JP2006347486A - 廃熱を利用した自動車用暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車の廃熱を利用し、かつ対流式による暖房の弊害を排除する。
【解決手段】自動車１のエンジン１ａには、熱電発電素子１１が取り付けられている。熱電発電素子１１は、エンジン１ａからの熱により起電力を発生する。熱電発電素子１１には、配線１２を介して電熱ヒータ１３が接続されており、電熱ヒータ１３は、熱電発電素子１１で生じた電力により発熱し、室内を暖房する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車から生じる廃熱を利用して自動車の室内の暖房を行う暖房装置に関する。

従来、自動車においては、内燃機関の冷却水の一部を熱交換器に供給し、熱交換器によって熱交換された熱をブロワによって室内に吹き出すことで、室内の暖房を行っている。温風の吹き出しによる暖房では暖かい空気が上方に滞留しがちである。特に自動車の車内の暖房においては、頭部が暖められると眠気を催すなど運転の妨げとなる場合もある。そこで、頭寒足熱の観点から温度分布を良好に維持するための様々な提案がなされている。例えば、特許文献１には、暖房時には外気を前部から吹き出させて天井および後部吸い込み口から吸引するとともに、内気を吸い込んで加熱して足元から温風として吹き出させるなど、空調モードに応じて空気流の制御を行うことが開示されている。

一方、近年では電気自動車も一部で実用化されている。電気自動車では、動力源となるバッテリーが充放電によって発熱するため、内燃機関の代わりにバッテリーを熱源に利用して暖房を行うことが知られている。例えば、特許文献２には、室内の空気を吸入口から吸入してダクトを介してバッテリー収容部内を通過させ、それによって加熱した空気を再び室内へ吹き出すことによって室内を暖房することが開示されている。
特開平６−１１５３４５号公報 特開平５−１７８０７０号公報

しかしながら、上述した従来の自動車用暖房装置では、結果的には温風を吹き出すことにより生じる対流を利用した暖房であるので、例えば特許文献１のように車外から導入した外気を付加したとしても、思ったほど頭寒足熱の効果は得られにくい。また、対流を利用した暖房は、室内の埃や塵を巻き上げることによって室内の清潔感を損なうといった弊害や、ブロワの動作音によって静粛性を損なうといった弊害がある。

そこで本発明は、自動車の廃熱を利用し、かつ対流式による暖房の弊害を排除した、自動車用の暖房装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の暖房装置は、自動車の車室内を暖房する暖房装置であって、自動車の発熱部に接触して取り付けられた、発熱部からの廃熱からエネルギーを回収するエネルギー回収手段と、エネルギー回収手段に接続された、エネルギー回収手段で回収されたエネルギーを用いて輻射熱により車室内の暖房を行う暖房用放熱手段とを有する。

本発明の暖房装置では、自動車の発熱部の廃熱からのエネルギーを回収するエネルギー回収手段を有し、回収したエネルギーを用いて暖房用放熱手段による暖房を行うので、温風によらない、輻射熱による暖房が可能となる。

エネルギー回収手段としては、熱電発電素子やヒートパイプを利用することができる。エネルギー回収手段として熱電発電素子を用いた場合、暖房用放熱手段としては、電熱ヒータを用いることができる。エネルギー回収手段としてヒートパイプを用いた場合、暖房用放熱手段としては、これとは別のヒートパイプを用いることができる。また、暖房用放熱手段をフロアヒータとして構成することにより、頭寒足熱の暖房が容易に実現される。

本発明によれば、自動車の発熱部からの熱を利用した、輻射熱による暖房を極めて簡単な構成で達成することができる。輻射熱による暖房を達成できることにより、車室内での埃や塵の巻き上げを防止し、かつ静粛性の高い暖房を行うことができる。しかも、暖房用放熱手段は任意の位置に設置できるので、設計の自由度が向上するとともに、より効果的にかつ快適な暖房を行うことができる。特に、暖房用放熱手段をフロアヒータとして構成することにより、自動車の運転にも支障のない頭寒足熱の暖房を容易に実現することができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態による暖房装置を設置した自動車の模式図である。

図１に示すように、自動車１のエンジン１ａには、熱電発電素子１１が取り付けられている。熱電発電素子１１には、自動車１の車室内に設置された電熱ヒータ１３が、配線１２を介して電気的に接続されている。電熱ヒータ１３は、電圧の印加によって発熱する発熱抵抗体を備えている。

