JP2013043456A - 車両用暖房装置の加熱ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】車両の暖房に消費される電力を低減して車両の走行可能距離を長くすると共に充電サイクルを長くする。
【解決手段】送風流路内に、送風空気が流通可能な中空部を有し、送風方向上手側及び下手側の開口を送風空気が流入及び流出可能で、かつマイクロ波を電磁遮蔽可能な金属材からなる筺体の中空部内に、両端部が送風方向上手側及び下手側にて開口した中空部を有したマイクロ波吸収発熱体を設けた坦持体を取付けると共に筺体内におけるマイクロ波吸収発熱体の送風方向上手側に、それぞれのマイクロ波吸収発熱体に向かってマイクロ波を出力するマイクロ波出力手段を設け、送風空気がマイクロ波吸収発熱体の中空部内を送風方向上手側から下手側へ流通する際に、マイクロ波吸収発熱体から発振されたマイクロ波の吸収に伴う発熱により送風空気を加熱可能にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両用暖房装置の加熱ユニット、詳しくは車両用空調ユニットまたは車両空気ダクト内にマイクロ波を吸収して発熱するマイクロ波吸収発熱体を設け、低消費電力で送風される空気を加熱する加熱ユニットに関する。

近年、車両の燃費向上を図ると共にＣＯ２ガス排出量を低減するため、ハイブリッド車両や電気車両が各種、開発提案されている。これらの車両、特に電気車両にあっては、電動モータで車両を走行駆動する際には、搭載された電池（バッテリー）の電力により電動モータを駆動するため、電力消費が著し、航続距離が短くなる問題を有している。このため、搭載する電池容量を増大することにより航続距離を長くすることができるが、これに伴って車両重量が増大して電力の消費効率が悪くなって走行可能距離（航続距離）が短くなると共に充電頻度が高くなる問題を有している。

このようなハイブリッド車両や電気車両にあっては、走行や走行時の安全性を確保する電装機器以外の、例えば車両用空調装置で消費される電力を最小限にする抑える必要がある。車両用空調装置の消費電力を低減する技術として、例えば特許文献１に示す車両用空調装置が提案されている。

特許文献１に示す車両用空調装置は、車両空調ユニット内に設けられる加熱部材として多数のＰＴＣサーミスタが配列されたＰＴＣヒータ（Positive Temperature Coefficient）を使用し、ＰＴＣヒータに供給可能な車両の余剰電力を求める余剰電力取得手段と、ＰＴＣサーミスタの温度に応じて変化するＰＴＣヒータの消費電力を求める消費電力取得手段を設け、余剰電力取得手段で求めた余剰電力と消費電力取得手段で求めた消費電力に基づいてＰＴＣサーミスタを制御することにより暖房時の消費電を低減している。

上記ＰＴＣヒータは、温度上昇に伴って消費電力が低くなる特性を有したヒータではあるが、寒冷時や走行開始時等のように車両の空調温度、従ってＰＴＣヒータ持体の温度が上昇していない条件下においては、依然として多くの電力を消費する問題を有している。特に電気車両にあっては、車両の走行駆動エネルギーの全部を電池に依存しているため、車両用空調装置の消費電力が増大すると、車両の走行距離を短くすると共に充電サイクルを短くする問題を有している。

特開２００８−１３１１５号公報

解決しようとする問題点は、車両の空調、特に暖房に必要な消費電力が多く、車両の走行可能距離を短くすると共に充電サイクルを短くする点にある。

本発明は、車両内に送風される内気及び外気の少なくともいずかの送風空気の送風流路に設けられ、送風空気を加温する車両用暖房装置において、上記送風流路内に設けられ、送風空気が流通可能な中空部を有し、送風方向上手側及び下手側の開口を送風空気が流入及び流出可能で、かつマイクロ波を電磁遮蔽可能な金属材からなる筺体と、該筺体の中空部内に設けられる坦持体と、該坦持体に対して適宜の間隔をおいて多数配置され、両端部が坦持体の送風方向上手側及び下手側にて開口した中空部を有したマイクロ波吸収発熱体と、筺体内におけるマイクロ波吸収発熱体の送風方向上手側に設けられ、それぞれのマイクロ波吸収発熱体に向かってマイクロ波を出力するマイクロ波出力手段を備え、送風空気がマイクロ波吸収発熱体の中空部内を送風方向上手側から下手側へ流通する際に、マイクロ波吸収発熱体から発振されたマイクロ波の吸収に伴う発熱により送風空気を加熱可能にすることを最も主要な特徴とする。

