WO2014087645A1 - 車両用ヒートポンプ装置および車両用空調装置 - Google Patents

車両用ヒートポンプ装置および車両用空調装置 Download PDF

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WO2014087645A1
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圭俊 野田
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    • F25B6/04Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits arranged in series

Definitions

  • the present invention relates to a vehicle heat pump device and a vehicle air conditioner.
  • HEV Hybrid Electric Vehicle
  • PHV Plug-in Hybrid Vehicle
  • a vehicle air conditioner that performs a cooling operation using a heat pump cycle is also common.
  • the heat pump cycle is composed of a compressor arranged in the engine room, an outdoor heat exchanger arranged in the front of the vehicle or at a position where wind can be introduced, an evaporator arranged in the intake passage of the vehicle compartment, an expansion valve, and the like. Is done.
  • the high-temperature and high-pressure refrigerant compressed by the compressor is sent to the outdoor heat exchanger and cooled, and the cooled refrigerant is further lowered to low temperature and low pressure by the expansion valve and sent to the evaporator.
  • the air supplied to a vehicle interior by an evaporator is cooled.
  • the evaporator is provided in an air conditioner (Heating, Ventilation, and Air Conditioning, hereinafter referred to as HVAC) installed in the passenger compartment.
  • HVAC Air Conditioning
  • Patent Document 1 proposes a vehicle air conditioner that heats a vehicle interior using a heat pump so that the power of the storage battery is not wasted.
  • the refrigerant piping pattern is relatively simple as described above.
  • a conventional vehicle air conditioner that performs heating operation using a heat pump cycle houses a compressor and a water-refrigerant heat exchanger in the same casing (FIG. 21 to FIG. 21). (See FIG. 24).
  • the case where the conventional vehicle air conditioner which uses a heat pump cycle only at the time of cooling operation is changed so that the heating operation using a heat pump cycle can also be considered is considered.
  • a compressor and a water refrigerant heat exchanger housed in the same housing are used, there is a problem that the refrigerant piping pattern around the compressor is greatly changed.
  • the modification of the configuration of the vehicle air conditioner is required to be a modification that does not affect other configurations of the vehicle.
  • the vehicle air conditioner using the heat pump cycle is provided with refrigerant piping while avoiding other configurations of the vehicle. For this reason, in order to modify the vehicle air conditioner without affecting other configurations of the vehicle, it is a requirement not to greatly change the refrigerant piping pattern.
  • the coolant pipe is made of aluminum, for example, in order to withstand high pressure. Therefore, it is not easy to change the layout of the refrigerant piping. Further, a large change in the refrigerant piping is not preferable because it greatly affects the layout of other components of the vehicle.
  • An object of the present invention is for a vehicle that has fewer changes in the refrigerant piping pattern than a conventional vehicle air conditioner that uses a heat pump cycle only during cooling operation, and that enables heating operation using the heat pump cycle.
  • a heat pump device and a vehicle air conditioner are provided.
  • a vehicle heat pump device is a vehicle heat pump device that uses a high-temperature and high-pressure refrigerant discharged from a compressor outside a housing and uses the high-temperature and high-pressure refrigerant discharged from the compressor.
  • the housing for storing the cooler, the coolant introduction part capable of introducing the coolant from the outside of the housing to the water refrigerant heat exchanger, and the cooling from the water refrigerant heat exchanger to the outside of the housing
  • a configuration including a cooling liquid deriving unit capable of deriving a liquid and a first refrigerant deriving unit for deriving the refrigerant that has passed through the water refrigerant heat exchanger to the outside of the casing is adopted.
  • cooling operation not only cooling operation but also heating operation using a heat pump cycle can be easily performed by connecting the vehicle heat pump device to the outdoor heat exchanger, the compressor, and the evaporator. Furthermore, compared with a conventional vehicle air conditioner that uses a heat pump cycle during cooling operation, the number of changes in the refrigerant piping pattern is reduced.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a vehicle heat pump device and a vehicle air conditioner according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a vehicle heat pump device and a vehicle air conditioner according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. The figure explaining the operation
  • the figure explaining the change of refrigerant piping from the conventional vehicle air conditioner The block diagram explaining the modification of the heat pump apparatus for vehicles and the air conditioner for vehicles of Embodiment 1 of this invention
  • the block diagram explaining the modification of the heat pump apparatus for vehicles and the air conditioner for vehicles of Embodiment 1 of this invention The block diagram which shows the vehicle air conditioner of Embodiment 2 of this invention Graph showing an example of expansion valve set value
  • FIG. Explanatory drawing which shows the state of heating operation when the external temperature in the vehicle air conditioner of Embodiment 2 is very low.
  • FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a vehicle heat pump device and a vehicle air conditioner according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the vehicle air conditioner includes a vehicle heat pump device 10, an engine cooler 40 (corresponding to an internal combustion engine cooler), a heater core 44, an evaporator 48, a compressor 12, and an expansion valve 52. And an outdoor heat exchanger 56, an on-off valve 60, a coolant pipe connecting them, a refrigerant pipe, a connection portion, and the like.
  • a heater core 44 (corresponding to a heat exchanger for heating) and an evaporator 48 are included in the HVAC 70 mounted in the vehicle interior.
  • the interior side of the firewall is called the vehicle interior.
  • the vehicle heat pump device 10 includes a water / refrigerant heat exchanger 14, an accumulator 16, a three-way valve 18, a check valve 20, an on-off valve 22 with an orifice, an on-off valve 24, a casing 26, and a coolant introduction.
  • a pipe 31, a coolant outlet pipe 32, two refrigerant outlet pipes 33 and 35, two refrigerant inlet pipes 34 and 36, and a control unit are provided.
  • Compressor 12 compresses the sucked refrigerant to high temperature and pressure and discharges it.
  • the compressor 12 includes a compression mechanism for compressing and discharging the sucked refrigerant. This compression mechanism is driven by, for example, an electric motor.
  • the refrigerant suction port of the compressor 12 communicates with the outlet of the refrigerant passage of the evaporator 48 through the pipe and the connecting portion 19. Further, the refrigerant suction port of the compressor 12 is also communicated with the refrigerant outlet pipe 35 via the pipe and the connecting portion 19.
  • the connecting portion 19 simply communicates the outlet of the refrigerant passage of the evaporator 48, the refrigerant outlet pipe 35, and the refrigerant inlet of the compressor 12.
  • the refrigerant discharge port of the compressor 12 communicates with the inlet of the refrigerant passage of the water-refrigerant heat exchanger 14 via the refrigerant introduction pipe 36.
  • the water-refrigerant heat exchanger 14 has a coolant passage and a coolant passage, and these passages are configured to contact each other over a large area so that heat can be exchanged.
  • the inlet of the refrigerant passage communicates with the discharge port of the compressor 12, and the outlet of the refrigerant passage communicates with a refrigerant outlet pipe 33 provided with an orifice opening / closing valve 22.
  • the inlet of the coolant passage is connected to the three-way valve 18 via a pipe, and the outlet of the coolant is connected to the check valve 20 via a pipe.
  • the three-way valve 18 switches the coolant introduced from the coolant introduction pipe 31 to one of the water refrigerant heat exchanger 14 side and the coolant lead-out pipe 32 side by electrical control.
  • the check valve 20 prevents the coolant from flowing back to the water / refrigerant heat exchanger 14.
  • the three-way valve 18 and the check valve 20 correspond to a coolant switching valve that switches whether to bypass the coolant to the water-refrigerant heat exchanger 14.
  • the orifice open / close valve 22 corresponds to an open / close valve with an expansion valve function.
  • the on-off valve 22 with an orifice is an on-off valve that functions as an expansion valve during heating operation, and the state is switched by electrical control by the control unit.
  • the on-off valve 22 with an orifice has, for example, a large-diameter passage and an orifice having a small-diameter passage so that the large-diameter passage can be opened and closed.
  • the on-off valve 22 with the orifice allows the refrigerant to pass through when the large-diameter passage is opened, and allows the high-pressure refrigerant to pass through the small-diameter passage when the large-diameter passage is closed and only the orifice passage is passed. Inflate.
  • the expanded refrigerant becomes a low-temperature and low-pressure refrigerant.
  • an on-off valve and a path bypassing the on-off valve are provided, and an orifice is installed on the bypassed path, thereby providing the same function as the on-off valve 22 with an orifice. It is also possible.
  • an electronic expansion valve may be set, the refrigerant may be allowed to pass through when fully opened, and the opening degree of the electronic expansion valve may be adjusted to serve as the expansion valve. Any modification corresponds to an on-off valve with an expansion valve function.
  • the refrigerant introduction pipe 34 communicates with the input port of the accumulator 16 via the on-off valve 24.
  • the output port of the accumulator 16 communicates with the refrigerant outlet pipe 35.
  • the on-off valve 24 opens and closes a passage between the refrigerant introduction pipe 34 and the input port of the accumulator 16 by electrical control by the control unit.
  • the accumulator 16 separates the gas-phase and liquid-phase refrigerant and sends only the gas-phase refrigerant to the compressor 12 via the refrigerant outlet pipe 35.
  • the state of the three-way valve 18, the orifice open / close valve 22, and the open / close valve 24 is switched by, for example, an electrical signal sent from a control device of a vehicle air conditioner.
  • the three-way valve 18, the orifice open / close valve 22, and the open / close valve 24 are configured such that the control unit of the vehicle heat pump device 10 outputs a signal in response to a command from the vehicle air conditioner control device, and the state is switched. Also good.
  • the housing 26 accommodates the water-refrigerant heat exchanger 14, the accumulator 16, the three-way valve 18, the check valve 20, the on-off valve 22 with an orifice, and the on-off valve 24, and integrally packages these components.
  • the periphery of the housing 26 may be insulated.
  • the refrigerant outlet pipe 33 and the refrigerant outlet pipe 35 correspond to a first refrigerant outlet section and a second refrigerant outlet section of the vehicle heat pump device 10, respectively.
  • the refrigerant introduction pipe 36 and the refrigerant introduction pipe 34 correspond to a first refrigerant introduction part and a second refrigerant introduction part of the vehicle heat pump device 10, respectively.
  • One ends of the refrigerant outlet pipes 33 and 35 and the refrigerant inlet pipes 34 and 36 are exposed to the outside of the housing 26 and are connected to the refrigerant pipe of the vehicle air conditioner.
  • One end of each of the refrigerant outlet pipes 33 and 35 and the refrigerant inlet pipes 34 and 36 may be provided with a connector or socket for pipe connection.
  • the engine cooler 40 and the heater core 44 are connected in series between the coolant outlet tube 32 and the coolant inlet tube 31.
  • the outdoor heat exchanger 56 and the evaporator 48 are connected in series between the refrigerant outlet pipe 33 and the suction port of the compressor 12 in this order.
  • the refrigerant passage connecting the evaporator 48 and the suction port of the compressor 12 is also connected to the refrigerant outlet pipe 35. Further, the refrigerant passage between the outdoor heat exchanger 56 and the evaporator 48 is branched and connected to the refrigerant introduction pipe 34. Details will be described below.
  • the coolant introduction pipe 31 and the coolant lead-out pipe 32 correspond to the coolant introduction part and the lead-out part of the vehicle heat pump device 10, respectively.
  • One end of the coolant introduction pipe 31 and the coolant discharge pipe 32 is exposed to the outside of the housing 26 and is connected to the coolant pipe of the vehicle air conditioner.
  • a connector or a socket for connecting pipes may be provided at one end of the coolant introduction pipe 31 and the coolant discharge pipe 32.
  • the engine cooler 40 includes a water jacket for flowing a coolant around the internal combustion engine and a pump for flowing the coolant to the water jacket, and releases heat from the internal combustion engine to the coolant flowing in the water jacket.
  • the inlet and outlet of the coolant passage of the water jacket communicate with the heater core 44 and the coolant introduction pipe 31 of the vehicle heat pump device 10, respectively.
  • the heater core 44 is a device that exchanges heat between the coolant and air, and is disposed in the intake passage B of the HVAC 70 that supplies air into the vehicle interior.
