車両用ヒートポンプ式空調システム
【課題】吸熱器での吸熱量を向上させたとしても熱交換能力を維持できる車両用ヒートポンプ式空調システムを提供する。
【解決手段】車両Ｖの後部の荷室Ｄには、膨張弁４０の下流に設けられて車外に排出される空調用空気Ａと冷媒体とで熱交換を行う吸熱用の第３熱交換器５０を備えている。暖房運転時に第３熱交換器５０における凝縮水の凍結に関するマップであって、外気温度、車室内温度、ブロア８０の風量、冷媒圧縮機１０の回転速度およびシステム作動時間により規定される凝縮水凍結判別マップを予め有し、凝縮水凍結判別マップを用いて凝縮水凍結状態になるか否かを判定する制御部９０を有している。
【解決手段】車両Ｖの後部の荷室Ｄには、膨張弁４０の下流に設けられて車外に排出される空調用空気Ａと冷媒体とで熱交換を行う吸熱用の第３熱交換器５０を備えている。暖房運転時に第３熱交換器５０における凝縮水の凍結に関するマップであって、外気温度、車室内温度、ブロア８０の風量、冷媒圧縮機１０の回転速度およびシステム作動時間により規定される凝縮水凍結判別マップを予め有し、凝縮水凍結判別マップを用いて凝縮水凍結状態になるか否かを判定する制御部９０を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載されるヒートポンプ式空調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載されるヒートポンプ式の空調システムでは、熱交換器（吸熱器）にフロスト（霜）が発生するという問題がある。このようなフロストを検出する方法としては、熱交換器で熱交換後の空気温度を検出して、この空気温度で判別する方法が提案されており、フロストを除去する（デフロストする）場合、高温の冷媒を熱交換器に送り込んで、熱交換部のフロストを溶かす技術が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３０６６４４３号公報（段落００１９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、吸熱器における吸熱量を確保するために、冷媒の低圧側が低く設定されると、吸熱器出口の空気温度が極めて低くなるため、吸熱器に生じた凝縮水が凍結して熱交換性能を維持できなくなるという問題があった。
【０００５】
本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、吸熱器での吸熱量を向上させたとしても熱交換能力を維持できる車両用ヒートポンプ式空調システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、冷媒圧縮機と、前記冷媒圧縮機から吐出された冷媒体と空調用空気とで熱交換を行う放熱用の第１熱交換器と、前記第１熱交換器の下流に設けられ、前記冷媒圧縮機から吐出された冷媒体と外気とで熱交換を行う放熱用の第２熱交換器と、前記第２熱交換器の下流に設けられ、冷媒体の圧力を低下させる減圧手段と、前記減圧手段の下流に設けられ、熱源と冷媒体とで熱交換を行う吸熱用の第３熱交換器と、前記第１熱交換器に導入される空調用空気の流れに対して上流側に配置される吸熱用の第４熱交換器と、制御部と、を備えた車両用ヒートポンプ式空調システムにおいて、前記制御部は、暖房運転時に前記第３熱交換器における凝縮水の凍結に関する情報であって、外気温度、車室内温度、前記第３熱交換器への高温媒体導入量、前記冷媒圧縮機の回転速度およびシステム作動時間により規定される凝縮水凍結判別情報を予め有し、前記凝縮水凍結判別情報を用いて凝縮水凍結状態になるか否かを判定することを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、システムの運転状態（ブロアの風量、冷媒圧縮機の回転速度）、温度情報（外気温度、車室内温度）およびシステムの作動時間により規定される凝縮水凍結判別情報により判断することにより、第３熱交換器での凝縮水量を判断でき、第３熱交換器の凍結を未然に検出して、その後の凍結回避処理を適切に行うことが可能になる。これにより、吸熱器での吸熱量を向上させたとしても熱交換性能を維持することが可能になる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、車室内から吸引した空調用空気を前記第３熱交換器に供給するブロアと、前記ブロアに流れるブロア電流値を検出する電流検出手段と、を備え、前記制御部は、暖房運転時に、前記ブロア電流値を検出し、前記ブロア電流値が所定値以下となったとき、凝縮水凍結状態と判定することを特徴とする。
【０００９】
これによれば、第３熱交換器が凍結（フロスト）すると、凍結部分が空調用空気の流れの抵抗となって、空調用空気が流れ難くなるので、その結果、ブロアの仕事量は低下せざるを得ず、ブロアに流れる電流値が低下する。よって、ブロア電流値に基づいて凝縮水凍結状態を判定することにより、第３熱交換器が凍結しているかどうかを確実に判断することができる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、前記冷媒圧縮機の吐出後圧力を検出する圧力検出手段を備え、前記制御部は、暖房運転時に、前記冷媒圧縮機の吐出後圧力が所定値以下となったとき、凝縮水凍結状態であると判定することを特徴とする。
【００１１】
これによれば、第３熱交換器が凍結（フロスト）すると、第３熱交換器において熱交換がし難くなるので、冷媒体の温度は低いまま（密度が低いまま）で冷媒圧縮機に導入され、冷媒圧縮機から出てくる圧力（ディスチャージ冷媒圧、吐出圧力）が低下する。よって、冷媒圧縮機の吐出圧力に基づいて凝縮水凍結状態を判定することにより、第３熱交換器が凍結しているかどうかを確実に判断することができる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、前記制御部は、凝縮水凍結状態と判定された場合、前記第３熱交換器に替えて前記第４熱交換器により吸熱を行うことを特徴とする。
【００１３】
これによれば、第３熱交換器において熱交換が行われなくなるとともに、車室内からの暖かい空調用空気が第３熱交換器を通過するので、第３熱交換器での解凍（デフロスト）を行うことが可能になる。
【００１４】
請求項５に係る発明は、前記制御部は、凝縮水凍結状態と判定された場合、前記第３熱交換器に前記ブロアの風を供給することを特徴とする。
【００１５】
これによれば、ブロアを作動させることにより、車室内の空調用空気を効率的に第３熱交換器に当てることができるので、第３熱交換器の解凍を効率よく行うことが可能になる。
【００１６】
請求項６に係る発明は、前記制御部は、凝縮水凍結状態と判定された場合、前記第１熱交換器への空調用空気として内気循環させた内気を用いるとともに、前記第３熱交換器には外気を媒体として導入することを特徴とする。
【００１７】
これによれば、内気循環にすることにより車室内から第３熱交換器に空調用空気を吸引できなくなるので、それに替えて、第３熱交換器に外気を導入することにより、第３熱交換器の解凍を行うことが可能になる。なお、この場合には、外気を第３熱交換器に取り込むのは外気が０℃以上のときであり、外気が０℃未満のときは、デフロストができないので、第３熱交換器に外気を取り込むことをしない。この場合、温度上昇した室内空気をブロアを用いて流すことでデフロストが行える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、吸熱器での結露や凍結を精度よく検出できる車両用ヒートポンプ式空調システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態の車両用ヒートポンプ式空調システムにおけるフロスト検出方法に対応した全体構成図である。
【図２】フロスト検出方法の一例として凝縮水凍結判別マップである。
【図３】本実施形態の車両用ヒートポンプ式空調システムにおける別のフロスト検出方法に対応した全体構成図である。
【図４】本実施形態の車両用ヒートポンプ式空調システムでのフロスト回避時の動作を示す全体構成図である。
【図５】本実施形態の車両用ヒートポンプ式空調システムでの他のフロスト回避時の動作を示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態の車両用ヒートポンプ式空調システム（空調システムと略記する）Ｆ１は、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）、燃料電池車（ＦＣＶ：Fuel Cell Vehicle）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ：HybridElectric Vehicle）などの車両Ｖに適用することができる。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態の空調システムＦ１は、冷媒圧縮機１０、放熱用の第１熱交換器２０、放熱用の第２熱交換器３０、膨張弁（減圧手段）４０、吸熱用の第３熱交換器５０、吸熱用の第４熱交換器６０、冷暖切替手段７０、ブロア８０、制御部９０などで構成されている。なお、本実施形態において、太線で示す配管が、冷媒体の流れを意味している。
