JP2015058886A - 車両用空調装置、車両空調用ヒータ、及び車両の空調方法 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の冷却システムと暖房空調に係る構成を統合し、より効率的な暖房空調を可能とする、ことを目的とする。
【解決手段】車両用空調装置１０は、車両側発熱機器１４の冷却に用いられるラジエータ４４と、車室内に送風される空気とクーラントとを熱交換するヒータコア３０、ヒータコア３０とラジエータ４４との間を循環するクーラントが流れるクーラント流路４６を備える。そして、車両用空調装置１０は、高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子と一体化され、パワー素子及び発熱体によってヒータコア３０へ流れるクーラントを加熱する温水ヒータ５０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用空調装置、車両空調用ヒータ、及び車両の空調方法に関するものである。

ハイブリッド電気自動車（Hybrid Electric Vehicle：ＨＥＶ）やプラグインハイブリッド電気自動車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle：ＰＨＥＶ）では、内燃機関であるエンジンに加え、直流電源、インバータ、及びインバータによって駆動されるモータ等の各種車両用の機器が搭載されている。

このような車両では、エンジンの他、パワー素子を含む車両用のインバータ等に対しても冷却が必要であり、その冷却システムは独立している。また、エンジンを不要とする電気自動車（Electric Vehicle：ＥＶ）においても、インバータの冷却と暖房用温水ヒータの系統は独立している。冷却システムが独立していると部品点数が増加し、コストアップとなる。
なお、インバータの冷却水の温度上限は、パワー素子を構成する半導体（シリコン：Ｓｉ）の熱損失、耐熱性、及び冷却構造等で決定される。Ｓｉで構成される一般的なパワー素子の場合、例えば６５℃程度までに温度上昇を抑える必要がある。

特許文献１では、ＨＥＶ用冷却システムにおいて、エンジンを冷却する際の冷却水温度に対して耐熱性を有する炭化シリコン（Silicon Carbide：ＳｉＣ）からなるＳｉＣパワー素子で構成されるインバータ装置が開示されている。そして、冷却システムにおいて、インバータ装置は、エンジンと直列に配設され、インバータ装置の冷却にエンジンの冷却水が用いられる。このように特許文献１には、ＳｉＣパワー素子で構成されるインバータ（以下「ＳｉＣインバータ」という。）とエンジンの冷却システムを統合し、同一のラジエータで冷却する構成が開示されている。
また、低外気温時は、エンジン内のオイル粘度の上昇によりクランキング動力抵抗が増大し、エンジン始動性が悪化する。特許文献１では、ＳｉＣインバータからの発熱を利用してエンジン始動性を向上させることが開示されている。

特許第４１４０５６２号公報

一般的なＨＥＶやＰＨＥＶは、燃費向上のためアイドリング時にエンジンを極力停止する制御とされている。しかし、エンジン排熱が空調用暖房熱源として使用されているため、低外気温での暖房使用時にはエンジンを停止させることができない。

特許文献１では、ＳｉＣインバータをエンジンの冷却システムで冷却しているものの、ＳｉＣインバータで生じる熱を空調に利用することに関しては開示されていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、車両の冷却システムと暖房空調に係る構成を統合し、より効率的な暖房空調を可能とする、車両用空調装置、車両空調用ヒータ、及び車両の空調方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の車両用空調装置、車両空調用ヒータ、及び車両の空調方法は以下の手段を採用する。

本発明の第一態様に係る車両用空調装置は、車両側発熱機器の冷却に用いられるラジエータと、車室内に送風される空気と熱媒体とを熱交換するヒータコアと、前記ラジエータと前記ヒータコアとの間を循環する前記熱媒体が流れる流路と、高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子と一体化され、前記パワー素子及び発熱体によって前記ヒータコアへ流れる前記熱媒体を加熱するヒータと、を備える。

本構成によれば、ヒータコアによって車室内に送風される空気と熱媒体とが熱交換される。この熱交換された空気によって、車室内は暖房される。

熱媒体は、流路を流れ、車両側発熱機器の冷却に用いられるラジエータとヒータコアとの間を循環する。すなわち、熱媒体は、車両側発熱機器を冷却した後にラジエータで放熱され、ヒータコアに導入される。このように、本構成は、車両側発熱機器の冷却システムと車両用空調装置の暖房系統が統合されている。なお、車両側発熱機器は、例えば、車両駆動用のエンジン、インバータ、モータ、及びバッテリー等である。

そして、ヒータコアへ流れる熱媒体は、ヒータによって加熱される。ヒータは、高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子と一体化され、パワー素子及び発熱体によって熱媒体を加熱する。

