JP2020082843A - 空気流発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より十分な気流を乗員に到達させられるようにする。【解決手段】空気流を発生させる空気流発生部２０、３０と、空気流発生部により発生された空気流を車両の車室の乗員に向けて吹き出す吹出口９１１、９１２へと導くダクト９１と、空気流発生部に印加するパルス状の電圧の周波数とデューティー比を制御して吹出口９１１、９１２から間欠的に空気流を吹き出させる制御部８０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、空気流発生装置に関するものである。

従来、特許文献１に記載された自動車用空調装置がある。この空調装置は、車両運転者の覚醒度を検出する覚醒検出手段と、車両運転者の位置する車室内空間を部分的に異なる熱環境状態とする空調風を吹出し可能な空調手段と、を備えている。さらに、覚醒検出手段の検出信号に基づき空調手段を駆動制御し車室内空間を部分的に異なる熱環境状態とする制御手段を備えている。

特許第２７１５７６０号公報

上記特許文献１に記載された空調装置は、空調風の吹き出し気流を乗員の胸部中央部付近に集中させる集中吹き出し状態と、車室内全体に拡散させる拡散吹き出し状態を交互に切り替えるなどして送風するようになっている。しかし、このような手法では、乗員に対して十分な気流を到達させることができない場合があるという問題があった。

本発明は上記問題に鑑みたもので、より十分な気流を乗員に到達させられるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、空気流を発生させる空気流発生部（２０、３０）と、空気流発生部により発生された空気流を車両の車室の乗員に向けて吹き出す吹出口（９１１、９１２）へと導くダクト（９１）と、空気流発生部に印加するパルス状の電圧の周波数とパルス状の電圧のパルス周期に対するパルス幅の比であるデューティー比を制御して吹出口から間欠的に空気流を吹き出させる制御部（８０）と、を備えている。

上記した構成によれば、制御部は、空気流発生部に印加するパルス状の電圧の周波数とパルス状の電圧のパルス周期に対するパルス幅の比であるデューティー比を制御して吹出口から間欠的に空気流を吹き出させるので、より十分な気流を乗員に到達させることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

一実施形態の空調装置の全体構成を示した図である。 フェイス吹出口、フット吹出口および吹出口から吹き出す空気流が間欠風となるよう、制御部によって制御される様子を表した図である。 ファンを回転させるモータに印加されるパルス状の電圧とフェイス吹出口から吹き出す空気流の風速のタイムチャートである。 吹出口から連続風を吹き出す比較例の風速分布を表した図である。 吹出口から間欠風を吹き出す本空調装置の風速分布を表した図である。 ある地点でのファンの平均風速／ファンを回転させるモータの平均電力と、ファンを回転させるモータの電圧の周波数の関係を表す実験結果を示した図である。 ファンを回転させるモータの電力と風速の時間変化を示した図である。 制御部のフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

一実施形態の空調装置について図１〜図５を用いて説明する。本実施形態の空調装置１は、車両に搭載され、車室内の空気である内気と車室外の空気である外気の一方または両方を吸い込み、その吸い込んだ空気の温度および湿度を調整して車室内に吹き出すことで、車室内の空気調和を行う。

図１に示すように、空調装置１は、空調ケース１０、ファン２０、モータ３０、モータホルダ４０などを備えている。なお、ファン２０およびモータ３０は空気流発生部に相当する。

空調ケース１０は、ある程度の弾性を有し、強度的にも優れた樹脂にて形成されている。空調ケース１０を形成する樹脂として、例えばポリプロピレンが挙げられる。空調ケース１０は、車室内に送風される空気が流れる通風路１１を形成している。

空調ケース１０は、通風路１１の空気流れ方向上流側の部位に、車室内の所定箇所から通風路１１に内気を導入するための内気導入口１２と、車外から通風路１１に外気を導入するための外気導入口１３を有している。なお、内気導入口１２または外気導入口１３には、空調ケース１０とは別部材として構成された図示していないダクトを接続してもよい。その場合、それらのダクトを介して、内気導入口１２または外気導入口１３から通風路１１に空気が導入される。

