JP6605928B2 - 車両用空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用空調装置に関する。

特許文献１には、ハイブリッド車両に搭載され、ヒータコアとエンジンとの間でエンジン冷却水を循環させて、蒸発器を通過した空気をエンジン冷却水との熱交換によって加熱する車両用空調装置が開示されている。この車両用空調装置は、ヒータコアの下流側に設けられる吸熱側熱交換器と、ヒータコアの上流側に設けられる放熱側熱交換器と、吸熱側熱交換器と放熱側熱交換器との間に設けられるペルチェ素子と、を備える。そして、エンジン停止時に、ヒータコアの下流側を流れるエンジン冷却水からヒータコアの上流側を流れるエンジン冷却水にペルチェ素子が熱を移動させることによって、ヒータコアに流入するエンジン冷却水の温度が下がらないようにしている。

特開２０１１−１３１８７１号公報

しかしながら、特許文献１の車両用空調装置では、吸熱側熱交換器にて温度が低下したエンジン冷却水が循環して再び放熱側熱交換器に導かれる。そのため、一度冷却されたエンジン冷却水がリヒートされることになり、エネルギ効率が低下するおそれがある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、冷却水のリヒートに起因するエネルギ効率の低下を抑制することを目的とする。

本発明のある態様によれば、車両の車室内に導かれる空気を加熱する車室内放熱器を有する車両用空調装置は、冷却水がエンジンを通過する第１冷却水循環通路と、前記第１冷却水循環通路と連通し、冷却水が前記車室内放熱器を通過する第２冷却水循環通路と、遮断状態に切り換えられた場合に、前記第１冷却水循環通路と前記第２冷却水循環通路との連通を遮断する遮断機構と、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒が前記第１冷却水循環通路内の冷却水から吸熱する副蒸発器と、前記副蒸発器にて吸熱した冷媒から前記第２冷却水循環通路内の冷却水に放熱する副凝縮器と、前記副凝縮器を通過した冷媒を減圧する副膨張器と、を有する冷凍サイクルと、を備えることを特徴とする。

この態様では、冷凍サイクルによって、冷却水がエンジンを通過する第１冷却水循環通路から冷却水が車室内放熱器を通過する第２冷却水循環通路へ冷媒を介して熱を移動させる。また、第１冷却水循環通路と第２冷却水循環通路とは、遮断機構によって連通が遮断可能である。よって、遮断機構が遮断状態に切り換えられた状態では、第２冷却水循環通路を循環する冷却水が一度冷却されてからリヒートされることはない。したがって、冷却水のリヒートに起因するエネルギ効率の低下を抑制することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る車両用空調装置の構成図である。 図２は、第１冷却水循環通路の具体的な構成を説明する構成図である。 図３は、車両用空調装置の冷媒回収モードについて説明する図である。 図４は、車両用空調装置のヒートポンプ暖房モードについて説明する図である。 図５は、車両用空調装置のエンジン暖房モードについて説明する図である。 図６は、ヒータユニットの変形例について説明する構成図である。 図７は、車両用空調装置の冷房モードについて説明する図である。 図８は、車両用空調装置の蓄冷モードについて説明する図である。 図９は、本発明の第１の実施形態に係る車両用空調装置における運転モード切換制御を説明するフローチャートである。 図１０は、車両用空調装置の作用を説明するタイムチャートである。 図１１は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る車両用空調装置の構成図である。 図１２は、本発明の第２の実施形態に係る車両用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。

（第１の実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態に係る車両用空調装置１００の全体構成について説明する。

車両用空調装置１００は、ハイブリッド車両（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＨＥＶ）など、停車時や走行時にエンジンを停止するエンジン停止機能を有する車両１に搭載される空調装置である。車両１は、車輪の駆動や発電に用いられるエンジン９と、循環する冷却水によってエンジン９を冷却するラジエータ８と、を備える。

車両用空調装置１００は、空気導入口２１を有する風路２と、空気導入口２１から空気を導入して風路２に流すブロワユニット３と、風路２を流れる空気を冷却するとともに除湿する冷凍サイクルとしてのヒートポンプユニット４と、風路２を流れる空気を温めるヒータユニット６と、を備える。

風路２には、空気導入口２１から吸い込まれた空気が流れる。風路２には、車室外の外気と車室内の内気とが吸い込まれる。風路２を通過した空気は、車室内に導かれる。

ブロワユニット３は、軸中心の回転によって風路２に空気を流す送風装置としてのブロワ３１を有する。ブロワユニット３は、車室外の外気を取り入れる外気取入口と車室内の内気を取り入れる内気取入口との開閉用のインテークドア（図示省略）を有する。ブロワユニット３は、外気取入口と内気取入口の開閉又は開度を調整し、車室外の外気と車室内の内気との吸込量を調整可能である。

ヒートポンプユニット４は、冷媒が循環する冷媒循環回路４１と、電動モータ（図示省略）によって駆動されて冷媒を圧縮する圧縮機としての電動コンプレッサ４２と、冷房時において電動コンプレッサ４２によって圧縮された冷媒を放熱させて凝縮させる室外熱交換器４３と、凝縮した冷媒を減圧して膨張させ温度を下げる主膨張器としての膨張弁４４と、膨張して温度が下がった冷媒によって風路２を流れる空気を冷却する主蒸発器としてのエバポレータ４５と、を有する。

