(57)【要約】【課題】空調と電池温度調整を別々に制御する冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】圧縮機、コンデンサ、レシーバ、第１減圧装置、室内空調用エバポレータ、圧縮機の順に構成された主冷媒回路と、レシーバの下流の第１分岐点から、室内空調用エバポレータと並列に分岐して、第２減圧装置、自動車構成部品に対する温度調整用エバポレータの順に経て、主冷媒回路に帰還する第１バイパス回路と、圧縮機とコンデンサの間に３方弁を設置して、主冷媒回路から分岐させた第２バイパス回路であって、３方弁の下流の第２分岐点でさらに分岐して、室内空調用エバポレータの上流で主冷媒回路に合流する回路と、第２分岐点から分岐して、温度調整用エバポレータの上流で第１バイパス回路に合流する回路とから構成された第２バイパス回路とを具備する。【選択図】図１
2013184596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が、圧縮機（１４）、コンデンサ（１５）、レシーバ（１６）、第１減圧装置（３１）、室内空調用エバポレータ（１７）、前記圧縮機（１４）の順に構成された主冷媒回路を、循環する冷凍サイクル装置において、
前記レシーバ（１６）の下流の第１分岐点（１）から、前記室内空調用エバポレータ（１７）と並列に分岐して、第２減圧装置（３２）、自動車構成部品に対する温度調整用エバポレータ（７）の順に経て、前記主冷媒回路に帰還する第１バイパス回路と、
前記圧縮機（１４）と前記コンデンサ（１５）の間に３方弁（２０）を設置して、主冷媒回路から分岐させた第２バイパス回路であって、前記３方弁（２０）の下流の第２分岐点（２）でさらに分岐して、前記第１減圧装置（３１）と前記室内空調用エバポレータ（１７）の間で前記主冷媒回路に合流する回路と、前記第２分岐点（２）から分岐して、前記第２減圧装置（３２）と前記温度調整用エバポレータ（７）の間で前記第１バイパス回路に合流する回路とから構成された第２バイパス回路と、を具備して、室内空調の冷暖房と自動車構成部品の温度調整を行う冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記第２バイパス回路において第２分岐点（２）と前記室内空調用エバポレータ（１７）の間、前記第２バイパス回路において前記第２分岐点（２）と前記温度調整用エバポレータ（７）の間、
前記第１分岐点（１）と前記第１減圧装置（３１）の間、及び、前記第１分岐点（１）と前記第２減圧装置（３２）の間に、
それぞれ、第１開閉弁（２１）、第２開閉弁（２２）、第３開閉弁（２３）、第４開閉弁（２４）が設置されたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
室内空調を冷房とし、自動車構成部品の温度調整を冷却とするモード、
室内空調を暖房とし、自動車構成部品の温度調整を加熱とするモード、
室内空調を冷房とし、自動車構成部品の温度調整を加熱とするモード、又は、
室内空調を暖房とし、自動車構成部品の温度調整を冷却とするモードで作動できるように前記第１〜４開閉弁を設定したことを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記３方弁（２０）と前記コンデンサ（１５）の間に、第４減圧装置（３４）を設置したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記３方弁（２０）と前記第２分岐点（２）の間に、第３減圧装置（３３）を設置したことを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記主冷媒回路には、前記圧縮機（１４）の直前にアキュームレータ（１９）が挿入されたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記主冷媒回路には、前記室内空調用エバポレータ（１７）の下流に第５減圧装置（３５）を設置し、前記第１バイパス回路には、前記温度調整用エバポレータ（７）の下流に第６減圧装置（３６）を設置して、室内空調の冷暖房と自動車構成部品の温度調整を行うことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記圧縮機（１４）の回転数と、第１〜６減圧装置のいずれかとを調整して、室内空調の冷暖房と自動車構成部品の温度調整を行うことを特徴とする請求項１から７いずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記第２分岐点（２）に、流量調整機能を有する３方弁（４０）を設置したことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
