JP2013189043A - 車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器に露または霜が溜まってしまうことを防止し、長い期間にわたって熱交換器で有効な熱交換が行えなくなるといった事態を回避できる車両用空調装置を提供すること。
【解決手段】この車両用空調装置は、車室内から送り出される内気と車外から取り込まれる外気との間で熱を交換する熱交換器１１と、熱交換器１１に流れる内気の流量を変化させる流量変更部１９と、外気の温度を検出する第１センサ２２と、第１センサの検出結果に基づき前記内気の流量を制御する制御部２５とを備え、制御部２５は、外気の検出温度が高くなるのに応じて前記内気の流量を大きくする方向へ流量変更部１９を制御する構成を採る。
【選択図】図１

Description

本発明は、内気と外気との間で熱を交換する熱交換器を備えた車両用空調装置に関する。

車両用の空調装置においては、暖房時に車室内の換気を行う場合に、熱交換器として顕熱交換器又は全熱交換器が利用されることがある。これらの熱交換器は、車室内から送り出される温かい排気（内気と呼ぶ）と車外から取り込まれる冷たい吸気（外気と呼ぶ）とを、互いに隣接した２系統の流路にそれぞれ流して、排気から吸気へ熱を移動させる。この熱の回収によって、空調装置において暖房運転の省エネルギー化を図ることができる。

特許文献１には、このような熱交換器を備えた車両用空気調和装置が開示されている。

特開２００２−２００９１１号公報

熱交換器においては、外気温が非常に低い場合に、内気の流路に露または霜が発生することがある。熱交換器に露又はその凍結が生じた場合、これらが除去されるまで熱交換器の熱交換効率が大きく低下するという課題が生じる。また、熱交換器に、一度、露または露の凍結が溜まってしまうと、これらの除去に長い時間を要し、その間、有効な熱交換を行えなくなるという課題が生じる。

本発明の目的は、熱交換器に露または霜が溜まってしまうことを防止し、それにより長い期間にわたって有効な熱交換が行えなくなるといった事態を回避できる車両用空調装置を提供することである。

本発明の一態様に係る車両用空調装置は、車室内から送り出される内気と車外から取り込まれる外気との間で熱を交換する熱交換器と、前記熱交換器に流れる前記内気の流量を変化させる流量変更部と、外気の温度を検出する第１センサと、前記第１センサの検出結果に基づき前記内気の流量を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記外気の検出温度が高くなるのに応じて前記内気の流量を大きくする方向へ前記流量変更部を制御する構成を採る。

本発明によれば、外気の検出温度に基づく流量変更部の制御によって、熱交換器に露または露の凍結が多く溜まってしまうことを防止できる。従って、熱交換器に生じた露または露の凍結が除去されるまで、長い期間に渡って有効な熱交換を行えなくなるという事態を回避できる。

本発明の実施の形態１の車両用空調装置の要部を示す構成図 顕熱交換器を示す斜視図 実施の形態１の車両用空調装置の制御処理を示すフローチャート 本発明の実施の形態２の車両用空調装置の要部を示す構成図 実施の形態２の車両用空調装置の制御処理を示すフローチャート

以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の車両用空調装置の要部を示す構成図である。

実施の形態１の車両用空調装置は、図１に示すように、顕熱交換器１１、ファン１２、エバポレータ１３、ヒーター１４、内気導入流路１５、内気排出流路１６、外気導入流路１７、送風流路１８、流量変更部としての顕熱交換器ドア１９、インテークドア２０、温風切替ドア２１、温度センサ２２、および制御部２５を備えている。

内気導入流路１５は、その導入口が車室内に通じており、その送出口が顕熱交換器１１に接続されている。また、内気導入流路１５の一部はファン１２の吸入口にも接続されており、顕熱交換器ドア１９の開度が小さくなったときに、ファン１２を介して内気を送風流路１８へ送るように構成されている。或いは、内気導入流路１５の一部は、車外へ空気を排出できる箇所へ直接に通じるように構成し、顕熱交換器ドア１９の開度が小さくなったときに、そこから内気を車外へ逃がすように構成してもよい。

