JP4801197B2 - 電気自動車用防曇・空調システム - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車の車内空間、とりわけウインドウ周辺空気の相対湿度を制御し、特に梅雨時や冬季の視界を遮るウインドウの結露による曇りを防止する電気自動車用防曇・空調システムに関する。

近年、地球温暖化の傾向が顕著となり、その対策の一環として主たる温室効果ガスである二酸化炭素の排出量を削減すべく化石燃料を全く使用しない電気自動車の導入が進められている。
しかしながら電気自動車では次の様な問題がある。例えば、冬季に外気温が氷点下となる条件でのバッテリー性能が低下する問題や、外気が車室内温度より低温となる冬季や梅雨時などに、乗員から排出される水蒸気（不感常泄）がウインドウガラスに結露し視界が妨げられる問題などである。
前者はバッテリーを何らかの手段で保温すれば良いが、後者の問題は車室内空気の除湿が対策となるが、電気自動車の場合は、従来自動車の様に圧縮式空調（冷凍）システムによる冷却除湿に頼ることは、蓄電力の消費となり（走行可能距離の短縮となり）避けなければならない。

例えば、外気が5℃、60％RH（絶対湿度2.6g／kg）の環境下で、車内容積が4m3（＝空気重量4.8kg）の電気自動車に乗員3名が乗車した場合、人間の不感常泄量（水蒸気発散量）は約30g／h・人であるから、車内の絶対湿度は毎時18.8g／kgの速度で上昇する。このため、ウインドウガラス近傍の空気温度が5℃となれば、相対湿度100％（絶対湿度5.4g／kg）には約9分で到達し、結露（窓が曇る）が始まる。

従来の自動車であれば、エンジン排熱を利用しウインドウガラス近傍の空気温度を上昇させて相対湿度を低下して結露を防止する手段や、エアコンを稼働させ冷却除湿し空気の絶対湿度を低下させた後に再加熱した空気をウインドウガラスへ噴射するなどの対策を行っているが、電気自動車では有効な熱源が無いために、この対策は取れない。

一方、電気自動車はリチウムイオン電池などの蓄電バッテリーに電力を蓄え、蓄えた電力によりモータを駆動して走行する。従って、暖房や防曇などのために、加熱源やエアコンの動力源として電力を消費する事は、電気自動車の走行可能距離の短縮や、高価なリチウムイオン電池の容量アップに繋がり経済性を損なうこととなる。従って、電力の使用を抑制できる防曇・空調システムの開発は喫緊の課題であると言える。

近年、空気の除湿を効果的に行う手段として、デシカント調湿技術が提案されている。例えば下記特許文献１では、２つのデシカント（水分吸脱装置部内に設置された除湿剤）を処理空気と再生空気の流通経路に交互に切り換え接続可能な状態に配置し、一方のデシカントで処理空気中の水分を吸着する時に、他方のデシカントを再生空気によって再生し、２つのデシカントを交互に使用し、外気を除湿するようにした空調システムが記載されている。

特開２００７−０３２９１２号公報

前記特許文献１記載のデシカント空調システムのように、従来のデシカント調湿装置の多くは室内へ供給する外気（処理空気）の除湿が目的であり、比較的短時間に除湿剤の吸着工程と再生工程を繰り返す構成であり、また、処理空気を低湿化する際の吸湿熱を暖房へ積極的に活用するものは無い状況である。

また、従来の化石燃料を使用する自動車では、冬季でもカーエアコンを作動させ、室内空気を露点以下に冷却することで結露により除湿し、その後にヒータにて該空気を加熱して低相対湿度空気としてウインドウへ吹きつけることでウインドウの曇を防止する手段を用いている。しかしながら電気自動車では加熱源となる排熱がわずかであり、そのためにバッテリーに蓄えている電気を利用することは走行距離の短縮を引き起こすなどの問題がある。

