(57)【要約】【課題】暖房運転初期時の暖房性能を向上できる車両空調システムの提供を図る。【解決手段】ヒートポンプ回路１０と、廃熱回収回路３０と、を備え、廃熱回収回路３０は、ポンプ３１と、車両から排出される廃熱を熱媒体に吸熱させる廃熱回収熱交換器３４と、廃熱回収熱交換器３４の下流において廃熱回収熱交換器３４で加熱された熱媒体でヒートポンプ回路１０を循環する冷媒を温める熱媒体冷媒熱交換器２０と、を備える車両用空調システム１において、廃熱回収回路３０を循環する熱媒体を加熱可能とするヒータ３５をさらに設けた。【選択図】図３
2010095154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を循環させ冷・暖房運転を可能としたヒートポンプ回路と、
熱媒体を循環させ、車両から排出される廃熱を回収して前記ヒートポンプ回路の冷媒に与える廃熱回収回路と、
を備え、
前記廃熱回収回路は、
熱媒体を循環させるポンプと、車両から排出される廃熱を熱媒体に吸熱させる廃熱回収熱交換器と、前記廃熱回収熱交換器の下流に配置され当該廃熱回収回路を循環する熱媒体と前記ヒートポンプ回路を循環する冷媒とで熱交換させる熱媒体冷媒熱交換器と、を備えるとともに、当該廃熱回収回路を循環する熱媒体を加熱するヒータをさらに備えることを特徴とする車両用空調システム。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用空調システムであって、
前記廃熱回収回路は、前記廃熱回収熱交換器の下流で且つ前記熱媒体冷媒熱交換器の上流に前記ポンプおよび前記ヒータが設けられていることを特徴とする車両用空調システム。
【請求項３】
請求項２に記載の車両用空調システムであって、
前記ポンプが前記ヒータの下流に配置されていることを特徴とする車両用空調システム。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の車両用空調システムであって、
成績係数ＣＯＰが最も高くなる熱媒体の温度を算出して目標温度とし、熱媒体の目標温度と熱媒体の検出温度との差に基づいて当該熱媒体が目標温度となるように前記ヒータを制御する制御部を備えることを特徴とする車両用空調システム。
【請求項５】
請求項４に記載の車両用空調システムであって、
前記制御部は、前記目標温度が前記コンプレッサの作動可能温度の下限値を下まわる場合、前記目標温度を当該作動可能温度の下限値に設定して前記ヒータを制御する車両用空調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプにより車室内を冷房または暖房する車両用空調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の車両用空調システムとしては、例えば特許文献１に開示されるものがある。この車両用空調システムは、冷暖房兼用のヒートポンプ回路と、車室内から車外に排出される換気空気が持つ排熱量を回収し当該回収熱を利用して冷房時にヒートポンプ回路の冷媒を冷やして冷媒凝縮させ暖房時にヒートポンプ回路の冷媒を温めて冷媒蒸発させる排熱利用手段と、を備えて構成されている。
【０００３】
排熱利用手段は、車室内と車外とを連通する換気通路に配置された排熱回収熱交換器と、ヒートポンプ回路の室外熱交換器にその冷媒用流路が並列に接続された熱媒体冷媒熱交換器と、熱媒体冷媒熱交換器の熱媒体用流路と排熱回収熱交換器とを結ぶポンプ介装の熱媒体管路と、熱媒体冷媒熱交換器の冷媒用流路への冷媒流入を制御する電磁弁と、を備える。
【０００４】
排熱利用手段の電磁弁は、制御手段の制御により、冷房時に熱媒体温度が外気温度よりも低いときのみに開弁され、暖房時に熱媒体温度が外気温度よりも高いときのみに開弁されるようになっている。そのため、冷媒時には、車室内から換気排出される冷えた空気を回収してヒートポンプ回路の冷房能力を高めることができ、また暖房時には、車室内から換気排出される暖かい空気を回収してヒートポンプ回路の暖房能力を高めることができる。
【特許文献１】特許３４８５３７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、通常、暖房初期時には車室内温度が低く熱媒体温度が低いため、上記従来の車両用空調システムでは、ヒートポンプ回路の冷媒を排熱利用手段によって温めてアシストすることができず、ウォームアップ性能が悪いという欠点がある。
【０００６】
つまり、コンプレッサに吸い込まれる冷媒が低温であると（過熱度が低いと）、コンプレッサによる圧縮が進まず（コンプレッサの仕事量が増えず）、コンプレッサからの吐出される冷媒温度が高くなり且つ冷媒循環量が多くなるまでに時間がかかり、このため、暖房用の室内熱交換器から温風を吹き出すまでに時間がかかってしまう。
【０００７】