熱電発電素子１１は、互いに異なる２種類の金属またはｐ型半導体とｎ型半導体の相異なる熱電発電材料を熱的に並列に接合し、接合部間に温度差を与えると、ゼーベック効果によって起電力を発生する素子である。熱電発電素子１１としては、例えば図２に示す構成のものを用いることができる。図２において、熱電発電素子１１は、ｐ型半導体１１１とｎ型半導体１１２とを絶縁空間を介して並列に配置し、高温側接合部では各半導体の一端同士を高温側電極１１３で接合し、低温側接合部ではｐ型半導体１１１およびｎ型半導体１１２の他端に低温側電極１１４，１１５を個別に接合した構成を有している。

熱電発電素子１１は、その高温側接合部である高温側電極１１３がエンジン１ａに密着して取り付けられており、高温側電極１１３にはエンジン１ａからの熱が与えられる。これによって、熱電発電素子１１には、高温側接合部と低温側接合部との間に温度差が生じる。この温度差に起因して低温側電極１１４，１１５間には起電力が発生するので、低温側電極１１４，１１５間に負荷として電熱ヒータ１３を接続することによって配線１２に電流が流れ、電熱ヒータ１３を駆動することができる。

電熱ヒータ１３は、例えば、フロアヒータパネルとして構成される。電熱ヒータ１３としては、面状発熱体を有するものを好ましく用いることができる。また、面状発熱体の表面を均熱材で覆うことが、ムラのない加熱という観点から好ましい。

面状発熱体は、特に限定されるものではないが、耐久性の観点から、炭素繊維を発熱抵抗体とするものを好ましく用いることができる。また、炭素繊維を発熱抵抗体とする面状発熱体を用いることで、遠赤外線放射による室内の暖房効果も期待できる。面状発熱体の厚さは、好ましくは２ｍｍ以下、より好ましくは０．８ｍｍ以下である。このような面状発熱体としては、例えば、特開平８−２０７１９１号公報に開示されたような、非導電性繊維および導電性繊維の交点を接合してなる網目構造体の両端で導電性繊維と電極とを接続した後、樹脂に包埋あるいは繊維強化プリプレグシートを積層した繊維強化樹脂成形体が挙げられる。

以上説明したように、本実施形態では、エンジン１ａの廃熱からエネルギーを回収するエネルギー回収手段として熱電発電素子１１を用い、この熱電発電素子１１によって得られた電力で電熱ヒータ１３を駆動し、電熱ヒータ１３による輻射熱で車室内の暖房を行う。これにより、エンジン１ａからの廃熱を、極めて簡単な構成で暖房に利用し、エネルギーの有効利用を図ることができる。しかも、電熱ヒータ１３による暖房は輻射熱を利用した暖房であり、温風による暖房のように、埃や塵を舞い上げないので車室内の清潔感が損なわれることはないし、ブロワも不要であるのでブロワの駆動音もなく車室内の静粛性が高いものとなる。さらに、フロアからの輻射熱による暖房であるので、頭寒足熱の暖房が容易に実現され、快適な暖房が達成される。

本実施形態では１つの熱電発電素子１１を用いた場合を例に挙げたが、接続される電熱ヒータ１３の駆動電圧や消費電力に応じて、複数の熱電発電素子１１を直列、並列、または直列と並列を組み合わせて接続することができる。また、熱電発電素子１１はエンジン１ａに取り付けられており、エンジン１ａが動作している間は暖房装置が常に機能することになる。従って、電熱ヒータ１３の温度に応じて電熱ヒータ１３への通電を制御する制御手段を設け、電熱ヒータ１３の温度を制御することによって、電熱ヒータ１３が過熱しないようにすることが好ましい。このような制御手段としては、電熱ヒータ１３に温度センサ（不図示）を取り付けておき、電熱ヒータ１３の温度に応じて電熱ヒータ１３への通電を制御する制御部を設けた構成が挙げられる。また温度センサの代わりにサーモスタット（不図示）を取り付け、このサーモスタットによって電熱ヒータ１３への通電を制御することもできる。さらに、夏場など暖房を使用する必要のないときには電熱ヒータ１３への通電および非通電を切り替えるスイッチを、熱電発電素子１１から電熱ヒータ１３までの電気回路中に設けることが好ましい。この場合、スイッチは、運転者が操作できる位置に配置する。

図３に、本発明の他の実施形態による暖房装置を設置した自動車の模式図を示す。

図３に示すように、本実施形態では、エネルギー回収手段および暖房用放熱手段としてそれぞれ伝熱用ヒートパイプ２１および暖房用ヒートパイプ２２を用いている。

伝熱用ヒートパイプ２１および暖房用ヒートパイプ２２は、ともに同じ構造を有している。これらを総称して単にヒートパイプと呼び、以下にヒートパイプの構造について説明する。

