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JP6925288B2 - 車両用空気調和装置 - Google Patents

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JP6925288B2
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Description

本発明は、車両の車室内を空調するヒートポンプ方式の空気調和装置、特にハイブリッド自動車や電気自動車に好適な車両用空気調和装置に関するものである。
近年の環境問題の顕在化から、バッテリから供給される電力で走行用モータを駆動するハイブリッド自動車や電気自動車が普及するに至っている。そして、このような車両に適用することができる空気調和装置として、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、車室内側に設けられて冷媒を放熱させる放熱器と、車室内側に設けられて冷媒を吸熱させる吸熱器と、車室外側に設けられて外気が通風されると共に、冷媒を吸熱又は放熱させる室外熱交換器が接続された冷媒回路を備え、圧縮機から吐出された冷媒を放熱器において放熱させ、この放熱器において放熱した冷媒を室外熱交換器において吸熱させる暖房モード(暖房運転)と、圧縮機から吐出された冷媒を室外熱交換器において放熱させ、吸熱器において吸熱させる冷房モード(冷房運転)を切り換えて実行するものが開発されている(例えば、特許文献1参照)。
一方、車両に搭載されたバッテリは低温環境下では充放電性能が低下する。また、自己発熱等で高温となった環境下で充放電を行うと、劣化が進行し、やがては作動不良を起こして破損する危険性がある。そこで、冷却水(熱媒体)をバッテリに循環させる低水温ループ(熱媒体循環装置)を設け、チラー(冷媒−熱媒体熱交換器)で冷媒回路を循環する冷媒と冷却水(熱媒体)とを熱交換させ、また、温水ヒータ(加熱装置)によって冷却水(熱媒体)を加熱することでバッテリの温度を調整し、更に、バッテリの廃熱や温水ヒータ(加熱装置)による加熱で暖房補助を行うことができるようにしたものも開発されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2014−213765号公報 特許第5860360号公報
しかしながら、上記特許文献2のような加熱装置(温水ヒータ)による加熱で暖房補助を行う暖房補助運転を実行する際、バッテリの温度は使用下限温度以上であるが、冷媒−熱媒体熱交換器(チラー)で冷媒の加熱に必要な熱媒体(冷却水)の温度よりバッテリの温度が低い状況では、バッテリが暖まるまで、このバッテリの熱容量分、加熱装置(温水ヒータ)の発熱量が奪われることになり、無駄な電力が消費されると云う欠点があった。
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、バッテリ等の車両に搭載された発熱機器の温度に影響されること無く、効率的な空調運転を実現することができる車両用空気調和装置を提供することを目的とする。
本発明の車両用空気調和装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、車室内に供給する空気が流通する空気流通路と、冷媒を放熱させて空気流通路から車室内に供給する空気を加熱するための放熱器と、車室外に設けられて冷媒を吸熱させるための室外熱交換器と、制御装置を備え、車室内を空調するものであって、第1の熱媒体を加熱するための加熱装置に第1の熱媒体を循環させる第1の熱媒体循環装置と、車両に搭載された発熱機器に第2の熱媒体を循環させる第2の熱媒体循環装置を備え、第1の熱媒体循環装置は、冷媒と第1の熱媒体とを熱交換させるための第1の熱媒体用熱交換部を有し、第2の熱媒体循環装置は、第1の熱媒体と第2の熱媒体とを熱交換させるための第2の熱媒体用熱交換部を有することを特徴とする。
請求項2の発明の車両用空気調和装置は、上記発明において第1の熱媒体用熱交換部と第2の熱媒体用熱交換部が一体化された三媒体熱交換器を備えたことを特徴とする。
請求項3の発明の車両用空気調和装置は、上記各発明において制御装置は、発熱機器の温度に基づき、各熱媒体循環装置を制御することを特徴とする。
請求項4の発明の車両用空気調和装置は、上記各発明において制御装置は、圧縮機から吐出された冷媒を放熱器にて放熱させ、放熱した当該冷媒を減圧した後、室外熱交換器と第1の熱媒体用熱交換部にて吸熱させ、加熱装置により第1の熱媒体を加熱して当該第1の熱媒体を第1の熱媒体循環装置内で循環させると共に、発熱機器を加熱する必要が無い場合、第2の熱媒体循環装置内の第2の熱媒体の循環を停止することを特徴とする。
請求項5の発明の車両用空気調和装置は、上記発明において制御装置は、発熱機器の温度が所定の使用下限温度以上である場合、当該発熱機器を加熱する必要が無いと判断することを特徴とする。
請求項6の発明の車両用空気調和装置は、上記各発明において制御装置は、発熱機器の廃熱を回収することができる場合、圧縮機から吐出された冷媒を放熱器にて放熱させ、放熱した当該冷媒を減圧した後、室外熱交換器と第1の熱媒体用熱交換部にて吸熱させると共に、第1の熱媒体を第1の熱媒体循環装置内で循環させ、第2の熱媒体を第2の熱媒体循環装置内で循環させることを特徴とする。
請求項7の発明の車両用空気調和装置は、上記発明において制御装置は、発熱機器の温度が、当該発熱機器の廃熱を回収可能か否かの判断基準となる第1の熱媒体用熱交換部の出口側の第1の熱媒体の温度の所定値より高い場合、発熱機器の廃熱を回収することができると判断することを特徴とする。
請求項8の発明の車両用空気調和装置は、上記各発明において制御装置は、発熱機器を加熱する必要がある場合、加熱装置により第1の熱媒体を加熱して当該第1の熱媒体を第1の熱媒体循環装置内で循環させると共に、第2の熱媒体を第2の熱媒体循環装置内で循環させることを特徴とする。
請求項9の発明の車両用空気調和装置は、上記発明において制御装置は、発熱機器の温度が所定の使用下限温度より低い場合、当該発熱機器を加熱する必要があると判断することを特徴とする。
請求項10の発明の車両用空気調和装置は、上記発明において制御装置は、発熱機器を冷却する必要がある場合、圧縮機から吐出された冷媒を放熱器にて放熱させ、放熱した当該冷媒を減圧した後、第1の熱媒体用熱交換部にて吸熱させると共に、加熱装置による第1の熱媒体の加熱を停止した状態で当該第1の熱媒体を第1の熱媒体循環装置内で循環させ、第2の熱媒体を第2の熱媒体循環装置内で循環させることを特徴とする。
請求項11の発明の車両用空気調和装置は、上記発明において制御装置は、発熱機器の温度が所定の使用上限温度より高い場合、当該発熱機器を冷却する必要があると判断することを特徴とする。
本発明によれば、冷媒を圧縮する圧縮機と、車室内に供給する空気が流通する空気流通路と、冷媒を放熱させて空気流通路から車室内に供給する空気を加熱するための放熱器と、車室外に設けられて冷媒を吸熱させるための室外熱交換器と、制御装置を備え、車室内を空調する車両用空気調和装置において、第1の熱媒体を加熱するための加熱装置に第1の熱媒体を循環させる第1の熱媒体循環装置と、車両に搭載された発熱機器に第2の熱媒体を循環させる第2の熱媒体循環装置を設け、第1の熱媒体循環装置に、冷媒と第1の熱媒体とを熱交換させるための第1の熱媒体用熱交換部を設け、第2の熱媒体循環装置には、第1の熱媒体と第2の熱媒体とを熱交換させるための第2の熱媒体用熱交換部を設けたので、第2の熱媒体循環装置内で第2の熱媒体を循環させる状態と、循環させない状態とを切り換えることで、発熱機器の温度に影響されること無く、効率的な空調運転を実現することが可能となる。
特に、加熱装置により加熱される第1の熱媒体を介して、発熱機器に循環される第2の熱媒体と冷媒とを熱交換させるようにしているので、発熱機器の温度による影響を的確に排除、或いは、制御することができるようになる。
また、請求項2の発明の如く第1の熱媒体用熱交換部と第2の熱媒体用熱交換部が一体化された三媒体熱交換器を設けることで、車両の限られた設置スペースにも支障無く配置することができるようになる。
