JP2014091507A - 自動車用の暖房システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造で効率よく駆動部等の熱源側から暖房システム側に熱を輸送することが可能な自動車用の暖房システムを提供する。
【解決手段】 熱源側冷却経路３は、例えばエンジンやモータなどの自動車の駆動部を冷却する経路である。熱源側冷却経路３には、熱媒体として冷却水等が循環する。ヒートポンプ式暖房経路５には、熱媒体が循環する。ヒートポンプ式暖房経路５には、圧縮器１３、膨張器１４、放熱部１７、車外熱交換器２１等が設けられる。熱源側冷却経路３の一部には、第１熱交換部である熱交換器１９が設けられる。また、車外熱交換器２１には、第２熱交換部である熱交換器２４が設けられる。さらに、熱交換器１９、２４を接続するようにヒートパイプ７が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車におけるエンジンやモータなど熱源からの熱を利用して効率よく車内の暖房を行うことが可能な自動車用の暖房システムに関するものである。

従来より、車内の暖房を行うためには、車内に噴出するエア等を加熱する加熱手段が必要となっている。例えば、暖房装置内を循環する熱媒体を加熱して、高温の熱媒体とエアとを熱交換させながら、温風を車内に送風する。

このような暖房システムにおいては、熱媒体を加熱するために、ヒートポンプ式の空調システムが用いられる。ヒートポンプ式の空調システムは、熱媒体を圧縮器で圧縮することで昇温し、車内に噴出するエアを加熱する。その後、膨張器により熱媒体を膨張させることで低温となった熱媒体を、車外熱交換器で外気と熱交換させ、その熱媒体が再び圧縮器へ送られる。すなわち、車外熱交換器では、低温の熱媒体が外気から熱を奪う。

このような、ヒートポンプ式の空調システムとしては、熱源を冷却する冷却水と熱媒体とを、平行に流すことが可能な車外熱交換器を用いる方法がある（特許文献１）。

特開２０００−１９８３４７号公報

しかし、特許文献１のようなシステムでは、車外熱交換器に対して、熱源を冷却する冷却水を導入する必要があるため、冷却経路が長くなると言う問題がある。例えば、通常、車外熱交換器は、車の前方に配置される。一方、熱源であるモータやインバータ、ＤＣＤＣコンバータなどは、モータールーム内に配置される。したがって、モータールーム内の各熱源を冷却する冷却経路を、車の前方に配置される車外熱交換器まで引き回す必要がある。このように、冷却経路長が長くなるため、冷却水量が増え、熱源の熱によって冷却水を昇温するのに時間を要する。したがって、短距離走行時等には、十分な効果を発揮することが困難である。

また、冷却水が増加するため、重量が増加する。さらに、冷却水温等を監視して、冷却水を車外熱交換器に流すかどうかを判定するため、制御が複雑となる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、簡易な構造で効率よく駆動部等の熱源側から暖房システム側に熱を輸送することが可能な自動車用の暖房システムを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、本発明は、自動車用の暖房システムであって、自動車の駆動源である熱源を冷却する熱源側冷却経路と、自動車室内の暖房用のエアが流れるエア経路と、前記エア経路内のエアと熱交換することが可能であり、圧縮器、膨張器および車外熱交換器を有するヒートポンプ式暖房経路と、前記熱源側冷却経路上に配置される第１熱交換部と、前記車外熱交換器に配置され、前記ヒートポンプ式暖房経路を流れる熱媒体と熱交換を行う第２熱交換部とを接続するヒートパイプと、を具備し、前記第２熱交換部は、走行風に対して、前記車外熱交換器の後方に配置されることを特徴とする自動車用の暖房システムである。

前記車外熱交換器は、内部に複数の流路を有する複数の熱交換チューブと、前記熱交換チューブの間に形成されるフィン部と、を有し、前記第２熱交換部は、前記熱交換チューブの前記流路以外の部位に対して、前記ヒートパイプが貫通することで形成されることが望ましい。前記車外熱交換器は、内部に複数の流路を有する複数の熱交換チューブと、前記熱交換チューブの間に形成されるフィン部と、を有し、前記第２熱交換部は、前記熱交換チューブに接合された熱結合部材に対して、前記ヒートパイプが貫通することで形成されてもよい。

