JP2008155705A

JP2008155705A - 車両用空気調和装置

Info

Publication number: JP2008155705A
Application number: JP2006344641A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kimura; 敏木村; Ryoichi Hori; 亮一堀; Shiro Nakajima; 史朗中嶋; Norimitsu Matsudaira; 範光松平
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2008-07-10

Abstract

【課題】冷却水循環回路の第３熱交換器を送風ダクト内に収容することにより、車室内に送る空気を直接加熱して暖房性能の向上を図ることができる車両用空気調和装置の提供。
【解決手段】ダクト１と、送風機２と、冷媒圧縮機３１と、ダクト１内に設置され、且つ、冷媒圧縮機３１から吐出された冷媒の凝縮熱により空気を加熱させる第１熱交換器３５と、第１熱交換器３５の風上に配置され、且つ、第１熱交換器３５から流入した冷媒の蒸発熱により空気を冷却する第２熱交換器３７を有する冷媒循環回路と、ダクト１内において第２熱交換器３７の風上に配置され、且つ、少なくともインバータ４２またはモータ４３を含む強電系部品によって加熱された冷却水の放熱により空気を加熱させる第３熱交換器４６を有する冷却水循環回路を備えることとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用空気調和装置に関し、特に電気自動車や燃料電池車等の車室内の暖房に用いて好適な車両用空気調和装置の技術に関する。

従来、電気自動車及び燃料電池車等では、一般的なエンジン冷却水の廃熱を利用して車室内を暖房できないため、燃焼式ヒータを利用して車室内の暖房を行うようにしている。
また、インバータやモータ等の強電系部品で加熱された冷却水と冷媒循環回路の冷媒を熱交換させて暖房性能を向上させる技術が公知になっている（特許文献１、２参照）。
特開平０５−２７０２５２号公報特開平０７−３２９５４４号公報

しかしながら、従来の発明において、燃焼式ヒータを用いた場合には消費電力が大きくなって車両のバッテリに大きな負担が掛かるという問題点があった。
また、冷却水循環回路の冷却水と冷媒循環回路の冷媒とを熱交換させた場合にはある程度の効果が得られるものの、熱交換率が悪いという問題点があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、冷却水循環回路の熱交換器を送風ダクト内に収容することにより、冷却水循環回路の冷却水と車室内に送る空気とを直接熱交換させて空気を直接加熱することにより暖房性能の向上を図ることができる車両用空気調和装置を提供することである。

本発明の請求項１記載の発明では、車室内へ向かって空気を送るためのダクトと、前記ダクト内において車室内へ送風する送風機と、冷媒を圧縮して吐出する冷媒圧縮機と、前記ダクト内に設置され、且つ、前記冷媒圧縮機から吐出された冷媒の凝縮熱により空気を加熱させる第１熱交換器と、前記第１熱交換器の風上に配置され、且つ、前記第１熱交換器から流入した冷媒の蒸発熱により空気を冷却する第２熱交換器を有する冷媒循環回路と、前記ダクト内において前記第２熱交換器の風上に配置され、且つ、少なくともインバータまたはモータを含む強電系部品によって加熱された冷却水の放熱により空気を加熱させる第３熱交換器を有する冷却水循環回路を備えることを特徴とする。

本発明の請求項１記載の発明にあっては、車室内へ向かって空気を送るためのダクトと、前記ダクト内において車室内へ送風する送風機と、冷媒を圧縮して吐出する冷媒圧縮機と、前記ダクト内に設置され、且つ、前記冷媒圧縮機から吐出された冷媒の凝縮熱により空気を加熱させる第１熱交換器と、前記第１熱交換器の風上に配置され、且つ、前記第１熱交換器から流入した冷媒の蒸発熱により空気を冷却する第２熱交換器を有する冷媒循環回路と、前記ダクト内において前記第２熱交換器の風上に配置され、且つ、少なくともインバータまたはモータを含む強電系部品によって加熱された冷却水の放熱により空気を加熱させる第３熱交換器を有する冷却水循環回路を備えるため、冷却水循環回路の熱交換器を送風ダクト内に収容することにより、冷却水循環回路の冷却水と車室内に送る空気とを熱交換させて空気を直接加熱することにより暖房性能の向上を図ることができる。

