JP7381207B2 - 空調システム - Google Patents

Description

本発明は、車両へ適用されるのが好適な空調システムに関する。

車両のエンジン高効率化や電気駆動化により、暖房熱源が不足するため、従来のエンジン排熱温水ヒータに加え、または置き換えて、電気ヒータやヒートポンプが用いられている。
ヒートポンプ（例えば特許文献１）は冷凍サイクル成績係数ＣＯＰ（Coefficient Of Performance）が１以上あるため、電気ヒータよりも消費電力を抑えられ、電気自動車やプラグインハイブリッド車の電動モータにより走行する距離、つまりＥＶ走行距離を延ばすことができる。
車両用の空調システムにおいては、車室の窓の曇りを防止するため、一般的な家庭用や業務用空調機と異なり、除湿暖房機能を有している。

特開２０１７－１４４９５１号公報

車両用のヒートポンプで汲み取る熱源は車外の空気である。空気よりも冷媒の温度を低くすることで、空気の熱を冷媒で吸い取る。ところが、寒冷地では、温度低下に伴いＲ１３４ａやＲ１２３４ｙｆのガス密度が低下して冷媒の質量流量が減少し、空気からの吸熱量が低減するため暖房能力が不足する。
以上より、本発明は、除湿暖房機能を有していながら、高い暖房能力を発揮できる車両用空調システムを提供することを目的とする。

本発明の空調システムは、第１ヒートポンプサイクルと、第２ヒートポンプサイクルと、温調空気流路と、を備える。
第１ヒートポンプサイクルは、第１圧縮機と、第１熱交換器と、第１膨張弁と、第２熱交換器と、が第１冷媒流路で循環経路をなすように接続される。
第２ヒートポンプサイクルは、第２圧縮機と、第３熱交換器と、第２膨張弁と、第４熱交換器と、が第２冷媒流路で循環経路をなすように接続される。
温調空気流路は、温度の調整が行われる空気が一方向に沿って流れる。
本発明の空調システムにおいて、第１熱交換器および第３熱交換器は、温調空気流路において、第１熱交換器より第３熱交換器が空気の流れる向きの下流に配置される。

本発明の空調システムにおいて、好ましくは、第２熱交換器より第４熱交換器が空気の流れる向きの下流に配置される。

本発明の空調システムにおいて、好ましくは、第１ヒートポンプサイクルは、第１熱交換器が第１蒸発器を、第２熱交換器が第１凝縮器を構成する。この第１ヒートポンプサイクルは、第１圧縮機で圧縮された冷媒が、第１凝縮器、第１膨張弁および第１蒸発器を通って第１圧縮機に戻る第１冷媒流路をなす。
本発明の空調システムにおいて、好ましくは、第２ヒートポンプサイクルは、第３熱交換器が第２凝縮器を、第４熱交換器が第２蒸発器を構成する。この第２ヒートポンプサイクルは、第２圧縮機で圧縮された冷媒が、第２凝縮器、第２膨張弁２５および第２蒸発器を通って第２圧縮機に戻る第２冷媒流路をなす。

本発明の空調システムは、好ましくは、冷房モード、再熱除湿モードおよび暖房モードを備える。
冷房モードにおいては、第１ヒートポンプサイクルを動作させるが、第２ヒートポンプサイクルを停止させる。
再熱除湿モードにおいては、第１ヒートポンプサイクルおよび第２ヒートポンプサイクルの双方を動作させる。
暖房モードにおいては、第２ヒートポンプサイクルを動作させるが、第１ヒートポンプサイクルを停止させる。

本発明の空調システムにおいて、第２ヒートポンプサイクルの第２凝縮器の代わりにヒータコアを温調空気流路に配置できる。このヒータコアは、好ましくは、温調空気流路の外部に配置される第２凝縮器との間で熱交換して得られる熱エネルギが供給される。

本発明の空調システムにおいて、第１ヒートポンプサイクルは、好ましくは、第１凝縮器を経た冷媒を第１圧縮機に向けて流すホットガスバイパス回路を備える。

ホットガスバイパス回路を備える本発明の空調システムにおいても、冷房モード、再熱除湿モードおよび暖房モードを備えることができる。
冷房モードにおいては、第１ヒートポンプサイクルを動作させるが、第２ヒートポンプサイクルを停止させる。
再熱除湿モードにおいては、第１ヒートポンプサイクルおよび第２ヒートポンプサイクルの双方を動作させる。
暖房モードにおいては、第２ヒートポンプサイクルを動作させるとともに、第１ヒートポンプサイクルでは、ホットガスバイパス回路を介して第１凝縮器を経た冷媒を第１圧縮機に流し、かつ、第１蒸発器への冷媒が流れるのを停止させる。

本発明の空調システムにおいて、第１ヒートポンプサイクルおよび第２ヒートポンプサイクルのそれぞれは、好ましくは、冷媒が順方向および逆方向に循環可能に構成される。

冷媒が順方向および逆方向に循環可能な本発明の空調システムにおいても、冷房モード、再熱除湿モードおよび暖房モードを備えることができる。
冷房モードにおいては、第１ヒートポンプサイクルにおける第１熱交換器を第１蒸発器として機能させ、かつ、第２ヒートポンプサイクルにおける第３熱交換器を第２蒸発器として機能させることができる。

再熱除湿モードにおいては、第１ヒートポンプサイクルにおける第１熱交換器を第１蒸発器として機能させ、かつ、第２ヒートポンプサイクルにおける第３熱交換器を第２凝縮器として機能させることができる。

暖房モードにおいては、第１ヒートポンプサイクルにおける第１熱交換器を第１凝縮器として機能させ、かつ、第２ヒートポンプサイクルにおける第３熱交換器を第２凝縮器として機能させることができる。

本発明の空調システムにおいて、好ましくは、第１ヒートポンプサイクルには冷媒Ａが用いられ、第２ヒートポンプサイクルには冷媒Ｂが用いられ、冷媒Ａは媒Ｂよりも沸点が高い。

本発明の空調システムによれば、第１ヒートポンプサイクルにおいて、冷房におけるＣＯＰがよい冷媒を用いることで、冷房における効率の低下を抑えることができる。一方で、空調システムは、第２ヒートポンプサイクルにおいて、暖房能力が大きい冷媒を用いることで、暖房能力を確保できる。仮に電気ヒータを組み合わせたとしても、電気ヒータの使用電力の低減を通じて省電力化できる。
また、空調システム１は、第１熱交換器よりも第３熱交換器を下流側に設けることで、除湿暖房を実現できる。

