JP2008201199A - 車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低温熱源を用いた、エネルギー消費の少ない車両用空調装置を実現する。
【解決手段】本発明に係る車両用空調装置は、内気あるいは外気を車室内に導入する空気通路１と、第１蒸発器３及び第２蒸発器５を有し、前記第１蒸発器３及び第２蒸発器５が前記空気通路１において前記空気通路１の上流側から順に配置される冷凍サイクル３０と、前記空気通路１において前記第１蒸発器３と前記第２蒸発器５の間に配置され、前記第１蒸発器３で冷却された空気を除湿する全熱交換器４と、前記全熱交換器４に再生用空気を流すことで前記全熱交換器４の除湿能力を再生する再生手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用空調装置に関するものである。

従来の車両用空調装置は、外気あるいは内気を車室内に導入する空気通路と、空気通路に導入された空気を冷媒との熱交換によって冷却・除湿する冷却用熱交換器と、冷却・除湿後の空気の一部ないし全部をエンジンの冷却水との熱交換によって加熱するヒータコアとで構成される。冷却・除湿後の空気と加熱後の空気はエアミックスチャンバで混合されて適温に調整され、車室内に導入される。

しかしながら、この構成では、車室内に導入される空気の絶対湿度を所望の絶対湿度まで下げるために、導入された空気を露点温度まで冷却して空気中の水蒸気を凝縮させる必要がある。水蒸気の凝縮に使用されたエネルギーはドレン水とともに車外に排出され、回収されることがないので、エネルギー消費が極めて大きい。

そこで、特許文献１では、冷却用熱交換器の上流側にデシカントロータを配置することで、車両用空調装置のエネルギー消費を抑える技術を開示している。デシカントロータは、内部を空気が通過することができるように構成され、空気が通過する部分の表面に吸湿剤が塗布されたロータである。
特開２００６−２４０５７３公報

しかしながら、上記特許文献の構成では、デシカントロータが冷却用熱交換器の上流側で空気を除湿する構成であるので、デシカントロータの再生熱源として比較的高温の熱源を必要とするという問題があった。すなわち、デシカントロータは、空気通路内の空気と再生用空気との間で温度・湿度を交換する全熱交換を行うため、除湿される側の空気の温度が高いと、それだけ温度が高く、相対湿度の低い再生用空気を高温熱源によって準備する必要がある。

本発明は、このような従来の技術的課題を鑑みてなされたものであり、低温熱源を用いた、エネルギー消費の少ない車両用空調装置を実現することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、車両用空調装置において、内気あるいは外気を車室内に導入する空気通路と、第１蒸発器及び第２蒸発器を有し、前記第１蒸発器及び第２蒸発器が前記空気通路において前記空気通路の上流側から順に配置される冷凍サイクルと、前記空気通路において前記第１蒸発器と前記第２蒸発器の間に配置され、前記第１蒸発器で冷却された空気を除湿する全熱交換器と、前記全熱交換器に再生用空気を流すことで前記全熱交換器の除湿能力を再生する再生手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の車両用空調装置において、前記全熱交換器がデシカントロータであることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の車両用空調装置において、前記全熱交換器が静止型全熱交換器であることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の車両用空調装置において、前記再生手段が、前記冷凍サイクルの放熱用熱交換器の廃熱を利用して前記再生用空気を加熱することを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の車両用空調装置において、前記再生手段が、エンジンの冷却水を内部に流通させるヒータによって前記再生用空気を加熱することを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の車両用空調装置において、前記再生手段が、前記再生用空気として車室内から排出される空気を用いることを特徴とするものである。

請求項7に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の車両用空調装置において、前記再生手段が、前記再生用空気としてエンジンの排気を用いることを特徴とするものである。

請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれかに記載の車両用空調装置において、前記冷凍サイクルが、前記第１及び第２蒸発器それぞれについて独立した膨張弁を備えることを特徴とするものである。

