JP6348293B2 - 車両用空調装置 - Google Patents

Description

本発明は車両用空調装置に関し、特に温水暖房のための温水の予備加熱についての技術分野に関する。

特開２０１２−１３３３６号公報 特開２０１１−６４３９５号公報 特開２０１０−１６４１９９号公報

暖房技術に関してヒートポンプシステムや温水暖房システムが知られている。
上記特許文献１には、ヒートポンプシステムにより加熱した温水を出湯するユニットと補助熱源機の組み合わせで温水を温める技術が開示されている。
上記特許文献２には、貯湯タンク内の温水を給湯に使用する温水の熱交換に使用しても、暖房端末へ送る温水の温度低下を抑制できるヒートポンプ式温水暖房装置が記載されている。
上記特許文献３にはヒートポンプ式温水暖房装置が開示されている。

ところで温水暖房システムを用いる場合、水媒体を暖気送風可能な温度に暖めておくことが必要である。このため車両用の温水暖房システムでは、乗員が乗車してすぐに暖気送風を行うことができるようにするために、貯湯タンクの水媒体を予備的に暖めておくことが好適である。
本発明は、このような水媒体の予備加熱をエネルギー効率よく実行できるようにすることを目的とする。

第１に、本発明に係る車両用空調装置は、電気温水器で加熱した水媒体を貯湯タンクに貯湯するとともに、貯湯タンクの水媒体を循環させ、循環経路に設けられた熱交換機を用いて車室内に暖気送風する温水暖房部と、少なくとも前記貯湯タンクの水媒体を加熱可能に構成されたヒートポンプシステム部と、バッテリを含む電源部と、前記バッテリに対する充電中に前記貯湯タンク内の水媒体の予備加熱を行う場合に、前記電気温水器による加熱と、前記ヒートポンプシステム部による加熱を、外気温に応じて選択して実行させる制御部と、を備え、前記制御部は、予備加熱の開始後の外気温の変化に応じて、前記電気温水器による加熱と前記ヒートポンプシステム部による加熱の切換制御を行うものである。
電気自動車、ハイブリッド自動車等では、電力消費を低減、効率化することが特に必要である。これを温水暖房の予備加熱について考える。温水暖房においては、水媒体を暖気送風に必要な所定温度に加熱するための消費電力が大きい。ここでＣＯＰ（Coefficient Of Performance：成績係数又は動作係数）の観点でみると、ヒートポンプシステムは比較的ＣＯＰが高いが外気温が０℃前後以下では効率が悪化する。一方、温水暖房システムにおける電気ヒータによる水媒体の加熱は比較的ＣＯＰが低いが外気温による影響はあまりない。そこで外気温に応じて電気温水器による加熱と、ヒートポンプシステム部による加熱を選択的に実行するようにする。
また、これにより予備加熱中に外気温が大きく変化するような場合にも対応する。

第２に、上記した本発明に係る車両用空調装置においては、前記予備加熱の実行中には、車室内への暖気送風は行われないことが望ましい。
あくまで貯湯タンクの水媒体の加熱を行うものとし、車室内の暖房を行わないことで車室から車外へ熱が逃げる状況を作らない。

第３に、上記した本発明に係る車両用空調装置においては、前記制御部は、時刻を監視し、設定時刻となることに応じて前記予備加熱が開始されるように制御することが望ましい。
これにより例えばタイマー制御として乗員に都合のよいタイミングで予備加熱を行うことができる。

第４に、上記した本発明に係る車両用空調装置においては、前記制御部は、前記貯湯タンクの水温を監視し、水温が所定の予備加熱開始判定温度以下となることに応じて前記予備加熱が開始されるように制御することが望ましい。
これにより無駄な予備加熱を行わず、電力を効率よく使用できる。

本発明によれば、外気温に応じて温水暖房部の電気温水器による加熱とヒートポンプシステム部による加熱を選択的に実行することで、エネルギー効率のよい予備加熱が可能となる。

