JP2013193668A - 車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車室内の空気の質を低下させることなく、熱利用効率を向上させて暖房運転または冷房運転の省エネルギー化を図ることのできる車両用空調装置を提供すること。
【解決手段】この車両用空調装置は、第１熱交換流路と第２熱交換流路とを有し前記第１熱交換流路に流れる空気と前記第２熱交換流路に流れる空気との間で熱を交換する熱交換器１１と、蒸発器１３および凝縮器１２を有するヒートポンプ回路と、蒸発器１３へ空気を流す冷却流路２２と、外気を順に熱交換器１１および凝縮器１２に通過させて車室内へ送出する加温流路２１と、車室内から送出される内気を熱交換器１１を通過させて冷却流路２２の蒸発器１３の上流へ送出する内気排出流路２３と、を具備する構成を採る。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載される車両用空調装置に関する。

車両において、車室内の換気、暖房および冷房を行う場合に、顕熱交換器または全熱交換器などの熱交換器が使用されることがある。これらの熱交換器は、車室内から送出される内気と、車室内へ取り込む外気との間で、熱交換が行われるように設置される。

このような熱交換器によれば、外気温が低いときに、排出される内気と吸入される外気との間の熱交換により排出内気の熱回収が行われて、少ないエネルギーで車室内の温度を保つことができる。また、冷房時など、車室内の温度より外気温が高いときには、排出内気の冷熱回収（冷たい熱の回収）が行われて、冷房運転の省エネルギー化を図ることができる。

一般に、熱交換器による熱交換の効率には限界があり、熱交換後の排出内気には、比較的に多くの熱が残留している。従って、熱交換後の排出内気をそのまま車外に捨ててしまったのでは、冷暖房エネルギーの損出につながる。

特許文献１には、車両用器空気調和装置の熱利用効率を上げるために、熱交換後の内気を外気導入口に戻す構成が開示されている。

特開２００２−２００９１０号公報

特許文献１の構成では、熱交換後の内気を外気導入口に戻して外気と混合させて車室内に導入するため、熱の利用効率は高くなる。しかしながら、この構成では、排出内気に含まれる二酸化炭素または汚れが車室内へ戻されるため、車室内の空気の質が低下するという課題がある。

本発明の目的は、車室内の空気の質を低下させることなく、熱利用効率を向上させて暖房運転または冷房運転の省エネルギー化を図ることのできる車両用空調装置を提供することである。

本発明の一態様に係る車両用空調装置は、第１熱交換流路と第２熱交換流路とを有し前記第１熱交換流路に流れる空気と前記第２熱交換流路に流れる空気との間で熱を交換する第１熱交換器と、蒸発器および凝縮器を有するヒートポンプ回路と、前記蒸発器へ空気を流す冷却流路と、外気を順に前記第１熱交換流路および前記凝縮器に通過させて車室内へ送出可能な加温流路と、車室内から送出される内気を前記第２熱交換流路を通過させて前記冷却流路の前記蒸発器の上流へ送出可能な第１内気排出流路と、を具備する構成を採る。

本発明によれば、熱交換後の内気をヒートポンプ回路の蒸発器を通過させて、さらに、熱の回収を行うことができる。よって、熱利用効率が向上して空調運転の省エネルギー化が図れる。

本発明の実施の形態１の車両用空調装置の構成を示す模式図 顕熱交換器の一例を示す斜視図 実施の形態１の車両用空調装置の具体的な構成を示す図 実施の形態１の第１のファンと周辺を示す構成図 実施の形態１の第２のファンと周辺を示す構成図 本発明の実施の形態２の車両用空調装置の構成を示す模式図 実施の形態２の車両用空調装置の具体的な構成を示す図 実施の形態２の１つのファンと周辺を示す構成図 実施の形態２の車外排出弁の部位を正面から見た図 実施の形態２の車両用空調装置の暖房運転時の動作例を示す模式図 実施の形態２の車両用空調装置の冷房運転時の動作例を示す模式図

以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の車両用空調装置の構成を示す模式図である。図１では暗い矢印により冷たい空気を、明るい矢印により温かい空気を表わしている。

