JP4024701B2

JP4024701B2 - 車両用空調装置

Info

Publication number: JP4024701B2
Application number: JP2003062319A
Authority: JP
Inventors: 重樹岩波; 康鈴木; 慶一宇野; 和秀内田
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2023-03-07
Also published as: JP2004270548A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホットガスヒータサイクルに適用して好適な車両用空調装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の車両用空調装置として、特許文献１に示されるように、アイドルストップ車両等においてエンジン停止時にモータ部の駆動力によって圧縮機部が作動されるハイブリッドコンプレッサが冷凍サイクルに設けられ、冷媒流路として切替え弁によって凝縮器をバイパスして蒸発器に繋がるホットバイパス流路が設けられたものが知られている。
【０００３】
これにより、この車両用空調装置においては、モータ部によって圧縮機部が作動されることでエンジン停止時における冷房機能および暖房機能の継続を可能としている。特に暖房機能を発揮させる場合は、冷媒がホットバイパス流路を流れるように切替えることによって、ホットガスヒータサイクルを形成し、圧縮機部で高温高圧に圧縮された冷媒を蒸発器に流入させ、蒸発器を加熱用熱交換器として作用させるようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３７０５２９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ホットガスヒータサイクル作動時の加熱能力（暖房能力）は、圧縮機部の圧縮仕事分に等しく、この圧縮機部の圧縮能力で加熱能力の上限が決まるものであった。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、圧縮機部の大型化を招く事無く、ホットガスヒータサイクル作動時の暖房能力を向上可能とする車両用空調装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００８】
請求項１に記載の発明では、切替え弁（１２ａ）の切替えによって、冷凍サイクル（１１）の圧縮機部（１１４）から圧縮吐出された冷媒が凝縮器（１１ａ）をバイパスして蒸発器（１１ｃ）に導入され、この蒸発器（１１ｃ）が放熱作用を発揮するホットガスヒータサイクル（１２）を備え、
圧縮機部（１１４）は、モータ部（１１３）を駆動源としており、
制御装置（１２０）によって、切替え弁（１２ａ）の作動、およびモータ部（１１３）による前記圧縮機部（１１４）の作動が制御される車両用空調装置において、
冷媒は、モータ部（１１３）の内部を流通するようになっており、
制御装置（１２０）は、切替え弁（１２ａ）の切替えによって、ホットガスヒータサイクル（１２）を作動させる時には、冷凍サイクル（１１）を作動させる時よりも、モータ部（１１３）への電力供給効率を低下させることを特徴としている。
【０００９】
これにより、ホットガスヒータサイクル（１２）内を流通する冷媒は、モータ部（１１３）の発熱を受けて加熱され、圧縮機部（１１４）の圧縮仕事分に加えて冷媒の温度を上昇させることができるので、圧縮機部（１１４）の大型化を招く事無く、蒸発器（１０１ｄ）における暖房能力を向上させることができる。
そして、効率低下分によって意図的にモータ部（１１３）の発熱分を増加させて更に暖房性能を向上させることができる。
【００１０】
