JP3794082B2 - 温水式暖房装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は温水流量を制御する流量制御弁を用いた温水式暖房装置に関するもので、自動車用空調装置に用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、温水式暖房装置を含む自動車用空調装置の吹出空気の温度制御方式として、暖房用熱交換器への温水流量を制御して、吹出空気温度を制御する方式のものが知られている。本発明者らは、先に特開平８−１１８９４３号公報にて、次のごとき温水流量制御方式の温水式暖房装置を提案している。
【０００３】
すなわち、この従来装置では、温水流量を制御する流量制御弁を暖房用熱交換器に一体化するとともに、流量制御弁により流量制御された温水が流入する入口側タンクを暖房用熱交換器の下方部に配置し、この熱交換器の上方部に出口側タンクを配置して、温水が熱交換器のコア部を下方から上方への一方向のみに流れるように構成している。このように、温水の流れを下方から上方への一方向流れとすることにより、Ｕターン流れの方式のものに比して、暖房用熱交換器の温水流通抵抗の低減、構造の簡略化等の長所を有している。
【０００４】
ところが、温水流量を流量制御弁にて微少流量に制御すると、高温の温水が自身の浮力（高温の温水は比重が小さい）の影響も加わって、コア部において温水の出入口間を短絡する領域に温水が集中的に流れてしまい、他の領域（コア部において、温水の出入口から遠ざかる領域）では温水流量が大幅に減少するという現象が発生し、暖房用熱交換器の左右の吹出温度差に非常に大きなバラツキが生じる。この結果、運転席側と助手席側の乗員に対して、双方とも満足できる空調感を与えることができず、空調の温度制御上、致命的な欠陥となる。
【０００５】
そこで、上記従来装置では、暖房用熱交換器の下方部の温水入口側タンクもしくは上方部の温水出口側タンクのいずれか一方に、コア部の左右方向への温水分配を均一化する温水分配手段を内蔵して、暖房用熱交換器の左右の吹出温度差を低減させるものを提案している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、自動車用空調装置の場合、車室内の計器盤下方部のように、極めて狭隘なスペース内に暖房用熱交換器を設置しなければならないので、暖房用熱交換器の設置姿勢にも制約が大きい。
そのため、狭隘なスペース内への設置のために、暖房用熱交換器を垂直面、水平面に対して傾斜して暖房用熱交換器を設置する場合が多い。
【０００７】
上記従来装置では、このように、暖房用熱交換器を傾斜して設置する場合における、熱交換器左右方向での吹出温度差について何ら記載されていない。
そこで、本発明は上記点に鑑み、暖房用熱交換器を傾斜して設置するとともに、暖房用熱交換器のコア部を温水が下方から上方への一方向のみに流れるようにしたものにおいて、微少流量制御時に左右の吹出空気温度差を効果的に低減できる温水式暖房装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、暖房用熱交換器（３）の傾斜角（θ）と熱交換器左右方向での吹出温度差との相関関係について実験検討したところ、特定の傾斜角範囲では、熱交換器左右方向での吹出温度差を効果的に低減できることを見い出した。すなわち、後述の実施形態において詳述するように、暖房用熱交換器（３）と水平面とがなす傾斜角度（θ）が５０°以下の所定傾斜角度となるように暖房用熱交換器（３）を傾斜して配置することにより、熱交換器左右方向での吹出温度差を効果的に低減できる。
【０００９】
本発明においては、特開平８−１１８９４３号公報記載の暖房用熱交換器（３）の下方部の温水入口側タンク（３ａ）もしくは上方部の温水出口側タンク（３ｂ）のいずれか一方に、コア部（３ｃ）の左右方向への温水分配を均一化する温水分配手段を内蔵しなくとも、傾斜角（θ）の特定により熱交換器左右方向での吹出温度差を低減できることが分かった。
【００１０】
