JP7274886B2 - 車両用空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプサイクルを用いた車両用空気調和装置に関するものである。

車両用空気調和装置には、ＨＶＡＣ（Heating Ventilation & Air Conditioning）ユニットが多用されている。ＨＶＡＣユニットは、空気が流通するダクトに冷却器と加熱器を設置し、所望の温度に調節して車室内へ空調空気を送る。

ＨＶＡＣユニットの冷却器としては、蒸気圧縮冷凍サイクルを構成する蒸発器が用いられる。ＨＶＡＣユニットの加熱器としては、例えばガソリンエンジン等の自動車エンジンを冷却した冷却水が導かれるヒータコアが用いられる。

しかし、電気自動車ではガソリンエンジン等の自動車エンジンを備えておらず、ハイブリッド車では自動車エンジンを冷却して得られる排熱が期待できないので、自動車エンジンの冷却水を用いたヒータコアを採用することができない（例えば特許文献１参照）。そこで、ＨＶＡＣユニットの加熱器として、蒸気圧縮冷凍サイクルを構成する凝縮器が用いられる。すなわち、暖房時にはヒートポンプサイクルを用いて凝縮器で空気を加熱する。

特許第６１９７６４２号公報

しかし、ヒートポンプサイクルを用いて凝縮器で空気を加熱する構成では、ＨＶＡＣユニットのダクト内を流れる空気を蒸発器で冷却させないために、蒸発器をダクトの外部に設置することがある。このように蒸発器をダクト外に設置すると、外気温が例えば０℃以下の低外気温とされた場合、蒸発器と熱交換する空気中の湿分が蒸発器にて着霜（フロスト）するおそれがある。蒸発器がフロストすると、伝熱面積が減少して十分な吸熱ができなくなり暖房性能が低下する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、低外気温であっても暖房性能を維持することができるヒートポンプサイクルを用いた車両用空気調和装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る車両用空気調和装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、空気が流通するダクト内に設置され、前記圧縮機で圧縮された冷媒が導かれる凝縮器と、前記凝縮器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、前記ダクト内に設置され、前記膨張弁で膨張された冷媒が導かれる蒸発器と、前記ダクト外に設置され、前記蒸発器から冷媒が導かれるとともに熱媒体と熱交換する蒸発器側外部熱交換器と、前記蒸発器側外部熱交換器から熱媒体が導かれ、外部空気と熱交換する放熱器と、を備えている。

ダクト内を流れる空気は、蒸発器によって冷却され、また凝縮器によって加熱されることで、所望温度に調節された後に車室内に導かれる。
蒸発器から導かれた冷媒と熱媒体とを熱交換する蒸発器側外部熱交換器をダクト外に設けることとした。これにより、蒸発器で吸収する吸熱量を蒸発器側外部熱交換器で負担することができ、暖房運転時に蒸発器における吸熱量を減少させて暖房効率を増大させることができる。
また、蒸発器側外部熱交換器では、空気と直接熱交換せずに冷媒が熱媒体から吸熱するので、低外気温時にフロスト（着霜）することを可及的に回避することができる。特に、最終的に放熱器を介して外部空気から熱媒体が吸熱することになるので、蒸発器側外部熱交換器における温度を放熱器よりも高い温度に維持することができ、フロストを更に可及的に回避することができる。
なお、熱媒体としては、水や不凍液を用いることができる。

さらに、本発明の一態様に係る車両用空気調和装置では、前記蒸発器をバイパスして前記膨張弁から前記蒸発器側外部熱交換器へ冷媒を導くバイパス配管を備えている。

バイパス配管によって、蒸発器をバイパスして膨張弁から蒸発器側外部熱交換器へ冷媒を導くこととしたので、ダクト内を流れる空気が蒸発器によって冷却されることを回避することができる。これにより、暖房効率を増大させることができる。
なお、バイパス配管は、ダクト外に設けることが好ましい。

さらに、本発明の一態様に係る車両用空気調和装置では、前記膨張弁の下流側に設けられ、前記バイパス配管側の流路と前記蒸発器側の流路との流量比を分配する冷媒分配弁と、前記冷媒分配弁を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、暖房運転時に前記バイパス配管側の流路に多くの冷媒が流れるように前記冷媒分配弁を制御する。

暖房運転時にバイパス配管側の流路に多くの冷媒が流れるように制御することによって、暖房効率を増大させることができる。暖房運転の高負荷時には、全ての冷媒がバイパス配管側の流路に流れるようにすることが好ましい。
なお、制御部は、冷房運転の高負荷時には蒸発器側の流路に全ての冷媒が流れるように制御することが好ましい。

