JP5021773B2

JP5021773B2 - 車両用空調システム

Info

Publication number: JP5021773B2
Application number: JP2010005117A
Authority: JP
Inventors: 聡小林; 秀範江崎; 大祐山岡
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2030-01-13
Also published as: JP2011143796A; EP2345550A1; US20110167849A1; EP2345550B1

Description

本発明は、車両に搭載されて乗員用のキャビンの空調を行うためのヒートポンプ式の車両用空調システムに関する。

車両、例えば、内燃エンジンを組み込むエンジン自動車、エンジンと二次電池（又は二次電池と燃料電池等）とを併用するハイブリッド自動車、電気自動車及び燃料電池自動車等の自動車に対応して、種々の車両用空調システムが用いられている。

車両用空調システムとして、ヒートポンプ式空調装置が採用されている。例えば、特許文献１に開示されている自動車用冷暖房装置は、図８に示すように、コンプレッサ１、室外コンデンサ２、リキッドタンク３、膨脹弁４及び室内エバポレータ５を、この順序で冷媒配管６により連結している。

コンプレッサ１から吐出された冷媒を、室外コンデンサ２をバイパスさせて、直接、リキッドタンク３に導くバイパス管７が設けられるとともに、室外コンデンサ２の入口側配管に第１電磁弁８ａが設けられている。さらに、バイパス管７には、室内コンデンサ２ａ及び第２電磁弁８ｂが設けられている。

そして、コンプレッサ１から吐出された冷媒を、冷房運転時には、第１電磁弁８ａを開き且つ第２電磁弁８ｂを閉じて室外コンデンサ２側に導く一方、暖房運転時には、前記第１電磁弁８ａを閉じ且つ前記第２電磁弁８ｂを開いてバイパス管７側に導くようにしている。

室外コンデンサ２の出口とコンプレッサ１の入口とを直接連通させる冷媒回収管９が設けられ、該冷媒回収管９に第３電磁弁８ｃが設けられている。そして、暖房運転が選択されたときに、第１電磁弁８ａ、第２電磁弁８ｂ及び第３電磁弁８ｃの開閉を制御することにより、室外コンデンサ２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ている。

特許第３９２９６０６号

上記の特許文献１では、室外コンデンサ２とレシーバタンクであるリキッドタンク３とを有するレシーバサイクルが採用されている。このため、液ラインにキャビテーション（液状冷媒の気化）が発生し、膨脹弁４の開度に対して冷媒流量の不足が惹起され易いという問題がある。

しかも、レシーバサイクルでは、比較的冷房性能が低い。従って、冷房性能を高めようとすると、使用冷媒量や重量が増加してしまい、車両への搭載性が低下するという問題及びコンプレッサ１の能力増大が必要となって燃費性能が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、冷媒体を安定して循環させるとともに、熱交換効率の向上を図り、良好な空調性能を維持することが可能な車両用空調システムを提供することを目的とする。

本発明は、圧縮機を介して冷媒体を循環させるヒートポンプ循環路に配置され、前記冷媒体と外気とで熱交換を行うコンデンサと、前記コンデンサから送られる前記冷媒体を減圧させる膨張弁と、前記ヒートポンプ循環路に配置され、前記膨張弁を通過した前記冷媒体と空調用空気とで熱交換を行う第１エバポレータと、前記ヒートポンプ循環路に配置され、前記圧縮機から送出される前記冷媒体と前記第１エバポレータを通過した前記空調用空気とで熱交換を行うヒータと、前記ヒートポンプ循環路から分岐する分岐路に配置され、車両の内外から得られて前記冷媒体よりも高い温度である熱媒体と前記冷媒体とで熱交換を行う第２エバポレータとを備えるヒートポンプ式の車両用空調システムに関するものである。

この車両用空調システムは、コンデンサの下流と膨張弁との間には、気液分離部及びサブコンデンサが配設されるとともに、ヒートポンプ循環路は、前記コンデンサと前記気液分離部との間に設けられる分岐部を介して圧縮機に連通する冷媒体回収流路と、暖房時に、第２エバポレータを通過した冷媒体が、第１エバポレータを迂回して前記圧縮機に送られるバイパス路とを備えている。

