JPH06213531A - 自動車用ヒートポンプ式空調装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、１組のヒートポンプサイクルで冷
房，暖房，除湿を可能にするヒートポンプ式空調装置を
提供することにある。 【構成】第１の室内熱交換器と循環路をなす圧縮機，ア
キュームレータ，４方弁，室外側熱交換器，膨張弁等か
らなるヒートポンプサイクルを共通とする第２の室内熱
交換器を併設し、前記４方弁及び循環路開閉弁の切り替
えにより空調を行うことを特徴とした自動車用ヒートポ
ンプ式空調装置。 【効果】本発明によれば、１つのヒートポンプサイクル
で冷房，暖房，除湿，除湿暖房ができるので、部品点数
が少なく、小型軽量で、車両への架装性を大幅に向上で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、車両用のヒートポンプ
式空調装置に関し、特に除湿機能を備えたヒートポンプ
式空調装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のエンジン駆動車両では、エンジン
を冷却するために用いられる循環冷却水より十分な熱量
が得られるので、冬期や中間期の暖房または除湿暖房は
容易に行われる。また、電気自動車やエンジン冷却水を
利用できない車両では、ヒートポンプ式空調装置を使っ
て冷凍サイクルを可逆運転することで、冷房と暖房を切
り替えて空調を行っているのが一般的である。更に、冬
期や中間期の除湿または除湿暖房を実現するため、特開
平3−84373号公報のように、２組のヒートポンプサイク
ルを組み合わせて、冷房，暖房，除湿または除湿暖房を
行うヒートポンプ式空調装置が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような、２組のサイクルを組み合わせた空調装置は、圧
縮機や膨張弁やそれらの制御装置が２組必要になるた
め、容積の増加により車両への架装性が悪く、また、重
量の増加により燃費の悪化や航続距離の低下という問題
点がある。

【０００４】本発明の目的は、１組のヒートポンプサイ
クルで冷房，暖房、除湿を可能にするヒートポンプ式空
調装置を提供するにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１の室内熱
交換器と循環路をなす圧縮機，アキュームレータ，４方
弁，室外側熱交換器，膨張弁等からなるヒートポンプサ
イクルを共通とする第２の室内熱交換器を併設し、前記
４方弁及び循環路開閉弁の切り替えにより達成される。

【０００６】本発明の好ましくは、圧縮機，アキューム
レータ，４方弁，室外側熱交換器，膨張弁，第１の室内
側熱交換器を配管により環状に接続すると共に、前記第
１の室内側熱交換器の風下側に、一方を前記膨張弁と第
１の室内側熱交換器間の配管に第１の開閉弁を介し接続
し、他方を前記第１の室内側熱交換器と４方弁間の配管
に第２の開閉弁を介し接続した第２の室内側熱交換器を
設け、更に前記室外側熱交換器と膨張弁間と前記第１の
開閉弁と第２の室内側熱交換器間に第３の開閉弁を設け
た第１のバイパス路を接続し、前記４方弁と室外側熱交
換器間と前記第２の開閉弁と第２の室内側熱交換器間に
第４の開閉弁を設けた第２のバイパス路を接続したヒー
トポンプサイクルとし、冷房，暖房，除湿及び除湿暖房
は前記４方弁と第１，第２，第３，第４の開閉弁の切り
替えにより達成される。

【０００７】

【作用】冷房運転時に第１及び第２の開閉弁を閉じ、第
３及び第４の開閉弁を開けることで、室外側熱交換器の
高温高圧の冷媒を第２のバイパス路，第２の室内側熱交
換器，第１のバイパス路へ流し、第１の室内側熱交換器
による室内の空気の冷却，除湿と、第２の室内側熱交換
器による室内の空気の加温とを同時に行い、除湿及び除
湿暖房を行う。

