JP2019034690A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷暖房機能を備える空気調和装置において、冷暖能力を向上させることのできる空気調和装置を提供することを目的とする。【解決手段】空気調和装置１は、第１熱交換器３８を有する冷房用冷媒回路１２と、第１熱交換器３８を冷房用冷媒回路１２と共有する暖房用冷媒回路１３と、冷媒の流路を切り替えるための複数の流路切替部と、流路切替部を制御する制御部１５とを備えている。暖房用冷媒回路１３は、圧縮機３０と、第２熱交換部３１と、レシーバ３４と、レシーバ３４からの冷媒が供給される冷却部３５と、冷却部３５からの冷媒を減圧するための第１膨張弁３６と、第１膨張弁３６からの冷媒が供給される第１熱交換器３８とを有し、制御部１５は、流路切替部を制御することで、冷房時には第１熱交換器３８からの冷媒を冷却部３５を経由せずにレシーバ３４に供給し、暖房時にはレシーバ３４からの冷媒を冷却部３５を経由して第１熱交換器３８に供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和装置に関するものである。

ＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、ＨＥＶ（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、ＰＨＥＶ（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等の車両用空気調和システムでは、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。このため、電動圧縮機を用いたヒートポンプ方式の空調調和システムが考えられている。

例えば、特許文献１には、図１２に示すヒートポンプ式空気調和システムが提案されている。具体的には、室外熱交換器１００を暖房時と冷房時とで共有し、冷媒回路に設けた切替弁を制御して、冷房時には、室外熱交換器１００を凝縮器として使用し、暖房時には、室外熱交換器１００を蒸発器として使用することが記載されている。

特開２０１５−６２０号公報

特許文献１に開示されているように、室外熱交換器１００が蒸発器と凝縮器の両方の機能を有するように冷媒回路を構成した場合には、シンプルな回路構成で冷暖房の両機能を実現することができる。しかしながら、冷房時と暖房時で室外熱交換器１００が十分な熱交換能力を発揮するのに必要とする適正冷媒量範囲が異なるため、十分な能力を発揮できないという問題が発生する。

具体的には、図１３及び１４に示すように、室外熱交換器１００を凝縮器として用いた場合における室外熱交換器１００の適正冷媒量範囲は、室外熱交換器１００を蒸発器として用いた場合における室外熱交換器１００の適正冷媒量範囲よりも少ない上、両範囲は通常重複しない。このため、従来は、暖房基準でシステムに封入される冷媒量を決定していた。その結果、冷房時には冷媒量不足となり、十分な熱交換能力を発揮することができなかった。

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、冷暖房機能を備える空気調和装置において、冷暖能力を向上させることのできる空気調和装置を提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、第１熱交換器及びレシーバを有する冷房用冷媒回路と、前記第１熱交換器及び前記レシーバを前記冷房用冷媒回路と共有する暖房用冷媒回路と、冷媒の流路を切り替えるために前記冷房用冷媒回路及び前記暖房用冷媒回路に設けられた複数の流路切替手段と、前記流路切替手段を制御する制御手段と、を備え、前記暖房用冷媒回路は、前記第１熱交換器から供給された冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された冷媒が供給される第２熱交換手段と、前記第２熱交換手段で凝縮された冷媒が供給される前記レシーバと、前記レシーバからの冷媒が供給され、冷媒を冷却する冷却手段と、前記冷却手段からの冷媒を減圧するための第１膨張弁と、前記第１膨張弁からの冷媒が供給される前記第１熱交換器と、を有し、前記制御手段は、前記流路切替手段を制御することによって、冷房時には前記第１熱交換器からの冷媒を前記冷却手段を経由せずに前記レシーバに供給させ、暖房時には前記レシーバからの冷媒を前記冷却手段を経由して前記第１熱交換器に供給させる空気調和装置である。

このような構成によれば、冷房用冷媒回路と暖房用冷媒回路で第１熱交換器を共有して使用し、暖房時のみ、冷却手段により冷却した冷媒を第１熱交換器へ供給しているため、暖房時に第１熱交換器を蒸発器として用いたときの最適冷媒量を増加させることができる。つまり、蒸発器として動作する第１熱交換器に供給する冷媒を余剰に冷却することによって、暖房時に第１熱交換器を蒸発器として用いたときの最適冷媒量の範囲を増加させることができる。このため、第１熱交換器を凝縮器として使用した場合の第１熱交換器の適正冷媒量範囲と、第１熱交換器を蒸発器として使用した場合の第１熱交換器の適正冷媒量範囲とが重複した冷媒量範囲を得ることができ、この重複した冷媒量範囲内において、空気調和装置に充填する冷媒量を設計することで、第１熱交換器を凝縮器と蒸発器のどちらとして使用した場合であっても、熱交換能力を十分に発揮させることができる。また、冷却手段により余剰に冷却した冷媒を、蒸発器として機能する第１熱交換器へ供給することによって、渇き度を小さくして、冷媒の流速を低下させることができる。このため、第１熱交換器を流通する液相冷媒の量を多く保つことができ、この結果、第１熱交換器の入口と出口における圧力損失と温度勾配が小さくなる。よって、第１熱交換器における部分着霜を抑制することができる。

上記空気調和装置において、前記暖房用冷媒回路は、前記レシーバからの冷媒を前記冷却手段を経由して前記第１膨張弁に供給する第１配管と、前記第１配管に設けられた前記流路切替手段としての第１開閉弁と、を備え、前記冷房用冷媒回路は、前記レシーバからの冷媒が第２配管を通じて供給される第２膨張弁と、前記第２配管に設けられた前記流路切替手段としての第２開閉弁とを備え、前記制御手段は、冷房時において前記第１開閉弁を閉じ、暖房時において前記第２開閉弁を閉じることとしてもよい。

