JP2010023547A - 換気負荷低減装置およびそれを用いた自動車用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単純な構成であり、かつ、熱回収効率をより向上させることができる換気負荷低減装置およびそれを用いた自動車用空調装置を提供する。
【解決手段】車室内の空気を車室内後部側から導出するための内気導出路４と、外気を車室内前部側へ導入するための外気導入路５と、内気導出路４から導出される空気の熱を回収する換気熱回収器６と、外気導入路５から導入される空気に熱を放熱する回収熱放熱器７と、換気熱回収器６と回収熱放熱器７との間で熱を伝える熱移動手段８とを備え、自動車用空調装置２の冷媒循環系９から独立しているため、暖房を行う際、車室内から導出された温かい空気の熱が換気熱回収器６によって汲み上げられ、熱移動手段８によって回収熱放熱器７へ伝えられ、回収熱放熱器７において外気導入される冷たい空気を暖めることにより、単純な構成であり、かつ、熱回収効率をより向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、換気負荷低減装置および自動車用空調装置に関し、詳細には、暖房する際の換気負荷を低減させる装置に関するものである。

一般に、車室内を暖房で暖める際は、エンジン冷却水を車室内へ循環させ、ヒータコアにより空気を暖めることで暖房を行っている。

しかし、今日のエンジンの高効率化に伴って低発熱エンジン等が利用されるようになり、エンジンからの排熱利用が困難になってきている。さらに、電気自動車等のエンジンを持たない自動車においては、エンジンからの排熱を利用せずに暖房することが必要とされている。

このため、従来より、自動車用空調装置として利用されているエアコンサイクルを適用し、フロンガスなどの冷媒で暖房を可能とした方法が提案されている。この方法は、冷房の際に用いる冷房サイクル内を循環する冷媒を、冷房の際と逆方向に循環させて暖房も可能とした方法であり、コンプレッサにより高温高圧に圧縮した冷媒を熱交換器（冷房時はエバポレータとして機能する）に導入して、外気導入した冷たい空気を暖める方法の所謂、ヒートポンプサイクルと呼ばれているシステムである。

この方法では、コンプレッサの動力により車室内に吹き出される空気の温度を適温にしているため、外気導入した冷たい空気が例えば−２０℃のように低外気温である場合には、コンプレッサの動力を大量に必要とする。

一方、電気自動車等の場合には、消費電力に応じて航続距離が変わるため、暖房による消費電力をできる限り少なく抑える必要があり、そのためには、暖房する際の換気負荷を低減させることが望まれている。

そこで、例えば、ヒートポンプサイクルを使用して暖房する方法を採用する自動車用空調装置であって、車室内外を連通し車室内の空気を車室外へ導出する換気用の内気導出路に配設した排熱回収器を、ヒートポンプサイクルに対して並列に接続するという技術が提案されている（特許文献１）。

このような構成によれば、外気導入を行い暖房する場合には、冷媒はヒートポンプサイクルのみならず排熱回収器にも流動するため、換気によって車室外に導出される空気から熱を汲み上げることができ、エネルギーの無駄な消費を防止することができる。

また、外気導入路の近傍に車室内の空気を車室外へ導出する内気導出路を設け、両通路に渡って全熱交換器を配設した構成により、外気導入を行いながら暖房する場合には、両通路の空気を全熱交換器で熱交換することで、コンプレッサ負荷を低減して省エネルギー化を実現することができるという技術も提案されている（特許文献２）。
実開平６−６０２４号公報 特開２０００−３１８４２２号公報

しかし、上記特許文献１に記載の構造によると、排熱回収器とヒートポンプサイクルとを連通させる管路がヒートポンプサイクルと一体化しているため、ヒートポンプサイクル内を流動する冷媒と管路内を流動する冷媒とが共有されている。

このため、このような管路を既存のヒートポンプサイクルに新たに取り付けようとするのは困難である。さらに、このような管路を設ける場合には、冷媒の流れを制御するためのコントローラ、電磁弁等を設けることも必要となり、回路が複雑になるだけでなく部品点数も増加し、しかも温度制御のシステム全体に影響を及ぼすため、実用は困難である。