【０００８】

【実施例】以下に本発明の実施例であるヒートポンプ式
空調装置について説明する。

【０００９】図１は、本発明のヒートポンプ式空調装置
の冷媒回路である。圧縮機１１，アキュームレータ１
２，４方弁１３，室外側熱交換器１４，膨張弁１５，第
１の室内側熱交換器１６を配管により、環状に接続し、
ヒートポンプサイクルを形成している。

【００１０】第２の室内側熱交換器１７は、前記第１の
室内側熱交換器１６の風下側に形成され、一方を前記膨
張弁１５と第１の室内側熱交換器１６間の配管に第１の
開閉弁１８を介し接続し、他方を前記第１の室内側熱交
換器１６と４方弁１３間の配管に第２の開閉弁１９を介
し接続している。更に前記室外側熱交換器１４と膨張弁
１５間と前記第１の開閉弁１８と第２の室内側熱交換器
１７間に、第３の開閉弁２０を設けた第１のバイパス路
２１を接続し、前記４方弁１３と室外側熱交換器１４間
と前記第２の開閉弁１９と第２の室内側熱交換器１７間
に第４の開閉弁２２を設けた第２のバイパス路２３を接
続している。室外側熱交換器１４に隣接してファン２４
が設けられ、室外の空気を室外側熱交換器１４に供給さ
れる。第１の室内側熱交換器１６に隣接してファン２５
が設けられ、室内の空気を吸い込み、第１の室内側熱交
換器１６，第２の室内側熱交換器１７を通過して、再び
室内に吹き出されるようになっている。

【００１１】

【表１】

【００１２】表１は、本発明のヒートポンプ式空調装置
の４方弁１３，第１の開閉弁１８，第２の開閉弁１９，
第３の開閉弁２０，第４の開閉弁２２の動作と冷房，暖
房，除湿及び除湿暖房の運転状態の関係を示すものであ
る。

【００１３】上記構成の作動について、図２，図３，図
４を参照して、詳細に説明する。

【００１４】まず、図２において、冷房時の動作を説明
する。冷房時、各開閉弁は、表１の冷房の欄に従い作動
する。冷媒は、矢印の方向に流れる。圧縮機１１にて、
高温，高圧に圧縮された冷媒は、４方弁１３を通り、第
４の開閉弁２２が閉じているため、室外熱交換器１４へ
流れ、ファン２４により冷却され、高圧の液冷媒とな
る。次に、第３の開閉弁２０は閉じているため、液冷媒
は、膨張弁１５へ流れ、断熱膨張する。次に、第１の開
閉弁１８は開いており、断熱膨張した冷媒は、一方は、
第１の室内側熱交換器１６へ、他方は、第１の開閉弁１
８を通り、第２の室内側熱交換器１７へ流れ、蒸発し、
ファン２５により導入された室内の空気を冷却する。第
２の室内側熱交換器１７で蒸発した低温，低圧のガス冷
媒は、第２の開閉弁１９を通り、第１の室内側熱交換器
１６で蒸発したガス冷媒と合流し、４方弁１３，アキュ
ームレータ１２を通り、圧縮機１１に吸入される。

【００１５】図２では、第１の室内側熱交換器１６及び
第２の室内側熱交換器１７とも、蒸発器として作用する
ので、十分な冷房効果が得られる。

【００１６】次に、図３において、除湿及び除湿暖房時
の動作を説明する。各開閉弁は、表１の除湿暖房の欄に
従い作動する。図３において、冷媒は、矢印の方向に流
れ、圧縮機１１にて、高温高圧に圧縮された冷媒は、４
方弁１３を通り、一方は、室外側熱交換器１４へ流れ、
他方は、第４の開閉弁２２を通り、第２の室内側熱交換
器１７へ流れ、第１の室内側熱交換器１６の後流の空気
を加熱し、高圧の液冷媒となり、第３の開閉弁２０を通
り、室外側熱交換器１４からの高圧液冷媒と合流し、膨
張弁１５に流れ、断熱膨張し、第１の室内側熱交換器１
６へ流入する。ここで、第１の開閉弁１８は、閉じてお
り、第２の室内側熱交換器１７を出た高圧の液冷媒が、
膨張弁１５の後流へ流れ込むことはない。膨張弁１５に
て、断熱膨張した冷媒は、第１の室内側熱交換器１６に
て、蒸発し、低温低圧のガス冷媒になるとともに、室内
空気を冷却，除湿する。第１の室内側熱交換器１６より
出た低温低圧のガス冷媒は、４方弁１３，アキュームレ
ータ１２を通り、圧縮機１１に吸入される。ここで、第
２の開閉弁１９は閉じており、高温高圧の冷媒が、第１
の室内側熱交換器１６の後流の低温低圧のガス冷媒へ流
入することはない。

