車両用空調装置
【課題】温水式暖房装置の暖房能力不足をヒートポンプ装置の併用により補う車両用空調装置において、ヒートポンプ装置の効率向上を図る。
【解決手段】車室内へ吹き出される空調用空気を、燃料電池１０の冷却水を熱源として加熱するヒータコア３５と、ヒートポンプ装置１００の暖房運転モードにおいて圧縮機４１から吐出される冷媒により空調用空気を加熱する第１、第２加熱用室内器３３、３４とを備え、第１加熱用室内器３３をヒータコア３５の空調用空気流れ下流側に配置し、第２加熱用室内器３４をヒータコア３５の空調用空気流れ上流側に配置し、ヒートポンプ装置１００の暖房運転モードでは、圧縮機４１から吐出された冷媒が、第１加熱用室内器３３を通過して第２加熱用室内器３４へと流れるようにする。
【解決手段】車室内へ吹き出される空調用空気を、燃料電池１０の冷却水を熱源として加熱するヒータコア３５と、ヒートポンプ装置１００の暖房運転モードにおいて圧縮機４１から吐出される冷媒により空調用空気を加熱する第１、第２加熱用室内器３３、３４とを備え、第１加熱用室内器３３をヒータコア３５の空調用空気流れ下流側に配置し、第２加熱用室内器３４をヒータコア３５の空調用空気流れ上流側に配置し、ヒートポンプ装置１００の暖房運転モードでは、圧縮機４１から吐出された冷媒が、第１加熱用室内器３３を通過して第２加熱用室内器３４へと流れるようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により発電する燃料電池を走行用駆動源とする燃料電池車両に搭載され、燃料電池の冷却水を熱源とする温水式暖房装置を備えるとともに、温水式暖房装置の暖房能力不足をヒートポンプ装置の併用により補う車両用空調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両用空調装置では暖房時に温水排熱源（エンジン等）からの温水（エンジン冷却水）を暖房用ヒータコアに循環させ、このヒータコアにて温水を熱源として空調空気を加熱する温水式暖房装置を備えている。
【０００３】
ところが、走行用駆動源としてエンジンの代わりに燃料電池を使用する燃料電池車両においては、燃料電池の効率が高いため、温水（冷却水）の温度が十分上昇せず、温水暖房能力の不足が発生するという問題があった。
【０００４】
これに対し、温水式暖房装置とヒートポンプ装置とを併用して空調用空気を加熱することで、温水暖房能力の不足を解消する車両用空調装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この車両用空調装置では、温水温度が高温の場合にはヒートポンプ装置の圧縮機を停止し、省動力化を図っている。
【特許文献１】特開２００２−１２０５４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の車両用空調装置では、燃料電池の冷却水温度が車室内吹出空気の目標吹出温度を下回っている場合には、冷却水を暖房熱源として利用することができないため、ヒートポンプ装置の効率が悪化するという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、温水式暖房装置の暖房能力不足をヒートポンプ装置の併用により補う車両用空調装置において、ヒートポンプ装置の効率向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明では、車室内へ吹き出される空調用空気を、燃料電池（１０）の冷却水を熱源として加熱するヒータコア（３５）と、ヒートポンプ装置（１００）の暖房運転モードにおいて圧縮機（４１）から吐出される冷媒により空調用空気を加熱する第１、第２室内熱交換器（３３、３４）とを備え、第１室内熱交換器（３３）は、ヒータコア（３５）の空調用空気流れ下流側に配置されており、第２室内熱交換器（３４）は、ヒータコア（３５）の空調用空気流れ上流側に配置されており、ヒートポンプ装置（１００）の暖房運転モードでは、圧縮機（４１）から吐出された冷媒が、第１室内熱交換器（３３）を通過して第２室内熱交換器（３４）へと流れるようになっていることを特徴としている。
【０００８】
このように、圧縮機（４１）から吐出される冷媒と空調用空気とを熱交換させる第１、第２室内熱交換器（３３、３４）の間にヒータコア（３５）を配置するとともに、圧縮機（４１）から吐出される高温冷媒を、ヒータコア（３５）の空調用空気流れ下流側にある第１室内熱交換器（３３）から流すようにすることで、ヒータコア（３５）により加熱された空調用空気を、第１室内熱交換器（３３）において更に加熱することができる。したがって、燃料電池（１０）の冷却水温度が車室内吹出空気の目標吹出温度を下回っている場合においても、燃料電池（１０）の冷却水を暖房熱源として利用することができる。
【０００９】
このとき、第１室内熱交換器（３３）では、ヒータコア（３５）により予め加熱された空調用空気と、圧縮機（４１）から吐出される高温冷媒との熱交換が行われるため、第１室内熱交換器（３３）を通過した後の冷媒は十分な熱量をもっている。したがって、第１室内熱交換器（３３）通過後の冷媒が流れる第２室内熱交換器（３４）を、ヒータコア（３５）の空調用空気流れ上流側に配設することで、ヒータコア（３５）を通過する前の空調用空気を予め加熱することができる。これにより、圧縮機（４１）から吐出される高温冷媒を暖房用熱源として効率良く利用することができるので、ヒートポンプ装置（１００）の効率向上を図ることが可能となる。
【００１０】
また、上記特徴の車両用空調装置において、ヒートポンプ装置（１００）は、暖房運転モードの冷媒流路と、燃料電池（１０）の暖機を行う暖機運転モードの冷媒通路とを切り替える冷媒流路切替手段（４２）を有しており、暖機運転モードでは、圧縮機（４１）から吐出された冷媒が、第１室内熱交換器（３３）を介さずに第２室内熱交換器（３４）に流れるようになっていてもよい。
【００１１】
このように、暖機運転モードにおいて、ヒータコア（３５）の空調空気流れ上流側にある第２室内熱交換器（３４）に、圧縮機（４１）から吐出された高温冷媒が第１室内熱交換器（３３）を介さずに流れるようにすることで、第２室内熱交換器（３４）によりヒータコア（３５）を通過する前の空調用空気を加熱することができる。したがって、ヒータコア（３５）において、第２室内熱交換器（３４）により加熱された空調用空気と、燃料電池（１０）の冷却水との熱交換を行い、冷却水を加熱することができるので、燃料電池（１０）の暖機を行うことが可能となる。
【００１２】
また、上記特徴の車両用空調装置において、燃料電池（１０）の出口側の冷却水温度（Ｔｗ）を検出する温度検出手段（２２）と、冷媒流路切替手段（４２）の作動を制御する制御手段（７０）とを備え、制御手段（７０）は、冷却水温度（Ｔｗ）が予め定めた基準温度（Ｔｓ）以上になったとき、暖房運転モードの冷媒通路に切り替え、さらに、冷却水温度（Ｔｗ）が基準温度（Ｔｓ）を下回ったとき、暖機運転モードの冷媒通路に切り替えるようになっていてもよい。
【００１３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１〜図３により、本発明の一実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る車両用空調装置の全体構成図である。
【００１５】
この車両用空調装置は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を走行用駆動源とする車両に適用されている。本実施形態では、燃料電池１０として固体高分子型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。なお、本発明は固体高分子型以外の燃料電池にも適用可能である。
【００１６】
燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり発電する。なお、水素が本発明の燃料ガスに相当し、酸素（空気）が本発明の酸化剤ガスに相当している。
【００１７】
