JP6641863B2 - 車両用空調システム、車両、及び車両の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、サブラジエータ用の冷却水で冷媒を冷却する水冷式のコンデンサと過冷却器を備えた車両用空調システム及び車両に関する。

一般に、車両用空調システム（車両用エアコン）は、コンプレッサ（圧縮器）、コンデンサ（凝縮器）、膨張弁及びエバポレータ（蒸発器）を備え、大気やサブラジエータ用の冷却水等で冷媒を冷却しながら、コンプレッサ、コンデンサ、膨張弁、エバポレータ、コンプレッサの順に循環させることで、車両の内部を冷却している。

このコンデンサは、空冷式では、１．５ｂａｒ〜２．０ｂａｒの圧力の冷媒を大気で冷却して大気温度の付近で凝縮して気体から液体にしている。一方、水冷式では、低水温型のサブラジエータで大気温度よりも５℃〜１０℃高い温度に冷却される冷却水を用いており、そのため、空冷に比べてコンデンサの出口の冷媒温度が高くなる。

そのため、冷却水温を下げるためにサブラジエータの拡大やこのサブラジエータに送風するための冷却ファンの風量を増加する必要が生じたり、冷却水量の増加のために冷却ポンプの性能を増強したり、冷媒の圧力を高めるためにコンプレッサの性能を増強したり、コンデンサを出た冷媒を過冷却する必要が生じる。

しかしながら、水冷式は、空冷式に比べて、コンデンサを走行風が当たり易い車両の一番前に配置する必要がなく、コンデンサをサブラジエータと室内機の間に配置することができ、また、さらには、コンデンサを室内機と一体化してコンパクトなものにすることが可能となるという利点を持っている。

例えば、図３又は図６に示すように、この水冷式の車両用空調システム４０Ｘ、４０Ｙは、車両の冷却システム１Ｘ、１Ｙに組み込まれて、サブラジエータ３０で冷却された冷却水Ｗｓがポンプ３１で、凝縮用装置４２Ｘ、４２Ｙに送られて、冷媒ＲＧを冷却した後、サブラジエータ３０に戻っている。一方、ラジエータ２０で冷却されたエンジン冷却水Ｗは、ポンプ２２で、エンジン本体１１に送られてエンジン本体１１を冷却した後、サーモスタット２３を経由してラジエータ２０に戻る。なお、エンジン冷却水Ｗの水温によりラジエータ２０をバイパスする。

図４〜図５、又は図７に示すように、この車両用空調システム４０Ｘ、４０Ｙでは、冷媒ＲＧをコンプレッサ４１で圧縮して高温高圧化した半液体状態とし、この冷媒ＲＧを凝縮用装置４２Ｘ、４２Ｙで冷却水Ｗｓと熱交換させて凝縮及び液化して、さらに、熱交換器４６を経由させて低温化して、膨張弁４３で気化乃至霧化させた後で、エバポレータ４４に通過させる。冷媒ＲＧはエバポレータ４４で周辺の気体と熱交換して摂氏数度の低温低圧気体状態となり、さらに熱交換器４６で、膨張弁４３を通過前の液体状態の冷媒ＲＧと熱交換した後、コンプレッサ４１に戻り、再循環する。

そして、この車両用空調システム４０Ｘ、４０Ｙでは、冷媒ＲＧがエバポレータ４４で、エバポレータ４４の周辺に設置したブロワファン（図示しない）からの送風気体と熱交換することにより、この送風気体を冷却し、この冷却した送風気体を車両の内部に供給して、車両の内部を冷却している。

より詳細には、凝縮用装置４２Ｘ、４２Ｙのコンデンサ４２ａでは、冷媒ＲＧを冷却水Ｗｓで冷却することで、凝縮して気体から液体にするが、冷媒ＲＧの一部は凝縮されずに気体のままになっているので、図３〜図５に示すように、凝縮用装置４２Ｘの内部にモジュレータ（気液分離部）４２ｂを設けたり、図６に示すように、凝縮用装置４２Ｙとは別にレシーバ（気液分離部）４７を設置したりして、液体と気体を分離して、液体のみが下流側の膨張弁４３に流入するように構成されている。