空調ケース１０は、通風路１１の空気流れ方向下流側に、通風路１１から車室内に空気を送風するための複数の吹出開口部１４、１５、１６を有している。空調ケース１０の通風路１１を流れる空気は、複数の吹出開口部１４、１５、１６から車室内に送風される。複数の吹出開口部１４、１５、１６は、フェイス吹出開口部１４、フット吹出開口部１５、デフロスタ吹出開口部１６により構成されている。フェイス吹出開口部１４は、前座席に着座した乗員の上半身またはその周囲に向けて空調風を吹き出すものである。フット吹出開口部１５は、その乗員の足元に向けて空調風を吹き出すものである。デフロスタ吹出開口部１６は、車両のフロントガラスに向けて空調風を吹き出すものである。

なお、複数の吹出開口部１４、１５、１６にはそれぞれ、空調ケース１０とは別部材として構成された図示していないダクトを接続してもよい。その場合、それらのダクトを介して、複数の吹出開口部１４、１５、１６から車室内に空気が吹き出される。

空調ケース１０の内側には、内外気切替ドア１７、ファン２０、エバポレータ５０、ヒータコア５１、温度調整ドア５２およびモード切替ドア５３、５４、５５などが設けられている。

内外気切替ドア１７は、内気導入口１２の開口面積と、外気導入口１３の開口面積とを連続的に調整するものである。内外気切替ドア１７は、内気導入口１２と外気導入口１３のうち、一方の開口部を開くほど他方の開口部を閉じるように回転動作する。これにより、内外気切替ドア１７は、通風路１１に導入される内気と外気の風量割合を調整することが可能である。

本実施形態のファン２０として、遠心ファンが採用されている。ファン２０は、通風路１１に空気の流れを発生させる。ファン２０を回転させるモータ３０は、空調ケース１０に固定されるモータホルダ４０に設けられた収容空間４１０に収容されている。ファン２０は、モータ３０の回転軸に固定されている。ファン２０とモータ３０により送風機が構成される。

モータ３０の駆動に伴ってファン２０が回転すると、通風路１１に気流が発生する。これにより、内気導入口１２または外気導入口１３から通風路１１に内気または外気が導入される。ファン２０により送風されて通風路１１を流れる空気は、エバポレータ５０およびヒータコア５１により温度および湿度が調整され、通風路１１に連通する複数の吹出開口部１４、１５、１６のいずれかを経由して車室内に吹き出される。

エバポレータ５０は、通風路１１を流れる空気を冷却するための熱交換器である。エバポレータ５０は、図示していない圧縮機、凝縮器および膨張弁などと共に周知の冷凍サイクルを構成している。エバポレータ５０は、冷凍サイクルにおいて、膨張弁の下流側、且つ、圧縮機の上流側に配置されている。エバポレータ５０は、図示していないチューブの内側を流れる低温低圧の冷媒と、エバポレータ５０を通過する空気との熱交換を行い、冷媒の蒸発潜熱による吸熱作用により、エバポレータ５０を通過する空気を冷却する。

ヒータコア５１は、通風路１１を流れる空気を加熱するための熱交換器である。ヒータコア５１が有する図示していないチューブの内側をエンジン冷却水が流れる。ヒータコア５１は、そのチューブの内側を流れるエンジン冷却水と、ヒータコア５１を通過する空気との熱交換を行い、ヒータコア５１を通過する空気を加熱する。

エバポレータ５０とヒータコア５１との間には、温度調整ドア５２が設けられている。温度調整ドア５２は、エバポレータ５０を通過した後にヒータコア５１を迂回して流れる風量と、エバポレータ５０を通過した後にヒータコア５１を通過する風量との割合を調整する。

フェイス吹出開口部１４、フット吹出開口部１５およびデフロスタ吹出開口部１６には、それぞれの開口面積を調整するためのモード切替ドア５３、５４、５５が設けられている。モード切替ドア５３、５４、５５は、フェイスドア５３、フットドア５４およびデフロスタドア５５により構成されている。フェイスドア５３は、フェイス吹出開口部１４を開閉する。フットドア５４は、フット吹出開口部１５を開閉する。デフロスタドア５５は、デフロスタ吹出開口部１６を開閉する。

フェイス吹出開口部１４およびフット吹出開口部１５には、ダクト９１が接続されている。フェイス吹出開口部１４およびフット吹出開口部１５は、ダクト９１を介して車両のフェイス吹出口９１１およびフット吹出口９１２と連通している。