更に、請求項3の発明の如く制御装置が、発熱機器の温度に基づき、各熱媒体循環装置を制御するようにすれば、発熱機器の温度の状況によって適切に各熱媒体循環装置を制御することができるようになる。
例えば、請求項4の発明の如く制御装置が、圧縮機から吐出された冷媒を放熱器にて放熱させ、放熱した当該冷媒を減圧した後、室外熱交換器と第1の熱媒体用熱交換部にて吸熱させ、加熱装置により第1の熱媒体を加熱して当該第1の熱媒体を第1の熱媒体循環装置内で循環させる暖房補助を行う際に、発熱機器を加熱する必要が無いものの、当該発熱機器の温度が低い状況では、第2の熱媒体循環装置内の第2の熱媒体の循環を停止することで、加熱装置で加熱された第1の熱媒体の温度が、発熱機器で温度が低下する第2の熱媒体との熱交換で低下してしまう不都合を解消することができるようになる。即ち、加熱装置による暖房補助を行う際、発熱機器の温度は低いが、加熱する必要は無い状況において、発熱機器の熱容量分の無駄な電力が加熱装置で消費される不都合を未然に回避し、効率的な暖房補助による空調運転を実現することができるようになるものである。
この場合、例えば請求項5の発明の如く制御装置が、発熱機器の温度が所定の使用下限温度以上である場合、当該発熱機器を加熱する必要が無いと判断することで、発熱機器を加熱する必要が無いことを的確に判断して各熱媒体循環装置を制御することができるようになる。
また、請求項6の発明の如く制御装置が、発熱機器の廃熱を回収することができる場合、圧縮機から吐出された冷媒を放熱器にて放熱させ、放熱した当該冷媒を減圧した後、室外熱交換器と第1の熱媒体用熱交換部にて吸熱させると共に、第1の熱媒体を第1の熱媒体循環装置内で循環させ、第2の熱媒体を第2の熱媒体循環装置内で循環させるようにすることで、発熱機器の廃熱を、第2の熱媒体と第1の熱媒体を順次介して冷媒に汲み上げさせ、発熱機器の廃熱を有効に利用して効率良く車室内の暖房空調を行うことができるようになると共に、発熱機器の温度上昇も抑制し、且つ、室外熱交換器への着霜を抑制することも可能となる。
この場合、例えば請求項7の発明の如く制御装置により、発熱機器の温度が、当該発熱機器の廃熱を回収可能か否かの判断基準となる第1の熱媒体用熱交換部の出口側の第1の熱媒体の温度の所定値より高い場合、発熱機器の廃熱を回収することができると判断することで、発熱機器の廃熱を回収することができることを的確に判断して各熱媒体循環装置を制御することができるようになる。
尚、発熱機器を加熱する必要がある場合には、請求項8の発明の如く制御装置が、加熱装置により第1の熱媒体を加熱して当該第1の熱媒体を第1の熱媒体循環装置内で循環させると共に、第2の熱媒体を第2の熱媒体循環装置内で循環させるようにすることで、加熱装置により加熱された第1の熱媒体により第2の熱媒体を加熱し、この加熱された第2の熱媒体で発熱機器を支障無く加熱することができるようになる。
この場合も、例えば請求項9の発明の如く制御装置が、発熱機器の温度が所定の使用下限温度より低い場合、当該発熱機器を加熱する必要があると判断することで、発熱機器を加熱する必要があることを的確に判断して各熱媒体循環装置を制御することができるようになる。
また、発熱機器を冷却する必要がある場合、請求項10の発明の如く制御装置が、圧縮機から吐出された冷媒を放熱器にて放熱させ、放熱した当該冷媒を減圧した後、第1の熱媒体用熱交換部にて吸熱させると共に、加熱装置による第1の熱媒体の加熱を停止した状態で当該第1の熱媒体を第1の熱媒体循環装置内で循環させ、第2の熱媒体を第2の熱媒体循環装置内で循環させるようにすることで、冷媒により冷却された第1の熱媒体と熱交換して冷却された第2の熱媒体で発熱機器を支障無く冷却することができるようになる。
この場合も、例えば請求項11の発明の如く制御装置が、発熱機器の温度が所定の使用上限温度より高い場合、当該発熱機器を冷却する必要があると判断することで、発熱機器を冷却する必要があることを的確に判断して各熱媒体循環装置を制御することができるようになる。
本発明を適用した一実施形態の車両用空気調和装置の構成図である。 図1の車両用空気調和装置のコントローラの電気回路のブロック図である。 図2のコントローラによる暖房運転を説明する図である。 図2のコントローラによる除湿暖房運転を説明する図である。 図2のコントローラによる内部サイクル運転を説明する図である。 図2のコントローラによる除湿冷房運転を説明する図である。 図2のコントローラによる冷房運転を説明する図である。 図3の暖房運転において図2のコントローラが実行する暖房補助運転を説明する図である。 図3の暖房運転や図8の暖房補助運転において図2のコントローラが実行するバッテリ廃熱回収運転と、バッテリ加熱運転を説明する図である。 図2のコントローラが実行するバッテリ冷却運転を説明する図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。
図1は本発明の一実施例の車両用空気調和装置1の構成図を示している。本発明を適用する実施例の車両は、エンジン(内燃機関)が搭載されていない電気自動車(EV)であって、車両にバッテリ55が搭載され、このバッテリ55に充電された電力を走行用の電動モータ(図示せず)に供給することで駆動し、走行するものであり、本発明の車両用空気調和装置1も、バッテリ55の電力で駆動されるものとする。
即ち、実施例の車両用空気調和装置1は、エンジン廃熱による暖房ができない電気自動車において、冷媒回路Rを用いたヒートポンプ運転により暖房運転を行い、更に、除湿暖房運転や内部サイクル運転、除湿冷房運転、冷房運転の各空調運転を選択的に実行することで車室内の空調を行うものである。
尚、車両として電気自動車に限らず、エンジンと走行用の電動モータを供用する所謂ハイブリッド自動車にも本発明が有効であり、更には、エンジンで走行する通常の自動車にも適用可能であることは云うまでもない。また、本出願ではバッテリ55を車両に搭載された発熱機器として例示するが、それに限らず、発熱機器としては前述した走行用の電動モータや、当該電動モータの制御用のインバータ等が挙げられる。
実施例の車両用空気調和装置1は、電気自動車の車室内の空調(暖房、冷房、除湿、及び、換気)を行うものであり、冷媒を圧縮する電動式の圧縮機2と、車室内空気が通気循環されるHVACユニット10の空気流通路3内に設けられ、圧縮機2から吐出された高温高圧の冷媒が冷媒配管13Gを介して流入し、この冷媒を車室内に放熱させる放熱器4と、暖房時に冷媒を減圧膨張させる電動弁(電子膨張弁)から成る室外膨張弁6と、冷房時には冷媒を放熱させる放熱器として機能し、暖房時には冷媒を吸熱させる蒸発器として機能すべく冷媒と外気との間で熱交換を行わせる室外熱交換器7と、冷媒を減圧膨張させる電動弁(電子膨張弁)から成る室内膨張弁8と、空気流通路3内に設けられて冷房時及び除湿時に車室内外から冷媒に吸熱させる吸熱器9と、アキュムレータ12等が冷媒配管13により順次接続され、冷媒回路Rが構成されている。
室外膨張弁6は放熱器4から出て室外熱交換器7に流入する冷媒を減圧膨張させると共に全閉も可能とされている。また、室内膨張弁8は吸熱器9に流入する冷媒を減圧膨張させると共に全閉も可能とされている。
尚、室外熱交換器7には、室外送風機15が設けられている。この室外送風機15は、室外熱交換器7に外気を強制的に通風することにより、外気と冷媒とを熱交換させるものであり、これにより停車中(即ち、車速が0km/h)にも室外熱交換器7に外気が通風されるよう構成されている。
また、室外熱交換器7の冷媒出口側に接続された冷媒配管13Aは、逆止弁18を介して冷媒配管13Bに接続されている。尚、逆止弁18は冷媒配管13B側が順方向とされている。そして、この冷媒配管13Bは室内膨張弁8に接続されている。
また、室外熱交換器7から出た冷媒配管13Aは逆止弁18の手前(冷媒上流側)で分岐しており、この分岐した冷媒配管13Dは、暖房時に開放される電磁弁21を介して吸熱器9の出口側に位置する冷媒配管13Cに連通接続されている。そして、この冷媒配管13Dが接続された箇所より冷媒下流側の冷媒配管13Cは、逆止弁20を介してアキュムレータ12に接続され、アキュムレータ12は圧縮機2の冷媒吸込側に接続されている。尚、逆止弁20はアキュムレータ12側が順方向とされている。
