JP3939445B2

JP3939445B2 - 自動車用冷暖房装置

Info

Publication number: JP3939445B2
Application number: JP22173298A
Authority: JP
Inventors: 圭俊野田
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Calsonic Kansei Corp
Priority date: 1998-08-05
Filing date: 1998-08-05
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2018-08-05
Also published as: JP2000052757A

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、極寒地向けに改良された自動車用冷暖房装置に関する。
【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３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、冷凍サイクル中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３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、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】
第三に、従来の構成では、外気温度が−２０℃以下になりうる極寒地などを除いて、十分な除湿暖房効果を発揮しうるものの、そうした極寒地などにおいてはやはり暖房性能が不足するおそれがある。
【００１１】
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極寒地向けの新しい自動車用冷暖房装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【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。
【００１３】
（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、車室内に配置された室内コンデンサ、オリオリフィス付きの第１電磁弁、車室外に配置された室外コンデンサ、リキッドタンク、温水を利用して冷媒を加熱する熱交換器、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、前記熱交換器の出口と前記コンプレッサの入口とをバイパス管で接続し、前記熱交換器から流出した冷媒を冷媒流路切替手段により、冷房運転時には前記エバポレータ側に導き、暖房運転時には前記バイパス管側に導くようにしたことを特徴とする。
【００１４】
【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。
【００１５】
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３と共通する部材には同一の符号を付してある。
【００１６】
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３に示す従来の除湿ヒートポンプシステムを極寒地向けに改良した新タイプのものである。
【００１７】
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、オリフィス付きの第１電磁弁２０、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５、リキッドタンク１０、温水を利用して冷媒を加熱する熱交換器２１（以下「温水冷媒熱交換器」という）、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、温水冷媒熱交換器２１の出口とコンプレッサ７の吸入口とをバイパス管２２で接続し、その中に冷媒を封入して構成されている。すなわち、冷媒経路が、図３に示す従来のシステムと異なり、コンプレッサ７から吐出された冷媒を直接サブコンデンサ４に導き、サブコンデンサ４、第１電磁弁２０、メインコンデンサ５、リキッドタンク１０、および温水冷媒熱交換器２１を通過させた後、エバポレータ３側または直接コンプレッサ７側（つまり、バイパス管２２側）へ流れるよう選択的に分岐させるように構成されている。このため、バイパス管２２には、冷媒流路切替手段としての第２電磁弁２３が設置されている。なお、第１電磁弁２０はオリフィス付き電磁弁であって、弁を閉じたときに全閉状態とならずオリフィス（絞り）となるものであるが、第２電磁弁２３は通常の電磁弁であって、弁を閉じたときに全閉状態となるものである。また、膨脹弁１１は通常の温度作動式膨脹弁であって、エバポレータ３の出口配管に設けられた感熱筒のフィードバックを受けて弁が作動することで、冷媒流量を調節するようになっている。
【００１８】
温水冷媒熱交換器２１は、内部を流通する冷媒を温水と熱交換させて加熱する機能を有している。この温水冷媒熱交換器２１には、例えば、熱源としてシーズヒータ２４を内蔵した温水槽２５が温水配管を介して接続されており、温水槽２５に設けられたポンプを作動させることで、温水槽２５内の温水が温水冷媒熱交換器２１に供給されるようになっている。シーズヒータ２４は、発熱線を金属製保護管（シーズ）の中に入れ、中間に耐熱性無機絶縁物を充填した発熱体であって、熱効率がよく、長寿命であるなどのすぐれた特徴を有し、液体中の加熱に適している。シーズヒータ２４を通電させることで、温水槽２５内の水が加熱されて温水となり、また保温される。
【００１９】
したがって、新しい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、電磁弁を１個、逆止弁を３個、膨脹弁を１個必要とするのに対し、本システムでは電磁弁を２個、膨脹弁を２個必要とするのみで、電磁弁と膨脹弁はそれぞれ１個ずつ増えるものの、高価な四方弁が不要となりかつ逆止弁を３個削減することができるので、全体として部品点数が削減され、コストも低減されている。