更に、この凝縮用装置４２Ｘでは、図３〜図５に示すように、モジュレータ４２ｂの下流側にサブクール（過冷却器）４２ｃを備えて冷媒ＲＧを冷却水Ｗｓでさらに冷却することで、冷媒ＲＧが有するエネルギー（エンタルピー）を増大させている。つまり、図７に示す、過冷却工程ＳＣの幅を長くしている。また、図３及び図６に示す構成では、この凝縮用装置４２Ｘを出た冷媒ＲＧを更に過冷却するために、さらに、二重管構造の冷媒間熱交換器４６を設けて、凝縮用装置４２Ｘを出た冷媒ＲＧを、エバポレータ４４を通過した後の冷媒ＲＧで冷却している。

これに関連して、冷媒凝縮器（サブクール）で過冷却状態にした液体状態の冷媒を、蒸発器（エバポレータ）で低温低圧化した気体状態の冷媒で冷却する熱交換器を二重管構造で形成し、この二重管構造の一方の第１冷媒流管に液体状態の冷媒を通過させ、他方の第２冷媒流路に気体状態の冷媒を通過させる冷凍サイクル装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、この熱交換器を二重管構造で構成している場合には伝熱面積が限られてしまうため、過冷却の度合いを高めるのに限度がある上に、配管が特別な二重配管構造となるため、車両に搭載する際の配管作業が特殊化し、工作性が悪化するという問題がある。

特許第４１１４４７１号

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、サブラジエータ用の冷却水で冷媒を冷却する水冷式のコンデンサとサブクールを備えた車両用空調システムにおいて、水冷式のコンデンサを出た冷媒を十分に過冷却することができて、車両内部の冷却効率を向上させることができると共に、車両に搭載する際の配管作業の工作性を向上できる、車両用空調システム及び車両を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の車両用空調システムは、冷媒を、圧縮器、凝縮器、気液分離器、前段過冷却器、後段過冷却器、膨張弁、蒸発器、および、前記圧縮器の順に循環させて、車両の内部を冷却する車両用空調システムにおいて、前記凝縮器、前記前段過冷却器、および、前記後段過冷却器を一つのモジュール化した凝縮用装置を備え、前記凝縮用装置は、冷媒用第一入口、冷媒用第一出口、冷媒用第二入口、冷媒用第二出口、冷媒用第三入口、冷媒用第三出口、冷却水用入口、および、冷却水用出口と、前記冷媒用第一入口および前記冷媒用第一出口を結ぶ冷媒用第一流路と、前記冷媒用第二入口および前記冷媒用第二出口を結ぶ冷媒用第二流路と、前記冷媒用第三入口および前記冷媒用第三出口を結ぶ冷媒用第三流路と、前記冷却水用入口および前記冷却水用出口を結ぶ冷却水用流路を有し、前記冷媒用第一入口および前記冷媒用第一出口が前記凝縮器に配置され、前記冷媒用第二入口が前記前段過冷却器に配置されるとともに前記冷媒用第二出口が前記後段過冷却器に配置され、前記冷媒用第三入口および前記冷媒用第三出口が前記後段過冷却器に配置され、前記冷却水用入口が前記前段過冷却器に配置されるとともに前記冷却水用出口が前記凝縮器に配置され、サブラジエータからの冷却水が、前記冷却水用流路を前記前段過冷却器および前記凝縮器の順に流れ、冷媒が、前記圧縮器、前記冷媒用第一流路、前記気液分離器、前記冷媒用第二流路、前記膨張弁、前記蒸発器、前記冷媒用第三流路、および、前記圧縮器の順に循環し、前記凝縮器および前記前段過冷却器で冷媒と冷却水とが対向流の形で流れ、前記後段過冷却器で前記前段過冷却器を通過した後の冷媒と前記蒸発器を通過した後の冷媒とが対向流の形で流れることを特徴とする。

すなわち、本発明の車両用空調システムでは、蒸発器を通過した後の気体の冷媒で過冷却する際に、従来技術における、水冷式の過冷却器を出た後の液体の冷媒をコンデンサとは別体に形成された伝熱面積に限度がある二重管構造の熱交換器を用いる替りに、凝縮器と同じタイプの伝熱面積を十分に大きくすることができる熱交換器で形成される後段過冷却器を用いる。

