JP5817609B2 - 車両用空調装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の運転モードを持つ冷凍サイクル装置により車室内の空調を行う車両用空調装置に関する。
暖房、除湿モードなどの複数の運転モードのための複数の流路を持つ冷凍サイクル装置において、流路切り替えにより異音が発生することがある。この場合の異音にはウォータハンマ音と冷媒通過音などがある。車両走行中などのエンジン騒音、タイヤ回転音、車体風きり音のない場合で、車両停車時や低速走行時の静粛な状態にある場合には、これらの異音が非常に目立つものである。ウォータハンマとは、配管内を流れる流体が閉弁に伴い、流速が急低下することにより、配管系内に圧力上昇を起こし弁体に衝撃力を加える現象である。また、配管内を流れる流体が開弁する場合においても、開弁に伴い、流速が急上昇することにより、弁下流部に衝撃力を加える現象も、これと同様の現象である。ウォータハンマ音の発生原因は、流速変化に伴う圧力脈動が、その発生原因と考えられている。
特許文献1においては、これらの異音を抑制するために、予め圧縮機の回転速度を低下させて流速を低下させた後に開閉弁を開弁している。これにより流速変化の緩和により圧力脈動即ちウォータハンマ音は抑制される。しかし、本来圧縮機の回転速度は、空調能力になるよう調整されるべきであり、特許文献1のものにおいては、流路切り替え時に所望の能力から低下してしまうという問題が生じていた。
特開2003−279180号公報
本発明は、上記問題に鑑み、流体中の気泡で緩衝させる手法等を活用し、圧縮機の回転速度を低下させて快適性を損なうことなく、ウォータハンマ音などの異音の発生を抑制した冷凍サイクル装置による車両用空調装置を提供するものである。
上記課題を解決するために、請求項1の発明は、圧縮機(1)、室内凝縮器(2)、第1可変絞り(EVH)、室外熱交換器(4)、気液分離器(7)、前記圧縮機(1)の順に配置されて冷媒が循環する主冷媒回路、及び、該主冷媒回路に対して、前記室内凝縮器(2)と第1可変絞り(EVH)の間の第1分岐点(22)で分岐して、第2開閉弁(15)、第2可変絞り(EVC)、室内蒸発器(6)の順に配置されて、前記気液分離器(7)の上流の第1合流点(23)で合流するバイパス回路から構成される冷凍サイクル装置、前記室内凝縮器(2)出口の冷媒温度及び冷媒圧力の検出器、並びに、前記冷凍サイクル装置によって車室内への吹出空気の空調を行う空調ユニット(18)、を具備する車両用空調装置において、前記第2開閉弁(15)を、閉から開、又は、開から閉に切り替える場合には、車室内への吹出空気の目標吹出温度(TAO)が、一定に維持されるように前記圧縮機の駆動回転速度(IVO)を制御するとともに、前記第1可変絞り(EVH)の開度を増加させて、前記検出器から得られる冷媒温度及び冷媒圧力によって定まる冷媒の状態が、前記冷媒のモリエル線図上の過冷却液域から気液二相域内に入るように制御した後に、前記第2開閉弁(15)を切り替え、前記第2開閉弁(15)を切り替えない時には、成績係数(COP)を良好にするように、前記室内凝縮器出口の冷媒の状態を過冷却液域に来るように前記冷凍サイクル装置を運転し、前記第2開閉弁(15)を切り替える時には、異音防止のために、気液二相域の状態になるように前記第1可変絞り(EVH)の開度を制御することを特徴とした車両用空調装置である。
なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。
