JP4358688B2 - 車両用空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両などに搭載される車両用空気調和装置に関する。

従来、低温低圧のガス冷媒を圧縮して高温高圧のガス冷媒（ホットガス）を送出する圧縮機と、高温高圧のガス冷媒を凝縮させて高温高圧の液冷媒とする熱交換器（コンデンサ）と、高温高圧の液冷媒を減圧・膨張させて低温低圧の液冷媒（霧状）とする絞り機構と、低温低圧の液冷媒を気化させて低温低圧のガス冷媒とする熱交換器（エバポレータ）とを冷媒流路で接続して形成される冷凍サイクルを用いた車両用空気調和装置 が知られている。
この冷凍サイクルは、通常の車両用空調装置において、冷房および除湿を行うための冷却装置として使用されている。また、暖房装置としては、車両走行用エンジン（内燃機関）の廃熱を利用した熱交換器（ヒータコア）が一般的に使用されている。この場合の廃熱は、エンジンを冷却することで加熱され、温水となったエンジン冷却水の熱を利用するものであり、温水ヒータとも呼ばれている。

このような車両用空気調和装置では、冷房および除湿を行う冷却能力を備えたエバポレータと、暖房を行う加熱能力を備えたヒータコアとが空調空気の流路内、例えばＨＶＡＣ（Ｈｅａｔｉｎｇ， Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ， ａｎｄ Ａｉｒ−Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）ユニット内に直列に配置されている。そして、ダンパ等により空調する空気の流路を切り換えて、冷房運転、暖房運転及び除湿暖房運転等を実施するようになっている。
このような、内燃機関の廃熱を利用した暖房装置では、近年におけるエンジンの高効率化に伴い廃熱量が減る傾向にあるため、十分な暖房能力を得ることが難しくなってきた。そのため、不足する暖房能力を補うために電気ヒータなどの補助ヒータを用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
また、ヒータコアで加熱された空気の一部を、補助ヒータによりさらに加熱し、後流側においてミックスする方法が提案されている（例えば、特許文献２および３参照。）。
特開平１１−５４２６号公報 特開平１０−１５７４４４号公報 特開２００３−３４１１４号公報

上述した特許文献１においては、第１空気通路の全面に補助ヒータを配置しているため、第１空気通路の流路抵抗が増大して第１空気流路を流れる空気流量が減少する可能性があった。空気流量が減少すると、補助ヒータよりも加熱能力の大きなヒータコアの加熱能力を十分に用いることが困難となり、暖房能力の不足を招いてしまう。

上述した特許文献２および３においては、エバポレータとヒータコアとの間の空調ダクトに、側面から中央部に向けて壁部が形成されているため、空気は壁部から逃れる方向に偏って流れる傾向にあった。
そのため、ヒータコアを流れる空気流量の分布が不均一になり、ヒータコアの加熱能力を十分に用いることができず、暖房能力が不足しやすいという問題があった。

また、補助ヒータは、空調ダクトの壁部が形成されている側の空気流量が少ない領域に配置されているので、補助ヒータの加熱能力を十分に用いることが難しいという問題があった。
さらに、補助ヒータは流れ抵抗を有するため、補助ヒータを流れる空気の流量が更に減少し、補助ヒータの加熱能力が更に発揮されにくくなるという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、暖房能力の向上を図ることができる車両用空気調和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に、本発明は、以下の手段を提供する。
請求項１に記載の車輌用空気調和装置は、空気の流路を形成するケーシングと、前記流路内に流入した空気を冷却するエバポレータと、冷却された空気を加熱するヒータコアと、加熱された空気の一部を加熱する補助ヒータと、前記エバポレータと前記ヒータコアとの間の前記流路には、前記流路の下面から上方に向けて前記空気の流れを遮るように延びる壁部と、を備え、前記ヒータコアには、温水が前記ヒータコアの下部から供給され、空気と熱交換した後に、前記ヒータコアの上部から流出し、前記補助ヒータが、前記ヒータコアの後流側の上方であって、前記壁部により偏った空気の流れが当たる領域に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、補助ヒータを流路抵抗の小さい、すなわち空気流量の多い領域に配置していることにより、補助ヒータが配置された領域の流路抵抗が高くなり、補助ヒータを他の領域に配置した場合と比較して、ヒータコア近傍領域の流路内を流れる空気の流量分布を均一化することができる。そのため、ヒータコアの略全面から均一に熱を空気に伝えることができ、ヒータコアの加熱能力をより有効に用いることができる。
また、補助ヒータを空気流量の多い領域に配置することにより、補助ヒータを流量の少ない領域に配置している場合と比較して、多くの空気を補助ヒータに当てることができ、補助ヒータの能力をより有効に用いることができる。補助ヒータとしては、ＰＴＣヒータが好適である。

