JP5640485B2 - 車両用空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、暖房の熱源の得られにくい電気自動車やハイブリッド車等に使用される車室内を暖房可能な車両用空調装置に関するものである。

従来、エンジン車では、例えば、吸排気時に内気から吸熱し、外気へ放熱する全熱交換器と冷凍サイクルを備え、暖房はエンジンの排熱を利用して行う車両用空調装置が考案されている（例えば、特許文献１参照）。

この車両用空調装置は、内気の熱を利用して、外気の温度を高めることができるので、外気導入による熱損失を低減でき、暖房効果を向上できるもので、冷凍サイクルのエバポレータ（冷却用熱交換器）と、その空気下流側には、エンジン冷却水（温水）を熱源とするヒータコア（加熱用熱交換器）が配置してある。そして、空調の温度制御方式として、冷温風の混合割合を調整するエアミックス方式を採用しており、ヒータコアの空気上流側で、エバポレータの空気下流側に配置したエアミックスドアの開度によりヒータコアを通過する温風とヒータコアをバイパスする冷風の風量割合を調整して、車室内への吹出空気温度を制御している。

一方、電気自動車やハイブリッド車のエアコンには、コンプレッサをモータで駆動するクーラと電気ヒータとによるシステムが一部に用いられている。

最近では、暖房時の省電力の観点からヒートポンプサイクルによるシステムが主流となっており、電動コンプレッサを駆動制御した冷凍サイクルを用いて、冷房、暖房、除湿などを行うものがある（例えば、非特許文献１参照）。

図３に四方弁を用いたヒートポンプシステムの例を示す。冷房時の冷媒はコンプレッサ１０１から吐出され四方弁１０２により室外熱交換器１０３に流して放熱後、 冷房用絞り１０４で減圧しエバポレータ（蒸発器）１０５で吸熱しコンプレッサ１０１に戻る冷凍サイクルである。

暖房時は四方弁１０２を切り替え、冷媒をコンデンサ１０６に流して放熱し、室外熱交換器１０３は蒸発器として作動させる。また除湿をする場合はコンデンサ１０６、 暖房用絞り１０７、室外熱交換器１０３、冷房用絞り１０４、エバポレータ１０５などの順に冷媒を流し、空気を冷却除湿した後に過熱を行う、いわゆるリヒート方式としている。

特開平１０−１６５３１号公報

電気自動車ハンドブック編集委員会 編著「電気自動車ハンドブック」丸善株式会社出版（図５．１５１）

このような従来の車両用空調装置においては、前者は内気の熱を利用して、外気の温度を内気の温度に近づけることができるので、外気導入による熱損失を低減できるが、後者のヒートポンプシステムにおいて、熱回収を有効に行える車両用の空調は考案されていないという課題を有していた。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、ヒートポンプシステムにおいて、熱回収を有効に行える車両用空調装置を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明は、外気を導入する外気導入口から車内に空調風を吹き出す空調吹出口にかけての給気送風路と、内気を導入する内気導入口から内気を車外へ排出する内気排出口にかけての内気排出路と、前記給気送風路に前記外気導入口から前記空調吹出口に向かう空気流を発生させる外気送風手段と、前記内気排出路に前記内気導入口から前記内気排出口に向かう空気流を発生させる内気送風手段と、前記給気送風路を流れる空気を冷却または加熱する第１車内熱交換器および第２車内熱交換器と、冷房運転時凝縮器、暖房運転時蒸発器として外気と熱交換する車外熱交換器と、前記第１車内熱交換器、前記第２車内熱交換器および前記車外熱交換器と圧縮機の間で冷媒を循環させるヒートポンプと、前記内気排出路を流れる内気と前記外気導入口から導入される外気とを熱交換させて熱回収する熱回収器とを備え、前記熱回収器は、顕熱のみを熱交換する顕熱部と、全熱を熱交換する全熱部により構成され、冷房運転時には、外気が高湿の場合は、前記熱回収器の前記全熱部のみを使用し、外気が低湿の場合は、前記顕熱部と前記全熱部両方を使用し、暖房運転時には、外気が低湿の場合は、前記熱回収器の前記顕熱部と前記全熱部両方を使用し、外気が高湿の場合や窓が曇る等除湿が必要な場合は、前記顕熱部のみを使用し、前記車外熱交換器に前記熱回収器を通過した内気を送風するものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、車外熱交換器に熱回収器を通過した内気を送風する構成にしたことにより、車外へ排出する内気から熱回収し、冷房時には車外熱交換器の一部に外気より温度の低い内気を送風できるので、冷媒の凝縮温度を低くでき、第１車内熱交換器での冷媒の蒸発温度も低くでき、車外熱交換器に外気のみを送風するより、空調吹出口からより温度の低い冷風を吹出すことができるという効果を得ることができる。