なお、高耐熱性の半導体素子は、例えば、ＳｉＣである。パワー素子を高耐熱性の半導体素子で構成することによって、パワー素子は、エンジンを冷却することで高温となった熱媒体にも耐性を有し、かつ高耐熱性の半導体素子それ自身が発する熱で熱媒体をさらに加熱することが可能となる。そして、熱媒体の加熱に伴い、高耐熱性の半導体素子、すなわちパワー素子は熱媒体によって冷却されることとなる。従って、本構成は、空調用のパワー素子を車両側発熱機器の冷却システムで冷却し、かつその熱を暖房空調に用いることとなる。
また、空調用のパワー素子と発熱体とが一体化されてヒータを構成する。このため、熱媒体を加熱するために要する発熱体の電力は、従来に比べて少なくて済み、かつ発熱体の負荷が低減するためヒータの信頼性も向上する。一方、空調用のパワー素子だけでは不十分な加熱量を発熱体が補うため、熱媒体の加熱が不十分となることはない。このように、本構成に係るヒータは、空調用のパワー素子と発熱体とが相互に補完し合うので、より効率良く熱媒体を加熱できる。

このように、本構成は、車両の冷却システムと暖房空調に係る構成を統合し、より効率的な暖房空調を可能とする。

上記第一態様では、前記流路が、車両側発熱機器及び前記ラジエータをバイパスして前記熱媒体を前記ヒータへ流通させるバイパス流路を有することが好ましい。

本構成によれば、車両側発熱機器及びラジエータをバイパスすることによって、ヒータで加熱された熱媒体を優先的にヒータコアへ流通させることができる。これにより、熱媒体が短時間で上昇され、暖房の立ち上がり性能が向上する。

上記第一態様では、前記ヒータが、前記ラジエータで放熱されて前記ヒータコアへ流れる前の前記熱媒体を加熱することが好ましい。

本構成によれば、熱媒体の温度が制御し易いので、暖房の温度制御が容易となる。

上記第一態様では、前記ヒータが、車両外部の電源からの電力により作動可能とされることが好ましい。

本構成によれば、車両に人が搭乗する前に予めヒータを作動させて車室内を暖房することが可能となり、搭乗者の快適性が向上する。

本発明の第二態様に係る車両空調用ヒータは、発熱体と、高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子と、を備え、暖房空調用の熱媒体が流れる流路に対して、前記発熱体と前記パワー素子とが対向して接触して前記熱媒体を加熱する。

本発明の第三態様に係る車両の空調方法は、車両側発熱機器の冷却に用いられるラジエータと、車室内に送風される空気と熱媒体とを熱交換するヒータコアと、前記ラジエータと前記ヒータコアとの間を循環する前記熱媒体が流れる流路と、を備えた車両の空調方法であって、高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子及び発熱体によって前記ヒータコアへ流れる前記熱媒体を加熱する。

本発明によれば、車両の冷却システムと暖房空調に係る構成を統合し、より効率的な暖房空調を可能とする、という優れた効果を有する。

本発明の実施形態に係る車両用空調装置の構成図である。 本発明の実施形態に係る温水ヒータの断面図である。 本発明の実施形態に係る多層化させた温水ヒータの断面図である。 本発明の実施形態に係る車両用空調装置の通常暖房運転におけるクーラントの流れを示した図である。 本発明の実施形態に係る車両用空調装置のバイパス暖房運転におけるクーラントの流れを示した図である。 本発明の第１変形例に係る車両用空調装置の構成図である。 本発明の第２変形例に係る車両用空調装置の構成図である。

以下に、本発明に係る車両用空調装置、車両空調用ヒータ、及び車両の空調方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る車両用空調装置１０の構成図である。
本実施形態に係る車両用空調装置１０は、ハイブリッド電気自動車(Hybrid Electric Vehicle：ＨＥＶ)やプラグインハイブリッド電気自動車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle：ＰＨＥＶ）に搭載されている。

そして、車両用空調装置１０は、詳細を後述するように、ＨＶＡＣユニット（Heating Ventilation and Air Conditioning Unit）１２が、車両側発熱機器１４の冷却システム１６に統合されている。車両側発熱機器１４は、例えば、車両駆動用のエンジン１８（内燃機関）、インバータ２０の他、モータ、及びバッテリー等である。

