最終パス）という三つのパスが設定され、Ｓターンが形成される。したがって、第１冷媒入口２１は、第１の流れ部（最初パス部）に連通するタンク２６内の上部空間（最上部空間）に設けられ、また、第２冷媒入口２２は、第３の流れ部（最終パス部）に連通するタンク２６内の下部空間（最下部空間）に設けられている。その際、好ましくは、第２冷媒入口２２は、この第２冷媒入口２２から入った冷媒が同時に流れるチューブの本数を最小限にするため、タンク２６内の下部空間（最下部空間）の最も下側の位置に設けられている。
【００２５】
このように、本発明では、メインコンデンサ２０に従来と同様の第１冷媒入口２１に加えてこれとは別にコンプレッサ７からの冷媒をコンデンサの最終パスに直接導く（バイパスさせる）第２の冷媒入口２２を設けて、コンプレッサ７から吐出された冷媒が通常のコンデンサ入口（第１冷媒入口２１）またはバイパス用入口（第２冷媒入口）２２へ選択的に分岐して流れるように構成されている。
【００２６】
したがって、本システムと従来のシステムとを比較した場合、弁類について、従来システムでは四方弁を１個と逆止弁を３個必要とするのに対し、本システムではそれらは全く不要である。
【００２７】
また、本システムでは、後で詳述するようにメインコンデンサ２０を暖房時の冷媒経路の一部に使用するため、そもそも寝込み冷媒を回収する必要がなく、従来のシステムにおける冷媒回収ライン（冷媒回収通路１１など）は不要であり、その分従来のシステムに比べて配管経路が簡単化されている。
【００２８】
このように、本システムでは、冷凍サイクルの構成において、冷媒回収ラインが不要で、かつ、四方弁や逆止弁といった弁類も廃止されているため、従来のものに比べてシステムが大幅に簡素化されている。
【００２９】
本システムにおける冷凍サイクル以外の構成は、図６に示す従来のシステムと全く同様である。
【００３０】
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空調ユニットを有し、この空調ユニットは、取り入れた空気を車室内に向かって送るためのダクト１を有している。ダクト１内には、白抜き矢印で示す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（共に図示せず）を選択的に開閉する図示しないインテークドアと、このインテークドアにより選択された内外気をダクト１内に導入し下流側に向かって圧送するブロア装置２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３と、主に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４とが配置されている。サブコンデンサ４の前面には、サブコンデンサ４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１７が回動自在に設けられ、また、サブコンデンサ４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図示しない各種吹出口（例えば、ベント吹出口、フット吹出口、デフ吹出口など）が形成されている。
【００３１】
一方、ダクト１外に配置されているメインコンデンサ２０の背面、つまり空気流れ下流側には、このメインコンデンサ２０に空気を供給するコンデンサファン１８が設けられている。メインコンデンサ２０は、主に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。
【００３２】
次に、作用を説明する。
【００３３】
本実施の形態では、四方弁を使わず、一つの電磁弁２４のみで冷暖房の切換えを行う。具体的な内容は、下記のとおりである。
【００３４】
冷房運転時には、電磁弁２４を閉じて、コンプレッサ７から吐出された冷媒を専らメインコンデンサ２０の第１冷媒入口２１にのみ導く。すなわち、コンプレッサ７から吐出された冷媒は、第１冷媒入口２１→メインコンデンサ２０内部→サブコンデンサ４→リキッドタンク１０→膨脹弁１１→エバポレータ３と流れてコンプレッサ７に帰還する（冷房サイクル）。このとき、コンデンサファン１８は作動をＯＮにし、また、エアミックスドア１７は、例えば、図１中のＢ位置に設定して、エバポレータ３通過後の空気がサブコンデンサ４を通過しないようにしている。
【００３５】
これにより、コンプレッサ７から出た高温高圧のガス冷媒は、通常の第１冷媒入口２１からメインコンデンサ２０に入り、ここでコンデンサファン１８によって供給された空気（外気）と熱交換されて凝縮液化されて中温高圧の液冷媒となる。このときのメインコンデンサ２０内の冷媒の流れは、図２中の破線で示すとおりである。その後、メインコンデンサ２０から出た中温高圧の液冷媒は、サブコンデンサ４に入るが、エアミックスドア１７により空気の通過つまり空気との熱交換が阻止されているためサブコンデンサ４ではほとんど放熱せず、そのままリキッドタンク１０に入る。そしてリキッドタンク１０で抽出された液冷媒は、膨脹弁１１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３に導かれる。この低温低圧の霧状冷媒は、エバポレータ３におい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、コンプレッサ７に戻される。このようにして車室内の冷房が行われる。
