WO2011118483A1

WO2011118483A1 - ヒートポンプ式車両用空調システムの運転方法

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Publication number: WO2011118483A1
Application number: PCT/JP2011/056327
Authority: WO
Inventors: 木村謙三; 山岡大祐; 江崎秀範; 増沢航介; 小林聡
Original assignee: 本田技研工業株式会社
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2011-09-29
Also published as: EP2551135A4; EP2551135A1; EP2551135B1; JPWO2011118483A1; CN102802976A; US20130014523A1

Abstract

ヒートポンプ式車両用空調システム（１０）の運転方法は、ヒータ（２６）による空調用空気の吐温度を上昇させる寒冷時運転モード、及び暖房ＣＯＰを向上させる通常時運転モードを設定する工程と、車外温度及び車内温度を検出する工程と、検出された前記車外温度及び前記車内温度に基づいて、前記寒冷時運転モード又は前記通常時運転モードのいずれかを選択することにより、コンデンサ（３２）をバイパスして前記ヒータ（２６）の下流に気液分離式液冷媒体貯留部（３４）を直列に連結するバイパスユニット（４０）に含まれる電子膨張弁（４３）の開度を制御して冷媒体に付与される圧損を調整する工程とを有している。

Description

ヒートポンプ式車両用空調システムの運転方法

　本発明は、車両に搭載されて乗員用のキャビンの空調を行うためのヒートポンプ式車両用空調システムの運転方法に関する。

　車両、例えば、内燃エンジンを組み込むエンジン自動車、エンジンと二次電池（又は二次電池と燃料電池等）とを併用するハイブリッド自動車、電気自動車及び燃料電池自動車等の自動車に対応して、種々の車両用空調システムが採用されている。

　例えば、特開２００９－２３５６４号公報に開示されている車両用空調装置は、図１２に示すように、冷媒を吸入して吐出する圧縮機１と、空調ユニットケース２内に設けられ、暖房モード時に前記圧縮機１から吐出された冷媒と空気とを熱交換させて空気を加熱する凝縮器３と、前記暖房モード時に前記凝縮器３からの冷媒が流入して気液分離を行うレシーバ４と、前記暖房モード時に前記レシーバ４から流入した液冷媒を外気と熱交換して過冷却する過冷却器５と、前記暖房モード時に前記過冷却器５で過冷却された冷媒を減圧する減圧装置６と、前記暖房モード時に前記減圧装置６で減圧された冷媒を蒸発させる室外熱交換器７とを有している。

　この車両用空調装置によれば、レシーバ４によるサブクール（過冷却度）の確保に加えて、前記レシーバ４の下流側に配置した過冷却器５で暖房モード時に外気を利用してさらに確実にサブクールを確保することができ、比較的簡単なサイクル構成により、高効率で暖房性能にも優れた車両用空調装置を提供することができる、としている。

　しかしながら、上記の特開２００９－２３５６４号公報では、レシーバ４及び過冷却器５が暖房モード時にのみに使用されるものであり、冷房モード時には不要になっている。従って、暖房モード時の専用部品点数が増加してしまい、経済的ではない。

　しかも、特開２００９－２３５６４号公報では、冷房モード時、冷却された室外熱交換器７に液状冷媒が滞留する際、冷媒量の不足を補うためのバッファ部が備えられていない。このため、冷媒不足による空調性能の低下が惹起される。

　本発明はこの種の問題を解決するものであり、車室内外の温度に応じて暖房性能優先か運転効率優先かを選択することができ、良好な空調性能と経済性を提供することが可能なヒートポンプ式車両用空調システムの運転方法を提供することを目的とする。

　本発明は、圧縮機を介して冷媒体を循環させるヒートポンプ循環路に配置され、前記冷媒体と外気とで熱交換を行うコンデンサと、前記ヒートポンプ循環路に配置され、前記冷媒体と空調用空気とで熱交換を行う第１エバポレータと、前記ヒートポンプ循環路に配置され、前記圧縮機から送出される前記冷媒体と前記第１エバポレータを通過した前記空調用空気とで熱交換を行うヒータと、前記ヒートポンプ循環路から分岐する分岐路に配置され、キャビンから排出される熱媒体と前記冷媒体とで熱交換を行う第２エバポレータと、前記コンデンサの下流に配置される気液分離式冷媒体貯留部と、前記気液分離式冷媒体貯留部の下流に配置されるサブコンデンサと、暖房運転時に、前記コンデンサをバイパスして前記ヒータの下流に前記気液分離式冷媒体貯留部を直列に連結させるとともに、前記冷媒体に圧損を付与する圧力損失部を備えるバイパスユニットと、車外温度及び車内温度を検出する温度検出部とを備えるヒートポンプ式車両用空調システムの運転方法に関するものである。

