WO2017159495A1

WO2017159495A1 - 空調装置

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Publication number: WO2017159495A1
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Authority: WO
Inventors: 康次郎中村; 知広前田
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
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Filing date: 2017-03-08
Publication date: 2017-09-21
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Abstract

空調装置（１００）は、コンプレッサ（２１）と、室外熱交換器（２３）と、エバポレータ（２６）と、水冷コンデンサ（２２）と、温度式膨張弁（２９）と、内部熱交換器（２５）と、固定絞り（２８）と、第１流路切換弁（３０）と、冷房運転時に、水冷コンデンサ（２２）及び固定絞り（２８）をバイパスするように冷媒の流路を切り換える第２流路切換弁（３１）と、を備える。

Description

空調装置

　本発明は、空調装置に関する。

　ＪＰ２０１２－１７６６５８Ａには、エバポレータに流入する冷媒を減圧する膨張弁と、膨張弁の上流の冷媒とエバポレータの下流の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器と、を備えた車両用空気調和装置が開示されている。ＪＰ２０１２－１７６６５８Ａの車両用空気調和装置では、ヒートポンプサイクル内の冷媒の流れを切り換えることによって、冷房運転と暖房運転とを実行している。ＪＰ２０１２－１７６６５８Ａの車両用空気調和装置では、膨張弁には、一般的なオリフィスやキャピラリーチューブといった固定絞りが用いられていると考えられる。このように膨張弁に固定絞りを用いる場合には、コンプレッサの負荷が高くなった際にチョーク流れが発生しないよう、絞り量が予め小さく設定される。

　また、絞り量が予め小さく設定された固定絞りを膨張弁として用いると、膨張弁の抵抗が少なくなって冷媒が膨張弁を流れ易くなる。そのため、ＪＰ２０１２－１７６６５８Ａの車両用空気調和装置では、膨張弁を流れる冷媒が多くなり、結果として冷媒流路に封入する封入冷媒量を多くしておく必要がある。

　しかしながら、ＪＰ２０１２－１７６６５８Ａの車両用空気調和装置では、膨張弁には常に一定の開度となる固定絞りが用いられていると考えられ、膨張弁は、コンプレッサの負荷が高くなった際にチョーク流れが発生しないように絞り量が小さく設定されるので、必要以上に冷媒が流れ、効率の高い冷房運転を実行することができない。

　また、封入冷媒量が増加すると、ヒートポンプ運転モードを冷房運転から暖房運転に切り換える際に、流路を切り換える電磁弁の前後で冷媒が大きくなる。電磁弁は、前後の圧力差が大きい場合には負荷が高くなって開くことができず、切替動作が可能な状態に均圧されるまで長時間待機する必要がある。

　本発明は、ヒートポンプ運転モードを冷房運転から暖房運転に切り換えるときの切換時間を短くするとともに、効率の高い冷房運転を実行することのできる空調装置を提供することを目的とする。

　本発明のある態様による空調装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と外気との間で熱交換を行う室外熱交換器と、空調に利用する空気の熱を冷媒に吸収させることで冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記圧縮機に圧縮された冷媒の熱を用いて空調に利用する空気を加熱する加熱器と、前記室外熱交換器と前記蒸発器との間に配置され、前記蒸発器を通過した冷媒の温度に応じて開度を調整し、前記室外熱交換器を通過した冷媒を減圧膨張させる温度式膨張弁と、前記温度式膨張弁の上流の冷媒と前記蒸発器の下流の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器と、前記圧縮機と前記室外熱交換器との間に配置され、前記圧縮機によって圧縮された冷媒を減圧膨張させる絞り機構と、暖房運転時に、前記蒸発器及び前記温度式膨張弁をバイパスするように冷媒の流路を切り換える第１流路切換弁と、冷房運転時に、前記加熱器及び前記絞り機構をバイパスするように冷媒の流路を切り換える第２流路切換弁と、を備える。

