JPH10119562A - ヒートポンプ式自動車用空気調和装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】フロント側において除湿暖房を可能として暖房
性能の向上を図った「ヒートポンプ式自動車用空気調和
装置」を提供する。 【解決手段】サブエバポレータ３０とフロントエバポレ
ータ１２とを直列に接続し、これらをサブコンデンサ２
１の出口とコンプレッサ２の入口との間に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジン冷却水と
冷媒を用いて自動車の車室内を冷暖房するようにしたヒ
ートポンプ式自動車用空気調和装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高級車や車室内空間が大きいワンボック
スカーでは、室内全体が快適な空調状態となるように、
車室内の前方領域と後方領域とをフロントユニットとリ
ヤユニットとによってそれぞれ独立に空気調和するデュ
アルエアコンが広く採用されている。

【０００３】この種のデュアルエアコンの中でもヒート
ポンプ式の自動車用空気調和装置は、暖房運転時におい
て、フロントユニットでは、エンジンにより加熱された
エンジン冷却水を熱源として利用する一方、リヤユニッ
トでは、コンプレッサにより圧縮された高温高圧の冷媒
を熱源として利用し、外部空気から熱を汲み上げて使用
するシステムとなっている。

【０００４】ところが、この種の装置で暖房運転をする
場合、たとえば、冬季の朝のように外気温度が低いとき
には、起動時にエンジン冷却水の温度が低く、また、冷
媒温度の上昇速度も俊敏でないため、運転開始と同時に
暖かい空気が吹き出される状態になりにくく、いわゆる
即暖性に欠け、暖房性能も不足気味となるおそれがあ
る。特に、ディーゼルエンジンを搭載した車室内空間の
大きいワンボックスカーでは、通常のガソリンエンジン
車に比べ、エンジン冷却水の温度上昇が遅く、しかも広
い空間を暖房しなければならないことから、即暖性、暖
房性能ともに不足する傾向がある。

【０００５】そこで、本件出願人は、このような課題を
解消すべく、エンジン冷却水の熱を利用して冷媒を加熱
し、エンタルピーが増加したより高温の冷媒を使用し
て、より高い暖房性能を発揮するようにしたヒートポン
プ式自動車用空気調和装置を提案した（たとえば、特願
平７−２７１６２１号参照）。

【０００６】この自動車用空気調和装置は、たとえば、
図４に示すように、リヤユニット２０のリヤエバポレー
タ２２から流出した冷媒をサブエバポレータ３０に流入
させ、このサブエバポレータ３０にエンジン１から温水
バルブ３１を通って導入されているエンジン冷却水によ
り加熱するようにしたものである。

【０００７】この場合、従来では低温のため空気と熱交
換してもただちに暖房用として使用できなかったエンジ
ン冷却水を、サブエバポレータ３０において、きわめて
低温の冷媒と熱交換させることにより、その冷媒はエン
ジン冷却水が保有する熱を有効に取り込んだ後、コンプ
レッサ２に戻され、再度加圧されることになるので、コ
ンプレッサ２から吐出された冷媒はより高温の冷媒とな
って、サブコンデンサ２１に供給されることになる。そ
の結果、サブコンデンサ２１において熱交換された空気
はより高温となるため、より高い暖房性能が発揮され、
即暖性も向上することになる。

【０００８】なお、図４中、３はメインコンデンサ、４
は四方弁、５はバイパス通路、６は冷媒回収通路、７、
１５、２５は開閉弁、８、９は逆止弁、１０はフロント
ユニット、１１はヒータコア、１２はフロントエバポレ
ータ、１３、２３はリキッドタンク、１４、２４は膨脹
弁、１６は温水バルブである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに構成された自動車用空気調和装置にあっては、暖房
運転時に、開閉弁１５を閉じてフロントユニット１０の
フロントエバポレータ１２に冷媒を流さないため、フロ
ント側では除湿されず、したがって窓曇り防止のためフ
ロントユニット１０の吸込口は外気導入にする必要があ
る。このため、外気温度が低い時には、ヒータコア１１
は低温の取り入れ空気をエンジン冷却水との熱交換によ
り加熱することになり、フロント側の吹出風温度があま
り上昇しないという問題があった。つまり、フロント側
について十分な暖房性能を得ることができなかった。

