WO2015008463A1 - 車両用空調装置およびその構成ユニット - Google Patents

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heat exchanger
water
air conditioner
sent
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圭俊 野田
智裕 寺田
勝志 谷口
健太朗 黒田
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パナソニックIpマネジメント株式会社
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    • F25B6/00Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits
    • F25B6/04Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits arranged in series

Definitions

  • the present invention relates to a vehicle air conditioner and a component unit of the vehicle air conditioner.
  • a heating device for a vehicle a hot water heater that heats the interior of a vehicle by using heat of engine cooling water that has become high is often used.
  • a heat pump type cooling device that cools the air sent into the passenger compartment with a low-temperature refrigerant of the heat pump is generally employed.
  • Patent Document 1 can improve the heating performance over the existing one by adding a configuration that heats the cooling water of the hot water heater using a heat pump while using an existing hot water heater as a basis.
  • An air conditioner for a vehicle is disclosed.
  • the vehicle air conditioner of Patent Document 1 has a configuration in which the configuration of the heat pump is used only for heating, and the operation during cooling has not been studied. That is, when a cooling function is added to the heating device of Patent Document 1, it has not been studied how to use the heat pump for both heating and cooling, and how to switch between them.
  • the object of the present invention is to improve the heating performance at low cost while being based on the configuration of a hot water heater as used in a conventional vehicle and a heat pump type cooling device as used in a conventional vehicle. It is possible to provide a vehicle air conditioner that can reduce the increase in installation space from the conventional configuration.
  • a vehicle air conditioner includes a first water refrigerant heat exchanger that exchanges heat between a low-temperature and low-pressure refrigerant and a heat-transporting coolant to vaporize the refrigerant, and a high-temperature and high-pressure refrigerant.
  • a second water refrigerant heat exchanger that exchanges heat with the coolant to condense the refrigerant, and a refrigerant sent from the second water refrigerant heat exchanger cools the air blown into the vehicle interior using the refrigerant.
  • a first switching means capable of switching between a state being sent to the evaporator side and a state not being sent to the evaporator side, and a refrigerant sent from the second water refrigerant heat exchanger is the first water refrigerant heat exchange Second switching means capable of switching between a state of being expanded and sent to the vessel and a state of being not sent to the first water refrigerant heat exchanger, wherein the first water refrigerant heat exchanger
  • the cooling liquid is introduced from a heater core that heats air to the heat generating part of the vehicle
  • the cooling liquid is sent out to the cooling passage and the refrigerant is sent out to the compressor, and the second water refrigerant heat exchanger introduces the cooling liquid from the cooling passage of the heat generating component to the heater core.
  • the cooling liquid is sent out, and the high-temperature and high-pressure refrigerant is introduced from the compressor.
  • a structural unit of a vehicle air conditioner includes a first water refrigerant heat exchanger that causes heat exchange between a low-temperature and low-pressure refrigerant and a heat-transporting coolant and vaporizes the refrigerant, and a high-temperature and high-pressure unit.
  • a second water refrigerant heat exchanger that causes heat exchange between the refrigerant and the coolant to condense the refrigerant, and a refrigerant that is sent from the second water refrigerant heat exchanger uses the refrigerant to enter the vehicle interior.
  • the first switching means that can be switched between a state where the air is sent to the evaporator for cooling the air and a state where the air is not sent to the evaporator, and the refrigerant sent from the second water refrigerant heat exchanger are the first water
  • a configuration is adopted in which the second switching means that can be switched between a state in which the refrigerant is expanded and sent to the refrigerant heat exchanger and a state in which the refrigerant is not sent to the first water refrigerant heat exchanger are integrated.
  • a hot water heater as used in a conventional vehicle and a heat pump cooling device as used in a conventional vehicle are basically used, and the cooling and heating are performed. Heating performance can be improved using a common compressor and refrigerant.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a vehicle air conditioner according to an embodiment of the present invention.
  • a vehicle air conditioner 1 is a device that is mounted on a vehicle having an engine (internal combustion engine) as a heat generating component and performs air conditioning in the passenger compartment.
  • engine internal combustion engine
  • the vehicle air conditioner 1 of the embodiment includes a component unit 10, a compressor (compressor) 38, an engine cooling unit 40, a heater core 44, an evaporator 48, an expansion valve 37, an outdoor capacitor 39, a check valve 15, and these A cooling fluid pipe and a refrigerant pipe are provided to connect them.
  • the heater core 44 and the evaporator 48 are disposed in an intake passage of an HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) 70.
  • the HVAC 70 is provided with a fan F1 through which intake air flows.
  • the compressor 38 is driven by engine power or electricity to compress the sucked refrigerant into a high temperature and high pressure and discharge it.
  • the compressed refrigerant is sent to the constituent unit 10.
  • the low-pressure refrigerant is sucked from the first water refrigerant heat exchanger 11 or the evaporator 48 of the constituent unit 10 into the compressor 38 via the junction pipe.
  • the engine cooling unit 40 includes a water jacket for flowing a coolant around the engine and a pump for flowing the coolant to the water jacket, and releases heat from the engine to the coolant flowing in the water jacket.
  • the pump is rotated by the power of the engine, for example.
  • the engine cooling unit 40 may include a radiator that releases heat to the outside air when the amount of exhaust heat of the engine increases.
  • the coolant passage of the engine cooling unit 40 communicates with the heater core 44 through the constituent unit 10.
  • the cooling liquid is an antifreeze liquid such as LLC (Long Life Coolant), and is a liquid for transporting heat.
  • the configuration for transferring the coolant may be only the pump of the engine cooling unit 40. Thereby, reduction of the cost of an apparatus and reduction of the installation space of an apparatus can be aimed at.
  • a pump may be added to another portion of the coolant pipe.
  • the heater core 44 is a device that exchanges heat between the coolant and air, and is disposed in the intake passage of the HVAC 70 that supplies air into the passenger compartment. Heated coolant is supplied to the heater core 44 and releases heat to intake air (air blown into the vehicle compartment) that is sent into the vehicle compartment during heating operation.
  • the heater core 44 can adjust the amount of air passing through the opening of the door 44a.