請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれかに記載の車両用空調装置において、前記全熱交換器の下流に送風機を設けたことを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、第１蒸発器、第２蒸発器のいずれにおいても空気を露点温度以下に冷却する必要がなくなり、車両用空調装置のエネルギー消費を大幅に抑えることができる。また、一旦、第１蒸発器で温度を下げ、相対湿度を上げてから全熱交換器で除湿するようにしたことにより、全熱交換器の再生熱源として低温熱源が利用可能になる。全熱交換器としては、デシカントロータ（請求項２に記載の発明）、静止型全熱交換器（請求項３に記載の発明）のいずれを用いてもよい。

請求項４、請求項５、請求項７に記載の発明によれば、廃熱を利用して再生用空気を加熱でき、車両用空調装置の消費エネルギーを抑えることができる。

請求項６の記載の発明によれば、適度に除湿された車室内からの空気を再生用空気として利用することで、低温熱源であっても全熱交換器の再生に適した相対湿度の低い再生用空気を得ることができる。また、車室内からの廃熱を全熱交換器で回収し、全熱交換器の再生に利用することができる。

請求項８に記載の発明によれば、２つの膨張弁を独立して制御することにより、第１蒸発器、第２蒸発器の冷却性能を独立に制御することができる。除湿前の空気の相対湿度を上げるために利用される第１蒸発器は、第２蒸発器よりも要求される冷却性能が低いことから、好ましくは、第１蒸発器の冷却性能が第２蒸発器の冷却性能よりも低くなるように、２つの膨張弁を制御する。

請求項９に記載の発明によれば、全熱交換器の下流側が負圧になるので、空気通路に導入される空気が第１蒸発器、全熱交換器、第２蒸発器に積極的に流れるようになり、冷却性能を向上させることができる。特に、全熱交換器がデシカントロータの場合は、その流路抵抗によって空気の漏れが発生しやすいが、この構成によれば、このような空気の漏れを抑えることができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

図1は本発明に係る車両用空調装置の概略構成を示している。装置の構成要素の大部分は車両のインストルメントパネル内に配置される。

装置内には車外と車室内とを接続する空気通路１が形成される。空気通路１には、上流側から順に、ブロア２、第１蒸発器３、デシカントロータ４の一部、第２蒸発器５、ヒータコア６、が配置される。第１蒸発器３、第２蒸発器５は後述する冷凍サイクル３０の一部を構成する。

インテークドア８を介して空気通路１に導入される車外からの空気（外気）あるいは車室内から循環される空気（内気）は、ブロア２によって第１蒸発器３に送られ、露点温度直前まで冷却される。第１蒸発器３から出る空気は、温度低下によって相対湿度が100%近くまで上昇し、下流に位置するデシカントロータ４へと流入する。

デシカントロータ４では、流入する空気中の水蒸気を吸着し、流入する空気を除湿する。水蒸気が吸着されると吸着熱がデシカントロータ４内部を通過中の空気に放出され、また、通過中の空気はデシカントロータ４から熱を受け取るので、デシカントロータ４通過後の空気は通過前の空気に比べて温度が上昇する。

第２蒸発器５では、デシカントロータ４通過後の空気を再び冷却し、低温の乾燥空気を得る。この低温の乾燥空気はエアミックスドア９によりその一部ないし全部がヒータコア６に送られ、加熱される。ヒータコア６の内部には図示しないエンジンの冷却水が導かれており、冷却水との熱交換によって低温の乾燥空気が加熱される。

ヒータコア６をバイパスした低温の乾燥空気と、ヒータコア６に送られ加熱された高温の乾燥空気は、空気通路１の最下流部に形成されるエアミックスチャンバ１０内で混合され、所望の温度の乾燥空気とされる。所望の温度の乾燥空気は、デフロスタドア１１、ベントドア１２、フットドア１３を介して、噴出し口１５〜１７から車室内の各所に分配される。

また、装置内には、デシカントロータ４の除湿能力を再生するために、車室内と車外を接続する再生用空気通路２０が形成されている。再生用空気通路２０には、上流側から順に、ブロア２１、後述する冷凍サイクル３０のコンデンサ３２、デシカントロータ４の一部が配置される。ブロア２１は、車室内の換気のために車外に排出される空気（以下、「換気空気」という。）をコンデンサ３２に送り、コンデンサ３２からの廃熱によって昇温させる。