さらに、本発明の一態様に係る車両用空気調和装置では、前記ダクト外に設置され、前記凝縮器から冷媒が導かれるとともに熱媒体と熱交換する凝縮器側外部熱交換器を備え、前記放熱器は、前記凝縮器側外部熱交換器にて熱交換した熱媒体を外部空気と熱交換する。

凝縮器から導かれた冷媒と熱媒体とを熱交換する凝縮器側外部熱交換器をダクト外に設けることとした。これにより、凝縮器で排熱する排熱量を凝縮器側外部熱交換器で負担することができ、冷房運転時に凝縮器における排熱量を減少させて冷房効率を増大させることができる。

さらに、本発明の一態様に係る車両用空気調和装置では、前記熱媒体が前記蒸発器側外部熱交換器へ流れる蒸発器側熱媒体流路と、前記熱媒体が前記凝縮器側外部熱交換器へ流れる凝縮器側熱媒体流路とを流れる熱媒体量を分配する熱媒体分配弁と、前記熱媒体分配弁を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、暖房運転時に前記蒸発器側熱媒体流路に多くの熱媒体が流れるように前記熱媒体分配弁を制御し、冷房運転時に前記凝縮器側熱媒体流路に多くの熱媒体が流れるように前記熱媒体分配弁を制御する。

暖房運転時に蒸発器側熱媒体流路に多くの熱媒体が流れるようにし、冷房運転時に凝縮器側熱媒体流路に多くの熱媒体が流れるようにする熱媒体分配弁を設けることで、簡便な構成で暖房時と冷房時とを制御することができる。

蒸発器側外部熱交換器によって冷媒が空気からではなく熱媒体から吸熱することとしたので、低外気温であっても暖房性能を維持することができる。

本発明の一実施形態を示した車両用空気調和装置を示した概略構成図である。

以下に、本発明に係る一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本実施形態に係る車両用空気調和装置１が示されている。車両用空気調和装置１は、例えば電気自動車やハイブリッド車に設けられ、車内の空気調和を行うために使用される。

車両用空気調和装置１は、ＨＶＡＣ（Heating Ventilation & Air Conditioning）ユニット３を備えている。ＨＶＡＣユニット３は、空気が流通するダクト４と、ダクト４内に配置されたブロワ５と、蒸発器６と、凝縮器７とを主として備えている。

ブロワ５は、電動とされたブロワ用モータ１０によって回転させられ、空気をダクト入口４ａから吸い込む。ブロワ用モータ１０の回転数は、図示しない制御部によって制御される。ダクト入口４ａから流入した空気は、蒸発器６を通過して下流側のダクト出口４ｂへと導かれる。ダクト出口４ｂは、車内の吹出口に接続されている。

凝縮器７の空気流れ上流側には、エアミックスダンパ１２が設けられている。エアミックスダンパ１２の開度は、図示しない制御部によって制御される。冷房運転の最大負荷時には、エアミックスダンパ１２は全閉とされて凝縮器７へ空気が流れないように制御される。暖房運転の最大負荷時には、エアミックスダンパ１２は全開とされて凝縮器７へ空気が最大量流れるように制御される。

蒸発器６と凝縮器７とは、蒸気圧縮冷凍サイクル１４を構成する。蒸気圧縮冷凍サイクル１４は、冷媒を圧縮する圧縮機１５と、圧縮された冷媒が導かれる凝縮器７と、凝縮した冷媒が導かれる膨張弁１７と、膨張弁１７で膨張された冷媒が導かれる蒸発器６とを備えている。これら圧縮機１５、凝縮器７、膨張弁１７及び蒸発器６は、冷媒配管１６を介して接続されている。

圧縮機１５は、ダクト４の外に配置されている。圧縮機１５は、例えばスクロール型圧縮機とされ、電動モータによって駆動される。圧縮機１５の電動モータは、図示しない制御部によって回転数が制御される。

膨張弁１７は、ダクト４の外に配置され、その開度は図示しない制御部によって制御される。

膨張弁１７と凝縮器７との間には、外部凝縮器２０が接続されている。外部凝縮器２０は、ダクト４の外に配置されており、凝縮器側水熱交換器２１に対して熱的に接続されている。ここで、熱的に接続されているとは、例えば互いのフィンが物理的に接触していることを意味する。外部凝縮器２０と凝縮器側水熱交換器２１は、ダクト４の外にて冷媒から排熱する凝縮器側外部熱交換器とされている。