また、デフロスタ吹出開口部１６には、ダクト９２が接続されている。デフロスタ吹出開口部１６は、ダクト９２を介してデフロスタ吹出口９２１と連通している。

図２に示すように、本実施形態の空調装置１のファン２０を回転させるモータ３０は、フェイス吹出口９１１およびフット吹出口９１２から吹き出す空気流が間欠風となるよう、制御部８０によって制御される。

制御部８０は、フェイス吹出口９１１およびフット吹出口９１２から吹き出す空気流が間欠流となるよう、ファン２０を回転させるモータ３０の電圧の電圧値、周波数およびデューティー比を制御する。デューティー比は、ファン２０を回転させるモータ３０に印加するパルス状の電圧のパルス周期に対するパルス幅の比である。

図３は、所定周波数でモータ３０に印加される電圧をオンオフさせた際の電圧波形とフェイス吹出口９１１から吹き出す空気流の風速のタイムチャートである。なお所定周波数が高くなるほど電圧波形の幅は短くなる。

電圧が０ボルトから所定電圧まで上昇するとファン２０を回転させるモータ３０の回転数は速くなりフェイス吹出口９１１から吹き出す空気流の風速も速くなる。なお、電圧の立ち上がりから風速が最大となるまでには若干の遅延が生じる。なお、この遅延はダクト９１の長さが長いほど大きくなる。

そして、電圧が所定電圧から０ボルトまで低下する。これにより、ファン２０を回転させるモータ３０の回転数は低くなりフェイス吹出口９１１から吹き出す空気流の風速も遅くなる。なお、電圧の立ち下がりから風速が最小となるまでには若干の遅延が生じる。風速は、予め定められた風速下限値以上で、かつ、最大風速下限値未満となるよう制御される。すなわち、ファン２０を回転させるモータ３０の回転が止まる前に、再度、電圧が０ボルトから上昇する。

上記したように、制御部８０は、ファン２０を回転させるモータ３０の電圧およびデューティー比を制御する。なお、図３に示す（オン期間／オン期間＋オフ期間）×１００がデューティー比となる。

図４は、吹出口Ｏｌから連続風を吹き出す比較例の風速分布を表した図である。また、図５は、本実施形態の空調装置のように、吹出口Ｏｌから間欠風を吹き出す場合の風速分布を表した図である。吹出口Ｏｌからの距離がＬ_１の場所での風速分布と、吹出口Ｏｌからの距離がＬ_２の場所での風速分布が示されている。図４〜図５中の吹出口Ｏｌから空気が吹き出す方向の矢印の長さが長いほど風速が大きくなる。

図４に示すように、吹出口Ｏｌから連続風を吹き出す場合、吹出口Ｏｌから吹き出した空気の後方から連続的に空気が供給される。このため、吹き出された空気と周囲の静止空気との間に連続して渦が発生する。

このため、吹出口Ｏｌから吹き出した空気は、渦が拡大することにより吹き出した方向と交差する方向に拡散して進み、減速していってしまう。

これは、吹出口Ｏｌからの距離が長くなるにつれて、吹出口Ｏｌから吹き出した空気の周囲の空気にできる渦Ｄは発達して大きくなり、吹出口Ｏｌから吹き出した空気に発達した渦Ｄが巻き込まれるため、吹出口Ｏｌから吹き出した空気が拡散して進み、減速すると考えられる。

これに対し、図２、図５に示すように、吹出口Ｏｌから間欠風を吹き出す場合、吹出口Ｏｌから吹き出した先行気流の後方から間欠的に後流が供給される。このため、吹出された空気と周囲の静止空気との間に不連続に渦が発生する。

そして、吹出口Ｏｌから吹き出した空気は、渦の拡大が抑制されることにより吹き出した方向と交差する方向にあまり拡散することなく、かつ、風速の低下が抑制されるように進む。

これは、吹出口Ｏｌからの距離が長くなっても、吹出口Ｏｌから吹き出した空気の周囲の空気にできる渦Ｄは大きな渦に発達しないため、吹出口Ｏｌから吹き出した空気に渦Ｄが巻き込まれにくく、吹出口Ｏｌから吹き出した空気があまり拡散することなく進み、風速の低下が抑制されると考えられる。