換気空気は、元々適度に除湿されている上に、コンデンサ３２での温度上昇によってさらに相対湿度が低下するので、デシカントロータ４の再生に適した状態となる。そして、これがデシカントロータ４に流入すると、デシカントロータ４に吸着されていた水蒸気が脱離し、デシカントロータ４の除湿能力が再生される。脱離した水蒸気は再生用空気とともに車外へと排出される。

図２はデシカントロータ４の斜視図である。デシカントロータ４の外周には、図２に示すようにベルト４１が巻き回されており、モータ４２を駆動するとデシカントロータ４は回転軸４３を中心として緩やかに回転する。

また、デシカントロータ４は仕切り４４によって除湿側と再生側に区画される。仕切り４４は、デシカントロータ４から分離した状態で装置内に固定され、デシカントロータ４と共には回転しないので、デシカントロータ４の各部分は除湿側と再生側を順次移動することになる。また、除湿側と再生側の面積比は、デシカントロータ４に使用される吸湿剤の種類、再生用空気の温度・湿度等によって決定される。

除湿側では、第１蒸発器３によって冷却された空気が流入し、空気が通過する部分の表面に塗布されている吸湿剤により、流入する空気の除湿が行われる。吸湿剤には、シリカゲル、ゼオライトの他、低温での再生能力に優れた高分子吸着剤を用いることができる。除湿後の空気は、水蒸気吸着時に放出される吸着熱とデシカントロータ４から受け取る熱によって温度が上昇し、デシカントロータ４の下流へと流れる。

水蒸気を吸着して除湿能力が低下した部分は、デシカントロータ４が回転することで順次再生側へと移動する。再生側では、相対湿度が低い再生用空気が除湿時とは反対側からデシカントロータ４に流入し、除湿能力が低下した部分の再生が行われる。再生が完了した部分はデシカントロータ４の回転によって再び除湿側へと移動し、第１蒸発器３から流入する空気の除湿を行う。

図３は上記車両用空調装置の冷凍サイクル３０の概略構成を示している。

ここでは冷媒としてＨＦＣ−１３４ａ等の代替フロンを用いる冷媒サイクルを例に挙げて説明するが、使用する冷媒、冷凍サイクル３０の構成はこれに限ったものではなく、例えば、ＣＯ₂を冷媒に用いた冷凍サイクルであってもよい。

冷凍サイクル３０は、コンプレッサ３１、コンデンサ３２、リキッドタンク３３、第１膨張弁３４、第２膨張弁３５、第１蒸発器３、第２蒸発器５を備える。第１蒸発器３、第２蒸発器５はリキッドタンク３３の下流に並列的に設けられ、この間にデシカントロータ４が配置される。

コンプレッサ３１はエンジンによって駆動され、気相の冷媒を圧縮し、高温・高圧の冷媒としてコンデンサ３２に送る。コンデンサ３２は、車室内から導入された空気と高温・高圧の冷媒との間で熱交換を行わせ、車室内から導入された空気を昇温させて再生用空気とするとともに、冷媒の温度を下げて冷媒を凝縮させる。

リキッドタンク３３は凝縮した冷媒を気液分離し、液相の冷媒のみを第１膨張弁３４、第２膨張弁３５へと送る。

第１膨張弁３４、第２膨張弁３５はそれぞれ独立に制御され、高温・高圧の液相の冷媒を減圧膨張させて低温・低圧の霧状の冷媒にする。第１蒸発器３は除湿前の空気の相対湿度を結露寸前まで高めるために利用され、第２蒸発器５よりも要求される冷却性能が低いことから、好ましくは、第１蒸発器３の冷却性能が第２蒸発器５の冷却性能よりも低くなるように、２つの膨張弁３４、３５を制御する。

