JP2018043570A - 内燃機関自動車用エアコンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関エンジンを駆動させずに使用できるアイドリング・ストップ対応のエアコンシステムを、省スペース且つ低コストで内燃機関自動車に装備できるようにした内燃機関自動車用エアコンシステムを提供する。【解決手段】内燃機関エンジン１００によって動作するエンジンコンプレッサ１１１に代えて電動コンプレッサ６０を用い、既存のコンデンサ１１３やエバポレータ１１７等をそのまま使うことでヒートポンプ式熱交換機能部１１０′を構成し、大容量バッテリ３０からの直流２４Ｖを第１ＤＣ／ＤＣコンバータ４１にて直流３６０Ｖに変換して電動コンプレッサ６０へ電源供給すると共に、エアコン制御手段５０の動作制御部５１からコンプレッサ動作制御信号を電動コンプレッサ６０へ出力することで、内燃機関エンジン１００の停止中でも、ヒートポンプ式熱交換機能部１１０′を作動させて車内冷房を可能にする。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料を内部で燃焼させる内燃機関エンジンにより走行用の駆動力を得る内燃機関自動車に装備され、ヒートポンプ式熱交換のために冷媒を断熱圧縮するコンプレッサを含む内燃機関自動車用エアコンシステムに関し、特に、救急車や消防車といった特装車（装備された業務用機材へ供給する電源を生成可能な発電機構が設けられた内燃機関自動車）に好適なエアコンシステムである。

昨今の自動車には、走行中の車内を適温に保てるよう、エアコンシステムが標準的に装備されている。ＥＶ車やハイブリッド車では、バッテリからの給電によりコンプレッサ等を駆動させるエアコンシステムを装備しており、車輌の停車中であってもエアコンを動作させることができる。とはいえ、ＥＶ車では、エアコンの使用によるバッテリ消費が走行距離を短くしてしまうし、ハイブリッド車では、標準装備されているバッテリ容量が小さいために、停車中にエアコンを長時間稼動させることができない。

一方、ガソリンや軽油を燃料とする内燃機関自動車は、走行用の内燃機関エンジンの駆動力でコンプレッサを駆動させるものであるため、停車時であっても、エンジンをアイドリング状態にすることで、燃料の続く限り、エアコンを継続的に使用することができる。しかし、昨今は、環境問題への配慮から停車時にエンジンを切るアイドリング・ストップが推奨されており、信号待ちの停車時などに自動でエンジンを停止するアイドリング・ストップ対応車が普及している。このため、アイドリング・ストップ機能によってエンジンが停止されている間は、エアコンを使用することができず、渋滞に巻き込まれた場合など非走行中は車内を適温に保つことができない。

そこで、アイドリング・ストップ制御によりエンジンが停止される状態になったときでも、車内温度を調整するために空調制御を行う必要がある場合には、アイドリング・ストップ禁止要求を行って、アイドリング・ストップ制御を禁止し、空調制御を継続できるようにした車両用空調装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１６−０７０１７２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の車両用空調装置は、信号待ちなどの短時間であれば、アイドリング・ストップをキャンセルして車内空調制御を優先させても大きな問題は無いものの、駐車場に停車している間など比較的長時間に亘るに停車中に車内空調を使おうとした場合、空調のためのアイドリング状態とアイドリング・ストップ制御が交互に頻繁に繰り返される可能性が有り、望ましくない。

たとえば、特許文献１に記載の車両用空調装置を備えた車輌で車内温度調整が必要になると、アイドリング・ストップ制御を禁止して、車内空調制御を行うためにエンジンを稼働させてアイドリング状態となり、その後、空調制御が効いて適温になるとアイドリング・ストップ禁止が解除されてエンジンが切られ、その後、再び車内温度調整が必要になるとアイドリング・ストップ制御を禁止して、車内空調制御を再開させるためにエンジンを稼働させる、というサイクルが繰り返される可能性があるので、特許文献１に記載の車両用空調装置を備えた車輌は、到底アイドリング・ストップに対応しているとは言えないのである。昨今、地方自治体によってはアイドリング・ストップが条例で義務化されているため、特許文献１に記載の車両用空調装置を搭載した内燃機関自動車で、比較的長時間に亘る停車時にエアコンを使用することは、頻繁にアイドリングが繰り返される可能性があるため、大きな問題となってしまう虞がある。

また、既存の内燃機関自動車を改造して、特定の用途や目的に応じた装置等を取り付けた特装車にあっては、商用交流電源で動作する装置を車内で使えるように、内燃機関エンジンで駆動させる発動発電機を搭載しているものがある。例えば、特装車両である放送用移動中継車輌には、マイク、カメラ、各種編集設備が搭載されており、これらの搭載装置を利用するためには電力源が必要であるから、移動中あるいは移動先において必要な電力を得るために発電機を稼働させるのである。この種の特装車にはアイドルイング・ストップ制御義務が課されていないので、停車中であっても、搭載装置を動作させるための電源が必要なときには、エンジンをアイドリング状態にして発電機を稼働させることができる。なお、走行中に発電機で発電した電力を貯めておけるバッテリを備える特装車では、停車中でもバッテリから搭載装置へ電力を供給できるので、発電機を稼働させるためにエンジンをアイドリング状態にする必要が無く、アイドリング抑制に効果がある。

上述した発電機とバッテリを備える特装車では、商用交流電源を使えることから、家庭用のエアコン装置あるいは耐振動性等を高めた車載用エアコン装置を別途車内に取り付け、停車中でもバッテリあるいは外部の商用電源設備からエアコン装置へ電力を供給して車内空調を行えるようにしたものがある。