そこで本発明は、低温環境における暖房運転初期時の暖房性能を向上できる車両空調システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、冷媒を循環させ冷房・暖房運転を可能としたヒートポンプ回路と、熱媒体を循環させ車両から排出される廃熱を回収してヒートポンプ回路の冷媒を加熱可能な廃熱回収回路と、を備え、廃熱回収回路が、熱媒体を循環させるポンプと、車両から排出される廃熱を熱媒体に吸熱させる廃熱回収熱交換器と、廃熱回収熱交換器の下流に配置され当該廃熱回収回路を循環する熱媒体とヒートポンプ回路を循環する冷媒とで熱交換させる熱媒体冷媒熱交換器と、を備える車両用空調システムであって、当該廃熱回収回路を循環する熱媒体を加熱可能するヒータを設けたことを要旨とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、暖房初期時の車室内温度が低いときでも、廃熱回収回路を循環する熱媒体をヒータで加熱することができるため、当該加熱された熱媒体でヒートポンプ回路を循環する冷媒を温めることができ、ヒートポンプ回路の暖房能力を早期に高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態の車両用空調システムの概略図、図２は同車両用空調システムの冷房運転の動作を示す概略図、図３は同車両用空調システムを暖房運転の動作を示す概略図、図４は暖房運転の制御フローを示す図、図５はヒータ出力調整の処理フローを示す図である。また、図６は廃熱回収量、冷媒吸熱量およびＣＯＰと、目標水温との関係をグラフ化した図である。
【００１２】
「車両用空調システム」
車両用空調システム１は、主に車室内の空調をするためのものであり、冷媒を循環させ冷暖房運転を可能とした「ヒートポンプ回路１０」と、熱媒体としての水を循環させて車両から排出される廃熱を回収して当該回収した熱をヒートポンプ回路１０を循環する冷媒に与える「廃熱回収回路３０」と、を備えている。
【００１３】
「ヒートポンプ回路」
まず、ヒートポンプ回路１０について説明する。
【００１４】
ヒートポンプ回路１０は、コンプレッサ１１と、コンプレッサ１１で圧縮した冷媒の熱を車室外に放熱する第１のコンデンサ１３と、コンプレッサ１１で圧縮した冷媒の熱を車室内に放熱して車室内を加熱する第２のコンデンサ１８と、コンプレッサ１１から吐出された冷媒を第１のコンデンサ１３および第２のコンデンサ１８のいずれかに向けて流すか選択する切換弁１２と、第１のコンデンサ１３で放熱された冷媒を膨張させる第１の膨張手段１５と、第２のコンデンサ１８で放熱された冷媒を膨張させる第２の膨張手段１９と、第１の膨張手段１５によって膨張された冷媒に車室内の熱を吸熱させることで車室内を冷却する第１のエバポレータ１６と、第２の膨張手段１９によって膨張された冷媒に吸熱させる第２のエバポレータ２０と、を備え、コンプレッサ１１によって運動エネルギが与えられた冷媒が、これらを循環するように構成されたものである。
【００１５】
第１のコンデンサ１３の下流で且つ第１の膨張弁１５の上流には、受液器１４が設けられ、また、第１のエバポレータ１６および第２のエバポレータ２０の下流で且つコンプレッサ１１の上流にアキュウムレータ１７が設けられている。
【００１６】
つまり、ヒートポンプ回路１０は、図２中の矢印で示すように冷媒が流れる第１の回路１０ａ（室内冷房用の回路）と、図３中の矢印で示すように流れる第２の回路１０ｂ（室内暖房用の回路）と、を備えて構成され、これらの回路１０ａ、１０ｂの切り換えが、切換弁１２で行われるようになっている。
【００１７】
そのため、切換弁１２により第１の回路１０ａ（室内冷房用の回路）に切り換ると、冷媒は、図２中の実線矢印で示すように、コンプレッサ１１→切換弁１２→第１のコンデンサ１３→受液器１４→第１の膨張手段１５→第１のエバポレータ１６→アキュウムレータ１７→コンプレッサ１１の順に流れる。また、切換弁１２により第２の回路１０ｂ（室内暖房用の回路）に切り換えると、冷媒は、図３中の実線矢印で示すように、コンプレッサ１１→切換弁１２→第２のコンデンサ１８→第２の膨張手段１９→第２のエバポレータ２０→アキュウムレータ１７→コンプレッサ１１の順に流れる。
【００１８】
なお、第１の回路１０ａの第１のコンデンサ１３と第１の膨張弁１５との間と、第２の回路の１０ｂの第２のコンデンサ１８と第２の膨張弁１９との間とは、バイバス通路１０ｃによって接続されている。そのため、図２に示すように、第１の回路１０ａ（室内冷房用の回路）に冷媒を循環させる際には、冷媒が循環していない第２の回路１０ｂ（室内暖房用の回路）の第２のコンデンサ１８に貯留する冷媒を、圧力差によって第の１回路１０ａに引き込んで、当該第２のコンデンサ１８に寝込む冷媒を最小限にとどめることがでる。逆に、図３に示すように、第２の回路１０ｂ（室内暖房用の回路）に冷媒を循環させる際には、冷媒が循環してない第１の回路１０ａ（室内冷房用の回路）の第１のコンデンサ１３に貯留する冷媒を、圧力差によって第２の回路１０ｂに引き込んで、当該第１のコンデンサ１３に寝込む冷媒を最小限にとどめることができる。