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

以下、実施例１を説明する。
図１は本発明の実施例１の車両用空気調和装置を示す図、図２は本実施例１の車室内の暖房時における車両用空気調和装置の作動を説明する図、図３は本実施例１の車室内の冷房時における車両用空気調和装置の作動を説明する図、図４は本実施例１の車室内の空調の停止時における車両用空気調和装置の作動を説明する図である。

先ず、全体構成を説明する。
図１に示すように、本実施例１の車両用空気調和装置では、電気自動車や燃料電池車等の車室内の空調を行うものであって、車室内へ向かって空気を送るためのダクト１と、このダクト１内において車室内へ送風する送風機２と、空調系の冷媒（ＨＦＣ１３４ａ、ＣＯ_２等）が循環する冷媒循環回路３と、強電系部品の冷却水（純水等）が循環する冷却水循環回路４が備えられている。

ダクト１内には、図外の内気導入口または外気導入口から導入した空気を車室内への排出口であるデフ吹き出し口１１、フェイス吹き出し口１２、フット吹き出し口１３へ送る空気通路１４が形成されている。

また、ダクト１内における後述する第３熱交換器４６付近は、仕切り部１５で第１通路Ｒ１と第２通路Ｒ２に区分けされる他、仕切り部１５の風上及び風下にはドアD1,D2（請求項の調整機構に相当）が設けられると共に、第１通路Ｒ１に沿ってドアＤ３（請求項の調整機構に相当）が設けられ、これらはそれぞれ一点鎖線で示す軌跡に従って回動可能に設けられている。
また、ドアＤ１が第１連通路Ｒ１側を開いた状態で、且つ、ドアD2,D3が破線で示す位置に配置された場合には、第１連通路Ｒ１と車外（外部）に連通した連通路Ｒ３が連通するようになっている。

さらに、ダクト１内における後述する第２熱交換器３７付近は、仕切り部１６で第４通路Ｒ４と第５通路Ｒ５に区分けされる他、仕切り部１６の風上側にはドアＤ４（請求項の調整機構に相当）が一点鎖線で示す軌跡に従って回動可能に設けられている。

送風機２は、ダクト１内の風上側に設置される他、ケーシング内に収容されたブロアがブロアモータによって回転駆動されることにより、図外の内気導入口または外気導入口から導入された空気が吸引されて車室内側へ送風されるようになっている。

冷媒循環回路３は、冷媒圧縮機３１と、三方弁３２と、車室外熱交換器３３と、レシーバタンク３４と、第１熱交換器３５と、膨張弁３６と、第２熱交換器３７と、アキュムレータ３８が各接続管３ａ〜３ｇによって略環状に接続された状態で構成されている。

また、接続管３ａには、三方弁３２から車室外熱交換器３２とレシーバタンク３４を迂回して接続管３ｃに接続されたパイパス管３ｈが設けられる他、接続管３ｃにはレシーバタンク３４への冷媒の逆流を防止する逆止弁３９が設けられている。

冷媒圧縮機３１は、所謂電動式のコンプレッサであり、接続管３ｇから内部に流入した低温・低圧のガス冷媒を圧縮することにより高温・高圧にした状態で接続管３ａへ排出するようになっている。

三方弁３２は、暖房時にパイパス管３ｈ側へ流路を開く一方、冷房時には接続管３ａから車室外熱交換器３３側へ流路を開くようになっている。

車室外熱交換器３３は、車両前部に設置され、且つ、電動ファンが装着される所謂コンデンサであり、接続管３ａから内部に流入した高温・高圧のガス冷媒を車両走行風または図外のファンの強制風と熱交換して凝縮した後、接続管３ｂへ排出するようになっている。