図７は、ある地点でのファン２０の平均風速／ファン２０を回転させるモータ３０の平均電力と、ファン２０を回転させるモータ３０の電圧の周波数の関係を表す実験結果を示した図である。縦軸は、所定の平均電力で間欠風を流した場合のある地点における平均風速を表している。縦軸の値が大きいほど大きな風速の良好な間欠風であるといえる。

デューティー比を８０％にすると、デューティー比を１００％にした場合と変わらなくなってしまう。また、ファン２０を回転させるモータ３０の電圧の周波数を２０ヘルツより大きくすると連続風と変わらなくなってしまう。

例えば、電圧の周波数を２ヘルツ〜５ヘルツに設定し、デューティー比を５０％に設定するなど、電圧の周波数とデューティー比を適切な条件に設定することにより間欠風を吹き出させることが可能となる。なお、電圧の周波数を０．５ヘルツ以上で、かつ、２０ヘルツ未満に設定するのが好ましい。

また、デューティー比は、間欠風が吹き出されるような範囲で選定されるように構成される。例えば、デューティー比を８０％以下に選定するように構成するのが好ましい。

図８は、ファン２０を回転させるモータ３０の電力と風速の時間変化を示した図である。図８は、実験データである。

ファン２０を回転させるモータ３０にパルス状の電圧を印加した直後、直ぐに風速は大きくならない。モータ３０にパルス状の電圧を印加してからしばらく時間が経過すると、所定の風速範囲内で風速が変動する。

次に、制御部８０の処理について、図８に従って説明する。空調装置１が動作開始状態になると、制御部８０は、図８に示す処理を実施する。なお、動作開始前、ファン２０を回転させるモータ３０に電圧は印加されておらずファン２０は回転していない。すなわち、無風状態となっている。

まず、制御部８０は、Ｓ１００にて、所定期間、連続風がフェイス吹出口９１１から吹き出すよう、ファン２０を回転させるモータ３０に一定電圧を出力する。具体的には、デューティー比を１００％にした定電圧をモータ３０に出力する。

次に、所定期間が経過すると、制御部８０は、Ｓ１０２にて、間欠風がフェイス吹出口９１１から吹き出すよう、ファン２０を回転させるモータ３０にパルス状の電圧を周期的に出力する。例えば、１０ヘルツで、かつ、デューティー比を５０％にしたパルス状の電圧を周期的に出力する。これにより、ファン２０によって間欠風が吹き出される。なお、モータ３０は、フェイス吹出口９１１から吹き出される間欠風の風速が所定の風速変動範囲内に収まるように制御部８０によって制御される。

以上、説明したように、本実施形態の空気流発生装置は、空気流を発生させる空気流発生部２０、３０と、空気流発生部２０、３０により発生された空気流を車両の車室の乗員に向けて吹き出す吹出口９１１、９１２へと導くダクト９１と、を備えている。さらに、空気流発生部２０、３０に印加するパルス状の電圧の周波数とパルス状の電圧のパルス周期に対するパルス幅の比であるデューティー比を制御して吹出口９１１、９１２から間欠的に空気流を吹き出させる制御部８０を備えている。

上記した構成によれば、制御部８０は、空気流発生部２０、３０に印加するパルス状の電圧の周波数とパルス状の電圧のパルス周期に対するパルス幅の比であるデューティー比を制御して吹出口９１１、９１２から間欠的に空気流を吹き出させるので、より十分な気流を乗員に到達させることができる。

また、制御部８０は、パルス状の電圧の周波数を、０．５ヘルツ〜２０ヘルツの間で制御する。このように、パルス状の電圧の周波数を、０．５ヘルツ〜２０ヘルツの間で制御することで、吹出口９１１、９１２から間欠的に空気流を吹き出させることが可能である。

また、制御部８０は、吹出口９１１、９１２から間欠的に空気流を吹き出す範囲でデューティー比を制御する。このように、制御部８０は、吹出口９１１、９１２から間欠的に空気流を吹き出す範囲でデューティー比を制御することができる。

また、制御部８０は、動作開始後の所定期間、空気流発生部２０、３０に印加するパルス状の電圧の周波数とデューティー比を制御して吹出口９１１、９１２から連続的に空気流を吹き出させた後、空気流発生部２０、３０に印加するパルス状の電圧の周波数とデューティー比を制御して吹出口９１１、９１２から間欠的に空気流を吹き出させる。