このような構成によれば、第１配管及び第２配管のそれぞれの配管に第１開閉弁及び第２開閉弁を設けることとしたため、流路切替の際に第１膨張弁及び第２膨張弁の冷媒流れの上流側で冷媒を遮断することが可能となる。

上記空気調和装置において、前記暖房用冷媒回路は、前記レシーバからの冷媒を前記冷却手段を経由して前記第１膨張弁に供給する第１配管と、前記第１配管に設けられた前記流路切替手段としての開閉弁とを備え、前記冷房用冷媒回路は、前記レシーバからの冷媒が第２配管を通じて供給される第２膨張弁を備え、前記第２膨張弁は、前記流路切替手段としての流路開閉機能を有し、前記制御手段は、冷房時において前記開閉弁を閉じ、暖房時において前記第２膨張弁を閉じることとしてもよい。

このような構成によれば、第１配管に開閉弁を設けることとしたため、流路切替の際に第１膨張弁の冷媒流れの上流側で冷媒を遮断することが可能となる。また、第２膨張弁が流路切替機能を備える構成としたため、流路切替手段を第２配管に配置する場合と比較して、部品点数の削減及びメンテナンス負荷の軽減を図ることが可能となる。

上記空気調和装置において、前記暖房用冷媒回路は、前記レシーバからの冷媒を前記冷却手段を経由して前記第１膨張弁に供給する第１配管を備え、前記冷房用冷媒回路は、前記レシーバからの冷媒が第２配管を通じて供給される第２膨張弁と、前記第２配管に設けられた前記流路切替手段としての開閉弁とを備え、前記第１膨張弁は、前記流路切替手段としての流路開閉機能を有し、前記制御手段は、冷房時において前記第１膨張弁を閉じ、暖房時において前記開閉弁を閉じることとしてもよい。

このような構成によれば、第２配管に開閉弁を設けることとしたため、流路切替の際に第２膨張弁の冷媒流れの上流側で冷媒を遮断することが可能となる。また、第１膨張弁が流路切替機能を備える構成としたため、流路切替手段を第１配管に配置する場合と比較して、部品点数の削減及びメンテナンス負荷の軽減を図ることが可能となる。

上記空気調和装置において、前記冷房用冷媒回路は、前記レシーバからの冷媒が供給される第２膨張弁を備え、前記第１膨張弁及び前記第２膨張弁のそれぞれは、前記流路切替手段としての流路開閉機能を有し、前記制御手段は、冷房時において前記第１膨張弁を閉じ、暖房時において前記第２膨張弁を閉じることとしてもよい。

このような構成によれば、第１膨張弁及び第２膨張弁が流路切替機能を有する構成としため、冷媒の流路を切り替えるために新たな流路切替手段を設ける必要がない。このため、部品点数の削減及びメンテナンス負荷の軽減を図ることが可能となる。

上記空気調和装置において、前記第１熱交換器を凝縮器として使用した場合の前記第１熱交換器の適正冷媒量範囲と、前記第１熱交換器を蒸発器として使用した場合の前記第１熱交換器の適正冷媒量範囲とが重複した冷媒量範囲内の冷媒量が充填されたこととしてもよい。

このような構成によれば、第１熱交換器を凝縮器として使用する場合、及び第１熱交換器を蒸発器として使用する場合のどちらにおいても、第１熱交換器には適正冷媒量が流通することとなり、第１熱交換器に十分な熱交換能力を発揮させることができる。

上記空気調和装置において、前記冷却手段は、前記第１熱交換器の空気流れの上流側に配置されることとしてもよい。

このような構成によれば、第１熱交換器に流入する空気の一部が冷却手段によって加熱されることとなり、第１熱交換器の流入空気の平均温度が高くなるため、第１熱交換器を蒸発器として用いたときに、冷媒を蒸発させる能力を向上させることができる。また、第１熱交換器の蒸発能力を向上させる代わりに、能力を維持しつつ冷媒量の削減を図ることができ、第１熱交換器を小型化することが可能となる。特に、空気調和装置が車に搭載されるなど、空気調和装置の配置場所や体積に制約がある場合であっても対応することができる。

上記空気調和装置において、前記冷却手段は、前記第１熱交換器の空気流れの上流側であり、前記第１熱交換器において流通する冷媒の飽和温度が最も低下する位置に配置されることとしてもよい。

このような構成によれば、第１熱交換器において、流通する冷媒の飽和温度が最も低下する位置が最も着霜しやすいため、冷却手段で加熱した空気を該位置に供給することで、着霜の発生を抑制することができる。

上記空気調和装置において、前記冷却手段は、前記第１熱交換器の空気流れの上流側であり、前記第１熱交換器において流通する液相冷媒が最も多い位置に配置されることとしてもよい。

このような構成によれば、第１熱交換器において、流通する液相冷媒が最も多い位置が最も着霜しやすいため、冷却手段で加熱した空気を該位置に供給することで、着霜の発生を抑制することができる。

