WO2013175863A1 - 車両用ヒートポンプ空調システム - Google Patents

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WO2013175863A1
WO2013175863A1 PCT/JP2013/059372 JP2013059372W WO2013175863A1 WO 2013175863 A1 WO2013175863 A1 WO 2013175863A1 JP 2013059372 W JP2013059372 W JP 2013059372W WO 2013175863 A1 WO2013175863 A1 WO 2013175863A1
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vehicle
evaporator
refrigerant
temperature
heat pump
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PCT/JP2013/059372
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English (en)
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敏久 近藤
中川 信也
片山 彰
古田 太
昌俊 森下
伸二 出口
靖男 石原
Original Assignee
三菱重工オートモーティブサーマルシステムズ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a vehicle heat pump air conditioning system applied to air conditioning of an electric vehicle (EV vehicle) or the like.
  • a heat pump type air conditioning system using an electric compressor is considered as a vehicle air conditioning system applied to an EV vehicle or the like.
  • the reverse type heat pump it is necessary to make it possible to share the piping constituting the refrigerant circuit, the heat exchanger such as the evaporator and the condenser, etc. under different pressure conditions for the cooling operation and the heating operation. Therefore, it is necessary to completely change the vehicle air conditioning system applied to the current engine-driven vehicle.
  • Patent Document 1 a refrigerant circuit to which a sub capacitor (in-vehicle condenser) is added has been proposed.
  • the current system evaporator in the in-vehicle evaporator provided in the HVAC unit (Heating Venture and Air Conditioning Unit) by adding a switching valve, a bypass circuit and a sub capacitor, for a heat pump type vehicle
  • An air conditioning system can be configured.
  • a heating heat pump cycle can be configured by using the current system as it is as a base cooling refrigeration cycle.
  • an air mix system with a large reheat loss when using an in-vehicle evaporator and an in-vehicle condenser at the same time, and heating the air cooled by the in-vehicle evaporator with the in-vehicle condenser, Even if the rotation speed of the electric compressor is changed to adjust the refrigerant circulation amount, the blown air temperature cannot be changed. Therefore, temperature linearity characteristics (blowing temperature followability with respect to a set temperature change) cannot be ensured. Further, under heating and frosting conditions, frost is generated in the outside evaporator, and there is a problem that the heating operation cannot be continued stably.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and can use the cooling system refrigeration cycle of the current system as it is, and can ensure temperature linearity characteristics at the time of dehumidifying heating, and can also evaporate outside the vehicle during heating.
  • An object of the present invention is to provide a vehicle heat pump air-conditioning system capable of delaying the progress of frost formation on the vessel and stably continuing the heating operation while suppressing fluctuations in the blowing temperature.
  • the vehicle heat pump air conditioning system includes an electric compressor, an external condenser, a receiver, a first decompression unit, and an in-vehicle evaporator provided in the HVAC unit in this order.
  • the refrigerant refrigeration cycle is disposed downstream of the in-vehicle evaporator in the HVAC unit, the refrigerant inlet side is connected to the discharge circuit of the electric compressor via a switching means, and the refrigerant outlet side is connected to the receiver
  • the electric compressor, the switching means, the in-vehicle condenser, the receiver, the second decompression means, and the outside evaporator are connected in this order, so that And the first and second pressure reducing means are pressure reducing means having an on-off valve function, so that the
  • the in-vehicle condenser disposed in the HVAC unit is connected in parallel to the out-of-vehicle condenser via the switching means with respect to the cooling refrigeration cycle serving as the base, and the second decompression A heating heat pump cycle is configured by connecting the outside evaporator in parallel with the first decompression means and the in-vehicle evaporator via the means, and the first decompression means and the second decompression means are decompression means with an on-off valve function;
  • the vehicle exterior evaporator and the vehicle interior evaporator can be used in combination during dehumidifying heating and heating.
  • a heating heat pump cycle can be configured using the cooling refrigeration cycle including the in-vehicle evaporator of the current system as it is.
  • the refrigerant is circulated in the order of the electric compressor, the switching means, the in-vehicle condenser, the receiver, the second decompressing means, and the outside evaporator, and the on-off valve function of the first decompressing means is provided.
  • the first decompression means adjusts the amount of refrigerant to the in-vehicle evaporator, thereby changing the rotational speed of the electric compressor and adjusting the refrigerant circulation flow rate.
  • the on-off valve function of the first decompression means is opened and a part of the refrigerant is circulated to the in-vehicle evaporator side via the first decompression means.
  • a vehicle heat pump air conditioning system is the above-described vehicle heat pump air conditioning system, wherein the first pressure reducing means and the second pressure reducing means are a temperature type automatic expansion valve or an electronic expansion valve with an electromagnetic valve. Has been.
  • the first pressure reducing means and the second pressure reducing means are temperature type automatic expansion valves or electronic expansion valves with electromagnetic valves. Therefore, when a temperature type automatic expansion valve with an electromagnetic valve is used for the first pressure reducing means and the second pressure reducing means, the refrigerant can be circulated or shut off by opening and closing the electromagnetic valve. When the solenoid valve is opened, the refrigerant flow rate can be automatically controlled by the temperature type automatic expansion valve so that the refrigerant superheat degree at the outlet of the outside evaporator or the inside evaporator becomes constant.
  • the refrigerant when an electronic expansion valve is used, the refrigerant can be circulated or shut off by the fully-closed and fully-opened functions of the electronic expansion valve, and the degree of refrigerant superheating at the outlet of the external evaporator or the internal evaporator is controlled by the opening adjustment function. Can do. Therefore, according to the operation mode, the first decompression means and the second decompression means can be switched and used by using the on-off valve function, and the operation using both the outside evaporator and the inside evaporator is performed during dehumidifying heating and heating. It can be carried out.
  • the temperature type automatic expansion valve with solenoid valve of the present invention includes an integrated solenoid valve and temperature type automatic expansion valve, as well as independent individual solenoid valves and temperature type automatic expansion valves connected in series. Including those configured.
  • a pressure reducing means having an on-off valve function is obtained by adding an electronic expansion valve having the above function to these.
  • the vehicle heat pump air-conditioning system is the vehicle heat pump air-conditioning system according to any one of the above-described vehicles, wherein the receiver is connected to the receiver and the refrigerant from the vehicle condenser and the vehicle condenser.
  • the receiver is equipped with a check valve in which a check valve is incorporated in each refrigerant inlet of the circuit.
  • the receiver is a receiver with a check valve in which a check valve is incorporated in the refrigerant inlet of the refrigerant circuit from the external condenser and the in-vehicle condenser connected to the receiver. ing. Therefore, the cooling or heating refrigerant circuit that is not used in the operation mode can be shut off via the check valve incorporated in the refrigerant inlet of the receiver. Therefore, it is possible to prevent the refrigerant from accumulating in a circuit that is not used, and to reduce the number of connecting parts such as a flange and the like of the refrigerant circuit as compared with a receiver and a check valve that are individually provided in the refrigerant circuit. Simplification and cost reduction can be achieved.
  • a vehicle heat pump air conditioning system is the vehicle heat pump air conditioning system according to any one of the above-described vehicle heat pump air conditioning systems, wherein the vehicle exterior condenser, the vehicle exterior evaporator, and motors, inverters, batteries, and the like mounted on the vehicle are discharged.
  • a radiator that dissipates heat is provided in the ventilation path of a single fan, and the outside evaporator is disposed on the downstream side of the outside condenser and the radiator in the ventilation path.
  • the outside condenser, the outside evaporator, and the radiator mounted on the vehicle side to dissipate exhaust heat from the motor, inverter, battery, etc. are provided in the ventilation path of the single fan, and the ventilation In the road, an out-of-vehicle evaporator is disposed on the downstream side of the out-of-vehicle condenser and the radiator. Therefore, the ventilation to the outside condenser used during cooling, the ventilation to the outside evaporator used during heating, and the ventilation to the radiator can be performed by a single fan, and the outside evaporation used during heating. The outside air that has passed through the condenser outside the vehicle and the radiator can be ventilated to the condenser.
  • the number of fans installed can be reduced, and the system configuration can be simplified and the cost can be reduced.
  • the outside evaporator can be made difficult to form a frost, and the heat radiated from the radiator is absorbed by the outside evaporator and effectively used for heating, thereby improving the heating capacity. it can.
  • the vehicle heat pump air conditioning system is the vehicle heat pump air conditioning system, wherein the outside condenser and the radiator are arranged vertically, and the outside evaporator is arranged on the downstream side. It is installed.
  • the outside condenser and the radiator are arranged vertically, and the outside evaporator is arranged on the downstream side. Therefore, compared with the module of the structure which has arrange
  • the vehicle heat pump air-conditioning system is the vehicle heat pump air-conditioning system according to any one of the above-described vehicles, in the dehumidifying heating operation, depending on the temperature of air blown from the vehicle evaporator or the fin temperature.
  • a part of the refrigerant is diverted to the in-vehicle evaporator via the first pressure reducing means, and when the temperature is equal to or lower than the set value, the refrigerant is supplied to the in-vehicle evaporator via the first pressure reducing means. The diversion is stopped.
  • the refrigerant is supplied to the in-vehicle evaporator via the first decompression means.
  • the refrigerant diversion to the in-vehicle evaporator is stopped via the first decompression means.
