以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
(第1実施形態)
図1に示すように、本実施形態では、本発明に係るヒートポンプサイクル装置10を、車両走行用の駆動力を走行用電動モータから得る電気自動車に搭載される車両用空調装置1に適用している。このヒートポンプサイクル装置10は、車両用空調装置1において、空調対象空間である車室内へ送風される車室内送風空気を冷却あるいは加熱する機能を果たす。
このため、ヒートポンプサイクル装置10は、図2に示すように、車室内送風空気を冷却して車室内を冷房する冷房モード(冷房運転)の冷媒回路と、図3に示すように、車室内送風空気を加熱して車室内を暖房する暖房モード(暖房運転)の冷媒回路とを切替可能に構成されている。また、本実施形態のヒートポンプサイクル装置10では、冷媒として通常のフロン系冷媒を採用しており、高圧冷媒の圧力が冷媒の臨界圧力を越えない亜臨界冷凍サイクルを構成している。
図1に示すように、ヒートポンプサイクル装置10は、圧縮機11と、室内凝縮器12と、第1絞り13と、室外熱交換器14と、第2絞り15と、三方弁16と、室内蒸発器17と、アキュムレータ18と、電子制御装置40とを備えている。
圧縮機11は、車両ボンネット内に配置され、ヒートポンプサイクル装置10において冷媒を吸入し、圧縮して吐出するもので、吐出容量が固定された固定容量型の圧縮機構を電動モータにて回転駆動する電動圧縮機として構成されている。圧縮機11の電動モータは、電子制御装置40から出力される制御信号によって、その作動(回転速度)が制御される。
圧縮機11の吐出口側には、室内凝縮器12の入口側が接続されている。室内凝縮器12は、室内空調ユニット30において車室内送風空気の空気通路を形成するケーシング31内に配置されている。室内凝縮器12は、圧縮機11から吐出された高圧の吐出冷媒と車室内送風空気とを熱交換させて、吐出冷媒を放熱させるとともに、加熱対象としての車室内送風空気を加熱する放熱器である。
室内凝縮器12の出口側には、第1絞り13の入口側が接続されている。第1絞り13は、暖房運転時に、室内凝縮器12から流出した冷媒を室外熱交換器14へ導く冷媒流路の流路断面積を絞ることによって、室内凝縮器12から流出した冷媒を減圧させる減圧手段である。第1絞り13は、冷媒流路の流路断面積を変化可能に構成されている。具体的には、第1絞り13は、絞り開度を変化可能に構成された弁体と、この弁体の絞り開度を変化させるステッピングモータからなる電動アクチュエータとを有して構成された電気式の可変絞り機構である。第1絞り13は、電子制御装置40から出力される制御信号によって、弁体の絞り開度が増減する。本実施形態の第1絞り13は、弁体の絞り開度を全開にすることで減圧作用をほとんど発揮させない全開機能を有するものである。
第1絞り13の出口側には、室外熱交換器14の入口側が接続されている。室外熱交換器14は、車両ボンネット内、すなわち、車室外に配置され、その内部を流通する冷媒と送風ファン14aによって送風された外気とを熱交換させるものである。より具体的には、この室外熱交換器14は、暖房運転時に低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる蒸発器として機能し、冷房運転時に高圧冷媒を放熱させる放熱器として機能する。また、送風ファン14aは、制御装置から出力される制御電圧によって稼働率、すなわち回転数(送風空気量)が制御される電動送風機である。
室外熱交換器14の出口側には、第2絞り15の入口側が接続されている。第2絞り15は、冷房運転時および暖房運転時に、室外熱交換器14から流出した冷媒が流れる冷媒流路の流路断面積を絞ることによって、室外熱交換器14から流出した冷媒を減圧させる減圧手段である。第2絞り15は、第1絞り13と同様の電気式の可変絞り機構であり、電子制御装置40から出力される制御信号によって、弁体の絞り開度が増減する。第2絞り15も、第1絞り13と同様に、全開機能を有する。なお、第1絞り13および第2絞り15は、絞り開度を連続的に変化可能な構成に限らず、絞り開度を段階的に変化可能な構成であってもよい。
第2絞り15の出口側には、三方弁16を介して、室内蒸発器17の入口側およびアキュムレータ18の入口側がそれぞれ接続されている。三方弁16は、第2絞り15から流出した冷媒を室内蒸発器17に導く冷媒流路と、第2絞り15から流出した冷媒を室内蒸発器17を迂回させてアキュムレータ18に導く冷媒流路とを切り替える冷媒流路切替手段である。三方弁16は、電子制御装置40から出力される制御電圧によって、その作動が制御される電気式三方弁である。
室内蒸発器17は、室内空調ユニット30のケーシング31内の室内凝縮器12よりも空気流れ上流側に配置されている。室内蒸発器17は、冷房運転時に、内部を流通する冷媒と車室内送風空気との熱交換により、冷媒を吸熱させて蒸発させるとともに、その吸熱作用により車室内送風空気を冷却する蒸発器(冷却用熱交換器)である。室内蒸発器17の冷媒出口側には、アキュムレータ18の入口側が接続されている。