ヒートパイプは、図４に示すように、両端が密閉されたパイプ本体２５と、パイプ本体２５の内部に真空封入された作動液（不図示）とを有する。パイプ本体２５の内周壁には、ウィック２６と呼ばれる毛管構造が、パイプ本体２５の軸方向にわたって形成されている。パイプ本体２５は、銅やその合金といった熱伝導性の良好な金属からなる。ウィック２６は、パイプ本体２５の内周壁面に複数条の溝を形成したり、多数の線材やメッシュを貼り付けたりすることによって構成することができる。作動液としては水やアルコール、アンモニアなど凝縮性の流体が用いられ、この伝熱用ヒートパイプ２１に与えられる熱によって完全に気化する量だけ封入されている。伝熱用ヒートパイプ２１は、一端側が蒸発部２７、他端側が凝縮部２８として作用する。

蒸発部２７が加熱されると、蒸発部２７で作動液が蒸発する。蒸発によって生じた蒸気は凝縮部２８に移動し、凝縮部２８で放熱することによって凝縮する。作動液の凝縮によって、作動液の潜熱として、蒸発部２７から凝縮部２８へ熱が輸送される。凝縮した作動液は、ウィック２６を通じて蒸発部２７に戻る。戻った作動液は蒸発部２７で再び蒸発し、上述した一連の動作を繰り返す。

以上がヒートパイプの構成であるが、伝熱用ヒートパイプ２１は、その蒸発部２７をエンジン１ａに接触させて取り付けられている。伝熱用ヒートパイプ２１の凝縮部２８には、複数の暖房用ヒートパイプ２２が接触して取り付けられている。各暖房用ヒートパイプ２２は、その蒸発部２７を伝熱用ヒートパイプ２１に接触させて、互いに並列に配置されており、暖房パネル２３の発熱部を構成する。暖房パネル２３は、フロアヒータとして構成されており、必要に応じて上面に均熱材（不図示）を設けたり、下面に断熱材（不図示）を設けたりすることができる。

上述した本実施形態の暖房装置によれば、エンジン１ａの熱は、伝熱用ヒートパイプ２１によって各暖房用ヒートパイプ２２に輸送され、各暖房用ヒートパイプ２２が加熱されることで暖房パネル２３による暖房が行われる。このように、ヒートパイプの熱輸送機能を利用して暖房を行うことで、廃熱であるエンジン１ａの熱を、極めて簡単な構成で暖房に利用し、エネルギーの有効利用を図ることができる。しかも、暖房用ヒートパイプ２２による暖房は輻射熱を利用した暖房であり、前述した実施形態と同様、車室内の清潔感を損なうことなく、かつ静粛性も高く、しかも頭寒足熱を実現した快適な暖房が達成される。なお、伝熱用ヒートパイプ２１による伝熱経路中の、蒸発部２７と凝縮部２８との間での放熱による、熱の輸送効率の低下を抑制するために、伝熱用ヒートパイプ２１の蒸発部２７と凝縮部２８との間で、伝熱用ヒートパイプ２１の外周を断熱材で覆うことが好ましい。

本実施形態では、暖房パネル２３として複数の暖房用ヒートパイプ２２を有するものを例に挙げて説明したが、暖房パネル２３の構成はこれに限られるものではない。例えば、板状のヒートパイプを用いることもできるし、さらには、伝熱用ヒートパイプ２１によって輸送された熱を利用して暖房することができるものであれば、適宜暖房手段を用いることができる。

さらに、本実施形態では、伝熱用ヒートパイプ２１がエンジン１ａに取り付けられており、エンジン１ａが動作している間は常に暖房装置が機能する。従って、本実施形態においても前述した実施形態と同様に、暖房パネル２３の温度に応じて暖房装置の作動を制御する制御手段を設けたり、夏場など暖房を使用しないときには暖房装置の作動を停止できるようにすることが好ましい。

暖房装置の作動を制御する最も簡易な手段は、エンジン１ａと伝熱用ヒートパイプ２１とを離間させ、エンジン１ａの熱を伝熱用ヒートパイプ２１に伝わりにくくすることである。伝熱用ヒートパイプ２１がエンジン１ａに接触したり離間したりすることで、暖房装置の作動と停止が切り替えられる。

