JP4511061B2 - 車両用空調装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用空調装置に関し、とくにエンジンの効率が高くエンジン冷却水へのエンジン排熱量が少ない車両に好適で、低外気温時の暖房性能低下を解消可能な車両用空調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車両用空調装置の暖房装置としては、たとえば図８に示すように、エンジン１０１の冷却に用いるエンジン冷却水をポンプ１０２により循環させ、このエンジン冷却水としての温水と車室内空気とをヒータコア１０３で熱交換させることにより暖房を行うようにしたものが知られている。図８において、１０４はラジエータ（室外熱交換器）、１０５は送風用ブロワ、１０６はエアミックスダンパー、１０７は切換ダンパ、１０８は車室内への通風ダクトをそれぞれ示している。
【０００３】
ところが、近年エンジンの効率が高められ、エンジンからエンジン冷却水への排熱量が少なくなりつつある。このようにエンジン排熱量が少ないと、とくに低外気温度、低エンジン回転数条件にて、温水温度が低くなり暖房能力が不足する場合がある。また、この対応策として、エンジン駆動のオルタネータにより発電される電気エネルギーを用いた電気ヒータを用いる場合もあるが、効率が低く高々６０％前後にとどまっている。
【０００４】
また、別の対応策として、特開平１０−１６６８４７号公報には、低外気温時の暖房時における暖房性能低下を解決するために、エンジンの排気ガスからヒートポンプサイクルにより熱を汲み上げ、汲み上げた熱エネルギーを暖房用温水（ヒータコア戻り水）に放熱するようにした装置が開示されている。
【０００５】
しかしこの装置では、排気ガスの排熱熱交換器を設ける必要があり、コスト増大とともに、その取付方法が難しいという問題が残されている。また、ヒータコアからの戻り水に放熱し、エンジンに戻した後ヒータコア用熱源として使用しているため、ヒートポンプサイクルで汲み上げた熱をそれ程有効に使用できない。
【０００６】
また、特開平１０−２９７２７０号公報には、低外気温時の暖房時における暖房性能低下を解決するために、冷凍回路のホットガス高圧ガスをヒータコアへの供給水側に放熱するシステムが開示されている。
【０００７】
しかしこのシステムでは、ホットガス高圧ガスを使用するため、得られる放熱量が少なく、低外気温時の暖房立ち上げ時に十分な効果を発揮することができない。また、圧縮機の回転数を増加すれば放熱量を大きくすることは可能であるが、そうすると、冷房時の圧縮機の回転数に対して大幅な回転数アップとなり、装置的に現実性の乏しいものとなる。
【０００８】
さらに、特開平１１−１９８６３８号公報には、低外気温時の暖房時における暖房性能低下を解決するために、吸熱用熱交換器（蒸発器）を冷媒とブラインの間で熱交換する構造とし、ブラインヒータまたはエンジン冷却水等から吸熱し、暖房用の室内熱交換器に放熱するヒートポンプサイクルが開示されている。
【０００９】
しかしこの装置には、以下のような種々の問題がある。すなわち、その実施例に示されているように、冷房時において暖房用室内熱交換器が第１の凝縮器となるため、十分な冷房性能が得られない。つまり、このとき直前に配置されているエアミックスダンパーが閉とされるが、凝縮器の放熱が室内側に伝熱し冷房性能が低下する。また、冷房時においてブライン熱交換器が第２の凝縮器となるため、ブライン冷却器を追加しているが、ブライン冷却器追加によりコストアップする上、冷却ユニットの小型、軽量化及び設置スペースの対応が難しくなるという問題がある。この問題に対し、別の実施例の冷房時において、ブライン回路側または冷凍回路側に補助熱交換器等を追加しているが、これらの追加によりさらにコストアップする上、冷却ユニットの小型、軽量化及び設置スペースの対応が難しくなる。この補助熱交換器を車両に本来設置してあるラジエータまたは凝縮器と併用した場合、高外気温下の冷房時において、ラジエータ放熱量の増加から、エンジン冷却不足、冷媒凝縮不十分が生じ、エンジンオーバーヒートや冷凍回路高圧上昇が生じて、エンジン性能、冷房性能の低下を招くおそれがある、凝縮器放熱量増加により冷媒凝縮不十分となり、冷凍回路高圧上昇が生じて冷房性能が低下するおそれがある、等の問題を生じる。