  • the first decompression means when the blown air or fin temperature from the interior evaporator is equal to or higher than the set temperature, a part of the refrigerant is diverted to the interior evaporator via the first decompression means, and when the temperature is equal to or less than the set value, the first decompression means is used.
  • the vehicle heat pump air-conditioning system is the vehicle heat pump air-conditioning system according to any one of the above-described vehicles, wherein the outlet refrigerant temperature of the outside evaporator is equal to or lower than a set value during heating operation.
  • the refrigerant is supplied to the in-vehicle evaporator via the first pressure reducing means. The refrigerant flow is stopped.
  • the seventh aspect during the heating operation, when the outlet refrigerant temperature of the outside evaporator is equal to or lower than the set value, a part of the refrigerant is diverted to the inside evaporator via the first pressure reducing means, When the blown air or the fin temperature is equal to or lower than the set value, the refrigerant diversion to the in-vehicle evaporator is stopped via the first pressure reducing means. Therefore, during heating, when the outlet refrigerant temperature of the outside evaporator is below the set value under the frosting condition on the outside evaporator, a part of the refrigerant is diverted to the inside evaporator via the first decompression means, and the outside evaporation is performed.
  • the evaporator and the in-vehicle evaporator By operating in combination with the evaporator and the in-vehicle evaporator, it is possible to delay the progress of frost formation in the out-of-vehicle evaporator. Further, when the blown air or fin temperature from the in-vehicle evaporator is equal to or lower than the set value, the reduction of the blown air temperature to the in-vehicle is suppressed by stopping the diversion of the refrigerant to the in-vehicle evaporator through the first pressure reducing means. By repeating this, it is possible to operate with the fluctuation range kept within a certain range. Accordingly, during heating, the progress of frost formation on the outside evaporator can be delayed, and the heating operation can be continued stably while suppressing fluctuations in the blown air temperature.
  • the present invention it is possible to configure a heat pump cycle for heating by using the cooling refrigeration cycle including the in-vehicle evaporator of the current system as it is, and using this heating heat pump cycle, during the dehumidifying heating, the electric compressor
  • the refrigerant is circulated in the order of the switching means, the in-vehicle condenser, the receiver, the second decompression means, and the outside evaporator, and the on-off valve function of the first decompression means is opened to partially pass the refrigerant through the first decompression means.
  • the temperature of the air blown into the vehicle through the in-vehicle condenser by adjusting the refrigerant circulation flow rate by changing the number of revolutions of the electric compressor by adjusting the amount of cooling in the in-vehicle evaporator and flowing through the evaporator
  • the temperature linearity characteristic (following property of the blown air temperature with respect to the set temperature change) can be secured. Further, during heating, under the frosting condition on the outside evaporator, a part of the refrigerant is circulated to the in-vehicle evaporator side through the first decompression means by opening the on-off valve function of the first decompression means.
  • the progress of frost formation in the outside evaporator can be delayed, and the heating operation can be continued stably while suppressing fluctuations in the blown air temperature, so that the heating performance in the heat pump vehicle air conditioning system can be improved. Can be improved.
  • FIG. 1 It is a schematic structure figure of a heat pump air-conditioning system for vehicles concerning one embodiment of the present invention. It is a block diagram of the temperature type automatic expansion valve with a solenoid valve integrated in the vehicle heat pump air-conditioning system shown in FIG. It is a perspective view which shows the modification of the arrangement
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a vehicle heat pump air conditioning system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a configuration diagram of a temperature type automatic expansion valve with a solenoid valve incorporated in the system.
  • FIG. 3 shows a perspective view of an arrangement structure of an outside condenser, an outside evaporator and a radiator that can be employed in the system.
  • the vehicle heat pump air-conditioning system 1 of this embodiment includes an HVAC unit (Heating Ventilation and Air Conditioning Unit) 2 and a heat pump cycle 3 capable of cooling and heating.
  • HVAC unit Heating Ventilation and Air Conditioning Unit
  • the HVAC unit 2 introduces switching between the inside air and the outside air from the inside of the vehicle, and is sequentially arranged from the upstream side to the downstream side in the blower 4 for pressure feeding to the downstream side and the air passage 5 connected to the blower 4.
  • An auxiliary electric heater for example, a PTC heater
  • the HVAC unit 2 is generally installed in an instrument panel in front of the vehicle, and an air flow adjusted by the auxiliary electric heater 6, the vehicle evaporator 7 and the vehicle condenser 8 is opened toward the vehicle interior.
  • a plurality of outlets are selectively blown out into the vehicle, and the inside of the vehicle can be air-conditioned to a set temperature.
  • the auxiliary electric heater 6 may be omitted.
  • an electric compressor 9 for compressing refrigerant, an external condenser 10, a receiver 11, a first decompression means 12 with an on-off valve function, and the above-described internal evaporator 7 are arranged in this order.
  • a closed cycle cooling refrigeration cycle (cooling circuit) 14 connected via the refrigerant pipe 13 is provided.
  • the cooling refrigeration cycle 14 may be equivalent to the refrigeration cycle used in the current vehicle air conditioning system applied to an engine-driven vehicle.
  • the in-vehicle condenser 8 installed in the HVAC unit 2 is further connected to a discharge pipe (discharge circuit) 13 A from the electric compressor 9 via a three-way switching valve (switching means) 15.
  • the in-vehicle condenser 8 has a refrigerant inlet 13 connected to the refrigerant pipe 13B from the three-way switching valve 15 and the other end of the refrigerant pipe 13C connected to the refrigerant outlet connected to the receiver 11, so that It is set as the structure connected in parallel with respect to the condenser 10 outside a vehicle.
  • a refrigerant provided with an outside evaporator 17 is provided between an outlet pipe 13D of the receiver 11 and a suction pipe (suction circuit) 13E to the electric compressor 9 via a second pressure reducing means 16 having an on-off valve function.
  • a pipe 13F is connected.
  • the second decompression means 16 and the outside evaporator 17 are connected in parallel to the first decompression means 12 and the in-vehicle evaporator 7.
  • a closed-cycle heating heat pump cycle (heating circuit) 18 connected in this order through the refrigerant pipes 13A, 13B, 13C, 13F, and 13E can be configured.
  • the outside-vehicle evaporator 17 constituting the heating heat pump cycle 18 includes a single fan 19 that ventilates the outside air to the inside-condenser 8 constituting the cooling refrigeration cycle 14.
  • the fan 19 is shared by being arranged on the downstream side in parallel with the in-vehicle condenser 8.
  • a radiator 20 that dissipates heat generated by a motor, an inverter, a battery, and the like mounted on the vehicle is disposed between the in-vehicle condenser 8 and the out-of-vehicle evaporator 17, and the in-vehicle condenser 8 and the radiator 20
  • the outside-vehicle evaporator 17 By disposing the outside-vehicle evaporator 17 on the wake side, water droplets such as raindrops, muddy water, and splashing water coming from the front of the vehicle are blocked by the in-vehicle condenser 8 and the radiator 20 and adhered directly to the outside evaporator 17.
  • a configuration that prevents the outside evaporator 17 from frosting and can effectively use the exhaust heat from the motor, inverter, battery, etc. radiated from the radiator 20 for heating by absorbing the exhaust heat from the outside evaporator 17. It is said.
  • the in-vehicle condenser 8, the out-of-vehicle evaporator 17, and the radiator 20 are installed together with the fan 19 as a module.
  • the in-vehicle condenser 8, the out-of-vehicle evaporator 17, the radiator 20, and the fan 19 are installed.
  • the outside condenser 10 and the radiator 20 are arranged vertically, and the outside evaporator 17 is arranged on the downstream side as shown in FIG. Also good.
  • the size in the ventilation direction can be reduced, the module can be reduced in size and cost can be reduced, the degree of freedom in design can be increased, and the mounting property on the vehicle can be improved.
  • a temperature type automatic expansion valve 30 with an electromagnetic valve as shown in FIG. 2 can be used as the first pressure reducing means 12 and the second pressure reducing means 16 having the on-off valve function.
  • the temperature type automatic expansion valve 30 with a solenoid valve is provided on the refrigerant inlet side of the in-vehicle evaporator 7 and the out-of-vehicle evaporator 17, and includes an inlet side refrigerant flow path 34 and an outlet side refrigerant flow path 35 for the evaporator.
  • valve body 33 The valve body 33, the electromagnetic valve 31 that opens and closes the inlet-side refrigerant flow path 34 provided in the valve main body 33, and the valve seat portion 36 provided in the inlet-side refrigerant flow path 34 are seated, and the opening degree thereof is increased.
  • a temperature type automatic expansion valve 32 provided with a ball valve 37 to be adjusted is integrated.
  • the electromagnetic valve 31 includes an electromagnetic coil 31A, a movable iron core 31B, and a valve body 31C provided at the tip of the movable iron core 31B to open and close the inlet-side flow path 34, and the movable iron core 31B is energized by energizing the electromagnetic coil 31A.
  • the valve body 31 ⁇ / b> C is configured to open and close the inlet-side flow path 34 while moving forward and backward in the axial direction.
  • the temperature type automatic expansion valve 32 senses the temperature and pressure of the refrigerant in the outlet side refrigerant flow path 35 through which the refrigerant evaporated in the in-vehicle evaporator 7 and the out-of-vehicle evaporator 17 flows through the temperature sensing cylinder and the diaphragm 38.