アノード（水素極）２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−
カソード（酸素極）４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ
全体 ２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
燃料電池１０は発電効率確保のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１０を冷却するための冷却システムが設けられている。冷却システムは、燃料電池１０に冷却水を循環させる冷却水経路２０、冷却水を循環させるウォータポンプ２１、後述するヒータコア３５を備えている。ヒータコア３５は、燃料電池１０から流出した冷却水（温水）を熱源として後述する空調ケース３０内を流れる空調用空気を加熱する温水式暖房用熱交換器である。
【００１８】
冷却水経路２０における燃料電池１０の出口側近傍には、燃料電池１０から流出した冷却水温度Ｔｗを検出する冷却水温度センサ２２が設けられている。この冷却水温度センサ２２により冷却水温度を検出することで、燃料電池１０の温度を間接的に検出することができる。なお、冷却水温度センサ２２が、本発明の温度検出手段に相当している。
【００１９】
また、車両用空調装置は、車室内に供給される空調用空気が流れる送風路を構成する空調ケース３０を備えている。空調ケース３０内には、送風機３１、室内熱交換器（以下、室内器という）３２〜３４、ヒータコア３５、エアミックスドア３６が設けられている。室内器３２〜３４は、冷却用室内器３２、第１加熱用室内器３３および第２加熱用室内器３４からなる。なお、第１加熱用室内器３３が本発明の第１室内熱交換器に相当し、第２加熱用室内器３４が本発明の第２室内熱交換器に相当している。
【００２０】
これらの機器は、空調用空気流れ上流側から送風機３１、冷却用室内器３２、エアミックスドア３６、第２加熱用室内器３４、ヒータコア３５、第１加熱用室内器３３の順で配置されている。冷却用室内器３２、第１、第２加熱用室内器３３、３４は、後述するヒートポンプ装置１００の冷媒循環経路４０内に設けられており、冷媒と空調用空気との間で熱交換を行うように構成されている。ヒータコア３５は、上述のように燃料電池１０の冷却水経路２０に設けられており、燃料電池１０から流出した冷却水と空調用空気との間で熱交換を行うように構成されている。
【００２１】
エアミックスドア３６は、加熱用室内器３３、３４およびヒータコア３５の上流側に設けられており、図示しない電気モータ等によって作動するように構成されている。エアミックスドア３６は、車室内への吹出空気の温度調整手段であって、加熱用室内器３３、３４およびヒータコア３５をバイパスするバイパス通路３７を通過する冷風と加熱用室内器３３、３４およびヒータコア３５を通過する温風との風量割合を調整して吹出空気の温度を調整する。このエアミックスドア３６は、後述する制御装置７０の出力信号によって開度制御が行われる。
【００２２】
また、空調ケース３０内のうち、第１加熱用室内器３３の空気吹出直後の部位には、第１加熱用室内器３３を通過した直後の空気の温度を検出する吹出温度センサ３８が設けられている。
【００２３】
また、車両用空調装置は、車室内へ送風される室内送風空気を加熱して車室内を暖房する暖房運転モードと、室内送風空気を冷却して車室内を冷房する冷房運転モードと、燃料電池１０の暖機を行う暖機運転モードとを切替可能なヒートポンプ装置１００を備えている。なお、以下、暖房運転モードおよび冷房運転モードを空調運転モードともいう。
【００２４】
ヒートポンプ装置１００には、冷媒が循環する冷媒循環経路４０が設けられている。冷媒循環経路４０は、内部に冷媒が封入された配管として構成されている。冷媒としては、例えばＨＦＣ−１３４ａやＣＯ２などを用いることができる。
【００２５】
冷媒循環経路４０の経路内には、冷媒を吸入し、圧縮して吐出する圧縮機４１が設けられている。圧縮機４１は、図示しない交流モータ等により駆動される電動圧縮機であって、モータ回転数を制御することにより吐出能力（吐出冷媒流量）を調整できる。本実施形態では、圧縮機４１のモータ回転数調整手段としてインバータ（図示せず）を備えている。なお、圧縮機４１として、吐出容量を可変することにより、その吐出能力を調整できる方式のものを用いてもよい。
【００２６】
圧縮機４１の吐出口側には、電気式四方弁４２が接続されている。電気式四方弁４２は、圧縮機４１吐出口側と第１加熱用室内器３３との間および第２加熱用室内器３４と後述する第１膨張弁４６との間を同時に接続する冷媒回路（図１の実線矢印で示す流路）と、圧縮機４１吐出口側と第２加熱用室内器３４との間および第１加熱用室内器３３と第１膨張弁４６との間を同時に接続する冷媒回路（図１の破線矢印で示す流路）とを切り替えるものである。
【００２７】
そして、電気式四方弁４２が、上記の如く、流路を切り替えることによって、空調運転モードの冷媒回路および暖機運転モードの冷媒回路が切り替えられる。したがって、電気式四方弁４２は、本実施形態における冷媒流路切替手段である。この電気式四方弁４２も後述する制御装置７０の出力信号によって制御される。
【００２８】
次に、図１の実線矢印で示す回路のように、空調運転モードにおける電気式四方弁４２の下流側は、第１加熱用室内器３３に接続されている。そして、第１加熱用室内器３３の下流側は、逆止弁４３を介して、第２加熱用室内器３４に接続されている。第１、第２加熱用室内器３３、３４は、圧縮機４１により圧縮され高温となった冷媒と送風機３１により送風された空調用空気とを熱交換器させるものである。
【００２９】
また、冷媒循環経路４０には、第１加熱用室内器３３および逆止弁４３をバイパスさせるための第１バイパス経路４４が設けられている。第１バイパス経路４４には、第１バイパス経路４４を開閉可能な第１シャット弁４５が設けられている。そして、空調運転モード時には、第１シャット弁４５を閉鎖して、冷媒が第１加熱用室内器３３および逆止弁４３を流れるようにし、暖機運転モード時には、第１シャット弁４５を開放して、冷媒が第１バイパス経路４４を流れるようにする。
【００３０】
さらに、空調運転モードにおける第２加熱用室内器３４の下流側は、電気式四方弁４２を介して、冷媒を減圧、膨張させる第１膨張弁（減圧手段）４６に接続されている。
【００３１】
また、冷媒循環経路４０には、第１膨張弁４６をバイパスさせるための第２バイパス経路４７が設けられている。第２バイパス経路４７には、第２バイパス経路４７を開閉可能な第２シャット弁４８が設けられている。そして、暖房運転モード時には、第２シャット弁４８を閉鎖して、冷媒が第１膨張弁４６を流れるようにし、冷房運転モード時には、第２シャット弁４８を開放して、冷媒が第２バイパス経路４７を流れるようにする。
【００３２】
さらに、空調運転モードにおける第１膨張弁４６および第２バイパス経路４７の下流側は、室外熱交換器（以下、室外器という）４９に接続されている。室外器４９は、内部を通過する冷媒と室外ファン（図示せず）により送風された室外空気とを熱交換させるものである。なお、室外ファンも後述する制御装置７０の出力信号によって回転数制御される。
【００３３】
さらに、空調運転モードにおける室外熱交換器４９の下流側は、第３シャット弁５１を介して、冷媒を減圧、膨張させる第２膨張弁（減圧手段）５２に接続されている。そして、第２膨張弁５２の下流側は、冷却用室内器３２に接続されている。冷却用室内器３２は送風機３１によって送風された室内空気と冷媒を熱交換させる熱交換器であり、冷却用室内器３２の下流側は圧縮機４１の吸入口側に接続されている。送風機３１は図示しないモータによって駆動される電動ファンである。なお、送風機３１も後述する制御装置７０の出力信号によって回転数制御される。
【００３４】
