JP2000161721A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蓄冷機能を備えたブライン式空気調和装置に
おいて、蓄冷された冷力を生かして急速冷房を図ること
ができ、また、蓄冷効果の高いサイクル構成を備えた空
気調和装置を提供する。 【解決手段】 可変容量コンプレッサ４、室外用熱交換
器５、膨張弁６、及び冷媒とブラインとを熱交換する冷
媒−ブライン熱交換部７を有する冷凍サイクル１と、ブ
ラインを循環する第１のポンプ９、ブラインと室内空気
とを熱交換するエバポレータ１０を有するブラインサイ
クル２と、蓄冷タンク１２、蓄冷材を循環する第２のポ
ンプ１１、及び蓄冷材とブラインとを熱交換する蓄冷材
−ブライン熱交換部８を有する蓄冷サイクル３とを備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、車両などの室内
を空調するために用いられる空気調和装置、より具体的
には、冷凍サイクルの冷媒をブラインを介して室内空気
と熱交換させるブライン方式の空気調和装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭化水素系冷媒のような可燃性冷媒を室
内に直接導くことを避けるために、室外において可燃性
冷媒とブラインとを熱交換し、このブラインを室内に導
いて室内空気と熱交換するようにしたブライン式空気調
和装置は、例えば特開平１０−７１８４８号公報におい
て示されているところである。

【０００３】同公報で示される空気調和装置は、図４に
示されるような構成を備えており、炭化水素系冷媒を用
いてブラインを冷却する冷凍サイクルＡと、この冷凍サ
イクルＡによって冷却されたブラインを前部空調ユニッ
トと後部空調ユニットとに設けられた並列に配管接続さ
れる熱交換器Ｂ，Ｃへ供給するブラインサイクルＤとを
有し、このブラインサイクルＤの後部空調ユニットのサ
イクル経路上に、冷却されたブラインを低温状態のまま
蓄積する蓄冷タンクＥを設け、始動時にこの蓄冷タンク
内の低温ブラインを利用して冷房応答性を高めるように
したものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
空気調和装置は、ブラインサイクル上に蓄冷タンクを設
けてブライン自身によって冷力を蓄積する構成となって
いるため、ブライン自身の有する蓄冷能力以上に蓄冷す
ることができず、蓄冷効果の点で問題がある。また、蓄
冷タンクＥは、使用頻度の高い前部空調ユニットの循環
経路上には設けず、これと並列に接続された後部空調ユ
ニットの循環経路上に設けられるので、蓄冷タンクＥに
蓄積されたブラインは、前部空調ユニットの熱交換器Ｂ
に直接流すことができず、冷凍サイクルの冷媒とブライ
ンとを熱交換する熱交換器Ｆを経た後に熱交換器Ｂへ導
かれる。つまり、熱交換器Ｂで暖められたブラインが蓄
冷タンクＥから供給されたブラインと共に再循環する構
成となっており、急速冷房の要請に対しては能力不足に
なることが懸念される。

【０００５】そこで、この発明においては、ブライン方
式のサイクルにおいて、蓄冷された冷力を十分に生かし
て急速冷房を図ることができ、また、蓄冷効果の高いサ
イクル構成を備えた空気調和装置を提供することを課題
としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、この発明にかかる空気調和装置は、吐出流量を調節
する手段を有するコンプレッサと、このコンプレッサに
より圧縮された冷媒を外気と熱交換する室外用熱交換器
と、前記冷媒を減圧する減圧手段と、この減圧手段によ
って減圧された冷媒をブラインと熱交換可能にする第１
の熱交換部とを有する冷凍サイクルと、前記ブラインと
室内の空気とを熱交換する室内用熱交換器と、前記ブラ
インを前記室内用熱交換器へ循環させる第１のポンプ機
構とを有するブラインサイクルと、蓄冷タンクと、この
蓄冷タンクに蓄積された蓄冷材を前記ブラインと熱交換
可能にする第２の熱交換部と、前記蓄冷材を循環させる
第２のポンプ機構とを有する蓄冷サイクルとを具備する
ことを特徴としている（請求項１）。