【００２２】
冷媒圧縮機１０は、モータ（またはエンジン）などの動力によって駆動され、冷媒体を吸入、圧縮して、配管１１１を介して第１熱交換器２０に向けて高温・高圧の冷媒体（ガス冷媒）を圧送するようになっている。
【００２３】
第１熱交換器２０は、いわゆる冷媒ヒータであり、暖房運転時に、冷媒圧縮機１０から送られた高温・高圧のガス冷媒の放熱によって、車両Ｖの外部から取り込まれた空調用空気Ａ（外気）を昇温させる機能を有している。
【００２４】
第２熱交換器３０は、放熱用の熱交換器であり、車両Ｖの前端側に設けられ、車両Ｖの前方から取り込まれた外気によって冷媒体を冷却する機能を有している。この第２熱交換器３０では、冷媒圧縮機１０からのガス冷媒が凝縮（冷却）されて液冷媒になる。また、第２熱交換器３０は、配管１１２を介して第１熱交換器２０と接続されている。
【００２５】
また、第２熱交換器３０には、下流側に、レシーバタンク３１およびサブコンデンサ３２が直列に接続されている。第２熱交換器３０の入口側の配管１１２には、制御部９０によって開閉される電磁弁Ｖ１が設けられている。なお、こうした第２熱交換器３０とレシーバタンク３１とサブコンデンサ３２とからなるコンデンサユニットに限らず、既存のサブクールコンデンサを用いてももちろんよい。
【００２６】
レシーバタンク３１は、第２熱交換器３０から取り出された液冷媒とガス冷媒とを分離する機能（気液分離機能）を有し、液冷媒のみを下流に取り出すようになっている。このレシーバタンク３１は、冷媒体の不足を補うバッファ部として機能している。
【００２７】
サブコンデンサ３２は、暖房運転時に、サブクール部として機能するものであり、第１熱交換器２０で冷却された冷媒体をさらに冷却して、冷媒体を完全な液冷媒にするものである。また、サブコンデンサ３２は、冷房運転時にも冷媒体を冷却するサブクール部として機能する。
【００２８】
また、第２熱交換器３０をバイパスする第２熱交換器バイパス手段７１を備えている。この第２熱交換器バイパス手段７１は、上流側の端部が電磁弁Ｖ１よりも上流の配管１１２に接続されるとともに下流側の端部がレシーバタンク３１に接続されるバイパス配管１２１と、バイパス配管１２１の流路を開閉する電磁弁Ｖ２とで構成されている。なお、電磁弁Ｖ１，Ｖ２は、三方弁でひとつにまとめられていてもよい。
【００２９】
なお、暖房運転時には、電磁弁Ｖ１を閉じるとともに電磁弁Ｖ２を開くことにより、第２熱交換器３０を迂回して冷媒体が流れ、逆に電磁弁Ｖ１を開くとともに電磁弁Ｖ２を閉じることにより、冷媒体が第２熱交換器３０を流れるようになる。なお、電磁弁Ｖ２に替えて冷媒体の圧力を低下させる絞り部を設けてもよい。ただし、この場合、電磁弁Ｖ１を開いたときに、第２熱交換器３０に流れるように絞り部の圧力損失が生じるように設定される。
【００３０】
膨張弁４０は、例えば冷媒体の温度・圧力に応じて開度を変化させることができ、検出された温度・圧力に応じて冷媒体の流量を変化させる機能を有している。また、膨張弁４０は、配管１１３を介してサブコンデンサ３２と接続されている。なお、膨張弁４０は、温度・圧力式に限定されるものではなく、電磁弁の開閉制御によって冷媒体の流量を調整する電子式のものであってもよい。
【００３１】
第３熱交換器５０は、冷媒体が車室内Ｃから排出される空調用空気Ａ（熱源）と熱交換を行う吸熱器であり、車両Ｖの荷室Ｄ（例えば、トランクルーム）など、空調用空気が車外に排出されるような車両Ｖの後部に配置されている。この第３熱交換器５０によって、荷室Ｄ内の熱が無駄に車外に排出されないようになっている。
【００３２】
第４熱交換器６０は、車室内Ｃに導入される空調用空気Ａの流路に配置され、車外から取り込まれた空調用空気Ａ（外気）と冷媒体との間で熱交換を行う吸熱器である。なお、図１は、外気導入モードを図示しているが、図５に示すように、外気循環モードを内気循環モードに切り替えることが可能である。また、第４熱交換器６０は、空調用空気Ａの流れに対して第１熱交換器２０よりも上流側に配置されている。
【００３３】
なお、第３熱交換器５０の冷媒入口は、配管１１４を介して膨張弁４０の冷媒出口と接続され、第３熱交換器５０の冷媒出口は、配管１１５を介して第４熱交換器６０の冷媒入口と接続されている。また、第４熱交換器６０の冷媒出口は、配管１１６を介して、膨張弁４０を通って冷媒圧縮機１０と接続される。
【００３４】
冷暖切替手段７０は、冷房運転時における冷媒体の流れおよび空調用空気Ａの流れと、暖房運転時における冷媒体の流れおよび空調用空気Ａの流れとを切り替えるものであり、前記した第２熱交換器バイパス手段７１とともに、第３熱交換器バイパス手段７２、第４熱交換器バイパス手段７３、エアミックスダンパ７４で構成されている。
【００３５】
第３熱交換器バイパス手段７２は、第３熱交換器バイパス配管１２２および電磁弁Ｖ３で構成されている。第３熱交換器バイパス配管１２２は、冷媒体が第３熱交換器５０をバイパスして流れるようにしたものであり、上流端が配管１１４に接続され、下流端が配管１１５に接続されている。電磁弁Ｖ３は、第３熱交換器バイパス配管１２２上に設けられている。
【００３６】
第４熱交換器バイパス手段７３は、第４熱交換器バイパス配管１２３および電磁弁Ｖ４で構成されている。第４熱交換器バイパス配管１２３は、冷媒体が第４熱交換器６０をバイパスして流れるようにしたものであり、上流端が第３熱交換器バイパス手段７２の下流の配管１１５に接続され、下流端が第４熱交換器と膨張弁４０との間の配管１１６に接続されている。電磁弁Ｖ４は、第４熱交換器バイパス配管１２３上に設けられている。
【００３７】
エアミックスダンパ７４は、車室内Ｃに導入される空調用空気Ａの吹出口（図示せず）の上流側（奥側）に配置され、第１熱交換器２０と第４熱交換器６０との間の空間に配置されている。暖房運転時には、エアミックスダンパ７４が全開に制御されて（図１参照）、車室内Ｃに導入される空調用空気Ａが、第４熱交換器６０を通過し、第１熱交換器２０を通過するように流れが制御される。なお、暖房運転時には、第４熱交換器６０には冷媒体が流れないので、冷媒体と空調用空気Ａとの間で熱交換は行われない。また、冷房運転時には、エアミックスダンパ７４が全閉に制御されて、車室内Ｃに導入される空調用空気Ａが、第４熱交換器６０のみを通過した後に車室内Ｃに導入される。
【００３８】
ブロア８０は、車両Ｖの荷室Ｄ内に配置され、車室内Ｃの空調用空気Ａを吸引して第３熱交換器５０に導入する送風機である。なお、ブロア８０は、第３熱交換器５０の近傍に配置され、ブロア８０からの送風がほぼすべて第３熱交換器５０に導入されるように構成されている。
【００３９】
制御部９０は、電磁弁Ｖ１〜Ｖ４を開閉制御するとともに、エアミックスダンパ７４を開閉制御して、冷房運転時と暖房運転時の各運転時における冷媒体の流れおよび空調用空気Ａの流れを切り替える。
【００４０】
また、制御部９０は、外気温度Ｔａｍを検出する外気温度センサ９１、車室内（キャビン）Ｃの温度を検出する車室内温度センサ９２、および第３熱交換器５０の近傍（荷室Ｄ内）の相対湿度ＲＨを検出する相対湿度センサ９３と接続されている。
【００４１】
次に、空調システムＦ１の動作について説明する。図１は、暖房運転時の冷媒体および空調用空気Ａの流れを示したものであり、電磁弁Ｖ１，Ｖ３が閉じ、電磁弁Ｖ２，Ｖ４，が開き、エアミックスダンパ７４が全開となっている。
【００４２】
（暖房運転時の動作）
図１に示すように、冷媒圧縮機１０が駆動されると、冷媒圧縮機１０で圧縮された高温・高圧の冷媒体（ガス冷媒）は、配管１１１を介して第１熱交換器２０に導入される。このとき、エアミックスダンパ７４が全開になっているので、空調用空気Ａが第１熱交換器２０を通過するようになっている。
【００４３】
第１熱交換器２０に導入された冷媒体は、車外から取り込まれた空調用空気Ａ（外気）と熱交換を行う。すなわち、空調用空気Ａは、高温・高圧のガス冷媒によって暖められることにより昇温する。一方、冷媒体は、空調用空気Ａ（冷たい外気）によって冷却されることにより凝縮し、ガス冷媒から液冷媒となる。
【００４４】
第１熱交換器２０を通過した液冷媒は、配管１１２、第２熱交換器バイパス配管１２１を通って、第２熱交換器３０をバイパスして、レシーバタンク３１およびサブコンデンサ３２に導入される。レシーバタンク３１では、気液分離されて、液冷媒がレシーバタンク３１からサブコンデンサ３２に導入される。サブコンデンサ３２では、液冷媒がさらに冷却され、完全な液冷媒となる。なお、レシーバタンク３１およびサブコンデンサ３２での処理が、いわゆるサブクール部（サブクール領域）となっている。