本発明の第１実施形態に係る車両用の空調システムの回路構成を示す図である。 第１実施形態に係る空調システムの運転モードごとの動作を示す図であり、（ａ）は冷房モードを示し、（ｂ）は再熱除湿モードを示し、（ｃ）は暖房モードを示している。 第１実施形態に係る空調システムの制御手順を示すフローチャートである。 第１実施形態に係る空調システムの温度目標値と運転モードの関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る車両用の空調システムの回路構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る車両用の空調システムの回路構成を示す図である。 第３実施形態に係る車両用の空調システムの運転モードごとの動作を示す図であり、（ａ）は冷房モードを示し、（ｂ）は再熱除湿モードを示し、（ｃ）は暖房モードを示している。 本発明の第４実施形態に係る車両用の空調システムの回路構成を示す図である。 第４実施形態に係る車両用の空調システムの運転モードごとの動作を示す図であり、（ａ）は冷房モードを示し、（ｂ）は再熱除湿モードを示し、（ｃ）は暖房モードを示している。

以下、添付図面を参照しながら、本発明のいくつかの実施形態について説明する。
本実施形態に係る空調システムは、２系統のヒートポンプサイクルを備える。一方のヒートポンプサイクルに冷房のＣＯＰが良い冷媒（Ｒ１３４ａ,Ｒ１２３４ｙｆ）を用い、このヒートポンプサイクルを冷房専用に使うことで、冷房能力を担保できる。一方のヒートポンプサイクルは、冷房機能および除湿機能を担うことができる。他方のヒートポンプサイクルに暖房能力が大きい冷媒（Ｒ４５４Ｃ等）を用い、このヒートポンプサイクルを暖房専用に使うことで、暖房能力を確保できる。他方のヒートポンプサイクルは、暖房機能に加えて再熱機能を担うことができる。よって、本実施形態に係る空調システムは、除湿暖房機能を奏することができる。
以下、第１実施形態～第５実施形態に係る空調システムを順に説明する。

〔第１実施形態〕
第１実施形態に係る車両用の空調システム１は、図１に示すように、第１ヒートポンプサイクル１０と、第２ヒートポンプサイクル２０と、ＨＶＡＣ（Heating, Ventilation, and Air Conditioning）ユニット３０とを備えている。空調システム１において、第１ヒートポンプサイクル１０に相対的に沸点の高い冷媒Ａが用いられることで、第１ヒートポンプサイクル１０が冷房機能と除湿機能を担う。また、空調システム１において、第２ヒートポンプサイクル２０に相対的に沸点の低い冷媒Ｂが用いられることで、第２ヒートポンプサイクル２０が暖房機能および再熱機能を担う。
空調システム１において、除湿暖房機能は、第２ヒートポンプサイクル２０の第３熱交換器２３を、第１ヒートポンプサイクル１０の第１熱交換器１３よりも下流に配置することで実現される。ここで、第１熱交換器１３および第３熱交換器２３の上流および下流との位置関係は、ＨＶＡＣユニット３０を流れる流入空気ＩＡが流れる向きを基準にして定められる。

［第１ヒートポンプサイクル１０］
第１ヒートポンプサイクル１０は、図１に示すように、第１熱交換器１３を除いて、車室外Ｏｕｔに配置される。
第１ヒートポンプサイクル１０は、冷媒Ａを圧縮する第１圧縮機１１と、第１圧縮機１１で圧縮された高温・高圧のガス冷媒Ａと外気ＯＡとの間の熱交換を行う第２熱交換器１７とを備える。第２熱交換器１７では高温・高圧となったガス冷媒Ａが外気ＯＡと熱交換され凝縮される。このとき、ガス冷媒Ａは凝縮熱を放出するため、冷却に使われた外気ＯＡの温度が上昇する。この凝縮により冷媒Ａは気体から液体に状態が変化し、高温・高圧の液体となる。この液冷媒Ａは、第１受液器１９に流入する。

第１ヒートポンプサイクル１０は、図１に示すように、第１受液器１９から流出する冷媒Ａを減圧する第１膨張弁１５と、第１膨張弁１５で減圧された冷媒ＡとＨＶＡＣユニット３０への流入空気ＩＡとの間の熱交換を行う第１熱交換器１３とを備える。
第１膨張弁１５において、高温・高圧の液冷媒Ａの流れを制限したのちに冷媒Ａを開放するため、冷媒Ａの圧力が急激に下がる。このとき、一部の冷媒が蒸発し、その気化熱で残り大部分の液体の温度も低下する。こうして低温・低圧の液体へと状態が変化した冷媒Ａは、第１熱交換器１３における蒸発が容易になる。この蒸発のときに、冷媒Ａは流入空気ＩＡから蒸発熱を奪って蒸発する。このため、流入空気ＩＡの温度は低下する。このとき、冷媒は液体から気体に状態変化するため温度変化はなく、低温・低圧のガス冷媒Ａとなる。低温・低圧のガス冷媒Ａは第１圧縮機１１に流入し、高温・高圧のガス冷媒Ａに圧縮される。以後は、前述したのと同様に、第２熱交換器１７による凝縮、第１膨張弁１５による減圧、第１熱交換器１３による蒸発というサイクルが繰り返される。

第１ヒートポンプサイクル１０に適用される冷媒Ａとしては、Ｒ１３４ａ、Ｒ１２３４ｙｆが例示される。標準大気圧（１０１．３ｋＰａ）におけるＲ１３４ａ、Ｒ１２３４ｙｆの沸点は以下の通りであり、沸点が－３５℃以上ということで後述される冷媒Ｂと区分される。冷媒Ｂとして例示されるＲ２９０（プロパン）、Ｒ４５４Ｃ、ＣＯ_２の標準大気圧における沸点も併せて以下に示すが、いずれも－３５℃以下である。
冷媒Ａ：
Ｒ１３４ａ；－２６．１℃ Ｒ１２３４ｙｆ；－２９．５℃
冷媒Ｂ：
Ｒ２９０；－４２．１℃、Ｒ４５４Ｃ：－４５．６℃、ＣＯ_２：－５１．７℃