【０００７】したがって、冷凍サイクルの作動によっ
て、コンプレッサにて圧縮された冷媒は、室外用熱交換
器にて放熱され、減圧手段にて低温低圧の冷媒となっ
て、第１の熱交換部へ送られる。そして、この第１の熱
交換部にてブラインと熱交換し、このブラインを冷却す
る。冷却されたブラインは、第１のポンプ機構の駆動に
よってブラインサイクルを循環して室内用熱交換器に送
られ、この室内用熱交換器にて室内空気と熱交換し、こ
の室内空気を冷却する。

【０００８】冷却初期においては、冷房負荷も大きいこ
とから要求される冷力に対して供給する冷力に余裕がな
い場合が多いが、このような過渡状態を経ると供給する
冷力に余裕が出てくる。そこで、このような場合に第２
のポンプ機構を作動すれば、蓄冷サイクルの蓄冷材とブ
ラインとが積極的に熱交換し、蓄冷タンクに冷力を蓄積
することができる。

【０００９】そして、蓄冷タンクに蓄冷された冷力は、
コンプレッサが停止した後も室内冷房を維持したい場合
や、急速冷房が要求される場合などにおいて、第２のポ
ンプ機構を作動させることでブラインに与えられる。

【００１０】上述の第１の熱交換部と第２の熱交換部と
は、組み合わされて１つの熱交換器を構成するようにし
てもよい（請求項２）。このようなものとしては、例え
ば、冷媒を流通させるチューブエレメントと蓄冷材を流
通させるチューブエレメントとの間にブラインを流通さ
せるチューブエレメントを直接当接する多層構造の熱交
換器などが考えられる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の構成例を図面に
より説明する。図１において、車両に搭載されるブライ
ン式の空気調和装置が示され、この空気調和装置は、冷
媒を循環させる冷凍サイクル１と、ブラインを循環させ
るブラインサイクル２と、蓄冷材を循環させる蓄冷サイ
クル３とを有して構成されている。

【００１２】冷凍サイクル１は、吐出流量を調節する可
変容量機構を備えた可変容量コンプレッサ４と、この可
変容量コンプレッサ４から吐出した冷媒を凝縮液化する
室外用熱交換器５と、この室外用熱交換器５で液化され
た冷媒を減圧する膨張弁６と、この膨張弁６によって減
圧された冷媒と下記するブラインサイクルのブラインと
を熱交換する冷媒−ブライン熱交換部（第１の熱交換
部）７とを順次配管接続して構成されている。この冷凍
サイクル１は、車室外に配され、冷媒としては、ブタン
やプロパンなどの炭化水素系の可燃性冷媒が利用され
る。

【００１３】ブラインサイクル２は、前記冷媒−ブライ
ン熱交換部７と後述する蓄冷剤−ブライン熱交換部８と
によって熱交換されたブラインを循環させる第１のポン
プ９と、ブラインを室内空気と熱交換するエバポレータ
１０とを配管接続して構成されている。ブラインとして
は、プロピレングリコールやエチレングリコール等の水
溶液（有機ブライン）、あるいは単に水を用いてもよ
い。

【００１４】蓄冷サイクル３は、このサイクルに封入さ
れた蓄冷材と前記ブラインサイクルのブラインとを熱交
換する蓄冷材−ブライン熱交換部（第２の熱交換部）８
と、蓄冷材を循環させる第２のポンプ１１と、蓄冷材の
冷力を蓄積する蓄冷タンク１２とによって構成されてい
る。ここで、蓄冷材は、水＋無機塩（Ｎａ等）、水＋有
機化合物（グリコールやアルコール等）、又は水＋無機
塩＋有機化合物で構成される公知のものが用いられ、ブ
ラインによって冷却されて液相から固相に変化（凝固）
すると、十分な冷力が蓄積される。

【００１５】上述した冷媒−ブライン熱交換部７と蓄冷
材−ブライン熱交換部８とは、別々に構成するものであ
っても、一体に構成するものであってもよく、各熱交換
部は、ブラインと冷媒又は蓄冷材とを熱交換させる二重
管によって構成しても、一方のサイクルの流体を蓄積す
るタンク内に他方のサイクルの配管を通す構成として
も、共通のフィンなどによって一体に結合された並設熱
交換器の一方にブラインを他方に冷媒又は蓄冷材を通す
ような構成としても、１つの熱交換器に両熱交換部を形
成するようにしても、これらを組み合わせて構成しても
よい。