【００１０】
これらの問題に対し車両に本来設置してあるラジエータまたは凝縮器の容量を増大するということも考えられるが、コストアップする上、冷却ユニットの小型、軽量化及び設置スペースの対応が難しくなる。
【００１１】
また、上記特開平１１−１９８６３８号公報開示の装置においては、その実施例１において、室内冷却器にて冷却後、暖房用室内熱交換器で暖房を行うようにしているが、一度冷却した後暖房を行うため非効率であり、寒冷地等暖房負荷の大きい地域では十分な暖房性能が得られない。また、その実施例２においては、暖房用室内熱交換器の下流にヒータコアを設置して暖房能力向上を狙っているが、将来の低燃費車両を考えた場合、「暖房用室内熱交換器の吹出空気温度＞ヒータコアの入口水温」となり、この状態で暖房能力向上を狙うことは不可能である。さらに、この提案システムは、現状の「冷房：蒸気圧縮サイクル／暖房：エンジン冷却水」という自動車用冷暖房システムに対して適用しようとすると、システム回路が複雑となり、現実性に乏しいものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような公知の従来技術に対し、先に本出願人により、低外気温時の暖房時における暖房性能低下を解決するために、吸熱用熱交換器（蒸発器）を冷媒とブライン（ヒータコア熱源であるエンジン冷却水）との間で熱交換し、室内熱交換器を蒸発器（冷房時）、凝縮器（暖房時）兼用とする構造を提案している（特願２０００−６２９１３号）。
【００１３】
この先の提案では、冷暖房兼用室内熱交換器の下流にヒータコアを設置して暖房能力向上を狙っているが、将来の低燃費車両を考えた場合には、「暖房用室内熱交換器の吹出空気温度＞ヒータコアの入口水温」となる場合があり、この状態で効果的に暖房能力向上を狙うことは難しくなる場合がある。
【００１４】
そこで本発明の課題は、冷房性能を損なうことなく、低外気温時の暖房時における暖房能力不足を解消し、乗員に不快感を与えない十分な暖房性能（暖房立ち上げ性能、暖房能力）を得ることを可能にした車両用空調装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る車両用空調装置は、車室内への通風ダクト内に、エンジン冷却水を温水の熱源とするヒータコアと、冷房用の室内熱交換器とを有する車両用空調装置において、ヒータコアの出口側温水回路に対し、ヒータコア出口水から吸熱する温水熱交換器を有するヒートポンプサイクルを構成するとともに、該ヒートポンプサイクルで吸熱した熱量を放熱する暖房用の放熱器を、前記ヒータコアおよび冷房用室内熱交換器とは別に通風ダクト内に設け、冷媒を圧縮機、室外熱交換器、第１のレシーバー、第１の膨張弁、前記室内熱交換器、圧縮機の順に循環可能な冷凍回路を有し、該冷凍回路の圧縮機吐出側に切換弁が設けられ、該切換弁と前記暖房用放熱器とがバイパス回路Ａで接続され、前記温水熱交換器と圧縮機吸入側とがバイパス回路Ｂで接続され、暖房用放熱器と温水熱交換器との間に第２のレシーバー、第２の膨張弁が設けられ、前記ヒートポンプサイクルが、該冷凍回路と前記温水熱交換器および前記暖房用放熱器との間に構成されていることを特徴とするものからなる。
【００１６】
この車両用空調装置においては、上記通風ダクト内に、空気導入側より前記冷房用室内熱交換器、ヒータコア、暖房用放熱器の順に配置されていることが好ましい。
【００１７】
また、この車両用空調装置は、上記冷房用室内熱交換器に冷媒を循環可能な冷凍回路を有するものから構成し、上記ヒートポンプサイクルを、該冷凍回路と温水熱交換器および暖房用放熱器との間に構成する。
