JP3781147B2 - ヒートポンプ式自動車用空気調和装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の車室内をエンジン冷却水と冷媒を用いて冷暖房するようにしたヒートポンプ式自動車用空気調和装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車用空気調和装置の冷凍サイクルは、コンプレッサから吐出された冷媒を、外部熱交換器（冷房時にコンデンサとして機能する）、冷媒膨脹部材および内部熱交換器（冷房時にエバポレータとして機能する）を経て前記コンプレッサに帰還させるようになっていることは周知である。
【０００３】
このような冷凍サイクルが組み込まれたヒートポンプ式自動車用空気調和装置（以降、単に自動車用空気調和装置とも記す）は、例えば図１２に示すように、ユニットケース１０の端部に設けられたインテークユニット１１から車室内空気（内気）と車室外空気（外気）を選択的に風路１４内に取り入れ、これを空気調和して車室内に向かって吹き出すようにしている。
【０００４】
この場合、風路１４内には、エンジン１により加熱されたエンジン冷却水（図中１点鎖線で示す）が温水コック１２ｂを通って導入されるヒーターコア１３と、コンプレッサ２から吐出された冷媒が外部熱交換器３、リキッドタンク４および冷媒膨脹部材５を経て流入する内部熱交換器Ｅと、この内部熱交換器Ｅにより冷却された空気がヒーターコア１３側とヒータコアをバイパスするバイパス通路側を通過する比率を調整するミックスドア１５とが設けられている。
【０００５】
この内部熱交換器Ｅにより冷却され、かつ除湿された後の冷風は、ミックスドア１５によりヒーターコア１３側とバイパス通路側に分岐され、当該ヒーターコア１３により加熱された高温度の空気は、バイパス通路側を通過した低温度の空気とヒーターコア１３の下流で再びミックスされ、所定温度とされた後に配風ドア１６により所定の吹出口（ベント口１７ｖ、デフ口１７ｄ、フット口１７ｆ）から車室内の前方に向かって吹き出される。
【０００６】
なお図中、付号「Ｆ」はファンを、付号「Ｍ」はモータをそれぞれ表している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところがこのような自動車用空気調和装置で車室内の暖房を行う場合、例えば冬季の朝のように外気の温度が低いとき、起動時にはエンジン冷却水の温度が低いため、快適性の目安となる空気の吹出温度が５０℃となるまでの暖房の立ち上がりが遅いため、運転開始と同時に暖かい空気を吹き出す性能、いわゆる即暖性が充分得られないことが考えられる。
【０００８】
特に、エンジンのアイドリング時、あるいは低負荷時にはエンジン冷却水の温度は４０℃以下と低く、即暖性、さらには暖房性能までも不足する傾向にある。このような即暖性および暖房性能の不足の問題は、近年ではワンボックスカー等の室内容積の大きい自動車の需要が高まる傾向にあるために、ますます解決すべき重要な課題となっている。
【０００９】
本発明は、このような点に鑑みて行われたものであって、より即暖性および暖房性能の高いヒートポンプ式自動車用空気調和装置を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のヒートポンプ式自動車用空気調査装置は、コンプレッサによって循環する冷媒が流れる外部熱交換器および主内部熱交換器と、冷媒の流れ方向に沿って冷媒通路断面積を異ならしめた冷媒通路を有する補助熱交換器と、前記冷媒通路の断面積のうち、より冷媒通路断面積が小なる側に設けられる冷媒膨張部材と、さらに前記主内部熱交換器とコンプレッサとの間に設けられるアキュムレータとを有するヒートポンプ式自動車用空気調和装置であって、コンプレッサが吐出した冷媒を、前記冷媒膨張部材を通して前記補助内部熱交換器の冷媒通路断面積が小なる側より冷媒通路断面積が大なる側へ導き、前記主内部熱交換器に送る第１経路と、前記補助内部熱交換器の冷媒通路断面積が大なる側より冷媒通路断面積が小なる側へ導き、前記冷媒膨張部材を通して前記主内部熱交換器に送る第２経路とを切替る冷媒経路切替手段とを有することを特徴とするものである。
【００１５】
このように構成することによって、補助内部熱交換器をエバポレータとして機能させる場合には第１経路に切替えて、補助内部熱交換器内に液体として流入する冷媒の圧力損失を低減することができる。よって補助内部熱交換器から主内部熱交換器へ、流量を低下させることなく冷媒を送り込むことができて、冷房、暖房能力を低下させることがなくなる。
【００１６】
請求項２記載のヒートポンプ式自動車用空気調和装置は、前記冷凍サイクルは、暖房時に前記コンプレッサから吐出された冷媒が前記外部熱交換器をバイパスするバイパス回路を流れて前記主および補助内部熱交換器に導かれるように構成したことを特徴とするものである。
【００１７】
このように構成することによって、暖房運転時には冷媒が外部熱交換器をバイパスして放熱することなく補助内部熱交換器に流入してくるために、いっそう暖房性能を高めることができる。
【００１８】
請求項３記載のヒートポンプ式自動車用空気調和装置は、前記冷凍サイクルは、前記主内部熱交換器とコンプレッサとの間にサブ熱交換器とを有し、サブ熱交換器で前記主内部熱交換器を流出した冷媒をエンジン冷却水の一部で加熱するように構成したことを特徴とするものである。
【００１９】
このように構成することによって、サブ熱交換器で主内部熱交換器を流出した冷媒を、エンジン冷却水の熱を用いて加熱し、コンプレッサに帰還させることができるようになる。よってコンプレッサに液体冷媒が流れ込むことを抑止して、コンプレッサを保護することができるようになる。また、暖房時にはエンジン冷却水の熱をも冷媒の加熱に利用することができるようになるために、いっそう暖房効果を高めることもできるようになる。
