JP2009154862A - 電気自動車の空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】 除湿ローター通過後、冷却には水の気化現象を利用した間接式気化冷却器を使用し、該除湿ローターの再生にはヒートポンプを利用し、電気自動車の空調に使用する電気使用量を極力小さくする。
【解決手段】自動車内に配置した空調装置を処理側通路と再生側通路とに分割し、両通路に跨って除湿ローター３を配置し、処理側通路は車外から取り入れた外気を所定温度に冷却し、この冷却した空気を除湿ローターに通過させた空気を間接式気化式冷却器に通過させて温度を下げて自動車内に供給し、他方、再生側通路は外気を吸引し、この外気をヒートポンプ８による熱交換器凝縮熱によって加熱して除湿ローターに導入し、排気する電気自動車の空調システムの構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、乾式除湿ローターと、加湿することなく入口空気を入口空気の露点温度近く迄冷却できる間接式気化式冷却器を主たる構成部材として電気自動車（ハイブリッド型電気自動車を含む）の空調システムに関する。

電気自動車（以下ＥＶ車と称する）又は、蓄電池と内燃機関エンジンを搭載したハイブリッド型電気自動車においては、蓄電池を装備し、この電気量によってモーターを駆動して自動車を動かすものである。しかし、蓄電池の容量には限りがあるため、蓄電池の電気は自動車の動力源として使用する以外の目的（例えば、車内空気調節器）には極力電気の使用量を最小に抑える必要がある。

自動車用の空気調節（以下空調と称す）器としては、一般に圧縮器による空調システムが使用され、この圧縮器は自動車のエンジン（内燃機関）を動力として動かしている。しかし、ＥＶ車においては自動車を動かす動力源は蓄電池であり、この蓄電池の電気を使用して圧縮器のモーターを駆動した場合、使用電気量が増加し、蓄電池の電気量による走行距離が短縮されることになる。
従って、ＥＶ車においては従来のエンジン式のような空調システムの使用は望ましくない。一方、圧縮器による空調は、過冷却方式であり、過冷却による除湿、冷却を行う方式であるために相当なエネルギー（電気）を使用することになっている。

一般的には空調とは除湿であり、且つ、冷却なので圧縮器を使用するにしても最小の電力容量で、同様の目的を行うシステムがあれば当然省電力となる。このようなシステムと知られるものとして乾式の除湿ローター等を使用するものがある。この乾式除湿ローターを利用して空気中に含まれる水分を除湿ローター（除湿剤としてシリカゲル、ゼオライト、高分子ポリマー、活性アルミナ等を使用した。）で吸着し、乾燥した空気を作る方式は、従来乾式除湿ローター方式の除湿器およびデシカント空調機として広く利用されている。

除湿ローターは吸着ゾーンと再生ゾーンに分けて使われており、吸着ゾーンで吸着された水分は、再生ゾーンにおいて温風により除湿ローターより水分を脱着させる工程（再生という）が必要である。この再生熱源としては一般に電気、ガス、蒸気、温水などが使用されている。また、除湿ローターの特徴として吸着ゾーンで除湿剤が水分を吸着すると水の凝縮が起こり、凝縮熱が発生し、除湿ローター通過後の空気の顕熱（温度）が凝縮熱発生分だけ上昇することになる。

空調に必要な除湿は除湿ローターによって行い、除湿された空気の冷却には一般的には圧縮器（冷凍器）が使用されている。
実開平０６−００８１４号公報第１頁 特許第３５５９２５５号公報第１頁

特許文献１に記載のように従来のヒートポンプ式空調装置を搭載した電気自動車は圧縮器を使用して空気を除湿冷却するため電気消費量が多く、蓄電池の電気容量が直ちに消費されるため、実用的ではなかった。
また、特許文献２に記載のデシカント空調機の除湿ローターの除湿剤の再生熱源として利用する温水は、温水ボイラーが必要であり、その熱源としては石油、電気、ガス等が使用される。通常、この種の熱源のエネルギー効率（ＣＯＰ）は１以下である。