　上記態様によれば、ヒートポンプ運転モードが冷房運転から暖房運転に切り換わる際に、内部熱交換器によって温度式膨張弁の上流の高圧な液状冷媒とエバポレータの下流の低圧なガス状冷媒とが熱交換を行う。そのため、エバポレータの下流のガス状冷媒の温度が高くなり温度式膨張弁の開度が狭くなることで冷媒が流れにくくなった場合でも、温度式膨張弁の上流の液状冷媒を降圧させるとともにエバポレータの下流のガス状冷媒を昇圧させることによって、均圧を促進させることができる。よって、速やかに第１流路切換弁の上下流の圧力差が小さくなって第１流路切換弁を操作できるようになるので、切換時間を短くすることができる。また、温度式膨張弁によって効率の高い冷房運転を実行できる。したがって、ヒートポンプ運転モードを冷房運転から暖房運転に切り換えるときの切換時間を短くするとともに、効率の高い冷房運転を実行することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る空調装置の構成図である。図２は、空調装置のヒートポンプ運転モードの冷房運転について説明する図である。図３は、空調装置のヒートポンプ運転モードの暖房運転について説明する図である。図４は、冷媒の飽和温度と圧力との関係を示す特性テーブルである。図５は、本発明の実施形態の変形例に係る空調装置の構成図である。図６は、本発明の実施形態の別の変形例に係る空調装置の構成図である。

　以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

　図１は本発明の実施形態に係る空調装置１００を示す構成図である。

　空調装置１００は、冷媒が循環する冷凍サイクル２と、温水が循環する高水温サイクル４と、空調に利用する空気が通過するＨＶＡＣ（Ｈｅａｔｉｎｇ　Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｉｒ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）ユニット５と、空調装置１００の動作を制御する制御部としてのコントローラ１０と、から構成される冷暖房可能なヒートポンプシステムである。例えば、空調装置１００は、車両に搭載され、車室内の空調を行う。また、冷媒にはＨＦＣ－１３４ａが用いられ、温水には不凍液が用いられる。

　冷凍サイクル２は、コンプレッサ２１と、水冷コンデンサ２２と、室外熱交換器２３と、リキッドタンク２４と、内部熱交換器２５と、エバポレータ２６と、アキュムレータ２７と、これらを冷媒が循環可能となるように接続する冷媒流路２０と、から構成される。

　コンプレッサ２１は、ガス状冷媒を吸入し圧縮する。これにより、ガス状冷媒は高温高圧になる。

　水冷コンデンサ２２は、ヒートポンプ運転モードが暖房運転である場合に、コンプレッサ２１を通過した後の冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する。水冷コンデンサ２２は、コンプレッサ２１によって高温高圧となった冷媒と高水温サイクル４を循環する温水との間で熱交換を行い、冷媒の熱を温水に伝達する。これにより、車室内空調に利用する空気を加熱するための熱が高水温サイクル４に確保される。

　室外熱交換器２３は、例えば車両のエンジンルーム（電気自動車においてはモータルーム）内に配置され、冷媒と外気との間で熱交換を行う。室外熱交換器２３は、冷房時には凝縮器として機能し、暖房時には蒸発器として機能する。室外熱交換器２３には、車両の走行や室外ファン３３の回転によって、外気が導入される。

　リキッドタンク２４は、冷房時に、室外熱交換器２３を通過して凝縮した冷媒を一時的に溜めるとともに、冷媒をガス状冷媒と液状冷媒とに気液分離する。リキッドタンク２４からは、分離した液状冷媒のみが内部熱交換器２５へと流れる。

　内部熱交換器２５は、温度式膨張弁２９の上流の冷媒とエバポレータ２６の下流の冷媒とを温度差を利用して熱交換させる。

　エバポレータ２６は、ＨＶＡＣユニット５内に配置され、冷房時に、エバポレータ２６を通過する空気の熱を冷媒に吸収させることで、冷媒を蒸発させる。エバポレータ２６によって蒸発した冷媒は、内部熱交換器２５を通ってアキュムレータ２７へ流れる。

　アキュムレータ２７は、冷媒流路２０を流れる冷媒を一時的に溜めるとともに、ガス状冷媒と液状冷媒とに気液分離する。アキュムレータ２７からは、分離したガス状冷媒のみがコンプレッサ２１へと流れる。ここで、暖房運転時の方が、冷房運転時に比べて冷媒循環量は少なくなる。したがって、同じ冷媒流路２０内で冷媒封入を行った場合、暖房運転時の方が冷房運転時に比べて冷媒が余剰になり易くなる。そのため、アキュムレータ２７は、リキッドタンク２４と比べて、容積が大きくなるように形成される。

　冷媒流路２０には、冷媒を減圧膨張させる固定絞り２８と、温度式膨張弁２９と、が配置される。また、冷媒流路２０には、開閉によって冷媒の流れを切り換える第１流路切換弁３０と、第２流路切換弁３１と、第３流路切換弁３２と、が配置される。