　この運転方法は、ヒータによる空調用空気の吐気温度を上昇させる寒冷時運転モード、及び電力に対する暖房効率を向上させる通常時運転モードを設定する工程と、車外温度及び車内温度を検出する工程と、検出された前記車外温度及び前記車内温度に基づいて、前記寒冷時運転モード又は前記通常時運転モードのいずれかを選択し、圧力損失部を制御する工程とを有している。

　本発明では、圧力損失部を制御して冷媒体に圧損が付与されると、前記冷媒体の圧力が高くなって圧縮機の仕事量が増加する。このため、ヒータにより熱交換される空調用空気は、吐気温度が上昇されてキャビンを急速暖房することができる（寒冷時運転モード）。

　一方、冷媒体に付与される圧損が低減されると、前記冷媒体の圧力が低下して圧縮機の仕事量が減少する。従って、暖房ＣＯＰ（暖房能力／暖房消費電力）が向上し、経済的な暖房運転が遂行可能になる（通常時運転モード）。

　これにより、車室内外の温度に応じて暖房性能優先か運転効率優先かを選択することができ、良好な空調性能と経済性を提供することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る運転方法が適用されるヒートポンプ式車両用空調システムの概略ブロック図である。前記車両用空調システムの暖房運転時の概略説明図である。前記運転方法を説明するフローチャートである。寒冷時運転モードにおけるモリエル線図上に示されたサイクル図である。車外温度及び車内温度と運転状況との関係説明図である。電子膨張弁の開度制御の説明図である。前記電子膨張弁の開度と消費電力及び暖房ＣＯＰとの関係説明図である。通常時運転モードにおけるモリエル線図上に示されたサイクル図である。本発明の第２の実施形態に係る運転方法が適用されるヒートポンプ式車両用空調システムの概略説明図である。キャピラリとバイパス路との切り換え制御の説明図である。前記キャピラリ及び前記バイパス路の切り換えと、消費電力及び暖房ＣＯＰとの関係説明図である。特開２００９－２３５６４号公報に開示されている車両用空調装置の説明図である。

　図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る運転方法が適用されるヒートポンプ式車両用空調システム１０は、自動車（車両）１２に搭載されており、乗員用のキャビン（車室）１４の空調を行う。

　空調システム１０は、コンプレッサ（圧縮機）１６を介して冷媒体を循環させるヒートポンプ循環路１８を備える。ヒートポンプ循環路１８には、冷媒体と外気とで熱交換を行うコンデンサユニット（サブクールコンデンサ）２０と、前記コンデンサユニット２０から送られる前記冷媒体を減圧させる膨張弁２２と、前記膨張弁２２を通過した前記冷媒体と空調用空気とで熱交換を行う第１エバポレータ２４と、前記コンプレッサ１６から送出される前記冷媒体と前記第１エバポレータ２４を通過した前記空調用空気とで熱交換を行うヒータ２６とが配置される。

　ヒートポンプ循環路１８から分岐路２８が分岐するとともに、前記分岐路２８には、キャビン１４から排出される熱媒体（キャビン１４からの排熱気体）と冷媒体で熱交換を行う第２エバポレータ３０が配置される。

　コンデンサユニット２０は、ヒータ２６の下流に直列に連結され、冷房時に、冷媒体が流通されるコンデンサ（凝縮部）３２、気液分離式冷媒体貯留部（サブクールタンク）３４及びサブコンデンサ（過冷却部）３６を備える。コンデンサ３２の上流側には、電磁弁３８ａが配置される。

　ヒートポンプ循環路１８には、暖房時に、コンデンサ３２をバイパスしてヒータ２６と気液分離式冷媒体貯留部３４とを連結するためのバイパスユニット４０が設けられる。バイパスユニット４０は、ヒートポンプ循環路１８から分岐してコンデンサユニット２０を構成する気液分離式冷媒体貯留部３４に接続される第１バイパス路４２ａを備える。この第１バイパス路４２ａには、冷媒体に圧損を付与する圧力損失部として、例えば、開度が電気信号で調整可能な電子膨張弁４３が配設される。なお、電子膨張弁４３に代えて、自動絞り弁や自動流量調整弁、固定絞り等を使用してもよい。