前記ヒートパイプの一部には、蓄熱ユニットが設けられることが望ましい。

前記蓄熱ユニットは、過冷却型蓄熱材であり、前記蓄熱ユニットには、前記蓄熱ユニット内の液体にエネルギーを加えて結晶の種を生成する発核装置が設けられてもよい。

前記ヒートパイプは、複数本配置され、それぞれの前記ヒートパイプは、略等間隔で配置されることが望ましい。

前記ヒートパイプの前記熱交換チューブから露出する部位であって、少なくとも走行風の影響を受ける部位の外表面の一部に、断熱材が設けられてもよい。

本発明によれば、ヒートポンプ式暖房経路における車外熱交換器と熱源側冷却経路との間にヒートパイプが設けられる。したがって、ヒートパイプによって、熱源側冷却経路の熱を効率良く車外熱交換器に伝達することができる。したがって、冷却経路を長くする必要がなく、冷却水量を増加する必要もない。また、ヒートパイプの熱ダイオード効果によって、特殊なポンプ制御等を行う必要がない。

また、ヒートパイプと車外熱交換器の後方に配置されるため、走行風によってヒートパイプが冷却されずに、ヒートパイプからの熱を効率良く車外熱交換器に伝えることができる。

また、車外熱交換器に設けられ、ヒートポンプ式暖房経路の熱媒体が流れる熱交換チューブに対して、ヒートパイプが貫通するように設けられることで、ヒートパイプの熱を効率良く熱交換チューブに伝達することができる。

また、ヒートパイプの一部に蓄熱ユニットを設けることで、走行時の廃熱を蓄熱しておき、凍結時や霜がついた場合においても、蓄熱ユニットの熱によって、車外熱交換器を短時間で解凍し、熱交換効率を向上させることができる。

特に、蓄熱ユニットが過冷却型蓄熱材であり、蓄熱ユニット内の液体にエネルギーを加えて結晶の種を生成する発核装置が設けられることで、任意のタイミングで発熱させることができる。これにより寒冷地などでのスタート時において車室内が冷えた状態からの急速暖房の効果を得ることも可能である。

また、複数本のヒートパイプが、略等間隔で配置されることで、車外熱交換器の略全体に均一に廃熱を伝達することができる。

また、ヒートパイプの熱交換チューブから露出する部位に断熱材を設けることで、走行風によって、ヒートパイプの熱が放熱されることを抑制することができる。

本発明によれば、簡易な構造で効率よく駆動部等の熱源側から暖房システム側に熱を輸送することが可能な自動車用の暖房システムを提供することができる。

暖房システム１を示すシステム構成図。 車外熱交換器２１を示す正面図。 車外熱交換器２１および熱交換器１９を示す断面図であり、図２のＤ−Ｄ線断面図。 熱交換チューブ２３および熱交換器２４の断面図であり、図３のＥ部拡大図。 他の実施の形態の車外熱交換器２１および熱交換器１９を示す断面図。 （ａ）はヒートパイプ７に断熱材４１を設けた状態を示す図、（ｂ）は、フィン４３と熱交換チューブ２３ａとを別体とした状態を示す図。

以下、本発明の実施の形態にかかる暖房システム１について説明する。図１は、暖房システム１を示すシステム構成図である。暖房システム１は、主に、熱源側冷却経路３、ヒートポンプ式暖房経路５、エア経路６、ヒートパイプ７等から構成される。暖房システム１は、自動車用の暖房システムである。

熱源側冷却経路３は、例えばエンジンやモータなどの自動車の駆動部を冷却する経路である。熱源側冷却経路３には、熱媒体として冷却水等が循環する。熱源側冷却経路３には、モータ９、ポンプ１１等が設けられる。

モータ９は、自動車の駆動部であり、熱源となる部位である。なお、本実施形態においては、熱源がモータ９のみである電気自動車の例を示すが、本発明はこれに限られない。例えば、熱源として、通常のエンジンであっても良く、その両者が配置されても良い。また、熱源としては、駆動部のみに限られず、例えばインバータやＤＣＤＣコンバータなど、自動車の走行等において発熱する部位であればよい。