　固定絞り２８は、水冷コンデンサ２２と室外熱交換器２３との間に配置され、水冷コンデンサ２２で凝縮した冷媒を減圧膨張させる絞り機構である。固定絞り２８には、例えば、オリフィスやキャピラリーチューブを用いることができ、予め使用頻度の高い特定の運転条件に対応するように絞り量が設定される。なお、固定絞り２８の代わりに、例えば、段階的に又は無段階に開度を調節できる電磁弁を可変絞りとして用いてもよい。

　温度式膨張弁２９は、内部熱交換器２５とエバポレータ２６との間に配置され、内部熱交換器２５を通過した液状冷媒を減圧膨張させる。温度式膨張弁２９は、エバポレータ２６を通過した冷媒の温度、すなわちガス状冷媒の過熱度に応じて開度を自動的に調節する。エバポレータ２６の負荷が増加した場合には、ガス状冷媒の過熱度が増加する。そうすると温度式膨張弁２９の開度が大きくなって過熱度を調節する様に冷媒量が増加する。他方で、エバポレータ２６の負荷が減少した場合には、ガス状冷媒の過熱度が減少する。そうすると温度式膨張弁２９の開度が小さくなって過熱度を調節する様に冷媒量が減少する。このように、温度式膨張弁２９は、エバポレータ２６を通過したガス状冷媒の温度をフィードバックして、ガス状冷媒が適切な過熱度となるように開度を調節する。エバポレータ２６の上流に温度式膨張弁２９を採用することによって、幅広い熱負荷に対応させるために絞り量の小さな固定絞りを採用した場合と比べて無駄に冷媒を流すことがなくなり、冷媒流路２０内の封入冷媒量が少なくなる。

　第１流路切換弁３０は、暖房時に開かれ、冷房時に閉じられる。第１流路切換弁３０が開かれることで、室外熱交換器２３で蒸発した冷媒は、リキッドタンク２４、内部熱交換器２５、温度式膨張弁２９、及びエバポレータ２６をバイパスして、アキュムレータ２７に直接流入する。

　第２流路切換弁３１及び第３流路切換弁３２は、冷房時に開かれ、暖房時に閉じられる。第２流路切換弁３１が開かれることで、コンプレッサ２１によって圧縮された冷媒は、室外熱交換器２３へ直接流入する。また、第３流路切換弁３２が開かれることで、内部熱交換器２５を通過した液状冷媒は、エバポレータ２６へと流れる。

　高水温サイクル４は、ウォータポンプ４１と、ヒータコア４２と、補助加熱器４３と、水冷コンデンサ２２と、これらを温水が循環可能となるように接続する温水流路４０と、から構成される。

　ウォータポンプ４１は、温水流路４０内の温水を送液して循環させる。

　ヒータコア４２は、ＨＶＡＣユニット５内に配置され、暖房時に、ヒータコア４２を通過する空気に温水の熱を吸収させることで、空気を加熱する。

　補助加熱器４３は、内部に図示しないヒータを有し、通過する温水を加熱する。ヒータには、例えば、シーズヒータやＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）ヒータが用いられる。

　ＨＶＡＣユニット５は、空調に利用する空気を冷却又は加熱する。ＨＶＡＣユニット５は、空気を送風するブロワ５２と、ヒータコア４２を通過する空気の量を調整するエアミックスドア５３と、これらを空調に利用する空気が通過可能となるように囲うケース５１と、を備える。ＨＶＡＣユニット５内にはエバポレータ２６とヒータコア４２とが配置され、ブロワ５２から送風された空気は、エバポレータ２６内を流れる冷媒やヒータコア４２内を流れる温水との間で熱交換を行う。

　エアミックスドア５３は、ＨＶＡＣユニット５内に配置されたヒータコア４２のブロワ５２側に設置される。エアミックスドア５３は、暖房時にヒータコア４２側を開き、冷房時にヒータコア４２側を閉じる。エアミックスドア５３の開度によって、空気とヒータコア４２内の温水との間の熱交換量が調節される。

