JP2012192827A - 車両用暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】輻射熱暖房装置とカーエアコンとを連携制御した車両用暖房装置を提供する。
【解決手段】車両暖房装置の暖房がＯＮになってから所定時間（ｔ₁）経過する以前又は経過時においては、前記発熱体表面部材温度（Ｔ）は、乗員が高温火傷しない第１の上限値（Ｔ₁）が設けられ、かつ、上限値以下では車室内の温度情報に応じて比例又は単調増加するように設定された設定値に、基づいて制御され、前記車両暖房装置の暖房がＯＮになってから所定時間（ｔ₁）経過以後においては、前記発熱体表面部材温度（Ｔ）が、乗員が低温火傷しない第２の上限値（Ｔ₂）以下に制御されたことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、輻射熱暖房装置とカーエアコンとを連携制御した車両用暖房装置に関する。

特許文献１には、車両の座席足元に面状発熱体を配置する従来技術が開示されている。これは、乗員の膝部側よりも足部側に対応した場所のヒータ線の配線密度を、稠密にして発熱密度を高くして、膝部側よりも足部側の表面温度をあげて、脛部側よりも足部側により大きな輻射熱を印加するものである。しかしながら、車室内の雰囲気温度を考慮したり、カーエアコンと連携しておらず、面状発熱体とカーエアコンを同時に使用すると、足元の温感が足りなかったり上がりすぎたりする問題が生じていた。

特開２０１０−６４６８１号公報

藤原健一監修「カーエアコン」、東京電気大学出版局、２００９年９月２０日発行、８８〜９４頁

本発明は、上記問題に鑑み、輻射熱暖房装置とカーエアコンとを連携制御した車両用暖房装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、車室内の温度情報に応じて、乗員を暖房する輻射熱暖房装置の発熱体表面部材温度（Ｔ）を調節する車両暖房装置において、該車両暖房装置の暖房がＯＮになってから所定時間（ｔ₁）経過する以前又は経過時においては、前記発熱体表面部材温度（Ｔ）は、乗員が高温火傷しない第１の上限値（Ｔ₁）が設けられ、かつ、上限値以下では車室内の温度情報に応じて比例又は単調増加するように設定された設定値に、基づいて制御され、前記車両暖房装置の暖房がＯＮになってから所定時間（ｔ₁）経過以後においては、前記発熱体表面部材温度（Ｔ）が、乗員が低温火傷しない第２の上限値（Ｔ₂）以下に制御されたことを特徴とする車両用暖房装置である。

これにより、高温火傷、低温火傷の心配なく安全に使用できるように、車室内の温度情報が、いかようにもセットされていても、輻射熱暖房装置１の発熱体２の温度が、常に、高温火傷、低温火傷に対する限界温度以下に自動的に制御される。また、過度期には足元雰囲気を立ち上げるのに、輻射熱暖房装置１が充分貢献し、定常期には低温やけどを心配することなく所定の温感をキープすることができる。輻射熱暖房は迅速に足元を暖房することができるので、過度期には有効である。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記車室内の温度情報が、車室内外の環境情報に応じて車室内空調を制御する空調ユニット（ＨＶＡＣ）の、必要吹出温度（ＴＡＯ）であることを特徴とする。
これにより、オートエアコン制御を行う場合の必要吹出温度ＴＡＯの値と連携して、熱暖房装置１の発熱体２の表面部材温度Ｔを制御して、高温火傷、低温火傷の心配なく、安全に使用することができる。冬季に乗員が車両に乗車してすぐの車室内が温まらず寒冷感を感じ時には、必要吹出温度ＴＡＯの値は高温に立ち上がるが、この場合でも輻射熱暖房装置１は、高温火傷しないような高温に制御されて車室内や足元雰囲気を急速に暖房する。その後、必要吹出温度ＴＡＯの値が下降するにつれ、輻射熱暖房装置１の発熱体２の表面部材温度Ｔも同じタイミングで自動的に下降するので、足元を効率よく暖房することができる。このため、足元雰囲気の温感が一定に保つことができ、さらに、輻射熱暖房装置１の発熱体２による加熱に無駄が無く、省エネとなる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記車室内の温度情報が、車室内外の環境情報に応じて車室内空調を制御する空調ユニット（ＨＶＡＣ）の、設定温度（Ｔ_set）であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記車室内の温度情報が、車室内空調の運転モードが手動時の設定温度（Ｔ_set）であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記車室内の温度情報が、足元雰囲気温度であることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記車室内の温度情報が、前記輻射熱暖房装置の手動設定温度であることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１の発明において、前記車室内の温度情報が、シートヒータの手動設定温度であることを特徴とする。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