【００１９】
ヒートポンプ回路１０は以上のように構成されており、当該ヒートポンプ回路１０の第１のエバポレータ１６と第２のコンデンサ１８とが後述する空調ユニット４０内に配置されている。
【００２０】
図２に示すように第１の回路１０ａに冷媒を循環させると、第１のエバポレータ１６により冷風を生成して車室内を冷房できる。一方、図３に示すように第２の回路１０ｂに冷媒を循環させると、第２のコンデンサ１８により温風を生成して車室内を暖房できる。つまり、ヒートポンプ回路１０の第１のエバポレータ１６は、室内冷房用熱交換器として機能し、同じくヒートポンプ回路１０の第２のコンデンサ１８は、室内暖房用熱交換器として機能する。
【００２１】
また、第２の回路１０ｂの第２のエバポレータ２０は、後述する廃熱回収回路３０を循環する熱媒体の熱を吸熱させる熱媒体冷媒熱交換器として機能する。詳しくは後述する。
【００２２】
「空調ユニット」
上述のように、室内冷房用熱交換器としての第１のエバポレータ１６と、室内暖房用熱交換器としての第２のコンデンサ１８とは、空調ユニット４０内に配置され、車室内の温度調整のために用いられる。
【００２３】
空調ユニット４０は、車両前方の図示せぬインストルパネルと同じく図示せぬダッシュパネルとの間に配置されおり、当該空調ユニット４０は、送風路を形成すにケーシング４１と、当該ケーシング４１内の送風路にＰに配置された前記第１のエバポレータ１６および第２のコンデンサ１８と、フロントブロア４３と、を備えて構成されている。
【００２４】
ケーシング４１の送風路の上流端部には、該送風路に内外気を選択的に導入するための図示せぬインテークボックスが設けられている。インテークボックスは、車室内の空気を導入する図示せぬ内気導入口と車室外の空気を導入する図示せぬ外気導入口と、これら内気導入口および外気導入口を選択的に開閉するインテークドアと、を備えて構成され、これにより、ケーシング４１内の送風路に取り込む空気を、車室内からにするかまたは車室外からにするかを選択できるようになっている。
【００２５】
一方、ケーシング４１の送風路Ｐの下流端には、送風路内で温度調整された空気を車室内に吹き出すための吹出口が形成されている。吹出口は、例えば、車両前面窓に向けて開口するデフロスタ吹出口、乗員上半身に向けて開口するフェイス吹出口、乗員足下に向けて開口するフット吹出口などからなる。
【００２６】
送風路内のフロントブロア４３を作動すると、送風路の上流端の内気導入口または外気導入口から空気が導入され、図２に示すようにヒートポンプ回路１０の第１の回路１０ａに冷媒が循環している場合には第１の回路１０ａの第１のエバポレータ１６によって冷風が生成され、逆に図３に示すようにヒートポンプ回路１０の第２の回路１０ｂに冷媒が循環している場合には第２の回路１０ｂの第２のコンデンサ１８により温風が生成され、このように生成された冷風または温風が送風路の下流端の何れかの１つまたは複数の吹出口から車室内に吹き出される。
【００２７】
空調ユニット４０のインテークボックスの内気導入口が開き且つ外気導入口が閉じているときには、空調ユニット４０は車室内から空気と取り込んで温度調整した空気を車室内に吹き出し、空調ユニット４０から吹き出された空気は再び空調ユニット４０に吸い込まれて温度調整される。つまり、車室内を空気が循環する内気循環モードとなる。
【００２８】
逆に、空調ユニット４０のインテークボックスの内気導入口が閉じ且つ外気導入口が開いているときには、空調ユニット４０は、車外から空気を吸い込こんで温度調整されたのち、車室内に吹き出すようになっており、空調ユニット４０から車室内に吹き出されたされた空気は、換気ユニット４５を通じて車室外に排出されることとなる。つまり、車外から空気を導入する外気導入モードとなる。
【００２９】
「換気ユニット」
換気ユニット４５は、例えば車両後部に設けられ、車室内と車室外とを連通しする換気通路４７を備えている。換気通路４７は、車室内と車室外との圧力差に応じて開閉する図示せぬ弁で閉じられている。この開閉弁は、車室内の圧力が車室外よりも高くなり圧力差が一定以上になると換気通路４７を開いて、車室内と車室外との圧力差が一定未満となると換気通路４７を閉じる。つまり、内気循環モードでは換気通路４７は閉じ、外気導入モードでは換気通路４７から排気される。
【００３０】
換気通路４７の途中には、リアブロア４９が配置されており、外気導入モードでは、フロントブロア４３の送風量と同一の風量を排気するようになっている。そして、車室内から車室外に排気される空気が通過するように後述する廃熱回収回路３０の廃熱回収熱交換器３４が配置されている。これにより、車から排出される廃熱を廃熱回収熱交換器３４で回収できる。
【００３１】
「廃熱回収回路」
次に、廃熱回収熱交換器３４が介装される廃熱回収回路３０について説明する。
【００３２】
