JP5522264B2 - 車両用空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用空調装置に関する。特に本発明は、バッテリを搭載する車両に適用可能な車両用空調装置に関する。

従来より、車室内の温度等を制御する車両用空調装置が知られている。例えば、特許文献１には、電気自動車が搭載するバッテリの熱容量を利用する車両用空調装置が開示されている。この車両用空調装置では、車室内の空気を車両の後部に設けられた吸入口から吸入し、ダクトを介してこの空気を床下のバッテリ部分に通過させる。これによって空気は加熱され、この加熱された空気は空調装置本体により温調されて再び車室内へ吹き出される。これにより、別個の蓄熱材を搭載する必要もなく高温の温風を得ることができるとしている。

特開平５−１７８０７０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された空調装置は、車室内に供給する空気にバッテリの熱を直接的に放熱しているだけである。そのため、熱容量の大きなバッテリを十分に活用しているとは言い難かった。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、その目的は、熱容量の大きなバッテリを活用することにより、熱効率に優れた車両用空調装置を提供することにある。

本発明の第一の態様にかかる車両用空調装置は、冷媒を圧縮させる圧縮機と、冷媒と車室内に供給する空気との間で熱交換を行う内部熱交換器と、冷媒と車室外の空気である外気との間で熱交換を行う外部熱交換器と、車両に搭載されたバッテリと、外部熱交換器から圧縮機へと至る冷媒の少なくとも一部を経由させることにより、冷媒とバッテリとの間で熱交換を行うバッテリ熱交換器と、冷媒流路においてバッテリ熱交換器よりも上流側に配置されて、冷媒の流れが調整可能な絞り調整部と、絞り調整部を制御する制御ユニットとを備える。そして、制御ユニットは、内部熱交換器に対する外部熱交換器の熱量的な余力を示す熱交換余力に基づいて、絞り調整部の冷媒の流れを制御する。

本発明の第二の態様にかかる車両用空調装置の制御方法は、冷媒を圧縮させる圧縮機と、冷媒と車室内に供給する空気との間で熱交換を行う内部熱交換器と、冷媒と車室外の空気である外気との間で熱交換を行う外部熱交換器と、車両に搭載されたバッテリと、外部熱交換器から圧縮機へと至る冷媒の少なくとも一部を経由させることにより、冷媒とバッテリとの間で熱交換を行うバッテリ熱交換器と、冷媒流路においてバッテリ熱交換器よりも上流側に配置されて、冷媒の流れが調整可能な絞り調整部とを備える工程を有する。さらに、前記制御方法は、内部熱交換器に対する外部熱交換器の熱量的な余力を示す熱交換余力に基づいて、絞り調整部の冷媒の流れを制御する工程を有する。

図１は、本発明の実施形態にかかる車両用空調装置の構成を模式的に示す説明図である。 図２は、第３の膨張弁の制御手順を示すフローチャートである。 図３は、第３の膨張弁の制御手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の実施形態にかかる車両用空調装置１０の構成を模式的に示す説明図である。この車両用空調装置１０は電気自動車に適用されており、車室内の温度等を制御するヒートポンプ式の空調装置である。この電気自動車において、駆動源であるモータ（図示せず）は車両前方のモータールーム（Ｍ／Ｒ）に搭載されている。そして、このモータや各種の電装品に電力を供給するバッテリ５は車室空間の床下に搭載されている。

車両用空調装置１０は、送風ユニット１１と、空調装置本体２０と、制御ユニット４０とを主体に構成されている。

送風ユニット１１は、車室内の空気（内気）または車室外の空気（外気）を取り込んで、これを車室内に供給するユニットであり、空気を送風する送風ダクトを備える。この送風ダクトの上流側にはインテーク部１２が設けられており、インテーク部１２はインテークドア１３を備えている。インテークドア１３は、内気導入口及び外気導入口の一方を閉塞可能にする可動式のドアであり、このインテークドア１３の動作により、車室内に供給する空気を内気及び外気の一方から選択することができる。また、送風ダクトには、ブロア１４が設けられており、このブロア１４を作動させることにより、内気または外気が下流へと送り出される。下流へと送り出された空気（内気または外気）は、後述する第１の内部熱交換器２２または第２の内部熱交換器２４を経由して吹出口（図示せず）から車室内へと供給される。

空調装置本体２０は、コンプレッサ２１と、第１の内部熱交換器２２と、外部熱交換器２３と、第２の内部熱交換器２４と、第１の膨張弁２５と、第２の膨張弁２６とを主体に構成されている。空調装置本体２０を構成するこれらの要素は、冷媒が循環する閉ループの冷媒流路（メイン冷媒流路）Ｃｍにそれぞれ設けられている。このメイン冷媒流路Ｃｍにより、冷媒は、コンプレッサ２１から、第１の内部熱交換器２２、外部熱交換器２３、第２の内部熱交換器２４の順番でこれらを経由して、再度コンプレッサ２１へと戻る。また、このメイン冷媒流路Ｃｍにおいて、第１の内部熱交換器２２と外部熱交換器２３との間には、第１の膨張弁２５が設けられており、外部熱交換器２３と第２の内部熱交換器２４との間には、第２の膨張弁２６が設けられている。

コンプレッサ２１は、吸入側から冷媒を取り込むと、この取り込んだ冷媒を圧縮し、圧縮した冷媒を吐出側から排出する。このコンプレッサ２１は、バッテリ５から供給する電力によって駆動する。