本発明によれば、冷房時及び暖房時の両方において第１熱交換器に十分な熱交換能力を発揮させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路を示した図である。 本発明の一実施形態に係る空気調和装置の冷却部における空気流れの概略図である。 本発明の一実施形態に係る空気調和装置の第１熱交換器における着霜しやすい位置の概略図である。 本発明の一実施形態に係る空気調和装置の流路切替部の配置例を示した図である。 本発明の一実施形態に係る空気調和装置の流路切替部の配置例を示した図である。 本発明の一実施形態に係る空気調和装置の流路切替部の配置例を示した図である。 本発明の一実施形態に係る空気調和装置における暖房時の冷媒の流れを示した図である。 本発明の一実施形態に係る空気調和装置における冷房時の冷媒の流れを示した図である。 本発明の一実施形態に係る空気調和装置における第１熱交換器の冷房時及び暖房時における冷媒量を示した図である。 本発明の一実施形態に係る空気調和装置における冷房時及び暖房時における適正冷媒量範囲を示した図である。 本発明の一実施形態に係る空気調和装置の冷却部を用いた場合の冷媒の状態をモリエル線図を用いて説明した図である。 特許文献１に記載の発明に係るヒートポンプ式空調調和システムの冷媒回路を示した図である。 特許文献１に記載の発明に係る第１熱交換器の冷房時及び暖房時における冷媒量を示した図である。 特許文献１に記載の発明に係る第１熱交換器の冷房時及び暖房時における適正冷媒量範囲を示した図である。

以下に、本発明の一実施形態について図１を用いて説明する。図１には、本発明の一実施形態に係る空気調和装置１の冷媒回路が示されている。なお、図１において、実線が暖房における冷媒の流れを示し、点線が冷房における冷媒の流れを示している。また、本実施形態に係る空気調和装置１は、EVに搭載された場合について説明するが、EVに搭載される場合に限られず、ガソリン自動車や家庭用エアコン、業務用エアコン等様々な空気調和装置１に適用可能である。

本実施形態に係る空気調和装置１は、ＨＶＡＣユニット（Ｈｅａｔｉｎｇ
Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１１と、第１熱交換器３８（室外熱交換器）及びレシーバ３４を有する冷房用冷媒回路１２と、第１熱交換器３８及びレシーバ３４を冷房用冷媒回路１２と共有する暖房用冷媒回路１３と、冷媒の流路を切り替えるために冷房用冷媒回路１２及び暖房用冷媒回路１３に設けられた複数の流路切替部と、流路切替部を制御する制御部１５を備えている。

ＨＶＡＣユニット１１は、空気を圧送するブロワ２１と、車室内に吹出される空調風の温度を調節するエアミックスダンパ２２とを備えている。また、ＨＶＡＣユニット１１内には、冷房用冷媒回路１２が備える第２熱交換部３１の水／空気熱交換器２３と、暖房用冷媒回路１３が備える第３熱交換器２４が配置されている。ＨＶＡＣユニット１１は、例えば車室側のインストルメントパネル内に設けられ、空調風を車室内に向けて開口されている複数の吹き出し口から選択的に車室内へ吹出す構成となっている。ＨＶＡＣユニット１１において、暖房時には、車内に供給する空調風を水／空気熱交換器２３によって加熱し、冷房時には、車内に供給する空調風を第３熱交換器２４によって冷却する。

ブロワ２１は、車外空気または車内空気のいずれかをＨＶＡＣユニット１１内に取り込み、ブロワ２１の下流側に圧送する。

第３熱交換器２４は、ブロワ２１の空気流れの下流側に設けられ、冷房時に蒸発器として動作することで、供給された空気に対して吸熱を行い、空気の温度を低下させる。暖房時には、第３熱交換器２４には冷媒が供給されないため、吸熱作用は行わず、供給された空気をそのまま下流に流す。

エアミックスダンパ２２は、第３熱交換器２４の空気流れの下流側に設けられ、開度が制御されることによって、水／空気熱交換器２３を流通する空気量と水／空気熱交換器２３をバイパスする空気量との割合を調整し、車室内に吹出される空調風の温度を調節する。

水／空気熱交換器２３は、エアミックスダンパ２２の空気流れの下流側に設けられ、暖房時には、供給された空気に対して放熱を行うことで空気を加熱する。冷房時では、水／空気熱交換器２３には冷媒が供給されない、又は、冷媒が供給されたとしてもエアミックスダンパ２２によって空気が水／空気熱交換器２３へ供給されないため、放熱作用は行わない。このため、ＨＶＡＣユニット１１を通過して車内に供給される空気は、ＨＶＡＣユニット１１内において、冷房時には、第３熱交換器２４によって冷却され、暖房時には、水／空気熱交換器２３によって加熱される。

暖房用冷媒回路１３は、冷媒を圧縮する圧縮機３０と、第２熱交換部３１と、三方電磁弁３３と、レシーバ３４と、冷媒を冷却する冷却部３５と、冷媒を膨張させる第１膨張弁３６と、逆止弁３７と、第１熱交換器３８と、開閉弁３９とを備えている。暖房用冷媒回路１３は、回路内に充填された冷媒に対して、圧縮、凝縮、膨張、蒸発のサイクルを循環させることによって、暖房機能を実現する。なお、開閉弁３９は、二方電磁弁など、様々な方式の開閉弁が適用可能である。

圧縮機３０は、第１熱交換器３８から供給された冷媒を圧縮する。具体的には、圧縮機３０の吸気口は配管Ｐ８、開閉弁３９及び配管Ｐ７を介して第１熱交換器３８と接続され、圧縮機３０の吹出口は、配管Ｐ１を介して第２熱交換部３１と接続されている。そして、圧縮機３０では、第１熱交換器３８から開閉弁３９を介して気相冷媒が供給され、気相冷媒を圧縮することで冷媒を高温高圧状態にし、第２熱交換部３１へ供給する。なお、電動圧縮機３０は、遠心式や軸流式等様々な方式が適用可能である。