【００４５】
サブコンデンサ３２を通過した液冷媒は、配管１１３を通って膨張弁４０に導入される。膨張弁４０では、液冷媒が減圧され、液体と気体とが混在した状態の冷媒体に変化して、配管１１４を通って第３熱交換器５０に導入される。
【００４６】
第３熱交換器５０では、車室内Ｃから導入された空気用空気Ａと冷媒体とで熱交換を行う。すなわち、冷媒体が第３熱交換器５０を通過する際、空調用空気Ａが有している熱を吸収して冷媒体の比エンタルピが増加する。
【００４７】
第３熱交換器５０を通過した冷媒体は、配管１１５、第４熱交換器バイパス配管１２３、膨張弁４０、配管１１７を通って、冷媒圧縮機１０に戻る。
【００４８】
このようにして、暖房運転時には、エアミックスダンパ７４が全開に設定されることにより、車外から取り込んだ空調用空気Ａ（冷たい空気）が、第４熱交換器６０と第１熱交換器２０の双方を通過する。第４熱交換器６０では、冷媒体がバイパスするので空調用空気Ａとの間で熱交換は行われず、第１熱交換器２０では、冷媒圧縮機１０からの高温・高圧のガス冷媒によって空調用空気Ａが加熱される。したがって、第１熱交換器２０によって車室内Ｃには暖かい空気が導入されることになる。
【００４９】
なお、図示していないが、冷房運転時には、電磁弁Ｖ２，Ｖ４が閉じられ、電磁弁Ｖ１，Ｖ３が開かれ、エアミックスダンパ７４が全閉となるように制御されている。冷媒圧縮機１０で圧縮された冷媒体は、配管１１１を介して第１熱交換器２０に供給されるが、エアミックスダンパ７４が全閉に設定されているので、空調用空気Ａが第１熱交換器２０を通過せず、高温・高圧のガス冷媒によって空調用空気Ａが加熱されることがない。
【００５０】
第１熱交換器２０を通過した高温・高圧のガス冷媒は、配管１１２を通って第２熱交換器３０に導入される。第２熱交換器３０では、車両Ｖの前方から導入される外気によってガス冷媒が冷却され、凝縮して液冷媒となる。また、冷媒体は、サブコンデンサ３２を通過することによってさらに冷却された後、膨張弁４０に導入される。
【００５１】
膨張弁４０では、液冷媒が減圧されて、液冷媒とガス冷媒とが混在した冷媒体になる。膨張弁４０を通過した冷媒体は、第３熱交換器５０をバイパスして、第４熱交換器６０に導入される。
【００５２】
第４熱交換器６０では、車室内Ｃに導入される空調用空気（外気）Ａと冷媒体との間で熱交換が行われることにより、空調用空気Ａの熱が冷媒体によって吸収されて冷却された後、車室内Ｃに導入される。なお、このとき、エアミックスダンパ７４が全閉であるので、空調用空気Ａが暖められることがない。そして、第４熱交換器６０を通過した冷媒体は、冷媒圧縮機１０に戻る。
【００５３】
ところで、第３熱交換器５０には、暖かい空調用空気Ａが流れ込むことによりフロスト（凍結）する可能性は低いが、第３熱交換器５０での吸熱量を確保する（吸熱量を向上させる）ために冷媒体の低圧側を低く設定したとき、例えば冷媒圧縮機１０の運転条件と膨張弁４０との調整で低圧化したときに、第３熱交換器５０における空調用空気Ａと冷媒体との温度差を大きくできるようになり、吸熱量を向上できる。しかし、第３熱交換器５０の出口における空調用空気Ａの温度が極めて低くなり、第３熱交換器５０での凝縮水の結露ならびに凍結が問題となる。
【００５４】
そこで、本実施形態では、フロストの検出方法として、図２に示すマップ（凝縮水凍結判別情報）に基づく方法を挙げることができる。図２は、キャビン空気温度（車室内Ｃの空調用空気Ａの温度）とキャビン絶対湿度（乾燥エア１ｋｇ当たり何ｋｇの水が入っているか）との関係を示すマップである。図２に示すマップ中において、極太実線は、フロスト領域判別関数Ｙ＝ｆ（ｘ）を示し、仮に６０分でフロストすると仮定したときのラインである。この関数は、外気温度Ｔａｍ、車室内温度Ｔｒ、ブロア８０の風量（第３熱交換器５０への高温媒体導入量）Ｖ、冷媒圧縮機１０の回転速度Ｎｃおよびシステム作動時間ｔに基づいて算出される。なお、システム作動時間ｔは、ヒートポンプ式空調システムＦ１を起動してからの経過時間である。
【００５５】
また、図２において、フロスト領域判別関数Ｙよりも下側の領域（かつ、０℃以上）が非フロスト領域Ｓ２であり、フロスト領域判別関数Ｙよりも上側の領域（かつ、０℃以上）がフロスト領域Ｓ１である。また、フロスト領域Ｓ１よりも上側の一点鎖線で示す車内湿度飽和ラインより上側の領域が、相対湿度１００％の導入外気に乗員などの車内発生水分を加えた絶対湿度を超える状態として存在しない領域Ｓ３である。なお、図２に示すマップでは、外気温度Ｔａｍが０℃、冷媒圧縮機１０の回転速度ＮｃがＮ１ｒｐｍ、ブロア８０の風量ＶがＶ１立方メートル／ｈである。
【００５６】
また、図２において、「× ａ´」の表記は、ａで示す◆（黒菱形）に対応している。×印は、第３熱交換器５０の入口の空気状態（空調用空気Ａの状態：３０℃）であり、×印の右肩に一部示した数字は、凝縮水が第３熱交換器５０の保水量（最大値）まで達する時間であり、単位は分である。また、◆は、第３熱交換器５０の出口の空気状態（空調用空気Ａの状態）であり、第３熱交換器５０の出口側からはマイナス３℃の空調用空気Ａが吐出されるということを意味し、マイナス３℃、１００％相対湿度の絶対湿度との差が保水量となる。同様に、図２において、その左隣の「× ｂ´」の表記は、ｂで示す◇（白菱形）に対応し、その左隣の「× ｃ´」の表記は、ｃで示す■（黒四角）に対応し、その左隣の「× ｄ´」の表記は、ｄで示す□（白四角）に対応している。
【００５７】
例えば、「× ｂ´」という表記であれば、ｂ´分で凝縮水が第３熱交換器５０の保水量まで達することを意味しており、第３熱交換器５０の出口温度がマイナス７℃になることを意味している。したがって、フロスト領域判別関数Ｙにおいて６０分をフロストと仮定した場合、ｂ´分でフロスト条件が成立することになり、出口温度が氷点下であるので、フロスト領域Ｓ１内になる。
【００５８】
また、フロスト領域判別関数Ｙより下側の「× ｅ´」という表記であれば、ｅ´分で凝縮水が第３熱交換器５０の保水量まで達することを意味しており、フロスト領域判別関数Ｙにおいて６０分をフロストと仮定したときに、出口温度（吹出し温度）が氷点下（ｄ：マイナス１４℃）であることを意味している。吹出し温度が氷点下ではあるが、ｅ´分という長い時間が経過しないと、第３熱交換器５０の保水量まで達しないため、またｅ´分も経過すればすでに車室内Ｃは全体的に暖まっている状況にあるので、非フロスト領域Ｓ２内となる。
【００５９】
また、図２において中太実線で示す略横軸方向に延びるライン（等相対湿度線）は、導入外気それぞれの相対湿度（１０％ＲＨ、３０％ＲＨ、５０％ＲＨ、７０％ＲＨ、９０％ＲＨ）での第３熱交換器５０の入口空気状態のラインを示している。これら等相対湿度線は、キャビン空気温度（温度Ｔｒ）が０℃での起動時において、細実線と繋がっている。
【００６０】
このように車室内温度Ｔｒ（キャビン空気温度）と絶対湿度とをＸＹ軸とした複数のフロストマップ（凝縮水凍結判別マップ）を予め実験やシミュレーションなどによって用意しておく。つまり、各パターンの外気温度Ｔａｍに基づいたマップ、各パターンの冷媒圧縮機１０の回転速度に基づいたマップ、ブロア風量に基づいたマップ、これらを組み合わせたマップなどを用意しておく。そして、運転条件（外気温度、冷媒圧縮機１０の回転速度、フロア８０の風量など）から適切なマップを選択し、選択したマップにおいて、相対湿度ＲＨに基づいて、いずれかの相対湿度のラインを選択した後、車室内温度Ｔｒ（キャビン空気温度）に基づいて、フロスト領域Ｓ１に入るか、非フロスト領域Ｓ２に入るかを判断する。このようなフロストマップを用いることにより、第３熱交換器５０がフロスト領域Ｓ１に入るのを未然に防止することが可能になり、フロスト領域Ｓ１に入ったときには後記するフロスト回避モードで運転する。
【００６１】
図３は本実施形態の車両用ヒートポンプ式空調システムにおける他のフロスト検出方法に対応した全体構成図である。なお、図１と同様の構成については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。図３に示す制御部９０は、ブロア８０に流れる電流値を検出する電流センサ（電流検出手段）９４と、冷媒圧縮機１０の吐出側の圧力（吐出圧力、ディスチャージ冷媒圧）を検出する圧力センサ（圧力検出手段）９５と接続されている。
【００６２】
