JP3774991B2 - 車両用暖房装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼式ヒータ、特に、触媒燃焼器と、熱源液体（温水等）が循環する熱交換器とを一体化した熱交換器構成を有する車両用暖房装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開平６−１４３９８５号公報では、触媒燃焼器を用いた車両用暖房装置が提案されており、この従来装置では触媒燃焼器の燃焼ガスと温水とを熱交換する熱交換器と、この熱交換器で加熱された温水と暖房空気とを熱交換する熱交換器とを別々に備えている。
【０００３】
このように、触媒燃焼器の燃焼ガスで温水を加熱するため、電気自動車のように、高温のエンジン冷却水を温水源として利用できない車両においても、温水を熱源とした車室内暖房を行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、温水加熱用の熱交換器と暖房空気加熱用の熱交換器とを別々に備えているので、暖房始動時には、最初に温水加熱用の熱交換器と暖房空気加熱用の熱交換器とを連結する配管内の低温の温水が暖房空気加熱用の熱交換器に循環してくるとともに、配管途中での放熱ロスが発生する。その結果、車室内暖房に必要な高温の温風を吹き出すまでの暖房立ち上げ時間が長くなってしまうという不具合がある。
【０００５】
また、温水加熱用の熱交換器と暖房空気加熱用の熱交換器とがそれぞれ別々に構成されているため、この両者を合わせた全体の体格がどうしも大きくなり、車両への搭載スペースが増大する。
本発明は上記点に鑑みてなされたもので、暖房立ち上げ時間を短縮できるとともに、車両への搭載スペースを縮小できる車両用暖房装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
触媒燃焼を用いると、燃焼ガスがクリーンであり、煤の発生を抑制できるため、燃焼ガスと熱源液体（温水等）とを熱交換する熱交換コア部を、熱源液体と暖房空気とを熱交換する熱交換コア部と同一構成としても不都合なく使用できる。この点に着目して、本発明では、暖房空気加熱用熱交換器の熱交換コア部の一部にて、燃焼ガスと熱源液体との熱交換を行う構成とすることにより、上記目的を達成しようとするものである。
【０００７】
すなわち、上記目的を達成するため、請求項１〜４記載の発明では、燃料を燃料空気混合室（２９）に供給する燃料供給装置（２９、４０、４５、４６）と、燃焼用空気を燃料空気混合室（２９）に供給する燃焼用空気供給装置（２４、２５）と、
燃料空気混合室（２９）で混合された燃料と空気の混合気を触媒燃焼させる触媒体（３０）を配置した燃焼室（３１）と、
熱源となる液体と暖房空気とを熱交換して暖房空気を加熱する熱交換器（１０）とを備え、
この熱交換器（１０）に、燃焼室（３１）からの燃焼ガスと熱源液体とを熱交換して熱源液体を加熱する第１コア部（１９）と、熱源液体と暖房空気との熱交換を行う第２コア部（２０）とを一体に構成し、
熱源液体の上流側に第１コア部（１９）を配置し、熱源液体の下流側に第２コア部（２０）を配置したことを特徴としている。
【０００８】
これによると、第１コア部（１９）において燃焼ガスで加熱された熱源液体（温水等）を、その加熱直後に第２コア部（２０）に流入させ、ここで暖房空気と熱交換して、暖房空気を加熱できる。
従って、暖房始動時に第２コア部（２０）に対して配管内の低温の熱源液体が最初に循環してくるということがなくなり、しかも、配管途中での放熱ロスもなくなるので、暖房効果を急速に立ち上げることができ、暖房立ち上げ時間を従来技術に比して大幅に短縮できる。また、燃焼ガスがクリーンな触媒燃焼であるため、煤の発生を抑制できる。そのため、燃焼ガスが第１コア部（１９）を通過しても、長期にわたって、熱交換性能を良好に維持できる。
【０００９】
さらに、第１コア部（１９）と第２コア部（２０）とを一体に構成しているから、この両者（１９、２０）を合わせた全体の体格を大幅に小型化でき、車両への搭載スペースも縮小でき、実用上極めて有利である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１〜５は本発明の第１実施形態を示すもので、図１は正面図、図２は図３のＢ−Ｂの断面図、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。１０は本発明による熱交換器（ヒータコア）で、温水入口側タンク１１と、温水出口側タンク１２と、この両タンク１１、１２の間に設けられた熱交換用コア部１３とを有している。
