JP4310976B2

JP4310976B2 - 車両用空調装置

Info

Publication number: JP4310976B2
Application number: JP2002233653A
Authority: JP
Inventors: 賢二坪根
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: JP2004074824A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の車室内の空調を行う車両用空調装置、及び車室内の空調を行う車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蓄冷器を備えた車両用空調装置としては、特開平６−２１１０３６号公報に記載のものなどが知られている。上記公報には、蓄冷器を備えた車両用空調装置が開示されており、蓄冷器を用いた車室内冷房について記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した公報に記載の空調装置は、夏季などに車室内が高温となっているときに車室内をより早期に冷房することを目的としているものである。このため、上記公報に記載の空調装置においては、蓄冷器の効率向上などについての十分な検討はされていない。本発明の目的は、効率よく蓄熱（蓄冷）を行うことのできる車両用空調装置及び車両を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の車両用空調装置は、車両に搭載され、蓄熱した熱を利用して車室内の空調を行うもので、相変化可能な蓄熱剤が充填された蓄熱器と、車両の走行状態を検出及び／又は予測する走行状態検出手段と、蓄熱器への蓄熱及び蓄熱器からの熱の取り出しを制御する制御手段とを備えており、制御手段が、走行状態検出手段の検出結果及び／又は予測結果に基づいて、ヒステリシス損失が生じる蓄熱剤を相変化させる蓄熱制御モードと蓄熱制御モードを避けて蓄熱剤を相変化させない蓄熱制御モードとを使い分けて制御を行うことを特徴としている。ここで、走行状態検出手段は、ナビゲーションシステムであることが好適である。
また、本発明の車両は、蓄熱した熱を利用して車室内の空調を行うもので、相変化可能な蓄熱剤が充填された蓄熱器と、車両の走行状態を検出及び／又は予測する走行状態検出手段と、蓄熱器への蓄熱及び蓄熱器からの熱の取り出しを制御する制御手段とを備えており、制御手段が、走行状態検出手段の検出結果及び／又は予測結果に基づいて、ヒステリシス損失が生じる蓄熱剤を相変化させる蓄熱制御モードと蓄熱制御モードを避けて蓄熱剤を相変化させない蓄熱制御モードとを使い分けて制御を行うことを特徴としている。
【０００５】
なお、ここに言う蓄熱とは、暖かい熱を蓄えてこの熱を車室内暖房に用いる場合のみならず、冷たい熱（冷熱）を蓄えてこの冷熱を車室内冷房に用いる場合も含む。特に、後者にあたる本発明を把握しやすいように記載すれば、次のようになる。
【０００６】
車両に搭載され、蓄熱した熱を利用して車室内の空調を行う車両用空調装置であり、相変化可能な蓄冷剤が充填された蓄冷器と、車両の走行状態を検出及び／又は予測する走行状態検出手段と、蓄冷器への蓄冷及び蓄冷器からの冷熱の取り出しを制御する制御手段とを備えており、制御手段が、走行状態検出手段の検出結果及び／又は予測結果に基づいて、ヒステリシス損失が生じる蓄冷剤を相変化させる蓄熱制御モードと蓄熱制御モードを避けて蓄冷剤を相変化させない蓄熱制御モードとを使い分けて制御を行うことを特徴としている。
また、蓄熱した熱を利用して車室内の空調を行う車両であり、相変化可能な蓄冷剤が充填された蓄冷器と、車両の走行状態を検出及び／又は予測する走行状態検出手段と、蓄冷器への蓄冷及び蓄冷器からの冷熱の取り出しを制御する制御手段とを備えており、制御手段が、走行状態検出手段の検出結果及び／又は予測結果に基づいて、ヒステリシス損失が生じる蓄冷剤を相変化させる蓄熱制御モードと蓄熱制御モードを避けて蓄冷剤を相変化させない蓄熱制御モードとを使い分けて制御を行うことを特徴としている。
【０００７】