しかしながら、家庭用エアコン装置や車載用エアコン装置を車内に取り付ける場合、室内機および室外機を新たに設置する必要があり、そのための配管作業や搭載スペースの確保が必要となるため、狭小な車内スペースを有効に使えなくなってしまう。加えて、家庭用エアコン装置は、一般家庭での使用を前提に作られた大量生産品であるから、安価に導入できる反面、振動の多い車輌内に設置すれば故障が発生しやすいという問題がある。一方、車載用エアコン装置は振動の多い車輌内でも安定動作するように設計・製造されているので、車内に設置して使用しても故障しにくい反面、装置自体が高価な上に、配管作業にも高度な知識や技術が必要であり、総じて高コストとなる。

このように、内燃機関自動車をベースとした特装車が商用交流電源を供給できる機能を備えているといっても、単純に電動式のエアコン装置を取り付けて車内空調制御を行うのは非効率である。かといって、いずれは特装車に対してもアイドリング・ストップが義務化される可能性もあり、内燃機関エンジンの駆動力を使って動作するエアコンシステムを使い続けることは望ましくない。

そこで、本発明は、内燃機関エンジンを駆動させずに使用できるアイドリング・ストップ対応のエアコンシステムを、省スペース且つ低コストで内燃機関自動車に装備できるようにした内燃機関自動車用エアコンシステムの提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料を内部で燃焼させる内燃機関エンジンにより走行用の駆動力を得る内燃機関自動車に装備され、ヒートポンプ式熱交換のために冷媒を断熱圧縮するコンプレッサを含む内燃機関自動車用エアコンシステムであって、前記コンプレッサには、内燃機関エンジンによって駆動力を得るエンジンコンプレッサに代えて、所要の駆動電圧が供給されることで動作する電動コンプレッサを用い、前記内燃機関エンジンの駆動力によって動作し、少なくとも前記電動コンプレッサの消費電力を超える発電能力を備えた大容量発電機と、前記大容量発電機の出力を適正に保持させるよう発電能力を制御すると共に、前記大容量発電機で発電した電力を適正電圧の直流に変換して出力する発電制御手段と、前記発電制御手段より得られる適正電圧で充電され、少なくとも前記電動コンプレッサを所要時間以上連続稼動させ得る蓄電容量を備えた大容量バッテリと、前記発電制御手段もしくは前記大容量バッテリから供給される適正電圧の直流を、前記電動コンプレッサの駆動電圧に変換して電動コンプレッサへ供給する機能を備えた直流電圧変換手段と、少なくとも、前記直流電圧変換手段により変換された駆動電圧が供給されて動作する電動コンプレッサをコントロールするコンプレッサ動作制御信号を出力し、エアコンの冷却能力を制御するエアコン制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、前記請求項１に記載の内燃機関自動車用エアコンシステムにおいて、前記直流電圧変換手段は、前記発電制御手段もしくは前記大容量バッテリから供給される適正電圧の直流を、内燃機関自動車が標準的に備える車輌バッテリの蓄電電圧に変換し、車輌バッテリおよび車輌電装品へ供給する機能を備えたことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、前記請求項１又は請求項２に記載の内燃機関自動車用エアコンシステムにおいて、前記エアコン制御手段は、前記電動コンプレッサにより断熱圧縮された高温の冷媒が供給されるコンデンサに向けて熱交換用の空気を送るコンデンサファンと、気化した低温冷媒が供給されるエバポレータに向けて熱交換用の空気を送るエバポレータファンと、を制御することにより、エアコンの冷却能力を制御するようにしたことを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、前記請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の内燃機関自動車用エアコンシステムにおいて、前記エアコン制御手段は、車内の適所に設けられた車内温度検知手段から供給される車内温度情報と、利用者によって操作される操作パネルから供給される希望温度情報と、に基づいて、車内温度を希望温度に一致させるべく、エアコンの冷却能力を制御するようにしたことを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、前記請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の内燃機関自動車用エアコンシステムにおいて、前記大容量バッテリから諸情報を受け取り、大容量バッテリの諸情報を表示するバッテリ監視パネルを備えることを特徴とする。

また、請求項６に係る発明は、前記請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の内燃機関自動車用エアコンシステムにおいて、アイドリング時の内燃機関エンジンの回転数を上げて、前記大容量発電機の発電能力を高めるアイドルアップ装置を備えることを特徴とする。

本発明に係る内燃機関自動車用エアコンシステムによれば、内燃機関エンジンを駆動させずに使用できるアイドリング・ストップ対応のエアコンシステムを実現できる。しかも、内燃機関自動車に標準搭載されているエアコンシステムをベースとして用いるので、アイドリング・ストップ対応のエアコンシステムを省スペース且つ低コストで内燃機関自動車に装備できる。

本発明に係る内燃機関自動車用エアコンシステムの概略構成図である。 大容量発電機の概略縦断構造図である。

以下、本発明の実施形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態である内燃機関自動車用エアコンシステム１の概略構成を示し、既存の内燃機関自動車が標準的に備えている内燃機関エンジン１００、ヒートポンプ式熱交換機能部１１０、車輌バッテリ１２０等を活かして、アイドリング・ストップに対応した内燃機関自動車（ガソリンエンジン車やディーゼル車）用のエアコンシステムを実現するものである。

内燃機関エンジン１００の駆動力によって動作する大容量発電機１０は、発電機制御手段２０によって発電量を制御可能なものである。例えば、大容量発電機１０は、発電制御手段２０から給電線２１を介して供給される界磁電流の増減により、三相交流出力が適宜な出力値となるようにコントロールされ、この三相交流を受けた発電制御手段２０によって整流・電圧変換され、例えば直流２４Ｖが生成・出力される。すなわち、発電制御手段２０は、大容量発電機１０に対する発電制御機能と、大容量発電機１０で発電された三相交流を直流２４Ｖに変換するＡＣ／ＤＣコンバータ機能とを併せ持つものである。無論、発電制御機能とＡＣ／ＤＣコンバータ機能を一体に設けた発電制御手段２０とせずに、発電制御機能とＡＣ／ＤＣコンバータ機能を別々に設ける構成としても構わない。