電動コンプレッサ４２は、例えばベーン形の回転式コンプレッサであるが、スクロール形のコンプレッサを用いてもよい。電動コンプレッサ４２は、コントローラ（図示省略）からの指令信号によって回転速度が制御される。

電動コンプレッサ４２の上流には、アキュムレータ４６が設けられる。アキュムレータ４６は、エバポレータ４５から送られてきた冷媒のうち余剰分を一時的に溜めると共に、気体冷媒のみを電動コンプレッサ４２に送る。

冷房時の室外熱交換器４３は、外気との熱交換によって冷媒を冷却して液化させる。このときの室外熱交換器４３は、気体冷媒を液化させる主室外熱交換器４３ａと、液体冷媒が溜められるリキッドタンク４３ｂと、液体冷媒を更に冷却する過冷却室外熱交換器４３ｃと、を有する。

膨張弁４４は、室外熱交換器４３によって冷却された液体冷媒を膨張させて更に低温にする。膨張弁４４は、エバポレータ４５の出口側に取り付けられた感温筒部（図示省略）を有し、エバポレータ４５の出口側における冷媒の過熱度を所定値に維持するように開度が自動的に調整される。

エバポレータ４５は、膨張弁４４によって減圧された液体冷媒と風路２を流れる空気との間で熱交換を行う。エバポレータ４５は、風路２内に設けられ、風路２を流れる空気を冷却及び除湿する。エバポレータ４５では、風路２を流れる空気の熱によって液体冷媒が蒸発して気体冷媒になる。エバポレータ４５によって蒸発した気体冷媒は、アキュムレータ４６を介して再び電動コンプレッサ４２に供給される。

また、ヒートポンプユニット４は、冷媒が後述するエンジン冷却回路６０内の冷却水から吸熱する副蒸発器としてのエバポレータ５１と、エバポレータ５１にて吸熱した冷媒から後述するヒータ回路７０内の冷却水に放熱する副凝縮器としてのコンデンサ５２と、コンデンサ５２を通過した冷媒を減圧する副膨張器としてのオリフィス５３と、電動コンプレッサ４２によって圧縮された冷媒をエバポレータ５１に導く状態とエバポレータ４５に導く状態とに切り換える切換弁としての三方弁５４と、電動コンプレッサ４２にて圧縮された冷媒を、オリフィス５３をバイパスして循環させるバイパス通路５５と、バイパス通路５５を開閉するバイパス弁としての開閉弁５６と、を更に有する。

エバポレータ５１は、コンデンサ５２及びオリフィス５３を通過して減圧された冷媒と後述するエンジン冷却回路６０の放熱器６２との間で熱交換を行う。エバポレータ５１によって蒸発した気体冷媒は、アキュムレータ４６を介して再び電動コンプレッサ４２に供給される。

コンデンサ５２は、後述するヒータ回路７０の吸熱器７２との熱交換によって冷媒を冷却する。

オリフィス５３は、冷媒の流れを絞って減圧する。オリフィス５３は、コンデンサ５２によって冷却された冷媒を膨張させて更に低温にする。オリフィス５３に代えて、温度式膨張弁やキャピラリーチューブを副膨張器として用いてもよい。

三方弁５４は、コントローラからの指令信号によって切り換えられる。三方弁５４が、電動コンプレッサ４２によって圧縮された冷媒をエバポレータ４５に導くように切り換えられると、冷媒は室外熱交換器４３と膨張弁４４とエバポレータ４５とアキュムレータ４６とを通過して再び電動コンプレッサ４２に供給される。一方、三方弁５４が、電動コンプレッサ４２によって圧縮された冷媒をエバポレータ５１に導く状態に切り換えられると、冷媒はエバポレータ５１を通過した後、戻り通路５７を通り、アキュムレータ４６を介して再び電動コンプレッサ４２に供給される。

バイパス通路５５は、冷媒循環回路４１におけるコンデンサ５２の上流とオリフィス５３の下流とを連通させる。

開閉弁５６は、コントローラからの指令信号によって切り換えられる。開閉弁５６は、開状態に切り換えられた場合にバイパス通路５５を連通させ、閉状態に切り換えられた場合にバイパス通路５５を遮断する。開閉弁５６がバイパス通路５５を連通させると、電動コンプレッサ４２から導かれる冷媒は、コンデンサ５２とオリフィス５３とをバイパスし、減圧されずに三方弁５４に導かれる。開閉弁５６に代えて、電動コンプレッサ４２から導かれる冷媒をコンデンサ５２に導く状態とバイパス通路５５に導く状態とを切り換える三方弁を用いてもよい。

ヒータユニット６は、エンジン９を冷却水によって冷却するエンジン冷却回路６０と、風路２を通じて車両１の車室内に導かれる空気を加熱する車室内放熱器としてのヒータコア７５を冷却水によって温めるヒータ回路７０と、遮断状態に切り換えられた場合にエンジン冷却回路６０とヒータ回路７０との連通を遮断する遮断機構としての三方弁７と、を有する。

エンジン冷却回路６０は、冷却水が循環する第１冷却水循環通路としての冷却水循環通路６３と、冷却水循環通路６３内の冷却水を循環させるウォーターポンプ６１と、ヒートポンプユニット４のエバポレータ５１と対峙して設けられる放熱器６２と、を有する。冷却水循環通路６３は、車両１のエンジン９に冷却水を循環させる。また、冷却水循環通路６３は、車両１のラジエータ８にも冷却水を循環させることが可能である。