【００１８】
上記冷凍回路としては、冷媒を、圧縮機、室外熱交換器、第１のレシーバー、第１の膨張弁、前記室内熱交換器、圧縮機の順に循環可能な冷房用回路を有するものに構成する。本発明に係る車両用空調装置においては、上記冷凍回路の圧縮機吐出側に切換弁が設けられ、該切換弁と前記暖房用放熱器とがバイパス回路Ａで接続され、前記温水熱交換器と圧縮機吸入側とがバイパス回路Ｂで接続され、暖房用放熱器と温水熱交換器との間に第２のレシーバー、第２の膨張弁が設けられている構造に構成される。
【００１９】
このような構造においては、上記第１のレシーバーと第２のレシーバーを一つの共用のレシーバーに構成することができる。また、上記第１の膨張弁と第２の膨張弁を一つの共用の膨張弁に構成することも可能である。
【００２０】
さらに、上記温水熱交換器の温水入口側には、ヒートポンプサイクルの制御用に、水温センサ（たとえば、制御用サーミスタ）を設けておくことが好ましい。
【００２１】
このように構成された本発明に係る車両用空調装置においては、ヒータコアの熱源として使用されるエンジン冷却水の熱が、ヒータコアの出口側温水回路に設けた温水熱交換器によって汲み上げられ、汲み上げられた熱が、ヒートポンプサイクルを介して、別に設けられた暖房用放熱器から通風ダクト内に放熱され、とくに暖房能力が不足する場合の付加暖房用熱量として有効に利用される。つまり、エンジン冷却水が有する熱量の一部が、先ず従来と同様ヒータコアで暖房用に使用され、ヒータコアで使用後のエンジン冷却水が有する熱量の一部が、さらに、温水熱交換器、ヒートポンプサイクルによって汲み上げられ、ダクト内に設けられた放熱器を介して暖房用に有効利用される。この放熱量の付加により、暖房能力不足が生じる、あるいは生じやすい条件時、とくに低外気温時の暖房時において、暖房能力不足が速やかに解消されることになり、乗員に不快感を与えない十分な暖房性能が得られる。また、汲み上げられた熱量が、冷房用室内熱交換器とは独立に設けられた放熱器により放熱されるので、冷房用室内熱交換器を使用する冷房時の性能には全く影響を及ぼさないようにすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１ないし図３は、本発明の一実施態様に係る車両用空調装置を示しており、とくに図１は暖房能力不足時の運転回路を太線で示したものである。
【００２３】
図１において、１は、温調された空気を車室内へと送る通風ダクトを示している。通風ダクト１内には、ブロワ２と、冷房専用の室内熱交換器３（蒸発器）と、ヒータコア４とがこの順に配置されており、ヒータコア４の直上流側にはエアミックスダンパー５が設けられている。
【００２４】
ヒータコア４には、エンジン６からのエンジン冷却水が温水の熱源として、ポンプ７、入口側温水回路８を介して流入される。流入された温水は、ヒータコア４によるダクト内空気との熱交換により、暖房に供される。ヒータコア４で使用されたエンジン冷却水は、出口側温水回路９を介してエンジン６へと戻される。
【００２５】
室内熱交換器３には、該室内熱交換器３に冷媒を循環可能な冷凍回路１０が接続されている。冷凍回路１０には、圧縮機１１、室外熱交換器１２、第１のレシーバー（冷却用）１３、冷房用の第１の膨張弁１４がこの順に配置され、冷房用膨張弁１４からの冷媒が室内熱交換器３に流入される。室内熱交換器３から流出した冷媒は、圧縮機１１の吸入側に循環されるようになっている。
【００２６】
ここまでの構成は、従来の一般的な車両用空調装置と実質的に同じである。本発明に係る車両用空調装置においては、ヒータコア４の出口側温水回路９に、ヒータコア出口水から吸熱する温水熱交換器１５が設けられている。そして、この温水熱交換器１５により吸熱された熱量を暖房用に放熱するヒートポンプサイクルが構成される。通風ダクト１内のヒータコア４の下流側に、室内熱交換器３およびヒータコア４とは別の暖房用放熱器としての暖房専用凝縮器１６が設けられており、上記ヒートポンプサイクルで吸熱した熱量が凝縮器１６によりダクト１内に放熱され、暖房に供される。