また暖房時には車外熱交換器の一部に外気より温度の高い内気を送風できるので、冷媒の蒸発温度を高くでき、第２車内熱交換器での冷媒の凝縮温度も高くでき、車外熱交換器に外気のみを送風するより、空調吹出口からより温度の高い温風を吹出すことができるという効果を得ることができる。

さらに、内気排出路を流れる内気と前記外気導入口から導入される外気とを熱交換させて熱回収する熱回収器とを備えた構成にしたことにより、空調された車内空気から熱回収を行い、導入する外気を車内環境に近づけることができるので、車内の空調負荷を低減し、省エネ効果のある車両用空調装置を提供するという効果を得ることができる。
さらにまた、前記熱回収器は、顕熱のみを熱交換する顕熱部と、全熱を熱交換する全熱部により構成され、冷房運転時には、外気が高湿の場合は、前記熱回収器の前記全熱部のみを使用し、外気が低湿の場合は、前記顕熱部と前記全熱部両方を使用し、暖房運転時には、外気が低湿の場合は、前記熱回収器の前記顕熱部と前記全熱部両方を使用し、外気が高湿の場合や窓が曇る等除湿が必要な場合は、前記顕熱部のみを使用する構成にしたことにより、冷房運転時は外気の湿度を車内に入れない方が冷房負荷を低減でき、暖房運転時は、外気が低湿の場合、顕熱部と全熱部両方を使用するのが好ましく、外気が高湿の場合や窓が曇る等除湿が必要な場合、顕熱部のみを使用するのが好ましい。外気より温度の高い内気をそのまま排出せず、熱回収器で外気と熱交換させてから排出するようにしたので、第２車内熱交換器での冷媒による加熱負荷が減り圧縮機の消費電力を低減できる。
さらに、顕熱部と全熱部の両方に流す場合と、どちらか一方のみ流す場合では、圧損の違いから風量も変わるため、風量を確保したい場合は、顕熱部と全熱部の両方に流すのが好ましい。

本発明の実施の形態１の車両用空調装置の概略構成図 本発明の実施の形態２の熱回収器を示すイメージ図 従来の車両用空調装置のヒートポンプシステムの概略構成図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１に示すように、車両用空調装置は、外気、内気の送風路とヒートポンプシステムで構成されている。

外気、内気の送風路には、外気を導入する外気導入口１から車内に空調風を吹き出す空調吹出口２にかけての給気送風路３と、内気導入口４から内気排出口７に向かい内気を車外へ排出する内気排出路８と、給気送風路３に外気導入口１から空調吹出口２に向かう空気流を発生させる外気送風手段９ａと、内気排出路８に内気導入口４から内気排出路８に向かう空気流を発生させる内気送風手段９ｂと、給気送風路３を流れる空気を冷却または加熱する第１車内熱交換器１０および第２車内熱交換器１１が設けられている。

また、内気導入口４には車内の空気温度を検知する内気温検知手段としての温度センサ５、車外の空気温度を検知する外気温検知手段としての温度センサ６が設けられている。

熱源として、冷房運転時凝縮器、暖房運転時蒸発器として外気と熱交換する車外熱交換器１２が、給気送風路３とは別の送風路に設けられ、第１車内熱交換器１０、第２車内熱交換器１１および車外熱交換器１２と圧縮機１３の間で冷媒を循環させるヒートポンプを備えている。

ここでヒートポンプの構成を説明する。

圧縮機１３の高圧冷媒吐出側に四方弁１４、四方弁１４と車外熱交換器１２の間に逆止弁１５、車外熱交換器１２と第１車内熱交換器１０の間に絞り弁１６（図に示すように膨張弁１６ａと電磁弁１６ｂを内蔵）、第２車内熱交換器１１と車外熱交換器１２の間に逆止弁１７と絞り弁１８（図に示すように膨張弁１８ａと電磁弁１８ｂを内蔵）を設け、ヒートポンプを構成している。ここで本実施の形態では、前述の外気温検知手段としての温度センサ６を、車外熱交換器１２の吸込み側に設けている。

