JP2009202773A - 車両用空気調和システム - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ式冷房装置を搭載した車両用空気調和システムにあって、システム性能の向上を図り、しかも、暖房初期に前席乗員の暖房感を阻害しない。
【解決手段】第１の冷媒を圧縮する電動コンプレッサ２と、第１の冷媒と液相状態のまま顕熱変化する第２の冷媒とを熱交換し、第１の冷媒から第２の冷媒に放熱する水冷コンデンサ３と、第１の冷媒を膨脹させる膨脹弁５と、膨張弁５で膨張された第１の冷媒と空気との間で熱交換させて空気を冷却するエバポレータ６とを有するヒートポンプ式冷房装置Ａと、空気を加熱するヒータコア１２を有する暖房用循環装置Ｂとを備え、電動コンプレッサ２と水冷コンデンサ３と膨脹弁５とエバポレータ６が近接配置されていると共に、エバポレータ６とヒータコア１２を通過させる空気の内気導入口が車室の後席側に設けられた。
【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートポンプ式冷房装置を有する車両用空気調和システムに関する。

従来の車両用空気調和システムとしては、特許文献１に開示されたものがある。この車両用空気調和システム１００は、図４に示すように、車室の後部を仕切るリヤバンクヘッド１０１の後部に空調ユニット１０２を有する。この空調ユニット１０２は、ブロア・クーリングユニットとヒータユニットとから構成されている。ブロア・クーリングユニットとヒータユニットは車室内に空調風（冷風、温風）を吹き出すよう構成されており、リヤバンクヘッド１０１の上部位置に内外気導入口１１０を有する。

ところで、暖房運転は、外気導入モードで、且つ、フット吹き出しモードで行われるのが一般的である。しかし、近年、環境問題のため電気自動車や燃料電池車が注目されており、暖房としての熱源を持たないこれらの暖房システムとしては、ヒートポンプが使用されている。また、その動力を軽減するために内気循環を併用し換気負荷を低減するシステムが提案されている。しかしながら、内気循環を併用する場合、車室内がまだ暖まっていない暖房初期にあって、冷風が前席乗員の足下を通過して内気に導入されることになり、暖房感を損ねることがなる。

つまり、車両の前席側に内気導入口が設けられている場合には、フット吹出口から吹き出される温風が乗員を暖めることなくショートカットして内気導入口より吸い込まれ、乗員の足元を冷たい空気が流れ暖房感を損ねることになる。しかし、前記従来例では内気導入口が車室の後側に設けられているため、このような不具合がない。
特開２００５−３５４３９号公報

しかしながら、従来の車両用空気調和システム１００では、空調ユニット１０２が車両の後側に配置され、空調ユニット１０２内にヒートポンプ式冷房装置のエバポレータを配置する場合には、システム性能の低下が想定される。つまり、ヒートポンプ式冷房装置は、コンプレッサとコンデンサと膨脹弁とエバポレータとを少なくとも構成部品とする。コンプレッサは、通常ではエンジンの動力によって駆動され、又、コンデンサは、走行風若しくは電動ファンの送風によって放熱するよう構成されるため、共にエンジンルームに設置される。そのため、冷媒を循環させる冷媒配管は、エンジンルームと車両の後側の間に亘って配索する必要があり、冷媒配管が長くなる。冷媒配管が長くなると、冷媒の通路抵抗が大きくなるため、システム性能が低下する。