【００１６】本構成例においては、このうち、冷媒−ブ
ライン熱交換部７と蓄冷材−ブライン熱交換部８とを１
つの熱交換器（ブライン温調用熱交換器２０）に一体に
形成する構成を示すもので、以下、このブライン温調用
熱交換器２０を図２に基づいて説明する。

【００１７】ブライン温調用熱交換器２０は、ブライン
を流通させるチューブエレメント２１を、冷媒を流通さ
せるチューブエレメント２２と蓄冷材を流通させるチュ
ーブエレメント２３とで挟むように組み合わせ、２２−
２１−２３−２１−２２の順序にしたがって多層に積層
されているもので、各チューブエレメント２１〜２３
は、２枚の成形プレートを対面接合して構成され、一端
側に設けられた大きく膨出する１対のタンク部２４ａ，
２４ｂ，２４ｃとこれに続いて形成された通路部２５
ａ，２５ｂ，２５ｃとを有し、通路部は、対をなすタン
ク部の分れ目から他端近傍にかけて隔壁２６ａ，２６
ｂ，２６ｃが形成されてＵ字状をなし、一方のタンク部
から通路部を介して他方のタンク部へ流体が流れるよう
になっている。

【００１８】冷媒が流通するチューブエレメント２２と
蓄冷材が流通するチューブエレメント２３とは、ブライ
ンが流通するチューブエレメント２１に対して、タンク
部の膨出量が倍になっており、隣り合うチューブエレメ
ントは、フィンを介さずに通路部２５ａ，２５ｂ，２５
ｃを直接当接させて積層され、ブラインが流通する通路
部２５ａと冷媒が流通する通路部２５ｂとの当接によっ
て冷媒−ブライン熱交換部７が、ブラインが流通する通
路部２５ａと蓄冷材が流通する通路部２５ｃとの当接に
よって蓄冷材−ブライン熱交換部１２がそれぞれ構成さ
れている。

【００１９】同じ流体が流通するチューブエレメントの
タンク部は、熱交換部から同方向に突出するように設け
られて付き合わされており、異なる流体が流れるチュー
ブエレメントのタンク部同士は互いに干渉しないよう
に、熱交換部に対して異なる方向に設けられている。本
構成例では、ブラインが流通するチューブエレメント２
１のタンク部２４ａと冷媒が流通するチューブエレメン
ト２２のタンク部２４ｂとは熱交換部に対して反対側に
設けられ、蓄冷材が流通するチューブエレメント２３の
タンク部２４ｃは、他のチューブエレメント２１，２２
のタンク部２４ａ，２４ｂに対して直角になるように設
けられている。

【００２０】タンク部で付き合わされたチューブエレメ
ント同士は、タンク部に形成された通孔をもって連通さ
れており、流入口と流出口とを異なるタンク部に設け、
流入口から流入された流体を、連通された各チューブエ
レメントの通路部に並列的に又は直列的に通過させて流
出口から流出するようにしている。

【００２１】したがって、ブラインは、これが流通する
チューブエレメント２１の両側に当接されたチューブエ
レメント２２、２３の冷媒流量又は蓄冷材流量をコンプ
レッサ４又は第２のポンプ１１によって調節することで
温度調節される。

【００２２】ところで、上述したエバポレータ１０は、
ヒータコア３０とともに車室３１に設けられた空調通路
３２に配され、送風機３３の回転によって空調通路内に
導入された空気が通過するようになっている。エバポレ
ータ１０とヒータコア３０とは、通風方向に対して相前
後するように近接して並設されており、エバポレータ１
０は通路断面全体を塞ぐように設けられ、ヒータコア３
０は、通路断面の一部分のみを塞ぐように設けられてい
る。

