(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン冷却水としての温水が循環される温水回路と、該回路内を循環される温水と車室内へ送風される空気との熱交換を行うヒータコアと、冷媒を循環させるコンプレッサを有する冷媒回路と、該冷媒回路内を循環される冷媒と車室内へ送風される空気との熱交換を行う室内エバポレータとを有する車両用空調装置であって、前記冷媒回路を、前記コンプレッサ出口側において、室外熱交換器を有し、前記室内エバポレータへと通じる第１の分岐回路と、エンジン排気ガスと冷媒との熱交換によりエンジン排気ガスから吸熱する排気ガスエバポレータと、吸熱した冷媒と前記温水との熱交換により前記温水回路内に放熱する水冷コンデンサとを備え、前記室外熱交換器を経た後コンプレッサ入口側へと連通する第３の分岐回路とに分岐し、かつ、第１、第３の分岐回路をコンプレッサ入口側において合流させるとともに、前記コンプレッサ出口側の分岐部に、前記第１の分岐回路および第３の分岐回路のいずれかを選択する選択弁を設けたことを特徴とする車両用空調装置。
【請求項２】
前記第３の分岐回路においては、冷媒の流れ方向に前記水冷コンデンサ、前記排気ガスエバポレータ、前記室外熱交換器の順に配置され、該水冷コンデンサと排気ガスエバポレータとの間に、冷媒を減圧、膨張させる第１の絞り機構、前記排気ガスエバポレータと室外熱交換器との間に、冷媒を減圧する第３の絞り機構が設けられているとともに、前記第１の分岐回路においては、室外熱交換器と室内エバポレータとの間に第２の絞り機構が設けられている、請求項１の車両用空調装置。
【請求項３】
前記コンプレッサが容量可変型コンプレッサであり、前記温水の温度、前記ヒータコアの出口空気温度またはヒータコアのフィン間温度を検知する温度センサと、該温度センサからの信号に基づいて前記コンプレッサの吐出容量を制御する制御装置とを有する、請求項１または２の車両用空調装置。
【請求項４】
前記コンプレッサが稼動と未稼動を選択できる容量固定型コンプレッサであり、前記温水温度、前記ヒータコアの出口空気温度またはヒータコアのフィン間温度を検知する温度センサと該温度センサからの信号に基づいて前記コンプレッサの稼動と未稼動を選択する制御装置とを有する、請求項１または２の車両用空調装置。
【請求項５】
可変容量型コンプレッサの吐出容量を決定する信号が、前記温水の温度センサ、前記ヒータコアの出口空気温度センサまたはヒータコアのフィン間温度検知センサによって得られるセンサ温度と、該温水温度、該ヒータコア出口空気温度またはヒータコアのフィン間温度の目標値との偏差に比例する比例制御演算項を含む、フィードバック演算項を有する演算式に基づいて行われる、請求項３の車両用空調装置。
【請求項６】
前記第１の絞り機構と、前記水冷コンデンサおよび排気ガスエバポレータの少なくとも一つとが一体構造に構成されている、請求項２ないし５のいずれかに記載の車両用空調装置。
【請求項７】
前記排気ガスエバポレータに、排気ガスを冷却したときに生じる凝縮水を分離する気液分離機構および／または該凝縮水を排出するドレン口が設けられている、請求項１ないし６のいずれか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５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ている。図５において、１０４はラジエータ、１０５は送風用ブロワ、１０６はエアミックスダンパ、１０７は切換ダンパ、１０８はダクトをそれぞれ示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
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】
そこで本発明の課題は、エンジンの排気ガスによって捨てられている熱エネルギーに着目し、ヒートポンプサイクルを形成して排気ガスから熱を汲み上げ、汲み上げた熱エネルギーを暖房用温水に放熱することにより、高効率エンジンにあっても暖房能力の不足を解消できるようにすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の車両用空調装置は、エンジン冷却水としての温水が循環される温水回路と、該回路内を循環される温水と車室内へ送風される空気との熱交換を行うヒータコアと、冷媒を循環させるコンプレッサを有する冷媒回路と、該冷媒回路内を循環される冷媒と車室内へ送風される空気との熱交換を行う室内エバポレータとを有する車両用空調装置であって、前記冷媒回路を、前記コンプレッサ出口側において、室外熱交換器を有し、前記室内エバポレータへと通じる第１の分岐回路と、エンジン排気ガスと冷媒との熱交換によりエンジン排気ガスから吸熱する排気ガスエバポレータと、吸熱した冷媒と前記温水との熱交換により前記温水回路内に放熱する水冷コンデンサとを備え、前記室外熱交換器を経た後コンプレッサ入口側へと連通する第３の分岐回路とに分岐し、かつ、第１、第３の分岐回路をコンプレッサ入口側において合流させるとともに、前記コンプレッサ出口側の分岐部に、前記第１の分岐回路および第３の分岐回路のいずれかを選択する選択弁を設けたことを特徴とするものからなる。