そして、請求項２に記載の発明のように、冷媒は、モータ部（１１３）の内部を流通した後に圧縮機部（１１４）に流入されるようにしてやるのが良く、これによれば、低圧側の冷媒がモータ部（１１３）内に流入することになるので、モータ部（１１３）の耐圧性を向上させる必要が無い。
【００１４】
請求項３に記載の発明では、モータ部（１１３）と圧縮機部（１１４）との間には、モータ部（１１３）の作動によって圧縮機部（１１４）の回転数が増速される増速手段（１１６）が設けられたことを特徴としている。
【００１５】
これにより、圧縮機部（１１４）での冷媒吐出量を増加させることができるので、蒸発器（１１ｃ）における冷媒の放熱量を増加させて更に暖房性能を向上させることができる。
【００１６】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図３に示し、まず、具体的な構成について図１、図２を用いて説明する。
【００１８】
図１は、本発明を車両用空調装置（以下、空調装置）１０に適用した場合の全体構成を示したもので、例えば、信号待ちの停車時のようなエンジン動力不要時に車両エンジン１を自動停止する車両（アイドルストップ車両）に搭載されるものとしている。
【００１９】
空調装置１０内に形成される冷凍サイクル１１は、周知のごとく、冷房モード時のサイクルを成すものであり、圧縮機（後述するハイブリッドコンプレッサ１００の圧縮機部）１１４、凝縮器１１ａ、温度式膨張弁等からなる冷房用減圧装置（以下、膨張弁）１１ｂ、蒸発器１１ｃが冷媒配管１１ｄによって順次接続されている。
【００２０】
これらの機器の他に、冷凍サイクル１１には更に、暖房モード時のサイクルを成すホットガスヒータサイクル１２が形成されている。即ち、ホットガスヒータサイクル１２は、冷房モード時のサイクル（冷凍サイクル１１）と暖房モード時のサイクル（ホットガスヒータサイクル１２）とを切替える弁装置（以下、切替え弁）１２ａ、暖房モード時に圧縮機部１１４の吐出ガス冷媒を凝縮器１１ａをバイパスして蒸発器１１ｃに直接導入するホットガスバイパス通路１２ｂ、このホットガスバイパス通路１２ｂに設けられ、圧縮機部１１４の吐出ガス冷媒を減圧する固定絞り等からなる暖房用減圧装置（以下、オリフィス）１２ｃ、暖房モード時にホットガスバイパス通路１２ｂから凝縮器１１ａ側へ冷媒が流れ込むのを防止する逆止弁１２ｄ等から成る。切替え弁１２ａは、電磁弁のように冷媒通路の切替えが電気的に制御可能なものである。
【００２１】
空調ケース１３は、車室内へ向かって空気が流れる通風路を形成するものであって、この空調ケース１３内に蒸発器１１ｃが配設されている。蒸発器１１ｃは、冷房モード時には膨張弁１１ｂにて減圧された低圧の気液２相冷媒が送風機１４の送風空気から吸熱して蒸発することにより送風空気を冷却する。また、暖房モード時には圧縮機部１１４の高温の吐出ガス冷媒がホットガスバイパス通路１２ｂからオリフィス１２ｃにて減圧された後に蒸発器１１ｃに直接導入され、これにより、蒸発器１１ｃは吐出ガス冷媒の放熱により送風空気を加熱する加熱用熱交換器として作用する。
【００２２】
送風機１４は、遠心式送風ファン１４ａおよび駆動用電動モータ１４ｂを有し、その吸入口１４ｃには図示しない内外気切替え箱を通して外気または内気が吸入される。空調ケース１３内で、蒸発器１１ｃの下流側にはヒータコア１５が配設されている。このヒータコア１５は、エンジン１の温水（冷却水）を熱源として送風空気を加熱する暖房用熱交換器であって、エンジン１の温水（冷却水）がエンジン駆動の機械式の温水ポンプ（図示せず）により循環するようになっている。
【００２３】
空調ケース１３内においてヒータコア１５の側方にはバイパス通路１６が形成されている。そして、このバイパス通路１６を通過する冷風とヒータコア１５を通過する温風との風量割合を調整するために、ヒータコア１５に隣接して板状のエアミックスドア１７が回動可能に設けてある。冷温風の混合により所望温度になった空調空気は、図示しない吹出しモード切替え機構を経て車室内に吹出される。