レシーバタンク３４は、所謂気液分離器であり、接続管３ｂから内部に流入した冷媒を液冷媒とガス冷媒に分離して液冷媒のみを接続管３ｃへ排出するようになっている。

第１熱交換器３５は、車室外熱交換器３３と略同様の構造を成してダクト１内に設置される他、暖房時には接続管３ｃから内部に流入したガス冷媒を空気と熱交換させることにより空気を加熱すると同時にガス冷媒を凝縮させる一方、冷房時には接続管３ｃから内部に流入した液冷媒をダクト１内の空気と熱交換させることにより空気を加熱（再加熱）すると同時に液冷媒を過冷却した後、接続管３ｄへ排出するようになっている。

膨張弁３６は、例えばキャピラリチューブ等の固定絞りであり、接続管３ｄから内部に流入した冷媒を減圧して気液二層状態の冷媒を接続管３ｅへ排出するようになっている。

第２熱交換器３７は、ダクト１内の第１熱交換器３５の風上に設置される所謂エバポレータであり、接続管３ｅから内部に流入した冷媒を空気と熱交換させることにより空気を冷却・除湿すると同時に冷媒を蒸発させた後、接続管３ｆへ排出するようになっている。

アキュムレータ３８は、接続管３ｆから内部に流入した冷媒を液冷媒とガス冷媒に分離して低温・低圧のガス冷媒のみを接続管３ｆへ排出するようになっている。

冷却水循環回路４は、ウォーターポンプ４１と、インバータ４２と、モータ４３と、三方弁４４と、蓄熱器４５と、第３熱交換器４６が各接続管４ａ〜４ｅによって略環状に接続された状態で構成されている。

また、接続管４ｃには、三方弁４４から蓄熱器４５を迂回して接続管４ｄに接続されたパイパス管４ｆが設けられる他、接続管４ｄには蓄熱器４５への冷却水の逆流を防止する逆止弁４７が設けられている。

ウォーターポンプ４１は、所謂電動式の循環ポンプであり、接続管４ｅから内部に流入した冷却水を接続管４ａへ排出するようになっている。

インバータ４２は、金属製のケーシング内に収容されたトランジスタ等の発熱体で構成されており、該ケーシングに装着されたウォータージャケット内に接続管４ａを介して流入した冷却水と発熱体とが熱交換することにより、発熱体を冷却すると同時に冷却水を加熱した後、接続管４ｂへ排出するようになっている。

モータ４３は、車両を走行させるためのモータ４３であり、金属製のケーシングに装着されたウォータージャケット内に接続管４ｂを介して流入した冷却水とケーシング内の発熱部品とが熱交換することにより、モータ４３を冷却すると同時に冷却水を加熱した後、接続管４ｃへ排出するようになっている。

蓄熱器４５は、金属製のケーシング内に蓄熱材が充填された所謂保温器であり、接続管４ｃから内部に流入した冷却水を保温しつつ、接続管４ｄへ排出するようになっている。

第３熱交換器４６は、ダクト１内の第２熱交換器３７の風上に設置される他、一般的なラジエータと同様の構造に形成され、接続管４ｄから内部に流入した高温な冷却水を空気と熱交換させて、空気を加熱すると同時に冷却水を冷却した後、接続管４ｅへ排出するようになっている。

次に、作用を説明する。
先ず、本実施例１の空気調和装置における車室内の暖房時について説明する。
図２に示すように、車室内の暖房時には、三方弁３２がバイパス管３ｈ側に開くことにより、冷媒循環回路３の冷媒は、冷媒圧縮機３１、三方弁３２、第１熱交換器３５、膨張弁３６、第２熱交換器３７、アキュムレータ３８の順番に循環する。

また、三方弁４４が蓄熱器４５側に開くことにより、冷却水循環回路４の冷却水は、ウォーターポンプ４１、インバータ４２、モータ４３、三方弁４４、蓄熱器４５、第３熱交換器４６の順番に循環する。