この構成によれば、従来技術の液ガスの二重管構造の熱交換器に比べて、凝縮器と同じタイプの多板式や多管式等の熱交換器を使用して伝熱面積を大きく取ることができるので、十分に過冷却することができ、また、凝縮器と一つのモジュールにしているので、全体をコンパクトに形成でき、製造が容易となる。また、車両への搭載時における、凝縮器と前段過冷却器と後段過冷却器との間の配管作業と、二重配管構造の配管作業がなくなり、工作性を向上することができる。また、前段過冷却器と後段過冷却器を凝縮器と同じタイプの熱交換器で構成し易くなる。

また、上記の目的を達成するための本発明の車両は、上記の車両用空調システムを備えて構成され、上記の車両用空調システムと同様の作用効果を奏することができる。

本発明の車両用空調システム及び車両によれば、サブラジエータ用の冷却水で冷媒を冷却する水冷式のコンデンサとサブクールを備えた車両用空調システムにおいて、水冷式のコンデンサを出た冷媒を十分に過冷却することができて、車両内部の冷却効率を向上させることができると共に、車両に搭載する際の配管作業の工作性を向上できる。

本発明に係る実施の形態の車両の冷却システムの構成を模式的に示す図である。 図１の車両用空調システムの構成を示す図である。 従来技術に係る車両の冷却システムで、モジュレータを設けた構成を模式的に示す図である。 図３の車両用空調システムの構成を模式的に示す図である。 図４のコンデンサとモジュレータとサブクールの構成を模式的に示す図である。 従来技術に係る車両の冷却システムで、レシーバを設けた構成を模式的に示す図である。 車両用空調システムにおける、冷却サイクルの「ｐ−ｈ線図（モリエル線図）」を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の車両用空調システム及び車両について図面を参照しながら説明する。なお、本発明に係る実施の形態の車両は、本発明に係る実施の形態の車両用空調システム４０を備えて構成され、後述する車両用空調システム４０が奏する作用効果と同様の作用効果を奏することができる。

図１に示すように、本発明に係る実施の形態の車両の冷却システム１を備える車両には、エンジン（内燃機関）１０が搭載される。このエンジン１０は、エンジン本体１１と吸気通路１２と排気通路１３とＥＧＲ通路１４を備えている。

吸気通路１２は、吸気マニホールド１１ａに接続し、上流側より順に、エアクリーナ１５、空気流量（ＭＡＦ）センサ（図示しない）、ターボ式過給システム１６Ｓのターボチャージャ（ターボ式過給機）１６のコンプレッサ１６ｂ、後述するサブラジエータ３０用の冷却水Ｗｓを冷却媒体とする水冷式インタークーラ１７が設けられている。

また、排気通路１３は、排気マニホールド１１ｂに接続し、上流側より順に、ターボチャージャ１６のタービン１６ａ、排気ガス浄化処理装置１８が設けられている。また、ＥＧＲ通路１４は、排気マニホールド１１ｂと吸気マニホールド１１ａとを接続して設けられ、上流側より順に、ＥＧＲバルブ１４ａ、ＥＧＲクーラ１４ｂが設けられている。

そして、大気から導入される新気Ａが、必要に応じて、ＥＧＲ通路１４から吸気マニホールド１１ａに流入するＥＧＲガスＧｅを伴って、気筒（シリンダ）１０ａ内の燃焼室（図示しない）に送られ、燃焼室にて燃料噴射装置（図示しない）より噴射された燃料と混合圧縮されて、燃料が燃焼することで、エンジン１０に動力を発生させる。そして、エンジン１０での燃焼により発生した排気ガスＧが、排気マニホールド１１ｂに流出し、その一部はＥＧＲ通路１４にＥＧＲガスＧｅとして流れ、残りの排気ガスＧａ（＝Ｇ−Ｇｅ）は、排気通路１３に流出して、タービン１６ａを経由して、排気ガス浄化処理装置１８により浄化処理された後、排気ガスＧｃとして、マフラー（図示しない）を経由して大気へ放出される。