  • the door 44a can be opened and closed by electrical control.
  • the door 44a is also called a mix door.
  • the evaporator 48 is a device that exchanges heat between the low-temperature and low-pressure refrigerant and the air, and is disposed in the intake passage of the HVAC 70.
  • the evaporator 48 is supplied with low-temperature and low-pressure refrigerant during the cooling operation or the dehumidifying operation, and cools the intake air (air blown into the vehicle interior) supplied to the vehicle interior.
  • the expansion valve 37 expands the high-pressure refrigerant to a low temperature and low pressure and discharges it to the evaporator 48.
  • the expansion valve 37 is disposed in the vicinity of the evaporator 48.
  • the expansion valve 37 may have a function of automatically adjusting the amount of refrigerant discharged according to the temperature of the refrigerant sent from the evaporator 48.
  • the outdoor condenser 39 has a passage through which the refrigerant flows and a passage through which the air flows.
  • the outdoor condenser 39 is disposed near the top of the vehicle in the engine room and exchanges heat between the refrigerant and the outside air.
  • a high-temperature and high-pressure refrigerant is passed through the outdoor condenser 39 in the cooling mode and the dehumidifying mode, and heat is discharged from the refrigerant to the outside air. Outside air is blown onto the outdoor condenser 39 by, for example, a fan.
  • a reservoir tank 39 a may be provided on the refrigerant delivery side of the outdoor condenser 39.
  • the configuration unit 10 is an integrated configuration that is produced in a factory as a single unit, and is connected to another configuration of the vehicle air conditioner 1 by piping in the vehicle assembly process.
  • the constituent unit 10 may be integrated by accommodating each constituent element in one housing, or may be integrated by joining the constituent elements.
  • the component unit 10 includes a first water refrigerant heat exchanger 11, a second water refrigerant heat exchanger 12, an on-off valve (corresponding to the first switching means) 13, an expansion valve with electromagnetic valve (second switching means, 14 corresponding to an expansion valve with an opening / closing function).
  • the first water refrigerant heat exchanger 11 (evaporator) has a passage through which a low-temperature and low-pressure refrigerant flows and a passage through which a cooling liquid flows, and performs heat exchange between the refrigerant and the cooling liquid.
  • the first water refrigerant heat exchanger 11 is discharged from the expansion valve 14 with a solenoid valve at a low temperature and a low pressure to transfer heat from the coolant to the low temperature and low pressure refrigerant.
  • coolant heat exchanger 11 vaporizes a low-temperature / low pressure refrigerant
  • the coolant inlet of the first water-refrigerant heat exchanger 11 is connected to the heater core 44 via a pipe, and the coolant outlet is connected to the engine cooling unit 40 via the pipe.
  • the refrigerant inlet of the first water-refrigerant heat exchanger 11 is connected to the expansion valve 14 with a solenoid valve via a pipe, and the refrigerant outlet is connected to a pipe that joins the inlet of the compressor 38.
  • the second water refrigerant heat exchanger 12 (condenser) has a passage through which a high-temperature and high-pressure refrigerant flows and a passage through which a cooling liquid flows, and performs heat exchange between the refrigerant and the cooling liquid.
  • the high-temperature and high-pressure refrigerant is sent from the compressor 38 to the second water refrigerant heat exchanger 12 to release heat from the high-temperature and high-pressure refrigerant to the coolant.
  • the second water refrigerant heat exchanger 12 condenses the high-temperature and high-pressure refrigerant.
  • the coolant introduction port of the second water refrigerant heat exchanger 12 is communicated with the engine cooling unit 40 via a pipe, and the coolant outlet is communicated with the heater core 44 via the pipe.
  • the refrigerant inlet of the second water refrigerant heat exchanger 12 is communicated with the outlet of the compressor 38 via a pipe, and the refrigerant outlet is connected to the on-off valve 13 and the expansion valve 14 with a solenoid valve via a branch pipe. It is communicated to.
  • the on-off valve 13 is a valve that switches between opening and closing of the refrigerant pipe, for example, by electrical control.
  • the on-off valve 13 is, for example, an electromagnetic valve.
  • the expansion valve 14 with a solenoid valve is a valve that functions as an expansion valve when the refrigerant pipe is opened and closed, for example, by electrical control.
  • the expansion valve 14 with a solenoid valve when functioning as an expansion valve, automatically adjusts the refrigerant flow rate based on the refrigerant temperature at the refrigerant outlet of the first water refrigerant heat exchanger 11 (TXV). valve).
  • the check valve 15 is provided between the compressor 38 and the evaporator 48, and is a valve that prevents the refrigerant from flowing back in the operation mode in which the refrigerant does not flow through the outdoor condenser 39 and the evaporator 48.
  • an operation mode in which the on-off valve 13 is closed and the refrigerant flows through the refrigerant circuit passing through the first water refrigerant heat exchanger 11 and the second water refrigerant heat exchanger 12 will be considered.
  • the on-off valve 13 since the on-off valve 13 is closed, the refrigerant circuit passing through the outdoor condenser 39 and the evaporator 48 is shut off.
  • the refrigerant pressure in the outdoor condenser 39 and the evaporator 48 may be low.
  • the refrigerant flowing in the refrigerant circuits of the first water refrigerant heat exchanger 11 and the second water refrigerant heat exchanger 12 flows back to the refrigerant circuit on the evaporator 48 side.
  • the refrigerant amount of the refrigerant circuit passing through the first water refrigerant heat exchanger 11 and the second water refrigerant heat exchanger 12 deviates from the optimum range, and the efficiency of this heat pump cycle is lowered.
  • the presence of the check valve 15 can avoid such inconvenience.
  • the vehicle air conditioner 1 operates by being switched to several operation modes such as a hot water heating mode, a heat pump heating mode, a temperature control mode, and a cooling mode.
  • the hot water heating mode is a mode in which the passenger compartment is heated without operating the heat pump.
  • the heat pump heating mode is a mode in which the vehicle interior is heated by operating the heat pump.
  • the cooling mode is a mode in which the passenger compartment is cooled by the action of the heat pump.
  • a temperature control mode in which air temperature and humidity are adjusted by appropriately combining air cooling and dehumidification with a low-temperature refrigerant and air heating with a high-temperature coolant can be selected.