また、上記特許文献２に記載の構造によると、内気導出路からの空気と外気導入路からの空気との熱交換は両通路が隣接した部分で行われる必要がある。

そして、両通路を隣接させた部分で全熱交換させようとすると、内気導出路を外気導入路まで長く延ばす必要があり、回収した熱が、全熱交換器に到達するまでの間に放熱されるという問題がある。

なお、上述した問題は、ヒートポンプサイクルによって暖房を行うことを前提としたものであるが、エンジン以外の動力によって温水を生成する装置（温水生成装置）を有する自動車やエンジンを有する自動車の場合においても、暖房する際の換気負荷を低減させることが求められている。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、単純な構成であり、かつ、熱回収効率をより向上させることができる換気負荷低減装置およびそれを用いた自動車用空調装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係る換気負荷低減装置は、内気導出路に設けられた換気熱回収器と、外気導入路に設けられた回収熱放熱器と、換気熱回収器と回収熱放熱器との間で熱を伝える熱移動手段とを備え、さらに、自動車用空調装置の冷媒循環系から独立している構成により、単純な構成で、かつ、熱回収効率をより向上させることができる。

すなわち、本発明に係る換気負荷低減装置は、車室内外を連通し、前記車室内の空気を前記車室内の後部側から前記車室外へ導出する換気用の内気導出路と、車室内外を連通し、外気を前記車室外から前記車室内の前部側へ導入するための外気導入路と、前記内気導出路に設けられて、前記内気導出路から導出される空気の熱を回収する換気熱回収器と、前記外気導入路に設けられて、前記外気導入路から導入される空気に熱を放熱する回収熱放熱器と、前記換気熱回収器と前記回収熱放熱器との間で熱を伝える熱移動手段とを備え、自動車用空調装置の冷媒循環系から独立していることを特徴とする。

このように構成された本発明に係る換気負荷低減装置によれば、暖房の際、換気により車室内へ導出される空気からの熱を車室内後部側の内気導出路に設けられた換気熱回収器で汲み上げて、熱移動手段により車室内前部側の回収熱放熱器へ伝え、回収熱放熱器で外気の冷たい空気を暖めるため、単純な構成であり、かつ、熱回収効率をより向上させることができ、換気負荷を低減させることができる。

本発明に係る換気負荷低減装置およびそれを用いた自動車用空調装置によれば、単純な構成であり、かつ、熱回収効率をより向上させることができる。

以下、本発明の換気負荷低減装置およびそれを用いた自動車用空調装置に係る最良の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態を説明するための換気負荷低減装置１およびそれを用いた自動車用空調装置２が設けられている車１００を上方から見下ろした状態を示す平面透視図である。

なお、本実施形態では、ヒートポンプサイクルを使用して暖房をする形式のものではなく、温水を生成する装置（温水生成装置３）を使用して暖房を行う場合について説明する。

図１において、車１００の前方向が左を向くように示されている。

図１に示すように、車１００の後部側には、車室内外を連通し、車室内の空気を車室外へ導出する換気用の内気導出路４が設けられている。また、車１００の前部側には、車室内外を連通し、外気を車室外から車室内へ導入するための外気導入路５が設けられている。

そして、内気導出路４には内気導出路４から導出される車室内の空気の熱を回収する換気熱回収器６が設けられ、外気導入路５には外気導入路５から導入される空気へ熱を放熱する回収熱放熱器７が設けられている。さらに、換気熱回収器６と回収熱放熱器７との間で熱を伝える熱移動手段８を備えている。

ここで、外気導入路５とは、一端が車室内側に開口し、他端が車室外側に開口した通路を意味する。本実施形態では、外気導入路５と内気循環路とが、それぞれ独立しているものについて説明するが、例えば、内気循環路と外気導入路５とが合流する構成である場合であって、内気循環路が閉じられて、外気導入路５が開いているときは、その合流した部分も含めて外気導入路５という。

また、車１００の前部側には、冷房を行う際に使用する冷媒循環系９（ヒートポンプサイクル）が備えられている。この冷媒循環系９は、コンデンサ１０、リキッドタンク１１、コンプレッサ１２、エバポレータ１３、膨張弁１４から構成され、冷媒を循環させることで外気導入路５に位置しているエバポレータ１３から冷風が車室内に流れる。