第１ヒートポンプサイクル１０において、第１圧縮機１１は一例として電動モータを内蔵した電動圧縮機を用いることができる。また、第１膨張弁１５として電子膨張弁を用いることができる。第２ヒートポンプサイクル２０についても同様である。
第１ヒートポンプサイクル１０における構成要素である第１圧縮機１１、第１熱交換器１３、第１膨張弁１５、第２熱交換器１７および第１受液器１９は配管によって接続され、本発明における第１循環経路を構成する。
第１ヒートポンプサイクル１０は、外気ＯＡを第２熱交換器１７に取り込むためのファンを備えているが、図示が省略されている。このファンは、第２熱交換器２７に対しても適用される。

［第２ヒートポンプサイクル２０］
第２ヒートポンプサイクル２０は、図１に示すように、第３熱交換器２３を除いて、車室外Ｏｕｔに配置される。
第２ヒートポンプサイクル２０は、冷媒Ｂを圧縮する第２圧縮機２１と、第２圧縮機２１で圧縮された高温・高圧のガス冷媒ＢとＨＶＡＣユニット３０における流入空気ＩＡとの間の熱交換を行う第３熱交換器２３と、を備える。第３熱交換器２３では高温・高圧となったガス冷媒Ａが流入空気ＩＡと熱交換され凝縮される。このとき、ガス冷媒Ｂは凝縮熱を放出するため、冷却に使われた流入空気ＩＡの温度が上昇する。この凝縮により冷媒Ｂは気体から液体に状態が変化し、高温・高圧の液冷媒Ｂとなる。

第２ヒートポンプサイクル２０は、図１に示すように、第３熱交換器２３から流出する冷媒Ｂを減圧する第２膨張弁２５と、第２膨張弁２５で減圧された冷媒Ｂと外気ＯＡとの間の熱交換を行う第４熱交換器２７とを有する。
第２膨張弁２５において、高温・高圧の液冷媒Ｂは圧力が急激に下がる。このとき、一部の冷媒が蒸発し、その気化熱で残り大部分の液体の温度も低下する。こうして低温・低圧の液体へと状態が変化した冷媒Ｂは、第４熱交換器２７における蒸発が容易になる。この蒸発のときに、冷媒Ｂは流入空気ＩＡから蒸発熱を奪って蒸発する。このため、第４熱交換器２７を通過した外気ＯＡの温度は低くなる。このとき、冷媒は液体から気体に状態変化するため温度変化はなく、低温・低圧のガス冷媒Ｂとなる。低温・低圧のガス冷媒Ａは第２受液器２９を通過したのちに第２圧縮機２１に流入し、高温・高圧のガス冷媒Ｂに圧縮される。以後は、前述したのと同様に、第３熱交換器２３による凝縮、第２膨張弁２５による減圧、第４熱交換器２７による蒸発というサイクルが繰り返される。

図１に示すように、冷媒Ｂを用いる第２ヒートポンプサイクル２０において蒸発器として機能する第４熱交換器２７は、冷媒Ｂを用いる第１ヒートポンプサイクル１０において凝縮器として機能する第２熱交換器１７の下流側に配置される。ここで、第２熱交換器１７および第４熱交換器２７の上流および下流との位置関係は、両者を流れる外気ＯＡの向きを基準にして定められる。

第２ヒートポンプサイクル２０における構成要素である第２圧縮機２１、第２熱交換器１７、第２膨張弁２５、第４熱交換器２７および第２受液器２９は配管によって接続され、本発明における第２循環経路を構成する。

［ＨＶＡＣユニット３０］
ＨＶＡＣユニット３０は、図１に示すように、車両の室内Ｉｎに配置される。ＨＶＡＣユニット３０は、通常、ダッシュボードの内部に配置される。
ＨＶＡＣユニット３０は、吸込口３１Ａおよび吹出口３１Ｂを有するダクト３１と、ダクト３１の内部に設けられる第１熱交換器１３と、ダクト３１の内部に設けられる第３熱交換器２３と、を備える。第１熱交換器１３は第１ヒートポンプサイクル１０の構成要素をなし、冷房機能および除湿機能を担う。第３熱交換器２３は第２ヒートポンプサイクル２０の構成要素をなし、暖房機能および再熱機能を担う。第３熱交換器２３が占有していないダクト３１の領域は、バイパス流路３５をなす。

本実施形態において、流入空気ＩＡが流れる向きを基準にして、第１熱交換器１３よりも第３熱交換器２３が下流に配置される。この第１熱交換器１３と第３熱交換器２３の位置関係が、空調システム１における除湿暖房を実現する。

ＨＶＡＣユニット３０は、第１熱交換器１３を通過した温調空気ＴＣＡの第３熱交換器２３への流入を制御するダンパ３３を備える。ダンパ３３は、運転モードに応じて、第１位置（図２（ａ））、第２位置（図２（ｂ））および第３位置（図２（ｃ））のいずれかの位置が選択される。第１位置にあるダンパ３３は第３熱交換器２３の上流側を塞ぎ、第３位置にあるダンパ３３はバイパス流路３５を塞ぐ。第２位置にあるダンパ３３は、第３熱交換器２３の上流側およびバイパス流路３５のいずれも塞いでおらず、第３熱交換器２３およびバイパス流路３５は解放されている。
ＨＶＡＣユニット３０は、ダクト３１に流入空気ＩＡを取り込むためのブロアを備えているが、この図示は省略されている。

本実施形態において、上流側に位置する第１熱交換器１３はダクト３１における流路の幅の全域を占めるのに対して、第３熱交換器２３は第１熱交換器１３に比べて幅が狭い。したがって、ダンパ３３の第１位置、第２位置および第３位置に対応して、以下の第１流路、第２流路および第３流路が形成される。
第１流路：第１熱交換器１３を通過した流入空気ＩＡは、第３熱交換器２３を通過することなく、バイパス流路３５を下流に向けて流れる。
第２流路：第１熱交換器１３を通過した流入空気ＩＡは、第３熱交換器２３を通過するとともに、バイパス流路３５を下流に向けて流れる。
第３流路：第１熱交換器１３を通過した流入空気ＩＡは、第３熱交換器２３だけを通過して下流に向けて流れる。