アキュムレータ18は、その内部に流入した冷媒の気液を分離して、サイクル内の余剰冷媒を蓄える気液分離器である。アキュムレータ18の気相冷媒出口には、圧縮機11の吸入側が接続されている。従って、このアキュムレータ18は、圧縮機11に液相冷媒が吸入されてしまうことを抑制して、圧縮機11の液圧縮を防止する機能を果たす。
次に、室内空調ユニット30について説明する。室内空調ユニット30は、温度調整された車室内送風空気を車室内に送風するもので、車室内最前部の計器盤(インストルメントパネル)の内側に配置されて、その外殻を形成するケーシング31内に送風機32、前述の室内凝縮器12、室内蒸発器17等を収容することによって構成されている。
ケーシング31は、内部に車室内送風空気の空気通路を形成しており、ある程度の弾性を有し、強度的にも優れた樹脂にて成形されている。ケーシング31内の車室内送風空気の空気流れ最上流側には、車室内空気(内気)と外気とを切替導入する内外気切替装置33が配置されている。
内外気切替装置33の空気流れ下流側には、内外気切替装置33を介して吸入された空気を車室内へ向けて送風する送風機32が配置されている。この送風機32は、遠心多翼ファンを電動モータにて駆動する電動送風機であって、電子制御装置40から出力される制御電圧によって回転数(送風量)が制御される。
送風機32の空気流れ下流側には、室内蒸発器17および室内凝縮器12が、車室内送風空気の流れに対して、この順に配置されている。また、ケーシング31内には、室内蒸発器17を通過した送風空気を室内凝縮器12を迂回させて流すバイパス通路34が形成されている。
さらに、室内蒸発器17の空気流れ下流側であって、かつ、室内凝縮器12の空気流れ上流側には、空気通路切替ドア35が配置されている。空気通路切替ドア35は、室内蒸発器17通過後の送風空気が流れる空気通路として、室内凝縮器12を通過する空気通路と、バイパス通路34とを切り替えるものである。空気通路切替ドア35は、図示しないサーボモータによって駆動され、電子制御装置40から出力される制御信号によって作動が制御される。
図示しないが、ケーシング31の空気流れ最下流部には、車室内に設けられた吹出口に連なる開口部が設けられている。室内蒸発器17もしくは室内凝縮器12で温度調節された送風空気は、開口部を介して、吹出口から空調対象空間である車室内へ吹き出される。
また、ヒートポンプサイクル装置10は、室内凝縮器12の出口冷媒(第1絞り13の入口冷媒)の温度、圧力をそれぞれ検出する第1冷媒温度センサ41、冷媒圧力センサ42、室外熱交換器14の出口冷媒(第2絞り15の入口冷媒)の温度を検出する第2冷媒温度センサ43、室外熱交換器14に流入する外気の温度、湿度をそれぞれ検出する外気温度センサ44、外気湿度センサ45等を備えている。各センサ41、42、43、44、45は電子制御装置40の入力側に接続されており、各センサの検出信号が電子制御装置40に入力される。
電子制御装置40は、CPU、ROMおよびRAM等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成され、そのROM内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、出力側に接続された各種制御対象機器11、13、14a、15、16、32、35等の作動を制御する制御手段である。
電子制御装置40の入力側には、上記した各センサの他にも、車室内温度Trを検出する内気センサ、外気温度Tamを検出する外気センサ、車室内の日射量Tsを検出する日射センサ、室内蒸発器温度Teを検出する室内蒸発器温度センサ等の種々の制御用センサ群が接続されている。なお、室内蒸発器温度センサは、Teとして、室内蒸発器17のフィン温度もしくは室内蒸発器17通過後の空気温度を検出する。
さらに、電子制御装置40の入力側には、車室内前部の計器盤付近に配置された図示しない操作パネルが接続され、この操作パネルに設けられた各種操作スイッチからの操作信号が入力される。操作パネルに設けられた各種操作スイッチとしては、エアコンスイッチ、車室内温度を設定する温度設定スイッチ等が設けられている。
次に、電子制御装置40が実行する制御処理について説明する。電子制御装置40は、例えば、操作パネルによって車両用空調装置1の作動開始が要求されてから車両用空調装置1の作動停止が要求されるまで、図4のフローチャートに示す制御処理を繰り返し実行する。図4の各ステップでの処理は、それぞれの機能を実現する手段を構成している。
先ず、図4のステップS1において、電子制御装置40は、上述の各センサからの検出信号と、操作パネルの操作信号とを読み込む。
続いて、ステップS2で、ステップS1にて読み込んだ検出信号および操作信号の値に基づいて、車室内へ吹き出す空気の目標温度である目標吹出温度TAOを決定するとともに、室内蒸発器温度Teの目標温度である目標室内蒸発器温度TEOを決定する。TAOは、温度設定スイッチによって設定された車室内設定温度Tset、内気センサによって検出された車室内温度Tr、外気温度センサによって検出された外気温度Tam、及び、日射センサによって検出された日射量Tsに基づき、所定の算出式から算出される。また、TEOは、TAOに基づいて、予め電子制御装置40に記憶された制御マップを参照して決定される。
続いて、ステップS3、S4で運転モードを判定する。