また、図１に示すように、車両の冷却システム１のエンジン１０の前方に設けた空冷のメインラジエータ２０を含む冷却水Ｗのメインラインでは、エンジン冷却水Ｗを、メインラジエータ２０、ポンプ２２、エンジン本体１１、一部がＥＧＲクーラ１４ｂ、サーモスタット（流路切替弁）２３を順に循環させて、エンジン本体１１とＥＧＲクーラ１４ｂを流れるＥＧＲガスＧｅ等を冷却する。そして、エンジン本体１１とＥＧＲクーラ１４ｂを通過後昇温したエンジン冷却水Ｗは、メインラジエータ２０で、このメインラジエータ２０の近傍に設けた冷却ファン２１により発生した冷却風（大気）ＣＡにより冷却される。

また、メインラジエータ２０の前方にサブラジエータ３０が設けられる。サブラジエータ３０を含む冷却水のサブラインでは、冷却水Ｗｓを、サブラジエータ３０、ポンプ３１、並行して設けられた水冷式のインタークーラ１７と水冷式のコンデンサ４２を順に循環させて、インタークーラ１７を流れる吸気やコンデンサ４２を流れる冷媒ＲＧを冷却する。そして、インタークーラ１７やコンデンサ４２を通過後昇温した冷却水Ｗｓは、サブラジエータ３０で、上述した冷却ファン２１により発生した冷却風ＣＡにより冷却される。

なお、図１に示すように、車両の前方からサブラジエータ３０、メインラジエータ２０、冷却ファン２１、エンジン本体１１の順に配置するのが通常であるが、メインラジエータ２０、サブラジエータ３０、冷却ファン２１、エンジン本体１１の順に配置してもよい。また、図１の構成では、サブラジエータ３０用の冷却水Ｗｓのサブラインを、メインラジエータ２０用のエンジン冷却水Ｗのメインラインとは独立した構成として示しているが、サブラインとメインラインが交わってエンジン冷却水Ｗと冷却水Ｗｓが混合する構成としてもよい。

そして、図１、図２に示すように、本発明に係る実施の形態の車両には、車両の内部を冷却するために、本発明に係る実施の形態の車両用空調システム４０が配設される。この車両用空調システム４０は、コンプレッサ（圧縮器）４１、水冷式の凝縮用装置４２、膨張弁４３、エバポレータ（蒸発器）４４及びアキュムレータ４５を備えて構成され、この順で冷媒ＲＧを循環させることで、車両の内部を冷却する。なお、アキュムレータ４５は、冷媒ＲＧがコンプレッサ４１に流入する前までに、冷媒ＲＧが完全に気体化していることが期待できる場合には、省いてもよい。

この凝縮用装置４２は、冷媒ＲＧをサブラジエータ３０からの冷却水Ｗｓで冷却して凝縮するコンデンサ（凝縮器）４２ａと、この凝縮した冷媒ＲＧを気液分離するモジュレータ（気液分離器）４２ｂと、気液分離後の液体の冷媒ＲＧを更に過冷却するサブクール（過冷却器）４２ｃを有して構成される。このモジュレータ４２ｂには、冷乾燥剤が封入されており、この冷乾燥剤により、気体の冷媒ＲＧを分離して、液体の冷媒ＲＧのみをサブクール４２ｃ側に流す。なお、図５に模式的に示すように、凝縮部４２ａ及びサブクール４２ｃを流れる冷却水Ｗｓと冷媒ＲＧは、対向流の形で流して、冷却水Ｗｓと冷媒ＲＧの熱交換量を大きくして、熱交換効率を高めることが好ましい。

そして、本発明では、凝縮用装置４２のサブクール４２ｃを、モジュレータ４２ｂを通過した後の冷媒ＲＧを冷却水Ｗｓで過冷却する前段過冷却器４２ｃａと、この前段過冷却器４２ｃａを通過した冷媒ＲＧをエバポレータ（蒸発器）４４を通過した後の冷媒ＲＧで過冷却する後段過冷却器４２ｃｂとで構成し、さらに、前段過冷却器４２ｃａと後段過冷却器４２ｃｂとをコンデンサ４２ａと一つのモジュールにする。さらには、前段過冷却器４２ｃａと後段過冷却器４２ｃｂとコンデンサ４２ａとを同じタイプの熱交換器、例えば、多板式熱交換器や多管式熱交換器で構成する。

