JP5005122B2 - 車両用空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、車室内の冷房および暖房を行う車両用空調装置に関する。

従来、例えばガソリンエンジンを備える自動車では、冷房にヒートポンプが用いられる一方、暖房にエンジンの廃熱が利用されていた。通常、冷房は車室内の空気を循環させながら行われ、暖房は湿度の少ない外気を導入しながら行われる。

近年では、エンジンの廃熱量が少ないハイブリッド車、およびエンジンの廃熱が利用できない電気自動車が普及してきており、これに合わせて冷房だけでなく暖房にもヒートポンプを用いるようにした車両用空調装置が開発されてきている。

ところで、暖房にヒートポンプを用いる場合には、消費電力を押さえるという観点から、外気を導入しながらではなく車室内の空気を循環させながら暖房を行うことが好ましい。しかし、車室内の空気には乗員から発生した水分が含まれているために、暖房時に車室内の空気を循環させると、その水分により窓が曇ることがある。そこで、車両用空調装置には、暖房時にも車室内の空気を除湿する機能が求められる。

例えば、特許文献１には、図１３に示すような電気自動車用空調装置が開示されている。この空調装置は、電動モータにより駆動される圧縮機１０１、室外熱交換器１０２、膨張弁１０３、室内吸熱用熱交換器１０４、および冷房運転時にこれらの機器１０１〜１０４をこの順に通るループを形成する四方弁１０５を有している。また、四方弁１０５の他の２つのポートには、室内放熱用熱交換器１０６および膨張弁１０７が別のループを形成するように接続されている。室内吸熱用熱交換器１０４には、ファン１１０により車室内の空気が供給される。室内放熱用熱交換器１０６は、暖房運転時に圧縮機１０１で圧縮された高温高圧のガス冷媒が導かれるものであり、ファン１１０により形成される空気の流れ方向において室内吸熱用熱交換器１０４の下流側に位置するように配置されている。

上記した空調装置において、冷房運転の場合は、圧縮機１０１で圧縮されたガス冷媒が四方弁１０５を実線矢印の向きに流れ、室外熱交換機１０２で外気と熱交換して液冷媒となった後に、膨張弁１０３で絞られて断熱膨張される。断熱膨張した液冷媒は、室内吸熱用熱交換器１０４でファン１１０により供給された車室内循環空気と熱交換してガス冷媒となり、圧縮機１０１に戻る。

一方、暖房運転の場合、圧縮機１０１で圧縮されたガス冷媒は、四方弁１０５を破線矢印の向きに流れ、室内放熱用熱交換器１０６でファン１１０により供給された車室内循環空気と熱交換して液冷媒となるとともに循環空気を加熱する。また、室内放熱用熱交換器１０６から流出した液冷媒は、膨張弁１０７、四方弁１０５、室外熱交換器１０２、膨張弁１０３、および室内吸熱用熱交換器１０４をこの順に通過し、圧縮機１０１に戻る。液冷媒は、膨張弁１０７で絞られて断熱膨張した後に、室外熱交換器１０２と室内吸熱用熱交換器１０４で吸熱してガス冷媒となるとともに、室外熱交換器１０２では循環空気を冷却する。これにより、室内吸熱用熱交換器１０４の表面には結露水が発生する。発生した結露水は、ドレンパン１０８に滴下し、ドレン排出パイプ１０９を経て車室外に排出される。

このように、ファン１１０により循環させられる車室内空気は、室内吸熱用熱交換器１０４で冷却および除湿されるが、室内放熱用熱交換器１０６で加熱される。これにより、車室内空気を除湿しながら暖房を行うことができる。

特開２００１−３０７４３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された電気自動車用空調装置では、冷房運転時には１つの膨張弁１０３の開度のみを制御すればよいが、暖房運転時には膨張弁１０７の開度を制御する必要がある。そのため、冷房と暖房で２つの膨張弁を制御せねばならず、制御が複雑になり、配管系や膨張弁を含めた空調装置のサイズ、信頼性およびコストが悪化するという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、暖房運転時および冷房運転時の制御を簡単にすることができる車両用空調装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、車室内の冷房および暖房を行う車両用空調装置であって、冷媒を圧縮する圧縮機、前記車室外の空気と冷媒との熱交換を行う室外熱交換器、冷媒を膨張させる膨張機構、ならびにファンによって車室内に送られる空気と冷媒との熱交換を行う第１室内熱交換器および第２室内熱交換器を含むヒートポンプ回路と、前記ヒートポンプ回路に設けられた、前記ヒートポンプ回路に流れる冷媒の流れ方向を、前記圧縮機から吐出された冷媒が前記室外熱交換器、前記膨張機構、前記第１室内熱交換器および前記第２室内熱交換器をこの順に通過して前記圧縮機に戻る第１方向と、前記圧縮機から吐出された冷媒が前記第１室内熱交換器、前記膨張機構、前記室外熱交換器および前記第２室内熱交換器をこの順に通過して前記圧縮機に戻る第２方向との間で切り換える切換手段と、を備える車両用空調装置を提供する。

本発明によれば、単一の膨張機構を制御するという簡単な構成で、冷房運転（第１方向）と暖房運転（第２方向）の双方を実行することができる。

本発明の第１実施形態に係る車両用空調装置の構成図 図１に示す車両用空調装置のモリエル線図（暖房運転時） 室内ファンの別の配置図 第１実施形態の変形例の車両用空調装置の構成図 第１実施形態の別の変形例の車両用空調装置の構成図 ダクト内での第１室内熱交換器および第２室内熱交換器の別の配置図 第１実施形態のさらに別の変形例の車両用空調装置の構成図 本発明の第２実施形態に係る車両用空調装置の構成図 本発明の第３実施形態に係る車両用空調装置の構成図 本発明の第４実施形態に係る車両用空調装置の構成図 第４実施形態の変形例の車両用空調装置の構成図 図１２Ａおよび１２Ｂは代替案の切換手段の構成図 従来の電気自動車用空調装置の構成図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る車両用空調装置１０Ａの構成図である。この車両用空調装置１０Ａは、図略の車室内の冷房および暖房を行うものであり、冷媒を循環させるヒートポンプ回路２と、制御装置５を備えている。なお、冷媒としては、Ｒ１３４ａ、Ｒ４１０Ａ、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、ＣＯ₂などが利用できる。

