(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサ、車外側熱交換器、圧力制御弁、車内側熱交換器、及びアキュムレータを備えた車両用空調装置において、
前記車内側熱交換器は、前記空調ユニット内の空気流れの上下流方向に分割することにより複数の熱交換部で構成し、該熱交換部を接続する配管途中に膨張弁を接続し、
前記コンプレッサから吐出させた冷媒が、車外側熱交換器、圧力制御弁、車内側熱交換器、及びアキュムレータの順に循環する冷房モード、又は、車内側熱交換器、圧力制御弁、車外側熱交換器、及びアキュムレータの順で循環する暖房モードのいずれか一方に流路を切り替える四方弁と、
該四方弁により流路を暖房モードに切り替えた際、冷媒が車外側熱交換器をバイパスするバイパス流路と、
該バイパス流路の途中に配設され、冷媒とエンジン冷却水との間で熱交換させる温水熱交換器と、
前記コンプレッサからの冷媒が、前記車外側熱交換器及び前記車内側熱交換器をバイパスして温水熱交換器に導かれる補助バイパス流路と、
前記冷凍サイクル又は前記バイパス流路のほか、前記補助バイパス流路にも流路を切り替える流路切替手段と、
前記四方弁を切り替えて冷媒を暖房モードで循環させた際、前記流路切替手段により、前記バイパス流路に流路を切り替え、前記温水熱交換器にエンジン冷却水を流動させることにより、前記車内側熱交換器による加熱を開始させる制御手段と、
を設け、
前記制御手段は、前記四方弁を切り替えてコンプレッサを駆動することにより暖房運転を開始してから、車内側熱交換器のみによる通常の暖房が可能となる暖房条件を満足するまで、前記流路切替手段により、流路を補助バイパス流路に切り替えるようにしたことを特徴とする車両用空調装置。
【請求項２】
前記制御手段は、設定温度と内気温度との差から算出された目標送風温度と目標送風量に基づいて、車内側熱交換器による目標凝縮能力を決定し、前記温水熱交換器でのエンジン冷却水の流動量を制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置。
【請求項３】
暖房運転開始初期に前記コンプレッサの駆動回転数を増大させることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用空調装置。
【請求項４】
前記コンプレッサを電動式とすることにより、前記エンジンの停止時であっても駆動可能としたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の車両用空調装置。
【請求項５】
前記エンジンと前記温水熱交換器との間でエンジン冷却水を循環させる電動ポンプを設け、前記エンジンの停止時であっても前記電動ポンプを駆動させることにより、エンジン冷却水の循環を可能としたことを特徴とする請求項３又は４に記載の車両用空調装置。
【請求項６】
前記制御手段は、コンプレッサから吐出される冷媒圧力に基づいて前記電動ポンプを駆動制御することを特徴とする請求項５に記載の車両用空調装置。
【請求項７】
前記エンジンと前記温水熱交換器とを結ぶ温水流路の途中には、車内側熱交換器を通過後の空気を加熱するヒータコアを接続したことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の車両用空調装置。
【請求項８】
前記温水熱交換器を流動するエンジン冷却水と冷媒とが対向流となっていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の車両用空調装置。
【請求項９】
前記冷媒はＣＯ２であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の車両用空調装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用空調装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車両用空調装置として、冷凍サイクル途中に設けた車内側熱交換器を、通過する空気の冷却のみならず、冷媒の循環方向を逆転させることにより加熱にも利用可能としたものがある。これによれば、エンジン冷却水が流動するヒータコアのみならず、車内側熱交換器によっても車内に送風する空気を加熱することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の車両用空調装置では、外気温度が非常に低い場合等、車内側熱交換器による暖房を可能としただけでは、迅速に車内暖房を開始できないことがある。