第２熱交換部３１は、圧縮機３０によって圧縮された冷媒が供給される。具体的には、第２熱交換部３１の入口は、配管Ｐ１を介して圧縮機３０の吹出口と接続され、第２熱交換部３１の出口は、配管Ｐ２を介して三方電磁弁３３の第１端と接続されている。
また、第２熱交換部３１は、水／冷媒熱交換器３２と水循環路５１とポンプ５２と水／空気熱交換器２３を備えている。なお、水／冷媒熱交換器３２はＨＶＡＣユニット１１内に設けられている。

第２熱交換部３１では、水／冷媒熱交換器３２において、圧縮機３０より供給された高温高圧の気相冷媒と水循環路５１を循環する循環水との間で熱交換を行い、水循環路５１の循環水を加熱する。そして、水／冷媒熱交換器３２で加熱された循環水をポンプ５２を用いて水／空気熱交換器２３へ供給する。そして、水／空気熱交換器２３において、加熱された循環水とＨＶＡＣユニット１１内において供給された空気との間で熱交換を行うことで、ＨＶＡＣユニット１１内の水／空気熱交換器２３を流れる空気を加熱する。水／冷媒熱交換器３２において熱交換が行われることで、冷媒は放熱され、凝縮する。凝縮した液相の冷媒は、三方電磁弁３３を介して、レシーバ３４へ供給される。

なお、本実施形態においては、第２熱交換部３１は水／冷媒熱交換器３２と水循環路５１とポンプ５２と水／空気熱交換器２３を備える構成としているが、水／冷媒熱交換器３２と水／空気熱交換部の間を循環する熱媒体は、水に限定されず、様々な熱媒体が適用可能である。また、第２熱交換部３１を、上記構成に替えて、凝縮器のみとしてもよい。この場合には、凝縮器をＨＡＶＣユニット内に設ける構成とし、圧縮機３０から供給される高温高圧の気相の冷媒が直接凝縮器に供給され、凝縮器によって凝縮した液相の冷媒を三方電磁弁３３の第１端及び第２端を介してレシーバ３４へ供給する。

レシーバ３４は、第２熱交換部３１で凝縮された冷媒が供給される。具体的には、レシーバ３４の入口は、配管Ｐ３を介して三方電磁弁３３の第２端と接続され、レシーバ３４の出口は、第１配管Ｐ４を介して冷却部３５へ接続されている。レシーバ３４では、第２熱交換部３１によって凝縮された液相冷媒が供給され、レシーバ３４の内部で一旦蓄えられる。そして、レシーバ３４の出口から、液相冷媒が冷却部３５へ供給される。

冷却部３５は、シーバからの冷媒が供給され、冷媒を冷却する。具体的には、冷却部３５の入口は第１配管Ｐ４を介してレシーバ３４へ接続され、冷却部３５の出口は第２配管Ｐ５を介して第１膨張弁３６へ接続されている。冷却部３５では、レシーバ３４から供給される液相冷媒を冷却し、冷却した冷媒を第１膨張弁３６へ供給する。なお、冷却部３５として過冷却器を用いることで、レシーバ３４から供給される冷媒を過冷却し、過冷却冷媒を第１膨張弁３６へ供給することとしてもよい。

また、冷却部３５として、冷却部３５の内部を流れる冷媒と冷却部３５の外部を流れる空気との間の熱交換を行うものとする場合には、図２に示すように、冷却部３５は、第１熱交換器３８の空気流れの上流側に配置されてもよい。つまり、冷却部３５により冷媒を冷却する際に、冷却部３５の外部を流れる空気が加熱されることとなり、加熱された空気を第１熱交換器３８に供給する。

このようにすることで、第１熱交換器３８の流入空気の一部が冷却部３５によって加熱されることとなり、第１熱交換器３８の外部を通過する空気の平均温度が高くなるため、第１熱交換器３８を蒸発器として用いたときに、冷媒を蒸発させる能力を向上させることができる。また、第１熱交換器３８の蒸発能力を向上させる代わりに、能力を維持しつつ冷媒量の削減を図ることができ、第１熱交換器３８を小型化することが可能となる。特に、空気調和装置１が車に搭載されるなど、空気調和装置１の配置場所や体積に制約がある場合であっても対応することができる。

また、冷却部３５は、第１熱交換器３８の空気流れの上流側であり、第１熱交換器３８において流通する冷媒の飽和温度が最も低下する位置に配置されてもよい。または、第１熱交換器３８の空気流れの上流側であり、第１熱交換器３８において流通する液相冷媒が最も多い位置に配置されてもよい。

第１熱交換器３８を蒸発器として使用する場合には、第１熱交換器３８に着霜が発生する可能性がある。図３に示すように、第１熱交換器３８において、着霜が発生しやすい位置３８ｂは、第１熱交換器３８の内部を流れる冷媒の状態３８ａに依存する。具体的には、第１熱交換器３８の内部を流通する冷媒の飽和温度が最も低下する位置、または、流通する液相冷媒が最も多い位置に着霜が発生する可能性が高い。このため、着霜が発生しやすい位置３８ｂに対して、冷却部３５で加熱した空気を供給するように冷却部３５を配置することで、着霜を抑制することができる。

