JP2006256460A - 車室内空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より現実的で快適な車室内空調装置を提供すること。
【解決手段】絶対湿度のみを考慮した制御の場合は、ステップＳ１００、Ｓ１０１、Ｓ１０３を除いた工程を見ればよい。すなわち、絶対温度取得手段（ステップＳ１０２）で得る絶対温度が、あらかじめ空気線図によって求められる運転切換絶対湿度（ステップＳ１０４）よりも低い場合に、バイパスダンパを開き、気化式モジュールによる冷房を行う（ステップＳ１０７）。車両内空気温度と目標温度との差を考慮した制御では、温度取得手段（ステップＳ１０１）による車室内空気温度と目標温度とが、比較的小さい差である場合、バイパスダンパを開き、気化冷却を実行する（ステップ１０７）。当該差が大きい場合は、通常の冷凍サイクルによる冷房が必要となるので、その場合は、エンジンの駆動状態を確認した上で（ステップＳ１０５）、冷凍サイクルによる冷房も実行する（ステップＳ１０６）。
【選択図】 図２

Description

本発明は、車室内空調装置に関するものであり、さらに詳しくは、通常の冷凍サイクルによる冷房の他に、水の気化熱吸収作用による気化式冷房をも有する車室内空調装置に関する。

従来、冷凍サイクルを用いた冷房空調によって、車室内を急速冷房する必要がある場合（例えば炎天下に駐車した車に乗る場合）、冷房を最大にしても、所定の車室内温度に冷却するには長い時間が必要であった。急速冷房の補助手段としては、アルコール系液体の噴霧等による気化熱利用の考案があるものの、短時間しか効果が持続しない欠点があった。

また、中間期（春、秋）及びアイドリングストップ時の冷凍サイクルを用いた冷房運転は、大きな動力が必要であり、省動力の観点からは、さらなる動力低減が必要となっている。動力低減を実現する技術には、蓄熱材を利用した技術があるが、蓄熱材による重量増加が大きな課題となっている。

そこで、現在、圧縮機を使用せず、水の気化熱吸収作用を利用した気化式冷房が提案・開示されている（たとえば、特許文献１、２）。

特開平９−２２６３５８号公報 特開２００１−３９１５４号公報

しかしながら、上記従来の技術は、提案こそされているものの、タンクとポンプ等、部品点数が多くなり、現実的でなかった。また、どのように気化式冷房を機能させるかについて特に提案されていなかった。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、気化式冷房への水の供給経路や、冷房運転開始判断に工夫を加えることにより、より現実的で快適な車室内空調装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、この発明による車室内空調装置（請求項１）は、冷却装置内に備えられるエバポレータの下流に、水分を気化させて気化冷却を行う気化冷却モジュールを有する車室用空調装置において、前記気化冷却モジュールのウォーターリザーバは、前記エバポレータの底部で水分を捕集するドレンパンよりも、水平以下となる位置に配置され、当該ウォーターリザーバと、当該ドレンパンを連通する導水管または、当該ウォーターリザーバには、バルブを有するドレン管を有するようにしたものである。

冷熱源となる水は、主としてエバポレータのドレン水を利用するため、ドレンパンの水位よりも低水位にウォーターリザーバを設けることにより、当該ウォーターリザーバに自然に水分が流れ込むようになる。また、導水管やウォーターリザーバにバルブ付きのドレン管を有することにより、導水管７やウォーターリザーバの水位を調整したり、凍結するおそれがあるときに水抜きしたり、また、導水管の洗浄としての水抜きが可能となる。

また、この発明による車室内空調装置（請求項２）は、前記車室内空調装置において、前記気化冷却モジュールは、前記ウォーターリザーバに一部が接すると共に、面部が前記冷却装置の空気通路に露出する透湿性無孔質膜であるようにしたものである。

冷却装置に流れ込む空気には、カビの胞子やほこり等の不純物が含まれるが、気化冷却モジュールに透湿性無孔質膜を用いると、それらに関係なく水の拡散作用による気化冷却が可能となる。すなわち、多孔質のように、目詰まりすることもなく、また、水と共に下流に不純物が流れるのを防止できる。

また、この発明による車室内空調装置（請求項３）は、前記車室内空調装置において、前記ウォーターリザーバは、車室内に設ける予備注水手段にも導水管で連通し、当該予備注水手段は、当該ウォーターリザーバよりも、水平以上となる位置に配置されるようにしたものである。