また、この車両用空調システムは、冷媒体回収流路には、圧縮機から分岐部に向かう冷媒体の流れを規制する逆流防止手段が設けられることが好ましい。

さらに、この車両用空調システムは、冷媒体回収流路には、暖房時に開放される一方、冷房時に閉塞される開閉弁が設けられることが好ましい。

さらにまた、この車両用空調システムは、暖房運転と冷房運転とを切り換え制御するとともに、開閉弁の開閉制御を行う制御部を備え、暖房時に、前記制御部は、前記開閉弁を開放させた後、圧縮機を規定時間だけ起動させ、さらに前記開閉弁を閉塞させることが好ましい。

また、この車両用空調システムは、第２エバポレータで冷媒体と熱交換を行う熱媒体は、前記冷媒体よりも高温な媒体であることが好ましい。

本発明では、コンデンサの内部に滞留する冷媒体が、前記コンデンサと気液分離器との間に設けられる冷媒体回収流路に発生する圧力差を利用して圧縮機側に回収される。従って、コンデンサの内部に滞留する冷媒体は、容易且つ迅速に回収され、前記コンデンサの性能低下を良好に抑制することが可能になる。

しかも、上流に分岐部を有する気液分離部の下流には、サブコンデンサが配設されている。このため、サブコンデンサは、冷房時及び暖房時にサブクール部として機能することができ、例えば、暖房時のためにのみ使用されるサブクール部を設ける必要がない。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、冷媒体を安定して循環させるとともに、熱交換効率の向上を図り、良好な空調性能を維持することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る車両用空調システムの概略ブロック図である。前記車両用空調システムの暖房運転時の概略説明図である。前記車両用空調システムの動作を説明するフローチャートである。前記車両用空調システムの冷房運転時の概略説明図である。本発明の第２の実施形態に係る車両用空調システムの概略ブロック図である。前記車両用空調システムの暖房運転時の概略説明図である。前記車両用空調システムの冷房運転時の概略説明図である。特許文献１に開示されている自動車用冷暖房装置の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る車両用空調システム１０は、自動車（車両）１２に搭載されており、乗員用のキャビン（車室）１４の空調を行う。

空調システム１０は、コンプレッサ（圧縮機）１６を介して冷媒体を循環させるヒートポンプ循環路１８を備える。ヒートポンプ循環路１８には、冷媒体と外気とで熱交換を行うコンデンサ２０と、前記コンデンサ２０から送られる前記冷媒体を減圧させる膨張弁２２と、前記膨張弁２２を通過した前記冷媒体と空調用空気とで熱交換を行う第１エバポレータ２４と、前記コンプレッサ１６から送出される前記冷媒体と前記第１エバポレータ２４を通過した前記空調用空気とで熱交換を行うヒータ２６とが配置される。

ヒートポンプ循環路１８から分岐路２８が分岐するとともに、前記分岐路２８には、自動車１２の内外から得られる熱媒体、例えば、キャビン１４から前記自動車１２の外に排出される熱媒体（キャビン１４からの排熱気体）と冷媒体で熱交換を行う第２エバポレータ３０が配置される。

ここで熱交換される熱媒体は、キャビン１４からの排熱気体であるため、前記キャビン１４の持つ熱を無駄に捨てずに有効利用することができる。また、空調システム１０の暖気起動時に、キャビン１４の暖気に供された熱を回収し、再投入することができるため、迅速な立ち上がりが遂行されるという利点がある。

コンデンサ２０の下流と膨張弁２２との間には、第１逆流防止弁（逆流防止手段）３２ａ、気液分離部３４及びサブコンデンサ（サブクールコンデンサ）３６の順に配設される。コンデンサ２０の上流側には、電磁弁（開閉弁）３８ａが配置される。ヒートポンプ循環路１８は、コンデンサ２０をバイパスして気液分離部３４に接続される第１バイパス路４０ａを備える。この第１バイパス路４０ａには、電磁弁（開閉弁）３８ｂが配置される。

ヒートポンプ循環路１８は、コンデンサ２０と気液分離部３４との間に設けられる分岐部４２を介してコンプレッサ１６に連通する冷媒体回収流路４４を備える。冷媒体回収流路４４には、コンプレッサ１６から分岐部４２に向かう冷媒体の流れを規制する第２逆流防止弁（逆流防止手段）３２ｂと、電磁弁（開閉弁）３８ｃとが設けられる。