【０００４】
そこで、本発明は、暖房運転開始直後であっても迅速に送風温度を上昇させることのできる車両用空調装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、
コンプレッサ、車外側熱交換器、圧力制御弁、車内側熱交換器、及びアキュムレータを備えた車両用空調装置において、
前記車内側熱交換器は、前記空調ユニット内の空気流れの上下流方向に分割することにより複数の熱交換部で構成し、該熱交換部を接続する配管途中に膨張弁を接続し、
前記コンプレッサから吐出させた冷媒が、車外側熱交換器、圧力制御弁、車内側熱交換器、及びアキュムレータの順に循環する冷房モード、又は、車内側熱交換器、圧力制御弁、車外側熱交換器、及びアキュムレータの順で循環する暖房モードのいずれか一方に流路を切り替える四方弁と、
該四方弁により流路を暖房モードに切り替えた際、冷媒が車外側熱交換器をバイパスするバイパス流路と、
該バイパス流路の途中に配設され、冷媒とエンジン冷却水との間で熱交換させる温水熱交換器と、
前記コンプレッサからの冷媒が、前記車外側熱交換器及び前記車内側熱交換器をバイパスして温水熱交換器に導かれる補助バイパス流路と、
前記冷凍サイクル又は前記バイパス流路のほか、前記補助バイパス流路にも流路を切り替える流路切替手段と、
前記四方弁を切り替えて冷媒を暖房モードで循環させた際、前記流路切替手段により、前記バイパス流路に流路を切り替え、前記温水熱交換器にエンジン冷却水を流動させることにより、前記車内側熱交換器による加熱を開始させる制御手段と、
を設け、
前記制御手段は、前記四方弁を切り替えてコンプレッサを駆動することにより暖房運転を開始してから、車内側熱交換器のみによる通常の暖房が可能となる暖房条件を満足するまで、前記流路切替手段により、流路を補助バイパス流路に切り替えるようにしたものである。
【０００８】
前記膨張弁には開閉バルブを並列接続すると、車内側熱交換器の全熱交換部を暖房用として利用するか、その一部を除湿用として利用するのかを選択することが可能となる点で好ましい。
【００１０】
前記制御手段は、設定温度と内気温度との差から算出された目標送風温度と目標送風量に基づいて、車内側熱交換器による目標凝縮能力を決定し、前記温水熱交換器でのエンジン冷却水の流動量を制御すると、冷媒が必要以上に圧力上昇することを防止することができ、消費動力を低減することが可能となる点で好ましい。
【００１２】
暖房運転開始初期に前記コンプレッサの駆動回転数を増大させると、より一層車内への送風温度の上昇を早めることが可能となる点で好ましい。
【００１３】
前記コンプレッサを電動式とすることにより、前記エンジンの停止時であっても駆動可能とすると、車内暖房を継続することができる点で好ましい。
【００１４】
前記エンジンと前記温水熱交換器との間でエンジン冷却水を循環させる電動ポンプを設け、前記エンジンの停止時であっても前記電動ポンプを駆動させることにより、エンジン冷却水の循環を可能とすると、温水熱交換器を介してエンジンの余熱を冷媒に供給することができ、さらに車内暖房を継続することができる点で好ましい。
【００１５】
前記制御手段は、コンプレッサから吐出される冷媒圧力に基づいて前記電動ポンプを駆動制御すると、必要時にのみ電動ポンプを駆動することができ、消費電力を抑制可能となる点で好ましい。
【００１６】
前記エンジンと前記温水熱交換器とを結ぶ温水流路の途中には、車内側熱交換器を通過後の空気を加熱するヒータコアを接続すればよい。
【００１７】
前記温水熱交換器を流動するエンジン冷却水と冷媒とが対向流となっているのが好ましい。
【００１８】
なお、前記冷媒にはＣＯ２を使用することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。
【００２０】
図１は、本実施形態に係る車両用空調装置を示す。この車両用空調装置は、車内前方部の空調ユニット１内に、上流側からブロア（図示せず）、車内側熱交換器２、ミックスダンパ（図示せず）、ヒータコア３、及び、補助ヒータ４を順次配設したものである。
【００２１】