他のフロスト検出方法としては、電流センサ９４によって検出されるブロア８０に流れる電流値に基づいて判断することができる。つまり、ブロア８０が第３熱交換器５０の近傍に配置されているので、第３熱交換器５０が結露して凍結して、凍結部分が空調用空気Ａの流れの抵抗となる。これにより、空調用空気Ａが流れ難くなり、ブロア８０の仕事量は低下せざるを得なくなり、ブロア８０に流れる電流値が低下することになる。よって、電流センサ９４によって検出されるブロア電流値に基づいて凝縮水が凍結しているかどうかを判定することにより、第３熱交換器が凍結しているかどうかを判断することができる。なお、所定値については、例えば予め実験やシミュレーションによって決定された値が用いられ、空調システムＦ１の構成に応じて適宜設定される。
【００６３】
また、さらに他のフロスト検出方法としては、圧力センサ９５によって検出される冷媒圧縮機１０の吐出圧力Ｐｄ（ディスチャージ冷媒圧）に基づいて判断することができる。つまり、第３熱交換器５０が結露して凍結（フロスト）すると、第３熱交換器５０において冷媒体と空調用空気Ａとの熱交換がし難くなるので、冷媒体の温度は低いまま（密度が低いまま）で冷媒圧縮機１０に導入され、冷媒圧縮機１０から出てくる圧力（ディスチャージ冷媒圧、吐出圧力）が低下する。よって、冷媒圧縮機１０の吐出圧力に基づいて凝縮水が凍結しているかどうかを判定することにより、第３熱交換器５０が凍結しているかどうかを判断することができる。なお、所定値については、例えば予め行われる実験やシミュレーションによって決定された値が用いられ、空調システムＦ１の構成に応じて適宜設定される。
【００６４】
図４および図５は、それぞれフロストが検出されたときのフロスト回避方法（解凍方法、デフロスト方法）を示している。なお、図４および図５は、いずれも暖房運転時であり、基本的な全体構成図は、図１と同様である。また、図５に示すように、空調システムＦ１に設けられるブロア８０は、車室内Ｃの空調用空気を取り込む流路Ｒ１と、外気を取り込む流路Ｒ２と接続されている。
【００６５】
前記したように、冷媒圧縮機１０の吐出圧力、ブロア電流値または図２に示すマップに基づいて第３熱交換器５０でのフロストを検出した場合には、図４に示すように、制御部９０の制御によって、電磁弁Ｖ３を開いて、冷媒体が第３熱交換器５０をバイパスするように通流し、さらに電磁弁Ｖ４を閉じて、冷媒体が第４熱交換器６０を通流するように制御する。
【００６６】
図４に示すフロスト回避方法では、外気を導入するモードを維持したまま、車室内Ｃの暖かい空気（空調用空気Ａ）を第３熱交換器５０に導入する。このように、暖かい空気（空調用空気Ａ）が第３熱交換器５０に導入されることにより、第３熱交換器５０の解凍（デフロスト）が行われる。なお、第４熱交換器６０において冷媒体が空調用空気Ａから熱を吸収するが、空調用空気Ａが第１熱交換器２０を通過することにより、冷媒圧縮機１０からの高温・高圧の冷媒体によって加熱されるので、車室内Ｃには暖かい空調用空気が導入されることになる。
【００６７】
また前記したように、冷媒圧縮機１０の吐出圧力、ブロア電流値または図２に示すマップに基づいてフロストを検出した場合には、図５に示すように、制御部９０は、電磁弁Ｖ３を開いて、冷媒体が第３熱交換器５０をバイパスするように通流するように、そして電磁弁Ｖ４を閉じて、冷媒体が第４熱交換器６０を通流するように制御する。そして、さらに、外気導入モードを内気循環モードに切り替える。さらに、制御部９０は、外気温度が０℃以上であると判断したときは、空気の取り入れを車室内Ｃと連通する流路Ｒ１からではなく、荷室Ｄの外部（トランク外部）と連通する流路Ｒ２から行って、第３熱交換器５０のデフロストを行う。なお、制御部９０は、外気温度が０℃未満と判断したときは、デフロストできないので、実行しない。
【００６８】
以上説明したように、本実施形態の空調システムＦ１によれば、システムの運転状態、温度情報およびシステムの作動時間により規定される凝縮水凍結判別マップにより判断することにより、第３熱交換器５０での凝縮水量を判断でき、第３熱交換器５０の凍結を未然に検出して、その後のデフロスト処理を適切に行うことが可能になる。これにより、吸熱器での吸熱量を向上させたとしても熱交換性能を維持することが可能になる。
【００６９】
また、本実施形態によれば、ブロア８０の電流値に基づいて凝縮水凍結状態を判定することにより、第３熱交換器５０が凍結しているかどうかを容易に判断することができる。
【００７０】
また、本実施形態によれば、冷媒圧縮機１０の吐出圧力に基づいて凝縮水凍結状態を判定することにより、第３熱交換器５０が凍結しているかどうかを容易に判断することができる。
【００７１】
また、本実施形態によれば、凝縮水凍結状態と判定された場合、第３熱交換器５０に替えて第４熱交換器６０により吸熱を行うことにより、第３熱交換器５０において熱交換が行われなくなるとともに、車室内Ｃからの暖かい空調用空気Ａが第３熱交換器５０を通過するので、第３熱交換器５０での解凍（デフロスト）を行うことが可能になる。また、このときブロア８０を作動させることにより、車室内Ｃの空調用空気Ａを効率的に第３熱交換器５０に当てることができ、第３熱交換器５０の解凍を効率よく行うことが可能になる。
【００７２】
また、本実施形態によれば、内気循環にするとともに、第３熱交換器５０に外気を導入することにより、第３熱交換器５０の解凍を行うことが可能になる。また、外気温度が０℃以上のときに外気を第３熱交換器５０に取り込むことにより、第３熱交換器５０のデフロストが可能になる。
【００７３】
前記した実施形態では、第３熱交換器５０を流れる冷媒体が、熱源として車室内Ｃの空気（空調用空気）と熱交換を行っているが、これに限らず、外気、バッテリの排熱、燃料電池スタックの熱等の様々な熱源から吸熱してもよい。
【００７４】
また、前記した実施系形態では、凝縮水凍結判別マップのパラメータとして、外気温度、車室内温度、冷媒圧縮機１０の回転速度、ブロア８０の風量、システム作動時間に基づいているが、これに限定されるものではなく、例えば、さらに乗員の数を加味して判断するようにしてもよい。乗員が増えることにより、空調用空気Ａ中に含まれる水分の量が増えるので、フロストし易くなる。
【符号の説明】
【００７５】
１０ 冷媒圧縮機
２０ 第１熱交換器
３０ 第２熱交換器
４０ 膨張弁（減圧手段）
５０ 第３熱交換器
６０ 第４熱交換器
８０ ブロア
９０ 制御部
９１ 外気温度センサ
９２ 車室内温度センサ
９３ 相対湿度センサ
９４ 電流センサ（電流検出手段）
９５ 圧力センサ（圧力検出手段）
Ｆ１ 車両用ヒートポンプ式空調システム
Ｖ 車両
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載されるヒートポンプ式空調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載されるヒートポンプ式の空調システムでは、熱交換器（吸熱器）にフロスト（霜）が発生するという問題がある。このようなフロストを検出する方法としては、熱交換器で熱交換後の空気温度を検出して、この空気温度で判別する方法が提案されており、フロストを除去する（デフロストする）場合、高温の冷媒を熱交換器に送り込んで、熱交換部のフロストを溶かす技術が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３０６６４４３号公報（段落００１９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、吸熱器における吸熱量を確保するために、冷媒の低圧側が低く設定されると、吸熱器出口の空気温度が極めて低くなるため、吸熱器に生じた凝縮水が凍結して熱交換性能を維持できなくなるという問題があった。
【０００５】
本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、吸熱器での吸熱量を向上させたとしても熱交換能力を維持できる車両用ヒートポンプ式空調システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、冷媒圧縮機と、前記冷媒圧縮機から吐出された冷媒体と空調用空気とで熱交換を行う放熱用の第１熱交換器と、前記第１熱交換器の下流に設けられ、前記冷媒圧縮機から吐出された冷媒体と外気とで熱交換を行う放熱用の第２熱交換器と、前記第２熱交換器の下流に設けられ、冷媒体の圧力を低下させる減圧手段と、前記減圧手段の下流に設けられ、熱源と冷媒体とで熱交換を行う吸熱用の第３熱交換器と、前記第１熱交換器に導入される空調用空気の流れに対して上流側に配置される吸熱用の第４熱交換器と、制御部と、を備えた車両用ヒートポンプ式空調システムにおいて、前記制御部は、暖房運転時に前記第３熱交換器における凝縮水の凍結に関する情報であって、外気温度、車室内温度、前記第３熱交換器への高温媒体導入量、前記冷媒圧縮機の回転速度およびシステム作動時間により規定される凝縮水凍結判別情報を予め有し、前記凝縮水凍結判別情報を用いて凝縮水凍結状態になるか否かを判定することを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、システムの運転状態（ブロアの風量、冷媒圧縮機の回転速度）、温度情報（外気温度、車室内温度）およびシステムの作動時間により規定される凝縮水凍結判別情報により判断することにより、第３熱交換器での凝縮水量を判断でき、第３熱交換器の凍結を未然に検出して、その後の凍結回避処理を適切に行うことが可能になる。これにより、吸熱器での吸熱量を向上させたとしても熱交換性能を維持することが可能になる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、車室内から吸引した空調用空気を前記第３熱交換器に供給するブロアと、前記ブロアに流れるブロア電流値を検出する電流検出手段と、を備え、前記制御部は、暖房運転時に、前記ブロア電流値を検出し、前記ブロア電流値が所定値以下となったとき、凝縮水凍結状態と判定することを特徴とする。