特に、請求項３のごとく暖房用熱交換器（３）と水平面とがなす傾斜角度（θ）を４０°以下に設定することにより、熱交換器左右方向での吹出温度差を一層効果的に低減できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１〜図３は本発明を自動車用空調装置の温水式暖房装置に適用した第１実施形態を示すもので、図１において、１は自動車走行用の水冷式エンジン、２はエンジン１により駆動されるウオータポンプで、エンジン１の冷却水回路（温水回路）に水を循環させるものである。３はエンジン１から供給される温水と送風空気とを熱交換して、送風空気を加熱する暖房用熱交換器（ヒータコア）、４は流量制御弁で、温水出入口を３つ有する三方弁タイプの弁構造を有するものである。
【００１２】
５は暖房用熱交換器３と並列に設けられたバイパス路、６は圧力応動弁であり、その前後の差圧が予め定めた所定値に達すると開弁するものであって、エンジン１の回転数変動によりウオータポンプ２の吐出圧が変動しても、暖房用熱交換器３の前後圧を一定に近づける役割を果たすものである。
図１には具体的に示していないが、特開平８−１１８９４３号公報のごとく流量制御弁４にはバイパス回路５および圧力応動弁６が一体に内蔵され、さらに暖房用熱交換器３に対して一体構造として組付られるようになっている。
【００１３】
７は温度センサで、空調ユニット８の空調ケース８ａ（図２、３参照）内において、熱交換器３の空気下流側で、かつ車室内への各種吹出口９〜１１、１１ａの分岐点直前の部位に設置される。この温度センサ７は、サーミスタよりなり、車室内に吹き出す温風温度を検出するものである。
図２、３において、吹出口９は車室内の乗員顔部に向けて空気を吹き出すフェイス（上方）吹出口であり、吹出口１０は自動車前面窓ガラスに空気を吹き出して窓ガラスの曇りを除去するデフロスタ吹出口であり、吹出口１１は前席側乗員の足元に空気を吹き出す前席用のフット（足元）吹出口であり、１１ａは後席側乗員の足元に空気を吹き出す後席用のフット（足元）吹出口である。
【００１４】
なお、図２、３に示す例では、空調ユニット８は暖房用熱交換器３と蒸発器（冷房用熱交換器）１２の両方を一体に内蔵する一体型ユニットを構成しており、この一体型空調ユニット８は車室内前部の計器盤下方部のうち、車両左右方向の略中央部に配置される。
そして、空調ユニット８は図２に示すように、天地方向の最下方部に、ユニット吸込口８ｂを有しており、このユニット吸込口８ｂには、図３に示す送風機ユニット３０からの送風空気が流入する。送風機ユニット３０は、車室内前部の計器盤下方部のうち、空調ユニット８の設置部位から助手席側へオフセットして配置されており、天地方向の上方側に内外気を切替導入する周知の内外気切替箱３１を備えている。
【００１５】
この内外気切替箱３１の下方側に、この内外気切替箱３１から導入した内気または外気を空調ユニット８のユニット吸込口８ｂに向けて送風する送風機３２が備えられている。この送風機３２は周知のごとく電動モータ３２ａにて回転駆動される遠心多翼ファン３２ｂを有しており、この遠心多翼ファン３２ｂの送風空気を案内するスクロールケース３２ｃの出口部３２ｄがユニット吸込口８ｂに結合されている。
【００１６】
空調ユニット８内において、ユニット吸込口８ｂより上方の部位に蒸発器１２が配置され、この蒸発器１２の上方側に暖房用熱交換器３が配置されている。
ここで、暖房用熱交換器３は流量制御弁４により流量制御された温水が流入する入口側タンク３ａを下方部に配置し、熱交換器上方部に出口側タンク３ｂを配置して、温水が熱交換器３のコア部３ｃを下方から上方への一方向のみに流れる一方向流れタイプ（全パスタイプ）として構成されている。コア部３ｃは周知のごとく偏平状チューブとコルゲートフィンとから構成されている。
【００１７】
なお、図１では、図作成上の便宜のため、入口側タンク３ａを図上方部に図示し、図下方部に出口側タンク３ｂを図示しているが、暖房用熱交換器３の実際の配置形態は図２に示す通りである。
そして、暖房用熱交換器３は水平面に対して所定の傾斜角θ（図２の図示の例では、θ＝２２°）でもって傾斜するように配置されており、本例では、蒸発器１２も暖房用熱交換器３と略同一の傾斜角で傾斜配置されている。空調ケース８ａ内において、暖房用熱交換器３の側方には、冷風バイパスドア８ｃにより開閉される冷風バイパス路８ｄが形成されている。この冷風バイパス路８ｄは最大冷房時（あるいはバイレベルモード時）に開放される。８ｅ〜８ｇは各吹出口９〜１１ａへの空気流れを断続する吹出モードドアである。
【００１８】