ブロアは、ブロアモータ（図示せず）の駆動により回転し、内外気切替ダンパ（図示せず）によって選択された内気又は外気を空調ユニット１内へと導く。
【００２２】
車内側熱交換器２は、空調ユニット１内の空気流れの上下流方向に分割した２つの熱交換部５ａ，５ｂで構成されている。下流側熱交換部５ａと上流側熱交換部５ｂとの間には膨張弁６及び開閉バルブ７が並列接続されている。車内側熱交換器２を通常通り冷房用として使用する場合、開閉バルブ７を全開とすれば、上下流いずれの熱交換部５ａ，５ｂでも通過する空気を冷却できる。また、車内側熱交換器２を暖房用として使用する場合、開閉バルブ７を全開とすれば、上下流いずれの熱交換部５ａ，５ｂでも通過する空気を加熱できる。この場合、開閉バルブ７を全閉とすれば、上流側熱交換部５ｂで通過する空気を除湿し、下流側熱交換部５ａで加熱することができる。
【００２３】
前記車内側熱交換器２は、四方弁８によって切り替えられる冷凍サイクルＣの途中に設けられている。冷凍サイクルＣでは、四方弁８を図１中実線で示す方向に切り替えることにより、コンプレッサ９から吐出された冷媒が、車外側熱交換器１０、圧力制御弁１１、前記車内側熱交換器２、及び、アキュムレータ１２を介してコンプレッサ９に戻って循環する。また、四方弁８を図１中点線で示す方向に切り替えることにより、コンプレッサ９から吐出された冷媒が、前記車内側熱交換器２、圧力制御弁１１、車外側熱交換器１０、及び、アキュムレータ１２を介してコンプレッサ９に戻って循環する。つまり、四方弁８の切り替えにより、車内側熱交換器２による冷却又は加熱が可能となっている。圧力制御弁１１と車外側熱交換器１０の間には第1三方弁１３が設けられ、冷媒が車外側熱交換器１０を迂回し、温水熱交換器１４を介してアキュムレータ１２へと流動可能とするバイパス路Ｂ１が接続されている。また、四方弁８と車内側熱交換器２の間には第２三方弁１５が設けられ、冷媒が車内側熱交換器２を迂回して温水熱交換器１４側へと流動可能とする補助バイパス路Ｂ２が接続されている。なお、前記冷媒にはＣＯ２が使用されている。
【００２４】
コンプレッサ９には、エンジン１６の動力が図示しないクラッチを介して伝達される。コンプレッサ９の駆動回転数は、クラッチを切り替えることにより複数段階（無段階でもよい。）に切替可能である。コンプレッサ９の駆動回転数は、通常、冷媒が車外側熱交換器１０を超臨界圧力で流動可能な値に設定されている。車外側熱交換器１０は車両前方部に配設され、冷媒を外気に放熱させる。圧力制御弁１１は、冷媒を減圧し、気化しやすい状態として車内側熱交換器２に供給すると共に、後述するように、その圧力を調整する役割を果たす。車内側熱交換器２は、内部を流動する冷媒により、外部を通過する内気又は外気から吸熱する。車外側熱交換器１０から流出する冷媒の温度は温度センサ１７、コンプレッサ９から吐出される冷媒の圧力は圧力センサ１８によって検出されている。アキュムレータ１２は、冷媒を確実に気化させた状態でコンプレッサ９に戻すために設けられている。
【００２５】
ヒータコア３は、ミックスダンパ（図示せず）によって分流された一方の流路に配設されており、暖房サイクルＨの１つの機器を構成している。暖房サイクルＨでは、エンジン冷却水を、第３三方弁１９の切り替えにより、車両前方部に配設したラジエータ２０とは別回路で循環させ、その回路途中のヒータコア３で放熱させている。また、暖房サイクルＨの途中には前記温水熱交換器１４が設けられ、第４三方弁２１の切り替えにより、前記冷凍サイクルＣを流動する冷媒と、暖房サイクルＨを流動するエンジン冷却水との間の熱交換を行うことが可能となっている。温水熱交換器１４内では、冷媒とエンジン冷却水が対向流となるように構成され、熱交換性能の向上が図られている。また、暖房サイクルＨの途中には電動ポンプ２２と水温検出センサ２３とが設けられている。電動ポンプ２２は、エンジン１６の停止時にバッテリーからの供給電力によって駆動可能である。水温検出センサ２３は、エンジン冷却水の温度を検出する。検出温度は、第４三方弁２１を切り替えて温水熱交換器１４にエンジン冷却水を供給するか否かの判断に利用される。
【００２６】
補助ヒータ４は、エンジン１６の停止時にバッテリーからの供給電力によってヒータコア３の加熱を補助する。
【００２７】