さらに、ダクト１内のドアＤ１〜Ｄ３が第２通路Ｒ２及び第３通路Ｒ３を閉じるように回動することにより、ダクト１内で送風機２から車室内側へ向かう空気（破線矢印で図示）は、その全量が第１通路Ｒ１の第３熱交換器４６へ向かう。
この際、第３熱交換器４６を通過する空気と冷却水循環回路４の高温な冷却水とが熱交換することにより空気が加熱されると同時に冷却水が冷却されてインバータ４２及びモータ４３が冷却される。

次に、第３熱交換器４６を通過した空気は、第２熱交換器３７へ向かう。
この際、第２熱交換器３７を通過する空気と冷媒循環回路３の低温な冷媒とが熱交換することにより空気が冷却・除湿されると同時に冷媒が蒸発される。

次に、第２熱交換器３７を通過した空気は第４通路Ｒ４の第１熱交換器３５へ向かう空気と第５通路Ｒ５に向かう空気に分岐した後、吹き出し口１１〜１３の直前で混合されて所望の温度に調整された状態で所定の吹き出し口１１〜１３を介して車室内に送られ、これにより車室内を暖房できる。
この際、第１熱交換器３５を通過する空気と冷媒循環回路３の高温な冷媒とが熱交換することにより、空気が加熱されると同時に冷媒が凝縮される。

従って、送風機２から車室内側へ向かう空気は、第２熱交換器３７で冷却・除湿された後、さらに第１熱交換器３５で加熱されて乾燥空気として車室内に送られ、これにより、冷却式除湿装置と同様の効果を得ることができる。

なお、第４通路Ｒ４と第５通路Ｒ５の空気の混合比は、ドアＤ４の回動調整で常に制御されるが、暖房時においてドアＤ４は殆ど第５通路Ｒ５側に回動調整されることとなる。勿論、各ドアＤ１〜Ｄ３を回動調整して空気の温度を調整することもできる。

また、本実施例１では、三方弁４４を予め蓄熱器４５に貯留された高温な冷却水を利用して冷却水の即暖性を図ることを目的として三方弁４４を蓄熱器４５側に開いたが、その後冷却水が循環して所定温度まで上昇した際には、三方弁４４をバイパス管４ｆ側に開いても良い。

従って、本実施例１の空気調和装置では、車室内の暖房時において、冷却水循環回路４の第３熱交換器４６の高温な冷却水で空気を直接加熱して効率よく暖めた状態とし、その後、第２熱交換器３７で冷却・除湿して、さらに第１熱交換器３５で再加熱することによって暖房性能を大幅に向上できる。

また、第２熱交換器３７を第１熱交換器３５の風上に配置しているため、冷却式除湿装置として機能させて空気を良好に除湿できる。

また、第３熱交換器４６を第２熱交換器３７の風上に配置しているため、高温な空気を第２熱交換器３７に通過させて冷媒の圧力を上げて蒸発化を促進でき、冷媒循環回路３の熱交換性能を向上できる。

さらに、蓄熱器４５に保温された冷却水を利用して第３熱交換器４６に高温な冷却水を安定して供給することができ、所望の暖房性能を向上できる。

次に、本実施例１の空気調和装置における車室内の冷房時について説明する。
図３に示すように、車室内の冷房時には、三方弁３２が車室外熱交換器３３側に開くことにより、冷媒循環回路３の冷媒は、冷媒圧縮機３１、三方弁３２、車室外熱交換器３３、レシーバタンク３４、第１熱交換器３５、膨張弁３６、第２熱交換器３７、アキュムレータ３８の順番に循環する。

また、三方弁４４がバイパス管４ｆ側に開くことにより、冷却水循環回路４の冷却水は、ウォーターポンプ４１、インバータ４２、モータ４３、第３熱交換器４６の順番に循環する。