また、電気や化石燃料を使用せずに空気を加熱する手段として、潜熱蓄熱体に熱を蓄える手法が考えられる。これは、電気自動車の停車充電時に潜熱蓄熱体を電気加熱して溶融状態として、走行時に溶融状態にある潜熱蓄熱体と低温空気を直接あるいは間接的に接触させて、潜熱蓄熱体が保有する温熱を空気へ移動させ加熱を行うものである。この様な潜熱蓄熱体として、融点が30℃〜80℃程度のパラフィン類や無機水和塩が知られているが、現時点では製品としての価格も決定できておらず、多くは試作品に留まっており、電気自動車へ適用するには非現実的な状況である。

本発明は、このような従来の技術的問題点を解決し、電気自動車においてもその走行時にウインドウに発生する曇を防ぐと共に、室内空気を加熱することが可能な電気自動車用防曇・空調システムを提供することを課題とする。

本発明は、電気気自動車の車内の空気を防曇ノズル（６）へ導く第１の通風ダクト（５ａ）と前記防曇ノズル（６）との間に設けられた除湿ユニット（１）を備えた電気自動車用防曇・空調システムであって、
前記第１の通風ダクト（５ａ）は、一方が前記車内に連結され、他方が前記除湿ユニット（１）の一方に連結されてなり、前記除湿ユニット（１）の他方に連結された第２の通風ダクト（５ｂ）と、
前記防曇ノズル（６）に一方が連結された第３の通風ダクト（５ｃ）と、
外部に前記車内の空気を排出させるための排気ダクト（７）と、
前記車内に一方が連結されて外気を前記車内に導くための外気導入ダクト（９）と、
第１の孔、第２の孔、第３の孔並びに内部にガイドベーン（８）を備え、第１の孔には前記排気ダクト（７）が連結され、前記第２の孔には前記第３の通風ダクト（５ｃ）の他方が連結され、前記第３の孔には、前記第２の通風ダクト（５ｂ）が連結され、前記ガイドベーン（８）の切替えによって、前記除湿ユニット（１）に連結された前記第２の通風ダクト（５ｂ）からの除湿剤（２）を通過後の空気を前記第３の通風ダクト（５ｃ）に送る又はその空気を前記排気ダクト（７）に送る流路切替え装置（１３）と、
前記排気ダクト（７）の外側に設置され、前記外気導入ダクト（９）の他方を連結した外気導入ダクト（９ａ）を備え、
前記除湿ユニット（１）は、
車内を介して、前記通風ダクト（５ａ）、前記外気導入ダクト（９）、（９ａ）と空気流通可能に接続され、かつ、前記通風ダクト（５ｂ）、および前記流路切替え装置（１３）を介して、通風ダクト（５ｃ）あるいは排気ダクト（７）と空気流通可能に接続され、内部には、前記通風ダクト（５ａ）側に第１の間隔をおいてファン（４）を設け、ファン（４）の後に第２の間隔をおいてヒータ（３）を設け、ヒータ（３）の後に第３の間隔をおいて除湿剤（２）を設け、この除湿剤（２）の後には所定の大きさの空洞部を設け、この空洞部からの空気を通風ダクト（５ｂ）に送るように構成し、
前記除湿剤（２）は、
高分子収着剤あるいはイモゴライト吸着剤を塗布した、折り板材（２ｂ）と平板材（２ｃ）とから形成したダンボール状の板材を複数積層した構造物にしていることを要旨とする。

また、車載の電動圧縮式冷凍装置を使用して車内温度を低下させる時においても、乗員から発生する水分（不感常泄）や、外気が車内へ持ち込む水分を、除湿ユニット（１）内の除湿剤（２）に吸わせることで、絶対湿度の低い空気が得られる。この絶対湿度の低い空気を電動圧縮式冷凍装置で冷却するので、蒸発器（エバポレータ）での結露（水蒸気凝縮）が防止できる。これにより電動圧縮式冷凍装置は空気の冷却除湿の負荷から解放され、空気を目的温度（通常は25℃程度）まで冷却するのみの負荷となり、冷凍効率の高い運転が可能な電気自動車用の防曇・空調システムが提供される。

