JP2020157785A - 車内環境制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車内環境制御装置に関し、良好な車室内環境を維持する。【解決手段】空調装置３，開閉装置５，加圧装置７，検出装置９，制御装置１０を設ける。空調装置３は、車両２０の外部から車室内に導入される空気が流通する外気通路１と車室内を循環する空気が流通する内気通路２とを有する。開閉装置５は、車両２０の外部と車室内とを区画する窓４を開閉させる。加圧装置７は、車室内を正圧にするための加圧空気を生成する。検出装置９は、車両２０の外部の空気に含まれる汚染物質の濃度Dを検出する。制御装置１０は、汚染物質の濃度Dが閾値D0を超える場合に、外気通路１及び窓４を閉じた状態で加圧空気を車室内に導入させる。【選択図】図１

Description

本発明は、車両の車室内の環境を制御する車内環境制御装置に関する。

従来、車両に搭載される空調装置の制御モードとして、外気導入モードと内気循環モードとが知られている。外気導入モードとは、車外の空気（外気）を車室内に取り込みつつ空調状態を管理する制御モードであり、内気循環モードとは、車室内の空気を車室内だけで循環させながら空調状態を管理する制御モードである。前者は、車室内を換気したいときやガラス面の曇り（結露）を除去したいときに便利である。後者は、車室内の温度を短時間で変化させたいときや、外気を車室内に取り込みたくないときに利用される。近年では、外気中の排ガス濃度や汚染物質濃度を検知して、外気導入モードを内気循環モードへと自動的に切り換える制御が提案されている（特許文献１，２参照）。

特開2009-184626号公報 特開2004-268792号公報

既存の技術では、窓が閉鎖された車室内の空気を車室内だけで循環させることで、外気の車室内への進入を防止している。しかしながら、車体のわずかな隙間から外気が車室内に進入することがあり、良好な車室内環境を維持することは困難である。特に、車両が高速で走行しているときには、車体表面の圧力分布が不均一となることから、外気の進入や流出が生じやすくなる。これにより、例えば花粉，黄砂，PM2.5などが車室内に進入し、車室内環境を悪化させるおそれがある。

本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑みて創案されたものであり、外気中に含まれる汚染物質の、車室内への進入を防止して良好な車室内環境を維持できるようにした車内環境制御装置を提供することである。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用効果であって、従来の技術では得られない作用効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。

（１）開示の車内環境制御装置は、車両の外部から車室内に導入される空気が流通する外気通路と前記車室内を循環する空気が流通する内気通路とを有する空調装置と、前記車両の外部と前記車室内とを区画する窓を開閉させる開閉装置とを備える。また、前記車室内を正圧にするための加圧空気を生成する加圧装置と、前記車両の外部の空気に含まれる汚染物質の濃度を検出する検出装置とを備える。また、前記検出装置で検出された前記汚染物質の濃度が閾値を超える場合に、前記外気通路及び前記窓を閉じた状態で前記加圧空気を前記車室内に導入させて前記車室内を外気圧よりも高圧にする制御装置を備える。

（２）前記制御装置が、前記車両の走行速度が高速であるほど前記車室内の圧力を上昇させることが好ましい。
（３）前記加圧装置が、前記外気通路及び前記内気通路と別体に設けられる加圧通路に介装されることが好ましい。
（４）前記加圧装置で生成された前記加圧空気を貯留するタンクを備えることが好ましい。

（５）前記制御装置が、前記汚染物質の濃度が前記閾値以下である場合に、前記タンクに前記加圧空気を貯留させることが好ましい。
（６）前記空調装置に内蔵されたフィルターと、前記加圧通路に介装され、前記フィルターよりも濾過性能が高い高性能フィルターとを備えることが好ましい。

汚染物質による外気の汚染に際し、外気通路及び窓を閉じた状態で車室内を外気圧よりも高圧にすることで、汚染物質の車室内への進入を防止することができ、良好な車室内環境を維持することができる。

車内環境制御装置が適用された車両の模式図である。 車内環境制御装置の構成を説明するための模式図である。 車速と目標車室内圧との関係を例示するグラフである。 車内環境制御装置で実行される制御のフローチャートである。

［１．構成］
図１は、実施形態としての車内環境制御装置が適用された車両２０の模式図である。車両２０には、空調装置３と窓４の開閉装置５と加圧空気（圧縮空気）を生成する加圧装置７とが装備されるとともに、外気中の汚染物質の濃度を検出する検出装置９が搭載される。また、検出装置９で検出された汚染物質濃度D に応じて空調装置３，開閉装置５，加圧装置７を統括的に管理する制御装置１０が設けられる。