廃熱回収回路３０は、図１に示すように、廃熱回収熱交換器３４、電気ヒータ３５、ポンプ３１、熱媒体冷媒熱交換機２０、を備えて構成されている。つまり、廃熱回収回路３０は、熱媒体を循環させるポンプ３１と、車両から排出される廃熱を熱媒体に吸熱させる廃熱回収熱交換器３４と、廃熱回収熱交換器３４の下流に配置され当該廃熱回収回路３４を循環する熱媒体とヒートポンプ回路１０を循環する冷媒とで熱交換させる熱媒体冷媒熱交換器２０（ヒートポンプ回路１０の第２のエバポレータ）と、を備える基本構成に加えて、当該廃熱回収回路３０を循環する熱媒体を加熱する電気ヒータ３５を備えて構成されている。なお、符号３３は、廃熱回収熱交換器３４の入口の温度を検出する温度センサである。
【００３３】
そのため、ポンプ３１を運転すると、熱媒体が、ポンプ３１→熱媒体冷媒熱交換器２０→廃熱回収熱交換器３４→電気ヒータ３５→ポンプ３１の経路で循環を繰り返すこととなる。
【００３４】
廃熱回収熱交換器３４は、上述した如く、車室内から車室外に排出される排出空気の熱を回収できるため、当該回収した廃熱を熱媒体冷媒熱交換器２０を介して、ヒートポンプ回路１０の第２の回路１０ｂ（室内暖房用の回路）に与えて、暖房運転をアシストすることができる。
【００３５】
このように、廃熱回収回路３０は、ポンプ３１、廃熱回収熱交換器３４、および熱媒体冷媒熱交換器２０を備える基本構成により、ヒートポンプ回路１０の暖房運転をアシストすることができることに加え、電気ヒータ３５を備えているため、熱媒体の温度が低いときに強制的に熱媒体の温度を上昇させて、ヒートポンプ回路１０の暖房運転をアシストすることも可能である。
【００３６】
特に、低温環境における暖房運転初期時には車室内が暖まっていないため、通常は熱媒体を加熱することができないが、本実施形態のように電気ヒータ３５を備える構造にあっては、そのような低温環境における暖房運転初期時にも熱媒体を加熱でき、暖房能力を早期に高くすることができる。
【００３７】
「暖房運転」
このように構成された車両用空調システムの暖房運転の好適な制御の一例を、以下に、図４を参照しつつ説明する。
【００３８】
まず、制御部は、暖房運転命令を受けると、切換弁１２で冷媒の循環経路を第２の回路１０ｂに切り換え、コンプレッサ１１をＯＮ、フロントブロア４３をＯＮ、外気導入モードをＯＮ（インテークボックスの外気導入口を開き内気導入口を閉じる）、リアブロア４９をＯＮ、ポンプ３１をＯＮ、電気ヒータ３５をＯＮして、暖房運転をスタートする。
【００３９】
これにより、車室外からフロントブロア４３によって取り込まれた空気は、図３に示すように、第２のコンデンサ１８（室内暖房用熱交換器）によって加熱されて車室内に吹き出され、最終的にリア側の換気ユニット４５を通じて車室内から車室外に排出される。このとき、車室外に排気される空気の熱が、廃熱回収熱交換器３４を通過する熱媒体（この例では水）に吸収される。そして、廃熱を受け取って温められた熱媒体は、下流のヒータ３５で加熱された後、ポンプ３１および熱媒体冷媒熱交換器２０を通過して、再び廃熱回収熱交換器３４に帰還する。廃熱回収回路３０を循環する熱媒体は、熱媒体冷媒熱交換器２０を通過する際に、ヒートポンプ回路１０の第２の回路１０ｂ（室内暖房用の回路）を循環する冷媒に熱を与えて、熱媒体冷媒熱交換器２０（ヒートポンプ回路１０の第２のエバポレータ）での冷媒の蒸発を促進させ、ヒートポンプ回路１０の暖房性能を向上させることができる。
【００４０】
このように暖房運転をスタートすると、制御部は、図４に示すように、まず、車室外温度Ｔａ、車室内温度Ｔｒ、乗員が設定した車室内目標温度Ｔｒｔを読み込み（ステップＳ１）、車室内温度Ｔｒが車室内目標温度Ｔｒｔになるように、周知の方法によって、フロントブロア出力Ｗｂｆを調整するとともに(ステップＳ３）、コンプレッサ回転数Ｎｃを調整する（ステップＳ５）。なお、このとき、フロントブロア４３とリアブロア４９の風量は同一になるようにリアブロア出力Ｗｂｒが設定されており、フロント側から車室内に吸い込んだ空気と同量の空気を、リア側から車室外に吹き出す。
【００４１】
次に、制御部は、廃熱回収熱交換器３４の入口の上流に取り付けられた温度センサ３３で検出した熱媒体温度（水温）Ｔｗを読み込み（ステップＳ７）、ポンプ３１の出力Ｗｐを調整する（ステップＳ９）。この例では、ポンプ３１の出力Ｗｐは、予め定めた一定値にしている。
【００４２】
図７は、廃熱回収熱交換器３４を流れる熱媒体の流量（廃熱回収回路３０を流れる熱媒体の流量）と、当該廃熱回収熱交換器３４で吸熱する吸熱量(廃熱回収量）と、の関係を示す図である。図７から明らかなように、廃熱回収熱交換器３４を流れる熱媒体の流量が変曲点ｆ１を超えると、当該廃熱回収熱交換器３４で回収できる熱量（廃熱回収量）がほぼ一定になるため、この実施形態では、電力の無駄遣いをさけるため、変曲点ｆ１よりも流量が大きい値をあらかじめ設定しておき、流量が当該設定値となるようにポンプ３１の出力Ｗｐを一定にして運転する。なお、ポンプ３１の出力Ｗｐは、例えば、ブロア３１の出力Ｗｂｒ、車室内温度Ｔｒ、水温Ｔｗを変数として、少なくとも流量が前記変曲点ｆ１より大きい値になるように、ポンプ３１の出力値を随時変更制御してもよいし、その他の変数に基づいて変更制御してもよい。
