JP2019206260A - 車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作動媒体の温度上昇を抑制する。【解決手段】車両用空調装置１は、ヒートパイプシステム３により排ガスＧから回収した熱で、エンジン２とヒータコア６との間を循環する冷却水Ｗを昇温させる。ヒートパイプシステム３は、排ガスＧが供給される排気管５に設けられ、排ガスＧとの熱交換で作動媒体Ｍを気化させる蒸発器３１と、冷却水流路４上に配置され、気化した作動媒体Ｍを冷却水Ｗとの熱交換により凝縮させる凝縮器３２と、蒸発器３１および凝縮器３２との間で作動媒体Ｍを循環させるヒートパイプ３３と、ヒートパイプ３３に設けられた開閉弁３４と、を備える。開閉弁３４を閉じて蒸発器３１と凝縮器３２との間の作動媒体Ｍの循環を停止させているときに、排ガスＧが閾値ＶＧ以上になった場合は、開閉弁３４を開放してヒートパイプ３３における作動媒体Ｍの循環を再開させる。【選択図】図１

Description

本発明は、車両用空調装置に関する。

車両用空調装置は、エンジンの熱とエンジンが排出する排ガスの熱を利用して、車内の暖房を行う（例えば、特許文献１参照）。
車両用空調装置は、エンジンの冷却水が循環する冷却水流路と、作動媒体を循環させて排ガスの熱を回収するヒートパイプシステムを備える。排ガスが通る排気管にヒートパイプシステムの蒸発器を設置し、排ガスの熱で作動媒体を気化させ、排ガスの熱を回収する。冷却水流路にヒートパイプシステムの凝縮機を配置し、気化した作動媒体を冷却水との熱交換により凝縮させる。熱交換により昇温した冷却水は、さらに、エンジンを通過する際にエンジンの熱により昇温する。冷却水流路にヒータコアを設置し、排ガスの熱とエンジンの熱によって昇温させた冷却水を、ヒータコアにおいてブロアファンにより車室内へ送風される空気と熱交換させることで、車室内の暖房を行う。

特許第５３８１３３７号公報

車室内が十分に暖房された場合は、ヒートパイプにおける作動媒体の循環を停止させることで、作動媒体と熱媒体の熱交換を停止させる。しかしながら、ヒートパイプの蒸発器が排気管に配置されているため、車両の登坂走行時等、排ガスの熱が高温になると、作動媒体の温度が上昇して、作動媒体が分解したり、作動媒体の圧力が上昇し過ぎるおそれがある。

車両用空調装置において、作動媒体の温度上昇を抑制することが求められている。

本発明の車両用空調装置は、ヒートパイプシステムにより内燃機関の排ガスから回収した熱で、前記内燃機関とヒータコアとの間を循環する熱媒体を昇温させる車両用空調装置であって、
前記ヒートパイプシステムは、
前記排ガスが供給される排気管に設けられ、前記排ガスとの熱交換で作動媒体を気化させる蒸発器と、
前記熱媒体の流路上に配置され、前記気化した作動媒体を前記熱媒体との熱交換により凝縮させる凝縮器と、
前記蒸発器および凝縮器との間で前記作動媒体を循環させるヒートパイプと、
前記ヒートパイプに設けられた開閉弁と、を備え、
前記開閉弁を閉じて前記蒸発器と前記凝縮器との間の前記作動媒体の循環を停止させているときに、前記排ガスが所定温度以上になった場合は、前記開閉弁を開放して前記ヒートパイプにおける前記作動媒体の循環を再開させる。

本発明によれば、作動媒体の温度上昇を抑制することができ、装置の信頼性を向上させることができる。

実施の形態に係る車両用空調装置の概略構成図である。 コントローラの構成を示すブロック図である。 エンジン始動時の車両用空調装置の動作を示す図である。 冷却水の温度が閾値ＶＷ１以上になったときの車両用空調装置の動作を示す図である。 排ガスの温度が閾値ＶＧ以上になったときの車両用空調装置の動作を示す図である。 冷却水の温度が閾値ＶＷ２以上になったときの車両用空調装置の動作を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、実施の形態に係る車両用空調装置１の概略構成図である。
実施の形態の車両用空調装置１は、車両駆動用のエンジン２を備えた車両に設置し、エンジン２の熱とエンジン２の排ガスＧの熱を利用して、車室内の暖房を行うものである。