本発明の一実施形態における車両用暖房装置の概略図である。 本発明の一実施形態における輻射熱暖房装置の一例である。 （ａ）は、経過時間ｔがｔ１以下の過渡期における必要吹出温度ＴＡＯと発熱体２の表面部材温度Ｔとの関係を示すグラフの一例であり、（ｂ）は、経過時間ｔがｔ１を過ぎた定常期における必要吹出温度ＴＡＯと発熱体２の表面部材温度Ｔとの関係を示すグラフの一例である。 それぞれ足元雰囲気温度、発熱体表面部材温度、温感と時間との関係を示すグラフである。 皮膚の温度での火傷限界温度を発熱体２の表面部材温度Ｔに換算する方法の一例の説明図である。 低温火傷と時間との関係を示すグラフの一例である。 本発明の実施形態の概念的なフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態における車両用暖房装置の概略図である。輻射熱暖房装置１は、車両のステアリングコラム下の壁面で乗員の足元上部辺りに設置されている。図２は、本発明の一実施形態における輻射熱暖房装置の一例である。発熱体２は、図２のように電気ヒータ線が蛇行配線したもので、表面部材、火傷防止材３（低熱伝導率素材）によってサンドイッチ状に形成されている。発熱体２には、電気ヒータ線の代わりに、ＰＴＣ特性のある抵抗体をシート状に成形したヒータを使用しても良い。

車両用空調装置は、車両走行用エンジンにより駆動される圧縮機、凝縮器、受液器、膨張弁、蒸発器からなる冷凍サイクルと、空調ユニット（ＨＶＡＣ）からなっている。空調ユニットは、送風機ユニットを有するとともに、車室内へ向かって送風される空気通路を構成する樹脂製の空調ケースを有し、この空調ケース内に冷却用熱交換器をなす蒸発器と加熱用熱交換器をなすヒータコアを内蔵している。空調ユニット（ＨＶＡＣ）に内蔵したエアミックスドアの開度を調節することによって、空気の温度を調整して、デフロスタ吹出口、フェイス吹出口、フット吹出口（及び、膝吹き出し口）から空調風を吹き出す。

空調ユニットは、空調制御装置ＥＣＵにより制御される。この空調制御装置ＥＣＵには、車両の熱負荷を検出するための内気温度センサ、外気温度センサ、日射量を検出する日射センサなどから、それぞれ検出した検出信号Ｔｒ（車室内温度）、Ｔａｍ（外気温度）、Ｔｓ（日射強度信号）が入力されるとともに、インストルメントパネル内に配設されたエアコン操作パネルからの操作信号として設定温度Ｔ_setなどが入力される。その他、車両運転情報（エンジン水温など）、冷凍サイクルのエバポレータ温度、湿度なども入力される。そして、空調制御装置ＥＣＵが、空調ユニットから車室内に吹き出される空調風の、運転モード、吹出口モード、吹出温度、送風量などを制御している。足元雰囲気を暖房するためには、通常は足元（ＦＯＯＴ）吹き出し口１１が設置されているが、図２のように、足元（ＦＯＯＴ）吹き出し口１１と膝（ＫＮＥＥ）吹き出し口１２がともに設けられていてもよい。

オートエアコン制御において、乗員の希望する温度（上記設定温度Ｔ_set）に対して、空調制御装置ＥＣＵは、現在の車室内温度、外気温度、日射強度などの車室内外熱環境条件を検出して、いま空調ユニットから何度の風を出せばよいかを計算する。この計算値は、必要吹出温度ＴＡＯと呼ばれ、オートエアコン制御における基本となる値である（必要吹出温度ＴＡＯの一般的な式としては、ＴＡＯ＝Ｋｓｅｔ・Ｔｓｅｔ−Ｋｒ・Ｔｒ−Ｋａｍ・Ｔａｍ−Ｋｓ・Ｔｓ＋Ｃ、ただし、Ｋｓｅｔ、Ｋｒ、Ｋａｍ、Ｋｓは各信号のゲイン、Ｃは、定数である）。なお、空調ユニットによる一般的な空調制御、オートエアコンの制御については、非特許文献１の８８〜９４頁に詳しく解説されている。本発明の一実施形態における空調ユニットによる空調制御は、非特許文献１のような特定の制御に限定されること無く、幅広く適用されるものである。