　膨張弁２２は、空調用空気を冷却する第１エバポレータ２４から送出された冷媒体の温度を検出する手段（図示せず）を有する。この膨張弁２２は、第１エバポレータ２４から送出された冷媒体の温度・圧力に応じて、開度を自動的に変更させることにより、冷媒体流量を変更可能に構成される。

　ヒートポンプ循環路１８には、膨張弁２２に近接する部位と、分岐路２８の入り口側との接続部位に対応して、三方弁４４ａが配置される。ヒートポンプ循環路１８には、第１エバポレータ２４をバイパスする第２バイパス路４２ｂの出口部と前記ヒートポンプ循環路１８との接続部位に対応して、三方弁４４ｂが配置される。第２エバポレータ３０は、自動車１２の後部側に配置される（図２参照）。

　第１エバポレータ２４とヒータ２６との間には、前記第１エバポレータ２４により冷却された空調用空気を前記ヒータ２６を迂回させてキャビン１４に送出するためのエアミックスダンパ４６が設けられる。

　自動車１２には、外気を空調用空気として取り入れるための外気取り入れ口４８が形成される。この外気取り入れ口４８の下流には、第１エバポレータ２４、ヒータ２６の順に配置される。

　空調システム１０は、電磁弁３８ａの開閉制御及び三方弁４４ａ、４４ｂの切換制御を行って暖房運転と冷房運転とを切り換え制御する流路切換手段として機能するとともに、前記空調システム１０全体の駆動制御を行うための制御部（ＥＣＵ）５０を備える（図１参照）。制御部５０には、車外温度を検出するための第１温度センサ５２ａと、車内温度（キャビン内温度）を検出するための第２温度センサ５２ｂとが接続される。

　この空調システム１０の運転方法について、図３に示すフローチャート及び図４に示すサイクル図に沿って、以下に説明する。

　先ず、空調システム１０の暖房時には、図５に示すように、寒冷運転（寒冷時運転モード）と通常運転（通常時運転モード）とが設定される。寒冷運転と通常運転とは、車外温度及び車内温度に基づいて予め設定されており、制御部５０には、マップとして記憶されている。

　寒冷時運転モードは、コンプレッサ１６の消費電力を増加させて急速暖房を行う暖房能力を重視した運転である一方、通常時運転モードは、暖房ＣＯＰ（電力に対する暖房効率）を重視した効率運転である。ここで、暖房効率の指標として暖房ＣＯＰ＝暖房能力／暖房消費電力である。

　寒冷時運転モードは、電子膨張弁４３の開度を絞ることにより、ヒートポンプ循環路１８内の冷媒体に圧損を付与するものである。電子膨張弁４３の開度と温度とは、図６に示す関係に設定される。電子膨張弁４３の開度による消費電力と暖房ＣＯＰとの関係は、図７に示される。

　そこで、空調システム１０の暖房運転が開始されると、第１温度センサ５２ａにより車外温度が検出されるとともに、第２温度センサ５２ｂにより車内温度が検出される（図３中、ステップＳ１）。次いで、ステップＳ２に進んで、検出された車外温度及び車内温度に基づいて、マップ判断が行われ、寒冷時であるか否かが判断される（ステップＳ３）。

　寒冷時であると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、寒冷時運転モードに移行される。この寒冷時運転モードでは、図６に示すように、制御部５０を介して電子膨張弁４３の開度調整が行われる。

　この暖房運転時には、図２に示すように、コンプレッサ１６が駆動されており、前記コンプレッサ１６からヒートポンプ循環路１８に冷媒体が送出される。この冷媒体は、ヒータ２６に供給され、このヒータ２６で空調用空気と熱交換（放熱）を行って前記空調用空気を昇温させる。

　ヒータ２６から排出される冷媒体は、電磁弁３８ａが閉塞されるため、第１バイパス路４２ａを通る。従って、冷媒体は、コンデンサ３２を迂回して電子膨張弁４３により圧損が付与された状態で、気液分離式冷媒体貯留部３４に直接送られる。冷媒体は、気液分離式冷媒体貯留部３４からサブコンデンサ３６を通って冷却された後、膨張弁２２に送られる。

　膨張弁２２で減圧された冷媒体は、三方弁４４ａを介して分岐路２８に分岐され、第２エバポレータ３０に導入される。第２エバポレータ３０では、冷媒体がキャビン１４内の熱源と熱交換を行った後、第１エバポレータ２４を迂回して第２バイパス路４２ｂから膨張弁２２を通って、再度、コンプレッサ１６に送られる。