室内にも注水手段が設けられることにより、ウォーターリザーバの水不足が防止される。また、現在、巷では、容易に入手できるＰＥＴボトルを予備注水手段とすることにより、容易に水注入が可能となる。また、水の減り具合からも、気化冷却が機能していることを実感でき、安心感と精神的な清涼感が向上する。

また、この発明による車室内空調装置（請求項４）は、前記車室内空調装置において、前記ドレンパン、前記導水管および前記ウォーターリザーバは、断熱材で覆われるようにしたものである。

前記ドレンパンには、エバポレータに付着した水が集まるので、その温度は低温である。そのため、ドレンパンは元来結露しやすい。そこで、ドレンパン、導水管、およびウォーターリザーバが断熱材で覆われれば、結露が防止されると共に、ドレン水の低い水温が長時間保持されることで空気の冷却が促進される。

また、この発明による車室内空調装置（請求項５）は、前記車室内空調装置において、車室内の空気温度を取得する車室内温度取得手段と、車室内の絶対湿度を取得する絶対湿度取得手段と、前記絶対湿度が所定の値以下であるときに、気化式冷却運転を開始する判断を行う演算手段と、を有するようにしたものである。

気化式冷却モジュールは、水の気化という現象を利用するものであるから、当該モジュールによって空気の温度が低下するときには、同時に空気の絶対湿度が上がる。車室内の絶対湿度が上がりすぎると、車室内の乗員は不快感を感じるようになるので、そのときは、通常の冷凍サイクルによる冷房運転を行う。他方、絶対湿度が低いときは、気化式冷却も有効となるので、気化式による冷房運転を行う。

また、この発明による車室内空調装置（請求項６）は、前記車室内空調装置において、空調装置による目標温度を設定する目標温度設定手段を有し、前記演算手段は、前記目標温度設定手段による目標温度と前記車室内温度取得手段からの空気温度との差が所定の値以下であって、前記絶対湿度が所定の値以下であるときに、冷凍サイクルによる冷房を停止し、気化式冷却運転を開始する判断を行うようにしたものである。

前記目標温度設定手段による目標温度と前記車室内温度取得手段からの空気温度との差が所定の値以下であるときは、エンジンの負担又はバッテリーの負担を軽減するために、通常の冷凍サイクルによる冷房を停止する。

また、この発明による車室内空調装置（請求項７）は、前記車室内空調装置において、ドレン水温を取得する水温取得手段を有し、当該ドレン水温が所定の値以下であるときに、前記ドレンバルブを一定時間開放するようにしたものである。

また、この発明による車室内空調装置（請求項８）は、前記車室内空調装置において、エンジンの停止時間を取得する停止時間取得手段を有し、当該停止時間が、所定の値以上となったときに、前記ドレンバルブを一定時間開放するようにしたものである。

ドレン水温が所定の値以下であるときに、前記ドレンバルブを一定時間開放することにより、ドレン水の凍結防止になる。また、エンジンの停止時間が、所定の値以上となったときに、前記ドレンバルブを一定時間開放することにより、ドレン水の腐敗防止となる。

以上説明したように、この発明に係る車室内空調装置によれば、気化式冷房への水の供給経路や、冷房運転開始判断に工夫を加えることにより、より現実的で、快適な車室内空調装置を提供することができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものが含まれるものとする。

図１は、本発明に係る車室用空調装置の冷却装置を示す説明図である。冷却装置１は、主に、ブロワ（図示省略）、エバポレータ２、ホットヒータ４、エアミックスダンパ３、バイパスダンパ５、および気化冷却モジュール６とから構成される。エバポレータ２は、一般の空気調和装置と同様に、圧縮機、凝縮器、膨張弁と共に、冷媒の冷凍サイクルを構成する要素の一つである。冷却装置１は、エバポレータ２を通過させることによって得られる低温空気と、ホットヒータ４を通過させることによって得られる高温空気とを混合させる装置である。当該混合の割合は、回動弁であるエアミックスダンパ３の開き具合で調整するようになっている。なお、本冷却装置１は、上記ホットヒータ４も有するから、冷暖房装置としても機能する。

エバポレータの下流には、気化冷却モジュール６が設けられる。気化冷却モジュール６は、水分を気化させて、そこを流れる空気から気化熱を奪って冷風にする装置である。水分を気化させるには、ウォーターリザーバに一時的に貯め置かれる水に、一部または全部が接した水分透過膜が用いられる。つまり、気化冷却モジュール６の面部は、上記膜で構成され、空気通路に露出することにより、空気がそこに当たって通り抜ける際に、膜を透過した水が気化して空気温度が下がるしくみである。