【００１０】
上記第３の分岐回路においては、たとえば、冷媒の流れ方向に水冷コンデンサ、排気ガスエバポレータ、室外熱交換器の順に配置され、該水冷コンデンサと排気ガスエバポレータとの間に、冷媒を減圧、膨張させる第１の絞り機構、排気ガスエバポレータと室外熱交換器との間に、冷媒を減圧する第３の絞り機構が設けられているとともに、上記第１の分岐回路においては、室外熱交換器と室内エバポレータとの間に第２の絞り機構が設けられる。
【００１１】
上記のような車両用空調装置においては、コンプレッサが容量可変型コンプレッサであり、温水の温度、ヒータコアの出口空気温度またはヒータコアのフィン間温度を検知する温度センサと、該温度センサからの信号に基づいて前記コンプレッサの吐出容量を制御する制御装置とを有することが好ましい。
【００１２】
そして、可変容量型コンプレッサの吐出容量制御が、温水の温度、ヒータコアの出口空気温度またはヒータコアのフィン間温度検知による、少なくとも比例制御を含むフィードバック演算項を有する演算式に基づいて行われることが好ましい。
【００１３】
また、前記第１の絞り機構と、前記水冷コンデンサおよび排気ガスエバポレータの少なくとも一つとを一体構造に構成することもできる。さらに、前記排気ガスエバポレータに、排気ガスを冷却したときに生じる凝縮水を分離する気液分離機構および／または該凝縮水を排出するドレン口を設ける構造とすることもできる。
【００１４】
上述のような本発明に係る車両用空調装置においては、エンジン排気ガスと冷媒との間で熱交換を行う排気ガスエバポレータによってエンジン排気ガスの熱が冷媒回路中の冷媒に吸熱され、吸熱した冷媒と温水（エンジン冷却水）との間の熱交換を行う水冷コンデンサによって、エンジン排気ガスから汲み上げた熱あるいはその一部が温水回路内に放熱される。すなわち、冷媒回路がヒートポンプサイクルを形成する。
【００１５】
このヒートポンプサイクルにより、エンジン排気ガスから熱エネルギーが回収され、温水の温度が上昇される。したがって、高効率エンジン搭載車両において、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暖房能力が不足していた場合の、暖房能力不足が解消される。
【００１６】
【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は、本発明の第１参考例に係る車両用空調装置を示しており、冷房サイクルがない場合の例を示している。図において、１はエンジン、２はラジエータを示しており、エンジン１の冷却に用いたエンジン冷却水としての温水がポンプ３によって温水回路４内を循環される。循環される温水は、ヒータコア５によってダクト９内空気と熱交換され、ブロワ６によって吸入されヒータコア５によって温められた空気が車室内に送られる。７はヒータコア５の上流側に設けられたエアミックスダンパ、８は送風先を切り換えるための切換ダンパ、９はダクトをそれぞれ示している。
【００１７】
ここまでの構成は、図５に示した従来構造と実質的に同じであるが、本参考例では、コンプレッサ１０を有し冷媒を循環させる冷媒回路１１が設けられている。
【００１８】
冷媒回路１１には、コンプレッサ１０の下流側に、冷媒の流れ方向に順に、水冷コンデンサ１２と排気ガスエバポレータ１３が設けられており、水冷コンデンサ１２と排気ガスエバポレータ１３の間には、第１の絞り機構としての第１の膨張弁１４が配置されている。この第１の膨張弁１４と、水冷コンデンサ１２と排気ガスエバポレータ１３の少なくとも一つとが一体構造に構成されていてもよい。本実施例では、三者が一体装置１５として構成されている。
【００１９】
水冷コンデンサ１２には、温水回路４が通され、冷媒回路１１中の冷媒と温水回路４中の温水との間での熱交換により、冷媒からの熱が温水回路４（の温水中）に放熱できるようになっている。また、排気ガスエバポレータ１３には、エンジン１からの排気ガス回路１６が通され、エンジン排気ガスと冷媒との熱交換によりエンジン排気ガスから冷媒回路１１（の冷媒中）に吸熱できるようになっている。すなわち、排気ガスエバポレータ１３で吸熱されたエンジン排気ガスからの熱エネルギーが水冷コンデンサ１２にて温水中に放熱される、ヒートポンプサイクルを形成している。