  • the heat pump heating mode and the cooling mode will be described as representative examples.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the operation in the heat pump heating mode.
  • the on-off valve 13 is closed and the solenoid valve-equipped expansion valve 14 is switched to open (temperature-type expansion valve operation). Further, the door 44a of the heater core 44 is opened (for example, fully opened).
  • the compressor 38 when the compressor 38 is operated, the refrigerant circulates through the second water refrigerant heat exchanger 12, the expansion valve with electromagnetic valve 14, the first water refrigerant heat exchanger 11, and the compressor 38 in this order. Flowing.
  • the high-temperature and high-pressure refrigerant compressed by the compressor 38 dissipates heat to the coolant in the second water refrigerant heat exchanger 12 and condenses.
  • the condensed refrigerant is expanded by the expansion valve 14 with an electromagnetic valve to become a low-temperature and low-pressure refrigerant, and is sent to the first water refrigerant heat exchanger 11.
  • the low-temperature and low-pressure refrigerant is vaporized by absorbing heat from the coolant in the first water refrigerant heat exchanger 11.
  • the vaporized low-pressure refrigerant is sucked into the compressor 38 and compressed.
  • the coolant circulates through the engine cooling unit 40, the second water refrigerant heat exchanger 12, the heater core 44, and the first water refrigerant heat exchanger 11 in this order.
  • the coolant that has absorbed heat from the engine by the engine cooling unit 40 is further heated by the second water refrigerant heat exchanger 12 and sent to the heater core 44.
  • the coolant that has reached a high temperature can sufficiently heat the intake air that is sent into the passenger compartment by the heater core 44.
  • the coolant that has passed through the heater core 44 has a temperature higher than that of the outside air, and the first water refrigerant heat exchanger 11 can dissipate heat to the refrigerant to vaporize the refrigerant.
  • the coolant cooled in the first water / refrigerant heat exchanger 11 is sent to the engine cooling unit 40 to sufficiently cool the engine.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the operation in the cooling mode.
  • the on-off valve 13 is switched to open and the expansion valve 14 with solenoid valve is switched to close. Further, the door 44a of the heater core 44 is fully closed.
  • the compressor 38 when the compressor 38 operates, the refrigerant circulates through the second water refrigerant heat exchanger 12, the outdoor condenser 39, the expansion valve 37, the evaporator 48, and the compressor 38 in this order.
  • the temperature becomes relatively high.
  • the heat dissipation of the cooling liquid is mainly performed by the radiator of the engine cooling unit 40. Since the engine becomes very hot, even if the outside air temperature is high, appropriate cooling can be performed by heat radiation by the radiator.
  • a large amount of the cooling liquid may be supplied to the radiator side to reduce the flow on the heater core 44 side.
  • the heat dissipation amount of the high-temperature and high-pressure refrigerant is not large in the second water-refrigerant heat exchanger 12, but the high-temperature and high-pressure refrigerant continues to the outdoor condenser. It is sent to 39 and it condenses by performing heat dissipation to air.
  • the condensed refrigerant is sent to the evaporator 48 side, and is first expanded by the expansion valve 37 to become a low-temperature and low-pressure refrigerant, and the evaporator 48 cools the air blown into the vehicle interior. This heat exchange vaporizes the refrigerant. The vaporized low-pressure refrigerant is sucked into the compressor 38 and compressed.
  • the coolant flowing through the second water refrigerant heat exchanger 12, the heater core 44, and the first water refrigerant heat exchanger 11 becomes high temperature, but is adjusted to the vehicle interior by adjusting the opening degree of the door 44 a of the heater core 44. The amount of heat released to the intake air is adjusted small.
  • the vehicle air conditioner 1 performs cooling using the configuration of the hot water heater that uses the engine coolant to the heater core 44 for heating and the low-temperature and low-pressure refrigerant of the heat pump.
  • the configuration of the heat pump cooling device as a basic configuration.
  • the structural unit 10 is added to this basic structure, and it has the structure which can heat the vehicle interior using a heat pump. With such a configuration, even when the engine is at a low temperature, it is possible to quickly heat the vehicle interior with less energy by the action of the heat pump.
  • Heating performance can be improved by using a common compressor and refrigerant during heating.
  • FIG. 4 is a configuration diagram showing a modification of the vehicle air conditioner according to the embodiment of the present invention.
  • 1A of vehicle air conditioners of a modification has the liquid tank 17 arrange
  • the liquid tank 17 may be provided at any position between the refrigerant outlet of the second water refrigerant heat exchanger 12 and the expansion valve of the expansion valve with electromagnetic valve 14b.
  • the liquid tank 17 may be configured integrally with the second water refrigerant heat exchanger 12.
  • the optimum amount of refrigerant circulating in the refrigerant cycle is different between the cooling operation and the heating operation, but the difference in the refrigerant amount can be absorbed by the liquid tank 17.
  • the vehicle air conditioner 1A is configured to expand the refrigerant through the refrigerant passage (for example, the orifice) throttled by a certain amount as the expansion valve of the expansion valve 14b with an electromagnetic valve (orifice) Called a solenoid valve).
  • the vehicle air conditioner 1A is disposed in the refrigerant passage between the first water refrigerant heat exchanger 11 and the compressor 38 so as to correspond to the configuration in which the refrigerant is expanded by the refrigerant passage constricted by a certain amount.
  • the accumulator 16 is provided. In the configuration in which the refrigerant is expanded through the fixed throttle passage, the refrigerant that has passed through the first water-refrigerant heat exchanger 11 may not be sufficiently vaporized. Therefore, the accumulator 16 separates the gas-phase refrigerant to compress the refrigerant 38. To send to.
  • the vehicle interior can be cooled and heated in the same cycle as described above.
  • a configuration in which only the first change point is applied or a configuration in which only the second change point is applied may be adopted.
  • the expansion valve 14 that expands the refrigerant in front of the first water refrigerant heat exchanger 11 and the expansion valve 37 that expands the refrigerant in front of the evaporator 48 are provided.
  • the expansion valve can be tuned differently in a plurality of operation modes so as to suit a plurality of operation modes.