本発明の空調システムでは除湿ローターを通過し、温度上昇した空気を冷却するに加湿せずに水の気化現象で顕熱（温度）だけを下げる冷却方法にし、エネルギーを使用せずに冷却が可能としたものである。
本発明は、除湿ローターの除湿剤の再生熱源として、凝縮熱を発生させる圧縮器としてエネルギー効率のよいヒートポンプを利用し、ヒートポンプ、除湿ローター及び間接式気化式冷却器を組み合わせて一回の充電した蓄電池で長距離走行可能にさすべく空調に使用する電気使用量を最小にする空調システムを提供するものである。
本発明は、乾式の除湿ローター及び冷却には水の気化現象を利用した間接式気化冷却器を使用して、ヒートポンプの圧縮器の電気使用量を極力小さくすることを目的とするものである。

本発明は、ヒートポンプを利用することでエネルギー効率（ＣＯＰ）を大幅に改善し、除湿ローター通過後の顕熱の制御には圧縮器を使用せず、水の気化現象により空気を冷却することでシステム全体のエネルギー効率を更に向上させ、省エネルギーを図ることができる電気自動車の空調システムを提供する。

前記課題を達成するために本発明は、電気自動車の空調システムにおいて、車内に配置した空調装置を処理側通路と再生側通路とに分割し、両通路に跨って除湿ローターを配置し、処理側通路には車外から取り入れた外気若しくは車内からの還気空気または外気と還気空気との混合空気を加湿することなく温度を下げるために間接気化式冷却器を配置し、この冷却した空気を除湿ローターに通過させ除湿し、この除湿した空気を除湿ローターの後に配置する間接式気化式冷却器に通し、温度を下げて車内に給気し、他方、再生側通路は外気若しくは車内からの還気または外気と還気の混合空気を吸引し、この空気をシステム内部に配置するヒートポンプの直膨コイル熱交換器に通過させ、ヒートポンプの凝縮熱で加熱し、この加熱された空気を除湿ローターに導入通過させて、除湿ローターの除湿剤が処理側で吸着する水分を再生脱着させ、除湿ローター通過後の高湿の空気を車外に排気する電気自動車の空調システムの構成である。

本発明の前記課題は、前記空調システムにおいて、再生側通路で除湿ローターの後に配置されるヒートポンプの直膨コイル熱交換器（蒸発部）に、除湿ローター通過後の高湿空気が冷却される際に、過冷却により凝縮された水は、車外に排水せずに前記処理側通路に配置される間接式気化式冷却器に送り込まれる構成による電気自動車の空調システムによって達成できる。

本発明の前記課題は、処理側通路の車外から取り入れた外気若しくは車内からの還気空気または外気と還気空気との混合空気の冷却手段として処理側通路にヒートポンプの直膨コイル熱交換器の蒸発部を配置することにより冷却して除湿ローターに導入し、除湿ローターを通過した空気を間接式気化式冷却器によって冷却して車内へ給気し、他方、再生側通路は外気若しくは車内からの還気空気または外気と還気空気の混合空気を吸引し、ヒートポンプの直膨コイル熱交換器（凝縮部）に通過させ、ヒートポンプの凝縮熱で加熱し、この加熱させた空気を除湿ローターに導入通過させて、除湿ローターの除湿剤が処理側で吸着する水分を再生脱着させ、除湿ローター通過後の高湿の空気を車外に排気する電気自動車の空調システムの構成によって達成できる。

自動車の駆動源として蓄電池と内燃機関エンジンを搭載しているハイブリッド型電気自動車の空調システムにおいて、再生側通路のヒートポンプの直膨コイル熱交換器と除湿ローターの間に、温水コイルを配置し、この温水コイルにラジエーターの温水または自動車のエンジンの排気管の熱源によって作られた温水を流し、この温水で加温された空気を除湿ローターに導入して除湿剤を再生処理するが、前記内燃機関エンジンが駆動している時には、前記温水を利用できるためにヒートポンプは作動させずに、エンジンが駆動していない時にはヒートポンプを作動させる電気自動車の空調システムの構成によって達成できる。