【００４３】
以上のようにステップＳ９でポンプ３１の出力調整した後は、ステップＳ１１でヒータ３５の出力を調整する。この実施形態のヒータ出力制御では、後で詳しく説明するが、ヒータ３５をやみくもに運転するとシステム全体として暖房成績係数ＣＯＰ（Coefficient of Peformance）が低下するため、ＣＯＰが高くなるようにヒータ３５の出力値を制御している。
【００４４】
最終的に、ステップＳ１３で、現在の車室内温度Ｔと目標車室内温度Ｔｒｔとが略同一（Ｔｒ≒Ｔｒｔ）であるか判断する。たとえば、現在の車室内温度Ｔが目標車室内温度Ｔｒｔの誤差±０.５℃の範囲に入っているか否かを判断する。範囲内であれば（ステップＳ１３でＹＥＳ）、暖房運転を終了し、範囲外であれば（ステップＳ１３でＮＯ）、再びステップＳ１に戻って処理を繰り返す。
【００４５】
「ヒータの出力制御」
次に、上述のステップＳ１１におけるヒータ３５の出力制御について、図５を参照しつつより詳しく説明する。
【００４６】
上述したように、ヒータ３５を常に最大出力で運転するとシステム全体として暖房成績係数ＣＯＰ（Coefficient of Performance）が低下してしまうため、この実施形態では、ＣＯＰが高くなるように、ヒータ３５の出力値を制御している。
【００４７】
この実施形態では、廃熱回収回路３０の１点（この例では廃熱回収熱交換器３４の入口）の熱媒体の温度（水温Ｔｗ）を検出し、当該水温Ｔｗが、ＣＯＰが最も高くなる水温（目標水温Ｔｗｔ）となるように、ヒータ３５の出力Ｗｈを制御する。
【００４８】
ＣＯＰがもっとも高くなる水温Ｔｗｔは、廃熱回収量ＱｅをＴｗで表した式と、冷媒吸熱量ＱｅをＴｗで表した式と、の交点の水温Ｔｗで、ＣＯＰがもっとも高くなることがわかっている（図６参照）。
【００４９】
図６は、水温Ｔｗ以外の変数（Ｔａ、Ｔｒ、Ｔｒｔ、Ｗｂｆ、Ｎｃ、Ｗｐ、ζ、Ｗｂｒ、Ｗｐなど）を一定値に固定してＴｗを変数とした場合、成績係数ＣＯＰ、廃熱回収量Ｑｒおよび冷媒吸熱量Ｑｅのグラフであり、図６からも明らかなように、廃熱回収量ＱｅをＴｗで表した式と、冷媒吸熱量ＱｅをＴｗで表した式との交点で、ＣＯＰがもっとも高くなることがわかる。なお、暖房成績係数ＣＯＰは、暖房能力／動力で定義され、外部から行う仕事量に対する暖房能力を表わされる。
【００５０】
まず、本実施形態のヒータ３５の出力制御を詳しく説明する前に、廃熱回収量Ｑｒおよび冷媒吸熱量Ｑｅの式の導き出し方について説明する。
【００５１】
廃熱回収量Ｑｒおよび冷媒吸熱量Ｑｅの、Ｔｗを変数とする式は、以下のように導かれる。
【００５２】
廃熱回収量Ｑｒおよび冷媒吸熱量Ｑｅは、その入口および出口の温度から以下の式１および式２で表せる。
【００５３】
Ｑｒ＝（Ｔｒｏｕｔ−Ｔｗ）×Ｇｗ×Ｃ×ρ・・・・・・・・・・・（式１）
Ｑｅ＝（Ｔｅｏｕｔ−Ｔｅｉｎ）×Ｇｗ×Ｃ×ρ・・・・・・・・・（式２）
Ｔｗ：廃熱回収熱交換器３４の入口の水温（温度センサ３３の検出温度）
Ｔｒｏｕｔ：廃熱回収熱交換器３４の出口の水温
Ｔｅｉｎ：熱媒体冷媒熱交換器２０の入口の水温
Ｔｅｏｕｔ：熱媒体冷媒熱交換器２０の出口の水温
Ｇｗ：廃熱回収回路の流量（ポンプ電力Ｗｐにより決まる値）
Ｃ：熱媒体の比熱
ρ：熱媒体の密度
ここで、廃熱回収熱交換器３４の出口の水温Ｔｒｏｕｔ、熱媒体冷媒熱交換器２０の入口水温Ｔｅｉｎ（ヒータ３５をオフにした条件）、熱媒体冷媒熱交換器２０の出口水温Ｔｅｏｕｔは、以下の式３、式４、式５で表せる。
【００５４】
Ｔｒｏｕｔ＝γｒ×（Ｔｂ−Ｔｗ）＋Ｔｗ・・・・・・・・・・・・（式３）
Ｔｅｉｎ＝Ｔｒｏｕｔ＋Ｔｐ−α・・・・・・・・・・・・・・・・（式４）
Ｔｅｏｕｔ＝Ｔｅｉｎ−γｅ（Ｔｅｉｎ−Ｔｃｉｎ）・・・・・・・・（式５）
Ｔｂ：リアブロア出口の空気温度（目標車室内温度Ｔｒｔからの温度降下とリアブロア廃熱Ｗｂｒ×ｋ１によって決まる値）
γｒ：廃熱回収側の補正係数（廃熱回収熱交換器３４の効率、目標車室内温度Ｔｒｔ、リアブロワ風量（リアブロア電力Ｗｂｒによって決まる値）、廃熱回収回路の流量Ｇｗ（ポンプ電力Ｗｐによって決まる値）、水温Ｔｗによって決まる値）
Ｔｐ：ポンプ昇温代（ポンプの電力Ｗｐにより決まる値）
α：ロス
Ｔｃｉｎ：熱媒体冷媒熱交換器２０の入口の冷媒温度（コンプレッサ回転数Ｎｃおおよび膨張弁開度ζによって決まる値）
γe：冷媒回収側の補正係数（熱媒体冷媒熱交換器２０の効率、外気温Ｔａ、コンプレッサ回転数Ｎｃ、フロントブロワ風量（フロントブロア電力Ｗｂｆによって決まる値）、廃熱回収回路の流量Ｇｗ（ポンプ出力Ｗｐによって決まる値）、および水温Ｔｗによって決まる値）