蒸発器６と圧縮機１５との間には、外部蒸発器２４が接続されている。外部蒸発器２４は、ダクト４の外に配置されており、蒸発器側水熱交換器２５に対して熱的に接続されている。ここで、熱的に接続されているとは、例えば互いのフィンが物理的に接触していることを意味する。外部蒸発器２４と蒸発器側水熱交換器２５は、ダクト４の外にて冷媒が吸熱する蒸発器側外部熱交換器とされている。

膨張弁１７と蒸発器６との間には、冷媒分配弁２７が設けられている。冷媒分配弁２７には、バイパス配管２８の上流側が接続されている。バイパス配管２８は、蒸発器６をバイパスして外部蒸発器２４に接続する配管とされている。したがって、バイパス配管２８の下流側は、蒸発器６と外部蒸発器２４との間に接続されている。

冷媒分配弁２７は、図示しない制御部によって制御される。制御部は、冷房運転時には蒸発器６側を流れる流路に多くの冷媒が流れるように冷媒分配弁２７を制御し、暖房運転時にはバイパス配管２８側を流れる流路に多くの冷媒が流れるように冷媒分配弁２７を制御する。冷媒分配弁２７としては、１つの三方弁を用いても良いし、二方弁を２つ用いても良い。

凝縮器側水熱交換器２１及び蒸発器側水熱交換器２５は、水（熱媒体）が流通する水回路３０に接続されている。水回路３０は、ラジエータ（放熱器）３２と、水ポンプ３４とを備えている。ラジエータ３２は、ラジエータファン３３によって送風された空気（外気）と熱交換する。水ポンプ３４は、図示しない制御部によって制御され、水回路３０中の水を圧送する。

水ポンプ３４の上流側には、水分配弁（熱媒分配弁）３７が設けられている。水分配弁３７は、図示しない制御部によって制御される。制御部は、冷房運転時に凝縮器側水熱交換器２１を流れる凝縮器側水流路３０ａに多くの水が流れるように水分配弁３７を制御し、暖房運転時には蒸発器側水熱交換器２５を流れる蒸発器側水流路３０ｂに多くの水が流れるように水分配弁３７を制御する。水分配弁３７としては、１つの三方弁を用いても良いし、二方弁を２つ用いても良い。

凝縮器側水流路３０ａと蒸発器側水流路３０ｂとは、ラジエータ３２の水流れ下流側の分岐点Ａにて分岐し、水分配弁３７で合流するようになっている。

車両用空気調和装置１を制御する制御部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

［車両用空気調和装置１の動作］
次に、上記構成の車両用空気調和装置１の動作について説明する。
圧縮機１５は、制御部によって所定の回転数にて回転する。圧縮機１５にて圧縮された冷媒は、凝縮器７にて凝縮する。このときにダクト４内を流れる空気に凝縮熱を与えることによって空気を加熱する。

凝縮器７にて凝縮された液冷媒は、外部凝縮器２０を通り膨張弁１７へと導かれる。外部凝縮器２０は、凝縮器側水熱交換器２１と熱交換を行い、凝縮熱の一部が水側へ伝達される。水側に伝達された凝縮熱は、凝縮器側水流路３０ａを通りラジエータ３２から外部空気へと排熱される。このように、外部凝縮器２０は、凝縮器７で排熱できなかった排熱を分担する。

外部凝縮器２０を通過した液冷媒は、膨張弁１７へと導かれて膨張させられる。膨張させられた冷媒は、冷媒分配弁２７にてバイパス配管２８側と蒸発器６側へと分配される。

蒸発器６へと導かれた冷媒は、ブロワ５から導かれたダクト４内を流れる空気と熱交換を行い、空気から吸熱することによって空気を冷却する。冷却された空気は、エアミックスダンパ１２によって一部が凝縮器７にて加熱された後に、車室内へと導かれる。エアミックスダンパ１２は、車内で設定された温度に基づいて制御部によって開度が制御される。

蒸発器６から外部蒸発器２４へと導かれた冷媒は、蒸発器側水熱交換器２５と熱交換を行い、蒸発器側水熱交換器２５を流れる水から吸熱することによって蒸発潜熱を得る。これにより、外部蒸発器２４にて、蒸発器６にて蒸発されなかった残りの冷媒が蒸発する。外部蒸発器２４にて蒸発潜熱を奪われた水は、蒸発器側水流路３０ｂを流れてラジエータ３２へと導かれ、ラジエータ３２にて外気から吸熱する。