この実施の形態１の車両用空調装置は、図１に示すように、第１熱交換器としての顕熱交換器１１と、ヒートポンプ回路の凝縮器１２および蒸発器１３と、加温流路２１と、冷却流路２２と、内気排出流路（第１内気排出流路に相当）２３と、ファン３１，３２とを備えている。

図２は、顕熱交換器の一例を示す斜視図である。

顕熱交換器１１は、図２に示すように、流路が固定された静止型の熱交換器である。顕熱交換器１１は、隣接する２系統の流路Ａ，Ｂを有し、一方の流路Ａ（第１熱交換流路に相当）に低い温度の空気を流し、他方の流路Ｂ（第２熱交換流路に相当）に高い温度の空気を流す。それにより、顕熱交換器１１では、流路Ａと流路Ｂとの空気を混合せずに流路Ｂの空気の熱を流路Ａの空気へ移動させることができる。各系統の流路Ａ，Ｂには多数の細かい流路が設けられ、各系統の細かい流路を互いに交差させて配置することで、２系統の流路Ａ，Ｂの接触面積が大きくされている。それにより、２系統の流路Ａ，Ｂ間の熱交換量が大きくなっている。

蒸発器１３は、ヒートポンプ回路の冷やされた冷媒を内部に流す一方、空気を大きな面積で接触しながら通過させて、冷媒と空気との間で熱の交換を行う。

凝縮器１２は、ヒートポンプ回路の熱せられた冷媒を内部に流す一方、空気を大きな面積で接触しながら通過させて、冷媒と空気との間で熱の交換を行う。

加温流路２１は、導入口が車外の空気の流入箇所に面し、送出口が車室内へ通じている。加温流路２１の内部には、導入口から送出口へ向けて順番に、顕熱交換器１１と凝縮器１２とが配置されている。また、加温流路２１には静圧を発生させて空気を流すファン３２が設けられている。加温流路２１に導入される外気は、顕熱交換器１１の流路Ｂと凝縮器１２とを流れて車室内へ送られる。

冷却流路２２は、導入口が車外の空気の流入箇所に面し、送出口が車外へ空気を排出できる箇所に面している。冷却流路２２には、途中に蒸発器１３と、空気を流すファン３１とが設けられている。冷却流路２２に導入される外気は、蒸発器１３を通過して車外へ排出される。

内気排出流路２３は、導入口が車室内に通じ、途中で顕熱交換器１１の流路Ａが連結されて、送出口が冷却流路２２における蒸発器１３より上流側に通じている。また、内気排出流路２３は、その送出口が冷却流路２２のファン３１より上流側に接続され、ファン３１の静圧によって車室内から内気が吸引されるように構成されている。なお、内気排出流路２３にファンを設けて空気を流すように構成してもよい。

［具体的な構成例］
図３は、実施の形態１の車両用空調装置の具体的な構成を示す図である。図３中、ファン３１，３２より上方にある構成を二点斜線で示している。図４は、実施の形態１の第１のファンとその周辺を示す構成図、図５は、実施の形態１の第２ファンとその周辺を示す構成図である。

図３は、車両に搭載された車両用空調装置を上方から見た配置構成を示している。実施の形態１の車両用空調装置においては、凝縮器１２および蒸発器１３が車両の内壁Ｗ０に沿って水平方向に並んで配置されている。また、この車両用空調装置においては、２つのファン（例えばブロアファン）３１，３２は、凝縮器１２および蒸発器１３より内壁Ｗ０の反対側にずれた位置にそれぞれ設置されている。

図４に示すように、顕熱交換器１１はファン３２の上部（吸気口側）に配置されている。顕熱交換器１１は、流路Ｂが上下方向（図３の紙面に垂直な方向、図４の上下方向）に進み、流路Ａが水平方向（図３および図４の左右方向）に進むように配置されている。

図３に具体的に示した車両用空調装置は、図１に示した構成に加えて、吸気弁２１Ａ，２２Ａ、排出弁２２Ｂ、内気戻し流路２３ｂ、および、車室内ダクト１０１を備えている。

吸気弁２１Ａは、加温流路２１の導入口を開閉する弁であり、吸気弁２１Ａが開くことで加温流路２１に外気が導入される。また、吸気弁２１Ａの開度を変更することで、内気戻し流路２３ｂを介して加温流路２１に導入される内気の割合を調整することができる。この吸気弁２１Ａは、電気的な制御、或いは、車両搭乗者の操作によって開度を変更できるように構成されている。加温流路２１における内気の導入箇所は、凝縮器１２の上流側に設定されている。