本発明の実施の形態の車両用空調装置のブロック図である。 第１の実施の形態の予備加熱処理のフローチャートである。 第２の実施の形態の予備加熱処理のフローチャートである。 実施の形態の予備加熱開始判断処理のフローチャートである。

＜１．車両用空調装置の構成＞
本発明の実施の形態の車両用空調装置の構成を図１に示す。本実施の形態の車両用空調装置は、電気自動車又はハイブリッド自動車への搭載されるものとしている。
この車両用空調装置は、ヒートポンプセクション１０と温水暖房セクション２０が組み合わされた構成を採る。図１ではその要部のみを示している。

温水暖房セクション２０には、ヒータユニット２１、バルブ２２，２３、電気温水器２４、チラー兼貯湯タンク（以下「貯湯タンク」と略す）２５、循環ポンプ２６、水温センサ２７が設けられる。そして循環ポンプ２６により、貯湯タンク２５，ヒータユニット２１，電気温水器２４を含む循環経路３０に不凍液等の水媒体が流れる。

ヒーターユニット２１は、図示しないブロワーからの風を循環経路に流れる温水により暖気し車室内に送風する。
水媒体の循環経路３０は、バルブ２２，２３によりヒーターユニット２１をバイパスするバイパス経路３０Ｂを含むことができる。バイパス経路３０Ｂが用いられる場合は、ヒーターユニット２１による車室内への暖気送風は行われない。
電気温水器２４は電気ヒーターにより循環経路３０を流れる水媒体を加熱する。
電気ヒーターにより加熱された水媒体は貯湯タンク２５に導かれる。
水温センサ２７は貯湯タンク２５の水媒体の温度を検出する。

ヒートポンプセクション１０は、外部熱交換器１１、アキュムレータ１２、コンプレッサ１３，タンク用熱交換器１４、膨張弁１５、バルブ１６を備える。
このヒートポンプセクション１０は、以上の各部で冷媒の循環経路４０を構成しており、外部熱交換機１１で吸熱させた冷媒をコンプレッサ１３で高温化し、タンク用熱交換器１４に供給する。タンク用熱交換器１４は貯湯タンク２５内の水媒体を加熱する。

電源部３は、バッテリ３ａやバッテリ３ａの周辺回路（リレースイッチ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、インバータ、充電回路等）を含み、車両のモータや電装品への電力供給を行う。本実施の形態に関しては図示のように電源部３は、ヒートポンプセクション１０のコンプレッサ１３への駆動電力をスイッチ４ａを介して供給し、また温水暖房セクション２０の電気温水器２４への駆動電力をスイッチ４ｂを介して供給する。
なお電源部３の充電回路に外部電源１００が接続されることでバッテリ３ａに対して充電が行われる。外部電源１００とは例えば家庭用商用交流電源であったり、チャージ専用電源などである。

制御部１は例えばＥＣＵ（electronic control unit）として車体内に設けられるマイクロコンピュータ等により形成され、この図１では車両用空調装置の制御を行う。制御部１は、ヒートポンプセクション１０の駆動制御、バルブ１６の制御や、温水暖房セクション２０の巡回ポンプ２６の駆動制御、バルブ２２，２３の切換制御を行う。また制御部１は、スイッチ４ａ、４ｂのオン／オフ制御により、コンプレッサ１３や電気温水器２４の駆動電力供給の制御を行う。
また制御部１は外気温を検出する温度センサ２からの外気温情報Ｔｍｐにより外気温を監視できる。さらに水温センサ２７からの水温情報ＴＷにより貯湯タンク２５内の水媒体の温度を監視できる。
時計部５は現在日時を計数しており、時刻情報を制御部１に供給する。