そこで、本発明は、ヒートポンプ式冷房装置を搭載したシステムにあって、システム性能の向上を図り、しかも、暖房初期における前席乗員の暖房感を阻害しない車両用空気調和システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成する請求項１の発明は、第１の冷媒を圧縮する電動コンプレッサと、第１の冷媒と液相状態のまま顕熱変化する第２の冷媒とを熱交換し、第１の冷媒から第２の冷媒に放熱する冷媒・冷媒コンデンサと、第１の冷媒を膨脹させる膨脹手段と、膨張手段で膨張された第１の冷媒と空気との間で熱交換させて空気を冷却するエバポレータとを有するヒートポンプ式冷房装置と、空気を加熱するヒータコアを有する暖房装置とを備え、電動コンプレッサと冷媒・冷媒コンデンサと膨脹手段とエバポレータが近接配置されていると共に、ヒータコアとエバポレータを通過させる空気の内気導入口が車室の前席より後側に設けられたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の車両用空気調和システムであって、電動コンプレッサと冷媒・冷媒コンデンサと膨脹手段とエバポレータとヒータコアが空調ケースに配置され、且つ、空調ケースに内気導入口が設けられていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２記載の車両用空気調和システムであって、空調ケースは、車両の中央に配置されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の車両用空気調和システムであって、暖房装置は、ヒータコアの他に、第２の冷媒を循環させるポンプと、第２の冷媒の熱を放熱させる放熱器とを備えた暖房用循環装置であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、電動コンプレッサは、エンジンの動力を受ける必要がないため、エンジンの位置に拘束されることなく自由な位置に設置でき、又、冷媒・冷媒コンデンサは、空冷コンデンサのように走行風等を受ける必要がないため、自由な位置に設定できる。これによって、ヒートポンプ式冷房装置の各部品を近接配置することが可能であり、第１の冷媒を循環させる冷媒配管を短くできるため、第１の冷媒の通路抵抗を低減でき、システム性能が向上する。その上、室内がまだ暖まっていない暖房初期にあって、冷たい空気が前席の乗員の足元を流れないため、前席乗員の暖房感を阻害しない。

以上より、ヒートポンプ式冷房装置を搭載したシステムにあって、システム性能の向上を図り、しかも、暖房初期における前席乗員の暖房感を阻害しない車両用空気調和システムを提供できる。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加え、車両用空気調和システムがコンパクトになると共にその設置、取扱い等が簡単になる。

請求項３の発明によれば、請求項２の発明の効果に加え、重量物としてのエンジンをほぼ車両中央に配置できるため、ヨー慣性モーメントの低減を図ることができ、操縦安定性の向上、車両の運動性能の向上を図ることができる。

又、重量物である電動コンプレッサ等の空調部品を車両中央に配置するため、車両の運動性能の向上を図ることができる。

請求項４の発明によれば、請求項１の発明の効果に加え、暖房用循環装置は、ヒートポンプ式冷房装置の廃熱を利用するため、廃熱の有効利用を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（一実施形態）
図１〜図３は本発明の一実施形態を示し、図１は車両用空気調和システムの構成図、図２は車両用空気調和装置の上方から見た概略配置図、図３は車両用空気調和システムの側方から見た概略配置図である。

先ず、車両用空気調和システムの冷媒サイクル系の構成を説明する。図１に示すように、車両用空気調和システムは、ヒートポンプ式冷房装置Ａと暖房装置である暖房用循環装置Ｂとを備え、この双方の装置が組み合わされている。

ヒートポンプ式冷房装置Ａは、電動コンプレッサ２，冷媒・冷媒コンデンサである水冷コンデンサ３、膨張手段である膨張弁５、エバポレータ６及びアキュームレータ７を有し、これらがこの順で第１循環配管１によって接続されている。第１循環配管１中には、第１の冷媒としての二酸化炭素が封入されている。

電動コンプレッサ２は、吸入した比較的低温低圧の第１の冷媒を圧縮して高温高圧の冷媒として吐出する。

水冷コンデンサ３は、下記する第２循環配管８中の機器収容室１５内に配置されており、電動コンプレッサ２から圧送された第１の冷媒を第２の冷媒によって冷却する。すなわち、水冷コンデンサ３において第１の冷媒と第２の冷媒との間で熱交換が行われ、第２の冷媒は第１の冷媒によって加熱される。

膨張弁５は、水冷コンデンサ３を通過した第１の冷媒を膨張（減圧）させて低温低圧のガスとしてエバポレータ６へと送出する。

エバポレータ６は、膨張弁５から送出された第１の冷媒とエバポレータ６を通過する空気とを熱交換させ、エバポレータ６を通過する空気は第１の冷媒によって冷却される。エバポレータ６は、下記に詳述するように空調ダクト２０内に配置されている。

アキュームレータ７は、エバポレータ６から送出された第１の冷媒を気液分離して気相状態の第１の冷媒のみを電動コンプレッサ２へと送出し、液相状態の第１の冷媒を一時的に貯留する。

暖房用循環装置Ｂは、ポンプ９、放熱器１０、ヒータコア１２及び機器収容室１５を有し、これらがこの順で第２循環配管８によって接続されている。第２循環配管８中には、第２の冷媒としての水や不凍液などの液体が封入されている。