第１の内部熱交換器２２は、コンプレッサ２１から圧送される冷媒と車室内に供給する空気との間で熱交換を行う。この第１の内部熱交換器２２は、ユーザにより指定される車両用空調装置１０の運転モードが暖房モードの場合、凝縮器として作用する。これにより、冷媒の熱を車室内に供給する空気、すなわちブロア１４により送り出された空気に放熱する。

外部熱交換器２３は、モータールームの前端部に配置されており、第１の膨張弁２５を通過した冷媒と外気との間で熱交換を行う。この外部熱交換器２３は、運転モードが暖房モードの場合、外気の熱を冷媒に吸熱し、運転モードが冷房モードの場合、冷媒の熱を外気に放熱する。外部熱交換器２３には、外気と冷媒との熱交換効率を促進するために、送風ファン２７が設けられている。

第２の内部熱交換器２４は、第２の膨張弁２６を通過した冷媒と車室内に供給する空気との間で熱交換を行う。この第２の内部熱交換器２４は、運転モードが冷房モードの場合、蒸発器として作用する。これにより、車室内に供給する空気、すなわちブロア１４により送り出された空気の熱を冷媒に吸収する。

第１の内部熱交換器２２の下流に設けられた第１の膨張弁２５及び外部熱交換器２３の下流に設けられた第２の膨張弁２６では、冷媒が通過することにより絞り膨張する。すなわち、第１及び第２の膨張弁２５，２６を通過することにより、冷媒は低温・低圧の冷媒へと変化する。また、第１及び第２の膨張弁２５，２６では、冷媒の通過領域である絞り（弁開度）が調整可能となっており、必要に応じて、絞りを設定したり、絞りを開放したりすることができる。

第１の膨張弁２５では、運転モードが暖房モードである場合には、所定の絞りが設定されて冷媒を絞り膨張させる。一方、運転モードが冷房モードである場合には、第１の膨張弁２５では絞りが開放されて冷媒をそのまま通過させる。これに対して、第２の膨張弁２６では、運転モードが冷房モードである場合には、所定の絞りが設定されて冷媒を絞り膨張させる。一方、運転モードが暖房モードである場合には、第２の膨張弁２６では絞りが開放されて冷媒をそのまま通過させる。

なお、第２の内部熱交換器２４とコンプレッサ２１との間のメイン冷媒流路Ｃｍには、アキュームレータ２８が設けられている。このアキュームレータ２８は、上流工程から供給される冷媒を気相と液相とに分離して、気相状態の冷媒を下流工程へ送り出すとともに、液相状態の冷媒を一時的に貯留する機能を担っている。

ここで、本実施形態の特徴の一つとして、空調装置本体２０は、バッテリ熱交換器２９をさらに有している。バッテリ熱交換器２９には、冷媒供給用及び冷媒排出用のサブ冷媒流路Ｃｓの一方の端部がそれぞれ接続されている。そして、バッテリ熱交換器２９では、冷媒とバッテリ５との間で熱交換を行う。冷媒供給用のサブ冷媒流路Ｃｓ１は、他方の端部がメイン冷媒流路Ｃｍの外部熱交換器２３と第２の膨張弁２６との間に接続している。また、冷媒排出用のサブ冷媒流路Ｃｓ２は、他方の端部が第２の内部熱交換器２４とコンプレッサ２１との間に接続している。このバッテリ熱交換器２９では、外部熱交換器２３からコンプレッサ２１へと至る冷媒の一部または全部をバッテリ熱交換器２９へ経由させることにより、外部熱交換器２３を通過した冷媒とバッテリとの間で熱交換を行う。このバッテリ熱交換器２９により熱交換が行われた冷媒は、コンプレッサ２１へと戻される。

バッテリ熱交換器２９へと冷媒を供給するサブ冷媒流路Ｃｓ１において、バッテリ熱交換器２９よりも上流側には、第３の膨張弁３０（絞り調整部）が配置されている。この第３の膨張弁３０では、第１及び第２の膨張弁２５，２６と同様に、冷媒の流れ（具体的には弁開度）が調整可能に構成されている。絞りの状態を調整することにより、第３の膨張弁３０では、通過する冷媒を絞り膨張させたり、冷媒をそのままの状態で通過させたりする。これにより、バッテリ熱交換器２９において、冷媒がバッテリ５の熱を吸熱したり、冷媒の熱をバッテリ５に放熱したりする。また、第３の膨張弁３０は、その絞りを閉鎖することもできる。

なお、本実施形態では、バッテリ熱交換器２９は冷媒とバッテリ５の周囲の空気との間で熱交換を行う構成となっている。そのため、バッテリ５と冷媒との間の熱交換効率を高める観点から、バッテリ５の周囲の空気を流動させるためのブロア３１が設けられている。

また、メイン冷媒流路Ｃｍには、第１の内部熱交換器２２をバイパスさせる第１のバイパス流路Ｌｂ１が設けられている。具体的には、第１のバイパス流路Ｌｂ１は、一方の端部がコンプレッサ２１と第１の内部熱交換器２２との間に接続されているとともに、他方の端部が第１の膨張弁２５と外部熱交換器２３との間に接続されている。第１のバイパス流路Ｌｂ１とメイン冷媒流路Ｃｍとの接続部には、冷媒を第１の内部熱交換器２２へ流すか、それともバイパスさせるかを切り替える第１の切替弁（例えば、三方弁）３２が設けられている。なお、この第１の切替弁３２は、基本的に、バイパス流路Ｌｂ１を閉鎖するように設定されている。