さらに、車１００の前部側には、暖房を行う際に使用する温水生成装置３とヒータコア１５が設けられている。ヒータコア１５は、外気導入路５においてエバポレータ１３よりも車室内側の開口付近に位置している。

そして、換気熱回収器６、回収熱放熱器７および熱移動手段８から構成される換気負荷低減装置１は、この冷媒循環系９から独立して構成されている。

また、図２は、図１の熱移動手段８の詳細を示す部分拡大図である。図２に示すように、本実施形態に係る換気負荷低減装置１の熱移動手段８は、換気熱回収器６と回収熱放熱器７とを連通させる管路１６および１６’と、管路１６、１６’内を循環する熱移動用の不凍液１７とからなる。

この管路１６、１６’は、換気熱回収器６で回収された熱が回収熱放熱器７へ伝達されるまでの間に外へ放熱されることを防ぐため、管路１６、１６’の周囲は断熱材等で覆われているとより好ましい。

さらに、この管路１６、１６’には、不凍液１７を、管路１６、１６’、換気熱回収器６および回収熱放熱器７の系を循環させるウォーターポンプ１８が設けられている。

さらに、内気導出路４には換気熱回収器６に、内気導出路４から導出された車室内の空気を強制的に吹き付けさせる換気ファン１９が設けられている。ここで、換気ファン１９は、内気導出路４内の空気を換気熱回収器６へ送風することを助ける役割であるため、内気導出路４内であって、換気熱回収器６より内部に設けられている。

次に、本実施形態に係る換気負荷低減装置１およびそれを用いた自動車用空調装置２により暖房を行う際の作用を説明する。

車室内を暖房することで暖める場合、温水生成装置３により暖められた水を車室内側へ循環させるが、内気循環を行うと、人から発生する湿度等により窓の曇りが発生する。このため、通常では外気導入を行うこととなる。このとき、外気導入路５から導入される外気をヒータコア１５で暖めることで車室内へ暖かい空気を送る。

さらに、換気によって車室内の空気は内気導出路４から導出され、換気ファン１９により換気熱回収器６に送風されることで、換気熱回収器６の内部の不凍液１７との間で熱交換が行われ、車室内の温まった熱が回収される。そして、ウォーターポンプ１８で不凍液１７が循環されることで、不凍液１７は換気熱回収器６から管路１６を流れて回収熱放熱器７に到達する。そして、熱は回収熱放熱器７において、外気導入路５に導入された外気の冷たい空気と不凍液１７との間で熱交換が行われて、外気導入路５の外気を暖める。

その後、換気負荷低減装置１によって暖められた空気は、ヒータコア１５でさらに暖められて、車室内へ送風され、車室内を暖かくする。

なお、回収熱放熱器７で放熱された後の不凍液１７は、管路１６’を通って換気熱回収器６に戻る。

このように構成された本実施形態に係る換気負荷低減装置１およびそれを用いた自動車用空調装置２によれば、外気導入を行い車室内を暖房する場合、車室内の温度を一旦上げてしまえば、その車室内の空気の熱を捨てずに再利用するため、不凍液１７を循環させて熱の移動を行う際に下がった温度の分のみ外気を暖めることを必要とする。

これは、例えば、外気が−２０℃という低外気である場合、外気導入路５から導入される外気は、回収熱放熱器７での放熱により０℃付近まで暖めることが可能である。このため、外気が０℃時と同等の消費電力しか必要とせず、エネルギーの無駄な消費を減らすことができる。

そして、本実施形態に係る換気負荷低減装置１は、換気熱回収器６が車室内後部側の内気導出路４に設けられ、回収熱放熱器７が車室内前部側の外気導入路５に設けられているため、車室内の暖かい空気の熱を効率的に回収および放熱することができ、熱回収効率をより向上させることができる。

すなわち、特許文献２に記載の構成では、換気によって導出された熱が内気導出路内を後部側から前部側へ移動した後に全熱交換器において熱回収されるのに対し、本実施形態に係る換気負荷低減装置１では排気された熱が後部側においてすぐに熱回収されるため、回収した熱が換気熱回収器６に到達するまでの間に放熱されることを抑え、効率的に熱を回収することができる。そして、回収された熱が放熱される回収熱放熱器７は、前部側の車室内は暖まった空気を送風する開口部付近に位置するため、効率的に熱を放出することができる。