【００２４】
ハイブリッドコンプレッサ装置１００は、ハイブリッドコンプレッサ１１０と制御装置１２０とから成る。ハイブリッドコンプレッサ１１０は、図２に示すように、エンジン駆動と電動モータ駆動の両方が可能なものであり、プーリ１１１、電磁クラッチ１１２、モータ部１１３、圧縮機部１１４とから成る。
【００２５】
外部駆動手段としてのプーリ１１１は、ハウジング１１５の一端側に回転可能に支持されており、エンジン１の駆動力がクランクプーリ１ａ、ベルト１ｂ（図１）を介して伝達され回転駆動するようにしている。
【００２６】
断続手段としての電磁クラッチ１１２は、ハブ１１２ａとコイル１１２ｂとから成り、ハブ１１２ａは後述する圧縮機部１１４のシャフト１１４ａに接続されている。周知のように電磁クラッチ１１２は、コイル１１２ｂに通電されるとハブ１１２ａがプーリ１１１に吸着されエンジン１の駆動力をシャフト１１４ａに伝達する（クラッチＯＮ）。逆にコイル１１２ｂへの通電を遮断するとハブ１１２ａはプーリ１１１から離れ、エンジン１の駆動力は切り離される（クラッチＯＦＦ）。
【００２７】
また、モータ部１１３は交流３相モータであり、シャフト１１４ａに固定されるロータ部１１３ａとハウジング１１５の内周面に固定され巻線が施されたステータ部１１３ｂとから成る。そして、バッテリ２（図１）からの電力がインバータ１２１（図１）によって調整され、ステータ部１１３ｂに供給されることによりロータ部１１３ａ（シャフト１１４ａ）は回転数可変に駆動される。尚、このモータ部１１３には、上記のように電動機としての機能に加えて、エンジン１作動時にロータ部１１３ａが回転されることで発電する発電機としての機能も備えており、発電した電力はインバータ１２１を介してバッテリ２に充電されるようにしている。
【００２８】
更に、圧縮機部１１４は、ここでは１回転当りの吐出容量が所定値として設定されている固定容量型圧縮機、更に具体的には周知のスクロール式圧縮機としている。そして、ハウジング１１５に設けられた吸入ポート１１５ａから吸入される冷媒を高温高圧に圧縮し、吐出ポート１１５ｂから吐出するようにしている。吸入ポート１１５ａは、蒸発器１１ｃ側と接続され、また、吐出ポート１１５ｂは凝縮器１１ａ側と接続されている。尚、圧縮機部１１４は、スクロール式のものに限らず、吐出容量を可変可能とする斜板式のもの等としても良い。
【００２９】
ここで、本発明の特徴部として吸入ポート１１５ａをモータ部１１３のプーリ１１１側に設けるようにしており、蒸発器１１ｃから流出される冷媒は、吸入ポート１１５ａからモータ部１１３の内部を流通して、圧縮機部１１４に設けた連通穴１１４ｂを経てスクロール部に吸入されるようにしている。
【００３０】
図１に戻って、制御装置１２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータと、その周辺回路にて構成されるものであり、ハイブリッドコンプレッサ１１０の電磁クラッチ１１２、モータ部１１３（直接的にはインバータ１２１）、および切替え弁１２ａ、送風機１４、エアミックスドア１７等の作動を予め設定されたプログラムに従って制御する。
【００３１】
尚、制御装置１２０には図示しない複数のセンサ群からの環境条件信号、車室内計器盤近傍に設置される図示しない空調制御パネルからのスイッチ操作信号が入力される。センサ群としては、外気温度を検出する外気温センサ、車室内温度を検出する内気温センサ、車室内への日射量を検出する日射センサ等が備えられている。
【００３２】