  • the opening degree is adjusted by advancing and retreating the shaft 39 with the differential pressure and pushing the ball valve 37 biased by the spring 40.
  • the solenoid valve 31 and the temperature type automatic expansion valve 32 may be configured by connecting independent standard electromagnetic valves and temperature type automatic expansion valves in series for cost reduction.
  • the temperature type automatic expansion valve 30 with a solenoid valve is used, and during operation using one or both of the in-vehicle evaporator 7 and the out-of-vehicle evaporator 17, the electromagnetic valve 31 is opened and the temperature type is
  • the refrigerant flow rate is controlled by the temperature type automatic expansion valve 32 so that the degree of superheat of the refrigerant at each evaporator outlet becomes constant. Can be controlled automatically.
  • an electronic expansion valve may be used as the first pressure reducing means 12 and the second pressure reducing means 16 with the on-off valve function, instead of the temperature type automatic expansion valve 30 with electromagnetic valve.
  • the check valves 21 and 22 are integrally incorporated in two refrigerant inlets to which the refrigerant pipe 13C from the in-vehicle condenser 8 and the refrigerant pipe 13 from the outside condenser 10 are connected.
  • the receiver 11 is equipped with a check valve.
  • the refrigerant compressed and discharged by the electric compressor 9 is a three-way switching valve 15, an external condenser 10, a receiver 11, and a first pressure reducing means 12, as indicated by solid arrows. And it distribute
  • the refrigerant discharged from the electric compressor 9 passes through the three-way switching valve 15, the in-vehicle condenser 8, the receiver 11, the second decompression means 16, and the out-of-vehicle evaporator 17 in this order, as indicated by broken arrows. It circulates in the heating heat pump cycle (heating circuit) 18 that circulates and returns to the electric compressor 9 again.
  • FIG. 5 the operation circuit during the heating operation is indicated by solid arrows.
  • a temperature sensor 23 for detecting the refrigerant temperature is installed at the refrigerant outlet pipe of the outside-vehicle evaporator 17, and during the heating operation, when the refrigerant temperature T1 detected by the temperature sensor 23 is equal to or lower than the set value TS1, FIG.
  • the on-off valve function of the first pressure reducing means 12 (the electromagnetic valve 31 of the temperature type automatic expansion valve 30 with a solenoid valve) is opened, and a part of the circulating refrigerant is evaporated inside the vehicle via the first pressure reducing means 12.
  • the vehicle-side evaporator 17 and the vehicle interior evaporator 7 are used in combination. Thereby, the heat absorption capacity in the outside evaporator 17 is lowered, and the progress of frost formation on the outside evaporator 17 can be suppressed.
  • the temperature of the air heated by the in-vehicle condenser 8 and blown out into the vehicle is lowered by the operation of the in-vehicle evaporator 7.
  • the on-off valve function of the first pressure reducing means 12 (temperature type automatic expansion valve 30 with solenoid valve) The solenoid valve 31) is closed and the heating operation can be continued stably while suppressing the temperature fluctuation range within a certain range by repeating the operation.
  • the dehumidifying heating operation can be performed by using the in-vehicle condenser 8 and the in-vehicle evaporator 7 simultaneously. That is, as shown in FIG. 4, the refrigerant circuit is a heating heat pump cycle (heating circuit) 18, and the refrigerant discharged from the electric compressor 9 is a three-way switching valve 15, an in-vehicle condenser 8, as indicated by a solid line arrow, The receiver 11, the second decompression means 16, and the outside evaporator 17 are circulated to a heat pump cycle (heating circuit) 18 that sequentially flows and returns to the electric compressor 9. At the same time, the on-off valve function of the first pressure reducing means 12 is opened, and a part of the refrigerant is circulated through the first pressure reducing means 12 to the in-vehicle evaporator 7.
  • the refrigerant circuit is a heating heat pump cycle (heating circuit) 18
  • the refrigerant discharged from the electric compressor 9 is a three-way switching
  • the air cooled and dehumidified by the in-vehicle evaporator 7 can be heated by the in-vehicle condenser 8 and blown out into the vehicle, and dehumidifying and heating can be performed.
  • the in-vehicle condenser 8 and the in-vehicle evaporator 7 function simultaneously, even if the rotational speed of the electric compressor 9 is simply changed to increase or decrease the circulating flow rate of the refrigerant, the in-vehicle condenser 8 passes through the in-vehicle condenser 8.
  • the so-called temperature linearity characteristic that changes the temperature of the air blown to the air following the change of the set temperature cannot be ensured.
  • a refrigerant is passed through the outside evaporator 17 and the inside evaporator 7, and both the inside evaporator 7 and the outside evaporator 17 are used together.
  • the on-off valve function of the first pressure reducing means 12 is closed and the set temperature t2
  • the on-off valve function of the first decompression means 12 is opened, and the cooling amount in the in-vehicle evaporator 7 is adjusted.
  • the temperature of the blown air is changed by adjusting the refrigerant circulation flow rate by changing the rotational speed of the electric compressor 9, so that the temperature linearity characteristic can be secured.
  • the refrigerant compressed by the electric compressor 9 is led to the outside condenser 10 via the three-way switching valve 17 by the discharge pipe 13A, and is heat-exchanged with outside air ventilated by the fan 19 to be condensed and liquefied.
  • This liquid refrigerant is introduced into the receiver 11 via the check valve 21 and once stored, and then led to the first pressure reducing means 12 through the refrigerant pipe 13D, and is adiabatically expanded to enter a gas-liquid two-phase state. It is supplied to the evaporator 7.
  • the refrigerant evaporated by heat exchange with the inside air or outside air blown from the blower 4 by the interior evaporator 7 is sucked into the electric compressor 9 through the suction pipe 13E and recompressed. Thereafter, the same cycle is repeated.
  • This cooling cycle is not different from the cooling cycle of the current system used for engine-driven vehicles, and can be shared as it is.
  • the inside air or the outside air cooled by exchanging heat with the refrigerant in the process of passing through the in-vehicle evaporator 7 is blown out into the vehicle to be used for cooling the inside of the vehicle.
  • the refrigerant compressed by the electric compressor 9 is introduced into the in-vehicle condenser 8 through the three-way switching valve 17 and the refrigerant pipe 13B by the discharge pipe 13A as shown in FIG. Heat is exchanged with the inside air or outside air that is being blown. The air heated by this heat exchange is blown into the vehicle and used for heating the vehicle.
  • the refrigerant radiated by the in-vehicle condenser 8 and condensed and liquefied is led to the receiver 11 through the refrigerant pipe 13C and the check valve 22, and once stored, the refrigerant pipes 13D and 13F supply the second decompression means 16 with the refrigerant.
  • the gas is then adiabatically expanded to be in a gas-liquid two-phase state and supplied to the outside evaporator 17.
  • This refrigerant is heat-exchanged with the outside air ventilated by the fan 19 in the outside evaporator 17, and is absorbed into the evaporative gas by absorbing heat from the outside air, and is then sucked into the electric compressor 9 through the suction pipe 13E and recompressed. . Thereafter, the same cycle is repeated, and heat pump heating can be performed using the outside air as a heat source via the heat pump cycle (heating circuit) 18. During the heating operation, the outside-vehicle evaporator 17 is frosted due to the outside air condition.
  • the on-off valve of the first pressure reducing means 12 When the outside evaporator 17 is frosted and the detected temperature T1 of the temperature sensor 23 provided in the refrigerant outlet pipe of the outside evaporator 17 becomes equal to or lower than the set value TS1, the on-off valve of the first pressure reducing means 12 The function is opened, and as shown in FIG. 6, a part of the refrigerant is guided to the in-vehicle evaporator 7 through the first pressure reducing means 12.
  • the in-vehicle evaporator assist operation using both the out-of-vehicle evaporator 17 and the in-vehicle evaporator 7 is executed, and the heat absorption capability in the out-of-vehicle evaporator 17 is reduced. Will be suppressed.
  • the air that has passed through the in-vehicle evaporator 7 is cooled by the endothermic action of the in-vehicle evaporator 7, and the temperature of the air that is heated by the in-vehicle condenser 8 and blown into the inside of the vehicle decreases.
  • the on-off valve function of the first pressure reducing means 12 is closed (the temperature type automatic expansion valve 30 with a solenoid valve).
  • the electromagnetic valve 31 is closed), and the refrigerant flow to the in-vehicle evaporator 7 is stopped.
  • the inside evaporator 7 via the first decompression means 12.
  • a part of the refrigerant is diverted to the heater, and the heating operation is performed by using the outside evaporator 17 and the inside evaporator 7 together, so that the progress of frost formation on the outside evaporator 17 can be delayed.
  • the refrigerant diversion to the in-vehicle evaporator 7 is stopped via the first decompression means 12, thereby It is possible to operate while suppressing the decrease and suppressing the fluctuation range within a certain range. Therefore, during heating, the progress of frost formation on the outside evaporator 17 can be delayed, and the heating operation can be continued stably while suppressing fluctuations in the blown air temperature.
  • the in-vehicle condenser 8 and the in-vehicle evaporator 7 are used at the same time, and the air cooled and dehumidified through the in-vehicle evaporator 7 is heated by the in-vehicle condenser 8 and blown into the vehicle.