【００２３】実際の空調ユニットにあっては、ヒータコ
アは、図示しないエンジン又は電気ヒータによって加熱
された温水を流量を調節しながら循環する構成となって
おり、また、空調通路３２の最上流側に、インテーク装
置が設けられ、送風機３３によって吸引された内気又は
外気をエバポレータ１０とヒータコア３０とによって温
調し、最下流側に設けられた吹出口（デフロスト吹出
口、ベント吹出口、フット吹出口）から選択された吹出
モードに応じて車室内に供給するようになっている。

【００２４】３５は、車室内外の環境状態を検出するセ
ンサ群であり、３６は、車室の空調状態を設定する設定
器であり、これらセンサ群や設定器からの信号は、制御
部３７に入力されるようになっている。この制御部３７
は、図示しない中央演算処理装置（ＣＰＵ）、読出専用
メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡ
Ｍ）、入出力ポート（Ｉ／Ｏ）等を備えると共に、コン
プレッサやポンプ、流量調節弁などを制御する駆動回路
を有して構成され、ＲＯＭに与えられた所定のプログラ
ムにしたがってセンサ群や設定器からの信号を処理し、
コンプレッサ４の容量制御、ポンプ９、１１の駆動制御
等を行うようになっている。

【００２５】上記構成において、ヒータコア３０への温
水供給を停止させた場合を想定し、以下において冷房運
転時の動作を説明する。先ず、冷房運転の要請があれ
ば、コンプレッサ４を動かして冷凍サイクル１を稼動さ
せ、さらに、第１のポンプ９を動かしてブラインサイク
ル３のブラインを循環させる。

【００２６】すると、冷凍サイクル１においては、コン
プレッサ４で圧縮された冷媒が、室外用熱交換器５で凝
縮液化され、膨張弁６で減圧されて低温低圧となり、ブ
ライン温調用熱交換器２０の冷媒−ブライン熱交換部７
に導かれる。この冷媒−ブライン熱交換部７に導かれた
冷媒は、ブラインサイクル２のブラインと熱交換してこ
れを冷却し、この冷却されたブラインは、エバポレータ
１０に導かれて空調通路３２内の空気と熱交換する。

【００２７】したがって、送風機３３によって空調通路
３２内に導入された空気は、エバポレータ１０で冷却さ
れ、その一部がヒータコア３０を通過するもののここで
加熱されずに車室３１へ供給される。

【００２８】冷房運転直後においては、冷房負荷が大き
いことから、コンプレッサ４の吐出容量は大きく、要求
される冷力より冷凍サイクルによって供給される冷力が
大きくなることはあまりない。しかしながら、冷房運転
が継続されて徐々に室内が冷やされてくると、冷房負荷
が徐々に小さくなるので、冷凍サイクル１によって供給
される冷力に余力がでてくる。

【００２９】そこで、このような余力がでてきた時点で
コンプレッサの吐出容量を所定値以上に保ち、第２のポ
ンプ１１を動かして蓄冷サイクル３を稼動させ、蓄冷材
とブラインとを積極的に熱交換し、蓄冷タンク１２に冷
力を蓄積する。

【００３０】上述の冷凍サイクルにあっては、可変容量
コンプレッサが用いられていることから、冷凍サイクル
１によって供給される冷力に余力が生じ始める時点をコ
ンプレッサの吐出容量が最大容量から可変し始める時点
として捉えることができ、コンプレッサが容量可変し始
める時点は、例えば、容量可変機構を電流制御する場合
であれば、この電流の変化によって判断することが可能
となる。

【００３１】次に、蓄冷タンク１２に蓄積された冷力を
利用するには、第２のポンプ１１を稼動させて蓄冷サイ
クル内の蓄冷材を循環させる。すると、蓄冷−ブライン
熱交換部８において蓄冷材の冷力がブラインに供給さ
れ、ブラインサイクル２の稼動によってこの冷却された
ブラインをエバポレータ１０へ導き、空調通路３２内の
空気と熱交換させることができる。

