特許 6041423 車両用ヒートポンプシステム及びその制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6041423

(24)【登録日】2016年11月18日

(45)【発行日】2016年12月7日

(54)【発明の名称】車両用ヒートポンプシステム及びその制御方法

(51)【国際特許分類】

   B60H 1/22 20060101AFI20161128BHJP

   B60H 1/32 20060101ALI20161128BHJP

【ＦＩ】

   B60H1/22 651B

   B60H1/22 671

   B60H1/32 624H

【請求項の数】6

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-125635(P2012-125635)

(22)【出願日】2012年6月1日

(65)【公開番号】特開2013-1387(P2013-1387A)

(43)【公開日】2013年1月7日

【審査請求日】2015年4月6日

(31)【優先権主張番号】10-2011-0059768

(32)【優先日】2011年6月20日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】591251636

【氏名又は名称】現代自動車株式会社

【氏名又は名称原語表記】ＨＹＵＮＤＡＩ ＭＯＴＯＲ ＣＯＭＰＡＮＹ

(73)【特許権者】

【識別番号】500518050

【氏名又は名称】起亞自動車株式会社

【氏名又は名称原語表記】ＫＩＡ ＭＯＴＯＲＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】110000051

【氏名又は名称】特許業務法人共生国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】崔 龍 鉉

(72)【発明者】

【氏名】金 載 然

(72)【発明者】

【氏名】車 龍 雄

(72)【発明者】

【氏名】趙 完 濟

(72)【発明者】

【氏名】朴 重 夏

(72)【発明者】

【氏名】金 在 山

(72)【発明者】

【氏名】朴 萬 煕

【審査官】 河野 俊二

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−００５５３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５２８９６９８（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０１７４７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２２３０６４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−２７８６２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／００１６９０２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６０Ｈ １／２２

Ｂ６０Ｈ １／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

車両に構成されて冷却ラインを通して電装品に冷却水を供給及び循環させるクーリング手段と、車両室内の冷暖房を調節するように冷媒ラインによって連結されるエアコン手段と、を含み、
前記クーリング手段が、車両の前面に構成されて、ウォータポンプによって前記冷却ラインに沿って冷却水を循環させ、供給される冷却水を外気との熱交換によって冷却させるラジエータと、前記ラジエータに風を送るクーリングファンと、前記冷却ラインと連結して冷却水が循環し、モードによって前記電装品から発生する廃熱源を選択的に利用して冷却水の水温を変化させ、前記エアコン手段の前記冷媒ラインと連結して流入した冷媒を冷却水と熱交換させる熱交換器と、を含み、
前記エアコン手段が、暖房、冷房、及び除湿モードによって蒸発器を通過した外気が内部凝縮器及びＰＴＣヒータに流入するように選択的に調節する開閉ドアを内部に備えたＨＶＡＣモジュールと、前記蒸発器と前記冷媒ラインによって連結されて気体状態の冷媒を圧縮する圧縮器と、前記圧縮器及び前記蒸発器の間の前記冷媒ライン上に備えられて前記圧縮器に気体冷媒だけを供給するアキュムレータと、車両のエンジンルームに備えられ前記冷媒ラインによって連結されて冷媒を凝縮させる外部凝縮器と、前記圧縮器から排出される冷媒を車両のモードによって前記内部凝縮器又は前記外部凝縮器に選択的に供給する第１バルブと、前記内部凝縮器を通過した冷媒の供給を受けて膨張させる第１膨張バルブと、前記第１膨張バルブによって膨張した冷媒を前記外部凝縮器又は前記熱交換器に選択的に供給する第２バルブと、前記外部凝縮器又は前記熱交換器を通過した冷媒を前記蒸発器又は前記アキュムレータに選択的に供給する第３バルブと、前記蒸発器及び前記第３バルブの間に備えられて前記第３バルブの開閉によって流入する冷媒を膨張させる第２膨張バルブと、を含み、
前記圧縮器と前記第１バルブを連結する前記冷媒ライン上に圧力センサが装着され、
前記第１、第２、第３バルブは、３ウェイ（３−ｗａｙ）バルブからなり、
前記クーリング手段及び前記エアコン手段はそれぞれ制御器と連結されて前記制御器の制御信号によって作動する車両用ヒートポンプシステムであって、
前記制御器は、使用者の選択によって暖房モード、冷房モード、及び除湿モードのそれぞれを作動させ、
前記暖房モードにおいて、
前記クーリング手段が、
前記電装品から発生する廃熱源によって前記熱交換器に流入した冷却水の温度を上昇させ、前記冷媒ラインを通して前記熱交換器に流入した冷媒との熱交換によって冷媒の温度を上昇させ、
前記エアコン手段が、
前記熱交換器で冷却水との熱交換によって温度が上昇した冷媒を、第３バルブの開放によって前記冷媒ラインに沿って前記アキュムレータと前記圧縮器とを通過させて高温高圧状態の気体冷媒に圧縮させた状態で、第１バルブの作動によって前記ＨＡＶＣモジュールの前記内部凝縮器に供給し、
前記内部凝縮器を通過した冷媒が、第１膨張バルブによって膨張された状態で、第２バルブの作動によって前記熱交換器に供給されて循環され、外部から前記ＨＡＶＣモジュールの前記蒸発器を通過した外気が前記内部凝縮器を通過するように前記開閉ドアを開放させ、流入した外気が前記内部凝縮器を通過しながら前記ＰＴＣヒータの選択的な作動と共に車両室内を暖房することを特徴とする車両用ヒートポンプシステム制御方法。