このような効果は、電気自動車等のようにエンジン冷却水と熱源（エンジン）を備えていない場合には、熱を作り出すための他の電気（エネルギー）が必要となるため、電気自動車等に特に有効な効果であるといえる。

例えば、消費電力は、ウォーターポンプ１８が約６０Ｗ程度、換気ファン１９が約６０Ｗ程度である場合において、回収熱量約１４００Ｗ（１８０ｍ^３／ｈ）を回収でき、効率η＝１２程度である。

なお、回収熱量約１４００Ｗ（１８０ｍ^３／ｈ）は、以下のような式により算出される。

−２０℃の低外気を０℃までに上げる熱量Ｑａは、
Ｑａ＝Ｇａ×γａ×Ｃｐａ×Δｔ
より、
Ｑａ＝１８０×１．３９×０．２４×２０
＝１３９３Ｗ
≒１４００Ｗ
となる。

また、本実施形態に係る換気負荷低減装置１は、２個の熱交換器（換気熱回収器６および回収熱放熱器７）と熱移動手段８のみによる単純な構成であり部品点数が少ないため、既存の空調装置に新たに後付けすることが容易である。

さらに、換気負荷低減装置１は冷媒循環系９から独立しているため、冷媒は共有されておらず、既存の空調装置に換気負荷低減装置１を後付けする際には、冷媒の流れを制御するためのコントローラ、電磁弁等を必要とせず、かつ、温度制御のシステム全体に影響を及ぼすこともない。

また、低外気温時における、冷媒循環系９のコンデンサ１０の温度や圧力が冷媒循環系９の他の部分と比べて低くなり、これにより図示しない逆止弁の隙間等からコンデンサ１０内に冷媒が流入し、この冷媒が液状で滞留する、いわゆる「冷媒の寝込み」が起り易い。このような「冷媒の寝込み」が起きた場合には、暖房時の冷媒循環系９内の冷媒量が欠乏し、暖房能力が不足してしまうため、コンデンサ１０内に滞留した冷媒を速やかに冷媒循環系９に復帰させる冷媒回収運転が必要となる。

この冷媒回収運転は、特許文献１に記載のように空調装置全体に冷媒を共用し、後部側まで冷媒を循環させるような構成の場合には、特に必要となる。

一方、本実施形態に係る換気負荷低減装置１は、上述のように、冷媒循環系９から独立しており、冷媒は共用されていないため、特許文献１に記載の構成の場合のように、「冷媒の寝込み」を解消するための冷媒回収運転の手間を必要としない。

さらに、換気負荷低減装置１は冷媒循環系９とは独立した系であることから、空調装置に冷媒循環系９が備えられているか否かにかかわらず、換気負荷低減装置１を設けることができる。

また、本実施形態に係る換気負荷低減装置１およびそれを用いた自動車用空調装置２によれば、管路１６、１６’内には、熱移動用の不凍液１７が循環するため、低外気温時においても管路１６、１６’内で凍ってしまうことがない。

そして、本実施形態に係る換気負荷低減装置１およびそれを用いた自動車用空調装置２によれば、内気導出路４には換気熱回収器６に、内気導出路４に導出された車室内の空気を強制的に吹き付けさせる換気ファン１９が設けられているため、車室内からの排気を効率的に換気熱回収器６に送風することができるため、熱回収効率が向上する。

なお、本実施形態では、冷媒循環系９により冷房を行い、換気負荷低減装置１と、温水生成装置３およびヒータコア１５により暖房を行っている形式の自動車用空調装置２について説明した。このような自動車用空調装置２は、エンジンを備えていない電気自動車等に適している。

しかし、本発明に係る換気負荷低減装置およびそれを用いた自動車用空調装置は、電気自動車等のエンジンを備えていない車だけでなく、エンジンを備えた車であっても、温水生成装置３の代わりにエンジンを設け、温水の代わりにエンジン冷却水を循環させることで適用することができる。