  • heat and air are exchanged between the air and the refrigerant in the cooling mode, and heat is exchanged between the coolant and the refrigerant in the heat pump heating mode, but tuning can be performed according to a plurality of operation modes. It becomes possible to demonstrate specialized operation performance.
  • the operation mode can be switched smoothly.
  • the refrigerant passage from the second water refrigerant heat exchanger 12 to the first water refrigerant heat exchanger 11 and the refrigerant passage from the second water refrigerant heat exchanger 12 via the outdoor condenser 39 to the evaporator 48 are common.
  • the operation mode is switched, there is a problem that the refrigerant is stored in the outdoor condenser 39 and is difficult to recover, and the amount of refrigerant becomes unstable.
  • the vehicle air conditioner 1 of the present embodiment such a problem hardly occurs.
  • the configuration using the expansion valves 14 and 14b with electromagnetic valves as the second switching means has been described as an example.
  • the second switching means a configuration in which an electromagnetic on-off valve and an expansion valve are separately provided and connected by piping may be employed.
  • the configuration in which the opening / closing valve 13 is provided in the constituent unit 10 has been described as an example.
  • the opening / closing valve 13 may be provided outside the constituent unit 10.
  • the configuration in which the on-off valve 13 and the expansion valve 14 with a solenoid valve are employed as the first switching unit and the second switching unit has been described as an example.
  • the solenoid valve functions of the on-off valve 13 and the expansion valve with solenoid valve 14 branch from the refrigerant outlet of the second water refrigerant heat exchanger 12 to the outdoor condenser 39 side and the first water refrigerant heat exchanger 11 side. It is also possible to realize with a three-way valve arranged at the branch portion of the refrigerant pipe.
  • the engine has been described as an example of the heating part of the vehicle.
  • various heating components such as an electric motor for traveling in an electric vehicle and a secondary battery that supplies electric power for traveling may be adopted as the heating component of the vehicle.
  • the present invention can be used for a vehicle air conditioner mounted on various vehicles such as an engine vehicle, an electric vehicle, or a HEV vehicle.

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Abstract

 この車両用空調装置は、第1水冷媒熱交換器と、第2水冷媒熱交換器と、第2水冷媒熱交換器から送出された冷媒がエバポレータ側へ送られる状態と送られない状態とに切り換え可能な第1切換手段と、第2水冷媒熱交換器から送出された冷媒が、第1水冷媒熱交換器へ膨張して送られる状態と送られない状態とに切り換え可能な第2切換手段と、を具備し、第1水冷媒熱交換器の冷却液の通路はヒーターコアと車両の発熱部品の冷却用通路へ連通され、第2水冷媒熱交換器の冷却液の通路は車両の発熱部品の冷却用通路とヒーターコアとへ連通されている構成を採る。

Description

車両用空調装置およびその構成ユニット
 本発明は、車両用空調装置および車両用空調装置の構成ユニットに関する。
