JP4023320B2

JP4023320B2 - 空調装置用加熱器

Info

Publication number: JP4023320B2
Application number: JP2003003279A
Authority: JP
Inventors: 山内　　芳幸
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2023-01-09
Also published as: JP2004216934A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調装置用加熱器及び空調装置に関するもので、車両用に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の車両用空調装置では、蒸気圧縮式冷凍機を循環する冷媒と室内に吹き出す空気とを熱交換する第１、２熱交換器、及びエンジン冷却水を熱源として室内に吹き出す空気を加熱するヒータを１つの空調ケーシング内に収納している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３２６７１４７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１に記載の発明では、３つの熱交換器を１つの空調ケーシング内に収納しているので、空調装置が大型化してしまう。このため、特許文献１に記載の発明は、空調装置の車両への搭載性が悪いという問題を有している。
【０００５】
そこで、出願人は、廃熱により加熱された流体を熱源として室内に吹き出す空気を加熱するヒータ機能と高圧冷媒を熱源とするヒータ機能とを兼ね備えた発明を既に出願している（特願２００２−２７００９３号）。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、廃熱により加熱された流体を熱源として室内に吹き出す空気を加熱するヒータ機能、及び高圧冷媒を熱源とするヒータ機能に加えて、内燃機関（エンジン）の暖機運転を促進する機能を付加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、内燃機関（２０）の廃熱を回収した流体および蒸気圧縮式冷凍機の高圧側冷媒を熱源として室内の暖房を行う空調装置に適用されるとともに、室内に吹き出す空気中に配置される空調装置用加熱器であって、内燃機関（２０）から流出した流体を流すことによって流体と室内に吹き出す空気とを熱交換させるとともに、流体を内燃機関（２０）側へ流出させて循環させる流体チューブ（２）と、流体チューブ（２）に対して室内に吹き出す空気の空気流れ下流側に配置され、高圧側冷媒を流すことによって高圧側冷媒と室内に吹き出す空気とを熱交換させる冷媒チューブ（３）と、流体チューブ（２）に対して並列的に接続された通路を流れる流体を、前記冷媒チューブ（３）へ流入する高圧側冷媒および前記冷媒チューブ（３）から流出した高圧側冷媒と熱交換させる熱交換部（４、６）と、流体を内燃機関（２０）と流体チューブ（２）との間で循環させる流路と、流体を内燃機関（２０）と熱交換部（４、６）との間で循環させる流路とを切り替える切替手段（４ａ）とを備え、流体チューブ（２）、前記冷媒チューブ（３）および前記熱交換部（４、６）が一体的に構成されていることを特徴とする。
【０００８】
これにより、空調装置が大型化してしまうことを防止しつつ、内燃機関（２０）の暖機運転を促進して冷間始動時に排出される有害物質を低減しつつ、室内を早期に暖房することができる。
【０００９】
また、高圧側冷媒は流体より早期に温度が上昇するので、冷媒チューブ（３）を流体チューブ（２）より空気流れ上流側に配置した場合に比べて流体と空気との温度差を確保することができ、流体及び冷媒と室内に吹き出す空気とを効率よく熱交換することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、熱交換部は、流体チューブ（２）に対して並列的に接続されたＵ字管（４）、および、冷媒チューブ（３）へ高圧側冷媒を供給するとともに、冷媒チューブ（３）から流出した高圧側冷媒を集合させる冷媒タンク（６）によって構成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、室内に吹き出す空気が流れる空調ケーシング（８）と、空調ケーシング（８）内に配置された請求項１又は２に記載の空調装置用加熱器（１）とを備え、内燃機関（２０）から流出する流体の温度が所定温度未満のときには、蒸気圧縮式冷凍機を稼動させた状態で、流体を内燃機関（２０）と熱交換部（４、６）との間で循環させる運転モードを有することを特徴とする。
【００１３】
これにより、暖機運転の促進と暖房能力の向上とを両立することができる。
【００１４】