前記３方弁（２０）は、流量調整機能を有していることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１１】
前記自動車構成部品は、電池パック（９）であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車等の車両空調装置と、電池、モータ、インバータなどの自動車構成部品の加熱・冷却装置に適用される冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッド車などの電動車両では、２次電池などの蓄電装置に蓄えた電気エネルギーを、インバータなどを介してモータに供給し駆動させて、車両を走行する。これら電池やインバータ、モータなどの電子機器は、走行中など車両使用時に自己発熱し、高温になると十分な機能を得られないだけでなく、機器の劣化や破損を招いてしまうため、一定温度以下を維持するための冷却手段が必要となる。特に電池の場合は、高温時だけでなく冬季など低温時にも入出力特性が悪化し、走行のための十分な電力が得られない。また、電池はある温度範囲を超えると急速に劣化が進むため、高温の温風を当てることは避けねばならない。逆に、温度が低くなり過ぎると出力・回生量が低下するという問題がある。このため、十分な性能を引き出すためには冷却のみならず加熱手段も必要であり、電池に必要な温度範囲に温度調整する必要がある。一般的な空調と電池の最適な温度範囲を、図８に示す。
【０００３】
一方、冬場の空調は暖房が必要であるが、急速充電や、高速・登坂走行のような電池負荷が大きく冷却が必要となる場合がある。また、中間期の午前中頃では、空調は冷房を必要とするが、昨夜に冷え込んだ電池パックを暖めるために電池を加熱する必要がある場合がある。このように車両空調と電池の温度調整には、それぞれ冷却、加熱が別々に必要とする場合がある。
【０００４】
このような車両空調と電池の温度調整に対して、従来技術では、次のような冷凍サイクルで対応していた。特許文献１に見られるような従来技術では、空調に用いる冷凍サイクルの低圧側冷媒（吸熱側）を分岐し、空調のクーラの原理で電池などの機器を冷却している。この方式では、冷却はできるものの加熱ができないため、電気ヒータなど別の補助加熱手段を電池パック内に備える必要があり、搭載性が悪いという欠点があった。
また、特許文献２の従来技術には、同一の熱交換器で冷却と加熱を両立する手段としてホットガスサイクルが開示されている。これは、コンプレッサから吐出された冷媒を、室外器をバイパスしてエバポレータへ供給する構成とするものである。このサイクルは、コンプレッサ動力仕事を熱に変換しているので寒冷地でも使用可能であるが、車両空調用のみに着目したものであり、車両空調と電池の温度調整（冷却、加熱）を別々に制御できるものではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３１３４４１号公報
【特許文献２】特開平５−２２３３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑み、車両空調用の冷凍サイクルを用いたホットガスサイクルによりヒートポンプの苦手な寒冷地でも車室内の暖房を実施すると共に、電池などの電子機器の冷却・暖機を可能にし、また、電池温度調整用の熱交換器を一つとすることで省スペース化でき、更に、空調と電池温度調整を別々に制御することができる冷凍サイクル装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、冷媒が、圧縮機（１４）、コンデンサ（１５）、レシーバ（１６）、第１減圧装置（３１）、室内空調用エバポレータ（１７）、前記圧縮機（１４）の順に構成された主冷媒回路を、循環する冷凍サイクル装置において、前記レシーバ（１６）の下流の第１分岐点（１）から、前記室内空調用エバポレータ（１７）と並列に分岐して、第２減圧装置（３２）、自動車構成部品に対する温度調整用エバポレータ（７）の順に経て、前記主冷媒回路に帰還する第１バイパス回路と、前記圧縮機（１４）と前記コンデンサ（１５）の間に３方弁（２０）を設置して、主冷媒回路から分岐させた第２バイパス回路であって、前記３方弁（２０）の下流の第２分岐点（２）でさらに分岐して、前記第１減圧装置（３１）と前記室内空調用エバポレータ（１７）の間で前記主冷媒回路に合流する回路と、前記第２分岐点（２）から分岐して、前記第２減圧装置（３２）と前記温度調整用エバポレータ（７）の間で前記第１バイパス回路に合流する回路とから構成された第２バイパス回路と、を具備して、室内空調の冷暖房と自動車構成部品の温度調整を行う冷凍サイクル装置である。