同様に、メイン冷媒流路Ｃｍには、第２の膨張弁２６及び第２の内部熱交換器２４をバイパスさせる第２のバイパス流路Ｌｂ２が設けられている。具体的には、第２のバイパス流路Ｌｂ２は、一方の端部が冷媒供給用のサブ冷媒流路Ｃｓ１の接続部と第２の膨張弁２６との間に接続されているとともに、他方の端部が第２の内部熱交換器２４と冷媒排出用のサブ冷媒流路Ｃｓ２との間に接続されている。第２のバイパス流路Ｌｂ２とメイン冷媒流路Ｃｍとの接続部には、冷媒を第２の膨張弁２６及び第２の内部熱交換器２４へ流すか、それともバイパスさせるかを切り替える第２の切替弁（例えば、三方弁）３３が設けられている。なお、この第２の切替弁３３は、基本的に、バイパス流路Ｌｂ１を閉鎖するように設定されている。

制御ユニット４０は、車両用空調装置１０を統合的に制御する機能を担っている。制御ユニット４０としては、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。制御ユニット４０は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従い、空調制御に関する演算を行う。そして、制御ユニット４０は、この演算によって算出された制御量（制御信号）をアクチュエータに対して出力する。制御ユニット４０には、このような処理を行うために、センサ信号を含む各種の入力信号が入力されている。

空調温度センサ４１は、送風ダクトの下流側に配置されており、車室内へと吹き出される空気、具体的には、第１または第２の内部熱交換器２２，２４を通過した空気の温度を検出する。この空調温度センサ４１からのセンサ信号は、空調温度の制御のために参照される。また、バッテリ温度センサ４２は、バッテリ５が収容される床下空間の空気の温度を通じて、バッテリ５の温度を検出するセンサである。さらに、外気温センサ４３は、外気の温度を検出するセンサである。個々の温度センサ４１，４２，４３としては、ＰＴＣサーミスタなどを使用することができる。

本実施形態との関係において、制御ユニット４０は、第１から第３の膨張弁２５，２６，３０の状態、すなわち、第１から第３の膨張弁２５，２６，３０の絞りをそれぞれ制御する。具体的には、第１及び第２の膨張弁２５，２６の状態は、車両用空調装置１０の運転モードに応じて制御される。つまり、運転モードが暖房モードの場合、制御ユニット４０は、第１の膨張弁２５に所定の絞りを設定するとともに、第２の膨張弁２６の絞りを開放する。一方、運転モードが冷房モードの場合、制御ユニット４０は、第１の膨張弁２５の絞りを開放するとともに、第２の膨張弁２６に所定の絞りを設定する。

これに対して、第３の膨張弁３０は、運転モードに加え、外部熱交換器２３の熱交換余力と、バッテリ温度センサ４２の検出結果とを考慮して制御される。ここで、熱交換余力とは、暖房モードの場合、第１の内部熱交換器２２の放熱量に対する外部熱交換器２３の吸熱量の熱量的な余力をいう。また、冷房モードの場合、第２の内部熱交換器２４の吸熱量に対する外部熱交換器２３の放熱量の熱量的な余力をいう。なお、以下、第１の内部熱交換器２２の放熱量に対する外部熱交換器２３の吸熱量の熱量的な余力を「吸熱量余力」といい、第２の内部熱交換器２４の吸熱量に対する外部熱交換器２３の放熱量の熱量的な余力を「放熱量余力」という。

図２及び３は、第３の膨張弁３０の制御手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、ユーザにより車両用空調装置１０のスイッチがオンされることにより呼び出され、制御ユニット４０により所定周期で実行される。

まず、ステップ１０（Ｓ１０）において、制御ユニット４０は、運転モードが暖房モードであるか否かを判断する。このステップ１０において肯定判定された場合、すなわち、運転モードが暖房モードである場合には、ステップ１１（Ｓ１１）に進む。一方、ステップ１０において否定判定された場合、すなわち、運転モードが冷房モードである場合には、後述するステップ１８（Ｓ１８）に進む。

ステップ１１において、制御ユニット４０は、吸熱量余力があるか否かを判断する。すなわち、制御ユニット４０は、暖房モードにおいて、第１の内部熱交換器２２が送風ダクト内の空気に放熱する熱量を、外部熱交換器２３が外気から吸熱することができる否かを判断する。この判断は、空調温度センサ４１及び外気温センサ４３の検出結果を参照した上で行われる。このステップ１１において肯定判定された場合、すなわち、吸熱量余力がある場合には、ステップ１２（Ｓ１２）に進む。一方、ステップ１１において否定判定された場合、すなわち、吸熱量余力がない場合、すなわち吸熱量が不足する場合には、後述するステップ１５（Ｓ１５）に進む。

ステップ１２において、制御ユニット４０は、バッテリ温度センサ４２の検出結果、すなわち、バッテリ温度Ｔｂが、バッテリ５の温度管理を行うために設定される温度範囲のうちの最適温度Ｔｓｔ以下であるか否かを判断する。なお、以下、バッテリ温度Ｔｂがバッテリ５の温度管理を行うために設定される温度範囲を「管理温度範囲」という。この管理温度範囲は、バッテリ５が所望の性能を発揮することができる温度範囲を示すものである。そして、その範囲（下限温度Ｔｌｏ及び上限温度Ｔｈｉの範囲）及び最適温度Ｔｓｔは、実験やシミュレーションを通じてその値が予め設定されている。