ＨＶＡＣユニット１２は、内外気切替えダンパ２２により車室内からの内気又は車室外からの外気を切替え導入し、下流側に圧送するブロア２４と、ブロア２４に連なる空気流路２６中に上流側から下流側にかけて順次配設されている車室内蒸発器２８及びヒータコア３０を備える。この車両用空調装置１０は、車室側のインストルメントパネル内に設置され、車室内蒸発器２８及びヒータコア３０を介して温調された空気を、車室内に向けて開口されている複数のデフ吹出し口３２、フェイス吹出し口３４、フット吹出し口３６のいずれかから吹き出す。そして、吹出しモード切替えダンパ３８，４０，４２により選択的に切替えられる吹出しモードに従って車室内に吹出し、車室内を設定温度に空調する。

車室内蒸発器２８は、車室内に送風される空気と冷媒とを熱交換する。熱交換により冷やされた空気は、吹出しモード切替えダンパ３８，４０，４２により切替えられる吹出しモードに応じて、デフ吹出し口３２、フェイス吹出し口３４、フット吹出し口３６のいずれかから車室内に吹出し、車室内を冷房する。なお、図１では、車室内蒸発器２８に接続される冷媒回路は省略されている。

ヒータコア３０は、車室内に送風される空気と熱媒体とを熱交換する。熱交換により暖められた空気は、吹出しモード切替えダンパ３８，４０，４２により切替えられる吹出しモードに応じて、デフ吹出し口３２、フェイス吹出し口３４、フット吹出し口３６のいずれかから車室内に吹出し、車室内を暖房する。以下の説明において熱媒体をクーラントと称呼する。

ヒータコア３０には、車両側発熱機器１４の冷却に用いられるラジエータ４４とヒータコア３０との間を循環する熱媒体が流れる流路（以下「クーラント流路」という。）４６が接続される。

ラジエータ４４は、車室外ファン４８によって外気が通風され、車両側発熱機器１４を冷却した後のクーラントの熱を放熱する。

また、クーラント流路４６には、高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子と一体化され、パワー素子及び発熱体によってクーラントを加熱するヒータ（以下「温水ヒータ」という。）５０が備えられる。
すなわち、ヒータコア３０へ流れるクーラントは、温水ヒータ５０によって加熱される。このように、車両側発熱機器１４の冷却システム１６と車両用空調装置１０の暖房系統が統合されている。

なお、空調用のパワー素子は、例えば空調用のインバータ等に備えられる。

パワー素子を構成する高耐熱性の半導体素子は、従来のＳｉ等の半導体素子よりも耐熱性が高い半導体素子である。また、高耐熱性の半導体素子は、詳細を後述するように、クーラント流路４６を流れるクーラントの温度上昇に耐えうるものであればよい。
高耐熱性の半導体素子は、一例としてＳｉＣであるが、これに限らず、窒化ガリウム系やダイヤモンド系の半導体とされてもよい。

なお、車両駆動用のインバータ２０で用いられる半導体素子もＳｉＣ等の高耐熱性の半導体素子であることが好ましい。

図２は、本実施形態に係る温水ヒータ５０の断面図である。なお、図２に示される温水ヒータ５０の構成は一例であり、これに限られない。

温水ヒータ５０は、上述したように、ＳｉＣで構成される空調用のパワー素子７０と発熱体とを備える。そして、温水ヒータ５０が配置される箇所のクーラント流路４６は、熱交換器とされ、発熱体であるＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子７２とパワー素子７０とがクーラント流路４６に対して対向して接触することで、クーラントを加熱する。

本実施形態に係る発熱体は、一例としてＰＴＣ素子７２であるが、これに限らず、他の種類の発熱体であってもよい。また、ここでいう接触とは、直接的な接触又は間接的な接触、何れであってもよい。

本実施形態に係る温水ヒータ５０は、一例として、電極板７４で挟まれたＰＴＣ素子７２が絶縁性を有する熱伝導シート７６を介してクーラント流路４６と接触している。そして、ＰＴＣ素子７２と対向するようにパワー素子７０を格納するケース７８（例えばアルミケース）がクーラント流路４６に接触している。パワー素子７０の上部には制御基板８０が配置されている。
すなわち、ＰＴＣ素子７２からの熱は、電極板７４及び熱伝導シート７６を介して、クーラントに伝導される。また、パワー素子７０からの熱は、ケース７８を介して、クーラントに伝導される。

なお、制御基板８０として銅インレイ基板や放熱基板が用いられる場合、パワー素子７０の下部に制御基板８０が配置され、制御基板８０とケース７８とが接触する。すなわち、パワー素子７０からの熱は、制御基板８０及びケース７８を介して、クーラントに伝導される。