外気導入流路１７は、その導入口が車外の空気の流入箇所に面している。

送風流路１８は、その送出口が車室内へ通じている。内気排出流路１６は、その送出口が車外へ空気を排出できる箇所に面している。なお、内気排出流路１６から送りだされる空気は車外に直接排出せずに、一部を空調装置に戻して利用することも可能である。

図２には、顕熱交換器を表わした斜視図を示す。

顕熱交換器１１は、図２に示すように、流路が固定された静止型の熱交換気である。顕熱交換器１１は、隣接する２系統の流路Ａ，Ｂを有し、一方の流路Ａに高い温度の空気を流し、他方の流路Ｂに低い温度の空気を流すことで、流路Ａと流路Ｂとの空気を混合せずに流路Ａの空気の熱を流路Ｂの空気へ移動させることができる。各系統の流路Ａ，Ｂには多数の細かい流路が設けられ、各系統の細かい流路を互いに交差させて配置することで２系統の流路Ａ，Ｂの接触面積を大きくしている。

顕熱交換器１１には、内気導入流路１５と内気排出流路１６とが流路Ａの一端と他端とにそれぞれ接続されている。また、顕熱交換器１１には、外気導入流路１７とファン１２の吸入口とが流路Ｂの一端と他端とにそれぞれ接続されている。ファン１２の送風口は送風流路１８に接続されている。

上記のような顕熱交換器１１と各流路との接続により、顕熱交換器１１の流路Ａに車室内から排出される内気が通り、顕熱交換器１１の流路Ｂに車外から吸入される外気が主に通る。そして、顕熱交換器１１において排出される内気から吸入される外気へ熱が移動して、換気の際に排気の熱回収が行われる。

ファン１２は、外気導入流路１７から外気を吸入し、この吸入した空気を送風流路１８を介して車室内へ送る圧力を発生させる（図１中、帯状の矢印で空気の流れを示す）。

エバポレータ１３は、ヒートポンプを利用して冷却された冷媒を内部に流し、この冷媒と通過する空気との間で熱交換を行って空気を冷却する機器であり、送風流路１８の途中に設けられている。暖房時など冷却が不要なときには、ヒートポンプの動作が停止されることで、エバポレータ１３は空気の冷却を行わずに、そのまま空気を通過させる。

ヒーター１４は、通過する空気を温める機器である。ヒーター１４は、ヒートポンプを利用して熱せられた冷媒を流すコンデンサ、或いは、他の熱源がある場合には、この熱源から熱を導いて高温にされた熱交換器などから構成することができる。

温風切替ドア２１は、ヒーター１４に空気を流すか否かを切り替えるドアである。

インテークドア２０は、外気導入流路１７の導入口に設けられ、外気の導入量を調整可能なドアである。

顕熱交換器ドア１９は、顕熱交換器１１を通過する内気の流量を調整するドアである。顕熱交換器ドア１９は、顕熱交換器１１の内気導入口の直前に設けられ、この箇所の流路の開度を変化させる。顕熱交換器ドア１９は、アクチュエータ１９ａにより電気的な制御で開閉動作する。また、顕熱交換器ドア１９は、顕熱交換器１１の内気導入口の開度を小さくしたときに、内気導入流路１５の一部をファン１２の吸入口（或いは車外へ空気を排出できる箇所でも良い）へ開放して、内気を逃がす動作も行う。

温度センサ２２は、外気の温度を検出するセンサである。温度センサ２２のセンサ信号は制御部２５に出力される。この温度センサ２２は、外気の温度（外気導入流路１７に導入される外気と同等の温度）が検出できれば、外気導入流路１７の導入口の近傍に配置しても、外気導入流路１７と離れた箇所に配置してもよい。

制御部２５は、温度センサ２２からセンサ信号を入力し、顕熱交換器ドア１９を開閉するアクチュエータ１９ａに開閉制御信号を出力する入出力回路を備えている。また、制御部２５は、所定の制御処理を実行する演算装置を備えている。