第１膨張弁３６は、冷却部３５からの冷媒を減圧する。具体的には、第１膨張弁３６の入口は、第２配管Ｐ５を介して冷却部３５と接続され、第１膨張弁３６の出口は、第３配管Ｐ６及び逆止弁３７を介して第１熱交換器３８に接続されている。第１膨張弁３６では、冷却部３５から供給される低温の液相冷媒を減圧することによって、冷媒をさらに低温低圧の状態にする、そして、低温低圧の液相冷媒は第１熱交換器３８へ供給される。

なお、第３配管Ｐ６上には、逆止弁３７が設けられる。これは、後述する冷房用冷媒回路１２が備える配管Ｐ１１において第１熱交換器３８から出た冷媒が第１膨張弁３６及び冷却部３５へ流れ込まないようにするためのものである。このため、暖房時に第３配管Ｐ６において第１膨張弁３６から第１熱交換器３８への冷媒の流れが正となり、冷房時に第１熱交換器３８から第１膨張弁３６への冷媒の流れが負となるため、逆流が防止できる。

第１熱交換器３８は、第１膨張弁３６からの冷媒が供給される。具体的には、第１熱交換器３８の一端は、第３配管Ｐ６を介して第１膨張弁３６へ接続され、第１熱交換器３８の他端は、配管Ｐ７を介して開閉弁３９へ接続されている。第１熱交換器３８では、第１熱交換器３８の内部を流れる第１膨張弁３６から供給された低温低圧の液相冷媒と第１熱交換器３８の外部を流れる空気との間で熱交換を行い、低温低圧の液相冷媒を加熱し、気相冷媒にする。そして、気相冷媒を開閉弁３９を介して、圧縮機３０へ供給する。つまり、暖房時においては、第１熱交換器３８は蒸発器として機能する。

冷房用冷媒回路１２は、冷媒を圧縮する圧縮機３０と、第２熱交換部３１と、三方電磁弁３３と、第１熱交換器３８と、レシーバ３４と、開閉弁４０と、第２膨張弁４１と、第３熱交換器２４を備えている。冷房用冷媒回路１２は、回路内に充填された冷媒に対して、圧縮、凝縮、膨張、蒸発のサイクルを循環させることによって、冷房機能を実現する。冷房時においては、第１熱交換器３８は凝縮器として機能する。また、第３熱交換器２４は蒸発器として機能する。
また、圧縮機３０、第２熱交換部３１、第１熱交換器３８、レシーバ３４については、暖房用冷媒回路１３と共有する構成となっている。このため、冷房用冷媒回路１２の構成において、暖房用冷媒回路１３と共通する構成については簡略化して説明する。
なお、冷房用冷媒回路１２は、少なくとも第１熱交換器３８を暖房用冷媒回路１３と共有していれば良く、上記構成に限られない。なお、開閉弁４０は、二方電磁弁など、様々な方式の開閉弁が適用可能である。

三方電磁弁３３は、第１端が配管Ｐ２を介して第２熱交換部３１と接続され、第３端が配管Ｐ１０を介して第１熱交換器３８の他端側に接続されている。そして、第１熱交換器３８の一端側は、配管Ｐ１１を介してレシーバ３４の入口に接続され、レシーバ３４の出口は配管Ｐ１２を介して開閉弁４０へ接続されている。また。開閉弁４０は配管Ｐ１３を介して、第２膨張弁４１の入口に接続されている。第２膨張弁４１の出口は、第３熱交換器２４の一端へ接続され、第３熱交換器２４の他端は、配管Ｐ１４を介して圧縮機３０の吸込口に接続されている。

流路切替部は、冷媒の流路を切り替えるために冷房用冷媒回路１２及び暖房用冷媒回路１３に複数設けられている。本実施形態においては、冷房用冷媒回路１２と暖房用冷媒回路１３を切り替えるために、流路切替部として、三方電磁弁３３が配管Ｐ２、配管Ｐ３及び配管Ｐ１０に対して設けられ、開閉弁３９が配管Ｐ７及び配管Ｐ８に対して設けられ、開閉弁４０が配管Ｐ１２及び配管Ｐ１３に対して設けられており、更に、流路切替部として、第１膨張弁３６に流路開閉機能を備える構成としている。なお、流路切替部の配置等については上記例に限定されず、冷房用冷媒回路１２と暖房用冷媒回路１３とを切り替え可能な配置とされていればよい。また、流路切替部に採用する弁についても上記弁の種類に限定されることなく、適宜選択することが可能である。

制御部１５は、流路切替部を制御する。特に、制御部１５は、流路切替部を制御することによって、冷房時には第１熱交換器３８からの冷媒を冷却部３５を経由せずにレシーバ３４に供給させ、暖房時にはレシーバ３４からの冷媒を冷却部３５を経由して第１熱交換器３８に供給させる。つまり、冷房時のみ、冷却部３５に冷媒を供給する構成となっている。

具体的には、制御部１５は、暖房時に、三方電磁弁３３の第１端と第２端を開、第３端を閉とし、開閉弁３９を開とし、開閉弁４０を閉とし、第１膨張弁３６を開とする。これにより、暖房用冷媒回路１３が構成され、暖房用冷媒サイクルが制御される。
また、制御部１５は、冷房時に、三方電磁弁３３の第１端と第３端を開、第２端を閉とし、開閉弁３９を閉とし、開閉弁４０を開とし、第１膨張弁３６を閉とする。これにより、冷房用冷媒回路１２が構成され、冷房用冷媒サイクルが制御される。