放熱器６２は、エバポレータ５１との間で熱交換を行う。具体的には、放熱器６２は、エバポレータ５１内を流れる液体冷媒を加熱して蒸発させる。図１では、冷却水循環通路６３の一部の構成を省略して示している。冷却水循環通路６３の具体的な構成については、後で図２を参照しながら詳細に説明する。

ヒータ回路７０は、冷却水が循環する第２冷却水循環通路としての冷却水循環通路７３と、冷却水循環通路７３内の冷却水を循環させるウォーターポンプ７１と、コンデンサ５２と対峙して設けられる吸熱器７２と、風路２内に配設されるヒータコア７５と、を有する。

吸熱器７２は、コンデンサ５２との間で熱交換を行う。具体的には、吸熱器７２は、コンデンサ５２内を流れる気体冷媒を冷却する。

三方弁７は、コントローラからの指令信号によって切り換えられる。三方弁７が連通状態に切り換えられると、連通通路６５が連通して冷却水循環通路６３と冷却水循環通路７３とが連通する。この場合、エンジン９にて加熱された冷却水が、三方弁７を通過してヒータコア７５に導かれる。一方、三方弁７が遮断状態に切り換えられると、連通通路６５が遮断されて冷却水循環通路６３と冷却水循環通路７３との連通が遮断される。この場合、冷却水循環通路６３内と冷却水循環通路７３内とでは、各々独立して冷却水が循環する。三方弁７に代えて、連通通路６５を連通状態と遮断状態とに切り換える開閉弁を遮断機構として用いてもよい。

風路２内におけるヒータコア７５の上流には、風路２を流れる空気のうちヒータコア７５に導かれる空気とヒータコア７５をバイパスする空気との流量を調整するミックスドア７６が設けられる。ミックスドア７６は、コントローラの指令信号によって動作する。

次に、図２を参照して、冷却水循環通路６３の具体的な構成について説明する。

図２に示すように、エンジン９は、ピストン（図示省略）が往復動するシリンダ（図示省略）が形成されるシリンダブロック９ｂと、吸気ポート（図示省略）及び排気ポート（図示省略）が形成されてシリンダブロック９ｂの上部に締結固定されるシリンダヘッド９ａと、を有する。エンジン９の冷間始動時の暖機運転では、シリンダヘッド９ａは、燃焼室に近い分、シリンダブロック９ｂと比較してエンジン９の運転による発熱量が大きいので、早く温度が上昇する。

冷却水循環通路６３は、シリンダヘッド９ａに形成され冷却水が通過する第１冷却水通路６３ａと、シリンダブロック９ｂに形成され冷却水が通過する第２冷却水通路６３ｂと、第２冷却水通路６３ｂに導かれる冷却水の温度が所定の温度を超えると閉状態から開状態に切り換えられる温度開閉弁としてのサーモスタット６３ｃと、を有する。つまり、第１冷却水通路６３ａは、エンジン９の一部に形成され、第２冷却水通路６３ｂは、第１冷却水通路６３ａが形成される部分と比較してエンジン９の運転による発熱量が小さいエンジン９の他の一部に形成される。

冷却水循環通路６３は、ラジエータ８とエンジン９とを連結する冷却水の通路におけるラジエータ８の上流に設けられる温度開閉弁としてのサーモスタット８ａを有する。サーモスタット８ａは、ラジエータ８に導かれる冷却水の温度が所定の温度を超えると閉状態から開状態に切り換えられる。サーモスタット６３ｃが開状態に切り換えられる所定の温度は、サーモスタット８ａが開状態に切り換えられる所定の温度と比較して低く設定される。

冷却水循環通路６３は、エンジン９の下流であり、かつエバポレータ５１が設けられる位置よりも上流に、冷却水がエンジン９の排気から吸熱する排気熱交換器６４を有する。排気熱交換器６４は、例えば、排気管（図示省略）から排出される排気ガスから吸熱して排熱を回収する排熱回収装置や、排気ガスの一部を吸気側に還流させるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置（図示省略）に設けられＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラである。

以下、主に図３から図１０を参照して、車両用空調装置１００の作用について説明する。

車両用空調装置１００では、空気導入口２１から風路２に導入された空気は、まず、ブロワ３１によってヒートポンプユニット４に導かれる。ヒートポンプユニット４では、風路２を流れる空気が、エバポレータ４５との熱交換によって冷却されるとともに除湿される。

エバポレータ４５を通過した空気は、ミックスドア７６によって、ヒータコア７５に導かれる空気とヒータコア７５をバイパスする空気とに分けられる。ヒータコア７５に導かれた空気は、ヒータコア７５との熱交換によって温められる。そして、ヒータコア７５によって温められた空気とヒータコア７５をバイパスした空気とが再び合流して、車室内に導かれる。このように、車両用空調装置１００は、空気導入口２１から風路２に導入された空気の温度と湿度とを調整して車室内に導く。

次に、図３から図８を参照して、各運転モードについて説明する。図３から図８では、冷媒又は冷却水が循環する通路を太実線で示し、冷媒又は冷却水の循環が停止する通路を破線で示す。

