JP5984579B2 - 車両用空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用空調装置に関し、詳しくは、ＨＶＡＣ（Heating Ventilation & Air Conditioning）ユニットを備えた電気自動車に好適な車両用空調装置に関する。

この種の車両用空調装置のＨＶＡＣユニットには、車室内外の空気を導入するための導入口、車室内に空気を吹き出すための吹出口、導入口と吹出口との間に壁部に沿った空気流路を形成するケーシング、すなわち送風ダクトを備えている。
そして、空気流路には、内部を流れる低温冷媒との熱交換によって空気を冷却する蒸発器が配され、空気流路の蒸発器の下流側には、蒸発器を流通した空気との熱交換によってガス冷媒を凝縮し、空気を加熱する室内凝縮器が配されている。これら蒸発器及び室内凝縮器は圧縮機やレシーバ等の他の構成機器とともに冷凍サイクルを構成している（例えば特許文献１参照）。

また、ＨＶＡＣユニットに配される室内凝縮器を凝縮部と、凝縮部で凝縮された後の液冷媒を冷却する過冷却部（サブクール部）とから構成したものが開示されている（例えば特許文献２参照）。

特許第２９６２０１９号公報 特開２００６−３３６９０９号公報

しかしながら、上記特許文献２の室内凝縮器では、凝縮部と過冷却部との熱伝導率の違い、すなわち流通される空気と凝縮部、過冷却部のそれぞれの熱交換効率の違いについて格別な配慮がなされていない。従って、空調装置の空調能力及び空調効率の向上、ひいては空調装置の消費エネルギ低減について依然として課題が残されている。特に電気自動車においては、限られた蓄電容量の中で電力消費量を低減しながら効率的な空調装置の運転が求められている。

本発明は上述の事情に基づいてなされ、その目的とするところは、空調能力及び空調効率の向上、ひいては消費エネルギ低減を実現することができる車両用空調装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の車両用空調装置は、車室内外の空気を導入するための導入口、及び車室内に空気を吹き出すための吹出口を有し、導入口と吹出口との間に壁部に沿った空気流路を形成するケーシングと、空気流路に配され、内部を流れる低温冷媒との熱交換によって空気を冷却する蒸発器と、空気流路の蒸発器の下流側に配され、蒸発器を流通した空気との熱交換によってガス冷媒を凝縮する凝縮部、凝縮部で凝縮された液冷媒を過冷却する過冷却部を有し、凝縮部及び過冷却部を流れる冷媒との熱交換によって空気を加熱する室内凝縮器と、空気流路の蒸発器と室内凝縮器との間に配され、開動作により、空気を室内凝縮器に流通させる凝縮器への流路を形成するとともに、閉動作により、室内凝縮器をバイパスして空気を流すバイパス流路を形成するダンパとを備え、過冷却部は、凝縮器への流路を流れる空気の主流が流通する室内凝縮器の主流領域に配され、室内凝縮器は、過冷却部及び凝縮部が凝縮器への流路に面して並んで区画して位置付けられたコア部を有する。

具体的には、空気の主流は、ダンパと壁部との間を流通して室内凝縮器に至り、且つ、少なくともダンパ及び壁部の一方の凝縮器への流路を形成する側の面に沿う方向に流れる。
好ましくは、過冷却部は、少なくともダンパ及び壁部の一方の凝縮器への流路を形成する側の面に沿う方向に位置付けられる。