本発明の電気自動車は、自動車の走行のための駆動源として蓄電池を使用するものであり、蓄電池のみの電気でモーターを駆動する一般的に言われる電気自動車や、この蓄電池の他に従来の内燃機関エンジンを搭載して、走行しながら両方の駆動源を交互に使用して走行するハイブリッド型電気自動車である。

本発明の前記間接式気化式冷却器が水の気化熱を利用した構成であり、この気化式冷却器として間接式気化式冷却器が使用できる。これらの冷却器については本発明出願人が先に出願した特開２００４−１９０９０７号公報、特開２００４−３４０５５１号公報、特開２００８−１０１８９０号公報などに記載される間接式気化式冷却器である。

本発明は、除湿ローターを使用して外気を除湿すると共にこれを通過した温度の上昇した空気が圧縮器を使用せず水だけによる間接式気化式冷却器で冷却されて車内に供給されるからヒートポンプのエバポレーター（圧縮器）の冷却に比較して電気の使用量を大幅に低減できる。しかも、除湿ローターの除湿剤の再生にはヒートポンプによる冷媒ガスの凝縮作用による凝縮熱によって加熱された空気を使用するから特許文献２に記載のようなボイラー、電気ヒータなどの熱源を利用した温水を使用せずに凝縮排熱を利用できるのでエネルギー効率（ＣＯＰ）を３近く迄上げることができる。

本発明の電気自動車（ＥＶ車）の空調システムは、空調装置による車体内に給気する冷気の冷却用として圧縮器を使用せず、しかも除湿ローターの除湿剤の再生に使用する高温空気はヒートポンプの凝縮排熱を利用するものであるから空調用消費電力を従来の圧縮器だけによる冷却システムに比較して大幅に低減した空調システムである。

本発明に使用する間接式気化式冷却器は、入口空気の露点温度近く迄加湿する事なく出口温度を冷却できるので除湿ローターの除湿量が多ければ多い程、除湿ローター通過後の露点温度は低くなる。露点温度が低ければ低い程間接式気化式冷却器の出口温度は低くなる。従い除湿ローター通過後の空気の温度を下げる為に顕熱ローター等の他の冷却手段は必要としない。

本発明は、蓄電池の蓄電容量に限度のある電気自動車（ＥＶ車）などにおける空調に使用する電気容量を最小限にすることができる。ヒートポンプの蒸発部（圧縮器）を再生側の除湿ローターの後に配置し、これに除湿ローター通過後の高温高湿空気を通して排気する場合には、蒸発部の蒸発温度のエンタルピーを上げて使用できるので、少ない電気容量でヒートポンプを運転することが可能である。また、ヒートポンプの蒸発部を処理側の除湿ローターの前に配置すれば除湿ローターへの入口空気の温度を下げるために使用することができ、除湿ローターに導入する入口空気の冷却に使用する間接式気化式冷却器を省くこともできる。
本発明の空調システムは、従来の自動車用の空調に使用する電気容量（圧縮器の容量）を約１／３程度にすることが可能である。
ヒートポンプの容量を約１／３にすることは、使用する電力及び冷媒ガスの使用量も少なくすることとなるので、炭酸ガス（ＣＯ２）削減効果が大きい。

本発明に係る電気自動車の空調システムの実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係わる空調システムの第１の実施形態の概略を示す空調システム構造図、図２は図１の実施形態の性能シミュレーションを示す構造図、図３は本発明の第２の実施の形態の性能シミュレーションを示す構造図である。図４は第３の実施の形態の性能シミュレーションを示す構造図である。図５はハイブリッド型電気自動車の空調システムの構造図、図６は図５の性能シミュレーションを示す構造図である。

本発明の空調システムについて第１の実施形態において説明する。
外気を車内に供給する処理側と車内などの排気を車外に排出する再生側との通路を仕切って配置し、この両側通路に跨って除湿ローター３を配置してある。この処理側の通路には外気の吸入ファン１、第１の間接式気化式冷却器２、除湿ローター３、第２の間接式気化式冷却器４を配置してあり、他方、再生側通路には車内、外気を吸入するファン５、ヒートポンプ圧縮器８に直結した加熱側の直膨コイル熱交換器６、除湿ローター３を経由した空気を冷却する前記直膨コイル熱交換器の蒸発部７が配置してある。前記間接式気化式冷却器２及び４は本発明出願人が出願した特開平２００４−１９０９０４号公報などに記載したものである。