なお、従来、車室内冷房を行う際にはコンプレッサを駆動させる必要があるため、エンジン負荷が高くなる。このため、冷熱を効率よく蓄えて利用することができればこの負荷を軽減することができる。以下に示す実施形態は、冷熱を蓄える場合を例に説明する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の車両用空調装置の一実施形態について、図面を参照しつつ以下に説明する。本実施形態の空調装置は、図１に示されるように、蓄冷器（蓄熱器）１を有している。蓄冷器１の内部には、相変化可能な蓄冷剤（蓄熱剤）２が充填されている。蓄冷器１の内部には、冷媒３の循環路４とブライン５の循環路６とが貫通形成されており、流れ方向は互いに逆方向となっている。また、図示されていないが、蓄冷器１の内部は複数の部屋に仕切られており、一番端の区画に冷媒３の循環路４とブライン５の循環路６とが配置されている。この区画から順に隣り合う区画に冷熱が蓄冷される。
【０００９】
冷媒３の循環路４上には、蓄冷器１を出た位置から順に、コンプレッサ７、コンデンサ８、レシーバ９、及び、膨張弁１０が配置されている。コンプレッサ７は、エンジン（図示せず）の出力によって駆動され、冷媒３を圧縮する。コンプレッサ７へのエンジン出力の伝達（圧縮時）・非伝達はクラッチの切替によって行われる。このクラッチの切替は、後述する制御部１１によって行われる。
【００１０】
コンデンサ８は、冷媒３の持つ熱を外部に放出させるためのものである。コンデンサ８に付随して冷却ファン１２が配されており、冷却ファン１２を駆動させることでコンデンサ８での熱の放出を促進させることができる。レシーバ９は、コンデンサ８において液化された冷媒を受けるもので、冷媒３の液化量が変化するときのバッファの役割も有している。膨張弁１０は、液化している冷媒３の圧力を減じて膨張させる調節弁である。
【００１１】
冷媒３は、蓄冷器１から出たときは気体状態である。この気体状態の冷媒３は、コンプレッサ７によって圧縮され、高温高圧の気体状態となる。高温高圧となった冷媒３は、コンデンサ８においてその熱を外部に放出して液化する。液体となった冷媒３は、膨張弁１０を通過することでその圧力が減じられ、圧力減によって温度が低下する。温度が低下した冷媒３は蓄冷器１の内部に導入され、蓄冷器１の内部の蓄冷剤２から熱を奪い、気化して蓄冷器１から排出される。これにより、蓄冷器１は冷熱を蓄えることとなる。
【００１２】
一方、ブライン５の循環路６上には、蓄冷器１を出た位置から順に、ポンプ１３、ブロワユニット１４が配置されている。なお、ブライン５は、蓄冷器１に蓄えられた冷熱を移動させるための媒体となる不凍液である。ポンプ１３は、循環路６の内部のブライン５を循環させるものである。ブロワユニット１４は、ブライン５の持つ冷熱を外部に放出させるためのもので、ブロワユニット１４によって送風される冷気が車室内に導入されることで車室内が冷房される。
【００１３】
コンプレッサ７（のクラッチ）や、冷却ファン１２、膨張弁１０、ポンプ１３、ブロワユニット１４（のファン）などは制御部１１に接続されており、制御部１１によってその駆動が制御されている。制御部１１は、ＣＰＵやプログラムが内蔵されたＲＯＭ、演算内容などの情報を記憶するためのＲＡＭなどからなる電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。制御部１１は、ナビゲーションシステム１５とも接続されており、ナビゲーションシステム１５から（現在及び予測される）車両走行状態を得ることができる。
【００１４】
ナビゲーションシステム１５は、車両の走行状態を検出（予測）する走行状態検出手段として機能している。なお、ナビゲーションシステム１５自体は、公知のものと同様であり、ここでの詳しい説明は省略する。また、制御部１１は、蓄冷器１への蓄冷と、蓄冷器１からの熱の取り出しとを制御する制御手段として機能している。これらの制御は、制御部１１が上述したコンプレッサ７や冷却ファン１２、膨張弁１０、ポンプ１３、ブロワユニット１４を駆動することで行われる。
【００１５】
本実施形態に用いられる蓄冷剤２について説明する。上述したように、蓄冷剤２は、蓄冷に際して相変化可能なもので、液体と固体との間で相変化する。蓄冷剤２の温度と相状態との関係を模式的に示したグラフを図２に示す。蓄冷剤２の温度が高いと蓄冷剤２は液体であり、温度が低いと固体となる。液体状態と固体状態の間には、相変化状態があり、吸収した熱（排出する冷熱）は相変化に用いられて蓄冷剤２自体の温度変化は（ほとんど）ない。このときの熱は潜熱と言われる。