本発明の第1〜3実施形態の全体構成図である。 本発明の第1〜3実施形態の運転モードを判別するフローチャートである。 本発明の第1〜3実施形態をモリエル線図上で説明する説明図である。 暖房モードから第2除湿モードへの流路切替を説明する説明図である。 本発明の第1実施形態の制御チャートである。 室内凝縮器前の空気温度TINと室内凝縮器出口の目標過冷却度SCOとの関係を示す図である。 図6に基づいて過冷却度を制御する説明図である。 本発明の第2実施形態の制御チャートである。 第1可変絞りEVHの開度変化量ΔEVHと、室内凝縮器出口の過冷却度SCとの関係を示す図である。 本発明の第3実施形態の制御チャートである。 エアミックス温調とリヒート温調の概略説明図である。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態は、車両用の空調装置に適用した冷凍サイクル装置である。
車両用の空調装置は、後述する冷凍サイクル装置と、室内空調ユニット(HVAC)18を備えている。室内空調ユニット18は、車室内最前部の計器盤(インストルメントパネル)の内側に配置されて、その外殻を形成する空調ケース内に、送風機10、冷凍サイクル装置の室内蒸発器6、エアミックスドア9、冷凍サイクル装置の室内凝縮器2を収容したものである。本実施形態では、エンジン冷却水によるヒータコアではなく、冷凍サイクル装置の室内凝縮器2により、空調風を加熱する。(但し、ヒータコアが室内凝縮器と併設しても可)
空調ケース内の送風空気流れ最上流側には、内気(車室内空気)、外気(車室外空気)をそれぞれ導入させる導入口と、内気と外気を切替える内外気切替ドア21が設けられている。室内蒸発器6の空気流れ下流側には、室内凝縮器2に向う空気を流す加熱用通路と、そのバイパス通路の2つの空気通路が仕切壁によって形成され、エアミックスドア9によって風量割合を制御している。さらに、それらの空気通路の下流側には、混合空間を経た後、車室内へ温度調整された吹出空気を吹き出す吹出口が、配置されている。この場合の吹出温度制御(目標吹出温度TAOによる空調制御)については、エアミックス温調が良く知られている(図11のリヒート温調は後述する)。
車室内への吹出空気の吹出口としては、車室内の乗員の上半身に向けて吹出空気を吹き出すフェイス吹出口、乗員の足元に向けて吹出空気を吹き出すフット吹出口、および、車両前面窓ガラス内側面に向けて吹出空気を吹き出すデフロスタ吹出口が設けられている。室内空調ユニット(HVAC)には様々な変形例や具体的構成例が良く知られており、上述の室内空調ユニット18は、本実施形態は限定されるものではない。
次に、図1を参照して、本発明の第1実施形態の冷凍サイクル装置の回路構成を説明する(他の実施形態においても同じ)。主冷媒回路は、主に暖房モードとして機能し、圧縮機1、室内凝縮器2、第1可変絞りEVH、室外熱交換器4、気液分離器7、圧縮機1の順に配置されて冷媒が循環する。
この主冷媒回路に対して、バイパス回路が、室内凝縮器2と第1可変絞りEVHの間の第1分岐点22で分岐して、第2開閉弁15、第2可変絞りEVC、室内蒸発器6の順に配置されて、気液分離器7の上流の第1合流点23で合流する。このバイパス回路は、主冷媒回路と合わせて、後述する第2除湿モードを構成する。
主冷媒回路において、室外熱交換器4と気液分離器7との間に、第1開閉弁8が配置されている。さらに、室外熱交換器4と第1開閉弁8の間の第2分岐点24と、バイパス回路における第2開閉弁15と第2可変絞りEVCとの間の第2合流点25とが、逆止弁16を介して接続している。冷房モードにおいては、第1開閉弁8と第2開閉弁15を共に閉とし、第1可変絞りEVHを全開とする。エアミックスドア9により吹出温度を制御しても良いが、図1において、時計回りに回転させて室内凝縮器2への通路を閉鎖して、冷媒が凝縮しない(空調風が加熱されない)ようにしても良い。
これに対して、図1の回路構成において、第1開閉弁8と第2開閉弁15を共に閉とした場合は、第1除湿モードを構成する。