膨張弁２２は、空調用空気を冷却する第１エバポレータ２４から送出された冷媒体の温度を検出する手段（図示せず）を有する。この膨張弁２２は、第１エバポレータ２４から送出された冷媒体の温度に応じて、開度を自動的に変更させることにより、冷媒体流量を変更可能に構成される。

ヒートポンプ循環路１８には、膨張弁２２に近接する部位と、分岐路２８の入り口側との接続部位に対応して、三方弁４６ａが配置される。ヒートポンプ循環路１８には、第１エバポレータ２４をバイパスする第２バイパス路４０ｂの出口部と前記ヒートポンプ循環路１８との接続部位に対応して、三方弁４６ｂが配置される。第２エバポレータ３０は、自動車１２の後部側に配置される（図２参照）。

第１エバポレータ２４とヒータ２６との間には、前記第１エバポレータ２４により冷却された空調用空気を前記ヒータ２６を迂回させてキャビン１４に送出するためのエアミックスダンパ４８が設けられる。

自動車１２には、外気を空調用空気として取り入れるための外気取り入れ口５０が形成される。この外気取り入れ口５０の下流には、第１エバポレータ２４及びヒータ２６が、この順に配置される。空調システム１０は、電磁弁３８ａ〜３８ｃの開閉制御及び三方弁４６ａ、４６ｂの切換制御を行って暖房運転と冷房運転との切り換え制御する流路切換手段として機能するとともに、前記空調システム１０全体の駆動制御を行うための制御部（ＥＣＵ）５２を備える（図１参照）。

このように構成される空調システム１０の動作について、図３に示すフローチャートに沿って以下に説明する。

先ず、空調システム１０において、暖房モードが選択されたか否かが判断され（ステップＳ１）、暖房モードが選択されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。ステップＳ２では、電磁弁３８ａが閉塞される一方、電磁弁３８ｂ、３８ｃが開放される。

そして、図２に示すように、ステップＳ３に進んで、コンプレッサ１６が駆動される。これにより、コンプレッサ１６からヒートポンプ循環路１８に冷媒体が送出される。この冷媒体は、ヒータ２６に供給され、このヒータ２６で空調用空気と熱交換（放熱）を行い、前記空調用空気を昇温させる。

ヒータ２６から排出される冷媒体は、電磁弁３８ａが閉塞される一方、電磁弁３８ｂが開放されるため、第１バイパス路４０ａを通り、コンデンサ２０を迂回して気液分離部３４に直接送られる。冷媒体は、気液分離部３４からサブコンデンサ３６を通って冷却された後、膨張弁２２に送られる。

膨張弁２２で減圧された冷媒体は、三方弁４６ａを介して分岐路２８に分岐され、第２エバポレータ３０に導入される。第２エバポレータ３０では、冷媒体がキャビン１４内の熱源と熱交換を行った後、第１エバポレータ２４を迂回して第２バイパス路４０ｂから膨張弁２２を通って、再度、コンプレッサ１６に送られる。

この場合、第１の実施形態では、コンデンサ２０と気液分離部３４との間に設けられる分岐部４２を介してコンプレッサ１６に連通する冷媒体回収流路４４を備えるとともに、この冷媒体回収流路４４に設けられる電磁弁３８ｃは、開放されている。

従って、上記の暖房運転時に、コンプレッサ１６が駆動されると、冷媒体回収流路４４には、圧力差が発生する。具体的には、冷媒体回収流路４４では、分岐部４２側の圧力に対してコンプレッサ１６側の圧力が低くなっている。このため、コンデンサ２０の内部に滞留する液状冷媒体は、冷媒体回収流路４４の圧力差により、前記冷媒体回収流路４４を流通してコンプレッサ１６側に強制的に吸引（回収）される。

これにより、コンデンサ２０の内部に滞留する液状冷媒体は、容易且つ迅速に回収され、前記コンデンサ２０の性能低下が良好に抑制されるという効果が得られる。

さらに、暖房時には、ヒータ２６の下流は、コンデンサ２０をバイパスして気液分離部３４に、直接、連結されている。このため、気液分離部３４は、サブクールタンクとして機能するとともに、サブコンデンサ３６は、サブクール部として機能することができる。