ヒートポンプ回路２は、圧縮機１１、室外熱交換器１３、膨張弁１４、第１室内熱交換器１５、および第２室内熱交換器１６を含んでいる。また、ヒートポンプ回路２には切換手段として四方弁１２Ａが設けられており、この四方弁１２Ａにより、ヒートポンプ回路２に流れる冷媒の流れ方向が、破線矢印で示す第１方向と実線矢印で示す第２方向との間で切り換えられる。第１方向は、圧縮機１１から吐出された冷媒が室外熱交換器１３、膨張弁１４、第１室内熱交換器１５および第２室内熱交換器１６をこの順に通過して圧縮機１１に戻る方向であり、第２方向は、圧縮機１１から吐出された冷媒が第１室内熱交換器１５、膨張弁１４、室外熱交換器１３および第２室内熱交換器１６をこの順に通過して圧縮機１１に戻る方向である。すなわち、冷房運転（第１方向）と暖房運転（第２方向）の双方を、単一の膨張弁１４を制御するという簡単な構成で実行することができる。

四方弁１２Ａは、第１ポート１２ａが第２ポート１２ｂに連通しかつ第３ポート１２ｃが第４ポート１２ｄに連通する第１状態と、第１ポート１２ａが第３ポート１２ｃに連通しかつ第２ポート１２ｂが第４ポート１２ｄに連通する第２状態とにシフト可能に構成されている。四方弁１２Ａは、制御装置５により、冷房運転時に第１状態にシフトされ、暖房運転時に第２状態にシフトされる。

圧縮機１１は、電動モータ（図示せず）により駆動されるものであり、吸入口から吸入した冷媒を圧縮して吐出口から吐出する。圧縮機１１の吐出口は、四方弁１２Ａの第１ポート１２ａに第１配管２１を介して接続されている。

室外熱交換器１３は、例えば自動車のフロントに配置され、車両の走行および室外ファン１７により供給される外気（車室外の空気）と冷媒との間で熱交換を行う。室外熱交換器１３は、第２配管２２を介して四方弁１２Ａの第２ポート１２ｂと接続されている。

膨張弁１４は、冷媒を膨張させるものであり、本発明の膨張機構の一例である。本発明の膨張機構としては、膨張する冷媒から動力を回収する容積型の膨張機等を採用してもよい。膨張弁１４は、第３配管２３を介して室外熱交換器１３と接続されている。

第１室内熱交換器１５および第２室内熱交換器１６は、室内ファン４によって車室内に送られる空気と冷媒との間で熱交換を行う。第１室内熱交換器１５は、第４配管２４を介して膨張弁１４と接続されているとともに、第５配管２５を介して四方弁１２Ａの第３ポート１２ｃと接続されている。第２室内熱交換器１６は、第６配管２６を介して四方弁１２Ａの第４ポート１２ｄと接続されているとともに、第７配管２７を介して圧縮機１１の吸入口と接続されている。なお、第７配管２７には、アキュムレータ１８が設けられている。

本実施形態では、第１室内熱交換器１５および第２室内熱交換器１６は、室内ファン４により車室内の空気が流されるダクト３１内に配置されている。すなわち、車室内の空気は、ダクト３１を通じて循環する。ダクト３１には、該ダクト３１内で車室内循環空気から分離された水分を車室外に排出するためのドレン排出パイプ３２が設けられている。

なお、室内ファン４によりダクト３１に流される空気は、必ずしも車室内空気１００％である必要はなく、車室内換気用の外気をある程度含んでいてもよいし、全て外気としてもよい。以下では、一例として、室内ファン４によってダクト３１内に取り込まれ、第１室内熱交換器１５および第２室内熱交換器１６に供給される空気が車室内空気１００％であるとする。

さらに、本実施形態では、第２室内熱交換器１６は、ダクト３１内の空気の流れ方向において第１室内熱交換器１５と並ぶように第１室内熱交換器１５の上流側に位置している。第２室内熱交換器１６および第１室内熱交換器１５は、共にダクト３１内の空間を埋めるような大きさを有している。このため、室内ファン４によりダクト３１内に取り込まれた車室内の空気は、第２室内熱交換器１６に接触した後に第１室内熱交換器１５に接触する。

室内ファン４は、図１に示すようにダクト３１の出口側に配置されていてもよいし、図３に示すようにダクト３１の入口側に配置されていてもよい。また、室内ファン４としては、ブロアを用いてもよい。

上述した第２室内熱交換器１６と圧縮機１１の吸入口とをつなぐ第７配管２７には、第２室内熱交換器１６から流出する冷媒の温度を検出する過熱度センサ６２（本発明の冷媒温度センサに相当）が設けられているとともに、圧縮機１１に吸入される冷媒の圧力を検出する圧力センサ６１が設けられている。図例では、過熱度センサ６２は、ダクト３１内に配置されているが、ダクト３１外に配置されていてもよい。また、圧力センサ６１は、第６配管２６に設けられていてもよい。

制御装置５は、車室内に配置された操作パネル（図示せず）、ならびに過熱度センサ６２および圧力センサ６１と接続されており、上述した室外ファン１７および室内ファン４の駆動、圧縮機１１の回転数、ならびに膨張弁１４の開度を制御するとともに、四方弁１２Ａのシフトを行う。

次に、車両用空調装置１０Ａにおける暖房運転時および冷房運転時の動作を説明する。

暖房運転時は、制御装置５により四方弁１２Ａが第２状態にシフトされ、圧縮機１１で圧縮された高温高圧のガス冷媒が四方弁１２Ａを実線矢印の向きに流れる。ガス冷媒は、第１室内熱交換器１５で室内ファン４により供給される車室内循環空気に放熱して凝縮するとともに、車室内循環空気を加熱する。その後、液冷媒は、膨張弁１４で絞られて断熱膨張して低温低圧となった後に、室外熱交換器１３で外気から吸熱して一部が蒸発する。室外熱交換器１３から流出した冷媒は、再び四方弁１２Ａを通って第２室内熱交換器１６に流入し、室内ファン４により供給される車室内循環空気から吸熱して残りの液冷媒が蒸発するとともに、車室内循環空気を冷却する。これにより、第２室内熱交換器１６の表面には結露水が発生し、車室内循環空気が除湿される。発生した結露水は、ダクト３１に設けられたドレンパン（図示せず）に滴下し、ドレン排出パイプ３２を経て車室外に排出される。第２室内熱交換器１６から流出したガス冷媒は、再び圧縮機１１に吸引される。