第1可変絞りEVH、第2可変絞りEVCは、共に、全開および全閉可能な可変絞りである。また可変絞りをバイパスするために開閉弁を並列配置してもよい。それぞれ、開閉弁と可変絞りの並列セットで代用してもよい。室内凝縮器2出口には、冷媒圧力、冷媒温度の検出器である、圧力センサ11と室内凝縮器出口温度センサ12が設置されている。室内蒸発器6には、室内蒸発器温度センサ13が設置されているが、室内蒸発器6の吹出直後の部位に温度センサ13を設けても良い。室内凝縮器2に入ってくる空気の温度を検出するため、室内凝縮器入口の空気温度センサ17(図示せず)が設置されている。空気温度センサ17は、室内蒸発器6の吹出直後の温度や、内外気の導入温度で代用することもできる。圧縮機1の駆動回転数IVO、送風機10の回転数、圧力センサ11と室内凝縮器出口温度センサ12などの情報は、全て空調用ECU14に入出力されて、空調用ECU14が冷凍サイクル装置と空調ユニットを制御する。
図1における運転モード別の冷媒流れを、以下に示す。
(1)冷房モード
圧縮機1→室内凝縮器2→第1可変絞りEVH(全開)→室外熱交換器4(凝縮器)→第2可変絞りEVC(制御開度)→室内蒸発器6(蒸発器)→気液分離器7→圧縮機1の順で冷媒が循環する。第1開閉弁8は閉、第2開閉弁15は閉となっている。
(2)暖房モード
圧縮機1→室内凝縮器2(凝縮器)→第1可変絞りEVH(制御開度)→室外熱交換器4(蒸発器)→第1開閉弁8(開)→気液分離器7→圧縮機1の順で冷媒が循環する。第2可変絞りEVCは閉、第2開閉弁15は閉となっている。
(3)第1除湿モード
圧縮機1→室内凝縮器2(凝縮器)→第1可変絞りEVH(制御開度)→室外熱交換器4(凝縮器又は蒸発器)→第2可変絞りEVC(制御開度)→室内蒸発器6(蒸発器)→気液分離器7→圧縮機1の順で冷媒が循環する。第1開閉弁8は閉、第2開閉弁15は閉となっている。
(4)第2除湿モード
圧縮機1→室内凝縮器2(凝縮器)→第1可変絞りEVH(制御開度)→室外熱交換器4(蒸発器)→第1開閉弁8(開)→気液分離器7→圧縮機1の順で冷媒が循環するとともに、室内凝縮器2から分岐して、第2開閉弁15(開)→第2可変絞りEVC(制御開度)→室内蒸発器6(蒸発器)の順で循環して、気液分離器7で合流する。
次に、これらのモードの切替制御について、図2の制御フローチャートを参照して説明する。ステップS100において、各センサ出力とパネル出力を入力する。目標吹出し温度TAOを算出するためには、外気温度Tam、内気温度、日射量と設定温度が一般的な入力項目となる。ステップS200において、ステップS100での入力値に基づきTAOを算出する。ステップS300においては、A/CスイッチのON、OFFを判定する。ここで、A/Cスイッチは、現行カーエアコンと同様に、室内蒸発器6を冷やす(又は除湿する)機能をON、OFFするものとして定義している。A/Cスイッチが、OFFの場合は、暖房モードへ移行する。A/Cスイッチが、ONの場合は、次のステップS400へ移行する。
ステップS400では、TAOが設定値αより小さい場合には、冷房モードへと移行する。αより高い場合には、除湿モードと判定し、次のステップS500へ移行する。ステップS500においては、外気温度Tamが低い場合(例えばT1以下)は、低温域でも高い吹出温度が得られる第2除湿モードへ移行する。T1より高い場合には、次のステップS600へ移行する。ステップS600においては、運転モードを設定して運転する際に吹出温度の検出値TAVと目標吹出温度TAOを比較し、所定値β以下の場合は、そのまま第1除湿モードで運転する。所定値以上の乖離が発生した場合は、高い吹出温度が得られる第2除湿モードへ移行する。
室内凝縮器2と室内蒸発器6に冷媒流れがあって、その各々が熱交換するモードが、除湿モードである。第1除湿モードと第2除湿モードの違いは、室外熱交換器4の冷媒流れであり、第1除湿モードの場合は、室外熱交換器4が、室内蒸発器6に対して直列流れとなる。第2除湿モードの場合は、室外熱交換器4が、室内蒸発器6に対して並列流れになる。第1除湿モードと第2除湿モードは、図2に示すように、目標吹出温度TAOや外気温度Tamなどに応じて使い分けされる。