【００２７】
ヒートポンプサイクルは、本実施態様においては、上記冷凍回路１０と、温水熱交換器１５および暖房専用凝縮器１６との間に構成される。すなわち、冷凍回路１０の圧縮機１１の吐出側に切換弁１７が設けられ、該切換弁１７と暖房専用凝縮器１６の入口側とがバイパス回路Ａ１８で接続されている。また、温水熱交換器１５の出口側と圧縮機１１の吸入側とがバイパス回路Ｂ１９で接続されている。また、暖房専用凝縮器１６の冷媒出口側と温水熱交換器１５の冷媒入口側との間には、暖房用の第２のレシーバー２０と暖房用の第２の膨張弁２１が設けられている。さらに、本実施態様では、温水熱交換器１５の温水入口側に、水温センサとして制御用サーミスタ２２（ＴＨ）が設けられており、温水熱交換器１５に入る温水の温度を検知できるようになっている。
【００２８】
図１は、とくに上記車両用空調装置の暖房能力不足時の状態を示しており、太線が本状態時に使用される回路、実線矢印が温水の流れ、点線矢印が冷媒の流れをそれぞれ示している。
【００２９】
たとえば低外気温下の暖房立ち上げ時等における暖房能力不足時には、図１に示すように、圧縮機１１により吐出された冷媒は、切換弁１７、バイパス回路Ａ１８を通して暖房専用凝縮器１６に導入され、暖房専用凝縮器１６で凝縮され、凝縮により通風ダクト１内に放熱する。暖房専用凝縮器１６で凝縮された冷媒は、第２のレシーバー２０を通った後、暖房用膨張弁２１で膨張され、温水熱交換器１５に導入される。温水熱交換器１５では、ヒータコア４の出口水との熱交換により、冷媒が蒸発され、該蒸発によりヒータコア４の出口水から吸熱する。吸熱した冷媒は、バイパス回路Ｂ１９を通して圧縮機１１の吸入側に戻され、再び圧縮機１１で圧縮された後吐出される。したがってこの系は、上記の回路構成にて循環される冷媒により、温水熱交換器１５でヒータコア４の出口水から熱を汲み上げ、汲み上げた熱を暖房専用凝縮器１６により放熱する、ヒートポンプサイクルを構成する。
【００３０】
上記ヒートポンプサイクルにより、ヒータコア４に温水を循環させることによる放熱に、暖房専用凝縮器１６での冷媒の凝縮による放熱が加えられるので、ヒータコア４のみによる暖房の場合に比べ、暖房能力が大幅に増大される。その結果、低外気温下の暖房立ち上げ時の暖房能力不足時において、その暖房能力不足を解消することが可能になり、十分に高い暖房性能を得ることができる。
【００３１】
また、ヒートポンプサイクルにおいて吸熱のための蒸発器として機能するのが温水熱交換器１５であり、低温の外気からの吸熱ではないため、十分に大きな吸熱量が得られる。また、吸熱された温水は、再びエンジン６に戻されて十分に加熱されるので、本来のヒータコア４による暖房能力が低下することはない。
【００３２】
また、暖房能力を高めるための放熱器が、室内熱交換器３とは独立の暖房専用凝縮器１６からなるので、後述の冷房時においても全く悪影響は及ぼさず、冷房能力を低下させることもない。
【００３３】
さらに、上記実施態様では、室内ユニット内の熱交換器の配置は、空気導入側より、冷房専用蒸発器３、ヒータコア４、暖房専用凝縮器１６としている。これは、「冷暖房兼用室内熱交換器→ヒータコア」または「冷房専用蒸発器→暖房専用凝縮器→ヒータコア」の配置とすると、特に将来の低燃費車両においては、エンジン効率が向上するため暖房用の熱源が不足し、「ヒータコアの入口水温＜暖房専用凝縮器または冷暖房兼用室内熱交換器吹出空気温度」となる可能性が大きいためである。
【００３４】
なお、水温センサとしての制御用サーミスタ２２は、温水熱交換器１５への入口水温を検知して、たとえば前記ヒートポンプサイクルにおける圧縮機１１の適切な容量制御等に使用でき、温水熱交換器１５の吸熱条件の適切な制御や冷凍回路１０の低圧過負荷防止等のために使用できる。ただし、低外気温時の暖房立ち上げ時においても、次に例示するようにエンジン冷却水の温度は極めて迅速に立ち上がることから、サーミスタ２２の検知信号を全く用いないでも、前記ヒートポンプサイクルを成立させることができる。
