特許 7117945 車両空調装置用ヒートポンプシステム

(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】

(24)【登録日】2022-08-04

(45)【発行日】2022-08-15

(54)【発明の名称】車両空調装置用ヒートポンプシステム

(51)【国際特許分類】

   F25B 5/02 20060101AFI20220805BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20220805BHJP

   F25B 27/02 20060101ALI20220805BHJP

   B60H 1/22 20060101ALI20220805BHJP

【ＦＩ】

F25B5/02 520D

F25B5/02 530C

F25B5/02 B

F25B5/02 520C

F25B1/00 304Q

F25B1/00 399Y

F25B27/02 G

F25B1/00 321L

B60H1/22 651A

B60H1/22 651C

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018161397

(22)【出願日】2018-08-30

(65)【公開番号】P2020034228

(43)【公開日】2020-03-05

【審査請求日】2021-08-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000001845

【氏名又は名称】サンデン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090022

【弁理士】

【氏名又は名称】長門 侃二

(74)【代理人】

【識別番号】100174366

【弁理士】

【氏名又は名称】相原 史郎

(72)【発明者】

【氏名】清水 宣伯

【審査官】関口 勇

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１４／０７３１５１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１４／０７３１５０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１２／１３７４６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－１４０２９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平３－１８６１５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ ５／０２

Ｆ２５Ｂ １／００

Ｆ２５Ｂ ２７／０２

Ｂ６０Ｈ １／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧縮機と、室内熱交換器と、を冷媒回路上に備え、
開度調整可能な第１膨張機構と第１吸熱用熱交換器が直列に配置された第１分岐流路と、
開度調整可能な第２膨張機構と第２吸熱用熱交換器が直列に配置された第２分岐流路とが、
前記室内熱交換器から前記圧縮機へ至る前記冷媒回路上に並列に配置されている車両空調装置用ヒートポンプシステムにおいて、
暖房運転中、
前記第１膨張機構の開度は、常にゼロより大きく設定されており、
前記第２膨張機構の開度は、前記圧縮機へ吸入される冷媒または前記圧縮機から吐出される冷媒の過熱度が上限値以上となった場合または前記圧縮機から吐出される冷媒の温度が上限値以上となった場合にのみゼロより大きく設定される
ことを特徴とする車両空調装置用ヒートポンプシステム。

【請求項2】

前記第１吸熱用熱交換器は、前記車両で発生する廃熱を吸熱するように構成されており、
前記第２吸熱用熱交換器は、外気から吸熱するように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の車両空調装置用ヒートポンプシステム。

【請求項3】

前記第１吸熱用熱交換器は、前記車両に搭載されたバッテリーで発生する廃熱を、前記バッテリーの冷却水を介して吸熱するように構成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の車両空調装置用ヒートポンプシステム。

【請求項4】

前記冷媒の過熱度は、前記圧縮機の入口側または出口側の前記冷媒回路上に配置された冷媒温度センサ及び冷媒圧力センサを用いて算出される
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の車両空調装置用ヒートポンプシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、車両のエアコン（空調装置）に用いられるヒートポンプシステムに関し、特にその構成要素である圧縮機から吐出される冷媒の温度（過熱度）が過剰に上昇することを防止し得るヒートポンプシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

車両のエアコンとして、ヒートポンプシステムを用いたものが知られている。

【0003】

このようなヒートポンプシステムは、冷媒が循環する回路上に、圧縮機、車室内熱交換器、膨張機構及び車室外熱交換器を備えている。車室内熱交換器は、通常２個が、車外または車内の空気を吸入して温度を調整した後に車室内へ送り出す空気ダクト内に、空気の流れ方向において直列に配置されている。

【0004】

冷房運転時には、圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒が車室外熱交換器に流入して放熱（凝縮）した後、膨張機構を経て（通常は空気ダクト内の上流側に配置された）第１の車室内熱交換器に流入して吸熱（蒸発）し、その後、圧縮機へと還流する。空気ダクト内へ吸入された空気は、第１の車室内熱交換器において冷媒から吸熱されることにより冷却され、低温となって車室内へ送り出される。