本発明は、車両の暖房に消費される電力を低減して車両の走行可能距離を長くすると共に充電サイクルを長くすることができる。

実施例１に係る車両用空調装置の空調ユニットの概略を示す断面説明図である。 加熱ユニットの断面説明図である。 ヒータコアの一部破断説明図である。 実施例１による加熱作用を示す説明図である。 実施例２に係る加熱ユニットを一部破断して示す断面説明図である。 ヒータコアの一部破断説明図である。 実施例２による加熱作用を示す説明図である。

本発明は、送風流路内に、送風空気が流通可能な中空部を有し、送風方向上手側及び下手側の開口を送風空気が流入及び流出可能で、かつマイクロ波を電磁遮蔽可能な金属材からなる筺体の中空部内に、両端部が送風方向上手側及び下手側にて開口した中空部を有したマイクロ波吸収発熱体を設けた坦持体を取付けると共に筺体内におけるマイクロ波吸収発熱体の送風方向上手側に、それぞれのマイクロ波吸収発熱体に向かってマイクロ波を出力するマイクロ波出力手段を設け、送風空気がマイクロ波吸収発熱体の中空部内を送風方向上手側から下手側へ流通する際に、マイクロ波吸収発熱体から発振されたマイクロ波の吸収に伴う発熱により送風空気を加熱可能にすることを最良の実施形態とする。

以下、本発明に係る車両用暖房装置を空調ユニット内に配置した実施例を示す図に従って本発明を説明する。

図１乃至図３は、ハイブリッド車両用の車両用空調装置の例を示し、車両用空調装置を構成する空調ユニット１は、車内のインストルメントパネルの下方に配設され、図示しないブロアファンの回転により内外気切換ドアを介して吸い込まれた内気及び外気の少なくともいずれかの送風空気（内気及び外気の混合空気を含む。）は、空気取入口３を介して空調ユニット１内に送風される。空調ユニット１に送風された空気は、エバポレータ５を通過して冷却された後、エアミックスドアの開度に応じた割合で車両用暖房装置の加熱ユニット７を通過またはバイパスし、所定温度の空調風に生成される。この空調風は、吹出モードに応じて開閉する吹出口ドアを介して空調ユニット１から流出し、ダクトを通って車内に送風される。

なお、図中の符号９は、ベントモード時にベント吹出口から乗員に向けて送風するためのベント口、１１は、デフロストモード時にデフ吹出口からウインドの内側に向けて送風するためのデフ口、１３は、フットモード時にフット吹出口から乗員の足元に向けて送風するためのフット口である。また、上記した各口９，１１，１３に至る空調ユニット１内には、送風を開閉するドアがそれぞれ設けられているが、図示を省略する。

上記車両用暖房装置の加熱ユニット７の筺体１５は、送風方向の両端側が開口した円筒又は角筒形状で、後述するマイクロ波を反射するステンレス、アルミ等の金属材料で形成される。そして該筺体１５内の送風方向中間部には、ヒータコア１７が送風方向に対して直交するように配置される。該ヒータコア１７は、内部に冷却水流路１９が折り返し状に形成されて冷却水が流通可能な坦持体２１と、上記坦持体２１の内壁及び冷却水流路１９の隔壁１９ａにて互いに隣接するように多数配置され、送風方向に軸線を有し、かつ軸線方向両端が上記坦持体２１の送風方向上手面及び下手面にて開口した中空部２３ａを有したパイプ状のマイクロ波吸収発熱体２３とから構成される。