このステップ１２において肯定判定された場合、すなわち、バッテリ温度Ｔｂが最適温度Ｔｓｔ以下の場合には、ステップ１３（Ｓ１３）に進む。一方、ステップ１２において否定判定された場合、すなわち、バッテリ温度Ｔｂが最適温度Ｔｓｔよりも高い場合には、ステップ１４（Ｓ１４）に進む。

ステップ１３において、制御ユニット４０は、第３の膨張弁３０を制御して、この第３の膨張弁３０を閉鎖する。これに対して、ステップ１４において、制御ユニット４０は、通過する冷媒を絞り膨張させるように、第３の膨張弁３０を所定の絞りに設定する。

一方、吸熱量余力がない場合、ステップ１５において、制御ユニット４０は、バッテリ温度Ｔｂがバッテリ５の管理温度範囲のうちの下限温度Ｔｌｏ以下であるか否かを判断する。このステップ１５において肯定判定された場合、すなわち、バッテリ温度Ｔｂが下限温度Ｔｌｏ以下の場合には、ステップ１６（Ｓ１６）に進む。一方、ステップ１５において否定判定された場合、すなわち、バッテリ温度Ｔｂが下限温度Ｔｌｏよりも高い場合には、ステップ１７（Ｓ１７）に進む。

ステップ１６において、制御ユニット４０は、第３の膨張弁３０の絞りを制御して、この第３の膨張弁３０を閉鎖する。これに対して、ステップ１７において、制御ユニット４０は、通過する冷媒を絞り膨張させるように、第３の膨張弁３０を所定の絞りに設定する。

一方、運転モードが冷房モードである場合、ステップ１８において、制御ユニット４０は、放熱量余力があるか否かを判断する。すなわち、制御ユニット４０は、冷房モードにおいて、第２の内部熱交換器２４が送風ダクト内の空気から吸熱する吸熱量を、外部熱交換器２３が外気に放熱することができる否かを判断する。この判断は、空調温度センサ４１及び外気温センサ４３の検出結果を参照した上で行われる。このステップ１８において肯定判定された場合、すなわち、放熱量余力がある場合には、ステップ１９（Ｓ１９）に進む。一方、ステップ１８において否定判定された場合、すなわち、放熱量余力がない場合、すなわち放熱量が不足する場合には、後述するステップ２４（Ｓ２４）に進む。

ステップ１９において、制御ユニット４０は、バッテリ温度Ｔｂがバッテリ５の管理温度範囲のうちの最適温度Ｔｓｔ以下であるか否かを判断する。このステップ１９において肯定判定された場合、すなわち、バッテリ温度Ｔｂが最適温度Ｔｓｔ以下の場合には、ステップ２０（Ｓ２０）に進む。一方、ステップ１９において否定判定された場合、すなわち、バッテリ温度Ｔｂが最適温度Ｔｓｔよりも高い場合には、ステップ２３（Ｓ２３）に進む。

ステップ２０において、制御ユニット４０は、バッテリ温度Ｔｂがバッテリ５の管理温度範囲のうちの最適温度Ｔｓｔであるか否かを判断する。このステップ２０において肯定判定された場合、すなわち、バッテリ温度Ｔｂが最適温度Ｔｓｔの場合には、ステップ２１（Ｓ２１）に進む。一方、ステップ２０において否定判定された場合、すなわち、バッテリ温度Ｔｂが最適温度Ｔｓｔよりも低い場合には、ステップ２２（Ｓ２２）に進む。

ステップ２１において、制御ユニット４０は、第３の膨張弁３０の絞りを制御して、この第３の膨張弁３０を閉鎖する。これに対して、ステップ２２において、制御ユニット４０は、第３の膨張弁３０を冷媒がそのまま通過するように、第３の膨張弁３０の絞りを開放する。一方、ステップ２３において、制御ユニット４０は、通過する冷媒を絞り膨張させるように、第３の膨張弁３０を所定の絞りに設定する。

一方、放熱量余力がない場合、ステップ２４において、制御ユニット４０は、バッテリ温度Ｔｂが、バッテリ５の管理温度範囲のうちの上限温度Ｔｈｉ以上であるか否かを判断する。このステップ２４において肯定判定された場合、すなわち、バッテリ温度Ｔｂが上限温度Ｔｈｉ以上の場合には、ステップ２５（Ｓ２５）に進む。一方、ステップ２４において否定判定された場合、すなわち、バッテリ温度Ｔｂが上限温度Ｔｈｉよりも低い場合には、ステップ２６（Ｓ２６）に進む。

ステップ２５において、制御ユニット４０は、通過する冷媒を絞り膨張させるように、第３の膨張弁３０を所定の絞りに設定する。これに対して、ステップ２６において、制御ユニット４０は、第３の膨張弁３０を冷媒がそのまま通過するように、絞りを開放する。

前述した手法より、第１から第３の膨張弁２５，２６，３０の状態が設定されると、車両用空調装置１０は、暖房モードまたは冷房モードに応じて動作する。

運転モードが暖房モードの場合、第１の内部熱交換器２２は凝縮器として作用する。具体的には、コンプレッサ２１によって圧縮された冷媒は高温・高圧状態となる。そして、この高温・高圧状態の冷媒は、第１の内部熱交換器２２に供給される。第１の内部熱交換器２２では、送風ダクト内の空気に冷媒の熱が放熱される。これにより、車室内に暖められた空気が供給される。第１の内部熱交換器２２を通過した冷媒は、第１の膨張弁２５を通過することにより絞り膨張され、低温・低圧状態となる。低温・低圧状態の冷媒は外部熱交換器２３に供給される。この冷媒は外気よりも低温状態となっており、外部熱交換器２３では、外気の熱が冷媒に吸熱される。外部熱交換器２３を通過した冷媒の一部は、サブ冷媒流路Ｃｓへと分岐し、その後、第３の膨張弁３０を経由してバッテリ熱交換器２９に供給される。そして、バッテリ熱交換器２９を通過した冷媒は、コンプレッサ２１へと戻る。