【００１０】本発明は、本件出願人が現在開発中のヒー
トポンプ式自動車用空気調和装置における上記課題に着
目してなされたものであり、フロント側において除湿暖
房を可能として暖房性能の向上を図ったヒートポンプ式
自動車用空気調和装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、車室内の前方領域を対象と
し、エンジン冷却水が流通するヒータコアと、少なくと
もコンプレッサおよび第１コンデンサとともに冷凍サイ
クルを構成する第１エバポレータとが配置された第１ユ
ニットと、車室内の後方領域を対象とし、少なくとも前
記コンプレッサとともに冷凍サイクルを構成する第２コ
ンデンサが配置された第２ユニットとを有し、回路切換
弁を用いて前記コンプレッサからの冷媒を前記第１コン
デンサへ導く冷房運転用冷媒回路と前記冷媒を前記第１
コンデンサをバイパスする暖房運転用冷媒回路とを切り
換えるようにしたヒートポンプ式自動車用空気調和装置
において、前記エンジン冷却水を利用して流入した冷媒
を加熱する第２エバポレータと前記第１エバポレータと
を直列に接続して前記第１コンデンサの出口と前記コン
プレッサの入口との間に設けたことを特徴とする。

【００１２】この発明にあっては、冷凍サイクルはコン
プレッサ、第１コンデンサ、第２コンデンサ、第１エバ
ポレータ、および第２エバポレータから構成され、第１
ユニット内の第１エバポレータと第２エバポレータとが
直列に接続されて第２ユニット内の第２コンデンサの出
口とコンプレッサの入口との間に設けられているので、
暖房運転時においても第１ユニット内の第１エバポレー
タには冷媒が流通することになり、第１ユニットに取り
入れられた空気は、第１エバポレータを通過することに
よって冷却、除湿される。つまり、第１ユニットでは第
１エバポレータとヒータコアとで除湿暖房および冷房が
行われる。このため、暖房運転時には、第１ユニットの
吸込口を内気循環にして使用することが可能となり、第
１ユニットの吹出風温度を高くすることができる。一
方、第２ユニットには第２コンデンサのみが設けられて
いるので、第２ユニットに取り入れられた空気は第２コ
ンデンサを通過することによって加熱される。つまり、
第２ユニットでは専ら暖房のみが行われる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を使って、本発明の実
施の形態を説明する。図１、図２はそれぞれ本発明のヒ
ートポンプ式自動車用空気調和装置の一実施形態を示す
概略構成図であり、図１は暖房運転時の状態を示し、図
２は冷房運転時の状態を示しており、図４と共通する部
材には同一の符号を付してある。また、同図中、白抜き
矢印は空気の流れを、実線矢印は冷媒の流れを、破線矢
印はエンジン冷却水の流れをそれぞれ示している。

【００１４】この自動車用空気調和装置は、図示しない
インテークユニットで選択的に取り入れた内外気を空気
調和して車室内の前方領域（たとえば、前席）に向かっ
て吹き出すための第１ユニットとしてのフロントユニッ
ト１０と、内気を空気調和して車室内の後方領域（たと
えば、後席）に向かって吹き出すための第２ユニットと
してのリヤユニット２０とを有する、いわゆるデュアル
エアコンである。

【００１５】フロントユニット１０は、ケーシングによ
り形成された風路１０ｆ内に、白抜き矢印で示す空気の
流れ方向上流側から順に、インテークドアとブロア装置
（共に図示せず）、そして、第１エバポレータとしての
フロントエバポレータ１２、エアミックスドア（図示せ
ず）、およびヒータコア１１が配置され、また、空気の
流れ方向下流側には、車室内の前席への吹出口（図示せ
ず）が形成されている。なお、前記エアミックスドア
は、ヒータコア１１の前面に設けられ、ヒータコア１１
を通過した温風とこれを迂回した冷風との比率を調節し
てヒータコア１１の下流域で所望温度の空気を作った
り、あるいはヒータコア１１に空気が流通しないように
している。

【００１６】また、ヒータコア１１には、温水バルブ１
６を開にすることにより、エンジン１から流出したエン
ジン冷却水が導入されるようになっている。

【００１７】一方、リヤユニット２０は、ケーシングに
より形成された風路２０ｆ内に、第２コンデンサとして
のサブコンデンサ２１のみが配置され、また、その下流
側には、車室内の後席への吹出口（図示せず）が形成さ
れている。なお、リヤユニット２０も、サブコンデンサ
２１の前面にエアミックスドアを設け、サブコンデンサ
２１を通過した温風とこれを迂回した冷風との比率を調
節してサブコンデンサ２１の下流域で所望温度の空気を
作ったり、あるいはサブコンデンサ２１に空気が流通し
ないように構成することもできる。