また、空調制御パネルには、乗員により手動操作される操作スイッチとして、設定温度信号を発生する温度設定スイッチ、風量切替え信号を発生する風量スイッチ、吹出モード信号を発生する吹出モードスイッチ、内外気切替え信号を発生する内外気切替えスイッチ等が備えられている。
【００３３】
更に、制御装置１２０は、図示しないエンジン用制御装置との間で制御信号を通信するようになっている。エンジン用制御装置は周知のごとくエンジン１の運転状況等を検出する図示しないセンサ群からの信号に基づいてエンジン１への燃料噴射量、点火時期等を総合的に制御するものである。更に、本発明の対象とするアイドルストップ車両等においては、エンジン１の回転数信号、車速信号、ブレーキ信号等に基づいて停車状態を判定すると、エンジン用制御装置は、点火装置の電源遮断、燃料噴射の停止等によりエンジン１を自動的に停止させる。
【００３４】
また、エンジン停止後、運転者の運転操作により車両が停車状態から発進状態に移行すると、エンジン用制御装置は車両の発進状態をアクセル信号等に基づいて判定して、エンジン１を自動的に始動させる。エンジン用制御装置から車両の走行、停車状態を示す信号、エンジン１の作動、停止状態を示す信号等が制御装置１２０に入力されるようになっている。
【００３５】
次に、上記構成に基づく作動およびその作用効果について説明する。まず、冷房モード時においては、制御装置１２０は切替え弁１２ａによってホットガスバイパス通路１２ｂを閉じる側にする。エンジン１が作動中（走行時、停車時等）であれば、制御装置１２０は電磁クラッチ１１２をＯＮにし、エンジン１の駆動力によって圧縮機部１１４を作動させる。すると、圧縮機部１１４からの吐出ガス冷媒は、切替え弁１２ａ→凝縮器１１ａ→膨張弁１１ｂ→逆止弁１２ｄ→蒸発器１１ｃ→モータ部１１３の吸入ポート１１５ａに至る閉回路（通常の冷凍サイクル１１）を循環し、蒸発器１１ｃにて冷媒の蒸発潜熱によりケース１３内の送風空気が冷却される。そして、制御装置１２０は車室内に吹出される実際の吹出し空気温度が目標吹出し空気温度ＴＡＯとなるようにエアミックスドア１７の開度、電磁クラッチ１１２のＯＮ−ＯＦＦを制御する。尚、目標吹出し温度ＴＡＯは、環境条件信号（外気温度、車室内温度、日射量）と設定温度信号とから予め定めた演算式によって算出されるものである。
【００３６】
また、アイドルストップ機能によりエンジン１が停止された場合は、制御装置１２０は、電磁クラッチ１１２をＯＦＦにして、モータ部１１３を駆動させることで圧縮機部１１４を作動させて、冷房機能を継続させる。ここでは、モータ部１１３の回転数を可変することで冷媒の吐出量を調整し、吹出し空気温度が目標吹出し空気温度ＴＡＯとなるように制御する。
【００３７】
尚、蒸発器１１ｃから流出する低温低圧の冷媒は、モータ部１１３内に流入することで、モータ部１１３に対する冷却効果をもたらし、モータ部１１３の耐久性向上を可能とする。
【００３８】
一方、暖房モード時においては、冬期の寒冷時における暖房始動時のようにエンジン１の温水温度が低くて、ヒータコア１５による暖房能力が不足する時には、制御装置１２０は切替え弁１２ａを凝縮器１１ａの入口側通路を閉じて、ホットガスバイパス通路１２ｂ側を開放した状態、即ち、ホットガスヒータサイクル１２の作動に切替える。
【００３９】
エンジン１が作動中（走行時、停車時等）であれば、制御装置１２０は電磁クラッチ１１２をＯＮにし、エンジン１の駆動力で圧縮機部１１４を作動させる。すると、圧縮機部１１４からの高温高圧の吐出ガス冷媒（過熱ガス冷媒）が切替え弁１２ａからホットガスバイパス通路１２ｂ側に流入し、オリフィス１２ｃにて所定の圧力まで減圧される。この減圧された高温ガス冷媒が蒸発器１１ｃ内に流入して、空調ケース１３内の送風空気に放熱し送風空気を加熱する。そして、蒸発器１１ｃで放熱したガス冷媒は、モータ部１１３から圧縮機部１１４に吸入され、再度圧縮される。このように、温水熱源の暖房能力が不足するときには蒸発器１１ｃを加熱用熱交換器として作用させ、暖房能力の不足を解消することができる。