エバポレータとヒータコアとの間に設けた壁部により、流路の上方に偏る空気の流れに当たるように、補助ヒータが流路の上方に配置されている。そのため、補助ヒータを他の領域に配置した場合と比較して、ヒータコア近傍領域の空気の流量分布を均一化することができる。これにより、ヒータコアの略全面から均一に熱を空気に伝えることができ、ヒータコアの加熱能力を十分に用いることができる。
また、補助ヒータは、偏った空気の流れに当たるように配置されているため、他の領域に配置した場合と比較して、多くの空気を補助ヒータに当てることができ、補助ヒータの能力を十分に用いることができる。補助ヒータとしては、ＰＴＣヒータが好適である。

さらに、例えば、ヒータコア内に空気よりも温度の高い温水を一方向に流して空気を加熱する場合において、温水の温度が低下した領域に補助ヒータを配置することにより、補助ヒータの加熱の能力を十分に用いることができる。また、温水温度の低下する領域と空気の流れが偏る領域とが一致するようにヒータコアを配置することによって、ヒータコアの加熱能力を十分に用いることもできる。

本発明の車両用空気調和装置によれば、補助ヒータを流路抵抗の低い領域に配置しているため、補助ヒータにより多くの空気を当てることができ、補助ヒータの加熱能力をより有効に用いることができ、暖房能力の向上を図ることができるという効果を奏する。
また、補助ヒータを配置することにより、ヒータコアに当たる空気の流量分布を均一化することができるため、ヒータコアの加熱能力をより有効に用いることができ、暖房能力の向上を図ることができるという効果を奏する。

この発明の実施の形態に係る車両用空気調和装置について、図１から図３を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る車両用空気調和装置が車両のフロントに配置された状態を示す斜視図である。
車両用空気調和装置１は、図１に示すように、冷暖房などの空気調和を行う車両用空気調和ユニット１０と、冷房運転時に空気調和ユニット１０へ冷媒を供給する冷媒系５０と、暖房運転時に空気調和ユニット１０へ熱源となるエンジン冷却水を供給する加熱源系６０と、から概略構成されている。

図２には、空気調和ユニット１０の概略構成の断面が示されている。
空気調和ユニット１０は、ケーシング１１と、ケーシング１１内に空気を送り込むブロアファン（図示せず）と、空気を冷却および除湿するエバポレータ１２と、冷却および除湿された空気を加熱するヒータコア１３と、加熱された空気をさらに加熱するＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）ヒータ（補助ヒータ）１４と、から概略構成されている。以下、この空気調和ユニット１０を空気の流れの順に説明する。

ケーシング１１には空気の流入口２１が形成されていて、流入口２１にはブロアファンから空気が送り込まれる。空気はケーシング１１内に形成された流路２２内を流れ、エバポレータ１２に流入する。エバポレータ１２は、冷房運転時に、後述する冷媒系５０（図１参照）から低温低圧の液冷媒の供給を受け、エバポレータ１２を通過する空気と液冷媒との間で熱交換を行っている。この結果、空気は冷媒に熱を奪われて冷却および除湿された冷風となる。暖房運転時には、動作していないエバポレータ１２を通過した空気が、後述するヒータコア１３へ導かれる。

ヒータコア１３は、エバポレータ１２に対して略水平方向に並んで配置されているとともに、加熱源系６０（図１参照）のエンジンから温水が供給されている。温水は、ヒータコア１３の下部（図中の下方）から供給され、空気と熱交換した後に、ヒータコア１３の上部（図中の上方）から流出し、再びエンジンに戻される。
エバポレータ１２とヒータコア１３との間には、流路２２の内面から高さ方向略中央部にまで立ち上がる仕切り部（壁部）２３が形成されている。仕切り部２３は、エバポレータ１２により除湿された水および外部からケーシング１１内に侵入した雨などの水を、その下方角部で、さらに下流に侵入しないように堰き止めている。仕切り部２３に堰き止められた水は、仕切り部２３とエバポレータ１２との間に形成されたドレイン２４から排出される。

仕切り部２３の上方には、エアミックスダンパ２５が配置されている。エアミックスダンパ２５は、ケーシング１１の幅方向（紙面に対して垂直方向）を向いた略水平の回動軸２５ａを中心に回動自在に設けられており、先端部２５ｂが揺動することにより、仕切り部２３に接触・離間するようになっている。
エアミックスダンパ２５と仕切り部２３とが接触した状態にあっては、エアミックスダンパ２５と仕切り部２３とによって空気がヒータコア１３に流入することが阻止される。阻止された空気は、上方に流れて、後述するデフロスト吹出口２６、フェイス吹出口２７またはフット吹出口２８に流入する。エアミックスダンパ２５は、回動させて仕切り部２３から離間させるにつれてヒータコア１３への流入量が上昇するようになっている。
暖房運転時には、エアミックスダンパ２５が上方にまで回動し、エバポレータ１２を通過した空気の全てがヒータコア１３に流入する。