なお、ヒータコア１７の内部には、エンジン冷却水が上記冷却水流路１９を通って循環し、寒冷時や始動開始時には、後述するマイクロ波吸収発熱体２３の加熱作用により加温されると共にエンジン冷却水の温度が上昇した際には、マイクロ波吸収発熱体２３を加温して流通する送風空気を加熱させる。また、図中の符号１７ａは、冷却水の取入れ口、１７ｂは、排出口である。

上記坦持体２１は、例えばマイクロ波帯域（２〜１０GHz）のマイクロ波を透過する透磁性セラミックス、耐熱性合成樹脂等から形成される。また、マイクロ波吸収発熱体２３は、マイクロ波吸収特性を有した、例えばフェライト、パーマロイ、酸化スラグ等の電磁波吸収材により形成される。マイクロ波吸収発熱体２３は、坦持体２１と同様の焼結材であるため、これらを一体化した状態で成形して焼成することにより製造することができる。

なお、マイクロ波吸収発熱体２３の電磁波吸収材を酸化スラグとする場合にあっては、酸化スラグの粉末をセラミックスに混ぜて焼成することにより得られる。

そして上記筺体１５内には、マイクロ波出力手段の一部を構成するマイクロ波発振装置２５が坦持体２１に対する送風方向上手側に取り付けられ、該マイクロ波発振装置２５の出力端にはマイクロ波出力手段の一部を構成するアンテナ部材２７が筺体１５内のマイクロ波吸収発熱体２３に向かってマイクロ波を出力するように設けられる。

上記マイクロ波発振装置２５のケース外面には筺体１５内における送風方向と平行に延出する多数の放熱フィン２５ａが適宜の間隙を設けて取付けられ、筺体１５内に導入されて放熱フィン２５ａ間を通過する未加熱の送風によりマイクロ波の出力に伴ってマイクロ波発振装置２５内に発生した熱を放熱させる。

上記マイクロ波発振装置２５は、マイクロ波帯域（２〜１０GHz）のマイクロ波を、例えば５０〜１００Ｗで出力するレーザダイオード及び多段増幅器から構成される半導体マイクロ波発振器により構成される。マイクロ波としては、電波法等により、工業用、科学用、医療用等の用途に割当てられた、例えば２．４５GHz帯域が好適であるが、上記周波数及び出力に限定されるものではない。また、マイクロ波発振部材としては、一般にマグネトロンが知られているが、本実施例のような車両に搭載する用途にあっては、振動や熱等により真空管が破損する恐れが高いため、半導体マイクロ波発振器が適している。

上記筺体１５における送風方向上手側端部及び下手側の開口部には、マイクロ波発振装置２５から発信されるマイクロ波の１／４λより小さい大きさからなる多数の開口２９ａ・３１ａを有したマイクロ波シールド部材２９・３１が、開口部全体を覆うように取り付けられる。該マイクロ波シールド部材２９・３１は、例えばステンレス、アルミ等の金属板に上記した多数の開口２９ａ・３１ａをパンチング加工した構成、または金属繊維、合成樹脂糸に導電性樹脂を被覆した導電材を上記した多数の開口２９ａ・３１ａを有するように編んた網構造、導電性樹脂により上記した多数の開口２９ａ・３１ａを有するように成形した導電性樹脂シート（板）等のいずれであってもよい。

なお、上記マイクロ波発振装置２５は、それぞれの吹き出し口近傍や、加熱ユニット７の送風方向下手側に設けられた温度センサー（図示せず）により検知された空気の温度によりＯＮ−ＯＦＦ制御され、予め設定された温度の空気を送出するように制御される。また、上記筺体１５及びマイクロ波シールド部材２９・３１は、電気的に接地される。

次に、上記のように構成された車両用暖房装置の加熱ユニット７による送風空気の加熱作用を説明する。
寒冷時やエンジンの始動開始時にスターターがＯＮ操作されてエンジンが始動されると、車両用空調装置の作動スイッチがＯＮされている場合には、ブロアファンを回転駆動して空調ユニット１内にて送風空気が、エバポレータ５及び加熱ユニット７内におけるヒータコア１７のマイクロ波吸収発熱体２３内を通過して流通するように送風させると共にマイクロ波発振装置２５をＯＮ作動してアンテナ部材２７からそれぞれのマイクロ波吸収発熱体２３に向かってマイクロ波を出力させる。