【０００８】
なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態を示す説明図である。
【図２】本発明の第１実施形態の空調（冷房）＋電池温調（冷却）モードを示す説明図である。
【図３】本発明の第１実施形態の空調（暖房）＋電池温調（加熱）モードを示す説明図である。
【図４】本発明の第１実施形態の空調（冷却）＋電池温調（加熱）モードを示す説明図である。
【図５】ホットガスの暖房能力を説明するモリエル線図である。
【図６Ａ】本発明の第２実施形態を示す説明図である。
【図６Ｂ】本発明の第２実施形態を説明するモリエル線図である。
【図７】本発明の第３実施形態を示す説明図である。
【図８】一般的な空調と電池の最適な温度範囲を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。
本発明は、電気自動車やハイブリッド車などの電動車両の空調装置や電池、モータ、インバータなどの自動車構成部品の加熱・冷却装置に適用されるものであるが、必ずしも電動車両に限定されるものではない。また、本発明の一実施形態においては、自動車構成部品の温度調整を、電池パックの場合（以下、電池温調用という）で説明するが、これに限定されるものではない。インバータ、モータなどの電子機器に適用しても良い。
【００１１】
（第１実施形態）
本実施形態では、空調用の冷凍サイクルを主冷媒回路（ヒートポンプサイクル）に用いて、冷却用のエバポレータを空調用と電池温調用の２つを、並列に第１バイパス回路で設定している。さらに、３方弁２０を設置して、ホットガスサイクルを空調用と電池温調用とに使用できるような第２バイパス回路を設定して（エバポレータを兼用）、ヒートポンプの苦手な寒冷地でも暖機を可能にし、また電池温調用の熱交換器を一つとすることで省スペース化でき、更に空調と電池温調を別々に制御できる温度調節装置としている。なお、ホットガスサイクルとは、暖房運転するために、冷房運転時に吸熱器として使用するエバポレータへ、放熱器（コンデンサ）をバイパスして、圧縮機直後の高温ガスを送り暖房に使用するものである。
【００１２】
まず、図１を参照して、第１実施形態の冷凍サイクルの回路構成を説明する。冷媒は、主冷媒回路において、圧縮機１４、コンデンサ１５、レシーバ１６、第１減圧装置３１、室内空調用エバポレータ１７、アキュームレータ１９、圧縮機１４の順に循環する。レシーバ１６の下流の第１分岐点１から、室内空調用エバポレータ１７と並列に分岐して、第２減圧装置３２、電池パック９に対する温度調整用エバポレータ（電池温調用エバポレータ）７の順に経て、主冷媒回路に帰還する第１バイパス回路が設定されている。
【００１３】
圧縮機１４とコンデンサ１５の間に３方弁２０を設置して、主冷媒回路から分岐させた第２バイパス回路が設定されている。３方弁２０は、２つの開閉弁から構成しても良く、また、流量調整機能を有するものであっても良い。この第２バイパス回路は、３方弁２０の下流の第２分岐点２でさらに分岐して、室内空調用エバポレータ１７の上流で主冷媒回路に合流する回路を有している。さらに、第２バイパス回路として、第２分岐点２から分岐して、温度調整用エバポレータ７の上流で第１バイパス回路に合流する回路を有している。
【００１４】
室内空調装置は、室内空調ユニット（ＨＶＡＣ）１８を備えている。室内空調ユニット１８は、車室内最前部の計器盤（インストルメントパネル）の内側に配置されて、その外殻を形成する空調ケース内にブロア１１、室内空調用エバポレータ１７、ミックスドア１２、ヒータコア１３（エンジン冷却水等）を収容したものである。室内空調用エバポレータ１７の空気流れ下流側には、ヒータコア１３に向う空気を流す加熱用冷風通路、そのバイパス通路といった空気通路が仕切壁によって形成され、エアミックスドア１２によって、風量割合を制御している。さらに、それらの空気流れ下流側には、混合空間が形成されて、空調対象空間である車室内へ温度調整された送風空気を吹き出す吹出口（図示せず）が配置されている。この吹出口としては、具体的に、車室内の乗員の上半身に向けて空調風を吹き出すフェイス吹出口、乗員の足元に向けて空調風を吹き出すフット吹出口、および、車両前面窓ガラス内側面に向けて空調風を吹き出すデフロスタ吹出口が設けられている。