【請求項2】

前記冷房モードにおいて、前記クーリング手段は、
クーリングファンが作動して前記ラジエータに流入した冷却水を冷却させた状態で、前記ウォータポンプの作動によって前記電装品を冷却しながら前記熱交換器に流入させて、前記熱交換器に流入した低温の冷却水と熱交換によって冷媒の温度を低くし、
前記エアコン手段は、
前記外部凝縮器を通過しながら冷却された低温の冷媒が、前記ＨＡＶＣモジュールの蒸発器と連結された第２膨張バルブに流入するように前記第３バルブを作動させて膨張した冷媒を前記蒸発器に供給し、
前記蒸発器で外気との熱交換によって蒸発した冷媒を排出して、前記アキュムレータと前記圧縮器を通過して圧縮させた状態で、前記第１バルブの作動によって前記外部凝縮器と連結された前記冷媒ラインを開放させて前記外部凝縮器に供給して循環させ、
前記蒸発器に流入した冷媒によって前記蒸発器を通過しながら冷却された外気が前記内部凝縮器に流入しないように前記開閉ドアを閉鎖して、冷却された外気を車両の内部に直接流入させて車両の室内を冷房することを特徴とする請求項１に記載の車両用ヒートポンプシステム制御方法。

【請求項3】

前記除湿モードにおいて、前記クーリング手段は、
クーリングファンが作動して前記ラジエータに流入した冷却水を冷却させ、前記ウォータポンプの作動によって前記電装品を冷却しながら前記熱交換に流入させて、前記熱交換器に流入した低温の冷却水と熱交換によって冷媒の温度を低くし、
前記エアコン手段は、
前記熱交換器を通過して冷却された低温の冷媒が前記ＨＡＶＣモジュールの蒸発器と連結された第２膨張バルブに流入するように前記第３バルブを開放させて、膨張した冷媒を前記蒸発器に供給し、
前記蒸発器で外気との熱交換によって蒸発した冷媒を排出して、前記アキュムレータと前記圧縮器を通過して圧縮させた状態で、前記第１バルブの作動によって前記内部凝縮器と連結された前記冷媒ラインを開放させて前記内部凝縮器に冷媒を供給し、
前記内部凝縮器を通過した冷媒は第１膨張バルブによって膨張させた状態で、前記熱交換器に供給されるように前記第２バルブを作動させて循環させ、外部から前記ＨＡＶＣモジュールの前記蒸発器を通過しながら冷却された外気が前記内部凝縮器を通過するように前記開閉ドアを開放させて、流入した外気が前記内部凝縮器と前記ＰＴＣヒータを通過しながら車両室内を除湿することを特徴とする請求項１に記載の車両用ヒートポンプシステム制御方法。

【請求項4】

前記除湿モードは、 前記制御器が前記第１膨張バルブ及び前記第２膨張バルブの開度量の調節によって冷媒の膨張量を調節することを特徴とする請求項３に記載の車両用ヒートポンプシステム制御方法。

【請求項5】

前記暖房モード、前記冷房モード、及び前記除湿モードは、
前記制御器が、前記電装品から発生する廃熱源の温度状態と、冷却水と冷媒の温度状態に応じて、クーリングファンの風量と前記ウォータポンプの流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用ヒートポンプシステム制御方法。

【請求項6】

前記クーリング手段は、
前記熱交換器と前記ウォータポンプを直接繋ぐバイパスと、前記バイパスの入口に設けた第４バルブをさら含み、
暖房モード及び除湿モードによって、冷却水がラジエータをバイパスするように調節することを特徴とする請求項１に記載の車両用ヒートポンプシステム制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、車両用ヒートポンプシステム及びその制御方法に係り、より詳しくは、電装品から発生する廃熱を利用して暖房性能と除湿性能を向上させ、極低温時には外部凝縮器の外部結露を防止すると同時に、走行距離を増加させた車両用ヒートポンプスシステム及びその制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、自動車用空気調和装置は自動車の室内を冷暖房するためのエアコンモジュールを含む。
このようなエアコンモジュールは、圧縮器の駆動によって吐出される熱交換媒体が凝縮器、レシーバードライヤー、膨張バルブ、及び蒸発器を経てさらに圧縮器に循環する過程で、蒸発器による熱交換によって自動車の室内を冷房するか、または冷却水をヒータに流入して熱交換させることによって室内を暖房するように構成される。
一方、最近、エネルギー効率と環境汚染の問題に対する関心が高まり、内燃機関自動車を実質的に代替できる環境にやさしい自動車の開発が要求されており、このような親環境自動車は、普通、燃料電池や電気を動力源として駆動される電気自動車と、エンジンと電気バッテリを併用して駆動されるハイブリッド自動車に大別される。

【0003】

このような親環境車両のうちの電気自動車は内燃機関エンジンが装着されていないため、ヒータ熱源として使用できるエンジン廃熱がない。このため、熱源として電気式ヒータを使用している。しかし、電気式ヒータの過度な電力消耗によって車両の走行距離が減少する短所がある。これを克服するために、暖房時に効率が良い車両用ヒートポンプシステムが電気式ヒータの代わりに提示されている。
このようなヒートポンプシステムは、夏季冷房モードの時には圧縮器で圧縮された高温、高圧の気相冷媒が、凝縮器によって凝縮された後に、レシーバードライヤー及び膨張バルブを経て、蒸発器での蒸発によって室内の温度及び湿度を低くするが、冬季暖房モードの時には高温、高圧の気相冷媒をヒータ媒体として利用するという特徴を有している。（例えば、特許文献１，２参照）。