  • the coolant passage of the heater core 44 communicates with the engine cooler 40 and the coolant outlet tube 32 of the vehicle heat pump apparatus 10. Outside air or the like is introduced into the intake passage B of the HVAC 70 by the fan F2.
  • the evaporator 48 is a device that performs heat exchange between the refrigerant expanded to low temperature and low pressure and air, and is disposed in the intake passage B of the HVAC 70. When the refrigerant expanded to low temperature and low pressure passes through the evaporator 48, it absorbs heat from the air and vaporizes.
  • the inlet of the refrigerant passage of the evaporator 48 communicates with the outdoor heat exchanger 56 through a pipe with the expansion valve 52 and the on-off valve 60 interposed therebetween.
  • the outlet of the refrigerant passage of the evaporator 48 communicates with the suction port of the compressor 12 through the pipe and the connecting portion 19.
  • the expansion valve 52 expands the high-pressure refrigerant to a low temperature and low pressure and discharges it to the evaporator 48.
  • the expansion valve 52 is connected to a position close to the evaporator 48 outside the vehicle heat pump device 10.
  • the outdoor heat exchanger 56 has a passage through which refrigerant flows and a passage through which air flows.
  • the outdoor heat exchanger 56 is disposed near the top of the vehicle in the engine room, and exchanges heat between the refrigerant flowing through each passage and the outside air.
  • the inlet of the refrigerant passage of the outdoor heat exchanger 56 communicates with the refrigerant outlet pipe 33 of the vehicle heat pump device 10 via a pipe. Further, the outlet of the refrigerant passage branches into two pipes in the middle and communicates with the evaporator 48 and one refrigerant introduction pipe 34 of the vehicle heat pump device 10.
  • a low-temperature and low-pressure refrigerant flows to absorb heat from the outside air during heating operation, and a high-temperature and high-pressure refrigerant flows to release heat to the outside air during cooling operation.
  • Outside air is blown onto the outdoor heat exchanger 56 by, for example, a fan F1.
  • the on-off valve 60 is provided in the middle of the piping for flowing the refrigerant from the outdoor heat exchanger 56 to the evaporator 48, and opens and closes this passage by electrical control.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the operation during the cooling operation in the vehicle air conditioner of the first embodiment.
  • the shaded portion of the piping in the figure indicates that there is no refrigerant or coolant flow.
  • the on-off valve 24 is closed, the on-off valve 60 is opened, the orifice-equipped on-off valve 22 is opened, and the water refrigerant heat exchanger 14 side of the three-way valve 18 is switched to closed.
  • the coolant circulates between the engine cooler 40 and the heater core 44, while the coolant does not flow to the water-refrigerant heat exchanger 14.
  • the air mix damper is switched so that the air does not flow through the heater core 44, so that the air supplied to the passenger compartment is not heated.
  • the refrigerant is compressed to a high temperature and a high pressure by the compressor 12 and then passes through the water refrigerant heat exchanger 14 at a high temperature and is sent to the outdoor heat exchanger 56. Thereafter, the refrigerant is cooled by the outdoor heat exchanger 56, passes through the expansion valve 52, expands to a low temperature and a low pressure, and then is sent to the evaporator 48. In the evaporator 48, heat is absorbed from the air sent into the passenger compartment to the refrigerant, thereby cooling the air and vaporizing the refrigerant. The vaporized refrigerant is returned to the compressor 12.
  • Such a heat pump cycle can send cold air into the passenger compartment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an operation during a heating operation in the vehicle air conditioner according to the first embodiment.
  • the shaded portion of the piping in the figure indicates that there is no refrigerant or coolant flow.
  • the opening / closing valve 24 is opened, the opening / closing valve 60 is closed, the opening / closing valve 22 with orifice is closed, and the coolant outlet pipe 32 side of the three-way valve 18 is switched to closed.
  • the coolant circulates through the engine cooler 40, the water / refrigerant heat exchanger 14, and the heater core 44. During this time, the coolant is heated by the engine cooler 40 and the water / refrigerant heat exchanger 14 and radiates heat to the air flowing through the intake passage B in the HVAC 70 by the heater core 44.
  • the heat generated by the compressor 12 is transmitted to the cooling water by the water refrigerant heat exchanger 14.
  • an air mix damper or the like is switched so that wind flows through the heater core 44, and the air sent into the passenger compartment is warmed.
  • the refrigerant is compressed to high temperature and high pressure by the compressor 12 and then passes through the water refrigerant heat exchanger 14 to radiate heat to the coolant.
  • the high-pressure refrigerant after heat radiation passes through the orifice-equipped on-off valve 22 and expands to a low temperature and low pressure, and is sent to the outdoor heat exchanger 56.
  • the outdoor heat exchanger 56 heat is absorbed from the outside air to the refrigerant, and the refrigerant is vaporized.
  • the vaporized refrigerant is returned to the compressor 12 via the accumulator 16. No refrigerant flows through the evaporator 48, and no heat exchange is performed there.
  • Such operation can send warm air into the passenger compartment.
  • the warm air effectively uses the heat of the engine, and the heat pump cycle compensates for the lack of engine heat. Further, the exhaust heat of the compressor 12 is also effectively used to warm the air. Since heating of air uses a heat pump cycle, power consumption relative to the amount of heating is kept low.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a change in refrigerant piping from a conventional vehicle air conditioner.
  • a solid line indicates the piping of a conventional vehicle air conditioner.
  • the outdoor heat exchanger 56 is disposed near the top of the vehicle in the engine room, and the intake passage B, the heater core 44, and the evaporator 48 are disposed in the HVAC 70 in the vehicle interior.
  • the compressor 12 is disposed in the engine room.
  • the refrigerant piping is as shown by the solid line in FIG. That is, a pipe P1 connected from the head outdoor heat exchanger 56 in the engine room to the evaporator 48 through the expansion valve 52, a pipe P2 connected from the compressor 12 to the outdoor heat exchanger 56, and a vehicle interior Only the pipe P3 connected from the evaporator 48 to the compressor 12 is provided.
  • the pipes P1 to P3 are laid out so as to be as straight as possible so as not to increase the pressure loss of the refrigerant while avoiding each configuration of the vehicle.
  • the piping P1 provided over a long section may be designed so that it can be preferentially a straight path.
  • the coolant pipes W1 and W2 are installed between the engine cooler 40 in the engine room and the heater core 44 in the HVAC 70.
  • refrigerant pipe P21 is connected to the refrigerant outlet pipe 35 of the vehicle heat pump apparatus 10
  • the refrigerant pipe P22 is connected to the refrigerant introduction pipe 34 of the vehicle heat pump apparatus 10.
  • a part P2b of the long pipe P2 provided across the engine room is removed.
  • the refrigerant discharge port side of the compressor 12 of the piping P2 is referred to as piping P2a
  • the outdoor heat exchanger 56 side of the piping P2 is referred to as piping P2c.
  • the refrigerant pipe P2a is connected to the refrigerant introduction pipe 36 of the vehicle heat pump apparatus 10, and the refrigerant pipe P2c is connected to the refrigerant outlet pipe 33 of the vehicle heat pump apparatus 10.
  • pipes W21 and W22 for circulating the heated coolant are provided between the vehicle heat pump device 10 and the heater core 44. These pipes W21 and W22 are connected so as to divide and bypass a part W1a of the pipe W1 communicating with the engine cooler 40, for example.
  • the pipe W21 is connected to the coolant introduction pipe 31, and the pipe W22 is connected to the coolant discharge pipe 32.
  • heat is radiated from the high-temperature / high-pressure refrigerant compressed by the compressor 12 to the coolant. This heat is transmitted to the heater core 44 that warms the air in the intake passage B in the HVAC 70.
  • the heating operation can be performed using the heat pump cycle only by adding two pipes to the piping of the conventional vehicle air conditioner that uses the heat pump cycle only during the cooling operation and removing some of the pipes.
  • the present embodiment is particularly effective when a vehicle air conditioner capable of heating operation by a heat pump cycle is installed by a minor change or option change on a vehicle in which a conventional vehicle air conditioner is adopted.
  • a vehicle air conditioner capable of heating operation by a heat pump cycle
  • the vehicle air conditioner of the present embodiment is applied without affecting the layout of the other components of the vehicle. Is possible.
  • the vehicle heat pump device 10 can be configured as a relatively small device, and can be easily disposed between components of a conventional vehicle air conditioner.
  • FIG. 5 is a configuration diagram illustrating a modification of the vehicle heat pump device and the vehicle air conditioner according to the embodiment of the present invention.
  • the vehicle heat pump device 10 includes all or one of the on-off valve 24, the on-off valve 22 with an orifice, the three-way valve 18, and the check valve 20. It may be provided outside.
  • the two on-off valves 24 and 60 can be replaced by providing three-way valves at the branch points d1 and d2 of the refrigerant pipe.
  • the configuration for switching whether or not the coolant is bypassed to the water-refrigerant heat exchanger 14 is not limited to the three-way valve 18 and the check valve 20, and can be configured using a plurality of on-off valves.
  • FIG. 6 is a configuration diagram illustrating a modified example of the vehicle heat pump device and the vehicle air conditioner according to the first embodiment of the present invention. The difference from FIG. 5 is that the two on-off valves 24 and 60 in FIG. 5 are replaced with one three-way valve 21.
  • the three-way valve 21 is electrically controlled.
  • the three-way valve 21 sends the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger 56 only to the evaporator 48 side during the cooling operation.
  • the three-way valve 21 sends the refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger 56 during heating operation only to the side connected to the refrigerant introduction pipe 34 of the vehicle heat pump device 10.
  • the compressor 12 in the above embodiment may include an electric motor for driving a compression mechanism that compresses and discharges the sucked refrigerant.
  • the compressor 12 in the above embodiment may drive the compression mechanism by transmitting a driving force outside the compressor 12 such as a driving force of the internal combustion engine by a belt or the like.
  • a tubular configuration has been described as an example of the refrigerant introduction part or the refrigerant lead part of the vehicle heat pump device 10, but the refrigerant introduction part or the refrigerant lead part is, for example, a connector for pipe connection or The socket may be embedded in the wall of the housing 26. The same applies to the inlet or outlet of the coolant.
  • the configuration in which the coolant supplied with heat from the internal combustion engine is supplied to the heater core is described as an example.
  • the heater core 44 employs a configuration in which only the coolant of the vehicle heat pump device 10 flows. Also good.
  • the vehicle air conditioner and the vehicle heat pump device of the above embodiment may be newly installed in an automobile.
  • the vehicle heat pump of the said embodiment is good also as a structure replaced with a part of conventional vehicle air conditioner which uses a heat pump cycle only at the time of cooling operation as shown in FIG. By this replacement, the vehicle air conditioner of the present embodiment is realized, and the heating operation by the heat pump cycle becomes possible.
  • Embodiment 2 ⁇ Background and Problems According to Embodiment 2>
  • an electric motor such as HEV (Hybrid Electric Vehicle) or PHV (Plug-in Hybrid Vehicle).
  • HEV Hybrid Electric Vehicle
  • PHV Plug-in Hybrid Vehicle
  • a vehicle air conditioner that performs a heating operation using a heat pump cycle may be employed.
  • EV Electric Vehicle
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 8-197937
  • An air conditioner for a vehicle includes an expansion valve that heats the air in the duct by transporting the heat of the refrigerant using a secondary refrigerant (for example, coolant) and heating the air in the duct.
  • a heating branch circuit that allows a refrigerant to flow without passing through an evaporator and an expansion valve.
  • the circuit refers to a one-way refrigerant passage through which the refrigerant flows.
  • a heat pump cycle is realized by using another heat exchanger (outdoor heat exchanger) and an expansion valve on the branch circuit without flowing the refrigerant through the evaporator during the heating operation. Accordingly, heat is absorbed from the outside air into the refrigerant, and the vehicle interior is heated using this heat (see, for example, FIG. 1 of Patent Document 1).
  • FIG. 1 of Patent Document 1 an open / close valve is not provided in the refrigerant passage having the evaporator (25) and the expansion valve (24), and an open / close valve (28) is provided in the bypass passage (42) that bypasses the passage.
  • An air conditioner is disclosed.