このとき、マイクロ波吸収発熱体２３は、坦持体２１を透過したマイクロ波や直接、出力されたマイクロ波を、その磁界損失、電界損失により熱エネルギーへ変換して吸収することにより発熱し、中空部２３ａ内を流通する送風空気を加熱させる。（図４参照）

なお、アンテナ部材２７から筺体１５内に出力されるマイクロ波は、多くが筺体１５内を反射しながらマイクロ波吸収発熱体２３に吸収されて熱エネルギーへ変換されるが、筺体１５内にてマイクロ波の一部が開口部側へ向う陽に反射されるが、マイクロ波は、開口部に設けられた各マイクロ波シールド部材２９・３１の開口部２９ａ・３１ａに対して通過不能なため、外部への漏出が規制される。これにより車両に搭載された電子機器に対するマイクロ波の電波障害を防止している。また、発熱したマイクロ波吸収発熱体２３は、送風空気を加熱するだけではなく、熱エネルギーの一部により冷却水流路１９を流通する冷却水を加熱させる。

そして冷却水の温度が送風空気を加温可能な温度まで上昇した際、または加熱ユニット７により加熱されて車両室内へ吹き出される送風空気が予め設定された温度に加温された際、マイクロ波発振装置２５をＯＦＦ作動して加熱ユニット７による送風空気の加熱を停止させる。一方、送風される送風空気の温度が設定温度以下になった際には、マイクロ波発振装置２５を再び、ＯＮ作動して加熱ユニット７により送風空気を加温させる。

なお、マイクロ波発振装置２５によるマイクロ波の発振時においては、レーザダイオードや多段増幅器を構成する半導体が発熱して高温化してマイクロ波の発振効率が悪くなるが、該マイクロ波発振装置２５が筺体１５内で、坦持体２１の送風方向上手側における送風経路に設けられているため、坦持体２１により加熱される前の送風によりマイクロ波発振装置２５を冷却してマイクロ波の発振効率が低下するのを防止することができる。

マイクロ波発振装置２５から出力されるマイクロ波によるマイクロ波吸収発熱体２３の温度上昇を表１に示す。この例においては、マイクロ波発振装置の出力を１００Ｗ、マイクロ波の波長を２．４５ＧＨｚとする。

上記のようにマイクロ波吸収発熱体２３の中空部２３ａ内を流通する送風空気は、マイクロ波により発熱するマイクロ波吸収発熱体２３により約１分間で７５℃に加熱された。

本実施例は、送風空気を加熱する手段として低出力のマイクロ波を吸収して発熱するマイクロ波吸収発熱体２３を使用して送風空気を所望の温度に加熱することができるため、暖房に必要な電気の消費量を低減することができる。
また、マイクロ波発振装置２５を筺体１５内における坦持体２１の送風方向上手側に設けることにより筺体１５内に導入される未加熱の送風により冷却し、マイクロ波の発振効率が低下するのを防止することができる。

図５及び図６は、電気車両用または空冷エンジンを搭載したハイブリッド車両に適した車両用空調装置の例を示し、加熱ユニット５１のヒータコア５３を以下のように構成した点においてのみ、他の構成については、実施例１と同様であるため、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

加熱ユニット５１の筺体１５には、ヒータコア５３が送風方向中間部において送風方向に対して直交するように配置される。該ヒータコア５３の坦持体５５は、透磁性セラミックス、耐熱性合成樹脂材等で、筺体１５の空間部を閉鎖可能な大きさの板状からなる。該坦持体５５には、送風方向に軸線を有し、中心部に中空部５７ａを有した多数のマイクロ波吸収発熱体５７が縦方向及び横方向へ所定の間隔をおいて設けられる。上記マイクロ波吸収発熱体５７は、フェライト、パーマロイ等の電磁波吸収部材で、パイプ状に形成される。