したがって、動作開始後、速やかに空気流を乗員に到達させた後、十分な空気流を乗員に到達させることができる。

（他の実施形態）
（１）上記実施形態では、車両のフェイス吹出口９１１、フット吹出口９１２およびデフロスタ吹出口９２１から間欠的に空気流が吹き出すよう、パルス状の所定電圧を周期的にモータ３０に印加するようにした。

これに対し、フェイス吹出開口部１４、フット吹出開口部１５およびデフロスタ吹出開口部１６に不図示のシャッターを設け、これらのシャッターを開閉駆動して車両のフェイス吹出口９１１、フット吹出口９１２およびデフロスタ吹出口９２１から間欠的に空気流を吹き出させるようにしてもよい。

（２）上記実施形態の制御部８０は、空気流発生部２０、３０に印加するパルス状の電圧の周波数とデューティー比の両方を制御して吹出口９１１、９１２から間欠的に空気流を吹き出させるようにした。

これに対し、制御部８０は、空気流発生部２０、３０に印加するパルス状の電圧の周波数とデューティー比の少なくとも一方を制御して吹出口９１１、９１２から間欠的に空気流を吹き出させるようにしてもよい。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。

（まとめ）
上記各実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、空気流を発生させる空気流発生部と、空気流発生部により発生された空気流を車両の車室の乗員に向けて吹き出す吹出口へと導くダクトと、空気流発生部に印加するパルス状の電圧の周波数とパルス状の電圧のパルス周期に対するパルス幅の比であるデューティー比を制御して吹出口から間欠的に空気流を吹き出させる制御部と、を備えている。

また、第２の観点によれば、制御部は、パルス状の電圧の周波数を、０．５ヘルツ〜２０ヘルツの間で制御する。このように、パルス状の電圧の周波数を、０．５ヘルツ〜２０ヘルツの間で制御することで、吹出口から間欠的に空気流を吹き出させることが可能である。

また、第３の観点によれば、制御部は、吹出口から間欠的に空気流を吹き出す範囲でデューティー比を制御する。このように、制御部は、吹出口から間欠的に空気流を吹き出す範囲でデューティー比を制御することができる。

また、第４の観点によれば、制御部は、動作開始後の所定期間、空気流発生部に印加するパルス状の電圧の周波数とデューティー比を制御して吹出口から連続的に空気流を吹き出させた後、空気流発生部に印加するパルス状の電圧の周波数とデューティー比を制御して吹出口から間欠的に空気流を吹き出させる。

したがって、動作開始後、速やかに空気流を乗員に到達させた後、十分な空気流を乗員に到達させることができる。

なお、上記実施形態における構成と特許請求の範囲の構成との対応関係について説明すると、ファン２０およびモータ３０が空気流発生部に相当する。

１ 空調装置
１４ フェイス吹出開口部
１５ フット吹出開口部
１６ デフロスタ吹出開口部
２０ ファン
３０ モータ
８０ 制御部
９１、９２ ダクト
９１１ フェイス吹出口
９１２ フット吹出口
９１３ デフロスタ吹出口

Claims (4)

1. 空気流を発生させる空気流発生部（２０、３０）と、
   前記空気流発生部により発生された前記空気流を車両の車室の乗員に向けて吹き出す吹出口（９１１、９１２）へと導くダクト（９１）と、
   前記空気流発生部に印加するパルス状の電圧の周波数と前記パルス状の電圧のパルス周期に対するパルス幅の比であるデューティー比を制御して前記吹出口から間欠的に前記空気流を吹き出させる制御部（８０）と、を備えた空気流発生装置。
2. 前記制御部は、前記パルス状の電圧の前記周波数を、０．５ヘルツ〜２０ヘルツの間で制御する請求項１に記載の空気流発生装置。
3. 前記制御部は、前記吹出口から間欠的に前記空気流を吹き出す範囲で前記デューティー比を制御する請求項１または２に記載の空気流発生装置。
4. 前記制御部は、動作開始後の所定期間、前記空気流発生部に印加するパルス状の電圧の前記周波数と前記デューティー比を制御して前記吹出口から連続的に前記空気流を吹き出させた後、前記空気流発生部に印加するパルス状の電圧の前記周波数と前記デューティー比を制御して前記吹出口から間欠的に前記空気流を吹き出させる請求項１ないし３のいずれか１つに記載の空気流発生装置。

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