なお、流路切替部として、図４に示すように、第１膨張弁３６に流路開閉機能を持たせる代わりに、第１配管Ｐ４または第２配管Ｐ５上に開閉弁４２を設けることとしてもよい。この場合には、制御装置は、暖房時には、三方電磁弁３３の第１端と第２端を開、第３端を閉とし、開閉弁３９を開とし、開閉弁４０を閉とし、第１膨張弁３６の代わりの開閉弁４２を開とすることによって、暖房用冷媒回路１３を構成すればよい。そして、冷房時には、三方電磁弁３３の第１端と第３端を開、第２端を閉とし、開閉弁３９を閉とし、開閉弁４０を開とし、第１膨張弁３６の代わりの開閉弁４２を閉とすることによって、冷房用冷媒回路１２を構成すればよい。なお、開閉弁４２は、二方電磁弁など、様々な方式の開閉弁が適用可能である。

また、流路切替部として、図５に示すように、開閉弁４０の代わりに第２膨張弁４１に流路開閉機能を持たせることとしてもよい。この場合には、制御装置は、暖房時には、三方電磁弁３３の第１端と第２端を開、第３端を閉とし、開閉弁３９を開とし、第１膨張弁３６を開とし、開閉弁４０の代わりの第２膨張弁４１を閉とすることによって、暖房用冷媒回路１３を構成すればよい。そして、冷房時には、三方電磁弁３３の第１端と第３端を開、第２端を閉とし、開閉弁３９を閉とし、第１膨張弁３６を閉とし、開閉弁４０の代わりの第２膨張弁４１を開とすることによって、冷房用冷媒回路１２を構成すればよい。

また、流路切替部として、図６に示すように、第１膨張弁３６に流路開閉機能を持たせる代わりに、第１配管Ｐ４または第２配管Ｐ５上に開閉弁４２を設け、開閉弁４０の代わりに第２膨張弁４１に流路開閉機能を持たせることとしてもよい。この場合には、制御装置は、暖房時には、三方電磁弁３３の第１端と第２端を開、第３端を閉とし、開閉弁３９を開とし、開閉弁４２を開とし、第２膨張弁４１を閉とすることによって、暖房用冷媒回路１３を構成すればよい。そして、冷房時には、三方電磁弁３３の第１端と第３端を開、第２端を閉とし、開閉弁３９を閉とし、開閉弁４２を閉とし、第２膨張弁４１を開とすることによって、冷房用冷媒回路１２を構成すればよい。

次に、本実施形態に係る空気調和装置１における暖房時の動作について説明する。図７は、本実施形態に係る空気調和装置１における暖房時の冷媒の流れを示した図である。なお、上述の通り、流路切替部の状態は、制御部１５によって、三方電磁弁３３の第１端と第２端を開、第３端を閉とし、開閉弁３９を開とし、開閉弁４０を閉とし、第１膨張弁３６を開とされているものとする。

冷媒は、圧縮機３０において圧縮され高温高圧の状態となる。そして、冷媒は、配管Ｐ１を介して第２熱交換部３１に供給され、第２熱交換部３１が有する水／冷媒熱交換器３２において、水循環路５１内の循環水との間で熱交換が行われることによって凝縮される。凝縮した冷媒は、配管Ｐ２、三方電磁弁３３の第１端及び第２端、配管Ｐ３を介してレシーバ３４へ供給される。冷媒は、レシーバ３４にて一旦蓄積された後、第１配管Ｐ４を介して冷却部３５に供給され、冷却される。冷却部３５により冷却された冷媒は、第１膨張弁３６に供給されて減圧されることにより、低温低圧の状態となる。低温低圧状態となった冷媒は第１熱交換器３８へ供給され、第１熱交換器３８の外部を通過する空気との間で熱交換が行われて加熱される。加熱された冷媒は、配管Ｐ７、Ｐ８及び開閉弁３９を介して圧縮機３０に供給される。

このような冷媒のサイクルが行われることによって、第１熱交換器３８の外部を通過する空気の熱エネルギーは、冷媒を介して第２熱交換部３１へ移動する。そして、第２熱交換部３１の中においても、熱エネルギーは、水／冷媒熱交換器３２から水循環路５１を介してＨＶＡＣユニット１１内の水／空気熱交換器２３へ移動する。このため、ＨＶＡＣユニット１１内の水／空気熱交換器２３では、熱エネルギーを用いて、車内に供給される空気を暖めることができる。

次に、本実施形態に係る空気調和装置１における冷房時の動作について説明する。図８は、本実施形態に係る空気調和装置１における冷房時の冷媒の流れを示した図である。なお、上述の通り、流路切替部の状態は、制御部１５によって、三方電磁弁３３の第１端と第３端を開、第２端を閉とし、開閉弁３９を閉とし、開閉弁４０を開とし、第１膨張弁３６を閉とされているものとする。

冷媒は、圧縮機３０において圧縮され高温高圧の冷媒となる。そして、冷媒は、配管Ｐ１を介して第２熱交換部３１に供給され、第２熱交換部３１が有する水／冷媒熱交換器３２において、水循環路５１内の循環水との間で熱交換が行われることによって凝縮する。凝縮した冷媒は、配管Ｐ２、三方電磁弁３３の第１端及び第３端、配管Ｐ１０を介して第１熱交換器３８へ供給され、第１熱交換器３８を通過する外気との間で熱交換がおこなわれて凝縮する。そして凝縮した冷媒は、配管Ｐ１１を介してレシーバ３４へ供給され、レシーバ３４にて一旦蓄積された後、配管Ｐ１２及び開閉弁４０を介して第２膨張弁４１へ供給される。冷媒は第２膨張弁４１にて減圧されることにより、低圧低温状態となる。低温低圧状態となった冷媒は第３熱交換器２４へ供給され、第３熱交換器２４を通過する空気との間で熱交換がおこなわれて加熱される。加熱された冷媒は、配管Ｐ１４を介して圧縮機３０へ供給される。

