JP2013244844A - 車両用ヒートポンプ空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】除湿暖房時に温度リニアリティ特性を確保するとともに、暖房時、車外蒸発器への着霜の進行を遅らせ、吹出温度の変動を抑えつつ暖房運転を安定して継続することができる車両用ヒートポンプ空調システムを提供することを目的とする。
【解決手段】ベースとなる冷房用冷凍サイクル１４に対して、ＨＶＡＣユニット２内に配設される車内凝縮器８が切替え手段１５を介して車外凝縮器１０と並列に接続されるとともに、第２減圧手段１６を介して車外蒸発器１７が第１減圧手段１２および車内蒸発器７と並列に接続されることにより暖房用ヒートポンプサイクル１８が構成され、第１減圧手段１２および第２減圧手段１６が開閉弁機能付きの減圧手段１２，１６とされることによって、除湿暖房時および暖房時、車外蒸発器１７および車内蒸発器７が併用可能な構成とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車（ＥＶ車）等の空調に適用される車両用ヒートポンプ空調システムに関するものである。

ＥＶ車、ＨＥＶ車、ＰＨＥＶ車等に用いられる車両用空調システムにおいては、エンジン冷却水等の燃焼排熱を利用した暖房運転を行うことができない。また、エンジンに代わる走行用モータやバッテリ等からの排熱を利用することは可能であるが、排熱量が少ないため、排熱のみを熱源とした暖房システムは成立しない。一方、電気ヒータを用いた暖房システムが考えられるが、バッテリ容量に対して暖房消費電力が大きいことから、暖房使用により車両の走行距離が著しく低下してしまうという問題がある。

そこで、ＥＶ車等に適用する車両用空調システムとして、電動圧縮機を用いたヒートポンプ方式の空調システムが考えられているが、リバース方式のヒートポンプの場合、冷媒回路を構成する配管類や蒸発器、凝縮器等の熱交換器等を冷房運転および暖房運転の異なる圧力条件下で共用できるようにしなければならず、現行のエンジン駆動方式の車両に適用されている車両用空調システムを全面的に変更しなければならない。

一方、特許文献１に示されるように、冷媒回路にサブコンデンサ（車内凝縮器）を追加したものが提案されている。この場合、ＨＶＡＣユニット（Ｈｅａｔｉｎｇ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｕｎｉｔ）内に設けられる車内蒸発器に現行システムの蒸発器を用いながら、切替え弁およびバイパス回路とサブコンデンサとを追加することによって、ヒートポンプ方式の車両用空調システムを構成することができる。

特開平１１−１７０８４９号公報

上記した特許文献１に示すものでは、ベースとなる冷房用冷凍サイクルに現行システムのものをそのまま利用して暖房用ヒートポンプサイクルを構成することができる。しかしながら、再熱ロスが大きいエアミックス方式に代えて、車内蒸発器と車内凝縮器とを同時に使用し、車内蒸発器で冷却された空気を車内凝縮器で加熱して除湿暖房運転しようとすると、電動圧縮機の回転数を変更して冷媒循環量を調整しても吹出空気温度を変化させることができず、温度リニアリティ特性（設定温度変化に対する吹出温度追従性）が確保できない。また、暖房時、着霜条件下では、車外蒸発器にフロストが発生し、安定して暖房運転を継続することができない等の課題を有していた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、現行システムの冷房用冷凍サイクルをそのまま利用でき、しかも除湿暖房時に温度リニアリティ特性を確保することができるとともに、暖房時、車外蒸発器への着霜の進行を遅らせ、吹出温度の変動を抑えつつ暖房運転を安定して継続することができる車両用ヒートポンプ空調システムを提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明の車両用ヒートポンプ空調システムは、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる車両用ヒートポンプ空調システムは、電動圧縮機、車外凝縮器、レシーバ、第１減圧手段、ＨＶＡＣユニット内に設けられている車内蒸発器がこの順に接続されている冷房用冷凍サイクルと、前記ＨＶＡＣユニット内の前記車内蒸発器の下流側に配設され、冷媒入口側が前記電動圧縮機の吐出回路に切替え手段を介して接続されるとともに、冷媒出口側が前記レシーバに接続されている車内凝縮器と、冷媒入口側が前記レシーバの出口側に第２減圧手段を介して接続され、冷媒出口側が前記電動圧縮機の吸入回路に接続されている車外蒸発器と、を備え、前記電動圧縮機、前記切替え手段、前記車内凝縮器、前記レシーバ、前記第２減圧手段および前記車外蒸発器がこの順に接続されることにより暖房用ヒートポンプサイクルが構成され、前記第１減圧手段および前記第２減圧手段が開閉弁機能付きの減圧手段とされることにより、除湿暖房時および暖房時、前記車外蒸発器および前記車内蒸発器が併用可能とされていることを特徴とする。