機器収容室１５は、第２循環配管８よりも大きな断面積を有するスペースであり、この内部に上記した水冷コンデンサ３と共にヒータである電気ヒータ１１が収納されている。

ポンプ９は、第２の冷媒を循環させるため、吸入した第２の冷媒を加圧して圧送する。ポンプ９で圧送された液体の冷媒は、相変化することなく液相のまま第２循環配管８内を循環し、熱交換により顕熱変化する。

放熱器１０は、第２の冷媒の熱を外気に放熱させるものであり、電動ファンや走行風によって外気が吹き付けられ、第２の冷媒と外気との間で熱交換が行われる。

ヒータコア１２は、第２の冷媒とヒータコア１２を通過する空気とを熱交換させることで、ヒータコア１２を通過する空気を加熱する。ヒータコア１２は、下記に詳述するように空調ダクト２０内に配置されている。

電気ヒータ１１は、水冷コンデンサ３の下流側に設けられ、通電することで発熱して第２の冷媒を加熱する。

第２循環配管８には、放熱器１０をバイパスする放熱器バイパス配管１３が付設され、放熱器バイパス配管１３の上流側に設けられた流路切替弁１４を切り換えることで、第２の冷媒の流れを放熱器１０側又は放熱器バイパス流路１３側へと切り換えることができる。

次に、車両用空気調和システムの各構成部品の配置を説明する。図２及び図３に示すように、車両用空気調和システムは、車両の前席側で、且つ、車両幅方向の中央に配置された空調ケース１９を有する。この空調ケース１９には、ヒートポンプ式冷房装置Ａの全構成部品である電動コンプレッサ２、水冷コンデンサ３、膨脹弁５、エバポレータ６、アキュームレータ７が配置されている。つまり、電動コンプレッサ２、水冷コンデンサ３、膨脹弁５、エバポレータ６及びアキュームレータ７は近接配置されており、これら部品間を接続する第１循環配管１の全長は短く形成されている。

ここで、ヒートポンプ式冷房装置Ａの全構成部品を空調ケース１９に配置できるのは、電動コンプレッサ２は、エンジンの動力を受ける必要がないので、エンジンの位置に拘束されることなく自由な位置に設置でき、又、水冷コンデンサ３は、空冷コンデンサのように走行風を受ける必要がないので、自由な位置に設定できるためである。

又、空調ケース１９内には、暖房用循環装置Ｂのポンプ９、ヒータコア１２、機器収容室１５及び流路切替弁１４が内蔵されている。放熱器１０は、走行風を受けることができるエンジンルームの前部に配置されている。

又、空調ケース１９には空調ダクト２０が配置されている。図３に詳しく示すように、空調ダクト２０の最上流には、室内の空気を導入する内気導入口２１が設けられている。この内気導入口２１は、車室の前席よりも後側、この実施形態では後席側に開口されている。又、空調ダクト２０の最上流には外気導入口（図示せず）が設けられている。これにより、空調ダクト２０内には内気と外気を自由に導入できるようになっている。

空調ダクト２０内には、ブロアファン２２ａ，２２ｂが２つ並列に設けられている。又、ブロアファン２２ａ，２２ｂの下流位置には、エバポレータ６とヒータコア１２が並列に配置されている。一方のブロアファン２２ａはエバポレータ６側に、他方のブロアファン２２ｂはヒータコア１２側に送風しやすいようになっている。エバポレータ６とヒータコア１２の直ぐ上流には、配風ドア２３が設けられ、配風ドア２３の角度を変えることでエバポレータ６とヒータコア１２への配風比率を調整することができる。

エバポレータ６の直ぐ下流には、エバポレータ６を通過した冷風を車室外、例えばエンジンルームに排出するための第１バイパスドア２４及び第２バイパスドア２５が設けられている。

空調ダクト２０の最下流には、フット吹出口２６、デフロスタ吹出口フット２７及びベント吹出口２８が設けられている。各吹出口２６，２７，２８にはこれらをそれぞれ開閉するフット用ドア２９、デフロスタ用ドア３０、ベント用ドア３１が設けられている。