外部蒸発器２４にて蒸発されたガス冷媒は、圧縮機１５へと導かれ、再び圧縮される。

水回路３０の水分配弁３７は、制御部の指令により、凝縮器側水熱交換器２１と蒸発器側水熱交換器２５とが要求する交換熱量に応じて、凝縮器側水流路３０ａ及び蒸発器側水流路３０ｂに水を分配する。
ただし、暖房運転の高負荷時および冷房運転の高負荷時には、以下のように動作する。

＜暖房運転の高負荷時＞
暖房運転の高負荷時は、冬季のように低い車外温度と車内設定温度との温度差が通常時よりも大きい状態であり、例えば外気温が０℃以下となる低外気温時である。この場合には、全ての冷媒がバイパス配管２８側へ流されるように冷媒分配弁２７が制御される。すなわち、蒸発器６には冷媒が流れないように冷媒分配弁２７を制御する。これにより、ダクト４内を流れる空気を無駄に冷却しないようにする。

そして、水分配弁３７を制御して、全ての水が蒸発器側水流路３０ｂを介して蒸発器側水熱交換器２５に流れるようにして、外部蒸発器２４を流れる冷媒を蒸発させるのに必要な蒸発潜熱を供給する。このとき、凝縮器側水熱交換器２１には水を供給しないようにして、凝縮器７にて多くの凝縮熱を、ダクト４内を流れる空気に与えて空気を効果的に加熱する。

＜冷房運転の高負荷時＞
冷房運転時の高負荷時は、夏季のように高い車外温度と車内設定温度との温度差が通常時よりも大きい状態である。この場合には、全ての冷媒を蒸発器６側へ流すように冷媒分配弁２７が制御される。すなわち、バイパス配管２８には冷媒が流れないように冷媒分配弁２７を制御する。これにより、ダクト４内を流れる空気を効果的に冷却するようにする。

そして、水分配弁３７を制御して、全ての水が凝縮器側水流路３０ａを介して凝縮器側水熱交換器２１に流れるようにして、凝縮器７よりも外部凝縮器２０で優先的に冷媒を凝縮させるように多くの水を供給する。このとき、蒸発器側水熱交換器２５には水を供給しないようにして、蒸発器６にて優先的に冷媒を蒸発させるようにする。

［本実施形態の作用効果］
本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
蒸発器６から導かれた冷媒と水回路３０を流れる水とを熱交換する外部蒸発器２４と蒸発器側水熱交換器２５をダクト４外に設けることとした。これにより、蒸発器６で吸収する吸熱量を外部蒸発器２４及び蒸発器側水熱交換器２５で負担することができ、暖房運転時に蒸発器６における吸熱量を減少させて暖房効率を増大させることができる。
また、外部蒸発器２４に蒸発器側水熱交換器２５を組み合わせることで、空気と直接熱交換せずに冷媒が水から吸熱するので、低外気温時にフロスト（着霜）することを可及的に回避することができる。特に、最終的にラジエータ３２を介して外部空気から水が吸熱することになるので、外部蒸発器２４における温度をラジエータ３２よりも高い温度に維持することができ、フロストを更に可及的に回避することができる。

バイパス配管２８によって、蒸発器６をバイパスして膨張弁１７から外部蒸発器２４へ冷媒を導くこととしたので、ダクト４内を流れる空気が蒸発器６によって冷却されることを回避することができる。これにより、暖房時には暖房効率を増大させることができる。

暖房運転時にバイパス配管２８側の流路に多くの冷媒が流れるように制御することによって、暖房効率を増大させることができる。また、暖房運転の高負荷時には、全ての冷媒がバイパス配管２８側の流路に流れるようにすることで、さらに暖房効率を増大させることができる。
冷房運転の高負荷時には、蒸発器６側の流路に全ての冷媒が流れるように制御することで、蒸発器６の冷却能力を最大限に利用することができる。

凝縮器７から導かれた冷媒と水回路３０を流れる水とを熱交換する外部凝縮器２０と凝縮器側水熱交換器２１をダクト４外に設けることとした。これにより、凝縮器７で排熱する排熱量を外部凝縮器２０で負担することができ、冷房運転時に凝縮器７における排熱量を減少させて冷房効率を増大させることができる。

暖房運転時に蒸発器側水流路３０ｂに多くの水が流れるようにし、冷房運転時に凝縮器側水流路３０ａに多くの水が流れるようにする水分配弁３７を設けることとした。これにより、簡便な構成で暖房時と冷房時とを制御することができる。