より詳細には、冷媒ＲＧをコンプレッサ４１で圧縮して高温高圧化した半液体状態とし、この冷媒ＲＧを凝縮用装置４２のコンデンサ（凝縮器）４２ａで、サブラジエータ３０からの冷却水Ｗｓで冷却して凝縮し、この凝縮した冷媒ＲＧをモジュレータ４２ｂで気液分離し、さらに、気液分離後の液体の冷媒ＲＧをサブクール４２ｃにおいて、前段サブクール４２ｃａで冷却水Ｗｓにより、さらに、後段サブクール４２ｃｂでエバポレータ４４を通過した冷媒ＲＧにより過冷却する。つまり、冷媒ＲＧを凝縮用装置４２で冷却水Ｗｓと熱交換させて凝縮及び液化し、さらに、冷却水Ｗｓとエバポレータ４４を通過した冷媒ＲＧにより低温化する。

この凝縮用装置４２で低温化した液体の冷媒ＲＧを、膨張弁４３で気化若しくは霧化させた後で、エバポレータ４４を通過させると、冷媒ＲＧは蒸発して気化熱を周囲から奪って摂氏数度の低温低圧の気体となるので、この気体を凝縮用装置４２の後段サブクール４２ｃｂを通過させて、膨張弁４３に流入する前の冷媒ＲＧを冷却する。その後で冷媒ＲＧを、アキュムレータ４５を経由させてからコンプレッサ４１に循環させる。一方、エバポレータ４４では冷媒ＲＧにより、周囲の気体が冷却されるので、このエバポレータ４４の周囲の気体を冷房用の気体として車両の内部に供給することで、車両の空調として使用できる。

これを冷却サイクルで説明すると、図７に示すように、コンプレッサ４１による圧縮工程ａ、コンデンサ４２ａによる凝縮工程ｂ、サブクール４２ｃによる過冷却工程ＳＣ、膨張弁４３による減圧工程ｃ、エバポレータ４４による蒸発工程ｄを繰り返す。ここでＳＬＬは飽和液線を、ＳＶＬは飽和蒸気線を示す。

次に、参考形態の車両の冷却方法について説明する。この車両の冷却方法は、コンプレッサ４１で高圧高温にされた冷媒ＲＧを、コンデンサ４２ａでサブラジエータ３０からの冷却水Ｗｓで冷却して凝縮し、この凝縮した冷媒ＲＧをモジュレータ４２ｂで気液分離し、この気液分離後の液体の冷媒ＲＧをサブクーラ４２ｃで更に過冷却して、この過冷却された冷媒ＲＧを膨張弁４３とエバポレータ４４を通過させて気化させて、コンプレッサ４１に再循環すると共に、エバポレータ４４における冷媒ＲＧの気化によりエバポレータ４４の周囲の熱を奪って車両の内部を冷却する車両の冷却方法であり、この方法において、サブクール４２ｃを通過する冷媒ＲＧを、コンデンサ４２ａと一つのモジュールにした前段サブクール４２ｃａで冷却水Ｗｓで過冷却した後に、さらに、コンデンサ４２ａと一つのモジュールにした後段サブクール４２ｃｂでエバポレータ４４を通過した冷媒ＲＧで過冷却する方法である。すなわち、サブクール４２ｃを通過する冷媒ＲＧを、冷却水Ｗｓとエバポレータ４４を通過してコンプレッサ４１に流入する前の冷媒ＲＧの両方で冷却することを特徴とする方法である。