【００１１】
温水入口側タンク１１には車両の水冷式エンジン１４からの温水（エンジン冷却水）が流入する入口パイプ１１ａが設けられ、温水出口側タンク１２には温水を外部へ流出させ、エンジン１４側に還流させる出口パイプ１２ａが設けられている。各タンク１１、１２はそれぞれタンク本体部と、このタンク本体部の開口端面を閉じるシートメタルとからなり、図１の上下方向が長手方向となる周知のタンク構造である。そして、各タンク１１、１２のシートメタルには偏平状のチューブ挿入穴（図示せず）が多数個、図１の上下方向に１列または複数列並んで形成されている。
【００１２】
熱交換用コア部１３は図４に拡大図示すにように、暖房用空気の流れ方向（図３の矢印ａ方向）に対して平行な断面偏平状に形成された偏平チューブ１３ａを多数個図１の上下方向に並列配置している。そして、この多数個の偏平チューブ１３ａ相互の間に波形状に成形されたコルゲートフィン（フィン部材）１３ｂを配置し接合している。このコルゲートフィン１３ｂには周知のごとく暖房用空気の流れ方向に対して所定角度で斜めに多数のルーバ（図示せず）が切り起こし成形されており、このルーバの成形によりフィン熱伝達率を向上させている。
【００１３】
偏平チューブ１３ａの両端開口部は各タンク１１、１２のシートメタルのチューブ挿入穴内にそれぞれ挿通され、接合される。従って、本例の熱交換器１０では温水入口側タンク１１に流入した温水は、温水熱交換用コア部１３の偏平チューブ１３ａを通って、温水出口側タンク１２に対して図３、４の矢印ｂに示す一方向（左側から右側への一方向）に流れる、いわゆる全パスタイプ（一方向流れタイプ）として構成されている。
【００１４】
また、本例の熱交換器１０では、上記各構成部品１１、１２、１３のすべてがアルミニウム（アルミニウム合金も含む）にて成形されており、一体ろう付けにて組付られる。
図１に示す温水回路１５において、温水弁１６はエンジン１４から熱交換器１０への温水の流れを制御するものであり、ウォータポンプ１７はエンジン１４により駆動され、温水を図１の温水回路１５に循環するものである。水温センサ１８は熱交換器１０出口での温水温度を感知するものである。
【００１５】
そして、熱交換器１０の熱交換用コア部１３は、図３に示すように、第１コア部１９と、第２コア部２０との２つの部分に区分されている。第１コア部１９は、熱交換用コア部１３のうち、空調ケース２１の外部に配置される部分であり、これに対し、第２コア部２０は空調ケース２１内に配置され、収容される部分である。
【００１６】
第１コア部１９は空調ケース２１の外部にて触媒燃焼器２２の燃焼ガスと偏平チューブ１３ａ内の温水との間で熱交換して温水を加熱する部分であって、第１コア部１９は熱交換用コア部１３のうち温水入口側に配置されている。
一方、第２コア部２０は、空調ケース２１内を送風される暖房空気と、偏平チューブ１３ａ内を流通する温水との間で熱交換して暖房空気を加熱する部分であって、第１コア部１９にて加熱されて温度上昇した温水がその加熱直後に第２コア部２０において暖房空気を加熱できるようにしてある。
【００１７】
次に、触媒燃焼器２２は、耐熱金属で形成されたハウジング部材２３を備えており、このハウジング部材２３の上方部に燃焼用の吸気を送り込む電動エアポンプ２４が配置されている。このエアポンプ２４の吸入口２４ａには消音用マフラー２５が設置されている。エアポンプ２４の吐出側には吸気予熱パイプ２６が接続されており、この吸気予熱パイプ２６はハウジング部材２３の内部に上下方向に延びるように配置され、ハウジング部材２３内の燃焼ガスと吸気とを熱交換することにより吸気を予熱する。
【００１８】
吸気予熱パイプ２６の出口部は図２の下方端に設けられ、この出口部には燃焼始動時に吸気を予熱する吸気予熱ヒータ２７が配置されている。この吸気予熱ヒータ２７は、例えば、格子状に形成された電気発熱体で構成され、吸気を加熱する。ハウジング部材２３の底部には燃料供給パイプ２８が配置され、この燃料供給パイプ２８の先端部から液体燃料が燃料空気混合室２９内に噴霧される。
【００１９】
ここで、燃料空気混合室２９はハウジング部材２３内の底部側に形成され、吸気予熱器２７を通過した吸気（燃焼用空気）と燃料供給パイプ２８のノズル部から噴霧された液体燃料とを混合するためのものである。