【0005】

暖房運転時には、圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒が（通常は空気ダクト内の下流側に配置された）第２の車室内熱交換器に流入して放熱（凝縮）した後、膨張機構を経て車室外熱交換器に流入して吸熱（蒸発）し、その後、圧縮機へと還流する。空気ダクト内へ吸入された空気は、第２の車室内熱交換器において冷媒から吸熱することにより加熱され、高温となって車室内へ送り出される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、近年、車両のエアコンに用いられるヒートポンプシステムにおいて、エネルギー有効利用の観点から、車両の廃熱を吸熱源として利用することが提案されている。

【0007】

このようなヒートポンプシステムは、例えば車両に搭載されたバッテリーの廃熱を、当該バッテリーを冷却するための冷却水を介して吸熱するように構成されている。具体的には、バッテリーを冷却するための冷却水の循環回路上にチラー（冷却器）が配置されており、ヒートポンプシステムの膨張機構から流出した冷媒が当該チラーに導入される。これにより、冷媒は、バッテリーを冷却して高温となった冷却水から吸熱することにより蒸発し、一方、冷却水は、冷媒から吸熱されることにより冷却され、低温となってバッテリーへと還流する。

【0008】

このようなヒートポンプシステムにおいては、暖房運転時、車室外熱交換器において外気（車外の空気）から吸熱できない（または吸熱しないことが好ましい）条件では、チラーにおいてバッテリーの冷却水のみから吸熱していた。

【0009】

しかしながら、バッテリーを冷却してチラーに流入する冷却水の温度が高くなると、圧縮機へ還流するヒートポンプシステムの冷媒の温度（過熱度）も高くなってしまう。その結果、圧縮機から吐出される冷媒の温度（過熱度）も高くなるので、当該温度が上限温度を超えないよう、圧縮機の回転数を低下させる、あるいは、圧縮機を停止させることが必要となり、所望の条件でエアコンの運転を続行することができなくなってしまう。

【0010】

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、暖房運転時に、圧縮機から吐出される冷媒の温度（過熱度）が過剰に上昇することを防止し得る車両空調装置用ヒートポンプシステムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、本発明の車両空調装置用ヒートポンプシステムは、車両空調装置用のものであって、圧縮機と、室内熱交換器と、を冷媒回路上に備え、開度調整可能な第１膨張機構と第１吸熱用熱交換器が直列に配置された第１分岐流路と、開度調整可能な第２膨張機構と第２吸熱用熱交換器が直列に配置された第２分岐流路とが、前記室内熱交換器から前記圧縮機へ至る前記冷媒回路上に並列に配置されており、暖房運転中、前記第１膨張機構の開度は、常にゼロより大きく設定されており、前記第２膨張機構の開度は、前記圧縮機へ吸入される冷媒または前記圧縮機から吐出される冷媒の過熱度が上限値以上となった場合または前記圧縮機から吐出される冷媒の温度が上限値以上となった場合にのみゼロより大きく設定されることを特徴とする。

【0012】

好ましくは、前記第１吸熱用熱交換器は、前記車両で発生する廃熱を吸熱するように構成されており、前記第２吸熱用熱交換器は、外気から吸熱するように構成されている。

【0013】

好ましくは、前記第１吸熱用熱交換器は、前記車両に搭載されたバッテリーで発生する廃熱を、前記バッテリーの冷却水を介して吸熱するように構成されている。

【0014】

好ましくは、前記冷媒の過熱度は、前記圧縮機の入口側または出口側の前記冷媒回路上に配置された冷媒温度センサ及び冷媒圧力センサを用いて算出される。

【発明の効果】

【0015】

本発明のヒートポンプシステムによれば、暖房運転時に、圧縮機から吐出される冷媒の温度（過熱度）が過剰に上昇することを防止することができる。その結果、圧縮機の回転数を低下させたり、圧縮機を停止させたりする必要がなく、所望の条件でエアコンの運転を続行することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施形態のヒートポンプシステムの全体構成を示す概略説明図である。