【００３２】例えば、冷房初期において急速冷房の要請
がある場合には、冷凍サイクル１をコンプレッサ４の吐
出容量を最大にして稼動させ、それと同時に第１及び第
２のポンプ９，１１を稼動させる。すると、冷凍サイク
ル１の冷力に加えて蓄冷タンク１２に蓄積された冷力に
よってブラインを冷却させることができ、ブラインに供
給される冷力を大きくして室内空気の急速冷却を実現す
ることができる。

【００３３】また、アイドリング状態で動力の負荷を低
減するために冷凍サイクル１を停止させる空調装置にお
いては、冷凍サイクル１が停止している間に、第２のポ
ンプ１１を作動させて蓄冷サイクル３を稼動させれば、
蓄冷タンク１２に蓄積された冷力によって室内冷房を確
保することができる。換言すれば、蓄冷サイクル３の稼
動、非稼動を制御して蓄冷タンク１２に蓄積された冷力
を効率よく利用すれば、冷凍サイクル１を常に稼動して
おく必要がなくなり、省エネを図ることが可能となる。

【００３４】図３において、上述した各種制御を実現す
るためのフロチャートの一例が示され、以下このフロチ
ャートに基づいて冷房運転時の制御を説明する。冷房運
転が開始されると、制御部３７は、ステップ５０におい
て冷房初期であるか否かを、また、ステップ５４におい
て急速冷房の要請があるか否かを判定する。ここで、急
速冷房の要請の有無は、目標温度に対する実際の室温の
偏差が所定値以上であるかどうか等によって判定され
る。

【００３５】冷房初期において急速冷房の要請があれ
ば、ステップ５２及び５６においてコンプレッサをＯ
Ｎ、第１及び第２のポンプをＯＮとし、冷凍サイクル
１、ブラインサイクル２、蓄冷サイクル３を稼動し、ブ
ラインを冷凍サイクル１と蓄冷サイクル３とから供給さ
れる冷力によって急速に冷却する。もちろん、この処理
がなされる前提として、蓄冷タンク１２に冷力が十分に
蓄積されている必要があり、このフローに示されていな
い処理によって冷力の蓄積の有無が判定される。また、
大きな冷力を必要とする場合には、コンプレッサや第２
のポンプの回転数を高めてブラインに供給する冷力を大
きくしてもよい。

【００３６】また、冷房初期において急速冷房の要請が
なければ、ステップ５２において、コンプレッサをＯ
Ｎ、第１のポンプをＯＮとし、冷凍サイクル１とブライ
ンサイクル２とを稼動し、蓄冷サイクル３は稼動しない
通常の冷房運転を行う。

【００３７】冷房初期でなければ、通常の冷房運転が原
則として行われるわけであるが、省エネの要請からアイ
ドル運転時には冷凍サイクル１を停止させる要請があれ
ば、ステップ５８において、アイドル運転か否かを判定
し、アイドル運転であれば、コンプレッサ４をＯＦＦ、
第１及び第２のポンプ９，１１を作動させ、蓄冷タンク
１２に蓄積された冷力だけで車室内の冷房を継続させる
（ステップ６０）。

【００３８】アイドル運転時でなければ、ステップ６２
において、コンプレッサをＯＮ、第１のポンプをＯＮと
し、冷凍サイクル１とブラインサイクル２とを稼動す
る。この状態において、ステップ６４において、コンプ
レッサ４の吐出容量が最大吐出容量に固定されずに可変
する状態であるか否かを判定し、容量可変せずに最大吐
出容量で作動し続けていれば依然として大きな冷房負荷
があるとみなすことができるから、この場合には、第２
のポンプ１１を作動せずに通常の冷房運転を維持する。
また、冷凍サイクル１から供給される冷力に余力がでて
きてコンプレッサの吐出容量が可変し始めた場合には、
第２のポンプ１１を動かして蓄冷サイクル３を稼動さ
せ、コンプレッサ４を所定容量以上で運転して過剰な冷
力を蓄冷タンク１２に蓄積する（ステップ６６）。

【００３９】つまり、上述した一連の処理により、車室
内の冷房制御に支障をきたさない範囲で余分な冷力を蓄
冷材に与えて蓄冷タンク１２に蓄積し、この蓄積された
冷力を前述したステップ５６、６０において利用可能と
している。