図１に示すように、車両用空調装置１は、排ガスＧの熱を回収するヒートパイプシステム３と、エンジン２の冷却水Ｗを流通させる冷却水流路４とを備える。
ヒートパイプシステム３は、蒸発器３１、凝縮器３２および蒸発器３１と凝縮器３２の間で作動媒体Ｍを循環させるループ型のヒートパイプ３３を備えている。
ヒートパイプ３３は、熱伝導率の高い銅やアルミ合金や耐熱性に優れたステンレス等の金属材料で構成することができる。ヒートパイプ３３の内部に作動媒体Ｍを注入し、減圧して封止する。作動媒体Ｍは、例えば、フロン、水等を用いることができる。

蒸発器３１は、エンジン２が排出する排ガスＧが流通する排気管５に設置する。蒸発器３１は、排気管５を流通する排ガスＧの熱との熱交換により作動媒体Ｍを気化させることで、排ガスＧの熱を回収する。蒸発器３１で気化した作動媒体Ｍはヒートパイプ３３を通って凝縮器３２に導かれる。

凝縮器３２は、冷却水流路４上に配置する。凝縮器３２は、気化した作動媒体Ｍを、冷却水流路４を流れる冷却水Ｗとの熱交換により凝縮させることで、作動媒体Ｍが回収した排ガスＧの熱を放出する。凝縮して液化した作動媒体Ｍは、ヒートパイプ３３を通って蒸発器３１に戻る。

ヒートパイプ３３内部の、作動媒体Ｍの循環方向において凝縮器３２の出口側に、開閉弁３４を設ける。開閉弁３４を開閉させることで、ヒートパイプ３３における作動媒体Ｍの循環と停止を切り替える。

なお、図１の例では、ループ型のヒートパイプ３３を用いた例を説明しているが、ヒートパイプ３３は両端を封止した管状のパイプを用いても良い。

冷却水流路４は、その流路上に、エンジン２、ヒータコア６、およびヒートパイプシステム３の凝縮器３２を配置する。
ヒータコア６は、冷却水Ｗとの熱交換によって空気Ａを暖める。ヒータコア６に隣接してブロアファン７が設置され、ヒータコア６が暖めた空気Ａを、ブロアファン７によって車室内に導入することで、車室内を暖房する。

冷却水流路４にはポンプ４１が設けられ、冷却水Ｗを、図中矢印で示すように、凝縮器３２、エンジン２、ヒータコア６の順で循環させる。冷却水Ｗは、凝縮器３２を通過する際に、排ガスＧの熱を回収したヒートパイプシステム３の作動媒体Ｍとの熱交換により昇温され、更にエンジン２を通過する際に、エンジン２の熱によって昇温される。昇温された冷却水Ｗはヒータコア６に導かれ、車室内に導入される空気Ａを熱交換により暖房する。

車両には、エンジン２の冷却水Ｗを外気との熱交換で冷却させるラジエータ８を設置する。ラジエータ８とエンジン２は、エンジン２の内部を通過する冷却水Ｗを取り出す冷却水取り出し路８１と、ラジエータ８で冷却した冷却水Ｗをエンジン２の内部に還流させる冷却水還流路８２によって接続する。冷却水取り出し路８１にはサーモスタット８３を設置し、冷却水Ｗの温度が所定温度以上になると冷却水取り出し路８１を開くように設定する。所定温度は、例えば８０℃〜９０℃の範囲で適宜設定することができる。

