JP2019111902A - 車両用空調管理システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱装置を利用した空調制御システムにおいて、よりエネルギー効率を向上させることができる車両空調管理システムを提供すること。【解決手段】駆動時にエネルギー効率が良好となる所定の空調負荷領域または負荷値を有するヒートポンプ機構２と、蓄熱された熱エネルギーにより室内を空調可能に構成された蓄熱部３と、ヒートポンプ機構２及び蓄熱部３を制御することにより室内の空調をおこなう空調制御部５と、車両において要求される要求空調負荷情報を取得する空調負荷情報取得部４と、を含み、空調制御部は、要求空調負荷情報に基づき、空調する際のＣＯＰが最良になるようにヒートポンプ機構２及び蓄熱部３の使い分けを行う。【選択図】図１

Description

本発明は、車両用空調管理システムに関する。

ハイブリット車や電気自動車等、外部電源によって充電される駆動バッテリを備えた電動車両において、駆動バッテリに蓄えられた電気を車室内の空調に使用すると、その分だけ電力が消費されるので、走行できる距離が短くなってしまう。このため、駆動バッテリからの電力消費を抑えるために別途蓄熱装置等を用いて空調を行う空調制御システムが開発されている。（特許文献１から３参照）

特開平５−１２４４４３号公報 特開２０１０−２５９３０８号公報 特開２０１２−９７９９７号公報

このような蓄熱装置を利用した空調制御システムにおいては、空調機構にヒートポンプ機構を採用することにより、より消費電力を低減することができる。したがって、電動車両の航続距離の観点から、このような車両用空調管理システムでのさらなる効率化が要求される。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、蓄熱装置を利用した空調制御システムにおいて、よりエネルギー効率を向上させることができる車両空調管理システムを提供するものである。

本適用例に係る車両の車両用空調管理システムは、駆動用のバッテリを備える車両の室内を空調する空調管理システムであって、前記バッテリからの電力が供給されることにより冷媒を圧縮する圧縮部を含み、駆動時にエネルギー効率が良好となる所定の空調負荷領域または負荷値を有するヒートポンプ機構と、蓄熱された熱エネルギーにより前記室内を空調可能に構成された蓄熱部と、前記ヒートポンプ機構および前記蓄熱部の少なくともいずれか一方を制御することにより前記室内の空調を行う空調制御部と、前記車両において要求される要求空調負荷情報を取得する空調負荷情報取得部と、を含み、前記空調制御部は、前記要求空調負荷情報に基づき、前記車両において要求される要求空調負荷が前記空調負荷領域の下限値または前記負荷値よりも低い場合、前記蓄熱部により前記室内の空調を行い、前記要求空調負荷が前記空調負荷領域内または前記負荷値である場合、前記ヒートポンプ機構により前記室内の空調を行い、前記要求空調負荷が前記空調負荷領域の上限値または前記負荷値よりも高い場合、前記蓄熱部および前記ヒートポンプ機構により前記室内の空調を行うことを特徴とする。

本適用例に係る車両の車両用空調管理システムにおいては、空調制御部がヒートポンプ機構においてエネルギー効率が良好となる所定の空調負荷領域で駆動可能な要求空調負荷にあるときに限り、ヒートポンプ機構を駆動することになる。特に、要求空調負荷が所定の空調負荷領域の上限値よりも高い場合には、当該上限値を上回る分の空調負荷を蓄熱部により補填し、ヒートポンプ機構は所定の空調負荷領域内で駆動することで、ヒートポンプ機構のエネルギー効率を良好に維持することができる。一方、要求空調負荷が所定の空調負荷領域の下限値よりも低い場合には、蓄熱部のみを使用することで、ヒートポンプ機構による非効率な駆動を抑制することができる。

すなわち、本適用例に係る車両の車両用空調管理システムによれば、蓄熱部を利用することで、よりエネルギー効率を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る車両用空調管理システムの概略構成図である。 暖房時における冷媒の流路図である。 冷房時における冷媒の流路図である。 ＣＯＰと空調負荷との関係図である。 本実施形態に係る空調制御実行時のヒートポンプと蓄熱部の使い分けの一例を示すタイムチャートである。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。

図１に示すように、車両用空調管理システム１は、主にヒートポンプ機構２、蓄熱部３、空調負荷情報取得部４、および空調制御部５から構成されている。

ヒートポンプ機構２は、冷媒が循環するヒートポンプ回路上に、コンデンサ１０、エバポレータ１１、第１のスイッチングバルブ１２、レシーバ１３、第２のスイッチングバルブ１４、暖房用膨張弁１５、車外エバポレータ１６、車外コンデンサ１７、コンプレッサ１８（圧縮部）、冷房用膨張弁１９が設けられている。