本発明によれば、過冷却部が室内凝縮器の主流領域に配されることにより、室内凝縮器を流通する空気を過冷却部の液冷媒と積極的に熱交換させることができる。主流の空気を凝縮部を流れるガス冷媒よりも過冷却部を流れる液冷媒と積極的に熱交換させることにより、一般に液体は気体よりも分子間力が強く、熱容量も大きいため、熱伝導率が高くなることから、また、主流は流れ全体において流速が速い領域であることから、室内凝縮器全体の熱交換効率が向上し、空調装置の動力又は電力一定条件下では、吹出口から吹き出される空気温度を短時間で効率的に加熱することができる。一方、空調装置の吹出空気温度一定条件下では、空調装置の消費動力又は消費電力を効果的に低減することができる。従って、空調装置の空調能力及び空調効率の向上、ひいては空調装置の消費エネルギ低減を実現することができる。
しかも、室内凝縮器は、過冷却部及び凝縮部が凝縮器への流路に面して並んで区画して位置付けられたコア部を有することにより、過冷却部が凝縮器への流路に面して位置付けられ、カウンターフロー等のマルチフロータイプであって、熱交換のコア部の正面と背面とに区画されたパス割りが行われている室内凝縮器であっても、過冷却部に主流を最初に流通させることができるため、空調装置の空調能力及び空調効率の向上、ひいては空調装置の消費エネルギ低減を更に確実に実現することができる。

具体的には、空気の主流は、ダンパと壁部との間を流通して室内凝縮器に至り、且つ、少なくともダンパ及び壁部の一方の凝縮器への流路を形成する側の面に沿う方向に流れる。
また、過冷却部が少なくともダンパ及び壁部の一方の凝縮器への流路を形成する側の面に沿う方向に位置付けられることにより、ダンパが凝縮器への流路を全開とするときは主流を壁部に沿わせて過冷却部に導き、一方、ダンパが凝縮器への流路を閉塞する閉方向に動作するときはダンパと壁部との間で偏向された主流を少なくともダンパ及び壁部の一方の凝縮器への流路を形成する側の面に沿わせて過冷却部に導くことができる。従って、空気流路の形状、壁部の形状、ダンパの開度、空気流路における室内凝縮器の設置状況にかかわらず、主流を過冷却部に確実に導くことができるため、空調装置の空調能力及び空調効率の向上、ひいては空調装置の消費エネルギ低減を確実に実現することができる。

本発明の一実施形態に係る車両用空調装置のＨＶＡＣユニットの縦断面図である。 図１の室内凝縮器を模式的に示した斜視図である。 図１の空調装置の温度調節時における主流の流れを示した図である。 図１の空調装置の冷房出力最大時における主流の流れを示した図である。 本発明の変形例に係る室内凝縮器をコア部の背面から模式的に示した斜視図である。 図５の室内凝縮器をコア部の正面から模式的に示した斜視図である。

図１は本発明の一実施形態に係る車両用空調装置１のＨＶＡＣユニット２の縦断面図である。ＨＶＡＣユニット２は、車両の車室内前方側に搭載され、車両のエンジンルームと車室内とを区画するファイヤーウォールの車室内側面に固定されている。
ＨＶＡＣユニット２は、内部に壁部４に沿った空気流路６を形成するケーシング８を備え、空気流路６は車室内外の空気を導入するための導入口１０と、車室内に空気を吹き出すための吹出口１２との間に形成されている。

詳しくは、ケーシング８には、導入口１０として、ケーシング８内に車室外の空気を導入するための外気導入口１０Ａと、ケーシング２内に車室内の空気を導入するための内気導入口１０Ｂとが形成され、ケーシング８には、これら導入口１０Ａ，１０Ｂからケーシング８内に空気を導入するための送風ファン１４が内設されている。
また、ケーシング８には、吹出口１２として、フット用吹出口１２Ａ、フェイス用吹出口１２Ｂ、デフロスタ用吹出口１２Ｃが形成されている。

これら吹出口１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、フェイス・フット切替ダンパ１６Ａ、フット・デフロスタ切替ダンパ１６Ｂによって開閉される。なお、図１及び後述する図３，図４では、フット用吹出口１２Ａはフェイス・フット切替ダンパ１６Ａによって開放され、フェイス用吹出口１２Ｂ、デフロスタ用吹出口１２Ｃは、フェイス・フット切替ダンパ１６Ａ、フット・デフロスタ切替ダンパ１６Ｂによって閉塞されている。