【００４０】
また、アイドルストップ機能によりエンジン１が停止された場合は、エンジン１によって駆動される温水ポンプが停止され、ヒータコア１５における暖房機能が停止するが、制御装置１２０は、電磁クラッチ１１２をＯＦＦにして、モータ部１１３を駆動させることで圧縮機部１１４を作動させて、蒸発器１１ｃによる放熱作用で暖房機能を継続させる。
【００４１】
本発明においては、蒸発器１１ｃから流出される冷媒をモータ部１１３の内部を流通させてから圧縮機部１１４で圧縮するようにしているので、暖房モード時においてエンジン１が停止された時に、モータ部１１３の駆動時の発熱により冷媒を加熱することができる。また、外気温度が非常に低く、圧縮機部１１４における冷媒のスーパーヒート（過熱）が取りにくく、有効なガス冷媒が得られにくい場合でも、モータ部１１３の発熱によって液状態の冷媒を適度に蒸発させ、暖房に有効となる冷媒循環量を増加させることができる。
【００４２】
即ち、図３に示すように、従来技術では蒸発器１１ｃにおける放熱量（エンタルピ差Δｉ１）は、圧縮機部１１４の圧縮仕事量に相当するものであったが、本発明ではモータ部１１３による冷媒の加熱分が加わりエンタルピがΔｉ２のように増加し、また冷媒循環量の増加によりトータルの放熱量を増加させることができ、圧縮機部１１４の大型化を招く事無く、蒸発器１１ｃにおける暖房能力を向上させることができる。
【００４３】
そして、冷媒は、モータ部１１３の内部を流通した後に圧縮機部１１４に流入されるようにしているので、低圧側の冷媒がモータ部１１３内に流入することになり、モータ部１１３の耐圧性を向上させる必要が無い。
【００４４】
（第２実施形態）
上記第１実施形態に対して、エンジン１が作動している場合にも、制御装置１２０によって、モータ部１１３に電力供給してモータ部１１３を駆動状態としたり、また、エンジン１の駆動力によってモータ部１１３が発電機として作動するようにしても良い。
【００４５】
これにより、エンジン１の停止時に限らず、作動時においてもモータ部１１３での発熱によって冷媒を加熱でき、暖房性能の向上が可能となる。
【００４６】
尚、エンジン１の作動時にモータ部１１３を作動させることで、圧縮機部１１４を作動させるためのエンジン１の負荷が減って、本来のヒータコア１５への温水温度の上昇度合いが低下するような場合は、電力の供給あるいは発電を行う際の本来の電力供給効率あるいは発電効率をあえて低下させるようにする。
【００４７】
即ち、電力供給時においては、通常インバータ１２１によってモータ部１１３に回転磁界が発生するように電流が制御される訳であるが、ここでは、回転磁界を発生させない、あるいは不連続的な回転磁界が発生するようにして、効率の低下分をモータ部１１３の発熱分に置き換えるようにする。発電時においても上記と同様に発生する電流の流れを止めたり、不連続的にする。
【００４８】
これにより、効率低下分によって意図的にモータ部１１３の発熱分を増加させて更に暖房性能を向上させることができる。
【００４９】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図４、図５に示す。第３実施形態は、上記第１、第２実施形態に対して、ハイブリッドコンプレッサ１１０のモータ部１１３と圧縮機部１１４との間に増速手段を設けたものとしている。
【００５０】
具体的には、増速手段としてここでは遊星歯車１１６を用いている。遊星歯車１１６は、周知のものであって、図４に示すように、中心部に設けられたサンギヤ１１６ａと、サンギヤ１１６ａの外周で自転しつつ公転するピニオンギヤ１１６ｃに連結されるプラネタリーキャリヤ１１６ｂと、ピニオンギヤ１１６ｃのさらに外周に設けられたリング状のリングギヤ１１６ｄとから成る。
【００５１】