このようにして室内ファン４によりダクト３１内に取り込まれた車室内循環空気は、第２室内熱交換器１６を通過することで除湿され、その後に第１室内熱交換器１５を通過することで加熱される。これにより、車室内循環空気を除湿しながら暖房を行うことができる。

図２に、本実施形態の車両用空調装置１０Ａが暖房運転を行う際のモリエル線図を示す。以下に、図２のサイクルの各過程について説明する。

低温低圧の冷媒（状態Ａ）が圧縮機１１で圧縮され、高温高圧になる（状態Ｂ）。高温高圧の冷媒は、第１室内熱交換器１５で放熱し、中温高圧になる（状態Ｃ）。中温高圧の冷媒は、膨張弁１４を通って低温低圧の気液二相冷媒となる（状態Ｄ）。気液二相冷媒は、室外熱交換器１３を通過する過程で吸熱し、蒸発する（状態Ｅ）。

ここで、室内ファン４により供給された車室内の空気を第２室内熱交換器１６で除湿する際には、室外熱交換器１３を通過した冷媒が車室内の空気から潜熱分の熱量を奪い、状態Ａになる。すなわち、第１室内熱交換器１５で放熱される熱量（状態Ｂから状態Ｃに至る変化）を潜熱分（状態Ｅから状態Ａに至る変化）増加させることができ、第２室内熱交換器１６で回収した空気中の水分の潜熱を暖房に利用することができる。

冷房運転時は、制御装置５により四方弁１２Ａが第１状態にシフトされ、圧縮機１１で圧縮された高温高圧のガス冷媒が四方弁１２Ａを破線矢印の向きに流れる。ガス冷媒は、室外熱交換器１３で外気に放熱して凝縮する。その後、液冷媒は、膨張弁１４で絞られて断熱膨張し低温低圧となった後に、第１室内熱交換器１５で室内ファン４により供給される車室内循環空気から吸熱して一部が蒸発するとともに、車室内循環空気を冷却する。第１室内熱交換器１５から流出した冷媒は、再び四方弁１２Ａを通って第２室内熱交換器１６に流入し、室内ファン４により供給される車室内循環空気から吸熱して残りの液冷媒が蒸発し、車室内循環空気を冷却する。ここで、冷媒は、第１室内熱交換機１５を通過する際にそこでの圧力損失分減圧されるので、第２室内熱交換器１６での蒸発温度は第１室内熱交換器１５での蒸発温度よりも低くなる。このため、車室内循環空気は、主に第２室内熱交換器１６で除湿される。第２室内熱交換器１６から流出したガス冷媒は、再び圧縮機１１に吸引される。

このようにして室内ファン４によりダクト３１内に取り込まれた車室内循環空気は、第２室内熱交換器１６および第１室内熱交換器１５を通過することで冷却される。第２室内熱交換器１６と第１室内熱交換器１５の２台の熱交換器で車室内循環空気を冷却することで、冷房能力と冷凍サイクルの効率を向上させることができる。

次に、制御装置５による制御を具体的に説明する。車両の走行速度の変更や、ユーザの車室内設定温度変更に伴い、第２室内熱交換器１６から流出する冷媒の乾き度が変化することが考えられる。例えば、第２室内熱交換器１６から流出する冷媒の温度と圧縮機１１に吸入される冷媒の圧力での飽和温度との温度差である過熱度が、所定値（例えば３〜５℃）より小さくなると圧縮機１１で液圧縮が発生し、圧縮機１１の信頼性を低下させるおそれがある。また、過熱度が所定値（例えば５〜７℃）より大きくなるとヒートポンプのＣＯＰ（成績係数）が低下する。さらにこの場合は、吸入温度の上昇に伴い吐出温度が上昇するため、圧縮機１１の回転数を低下させる必要が生じ、必要な冷媒循環量が得られなくなる。

一般に、ヒートポンプの能力制御は冷媒循環量が重要となる。冷媒循環量は圧縮機１１の回転数に依存するが、圧縮機１１の回転数が過剰に高いと、吐出圧力と吐出温度が上昇して信頼性を確保できる圧力と温度を超える危険性が高まる。すなわち、圧縮機１１から吐出される冷媒の圧力が高くなりすぎると、圧縮機１１を構成する密閉容器や機構に負荷がかかり、これらが破損するおそれがある。また、圧縮機１１から吐出される冷媒の温度が高くなりすぎると、それが圧縮機１１の駆動モータの巻き線の絶縁皮膜の耐熱温度を越えるおそれもある。

そこで、本実施形態では、制御装置５が操作パネルでの入力などに応じた要求能力と過熱度により、圧縮機１１の回転数および膨張弁１４の開度を制御することで、ヒートポンプの最適なサイクル状態を維持している。

制御装置５は、要求能力により、圧縮機１１の吐出温度が所定の温度（例えば、１００℃）を越えない範囲で圧縮機１１の回転数を制御する。これを実現するには、圧縮機１１の回転数の上限を予め定めておいてもよいし、第１配管２１に吐出温度センサを設け、この吐出温度センサで圧縮機１１から吐出される冷媒の温度をモニタリングしてもよい。

また、制御装置５は記憶部（図示せず）を有しており、この記憶部には冷媒圧力に応じた飽和温度が格納されている。制御装置５は、適時、圧力センサ６１で検出される圧力における飽和温度を記憶部から読み出し、読み出した飽和温度と過熱度センサ６２で検出される冷媒の温度とを比較し、それらの温度差が所定の過熱度となるように膨張弁１４の開度を制御する。