なお、上述した実施形態では、外部蒸発器２４及び外部凝縮器２０を流れる冷媒と熱交換する熱媒体として水を用いることとしたが、本発明に用いる熱媒体は水に限定されるものではなく、例えば不凍液等の他の相変化しない液体を用いることができる。

また、上述した実施形態では、外部凝縮器２０と凝縮器側水熱交換器２１とを熱的に組み合わせて用いることとしたが、これらを一体化した熱交換器としても良い。同様に、上述した実施形態では、外部蒸発器２４と蒸発器側水熱交換器２５とを熱的に組み合わせて用いることとしたが、これらを一体化した熱交換器としても良い。

１ 車両用空気調和装置
３ ＨＶＡＣユニット
４ ダクト
４ａ ダクト入口
４ｂ ダクト出口
５ ブロワ
６ 蒸発器
７ 凝縮器
１０ ブロワ用モータ
１２ エアミックスダンパ
１４ 蒸気圧縮冷凍サイクル
１５ 圧縮機
１６ 冷媒配管
１７ 膨張弁
２０ 外部凝縮器（凝縮器側外部熱交換器）
２１ 凝縮器側水熱交換器（凝縮器側外部熱交換器）
２４ 外部蒸発器（蒸発器側外部熱交換器）
２５ 蒸発器側水熱交換器（蒸発器側外部熱交換器）
２７ 冷媒分配弁
２８ バイパス配管
３０ 水回路
３０ａ 凝縮器側水流路（凝縮器側熱媒体流路）
３０ｂ 蒸発器側水流路（蒸発器側熱媒体流路）
３２ ラジエータ（放熱器）
３３ ラジエータファン
３４ 水ポンプ
３７ 水分配弁

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   空気が流通するダクト内に設置され、前記圧縮機で圧縮された冷媒が導かれる凝縮器と、
   前記凝縮器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、
   前記ダクト内に設置され、前記膨張弁で膨張された冷媒が導かれる蒸発器と、
   前記ダクト外に設置され、前記蒸発器から冷媒が導かれるとともに熱媒体と熱交換する蒸発器側外部熱交換器と、
   前記蒸発器側外部熱交換器から熱媒体が導かれ、外部空気と熱交換する放熱器と、
   前記蒸発器をバイパスして前記膨張弁から前記蒸発器側外部熱交換器へ冷媒を導くバイパス配管と、
   を備えている車両用空気調和装置。
2. 前記膨張弁の下流側に設けられ、前記バイパス配管側の流路と前記蒸発器側の流路との流量比を分配する冷媒分配弁と、
   前記冷媒分配弁を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、暖房運転時に前記バイパス配管側の流路に多くの冷媒が流れるように前記冷媒分配弁を制御する請求項１に記載の車両用空気調和装置。
3. 前記ダクト外に設置され、前記凝縮器から冷媒が導かれるとともに熱媒体と熱交換する凝縮器側外部熱交換器を備え、
   前記放熱器は、前記凝縮器側外部熱交換器にて熱交換した熱媒体を外部空気と熱交換する請求項１又は２に記載の車両用空気調和装置。
4. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   空気が流通するダクト内に設置され、前記圧縮機で圧縮された冷媒が導かれる凝縮器と、
   前記凝縮器から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁と、
   前記ダクト内に設置され、前記膨張弁で膨張された冷媒が導かれる蒸発器と、
   前記ダクト外に設置され、前記蒸発器から冷媒が導かれるとともに熱媒体と熱交換する蒸発器側外部熱交換器と、
   前記蒸発器側外部熱交換器から熱媒体が導かれ、外部空気と熱交換する放熱器と、
   前記ダクト外に設置され、前記凝縮器から冷媒が導かれるとともに熱媒体と熱交換する凝縮器側外部熱交換器と、
   前記放熱器は、前記凝縮器側外部熱交換器にて熱交換した熱媒体を外部空気と熱交換し、
   前記熱媒体が前記蒸発器側外部熱交換器へ流れる蒸発器側熱媒体流路と、前記熱媒体が前記凝縮器側外部熱交換器へ流れる凝縮器側熱媒体流路とを流れる熱媒体量を分配する熱媒体分配弁と、
   前記熱媒体分配弁を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、暖房運転時に前記蒸発器側熱媒体流路に多くの熱媒体が流れるように前記熱媒体分配弁を制御し、冷房運転時に前記凝縮器側熱媒体流路に多くの熱媒体が流れるように前記熱媒体分配弁を制御する車両用空気調和装置。

Images