【００２０】
請求項４記載のヒートポンプ式自動車用空気調和装置は、前記冷凍サイクルは、暖房起動時に前記外部熱交換器内に寝込んでいる冷媒を前記コンプレッサに回収する戻し回路を有することを特徴とするものである。
【００２１】
このように構成することによって、暖房起動直後から多量の冷媒をコンプレッサに戻すことができるようになり、よりいっそう即暖性を高めることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１および図２は、本発明に係るヒートポンプ式自動車用空気調和装置の第１の実施の形態を示す概略構成図であり、図１は暖房運転時の状態を、図２は冷房運転時の状態をそれぞれ示しており、また図３は、開放状態と絞り状態を選択的に切替えることができる流量切替弁の作動特性を説明する図である。また図４は、本実施の形態の自動車用空気調和装置の冷房、または暖房の運転状態と流量切替弁の作動との関係をまとめた図である。なお従来の構成を説明した図１２と共通する部材には同一の付号を付し、一部説明を省略するものとする。また図中実線の矢線は空気の流れを、点線の矢線は冷媒の流れを、一点鎖線の矢線はエンジン冷却水の流れをそれぞれ示している。
【００２４】
＜第１の実施の形態＞
本実施の形態のヒートポンプ式自動車用空気調和装置は、図１に示すように構成されている。概説すれば、コンプレッサ２から吐出された冷媒が、外部熱交換器３、冷媒膨脹部材５および内部熱交換器Ｅ、サブ熱交換器３０を経てコンプレッサ２に帰還する冷凍サイクルを構成している。
【００２５】
本実施の形態の冷凍サイクルの高圧側には、暖房時にコンプレッサ２から吐出された冷媒が外部熱交換器３をバイパスして流れるように、バイパス回路Ｂ、戻り回路Ｒおよび３つの逆止弁Ｖｃが設けられている。
【００２６】
一方、低圧側には、前述した冷媒膨脹部材５と内部熱交換器Ｅが、それぞれ一対ずつ設けられている。この冷媒膨脹部材５は、開放状態と絞り状態となり得る第１流量切替弁５ａと同様の構成の第２流量切替弁５ｂとよりなり、また内部熱交換器Ｅは、補助内部熱交換器Ｅａ、主内部熱交換器Ｅｂとよりなり、これらは第１流量切替弁５ａ、補助内部熱交換器Ｅａ、第２流量切替弁５ｂ、主内部熱交換器Ｅｂの順で直列に連結されている。
【００２７】
ここで、この第１流量切替弁５ａ、第２流量切替弁５ｂについて図３を用いて説明する。
【００２８】
第１流量切替弁５ａ、第２流量切替弁５ｂは、図示しない補助内部熱交換器作動用のスイッチをオンすることにより、開放状態（略全開状態）と絞り状態（完全閉鎖状態ではなく、多少冷媒通路が開いている状態）とを選択できるよう機能する弁である。本実施の形態では、第１流量切替弁５ａ、第２流量切替弁５ｂを図３に示すように開放状態と絞り状態とに選択的に切り替えることにより、補助内部熱交換器Ｅａあるいは主内部熱交換器Ｅｂをコンデンサとして、あるいはエバポレータとして使用することを可能にしている。
【００２９】
このような流量切替弁としては、例えばオリフィスチューブ付きの電磁弁を用いることが考えられる。オリフィスチューブ付きの電磁弁は、電気的な信号によって開放状態と絞り状態とを切り替えられる弁であって、絞り状態には、冷媒を開度固定のオリフィスチューブに通すことによって絞り、一方開放状態にあっては冷媒をオリフィスチューブを通さずに通過させるよう構成されている。
【００３０】
しかしオリフィスチューブ付きの電磁弁には、例えば温度式膨脹弁のような、冷媒温度によって開度を自動的に調整し、内部熱交換器Ｅにおける冷媒蒸発効率を最適化する機能が無い。よって本実施の形態では、冷媒が充分気化しないままコンプレッサ２に吸入され、コンプレッサ２が液圧縮によって損傷することを防ぐために、主内部熱交換器Ｅｂとコンプレッサ２の間にアキュムレータ２０およびサブ熱交換器３０を設けている。
【００３１】
サブ熱交換器３０は、周囲にエンジン１を冷却したエンジン冷却水が循環するようになっていて、内部を通過する主熱交換器Ｅｂから流出した冷媒をエンジン冷却水と熱交換させ、効率良く気化するエバポレータとして機能している。サブ熱交換器３０にエンジン冷却水を供給する管路上には、温水コック１２ａが設けられている。温水コック１２ａは、コンプレッサ２の吐出圧力に応じて開閉し、サブ熱交換器へのエンジン冷却水の供給を制御する構成で、すなわち、サブ熱交換器３０に、コンプレッサ２をエンジン１と切り離すよう設定された所定の値よりもわずかに低い値を設定し、この値になると温水コック１２ａを閉じ、サブ熱交換器３０での冷媒の加熱を停止してコンプレッサ２の吐出圧力が所定の値に達するのを抑え、コンプレッサ２とエンジン１との接続、切離しが頻繁に行われることによって運転の快適性が損なわれることを防ぐよう制御するものである。
【００３２】
またサブ熱交換器３０の下流には、アキュムレータ２０が設けてあって、サブ熱交換器３０で気化した冷媒と液体状態の冷媒とを分離し、気体冷媒のみをコンプレッサ２に供給し、コンプレッサ２での液圧縮を防止している。
【００３３】
さらに本実施の形態は、暖房開始時からコンプレッサ２に多量の冷媒を吐出させ、より即暖性を高めるために、冷媒をコンプレッサ２に戻すための戻し回路Ｒを有している。この戻し回路Ｒは、コンプレッサ２と外部熱交換器３との間に四方弁６を設け、この四方弁６を介して外部熱交換器３とコンプレッサ２と連結して形成されていてる。
【００３４】
四方弁６は、密閉ケース７に１つの入口ポートＰｉと３つの出口ポートＰｏとを設けて構成されている。密閉ケース７内に前記した３つの出口ポートＰｏのうちの２つの出口ポートＰｏを連通するスライド部材Ｓが設けられ、スライド部材Ｓが選択した出口ポートＰｏ以外の出口ポートが、入口ポートＰｉと連通するように構成されている。したがってスライド部材Ｓをセットする位置により入口ポートＰｉと連通される出口ポートを選択することができる。