【０００９】
これによれば、第３熱交換器が凍結（フロスト）すると、凍結部分が空調用空気の流れの抵抗となって、空調用空気が流れ難くなるので、その結果、ブロアの仕事量は低下せざるを得ず、ブロアに流れる電流値が低下する。よって、ブロア電流値に基づいて凝縮水凍結状態を判定することにより、第３熱交換器が凍結しているかどうかを確実に判断することができる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、前記冷媒圧縮機の吐出後圧力を検出する圧力検出手段を備え、前記制御部は、暖房運転時に、前記冷媒圧縮機の吐出後圧力が所定値以下となったとき、凝縮水凍結状態であると判定することを特徴とする。
【００１１】
これによれば、第３熱交換器が凍結（フロスト）すると、第３熱交換器において熱交換がし難くなるので、冷媒体の温度は低いまま（密度が低いまま）で冷媒圧縮機に導入され、冷媒圧縮機から出てくる圧力（ディスチャージ冷媒圧、吐出圧力）が低下する。よって、冷媒圧縮機の吐出圧力に基づいて凝縮水凍結状態を判定することにより、第３熱交換器が凍結しているかどうかを確実に判断することができる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、前記制御部は、凝縮水凍結状態と判定された場合、前記第３熱交換器に替えて前記第４熱交換器により吸熱を行うことを特徴とする。
【００１３】
これによれば、第３熱交換器において熱交換が行われなくなるとともに、車室内からの暖かい空調用空気が第３熱交換器を通過するので、第３熱交換器での解凍（デフロスト）を行うことが可能になる。
【００１４】
請求項５に係る発明は、前記制御部は、凝縮水凍結状態と判定された場合、前記第３熱交換器に前記ブロアの風を供給することを特徴とする。
【００１５】
これによれば、ブロアを作動させることにより、車室内の空調用空気を効率的に第３熱交換器に当てることができるので、第３熱交換器の解凍を効率よく行うことが可能になる。
【００１６】
請求項６に係る発明は、前記制御部は、凝縮水凍結状態と判定された場合、前記第１熱交換器への空調用空気として内気循環させた内気を用いるとともに、前記第３熱交換器には外気を媒体として導入することを特徴とする。
【００１７】
これによれば、内気循環にすることにより車室内から第３熱交換器に空調用空気を吸引できなくなるので、それに替えて、第３熱交換器に外気を導入することにより、第３熱交換器の解凍を行うことが可能になる。なお、この場合には、外気を第３熱交換器に取り込むのは外気が０℃以上のときであり、外気が０℃未満のときは、デフロストができないので、第３熱交換器に外気を取り込むことをしない。この場合、温度上昇した室内空気をブロアを用いて流すことでデフロストが行える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、吸熱器での結露や凍結を精度よく検出できる車両用ヒートポンプ式空調システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態の車両用ヒートポンプ式空調システムにおけるフロスト検出方法に対応した全体構成図である。
【図２】フロスト検出方法の一例として凝縮水凍結判別マップである。
【図３】本実施形態の車両用ヒートポンプ式空調システムにおける別のフロスト検出方法に対応した全体構成図である。
【図４】本実施形態の車両用ヒートポンプ式空調システムでのフロスト回避時の動作を示す全体構成図である。
【図５】本実施形態の車両用ヒートポンプ式空調システムでの他のフロスト回避時の動作を示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態の車両用ヒートポンプ式空調システム（空調システムと略記する）Ｆ１は、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）、燃料電池車（ＦＣＶ：Fuel Cell Vehicle）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ：HybridElectric Vehicle）などの車両Ｖに適用することができる。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態の空調システムＦ１は、冷媒圧縮機１０、放熱用の第１熱交換器２０、放熱用の第２熱交換器３０、膨張弁（減圧手段）４０、吸熱用の第３熱交換器５０、吸熱用の第４熱交換器６０、冷暖切替手段７０、ブロア８０、制御部９０などで構成されている。なお、本実施形態において、太線で示す配管が、冷媒体の流れを意味している。
【００２２】
冷媒圧縮機１０は、モータ（またはエンジン）などの動力によって駆動され、冷媒体を吸入、圧縮して、配管１１１を介して第１熱交換器２０に向けて高温・高圧の冷媒体（ガス冷媒）を圧送するようになっている。
【００２３】
第１熱交換器２０は、いわゆる冷媒ヒータであり、暖房運転時に、冷媒圧縮機１０から送られた高温・高圧のガス冷媒の放熱によって、車両Ｖの外部から取り込まれた空調用空気Ａ（外気）を昇温させる機能を有している。
【００２４】
第２熱交換器３０は、放熱用の熱交換器であり、車両Ｖの前端側に設けられ、車両Ｖの前方から取り込まれた外気によって冷媒体を冷却する機能を有している。この第２熱交換器３０では、冷媒圧縮機１０からのガス冷媒が凝縮（冷却）されて液冷媒になる。また、第２熱交換器３０は、配管１１２を介して第１熱交換器２０と接続されている。
【００２５】
また、第２熱交換器３０には、下流側に、レシーバタンク３１およびサブコンデンサ３２が直列に接続されている。第２熱交換器３０の入口側の配管１１２には、制御部９０によって開閉される電磁弁Ｖ１が設けられている。なお、こうした第２熱交換器３０とレシーバタンク３１とサブコンデンサ３２とからなるコンデンサユニットに限らず、既存のサブクールコンデンサを用いてももちろんよい。
【００２６】
レシーバタンク３１は、第２熱交換器３０から取り出された液冷媒とガス冷媒とを分離する機能（気液分離機能）を有し、液冷媒のみを下流に取り出すようになっている。このレシーバタンク３１は、冷媒体の不足を補うバッファ部として機能している。
【００２７】
サブコンデンサ３２は、暖房運転時に、サブクール部として機能するものであり、第１熱交換器２０で冷却された冷媒体をさらに冷却して、冷媒体を完全な液冷媒にするものである。また、サブコンデンサ３２は、冷房運転時にも冷媒体を冷却するサブクール部として機能する。
【００２８】
また、第２熱交換器３０をバイパスする第２熱交換器バイパス手段７１を備えている。この第２熱交換器バイパス手段７１は、上流側の端部が電磁弁Ｖ１よりも上流の配管１１２に接続されるとともに下流側の端部がレシーバタンク３１に接続されるバイパス配管１２１と、バイパス配管１２１の流路を開閉する電磁弁Ｖ２とで構成されている。なお、電磁弁Ｖ１，Ｖ２は、三方弁でひとつにまとめられていてもよい。
【００２９】
なお、暖房運転時には、電磁弁Ｖ１を閉じるとともに電磁弁Ｖ２を開くことにより、第２熱交換器３０を迂回して冷媒体が流れ、逆に電磁弁Ｖ１を開くとともに電磁弁Ｖ２を閉じることにより、冷媒体が第２熱交換器３０を流れるようになる。なお、電磁弁Ｖ２に替えて冷媒体の圧力を低下させる絞り部を設けてもよい。ただし、この場合、電磁弁Ｖ１を開いたときに、第２熱交換器３０に流れるように絞り部の圧力損失が生じるように設定される。
【００３０】
膨張弁４０は、例えば冷媒体の温度・圧力に応じて開度を変化させることができ、検出された温度・圧力に応じて冷媒体の流量を変化させる機能を有している。また、膨張弁４０は、配管１１３を介してサブコンデンサ３２と接続されている。なお、膨張弁４０は、温度・圧力式に限定されるものではなく、電磁弁の開閉制御によって冷媒体の流量を調整する電子式のものであってもよい。
【００３１】