上記発電制御手段２０によって得られた直流２４Ｖは大容量バッテリ３０に供給され、その最大容量まで蓄電される。また、発電制御手段２０によって得られた直流２４Ｖは直流電圧変換手段４０にも供給され、この直流電圧変換手段４０によって、車輌バッテリ１２０の充電電圧（例えば、１２Ｖ）やヒートポンプ式熱交換機能部１１０′（後に詳述）を駆動するための所要電圧（例えば、３６０Ｖ）に変換される。

大容量発電機１０には、その利用目的に応じた発電能力を備えるものを用いる。例えば、本実施形態に係る内燃機関自動車用エアコンシステム１を実装する内燃機関自動車においては、少なくとも、アイドリング・ストップ対応のヒートポンプ式熱交換機能部１１０′における電動機能（特に、冷媒を断熱圧縮するコンプレッサの圧縮モータ）を駆動させるために十分な出力容量を備えていれば、大容量発電機１０として用いることができる。また、車内に業務用機材が装備されている特装車では、エアコンに加えて業務用機材を動作させる必要があるので、ヒートポンプ式熱交換機能部１１０′の消費電力に加えて、各種業務用機材の消費電力を十分に賄える出力容量を備えていれば、大容量発電機１０として用いることができる。

ここで、大容量発電機１０の一例として、永久磁石を用いて大容量出力を可能とした構造を、図２に基づき説明する。

発電機１０は、図２に示すように、一定強度の固定磁界を発生させる永久磁石１１と、供給電流に応じた強度の磁界を発生させ得る電磁石１２とを、ロータ１３へタンデム型に配置した構造を備える。このとき、ロータ１３の外周に配置したステータ１４は、永久磁石用ステータコア１４ａと電磁石用ステータコア１４ｂを別体に設けて離隔配置し、永久磁石用ステータコア１４ａを永久磁石１１の磁極面と近接対向させると共に、ステータ１４における電磁石用ステータコア１４ｂを電磁石１２の磁極部と近接対向させ、双方の磁界が干渉しないでステータ１４へ誘導されるようにする。よって、永久磁石１１により発生する回転磁界と電磁石１２により発生する回転磁界が各々独立して同時にステータ１４に作用することとなる。

永久磁石１１は、例えば、ロータ１３に取り付けられたヨーク１５の外周面へ等間隔に１６個設けるものとし、隣接する永久磁石１１の磁極の向きを交互に変えることで、ステータ１４に対向する面がＮ極の永久磁石１１から湧き出る磁束が隣接する永久磁石１１のＳ極に入る向きの磁路が１６（８対）形成される。なお、永久磁石１１として、希土類サマリウムコバルト磁石やネオジウム磁石などを用いれば、保磁力が高いため、負荷増大時に発生する電機子反作用の影響が少ないので、小型高出力の発電機を構成できる。

電磁石１２は、例えば、円環状に等間隔で８個設けた爪状磁極部を対向状に噛み合わせるように配置したランデル型とし、外側がＮ極に励磁された爪状磁極部から対向側の隣接する爪状磁極部（外側がＳ極に励磁）に至る磁路が１６（８対）形成される。ここで、電磁石１２の爪状磁極部により形成される１６の磁路は、永久磁石１１により形成される１６の磁路と軸方向に整列するように、ロータ１３への取付時に位置調整しておく。

また、電磁石１２の界磁コイル１２ａの一方端である第１給電部１２ｂ１を第１スリップリング１６ａに接続し、界磁コイル１２ａの他方端である第２給電部１２ｂ２を第２スリップリング１６ｂに接続し、第１ブラシ１７ａおよび第２ブラシ１７ｂを介して各々発電制御手段２０からの第１給電線２１ａ，第２給電線２１ｂと導通させ、界磁電流の供給を受ける。

すなわち、第１給電線２１ａが高圧側（＋側）で第２給電線２１ｂが低圧側（−側）となるように界磁コイル１２ａへ給電したとき（以下、順方向電流という。）に発生する磁界の向きと、第１給電線２１ａが低圧側（−側）で第２給電線２１ｂが高圧側（＋側）となるように界磁コイル１２ａへ給電したとき（以下、逆方向電流という。）に発生する磁界の向きを逆転させることができる。

そして、電磁石１２の界磁コイル１２ａに順方向電流を供給したときには、永久磁石１１によって発生する磁界と同じ向きの磁界を電磁石１２により発生させることができ、界磁コイル１２ａに逆方向電流を供給したときには、永久磁石１１によって発生する磁界と逆向きの磁界を電磁石１２により発生させることができる。

上記の永久磁石１１および電磁石１２により発生する磁界中に配置されるステータ１４は、例えば、永久磁石１１と対向するように設けた永久磁石用ステータコア１４ａと電磁石１２と対向するように設けた電磁石用ステータコア１４ｂを連結リング１４ｄにより一体化すると共に、両コアにステータコイル１４ｃを巻回して形成したもので、永久磁石１１により発生する磁界および電磁石１２により発生する磁界が、永久磁石用ステータコア１４ａおよび電磁石用ステータコア１４ｂを介して同時にステータコイル１４ｃに作用する。