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。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本実施形態は、本発明に係る空調装置を車両用空調装置に適用したもので、図１は本実施形態に係る加熱器１を用いた車両用空調装置の模式図であり、図２は加熱器１の模式図であり、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。
【００１６】
空調用の加熱器１は、図３に示すように、走行用内燃機関であるエンジン２０（図１参照）内を循環してエンジン２０の廃熱を回収した冷却水が流れる複数本の冷却水チューブ２、冷却水チューブ２より空気流れ下流側に配置されて蒸気圧縮式冷凍機３０（図１参照）で生成された高圧・高温冷媒が流れる複数本の冷媒チューブ３、及びエンジン２０内を循環して加熱器１側に供給された冷却水と高温・高圧冷媒と熱交換する熱交換部４、６等が一体的に構成されたものである。
【００１７】
なお、蒸気圧縮式冷凍機３０は、低温側の熱を高温側に移動させる冷凍機であり、詳細は後述する。
【００１８】
冷却水チューブ２内は、長手方向に延びる複数本（本実施形態では、２本）の冷却水通路２ａ、２ｂに区画されており、２本の冷却水通路２ａ、２ｂは、冷却水チューブ２の長手方向端部のうち冷却水タンク５と反対側端部にて連通している。
【００１９】
冷却水タンク５は、冷却水チューブ２の長手方向一端側に配置されて複数本の冷却水チューブ２と連通しているとともに、内部はその長手方向に延びる２本の空間に区画されている。
【００２０】
このため、冷却水タンク５に流入した冷却水は、冷却水タンク５にて複数本の冷却水チューブ２の冷却水通路２ａに分配供給された後、冷却水タンク５と反対側端部にて流通方向を１８０°転向させて冷却水通路２ｂを流れ、冷却水タンク５にて集められて加熱器１外に流出する。なお、冷却水通路２ａは冷却水通路２ｂより空気流れ下流側に位置している。
【００２１】
また、冷媒チューブ３内は、図３に示すように、長手方向に延びる複数本（本実施形態では、７本）の冷媒通路に区画されており、これら複数本の冷媒通路は、大きく分けて２本の冷媒通路３ａ、３ｂに分類され、冷媒通路３ａ、３ｂは、冷媒チューブ３の長手方向端部のうち冷媒タンク６と反対側端部、つまり冷却水タンク５側にて連通している。
【００２２】
冷媒タンク６は、冷媒チューブ３の長手方向一端側であって、冷却水タンク５と反対側に配置されて複数本の冷媒チューブ３と連通しているとともに、その内部は、冷媒通路３ａ、３ｂに対応するように長手方向に延びる２本の空間に区画されている。
【００２３】
このため、冷媒タンク６に流入した冷媒は、冷媒タンク６にて複数本の冷媒チューブ３の冷媒通路３ａに分配供給された後、冷媒タンク６と反対側端部にて流通方向を１８０°転向させて冷媒通路３ｂを流れ、冷媒タンク６に集められて加熱器１外に流出する。なお、冷媒通路３ａは冷媒通路３ｂより空気流れ下流側に位置している。
【００２４】
そして、本実施形態では、Ｕ字管４を冷媒タンク６内に配置して高温・高圧冷媒と冷却水とを熱交換するとともに、切替弁４ａにより冷却水を冷却水チューブ２（冷却水タンク５）に循環させる場合とＵ字管４に循環させる場合とを切り替える。従って、Ｕ字管４および冷媒タンク６によって、流体チューブ２に対して並列的に接続された通路を流れる流体を、冷媒チューブ３へ流入する高圧側冷媒および冷媒チューブ３から流出した高圧側冷媒と熱交換させる熱交換部が構成される。
【００２５】
また、冷却水チューブ２と冷媒チューブ３とは、図３に示すように、空気との伝熱面積を増大させるフィン７を介して一体化されている。なお、本実施形態では、フィン７として温度境界層及び速度境界層が成長することを抑制するルーバ７ａを有するコルゲートフィンを採用するとともに、フィン７のうち冷却水チューブ２側と冷媒チューブ３側との接続部の断面積をその他の部位に比べて小さくすることより、両チューブ２、３間での熱移動を抑制している。
【００２６】
そして、両チューブ２、３及びフィン７等からなるコア部は、室内に吹き出す空気中に晒されてコア部を通過する空気を加熱する。
【００２７】
次に、図１に基づいて蒸気圧縮式冷凍機３０について述べる。
【００２８】
圧縮機３１は走行用のエンジン２０から動力を得て冷媒を吸入圧縮するもので、室外熱交換器３２は冷媒と室外空気とを熱交換するもので、室内熱交換器３３は室内に吹き出す空気と冷媒とを熱交換するもので、この室内熱交換器３３は、室内に吹き出す空気の通路を構成する空調ケーシング８内において、加熱器１より空気流れ上流側に配置されている。
【００２９】
なお、エアミックスドア９は加熱器１を通過する風量と加熱器１を迂回してバイパス通路１０を流れる風量とを調節するもので、本実施形態では、エアミックスドア９の開度を調節することにより室内に吹き出す空気の温度を調節している。
【００３０】
エジェクタ３４は冷却された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３１の吸入圧を上昇させるものである。