コンデンサ１０、およびエバポレータ１１は、車両が有する導風ダクト２０内に設けられている。導風ダクト２０の車外側には、室内側に向けて送風するブロワ２１が設けられている。導風ダクト２０内において、エバポレータ１１が送風の上流側に配設され、コンデンサ１０が下流側に配設されている。

コンデンサ１０は、コンプレッサ１８により圧縮され加熱された冷媒と導風ダクト２０内を通る空気との熱交換を行う熱交換器である。

エバポレータ１１は、冷房用膨張弁１９により減圧され冷却された冷媒と導風ダクト２０内を通る空気との熱交換を行う熱交換器である。

第１のスイッチングバルブ１２は、コンデンサ１０からの冷媒の行き先を、車外コンデンサ１７とレシーバ１３のいずれかに切り替え可能な三方弁である。

レシーバ１３は液冷媒とガス冷媒とを分離して液冷媒のみ取り出す機能を有している。

第２のスイッチングバルブ１４は、レシーバ１３からの冷媒の行き先を、車外エバポレータ１６と冷房用膨張弁１９のいずれかに切り替え可能な三方弁である。

車外エバポレータ１６は、直前に暖房用膨張弁１５が設けられており、当該暖房用膨張弁１５により低温低圧となった冷媒と外気との熱交換を行う熱交換器である。

車外コンデンサ１７は、高温高圧の冷媒と、外気との熱交換を行う熱交換器である。

コンプレッサ１８は、図示しない駆動用のバッテリの電力により駆動し、冷媒を圧縮してコンデンサ１０に吐出するものである。

冷房用膨張弁１９は冷媒を減圧してエバポレータ１１に吐出するものである。

ここで、図２及び図３を参照すると、図２には暖房時における冷媒の流れが示され、図３には冷房時における冷媒の流れが示されており、これらの図に基づき、ヒートポンプ機構２の暖房時と冷房時の冷媒の流れについて説明する。

図２に示すように暖房時は、コンプレッサ１８により圧縮された高温高圧の冷媒がコンデンサ１０にて導風ダクト２０内の空気を加熱することで、室内に温風を送る。コンデンサ１０にて熱交換して冷却された冷媒は第１のスイッチングバルブ１２を介してレシーバ１３に送られる。さらに、冷媒は、レシーバ１３から第２のスイッチングバルブ１４を介して暖房用膨張弁１５により減圧され、車外エバポレータ１６により外気から吸熱した上でコンプレッサ１８に戻って、再び圧縮される。

一方、図３に示すように冷房時は、冷房用膨張弁１９により減圧された低温低圧の冷媒がエバポレータ１１にて導風ダクト２０内の空気を冷却することで、冷風を室内側に送る。エバポレータ１１にて熱交換して加熱された冷媒はコンプレッサ１８に送られて、必要に応じて圧縮され、コンデンサ１０にて導風ダクト２０内の冷風を加熱することで適切な温度に調整する。

コンデンサ１０にて熱交換して冷却された冷媒は第１のスイッチングバルブ１２を介して車外コンデンサ１７に送られて、外気に放熱を行いレシーバ１３に送られる。さらに、冷媒は、レシーバ１３から第２のスイッチングバルブ１４を介して冷房用膨張弁１９に戻って、再び減圧される。

図１に戻り、蓄熱部３は、蓄熱された熱エネルギーにより車室内を空調可能に構成されており、主に、蓄温部３０、蓄温用熱交換器３１、蓄冷部３２、および蓄冷用熱交換器３３を有している。

蓄温部３０は、蓄熱材を有し、主に温熱の熱エネルギー（以下、温熱エネルギーという）を蓄熱するものである。具体的な蓄熱手段は特に限定されるものではなく、例えば化学蓄熱、潜熱蓄熱、顕熱蓄熱が用いられる。

蓄温用熱交換器３１は蓄温部３０と伝熱可能に接続されており、導風ダクト２０内においてコンデンサ１０の送風下流側に配設されている。蓄温用熱交換器３１は導風ダクト２０内の空気と熱交換した温熱エネルギーを蓄温部３０に伝達可能であるとともに、蓄温部３０に蓄えられた温熱エネルギーが伝達されて導風ダクト２０内の空気を加熱することが可能である。なお、図示しないが、蓄温用熱交換器３１の送風上流側には、熱交換時に開弁し、熱交換を行わない時には閉弁する開閉弁が設けられている。