なお、図示するマイクロ波吸収発熱体５７は、その軸線方向端が坦持体５５の送風方向上手面及び下手面に一致する構成としたが、軸線方向の各端部を坦持体５５の各面から突出する構成としてもよい。

次に、上記のように構成された車両用暖房装置の加熱ユニット５３による空気の加熱作用を説明する。
寒冷時やエンジンの始動開始時にスターターがＯＮ操作されてエンジンが始動されると、車両用空調装置の作動スイッチがＯＮされている場合には、ブロアファンを回転駆動して空調ユニット５０内にて送風空気が、エバポレータ５及び加熱ユニット５１内におけるヒータコア５３のマイクロ波吸収発熱体５７内を通過して流通するように送風させると共にマイクロ波発振装置２５をＯＮ作動してアンテナ部材２７からそれぞれのマイクロ波吸収発熱体５７に向かってマイクロ波を出力させる。

このとき、マイクロ波吸収発熱体５７は、出力されたマイクロ波を、その磁界損失、電界損失により熱エネルギー変換して吸収することにより発熱し、中空部５７ａ内を流通する送風空気を加熱させる。（図７参照）

そして加熱ユニット５１により加熱されて車両室内へ吹き出される送風空気が予め設定された温度に加温された際には、上記温度センサーからの信号に基づいてマイクロ波発振装置２５をＯＦＦ制御して加熱ユニット５１による送風空気の加熱を停止させる一方、反対に送風される送風空気の温度が設定温度以下になった際には、マイクロ波発振装置２５を再び、ＯＮ作動して加熱ユニット５１により送風空気を加温させる。

実施例１及び２の説明においては、加熱ユニットを空調ユニット内に収容する構成としたが、本発明における加熱ユニットの取り付け個所は、これに限定されるものではなく、車両内に送風空気を送風する送風ダクトの一部に設ける構成であってもよい。

上記説明において、坦持体２１、５５を透磁性セラミックス材または耐熱性合成樹脂材として説明したが、本発明の坦持体としては、ステンレス材、アルミ材で板状の金属材であってもよい。坦持体を金属板で構成する場合にあっては、坦持体に各マイクロ波吸収発熱体がそれぞれ挿嵌される取付け孔を設けて各マイクロ波吸収発熱体の端部を固定し、その大部分をマイクロ波出力手段側へ突出させる。

これによりマイクロ波吸収発熱体は、直接出力されるマイクロ波や筺体内や坦持体により反射したマイクロ波を吸収して発熱し、中空部内を流通する送風空気を加熱させる。

また、金属製の坦持体に対し、マイクロ波吸収発熱体を、各端部が送風方向上手側及び下手側へそれぞれ突出するように取り付ける場合、すなわち坦持体の取付け孔に対してマイクロ波吸収発熱体の軸線方向中間部を挿嵌して各端部が送風方向の上手側及び下手側へ突出するように取付ける構成としてもよい。この場合にあっては、坦持体の送風方向上手側及び下手側の両側にマイクロ波出力手段を設け、それぞれの側へ突出したマイクロ波吸収発熱体にマイクロ波を吸収させて中空部内を流通する送風空気を加熱すればよい。

上記説明の加熱ユニットは、主にハイブリッド車両及び電気車両の暖房装置に使用するものとして説明したが、それ以外のエンジンを搭載した車両にあっても、エンジンの冷却水を熱源とするヒータコアの送風方向上手側または下手側に本発明に係る加熱ユニットを配置し、冷却水温度が上昇するまでの間に送風空気を加熱する補助加熱ユニットとしても使用することができる。

１ 空調ユニット
３ 空気取入口
５ エバポレータ
７ 加熱ユニット
９ ベント口
１１ デフ口
１３ フット口
１５ 筺体
１７ ヒータコア
１７ａ 取入れ口
１７ｂ 排出口
１９ 冷却水流路
１９ａ 隔壁
２１ 坦持体
２３ マイクロ波吸収発熱体
２３ａ 中空部
２５ マイクロ波出力手段の一部を構成するマイクロ波発振器
２５ａ 放熱フィン
２７ マイクロ波出力手段の一部を構成するアンテナ部材
２９・３１ マイクロ波シールド部材
２９ａ・３１ａ 開口
５１ 加熱ユニット
５３ ヒータコア
５５ 坦持体
５７ マイクロ波吸収発熱体
５７ａ 中空部