上記構造の大容量発電機１０においては、ロータ１３の回転により、永久磁石１１と電磁石１２の回転磁界が同時にステータコイル１４ｃ（例えば、三相巻線）に作用すると、それらの合成磁界に応じた三相交流がステータコイル１４ｃから出力される。例えば、界磁電流が順方向電流のときには、永久磁石１１の回転磁界が電磁石１２の回転磁界によって強められることから、ステータコイル１４ｃに生ずる起電圧を高め、界磁電流が逆方向電流のときには、永久磁石１１の回転磁界が電磁石１２の回転磁界によって減衰されることから、ステータコイル１４ｃに生ずる起電圧を低下させることができる。

したがって、発電制御手段２０が大容量発電機１０における電磁石１２へ供給する界磁電流の向きや大きさを調整する界磁電流制御を行うことで、永久磁石用ステータコア１４ａと電磁石用ステータコア１４ｂに巻回されたステータコイル１４ｃに発生する起電圧を容易に調整することが可能となり、大容量バッテリ３０や直流電圧変換手段４０への定電圧供給を安定的に行う事ができるのである。

上記のようにして発電制御手段２０によって得られる直流２４Ｖで充電される大容量バッテリ３０は、例えば、過電圧保護用のブレーカを介して給電線に接続されており、発電制御手段２０から直流２４Ｖが出力されているときは充電され、発電制御手段２０から直流２４Ｖが出力されていないときは放電し、給電線を介して直流電圧変換手段４０へ直流２４Ｖを供給する。なお、大容量バッテリ３０の諸情報（例えば、蓄電状態（残存容量）、充電中／放電中といった運転状態、周囲環境の温度等）は、バッテリ監視パネル３１によって確認可能である。

また、大容量バッテリ３０には、その利用目的に応じた蓄電容量を備えるものを用い、本実施形態に係る内燃機関自動車用エアコンシステム１を実装する内燃機関自動車においては、少なくとも、アイドリング・ストップ対応のヒートポンプ式熱交換機能部１１０′における電動機能（特に、冷媒を断熱圧縮するコンプレッサの圧縮モータ）を所要時間以上連続稼働させるために十分な蓄電容量を備えていれば、大容量バッテリ３０として用いることができる。例えば、本実施形態に係る内燃機関自動車用エアコンシステム１を設けた特装車であれば、装備している業務用機材とヒートポンプ式熱交換機能部１１０′の合計消費電力（ｋＷ）を標準的な業務継続時間（ｈ）に亘って供給できる蓄電容量（Ａｈ）を備えていれば、大容量バッテリ３０として用いることができる。なお、リチウムイオン電池を直列接続して成るバッテリモジュールの数を増減させることで、蓄電容量を任意に調整できるバッテリ装置を用いれば、バッテリモジュールの使用数を調整することで目的に応じた蓄電容量にカスタマイズできるので、過不足ない適当な蓄電容量の大容量バッテリ３０とすることができる。

上記発電制御手段２０によって得られる直流２４Ｖ、もしくは、上記大容量バッテリ３０より得られる直流２４Ｖは、直流電圧変換手段４０の第１ＤＣ／ＤＣコンバータ４１および第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４２へ供給され、それぞれ所要電圧に変換される。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、例えば直流２４Ｖを直流３６０Ｖに昇圧し、エアコン制御手段５０によって制御される電動コンプレッサ６０（ヒートポンプ式熱交換機能部１１０′に含まれ、所要の駆動電圧を受けて動作するコンプレッサ）へ供給する。一方、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、例えば直流２４Ｖを直流１２Ｖに減圧し、車輌バッテリ１２０および車輌電装品１３０（直流１２Ｖで駆動する車輌内の各種機器類や制御機能部等）へ供給する。なお、家庭用電源等で動作する業務用機材を装備している特装車においては、発電制御手段２０または大容量バッテリ３０より出力される直流２４Ｖを単相交流１００Ｖ，三相交流２００Ｖに変換するＤＣ／ＡＣインバータを設けておくことで、車輌の走行中でも停車中でも業務用機材を使用することが可能となる。

ここで、ヒートポンプ式熱交換機能部１１０′について説明する。内燃機関自動車が標準的に備えているヒートポンプ式熱交換機能部１１０は、内燃機関エンジン１００の駆動力を必要とするアイドリング・ストップ非対応であるが、エアコンの冷房機能を実現するためには必須のものである。このヒートポンプ式熱交換機能部１１０が内燃機関エンジン１００の駆動力を使わずに動作するよう、完全電動化することで、本実施形態に係る内燃機関自動車用エアコンシステム１で用いるヒートポンプ式熱交換機能部１１０′となる。先ず、既存の内燃機関自動車が標準的に備えているアイドリング・ストップ非対応のヒートポンプ式熱交換機能部１１０について説明する。

内燃機関エンジン１００の駆動力によって動作するエンジンコンプレッサ１１１（図１中、二点鎖線で示す）は、冷媒を断熱圧縮し、高温高圧の冷媒を第１配管１１２ａ（図１中、二点鎖線で示す）でコンデンサ１１３へ供給し、コンデンサファン１１４の送風でコンデンサ１１３を通過する冷媒を凝縮させ、液化した高温冷媒を第２配管１１２ｂでレシーバ１１５へ供給し、レシーバ１１５内で気液分離し、液状の高温冷媒のみを第３配管１１２ｃで膨張弁１１６へ供給し、膨張弁１１６で減圧し、断熱膨張により気化した低温冷媒を第４配管１１２ｄでエバポレータ１１７へ供給し、エバポレータファン１１８の送風でエバポレータ１１７内を通過する空気と低温冷媒とで熱交換することにより、エバポレータ１１７を通過する空気を冷却・除湿し、エバポレータ１１７を通過する間に熱交換した低温冷媒は第５配管１１２ｅ（図１中、二点鎖線で示す）でエンジンコンプレッサ１１１へ戻される。