吸気弁２２Ａは、冷却流路２２の導入口を開閉する弁であり、吸気弁２２Ａが開くことで冷却流路２２に外気が導入される。また、吸気弁２２Ａの開度を変更することで、内気排出流路２３を介して顕熱交換器１１を経て送られてくる内気の割合を調整することができる。吸気弁２２Ａは、電気的な制御、或いは、車両搭乗者の操作によって開度を変更できるように構成されている。

排出弁２２Ｂは、暖房時に開放されて蒸発器１３を通過した冷たい空気を車外へ排出する弁である。

車室内ダクト１０１は、車両用空調装置から送出される空気を車室内の所定の送風口まで導くダクトである。

［暖房運転動作］
実施の形態１の車両用空調装置では、図３および図４に示すように、暖房運転時に、吸気弁２１Ａが所定の開度で開いて、加温流路２１に外気と内気とが導入される。この外気は、ファン３２の静圧により吸気弁２１Ａの開口から導入され、内気は、ファン３２の静圧により内気排出流路２３および内気戻し流路２３ｂを介して導入される。加温流路２１に導入される外気と内気との割合は、例えば、外気が８０パーセント、内気が２０パーセントの割合に制御される。

なお、内気の戻りが多くなると、車室内の空気の二酸化炭素濃度および湿度が上昇し、汚れも多くなる。よって、加温流路２１に導入される内気の割合は、上限３０％の範囲で制御される。

また、暖房運転時には、図３および図５に示すように、吸気弁２２Ａが所定の開度で開いて、冷却流路２２に外気と内気とが導入される。この外気は、ファン３１の静圧により吸気弁２２Ａの開口から導入され、内気は、ファン３１の静圧により内気排出流路２３および顕熱交換器１１を介して導入される。冷却流路２２に導入される外気と内気との割合は、例えば、外気が７０パーセント、内気が３０％の割合に制御される。

加温流路２１に導入された空気は、顕熱交換器１１の流路Ａを通過して、流路Ｂの温度の高い内気と熱交換して温められる。さらに、この空気は、凝縮器１２を通過して温められて車室内へ供給される。

一方、冷却流路２２に導入された空気は、蒸発器１３を通過して冷媒を温めて車室外へ排出される。ここで、冷却流路２２に導入される内気は、顕熱交換器１１の流路Ｂを通過して熱交換により冷やされるものの、熱の残留により外気より温度が高くなる。しかし、その後、この内気は蒸発器１３を通過して低温の冷媒を温めてから車外へ排出されることになる。

つまり、暖房および換気に伴って車室内から車外に排出される内気は、顕熱交換器１１で吸入外気に熱を移動させる熱回収と、蒸発器１３で低温の冷媒に熱を移動させる熱回収と、二段階の熱回収を経てから車外に排出される。

従って、実施の形態１の車両用空調装置によれば、暖房運転時の熱の利用効率が向上する。よって、実施の形態１の車両用空調装置によれば、車室内の空気の質を低下させずに、暖房運転の省エネルギー化をより図ることができる。このような暖房運転の省エネルギー化は、車両として熱の発生量の少ない電気自動車あるいはハイブリッド自動車において、特に有用なものとなる。

（実施の形態２）
図６は、実施の形態２の車両用空調装置の構成を示す模式図である。

実施の形態２の車両用空調装置は、図６に示すように、第１熱交換器としての顕熱交換器１１と、第２熱交換器としての顕熱交換器１４と、ヒートポンプ回路の凝縮器１２および蒸発器１３と、加温流路２１と、冷却流路２２と、２つの内気排出流路２３，２４と、送出先変更弁２１Ｃ，２２Ｃと、流量変更弁２３Ａ，２４Ａとを備えている。