空調装置３は、車室内の空気の温度や湿度の調節を行うものである。空調装置３の制御モードには、外気導入モードと内気循環モードとが含まれる。また、空調装置３には、車外の空気（外気）を車室内に導入するための外気通路１と、車室内だけで空気を循環させるための内気通路２とが接続される。外気通路１には、車両２０の外部から車室内に導入される空気が流通し、内気通路２には、車室内を循環する空気が流通する。本実施形態では、外気中に高濃度の汚染物質が検出されたときに、空調モードを自動的に内気循環モードへと変更する制御が実施される。

開閉装置５は、車両２０の外部と車室内とを区画する窓４を開閉駆動するための電動アクチュエーター（ウィンドウレギュレーター）である。窓４は、少なくとも車両２０の左側面及び右側面に設けられ、場合によっては後面や天井面などにも設けられる。開閉装置５の数は、これらの窓４を個別に開閉駆動できるように複数個である。窓４の開閉状態は乗員が手動で調節でき、制御装置１０による自動調節（自動閉鎖や自動開放を含む）も可能である。本実施形態では、外気中に高濃度の汚染物質が検出されたときに、すべての窓４を自動的に閉鎖させる制御が実施される。

加圧装置７は、車室内の圧力（車室内圧）を正圧にするための加圧空気を生成する電動ポンプ（エアーコンプレッサー）である。車室内に導入される加圧空気は、加圧装置７で生成される。加圧装置７には、加圧前の空気を外気から取り込むための加圧通路６が接続される。加圧通路６は、空調装置３に接続される外気通路１や内気通路２とは別体に設けられる。したがって、加圧装置７による加圧空気の生成は、空調モードの種類に左右されることなく実施可能である。加圧装置７で生成された加圧空気は、タンク８に貯留される。なお、加圧装置７と車室との間に加圧空気の流路を形成することで、加圧装置７から車室内へと直接的に加圧空気を導入させてもよい。この場合、タンク８を省略することができる。

検出装置９は、外気中に含まれる汚染物質濃度Dを検出するセンサーである。ここでいう汚染物質には、花粉，黄砂，SPM（Suspended Particulate Matter），PM2.5，PM10，排気ガス，粉塵，エアロゾル，微生物粒子などの大気汚染物質が含まれる。ここで検出された汚染物質濃度Dの情報は、制御装置１０に随時伝達される。制御装置１０は、良好な車室内環境を維持するための制御を実施する電子制御装置（コンピューター）である。制御装置１０には、プロセッサー（中央処理装置），メモリー（メインメモリ），記憶装置（ストレージ），インタフェース装置などが内蔵され、これらが内部バスを介して接続される。

図２は、車内環境制御装置の構成を説明するための模式図である。外気通路１及び内気通路２は、それぞれの内部を流通する空気が空調装置３に達する手前で合流するように形成される。また、空調装置３の内部には、フィルター１１，ファン１２，熱交換ユニット１３が内蔵される。フィルター１１は、空調装置３に流入する空気中の塵埃を取り除くための濾過装置である。ファン１２は、空調装置３から車室内へと空気を送給するための送風機である。熱交換ユニット１３は、空調装置３に流入した空気の温度を変更する装置である。この熱交換ユニット１３には、空気を冷却するクーラーコアと、空気を加熱するヒーターコアとが含まれる。

外気通路１と内気通路２との合流箇所には、第一制御弁１４が介装される。第一制御弁１４は、外気通路１側を閉鎖した姿勢（内気循環モード姿勢）と内気通路２側を閉鎖した姿勢（外気導入モード姿勢）との二姿勢（二位置）に移動可能とされる。第一制御弁１４の位置は、制御装置１０で制御される。例えば、外気導入モード時には内気通路２側が閉鎖され、内気循環モード時には外気通路１側が閉鎖されるように、第一制御弁１４の位置が制御される。

加圧通路６には、高性能フィルター１５と第二制御弁１６とが設けられる。高性能フィルター１５は、フィルター１１よりも濾過性能の高いフィルターであり、フィルター１１では捕集しにくい微粒子を効率よく捕集する機能を持つ。例えば、フィルター１１の対象粒径が5[μm]以上であるとき、高性能フィルター１５の対象粒径はこれよりも小さい粒子を捕集しうる範囲（1[μm]以上，0.3[μm]以上など）とされる。