このように、内燃機関自動車が標準的に備えているヒートポンプ式熱交換機能部１１０では、エンジンコンプレッサ１１１を作動させるために内燃機関エンジン１００を駆動させておく必要がある。よって、停車時にエアコンを使用するためには、内燃機関エンジン１０をアイドリングさせておく必要があり、アドリングストップ非対応とならざるを得ない。

また、内燃機関自動車が標準的に備えているヒートポンプ式熱交換機能部１１０では、エンジンコンプレッサ１１１による圧縮冷媒吐出能力が、内燃機関エンジン１００の回転数に依存しているため、内燃機関自動車が標準的に備えているエアコン・コントローラによって制御することができない。よって、車内温度を設定温度にする自動モードの場合、エアコン・コントローラは、コンデンサファン１１４やエバポレータファン１１８の送風量を制御することで、エバポレータ１１７を通過する空気の冷却度合いを調整し、設定温度へ近づけるのである。なお、マニュアルモードの場合は、エバポレータファンスイッチ１４２を操作することで風量の強・弱等を選択設定し、この風量設定に応じてエバポレータファン制御部１４３がエバポレータファン１１８のファンモータを制御し、エバポレータ１１７を通過する冷気の風量を調整する。

しかして、本実施形態に係る内燃機関自動車用エアコンシステム１で用いるヒートポンプ式熱交換機能部１１０′は、エンジンコンプレッサ１１１に代えて電動コンプレッサ６０を用い、電動コンプレッサ６０の吐出側とコンデンサ１１３を第１配管１１２ａ′にて接続するように変更し、電動コンプレッサ６０の吸入側とエバポレータ１１７を第５配管１１２ｅ′にて接続するように変更する。斯くすれば、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ４１より直流３６０Ｖが供給される電動コンプレッサ６０をエアコン制御手段５０によって安定動作させることができ、内燃機関エンジン１００が停止中であっても、ヒートポンプ式熱交換機能部１１０′を動作させて、冷房を使うことが可能となる。

しかも、電動コンプレッサ６０は、エンジンコンプレッサ１１１を取り外して空いたスペースに取り付けることができ、コンデンサ１１３およびエバポレータ１１７から電動コンプレッサ６０までの距離が変わらなければ、配管の長さも同じになるので、第１配管１１２ａおよび第５配管１１２ｅをそのまま第１配管１１２ａ′および第５配管１１２ｅ′として用いることができ、狭小なエンジンルーム内で配管を設置する作業も不要であるから、一層容易且つ廉価にヒートポンプ式熱交換機能部１１０′を導入できるという利点がある。

また、エアコン制御手段５０は、既存の内燃機関自動車が標準的に備えているエアコン・コントローラへ、電動コンプレッサ６０等に対する制御機能をソフトウェア的に追加することで構成できるので、コンデンサファン１１４やエバポレータファン１１８等の制御機能を流用でき、開発期間の短縮および開発コストの削減に有効である。加えて、エンジンコンプレッサ１１１に代えて用いる電動コンプレッサ６０としては、ＥＶ車のエアコンシステムに採用されている既存の電動コンプレッサを流用することが可能であり、既存の電動コンプレッサであれば、その制御指令を汎用的な通信プロトコルであるＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信で行う事ができるので、エアコン制御手段５０の動作制御部５１に対して、電動コンプレッサ６０に対するコントロール機能を容易に組み込めるという利点がある。

ここで、内燃機関エンジン１００が停止しているとき、すなわち車輌が停車しているときに、上述した内燃機関自動車用エアコンシステム１で冷房を使う場合の操作および各部の動作を説明する。

まず、車輌のキースイッチ１４１をオン（例えば、ａｕｔｏ運転）にする。これにより、直流電圧変換手段４０とエアコン制御手段５０に起動信号（例えば、車輌バッテリ１２０より供給される１２Ｖ電源）が供給され、第１，第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４１，４２による直流３６０Ｖ，１２Ｖの生成が開始されると共に、エアコン制御手段５０の動作制御部５１および動作モード判定部５２が動作を開始する。

上記直流電圧変換手段４０が動作することで、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ４１が生成した直流３６０Ｖが電動コンプレッサ６０に供給されると共に、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４２が生成した直流１２Ｖが車輌バッテリ１２０および車輌電装品１３０に供給される。このように、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ４１と第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を共に動作させることで、車輌バッテリ１２０がバッテリ上がりを起こす危険性を無くし、その給電先である車輌電装品１３０（例えば、直流電圧変換手段４０、エアコン制御手段５０、コンデンサファン１１４、エバポレータファン１１８等）の動作電源を安定的に確保できるようにしたので、内燃機関自動車用エアコンシステム１の動作安定性を高められるという利点がある。

なお、直流電圧変換手段４０は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ４１と第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を同時に起動させる構成に限定されるものではない。例えば、車輌バッテリ１２０の残容量（もしくは電圧値）が危険域まで減ったことを検知したときに限って、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を起動させ、車輌バッテリ１２０および車輌電装品１３０への直流１２Ｖ給電を開始するようにしても良い。

次いで、エアコンのオートスイッチ５３をオン（例えば、ａｕｔｏ）に設定すると、エアコン制御手段５０の動作モード判定部５２は、車内温度の自動制御を行うオートモードが選択されたと判断し、車内温度を設定温度に近づける（理想的には、車内温度を設定温度に一致させる）ための制御情報を動作制御部５１へ送信し、この制御情報に基づいて動作制御部５１が電動コンプレッサ６０、コンデンサファン１１４、エバポレータファン１１８の動作を制御する。このほか、エバポレータ１１７への内気循環と外気導入の混合比率を変えたり、胸元吹出口や足下吹出口等への風量比率を変えたりすることでも、車内温度の調整制御を行う事ができるので、かかる調整制御もエアコン制御手段５０が行うようにしても良い。