［制御動作］
次に、実施の形態１の車両用空調装置の制御動作について説明する。

図３には、制御部２５により実行される実施の形態１の制御処理のフローチャートを示す。

この制御処理は、車両の電気系統が電源オンされている間、所定周期（例えば５分ごとなど）で繰り返し実行される。

なお、車両用空調装置が、換気動作（ファン１２の駆動）の作動と停止とを切替え可能な構成である場合には、換気動作の作動時にのみ、図３の制御処理が繰り返し実行されるように構成してもよい。また、インテークドア２０の開閉により、外気導入の有無が切り替えられる構成である場合には、外気導入が行われている期間のみ、図３の制御処理が繰り返し実行されるように構成してもよい。また、この制御処理は、周期的に行う必要もなく、外気の温度が大きく変化しない範囲の時間を開けて繰り返し実行されるようにすればよい。

この制御処理が開始されると、制御部２５は、温度センサ２２のセンサ信号を入力して外気温度Ｔｏを取得する（ステップＳ１）。

続いて、制御部２５は、外気温度Ｔｏと閾値（例えば−３℃、０℃、５℃）とを比較して（ステップＳ２〜Ｓ４）、これらの比較結果に応じて顕熱交換器ドア１９の開度を調整する（ステップＳ５〜Ｓ８）。

具体的には、外気温度Ｔｏが−３℃より低いと判定された場合には（ステップＳ２の“Ｙｅｓ”）、制御部２５は、顕熱交換器ドア１９を開度ゼロ（全閉）とする（ステップＳ５）。外気温度Ｔｏが氷点下以下の−３℃のときに顕熱交換器１１に内気を通すと、内気に含まれる湿気が顕熱交換器１１の流路内で露となり凍結してしまう。よって、ステップＳ５の処理により、顕熱交換器１１に流れる内気を停止して、露の凍結を回避する。

ステップＳ５の処理により、顕熱交換器ドア１９が全閉となった場合でも、車両用空調装置では、ファン１２の静圧により送風流路１８を介して外気を車室内へ送る。従って、この吸気の分、車室内の内気は、他の排気口から排出されて、車室内の換気は続けられる。

この間、顕熱交換器１１による排気の熱回収が行われないため、暖房の省エネルギー量は低減する。しかし、その後、外気の温度が上がって、露または露の凍結が生じない状況になった場合には、本実施の形態の車両用空調装置では、速やかに顕熱交換器１１を使用した排気の熱回収を開始することができる。従って、長い期間を通して総合的に判定すれば空調動作の省エネルギー化が図れる。

また、外気温度Ｔｏの比較の結果、外気温度Ｔｏが０℃〜−３℃であると判定された場合には（ステップＳ３の“Ｙｅｓ”）、制御部２５は、顕熱交換器ドア１９を開度１０％にする（ステップＳ８）。外気温度Ｔｏが氷点下より僅かに低くなっても、少量であれば顕熱交換器１１に内気を流しても、顕熱交換器１１に露または霜が多く溜まることがない。よって、この場合には、許容できる範囲で顕熱交換器１１に内気を流して、排気の熱回収を行う。

また、外気温度Ｔｏの比較の結果、外気温度Ｔｏが０℃〜５℃であると判定された場合には（ステップＳ４の“Ｙｅｓ”）、制御部２５は、顕熱交換器ドア１９を開度３０％にする（ステップＳ７）。外気温度Ｔｏが氷点下に近い場合には、少し内気の流量を減らさないと、顕熱交換器１１に露が溜まってしまう。よって、この場合には、排気の熱回収の量が低減してしまうが、顕熱交換器１１に流れる内気の量を許容レベルまで低減させる。