前記圧力制御弁１１の開度は、前記ブロアモータ及び前記コンプレッサ９の駆動回転数、前記内外気切替ダンパの回動位置等に基づいて制御装置２４によって制御されている。制御装置２４は、内気センサ２５、外気センサ２６、日射センサ２７等から得られる車内外諸条件に基づいて、前記ブロアモータ及び前記コンプレッサ９の駆動回転数、ミックスダンパの開度、各三方弁１３，１５，１９，２１の切り替え、膨張弁１６の開度等を制御する。
【００２８】
次に、前記構成の車両用空調装置の動作について、図２のフローチャートに従って説明する。以下の説明では、本発明の特徴部分である暖房運転を行う場合についてのみ記載する。なお、冷房運転の場合は、四方弁８、第1三方弁１３、及び第２三方弁１５を切り替え、コンプレッサ９から吐出された冷媒が、車内側熱交換器２、圧力制御弁１１、車外側熱交換器１０、及びアキュムレータ１２を介してコンプレッサ９に戻って循環させる。車内側熱交換器２では、開閉バルブ７を全開とすることにより、両熱交換部５ａ，ｂで通過する空気を冷却・除湿可能とする。
【００２９】
暖房運転の場合、まず、内気センサ２５で検出される内気温度、外気センサ２６で検出される外気温度、日射センサ２７で検出される日射量、車内での設定温度等の車内外諸条件を読み込み（ステップＳ１）、この車内外諸条件に基づいてコンプレッサ９の駆動回転数及びミックスダンパの開度を決定する（ステップＳ２）。
【００３０】
ここで、水温検出センサ２３での検出信号に基づいてエンジン冷却水の温度ＴＥを読み込む（ステップＳ３）。そして、読み込んだエンジン冷却水の温度ＴＥが設定温度ＴＳよりも低いか否かを判断する（ステップＳ４）。設定温度ＴＳには、その温度のエンジン冷却水をヒータコア３に通水したとしても、所望の暖房能力を得られない値を使用する。
【００３１】
エンジン冷却水の温度ＴＥが設定温度ＴＳ以上である場合、ヒータコア３の加熱により十分な暖房能力を発揮させることができるので、ヒータコア３のみによる通常暖房を行う。冷凍サイクルＣでは、四方弁８を切り替えることにより、冷媒を、コンプレッサ９から車外側熱交換器１０、圧力制御弁１１、車内側熱交換器２、温水熱交換器１４、及びアキュムレータ１２を介してコンプレッサ９に戻る冷房モードで循環させ、車内側熱交換器２で通過する空気の冷却及び除湿を行う。但し、エンジン冷却水の温度ＴＥが設定温度ＴＳからそれ程上昇していない段階であれば、車内側熱交換器２による除湿運転により通過する空気の温度が下がることにより、ヒータコア３の暖房能力不足となる恐れがあるので、そのような場合にはコンプレッサ９の駆動を停止する。
【００３２】
一方、エンジン冷却水の温度ＴＥが設定温度ＴＳ未満である場合、第３三方弁１９を切り替えてエンジン冷却水がラジエータ２０で放熱されないようにする（ステップＳ５）。また、ヒータコア３による加熱では不十分であるので、コンプレッサ９から吐出された冷媒が、車内側熱交換器２に直接流入するように四方弁８を切り替える（ステップＳ６）。このとき、車内側熱交換器２では開閉バルブ７を全開として両方の熱交換部５ａ，ｂで通過する空気を加熱可能とする。また、圧力センサ１８により検出される冷媒の圧力ＰＶが設定圧力ＰＳよりも低いか否かを判断する（ステップＳ７）。設定圧力ＰＳには、この圧力以下で冷媒を車内側熱交換器２に流入させ、空調ユニット１内を通過する空気に放熱させると、液相の割合が多くなり過ぎ、車外側熱交換器１０による吸熱だけでは、車内側熱交換器１０で十分に昇温できないような値を使用する。
【００３３】
圧力センサ１８により検出される冷媒の圧力ＰＶが設定圧力ＰＳ以上である場合、第1三方弁１３を切り替え、車内側熱交換器２３で冷媒から空調ユニット１１内を流動する空気に放熱させる（ステップＳ８）。
【００３４】
一方、圧力センサ１８により検出される冷媒の圧力ＰＶが設定圧力ＰＳ未満である場合、車内側熱交換器２の暖房性能を十分に発揮させることができない状態であると判断し、第２三方弁１５を切り替え、車外側熱交換器１０のみならず、車内側熱交換器２をもバイパスさせる（ステップＳ９）。これにより、冷媒から放熱させることなく、温水熱交換器１４にて吸熱させることができるので、早期に冷媒を高温・高圧状態とすることができ、車内側熱交換器２に必要とされる暖房性能を短時間で得ることが可能となる。
【００３５】