具体的には、ステップS3で、操作パネルのエアコンスイッチ(A/CSW)がONにされているか否かを判定する。このエアコンスイッチは、室内蒸発器17にて車室内送風空気を冷却するか否かを乗員が設定するためのスイッチである。エアコンスイッチがONではない(NO)と判定された場合には、ステップS12へ進み、運転モードを暖房運転に決定する。一方、エアコンスイッチがONである(YES)と判定された場合には、ステップS4へ進む。
ステップS4では、目標吹出温度TAOと外気温度Tamの差(TAO−Tam)が基準温度αよりも小さいか否かを判定する。このαは例えば0℃である。TAOがTamよりも高く、TAO−Tamがαよりも高い(NO)と判定された場合、暖房要求度が高いため、ステップS12へ進み、運転モードを暖房運転に決定する。一方、TAOがTamよりも低く、TAO−Tamがαよりも低い(YES)と判定された場合、冷房要求度が高いため、ステップS5へ進み、運転モードを冷房運転に決定する。
そして、ステップS5で運転モードを冷房運転に決定した場合、図2に示す冷房運転が実行されるように、ステップS6〜S10で各制御対象装置の作動状態を決定する。
具体的には、ステップS6で、三方弁16の開方向をB方向に決定する。すなわち、三方弁16での冷媒流れ方向をB方向とするために、三方弁16のB方向用の接続口を開き、A方向用の接続口を閉じる。
続いて、ステップS7で、空気通路切替ドア35の位置を、室内凝縮器12の空気通路を全閉とし、バイパス通路34を全開とする位置に決定する。
続いて、ステップS8で、圧縮機11の回転速度を、室内蒸発器温度センサが検出した室内蒸発器温度Teが、目標室内蒸発器温度TEOに近づくように決定する。
続いて、ステップS9で、第1絞り13の絞り開度を、全開(固定)に決定する。これは、流路圧損によるサイクル効率悪化を抑制するためである。
続いて、ステップS10で、第2絞り15の絞り開度を所望の制御開度に決定する。この所望の制御開度は、第2絞り15へ流入する冷媒(第2絞り入口冷媒)の過冷却度SC_coolが、サイクルの成績係数COPを最大値に近づけるように予め定められた目標過冷却度SCO_coolに近づくように設定される絞り開度である。SC_coolは、冷媒圧力センサ42により検出される第2絞り15の入口冷媒圧力に対応する冷媒飽和温度と第2冷媒温度センサ43により検出される第2絞り15の入口冷媒温度との差から算出される。このとき、第1絞り13が全開状態であるため、冷媒圧力センサ42により第2絞り15の入口冷媒圧力を検出することができる。
そして、ステップS11で、上記の如く決定された制御状態が得られるように電子制御装置40から制御対象機器へ制御信号あるいは制御電圧が出力される。
これにより、冷房運転では、図2中の矢印で示すように、圧縮機11から吐出された冷媒が、室内凝縮器12、第1絞り13(全開開度)、室外熱交換器14、第2絞り15(制御開度)、室内蒸発器17、アキュムレータ18の順に流れて、圧縮機11に戻る冷媒回路が形成される。このとき、空気通路切替ドア35により室内凝縮器12の空気通路を閉塞しているので、室内凝縮器12に流入した冷媒は、実質的に車室内送風空気へ放熱せず、室内凝縮器12から流出する。このため、室内蒸発器17にて冷却された車室内送風空気が、車室内へ吹き出される。
一方、ステップS12で運転モードを暖房運転に決定した場合、図3に示す暖房運転が実行されるように、ステップS13〜Sで各制御対象装置の作動状態を決定する。
具体的には、ステップS13で、三方弁16の開方向をA方向に決定する。すなわち、冷媒流れをA方向とするために、三方弁16のB方向の接続口を閉じ、A方向の接続口を開く。
続いて、ステップS14で、空気通路切替ドア35の位置を、室内凝縮器12の空気通路を全開とし、バイパス通路34を全閉とする位置に決定する。
続いて、ステップS15で、圧縮機11の回転速度を、室内凝縮器温度Tavが目標吹出温度TAOに近づくように決定する。本実施形態では、Tavとして、冷媒圧力センサ42が検出した室内凝縮器12の出口冷媒の圧力PHに基づいて算出された冷媒飽和温度が用いられる。TavがTAOよりも低い場合、圧縮機11の回転速度を前回決定した回転速度(前回値)よりも高くし、TavがTAOよりも高い場合、圧縮機11の回転速度を前回値よりも低くする。
続いて、ステップS16で、第1絞り13の絞り開度を所望の制御開度に決定する。この所望の制御開度は、第1絞り13へ流入する冷媒の過冷却度SC_hotが、COPを最大値に近づけるように予め定められた目標過冷却度SCO_hotに近づくように設定される絞り開度である。SC_hotは、冷媒圧力センサ42により検出される第1絞り13の入口冷媒圧力に対応する冷媒飽和温度と第1冷媒温度センサ41により検出される第1絞り13の入口冷媒温度との差から算出される。
続いて、ステップS17で、第2絞り15の絞り開度を所望の制御開度に決定する。この所望の制御開度とは、室外熱交換器温度Toが、目標室外熱交換器温度TOOとなるように設定される絞り開度である。TOOは、室外熱交換器14が着霜しない温度であり、外気の露点温度Tdpに応じて決定される。