そして、内気排出路８を流れる内気から吸熱し、外気導入口１から導入される外気へ放熱する熱回収器１９を備えている。この熱回収器１９は顕熱と潜熱の両方を熱交換する全熱交換器である。

そして本願の特徴は車外熱交換器１２に熱回収器１９を通過した内気を送風するものであり、本実施の形態では、車外熱交換器１２の一部を内気排出口７と熱回収器１９の間の内気排出路８に設けている。

上記構成において、表１に記載の各運転モードについて説明する。

まず冷房運転時の冷媒の流れは、圧縮機１３→四方弁１４→逆止弁１５→車外熱交換器１２→絞り弁１６→第１車内熱交換器１０→圧縮機１３で、第２車内熱交換器１１には冷媒は流さない。

このような冷媒の流れの中、外気は外気送風手段９ａの運転により外気導入口１から導入され、熱回収器１９で外気より温度の低い内気に冷やされ、給気送風路３を通り、蒸発器として作用する第１車内熱交換器１０通過時に冷媒の気化熱で冷却され、冷媒の流れていない第２車内熱交換器１１を通り、空調吹出口２からフロントガラスや運転者に冷風を吹き出す。吹出された冷風は、内気となり車内を循環し、内気送風手段９ｂの運転により内気導入口４から内気排出路８中の熱回収器１９で外気に暖められた後、車外熱交換器１２で冷媒の凝縮熱によりさらに暖められ、内気排出口７から車外へ排出される。

このように外気より温度の低い内気をそのまま排出せず、熱回収器１９で外気と熱交換させ、さらに車外熱交換器１２を通過してから排出するようにしたので、第１車内熱交換器１０での冷媒による冷却負荷が減り圧縮機１３の消費電力を低減できる。

しかも、外気温度が高く冷凍サイクル内の冷媒の蒸発温度も高くなってしまうような場合にも、凝縮器として作用する車外熱交換器１２に外気より温度の低い内気を送風して冷媒の液化を促進できるので、第１車内熱交換器１０での冷媒の蒸発温度も低くでき、冷房能力の低下を抑制できる。

次に暖房運転時の冷媒の流れは、圧縮機１３→四方弁１４→第２車内熱交換器１１→絞り弁１８→車外熱交換器１２→電磁弁１６ｂ→圧縮機１３で、第１車内熱交換器１０には冷媒は流さない。

このような冷媒の流れの中、外気は外気送風手段９ａの運転により外気導入口１から導入され、熱回収器１９で外気より温度の高い内気に暖められ、給気送風路３を通り、冷媒の流れていない第１車内熱交換器１０を通り、凝縮器として作用する第２車内熱交換器１１通過時に冷媒の凝縮熱で加熱され、空調吹出口２からフロントガラスや運転者に温風を吹き出す。吹出された温風は、内気となり車内を循環し、内気送風手段９ｂの運転により内気導入口４から内気排出路８中の熱回収器１９で外気に冷やされ、内気排出口７から車外へ排出される。

このように外気より温度の高い内気をそのまま排出せず、熱回収器１９で外気と熱交換させ、さらに車外熱交換器１２を通過してから排出するようにしたので、第２車内熱交換器１１での冷媒による加熱負荷が減り圧縮機１３の消費電力を低減できる。

しかも、外気温度が低く冷凍サイクル内の冷媒の凝縮温度も低くなってしまうような場合にも、蒸発器として作用する車外熱交換器１２に外気より温度の高い内気を送風して冷媒の蒸発を促進できるので、第１車内熱交換器１０での冷媒の凝縮温度も高くでき、暖房能力の低下を抑制できる。

また暖房時窓が曇る等除湿が必要な場合（表１では第一除湿暖房）、例えば結露検知手段として温度センサ６で検知した外気の温度が温度センサ５で検知した車内室温（または車内の空調の設定温度）の露点温度より低い場合、車外熱交換器１２の後、第１車内熱交換器１０にも冷媒を流し蒸発器として作用させ、第１車内熱交換器１０通過時に外気を冷却除湿することにより、低湿な温風を空調吹出口２からフロントガラスや運転者に吹き出すことができる。

