JP3595542B2

JP3595542B2 - ヒートポンプ式自動車用空気調和装置

Info

Publication number: JP3595542B2
Application number: JP2002090729A
Authority: JP
Inventors: 圭俊野田; 博之山口
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Calsonic Kansei Corp
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2016-09-30
Also published as: JP2002301929A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の車室内をエンジン冷却水と冷媒を用いて冷暖房するヒートポンプ式自動車用空気調和装置に関し、特にエバポレータへ流れる冷媒量を適切に制御できるヒートポンプ式自動車用空気調和装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高級車や車室内空間が大きいワンボックスカーでは、室内全体が快適な空調状態となるように、車室内の前方領域と後方領域とをフロントユニットとリヤーユニットとによってそれぞれ独立に空気調和するデュアルエアコンが広く採用されている。
【０００３】
この種のデュアルエアコンのなかでもヒートポンプ式の自動車用空気調和装置は、暖房運転時において、フロントユニットでは、エンジンにより加熱されたエンジン冷却水を熱源として利用する一方で、リヤーユニットでは、コンプレッサにより圧縮された高温高圧の冷媒を熱源として利用し、外部空気から熱を汲み上げて使用するシステムとなっている。
【０００４】
ところが、暖房運転する場合、例えば、冬季の朝のように外気温度が低いときには、起動時にエンジン冷却水の温度も低く、また冷媒温度の上昇速度も俊敏でないため、運転開始と同時に暖かい空気が吹き出る状態にはならず、いわゆる即暖性に欠け、暖房性能も不足気味となる虞がある。特に、ディーゼルエンジンを搭載した車室内空間の大きいワンボックスカーでは、通常のガソリンエンジン車に比し、エンジン冷却水の温度上昇が遅く、しかも広い空間を暖房しなければならないことから、即暖性、暖房性能ともに不足する傾向がある。
【０００５】
したがって、本件出願人は、このような課題を解消すべく、エンジン冷却水の熱を利用して冷媒を加熱し、エンタルピー変化した冷媒を使用し、より高い暖房性能を発揮するようにしたヒートポンプ式自動車用空気調和装置を提案した（特願平７−２７１，６２１号参照）。
【０００６】
この自動車用空気調和装置は、図３に示すように、リヤーユニット２０の第２熱交換器２２から流出した冷媒を、サブ熱交換器３０に流入させ、このサブ熱交換器３０にエンジン２から温水コック１１ｂを通って導入されているエンジン冷却水により加熱するようにしたものである。なお、図３中、「３」は第１コンデンサ、「１０」はフロントユニット、「１１」はヒータコア、「１２」は第１熱交換器である。
【０００７】
従来では低温のため空気と熱交換しても直ちに暖房用としては使用できなかったエンジン冷却水を、当該サブ熱交換器３０において、極めて低温の冷媒と熱交換させることにより、エンジン冷却水が保有する熱を有効に冷媒に取り込んだ後に、コンプレッサ２に戻し、再度これを加圧することになるので、当該コンプレッサ１から吐出された冷媒は、高温の等エントロピー変化した冷媒となって第２コンデンサ２１に流入する。
【０００８】
この結果、第２コンデンサ２１において熱交換された空気は、より高温となり、高い暖房性能を発揮し、即暖性も向上することになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このように構成された自動車用空気調和装置では、第２熱交換器２２の入口側に設けられた第２膨張弁５ｂの開度は、当該第２熱交換器２２の出口側に設けられた感温筒４０により制御されていた。
【００１０】
このため、第１熱交換器１２の冷媒量が、第１熱交換器１２の熱負荷に応じた量よりも少なくなり、フロントユニット１０において暖房不足となることがあった。
【００１１】