【図2】本発明の実施形態のヒートポンプシステムの暖房運転時において、圧縮機から吐出される気相冷媒の過熱度が上限値より小さい場合（通常運転状態）の冷媒の流れを示す概略説明図である。

【図3】本発明の実施形態のヒートポンプシステムの暖房運転時において、圧縮機から吐出される気相冷媒の過熱度または温度が上限値以上である場合の冷媒の流れを示す概略説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

【0018】

図１は、本発明の実施形態のヒートポンプシステムの全体構成を示す概略説明図である。

【0019】

図１に示すように、ヒートポンプシステムＨＰは、車両のエアコンの空気ダクトＡＤ内に配置された第１室内熱交換器ＨＸＣ１及び第２室内熱交換器ＨＸＣ２を含んでいる。空気ダクトＡＤ内において、第１室内熱交換器ＨＸＣ１は、矢印ＦＡで示す空気の流れ方向において、第２室内熱交換器ＨＸＣ２より上流側に配置されている。また、第１室内熱交換器ＨＸＣ１より下流において、空気ダクトＡＤは２つの通路に区分されており、そのうちの一方の通路内に第２室内熱交換器ＨＸＣ２が配置されている。さらに、２つの通路を区分する仕切り部材の上流端には、エアミックスドアＡＭＤが、図中に矢印で示すように回動可能に取り付けられている。

【0020】

冷房運転時には、送風ファン（図示省略）によって車外または車内から空気ダクトＡＤ内に吸入された空気が、第１室内熱交換器ＨＸＣ１を通過する際に冷却され、低温となって車室内へ送り出される。

【0021】

一方、暖房運転時には、同様にして空気ダクトＡＤ内に吸入された空気が、第２室内熱交換器ＨＸＣ２を通過する際に加熱され、高温となって車室内へ送り出される。
なお、暖房運転時に空気の除湿を行う場合、空気ダクトＡＤ内に吸入された空気は、第１室内熱交換器ＨＸＣ１を通過する際に冷却されて含有水分が凝縮して除去され、その後、第２室内熱交換器ＨＸＣ２を通過する際に加熱され、除湿された高温の空気として車室内へ送り出される。その際、第１室内熱交換器ＨＸＣ１を通過した空気のうち、第２室内熱交換器ＨＸＣ２を通過する空気と、当該第２室内熱交換器ＨＸＣ２をバイパスする空気との比率が、エアミックスドアＡＭＤによって調整される。

【0022】

ヒートポンプシステムＨＰは、さらに、圧縮機Ｃ、第１膨張機構ＥＸ１及び第２膨張機構ＥＸ２、第１吸熱用熱交換器ＨＸＡ１及び第２吸熱用熱交換器ＨＸＡ２、並びに、アキュムレータＡを含んでおり、これらの機器、並びに、上述した第１室内熱交換器ＨＸＣ１及び第２室内熱交換器ＨＸＣ２は、冷媒回路ＲＣ上に配置されている。

【0023】

圧縮機Ｃは、低圧の気相冷媒を圧縮し、高温高圧の過熱状態の気相冷媒として吐出する機能を有している。なお、圧縮機Ｃの出口側の冷媒回路ＲＣ上には、冷媒温度センサＴＳ及び冷媒圧力センサＰＳが配置されており、これらのセンサは、電子制御装置ＥＣと電気的に接続されている。

【0024】

第１膨張機構ＥＸ１及び第１吸熱用熱交換器ＨＸＡ１、第２膨張機構ＥＸ２及び第２吸熱用熱交換器ＨＸＡ２は、それぞれ第１分岐流路ＢＣ１、第２分岐流路ＢＣ２の上に直列に配置されている。そして、第１分岐流路ＢＣ１と第２分岐流路ＢＣ２は、冷媒回路ＲＣ上において分岐点Ｐｂと合流点Ｐｍの間で互いに並列に配置されている。