また、冷媒循環経路４０には、第３シャット弁５１、第２膨張弁５２および冷却用室内器３２をバイパスさせるための第３バイパス経路５３が設けられている。第３バイパス経路５３には、第３バイパス経路５３を開閉可能な第４シャット弁５４が設けられている。そして、暖房運転モード時には、第３シャット弁５１を閉鎖し、第４シャット弁５４を開放して、冷媒が第３バイパス経路５３を流れるようにし、冷房運転モード時には、第３シャット弁５１を開放し、第４シャット弁５４を閉鎖して、冷媒が第２膨張弁５２および冷却用室内器３２を流れるようにする。
【００３５】
図２は、本実施形態に係る車両用空調装置に設けられた制御装置（ＥＣＵ）７０の入出力を示すブロック図である。図２に示すように、車両用空調装置には各種制御を行う制御手段としての制御装置７０が設けられている。制御装置７０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ている。
【００３６】
制御装置７０には、冷却水温度センサ２２、吹出温度センサ３８等の各種センサからのセンサ信号等が入力される。また、制御装置７０は、演算結果に基づいて送風機３１、エアミックスドア３６、圧縮機４１、電気四方弁４２、第１〜第４シャット弁４５、４８、５１、５４等に制御信号を出力する。なお、本実施形態では、燃料電池システムの制御および空調制御を同一の制御装置７０で制御しているが、それぞれ個別にＥＣＵを設けて異なるＥＣＵ間で通信を行うようにしてもよい。
【００３７】
さらに、制御装置７０には、空調操作パネル６０が接続され、この空調操作パネル６０からの各種操作信号が入力される。具体的には、空調操作パネル６０には、暖房運転モードおよび冷房運転モードのいずれか一方を選択的に切り替える冷暖房切替スイッチ６１、車室内吹出空気の目標吹出温度Ｔｓｅｔを設定する温度設定スイッチ６２等が設けられている。
【００３８】
次に、本実施形態に係る車両用空調装置の運転モード切替処理について図３に基づいて説明する。図３は、制御装置７０がＲＯＭ等に格納されたプログラムにしたがって行う運転モード切替処理を示すフローチャートである。この切替処理は、図示しない車両の始動スイッチ（イグニッションスイッチ）が投入されるとスタートする。
【００３９】
まず、冷却水温度センサ２２で検出された冷却水温度Ｔｗが、予め定めた基準冷却水温度Ｔｓ以上か否かを判定する（Ｓ１）。この結果、冷却水温度Ｔｗが基準冷却水温度Ｔｓ以上でない場合は（Ｓ１：ＮＯ）、燃料電池１０の暖機が必要であると診断し、暖機運転モードの制御を実行する（Ｓ２）。
【００４０】
暖機運転モードでは、ステップＳ２で、電気式四方弁４２を作動して冷媒流路を図１の破線矢印で示す回路側に切り替え、第１シャット弁４５および第４シャット弁５４を開弁し、第２シャット弁４８および第３シャット弁５１を閉弁する。具体的には、電気式四方弁４２は、図１の破線で示すように、圧縮機４１吐出口側と第２加熱用室内器３４との間および第２加熱用室内器３４と第１膨張弁４６との間を同時に接続するように切り替える。したがって、圧縮機４１から吐出された高温高圧の気相冷媒は電気式四方弁４２を通過して第２加熱用室内器３４へ流入する。
【００４１】
第２加熱用室内器３４に流入した冷媒は送風機３１より送風された室内空気と熱交換して凝縮する。したがって、第２加熱用室内器３４は冷媒を放熱させて凝縮させる放熱器（凝縮器）として作用する。そして、送風機３１より送風された空気は、第２加熱用室内器３４において加熱され、第２加熱用室内器３４の直ぐ下流側にあるヒータコア３５へ向かって吹き出す。これにより、ヒータコア３５内を流れる冷却水が加熱されるため、燃料電池１０の暖機が行われる。
【００４２】
また、第２加熱用室内器３４から流出した冷媒は、第１膨張弁４６において減圧された後、室外器４９に流入して、室外ファン（図示せず）により送風された室外空気と熱交換して蒸発する。暖機運転モードでは、第３シャット弁５１が閉鎖状態となっているとともに、第４シャット弁５４が開放状態となっているので、室外器４９から流出した冷媒は、再び圧縮機４１に吸入される。
【００４３】
したがって、室外器４９は冷媒に吸熱させて蒸発させる蒸発器として作用する。このように、暖機運転モードでは、図１の破線矢印方向に冷媒が流れるサイクルを構成し、室外器４９を蒸発器として作用させ、第２加熱用室内器３４を放熱器として作用させるとともに、第２加熱用室内器３４において加熱された空気によりヒータコア３５内を流れる冷却水を加熱させることで、燃料電池１０の暖機を行っている。
【００４４】
一方、冷却水温度Ｔｗが基準冷却水温度Ｔｓ以上である場合は（Ｓ１：ＹＥＳ）、燃料電池１０の暖機は不要であると診断し、冷暖房切替スイッチ６１が冷房運転モード側になっているか、あるいは、暖房運転モード側になっているかを判定する（Ｓ２）。この結果、冷暖房切替スイッチ６１が冷房運転モード側になっている場合は、冷房運転モードの制御を実行する（Ｓ４）。
【００４５】
冷房運転モードでは、ステップＳ４で、電気式四方弁４２を作動して冷媒流路を図１の実線矢印で示す回路側に切り替え、第１シャット弁４５および第４シャット弁５４を閉弁し、第２シャット弁４８および第３シャット弁５１を開弁する。さらに、エアミックスドア３５を全閉状態として、送風機３１により送風された空気が第１〜第３加熱用室内器３３〜３５を通過しないようにする。具体的には、電気式四方弁４２は、図１の実線で示すように、圧縮機４１吐出口側と第１加熱用室内器３３との間および第２加熱用室内器３４と第１膨張弁４６との間を同時に接続するように切り替える。したがって、圧縮機４１から吐出された高温高圧の気相冷媒は電気式四方弁４２を通過して第１加熱用室内器３３へ流入する。
【００４６】
冷房運転モードでは、送風機３１により送風された空気が第１、第２加熱用室内器３３、３４を通過しないようになっているので、第１、第２加熱用室内器３３、３４は単なる冷媒通路として機能する。そのため、圧縮機４１から吐出された冷媒は送風空気と熱交換されることなく、第２バイパス経路４７を通過して室外器４９へ流入する。
【００４７】
室外器４９に流入した冷媒は、室外ファン（図示せず）より送風された室外空気と熱交換して凝縮する。したがって、室外器４９は冷媒を放熱させて凝縮させる凝縮器として作用する。
【００４８】
室外器４９から流出した液相冷媒は、第２膨張弁５２において減圧される。第２膨張弁５２において減圧された冷媒は、冷却用室内器３２に流入し送風機３１により送風された室内空気と熱交換して蒸発する。したがって、冷却用室内器３２は冷媒に吸熱させて蒸発させる蒸発器として作用する。そして、送風機３１より送風された空気が冷却用室内器３２において冷却されて室内へ吹き出し、室内の冷房が行われる。
【００４９】
そして、冷却用室内器３２から流出した冷媒は、再び圧縮機４１に吸入される。このように、冷房運転モードでは、図１の実線矢印方向に冷媒が流れるサイクルを構成し、室外器４９を凝縮器として作用させ、冷却用室内器３２を蒸発器として作用させて、室内空気の冷房を行っている。
【００５０】
一方、ステップＳ３で、冷暖房切替スイッチ６１が暖房運転モード側になっている場合は、暖房運転モードの制御を実行する（Ｓ５）。
【００５１】
暖房運転モードでは、ステップＳ５で、電気式四方弁４２を作動して冷媒流路を図１の実線矢印で示す回路側に切り替え、第１シャット弁４５、第２シャット弁４８および第３シャット弁５１を閉弁し、第４シャット弁５４を開弁する。具体的には、電気式四方弁４２は、図１の実線で示すように、圧縮機４１吐出口側と第１加熱用室内器３３との間および第２加熱用室内器３４と第１膨張弁４６との間を同時に接続するように切り替える。したがって、圧縮機４１から吐出された高温高圧の気相冷媒は電気式四方弁４２を通過して第１加熱用室内器３３へ流入する。さらに、第１加熱用室内器３３から流出した冷媒は、第２加熱用室内器３４へ流入する。すなわち、暖房運転モードでは、第１加熱用室内器３３は、第２加熱用室内器３４より冷媒流れ上流側に配置されている。
【００５２】
第１、第２加熱用室内器３３、３４に流入した冷媒は送風機３１より送風された室内空気と熱交換して凝縮する。したがって、第１、第２加熱用室内器３３、３４は冷媒を放熱させて凝縮させる放熱器（凝縮器）として作用する。そして、送風機３１より送風された空気は、第１、第２加熱用室内器３３、３４およびヒータコア３５において加熱されて車室内へ吹き出し、車室内の暖房が行われる。