  • the on-off valve functions of the second decompression means 16 and the first decompression means 12 are both opened to allow the refrigerant to flow through both the outside evaporator 17 and the inside evaporator 7 as shown in FIG.
  • the vehicle interior evaporator 7 and the vehicle exterior evaporator 17 are used in combination.
  • the on-off valve function of the first pressure reducing means 12 is closed and the set temperature t2 At this time, the amount of cooling in the in-vehicle evaporator 7 is adjusted by opening the on-off valve function of the first decompression means 12.
  • the temperature linearity characteristic can be ensured even in the dehumidifying heating operation using the in-vehicle condenser 8 and the in-vehicle evaporator 7 at the same time, and in the heat pump type vehicle air conditioning system Heating performance can be improved.
  • outside evaporator 17 is disposed in the ventilation path of the fan 19 that vents outside air to the outside condenser 10 and the radiator 20 in parallel to the outside condenser 10 and the radiator 20 and on the downstream side thereof.
  • heat pump heating is performed by heat absorption from outside air ventilated through the fan 19.
  • the fan 19 can be shared and the number of parts can be reduced, and the configuration of the vehicle heat pump air-conditioning system 1 can be simplified, downsized, and reduced in cost.
  • outside evaporator 17 is disposed on the downstream side of the outside condenser 10 and the radiator 20, it is possible to make it difficult to form frost on the outside evaporator 17 during heating and dehumidifying heating operations. Heating capacity can be improved by effectively using the exhaust heat radiated from the radiator 20.
  • the outside condenser 10 and the radiator 20 are arranged one above the other, and the outside evaporator 17 is arranged on the downstream side.
  • the evaporator 17, the radiator 20 and the fan 19 are integrated into a module, compared to the module in which the in-vehicle condenser 8, the out-of-vehicle evaporator 17, the radiator 20 and the fan 19 are sequentially arranged in the ventilation direction, the ventilation
  • the ventilation By reducing the directional dimension, the module can be reduced in size and cost, the degree of freedom in design can be increased, and the mountability on the vehicle can be improved.
  • the receiver 11 is a receiver with a check valve in which check valves 21 and 22 are integrated into two refrigerant inlets. Therefore, the cooling refrigeration cycle 14 or the heating heat pump cycle 18 that is not used depending on the operation mode can be shut off by the check valves 21 and 22 incorporated in the two refrigerant inlets of the receiver 11. Therefore, compared to a system in which the receiver 11 and the check valves 21 and 22 are individually provided in the refrigerant circuit, connection parts such as flanges are not required, and the refrigerant circuit can be simplified and reduced in cost.
  • the first and second pressure reducing means 12 and 16 having an on-off valve function are each configured as a temperature type automatic expansion valve 30 with an electromagnetic valve. For this reason, it is possible to automatically control the degree of superheating at the evaporator outlet of the refrigerant that is evaporated and gasified by the interior evaporator 7 during cooling and the exterior evaporator 17 during heating. Therefore, the control system can be simplified, the cost can be reduced, and the reliability can be improved as compared with the one using the electronic expansion valve that requires the refrigerant pressure detecting means and the refrigerant temperature detecting means. Further, by using the temperature type automatic expansion valve 30 with a solenoid valve in which the electromagnetic valve 31 and the temperature type automatic expansion valve 32 are integrated, it is possible to expect a reduction in cost by reducing the number of connecting parts and the number of assembly steps.
  • the refrigerant circuit that is not used according to the operation mode can be closed by closing the on-off valve function of the first and second decompression means 12 and 16, the circuit to be stopped is surely set to the fully closed state. Refrigerant accumulation and the like can be prevented.
  • the first and second pressure reducing means 12 and 16 having the on-off valve function are replaced with independent individual standard solenoid valves and temperature type automatic expansions, instead of the above-described integrated type temperature type automatic expansion valve 30 with electromagnetic valves. You may substitute for what comprised the valve