［空調システム１の運転モード］
次に、運転モードごとの空調システム１における動作を図２に基づいて説明する。
空調システム１は、図２に示すように、冷房モード、再熱除湿モードおよび暖房モードの３つのモードのいずれかで動作する。以下、この順に説明する。

［冷房モード］
冷房モードは、図２の上段に示すように、第１ヒートポンプサイクル１０は動作するが、第２ヒートポンプサイクル２０は動作せず、停止している。具体的には第２ヒートポンプサイクル２０の第２圧縮機２１の運転が停止される。動作しない第２ヒートポンプサイクル２０の構成要素は破線で示されている。以下も同様である。冷房モードにおいて、ダンパ３３は第１位置において第３熱交換器２３を塞いでいる。

冷房モードにおいては、上述した第１ヒートポンプサイクル１０における冷凍サイクルが実行されることで、第１熱交換器１３において、流入空気ＩＡは冷却される。冷却された温調空気ＴＣＡは、バイパス流路３５だけを通って吹出口３１Ｂから車室内Ｉｎに噴出される。

［再熱除湿モード］
再熱除湿モードは、図２の中段に示すように、第１熱交換器１３において流入空気ＩＡを除湿するとともに、第１熱交換器１３を通過した温調空気ＴＣＡの一部を第３熱交換器２３で加熱する。つまり、再熱除湿モードは、除湿暖房を行うモードである。ダンパ３３は第２位置におかれるので、第３熱交換器２３およびバイパス流路３５は解放されている。

再熱除湿モードにおいては、上述した第１ヒートポンプサイクル１０および第２ヒートポンプサイクル２０の双方における冷凍サイクルが実行される。したがって、第１熱交換器１３において流入空気ＩＡは冷却される。第１熱交換器１３を通過した温調空気ＴＣＡの一部は第３熱交換器２３で加熱され、温調空気ＴＣＡの他部はバイパス流路３５を流れ、両者は第３熱交換器２３よりも下流側で混合され、吹出口３１Ｂから車室内Ｉｎに噴出される。

［暖房モード］
暖房モードは、図２の下段に示すように、第１ヒートポンプサイクル１０は動作せず停止しているが、第２ヒートポンプサイクル２０は動作する。具体的には第１ヒートポンプサイクル１０の第１圧縮機１１の運転が停止される。ダンパ３３は、第３位置においてバイパス流路３５を塞いでいる。

暖房モードにおいては、上述した第２ヒートポンプサイクル２０における冷凍サイクルが実行されることで、第３熱交換器２３において、流入空気ＩＡは加熱される。加熱された温調空気ＴＣＡは、第３熱交換器２３を通過した後にバイパス流路３５を通って吹出口３１Ｂから車室内Ｉｎに噴出される。
第３熱交換器２３よりも上流において、流入空気ＩＡは第１熱交換器１３を通過するが、第１熱交換器１３は蒸発器として機能していないので、流入空気ＩＡは熱交換さることなく単に通過するだけである。

［制御手順］
次に、図３および図４を参照して、空調システム１の制御手順を説明する。
本実施形態における制御手順は、図３に示すように、温調指令値の検出ステップ（Ｓ１０１）、温調負荷の検出ステップ（Ｓ１０３）、温調目標値の算出ステップ（Ｓ１０５）、現状状態の検出ステップ（Ｓ１０７）および機器動作指令ステップ（Ｓ１０９）が繰り返される。以下、各ステップについて説明する。なお、この制御手順は、コントローラ７０により実行される。

［温調指令値の検出ステップ（Ｓ１０１）］
コントローラ７０は、空調システム１の制御手順として、温調指令値の検出ステップから始まる。このステップは、ＨＶＡＣユニット３０の図示を省略するブロアに関するＯＮ信号の有無、および、バッテリの冷却に関するＯＮ信号の有無を検出する。双方のＯＮ信号を検出すれば、温度調整の指令があるものとみなして、温調負荷の検出ステップ（Ｓ１０３）以降の手順に進む。一方のＯＮ信号しか検出しないか、双方のＯＮ信号を検出しなければ、機器停止指令ステップに進み、図３に示される各機器の動作の停止を指令する。
図３において、圧縮機Ａ，Ｂ、蒸発器Ａ，Ｂ、凝縮器Ａ，Ｂおよび膨張弁Ａ，Ｂは、以下を定義する。
圧縮機Ａ：第１圧縮機１１ 圧縮機Ｂ：第２圧縮機２１
蒸発器Ａ：第１熱交換器１３ 蒸発器Ｂ：第４熱交換器２７
凝縮器Ａ：第２熱交換器１７ 凝縮器Ｂ：第３熱交換器２３
膨張弁Ａ：第１膨張弁１５ 凝縮器Ｂ：第２膨張弁２５

［温調負荷の検出ステップ（Ｓ１０３）］
次に、コントローラ７０は、は、温調負荷の検出を行う。温調負荷としては、図３に示される外気温度、日射量、…、車速、バッテリ温度が例示される。これらの温調負荷によって、次のステップにおける温調目標値が変動する。

［温調目標値の算出ステップ（Ｓ１０５）］
次に、コントローラ７０は、温調目標値を算出する。
温調目標値は、先に検出した温調負荷を考慮したうえで、温調指令値を達成するために算出される。温調目標値としては、図３に示すように、運転モードの選択、蒸発器Ａ，Ｂの目標温度、凝縮器Ａ，Ｂの目標温度などである。

［現状状態の検出ステップ（Ｓ１０７）］
次に、コントローラ７０は、現状状態を検出する。
現状状態は、温調目標値に対して各機器の動作設定値を算出する際に参照される。
現状状態としては、図３に示すように、蒸発器Ａ，Ｂの目標温度、凝縮器Ａ，Ｂなどである。

［機器動作指令ステップ（Ｓ１０９）］
次に、コントローラ７０は、算出された機器動作設定値に基づいて、車外ファンの運転、圧縮機Ａ，Ｂの運転、膨張弁Ａ，Ｂの開度を指示する。

空調システム１は、温調指令値の検出ステップ（Ｓ１０１）～機器動作指令ステップ（Ｓ１０９）の手順を繰り返しながら、要求される温度指令値に対応する運転モードで運転される。