冷却装置に流れ込む空気には、カビの胞子やほこり等の不純物が含まれ得るが、気化冷却モジュールに透湿性無孔質膜を用いると、それらに関係なく水の拡散作用による気化冷却が可能となる。すなわち、多孔質のように、目詰まりすることもなく、水のみが拡散して気化が促進される。なお、図１において、ウォーターリザーバは気化冷却モジュール６と一体となっていて区別していないが、気化冷却モジュール６の一部に水を一時的に貯め置く要素と考えればよい。

気化冷却モジュール６のウォーターリザーバは、エバポレータ２の底部で水分を捕集するドレンパン１２よりも、水平以下となる位置に配置される。気化冷却モジュール６の冷熱源となる水は、主としてエバポレータ２のドレン水を利用するため、ドレンパン１２の水位よりも低水位にウォーターリザーバを設けることにより、当該ウォーターリザーバに自然に水分が流れ込むようになる。ドレンパン１２とウォーターリザーバとは導水管７で連通される。

また、上記導水管７またはウォーターリザーバには、バルブ９付きのドレン管１０が設けられる。これにより、導水管７やウォーターリザーバの水位を調整したり、凍結するおそれがある状態になったときに水抜きしたり、また、導水管の洗浄としての水抜きが可能となる。

また、ウォーターリザーバは、車室内に設ける予備注水手段８にも導水管１１で連通される。予備注水手段８は、当該ウォーターリザーバよりも、水平以上となる位置に配置されることが必要である。予備注水手段は、たとえば、巷で容易に入手できるＰＥＴボトル
を利用することができる。室内にも注水手段が設けられることにより、ウォーターリザーバの水不足が防止される。また、当該ＰＥＴボトルに水溶性の芳香液等を混ぜることにより、気化冷却モジュールが芳香装置としても容易に機能するようになる。さらに、当該予備注水手段の水の減り具合からも、気化冷却が機能していることを実感でき、安心感と精神的な清涼感も向上する。

上記ドレンパン１２、導水管７、１１およびウォーターリザーバは、断熱材で覆われることが好ましい。ドレンパン１２には、エバポレータ２に付着した水が集まるので、その温度は低温である。そのため、ドレンパンは元来結露しやすい。そこで、ドレンパン１２、導水管７、１１、およびウォーターリザーバが断熱材で覆われれば、結露が防止されると共に、ドレン水の低い水温が長時間保持されることで空気の冷却が促進される。

ところで、本発明は、通常の冷凍サイクルの空調とは別に、気化冷却を行うタイミングを制御するしくみにも特徴がある。以下これについて説明する。図４は、湿り空気の性質を示す空気線図である。横軸は乾球温度（℃）で、縦軸は、絶対湿度（ｋｇ／ｋｇＤ．Ａ．）である。人間は、様々な温度において、ある一定の絶対湿度を超えると湿気、いわゆるジメジメ感を感じるようになる。発明者は、車室内の人間に官能試験を行い、不快な湿気を感じ始める絶対湿度を解析した。その結果、同図のＣで囲まれた範囲が適切な絶対湿度であることがわかった。なお、絶対湿度とは、湿り空気中に含まれる乾燥空気の重量に対する水蒸気の重量である。

そこで、本発明では、まず、車室内の空気温度を取得する車室内温度取得手段と、車室内の絶対湿度を取得する絶対湿度取得手段と、空調による目標温度を設定する目標温度設定手段とを設ける。車室内温度取得手段は、温度センサを用いる。絶対湿度取得手段は、高分子フィルムを利用した機械的センサ、乾湿球温度センサ等の熱的センサ、赤外線やマイクロ波吸収素材を用いた電磁波センサ、電気素子のインピーダンス変化を用いた電気的センサ、熱伝導型、静電容量型センサ等を用いることができる。目標温度設定手段は、通常の空調装置に用いられるものを流用できる。

まず、シンプルな制御としては、上記絶対湿度、または絶対湿度に変換可能な物理量を取得する手段から求まる絶対湿度が実験から求まる所定の値以下（図４のＣの範囲内における特定の値以下）であるときに、気化式冷却運転を開始する。この判断には、演算手段が必要であるが、これは、通常の空調装置が有する制御装置の演算装置にプログラムとして追加することで実現できる。当該演算装置の出力には、気化冷却モジュールを使用可能にするバイパスダンパの開閉を司る電気信号が含まれるようにしておく。