本実施形態の車両用空調装置１０Ａでは、制御装置５により、膨張弁１４の適正な開度によって圧縮機１１の吸入冷媒の過熱度を一定に保ちながら、圧縮機１１の適正な回転数によって吐出冷媒の温度を所定の温度以下に保つことができる。その結果、ヒートポンプの最適なサイクル状態を維持することができる。

膨張弁１４は、ステッピングモータの回転による弁の駆動により、全閉から全開まで任意に開度を決めることができる。全閉から全開までの開度変更に４８０ステップが必要な膨張弁１４では、ステッピングモータに０〜４８０パルスの信号を入力する。

膨張弁１４は、冷房運転および暖房運転の運転開始時は、要求能力から設定された初期開度ＰＬＳ０に開かれる。要求能力が例えば３段階有る場合は、初期開度ＰＬＳ０を要求能力に応じて例えば１６．７％（８０ステップ）、２０．８％（１００ステップ）、２５％（１２０ステップ）とする。そして、運転開始から５分間はその開度を維持した後、例えば３０秒ごとに微小ステップΔＰＬＳに対応する分開度を変更する。

微小ステップΔＰＬＳは、圧縮機１１に吸入される冷媒の圧力における飽和温度Ｔｓａｔと、圧縮機１１の吸入温度（すなわち、過熱度センサ６２で検出される冷媒の温度）Ｔｓから、例えば次の（式１）を用いて、ＴｓａｔとＴｓの温度差が５℃となるように決めることができる。
ΔＰＬＳ＝（Ｔｓａｔ）−（Ｔｓ）＋５ ・・・ （式１）

以上説明したように、本実施形態の車両用空調装置１０Ａでは、四方弁１２Ａのシフトだけで冷房運転と暖房運転を瞬時に切り替えることができる。また、車室内循環空気は、暖房運転時は第２室内熱交換器１６で除湿され、冷房運転時においても上述したように第２室内熱交換器１６での蒸発温度が第１室内熱交換器１５での蒸発温度よりも低くなるために主に第２室内熱交換器１６で除湿される。このように、第２室内熱交換器１６は常に除湿に寄与するため、冷房運転から暖房運転への切り替え時でも第２室内熱交換器１６の表面を覆っている結露水の蒸発による室内環境の悪化やフロントウインドウの曇りの発生を防止することができる。

ところで、図１３に示す従来の電気自動車用空調装置では、冷房運転時に、閉空間となる室内放熱用熱交換器１０６を含む流路に冷媒が閉じ込められる。また、冷凍機オイルが滞留して圧縮機に必要なオイルが確保できず、運転に支障をきたす。このため、外気温度が上昇すると、閉じ込められた冷媒の圧力上昇によりその流路を構成する機器が破損するおそれがある。これに対し、本実施形態では、冷房運転と暖房運転とを切り替えても、そのような冷媒が閉じ込められる流路が発生しないため、外気温度上昇に伴う冷媒の圧力上昇による弊害を防止することができる。

また、図１３に示した従来の電気自動車用空調装置では、暖房運転と冷房運転とを切り換える際に四方弁１０５の制御に併せ、２つの膨張弁１０３、１０７の開度を制御する必要があった。そのため、制御が複雑になり、配管系や膨張弁を含めた空調装置のサイズ、信頼性およびコストを悪化させていた。

これに対し、本実施形態の車両用空調装置１０Ａでは、四方弁と単一の膨張機構を制御するという簡単な構成で、冷房運転と暖房運転とを実行できる。

＜変形例＞
前記実施形態では、制御装置５の記憶部に冷媒圧力に応じた飽和温度が格納されており、制御装置５が圧力センサ６１で検出される圧力における飽和温度を記憶部から読み出していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、膨張弁１４と蒸発器（暖房運転の場合は室外熱交換器１３、冷房運転の場合は第１室内熱交換器１５）の間の冷媒が気液二相状態であることを利用して飽和温度を取得するようにしてもよい。

具体的には、図４に示すように、膨張弁１４と室外熱交換器１３とをつなぐ第３配管２３に第１気液冷媒温度センサ６３を、膨張弁１４と第１室内熱交換器１５とをつなぐ第４配管２４に第２気液冷媒温度センサ６４を設ける。制御装置５は、暖房運転時には第１気液冷媒温度センサ６３の検出値を、冷房運転時には第２気液冷媒温度センサ６４の検出値を飽和温度として使用することができる。

あるいは、図５に示すように、第６配管２６に第２室内熱交換器１６に流入する冷媒の温度を検出する飽和温度センサ６５を設けて、飽和温度センサ６５の検出値を飽和温度として使用してもよい。

さらには、蒸発器（暖房運転の場合は室外熱交換器１３、冷房運転の場合は第１室内熱交換器１５）の中で液冷媒がガス冷媒に変わる間は蒸発器の温度が一定なので、飽和温度に代えて蒸発器温度を用いることも可能である。

また、第１室内熱交換器１５および第２室内熱交換器１６は、必ずしもダクト３１内の空気の流れ方向に並んでいる必要はなく、例えば図６に示すように、ダクト３１内の空気の流れ方向と直交する方向に並んでいてもよい。

さらに、図７に示すように、第２室内熱交換器１６をバイパスするように第６配管２６と第７配管２７とが開閉弁１９ａ付のバイパス路１９によってつながれており、暖房運転時に除湿が必要ないときは、開閉弁１９ａが開かれてもよい。このようにすれば、ダクト３１内で空気が冷却されることを防止できるとともに、圧縮機１１に吸入される冷媒の圧力が第２室内熱交換器１６における圧力損失によって低下することを防止できる。なお、バイパス路１９は、第２配管２２と第７配管２７とをつないでいてもよい。

（第２実施形態）
図８は、本発明の第２実施形態に係る車両用空調装置１０Ｂの構成図である。なお、本実施形態では、第１実施形態と同じ構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、暖房運転時は四方弁１２Ａが第２状態にシフトされてヒートポンプ回路２に流れる冷媒の流れ方向が実線矢印で示す第２方向に切り換えられ、冷房運転時は四方弁１２Ａが第１状態にシフトされてヒートポンプ回路２に流れる冷媒の流れ方向が破線矢印で示す第１方向に切り換えられる。このため、各機器の動作および冷媒の流れる経路は、図１に示す第１実施形態の車両用空調装置１０Ａと同じになる。なお、第１実施形態と同様に、冷媒としては、Ｒ１３４ａ、Ｒ４１０Ａ、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、ＣＯ₂などが利用できる。