ヒータコア１３の後流側（図中の左側）の上方には、ＰＴＣヒータ１４がヒータコア１３と略平行に配置されている。
ＰＴＣヒータ１４は、図３に示すように、ヒータ筐体１５と、熱を発生するＰＴＣ素子１６と、ＰＴＣ素子１６から発生した熱を空気に伝えるフィン１７と、ＰＴＣ素子１６に電力を供給する配線１８とから概略構成されている。空気は紙面に対して垂直方向に流れ、ＰＴＣ素子１６の表面およびフィン１７の間を流れることにより、ＰＴＣヒータ１４から熱を受け取り加熱される。

ヒータコア１３およびＰＴＣヒータ１４により加熱された空気は、図２に示すように、ヒータコア１３およびＰＴＣヒータ１４の背後（後流側）を上方に向けて流れて、後述するデフロスト吹出口２６、フェイス吹出口２７またはフット吹出口２８に流入する。ＰＴＣヒータ１４の後流側には、エアミックスダンパ２５と回動軸２５ａを共有するダンパ２９が配置されている。ダンパ２９はエアミックスダンパ２５と連動して回動するように構成されている。エアミックスダンパ２５が仕切り部２３と接触した状態では、ダンパ２９は流路２２を閉じて、冷風がヒータコア１３に逆流しないようしている。暖房運転時には、流路２２を開いて加熱された空気をデフロスト吹出口２６、フェイス吹出口２７またはフット吹出口２８に流入させている。

ケーシング１１の上部には、デフロスト吹出口２６、フェイス吹出口２７およびフット吹出口２８が設けられている。デフロスト吹出口２６およびフェイス吹出口２７の間には、デフロスト・フェイスダンパ３０が取り付けられ、フェイス吹出口２７およびフット吹出口２８の間には、フットダンパ３１が取り付けられている。
デフロスト・フェイスダンパ３０は回動軸３０ａを中心に回動するように支持され、回動することで、デフロスト吹出口２６またはフェイス吹出口２７を塞ぐように配置されている。フットダンパ３１は回動軸３１ａを中心に回動するように支持され、回動することでフット吹出口２８を塞ぐように配置されている。また、フットダンパ３１はその回動位置を変えることにより、フット吹出口２８に流れる空気の流量と、デフロスト吹出口２６またはフェイス吹出口２７に流れる空気の流量を調節することができる。

次に、冷媒系５０の構成を、図１および図２を参照しながら説明する。
冷媒系５０は、図１および図２に示すように、エバポレータ１２に低温低圧の液冷媒を供給するものであって、エバポレータ１２の他に、コンプレッサ５１と、コンデンサ５２と、膨張弁５３とから概略構成されている。
コンプレッサ５１は、エバポレータ１２で車室内または車外の空気の熱を奪って気化した低温低圧のガス冷媒を圧縮し、高温高圧のガス冷媒としてコンデンサ５２へ送り出すものである。自動車用空気調和装置の場合、コンプレッサ５１は、通常エンジン６１よりベルト及びクラッチを介してガス冷媒を圧縮するための駆動力を受ける。

コンデンサ５２はエンジンルーム６の前部に配設されるとともに、コンプレッサ５１から供給された高温高圧のガス冷媒の熱を外気に放出させて、ガス状の冷媒を凝縮液化させるものである。液化された冷媒は、レシーバ（図示省略）へ送られて気液の分離がなされた後、高温高圧の液冷媒のみが膨張弁５３に送られる。膨張弁５３では、高温高圧の液冷媒を減圧・膨張させることによって低温低圧の液（霧状）冷媒とし、エバポレータ１２へ供給する。なお、膨張弁５３は、一般的にはエバポレータ１２と共に設置されている。

続いて、加熱源系６０の構成を、図１および図２を参照しながら説明する。
加熱源系６０は、図１および図２に示すように、ヒータコア１３に熱源となる高温のエンジン冷却水を供給するもので、エンジン６１とラジエタ６２との間を循環するエンジン冷却水系から、その一部を空気調和装置に導入するものである。

このように構成された車両用空気調和装置１では、ブロアファンを駆動することにより、車室内または車室外の空気が流入口２１からケーシング１１に導入されてエバポレータ１２へと送られる。エバポレータ１２内を流れる空気は、冷媒系５０から供給される低温低圧の冷媒に熱を奪われることで冷却および除湿され、さらに後流側のヒータコア１３に向かって流れる。