【００３５】
このような四方弁６を、暖房運転の開始時に図中に示すような状態にセットすれば、コンプレッサ２の吸込側と外部熱交換器３が戻し回路Ｒを介して連通されることになり、コンプレッサ２の吸込力により外部熱交換器３内の寝込み冷媒がコンプレッサ２に回収され、コンプレッサ２から吐出される冷媒量は増大し、暖房運転開始時から充分な暖房能力を得ることができるようになる。
【００３６】
以上述べた構成要素のうち、主内部熱交換器Ｅｂ、補助内部熱交換器Ｅａは、コントロールユニットケース１０の風路１４内で、図示しないインテークドアやブロワモータＭを有する空気導入部であるインテークユニット１１から導入された空気の流れ方向（太実線の矢線で示す）の上流側から、主内部熱交換器Ｅｂ補助内部熱交換器Ｅａ、エアミックスドア１５、ヒータコア１３の順で配置され、特に補助熱交換器Ｅａと主内部熱交換器Ｅｂは、相互に対向して近接配置されている。
【００３７】
この主内部熱交換器Ｅｂから流出した冷媒は、主内部熱交換器Ｅｂとコンプレッサ２との間に設けられたサブ熱交換器３０内を通ってコンプレッサ２に戻されるようになっている。サブ熱交換器３０は、ユニットケース１０の風路１４外に設けられており、温水コック１２ａを通って導入されたエンジン冷却水の熱により内部を流通する冷媒を加熱し、エントロピー変化した冷媒をコンプレッサ２に戻し、より高い暖房性能を発揮するようにしている。
【００３８】
なお風路１４の出口側には、調和された空気が車室内の所定部に向かって吹き出される各種吹出口１７（例えばデフ吹出口１７ｄ、ベント吹出口１７ｖ、フット吹出口１７ｆ）が設けられている。
【００３９】
次に本実施の形態の作用について説明する。
【００４０】
（暖房運転時）
暖房運転の開始時に、外気温度が低い場合、（例えば−１０℃から＋５℃程度）またはエンジン始動直後、エンジン低負荷時あるいはアイドリング状態時のようにエンジン冷却水が暖房用として使用できないほど低い場合には、四方弁６を、コンプレッサ２の吐出側とバイパス回路Ｂとを接続し、またコンプレッサ２の吸込側と外部熱交換器３につながる管路とが戻し回路Ｒを形成するようにセットする。この状態で補助内部熱交換器作動用のスイッチをオンして第１流量切替弁５ａを開放し、第２流量切替弁５ｂを絞る。
【００４１】
この状態でコンプレッサ２を作動すると、コンプレッサ２から吐出された高温高圧の冷媒は、バイパス回路Ｂから開放状態の第１流量切替弁５ａへと流れ、補助内部熱交換器Ｅａには、容量の大きな外部熱交換器３をバイパスした高温高圧状態の冷媒がそのまま流入されるようになる。よって補助内部熱交換器Ｅａを通る空気はここで加熱されるようになる。なお冷媒は、補助内部熱交換器Ｅａにおいてある程度凝縮される。
【００４２】
補助内部熱交換器Ｅａを流下した冷媒は、絞られている第２流量切替弁５ｂにより流量が制限され、ここで断熱膨脹されて低温低圧の冷媒になって主内部熱交換器Ｅｂに入る。よって主内部熱交換器Ｅｂを通る空気は、ここで除湿、冷却され、また主内部熱交換器を通過する冷媒は、ここで吸熱して気体になる。
【００４３】
したがってインテークユニット１１から送られてきた空気は、主内部熱交換器Ｅｂで冷却され、その直後に配置されている補助内部熱交換器Ｅａにより加熱されることになる。よって、エンジン冷却水が低温なため暖房用として使用できない場合でも、比較的短時間の内に高温高圧状態になる冷媒を補助内部熱交換器に流すことにより空気を加熱することができるので即暖性が向上する。
【００４４】
主内部熱交換器Ｅｂを流下した冷媒は、完全なガス状態となっているとは限らない。よって本実施の形態では、サブ熱交換器３０においてエンジン冷却水により冷媒を加熱して気化している。暖房開始時のエンジン冷却水は、暖房に用いるには温度が低すぎるが、極めて低温の冷媒を蒸発させる程度の能力は充分有している。
【００４５】
サブ熱交換器３０で気化した冷媒は、さらにアキュムレータ２０を通って液状冷媒から分離され、完全に気化した冷媒のみがコンプレッサ２に戻る。したがってこのような構成は、コンプレッサでの液圧縮を防止し、弁等の破損を防止すると共に、サブ熱交換器３０においてエンジン冷却水により冷媒を加熱すことにより、エンジン冷却水が保有する熱を有効に冷媒に取り込むことができるので、この冷媒をコンプレッサ２に戻し、再度加熱すればコンプレッサ２から吐出された冷媒は、エントロピー変化した、より高温の冷媒となって再度補助内部熱交換器Ｅａにおいて空気を加熱するとき、相当高温の空気にすることができ、高い暖房性能を発揮することができる。
【００４６】
上述のようにして、補助内部熱交換器Ｅａにおいて加熱された空気は、風路１４内を流下し、ヒータコア１３に至る。ヒータコア１３にはエンジン１の始動によってある程度温度上昇したエンジン冷却水が流通しているが、この時点のエンジン冷却水はまだ充分温度上昇していない状態であるために、補助内部熱交換器Ｅａで一旦暖められた空気の温度をかえって冷やす虞がある。
【００４７】
したがって温水コック１２ｂを閉鎖し、ヒータコア１３にエンジン冷却水が流入しないようにするかあるいはエアミックスドア１５により空気がヒータコア１３内を通過しないようにする。
【００４８】
このような構成によって、インテークユニット１０の風路１４内に導入された空気は、主内部熱交換器Ｅｂにおいて除湿され、補助内部熱交換器Ｅａにおいて加熱され、車室内に吹き出される。よって、いわゆる内気循環モードにより暖房を行っても、フロントガラスが曇ることがなく、運転の視界を良好にして安全性を高めることもできる。
【００４９】