ステップＳ７又はステップＳ８の処理により、顕熱交換器ドア１９が開度３０％又は１０％となった場合には、顕熱交換器１１を通過する内気の量は少なくなる。しかし、この場合でも、ファン１２の静圧により外気が車室内へ送られることで、これらの差分だけ、車室内の内気が他の排気口から車外へ排出される。つまり、車室内の換気は換気量が大きく変化することなく続けられる。

この間、顕熱交換器１１による排気の熱回収は少なくなるため、暖房の省エネルギー化は少し低減する。しかし、その後、外気の温度が上がって、露または露の凍結が生じない状況になった場合には、本実施の形態の車両用空調装置では、速やかに顕熱交換器１１を使用した排気を開始することができる。従って、長い期間を通して総合的に判定すれば空調動作の省エネルギー化が図れる。

また、外気温度Ｔｏの比較の結果、外気温度Ｔｏが５℃より高いと判定された場合には（ステップＳ４の“Ｎｏ”）、制御部２５は、顕熱交換器ドア１９を開度１００％にする（ステップＳ６）。この処理により、顕熱交換器１１に内気が最大量流れて、排気の熱回収を行った換気処理が実現される。

ステップＳ５〜Ｓ８で顕熱交換器ドア１９の開度を調整したら、制御部２５は、この制御処理を終了する。そして、次の周期で、再び、この制御処理を開始する。

以上のように、実施の形態１の車両用空調装置によれば、外気の温度に応じて顕熱交換器１１に流れる内気の流量が変化するので、顕熱交換器１１に多くの露又は霜が溜まってしまうことが防止される。よって、露又は霜によって顕熱交換器１１が長い期間有効に使用できなくなるといった事態を回避できる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２の車両用空調装置の要部を示す構成図である。

実施の形態２の車両用空調装置は、実施の形態１の構成に、温度センサ２３と、湿度センサ２４とを追加したものである。実施の形態２において、実施の形態１と同様の構成は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

温度センサ２３は、車室内の温度を検出するセンサであり、湿度センサ２４は、車室内の湿度を検出するセンサである。温度センサ２３と湿度センサ２４とのセンサ信号は制御部２５に出力される。車室内の温度および湿度から内気の露点温度が算出可能となる。

［制御動作］
図５には、制御部２５により実行される実施の形態２の制御処理のフローチャートを示す。

制御部２５は、図５の制御処理を、車両の電気系統が電源オンされている間、所定周期（例えば５分周期）で繰り返し実行する。または、車両用空調装置が換気動作（ファン１２の駆動）の作動と停止とを切り替えられる構成である場合には、換気動作の作動時に所定周期で繰り返し実行されるように構成してもよい。

この制御処理が開始されると、制御部２５は、先ず、温度センサ２３および湿度センサ２４のセンサ信号を入力して、車内温度Ｔｉと車内湿度Ｒａとを取得する。ここで、車内とは車室内を意味する。そして、制御部２５は、車内温度Ｔｉと車内湿度Ｒａとから車室内の露点温度Ｔｄを算出する（ステップＳ１１）。同時に、制御部２５は、温度センサ２２のセンサ信号を入力して外気温度Ｔｏも取得する。

続いて、制御部２５は、外気温度Ｔｏと所定の閾値とを比較して（ステップＳ１２〜Ｓ１５）、この比較結果に基づき顕熱交換器ドア１９の開度Ｖａを調整する（ステップＳ１６〜Ｓ２０）。

上記所定の閾値としては、凍結温度Ｔｆ（例えば０℃）、露点温度Ｔｄ、露点温度Ｔｄより一段低い温度“Ｔｄ−Ｔ１”、露点温度Ｔｄより一段高い温度“Ｔｄ＋Ｔ２”が設定されている。温度スパンＴ１は、露点温度Ｔｄからの温度差であり、露の発生が一層早く生じる温度差に設定されている。温度スパンＴ２は、露点温度からの温度値であり、露がほぼ発生しなくなる温度差に設定されている。