以上述べたモードの切替時には、流路切替による異音として、ウォータハンマ音が発生する。本実施形態においては、上述のモードの切替時において、圧力脈動の抑制手段として、流体中の気泡で緩衝させる手法等を活用したものである。
冷凍サイクルには、一般的には凝縮器出口のレシーバによるレシーバサイクルと、レシーバの代わりに蒸発器出口に気液分離器(アキュムレータ)を設置したアキュムレータサイクルが存在する。アキュムレータサイクルの気液分離器内は、常に液面が形成されているため飽和液と飽和ガスであり、その飽和ガスが圧縮機に吸入されるため、モリエル線図上で気液分離器出口は、図3に示すように飽和ガス線となる。一方、凝縮器出口はレシーバがないためフリーの状態になり、過冷却持ったり乾き度を持ったり変動することができる。
アキュムレータサイクルの場合、COP(成績係数)を良好にするため、凝縮器出口の冷媒の状態を、図2に見られる過冷却域に来るように、冷凍サイクルを運転するのが通常である。過冷却度SCは、次の式で与えられる。
過冷却度=飽和温度(圧力より一義的に決定)−冷媒温度
モリエル線図上の二相域内では、どこにおいても過冷却度SCはゼロとされる。
本実施形態は、モードの切替時に、凝縮器出口の冷媒の状態を、モリエル線図上の過冷却液域から二相域内に入るように制御した後に、弁切替を行うようにしたものである。これにより、弁切替によって生じる圧力脈動を意図的に、流体中の気泡で緩衝させて、流路切替による異音を緩衝させたものである。
すなわち、図1において、第2開閉弁15を、閉から開(暖房モード→第2除湿モード)、又は、開から閉(第2除湿モード→暖房モード)に切り替える場合には、車室内への吹出空気の目標吹出温度TAOが、一定に維持されるように圧縮機の駆動回転速度IVOを制御するとともに、第1可変絞りEVHの開度を増加させて、凝縮器出口の検出器から得られる冷媒温度及び冷媒圧力によって定まる冷媒の状態が、冷媒のモリエル線図上の過冷却液域から二相域内に入るように制御した後に、第2開閉弁15を切り替えるようにしたものである。本発明の技術思想は、上述の4つの各モードの切替において、適用可能であるが、最も効果が発生する暖房モード→第2除湿モード、第2除湿モード→暖房モードについて詳説する。
(暖房モード→第2除湿モード)
図4は、運転モードを、暖房モードから第2除湿モードに変更するときの冷媒流れが分かるように、太線で示している。図1における運転モード別の冷媒流れは、先の(2)と(4)に示している。第2開閉弁15を閉から開にすると、暖房モード→第2除湿モードに切り替わる。このとき、第1分岐点22は、第1可変絞りEVH通過前で高圧であり、一方、第2合流点25の圧力は(第1可変絞りEVHが制御開度である)室外熱交換器4の出口圧であり、低圧となっている。このような高低差の大きい圧力状態で、第2開閉弁15を閉から開にすると、第2開閉弁15の開弁に伴い、圧力が急上昇することにより、弁下流部に衝撃力を加えることになってしまう。
そこで、図5(a〜g参照)に示すように、各弁の開閉と絞りの開度を調整する。暖房モード時には、所望の空調能力になるように、圧縮機1の回転速度IVOを調整(a)すると共に、検出器11、12の検出値から演算される凝縮器出口冷媒の過冷却度SCが、予め設定した目標過冷却度SCOになるように、室内凝縮器前の空気温度TINに応じて、第1可変絞りEVHの開度を調整する(b)。目標過冷却度SCOの設定は、図6に、室内凝縮器前の空気温度TINと室内凝縮器出口の目標過冷却度SCOとの関係が示されている。図6のように制御すると、概ね、モリエル線図上では、図7のX線のように変位してCOPが良好に維持されている。なお、図7のY線のように飽和液線と平行に維持させるやり方も存在するので、このようにしても良い。