空調装置１の図示しない操作パネルを乗員が操作することによって、各ダンパ１６Ａ，１６Ｂが開閉され、各吹出口１２Ａ〜１２Ｃから設定された温度の空気の吹き出しが行われ、特にデフロスタ用吹出口１２Ｃから高温の空気を吹き出させることにより車両のフロントガラスの着霜等を除去可能である。
また、ケーシング２内の空気流路６には、空気の流れ方向から順に、蒸発器１８、室内凝縮器２０が配置されている。蒸発器１８及び室内凝縮器２０は、何れも図示しない圧縮機、レシーバ、膨張機、室外熱交換器等の他の構成機器とともに冷媒回路であるヒートポンプ回路２２を構成している。

蒸発器１８は、その内部を流れる低温冷媒との熱交換によって空気を冷却している。
室内凝縮器２０は、空気流路６の蒸発器１８の下流側に配され、その内部を流れる高温冷媒との熱交換によって蒸発器１８を流通した空気を加熱する一方、冷媒を凝縮する。
詳しくは、室内凝縮器２０は、高温のガス冷媒を凝縮する凝縮部２４と、凝縮部２４で凝縮された液冷媒を過冷却する過冷却部２６とを有して構成され、凝縮部２４及び過冷却部２６を流れる冷媒との熱交換によって蒸発器１８を流通した空気を加熱している。

また、空気流路６の蒸発器１８と室内凝縮器２０との間にはダンパ２８が配置されている。空調装置１の操作パネルを乗員が操作することによって、各吹出口１２Ａ〜１２Ｃから設定された温度の空気の吹き出しが行われるが、この空気の温度調整にはダンパ２８の開閉が利用される。
詳しくは、ダンパ２８は蒸発器１８を流通した空気と室内凝縮器２０を流通した空気とを混合させて各吹出口１２Ａ〜１２Ｃに導くエアミックスダンパであって、ダンパ２８を開動作させることにより、空気を室内凝縮器２０に流通させる流路３０が形成される。一方、後述する図３に示されるように、ダンパ２８を閉動作させることにより、室内凝縮器２０をバイパスして空気を流すバイパス流路３２が形成される。

図２は本実施例の室内凝縮器２０を模式的に示した斜視図である。室内凝縮器２０において熱交換が行われる熱交換のコア部３４は凝縮部２４と過冷却部２６との２箇所に区画されている。
先ず、ヒートポンプ回路２２から導入された高温のガス冷媒は、矢印で示すように、コア部３４の下部に位置する凝縮部２４に流入されて蒸発器１８を流通した後の低温空気との熱交換により凝縮される。次に、凝縮された冷媒はレシーバドライヤ３６で気液分離された後、液冷媒のみが汲み上げられ、コア部３４の上部に位置する過冷却部２６に流入されて蒸発器１８を流通した後の低温空気との熱交換により冷却され、同時に低温空気が加熱される。このように、コア部３４に過冷却部２６を設けて冷媒の凝縮、過冷却を段階的に行うことにより、冷凍サイクルのＣＯＰが向上することが一般に知られている。

ここで、本実施例の過冷却部２６は、流路３０を流れる蒸発器１８を流通した直後の主流３８が流通する室内凝縮器２０の主流領域４０に配置されている。室内凝縮器２０における主流領域４０は、その位置が空気流路６の形状、壁部４の形状、ダンパ２８の開度、空気流路６における室内凝縮器２０の設置状況（レイアウト、傾斜角度等）によって偏向される主流３８の流路に左右され、本実施例の場合にはコア部３４の上部に位置付けられている。主流３８は、ダンパ２８と壁部４との間を流通して室内凝縮器２０に至り、且つ、少なくともダンパ２８及び壁部４の一方の流路３０を形成する側の面に沿う方向に流れ、剥離流やその境界の境界層流に比して速い流速を有する流れである。