【0004】

つまり、電気自動車は、暖房モードで高温、高圧の気相冷媒がバルブによって室外凝縮器でない室内凝縮器に流動して、吸入された外気との熱交換が行われ、熱交換された外気がＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）ヒータを通過して車両の室内に流入することによって、車両の室内温度を高める。
そして、室内凝縮器に流入した高温、高圧の気相冷媒は吸入された外気との熱交換によって凝縮されて、さらに液冷媒として吐出される。

【0005】

上記のような従来のヒートポンプシステムは、外部空気を冷媒との熱交換媒体として利用する空冷式が適用される。
また、冬季の極低温または低温状態の外気と熱交換された冷媒が、室内凝縮器から熱交換されて超低温状態で排出されて外部凝縮器に流入することにより、外部凝縮器の表面に結露または結氷が発生して、熱交換媒体の熱交換効率と暖房性能及び効率が低下し、冷房モードから暖房モードへ切り替わる時、蒸発器の外部に残留した凝縮水によって湿度が増加して、車両の車窓が曇る現象が発生する。

【0006】

これを防止するために、外部凝縮器の表面の結露や結氷を除去する除霜モードではコンプレッサーの作動を中止して、ＰＴＣヒータだけで暖房を行わなければならないことによって、暖房性能がきわめて低下すると同時に、電源使用量の増加により暖房走行時に走行距離が短縮される問題点がある。
また、室内凝縮器からの液冷媒が圧縮器に吸入される時、気相冷媒に切り替えられる熱源が不足しているため、圧縮効率が低下し、外気温度が低い場合には暖房性能が顕著に劣り、システムが不安定になる。このため、大量の液冷媒が圧縮器に流入することになり、圧縮器の耐久性が低下する問題点もある。
さらに、車両室内の湿気除去のための別途の除湿モードでは、２ウェイ（２−ｗａｙ）バルブの頻繁な開閉作動による騒音及び振動が発生する問題点も有している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平０６−２９３２１１号公報

【特許文献2】特開２００９−２８００２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、暖房性能及び効率と除湿性能を向上させ、かつ極低温時には外部結露を防止する車両用ヒートポンプシステム及びその制御方法を提供することにある。
また、他の目的とするところは、車両の全体的な走行距離を増加させた車両用ヒートポンプシステム及びその制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するためになされた本発明の車両用ヒートポンプシステムは、車両に構成されて冷却ラインを通して電装品に冷却水を供給及び循環させるクーリング手段と、車両室内の冷暖房を調節するように冷媒ラインによって連結するエアコン手段とを含む車両用ヒートポンプシステムにおいて、クーリング手段は車両の前面に構成されて、ウォータポンプによって冷却ラインに沿って冷却水を循環させ、供給される冷却水を外気との熱交換によって冷却させるラジエータと、ラジエータに風を送風するクーリングファンとを含み、冷却ラインと連結して冷却水が循環し、モードによって電装品から発生する廃熱源を選択的に利用して冷却水の水温を変化させ、エアコン手段の冷媒ラインと連結して流入した冷媒を冷却水と熱交換させる熱交換器をさらに含むことを特徴とする。

【0010】

エアコン手段は、暖房、冷房、及び除湿モードによって蒸発器を通過した外気が内部凝縮器とＰＴＣヒータに流入するように選択的に調節する開閉ドアを内部に備えたＨＶＡＣ（ｈｅａｔｉｎｇ， ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ， ａｎｄ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）モジュール、蒸発器と冷媒ラインによって連結され、気体状態の冷媒を圧縮させる圧縮器、圧縮器と蒸発器の間の冷媒ライン上に備えられ、圧縮器に気体冷媒だけを供給するアキュムレータ、車両のエンジンルームに備えられて冷媒ラインによって連結され、冷媒を凝縮させる外部凝縮器、圧縮器から排出される冷媒を車両のモードによって内部凝縮器または外部凝縮器に選択的に供給する第１バルブ、内部凝縮器を通過した冷媒の供給を受けて膨張させる第１膨張バルブ、第１膨張バルブによって膨張した冷媒を外部凝縮器または熱交換器に選択的に供給する第２バルブ、外部凝縮器または熱交換器を通過した冷媒を蒸発器またはアキュムレータに選択的に供給する第３バルブ、及び蒸発器と第３バルブの間に備えられ、第３バルブの開閉によって流入する冷媒を膨張させる第２膨張バルブを含むことを特徴とする。

【0011】

圧縮器と第１バルブを連結する冷媒ライン上には、圧力センサーが装着されたこと特徴とする。
第１、第２、第３バルブは、３ウェイ（３−ｗａｙ）バルブからなることを特徴とする。
クーリング手段とエアコン手段はそれぞれ制御器と連結され、制御器の制御信号によって作動することを特徴とする。