車両用空調装置１００では、三方弁７が冷却水循環通路６３と冷却水循環通路７３とを連通させるエンジン暖房モードと、三方弁７が冷却水循環通路６３と冷却水循環通路７３とを遮断すると共に、ヒートポンプユニット４が稼働するヒートポンプ暖房モードと、のいずれかによって暖房運転が行われる。

＜冷媒回収モード＞
冷媒回収モードによる運転は、晩秋や初冬など暖房が必要とされるシーズン当初のように、冷房運転から暖房運転に切り換える際に少なくとも一度行われる。あるいは、除湿暖房運転から暖房運転に切り換える際にも行われる。冷媒回収モードによる運転は、例えば１分間程度連続して行われ、その後暖房運転に切り換えられる。図３に示すように、冷媒回収モードでは、三方弁５４は、室外熱交換器４３に冷媒を導く状態に切り換えられる。開閉弁５６は、閉状態に切り換えられる。三方弁７は、遮断状態に切り換えられる。

これにより、ヒートポンプユニット４では、電動コンプレッサ４２によって圧縮された冷媒が、コンデンサ５２を通過して冷却され、その一部が液化される。次いで、冷媒はオリフィス５３を通過して減圧され、室外熱交換器４３にて蒸発する。このとき、室外熱交換器４３は、蒸発器として機能する。そして、気相化した冷媒は、膨張弁４４を通過してエバポレータ４５に導かれ、アキュムレータ４６を介して再び電動コンプレッサ４２に供給される。このとき、冷却水循環通路６３と冷却水循環通路７３とでは、各々独立して冷却水が循環する。

このように、車両用空調装置１００では、冷媒回収モードで運転することにより、オリフィス５３にて室外熱交換器４３内を減圧することで、室外熱交換器４３内の冷媒を蒸発させ、電動コンプレッサ４２に冷媒を吸引させる。よって、室外熱交換器４３内で寝込んでいた液体冷媒を回収して、ヒートポンプ暖房モードにおける冷媒の循環量を確保することができる。車両用空調装置１００では、冷媒回収モードで運転することで、ヒートポンプ暖房モードによる暖房運転を行うための準備が行われる。

＜ヒートポンプ暖房モード＞
ヒートポンプ暖房モードによる運転は、冷却水の温度が比較的低温の状態で行われる。図４に示すように、ヒートポンプ暖房モードでは、三方弁５４は、エバポレータ５１に冷媒を導く状態に切り換えられる。開閉弁５６は、閉状態に切り換えられる。三方弁７は、遮断状態に切り換えられる。

これにより、ヒートポンプユニット４では、電動コンプレッサ４２によって圧縮された冷媒は、コンデンサ５２とオリフィス５３とを通過して冷却され、その一部が液化される。このとき、コンデンサ５２から吸熱器７２に冷媒の熱が移動して、ヒータ回路７０内の冷却水が温められる。

オリフィス５３を通過した冷媒は、三方弁５４を介してエバポレータ５１に導かれる。エバポレータ５１では、放熱器６２の冷却水からエバポレータ５１の冷媒に熱が移動することによって、冷媒が温められる。よって、エバポレータ５１に導かれた冷媒は、一部又は全部が蒸発して戻り通路５７に導かれる。エバポレータ５１にて温められた冷媒は、アキュムレータ４６を介して再び電動コンプレッサ４２に供給される。このとき、冷却水循環通路６３と冷却水循環通路７３とでは、各々独立して冷却水が循環する。

このように、ヒートポンプ暖房モードでは、ヒートポンプユニット４が、エンジン冷却回路６０からヒータ回路７０へ冷媒を介して熱を移動させる。よって、車両用空調装置１００では、ヒートポンプユニット４によって移動したエンジン９の熱によってヒータコア７５が温められて暖房運転が行われる。

このとき、冷却水循環通路６３と冷却水循環通路７３との連通は三方弁７によって遮断されているため、冷却水循環通路７３を循環する冷却水が一度冷却されてからリヒートされることはない。したがって、冷却水のリヒートに起因するエネルギ効率の低下を抑制することができる。

ここで、例えば、エンジン９の冷間始動時にヒートポンプ暖房モードによる運転を行った場合には、ヒータコア７５を温めるためにエンジン９の熱がヒートポンプユニット４を介して冷却水循環通路７３に移動する。そのため、エンジン９の暖機運転に時間がかかるおそれがある。

これに対して、図２に示すように、エンジン冷却回路６０では、冷却水循環通路６３は、シリンダヘッド９ａに形成される第１冷却水通路６３ａと、シリンダブロック９ｂに形成される第２冷却水通路６３ｂと、を有する。冷却水の温度が比較的低いうちは、サーモスタット６３ｃは閉状態であるため、冷却水は、第１冷却水通路６３ａを通過するが第２冷却水通路６３ｂを通過しない。よって、冷却水の温度が比較的低いうちは、燃焼室に近く早く温度が上昇するシリンダヘッド９ａのみを冷却水が通過するため、シリンダブロック９ｂの暖気を損なうことなく冷却水を効率的に温めることができる。

また、冷却水循環通路６３は、冷却水がエンジン９の排気から吸熱する排気熱交換器６４を有する。そのため、エバポレータ５１と熱交換を行う前の冷却水をエンジン９の排気熱によっても温めることができる。よって、ヒートポンプユニット４の運転を早期に開始することができると共に、エンジン９の暖機運転を迅速に行うことができる。