制御部２５は、外気温度Ｔｏが凍結温度Ｔｆより低いと判定すれば（ステップＳ１２の“Ｙｅｓ”）、顕熱交換器ドア１９の開度Ｖａをゼロ（全閉）にする（ステップＳ１６）。

また、制御部２５は、外気温度Ｔｏが凍結温度Ｔｆから閾値“Ｔｄ−Ｔ１”までの間であると判定すれば（ステップＳ１３の“Ｙｅｓ”）、顕熱交換器ドア１９を比較的大きな一定量（Ｖｙ）だけ閉じる（ステップＳ１７）。

また、制御部２５は、外気温度Ｔｏが閾値“Ｔｄ−Ｔ１”から露点温度Ｔｄまでの間であると判定すれば（ステップＳ１４の“Ｙｅｓ”）、顕熱交換器ドア１９を少量（Ｖｘ）だけ閉じる（ステップＳ１８）。

また、制御部２５は、外気温度Ｔｏが露点温度Ｔｄから閾値“Ｔｄ＋Ｔ２”の間であると判定すれば（ステップＳ１５の“Ｙｅｓ”）、顕熱交換器ドア１９の開度Ｖａを変化させない（ステップＳ１９）。

また、制御部２５は、外気温度Ｔｏが閾値“Ｔｄ＋Ｔ２”以上であると判定すれば（ステップＳ１５の“Ｎｏ”）、顕熱交換器ドア１９を一定量（Ｖｚ）だけ開く（ステップＳ２０）。

このような顕熱交換器ドア１９の開度Ｖａの調整処理により、顕熱交換器１１に露が発生しやすい条件のときには、顕熱交換器ドア１９は次第に閉じられていく。外気温度Ｔｏが露点温度Ｔｄより一層低いときには顕熱交換器ドア１９は早く閉じられ、外気温度Ｔｏが露点温度Ｔｄより少しだけ低いときには顕熱交換器ドア１９はゆっくり閉じられる。

さらに、外気温度Ｔｏが凍結温度を下回れば、顕熱交換器ドア１９は一度に全閉される。また、外気温度Ｔｏが、露点温度Ｔｄより温度スパンＴ２以上高くなれば、顕熱交換器ドア１９は次第に開かれる。

なお、ステップＳ１７，Ｓ１８の処理で、既に、顕熱交換器ドア１９が全閉であれば、それ以上閉じることはできないので開度Ｖａはゼロのままとなる。また、ステップＳ２０の処理で、既に、顕熱交換器ドア１９が全開であれば、それ以上開くことはできないので開度Ｖａは１００％のままとなる。

ステップＳ１６〜Ｓ２０で顕熱交換器ドア１９の開度Ｖａを調整したら、制御部２５は、この制御処理を終了する。そして、次の周期で、再び、この制御処理を開始する。

このような顕熱交換器ドア１９の開閉制御により、露点温度を基準とした外気の相対温度が高いときには、顕熱交換器１１に内気が多く流される一方、上記外気の相対温度が低いときには、顕熱交換器１１に流れる内気の量が低減される。よって、顕熱交換器１１に露または霜が溜まってしまうことが防止される。

なお、顕熱交換器ドア１９が全開よりも閉じているときには、顕熱交換器１１を通過する内気の量は少なくなるが、ファン１２の静圧により外気が車室内へ送られることで、これらの差分だけ、車室内の内気が他の排気口から車外へ排出される。つまり、車室内の換気は換気量が大きく変化することなく続けられる。

この間、顕熱交換器１１による排気の熱回収は少なくなるため、暖房の省エネルギー化は少し低減する。しかし、その後、外気の温度が上がって、露または露の凍結が生じない状況になった場合には、本実施の形態の車両用空調装置では、速やかに顕熱交換器１１を使用した排気を開始することができる。従って、長い期間を通して総合的に判定すれば空調動作の省エネルギー化が図れる。