そして、ハウジング部材２３の内部において、燃料空気混合室２９の上方側には、触媒体３０を配置した燃焼室３１を形成している。ここで、触媒体３０の全体形状は図３に示すように円筒状であって、多数の微細な通路を有するハニカム状の触媒担体に貴金属触媒を担持した構成からなる。より具体的に述べると、ハニカム状の触媒担体は例えばセラミック製が好適であり、貴金属触媒としては白金、パラジウム等の貴金属が好適である。
【００２０】
さらに、触媒体３０の下方側、すなわち、燃料と空気との混合気の入口側には、電気発熱体で構成された触媒予熱ヒータ３２が配置され、燃焼始動時に触媒体３０を予熱する。また、ハウジング部材２３の内部において、吸気予熱パイプ２６の周囲にはハウジング部材２３の上方から下方へ向かう燃焼ガス流路３３が形成されており、この燃焼ガス流路３３は第１コア部１９の上流側に位置している。
【００２１】
前述した熱交換器１０の第１コア部１９は図２、３に示すようにハウジング部材２３と排気ダクト３４との間に気密に配置され、この排気ダクト３４によって第１コア部１９下流側の燃焼ガス流路３４ａが形成されている。
燃焼ガス流路３３からの燃焼ガスは偏平チューブ１３ａとコルゲートフィン１３ｂとの間隙を通過して、排気ダクト３４内の燃焼ガス流路３４ａ内に流入する。そして、燃焼ガス流路３４ａの底部には排気口３５が設置されており、この排気口３５に排気管３６が接続されている。この排気管３６の先端は車両外側の後方等に燃焼ガスを排出するための排気パイプ３７に繋がっている。
【００２２】
また、前述した燃料供給パイプ２８と燃料タンク３８との間を連結する燃料配管３９に、タンク３８内の液体燃料を圧送する電動燃料ポンプ４０が備えられている。ここで、燃料タンク３８は車両エンジン１４のための車両既設のものと共用でよい。従って、液体燃料は車両エンジン１４と同じ燃料（ガソリンまたは軽油）である。
【００２３】
ところで、触媒燃焼によって生じる燃焼ガスの温度は８００℃程度であり、一方、暖房に用いる温水の温度は８０℃程度で、温水との熱交換によって暖められた暖房空気温度は５０℃程度である。従って、熱交換器１０の熱交換用コア部１３において、燃焼ガスと温水との熱交換を行う第１コア部１９の方が温度差が大となり、温水と暖房空気との熱交換を行う第２コア部２０の方が温度差が小となる。
【００２４】
従って、熱通過率は第１コア部１９の方が第２コア部２０より大きくなる。そして、第１コア部１９と第２コア部２０とで伝熱量は概略同じとなるように、両コア部１９、２０の伝熱面積を設定するので、図１、３から分かるように、第１コア部１９の伝熱面積が小で、第２コア部２０の伝熱面積が大となる。
次に、図５により第１実施形態における電気制御の概要を説明すると、電子制御装置４１はマイクロコンピュータ等から構成されるものであって、上記した電気機器（２４、２７、３２、４０）の作動を制御するものである。電子制御装置４１には水温センサ１８から熱交換器１０出口の水温信号、熱交換器１０吹出側に設置された空気温センサ４２（図３参照）からの暖房空気温信号、乗員により手動操作される温度設定器４３からの設定温信号、乗員により手動操作される作動スイッチ４４からの暖房作動信号等が入力される。
【００２５】
なお、温度設定器４３、作動スイッチ４４等の操作部材は周知のごとく車室内前部の計器盤近傍に設置される空調操作パネル（図示せず）に設置される。電子制御装置４１は予め設定されたプログラムに従って上記入力信号の演算処理を行って、上記した電気機器の作動制御のための出力を発生する。
次に、上記構成において第１実施形態の作動を説明する。いま、作動スイッチ４４が投入されると、触媒燃焼器２２が始動され、まず最初に、吸気予熱ヒータ２７と触媒予熱ヒータ３２に通電し、この両ヒータ２７、３２を発熱させる。触媒予熱ヒータ３２の発熱により触媒体３０の温度が活性温度に達するまで（例えば、軽油等の燃料を用いる場合は３５０℃以上になるまで）十分に触媒体３０を予熱する。
【００２６】
そして、触媒体３０の温度が活性温度に達するに必要な通電時間が経過すると、エアポンプ２４と燃料ポンプ４０に作動の指令が送られ、予め始動時の燃焼能力に応じて決められた量の吸気と燃料が燃料空気混合室２９に供給される。ここで、エアポンプ２４により送りこまれる吸気も吸気予熱ヒータ２７の発熱により予熱される。
【００２７】
それ故、吸気予熱ヒータ２７によって高温となった吸気中に燃料が吹き込まれ、気化混合した後、活性温度になっている触媒体３０に吸気と燃料の混合気が到達し、触媒体３０上で燃焼反応が起こり、高温の燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスは触媒反応を利用した完全燃焼によって形成されるため、クリーンなガスであって、煤が全く含まれないものとなっている。
