JP2007240046A

JP2007240046A - 空調装置

Info

Publication number: JP2007240046A
Application number: JP2006061291A
Authority: JP
Inventors: Yuji Ito; 裕司伊藤; Shinji Aoki; 青木　　新治; Hirohiko Sawai; 拓彦澤井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2007-09-20
Also published as: US20070209369A1; DE102007010543A1; US7832214B2; CN100520200C; CN101033878A

Abstract

【課題】車両用シート空調装置において効率を向上させる。
【解決手段】目標冷房能力＜Ｒのときには、送風機１１の送風量が最大風量よりも少なくなるものの、ペルチェ素子１２を停止させており、目標冷房能力＞Ｒのときには、送風機１１の送風量を最大風量にしたまま、ペルチェ素子１２に与える制御パルス信号の波高値を一定にした状態で、デューティ比を変えることにより、ペルチェ素子１２の冷房能力を調整している。このため、目標冷房能力＞Ｒのときには、ペルチェ素子１２のＣＯＰは、一定値に維持される。以上により、送風機１１の送風量が少ないときでもペルチェ素子１２を動作させる場合に比べると、車両用シート空調装置においてシステム全体の効率を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換素子を用いた空調装置に関する。

従来から、熱電変換素子としてのペルチェ素子を用いた各種の空調装置がある（例えば、特許文献１、２、３参照）。
特開平６−１４７５２４号公報特開平６−１４６３７１号公報特開平９−５０５４９７号公報

上述のペルチェ素子を用いた空調装置の課題として、ペルチェ素子の効率の悪さがあげられる。一般的に、冷媒の圧縮膨張により冷却を行う冷凍サイクル装置に於けるＣＯＰ（ＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）は３〜４であるのに対して、ペルチェ素子を使った空調装置のＣＯＰは、０．２〜１程度であり、ペルチェ素子を使った空調装置の冷房運転の効率は、冷凍サイクル装置の効率に比べると、格段に低い。

本発明は、上記点に鑑み、熱電変換素子を用いた空調装置において、冷房運転の効率を向上することを可能にすることを目的とする。

本発明では、図４のグラフｇに示すように、ペルチェ素子を通過する送風量（輸送量）が多くなるほど、ペルチェ素子のＣＯＰが上昇することに着目して成されたものである。

具体的には、本発明では、設定手段によって設定された目標冷房能力が所定値（Ｒ）未満であるときには、熱電変換素子による吸熱を停止した状態で、目標冷房能力の上昇に基づいてポンプによる熱媒体の輸送量を高輸送量領域まで増加させる第１の冷房制御手段（Ｓ１１０、Ｓ１２０）と、
目標冷房能力が所定値以上であるときには、ポンプによる熱媒体の輸送量を高輸送量領域に維持した状態で、目標冷房能力の上昇に基づいて熱電変換素子による吸熱量を増加させる第２の冷房制御手段（Ｓ１３０、Ｓ１４０）と、を備えることを特徴とする。

ここで、熱媒体の輸送量が高輸送量領域よりも少ないである場合には、熱媒体の輸送量が高輸送量領域以上である場合に比べて、熱電変換素子のＣＯＰが低くなる。

本発明によれば、ＣＯＰが低い条件では、熱電変換素子を動作させていなく、ＣＯＰが高い条件でだけ、熱電変換素子を動作させている。したがって、熱媒体の輸送量が高輸送量領域未満である場合においても熱電変換素子を動作させる場合に比べて、冷房運転の効率を向上することが可能になる。

ここで、高輸送量領域とは、ポンプの性能で決まる物理的に輸送可能な範囲のうち、実使用域における熱媒体の最大輸送量を１００％、最小輸送量を０％とする輸送量の可変範囲のうち、輸送可能な６０％〜１００％の範囲のことである。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した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。

図１に本発明の空調装置が適用された車両用シート空調装置の一実施形態の概略構成を示す。

本実施形態の車両用シート空調装置は、空調ダクト１０を備え、空調ダクト１０には、車室内の空気を吸入するための吸入口１０ａが設けられている。吸入口１０ａには、ポンプとしての送風機１１が配置されている。送風機１１は、遠心式の羽根車をＤＣモータ１１ａによって駆動するものであり、ＤＣモータ１１ａに付与される電圧により送風量が変化する。