　一方、ステップＳ３において、寒冷時ではないと判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ５に進んで、通常時運転モードに移行する。この通常時運転モードは、図６に示すように、電子膨張弁４３の開度が１００％（全開状態）に制御され（－ｔ５℃以上参照）、暖房ＣＯＰを重視する運転が行われる。そして、上記の寒冷時運転モード又は通常時運転モードは、暖房運転が停止されるまで、選択的に行われる（ステップＳ６）。

　この場合、第１の実施形態では、ヒータ２６の下流に、コンデンサ３２、気液分離式冷媒体貯留部３４及びサブコンデンサ３６が直列に連結されている。そして、ヒートポンプ循環路１８には、暖房運転時に、コンデンサ３２をバイパスしてヒータ２６と気液分離式冷媒体貯留部３４とを連結するためのバイパスユニット４０が設けられるとともに、前記バイパスユニット４０は、電子膨張弁４３を備えている。

　そこで、暖房運転時には、図２に示すように、ヒータ２６の下流は、コンデンサ３２をバイパスし、電子膨張弁４３を介して気液分離式冷媒体貯留部３４に連結されている。このため、気液分離式冷媒体貯留部３４は、サブクールタンクとして機能するとともに、サブコンデンサ３６は、サブクール部として機能することができる（図４中、気液分離式冷媒体貯留部３４及びサブコンデンサ３６を参照）。

　さらに、寒冷時運転モードでは、電子膨張弁４３の開度が閉塞側に制御され（図６中、ｎ％）、ヒートポンプ循環路１８に循環される冷媒体に、圧損が付与されている。これにより、冷媒体の圧力が高くなり、サブクール領域が大きく設定されるため、コンプレッサ１６の仕事量（消費電力）が増加される。

　従って、コンプレッサ１６の動力を積極的に熱として取り出し、暖房能力を向上させることができる。このため、ヒータ２６により熱交換される空調用空気は、キャビン１４ａへの吐気温度が上昇され、前記キャビン１４内を急速に暖房することができる。ヒータ２６でのエンタルピー差を大きくすることが可能になるからである。

　しかも、電子膨張弁４３の開度を絞ることにより、暖房時のサブクール領域を増加させることができる（図４参照）。このため、過冷却熱交換部である気液分離式冷媒体貯留部３４及びサブコンデンサ３６の入口温度を、極低温の外気温度と同等な温度まで下げることが可能になる。これにより、過冷却熱交換部での外気放熱を最小限に抑制することができる。

　一方、通常時運転モードでは、電子膨張弁４３が全開状態に維持される（図６参照）。このため、図８に示すように、ヒータ２６における冷媒体圧力は、寒冷時運転モードでの圧力ａ１から圧力ａ２に低下する。従って、コンプレッサ１６の仕事量（消費電力）が減少し、暖房ＣＯＰが向上して経済的な暖房運転が遂行可能になる。

　さらにまた、冷媒体は、完全な液媒体として膨張弁２２に導入することが可能になり、気体の巻き込みを良好に阻止することができる。これにより、ヒートポンプ循環路１８には、冷媒体を安定して循環させることが可能になり、熱交換効率の向上が容易に図られる。

　しかも、気液分離式冷媒体貯留部３４は、サブクールタンクとして用いられている。このため、十分な冷媒体量を確保することができ、特に過渡運転時にも冷媒体不足による空調性能の低下を抑制することが可能になる。

　また、ヒータ２６は、冷媒体がサブクール領域になるまで外気と十分に熱交換を行うため、サブコンデンサ３６による外気放熱を小さくすることが可能になる。

　図９は、本発明の第２の実施形態に係る運転方法が適用されるヒートポンプ式車両用空調システム７０の概略構成説明図である。

　なお、第１の実施形態に係る空調システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

　空調システム７０では、ヒートポンプ循環路１８には、暖房時に、コンデンサ３２をバイパスしてヒータ２６と気液分離式冷媒体貯留部３４とを連結するためのバイパスユニット７２が設けられる。バイパスユニット７２は、第１バイパス路４２ａ及び第３バイパス路４２ｃと、前記第１バイパス路４２ａに配設され、冷媒体に圧損を付与する圧力損失部としてのキャピラリ７４とを備える。キャピラリ７４の上流には、電磁弁３８ｂが配置されるとともに、第３バイパス路４２ｃには、電磁弁３８ｃが配設される。