そして、冷却水循環通路６３を循環する冷却水が所定の温度を超えると、サーモスタット６３ｃが閉状態から開状態に切り換えられる。これにより、冷却水は、第１冷却水通路６３ａと第２冷却水通路６３ｂとの両方を通過するようになる。よって、冷却水は、シリンダヘッド９ａとシリンダブロック９ｂとの両方の熱によって温められる。

＜エンジン暖房モード＞
エンジン暖房モードによる運転は、ヒートポンプ暖房モードと比較して冷却水の温度が高温の状態で行われる。図５に示すように、エンジン暖房モードでは、電動コンプレッサ４２の運転が停止され、ヒートポンプユニット４内を冷媒は循環しない。三方弁７は、連通状態に切り換えられる。

これにより、冷却水循環通路６３と冷却水循環通路７３とが連通し、エンジン９にて温められた冷却水がヒータコア７５に導かれる。よって、車両用空調装置１００では、エンジン９の熱によってヒータコア７５が温められて暖房運転が行われる。

なお、図６に示すように、三方弁７が連通状態に切り換えられた場合に冷却水が通過せず遮断状態に切り換えられた場合にのみ冷却水が通過する冷却水循環通路７３の連通通路部７３ａにウォーターポンプ７１を設けてもよい。この場合、ウォーターポンプ７１の運転を停止させ、ウォーターポンプ６１のみを運転させてエンジン暖房モードによる暖房運転を行うことが可能である。

＜冷房モード＞
図７に示すように、冷房モードでは、三方弁５４は、エバポレータ４５に冷媒を導く状態に切り換えられる。開閉弁５６は、開状態に切り換えられる。

これにより、ヒートポンプユニット４では、電動コンプレッサ４２によって圧縮された冷媒は、開閉弁５６と三方弁５４とを介してコンデンサに導かれる。室外熱交換器４３に導かれた冷媒は、冷却されて液化され、膨張弁４４にて更に低温低圧にされてエバポレータ４５に導かれる。エバポレータ４５に導かれた冷媒は、蒸発してアキュムレータ４６に導かれる。アキュムレータ４６に導かれた冷媒は、再び電動コンプレッサ４２に供給される。

冷房運転を最大能力で行う場合には、図７に示すように、三方弁７が遮断状態に切り換えられると共に、ウォーターポンプ７１の運転が停止される。よって、冷却水循環通路７３内を冷却水が循環しないため、ヒータコア７５が温められることはない。また、このときミックスドア７６は、風路２を流れる空気がヒータコア７５に導かれないように閉じられる。よって、エバポレータ４５によって冷却及び除湿された空気は、温められることなく低温を維持したまま車室内に導かれる。

一方、冷房運転を最大能力で行う場合以外において、三方弁７を連通状態に切り換えてもよい。これにより、冷却水循環通路６３と冷却水循環通路７３とが連通し、エンジン９にて温められた冷却水がヒータコア７５に導かれる。よって、ヒータコア７５が温められるため、ミックスドア７６によって、風路２を流れる空気のうちヒータコア７５に導かれる空気とヒータコア７５をバイパスする空気との流量が調整される。

なお、ミックスドア７６の位置を調整して、風路２を流れる空気のうちヒータコア７５に導かれる空気の流量を増やせば、エバポレータ４５にて除湿された空気をヒータコア７５で温めて車室内に導く除湿暖房運転となる。

＜蓄冷モード＞
蓄冷モードによる運転は、主に暑い時期における冷房運転時に行われる。また、蓄冷モードによる運転は、エンジン９が停止している状態で行われる。図８に示すように、蓄冷モードでは、冷房モードと同様に、三方弁５４は、エバポレータ４５に冷媒を導くように切り換えられ、開閉弁５６は、開状態に切り換えられる。また、蓄冷モードでは、三方弁７は、遮断状態に切り換えられる。

これにより、冷却水循環通路６３と冷却水循環通路７３とでは、各々独立して冷却水が循環する。そのため、エンジン９にて温められた冷却水がヒータコア７５に導かれることはない。よって、冷却水循環通路７３内の冷却水は、風路２内でエバポレータ４５を通過して冷却及び除湿された空気がヒータコア７５に導かれることによって蓄冷される。そして、蓄冷された冷却水を冷房運転時にヒータコア７５に流すことで、風路２内の空気を冷却することができる。よって、冷房運転時のエネルギ消費量を抑制することができる。

次に、図９を参照して、車両用空調装置１００における運転モード切換制御について説明する。コントローラは、図９のルーチンを、例えば１０ミリ秒ごとの一定時間隔で繰り返し実行する。

ステップＳ１１では、目標温度Ｘｍ［℃］を設定する。この目標温度Ｘｍ［℃］は、エンジン暖房モードによる暖房運転が可能となるエンジン９の冷却水の温度である。

ステップＳ１２では、車両用空調装置１００が暖房運転を行うか否かを判定する。ステップＳ１２にて、車両用空調装置１００が暖房運転を行うと判定された場合には、ステップＳ１３に移行する。一方、ステップＳ１２にて、車両用空調装置１００が暖房運転を行わないと判定された場合には、ステップＳ１９に移行して冷房モードによる冷房運転が行われる。