エアコン操作パネルには、空調運転をＯＮ／ＯＦＦするＡ／Ｃスイッチや、運転モードを自動／手動に切り替えるオートエアコンスイッチ、足元用の輻射熱暖房装置やシートヒータにそれぞれＯＮ／ＯＦＦスイッチと手動設定器（デジタル設定又はダイヤル設定）などが備えられている。なお、設定温度Ｔ_setは、運転モードが自動又は手動の場合にも機能している。ここで、車室内の温度情報として、必要吹出温度ＴＡＯ、設定温度Ｔ_set、輻射熱暖房装置やシートヒータの手動設定温度、足元雰囲気温度などを指すものとする。

図２に示すように、本発明の一実施形態における輻射熱暖房装置１は、車両のステアリングコラム下の壁面で乗員の足元上部辺りに設置されている。人体の中で寒冷感を感じやすい足部を、局所的に主に輻射により効率よく暖房するものである。
しかしながら、輻射熱暖房装置１を使用した場合には、高温火傷、低温火傷の心配なく、安全に使用できる必要がある。高温火傷とは、瞬間にして発生した熱傷のことであり、低温火傷とは、皮膚が４４℃の熱源に約６時間接していると、その部分の細胞が皮膚の深い部分まで破壊されて熱傷となったものである。

本発明は、冬季に乗員が車両に乗車してすぐは、車室内が温まらず寒冷感を感じやすいので、特に足部は輻射熱暖房装置１を使用して局所的に輻射により暖房するものである。このような場合、暖房初期に、輻射熱暖房装置１の発熱体２の温度が急速に上昇して、高温火傷を起こすことが心配される。また、長時間に亘って足部を、輻射熱暖房装置１を使用して暖房すると低温火傷を起こすことがある。本発明は、このような高温火傷、低温火傷の心配なく、安全に使用できるように、車室内の温度情報としての必要吹出温度ＴＡＯ、設定温度Ｔ_set、輻射熱暖房装置やシートヒータの手動設定温度、足元雰囲気温度などが、いかようにもセットされていても、輻射熱暖房装置１の発熱体２の温度が、常に、高温火傷、低温火傷に対する限界温度以下に自動的に制御されるようにしたことを特徴とするものである。

本発明の一実施形態として、足部を暖房する輻射熱暖房装置１が設置されてオートエアコン制御を行う場合について説明する。
暖房初期には、足部は、空調ユニット（ＨＶＡＣ）だけによる暖房では物足りないので、輻射熱暖房装置１の発熱体２の温度は急速に立ち上げられて、人体の中で寒冷感を感じやすい足部を暖めるように制御される。このとき、発熱体２の温度は、皮膚表面が低温火傷しない低温火傷限界温度を超えて上昇するものの、皮膚表面が高温火傷しない高温火傷限界温度以下に維持される。

図３（ａ）は、輻射熱暖房装置１の発熱体２がＯＮとなってからの経過時間ｔがｔ₁以下の、過渡期における必要吹出温度ＴＡＯと発熱体２の表面部材温度Ｔとの関係を示すグラフの一例であり、（ｂ）は、経過時間ｔがｔ₁を過ぎた、定常期における必要吹出温度ＴＡＯと発熱体２の表面部材温度Ｔとの関係を示すグラフの一例である。
図３（ａ）に示すように、経過時間ｔがｔ₁以下においては、輻射熱暖房装置１の発熱体２は、皮膚表面が高温火傷しない高温火傷限界温度を発熱体２の表面部材温度Ｔに換算した、高温火傷限界温度Ｔ₁（乗員が高温火傷しない第１の上限値）以下になるように制御される。

やがて、車室内が暖められてくると、必要吹出温度ＴＡＯは降下してくる。この場合には、図３（ａ）に示すように、必要吹出温度ＴＡＯに比例して、自動的に発熱体２の表面部材温度Ｔも降下させるものである。
車室内が暖められて乗員の希望する温度に徐々に近づいてくれば、ＴＡＯが所定値α₀以下になり、発熱体２をつける必要性が無くなる。発熱体２は強制的にＯＦＦされる。なお、所定値α₀は、発熱体２をＯＮする必要性から経験的に適宜設定すればよい。