以上の図１の構成は一例であり、車両用空調装置としての構成は他にも各種考えられる。但し少なくとも本発明の実施の形態としての車両用空調装置は、電気温水器２４で加熱した水を貯湯タンク２５に貯湯するとともに、貯湯タンク２５の水媒体を循環させ、循環経路３０に設けられたヒーターユニット２１（熱交換器）を用いて車室内に暖気送風する温水暖房セクション２０と、少なくとも貯湯タンク２５の水媒体を加熱可能に構成されたヒートポンプセクション１０を備えるものとされる。つまり貯湯タンク２５の水媒体を加熱する手段として、温水暖房セクション２０内の電気温水器２４と、ヒートポンプシステムの２つを有している。

＜２．第１の実施の形態の予備加熱処理＞
上記構成の本実施の形態の車両用空調装置では、バッテリ３ａの充電中に、充電時の電力を用いて水媒体の予備加熱を行う。予備加熱によって水媒体の温度を所定温度、例えば６０℃〜７０℃程度にしておくことで、その後にユーザが車に乗って暖房をオンとした際に、すぐに温風を車室内に送風できるためである。

図２に第１の実施の形態として制御部１が実行する予備加熱処理を示す。
予備加熱を開始する場合、制御部１はまずステップＳ１０１で予備加熱時の経路設定を行う。具体的にはバルブ２２，２３を制御してバイパス経路３０Ｂを有効とさせる。即ちヒーターユニット２１を経由しないバイパス経路３０Ｂを含む循環経路３０を形成する。
ステップＳ１０２で制御部１は温度センサ２からの外気温情報Ｔｍｐをチェックする。そしてステップＳ１０３で外気温情報Ｔｍｐが閾値温度ｔｈ１以上であるか否かを判断する。閾値温度ｔｈ１は、ヒートポンプシステムのＣＯＰが低下する温度として設定するもので、例えば０℃とする。

外気温情報Ｔｍｐが閾値温度ｔｈ１以上であるときは、制御部１はステップＳ１０３からＳ１０４に進み、ヒートポンプセクション１０による水媒体の加熱を開始させる。即ちヒートポンプセクション１０の駆動を開始させ、スイッチ４ａをオンとしてコンプレッサ１３に駆動電力を与える。なお、この場合、循環ポンプ２６による循環経路３０による水媒体の循環を実行させてもよいし、循環は停止させたままでもよい。
一方、外気温情報Ｔｍｐが閾値温度ｔｈ１未満であるときは、制御部１はステップＳ１０３からＳ１０５に進み、温水暖房セクション２０による水媒体の加熱を開始させる。即ち循環ポンプ２６により水媒体の循環を開始させるとともにスイッチ４ｂをオンとして電気温水器２４に加熱のための駆動電力を与える。なお水媒体の循環はバイパス経路３０Ｂを通ることになる。

上記のようにステップＳ１０４又はＳ１０５で貯湯タンク２５の水媒体の加熱を開始させた後は、制御部１はステップＳ１０６で水温センサ２７からの水温情報ＴＷを監視する。そいて水媒体の温度が目標温度（例えば７０℃）に達するまで加熱を継続させ、目標温度に達したらステップＳ１０７に進んで加熱を終了させる。即ちヒートポンプセクション１０又は温水暖房セクション２０の駆動を停止させ、オン状態としていたスイッチ４ａ又は４ｂをオフとして加熱のための電力供給も停止させる。

以上の図２の処理により、水媒体の予備加熱を実行する際には、外気温に応じて電気温水器２４による加熱と、ヒートポンプセクション１０による加熱とが選択して実行されることになる。

＜３．第２の実施の形態の予備加熱処理＞
第２の実施の形態として制御部１が実行する予備加熱処理を図３に示す。ステップＳ１０１〜Ｓ１０５は図２と同様であるため説明を省略する。即ち外気温情報Ｔｍｐに応じて、ヒートポンプセクション１０による加熱と電気温水器２４による加熱を選択して、水媒体の加熱を開始する。