本実施形態では、ダクト３１内の空気の流れ方向において第１室内熱交換器１５よりも上流側に位置する第２室内熱交換器１６が、ダクト３１内で該第２室内熱交換器１６を経由する第１流路７Ａと該第２室内熱交換器１６を経由しない第２流路７Ｂとが層をなすように配置されている。例えば、第２室内熱交換器１６の脇から第１室内熱交換器１５が上流側に露出するように、換言すれば第２室内熱交換器１６の脇に第２室内熱交換器１６をバイパスする空気が流れる一定の空間が確保されるように、第２室内熱交換器１６をダクト３１の壁面近くに片寄せて配置してもよい。あるいは、ダクト３１における第２室内熱交換器１６を取り囲む部分の一部を膨らませて、その膨らませた部分に第２室内熱交換器１６をバイパスする空気を流すようにしてもよい。なお、ダクト３１が内側に天井面、底面および一対の側面を有している場合は、第２室内熱交換器１６は、ダクト３１の天井面から離れて底面側に隣接していることが好ましい。

さらに、ダクト３１内には、第２室内熱交換器１６よりも上流側に、ダンパ７１が設けられている。このダンパ７１は、第２室内熱交換器１６を経由して第１室内熱交換器１５に至る第１流路７Ａを流れる風量と、第２室内熱交換器１６を経由せずに第１室内熱交換器１５に至る第２流路７Ｂを流れる風量の比率を調整する。本実施形態では、ダクト３１内に第１流路７Ａと第２流路７Ｂとを仕切る、ダクト３１内の空気の流れ方向にフラットな仕切り板７２が設けられており、この仕切り板７２の第１室内熱交換器１５と反対側の端部にダンパ７１の揺動軸が取り付けられている。

室内ファン４によりダクト３１内に取り込まれた空気は、ダンパ７１により第１流路７Ａを流れる分と第２流路７Ｂを流れる分とに分配される。第１流路７Ａを流れる空気は、第２室内熱交換器１６に接触して冷却および除湿された後に、第１室内熱交換器１５に接触して加熱または冷却される。第２流路Ｂを流れる空気は、第１室内熱交換器１５のみに接触して加熱または冷却される。それらの空気は、ダクト３１から車室内に吹き出される。

ダンパ７１は、図略のサーボモータにより揺動させられる。第２室内熱交換器１６の除湿性能を最大限に発揮する為には第２室内熱交換器１６を通過する風速を制御することが好ましいので、室内ファン４の風量に合わせてダンパ７１による第１流路７Ａへの分配率（以下、単に「分配率」という。）を決める。例えば、室内ファン４の運転ノッチとして高、中、低の３段階の設定がある時には、分配率も大、中、小の３段階に設定し、室内ファン４の運転ノッチに合わせてダンパ角度を制御する。例えば、分配率の大、中、小をそれぞれ１００％、５０％、２５％とする。この場合、ダンパ７１が分配率大の状態にされると第２流路７Ｂは閉塞された状態となり、ダンパ７１が分配率中の状態にされると第１流路７Ａと第２流路７Ｂとに均等に空気が流れ、ダンパ３４が分配率小の状態にされると第１流路７Ａは半分塞がれた状態となる。

すなわち、ダンパ７１は、その角度によって第２室内熱交換器１６と接触する空気の量と、第２室内熱交換器１６と接触しない空気の量の割合を調整できる。そして、第１室内熱交換器１５の下流側ではそれらが合流した空気が車室内に吹き出される。

制御装置５の記憶部には、分配率を実現するサーボモータの回転量と室内ファン４の運転ノッチとを対応付けたテーブルが格納されており、室内ファン４の運転ノッチが高の時にはダンパ７１が分配率小の状態にされ、室内ファン４の運転ノッチが中の時にはダンパ７１が分配率中の状態とされ、室内ファン４の運転ノッチが低の時にはダンパ７１が分配率大の状態とされる。このような制御により、第２室内熱交換器１６を通過する風速を一定とすることができる。

ところで、第１流路７Ａの出口に除湿温度センサ６６を設け、第２室内熱交換器１６を通過した空気の温度を検出することにより、第２室内熱交換器１６の表面が乾かないように制御することができる。これにより、暖房運転時に第２室内熱交換器１６で空気中の水分の潜熱を確実に回収することができる。例えば、第２室内熱交換器１６の表面の温度を圧縮機１１に吸入される冷媒の圧力での飽和温度に等しいとし、除湿温度センサ６６で検出される空気の温度との温度差を所定値（例えば１〜５℃）に保てばよい。除湿温度センサ６６で検出される空気の温度Ｔｄｈと圧縮機１１に吸入される冷媒の圧力での飽和温度（本実施形態では、第１気液冷媒温度センサ６３または第２気液冷媒温度センサ６４で検出される冷媒の温度）Ｔｓｃｓａｔとから、例えば次の式２を用いて、ＴｄｈとＴｓｃｓａｔとの温度差が３℃となるように、分配率を例えば１０秒毎にΔＤだけ調節する。
ΔＤ＝（Ｔｓｃｓａｔ−Ｔｄｈ+３)／１００ ・・・ （式２）

例えば、Ｔｓｃｓａｔが５℃、Ｔｄｈが１０℃、現在の分配率が５０％である場合には、ΔＤは−２％となり、分配率は４８％に変更される。

以上説明したように、本実施形態の車両用空調装置１０Ｂでは、四方弁１２Ａのシフトだけで冷房運転と暖房運転を瞬時に切り替えることができる。また、ダンパ７１により第２室内熱交換器１６に接触する空気量と第２室内熱交換器１６に接触しない空気量を制御することで、冷房運転時および暖房運転時のそれぞれにおいて除湿能力を調整することができる。