【００５３】
また、第２加熱用室内器３４から流出した冷媒は、第１膨張弁４６において減圧された後、室外器４９に流入して、室外ファン（図示せず）により送風された室外空気と熱交換して蒸発する。暖房運転モードでは、第３シャット弁５１が閉鎖状態となっているとともに、第４シャット弁５４が開放状態となっているので、室外器４９から流出した冷媒は、再び圧縮機４１に吸入される。
【００５４】
したがって、室外器４９は冷媒に吸熱させて蒸発させる蒸発器として作用する。このように、暖房運転モードでは、図１の実線矢印方向に冷媒が流れるサイクルを構成し、室外器４９を蒸発器として作用させ、第１、第２加熱用室内器３３、３４を放熱器として作用させて、室内空気の暖房を行っている。
【００５５】
次に、冷却水温度センサ２２で検出された冷却水温度Ｔｗが、車室内吹出空気の目標吹出温度Ｔｓｅｔ＋５℃を上回っているか否かを判定する（Ｓ６）。すなわち、このステップＳ６では、燃料電池１０の出口側の冷却水温度Ｔｗが、目標吹出温度Ｔｓｅｔに対して、予め定めた基準温度（本実施形態では５℃）以上高くなっているか否かを判定する。
【００５６】
この結果、冷却水温度Ｔｗが目標吹出温度Ｔｓｅｔ＋５℃を上回っている場合は（Ｓ６：ＹＥＳ）、ヒータコア３５による温水暖房のみで車室内を十分暖房できると診断し、ヒータコア３５による温水暖房のみで車室内を暖房する（Ｓ７）。
【００５７】
すなわち、ステップＳ７では、ヒートポンプ装置１００の圧縮機４１への電源供給を遮断し、圧縮機４１を停止状態とする。また、ウォータポンプ２１を作動させてヒータコア３５に温水を循環させるとともに、送風機３１を作動させてヒータコア３５に空調用空気を送風する。これにより、空調用空気がヒータコア３５で加熱され、温風となって車室内へ吹き出す。
【００５８】
そして、エアミックスドア３６の開度によりヒータコア３５を通過する温風とバイパス通路３７を通過する冷風との風量割合を調整して、車室内への吹出空気温度を調整することができる。
【００５９】
一方、冷却水温度センサ２２で検出された冷却水温度Ｔｗが、目標吹出温度Ｔｓｅｔ＋５℃を上回っていない場合は（Ｓ６：ＮＯ）、ヒータコア３５による温水暖房のみでは車室内を十分暖房できないと診断し、上記ヒータコア３５による温水暖房に加えて、ヒートポンプ装置１００による暖房運転モードを設定する（Ｓ８）。
【００６０】
すなわち、ステップＳ８では、圧縮機４１を起動するとともに、電気式四方弁４２を図１の実線矢印で示す回路側に切り替え、第１シャット弁４５、第２シャット弁４８および第３シャット弁５１を閉弁し、第４シャット弁５４を開弁し、前述の暖房運転モードを起動する。
【００６１】
この場合、エアミックスドア３６を、バイパス通路３７を全閉する最大暖房位置ＭＨに保持、固定する。これにより、ヒータコア３５による温水暖房能力を車室内暖房のために最大限利用できる。そして、ヒートポンプ装置１００の圧縮機４１の回転数制御により、加熱用室内器３３、３４側の暖房能力を制御することにより、車室内への吹出空気温度を制御できる。
【００６２】
以上説明したように、圧縮機４１から吐出される冷媒と空調用空気とを熱交換させる第１、第２加熱用室内器３３、３４の間にヒータコア３５を配置するとともに、第１加熱用室内器３３を第２加熱用室内器３４より冷媒流れ上流側に配置して、圧縮機４１から吐出される高温冷媒をヒータコア３５の空調用空気流れ下流側にある第１加熱用室内器３３へ流すようにすることで、ヒータコア３５により加熱された空調用空気を、第１加熱用室内器３３において更に加熱することができる。したがって、燃料電池１０出口側の冷却水温度Ｔｗが車室内吹出空気の目標吹出温度Ｔｓｅｔを下回っている場合においても、冷却水を暖房熱源として利用することができる。
【００６３】
このとき、第１加熱用室内器３３では、ヒータコア３５により予め加熱された空調用空気と、圧縮機４１から吐出される高温冷媒との熱交換が行われるため、第１加熱用室内器３３を通過した後の冷媒は十分な熱量をもっている。したがって、第１加熱用室内器３３通過後の冷媒が流れる第２加熱用室内器３４を、ヒータコア３５の空調用空気流れ上流側に配設することで、ヒータコア３５を通過する前の空調用空気を予め加熱することができる。これにより、圧縮機４１から吐出される高温冷媒を暖房用熱源として効率良く利用することができるので、ヒートポンプ装置１００の効率向上を図ることが可能となる。
【００６４】
特に、燃料電池車両においては燃料電池１０で発電された電気を駆動エネルギとしており、圧縮機４１の駆動動力が航続距離に大きく影響する。したがって、ヒートポンプ装置１００の効率向上を図ることで、燃料電池車両の航続距離を大きくすることが可能となる。
【００６５】
また、暖機運転モードにおいて、ヒータコア３５の空調空気流れ上流側にある第２加熱用室内器３４に、圧縮機４１から吐出された高温冷媒が第１加熱用室内器３３を介さずに直接流れるようにすることで、第２加熱用室内器３４によりヒータコア３５を通過する前の空調用空気を加熱することができる。したがって、ヒータコア３５において、第２加熱用室内器３４により加熱された空調用空気と、燃料電池１０の冷却水とを熱交換し、冷却水を加熱することができるので、燃料電池１０の暖機を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施形態に係る車両用空調装置の全体構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る車両用空調装置に設けられた制御装置（ＥＣＵ）７０の入出力を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態における制御装置７０がＲＯＭ等に格納されたプログラムにしたがって行う運転モード切替処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６７】
１０…燃料電池、２２…冷却水温度センサ（温度検出手段）、３３…第１加熱用室内器（第１室内熱交換器）、３４…第２加熱用室内器（第２室内熱交換器）、３５…ヒータコア、４１…圧縮機、４２…電気式四方弁（冷媒流路切替手段）、７０…制御装置（制御手段）、１００…ヒートポンプ装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により発電する燃料電池を走行用駆動源とする燃料電池車両に搭載され、燃料電池の冷却水を熱源とする温水式暖房装置を備えるとともに、温水式暖房装置の暖房能力不足をヒートポンプ装置の併用により補う車両用空調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両用空調装置では暖房時に温水排熱源（エンジン等）からの温水（エンジン冷却水）を暖房用ヒータコアに循環させ、このヒータコアにて温水を熱源として空調空気を加熱する温水式暖房装置を備えている。
【０００３】
ところが、走行用駆動源としてエンジンの代わりに燃料電池を使用する燃料電池車両においては、燃料電池の効率が高いため、温水（冷却水）の温度が十分上昇せず、温水暖房能力の不足が発生するという問題があった。
【０００４】
これに対し、温水式暖房装置とヒートポンプ装置とを併用して空調用空気を加熱することで、温水暖房能力の不足を解消する車両用空調装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この車両用空調装置では、温水温度が高温の場合にはヒートポンプ装置の圧縮機を停止し、省動力化を図っている。