Claims (13)

1. 車両内に送風される内気及び外気の少なくともいずかの送風空気の送風流路に設けられ、送風空気を加温する車両用暖房装置において、
   上記送風流路内に設けられ、送風空気が流通可能な中空部を有し、送風方向上手側及び下手側の開口を送風空気が流入及び流出可能で、かつマイクロ波を電磁遮蔽可能な金属材からなる筺体と、
   該筺体の中空部内に設けられる坦持体と、
   該坦持体に対して適宜の間隔をおいて多数配置され、両端部が坦持体の送風方向上手側及び下手側にて開口した中空部を有したマイクロ波吸収発熱体と、
   筺体内におけるマイクロ波吸収発熱体の送風方向上手側に設けられ、それぞれのマイクロ波吸収発熱体に向かってマイクロ波を出力するマイクロ波出力手段と、
   を備え、送風空気がマイクロ波吸収発熱体の中空部内を送風方向上手側から下手側へ流通する際に、マイクロ波吸収発熱体から発振されたマイクロ波の吸収に伴う発熱により送風空気を加熱可能にした加熱ユニット。
2. 請求項１において、マイクロ波出力手段は、筺体内における坦持体の送風方向上手側に設けられるマイクロ波発振装置と、坦持体のマイクロ波吸収発熱体へマイクロ波を出力するアンテナ部材により構成した車両用暖房装置の加熱ユニット。
3. 請求項２において、マイクロ波発振装置のケースには、筺体内に導入される送風の流通方向と平行に延出する多数の放熱フィンが適宜の間隔をおいて設けた車両用暖房装置の加熱ユニット。
4. 請求項１において、加熱ユニットは、車両用空調装置の空調ユニット内に設けた車両用暖房装置の加熱ユニット。
5. 請求項１において、加熱ユニットは、送風空気を流通させる送風ダクトの一部に設けた車両用暖房装置の加熱ユニット。
6. 請求項１において、坦持体は、マイクロ波を透過する透磁性セラミックス材からなると共にマイクロ波吸収発熱体は、フェライト材、パーマロイ、酸化スラグの少なくともいずれかとした車両用暖房装置の加熱ユニット。
7. 請求項１において、坦持体は、耐熱性合成樹脂材からなると共にマイクロ波吸収発熱体は、フェライト材、パーマロイ、酸化スラグの少なくともいずれかとした車両用暖房装置の加熱ユニット。
8. 請求項１において、坦持体は、マイクロ波を反射し、マイクロ波吸収発熱体の中空部と一致する開口を有した金属材とした車両用暖房装置の加熱ユニット。
9. 請求項８において、マイクロ波吸収発熱体は、金属製坦持体に対し、マイクロ波出力手段が設けられた側へ突出するように取り付けた車両用暖房装置の加熱ユニット。
10. 請求項１において、マイクロ波発熱体は、送風方向と一致する方向に軸線を有した管形状で、軸線方向の各端部が坦持体の送風方向上手側面及び下手側面から突出する構成とした車両用暖房装置の加熱ユニット。
11. 請求項１において、坦持体には、内部に冷却水が流通する冷却水流路を折り返し状に設け、中空部内を流通する送風空気と共に冷却水を加熱可能にした車両用暖房装置の加熱ユニット。
12. 請求項１において、上記筺体の送風方向上手側及び下手側の開口部には、送風空気を流入及び流出可能で、マイクロ波を電磁遮蔽する多数の開口を有したマイクロ波シールド部材をそれぞれ設けた車両用暖房装置の加熱ユニット。
13. 請求項１２において、マイクロ波シールド部材は、内径がマイクロ波の１／４波長以下からなる多数の開口を有した構成とした車両用暖房装置の加熱ユニット。

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