気化冷却モジュールは、水の気化という現象を利用するものであるから、当該モジュールによって空気の温度が低下するときには、同時に空気の絶対湿度が上がるという性質がある。したがって、車室内の絶対湿度が上がりすぎると、車室内の乗員は不快感を感じるようになるので、そのときは、通常の冷凍サイクルによる冷房運転を行う。他方、絶対湿度が低いときは、気化式冷却も有効となるので、気化冷却モジュールによる冷房運転を行う。エンジンへの負担を考慮すれば、気化冷却モジュールのみの運転を優先するようにしてもよい。

また、次に考えられる制御は、車室内空気温度も考慮に入れた制御である。すなわち、
目標温度設定手段による目標温度と車室内温度取得手段からの空気温度との差が所定の値以下であって、前記絶対湿度が所定の値以下であるときに、冷凍サイクルによる冷房を停止し、気化式冷却運転を開始する判断を行うようにする。これも、上記の制御と同様に、通常の空調装置が有する制御装置の演算装置にプログラムとして追加してやることで実現できる。

目標温度設定手段による目標温度と車室内温度取得手段からの空気温度との差が所定の値以下、たとえば、５℃以下であるときは、気化式冷却でも十分効果的となるので、エンジンの負担又はバッテリーの負担を軽減するために、通常の冷凍サイクルによる冷房を停止し、気化式冷却よる冷房を実行する。これにより、空調に求められる冷房効果と、車両のエンジンまたはバッテリー等に対する負担を絶妙に調整でき、インテリジェントな車室内空調装置を構築することができる。特に、ガソリンエンジンとモータを組み合わせたハイブリッドエンジンを搭載した車両や、電気自動車の場合のように、電源電力の無駄を極力省きたい場合に適している。

図２は、以上の制御工程をまとめたフローチャートである。同図において、前者の制御の場合は、ステップＳ１００、Ｓ１０１、およびＳ１０３を除いた工程を見ればよい。すなわち、絶対湿度取得手段（ステップＳ１０２）で得る絶対湿度が、あらかじめ空気線図によって求められる運転切換絶対湿度（ステップＳ１０４）よりも低い場合に、バイパスダンパを開き、気化式冷却による冷房を行うようにする（ステップＳ１０７）。

逆に、絶対湿度取得手段（ステップＳ１０２）で得る絶対湿度が、あらかじめ空気線図によって求められる運転切換絶対湿度（ステップＳ１０４）よりも高い場合は、エンジンが駆動しているかどうかを判断し（ステップＳ１０５）、駆動していなければ、エンジンへの負担を軽減するために、気化式冷却を実行するようにしてもよい（ステップＳ１０７）。通常の冷凍サイクルによる冷房は、圧縮機の駆動が必要で、エンジンに負担がかかるからである。一時的なジメジメ感は、エンジンが駆動して、通常の冷凍サイクルによる冷房が効きだせば、解消される。なお、エンジンが駆動しているかどうかは、車両の発電機からの電流を見る等すれば容易に判断できる。

つぎに、後者の制御では、ステップＳ１００、Ｓ１０１、及びＳ１０３を含んだ工程を見ればよい。つまり、目標温度設定手段（ステップＳ１００）、温度取得手段（ステップＳ１０１）による車室内空気温度と目標温度とが、比較的小さい差、たとえば５℃以下等、である場合、バイパスダンパを開き、気化式冷却を実行する（ステップ１０７）。当該差が大きい場合は、どうしても通常の冷凍サイクルによる冷房が必要となるので、その場合は、エンジンの駆動状態を確認した上で（ステップＳ１０５）、冷凍サイクルによる冷房も実行する（ステップＳ１０６）。エンジンが駆動していない場合は、上記と同様に、エンジン等への負担を考慮し、気化式冷却を行う（ステップＳ１０７）。

また、この発明では、導水管やウォーターリザーバに設けるドレン管のドレンバルブも制御する。図３は、ドレンバルブの制御工程を示すフローチャートである。ドレンバルブの制御には、３つの工程を設ける。一つは、エンジンの停止連続時間を監視し（ステップＳ２０２）、それが設定時間（例えば、２４時間）、よりも長いかどうか判断し（ステップＳ２０４）、長ければ、ドレン水の腐敗、汚染等を防止するために、ドレンバルブを開放し、ドレン水を車両外部へ排出する（ステップＳ２０６）。ドレンバルブによる水排出は、短い時間で完了するので、１０分後には再び閉まるようにしておくのが好ましい。