また、本実施形態の車両用空調装置１０Ｂでは、四方弁と単一の膨張機構を制御するという簡単な構成で、冷房運転と暖房運転とを実行できる。

＜変形例＞
前記実施形態ではダンパ７１を仕切り板７２の風上に設けたが、ダンパ７１は仕切り板７２の風下に設けてもよい。

また、前記実施形態では、ダクト３１内に仕切り板７２が設けられているが、仕切り板７２がなくてもダンパ７１により第１流路７Ａを流れる風量と第２流路７Ｂを流れる風量の比率を変更することは可能である。さらに、図８では仕切り板７２と第１室内熱交換器１５の間に空間が無いが、空気が混ざる空間が有っても良い。

（第３実施形態）
図９は、本発明の第３実施形態に係る車両用空調装置１０Ｃの構成図である。なお、本実施形態では、第１実施形態と同じ構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、暖房運転時は四方弁１２Ａが第２状態にシフトされてヒートポンプ回路２に流れる冷媒の流れ方向が実線矢印で示す第２方向に切り換えられ、冷房運転時は四方弁１２Ａが第１状態にシフトされてヒートポンプ回路２に流れる冷媒の流れ方向が破線矢印で示す第１方向に切り換えられる。このため、各機器の動作および冷媒の流れる経路は、図１に示す第１実施形態の車両用空調装置１０Ａと同じになる。なお、第１実施形態と同様に、冷媒としては、Ｒ１３４ａ、Ｒ４１０Ａ、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、ＣＯ₂などが利用できる。

本実施形態では、ダクト３１内の空気の流れ方向において第２室内熱交換器１６よりも下流側に位置する第１室内熱交換器１５が、ダクト３１内で該第１室内熱交換器１５を経由する第３流路７Ｃと該第１室内熱交換器１５を経由しない第４流路７Ｄとが層をなすように配置されている。例えば、下流側から見て、第１室内熱交換器１５の脇から前記第２室内熱交換器１６が下流側に露出するように、換言すれば第１室内熱交換器１５の脇に第１室内熱交換器１５をバイパスする空気が流れる一定の空間が確保されるように、第１室内熱交換器１５をダクト３１の壁面近くに片寄せて配置してもよい。あるいは、ダクト３１における第１室内熱交換器１５を取り囲む部分の一部を膨らませて、その膨らませた部分に第１室内熱交換器１５をバイパスする空気を流すようにしてもよい。なお、ダクト３１が内側に天井面、底面および一対の側面を有している場合は、第１室内熱交換器１５は、ダクト３１の天井面から離れて底面側に隣接していることが好ましい。

さらに、ダクト３１内には、第１室内熱交換器１５よりも上流側に、ダンパ７１が設けられている。このダンパ７１は、第１室内熱交換器１５を経由してダクト出口に至る第３流路７Ｃを流れる風量と、第１室内熱交換器１５を経由せずにダクト出口に至る第４流路７Ｄを流れる風量の比率を調整する。本実施形態では、ダクト３１内に第３流路７Ｃと第４流路７Ｄとを仕切る、ダクト３１内の空気の流れ方向にフラットな仕切り板７２が設けられており、この仕切り板７２の第２室内熱交換器１６側の端部にダンパ７１の揺動軸が取り付けられている。

室内ファン４によりダクト３１内に取り込まれた空気は、ダンパ７１により第３流路７Ｃを流れる分と第４流路７Ｄを流れる分とに分配される。第３流路７Ｃを流れる空気は、第２室内熱交換器１６に接触して冷却および除湿された後に、第１室内熱交換器１５に接触して加熱または冷却される。第４流路７Ｄを流れる空気は、第２室内熱交換器１６のみに接触して冷却および除湿される。それらの空気は、第１室内熱交換器１５の下流で合流した後にダクト３１から車室内に吹き出される。

ダンパ７１は、図略のサーボモータにより揺動させられる。ダンパ７１は、その角度によって第１室内熱交換器１５と接触する空気の量と、第１室内熱交換器１５と接触しない空気の量の割合を調整できる。そして、第１室内熱交換器１５の下流側ではそれらが合流した空気が車室内に吹き出される。

図９の排出空気温度センサ６７は、ダクト３１から車室内に吹き出される空気の温度を検出するセンサである。ダンパ７１による第３流路７Ｃへの分配率は、排出空気温度センサ６７の検出温度がＴｗ（室内温度を設定温度に保つために必要な排出空気の温度）になるように、サーボモータによって制御される。

以上説明したように、本実施形態の車両用空調装置１０Ｃでは、四方弁１２Ａのシフトだけで冷房運転と暖房運転を瞬時に切り替えることができる。また、ダンパ７１により第１室内熱交換器１５に接触する空気量と第１室内熱交換器１５に接触しない空気量を制御することで、ダクト３１の出口における空気の温度を調整することができる。

また、本実施形態の車両用空調装置１０Ｃでは、四方弁と単一の膨張機構を制御するという簡単な構成で、冷房運転と暖房運転とを実行できる。

（第４実施形態）
図１０は、本発明の第４実施形態に係る車両用空調装置１０Ｄの構成図である。この車両用空調装置１０Ｄは、第２実施形態の車両用空調装置１０Ｂと第３実施形態の車両用空調装置１０Ｃを組み合わせたような構成を有している。

具体的に、車両用空調装置１０Ｄでは、第２室内熱交換器１６が、ダクト３１内で該第２室内熱交換器１６を経由する第１流路７Ａと該第２室内熱交換器１６を経由しない第２流路７Ｂとが層をなすように配置されており、第１室内熱交換器１５が、ダクト３１内で該第１室内熱交換器１５を経由する第３流路７Ｃと該第１室内熱交換器１５を経由しない第４流路７Ｄとが層をなすように配置されている。なお、それらの具体的な構成は、第２実施形態および第３実施形態で説明したとおりである。

さらに、ダクト３１内には、第１流路７Ａを流れる風量と第２流路７Ｂを流れる風量の比率を調整する第１ダンパ７１Ａが設けられているとともに、第３流路７Ｃを流れる風量と第４流路７Ｄを流れる風量の比率を調整する第２ダンパ７１Ｂが設けられている。第１ダンパ７１Ａの揺動軸は、第１流路７Ａと第２流路７Ｂとを仕切る仕切り板７２の風上側の端部に取り付けられており、第２ダンパ７１Ｂの揺動軸は、第３流路７Ｃと第４流路７Ｄとを仕切る仕切り板７２の風上側の端部に取り付けられている。