【特許文献１】特開２００２−１２０５４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の車両用空調装置では、燃料電池の冷却水温度が車室内吹出空気の目標吹出温度を下回っている場合には、冷却水を暖房熱源として利用することができないため、ヒートポンプ装置の効率が悪化するという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、温水式暖房装置の暖房能力不足をヒートポンプ装置の併用により補う車両用空調装置において、ヒートポンプ装置の効率向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明では、車室内へ吹き出される空調用空気を、燃料電池（１０）の冷却水を熱源として加熱するヒータコア（３５）と、ヒートポンプ装置（１００）の暖房運転モードにおいて圧縮機（４１）から吐出される冷媒により空調用空気を加熱する第１、第２室内熱交換器（３３、３４）とを備え、第１室内熱交換器（３３）は、ヒータコア（３５）の空調用空気流れ下流側に配置されており、第２室内熱交換器（３４）は、ヒータコア（３５）の空調用空気流れ上流側に配置されており、ヒートポンプ装置（１００）の暖房運転モードでは、圧縮機（４１）から吐出された冷媒が、第１室内熱交換器（３３）を通過して第２室内熱交換器（３４）へと流れるようになっていることを特徴としている。
【０００８】
このように、圧縮機（４１）から吐出される冷媒と空調用空気とを熱交換させる第１、第２室内熱交換器（３３、３４）の間にヒータコア（３５）を配置するとともに、圧縮機（４１）から吐出される高温冷媒を、ヒータコア（３５）の空調用空気流れ下流側にある第１室内熱交換器（３３）から流すようにすることで、ヒータコア（３５）により加熱された空調用空気を、第１室内熱交換器（３３）において更に加熱することができる。したがって、燃料電池（１０）の冷却水温度が車室内吹出空気の目標吹出温度を下回っている場合においても、燃料電池（１０）の冷却水を暖房熱源として利用することができる。
【０００９】
このとき、第１室内熱交換器（３３）では、ヒータコア（３５）により予め加熱された空調用空気と、圧縮機（４１）から吐出される高温冷媒との熱交換が行われるため、第１室内熱交換器（３３）を通過した後の冷媒は十分な熱量をもっている。したがって、第１室内熱交換器（３３）通過後の冷媒が流れる第２室内熱交換器（３４）を、ヒータコア（３５）の空調用空気流れ上流側に配設することで、ヒータコア（３５）を通過する前の空調用空気を予め加熱することができる。これにより、圧縮機（４１）から吐出される高温冷媒を暖房用熱源として効率良く利用することができるので、ヒートポンプ装置（１００）の効率向上を図ることが可能となる。
【００１０】
また、上記特徴の車両用空調装置において、ヒートポンプ装置（１００）は、暖房運転モードの冷媒流路と、燃料電池（１０）の暖機を行う暖機運転モードの冷媒通路とを切り替える冷媒流路切替手段（４２）を有しており、暖機運転モードでは、圧縮機（４１）から吐出された冷媒が、第１室内熱交換器（３３）を介さずに第２室内熱交換器（３４）に流れるようになっていてもよい。
【００１１】
このように、暖機運転モードにおいて、ヒータコア（３５）の空調空気流れ上流側にある第２室内熱交換器（３４）に、圧縮機（４１）から吐出された高温冷媒が第１室内熱交換器（３３）を介さずに流れるようにすることで、第２室内熱交換器（３４）によりヒータコア（３５）を通過する前の空調用空気を加熱することができる。したがって、ヒータコア（３５）において、第２室内熱交換器（３４）により加熱された空調用空気と、燃料電池（１０）の冷却水との熱交換を行い、冷却水を加熱することができるので、燃料電池（１０）の暖機を行うことが可能となる。
【００１２】
また、上記特徴の車両用空調装置において、燃料電池（１０）の出口側の冷却水温度（Ｔｗ）を検出する温度検出手段（２２）と、冷媒流路切替手段（４２）の作動を制御する制御手段（７０）とを備え、制御手段（７０）は、冷却水温度（Ｔｗ）が予め定めた基準温度（Ｔｓ）以上になったとき、暖房運転モードの冷媒通路に切り替え、さらに、冷却水温度（Ｔｗ）が基準温度（Ｔｓ）を下回ったとき、暖機運転モードの冷媒通路に切り替えるようになっていてもよい。
【００１３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１〜図３により、本発明の一実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る車両用空調装置の全体構成図である。
【００１５】
この車両用空調装置は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を走行用駆動源とする車両に適用されている。本実施形態では、燃料電池１０として固体高分子型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。なお、本発明は固体高分子型以外の燃料電池にも適用可能である。
【００１６】
燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり発電する。なお、水素が本発明の燃料ガスに相当し、酸素（空気）が本発明の酸化剤ガスに相当している。
【００１７】
アノード（水素極）２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−
カソード（酸素極）４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ
全体 ２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
燃料電池１０は発電効率確保のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１０を冷却するための冷却システムが設けられている。冷却システムは、燃料電池１０に冷却水を循環させる冷却水経路２０、冷却水を循環させるウォータポンプ２１、後述するヒータコア３５を備えている。ヒータコア３５は、燃料電池１０から流出した冷却水（温水）を熱源として後述する空調ケース３０内を流れる空調用空気を加熱する温水式暖房用熱交換器である。
【００１８】
冷却水経路２０における燃料電池１０の出口側近傍には、燃料電池１０から流出した冷却水温度Ｔｗを検出する冷却水温度センサ２２が設けられている。この冷却水温度センサ２２により冷却水温度を検出することで、燃料電池１０の温度を間接的に検出することができる。なお、冷却水温度センサ２２が、本発明の温度検出手段に相当している。
【００１９】
また、車両用空調装置は、車室内に供給される空調用空気が流れる送風路を構成する空調ケース３０を備えている。空調ケース３０内には、送風機３１、室内熱交換器（以下、室内器という）３２〜３４、ヒータコア３５、エアミックスドア３６が設けられている。室内器３２〜３４は、冷却用室内器３２、第１加熱用室内器３３および第２加熱用室内器３４からなる。なお、第１加熱用室内器３３が本発明の第１室内熱交換器に相当し、第２加熱用室内器３４が本発明の第２室内熱交換器に相当している。
【００２０】
これらの機器は、空調用空気流れ上流側から送風機３１、冷却用室内器３２、エアミックスドア３６、第２加熱用室内器３４、ヒータコア３５、第１加熱用室内器３３の順で配置されている。冷却用室内器３２、第１、第２加熱用室内器３３、３４は、後述するヒートポンプ装置１００の冷媒循環経路４０内に設けられており、冷媒と空調用空気との間で熱交換を行うように構成されている。ヒータコア３５は、上述のように燃料電池１０の冷却水経路２０に設けられており、燃料電池１０から流出した冷却水と空調用空気との間で熱交換を行うように構成されている。
【００２１】
エアミックスドア３６は、加熱用室内器３３、３４およびヒータコア３５の上流側に設けられており、図示しない電気モータ等によって作動するように構成されている。エアミックスドア３６は、車室内への吹出空気の温度調整手段であって、加熱用室内器３３、３４およびヒータコア３５をバイパスするバイパス通路３７を通過する冷風と加熱用室内器３３、３４およびヒータコア３５を通過する温風との風量割合を調整して吹出空気の温度を調整する。このエアミックスドア３６は、後述する制御装置７０の出力信号によって開度制御が行われる。
【００２２】