なお、車内冷房の目標とする設定温度（利用者が希望する希望温度）は、エアコン操作パネル５４を利用者が操作することにより希望温度情報として動作モード判定部５２へ入力可能である。しかしながら、オートスイッチ５３がオンになると同時にエアコン操作パネル５４から希望温度情報が動作モード判定部５２へ入力されるとは限らないので、新たな設定温度が入力されるまでは、既に記憶している前回の設定値を暫定的な設定温度として用いても良い。或いは、エアコン制御手段５０内で予め不揮発性メモリに記憶されているデフォルト値を設定温度として読み出し、このデフォルト値を動作モード判定部５２が暫定的な設定温度として用いるようにしても良い。

また、車内の温度情報は、適宜な箇所に設けた車内温度検知手段としての第１車内温度センサ５５ａおよび第２車内温度センサ５５ｂから、それぞれの温度検知信号として動作モード判定部５２へ入力される。なお、車内温度情報の取得数は、２カ所に限らず、３カ所以上から取得するようにしても良いし、代表的な１カ所のみから取得するようにしても良い。また、複数の車内温度情報が複数箇所から得られる場合、全ての車内温度の平均を車内温度として利用しても良いし、各車内温度情報の取得場所であるセンサ設置場所の温度として用い、車内温度を均一にするよう、吹出口に応じて送風量を調整するようにしても良い。

上記のようにして自動運転を開始したエアコン制御手段５０が、電動コンプレッサ６０、コンデンサファン１１４、エバポレータファン１１８等の動作を制御して、車内温度を設定温度にするための制御アルゴリズムは、特に限定されるものではなく、車内形状や送風位置等に応じて適宜に設定すれば良い。

なお、既存の内燃機関自動車が標準的に備えているエンジンコンプレッサ１１１は内燃機関エンジン１００の駆動力によって従動的に動作するものであり、エンジンコンプレッサ１１１の能力をコントロールして温度制御することはできなかった。これに対して、本実施形態に係る内燃機関自動車用エアコンシステム１では、エアコン制御手段５０が電動コンプレッサ６０の制御を行う事で、ヒートポンプ式熱交換機能部１１０′の冷却能力を制御することが可能である。そこで、電動コンプレッサ６０に対するエアコン制御手段５０の動作制御の一例を、以下に説明する。

第１，第２車内温度センサ５５ａ，５５ｂから得られた車内温度と設定温度を受けた動作モード判定部５２は、現在の車内温度と設定温度との温度差を動作制御部５１へ出力し、この温度差に対応する回転数のコンプレッサ動作制御信号を動作制御部５１が生成して電動コンプレッサ６０へ出力し、これを受けた電動コンプレッサ６０の制御部６１が、コンプレッサ動作信号に応じた回転数で圧縮モータを駆動させる。

例えば、車内温度と設定温度との温度差が大きい場合には、エアコン制御手段５０から電動コンプレッサ６０へ高回転駆動が指示されるので、電動コンプレッサ６０における圧縮モータの回転数が高くなり、電動コンプレッサ６０からコンデンサ１１３へ単位時間当たりに供給される冷媒の量が多くなる。これにより、エバポレータ１１７を単位時間当たりに流れる冷媒の量を大きく増やすことができ、エバポレータ１１７内を通過する空気と熱交換可能な熱量を高めることにより、熱交換後の空気温度を一気に低くし、短時間で車内温度を下げる制御が可能となる。なお、電動コンプレッサ６０への制御と併せてコンデンサファン１１４の回転数を上げると、コンデンサ１１３での凝集能力が高まるので、エバポレータ１１７での熱交換能力を一層高めることができる。

一方、車内温度と設定温度との温度差が小さい場合には、エアコン制御手段５０から電動コンプレッサ６０へ低回転駆動が指示されるので、電動コンプレッサ６０における圧縮モータの回転数が低くなり、電動コンプレッサ６０からコンデンサ１１３へ単位時間当たりに供給される冷媒の量が少なくなる。これにより、エバポレータ１１７を単位時間当たりに流れる冷媒の量を減らすことができ、エバポレータ１１７内を通過する空気と熱交換可能な熱量を低く抑えることにより、熱交換後の空気温度の低下を抑え気味にし、車内温度を下げ過ぎない制御が可能となる。なお、電動コンプレッサ６０への制御と併せてコンデンサファン１１４の回転数を下げると、コンデンサ１１３での凝集能力を抑制できるので、エバポレータ１１７での熱交換能力の更なる抑制が可能となる。

このように、内燃機関自動車用エアコンシステム１によれば、内燃機関エンジン１００が停止しているときでも、大容量バッテリ３０から供給される電力を用いて、車内冷房の自動制御を行う事ができる。なお、車輌の停車中に大容量バッテリ３０が空になってしまった場合など、アイドリングもやむを得ないときには、大容量発電機１０および発電制御手段２０によって必要十分な電力が得られるように、内燃機関エンジン１００の回転数を上げて、大容量発電機１０の発電能力を高めるアイドルアップ装置７０を備えるようにしても良い。

また、本実施形態に係る内燃機関自動車用エアコンシステム１は、既存の内燃機関自動車と同様に、車内冷房をマニュアルで動作せることも可能である。

車内冷房をマニュアルで動作させる場合には、先ず、車輌のキースイッチ１４１をオンにして、直流電圧変換手段４０とエアコン制御手段５０を起動させ、エアコンのオートスイッチ５３をオフ（例えば、ｍａｎｕａｌ）に設定する。この操作により、エアコン制御手段５０の動作モード判定部５２は、マニュアルモードが選択されたと判断し、マニュアルモードの動作指示を動作制御部５１へ送信すると、これを受けた動作制御部５１が予め定めた標準回転数で動作させるためのコンプレッサ動作制御信号を電動コンプレッサ６０へ出力し、これを受けた電動コンプレッサ６０の制御部６１が、標準回転数で圧縮モータを駆動させる。また、エアコン制御手段５０の動作制御部５１は、コンデンサファン１１４のファンモータを予め定めた標準回転数で動作させる。