【0025】

２つの吸熱用熱交換器のうち、第１吸熱用熱交換器ＨＸＡ１は、冷媒が、車両に搭載されたバッテリー（図示省略）を冷却するための冷却水から吸熱し得るように構成されている。そのために、第１吸熱用熱交換器ＨＸＡ１には、バッテリーの冷却水が循環する冷却水回路ＷＣが接続されている。これにより、バッテリーを冷却して高温となった冷却水は、冷却水回路ＷＣを経て第１吸熱用熱交換器ＨＸＡ１に流入し、冷媒から吸熱されることにより冷却され、低温となって、再び冷却水回路ＷＣを経てバッテリーへと還流する。したがって、第１吸熱用熱交換器ＨＸＡ１は、バッテリーを冷却する機能を有していることから、チラーと称することもできる。

【0026】

一方、第２吸熱用熱交換器ＨＸＡ２は、冷媒が、外気（車外の空気）から吸熱するように構成されている。

【0027】

また、第１膨張機構ＥＸ１及び第２膨張機構ＥＸ２は、その開度がゼロ（全閉状態）から最大開度（全開状態）まで連続的に調整可能な膨張弁であって、例えば電子膨張弁とすることができる。第１膨張機構ＥＸ１及び第２膨張機構ＥＸ２は、それぞれ電子制御装置ＥＣと電気的に接続されており、その開度は、後述するように、冷媒温度センサＴＳ及び冷媒圧力センサＰＳからの出力信号に基づいて、電子制御装置ＥＣによって制御される。

【0028】

電子制御装置ＥＣは、暖房運転中、冷媒圧力センサＰＳによって計測された冷媒の圧力に基づいて当該圧力における冷媒の飽和温度を算出し、冷媒温度センサＴＳによって計測された冷媒の温度との比較を通じて、圧縮機Ｃから吐出される気相冷媒の過熱度ＳＨを算出する。

【0029】

そして、算出された過熱度ＳＨが上限値ＳＨＵＬより小さい場合には、第１膨張機構ＥＸ１に対してはゼロより大きい所定の開度信号を、第２膨張機構ＥＸ２に対してはゼロ開度（全閉状態）信号を出力する。

【0030】

一方、算出された過熱度ＳＨが上限値ＳＨＵＬ以上である場合、または、冷媒温度センサＴＳによって計測された冷媒の温度（すなわち、圧縮機Ｃから吐出される冷媒の温度ＴＤ）が上限値ＴＤＵＬ以上である場合には、第１膨張機構ＥＸ１に対してはゼロより大きい所定の開度信号を出力しつつ、第２膨張機構ＥＸ２に対してもゼロより大きい所定の開度信号を出力する。

【0031】

換言すれば、暖房運転中、第１膨張機構ＥＸ１の開度は常にゼロより大きく設定されているのに対し、第２膨張機構ＥＸ２の開度は、圧縮機Ｃから吐出される気相冷媒の過熱度ＳＨが上限値ＳＨＵＬ以上となった場合、または、圧縮機Ｃから吐出される気相冷媒の温度ＴＤが上限値ＴＤＵＬ以上となった場合にのみゼロより大きく設定されることになる。

【0032】

これにより、圧縮機Ｃから吐出される気相冷媒の過熱度ＳＨが上限値ＳＨＵＬより小さい場合には、第１膨張機構ＥＸ１のみが開き、冷媒は第１分岐流路ＢＣ１のみを流れる。一方、圧縮機Ｃから吐出される気相冷媒の過熱度ＳＨが上限値ＳＨＵＬ以上である場合、または、圧縮機Ｃから吐出される気相冷媒の温度ＴＤが上限値ＴＤＵＬ以上である場合には、第１膨張機構ＥＸ１及び第２膨張機構ＥＸ２の両方が開き、冷媒は第１分岐流路ＢＣ１及び第２分岐流路ＢＣ２の両方を流れることになる。なお、上限値ＳＨＵＬ以上となっていた過熱度ＳＨが上限値ＳＨＵＬを下回った場合、または、上限値ＴＤＵＬ以上となっていた温度ＴＤが上限値ＴＤＵＬを下回った場合は、第２膨張機構ＥＸ２が閉じられ、冷媒は再び第１分岐流路ＢＣ１のみを流れるようになる。