また、空調ケース３０内のうち、第１加熱用室内器３３の空気吹出直後の部位には、第１加熱用室内器３３を通過した直後の空気の温度を検出する吹出温度センサ３８が設けられている。
【００２３】
また、車両用空調装置は、車室内へ送風される室内送風空気を加熱して車室内を暖房する暖房運転モードと、室内送風空気を冷却して車室内を冷房する冷房運転モードと、燃料電池１０の暖機を行う暖機運転モードとを切替可能なヒートポンプ装置１００を備えている。なお、以下、暖房運転モードおよび冷房運転モードを空調運転モードともいう。
【００２４】
ヒートポンプ装置１００には、冷媒が循環する冷媒循環経路４０が設けられている。冷媒循環経路４０は、内部に冷媒が封入された配管として構成されている。冷媒としては、例えばＨＦＣ−１３４ａやＣＯ２などを用いることができる。
【００２５】
冷媒循環経路４０の経路内には、冷媒を吸入し、圧縮して吐出する圧縮機４１が設けられている。圧縮機４１は、図示しない交流モータ等により駆動される電動圧縮機であって、モータ回転数を制御することにより吐出能力（吐出冷媒流量）を調整できる。本実施形態では、圧縮機４１のモータ回転数調整手段としてインバータ（図示せず）を備えている。なお、圧縮機４１として、吐出容量を可変することにより、その吐出能力を調整できる方式のものを用いてもよい。
【００２６】
圧縮機４１の吐出口側には、電気式四方弁４２が接続されている。電気式四方弁４２は、圧縮機４１吐出口側と第１加熱用室内器３３との間および第２加熱用室内器３４と後述する第１膨張弁４６との間を同時に接続する冷媒回路（図１の実線矢印で示す流路）と、圧縮機４１吐出口側と第２加熱用室内器３４との間および第１加熱用室内器３３と第１膨張弁４６との間を同時に接続する冷媒回路（図１の破線矢印で示す流路）とを切り替えるものである。
【００２７】
そして、電気式四方弁４２が、上記の如く、流路を切り替えることによって、空調運転モードの冷媒回路および暖機運転モードの冷媒回路が切り替えられる。したがって、電気式四方弁４２は、本実施形態における冷媒流路切替手段である。この電気式四方弁４２も後述する制御装置７０の出力信号によって制御される。
【００２８】
次に、図１の実線矢印で示す回路のように、空調運転モードにおける電気式四方弁４２の下流側は、第１加熱用室内器３３に接続されている。そして、第１加熱用室内器３３の下流側は、逆止弁４３を介して、第２加熱用室内器３４に接続されている。第１、第２加熱用室内器３３、３４は、圧縮機４１により圧縮され高温となった冷媒と送風機３１により送風された空調用空気とを熱交換器させるものである。
【００２９】
また、冷媒循環経路４０には、第１加熱用室内器３３および逆止弁４３をバイパスさせるための第１バイパス経路４４が設けられている。第１バイパス経路４４には、第１バイパス経路４４を開閉可能な第１シャット弁４５が設けられている。そして、空調運転モード時には、第１シャット弁４５を閉鎖して、冷媒が第１加熱用室内器３３および逆止弁４３を流れるようにし、暖機運転モード時には、第１シャット弁４５を開放して、冷媒が第１バイパス経路４４を流れるようにする。
【００３０】
さらに、空調運転モードにおける第２加熱用室内器３４の下流側は、電気式四方弁４２を介して、冷媒を減圧、膨張させる第１膨張弁（減圧手段）４６に接続されている。
【００３１】
また、冷媒循環経路４０には、第１膨張弁４６をバイパスさせるための第２バイパス経路４７が設けられている。第２バイパス経路４７には、第２バイパス経路４７を開閉可能な第２シャット弁４８が設けられている。そして、暖房運転モード時には、第２シャット弁４８を閉鎖して、冷媒が第１膨張弁４６を流れるようにし、冷房運転モード時には、第２シャット弁４８を開放して、冷媒が第２バイパス経路４７を流れるようにする。
【００３２】
さらに、空調運転モードにおける第１膨張弁４６および第２バイパス経路４７の下流側は、室外熱交換器（以下、室外器という）４９に接続されている。室外器４９は、内部を通過する冷媒と室外ファン（図示せず）により送風された室外空気とを熱交換させるものである。なお、室外ファンも後述する制御装置７０の出力信号によって回転数制御される。
【００３３】
さらに、空調運転モードにおける室外熱交換器４９の下流側は、第３シャット弁５１を介して、冷媒を減圧、膨張させる第２膨張弁（減圧手段）５２に接続されている。そして、第２膨張弁５２の下流側は、冷却用室内器３２に接続されている。冷却用室内器３２は送風機３１によって送風された室内空気と冷媒を熱交換させる熱交換器であり、冷却用室内器３２の下流側は圧縮機４１の吸入口側に接続されている。送風機３１は図示しないモータによって駆動される電動ファンである。なお、送風機３１も後述する制御装置７０の出力信号によって回転数制御される。
【００３４】
また、冷媒循環経路４０には、第３シャット弁５１、第２膨張弁５２および冷却用室内器３２をバイパスさせるための第３バイパス経路５３が設けられている。第３バイパス経路５３には、第３バイパス経路５３を開閉可能な第４シャット弁５４が設けられている。そして、暖房運転モード時には、第３シャット弁５１を閉鎖し、第４シャット弁５４を開放して、冷媒が第３バイパス経路５３を流れるようにし、冷房運転モード時には、第３シャット弁５１を開放し、第４シャット弁５４を閉鎖して、冷媒が第２膨張弁５２および冷却用室内器３２を流れるようにする。
【００３５】
図２は、本実施形態に係る車両用空調装置に設けられた制御装置（ＥＣＵ）７０の入出力を示すブロック図である。図２に示すように、車両用空調装置には各種制御を行う制御手段としての制御装置７０が設けられている。制御装置７０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ている。
【００３６】
制御装置７０には、冷却水温度センサ２２、吹出温度センサ３８等の各種センサからのセンサ信号等が入力される。また、制御装置７０は、演算結果に基づいて送風機３１、エアミックスドア３６、圧縮機４１、電気四方弁４２、第１〜第４シャット弁４５、４８、５１、５４等に制御信号を出力する。なお、本実施形態では、燃料電池システムの制御および空調制御を同一の制御装置７０で制御しているが、それぞれ個別にＥＣＵを設けて異なるＥＣＵ間で通信を行うようにしてもよい。
【００３７】
さらに、制御装置７０には、空調操作パネル６０が接続され、この空調操作パネル６０からの各種操作信号が入力される。具体的には、空調操作パネル６０には、暖房運転モードおよび冷房運転モードのいずれか一方を選択的に切り替える冷暖房切替スイッチ６１、車室内吹出空気の目標吹出温度Ｔｓｅｔを設定する温度設定スイッチ６２等が設けられている。
【００３８】
次に、本実施形態に係る車両用空調装置の運転モード切替処理について図３に基づいて説明する。図３は、制御装置７０がＲＯＭ等に格納されたプログラムにしたがって行う運転モード切替処理を示すフローチャートである。この切替処理は、図示しない車両の始動スイッチ（イグニッションスイッチ）が投入されるとスタートする。
【００３９】
まず、冷却水温度センサ２２で検出された冷却水温度Ｔｗが、予め定めた基準冷却水温度Ｔｓ以上か否かを判定する（Ｓ１）。この結果、冷却水温度Ｔｗが基準冷却水温度Ｔｓ以上でない場合は（Ｓ１：ＮＯ）、燃料電池１０の暖機が必要であると診断し、暖機運転モードの制御を実行する（Ｓ２）。
【００４０】
暖機運転モードでは、ステップＳ２で、電気式四方弁４２を作動して冷媒流路を図１の破線矢印で示す回路側に切り替え、第１シャット弁４５および第４シャット弁５４を開弁し、第２シャット弁４８および第３シャット弁５１を閉弁する。具体的には、電気式四方弁４２は、図１の破線で示すように、圧縮機４１吐出口側と第２加熱用室内器３４との間および第２加熱用室内器３４と第１膨張弁４６との間を同時に接続するように切り替える。したがって、圧縮機４１から吐出された高温高圧の気相冷媒は電気式四方弁４２を通過して第２加熱用室内器３４へ流入する。
【００４１】