一方、オートスイッチ５３のオン／オフは、エバポレータファン制御部１４３にも入力されており、オートスイッチ５３がマニュアルに設定されることで、エバポレータファン制御部１４３はエバポレータファン１１８のファンモータの回転制御を開始する。エバポレータファン制御部１４３は、前述したようにエバポレータファンスイッチ１４２の設定に応じた風量となるように、エバポレータファン１１８を制御する。すなわち、車内冷房をマニュアルで動作させる場合は、電動コンプレッサ６０およびコンデンサファン１１４は標準運転となって調整することができず、エバポレータファン１１８による風量調整のみ可能となる。

また、本実施形態に係る内燃機関自動車用エアコンシステム１は、停車中だけで無く、車輌走行中も車内冷房を動作させることができる。車輌走行中は、内燃機関エンジン１００が駆動しているので、大容量発電機１０および発電制御手段２０を動作させて、直流２４Ｖを供給し続けることが可能である。したがって、発電制御手段２０からの直流２４Ｖによって大容量バッテリ３０を充電しつつ、直流電圧変換手段４０を動作させることが可能であるから、オートスイッチ５３の設定に応じた自動運転もしくはマニュアル運転で、車内冷房を使うことができる。

加えて、車輌の走行中は、内燃機関エンジン１００が駆動しているので、既存の内燃機関自動車と同様に、車内暖房を使うことも可能である。すなわち、既存の内燃機関自動車では、内燃機関エンジン１００の駆動力で動作するウォータポンプ（図示省略）を備えており、内燃機関エンジン１００を冷やすための冷却水をウォータジャケット１５１に通し、内燃機関エンジン１００から出る熱で高温になった冷却水を、循環路１５２によってヒータコア１５３内を通過させることにより、ヒータコア１５３を加温するのである。このヒータコア１５３は、エバポレータ１１７の出口側で冷風路と分岐する温風路に配置され、エバポレータ１１７を通過して除湿された冷気が温風路に入ると、温風路の通過中にヒータコア１５３で暖められて温風となり、吹出口から車内へ吹き出すこととなる。なお、エバポレータ１１７を通過した冷気が冷風路と温風路に分かれる流量比は、エア・ミックス・ドア１５４の位置によって調整することができる。

以上のように、内燃機関自動車用エアコンシステム１では、冷房動作機能のみを完全電動化してアイドリング・ストップ対応とし、暖房動作機能には、既存の内燃機関自動車と同様に内燃機関エンジン１００の廃熱を利用する構成とすることもできる。そもそも、停車中の特装車で、各種の業務用機材が稼動しているとき、一般には、業務用機材から放出される熱が車内にこもりやすく、冬期においても特装車内で暖房が必要になる機会はそれほど多くないと考えられるからである。

しかしながら、発熱量の少ない業務用機材しか装備していない特装車では、冬期に暖房が必要となる可能性もあり、既存の内燃機関自動車と同様に内燃機関エンジン１００の廃熱を利用する暖房動作機能に依存していると、車内暖房を使うためにアイドリングさせなければならない状況も考えられ、好ましくない。

そこで、本実施形態に係る内燃機関自動車用エアコンシステム１は、暖房動作機能も完全電動化してアイドリング・ストップに対応可能な構成とした。斯くするために、既存の内燃機関自動車に搭載されているエンジン連動型のウォータポンプに代えて、電気で駆動させる電動ウォータポンプ８１を循環路１５２内適所に取り付けると共に、冷却水加熱用のブロックヒータ８２を冷却水流路の適所に臨ませるものとした。

このように、暖房時もアイドリング・ストップ対応とした内燃機関自動車用エアコンシステム１においては、エアコン操作パネル５４の操作によりエアコン制御手段５０へ入力された設定温度から、動作モード判定部５２が暖房動作を必要と判断すると、設定温度と車内温度との温度差を動作制御部５１へ出力し、動作制御部５１がヒートポンプ式熱交換機能部１１０′を制御することと併せて、電動ウォータポンプ８１およびブロックヒータ８２を動作させる。

設定温度と車内温度との温度差が大きい場合には、ブロックヒータ８２の加熱量を高めると共に、電動ウォータポンプ８１の流量を増やして、ヒータコア１５３での熱交換量を高めれば良い。逆に、設定温度と車内温度との温度差が小さい場合には、ブロックヒータ８２の加熱量を低くすると共に、電動ウォータポンプ８１の流量を減らして、ヒータコア１５３での熱交換量を低くすれば良い。なお、ブロックヒータ８２による加熱量を変更制御できない場合には、電動ウォータポンプ８１に対する制御のみで、温度調節を行うようにすれば良い。

電動ウォータポンプ８１を用いる場合、車輌走行時も内燃機関エンジン１００を冷却するために電動ウォータポンプ８１を駆動させる必要がある。走行中における電動ウォータポンプ８１の駆動制御は、エアコン制御手段５０ではなく、エンジンコントロールユニット等の走行制御装置に持たせておくことが望ましい。このように、電動ウォータポンプ８１によって内燃機関エンジン１００を冷却する構造とすれば、エンジン冷却が必要なときに必要なだけ電動ウォータポンプ８１を駆動させることができるので、内燃機関エンジン１００の冷却をより最適にコントロールできるという利点もある。無論、内燃機関エンジン１００の駆動力でウォータポンプを動作させる必要がない分、内燃機関エンジン１００の負荷が軽減されるので、燃費向上にも効果がある。