  • An object of the present embodiment is to reduce the number of parts and reduce unnecessary refrigerant during heating operation in a vehicle air conditioner having a branch circuit for heating that can flow a refrigerant excluding an evaporator and an expansion valve. It is to prevent the flow.
  • FIG. 7 is a configuration diagram showing a vehicle heat pump device and a vehicle air conditioner according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the vehicle air conditioner according to Embodiment 2 of the present invention includes a vehicle heat pump device 110, an engine cooler 140, a heater core 144, an evaporator 148, an expansion valve 152, an outdoor heat exchanger 156, and a space between them. It is composed of a refrigerant pipe and a coolant pipe.
  • the vehicle heat pump device 110 includes an electric compressor 112, a water refrigerant heat exchanger 114, an accumulator 116, a three-way valve 118, a check valve 120, an on-off valve 122 with an orifice, an on-off valve 124, and a housing. 126, a cooling liquid introduction pipe 131, a cooling liquid outlet pipe 132, one refrigerant outlet pipe 133, and two refrigerant inlet pipes 134 and 135.
  • the electric compressor 112 is driven by electricity and compresses the sucked refrigerant to high temperature and high pressure and discharges it.
  • the refrigerant suction port of the electric compressor 112 communicates with the two refrigerant introduction pipes 134 and 135 via the accumulator 116, and the refrigerant discharge port of the electric compressor 112 is the inlet of the refrigerant passage of the water refrigerant heat exchanger 114. Communicating with
  • the water-refrigerant heat exchanger 114 has a coolant passage and a coolant passage, and these passages are configured to come into contact with each other so that heat can be exchanged over a large area.
  • the inlet of the refrigerant passage communicates with the discharge port of the electric compressor 112, and the outlet of the refrigerant passage communicates with a refrigerant outlet pipe 133 provided with an orifice on-off valve 122.
  • the inlet of the coolant passage is connected to a three-way valve 118 via a pipe, and the outlet of the coolant is connected to a check valve 120 via a pipe.
  • the high-temperature and high-pressure refrigerant flows through the water refrigerant heat exchanger 114, while the coolant is switched between a flow-on state and a stopped state by switching the three-way valve.
  • the coolant flows, heat is radiated from the high-temperature high-pressure refrigerant to the coolant, and when the coolant stops, the high-temperature / high-pressure refrigerant passes through the water-refrigerant heat exchanger 114 at almost the same temperature.
  • the three-way valve 118 switches the flow of the coolant introduced from the coolant introduction pipe 131 to one of the water refrigerant heat exchanger 114 side and the coolant discharge pipe 132 side by electrical control.
  • the check valve 120 prevents the coolant from flowing back to the water / refrigerant heat exchanger 114.
  • the on-off valve 122 with an orifice is an on-off valve that functions as an expansion valve, and is switched between open and closed by electrical control.
  • the on-off valve 122 with an orifice has, for example, a large-diameter passage and an orifice that becomes a small-diameter passage, and is configured to be able to open and close the large-diameter passage.
  • the orifice on / off valve 122 allows the refrigerant to pass through when the large-diameter passage is opened, and expands the high-pressure refrigerant through the orifice passage when the large-diameter passage is closed.
  • the expanded refrigerant becomes a low-temperature and low-pressure refrigerant.
  • the on-off valve 124 is provided between the inlet of the refrigerant introduction pipe 134 and the junction of the two refrigerant introduction pipes 134 and 135, and opens and closes the passage between them by electrical control.
  • the accumulator 116 separates the gas phase and liquid phase refrigerant and sends only the gas phase refrigerant to the electric compressor 112.
  • the above-described three-way valve 118, the on-off valve 122 with an orifice, and the on-off valve 124 are switched in state by, for example, an electrical signal sent from a control device for a vehicle air conditioner.
  • the three-way valve 118, the on-off valve 122 with the orifice, and the on-off valve 124 are configured so that the control unit of the vehicle heat pump device 110 outputs a signal in response to a command from the control device of the vehicle air conditioner, and the state is switched. Also good.
  • the housing 126 houses an electric compressor 112, a water refrigerant heat exchanger 114, an accumulator 116, a three-way valve 118, a check valve 120, an on-off valve 122 with an orifice, and an on-off valve 124, and these configurations are integrated. To package.
  • the periphery of the casing 126 is thermally insulated, and the electric compressor 112 and the water-refrigerant heat exchanger 114 may be disposed in the casing 126 so as to be able to exchange heat.
  • One end of the refrigerant outlet pipe 133 and the refrigerant inlet pipes 134 and 135 are exposed to the outside of the casing 126 and connected to the refrigerant pipe of the vehicle air conditioner.
  • a connector or a socket for pipe connection may be provided at one end of the refrigerant outlet pipe 133 and the refrigerant inlet pipes 134 and 135.
  • One end of the coolant introduction pipe 131 and the coolant lead-out pipe 132 is exposed to the outside of the housing 126 and is connected to the coolant pipe of the vehicle air conditioner.
  • a connector or a socket for connecting pipes may be provided at one end of the coolant introduction pipe 131 and the coolant discharge pipe 132.
  • the engine cooler 140 includes a water jacket for flowing the coolant around the internal combustion engine and a pump for flowing the coolant to the water jacket, and releases heat from the internal combustion engine to the coolant flowing in the water jacket.
  • the coolant that has absorbed heat from the internal combustion engine passes through the heater core 144 and can radiate heat from a radiator (not shown).
  • the radiator is composed of a radiator installed on the front surface of the vehicle.
  • an on-off valve (not shown) provided in the coolant circuit is closed, and the coolant is used for the internal combustion engine and the heater core 144 or the internal combustion engine and the vehicle. It circulates through the heat pump device 110.
  • the on-off valve (not shown) is, for example, a thermostat.
  • the inlet and outlet of the coolant passage of the water jacket communicate with the heater core 144 and the coolant introduction pipe 131 of the vehicle heat pump device 110, respectively.
  • the heater core 144 is a device that exchanges heat between the coolant and air, and is disposed in the intake passage B100 in the HVAC 170 that supplies air into the vehicle interior.
  • the coolant passage of the heater core 144 communicates with the engine cooler 140 and the coolant outlet tube 132 of the vehicle heat pump apparatus 110.
  • the intake passage B100 is disposed in the vicinity of the passenger compartment, and outside air or the like is introduced into the intake passage B100 by a fan F102.
  • the evaporator 148 is a device that exchanges heat between the refrigerant expanded to low temperature and low pressure and air, and is disposed in the intake passage B100 in the HVAC 170. When the refrigerant expanded to a low temperature and low pressure passes through the evaporator 148, it absorbs heat from the air and vaporizes.
  • the refrigerant passage inlet of the evaporator 148 communicates with the outdoor heat exchanger 156 via the expansion valve 152.
  • the outlet of the refrigerant passage of the evaporator 148 communicates with the refrigerant introduction pipe 135 of the vehicle heat pump device via a pipe.
  • an evaporator 148 is disposed on the outside air introduction side, and a heater core 144 is disposed on the air outlet side to the passenger compartment.
  • the expansion valve 152 expands the high-pressure refrigerant to a low temperature and low pressure and sends it to the evaporator 148.
  • the expansion valve 152 is disposed in the vicinity of the evaporator 148. Details of the expansion valve 152 will be described later.
  • the outdoor heat exchanger 156 has a passage through which a refrigerant flows and a passage through which air flows.
  • the outdoor heat exchanger 156 is arranged near the top of the vehicle and performs heat exchange between the refrigerant flowing through each passage and the outside air.
  • the inlet of the refrigerant passage of the outdoor heat exchanger 156 communicates with the refrigerant outlet pipe 133 of the vehicle heat pump device 110 via a pipe.
  • the outlet of the refrigerant passage of the outdoor heat exchanger 156 is branched into two pipes on the way, and communicates with the evaporator 148 and the refrigerant introduction pipe 134 of the vehicle heat pump device 110, respectively.
  • a low-temperature and low-pressure refrigerant flows during the heating operation and absorbs heat from the outside air, and during the cooling operation, a high-temperature and high-pressure refrigerant flows and releases heat to the outside air.
  • Outside air is blown onto the outdoor heat exchanger 156 by, for example, a fan F101.
  • FIG. 8 is a graph illustrating an example of the set value of the expansion valve
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the state of the expansion valve during heating and cooling.
  • the expansion valve 152 is provided with a temperature sensing part that senses the temperature, and a valve that opens and closes by the action of the temperature sensing part and allows the refrigerant to expand in an open state.
  • the expansion valve 152 of this embodiment is, for example, a gas-filled expansion valve in which the same kind of refrigerant as the refrigerant used is sealed in the temperature sensing unit, and has a mechanism that mechanically opens and closes. Specifically, the differential pressure between the pressure of the sealed gas in the temperature sensing portion and the refrigerant pressure on the low-pressure side opposes the spring pressure closing the valve.
  • the temperature sensing part contacts the refrigerant outlet part of the evaporator 148 and senses the refrigerant outlet temperature. When the differential pressure exceeds the spring pressure, the valve opens to allow the refrigerant to pass and expand.
  • the SET value of the expansion valve 152 is set as follows when HFO (Hydro-Fluoro-Olefin) -1234yf is used as the refrigerant of the heat pump cycle.
  • HFO Hydrofluoro-Fluoro-Olefin
  • G gauge pressure
  • the sensing temperature is 10 ° C, 0.21 to 0.26 MPa (G)
  • the SET value of the expansion valve 152 may be set as follows when the refrigerant of HFO-1234yf is used. When the sensing temperature is 0 ° C, 0.12 to 0.14 MPa (G) When the sensing temperature is 10 ° C, 0.23 to 0.26 MPa (G)
  • the SET value is the pressure of the low-pressure refrigerant at which the expansion valve 152 is closed from opening (the pressure unit (G) indicates the pressure based on the atmospheric pressure, that is, the gauge pressure), and the refrigerant outlet temperature of the evaporator 148 Depends on the temperature sensed by the temperature sensor.
  • the SET value of the expansion valve 152 is set as follows when R134a is used as the refrigerant of the heat pump cycle.
  • R134a is also called HFC (Hydro-Fluoro-Carbon) -134a.
  • HFC Hydro-Fluoro-Carbon
  • the SET value of the expansion valve 152 may be set as follows when the refrigerant of R134a is used. 0.10 to 0.12 MPa (G) when the sensing temperature is 0 ° C When the sensing temperature is 10 ° C, 0.21 to 0.24 MPa (G)
  • the refrigerant pressure on the low pressure side and the refrigerant outlet temperature of the evaporator 148 are approximately included in the range W101 during the stable cooling operation. Accordingly, the expansion valve 152 is stably opened during stable cooling operation.
  • the refrigerant pressure on the low pressure side and the refrigerant outlet temperature of the evaporator 148 are approximately included in the range W102. Since the outside air is mainly blown to the evaporator 148 in the intake passage B100, when the refrigerant does not flow into the evaporator 148, the temperature sensed by the expansion valve 152 (the refrigerant outlet temperature of the evaporator 148) is substantially the outside air temperature.
  • the expansion valve 152 operates to close when the sensed temperature falls below the range of ⁇ 3 ° C. to ⁇ 7 ° C.
  • the detected temperature of the expansion valve 152 when the expansion valve 152 is closed is substantially the outside air temperature. Therefore, at the outside air temperature (a temperature higher than “ ⁇ 7 ° C. to ⁇ 3 ° C.”) where the necessity of the dehumidifying operation remains, the expansion valve 152 is opened less frequently and the dehumidifying operation can be performed.
  • the saturation temperature of the refrigerant is 0.15 Mpa (G), and if it is 0.06 Mpa (G) or less, the expansion valve 152 is opened.
  • the expansion valve 152 is closed and the refrigerant does not flow through the evaporator 148 at a low outside air temperature (a temperature lower than “ ⁇ 7 ° C. to ⁇ 3 ° C.”) that does not require the dehumidifying operation. Accordingly, unnecessary refrigerant flow is prevented, and deterioration in air conditioning performance is prevented. Further, it is possible to prevent the evaporator 148 from becoming too cold and freezing.
  • no opening / closing valve is provided in the passage where the expansion valve 152 and the evaporator 148 are located.