そこで、従来では、暖房時には、第２熱交換器２２の出口側に設けられた感温筒４０にヒータを取り付け、熱負荷が大きい場合には感温筒を加熱して誤認識させることにより、第２膨張弁５ｂの開度を大きくし、もってフロントユニット１０の冷媒量を確保していた。かかる制御はヒータを必要とするだけでなく、熱負荷の大小を検知するための別の電子部品も必要とするため、コスト的に不利である。
【００１２】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、熱負荷に応じた適切な冷媒量を制御できるヒートポンプ式の自動車用空気調和装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の本発明は、コンプレッサ及び第１コンデンサとともに冷房サイクルを構成する第１熱交換器、及びエンジン冷却水が流通するヒータコアが配置された第１ユニットと、開閉弁を用いて前記冷房サイクルの冷媒の一部が導入されるように前記第１熱交換器と並列的に接続された第２コンデンサ及び第２熱交換器が配置された第２ユニットと、前記第２熱交換器の入口側に設けられた第２膨張弁とを有し、前記第２熱交換器から流出した冷媒を前記第１及び第２ユニット外に設けられたサブ熱交換器に導き、当該サブ熱交換器に導かれた冷媒を前記エンジン冷却水の一部で加熱して前記コンプレッサに帰還させるヒートポンプ式自動車用空気調和装置において、前記サブ熱交換器と前記コンプレッサとの間の冷媒温度を検知する感温手段を有し、該感温手段により検出された冷媒温度に応じて前記第２膨張弁の開度を制御することを特徴とするヒートポンプ式自動車用空気調和装置を提供する。
【００１６】
この請求項１記載の発明では、第１熱交換器及びサブ熱交換器と、コンプレッサとの間の冷媒温度を検知する感温手段を有し、感温手段により検出された冷媒温度に応じて第２膨張弁の開度を制御する。すなわち、２つのユニットを有する自動車用空気調和装置においても、第１熱交換器、第２熱交換器およびサブ熱交換器の３つの熱交換器を総合した熱負荷を検出し、これによって最上流側にある第２膨張弁の開度を調節するので、コンプレッサに帰還する冷媒量は、冷房サイクル全体の熱負荷に応じた冷媒量に制御され、その結果、第１熱交換器および第２熱交換器における冷房能力は適切なものとなる。
【００１７】
また、本発明では、感温手段の取付位置を考慮することで、コンプレッサに帰還する冷媒量が制御できるので、従来使用していた感温筒の加熱ヒータが不要となり、コストダウンを図ることもできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施の形態を示す概略構成図であり、図３と共通する部材には同一の符号を付してある。また、図中白抜き矢印は空気の流れを、実線矢印は冷媒の流れを、破線矢印はエンジン冷却水の流れを示している。
【００２０】
図１に示すように、本実施の形態は、図示しないインテークユニットから選択的に取り入れられた内外気を空気調和して前席に吹き出す第１ユニットであるフロントユニット１０と、内気を空気調和して後席に吹き出す第２ユニットであるリヤーユニット２０とを有する、いわゆるデュアルエアコンである。
【００２１】
フロントユニット１０は、ケーシングにより形成された風路１０ｆ内に、白抜き矢印で示す空気の流れ方向上流側から順に、インテークユニット、インテークドアとブロワモータ（いずれも図示せず）、そして、第１熱交換器１２及びヒータコア１１が配置され、また空気の流れ方向下流側には、図示しない車室内への吹出口が設けられている。なお、当該フロントユニット１０には、ヒータコア１１の前面にエアミックスドア（図示せず）を設け、温風と冷風の比率を調節してヒータコア１１の下流域で所定温度の空気を作ったり、あるいはヒータコア１１内に空気が流通しないようにしている。
【００２２】
また、ヒータコア１１には、温水コック１１ａを開放することによりエンジン２から流出したエンジン冷却水が導入されるようになっている。
【００２３】
一方、リヤーユニット２０は、ケーシングにより形成された風路２０ｆ内に、白抜き矢印で示す空気の流れ方向上流側から順に、第２熱交換器２２及び第２コンデンサ２１が配置されている。なお、当該リヤーユニット２０も、第２コンデンサ２１の前面にエアミックスドア（図示せず）を設け、温風と冷風の比率を調節して第２コンデンサ２１の下流域で所定温度の空気を作ったり、あるいは第２コンデンサ２１内に空気が流通しないように構成している。