  • the first and second pressure reducing means 12 and 16 having the on-off valve function are fully closed instead of the temperature type automatic expansion valve 30 with electromagnetic valve.
  • An electronic expansion valve having a function of fully opening may be substituted.
  • an auxiliary electric heater 6 composed of a PTC heater or the like is installed in the HVAC unit 2. This makes it possible to raise the temperature of the blown air by temporarily operating the auxiliary electric heater 6 simultaneously with the heat pump heating operation in a situation where the heating capacity is insufficient, such as when the outside air temperature is low, when the heating is rising, or when the window is cloudy. To compensate for the lack of heating capacity. For this reason, the required maximum heating capacity can be increased, and the utilization rate of the auxiliary electric heater 6 can be reduced and high-efficiency operation can be achieved, compared with the heating operation using the electric heater as a main heat source, and the heating power consumption can be increased. It is possible to suppress a decrease in the vehicle travel distance due to the above. However, this auxiliary electric heater 6 may be omitted.
  • the three-way switching valve 15 is used as the refrigerant switching means, but it may be replaced by two electromagnetic valves or a four-way switching valve.

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Abstract

除湿暖房時に温度リニアリティ特性を確保するとともに、暖房時、車外蒸発器への着霜の進行を遅らせ、吹出温度の変動を抑えつつ暖房運転を安定して継続することができる車両用ヒートポンプ空調システムを提供する。ベースとなる冷房用冷凍サイクル(14)に対して、HVACユニット(2)内に配設される車内凝縮器(8)が切替え手段(15)を介して車外凝縮器(10)と並列に接続されるとともに、第2減圧手段(16)を介して車外蒸発器(17)が第1減圧手段(12)および車内蒸発器(7)と並列に接続されることにより暖房用ヒートポンプサイクル(18)が構成され、第1減圧手段(12)および第2減圧手段(16)が開閉弁機能付きの減圧手段(12,16)とされることによって、除湿暖房時および暖房時、車外蒸発器(17)および車内蒸発器(7)が併用可能な構成とされている。

Description

車両用ヒートポンプ空調システム
 本発明は、電気自動車(EV車)等の空調に適用される車両用ヒートポンプ空調システムに関する。
 EV車、HEV車、PHEV車等に用いられる車両用空調システムにおいては、エンジン冷却水等の燃焼排熱を利用した暖房運転を行うことができない。また、エンジンに代わる走行用モータやバッテリ等からの排熱を利用することは可能であるが、排熱量が少ないため、排熱のみを熱源とした暖房システムは成立しない。一方、電気ヒータを用いた暖房システムが考えられるが、バッテリ容量に対して暖房消費電力が大きいことから、暖房使用により車両の走行距離が著しく低下してしまうという問題がある。
 そこで、EV車等に適用する車両用空調システムとして、電動圧縮機を用いたヒートポンプ方式の空調システムが考えられている。リバース方式のヒートポンプの場合、冷媒回路を構成する配管類や蒸発器、凝縮器等の熱交換器等を冷房運転および暖房運転の異なる圧力条件下で共用できるようにしなければならない。そのため、現行のエンジン駆動方式の車両に適用されている車両用空調システムを全面的に変更しなければならない。
 一方、特許文献1に示されるように、冷媒回路にサブコンデンサ(車内凝縮器)を追加したものが提案されている。この場合、HVACユニット(Heating Ventilation and Air Conditioning Unit)内に設けられる車内蒸発器に現行システムの蒸発器を用いながら、切替え弁およびバイパス回路とサブコンデンサとを追加することによって、ヒートポンプ方式の車両用空調システムを構成することができる。
特開平11-170849号公報
 上述した特許文献1に示すものでは、ベースとなる冷房用冷凍サイクルに現行システムのものをそのまま利用して暖房用ヒートポンプサイクルを構成することができる。しかしながら、再熱ロスが大きいエアミックス方式に代えて、車内蒸発器と車内凝縮器とを同時に使用し、車内蒸発器で冷却された空気を車内凝縮器で加熱して除湿暖房運転しようとすると、電動圧縮機の回転数を変更して冷媒循環量を調整しても吹出空気温度を変化させることができない。そのため、温度リニアリティ特性(設定温度変化に対する吹出温度追従性)が確保できない。また、暖房時、着霜条件下では、車外蒸発器にフロストが発生し、安定して暖房運転を継続することができない等の課題を有していた。
 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、現行システムの冷房用冷凍サイクルをそのまま利用でき、しかも除湿暖房時に温度リニアリティ特性を確保することができるとともに、暖房時、車外蒸発器への着霜の進行を遅らせ、吹出温度の変動を抑えつつ暖房運転を安定して継続することができる車両用ヒートポンプ空調システムを提供することを目的とする。
 
 本発明の第1の態様にかかる車両用ヒートポンプ空調システムは、電動圧縮機、車外凝縮器、レシーバ、第1減圧手段、HVACユニット内に設けられている車内蒸発器がこの順に接続されている冷房用冷凍サイクルと、前記HVACユニット内の前記車内蒸発器の下流側に配設され、冷媒入口側が前記電動圧縮機の吐出回路に切替え手段を介して接続されるとともに、冷媒出口側が前記レシーバに接続されている車内凝縮器と、冷媒入口側が前記レシーバの出口側に第2減圧手段を介して接続され、冷媒出口側が前記電動圧縮機の吸入回路に接続されている車外蒸発器と、を備え、前記電動圧縮機、前記切替え手段、前記車内凝縮器、前記レシーバ、前記第2減圧手段および前記車外蒸発器がこの順に接続されることにより暖房用ヒートポンプサイクルが構成され、前記第1減圧手段および前記第2減圧手段が開閉弁機能付きの減圧手段とされることにより、除湿暖房時および暖房時、前記車外蒸発器および前記車内蒸発器が併用可能とされている。
 第1の態様によれば、ベースとなる冷房用冷凍サイクルに対して、HVACユニット内に配設される車内凝縮器が切替え手段を介して車外凝縮器と並列に接続されるとともに、第2減圧手段を介して車外蒸発器が第1減圧手段および車内蒸発器と並列に接続されることにより暖房用ヒートポンプサイクルが構成され、第1減圧手段および第2減圧手段が開閉弁機能付きの減圧手段とされることにより、除湿暖房時および暖房時に、車外蒸発器および車内蒸発器が併用可能な構成とされている。そのため、現行システムの車内蒸発器を含む冷房用冷凍サイクルをそのまま利用して暖房用のヒートポンプサイクルを構成することができる。この暖房用ヒートポンプサイクルを用い、除湿暖房時に、電動圧縮機、切替え手段、車内凝縮器、レシーバ、第2減圧手段および車外蒸発器の順に冷媒を循環するとともに、第1減圧手段の開閉弁機能を開として一部冷媒を車内蒸発器に流し、第1減圧手段で車内蒸発器への冷媒量を調整することによって、電動圧縮機の回転数を変え冷媒循環流量を調整する。これにより、車内凝縮器を通過して車内に吹出される空気の温度を変化させ、温度リニアリティ特性(設定温度変化に対する吹出空気温度の追従性)を確保することができる。また、暖房時に、車外蒸発器への着霜条件下において、第1減圧手段の開閉弁機能を開として一部冷媒を、第1減圧手段を介して車内蒸発器側に循環し、車外蒸発器への冷媒量を調整することにより着霜の進行を遅延させるとともに、吹出空気温度の変動を抑えながら、安定的に暖房運転を継続することができる。従って、ヒートポンプ方式の車両用空調システムにおける暖房性能を改善することができる。
 本発明の第2の態様にかかる車両用ヒートポンプ空調システムは、上記の車両用ヒートポンプ空調システムにおいて、前記第1減圧手段および第2減圧手段が、電磁弁付き温度式自動膨張弁または電子膨張弁とされている。
 第2の態様によれば、第1減圧手段および第2減圧手段が、電磁弁付き温度式自動膨張弁または電子膨張弁とされている。そのため、第1減圧手段および第2減圧手段に電磁弁付き温度式自動膨張弁を用いた場合、電磁弁の開閉によって冷媒を流通または遮断できる。電磁弁が開とされたとき、温度式自動膨張弁により車外蒸発器または車内蒸発器の出口における冷媒過熱度が一定となるように冷媒流量を自動制御することができる。また、電子膨張弁を用いた場合、電子膨張弁の全閉、全開機能により冷媒を流通または遮断でき、その開度調整機能によって車外蒸発器または車内蒸発器の出口における冷媒過熱度を制御することができる。従って、運転モードに応じ、その開閉弁機能を用いて第1減圧手段および第2減圧手段を切替え使用することができるとともに、除湿暖房および暖房時に、車外蒸発器および車内蒸発器を併用した運転を行うことができる。なお、本発明の電磁弁付き温度式自動膨張弁には、電磁弁と温度式自動膨張弁とを一体化したものの他、独立した個別の電磁弁と温度式自動膨張弁とを直列に接続して構成したものをも包含する。本発明では、これらに上記の機能を持つ電子膨張弁を加えたものを、開閉弁機能付きの減圧手段としている。