第２加熱用室内器３４に流入した冷媒は送風機３１より送風された室内空気と熱交換して凝縮する。したがって、第２加熱用室内器３４は冷媒を放熱させて凝縮させる放熱器（凝縮器）として作用する。そして、送風機３１より送風された空気は、第２加熱用室内器３４において加熱され、第２加熱用室内器３４の直ぐ下流側にあるヒータコア３５へ向かって吹き出す。これにより、ヒータコア３５内を流れる冷却水が加熱されるため、燃料電池１０の暖機が行われる。
【００４２】
また、第２加熱用室内器３４から流出した冷媒は、第１膨張弁４６において減圧された後、室外器４９に流入して、室外ファン（図示せず）により送風された室外空気と熱交換して蒸発する。暖機運転モードでは、第３シャット弁５１が閉鎖状態となっているとともに、第４シャット弁５４が開放状態となっているので、室外器４９から流出した冷媒は、再び圧縮機４１に吸入される。
【００４３】
したがって、室外器４９は冷媒に吸熱させて蒸発させる蒸発器として作用する。このように、暖機運転モードでは、図１の破線矢印方向に冷媒が流れるサイクルを構成し、室外器４９を蒸発器として作用させ、第２加熱用室内器３４を放熱器として作用させるとともに、第２加熱用室内器３４において加熱された空気によりヒータコア３５内を流れる冷却水を加熱させることで、燃料電池１０の暖機を行っている。
【００４４】
一方、冷却水温度Ｔｗが基準冷却水温度Ｔｓ以上である場合は（Ｓ１：ＹＥＳ）、燃料電池１０の暖機は不要であると診断し、冷暖房切替スイッチ６１が冷房運転モード側になっているか、あるいは、暖房運転モード側になっているかを判定する（Ｓ２）。この結果、冷暖房切替スイッチ６１が冷房運転モード側になっている場合は、冷房運転モードの制御を実行する（Ｓ４）。
【００４５】
冷房運転モードでは、ステップＳ４で、電気式四方弁４２を作動して冷媒流路を図１の実線矢印で示す回路側に切り替え、第１シャット弁４５および第４シャット弁５４を閉弁し、第２シャット弁４８および第３シャット弁５１を開弁する。さらに、エアミックスドア３５を全閉状態として、送風機３１により送風された空気が第１〜第３加熱用室内器３３〜３５を通過しないようにする。具体的には、電気式四方弁４２は、図１の実線で示すように、圧縮機４１吐出口側と第１加熱用室内器３３との間および第２加熱用室内器３４と第１膨張弁４６との間を同時に接続するように切り替える。したがって、圧縮機４１から吐出された高温高圧の気相冷媒は電気式四方弁４２を通過して第１加熱用室内器３３へ流入する。
【００４６】
冷房運転モードでは、送風機３１により送風された空気が第１、第２加熱用室内器３３、３４を通過しないようになっているので、第１、第２加熱用室内器３３、３４は単なる冷媒通路として機能する。そのため、圧縮機４１から吐出された冷媒は送風空気と熱交換されることなく、第２バイパス経路４７を通過して室外器４９へ流入する。
【００４７】
室外器４９に流入した冷媒は、室外ファン（図示せず）より送風された室外空気と熱交換して凝縮する。したがって、室外器４９は冷媒を放熱させて凝縮させる凝縮器として作用する。
【００４８】
室外器４９から流出した液相冷媒は、第２膨張弁５２において減圧される。第２膨張弁５２において減圧された冷媒は、冷却用室内器３２に流入し送風機３１により送風された室内空気と熱交換して蒸発する。したがって、冷却用室内器３２は冷媒に吸熱させて蒸発させる蒸発器として作用する。そして、送風機３１より送風された空気が冷却用室内器３２において冷却されて室内へ吹き出し、室内の冷房が行われる。
【００４９】
そして、冷却用室内器３２から流出した冷媒は、再び圧縮機４１に吸入される。このように、冷房運転モードでは、図１の実線矢印方向に冷媒が流れるサイクルを構成し、室外器４９を凝縮器として作用させ、冷却用室内器３２を蒸発器として作用させて、室内空気の冷房を行っている。
【００５０】
一方、ステップＳ３で、冷暖房切替スイッチ６１が暖房運転モード側になっている場合は、暖房運転モードの制御を実行する（Ｓ５）。
【００５１】
暖房運転モードでは、ステップＳ５で、電気式四方弁４２を作動して冷媒流路を図１の実線矢印で示す回路側に切り替え、第１シャット弁４５、第２シャット弁４８および第３シャット弁５１を閉弁し、第４シャット弁５４を開弁する。具体的には、電気式四方弁４２は、図１の実線で示すように、圧縮機４１吐出口側と第１加熱用室内器３３との間および第２加熱用室内器３４と第１膨張弁４６との間を同時に接続するように切り替える。したがって、圧縮機４１から吐出された高温高圧の気相冷媒は電気式四方弁４２を通過して第１加熱用室内器３３へ流入する。さらに、第１加熱用室内器３３から流出した冷媒は、第２加熱用室内器３４へ流入する。すなわち、暖房運転モードでは、第１加熱用室内器３３は、第２加熱用室内器３４より冷媒流れ上流側に配置されている。
【００５２】
第１、第２加熱用室内器３３、３４に流入した冷媒は送風機３１より送風された室内空気と熱交換して凝縮する。したがって、第１、第２加熱用室内器３３、３４は冷媒を放熱させて凝縮させる放熱器（凝縮器）として作用する。そして、送風機３１より送風された空気は、第１、第２加熱用室内器３３、３４およびヒータコア３５において加熱されて車室内へ吹き出し、車室内の暖房が行われる。
【００５３】
また、第２加熱用室内器３４から流出した冷媒は、第１膨張弁４６において減圧された後、室外器４９に流入して、室外ファン（図示せず）により送風された室外空気と熱交換して蒸発する。暖房運転モードでは、第３シャット弁５１が閉鎖状態となっているとともに、第４シャット弁５４が開放状態となっているので、室外器４９から流出した冷媒は、再び圧縮機４１に吸入される。
【００５４】
したがって、室外器４９は冷媒に吸熱させて蒸発させる蒸発器として作用する。このように、暖房運転モードでは、図１の実線矢印方向に冷媒が流れるサイクルを構成し、室外器４９を蒸発器として作用させ、第１、第２加熱用室内器３３、３４を放熱器として作用させて、室内空気の暖房を行っている。
【００５５】
次に、冷却水温度センサ２２で検出された冷却水温度Ｔｗが、車室内吹出空気の目標吹出温度Ｔｓｅｔ＋５℃を上回っているか否かを判定する（Ｓ６）。すなわち、このステップＳ６では、燃料電池１０の出口側の冷却水温度Ｔｗが、目標吹出温度Ｔｓｅｔに対して、予め定めた基準温度（本実施形態では５℃）以上高くなっているか否かを判定する。
【００５６】
この結果、冷却水温度Ｔｗが目標吹出温度Ｔｓｅｔ＋５℃を上回っている場合は（Ｓ６：ＹＥＳ）、ヒータコア３５による温水暖房のみで車室内を十分暖房できると診断し、ヒータコア３５による温水暖房のみで車室内を暖房する（Ｓ７）。
【００５７】
すなわち、ステップＳ７では、ヒートポンプ装置１００の圧縮機４１への電源供給を遮断し、圧縮機４１を停止状態とする。また、ウォータポンプ２１を作動させてヒータコア３５に温水を循環させるとともに、送風機３１を作動させてヒータコア３５に空調用空気を送風する。これにより、空調用空気がヒータコア３５で加熱され、温風となって車室内へ吹き出す。
【００５８】
そして、エアミックスドア３６の開度によりヒータコア３５を通過する温風とバイパス通路３７を通過する冷風との風量割合を調整して、車室内への吹出空気温度を調整することができる。
【００５９】
一方、冷却水温度センサ２２で検出された冷却水温度Ｔｗが、目標吹出温度Ｔｓｅｔ＋５℃を上回っていない場合は（Ｓ６：ＮＯ）、ヒータコア３５による温水暖房のみでは車室内を十分暖房できないと診断し、上記ヒータコア３５による温水暖房に加えて、ヒートポンプ装置１００による暖房運転モードを設定する（Ｓ８）。
【００６０】
すなわち、ステップＳ８では、圧縮機４１を起動するとともに、電気式四方弁４２を図１の実線矢印で示す回路側に切り替え、第１シャット弁４５、第２シャット弁４８および第３シャット弁５１を閉弁し、第４シャット弁５４を開弁し、前述の暖房運転モードを起動する。
【００６１】
この場合、エアミックスドア３６を、バイパス通路３７を全閉する最大暖房位置ＭＨに保持、固定する。これにより、ヒータコア３５による温水暖房能力を車室内暖房のために最大限利用できる。そして、ヒートポンプ装置１００の圧縮機４１の回転数制御により、加熱用室内器３３、３４側の暖房能力を制御することにより、車室内への吹出空気温度を制御できる。