　空調装置１００には、吐出圧センサ１１と、室外熱交換器出口温センサ１２と、エバポレータ温度センサ１３と、水温センサ１４と、が設置されている。

　吐出圧センサ１１は、コンプレッサ２１の吐出側の冷媒流路２０に設置され、コンプレッサ２１に圧縮されたガス状冷媒の圧力を検出する。

　室外熱交換器出口温センサ１２は、室外熱交換器２３の出口付近の冷媒流路２０に設置され、室外熱交換器２３を通過した冷媒の温度を検出する。なお、室外熱交換器出口温センサ１２は、室外熱交換器２３の出口部分に設置されてもよい。

　エバポレータ温度センサ１３は、ＨＶＡＣユニット５のエバポレータ２６の空気流れ下流側に設置され、エバポレータ２６を通過した空気の温度を検出する。エバポレータ２６を通過した空気は、エバポレータ２６直後の冷媒と同程度の温度になる。なお、エバポレータ温度センサ１３は、エバポレータ２６に直接設置されてもよい。

　水温センサ１４は、補助加熱器４３の出口付近の温水流路４０に設置され、補助加熱器４３を通過した温水の温度を検出する。

　コントローラ１０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）等によって構成され、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＣＰＵによって読み出すことで、空調装置１００に各種機能を発揮させる。コントローラ１０には、吐出圧センサ１１と、室外熱交換器出口温センサ１２と、エバポレータ温度センサ１３と、水温センサ１４と、からの信号が入力される。なお、コントローラ１０には、図示しない外気温度センサ等の信号が入力されることとしてもよい。

　コントローラ１０は、入力された信号に基づいて、冷凍サイクル２の制御を実行する。すなわち、コントローラ１０は、図１に破線で示すように、コンプレッサ２１の出力を設定するとともに、第１流路切換弁３０、第２流路切換弁３１、及び第３流路切換弁３２の開閉制御を実行する。また、コントローラ１０は、図示しない出力信号を送信することで、高水温サイクル４やＨＶＡＣユニット５の制御も実行する。

　次に、図２及び図３を参照して、空調装置１００のヒートポンプ運転モードの冷房運転と暖房運転について説明する。

　＜冷房運転＞
　図２は、空調装置１００のヒートポンプ運転モードの冷房運転について説明する図である。冷房運転では、冷媒流路２０の冷媒が、図２に太実線で示すように循環する。

　コントローラ１０は、第１流路切換弁３０を閉じた状態にするとともに、第２流路切換弁３１及び第３流路切換弁３２を開いた状態にする。これにより、コンプレッサ２１で圧縮され高温高圧になった冷媒は、第２流路切換弁３１を通ってそのまま室外熱交換器２３へと流れる。室外熱交換器２３へ流れた冷媒は、室外熱交換器２３に導入される外気と熱交換を行い冷却された後、リキッドタンク２４を通って気液分離される。リキッドタンク２４の下流側に接続される内部熱交換器２５には、リキッドタンク２４で気液分離された冷媒のうち液状冷媒が流通する。

　その後、液状冷媒は、温度式膨張弁２９で減圧膨張してエバポレータ２６へ流通し、エバポレータ２６を通過する際に空調に利用する空気の熱を吸収することで蒸発する。その際、液状冷媒は、過冷却状態になるまで過度に冷却されているので、エバポレータ２６を通過する空気を、より冷却することができる。液状冷媒は、蒸発してガス状冷媒になり、ガス状冷媒は、後述するように内部熱交換器２５を流通する際に加熱状態になった後にアキュムレータ２７を介して再びコンプレッサ２１へと流れ圧縮される。

　ここで、リキッドタンク２４から内部熱交換器２５に流通する液状冷媒は、高圧の流体であり、リキッドタンク２４で気液分離されることで、過冷却度がほぼ０℃の略飽和液状態となっている。他方で、エバポレータ２６から内部熱交換器２５に流通するガス状冷媒は、温度式膨張弁２９を通過する際に減圧膨張して低温の流体になっている。そのため、液状冷媒は、内部熱交換器２５を流通する際に低温のガス状冷媒との間で熱交換を行い、ガス状冷媒により過度に冷却されて飽和液状態から過冷却度をもった過冷却状態となる。また、ガス状冷媒は、内部熱交換器２５を流通する際に、液状冷媒によって加熱されることで過熱度を持った加熱状態となる。

　エバポレータ２６で冷媒によって冷却された空気は、ＨＶＡＣユニット５の下流に流されて冷房風として用いられる。なお、エバポレータ２６で空気を冷却して空気中の水蒸気を凝縮させて取り除いた後、ヒータコア４２で再加熱することによって除湿風を得ることもできる（除湿運転）。