 従来、車両用の暖房装置としては、高温になったエンジン冷却水の熱を利用して車室内を暖房する温水式ヒータが多く採用されている。また、従来の車両用の冷房装置としては、車室内へ送られる空気をヒートポンプの低温冷媒により冷却するヒートポンプ式の冷房装置が一般に採用されている。
 特許文献1には、既存の温水式ヒータを基本としつつ、ヒートポンプを利用して、温水式ヒータの冷却水を加熱する構成を付加することで、既存のものより暖房性能を向上することのできる車両用の空調装置が開示されている。
特開平10-76837号公報
 特許文献1の車両用の空調装置は、ヒートポンプの構成を暖房にのみ利用する構成であり、冷房時の動作については検討されていなかった。すなわち、特許文献1の暖房装置に冷房機能を付加する場合、ヒートポンプの構成を暖房用と冷房用とでどのように兼用させ、どのように切り換えて利用すればよいか検討されていなかった。
 本発明の目的は、従来の車両に採用されているような温水式ヒータ、並びに、従来の車両に採用されているようなヒートポンプ式冷房装置の構成を基本としつつ、低コストに暖房性能の向上が図れ、且つ、従来の構成から設置スペースの増加分を少なくできる車両用の空調装置を提供することである。
 本発明の一態様に係る車両用空調装置は、低温低圧の冷媒と熱輸送用の冷却液との間で熱交換させて冷媒を気化させる第1水冷媒熱交換器と、高温高圧の冷媒と前記冷却液との間で熱交換させて冷媒を凝縮させる第2水冷媒熱交換器と、前記第2水冷媒熱交換器から送出された冷媒が、冷媒を用いて車室内への送風を冷却するエバポレータ側へ送られる状態と、前記エバポレータ側へ送られない状態とに切り換え可能な第1切換手段と、前記第2水冷媒熱交換器から送出された冷媒が、前記第1水冷媒熱交換器へ膨張して送られる状態と、前記第1水冷媒熱交換器へ送られない状態とに切り換え可能な第2切換手段と、を具備し、前記第1水冷媒熱交換器は、車室内への送風を加熱するヒーターコアから前記冷却液を導入し、車両の発熱部品の冷却用通路へ前記冷却液を送出し、且つ、コンプレッサへ冷媒を送出し、前記第2水冷媒熱交換器は、前記発熱部品の冷却用通路から前記冷却液を導入し、前記ヒーターコアへ前記冷却液を送出し、且つ、前記コンプレッサから前記高温高圧の冷媒を導入する、構成を採る。
 本発明の一態様に係る車両用空調装置の構成ユニットは、低温低圧の冷媒と熱輸送用の冷却液との間で熱交換させて冷媒を気化させる第1水冷媒熱交換器と、高温高圧の冷媒と前記冷却液との間で熱交換させて冷媒を凝縮させる第2水冷媒熱交換器と、前記第2水冷媒熱交換器から送出された冷媒が、冷媒を用いて車室内への送風を冷却するエバポレータ側へ送られる状態と、前記エバポレータ側へ送られない状態とに切り換え可能な第1切換手段と、前記第2水冷媒熱交換器から送出された冷媒が、前記第1水冷媒熱交換器へ膨張して送られる状態と、前記第1水冷媒熱交換器へ送られない状態とに切り換え可能な第2切換手段と、が一体化されている構成を採る。
 本発明によれば、従来の車両で採用されているような温水式ヒータ、並びに、従来の車両で採用されているようなヒートポンプ式冷房装置の構成を基本としつつ、冷房時と暖房時とで共通のコンプレッサおよび冷媒を利用して暖房性能を向上することができる。
本発明の実施の形態の車両用空調装置を示す構成図 ヒートポンプ式暖房モードの動作を説明する図 冷房モードの動作を説明する図 本発明の実施の形態の車両用空調装置の変形例を示す構成図
 以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
 図1は、本発明の実施の形態の車両用空調装置を示す構成図である。
 本発明の実施形態の車両用空調装置1は、発熱部品としてのエンジン(内燃機関)を有する車両に搭載されて、車室内の空気調整を行う装置である。
 実施形態の車両用空調装置1は、構成ユニット10、コンプレッサ(圧縮機)38、エンジン冷却部40、ヒーターコア44、エバポレータ48、膨張弁37、室外コンデンサ39、逆止弁15、および、これらの間を結ぶ冷却液の配管および冷媒配管等を具備する。ヒーターコア44と、エバポレータ48とは、HVAC(Heating, Ventilation, and Air Conditioning)70の吸気通路内に配置される。HVAC70には、吸気を流すファンF1が設けられている。
 コンプレッサ38は、エンジンの動力または電気により駆動して、吸入した冷媒を高温高圧に圧縮して吐出する。圧縮された冷媒は、構成ユニット10へ送られる。低圧の冷媒は、構成ユニット10の第1水冷媒熱交換器11、又は、エバポレータ48から、合流管を介してコンプレッサ38へ吸入される。
 エンジン冷却部40は、エンジンの周囲に冷却液を流すウォータジャケットと、ウォータジャケットに冷却液を流すポンプとを具備し、ウォータジャケットに流れる冷却液へエンジンから熱を放出させる。ポンプは、例えば、エンジンの動力により回転する。エンジン冷却部40には、エンジンの排熱の量が多くなった場合に、熱を外気に放出するラジエータが備わっていてもよい。エンジン冷却部40の冷却液の通路は、構成ユニット10を通ってヒーターコア44と連通されている。
 冷却液は、例えばLLC(Long Life Coolant)などの不凍液であり、熱を輸送するための液体である。
 冷却液を移送する構成は、エンジン冷却部40のポンプのみとすることもできる。これにより、装置のコストの低減および装置の設置スペースの縮小を図ることができる。冷却液の移送能力を高めるために、冷却液配管の他の箇所にポンプを追加してもよい。
 ヒーターコア44は、冷却液と空気との間で熱交換を行う機器であり、車室内へ空気を供給するHVAC70の吸気通路内に配置される。ヒーターコア44には、加熱された冷却液が供給され、暖房運転時に車室内へ送られる吸気(車室内への送風)に熱を放出する。ヒーターコア44は、ドア44aの開度により通過する空気の量を調整可能になっている。ドア44aは、電気的な制御で開閉可能である。ドア44aは、ミックスドアとも呼ばれる。
 エバポレータ48は、低温低圧の冷媒と、空気との間で熱交換を行う機器であり、HVAC70の吸気通路内に配置される。エバポレータ48には、冷房運転時または除湿運転時に低温低圧の冷媒が流され、車室内へ供給される吸気(車室内への送風)を冷却する。
 膨張弁37は、高圧の冷媒を低温低圧に膨張して、エバポレータ48に吐出する。膨張弁37は、エバポレータ48に近接して配置されている。膨張弁37は、エバポレータ48から送出される冷媒の温度により吐出する冷媒量を自動的に調整する機能を有してもよい。