この第２の実施の形態では、加熱開始後にも制御部１は外気温を監視するものとする。
ステップＳ１０４でヒートポンプセクション１０による加熱を開始させた後は、制御部１はステップＳ１１０で水媒体が目標温度に到達したか否かを監視し、またステップＳ１１１で外気温情報Ｔｍｐが切換温度ｔｈ２より低くなったか否かを監視する。
もしＴｍｐ＜ｔｈ２となった場合は、制御部１はステップＳ１１２に進み、電気温水器２４による加熱に切り換える。即ちスイッチ４ａをオフ、スイッチ４ｂをオン、ヒートポンプセクション１０の駆動停止、温水暖房セクション２０の駆動開始（循環ポンプ２６の駆動開始）の制御を行う。そしてステップＳ１２０，Ｓ１２１のループに進む。
これにより、予備加熱実行中に外気温が低下し、ヒートポンプセクション１０による加熱のエネルギー効率が低下する状態となったら、温水暖房セクション２０による加熱に切り換えられる。

またステップＳ１０５で電気温水器２４による加熱を開始させた後は、制御部１はステップＳ１２０で水媒体が目標温度に到達したか否かを監視し、またステップＳ１２１で外気温情報Ｔｍｐが切換温度ｔｈ３より高くなったか否かを監視する。
もしＴｍｐ＞ｔｈ３となった場合は、制御部１はステップＳ１２２に進み、ヒートポンプセクション１０による加熱に切り換える。即ちスイッチ４ｂをオフ、スイッチ４ａをオン、ヒートポンプセクション１０の駆動開始の制御を行う。温水暖房セクション２０の循環ポンプ２６の駆動は継続しても良いし停止させてもよい。そしてステップＳ１１０，Ｓ１１１のループに進む。
これにより、予備加熱実行中に外気温が上昇し、ヒートポンプセクション１０による加熱のエネルギー効率が良好となる状態となったら、ヒートポンプセクション１０による加熱に切り換えられる。

その後、ステップＳ１１０又はＳ１２０のいずれかで、水媒体の温度が目標温度（例えば７０℃）に達したことを検出したら、制御部１はステップＳ１０７に進んで加熱を終了させる。即ちヒートポンプセクション１０又は温水暖房セクション２０の駆動を停止させ、オン状態としていたスイッチ４ａ又は４ｂをオフとして加熱のための電力供給も停止させる。

以上の図３の処理により、水媒体の予備加熱を実行する際には、外気温に応じて電気温水器２４による加熱と、ヒートポンプセクション１０による加熱とが選択して実行されるとともに、予備加熱中に外気温が変動したことに応じても、２つの加熱方式の切り換えが実行される。
なお切換温度ｔｈ２、ｔｈ３は、閾値温度ｔｈ１と同じでも良いが、例えばｔｈ２＜ｔｈ１＜ｔｈ３とすることで、２つの加熱方式の切り換えが余りに頻繁に行われることを回避できる。例えばｔｈ１＝ｔｈ２＝ｔｈ３とすると、予備加熱開始時の外気温が閾値温度ｔｈ１に近い場合、若干の気温変化で頻繁に加熱方式が切り換えられてしまい、これによってエネルギー効率が逆に悪化することも考えられる。そこで、ｔｈ２＜ｔｈ１＜ｔｈ３とすることで、顕著な気温低下又は気温上昇があったときに切換が行われるようにすると良い。

＜４．予備加熱開始判断＞
続いて上記の第１，第２の実施の形態の予備加熱処理を開始させるための処理について説明する。
本実施の形態では、車両のエンジン（モータ）が停止されて、バッテリ３ａに充電が行われている際に上記の予備加熱を行うことを想定している。但し、充電中に常に予備加熱を行うことは無駄が多くなると考えられる。そこで例えば図４Ａ，図４Ｂのような処理で予備加熱開始判断を行うことが望ましい。