ここで車内の露点温度は、車内の湿度により変化するが、暖房時の一般的な相対湿度５０〜６０％と設定することにより、車内の露点温度は算出でき、外気温との比較により、窓の曇りの有無を判断できる。また、車内の湿度を検知する湿度検知手段として湿度センサ（図示なし）を内気温検知手段としての温度センサ５の近傍に設けて検知した湿度も用いて車内の露点温度を算出することにより、窓の曇りの有無をより正確に判断できる。

このとき、窓の曇りを早く解消したい場合、車外熱交換器１２より第１車内熱交換器１０での冷媒の蒸発量を多くすればよい。すなわち、車外熱交換器１２用の送風機２０を停止または送風量を減少させることにより、第１車内熱交換器１０での冷媒の蒸発量を多くでき、除湿能力を増加させることができる。

さらに上記の除湿をしても窓が曇る場合（表１では第二除湿暖房）、外気導入口１をダンパ２１で閉じ、外気導入口１ａのダンパ２１ａを開き、熱回収器１９を通らない外気導入口１ａから外気を導入することにより、熱回収器１９での内気からの湿度回収を行わないため、より低湿な温風を空調吹出口２からフロントガラスや運転者に吹き出すことができる。

また、外気が高湿、すなわち、外気の絶対湿度が内気の絶対湿度より高い場合には、内気導入口４のダンパ２２、外気導入口１のダンパ２１、外気導入口１ａのダンパ２１ａを閉じ、通常閉じている内気導入口４ａのダンパ２２ａを開けることによる内気循環を断続的に行うことによっても、第１車内熱交換器１０での除湿負荷を減らすことができ、無駄な電力を消費せず窓、特にフロントガラスの曇りを抑制できる。

以上のように、車外熱交換器１２に熱回収器１９を通過した内気を送風する構成にしたことにより、車外へ排出する内気から熱回収し、冷房時には車外熱交換器１２の一部に外気より温度の低い内気を送風できるので、冷媒の凝縮温度を低くでき、第１車内熱交換器１０での冷媒の蒸発温度も低くでき、車外熱交換器１２に外気のみを送風するより、空調吹出口２からより温度の低い冷風を吹出すことができるという効果を得ることができる。

また暖房時には車外熱交換器１２の一部に外気より温度の高い内気を送風できるので、冷媒の蒸発温度を高くでき、第２車内熱交換器１１での冷媒の凝縮温度も高くでき、車外熱交換器１２に外気のみを送風するより、空調吹出口２からより温度の高い温風を吹出すことができるという効果を得ることができる。

すなわち、冷房時の凝縮器として作用する車外熱交換器１２の冷媒の凝縮温度を低くでき、蒸発器として作用する第１車内熱交換器１０での冷媒の蒸発温度の上昇を防ぐことにより適正な冷凍サイクルが維持できるので、圧縮機１３の消費電力を低減することができる。

さらに、内気排出路８を流れる内気と外気導入口１から導入される外気とを熱交換させて熱回収する熱回収器１９とを備えた構成にしたことにより、空調された車内空気から熱回収を行い、導入する外気を車内環境に近づけることができるので、車内の空調負荷を低減し、省エネ効果のある車両用空調装置を提供するという効果を得ることができる。

なお、本実施の形態では、車外熱交換器１２の一部を内気排出口７と熱回収器１９の間の内気排出路８に設けたが、内気排出路８内ではなく内気排出口７の外側に設けてもよく、同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
次に図２に、実施の形態１で説明した熱回収器１９の別の形態を示す。

図２に示すように、熱回収器２９は顕熱のみを回収（熱交換）する顕熱部２９ａと全熱を回収（熱交換）する全熱部２９ｂにより構成され、表１で示した各運転モードにより、顕熱部２９ａ、全熱部２９ｂを使い分けることができる。

上記構成において、表１で示した各運転モードにおける熱回収器２９の使い分けを説明する。

冷房運転時は外気の湿度を車内に入れない方が冷房負荷を低減できるので、全熱部２９ｂのみを使用するのが好ましく、外気が低湿の場合、顕熱部２９ａと全熱部２９ｂ両方を使用してもよい。