更に、放熱器4の出口側の冷媒配管13Eは、室外膨張弁6の手前(冷媒上流側)で冷媒配管13Jと冷媒配管13Fに分岐しており、分岐した一方の冷媒配管13Jが室外膨張弁6を介して室外熱交換器7の冷媒入口側に接続されている。また、分岐した他方の冷媒配管13Fは除湿時に開放される電磁弁22を介して逆止弁18の冷媒下流側に位置する冷媒配管13Aと冷媒配管13Bとの接続部に連通接続されている。これにより、冷媒配管13Fは室外膨張弁6、室外熱交換器7及び逆止弁18の直列回路に対して並列に接続されたかたちとなり、室外膨張弁6、室外熱交換器7及び逆止弁18をバイパスすることになる。
また、吸熱器9の空気上流側における空気流通路3には、外気吸込口と内気吸込口の各吸込口が形成されており(図1では吸込口25で代表して示す)、この吸込口25には空気流通路3内に導入する空気を車室内の空気である内気(内気循環)と、車室外の空気である外気(外気導入)とに切り換える吸込切換ダンパ26が設けられている。更に、この吸込切換ダンパ26の空気下流側には、導入した内気や外気を空気流通路3に送給するための室内送風機(ブロワファン)27が設けられている。
また、放熱器4の空気上流側における空気流通路3内には、当該空気流通路3内に流入し、吸熱器9を通過した後の空気流通路3内の空気(内気や外気)を放熱器4に通風する割合を調整するエアミックスダンパ28が設けられている。更に、放熱器4の空気下流側における空気流通路3には、FOOT(フット)、VENT(ベント)、DEF(デフ)の各吹出口(図1では代表して吹出口29で示す)が形成されており、この吹出口29には上記各吹出口からの空気の吹き出しを切換制御する吹出口切換ダンパ31が設けられている。
更に、本発明の車両用空気調和装置1は、バッテリ55(発熱機器)を加熱し、或いは、バッテリ55の廃熱を回収し、若しくは、バッテリ55を冷却するための独立した第1及び第2の熱媒体循環装置61、62を備えている。実施例の第1の熱媒体循環装置61は、第1の熱媒体を循環させるための循環装置としての循環ポンプ63(第1の循環ポンプ)と、加熱装置としての熱媒体加熱ヒータ66と、三媒体熱交換器64の第1の熱媒体用熱交換部65Aを構成する第1の熱媒体流路64Bを備え、それらが熱媒体配管67にて環状に接続されている。
また、実施例の第2の熱媒体循環装置62は、バッテリ55に第2の熱媒体を循環させるための循環装置としての循環ポンプ68(第2の循環ポンプ)と、三媒体熱交換器64の第2の熱媒体用熱交換部65Bを構成する第2の熱媒体流路64Cを備え、それらとバッテリ55が熱媒体配管69にて環状に接続されている。
この実施例の場合、第1の熱媒体循環装置61の循環ポンプ63の吐出側に第1の熱媒体流路64Bの入口が接続され、この第1の熱媒体流路64Bの出口に熱媒体加熱ヒータ66が接続され、この熱媒体加熱ヒータ66の出口が循環ポンプ63の吸込側に接続されている。また、第2の熱媒体循環装置62の循環ポンプ68の吐出側に第2の熱媒体流路64Cの入口が接続され、この第2の熱媒体流路64Cの出口にバッテリ55の入口が接続され、バッテリ55の出口が循環ポンプ68の吸込側に接続されている。
これら第1及び第2の熱媒体循環装置61、62で使用される第1及び第2の熱媒体としては、例えば水、HFO−1234fのような冷媒、クーラント等の液体、空気等の気体が採用可能である。尚、実施例では水を第1及び第2の熱媒体として採用している。また、熱媒体加熱ヒータ66はPTCヒータ等の電気ヒータから構成されている。更に、バッテリ55の周囲には例えば第2の熱媒体が当該バッテリ55と熱交換関係で流通可能なジャケット構造が施されているものとする。
そして、第1の熱媒体循環装置61の循環ポンプ63が運転されると、循環ポンプ63から吐出された第1の熱媒体は三媒体熱交換器64の第1の熱媒体流路64Bに流入する。この第1の熱媒体流路64Bを出た第1の熱媒体は熱媒体加熱ヒータ66に至り、熱媒体加熱ヒータ66が発熱されている場合にはそこで加熱された後、循環ポンプ63に吸い込まれる。このようにして、第1の熱媒体は熱媒体配管67内を循環される。
また、第2の熱媒体循環装置62の循環ポンプ68が運転されると、循環ポンプ68から吐出された第2の熱媒体は三媒体熱交換器64の第2の熱媒体流路64Cに流入する。この第2の熱媒体流路64Cを出た第2の熱媒体はバッテリ55に至り、そこでバッテリ55と熱交換した後、循環ポンプ68に吸い込まれる。このようにして、第2の熱媒体は熱媒体配管69内を循環される。
一方、冷媒回路Rの冷媒配管13Fの電磁弁22の冷媒下流側には、分岐配管72の一端が接続されている。この分岐配管72には電動弁(電子膨張弁)から構成された補助膨張弁73が設けられている。この補助膨張弁73は三媒体熱交換器64の後述する冷媒流路64Aに流入する冷媒を減圧膨張させると共に全閉も可能とされている。そして、分岐配管72の他端は三媒体熱交換器64の冷媒流路64Aに接続されており、この冷媒流路64Aの出口には冷媒配管74の一端が接続され、冷媒配管74の他端はアキュムレータ12の手前(冷媒上流側)であって逆止弁20の冷媒下流側の冷媒配管13Cに接続されている。
そして、これら補助膨張弁73等も冷媒回路Rの一部を構成すると同時に、第1及び第2の熱媒体循環装置61、62の一部をも構成することになる。また、三媒体熱交換器64は上記冷媒流路64Aと、第1の熱媒体流路Bと、第2の熱媒体流路64Cが一体化された熱交換器であり、冷媒流路64Aと第1の熱媒体流路64Bとが熱交換関係とされ、この第1の熱媒体流路64Bと第2の熱媒体流路64Cとが熱交換関係とされている。
これら冷媒流路64Aと第1の熱媒体流路64Bとで三媒体熱交換器64の第1の熱媒体用熱交換部65Aが構成され、冷媒流路64Aと第1の熱媒体流路64Bはこの第1の熱媒体用熱交換部65Aの一部をそれぞれ構成するので、第1の熱媒体循環装置61は第1の熱媒体用熱交換部65Aを有することになる。また、第1の熱媒体流路64Bと第2の熱媒体流路64Cとで三媒体熱交換器64の第2の熱媒体用熱交換部65Bが構成され、第1の熱媒体流路64Bと第2の熱媒体流路64Cはこの第2の熱媒体用熱交換部65Bの一部をそれぞれ構成するので、第2の熱媒体循環装置62は第2の熱媒体用熱交換部65Bを有することになる。
特に、実施例の三媒体熱交換器64は上記の如く冷媒流路64Aと第1の熱媒体流路Bと第2の熱媒体流路64Cが一体化された熱交換器であるので、三媒体熱交換器64は上記第1の熱媒体用熱交換部65Aと第2の熱媒体用熱交換部65Bが一体化されたコンパクトな構成となる。
冷媒回路R側の補助膨張弁73と電磁弁22が開いている場合、冷媒配管13Fに流入した冷媒はこの補助膨張弁73で減圧された後、三媒体熱交換器64の冷媒流路64Aに流入し、そこで蒸発する。冷媒は冷媒流路64Aを流れる過程で第1の熱媒体流路64Bを流れる第1の熱媒体と熱交換し、当該第1の熱媒体から吸熱した後、アキュムレータ12を経て圧縮機2に吸い込まれる。また、第1の熱媒体は第1の熱媒体流路64Bを流れる過程で第2の熱媒体流路64Cを流れる第2の熱媒体と熱交換することになる。