そのため、式１に式３を代入すると廃熱回収量ＱｒのＴｗを変数とした式６が得られ、式２に式３、４、５を代入すると冷媒吸熱量ＱｅのＴｗを変数とする式７が得られる。
【００５５】
Ｑｒ＝（γｒ×（Ｔｂ−Ｔｗ））×Ｇｗ×Ｃ×ρ・・・・・・・・・・・・（式６）
Ｑｅ＝−γｅ（γｒ×（Ｔｂ−Ｔｗ）＋Ｔｗ＋Ｔｐ−α−Ｔｃｉｎ））×Ｇｗ×Ｃ×ρ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（式７）
このように、廃熱回収量ＱｒのＴｗを変数とした式（式６）および冷媒吸熱量ＱｅのＴｗを変数とする式（式７）が得られるが、これらの式６および式７にそのときの検出値を代入して、これら２式が交差するＴｗの値を求めれば、ＣＯＰが最も高くなる目標水温Ｔｒｔを求めることができる（図６参照）。
【００５６】
なお、上述の関係式から、式６で示す廃熱回収量Ｑｒは、目標車室内温度Ｔｒｔ、リアブロア電力Ｗｂｒ、水温Ｔｗおよびポンプ出力Ｗｐを入力パラメータをとする式Ｑｒ＝ｆ（Ｔｒｔ、Ｗｂｒ、Ｗｐ、Ｔｗ）で記載できる。また式７で示す冷媒吸熱量Ｑｅは、外気温Ｔａ、コンプレッサ回転数Ｎｃ、膨張弁開度ζ、目標車室内温度Ｔｒｔ、リアブロア電力Ｗｂｒ、フロントブロア電力Ｗｂｆおよびポンプ電力ｗｐを入力パラメータとする式Ｑｅ＝ｆ（Ｔａ、Ｔｒｔ、Ｎｃ、ζ、Ｗｂｒ、Ｗｂｆ、Ｗｐ、Ｔｗ）で記載できる。
【００５７】
次に、ヒータの制御方法について、図５を参照しつつより具体的に説明する。
【００５８】
ヒータ出力調整制御（ステップＳ１１、図４参照）が開始されると、まず、図５に示すように、リアブロア電力Ｗｂｒ、ポンプ電力Ｗｐを読み込み（ステップＳ３１）、上述の廃熱回収側の補正係数γｒを算出して（ステップＳ３３）、Ｔｗを変数とする廃熱回収量Ｑｒを算出する（ステップＳ３５）。また、フロントブロア電力Ｗｂｆ、外気温Ｔａ、ポンプ電力Ｗｐ、コンプレッサ回転数Ｎｃ、膨張弁開度ζを読み込み（ステップＳ３７）、上述の冷媒吸熱側の補正係数γｅを算出して（ステップＳ３９）、Ｔｗを変数とする冷媒吸熱量Ｑｅを算出する（ステップＳ４１）。
【００５９】
次に、これら廃熱回収量Ｑｒおよび冷媒吸熱量Ｑｅをもとに、成績係数ＣＯＰが最も高くなる水温（目標水温Ｔｗｔ）を算出する（ステップＳ４３）。
【００６０】
次に、現在の水温Ｔｗが、算出された目標水温Ｔｗｔと、ほぼ一致するか判定する（ステップＳ４５）。この例は、誤差ｄが±０．５℃以内にあるか判定している。
【００６１】
ステップＳ４５の判定で、現在の水温Ｔｗが目標水温Ｔｗｔとほぼ同一の値になってなければ（ステップＳ４５の判定でＮＯ）、ステップＳ４７に進み、現在の水温Ｔｗが目標水温Ｔｗｔよりも小さいか否かを判定する。
【００６２】
現在の水温Ｔｗが目標水温Ｔｗｔ（≒Ｔｗｔ−ｄ）よりも大きい場合（ステップＳ４７でＮＯ）、現在のヒータ電力Ｗｈが大きいので、不要な電力消費を避けるべくヒータ３５をオフし（ステップＳ５３）、ステップＳ４５に戻る。
【００６３】
逆に現在の水温Ｔｗが目標水温（≒Ｔｗｔ−ｄ）よりも小さい場合（ステップＳ４７でＹＥＳ）、ステップＳ４９で、現在の水温Ｔｗと目標水温Ｔｗｔとの差に基づいて必要なヒータ電力Ｗｈを計算し（ステップＳ４９）、この値に基づいてヒータの出力値Ｗｈの変更制御を行い（ステップＳ５１）、ステップＳ４５に戻る。なお、ヒータ電力Ｗｈは、下記の式８に基づいて算出される。
【００６４】
Ｗｈ［Ｗ］＝（Ｔｗｔ−Ｔｗ）＊Ｇｗ＊Ｃ＊ρ・・・・・・・・・・（式８）
そして、ステップＳ４５において現在の水温Ｔｗが目標水温Ｔｗｔとほぼ同一の値になっていれば（ステップＳ４５の判定でＹＥＳ）、現在のヒータ３５の出力値Ｗｈで効率的な運転がなされているので、その出力値Ｗｈのままヒータ３５の出力制御を終了する。
【００６５】
「効果」
次に、本実施形態の主な効果を列挙する。
【００６６】
（１）本実施形態の車両用空調システムは、冷暖房運転が可能なヒートポンプ回路１０と、熱媒体（この実施形態では水）を循環させて車両から排出される廃熱を回収して当該回収した廃熱をヒートポンプ回路１０の冷媒に与える廃熱回収回路３０と、を備えた車両用空調システムであって、前記廃熱回収回路３０が、ポンプ３１と、廃熱回収熱交換器３４と、当該廃熱回収熱交換器３４で回収した熱をヒートポンプ回路１０を循環する冷媒に与える熱媒体冷媒熱交換器２０と、を備えるとともに、当該廃熱回収回路３０を循環する熱媒体を加熱するヒータ３５をさらに備えるものである。
【００６７】
そのため、本実施形態によれば、廃熱回収回路３０が、ポンプ３１と廃熱回収熱交換器３４と熱媒体冷媒熱交換器２０とを備える基本構成に加えてヒータ３５をさらに備えることで、低温環境における暖房運転開始時には、ヒータ３５によって熱媒体を温めて、当該ヒータ３５で温められた熱媒体を熱媒体冷媒熱交換器２０に循環させることで、即座に熱媒体冷媒熱交換器２０を介してヒートポンプ回路１０の冷媒を温めることができる。
【００６８】
これにより、低温環境における暖房運転開始時にあっても、早期に、ヒートポンプ回路１０の冷媒を温めて冷媒循環量を高めることができ、ウォームアップ性能を格段に向上させることができる。