また、温度センサ等の水温取得手段を導水管やウォーターリザーバに設け、ドレン水温を取得し（ステップＳ２０１）、当該ドレン水温が所定の値以下と判断したとき（ステップＳ２０３）に、ドレンバルブを開放する（ステップＳ２０６）。なお、上記所定の値は、凍結防止するための温度であるから、水が凍結する前の摂氏５℃前後にしておくのが好ましい。さらに、メンテナンス時など、必要に応じて、人間が適宜手動で（ステップＳ２０５）ドレン水排出（ステップＳ２０６）が可能としておくのが好ましい。なお、これらドレンバルブ制御も、通常の空調装置に用いられる演算装置に、各種センサからの電気信号を入力とし、プログラムを追加し、出力として、バルブへの電気的信号を出力するようにしてやればよい。

本実施例においては、絶対湿度を絶対湿度取得手段で取得し、これを制御に用いているが、これに限られるものではない。すなわち、絶対湿度に変換可能な物理量を物理量取得手段で取得し、取得した物理量を絶対湿度に変換することによって絶対湿度の値を決定してもよい。具体的には、相対湿度、湿球温度等を取得し、これらと車室内温度との関係から絶対湿度を算出することにより絶対湿度を決定してもよい。

以上のように、本発明にかかる車室内空調装置は、気化冷却による冷房装置を有する車両に用いられる空調装置に有用であり、特に、エンジンやバッテリーへの負担を考慮することが不可避である車両の空調装置の生産、使用に適している。

本発明に係る車室用空調装置の冷却装置を示す説明図である。 制御工程をまとめたフローチャートである。 ドレンバルブの制御工程を示すフローチャートである。 湿り空気の性質を示す空気線図である。

符号の説明

１ 冷却装置
２ エバポレータ
３ エアミックスダンパ
４ ホットヒータ
５ バイパスダンパ
６ 気化冷却モジュール
７ 導水管
８ 予備注水手段
９ バルブ
１０ ドレン管
１１ 導水管
１２ ドレンパン

Claims (8)

1. 冷却装置内に備えられるエバポレータの下流に、水分を気化させて気化冷却を行う気化冷却モジュールを有する車室用空調装置において、
   前記気化冷却モジュールのウォーターリザーバは、前記エバポレータの底部で水分を捕集するドレンパンよりも、水平以下となる位置に配置され、当該ウォーターリザーバと、当該ドレンパンを連通する導水管または、当該ウォーターリザーバには、バルブを有するドレン管を有することを特徴とする車室用空調装置。
2. 前記気化冷却モジュールは、前記ウォーターリザーバに一部が接すると共に、面部が前記冷却装置の空気通路に露出する透湿性無孔質膜であることを特徴とする請求項１に記載の車室用空調装置。
3. 前記ウォーターリザーバは、車室内に設ける予備注水手段にも導水管で連通し、当該予備注水手段は、当該ウォーターリザーバよりも、水平以上となる位置に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の車室用空調装置。
4. 前記ドレンパン、前記導水管および前記ウォーターリザーバは、断熱材で覆われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の車室用空調装置。
5. 車室内の空気温度を取得する車室内温度取得手段と、
   車室内の絶対湿度を取得する絶対湿度取得手段と、
   前記絶対湿度が所定の値以下であるときに、気化式冷却運転を開始する判断を行う演算手段と、
   を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の車室用空調装置。
6. 空調装置による目標温度を設定する目標温度設定手段を有し、
   前記演算手段は、前記目標温度設定手段による目標温度と前記車室内温度取得手段からの空気温度との差が所定の値以下であって、前記絶対湿度が所定の値以下であるときに、冷凍サイクルによる冷房を停止し、気化式冷却運転を開始する判断を行うことを特徴とする請求項５に記載の車室用空調装置。
7. ドレン水温を取得する水温取得手段を有し、当該ドレン水温が所定の値以下であるときに、前記ドレンバルブを一定時間開放することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の車室用空調装置。
8. エンジンの停止時間を取得する停止時間取得手段を有し、当該停止時間が、所定の値以上となったときに、前記ドレンバルブを一定時間開放することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の車室用空調装置。

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