本発明では除湿剤（２）として、高相対湿度領域で高い吸湿率、かつ低相対湿度領域で低い吸湿率を示す高分子収着剤やイモゴライトなどを使用しているので、除湿剤の再生運転時には相対湿度20％程度の乾燥空気により十分な再生運転を行うことが可能であり、走行時、室内気の相対湿度が60％程度であっても吸湿率差を大きくとる事が可能となり、除湿剤の充填量を低減化できるため軽量かつコンパクトな電気自動車用の防曇・空調システムが提供される。

更に、本発明では除湿ユニット（１）内部に設置される除湿剤（２）の形状として、断面がダンボール形状となる紙や樹脂の板材を複数積層した構造物を使用しているので、通過空気の通風抵抗を低く抑えた上に均一な空気流がえられるため、これら構造体表面に担持された除湿剤の全量を活用可能であることを特徴とする電気自動車用防曇・空調システムが提供される。

以上説明したとおり本発明の電気自動車用防曇・空調システムを用いれば、冬季や梅雨時には、電気自動車の走行時に発生するウインドウの曇りを除去した上に暖房効果が得られるので、搭載される蓄電バッテリーからの使用電力を極小に削減できる。また、夏季には車室内空気の絶対湿度を低くできるので、電動圧縮式冷凍装置内での結露（水分凝縮）を防止でき、圧縮式冷凍サイクルの運転効率を高められ、冷凍装置の小型化や軽量化も可能となる。

本発明の本質は、電気自動車の充電時と走行時（充電された電気の放出時）の時間差を除湿剤の再生と吸湿に振り分けた点にある。
要するに、電気自動車の充電時に、外部電力などのエネルギーを用いて相対湿度の低い空気を製造し、これにより除湿剤を再生し、走行時には、乗員が発する不感常泄（約30g／h・人）を除湿剤が吸着し、室内空気の絶対湿度の上昇防止作用を発生させる事が特徴である。

このように、除湿剤の利用形態を電気自動車の蓄電バッテリーの充電時と放電時に分けているので、従来のデシカント装置のように再生・吸湿運転における複雑な流路切替え等を行うことなく、かつ、軽量でコンパクトな電気自動車向けの防曇・空調システムの提供が可能となった。

本発明に係る電気自動車に設置された防曇・空調システム（１０）の構成図である。 除湿ユニット（１）の内部に設置される除湿剤（２）の形状説明図である。 電気自動車の充電時に、送風ファン（４）と電気ヒータ（３）を外部電力にて駆動し、高温の低相対湿度の空気を製造し、この低相対湿度の空気を除湿剤（２）へ送気して除湿剤（２）を再生する際の、除湿剤（２）を通過する前後の空気の状態を示す湿り空気線図である。 電気自動車の走行時、室内空気を送風ファン（４）にて除湿剤（２）へ送気することで、除湿剤（２）が空気中の水分を吸着し、空気温度が上昇し、かつ、低相対湿度となった空気状態を示す湿り空気線図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

図１は電気自動車の防曇・空調システム（１０）の概略構成図である。
防曇・空調システム（１０）は、除湿ユニット（１）、その内部に設置された除湿剤（２）、電気ヒータ（３）および送風ファン（４）、除湿ユニット（１）の下流部に設置される通風ダクト（５ｂ）、通風ダクト（５ｂ）の下流に設置される防曇ノズル（６）、および排気ダクト（７）、防曇ノズル（６）および排気ダクト（７）への送気を切替るガイドベーン（８）、および外気導入ダクト（９）、（９ａ）などから構成される。
除湿ユニット（１）は、両端に通風ダクト（５ａ）、（５ｂ）を備えている。通風ダクト（５ｂ）は、制御装置（１２）からの指令により動作する流路切替え装置（１３）に接続されている。この流路切替え装置（１３）は空気の排出口を２つ設けてあり、一方の排出口は通風ダクト（５ｃ）を経て防曇ノズル（６）に接続されている。他方の排出口は、排気ダクト（７）に接続されている。
流路切替え装置（１３）はガイドベーン（８）を備え、このガイドベーン（８）は制御装置（１２）によって、通風ダクト（５ｃ）または排気ダクト（７）を塞ぐように動作する。
図３は、電気自動車の防曇・空調システム（１０）の運転状態を示す例である。除湿ユニット（１）の内部に設置される電気ヒータ（３）および送風ファン（４）を稼働させると、状態Ａにある室内気は送風ファン（４）にて送気され、電気ヒータ（３）にて加熱され状態Ｂとなる。
状態Ｂの空気は高温かつ低相対湿度の空気であるが、これが除湿剤（２）を通過する際に、除湿剤（２）から水分を吸収し状態Ｃとなる。状態Ｃとなった空気は、排気ダクト（７）を経て車外へ排気される。排気ダクト（７）はその外周側に車外からの外気を車内へ取り込む外気導入ダクト（９ａ）を有しており、送風ファン（４）の稼働による排気に伴い空気圧が減少した車内へ外気導入ダクト（９）、（９ａ）を介し外気の流入を行っている。
この構成により排気ダクト（７）を通過する状態Ｃの排気と、外気は熱交換を行う。この時、状態Ｃの空気は温度低下するために排気ダクト（７）の内部で結露を起こす事があるが、発生したドレインは重力により車外へ排出される構成となっている。