このような第１の実施形態では、処理側で、吸入ファン１によって外気をシステム内に導入する。導入された外気を第１の間接式気化式冷却器２によって冷却する。この冷却は外気を加湿することなく、顕熱のみを下げるので吸入した外気の絶対湿度は変わらないが、この冷却器２を通過した空気の相対湿度は上昇している。この空気を除湿ローター３の処理ゾーンに導入する。この除湿ローター３を通過した空気の絶対湿度は、除湿剤に吸着されて大幅に減少する。しかし、吸着凝縮熱により顕熱は上昇することになる。この空気を第２の間接式気化式冷却器４に導入する。これによって空気の絶対湿度は変わらないで顕熱は下がり、冷却される。この調温、調湿された空気が車内に給気されることになる。

一方、再生通路側では処理空気との向流の空気の流れを作る。この再生側に、外気又は車内からの還気との混合空気は、ファン５によってヒートポンプ圧縮器８の直膨コイル熱交換器（凝縮部）６に導入させる。この直膨コイル熱交換器６は圧縮器の冷媒ガスの凝縮部として作用しており、この凝縮熱により導入された空気は温められる。この温められた空気は除湿ローター３の再生ゾーンに導入される。この除湿ローター３を通過した空気をヒートポンプ圧縮器８の直膨コイル熱交換器の蒸発部７に導入して、適温に冷却減湿してから大気中に放出する。

除湿ローター３は回転しており、処理側通路に位置する処理ゾーンと再生通路側の再生ゾーンは１：１に分離されている。除湿ローター３の処理ゾーンで除湿剤により吸着された水分は、再生ゾーンにおいて温風により除湿剤より脱着（再生）される。再生ゾーンを通過した空気は、湿度の高い空気となっている。この空気がヒートポンプ圧縮器８の直膨コイル熱交換器７に導入され、冷却及び過冷却除湿され、過冷却された水は車外に排出せずに間接式気化式冷却器に送り込まれる。またこのときの空気は排気として車外に放出される。

この第１の実施形態においては、ヒートポンプのエネルギー効率（ＣＯＰ）を最も良い所で行うことが必要である。且つ、ヒートポンプ８の凝縮部の凝縮温度は、除湿ローター３の再生熱源として６０℃位のところで安定して使用することであり、そのためにヒートポンプの水の蒸発温度と凝縮温度の設定バランスをとることが重要である。このバランスをとる手段の一つとして、処理通路側に設けた間接式気化式冷却器２の排気をヒートポンプ圧縮器８の直膨コイル熱交換器の蒸発部７のコイルに通してやることで最適のバランスを計ることができる。

この性能シミュレーションについて説明すると、図２に示すように、処理側通路に吸入ファン１によって３５℃湿度１９ｇ／ｋｇの外気を間接式気化式冷却器２に導入して冷却し、２０℃、湿度１９ｇ／ｋｇの空気を除湿ローター３に導入して温度３０℃、湿度１２ｇ／ｋｇとし、この空気を間接式気化式冷却器４によって冷却して２０℃、湿度１２ｇ／ｋｇとして車内に供給する。一方、外気（大気）３５℃、湿度１９ｇ／ｋｇをファン５によって吸引し、ヒートポンプ圧縮器８の直膨コイル熱交換器６を通過させて加熱し、６０℃、湿度１９ｇ／ｋｇの高温の空気にし、これを除湿ローター３に導入して除湿剤を再生する。除湿ローター通過後の空気は４５℃、湿度２９ｇ／ｋｇの空気となり、さらにヒートポンプ圧縮器８の蒸発部７により冷却して３０℃、湿度２０ｇ／ｋｇの排気として車外に放出する。この蒸発部７に前記間接式気化式冷却器２の排気を通過させて還気を冷却して２０℃、湿度２７ｇ／ｋｇの排気として放出する。