次に、本実施形態における車両用空調システムの暖房運転時の動作について説明する。

暖房モードが選択されると、電動コンプレッサ２とポンプ９が共に駆動される。すると、第１の冷媒が第１循環配管１を一定の経路で循環し、水冷コンデンサ３を流れる高温の第１の冷媒によって第２の冷媒が加熱される。水冷コンデンサ３によって加熱されて高温となった第２の冷媒は、ヒータコア１２を流れる過程でヒータコア１２を通過する空気を加熱する。そして、ヒータコア１２を通過した温風が車室内に供給される。

ここで、図３に示すように、内気導入モードで、且つ、フット・デフ吹き出しモードで暖房モードが選択されると、空調ダクト２０内には内気導入口２１から車室内の空気が導入され、空調ダクト２０内を通過する過程で暖められた温風がフット吹出口２６及びデフロスタ吹出口２７より吹き出される。ここで、前席の乗員の足元にフット吹出口と共に内気導入口がないため、前席の乗員の足元に冷風が流れることがなく、前席の乗員の足元には温風のみが流れる。又、フット・デフ吹き出しモードではなくフット吹き出しモードが選択された場合には、フット吹出口２６からのみ温風が吹き出される。この場合にも、当然に前席の乗員の足下には温風のみが流れる。

この暖房運転時にあって、電気ヒータ１１をオンすれば、水冷コンデンサ３によって加熱された第２の冷媒が更に加熱されるため、強力な暖房性能が得られる。なお、エバポレータ６を通過する空気は冷却されるので、車室内には流入せずエンジンルームなどに排出することが好ましい（図３参照）。

以上、本実施形態では、コンプレッサとして電動コンプレッサ２を、コンデンサとして水冷コンデンサ３を用いたため、ヒートポンプ式冷房装置Ａの各部品を近接配置することが可能であり、第１の冷媒を循環させる冷媒配管１を短くできる。従って、第１の冷媒の通路抵抗を低減でき、システム性能が向上する。その上、内気導入口２１を車室の前席よりも後側に設けたので、室内がまだ暖まっていない暖房初期にあって、冷たい空気が前席の乗員の足元を流れることがなく、前席乗員の暖房感を阻害しない。

以上より、ヒートポンプ式冷房装置Ａを搭載したシステムにあって、システム性能の向上を図り、しかも、暖房初期における前席乗員の暖房感を阻害しない車両用空気調和システムを提供できる。

この実施形態では、電動コンプレッサ２と水冷コンデンサ３と膨脹弁５とエバポレータ６とヒータコア１２が空調ケース１９に配置され、且つ、空調ケース１９に内気導入口２１が設けられている。従って、車両用空気調和システムがコンパクトになると共にその設置、取扱い等が簡単になる。

この実施形態では、空調ケース１９は、車両の中央に配置されている。従って、重量物としてのエンジンをほぼ車両中央に配置できるため、ヨー慣性モーメントの低減を図ることができ、操縦安定性の向上、車両の運動性能の向上を図ることができる。

又、重量物である電動コンプレッサ２等の空調部品を車両中央に配置するため、車両の運動性能の向上を図ることができる。

この実施形態では、暖房装置は、第２の冷媒を循環させるポンプ９と、ヒータコア１２と、第２の冷媒の熱を放熱させる放熱器１０とを備えた暖房用循環装置Ｂである。従って、暖房用循環装置Ｂは、ヒートポンプ式冷房装置Ａの廃熱を利用するため、廃熱の有効利用を図ることができる。

尚、冷房運転時は、電気ヒータ１１をオフにするとともに、流路切替弁１４を切り換えて第２の冷媒を放熱器１０側へ流す。これにより、水冷コンデンサ３において吸熱した第２の冷媒を放熱器１０において放熱させることができる。

また、第２循環配管８を流れる第２の冷媒は、液体で相変化せずに顕熱変化するものであるため、熱伝達効率が良くより小型化が図れる。

本実施形態では、第２循環配管８には、放熱器１０をバイパスする放熱器バイパス流路１３と、第２の冷媒を放熱器１０又は放熱器バイパス流路１３へと流すように流路を切り換える流路切換弁１４とが設けられている。従って、放熱器１０を通過させるか否かの経路変更が行えるため、暖房性能の悪化を防止できる。