本発明によれば、ベースとなる冷房用冷凍サイクルに対して、ＨＶＡＣユニット内に配設される車内凝縮器が切替え手段を介して車外凝縮器と並列に接続されるとともに、第２減圧手段を介して車外蒸発器が第１減圧手段および車内蒸発器と並列に接続されることにより暖房用ヒートポンプサイクルが構成され、第１減圧手段および第２減圧手段が開閉弁機能付きの減圧手段とされることにより、除湿暖房時および暖房時、車外蒸発器および車内蒸発器が併用可能な構成とされているため、現行システムの車内蒸発器を含む冷房用冷凍サイクルをそのまま利用して暖房用のヒートポンプサイクルを構成することができ、この暖房用ヒートポンプサイクルに用い、除湿暖房時に、電動圧縮機、切替え手段、車内凝縮器、レシーバ、第２減圧手段および車外蒸発器の順に冷媒を循環するとともに、第１減圧手段の開閉弁機能を開として一部冷媒を車内蒸発器に流し、第１減圧手段で車内蒸発器への冷媒量を調整することによって、電動圧縮機の回転数を変え冷媒循環流量を調整することで車内凝縮器を通過して車内に吹出される空気の温度を変化させ、温度リニアリティ特性（設定温度変化に対する吹出空気温度の追従性）を確保することができる。また、暖房時に、車外蒸発器への着霜条件下において、第１減圧手段の開閉弁機能を開として一部冷媒を、第１減圧手段を介して車内蒸発器側に循環し、車外蒸発器への冷媒量を調整することにより着霜の進行を遅延させるとともに、吹出空気温度の変動を抑えながら、安定的に暖房運転を継続することができる。従って、ヒートポンプ方式の車両用空調システムにおける暖房性能を改善することができる。

さらに、本発明の車両用ヒートポンプ空調システムは、上記の車両用ヒートポンプ空調システムにおいて、前記第１減圧手段および第２減圧手段が、電磁弁付き温度式自動膨張弁または電子膨張弁とされていることを特徴とする。

本発明によれば、第１減圧手段および第２減圧手段が、電磁弁付き温度式自動膨張弁または電子膨張弁とされているため、第１減圧手段および第２減圧手段に電磁弁付き温度式自動膨張弁を用いた場合、電磁弁の開閉によって冷媒を流通または遮断でき、電磁弁が開とされたとき、温度式自動膨張弁により車外蒸発器または車内蒸発器の出口における冷媒過熱度が一定となるように冷媒流量を自動制御することができる。また、電子膨張弁を用いた場合、電子膨張弁の全閉、全開機能により冷媒を流通または遮断でき、その開度調整機能によって車外蒸発器または車内蒸発器の出口における冷媒過熱度を制御することができる。従って、運転モードに応じ、その開閉弁機能を用いて第１減圧手段および第２減圧手段を切替え使用することができるとともに、除湿暖房および暖房時に、車外蒸発器および車内蒸発器を併用した運転を行うことができる。なお、本発明の電磁弁付き温度式自動膨張弁には、電磁弁と温度式自動膨張弁とを一体化したものの他、独立した個別の電磁弁と温度式自動膨張弁とを直列に接続して構成したものをも包含し、本発明では、これらに上記機能を持つ電子膨張弁を加えたものを、開閉弁機能付きの減圧手段としている。

さらに、本発明の車両用ヒートポンプ空調システムは、上述のいずれかの車両用ヒートポンプ空調システムにおいて、前記レシーバが、該レシーバに接続される前記車外凝縮器および前記車内凝縮器からの冷媒回路の冷媒流入口に、それぞれ逆止弁が組み込まれている逆止弁付きレシーバとされていることを特徴とする。

本発明によれば、レシーバが、該レシーバに接続される車外凝縮器および車内凝縮器からの冷媒回路の冷媒流入口に、それぞれ逆止弁が組み込まれている逆止弁付きレシーバとされているため、運転モードにより使用されない冷房または暖房用の冷媒回路をレシーバの冷媒流入口に組み込まれている逆止弁を介して遮断することができる。従って、使用されない回路への冷媒の溜り込みを防止することができるとともに、レシーバおよび逆止弁を個別に冷媒回路中に設けたものに比べ、フランジ等の接続用部品を低減し、冷媒回路の簡素化、低コスト化を図ることができる。

さらに、本発明の車両用ヒートポンプ空調システムは、上述のいずれかの車両用ヒートポンプ空調システムにおいて、前記車外凝縮器、前記車外蒸発器および車両に搭載のモータ、インバータ、バッテリ等の排熱を放熱するラジエータが、単一のファンの通風路中に設けられ、その通風路中において、前記車外蒸発器が前記車外凝縮器およびラジエータの後流側に配設されていることを特徴とする。

本発明によれば、車外凝縮器、車外蒸発器および車両側に搭載のモータ、インバータ、バッテリ等の排熱を放熱するラジエータが、単一のファンの通風路中に設けられ、その通風路中において、車外蒸発器が、車外凝縮器およびラジエータの後流側に配設されているため、冷房時の使用される車外凝縮器への通風および暖房時に使用される車外蒸発器への通風、並びにラジエータへの通風を単一のファンにより行うことができるとともに、暖房時に使用される車外蒸発器に対して、車外凝縮器およびラジエータを通風した外気を通風することができる。従って、ファンの設置数を低減し、システム構成の簡素化、低コスト化を図ることができる。また、暖房時、車外蒸発器に対して着霜し難くすることができるとともに、ラジエータから放熱される熱を車外蒸発器で吸熱し、暖房に有効利用することにより、暖房能力を向上することができる。

さらに、本発明の車両用ヒートポンプ空調システムは、上記の車両用ヒートポンプ空調システムにおいて、前記車外凝縮器と前記ラジエータとが上下に配設され、その後流側に前記車外蒸発器が配設されていることを特徴とする。