そのためには、例えば、伝熱用ヒートパイプ２１を、その蒸発部２７がエンジン１ａに接触する位置とエンジン１ａから離間する位置との間で移動自在に設けるとともに、その移動範囲で伝熱用ヒートパイプ２１を移動させる移動機構を設ければよい。または、伝熱用ヒートパイプ２１を予めエンジン１ａから離間させて設置しておき、エンジン１ａと伝熱用ヒートパイプ２１との間に密着して挟まれるのに十分な厚さを有する、伝熱用ヒートパイプ２１のパイプ本体２５と同様の熱伝導性の良好な金属からなるスペーサを、エンジン１ａと伝熱用ヒートパイプ２１との間の空間に進入および離脱自在に設けるとともに、スペーサを移動させる移動機構を設けた構成としてもよい。後者の場合は、スペーサがエンジン１ａと伝熱用ヒートパイプ２１との間に進入している状態では、エンジン１ａと伝熱用ヒートパイプ２１とはスペーサを介して接触しており、エンジン１ａの熱はスペーサを介して伝熱用ヒートパイプ２１へ伝えられる。上記の２つの例の何れの場合においても、伝熱用ヒートパイプ２１がエンジン１ａから離間している状態において、エンジン１ａからの輻射熱を遮断するために、エンジン１ａと伝熱用ヒートパイプ２１との間に断熱材を介在させるようにしてもよい。

なお、上述した暖房装置の作動の切り替えのための各手段は、エネルギー回収手段として熱電発電素子を用いた場合にも同様に適用することができる。

以上、本発明について幾つかの例を挙げて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で適宜変更することができる。

例えば、本実施形態では、暖房用放熱手段をフロアヒータとして構成した例を示したが、その他にも、シートに内蔵したヒータとしたり、ドアに内蔵したヒータとしたり、あるいはそれらを組み合わせたり、種々の形態のヒータとすることができる。本発明によれば、暖房用放熱手段は、その目的や機能等に応じて任意の位置に設置することができるので、設計の自由度が向上するとともに、より効果的でかつ快適な暖房が達成される。これに対して従来の温風吹き出しによる暖房では、温風用の配管や吹き出し口のレイアウトが制限される。

また、本実施形態ではエネルギー回収手段をエンジン１ａに取り付けた例を示したが、エネルギー回収手段が取り付けられる部位は、それ自体が発熱を伴うものなど周囲温度よりも高温になる部位であれば、如何なる部位でもよい。そのような部位としては、エンジン１ａの他に、例えば、ラジエータやマフラーなどが挙げられる。

さらに、本実施形態では、自動車１として内燃機関であるエンジン１ａを有するものに適用した例を示したが、本発明は、電動モータを動力源とする電気自動車や、内燃機関であるエンジンと電動モータとを組み合わせたハイブリッド自動車にも適用することができる。電気自動車は、電動モータへ電力を供給する手段として、二次電池、燃料電池、あるいはこれらの両方を備えている。二次電池は充放電中に発熱を伴い、燃料電池は発電中に発熱を伴う。従って、電気自動車においては、二次電池や燃料電池にエネルギー回収手段を取り付けることで、前述した実施形態と同様に車室内の暖房を行うことができる。また、ハイブリッド自動車においては、エネルギー回収手段は、エンジンに取り付けてもよいし、電動モータに電力を供給する電池に取り付けてもよいし、両方に取り付けてもよい。

本発明の一実施形態による暖房装置を設置した自動車の模式図である。 図１に示す熱電発電素子の模式的構成図である。 本発明の他の実施形態による暖房装置を設置した自動車の模式図である。 図３に示すヒートパイプの軸方向に沿って切断した断面図である。

符号の説明

１ 自動車
１ａ エンジン
１１ 熱電発電素子
１２ 配線
１３ 電熱ヒータ
２１ 伝熱用ヒートパイプ
２２ 暖房用ヒートパイプ
２３ 暖房パネル
２５ パイプ本体
２６ ウィック
２７ 蒸発部
２８ 凝縮部
１１１ ｐ型半導体
１１２ ｎ型半導体
１１３ 高温側電極
１１４，１１５ 低温側電極

Claims (7)

1. 自動車の車室内を暖房する暖房装置であって、
   前記自動車の発熱部に接触して取り付けられた、前記発熱部からの廃熱からエネルギーを回収するエネルギー回収手段と、
   前記エネルギー回収手段に接続された、前記エネルギー回収手段で回収されたエネルギーを用いて輻射熱により前記車室内の暖房を行う暖房用放熱手段とを有する暖房装置。
2. 前記エネルギー回収手段は少なくとも１つの熱電発電素子を有し、前記暖房用放熱手段は、前記熱電発電素子と電気的に接続された電熱ヒータを有する、請求項１に記載の暖房装置。
3. 前記エネルギー回収手段および前記暖房用放熱手段はそれぞれヒートパイプを有する、請求項１に記載の暖房装置。
4. 前記電熱ヒータの通電および非通電を切り替えるスイッチをさらに有する、請求項２に記載の暖房装置。
5. 前記エネルギー回収手段は、前記発熱部に接触および離間可能に設けられている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の暖房装置。
6. 前記暖房用放熱手段はフロアヒータである、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の暖房装置。
7. 前記暖房用放熱手段の温度に応じて前記暖房用放熱手段の作動を制御する制御手段をさらに有する、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の暖房装置。

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