従って、冷媒体は、完全な液媒体として膨張弁２２に導入することが可能になり、気体の巻き込みを良好に阻止することができる。これにより、ヒートポンプ循環路１８には、冷媒体を安定して循環させることが可能になり、熱交換効率の向上が容易に図られる。

しかも、気液分離部３４は、サブクールタンクとして用いられている。このため、十分な冷媒体量を確保することができ、特に過渡運転時にも冷媒体不足による空調性能の低下を抑制することが可能になる。

さらに、第１の実施形態では、暖房時のためにのみ使用されるサブクールタンク及びサブクール部を設ける必要がない。気液分離部３４及びサブコンデンサ３６を、冷房時にも共用することができるからである。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、冷媒体を安定して循環させるとともに、熱交換効率の向上を図り、良好な空調性能を維持することが可能になるという効果が得られる。

次いで、コンプレッサ１６が所定時間（規定時間）だけ駆動されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、電磁弁３８ｃが閉塞される。このため、コンデンサ２０からの冷媒体の回収処理が停止され、空調システム１０は、通常の暖房運転に移行する。さらに、暖房運転が停止されたと判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、空調システム１０が停止される。

一方、ステップＳ１において、暖房モードでないと判断されると（ステップＳ１中、ＮＯ）、ステップＳ７に進んで、冷房モードであるか否かが判断される。冷房モードでないと判断されると（ステップＳ７中、ＮＯ）、ステップＳ６に進み、冷房モードであると判断されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８では、電磁弁３８ａが開放される一方、電磁弁３８ｂ、３８ｃが閉塞される。そして、ステップＳ９に進んで、コンプレッサ１６が起動される。従って、空調システム１０では、図４に示すように、冷房運転が開始される。

この冷房運転時には、電磁弁３８ａが開放されてコンデンサ２０がヒートポンプ循環路１８に接続される。一方、三方弁４６ａ、４６ｂの切替作用下に、分岐路２８がヒートポンプ循環路１８から遮断され、且つ第１エバポレータ２４が前記ヒートポンプ循環路１８に接続される。そして、エアミックスダンパ４８は、全閉姿勢に配置される。

このため、コンプレッサ１６の作用下に、圧縮されて高温となった冷媒体は、ヒータ２６を通過してコンデンサ２０、気液分離部３４及びサブコンデンサ３６で冷却される。この冷媒体は、膨張弁２２でさらに低温及び低圧の冷媒体となった後、第１エバポレータ２４に供給される。従って、第１エバポレータ２４では、低温の冷媒体が通過して空調用空気と熱交換することにより、前記空調用空気が冷却される一方、冷媒体は、吸熱後に膨張弁２２からコンプレッサ１６に戻される。

第１エバポレータ２４により冷却された空調用空気は、エアミックスダンパ４８の閉塞によってヒータ２６で暖められることがなく、キャビン１４に送出されるため、前記キャビン１４の冷房が行われる。この冷房運転時には、気液分離部３４により、冷媒体量の増減に対する緩衝作用を有することができる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る車両用空調システム６０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る空調システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

空調システム６０は、自動車（車両）６２に搭載される（図６参照）。図５及び図６に示すように、ヒートポンプ循環路１８には、サブクールコンデンサであるコンデンサユニット６４が配置されており、サブクールサイクルを構成する。コンデンサユニット６４は、ヒータ２６の下流に直列に連結され、冷房時に、冷媒体が流通されるメインコンデンサ（凝縮部）２０ａ、気液分離式冷媒体貯留部（サブクールタンク）３４ａ及びサブコンデンサ（過冷却部）３６ａを備える。

ヒートポンプ循環路１８は、メインコンデンサ２０ａの端部に設けられる分岐部４２ａを介してコンプレッサ１６に連通する冷媒体回収流路４４ａを備える。冷媒体回収流路４４ａには、第２逆流防止弁３２ｂ及び電磁弁３８ｃが設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、図３に示すフローチャートに沿って空調システム６０の暖房運転及び冷房運転が行われる。