【００２０】
コンプレッサ１０は、可変容量型のコンプレッサからなり、該コンプレッサ１０の吐出容量は、制御装置としてのコントローラ１７によって制御される。コントローラ１７は、温水の温度を検知する温度センサ１８からの信号に基づいて制御される。この温度センサは、ヒータコア５の出口空気温度またはヒータコア５のフィン間温度を検知するセンサであってもよい。
【００２１】
なお、上記コンプレッサ１０は、ベルト等を介してエンジン１により駆動され、クラッチ（図示略）により運転のオン、オフを制御できるようになっている。また、水冷コンデンサ１２は、温水回路４中、いずれの部位にも設置可能であるが、本実施例ではヒータコア５の出口からエンジン１の入口までの間に設置してある。
【００２２】
また、図示は省略するが、上記排気ガスエバポレータ１３には、エンジン排気ガスを冷却したときに生じる凝縮水を分離する気液分離機構および／または該凝縮水を排出するドレン口を設けておくことが好ましい。これによって、より円滑にエンジン排気ガスから熱エネルギーを効率よく汲み上げることができる。
【００２３】
上記のように構成された第１参考例装置においては、図５に示した従来の温水暖房システムに、補助暖房システム（ヒートポンプ）が加えられることになる。
【００２４】
コンプレッサ１０により吐出された高圧高温ガス冷媒と、温水回路４中の温水とが、水冷コンデンサ１２によって熱交換され、ガス冷媒が凝縮液化される。このとき、冷媒中の熱エネルギーが温水中に放熱され、温水がさらに加熱される。水冷コンデンサ１２からの液冷媒は、第１膨張弁１４によって減圧、膨張され、低圧の二相冷媒となる。この膨張後の低圧二相冷媒とエンジン排気ガスとが排気ガスエバポレータ１３によって熱交換され、二相冷媒が蒸発蒸気化される。このとき、高温のエンジン排気ガスの熱エネルギーの一部が冷媒に吸熱される。吸熱した冷媒が、前述のコンプレッサ１０で圧縮され、コンプレッサ１０から吐出された高圧高温ガス冷媒から水冷コンデンサ１２を介して温水に、上記排気ガスから汲み上げた熱エネルギーが放出される。すなわち、エンジン排気ガスから汲み上げた熱エネルギーを温水中に放出するヒートポンプサイクルが形成される。
【００２５】
このヒートポンプサイクルによって、エンジンの高効率化によって不足する暖房能力が補われ、とくに低外気温度、低エンジン回転数条件で温水温度が低い場合の暖房能力不足が解消される。
【００２６】
可変容量型コンプレッサ１０の吐出容量制御は、たとえば次のように行われる。温度センサ１８によってヒータコア５の入口側温水温度が検知され、検知温水温度によるＰＩ（比例＋積分）制御が行われる。この制御には、たとえば水温８０℃を目標にした次のような演算式が用いられる。
ＶＯＬ＝Ｋｐ・｛（８０−ＴＷ）＋Ｉn ｝
但し、Ｉn ＝Ｉn-1 ＋（Δｔ／Ｋｉ）・（８０−ＴＷ）
ここで、ＶＯＬ：コンプレッサ吐出容量
ＴＷ：検知水温（℃）
Ｋｉ、Ｋｐ：係数
Δｔ：制御周期
すなわち、上式は、検知水温ＴＷと水温目標値との偏差に比例する比例演算項を含むフィードバック演算である。
【００２７】
図２は、本発明の第２参考例に係る車両用空調装置を示している。本参考例は、前記第１参考例に比べ、冷房回路を備えたものである。冷媒が循環される冷媒回路２１は、コンプレッサ１０の出口側において、選択弁２２を介して第１の分岐回路２３と第２の分岐回路２４とに分岐され、選択弁２２でいずれかの分岐回路を選択できるようになっている。両分岐回路２３、２４は、コンプレッサ１０の入口側において合流される。
【００２８】
第１の分岐回路２３には、冷媒の流れ方向に順に、室外熱交換器２５、レシーバ２６、第２の絞り機構としての第２膨張弁２７、室内エバポレータ２８が設けられている。第２の分岐回路２４には、水冷コンデンサ１２、第１膨張弁１４、排気ガスエバポレータ１３が配置されており、水冷コンデンサ１２で冷媒と温水回路４中の温水との熱交換、排気ガスエバポレータ１３で冷媒とエンジン排気ガスとの熱交換が行われるようになっている。この第２の分岐回路２４の構成は実質的に前記第１実施例と同じである。また、ヒータコア５、温度センサ１８、コントローラ１７についても、実質的に第１実施例と同じ構成である。
【００２９】
本参考例においては、選択弁２２は三方弁からなり、選択弁２２の切換により、冷房と補助暖房とに切り換えることができる。
切換の判定条件は、たとえば下記の通りである。
Ａ／ＣＳＷ  ＯＮ                      →冷房モードにて稼動