一方、輻射熱暖房装置１の発熱体２がＯＮとなってからの経過時間ｔがｔ₁を過ぎた、定常期（一般的に約１、２時間後）においては、今度は、低温火傷を起こすことが心配される。そこで、図３（ｂ）に示すように、発熱体２の表面部材温度Ｔは、皮膚表面が低温火傷しない低温火傷限界温度、すなわち、発熱体２の表面部材温度Ｔに換算した、低温火傷限界温度Ｔ₂（乗員が低温火傷しない第２の上限値）以下に維持される。図３（ａ）と同様に、ＴＡＯが所定値α₀以下になると、発熱体２をつける必要性が無くなるので、発熱体２は強制的にＯＦＦされる。なお、図３（ｂ）の代わりに、低温火傷限界温度Ｔ₂以下の任意の一定値に制御しても良い。

足部を暖房する輻射熱暖房装置１が設置された車両用暖房装置において、オートエアコン制御を行う場合で、必要吹出温度ＴＡＯの値と連携して、熱暖房装置１の発熱体２の表面部材温度Ｔを制御することが出来る。これにより、高温火傷、低温火傷の心配なく、安全に使用することができる。冬季に乗員が車両に乗車してすぐの車室内が温まらず寒冷感を感じ時には、必要吹出温度ＴＡＯの値は高温に立ち上がるが、この場合でも輻射熱暖房装置１は、高温火傷しないような高温に制御されて車室内や足元雰囲気を急速に暖房する。

その後、必要吹出温度ＴＡＯの値が下降するにつれ、輻射熱暖房装置１の発熱体２の表面部材温度Ｔも同じタイミングで自動的に下降するので、足元を無駄なく効率よく暖房することができる。このように、足元雰囲気の温感を一定に保つことができ、さらに、輻射熱暖房装置１の発熱体２による加熱に無駄が無く、省エネとなる。また、経過時間ｔがｔ₁を過ぎた定常期においては、足元雰囲気の温感が一定に保ちながら、輻射熱暖房装置１の使用による低温火傷の心配なく、使用することができる。

図４は、それぞれ足元雰囲気温度、発熱体表面部材温度、温感と時間との関係を示すグラフである。図４には、本実施形態による効果の一例が示されており、中段の発熱体表面部材温度が、足元雰囲気温度の立ち上がりの遅さを充分補足して温感の向上に寄与していることが見て取れる。このように、過度期には足元雰囲気を立ち上げるのに、輻射熱暖房装置１が充分貢献し、定常期には低温やけどを心配することなく所定の温感をキープすることができる。

次に、皮膚表面が高温火傷、低温火傷しない火傷限界温度と発熱体２の表面部材温度Ｔとの関係、及び、経過時間ｔ₁について、概略を説明する。
高温火傷（瞬間火傷）については、多くの知見があるが、Ｊ．Ｄ．Ｈａｒｄｙの研究結果などから高温火傷限界温度を、皮膚の温度で６０℃と設定している。その他、６０℃前後、又はそれ以下に設定しても良い。
低温火傷については、皮膚が４４℃の熱源に約６時間接していると、その部分の細胞が皮膚の深い部分まで破壊されて熱傷になることが知られており、皮内および皮下温度でみた場合、４１．７℃以上で熱傷を起こす。このことから、一例として、低温火傷限界温度を、皮膚の温度で４１．７℃と設定しているが、安全を見て４０℃以下に設定しても良い。いずれにせよ、高温火傷限界温度、低温火傷限界温度については、多くの知見があり、それらを考慮して決定すればよい。

図５は、皮膚の温度での火傷限界温度を発熱体２の表面部材温度Ｔに換算する方法の一例の説明図である。発熱体２の表面部材の熱伝導率や厚さから、皮膚の温度での火傷限界温度を、表面部材温度Ｔに換算することができるので、輻射熱暖房装置１の発熱体表面部材温度（高温火傷限界温度Ｔ₁、低温火傷限界温度Ｔ₂）で輻射熱暖房装置１を、図３（ａ）、（ｂ）のように制御する。高温火傷限界温度Ｔ₁は、乗員が高温火傷しない第１の上限値であり、低温火傷限界温度Ｔ₂は、乗員が低温火傷しない第２の上限値のことである。輻射熱暖房装置１の発熱体表面部材温度の検知は、センサによってもいいが、発熱体の電流値で代用しても良い。

図６は、低温火傷と時間との関係を示すグラフの一例である。４４〜５１℃の間では、熱源の温度が１℃上がる毎に熱傷に至るまでに要する時間が半分に短縮されるといわれている。したがって、低温火傷に至る時間は一義的に決定することができるものではないので、図６のようなグラフを参照して、輻射熱暖房装置１の発熱体２がＯＮとなってからの経過時間ｔ₁（過渡期と定常期との臨界点、図３の（ａ）と（ｂ）との制御切替点）を適宜決定すると良い。