【００１５】
バッテリー冷却装置（電池パック）には、ブロア６によって送風され、電池温調用エバポレータ（温度調整用エバポレータ）７で冷風又は温風にされて、電池スタック８に送り込まれて、電池スタック８を最適の温度に調整する。電池温調用エバポレータ７は、後述するように冷却と加熱することができる。図１の冷凍サイクル装置は、コンデンサ１５の出口に、レシーバ１６が挿入されており、アキュムレータ１９が、圧縮機１４の直前に挿入されているが、いずれか一方だけであっても良い。第２バイパス回路はホットガスサイクルなので、アキュムレータ１９はホットガスタンクとして機能する。
【００１６】
このように回路構成を設定すれば、空調と電池温調を別々に制御することができる。エバポレータを並列に配置し、それぞれに対し以下のように開閉弁を設定している。
第２バイパス回路において第２分岐点２と室内空調用エバポレータ１７上流の間に、第１開閉弁２１が設置されている。第２分岐点２と温度調整用エバポレータ７上流の間に、第２開閉弁２２が設置されている。第１分岐点１と第１減圧装置３１の間に、第３開閉弁２３が設置されている。第１分岐点１と第２減圧装置３２の間に、第４開閉弁２４が設置されている。なお、これらの開閉弁は開度調整ができるものとしても良い。
【００１７】
本実施形態の回路構成により、次のようなモードを設定することができる。
（１）空調（冷房）＋電池温調（冷却）モード（図２参照）
この場合には、第１開閉弁２１：閉、第２開閉弁２２：閉、第３開閉弁２３：開、第４開閉弁２４：開となっている。
（２）空調（暖房）＋電池温調（加熱）モード（図３参照）
この場合には、第１開閉弁２１：開、第２開閉弁２２：開、第３開閉弁２３：閉、第４開閉弁２４：閉となっている。
【００１８】
（３）空調（冷却）＋電池温調（加熱）モード（図４参照）
この場合には、第１開閉弁２１：閉、第２開閉弁２２：開、第３開閉弁２３：開、第４開閉弁２４：閉となっている。
（４）空調（暖房）＋電池温調（冷却）モード
この場合には、第１開閉弁２１：開、第２開閉弁２２：閉、第３開閉弁２３：閉、第４開閉弁２４：開となっている。
【００１９】
図８の空調と電池の最適な温度範囲に見られるように、空調が、暖房（又は冷房）時に、電池は冷却（又は加熱）する場合がある。空調は外気温や日射条件で決まるが、電池温調は走行条件（高速走行や登坂モードでは発熱が大きい）で決まるため、空調と電池に対する温調要求が異なる場合がある。本実施形態の回路によれば、３方弁、第１〜４開閉弁、第１〜４減圧装置を制御することで、空調（冷却）＋電池温調（加熱）モード、空調（暖房）＋電池温調（冷却）モード、空調（冷却）＋電池温調（加熱）モード、空調（暖房）＋電池温調（冷却）モードのときに、電池を冷却したり、加熱したりできるようにすることができる。
【００２０】
（１）の空調（冷房）＋電池温調（冷却）モード（図２参照）について
特許文献１のような通常のデュアル冷却モードである。
（２）の空調（暖房）＋電池温調（加熱）モード（図３参照）について
圧縮機１４から吐出された高温高圧の冷媒ガスは、３方弁２０で第２バイパス回路側に導かれ、第３減圧装置により減圧される。その後、分岐部２にて室内空調用エバポレータ１７と電池温調用エバポレータ７側に別れ、暖房と電池加熱を行う。全体の加熱量は、圧縮機１４の回転数（動力）により制御される。また、空調と電池加熱の能力割合は、各減圧装置（各開閉弁）の開度や、ＨＶＡＣや電池パックに設置されるブロワ１１、６により制御すると良い。
【００２１】
（３）、（４）の空調（冷却）＋電池温調（加熱）モード（図４参照）、空調（暖房）＋電池温調（冷却）モードについて
圧縮機１４から吐出された高温高圧の冷媒ガスは、３方弁２０でコンデンサ１５側と、第２バイパス通路の両方に導かれる。空調の冷房に用いられる冷媒は、３方弁２０→第４減圧装置３４→コンデンサ１５→第３開閉弁２３→第１減圧装置→室内空調用エバポレータ１７の順に流れる。電池加熱に用いられる冷媒は、３方弁２０→第２バイパス通路→第３減圧装置→第２開閉弁→電池温調用エバポレータ７の順に流れる。
【００２２】