第二制御弁１６は、加圧通路６の入口を開放した姿勢（開放姿勢）と閉鎖した姿勢（閉鎖姿勢）との二位置に移動可能とされる。第二制御弁１６の位置は、制御装置１０で制御される。開放姿勢は、加圧装置７で加圧空気を生成するときにのみ利用され、それ以外のときには閉鎖姿勢が維持される。閉鎖姿勢時には加圧通路６における外気の流通が遮断され、無用な堆積物の増加が阻止される。

加圧装置７とタンク８との間は、逆止弁２２が介装された第一通路２１で接続される。逆止弁２２は、タンク８から加圧装置７へ向かう方向への加圧空気の逆流を防止するように機能する。また、タンク８と車室との間は、開閉弁２４が介装された第二通路２３で接続される。開閉弁２４の開度は、制御装置１０で制御される。開閉弁２４は、加圧装置７で生成される加圧空気でタンク８に蓄圧するときに閉鎖され、車室内を昇圧させたいときに開放される。

タンク８には、タンク内圧P_TANを検出する蓄圧センサー２５が設けられる。同様に、車室内には車室内圧P_INTを検出する車室内圧センサー２６が設けられ、車室外（例えばエンジンルーム内など）には外気圧P_ATMを検出する外気圧センサー２７が設けられる。また、車輪の近傍には、車輪速度に基づいて車両２０の走行速度（車速V）を算出あるいは検出する車速センサー２８が設けられる。これらの各種センサー２５〜２８で検出された各種情報は、制御装置１０に伝達される。

［２．制御構成］
制御装置１０は、検出装置９で検出された汚染物質濃度Dに基づき、空調装置３，開閉装置５，加圧装置７を制御する。まず、汚染物質濃度Dが所定の閾値D₀（例えば35[μg/m³]）を超えているときには、第一制御弁１４を内気循環モード姿勢に制御して外気通路１を閉鎖するとともに、開閉装置５を駆動してすべての窓４を閉鎖する。また、開閉弁２４を開放することでタンク８内の加圧空気を車室内に導入し、車室内圧を外気圧よりも高圧にする。これにより、汚染物質の車室内への進入が阻止され、良好な車室内環境が維持される。

加圧空気で昇圧される車室内圧は、車速Vが高速であるほど上昇させることが好ましい。高速走行時には車体表面の圧力分布が不均一となり、外気の進入や流出が生じやすくなるからである。そこで、図３中に実線で示すように、車速Vが上昇するほど目標車室内圧P_TINTを高く設定し、車室内圧センサー２６で検出される車室内圧P_INTが目標車室内圧P_TINTになるように開閉弁２４の開度を調節する。このような制御により、汚染物質の車室内への進入がより確実に阻止される。

また、車室内圧を上昇させるためには、タンク８に蓄えておく圧力（タンク内圧P_TAN）を高めておくことが好ましい。したがって、汚染物質濃度Dの大小に関わらず、車速Vに応じてタンク内圧P_TANを制御しておくことが好ましい。例えば図３中に破線で示すように、車速Vが上昇するほど目標タンク内圧P_TTANを高く設定し、蓄圧センサー２５で検出されるタンク内圧P_TANが目標タンク内圧P_TTANになるように加圧装置７を制御する。目標タンク内圧P_TTANは、目標車室内圧P_TINTよりも高い圧力値とする。このように、タンク内圧P_TANをあらかじめ上昇させておくことで、汚染物質の車室内への進入がより確実に阻止される。

なお、外気圧P_ATMの値は高度によって変化する。そこで、目標車室内圧P_TINT，目標タンク内圧P_TTANのそれぞれを外気圧P_ATMの関数として設定してもよい。例えば、車速Vに応じて二つのゲインK₁，K₂（ただし1<K₁<K₂）を設定し、目標車室内圧P_TINT，目標タンク内圧P_TTANのそれぞれを以下の式１，２で設定する。

目標車室内圧P_TINT＝K₁×外気圧P_ATM …式１
目標タンク内圧P_TTAN＝K₂×外気圧P_ATM …式２
二つのゲインK₁，K₂の値は、車速Vが上昇するほど大きな値とする。これにより、外気圧P_ATMの大小に関わらず、適切な大きさの目標車室内圧P_TINT，目標タンク内圧P_TTANが設定され、汚染物質の車室内への進入がより確実に阻止される。

［３．フローチャート］
図４は、制御装置１０による制御内容を説明するためのフローチャートである。ステップＡ１では、汚染物質濃度D，タンク内圧P_TAN，車室内圧P_INT，外気圧P_ATMなどの各種情報が取得され、制御装置１０に伝達される。制御装置１０は、汚染物質濃度Dが閾値D₀を超えているか否かを判定し（ステップＡ２）、D>D₀である場合には窓４の開閉状態を確認した上で、開閉装置５にすべての窓４を閉鎖させる（ステップＡ３，Ａ４）。すべての窓４がすでに閉鎖されている場合には、開閉装置５を作動させる必要がないため、ステップＡ４はスキップされる。