  • the expansion valve 152 automatically opens and closes, thereby realizing an appropriate refrigerant flow during heating and cooling. For this reason, it is not necessary to provide an opening / closing valve in a passage where the expansion valve 152 and the evaporator 148 are provided, and to perform opening / closing control of this passage.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an operation during a cooling operation in the vehicle air conditioner according to the second embodiment.
  • the shaded portion of the piping in the figure indicates that there is no refrigerant or coolant flow.
  • the opening / closing valve 124 is closed, the opening / closing valve 122 with orifice is opened, and the water refrigerant heat exchanger 114 side of the three-way valve 118 is switched to the closed state.
  • the coolant circulates through the engine cooler 140 and the heater core 144, while the coolant does not flow to the water-refrigerant heat exchanger 114.
  • the louver or the like is switched so that the wind does not flow through the heater core 144, so that the air supplied to the vehicle interior is not heated.
  • the refrigerant is compressed to a high temperature and a high pressure by the electric compressor 112, and then passes through the water refrigerant heat exchanger 114 at a high temperature and is sent to the outdoor heat exchanger 156. Thereafter, the refrigerant is cooled by the outdoor heat exchanger 156, passes through the expansion valve 152, expands to low temperature and low pressure, and then is sent to the evaporator 148. In the evaporator 148, heat is absorbed from the air sent into the passenger compartment to the refrigerant, thereby cooling the air and vaporizing the refrigerant. The vaporized refrigerant is returned to the electric compressor 112 via the accumulator 116.
  • Such a heat pump cycle can send cold air into the passenger compartment.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the operation during heating operation when the outside air temperature is very low in the vehicle air conditioner of the second embodiment.
  • the shaded portion of the piping in the figure indicates that there is no refrigerant or coolant flow.
  • the on-off valve 124 is opened, the orifice on-off valve 122 is closed, and the coolant outlet pipe 132 side of the three-way valve 118 is switched to closed.
  • the coolant circulates through the engine cooler 140, the water refrigerant heat exchanger 114, and the heater core 144. During this time, the coolant is heated by the engine cooler 140 and the water-refrigerant heat exchanger 114, and radiates heat to the air flowing through the intake passage B100 by the heater core 144.
  • the heat generated by the electric compressor 112 is transmitted to the cooling water by the water refrigerant heat exchanger 114, and the exhaust heat of the electric compressor 112 is also used as a heat source.
  • the louver or the like is switched so that the wind flows through the heater core 144, and the air sent into the passenger compartment is warmed.
  • the refrigerant is compressed to high temperature and high pressure by the electric compressor 112 and then passes through the water refrigerant heat exchanger 114 to radiate heat to the coolant.
  • the high-pressure refrigerant after heat radiation passes through the orifice-equipped on-off valve 122, expands to low temperature and low pressure, and is sent to the outdoor heat exchanger 156.
  • the outdoor heat exchanger 156 heat is absorbed from the outside air to the refrigerant, and the refrigerant is vaporized.
  • the vaporized refrigerant is returned to the electric compressor 112 via the accumulator 116.
  • the expansion valve 152 is automatically closed when the outside air temperature is low (for example, “ ⁇ 3 ° C. to ⁇ 7 ° C. or less”). At this time, no refrigerant flows through the evaporator 148, and no heat exchange is performed there.
  • warm air can be sent into the passenger compartment.
  • the warm air effectively uses the heat of the engine, and the heat pump cycle compensates for the lack of engine heat. Further, the exhaust heat of the electric compressor 112 is also effectively used to warm the air. Since heating of air uses a heat pump cycle, power consumption relative to the amount of heating is kept low. Furthermore, when the outside air temperature is low, the expansion valve 152 is closed, and an unnecessary refrigerant flow does not occur in the expansion valve 152 and the evaporator 148. Therefore, the air conditioning capacity is not reduced by the unnecessary flow.
  • the expansion valve 152 by setting the SET value of the expansion valve 152, during the stable cooling operation, the expansion valve 152 is stably opened to allow the refrigerant to pass and expand.
  • the expansion valve 152 is automatically closed, and the refrigerant is not passed and expanded.
  • an opening / closing valve is provided in the passage where the expansion valve 152 and the evaporator 148 are provided, and the opening / closing control of the passage is not performed, and the automatic opening / closing operation of the expansion valve 152 allows the appropriate refrigerant at the time of heating and cooling. Flow control is achieved.
  • the automatic opening / closing operation of the expansion valve 152 prevents unnecessary refrigerant from flowing through the expansion valve 152 and the evaporator 148 at a low outside air temperature that does not require a dehumidifying operation, thereby reducing the air conditioning performance. Is prevented. Further, it is possible to prevent the evaporator 148 from becoming too cold and freezing.
  • the configuration in which the vehicle interior is heated has been described by taking as an example a configuration in which the coolant that is the secondary refrigerant is heated by the heat pump cycle and heat is radiated from the coolant to the air via the heater core 144.