【００２４】
これらフロントユニット１０およびリヤーユニット２０にそれぞれ設けられた第１熱交換器１２、第２コンデンサ２１および第２熱交換器２２を構成部品として、本実施の形態では、コンプレッサ１、第１コンデンサ３、リキッドタンク４ａ、第１開閉弁Ｖ１、第１膨張弁５ａ、第１熱交換器１２が冷媒配管で接続された第１の冷房サイクルと、この第１熱交換器１２に対して並列的に、第２開閉弁Ｖ２、第２コンデンサ２１、リキッドタンク４ｂ、第２膨張弁５ｂ、第２熱交換器２２、サブ熱交換器３０が冷媒配管で接続された第２の冷房サイクルとを有している。また、冷房運転と暖房運転とを同じサイクルで実現できるように、コンプレッサ１から吐出された冷媒が第１コンデンサ３を迂回するためのバイパス回路３Ｂが設けられている。そして、第１コンデンサ３とバイパス回路３Ｂとの切り替えは、四方弁７によって行われ、暖房運転時においては、コンプレッサからの吐出冷媒はバイパス回路３Ｂへ導かれ、冷房運転時においては、第１コンデンサ３へ導かれる。また、上述した第１の冷房サイクルと第２の冷房サイクルへの切り替えは、第１開閉弁Ｖ１および第２開閉弁Ｖ２の開閉動作の組み合わせによって行われる。
【００２５】
サブ熱交換器３０は、例えば図２に示すような形状をなし、フロントユニット１０及びリヤーユニット２０の風路１０ｆ，２０ｆ外に設けられている。このサブ熱交換器３０には、エンジン冷却水が、前記エンジン１から温水コック１１ｂを開放することにより導入され、内部を流れる冷媒と熱交換される。このサブ熱交換器３０においては、内部を流通する冷媒がエンジン冷却水により加熱されることで、コンプレッサ１にて等エンタルピー変化した冷媒が高い暖房性能を発揮するようにしている。
【００２６】
特に、本実施の形態では、第２熱交換器２２の入口側に設けられた第２膨張弁５ｂの弁開度を、コンプレッサ１の直前、すなわち、サブ熱交換器３０の下流側であって、かつ第１熱交換器１２の下流側に設けられた感温筒４０により制御する。この感温筒４０は、冷媒配管の表面に取り付けられ、当該コンプレッサ１の直前の冷媒配管を通過する冷媒温度を検知し、これを機械的に第２膨張弁５ｂにフィードバックする。
【００２７】
そして、コンプレッサ１の直前の冷媒温度が高いときは第２膨張弁５ｂの弁開度を大きくし、逆に冷媒温度が低いときは第２膨張弁５ｂの弁開度を小さくする。コンプレッサ１に帰還する冷媒の温度が高いということは、冷房サイクルにおける熱負荷が大きいことであり、したがって、第２膨張弁５ｂの弁開度を大きくすることによりコンプレッサ１へ帰還する冷媒量を増加させ、もって多量の冷媒をサイクル内へ供給する。これにより、熱負荷が大きくてもこれに応じて多量の冷媒がサイクル内へ供給されるので適切な暖房ができる。
【００２８】
逆に、コンプレッサ１に帰還する冷媒温度が低いということは、冷房サイクルの熱負荷が小さいということであり、このような場合には第２膨張弁５ｂの弁開度を小さくしてコンプレッサ１へ帰還する冷媒量を減少させ、これによりサイクル内へ供給する冷媒量を少なくする。これにより、熱負荷が小さい場合であってもそれに応じて少量の冷媒を供給でき、適切な暖房ができる。
【００２９】
特に、本実施の形態では、感温筒４０をコンプレッサ１の直前に設けているので、第２膨張弁５ｂの弁開度は、第１熱交換器１２、第２熱交換器２２およびサブ熱交換器３０の３つの熱交換器を総合した熱負荷を検知して制御することとなり、冷房サイクル全体の熱負荷に応じた適切な冷媒量とすることができる。
【００３０】
次に、全体の動作を説明する。
（１）暖房運転時
前後席共に暖房する場合には、まず第１開閉弁Ｖ１を閉じ、第２開閉弁Ｖ２を開くとともに、四方弁７を切り替えて冷媒がバイパス回路３Ｂへ流れるようにセットする。
【００３１】
この状態で、コンプレッサ１を作動すると、コンプレッサ１から吐出された高温高圧の冷媒は、四方弁７→バイパス回路３Ｂ→リキッドタンク４ａ→第２開閉弁Ｖ２→第２コンデンサ２１→リキッドタンク４ｂと流れ、さらにこの冷媒は、第２膨張弁５ｂ→第２熱交換器２２→サブ熱交換器３０と流れてコンプレッサ１に帰還する。
【００３２】