図２は除湿ユニット（１）ならびに除湿ユニット（１）の内部に設置されている除湿剤（２）の形状を示した構成図である。除湿ユニット（１）は直方体形状であり、両端に通風ダクト（５ａ）、（５ｂ）を備えている。除湿剤（２）は高分子収着剤を塗布したダンボール状の薄板を積層した形状であり、前記ダンボール状の薄板は開口部（２ａ）を形成する折り板形状の板材（２ｂ）と平板材（２ｃ）から形成される。
図２において除湿ユニット（１）は矩形断面を持つ箱状であり、内部の除湿剤（２）も除湿ユニット（１）の形状に合致させた直方体形状であるが、除湿ユニット（１）ならびに除湿剤（２）の形状を共に円筒形状としても良い。この場合、除湿剤（２）はダンボ−ル状の平板を螺旋状に巻回して形成することが可能である。
図３は、電気自動車の充電時に、送風ファン（４）と電気ヒータ（３）を外部電力にて駆動し、高温の低相対湿度の空気を製造し、この低相対湿度の空気を除湿剤（２）へ送気して除湿剤（２）を再生する際の、除湿剤（２）を通過する前後の空気の状態を示す湿り空気線図である。

図４は、再生された除湿剤（２）が電気自動車の走行時などに吸湿作用を発揮し、状態Ｄの室内気を、状態Ｅに示される低相対湿度で高温な空気とする行程を示したものである。すなわち走行時には、図示されない蓄電バッテリー１１からの給電にて送風ファン（４）を稼働させ、状態Ｄの室内気を除湿剤（２）へ送気し、除湿剤（２）が空気中の水蒸気を吸湿し状態Ｅとする。状態Ｅの空気は、その後、図１に示される除湿ユニット（１）の下流部に設置される通風ダクト（５ｂ）、（５ｃ）を経由し、防曇ノズル（６）からフロントウインドウなどの窓ガラスへ向けて噴射され、ウインドウの結露除去あるいは結露発生を防止する。

図３，図４に示される除湿剤（２）の再生行程、吸着行程は季節に拠らず通年して繰り返される運転である。冬季や梅雨時では、その効果は防曇や室内気の加熱となって現れるが、夏季には、室内気の除湿により電動圧縮式冷凍装置での結露（蒸発器における水蒸気の凝縮）を防ぎ、冷凍サイクル効率を向上させる作用を発揮する。

電気自動車用の防曇・空調システムの構成と作用
例えば気温が低い状態においては、ウインドウも低温であるために、比較的短時間で乗員から発生する水分（人間の不感常泄）がウインドウに結露し曇りが発生する。
従来のガソリン車であれば、エンジン排熱を利用し室内気を高温とすることで簡単に相対湿度の低い空気が製造でき、これをフロントウインドウへ噴射することで曇り止めが可能であった。また、燃費は低下するが、エンジン駆動の圧縮式冷凍装置（カーエアコン）にて冷却除湿した空気をヒータにて加熱して、より相対湿度の低い空気をフロントウインドウへ噴射することでウインドウの防曇が可能であった。
また、夏季においては、冷房時に空気中の絶対湿度を低下させるために、圧縮式冷凍装置にて空気温度をかなりの低温まで冷却する必要がある。このため、冷凍システムの運転効率が低下するという本質的な問題があった。