  • the configuration for heating the passenger compartment is not limited to this configuration and can be variously changed.
  • the present invention can be used for a vehicle heat pump device and a vehicle air conditioner mounted on a vehicle.
  • Vehicle heat pump device (Embodiment 1) DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 Compressor 14 Water refrigerant

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Abstract

 冷房運転時のみヒートポンプサイクルを用いる従前の車両用空調装置と比較して、冷媒の配管パターンの変更点が少なく、且つ、ヒートポンプサイクルを用いて暖房運転を可能とする車両用ヒートポンプ装置および車両用空調装置を提供する。この車両用ヒートポンプ装置は、筐体の外部にある圧縮機が吐出した高温高圧冷媒を導入して用いる車両用ヒートポンプ装置である。圧縮機が吐出した高温高圧冷媒を筐体の外部から導入する第1の冷媒導入部と、第1の冷媒導入部から導入した高温高圧冷媒から冷却液へ放熱可能な水冷媒熱交換器と、水冷媒熱交換器を収容する筐体と、を具備する。さらに、筐体の外部から水冷媒熱交換器へ冷却液を導入可能な冷却液導入部と、水冷媒熱交換器から筐体の外部へ冷却液を導出可能な冷却液導出部と、水冷媒熱交換器を通過した冷媒を筐体の外部へ導出する第1の冷媒導出部と、を具備した構成を採る。

Description

車両用ヒートポンプ装置および車両用空調装置
 本発明は、車両用ヒートポンプ装置および車両用空調装置に関する。
 内燃機関と電気モータとの両方を備えた、HEV(Hybrid Electric Vehicle)、又は、PHV(Plug―in Hybrid Vehicle)と呼ばれる自動車がある。このような自動車に搭載される車両用空調装置では、内燃機関の熱、ならびに、蓄電池の電力によって発生したジュール熱を用いて、車室内の暖房を行うのが一般的である。
 また、ヒートポンプサイクルを用いて冷房運転を行う車両用空調装置も一般的である。ヒートポンプサイクルは、エンジンルームに配置されるコンプレッサと、車両前面に又は風が導入可能な位置に配置される室外熱交換器と、車室の吸気通路に配置されるエバポレータと、膨張弁等から構成される。コンプレッサにより圧縮された高温高圧の冷媒は室外熱交換器へ送られて冷却され、冷却された冷媒は、膨張弁によりさらに低温低圧にされてエバポレータへ送られる。そして、エバポレータにより車室内へ供給される空気が冷却される。エバポレータは、車室内に設置された空調装置(Heating, Ventilation, and Air Conditioning、以下、HVAC)に備えられる。
 従来、蓄電池の電力が無駄に消費されないよう、ヒートポンプを利用して車室内の暖房を行う車両用空調装置について、幾つも提案がなされている(例えば特許文献1を参照)。
特開平8-197937号公報
 冷房運転時のみヒートポンプサイクルを利用する従前の車両用空調装置では、冷媒の配管パターンは上述のように比較的単純になる。
 しかしながら、ヒートポンプサイクルを利用して暖房運転も行うようにした従来の車両用空調装置は、圧縮機、および、水冷媒熱交換器を同一筐体内に収納している(特許文献1の図21~図24を参照)。ここで、冷房運転時のみヒートポンプサイクルを利用する従前の車両用空調装置を、ヒートポンプサイクルを利用した暖房運転も行えるように変更する場合を検討する。この場合、圧縮機、および、水冷媒熱交換器を同一筐体内に収納したものを用いると、圧縮機周辺の冷媒の配管パターンが大きく変わってしまうという課題があった。
 自動車においては、エンジン、モータ、トランスミッション、空調用コンプレッサ、吸気通路など、様々な構成が狭いスペースに搭載される。従って、各構成のレイアウト自由度は小さい。
 また、自動車の分野では、大きな構成は変更せず、部分的に構成を改変していく所謂マイナーチェンジによって、技術的改良が図られる。
 車両用空調装置においても、車両のマイナーチェンジとして改良が図られる場合があり、この場合、車両用空調装置の構成の改変は、車両の他の構成に影響を与えない改変であることが求められる。
 ヒートポンプサイクルを用いた車両用空調装置は、車両の他の構成を避けて冷媒配管が施設される。このため、車両の他の構成に影響を与えずに車両用空調装置を改変するには、冷媒の配管パターンを大きく変更しないことが要件となる。冷媒配管は、冷却液の配管と異なり、高圧に耐える為に、例えば、アルミ製の配管が用いられる。そのため、冷媒配管のレイアウト変更は容易ではない。また、冷媒配管の大きな変更は、車両の他の構成のレイアウトに大きく影響してしまうために好ましくない。
 本発明の目的は、冷房運転時のみヒートポンプサイクルを用いる従前の車両用空調装置と比較して、冷媒の配管パターンの変更点が少なく、且つ、ヒートポンプサイクルを用いて暖房運転を可能とする車両用ヒートポンプ装置および車両用空調装置を提供することである。
 本発明の一態様に係る車両用ヒートポンプ装置は、筐体の外部にある圧縮機が吐出した高温高圧冷媒を導入して用いる車両用ヒートポンプ装置であって、前記圧縮機が吐出した前記高温高圧冷媒を前記筐体の外部から導入する第1の冷媒導入部と、前記第1の冷媒導入部から導入した前記高温高圧冷媒から冷却液へ放熱可能な水冷媒熱交換器と、前記水冷媒熱交換器を収容する前記筐体と、前記筐体の外部から前記水冷媒熱交換器へ前記冷却液を導入可能な冷却液導入部と、前記水冷媒熱交換器から前記筐体の外部へ前記冷却液を導出可能な冷却液導出部と、前記水冷媒熱交換器を通過した冷媒を前記筐体の外部へ導出する第1の冷媒導出部と、を具備した構成を採る。
 本発明によれば、車両用ヒートポンプ装置を、室外熱交換器、圧縮機、およびエバポレータに配管接続することで、冷房運転だけでなく、容易にヒートポンプサイクルを利用した暖房運転を行うことができる。さらに、冷房運転時にヒートポンプサイクルを用いる従前の車両用空調装置と比較して、冷媒の配管パターンの変更点が少なくなる。
本発明の実施形態1の車両用ヒートポンプ装置および車両用空調装置を示す構成図 実施形態1の車両用空調装置における冷房運転時の動作を説明する図 実施形態1の車両用空調装置における暖房運転時の動作を説明する図 従前の車両用空調装置からの冷媒配管の変更点を説明する図 本発明の実施形態1の車両用ヒートポンプ装置および車両用空調装置の変形例を説明する構成図 本発明の実施形態1の車両用ヒートポンプ装置および車両用空調装置の変形例を説明する構成図 本発明の実施形態2の車両用空調装置を示す構成図 膨張弁のセット値の一例を示すグラフ 暖房時および冷房時における膨張弁の状態を説明する図 実施形態2の車両用空調装置における冷房運転の状態を示す説明図 実施形態2の車両用空調装置における外気温度が非常に低いときの暖房運転の状態を示す説明図
 以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
 (実施形態1)
 図1は、本発明の実施形態1の車両用ヒートポンプ装置および車両用空調装置を示す構成図である。
 本発明の実施形態1の車両用空調装置は、車両用ヒートポンプ装置10と、エンジン冷却器40(内燃機関冷却器に相当)と、ヒータコア44と、エバポレータ48と、圧縮機12と、膨張弁52と、室外熱交換器56と、開閉弁60と、これらの間を結ぶ冷却液の配管、冷媒配管、および接続部等から構成される。ヒータコア44(暖房用熱交換器に相当)、および、エバポレータ48は車室内に搭載されるHVAC70に含まれる。ここでは、ファイアーウォールより室内側を車室内と呼んでいる。
 車両用ヒートポンプ装置10は、水冷媒熱交換器14と、アキュムレータ16と、三方弁18と、逆止弁20と、オリフィス付開閉弁22と、開閉弁24と、筐体26と、冷却液導入管31と、冷却液導出管32と、2つの冷媒導出管33、35と、2つの冷媒導入管34,36と、制御部とを備えている。
 圧縮機12は、吸入した冷媒を高温高圧に圧縮して吐出する。圧縮機12は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構を内部に備える。この圧縮機構は、例えば、電動モータにより駆動される。圧縮機12の冷媒の吸入口は、配管および接続部19を介してエバポレータ48の冷媒通路の出口と連通している。さらに、圧縮機12の冷媒の吸入口は、配管および接続部19を介して冷媒導出管35とも連通している。接続部19は、エバポレータ48の冷媒通路の出口と、冷媒導出管35と、圧縮機12の冷媒の吸入口とを単に連通するものである。また、圧縮機12の冷媒の吐出口は、冷媒導入管36を介して水冷媒熱交換器14の冷媒通路の入口に連通している。
 水冷媒熱交換器14は、冷却液の通路と冷媒通路とを有し、これらの通路が大きな面積で熱交換可能に接触して構成される。冷媒通路の入口は圧縮機12の吐出口に連通し、冷媒通路の出口はオリフィス付開閉弁22が付設された冷媒導出管33に連通している。冷却液の通路の入口は配管を介して三方弁18に接続され、冷却液の出口は配管を介して逆止弁20に接続されている。
 水冷媒熱交換器14には、圧縮機12の駆動中、高温高圧の冷媒が流れる一方、冷却液は三方弁18の切り替えによって流れ有りの状態と停止の状態とに切り替えられる。冷却液が流れれば、高温高圧冷媒から冷却液へ放熱が行われ、冷却液が停止すれば、高温高圧冷媒はほぼそのままの温度で水冷媒熱交換器14を通過する。
 三方弁18は、電気的な制御により、冷却液導入管31から導入された冷却液を、水冷媒熱交換器14側および冷却液導出管32側の何れか一方に切り替えて流す。
 逆止弁20は、水冷媒熱交換器14への冷却液の逆流を防止する。
 この実施の形態においては、三方弁18および逆止弁20が、冷却液を水冷媒熱交換器14へバイパスさせるか否かを切り替える冷却液切替弁に相当する。
 オリフィス付開閉弁22は膨張弁機能付き開閉弁に相当する。オリフィス付開閉弁22は、暖房運転時に膨張弁としての機能を有する開閉弁であり、制御部による電気的な制御によって状態が切り替えられる。オリフィス付開閉弁22は、例えば、大径の通路と、小径の通路を有するオリフィスとを有し、大径の通路が開閉可能に構成されている。オリフィス付開閉弁22は、大径の通路が開いたときに、冷媒をそのまま通過させ、大径の通路が閉じてオリフィスの通路だけ通じているときに、高圧の冷媒を小径の通路に通して膨張させる。膨張した冷媒は、低温低圧の冷媒となる。
 変形例として、オリフィス付開閉弁22に替えて、開閉弁とこの開閉弁をバイパスした経路を設け、このバイパスした経路にオリフィスを設置する事で、オリフィス付開閉弁22と同様の機能を持たせることも可能である。また、変形例として、電子膨張弁を設定し、全開時に冷媒をそのまま通過させ、この電子膨張弁の開度を調整して膨張弁の役目を果たしても良い。いずれの変形例も、膨張弁機能付き開閉弁に相当するものである。
 冷媒導入管34は、開閉弁24を介してアキュムレータ16の入力口に連通している。アキュムレータ16の出力口は冷媒導出管35に連通している。開閉弁24は、制御部による電気的な制御によって、冷媒導入管34とアキュムレータ16の入力口との間の通路を開閉する。
 アキュムレータ16は、気相および液相の冷媒を分離して気相の冷媒のみを冷媒導出管35を介して圧縮機12へ送る。
 上記の三方弁18、オリフィス付開閉弁22、開閉弁24は、例えば、車両用空調装置の制御装置から電気信号が送られて、状態が切り替えられる。或いは、三方弁18、オリフィス付開閉弁22、開閉弁24は、車両用空調装置の制御装置の指令を受けて、車両用ヒートポンプ装置10の制御部が信号を出力して、状態が切り替わる構成としてもよい。
 筐体26は、水冷媒熱交換器14、アキュムレータ16、三方弁18、逆止弁20、オリフィス付開閉弁22、および、開閉弁24を収容し、これらの構成を一体的にパッケージングする。筐体26の周囲は断熱されていてもよい。
 冷媒導出管33、および、冷媒導出管35は、車両用ヒートポンプ装置10の第1の冷媒導出部、第2の冷媒導出部にそれぞれ相当する。また、冷媒導入管36、および、冷媒導入管34は、車両用ヒートポンプ装置10の第1の冷媒導入部、および、第2の冷媒導入部にそれぞれ相当する。冷媒導出管33、35および冷媒導入管34,36は、筐体26の外部に一端が露出し、車両用空調装置の冷媒配管と連結される。冷媒導出管33、35および冷媒導入管34,36の一端には、配管連結用のコネクタまたはソケットが設けられていてもよい。
 エンジン冷却器40およびヒータコア44は、冷却液導出管32および冷却液導入管31の間に直列に接続されている。また、室外熱交換器56およびエバポレータ48は、この順で冷媒導出管33と圧縮機12の吸入口との間に直列に接続されている。
 また、エバポレータ48と圧縮機12の吸入口とを接続する冷媒通路は、冷媒導出管35とも接続されている。さらに、室外熱交換器56およびエバポレータ48との間の冷媒通路は分岐して冷媒導入管34と接続されている。以下、詳細に説明する。
 冷却液導入管31と冷却液導出管32とは、車両用ヒートポンプ装置10の冷却液の導入部および導出部にそれぞれ相当する。冷却液導入管31および冷却液導出管32は、筐体26の外部に一端が露出し、車両用空調装置の冷却液の配管と連結される。冷却液導入管31および冷却液導出管32の一端には、配管連結用のコネクタまたはソケットが設けられていてもよい。