また、本発明に係る換気負荷低減装置およびそれを用いた自動車用空調装置は、温水生成装置３やエンジンを備えておらず、冷媒循環系９を用いて暖房を行う車であっても同様に適用することができる。

なお、本実施形態においては、熱移動手段８は、換気熱回収器６と回収熱放熱器７とを連通させる管路１６、１６’と、管路１６、１６’内を循環する熱移動用の不凍液１７とからなるものについて説明したが、管路１６、１６’および不凍液１７に代えて、図３に示すように、ヒートパイプ２０とすることもできる。ヒートパイプ２０を用いた場合には、不凍液１７を必要とせず、さらに、不凍液１７を循環させるウォーターポンプ１８を設けることも必要としないため、部品点数を削減することができる。

なお、熱移動手段８としてヒートパイプ２０を適用した構成においても、ヒートパイプ２０の周囲を断熱材で巻くなどして放熱を防止する構成を採用するのが好ましい。

また、本実施形態においては、図１に示すように、車１００の左側（図１では下側）に換気負荷低減装置１が設けられている場合について説明したが、この形態に限定されるものではなく、本発明に係る換気負荷低減装置は車の左側であっても右側であっても、または左右両側に設けられていてもよい。

さらに、本発明に係る熱移動手段８は、換気熱回収器６と回収熱放熱器７とを連通して熱の移動を行うことができれば車１００に設けられる場所は限定されず、例えば、サイドシル内や車室内、または車室外（プロペラシャフトを通すためのトンネル部など）に設けることができる。

なお、本実施形態においては、内気導出路４に換気ファン１９が設けられている場合について説明したが、この換気ファン１９が設けられておらず、換気によって車室内の空気が内気導出路４に吹き込まれる圧力によって、車室内から導出される暖かい空気が自然に換気熱回収器６に送風されるものであってもよい。

本発明の一実施形態を説明するための換気負荷低減装置１およびそれを用いた自動車用空調装置２が設けられている車１００を上方から見下ろした状態を示す平面透視図である。 図１の熱移動手段８の詳細を示す部分拡大図である。 図１の管路１６をヒートポンプ２０に代えた場合を示す部分拡大図である。

符号の説明

１ 換気負荷低減装置
２ 自動車用空調装置
３ 温水生成装置
４ 内気導出路
５ 外気導入路
６ 換気熱回収器
７ 回収熱放熱器
８ 熱移動手段
９ 冷媒循環系
１０ コンデンサ
１１ リキッドタンク
１２ コンプレッサ
１３ エバポレータ
１４ 膨張弁
１５ ヒータコア
１６、１６’ 管路
１７ 不凍液
１８ ウォーターポンプ
１９ 換気ファン
２０ ヒートパイプ
１００ 車

Claims (5)

1. 車室内外を連通し、前記車室内の空気を前記車室内の後部側から前記車室外へ導出する換気用の内気導出路と、
   車室内外を連通し、外気を前記車室外から前記車室内の前部側へ導入するための外気導入路と、
   前記内気導出路に設けられて、前記内気導出路から導出される空気の熱を回収する換気熱回収器と、
   前記外気導入路に設けられて、前記外気導入路から導入される空気に熱を放熱する回収熱放熱器と、
   前記換気熱回収器と前記回収熱放熱器との間で熱を伝える熱移動手段とを備え、
   自動車用空調装置の冷媒循環系から独立していることを特徴とする換気負荷低減装置。
2. 前記熱移動手段は、前記換気熱回収器と前記回収熱放出器とを連通させる管路と、前記管路内を循環する熱移動用の不凍液とからなり、
   前記管路には、前記不凍液を、前記管路、前記換気熱回収器および前記回収熱放熱器の系を循環させるウォーターポンプが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の換気負荷低減装置。
3. 前記熱移動手段は、前記換気熱回収器と前記回収熱放出器とを連通させて熱を伝えるヒートパイプであることを特徴とする請求項１に記載の換気負荷低減装置。
4. 前記内気導出路には前記換気熱回収器に、前記内気導出路から導出された車室内の空気を強制的に吹き付けさせる換気ファンが設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の換気負荷低減装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の換気負荷低減装置を有していることを特徴とする自動車用空調装置。

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