まず図４Ａの処理を説明する。車両のエンジン（モータ）が停止されて外部電源１００が接続され、バッテリ３ａへの充電が行われている期間は、制御部１はステップＳ２０１からＳ２０２に進み、水温センサ２７による水温情報ＴＷをチェックする。そしてステップＳ２０３で水温情報ＴＷが予備加熱開始判定温度ｔｈ４以下であるか否かを判断し、ＴＷ≦ｔｈ４であったらステップＳ２０４に進んで図２又は図３の予備加熱処理を開始する。
一方充電中であっても、ＴＷ＞ｔｈ４であったら予備加熱は開始させない。
このような処理により、水媒体の水温が低下していないときに無駄な予備加熱が開始されるということが回避される。予備加熱開始判定温度ｔｈ４は、例えば５０℃程度でもよいし、例えば３０℃、１０℃など、より低く設定してもよい。

次に図４Ｂの処理では、車両のエンジン（モータ）が停止されて外部電源１００が接続され、バッテリ３ａへの充電が行われている期間は、制御部１はステップＳ２１０からＳ２１１に進み、まず時計部５からの時刻情報をチェックする。そしてステップＳ２１２で現在時刻が予備加熱の開始時刻として設定した時刻に達しているか否かを判断する。
開始時刻になっていた場合、制御部１はステップＳ２１３で水温センサ２７による水温情報ＴＷをチェックする。そしてステップＳ２１４で水温情報ＴＷが予備加熱開始判定温度ｔｈ４以下であるか否かを判断し、ＴＷ≦ｔｈ４であったらステップＳ２１５に進んで図２又は図３の予備加熱処理を開始する。
一方充電中であっても、開始時刻に達していない場合や、開始時刻となった場合でもＴＷ＞ｔｈ４であったら予備加熱は開始させない。このような処理により、無駄な予備加熱が実行されないようにする。

なおステップＳ２１２で判断する開始時刻とは、車両のユーザのタイマー設定に応じた時刻とすることが考えられる。
例えばユーザが毎日午前７時に乗車する場合に、７：００という乗車時刻を予め入力しておく。制御部は、このタイマー設定に基づいて、７：００よりｘ時間前を開始時刻として設定する。ｘ時間とは、通常、予備加熱に要する時間とすればよい。或いは、水温情報ＴＷや外気温情報Ｔｍｐを逐次参照して、ｘ時間を調整してもよい。即ち７：００にユーザが乗車した際に、水媒体の温度が目標温度（例えば６０〜７０℃程度）に達していれば良いため、タイマー設定時間に間に合わせるように予備加熱を開始させるようにする。
或いはユーザが、予備加熱の開始時刻を直接タイマー設定するようにしてもよい。
ユーザの設定に基づくことで、最も無駄のない予備加熱が可能となる。

また、学習処理により開始時刻を設定することも考えられる。例えば制御部１は、毎回イグニッションオンされる時刻を記憶するようにし、統計処理により、ユーザが乗車する時刻を推定する。ある程度確度の高い推定乗車時刻が得られたら、その時刻に間に合うように予備加熱の開始時刻を設定する。これによりユーザに手間をとらせずに適切な予備加熱が行われる。

＜５．まとめ及び変形例＞
以上説明してきたように本実施の形態の車両用空調装置は、温水暖房セクション２０の水媒体を加熱する方式として、ヒートポンプセクション１０を利用する加熱と温水暖房セクション２０の電気温水器２４を用いる加熱を行うことができる。そして制御部１は、第１，第２の実施の形態として示したように、バッテリに対する充電中に貯湯タンク２５内の水媒体の予備加熱を行う場合には、電気温水器２５による加熱と、ヒートポンプセクション１０による加熱を、外気温情報Ｔｍｐに応じて選択して実行させるようにしている。
ヒートポンプシステムは比較的ＣＯＰが高いが外気温が０℃前後以下では効率が悪化する。一方、温水暖房システムにおける電気ヒータによる水媒体の加熱は比較的ＣＯＰが低いが外気温による影響は余りない。そこで外気温が閾値温度ｔｈ１より低い場合は電気温水器による予備加熱を実行させ、外気温が閾値温度ｔｈ１以上であればヒートポンプシステム部による予備加熱を実行させる。このようにすることエネルギー効率のよい予備加熱を実現できる。特に電気自動車、ハイブリッド自動車等では、電力消費を効率化することが重要であり、車両用の空調装置として好適となる。
また、温水暖房システムとしての空調装置においては水媒体を暖気送風可能な温度に加熱することに最も電力を用いている。この加熱を効率化することは、快適な運転環境を提供することと電力消費削減の点で最も望ましい。