蓄冷部３２は、蓄熱材を有し、主に冷熱の熱エネルギー（以下、冷熱エネルギーという）を蓄熱するものである。具体的な蓄熱手段は特に限定されるものではなく、例えば化学蓄熱、潜熱蓄熱、顕熱蓄熱が用いられる。

蓄冷用熱交換器３３は蓄冷部３２と伝熱可能に接続されており、導風ダクト２０内においてエバポレータ１１の送風下流側に配設されている。蓄冷用熱交換器３３は導風ダクト２０内の空気と熱交換した冷熱エネルギーを蓄冷部３２に伝達可能であるとともに、蓄冷部３２に蓄えられた冷熱エネルギーが伝達されて導風ダクト２０内の空気を冷却することが可能である。なお、当該蓄冷用熱交換器３３の送風上流側にも開閉弁を設けてもよい。

このように構成された、蓄熱部３は、例えば暖房時には、蓄温用熱交換器３１が、コンデンサ１０により加熱された空気を介して、温熱エネルギーを吸収して蓄温部３０に蓄える。一方、冷房時には、蓄冷用熱交換器３３が、エバポレータ１１により冷却された空気を介して、冷熱エネルギーを吸収して蓄冷部３２に蓄える。

また、空調負荷情報取得部４は、例えば図示しない外気温度センサ、車室内温度センサと接続されており、これらのセンサにより検出される外気温、室温と、運転者等により設定される設定温度とに基づき、車両において設定温度まで暖房又は冷房するのに要求される要求空調負荷情報を取得する機能を有する。

空調制御部５は、コンプレッサ１８や各種弁のアクチュエータ、空調負荷情報取得部４と電気的に接続されており、各部の駆動を制御して、ヒートポンプ機構２および蓄熱部３の少なくともいずれか一方を制御することにより車内の空調を制御可能である。

特に本実施形態の空調制御部５は、ヒートポンプ機構２において駆動時にエネルギー効率の成績係数（Coefficient of Performance、以下ＣＯＰという）が良好となる所定の空調負荷領域Ｒが予め記憶されている。

所定の空調負荷領域Ｒは、例えば図４に示すように、空調負荷とＣＯＰとの関係図に基づき設定される。図４に示す関係図では、室温を一定温度Ｔｉｎに固定して空調負荷を変化させた場合のＣＯＰの傾向が、外気温Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃごとに示されている。なお外気温Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃは、Ｔａ＞Ｔｂ＞Ｔｃの関係にある。

図４から明らかなように、各外気温において、ＣＯＰがピークとなる空調負荷（最良空調負荷）が存在し、それよりも空調負荷が高くなると徐々にＣＯＰは下がる傾向にある。所定の空調負荷領域Ｒは、この各外気温の最良空調負荷を含む空調負荷領域に設定されている。

そして、空調制御部５は、この所定の空調負荷領域Ｒと、空調負荷情報取得部４により取得される要求空調負荷情報に基づいて、ヒートポンプ機構２および蓄熱部３の使い分けを行う。

具体的には、空調制御部５は、要求空調負荷が所定の空調負荷領域Ｒの下限値Ｒminよりも低い場合は、蓄熱部３により室内の空調を行い、要求空調負荷が所定の空調負荷領域Ｒ内である場合は、ヒートポンプ機構２により室内の空調を行い、要求空調負荷が所定の空調負荷領域Ｒの上限値Ｒmaxよりも高い場合は、蓄熱部３およびヒートポンプ機構２により室内の空調を行う。

次に、このように構成された本実施形態に係る車両用空調管理システム１の作用及び効果について説明する。図５には本実施形態に係る空調制御実行時のヒートポンプ機構２と蓄熱部３の使い分けの一例を示すタイムチャートが示されている。なお、図５に示す空調制御は暖房時を例に示しているものとする。

図５のｔ１時点からｔ２時点では、要求空調負荷（暖房負荷）が所定の空調負荷領域Ｒの下限値Ｒminよりも低いため、空調制御部５は蓄熱部３の蓄温部３０に蓄えられた温熱エネルギーを用いて暖房を行う。

ｔ２時点からｔ３時点では、要求空調負荷が所定の空調負荷領域Ｒ内であるため、空調制御部５はヒートポンプ機構２のみを用いて暖房を行う。

ｔ３時点からｔ４時点では、要求空調負荷が所定の空調負荷領域Ｒの上限値Ｒmaxよりも高いため、蓄熱部３およびヒートポンプ機構２を用いて暖房を行う。具体的には要求空調負荷のうち、ヒートポンプ機構２を所定の空調負荷領域Ｒの上限値Ｒmaxに対応する空調負荷で駆動し、残りの要求空調負荷分を蓄熱部３により補填する。