第１蒸発器３、第２蒸発器５では、低温・低圧の霧状の冷媒が蒸発するときの気化熱により外部を通過する空気（空気通路１を流れる空気）から熱を奪い、外部を通過する空気を冷却する。

続いて、上記構成の車両用空調装置の作用効果について説明する。

図４は上記構成の車両用空調装置によって空気通路１中の空気が冷却される様子を示した空気線図である。

空気通路１内に導入された空気（状態Ａ）は、まず、第１蒸発器３で露点温度直前まで冷却され（状態Ａから状態Ｂ）、その後、デシカントロータ４で除湿される（状態Ｂから状態Ｃ）。除湿後の空気は、吸着熱とデシカントロータ４から受け取る熱によって温度が上昇する。除湿後の空気は、第２蒸発器５で再び冷却され（状態Ｃから状態Ｄ）、下流のエアミックスチャンバ１０、ヒータコア６へと送られる。

デシカントロータを用いない従来の車両用空調装置では、同じ状態Ａから状態Ｄに変化させる場合、状態Ａから状態Ｂに変化させた後、さらに温度を露点温度以下に下げ、図中Ｘで示すように、空気中の水蒸気を凝縮させながら絶対湿度を下げる必要があり、エネルギー消費が極めて大きいという問題があった。これに対し、上記構成の車両用空調装置では、第１蒸発器３、第２蒸発器５のいずれにおいても空気を露点温度以下に冷却する必要がなく、車両用空調装置のエネルギー消費を大幅に抑えることができる。

また、特許文献１に開示されるデシカントロータを用いる車両用空調装置と比較しても、上記構成の車両用空調装置では、一旦、第１蒸発器３で温度を下げ、相対湿度を上げてからデシカントロータ４で除湿するようにしたことにより、デシカントロータ４の再生熱源として冷凍サイクルのコンデンサ３２等のより低温の熱源を利用することが可能になる。

デシカントロータ４の再生熱源としては、本実施形態のように、冷凍サイクル３０のコンデンサ３２の他、エンジンの冷却水あるいは排気を内部に流通させることで外部の空気を加熱するヒータを利用することができる。廃熱を利用して再生用空気を加熱することにより、車両用空調装置の消費エネルギーを抑えることができる。

また、適度に除湿された車室内からの空気（換気空気）を再生用空気として利用することで、低温熱源であってもデシカントロータ４の再生に適した相対湿度の低い再生用空気が得られる。さらに、車室内からの廃熱をデシカントロータ４で回収し、デシカントロータ４の再生に利用することができる。

あるいは、換気空気ではなく、エンジンの排気そのものを再生用空気として用いるようにしてもよい。この場合、エンジンの排気管を分岐させ、排気の一部を再生用空気通路２０に直接導入すればよい。

ただし、この構成では、再生時に排気がデシカントロータ４内に残留するので、再生後の部分が除湿側に移動した際に残留排気が車室内に流入しないようにする必要がある。残留排気が車室内に流入しないようにするには、例えば、再生側と除湿側の間にパージ領域を区画し、この領域に空気通路１中の空気の一部を流して残留排気を掃気し、車外に排出するようにすればよい。

また、第１蒸発器３、第２蒸発器５が結露せず、ドレン水が発生しない、あるいは、発生したとしても極僅かであるので、第１蒸発器３、第２蒸発器５の性能が向上する。さらに、第１蒸発器３、第２蒸発器５が凍結しにくくなるので、冷媒の温度を下げて冷媒と空気の温度差を大きくし、第１蒸発器３、第２蒸発器５の冷却性能を向上させることができる。したがって、上記構成の車両用空調装置では、冷媒の流量を下げて第１蒸発器３、第２蒸発器５、コンプレッサ３１、ブロア２等を小さくし、車両用空調装置を小型化、軽量化することができる。

なお、上記構成の車両用空調装置では、第１蒸発器３と第２蒸発器５の冷却性能を異ならせるために独立した２つの膨張弁３４、３５を設けているが、簡略化して、第１蒸発器３と第２蒸発器５で共通の膨張弁を一つ設けるようにしても構わない。