この様に単純に冷却及び加熱回路を作ると、コンデンサ１５からの放熱により、圧縮機１４の吐出側の高圧圧力は低下するため、圧縮機１４の動力が小さくなり、十分な暖機能力を発揮することが出来ない場合が発生する。そこで、第４減圧装置を設置し、過熱に必要な能力（圧縮機消費動力）を確保できるように第４減圧装置の開度を調整する。この算出の手順は、必要な加熱能力を求め、目標の吐出圧力を決定し、第４減圧装置の開度を算出する。
【００２３】
ホットガスサイクルによる加熱量は、圧縮機１４の消費動力によるものである。コンデンサ１５への流量を少なくすることで、圧縮機１４の吐出圧を上昇させ、圧縮機１４の仕事を増やす。ホットガスの暖房能力Ｑｈを、図５のモリエル線図で説明する。
ホットガスの暖房能力は、Ｑｈ＝ΔＨ２×Ｇｒ２で計算することができる。Ｇｒ２は、総冷媒流量Ｇｒのうちで、３方弁２０で第２バイパス回路に分岐した分である。
【００２４】
第４減圧装置が全開の場合、コンデンサ放熱により、点Ａの圧力が低下する。このため、ΔＨ２（圧縮機の仕事）が少なくなる。暖房性能を確保するためには、コンデンサ放熱量を少なくする必要があり、第４減圧装置の開度を小さくすることで対応することができる。すなわち、第４減圧装置３４の弁を絞ることで、圧縮機の吐出圧力が高くなり、圧縮機の仕事量が増え、暖房性能が向上する。この場合、３方弁２０がロータリ型で流量調整機能を有する場合には、第４減圧装置の調整の代わりに、３方弁２０での流量調整でも対応可能である。その場合、第２減圧装置（又は第４減圧装置）の減圧弁を調整する必要が生じることがある。
【００２５】
以上説明したように、空調と電池温調を別々に制御できる冷凍サイクルを用いて、電池などの電子機器の冷却・暖機を実施すると共に、ホットガスサイクルを用いることで、ヒートポンプの苦手な寒冷地でも暖機を可能とすることができる。また、１つの電池温調用エバポレータ７で冷却だけでなく加熱もできるため、熱交換器の数が削減できコストダウンとなる。電池パック内へ冷却用と加熱用の熱交換器を２枚配置する場合と比べ、熱交換器搭載スペースが約半分となるため電池パックの小型化を図ることができる。
【００２６】
（第２実施形態）
本実施形態は、図６Ａ見られるように、第１実施形態と、次の点で相違している。まず、主冷媒回路において、室内空調用エバポレータ１７の下流に、第５減圧装置３５が設置されている。第１バイパス回路では、電池温調用エバポレータ７の下流に、第６減圧装置３６が設置されている。その他、第１実施形態と同様である。図６Ｂに見られるように、第１実施形態と同様にモード設定することができる。
【００２７】
空調用エバポレータ１７と、電池温調用エバポレータ１７が並列に設定されているため、２つの熱交換器の温度帯は理論上同じとなってしまう。本実施形態においては、両エバポレータ出口側に、圧力調整弁としての第５減圧装置３５、第６減圧装置３６を設置することで、両エバポレータの圧力範囲領域（すなわち温度領域）を制御し、空調と電池温調に、より最適な温度を提供することができる。この場合、より低い圧力（温度）を要求している側に合わせて、圧縮機の回転数を制御し、もう一方の高い圧力（温度）を要求している側に合わせて、第５減圧装置３５、又は、第６減圧装置３６の絞り開度を調整すると良い。
【００２８】
（第３実施形態）
本実施形態は、図７に見られるように、第２分岐点２に、流量調整機能を有する３方弁４０を設置したものである。空調（暖房）＋電池温調（加熱）モード時には、空調と電池温調の加熱割合を、第２バイパス通路の分岐部２に設置された流量分配装置４０によって、冷媒分配量を調整することで制御することができる。この場合、トータル加熱量は、圧縮機消費動力であるため、圧縮機の回転数（又は容量）により調整する。
【符号の説明】
【００２９】
７    温度調整用エバポレータ
１４    圧縮機
１５    コンデンサ
１６    レシーバ
１７    室内空調用エバポレータ
【図２】
2013184596.tif 000003
【図３】
2013184596.tif 000004
【図４】
2013184596.tif 000005
【図５】
2013184596.tif 000006
【図６Ａ】
2013184596.tif 000007
【図６Ｂ】
2013184596.tif 000008
【図７】
2013184596.tif 000009
【図８】
2013184596.tif 000010
【図１】
2013184596.tif 000011