表１では、バッテリ熱交換器２９の動作状態を示す。バッテリ熱交換器２９は、第３の膨張弁３０の状態に応じて、以下に示すような状態で動作する。具体的には、外部熱交換器２３の吸熱量が不足し、かつ、バッテリ温度Ｔｂがバッテリ５の管理温度範囲のうちの下限温度Ｔｌｏ以下の場合には、バッテリ熱交換器２９は熱交換器としての動作を行わない。一方、外部熱交換器２３の吸熱量が不足し、かつ、バッテリ温度Ｔｂが下限温度Ｔｌｏよりも大きい場合、バッテリ熱交換器２９はバッテリ５の熱を冷媒に吸熱させる蒸発器として動作する。

また、外部熱交換器２３の吸熱量に余力があり、かつ、バッテリ温度Ｔｂがバッテリ５の管理温度範囲のうちの最適温度Ｔｓｔ以下の場合には、バッテリ熱交換器２９は熱交換器としての動作を行わない。一方、外部熱交換器２３の吸熱量に余力があり、かつ、バッテリ温度Ｔｂが最適温度Ｔｓｔよりも大きい場合には、バッテリ熱交換器２９はバッテリ５の熱を冷媒に吸熱させる蒸発器として動作する。

なお、外部熱交換器２３を通過した冷媒のうち、サブ冷媒流路Ｃｓに分岐しない冷媒は、第２の膨張弁２６及び第２の内部熱交換器２４を通過した後に、コンプレッサ２１へと戻ることとなる。この場合、第２の膨張弁２６は完全に開放されており、冷媒に対して絞り膨張作用を有しないため、外部熱交換器２３を通過した冷媒はコンプレッサ２１へと戻る構成と同じと考えることができる。しかしながら、第２の内部熱交換器２４において冷媒と送風ダクト内の空気との間で行われる熱交換の影響を回避するために、制御ユニット４０は第２の切替弁３３を制御してもよい。すなわち、制御ユニット４０は、第２のバイパス流路Ｌｂ２を開放し、第２の内部熱交換器２４へと至るメイン冷媒流路Ｃｍを閉鎖する。この場合、外部熱交換器２３を通過した冷媒の全部がバッテリ熱交換器２９を経由してコンプレッサ２１に戻ることとなる。

これに対して、運転モードが冷房モードの場合、第２の内部熱交換器２４は蒸発器として作用する。具体的には、コンプレッサ２１によって圧縮された冷媒は高温・高圧状態となり、この高温・高圧状態の冷媒は、第１の内部熱交換器２２及び第１の膨張弁２５を経由して外部熱交換器２３に供給される。外部熱交換器２３では、外気に冷媒の熱が放熱される。外部熱交換器２３を通過した冷媒の一部は、メイン冷媒流路Ｃｍをそのまま流れ、第２の膨張弁２６を通過することにより絞り膨張され、低温・低圧状態となる。低温・低圧状態の冷媒は第２の内部熱交換器２４に供給される。第２の内部熱交換器２４では、送風ダクト内の空気の熱が冷媒に吸熱される。これにより、車室内に冷やされた空気が供給される。そして、第２の内部熱交換器２４を通過した冷媒は、コンプレッサ２１へと戻る。また、外部熱交換器２３を通過した冷媒の一部は、サブ冷媒流路Ｃｓへと分岐し、その後、第３の膨張弁３０を経由してバッテリ熱交換器２９に供給される。そして、バッテリ熱交換器２９を通過した冷媒は、コンプレッサ２１へと戻される。

表１に示すように、バッテリ熱交換器２９は、第３の膨張弁３０の状態に応じて、以下に示すような状態で動作する。具体的には、外部熱交換器２３の放熱量に余力があり、かつ、バッテリ温度Ｔｂがバッテリ５の管理温度範囲のうちの最適温度Ｔｓｔよりも小さい場合には、バッテリ熱交換器２９は冷媒の熱をバッテリ５に放熱する凝縮器として動作する。一方、外部熱交換器２３の放熱量に余力があり、かつ、バッテリ温度Ｔｂが最適温度Ｔｓｔである場合には、バッテリ熱交換器２９は熱交換器としての動作を行わない。また、外部熱交換器２３の放熱量に余力があり、かつ、バッテリ温度Ｔｂが最適温度Ｔｓｔよりも大きい場合には、バッテリ熱交換器２９はバッテリ５の熱を冷媒に吸熱させる蒸発器として動作する。

また、外部熱交換器２３の放熱量が不足し、かつ、バッテリ温度Ｔｂがバッテリ５の管理温度範囲のうちの上限温度Ｔｈｉよりも小さい場合には、バッテリ熱交換器２９は冷媒の熱をバッテリ５に放熱する凝縮器として動作する。一方、外部熱交換器２３の放熱量が不足し、かつ、バッテリ温度Ｔｂが上限温度Ｔｈｉよりも大きい場合、バッテリ熱交換器２９はバッテリ５の熱を冷媒に吸熱する蒸発器として動作する。