これに対して、第2開閉弁15を開弁して、第2除湿モードへ流路切替をする場合には、所望の能力(TAO一定)になるように圧縮機の回転速度IVOを調整させたまま(c)、検出手段の検出値から演算される凝縮器出口冷媒の過冷却度SCがなくなるように、第1可変絞りEVHの開度を増加(d)した後、第2開閉弁15を開弁(e)する。さらに、第2開閉弁15を開弁(e)する際には、第2可変絞りEVCの閉弁を保持(f)したまま、第2開閉弁15の開弁から所定時間後に、第2可変絞りEVCをゆっくり開弁(g)する。
これにより、凝縮器出口の冷媒の状態を、モリエル線図上の過冷却液域から二相域内に入るように制御した後に、弁切替を行うようにしているので、弁切替によって生じる圧力脈動を意図的に、流体中の気泡で緩衝させて、流路切替による異音を緩衝させることができる。しかも、圧縮機の回転速度を所望の空調能力になるように調整させたまま、第2開閉弁15を開弁するので、従来技術のように、流路切替時に所望の空調能力から低下してしまうようなことがない。
(第2実施形態)
第1実施形態に対して、次の点を変更したものである。それ以外は、第1実施形態と同じである。図8を参照すると、第2開閉弁15を開弁する際に、所望の空調能力(TAO一定)になるように、圧縮機1の回転速度IVOを調整(a)させたまま、予め設定した凝縮器出口冷媒の過冷却度SCに対する開度増加量分ΔEVHだけ、第1可変絞りEVHの開度を増加(b)する。その後に、第2開閉弁15を開弁(c)する。以上の点以外は、第1実施形態と同じである。この場合には、第2開閉弁15の開閉制御が簡単になり、制御スピードを速めることができる。凝縮器出口冷媒の過冷却度SCに対する開度増加量分ΔEVHの設定は、図9のような関数にすると良い。
(第2除湿モード→暖房モード)
次に、図1の冷凍サイクルにおいて、運転モードを第2除湿モードから、暖房モードに変更する場合の制御について述べる。図4を参照すると、下の図から上の図に変更する場合であり、第2開閉弁15を、開から閉に変更する場合に相当する。この場合も、高低差の大きい圧力状態が発生し、第2開閉弁15を開から閉にすると、配管内を流れる流体が閉弁に伴い、流速が急低下することにより、配管系内に圧力上昇を起こし弁体に衝撃力を加えてしまう。
(第3実施形態)
第3実施形態も、第1実施形態と同様に、車室内への吹出空気の目標吹出温度TAOが、一定に維持されるように圧縮機の駆動回転速度IVOを制御するとともに、第1可変絞りEVHの開度を増加させて、凝縮器出口の検出器から得られる冷媒温度及び冷媒圧力によって定まる冷媒の状態が、冷媒のモリエル線図上の過冷却液域から二相域内に入るように制御した後に、第2開閉弁15を閉から開に切り替えるようにしたものである。
図10を参照すると、第2開閉弁15を閉弁する際に、所望の空調能力になるように、圧縮機1の回転速度IVOを調整(a)させたまま、予め設定した凝縮器出口冷媒の過冷却度SCに対する開度増加量分ΔEVHだけ、第1可変絞りEVHの開度を増加(b)した後に、第2開閉弁15を閉弁(c)する。これにより、第1実施形態と同様な効果を得ることができる。
以上の実施形態では、図11に示す室内凝縮器2の温度で直接車室内吹出温度を制御するリヒート温調について説明したが、本発明は、これに限らず従来のエアミックス温調の場合にも、適用可能である。また、これまでの説明のおいては、運転モードを、第2除湿モード、暖房モード間の切替で説明したが、本発明の技術思想は、他のモードとの変更においても、効果が得られるものである。
1 圧縮機
2 室内凝縮器
4 室外熱交換器
7 気液分離器

Claims (8)