第３熱交換器５０は、冷媒体が車室内Ｃから排出される空調用空気Ａ（熱源）と熱交換を行う吸熱器であり、車両Ｖの荷室Ｄ（例えば、トランクルーム）など、空調用空気が車外に排出されるような車両Ｖの後部に配置されている。この第３熱交換器５０によって、荷室Ｄ内の熱が無駄に車外に排出されないようになっている。
【００３２】
第４熱交換器６０は、車室内Ｃに導入される空調用空気Ａの流路に配置され、車外から取り込まれた空調用空気Ａ（外気）と冷媒体との間で熱交換を行う吸熱器である。なお、図１は、外気導入モードを図示しているが、図５に示すように、外気循環モードを内気循環モードに切り替えることが可能である。また、第４熱交換器６０は、空調用空気Ａの流れに対して第１熱交換器２０よりも上流側に配置されている。
【００３３】
なお、第３熱交換器５０の冷媒入口は、配管１１４を介して膨張弁４０の冷媒出口と接続され、第３熱交換器５０の冷媒出口は、配管１１５を介して第４熱交換器６０の冷媒入口と接続されている。また、第４熱交換器６０の冷媒出口は、配管１１６を介して、膨張弁４０を通って冷媒圧縮機１０と接続される。
【００３４】
冷暖切替手段７０は、冷房運転時における冷媒体の流れおよび空調用空気Ａの流れと、暖房運転時における冷媒体の流れおよび空調用空気Ａの流れとを切り替えるものであり、前記した第２熱交換器バイパス手段７１とともに、第３熱交換器バイパス手段７２、第４熱交換器バイパス手段７３、エアミックスダンパ７４で構成されている。
【００３５】
第３熱交換器バイパス手段７２は、第３熱交換器バイパス配管１２２および電磁弁Ｖ３で構成されている。第３熱交換器バイパス配管１２２は、冷媒体が第３熱交換器５０をバイパスして流れるようにしたものであり、上流端が配管１１４に接続され、下流端が配管１１５に接続されている。電磁弁Ｖ３は、第３熱交換器バイパス配管１２２上に設けられている。
【００３６】
第４熱交換器バイパス手段７３は、第４熱交換器バイパス配管１２３および電磁弁Ｖ４で構成されている。第４熱交換器バイパス配管１２３は、冷媒体が第４熱交換器６０をバイパスして流れるようにしたものであり、上流端が第３熱交換器バイパス手段７２の下流の配管１１５に接続され、下流端が第４熱交換器と膨張弁４０との間の配管１１６に接続されている。電磁弁Ｖ４は、第４熱交換器バイパス配管１２３上に設けられている。
【００３７】
エアミックスダンパ７４は、車室内Ｃに導入される空調用空気Ａの吹出口（図示せず）の上流側（奥側）に配置され、第１熱交換器２０と第４熱交換器６０との間の空間に配置されている。暖房運転時には、エアミックスダンパ７４が全開に制御されて（図１参照）、車室内Ｃに導入される空調用空気Ａが、第４熱交換器６０を通過し、第１熱交換器２０を通過するように流れが制御される。なお、暖房運転時には、第４熱交換器６０には冷媒体が流れないので、冷媒体と空調用空気Ａとの間で熱交換は行われない。また、冷房運転時には、エアミックスダンパ７４が全閉に制御されて、車室内Ｃに導入される空調用空気Ａが、第４熱交換器６０のみを通過した後に車室内Ｃに導入される。
【００３８】
ブロア８０は、車両Ｖの荷室Ｄ内に配置され、車室内Ｃの空調用空気Ａを吸引して第３熱交換器５０に導入する送風機である。なお、ブロア８０は、第３熱交換器５０の近傍に配置され、ブロア８０からの送風がほぼすべて第３熱交換器５０に導入されるように構成されている。
【００３９】
制御部９０は、電磁弁Ｖ１〜Ｖ４を開閉制御するとともに、エアミックスダンパ７４を開閉制御して、冷房運転時と暖房運転時の各運転時における冷媒体の流れおよび空調用空気Ａの流れを切り替える。
【００４０】
また、制御部９０は、外気温度Ｔａｍを検出する外気温度センサ９１、車室内（キャビン）Ｃの温度を検出する車室内温度センサ９２、および第３熱交換器５０の近傍（荷室Ｄ内）の相対湿度ＲＨを検出する相対湿度センサ９３と接続されている。
【００４１】
次に、空調システムＦ１の動作について説明する。図１は、暖房運転時の冷媒体および空調用空気Ａの流れを示したものであり、電磁弁Ｖ１，Ｖ３が閉じ、電磁弁Ｖ２，Ｖ４，が開き、エアミックスダンパ７４が全開となっている。
【００４２】
（暖房運転時の動作）
図１に示すように、冷媒圧縮機１０が駆動されると、冷媒圧縮機１０で圧縮された高温・高圧の冷媒体（ガス冷媒）は、配管１１１を介して第１熱交換器２０に導入される。このとき、エアミックスダンパ７４が全開になっているので、空調用空気Ａが第１熱交換器２０を通過するようになっている。
【００４３】
第１熱交換器２０に導入された冷媒体は、車外から取り込まれた空調用空気Ａ（外気）と熱交換を行う。すなわち、空調用空気Ａは、高温・高圧のガス冷媒によって暖められることにより昇温する。一方、冷媒体は、空調用空気Ａ（冷たい外気）によって冷却されることにより凝縮し、ガス冷媒から液冷媒となる。
【００４４】
第１熱交換器２０を通過した液冷媒は、配管１１２、第２熱交換器バイパス配管１２１を通って、第２熱交換器３０をバイパスして、レシーバタンク３１およびサブコンデンサ３２に導入される。レシーバタンク３１では、気液分離されて、液冷媒がレシーバタンク３１からサブコンデンサ３２に導入される。サブコンデンサ３２では、液冷媒がさらに冷却され、完全な液冷媒となる。なお、レシーバタンク３１およびサブコンデンサ３２での処理が、いわゆるサブクール部（サブクール領域）となっている。
【００４５】
サブコンデンサ３２を通過した液冷媒は、配管１１３を通って膨張弁４０に導入される。膨張弁４０では、液冷媒が減圧され、液体と気体とが混在した状態の冷媒体に変化して、配管１１４を通って第３熱交換器５０に導入される。
【００４６】
第３熱交換器５０では、車室内Ｃから導入された空気用空気Ａと冷媒体とで熱交換を行う。すなわち、冷媒体が第３熱交換器５０を通過する際、空調用空気Ａが有している熱を吸収して冷媒体の比エンタルピが増加する。
【００４７】
第３熱交換器５０を通過した冷媒体は、配管１１５、第４熱交換器バイパス配管１２３、膨張弁４０、配管１１７を通って、冷媒圧縮機１０に戻る。
【００４８】
このようにして、暖房運転時には、エアミックスダンパ７４が全開に設定されることにより、車外から取り込んだ空調用空気Ａ（冷たい空気）が、第４熱交換器６０と第１熱交換器２０の双方を通過する。第４熱交換器６０では、冷媒体がバイパスするので空調用空気Ａとの間で熱交換は行われず、第１熱交換器２０では、冷媒圧縮機１０からの高温・高圧のガス冷媒によって空調用空気Ａが加熱される。したがって、第１熱交換器２０によって車室内Ｃには暖かい空気が導入されることになる。
【００４９】
なお、図示していないが、冷房運転時には、電磁弁Ｖ２，Ｖ４が閉じられ、電磁弁Ｖ１，Ｖ３が開かれ、エアミックスダンパ７４が全閉となるように制御されている。冷媒圧縮機１０で圧縮された冷媒体は、配管１１１を介して第１熱交換器２０に供給されるが、エアミックスダンパ７４が全閉に設定されているので、空調用空気Ａが第１熱交換器２０を通過せず、高温・高圧のガス冷媒によって空調用空気Ａが加熱されることがない。
【００５０】
第１熱交換器２０を通過した高温・高圧のガス冷媒は、配管１１２を通って第２熱交換器３０に導入される。第２熱交換器３０では、車両Ｖの前方から導入される外気によってガス冷媒が冷却され、凝縮して液冷媒となる。また、冷媒体は、サブコンデンサ３２を通過することによってさらに冷却された後、膨張弁４０に導入される。
【００５１】
膨張弁４０では、液冷媒が減圧されて、液冷媒とガス冷媒とが混在した冷媒体になる。膨張弁４０を通過した冷媒体は、第３熱交換器５０をバイパスして、第４熱交換器６０に導入される。
【００５２】
第４熱交換器６０では、車室内Ｃに導入される空調用空気（外気）Ａと冷媒体との間で熱交換が行われることにより、空調用空気Ａの熱が冷媒体によって吸収されて冷却された後、車室内Ｃに導入される。なお、このとき、エアミックスダンパ７４が全閉であるので、空調用空気Ａが暖められることがない。そして、第４熱交換器６０を通過した冷媒体は、冷媒圧縮機１０に戻る。
【００５３】
ところで、第３熱交換器５０には、暖かい空調用空気Ａが流れ込むことによりフロスト（凍結）する可能性は低いが、第３熱交換器５０での吸熱量を確保する（吸熱量を向上させる）ために冷媒体の低圧側を低く設定したとき、例えば冷媒圧縮機１０の運転条件と膨張弁４０との調整で低圧化したときに、第３熱交換器５０における空調用空気Ａと冷媒体との温度差を大きくできるようになり、吸熱量を向上できる。しかし、第３熱交換器５０の出口における空調用空気Ａの温度が極めて低くなり、第３熱交換器５０での凝縮水の結露ならびに凍結が問題となる。
【００５４】