暖房運転時は、外気が低湿の場合、顕熱部２９ａと全熱部２９ｂ両方を使用するのが好ましく、外気が高湿の場合や窓が曇る等除湿が必要な場合（表１では第一除湿暖房）、顕熱部２９ａのみを使用するのが好ましい。すなわち、表１での第二除湿暖房時にも、熱回収器２９を使用することができ、外気より温度の高い内気をそのまま排出せず、熱回収器１９で外気と熱交換させてから排出するようにしたので、第２車内熱交換器１１での冷媒による加熱負荷が減り圧縮機１３の消費電力を低減できる。

なお、本実施の形態では、図２のように顕熱部２９ａと全熱部２９ｂをイメージで表したが、顕熱部２９ａと全熱部２９ｂを使い分けるには風路を切替えるダンパが必要となる。

また、顕熱部２９ａと全熱部２９ｂ両方に流す場合と、どちらか一方のみ流す場合では、圧損の違いから風量も変わるため、風量を確保したい場合は、顕熱部２９ａと全熱部２９ｂ両方に流すのが好ましい。

本発明にかかる車両用空調装置は、空調された車内空気から熱回収を行い、導入する外気を車内環境に近づけることができるので、車内の空調負荷の低減を可能とするものであるので、暖房の熱源の得られにくい電気自動車やハイブリッド車等に使用される車室内を暖房可能な車両用空調装置として有用である。

１、１ａ 外気導入口
２ 空調吹出口
３ 給気送風路
４、４ａ 内気導入口
５、６ 温度センサ
７ 内気排出口
８ 内気排出路
９ａ 外気送風手段
９ｂ 内気送風手段
１０ 第１車内熱交換器
１１ 第２車内熱交換器
１２ 車外熱交換器
１３ 圧縮機
１４ 四方弁
１５、１７ 逆止弁
１６、１８ 絞り弁
１６ａ、１８ａ 膨張弁
１６ｂ、１８ｂ 電磁弁
１９、２９ 熱回収器
２０ 送風機
２１、２１ａ、２２、２２ａ ダンパ
２９ａ 顕熱部
２９ｂ 全熱部

Claims (6)

1. 外気を導入する外気導入口から車内に空調風を吹き出す空調吹出口にかけての給気送風路と、
   内気を導入する内気導入口から内気を車外へ排出する内気排出口にかけての内気排出路と、
   前記給気送風路に前記外気導入口から前記空調吹出口に向かう空気流を発生させる外気送風手段と、
   前記内気排出路に前記内気導入口から前記内気排出口に向かう空気流を発生させる内気送風手段と、
   前記給気送風路を流れる空気を冷却または加熱する第１車内熱交換器および第２車内熱交換器と、
   冷房運転時凝縮器、暖房運転時蒸発器として外気と熱交換する車外熱交換器と、
   前記第１車内熱交換器、前記第２車内熱交換器および前記車外熱交換器と圧縮機の間で冷媒を循環させるヒートポンプと、
   前記内気排出路を流れる内気と前記外気導入口から導入される外気とを熱交換させて熱回収する熱回収器とを備え、
   前記熱回収器は、顕熱のみを熱交換する顕熱部と、全熱を熱交換する全熱部により構成され、冷房運転時には、外気が高湿の場合は、前記熱回収器の前記全熱部のみを使用し、外気が低湿の場合は、前記顕熱部と前記全熱部両方を使用し、暖房運転時には、外気が低湿の場合は、前記熱回収器の前記顕熱部と前記全熱部両方を使用し、外気が高湿の場合や窓が曇る等除湿が必要な場合は、前記顕熱部のみを使用し、前記車外熱交換器に前記熱回収器を通過した内気を送風することを特徴とする車両用空調装置。
2. 車外熱交換器の一部を内気排出口と熱回収器の間の内気排出路に設けることを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置。
3. 車内の空気温度を検知する内気温検知手段と、車外の空気温度を検知する外気温検知手段を備え、
   前記内気温検知手段で検知した温度と前記外気温検知手段で検知した温度を用いて、暖房運転時の除湿を制御することを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の車両用空調装置。
4. 車内の湿度を検知する湿度検知手段を設けた請求項３に記載の車両用空調装置。
5. 熱回収器を通らない外気導入口を設けたことを特徴とする請求項３または４に記載の車両用空調装置。
6. 内気導入口に切替ダンパを設け、内気循環と外気導入を切替えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかにに記載の車両用空調装置。

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