【００１８】サブエバポレータ３０は、第２エバポレー
タとして機能する熱交換器であって、フロントユニット
１０およびリヤユニット２０の風路１０ｆ、２０ｆ外に
設けられ、かつ、フロントエバポレータ１２と直列に接
続されている。すなわち、ここでは、サブエバポレータ
３０をフロントエバポレータ１２の出口とコンプレッサ
２の入口との間に設け、さらにこれらサブエバポレータ
３０およびフロントエバポレータ１２をサブコンデンサ
２１の出口とコンプレッサ２の入口との間に設けてあ
る。このサブエバポレータ３０には、内部を流れる冷媒
と熱交換を行うためのエンジン冷却水がエンジン１から
温水バルブ３１を開くことにより導入される。このサブ
エバポレータ３０においては、内部を流通する冷媒がエ
ンジン冷却水により加熱されることになり、これにより
エンタルピーが増加したより高温の冷媒をコンプレッサ
２に戻し、より高い暖房性能を発揮させるようにしてい
る。このとき、好ましくは、膨脹弁２４の感熱部２４ａ
はサブエバポレータ３０の出口に取り付けられている。
これにより、サブエバポレータ３０で加熱された後の冷
媒温度によって冷媒流量が調整されるため、サブエバポ
レータ３０作動時にはより多量の冷媒が循環することに
なり、より一層高い暖房性能が発揮されるようになる。

【００１９】これらフロントユニット１０およびリヤユ
ニット２０にそれぞれ設けられたフロントエバポレータ
１２およびサブコンデンサ２１、ならびにユニット外に
設けられたサブエバポレータ３０を構成部品（熱交換
器）として、冷凍サイクルが構成されている。すなわ
ち、冷凍サイクルは、エンジン１によって回転駆動され
るコンプレッサ２、回路切換弁としての四方弁４、第１
コンデンサとしてのメインコンデンサ３、サブコンデン
サ２１、リキッドタンク２３、膨脹弁２４、フロントエ
バポレータ１２、サブエバポレータ３０を冷媒配管で接
続して構成されている。この冷凍サイクルによって、フ
ロントユニット１０では冷房および除湿が行われ、リヤ
ユニット２０では暖房が行われることとなる。

【００２０】このように構成したのは、リヤユニット２
０における除湿効果および冷房効果よりも、フロントユ
ニット１０に除湿効果を持たせることを優先したことに
よる。つまり、前述したように、図４に示す従来のシス
テムでは、暖房運転時において、フロントエバポレータ
１２に冷媒を流さないため、フロントユニット１０では
除湿が行われず、窓曇り防止を優先すべき結果として十
分な暖房性能が得られないことがある。このため、リヤ
ユニット２０にリヤエバポレータ２２を設けて除湿効果
および冷房効果を持たせるよりも、むしろオプション的
性格の強いリヤユニット２０は暖房専用ユニットとし、
一方で、窓晴れが要求されるフロント側に除湿効果を持
たせて窓曇りの防止と暖房性能の向上の両立を図り、こ
のとき全体としても暖房性能を高めることの方が好まし
いからである。

【００２１】なお、暖房運転時の冷媒回路（暖房運転用
冷媒回路）と冷房運転時の冷媒回路（冷房運転用冷媒回
路）との切り換えは、四方弁４を用いて行われ、暖房運
転時には、四方弁４を図１に示す状態に設定して、コン
プレッサ２から吐出された冷媒をバイパス通路６に導
き、一方、冷房運転時には、四方弁４を図２に示す状態
に設定して、コンプレッサ２から吐出された冷媒をメイ
ンコンデンサ３に導くようにする。

【００２２】また、冷媒回収通路６は、外気温度が低く
エンジン冷却水をただちに暖房用熱源として使用できな
い場合に、メインコンデンサ３等に滞留しているいわゆ
る寝込み冷媒を開閉弁７を開くことによりコンプレッサ
２に戻し、多量の冷媒を用いて性能の高い暖房ができる
ようにするためのものである。

【００２３】また、サブエバポレータ３０の設置位置
は、本案のように、フロントエバポレータ１２の出口と
コンプレッサ２の入口との間に限定されるわけではな
く、図３に示すように、サブコンデンサ２１の出口（よ
り正確には、膨脹弁２４の冷媒出口）とフロントエバポ
レータ１２の入口との間であってもよい。このとき、サ
ブコンデンサ２１で放熱された冷媒は、膨脹弁２４を通
り、サブエバポレータ３０でエンジン冷却水との熱交換
により吸熱させた後もう一度フロントエバポレータ１２
で今度は取り入れ空気との熱交換により吸熱させる。こ
れによっても、フロントユニット１０は除湿効果を得る
ことができ、かつ、全体として暖房性能を高めることが
できる。