本発明によれば、車外凝縮器とラジエータとが上下に配設され、その後流側に車外蒸発器が配設されているため、車外凝縮器、ラジエータ、車外蒸発器およびファンを通風方向に沿って配設した構成のモジュールに比べ、通風方向寸法を小さくすることができる。従って、当該モジュールの小型化、低コスト化を図ることができるとともに、設計の自由度を高め、車両への搭載性を向上することができる。

さらに、本発明の車両用ヒートポンプ空調システムは、上述のいずれかの車両用ヒートポンプ空調システムにおいて、除湿暖房運転時、前記車内蒸発器からの吹出空気またはフィン温度に応じて、その温度が設定温度以上のとき、前記第１減圧手段を介して前記車内蒸発器に冷媒の一部が分流され、設定値以下のとき、前記第１減圧手段を介して前記車内蒸発器への冷媒の分流が停止される構成とされていることを特徴とする。

本発明によれば、除湿暖房運転時、車内蒸発器からの吹出空気またはフィン温度に応じて、その温度が設定温度以上のとき、第１減圧手段を介して車内蒸発器に冷媒の一部が分流され、設定値以下のとき、第１減圧手段を介して車内蒸発器への冷媒の分流が停止される構成とされているため、車内蒸発器で冷却、除湿した空気をその下流側に配設されている車内凝縮器で加熱して除湿暖房する際、車内蒸発器により冷却した空気をそのまま車内凝縮器で加熱して吹出すだけでは、電動圧縮機の回転数を変更して冷媒循環流量を調整しても、温度リニアリティ特性を確保することはできないが、車内蒸発器からの吹出空気またはフィン温度が設定温度以上のとき、第１減圧手段を介して車内蒸発器に冷媒の一部を分流し、設定値以下のとき、第１減圧手段を介して車内蒸発器への冷媒分流を止めて車内蒸発器での冷却量を減少させることにより、電動圧縮機の回転数を変更することによる冷媒循環流量の調整で吹出空気温度を変化させることが可能となる。従って、除湿暖房時おいても、温度リニアリティ特性を確保することができる。

さらに、本発明の車両用ヒートポンプ空調システムは、上述のいずれかの車両用ヒートポンプ空調システムにおいて、暖房運転時、前記車外蒸発器の出口冷媒温度が設定値以下のとき、前記第１減圧手段を介して前記車内蒸発器に冷媒の一部が分流され、前記車内蒸発器からの吹出空気またはフィン温度が設定値以下のとき、前記第１減圧手段を介して前記車内蒸発器への冷媒の分流が停止される構成とされていることを特徴とする。

本発明によれば、暖房運転時、車外蒸発器の出口冷媒温度が設定値以下のとき、第１減圧手段を介して車内蒸発器に冷媒の一部が分流され、車内蒸発器からの吹出空気またはフィン温度が設定値以下のとき、第１減圧手段を介して車内蒸発器への冷媒の分流が停止される構成とされているため、暖房時、車外蒸発器に対する着霜条件下において、車外蒸発器の出口冷媒温度が設定値以下のとき、第１減圧手段を介して車内蒸発器に冷媒の一部を分流し、車外蒸発器および車内蒸発器を併用して運転することにより、車外蒸発器での着霜の進行を遅延させることができる。また、車内蒸発器からの吹出空気またはフィン温度が設定値以下のとき、第１減圧手段を介して車内蒸発器への冷媒の分流を停止することにより、車内への吹出空気温度の低下を抑え、これを繰り返すことによりその変動幅を一定範囲に抑えて運転することができる。従って、暖房時、車外蒸発器への着霜の進行を遅らせるとともに、吹出空気温度の変動を抑制しながら、安定的に暖房運転を継続することができる。

本発明によると、現行システムの車内蒸発器を含む冷房用冷凍サイクルをそのまま利用して暖房用のヒートポンプサイクルを構成することができ、この暖房用ヒートポンプサイクルに用いて、除湿暖房時、電動圧縮機、切替え手段、車内凝縮器、レシーバ、第２減圧手段および車外蒸発器の順に冷媒を循環するとともに、第１減圧手段の開閉弁機能を開として一部冷媒を、第１減圧手段を介して車内蒸発器に流し、車内蒸発器での冷却量を調整することによって、電動圧縮機の回転数を変えることによる冷媒循環流量の調整で、車内凝縮器を通過して車内に吹出される空気の温度を変化させ、温度リニアリティ特性（設定温度変化に対する吹出空気温度の追従性）を確保することができる。また、暖房時、車外蒸発器への着霜条件下において、第１減圧手段の開閉弁機能を開として一部冷媒を、第１減圧手段を介して車内蒸発器側に循環することにより、車外蒸発器での着霜の進行を遅延させるとともに、吹出空気温度の変動を抑えながら、安定的に暖房運転を継続することができるため、ヒートポンプ方式の車両用空調システムにおける暖房性能を改善することができる。