さらに、より熱交換効率を高める場合には、図３に示すように温水ヒータ５０を多層化させることが好ましい。
多層化させた温水ヒータ５０は、ＰＴＣ素子７２を複数備え、分岐されたクーラント流路４６各々に対して熱伝導シート７６を介してＰＴＣ素子７２を接触させ、クーラントを加熱する。なお、クーラント流路４６に挟まれるＰＴＣ素子７２は、その上下でクーラント流路４６に接触する。

また、図１に示されるように、クーラント流路４６は、車両側発熱機器１４及びラジエータ４４をバイパスしてクーラントを温水ヒータ５０へ流通させるバイパス流路５２を有する。バイパス流路５２には、バイパス流路５２を介して温水ヒータ５０へ流れるクーラントの流量を制御するバルブ５４が備えられる。

クーラント流路４６は、温水ヒータ５０の上流側に、クーラントを送液するポンプ５６を備える。なお、ポンプ５６は、温水ヒータ５０と一体化されてもよい。

また、クーラント流路４６は、温水ヒータ５０の下流側であってヒータコア３０との間に水温センサ５８を備える。水温センサ５８は、クーラントの温度を測定する。温水ヒータ５０は、水温センサ５８で測定されたクーラントの温度に基づいて、ＰＴＣ素子７２による加熱量を制御する。なお、水温センサ５８は、温水ヒータ５０の内部に設置されてもよい。

次に、本実施形態に係る車両用空調装置１０の運転時のクーラントの流れを、図４，５を用いて説明する。なお、各図において、運転時の冷媒流れ経路が太線で表されている。

［通常暖房運転］
図４は、バルブ５４が閉じられた状態である通常暖房運転におけるクーラントの流れを示す。

図４に示されるように、クーラントは、ヒータコア３０とラジエータ４４との間を循環する。すなわち、クーラントは、車両側発熱機器１４を冷却した後にラジエータ４４で放熱され、ヒータコア３０に導入される。

そして、ヒータコア３０へ流れるクーラントは、温水ヒータ５０によって加熱される。温水ヒータ５０は、高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子７０と一体化され、パワー素子７０及びＰＴＣ素子７２によってクーラントを加熱する。パワー素子７０を高耐熱性の半導体素子で構成することによって、パワー素子７０は、エンジン１８を冷却することで高温となったクーラントにも耐性を有し、かつ高耐熱性の半導体素子それ自身が発する熱でクーラントを加熱することが可能となる。そして、クーラントの加熱に伴い、高耐熱性の半導体素子、すなわちパワー素子７０はクーラントによって冷却されることとなる。

このように、本実施形態に係る車両用空調装置１０は、ヒータコア３０と温水ヒータ５０とを、車両側発熱機器１４の冷却システム１６に配置することで、冷却システム１６と暖房空調に係る構成を統合する。
従って、本実施形態に係る車両用空調装置１０は、空調用のパワー素子７０の冷却を車両側発熱機器１４の冷却システム１６で冷却し、かつその熱を暖房空調に用いることとなる。

また、空調用のパワー素子７０とＰＴＣ素子７２とが一体化されて温水ヒータ５０を構成する。このため、クーラントを加熱するために要するＰＴＣ素子７２の電力は、従来に比べて少なくて済み、かつＰＴＣ素子７２の負荷が低減するため温水ヒータ５０の信頼性も向上する。一方、空調用のパワー素子７０だけでは不十分な加熱量をＰＴＣ素子７２が補うため、クーラントの加熱が不十分となることはない。このように、温水ヒータ５０は、空調用のパワー素子７０とＰＴＣ素子７２とが相互に補完し合うので、より効率良くクーラントを加熱できる。

また、パワー素子７０が高耐熱性の半導体素子で構成されるため、パワー素子７０の冷却温度を従来に比べて高くできる。このため、ラジエータ４４の小型化が可能であり、車室外ファン４８からラジエータ４４への入力が低減可能となる。

また、温水ヒータ５０は、ラジエータ４４で放熱されてヒータコア３０へ流れる前のクーラントを加熱する。このため、クーラントの温度が制御し易くなり、暖房の温度制御が容易となる。

従って、本実施形態に係る車両用空調装置１０は、車両の冷却システム１６と暖房空調に係る構成を統合し、より効率的な暖房空調を可能とする。
また、温水ヒータ５０が用いられることで、低外気温時でも、エンジン１８を停止した状態で暖房が可能となる。このため、車室内を暖房するためだけにエンジン１８を作動させる必要がないため、燃費が向上する。
さらに、低外気温時のエンジン１８の始動に温水ヒータ５０で暖められたクーラントを用いることで、燃費が向上する。