また、冷凍サイクル３０として、ＣＯ₂を冷媒に用いた冷凍サイクルを用いることも可能である。この場合、デシカントロータ４の再生熱源として、コンデンサ３２に代えてガスクーラを用いればよい。

また、上記実施形態では、空気通路１内の空気と再生用空気通路２０内の再生用空気との間で湿度・温度を交換するためにデシカントロータ４を用いたが、これに代えて、静止型（直交流型、斜行流、対向流等）の全熱交換器を用いるようにしてもよい。

また、上記実施形態の車両用空調装置をデミストモードで運転させることも可能であり、この場合は、デシカントロータ４で除湿を行い、第２蒸発器５、ヒータコア６によって除湿後の空気が適温となるように温度を適宜調整すればよい。

また、デシカントロータ４の流量抵抗が大きく、デシカントロータ４の上流側の圧力が上昇すると、デシカントロータ４周辺からの空気の漏れが多くなる可能性があるが、図５に示すように第２蒸発器５の下流に補助ファン５１を設け、第２蒸発器５の下流を負圧にすれば、このような空気漏れを抑えることができる。また、この構成によれば、空気が第１蒸発器３、デシカントロータ４、第２蒸発器５に積極的に流れるようになり、車両用空調装置の冷却性能をさらに向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例を示したものであり、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

本発明に係る車両用空調装置の概略構成図である。 デシカントロータの斜視図である。 冷凍サイクルの概略構成図である。 本発明の作用効果を説明するための空気線図である。 本発明に係る車両用空調装置の一部改変例を示す図である。

符号の説明

１ 空気通路
２ ブロア
３ 第１蒸発器
４ デシカントロータ
５ 第２蒸発器
６ ヒータコア
２０ 再生用空気通路
２１ ブロア
３０ 冷凍サイクル
３１ コンプレッサ
３２ コンデンサ
３３ リキッドタンク
３４ 第１膨張弁
３５ 第２膨張弁
４２ モータ
５１ 補助ファン

Claims (9)

1. 内気あるいは外気を車室内に導入する空気通路（１）と、
   第１蒸発器（３）及び第２蒸発器（５）を有し、前記第１蒸発器（３）及び第２蒸発器（５）が前記空気通路（１）において前記空気通路（１）の上流側から順に配置される冷凍サイクル（３０）と、
   前記空気通路（１）において前記第１蒸発器（３）と前記第２蒸発器（５）の間に配置され、前記第１蒸発器（３）で冷却された空気を除湿する全熱交換器（４）と、
   前記全熱交換器（４）に再生用空気を流すことで前記全熱交換器（４）の除湿能力を再生する再生手段と、
   を備えたことを特徴とする車両用空調装置。
2. 請求項１に記載の車両用空調装置において、前記全熱交換器（４）がデシカントロータであることを特徴とする車両用空調装置。
3. 請求項１に記載の車両用空調装置において、前記全熱交換器（４）が静止型全熱交換器であることを特徴とする車両用空調装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の車両用空調装置において、前記再生手段が、前記冷凍サイクル（３０）の放熱用熱交換器（３２）の廃熱を利用して前記再生用空気を加熱することを特徴とする車両用空調装置。
5. 請求項１から３のいずれかに記載の車両用空調装置において、前記再生手段が、エンジンの冷却水を内部に流通させるヒータによって前記再生用空気を加熱することを特徴とする車両用空調装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の車両用空調装置において、前記再生手段が、前記再生用空気として車室内から排出される空気を用いることを特徴とする車両用空調装置。
7. 請求項１から３のいずれかに記載の車両用空調装置において、前記再生手段が、前記再生用空気としてエンジンの排気を用いることを特徴とする車両用空調装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の車両用空調装置において、前記冷凍サイクル（３０）が、前記第１及び第２蒸発器（３、５）それぞれについて独立した膨張弁（３４、３５）を備えることを特徴とする車両用空調装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の車両用空調装置において、前記全熱交換器（４）の下流に送風機（５１）を設けたことを特徴とする車両用空調装置。

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