ポンプ１１は、熱源側冷却経路３内の熱媒体を循環させるものである（図中矢印Ａ方向）。なお、熱源側冷却経路３内の熱媒体を冷却するためのラジエータ等をさらに設けても良い。

ヒートポンプ式暖房経路５は、例えば、車内を暖房するためのエアを加熱する経路である。ヒートポンプ式暖房経路５には、圧縮器１３、膨張器１４、放熱部１７、車外熱交換器２１等が設けられる。ヒートポンプ式暖房経路５には、熱媒体が循環する。なお、熱媒体の温度が十分でない場合には、必要に応じて、熱媒体を加熱する、図示を省略したヒータを設けてもよい。

熱媒体は、圧縮器１３によって圧縮され、放熱部１７に送られる。放熱部１７は、ヒートポンプ式暖房経路５内の熱媒体の熱をエア経路６内のエアに放熱する部位である。すなわち、放熱部１７は、ヒートポンプ式暖房経路５とエア経路６との交わる部位に形成される。エア経路６内には、外気または車内から取り込まれたエアが流される。エア経路６内を流れるエアは、放熱部１７によって加熱されて車内に送り込まれる。すなわち、熱媒体は、エア経路６内のエアと熱交換（放熱）される。したがって、車内へは、暖められた空気が送られる（図中矢印Ｃ）。

放熱部１７で凝縮液化された熱媒体は、膨張器１４に送られる。膨張器１４は、熱媒体を減圧して霧状とする。霧状の熱媒体は、車外熱交換器２１に送り込まれる。車外熱交換器２１では、熱媒体が外気と熱交換（吸熱）して液化される。液化した熱媒体は、再び圧縮器１３に送られる。以上を繰り返して、車内に暖気を送ることができる。

熱源側冷却経路３の一部には、第１熱交換部である熱交換器１９が設けられる。また、車外熱交換器２１には、第２熱交換部である熱交換器２４が設けられる。さらに、熱交換器１９、２４を接続するようにヒートパイプ７が設けられる。

熱交換器１９は、熱源側冷却経路３内の熱媒体と、ヒートパイプ７の一方の端部との間で熱交換を行うものである。また、熱交換器２４は、ヒートパイプ７の他方の端部と車外熱交換器２１（ヒートポンプ式暖房経路５内の熱媒体）との間で熱交換を行うものである。ここで、熱交換器２４は、熱交換器１９よりも高い位置に配置される。したがって、熱交換器１９、２４と接続されるヒートパイプ７は、一方の端部に対して他方の端部が高い位置に配置される。

ヒートパイプ７は、たとえば、端部を密閉した金属の内部に、溶媒を配置して、溶媒の蒸発と凝縮により熱を伝達することができる。主に銅の内部に水を入れたヒートパイプが多く用いられている。このため、電源を用いなくても熱伝達を行うことができ、また、密閉されているので水が減少することもないのでメンテナンス性にも優れる。さらに好ましくはサーモサイフォン型のヒートパイプである。

熱源側冷却経路３内の熱媒体は、例えば駆動中（発熱中）であるモータ９を流れ、モータ９からの熱を奪い、モータ９を冷却する。モータ９により加熱された熱媒体は、熱交換器１９で熱交換され、その熱の一部がヒートパイプ７に伝達される。ヒートパイプ７の下端で受熱すると、ヒートパイプ７は上方の熱交換器２４へ熱を輸送する。

図２は、車外熱交換器２１の正面図であり、図３は、図２のＤ−Ｄ線断面図である。前述の通り、熱源側冷却経路３には、熱交換器１９が設けられ、熱交換器１９にはヒートパイプ７の端部が接続される。また、車外熱交換器２１には、熱交換器２４が設けられ、熱交換器２４にヒートパイプ７の他端が接続される。なお、ヒートパイプ７は、略等間隔で複数本配置される。

図３に示すように、熱交換器１９は、例えば筒状であり、内部には、熱媒体の流れに略平行に複数のフィン２９が設けられる。ヒートパイプ７の先端は、フィン２９を貫通するように設けられる。すなわち、熱交換器１９は、内部を流れる熱媒体がフィン２９を介してヒートパイプ７と熱交換を行う部位である。