図１は空調装置１の暖房出力最大時を示しており、ダンパ２８が流路３０を全開とし、バイパス流路３２を全閉としている。このとき、蒸発器１８を流通した後の主流３８は流路３０に全て流入し、主流領域４０に位置づけられた過冷却部２６を流通する。
図３は空調装置１の温度調節時における主流３８の流れを示しており、ダンパ２８が流路３０を半開（５０％開度）とし、バイパス流路３２を半閉（５０％開度）とする中間位置となっている。このとき、蒸発器１８を流通した後に流路３０に流入する主流３６は、ダンパ２８と、これに対向する流路３０の壁部４とによって偏向され、図１の暖房出力最大時に比して主流３８が上側に若干移動する。

これは、ダンパ２８に対向する流路３０の壁部４が図３で見て左斜上傾斜をなす形状を有し、更に、ダンパ２８が閉方向に動作することによってダンパ２８が壁部４と平行に傾斜することにより、流路３０が左斜上傾斜の流路形状となることによる。しかし、この場合であっても主流領域４０、すなわち過冷却部２６がコア部３４の上部に位置付けられていることにより、主流３８が過冷却部２６を引き続き流通している。

図４は空調装置１の冷房出力最大時における主流３８の流れを示しており、ダンパ２８が流路３０を全閉とし、バイパス流路３２を全開としている。このとき、蒸発器１８を流通した後の主流３８は全てバイパス流路３２に流入する。ダンパ２８の開度が図３の中間位置から図４の全閉位置にかけて変化する中途においても、流路３０が左斜上傾斜の流路形状となることにより、流路３０を流通する主流３８は過冷却部２６を引き続き流通することとなる。

以上のように本実施例の車両用空調装置１は、過冷却部２６が室内凝縮器２０の主流領域４０に配されることにより、室内凝縮器２０を流通する空気を過冷却部２６の液冷媒と積極的に熱交換させることができる。主流３８の空気を凝縮部２４を流れるガス冷媒よりも過冷却部２６を流れる液冷媒と積極的に熱交換させることにより、一般に液体は気体よりも分子間力が強く、熱容量も大きいため、熱伝導率が高くなることから、また、主流３８は流れ全体において流速が速い領域であることから、室内凝縮器２０全体の熱交換効率が向上し、空調装置１の動力又は電力一定条件下では、吹出口１２Ａ〜１２Ｃから吹き出される空気温度を短時間で効率的に加熱することができる。一方、空調装置１の吹出空気温度一定条件下では、空調装置１の消費動力又は消費電力を効果的に低減することができる。従って、空調装置１の空調能力及び空調効率の向上、ひいては空調装置１の消費エネルギ低減を実現することができる。

本発明は、上述の実施形態に制約されるものではなく種々の変形が可能である。
例えば、上記実施例では、コア部３４の上部に過冷却部２６が位置付けられているが、これに限らず、過冷却部２６がコア部３４の主流領域４０に位置付けられるのであれば、コア部３４の下部であっても良いし、中間部であっても良い。
具体的には、過冷却部２６は、少なくともダンパ２８及び壁部４の一方の流路３０を形成する側の面に沿う方向に位置付けられ、より詳しくは、ダンパ２８の開閉に応じて流路形状が変化する流路３０の延長線上に位置付けられれば良い。

これにより、ダンパ２８が流路３０を全開とするときは主流３８を壁部４に沿わせて過冷却部２６に導き、一方、ダンパ２８が流路３０を閉塞する閉方向に動作するときはダンパ２８と壁部４との間で偏向された主流３８を少なくともダンパ２８及び壁部４の一方に沿わせて過冷却部２６に導くことができる。従って、空気流路６の形状、壁部４の形状、ダンパ２８の開度、空気流路６における室内凝縮器２０の設置状況にかかわらず、主流３８を過冷却部２６に確実に導くことができるため、空調装置１の空調能力及び空調効率の向上、ひいては空調装置１の消費エネルギ低減を確実に実現することができる。