［バイパス暖房運転］
図５は、バルブ５４が開かれた状態であるバイパス暖房運転におけるクーラントの流れを示す。

バルブ５４を開くことで、バイパス流路５２によって車両側発熱機器１４及びラジエータ４４をバイパスしてクーラントを温水ヒータ５０まで流すことができる。

ラジエータ４４をバイパスする場合は、例えば、エンジン１８を始動させる前のように、ラジエータ４４や車両側発熱機器１４の温度が低い場合である。このような場合に、ラジエータ４４をバイパスしないでクーラントを温水ヒータ５０によって加熱すると、暖房のために必要なクーラントの加熱量が多く、暖房の立ち上がりが遅くなる。
一方、ラジエータ４４をバイパスしないでクーラントを温水ヒータ５０によって加熱すると、暖房のために必要なクーラントの加熱量が少なく、暖房の立ち上がりが早くなる。

このように、ラジエータ４４をバイパスし、温水ヒータ５０がクーラントを加熱することで、クーラントの温度が短時間で上昇し、このクーラントが優先的にヒータコア３０へ流れるので、暖房の立ち上がり性能が向上する。

以上説明したように、本実施形態に係る車両用空調装置１０は、ラジエータ４４とヒータコア３０との間を循環するクーラントが流れ、高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子７０と一体化され、パワー素子７０及び発熱体によってヒータコア３０へ流れるクーラントを加熱する温水ヒータ５０を備える。
従って、本実施形態に係る車両用空調装置１０は、車両の冷却システム１６と暖房空調に係る構成を統合し、より効率的な暖房空調を可能とする。

（第１変形例）
図６は、車両用空調装置１０の第１変形例に係る構成を示す。なお、図６における図１と同一の構成部分については図１と同一の符号を付して、その説明を省略する。

第１変形例に係る車両用空調装置１０は、電気自動車(Electric Vehicle：ＥＶ)に搭載されている。このため、車両側発熱機器１４として、内燃機関であるエンジン１８は含まれない。

（第２変形例）
図７は、車両用空調装置１０の第２変形例に係る構成を示す。なお、図７における図１と同一の構成部分については図１と同一の符号を付して、その説明を省略する。

本第２変形例では、温水ヒータ５０が車両外部の電源（以下「外部電源」という。）９０からの電力によって作動可能とされる。例えば、車両の充電中等、車両と外部電源９０とが接続状態にある場合、外部電源９０にて温水ヒータ５０を作動させる。
そして、車両と外部電源９０とが接続状態の場合に、携帯型端末機器等を用いた無線による温水ヒータ５０の制御が可能とされる。また、タイマーを設定することによる温水ヒータ５０の作動が可能とされる。

これらにより、低外気温時の早朝等、車両に人が搭乗する前に予め温水ヒータ５０を作動させ車室内を暖房することが可能となり、搭乗者の快適性が向上する。

以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

１０ 車両用空調装置
１４ 車両側発熱機器
３０ ヒータコア
４４ ラジエータ
４６ クーラント流路
５０ 温水ヒータ
５２ バイパス流路
７０ パワー素子
７２ ＰＴＣ素子

Claims (6)

1. 車両側発熱機器の冷却に用いられるラジエータと、
   車室内に送風される空気と熱媒体とを熱交換するヒータコアと、
   前記ラジエータと前記ヒータコアとの間を循環する前記熱媒体が流れる流路と、
   高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子と一体化され、前記パワー素子及び発熱体によって前記ヒータコアへ流れる前記熱媒体を加熱するヒータと、
   を備える車両用空調装置。
2. 前記流路は、車両側発熱機器及び前記ラジエータをバイパスして前記熱媒体を前記ヒータへ流通させるバイパス流路を有する請求項１記載の車両用空調装置。
3. 前記ヒータは、前記ラジエータで放熱されて前記ヒータコアへ流れる前の前記熱媒体を加熱する請求項１又は請求項２記載の車両用空調装置。
4. 前記ヒータは、車両外部の電源からの電力により作動可能とされる請求項１から請求項３の何れか１項記載の車両用空調装置。
5. 発熱体と、
   高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子と、
   を備え、
   暖房空調用の熱媒体が流れる流路に対して、前記発熱体と前記パワー素子とが対向して接触して前記熱媒体を加熱する車両空調用ヒータ。
6. 車両側発熱機器の冷却に用いられるラジエータと、車室内に送風される空気と熱媒体とを熱交換するヒータコアと、前記ラジエータと前記ヒータコアとの間を循環する前記熱媒体が流れる流路と、を備えた車両の空調方法であって、
   高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子及び発熱体によって前記ヒータコアへ流れる前記熱媒体を加熱する車両の空調方法。

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