また外気温度が高いとき（例えば、＋５℃から１５℃程度）あるいはエンジンが高負荷運転時の場合には、エンジン冷却水が暖房用として使用できる程度に高くなるので、コンプレッサにより加圧した高温の冷媒を用いて暖房する必要はない。したがって本実施の形態では、例えばエンジンとコンプレッサとを連結しているクラッチ等を切り、コンプレッサ２の作動を停止し、ヒータコア１３のみによる暖房運転とする。このようにすれば、エンジンにかかる負荷を低減し、省燃費の暖房を行うことができる。
【００５０】
（冷房運転時）
外気温度が、例えば＋１５℃から＋３０℃程度のときに、冷房運転を行う場合には、四方弁６をコンプレッサ２の吐出側から外部熱交換器３の流入側が連通するように接続し、また、コンプレッサ吸込み側とバイパス回路Ｂにつながれる管路とが、戻し回路Ｒを形成するようにして、第１流量切替弁５ａを絞り、第２流量切替弁５ｂを開放する。
【００５１】
この状態でコンプレッサ２を作動すると、吐出された冷媒は図２に示すように、四方弁６を通過して外部熱交換器３に入り、冷却されて凝縮する。凝縮したことによって低温高圧となった冷媒は、絞り状態にある第１流量切替弁５ａで流量が制限され、断熱膨脹して、より低温な低圧冷媒になって補助内部熱交換器Ｅａに流入する。さらに流下した冷媒は、開放されている第２流量切替弁５ｂを通り、主内部熱交換器Ｅｂで蒸発して気体となる。
【００５２】
したがってインテークユニットから送られてきた空気は、先ず、主内部熱交換器Ｅｂである程度冷却され、その直後の補助内部熱交換器Ｅａによってさらに冷却される。
【００５３】
しかし、外気温が１５℃から２０℃程度の場合には、乗員にとって冷房過多となる虞もあるので、ヒータコア１３前面のエアミックスドア１５の開度を調節し、ヒータコア１３側とヒータコア１３を通らない通路側に冷風を分岐し、これらを再度ミックスすることにより所定温度にして車室内に吹き出している。
【００５４】
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態は、前記した第１の実施の形態の構成を、後部座席を空調する構成をも有する自動車用空気調和装置に適用したものである。以下、本実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００５５】
図５、図６は本実施の形態のヒートポンプ式自動車用空気調和装置の概略構成図であり、図５は暖房運転時の状態を、図６は冷房運転時の状態をそれぞれ示すものである。なお図中、図１および図２と共通する部材には同一の付号を付し、一部説明を省略する。
【００５６】
本実施の形態のヒートポンプ式自動車用空気調和装置は、図５に示すように構成されている。概説すれば、コンプレッサ２から吐出された冷媒が、外部熱交換器３、冷媒膨脹部材５および内部熱交換器Ｅを経て再びコンプレッサ２に帰還する第１の冷凍サイクルと、外部熱交換器３から冷媒膨脹部材５０および内部熱交換器Ｅ´を経て再びコンプレッサ２に帰還する第２の冷凍サイクルとを構成している。このうち第１の冷凍サイクルは、前部座席側（以降フロント側とも記す。）の空気調和を行い、第２の冷凍サイクルは後部座席側（以降リヤ側とも記す。）の空気調和を行う、いわゆるデュアルエアコンと呼ばれる構成である。本実施の形態では、第１の冷凍サイクルについては先に説明した第１の実施の形態の構成と同様のものであるから説明を省き、第２の冷凍サイクルの構成および作用についてのみ述べるものとする。
【００５７】
第２の冷凍サイクルの低圧側には、冷媒膨脹部材５０と内部熱交換器Ｅ´がそれぞれ一対ずつ設けられている。つまり、開放状態と絞り状態との切替が可能な第１流量切替弁５０ａ、補助内部熱交換器Ｅａ´、第２流量切替弁５０ｂの順で各構成が直列に連結している。本実施の形態においても第１流量切替弁５０ａ、第２流量切替弁５０ｂは、図３に示すようにオン（略全開状態）とオフ（完全閉鎖状態ではなく、多少冷媒通路が開いている状態）とを選択できる例えばオリフィスチューブ付きの電磁弁とした。
【００５８】
補助内部熱交換器Ｅａ´、主内部熱交換器Ｅｂ´は、第１流量切替弁５０ａおよび第２流量切替弁５０ｂの切替によってコンデンサ、あるいはエバポレータとして機能する。このような構成要素は、リヤ側専用のユニットケース１００に内臓されている。ユニットケース１００内部において、補助内部熱交換器Ｅａ´と主内部熱交換器Ｅｂ´とは相互に対向して近接配置されている。
【００５９】
ユニットケース１００の空気の出口側には、調和された空気が車室内のリヤ側の所定部位に向かって吹き出される各種吹出口１７０（例えば、フット吹出口１７０ｆ、ベント吹出口１７０ｖ）が設けられている。
【００６０】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
【００６１】
（暖房運転時）
暖房運転の開始時に、外気温度が低い場合（例えば−１０℃から＋１５℃程度）、またはエンジン始動直後やアイドリング時であって、エンジン冷却水が暖房に用いる温度としては低すぎる場合には、第１の冷凍サイクルでは、四方弁６をコンプレッサ２の吐出側とバイパス回路Ｂとが連通するように、また外部熱交換器３とコンプレッサ２の吸入側とが連通するようにセットする。さらに図示しない補助内部熱交換器作動用のスイッチをオンして第１の冷凍サイクルの第１流量切替弁５ａ、第２の冷凍サイクルの第１流量切替弁５０ａを開放し、第１の冷凍サイクルの第２流量切替弁５ｂ、第２の冷凍サイクルの第２流量切替弁５０ｂを絞る。
【００６２】
このような状態でコンプレッサ２を作動させると、コンプレッサ２が吐出した高温高圧状態の冷媒は、バイパス回路Ｂを通って補助内部熱交換器Ｅａおよび補助内部熱交換器Ｅａ´に流入する。補助内部熱交換器Ｅａに流入した冷媒は、前述したようにユニットケース１０内に取り込まれた空気を加熱して、フロント側の暖房を行う。一方補助内部熱交換器Ｅａ´に流入した冷媒も、同様にユニットケース１００に取り入れられた空気を加熱する。