熱交換器２４は、ヒートパイプ７の上端側と車外熱交換器２１内の熱媒体との熱交換を行う部位である。車外熱交換器２１は、ヘッダ２７、熱交換チューブ２３、フィン２５等から構成される。一対のヘッダ２７には、ヒートポンプ式暖房経路５が接続され、熱媒体が導入・導出される。ヘッダ２７の間には、複数の熱交換チューブ２３が互いに略平行に配置され、熱交換チューブ２３同士の間には、コルゲート型のフィン２５が接合される。一方のヘッダ２７内に導入された熱媒体は、複数の熱交換チューブ２３に分岐されてそれぞれの熱交換チューブ２３を流れた後、他方のヘッダ２７で集合する。

なお、車外熱交換器２１には、車の走行時に、車外熱交換器２１の前方側から走行風が流れる（図３の矢印Ｆ方向）。走行風はフィン２５と熱交換を行う。ここで、熱交換器２４（ヒートパイプ７）は、走行風に対して車外熱交換器２１の後方側に配置される。

図４は、図３のＥ部拡大図である。熱交換チューブ２３は、内部に熱媒体流路３１が形成される。熱媒体流路３１は、例えばフィン２５との接合幅に形成される。すなわち、熱交換チューブ２３の一方の端部側（図中の略左半分）に熱媒体流路３１が形成される。図に示したように、熱交換チューブ２３の、フィン２５と接合され、熱媒体流路３１が形成される範囲が、フィン熱交換部３３となる。

熱交換チューブ２３の他方の端部側（図中略右半分）には、ヒートパイプ７が貫通して接合される。ヒートパイプ７と熱交換チューブ２３との接合部であって、熱媒体流路３１が形成されていない範囲が、ヒートパイプ熱交換部３５となる。すなわち、熱交換チューブ２３は、ヒートパイプ７との熱交換と、フィン２５との熱交換を行う。

熱交換器１９がヒートパイプの作動温度以上となって高温部となり、熱交換器２４側が低温部となると、熱交換器１９によりヒートパイプ７の端部が加熱される。ヒートパイプ７の端部が加熱されると、ヒートパイプ７内部の作動液が蒸発して、当該部位の熱を奪い、蒸気が熱交換器２４側に輸送される。低温部である熱交換器２４では、蒸気が凝縮して熱交換チューブ２３のヒートパイプ熱交換部３５に熱を放出する。

一方、熱媒体流路３１には、前述したように膨張器１４によって霧化した熱媒体が流れる。車外熱交換器２１では、熱媒体が気化する際に熱が奪われる。したがって、熱媒体は、前述した走行風と熱交換を行い、走行風から熱を奪う。また、熱交換チューブ２３には、ヒートパイプ７からの熱が伝達される。したがって、熱媒体には、ヒートパイプ７からの熱が伝達される。このように、車外熱交換器２１において、熱媒体には効率良く熱が伝達される。

なお、ヒートパイプ７の熱交換器２４側で凝縮した作動液は、ヒートパイプ７の内面を伝わり、重力によってより低い位置にある熱交換器１９側に移動する。以上を繰り返すことで、熱源側冷却経路３の熱が、ヒートポンプ式暖房経路５側に伝達される。このとき、一般的なヒートパイプは、向きにかかわらず熱を伝達できる。よってヒートパイプの向き、形状（たとえばL字や凹字など）自由に配置できるので、狭いエンジンルーム内での配置が容易になる。

また、好ましい形態として、熱輸送手段の一部または全部として、サーモサイフォン型のヒートパイプを、鉛直方向に長くなるように配置する。すると、熱交換器１９が低温部となり、熱交換器２４側が高温部となった場合、ヒートパイプ７の作動液は、熱交換器１９側に溜まった状態となり、ヒートパイプ７は、熱輸送を行うことがない。したがって、ヒートポンプ式暖房経路５内の熱媒体の熱が、熱源側冷却経路３側に逃げることがなくなるので、さらに効率のよい暖房が可能となる。