本発明の別の実施態様として、次のようなものが考えられる。
以上の説明においては、輻射熱暖房装置１を、温度情報であるオートエアコン制御の必要吹出温度ＴＡＯの値と、連携して制御したが、これに限らず、必要吹出温度ＴＡＯの代わりに、温度情報として、オートエアコン制御時の設定温度Ｔ_setを利用して、図３と同じ制御を行っても良い。さらには、運転モードを手動に切り替える場合の設定温度であっても良い。

乗員の座席にシートヒータが設置されており、シートヒータの設定温度がダイヤルなどで設定できる場合には、温度情報として、シートヒータの設定温度としても良い。シートヒータとは、座席に埋め込まれた電熱線によりシートを暖めることが出来るものである。輻射熱暖房装置１を、温度情報であるシートヒータの設定温度と連携して、図３と同じように制御する。
この場合には、シートヒータの設定温度に連携して、輻射熱暖房装置１の発熱体２の表面部材温度Ｔが、図３のように制御される。シートヒータの温度自体も、発熱体２の表面部材温度Ｔと同じように、経過時間ｔによって、高温火傷限界温度Ｔ₁、低温火傷限界温度Ｔ₂以下に制限される。
同様にして、足元雰囲気を検知するセンサを設置した場合にも、輻射熱暖房装置１を、温度情報である足元雰囲気を検知するセンサ温度と連携して、図３と同じように制御してもよい。センサのみならず、必要吹出温度ＴＡＯの値から、足元雰囲気温度を推定して、同様に制御しても良い。

以上述べたように、温度情報としてさまざまな値を適用することができ、その温度に連携して、輻射熱暖房装置１の発熱体２の表面部材温度Ｔを、図３のように制御することができる。温度情報としては、以上例示したものに限定されるものではない。
図７は、本発明の実施形態の概念的なフローチャートである。ステップＳ１００で、輻射熱暖房装置１の発熱体２がＯＮとなってからの経過時間ｔが、ｔ₁以下か否かを判断する。ＹＥＳなら、ステップＳ１０１に行き、ＮＯなら、ステップＳ１０２行く。それぞれ、ステップＳ１０１、ステップＳ１０２で、温度情報が、輻射熱暖房装置１の発熱体２をＯＦＦすべきか否かを判断し、ＹＥＳなら、ステップＳ１０５で、ＯＦＦする。ステップＳ１０１、ステップＳ１０２でＮＯの場合は、それぞれ、ステップＳ１０３、ステップＳ１０４に行き、それぞれ、図３の制御を行う。

１ 輻射熱暖房装置
２ 発熱体
３ 表面部材

Claims (7)

1. 車室内の温度情報に応じて、乗員を暖房する輻射熱暖房装置の発熱体表面部材温度（Ｔ）を調節する車両暖房装置において、
   該車両暖房装置の暖房がＯＮになってから所定時間（ｔ₁）経過する以前又は経過時においては、
   前記発熱体表面部材温度（Ｔ）は、乗員が高温火傷しない第１の上限値（Ｔ₁）が設けられ、かつ、上限値以下では車室内の温度情報に応じて比例又は単調増加するように設定された設定値に、基づいて制御され、
   前記車両暖房装置の暖房がＯＮになってから所定時間（ｔ₁）経過以後においては、
   前記発熱体表面部材温度（Ｔ）が、乗員が低温火傷しない第２の上限値（Ｔ₂）以下に制御されたことを特徴とする車両用暖房装置。
2. 前記車室内の温度情報が、車室内外の環境情報に応じて車室内空調を制御する空調ユニット（ＨＶＡＣ）の、必要吹出温度（ＴＡＯ）であることを特徴とする請求項１に記載の車両用暖房装置。
3. 前記車室内の温度情報が、車室内外の環境情報に応じて車室内空調を制御する空調ユニット（ＨＶＡＣ）の、設定温度（Ｔ_set）であることを特徴とする請求項１に記載の車両用暖房装置。
4. 前記車室内の温度情報が、車室内空調の運転モードが手動時の設定温度（Ｔ_set）であることを特徴とする請求項１に記載の車両用暖房装置。
5. 前記車室内の温度情報が、足元雰囲気温度であることを特徴とする請求項１に記載の車両用暖房装置。
6. 前記車室内の温度情報が、前記輻射熱暖房装置の手動設定温度であることを特徴とする請求項１に記載の車両用暖房装置。
7. 前記車室内の温度情報が、シートヒータの手動設定温度であることを特徴とする請求項１に記載の車両用暖房装置。