 エンジン冷却器40は、内燃機関の周囲に冷却液を流すウォータジャケットと、ウォータジャケットに冷却液を流すポンプとを具備し、ウォータジャケットに流れる冷却液へ内燃機関から熱を放出させる。ウォータジャケットの冷却液の通路の入口および出口は、ヒータコア44と車両用ヒートポンプ装置10の冷却液導入管31とにそれぞれ連通する。
 ヒータコア44は、冷却液と空気との熱交換を行う機器であり、車室内へ空気を供給するHVAC70の吸気通路B内に配置される。ヒータコア44の冷却液の通路は、エンジン冷却器40と、車両用ヒートポンプ装置10の冷却液導出管32に連通する。HVAC70の吸気通路Bには、ファンF2によって外気等が導入される。
 エバポレータ48は、低温低圧に膨張された冷媒と、空気との熱交換を行う機器であり、HVAC70の吸気通路B内に配置される。低温低圧に膨張された冷媒は、エバポレータ48を通過する際に、空気から熱を吸収して気化する。エバポレータ48の冷媒通路の入口は、膨張弁52と開閉弁60とを間に挟んで、配管を介して室外熱交換器56に連通している。エバポレータ48の冷媒通路の出口は、配管および接続部19を介して圧縮機12の吸入口に連通している。
 膨張弁52は、高圧の冷媒を低温低圧に膨張して、エバポレータ48に吐出する。膨張弁52は、車両用ヒートポンプ装置10の外部で、エバポレータ48に近接する位置に連結されている。
 室外熱交換器56は、冷媒を流す通路と、空気を流す通路とを有し、例えばエンジンルーム内の車両の先頭付近に配置されて、各通路を流れる冷媒と外気との間で熱交換を行う。室外熱交換器56の冷媒通路の入口は、配管を介して車両用ヒートポンプ装置10の冷媒導出管33に連通する。また、冷媒通路の出口は、途中で2本の配管に分岐して、エバポレータ48および車両用ヒートポンプ装置10の一つの冷媒導入管34にそれぞれ連通する。
 室外熱交換器56には、暖房運転時には低温低圧の冷媒が流れて外気から熱を吸収し、冷房運転時には高温高圧の冷媒が流れて外気へ熱を放出する。室外熱交換器56には、例えば、ファンF1により外気が吹き付けられる。
 開閉弁60は、室外熱交換器56からエバポレータ48へ冷媒を流す配管の途中に設けられ、電気的な制御によって、この通路の開閉を行う。
 [冷房運転動作]
 図2は、実施形態1の車両用空調装置における冷房運転時の動作を説明する図である。図の配管の網掛け部分は、冷媒または冷却液の流れがないことを示す。
 冷房運転時には、開閉弁24が閉、開閉弁60が開、オリフィス付開閉弁22が開、三方弁18の水冷媒熱交換器14側が閉に切り替えられる。
 この切替により、冷却液は、エンジン冷却器40とヒータコア44とを循環する一方、冷却液は水冷媒熱交換器14に流れない。HVAC70内の吸気通路Bにおいては、ヒータコア44に風が流れないようにエアミックスダンパが切り替えられることで、車室内へ供給される送風への加熱は行われない。
 冷媒は、圧縮機12により高温高圧に圧縮されたのち、水冷媒熱交換器14を高温のまま通過して室外熱交換器56へ送られる。その後、冷媒は、室外熱交換器56で冷却された後、膨張弁52を通過して低温低圧に膨張し、続いてエバポレータ48へ送られる。エバポレータ48では、車室内へ送られる空気から冷媒へ吸熱が行われて、空気の冷却と冷媒の気化とが行われる。気化した冷媒は圧縮機12へと戻される。
 このようなヒートポンプサイクルによって、車室内へ冷たい空気を送ることができる。
 [暖房運転動作]
 図3は、実施形態1の車両用空調装置における暖房運転時の動作を説明する図である。図の配管の網掛け部分は、冷媒または冷却液の流れがないことを示す。
 暖房運転時には、開閉弁24が開、開閉弁60が閉、オリフィス付開閉弁22が閉、三方弁18の冷却液導出管32側が閉に切り替えられる。
 この切替により、冷却液は、エンジン冷却器40と、水冷媒熱交換器14と、ヒータコア44とを循環する。この間、冷却液は、エンジン冷却器40と、水冷媒熱交換器14とで加熱され、ヒータコア44でHVAC70内の吸気通路Bを流れる空気へと放熱を行う。
 さらに、車両用ヒートポンプ装置10では、圧縮機12で発生した熱が水冷媒熱交換器14で冷却水へ伝えられる。
 吸気通路Bにおいては、ヒータコア44に風が流れるようにエアミックスダンパ等が切り替えられて、車室内へ送られる空気が温められる。
 冷媒は、圧縮機12により高温高圧に圧縮されたのち、水冷媒熱交換器14を通過して冷却液へ放熱を行う。放熱後の高圧の冷媒は、オリフィス付開閉弁22を通過して低温低圧に膨張し、室外熱交換器56へ送られる。室外熱交換器56では、外気から冷媒へ吸熱が行われて、冷媒が気化する。気化した冷媒は、アキュムレータ16を介して圧縮機12へ戻される。エバポレータ48には、冷媒が流れず、そこでは熱交換も行われない。
 このような動作により、車室内へ温かい空気を送ることができる。温風には、エンジンの熱が有効活用され、エンジン熱で足りない分がヒートポンプサイクルによって補われる。また、圧縮機12の排熱も空気を温めるのに有効活用されている。空気の加熱はヒートポンプサイクルを利用しているので、加熱量に対する消費電力は低く抑えられている。
 [配管経路の比較]
 図4は、従前の車両用空調装置からの冷媒配管の変更点を説明する図である。図中、実線で従前の車両用空調装置の配管を示している。
 [従前の車両用空調装置の場合]
 冷房運転時のみヒートポンプサイクルを用いる従前の車両用空調装置では、室外熱交換器56がエンジンルーム内の車両先頭付近に配置され、吸気通路B、ヒータコア44およびエバポレータ48が車室内のHVAC70に配置される。さらに、圧縮機12がエンジンルームに配置される。
 この構成において、冷媒の配管は、図4の実線に示すものとなる。すなわち、エンジンルーム内の車両先頭の室外熱交換器56から膨張弁52を介して車室内のエバポレータ48へつながる配管P1、圧縮機12から室外熱交換器56へつながる配管P2、ならびに、車室内のエバポレータ48から圧縮機12へ連なる配管P3のみとなる。
 各配管P1~P3は、車両の各構成を避けつつ、冷媒の圧力損失が大きくならないよう、なるだけ直線的な経路となるようにレイアウトされる。特に、長い区間に渡って施設される配管P1は、優先的に直線的な経路にできるようにレイアウト設計されることがある。
 冷却液の配管W1,W2は、エンジンルームのエンジン冷却器40とHVAC70内のヒータコア44との間に施設される。
 次に、冷房運転時のみヒートポンプサイクルを利用する従前の車両用空調装置を、車両用ヒートポンプ装置10を用いることで、ヒートポンプサイクルを利用した暖房運転も行えるように変更する場合について説明する。
 従前の配管からの変更点としては、2本の冷媒配管P21、P22が追加される。冷媒配管P21は車両用ヒートポンプ装置10の冷媒導出管35と、冷媒配管P22は車両用ヒートポンプ装置10の冷媒導入管34と接続する。
 また、変更点としては、エンジンルームを渡って設けられる長い配管P2の一部分P2bが除去される。配管P2bが除去された後の、配管P2の圧縮機12の冷媒の吐出口の側を配管P2aと、配管P2の室外熱交換器56の側を配管P2cと称する。
 冷媒配管P2aは、車両用ヒートポンプ装置10の冷媒導入管36と、冷媒配管P2cは車両用ヒートポンプ装置10の冷媒導出管33と接続する。
 車両用ヒートポンプ装置10とヒータコア44との間には、熱せられた冷却液を循環させる配管W21,W22が設けられる。これらの配管W21,W22は、例えばエンジン冷却器40に連通する配管W1の一部W1aを分断してバイパスするように接続される。配管W21は冷却液導入管31と接続し、配管W22は冷却液導出管32と接続する。
 車両用ヒートポンプ装置10内の水冷媒熱交換器14では、圧縮機12で圧縮された高温高圧冷媒から冷却液へ放熱される。この熱は、HVAC70内の吸気通路Bで空気を温めるヒータコア44に伝達される。
 ここでは、例えば、特許文献1に開示される圧縮機、および、水冷媒熱交換器を同一筐体内に収納した構成(特許文献1の図21~図24を参照)を用いる場合を検討する。そして、この構成を用いて、冷房運転時のみヒートポンプサイクルを利用する従前の車両用空調装置を、ヒートポンプサイクルを利用した暖房運転も行えるように変更する場合を検討する。
 この場合には、従前の車両用空調装が備える圧縮機を、圧縮機および水冷媒熱交換器を同一筐体内に収納した装置に置換する必要がある。このため、圧縮機周辺の配管パターンを大きく変更する必要がある。
 [本実施の形態の場合]
 一方、本実施の形態の構成では、図1と図4との比較から分かるように、従前の車両用空調装置からの冷媒配管の変更点は、冷媒配管P21、P22の追加と、配管P2の一部分の配管P2bを除去した部分に車両用ヒートポンプ装置10を配置するだけで済む。
 さらに、圧縮機の配置は変更しないため、冷媒の配管パターンの変更点を少なくしつつ、容易にヒートポンプサイクルを利用した暖房運転を行うことができる。
 以上のように、本実施の形態の車両用ヒートポンプ装置10および車両用空調装置によれば、次のような効果が得られる。すなわち、冷房運転時のみヒートポンプサイクルを用いる従前の車両用空調装置の配管に2本の配管追加、一部配管の除去を行うだけでヒートポンプサイクルを用いて暖房運転を行うことができるようになる。
 従って、従前の車両用空調装置が採用されている車両に対して、マイナーチェンジまたはオプション変更により、ヒートポンプサイクルによる暖房運転が可能な車両用空調装置を搭載する場合に、本実施の形態は特に有効になる。すなわち、車両用ヒートポンプ装置10および追加の冷媒配管P21、P22のスペースだけを設ければ、車両の他の構成のレイアウトに影響を及ぼすことなく、本実施の形態の車両用空調装置を適用することが可能となる。車両用ヒートポンプ装置10は後述するように、比較的小さな装置として構成可能であり、従前の車両用空調装置の構成要素の間に容易に配置可能である。
 [変形例1]
 図5は、本発明の実施の形態の車両用ヒートポンプ装置および車両用空調装置の変形例を説明する構成図である。
 本発明の実施形態の車両用ヒートポンプ装置10としては、図5に示すように、開閉弁24、オリフィス付開閉弁22、三方弁18および逆止弁20の全部または何れかを、筐体26の外側に設けるようにしてもよい。
 また、2つの開閉弁24、60は、冷媒配管の分岐箇所d1,d2に三方弁を設けて代替することも可能である。
 さらに、冷却液を水冷媒熱交換器14へバイパスさせるか否かを切り替えるための構成は、三方弁18および逆止弁20に限られず、複数の開閉弁を用いて構成することもできる。
 [変形例2]
 図6は、本発明の実施形態1の車両用ヒートポンプ装置および車両用空調装置の変形例を説明する構成図である。図5との相違点は、図5における2つの開閉弁24、60を、1つの三方弁21で代替している点である。
 三方弁21は、電気的に制御される。三方弁21は、冷房運転時には室外熱交換器56を通過した冷媒をエバポレータ48の側へのみ送るようにする。また、三方弁21は、暖房運転時には室外熱交換器56を通過した冷媒を車両用ヒートポンプ装置10の冷媒導入管34に接続された側へのみ送るようにする。
 以上、本発明の実施の形態1について説明した。
 なお、上記実施の形態における圧縮機12は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構を駆動するための電動モータを備えてもよい。また、上記実施の形態における圧縮機12は、内燃機関の駆動力等、圧縮機12の外部の駆動力をベルト等で伝達することで圧縮機構を駆動するようにしてもよい。
 なお、上記実施の形態では、車両用ヒートポンプ装置10の冷媒導入部または冷媒導出部として、管状の構成を例にとって説明したが、冷媒導入部または冷媒導出部は、例えば、配管接続用のコネクタまたはソケットを筐体26の壁体に埋設した構成としてもよい。冷却液の導入部または導出部も同様である。
 また、上記実施の形態では、ヒータコアに内燃機関から熱をもらった冷却液を供給する構成を例にとって説明したが、ヒータコア44には車両用ヒートポンプ装置10の冷却液だけが流れる構成を採用してもよい。
 また、上記実施の形態の車両用空調装置および車両用ヒートポンプ装置は、自動車に新規に搭載される構成としても良い。また、上記実施の形態の車両用ヒートポンプは、図4に示したような、冷房運転時のみヒートポンプサイクルを用いる従前の車両用空調装置の一部と交換される構成としても良い。この交換により、本実施形態の車両用空調装置が実現されて、ヒートポンプサイクルによる暖房運転が可能となる。
 (実施形態2)
 <実施形態2に係る背景および課題>
 HEV(Hybrid Electric Vehicle)又はPHV(Plug-in Hybrid Vehicle)など内燃機関と電気モータとで走行可能な自動車がある。このような自動車では、モータ走行時に内燃機関から熱が得られなくなるため、ヒートポンプサイクルを用いて暖房運転を行う車両用空調装置が採用されることがある。内燃機関を有さないEV(Electric Vehicle)でも同様である。
 上述した特許文献1(特開平8-197937号公報)には、冷媒を圧縮するコンプレッサと、空気を車室へ導くダクト内に配置された冷房用のエバポレータと、エバポレータに低温低圧の冷媒を供給する膨張弁と、冷媒の熱を二次冷媒(例えば冷却液)を用いて輸送してダクト内の空気を加熱する複数の熱交換器と、を備えた車両用の空調装置が開示されている。