【0012】

上記の構成を有する本発明の車両用ヒートポンプシステムの制御方法は、車両に構成されて冷却ラインを通して電装品に冷却水を供給及び循環させるクーリング手段と、車両室内の冷暖房を調節するように冷媒ラインによって連結するエアコン手段とを含み、
前記クーリング手段が、車両の前面に構成されて、ウォータポンプによって前記冷却ラインに沿って冷却水を循環させ、供給される冷却水を外気との熱交換によって冷却させるラジエータと、前記ラジエータに風を送るクーリングファンと、前記冷却ラインと連結して冷却水が循環し、モードによって前記電装品から発生する廃熱源を選択的に利用して冷却水の水温を変化させ、前記エアコン手段の前記冷媒ラインと連結して流入した冷媒を冷却水と熱交換させる熱交換器と、を含み、
前記エアコン手段が、暖房、冷房、及び除湿モードによって蒸発器を通過した外気が内部凝縮器及びＰＴＣヒータに流入するように選択的に調節する開閉ドアを内部に備えたＨＶＡＣモジュールと、前記蒸発器と前記冷媒ラインによって連結されて気体状態の冷媒を圧縮する圧縮器と、前記圧縮器及び前記蒸発器の間の前記冷媒ライン上に備えられて前記圧縮器に気体冷媒だけを供給するアキュムレータと、車両のエンジンルームに備えられ前記冷媒ラインによって連結されて冷媒を凝縮させる外部凝縮器と、前記圧縮器から排出される冷媒を車両のモードによって前記内部凝縮器又は前記外部凝縮器に選択的に供給する第１バルブと、前記内部凝縮器を通過した冷媒の供給を受けて膨張させる第１膨張バルブと、前記第１膨張バルブによって膨張した冷媒を前記外部凝縮器又は前記熱交換器に選択的に供給する第２バルブと、前記外部凝縮器又は前記熱交換器を通過した冷媒を前記蒸発器又は前記アキュムレータに選択的に供給する第３バルブと、前記蒸発器及び前記第３バルブの間に備えられて前記第３バルブの開閉によって流入する冷媒を膨張させる第２膨張バルブと、を含み、
前記圧縮器と前記第１バルブを連結する前記冷媒ライン上に圧力センサが装着され、
前記第１、第２、第３バルブは、３ウェイ（３−ｗａｙ）バルブからなり、
前記クーリング手段及び前記エアコン手段はそれぞれ制御器と連結されて前記制御器の制御信号によって作動する車両用ヒートポンプシステムであって、
前記制御器は、使用者の選択によって暖房モード、冷房モード、及び除湿モードでそれぞれ作動させるための車両用ヒートポンプシステム制御方法において、暖房モードで、クーリング手段が、電装品から発生する廃熱源によって熱交換器に流入した冷却水の温度を上昇させ、冷媒ラインを通して熱交換器に流入した冷媒との熱交換によって冷媒の温度を上昇させ、エアコン手段が、熱交換器で冷却水との熱交換によって温度が上昇した冷媒を、第３バルブの開放によって冷媒ラインに沿ってアキュムレータと圧縮器を通過させて高温高圧状態の気体冷媒に圧縮させた状態で、第１バルブの作動によってＨＡＶＣモジュールの内部凝縮器に供給し、内部凝縮器を通過した冷媒は、第１膨張バルブによって膨張させた状態で、第２バルブの作動によって熱交換器に供給して循環させ、外部からＨＡＶＣモジュールの蒸発器を通過した外気が内部凝縮器を通過するように開閉ドアを開放させ、流入した外気が内部凝縮器を通過しながらＰＴＣヒータの選択的な作動と共に車両の室内を暖房することを特徴とする。

【0013】

冷房モードにおいて、クーリング手段は、クーリングファンが作動してラジエータに流入した冷却水を冷却させた状態で、ウォータポンプの作動によって電装品を冷却しながら熱交換器に流入させて、熱交換器に流入した低温の冷却水と熱交換によって冷媒の温度を低くし、エアコン手段は、外部凝縮器を通過しながら冷却された低温の冷媒が、ＨＡＶＣモジュールの蒸発器と連結された第２膨張バルブに流入するように第３バルブを作動させて膨張した冷媒を蒸発器に供給し、蒸発器で外気との熱交換によって蒸発した冷媒を排出して、アキュムレータと圧縮器を通過して圧縮させた状態で、第１バルブの作動によって外部凝縮器と連結された冷媒ラインを開放させて外部凝縮器に供給して循環させ、蒸発器に流入した冷媒によって蒸発器を通過しながら冷却された外気が内部凝縮器に流入しないように開閉ドアを閉鎖して、冷却された外気を車両の内部に直接流入させて車両の室内を冷房することを特徴とする。

【0014】

除湿モードにおいて、クーリング手段は、クーリングファンが作動してラジエータに流入した冷却水を冷却させ、ウォータポンプの作動によって電装品を冷却しながら熱交換器に流入させて、熱交換器に流入した低温の冷却水と熱交換によって冷媒の温度を低くし、エアコン手段は熱交換器を通過して冷却された低温の冷媒が、ＨＡＶＣモジュールの蒸発器と連結された第２膨張バルブに流入するように第３バルブを開放させて膨張した冷媒を蒸発器に供給し、蒸発器で外気との熱交換によって蒸発した冷媒を排出してアキュムレータと圧縮器を通過して圧縮させた状態で、第１バルブの作動によって内部凝縮器と連結された冷媒ラインを開放させて内部凝縮器に冷媒を供給し、内部凝縮器を通過した冷媒は第１膨張バルブによって膨張させた状態で、熱交換器に供給されるように第２バルブを作動させて循環させ、外部からＨＡＶＣモジュールの蒸発器を通過しながら冷却された外気が内部凝縮器を通過するように開閉ドアを開放させて、流入した外気が内部凝縮器とＰＴＣヒータを通過しながら車両の室内を除湿することを特徴とする。