そこで、本実施形態では、フロストの検出方法として、図２に示すマップ（凝縮水凍結判別情報）に基づく方法を挙げることができる。図２は、キャビン空気温度（車室内Ｃの空調用空気Ａの温度）とキャビン絶対湿度（乾燥エア１ｋｇ当たり何ｋｇの水が入っているか）との関係を示すマップである。図２に示すマップ中において、極太実線は、フロスト領域判別関数Ｙ＝ｆ（ｘ）を示し、仮に６０分でフロストすると仮定したときのラインである。この関数は、外気温度Ｔａｍ、車室内温度Ｔｒ、ブロア８０の風量（第３熱交換器５０への高温媒体導入量）Ｖ、冷媒圧縮機１０の回転速度Ｎｃおよびシステム作動時間ｔに基づいて算出される。なお、システム作動時間ｔは、ヒートポンプ式空調システムＦ１を起動してからの経過時間である。
【００５５】
また、図２において、フロスト領域判別関数Ｙよりも下側の領域（かつ、０℃以上）が非フロスト領域Ｓ２であり、フロスト領域判別関数Ｙよりも上側の領域（かつ、０℃以上）がフロスト領域Ｓ１である。また、フロスト領域Ｓ１よりも上側の一点鎖線で示す車内湿度飽和ラインより上側の領域が、相対湿度１００％の導入外気に乗員などの車内発生水分を加えた絶対湿度を超える状態として存在しない領域Ｓ３である。なお、図２に示すマップでは、外気温度Ｔａｍが０℃、冷媒圧縮機１０の回転速度ＮｃがＮ１ｒｐｍ、ブロア８０の風量ＶがＶ１立方メートル／ｈである。
【００５６】
また、図２において、「× ａ´」の表記は、ａで示す◆（黒菱形）に対応している。×印は、第３熱交換器５０の入口の空気状態（空調用空気Ａの状態：３０℃）であり、×印の右肩に一部示した数字は、凝縮水が第３熱交換器５０の保水量（最大値）まで達する時間であり、単位は分である。また、◆は、第３熱交換器５０の出口の空気状態（空調用空気Ａの状態）であり、第３熱交換器５０の出口側からはマイナス３℃の空調用空気Ａが吐出されるということを意味し、マイナス３℃、１００％相対湿度の絶対湿度との差が保水量となる。同様に、図２において、その左隣の「× ｂ´」の表記は、ｂで示す◇（白菱形）に対応し、その左隣の「× ｃ´」の表記は、ｃで示す■（黒四角）に対応し、その左隣の「× ｄ´」の表記は、ｄで示す□（白四角）に対応している。
【００５７】
例えば、「× ｂ´」という表記であれば、ｂ´分で凝縮水が第３熱交換器５０の保水量まで達することを意味しており、第３熱交換器５０の出口温度がマイナス７℃になることを意味している。したがって、フロスト領域判別関数Ｙにおいて６０分をフロストと仮定した場合、ｂ´分でフロスト条件が成立することになり、出口温度が氷点下であるので、フロスト領域Ｓ１内になる。
【００５８】
また、フロスト領域判別関数Ｙより下側の「× ｅ´」という表記であれば、ｅ´分で凝縮水が第３熱交換器５０の保水量まで達することを意味しており、フロスト領域判別関数Ｙにおいて６０分をフロストと仮定したときに、出口温度（吹出し温度）が氷点下（ｄ：マイナス１４℃）であることを意味している。吹出し温度が氷点下ではあるが、ｅ´分という長い時間が経過しないと、第３熱交換器５０の保水量まで達しないため、またｅ´分も経過すればすでに車室内Ｃは全体的に暖まっている状況にあるので、非フロスト領域Ｓ２内となる。
【００５９】
また、図２において中太実線で示す略横軸方向に延びるライン（等相対湿度線）は、導入外気それぞれの相対湿度（１０％ＲＨ、３０％ＲＨ、５０％ＲＨ、７０％ＲＨ、９０％ＲＨ）での第３熱交換器５０の入口空気状態のラインを示している。これら等相対湿度線は、キャビン空気温度（温度Ｔｒ）が０℃での起動時において、細実線と繋がっている。
【００６０】
このように車室内温度Ｔｒ（キャビン空気温度）と絶対湿度とをＸＹ軸とした複数のフロストマップ（凝縮水凍結判別マップ）を予め実験やシミュレーションなどによって用意しておく。つまり、各パターンの外気温度Ｔａｍに基づいたマップ、各パターンの冷媒圧縮機１０の回転速度に基づいたマップ、ブロア風量に基づいたマップ、これらを組み合わせたマップなどを用意しておく。そして、運転条件（外気温度、冷媒圧縮機１０の回転速度、フロア８０の風量など）から適切なマップを選択し、選択したマップにおいて、相対湿度ＲＨに基づいて、いずれかの相対湿度のラインを選択した後、車室内温度Ｔｒ（キャビン空気温度）に基づいて、フロスト領域Ｓ１に入るか、非フロスト領域Ｓ２に入るかを判断する。このようなフロストマップを用いることにより、第３熱交換器５０がフロスト領域Ｓ１に入るのを未然に防止することが可能になり、フロスト領域Ｓ１に入ったときには後記するフロスト回避モードで運転する。
【００６１】
図３は本実施形態の車両用ヒートポンプ式空調システムにおける他のフロスト検出方法に対応した全体構成図である。なお、図１と同様の構成については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。図３に示す制御部９０は、ブロア８０に流れる電流値を検出する電流センサ（電流検出手段）９４と、冷媒圧縮機１０の吐出側の圧力（吐出圧力、ディスチャージ冷媒圧）を検出する圧力センサ（圧力検出手段）９５と接続されている。
【００６２】
他のフロスト検出方法としては、電流センサ９４によって検出されるブロア８０に流れる電流値に基づいて判断することができる。つまり、ブロア８０が第３熱交換器５０の近傍に配置されているので、第３熱交換器５０が結露して凍結して、凍結部分が空調用空気Ａの流れの抵抗となる。これにより、空調用空気Ａが流れ難くなり、ブロア８０の仕事量は低下せざるを得なくなり、ブロア８０に流れる電流値が低下することになる。よって、電流センサ９４によって検出されるブロア電流値に基づいて凝縮水が凍結しているかどうかを判定することにより、第３熱交換器が凍結しているかどうかを判断することができる。なお、所定値については、例えば予め実験やシミュレーションによって決定された値が用いられ、空調システムＦ１の構成に応じて適宜設定される。
【００６３】
また、さらに他のフロスト検出方法としては、圧力センサ９５によって検出される冷媒圧縮機１０の吐出圧力Ｐｄ（ディスチャージ冷媒圧）に基づいて判断することができる。つまり、第３熱交換器５０が結露して凍結（フロスト）すると、第３熱交換器５０において冷媒体と空調用空気Ａとの熱交換がし難くなるので、冷媒体の温度は低いまま（密度が低いまま）で冷媒圧縮機１０に導入され、冷媒圧縮機１０から出てくる圧力（ディスチャージ冷媒圧、吐出圧力）が低下する。よって、冷媒圧縮機１０の吐出圧力に基づいて凝縮水が凍結しているかどうかを判定することにより、第３熱交換器５０が凍結しているかどうかを判断することができる。なお、所定値については、例えば予め行われる実験やシミュレーションによって決定された値が用いられ、空調システムＦ１の構成に応じて適宜設定される。
【００６４】
図４および図５は、それぞれフロストが検出されたときのフロスト回避方法（解凍方法、デフロスト方法）を示している。なお、図４および図５は、いずれも暖房運転時であり、基本的な全体構成図は、図１と同様である。また、図５に示すように、空調システムＦ１に設けられるブロア８０は、車室内Ｃの空調用空気を取り込む流路Ｒ１と、外気を取り込む流路Ｒ２と接続されている。
【００６５】
前記したように、冷媒圧縮機１０の吐出圧力、ブロア電流値または図２に示すマップに基づいて第３熱交換器５０でのフロストを検出した場合には、図４に示すように、制御部９０の制御によって、電磁弁Ｖ３を開いて、冷媒体が第３熱交換器５０をバイパスするように通流し、さらに電磁弁Ｖ４を閉じて、冷媒体が第４熱交換器６０を通流するように制御する。
【００６６】
図４に示すフロスト回避方法では、外気を導入するモードを維持したまま、車室内Ｃの暖かい空気（空調用空気Ａ）を第３熱交換器５０に導入する。このように、暖かい空気（空調用空気Ａ）が第３熱交換器５０に導入されることにより、第３熱交換器５０の解凍（デフロスト）が行われる。なお、第４熱交換器６０において冷媒体が空調用空気Ａから熱を吸収するが、空調用空気Ａが第１熱交換器２０を通過することにより、冷媒圧縮機１０からの高温・高圧の冷媒体によって加熱されるので、車室内Ｃには暖かい空調用空気が導入されることになる。
【００６７】
また前記したように、冷媒圧縮機１０の吐出圧力、ブロア電流値または図２に示すマップに基づいてフロストを検出した場合には、図５に示すように、制御部９０は、電磁弁Ｖ３を開いて、冷媒体が第３熱交換器５０をバイパスするように通流するように、そして電磁弁Ｖ４を閉じて、冷媒体が第４熱交換器６０を通流するように制御する。そして、さらに、外気導入モードを内気循環モードに切り替える。さらに、制御部９０は、外気温度が０℃以上であると判断したときは、空気の取り入れを車室内Ｃと連通する流路Ｒ１からではなく、荷室Ｄの外部（トランク外部）と連通する流路Ｒ２から行って、第３熱交換器５０のデフロストを行う。なお、制御部９０は、外気温度が０℃未満と判断したときは、デフロストできないので、実行しない。
【００６８】
以上説明したように、本実施形態の空調システムＦ１によれば、システムの運転状態、温度情報およびシステムの作動時間により規定される凝縮水凍結判別マップにより判断することにより、第３熱交換器５０での凝縮水量を判断でき、第３熱交換器５０の凍結を未然に検出して、その後のデフロスト処理を適切に行うことが可能になる。これにより、吸熱器での吸熱量を向上させたとしても熱交換性能を維持することが可能になる。