本発明の一実施形態に係る車両用ヒートポンプ空調システムの概略構成図である。 図１に示す車両用ヒートポンプ空調システムに組み込まれる電磁弁付き温度式自動膨張弁の構成図である。 図１に示す車両用ヒートポンプ空調システムにおいて採用が可能な車外凝縮器、車外蒸発器およびラジエータの配設構造の変形例を示す斜視図である。 図１に示す車両用ヒートポンプ空調システムの除湿暖房運転時の状態説明図である。 図１に示す車両用ヒートポンプ空調システムの暖房運転時の状態説明図である。 図１に示す車両用ヒートポンプ空調システムの暖房運転時の車内蒸発器が併用さている状態の説明図である。

以下に、本発明の一実施形態について、図１ないし図６を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態に係る車両用ヒートポンプ空調システムの概略構成図が示され、図２には、そのシステムに組み込まれる電磁弁付き温度式自動膨張弁の構成図が示され、図３には、そのシステムにおいて採用可能な車外凝縮器、車外蒸発器およびラジエータの配設構造の斜視図が示されている。
本実施形態の車両用ヒートポンプ空調システム１は、ＨＶＡＣユニット（Ｈｅａｔｉｎｇ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２と、冷暖房可能なヒートポンプサイクル３とを備えている。

ＨＶＡＣユニット２は、車内からの内気または外気のいずれかを切替え導入し、下流側に圧送するブロア４と、ブロア４に連なる空気流路５中に上流側から下流側にかけて順次配設されている補助電気ヒータ（例えば、ＰＴＣヒータ）６と、車内蒸発器７と、車内凝縮器８とを備えている。このＨＶＡＣユニット２は、一般に車内前方のインストルメントパネル内に設置されており、補助電気ヒータ６、車内蒸発器７および車内凝縮器８によって温調された空気流を、車内に向けて開口されている複数の吹出し口から選択的に車内へと吹出し、車内を設定温度に空調できるように構成されているものである。なお、補助電気ヒータ６を省略した構成としてもよい。

冷暖房可能なヒートポンプサイクル３は、冷媒を圧縮する電動圧縮機９と、車外凝縮器１０と、レシーバ１１と、開閉弁機能付きの第１減圧手段１２と、上記車内蒸発器７とがこの順に冷媒配管１３を介して接続されている閉サイクルの冷房用の冷凍サイクル（冷房回路）１４を備えている。この冷房用の冷凍サイクル１４は、エンジン駆動方式の車両に適用されている現行の車両用空調システムに用いられている冷凍サイクルと同等のものとすることができる。

ヒートポンプサイクル３には、更に電動圧縮機９からの吐出配管（吐出回路）１３ＡにＨＶＡＣユニット２内に設置されている上記車内凝縮器８が三方切替え弁（切替え手段）１５を介して接続されている。この車内凝縮器８は、冷媒入口に三方切替え弁１５からの冷媒配管１３Ｂが接続され、冷媒出口に接続されている冷媒配管１３Ｃの他端がレシーバ１１に接続されることにより、冷凍サイクル１４中の車外凝縮器１０に対して並列に接続された構成とされている。

また、レシーバ１１の出口配管１３Ｄと電動圧縮機９への吸入配管（吸入回路）１３Ｅとの間に、開閉弁機能付きの第２減圧手段１６を介して、車外蒸発器１７を備えた冷媒配管１３Ｆが接続されている。この第２減圧手段１６および車外蒸発器１７は、第１減圧手段１２および車内蒸発器７に対して並列に接続された構成とされている。これにより、電動圧縮機９と、三方切替え弁１５と、ＨＶＡＣユニット２内に設置されている車内凝縮器８と、レシーバ１１と、開閉弁機能付きの第２減圧手段１６と、車外蒸発器１７とがこの順に冷媒配管１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｆ，１３Ｅを介して接続された閉サイクルの暖房用ヒートポンプサイクル（暖房回路）１８が構成可能とされている。

上記ヒートポンプサイクル３において、暖房用ヒートポンプサイクル１８を構成している車外蒸発器１７は、冷房用冷凍サイクル１４を構成している車内凝縮器８に対して外気を通風する単一のファン１９の通風路中に、車内凝縮器８と互いに平行にその後流側に配置され、ファン１９を共用化している。本システムでは、車内凝縮器８と車外蒸発器１７との間に、車両に搭載のモータ、インバータ、バッテリ等で発生した熱を放熱するラジエータ２０を配設し、車外蒸発器１７を車内凝縮器８およびラジエータ２０の後流側に配置することによって、車両前方から飛来する雨粒、泥水、撥ね水等の水滴が車内凝縮器８およびラジエータ２０によりブロックされ、車外蒸発器１７に直接付着するのを防止し、車外蒸発器１７に着霜し難くするとともに、ラジエータ２０から放熱されるモータ、インバータ、バッテリ等からの排熱を車外蒸発器１７で吸熱して暖房に有効利用することが可能な構成としている。

また、車内凝縮器８、車外蒸発器１７およびラジエータ２０は、ファン１９と共に一体にモジュール化されて設置されるが、このモジュール化に際して、車内凝縮器８、車外蒸発器１７、ラジエータ２０およびファン１９を通風方向に順次配設してモジュール化する以外に、図３に示されるように、車内凝縮器８とラジエータ２０とを上下に配置し、その後流側に車外蒸発器１７を配置した構成としてもよく、これによって、通風方向寸法を小さくし、当該モジュールの小型化、低コスト化を図り、設計の自由度を高め、車両への搭載性を向上することができる。