また、温水コック１１ａ，１１ｂはともに開放し、エンジン１の始動によりヒータコア１１にもある程度温度上昇したエンジン冷却水が流通させるとともに、サブ熱交換器３０にもエンジン冷却水を流通させておく。
【００３３】
これにより、フロントユニット１０では、第１熱交換器１２は機能しないものの、取り入れ空気はヒータコア１１を通過することにより加熱される。したがって、当該フロントユニット１０から室内へ温風が供給される。
【００３４】
一方、リヤーユニット２０では、リキッドタンク４ａを流出した高温高圧の冷媒が、第２開閉弁Ｖ２を介して第２コンデンサ２１に入る。ここで車室内空気と熱交換し、空気を加熱した後に凝縮し、中温高圧の冷媒となり、第２膨張弁５ｂで断熱膨張され、より低い温度で低圧の冷媒となり、第２熱交換器２２に入る。ここで車室内空気と熱交換し、空気を冷却した後に蒸発し、低温低圧の冷媒となってサブ熱交換器３０へと流れる。
【００３５】
したがって、車室内空気は、まず第２熱交換器２２において、冷却された後に、第２コンデンサ２１で加熱されるので、リヤーユニットにおいては除湿された温風を室内へ供給することができる。
【００３６】
また、第２コンデンサ２１による加熱効果はサブ熱交換器３０によってさらに高くなる。すなわち、サブ熱交換器３０を流れる低温低圧の冷媒は、外気及び温水の熱を取り込み、温度上昇し、エンタルピー変化し、これがコンプレッサに戻されて再度圧縮されるので、コンプレッサ１から吐出される冷媒の温度は上昇し、高い暖房性能が発揮され、即暖性が向上する。
【００３７】
つまり、コンプレッサ１に戻される冷媒は、第２熱交換器２２で空気により加熱されるとともに、サブ熱交換器３０でエンジン冷却水により加熱される、いわば２段階加熱方式となり、これによりコンプレッサ１により圧縮された冷媒の温度上昇はさらに加速される。しかも、コンプレッサ１に帰還し再度圧縮された冷媒は、再度第２コンデンサ２１及び第２熱交換器２２に至ると、ここで再度加熱され、より高温となり、より高い暖房性能を発揮し、高温空気を車室内に吹き出すことになる。この傾向は時間が経過するにしたがって増幅され、いわゆる即暖性が向上することになる。
【００３８】
また、この運転を暫く継続して行なっている間にエンジン冷却水温が温度上昇して来ると、フロントユニット１０においては、ヒータコア１１の加熱能力が高まるとともにサブ熱交換器３０による冷媒の加熱能力も高まるので、これらの相乗的効果により相当高温の空気が吹き出されることにもなる。
（２）冷房運転時
前後席を冷房する場合には、第１開閉弁Ｖ１および第２開閉弁Ｖ２の開閉状態の組み合わせによって、フロントクーラ、デュアルクーラ、リヤクーラの何れかが選択できる。
【００３９】
すなわち、前席のみの冷房を行なう場合には、四方弁７を切り替えて、コンプレッサ１からの冷媒が第１コンデンサ３へ流れるようにセットしたのち、第１開閉弁Ｖ１を開き、第２開閉弁Ｖ２を閉じる。これにより、コンプレッサ１から吐出された高温高圧の冷媒は、四方弁７→第１コンデンサ３→リキッドタンク４ａ→第１開閉弁Ｖ１→第１膨張弁５ａ→第１熱交換器１２と流れコンプレッサ１に帰還する。これによって、第１熱交換器１２は、フロントユニット１０に取り入れられた空気は当該第１熱交換器１２で冷却されて、前部座席に冷却空気が供給される。
【００４０】
また、前席および後席ともに冷房するデュアルクーラとして使用する場合には、四方弁７を切り替えて、コンプレッサ１からの冷媒が第１コンデンサ３へ流れるようにセットしたのち、第１開閉弁Ｖ１および第２開閉弁Ｖ２をともに開く。これにより、コンプレッサ１から吐出された高温高圧の冷媒は、四方弁７→第１コンデンサ３→リキッドタンク４ａと流れ、ここで分岐して、一部の冷媒は、第１開閉弁Ｖ１→第１膨張弁５ａ→第１熱交換器１２と流れコンプレッサ１に帰還する。また、残りの冷媒は、第２開閉弁Ｖ２→第２コンデンサ２１→リキッドタンク４ｂ→第２膨張弁５ｂ→第２熱交換器２２→サブ熱交換器３０と流れコンプレッサ１に帰還する。
【００４１】
この結果、フロントユニット１０に取り入れられた空気は第１熱交換器１２で冷却されて、前部座席を冷房する。また、リヤーユニット２０においては、取り入れられた空気は第２熱交換器２２によって冷却され、後部座席に冷却空気が供給される。これにより、デュアルクーラが実現される。
【００４２】