なお、コンプレッサ２１から圧送される冷媒は、第１の内部熱交換器２２及び第１の膨張弁２５を通過した後に、外部熱交換器２３に供給される。この場合、第１の膨張弁２５は完全に開放されているため、冷媒に対して絞り膨張作用を有しない。もっとも、第１の内部熱交換器２２による熱交換を抑制するために、制御ユニット４０は、送風ダクト内の空気の流れを規制する空気規制部１５を制御して、第１の内部熱交換器２２へと流れる流路を閉鎖してもよい。あるいは、制御ユニット４０は、第１の切替弁３２を制御して、第１のバイパス流路Ｌｂ１を開放し、第１の内部熱交換器２２及び第１の膨張弁２５へ１と至るメイン冷媒流路Ｃｍを閉鎖してもよい。このような構成により、冷凍サイクルとして、コンプレッサ２１から圧送される冷媒が外部熱交換器２３へと直接的に供給される構成と同じと考えることができる。

このように本実施形態において、車両用空調装置１０は、コンプレッサ２１、第１の内部熱交換器２２、第１の膨張弁２５及び外部熱交換器２３を有し、これらの要素の間で冷媒を循環させることにより冷凍サイクルを構成する。また、この車両用空調装置１０は、バッテリ熱交換器２９と第３の膨張弁（絞り調整部）３０とをさらに備え、これらの要素を含めて冷媒を循環させることで、前述の冷凍サイクルの一部を構成する。

ここで、車両用空調装置１０の制御ユニット４０は、第１の内部熱交換器２２が凝縮器として作用する暖房モードの場合、吸熱量余力と、バッテリ温度センサ４２の検出結果と基づいて、第３の膨張弁３０の状態を制御する。ここで、吸熱量余力は、第１の内部熱交換器２２の放熱量に対する外部熱交換器２３の吸熱量の熱量的な余力を示す。このような構成によれば、熱容量の大きなバッテリ５を冷凍サイクルの一部に組み込むことで、冷凍サイクルによってバッテリ５から熱輸送することができる。これにより、熱エネルギーを有効に吸熱することができるので、負荷の増加を招くことなく冷凍サイクルを効率的に運用することができる。

また、車室内に供給する空気にバッテリの熱を直接的に放熱した場合、暖房モード時には、除湿負荷がかかり、コンプレッサの動力が増加してしまう可能性がある。この点、本実施形態によれば、冷凍サイクルによってバッテリ５の熱輸送を行っている。そのため、バッテリの熱で空気を直接的に加熱する構成と比較して、車室内に供給する空気への除湿負荷の低減を図ることができる。これにより、コンプレッサ２１の負荷低減を図ることができるので、冷凍サイクルを効率的に運用することができる。

また、本実施形態において、制御ユニット４０は、外部熱交換器２３に吸熱量余力がない場合には、第３の膨張弁３０に絞りを設定し、この第３の膨張弁３０を通過する冷媒を絞り膨張させている。このような構成によれば、バッテリ５が有する熱エネルギーをバッテリ熱交換器２９で吸熱することができる。これにより、車室内の暖房性能を確保することができるとともに、コンプレッサ２１の負荷低減を図ることができる。そのため、冷凍サイクルを効率的に運用することができる。

また、本実施形態において、制御ユニット４０は、バッテリ温度Ｔｂがバッテリ５の温度管理を行うために設定される温度範囲のうちの下限温度Ｔｌｏよりも高い場合に、第３の膨張弁３０に絞りを設定する。このような構成によれば、バッテリ温度Ｔｂが下限温度Ｔｌｏ以下ではバッテリ５の熱エネルギーを吸熱しないこととなる。これにより、吸熱によるバッテリ性能の低下が少ない範囲で、車室内の暖房性能を確保することができる。

また、本実施形態において、車両用空調装置１０は、コンプレッサ２１、外部熱交換器２３、第２の膨張弁２６及び第２の内部熱交換器２４を有し、これらの要素の間で冷媒を循環させることにより冷凍サイクルを構成する。また、この車両用空調装置１０は、バッテリ熱交換器２９と第３の膨張弁（絞り調整部）３０とをさらに備え、これらの要素を含めて冷媒を循環させることで、前述の冷凍サイクルの一部を構成する。

ここで、車両用空調装置１０の制御ユニット４０は、第２の内部熱交換器２４が蒸発器として作用する冷房モードの場合、放熱量余力と、バッテリ温度センサ４２の検出結果とに基づいて、第３の膨張弁３０の状態を制御する。ここで、放熱量余力は、第２の内部熱交換器２４の吸熱量に対する外部熱交換器２３の放熱量の熱量的な余力を示す。このような構成によれば、熱容量の大きなバッテリ５を冷凍サイクルの一部に組み込むことで、冷凍サイクルによってバッテリ５へと熱輸送することができる。これにより、熱エネルギーを有効に放熱することができるので、負荷の増加を招くことなく冷凍サイクルを効率的に運用することができる。

また、本実施形態において、制御ユニット４０は、外部熱交換器２３に放熱量余力がない場合、第３の膨張弁３０の絞りを開放する。このような構成によれば、余剰な熱をバッテリ熱交換器２９を介してバッテリ５へ放熱し、バッテリ５に蓄熱させることができる。これにより、車室内の冷房性能を確保することができるとともに、コンプレッサ２１の負荷低減を図ることができる。そのため、冷凍サイクルを効率的に運用することができる。