実施の形態２において実施の形態１と同様の構成については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

顕熱交換器１４は、冷房運転時において排出内気から吸入外気へ、内気の冷熱を回収するための構成である。顕熱交換器１４の構造は、顕熱交換器１１と同様である。顕熱交換器１４の一方の流路は、内気排出流路２４の途中に連結され、顕熱交換器１４の他方の流路は、冷却流路２２における蒸発器１３より上流側の途中に連結されている。

内気排出流路（第２内気排出流路に相当）２４は、導入口が車室内に通じ、途中に顕熱交換器１４の一方の流路が連結され、送出口が加温流路２１における凝縮器１２より上流側に通じている。また、内気排出流路２４は、その送出口が加温流路２１のファン３２より上流側に接続され、ファン３２の静圧によって車室内から内気が吸引されるように構成されている。

なお、内気排出流路２４にファンを設けて空気を流すように構成してもよい。

また、内気排出流路２４の送出口の接続先は、加温流路２１の顕熱交換器１１より上流側としても下流側としてもよい。同様に、内気排出流路２３の送出口の接続先も、冷却流路２２の顕熱交換器１４より上流側としても下流側としてもよい。

送出先変更弁２１Ｃ，２２Ｃは、加温流路２１を通過した空気の送出先と、冷却流路２２を通過した空気との送出先とを、車室内と車外との間でそれぞれ変更する弁である。

流量変更弁２３Ａ，２４Ａは、内気排出流路２３，２４をそれぞれ流れる内気の量を変更する弁である。

［具体的な構成例］
図７は、実施の形態２の車両用空調装置の具体的な構成を示す図である。図７中、内気排出流路２３，２４と顕熱交換器１１，１４とを二点斜線で示している。図８は、実施の形態２の１つのファンと周辺を示す構成図、図９は、実施の形態２の車外排出弁の部分を正面から見た図である。

図７は、車両に搭載された車両用空調装置を上方から見た配置構成を示している。実施の形態２の車両用空調装置においては、蒸発器１３と凝縮器１２とが中央で対向配置され、さらにその両側に２つのファン（例えばブロアファン）３１，３２および２つの顕熱交換器１１，１４が配置されている。

図８に示すように、顕熱交換器１１はファン３２の上部（吸気口側）に配置されている。顕熱交換器１１の上部には、加温流路２１の導入側と、加温流路２１の導入口を開閉する吸気弁２１Ａとが設けられている。他方から伸びてくる内気排出流路２４は、加温流路２１のこの部位に横方から接続されている。

他方のファン３１、顕熱交換器１４、および、冷却流路２２と内気排出流路２３，２４との接続態様は、図８の構成と左右対称である点のみ異なり、その他は図８と同様の構成である。

凝縮器１２と蒸発器１３とに挟まれた箇所の流路構成は、図９に示すように、加温流路２１と冷却流路２２とが上下に分かれて車室内ダクト１０１に接続される構成となっている。

送出先変更弁２１Ｃ，２２Ｃは、図７の具体例では、車外排出弁２１Ｂａ，２２Ｂａと、車室内送出弁２１Ｂｂ，２２Ｂｂと、から構成される。車外排出弁２１Ｂａは、加温流路２１の空気を車外へ排出する排出口を開閉する弁であり、車外排出弁２２Ｂａは、冷却流路２２の空気を車外へ排出する排出口を開閉する弁である。車室内送出弁２１Ｂｂ，２２Ｂｂは、加温流路２１および冷却流路２２と車室内ダクト１０１とをそれぞれ開閉する弁である。図９に示すように、これらの弁は上下に分かれて配置されている。

［暖房運転動作］
図１０には、実施の形態２の車両用空調装置の暖房運転時の動作例を示す模式図である。

実施の形態２の車両用空調装置では、暖房運転時に、実施の形態１と同様の空気の流れによって、車室内の暖房および換気が行われる。

すなわち、図１０に示すように、暖房運転時には、流量変更弁２４Ａが閉じられて内気排出流路２４および顕熱交換器１４の一方の流路に内気が流されない。顕熱交換器１４の一方の流路に空気が流れないことで、顕熱交換器１４における熱交換は行われない。