さらに、開閉弁機能付きの第１減圧手段１２および第２減圧手段１６としては、図２に示すような電磁弁付き温度式自動膨張弁３０を用いることができる。
この電磁弁付き温度式自動膨張弁３０は、車内蒸発器７および車外蒸発器１７の冷媒入口側に設けられるものであり、蒸発器に対する入口側冷媒流路３４および出口側冷媒流路３５を備えた弁本体３３と、弁本体３３に設けられている入口側冷媒流路３４を開閉する電磁弁３１と、入口側冷媒流路３４に設けられている弁座部３６に着座され、その開度を調整するボール弁３７を備えた温度式自動膨張弁３２とが一体化されたものである。

電磁弁３１は、電磁コイル３１Ａと、可動鉄心３１Ｂと、可動鉄心３１Ｂの先端に設けられ、入口側流路３４を開閉する弁体３１Ｃとを備え、電磁コイル３１Ａへの通電により可動鉄心３１Ｂが軸方向に進退し、弁体３１Ｃが入口側流路３４を開閉するように構成されている。温度式自動膨張弁３２は、車内蒸発器７および車外蒸発器１７で蒸発した冷媒が流通する出口側冷媒流路３５内の冷媒の温度と圧力とを感温筒およびダイヤフラム３８を介して感知し、その差圧でシャフト３９を進退させ、バネ４０により付勢されているボール弁３７を押すことにより開度調整されるように構成されている。なお、電磁弁３１と温度式自動膨張弁３２は、コスト低減のため、独立した個別の標準的な電磁弁、温度式自動膨張弁を直列に接続して構成したものとしてもよい。

上記の電磁弁付き温度式自動膨張弁３０を用い、車内蒸発器７および車外蒸発器１７の一方または双方を使用した運転時、電磁弁３１を開とし、入口側流路３４を介して温度式自動膨張弁３２で断熱膨張された冷媒を車内蒸発器７および車外蒸発器１７に供給することにより、各蒸発器出口の冷媒過熱度が一定となるように温度式自動膨張弁３２で冷媒流量を自動制御することができる。これによって、冷媒圧力検出手段および冷媒温度検出手段を必要とする電子膨張弁を使用したシステムに比べ、構成を簡素化し、低コスト化することができる。ただし、本発明では、開閉弁機能付きの第１減圧手段１２および第２減圧手段１６として、電磁弁付温度式自動膨張弁３０に代え、電子膨張弁を用いてもよい。

また、上記レシーバ１１は、車内凝縮器８からの冷媒配管１３Ｃおよび車外凝縮器１０からの冷媒配管１３が接続される２つの冷媒流入口に逆止弁２１，２２が一体的に組み込まれた逆止弁付きレシーバ１１とされている。

上記ヒートポンプサイクル３において、冷房時、電動圧縮機９で圧縮され、吐出された冷媒は、実線矢印で示すように、三方切替え弁１５、車外凝縮器１０、レシーバ１１、第１減圧手段１２および車内蒸発器７をこの順に流通し、再び電動圧縮機９に戻る冷房用冷凍サイクル（冷房回路）１４内を循環する。一方、暖房時、電動圧縮機９から吐出された冷媒は、破線矢印で示すように、三方切替え弁１５、車内凝縮器８、レシーバ１１、第２減圧手段１６および車外蒸発器１７をこの順に流通し、再び電動圧縮機９に戻る暖房用ヒートポンプサイクル（暖房回路）１８内を循環する。

ここで、外気温が低い着霜条件下で暖房運転を続けることにより車外蒸発器１７に着霜が発生し、その霜が成長して車外蒸発器１７が全面的に凍結すると、外気との熱交換が阻害されるため、暖房不能に陥る。しかし、仮に車外蒸発器１７に着霜したとしても、その成長を遅延させることにより、安定的に暖房運転を継続することができる。このため、本実施形態では、着霜の進行を遅延させるべく、以下の構成を採用している。

図５には、暖房運転時の運転回路が実線矢印で示されている。車外蒸発器１７の冷媒出口配管には、冷媒温度を検出する温度センサ２３が設置されており、暖房運転時、この温度センサ２３により検出された冷媒温度Ｔ１が設定値ＴＳ１以下のとき、図６に示されるように、第１減圧手段１２の開閉弁機能（電磁弁付温度式自動膨張弁３０の電磁弁３１）を開として循環冷媒の一部を、第１減圧手段１２を介して車内蒸発器７側に流し、車外蒸発器１７と車内蒸発器７とを併用して運転することにより、車外蒸発器１７での吸熱能力を下げ、車外蒸発器１７への着霜の進行を抑制できるようにしている。

この際、車内蒸発器７の作動によって車内凝縮器８で加熱されて車内に吹出される空気の温度が低下するが、車内蒸発器７からの吹出空気またはフィン温度を検出する温度センサ２４の検出温度Ｔ２が設定値ＴＳ２以下に低下したとき、第１減圧手段１２の開閉弁機能（電磁弁付温度式自動膨張弁３０の電磁弁３１）を閉とし、その繰り返しによって温度変動幅を一定の範囲内を抑えながら、安定的に暖房運転を継続できるようにしている。