【0033】

以上のように構成されたヒートポンプシステムＨＰの暖房運転時における作動について、以下で説明する。

【0034】

図２及び図３は、暖房運転時におけるヒートポンプシステムＨＰの冷媒の流れを示す概略説明図であり、図２は通常運転状態（圧縮機から吐出される気相冷媒の過熱度が上限値より小さい場合）を、図３は圧縮機から吐出される気相冷媒の過熱度または温度が上限値以上である場合を、それぞれ示している。

【0035】

圧縮機Ｃから吐出された高温高圧の過熱状態の気相冷媒は、第２室内熱交換器ＨＸＣ２に流入し、空気ダクトＡＤ内を流れる空気に放熱して凝縮し、高圧の液相冷媒となる、このとき、空気ダクトＡＤ内を流れる空気は、冷媒からの吸熱によって加熱され、高温となって車室内へ送り出される。

【0036】

第２室内熱交換器ＨＸＣ２から流出した冷媒は、冷媒回路ＲＣを流れて分岐点Ｐｂに達する。

【0037】

ここで、ヒートポンプシステムＨＰの通常運転状態、すなわち圧縮機Ｃから吐出される気相冷媒の過熱度ＳＨが上限値ＳＨＵＬより小さい場合には、上述したように、第１分岐流路ＢＣ１上の第１膨張機構ＥＸ１のみが開いており、第２分岐流路ＢＣ２上の第２膨張機構ＥＸ２は閉じている。

【0038】

したがって、分岐点Ｐｂに達した冷媒は、図２に示すように、第１分岐流路ＢＣ１に流入し、第１膨張機構ＥＸ１を通過する際に等エンタルピ的に膨張して湿り蒸気状態となる。

【0039】

第１膨張機構ＥＸ１を流出した冷媒は、第１吸熱用熱交換器ＨＸＡ１（チラー）に流入し、冷却水回路ＷＣ内を流れるバッテリーの冷却水から吸熱して蒸発し、低圧の気相冷媒となってアキュムレータＡに流入する。

【0040】

アキュムレータＡでは、混入した液相冷媒が除去され、気相冷媒のみが圧縮機Ｃに還流する。

【0041】

一方、ヒートポンプシステムＨＰの通常運転状態において、バッテリーの温度は徐々に上昇し、第１吸熱用熱交換器ＨＸＡ１（チラー）に流入する冷却水の温度も徐々に上昇する。その結果、圧縮機Ｃから吐出される気相冷媒の過熱度ＳＨも徐々に大きくなる。

【0042】

このとき、電子制御装置ＥＣは、第１膨張機構ＥＸ１に対してより大きな開度信号を出力することにより、第１膨張機構ＥＸ１から流出する冷媒の温度を低下させ、過熱度ＳＨの上昇を抑制しようとする。しかし、遂には、過熱度ＳＨがその上限値ＳＨＵＬに到達することになる。

【0043】

このように、圧縮機Ｃから吐出される気相冷媒の過熱度ＳＨが上限値ＳＨＵＬ以上、または、圧縮機Ｃから吐出される気相冷媒の温度ＴＤが上限値ＴＤＵＬ以上になると、上述したように、それまでは閉じられていた第２膨張機構ＥＸ２が開かれ、第１膨張機構ＥＸ１及び第２膨張機構ＥＸ２の両方が開いた状態となる。

【0044】

したがって、分岐点Ｐｂに達した冷媒は、図３に示すように、第１膨張機構ＥＸ１及び第２膨張機構ＥＸ２のそれぞれの開度に応じて、第１分岐流路ＢＣ１と第２分岐流路ＢＣ２に分かれて流入する。

【0045】

それぞれの分岐流路に流入した冷媒は、第１膨張機構ＥＸ１及び第２膨張機構ＥＸ２を通過する際にそれぞれ等エンタルピ的に膨張して湿り蒸気状態となる。

【0046】

第１膨張機構ＥＸ１を流出した冷媒は、第１吸熱用熱交換器ＨＸＡ１（チラー）に流入し、冷却水回路ＷＣ内を流れるバッテリーの冷却水から吸熱して蒸発し、低圧の気相冷媒となってアキュムレータＡに流入する。