 室外コンデンサ39は、冷媒を流す通路と、空気を流す通路とを有し、例えばエンジンルーム内の車両の先頭付近に配置されて、冷媒と外気との間で熱交換を行う。室外コンデンサ39には、冷房モードおよび除湿モードのときに、高温高圧の冷媒が流されて、冷媒から外気へ熱を排出させる。室外コンデンサ39には、例えば、ファンにより外気が吹き付けられる。室外コンデンサ39の冷媒の送出側にはリザーバタンク39aを設けてもよい。
 構成ユニット10は、単体で工場生産される一体化された構成であり、車両の組み立て工程において、車両用空調装置1の他の構成と配管接続される。構成ユニット10は、1個の筐体に各構成要素が収容されて一体化されていてもよいし、各構成要素が接合されることで一体化されていてもよい。
 構成ユニット10には、第1水冷媒熱交換器11と、第2水冷媒熱交換器12と、開閉弁(第1切換手段に相当)13と、電磁弁付き膨張弁(第2切換え手段、開閉機能付き膨張弁に相当)14とが含まれる。
 第1水冷媒熱交換器11(蒸発器)は、低温低圧の冷媒を流す通路と、冷却液を流す通路とを有し、冷媒と冷却液との間で熱交換を行う。第1水冷媒熱交換器11には、所定の運転モードのときに、電磁弁付き膨張弁14から低温低圧の冷媒が吐出されて、冷却液から低温低圧冷媒へ熱を移動させる。これにより、第1水冷媒熱交換器11は低温低圧の冷媒を気化させる。
 第1水冷媒熱交換器11の冷却液の導入口は、配管を介してヒーターコア44に連通され、冷却液の送出口は、配管を介してエンジン冷却部40に連通されている。第1水冷媒熱交換器11の冷媒の導入口は、配管を介して電磁弁付き膨張弁14に連通され、冷媒の送出口は、コンプレッサ38の吸入口へ合流する配管に連通されている。
 第2水冷媒熱交換器12(凝縮器)は、高温高圧の冷媒を流す通路と、冷却液を流す通路とを有し、冷媒と冷却液との間で熱交換を行う。第2水冷媒熱交換器12には、冷却水の温度が低い運転モードのときに、コンプレッサ38から高温高圧の冷媒が送られて、高温高圧冷媒から冷却液へ熱を放出させる。冷却水の温度が低いとき、第2水冷媒熱交換器12は、高温高圧の冷媒を凝縮させる。
 第2水冷媒熱交換器12の冷却液の導入口は、配管を介してエンジン冷却部40に連通され、冷却液の送出口は、配管を介してヒーターコア44に連通されている。第2水冷媒熱交換器12の冷媒の導入口は、配管を介してコンプレッサ38の吐出口へ連通され、冷媒の送出口は、分岐配管を介して開閉弁13と電磁弁付き膨張弁14とに連通されている。
 開閉弁13は、例えば電気的な制御により、冷媒配管の開閉を切り替える弁である。開閉弁13は、例えば電磁弁である。
 電磁弁付き膨張弁14は、例えば電気的な制御により、冷媒配管の開閉を切り替えられるとともに、開としたときに膨張弁として機能する弁である。電磁弁付き膨張弁14は、膨張弁として機能する際、第1水冷媒熱交換器11の冷媒送出口の冷媒温度に基づき、自動的に冷媒流量を調整する温度式膨張弁(TXV:thermal expansion valve)であってもよい。
 逆止弁15は、コンプレッサ38とエバポレータ48との間に設けられ、室外コンデンサ39およびエバポレータ48に冷媒が流されない運転モードのときに、冷媒の逆流を防ぐ弁である。ここで、開閉弁13が閉じられて、第1水冷媒熱交換器11と第2水冷媒熱交換器12とを通る冷媒回路に冷媒が流される運転モードを考察する。この運転モードでは、開閉弁13が閉じられていることで、室外コンデンサ39とエバポレータ48とを通る冷媒回路は遮断される。しかしながら、この場合でも、外気が低いと、室外コンデンサ39およびエバポレータ48における冷媒圧力が低くなることがある。そして、この圧力低下があると、第1水冷媒熱交換器11および第2水冷媒熱交換器12の冷媒回路に流れている冷媒が、エバポレータ48側の冷媒回路へ逆流してしまう。この結果、第1水冷媒熱交換器11と第2水冷媒熱交換器12とを通る冷媒回路の冷媒量が最適な範囲から逸脱してしまい、このヒートポンプサイクルの効率が低下してしまう。しかしながら、逆止弁15があることで、このような不都合を回避することができる。
 次に、車両用空調装置1の動作について説明する。
 車両用空調装置1では、温水式暖房モード、ヒートポンプ式暖房モード、温調モード、および、冷房モードなど、いくつかの動作モードに切り換えられて動作する。温水式暖房モードは、ヒートポンプを作動させずに車室内を暖房するモードである。ヒートポンプ式暖房モードは、ヒートポンプを作動させて車室内を暖房するモードである。冷房モードはヒートポンプの作用により車室内を冷房するモードである。また、低温冷媒による空気の冷却および除湿と高温の冷却液による空気の加熱とを適宜合わせて空気の温度および湿度の調整を行う温調モードも選択できる。以下では、ヒートポンプ式暖房モードおよび冷房モードを代表例として説明する。
 [ヒートポンプ式の暖房モード]
 図2は、ヒートポンプ式暖房モードの動作を説明する図である。
 ヒートポンプ式暖房モードでは、図2に示すように、開閉弁13が閉、電磁弁付き膨張弁14が開(温度式膨張弁動作)に切り換えられる。また、ヒーターコア44のドア44aは開かれる(例えば全開)。
 さらに、コンプレッサ38が作動することで、冷媒は、第2水冷媒熱交換器12、電磁弁付き膨張弁14、第1水冷媒熱交換器11、および、コンプレッサ38を、この順で循環的に流れる。
 ここで、コンプレッサ38により圧縮された高温高圧冷媒は、第2水冷媒熱交換器12にて冷却液へ放熱して凝縮する。凝縮された冷媒は、電磁弁付き膨張弁14により膨張されて低温低圧冷媒となり、第1水冷媒熱交換器11に送られる。低温低圧冷媒は、第1水冷媒熱交換器11にて冷却液から熱を吸収して気化する。気化した低圧冷媒は、コンプレッサ38に吸引されて圧縮される。
 冷却液は、エンジン冷却部40、第2水冷媒熱交換器12、ヒーターコア44、および、第1水冷媒熱交換器11を、この順で循環的に流れる。
 ここで、エンジン冷却部40でエンジンから熱を吸収した冷却液は、さらに第2水冷媒熱交換器12で加熱されてヒーターコア44に送られる。高温になった冷却液は、ヒーターコア44で車室内へ送られる吸気を十分に加熱することができる。
 ヒーターコア44を通過した冷却液は、外気より温度が高く、第1水冷媒熱交換器11にて冷媒に放熱を行って冷媒を気化させることができる。第1水冷媒熱交換器11にて冷却された冷却液は、エンジン冷却部40へ送られてエンジンを十分に冷却することができる。
 このような動作により、車室内の十分な暖房を行うことができる。
 [冷房モード]
 図3は、冷房モードの動作を説明する図である。