室内ファン４によりダクト３１内に取り込まれた空気は、第１ダンパ７１Ａにより第１流路７Ａを流れる分と第２流路７Ｂを流れる分とに分配される。第１流路７Ａを流れる空気は、第２室内熱交換器１６に接触して冷却および除湿された後に、第２流路７Ｂを流れる空気と合流する。合流した空気は、第２ダンパ７１Ｂにより第３流路７Ｃを流れる分と第４流路７Ｄを流れる分とに分配される。第３流路７Ｃを流れる空気は、第１室内熱交換器１５に接触して加熱または冷却された後に、第４流路７Ｄを流れる空気と合流する。合流した空気は、ダクト３１から車室内に吹き出される。

第１ダンパ７１Ａおよび第２ダンパ７１Ｂは、図略のサーボモータにより揺動させられる。第１ダンパ７１Ａは、その角度によって第２室内熱交換器１６と接触する空気の量と、第２室内熱交換器１６と接触しない空気の量の割合を調整できる。第２ダンパ７１Ｂは、その角度によって第１室内熱交換器１５と接触する空気の量と、第１室内熱交換器１５と接触しない空気の量の割合を調整できる。このような構成により、暖房運転および冷房運転を求められる能力に応じた適切な状態で実行することができる。以下、そのような制御の一例を説明する。

＜暖房運転＞
暖房運転時は、四方弁１２Ａが第２状態にシフトされてヒートポンプ回路２に流れる冷媒の流れ方向が実線矢印で示す第２方向に切り換えられる。

例えば、車室内の温度と車室外の温度との温度差が大きな場合は、暖房能力を最大とすることが好ましい。この場合には、第１ダンパ７１Ａによる第１流路７Ａへの分配率を最小（０％）にするとともに、第２ダンパ７１Ｂによる第３流路７Ｃへの分配率を最大（１００％）にする。すなわち、室内ファン４によりダクト３１内に取り込まれた空気を第１室内熱交換器１５のみに接触させる。

車室内の湿度が高い場合は、除湿しながら暖房を行ってもよい。この場合には、第２ダンパ７１Ｂによる第３流路７Ｃへの分配率を最大（１００％）にする一方、第１ダンパ７１Ａによる第１流路７Ａへの分配率を第２熱交換器１６に適切な量の空気が供給される中間値にする。これにより、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

さらには、第２室内熱交換器１６および第１室内熱交換器１５の双方に最適な風速の空気を供給するという観点からは、第１ダンパ７１Ａによる第１流路７Ａへの分配率および第２ダンパ７１Ｂによる第３流路７Ｃへの分配率を共に中間値にしてもよい。

＜冷房運転＞
冷房運転時は四方弁１２Ａが第１状態にシフトされてヒートポンプ回路２に流れる冷媒の流れ方向が破線矢印で示す第１方向に切り換えられる。

例えば、車室内の温度と車室外の温度との温度差が大きな場合は、冷房能力を最大とすることが好ましい。この場合には、第１ダンパ７１Ａによる第１流路７Ａへの分配率および第２ダンパ７１Ｂによる第３流路７Ｃへの分配率を共に最大（１００％）にする。すなわち、室内ファン４によりダクト３１内に取り込まれた空気を第２室内熱交換器１６と第１室内熱交換器１５の双方に接触させる。

逆に、車室内の温度と車室外の温度との温度差が小さな場合は、除湿能力を向上させてもよい。この場合には、第１ダンパ７１Ａによる第１流路７Ａへの分配率を第２熱交換器１６に適切な量の空気が供給される中間値にするとともに、第２ダンパ７１Ｂによる第３流路７Ｃへの分配率を第１熱交換器１５に適切な量の空気が供給される中間値にする。

さらには、求められる冷房能力が低い場合には、第１ダンパ７１Ａによる第１流路７Ａへの分配率と第２ダンパ７１Ｂによる第３流路７Ｃへの分配率のどちらか一方を最小（０％）にしてもよい。

なお、第１ダンパ７１Ａおよび第２ダンパ７１Ｂの角度は、上述したような運転モードに合わせて固定されていて、圧縮機１１の回転数によって空調能力が調整されてもよい。あるいは、第１ダンパ７１Ａおよび第２ダンパ７１Ｂの角度は、圧縮機１１の回転数と共に変更されてもよい。

ところで、第１ダンパ７１Ａによる第１流路７Ａへの分配率を中間値にする場合には、第２実施形態で説明したのと同様に、第２室内熱交換器１６を通過する風速が一定となるように室内ファン４の運転ノッチに合わせて第１ダンパ７１Ａの角度を調整してもよい。あるいは、第２実施形態で説明したのと同様に、暖房運転時に第２室内熱交換器１６で空気中の水分の潜熱を確実に回収するために、第２室内熱交換器１６の表面が乾かないように除湿温度センサ６６で検出される空気の温度および圧縮機１１に吸入される冷媒の圧力での飽和温度に基づいて第１ダンパ７１Ａの角度を調整してもよい。

一方、第２ダンパ７１Ｂによる第３流路７Ｃへの分配率を中間値にする場合には、第３実施形態で説明したのと同様に、排出空気温度センサ６７で検出される空気の温度に基づいて第２ダンパ７１Ｂの角度を調整してもよい。

本実施形態の車両用空調装置１０Ｄでは、四方弁と単一の膨張機構を制御するという簡単な構成で、冷房運転と暖房運転とを実行できる。

＜変形例＞
図１０では、第２室内熱交換器１６と第１室内熱交換器１５とが仕切り板７２に対して同一の方向に配置されており、第２室内熱交換器１６を経由する第１流路７Ａと第１室内熱交換器１５を経由する第３流路７Ｃとが連続した流路を構成している。ただし、第２室内熱交換器１６と第１室内熱交換器１５の配置はこれに限られるものではない。