【００６３】
補助内部熱交換器Ｅａ´から流下した冷媒は、絞り状態の第２流量切替弁５０ｂにより流量が制限され、ここで断熱膨脹されて低温低圧の冷媒となって主内部熱交換器Ｅｂ´に流れ込む。よってユニットケース１００の内部で主内部熱交換器Ｅｂ´を通過した空気は、除湿、冷却される。なお冷媒は、ここで蒸発して気化する。
【００６４】
このような主内部熱交換器Ｅｂ´および補助内部熱交換器Ｅａ´を備えたユニットケース１００を通過する空気は、主内部熱交換器Ｅｂ´で除湿冷却され、その直後に配置されている補助内部熱交換器Ｅａ´で加熱される。よってリヤ側のユニットケース１００の吹出口１７０ｆ、１７０ｖからも除湿暖房された空気を吹出すことができるようになる。主内部熱交換器Ｅｂ´から流下した冷媒は、主内部熱交換器Ｅｂから流出した冷媒と共にサブ熱交換器３０に入り、エンジン冷却水によって加熱され、より気化されてアキュムレータ２０で液体から分離されて、コンプレッサ２に吸入される。
【００６５】
外気温度が高いとき（例えば＋５℃から＋１５℃程度）あるいはエンジンが高負荷運転を行っている場合には、エンジン冷却水によって暖房を行うことが可能である。よってコンプレッサ２とエンジン１とを連結するクラッチを切り、コンプレッサの作動を停止してフロント側、リヤ側共にヒーターコア１３、ヒータコア１３０のみによる暖房を行う。このようにすれば、エンジンに不必要な負荷をかけることなく省燃費暖房が実現できる。
【００６６】
（冷房運転時）
外気温度が、例えば＋１５℃から＋３０℃程度で冷房運転を行う場合には、コンプレッサ２の吐出側と外部熱交換器３とを連通させ、さらにバイパス回路Ｂと戻し回路Ｒを形成し、第１流量切替弁５ａ、５０ａを絞り、第２流量切替弁５ｂ、５０ｂを開放する。
【００６７】
この状態でコンプレッサ２を作動すると、吐出された冷媒は図６のように外部熱交換器３に入り、冷却されて凝縮した後に、絞り状態にある第１流量切替弁５ａおよび第１流量切替弁５０ａから補助内部熱交換器Ｅａおよび補助内部熱交換器Ｅａ´にそれぞれ流入する。絞り状態にある第１流量切替弁５ａを通過した冷媒は、ここで断熱膨脹して、より低温低圧の状態になっている。したがって補助内部熱交換器Ｅａで冷媒は、ユニットケース１０内に取り込まれた空気を冷却して、フロント側の冷房を行う。
【００６８】
一方補助内部熱交換器Ｅａ´に流入した低温低圧状態の冷媒は、ユニットケース１００の内部で補助内部熱交換器Ｅａ´を通過する空気を除湿、冷却する。空気の除湿、冷却を行った後の冷媒は、更に流下して、開放されている第２流量切替弁５０ｂを介して、主内部熱交換器Ｅｂ´に流入して気化する。よってリヤ側のユニットケース１００においても、空気は補助内部熱交換器Ｅａ´およびＥｂ´で冷却される。
【００６９】
主内部熱交換器Ｅｂ´から流出した冷媒は、主内部熱交換器Ｅｂから流出した冷媒と共にサブ熱交換器３０に入り、エンジン冷却水によって加熱され、より気化されてアキュムレータ２０でさらに液体冷媒から分離されて、コンプレッサ２に吸入される。
【００７０】
しかし、外気温が１５℃から２０℃程度である場合には、このような冷房は乗員にとって冷房過多となる虞もあるために、ミックスドア１５０の開度を調整し、ヒータコア１３０側とヒータコア１３０をバイパスする側に冷風を分岐して、これを再度ミックスすることによって所定の温度にした後に車室内のうちリヤ側に吹き出す。
【００７１】
本実施の形態によれば、エンジン冷却水が低温で、暖房に用いることができない場合にも、このようにして比較的短時間のうちにフロント側およびリヤ側をも暖房することができるようになる。
【００７２】
また、本実施の形態では冷媒をフロント側とリヤ側の両方に流して暖房を行っている。よってフロント側の暖房が過剰で、かつリヤ側の暖房能力が不足した場合には、第１流量切替弁５ａを絞り状態にして、リヤ側により大量の冷媒が分配されるようにすることができる。また反対にフロント側の暖房能力が不足し、リヤ側の暖房が過剰になった場合には、第１流量切替弁５０ａを絞ることによって、より大量の冷媒がフロント側に分配されるようにして、フロント側とリヤ側の暖房能力を調整することができる。
【００７３】
＜第３の実施の形態＞
次に、本発明の第３の実施の形態を、図７を用いて説明する。なお本実施の形態の説明に当たって、図５、図６と共通する部材には同一の付号を付し、説明を省略する。
【００７４】
本実施の形態は、本発明者らが第１および第２の実施の形態を小型、簡易化すべく、更に鋭意研究した結果、第１および第２の実施の形態が、冷媒によってのみ暖房を行う場合にも、特に寒冷な環境を除き、実用上充分な暖房効果を得ることに想到してなされたものである。
【００７５】
よって本実施の形態は、前記した第２の実施の形態において補助内部熱交換器よりも空気の流れの下流に配置されていたヒーターコア１３、１３０を有しておらず、ヒータコア１３、１３０のスペースが必要無くなるために、ユニットケース１１０、２１０が第２の実施の形態のユニットケース１０、１００よりも小型である点が第２の実施の形態と相違している。
【００７６】
（暖房運転時）
ヒーターコアを持たない本実施の形態では、暖房運転の開始時の外気温度、またエンジンの稼働状態やエンジン冷却水温度にかかわらず、第２の実施の形態と全く同様の動作を行う。
【００７７】
（冷房運転時）
外気温度が、例えば＋１５℃から＋３０℃程度で冷房運転を行う場合には、本実施の形態においても前述した実施の形態と同様に、戻し回路Ｒを、冷媒が外部熱交換器３側を流れるようセットして、第１流量切替弁５ａ、５０ａを絞り、第２流量切替弁５ｂ、５０ｂを開放する。よってコンプレッサ２より吐出された冷媒は、図７のように外部熱交換器３を通って絞り状態にある第１流量切替弁５ａおよび第１流量切替弁５０ａから補助内部熱交換器Ｅａおよび補助内部熱交換器Ｅａ´にそれぞれ流入する。