もう一方の流量変更弁２３Ａは開かれて、内気排出流路２３および顕熱交換器１１の一方の流路は内気が流される。

また、送出先変更弁２１Ｃ，２２Ｃは、冷却流路２２からの空気が車外に排出され、加温流路２１からの空気が車室内に送られるように切り替えられる。

そして、ファン３１，３２が駆動されて、加温流路２１と冷却流路２２とに空気が流される。

このような暖房運転により、実施の形態１と同様に、車室内の換気とヒートポンプ回路による暖房とが行われる。また、暖房および換気に伴って車室内から車外に排出される内気は、顕熱交換器１１で吸入外気に熱を移動させる熱回収と、蒸発器１３で低温の冷媒に熱を移動させる熱回収と、二段階の熱回収を経てから車外に排出される。よって、暖房運転時の熱の利用効率が向上して、車室内の空気の質を低下させずに、暖房の省エネルギー化を図ることができる。

［冷房運転動作］
図１１には、実施の形態２の車両用空調装置の冷房運転時の動作例を示す模式図である。

実施の形態２の車両用空調装置では、冷房運転時に、次のような空気の流れによって、車室内の冷房および換気が行われる。

すなわち、図１１に示すように、冷房運転時には、流量変更弁２３Ａが閉じられて内気排出流路２３および顕熱交換器１１の一方の流路に内気が流されない。顕熱交換器１１の一方の流路に空気が流れないことで、顕熱交換器１１における熱交換は行われない。

もう一方の流量変更弁２４Ａは開かれて、内気排出流路２４および顕熱交換器１４の一方の流路に内気が流される。

また、送出先変更弁２１Ｃ，２２Ｃは、冷却流路２２からの空気が車室内へ送られ、加温流路２１からの空気が車外へ排出されるように切り替えられる。

そして、ファン３１，３２が駆動されて、加温流路２１と冷却流路２２とに空気が流される。

このような冷房運転により、温かい外気が、顕熱交換器１４において内気と熱交換されて冷やされ、その後、蒸発器１３で冷媒と熱交換されてより冷やされる。そして、この冷やされた外気が車室内へ送られて、車室内の換気と冷房とが行われる。

また、上記の冷房および換気に伴って車室内から車外に排出される内気は、先ず、顕熱交換器１４において吸入外気に冷熱を移動させる冷熱回収が行われる。さらに、その後、後、外気と混合されて凝縮器１２を通過することで、高温の冷媒に冷熱を移動させる冷熱回収が行われる。そして、このような二段階の冷熱回収を経てから車外に排出される。

以上のように、実施の形態２の車両用空調装置によれば、暖房運転時および冷房運転時の両方において、排出される内気の熱回収（冷房時は冷熱回収）が多量に行われる。従って、暖房運転時、ならびに、冷房運転時において、熱の利用効率が向上する。よって、実施の形態２の車両用空調装置によれば、車室内の空気の質を低下させずに、空調運転の省エネルギー化をより図ることができる。

以上、本発明の各実施の形態について説明した。

なお、上記実施の形態では、各流路の空気の流れまたは流量を変更する構成として、ドア形式の弁を用いた構成を例にとって説明した。しかしながら、これらの構成の替わりに公知の様々な弁を用いた構成を採用することもできる。また、弁の替わりに、ファンの作動と停止、ファンの回転量の制御により、各流路の空気の流れまたは流量を変更する構成を採用することもできる。

また、上記実施の形態では、熱交換器として、顕熱交換器を適用した構成を例にとって説明したが、全熱交換器を適用した構成を採用することもできる。その他、吸入外気と排出内気との割合、吸入外気と内気の戻し量との割合など、実施の形態で示した細部は発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

本発明は、車両に搭載される暖房装置または冷暖房装置に適用できる。

１１、１４ 顕熱交換器
１２ 凝縮器
１３ 蒸発器
２１ 加温流路
２２ 冷却流路
２１Ａ，２２Ａ 吸気弁
２１Ｃ，２２Ｃ 送出先変更弁
２２Ｂ 排出弁
２１Ｂａ，２２Ｂａ 車外排出弁
２１Ｂｂ，２２Ｂｂ 車室内送出弁
２３，２４ 内気排出流路
２３Ａ，２４Ａ 流量変更弁
２３ｂ 内気戻し流路
３１，３２ ファン