【００６９】
（２）また本実施形態の車両用空調システム１にあっては、熱媒体冷媒熱交換器２０の下流に廃熱回収熱交換器３４が設けられ、廃熱回収熱交換器３４の下流で且熱媒体冷媒熱交換器２０の上流にポンプ３１およびヒータ３５が設けられている。
【００７０】
そのため、このようなレイアウトによれば、ヒータ３５の熱だけではなく、ポンプ３１の廃熱も熱媒体冷媒熱交換器２０に供給されることになるため、さらにウォームアップ性能を高めることができる。
【００７１】
また、以上のレイアウトにより、廃熱回収回路３０を循環する熱媒体は、熱媒体冷媒熱交換器２０で冷やされた後に、その他の部品（ヒータ３５およびポンプ３１）を通過することなく、そのまま廃熱回収熱交換器３４を流通することとなる。そのため、低い温度の熱媒体が廃熱回収熱交換器３４を通過することとなるため、車両から排出される廃熱をより効率的に吸収することができ、廃熱回収量を多くすることができ、システム全体の能力を高くすることができる。
【００７２】
（３）また本実施形態の車両用空調システム１にあっては、ポンプ３１がヒータ３５の下流に配置されている。つまり、廃熱回収回路３０内において、上流側から、廃熱回収熱交換器３４、ヒータ３５、ポンプ３１、熱媒体冷媒熱交換器２０の順に設けられている。
【００７３】
このようなレイアウトによれば、ヒータ３５で温められ粘性が低くなった熱媒体がポンプ３１に供給される。すると、ポンプ３１で送り出す熱媒体の流量が増えることとになり、熱媒体冷媒熱交換器２０での冷媒吸熱量が増え、さらにシステム全体の性能を高めることができる。
【００７４】
（４）また本実施形態の車両用空調システム１にあっては、暖房運転時に曇り止めのために車室内から車外に排出される空気の熱を廃熱として利用しているため、既存のシステムを有効に利用することができる。
【００７５】
（５）なお、本発明にあってはリアブロア４９が無くても車両から排出される排気空気の熱を回収することができるが、本実施形態ではリアブロア４９を設けて強制的に廃熱回収熱交換器３４に空気を吹き付けることができるため、より確実に廃熱を回収することができる利点がある。
【００７６】
（６）また本実施形態の車両用空調システム１にあっては、暖房成績係数ＣＯＰが最も高くなる熱媒体の温度を算出して目標温度Ｔｒｔとし（ステップＳ３１〜Ｓ４３）、当該目標温度Ｔｒｔと実際の検出温度Ｔｒとの差に基づいて当該熱媒体が目標温度となるようにヒータ３５を制御する（ステップＳ４９、Ｓ５１）制御部を備える。そのため、本実施形態によれば、成績係数ＣＯＰが最も良くなるため（消費電力を削減できるため）、特にエンジン（内燃機関）で走行しない電気自動車や燃料電池車またはハイブリット車に有効な運転制御となる。
【００７７】
（７）また本実施形形態の車両用空調システム１にあっては、ＣＯＰが最も高くなる目標水温Ｔｗｔを算出するために、目標車室内温度Ｔｒｔ、リアブロア電力Ｗｂｒ、水温Ｔｗおよびポンプ出力Ｗｐを入力パラメータとして、廃熱回収熱交換器３４の廃熱回収量Ｑｒ＝ｆ（Ｔｒｔ、Ｗｂｒ、Ｗｐ、Ｔｗ）を求めるとともに、外気温Ｔａ、コンプレッサ回転数Ｎｃ、膨張弁開度ζ、目標車室内温度Ｔｒｔ、リアブロア電力Ｗｂｒ、フロントブロア電力Ｗｂｆおよびポンプ電力ｗｐを入力パラメータとして、熱媒体冷媒熱交換器２０の冷媒吸熱量Ｑｅ＝ｆ（Ｔａ、Ｔｒｔ、Ｎｃ、ζ、Ｗｂｒ、Ｗｂｆ、Ｗｐ、Ｔｗ）を求め、これら廃熱回収量Ｑｒと冷媒吸熱量Ｑｅとの交点の水温Ｔｗを目標水温Ｔｒｔとしている。
【００７８】
そのため、車室内温度の制御に必要な入力パラメータ（外気温度Ｔａ、室内温度Ｔｒ、目標室内温度Ｔｒｔ、フロントブロア電圧Ｗｂｒ（＝リアブロア電圧Ｗｂｆ）、コンプレッサ回転数Ｎｃ、膨張弁開度ζと、検出センサを設けずに値を検出できるポンプ電圧Ｗｐ以外に、廃熱回収回路３０に１つの温度センサ３３を取り付けるのみで、少ないセンサ数で制御が可能となる。
【００７９】
次に、他の実施形態について説明する。
【００８０】
（第２実施形態）
図８は本発明の第２実施形態の車両用空調システムのヒータ出力制御のフローチャートである。なお、ヒータの出力制御以外は第１実施形態と同一の構成であるため、重複する構成および作用効果の説明は省略する。
【００８１】
図８に示すように第２実施形態のヒータの出力制御の制御フローは、ステップＳ４３とステップＳ４５との間に、ステップＳ６１、Ｓ６３を備える点で、図５に示す第１実施形態の制御フローと異なる。
【００８２】
つまり、ステップＳ４３で目標水温Ｔｗｔを算出した後、算出された目標水温Ｔｗｔがコンプレッサ作動可能温度の下限値Ｔ１よりも高いか否かを判定する（ステップＳ６１）。
【００８３】
算出された目標水温Ｔｗｔがコンプレッサ作動可能温度の下限値Ｔ１よりも低い場合には（ステップＳ６１でＮＯ）、コンプレッサ１１が作動できないので、ＣＯＰが低下するが、目標水温Ｔｗｔをコンプレッサ作動可能温度の下限値Ｔ１に置き換え（ステップＳ６３）、第１実施形態と同様のステップＳ４５以降の処理を行う。