【0047】

同様に、第２膨張機構ＥＸ２を流出した冷媒は、第２吸熱用熱交換器ＨＸＡ２に流入し、外気から吸熱して蒸発し、低圧の気相冷媒となってアキュムレータＡに流入する。

【0048】

アキュムレータＡでは、混入した液相冷媒が除去され、気相冷媒のみが圧縮機Ｃに還流する。

【0049】

上述したように、圧縮機Ｃから吐出される気相冷媒の過熱度ＳＨが上限値ＳＨＵＬに到達、または、圧縮機Ｃから吐出される気相冷媒の温度ＴＤが上限値ＴＤＵＬに到達した時、第２吸熱用熱交換器ＨＸＡ２は未だ低温の状態にあるので、分岐点Ｐｂから第２分岐流路ＢＣ２に流入して第２吸熱用熱交換器ＨＸＡ２を通過して合流点Ｐｍに至る冷媒の温度は、分岐点Ｐｂから第１分岐流路ＢＣ１に流入して既に高温の状態となっている第１吸熱用熱交換器ＨＸＡ１を通過して合流点Ｐｍに至る冷媒の温度と比較して低い。

【0050】

このように、第１分岐流路ＢＣ１（第１吸熱用熱交換器ＨＸＡ１）から流出する冷媒に、これより低温の第２分岐流路ＢＣ２（第２吸熱用熱交換器ＨＸＡ２）から流出する冷媒を混合させることにより、合流点Ｐｍより下流における冷媒の温度を低下させることができ、圧縮機Ｃから吐出される気相冷媒の過熱度ＳＨまたは温度ＴＤの上昇を抑え、ひいてはこれを低下させることができる。

【0051】

以上で説明したように、本発明の実施形態のヒートポンプシステムＨＰによれば、暖房運転時に、圧縮機Ｃから吐出される冷媒の温度（過熱度ＳＨ）が（上限値ＳＨＵＬを超えて）過剰に上昇することを防止することができる。その結果、圧縮機Ｃの回転数を低下させたり、圧縮機Ｃを停止させたりする必要がなく、所望の条件でエアコンの運転を続行することができる。

【0052】

なお、以上においては、冷媒温度センサＴＳ及び冷媒圧力センサＰＳを圧縮機Ｃの出口側の冷媒回路ＲＣ上に配置した例について説明したが、これらのセンサは、圧縮機Ｃの入口側の冷媒回路ＲＣ上に配置してもよい。

【0053】

また、以上においては、第１吸熱用熱交換器ＨＸＡ１を、車両に搭載されたバッテリーの廃熱を、当該バッテリーの冷却水を介して吸熱するように構成されたものとして説明したが、第１吸熱用熱交換器ＨＸＡ１は、車両で発生するその他の廃熱を吸熱するように構成されてもよい。
さらに、以上においては、２つの吸熱用熱交換器（車両に搭載されたバッテリーから吸熱する第１吸熱用熱交換器ＨＸＡ１及び外気から吸熱する第２吸熱用熱交換器ＨＸＡ２）を用いる例について説明したが、例えば車両において発生する他の廃熱を吸熱する更なる吸熱用熱交換器を設けることにより、３つ以上の吸熱用熱交換器を用いてもよい。

【符号の説明】

【0054】

ＢＣ１ 第１分岐流路
ＢＣ２ 第２分岐流路
Ｃ 圧縮機
ＥＸ１ 第１膨張機構
ＥＸ２ 第２膨張機構
ＨＸＡ１ 第１吸熱用熱交換器
ＨＸＡ２ 第２吸熱用熱交換器
ＨＸＣ２ 第２室内熱交換器（室内熱交換器）
ＨＰ ヒートポンプシステム
ＲＣ 冷媒回路

【図1】

【図2】

【図3】