さらに、本実施形態では、車内凝縮器８と車内蒸発器７とを同時使用して除湿暖房運転を行うことができる。つまり、図４に示されるように、冷媒回路を暖房用ヒートポンプサイクル（暖房回路）１８とし、電動圧縮機９から吐出された冷媒を実線矢印の如く、三方切替え弁１５、車内凝縮器８、レシーバ１１、第２減圧手段１６、車外蒸発器１７を順次流通して電動圧縮機９に戻るヒートポンプサイクル（暖房回路）１８に循環させ、同時に第１減圧手段１２の開閉弁機能を開として冷媒の一部を、第１減圧手段１２を経て車内蒸発器７に循環させるようにしている。

これによって、車内蒸発器７で冷却、除湿された空気を車内凝縮器８により加熱して車内に吹出すことができ、除湿暖房することができる。この場合、車内凝縮器８および車内蒸発器７が同時に機能されるため、単に電動圧縮機９の回転数を変化させて冷媒の循環流量を増減しても、車内凝縮器８を通過して車内に吹出される空気の温度を設定温度の変化に追従させて変化させる、いわゆる温度リニアリティ特性を確保することができない。それは、電動圧縮機９の回転数を増減すると、車内蒸発器７を通過する空気温度が低くなる場合、車内凝縮器８を通過する空気温度が高くなり、吹出空気温度はそれらが混合した中間の温度にしかならないためである。

そこで、除湿暖房時、温度リニアリティ特性を確保するため、図４に示されるように、車外蒸発器１７および車内蒸発器７に冷媒を流し、両蒸発器７，１７を併用して運転すると同時に、車内蒸発器７から吹出される空気またはフィン温度を検出する温度センサ２４の検出温度Ｔ２が設定温度ｔ１以下のとき、第１減圧手段１２の開閉弁機能を閉、設定温度ｔ２以上のとき、第１減圧手段１２の開閉弁機能を開とし、車内蒸発器７での冷却量を調整することによって、電動圧縮機９の回転数を変更することによる冷媒循環流量の調整で吹出空気温度を変化させ、温度リニアリティ特性を確保できるようにしている。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
冷房時、電動圧縮機９で圧縮された冷媒は、吐出配管１３Ａにより三方切替え弁１７を介して車外凝縮器１０に導かれ、ファン１９で通風される外気と熱交換されて凝縮液化される。この液冷媒は、逆止弁２１を介してレシーバ１１内に導入され、いったん貯留された後、冷媒配管１３Ｄにより第１減圧手段１２に導かれ、断熱膨張されて気液二相状態となり、車内蒸発器７に供給される。

車内蒸発器７でブロア４から送風されてくる内気または外気と熱交換されて蒸発した冷媒は、吸入配管１３Ｅを経て電動圧縮機９に吸入され、再圧縮される。以下、同様のサイクルを繰り返すことになる。この冷房サイクルは、エンジン駆動方式の車両に用いられている現行システムの冷房サイクルと何ら変わるものではなく、そのまま共用化することができる。車内蒸発器７を通過する過程で冷媒と熱交換することにより冷却された内気または外気は、車内に吹出されることによって、車内の冷房に供される。

一方、暖房時、電動圧縮機９で圧縮された冷媒は、図５に示されるように、吐出配管１３Ａにより三方切替え弁１７、冷媒配管１３Ｂを介して車内凝縮器８に導入され、ブロア４から送風されてくる内気または外気と熱交換される。この熱交換によって加熱された空気は、車内に吹出され、車内の暖房に供される。車内凝縮器８で放熱して凝縮液化された冷媒は、冷媒配管１３Ｃ、逆止弁２２を介してレシーバ１１に導かれ、いったん貯留された後、冷媒配管１３Ｄ，１３Ｆにより第２減圧手段１６に導かれ、ここで断熱膨張して気液二相状態となり車外蒸発器１７に供給される。

この冷媒は、車外蒸発器１７でファン１９により通風される外気と熱交換され、外気から吸熱して蒸発ガス化された後、吸入配管１３Ｅを経て電動圧縮機９に吸入され、再圧縮される。以下、同様のサイクルを繰り返し、このヒートポンプサイクル（暖房回路）１８を介して、外気を熱源にヒートポンプ暖房を行うことができる。暖房運転時、外気条件により車外蒸発器１７がフロストする。本実施形態では、車外蒸発器１７に着霜し、車外蒸発器１７の冷媒出口配管に設けられている温度センサ２３の検出温度Ｔ１が設定値ＴＳ１以下になると、第１減圧手段１２の開閉弁機能が開とされ、図６に示されるように、第１減圧手段１２を経て冷媒の一部が車内蒸発器７に導かれる。

これによって、車外蒸発器１７と車内蒸発器７とを併用した車内蒸発器アシスト運転が実行され、車外蒸発器１７での吸熱能力が低減されるため、車外蒸発器１７への着霜の進行が抑制されることになる。また、この間、車内蒸発器７の吸熱作用により、車内蒸発器７を通過した空気が冷却され、車内凝縮器８で加熱されて車内に吹出される空気の温度が低下するが、温度センサ２４によって検出される車内蒸発器７からの吹出空気またはフィン温度Ｔ２が設定温度ＴＳ２以下に低下すると、第１減圧手段１２の開閉弁機能が閉（電磁弁付温度式自動膨張弁３０の電磁弁３１が閉）とされ、車内蒸発器７に対する冷媒流通が停止される。この繰り返しにより、車内に吹出される空気温度の変動幅を一定範囲に抑制し、乗員に不快感を与えないようにすることができる。