 本発明の第3の態様にかかる車両用ヒートポンプ空調システムは、上記のいずれかの車両用ヒートポンプ空調システムにおいて、前記レシーバが、該レシーバに接続される前記車外凝縮器および前記車内凝縮器からの冷媒回路の冷媒流入口に、それぞれ逆止弁が組み込まれている逆止弁付きレシーバとされている。
 第3の態様によれば、レシーバが、該レシーバに接続される車外凝縮器および車内凝縮器からの冷媒回路の冷媒流入口に、それぞれ逆止弁が組み込まれている逆止弁付きレシーバとされている。そのため、運転モードにより使用されない冷房または暖房用の冷媒回路をレシーバの冷媒流入口に組み込まれている逆止弁を介して遮断することができる。従って、使用されない回路への冷媒の溜り込みを防止することができるとともに、レシーバおよび逆止弁を個別に冷媒回路中に設けたものに比べ、フランジ等の接続用部品を低減し、冷媒回路の簡素化、低コスト化を図ることができる。
 本発明の第4の態様にかかる車両用ヒートポンプ空調システムは、上記のいずれかの車両用ヒートポンプ空調システムにおいて、前記車外凝縮器、前記車外蒸発器および車両に搭載のモータ、インバータ、バッテリ等の排熱を放熱するラジエータが、単一のファンの通風路中に設けられ、その通風路中において、前記車外蒸発器が前記車外凝縮器およびラジエータの後流側に配設されている。
 第4の態様によれば、車外凝縮器、車外蒸発器および車両側に搭載のモータ、インバータ、バッテリ等の排熱を放熱するラジエータが、単一のファンの通風路中に設けられ、その通風路中において、車外蒸発器が、車外凝縮器およびラジエータの後流側に配設されている。そのため、冷房時に使用される車外凝縮器への通風および暖房時に使用される車外蒸発器への通風、並びにラジエータへの通風を単一のファンにより行うことができるとともに、暖房時に使用される車外蒸発器に対して、車外凝縮器およびラジエータを通風した外気を通風することができる。従って、ファンの設置数を低減し、システム構成の簡素化、低コスト化を図ることができる。また、暖房時、車外蒸発器に対して着霜し難くすることができるとともに、ラジエータから放熱される熱を車外蒸発器で吸熱し、暖房に有効利用することにより、暖房能力を向上させることができる。
 本発明の第5の態様にかかる車両用ヒートポンプ空調システムは、上記の車両用ヒートポンプ空調システムにおいて、前記車外凝縮器と前記ラジエータとが上下に配設され、その後流側に前記車外蒸発器が配設されている。
 第5の態様によれば、車外凝縮器とラジエータとが上下に配設され、その後流側に車外蒸発器が配設されている。そのため、車外凝縮器、ラジエータ、車外蒸発器およびファンを通風方向に沿って配設した構成のモジュールに比べ、通風方向寸法を小さくすることができる。従って、当該モジュールの小型化、低コスト化を図ることができるとともに、設計の自由度を高め、車両への搭載性を向上させることができる。
 本発明の第6の態様にかかる車両用ヒートポンプ空調システムは、上記のいずれかの車両用ヒートポンプ空調システムにおいて、除湿暖房運転時、前記車内蒸発器からの吹出空気またはフィン温度に応じて、その温度が設定温度以上のとき、前記第1減圧手段を介して前記車内蒸発器に冷媒の一部が分流され、設定値以下のとき、前記第1減圧手段を介して前記車内蒸発器への冷媒の分流が停止される構成とされている。
 第6の態様によれば、除湿暖房運転時、車内蒸発器からの吹出空気またはフィン温度に応じて、その温度が設定温度以上のとき、第1減圧手段を介して車内蒸発器に冷媒の一部が分流され、設定値以下のとき、第1減圧手段を介して車内蒸発器への冷媒の分流が停止される構成とされている。そのため、車内蒸発器で冷却、除湿した空気をその下流側に配設されている車内凝縮器で加熱して除湿暖房する際、車内蒸発器により冷却した空気をそのまま車内凝縮器で加熱して吹出すだけでは、電動圧縮機の回転数を変更して冷媒循環流量を調整しても、温度リニアリティ特性を確保することはできない。しかし、車内蒸発器からの吹出空気またはフィン温度が設定温度以上のとき、第1減圧手段を介して車内蒸発器に冷媒の一部を分流し、設定値以下のとき、第1減圧手段を介して車内蒸発器への冷媒分流を止めて車内蒸発器での冷却量を減少させることにより、電動圧縮機の回転数を変更することによる冷媒循環流量の調整で吹出空気温度を変化させることが可能となる。従って、除湿暖房時おいても、温度リニアリティ特性を確保することができる。
 本発明の第7の態様にかかる車両用ヒートポンプ空調システムは、上記のいずれかの車両用ヒートポンプ空調システムにおいて、暖房運転時、前記車外蒸発器の出口冷媒温度が設定値以下のとき、前記第1減圧手段を介して前記車内蒸発器に冷媒の一部が分流され、前記車内蒸発器からの吹出空気またはフィン温度が設定値以下のとき、前記第1減圧手段を介して前記車内蒸発器への冷媒の分流が停止される構成とされている。
 第7の態様によれば、暖房運転時、車外蒸発器の出口冷媒温度が設定値以下のとき、第1減圧手段を介して車内蒸発器に冷媒の一部が分流され、車内蒸発器からの吹出空気またはフィン温度が設定値以下のとき、第1減圧手段を介して車内蒸発器への冷媒の分流が停止される構成とされている。そのため、暖房時、車外蒸発器に対する着霜条件下において、車外蒸発器の出口冷媒温度が設定値以下のとき、第1減圧手段を介して車内蒸発器に冷媒の一部を分流し、車外蒸発器および車内蒸発器を併用して運転することにより、車外蒸発器での着霜の進行を遅延させることができる。また、車内蒸発器からの吹出空気またはフィン温度が設定値以下のとき、第1減圧手段を介して車内蒸発器への冷媒の分流を停止することにより、車内への吹出空気温度の低下を抑え、これを繰り返すことによりその変動幅を一定範囲に抑えて運転することができる。従って、暖房時、車外蒸発器への着霜の進行を遅らせるとともに、吹出空気温度の変動を抑制しながら、安定的に暖房運転を継続することができる。
 本発明によると、現行システムの車内蒸発器を含む冷房用冷凍サイクルをそのまま利用して暖房用のヒートポンプサイクルを構成することができ、この暖房用ヒートポンプサイクルを用いて、除湿暖房時に、電動圧縮機、切替え手段、車内凝縮器、レシーバ、第2減圧手段および車外蒸発器の順に冷媒を循環するとともに、第1減圧手段の開閉弁機能を開として一部冷媒を、第1減圧手段を介して車内蒸発器に流し、車内蒸発器での冷却量を調整することによって、電動圧縮機の回転数を変えることによる冷媒循環流量の調整で、車内凝縮器を通過して車内に吹出される空気の温度を変化させ、温度リニアリティ特性(設定温度変化に対する吹出空気温度の追従性)を確保することができる。また、暖房時、車外蒸発器への着霜条件下において、第1減圧手段の開閉弁機能を開として一部冷媒を、第1減圧手段を介して車内蒸発器側に循環する。これにより、車外蒸発器での着霜の進行を遅延させるとともに、吹出空気温度の変動を抑えながら、安定的に暖房運転を継続することができるため、ヒートポンプ方式の車両用空調システムにおける暖房性能を改善することができる。
本発明の一実施形態に係る車両用ヒートポンプ空調システムの概略構成図である。 図1に示す車両用ヒートポンプ空調システムに組み込まれる電磁弁付き温度式自動膨張弁の構成図である。 図1に示す車両用ヒートポンプ空調システムにおいて採用が可能な車外凝縮器、車外蒸発器およびラジエータの配設構造の変形例を示す斜視図である。 図1に示す車両用ヒートポンプ空調システムの除湿暖房運転時の状態説明図である。 図1に示す車両用ヒートポンプ空調システムの暖房運転時の状態説明図である。 図1に示す車両用ヒートポンプ空調システムの暖房運転時の車内蒸発器が併用さている状態の説明図である。
 以下に、本発明の一実施形態について、図1ないし図6を参照して説明する。
 図1には、本発明の一実施形態に係る車両用ヒートポンプ空調システムの概略構成図が示されている。図2には、そのシステムに組み込まれる電磁弁付き温度式自動膨張弁の構成図が示されている。図3には、そのシステムにおいて採用可能な車外凝縮器、車外蒸発器およびラジエータの配設構造の斜視図が示されている。
 本実施形態の車両用ヒートポンプ空調システム1は、HVACユニット(Heating Ventilation and Air Conditioning Unit)2と、冷暖房可能なヒートポンプサイクル3とを備えている。
 HVACユニット2は、車内からの内気または外気のいずれかを切替え導入し、下流側に圧送するブロア4と、ブロア4に連なる空気流路5中に上流側から下流側にかけて順次配設されている補助電気ヒータ(例えば、PTCヒータ)6と、車内蒸発器7と、車内凝縮器8とを備えている。このHVACユニット2は、一般に車内前方のインストルメントパネル内に設置されており、補助電気ヒータ6、車内蒸発器7および車内凝縮器8によって温調された空気流を、車内に向けて開口されている複数の吹出し口から選択的に車内へと吹出し、車内を設定温度に空調できるように構成されている。なお、補助電気ヒータ6を省略した構成としてもよい。
 冷暖房可能なヒートポンプサイクル3は、冷媒を圧縮する電動圧縮機9と、車外凝縮器10と、レシーバ11と、開閉弁機能付きの第1減圧手段12と、上記の車内蒸発器7とがこの順に冷媒配管13を介して接続されている閉サイクルの冷房用の冷凍サイクル(冷房回路)14を備えている。この冷房用の冷凍サイクル14は、エンジン駆動方式の車両に適用されている現行の車両用空調システムに用いられている冷凍サイクルと同等のものとすることができる。
 ヒートポンプサイクル3には、更に電動圧縮機9からの吐出配管(吐出回路)13Aに、HVACユニット2内に設置されている上記の車内凝縮器8が三方切替え弁(切替え手段)15を介して接続されている。車内凝縮器8は、冷媒入口に三方切替え弁15からの冷媒配管13Bが接続され、冷媒出口に接続されている冷媒配管13Cの他端がレシーバ11に接続されることにより、冷凍サイクル14中の車外凝縮器10に対して並列に接続された構成とされている。
 また、レシーバ11の出口配管13Dと、電動圧縮機9への吸入配管(吸入回路)13Eとの間に、開閉弁機能付きの第2減圧手段16を介して、車外蒸発器17を備えた冷媒配管13Fが接続されている。この第2減圧手段16および車外蒸発器17は、第1減圧手段12および車内蒸発器7に対して並列に接続された構成とされている。これにより、電動圧縮機9と、三方切替え弁15と、HVACユニット2内に設置されている車内凝縮器8と、レシーバ11と、開閉弁機能付きの第2減圧手段16と、車外蒸発器17とがこの順に冷媒配管13A,13B,13C,13F,13Eを介して接続された閉サイクルの暖房用ヒートポンプサイクル(暖房回路)18が構成可能とされている。