このような現象や問題点は電気自動車にも同様に発生するが、電気自動車の場合は蓄電バッテリーにて走行時に必要となる全エネルギーを供給しようとすると、大容量の蓄電バッテリー搭載が不可欠で、コスト的にも重量的にも大きな課題となる。また、電気自動車では走行時の発熱源は周波数変換器などの電気系統のみであり、その発熱量は内燃機関を用いる自動車に比して極めて低いため、車内の暖房や防曇は大きな課題となる。このような問題を解決する観点から、電気自動車に設置された防曇・空調システム（１０）の構成と作用に付いて説明する。

図２に示されるように、除湿ユニット（１）の内部に通気可能な状態で、高分子収着剤が塗布された除湿剤（２）が設置されている。電気自動車が商用電源から受電し、図示されない蓄電バッテリー（１１）への充電と同時に、電気ヒータ（３）と送風ファン（４）を駆動して高温化され相対湿度が20％程度まで低下した空気を製造する。この空気を除湿ユニット（１）内の除湿剤（２）へ送気し、そこで、除湿剤（２）の内部にある水分を受け取る。空気は除湿剤（２）の開口部（２ａ）から流入するが、流入後は高分子収着剤が塗布されている折り板形状の板材（２ｂ）と平板材（２ｃ）の表面に接触しつつ除湿剤（２）内部を流下し、反対側の開口部２ａから流出する。
この結果、除湿剤（２）は再生される。また、除湿剤（２）から水分を受け取った空気は、排気ダクト（７）を経て車外へ排気される。その際、排気ダクト（７）の外周側に設置される外気導入ダクト（９ａ）を介して車内へ流入する外気と熱交換を行う。

このように、除湿剤（２）の再生運転時に車内から排気される空気のもつ顕熱を、車内へ流入する外気へ移すことで、電気ヒータ（３）の加熱負荷を低減している。また、排気ダクト（７）はその傾きを重力方向としているので、絶対湿度の高い排気が、排気ダクト（７）の内部で低温下して結露が発生しても、そのドレインは重力により車外へ落下するので、ドレインが車内へ還流することは無い。

このように季節を問わず、電気自動車の蓄電バッテリー充電時に除湿剤（２）を再生しているので、蓄電バッテリーの充電後は常に除湿剤（２）は再生状態となり、その後の走行時に室内気から水分を吸着可能となっている。

図３の例では、除湿剤（２）の再生を行う際、状態Ａ（例えば、温度5℃、相対湿度60％）にある車内空気を電気ヒータ（３）にて状態Ｂ（例えば、温度29℃、相対湿度14％程度）まで加熱する。これを除湿剤（２）を通過させると、状態Ｃ（例えば、温度19℃、相対湿度55％）となり、状態Ａの絶対湿度（約3.5g／kgDA）から状態Ｃの絶対湿度（約8g／kgDA）となり、除湿剤（２）から水分を除去していることが判る。

同様に図４に示すように、再生された除湿剤（２）を用いて、電気自動車の走行時などに車内空気の除湿を行う際、状態Ｄ（例えば、温度21.5℃、相対湿度60％）にある車内空気を除湿剤（２）へ導くと、状態Ｅ（例えば、温度31℃、相対湿度20％）となる。状態Ｅの空気を防曇ノズル（６）からウインドウへ向けて噴射すると、その温度が低下し、状態Ｆ（例えば、温度14.5℃、相対湿度55％）となる。状態Ｄの絶対湿度（約9.5g／kgDA）のまま、ウインドウへ近づき温度が15℃以下となれば相対湿度が100％近くなり、結露を生じるが、除湿剤（２）により、状態Ｅの絶対湿度（約5.5g／kgDA）まで除湿されていれば、10℃程度まで温度低下しても結露は生じない。