次に、図2において32は制御装置としてのコントローラ(ECU)である。このコントローラ32は、プロセッサを備えたコンピュータの一例としてのマイクロコンピュータから構成されており、その入力には車両の外気温度(Tam)を検出する外気温度センサ33と、外気湿度を検出する外気湿度センサ34と、吸込口25から空気流通路3に吸い込まれる空気の温度を検出するHVAC吸込温度センサ36と、車室内の空気(内気)の温度を検出する内気温度センサ37と、車室内の空気の湿度を検出する内気湿度センサ38と、車室内の二酸化炭素濃度を検出する室内CO2濃度センサ39と、吹出口29から車室内に吹き出される空気の温度を検出する吹出温度センサ41と、圧縮機2の吐出冷媒圧力(吐出圧力Pd)を検出する吐出圧力センサ42と、圧縮機2の吐出冷媒温度を検出する吐出温度センサ43と、圧縮機2の吸込冷媒温度を検出する吸込温度センサ44と、放熱器4の温度(放熱器4を経た空気の温度、又は、放熱器4自体の温度:放熱器温度TCI)を検出する放熱器温度センサ46と、放熱器4の冷媒圧力(放熱器4内、又は、放熱器4を出た直後の冷媒の圧力:放熱器圧力PCI)を検出する放熱器圧力センサ47と、吸熱器9の温度(吸熱器9を経た空気の温度、又は、吸熱器9自体の温度:吸熱器温度Te)を検出する吸熱器温度センサ48と、吸熱器9の冷媒圧力(吸熱器9内、又は、吸熱器9を出た直後の冷媒の圧力)を検出する吸熱器圧力センサ49と、車室内への日射量を検出するための例えばフォトセンサ式の日射センサ51と、車両の移動速度(車速)を検出するための車速センサ52と、設定温度や空調運転の切り換えを設定するための空調操作部53(エアコン操作部)と、室外熱交換器7の温度(室外熱交換器7から出た直後の冷媒の温度、又は、室外熱交換器7自体の温度:室外熱交換器温度TXO。室外熱交換器7が蒸発器として機能するとき、室外熱交換器温度TXOは室外熱交換器7における冷媒の蒸発温度となる)を検出する室外熱交換器温度センサ54と、室外熱交換器7の冷媒圧力(室外熱交換器7内、又は、室外熱交換器7から出た直後の冷媒の圧力)を検出する室外熱交換器圧力センサ56の各出力が接続されている。
また、コントローラ32の入力には更に、バッテリ55の温度(バッテリ55自体の温度、又は、バッテリ55を出た熱媒体の温度、或いは、バッテリ55に入る熱媒体の温度:バッテリ温度Tb)を検出するバッテリ温度センサ76と、熱媒体加熱ヒータ66の温度(熱媒体加熱ヒータ66自体の温度、熱媒体加熱ヒータ66を出た熱媒体の温度)を検出する熱媒体加熱ヒータ温度センサ77と、三媒体熱交換器64の第1の熱媒体流路64B(第1の熱媒体用熱交換部65A)の出口側の第1の熱媒体の温度(出口熱媒体温度Tout)を検出する第1出口温度センサ78と、冷媒流路64Aを出た冷媒の温度を検出する第2の出口温度センサ79の各出力も接続されている。
一方、コントローラ32の出力には、前記圧縮機2と、室外送風機15と、室内送風機(ブロワファン)27と、吸込切換ダンパ26と、エアミックスダンパ28と、吹出口切換ダンパ31と、室外膨張弁6、室内膨張弁8と、電磁弁22(除湿)、電磁弁21(暖房)の各電磁弁と、各循環ポンプ63、68、熱媒体加熱ヒータ66、補助膨張弁73が接続されている。そして、コントローラ32は各センサの出力と空調操作部53にて入力された設定に基づいてこれらを制御するものである。
以上の構成で、次に実施例の車両用空気調和装置1の動作を説明する。コントローラ32は実施例では暖房運転と、除湿暖房運転と、内部サイクル運転と、除湿冷房運転と、冷房運転の各空調運転を切り換えて実行すると共に、第1の熱媒体循環装置61の熱媒体加熱ヒータ66を用いた暖房補助運転を行う。また、この第1の熱媒体循環装置61の熱媒体加熱ヒータ66と第2の熱媒体循環装置62を用いてバッテリ55を加熱すると共に、バッテリ55の廃熱を回収し、若しくは、バッテリ55を冷却することで、当該バッテリ55の温度を調整するものであるが、先ず、冷媒回路Rの各空調運転について説明する。
(1)暖房運転
最初に、図3を参照しながら暖房運転について説明する。図3は暖房運転における冷媒回路Rの冷媒の流れ(実線矢印)を示している。コントローラ32により(オートモード)、或いは、空調操作部53へのマニュアル操作(マニュアルモード)により暖房運転が選択されると、コントローラ32は電磁弁21(暖房用)を開放し、室内膨張弁8を全閉(全閉位置)とする。また、室外膨張弁6は開放して冷媒の減圧制御を行う状態とし、電磁弁22(除湿用)は閉じる。尚、暖房運転中の補助膨張弁73の制御については後に詳述する。
そして、圧縮機2、及び、各送風機15、27を運転し、エアミックスダンパ28は室内送風機27から吹き出された空気が放熱器4に通風される割合を調整する状態とする。これにより、圧縮機2から吐出された高温高圧のガス冷媒は放熱器4に流入する。放熱器4には空気流通路3内の空気が通風されるので、空気流通路3内の空気は放熱器4内の高温冷媒により加熱され、一方、放熱器4内の冷媒は空気に熱を奪われて冷却され、凝縮液化する。
放熱器4内で液化した冷媒は放熱器4を出た後、冷媒配管13E、13Jを経て室外膨張弁6に至る。室外膨張弁6に流入した冷媒はそこで減圧された後、室外熱交換器7に流入する。室外熱交換器7に流入した冷媒は蒸発し、走行により、或いは、室外送風機15にて通風される外気中から熱を汲み上げる(吸熱)。即ち、冷媒回路Rがヒートポンプとなる。そして、室外熱交換器7を出た低温の冷媒は冷媒配管13A及び冷媒配管13D、電磁弁21を経て冷媒配管13Cに至り、逆止弁20を経てアキュムレータ12に入り、そこで気液分離された後、ガス冷媒が圧縮機2に吸い込まれる循環を繰り返す。放熱器4にて加熱された空気は吹出口29から吹き出されるので、これにより車室内の暖房が行われることになる。
コントローラ32は、後述する目標吹出温度TAOから算出される目標ヒータ温度TCO(放熱器4を経た空気の温度THの目標値)から目標放熱器圧力PCO(放熱器4の圧力PCIの目標値)を算出し、この目標放熱器圧力PCOと、放熱器圧力センサ47が検出する放熱器4の冷媒圧力(放熱器圧力PCI。冷媒回路Rの高圧圧力)に基づいて圧縮機2の回転数を制御すると共に、放熱器温度センサ46が検出する放熱器4の温度(放熱器温度TCI)及び放熱器圧力センサ47が検出する放熱器圧力PCIに基づいて室外膨張弁6の弁開度を制御し、放熱器4の出口における冷媒の過冷却度を制御する。前記目標ヒータ温度TCOは基本的にはTCO=TAOとされるが、制御上の所定の制限が設けられる。
(2)除湿暖房運転
次に、図4を参照しながら除湿暖房運転について説明する。図4は除湿暖房運転における冷媒回路Rの冷媒の流れ(実線矢印)を示している。除湿暖房運転では、コントローラ32は上記暖房運転の状態において電磁弁22を開放する。但し、補助膨張弁73は全閉(全閉位置)とする。また、室内膨張弁8も開放して冷媒の減圧制御を行う状態とする。これにより、放熱器4を経て冷媒配管13Eを流れる凝縮冷媒の一部が分流され、この分流された冷媒が電磁弁22を経て冷媒配管13Fに流入し、冷媒配管13Bから室内膨張弁8に流れ、残りの冷媒が室外膨張弁6に流れるようになる。即ち、分流された一部の冷媒が室内膨張弁8にて減圧された後、吸熱器9に流入して蒸発する。
コントローラ32は吸熱器9の出口における冷媒の過熱度(SH)を所定値に維持するように室内膨張弁8の弁開度を制御するが、このときに吸熱器9で生じる冷媒の吸熱作用で室内送風機27から吹き出された空気中の水分が吸熱器9に凝結して付着するので、空気は冷却され、且つ、除湿される。分流されて冷媒配管13Jに流入した残りの冷媒は、室外膨張弁6で減圧された後、室外熱交換器7で蒸発することになる。
吸熱器9で蒸発した冷媒は、冷媒配管13Cに出て冷媒配管13Dからの冷媒(室外熱交換器7からの冷媒)と合流した後、逆止弁20及びアキュムレータ12を経て圧縮機2に吸い込まれる循環を繰り返す。吸熱器9にて除湿された空気は放熱器4を通過する過程で再加熱されるので、これにより車室内の除湿暖房が行われることになる。
コントローラ32は目標ヒータ温度TCOから算出される目標放熱器圧力PCOと放熱器圧力センサ47が検出する放熱器圧力PCI(冷媒回路Rの高圧圧力)に基づいて圧縮機2の回転数を制御すると共に、吸熱器温度センサ48が検出する吸熱器9の温度(吸熱器温度Te)に基づいて室外膨張弁6の弁開度を制御する。
(3)内部サイクル運転
次に、図5を参照しながら内部サイクル運転について説明する。図5は内部サイクル運転における冷媒回路Rの冷媒の流れ(実線矢印)を示している。内部サイクル運転では、コントローラ32は上記除湿暖房運転の状態において室外膨張弁6を全閉とする(全閉位置)。但し、電磁弁21は開いた状態を維持し、室外熱交換器7の冷媒出口は圧縮機2の冷媒吸込側に連通させておく。即ち、この内部サイクル運転は除湿暖房運転における室外膨張弁6の制御で当該室外膨張弁6を全閉とした状態であるので、この内部サイクル運転も除湿暖房運転の一部と捉えることができる。
但し、室外膨張弁6が閉じられることにより、室外熱交換器7への冷媒の流入は阻止されることになるので、放熱器4を経て冷媒配管13Eを流れる凝縮冷媒は電磁弁22を経て冷媒配管13Fに全て流れるようになる。そして、冷媒配管13Fを流れる冷媒は冷媒配管13Bより室内膨張弁8に至る。室内膨張弁8にて冷媒は減圧された後、吸熱器9に流入して蒸発する。このときの吸熱作用で室内送風機27から吹き出された空気中の水分が吸熱器9に凝結して付着するので、空気は冷却され、且つ、除湿される。