【００３１】
なお、エジェクタ３４は、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、ノズルから噴射する高い速度の冷媒流の巻き込み作用により低圧側で蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズルから噴射する冷媒流とを混合する混合部、及びノズルから噴射する冷媒と吸引した気相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等からなるものである。
【００３２】
このとき、混合部においては、ノズルから噴射する駆動流の運動量と吸引された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、混合部においても冷媒の圧力が（静圧）が上昇する。
【００３３】
一方、ディフューザにおいては、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、エジェクタにおいては、混合部及びディフューザの両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部とディフューザとを総称して昇圧部と呼ぶ。
【００３４】
因みに、本実施形態では、ノズル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。
【００３５】
アキュムレータ３５はエジェクタ３４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器であり、アキュムレータ３５の気相冷媒流出口は圧縮機３１の吸引側に接続され、液相冷媒流出口は室内熱交換器３３側に接続されている。
【００３６】
因みに、アキュムレータ３５内に設けられた気相冷媒抽出用のＪ型配管の最下部には、アキュムレータ３５にて分離された冷凍機油を圧縮機３１の吸入側に戻すためのオイル戻し穴が設けられている。
【００３７】
減圧器３６は高圧冷媒を等エンタルピ的に減圧膨脹させる膨脹弁であり、内部熱交換器３７は減圧される前の高圧冷媒と圧縮機３１に吸入される低圧冷媒とを熱交換するものである。
【００３８】
なお、開閉弁３８ａ〜３８ｅは冷媒通路を開閉する電磁弁であり、逆止弁３９が冷媒が一方向にのみ流れることを許容するバルブである。
【００３９】
次に、エンジン冷却水系について述べる。
【００４０】
ラジエータ２１は冷却水と外気とを熱交換してエンジン２０から流出した冷却水を冷却するものであり、サーモスタット２２は、ラジエータ２１に循環させる冷却水量とエンジン２０から流出した冷却水をラジエータ２１を迂回させてエンジン２０に戻す冷却水量とを調節することによりエンジン２０の温度を所定範囲にための流量調節バルブであり、ポンプ２３はエンジン２０から動力を得て冷却水を循環させるものである。
【００４１】
次に、本実施形態に係る車両用空調装置の特徴的作動を述べる。
【００４２】
１．冷房及び温度調整運転モード（図４参照）
この運転モードは、夏場ごとく主に冷房運転を行う時期、又は春及び秋のごとく、冷却水にて加熱された温風又はバイパス通路１０を通過する加熱されていない冷風のみでは、車室内に吹き出す空気の温度を所望の温度にすることができず、エアミックスドア９にて冷風と温風とを混合して吹出空気の温度を調節する必要がある時期に実行されるモードである。
【００４３】
具体的には、室内熱交換器３３にて室内熱交換器３３を通過する空気から吸熱して冷媒を蒸発させて室内熱交換器３３を通過する空気を冷却するとともに、エンジン２０と加熱器１との間で冷却水を循環させて加熱器１を通過する空気を加熱するものである。
【００４４】
なお、吹出空気温度は、エアミックスドア９の開度、つまりバイパス通路１０を通過する冷風量と加熱器１を通過する温風量とを調節することにより行うが、最大冷房運転時、つまり加熱器１側の空気通路を閉じる場合には、加熱器１への冷却水の供給を停止してもよい。
【００４５】
ところで、蒸気圧縮式冷凍機３０の作動の概略は以下のようなものである。すなわち、圧縮機３１が稼働することにより、アキュムレータ３５から気相冷媒が圧縮機３１に吸入され、圧縮された冷媒が室外熱交換器３２に吐出される。そして、室外熱交換器３２にて冷却された冷媒は、エジェクタ３４のノズルにて減圧膨張して室内熱交換器３３内の冷媒を吸引する。
【００４６】
なお、本実施形態では、冷媒を二酸化炭素として高圧側冷媒圧力、つまり圧縮機３１の吐出圧を冷媒の臨界圧力以上としているので、高圧側熱交換器となる室外熱交換器３２では、冷媒は凝縮することなく温度を低下させながらエンタルピを低下させる。
【００４７】
そして、室内熱交換器３３から吸引された冷媒とノズルから吹き出す冷媒とは、混合部にて混合しながらディフューザにてその動圧が静圧に変換されてアキュムレータ３５に戻る。
【００４８】