【００２０】
また、本システムでは、メインコンデンサをバイパスする冷媒経路がなく冷房時も暖房時も冷媒はメインコンデンサ５を通過するため、冷暖房切替時に冷媒の寝込みの存在ということがなく、従来のシステムにおける冷媒回収ライン（冷媒回収通路１２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、短くなっている。
【００２１】
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、部品点数も削減されているため、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。
【００２２】
本システムにおける冷凍サイクル以外の構成は、図２に示す従来のシステムと全く同様である。
【００２３】
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。
【００２４】
一方、ダクト１外に配置されているメインコンデンサ５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５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５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。
【００２５】
なお、リキッドタンク１０や膨脹弁１１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、上記のよう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機能を有している。
【００２６】
次に、作用を説明する。
【００２７】
冷房運転時には、第１電磁弁２０を開き（全開）、コンデンサファン１８を作動させ、温水冷媒熱交換器２１を非作動にした（具体的には、例えば、シーズヒータ２４への通電を止め、ポンプ２６を停止させる）状態で、第２電磁弁２３を閉じて（全閉）、温水冷媒熱交換器２１から流出した冷媒を専らエバポレータ３側に導く。すなわち、コンプレッサ７から吐出された冷媒は、サブコンデンサ４→第１電磁弁２０→メインコンデンサ５→リキッドタンク１０→温水冷媒熱交換器２１→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、エアミックスドア１７は、例えば、図１中のＢ位置に設定され、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。
【００２８】
上記の循環過程において、コンプレッサ７から出た高温高圧のガス冷媒は、一旦サブコンデンサ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全開の第１電磁弁２０を通過してメインコンデンサ５に流入し、ここでコンデンサファン１８により供給される外気と熱交換されて凝縮液化される。メインコンデンサ５から出た中温高圧の液冷媒はリキッドタンク１０で抽出された後、温水冷媒熱交換器２１に入るが、この温水冷媒熱交換器２１は非作動状態にあるため、ここではほとんど熱交換が行われず、そのまま次の膨脹弁１１に導かれる。そして、この膨脹弁１１によって、エバポレータ３出口温度のフィードバックを受けながら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。
【００２９】
一方、暖房運転時（特に外気温度が極めて低い場合）には、第１電磁弁２０を閉じ（オリフィス）、コンデンサファン１８を停止させ、温水冷媒熱交換器２１を作動させた（具体的には、例えば、シーズヒータ２４を通電させ、ポンプ２６を作動させる）状態で、第２電磁弁２３を開いて（全開）、温水冷媒熱交換器２１から流出した冷媒を主にバイパス管２２側、つまり直接コンプレッサ７側に導く。すなわち、コンプレッサ７から吐出された冷媒は、主に、サブコンデンサ４→第１電磁弁（オリフィス）２０→メインコンデンサ５→リキッドタンク１０→温水冷媒熱交換器２１→第２電磁弁２３と流れてコンプレッサ７に帰還する（主暖房サイクル）。このとき、エアミックスドア１７は、例えば、図１中のＡ位置に設定され、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。
【００３０】
この主暖房サイクルのモリエル線図上の挙動は、概略、図２に示すとおりである。
【００３１】
すなわち、上記の循環過程において、コンプレッサ７で断熱圧縮されて高温高圧となった（ａ点→ｂ点）ガス冷媒は、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（ｂ点→ｃ点）。この中温高圧の液冷媒は第１電磁弁（オリフィス）２０によって絞られ断熱膨脹されて、低温低圧の気液混合状態となって（ｃ点→ｄ点）、メインコンデンサ５に入る。メインコンデンサ５に流入した低温低圧の気液混合状態の冷媒は、メインコンデンサ５のケーシングや外気から吸熱した後（ｄ点→ｅ点）、リキッドタンク１０を経て、温水冷媒熱交換器２１に入る。この温水冷媒熱交換器２１にはシーズヒータ２４で加熱された温水槽２５内の温水がポンプ２６により循環しているため、温水冷媒熱交換器２１に流入した冷媒は温水との熱交換によりさらに加熱されて吸熱し、蒸発することによりすべてガス冷媒となった後（ｅ点→ａ点）、第２電磁弁２３を経て（つまり、エバポレータ３をバイパスして）、コンプレッサ７に戻される。このようなヒートポンプを形成して、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、車室内が暖房される。なお、図２のような挙動を示す冷凍サイクルを形成することで、冷凍サイクル自体がより大きな暖房性能を発揮しうる方向で形成されるので、極寒地にも対応しうる暖房性能が得られる。
【００３２】