吸熱器9で蒸発した冷媒は冷媒配管13Cを流れ、逆止弁20及びアキュムレータ12を経て圧縮機2に吸い込まれる循環を繰り返す。吸熱器9にて除湿された空気は放熱器4を通過する過程で再加熱されるので、これにより、車室内の除湿暖房が行われることになるが、この内部サイクル運転では室内側の空気流通路3内にある放熱器4(放熱)と吸熱器9(吸熱)の間で冷媒が循環されることになるので、外気からの熱の汲み上げは行われず、圧縮機2の消費動力分の暖房能力が発揮される。除湿作用を発揮する吸熱器9には冷媒の全量が流れるので、上記除湿暖房運転に比較すると除湿能力は高いが、暖房能力は低くなる。
また、室外膨張弁6は閉じられるものの、電磁弁21は開いており、室外熱交換器7の冷媒出口は圧縮機2の冷媒吸込側に連通しているので、室外熱交換器7内の液冷媒は冷媒配管13D及び電磁弁21を経て冷媒配管13Cに流出し、アキュムレータ12に回収され、室外熱交換器7内はガス冷媒の状態となる。これにより、電磁弁21を閉じたときに比して、冷媒回路R内を循環する冷媒量が増え、放熱器4における暖房能力と吸熱器9における除湿能力を向上させることができるようになる。
コントローラ32は吸熱器9の温度、又は、前述した放熱器圧力PCI(冷媒回路Rの高圧圧力)に基づいて圧縮機2の回転数を制御する。このとき、コントローラ32は吸熱器9の温度によるか放熱器圧力PCIによるか、何れかの演算から得られる圧縮機目標回転数の低い方を選択して圧縮機2を制御する。
(4)除湿冷房運転
次に、図6を参照しながら除湿冷房運転について説明する。図6は除湿冷房運転における冷媒回路Rの冷媒の流れ(実線矢印)を示している。除湿冷房運転では、コントローラ32は室外膨張弁6と室内膨張弁8を開放してそれぞれ冷媒の減圧制御を行う状態とし、電磁弁21を閉じる。また、電磁弁22を閉じる。そして、圧縮機2、及び、各送風機15、27を運転し、エアミックスダンパ28は室内送風機27から吹き出された空気が放熱器4に通風される割合を調整する状態とする。これにより、圧縮機2から吐出された高温高圧のガス冷媒は放熱器4に流入する。放熱器4には空気流通路3内の空気が通風されるので、空気流通路3内の空気は放熱器4内の高温冷媒により加熱され、一方、放熱器4内の冷媒は空気に熱を奪われて冷却され、凝縮液化していく。
放熱器4を出た冷媒は冷媒配管13Eを経て室外膨張弁6に至り、開き気味で制御される室外膨張弁6を経て室外熱交換器7に流入する。室外熱交換器7に流入した冷媒はそこで走行により、或いは、室外送風機15にて通風される外気により空冷され、凝縮する。室外熱交換器7を出た冷媒は冷媒配管13A、逆止弁18を経て冷媒配管13Bに入り、室内膨張弁8に至る。室内膨張弁8にて冷媒は減圧された後、吸熱器9に流入して蒸発する。このときの吸熱作用で室内送風機27から吹き出された空気中の水分が吸熱器9に凝結して付着するので、空気は冷却され、且つ、除湿される。
吸熱器9で蒸発した冷媒は冷媒配管13Cを経て逆止弁20に至り、次にアキュムレータ12を経て圧縮機2に吸い込まれる循環を繰り返す。吸熱器9にて冷却され、除湿された空気は放熱器4を通過する過程でリヒート(再加熱:暖房時よりも放熱能力は低い)されるので、これにより車室内の除湿冷房が行われることになる。
コントローラ32は吸熱器温度センサ48が検出する吸熱器9の温度(吸熱器温度Te)とその目標値である目標吸熱器温度TEOに基づき、吸熱器温度Teを目標吸熱器温度TEOにするように圧縮機2の回転数を制御すると共に、放熱器圧力センサ47が検出する放熱器圧力PCI(冷媒回路Rの高圧圧力)と目標ヒータ温度TCOから算出される目標放熱器圧力PCO(放熱器圧力PCIの目標値)に基づき、放熱器圧力PCIを目標放熱器圧力PCOにするように室外膨張弁6の弁開度を制御することで放熱器4による必要なリヒート量を得る。
(5)冷房運転
次に、図7を参照しながら冷房運転について説明する。図7は冷房運転における冷媒回路Rの冷媒の流れ(実線矢印)を示している。冷房運転では、コントローラ32は上記除湿冷房運転の状態において室外膨張弁6を全開とする(全開位置)。尚、エアミックスダンパ28は放熱器4に空気が通風される割合を調整する状態とする。
これにより、圧縮機2から吐出された高温高圧のガス冷媒は放熱器4に流入する。放熱器4には空気流通路3内の空気は通風されるものの、その割合は小さくなるので(冷房時のリヒートのみのため)、ここは殆ど通過するのみとなり、放熱器4を出た冷媒は冷媒配管13Eを経て室外膨張弁6に至る。このとき室外膨張弁6は全開とされているので冷媒は冷媒配管13Jを通過し、そのまま室外熱交換器7に流入し、そこで走行により、或いは、室外送風機15にて通風される外気により空冷され、凝縮液化する。室外熱交換器7を出た冷媒は冷媒配管13A、逆止弁18を経て冷媒配管13Bに入り、室内膨張弁8に至る。室内膨張弁8にて冷媒は減圧された後、吸熱器9に流入して蒸発する。このときの吸熱作用で室内送風機27から吹き出された空気中の水分が吸熱器9に凝結して付着し、空気は冷却される。
吸熱器9で蒸発した冷媒は冷媒配管13Cを経て逆止弁20からアキュムレータ12に至り、そこを経て圧縮機2に吸い込まれる循環を繰り返す。吸熱器9にて冷却され、除湿された空気は吹出口29から車室内に吹き出されるので、これにより車室内の冷房が行われることになる。この冷房運転においては、コントローラ32は吸熱器温度センサ48が検出する吸熱器9の温度(吸熱器温度Te)に基づいて圧縮機2の回転数を制御する。
(6)空調運転の切り換え
コントローラ32は下記式(I)から前述した目標吹出温度TAOを算出する。この目標吹出温度TAOは、吹出口29から車室内に吹き出される空気の温度の目標値である。
TAO=(Tset−Tin)×K+Tbal(f(Tset、SUN、Tam))
・・(I)
ここで、Tsetは空調操作部53で設定された車室内の設定温度、Tinは内気温度センサ37が検出する車室内空気の温度、Kは係数、Tbalは設定温度Tsetや、日射センサ51が検出する日射量SUN、外気温度センサ33が検出する外気温度Tamから算出されるバランス値である。そして、一般的に、この目標吹出温度TAOは外気温度Tamが低い程高く、外気温度Tamが上昇するに伴って低下する。
そして、コントローラ32は起動時には外気温度センサ33が検出する外気温度Tamと目標吹出温度TAOとに基づいて上記各空調運転のうちの何れかの空調運転を選択する。また、起動後は外気温度Tamや目標吹出温度TAO等の環境や設定条件の変化に応じて前記各空調運転を選択し、切り換えていくものである。
(7)第1及び第2の熱媒体循環装置61、62の制御
次に、図8〜図10を参照しながらコントローラ32が実行する第1及び第2の熱媒体循環装置61、62の制御について説明する。前述した如くバッテリ55は低温環境下では充放電性能が低下する。また、バッテリ55は自己発熱等で高温となった環境下で充放電を行うと、劣化が進行する。
そこで、コントローラ32は基本的にはバッテリ温度センサ76が検出するバッテリ55(発熱機器)の温度(バッテリ温度Tb)に基づき、後述する如く第1及び第2の熱媒体循環装置61、62を制御してバッテリ温度Tbを所定の使用下限温度BL(例えば、0℃)以上、使用上限温度BH(例えば、+40℃)以下の使用温度範囲内に調整するものであるが、第1の熱媒体循環装置61には熱媒体加熱ヒータ66が設けられているので、低外気温時等に放熱器4による暖房能力が不足する状況では、この熱媒体加熱ヒータ66を利用して車室内の暖房補助を行う。
(7−1)暖房補助運転
先ず、図8を参照しながら図3の暖房運転においてコントローラ32が実行する暖房補助運転について説明する。コントローラ32は、暖房運転(図3)においては、例えば下記式(II)、(III)を用いて放熱器4に要求される車室内の暖房能力である要求暖房能力Qtgtと、放熱器4が発生可能な暖房能力Qhpを算出している。
Qtgt=(TCO−Te)×Cpa×ρ×Qair ・・(II)