【００３５】
上記車両用空調装置は、暖房能力が不足しないとき、つまりヒータコア４を従来と同様通常に使用するだけで暖房性能を満足できるときには、従来と同様ヒータコア４のみを使用する回路構成とできる。すなわち、図２に示すように、エンジン６からのエンジン冷却水を単にヒータコア４に通水させるだけの回路構成（太線部のみ通水）とし、ヒートポンプサイクルはオフとし、圧縮機１１をオフとする。
【００３６】
また、冷房時には、ヒートポンプサイクルは不要であるから、図３に示すように、通常の冷房用の冷媒循環回路構成（図の太線）とする。すなわち、切換弁１７を切り換え、バイパス回路Ａ、Ｂ１８、１９を使用せずに、冷房用膨張弁１４を作動させ、室内熱交換器３を蒸発器、室外熱交換器１２を凝縮器として作用させて、通常の冷房用回路を構成する。温水熱交換器１５および暖房専用凝縮器１６は、この冷房用回路に対し完全に系外に存在することになるから、何ら冷房性能に悪影響を及ぼすことはない。
【００３７】
上記実施態様に係る車両用空調装置は、その基本構成を、たとえば図４のように表すことができる。この基本構成に対し、たとえば図５に示すように、第１のレシーバー１３（レシーバードライヤ）と第２のレシーバー２０（レシーバードライヤ）を共用した、つまり冷暖房兼用のレシーバー３１にした回路構成とすることも可能である。冷暖房の切換のための、切換弁１７と同様の構成の切換弁３２が設けられている。
【００３８】
さらに、たとえば図６に示すように、第１の膨張弁１４と第２の膨張弁２１を共用した、つまり冷暖房兼用の膨張弁３３にした回路構成とすることも可能である。
【００３９】
図５、さらに図６に示したような回路構成とすることにより、図４に示した回路構成に比べ、装置全体の簡素化、部品点数の削減、コストダウンが可能となる。
【００４０】
図７は、たとえば図１、図４に示したような回路構成にて、低外気温下での低燃費車両の暖房立ち上げ時のヒータコア出口水温の推移の一例を示しており、データ測定条件も併せて示している。図７に示すように、たとえば、−２０℃程度の低外気温下で暖房を立ち上げた場合、ヒータコア４の出口水温は、運転開始後１分程度で、制御用サーミスタ２２部での水温にて５℃程度になり、その時点以降温水熱交換器１５がヒートポンプサイクルにおける蒸発器として十分に吸熱できることが判る。
【００４１】
また、図７によると、−２０℃の低外気温下の暖房立上げ時においてヒータコア入口水温は最大５０〜５３℃程度であり、ヒータコア吹出空気温度は最大４０℃前後であることがわかる。暖房専用凝縮器を設けた本方式では、ヒータコア吹出空気温度以上の吹出空気温を得ることが可能である。このため「ヒータコア入口水温＜暖房専用凝縮器吹出空気温度」となる可能性が大きく、室内ユニット内の熱交換器の配置は空気導入側より「冷房専用蒸発器→ヒータコア→暖房専用凝縮器」とする必要がある。
【００４２】
このように、ヒータコアからの放熱に加え、暖房専用凝縮器での放熱により室内側放熱量が増加し、低外気温下の暖房立上げ時等の暖房性能不足時において暖房能力不足を解消し、十分な暖房性能（暖房立上げ性能、暖房能力）を得ることが可能となる。また、ヒートポンプサイクルにおける蒸発器が温水熱交換器であり外気から吸熱していないため、低外気温下においても、着霜や暖房能力低下等の問題はない。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の車両用空調装置によれば、ヒータコアの出口側温水回路に吸熱用温水熱交換器を設けるとともに、通風ダクト内に暖房用放熱器をヒータコアとは別個に設け、該温水熱交換器により汲み上げた熱をヒートポンプサイクルを介し放熱器で放熱させて暖房用に有効利用できるようにしたので、低外気温下の暖房時における暖房能力不足を解消でき、乗員に不快感を与えない十分に高い暖房性能を得ることができる。