次に、空調システム１は、図４に示すように、冷房モード、再熱除湿モードおよび暖房モードの順に運転モードを変更し、逆に、暖房モード、再熱除湿モードおよび冷房モードの順に運転モードを変更する。空調システム１は、このように運転モードを順番に変更するヒステリシス性を備えている。
また、空調システム１において図４に示すように、外温の高低、湿度の高低、日射の多少車、室内の寒暖などの要因によって運転モードが変更される。

［空調システム１が奏する効果］
以下、空調システム１が奏する効果を説明する。
空調システム１は、第１ヒートポンプサイクル１０と第２ヒートポンプサイクル２０の２つのヒートポンプサイクルを備えているので、それぞれ物性が異なる冷媒を用いることができる。したがって、空調システム１は、第１ヒートポンプサイクル１０において、冷房におけるＣＯＰが高い冷媒Ａを用いることで、冷房における効率の低下を抑えることができる。一方で、空調システム１は、第２ヒートポンプサイクル２０において、暖房能力が大きい冷媒Ｂを用いることで、暖房能力を確保できる。仮に電気ヒータを組み合わせたとしても、電気ヒータの使用電力の低減を通じて省電力化できる。
また、空調システム１は、第１熱交換器１３よりも第３熱交換器２３を下流側に設けることで、図２（ｂ）に示すように、除湿暖房を実現する。

次に、空調システム１は、第２ヒートポンプサイクル２０における第４熱交換器２７は、第１ヒートポンプサイクル１０における第２熱交換器１７より下流に配置される。つまり、空調システム１は、第２熱交換器１７で加熱された外気ＯＡを冷媒Ｂが流れ蒸発器として機能する第４熱交換器２７に流入させる。
これにより、車室内Ｉｎの空気から吸熱した熱エネルギを第４熱交換器２７における蒸発に有効活用できる。また、蒸発器として機能する第４熱交換器２７への着霜を遅らせ暖房運転できる時間を延ばすことができる。さらに、蒸発器として機能する第４熱交換器２７の温度・圧力を高めにでき、第２圧縮機２１の圧力比を小さくできることで、第２圧縮機２１の省動力化に寄与する。

また、暖房については第２ヒートポンプサイクル２０が担うので、暖房能力を考慮して押し退け量を増やすために第１圧縮機１１を大型化しなくてもよい。
さらに、圧力が高い冷媒Ｂを用いる第２ヒートポンプサイクル２０の第４熱交換器２７は凝縮器として機能しない。したがって、第２ヒートポンプサイクル２０を冷房でも使用する場合と比べて設計圧力を低くできる。

次に、空調システム１は、第１ヒートポンプサイクル１０が冷房を担い、第２ヒートポンプサイクル２０が暖房を担う。したがって、空調システム１によれば冷房の回路と暖房の回路とを切り替える弁を設ける必要がない。ここで、この回路の切替弁を冷媒が流れると流動音が発生し、この冷媒流動音は乗員に不快感を与える要因になる。しかし、空調システム１はそもそも回路の切替弁を備えていないので、冷媒流動音が発生しない。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る空調システム２について図５を参照して説明する。
なお、空調システム２は、空調システム１と基本的な構成が一致するので、以下では空調システム１との相違点を中心に説明する。また、図５において、空調システム１と同じ要素については、図１と同じ符号を付けている。

［空調システム２の構成］
空調システム２は、第２ヒートポンプサイクル２０の第３熱交換器２３が、ＨＶＡＣユニット３０ではなく車室外Ｏｕｔに配置される。空調システム２は、第３熱交換器２３に生ずる凝縮熱をＨＶＡＣユニット３０の内部に伝える伝熱回路４０を備える。

伝熱回路４０は、一例として水を伝熱媒体として用い、凝縮器として機能する第３熱交換器２３との間の熱交換で加熱された水を用いて暖房・再熱を実現する。
以上の機能を担う伝熱回路４０は、伝熱媒体である水を送給するポンプ４１と、第３熱交換器２３に併設され、第３熱交換器２３で凝縮される冷媒Ｂと水との間で熱交換して水を加熱する第５熱交換器４３とを備える。また、伝熱回路４０は、第３熱交換器２３で加熱された水が供給されるヒータコア４５を、ＨＶＡＣユニット３０のダクト３１の内部に備えている。ヒータコア４５は、第１ヒートポンプサイクル１０の第１熱交換器１３よりも下流側に設けられている。ヒータコア４５は、ヒータコア４５の内部を流れる加熱水とヒータコア４５を通過する流入空気ＩＡとの間で熱交換させる熱交換器である。

［空調システム２の動作］
伝熱回路４０に係る空調システム２の動作について、以下説明する。
第２ヒートポンプサイクル２０が動作しており、第３熱交換器２３において冷媒Ｂが連続的に凝縮されることで凝縮熱を生じさせる。第５熱交換器４３を流れる伝熱媒体である水は、併設される第３熱交換器２３で生じる凝縮熱との熱交換により加熱される。加熱された水は、ポンプ４１の送給動作により、ＨＶＡＣユニット３０に設けられるヒータコア４５に送られる。ヒータコア４５の内部を流れる加熱水とヒータコア４５を通過する流入空気ＩＡとの間で熱交換され、流入空気ＩＡは加熱された温調空気ＴＣＡとなる。

［第２実施形態の効果］
空調システム２は、空調システム１が奏する効果に加え、以下の効果を奏する。
空調システム２において、高圧、可燃性という特性を有する冷媒Ｂを使用する第２ヒートポンプサイクル２０は、第３熱交換器２３を含めて車室外Ｏｕｔに配置される。したがって、空調システム２によれば、第２ヒートポンプサイクル２０の第３熱交換器２３において、仮に冷媒漏洩が発生したとしても、車室内Ｉｎにいる乗員に与える健康上のリスクを低減できる。

次に、温度すべりがある冷媒Ｂの場合、凝縮器として機能する第３熱交換器２３を第５熱交換器４３との間でローレンツサイクル（対向流）で使うことができる。したがって、空調システム２における第３熱交換器２３は、熱交換の効率向上や熱交換器の小型化に寄与する。