【００２４】次に、全体の動作を説明する。ここでは、
図１、図２に示すシステムを例にとる。

【００２５】暖房運転時 前後席共に暖房する場合には、四方弁４を図１に示す状
態に設定し、開閉弁７を所定時間だけ開にする。この状
態でコンプレッサ２を作動させると、主としてメインコ
ンデンサ３等の内部に寝込んでいる冷媒が、四方弁４お
よび冷媒回収通路６を通ってコンプレッサ２の吸入側に
導かれ、回収される。これにより、コンプレッサ２は多
量の冷媒を吐出しうる運転状態となり、コンプレッサ２
から吐出された高温高圧の冷媒は、四方弁４→逆止弁９
→バイパス通路５→サブコンデンサ２１→リキッドタン
ク２３→膨脹弁２４→フロントエバポレータ１２→サブ
エバポレータ３０と流れて、コンプレッサ２に帰還す
る。

【００２６】また、温水バルブ１６、３１は共に開に
し、エンジン１の始動によりヒータコア１１にもある程
度温度上昇したエンジン冷却水を流通させるとともに、
サブエバポレータ３０にもエンジン冷却水を流通させて
おく。

【００２７】これにより、フロントユニット１０では、
フロントエバポレータ１２が機能するため、取り入れ空
気は、フロントエバポレータ１２を通過することにより
冷却、除湿された後、ヒータコア１１を通過することに
より加熱される。したがって、フロントユニット１０で
は除湿暖房が実現されて、フロントユニット１０から車
室内へ温風が供給される。

【００２８】また、このようにフロントユニット１０に
おいて除湿効果が得られることから、吸込口を内気循環
にしても窓曇りが生じないため、吸込口を内気循環にし
て使用できるようになる。内気循環にした場合には、加
熱された車室内空気（内気）を取り入れて再度ヒータコ
ア１１で加熱するため、加熱の効率が高く、より迅速に
より高い吹出風温度を得ることができる。つまり、フロ
ント側において、窓曇りを防止しつつ暖房性能の向上を
図ることができる。

【００２９】一方、リヤユニット２０では、コンプレッ
サ２から吐出された高温高圧のガス冷媒が、四方弁５
（および逆止弁９）を介してサブコンデンサ２１に流入
する。サブコンデンサ２１に流入した高温高圧のガス冷
媒は、車室内空気（内気）との熱交換により空気を加熱
して凝縮液化し、中温高圧の液冷媒となり、膨脹弁２４
で断熱膨脹され、蒸発しやすい低温低圧の気液混合冷媒
となって、フロントエバポレータ１２へと流れる。した
がって、取り入れ空気（内気）はサブコンデンサ２１で
加熱されるので、リヤユニット２０においても温風を車
室内へ供給することができる。

【００３０】このとき、サブコンデンサ２１による加熱
効果はサブエバポレータ３０によってさらに高くなる。
すなわち、フロントエバポレータ１２で蒸発しサブエバ
ポレータ３０に流入した低温低圧のガス冷媒は、エンジ
ン冷却水との熱交換により加熱され、より高温となって
コンプレッサ２に吸入され、再度圧縮されるので、コン
プレッサ２から吐出される冷媒の温度はより高温とな
り、高い暖房性能が発揮され、即暖性が向上する。

【００３１】しかも、ここでは、膨脹弁２４の開度が感
熱部２４ａで検知されるサブエバポレータ３０出口の冷
媒温度によって調整されるため、サブエバポレータ３０
の出口の冷媒温度がエンジン冷却水との熱交換により
（より正確には、フロントエバポレータ１２で空気との
熱交換により吸熱した後、さらにサブエバポレータ３０
でエンジン冷却水との熱交換により吸熱して）上昇する
と、膨脹弁２４の開度が大きくなり、より多量の冷媒が
循環するようになる。サブコンデンサ２１の暖房能力
（放熱性能）は冷媒の温度と流量に関係するため、吐出
冷媒の温度が上昇しかつ流量も増加することで、より高
い暖房性能および即暖性が得られる。

【００３２】また、この運転をしばらく継続して行って
いる間にエンジン冷却水の温度が上昇してくると、ヒー
タコア１１の加熱能力の高まりとともにサブエバポレー
タ３０による冷媒の加熱能力も高まるので、サブエバポ
レータ３０における冷媒の吸熱量自体が増加し、コンプ
レッサ２に吸入される冷媒の温度は相乗的に上昇するこ
とになり、かかる相乗的効果により相当高温の空気がよ
り短時間に吹き出されることにもなる。