【００６２】
以上説明したように、圧縮機４１から吐出される冷媒と空調用空気とを熱交換させる第１、第２加熱用室内器３３、３４の間にヒータコア３５を配置するとともに、第１加熱用室内器３３を第２加熱用室内器３４より冷媒流れ上流側に配置して、圧縮機４１から吐出される高温冷媒をヒータコア３５の空調用空気流れ下流側にある第１加熱用室内器３３へ流すようにすることで、ヒータコア３５により加熱された空調用空気を、第１加熱用室内器３３において更に加熱することができる。したがって、燃料電池１０出口側の冷却水温度Ｔｗが車室内吹出空気の目標吹出温度Ｔｓｅｔを下回っている場合においても、冷却水を暖房熱源として利用することができる。
【００６３】
このとき、第１加熱用室内器３３では、ヒータコア３５により予め加熱された空調用空気と、圧縮機４１から吐出される高温冷媒との熱交換が行われるため、第１加熱用室内器３３を通過した後の冷媒は十分な熱量をもっている。したがって、第１加熱用室内器３３通過後の冷媒が流れる第２加熱用室内器３４を、ヒータコア３５の空調用空気流れ上流側に配設することで、ヒータコア３５を通過する前の空調用空気を予め加熱することができる。これにより、圧縮機４１から吐出される高温冷媒を暖房用熱源として効率良く利用することができるので、ヒートポンプ装置１００の効率向上を図ることが可能となる。
【００６４】
特に、燃料電池車両においては燃料電池１０で発電された電気を駆動エネルギとしており、圧縮機４１の駆動動力が航続距離に大きく影響する。したがって、ヒートポンプ装置１００の効率向上を図ることで、燃料電池車両の航続距離を大きくすることが可能となる。
【００６５】
また、暖機運転モードにおいて、ヒータコア３５の空調空気流れ上流側にある第２加熱用室内器３４に、圧縮機４１から吐出された高温冷媒が第１加熱用室内器３３を介さずに直接流れるようにすることで、第２加熱用室内器３４によりヒータコア３５を通過する前の空調用空気を加熱することができる。したがって、ヒータコア３５において、第２加熱用室内器３４により加熱された空調用空気と、燃料電池１０の冷却水とを熱交換し、冷却水を加熱することができるので、燃料電池１０の暖機を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施形態に係る車両用空調装置の全体構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る車両用空調装置に設けられた制御装置（ＥＣＵ）７０の入出力を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態における制御装置７０がＲＯＭ等に格納されたプログラムにしたがって行う運転モード切替処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６７】
１０…燃料電池、２２…冷却水温度センサ（温度検出手段）、３３…第１加熱用室内器（第１室内熱交換器）、３４…第２加熱用室内器（第２室内熱交換器）、３５…ヒータコア、４１…圧縮機、４２…電気式四方弁（冷媒流路切替手段）、７０…制御装置（制御手段）、１００…ヒートポンプ装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池（１０）を走行用駆動源とする車両に搭載される車両用空調装置であって、
車室内へ吹き出される空調用空気を、前記燃料電池（１０）の冷却水を熱源として加熱するヒータコア（３５）と、
ヒートポンプ装置（１００）の暖房運転モードにおいて圧縮機（４１）から吐出される冷媒により前記空調用空気を加熱する第１、第２室内熱交換器（３３、３４）とを備え、
前記第１室内熱交換器（３３）は、前記ヒータコア（３５）の空調用空気流れ下流側に配置されており、
前記第２室内熱交換器（３４）は、前記ヒータコア（３５）の空調用空気流れ上流側に配置されており、
前記ヒートポンプ装置（１００）の前記暖房運転モードでは、前記圧縮機（４１）から吐出された前記冷媒が、前記第１室内熱交換器（３３）を通過して前記第２室内熱交換器（３４）へと流れるようになっていることを特徴とする車両用空調装置。
【請求項２】
前記ヒートポンプ装置（１００）は、前記暖房運転モードの冷媒流路と、前記燃料電池（１０）の暖機を行う暖機運転モードの冷媒通路とを切り替える冷媒流路切替手段（４２）を有しており、
前記暖機運転モードでは、前記圧縮機（４１）から吐出された前記冷媒が、前記第１室内熱交換器（３３）を介さずに前記第２室内熱交換器（３４）に流れるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置。
【請求項３】
前記燃料電池（１０）の出口側の冷却水温度（Ｔｗ）を検出する温度検出手段（２２）と、
前記冷媒流路切替手段（４２）の作動を制御する制御手段（７０）とを備え、
前記制御手段（７０）は、前記冷却水温度（Ｔｗ）が予め定めた基準温度（Ｔｓ）以上になったとき、前記暖房運転モードの冷媒通路に切り替え、さらに、前記冷却水温度（Ｔｗ）が前記基準温度（Ｔｓ）を下回ったとき、前記暖機運転モードの冷媒通路に切り替えるようになっていることを特徴とする請求項２に記載の車両用空調装置。
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池（１０）を走行用駆動源とする車両に搭載される車両用空調装置であって、
車室内へ吹き出される空調用空気を、前記燃料電池（１０）の冷却水を熱源として加熱するヒータコア（３５）と、
ヒートポンプ装置（１００）の暖房運転モードにおいて圧縮機（４１）から吐出される冷媒により前記空調用空気を加熱する第１、第２室内熱交換器（３３、３４）とを備え、
前記第１室内熱交換器（３３）は、前記ヒータコア（３５）の空調用空気流れ下流側に配置されており、
前記第２室内熱交換器（３４）は、前記ヒータコア（３５）の空調用空気流れ上流側に配置されており、
前記ヒートポンプ装置（１００）の前記暖房運転モードでは、前記圧縮機（４１）から吐出された前記冷媒が、前記第１室内熱交換器（３３）を通過して前記第２室内熱交換器（３４）へと流れるようになっていることを特徴とする車両用空調装置。
【請求項２】
前記ヒートポンプ装置（１００）は、前記暖房運転モードの冷媒流路と、前記燃料電池（１０）の暖機を行う暖機運転モードの冷媒通路とを切り替える冷媒流路切替手段（４２）を有しており、
前記暖機運転モードでは、前記圧縮機（４１）から吐出された前記冷媒が、前記第１室内熱交換器（３３）を介さずに前記第２室内熱交換器（３４）に流れるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置。
【請求項３】
前記燃料電池（１０）の出口側の冷却水温度（Ｔｗ）を検出する温度検出手段（２２）と、
前記冷媒流路切替手段（４２）の作動を制御する制御手段（７０）とを備え、
前記制御手段（７０）は、前記冷却水温度（Ｔｗ）が予め定めた基準温度（Ｔｓ）以上になったとき、前記暖房運転モードの冷媒通路に切り替え、さらに、前記冷却水温度（Ｔｗ）が前記基準温度（Ｔｓ）を下回ったとき、前記暖機運転モードの冷媒通路に切り替えるようになっていることを特徴とする請求項２に記載の車両用空調装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−５１４７５（Ｐ２００９−５１４７５Ａ）
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２２８１１（Ｐ２００７−２２２８１１）
【出願日】平成１９年８月２９日（２００７．８．２９）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２９日（２００７．８．２９）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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