このように電気自動車用の防曇・空調システムを構成し、運用しているので、電気自動車の走行時においても、通風ファンの駆動だけでウインドウの防曇ならびに室内加熱が可能となり、蓄電バッテリーからの電力供給量を削減可能となる。
また車内冷房時においても、室内空気の除湿を電動圧縮式冷凍装置による冷却除湿に頼る必要が無くなったので、電動圧縮式冷凍装置は室内空気温度を目的温度まで冷却するだけの負荷となり、消費電力の削減が可能となる。
これらの結果、電気自動車の走行可能距離が伸びるなどの効果が期待でき、また、蓄電バッテリーの小容量化や電気自動車の軽量化が可能となる。

１・・・除湿ユニット、
２・・・除湿剤、
２ａ・・・除湿剤の開口部
２ｂ・・・折り板形状の板材
２ｃ・・・平板形状の板材
３・・・電気ヒータ、
４・・・送風ファン、
５、５ａ、５ｂ、５ｃ・・・通風ダクト、
６・・・防曇ノズル、
７・・・排気ダクト、
８・・・ガイドベーン、
９、９ａ・・・外気導入ダクト、
１０・・・防曇・空調システム、
１１・・・蓄電バッテリー、
１２・・・制御装置
１３・・・流路切替え装置

Claims (1)

1. 電気自動車の走行時に、車内空気を、電気自動車の少なくとも前方のウインドウガラスに向けて車内側から噴射する防曇ノズル（６）を備え、前記防曇ノズル（６）へ車内空気を導く第１の通風ダクト（５ａ）と前記防曇ノズル（６）の間に設けられた除湿ユニット（１）を備えた電気自動車用防曇・空調システムであって、
   前記第１の通風ダクト（５ａ）は、
   一方が前記車内に連結され、他方が前記除湿ユニット（１）の一方に連結されてなり、
   前記除湿ユニット（１）の他方に連結された第２の通風ダクト（５ｂ）と、
   前記防曇ノズル（６）に一方が連結された第３の通風ダクト（５ｃ）と、
   外部に前記車内の空気を排出させるための排気ダクト（７）と、
   前記車内に一方が連結されて外気を前記車内に導くための外気導入ダクト（９）と、
   前記排気ダクト（７）の外側に設置され、前記外気導入ダクト（９）の他方を連結した外気導入ダクト（９ａ）と、
   第１の孔、第２の孔、第３の孔並びに内部にガイドベーン（８）を備え、第１の孔には前記排気ダクト（７）が連結され、前記第２の孔には前記第３の通風ダクト（５ｃ）の他方が連結され、前記第３の孔には、前記第２の通風ダクト（５ｂ）が連結され、前記ガイドベーン（８）の切替えによって、前記除湿ユニット（１）に連結された前記第２の通風ダクト（５ｂ）からの除湿剤（２）を通過後の空気を前記第３の通風ダクト（５ｃ）に送る又はその空気を前記排気ダクト（７）に送る流路切替え装置（１３）とを備え、
   前記除湿ユニット（１）は、
   車内を介して、前記通風ダクト（５ａ）、前記外気導入ダクト（９）、（９ａ）と空気流通可能に接続され、かつ、前記通風ダクト（５ｂ）、および前記流路切替え装置（１３）を介して、通風ダクト（５ｃ）あるいは排気ダクト（７）と空気流通可能に接続され、内部には、前記通風ダクト（５ａ）側に第１の間隔をおいてファン（４）を設け、ファン（４）の後に第２の間隔をおいてヒータ（３）を設け、ヒータ（３）の後に第３の間隔をおいて、除湿剤（２）を設け、この除湿剤（２）の後には所定の大きさの空洞部を設け、この空洞部からの空気を通風ダクト（５ｂ）に送るように構成し、
   前記除湿剤（２）は、
   高分子収着剤あるいはイモゴライト吸着剤を塗布した、折り板材（２ｂ）と平板材（２ｃ）とから形成したダンボール状の板材を複数積層した構造物にしていることを特徴とする電気自動車用防曇・空調システム。