具体的には、図5に示すように、TOOをTdp以上の温度に設定する。すなわち、TOO[℃]=Tdp[℃](図5中の太線で示す直線上の温度)、または、TOO[℃]=Tdp+Z[℃](図5中の一点鎖線で示す直線上の温度)とする。Zは固定値であり、例えば、Z=1℃である。TOOをTdpよりも低い温度に設定すると、ToがTdpよりも低い温度となって、着霜に起因する凝縮水が室外熱交換器14の表面に付着してしまう(図5中の凝縮水付着領域)。これに対して、TOOをTdp以上の温度に設定すれば、ToがTdp以上の温度となり、室外熱交換器14の表面への凝縮水の付着を防止でき、室外熱交換器14の着霜を防止できる。
なお、本実施形態では、Toとして、室外熱交換器14の出口冷媒の温度を検出する第2冷媒温度センサ43の検出温度が用いられる。Tdpは、露点温度検出手段としての外気温度センサ44および外気湿度センサ45が検出した外気温度および外気湿度から算出される。
この第2絞り15の絞り開度の決定では、図4に示す制御処理が初めて実行されたときでは、絞り開度(初期値)を全開開度に決定し(初期値=全開開度)、2回目以降の制御処理では、絞り開度を前回の絞り開度(前回値)と絞り開度操作量の和に決定する(絞り開度=前回値+操作量)。
ここで、絞り開度操作量は、図6に示すように決定される。図6の縦軸が絞り開度操作量を示しており、操作量が0よりも大きいときは、絞り開度を拡大させることを意味し、操作量が0よりも小さいときは、絞り開度を縮小させることを意味する。TOO−Toが0よりも大きい場合、すなわち、検出されたToがTOOよりも低い場合、TOO−Toの大きさ(図6中のx1)に応じた開度縮小量(図6中のy1)が絞り開度操作量となる。この場合、第2絞り15の絞り開度が縮小されることで、Toが上昇し、TOOに近づけられる。一方、TOO−Toが0よりも小さい場合、すなわち、ToがTOOを超えた場合、TOO−Toの大きさ(図6中のx2)に応じた開度拡大量(図6中のy2)が絞り開度操作量となる。この場合、第2絞り15の絞り開度が拡大されることで、Toが下降し、TOOに近づけられる。
そして、ステップS11で、上記の如く決定された制御状態が得られるように電子制御装置40から制御対象機器へ制御信号あるいは制御電圧が出力される。
これにより、暖房運転では、図3中の矢印で示すように、圧縮機11から吐出された冷媒が、室内凝縮器12、第1絞り13(制御開度)、室外熱交換器14、第2絞り15(制御開度)、アキュムレータ18の順に流れて、圧縮機11に戻る冷媒回路が形成される。
この暖房運転では、室内蒸発器17には冷媒が流れないので、車室内送風空気は室内蒸発器17で冷却されず、室内蒸発器17を通過した車室内送風空気が室内凝縮器12で加熱されて、車室内に吹き出される。このとき、ステップS15の如く、圧縮機11の冷媒吐出能力が調整されるので、室内凝縮器12が所望の暖房能力を発揮する。
また、この暖房運転では、室外熱交換器14が室外蒸発器として機能し、外気と冷媒との熱交換により、外気から吸熱して冷媒が蒸発する。このとき、ステップS17の如く、室外熱交換器14の温度が第2絞り15によって調整される。
ステップS17での説明の通り、第2絞り15は、初期開度が全開に設定されることから、基本的には、絞り開度が全開とされる。しかし、室外熱交換器14の温度Toが露点温度Tdpよりも低いときでは、Tdp以上の目標温度TOOとなるように、絞り開度が縮小される。これにより、室外熱交換器14での冷媒圧力が上昇して、室外熱交換器14の温度ToがTdp以上の温度となる。このようにして、室外熱交換器14は、着霜しない温度とされるので、着霜が防止される。
ここで、本実施形態と比較例1とを比較する。比較例1は、本実施形態のヒートポンプサイクル装置10に対して、暖房運転時に、第2絞り15が減圧作用を発揮しないように、第2絞り15の絞り開度を全開とし、室外熱交換器14の温度Toが着霜しない温度となるように、圧縮機11の回転速度を制御するように変更したものである。この比較例1は、上記した発明が解決しようとする課題の欄に記載の検討例に対応する。
この比較例1では、暖房運転時に室外熱交換器14の着霜を抑制するために、圧縮機11の回転速度を調整することによって、室外熱交換器14の温度を着霜を抑制できる温度とするので、室外熱交換器14の吸熱量と圧縮機11の圧縮仕事量が制限されてしまう。このため、室外熱交換器14の温度を着霜を抑制できる温度にしない場合と比較して、室内凝縮器12の暖房能力が著しく低下する。
これに対して、本実施形態では、上記の通り、暖房運転時に、室外熱交換器14の温度が着霜しない温度となるように、第2絞り15の絞り開度を調整するとともに、室内凝縮器12が所望の暖房能力を発揮するように、圧縮機11の回転速度を調整するようにしている。このため、本実施形態では、室外熱交換器14の吸熱量は、比較例1と同様に制限されるが、圧縮機11の圧縮仕事量は、比較例1のような制限を受けない。
そして、図7に示すように、本実施形態では、目標室外熱交換器温度TOOを本実施形態と同じ温度にしたときの比較例1と比較して、第2絞り15による圧縮機11の吸入圧力低下に伴って、圧縮機11の圧縮仕事量が増大し、圧縮機11の吐出冷媒の比エンタルピが増大するので、室内凝縮器12の暖房能力を向上させることができる。すなわち、本実施形態によれば、比較例1と比較して、室内凝縮器12において、大きな暖房能力を発揮させることができる。