本発明の一態様に係る車両用空調装置は、第１熱交換流路と第２熱交換流路とを有し前記第１熱交換流路に流れる空気と前記第２熱交換流路に流れる空気との間で熱を交換する第１熱交換器と、蒸発器および凝縮器を有するヒートポンプ回路と、前記蒸発器へ外気を流す冷却流路と、外気を順に前記第１熱交換流路および前記凝縮器に通過させて車室内へ送出可能な加温流路と、車室内から送出される内気を前記第２熱交換流路を通過させて前記冷却流路の前記蒸発器の上流へ送出可能な第１内気排出流路と、を具備する構成を採る。

本発明の一態様に係る車両用空調装置は、第１熱交換流路と第２熱交換流路とを有し前記第１熱交換流路に流れる空気と前記第２熱交換流路に流れる空気との間で熱を交換する第１熱交換器と、蒸発器および凝縮器を有するヒートポンプ回路と、前記蒸発器へ外気を流す冷却流路と、外気を順に前記第１熱交換流路および前記凝縮器に通過させて車室内へ送出可能な加温流路と、車室内から送出される内気を前記第２熱交換流路を通過させて前記冷却流路の前記蒸発器の上流へ送出可能な第１内気排出流路と、前記加温流路の空気の送出先を車室内と車室内以外との間で変更可能な第１送出先変更部と、前記冷却流路の空気の送出先を車室内と車室内以外との間で変更可能な第２送出先変更部と、前記第１内気排出流路の前記内気の流量を変更可能な第１流量変更部と、を具備し、前記第１送出先変更部、前記第２送出先変更部および前記第１流量変更部は、前記第１内気排出流路に前記内気が流れ、且つ、前記加温流路の空気が車室内へ送られる暖房状態と、前記第１内気排出流路に前記内気が流れず、且つ、前記冷却流路の空気が車室内へ送られる冷房状態とに切り替え可能である、構成を採る。

Claims (4)

1. 第１熱交換流路と第２熱交換流路とを有し前記第１熱交換流路に流れる空気と前記第２熱交換流路に流れる空気との間で熱を交換する第１熱交換器と、
   蒸発器および凝縮器を有するヒートポンプ回路と、
   前記蒸発器へ空気を流す冷却流路と、
   外気を順に前記第１熱交換流路および前記凝縮器に通過させて車室内へ送出可能な加温流路と、
   車室内から送出される内気を前記第２熱交換流路を通過させて前記冷却流路の前記蒸発器の上流へ送出可能な第１内気排出流路と、
   を具備する車両用空調装置。
2. 前記加温流路の空気の送出先を車室内と車室内以外との間で変更可能な第１送出先変更部と、
   前記冷却流路の空気の送出先を車室内と車室内以外との間で変更可能な第２送出先変更部と、
   前記第１内気排出流路の前記内気の流量を変更可能な第１流量変更部と、
   を具備し、
   前記第１送出先変更部、前記第２送出先変更部および前記第１流量変更部は、前記第１内気排出流路に前記内気が流れ、且つ、前記加温流路の空気が車室内へ送られる暖房状態と、前記第１内気排出流路に前記内気が流れず、且つ、前記冷却流路の空気が車室内へ送られる冷房状態とに切り替え可能である、
   請求項１記載の車両用空調装置。
3. 第３熱交換流路と第４熱交換流路とを有し、前記第３熱交換流路が前記冷却流路と前記蒸発器の上流で連結され、前記第３熱交換流路に流れる空気と前記第４熱交換流路に流れる空気との間で熱を交換する第２熱交換器と、
   車室内から送出される内気を前記第４熱交換流路を通過させて前記加温流路の前記凝縮器の上流へ送出可能な第２内気排出流路と、
   前記第２内気排出流路の前記内気の流量を変更可能な第２流量変更部と、
   を具備し、
   前記第２流量変更部は、前記冷房状態において前記第２内気排出流路に前記内気が流れる状態に切り替えられる、
   請求項２記載の車両用空調装置。
4. 前記内気の一部を前記加温流路の前記凝縮器よりも上流へ導く内気戻し流路を具備する請求項１記載の車両用空調装置。

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