斯くして、本実施形態によると、暖房時、車外蒸発器１７に対する着霜条件下、車外蒸発器１７の出口冷媒温度が設定値以下のとき、第１減圧手段１２を介して車内蒸発器７に冷媒の一部を分流し、車外蒸発器１７および車内蒸発器７を併用して暖房運転することにより、車外蒸発器１７への着霜の進行を遅らせることができる。また、車内蒸発器７からの吹出空気またはフィン温度が設定値以下のとき、第１減圧手段１２を介して車内蒸発器７への冷媒の分流を停止することにより、車内への吹出空気温度の低下を抑え、その変動幅を一定範囲に抑えて運転することができる。従って、暖房時、車外蒸発器１７への着霜の進行を遅らせるとともに、吹出空気温度の変動を抑制しながら、安定的に暖房運転を継続することができる。

また、除湿暖房運転時、つまり、車内凝縮器８と車内蒸発器７とを同時使用し、車内蒸発器７を通過させて冷却、除湿した空気を、車内凝縮器８で加熱して車内に吹出すことにより除湿暖房する際、図４に示されるように、第２減圧手段１６および第１減圧手段１２の開閉弁機能を共に開として車外蒸発器１７および車内蒸発器７の双方に冷媒を流し、両蒸発器７，１７を併用して運転するようにしている。この間、車内蒸発器７から吹出される空気の温度またはフィン温度を検出する温度センサ２４の検出温度Ｔ２が設定温度ｔ１以下のとき、第１減圧手段１２の開閉弁機能を閉、設定温度ｔ２以上のとき、第１減圧手段１２の開閉弁機能を開とすることによって、車内蒸発器７での冷却量を調整するようにしている。

このため、除湿暖房時、電動圧縮機９の回転数を変更することによる冷媒循環流量の調整により吹出空気温度を変化させ、温度リニアリティ特性を確保することが可能となる。
斯くして、本実施形態によると、車内凝縮器８および車内蒸発器７を同時使用して除湿暖房運転する際においても、温度リニアリティ特性を確保することができ、ヒートポンプ方式の車両用空調システムにおける暖房性能を改善することができる。

また、車外蒸発器１７は、車外凝縮器１０およびラジエータ２０に外気を通風するファン１９の通風路中に、車外凝縮器１０およびラジエータ２０と互いに平行にかつそれらの後流側に配設されており、暖房および除湿暖房時、ファン１９を介して通風される外気からの吸熱によりヒートポンプ暖房が行われるように構成されている。このため、ファン１９を共用化して部品数を抑制することができ、車両用ヒートポンプ空調システム１の構成の簡素化、コンパクト化並びに低コスト化を図ることができる。また、車外蒸発器１７を車外凝縮器１０およびラジエータ２０の後流側に配設しているため、暖房および除湿暖房運転時、車外蒸発器１７に対して着霜し難くすることができるとともに、ラジエータ２０から放熱された排熱を有効に利用して暖房能力を向上することができる。

この際、車外凝縮器１０およびラジエータ２０を、図３に示されるように、上下に配設し、その後流側に車外蒸発器１７を配設した構成とすることにより、車内凝縮器８、車外蒸発器１７、ラジエータ２０およびファン１９を一体にしてモジュール化する際、車内凝縮器８、車外蒸発器１７、ラジエータ２０およびファン１９を通風方向に順次配設してモジュール化したものに比べ、通風方向寸法を小さくし、当該モジュールの小型化、低コスト化を図り、設計の自由度を高め、車両への搭載性を向上することができる。

また、レシーバ１１が、２つの冷媒流入口に逆止弁２１，２２が一体に組み込まれた逆止弁付きレシーバとされているため、運転モードにより使用しない冷房用冷凍サイクル１４または暖房用ヒートポンプサイクル１８を、レシーバ１１の２つの冷媒流入口に組み込まれている逆止弁２１，２２によって遮断することができる。従って、レシーバ１１および逆止弁２１，２２を個別に冷媒回路中に設けたシステムに比べ、フランジ等の接続部品が不要となり、冷媒回路の簡素化、低コスト化を図ることができる。

さらに、本実施形態では、開閉弁機能付きの第１および第２減圧手段１２，１６をそれぞれ電磁弁付き温度式自動膨張弁３０とした構成としている。このため、冷房時は車内蒸発器７、暖房時は車外蒸発器１７で蒸発ガス化される冷媒の蒸発器出口での過熱度が一定となるように自動制御することができ、従って、冷媒圧力検出手段および冷媒温度検出手段を必要とする電子膨張弁を使用したものに比べ、制御系を簡素化し、低コスト化することができるとともに、信頼性を向上することができる。また、電磁弁３１と温度式自動膨張弁３２を一体化した電磁弁付き温度式自動膨張弁３０を用いることにより、接続部品の削減、組み立て工数の低減によるコスト低減を期待することができる。

加えて、運転モードに応じて使われない冷媒回路を第１および第２減圧手段１２，１６の開閉弁機能を閉じることによって閉鎖することができるため、休止される回路を確実に全閉状態として冷媒の溜まり込み等を防止することができる。更に、開閉弁機能付きの第１および第２減圧手段１２，１６は、上記した一体型の電磁弁付き温度式自動膨張弁３０に代え、独立した個別の標準的な電磁弁および温度式自動膨張弁を直列に接続して構成したものに代替してもよく、この場合、それぞれ標準品を使用できることから、コスト低減に繋がる場合がある。