さらに、ダクト１内のドアＤ１〜Ｄ３が第１通路Ｒ１及び第３通路Ｒ３を連通し、且つ、第２通路Ｒ２を車室内側へ連通するように回動することにより、ダクト１内で送風機２から車室内側へ向かう空気（破線矢印で図示）は、先ず、第１通路Ｒ１と第２通路Ｒ２に分岐すると共に、第１通路Ｒ１に流入した空気は、第３熱交換器４６を通過した後、第３通路Ｒ３を介して車外（外部）へ排出される一方、第２通路に流入した空気は、第２熱交換器３７へ向かう。
この際、第１通路Ｒ１では、第３熱交換器４６を通過する空気と冷却水循環回路４の高温な冷却水とが熱交換することにより空気が加熱されると同時に冷却水が冷却されることによりインバータ４２及びモータ４３が冷却される。

一方、第２通路に流入した空気は第２熱交換器３７を通過し、この際、第２熱交換器３７を通過する空気と冷媒循環回路３の低温な冷媒とが熱交換することにより空気が冷却・除湿されると同時に冷媒が蒸発される。

次に、第２熱交換器３７を通過した空気は第４通路Ｒ４の第１熱交換器３５へ向かう空気と第５通路Ｒ５に向かう空気に分岐した後、吹き出し口１１〜１３の直前で混合されて所望の温度に調整された状態で所定の吹き出し口１１〜１３を介して車室内に送られ、これにより車室内を冷房できる。
この際、第１熱交換器３５を通過する空気と冷媒循環回路３の幾分低温な冷媒とが熱交換することにより、空気が加熱されて除湿されると同時に冷媒が過冷却される。

なお、第４通路Ｒ４と第５通路Ｒ５の空気の混合比は、ドアＤ４の回動調整により常に行われるが、冷房時においてドアＤ４は殆ど第４通路Ｒ４側に回動調整されることとなる。また、各ドアＤ１〜Ｄ３を回動調整して空気の温度を調整することもできる。

また、本実施例１では、冷却水の温度を上昇させることを目的として蓄熱器４５に冷却水を用いる必要はあまりないため、三方弁４４をバイパス管４ｆ側に開いたがこの限りではなく、その後冷却水の温度が所定温度まで上昇すれば蓄熱器４５に冷却水を貯留する目的で三方弁４４を蓄熱器４５側に開いても良い。

従って、本実施例１の空気調和装置では、車室内の冷房時において、冷却水循環回路４の第３熱交換器４６によりダクト１内の空気を直接加熱した後、第３通路Ｒ３を介して車外（外部）に排出するようにしたため、インバータ４２及びモータ４３の冷却を実現しつつ、冷房性能が低下するのを防止できる。

次に、車室内の空調を停止する場合について説明する。
車室内の空調を停止する場合には、図４に示すように、コンプレッサを停止して冷媒循環回路３の冷媒の循環を停止する。

さらに、ダクト１内のドアＤ１が第２通路Ｒ２を閉じるように回動すると共に、ドアD2,D3が第１通路Ｒ１及び第３通路Ｒ３を連通するように回動する。

これにより、ダクト１内で送風機２から車室内側へ向かう空気（破線矢印で図示）は、その全量が第１通路Ｒ１に流入して第３熱交換器４６を通過した後、第３通路Ｒ３を介して車外（外部）へ排出される。

この際、第１通路Ｒ１では、第３熱交換器４６を通過する空気と冷却水循環回路４の高温な冷却水とが熱交換することにより空気が加熱されると同時に冷却水が冷却されることによりインバータ４２及びモータ４３が冷却される。

次に、効果を説明する。
以上、説明したように、本実施例１の車両用空気調和装置にあっては、車室内へ向かって空気を送るためのダクト１と、ダクト１内において車室内へ送風する送風機２と、冷媒を圧縮して吐出する冷媒圧縮機３１と、ダクト１内に設置され、且つ、冷媒圧縮機３１から吐出された冷媒の凝縮熱により空気を加熱させる第１熱交換器３５と、第１熱交換器３５の風上に配置され、且つ、第１熱交換器３５から流入した冷媒の蒸発熱により空気を冷却する第２熱交換器３７を有する冷媒循環回路と、ダクト１内において第２熱交換器３７の風上に配置され、且つ、少なくともインバータ４２またはモータ４３を含む強電系部品によって加熱された冷却水の放熱により空気を加熱させる第３熱交換器４６を有する冷却水循環回路を備えるため、冷却水循環回路４の第３熱交換器４６を送風ダクト１内に収容することにより、冷却水循環回路４の冷却水と車室内に送る空気とを直接熱交換させて空気を直接加熱することにより暖房性能の向上を図ることができる。