　＜暖房運転＞
　図３は、空調装置１００のヒートポンプ運転モードの暖房運転について説明する図である。暖房運転では、いわゆる外気吸熱ヒートポンプ運転が実行され、冷媒流路２０の冷媒と温水流路４０の温水とが、図３に太実線で示すようにそれぞれ循環する。

　コントローラ１０は、第２流路切換弁３１及び第３流路切換弁３２を閉じた状態にするとともに、第１流路切換弁３０を開いた状態にする。これにより、コンプレッサ２１で圧縮され高温になった冷媒は、水冷コンデンサ２２へと流れる。水冷コンデンサ２２へ流れた冷媒は、水冷コンデンサ２２の内部で温水を加熱する際に熱を奪われて低温になった後、固定絞り２８を通って減圧膨張することでさらに低温となって室外熱交換器２３へ流れる。室外熱交換器２３へ流れた冷媒は、室外熱交換器２３に導入される外気との間で熱交換を行い吸熱した後、そのまま第１流路切換弁３０を通ってアキュムレータ２７へ流れて気液分離される。そして、アキュムレータ２７で気液分離された冷媒のうちガス状冷媒が、再びコンプレッサ２１へと流れる。

　一方で、水冷コンデンサ２２で冷媒によって加熱された温水は、循環してヒータコア４２に流れ、ヒータコア４２の周囲の空気を加熱する。加熱された空気は、ＨＶＡＣユニット５の下流へ流されて暖房風として用いられる。なお、水冷コンデンサ２２で冷媒が十分に温水を加熱できない場合には、外気吸熱ヒートポンプ運転と併用して又は独立して補助加熱器４３を運転させて温水を加熱してもよい。

　次に、コントローラ１０が実行する冷房運転と暖房運転とのヒートポンプ運転モードの切換制御について説明する。

　＜冷房運転から暖房運転への切換制御＞
　冷房運転から暖房運転への切換制御では、コントローラ１０は、コンプレッサ２１を停止し、第２流路切換弁３１及び第３流路切換弁３２を閉じるとともに、第１流路切換弁３０を開くことで、冷媒流路２０を流通する冷媒の流れを切り換える。

　第１流路切換弁３０の上流の冷媒と下流の冷媒との圧力差が第１流路切換弁３０の動作することのできる第１動作許容圧力を超えている場合には、第１流路切換弁３０に要求される動作荷重が第１流路切換弁３０のトルクよりも大きくなる。また、第１流路切換弁３０に要求される動作荷重が大きい状態で強制的に第１流路切換弁３０を開くように動作させると、第１流路切換弁３０に過大な負荷が加わり耐久性に影響が生じる懸念がある。また、圧力差が大きい状態で第１流路切換弁３０の切替えを行うと、冷媒流動音も大きくなる。そこで、コントローラ１０は、第１流路切換弁３０の上下流の冷媒の圧力差が第１動作許容圧力範囲以内に収まっているか否かを判定する。

　第１流路切換弁３０の上流の冷媒の圧力は、温度式膨張弁２９の上流の冷媒の圧力であり、コンプレッサ２１に圧縮されているので高圧になっている。第１流路切換弁３０の上流側の冷媒の圧力は、吐出圧センサ１１によって検出される。

　第１流路切換弁３０の下流の冷媒の圧力は、温度式膨張弁２９の下流の冷媒の圧力であり、温度式膨張弁２９で減圧膨張することで低圧になっている。第１流路切換弁３０の下流の冷媒の圧力は、エバポレータ温度センサ１３で検出した空気の温度に基づいてコントローラ１０が図４の特性テーブルを参照することによって求められる。図４は、冷媒の飽和温度と圧力との関係とを示す特性テーブルである。図４の横軸は冷媒の飽和温度であり、縦軸は冷媒の圧力である。冷媒の圧力は、図４に示すように、冷媒の飽和温度が上昇するにつれて急激に上昇する。第１流路切換弁３０の下流の冷媒の圧力は、温度式膨張弁２９で減圧膨張した後、エバポレータ２６で蒸発し飽和状態になっている冷媒と同程度の圧力になる。また、エバポレータ２６の下流の空気の温度は、エバポレータ２６直後の冷媒の温度と同程度になる。そのため、コントローラ１０は、図４の特性テーブルを参照することによって、エバポレータ温度センサ１３で検出した空気の温度から第１流路切換弁３０の下流の冷媒の圧力を求めることができる。