【0015】

除湿モードは、制御器が第１膨張バルブ及び第２膨張バルブの開度量の調節によって冷媒の膨張量を調節することを特徴とする。
暖房モード、冷房モード、及び除湿モードは、制御器が電装品から発生する廃熱源の温度状態と、冷却水と冷媒の温度状態に応じて、クーリングファンの風量とウォータポンプの流量を制御することを特徴とする。
クーリング手段は、熱交換器とウォータポンプを直接繋ぐバイパスとバイパスの入口に設けた第４バルブ１９０をさら含み、暖房モード及び除湿モードによって、冷却水がラジエータをバイパスするように調節することを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明の車両用ヒートポンプシステム及びその制御方法によれば、冷却水を熱交換媒体として使用する熱交換器を適用し、電装品から発生する廃熱源を利用して冷媒と熱交換させることによって、全体的な暖房性能及び効率と除湿性能を向上させ、極低温時に、外部に設けられた外部凝縮器の外部結露を防止することができる。
また、暖房モードにおいて、極低温時のアイドル状態及び走行条件では、ＰＴＣヒータと共に全体的なシステムを同時に駆動させることによって、電源使用量が増加することを防止すると同時に、暖房負荷を減少させて同一のエネルギーで車両の全体的な走行距離を増加させる長所がある。
そして、車両の冷房モードでは外部凝縮器を通じた空冷式方式のエアコンシステムを維持することができるので、冷房性能を維持することができ、除湿モードでは３ウェイ（３−Ｗａｙ）バルブを採用することよって頻繁な開閉作動を減らし、バルブの開閉作動による騒音及び振動発生を低減させることができる。。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施例に係る車両用ヒートポンプシステムの構成図である。

【図2】本発明の実施例に係る車両用ヒートポンプシステムの暖房モード作動状態図である。

【図3】本発明の実施例に係る車両用ヒートポンプシステムの冷房モード作動状態図である。

【図4】本発明の実施例に係る車両用ヒートポンプシステムの除湿モード作動状態図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の好ましい実施例について、添付した図面に基づいて詳細に説明する。

【0019】

図１は本発明の実施例に係る車両用ヒートポンプシステムの構成図である。
図面に示したとおり、本発明の実施例に係る車両用ヒートポンプシステム１００及びその制御方法は、電装品１１１から発生する廃熱源を利用して冷却水と冷媒を相互熱交換させることによって、暖房性能、暖房効率及び除湿性能を向上させ、極低温時には外部凝縮器１６４の外部結露を防止する。
また、車両の暖房モードでの暖房負荷を減少させることによって、同一のエネルギー量に対する車両の全体的な走行距離を増加させる。
そのために、本発明の実施例に係る車両用ヒートポンプシステム１００は、図１に示したとおり、基本的に車両に搭載されて、冷却水が流動する冷却ライン（Ｃｏｌｌｉｎｇ Ｌｉｎｅ：以下、「Ｃ．Ｌ」という）を通して、電装品１１１とハイブリッド車両の場合、図示しないエンジンに冷却水を供給及び循環させるクーリング手段１１０と、車両の室内の冷暖房を調節するように冷媒が流動する冷媒ライン（Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ Ｌｉｎｅ：以下、「Ｒ．Ｌ」という）を有するエアコン手段１５０とを含んで構成される。

【0020】

本実施例において、クーリング手段１１０は、車両の前面に構成され、ウォータポンプ１１３によって冷却ライン（Ｃ．Ｌ）に沿って冷却水を循環させて、供給される冷却水を外気との熱交換によって冷却させるラジエータ１１５と、ラジエータ１１５に風を送風するようにラジエータ１１５の後方に装着されるクーリングファン１１７とを含んで構成される。
そして、車両用ヒートポンプシステム１００は、電装品１１１とラジエータ１１５の間に配置されて、冷却ライン（Ｃ．Ｌ）と冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）がそれぞれ連結される熱交換器１３０をさらに含む。
熱交換器１３０は、冷却ライン（Ｃ．Ｌ）と連結されて内部に冷却水が循環し、車両の暖房、冷房、及び除湿モードによって電装品１１１から発生する廃熱源を選択的に利用して冷却水の水温を変化させることによって、冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）を通して流入した冷媒を冷却水と熱交換させる。
つまり、熱交換器１３０は、冷却水を熱交換媒体として使用して、冷媒と熱交換させる水冷式熱交換器からなる。

【0021】

このような熱交換器１３０は、内部に温度センサー（図示せず）が取り付けられ、温度センサーは流入した冷却水の水温と冷媒の温度を感知する。
本実施例において、エアコン手段１５０は、ＨＶＡＣ（Ｈｅａｔｉｎｇ、Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ、ａｎｄ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）モジュール１５１、圧縮器１６１、アキュムレータ１６３、外部凝縮器１６４、第１バルブ１６５、第２バルブ１６７、第３バルブ１６９、第１膨張バルブ１７１、及び第２膨張バルブ１７３で構成される。これらの各構成についてさらに詳細に説明する。
まず、ＨＶＡＣモジュール１５１は、通過する空気を冷却する蒸発器１５７と、蒸発器１５７を通過した空気を加熱する内部凝縮器１５３を含み、冷房、暖房、及び除湿モードによって、蒸発器１５７を通過した外気が内部凝縮器１５３とＰＴＣヒータ１５５に選択的に流入するように調節する開閉ドア１５９が内部に具備される。