本発明に使用する間接式気化式冷却器２、４は、特開２００４−１９０９０４号公報に記載されるような多段式間接気化冷却装置を使用することができる。

図３に示す本発明の空調システムの第２の実施形態は、動力源として蓄電池と内燃機関エンジンを併設したハイブリッド型電気自動車の場合の空調システムである。
基本構成は第１の実施形態と同じであるが、第２の実施形態の場合は、再生側通路の第１実施形態の直膨コイル熱交換器６と除湿ローター３の間に温水コイル９を設置し、この温水コイルには自動車のラジエーターの温水若しくは自動車の排気管の熱を利用して作られる温水を流す。通常ラジエーター又は排気管の熱を利用して作られる温水温度は８０℃程度である。この温水コイルに空気を通すことにより、約７０℃近い温風を作ることができるので、この温風を利用して除湿ローター３の脱着、再生を行う。
ハイブリッド型電気自動車で内燃機関エンジンが駆動している時は、ラジエーター若しくは排気管の熱利用による温水が得られ除湿ローターの脱着再生の時はこの温水を利用する為、ヒートポンプを作動させる必要がないのでヒートポンプの駆動は停止させる。内燃機関エンジンが駆動しない時は、ヒートポンプを作動させる。

図３に示すハイブリッド型電気自動車の実施形態の性能シミュレーションについて説明する。
外気（３５℃、湿度１９ｇ／ｋｇ）の空気を吸引して車内からの還気（１９℃、湿度１０ｇ／ｋｇ）の空気と混合して３０℃、湿度１５ｇ／ｋｇとした空気を間接式気化式冷却器２を経て、湿度を変化させず、冷却し、１８℃、１５ｇ／ｋｇにした空気を除湿ローターに導入して除湿し、２８℃、湿度１０ｇ／ｋｇの空気とし、これを間接式気化式冷却器４を通過させて１８℃、湿度１０ｇ／ｋｇにして車内に供給する。一方、再生通路側においては３５℃、湿度１９ｇ／ｋｇの外気をファン５によって吸引し、蓄電池による走行をしているときは、直膨コイル熱交換器６の凝縮熱によって加熱して６０℃、湿度１９ｇ／ｋｇ、として除湿ローター３に導入する。切換スイッチによって駆動源を内燃機関エンジンの走行に切換わったときは、ラジエーター、排気管１０などの熱源によって加温された温水を循環している温水コイル９に導入して加熱し、この７０℃、湿度１９ｇ／ｋｇの空気（還気）を除湿ローター３に導入して除湿剤を再生する。この排気を車外に放出する。ヒートポンプは駆動させていないから再生側の除湿ローター通過後の高温高湿の空気はそのまま車外に排気される。

本発明の第３の実態形態のハイブリット型電気自動車の空調システムについて、図５において説明する。
この第３の実態形態では、処理側においてヒートポンプ圧縮器８の蒸発部である直膨コイル熱交換器７を除湿ローター３の前段階に配置する。処理する空気をこの直膨コイル熱交換器７を通し冷却する。入口空気の飽和温度以上に冷却する場合もある。この場合、過冷却により除湿が行われる。除湿された水分は水となるが、この水は車外に排水せずにこのシステムで使用する間接式気化式冷却器４の水源として利用する。除湿ローター３を通過後の空気は、間接式気化式冷却器４に送り込まれ、これを通過し冷却された空気が車内に給気される。一方、再生側は図３の形態と同様となる。この第３の実態形態の場合の性能シミュレーションは図６に示す。

このような実施形態により、電気自動車に使用される空調システムに使用する電気容量を最小限にするものである。
実施形態の空調システムは空気搬送の為のファン動力を必要とするが、自動車走行中の風圧を利用することにより、走行中のファン動力の電気消費量を抑えることも可能となる。

本発明で使用される間接式気化式冷却器２及び４は、水の気化現象を利用して冷却する装置であるから水を使用する。そのために車には間接式気化式冷却器が使用するだけの水を確保しておく必要があり、水タンク等を車に搭載しておく必要がある。しかし、車であるために水タンクも最小にする必要がある。又、直膨コイル熱交換器７により過冷却除湿された水は、車外に排水せずに間接式気化式冷却器へ送り込み、水タンクの容量を最小にする事が可能となる。