Qhp=f(Tam、NC、BLV、VSP、FANVout、Te)・・(III)
ここで、Teは吸熱器温度センサ48が検出する吸熱器9の温度、Cpaは放熱器4に流入する空気の比熱[kj/kg・K]、ρは放熱器4に流入する空気の密度(比体積)[kg/m3]、Qairは放熱器4を通過する風量[m3/h](室内送風機27のブロワ電圧BLVなどから推定)、VSPは車速センサ52から得られる車速、FANVoutは室外送風機15の電圧である。
そして、算出された要求暖房能力Qtgtが放熱器4が発生可能な暖房能力Qhpよりも大きくなり(Qhp<Qtgt)、放熱器4の暖房能力が不足する状況となった場合、コントローラ32は電磁弁22を開き、補助膨張弁73を開放して冷媒の減圧制御を行う状態とする。これにより、放熱器4を出て冷媒回路13Eを流れる冷媒の一部は、図8中実線矢印で示す如く冷媒配管13Fに分流され、残りの冷媒が室外膨張弁6で減圧されて室外熱交換器7に流入し、蒸発して外気から吸熱するようになる。一方、冷媒配管13Fに分流された冷媒は、補助膨張弁73で減圧された後、三媒体熱交換器64の冷媒流路64Aに流入し、そこで蒸発するようになる。この冷媒は冷媒流路64Aを流れる過程で第1の熱媒体流路64Bを流れる第1の熱媒体から吸熱した後、アキュムレータ12を経て圧縮機2に吸い込まれる。
他方、コントローラ32は、バッテリ温度センサ76が検出するバッテリ温度Tbが使用下限温度TL以上ではあるが(TL≦Tb)、バッテリ55の廃熱を冷媒回路R側に回収することが可能か否かの判断基準となる三媒体熱交換器64の第1の熱媒体流路64B(第1の熱媒体用熱交換部65A)の出口側の第1の熱媒体の温度(出口熱媒体温度Tout)の所定値Tout1(例えば、+10℃程)以下である場合(Tb≦Tout1)、コントローラ32は第1の熱媒体循環装置61の循環ポンプ63を運転し(ON)、第2の熱媒体循環装置62の循環ポンプ68は停止させる(OFF)。
これにより、第1の熱媒体循環装置61内の第1の熱媒体が、図8中破線矢印で示す如く熱媒体配管67内を循環され、第2の熱媒体循環装置62内の第2の熱媒体の循環は停止されるようになる。また、コントローラ32は熱媒体加熱ヒータ66に通電して発熱させる(ON)。この熱媒体加熱ヒータ66で加熱された第1の熱媒体は、循環ポンプ63に吸引され、この循環ポンプ63から吐出された熱媒体は三媒体熱交換器64の第1の熱媒体流路64Bに流れ、冷媒流路64Aを流れる冷媒回路Rの冷媒と熱交換するようになる。
この三媒体熱交換器64の冷媒流路64A内で蒸発する冷媒は、熱媒体加熱ヒータ66で加熱された第1の熱媒体の熱を汲み上げることになるので、結果として熱媒体加熱ヒータ66の発熱量が放熱器4に搬送され、室外熱交換器7で外気から汲み上げられる熱量に加えられて、車室内の暖房能力を補完することになる。コントローラ32は、例えば要求暖房能力Qtgtと暖房能力Qhpとの差(Qtgt−Qhp)に基づき、下記式(IV)を用いて熱媒体加熱ヒータ66の通電を制御する。
Qech=Qtgt−Qhp ・・(IV)
尚、上記Qechは熱媒体加熱ヒータ66の要求能力(発熱量)である。これにより、要求暖房能力Qtgtに対して暖房能力Qhpが不足する分を補助(補完)し、車室内を快適に暖房すると共に、室外熱交換器7への着霜も抑制する。
このとき、第2の熱媒体循環装置62の循環ポンプ68は停止しており、バッテリ55に第2の熱媒体は循環されないので、三媒体熱交換器64の第1の熱媒体流路64Bを流れる第1の熱媒体が、第2の熱媒体を介してバッテリ55により吸熱され、第1の熱媒体の温度が低下してしまうことも回避される。
即ち、熱媒体加熱ヒータ66による暖房補助運転を実行する際、バッテリ温度Tbは低いが、使用下限温度TL以上であって(TL≦Tb)、バッテリ55を加熱する必要が無いときには、第1の熱媒体循環装置61の循環ポンプ63を運転し、第2の熱媒体循環装置62の循環ポンプ68は停止させることで、熱媒体加熱ヒータ66で加熱された第1の熱媒体が、第2の熱媒体を介したバッテリ55との熱交換で温度が低下してしまう不都合を解消することができるようになり、バッテリ55の熱容量分の無駄な電力が熱媒体加熱ヒータ66で消費される不都合を未然に回避し、効率的な暖房補助運転を実現することができるようになる。
特に、実施例ではコントローラ32が、バッテリ55の温度(バッテリ温度Tb)が使用下限温度TL以上である場合にバッテリ55を加熱する必要が無いと判断するようにしているので、バッテリ55を加熱する必要が無いことを的確に判断して各熱媒体循環装置61、62の運転を制御することができるようになる。
(7−2)バッテリ廃熱回収運転
一方、例えば前述した図3の暖房運転や上述した図8の暖房補助運転を行っている状態で、例えば充放電によりバッテリ温度Tbが上昇し(使用下限温度TLより高いものとする)、前述した三媒体熱交換器64の第1の熱媒体流路64B(第1の熱媒体用熱交換部65A)の出口側の第1の熱媒体の温度(出口熱媒体温度Tout)の所定値Tout1より高くなった場合(Tout1<Tb)、コントローラ32はバッテリ55の廃熱を回収することができるものと判断してバッテリ廃熱回収運転に移行する。図9はこのバッテリ廃熱回収運転を説明する図である。バッテリ廃熱回収運転では、コントローラ32は第1の熱媒体循環装置61の循環ポンプ63と第2の熱媒体循環装置62の循環ポンプ68を運転し(ON)、熱媒体加熱ヒータ66に通電して発熱させる(ON)。また、暖房運転を行っていたときには、コントローラ32は前述した暖房補助運転の場合と同様に電磁弁22を開き、補助膨張弁73を開放して冷媒の減圧制御を行う状態とする。
これにより、放熱器4を出て冷媒回路13Eを流れる冷媒の一部は、図9中実線矢印で示す如く冷媒配管13Fに分流され、残りの冷媒が室外膨張弁6で減圧されて室外熱交換器7に流入し、蒸発して外気から吸熱するようになる。冷媒配管13Fに分流された冷媒は、補助膨張弁73で減圧された後、三媒体熱交換器64の冷媒流路64Aに流入し、そこで蒸発するようになる。この冷媒は冷媒流路64Aを流れる過程で第1の熱媒体流路64Bを流れる第1の熱媒体から吸熱した後、アキュムレータ12を経て圧縮機2に吸い込まれる。
一方、第1の熱媒体循環装置61内の第1の熱媒体は、図9中破線矢印で示す如く三媒体熱交換器64の第1の熱媒体流路64Bを流れた後、熱媒体加熱ヒータ66で加熱され、その後、循環ポンプ63に吸引され、第2の熱媒体循環装置62内の第2の熱媒体も、同図に破線矢印で示す如く三媒体熱交換器64の第2の熱媒体流路64Cを流れた後、バッテリ55に流れ、循環ポンプ68に吸引されるようになる。
三媒体熱交換器64では、冷媒流路64Aを流れる冷媒が第1の熱媒体流路64Bを流れる第1の熱媒体から吸熱し、第1の熱媒体流路64Bを流れる第1の熱媒体は、第2の熱媒体流路64Cを流れる第2の熱媒体から吸熱する。そして、この第2の熱媒体流路64Cから出た第2の熱媒体は、バッテリ55に流れて熱交換し、当該バッテリ55から吸熱し、バッテリ55は逆に第2の熱媒体によって冷却されるようになる。
前述した図8の暖房補助運転を行っているときのバッテリ廃熱回収運転では、コントローラ32は例えば下記式(V)を用いて熱媒体加熱ヒータ66の通電を制御する。
Qech=(Qtgt−Qhp)−(Tb−Tout1)×k1×k2 ・・(V)
ここで、k1は第1の熱媒体循環装置61内を循環する第1の熱媒体の比熱[kj/kg・K]、k2は第1の熱媒体の流量[m3/h]であり、これらは第2の熱媒体循環装置62についても同様とする。尚、実際には各熱媒体用熱交換部65A、65Bにおける熱交換効率他のファクタも考慮されるものとする。
従って、このバッテリ廃熱回収運転でコントローラ32は、三媒体熱交換器64の第1の熱媒体流路64B内で蒸発する冷媒により汲み上げられる熱量から、バッテリ55により第2の熱媒体を介して第1の熱媒体が加熱される分の熱量を差し引いた熱量を発生するように熱媒体加熱ヒータ66の通電を制御することになる。即ち、バッテリ55の廃熱も第1及び第2の熱媒体により三媒体熱交換器64に搬送され、冷媒により汲み上げられて車室内の暖房に寄与することになり、熱媒体加熱ヒータ66の発熱量はバッテリ55の廃熱分削減されて省エネルギーとなる。