一方、エジェクタ３４にて室内熱交換器３３内の冷媒が吸引されるため、室内熱交換器３３にはアキュムレータ３５から液相冷媒が流入し、その流入した冷媒は、室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発する。なお、本実施形態では、室内熱交換器３３を通過した直後の空気温度が略３℃〜４℃となるように運転される。
【００４９】
２．急速暖房運転モード（図５参照）
この運転モードは、エンジン始動直後等の冷却水温度が低く冷却水のみでは十分な暖房能力を得ることができない場合であって、かつ、エンジン２０の暖機運転が終了する前に実施されるモードである。
【００５０】
具体的には、冷却水を冷却水チューブ２に循環させることなくＵ字管４に循環させるとともに、圧縮機３１か流出した高温・高圧の冷媒を加熱器１に供給して高温の冷媒にて室内に吹き出す空気と冷却水とを加熱するものである。因みに、冷却水温度が低いときには、通常、サーモスタット２２がラジエータ２１側を閉じているので、ラジエータ２１側に冷却水は流れない。
【００５１】
そして、加熱器１にて冷却された高圧冷媒は、減圧器３６にて減圧された後、室外熱交換器３２にて室外空気から吸熱して蒸発し、アキュムレータ３５を経由して圧縮機３１に吸引される。
【００５２】
なお、本モードにおいても高圧側冷媒圧力を臨界圧力以上としているので、高圧側熱交換器となる室内熱交換器３３では、冷媒は凝縮することなく温度を低下させながらエンタルピを低下させる。
【００５３】
３．急速暖房＆除湿運転モード（図６参照）
この運転モードは、エンジン始動直後等の冷却水温度が低く冷却水のみでは十分な暖房能力を得ることができない場合であって、かつ、エンジン２０の暖機運転が終了する前に室内を除湿しながら暖房を行うモードである。
【００５４】
具体的には、冷却水を冷却水チューブ２に循環させることなくＵ字管４に循環させるとともに、圧縮機３１か流出した高温・高圧の冷媒を加熱器１に供給して高温の冷媒にて室内に吹き出す空気を加熱しつつ、室内熱交換器３３にて冷媒を蒸発させて室内に吹き出す空気を除湿冷却するものである。
【００５５】
なお、このモードでは、アキュムレータ３５から圧縮機３１に吸引された気相冷媒は加熱器１に流入する。そして、加熱器１にて冷却された冷媒は、エジェクタ３４のノズルにて減圧膨張して室内熱交換器３３内の冷媒を吸引し、この吸引された冷媒とノズルから吹き出す冷媒とは、混合部にて混合しながらディフューザにてその動圧が静圧に変換されてアキュムレータ３５に戻る。
【００５６】
一方、エジェクタ３４にて室内熱交換器３３内の冷媒が吸引されるため、室内熱交換器３３にはアキュムレータ３５から液相冷媒が流入し、その流入した冷媒は、室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発する。
【００５７】
因みに、本モードにおいても高圧側冷媒圧力を臨界圧力以上としているので、高圧側熱交換器となる室内熱交換器３３では、冷媒は凝縮することなく温度を低下させながらエンタルピを低下させる。
【００５８】
４．暖房運転モード
この運転モードは、冷却水温度が室内に吹き出す空気を加熱するに十分な温度（例えば、８０℃以上）となって暖機運転が終了したときに実施されるモードである。
【００５９】
具体的には、冷却水をＵ字管４に循環させることなく冷却水チューブ２に循環させるとともに、圧縮機３１から流出した高温・高圧の冷媒を加熱器１に供給して高温の冷媒及び冷却水にて室内に吹き出す空気を加熱するものである。
【００６０】
因みに、蒸気圧縮式冷凍機３０の作動状態は急速暖房運転モードと同じであるが、冷却水温度が上昇しているため、高圧側冷媒圧力を臨界圧力未満としてもよい。
【００６１】
なお、エンジン２０で発生する廃熱量が十分に上昇してエンジン廃熱のみで暖房を行うことができる場合には、圧縮機３１を停止して冷却水のみで室内に吹き出す空気を加熱してもよい。
【００６２】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００６３】
本実施形態では、冷却水を熱源として室内に吹き出す空気を加熱するヒータ機能と高圧冷媒を熱源とするヒータ機能とが１つの熱交換器（加熱器１）となっているので、空調装置が大型化してしまうことを防止でき、空調装置の車両への搭載性を向上させることができる。
【００６４】
また、圧縮機３１から吐出される冷媒の温度は、圧縮機３１の起動後、直ぐに臨界温度以上の所定温度となるので、エンジン２０の始動直後から冷却水及び室内に吹き出す空気を加熱することができる。
【００６５】
したがって、エンジン２０の暖機運転を促進して冷間始動時に排出される有害物質を低減しつつ、室内を早期に暖房することができる。
【００６６】
また、エンジン２０を加熱するためのＵ字管４が加熱器１に一体化されているので、蒸気圧縮式冷凍機３０で発生した熱を吸熱してエンジン２０を加熱するための熱交換器を別途、エンジンルーム内に設ける必要が無く、冷媒配管及び冷却水配管の取り回しを容易なものとすることができる。