また、ダクト１内に空気の温度を調整可能なドアＤ１〜Ｄ４を設けたため、車室内へ送る空気の温度を容易に調整でき、好適となる。

また、冷却水循環回路に蓄熱器４５を設けたため、強電系部品が起動直後等で冷却水が低温であっても蓄熱器４５で予め保温した冷却水を循環させることで第３熱交換器４６に高温な冷却水を供給でき、所望の暖房性能を実現できる。

さらに、冷却水循環回路４の第３熱交換器４６を車両前部に設ける必要がないため、車両前部の設計レイアウトの自由度を拡大できる。

以上、本実施例を説明してきたが、本発明は上述の実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
例えば、本発明は電気自動車や燃料電池自動車に限らず、ハイブリッド自動車や一般的なエンジン自動車に適用しても良い。
また、強電系部品はインバータやモータに限らず、その他の様々な熱源となるものを適用しても良い。

また、冷房時において第１熱交換器３５の放熱量が十分に大きい場合には、三方弁３２をバイパス管３ｈ側へ開くことも考えられる。

また、第１熱交換器３５及び第３熱交換器４６に加えて、第２熱交換器３７と熱交換する空気の量を調整して空気の温度を調整可能な調整機構を設けても良い。

本発明の実施例１の車両用空気調和装置の構成図である。本実施例１の車室内の暖房時における車両用空気調和装置の作動を説明する図である。本実施例１の車室内の冷房時における車両用空気調和装置の作動を説明する図である。本実施例１の車室内の空調の停止時における車両用空気調和装置の作動を説明する図である。

符号の説明

Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ドア
Ｒ１第１通路
Ｒ２第２通路
Ｒ３第３通路
Ｒ４第４通路
Ｒ５第５通路
１ダクト
１１デフ吹き出し口
１２フェイス吹き出し口
１３フット吹き出し口
１４空気通路
１５仕切り部
１６仕切り部
２送風機
３冷媒循環回路
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ接続管
３ｈバイパス管
３１冷媒圧縮機
３２三方弁
３３車室外熱交換器
３４レシーバタンク
３５第１熱交換器
３６膨張弁
３７第２熱交換器
３８アキュムレータ
３９逆止弁
４冷却水循環回路
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ接続管
４ｆバイパス管
４１ウォーターポンプ
４２インバータ
４３モータ
４４三方弁
４５蓄熱器
４６第３熱交換器
４７逆止弁

Claims

車室内へ向かって空気を送るためのダクトと、
前記ダクト内において車室内へ送風する送風機と、
冷媒を圧縮して吐出する冷媒圧縮機と、前記ダクト内に設置され、且つ、前記冷媒圧縮機から吐出された冷媒の凝縮熱により空気を加熱させる第１熱交換器と、前記第１熱交換器の風上に配置され、且つ、前記第１熱交換器から流入した冷媒の蒸発熱により空気を冷却する第２熱交換器を有する冷媒循環回路と、
前記ダクト内において前記第２熱交換器の風上に配置され、且つ、少なくともインバータまたはモータを含む強電系部品によって加熱された冷却水の放熱により空気を加熱させる第３熱交換器を有する冷却水循環回路を備えることを特徴とする車両用空気調和装置。
請求項１記載の車両用空気調和装置において、
前記ダクト内に空気の温度を調整可能な調整機構を設けたことを特徴とする車両用空気調和装置。
請求項１または２記載の車両用空気調和装置において、
前記冷却水循環回路に蓄熱器を設けたことを特徴とする車両用空気調和装置。