【００７８】
第１流量切替弁５ａを通過した冷媒は、補助内部熱交換器Ｅａでユニットケース１１０内に取り込まれた空気を冷却して、フロント側の冷房を行う。また補助内部熱交換器Ｅａ´に流入した冷媒は、ユニットケース２１０の内部で補助内部熱交換器Ｅａ´を通過する空気を除湿、冷却し、開放されている第２流量切替弁５０ｂを介して、主内部熱交換器Ｅｂ´に流入して気化する。
【００７９】
主内部熱交換器Ｅｂ´から流出した冷媒は、主内部熱交換器Ｅｂから流出した冷媒と共にサブ熱交換器３０に入り、エンジン冷却水によって加熱され、より気化されてアキュムレータ２０でさらに液体冷媒から分離されて、コンプレッサ２に吸入される。
【００８０】
次に、本実施の形態における冷房過多の防止についてフロント側の構成を例にして説明する。
【００８１】
フロント側の冷房が過多であると思われる場合には、第１流量切替弁５ａを開いて、第２流量切替弁５ｂを絞る。このとき、外部熱交換器３から流出してきた約４０〜５０℃の冷媒は、第１流量切替弁５ａに絞られること無く、補助内部熱交換器Ｅａに流入した後に流出して、第２流量切替弁５ｂで絞られ断熱膨脹しながら主内部熱交換器Ｅｂに低温な冷媒となって流入する。
【００８２】
このときユニットケース１１０に取り込まれた空気は、主内部熱交換器Ｅｂを通過する際に冷却されてから、さらに補助内部熱交換器Ｅａを通過することになる。補助内部熱交換器Ｅｂには約４０〜５０℃の冷媒が流れているから、主内部熱交換器Ｅｂでいったん冷却された空気は、補助内部熱交換器Ｅａを通過する際に再び加熱される。よってユニットケース１１０から吹き出される空気の温度は主内部熱交換器Ｅｂで冷却された時点の温度より高くなり、冷房過多を防止することができる。
【００８３】
また、リヤ側の冷房が過多である場合には、リヤ側の第１流量切替弁５０ａ、第２流量切替弁５０ｂを同様に動作させて、冷房過多を防止できることはもちろんである。
【００８４】
以上述べた本実施の形態によれば、ヒータコアを無くすことによってヒータコアが置かれていたスペースを省き、ユニットケースを小型化することができるようになる。よって、本実施の形態のヒートポンプ式自動車用空気調和装置はより小型化し、自動車の車室内に組み込む場合に有利である。
【００８５】
また部品点数も低減するために構成が簡易になり、コストの低減や組立工程の簡素化にも有利である。
【００８６】
しかも、ヒータコアを用いずに流量切替弁の開閉のみによって冷房過多を防止することもできる。
【００８７】
＜第４の実施の形態＞
次に、本発明の第４の実施の形態を、図面に基づいて説明する。本実施の形態は、補助内部熱交換器をエバポレータとしても、またコンデンサとしても充分機能させるために成されたものである。
【００８８】
図８は、本実施の形態のヒートポンプ式自動車用空気調和装置の図である。また図９は一般的な補助内部熱交換器の冷媒通路断面積の構成を簡単に説明する図で、図１０は、図８のうち本実施の形態の要部を説明するための図である。なお第１の実施の形態の構成を説明した図１と共通する部材には同一の付号を付し、一部説明を省略するものとする。
【００８９】
前記した本発明の実施の形態のいずれにおいても、補助内部熱交換器Ｅａは、エバポレータ、またはコンデンサとして機能する構成であるが、特にコンデンサとしての効果を発揮するため、その内部の冷媒通路は、図９に示すように開口端部２５０の側から、開口端部１５０にかけて次第に断面積が大きくなる形状を有している。このような補助内部熱交換器Ｅａを用いた、前記実施の形態のいずれの場合にも、冷房時、暖房時共に開口端部１５０の側から冷媒を流入させ、開口端部２５０の側から冷媒を流出していた。
【００９０】
ところが補助内部熱交換器Ｅａをエバポレータとして用いた場合、断熱膨張した冷媒は、冷媒通路断面積の大きい側から流入し、内部で空気の熱を吸熱しながら次第に気化して圧力を高めながら、より冷媒通路断面積の小さい側へ向かって流れることになる。よって補助内部熱交換器Ｅａを通過する冷媒の圧力損失が大きくなり、冷凍サイクル内を循環する冷媒が滞ることによって、冷房能力が低下する虞がある。
【００９１】
このような虞を防止するために、本実施の形態では、コンプレッサが吐出した冷媒を、冷媒膨脹部材を通して補助内部熱交換器Ｅａの冷媒通路断面積が小なる側より大なる側へ導いて、主内部熱交換器に送る経路と、補助内部熱交換器Ｅａの冷媒通路断面積が大なる側より小なる側へ導いて冷媒膨脹部材を通して主内部熱交換器に送る経路とを冷媒経路切替手段によって切替えるようにした点を特徴とするものである。
【００９２】
本実施の形態のヒートポンプ式自動車用空気調和装置は、図８に示すように構成されている。概説すれば、コンプレッサ２から吐出された冷媒が、外部熱交換器３、冷媒膨脹部材となる膨脹弁５１および内部熱交換器Ｅを経てコンプレッサ２に帰還する冷凍サイクルを構成している。この冷凍サイクルの高圧側には、暖房時にコンプレッサ２から吐出された冷媒が外部熱交換器３をバイパスして流れるように、バイパス回路Ｂ、四方弁６および３つの逆止弁Ｖｃが設けられている。
【００９３】
一方、低圧側には、補助内部熱交換器Ｅａ、主内部熱交換器Ｅｂとよりなる内部熱交換器Ｅと膨脹弁５１とが設けられている。本実施の形態の膨脹弁５１は、常に絞り状態にある構成で、例えば単なるオリフィスチューブ、または温度式膨脹弁等が用いられる。
【００９４】