その後、車内側熱交換器２（冷媒・空気間）の熱交換効率が分かっているので、前記ステップＳ１で読み込んだ設定温度と内気温度の温度差に基づいて目標送風温度と目標送風量を算出する（ステップＳ１０）。そして、算出された目標送風温度と目標送風量に基づいて車内側熱交換器２による目標凝縮能力（目標凝縮圧力又は目標凝縮温度）が決まるので、この目標凝縮能力が得られるように温水熱交換器１４に流入させるエンジン冷却水の水量を、電動ポンプ２２の駆動回転数を制御することにより調整する（ステップＳ１１）。これにより、温水熱交換器１４でエンジン冷却水から冷媒に吸熱させ、その後の車内側熱交換器２での加熱を適切に行わせることが可能となる。
【００３６】
このように、コンプレッサ９で高温・高圧状態となった冷媒を、車内側熱交換器２３に流入させることができるので、ヒータコア３の暖房能力の不足を、車内側熱交換器２によって補うことができる。したがって、エンジン冷却水の温度が上昇する前であっても、所望の送風温度での車内暖房が早期に実現される。
【００３７】
なお、車内側熱交換器２をバイパスして冷媒を流動させる場合、車内側熱交換器２による補助暖房はできなくなるので、バッテリーから補助ヒータ４に通電し、この補助ヒータ４６によってヒータコア３の暖房能力不足を補う（ステップＳ１２）。
【００３８】
また、エンジン冷却水の温度がそれ程上昇しておらず、ヒータコア３の暖房能力が不十分な段階で除湿を行う場合には、車内側熱交換器２の下流側熱交換部５ａと上流側熱交換部５ｂとの間に接続した開閉バルブ７を全閉とする。これにより、冷媒は、下流流側熱交換部５ａに流入して放熱して液化した後、膨張弁６を通過して気化しやすい状態となり、上流側熱交換部５ｂを通過する際、気化することにより外部を通過する空気から吸熱する。つまり、上流側熱交換部５ｂで除湿しつつ、下流側熱交換部５ａで加熱することにより除湿暖房を行うことが可能となる。
【００３９】
以上のように、前記実施形態に係る車両用空調装置によれば、エンジン１６の始動直後で、エンジン冷却水の温度が十分に上昇していなくても、車内側熱交換器２を補助暖房として使用することができる。しかも、温水熱交換器１４によって冷媒を昇温させるだけでなく、冷媒が十分に温まっていない段階では、車内側熱交換器２をもバイパスさせるようにしている。その上、車内側熱交換器２を使用できない間は、補助ヒータ４を使用可能である。
【００４０】
なお、前記実施形態では、第1三方弁１３の切り替え方向を変更するための暖房条件として、コンプレッサ９から吐出される冷媒の圧力ＰＶを使用したが、コンプレッサ９から吐出される冷媒の温度、温水熱交換器１４の入口側に於けるエンジン冷却水の温度、あるいは、外気温度等を使用しても構わない。要するに、車内側熱交換器２によって十分な暖房能力が得られるか否かを判断できるパラメータであれば、何でも暖房条件として使用することができる。なお、暖房条件に外気温度を使用するのは、外気導入モードを選択している場合に限られる。
【００４１】
また、前記実施形態では、コンプレッサ９をエンジン１６の動力に基づいて駆動するようにしたが、バッテリーからの供給電力により駆動可能な電動式としても構わない。これによれば、エンジン１６の停止時であっても冷媒を循環させて車内側熱交換器２による冷暖房が可能となる。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、四方弁を切り替えると共に、流路切替手段によりバイパス流路に切り替え、温水熱交換器にエンジン冷却水を流動させることにより、車内側熱交換器による加熱を開始させるようにしたので、暖房運転開始直後であっても、車内への送風温度を即座に上昇させ、早期に車内を暖房することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施形態に係る車両用空調装置の概略図である。
【図２】  図１の制御装置による空調制御の内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…空調ユニット
２…車内側熱交換器
３…ヒータコア
４…補助ヒータ
５…熱交換部
６…膨張弁
７…開閉バルブ
８…四方弁
９…コンプレッサ
１０…車外側熱交換器
１１…圧力制御弁
１３…第1三方弁
１４…温水熱交換器
１５…第２三方弁
１７…温度センサ
１８…圧力センサ
１９…第３三方弁
２１…第４三方弁
２２…電動ポンプ
２３…水温検出センサ
２４…制御装置
【図１】
0003977629.tif 000002
【図２】
0003977629.tif 000003