Ａ／ＣＳＷ  ＯＦＦ、ＴＷ＜８５℃      →補助暖房モードにて稼動
Ａ／ＣＳＷ  ＯＦＦ、ＴＷ≧８５℃      →未稼動
ここで、
Ａ／ＣＳＷ：エアコンスイッチ
ＴＷ      ：検知水温（℃）
【００３０】
すなわち、冷房モードにおいては、コンプレッサ１０により吐出された高圧高温ガス冷媒と外気とが室外熱交換器２５によって熱交換され、ガス冷媒が凝縮、液化される。液冷媒は、一旦レシーバ２６に溜められた後、第２膨張弁２７によって減圧、膨張され、膨張後の低圧二相冷媒と車室内空気又は外気とが、室内エバポレータ２８によって熱交換され、二相冷媒が蒸発ガス化される。これによって、車室内に供給される空気が冷却される。室内エバポレータ２８からの冷媒は、コンプレッサ１０の吸入側に戻される。
【００３１】
一方、補助暖房モードにおいては、選択弁２２の切換により、コンプレッサ１０から吐出された冷媒は、水冷コンデンサ１２、第１膨張弁１４、排気ガスエバポレータ１３からコンプレッサ１０の入口側に戻される。このときの補助暖房の作用は、第１参考例に準じる。
【００３２】
図３は、本発明の実施例に係る車両用空調装置を示している。本実施例は、上記第２参考例に比べ、外気からも熱エネルギーを回収できるようにしたもので、さらに補助暖房の効率を高めたものである。
【００３３】
コンプレッサ１０の出口側には、四方弁からなる選択弁３１が設けられ、該選択弁３１の切換により、冷媒回路３２は、第１の分岐回路２３と第３の分岐回路３３とに切り換えできるようになっている。第１の分岐回路２３の構成は、第２参考例におけるそれと実質的に同じである。
【００３４】
第３の分岐回路３３には、冷媒の流れ方向に順に、前記同様の水冷コンデンサ１２、第１膨張弁１４、排気ガスエバポレータ１３が設けられ、その下流側は、第３の絞り機構としての第３膨張弁３４を通して、室外熱交換器２５に第１の分岐回路２３とは逆側から入り、該室外熱交換器２５からコンプレッサ１０の入口側に戻るようになっている。
【００３５】
本実施例においては、第１の分岐回路２３を選択し冷房モードとして、稼動させる場合は前記第２参考例と同じ作用である。
【００３６】
第３の分岐回路３３を選択し、補助暖房モードとして稼動させる場合には、水冷コンデンサ１２、第１膨張弁１４、排気ガスエバポレータ１３の作用は第２参考例と同じであるが、本実施例ではさらに、第３膨張弁３４にて冷媒が外気温度以下の飽和圧力まで減圧され、室外熱交換器２５に流入される。室外熱交換器２５は、本モードではコンデンサとしてではなくエバポレータとして機能させ、ここでさらに外気から熱エネルギーが汲み上げられる。したがって、第２参考例に比べ、一層補助暖房の効率が向上される。
【００３７】
なお、上記参考例１、２、実施例ではヒートポンプサイクルのコンプレッサに可変容量型コンプレッサを用いたが、この代わりに固定容量型（容量固定型）コンプレッサを用いる場合は、前記クラッチのオン、オフによる運転稼動率により該ヒートポンプの暖房能力を制御する。たとえば、以下のように温度センサ１８による温度を参考に該クラッチのオン、オフを制御する。
ＴＷ＜８０：クラッチＯＮ
ＴＷ＞８５：クラッチＯＦＦ
【００３８】
以上の如く、参考例１、２、実施例を示して本発明に係る補助暖房システムを説明したが、ちなみに、図５に示したような従来の暖房システムに比べ、本発明のエンジン排気ガスの熱エネルギーを回収できるようにした、補助暖房機能を備えた車両用空調装置においては、図４に示したように、温水温度、車室内温度が極めて迅速に立ち上がり、かつ、暖房能力不足も確実に解消される。
【００３９】
【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るときは、冷媒回路を用いて、エンジン排気ガスの熱エネルギーを暖房に有効利用できるヒートポンプサイクルを形成したので、高効率エンジン搭載の場合にあっても、とくに低外気温度、低エンジン回転数条件にあっても、暖房能力不足を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１参考例に係る車両用空調装置の概略構成図である。
【図２】  本発明の第２参考例に係る車両用空調装置の概略構成図である。
【図３】  本発明の実施例に係る車両用空調装置の概略構成図である。
【図４】  本発明による効果を示す特性図である。
【図５】  従来の車両用空調装置の概略構成図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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