【００２８】
従って、フィンアンドチューブ型のコア部を形成する第１コア部１９において、フィン１３ｂの間隔が詰まった微小な間隙を燃焼ガスが通過しても、煤による目詰まり等の問題が生じない。
そして、燃焼ガスは吸気予熱パイプ２６内の吸気と熱交換して吸気を予熱した後に、熱交換器１０の第１コア部１９を通り、第１コア部１９のチューブ１３ａ内を流れる温水と熱交換し、温水を加熱する。次に、燃焼ガスは排気ダクト３４内の燃焼ガス流路３４ａを通って排気口３５から外部へ排出される。
【００２９】
燃焼が始まると、吸気、触媒体３０とも、その燃焼熱で加熱されるため、吸気予熱ヒータ２７と触媒予熱ヒータ３２への通電は停止される。第１コア部１９を通過する間に加熱されたチューブ１３ａ内の温水は、その加熱直後に、第２コア部２０のチューブ１３ａ内に移動し、空調ケース２１内を送風される暖房用空気と熱交換し暖房用空気を加熱する。
【００３０】
従って、温水配管途中での放熱ロスを生じることなく、温水を熱源として暖房用空気を効果的に加熱することができる。この加熱空気（温風）は空調ケース２１の空気下流端の下方部に開口しているフット吹出口（図示せず）から車室内に吹き出され、車室内を暖房する。
そして、暖房用空気との熱交換で温度の下がった温水は図１に示す温水回路１５によりエンジン１４に還流して、エンジン１４にて加熱された後に、再び熱交換器１０を循環する。
【００３１】
以上の説明から理解されるように、触媒燃焼器２２の燃焼ガスで温水を加熱すして車室内の暖房を行うことができるため、エンジン始動直後のエンジン水温が低いときや、寒冷時のようにエンジン暖機終了後でもエンジン水温が十分上昇しないとき、あるいはエンジンの燃焼効率の向上によりエンジン水温が十分上昇しない低熱源車両等においても、暖房効果を高めることができる。
【００３２】
なお、燃焼能力は空調用電子制御装置４１において演算される必要暖房能力の指令値によって決定され、燃焼作動が定常状態に入った後は、水温センサ１８からの熱交換器出口水温信号、空気温センサ４２からの暖房空気温信号、乗員により手動操作される温度設定器４３からの設定温信号等をフィードバックし所定の暖房能力となるように、エアポンプ２４および燃料ポンプ４０の回転数を制御して、燃焼能力（燃焼空気量と燃料供給量）が制御される。
【００３３】
燃焼作動の停止時は、燃料ポンプ４０を停止して燃料の供給を停止することにより、煤、スモークの発生なしに燃焼作動を停止することができる。
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、触媒燃焼器２２として吸気予熱パイプ２６を用いる構成のものについて説明したが、本発明はこのようなものに限られるものではなく、例えば、図６の第２実施形態に示すように、吸気予熱パイプ２６を廃止して、燃料空気混合室２９にエアポンプ２４からの吸気を直接吹き込み、燃料空気混合室２９内部で触媒体３０からの輻射熱によって吸気の加熱を行なう構成としてもよい。
【００３４】
（第３実施形態）
上記第１実施形態では、燃料空気混合室２９内に燃料供給パイプ２８の先端部から液体燃料を噴出させる構成としているが、本発明はこのような燃料供給方法に限られるものではなく、例えば、図７の第３実施形態に示すように、インジェクタ４５を用いて燃料を燃料空気混合室２９内に霧状に吹き込む構成としても良い。この場合、燃料供給系はノズル状の微小噴射口から燃料を霧状に噴霧するインジェクタ４５、このインジェクタ４５への燃料供給圧を調整するプレッシャレギュレータ４６、および燃料ポンプ４０により構成され、燃料供給量はインジェクタ４５の噴射間隔、噴射回数で制御することができる。
【００３５】
（他の実施形態）
なお、第１実施形態では暖房用熱交換器１０に温水を循環する温水回路１５を車両のエンジン冷却系水路と繋がった構成としているが、暖房用熱交換器１０に温水を循環する温水回路１５を車両のエンジン冷却系水路から分離して独立に構成してもよい。この場合は、温水の温度変化に基づく体積変化を吸収するためのリザーバタンクを温水回路１５の中に備えることが好ましい。
【００３６】
また、本発明は水冷式エンジンを搭載していない電気自動車にももちろん適用可能であり、この場合は、必然的に、暖房用熱交換器１０に温水を循環する温水回路１５を独立に構成することになる。
また、第１実施形態では触媒燃焼器２２の燃料を車両エンジン用の燃料と共通としているが、車両エンジン用とは異なる燃料を用いてもよい。また、液体燃料でなく気体燃料を用いる構成としてもよい。