【００１７】図３において、第１の室内側熱交換器１６
は、蒸発器として作用し、室内空気を冷却，除湿し、第
２の室内側熱交換器１７は、凝縮器として作用し、第１
の室内側熱交換器１６で冷却，除湿された室内空気を加
熱できるので、除湿及び除湿暖房を可能にする。

【００１８】次に、図４において、暖房時の動作を説明
する。各開閉弁は、表１の暖房の欄に従い作動する。冷
媒は、矢印の方向に流れ、圧縮機１１にて、高温高圧に
圧縮された冷媒は、４方弁１３を通り、一方は、第１の
室内側熱交換器１６へ流れ、他方は、第２の開閉弁１９
を通り、第２の室内側熱交換器１７へ流れる。第１及び
第２の室内側熱交換器内の高温高圧の冷媒は、室内空気
を加熱し、高圧の液冷媒となり、第２の室内側熱交換器
１７の冷媒は、第１の開閉弁１８を通り、第１の室内側
熱交換器１６後流の冷媒と合流し、膨張弁１５に流入す
る。膨張弁１５にて断熱膨張した冷媒は、室外側熱交換
器１４にて蒸発し、室外空気と熱交換し、低温低圧のガ
ス冷媒となり、４方弁１３，アキュームレータ１２を通
り、圧縮機１１に吸入される。ここで、第３の開閉弁２
０及び第４の開閉弁２２は、閉じられており、高温高圧
の冷媒が、低温低圧の冷媒へ流入することはない。図４
において、第１及び第２の室内側熱交換器は、凝縮器と
して作用し、高温高圧の冷媒の熱により、ファン２５に
より導入された室内の空気を加熱できるので、十分な暖
房効果が得られる。

【００１９】図５は、上記第１，第２の室内側熱交換器
１６，１７の斜視図である。この熱交換器は、ラミネー
トタイプであり、冷媒流路のプレート部には、冷媒流路
を風上側と風下側に分離する仕切部２６が成形されてい
る。また、図６は、サーペンタインタイプの実施例であ
り、ヘッダパイプ部に仕切部２６を形成し、多孔チュー
ブにロー付けすることで、容易に第１，第２の室内側熱
交換器を一体に形成することが可能である。

【００２０】図７は、本発明における電動式膨張弁を用
いた制御システムの説明図である。電動式膨張弁は、ス
テッピングモータにより、直接または減速機を介して弁
を開閉するもので、冷房時および除湿，除湿暖房時は、
圧縮機吸い込み冷媒温度を圧縮機回転数と外気温度の関
数として目標設定し、膨張弁の開度をフィードバック制
御する。また、暖房時は、圧縮機吸い込み冷媒温度と室
外熱交換器温度との温度差を目標設定し、膨張弁の開度
をフィードバック制御する。更に、低外気温時には、室
外側熱交換器温度と外気温の比較により、室外側熱交換
器の着霜状態を検出し、暖房サイクルの状態で膨張弁を
全開にすることで、高温高圧の冷媒を室外側熱交換器へ
流し、容易に室外側熱交換器を除霜することが可能であ
る。