　コントローラ１０は、第１流路切換弁３０の上流の冷媒の圧力と、下流の冷媒の圧力と、から第１流路切換弁３０の上下流の冷媒の圧力差を算出する。

　第１流路切換弁３０の上下流の冷媒の圧力差が所定圧以内に収まっていない場合には、コントローラ１０は、第１流路切換弁３０による冷媒の流路の切り換えを禁止する。第１流路切換弁３０の切り換えが禁止される一方でコンプレッサ２１が停止するので、第１流路切換弁３０の上下流の冷媒の圧力差は、徐々に均圧される。

　ここで、均圧される際には、コンプレッサ２１が停止して、エバポレータ２６の出口の冷媒は飽和線上（過熱度０）を動こうとするので、温度式膨張弁２９は過熱度を取ろうと閉方向に動く。そのため、温度式膨張弁２９の上流の高圧な液状冷媒が温度式膨張弁２９を通って下流に流通し難くなるので、下流の低圧なガス状冷媒の圧力を高くするのにより長い時間が必要になる。

　しかしながら、本実施形態の場合には、内部熱交換器２５において、温度式膨張弁２９の下流の低圧なガス状冷媒が上流の高圧な液状冷媒と熱交換を行って膨張することにより、ガス状冷媒の圧力が早期に上昇する。また、液状冷媒もガス状冷媒に冷却されて圧力が早期に低下する。

　さらに、本実施形態の場合には、温度式膨張弁２９の上流にリキッドタンク２４が配置され、下流にリキッドタンク２４よりも容積の大きなアキュムレータ２７が配置されている。そのため、温度式膨張弁２９の下流にアキュムレータ２７を配置せずリキッドタンク２４をアキュムレータとして併用した場合と比べて、本実施形態の場合には、リキッドタンク２４の容積が小さくなり、上流の封入冷媒量が少なくなる。そのため、温度式膨張弁２９の上流において、リキッドタンク２４の容積を小さくした分だけ気化する液状冷媒が少なくなるので、第１流路切換弁３０の上流の圧力が高い状態で維持されることを抑制できる。そのため、環境負荷が低く液状冷媒が溜まりやすいときでも、第１流路切換弁３０の上流の高圧な液状冷媒の圧力を早期に低下させることができる。

　均圧されることで、第１流路切換弁３０の上下流の冷媒の圧力差が所定圧以内に収まっている場合には、コントローラ１０は、第１流路切換弁３０による冷媒の流路の切り換えを許可する。

　第１流路切換弁３０の開動作が許可されると、第２流路切換弁３１及び第３流路切換弁３２が閉じられ第１流路切換弁３０が開かれることによって、冷媒流路２０を流通する冷媒の流れが切り換わり、ヒートポンプ運転モードが冷房運転から暖房運転に切り換わる。

　＜暖房運転から冷房運転への切換制御＞
　暖房運転から冷房運転への切換制御では、コントローラ１０は、コンプレッサ２１を停止させ、第１流路切換弁３０を閉じるとともに、第２流路切換弁３１及び第３流路切換弁３２を開くことで、冷媒流路２０を流通する冷媒の流れを切り換える。

　ここで、第２流路切換弁３１の上流の冷媒と下流の冷媒との圧力差が第２流路切換弁３１の動作することのできる第２動作許容圧力を超えている場合には、上述の第１流路切換弁３０と同様に、コントローラ１０は、第２流路切換弁３１を開くことができない。したがって、コントローラ１０は、第２流路切換弁３１を開くために、第２流路切換弁３１の上下流の冷媒の圧力差が、第２動作許容圧力以内に収まっている否かを判定する。

　第２流路切換弁３１の上流の冷媒の圧力は吐出圧センサ１１によって検出され、下流の冷媒の圧力は室外熱交換器出口温センサ１２で検出した温度に基づいて求められる。コントローラ１０は、図４の特性テーブルを参照し、第２流路切換弁３１の下流の冷媒の圧力を求める。第２流路切換弁３１の下流の冷媒の圧力は、固定絞り２８で減圧膨張した後、室外熱交換器２３で蒸発し飽和状態になっている冷媒と同程度の圧力になる。そのため、コントローラ１０は、図４の特性テーブルを参照することによって、室外熱交換器出口温センサ１２で検出した冷媒の温度から第２流路切換弁３１の下流の冷媒の圧力を求めることができる。