尚、放熱器4が発生可能な暖房能力Qhpが要求暖房能力Qtgtを満足する図3の暖房運転を行っているときのバッテリ廃熱回収運転では(Qtgt≦Qhp)、コントローラ32は上記式(V)によらず、循環ポンプ63及び68は運転したまま、熱媒体加熱ヒータ66の通電を停止する(OFF)。即ち、バッテリ55の廃熱のみを利用して放熱器4による暖房補助を行うようにして、最も省エネルギーとなる状態とする。
このように、バッテリ55の廃熱を回収することができる場合には、コントローラ32が圧縮機2から吐出された冷媒を放熱器4にて放熱させ、放熱した当該冷媒を減圧した後、室外熱交換器7と冷媒流路64A(第1の熱媒体用熱交換部65A)にて吸熱させると共に、第1の熱媒体を第1の熱媒体循環装置61内で循環させ、第2の熱媒体を第2の熱媒体循環装置62内で循環させるようにするので、バッテリ55の廃熱を、第2の熱媒体と第1の熱媒体を順次介して冷媒に汲み上げさせ、バッテリ55の廃熱を有効に利用して効率良く車室内の暖房空調を行うことができるようになると共に、バッテリ55の温度上昇も抑制し、且つ、室外熱交換器7への着霜を抑制することも可能となる。
この場合も、実施例ではコントローラ32は、バッテリ温度Tbが当該バッテリ55から廃熱回収可能か否かの判断基準となる第1の熱媒体流路64B(第1の熱媒体用熱交換部65A)の出口側の第1の熱媒体の温度(出口熱媒体温度Tout)の所定値Tout1より高い場合、バッテリ55の廃熱を回収することができると判断するので、バッテリ55の廃熱を回収することができることを的確に判断して各熱媒体循環装置61、62の運転を制御することができるようになる。尚、バッテリ温度Tbが所定値Tout1以下となった場合には、コントローラ32は再び前記式(IV)で熱媒体加熱ヒータ66を通電する暖房補助運転か、図3の暖房運転に復帰することになる。
(7−3)バッテリ加熱運転
次に、コントローラ32が実行するバッテリ加熱運転について説明する。コントローラ32は、バッテリ温度センサ76が検出するバッテリ温度Tbが使用下限温度TLより低い場合(Tb<TL)、バッテリ55を加熱する必要があると判断して、第1の熱媒体循環装置61と第2の熱媒体循環装置62の循環ポンプ63、68を運転し(ON)、熱媒体加熱ヒータ66に通電して発熱させる(ON)。
これにより、第1の熱媒体循環装置61内の第1の熱媒体は、前述したバッテリ廃熱回収運転の場合と同様に、図9中破線矢印で示す如く三媒体熱交換器64の第1の熱媒体流路64Bを流れた後、熱媒体加熱ヒータ66で加熱され、その後、循環ポンプ63に吸引されると共に、第2の熱媒体循環装置62内の第2の熱媒体も、同図に破線矢印で示す如く三媒体熱交換器64の第2の熱媒体流路64Cを流れた後、バッテリ55に流れ、循環ポンプ68に吸引されるようになる。
三媒体熱交換器64では、冷媒流路64Aを流れる冷媒が第1の熱媒体流路64Bを流れる第1の熱媒体から吸熱し、第2の熱媒体流路64Cを流れる第2の熱媒体も、第1の熱媒体流路64Bを流れる第1の熱媒体から吸熱する。そして、この第2の熱媒体流路64Cから出た第2の熱媒体は、バッテリ55に流れて熱交換し、当該バッテリ55を加熱するようになる。
前述した図8の暖房補助運転を行っているときのバッテリ加熱運転では、コントローラ32は例えば下記式(VI)を用いて熱媒体加熱ヒータ66の通電を制御する。
Qech=(Qtgt−Qhp)+(TL−Tb)×k1×k2 ・・(VI)
ここで、同様にk1は第1の熱媒体循環装置61内を循環する第1の熱媒体の比熱[kj/kg・K]、k2は第1の熱媒体の流量[m3/h]であり、これらは第2の熱媒体循環装置62についても同様とする。尚、この場合も実際には各熱媒体用熱交換部65A、65Bにおける熱交換効率他のファクタも考慮されるものとする。即ち、このバッテリ加熱運転でコントローラ32は、三媒体熱交換器64の第1の熱媒体流路64Bを第1の熱媒体が流れるときに冷媒流路64A内で蒸発する冷媒によって汲み上げられる熱量に加え、バッテリ55の温度を使用下限温度TLまで上昇させるための熱量を発生するように熱媒体加熱ヒータ66の通電を制御することになる。
尚、放熱器4が発生可能な暖房能力Qhpが要求暖房能力Qtgtを満足する図3の暖房運転を行っているときや(Qtgt≦Qhp)、暖房補助運転及び暖房運転以外の運転、若しくは、圧縮機2が停止しているときのバッテリ加熱運転では、コントローラ32は上記式(VI)によらず、下記式(VII)を用いて熱媒体加熱ヒータ66の通電を制御する。
Qech=(TL−Tb)×k1×k2 ・・(VII)
ここで、同様にk1は第1の熱媒体循環装置61内を循環する第1の熱媒体の比熱[kj/kg・K]、k2は第1の熱媒体の流量[m3/h]であり、これらは第2の熱媒体循環装置62についても同様とする。尚、この場合も実際には各熱媒体用熱交換部65A、65Bにおける熱交換効率他のファクタも考慮されるものとする。即ち、バッテリ55を加熱するためのみの発熱量を発生する状態とする。
このように、バッテリ55を加熱する必要がある場合には、コントローラ32が熱媒体加熱ヒータ66により第1の熱媒体を加熱して当該第1の熱媒体を第1の熱媒体循環装置61内で循環させると共に、第2の熱媒体を第2の熱媒体循環装置62内で循環させるようにするので、熱媒体加熱ヒータ66により加熱された第1の熱媒体により第2の熱媒体を加熱し、この加熱された第2の熱媒体でバッテリ55を支障無く加熱することができるようになる。
この場合も、実施例ではコントローラ32は、バッテリ55の温度が使用下限温度TLより低い場合、当該バッテリ55を加熱する必要があると判断するので、バッテリ55を加熱する必要があることを的確に判断して各熱媒体循環装置61、62の運転を制御することができるようになる。
尚、バッテリ温度Tbが使用下限温度TL以上となった場合、コントローラ32はバッテリ加熱運転を終了し、前述した他の運転(暖房運転や暖房補助運転等)に復帰し、若しくは、熱媒体加熱ヒータ66の通電や圧縮機2、循環ポンプ63、68の運転を停止することになる。
(7−4)バッテリ冷却運転
ここで、バッテリ55の充放電によりバッテリ温度Tbが急激に上昇し、使用上限温度THより高くなった場合(TH<Tb)、コントローラ32はバッテリ55を冷却する必要があると判断してバッテリ冷却運転を実行する。次に、図10を用いてバッテリ冷却運転について説明する。
このバッテリ冷却運転では、コントローラ32は室外膨張弁6及び室内膨張弁8を全閉(全閉位置)とし、電磁弁22を開き、補助膨張弁73は開いて冷媒を減圧制御する状態とする。そして、圧縮機2を運転する。また、コントローラ32は各熱媒体循環装置61、62の循環ポンプ63、68を運転し(ON)、熱媒体加熱ヒータ66による熱媒体の加熱を停止する(OFF)。
これにより、圧縮機2から吐出された冷媒は放熱器4で放熱し、この放熱器4で放熱した全ての冷媒が補助膨張弁73で減圧され、三媒体熱交換器64の冷媒流路64Aに流入して蒸発するようになる。また、循環ポンプ62から吐出された第1の熱媒体は第1の熱媒体流路64Bに流れ、そこで冷媒から吸熱されて冷却された後、熱媒体加熱ヒータ66で加熱されずに通過して循環ポンプ63に吸引される。更に、循環ポンプ68から吐出された第2の熱媒体は第2の熱媒体流路64Cに流れ、そこで第1の熱媒体から吸熱されて冷却された後、バッテリ55に流れ、当該バッテリ55から吸熱して冷却するようになる。
このバッテリ冷却運転では、コントローラ32はバッテリ温度センサ76が検出するバッテリ55の温度(バッテリ温度Tb)と上述した使用上限温度THとに基づき、例えば下記式(VIII)を用いて第2の熱媒体循環装置62に要求されるバッテリ55の冷却能力である要求バッテリ冷却能力Qbatを算出する。
Qbat=(Tb−TH)×k1×k2 ・・(VIII)
ここで、同様にk1は第1の熱媒体循環装置61内を循環する第1の熱媒体の比熱[kj/kg・K]、k2は第1の熱媒体の流量[m3/h]であり、これらは第2の熱媒体循環装置62についても同様とする。尚、この場合も実際には各熱媒体用熱交換部65A、65Bにおける熱交換効率他のファクタも考慮されるものとする。そして、この要求バッテリ冷却能力Qbatを達成するように圧縮機2や補助膨張弁73を制御する。