詳細な説明および図示は省略するが、エンジン２の内部には、冷却水流路４から冷却水Ｗを分岐させる分岐路が設けられている。サーモスタット８３が開くと、エンジン２を通過する冷却水Ｗがエンジン２の内部の分岐路を通って、冷却水取り出し路８１から取り出され、ラジエータ８によって冷却される。冷却後の冷却水Ｗは冷却水還流路８２を通ってエンジン２の内部に導かれ、冷却水流路４に再度導入される。サーモスタット８３の開度によって、冷却水取り出し路８１からラジエータ８に導入する冷却水Ｗの流量を調整する。

前記したように、冷却水Ｗはエンジン２を経由してラジエータ８に導かれるように構成されているが、車両用空調装置１は、凝縮器３２を通過した冷却水Ｗを、エンジン２を迂回して直接ラジエータ８に導くバイパス流路４２を備えている。バイパス流路４２は、冷却水Ｗの循環方向における凝縮器３２の出口側と、冷却水取り出し路８１を接続するように設けられている。バイパス流路４２は、冷却水取り出し路８１のサーモスタット８３の下流側に接続する。

冷却水流路４とバイパス流路４２は、三方弁４３を介して接続する。
三方弁４３は、不図示のアクチュエータによって、位置Ｐ１と、位置Ｐ１から時計回りに９０°回転した位置Ｐ２の間で移動する。
三方弁４３が位置Ｐ１にあるときは、冷却水流路４とバイパス流路４２は連通しない。凝縮器３２を通過した冷却水Ｗは、冷却水流路４を通ってエンジン２に導かれる（図３参照）。
三方弁４３が位置Ｐ２にあるときは、冷却水流路４とバイパス流路４２が連通する。凝縮器３２を通過した冷却水Ｗは、エンジン２を通らずにバイパス流路４２を通って冷却水取り出し路８１に入り、ラジエータ８を通過する（図４参照）。

エンジン２の排気管５には、排ガスＧの温度を測定する温度センサ５１を設置する。
冷却水流路４には、冷却水Ｗの循環方向におけるヒータコア６の出口側に、冷却水Ｗの温度を測定する温度センサ４５を設置する。

車両用空調装置１は、車両用空調装置１の動作を制御するコントローラ９を備える。コントローラ９は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどによって構成され、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＣＰＵによって読み出すことで、車両用空調装置１に各種機能の制御を行う。

図２は、コントローラ９の構成を示すブロック図である。
コントローラ９は、図２に示すように、排気管５の温度センサ５１の測定値と、冷却水流路４の温度センサ４５の測定値に基づいて、ヒートパイプ３３の開閉弁３４と、冷却水流路４とバイパス流路４２を接続する三方弁４３の動作を制御する。

図３は、エンジン始動時の車両用空調装置１の動作を示す図である。
図４は、冷却水Ｗの温度が閾値ＶＷ１以上になったときの車両用空調装置１の動作を示す図である。
図５は、排ガスＧの温度が閾値ＶＧ以上になったときの車両用空調装置１の動作を示す図である。
図６は、冷却水Ｗの温度が閾値ＶＷ２以上になったときの車両用空調装置１の動作を示す図である。

図３に示すように、エンジン２の始動時、コントローラ９は、三方弁４３を位置Ｐ１に位置させ、ヒートパイプ３３の開閉弁３４は、開いた状態とする。冷却水Ｗは昇温されていないため、冷却水取り出し路８１のサーモスタット８３は閉じている。

エンジン２の始動によって、排気管５に排ガスＧが供給され、ヒートパイプシステム３の蒸発器３１において、作動媒体Ｍが排ガスＧとの熱交換により気化され、ヒートパイプ３３を通って凝縮器３２に導かれる。冷却水流路４を通る冷却水Ｗは、凝縮器３２において作動媒体Ｍとの熱交換により昇温される。

昇温された冷却水Ｗはエンジン２を通過し、エンジン２の熱によって更に昇温された後、ヒータコア６に導かれる。ヒータコア６が冷却水Ｗと熱交換して昇温させた空気Ａを、ブロアファン７が車室内に送風することによって、車室内を暖房する。