よって、本実施形態によれば、比較例1と比較して、室内凝縮器12の暖房能力の低下を抑制しつつ、室外蒸発器の着霜を抑制できる。
また、本実施形態では、暖房運転時に室外熱交換器14の温度が着霜しない温度とするための絞りとして、冷房運転時に減圧手段として用いる第2絞り15を利用している。このため、本実施形態によれば、ヒートポンプサイクルの構成部品の増大を抑制できる。
(第2実施形態)
本実施形態は、第1実施形態に対して暖房運転時における第2絞り15の絞り開度の決定方法を変更したものである。以下、この変更点のみを説明する。
第1実施形態では、図5に示すように、外気の露点温度Tdpの数値に関わらず、常に、目標室外熱交換器温度TOOをTdp以上の温度に設定したのに対して、本実施形態では、図8に示すように、Tdpが0℃未満のとき、TOOをTdp以上の温度に設定し(TOO[℃]=Tdp[℃]またはTOO[℃]=Tdp+Z[℃])、Tdpが0℃以上のとき、TOOを0℃に設定する(TOO[℃]=0[℃])。ここで、Tdpが0℃以上のとき、TOOを0℃に設定するのは、露点温度Tdpが0℃以上、すなわち、水の凝固点以上であれば、室外熱交換器14の表面に凝縮水が付着しても、それが凍結して着霜に至らないからである。
したがって、電子制御装置40は、Tdpが0℃未満のとき、室外熱交換器14の温度がTdp以上になるように、第2絞り15の絞り開度を制御し、Tdpが0℃以上のとき、室外熱交換器14の温度が0℃以上となるように、第2絞り15の絞り開度を制御する。このように、本実施形態によれば、Tdpが0℃以上のときにTOOを0℃に設定するので、暖房運転時における室外熱交換器14での冷媒の蒸発温度の制限を必要最小限にとどめることができる。
(第3実施形態)
図9に示すように、本実施形態のヒートポンプサイクル装置10は、第1実施形態のヒートポンプサイクル装置10の構成に対して、圧縮機11を中間圧ポートを有する圧縮機21に変更するとともに、気液分離器22、第3絞り23、中間圧冷媒流路24等を追加したものである。
圧縮機21は、冷媒を圧縮する圧縮室と、圧縮した高圧冷媒を吐出する吐出ポート21aと、ヒートポンプサイクルの低圧冷媒を吸入する吸入ポート21bと、ヒートポンプサイクルの中間圧冷媒を導入するための中間圧ポート21cとを有するものである。中間圧ポート21cは、圧縮室と連通しており、ヒートポンプサイクルの中間圧冷媒は、圧縮機21における冷媒の圧縮過程途中の箇所へ流入する。
気液分離器22は、第1絞り13と室外熱交換器14との間に配置されている。気液分離器22は、第1絞り13を通過した冷媒の気液を分離するものであり、遠心分離式のものである。
第3絞り23は、気液分離器22で分離された液相冷媒を減圧する減圧手段である。第3絞り23は、絞り開度が固定された固定絞り機構である。
中間圧冷媒流路24は、気液分離器22で分離された気相冷媒を、圧縮機21の中間圧ポート21cへ導くための冷媒流路である。
また、本実施形態のヒートポンプサイクル装置10は、中間圧冷媒流路24を開閉する第1開閉弁25と、第3絞り23を迂回して冷媒を流す第3絞り迂回流路26と、第3絞り迂回流路26を開閉する第2開閉弁27とを備えている。第1開閉弁25および第2開閉弁27は、それぞれ、電子制御装置40から出力される制御電圧によって、その開閉作動が制御される電磁弁である。
本実施形態では、電子制御装置40は、図10のフローチャートに示す制御処理を実行する。図10に示すフローチャートでは、第1実施形態で説明した図4のフローチャートに対して、ステップS6の後にステップS21が追加されているとともに、ステップS13の後にステップS22が追加され、さらに、ステップS15とステップS17との間に、ステップS23、S24が追加されている。
本実施形態では、ステップS5で運転モードを冷房運転に決定した場合、ステップS6〜S10に加えて、ステップS21を行う。このステップS21では、第1開閉弁25を閉じるともに、第2開閉弁27を開くことを決定する。これにより、中間圧冷媒流路24と第3絞り23に冷媒が流れない状態とされる。
そして、ステップS11で、ステップS6、S21、S7〜S10で決定された制御状態が得られるように電子制御装置40から制御対象機器へ制御信号あるいは制御電圧が出力される。これにより、冷房運転時では、第1実施形態の冷房運転時と同じ冷媒回路が形成される。
また、ステップS12で運転モードを暖房運転に決定した場合、ステップS13〜S17に加えて、ステップS22を行う。このステップS22では、第1開閉弁25を開くとともに、第2開閉弁27を閉じることを決定する。これにより、中間圧冷媒流路24と第3絞り23に冷媒が流れる状態とされる。
そして、ステップS15の後のステップS23では、圧縮機21の回転速度が最大でありながら、室内凝縮器12の暖房能力が不足しているか否かを判定する。具体的には、圧縮機21の回転速度=MAX、かつ、TAO―Tav>βであるか否かを判定する。TAOは目標吹出温度であり、Tavは室内凝縮器温度であり、βは所定値(例えば、0℃)である。