続いて、空調装置３の制御モードが外気導入モードであることを条件として、制御モードを内気循環モードへと変更する（ステップＡ５，Ａ６）。これにより、第一制御弁１４の姿勢が外気導入モード姿勢から内気循環モード姿勢へと切り替えられ、外気の流れが遮断される。空調モードがすでに内気循環モードだった場合には、第一制御弁１４の位置を変更する必要がないため、ステップＡ６はスキップされる。

また、外気圧P_ATMと車速Vとに基づいて目標車室内圧P_TINTが設定される（ステップＡ７）。目標車室内圧P_TINTは、外気圧P_ATMが高いほど高圧に設定され、かつ、車速Vが高速であるほど高圧に設定される。その後、車室内圧P_INTが目標車室内圧P_TINT未満であるか否かが判定され（ステップＡ８）、車室内圧P_INTが目標車室内圧P_TINT以上になるまで開閉弁２４が開放される（ステップＡ９）。これにより、タンク８内の加圧空気が第二通路２３を通って車室内に導入され、車室内圧P_INTが上昇する。

ステップＡ１０は、ステップＡ２でD≦D₀である場合（外気が清浄である場合）や車室内圧P_INTを上昇させた後に進むステップである。ここでは、外気圧P_ATMと車速Vとに基づいて目標タンク内圧P_TTANが設定される。目標タンク内圧P_TTANは、外気圧P_ATMが高いほど高圧に設定され、かつ、車速Vが高速であるほど高圧に設定される。また、同じ外気圧P_ATMと車速Vとから設定される目標車室内圧P_TINTよりも高い値に設定される。その後、タンク内圧P_TANが目標タンク内圧P_TTAN未満であるか否かが判定され（ステップＡ１１）、タンク内圧P_TANが目標タンク内圧P_TTAN以上になるまで加圧装置７が駆動される（ステップＡ１２）。

これにより、加圧装置７で生成された加圧空気がタンク８に補充され、十分に高圧なタンク内圧P_TANが確保される。このような制御が所定の周期で繰り返され、汚染物質濃度Dに応じて車室が外気から隔離され、車室内の正圧状態が維持されるとともに、加圧空気が適宜補充される。なお、汚染物質濃度Dが閾値D₀を超えた後に閾値D₀以下まで低下した場合に、空調装置３の空調モードや窓４の開閉状態を元の状態まで復帰させるような制御を追加してもよい。

［４．効果］
（１）上記の車内環境制御装置では、汚染物質濃度Dが閾値D₀を超える場合に、外気通路１及び窓４を閉じた状態で加圧空気が車室内に導入され、車室内圧P_INTが外気圧P_ATMよりも高圧（すなわち正圧）になるように車室内環境が制御される。これにより、外気中に含まれる、汚染物質の車室内への進入を防止することができ、良好な車室内環境を維持することができる。

（２）また、車速Vが高速であるほど車室内圧P_INTを上昇させることで、汚染物質の車室内への進入をより確実に防止することができる。例えば、車両の高速走行時には車体表面の圧力分布が不均一となり、局所的に車室内が車両２０の外部よりも低圧となる箇所が発生しやすくなってしまう。一方、上記の車内環境制御装置によれば、車速Vが上昇するほど車室内圧P_INTも高圧になるため、車室外から車室内への外気の流入が生じにくくなる。したがって、汚染物質の車室内への進入をより確実に防止することができる。

（３）上記の車内環境制御装置では、加圧装置７が外気通路１，内気通路２と別体に設けられる加圧通路６に介装されている。これにより、空調モードの種類によらずに加圧空気を加圧装置７で生成することができ、制御の柔軟性を向上させることができる。例えば、内気循環モードを維持したまま加圧装置７に加圧空気を生成させることが可能である。したがって、タンク８の容量が小さくても車室内圧P_INTを容易に外気圧P_ATMよりも高圧にすることができ、あまつさえタンク８を省略することもできる。

（４）上述の実施形態のように、タンク８を設けることで十分な量の加圧空気をあらかじめ蓄えておくことができ、車室内の正圧状態を短時間で実現することができる。なお、タンク８の容量が十分に大きければ、汚染物質濃度Dが閾値D₀を超えるような外気を加圧通路６に流通させる必要がなくなる。したがって、タンク８を設けない場合と比較して、高性能フィルター１５に堆積する微粒子の堆積量及び堆積速度を小さくすることができる。したがって、高性能フィルター１５における目詰まりの発生を防止でき、交換・洗浄頻度を抑えられるというメンテナンス上のメリットもある。