 このような車両用空調装置では、暖房運転時に、冷房用のエバポレータで多くの熱交換を行うことができない。車室内が不要に冷えてしまうためである。よって、このような車両用空調装置では、冷房用のエバポレータおよび膨張弁を介さずに冷媒を流せる暖房用の分岐回路が設けられることがある。ここで、回路とは、冷媒を循環的に流す一回りの冷媒通路を言う。
 そして、このような車両用空調装置では、暖房運転時に、エバポレータに冷媒を流さずに、分岐回路上の別の熱交換器(室外熱交換器)および膨張弁を用いてヒートポンプサイクルを実現する。これにより、外気から冷媒へ熱を吸収させて、この熱を利用して車室内の暖房を行う(例えば特許文献1の図1を参照)。
 エバポレータおよび膨張弁を介さずに冷媒を流す暖房用の分岐回路を採用した場合、なんら工夫がないと、暖房用の分岐回路と冷房用の冷媒回路とにそれぞれ開閉弁を設けて、暖房時と冷房時とで冷媒の流れを切り替えることになる。しかしながら、これでは、空調装置の部品点数が多くなるという課題がある。
 一方、特許文献1の図1には、エバポレータ(25)および膨張弁(24)のある冷媒通路に開閉弁を設けず、この通路をバイパスするバイパス通路(42)に開閉弁(28)を設けた空調装置が開示されている。
 しかしながら、この構成では、バイパス通路を開閉する開閉弁が開となる暖房運転時にも、エバポレータ(25)および膨張弁(24)に比較的多くの冷媒が流れてしまうという課題がある。この不要な冷媒の流れは、空調性能の低下につながる。
 さらに、暖房運転時、外気温が低いときに、冷媒が膨張弁を通過してエバポレータに流れると、エバポレータに凍結が発生してしまうという課題が生じる。
 本実施形態の目的は、エバポレータおよび膨張弁を除外して冷媒を流すことのできる暖房用の分岐回路を有する車両用空調装置において、部品点数を削減し、且つ、暖房運転時における不要な冷媒の流れを防止することである。
 <実施形態2の説明>
 図7は、本発明の実施形態2の車両用ヒートポンプ装置および車両用空調装置を示す構成図である。
 本発明の実施形態2の車両用空調装置は、車両用ヒートポンプ装置110と、エンジン冷却器140と、ヒータコア144と、エバポレータ148と、膨張弁152と、室外熱交換器156と、これらの間を結ぶ冷媒の配管および冷却液の配管等から構成される。
 車両用ヒートポンプ装置110は、電動圧縮機112と、水冷媒熱交換器114と、アキュムレータ116と、三方弁118と、逆止弁120と、オリフィス付開閉弁122と、開閉弁124と、筐体126と、冷却液導入管131と、冷却液導出管132と、1つの冷媒導出管133と、2つの冷媒導入管134,135とを備えている。
 電動圧縮機112は、電気により駆動して、吸入した冷媒を高温高圧に圧縮して吐出する。電動圧縮機112の冷媒の吸入口は、アキュムレータ116を介して2つの冷媒導入管134,135に連通し、電動圧縮機112の冷媒の吐出口は、水冷媒熱交換器114の冷媒通路の入口に連通している。
 水冷媒熱交換器114は、冷却液の通路と冷媒通路とを有し、これらの通路が大きな面積で熱交換可能に接触して構成される。冷媒通路の入口は電動圧縮機112の吐出口に連通し、冷媒通路の出口はオリフィス付開閉弁122が付設された冷媒導出管133に連通している。冷却液の通路の入口は配管を介して三方弁118に接続され、冷却液の出口は配管を介して逆止弁120に接続されている。
 水冷媒熱交換器114には、電動圧縮機112の駆動中、高温高圧の冷媒が流れる一方、冷却液は三方弁の切り替えによって流れ有りの状態と停止の状態とに切り替えられる。冷却液が流れれば、高温高圧冷媒から冷却液へ放熱が行われ、冷却液が停止すれば、高温高圧冷媒はほぼそのままの温度で水冷媒熱交換器114を通過する。
 三方弁118は、電気的な制御により、冷却液導入管131から導入された冷却液を、水冷媒熱交換器114側および冷却液導出管132側の何れか一方に切り替えて流す。
 逆止弁120は、水冷媒熱交換器114への冷却液の逆流を防止する。
 オリフィス付開閉弁122は、膨張弁としての機能を有する開閉弁であり、電気的な制御によって開または閉に切り替えられる。オリフィス付開閉弁122は、例えば、大径の通路と、小径の通路になるオリフィスとを有し、大径の通路が開閉可能に構成されている。オリフィス付開閉弁122は、大径の通路が開いたときに、冷媒をそのまま通過させ、大径の通路が閉じたときに、高圧の冷媒をオリフィスの通路に通して膨張させる。膨張した冷媒は、低温低圧の冷媒となる。
 開閉弁124は、冷媒導入管134の入口と2つの冷媒導入管134,135の合流部との間に設けられ、電気的な制御によって、この間の通路を開閉する。
 アキュムレータ116は、気相および液相の冷媒を分離して気相の冷媒のみを電動圧縮機112へ送る。
 上記の三方弁118、オリフィス付開閉弁122、開閉弁124は、例えば、車両用空調装置の制御装置から電気信号が送られて、状態が切り替えられる。或いは、三方弁118、オリフィス付開閉弁122、開閉弁124は、車両用空調装置の制御装置の指令を受けて、車両用ヒートポンプ装置110の制御部が信号を出力して、状態が切り替わる構成としてもよい。
 筐体126は、電動圧縮機112、水冷媒熱交換器114、アキュムレータ116、三方弁118、逆止弁120、オリフィス付開閉弁122、および、開閉弁124を収容し、これらの構成を一体的にパッケージングする。筐体126の周囲は断熱され、筐体126内において電動圧縮機112と水冷媒熱交換器114とは熱交換可能に近接配置されていてもよい。
 冷媒導出管133および冷媒導入管134,135は、筐体126の外部に一端が露出し、車両用空調装置の冷媒配管と連結される。冷媒導出管133および冷媒導入管134,135の一端には、配管連結用のコネクタまたはソケットが設けられていてもよい。
 冷却液導入管131および冷却液導出管132は、筐体126の外部に一端が露出し、車両用空調装置の冷却液の配管と連結される。冷却液導入管131および冷却液導出管132の一端には、配管連結用のコネクタまたはソケットが設けられていてもよい。
 エンジン冷却器140は、内燃機関の周囲に冷却液を流すウォータジャケットと、ウォータジャケットに冷却液を流すポンプとを具備し、ウォータジャケットに流れる冷却液へ内燃機関から熱を放出させる。内燃機関から吸熱した冷却液は、ヒータコア144を通り、図示しない放熱器から放熱可能な構成となっている。例えば、放熱器は車両前面に設置されたラジエータで構成される。冷却液の温度がある所定の温度未満である場合は、冷却液の回路内に設けられた開閉弁(図示略)が閉まり、冷却液は、内燃機関とヒータコア144、または、内燃機関と車両用ヒートポンプ装置110を経由して循環する。図示しない開閉弁は、例えば、サーモスタットである。ウォータジャケットの冷却液の通路の入口および出口は、ヒータコア144と車両用ヒートポンプ装置110の冷却液導入管131とにそれぞれ連通する。
 ヒータコア144は、冷却液と空気との熱交換を行う機器であり、車室内へ空気を供給するHVAC170内の吸気通路B100内に配置される。ヒータコア144の冷却液の通路は、エンジン冷却器140と、車両用ヒートポンプ装置110の冷却液導出管132に連通する。吸気通路B100は車室の近傍に配置され、吸気通路B100には、ファンF102によって外気等が導入される。
 エバポレータ148は、低温低圧に膨張された冷媒と、空気との間で熱交換を行う機器であり、HVAC170内の吸気通路B100内に配置される。低温低圧に膨張された冷媒は、エバポレータ148を通過する際に、空気から熱を吸収して気化する。エバポレータ148の冷媒通路の入口は、膨張弁152を介して室外熱交換器156に連通している。エバポレータ148の冷媒通路の出口は、配管を介して車両用ヒートポンプ装置の冷媒導入管135に連通している。
 HVAC170内の吸気通路B100においては、外気導入側にエバポレータ148が配置され、車室への送風口側にヒータコア144が配置されている。
 膨張弁152は、高圧の冷媒を低温低圧に膨張して、エバポレータ148へ送る。膨張弁152は、エバポレータ148の近傍に配置されている。膨張弁152の詳細については後述する。
 室外熱交換器156は、冷媒を流す通路と、空気を流す通路とを有し、例えば車両の先頭付近に配置されて、各通路を流れる冷媒と外気との間で熱交換を行う。室外熱交換器156の冷媒通路の入口は、配管を介して車両用ヒートポンプ装置110の冷媒導出管133に連通する。また、室外熱交換器156の冷媒通路の出口は、途中で2本の配管に分岐して、エバポレータ148および車両用ヒートポンプ装置110の冷媒導入管134にそれぞれ連通する。
 室外熱交換器156には、暖房運転時には低温低圧の冷媒が流れて外気から熱を吸収し、冷房運転時には高温高圧の冷媒が流れて外気へ熱を放出する。室外熱交換器156には、例えば、ファンF101により外気が吹き付けられる。
[膨張弁の詳細]
 図8は、膨張弁のセット値の一例を示すグラフ、図9は、暖房時および冷房時における膨張弁の状態を説明する図である。
 膨張弁152は、温度を感知する感温部と、感温部の作用によって開閉し、開の状態で冷媒を通過させて膨張させる弁とが設けられている。この実施形態の膨張弁152は、例えば、感温部に使用冷媒と同種の冷媒が封入されたガス封入式の膨張弁であり、機械的に開閉する機構を有している。具体的には、感温部の封入ガスの圧力と低圧側の冷媒圧力との差圧が、弁を閉じているバネ圧に対抗する構造を有している。感温部は、エバポレータ148の冷媒出口部に接触して冷媒出口温度を感知する。そして、差圧がバネ圧を超えたときに弁が開いて、冷媒を通過および膨張させる。
 膨張弁152のSET値は、ヒートポンプサイクルの冷媒としてHFO(Hydro-Fluoro-Olefin)-1234yfを使用する場合、次のように設定される。
 感知温度が0℃のとき、0.10~0.14MPa(G:ゲージ圧力)
 感知温度が10℃のとき、0.21~0.26MPa(G)
 より好ましくは、膨張弁152のSET値は、HFO-1234yfの冷媒を使用する場合、次のように設定してもよい。
 感知温度が0℃のとき、0.12~0.14MPa(G)
 感知温度が10℃のとき、0.23~0.26MPa(G)
 ここで、SET値とは、膨張弁152が開から閉となる低圧冷媒の圧力(圧力単位の(G)は大気圧基準の圧力、すなわちゲージ圧力を示す)であり、エバポレータ148の冷媒出口温度(感温部の感知温度)に依存する。
 図8および図9のグラフには、この膨張弁152のSET値が示されている。
 また、膨張弁152のSET値は、ヒートポンプサイクルの冷媒としてR134aを使用する場合、次のように設定される。R134aは、HFC(Hydro-Fluoro-Carbon)-134aとも呼ばれる。
 感知温度が0℃のとき、0.08~0.12MPa(G)
 感知温度が10℃のとき、0.19~0.24MPa(G)
 より好ましくは、膨張弁152のSET値は、R134aの冷媒を使用する場合、次のように設定してもよい。
 感知温度が0℃のとき、0.10~0.12MPa(G)
 感知温度が10℃のとき、0.21~0.24MPa(G)
 上記のようなSET値の設定によれば、図9に示すように、安定的な冷房運転時において、低圧側の冷媒圧力と、エバポレータ148の冷媒出口温度とは、範囲W101に凡そ含まれる。従って、安定的な冷房運転時において、膨張弁152は、安定的に開く。
 一方、安定的な暖房運転時には、低圧側の冷媒圧力と、エバポレータ148の冷媒出口温度とは、範囲W102に凡そ含まれる。エバポレータ148には、吸気通路B100において主に外気が吹き付けられるので、エバポレータ148に冷媒が流れないとき、膨張弁152が感知する温度(エバポレータ148の冷媒出口温度)はほぼ外気温度となる。
 その結果、膨張弁152は、感知温度が-3℃~-7℃の範囲より低くなったときに閉じるように動作する。先に説明したように、膨張弁152が閉じたときの膨張弁152の感知温度は、ほぼ外気温度となる。よって、上記の開閉動作により、除湿運転の必要性が残る外気温度(“-7℃~-3℃”より高い温度)では、膨張弁152が少ない頻度で開いて除湿運転が可能となる。
 例えば、外気-5℃のとき冷媒の飽和温度は0.15Mpa(G)であり、0.06Mpa(G)以下であれば膨張弁152は開く。
 一方、上記の開閉動作により、除湿運転の必要性の無い低外気温度(“-7℃~-3℃”より低い温度)では、膨張弁152は閉じて、エバポレータ148に冷媒を流さない。従って、不要な冷媒の流れが防止されて、空調性能の低下が防止される。また、エバポレータ148が低温になりすぎて凍結してしまうことが防止される。
 本実施形態の車両用空調装置では、膨張弁152とエバポレータ148のある通路に開閉弁を設けていない。本実施形態の車両用空調装置は、膨張弁152が自動的に開閉動作することにより、暖房時と冷房時の適切な冷媒の流れが実現される。このため、膨張弁152とエバポレータ148のある通路に開閉弁を設けて、この通路の開閉制御を行う必要がない。
 続いて、本実施形態の車両用空調装置における冷房運転時の動作、ならびに、外気温が非常に低いときの暖房運転時の動作について説明する。
[冷房運転動作]
 図10は、実施形態2の車両用空調装置における冷房運転時の動作を説明する図である。図の配管の網掛け部分は、冷媒または冷却液の流れがないことを示す。
 冷房運転時には、開閉弁124が閉、オリフィス付開閉弁122が開、三方弁118の水冷媒熱交換器114側が閉に切り替えられる。
 この切替えにより、冷却液は、エンジン冷却器140とヒータコア144とを循環する一方、冷却液は水冷媒熱交換器114に流れない。吸気通路B100においては、ヒータコア144に風が流れないようにルーバー等が切り替えられることで、車室内へ供給される送風への加熱は行われない。