以上のように、実施の形態２の車両用空調装置によれば、外気温度と車室内の露点温度との関係から、顕熱交換器１１で露が発生しやすい条件のときには、顕熱交換器１１に流れる内気の流量が低減される。また、顕熱交換器１１で露の凍結が発生する条件のときには、顕熱交換器１１への内気の流入が停止される。従って、顕熱交換器１１に露又は霜が溜まってしまうことが防止される。よって、露又は霜によって顕熱交換器１１が長い期間渡って有効に使用できなくなるといった事態を回避できる。

また、実施の形態２の車両用空調装置によれば、外気温度と露点温度との関係から顕熱交換器ドア１９の開度を決定するのではなく、外気温度と露点温度との関係により顕熱交換器ドア１９を徐々に閉じるか、徐々に開けるように構成されている。外気温度が低下した場合でも、顕熱交換器１１の温度は瞬時に低下するわけでなく、少しの時間をかけて徐々に低下していく。従って、顕熱交換器１１に露又は霜が溜まらない範囲で、ぎりぎりまで顕熱交換器１１に内気を流して、排気の熱回収を行った換気動作を実現することができる。

以上、本発明の各実施の形態について説明した。

なお、上記実施の形態では、顕熱交換器１１に流れる内気の流量を変化させる流量変更部として、顕熱交換器１１の内気導入口に配置された顕熱交換器ドア１９を例にとって説明した。しかしながら、この流量変更部の形態は、ドアの形態に限られず、仕切弁およびスライド弁の形態など、公知の様々な形態を適用することができる。

また、上記実施の形態では、熱交換器として、顕熱交換器を適用した構成を例にとって説明したが、全熱交換器を適用した構成を採用することもできる。また、上記実施の形態では、冷房および暖房が可能な車両用空調装置を例示したが、本発明に係る車両用空調装置は換気のみを行う構成としてもよい。その他、顕熱交換器ドア１９を開閉する条件など、実施の形態で示した細部は発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

本発明は、車両に搭載される換気装置または冷暖房装置に適用できる。

１１ 顕熱交換器
１２ ファン
１５ 内気導入流路
１６ 内気排出流路
１７ 外気導入流路
１８ 送風流路
１９ 顕熱交換器ドア
２２，２３ 温度センサ
２４ 湿度センサ
２５ 制御部

Claims (7)

1. 車室内から送り出される内気と車外から取り込まれる外気との間で熱を交換する熱交換器と、
   前記熱交換器に流れる前記内気の流量を変化させる流量変更部と、
   外気の温度を検出する第１センサと、
   前記第１センサの検出結果に基づき前記内気の流量を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記外気の検出温度が高くなるのに応じて前記内気の流量を大きくする方向へ前記流量変更部を制御する、
   車両用空調装置。
2. 車室内の温度を検出する第２センサおよび車室内の湿度を検出する第３センサを具備し、
   前記制御部は、
   さらに、前記第２および第３センサの検出結果から車室内の露点温度を算出し、この算出した露点温度と前記第１センサにより得られる前記外気の検出温度とに基づき、前記露点温度を基準とした前記外気の相対温度が高くなるのに応じて前記内気の流量を大きくする方向へ前記流量変更部を制御する、
   請求項１記載の車両用空調装置。
3. 前記制御部は、
   少なくとも、前記外気の検出温度が前記露点温度近傍であるとき、および、前記外気の検出温度が水の凍結温度近傍であるときに、前記流量変更部を制御して前記内気の流量を変化させる、
   請求項２記載の車両用空調装置。
4. 前記流量変更部は、前記熱交換器の内気導入口の近傍に設けられている、
   請求項１又は２に記載の車両用空調装置。
5. 前記熱交換器は、前記内気を通す流路と前記外気を通す流路とが固定された静止型熱交換器である、
   請求項１又は２に記載の車両用空調装置。
6. 前記熱交換器は、顕熱交換器である、
   請求項１又は２に記載の車両用空調装置。
7. 前記流量変更部は、前記熱交換器における前記内気の流路を閉じたときに、前記熱交換器へ送られてくる前記内気を車室内または車外へ逃がす流路を開くように構成される、
   請求項１又は２に記載の車両用空調装置。
   

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