【００３６】
一方、暖房運転時には、電磁弁２４を開けて、コンプレッサ７から吐出された冷媒をメインコンデンサ２０の第２冷媒入口２２に導く。すなわち、コンプレッサ７から吐出された冷媒は、第２冷媒入口２２→メインコンデンサ２０の最終パス→サブコンデンサ４→リキッドタンク１０→膨脹弁１１→エバポレータ３と流れてコンプレッサ７に帰還する（暖房サイクル）。このとき、コンデンサファン１８は作動をＯＦＦにして、メインコンデンサ２０での放熱量ができるだけ少なくなるようにするとともに、エアミックスドア１６は、例えば、図１中のＡ位置に設定して、エバポレータ３通過後の空気がすべてサブコンデンサ４を通過するようにしている。
【００３７】
これにより、コンプレッサ７から吐出された高温高圧のガス冷媒は、ほとんどメインコンデンサ２０をバイパスして（つまり、メインコンデンサ２０内の最下部の最終パスのみを通過して）サブコンデンサ４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、リキッドタンク１０で抽出され、膨脹弁１０で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３で熱交換により取入れ空気を冷却・除湿し、コンプレッサ７に戻される。このように、エバポレータ３で冷却され除湿された取入れ空気をサブコンデンサ４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。
【００３８】
なお、このときのメインコンデンサ２０内の冷媒の流れは、主として、図２中の実線で示すとおりであるが、実際には、メインコンデンサ２０の第１冷媒入口２１につながる冷媒通路８ａは何ら遮断されていないため、コンプレッサ７からの冷媒の一部は第１冷媒入口２１からメインコンデンサ２０に入ってくる。しかし、通路抵抗との関係で、第１冷媒入口２１からメインコンデンサ２０内に流入する冷媒流量は少ない。
【００３９】
また、この場合、メインコンデンサ２０の最終パスのみではあるが（厳密には、上記のように少量の冷媒がメインコンデンサ２０の第１冷媒入口２１から流下するが、これはある程度無視できる）、メインコンデンサ２０内を高温高圧のガス冷媒が通過するため、その冷媒の持つ熱がメインコンデンサ２０で放出されてしまう。しかし、上記のようにコンデンサファン１８は停止されているため、空気との熱交換はあまり行われず、メインコンデンサ２０から流出する冷媒温度、つまりサブコンデンサ４に入る冷媒温度の低下は、極力回避されている。
【００４０】
したがって、これらの２点から、本システムにおいて暖房性能の低下は最小限に抑えられている。
【００４１】
なお、温調制御は、エアミックスドア１７の開度を調整することによって行うことができる。
【００４２】
また、本発明では、前述したようにメインコンデンサ２０を暖房時の冷媒経路（暖房サイクル）の一部に使用するため、寝込み冷媒の回収は不要である。すなわち、メインコンデンサ２０は縦置き型であるため寝込み冷媒は液体の状態でメインコンデンサ２０の下部に溜まっており、この寝込み冷媒の溜まっている部分は一部暖房運転時に冷媒経路として使用される部分であるため、構成上、暖房運転時に暖房サイクル内の冷媒不足は生じない。そのため、寝込み冷媒の回収はそれ自体が不要である。したがって、従来のシステムにおける冷媒回収ライン（冷媒回収通路１１など）は不要であり、その分従来のシステムに比べて配管経路が簡単化されている。
【００４３】
以上のとおり、本実施の形態によれば、四方弁と逆止弁を廃止することができるため、作動上の信頼性の向上が図られるとともに、弁類の作動音の発生が低減され、さらに部品点数の削減によりコストや重量の低減も図られる。
【００４４】
また、メインコンデンサ２０を暖房時の冷媒経路の一部に使用するため、寝込み冷媒の回収が不要であり、従来のような専用の冷媒回収ラインおよびその制御が不要となり、その分配管経路およびシステム制御が簡単化され、この点からもシステムの簡素化が図られ、信頼性の向上ならびにコストや重量の低減が図られる。
【００４５】
上記した実施の形態には、いろいろなバリエーションが考えられる。以下、それらについて簡単に説明する。なお、図１および図２と共通する部材には同一の符号を付してある。
【００４６】
図３は、メインコンデンサの他の実施形態を示す模式図である。
【００４７】
このメインコンデンサ３０は、暖房運転時のメインコンデンサバイパス効果を有効に持たせるため、内部バイパス管３１によって第２冷媒入口２２と冷媒出口２５とを直接連通させるようにしている。例えば、電磁弁２４と直接つながっている内部バイパス管３１を第２冷媒入口２２に挿通してメインコンデンサ３０の最下部に配置し一体化させる。好ましくは、内部バイパス管３１には、放熱を極力なくすよう、フィンを付けていない。この構成により、暖房運転時にメインコンデンサ３０を通過する際の冷媒の凝縮がより一層防止される。
【００４８】
図４は、メインコンデンサのさらに他の実施形態を示す模式図である。
【００４９】