　同様に、第３流路切換弁３２を開くためにも、第３流路切換弁３２の上下流の冷媒の圧力差が、所定圧以内に収まっている必要があるが、第３流路切換弁３２の上下流の冷媒は、暖房運転中に冷媒流路２０を循環していない。そのため、温度式膨張弁２９と解放された第２流路切換弁３１を介して暖房運転中に徐々に均圧されている。したがって、第２流路切換弁３１が第２動作許容圧力範囲内になったときには、第３流路切換弁３２の上下流の冷媒の圧力差は通常の場合には所定圧以内に収まっているので、コントローラ１０は、第２流路切換弁３１の上下流の冷媒の圧力差のみを判定すればよい。

　第２流路切換弁３１の上下流の冷媒の圧力差が所定圧以内に収まっていない場合には、コントローラ１０は、第２流路切換弁３１による冷媒の流路の切り換えを禁止する。第２流路切換弁３１の切り換えが禁止される一方でコンプレッサ２１が停止するので、第２流路切換弁３１の上下流の冷媒の圧力差は、徐々に均圧される。

　均圧されることで、第２流路切換弁３１の上下流の冷媒の圧力差が所定圧以内に収まった場合には、コントローラ１０は、第２流路切換弁３１による冷媒の流路の切り換えを許可する。

　その後、第１流路切換弁３０が閉じられ、第２流路切換弁３１及び第３流路切換弁３２が開かれることによって冷媒流路２０を流通する冷媒の流れが切り換わり、ヒートポンプ運転モードが暖房運転から冷房運転に切り換わる。

　以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

　空調装置１００は、冷媒を圧縮するコンプレッサ２１と、冷媒と外気との間で熱交換を行う室外熱交換器２３と、空調に利用する空気の熱を冷媒に吸収させるエバポレータ２６と、コンプレッサ２１に圧縮された冷媒の熱を用いて空調に利用する空気を加熱する水冷コンデンサ２２と、室外熱交換器２３とエバポレータ２６との間に配置され、エバポレータ２６を通過した冷媒の温度に応じて開度を調整し、室外熱交換器２３を通過した冷媒を減圧膨張させる温度式膨張弁２９と、温度式膨張弁２９の上流の冷媒とエバポレータ２６の下流の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器２５と、コンプレッサ２１と室外熱交換器２３との間に配置され、コンプレッサ２１によって圧縮された冷媒を減圧膨張させる固定絞り２８と、暖房運転時に、エバポレータ２６及び温度式膨張弁２９をバイパスするように冷媒の流路を切り換える第１流路切換弁３０と、冷房運転時に、水冷コンデンサ２２及び固定絞り２８をバイパスするように冷媒の流路を切り換える第２流路切換弁３１と、を備える。

　このような空調装置１００によれば、ヒートポンプ運転モードが冷房運転から暖房運転に切り換わる際に、内部熱交換器２５によって温度式膨張弁２９の上流の高圧な液状冷媒とエバポレータ２６の下流の低圧なガス状冷媒とが熱交換を行う。そのため、エバポレータ２６の下流のガス状冷媒の温度が高くなり温度式膨張弁２９の開度が狭くなることで冷媒が流れにくくなった場合でも、温度式膨張弁２９の上流の液状冷媒を降圧させるとともにエバポレータ２６の下流のガス状冷媒を昇圧させることによって、均圧を促進させることができる。よって、速やかに第１流路切換弁３０の上下流の冷媒の圧力差が小さくなって第１流路切換弁３０を操作できるようになるので、切換時間を短くすることができる。また、温度式膨張弁２９によって効率の高い冷房運転を実行できる。したがって、冷房運転から暖房運転にヒートポンプ運転モードを切り換えるときの切換時間を短くするとともに、効率の高い冷房運転を実行することができる。

　空調装置１００では、第２流路切換弁３１は、暖房運転時に、エバポレータ２６、及び温度式膨張弁２９をバイパスするように冷媒の流路を切り換える。これにより、バイパスさせない場合と比べて、低圧側の無駄な圧力損失を減らすことができるので、効率の高い暖房運転を実行することができる。

　空調装置１００は、内部熱交換器２５と温度式膨張弁２９との間に配置され、冷房運転時に温度式膨張弁２９に冷媒を流通させるように開かれる第３流路切換弁３２をさらに備える。これによって、暖房運転時に、温度式膨張弁２９やエバポレータ２６に冷媒が流通することがなく、効率よく暖房運転を実行することができる。