膨脹弁５１の上流には、冷媒経路切替手段として機能する四方弁６０が設けてある。コンプレッサ２が吐出した冷媒は、膨脹弁５１が設けられた経路Ｌ１、または設けられていない経路Ｌ２から補助内部熱交換器Ｅａに流入する。冷媒が、経路Ｌ１から補助内部熱交換器Ｅａに流入する場合には、冷媒は膨脹弁５１で断熱膨脹し、補助内部熱交換器Ｅａを通過する空気の熱を吸収する。よって、このとき補助内部熱交換器Ｅａはエバポレータとして機能する。
【００９５】
一方、冷媒が経路Ｌ２から補助内部熱交換器Ｅａに流入する場合には、冷媒は比較的高圧のままで、補助内部熱交換器Ｅａを通過する空気によって凝縮する。よって、このとき補助内部熱交換器Ｅａはコンデンサとして機能する。すなわち四方弁６０は、冷媒が経路Ｌ１、Ｌ２のいずれから補助内部熱交換器Ｅａに流入するかを切替えていることによって、補助内部熱交換器Ｅａを、エバポレータ、またはコンデンサのいずれとして機能させるかを選択することができるようになる。内部熱交換器Ｅａに流入した冷媒は、経路Ｌ１、または経路Ｌ２を通って主内部熱交換器Ｅｂに入り、さらにサブ熱交換器３０で蒸発して気化し、アキュムレータ２０で液体と分離して、より完全に気体の状態としてコンプレッサ２に吸入される。
【００９６】
次に、本実施の形態の暖房運転時の作動を、図１０を用いて以下に説明する。
【００９７】
（暖房運転時）
暖房運転の開始時に、外気温度が低い場合、（例えば−１０℃から＋５℃程度）またはエンジン始動直後、エンジン低負荷時あるいはアイドリング状態時のようにエンジン冷却水が暖房用として使用できないほど低い場合に暖房運転を行う際には、四方弁６をバイパス回路Ｂの側に切替えて、高温高圧の冷媒を外部熱交換器３を通すこと無く四方弁６０に送る。四方弁６０は、図１０（Ｂ）のように経路Ｌ２から補助内部熱交換器Ｅａに流入させる。補助内部熱交換器Ｅａに流入した冷媒は、補助内部熱交換器Ｅａを通る空気に放熱し、凝縮しながら経路Ｌ１を通って補助内部熱交換器Ｅａから流出する。補助内部熱交換器Ｅａから流出する際に冷媒は、経路Ｌ１上に設けられた膨脹弁５１で絞られて、断熱膨脹しながら主内部熱交換器Ｅｂに入る。
【００９８】
断熱膨脹した冷媒は、主内部熱交換器Ｅｂで主内部熱交換器Ｅｂを通過した空気の熱を吸熱する。よってユニットケース１０に取り入れられた空気は、主内部熱交換器を通過する際に除湿、冷却され、補助内部熱交換器Ｅａで加熱され、車室内に吹き出して除湿暖房を行う。
【００９９】
また外気温度が高いとき（例えば、＋５℃から１５℃程度）あるいはエンジンが高負荷運転時の場合には、前記した実施の形態と同様に、ヒータコア１３のみによる暖房運転とする。
【０１００】
（冷房運転時）
外気温度が、例えば＋１５℃から＋３０℃程度のときに、冷房運転を行う場合には、四方弁６を外部熱交換器３側にセットして、コンプレッサ２から吐出した高温高圧の冷媒を外部熱交換器３で凝縮して四方弁６０に送る。四方弁６０は、図１０（Ａ）のように冷媒を経路Ｌ１に通し、膨脹弁５１で断熱膨脹させながら補助内部熱交換器Ｅａに流入させる。補助内部熱交換器Ｅａに流入した冷媒は、補助内部熱交換器Ｅａを通る空気の熱を吸熱し、気化しながら経路Ｌ２を通って補助内部熱交換器Ｅａから流出する。
【０１０１】
補助内部熱交換器Ｅａから流出した冷媒は、主内部熱交換器Ｅｂに入って蒸発し、主内部熱交換器Ｅｂを通過した空気の熱を吸熱する。よってユニットケース１０に取り入れられた空気は、主内部熱交換器Ｅｂを通過する際に除湿、冷却され、さらに補助内部熱交換器Ｅａを通過する際にもより除湿、冷却されて車室内に吹き出し、車室内の除湿冷媒を行う。
【０１０２】
なおこのような冷房が乗員にとって冷房過多となる場合には、第１の実施の形態と同様にヒータコア１３およびミックスドアで冷風を温度調整することも可能である。
【０１０３】
以上述べた本実施の形態によれば、補助内部熱交換器へ冷媒が流入、流出する経路を切替えることによって、補助内部熱交換器をコンデンサとして用いる場合には高い暖房効果を発揮し、しかもエバポレータとして用いる場合にも補助内部熱交換器における冷媒の圧力損失を押え、冷凍サイクル内部の冷媒流量が減少することを防ぐことができる。
【０１０４】
よって本実施の形態は、暖房能力、冷房能力のいずれにも優れるヒートポンプ式自動車用空気調和装置を提供することができる。
【０１０５】
なお、本実施の形態ではフロント側のエアコンのみを有する構成を例示したが、本実施の形態をデュアルエアコンに適用することも可能であることは言うまでもない。
【０１０６】
＜対比例＞
最後に、補助内部熱交換器をコンデンサ、またはエバポレータとして機能させた構成を対比例として図１１に示し、本発明特有の効果を説明する。なお、図１１では各構成の対比が簡単になるように、前記した実施の形態と同様の構成には同一の付号を付し、一部説明を省いている。
【０１０７】
図１１に示した対比例の構成は、本発明の第１の実施の形態と類似するものである。すなわち対比例のヒートポンプ式自動車用空気調和装置は、図示したように、戻し回路Ｒと、コンプレッサ２から吐出された冷媒が、外部熱交換器３、リキッドタンク４、冷媒膨脹部材５および内部熱交換器Ｅを経てコンプレッサ２に帰還する冷凍サイクルを有している。また対比例の冷媒膨脹部材５となる第１流量切替弁５ａ、第２流量切替弁５ｂは、共に開放状態と開度固定の絞り状態とに選択的に切り替える切替弁である。対比例においても冷媒の蒸発量を調整する機能を持たない膨脹部材５を用いているために、コンプレッサの直前で冷媒を充分気化させるサブ熱交換器３０を備えている。ただし対比例はアキュムレータを有しておらず、代りに外部熱交換器３の下流側にリキッドタンク４が設けられている点で本発明の第１ないし３の実施の形態と相違している。
【０１０８】