このとき、圧縮機21の回転速度=MAXと暖房能力不足の少なくとも一方を満たさない場合、否定(NO)判定されて、ステップS16に進み、第1実施形態と同様に、第1絞り13の入口冷媒の過冷却度SC_hotが目標過冷却度SCO_hotになるように、第1絞り13の絞り開度を決定する。一方、圧縮機21の回転速度=MAX、かつ、暖房能力不足である場合、肯定(YES)判定されて、ステップS24に進み、TavがTAOに近づくように、第1絞り13の絞り開度を決定する。TavがTAOよりも低い場合、前回の制御処理で決定した絞り開度(前回値)よりも増加させた絞り開度とし、TavがTAOを超えた場合、前回の制御処理で決定した絞り開度(前回値)よりも減少させた絞り開度とする。このように、本実施形態では、暖房能力不足か否かにより、第1絞り13の絞り開度の制御対象を切り替える。
その後、ステップS17では、第1実施形態と同様に、第2絞り15の絞り開度を決定する。なお、第2実施形態と同様に、第2絞り15の絞り開度を決定してもよい。そして、ステップS11で、上記の如く決定された制御状態が得られるように電子制御装置40から制御対象機器へ制御信号あるいは制御電圧が出力される。
これにより、本実施形態では、暖房運転時に、図11に示すように、ガスインジェクションサイクルが構成される。すなわち、圧縮機21の吐出ポート21aから吐出された高圧の冷媒が、室内凝縮器12で凝縮され、凝縮された高圧の冷媒が第1絞り13により中間圧まで減圧される。第1絞り13から流出した中間圧の冷媒は、気液分離器22にて気相冷媒と液相冷媒に分離される。気液分離器22にて分離された中間圧の液相冷媒は、第3絞り23により低圧まで減圧され、室外熱交換器14にて蒸発され、蒸発した低圧冷媒は第2絞り15により圧縮機21の吸入圧まで減圧され、アキュムレータ18を介して、圧縮機21の吸入ポート21bに吸入される。一方、気液分離器22にて分離された中間圧の気相冷媒は、中間圧冷媒流路24を介して、圧縮機21の中間圧ポート21cに導かれ、圧縮過程途中の冷媒に合流する。
本実施形態によれば、第1実施形態の効果に加えて、次の2つの効果を奏する。
第1の効果は、吐出冷媒温度上昇に伴う部品耐熱性向上などの部品変更を不要にできることである。これは、本実施形態では、暖房運転時に、圧縮機21の圧縮過程において、圧縮過程途中の過熱ガスと、中間圧ポート21cからインジェクションされた飽和ガスとが混合されため、圧縮仕事量を増加させるとともに、吐出ポート21aから吐出される冷媒の過度の温度上昇を抑制できるからである。なお、本実施形態では、吸入ポート21bから吸入する冷媒循環量に、インジェクションされた冷媒量が加わって、冷媒流量が増大するので、中間圧の気相冷媒を圧縮機に導入しない場合と比較して、圧縮仕事量を増加させることができる。
第2の効果は、所望の暖房能力が得られない状態の場合、電子制御装置40が、第1絞り13の開度を増加させることにより、暖房能力不足を解消できることである。
すなわち、本実施形態では、暖房運転時において、ステップS15、S16の如く、基本的には、所望の暖房能力が発揮されるように圧縮機21の回転速度が制御され、COPが最大となるように、第1絞り13の絞り開度が制御される。
そして、ステップS23、S24の如く、圧縮機21の回転速度が最大でありながら、所望の暖房能力が不足した場合では、TavがTAOに近づくように、第1絞り13の開度が増加される。これにより、中間圧ポート21cからインジェクションされる冷媒量が増大し、中間圧から高圧までの圧縮仕事量をさらに増加させることができる。これによって、暖房能力を増加でき、暖房能力不足を解消できる。
なお、第1の効果は、本実施形態のような2段膨張サイクルに限らず、中間圧の気相冷媒を圧縮機に導入する構成であれば、1段膨張サイクルや2段圧縮サイクル等の他のヒートポンプサイクル装置においても発揮されるものである。すなわち、本実施形態では、室内凝縮器12から流出した高圧冷媒を蒸発圧力まで2つの絞りで減圧膨張させたが(2段膨張サイクル)、高圧冷媒を蒸発圧力まで1つの絞りで減圧膨張させてもよい(1段膨張サイクル)。また、本実施形態では、中間圧の気相冷媒を、圧縮機の圧縮室に導入して圧縮過程途中の過熱ガスと混合させたが、低段側圧縮部と高段側圧縮部を有する2段圧縮機を用いた場合では、中間圧の気相冷媒を、低段側圧縮部から吐出されたガス冷媒と混合させ、この混合された冷媒を高段側圧縮部に吸入させてもよい(2段圧縮サイクル)。
(第4実施形態)
図12に示すように、本実施形態のヒートポンプサイクル装置10は、第1実施形態のヒートポンプサイクル装置10の構成に対して、図1中の三方弁16を開閉弁51に変更するとともに、冷房用絞り52を追加したものである。なお、本実施形態は、第2、第3実施形態にも適用可能である。
開閉弁51は、第2絞り15から流出した冷媒を室内蒸発器17を迂回させてアキュムレータ18に導く冷媒流路に配置されており、この冷媒流路を開閉するものである。開閉弁51は、電子制御装置40から出力される制御電圧によって、その開閉作動が制御される電磁弁である。
冷房用絞り52は、第2絞り15から流出した冷媒を室内蒸発器17に導く冷媒流路に配置されており、冷房運転時に、この冷媒流路の流路断面積を絞ることによって、室外熱交換器14から流出した冷媒を減圧させる減圧手段である。冷房用絞り52は、第1絞り13と同様の電気式の可変絞り機構であり、暖房運転時に、この冷媒流路を遮断するために、全閉機能を有する。