また、暖房運転時には、以上の主暖房サイクルに対して、温水冷媒熱交換器２１から流出した冷媒の一部は、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。したがって、この過程において、膨脹弁１１に入りエバポレータ３に入った冷媒は、エバポレータ３で熱交換（吸熱）により取入れ空気を冷却・除湿して、コンプレッサ７に戻される。つまり、除湿作用が働き、車両の空気取入口をＲＥＣ（内気循環）にしても車室内空気を除湿することができる。なお、膨脹弁１１→エバポレータ３と流れてコンプレッサ７に戻る冷媒経路は、バイパス管２３を通る経路に比べて通路抵抗がかなり大きいので、そこを流れる冷媒の流量は少ない。そのため、エバポレータ３での取入れ空気の冷却作用は小さく、サブコンデンサ４で加熱された吹出風温度の低下は、エバポレータ３が全く機能しない場合と比べてそれほど大きくない。
【００３３】
以上より、暖房運転時においては、エバポレータ３で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ので、車室内が除湿暖房されることになる。
【００３４】
なお、温調制御は、エアミックスドア１６の開度を調整することによって行うことができる。
【００３５】
このように、本システムでは、従来のシステムと比較して、冷凍サイクルにおけるサブコンデンサ４の位置が変更され、サブコンデンサ４がコンプレッサ７の出口と直結する形で設けられているが、このような位置にサブコンデンサ４を設けることによって、コンプレッサ７の出口とサブコンデンサ４の入口との間の配管経路が短くなり、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、この点からも、サブコンデンサ４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。
【００３６】
以上のとおり、本実施の形態によれば、高価な四方弁が不要となりかつ逆止弁を３個削減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。
【００３７】
また、冷房サイクル、暖房サイクルともにメインコンデンサ５を通過するため、冷暖房切替時に冷媒の寝込みがなく、従来のような専用の冷媒回収ラインが不要となり、その分配管経路が簡単化され、短くなっており、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。
【００３８】
また、暖房運転時、サブコンデンサ４で凝縮された液冷媒を第１電磁弁２０で絞ってメインコンデンサ５で一度吸熱させた後、さらに温水冷媒熱交換器２１で加熱し蒸発させるようにしたので、温水冷媒熱交換器２１でより高い吸熱性能を発揮させることができる。したがって、コンプレッサ吐出温度が上昇し、暖房性能の向上が図られるので、極寒地にも対応しうる。また、メインコンデンサ５が凍っても、温水冷媒熱交換器２１が存在するため、吸熱性能が一気に低下することはなく、デフロスト運転が不要になるというメリットもある。なお、通常のヒートポンプシステムでは、室外熱交換器が凍結した場合、それを溶かす必要があり、デフロスト運転が必要となる。
【００３９】
また、サブコンデンサ４をコンプレッサ７の出口と直結したので、従来のシステムと比べてコンプレッサ７の出口とサブコンデンサ４の入口との間の配管経路が短くなる。したがって、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、この点からも、サブコンデンサ４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。
【００４０】
また、暖房運転時、一部の冷媒はエバポレータ３を通過してコンプレッサ７に戻るので、除湿作用も得られ、サブコンデンサ４による暖房作用と併せて除湿暖房が実現される。
【００４１】
なお、上記実施の形態では、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。
【００４２】
【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、かつ弁類の部品点数が削減可能であるため、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。
【００４３】
また、サブコンデンサで凝縮された液冷媒をオリフィス付き第１電磁弁で絞ってメインコンデンサで一度熱交換（吸熱）させた後、熱交換器で加熱し蒸発させるようにしたので、熱交換器でより高い吸熱性能を発揮させることができ、暖房性能の向上が図られるとともに、デフロスト運転が不要となる。したがって、極寒地にも対応しうる。
【００４４】
また、サブコンデンサをコンプレッサの出口と直結したので、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、この点からも暖房性能の向上が図られる。
【００４５】
また、暖房運転時、一部の冷媒はエバポレータを通過してコンプレッサに戻るので、除湿作用も得られ、サブコンデンサによる暖房作用と併せて除湿暖房が実現される。
【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】主暖房サイクルのモリエル線図上の挙動を示す説明図である。
【図３】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、
５…メインコンデンサ、
７…電動コンプレッサ、
１０…リキッドタンク、
１１…膨脹弁、
２０…オリフィス付き第１電磁弁、
２１…温水冷媒熱交換器、
２２…バイパス管、
２３…第２電磁弁（冷媒流路切替手段）、
２４…シーズヒータ、
２５…温水槽、
２６…ポンプ。

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(7)、車室内に配置された室内コンデンサ(4)、オリフィス付きの第１電磁弁(20)、車室外に配置された室外コンデンサ(5)、リキッドタンク(10)、温水を利用して冷媒を加熱する熱交換器(21)、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)により連結し、前記熱交換器(21)の出口と前記コンプレッサ(7)の入口とをバイパス管(22)で接続し、前記熱交換器(21)から流出した冷媒を冷媒流路切替手段(23)により、冷房運転時には前記エバポレータ(3)側に導き、暖房運転時には前記バイパス管(22)側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。