【００１６】
一方、液体又は固体状態であるとき、吸収した熱（排出する冷熱）は蓄冷剤２自体の温度変化に用いられる。このときの熱は顕熱と言われる。今、図２に示されるように、液体状態で顕熱によって温度変化をする領域を顕熱領域Ａと呼ぶこととし、固体状態で顕熱によって温度変化をする領域を顕熱領域Ｂと呼ぶこととする。また、潜熱によって液体←→固体で相変化している状態を潜熱状態と呼ぶこととする。図２から分かるように、潜熱状態部分ではヒステリシスが生じる。即ち、このヒステリシスによって損失が生じる。即ち、この潜熱状態をまたいで冷熱を蓄えた場合、蓄えただけの冷熱を取り出すことはできず損失が生じる。
【００１７】
しかし、潜熱領域で蓄えることのできるエネルギー量は、顕熱領域Ａ，Ｂで蓄えられるエネルギー量の数十〜数百倍にもなる。従って、図２中Ｘで示されるような領域で蓄冷と放出を短時間で繰り返すと損失が大きく影響するとともに応答性も悪くエネルギー効率が低下する。一方、図２中Ｙで示されるような広範囲の温度領域で蓄冷と放出を長いサイクルで行うと、潜熱領域のヒステリシスによる損失を考慮しても蓄えられるエネルギー量の大きい部分を利用でき、エネルギー効率の良い空調を行うことが可能となる。
【００１８】
近年になって、ナビゲーションシステムや車両と外部との通信手段などの発達によって、長期間にわたって車両の走行状態を予測・検出することも可能となっている。このようなシステムと組み合わせて長期間にわたって蓄冷を行う蓄冷器としては、蓄冷できる容量（エネルギー量）を十分大きく確保する方がエネルギー効率が向上する。ここで、上述したように、顕熱領域と潜熱領域とを効率よく使い分けつつ、このようなシステムと協働させることで、エネルギー効率の良い運用を行うことが可能となる。
【００１９】
本実施形態では、上述したナビゲーションシステム（走行状態検出手段）によって車両の走行状態を予測し、その予測結果に基づいて、図２の顕熱領域Ａのみを用いて蓄冷を行う（顕熱制御モード）か、図２の顕熱領域Ａ−潜熱領域−顕熱領域Ｂの全領域を用いて蓄冷を行うか（潜熱制御モード）を切り替えている。
【００２０】
蓄冷時（通常の冷房時も同様であるが）にはコンプレッサ７をエンジンの出力で駆動する必要があるため、エンジン負荷が高くなる。このため、エンジン負荷が高くなってもあまり影響を受けない減速時や軽負荷時に蓄冷し、エンジン負荷を高くしたくない加速（高負荷）時や信号停止時には蓄冷した冷熱を用いて冷房する。ナビゲーションシステムを利用しており、目的地が設定されているような場合は、蓄冷できる走行状態となるときと蓄冷した冷熱を利用して冷房するときとを的確に予測することができ、図２中のＹのように広範囲の温度領域を利用することで、蓄冷・放出時間を長くでき、エネルギー効率が向上する。
【００２１】
これに対して、市街地走行などでは、信号や渋滞が多く、頻繁に停止と発進を繰り返さなくてはならないことが予測され、蓄冷に適した走行状態になる頻度が概して少ないと言える。即ち、蓄冷と蓄えた冷熱よる冷房とが頻繁に繰り返されるような状況が多いと思われる。このような場合は、図２中の顕熱領域Ａのみを用いた（潜熱領域を用いない）空調制御を行う方が蓄冷及び放出の応答性が良く、蓄冷と放出とを短時間で繰り返すことができ、蓄冷器の使用頻度が高まりエネルギー効率が向上する。
【００２２】
顕熱制御モードと潜熱制御モードとの切替制御のフローチャートを図３に示す。図３のフローチャートによって示された制御は、所定時間毎に繰り返し実行されている。顕熱制御モードでは、顕熱領域Ａのみで蓄冷剤２を使用する。潜熱制御モードでは、顕熱領域Ａ−潜熱領域−顕熱領域Ｂの全領域にわたって蓄冷剤２が使用され得る。ただし、蓄冷の状況によっては、潜熱制御モードとなっていても顕熱領域Ａしか使用されないよう場合もあり得る。潜熱制御モードでは、潜熱領域を利用した蓄熱制御が許可される。
【００２３】
図３のフローチャートに基づいて説明する。ナビゲーションシステム１５から制御部１１内に車両走行状態を取得する（ステップ３００）。制御部１１内において、取得した情報に基づいて、まずナビゲーションシステム１５において目的地の設定がされているか否かを判定する（ステップ３１０）。目的地が設定されている場合は、上述したように長い区間にわたる蓄冷制御の予測をすることが可能なため、潜熱モードに設定される（ステップ３５０）。目的地が設定されていない場合は、次に市街地走行であるか否かを判定する（ステップ３２０）。市街地走行である場合は、上述したように蓄冷と放出とを頻繁に繰り返すこととなることが予測される。そこで、市街地走行でない場合、即ち、ステップ３２０が否定される場合に潜熱モードに設定する（ステップ３５０）。