ｔ４時点からｔ５時点では、再び要求空調負荷が下限値Ｒminを下回ったため、空調制御部５は蓄熱部３の蓄温部３０に蓄えられた温熱エネルギーを用いて暖房を行う。

このように空調制御部５は、ヒートポンプ機構２においてエネルギー効率が良好となる所定の空調負荷領域Ｒで駆動可能な要求空調負荷にあるときに限り、ヒートポンプ機構２を駆動する。特に、要求空調負荷が所定の空調負荷領域Ｒの上限値Ｒmaxよりも高い場合には、当該上限値を上回る分の空調負荷を蓄熱部３により補填し、ヒートポンプ機構２は所定の空調負荷領域Ｒ内で駆動することで、ヒートポンプ機構２のエネルギー効率を良好に維持することができる。

一方、要求空調負荷が所定の空調負荷領域Ｒの下限値Ｒminよりも低い場合には、蓄熱部３のみを使用することで、ヒートポンプ機構２による非効率な駆動を抑制することができる。

このように本実施形態の車両用空調管理システム１によれば、蓄熱部３を利用することで、よりエネルギー効率を向上させることができる。

以上で本発明の実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態では、図５に基づき暖房時を例に空調制御について説明したが、本発明に係る空調管理システムの空調制御は暖房に限られず、冷房時には蓄温部に代えて蓄冷部を用いることで、同様の制御を適用可能である。

また、上記実施形態では、要求空調負荷が所定の空調負荷領域Ｒ内である場合に、ヒートポンプ機構２を所定の空調負荷領域Ｒの上限値Ｒmaxに対応する空調負荷で駆動し、残りの要求空調負荷分を蓄熱部３により補填しているが、必ずしもヒートポンプ機構２を所定の空調負荷領域Ｒの上限値Ｒmaxで駆動する必要はない。例えば、ヒートポンプ機構２を最良空調負荷で駆動し、残りの要求空調負荷分を蓄熱部３により補填してもよい。

また、上記実施形態では、所定の空調負荷領域Ｒに基づいてヒートポンプ機構２と蓄熱部３との使い分けを行っているが、領域に限らず所定の負荷値を用いてもよい。つまり、空調制御部は、要求空調負荷情報に基づき、車両において要求される要求空調負荷が所定の負荷値よりも低い場合、蓄熱部により室内の空調を行い、要求空調負荷が所定の負荷値である場合、ヒートポンプ機構により室内の空調を行い、要求空調負荷が所定の負荷値よりも高い場合、蓄熱部およびヒートポンプ機構により室内の空調を行う。なお、例えばこの所定の負荷値としては、最良空調負荷とするのが好ましい。

１ 車両用空調管理システム
２ ヒートポンプ機構
３ 蓄熱部
４ 空調負荷情報取得部
５ 空調制御部
１０ コンデンサ
１１ エバポレータ
１２ 第１のスイッチングバルブ
１３ レシーバ
１４ 第２のスイッチングバルブ
１５ 暖房用膨張弁
１６ 車外エバポレータ
１７ 車外コンデンサ
１８ コンプレッサ
１９ 冷房用膨張弁
３０ 蓄温部
３１ 蓄温用熱交換器
３２ 蓄冷部
３３ 蓄冷用熱交換器

Claims (1)

1. 駆動用のバッテリを備える車両の室内を空調する空調管理システムであって、
   前記バッテリからの電力が供給されることにより冷媒を圧縮する圧縮部を含み、駆動時にエネルギー効率が良好となる所定の空調負荷領域または負荷値を有するヒートポンプ機構と、
   蓄熱された熱エネルギーにより前記室内を空調可能に構成された蓄熱部と、
   前記ヒートポンプ機構および前記蓄熱部の少なくともいずれか一方を制御することにより前記室内の空調を行う空調制御部と、
   前記車両において要求される要求空調負荷情報を取得する空調負荷情報取得部と、を含み、
   前記空調制御部は、前記要求空調負荷情報に基づき、前記車両において要求される要求空調負荷が前記空調負荷領域の下限値または前記負荷値よりも低い場合、前記蓄熱部により前記室内の空調を行い、
   前記要求空調負荷が前記空調負荷領域内または前記負荷値である場合、前記ヒートポンプ機構により前記室内の空調を行い、
   前記要求空調負荷が前記空調負荷領域の上限値または前記負荷値よりも高い場合、前記蓄熱部および前記ヒートポンプ機構により前記室内の空調を行うことを特徴とする車両用空調管理システム。

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