本実施形態では、暖房運転時はヒートポンプ式冷房装置Ａにおいて生じた熱と電気ヒータ１１によって発生させた熱とを併用して空調風を加熱することができるため、エンジンなどの大きな熱源を持たない車両において、外気温が極低温状態であっても十分な暖房性能を発揮することができる。

本実施形態では、コンデンサ３は水冷式であるため、空冷式に比べて熱伝達効率が高いためにコンパクト化でき、第１の冷媒の通路抵抗を減少させることができる。よって、通路抵抗が減少した分だけコンプレッサ２の所要動力が小さくなり、電動コンプレッサ２の駆動力を省力化できるとともに電動コンプレッサ２を小型化することができる。

水冷コンデンサ３は電気ヒータ１１の上流側に配置されるので、表面温度が電気ヒータ１１より低い水冷コンデンサ３が電気ヒータ１１より先に第２の冷媒と熱交換を行うこととなり、水冷コンデンサ３と第２の冷媒との温度差を極力大きくとることができ、水冷コンデンサ３における熱交換効率を向上させることができる。

第１の冷媒として二酸化炭素を使用するので、極低温状態でも飽和圧力が高く、その分第１の冷媒の流量をより確実に確保することができる。

（その他）
前記実施形態では、ヒータとして電気ヒータ１１を使用しているが、燃焼ヒータなどを用いても同様の作用・効果を得ることができる。

前記実施形態では、第１の冷媒として二酸化炭素を、第２の冷媒として水や不凍液などの液体をそれぞれ使用しているが、これら以外を冷媒として使用しても良いことはもちろんである。

前記実施形態では、空調ダクト２０内のエバポレータ６及びヒータコア１２が並列に配置されているが、除湿暖房の効果をあげるためにエバポレータ６を上流側とした直列配列にしても良い。

本発明の一実施形態を示し、車両用空気調和システムの構成図である。 本発明の一実施形態を示し、車両用空気調和装置の上方から見た配置図である。 本発明の一実施形態を示し、車両用空気調和システムの側方から見た配置図である。 従来例の車両用空気調和システムの配置位置を示す図である。

符号の説明

Ａ ヒートポンプ式冷房装置
Ｂ 暖房用循環装置（暖房装置）
２ コンプレッサ
３ 水冷コンデンサ（冷媒・冷媒コンデンサ）
５ 膨張弁（膨張手段）
６ エバポレータ
９ ポンプ
１０ 放熱器
１２ ヒータコア
１９ 空調ケース
２１ 内気導入口

Claims (4)

1. 第１の冷媒を圧縮する電動コンプレッサ（２）と、第１の冷媒と液相状態のまま顕熱変化する第２の冷媒とを熱交換し、第１の冷媒から第２の冷媒に放熱する冷媒・冷媒コンデンサ（３）と、第１の冷媒を膨脹させる膨脹手段（５）と、前記膨張手段（５）で膨張された第１の冷媒と空気との間で熱交換させて空気を冷却するエバポレータ（６）とを有するヒートポンプ式冷房装置（Ａ）と、
   空気を加熱するヒータコア（１２）を有する暖房装置（Ｂ）とを備え、
   前記電動コンプレッサ（２）と前記冷媒・冷媒コンデンサ（３）と前記膨脹手段（５）と前記エバポレータ（６）が近接配置されていると共に、前記エバポレータ（６）と前記ヒータコア（１２）を通過させる空気の内気導入口（２１）が車室の前席よりも後側に設けられたことを特徴とする車両用空気調和システム。
2. 請求項１記載の車両用空気調和システムであって、
   前記電動コンプレッサ（２）と前記冷媒・冷媒コンデンサ（３）と前記膨脹手段（５）と前記エバポレータ（６）と前記ヒータコア（１２）が空調ケース（１９）に配置され、且つ、前記空調ケース（１９）に前記内気導入口（２１）が設けられていることを特徴とする車両用空気調和システム。
3. 請求項２記載の車両用空気調和システムであって、
   前記空調ケース（１９）は、車両の中央に配置されていることを特徴とする車両用空気調和システム。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の車両用空気調和システムであって、
   前記暖房装置（Ｂ）は、前記ヒータコア（１２）の他に、第２の冷媒を循環させるポンプ（９）と、第２の冷媒の熱を放熱させる放熱器（１０）とを備えた暖房用循環装置（Ｂ）であることを特徴とする車両用空気調和システム。

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