すなわち、熱交換器１９から熱を受け取る側のヒートパイプ７の端部に対して、熱交換器２４に熱を放出する側のヒートパイプ７の端部が高い位置となるように配置される。このため、ヒートパイプ７は、熱源側冷却経路３からヒートポンプ式暖房経路５側に熱を輸送するが、ヒートポンプ式暖房経路５から熱源側冷却経路３への熱の輸送を行うことがない。なお、このような効果をより高めるためには、ヒートパイプ７を略鉛直方向に配置することが望ましい。

本実施の形態によれば、熱源側冷却経路３の熱を、ヒートパイプ７によってヒートポンプ式暖房経路５に伝達する。このため、熱源側冷却経路３を、ヒートポンプ式暖房経路５まで延長する必要がない。したがって、使用する冷却水量を減らすことができる。このため、モータ９の熱により早期に熱媒体の温度を昇温することができる。また、冷却水による重量増を抑制することができる。

また、車外熱交換器２１では、ヒートポンプ式暖房経路５の熱媒体が走行風と熱交換を行うが、本実施形態では、さらにヒートパイプ７と熱交換を行うことができる。したがって、モータ９からの廃熱を有効に利用することができる。特に、ヒートパイプ７が、熱交換チューブ２３を貫通して接合されるため、ヒートパイプ７と熱交換チューブ２３との熱交換効率が高い。

また、ヒートパイプ７および熱交換器２４が、走行風に対して車外熱交換器２１の後方に配置される。このため、熱源側冷却経路３からの熱を輸送中のヒートパイプ７が、走行風によって冷却されて、外気に熱を放出することを抑制することができる。

また、複数本のヒートパイプが略等間隔に配列されるため、車外熱交換器２１の略全体に対して、熱源側冷却経路３の熱を伝達することができる。

次に、第２の実施の形態について説明する。図５は、第２の実施の形態にかかる車外熱交換器２１および熱交換器１９等の断面図である。なお、以下の説明において、図１〜図４に示した構成と同一機能を奏する構成については、図１〜図４と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

第２の実施の形態では、熱交換器１９と熱交換器２４の間のヒートパイプ７に、蓄熱ユニット３７が設けられる。蓄熱ユニット３７は、一時的に熱を蓄えることができればよく、例えば、パラフィンや関東商事社製の「パッサーモ」（商品名）等を使用することができる。

また、蓄熱ユニット３７に、潜熱蓄熱材を用いることもできる。潜熱蓄熱材は、蓄熱材（酢酸ナトリウム３水塩や硫酸ナトリウム１０水塩）などを用い、物質の相変化に伴う潜熱を蓄熱することができる。特に、過冷却型蓄熱材は、凝固点温度以下になっても相変化（結晶化）が起きない状態を保ち、液体にある衝撃や振動や摩擦といったエネルギーを加えることで結晶の種を生成し、今まで不規則に浮遊していた分子やイオンが突如、種結晶に向かって結合（凝固）を始めて、一気に凝固熱を周囲に放出するものである。潜熱蓄熱材を用いれば、乗車開始時に、蓄熱された熱を一気に利用して、瞬時に暖房を利用可能とすることもできる。

例えば、車外熱交換器２１が凍結または霜が付着すると、ヒートポンプ型空調装置は十分に熱交換を行うことができない。そこで、車の運転初期などにおいては、蓄熱ユニット３７に蓄熱された熱を利用して、車外熱交換器２１の凍結や霜を解凍することで、早期に熱交換効率を向上させることができる。なお、蓄熱ユニット３７に対して衝撃を加える発核装置３９を用いることで、任意のタイミングで蓄熱ユニット３７に衝撃を与え、凝固熱を得ることができる。例えば、車外熱交換器２１に温度検知手段を設け、温度が所定値以下の場合に、発核装置３９を作動させればよい。