 冷媒は、電動圧縮機112により高温高圧に圧縮されたのち、水冷媒熱交換器114を高温のまま通過して室外熱交換器156へ送られる。その後、冷媒は、室外熱交換器156で冷却された後、膨張弁152を通過して低温低圧に膨張し、続いてエバポレータ148へ送られる。エバポレータ148では、車室内へ送られる空気から冷媒へ吸熱が行われて、空気の冷却と冷媒の気化とが行われる。気化した冷媒は、アキュムレータ116を介して電動圧縮機112へと戻される。
 このようなヒートポンプサイクルによって、車室内へ冷たい空気を送ることができる。
[暖房運転動作]
 図11は、実施形態2の車両用空調装置における外気温度が非常に低いときの暖房運転時の動作を説明する図である。図の配管の網掛け部分は、冷媒または冷却液の流れがないことを示す。
 暖房運転時には、開閉弁124が開、オリフィス付開閉弁122が閉、三方弁118の冷却液導出管132側が閉に切り替えられる。
 この切替えにより、冷却液は、エンジン冷却器140と、水冷媒熱交換器114と、ヒータコア144とを循環する。この間、冷却液は、エンジン冷却器140と、水冷媒熱交換器114とで加熱され、ヒータコア144で吸気通路B100を流れる空気へと放熱を行う。
 さらに、車両用ヒートポンプ装置110では、電動圧縮機112で発生した熱が水冷媒熱交換器114で冷却水へ伝えられて、電動圧縮機112の排熱も熱源として利用される。
 吸気通路B100においては、ヒータコア144に風が流れるようにルーバー等が切り替えられて、車室内へ送られる空気が温められる。
 冷媒は、電動圧縮機112により高温高圧に圧縮されたのち、水冷媒熱交換器114を通過して冷却液へ放熱を行う。放熱後の高圧の冷媒は、オリフィス付開閉弁122を通過して低温低圧に膨張し、室外熱交換器156へ送られる。室外熱交換器156では、外気から冷媒へ吸熱が行われて、冷媒が気化する。気化した冷媒は、アキュムレータ116を介して電動圧縮機112へ戻される。
 膨張弁152は、外気温度が低い(例えば”-3℃~-7℃”以下)とき、自動的に閉状態となる。このとき、エバポレータ148には、冷媒が流れず、そこでは熱交換も行われない。
 以上のような動作により、車室内へ温かい空気を送ることができる。温風には、エンジンの熱が有効活用され、エンジン熱で足りない分がヒートポンプサイクルによって補われる。また、電動圧縮機112の排熱も空気を温めるのに有効活用されている。空気の加熱はヒートポンプサイクルを利用しているので、加熱量に対する消費電力は低く抑えられている。さらに、外気温度が低いときには、膨張弁152が閉じて、膨張弁152とエバポレータ148に不要な冷媒の流れが生じないので、不要な流れにより空調能力が低下しない。
 以上のように、本実施形態の車両用空調装置によれば、膨張弁152のSET値の設定により、安定的な冷房運転時には、膨張弁152が安定的に開いて冷媒を通過および膨張させる。一方、安定的な暖房運転時、除湿運転の必要性の無い低外気温度のときには、膨張弁152が自動的に閉じて、冷媒を通過および膨張させない。
 よって、膨張弁152とエバポレータ148のある通路に開閉弁を設けて、この通路の開閉制御を行わなくても、膨張弁152の自動的な開閉動作により、暖房時と冷房時の適切な冷媒の流れの制御が達成される。
 また、上記の膨張弁152の自動的な開閉動作により、除湿運転の必要性の無い低外気温度時に、膨張弁152およびエバポレータ148に不要な冷媒が流れることが防止されて、空調性能の低下が防止される。また、エバポレータ148が低温になりすぎて凍結してしまうことが防止される。
 以上、本発明の実施形態2について説明した。
 なお、上記実施形態では、車室内を暖房する構成として、二次冷媒となる冷却液をヒートポンプサイクルにより加熱し、ヒータコア144を介して冷却液から空気へ放熱を行う構成を例にとって説明した。しかしながら、車室内を暖房する構成は、この構成に限られず、様々に変更可能である。
 2012年12月6日出願の特願2012-267085の日本出願、および、2012年12月19日出願の特願2012-276498の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
 本発明は、車両に搭載される車両用ヒートポンプ装置および車両用空調装置に利用できる。
 10 車両用ヒートポンプ装置(実施形態1)
 12 圧縮機
 14 水冷媒熱交換器
 16 アキュムレータ
 18 三方弁
 19 接続部
 20 逆止弁
 21 三方弁
 22 オリフィス付開閉弁
 24 開閉弁
 26 筐体
 31 冷却液導入管
 32 冷却液導出管
 33、35 冷媒導出管
 34、36 冷媒導入管
 40 エンジン冷却器
 44 ヒータコア
 48 エバポレータ
 52 膨張弁
 56 室外熱交換器
 60 開閉弁
 70 HVAC
 B 吸気通路
 F1,F2 ファン
 110 車両用ヒートポンプ装置(実施形態2)
 112 電動圧縮機
 114 水冷媒熱交換器
 116 アキュムレータ
 118 三方弁
 120 逆止弁
 122 オリフィス付開閉弁
 124 開閉弁
 126 筐体
 131 冷却液導入管
 132 冷却液導出管
 133 冷媒導出管
 134,135 冷媒導入管
 140 エンジン冷却器
 144 ヒータコア
 148 エバポレータ
 152 膨張弁
 156 室外熱交換器
 170 HVAC
 B100 吸気通路
 F101,F102 ファン

Claims (19)

  1.  筐体の外部にある吸入した冷媒を圧縮する圧縮機が吐出した高温高圧冷媒を導入して用いる車両用ヒートポンプ装置であって、
     前記圧縮機が吐出した前記高温高圧冷媒を前記筐体の外部から導入する第1の冷媒導入部と、
     前記第1の冷媒導入部から導入した前記高温高圧冷媒から冷却液へ放熱可能な水冷媒熱交換器と、
     前記水冷媒熱交換器を収容する前記筐体と、
     前記筐体の外部から前記水冷媒熱交換器へ前記冷却液を導入可能な冷却液導入部と、
     前記水冷媒熱交換器から前記筐体の外部へ前記冷却液を導出可能な冷却液導出部と、
     前記水冷媒熱交換器を通過した前記冷媒を前記筐体の外部へ導出する第1の冷媒導出部と、
     を具備した、車両用ヒートポンプ装置。
  2.  前記冷却液導入部から導入された前記冷却液を、前記水冷媒熱交換器を通して前記冷却液導出部へ送るか、前記水冷媒熱交換器を通さずに前記冷却液導出部へ送るかを、切替可能な冷却液切替弁をさらに具備し、
     前記冷却液切替弁が前記筐体に収容されている、
     請求項1記載の車両用ヒートポンプ装置。
  3.  前記水冷媒熱交換器を通過した前記冷媒を、膨張させて前記第1の冷媒導出部へ送るか、高圧のまま前記第1の冷媒導出部へ送るか、切替え可能な膨張弁機能付き開閉弁を、
     さらに具備する請求項2記載の車両用ヒートポンプ装置。
  4.  前記筐体の外部から低圧冷媒を導入する第2の冷媒導入部と、
     前記第2の冷媒導入部から導入した前記低圧冷媒を気相および液相の冷媒に分離するアキュムレータと、
     前記アキュムレータで分離された気相の冷媒を前記圧縮機へ導出する第2の冷媒導出部と、
     をさらに具備し、
     前記アキュムレータは前記筐体に収容されている、
     請求項3記載の車両用ヒートポンプ装置。
  5.  前記第2の冷媒導入部と、前記アキュムレータとの間に開閉弁を具備する、
     請求項4記載の車両用ヒートポンプ装置。
  6.  前記開閉弁および前記膨張弁機能付き開閉弁が、前記筐体に収容されている、
     請求項5記載の車両用ヒートポンプ装置。
  7.  冷房運転時のみヒートポンプサイクルを用いる車両用空調装置の一部と交換されて、ヒートポンプサイクルによる暖房運転を可能とする、
     請求項1から6のいずれか1項に記載の車両用ヒートポンプ装置。
  8.  吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
     車両の内燃機関から冷却液へ熱を吸収させる内燃機関冷却器と、
     高温の冷却液から車室内へ送られる空気へ熱を放出させる暖房用熱交換器と、
     車室外で冷媒と空気との熱交換を行う室外熱交換器と、
     請求項1記載の車両用ヒートポンプ装置と、
     を具備し、
     前記内燃機関冷却器および前記暖房用熱交換器が、前記車両用ヒートポンプ装置の前記冷却液導出部および前記冷却液導入部の間に直列に接続し、
     前記室外熱交換器が前記車両用ヒートポンプ装置の前記第1の冷媒導出部と接続し、
     前記圧縮機の吐出口が前記車両用ヒートポンプ装置の第1の冷媒導入部と接続した、車両用空調装置。
  9.  吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
     車両の内燃機関から冷却液へ熱を吸収させる内燃機関冷却器と、
     高温の冷却液から車室内へ送られる空気へ熱を放出させる暖房用熱交換器と、
     車室外で冷媒と空気との熱交換を行う室外熱交換器と、
     車室内へ送られる空気から低温の冷媒へ熱を吸収させるエバポレータと、
     請求項6記載の車両用ヒートポンプ装置と、
     を具備し、
     前記内燃機関冷却器および前記暖房用熱交換器が、前記車両用ヒートポンプ装置の前記冷却液導出部および前記冷却液導入部の間に直列に接続し、
     前記室外熱交換器および前記エバポレータが、前記車両用ヒートポンプ装置の前記第1の冷媒導出部および前記圧縮機の吸入口との間に直列に接続され、
     前記圧縮機の吐出口が前記車両用ヒートポンプ装置の前記第1の冷媒導入部と接続し、
     前記エバポレータと前記圧縮機の吸入口とを接続する冷媒通路を前記車両用ヒートポンプ装置の前記第2の冷媒導出部と接続し、
     前記室外熱交換器および前記エバポレータとの間の冷媒通路が分岐して前記第2の冷媒導入部と接続した、車両用空調装置。
  10.  高圧の冷媒を膨張させて前記エバポレータへ送る膨張弁をさらに具備し、
     前記膨張弁が、前記車両用ヒートポンプ装置の外部で、且つ、前記エバポレータの上流に配置されている、
     請求項9記載の車両用空調装置。
  11.  前記室外熱交換器と前記エバポレータとの間の冷媒通路を開閉可能な開閉弁を具備する、
     請求項9または請求項10に記載の車両用空調装置。
  12.  ヒートポンプを用いて冷房運転および暖房運転が可能な車両用空調装置であって、
     低圧の冷媒を圧縮して高圧にする電動圧縮機と、
     前記電動圧縮機が吐出した高温高圧の前記冷媒を膨張させる膨張弁と、
     前記膨張弁により膨張された冷媒を蒸発させながら通過させるエバポレータと、
     前記電動圧縮機、前記膨張弁、および、前記エバポレータを通って循環的に前記冷媒を流す冷媒回路と、
     前記膨張弁と前記エバポレータとを介さずに前記電動圧縮機へ前記冷媒を循環的に流せる分岐回路と、
     を具備し、
     前記膨張弁は、感温部を有し、前記感温部が感知した温度に基づき外気温度が特定温度より低いときに閉じ、
     前記特定温度は-3℃~-7℃の間に含まれる、
     車両用空調装置。
  13.  前記膨張弁は、前記感温部の感知温度に依存して機械的に開閉する、
     請求項12記載の車両用空調装置。
  14.  前記感温部は前記エバポレータの冷媒出口温度を感知し、
     前記膨張弁は、前記感温部の感知温度および前記膨張弁の低圧側の冷媒圧力に基づいて開閉し、
     前記冷媒回路を流れる前記冷媒は、R134aであり、
     前記膨張弁を開閉する圧力閾値を表わすSET値は、
     前記感知温度が0℃のとき0.08~0.12MPa(G)の間に含まれ、
     前記感知温度が10℃のとき0.19~0.24MPa(G)の間に含まれる、
     請求項12記載の車両用空調装置。
  15.  前記感温部は前記エバポレータの冷媒出口温度を感知し、
     前記膨張弁は、前記感温部の感知温度および前記膨張弁の低圧側の冷媒圧力に基づいて開閉し、
     前記冷媒回路を流れる前記冷媒は、HFO-1234yfであり、
     前記膨張弁を開閉する圧力閾値を表わすSET値は、
     前記感知温度が0℃のとき0.1~0.14MPa(G)の間に含まれ、
     前記感知温度が10℃のとき0.21~0.26MPa(G)の間に含まれる、
     請求項12記載の車両用空調装置。
  16.  前記膨張弁は、前記感温部に前記冷媒回路を流れる前記冷媒と同種の冷媒を封入したガス封入式の膨張弁である、
     請求項14または請求項15に記載の車両用空調装置。
  17.  前記冷媒回路には、前記電動圧縮機の出口側から、第1熱交換器、前記冷媒の膨張通過と非膨張通過とを切り替えられる切替部、および、第2熱交換器が設けられ、
     前記分岐回路には、開閉弁が設けられ、
     前記冷媒回路には、前記膨張弁および前記エバポレータが設けられ、且つ、開閉弁が設けられていない、
     請求項12記載の車両用空調装置。
  18.  前記第1熱交換器は、前記冷媒回路を流れる前記冷媒と二次冷媒との間で熱交換可能であり、
     前記第2熱交換器は、前記冷媒回路を流れる前記冷媒と外気との間で熱交換する、
     請求項17記載の車両用空調装置。
  19.  前記エバポレータは、車室に送られる空気から前記冷媒に吸熱させる構成である、
     請求項12記載の車両用空調装置。
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