  1. 圧縮機(1)、室内凝縮器(2)、第1可変絞り(EVH)、室外熱交換器(4)、気液分離器(7)、前記圧縮機(1)の順に配置されて冷媒が循環する主冷媒回路、及び、
    該主冷媒回路に対して、前記室内凝縮器(2)と第1可変絞り(EVH)の間の第1分岐点(22)で分岐して、第2開閉弁(15)、第2可変絞り(EVC)、室内蒸発器(6)の順に配置されて、前記気液分離器(7)の上流の第1合流点(23)で合流するバイパス回路から構成される冷凍サイクル装置、
    前記室内凝縮器(2)出口の冷媒温度及び冷媒圧力の検出器、並びに、
    前記冷凍サイクル装置によって車室内への吹出空気の空調を行う空調ユニット(18)、を具備する車両用空調装置において、
    前記第2開閉弁(15)を、閉から開、又は、開から閉に切り替える場合には、
    車室内への吹出空気の目標吹出温度(TAO)が、一定に維持されるように前記圧縮機の駆動回転速度(IVO)を制御するとともに、
    前記第1可変絞り(EVH)の開度を増加させて、前記検出器から得られる冷媒温度及び冷媒圧力によって定まる冷媒の状態が、前記冷媒のモリエル線図上の過冷却液域から気液二相域内に入るように制御した後に、前記第2開閉弁(15)を切り替え
    前記第2開閉弁(15)を切り替えない時には、成績係数(COP)を良好にするように、前記室内凝縮器出口の冷媒の状態を過冷却液域に来るように前記冷凍サイクル装置を運転し、
    前記第2開閉弁(15)を切り替える時には、異音防止のために、気液二相域の状態になるように前記第1可変絞り(EVH)の開度を制御することを特徴とした車両用空調装置。
  2. 前記検出器から演算された過冷却度(SC)がゼロになるように、前記第1可変絞り(EVH)の開度を制御したことを特徴とする請求項1に記載の車両用空調装置。
  3. 前記第1可変絞り(EVH)の開度を増加させる場合には、該開度を前記検出器から演算された過冷却度(SC)に応じた所定値(△EVH)としたことを特徴とする請求項2に記載の車両用空調装置。
  4. 前記第2開閉弁(15)を閉から開に切り替える場合には、予め、前記第2可変絞り(EVC)を閉に保持しておき、前記第2開閉弁(15)の切り替え時から所定時間後に、第2可変絞り(EVC)の開度を徐徐に増加させたことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の車両用空調装置。
  5. 前記第2開閉弁(15)が閉の場合は、前記冷凍サイクル装置が、暖房モードを構成し、前記第2開閉弁(15)が開の場合は、第2除湿モードを構成することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の車両用空調装置。
  6. 前記主冷媒回路において、前記室外熱交換器(4)と前記気液分離器(7)との間に、第1開閉弁(8)を配置し、
    前記室外熱交換器(4)と前記第1開閉弁(8)の間の第2分岐点(24)と、
    前記バイパス回路における前記第2開閉弁(15)と前記第2可変絞り(EVC)との間の第2合流点(25)とが、逆止弁を介して接続していることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の車両用空調装置。
  7. 前記第1開閉弁(8)と前記第2開閉弁(15)を共に閉とし、前記第1可変絞り(EVH)を全開とした場合は、前記冷凍サイクル装置が、冷房モードを構成す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. 前記第1開閉弁(8)と前記第2開閉弁(15)を共に閉とした場合は、前記冷凍サイクル装置が、第1除湿モードを構成することを特徴とする請求項6に記載の車両用空調装置。
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