また、本実施形態において、制御ユニット４０は、バッテリ温度Ｔｂが、バッテリ５の温度管理を行うために設定される温度範囲のうちの上限温度Ｔｈｉよりも低い場合に、第３の膨張弁３０の絞りを開放する。このような構成によれば、余剰な熱をバッテリ熱交換器２９を介してバッテリ５へ放熱し、バッテリ５に蓄熱させることができる。これにより、車室内の冷房性能を確保することができるとともに、コンプレッサ２１の負荷低減を図ることができる。そのため、冷凍サイクルを効率的に運用することができる。

また、本実施形態において.制御ユニット４０は、バッテリ温度Ｔｂが管理温度範囲の上限温度Ｔｈｉ以上の場合には、第３の膨張弁３０に絞りを設定し、この第３の膨張弁３０により通過する冷媒を絞り膨張させる。このような構成によれば、バッテリ温度Ｔｂが上限温度Ｔｈｉ以上ではバッテリ５の熱エネルギーが吸熱される。これにより、バッテリ５の高温状態が回避されるので、バッテリ性能の低下を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態にかかる車両用空調装置について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能である。具体的には、図１に示す車両用空調装置１０では、バッテリ熱交換器２９、バッテリ温度センサ４２及びブロア３１をバッテリ５に対して車両後方に配置している。しかし、バッテリ熱交換器２９、バッテリ温度センサ４２及びブロア３１はこの位置に限られず、バッテリ熱交換器２９とバッテリ５との間で熱交換を行うことができれば、如何なる場所に配置してもよい。具体的には、バッテリ熱交換器２９、バッテリ温度センサ４２及びブロア３１をバッテリ５に対して車両前方に配置してもよく、バッテリ５の内部に配置してもよい。

さらに、図１に示す車両用空調装置１０では、バッテリ温度センサ４２をバッテリ熱交換器２９とブロア３１との間に配置しているが、バッテリ５の温度を測定することができれば如何なる場所に配置してもよい。具体的には、バッテリ５に対して車両前方に配置してもよく、バッテリ５の内部に配置してもよい。

また、上述した実施形態では、電気自動車を例示して説明を行ったが、本発明はこれに限定されない。例えば、エンジンと走行用電動モータを併用するハイブリット自動車や、燃料電池を発電手段として備える燃料電池自動車など、バッテリを搭載する種々の車両に対して適用することができる。

特願２０１０−２２６４９９号（出願日：２０１０年１０月６日）の全内容は、ここに援用される。

本発明の車両用空調装置では、バッテリ熱交換器を冷凍サイクルの一部に組み込むことで、冷凍サイクルによってバッテリから熱輸送を行うことができる。また、本発明の車両用空調装置は、内部熱交換器に対する外部熱交換器の熱量的な余力を示す熱交換余力に応じて、バッテリ熱交換器を熱交換器として作用させることを特徴とする。そのため、バッテリが有する熱エネルギーを冷凍サイクル内に有効に吸熱させたり、また熱容量の大きなバッテリに熱エネルギーを排熱させることができる。その結果、熱効率に優れた車両用空調装置を提供することができる。

５ バッテリ
１０ 車両用空調装置
２１ コンプレッサ（圧縮機）
２２ 第１の内部熱交換器（内部熱交換器）
２３ 外部熱交換器
２４ 第２の内部熱交換器（内部熱交換器）
２５ 第１の膨張弁
２６ 第２の膨張弁
２９ バッテリ熱交換器
３０ 第３の膨張弁（絞り調整部）
４０ 制御ユニット
４２ バッテリ温度センサ（温度検出器）

Claims (9)