このメインコンデンサ４０は、図２における電磁弁２４、第１冷媒入口２１への冷媒配管８ａ、および第２冷媒入口２２へのバイパス管２３を一体化して入口側タンク２６に付設してなる一体ブロック型の構造をしている。例えば、このメインコンデンサ４０は、電磁弁２４ａを内蔵したブロック４１を有し、このブロック４１内には、図２のバイパス管２３に相当する暖房時用のバイパス管４２と、図２の冷媒配管８ａに相当する冷房時用の冷媒パイプ４３の一端とが設けられている。暖房時用バイパス管４２は電磁弁２４ａによって開閉される。冷房時用冷媒パイプ４３の他端は、入口側タンク２６内を下部から上部に向かって伸長し、メインコンデンサ４０の最初パス部に連通するタンク２６内の上部空間（最上部空間）に連通している。このような構成とすることで、最終組立時の部品点数の削減が図られ、取付作業が容易になる。
【００５０】
図５は、冷媒流路切換手段の他の実施形態を示す概略構成図である。
【００５１】
ここでは、冷媒流路切換手段として、図１に示す電磁弁２４に代えて冷媒配管８ａとバイパス管２３との接続点に三方弁５０を設けている。この三方弁５０は、コンプレッサ７からの冷媒を冷房運転時にはメインコンデンサ２０の第１冷媒入口２１にのみ導き暖房運転時にはメインコンデンサ２０の第１冷媒入口２２にのみ導くように制御される。このような三方弁５０を用いることで、暖房運転時にメインコンデンサ２０の第１冷媒入口２１に向かう流れが完全に遮断され、メインコンデンサ２０での放熱量がより一層低減される。
【００５２】
なお、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。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、専用の冷媒回収ラインが不要で、かつ四方弁および逆止弁を廃止可能であるため、システムの簡素化が図られ、作動上の信頼性の向上とともにコストや重量の低減なども図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態に係る電気自動車用冷暖房装置の概略構成図である。
【図２】 図１のメインコンデンサの詳細を示す拡大模式図である。
【図３】 メインコンデンサの他の実施形態を示す模式図である。
【図４】 メインコンデンサのさらに他の実施形態を示す模式図である。
【図５】 冷媒流路切換手段の他の実施形態を示す概略構成図である。
【図６】 従来のヒートポンプ式電気自動車用冷暖房装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
３…エバポレータ、
４…サブコンデンサ（室内コンデンサ）、
７…電動コンプレッサ、
８，８ａ…冷媒配管、
１０…リキッドタンク、
１１…膨脹弁、
２０，３０，４０…メインコンデンサ（室外コンデンサ）、
２１…第１冷媒入口、
２２…第２冷媒入口、
２３…バイパス管、
２４…電磁弁（冷媒流路切換手段）、
２５…冷媒出口、
２６…入口側タンク、
３１…内部バイパス管、
４１…電磁弁内蔵ブロック、
５０…三方弁。

Claims (6)

1. 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、車室外に配置された室外コンデンサ、車室内に配置された室内コンデンサ、リキッドタンク、膨脹弁、および車室内に配置されたエバポレータをこの順序で冷媒配管により連結してなり、前記室外コンデンサは、縦置き型のパラレルフロー式コンデンサであって、該コンデンサ内の冷媒流れの最初パス部に連通するタンク内最上部空間に設けられた第１冷媒入口と、該コンデンサ内の冷媒流れの最終パス部に連通するタンク内最下部空間に設けられた第２冷媒入口とを有し、前記コンプレッサの出口と前記室外コンデンサの前記第２冷媒入口とをバイパス管で接続し、前記コンプレッサから吐出された冷媒を冷媒流路切換手段により、冷房運転時には前記室外コンデンサの前記第１冷媒入口に導き、暖房運転時には前記室外コンデンサの前記第２冷媒入口に導くようにしたことを特徴とする自動車用冷暖房装置。
2. 前記冷媒流路切換手段は、前記バイパス管に設けられた電磁弁であることを特徴とする請求項１に記載の自動車用冷暖房装置。
3. 前記冷媒流路切換手段は、前記冷媒配管と前記バイパス管との接続点に設けられた三方弁であることを特徴とする請求項１に記載の自動車用冷暖房装置。
4. 前記室外コンデンサの前記第２冷媒入口は、内部バイパス管によって直接当該室外コンデンサの冷媒出口と連通していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の自動車用冷暖房装置。
5. 前記内部バイパス管にはフィンが設けられていないことを特徴とする請求項４に記載の自動車用冷暖房装置。
6. 前記第１冷媒入口と連通する冷媒管、前記第２冷媒入口と連通するバイパス管、および前記冷媒流路切換手段を一体化して前記室外コンデンサの入口側タンクに設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の自動車用冷暖房装置。

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