また、本発明においては、上記にもかかわらず、開閉弁機能付きの第１および第２減圧手段１２，１６として、電磁弁付き温度式自動膨張弁３０に代え、第１および第２減圧手段１２，１６を全閉、全開機能を有する電子膨張弁により代替してもよい。

さらに、本実施形態では、ＨＶＡＣユニット２内に、ＰＴＣヒータ等により構成される補助電気ヒータ６を設置している。これにより、低外気温時や暖房立ち上がり時あるいは窓曇り時等々の暖房能力が不足気味となる状況下において、ヒートポンプ暖房運転と同時に一時的に補助電気ヒータ６を動作させることによって吹出空気温度を上昇させ、暖房能力の不足を補うことができる。このため、必要最大暖房能力を増大することができるとともに、電気ヒータを主熱源として暖房運転するものに比べ、補助電気ヒータ６の利用率を低下して高効率運転ができ、暖房消費電力の増大による車両走行距離の低下等を抑制することができる。但し、この補助電気ヒータ６は省略してもよい。

なお、本発明は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では、冷媒切替え手段として三方切替え弁１５を用いているが、２個の電磁弁や四方切替え弁によって代替してもよい。

１ 車両用ヒートポンプ空調システム
２ ＨＶＡＣユニット
３ ヒートポンプサイクル
７ 車内蒸発器
８ 車内凝縮器
９ 電動圧縮機
１０ 車外凝縮器
１１ レシーバ（逆止弁付きレシーバ）
１２ 開閉弁機能付き第１減圧手段
１３Ａ 吐出配管（吐出回路）
１３Ｅ 吸入配管（吸入回路）
１４ 冷房用冷凍サイクル（冷房回路）
１５ 三方切替え弁（切替え手段）
１６ 開閉弁機能付き第２減圧手段
１７ 車外蒸発器
１８ 暖房用ヒートポンプサイクル（暖房回路）
１９ ファン
２０ ラジエータ
２１，２２ 逆止弁
２３ 冷媒温度を検出する温度センサ
２４ 吹出空気またはフィン温度を検出する温度センサ
３０ 電磁弁付き温度式自動膨張弁

Claims (7)

1. 電動圧縮機、車外凝縮器、レシーバ、第１減圧手段、ＨＶＡＣユニット内に設けられている車内蒸発器がこの順に接続されている冷房用冷凍サイクルと、
   前記ＨＶＡＣユニット内の前記車内蒸発器の下流側に配設され、冷媒入口側が前記電動圧縮機の吐出回路に切替え手段を介して接続されるとともに、冷媒出口側が前記レシーバに接続されている車内凝縮器と、
   冷媒入口側が前記レシーバの出口側に第２減圧手段を介して接続され、冷媒出口側が前記電動圧縮機の吸入回路に接続されている車外蒸発器と、を備え、
   前記電動圧縮機、前記切替え手段、前記車内凝縮器、前記レシーバ、前記第２減圧手段および前記車外蒸発器がこの順に接続されることにより暖房用ヒートポンプサイクルが構成され、
   前記第１減圧手段および前記第２減圧手段が開閉弁機能付きの減圧手段とされることにより、除湿暖房時および暖房時、前記車外蒸発器および前記車内蒸発器が併用可能とされていることを特徴とする車両用ヒートポンプ空調システム。
2. 前記第１減圧手段および第２減圧手段が、電磁弁付き温度式自動膨張弁または電子膨張弁とされていることを特徴とする請求項１に記載の車両用ヒートポンプ空調システム。
3. 前記レシーバが、該レシーバに接続される前記車外凝縮器および前記車内凝縮器からの冷媒回路の冷媒流入口に、それぞれ逆止弁が組み込まれている逆止弁付きレシーバとされていることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用ヒートポンプ空調システム。
4. 前記車外凝縮器、前記車外蒸発器および車両側に搭載のモータ、インバータ、バッテリ等の排熱を放熱するラジエータが、単一のファンの通風路中に設けられ、その通風路中において、前記車外蒸発器が、前記車外凝縮器および前記ラジエータの後流側に配設されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の車両用ヒートポンプ空調システム。
5. 前記車外凝縮器と前記ラジエータとが上下に配設され、その後流側に前記車外蒸発器が配設されていることを特徴とする請求項４に記載の車両用ヒートポンプ空調システム。
6. 除湿暖房運転時、前記車内蒸発器からの吹出空気またはフィン温度に応じて、その温度が設定温度以上のとき、前記第１減圧手段を介して前記車内蒸発器に冷媒の一部が分流され、設定値以下のとき、前記第１減圧手段を介して前記車内蒸発器への冷媒の分流が停止される構成とされていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の車両用ヒートポンプ空調システム。
7. 暖房運転時、前記車外蒸発器の出口冷媒温度が設定値以下のとき、前記第１減圧手段を介して前記車内蒸発器に冷媒の一部が分流され、前記車内蒸発器からの吹出空気またはフィン温度が設定値以下のとき、前記第１減圧手段を介して前記車内蒸発器への冷媒の分流が停止される構成とされていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の車両用ヒートポンプ空調システム。
   

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