なお、冷房時においても、第２熱交換部３１にて、圧縮機３０により圧縮された高温高圧の冷媒の熱エネルギーが水／冷媒熱交換器３２及び水循環路５１を介して水／空気熱交換器２３へ移動するため、ＨＶＡＣユニット１１内の車内へ供給される空気が暖められる可能性があるが、エアミックスダンパ２２を制御して、水／空気熱交換器２３よりも上流側の空気をすべてバイパスさせ、水／空気熱交換器２３を通過させないようにすることで、第３熱交換器２４で冷却された空気を加熱しないようにしている。なお、冷房時には、水／冷媒熱交換器３２を動作させず、第２熱交換部３１において、圧縮機３０から供給される冷媒と水循環路５１内の循環水との熱交換を行わせないこととしてもよい。

このようなサイクルが行われることによって、第３熱交換器２４を通過するＨＶＡＣユニット１１内の空気の熱エネルギーを、冷媒を介して第１熱交換器３８へ移動させる。そして、第１熱交換器３８にて熱エネルギーを車外空気に移動させる。つまり、第３熱交換器２４にて、車内に供給される空気を冷却する。

以上説明してきたように、本実施形態に係る空気調和装置１では、冷房用冷媒回路１２と暖房用冷媒回路１３で第１熱交換器３８を共有して使用し、暖房時のみ、冷却部３５により冷却した冷媒を第１熱交換器３８へ供給しているため、暖房時に第１熱交換器３８を蒸発器として用いたときの最適冷媒量を増加させることができる。つまり、蒸発器として動作する第１熱交換器３８に供給する冷媒を余剰に冷却することによって、図９、１０に示すように、暖房用冷媒回路１３に冷却部３５を備えない場合の冷媒量を示す図１３、１４と比較して、暖房時に第１熱交換器３８を蒸発器として用いたときの最適冷媒量の範囲を増加させることができる。

このため、第１熱交換器３８を凝縮器として使用した場合の第１熱交換器３８の適正冷媒量範囲と、第１熱交換器３８を蒸発器として使用した場合の第１熱交換器３８の適正冷媒量範囲とが重複した冷媒量範囲を得ることができ、この重複した冷媒量範囲内において、空気調和装置１に充填する冷媒量を設計することで、第１熱交換器３８を凝縮器と蒸発器のどちらとして使用した場合であっても、熱交換能力を十分に発揮させることができる。

また、冷却部３５により余剰に冷却した冷媒を、蒸発器として機能する第１熱交換器３８へ供給することによって、図１１に示すように、第１熱交換器３８内の渇き度をｇからｆへ変化、つまり渇き度を小さくして、冷媒の流速を低下させることができる。このため、第１熱交換器３８を流通する液相冷媒の量を多く保つことができ、この結果、第１熱交換器３８の入口と出口における圧力損失と温度勾配が小さくなる。よって、第１熱交換器３８における部分着霜を抑制することができる。

また、冷却部３５を、第１熱交換器３８の空気流れの上流側に配置した場合には、冷却部３５により冷媒を冷却する際に、冷却部３５の外部を流れる空気を加熱することができ、加熱した空気を第１熱交換器３８に供給ことができる。つまり、第１熱交換器３８の流入空気の一部が冷却部３５によって加熱されることとなり、第１熱交換器３８の外部を通過する空気の平均温度が高くなるため、第１熱交換器３８を蒸発器として用いたときに、冷媒を蒸発させる能力を向上させることができる。また、第１熱交換器３８の蒸発能力を向上させる代わりに、能力を維持しつつ冷媒量の削減を図ることができ、第１熱交換器３８を小型化することが可能となる。特に、空気調和装置１が車に搭載されるなど、空気調和装置１の配置場所や体積に制約がある場合であっても対応することができる。

また、冷却部３５を、第１熱交換器３８の空気流れの上流側であり、第１熱交換器３８において流通する冷媒の飽和温度が最も低下する位置に配置した場合、または、第１熱交換器３８において流通する液相冷媒が最も多い位置に配置した場合には、第１熱交換器３８における着霜を抑制することができる。すなわち、第１熱交換器３８を蒸発器として使用する場合には、第１熱交換器３８に着霜が発生する可能性があるが、第１熱交換器３８において、着霜が発生しやすい位置は、第１熱交換器３８の内部を流れる冷媒の状態に依存する。具体的には、第１熱交換器３８の内部を流通する冷媒の飽和温度が最も低下する位置、または、流通する液相冷媒が最も多い位置に着霜が発生する可能性が高い。このため、着霜が発生しやすい位置に対して、冷却部３５で加熱した空気を供給するように冷却部３５を配置することで、着霜を抑制することができる。

なお、本実施形態に係る空気調和装置１は、流路切替部によって流路を切り替えることによって、暖房用冷媒回路１３または暖房用冷媒回路１３を構成し、暖房用冷媒回路１３と冷房用冷媒回路１２は一部の構成要素を共有することとしているが、独立して、暖房用冷媒回路１３のみの構成としてもよい。この場合には、レシーバ３４の冷媒流れの下流側であって、膨張弁の冷媒流れの上流側に冷却部３５が設けられることによって、第１熱交換器３８に、余剰に冷却した冷媒を供給することができる。