【００３７】
また、第１実施形態では触媒燃焼器２２の触媒予熱ヒータ３２を触媒体３０と別に配置する構成としているが、触媒体３０自身に予熱ヒータ３２を内蔵して、この予熱ヒータ３２に通電することにより、触媒体３０を直接加熱する構成としても良い。
また、第１実施形態では排気管３６の先端に車両外側の後方等に燃焼ガスを排出するための排気パイプ３７を設けているが、排気パイプ３７を車両エンジンルーム等へ向けて配置する構成としても良い。
【００３８】
また、触媒体３０の構成も第１実施形態に限られるものではなく、例えば、貴金属触媒の代わりに触媒種として酸化金属を用いたものでも良い。要は、供給された混合気を燃焼反応させることができる触媒であれば、何でもよい。
また、上記の各実施形態では、熱交換器１０に循環する熱源液体が温水である場合について説明したが、熱源液体としてエンジンオイルのような油類を使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の温水回路を含む、熱交換器構成の正面図である。
【図２】本発明の第１実施形態の燃料供給系を含む、熱交換器構成の断面図で、図３のＢ−Ｂ断面を示す。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態における燃焼ガスと温水との熱交換を行う第１コア部の部分斜視図である。
【図５】本発明の第１実施形態における電気制御ブロック図である。
【図６】本発明の第２実施形態の燃料供給系を含む、熱交換器構成の断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態の燃料供給系を含む、熱交換器構成の断面図である。
【符号の説明】
１０…熱交換器、１３…熱交換用コア部、１３ａ…チューブ、
１３ｂ…フィン、１９…第１コア部、２０…第２コア部、２１…空調ケース、
２２…触媒燃焼器、２３…ハウジング部材、２４…エアポンプ、
２８…燃料供給パイプ、２９…燃料空気混合室、３０…触媒体、３１…燃焼室、
３３、３４ａ…燃焼ガス流路、３４…排気ダクト、３８…燃料タンク、
４０…燃料ポンプ。

Claims (4)

1. 燃料と燃焼用空気とを混合する燃料空気混合室（２９）と、燃料タンク（３８）からの燃料を前記燃料空気混合室（２９）に供給する燃料供給装置（３９、４０、４５、４６）と、
   燃焼用空気を前記燃料空気混合室（２９）に供給する燃焼用空気供給装置（２４、２５、２６）と、
   前記燃料空気混合室（２９）で混合された燃料と空気の混合気を触媒燃焼させる触媒体（３０）を配置した燃焼室（３１）と、
   熱源となる液体と暖房空気とを熱交換して暖房空気を加熱する熱交換器（１０）とを備え、
   この熱交換器（１０）に、前記燃焼室（３１）からの燃焼ガスと前記熱源液体とを熱交換して前記熱源液体を加熱する第１コア部（１９）と、前記熱源液体と前記暖房空気との熱交換を行う第２コア部（２０）とを一体に構成し、
   前記熱源液体の上流側に前記第１コア部（１９）を配置し、前記熱源液体の下流側に前記第２コア部（２０）を配置したことを特徴とする車両用暖房装置。
2. 前記第２コア部（２０）は前記暖房空気が送風される空調ケース（２１）内に配置され、
   前記第１コア部（１９）は前記空調ケース（２１）の外部に配置され、前記燃焼室（３１）からの燃焼ガスが通過する燃焼ガス流路（３３、３４ａ）と連通していることを特徴とする請求項１に記載の車両用暖房装置。
3. 前記燃料空気混合室（２９）、前記燃焼室（３１）、前記燃焼ガス流路のうち、前記第１コア部（１９）上流側の燃焼ガス流路（３３）を形成するハウジング部材（２３）と、
   前記燃焼ガス流路のうち、前記第１コア部（１９）下流側の燃焼ガス流路（３４ａ）を形成する排気ダクト（３４）とを備え、
   前記ハウジング部材（２３）と前記排気ダクト（３４）との間に前記第１コア部（１９）を配置したことを特徴とする請求項２に記載の車両用暖房装置。
4. 前記第１コア部（１９）および前記第２コア部（２０）は、この両コア部（１９、２０）を貫通するように配置され、前記熱源液体が流通するチューブ（１３ａ）と、このチューブ（１３ａ）に接合されたフィン（１３ｂ）とから構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の車両用暖房装置。

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