また、ブロックヒータ８２は、寒冷地等での冷却水凍結防止のために市販されている既存品を使用することができる。しかし、ブロックヒータ８２による加熱量は、内燃機関エンジン１００による加熱量に比べると、非常に低いものであるから、熱ロスを極力低く抑えるためには、ラジエータ（図示省略）やウォータジャケット１５１を通過させずに、最短となるように冷却水路を切り替えた循環路１５２で、ヒータコア１５３まで加熱した冷却水を供給できるようにしておくことが望ましい。

加えて、一般的には、車内暖房を行う場合でも、フロントガラスの曇りを抑制するために、ヒートポンプ式熱交換機能部１１０′を作動させて、エバポレータ１１７で除湿するものとなっているが、そのためにエバポレータ１１７で冷やされた空気がヒータコア１５３へ導かれることになり、ヒータコア１５３による空気の加熱温度が十分に高まらず、暖房の利きが悪くなる可能性もある。そこで、車輌の停車中であって、車内空気の除湿が必要とされない場合に限って、ヒートポンプ式熱交換機能部１１０′を作動させずに、エバポレータファン１１８でヒータコア１５３への送風量のみ調整する車内暖房を行えるようにしても良い。

このように、内燃機関エンジン１００の駆動力を必要とせずに、車内冷暖房を行えるようにした内燃機関自動車用エアコンシステム１を用いれば、既存の内燃機関自動車を、アイドリング・ストップ対応のエアコンシステムを備えた内燃機関自動車にすることができる。しかも、既存の内燃機関自動車のエアコンシステムを流用しつつ、内燃機関エンジンと連動して駆動するコンプレッサとウォータポンプを夫々電動コンプレッサ６０と電動ウォータポンプ８１に変更するといった最小限の構成変更で内燃機関自動車用エアコンシステム１とすることができるので、省スペース且つ低コストで内燃機関自動車に装備することが可能である。

以上、本発明に係る内燃機関自動車用エアコンシステムの実施形態を添付図面に基づいて説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない範囲で、公知既存の等価な技術手段を転用することにより実施しても構わない。

１ 内燃機関自動車用エアコンシステム
１０ 大容量発電機
２０ 発電制御手段
３０ 大容量バッテリ
４０ 直流電圧変換手段
４１ 第１ＤＣ／ＤＣコンバータ
４２ 第２ＤＣ／ＤＣコンバータ
５０ エアコン制御手段
６０ 電動コンプレッサ
１００ 内燃機関エンジン
１１０′ ヒートポンプ式熱交換機能部
１１１ エンジンコンプレッサ
１１２ａ〜１１２ｅ 第１〜第５配管
１１３ コンデンサ
１１４ コンデンサファン
１１５ レシーバ
１１６ 膨張弁
１１７ エバポレータ
１１８ エバポレータファン

Claims (6)

1. 燃料を内部で燃焼させる内燃機関エンジンにより走行用の駆動力を得る内燃機関自動車に装備され、ヒートポンプ式熱交換のために冷媒を断熱圧縮するコンプレッサを含む内燃機関自動車用エアコンシステムであって、
   前記コンプレッサには、内燃機関エンジンによって駆動力を得るエンジンコンプレッサに代えて、所要の駆動電圧が供給されることで動作する電動コンプレッサを用い、
   前記内燃機関エンジンの駆動力によって動作し、少なくとも前記電動コンプレッサの消費電力を超える発電能力を備えた大容量発電機と、
   前記大容量発電機の出力を適正に保持させるよう発電能力を制御すると共に、前記大容量発電機で発電した電力を適正電圧の直流に変換して出力する発電制御手段と、
   前記発電制御手段より得られる適正電圧で充電され、少なくとも前記電動コンプレッサを所要時間以上連続稼動させ得る蓄電容量を備えた大容量バッテリと、
   前記発電制御手段もしくは前記大容量バッテリから供給される適正電圧の直流を、前記電動コンプレッサの駆動電圧に変換して電動コンプレッサへ供給する機能を備えた直流電圧変換手段と、
   少なくとも、前記直流電圧変換手段により変換された駆動電圧が供給されて動作する電動コンプレッサをコントロールするコンプレッサ動作制御信号を出力し、エアコンの冷却能力を制御するエアコン制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関自動車用エアコンシステム。
2. 前記直流電圧変換手段は、前記発電制御手段もしくは前記大容量バッテリから供給される適正電圧の直流を、内燃機関自動車が標準的に備える車輌バッテリの蓄電電圧に変換し、車輌バッテリおよび車輌電装品へ供給する機能を備えたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関自動車用エアコンシステム。
3. 前記エアコン制御手段は、
   前記電動コンプレッサにより断熱圧縮された高温の冷媒が供給されるコンデンサに向けて熱交換用の空気を送るコンデンサファンと、
   気化した低温冷媒が供給されるエバポレータに向けて熱交換用の空気を送るエバポレータファンと、
   を制御することにより、エアコンの冷却能力を制御するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関自動車用エアコンシステム。
4. 前記エアコン制御手段は、
   車内の適所に設けられた車内温度検知手段から供給される車内温度情報と、
   利用者によって操作される操作パネルから供給される希望温度情報と、
   に基づいて、車内温度を希望温度に一致させるべく、エアコンの冷却能力を制御するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の内燃機関自動車用エアコンシステム。
5. 前記大容量バッテリから諸情報を受け取り、大容量バッテリの諸情報を表示するバッテリ監視パネルを備えることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の内燃機関自動車用エアコンシステム。
6. アイドリング時の内燃機関エンジンの回転数を上げて、前記大容量発電機の発電能力を高めるアイドルアップ装置を備えることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の内燃機関自動車用エアコンシステム。

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