サブ熱交換器３０は、前記したようにコンプレッサの吐出圧力に応じて温水コック１２ａが開閉することにより、コンプレッサ２の吐出圧力が所定の圧力に近付くとエンジン冷却水の供給が停止し、冷媒を加熱しなくなるよう制御されている。よって対比例の構成では、サブ熱交換器３０へのエンジン冷却水の供給が停止したときに、冷媒が液体状態でコンプレッサ２へ戻ってくる、いわゆる液戻りが発生することが考えられる。
【０１０９】
よってコンプレッサの上流にアキュムレータを有する本発明は、対比例の構成より、サブ熱交換器が機能していない場合にも液戻りによるコンプレッサの損傷を防止する効果が高い。またアキュムレータは、リキッドタンクと比較してシステムがシンプルで信頼性が高いために、本発明は対比例よりも装置の構成をより簡易化し、信頼性を高めることができる。さらに、アキュムレータを設けると本発明の実施の形態においてはリキッドタンクを設ける必要がないために、アキュムレータを追加しても対比例の部品点数を増やすことが無い。
【０１１３】
【発明の効果】
請求項１記載のヒートポンプ式自動車用空気調和装置は、補助内部熱交換器をエバポレータとして機能させる場合にも、流入する冷媒の圧力損失を低減することができる。よって、補助内部熱交換器から主内部熱交換器へ流入する冷媒の流量を低下させることがなく、高い冷暖房効果を得ることができる。
【０１１４】
請求項２記載のヒートポンプ式自動車用空気調和装置は、補助内部熱交換器に流入する冷媒を高温高圧状態にすることができる。よって、補助内部熱交換器で得られる暖房効果をいっそう高くすることができる。
【０１１５】
請求項３記載のヒートポンプ式自動車用空気調和装置は、コンプレッサに液体冷媒が流れ込むことを抑止して、より確実にコンプレッサを保護することができる。また、暖房時にはエンジンの冷却水の熱を利用して冷媒を加熱することができるようになるために、いっそう暖房効果を高めることもできるようになる。
【０１１６】
請求項４に記載のヒートポンプ式自動車用空気調和装置は、暖房起動直後から多量の冷媒をコンプレッサに戻すことができるようになり、よりいっそう即暖性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態の構成および暖房運転時の状態を示す図である。
【図２】 本発明の第１の実施の形態の構成および冷房運転時の状態を示す図である。
【図３】 本発明の第１の実施の形態の流量切替弁の作動特性を説明する図である。
【図４】 本発明の第１の実施の形態のヒートポンプ式自動車用空気調和装置の冷房、または暖房の運転状態と流量切替弁の作動との関係をまとめた図である。
【図５】 本発明の第２の実施の形態の構成および暖房運転時の状態を示す図である。
【図６】 本発明の第２の実施の形態の構成および冷房運転時の状態を示す図である。
【図７】 本発明の第３の実施の形態の構成を説明する図である。
【図８】 本実施の形態のヒートポンプ式自動車用空気調和装置の図である。
【図９】 一般的な補助内部熱交換器の冷媒通路断面積の構成を簡単に説明する図である。
【図１０】 図８の構成のうち、本実施の形態の要部を説明するための図である。
【図１１】 本発明の実施の形態に対する対比例を説明する図である。
【図１２】 従来例の構成を説明する図である。
【符号の説明】
２…コンプレッサ、
３…外部熱交換器、
６、６０…四方弁、
５…冷媒膨脹部材、
５ａ、５０ａ…第１流量切替弁、
５ｂ、５０ｂ…第２流量切替弁
１０、１００、１１０、２１０…ユニットケース、
１２ａ、１２ｂ…温水コック、
２０…アキュムレータ、
３０…サブ熱交換器、
Ｅａ、Ｅａ´…主内部熱交換器、
Ｅｂ、Ｅｂ´…補助内部熱交換器
Ｌ１、Ｌ２…経路。

Claims (4)

1. コンプレッサ（２）によって循環する冷媒が流れる外部熱交換器（３）および主内部熱交換器（Ｅｂ）と、冷媒の流れ方向に沿って冷媒通路断面積を異ならしめた冷媒通路を有する補助熱交換器（Ｅａ）と、前記冷媒通路の断面積のうち、より冷媒通路断面積が小なる側に設けられる冷媒膨張部材（５１）と、さらに前記主内部熱交換器（Ｅｂ）とコンプレッサとの間に設けられるアキュムレータ（２０）とを有するヒートポンプ式自動車用空気調和装置であって、
   コンプレッサ（２）が吐出した冷媒を、前記冷媒膨張部材（５１）を通して前記補助内部熱交換器（Ｅａ）の冷媒通路断面積が小なる側より冷媒通路断面積が大なる側へ導き、前記主内部熱交換器（Ｅｂ）に送る第１経路（Ｌ１）と、前記補助熱交換器（Ｅａ）の通路断面積が大なる側より冷媒通路断面積が小なる側へ導き、前記冷媒膨張部材（５１）を通して前記主内部熱交換器（Ｅｂ）に送る第２経路（Ｌ２）とを切替る冷媒通路切替手段（６０）とを有することを特徴とするヒートポンプ式自動車用空気調和装置。
2. 前記冷凍サイクルは、暖房時に前記コンプレッサ（２）から吐出された冷媒が前記外部熱交換器（３）をバイパスするバイパス回路（Ｂ）を流れて前記主および補助内部熱交換器に導かれるように構成したことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式自動車用空気調和装置。
3. 前記冷凍サイクルは、前記主内部熱交換器（Ｅｂ）とコンプレッサ（２）との間にサブ熱交換器（３０）とを有し、当該サブ熱交換器（３０）で前記主内部熱交換器（Ｅｂ）を流出した冷媒をエンジン冷却水の一部で加熱するよう構成したことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ式自動車用空気調和装置。
4. 前記冷凍サイクルは、暖房起動時に前記外部熱交換器（３）内に寝込んでいる冷媒を前記コンプレッサ（２）に回収する戻し回路（Ｒ）を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のヒートポンプ式自動車用空気調和装置。

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