そして、空調システム６０の暖房運転では、図６に示すように、電磁弁３８ａが閉塞される一方、電磁弁３８ｂ、３８ｃが開放される。従って、暖房運転時には、メインコンデンサ２０ａの内部に滞留する液状冷媒体は、冷媒体回収流路４４ａに発生する圧力差によりコンプレッサ１６側に吸引される。これにより、液状冷媒体が良好且つ確実に回収される等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

一方、空調システム６０の冷房運転では、図７に示すように、電磁弁３８ａが開放される一方、電磁弁３８ｂ、３８ｃが閉塞される。これにより、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、上記の各実施形態に対し、第２エバポレータ３０と熱交換される熱媒体は、キャビン１４からの排熱気体の他、モータ類の放熱やバッテリの放熱、内燃機関を備える際には、該内燃機関の放熱、制御部５２からの熱、さらには外気熱等、前記第２エバポレータ３０に流れ込む冷媒体よりも高温な媒体であれば、いずれでも適用可能である。

また、流路切り換え用の三方弁４６ａ、４６ｂは、３方向の分岐と弁機構とが一体に構成されるもの以外に、分岐ブロックと電磁弁との組み合わせで流路切り換え可能に構成されていてもよい。

１０、６０…空調システム１２、６２…自動車
１４…キャビン１６…コンプレッサ
１８…ヒートポンプ循環路２０…コンデンサ
２０ａ…メインコンデンサ２２…膨張弁
２４、３０…エバポレータ２６…ヒータ
２８…分岐路３２ａ、３２ｂ…逆流防止弁
３４…気液分離部３４ａ…気液分離式冷媒体貯留部
３６、３６ａ…サブコンデンサ３８ａ〜３８ｃ…電磁弁
４０ａ、４０ｂ…バイパス路４２、４２ａ…分岐部
４４、４４ａ…冷媒体回収流路５２…制御部
６４…コンデンサユニット

Claims

圧縮機を介して冷媒体を循環させるヒートポンプ循環路に配置され、前記冷媒体と外気とで熱交換を行うコンデンサと、
前記コンデンサから送られる前記冷媒体を減圧させる膨張弁と、
前記ヒートポンプ循環路に配置され、前記膨張弁を通過した前記冷媒体と空調用空気とで熱交換を行う第１エバポレータと、
前記ヒートポンプ循環路に配置され、前記圧縮機から送出される前記冷媒体と前記第１エバポレータを通過した前記空調用空気とで熱交換を行うヒータと、
前記ヒートポンプ循環路から分岐する分岐路に配置され、車両の内外から得られて前記冷媒体よりも高い温度である熱媒体と前記冷媒体とで熱交換を行う第２エバポレータと、
を備えるヒートポンプ式の車両用空調システムであって、
前記コンデンサの下流と前記膨張弁との間には、気液分離部及びサブコンデンサが配設されるとともに、
前記ヒートポンプ循環路は、前記コンデンサと前記気液分離部との間に設けられる分岐部を介して前記圧縮機に連通する冷媒体回収流路と、
暖房時に、前記第２エバポレータを通過した前記冷媒体が、前記第１エバポレータを迂回して前記圧縮機に送られるバイパス路と、
を備えることを特徴とする車両用空調システム。
請求項１記載の車両用空調システムにおいて、前記冷媒体回収流路には、前記圧縮機から前記分岐部に向かう前記冷媒体の流れを規制する逆流防止手段が設けられることを特徴とする車両用空調システム。
請求項１又は２記載の車両用空調システムにおいて、前記冷媒体回収流路には、暖房時に開放される一方、冷房時に閉塞される開閉弁が設けられることを特徴とする車両用空調システム。
請求項３記載の車両用空調システムにおいて、暖房運転と冷房運転とを切り換え制御するとともに、前記開閉弁の開閉制御を行う制御部を備え、
暖房時に、前記制御部は、前記開閉弁を開放させた後、前記圧縮機を規定時間だけ起動させ、さらに前記開閉弁を閉塞させることを特徴とする車両用空調システム。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両用空調システムにおいて、前記第２エバポレータで前記冷媒体と熱交換を行う前記熱媒体は、前記冷媒体よりも高温な媒体であることを特徴とする車両用空調システム。