また、上記実施例では、１パスのサブクールタイプの室内凝縮器２０を採用しているが、室内凝縮器２０の仕様はこれに限定されない。
具体的には図５及び図６に示されるように、カウンターフロー等のマルチフロータイプであって、コア部３４の正面３４Ａと背面３４Ｂとに区画された３箇所の凝縮部２４と、正面３４Ａに区画された過冷却部２６とを有する室内凝縮器４２にも適用可能である。この場合、ヒートポンプ回路２２から導入された高温のガス冷媒は、矢印で示すように、コア部３４の背面３４Ｂの上部に位置する凝縮部２４に流入され、次に背面３４Ｂの下部に位置する凝縮部２４に流入される。

次に、冷媒が正面３４Ａの下部に位置する凝縮部２４に流入されることにより、蒸発器１８を流通した後の低温空気との熱交換により凝縮される。次に、凝縮された冷媒はレシーバドライヤ３６で気液分離された後、液冷媒のみが汲み上げられ、正面３４Ａの上部に位置する過冷却部２６に流入されて蒸発器１８を流通した後の低温空気との熱交換により冷却され、同時に低温空気が加熱される。このように、過冷却部２６を流路３０に面した正面３４Ａに位置付けることにより、過冷却部２６に蒸発器１８を流通した直後の主流３８を最初に流通させることができるため、空調装置１の空調能力及び空調効率の向上、ひいては空調装置１の消費エネルギ低減を更に確実に実現することができる。

１ 車両用空調装置
４ 壁部
６ 空気流路
８ ケーシング
１２ 吹出口
１２Ａ フット用吹出口（吹出口）
１２Ｂ フェイス用吹出口（吹出口）
１２Ｃ デフロスタ用吹出口（吹出口）
１０ 導入口
１０Ａ 外気導入口（導入口）
１０Ｂ 内気導入口（導入口）
１８ 蒸発器
２０ 室内凝縮器
２４ 凝縮部
２６ 過冷却部
２８ ダンパ
３０ 流路
３２ バイパス流路
３８ 主流
４０ 主流領域

Claims (3)

1. 車室内外の空気を導入するための導入口、及び前記車室内に空気を吹き出すための吹出口を有し、前記導入口と前記吹出口との間に壁部に沿った空気流路を形成するケーシングと、
   前記空気流路に配され、内部を流れる低温冷媒との熱交換によって空気を冷却する蒸発器と、
   前記空気流路の前記蒸発器の下流側に配され、前記蒸発器を流通した空気との熱交換によってガス冷媒を凝縮する凝縮部、前記凝縮部で凝縮された液冷媒を過冷却する過冷却部を有し、前記凝縮部及び前記過冷却部を流れる冷媒との熱交換によって空気を加熱する室内凝縮器と、
   前記空気流路の前記蒸発器と前記室内凝縮器との間に配され、開動作により、空気を前記室内凝縮器に流通させる凝縮器への流路を形成するとともに、閉動作により、前記室内凝縮器をバイパスして空気を流すバイパス流路を形成するダンパと
   を備え、
   前記過冷却部は、前記凝縮器への流路を流れる空気の主流が流通する前記室内凝縮器の主流領域に配され、
   前記室内凝縮器は、前記過冷却部及び前記凝縮部が前記凝縮器への流路に面して並んで区画して位置付けられたコア部を有することを特徴とする車両用空調装置。
2. 前記空気の主流は、前記ダンパと前記壁部との間を流通して前記室内凝縮器に至り、且つ、少なくとも前記ダンパ及び前記壁部の一方の前記凝縮器への流路を形成する側の面に沿う方向に流れ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. 前記過冷却部は、少なくとも前記ダンパ及び前記壁部の一方の前記面に沿う方向に位置付けられることを特徴とする請求項２に記載の車両用空調装置。