本発明に係わる空調システムの第１の実施形態の概略を示すシステム構造図である。 図１の実施形態の性能シミュレーションを示す構造図である。 本発明の第２の実施形態の概略を示す構成図である。 図３の第２の実施の形態の性能シミュレーションを示す構造図である。 本発明のハイブリッド型電気自動車の第３の実施形態の概略を示すシステム構成図である。 図５の実施形態の性能シミュレーションを示す構造図である。

符号の説明

１ ファン
２ 間接式気化式冷却器
３ 除湿ローター
４ 間接式気化式冷却器
５ ファン
６ 直膨コイル熱交換器（凝縮部）
７ 直膨コイル熱交換器（蒸発部）
８ ヒートポンプ圧縮器
９ 温水コイル
１０ ラジエーター又は排気管

Claims (5)

1. 電気自動車の空調システムにおいて、自動車内に配置した空調装置を処理側通路と再生側通路とに分割し、両通路に跨って除湿ローターを配置し、処理側通路には車外から取り入れた外気若しくは車内からの還気空気または外気と還気空気との混合空気を間接式気化式冷却器よって湿度を上げることなく冷却し、この冷却した空気を除湿ローターに通過させ除湿し、この除湿した空気を除湿ローターの後に配置する間接式気化式冷却器に通し、湿度を上げることなく更に温度を下げて車内に給気し、他方、再生側通路は外気若しくは車内からの還気または外気と還気の混合空気を吸引し、この空気をシステム内部に配置するヒートポンプの直膨コイル熱交換器に通過させ、ヒートポンプの凝縮熱で加熱し、この加熱された空気を除湿ローターに導入通過させて、除湿ローターの除湿剤が処理側で吸着する水分を再生脱着させ、除湿ローター通過後の高湿の空気を排気することを特徴とする電気自動車の空調システム。
2. 前記空調システムにおいて、再生側通路で除湿ローターの後に配置されるヒートポンプの直膨コイル熱交換器に、除湿ローター通過後の高湿空気が冷却される際に、過冷却により凝縮された水は、車外に排水せずに前記処理側通路に配置される間接式気化式冷却器に送り込まれることを特徴とする請求項１に記載の電気自動車の空調システム。
3. 処理側通路の車外から取り入れた外気若しくは車内からの還気空気または外気と還気空気との混合空気の冷却手段として処理側通路にヒートポンプの直膨コイル熱交換器の蒸発部を配置することにより冷却して除湿ローターに導入し、除湿ローターを通過した空気を間接式気化式冷却器によって冷却して車内へ給気し、他方、再生側通路は外気若しくは車内からの還気空気または外気と還気空気の混合空気を吸引し、ヒートポンプの直膨コイル熱交換器に通過させ、ヒートポンプの凝縮熱で加熱し、この加熱させた空気を除湿ローターに導入通過させて、除湿ローターの除湿剤が処理側で吸着する水分を再生脱着させ、除湿ローター通過後の高湿の空気を車外に排気することを特徴とする電気自動車の空調システム。
4. 前記処理側通路に配置されたヒートポンプの前記直膨コイル熱交換器の蒸発部で空気が冷却される際に、過冷却によって凝縮された水を車外に排水することなく、この水を間接式気化式冷却器に供給することを特徴とする請求項３に記載の電気自動車の空調システム。
5. 自動車の駆動源として蓄電池と内燃機関エンジンを搭載しているハイブリッド型電気自動車の空調システムにおいて、再生側通路のヒートポンプの直膨コイル熱交換器と除湿ローターの間に、温水コイルを配置し、この温水コイルにラジエーターの温水または自動車のエンジンの排気管の熱源によって作られた温水を流し、この温水で加温された空気を除湿ローターに導入して除湿剤を再生処理するが、前記内燃機関エンジンが駆動している時には、前記温水を利用できるためにヒートポンプは作動させずに、前記内燃機関エンジンが駆動していない時にはヒートポンプを作動させ、直膨コイル熱交換器を使用して加温して除湿ローターに導入し、除湿剤の再生を行い、この還気を大気中に排気することを特徴とするハイブリッド型電気自動車の空調システム。

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