また、後席のみを冷房する場合には、四方弁７を切り替えて、コンプレッサ１からの冷媒が第１コンデンサ３へ流れるようにセットしたのち、第２開閉弁Ｖ２を開き、第１開閉弁Ｖ１を閉じる。これにより、コンプレッサ１から吐出された高温高圧の冷媒は、四方弁７→第１コンデンサ３→リキッドタンク４ａ→第２開閉弁Ｖ２→第２コンデンサ２１→リキッドタンク４ｂ→第２膨張弁５ｂ→第２熱交換器２２→サブ熱交換器３０と流れコンプレッサ１に帰還する。
【００４３】
この結果、フロントユニット１０の第１熱交換器１２には冷媒が流れないので、エバポレータとして機能せず、一方、リヤーユニット２０においては、第２コンデンサ２１はほとんど機能せず、第２熱交換器２２が空気を冷却する。この結果、リヤーユニット２０は第２熱交換器２２によって冷却された空気が後部座席にのみ供給される。
【００４４】
このような全ての冷房時において、感温筒４０は、第１熱交換器１２、第２熱交換器２２およびサブ熱交換器３０の熱負荷を全て含んだ検出位置で検出し、第２膨張弁５ｂの弁開度を制御するので、冷房サイクル内に供給される冷媒量はいつでも適切なものとなり、その結果、冷房能力を遺憾なく発揮できる。
【００４５】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、第１ユニットと第２ユニットを有する自動車用空気調和装置に関するものであるが、本発明は、必ずしもこのような２つのユニットを有するもののみに限定されるものではなく、１つのユニットあるいは３つのユニット等、ユニットの個数に関係なく適用できるものである。
【００４６】
また、第１コンデンサ３に寝込んだ冷媒をコンプレッサ１に戻す戻し回路を第１コンデンサ３とコンプレッサ１との間に設けても良い。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１記載の発明によれば、第１熱交換器、第２熱交換器およびサブ熱交換器の３つの熱交換器を総合した熱負荷を検出し、これによって最上流側にある第２膨張弁の開度を調節するので、コンプレッサに帰還する冷媒量は、冷房サイクル全体の熱負荷に応じた冷媒量に制御され、その結果、第１熱交換器および第２熱交換器における冷房能力は適切なものとなる。
【００４９】
また、本発明では、感温手段の取付位置を考慮することで、コンプレッサに帰還する冷媒量が制御できるので、従来使用していた感温筒の加熱ヒータが不要となり、コストダウンを図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係る感温筒と第２膨張弁を示す概略構成図である。
【図３】従来の自動車用空気調和装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１…コンプレッサ、
２…エンジン、
３…第１コンデンサ、
５ｂ…第２膨張弁、
１０…フロントユニット（第１ユニット）、
１１…ヒータコア、
１２…第１熱交換器、
２０…リヤーユニット（第２ユニット）、
２１…第２コンデンサ、
２２…第２熱交換器、
３０…サブ熱交換器、
４０…感温筒（感温手段）。

Claims

コンプレッサ(1)及び第１コンデンサ (3) とともに冷房サイクルを構成する第１熱交換器 (12) 、及びエンジン冷却水が流通するヒータコア (11) が配置された第１ユニット (10) と、開閉弁 (V1,V2) を用いて前記冷房サイクルの冷媒の一部が導入されるように前記第１熱交換器 (12) と並列的に接続された第２コンデンサ (21) 及び第２熱交換器 (22) が配置された第２ユニット (20) と、前記第２熱交換器 (22) の入口側に設けられた第２膨張弁 (5b) とを有し、前記第２熱交換器 (22) から流出した冷媒を前記第１及び第２ユニット (10,20) 外に設けられたサブ熱交換器(30)に導き、当該サブ熱交換器 (30) に導かれた冷媒を前記エンジン冷却水の一部で加熱して前記コンプレッサ(1)に帰還させるヒートポンプ式自動車用空気調和装置において、
前記サブ熱交換器(30)と前記コンプレッサ(1)との間の冷媒温度を検知する感温手段(40)を有し、該感温手段(40)により検出された冷媒温度に応じて前記第２膨張弁 (5b)の開度を制御することを特徴とするヒートポンプ式自動車用空気調和装置。