 冷房モードでは、図3に示すように、開閉弁13が開、電磁弁付き膨張弁14が閉に切り換えられる。また、ヒーターコア44のドア44aは、全閉される。
 さらに、コンプレッサ38が作動することで、冷媒は、第2水冷媒熱交換器12、室外コンデンサ39、膨張弁37、エバポレータ48、および、コンプレッサ38を、この順で循環的に流れる。
 冷却液は、第1水冷媒熱交換器11にて冷却されないため、比較的に温度は高くなる。冷却液の放熱は、主に、エンジン冷却部40のラジエータで行われる。エンジンは非常に高温になるので、外気温が高くても、ラジエータによる放熱により適宜な冷却を行うことができる。ここで、冷却液を流す構成は、ラジエータ側に冷却液を多く流して、ヒーターコア44側の流れを低下させてもよい。
 このように第2水冷媒熱交換器12の冷却液の温度は高くなるため、第2水冷媒熱交換器12おいて高温高圧冷媒の放熱量は大きくないが、高温高圧冷媒は続いて室外コンデンサ39へ送られて、空気に放熱を行うことで凝縮する。
 凝縮された冷媒は、エバポレータ48側へ送られて、先ず、膨張弁37により膨張されて低温低圧冷媒となり、エバポレータ48にて車室内への送風を冷却する。この熱交換により冷媒は気化する。気化した低圧冷媒は、コンプレッサ38に吸引されて圧縮される。
 第2水冷媒熱交換器12、ヒーターコア44、および、第1水冷媒熱交換器11を流れる冷却液は、高温となるが、ヒーターコア44のドア44aの開度の調整により、車室内へ送られる吸気への放熱量は小さく調整される。
 このような動作により、車室内の十分な冷房を行うことができる。
 以上のように、本実施の形態の車両用空調装置1は、エンジン冷却液をヒーターコア44に流して暖房に利用する温水式ヒータの構成と、ヒートポンプの低温低圧冷媒を利用して冷房を行うヒートポンプ冷房装置の構成とを、基本構成としてあわせ持つ。そして、この基本構成に構成ユニット10が追加されて、ヒートポンプを利用した車室内の暖房が可能な構成となっている。このような構成により、エンジンが低温なときでも、ヒートポンプの作用により、少ないエネルギーで速やかに車室内の暖房を行うことが可能となる。
 すなわち、本実施の形態によれば、従来の車両で採用されているような温水式ヒータ、並びに、従来の車両で採用されているようなヒートポンプ式冷房装置の構成を基本としつつ、冷房時と暖房時とで共通のコンプレッサおよび冷媒を利用して暖房性能を向上することができる。
 一般に、外気温が高く、ヒートポンプの作用により車室内の冷房が必要なときには、コンプレッサ38により圧縮された高温高圧冷媒と、冷却液との熱的な接触は避けるよう検討される。しかしながら、本実施の形態では、第2水冷媒熱交換器12において冷却液の温度は既に高くなることから、両者の熱的な接触は大きな影響を及ぼさないことに着眼した。そして、冷房運転時でも、第2水冷媒熱交換器12への冷却液および冷媒の流れを迂回させることをせず、迂回させる構成を省くことで、配管構成の単純化、車両用空調装置1の部品点数の削減および製造コストの低減が図られている。
 [変形例]
 図4は、本発明の実施の形態の車両用空調装置の変形例を示す構成図である。
 この変形例は、図1の実施の形態に、2点の変更を加えたものである。図1と同様の構成は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
 変形例の車両用空調装置1Aは、1点目の変更として、第2水冷媒熱交換器12と第1水冷媒熱交換器11との間の冷媒通路に配置されたリキッドタンク17を有している。具体的には、第2水冷媒熱交換器12の冷媒出口側における冷媒通路の分岐部と、第1水冷媒熱交換器11の冷媒入口側の膨張弁(14b)との間に、リキッドタンク17を設けている。
 なお、リキッドタンク17は、第2水冷媒熱交換器12の冷媒出口と、電磁弁付き膨張弁14bの膨張弁との間であれば、いずれの位置に設けられてもよい。リキッドタンク17は、第2水冷媒熱交換器12と一体的な構成としてもよい。
 リキッドタンク17によれば、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒サイクルを循環する最適な冷媒量が異なるが、この冷媒量の差異をリキッドタンク17により吸収することが可能となる。
 変形例の車両用空調装置1Aは、2点目の変更として、電磁弁付き膨張弁14bの膨張弁として、一定量で絞られた冷媒通路(例えばオリフィス)に冷媒を通して冷媒を膨張させる構成(オリフィス付き電磁弁と呼ばれる)が採用されている。
 さらに、変形例の車両用空調装置1Aは、一定量で絞られた冷媒通路により冷媒を膨張させる構成に対応させて、第1水冷媒熱交換器11とコンプレッサ38との間の冷媒通路に配置されたアキュムレータ16を有している。一定の絞り通路に冷媒を通して冷媒を膨張させる構成では、第1水冷媒熱交換器11を通過した冷媒が十分に気化されない場合があるため、アキュムレータ16により、気相の冷媒を分離してコンプレッサ38へ送るようにしたものである。
 変形例の車両用空調装置1Aにおいても、上述と同様のサイクルで、車室内の冷房および暖房等を行うことできる。
 なお、車両用空調装置の変形例としては、1点目の変更点のみを適用した構成、又は、2点目の変更点のみを適用した構成を採用してもよい。
 また、本実施の形態の車両用空調装置1によれば、第2水冷媒熱交換器12から第1水冷媒熱交換器11へ至る冷媒通路と、第2水冷媒熱交換器12から、室外コンデンサ39を経由しエバポレータ48へ至る冷媒通路とが異なるので、冷媒通路を、複数の動作モード(例えば冷房モードとヒートポンプ式暖房モード)に合うように、複数の動作モードで異ならせてチューニングすることができる。また、本実施の形態の車両用空調装置1によれば、第1水冷媒熱交換器11の前で冷媒を膨張させる膨張弁14と、エバポレータ48の前で冷媒を膨張させる膨張弁37とを有しているので、膨張弁を、複数の動作モードに合うように、複数の動作モードで異ならせてチューニングすることができる。本実施の形態では、冷房モードでは空気と冷媒とを熱交換させ、ヒートポンプ式暖房モードでは冷却液と冷媒とを熱交換させるが、複数の動作モードに合せてチューニングができることから、各動作モードに特化した動作性能を発揮させることが可能となる。また、動作モードをスムースに切り換えることが可能となる。また、第2水冷媒熱交換器12から第1水冷媒熱交換器11へ至る冷媒通路と、第2水冷媒熱交換器12から室外コンデンサ39を経由しエバポレータ48へ至る冷媒通路とが共通だと、動作モードの切り替え時に、室外コンデンサ39に冷媒が貯まって回収困難となり、冷媒量が不安定になるという課題が考えられる。しかし、本実施の形態の車両用空調装置1では、このような課題が生じ難い。