1. 冷媒を圧縮させる圧縮機と、
   前記冷媒と車室内に供給する空気との間で熱交換を行う内部熱交換器と、
   前記冷媒と車室外の空気である外気との間で熱交換を行う外部熱交換器と、
   車両に搭載されたバッテリと、
   前記外部熱交換器から前記圧縮機へと至る冷媒の少なくとも一部を経由させることにより、前記冷媒と前記バッテリとの間で熱交換を行うバッテリ熱交換器と、
   冷媒流路において前記バッテリ熱交換器よりも上流側に配置されて、冷媒の流れが調整可能な絞り調整部と、
   前記絞り調整部を制御する制御ユニットと、
   前記内部熱交換器の下流に設けられ、前記内部熱交換器を通過した冷媒を通過させることにより前記冷媒を絞り膨張させる第１の膨張弁と、
   前記バッテリの温度を検出する温度検出器と、
   を備え、
   前記内部熱交換器は、前記圧縮機から圧送された冷媒と車室内に供給する空気との間で熱交換を行い、
   前記外部熱交換器は前記第１の膨張弁を通過した冷媒と前記外気との間で熱交換を行い、前記外部熱交換器で熱交換された冷媒は前記圧縮機に戻り、
   前記制御ユニットは、前記内部熱交換器が凝縮器として作用する暖房モードの場合、前記内部熱交換器の放熱量に対する前記外部熱交換器の吸熱量の熱量的な余力を示す吸熱量余力と、前記温度検出器の検出結果とに基づいて、前記絞り調整部の冷媒の流れを制御することを特徴とする車両用空調装置。
2. 前記制御ユニットは、前記外部熱交換器に吸熱量余力がない場合、前記絞り調整部に絞りを設定し、前記絞り調整部を通過する冷媒を絞り膨張させることを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置。
3. 前記制御ユニットは、前記温度検出器の検出結果が、前記バッテリの温度管理を行うために設定される温度範囲のうちの下限温度よりも高い場合に、前記絞り調整部に絞りを設定することを特徴とする請求項２に記載の車両用空調装置。
4. 冷媒を圧縮させる圧縮機と、
   前記冷媒と車室内に供給する空気との間で熱交換を行う内部熱交換器と、
   前記冷媒と車室外の空気である外気との間で熱交換を行う外部熱交換器と、
   車両に搭載されたバッテリと、
   前記外部熱交換器から前記圧縮機へと至る冷媒の少なくとも一部を経由させることにより、前記冷媒と前記バッテリとの間で熱交換を行うバッテリ熱交換器と、
   冷媒流路において前記バッテリ熱交換器よりも上流側に配置されて、冷媒の流れが調整可能な絞り調整部と、
   前記絞り調整部を制御する制御ユニットと、
   前記外部熱交換器の下流に設けられ、前記外部熱交換器を通過した冷媒を通過させることにより前記冷媒を絞り膨張させる第２の膨張弁と、
   前記バッテリの温度を検出する温度検出器と、
   を備え、
   前記内部熱交換器は前記第２の膨張弁を通過した冷媒と車室内に供給する空気との間で熱交換を行い、前記内部熱交換器で熱交換された冷媒は前記圧縮機に戻り、
   前記外部熱交換器は、前記圧縮機から圧送された冷媒と前記外気との間で熱交換を行い、
   前記内部熱交換器が蒸発器として作用する冷房モードの場合、前記制御ユニットが、前記内部熱交換器の吸熱量に対する前記外部熱交換器の放熱量の熱量的な余力を示す放熱量余力と、前記温度検出器の検出結果とに基づいて、前記絞り調整部の冷媒の流れを制御することにより、前記バッテリ熱交換器が前記バッテリへ放熱することを特徴とする車両用空調装置。
5. 前記制御ユニットは、前記放熱量余力がない場合、前記絞り調整部の絞りを開放することを特徴とする請求項４に記載の車両用空調装置。
6. 前記制御ユニットは、前記温度検出器の検出結果が、前記バッテリの温度管理を行うために設定される温度範囲のうちの上限温度よりも低い場合に、前記絞り調整部の絞りを開放することを特徴とする請求項５に記載の車両用空調装置。
7. 前記制御ユニットは、前記温度検出器の検出結果が、前記バッテリの温度管理を行うために設定される温度範囲のうちの上限温度以上の場合には、前記絞り調整部に絞りを設定し、前記絞り調整部を通過する冷媒を絞り膨張させることを特徴とする請求項６に記載の車両用空調装置。
8. 冷媒を圧縮させる圧縮機と、前記冷媒と車室内に供給する空気との間で熱交換を行う内部熱交換器と、前記冷媒と車室外の空気である外気との間で熱交換を行う外部熱交換器と、車両に搭載されたバッテリと、前記外部熱交換器から前記圧縮機へと至る冷媒の少なくとも一部を経由させることにより、前記冷媒と前記バッテリとの間で熱交換を行うバッテリ熱交換器と、冷媒流路において前記バッテリ熱交換器よりも上流側に配置されて、冷媒の流れが調整可能な絞り調整部と、前記内部熱交換器の下流に設けられ、前記内部熱交換器を通過した冷媒を通過させることにより前記冷媒を絞り膨張させる第１の膨張弁と、前記バッテリの温度を検出する温度検出器と、を備え、前記内部熱交換器は前記圧縮機から圧送された冷媒と車室内に供給する空気との間で熱交換を行い、前記外部熱交換器は前記第１の膨張弁を通過した冷媒と前記外気との間で熱交換を行い、前記外部熱交換器で熱交換された冷媒は前記圧縮機に戻る車両用空調装置の制御方法であって、
   前記内部熱交換器が凝縮器として作用する暖房モードの場合、前記内部熱交換器の放熱量に対する前記外部熱交換器の吸熱量の熱量的な余力を示す吸熱量余力と、前記温度検出器の検出結果とに基づいて、前記絞り調整部の冷媒の流れを制御する工程を有することを特徴とする車両用空調装置の制御方法。
9. 冷媒を圧縮させる圧縮機と、前記冷媒と車室内に供給する空気との間で熱交換を行う内部熱交換器と、前記冷媒と車室外の空気である外気との間で熱交換を行う外部熱交換器と、車両に搭載されたバッテリと、前記外部熱交換器から前記圧縮機へと至る冷媒の少なくとも一部を経由させることにより、前記冷媒と前記バッテリとの間で熱交換を行うバッテリ熱交換器と、冷媒流路において前記バッテリ熱交換器よりも上流側に配置されて、冷媒の流れが調整可能な絞り調整部と、前記外部熱交換器の下流に設けられ、前記外部熱交換器を通過した冷媒を通過させることにより前記冷媒を絞り膨張させる第２の膨張弁と、前記バッテリの温度を検出する温度検出器と、を備え、前記内部熱交換器は前記第２の膨張弁を通過した冷媒と車室内に供給する空気との間で熱交換を行い、前記内部熱交換器で熱交換された冷媒は前記圧縮機に戻り、前記外部熱交換器は前記圧縮機から圧送された冷媒と前記外気との間で熱交換を行う車両用空調装置の制御方法であって、
   前記内部熱交換器が蒸発器として作用する冷房モードの場合、前記内部熱交換器の吸熱量に対する前記外部熱交換器の放熱量の熱量的な余力を示す放熱量余力と、前記温度検出器の検出結果とに基づいて、前記絞り調整部の冷媒の流れを制御することにより、前記バッテリ熱交換器が前記バッテリへ放熱する工程を有することを特徴とする車両用空調装置の制御方法。

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