車室内の暖房が進んで車室内の温度が上昇すると、ヒータコア６における冷却水Ｗとの熱交換量が小さくなるため、ヒータコア６の出口側の冷却水Ｗの温度は上昇する。コントローラ９は、温度センサ４５が測定する冷却水Ｗの温度を取得して、温度が閾値ＶＷ１以上となった場合は、図４に示すようにヒートパイプ３３の開閉弁３４を閉じる。なお、図では、開閉弁３４の閉じた状態を便宜上黒塗りで示している。
閾値ＶＷ１は、車室内が暖房不要な程度に暖まったことを示す温度とすることができ、例えば６０℃〜８０℃の範囲で適宜決定することができる。ヒートパイプ３３の開閉弁３４を閉じたことで、ヒートパイプシステム３における作動媒体Ｍの循環が停止し、凝縮器３２における作動媒体Ｍと冷却水Ｗとの熱交換が行われなくなる。

この状態で、車両が登坂走行等することによって、エンジン２の温度が上昇し、エンジン２が排出する排ガスＧの熱も急激に上昇することがある。
ヒートパイプシステム３の蒸発器３１は排気管５に設けられているため、排ガスＧの熱によって作動媒体Ｍの温度も上昇する。作動媒体Ｍの温度が上昇すると、作動媒体Ｍが分解したり、作動媒体Ｍの圧力が上昇し過ぎたりするおそれがある。特に、作動媒体Ｍにフロンを用いる場合、フロンの分解温度は比較的低いため、温度上昇を抑制する必要がある。
しかしながら、図４に示すヒートパイプ３３の開閉弁３４を閉じた状態では、凝縮器３２において作動媒体Ｍと冷却水Ｗの熱交換が行われないため、蒸発器３１が回収した排ガスＧの熱の放出が行われない。

コントローラ９は、排気管５の温度センサ５１が測定する排ガスＧの温度を取得して、温度が閾値ＶＧ以上になった場合は、図５に示すように、ヒートパイプ３３の開閉弁３４を開く。ヒートパイプ３３の開閉弁３４を開くことによって、作動媒体Ｍの循環が再開される。これによって、凝縮器３２における作動媒体Ｍと冷却水Ｗの熱交換も再開し、作動媒体Ｍが回収した排ガスＧの熱が冷却水Ｗに放熱されるため、作動媒体Ｍの温度上昇を抑制する。

また、エンジン２の温度の上昇によってエンジン２を通過する冷却水Ｗの温度も上昇しているが、冷却水Ｗが所定温度以上になると冷却水取り出し路８１のサーモスタット８３が開く。これによって、エンジン２に導入された冷却水Ｗが冷却水取り出し路８１を通ってラジエータ８により冷却される。ラジエータ８で冷却された冷却水Ｗが、冷却水還流路８２からエンジン２に戻され、再び冷却水流路４を流通することによって、凝縮器３２における作動媒体Ｍとの熱交換効率も高まり、作動媒体Ｍの温度上昇が抑制される。

排ガスＧの温度が高温の状態が続くと、冷却水Ｗが作動媒体Ｍとの熱交換によりさらに昇温されることもある。前記したように冷却水Ｗはラジエータ８により冷却することができるが、図５に示すように、冷却水Ｗは一旦エンジン２に導入される。高温になった冷却水Ｗがエンジン２に導入されると、エンジン２がオーバーヒートする可能性もある。

コントローラ９は、冷却水流路４の温度センサ４５が測定する冷却水Ｗの温度が閾値ＶＷ２以上になると、図６に示すように、三方弁４３を位置Ｐ２に移動させて、冷却水流路４とパイパス流路を連通させる。閾値ＶＷ２は、冷却水取り出し路８１のサーモスタット８３が開く所定温度以上の温度とすることができ、例えば、９０℃とすることができる。凝縮器３２を通過した冷却水Ｗは、バイパス流路４２および冷却水取り出し路８１を通って、直接ラジエータ８に導入される。作動媒体Ｍとの熱交換により高温になった冷却水Ｗがエンジン２を通ることがないため、エンジン２のオーバーヒートが防止される。