ステップＳ１３では、車両用空調装置１００が前回運転された際に、冷房運転又は除湿暖房運転であったか否かを判定する。ステップＳ１３にて、前回運転時に車両用空調装置１００が冷房運転又は除湿暖房運転であったと判定された場合には、ステップＳ１６に移行して冷媒回収モードによる運転が行われる。一方、ステップＳ１３にて、前回運転時に車両用空調装置１００が冷房運転又は除湿暖房運転でなかったと判定された場合には、ステップＳ１４に移行する。

ステップＳ１４では、エンジン９の冷却水の温度Ｔ［℃］を検出する。具体的には、ステップＳ１４では、冷却水循環通路６３の冷却水の温度を検出する。

ステップＳ１５では、冷却水の温度Ｔ［℃］が上昇している場合にＴ＞Ｘｍ＋５となったか否か、又は冷却水の温度Ｔ［℃］が下降している場合にＴ＞Ｘｍであるか否かを判定する。このとき、Ｘｍ＋５［℃］が、第１設定温度に該当し、Ｘｍ［℃］が、第２設定温度に該当する。なお、第１設定温度は、第２設定温度よりも高ければよいため、Ｘｍ＋５［℃］に限られない。

ステップＳ１５にて、冷却水の温度上昇時にＴ＞Ｘｍ＋５となったか、又は冷却水の温度下降時にＴ＞Ｘｍであると判定された場合には、ステップＳ１７に移行してエンジン暖房モードによる暖房運転が行われる。一方、ステップＳ１５にて、冷却水の温度上昇時にＴ≦Ｘｍ＋５であるか、又は冷却水の温度下降時にＴ≦Ｘｍとなったと判定された場合には、ステップＳ１８に移行してヒートポンプ暖房モードによる暖房運転が行われる。

このように、車両用空調装置１００は、エンジン９が稼働している状態では、冷却水の温度が上昇するため、冷却水循環通路６３の冷却水の温度がＸｍ＋５［℃］以下の場合にヒートポンプ暖房モードによって暖房運転を行い、冷却水循環通路６３の冷却水の温度がＸｍ＋５［℃］よりも高くなった場合にエンジン暖房モードに切り換えて暖房運転を行う。

一方、車両用空調装置１００は、エンジン９が停止している状態では、冷却水の温度が下降するため、冷却水循環通路６３の冷却水の温度がＸｍ［℃］よりも高い場合にエンジン暖房モードによって暖房運転を行い、冷却水循環通路６３の冷却水の温度がＸｍ［℃］以下になった場合にヒートポンプ暖房モードによって暖房運転を行う。

次に、図１０を参照して、暖房運転時における車両用空調装置１００の運転モード切換制御の作用について説明する。

図１０では、横軸が時間ｔ［ｓ］であり、縦軸が冷却水の温度Ｔ［℃］である。また、図１０では、エンジン９の冷却水の温度を実線で示し、電動コンプレッサ４２を最高出力で運転し続けた場合のヒータコア７５の冷却水の温度を破線で示し、電動コンプレッサ４２の出力制御を行う実際のヒータコア７５の冷却水の温度を太実線で示す。

図１０に示すように、車両用空調装置１００の運転を開始すると、エンジン９の熱によって冷却水の温度が上昇する。このとき、ヒートポンプ暖房モードにて暖房運転が行われるため、冷却水循環通路６３内の冷却水の熱がヒートポンプユニット４によって冷却水循環通路７３内の冷却水に移動する。よって、ヒータコア７５を通過する冷却水の温度の方が、エンジン９を通過する冷却水の温度と比較して早く上昇する。

ヒータコア７５を通過する冷却水の温度がＸｍ＋５［℃］まで上昇すると、電動コンプレッサ４２の出力制御が行われる。具体的には、コントローラは、ヒータコア７５を通過する冷却水の温度がＸｍ＋５［℃］を維持するように電動コンプレッサ４２の出力を調整する。

そして、エンジン９を通過する冷却水の温度がＸｍ＋５［℃］を超えると、ヒートポンプ暖房モードからエンジン暖房モードに切り換えられて暖房運転が行われる。このとき、冷却水循環通路６３と冷却水循環通路７３とが連通するため、ヒータコア７５を通過する冷却水の温度は、エンジン９を通過する冷却水の温度と等しくなる。

このように、ヒートポンプ暖房モードでは、エンジン９の熱がヒートポンプユニット４を介して冷却水循環通路７３に伝達されるため、エンジン９を通過する冷却水循環通路６３の冷却水の温度よりもヒータコア７５を通過する冷却水循環通路７３の冷却水の温度の方が早く上昇する。よって、ヒータコア７５の温度が早く上昇するため、ヒータコア７５を温めるためにエンジン９を運転する時間を短縮することができる。

以上の第１の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

車両用空調装置１００では、ヒートポンプユニット４によって、冷却水がエンジン９を通過する冷却水循環通路６３から冷却水がヒータコア７５を通過する冷却水循環通路７３へ冷媒を介して熱を移動させる。また、冷却水循環通路６３と冷却水循環通路７３とは、三方弁７によって連通が遮断可能である。よって、三方弁７が遮断状態に切り換えられた状態では、冷却水循環通路７３を循環する冷却水が一度冷却されてからリヒートされることはない。したがって、冷却水のリヒートに起因するエネルギ効率の低下を抑制することができる。