ここで、ヒータコア１３に向かう空気の流れの内、流路２２の下方の流れは仕切り部２３に堰き止められるため流路２２の上方へ流れ、空気の流れ全体としては流路抵抗の少ない流路２２の上方に偏った流れになる。
仕切り部２３が形成された領域を通過した空気は、次にヒータコア１３に流入する。ヒータコア１３の後流側の上方にはＰＴＣヒータ１４が配置されているため、ヒータコア１３の近傍領域においては、流路２２の上方の流路抵抗が高くなる。その結果、ヒータコア１３の下方にも空気が流れ込むようになり、流路２２の上方に偏った空気の流れが均一化されて、空気がヒータコア１３に対して均一に流入するようになる。

ヒータコア１３に流入した空気は、ヒータコア１３を通過する際にエンジン冷却水により加熱される。なお、エンジン冷却水はヒータコア１３の下方から供給されるため、ヒータコア１３の下方において温度が高く、上方に流れるにつれて温度が下がる。そのため、ヒータコア１３に加熱された空気も、下方を通過した空気は温度が高く、上方を通過した空気は温度が低くなる。
ヒータコア１３の上方を通過した空気は、ＰＴＣヒータ１４に流入し、ＰＴＣ素子１６およびフィン１７の間を通過する際に加熱される。
ヒータコア１３およびＰＴＣヒータ１４に加熱された空気は、各吹出口２６，２７，２８に分配されて車室内に吹き出される。

上記の構成によれば、仕切り部２３により偏った空気の流れが当たる領域、すなわち流路２２の上方にＰＴＣヒータ１４を配置しているため、ヒータコア１３近傍領域を流れる空気の流量分布を均一化し、ヒータコア１３の略全面から均一に熱を空気に伝えることができる。そのため、ヒータコア１３の一部領域に空気を大量に流す場合と比較して、空気に伝えることができる熱量を増やすことができ、車両用空気調和装置１の暖房能力を向上させることができる。

また、ＰＴＣヒータ１４をエンジン冷却水の温度が低下するヒータコア１３の上部に配置しているため、他の領域に配置している場合と比較して、ＰＴＣヒータ１４には、温度の低い空気が流れ込む。そのため、ＰＴＣヒータ１４は流れ込んだ空気により多くの熱を与えることができ、ＰＴＣヒータ１４の加熱能力をより有効に用いることができる。その結果、車両用空気調和装置１の暖房能力を向上させることができる。
ＰＴＣヒータ１４に偏った空気の流れが当たるため、ＰＴＣヒータ１４に多量の空気を通過させることができ、ＰＴＣヒータに少量の空気を通過させる場合と比較して、ＰＴＣヒータ１４の加熱能力をより有効に用いることができる。

また、ＰＴＣヒータ１４の熱源にＰＴＣ素子１６を用いることにより、温度センサや制御部などを用いることなく、ＰＴＣヒータ１４の温度を一定の温度を保つことができる。また、ＰＴＣヒータ１４を通過する空気量が増加したり、通過する空気の温度が低下したりして、ＰＴＣヒータ１４から奪われる熱量が増えても、ＰＴＣ素子１６の特性により発熱量が増加し、ＰＴＣヒータ１４の温度を一定の温度を保つことができる。
つまり、空気流量が多く、かつヒータコア１３内のエンジン冷却水温度が低下する領域である流路２２の上方に、ＰＴＣヒータ１４を配置することにより、ＰＴＣヒータ１４の加熱能力をさらに有効に用いることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、ＰＴＣ素子１６を用いたＰＴＣヒータ１４をヒータコア１３の補助ヒータとして用いる構成にとして説明したが、このＰＴＣヒータ１４を用いる構成に限られることなく、電熱線を用いた補助ヒータや、エンジンの冷却水を用いた補助ヒータなど、その他各種の熱源を用いた補助ヒータに変更することができるものである。

本発明による車両用空気調和装置の一実施形態を示す概略図である。 図１に示した、空気調和ユニットを示す断面図である。 図２に示した、ＰＴＣヒータを示す図である。

符号の説明

１ 車両用空気調和装置
１１ ケーシング
１２ エバポレータ
１３ ヒータコア
１４ ＰＴＣヒータ（補助ヒータ）
２２ 流路
２３ 仕切り部（壁部）

Claims (1)

1. 空気の流路を形成するケーシングと、前記流路内に流入した空気を冷却するエバポレータと、冷却された空気を加熱するヒータコアと、加熱された空気の一部を加熱する補助ヒータと、前記エバポレータと前記ヒータコアとの間の前記流路には、前記流路の下面から上方に向けて前記空気の流れを遮るように延びる壁部と、を備え、
   前記ヒータコアには、温水が前記ヒータコアの下部から供給され、空気と熱交換した後に、前記ヒータコアの上部から流出し、
   前記補助ヒータが、前記ヒータコアの後流側の上方であって、前記壁部により偏った空気の流れが当たる領域に配置されていることを特徴とする車両用空気調和装置。

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