このように、蓄熱ユニット３７を設けることで、廃熱を蓄熱しておき、コールドスタート時などに、熱を利用することができる。したがって、廃熱の利用効率を向上させることができる。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、図６（ａ）に示すように、熱交換器２４において、ヒートパイプ７の熱を効率良く熱交換チューブ２３（ヒートパイプ熱交換部３５）に伝達させるために、ヒートパイプ７の外面であって、熱交換チューブ２３からの露出部に、断熱材４１を設けても良い。断熱材４１は、例えば塗装やテープ等によって構成される。このようにすることで、外気に対して、ヒートパイプ７の熱が放出されることを抑制することができる。

また、図６（ｂ）に示すように、熱交換器２４は、熱交換チューブ２３ａにヒートパイプ７を貫通させるのではなく、他のフィン４３（熱結合部材）を用いても良い。この場合、フィン４３を貫通するように、ヒートパイプ７をフィン４３に接合する。また、フィン４３と熱交換チューブ２３ａとを接触させて接合することで、フィン４３を介して、ヒートパイプ７の熱を、熱交換チューブ２３ａに伝達することができる。すなわち、熱交換器２４を車外熱交換器２１と別体で構成しても良い。

なお、上述の実施形態において、熱交換器１９は、熱源側冷却経路３の熱媒体と熱交換を行う例を示したが、熱源側冷却経路３上に配置されるモータ９と直接熱交換を行うこともできる。また、前述の各実施形態では、本発明の熱輸送システムを自動車の暖房システムに適用する例を示したが、本発明は、熱源を冷却する経路と、熱を利用する経路とが存在すれば、他のシステムにも適用可能である。

１………暖房システム
３………熱源側冷却経路
５………ヒートポンプ式暖房経路
６………エア経路
７………ヒートパイプ
９………モータ
１１………ポンプ
１３………圧縮器
１４………膨張器
１７………放熱部
１９、２４………熱交換器
２１………車外熱交換器
２３、２３ａ………熱交換チューブ
２５………フィン
２７………ヘッダ
２９………フィン
３１………熱媒体流路
３３………フィン熱交換部
３５………ヒートパイプ熱交換部
３７………蓄熱ユニット
３９………発核装置
４１………断熱材
４３………フィン

Claims (7)

1. 自動車用の暖房システムであって、
   自動車の駆動源である熱源を冷却する熱源側冷却経路と、
   自動車室内の暖房用のエアが流れるエア経路と、
   前記エア経路内のエアと熱交換することが可能であり、圧縮器、膨張器および車外熱交換器を有するヒートポンプ式暖房経路と、
   前記熱源側冷却経路上に配置される第１熱交換部と、前記車外熱交換器に配置され、前記ヒートポンプ式暖房経路を流れる熱媒体と熱交換を行う第２熱交換部とを接続するヒートパイプと、
   を具備し、
   前記第２熱交換部は、走行風に対して、前記車外熱交換器の後方に配置されることを特徴とする自動車用の暖房システム。
2. 前記車外熱交換器は、内部に複数の流路を有する複数の熱交換チューブと、
   前記熱交換チューブの間に形成されるフィン部と、を有し、
   前記第２熱交換部は、前記熱交換チューブの前記流路以外の部位に対して、前記ヒートパイプが貫通することで形成されることを特徴とする請求項１記載の自動車用の暖房システム。
3. 前記車外熱交換器は、内部に複数の流路を有する複数の熱交換チューブと、
   前記熱交換チューブの間に形成されるフィン部と、を有し、
   前記第２熱交換部は、前記熱交換チューブに接合された熱結合部材に対して、前記ヒートパイプが貫通することで形成されることを特徴とする請求項１記載の自動車用の暖房システム。
4. 前記ヒートパイプの一部には、蓄熱ユニットが設けられることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の自動車用の暖房システム。
5. 前記蓄熱ユニットは、過冷却型蓄熱材であり、前記蓄熱ユニットには、前記蓄熱ユニット内の液体にエネルギーを加えて結晶の種を生成する発核装置が設けられることを特徴とする請求項４記載の自動車用の暖房システム。
6. 前記ヒートパイプは、複数本配置され、それぞれの前記ヒートパイプは、略等間隔で配置されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の自動車用の暖房システム。
7. 前記ヒートパイプの前記熱交換チューブから露出する部位であって、少なくとも走行風の影響を受ける部位の外表面の一部に、断熱材が設けられることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の自動車用の暖房システム。

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