また、ヒートポンプ暖房モードでは、エンジン９の熱がヒートポンプユニット４を介して冷却水循環通路７３に伝達されるため、エンジン９を通過する冷却水循環通路６３の冷却水の温度よりもヒータコア７５を通過する冷却水循環通路７３の冷却水の温度の方が早く上昇する。よって、ヒータコア７５の温度が早く上昇するため、ヒータコア７５を温めるためにエンジン９を運転する時間を短縮することができる。

なお、図１１に示す変形例のように、バイパス通路５５がコンデンサ５２とオリフィス５３とをバイパスする構成に代えて、オリフィス５３のみをバイパスするようにしてもよい。この場合にも、上記実施形態と同様に、冷媒回収モード，ヒートポンプ暖房モード，エンジン暖房モード，及び冷房モードによる運転が可能である。

（第２の実施形態）
次に、図１２を参照して、本発明の第２の実施形態に係る車両用空調装置２００について説明する。なお、第２の実施形態では、上述した第１の実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

第２の実施形態では、電動コンプレッサ４２に代えてベルト駆動コンプレッサ４７が適用される。また、ヒートポンプユニット４とは別に、冷却水循環通路６３内の冷却水の熱を冷却水循環通路７３内の冷却水に移動させるサブ冷凍サイクルとしてのサブヒートポンプユニット５が設けられる。

第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、ヒートポンプ暖房モード，エンジン暖房モード，冷房モード，及び蓄冷モードによる運転が可能である。なお、第２の実施形態では、冷媒回収モードによる運転を行う必要はない。

ヒートポンプユニット４は、冷房用の冷媒が循環する冷媒循環回路４１と、エンジン９によって駆動されて冷媒を圧縮する圧縮機としてのベルト駆動コンプレッサ４７と、ベルト駆動コンプレッサ４７によって圧縮された冷媒を冷却して凝縮させる室外熱交換器４３と、凝縮した冷媒を減圧して膨張させ温度を下げる膨張弁４４と、膨張して温度が下がった冷媒によって風路２を流れる空気を冷却するエバポレータ４５と、を有する。

サブヒートポンプユニット５は、冷媒が循環する冷媒循環回路５９と、エンジン冷却回路６０内の冷却水から吸熱するエバポレータ５１と、エバポレータ５１にて吸熱した冷媒からヒータ回路７０内の冷却水に放熱するコンデンサ５２と、コンデンサ５２を通過した冷媒を減圧するオリフィス５３と、電動コンプレッサ４２と比較して小型の電動コンプレッサ５８と、を有する。

ヒートポンプ暖房モードでは、三方弁７は、遮断状態に切り換えられる。これにより、冷却水循環通路６３と冷却水循環通路７３とでは、各々独立して冷却水が循環する。

また、車両用空調装置２００では、サブヒートポンプユニット５が、エンジン冷却回路６０からヒータ回路７０へ冷媒を介して熱を移動させる。よって、車両用空調装置２００では、サブヒートポンプユニット５によって移動したエンジン９の熱によってヒータコア７５が温められて暖房運転が行われる。

このとき、冷却水循環通路６３と冷却水循環通路７３との連通は三方弁７によって遮断されているため、冷却水循環通路７３を循環する冷却水が一度冷却されてからリヒートされることはない。したがって、冷却水のリヒートに起因するエネルギ効率の低下を抑制することができる。

一方、エンジン暖房モードでは、電動コンプレッサ５８の運転が停止され、サブヒートポンプユニット５内を冷媒は循環しない。三方弁７は、連通状態に切り換えられる。

これにより、冷却水循環通路６３と冷却水循環通路７３とが連通し、エンジン９にて温められた冷却水がヒータコア７５に導かれる。よって、車両用空調装置２００では、エンジン９の熱によってヒータコア７５が温められて暖房運転が行われる。

以上の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、サブヒートポンプユニット５によって、冷却水がエンジン９を通過する冷却水循環通路６３から冷却水がヒータコア７５を通過する冷却水循環通路７３へ冷媒を介して熱を移動させる。また、冷却水循環通路６３と冷却水循環通路７３とは、三方弁７によって連通が遮断可能である。よって、三方弁７が遮断状態に切り換えられた状態では、冷却水循環通路７３を循環する冷却水が一度冷却されてからリヒートされることはない。したがって、冷却水のリヒートに起因するエネルギ効率の低下を抑制することができる。

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、上記実施形態において、電動コンプレッサ４２に代えて、エンジンによるベルト駆動のコンプレッサを用いてもよい。ただし、この場合には、エンジン停止時において、ヒートポンプ暖房モードでの暖房運転は行わず、エンジン暖房モードによる暖房運転を行う。