【００６７】
また、冷却水の温度は、８０℃〜９０℃程度に保持されるのに対して、圧縮機３１から吐出される冷媒の温度は、冷媒の臨界温度以上となり、冷却水の温度より高くなるので、本実施形態のごとく、冷媒チューブ３を冷却水チューブ２より空気流れ下流側に配置すれば、冷媒チューブ３を冷却水チューブ２より空気流れ上流側に配置した場合に比べて冷却水と空気との温度差を確保することができるので、冷却水及び冷媒と室内に吹き出す空気とを効率よく熱交換することができる。
【００６８】
（その他の実施形態）
上述の実施形態（図２）では、チューブ２、３の長手方向は上下方向に一致していたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばチューブ２、３の長手方向を水平方向に一致させてもよい。
【００６９】
また、加熱器１の構造は、上述の実施形態（図２、３）に示された構造に限定されるものではない。
【００７０】
また、上述の実施形態ではＵ字管４にて熱交換部を構成したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００７１】
また、上述の実施形態では、エジェクタ３４にて冷媒を減圧したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばタービン等の膨脹機又は等エンタルピ減圧する膨脹弁を用いてもよい。
【００７２】
また、上述の実施形態では、本発明に係る空調装置を車両用に適用し、かつ、廃熱源をエンジン２０としたが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００７３】
また、上述の実施形態では、冷媒を二酸化炭素として高圧側の冷媒圧力を臨界圧力以上としたが、本発明はこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る空調装置の模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る空調装置用加熱器の模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係る空調装置の作動説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る空調装置の作動説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係る空調装置の作動説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係る空調装置の作動説明図である。
【符号の説明】
１…空調装置用加熱器、２…冷却水チューブ、３…冷媒チューブ、
４…Ｕ字管、４ａ…切替弁、５…冷却水タンク、６…冷媒タンク。

Claims

内燃機関（２０）の廃熱を回収した流体および蒸気圧縮式冷凍機の高圧側冷媒を熱源として室内の暖房を行う空調装置に適用されるとともに、室内に吹き出す空気中に配置される空調装置用加熱器であって、
前記内燃機関（２０）から流出した前記流体を流すことによって前記流体と室内に吹き出す空気とを熱交換させるとともに、前記流体を前記内燃機関（２０）側へ流出させて循環させる流体チューブ（２）と、
前記流体チューブ（２）に対して前記室内に吹き出す空気の空気流れ下流側に配置され、前記高圧側冷媒を流すことによって前記高圧側冷媒と室内に吹き出す空気とを熱交換させる冷媒チューブ（３）と、
前記流体チューブ（２）に対して並列的に接続された通路を流れる流体を、前記冷媒チューブ（３）へ流入する高圧側冷媒および前記冷媒チューブ（３）から流出した高圧側冷媒と熱交換させる熱交換部（４、６）と、
前記流体を前記内燃機関（２０）と前記流体チューブ（２）との間で循環させる流路と、前記流体を前記内燃機関（２０）と前記熱交換部（４、６）との間で循環させる流路とを切り替える切替手段（４ａ）とを備え、
前記流体チューブ（２）、前記冷媒チューブ（３）および前記熱交換部（４、６）が一体的に構成されていることを特徴とする空調装置用加熱器。
前記熱交換部は、前記流体チューブ（２）に対して並列的に接続されたＵ字管（４）、および、前記冷媒チューブ（３）へ高圧側冷媒を供給するとともに、前記冷媒チューブ（３）から流出した高圧側冷媒を集合させる冷媒タンク（６）によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の空調装置用加熱器。
室内に吹き出す空気が流れる空調ケーシング（８）と、
前記空調ケーシング（８）内に配置された請求項１又は２に記載の空調装置用加熱器（１）とを備え、
前記内燃機関（２０）から流出する流体の温度が所定温度未満のときには、前記蒸気圧縮式冷凍機を稼動させた状態で、前記流体を前記内燃機関（２０）と前記熱交換部（４、６）との間で循環させる運転モードを有することを特徴とする空調装置。