【００２４】
市街地走行であり、ステップ３２０が肯定される場合は、次に、現在の蓄冷量が所定の判定値未満であるか否かを判定する（ステップ３３０）。ここでの判定値は、外気温・車内設定温度・日射量・インフラからの渋滞情報などで決められる値である。このため、現在の蓄冷量が所定の判定値未満である場合、即ち、ステップ３３０が肯定される場合は、顕熱モードに設定される（ステップ３４０）。一方、現在の蓄冷量が所定の判定値以上である場合、即ち、ステップ３３０が否定される場合は、たとえ市街地走行であったとしても、蓄冷器に十分なエネルギーが蓄えられているため、長時間の放出が可能であることから潜熱制御モードに設定される（ステップ３５０）。
【００２５】
本発明の空調装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、走行状態検出手段としてナビゲーションシステムを用いた例について説明した。しかし、走行状態検出手段としては、車両に搭載された各種センサ（各部温度センサ、加速度センサなど）であってもよく、車両外部との通信手段（ＶＩＣＳ、インターネットを用いた情報取得、車車間通信など）であってもよい。また、これらを複合させて使用しても良い。走行状態検出手段で取得する情報としては、インフラ情報（信号、渋滞、気象状況）、三次元ナビゲーション情報（道路勾配）、車速情報、ブレーキ情報等も挙げられる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の車両用空調装置によれば、相変化可能な蓄熱剤を有する蓄熱器と、車両の走行状態を検出（予測）する走行状態検出手段と、蓄熱制御を統括する制御手段とを備え、この制御手段が、走行状態検出手段の検出（予測）結果に基づいて潜熱領域を使用するか否かを判断して制御を行う。このようにすることで、相変化可能な蓄熱剤をエネルギー効率よく利用することができる。蓄熱器を効率よく利用することで燃費を向上させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空調装置の一実施形態の構成を示す構成図である。
【図２】蓄冷剤（蓄熱剤）の温度と相状態との関係を模式的に示すグラフである。
【図３】本発明の空調装置の一実施形態によるモード設定制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…蓄冷器（蓄熱器）、２…蓄冷剤（蓄熱剤）、３…冷媒、４…循環路、５…ブライン、６…循環路、７…コンプレッサ、８…コンデンサ、９…レシーバ、１０…膨張弁、１１…制御部（制御手段）、１２…冷却ファン、１３…ポンプ、１４…ブロワユニット、１５…ナビゲーションシステム（走行状態検出手段）。

Claims

車両に搭載され、蓄熱した熱を利用して車室内の空調を行う車両用空調装置において、
相変化可能な蓄熱剤が充填された蓄熱器と、車両の走行状態を検出及び／又は予測する走行状態検出手段と、前記蓄熱器への蓄熱及び前記蓄熱器からの熱の取り出しを制御する制御手段とを備えており、
前記制御手段が、前記走行状態検出手段の検出結果及び／又は予測結果に基づいて、ヒステリシス損失が生じる前記蓄熱剤を相変化させる蓄熱制御モードと前記蓄熱制御モードを避けて前記蓄熱剤を相変化させない蓄熱制御モードとを使い分けて制御を行うことを特徴とする車両用空調装置。
前記走行状態検出手段は、ナビゲーションシステムである請求項１記載の車両用空調装置。
蓄熱した熱を利用して車室内の空調を行う車両において、
相変化可能な蓄熱剤が充填された蓄熱器と、車両の走行状態を検出及び／又は予測する走行状態検出手段と、前記蓄熱器への蓄熱及び前記蓄熱器からの熱の取り出しを制御する制御手段とを備えており、
前記制御手段が、前記走行状態検出手段の検出結果及び／又は予測結果に基づいて、ヒステリシス損失が生じる前記蓄熱剤を相変化させる蓄熱制御モードと前記蓄熱制御モードを避けて前記蓄熱剤を相変化させない蓄熱制御モードとを使い分けて制御を行うことを特徴とする車両。