コントローラ９は、冷却水Ｗの温度が閾値ＶＷ２を下回ると、コントローラ９は三方弁４３を位置Ｐ１に戻して、冷却水流路４とバイパス流路４２を遮断し、冷却水Ｗを再びエンジン２を通過させる。
コントローラ９は、また、排ガスＧの温度が閾値ＶＧを下回ると、ヒートパイプ３３の開閉弁３４を閉じて作動媒体Ｍの循環を再び停止する。コントローラ９は、冷却水Ｗの温度が閾値ＶＷ１を下回り、再び車室内の暖房が必要になると、ヒートパイプ３３の開閉弁３４を開いて作動媒体Ｍの循環を再開させる。

以上述べたように、実施の形態の車両用空調装置１は、
（１）ヒートパイプシステム３によりエンジン２（内燃機関）の排ガスＧから回収した熱で、エンジン２とヒータコア６との間を循環する冷却水Ｗ（熱媒体）を昇温させる車両用空調装置１であって、
ヒートパイプシステム３は、
排ガスＧが供給される排気管５に設けられ、排ガスＧとの熱交換で作動媒体Ｍを気化させる蒸発器３１と、
冷却水流路４（熱媒体の流路）上に配置され、気化した作動媒体Ｍを冷却水Ｗとの熱交換により凝縮させる凝縮器３２と、
蒸発器３１および凝縮器３２との間で作動媒体Ｍを循環させるヒートパイプ３３と、
ヒートパイプ３３に設けられた開閉弁３４と、を備え、
開閉弁３４を閉じて蒸発器３１と凝縮器３２との間の作動媒体Ｍの循環を停止させているときに、排ガスＧが閾値ＶＧ（所定温度）以上になった場合は、開閉弁３４を開放してヒートパイプ３３における作動媒体Ｍの循環を再開させる。

ヒータコア６は、エンジン２が排出する排ガスＧの熱を利用して昇温した冷却水Ｗとの熱交換により、車内の暖房を行う。車内が十分に暖房された場合には、開閉弁３４を閉じてヒートパイプ３３の作動媒体Ｍの循環を停止させることで、排ガスＧの熱の回収を停止させる。しかしながら、例えば車両の登坂走行等で、排ガスＧの熱が上昇すると、排ガスＧの熱を回収するヒートパイプ３３の作動媒体Ｍの温度も上昇する。作動媒体Ｍの温度が上昇しすぎると、作動媒体Ｍが分解したり、作動媒体Ｍの圧力が上昇し過ぎたりするおそれがある。そこで、開閉弁３４を閉じた後でも、排ガスＧの熱が閾値ＶＧ以上となった場合は、開閉弁３４を開放して作動媒体Ｍの循環を再開する。これによって、作動媒体Ｍと冷却水Ｗの熱交換が行われ、作動媒体Ｍの温度上昇を抑制することができる。

（２）車両用空調装置１は、外気との熱交換で熱媒体を冷却させるラジエータ８と、
冷却水流路４を通って凝縮器３２から内燃機関に導かれた冷却水Ｗを取り出してラジエータ８に導く冷却水取り出し路８１（熱媒体取り出し路）と、
ラジエータ８で冷却された冷却水Ｗを内燃機関に還流させる冷却水還流路８２（熱媒体還流路）と、
冷却水取り出し路８１に設けられ、冷却水Ｗが所定温度（第１の温度）以上になると冷却水取り出し路８１を開くサーモスタット８３と、を備える。