【００２１】図８は、本発明の空調装置の制御における
圧縮機回転数と室温と室内目標温度の差の関係を表すも
のである。圧縮機は、インバータで制御される電動モー
タで駆動されるので、車両駆動系の速度に無関係であ
り、冷媒循環量を車両駆動系と独立して制御できるの
で、最適な室内空調が可能である。また、表１における
開閉弁や４方弁の作動時においては、インバータ制御に
より、圧縮機回転数を低下させ、冷媒圧力を下げられる
ので、冷媒流動音を抑制可能であると共に、開閉弁の作
動力を下げられ、小型の開閉弁が利用可能となる。

【００２２】図９は、本発明のサイクルにおいて、室外
熱交換器と膨張弁間に受液器２７を設けた例である。車
両用、特に自動車用空調装置の室外熱交換器は、小型，
高性能化により、その容積は、室内側熱交換器とほぼ同
等である。ところで、冷房時と暖房時では、最適冷媒封
入量が異なる。暖房時は、雰囲気温度が低く、暖房能力
を確保するため、冷媒封入量が多くなる。暖房に最適な
冷媒量のまま冷房運転を行うと、異常高圧となり、圧縮
機が過負荷運転となり、損傷する恐れがある。そこで、
室外側熱交換器と膨張弁間に受液器を設け、冷房時の余
剰冷媒を貯液することで、冷房，暖房とも、最適冷媒量
で運転可能となる。図１０は、受液器２７の実施例の構
造図である。内部にストレーナ２８と乾燥剤２９を組み
込んでいる。膨張弁へ接続するパイプ３０は、冷房時の
吸い上げパイプとなるため、極力長く、室外側熱交換器
へ接続するパイプ３１は、暖房時のオイル戻りを考慮
し、極力短くしている。

【００２３】図１１は、本発明のサイクルにおいて、第
１，第２のバイパス路に、開閉弁に直列に逆止弁３２を
設けたものである。逆止弁により、高圧の冷媒が、開閉
弁へ流入するのを防止できるので、作動圧力の低い、小
型，軽量の開閉弁を利用できる。

【００２４】図１２は、電気自動車に搭載される本発明
のヒートポンプ式空調装置である。駆動用電動機の冷却
には、放熱フィンによる空冷方式や、オイルクーラによ
る油冷が行われるが、重量が増加するという問題があ
る。そこで、駆動用電動機３５の冷却が必要な場合、開
閉弁３３，３４により、図１３，図１４の如く、圧縮機
吸入冷媒を駆動用電動機のケーシング３６または、熱交
換器３７を介し、電動機ロータ３８下部の冷却油溜３８
内に導入することで、軽量で、確実な冷却が可能とな
る。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のヒートポン
プ式空調装置は、１つのヒートポンプサイクルにおい
て、４つの開閉弁を切り換えることで、２つの室内側熱
交換器を冷房のみ，暖房のみ、一方を冷却除湿、他方を
除湿空気の再加熱する除湿暖房の３通りの運転が可能に
なり、電気式ヒータや温水式ヒータを併用せずに除湿ま
たは除湿暖房ができるという優れた効果がある。

【００２６】また、本発明のヒートポンプ式空調装置
は、圧縮機，室外側熱交換器，膨張弁，アキュームレー
タが各１つのシステムで冷房，暖房，除湿，除湿暖房が
できるので、部品点数が少なく、小型軽量で、車両への
架装性を大幅に向上できるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヒートポンプ式空調装置の一実施例を
示す冷媒回路図。