本発明の車両用空調システム４０及び車両によれば、サブラジエータ３０用の冷却水Ｗｓで冷媒ＲＧを冷却する水冷式のコンデンサ４２ａとサブクール４２ｃを備えた車両用空調システム４０において、水冷式のコンデンサ４２ａを出た冷媒ＲＧを十分に過冷却することができて、車両内部の冷却効率を向上させることができると共に、車両に搭載する際の配管作業の工作性を向上できる。より詳細には、従来技術の液ガスの二重管構造の熱交換器に比べて、コンデンサ４２ａと一つのモジュールにしているので、全体をコンパクトに形成でき、製造が容易となる。また、車両への搭載時における、コンデンサ４２ａと前段サブクール４２ｃａと後段サブクール４２ｃｂとの間の配管作業と、二重配管構造の配管作業がなくなり、工作性を向上することができる。また、前段サブクール４２ｃａと後段サブクール４２ｃｂをコンデンサ４２ａと同じタイプの熱交換器で構成し易くなる。

更に、コンデンサ４２ａと前段サブクール４２ｃａと後段サブクール４２ｃｂとを同じタイプの熱交換器で構成すると、コンデンサ４２ａと同じタイプの多板式や多管式等の熱交換器を使用して伝熱面積を大きく取ることができるので、十分に過冷却することができ、また、コンデンサ４２ａを製造する際に同時に製造でき、その上、車両に搭載する際の配管作業において、通常の冷却水配管と冷媒配管のみで配管作業できるようになるので、工作性を向上させることができる。

１、１Ｘ、１Ｙ 車両の冷却システム
１０、１０Ｘ、１０Ｙ エンジン（内燃機関)
２０ メインラジエータ
３０ サブラジエータ
４０、４０Ｘ、４０Ｙ 車両用空調システム
４１ コンプレッサ（圧縮器）
４２、４２Ｘ、４２Ｙ 凝縮用装置
４２ａ コンデンサ（凝縮器）
４２ｂ モジュレータ（気液分離器＋乾燥剤）
４２ｃ サブクール（過冷却器）
４２ｃａ 前段サブクール（前段過冷却器）
４２ｃｂ 後段サブクール（後段過冷却器）
４３ 膨張弁
４４ エバポレータ（蒸発器）
Ｗ エンジン冷却水（メインライン用）
Ｗｓ 冷却水（サブライン用）
ＲＧ 冷媒

Claims (2)

1. 冷媒を、圧縮器、凝縮器、気液分離器、前段過冷却器、後段過冷却器、膨張弁、蒸発器、および、前記圧縮器の順に循環させて、車両の内部を冷却する車両用空調システムにおいて、
   前記凝縮器、前記前段過冷却器、および、前記後段過冷却器を一つのモジュール化した凝縮用装置を備え、
   前記凝縮用装置は、冷媒用第一入口、冷媒用第一出口、冷媒用第二入口、冷媒用第二出口、冷媒用第三入口、冷媒用第三出口、冷却水用入口、および、冷却水用出口と、前記冷媒用第一入口および前記冷媒用第一出口を結ぶ冷媒用第一流路と、前記冷媒用第二入口および前記冷媒用第二出口を結ぶ冷媒用第二流路と、前記冷媒用第三入口および前記冷媒用第三出口を結ぶ冷媒用第三流路と、前記冷却水用入口および前記冷却水用出口を結ぶ冷却水用流路を有し、
   前記冷媒用第一入口および前記冷媒用第一出口が前記凝縮器に配置され、前記冷媒用第二入口が前記前段過冷却器に配置されるとともに前記冷媒用第二出口が前記後段過冷却器に配置され、前記冷媒用第三入口および前記冷媒用第三出口が前記後段過冷却器に配置され、前記冷却水用入口が前記前段過冷却器に配置されるとともに前記冷却水用出口が前記凝縮器に配置され、
   サブラジエータからの冷却水が、前記冷却水用流路を前記前段過冷却器および前記凝縮器の順に流れ、
   冷媒が、前記圧縮器、前記冷媒用第一流路、前記気液分離器、前記冷媒用第二流路、前記膨張弁、前記蒸発器、前記冷媒用第三流路、および、前記圧縮器の順に循環し、
   前記凝縮器および前記前段過冷却器で冷媒と冷却水とが対向流の形で流れ、前記後段過冷却器で前記前段過冷却器を通過した後の冷媒と前記蒸発器を通過した後の冷媒とが対向流の形で流れることを特徴とする車両用空調システム。
2. 請求項１に記載の車両用空調システムを備えたことを特徴とする車両。

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