（５）上記の車内環境制御装置では、汚染物質濃度Dが閾値D₀以下であるときに、加圧空気がタンク８に蓄えられる。これにより、清浄な外気を利用して加圧空気を生成することができ、高性能フィルター１５での圧力損失の上昇を防止することができる。また、汚染物質濃度Dが閾値D₀を超えるような外気を加圧通路６に流通させた場合と比較して、加圧装置７に流入する外気量を増加させることができ、加圧空気の生成効率を向上させることができる。さらに、汚染物質濃度Dが閾値D₀を超えるような外気を加圧通路６に流通させた場合と比較して、高性能フィルター１５における目詰まりの発生を防止でき、交換・洗浄頻度を抑えることができる。

（６）上記の車内環境制御装置では、加圧通路６に高性能フィルター１５が介装される。これにより、汚染物質濃度Dが閾値D₀を超えるような外気を濾過して清浄な加圧空気を生成することができる。つまり、タンク８に蓄えられていた加圧空気の量が不十分だったとしても、その場で清浄な加圧空気を発生させて車室内を正圧にすることができる。したがって、汚染物質の車室内への進入をより確実に防止することができる。

［５．変形例］
上記の実施形態はあくまでも例示に過ぎず、本実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

上述の実施形態では、花粉，黄砂，PM2.5など、比較的粒径の大きい汚染物質の濃度に基づく制御を詳述したが、汚染物質の種類はこれらに限定されない。例えば、NOxやSOxといった排出規制に関わる汚染物質の濃度に基づいて空調装置３，開閉装置５，加圧装置７などを制御してもよい。少なくとも汚染物質濃度Dが閾値D₀を超える場合に外気通路１及び窓４を閉じた状態で車室内圧P_INTを正圧にすることで、汚染物質の車室内への進入を防止することができる。

１ 外気通路
２ 内気通路
３ 空調装置
４ 窓
５ 開閉装置（ウィンドウレギュレーター）
６ 加圧通路
７ 加圧装置（エアーコンプレッサー）
８ タンク
９ 検出装置（汚染物質センサー）
１０ 制御装置（電子制御装置，コンピューター）
１１ フィルター
１２ ファン
１３ 熱交換ユニット
１４ 第一制御弁
１５ 高性能フィルター
１６ 第二制御弁
２０ 車両
２１ 第一通路
２２ 逆止弁
２３ 第二通路
２４ 開閉弁
２５ 蓄圧センサー
２６ 車室内圧センサー
２７ 外気圧センサー
２８ 車速センサー
P_TTAN 目標タンク内圧
P_TINT 目標車室内圧
P_TAN タンク内圧
P_INT 車室内圧
P_ATM 外気圧
V 車速
D 汚染物質濃度
D₀ 閾値

Claims (6)

1. 車両の外部から車室内に導入される空気が流通する外気通路と前記車室内を循環する空気が流通する内気通路とを有する空調装置と、
   前記車両の外部と前記車室内とを区画する窓を開閉させる開閉装置と、
   前記車室内を正圧にするための加圧空気を生成する加圧装置と、
   前記車両の外部の空気に含まれる汚染物質の濃度を検出する検出装置と、
   前記検出装置で検出された前記汚染物質の濃度が閾値を超える場合に、前記外気通路及び前記窓を閉じた状態で前記加圧空気を前記車室内に導入させて前記車室内を外気圧よりも高圧にする制御装置と
   を備えることを特徴とする、車内環境制御装置。
2. 前記制御装置が、前記車両の走行速度が高速であるほど前記車室内の圧力を上昇させる
   ことを特徴とする、請求項１記載の車内環境制御装置。
3. 前記加圧装置が、前記外気通路及び前記内気通路と別体に設けられる加圧通路に介装される
   ことを特徴とする、請求項１または２記載の車内環境制御装置。
4. 前記加圧装置で生成された前記加圧空気を貯留するタンクを備える
   ことを特徴とする、請求項３記載の車内環境制御装置。
5. 前記制御装置が、前記汚染物質の濃度が前記閾値以下である場合に、前記タンクに前記加圧空気を貯留させる
   ことを特徴とする、請求項４記載の車内環境制御装置。
6. 前記空調装置に内蔵されたフィルターと、
   前記加圧通路に介装され、前記フィルターよりも濾過性能が高い高性能フィルターとを備える
   ことを特徴とする、請求項３〜５のいずれか１項に記載の車内環境制御装置。

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