これにより、バッテリ温度Tbは迅速に低下していくことになる。尚、このバッテリ冷却運転で、バッテリ温度Tbが使用上限温度TH以下に低下した場合には、コントローラ32はバッテリ冷却運転を終了し、他の運転(暖房運転や暖房補助運転等)に復帰し、若しくは、圧縮機2や循環ポンプ63、68を停止することになる。
このように、バッテリ55を冷却する必要がある場合、コントローラ32は圧縮機2から吐出された冷媒を放熱器4にて放熱させ、放熱した当該冷媒を減圧した後、冷媒流路64A(第1の熱媒体用熱交換部65A)にて吸熱させると共に、熱媒体加熱ヒータ66による第1の熱媒体の加熱を停止した状態で当該第1の熱媒体を第1の熱媒体循環装置61内で循環させ、第2の熱媒体を第2の熱媒体循環装置62内で循環させるようにするので、冷媒により冷却された第1の熱媒体と熱交換して冷却された第2の熱媒体でバッテリ55を支障無く冷却することができるようになる。
この場合も、実施例ではコントローラ32は、バッテリ温度Tbが使用上限温度THより高い場合、当該バッテリ55を冷却する必要があると判断するようにしているので、バッテリ55を冷却する必要があることを的確に判断して各熱媒体循環装置61、62の運転を制御することができるようになる。
本発明では、以上詳述した如く第1の熱媒体を加熱するための熱媒体加熱ヒータ66に第1の熱媒体を循環させる第1の熱媒体循環装置61と、バッテリ55に第2の熱媒体を循環させる第2の熱媒体循環装置62を設け、第1の熱媒体循環装置61に、冷媒と第1の熱媒体とを熱交換させるための第1の熱媒体用熱交換部65A(第1の熱媒体流路64B)を設け、第2の熱媒体循環装置62には、第1の熱媒体と第2の熱媒体とを熱交換させるための第2の熱媒体用熱交換部65B(第2の熱媒体流路64C)を設けたので、第2の熱媒体循環装置62内で第2の熱媒体を循環させる状態と、循環させない状態とに切り換えることで、バッテリ55の温度に影響されること無く、効率的な空調運転を実現することが可能となる。
特に、熱媒体加熱ヒータ66により加熱される第1の熱媒体を介して、バッテリ55に循環される第2の熱媒体と冷媒とを熱交換させるようにしているので、バッテリ55の温度による影響を的確に排除、或いは、制御することができるようになる。また、実施例ではコントローラ32により、バッテリ温度Tbに基づいて各熱媒体循環装置61、62の運転を制御するようにしているので、バッテリ55の温度の状況によって適切に各熱媒体循環装置61、62を制御することができるようになる。
更に、実施例では第1の熱媒体用熱交換部65Aと第2の熱媒体用熱交換部65Bが一体化された三媒体熱交換器64を設けているので、車両のエンジンルーム(エンジンが搭載されていなくとも、車両用空気調和装置1他の機器が設置されるスペースをエンジンルームと称する)の限られた設置スペースにおいても、支障無く車両用空気調和装置1を配置することができるようになる。
尚、上記実施例で説明した冷媒回路Rや各熱媒体循環装置61、62の構成、各温度等の数値や制御ファクタはそれに限定されるものでは無く、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能であることは云うまでもない。
1 車両用空気調和装置
2 圧縮機
3 空気流通路
4 放熱器
6 室外膨張弁
7 室外熱交換器
8 室内膨張弁
9 吸熱器
21、22 電磁弁
32 コントローラ(制御装置)
55 バッテリ(発熱機器)
61 第1の熱媒体循環装置
62 第2の熱媒体循環装置
63、68 循環ポンプ
64 三媒体熱交換器
64A 冷媒流路
64B 第1の熱媒体流路
64C 第2の熱媒体流路
65A 第1の熱媒体用熱交換部
65B 第2の熱媒体用熱交換部
66 熱媒体加熱ヒータ(加熱装置)
73 補助膨張弁
R 冷媒回路

Claims (11)

  1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
    車室内に供給する空気が流通する空気流通路と、
    前記冷媒を放熱させて前記空気流通路から前記車室内に供給する空気を加熱するための放熱器と、
    車室外に設けられて前記冷媒を吸熱させるための室外熱交換器と、
    制御装置を備え、前記車室内を空調する車両用空気調和装置において、
    第1の熱媒体を加熱するための加熱装置に前記第1の熱媒体を循環させる第1の熱媒体循環装置と、
    車両に搭載された発熱機器に第2の熱媒体を循環させる第2の熱媒体循環装置を備え、
    前記第1の熱媒体循環装置は、前記冷媒と前記第1の熱媒体とを熱交換させるための第1の熱媒体用熱交換部を有し、
    前記第2の熱媒体循環装置は、前記第1の熱媒体と前記第2の熱媒体とを熱交換させるための第2の熱媒体用熱交換部を有することを特徴とする車両用空気調和装置。
  2. 前記第1の熱媒体用熱交換部と前記第2の熱媒体用熱交換部が一体化された三媒体熱交換器を備えたことを特徴とする請求項1に記載の車両用空気調和装置。
  3. 前記制御装置は、前記発熱機器の温度に基づき、前記各熱媒体循環装置を制御することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の車両用空気調和装置。
  4. 前記制御装置は、前記圧縮機から吐出された前記冷媒を前記放熱器にて放熱させ、放熱した当該冷媒を減圧した後、前記室外熱交換器と前記第1の熱媒体用熱交換部にて吸熱させ、前記加熱装置により前記第1の熱媒体を加熱して当該第1の熱媒体を前記第1の熱媒体循環装置内で循環させると共に、
    前記発熱機器を加熱する必要が無い場合、前記第2の熱媒体循環装置内の前記第2の熱媒体の循環を停止することを特徴とする請求項1乃至請求項3のうちの何れかに記載の車両用空気調和装置。
  5. 前記制御装置は、前記発熱機器の温度が所定の使用下限温度以上である場合、当該発熱機器を加熱する必要が無いと判断することを特徴とする請求項4に記載の車両用空気調和装置。
  6. 前記制御装置は、前記発熱機器の廃熱を回収することができる場合、前記圧縮機から吐出された前記冷媒を前記放熱器にて放熱させ、放熱した当該冷媒を減圧した後、前記室外熱交換器と前記第1の熱媒体用熱交換部にて吸熱させると共に、
    前記第1の熱媒体を前記第1の熱媒体循環装置内で循環させ、前記第2の熱媒体を前記第2の熱媒体循環装置内で循環させることを特徴とする請求項1乃至請求項5のうちの何れかに記載の車両用空気調和装置。
  7. 前記制御装置は、前記発熱機器の温度が、当該発熱機器の廃熱を回収可能か否かの判断基準となる前記第1の熱媒体用熱交換部の出口側の前記第1の熱媒体の温度の所定値より高い場合、前記発熱機器の廃熱を回収することができると判断することを特徴とする請求項6に記載の車両用空気調和装置。
  8. 前記制御装置は、前記発熱機器を加熱する必要がある場合、前記加熱装置により前記第1の熱媒体を加熱して当該第1の熱媒体を前記第1の熱媒体循環装置内で循環させると共に、
    前記第2の熱媒体を前記第2の熱媒体循環装置内で循環させることを特徴とする請求項1乃至請求項7のうちの何れかに記載の車両用空気調和装置。
  9. 前記制御装置は、前記発熱機器の温度が所定の使用下限温度より低い場合、当該発熱機器を加熱する必要があると判断することを特徴とする請求項8に記載の車両用空気調和装置。
  10. 前記制御装置は、前記発熱機器を冷却する必要がある場合、前記圧縮機から吐出された前記冷媒を前記放熱器にて放熱させ、放熱した当該冷媒を減圧した後、前記第1の熱媒体用熱交換部にて吸熱させると共に、
    前記加熱装置による前記第1の熱媒体の加熱を停止した状態で当該第1の熱媒体を前記第1の熱媒体循環装置内で循環させ、前記第2の熱媒体を前記第2の熱媒体循環装置内で循環させることを特徴とする請求項1乃至請求項9のうちの何れかに記載の車両用空気調和装置。
  11. 前記制御装置は、前記発熱機器の温度が所定の使用上限温度より高い場合、当該発熱機器を冷却する必要があると判断することを特徴とする請求項10に記載の車両用空気調和装置。
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