 上記のヒートポンプサイクル3において、暖房用ヒートポンプサイクル18を構成している車外蒸発器17は、冷房用冷凍サイクル14を構成している車内凝縮器8に対して外気を通風する単一のファン19の通風路中に、車内凝縮器8と互いに平行にその後流側に配置され、ファン19を共用化している。本システムでは、車内凝縮器8と車外蒸発器17との間に、車両に搭載のモータ、インバータ、バッテリ等で発生した熱を放熱するラジエータ20を配設し、車内凝縮器8およびラジエータ20の後流側に車外蒸発器17を配置することによって、車両前方から飛来する雨粒、泥水、撥ね水等の水滴が車内凝縮器8およびラジエータ20によりブロックされ、車外蒸発器17に直接付着するのを防止し、車外蒸発器17に着霜し難くするとともに、ラジエータ20から放熱されるモータ、インバータ、バッテリ等からの排熱を車外蒸発器17で吸熱して暖房に有効利用することが可能な構成としている。
 また、車内凝縮器8、車外蒸発器17およびラジエータ20は、ファン19と共に一体にモジュール化されて設置されるが、このモジュール化に際して、車内凝縮器8、車外蒸発器17、ラジエータ20およびファン19を通風方向に順次配設してモジュール化する以外に、図3に示されるように、車外凝縮器10とラジエータ20とを上下に配置し、その後流側に車外蒸発器17を配置した構成としてもよい。これによって、通風方向寸法を小さくし、当該モジュールの小型化、低コスト化を図り、設計の自由度を高め、車両への搭載性を向上させることができる。
 さらに、開閉弁機能付きの第1減圧手段12および第2減圧手段16としては、図2に示すような電磁弁付き温度式自動膨張弁30を用いることができる。
 電磁弁付き温度式自動膨張弁30は、車内蒸発器7および車外蒸発器17の冷媒入口側に設けられるものであり、蒸発器に対する入口側冷媒流路34および出口側冷媒流路35を備えた弁本体33と、弁本体33に設けられている入口側冷媒流路34を開閉する電磁弁31と、入口側冷媒流路34に設けられている弁座部36に着座され、その開度を調整するボール弁37を備えた温度式自動膨張弁32とが一体化されたものである。
 電磁弁31は、電磁コイル31Aと、可動鉄心31Bと、可動鉄心31Bの先端に設けられ、入口側流路34を開閉する弁体31Cとを備え、電磁コイル31Aへの通電により可動鉄心31Bが軸方向に進退し、弁体31Cが入口側流路34を開閉するように構成されている。温度式自動膨張弁32は、車内蒸発器7および車外蒸発器17で蒸発した冷媒が流通する出口側冷媒流路35内の冷媒の温度と圧力とを感温筒およびダイヤフラム38を介して感知し、その差圧でシャフト39を進退させ、バネ40により付勢されているボール弁37を押すことにより開度調整されるように構成されている。なお、電磁弁31と温度式自動膨張弁32は、コスト低減のため、独立した個別の標準的な電磁弁、温度式自動膨張弁を直列に接続して構成したものとしてもよい。
 上記の電磁弁付き温度式自動膨張弁30を用い、車内蒸発器7および車外蒸発器17の一方または双方を使用した運転時に、電磁弁31を開とし、入口側流路34を介して温度式自動膨張弁32で断熱膨張された冷媒を車内蒸発器7および車外蒸発器17に供給することにより、各蒸発器出口の冷媒過熱度が一定となるように温度式自動膨張弁32で冷媒流量を自動制御することができる。これによって、冷媒圧力検出手段および冷媒温度検出手段を必要とする電子膨張弁を使用したシステムに比べ、構成を簡素化し、低コスト化することができる。ただし、本発明では、開閉弁機能付きの第1減圧手段12および第2減圧手段16として、電磁弁付温度式自動膨張弁30に代え、電子膨張弁を用いてもよい。
 また、上記のレシーバ11は、車内凝縮器8からの冷媒配管13Cおよび車外凝縮器10からの冷媒配管13が接続される2つの冷媒流入口に逆止弁21,22が一体的に組み込まれた逆止弁付きレシーバ11とされている。
 上記のヒートポンプサイクル3において、冷房時、電動圧縮機9で圧縮され、吐出された冷媒は、実線の矢印で示すように、三方切替え弁15、車外凝縮器10、レシーバ11、第1減圧手段12および車内蒸発器7をこの順に流通し、再び電動圧縮機9に戻る冷房用冷凍サイクル(冷房回路)14内を循環する。一方、暖房時、電動圧縮機9から吐出された冷媒は、破線の矢印で示すように、三方切替え弁15、車内凝縮器8、レシーバ11、第2減圧手段16および車外蒸発器17をこの順に流通し、再び電動圧縮機9に戻る暖房用ヒートポンプサイクル(暖房回路)18内を循環する。
 ここで、外気温が低い着霜条件下で暖房運転を続けることにより車外蒸発器17に着霜が発生し、その霜が成長して車外蒸発器17が全面的に凍結すると、外気との熱交換が阻害されるため、暖房不能に陥る。しかし、仮に車外蒸発器17に着霜したとしても、その成長を遅延させることにより、安定的に暖房運転を継続することができる。このため、本実施形態では、着霜の進行を遅延させるべく、以下の構成を採用している。
 図5には、暖房運転時の運転回路が実線の矢印で示されている。車外蒸発器17の冷媒出口配管には、冷媒温度を検出する温度センサ23が設置されており、暖房運転時、この温度センサ23により検出された冷媒温度T1が設定値TS1以下のとき、図6に示されるように、第1減圧手段12の開閉弁機能(電磁弁付温度式自動膨張弁30の電磁弁31)を開として循環冷媒の一部を、第1減圧手段12を介して車内蒸発器7側に流し、車外蒸発器17と車内蒸発器7とを併用して運転する。これにより、車外蒸発器17での吸熱能力を下げ、車外蒸発器17への着霜の進行を抑制できるようにしている。
 この際、車内蒸発器7の作動によって車内凝縮器8で加熱されて車内に吹出される空気の温度が低下する。車内蒸発器7からの吹出空気またはフィン温度を検出する温度センサ24の検出温度T2が設定値TS2以下に低下したとき、第1減圧手段12の開閉弁機能(電磁弁付温度式自動膨張弁30の電磁弁31)を閉とし、その繰り返しによって温度変動幅を一定の範囲内を抑えながら、安定的に暖房運転を継続できるようにしている。
 さらに、本実施形態では、車内凝縮器8と車内蒸発器7とを同時使用して除湿暖房運転を行うことができる。つまり、図4に示されるように、冷媒回路を暖房用ヒートポンプサイクル(暖房回路)18とし、電動圧縮機9から吐出された冷媒を実線の矢印の如く、三方切替え弁15、車内凝縮器8、レシーバ11、第2減圧手段16、車外蒸発器17を順次流通して電動圧縮機9に戻るヒートポンプサイクル(暖房回路)18に循環させるようにしている。同時に第1減圧手段12の開閉弁機能を開として冷媒の一部を、第1減圧手段12を経て車内蒸発器7に循環させるようにしている。
 これによって、車内蒸発器7で冷却、除湿された空気を車内凝縮器8により加熱して車内に吹出すことができ、除湿暖房することができる。この場合、車内凝縮器8および車内蒸発器7が同時に機能されるため、単に電動圧縮機9の回転数を変化させて冷媒の循環流量を増減しても、車内凝縮器8を通過して車内に吹出される空気の温度を設定温度の変化に追従させて変化させる、いわゆる温度リニアリティ特性を確保することができない。それは、電動圧縮機9の回転数を増減すると、車内蒸発器7を通過する空気温度が低くなる場合、車内凝縮器8を通過する空気温度が高くなり、吹出空気温度はそれらが混合した中間の温度にしかならないためである。
 そこで、除湿暖房時、温度リニアリティ特性を確保するため、図4に示されるように、車外蒸発器17および車内蒸発器7に冷媒を流し、車内蒸発器7と車外蒸発器17とを併用して運転すると同時に、車内蒸発器7から吹出される空気またはフィン温度を検出する温度センサ24の検出温度T2が設定温度t1以下のとき、第1減圧手段12の開閉弁機能を閉とし、設定温度t2以上のとき、第1減圧手段12の開閉弁機能を開とし、車内蒸発器7での冷却量を調整する。これにより、電動圧縮機9の回転数を変更することによる冷媒循環流量の調整で吹出空気温度を変化させ、温度リニアリティ特性を確保できるようにしている。
 以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
 冷房時、電動圧縮機9で圧縮された冷媒は、吐出配管13Aにより三方切替え弁17を介して車外凝縮器10に導かれ、ファン19で通風される外気と熱交換されて凝縮液化される。この液冷媒は、逆止弁21を介してレシーバ11内に導入され、いったん貯留された後、冷媒配管13Dにより第1減圧手段12に導かれ、断熱膨張されて気液二相状態となり、車内蒸発器7に供給される。
 車内蒸発器7でブロア4から送風されてくる内気または外気と熱交換されて蒸発した冷媒は、吸入配管13Eを経て電動圧縮機9に吸入され、再圧縮される。以下、同様のサイクルを繰り返すことになる。この冷房サイクルは、エンジン駆動方式の車両に用いられている現行システムの冷房サイクルと何ら変わるものではなく、そのまま共用化することができる。車内蒸発器7を通過する過程で冷媒と熱交換することにより冷却された内気または外気は、車内に吹出されることによって、車内の冷房に供される。
 一方、暖房時、電動圧縮機9で圧縮された冷媒は、図5に示されるように、吐出配管13Aにより三方切替え弁17、冷媒配管13Bを介して車内凝縮器8に導入され、ブロア4から送風されてくる内気または外気と熱交換される。この熱交換によって加熱された空気は、車内に吹出され、車内の暖房に供される。車内凝縮器8で放熱して凝縮液化された冷媒は、冷媒配管13C、逆止弁22を介してレシーバ11に導かれ、いったん貯留された後、冷媒配管13D,13Fにより第2減圧手段16に導かれ、ここで断熱膨張して気液二相状態となり車外蒸発器17に供給される。
 この冷媒は、車外蒸発器17でファン19により通風される外気と熱交換され、外気から吸熱して蒸発ガス化された後、吸入配管13Eを経て電動圧縮機9に吸入され、再圧縮される。以下、同様のサイクルを繰り返し、このヒートポンプサイクル(暖房回路)18を介して、外気を熱源にヒートポンプ暖房を行うことができる。暖房運転時、外気条件により車外蒸発器17がフロストする。本実施形態では、車外蒸発器17に着霜し、車外蒸発器17の冷媒出口配管に設けられている温度センサ23の検出温度T1が設定値TS1以下になると、第1減圧手段12の開閉弁機能が開とされ、図6に示されるように、第1減圧手段12を経て冷媒の一部が車内蒸発器7に導かれる。