送風機１１の下流側には、ペルチェ素子１２が配置されており、ペルチェ素子１２は、Ｐ型半導体とｎ型半導体とを交互に積層して構成され、第１の熱交換部１２ａと第２の熱交換部１２ｂとを有する周知の熱電変換素子である。第１の熱交換部１２ａは、空調ダクト１０内に配置されて、送風機１１の送風空気から吸熱し、第２の熱交換部１２ｂは、開口部１０ｂの下流側に配置されて、空気に廃熱する。開口部１０ｂは、空調ダクト１０の内外に連通するように形成されている。

空調ダクト１０の下流側には、分岐ダクト１３、１４が接続されている。分岐ダクト１３は、シートクッション３０に接続されており、分岐ダクト１４は、シートバック２１に接続されている。シートクッション３０およびシートバック３１は、それぞれ、ウレタン樹脂に表皮を被せてなる公知のものである。ウレタン内には、分岐ダクト１３（１４）から吹き出される空気を通す通路１５が設けられ、表皮には、通路１５を流れる空気を乗員の腰部や背部に向けて吹き出す微細孔１６が設けられている。

車両用シート空調装置は、操作パネル２０、および電子制御装置（図中ＥＣＵと記す）２１を備えている。操作パネル２０は、操作者が目標冷房能力を設定するために操作される。電子制御装置２１は、マイクロコンピュータ、メモリ等から構成され、操作パネル２０によって設定される目標冷房能力に応じて、送風機１１およびペルチェ素子１２を制御する。

次に、本実施形態の動作について説明する。電子制御装置は、図２に示すフローチャートにしたがって、コンピュータプログラムを実行する。このコンピュータプログラムは、イグニッションスイッチがオンされると、一定期間毎に実行される。

まず、ステップＳ１００において、操作パネル２０により設定された目標冷房能力が所定値Ｒ未満であるか否かを判定する。目標冷房能力＜所定値Ｒであるときには、ＹＥＳと判定する。これに伴い、ステップＳ１１０において、ペルチェ素子１２を停止させる。次のステップＳ１２０において、送風機１１の送風量を目標冷房能力に応じて調整する。

ここで、図３（ｂ）において、送風量と目標冷房能力との関係を示す。送風量と目標冷房能力とは１対１で対応付けられており、目標冷房能力の上昇に伴って送風機１１による送風量が最小風量から最大風量まで上昇するようになっている。本実施形態では、送風機１１の送風量を調整するに際してＰＭＷ制御が用いられ、送風機１１のＤＣモータ１１ａに与える制御パルス信号のデューティ比を２０％（最小風量）〜８０％（最大風量）の範囲内で調整することによって、送風量が調整されている。

なお、送風量を最小風量にするときデューティ比を２０％にしているのは、ＤＣモータ１１ａの最低起動電圧を確保するためであり、送風量を最大風量にするときデューティ比を８０％にしているのは、ＤＣモータ１１ａの騒音、振動等を考慮しているからである。

その後、目標冷房能力＜所定値Ｒの状態が継続すると、ステップＳ１００、ステップＳ１１０、およびステップＳ１２０の各処理を繰り返す。このため、送風機１１から送風空気の大半は、第１の熱交換部１２ａを通過した後、分岐ダクト１３、１４のそれぞれに流入する。その後、送風空気は、通路１５内を経てシートクッション３０およびシートバック３１の各微細孔１６から乗員の腰部や背部に向けて吹き出される。

また、送風機１１からの送風空気のうち一部は、開口部１０ｂから第２の熱交換部１２ｂを通過した後に、空調ダクト１０の外側に吹き出される。

また、目標冷房能力≧Ｒの場合には、ステップＳ１００においてＮＯと判定する。これに伴い、ステップＳ１３０においてペルチェ素子１２の冷房能力を目標冷房能力に応じて調整する。ペルチェ素子１２の冷房能力と目標冷房能力とは１対１で対応付けられており、Ｒ＜目標冷房能力＜Ｑであるときには、目標冷房能力の上昇に伴ってペルチェ素子１２の冷房能力が最小能力から最大能力まで上昇させ、目標冷房能力≧Ｑであるときには、ペルチェ素子１２の冷房能力を最大能力のまま一定にする。本実施形態では、ペルチェ素子１２の冷房能力は、ペルチェ素子１２に与える制御パルス信号の波高値を一定にした状態で、デューティ比を変えることにより、調整されている。次のステップＳ１４０において、送風機１１の送風量を最大風量のまま一定にする。