 以上、本発明の各実施の形態について説明した。
 なお、上記実施の形態では、第2切換手段として電磁弁付き膨張弁14,14bを採用した構成を例にとって説明した。しかし、第2切換手段としては、電磁開閉弁および膨張弁を別個に設けて配管接続した構成を採用してもよい。また、上記実施の形態では、開閉弁13を構成ユニット10に設けた構成を例にとって説明したが、開閉弁13は構成ユニット10の外に設けてもよい。
 また、上記実施の形態では、第1切換手段および第2切換手段として、開閉弁13と、電磁弁付き膨張弁14とを採用した構成を例にとって説明した。しかし、開閉弁13および電磁弁付き膨張弁14の電磁弁の機能は、第2水冷媒熱交換器12の冷媒送出口から、室外コンデンサ39側と第1水冷媒熱交換器11側とに分岐する冷媒配管の分岐部に配置された三方弁で実現することも可能である。
 また、上記実施の形態では、車両の加熱部品としてエンジンを例にとって説明した。しかしながら、車両の加熱部品は、電気自動車における走行用の電気モータ、走行用の電力を供給する二次電池など、様々な加熱部品を採用してもよい。
 2013年7月17日出願の特願2013-148125の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
 本発明は、エンジン車、電気自動車、或いは、HEV車など各種車両に搭載される車両用空調装置に利用できる。
 1,1A 車両用空調装置
 10 構成ユニット
 11 第1水冷媒熱交換器
 12 第2水冷媒熱交換器
 13 開閉弁(第1切換手段)
 14,14b 電磁弁付き膨張弁(第2切換手段、開閉機能付き膨張弁)
 15 逆止弁
 16 アキュムレータ
 17 リキッドタンク
 37 膨張弁
 38 コンプレッサ
 39 室外コンデンサ
 40 エンジン冷却部
 44 ヒーターコア
 44a ドア
 48 エバポレータ
 70 HVAC


                                                                                

Claims (11)

  1.  低温低圧の冷媒と熱輸送用の冷却液との間で熱交換させて冷媒を気化させる第1水冷媒熱交換器と、
     高温高圧の冷媒と前記冷却液との間で熱交換させて冷媒を凝縮させる第2水冷媒熱交換器と、
     前記第2水冷媒熱交換器から送出された冷媒が、冷媒を用いて車室内への送風を冷却するエバポレータ側へ送られる状態と、前記エバポレータ側へ送られない状態とに切り換え可能な第1切換手段と、
     前記第2水冷媒熱交換器から送出された冷媒が、前記第1水冷媒熱交換器へ膨張して送られる状態と、前記第1水冷媒熱交換器へ送られない状態とに切り換え可能な第2切換手段と、
     を具備し、
     前記第1水冷媒熱交換器は、車室内への送風を加熱するヒーターコアから前記冷却液を導入し、車両の発熱部品の冷却用通路へ前記冷却液を送出し、且つ、コンプレッサへ冷媒を送出し、
     前記第2水冷媒熱交換器は、前記発熱部品の冷却用通路から前記冷却液を導入し、前記ヒーターコアへ前記冷却液を送出し、且つ、前記コンプレッサから前記高温高圧の冷媒を導入する、
     車両用空調装置。
  2.  高温高圧の冷媒から外気へ放熱させ冷媒を凝縮させるコンデンサをさらに具備し、
     前記第1切換手段および前記第2切換手段は、
     前記第2水冷媒熱交換器、前記コンデンサ、前記エバポレータ、および、前記コンプレッサを含む循環経路に冷媒が流れ、且つ、前記第1水冷媒熱交換器へ冷媒が流れない冷房モードの状態と、
     前記第2水冷媒熱交換器、前記第1水冷媒熱交換器、および、前記コンプレッサを含む循環経路に冷媒が流れるヒートポンプ式暖房モードの状態と、
     に少なくとも切り換え可能である、
     請求項1記載の車両用空調装置。
  3.  前記第1切換手段は、前記第2水冷媒熱交換器から前記エバポレータ側へ冷媒を送る通路に配置された開閉弁であり、
     前記第2切換手段は、前記第2水冷媒熱交換器から前記第1水冷媒熱交換器へ冷媒を送る通路に配置された開閉機能付きの膨張弁である、
     請求項1または請求項2に記載の車両用空調装置。
  4.  前記エバポレータから前記コンプレッサへ冷媒を流す流路に配置された逆止弁をさらに具備する、
     請求項1~請求項3の何れか一項に記載の車両用空調装置。
  5.  前記発熱部品は、内燃機関である、
     請求項1~請求項4の何れか一項に記載の車両用空調装置。
  6.  前記第1水冷媒熱交換器、前記第2水冷媒熱交換器、前記第1切換手段、および、前記第2切換手段が一体化されてユニットを構成し、
     前記ユニットの外に前記コンプレッサが設けられている、
     請求項1~請求項5の何れか一項に記載の車両用空調装置。
  7.  前記開閉機能付きの膨張弁は、
     電磁開閉弁と、温度制御により冷媒流量を変化させる温度式膨張弁とを有する、
     請求項3記載の車両用空調装置。
  8.  前記開閉機能付きの膨張弁は、
     電磁開閉弁と、一定量絞られた冷媒通路とを有する構成であり、
     前記車両用空調装置は、
     前記コンプレッサの冷媒導入側通路に配置されたアキュムレータをさらに具備する、
     請求項3記載の車両用空調装置。
  9.  前記第2水冷媒熱交換器により凝縮された冷媒を貯留できるリキッドタンクをさらに具備する、
     請求項1~請求項8の何れか一項に記載の車両用空調装置。
  10.  前記リキッドタンクは、前記第2水冷媒熱交換器と一体的に形成されている、
     請求項9記載の車両用空調装置。
  11.  低温低圧の冷媒と熱輸送用の冷却液との間で熱交換させて冷媒を気化させる第1水冷媒熱交換器と、
     高温高圧の冷媒と前記冷却液との間で熱交換させて冷媒を凝縮させる第2水冷媒熱交換器と、
     前記第2水冷媒熱交換器から送出された冷媒が、冷媒を用いて車室内への送風を冷却するエバポレータ側へ送られる状態と、前記エバポレータ側へ送られない状態とに切り換え可能な第1切換手段と、
     前記第2水冷媒熱交換器から送出された冷媒が、前記第2水冷媒熱交換器へ膨張して送られる状態と、前記第2水冷媒熱交換器へ送られない状態とに切り換え可能な第2切換手段と、
     が一体化されている、
     車両用空調装置の構成ユニット。
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