【図２】図１の冷房時の動作説明図。

【図３】図１の除湿及び除湿暖房時の動作説明図。

【図４】図１の暖房時の動作説明図。

【図５】本発明の室内側熱交換器の一実施例の斜視図。

【図６】本発明の室内側熱交換器の他の実施例のサーペ
ンタインタイプの斜視図。

【図７】本発明の一実施例の電動式膨張弁を用いた制御
システムの説明図。

【図８】本発明の圧縮機回転数制御特性図。

【図９】本発明のサイクルにおいて受液器を設けた冷媒
回路図。

【図１０】図９の受液器の構造図。

【図１１】本発明のサイクルにおいて逆止弁を設けた冷
媒回路図。

【図１２】電気自動車に搭載される本発明の一実施例の
冷媒回路図。

【図１３】電気自動車駆動用電動機の冷却構造図。

【図１４】電気自動車駆動用電動機の冷却構造図。

【符号の説明】

１１…圧縮機、１３…４方弁、１４…室外側熱交換器、
１５…膨張弁、１６…第１の室内側熱交換器、１７…第
２の室内側熱交換器、１８，１９，２０，２２…開閉
弁、２１，２３…バイパス路。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の室内熱交換器と循環路をなす圧縮
   機，アキュームレータ，４方弁，室外側熱交換器，膨張
   弁等からなるヒートポンプサイクルを共通とする第２の
   室内熱交換器を併設し、前記４方弁及び循環路開閉弁の
   切り替えにより空調を行うことを特徴とした自動車用ヒ
   ートポンプ式空調装置。
2. 【請求項２】前記第２の室内熱交換器は前記第１の室内
   熱交換器の風下側に並設されていることを特徴とした請
   求項１記載の自動車用ヒートポンプ式空調装置。
3. 【請求項３】圧縮機，アキュームレータ，４方弁，室外
   側熱交換器，膨張弁，第一の室内側熱交換器を配管によ
   り、環状に接続し、前記第１の室内側熱交換器の風下側
   に形成され、一方を前記膨張弁と第１の室内側熱交換器
   間の配管に第１の開閉弁を介し接続し、他方を前記第１
   の室内側熱交換器と４方弁間の配管に第２の開閉弁を介
   し接続した第２の室内側熱交換器を設け、前記室外側熱
   交換器と膨張弁間と前記第１の開閉弁と第２の室内側熱
   交換器間に第３の開閉弁を設けた第１のバイパス路を接
   続し、前記４方弁と室外側熱交換器間と前記第２の開閉
   弁と第２の室内側熱交換器間に第４の開閉弁を設けた第
   ２のバイパス路を接続したことを特徴とするヒートポン
   プ式空調装置。
4. 【請求項４】４方弁と第１，第２，第３，第４の開閉弁
   により、冷房，暖房，除湿及び除湿暖房を行うことを特
   徴とする請求項１又は請求項２記載のヒートポンプ式空
   調装置。
5. 【請求項５】室内側熱交換器は、一つの熱交換器の冷媒
   流路に仕切部を設け、第１の室内側熱交換器と第２の室
   内側熱交換器に分割したことを特徴とする請求項１又は
   請求項２記載のヒートポンプ式空調装置。
6. 【請求項６】室内側熱交換器は、ヘッダパイプに仕切部
   を設け、多孔チューブにロー付けすることで、冷媒流路
   を２分割したサーペンタインチューブタイプであること
   を特徴とする請求項１又は請求項２記載のヒートポンプ
   式空調装置。
7. 【請求項７】膨張弁は、少なくとも圧縮機吸入側冷媒温
   度の検出信号と外気温度検出信号と室外側熱交換器の冷
   媒温度の検出信号と圧縮機回転数により制御される電動
   弁であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の
   ヒートポンプ式空調装置。
8. 【請求項８】圧縮機は、インバータにて制御される電動
   モータで駆動されることを特徴とする請求項１又は請求
   項２記載のヒートポンプ式空調装置。
9. 【請求項９】膨張弁と室外側熱交換器間に受液器を設け
   たことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のヒート
   ポンプ式空調装置。
10. 【請求項１０】第１及び第２のバイパス路に逆止弁を設
    けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のヒー
    トポンプ式空調装置。
11. 【請求項１１】圧縮機吸入側冷媒を電気自動車に搭載さ
    れる車両駆動用電動機の冷却に利用したことを特徴とす
    る請求項１又は請求項２記載のヒートポンプ式空調装
    置。