【００８４】
逆に、算出された目標水温Ｔｗｔがコンプレッサ作動可能温度の下限値Ｔ１よりも高い場合には（ステップＳ６１でＹＥＳ）、そのまま第１実施形態と同様のステップＳ４５以降の処理を行う。
【００８５】
なお、コンプレッサ１１の作動可能温度の下限値Ｔ１は、例えばフロン冷媒である場合には−５℃程度であるが、冷媒の種類などによって値は異なる。）
このように第２実施形態では、目標水温Ｔｗｔがコンプレッサ１１の作動可能温度から外れていた場合には、コンプレッサ作動可能温度で且つ目標水温Ｔｗｔに最も近い値にしてヒータ制御することで、コンプレッサ１１の起動を確保しつつ、ＣＯＰの最も良くなる水温Ｔｗで作動させることができる。
【００８６】
以上のように、第１、第２実施形態の車両用空調システム１によれば、低温環境における暖房初期時にウォームアップ性能を向上できる。
【００８７】
なお、上述の実施形態は、本発明を説明するための好適な一例であり、本発明は上述の実施形態のみに限定解釈されるべきではない。
【００８８】
例えば、上述の実施形態においては、車両から排出される廃熱は、車室内から車室外に排出される排出空気の熱であったが、本発明では、車両走行用のエンジン、モータおよびバッテリの廃熱を利用してもよいし、その他の車両に搭載された機器の廃熱を利用してもよい。
【００８９】
また、本発明では、ヒートポンプ回路のさまざまな変更が可能である。つまり、少なくとも、ヒートポンプ回路を循環する冷媒に車室内の熱を吸熱して車室内を冷却できるエバポレータと、ヒートポンプ回路を循環する冷媒の熱を車室内に放熱できるコンデンサと、廃熱回収回路を流れる熱媒体とヒートポンプ回路を循環する冷媒とで熱交換させて、熱交換して暖まった冷媒を前記コンデンサに流通させることができる熱媒体冷媒熱交換器と、を備えるヒートポンプであれば、回路構成は、さまざまな変更が可能である。
【００９０】
また、ヒートポンプ回路に用いられるコンプレッサとしては、上述の実施形態では、吐出容量が不変で且つ回転数によって冷媒吐出量を変更可能な固定容量コンプレッサを例にとって説明したが、例えば斜板式可変容量コンプレッサのように吐出容量を変更可能な可変容量コンプレッサを用いてもよい。なお、可変容量コンプレッサを用いた場合、ヒートポンプ回路を流れる冷媒流量は、コンプレッサの回転数に加えて、容量を変更するための容量制御電磁弁などの開弁度などに基づいて周知の方法により計算できる。
【００９１】
また、上述の本実施形態は、ＣＯＰが最適値となるように制御することで、走行駆動源としてのエンジン（内燃機関）を備えない電気自動車、燃料電池車などに適用するのに好適であるが、本発明は勿論、エンジン（内燃機関）などにより走行する車両にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】図１は第１実施形態の車両用空調システムの概略図。
【図２】図２は同車両用空調システムの冷房運転時の動作を示す概略図。
【図３】図３は同車両用空調システムを暖房運転時の動作を示す概略図。
【図４】図４は同車両用空調システムの制御部による暖房運転の制御フローを示す図。
【図５】図５はヒータ出力制御処理を示すフローチャート。
【図６】図６は廃熱回収量Ｑｒ、冷媒吸熱量ＱｅおよびＣＯＰと、水温Ｔｗとの関係をグラフ化した図。
【図７】図７は廃熱回収回路を流れる水の流量と、熱媒体冷媒熱交換器で水から冷媒が吸熱する熱量と、の相関関係を示す図。
【図８】図８は第２実施形態のヒータ出力制御処理を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００９３】
１  車両用空調システム
１０  ヒートポンプ回路
１０ａ  第１の回路（冷房用の回路）
１０ｂ  第２の回路（暖房用の回路）
１１  コンプレッサ
１２  切換弁
１３  第１のコンデンサ
１４  受液器
１５  第１の膨張手段
１６  第１のエバポレータ（室内冷房用熱交換器）
１７  アキュウムレータ
１８  第２のコンデンサ（室内暖房用熱交換器）
１９  第２の膨張手段
２０  第２のエバポレータ（熱媒体冷媒熱交換器）
３０  廃熱回収回路
３１  ポンプ
３４  廃熱回収熱交換器
３５  電気ヒータ
４０  空調ユニット
４１  ケーシング
４３  フロントブロア
４５  換気ユニット
４７  換気通路
４９  リアブロア
【図１】
2010095154.tif 000003
【図２】
2010095154.tif 000004
【図３】
2010095154.tif 000005
【図４】
2010095154.tif 000006
【図５】
2010095154.tif 000007
【図６】
2010095154.tif 000008
【図７】
2010095154.tif 000009
【図８】
2010095154.tif 000010