なお、本実施形態に係る空気調和装置１は、車載用空気調和装置を例示して説明したため、ＨＶＡＣユニット１１内に、暖房時に凝縮器として機能する第２熱交換部３１が有する水／空気熱交換器２３と、冷房時に蒸発器として機能する第３熱交換器２４とを独立して備える構成としている。しかしながら、車載用空気調和装置に限らず、例えば家庭用エアコンや業務用エアコンといった他の空気調和装置１においては、凝縮器と蒸発器とを共有することとしてもよい。

１ ：空気調和装置
１１ ：ＨＶＡＣユニット
１２ ：冷房用冷媒回路
１３ ：暖房用冷媒回路
１５ ：制御部
２１ ：ブロワ
２２ ：エアミックスダンパ
２３ ：水／空気熱交換器
２４ ：第３熱交換器
３０ ：圧縮機
３１ ：第２熱交換部
３２ ：水／冷媒熱交換器
３３ ：三方電磁弁
３４ ：レシーバ
３５ ：冷却部
３６ ：第１膨張弁
３７ ：逆止弁
３８ ：第１熱交換器
３９、４０、４２ ：開閉弁
４１ ：第２膨張弁
５１ ：水循環路
５２ ：ポンプ

Claims (9)

1. 第１熱交換器及びレシーバを有する冷房用冷媒回路と、
   前記第１熱交換器及び前記レシーバを前記冷房用冷媒回路と共有する暖房用冷媒回路と、
   冷媒の流路を切り替えるために前記冷房用冷媒回路及び前記暖房用冷媒回路に設けられた複数の流路切替手段と、
   前記流路切替手段を制御する制御手段と
   を備え、
   前記暖房用冷媒回路は、
   前記第１熱交換器から供給された冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機によって圧縮された冷媒が供給される第２熱交換手段と、
   前記第２熱交換手段で凝縮された冷媒が供給される前記レシーバと、
   前記レシーバからの冷媒が供給され、冷媒を冷却する冷却手段と、
   前記冷却手段からの冷媒を減圧するための第１膨張弁と、
   前記第１膨張弁からの冷媒が供給される前記第１熱交換器と
   を有し、
   前記制御手段は、前記流路切替手段を制御することによって、冷房時には前記第１熱交換器からの冷媒を前記冷却手段を経由せずに前記レシーバに供給させ、暖房時には前記レシーバからの冷媒を前記冷却手段を経由して前記第１熱交換器に供給させる空気調和装置。
2. 前記暖房用冷媒回路は、
   前記レシーバからの冷媒を前記冷却手段を経由して前記第１膨張弁に供給する第１配管と、
   前記第１配管に設けられた前記流路切替手段としての第１開閉弁と
   を備え、
   前記冷房用冷媒回路は、
   前記レシーバからの冷媒が第２配管を通じて供給される第２膨張弁と、
   前記第２配管に設けられた前記流路切替手段としての第２開閉弁と
   を備え、
   前記制御手段は、冷房時において前記第１開閉弁を閉じ、暖房時において前記第２開閉弁を閉じる請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記暖房用冷媒回路は、前記レシーバからの冷媒を前記冷却手段を経由して前記第１膨張弁に供給する第１配管と、
   前記第１配管に設けられた前記流路切替手段としての開閉弁と
   を備え、
   前記冷房用冷媒回路は、前記レシーバからの冷媒が第２配管を通じて供給される第２膨張弁を備え、
   前記第２膨張弁は、前記流路切替手段としての流路開閉機能を有し、
   前記制御手段は、冷房時において前記開閉弁を閉じ、暖房時において前記第２膨張弁を閉じる請求項１に記載の空気調和装置。
4. 前記暖房用冷媒回路は、前記レシーバからの冷媒を前記冷却手段を経由して前記第１膨張弁に供給する第１配管を備え、
   前記冷房用冷媒回路は、前記レシーバからの冷媒が第２配管を通じて供給される第２膨張弁と、
   前記第２配管に設けられた前記流路切替手段としての開閉弁と
   を備え、
   前記第１膨張弁は、前記流路切替手段としての流路開閉機能を有し、
   前記制御手段は、冷房時において前記第１膨張弁を閉じ、暖房時において前記開閉弁を閉じる請求項１に記載の空気調和装置。
5. 前記冷房用冷媒回路は、前記レシーバからの冷媒が供給される第２膨張弁を備え、
   前記第１膨張弁及び前記第２膨張弁のそれぞれは、前記流路切替手段としての流路開閉機能を有し、
   前記制御手段は、冷房時において前記第１膨張弁を閉じ、暖房時において前記第２膨張弁を閉じる請求項１に記載の空気調和装置。
6. 前記第１熱交換器を凝縮器として使用した場合の前記第１熱交換器の適正冷媒量範囲と、前記第１熱交換器を蒸発器として使用した場合の前記第１熱交換器の適正冷媒量範囲とが重複した冷媒量範囲内の冷媒量が充填された請求項１から５の何れか１項に記載の空気調和装置。
7. 前記冷却手段は、前記第１熱交換器の空気流れの上流側に配置される請求項１から６の何れか１項に記載の空気調和装置。
8. 前記冷却手段は、前記第１熱交換器の空気流れの上流側であり、前記第１熱交換器において流通する冷媒の飽和温度が最も低下する位置に配置される請求項７に記載の空気調和装置。
9. 前記冷却手段は、前記第１熱交換器の空気流れの上流側であり、前記第１熱交換器において流通する液相冷媒が最も多い位置に配置される請求項７に記載の空気調和装置。

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