冷却水Ｗをラジエータ８で冷却させることで、作動媒体Ｍとの熱交換効率が高まるため、作動媒体Ｍの温度上昇を抑制しやすくなる。

（３）冷却水流路４の、冷却水Ｗの循環方向における凝縮器３２の出口側に設けられ、エンジン２を迂回してラジエータ８に接続するバイパス流路４２を備え、
排ガスＧが閾値ＶＧ（所定温度）以上かつ冷却水Ｗが閾値ＶＷ２（前記第１の温度以上である第２の温度）以上になると、凝縮器３２を通過した冷却水Ｗを、バイパス流路４２を介してラジエータ８に供給する。
冷却水Ｗが高温になったときは、バイパス流路４２によって冷却水Ｗをエンジン２を通さずに直接ラジエータ８に導くことで、エンジン２のオーバーヒートを抑制することができる。

（４）作動媒体Ｍはフロンとすることができる。
実施の形態の車両用空調装置１によれば、作動媒体Ｍとして分解温度が比較的低いフロンを用いても、作動媒体Ｍの温度上昇を抑制することができるため、装置の信頼性を高めることができる。

前記した実施の形態では、冷却水流路４とバイパス流路４２を三方弁４３を介して接続し、三方弁４３を位置Ｐ１と位置Ｐ２の間で移動させることで、冷却水流路４とバイパス流路４２の連通と遮断を切り替えたが、これに限られない。例えば、冷却水流路４とバイパス流路４２のそれぞれに開閉弁を設け、開閉弁の開閉により冷却水流路４とバイパス流路４２の連通と遮断を切り替えるようにしても良い。

１ 車両用空調装置
２ エンジン
３ ヒートパイプシステム
４ 冷却水流路
５ 排気管
５１ 温度センサ
６ ヒータコア
７ ブロアファン
８ ラジエータ
９ コントローラ
３１ 蒸発器
３２ 凝縮器
３３ ヒートパイプ
３４ 開閉弁
４１ ポンプ
４２ バイパス流路
４３ 三方弁
４５ 温度センサ
８１ 冷却水取り出し路
８２ 冷却水還流路
８３ サーモスタット
Ａ 空気
Ｇ 排ガス
Ｗ 冷却水
Ｍ 作動媒体

Claims (4)

1. ヒートパイプシステムにより内燃機関の排ガスから回収した熱で、前記内燃機関とヒータコアとの間を循環する熱媒体を昇温させる車両用空調装置であって、
   前記ヒートパイプシステムは、
   前記排ガスが供給される排気管に設けられ、前記排ガスとの熱交換で作動媒体を気化させる蒸発器と、
   前記熱媒体の流路上に配置され、前記気化した作動媒体を前記熱媒体との熱交換により凝縮させる凝縮器と、
   前記蒸発器および凝縮器との間で前記作動媒体を循環させるヒートパイプと、
   前記ヒートパイプに設けられた開閉弁と、を備え、
   前記開閉弁を閉じて前記蒸発器と前記凝縮器との間の前記作動媒体の循環を停止させているときに、前記排ガスが所定温度以上になった場合は、前記開閉弁を開放して前記ヒートパイプにおける前記作動媒体の循環を再開させることを特徴とする車両用空調装置。
2. 外気との熱交換で前記熱媒体を冷却させるラジエータと、
   前記熱媒体の流路を通って前記凝縮器から前記内燃機関に導かれた前記熱媒体を取り出して前記ラジエータに導く熱媒体取り出し路と、
   前記ラジエータで冷却された前記熱媒体を前記内燃機関に還流させる熱媒体還流路と、
   前記熱媒体取り出し路に設けられ、前記熱媒体が第１の温度以上になると前記熱媒体取り出し路を開くサーモスタットと、を備えることを特徴とする請求項１記載の車両用空調装置。
3. 前記熱媒体の流路の、前記熱媒体の循環方向における前記凝縮器の出口側に設けられ、前記内燃機関を迂回して前記ラジエータに接続するバイパス流路を備え、
   前記排ガスが所定温度以上かつ前記熱媒体が前記第１の温度以上である第２の温度以上になると、前記凝縮器を通過した前記熱媒体を、前記バイパス流路を介して前記ラジエータに供給することを特徴とする請求項２記載の車両用空調装置。
4. 前記作動媒体はフロンであることを特徴とする請求項１記載の車両用空調装置。

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