そして、本実施形態では、第1実施形態で説明した図4に示す制御処理を次のように変更する。
図4のステップS5で運転モードを冷房運転に決定し、ステップS6〜S10で各制御対象装置の作動状態を決定する際において、ステップS6とステップS10を変更する。ステップS6では、開閉弁51を閉じるに決定する。ステップS10では、第2絞り15の絞り開度を全開に決定するとともに、冷房用絞り52の絞り開度を所望の制御開度に決定する。この所望の制御開度は、第1実施形態で説明したステップS10での第2絞り15の絞り開度の決定と同様に、COPを最大値に近づけるための制御開度である。
これにより、冷房運転では、圧縮機11から吐出された冷媒が、室内凝縮器12、第1絞り13(全開開度)、室外熱交換器14、第2絞り15(全開開度)、冷房用絞り52(制御開度)、室内蒸発器17、アキュムレータ18の順に流れて、圧縮機11に戻る冷媒回路が形成される。
また、図4のステップS12で運転モードを暖房運転に決定し、ステップS13〜S17で各制御対象装置の作動状態を決定する際において、ステップS13を変更する。ステップS13では、開閉弁51を開くに決定するとともに、冷房用絞り52の絞り開度を全閉に決定する。これにより、暖房運転では、第1実施形態の暖房運転時と同じ冷媒回路が形成される。
本実施形態によれば、第1実施形態が奏する効果に加えて、次の効果を奏する。すなわち、本実施形態では、冷房用絞り52が、室外熱交換器14から室内蒸発器17までの冷媒流路のうち第2絞り15よりも室内蒸発器17に近い側に配置されている。このため、冷房運転時に、第2絞り15によって室外熱交換器14から流出した冷媒を減圧して低温低圧冷媒にする場合と比較して、低温低圧冷媒が流れる冷媒流路の長さを短縮化できる。これにより、低温低圧冷媒が冷媒流路を流れる際の外気への熱損失を低減することができる。
(第5実施形態)
図13に示すように、本実施形態のヒートポンプサイクル装置10は、第1実施形態のヒートポンプサイクル装置10に対して、室内凝縮器12を水冷媒熱交換器61に変更したものである。なお、本実施形態は、第2〜第4実施形態のいずれにも適用可能である。
水冷媒熱交換器61は、圧縮機11から吐出された高圧の吐出冷媒と水とを熱交換させて、吐出冷媒を放熱させるとともに、加熱対象としての水を加熱する放熱器(加熱用熱交換器)であり、ヒータコア62とともに温水回路60を構成する。温水回路60は、冷媒と熱交換した水(温水)を循環させる回路であり、水冷媒熱交換器61とヒータコア62とを配管で環状に接続することで構成されている。ここでいう水としては、例えば、エチレングリコール水溶液が用いられる。
ヒータコア62は、室内空調ユニット30のケーシング31内のうち室内蒸発器17よりも空気流れ下流側に配置されている。ヒータコア62は、温水と車室内送風空気とを熱交換させて、車室内送風空気を加熱する加熱用熱交換器である。
本実施形態では、暖房運転時に、水冷媒熱交換器61で圧縮機11から吐出された高圧の吐出冷媒と水とを熱交換させて、水を加熱して温水とし、ヒータコア62で温水と車室内送風空気とを熱交換させて、車室内送風空気を加熱することで、暖房を行う。
本実施形態によれば、電気自動車に搭載する室内空調ユニット30として、内燃機関(エンジン)から車両走行用の駆動力を得る車両に搭載され、エンジン冷却水を熱源として車室内送風空気を加熱するヒータコアを備える一般的な室内空調ユニットを、大幅に変更することなく採用できる。
(第6実施形態)
図14に示すように、本実施形態では、本発明に係るヒートポンプサイクル装置10を、ヒートポンプ式給湯機2に適用している。本実施形態のヒートポンプサイクル装置10では、冷媒として二酸化炭素を採用しており、高圧冷媒の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルを構成している。
本実施形態のヒートポンプサイクル装置10は、圧縮機11と、水冷媒熱交換器71と、第1絞り13と、室外熱交換器14と、第2絞り15と、アキュムレータ18と、電子制御装置40とを備えている。
水冷媒熱交換器71は、給湯タンク72と配管によって接続されており、給湯タンク72内部の給湯水が、水冷媒熱交換器71と給湯タンク72との間を循環するように構成されている。水冷媒熱交換器71は、圧縮機11から吐出された高圧の吐出冷媒と給湯水とを熱交換させて、吐出冷媒を放熱させるとともに、加熱対象としての給湯水を加熱する放熱器(加熱用熱交換器)である。
電子制御装置40は、ヒートポンプサイクル装置10の加熱運転時に、第1実施形態の暖房運転時と同様に、圧縮機11の回転速度と、第1絞り13の絞り開度と、第2絞り15の絞り開度とを制御する。これにより、圧縮機11から吐出された冷媒が、水冷媒熱交換器71、第1絞り13(制御開度)、室外熱交換器14、第2絞り15(制御開度)、アキュムレータ18の順に流れて、圧縮機11に戻る冷媒回路が形成される。このとき、水冷媒熱交換器71で給湯水が冷媒と熱交換して加熱される。また、室外熱交換器14で冷媒が外気と熱交換して蒸発する。したがって、本実施形態の室外熱交換器14は室外蒸発器である。