その後、目標冷房能力≧Ｒの状態が継続すると、ステップＳ１００、ステップＳ１３０、およびステップＳ１４０の各処理を繰り返す。このため、送風機１１からの送風空気の大半は、ペルチェ素子１２の第１の熱交換部１２ａによって冷却され、分岐ダクト１３、１４のそれぞれに流入する。その後、送風空気は、通路１５内を経てシートクッション３０およびシートバック３１の各微細孔１６から乗員の腰部や背部に向けて吹き出される。また、送風機１１からの送風空気の一部は、開口部１０ｂから第２の熱交換部１２ｂ側に向けて吹き出され、第２の熱交換部１２ｂを冷却する。

以上説明した本実施形態によれば、目標冷房能力＜所定値Ｒのときには、ペルチェ素子１２を停止させて、送風機１１の送風量だけを調整し、目標冷房能力≧所定値Ｒのときには、送風機１１の送風量を最大風量に維持した状態で、ペルチェ素子１２の冷房能力を調整している。

ここで、送風機１１の送風量とペルチェ素子１２のＣＯＰとは、図４のグラフｇに示すように、送風機１１の送風量が増えるほど、ペルチェ素子１２のＣＯＰが大きくなる。このため、図５に示すように、送風機１１の送風量が少ないにも関わらず、ペルチェ素子１２を動作させると、ペルチェ素子１２のＣＯＰは低いものになる。図５（ａ）はペルチェ素子１２の冷房能力、図５（ｂ）は送風量、図５（ｃ）はペルチェ素子１２のＣＯＰを示している。

これに対して、本実施形態によれば、目標冷房能力＜Ｒのときには、ペルチェ素子１２を停止させて、目標冷房能力≧Ｒのときには、送風機１１の送風量を最大風量にしたまま、ペルチェ素子１２を動作させている。このとき、ペルチェ素子１２に与える制御パルス信号の波高値を一定にした状態で、デューティ比を変えることにより、ペルチェ素子１２の冷房能力を調整している。ここで、ペルチェ素子１２のＣＯＰは、制御電圧の波高値によって変化する。このため、目標冷房能力≧Ｒのときには、ペルチェ素子１２のＣＯＰは、一定値に維持される。

また、送風機１１によって最大風量を発生させるのに必要な消費電力は、ペルチェ素子１２の動作に必要な電力に比べると、非常に小さい。以上により、送風機１１の送風量が少ないときでも、ペルチェ素子１２を動作させる場合に比べると、車両用シート空調装置においてシステム全体の効率を向上させることができる。

また、本実施形態においては、目標冷房能力＜Ｒのときには、ペルチェ素子１２を停止させており、送風機１１による送風だけを行っている。このため、春、秋などの中間期には、人間の体温（３６℃近辺）よりも低い内気を送風することができるので、人体とシートとの間の蒸れ感を解消するとともに、多少の冷房感を与えることができる。

また、上述の実施形態によれば、目標冷房能力＜Ｒのときには、ペルチェ素子１２を停止させているので、開口部１０ｂから吹き出された送風空気は、第２の熱交換部１２ｂにより加熱されることなく、車室内に吹き出される。このため、車室内の空気温度の上昇を抑制することができる。

上述の実施形態においては、ペルチェ素子１２の冷房能力を調整するに際してＰＭＷ制御を用いた例について説明したが、これに限らず、ペルチェ素子１２に直流電圧の制御信号を与えて、この制御信号の直流電圧を変えることにより、ペルチェ素子１２の冷房能力を調整してもよい。この場合、制御信号の電圧値が零よりも若干大きくなると、図６（ｃ）に示すように、ＣＯＰが急激に上昇して最大値αｐになる。なお、図６（ａ）は、目標冷房能力に対する制御電圧の関係を示し、図６（ｂ）は目標冷房能力に対する冷房能力の関係を示し、図６（ｃ）は目標冷房能力に対するＣＯＰの関係を示している。

上述の第１実子形態では、第１の熱交換部１２ａにより空気を冷却させるようにした例について説明したが、これに限らず、次のようにしてもよい。ペルチェ素子１２に与える電圧の極性を切り替えて、第１の熱交換部１２ａにより空気を加熱させるための切替操作部を設け、この切替操作部への操作により、冷房および暖房を切り替えるようにしてもよい。