圧縮機部１１４のシャフト１１４ａには、プーリ１１１の駆動軸１１１ａの一端側が嵌入され、シャフト１１４ａおよび駆動軸１１１ａは、軸受け１１１ｂによって互いに独立して回転可能としている。
【００５２】
そして、駆動軸１１１ａはプラネタリーキャリヤ１１６ｂに接続され、モータ部１１３のロータ部１１３ａはサンギヤ１１６ａに接続され、シャフト１１４ａはリングギヤ１１６ｄに接続されるようにしている。尚、サンギヤ１１６ａは、軸受け１１１ｃによって駆動軸１１１ａに対して独立して回転可能に支持されている。
【００５３】
このハイブリッドコンプレッサ１１０においては、図５の共線図に示すように、エンジン１が作動時において、モータ部１１３を駆動させない場合は、プーリ１１１からの回転数は、プラネタリーキャリヤ１１６ｂとリングギヤ１１６ｄとのギヤ比分だけ増速されて圧縮機部１１４に伝達されるが（図５中のア）、モータ部１１３をプーリ１１１とは逆回転方向に駆動させることによって、圧縮機部１１４は更に増速される（図５中のイ）。
【００５４】
これにより、圧縮機部１１４での冷媒吐出量を増加させることができるので、蒸発器１１ｃにおける冷媒の放熱量を増加させて更に暖房性能を向上させることができる。
【００５５】
（その他の実施形態）
上記第１〜第３実施形態では、本発明をアイドルストップ車に搭載されるものとして説明したが、対象とする車両は、走行用駆動源としてエンジンと走行用モータの両方を備えるハイブリッド車としても良いし、本発明の目的は暖房能力向上にあり、エンジン停止の有無に限定されず通常の車両に搭載して、能力向上手段としても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を車両用空調装置に適用した場合の全体構成を示す模式図である。
【図２】第１実施形態におけるハイブリッドコンプレッサを示す断面図である。
【図３】本発明の効果を示すグラフである。
【図４】第３実施形態におけるハイブリッドコンプレッサを示す断面図である。
【図５】図４におけるハイブリッドコンプレッサの作動を示す共線図である。
【符号の説明】
１車両エンジン
１０車両用空調装置
１１冷凍サイクル
１１ａ凝縮器
１１ｃ蒸発器
１２ホットガスヒータサイクル
１００ハイブリッドコンプレッサ装置
１１０ハイブリッドコンプレッサ
１１３モータ部
１１４圧縮機部
１２０制御装置

Claims

切替え弁（１２ａ）の切替えによって、冷凍サイクル（１１）の圧縮機部（１１４）から圧縮吐出された冷媒が凝縮器（１１ａ）をバイパスして蒸発器（１１ｃ）に導入され、この蒸発器（１１ｃ）が放熱作用を発揮するホットガスヒータサイクル（１２）を備え、
前記圧縮機部（１１４）は、モータ部（１１３）を駆動源としており、
制御装置（１２０）によって、前記切替え弁（１２ａ）の作動、および前記モータ部（１１３）による前記圧縮機部（１１４）の作動が制御される車両用空調装置において、
前記冷媒は、前記モータ部（１１３）の内部を流通するようになっており、
前記制御装置（１２０）は、前記切替え弁（１２ａ）の切替えによって、前記ホットガスヒータサイクル（１２）を作動させる時には、前記冷凍サイクル（１１）を作動させる時よりも、前記モータ部（１１３）への電力供給効率を低下させることを特徴とする車両用空調装置。
前記冷媒は、前記モータ部（１１３）の内部を流通した後に前記圧縮機部（１１４）に流入されることを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置。
前記モータ部（１１３）と前記圧縮機部（１１４）との間には、前記モータ部（１１３）の作動によって前記圧縮機部（１１４）の回転数が増速される増速手段（１１６）が設けられたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の車両用空調装置。