１００ 車両用空調装置
２００ 車両用空調装置
１ 車両
４ ヒートポンプユニット（冷凍サイクル）
５ サブヒートポンプユニット（サブ冷凍サイクル）
６ ヒータユニット
７ 三方弁（遮断機構）
８ａ サーモスタット（温度開閉弁）
９ エンジン
４１ 冷媒循環回路
４２ 電動コンプレッサ（圧縮機）
４３ 室外熱交換器
４４ 膨張弁（主膨張器）
４５ エバポレータ（主蒸発器）
４６ アキュムレータ
４７ ベルト駆動コンプレッサ（圧縮機）
５１ エバポレータ（副蒸発器）
５２ コンデンサ（副凝縮器）
５３ オリフィス
５４ 三方弁（切換弁）
５６ 開閉弁（バイパス弁）
５８ 電動コンプレッサ（圧縮機）
５９ 冷媒循環回路
６０ エンジン冷却回路
６２ 放熱器
６３ 冷却水循環通路（第１冷却水循環通路）
６３ａ 第１冷却水通路
６３ｂ 第２冷却水通路
６３ｃ サーモスタット（温度開閉弁）
６４ 排気熱交換器
７０ ヒータ回路
７２ 吸熱器
７３ 冷却水循環通路（第２冷却水循環通路）
７５ ヒータコア（車室内放熱器）

Claims (9)

1. 車両の車室内に導かれる空気を加熱する車室内放熱器を有する車両用空調装置であって、
   冷却水がエンジンを通過する第１冷却水循環通路と、
   前記第１冷却水循環通路と連通し、冷却水が前記車室内放熱器を通過する第２冷却水循環通路と、
   遮断状態に切り換えられた場合に、前記第１冷却水循環通路と前記第２冷却水循環通路との連通を遮断する遮断機構と、
   冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒が前記第１冷却水循環通路内の冷却水から吸熱する副蒸発器と、前記副蒸発器にて吸熱した冷媒から前記第２冷却水循環通路内の冷却水に放熱する副凝縮器と、前記副凝縮器を通過した冷媒を減圧する副膨張器と、を有する冷凍サイクルと、を備えることを特徴とする車両用空調装置。
2. 請求項１に記載の車両用空調装置であって、
   前記第１冷却水循環通路は、
   前記エンジンの一部に形成され冷却水が通過する第１冷却水通路と、
   前記第１冷却水通路が形成される部分と比較して前記エンジンの運転による発熱量が小さい前記エンジンの他の一部に形成され冷却水が通過する第２冷却水通路と、
   前記第２冷却水通路に導かれる冷却水の温度が所定の温度を超えると前記第２冷却水通路を冷却水が通過するように閉状態から開状態に切り換えられる温度開閉弁と、を有することを特徴とする車両用空調装置。
3. 請求項２に記載の車両用空調装置であって、
   前記第１冷却水循環通路は、前記副蒸発器が設けられる位置よりも上流に、冷却水が前記エンジンの排気から吸熱する排気熱交換器を更に有することを特徴とする車両用空調装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の車両用空調装置であって、
   前記遮断機構が前記第１冷却水循環通路と前記第２冷却水循環通路とを連通させるエンジン暖房モードと、
   前記遮断機構が前記第１冷却水循環通路と前記第２冷却水循環通路とを遮断すると共に、前記冷凍サイクルが稼働するヒートポンプ暖房モードと、のいずれかによって暖房運転を行うことを特徴とする車両用空調装置。
5. 請求項４に記載の車両用空調装置であって、
   前記エンジンが稼働している状態では、前記第１冷却水循環通路の冷却水の温度が予め設定された第１設定温度以下の場合に前記ヒートポンプ暖房モードによって暖房運転を行い、前記第１冷却水循環通路の冷却水の温度が前記第１設定温度よりも高い場合に前記エンジン暖房モードによって暖房運転を行うことを特徴とする車両用空調装置。
6. 請求項５に記載の車両用空調装置であって、
   前記エンジンが停止している状態では、前記第１冷却水循環通路の冷却水が前記第１設定温度よりも低く設定される第２設定温度以下の場合に前記ヒートポンプ暖房モードによって暖房運転を行い、前記第１冷却水循環通路の冷却水が前記第２設定温度よりも高い場合に前記エンジン暖房モードによって暖房運転を行うことを特徴とする車両用空調装置。
7. 請求項１から６のいずれか一つに記載の車両用空調装置であって、
   前記冷凍サイクルは、
   冷媒を外気との熱交換によって冷却する室外熱交換器と、
   前記室外熱交換器にて冷却された冷媒を減圧する主膨張器と、
   前記主膨張器にて減圧された冷媒によって前記車室内に導かれる空気を冷却する主蒸発器と、
   前記圧縮機によって圧縮された冷媒を前記副蒸発器に導く状態と前記主蒸発器に導く状態とに切り換える切換弁と、
   開状態に切り換えられた場合に、前記圧縮機にて圧縮された冷媒を、前記副膨張器をバイパスして循環させるバイパス弁と、を更に有し、
   前記切換弁を前記主蒸発器に冷媒を導く状態に切り換えると共に、前記バイパス弁を開状態に切り換えることによって冷房運転を行うことを特徴とする車両用空調装置。
8. 請求項７に記載の車両用空調装置であって、
   冷房運転中に前記エンジンが停止している状態では、前記遮断機構を遮断状態に切り換えると共に、前記車室内に導かれる空気によって前記車室内放熱器を冷却することを特徴とする車両用空調装置。
9. 請求項７又は８に記載の車両用空調装置であって、
   冷房運転又は除湿暖房運転から暖房運転に切り換えられた場合には、前記切換弁を前記主蒸発器に冷媒を導く状態に切り換え、前記バイパス弁を閉状態に切り換えることによって、前記副膨張弁にて減圧された冷媒を前記室外熱交換器にて蒸発させて前記室外熱交換器内を減圧することを特徴とする車両用空調装置。

Images