また、空調システム２によれば、第５熱交換器４３とヒータコア４５の間の流路に、 加熱機構４４を加えることで暖房能力を増強したり、車両機器を適切な温度にしたりすることができる。加熱機構４４としては、電気ヒータが例示される。他の加熱機構４４としては、エンジンやモータ、バッテリ等の排熱を回収する排熱回収機構が例示される。なお、加熱機構４４は空調システム２における選択的な要素である。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る空調システム３について図６および図７を参照して説明する。
なお、空調システム３は、空調システム１と基本的な構成が一致するので、以下では空調システム１との相違点を中心に説明する。また、図６において、空調システム１と同じ要素については、図１と同じ符号を付けている。

［空調システム３の構成］
空調システム３は、除湿をしない低外気温度時の暖房運転の能力を増強できる。
つまり、空調システム３は、図６に示すように、第１受液器１９から第１圧縮機１１へ連なるホットガスバイパス回路５０を備える。ホットガスバイパス回路５０は、第１受液器１９および第１熱交換器１３を繋ぐ配管と第１圧縮機１１および第１熱交換器１３とを繋ぐ配管１２とを繋ぐバイパス管５１と、バイパス管５１に設けられる絞り５３と、を備える。絞り５３は、冷媒Ａが流れる開口の径を変更できる可変式の機構を備えるものとする。

［空調システム３の動作］
次に、空調システム３の動作を図７に基づいて説明する。
空調システム３は、図７に示すように、冷房モード、再熱除湿モードおよび暖房モードの３つのモードのいずれかで動作する。図７に示す冷房モード、再熱除湿モードおよび暖房モードの３つのモードの内容は、図２に基づいて説明した空調システム１の冷房モード、再熱除湿モードおよび暖房モードと基本的な点では一致する。そこで、以下では空調システム１との相違点を中心に説明する。

［冷房モード］
冷房モードは、図７の上段に示すように、第１ヒートポンプサイクル１０は動作するが、第２ヒートポンプサイクル２０は動作しない。
ホットガスバイパス回路５０は、絞り５３の開口を閉じる。こうすることにより、第１受液器１９を通過する冷媒Ａは第１膨張弁１５を通って第１熱交換器１３に至り、蒸発熱を奪って蒸発する。

空調システム３においては、絞り５３の開口を所定の開度に開くこともてきる。そうすれば、絞り５３で低温・低圧とされた冷媒Ａが第１熱交換器１３を通過した冷媒Ａに混合されてから第１圧縮機１１に供給される。これにより、絞り５３で低温・低圧とされた冷媒Ａの分だけ、第１圧縮機１１を冷却できる。

［再熱除湿モード］
再熱除湿モードは、図７の中段に示すように、第１熱交換器１３において流入空気ＩＡを除湿するとともに、第１熱交換器１３を通過した温調空気ＴＣＡの一部を第３熱交換器２３で加熱する。
再熱除湿モードにおいても、ホットガスバイパス回路５０は、絞り５３の開口を閉じる。こうすることにより、第１受液器１９を通過する冷媒Ａは第１膨張弁１５を通って第１熱交換器１３に至り、蒸発熱を奪って蒸発する。

［暖房モード］
暖房モードは、図７の下段に示すように、第１ヒートポンプサイクル１０は第１熱交換器１３への冷媒Ａの供給を行わないが、ホットガスバイパス回路５０への冷媒Ａの供給を行う。
供給された冷媒Ａは、絞り５３において低温・低圧の液冷媒Ａとなって第１圧縮機１１に供給され。第１圧縮機１１においてこの液冷媒Ａは高温・高圧のガス冷媒Ａとなって第２熱交換器１７に供給され、第２熱交換器１７ではこのガス冷媒Ａが外気ＯＡと熱交換され凝縮される。このとき、ガス冷媒Ａは凝縮熱を放出するため、第２熱交換器１７よりも下流に配置される第４熱交換器２７に凝縮熱に相当する熱エネルギを付与できる。

［空調システム３の効果］
空調システム３によれば、第１実施形態の効果に加え、以下の効果を奏する。
除湿を伴わない暖房運転において、冷媒Ａを用いる第１ヒートポンプサイクル１０をホットガスバイパス運転する。これにより、第１圧縮機１１の動力分の熱エネルギが冷媒Ｂを用いる第２ヒートポンプサイクル２０の第４熱交換器２７に付与されるので、空調システム３によれば暖房能力を増強できる。

〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態に係る空調システム４について図８および図９を参照して説明する。
なお、空調システム４は、空調システム１と基本的な構成が一致するので、以下では空調システム１との相違点を中心に説明する。また、図８および図９において、空調システム１と同じ要素については、図１と同じ符号を付けている。

［空調システム４の構成］
空調システム４は、除湿をしない低外気温度時の暖房運転において、第１ヒートポンプサイクル１０をこれまでとは逆サイクルとなる暖房運転することで、暖房能力を増強できる。また、空調システム４は、冷房運転において、第２ヒートポンプサイクル２０をこれまでとは逆サイクルとなる冷房運転することで、冷房能力を増強できる。第１ヒートポンプサイクル１０および第２ヒートポンプサイクル２０のそれぞれは、逆サイクル運転ができるようにするために、四方弁（１４，２４）を搭載する。

図８に示すように、第１ヒートポンプサイクル１０には第１四方弁１４が設けられ、第２ヒートポンプサイクル２０には第２四方弁２４が設けられている。なお、図８は第１ヒートポンプサイクル１０および第２ヒートポンプサイクル２０の双方が暖房運転を行っているモードを示している。

第１ヒートポンプサイクル１０において、第１四方弁１４は、ポートＰ１１、ポートＰ１２、ポートＰ１３およびポートＰ１４と４つのポートを備えている。４つのポートＰ１１～ポートＰ１４の中で互いに隣接するポートＰ１１とポートＰ１２が、ポートＰ１２とポートＰ１３が、ポートＰ１３とポートＰ１４が、図８に示すように内部の流路で繋がっている。空調システム４の冷房運転、暖房運転に応じて、内部の流路が切り替えられる。

第１四方弁１４のポートＰ１１は、一端が第１圧縮機１１に接続される冷媒配管Ｌ１１の他端が接続される。
第１四方弁１４のポートＰ１２は、一端が第１熱交換器１３に接続される冷媒配管Ｌ１２の他端が接続される。
第１四方弁１４のポートＰ１３は、一端が第１受液器１９に接続される冷媒配管Ｌ１３の他端が接続される。
第１四方弁１４のポートＰ１４は、一端が第２熱交換器１７に接続される冷媒配管Ｌ１４の他端が接続される。