　空調装置１００は、第１流路切換弁３０及び第２流路切換弁３１の動作を制御する制御部としてのコントローラ１０をさらに備える。コントローラ１０は、コンプレッサ２１の上流の冷媒と下流の冷媒との圧力差が所定圧以下である場合に、第１流路切換弁３０及び第２流路切換弁３１による冷媒の流路の切り換えを許可する。その結果、第１流路切換弁３０や第２流路切換弁３１に過大な負荷が加わることがなく、耐久性を向上させることができるとともに冷媒流動音を小さくすることができる。

　なお、冷房運転から暖房運転への切換制御時に、コントローラ１０は、均圧になるのを待たずに、開かれている第２流路切換弁３１を先に閉じることとしてもよい。第２流路切換弁３１が開かれている場合には、その上流と下流には圧力差が生じないので、負荷なく閉じることができる。また、第２流路切換弁３１を閉じることによって、第１流路切換弁３０は、コンプレッサ２１から固定絞り２８までの冷媒の圧力を、第１流路切換弁３０の上流側でそのまま受けなくなるので、第１流路切換弁３０の上流の圧力を早期に低下させることができる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

　例えば、図５に示すように、空調装置２００の第１流路切換弁を三方弁２３０にしてもよい。図５は、本発明の実施形態の変形例に係る空調装置２００の構成図である。このような三方弁２３０によれば、単独で、エバポレータ２６及び温度式膨張弁２９をバイパスするように冷媒の流路を切り換えることができるので、冷媒流路２２０の構成を簡素にすることができる。

　また、図６に示すように、空調装置３００は、水冷コンデンサを介さずに、冷媒流路３２０に接続されたヒータコア３４２によって空調に利用する空気を直接加熱してもよい。図６は、本発明の実施形態の別の変形例に係る空調装置３００の構成図である。このような構成によっても、冷媒流路３２０の構成を簡素にすることができる。

　なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

　本願は、２０１６年３月１４日に日本国特許庁に出願された特願２０１６－０４９８３７に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims

　空調装置であって、
　冷媒を圧縮する圧縮機と、
　冷媒と外気との間で熱交換を行う室外熱交換器と、
　空調に利用する空気の熱を冷媒に吸収させることで冷媒を蒸発させる蒸発器と、
　前記圧縮機に圧縮された冷媒の熱を用いて空調に利用する空気を加熱する加熱器と、
　前記室外熱交換器と前記蒸発器との間に配置され、前記蒸発器を通過した冷媒の温度に応じて開度を調整し、前記室外熱交換器を通過した冷媒を減圧膨張させる温度式膨張弁と、
　前記温度式膨張弁の上流の冷媒と前記蒸発器の下流の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器と、
　前記圧縮機と前記室外熱交換器との間に配置され、前記圧縮機によって圧縮された冷媒を減圧膨張させる絞り機構と、
　暖房運転時に、前記蒸発器、前記温度式膨張弁、及び前記内部熱交換器をバイパスするように冷媒の流路を切り換える第１流路切換弁と、
　冷房運転時に、前記加熱器及び前記絞り機構をバイパスするように冷媒の流路を切り換える第２流路切換弁と、
を備える空調装置。
　請求項１に記載の空調装置であって、
　前記第１流路切換弁は、暖房運転時に、前記蒸発器、前記温度式膨張弁、及び前記内部熱交換器をバイパスするように冷媒の流路を切り換える、
空調装置。
　請求項１又は請求項２に記載の空調装置であって、
　前記内部熱交換器と前記温度式膨張弁との間に配置され、冷房運転時に前記温度式膨張弁に冷媒を流通させるように開かれる開閉弁、
をさらに備える空調装置。
　請求項１又は請求項２に記載の空調装置であって、
　前記第２流路切換弁は、前記蒸発器及び前記温度式膨張弁をバイパスするように冷媒の流路を切り換える三方弁である、
空調装置。
　請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の空調装置であって、
　前記第１流路切換弁及び前記第２流路切換弁の動作を制御する制御部をさらに備え、
　前記制御部は、前記圧縮機の上流の冷媒と下流の冷媒との圧力差が所定圧以内である場合に、前記第１流路切換弁及び前記第２流路切換弁による冷媒の流路の切り換えを許可する、
空調装置。