　この空調システム７０では、第１の実施形態と同様に、図３に示すフローチャートに沿って、寒冷時運転モードと通常時運転モードとに選択的に切換制御される。

　その際、寒冷時運転モード（図１０中、－ｔ５℃以下）では、電磁弁３８ｂが開放される一方、電磁弁３８ａ、３８ｃが閉塞される。このため、冷媒体は、キャピラリ７４に供給されることにより、前記冷媒体に圧損が付与される。

　さらに、通常時運転モード（図１０中、－ｔ５℃異常）では、電磁弁３８ｂ、３８ａが閉塞される一方、電磁弁３８ｃが開放されることにより、冷媒体は、コンデンサ３２及びキャピラリ７４をバイパスして気液分離式冷媒体貯留部３４に直接供給される。

　従って、図１１に示すように、消費電力と暖房ＣＯＰとは、電磁弁３８ｂ、３８ｃの開閉作用下に、冷媒体をキャピラリ７４に流通させる寒冷時運転モードと、第３バイパス路４２ｃに流通させる通常時運転モードとに切り替えることにより、切換制御される。

　これにより、第２の実施形態では、寒冷時運転モードにおいて、ヒータ２６により熱交換される空調用空気の吐気温度を上昇させる一方、通常時運転モードにおいて、コンプレッサ１６の仕事量を減少させて、暖房ＣＯＰを向上させることができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

　なお、図６等で、－ｔ２℃、－ｔ１℃と大きめの温度変化幅で表現しているが、さらに細かく区切って、図示しないが、－ｔ８℃、－ｔ７℃、－ｔ６℃、－ｔ５℃…と制御温度点を増加させても、同様の効果が得られることは勿論である。さらに、「寒冷運転」や「通常運転」と２つの運転設定を表現しているが、同様に「省エネ運転」等の運転設定の追加も可能である。

Claims

　圧縮機（１６）を介して冷媒体を循環させるヒートポンプ循環路（１８）に配置され、前記冷媒体と外気とで熱交換を行うコンデンサ（３２）と、
　前記ヒートポンプ循環路（１８）に配置され、前記冷媒体と空調用空気とで熱交換を行う第１エバポレータ（２４）と、
　前記ヒートポンプ循環路（１８）に配置され、前記圧縮機（１６）から送出される前記冷媒体と前記第１エバポレータ（２４）を通過した前記空調用空気とで熱交換を行うヒータ（２６）と、
　前記ヒートポンプ循環路（１８）から分岐する分岐路（２８）に配置され、キャビン（１４）から排出される熱媒体と前記冷媒体とで熱交換を行う第２エバポレータ（３０）と、
　前記コンデンサ（３２）の下流に配置される気液分離式冷媒体貯留部（３４）と、
　前記気液分離式冷媒体貯留部（３４）の下流に配置されるサブコンデンサ（３６）と、
　暖房運転時に、前記コンデンサ（３２）をバイパスして前記ヒータ（２６）の下流に前記気液分離式冷媒体貯留部（３４）を直列に連結させるとともに、前記冷媒体に圧損を付与する圧力損失部を備えるバイパスユニット（４０）と、
　車外温度及び車内温度を検出する温度検出部（５２ａ、５２ｂ）と、
　を備えるヒートポンプ式車両用空調システムの運転方法であって、
　前記ヒータ（２６）による前記空調用空気の吐気温度を上昇させる寒冷時運転モード、及び電力に対する暖房効率を向上させる通常時運転モードを設定する工程と、
　前記車外温度及び前記車内温度を検出する工程と、
　検出された前記車外温度及び前記車内温度に基づいて、前記寒冷時運転モード又は前記通常時運転モードのいずれかを選択し、前記圧力損失部を制御する工程と、
　を有することを特徴とするヒートポンプ式車両用空調システムの運転方法。
　請求項１記載の運転方法において、前記寒冷時運転モードは、前記通常時運転モードに比べて前記冷媒体に付与される圧損が大きく設定されることを特徴とするヒートポンプ式車両用空調システムの運転方法。
　請求項１記載の運転方法において、前記圧力損失部は、電子膨張弁（４３）を備えることを特徴とするヒートポンプ式車両用空調システムの運転方法。
　請求項１記載の運転方法において、前記圧力損失部は、固定絞り（７４）と、
　前記固定絞り（７４）をバイパスするバイパス流路（４２ｃ）と、
　を備えることを特徴とするヒートポンプ式車両用空調システムの運転方法。
　請求項２記載の運転方法において、前記寒冷時運転モードは、圧損が大きく設定されるとともに、前記通常時運転モードに比べてサブクール領域が大きく設定されることを特徴とするヒートポンプ式車両用空調システムの運転方法。