【００３３】また、サブコンデンサ２１から流出しコン
プレッサ２に吸入される冷媒は、その途中において、フ
ロントエバポレータ１２で空気との熱交換により吸熱し
た後もう一度サブエバポレータ３０でエンジン冷却水と
の熱交換により吸熱するため、かかる２段階の吸熱作用
により、冷凍サイクルにおける吸熱量が増加する。この
ことも、コンプレッサ２からの冷媒の温度上昇、ひいて
はサブコンデンサ２１の放熱量の増大の一因となる。

【００３４】なお、このとき、サブコンデンサ２１で凝
縮した冷媒は、リキッドタンク２３に貯溜されるため、
冷凍サイクル内を流れる冷媒量を適切に管理することが
できる。

【００３５】冷房運転時 前席を冷房する場合には、四方弁４を図２に示す状態に
設定し、また、少なくとも温水バルブ３１は閉にしてサ
ブエバポレータ３０にエンジン冷却水が流れないように
しておく。この状態でコンプレッサ２を作動させると、
コンプレッサ２から吐出された冷媒は、四方弁４→メイ
ンコンデンサ３→逆止弁８→サブコンデンサ２１→リキ
ッドタンク２３→膨脹弁２４→フロントエバポレータ１
２→サブエバポレータ３０と流れて、コンプレッサ２に
帰還する。このとき、サブコンデンサ２１とサブエバポ
レータ３０は共に機能しない。

【００３６】これにより、フロントユニット１０では、
フロントエバポレータ１２が機能するため、取り入れ空
気は、フロントエバポレータ１２を通過することにより
冷却されて、車室内の前席へ冷風が供給される。

【００３７】なお、このとき、メインコンデンサ３で凝
縮した冷媒は、リキッドタンク２３に貯溜されるため、
冷凍サイクル内を流れる冷媒量を適切に管理することが
できる。

【００３８】本発明は、上述した実施の形態に限定され
るものではなく、特許請求の範囲の範囲内において種々
改変することができる。

【００３９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、車
室内の前方領域を対象とする第１ユニットに除湿効果を
持たせて除湿暖房を可能としたので、吸込口を内気循環
にして使用することにより、第１ユニットの暖房性能の
向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るヒートポンプ式自動
車用空気調和装置の暖房運転時の状態を示す概略構成図
である。

【図２】同装置の冷房運転時の状態を示す概略構成図で
ある。

【図３】本発明の他の一実施形態に係るヒートポンプ式
自動車用空気調和装置を示す概略構成図である。

【図４】従来のヒートポンプ式自動車用空気調和装置の
概略構成図である。

【符号の説明】

１…エンジン ２…コンプレッサ ３…メインコンデンサ（第１コンデンサ） ４…四方弁（回路切換弁） ５…バイパス通路 １０…フロントユニット（第１ユニット） １１…ヒータコア １２…フロントエバポレータ（第１エバポレータ） ２０…リヤユニット（第２ユニット） ２１…サブコンデンサ（第２コンデンサ） ２３…リキッドタンク ２４…膨脹弁 ３０…サブエバポレータ（第２エバポレータ） ３１…温水バルブ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】車室内の前方領域を対象とし、エンジン冷
   却水が流通するヒータコア（１１）と、少なくともコン
   プレッサ（２）および第１コンデンサ（３）とともに冷
   凍サイクルを構成する第１エバポレータ（１２）とが配
   置された第１ユニット（１０）と、 車室内の後方領域を対象とし、少なくとも前記コンプレ
   ッサ（２）とともに冷凍サイクルを構成する第２コンデ
   ンサ（２１）が配置された第２ユニット（２０）とを有
   し、 回路切換弁（４）を用いて前記コンプレッサ（２）から
   の冷媒を前記第１コンデンサ（３）へ導く冷房運転用冷
   媒回路と前記冷媒を前記第１コンデンサ（３）をバイパ
   スする暖房運転用冷媒回路とを切り換えるようにしたヒ
   ートポンプ式自動車用空気調和装置において、 前記エンジン冷却水を利用して流入した冷媒を加熱する
   第２エバポレータ（３０）と前記第１エバポレータ（１
   ２）とを直列に接続して前記第１コンデンサ（２１）の
   出口と前記コンプレッサ（２）の入口との間に設けたこ
   とを特徴とするヒートポンプ式自動車用空気調和装置。