 これによって、車外蒸発器17と車内蒸発器7とを併用した車内蒸発器アシスト運転が実行され、車外蒸発器17での吸熱能力が低減されるため、車外蒸発器17への着霜の進行が抑制されることになる。また、この間、車内蒸発器7の吸熱作用により、車内蒸発器7を通過した空気が冷却され、車内凝縮器8で加熱されて車内に吹出される空気の温度が低下する。温度センサ24によって検出される車内蒸発器7からの吹出空気またはフィン温度T2が設定温度TS2以下に低下すると、第1減圧手段12の開閉弁機能が閉(電磁弁付温度式自動膨張弁30の電磁弁31が閉)とされ、車内蒸発器7に対する冷媒流通が停止される。この繰り返しにより、車内に吹出される空気温度の変動幅を一定範囲に抑制し、乗員に不快感を与えないようにすることができる。
 このように、本実施形態によると、暖房時、車外蒸発器17に対する着霜条件下、車外蒸発器17の出口冷媒温度が設定値以下のとき、第1減圧手段12を介して車内蒸発器7に冷媒の一部を分流し、車外蒸発器17および車内蒸発器7を併用して暖房運転することにより、車外蒸発器17への着霜の進行を遅らせることができる。また、車内蒸発器7からの吹出空気またはフィン温度が設定値以下のとき、第1減圧手段12を介して車内蒸発器7への冷媒の分流を停止することにより、車内への吹出空気温度の低下を抑え、その変動幅を一定範囲に抑えて運転することができる。従って、暖房時、車外蒸発器17への着霜の進行を遅らせるとともに、吹出空気温度の変動を抑制しながら、安定的に暖房運転を継続することができる。
 また、除湿暖房運転時、つまり、車内凝縮器8と車内蒸発器7とを同時使用し、車内蒸発器7を通過させて冷却、除湿した空気を、車内凝縮器8で加熱して車内に吹出すことにより除湿暖房する際、図4に示されるように、第2減圧手段16および第1減圧手段12の開閉弁機能を共に開として車外蒸発器17および車内蒸発器7の双方に冷媒を流し、車内蒸発器7と車外蒸発器17とを併用して運転するようにしている。この間、車内蒸発器7から吹出される空気の温度またはフィン温度を検出する温度センサ24の検出温度T2が設定温度t1以下のとき、第1減圧手段12の開閉弁機能を閉とし、設定温度t2以上のとき、第1減圧手段12の開閉弁機能を開とすることによって、車内蒸発器7での冷却量を調整するようにしている。
 このため、除湿暖房時、電動圧縮機9の回転数を変更することによる冷媒循環流量の調整により吹出空気温度を変化させ、温度リニアリティ特性を確保することが可能となる。
 このように、本実施形態によると、車内凝縮器8および車内蒸発器7を同時に使用して除湿暖房運転する際においても、温度リニアリティ特性を確保することができ、ヒートポンプ方式の車両用空調システムにおける暖房性能を改善することができる。
 また、車外蒸発器17は、車外凝縮器10およびラジエータ20に外気を通風するファン19の通風路中に、車外凝縮器10およびラジエータ20と互いに平行にかつそれらの後流側に配設されており、暖房および除湿暖房時、ファン19を介して通風される外気からの吸熱によりヒートポンプ暖房が行われるように構成されている。このため、ファン19を共用化して部品数を抑制することができ、車両用ヒートポンプ空調システム1の構成の簡素化、コンパクト化並びに低コスト化を図ることができる。また、車外蒸発器17を車外凝縮器10およびラジエータ20の後流側に配設しているため、暖房および除湿暖房運転時、車外蒸発器17に対して着霜し難くすることができるとともに、ラジエータ20から放熱された排熱を有効に利用して暖房能力を向上させることができる。
 この際、車外凝縮器10およびラジエータ20を、図3に示されるように、上下に配設し、その後流側に車外蒸発器17を配設した構成とすることにより、車内凝縮器8、車外蒸発器17、ラジエータ20およびファン19を一体にしてモジュール化する際、車内凝縮器8、車外蒸発器17、ラジエータ20およびファン19を通風方向に順次配設してモジュール化したものに比べ、通風方向寸法を小さくし、当該モジュールの小型化、低コスト化を図り、設計の自由度を高め、車両への搭載性を向上させることができる。
 また、レシーバ11が、2つの冷媒流入口に逆止弁21,22が一体に組み込まれた逆止弁付きレシーバとされている。そのため、運転モードにより使用しない冷房用冷凍サイクル14または暖房用ヒートポンプサイクル18を、レシーバ11の2つの冷媒流入口に組み込まれている逆止弁21,22によって遮断することができる。従って、レシーバ11および逆止弁21,22を個別に冷媒回路中に設けたシステムに比べ、フランジ等の接続部品が不要となり、冷媒回路の簡素化、低コスト化を図ることができる。
 さらに、本実施形態では、開閉弁機能付きの第1および第2減圧手段12,16をそれぞれ電磁弁付き温度式自動膨張弁30とした構成としている。このため、冷房時は車内蒸発器7、暖房時は車外蒸発器17で蒸発ガス化される冷媒の蒸発器出口での過熱度が一定となるように自動制御することができる。従って、冷媒圧力検出手段および冷媒温度検出手段を必要とする電子膨張弁を使用したものに比べ、制御系を簡素化し、低コスト化することができるとともに、信頼性を向上させることができる。また、電磁弁31と温度式自動膨張弁32とを一体化した電磁弁付き温度式自動膨張弁30を用いることにより、接続部品の削減、組み立て工数の低減によるコスト低減を期待することができる。
 加えて、運転モードに応じて使われない冷媒回路を第1および第2減圧手段12,16の開閉弁機能を閉じることによって閉鎖することができるため、休止される回路を確実に全閉状態として冷媒の溜まり込み等を防止することができる。更に、開閉弁機能付きの第1および第2減圧手段12,16は、上述した一体型の電磁弁付き温度式自動膨張弁30に代え、独立した個別の標準的な電磁弁および温度式自動膨張弁を直列に接続して構成したものに代替してもよい。この場合、それぞれ標準品を使用できることから、コスト低減に繋がる場合がある。
 また、本発明においては、開閉弁機能付きの第1および第2減圧手段12,16として、電磁弁付き温度式自動膨張弁30に代え、第1および第2減圧手段12,16を全閉、全開する機能を有する電子膨張弁により代替してもよい。
 さらに、本実施形態では、HVACユニット2内に、PTCヒータ等により構成される補助電気ヒータ6を設置している。これにより、低外気温時や暖房立ち上がり時あるいは窓曇り時等々の暖房能力が不足気味となる状況下において、ヒートポンプ暖房運転と同時に一時的に補助電気ヒータ6を動作させることによって吹出空気温度を上昇させ、暖房能力の不足を補うことができる。このため、必要最大暖房能力を増大することができるとともに、電気ヒータを主熱源として暖房運転するものに比べ、補助電気ヒータ6の利用率を低下して高効率運転ができ、暖房消費電力の増大による車両走行距離の低下等を抑制することができる。但し、この補助電気ヒータ6は省略してもよい。
 なお、本発明は、上記の実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記の実施形態では、冷媒の切替え手段として三方切替え弁15を用いているが、2個の電磁弁や四方切替え弁によって代替してもよい。
1 車両用ヒートポンプ空調システム
2 HVACユニット
3 ヒートポンプサイクル
7 車内蒸発器
8 車内凝縮器
9 電動圧縮機
10 車外凝縮器
11 レシーバ(逆止弁付きレシーバ)
12 開閉弁機能付き第1減圧手段
13A 吐出配管(吐出回路)
13E 吸入配管(吸入回路)
14 冷房用冷凍サイクル(冷房回路)
15 三方切替え弁(切替え手段)
16 開閉弁機能付き第2減圧手段
17 車外蒸発器
18 暖房用ヒートポンプサイクル(暖房回路)
19 ファン
20 ラジエータ
21,22 逆止弁
23 冷媒温度を検出する温度センサ
24 吹出空気またはフィン温度を検出する温度センサ
30 電磁弁付き温度式自動膨張弁
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Claims (7)

  1.  電動圧縮機、車外凝縮器、レシーバ、第1減圧手段、HVACユニット内に設けられている車内蒸発器がこの順に接続されている冷房用冷凍サイクルと、
     前記HVACユニット内の前記車内蒸発器の下流側に配設され、冷媒入口側が前記電動圧縮機の吐出回路に切替え手段を介して接続されるとともに、冷媒出口側が前記レシーバに接続されている車内凝縮器と、
     冷媒入口側が前記レシーバの出口側に第2減圧手段を介して接続され、冷媒出口側が前記電動圧縮機の吸入回路に接続されている車外蒸発器と、を備え、
     前記電動圧縮機、前記切替え手段、前記車内凝縮器、前記レシーバ、前記第2減圧手段および前記車外蒸発器がこの順に接続されることにより暖房用ヒートポンプサイクルが構成され、
     前記第1減圧手段および前記第2減圧手段が開閉弁機能付きの減圧手段とされることにより、除湿暖房時および暖房時、前記車外蒸発器および前記車内蒸発器が併用可能とされている車両用ヒートポンプ空調システム。
  2.  前記第1減圧手段および第2減圧手段が、電磁弁付き温度式自動膨張弁または電子膨張弁とされている請求項1に記載の車両用ヒートポンプ空調システム。
  3.  前記レシーバが、該レシーバに接続される前記車外凝縮器および前記車内凝縮器からの冷媒回路の冷媒流入口に、それぞれ逆止弁が組み込まれている逆止弁付きレシーバとされている請求項1または2に記載の車両用ヒートポンプ空調システム。
  4.  前記車外凝縮器、前記車外蒸発器および車両側に搭載のモータ、インバータ、バッテリ等の排熱を放熱するラジエータが、単一のファンの通風路中に設けられ、その通風路中において、前記車外蒸発器が、前記車外凝縮器および前記ラジエータの後流側に配設されている請求項1ないし3のいずれかに記載の車両用ヒートポンプ空調システム。
  5.  前記車外凝縮器と前記ラジエータとが上下に配設され、その後流側に前記車外蒸発器が配設されている請求項4に記載の車両用ヒートポンプ空調システム。
  6.  除湿暖房運転時、前記車内蒸発器からの吹出空気またはフィン温度に応じて、その温度が設定温度以上のとき、前記第1減圧手段を介して前記車内蒸発器に冷媒の一部が分流され、設定値以下のとき、前記第1減圧手段を介して前記車内蒸発器への冷媒の分流が停止される構成とされている請求項1ないし5のいずれかに記載の車両用ヒートポンプ空調システム。
  7.  暖房運転時、前記車外蒸発器の出口冷媒温度が設定値以下のとき、前記第1減圧手段を介して前記車内蒸発器に冷媒の一部が分流され、前記車内蒸発器からの吹出空気またはフィン温度が設定値以下のとき、前記第1減圧手段を介して前記車内蒸発器への冷媒の分流が停止される構成とされている請求項1ないし5のいずれかに記載の車両用ヒートポンプ空調システム。
     
     
     
     
     
     
     
     
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