例えば図１１に示すように、第２室内熱交換器１６と第１室内熱交換器１５とが仕切り板７２に対して反対の方向に配置されており、第２室内熱交換器１６を経由する第１流路７Ａと第１室内熱交換器１５を経由しない第４流路７Ｄとが連続した流路を構成し、第２室内熱交換器１６を経由しない第２流路７Ｂと第１室内熱交換器１５を経由する第３流路７Ｃとが連続した流路を構成していてもよい。このような構成であれば、室内ファン４によりダクト３１内に取り込まれた空気を、第２室内熱交換器１６と第１室内熱交換器１５の両方に並行して接触させることができるので、ダクト３１内を通過する空気の圧力低減と冷房効率を向上させることができる。

なお、図１１に示す構成でも、前記実施形態と同様の制御を行うことで、暖房運転および冷房運転を求められる能力に応じた適切な状態で実行することができる。

（その他の実施形態）
前記各実施形態では、切換手段として四方弁１２Ａが用いられていたが、本発明の切換手段はこれに限られるものではない。例えば、切換手段は、図１２Ａに示すような、第１配管２１および第６配管２６と接続された２つの三方弁１２１が一対の配管１２２によってループ状に接続され、それらの配管１２２に第２配管２２および第５配管２５が接続された回路１２Ｂであってもよい。あるいは、切換手段は、図１２Ｂに示すようないわゆるブリッジ回路１２Ｃであってもよい。

また、前記各実施形態では、室内ファン４をダクト３１の風下に配置している。係る構成とすることで、ファン吸気側の空気流れにはファンにより発生する渦の発生が無いので、第２室内熱交換器１６および第１室内熱交換器１５に乱れの少ない空気を供給することができる。その結果、圧損が低くなり、ファン回転数及び消費電力を抑えることができる。

ただし、室内ファン４をダクト３１の風上に配置しても構わない。係る構成とすることで、室内ファン４の位置をダクト３１の吹出し口から遠ざけることができるので、ファン騒音を抑えることができる。また、ダクト３１の風上側に室内ファン４を配置することで、室内ファン４を通過する空気の状態が変化して室内ファン４の表面に結露が発生しても、ダクト３１の吹出し口より水滴が飛び出すことを防ぐことができる。

本発明の車両用空調装置は、冷房時は除湿能力を強化して快適性を向上でき、暖房時は窓ガラスの曇りを取り目視性を確保できるので、特に電気自動車や燃料電池自動車などの非燃焼系の自動車に有用である。

Claims (11)

1. 車室内の冷房および暖房を行う車両用空調装置であって、
   冷媒を圧縮する圧縮機、前記車室外の空気と冷媒との熱交換を行う室外熱交換器、冷媒を膨張させる膨張機構、ならびにファンによって車室内に送られる空気と冷媒との熱交換を行う第１室内熱交換器および第２室内熱交換器を含むヒートポンプ回路と、
   前記ヒートポンプ回路に設けられた、前記ヒートポンプ回路に流れる冷媒の流れ方向を、前記圧縮機から吐出された冷媒が前記室外熱交換器、前記膨張機構、前記第１室内熱交換器および前記第２室内熱交換器をこの順に通過して前記圧縮機に戻る第１方向と、前記圧縮機から吐出された冷媒が前記第１室内熱交換器、前記膨張機構、前記室外熱交換器および前記第２室内熱交換器をこの順に通過して前記圧縮機に戻る第２方向との間で切り換える切換手段と、
   を備える車両用空調装置。
2. 内部に前記第１室内熱交換器および前記第２室内熱交換器が配置された、前記ファンにより前記車室内の空気および／または前記車室外の空気が流されるダクトをさらに備える、請求項１に記載の車両用空調装置。
3. 前記第２室内熱交換器は、前記ダクト内の空気の流れ方向において前記第１室内熱交換器と並ぶように前記第１室内熱交換器よりも上流側に位置している、請求項２に記載の車両用空調装置。
4. 前記第２室内熱交換器は、前記ダクト内で該第２室内熱交換器を経由する第１流路と該第２室内熱交換器を経由しない第２流路とが層をなすように配置されている、請求項３に記載の車両用空調装置。
5. 前記ダクト内には、前記第１流路を流れる風量と前記第２流路を流れる風量の比率を調整するダンパが設けられている、請求項４に記載の車両用空調装置。
6. 前記ダクト内には、前記第１流路と前記第２流路とを仕切る仕切り板が設けられている、請求項５に記載の車両用空調装置。
7. 前記第１室内熱交換器は、前記ダクト内で該第１室内熱交換器を経由する第３流路と該第１室内熱交換器を経由しない第４流路とが層をなすように配置されている、請求項３に記載の車両用空調装置。
8. 前記第２室内熱交換器は、前記ダクト内で該第２室内熱交換器を経由する第１流路と該第２室内熱交換器を経由しない第２流路とが層をなすように配置されており、
   前記第１室内熱交換器は、前記ダクト内で該第１室内熱交換器を経由する第３流路と該第１室内熱交換器を経由しない第４流路とが層をなすように配置されており、
   前記ダクト内には、前記第１流路を流れる風量と前記第２流路を流れる風量の比率を調整する第１ダンパが設けられているとともに、前記第３流路を流れる風量と前記第４流路を流れる風量の比率を調整する第２ダンパが設けられている、請求項３に記載の車両用空調装置。
9. 前記切換手段を制御することにより、冷房運転時には前記ヒートポンプ回路に流れる冷媒の流れ方向を前記第１方向に切り換え、暖房運転時には前記ヒートポンプ回路に流れる冷媒の流れ方向を前記第２方向に切り換える制御装置をさらに備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の車両用空調装置。
10. 前記第２室内熱交換器から流出する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサをさらに備え、
    前記制御装置は、前記冷媒温度センサで検出される冷媒の温度に基づいて前記膨張機構を制御する、請求項９に記載の車両用空調装置。
11. 前記制御装置は、前記圧縮機に吸入される冷媒の圧力での飽和温度と前記冷媒温度センサで検出される冷媒の温度との温度差が所定の過熱度となるように、前記膨張機構を制御する、請求項１０に記載の車両用空調装置。

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