【0022】

つまり、開閉ドア１５９は、車両の暖房時に、蒸発器１５７を通過した外気が内部凝縮器１５３とＰＴＣヒータ１５５に流入するように内部凝縮器１５３とＰＴＣヒータ１５５への流路を開放し、一方、冷房時には、蒸発器１５７を通過して冷却された外気が車両の内部に直接流入するように、内部凝縮器１５３とＰＴＣヒータ１５５への流路を閉鎖する。
本実施例において、圧縮器１６１は蒸発器１５７と冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）によって連結され、気体状態の冷媒を圧縮する。
そして、アキュムレータ１６３は圧縮器１６１と蒸発器１５７の間の冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）上に備えられ、圧縮器１６１に気体冷媒だけが供給されるように内部に液体冷媒を貯蔵し、貯蔵された液体冷媒を気化させてさらに圧縮器１６１に気体冷媒を供給して、圧縮器１６１の効率及び耐久性を向上させる。

【0023】

外部凝縮器１６４は、車両の乗客室の外部にあるラジエータ１１５の前方に備えられ、冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）によって圧縮器１６１と連結されて、圧縮器１６１から排出された冷媒の供給を受けて凝縮させる。
本実施例において、第１バルブ１６５は、圧縮器１６１から排出される冷媒を車両のモードに応じて内部凝縮器１５３または外部凝縮器１６４に選択的に供給する。
第１膨張バルブ１７１は、内部凝縮器１５３を通過した冷媒を冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）によって供給を受けて膨張させる。
ここで、圧縮器１６１と第１バルブ１６５の間の冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）上には圧力センサー１７５が装着されて、圧縮器１６１から圧縮された状態で排出される冷媒の圧力を感知する。

【0024】

第２バルブ１６７は、第１膨張バルブ１７１によって膨張した冷媒を外部凝縮器１６４または熱交換器１３０に選択的に供給する。
第３バルブ１６９は、熱交換器１３０または外部凝縮器１６４を通過した冷媒を蒸発器１５７またはアキュムレータ１６３に選択的に供給する。
そして、第２膨張バルブ１７３は、蒸発器１５７と第３バルブ１６９の間に備えられ、第３バルブ１６９の開閉によって流入する冷媒を膨張させて蒸発器１５７に供給する。
ここで、第１バルブ１６５は冷媒を内部凝縮器１５３または熱交換器１３０に供給し、第２バルブ１６７は冷媒を熱交換器１３０または外部凝縮器１６４に供給し、第３バルブ１６９は冷媒をアキュムレータ１６３または第２膨張バルブ１７３に供給するように、冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）を選択的に開閉して連結させる３ウェイ（３−ｗａｙ）バルブからなる。

【0025】

上記の構成を有するクーリング手段１１０とエアコン手段１５０はそれぞれ制御器１８０と連結され、制御器１８０の制御信号によって作動する。
つまり、制御器１８０は使用者の選択による車両の暖房モード、冷房モード、及び除湿モードと、熱交換器１３０の温度センサーから出力された信号によって、クーリング手段１１０のクーリングファン１１７とウォータポンプ１１３を制御する。
また、制御器１８０は、車両のモードによってエアコン手段１５０でＨＶＡＣモジュール１５１の開閉ドア１５９の開閉作動を制御すると同時に、第１バルブ１６５、第２バルブ１６７、及び第３バルブ１６９の開閉作動を制御し、第１膨張バルブ１７１及び第２膨張バルブ１７３を制御して冷媒の膨張量を制御する。

【0026】

以下、上記のとおり構成された本発明の実施例に係る車両用ヒータポンプシステムの作動及び制御方法について、図２乃至図４に基づいて具体的に説明する。
図２乃至図４は、それぞれ本発明の実施例に係る車両用ヒートポンプシステムの暖房モード、冷房モード、及び除湿モードの作動状態図である。
ここで、車両用ヒートポンプスシステム１００の暖房モード、冷房モード、及び除湿モードは、使用者の選択または自動調節によって作動できる。

【0027】

最初に、車両用ヒートポンプシステム１００の暖房モード時の作動及び制御方法について、図２に基づいて説明する。
図２に示したとおり、暖房モードで、クーリング手段１１０は、電装品１１１から発生する廃熱源を利用して冷却水の温度を上昇させた状態で、冷却ライン（Ｃ．Ｌ）によって連結された熱交換器１３０に流入させる。
この時、クーリングファン１１７は、作動が中止されるか、または風速を低下させることによって、ラジエータ１１５に流入した冷却水の冷却を遅延または防止する。
このような状態で、熱交換器１３０は、冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）を通して流入した冷媒との熱交換によって、冷媒の温度を上昇させる。

【0028】

ここで、制御器１８０は、熱交換器１３０に装着された温度センサー（図示せず）によって冷却水と冷媒の温度を判断し、電装品１１１から発生する廃熱源の温度状態、冷却水の温度状態、及び冷媒の圧力状態によって、ウォータポンプ１１３の流量を制御したり、クーリングファン１１７の風量を制御する。
そして、エアコン手段１５０は、熱交換器１３０の内部で冷却水との熱交換によって温度が上昇した冷媒を、第３バルブ１６９の開放によって冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）に沿ってアキュムレータ１６３と圧縮器１６１を順に通過させる。
そのために、冷媒は、圧縮器１６１を通過しながら高温高圧状態の気体冷媒に圧縮されて、内部凝縮器１５３と連結された冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）が第１バルブ１６５によって開放されて、内部凝縮器１５３に流入する。