【００６９】
また、本実施形態によれば、ブロア８０の電流値に基づいて凝縮水凍結状態を判定することにより、第３熱交換器５０が凍結しているかどうかを容易に判断することができる。
【００７０】
また、本実施形態によれば、冷媒圧縮機１０の吐出圧力に基づいて凝縮水凍結状態を判定することにより、第３熱交換器５０が凍結しているかどうかを容易に判断することができる。
【００７１】
また、本実施形態によれば、凝縮水凍結状態と判定された場合、第３熱交換器５０に替えて第４熱交換器６０により吸熱を行うことにより、第３熱交換器５０において熱交換が行われなくなるとともに、車室内Ｃからの暖かい空調用空気Ａが第３熱交換器５０を通過するので、第３熱交換器５０での解凍（デフロスト）を行うことが可能になる。また、このときブロア８０を作動させることにより、車室内Ｃの空調用空気Ａを効率的に第３熱交換器５０に当てることができ、第３熱交換器５０の解凍を効率よく行うことが可能になる。
【００７２】
また、本実施形態によれば、内気循環にするとともに、第３熱交換器５０に外気を導入することにより、第３熱交換器５０の解凍を行うことが可能になる。また、外気温度が０℃以上のときに外気を第３熱交換器５０に取り込むことにより、第３熱交換器５０のデフロストが可能になる。
【００７３】
前記した実施形態では、第３熱交換器５０を流れる冷媒体が、熱源として車室内Ｃの空気（空調用空気）と熱交換を行っているが、これに限らず、外気、バッテリの排熱、燃料電池スタックの熱等の様々な熱源から吸熱してもよい。
【００７４】
また、前記した実施系形態では、凝縮水凍結判別マップのパラメータとして、外気温度、車室内温度、冷媒圧縮機１０の回転速度、ブロア８０の風量、システム作動時間に基づいているが、これに限定されるものではなく、例えば、さらに乗員の数を加味して判断するようにしてもよい。乗員が増えることにより、空調用空気Ａ中に含まれる水分の量が増えるので、フロストし易くなる。
【符号の説明】
【００７５】
１０ 冷媒圧縮機
２０ 第１熱交換器
３０ 第２熱交換器
４０ 膨張弁（減圧手段）
５０ 第３熱交換器
６０ 第４熱交換器
８０ ブロア
９０ 制御部
９１ 外気温度センサ
９２ 車室内温度センサ
９３ 相対湿度センサ
９４ 電流センサ（電流検出手段）
９５ 圧力センサ（圧力検出手段）
Ｆ１ 車両用ヒートポンプ式空調システム
Ｖ 車両
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒圧縮機と、
前記冷媒圧縮機から吐出された冷媒体と空調用空気とで熱交換を行う放熱用の第１熱交換器と、
前記第１熱交換器の下流に設けられ、前記冷媒圧縮機から吐出された冷媒体と外気とで熱交換を行う放熱用の第２熱交換器と、
前記第２熱交換器の下流に設けられ、冷媒体の圧力を低下させる減圧手段と、
前記減圧手段の下流に設けられ、熱源と冷媒体とで熱交換を行う吸熱用の第３熱交換器と、
前記第１熱交換器に導入される空調用空気の流れに対して上流側に配置される吸熱用の第４熱交換器と、
制御部と、を備えた車両用ヒートポンプ式空調システムにおいて、
前記制御部は、暖房運転時に前記第３熱交換器における凝縮水の凍結に関する情報であって、外気温度、車室内温度、前記第３熱交換器への高温媒体導入量、前記冷媒圧縮機の回転速度およびシステム作動時間により規定される凝縮水凍結判別情報を予め有し、前記凝縮水凍結判別情報を用いて凝縮水凍結状態になるか否かを判定することを特徴とする車両用ヒートポンプ式空調システム。
【請求項２】
車室内から吸引した空調用空気を前記第３熱交換器に供給するブロアと、
前記ブロアに流れるブロア電流値を検出する電流検出手段と、を備え、
前記制御部は、暖房運転時に、前記ブロア電流値を検出し、前記ブロア電流値が所定値以下となったとき、凝縮水凍結状態と判定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式空調システム。
【請求項３】
前記冷媒圧縮機の吐出後圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記制御部は、暖房運転時に、前記冷媒圧縮機の吐出後圧力が所定値以下となったとき、凝縮水凍結状態であると判定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式空調システム。
【請求項４】
前記制御部は、凝縮水凍結状態と判定された場合、前記第３熱交換器に替えて前記第４熱交換器により吸熱を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の車両用ヒートポンプ式空調システム。
【請求項５】
前記制御部は、凝縮水凍結状態と判定された場合、前記第３熱交換器に前記ブロアの風を供給することを特徴とする請求項４項に記載の車両用ヒートポンプ式空調システム。
【請求項６】
前記制御部は、凝縮水凍結状態と判定された場合、前記第１熱交換器への空調用空気として内気循環させた内気を用いるとともに、前記第３熱交換器には外気を媒体として導入することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の車両用ヒートポンプ式空調システム。
【請求項１】
冷媒圧縮機と、
前記冷媒圧縮機から吐出された冷媒体と空調用空気とで熱交換を行う放熱用の第１熱交換器と、
前記第１熱交換器の下流に設けられ、前記冷媒圧縮機から吐出された冷媒体と外気とで熱交換を行う放熱用の第２熱交換器と、
前記第２熱交換器の下流に設けられ、冷媒体の圧力を低下させる減圧手段と、
前記減圧手段の下流に設けられ、熱源と冷媒体とで熱交換を行う吸熱用の第３熱交換器と、
前記第１熱交換器に導入される空調用空気の流れに対して上流側に配置される吸熱用の第４熱交換器と、
制御部と、を備えた車両用ヒートポンプ式空調システムにおいて、
前記制御部は、暖房運転時に前記第３熱交換器における凝縮水の凍結に関する情報であって、外気温度、車室内温度、前記第３熱交換器への高温媒体導入量、前記冷媒圧縮機の回転速度およびシステム作動時間により規定される凝縮水凍結判別情報を予め有し、前記凝縮水凍結判別情報を用いて凝縮水凍結状態になるか否かを判定することを特徴とする車両用ヒートポンプ式空調システム。
【請求項２】
車室内から吸引した空調用空気を前記第３熱交換器に供給するブロアと、
前記ブロアに流れるブロア電流値を検出する電流検出手段と、を備え、
前記制御部は、暖房運転時に、前記ブロア電流値を検出し、前記ブロア電流値が所定値以下となったとき、凝縮水凍結状態と判定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式空調システム。
【請求項３】
前記冷媒圧縮機の吐出後圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記制御部は、暖房運転時に、前記冷媒圧縮機の吐出後圧力が所定値以下となったとき、凝縮水凍結状態であると判定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式空調システム。
【請求項４】
前記制御部は、凝縮水凍結状態と判定された場合、前記第３熱交換器に替えて前記第４熱交換器により吸熱を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の車両用ヒートポンプ式空調システム。
【請求項５】
前記制御部は、凝縮水凍結状態と判定された場合、前記第３熱交換器に前記ブロアの風を供給することを特徴とする請求項４項に記載の車両用ヒートポンプ式空調システム。
【請求項６】
前記制御部は、凝縮水凍結状態と判定された場合、前記第１熱交換器への空調用空気として内気循環させた内気を用いるとともに、前記第３熱交換器には外気を媒体として導入することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の車両用ヒートポンプ式空調システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２２５１８７（Ｐ２０１１−２２５１８７Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９９３３０（Ｐ２０１０−９９３３０）
【出願日】平成２２年４月２３日（２０１０．４．２３）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２３日（２０１０．４．２３）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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