上述の実施形態では、目標冷房能力≧Ｒのときの送風機１１の送風量を最大風量にした例について説明したが、これに限らず、目標冷房能力≧Ｒのときの送風機１１の送風量としては、高送風量領域内の送風量ならば、最大風量以外の送風量にしてもよい。高送風量領域は、特許請求の範囲に記載の高輸送量領域に相当し、最大送風量を１００％、最小送風量を０％とする送風量の可変範囲のうち、６０％〜１００％の範囲のことである。

上述の実施形態では、熱媒体として空気を用いた例について説明したが、これに代えて、熱媒体として水を用いてもよい。この場合、ポンプとしての送風機１１に代えて流水ポンプが用いられる。

上述の実施形態では、熱電変換素子としてペルチェ素子を用いた例について説明したが、これに代えて、熱電変換素子としてペルチェ素子以外のものを用いてもよい。

上述の実施形態では、ペルチェ素子を用いた空調装置として車両用シート空調装置を用いた例について説明したが、これに限らず、トイレ用空調機などの住宅用の空調機など各種の空調機に適用してもよい。

また、上述の実施形態では、操作パネル２０により、操作者が目標冷房能力を直接設定し、その目標冷房能力に応じて、送風機１１およびペルチェ素子１２を制御したが、これに代えて、たとえば、環境状態（外気温度、車室内温度、シート表面温度、日射量等）を検出するセンサを設けた車両用シート空調装置においては、上述の操作者が操作パネル２０により設定した設定能力と環境状態とから目標冷房能力を算出し、その算出した目標冷房能力により送風機１１およびペルチェ素子１２を制御してもよい。

例えば、次の式｛目標冷房能力＝α＊設定能力−β＊シート表面温度−γ＊外気温度−δ＊日射量＋ε（ここで、α、β、γ、δ、εは定数）｝を用いて目標冷房能力を算出してもよい。また、シート表面温度に代えて車室内温度を求めてもよい。

本発明に係る車両用シート空調装置の概略構成を示す模式図である。図１の電子制御装置の制御処理を示すフローチャートである。上述の実施形態について送風量およびＣＯＰの関係を示すグラフである。上述の実施形態について冷房能力、送風量、ＣＯＰを説明するための特性図である。冷房能力、送風量、ＣＯＰを説明するための特性図である。上述の実施形態の変形例において冷房能力、送風量、およびＣＯＰの関係を示す特性図である。

符号の説明

１０…空調ダクト、１０ａ…吸入口、１０ｂ…開口部、１１…送風機、
１１ａ…ＤＣモータ、１２…ペルチェ素子、１２ａ…第１の熱交換部、
１２ｂ…第２の熱交換部、１３、１４…分岐ダクト、１６…微細孔、
３０…シートクッション、３１…シートバック、１５…通路、
２０…操作パネル、２１…電子制御装置。

Claims

熱媒体を輸送するポンプ（１１）と、
前記ポンプによって輸送された熱媒体から吸熱する熱電変換素子（１２）と、を備え、前記熱電変換素子に吸熱された熱媒体により空調を行う空調装置であって、
前記熱電変換素子の目標冷房能力を設定するための設定手段（２０）と、
前記設定手段によって設定された目標冷房能力が所定値（Ｒ）未満であるときには、前記熱電変換素子による吸熱を停止した状態で、前記目標冷房能力の上昇に基づいて前記ポンプによる前記熱媒体の輸送量を高輸送量領域まで増加させる第１の冷房制御手段（Ｓ１１０、Ｓ１２０）と、
前記設定された目標冷房能力が前記所定値以上であるときには、前記ポンプによる前記熱媒体の輸送量を前記高輸送量領域に維持した状態で、前記目標冷房能力の上昇に基づいて前記熱電変換素子による吸熱量を増加させる第２の冷房制御手段（Ｓ１３０、Ｓ１４０）と、
を備えることを特徴とする空調装置。
前記熱媒体は、空気および水のうちいずれか一方であることを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
前記ポンプは、前記熱媒体としての空気を送風する送風機であり、
前記熱電変換素子は前記送風機からの送風空気から吸熱するものであり、
前記熱電変換素子により吸熱された送風空気をシート（３０、３１）に向けて通風するダクト（１３、１４）を備えており、
前記ダクト内を通過した空気が前記シートの表面の穴から前記シートに着座した人に向けて吹き出すようになっていることを特徴とする請求項１に記載の空調装置。