本実施形態においても、水の加熱運転時に、第1実施形態と同様に、圧縮機11の回転速度と、第2絞り15の絞り開度とを制御するので、水冷媒熱交換器71の放熱能力の低下を抑制しつつ、室外熱交換器14の着霜を抑制できる。
(他の実施形態)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、下記のように、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
(1)上記各実施形態では、電子制御装置40が、暖房運転時に、室外熱交換器14の温度が着霜しない温度となるように、第2絞り15の絞り開度を制御していたが、着霜を抑制できる温度となるように、第2絞り15の絞り開度を制御してもよい。着霜を抑制できる温度とは、露点温度よりも若干低い温度である。
(2)上記各実施形態では、室外蒸発器14の温度Toを検出する温度検出手段として、第2冷媒温度センサ43を用い、室外蒸発器14の温度Toとして、第2冷媒温度センサ43によって検出された冷媒温度を用いたが、室外蒸発器14の温度Toを検出する温度検出手段として、室外蒸発器14のフィンやチューブの表面温度を検出する温度センサを用いたり、室外蒸発器14の内部冷媒もしくは出口冷媒の圧力を検出する圧力センサを用いたりしてもよい。これらの場合、温度センサの検出温度や、圧力センサの検出圧力から算出した冷媒温度を、室外蒸発器14の温度Toとして用いる。
(3)上記各実施形態では、室外蒸発器14の温度Toを検出する温度検出手段を用い、その検出温度Toが、露点温度Tdpに応じて決定された室外蒸発器14の目標温度Tooになるように、電子制御装置40が第2絞りの絞り開度を制御したが、例えば、室外蒸発器14の内部冷媒もしくは出口冷媒の圧力が、露点温度に応じて決定される室外蒸発器14の目標温度に対応する目標圧力値となるように、第2絞りの絞り開度を制御してもよい。要するに、本発明では、室外蒸発器14の温度に関連した物理量を検出する物理量検出手段を用い、その検出値が、露点温度に応じて決定される室外蒸発器14の目標温度に対応する目標値となるように、電子制御装置40が第2絞りの絞り開度を制御すればよい。
(4)上記各実施形態では、室内凝縮器12の温度Tavを検出する温度検出手段として、冷媒圧力センサ42を用い、室内凝縮器12の温度Tavとして、室内凝縮器12の出口冷媒の圧力PHに基づいて算出された冷媒飽和温度を用いたが、室内凝縮器12の温度Tavを検出する温度検出手段として、室内凝縮器12のフィンやチューブの表面温度を検出する温度センサを用いたり、室内凝縮器12の通過後の空気温度を検出する温度センサを用いたりしてもよい。なお、これらの場合、第2絞り15の開度制御に用いる冷媒圧力センサ42とは別に室内凝縮器12の温度Tavを検出する温度センサが必要となる。このため、センサの数を減らすという観点では、第1実施形態のように、室外蒸発器14の温度を検出する温度検出手段として、冷媒圧力センサ42を用いることが好ましい。
また、上記各実施形態では、室内凝縮器12の温度Tavを検出する温度検出手段を用い、その検出温度Tavが目標吹出温度TAOとなるように、圧縮機11の冷媒吐出能力を制御したが、例えば、室内凝縮器12の内部冷媒もしくは出口冷媒の圧力が、所望の暖房能力に対応する目標圧力値となるように、電子制御装置40が圧縮機11の冷媒吐出能力を制御してもよい。要するに、本発明では、室内凝縮器12における暖房能力に関連した物理量を検出する物理量検出手段を用い、その検出値が、所望の暖房能力に対応する目標値となるように、圧縮機11の冷媒吐出能力を制御すればよい。
(5)上記各実施形態では、圧縮機として電動圧縮機を採用したが、電動圧縮機以外の圧縮機を採用してもよい。例えば、内燃機関を駆動源とする可変容量式の圧縮機を採用してもよい。このような圧縮機を採用する場合としては、ハイブリッド車両に搭載される車両用空調装置において、ヒータコアと室内凝縮器とを併用し、内燃機関の稼働時に室内凝縮器を使用する場合等が挙げられる。
(6)上記各実施形態では、第2絞り15として、可変絞り機構を採用したが、第2絞り15を冷房運転時の減圧手段として用いない場合であれば、第2絞り15として、固定絞りを採用しても良い。この場合、図15に示すように、第2絞り15を迂回する迂回流路81と、その迂回流路81を開閉する開閉弁82を設ける。そして、暖房運転時や加熱運転時に、開閉弁82を閉じて第2絞り15によって冷媒が減圧されるようにする。また、このときの第2絞り15の絞り開度を、所定条件のときに、室外熱交換器14の温度が着霜を抑制できる温度となる絞り開度にしておくことで、第1実施形態と同様の効果を奏する。なお、第2絞り15として固定絞りを採用する場合では、室外熱交換器14の温度が着霜を抑制できる温度となるように、開閉弁82の開閉状態を断続的に切り替えてもよい。
(7)上記各実施形態では、露点温度検出手段として外気温度センサ44と外気湿度センサ45とを用いたが、露点温度を直接検出できる露点温度センサを用いてもよい。
(8)上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。