【0029】

ここで、圧縮器１６１と第１バルブ１６５の間の冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）上に装着された圧力センサー１７５は、圧縮器１６１から排出される冷媒の圧力を測定して、制御器１８０にその測定値を出力する。
制御器１８０は、圧力センサー１７５から出力された測定値によって冷媒の圧力を判断し、要求された車両状態に応じて第１バルブ１６５の開度量を調節する。
内部凝縮器１５３を通過した冷媒は、第１膨張バルブ１７１によって膨張した状態で冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）に沿って移動し、第２バルブ１６７の作動によって熱交換器１３０に流入して、前述のような作動を繰り返すことによって冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）に沿って循環する。

【0030】

つまり、暖房モードでは、高温高圧状態の気体冷媒が内部凝縮器１５３に供給されると、制御器１８０が、外部からＨＡＶＣモジュール１５１の蒸発器１５７を通過した外気が内部凝縮器１５３を通過するように、開閉ドア１５９を作動させる。
そのために、外部から流入した外気は、冷媒が供給されない蒸発器１５７を通過する時、冷却されない状態で流入し、内部凝縮器１５３を通過する時、高温状態に加熱され、ＰＴＣヒータ１５５の選択的な作動よりさらに加熱されて車両の室内に供給される。これによって、車両の室内の暖房が行われる。

【0031】

次に、本実施例において、車両用ヒートポンプシステム１００の冷房モード時の作動及び制御方法について、図３に基づいて説明する。
まず、冷房モードにおいてクーリング手段１１０は、図３に示したとおり、制御器１８０によってクーリングファン１１７が作動して、ラジエータ１１５に流入した冷却水を冷却する。
この時、クーリングファン１１７は、最大速度で作動して、ラジエータ１１５を通過する冷却水を最大限冷却する。
このような状態で、冷却された冷却水は、ウォータポンプ１１３の作動によって冷却ライン（Ｃ．Ｌ）に沿って循環して、電装品１１１を冷却させる。
ここで、制御器１８０は、熱交換器１３０に装着された温度センサーによって冷却水の温度を判断し、電装品１１１から発生する廃熱源の温度状態、冷却水の温度状態に応じて、ウォータポンプ１１３の流量を制御したり、クーリングファン１１７の風量を制御する。

【0032】

そして、エアコン手段１５０は、第１バルブ１６５が外部凝縮器１６４と連結された冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）を開放することによって、圧縮器１６１から排出された冷媒を外部凝縮器１６４に供給して凝縮させる。
この時、外部凝縮器１６４は、車両の前方でラジエータ１１５の前面に配置されることによって、内部に流入した冷媒を走行風とクーリングファン１１７の風量によって冷却及び凝縮させる。
その後、制御器１８０は、外部凝縮器１６４を通過した冷媒がＨＡＶＣモジュール１５１の蒸発器１５７と連結された第２膨張バルブ１７３に流入するように第３バルブ１６９を作動させて、冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）を開放する。
第２膨張バルブ１７３に流入した低温の冷媒は膨張した状態で、冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）に沿って蒸発器１５７に供給される。

【0033】

その後、冷媒は、蒸発器１５７で外気との熱交換によって蒸発し、冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）に沿って、アキュムレータ１６３と圧縮器１６１を通過して圧縮される。
上記の作動によって圧縮された冷媒は、第１バルブ１６５の作動によってさらに外部凝縮器１６４と連結された冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）の開放によって外部凝縮器１６４に流入し、上記の作動を繰り返して冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）に沿って循環する。
ここで、ＨＶＡＣモジュール１５１に流入した外気は、蒸発器１５７に流入した低温状態の冷媒によって蒸発器１５７を通過する時、冷却される。
この時、開閉ドア１５９は、冷却された外気が内部凝縮器１５３とＰＴＣヒータ１５５を通過しないように、内部凝縮器１５３に向かう流路を閉鎖して、冷却された外気を車両の内部に直接流入させることによって冷房が行われる。

【0034】

次に、車両用ヒートポンプシステム１００の除湿モード時の作動及び制御方法について、図４に基づいて説明する。
まず、除湿モードにおいてクーリング手段１１０は、図４に示したとおり、制御器１８０によってクーリングファン１１７が作動して、ラジエータ１１５に流入した冷却水を冷却させる。
このような状態で、冷却された冷却水は、ウォータポンプ１１３の作動によって冷却ライン（Ｃ．Ｌ）に沿って循環して、電装品１１１を冷却させながら熱交換器１３０に流入し、熱交換器１３０に流入した低温の冷却水との熱交換によって冷媒の温度を下げる。

【0035】

ここで、制御器１８０は、熱交換器１３０に装着された温度センサーによって冷却水と冷媒の温度を判断し、電装品１１１から発生する廃熱源の温度状態、冷却水の温度状態、及び冷媒の圧力状態に応じて、ウォータポンプ１１３の流量や、クーリングファン１１７の風量を制御する。
そして、エアコン手段１５０は、熱交換器１３０を通過する時、低温状態の冷却水との熱交換によって冷却された低温の冷媒を、ＨＡＶＣモジュール１５１の蒸発器１５７と連結された第２膨張バルブ１７３に流入するように、第３バルブ１６９の作動によって冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）を開放する。
これにより、第２膨張バルブ１７３に流入した低温の冷媒は、膨張した状態で冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）に沿って蒸発器１５７に供給される。