第２ヒートポンプサイクル２０において、第２四方弁２４は、ポートＰ２１、ポートＰ２２、ポートＰ２３およびポートＰ２４と４つのポートを備えている。４つのポートＰ２１～ポートＰ２４の中で互いに隣接するポートＰ２１とポートＰ２２が、ポートＰ２２とポートＰ２３が、ポートＰ２３とポートＰ２４が、図８に示すように内部の流路で繋がっている。空調システム４の冷房運転、暖房運転に応じて、内部の流路が切り替えられる。

第２四方弁２４のポートＰ２１は、一端が第２圧縮機２１に接続される冷媒配管Ｌ２１の他端が接続される。
第２四方弁２４のポートＰ２２は、一端が第４熱交換器２７に接続される冷媒配管Ｌ２２の他端が接続される。
第２四方弁２４のポートＰ２３は、一端が第２受液器２９に接続される冷媒配管Ｌ２３の他端が接続される。
第２四方弁２４のポートＰ２４は、一端が第３熱交換器２３に接続される冷媒配管Ｌ２４の他端が接続される。

［空調システム４の動作］
次に、空調システム４の動作を図９に基づいて説明する。
空調システム４は、図９に示すように、冷房モード、再熱除湿モードおよび暖房モードの３つのモードのいずれかで動作する。図９に示す冷房モード、再熱除湿モードおよび暖房モードの３つのモードの内容は、図２に基づいて説明した空調システム１の冷房モード、再熱除湿モードおよび暖房モードと基本的な点では一致する。そこで、以下では空調システム１との相違点を中心に説明する。

［冷房モード］
冷房モードは、図９の上段に示すように、第１ヒートポンプサイクル１０および第２ヒートポンプサイクル２０の双方が冷房運転を行う。

第１ヒートポンプサイクル１０においては、第１四方弁１４がポートＰ１１とポートＰ１４が繋がり、ポートＰ１２とポートＰ１３が繋がっている。よって、第１圧縮機１１で圧縮された冷媒Ａは、凝縮器として機能する第２熱交換器１７、第１膨張弁１５を通って第１熱交換器１３に流れる、という前述した第１実施形態における冷房運転と同じように動作する。第１熱交換器１３で蒸発熱を奪った冷媒Ａは、冷媒配管Ｌ１２、第１四方弁１４、冷媒配管Ｌ１４および第１受液器１９を通って、第１圧縮機１１に吸入され高温・高圧に圧縮される。以後は、以上と同じ冷凍サイクルが継続して行われる。

第２ヒートポンプサイクル２０においては、第２四方弁２４がポートＰ２１とポートＰ２４が繋がり、ポートＰ２２とポートＰ２３が繋がっている。よって、第２圧縮機２１で圧縮された冷媒Ｂは、凝縮器として機能する第４熱交換器２７、第２膨張弁２５を通って第３熱交換器２３に流れる、という冷房運転の動作をする。第３熱交換器２３で蒸発熱を奪った冷媒Ｂは、冷媒配管Ｌ２４、第２四方弁２４および第２受液器２９を通って、第２圧縮機２１に吸入され高温・高圧に圧縮される。以後は、以上と同じ冷凍サイクルが継続して行われる。

［再熱除湿モード］
再熱除湿モードは、図９の中段に示すように、第１熱交換器１３において流入空気ＩＡを除湿するとともに、第１熱交換器１３を通過した温調空気ＴＣＡの一部を第３熱交換器２３で加熱するものであって、第１実施形態と本質的な差異はない。

［暖房モード］
冷房モードは、図９の下段に示すように、第１ヒートポンプサイクル１０および第２ヒートポンプサイクル２０の双方が暖房運転を行う。

第１ヒートポンプサイクル１０においては、第１四方弁１４がポートＰ１１とポートＰ１２が繋がり、ポートＰ１３とポートＰ１４が繋がっている。よって、第１圧縮機１１で圧縮された冷媒Ａは、第１四方弁１４を通って凝縮器として機能する第１熱交換器１３、第１膨張弁１５を通って第２熱交換器１７に流れる、という暖房運転の動作をする。第２熱交換器１７で蒸発熱を奪った冷媒Ａは、冷媒配管Ｌ１４、第１四方弁１４、冷媒配管Ｌ１３および第１受液器１９を通って、第１圧縮機１１に吸入され高温・高圧に圧縮される。以後は、以上と同じ冷凍サイクルが継続して行われる。

第２ヒートポンプサイクル２０においては、第２四方弁２４がポートＰ２１とポートＰ２２が繋がり、第３熱交換器２３と第２四方弁２４が繋がっている。よって、第２圧縮機２１で圧縮された冷媒Ｂは、第２四方弁２４、凝縮器として機能する第３熱交換器２３、第２膨張弁２５を通って第４熱交換器２７に流れる、という暖房運転の動作をする。第４熱交換器２７で蒸発熱を奪った冷媒Ｂは、冷媒配管Ｌ２１、第２四方弁２４および第２受液器２９を通って、第２圧縮機２１に吸入され高温・高圧に圧縮される。以後は、以上と同じ冷凍サイクルが継続して行われる。

［空調システム４の効果］
空調システム４によれば、第１実施形態の効果に加え、以下の効果を奏する。
除湿をしない低外気温度時の暖房運転において、冷媒Ａを用いる第１ヒートポンプサイクル１０についても暖房運転する。しかも、冷房運転において、冷媒Ｂを用いる第２ヒートポンプサイクル２０についても冷房運転する。したがって、空調システム４によれば、第２ヒートポンプサイクル２０だけで暖房運転するよりも暖房能力を増強できるのに加えて、第１ヒートポンプサイクル１０だけで冷房運転するよりも冷房能力を増強できる。

［付記］
上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、第１実施形態～第４実施形態は、ＨＶＡＣユニット３０を一つだけ備えている。しかし、本発明に係る空調システムは、複数のＨＶＡＣユニットを備える空調システムとすることもできる。例えば、２つのＨＶＡＣユニットを備える場合、一方が車両の前部座席の温調を担い、他方が車両の後部座席の温調を担うことができる。また例えば、２つのＨＶＡＣユニットを備える場合、一方が車両の右側の温調を担い、他方が車両の左側の温調を担う、左右独立して温調ができる空調システムにできる。