【００４４】
また、温水熱交換器による熱の汲み上げであるから、低外気温時においても着霜の心配がなく、また、温水はエンジンとの間で循環されるから、ヒータコア自身の暖房能力低下を招くこともない。
【００４５】
また、上記吸熱用の温水熱交換器および暖房用放熱器は冷房用室内熱交換器と別個に設けてあるため冷房時の回路に対しては完全に系外に位置するので、冷房性能には基本的に全く影響を与えることがなく、冷房時における付属機器の追加や仕様変更も不要である。
【００４６】
このように、本発明は、とくに近年のエンジン効率の高い低燃費車両に対し、優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様に係る車両用空調装置の暖房能力不足時の回路構成を示す概略機器系統図である。
【図２】図１の装置における暖房性能満足時の回路構成を示す概略機器系統図である。
【図３】図１の装置における冷房時の回路構成を示す概略機器系統図である。
【図４】図１の装置の基本構成を示す概略機器系統図である。
【図５】図４とは別の構成を示す概略機器系統図である。
【図６】図４とはさらに別の構成を示す概略機器系統図である。
【図７】暖房立ち上げ時のヒータコア出口水温の推移の一例を示す特性図である。
【図８】従来の車両用空調装置の暖房回路構成を示す概略機器系統図である。
【符号の説明】
１ 通風ダクト
２ ブロワ
３ 室内熱交換器
４ ヒータコア
５ エアミックスダンパー
６ エンジン
７ ポンプ
８ ヒータコアの入口側温水回路
９ ヒータコアの出口側温水回路
１０ 冷凍回路
１１ 圧縮機
１２ 室外熱交換器
１３ 第１のレシーバー
１４ 第１の膨張弁
１５ 温水熱交換器
１６ 暖房用放熱器としての暖房専用凝縮器
１７ 切換弁
１８ バイパス回路Ａ
１９ バイパス回路Ｂ
２０ 第２のレシーバー
２１ 第２の膨張弁
２２ 制御用サーミスタ
３１ 冷暖房兼用のレシーバー
３２ 切換弁
３３ 冷暖房兼用の膨張弁

Claims (5)

1. 車室内への通風ダクト内に、エンジン冷却水を温水の熱源とするヒータコアと、冷房用の室内熱交換器とを有する車両用空調装置において、ヒータコアの出口側温水回路に対し、ヒータコア出口水から吸熱する温水熱交換器を有するヒートポンプサイクルを構成するとともに、該ヒートポンプサイクルで吸熱した熱量を放熱する暖房用の放熱器を、前記ヒータコアおよび冷房用室内熱交換器とは別に通風ダクト内に設け、冷媒を圧縮機、室外熱交換器、第１のレシーバー、第１の膨張弁、前記室内熱交換器、圧縮機の順に循環可能な冷凍回路を有し、該冷凍回路の圧縮機吐出側に切換弁が設けられ、該切換弁と前記暖房用放熱器とがバイパス回路Ａで接続され、前記温水熱交換器と圧縮機吸入側とがバイパス回路Ｂで接続され、暖房用放熱器と温水熱交換器との間に第２のレシーバー、第２の膨張弁が設けられ、前記ヒートポンプサイクルが、該冷凍回路と前記温水熱交換器および前記暖房用放熱器との間に構成されていることを特徴とする車両用空調装置。
2. 前記通風ダクト内に、空気導入側より前記冷房用室内熱交換器、ヒータコア、暖房用放熱器の順に配置されている、請求項１の車両用空調装置。
3. 前記第１のレシーバーと第２のレシーバーが一つの共用のレシーバーに構成されている、請求項１または２の車両用空調装置。
4. 前記第１の膨張弁と第２の膨張弁が一つの共用の膨張弁に構成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の車両用空調装置。
5. 前記温水熱交換器の温水入口側に水温センサが設けられている、請求項１ないし４のいずれかに記載の車両用空調装置。

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