【0036】

その後、冷媒は蒸発器１５７で外気との熱交換によって蒸発され、冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）に沿ってアキュムレータ１６３と圧縮器１６１を通過しながら高温高圧状態の気体冷媒に圧縮される。
圧縮された気体冷媒は、内部凝縮器１５３と連結された冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）が第１バルブ１６５によって開放されて、内部凝縮器１５３に供給される。
ここで、圧縮器１６１と第１バルブ１６５の間の冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）上に装着された圧力センサー１７５は、圧縮器１６１から排出される冷媒の圧力を測定して、制御器１８０にその測定値を出力する。
制御器１８０は、圧力センサー１７５から出力された測定値によって冷媒の圧力を判断して、要求された車両状態に応じて第１バルブ１６５の開度量を調節する。

【0037】

そして、内部凝縮器１５３を通過した冷媒は、第１膨張バルブ１７１によって膨張した状態で、第２バルブ１６７の作動によって熱交換器１３０と連結された冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）に沿って熱交換器１３０に流入し、上記の作動を繰り返して冷媒ライン（Ｒ．Ｌ）に沿って循環する。
この場合、制御器１８０は、第１膨張バルブ１７１及び第２膨張バルブ１７３の開度量を調節することによって、冷媒の膨張量を調節する。
ここで、ＨＶＡＣモジュール１５１に流入する外気は、蒸発器１５７に流入した低温状態の冷媒によって、蒸発器１５７を通過する時、冷却されると同時に除湿される。
この時、開閉ドア１５９は、除湿され冷却された外気が内部凝縮器１５３を通過するように、内部凝縮器１５３と連結された側の流路を開放させる。蒸発器１５７において冷却され除湿された外気は、内部凝縮器１５３によって再び加熱されて車両の内部に流入する。これによって、車両の室内を除湿することができる。

【0038】

一方、本発明の実施例に係る車両用ヒートポンプシステム制御方法の説明において、暖房モードで外気と共にＰＴＣヒータ１５５が作動することを一実施例として説明しているが、これに限定されるものではなく、使用者の選択による暖房温度の設定によってＰＴＣヒータ１５５の作動有無を選択して実現することができる。
本発明に係る車両用ヒートポンプシステム１００及びその制御方法によれば、冷却水を熱交換媒体として使用する熱交換器１３０を適用し、電装品１１１から発生する廃熱源を利用して冷媒と熱交換させることによって、全体的な暖房性能及び効率と除湿性能を向上させ、極低温時に、外部に設けられた外部凝縮器１６４の外部結露を防止することができる。

【0039】

また、暖房モードにおいて、極低温時のアイドル状態及び走行条件では、ＰＴＣヒータ１５５と共に全体的なシステムを同時に駆動させることによって、電源使用量が増加することを防止して暖房負荷を減少させて、エネルギー消費単位当りの車両の全体的な走行距離を増加させることができる。
そして、車両の冷房モードにおいては、冷却水を低温の冷媒と熱交換させて水温を下げることができるので、冷房性能を向上させることができる。また、各モードで作動する第１バルブ１６５、第２バルブ１６７、及び第３バルブ１６９を３ウェイ（３−Ｗａｙ）バルブとすることにより、頻繁な開閉作動を減らして、バルブ開閉作動による騒音及び振動発生を低減させることができる。
さらに、熱交換器１３０において、熱交換媒体として冷却水を使用することによって、各構成要素の構造を簡素化すると同時に、一つのラジエータ１１５で電装品１１１を冷却させることができるので、全体的なシステムパッケージをコンパクトにすることができ、ラジエータ１１５の効率を向上させることができる。

【0040】

一方、本発明の実施例に係る車両用ヒートポンプシステム及びその制御方法の説明において、第１、第２、第３バルブを設けたものを一実施例として説明したが、これに限定されるものではなく、冷却ラインと冷媒ライン上に別途の２ウェイ（２−Ｗａｙ）バルブを適用して、作動流体をバイパスさせたり、流量を調節することができる。
例えば、図４に示したとおり、クーリング手段１１０は、熱交換器１３０とウォータポンプ１１３を直接繋ぐバイパスとバイパスの入口に設けた第４バルブ１９０をさら含み、これによって、ヒートポンプシステム制御方法は、第４バルブ１９０によって暖房モード及び除湿モードにおいて、冷却水がラジエータ１１５をバイパスするように制御することができる。

【0041】

以上、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明の範囲は特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって解釈されなければならない。また、この技術分野で通常の知識を有する者なら、本発明の技術的範囲内で多くの修正と変形ができることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0042】

１００ 車両用ヒートポンプシステム
１１０ クーリング手段
１１１ 電装品
１１３ ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）
１１５ ラジエータ
１１７ クーリングファン
１３０ 熱交換器
１５０ エアコン手段
１５１ ＨＶＡＣモジュール
１５３ 内部凝縮器
１５５ ＰＴＣヒータ
１５７ 蒸発器
１５９ 開閉ドア
１６１ 圧縮器
１６３ アキュムレータ
１６４ 外部凝縮器
１６５ 第１バルブ
１６７ 第２バルブ
１６９ 第３バルブ
１７１ 第１膨張バルブ
１７３ 第２膨張バルブ
１７５ 圧力センサー
１８０ 制御器
１９０ 第４バルブ
Ｃ．Ｌ 冷却ライン
Ｒ．Ｌ 冷媒ライン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】