【００４０】尚、上記例では、車両に搭載された空気調
和装置について述べたが、住宅用や工場などの室内を空
調する装置として用いるようにしてもよい。また、コン
プレッサとして、可変容量コンプレッサを用いたが、固
定容量コンプレッサのＯＮ／ＯＦＦを制御して吐出流量
を調節するようにしてもよい。

【００４１】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
第１の熱交換部によってブラインと冷凍サイクルの冷媒
との熱交換を可能にし、第２の熱交換部によってブライ
ンと蓄冷サイクルの蓄冷材との熱交換を可能にしたの
で、要求される冷力よりも冷凍サイクルから供給される
冷力に余力があれば、蓄冷タンクに冷力を蓄積し、必要
に応じてこの蓄冷タンクに蓄積された冷力を利用してブ
ラインの温度を調節することができ、例えば、急速冷房
の要請がある場合や、冷凍サイクルの停止時に室内冷房
を維持する要請がある場合などに対応することができ
る。

【００４２】従来の構成によれば、蓄冷タンクをブライ
ンサイクル上に形成し、ブライン自身によって蓄冷する
構成となっていたため、蓄冷タンクに蓄積する冷力に限
度があり、また、蓄積された冷力を利用して急冷するこ
とが困難であった。これに対して、本願発明によれば、
蓄冷タンクを有する蓄冷サイクルとブラインサイクルと
が独立に形成されているので、蓄冷サイクルを独立に設
計して蓄冷効果の優れた蓄冷材を循環させることで蓄冷
効果を高めることができ、また、蓄冷サイクルの蓄冷材
の循環量を多くすることでブラインを急速に冷却するこ
ともできる。

【００４３】また、第１の熱交換部と第２の熱交換部と
を組み合わされて１つの熱交換器を構成するようにすれ
ば、１つの熱交換器をもってブラインと冷媒、ブライン
と蓄冷材を熱交換させることができ、蓄冷タンクへの蓄
冷やブラインの温度を精度よくコントロールすることが
でき、また、各熱交換部を別々の熱交換器で構成する場
合よりも取付けスペースの削減、配管の引き回しの削
減、配管などのレイアウトの簡素化を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明にかかる空気調和装置の全体構
成を示す図である。

【図２】図２は、図１の空気調和装置に用いられるブラ
イン温調用熱交換器を示す図であり、図２（ａ）は、組
み立てられた熱交換器の斜視図を、図２（ｂ）は、熱交
換器を構成するチューブエレメントを示す分解斜視図を
それぞれ示す。

【図３】図３は、図１に示す空気調和装置による冷房運
転制御例を示すフローチャートである。

【図４】図４は、従来の構成を示す図である。

【符号の説明】

１ 冷凍サイクル ２ ブラインサイクル ３ 蓄冷サイクル ４ コンプレッサ ５ 室外用熱交換器 ６ 膨張弁 ７ 冷媒−ブライン熱交換部 ８ 蓄冷材−ブライン熱交換部 ９ 第１のポンプ １０ エバポレータ １１ 第２のポンプ １２ 蓄冷タンク ２０ ブライン温調用熱交換器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吐出流量を調節する手段を有するコンプ
   レッサと、このコンプレッサにより圧縮された冷媒を外
   気と熱交換する室外用熱交換器と、前記冷媒を減圧する
   減圧手段と、この減圧手段によって減圧された冷媒をブ
   ラインと熱交換可能にする第１の熱交換部とを有する冷
   凍サイクルと、 前記ブラインと室内の空気とを熱交換する室内用熱交換
   器と、前記ブラインを前記室内用熱交換器へ循環させる
   第１のポンプ機構とを有するブラインサイクルと、 蓄冷タンクと、この蓄冷タンクに蓄積された蓄冷材を前
   記ブラインと熱交換可能にする第２の熱交換部と、前記
   蓄冷材を循環させる第２のポンプ機構とを有する蓄冷サ
   イクルとを具備することを特徴とする空気調和装置。
2. 【請求項２】 前記第１の熱交換部と前記第２の熱交換
   部とは、組み合わされて１つの熱交換器を構成している
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の空気調和装置。