また実施の形態では、予備加熱の実行中には、循環経路３０にバイパス経路３０Ｂを含ませ、車室内への暖気送風は行わない。あくまで貯湯タンク２５の水媒体の加熱を行うものとし、車室内の暖房を行わないことで車室から車外へ熱が逃げないようにする。これにより最もエネルギーを要する水媒体の加熱のみを実行するとともに熱損失を最小限とすることで、効率の良い予備加熱を実現している。

また第２の実施の形態のように、制御部１は、予備加熱の開始後の外気温の変化に応じて、電気温水器２５による加熱とヒートポンプセクション１０による加熱の切換制御を行うことで、予備加熱中に外気温が大きく変化するような場合にも対応して効率の良い予備加熱を実現できる。

また図４Ｂに示したように、制御部１が時刻を監視し、設定時刻となることに応じて前記予備加熱が開始されるように制御することで、乗員に都合のよいタイミングで予備加熱を行うことができ、無駄な予備加熱動作がなるべく行われないようにすることができる。
また図４Ａ、図４Ｂに示したように、制御部１が貯湯タンク２５の水温を監視し、水温が予備加熱開始判定温度ｔｈ４以下となることに応じて予備加熱が開始されるように制御することで、無駄な予備加熱を防止できる。

本発明は上記の実施の形態の構成や処理に限定されず、各種の変形例が考えられる。
例えば充電中は常に予備加熱を実行するようにしてもよい。また図４Ｂのように開始時刻をチェックする場合、開始時刻になったら水温情報ＴＷに関わらず予備加熱を開始するようにしてもよい。
図２，図３の予備加熱処理として閾値温度ｔｈ１、切換温度ｔｈ２、ｔｈ３、目標温度の設定は上記以外にも多様に考えられる。
また状況に応じて、ヒートポンプセクション１０による加熱と電気温水器２４による加熱の両方が実行される期間が設けられることもあり得る。

１…制御部、２…温度センサ、３…電源部、４ａ，４ｂ…スイッチ、１０…ヒートポンプセクション、１４…タンク用熱交換器、２０…温水暖房セクション、２４…電気温水器、２５…貯湯タンク、２７…水温センサ、３０…循環経路、３０Ｂ…バイパス経路

Claims (4)

1. 電気温水器で加熱した水媒体を貯湯タンクに貯湯するとともに、貯湯タンクの水媒体を循環させ、循環経路に設けられた熱交換機を用いて車室内に暖気送風する温水暖房部と、
   少なくとも前記貯湯タンクの水媒体を加熱可能に構成されたヒートポンプシステム部と、
   バッテリを含む電源部と、
   前記バッテリに対する充電中に前記貯湯タンク内の水媒体の予備加熱を行う場合に、前記電気温水器による加熱と、前記ヒートポンプシステム部による加熱を、外気温に応じて選択して実行させる制御部と、を備え、
   前記制御部は、予備加熱の開始後の外気温の変化に応じて、前記電気温水器による加熱と前記ヒートポンプシステム部による加熱の切換制御を行う
   車両用空調装置。
2. 前記予備加熱の実行中には、車室内への暖気送風は行われない
   請求項１に記載の車両用空調装置。
3. 前記制御部は、時刻を監視し、設定時刻となることに応じて前記予備加熱が開始されるように制御する
   請求項１又は請求項２に記載の車両用空調装置。
4. 前記制御部は、前記貯湯タンクの水温を監視し、水温が所定の予備加熱開始判定温度以下となることに応じて前記予備加熱が開始されるように制御する
   請求項１又は請求項２に記載の車両用空調装置。

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