１，２，３，４， 空調システム
１０ 第１ヒートポンプサイクル
１１ 第１圧縮機
１３ 第１熱交換器（第１蒸発器）
１４ 第１四方弁
１５ 第１膨張弁
１７ 第２熱交換器（第１凝縮器）
１９ 第１受液器
２０ 第２ヒートポンプサイクル
２１ 第２圧縮機
２３ 第３熱交換器（第２凝縮器）
２４ 第２四方弁
２５ 第２膨張弁
２７ 第４熱交換器（第２蒸発器）
２９ 第２受液器
３０ ＨＶＡＣユニット
３１ ダクト（温調空気流路）
３１Ａ 吸込口
３１Ｂ 吹出口
３３ ダンパ
３５ バイパス流路
４０ 伝熱回路
４１ ポンプ
４３ 第５熱交換器
４４ 加熱機構
４５ ヒータコア
５０ ホットガスバイパス回路
５１ バイパス管
５３ 絞り
Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ１４ 冷媒配管
Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３，Ｌ２４ 冷媒配管
Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４ ポート
Ｐ２１，Ｐ２２，Ｐ２３，Ｐ２４ ポート
Ｉｎ 車室内
Ｏｕｔ 車室外

Claims (10)

1. 第１圧縮機と、第１熱交換器と、第１膨張弁と、第２熱交換器と、が第１冷媒流路で循環経路をなすように接続される第１ヒートポンプサイクルと、
   第２圧縮機と、第３熱交換器と、第２膨張弁と、第４熱交換器と、が第２冷媒流路で循環経路をなすように接続される第２ヒートポンプサイクルと、
   温度の調整が行われる空気が一方向に沿って流れる温調空気流路と、を備え、
   前記第１ヒートポンプサイクルは、
   前記第１熱交換器が第１蒸発器を、前記第２熱交換器が第１凝縮器を構成し、前記第１圧縮機で圧縮された冷媒が、前記第１凝縮器、前記第１膨張弁および前記第１蒸発器を通って前記第１圧縮機に戻る前記第１冷媒流路をなし、
   前記第２ヒートポンプサイクルは、
   前記第３熱交換器が第２凝縮器を、前記第４熱交換器が第２蒸発器を構成し、前記第２圧縮機で圧縮された冷媒が、前記第２凝縮器、前記第２膨張弁および前記第２蒸発器を通って前記第２圧縮機に戻る前記第２冷媒流路をなし、
   前記第１熱交換器および前記第３熱交換器は、
   前記温調空気流路において、前記第１熱交換器より前記第３熱交換器が前記空気の流れる向きの下流に配置され、
   前記第２熱交換器および前記第４熱交換器は、
   前記第２熱交換器より前記第４熱交換器が取り込まれる外気の流れる向きの下流に配置される、
   空調システム。
   
2. 冷房モード、再熱除湿モードおよび暖房モードを備え、
   前記冷房モードにおいては、
   前記第１ヒートポンプサイクルを動作させるが、前記第２ヒートポンプサイクルを停止させ、
   前記再熱除湿モードにおいては、
   前記第１ヒートポンプサイクルおよび前記第２ヒートポンプサイクルの双方を動作させ、
   前記暖房モードにおいては、
   前記第２ヒートポンプサイクルを動作させるが、前記第１ヒートポンプサイクルを停止させる、
   請求項１に記載の空調システム。
   
3. 前記第２ヒートポンプサイクルの前記第２凝縮器の代わりにヒータコアが前記温調空気流路に配置され、
   前記ヒータコアには、前記温調空気流路の外部に配置される前記第２凝縮器との間で熱交換して得られる熱エネルギが供給される、
   請求項１または請求項２に記載の空調システム。
   
4. 前記第１ヒートポンプサイクルは、
   前記第１凝縮器を経た前記冷媒を前記第１圧縮機に向けて流すホットガスバイパス回路を備える、
   請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の空調システム。
   
5. 冷房モード、再熱除湿モードおよび暖房モードを備え、
   前記冷房モードにおいては、
   前記第１ヒートポンプサイクルを動作させるが、前記第２ヒートポンプサイクルを停止させ、
   前記再熱除湿モードにおいては、
   前記第１ヒートポンプサイクルおよび前記第２ヒートポンプサイクルの双方を動作させ、
   前記暖房モードにおいては、
   前記第２ヒートポンプサイクルを動作させるとともに、前記第１ヒートポンプサイクルでは、前記ホットガスバイパス回路を介して前記第１凝縮器を経た前記冷媒を前記第１圧縮機に流し、かつ、前記第１蒸発器への前記冷媒が流れるのを停止させる、
   請求項４に記載の空調システム。
   
6. 前記第１ヒートポンプサイクルおよび前記第２ヒートポンプサイクルのそれぞれは、
   冷媒が順方向および逆方向に循環可能に構成される、
   請求項１に記載の空調システム。
   
7. 冷房モード、再熱除湿モードおよび暖房モードを備え、
   前記冷房モードにおいては、
   前記第１ヒートポンプサイクルにおける前記第１熱交換器を第１蒸発器として機能させ、かつ、
   前記第２ヒートポンプサイクルにおける前記第３熱交換器を第２蒸発器として機能させる、
   請求項６に記載の空調システム。
   
8. 前記再熱除湿モードにおいて、
   前記第１ヒートポンプサイクルにおける前記第１熱交換器を第１蒸発器として機能させ、かつ、
   前記第２ヒートポンプサイクルにおける前記第３熱交換器を第２凝縮器として機能させる、
   請求項７に記載の空調システム。
   
9. 前記暖房モードにおいて、
   前記第１ヒートポンプサイクルにおける前記第１熱交換器を第１凝縮器として機能させ、かつ、
   前記第２ヒートポンプサイクルにおける前記第３熱交換器を第２凝縮器として機能させる、
   請求項７または請求項８に記載の空調システム。
   
10. 前記第１ヒートポンプサイクルには冷媒Ａが用いられ、
    前記第２ヒートポンプサイクルには冷媒Ｂが用いられ、
    前記冷媒Ａは前記冷媒Ｂよりも沸点が高い、
    請求項１～請求項９のいずれか一項に記載の空調システム。

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