ユニット吸込口８ｂから流入した送風空気は蒸発器１２の下方の部位で上方へ流れを転回し、その後に、先ず蒸発器１２を下方から上方へ通過し、さらに、暖房用熱交換器３を下方から上方へ通過する。この際、暖房用熱交換器３への温水流量を流量制御弁４により流量制御して、熱交換器３における加熱量を調整して車室内への吹出空気温度を調整する。
【００１９】
図１において、１３は車室内温度制御の目標温度（乗員の希望温度）を設定するための温度設定器で、乗員により手動操作可能なスイッチ、あるいは可変抵抗器等よりなる。１４は外気温度、温水温度、日射量等の車室内温度制御に関係する環境因子の物理量を検出するセンサ群である。１５はこれらのセンサ７、１４及び温度設定器１３等からの入力信号に基づいて温度制御信号を出力する空調制御装置で、マイクロコンピュータ等よりなる。
【００２０】
１６はこの空調制御装置１５からの温度制御信号により制御されるサーボモータで、流量制御弁４の弁体１７を回転駆動するための弁体作動手段を構成する。ここで、弁体作動手段としては、サーボモータ１６のような電気的アクチュエータに限らず、周知のレバー、ワイヤ等を用いた手動操作機構であってもよい。
なお、流量制御弁４の具体的構成、および流量制御弁４と熱交換器３との一体化構造の具体例は、前述の特開平８−１１８９４３号公報と同じよいので、詳細な説明は省略する。
【００２１】
流量制御弁４は、円柱状の弁体（ロータ）１７をハウジング１８内に回動可能に収納しており、ハウジング１８にはエンジン１からの温水が流入する温水入口１９と、暖房用熱交換器３の温水入口側タンク３ａに接続される温水出口２０と、バイパス回路５の温水入口側に接続されるバイパス出口２１が設けられている。一方、弁体１７にはこれらの温水出入口１９〜２１の開口面積を調整する制御流路１７ａが備えられている。
【００２２】
次に、上記構成において作動を説明する。流量制御弁４の流量制御による吹出空気温度の制御作用は基本的には上記公報と同じでよいので、詳細な説明は省略し、概要を述べると、最大暖房能力時には、流量制御弁４の弁体１７がサーボモータ１６または手動操作機構により最大開度位置に回動操作されて、弁体１７の制御流路１７ａがハウジング１８の温水入口１９、温水出口２０の双方と最大面積で重畳し、この出入口１９、２０を全開する。一方、バイパス回路５は全閉に近い状態となる。
【００２３】
その結果、エンジン１からの温水はすべて熱交換器３側に流入し、熱交換器３は最大暖房能力を発揮できる。
次に、非暖房時（自動車用空調装置に図２に示す冷媒蒸発器１２が装備され、冷凍サイクルが運転されているときは、最大冷房時となる）には、流量制御弁４の弁体１７が開度零の位置に回動操作されて、弁体１７の制御流路１７ａがバイパス回路５の入口に重畳してこのバイパス回路５を全開し、温水出口２０を全閉して、熱交換器３への温水の流れを遮断する。
【００２４】
一方、制御流路１７ａはその一部のみが温水入口１９と重畳して、温水入口１９を全閉とせず、φ２丸穴相当の最小開口面積を設定する。
上記の弁体位置により、温水入口１９からバイパス回路５への温水の流れを継続できるので、温水の流れの急遮断によるウオータハンマ現象の音の発生を防止できるとともに、φ２丸穴相当以上の開口面積の確保により流水音の発生も防止できる。
【００２５】
次に、微少能力時には、弁体１７が微少の弁開度位置に回動されるので、制御流路１７ａが温水入口１９及び温水出口２０の双方に対して小面積で重畳し、温水入口１９の開口面積及び温水出口２０の開口面積を双方とも絞っている２段絞りの状態（図１の微少能力時はその２段絞りの状態を模式的に示す）となり、かつ温水入口１９と温水出口２０の絞り部の中間部（図１のア部）は略全開状態にあるバイパス回路５に十分大きな開口面積で連通しているので、この中間部アの圧力を下げることができる。
【００２６】
その結果、暖房用熱交換器３前後の差圧を十分小さくできるので、弁開度（弁体回転角）の変化に対する温水流量の変化（最終的には車室内への吹出空気温度の変化）を、特別小さな開口面積を必要とせずに、緩やかすることができる。すなわち、吹出空気温度の制御ゲインを低減できる。
この制御ゲインの低減により、車室内への吹出空気温度をきめ細かく制御できる。
【００２７】
また、エンジン回転数の変動による温水圧力の変動に対しては、圧力応動弁６の開度が温水圧力の上昇に応じて増大することにより、暖房用熱交換器３前後の温水差圧の変動を低減して、エンジン回転数の変動による熱交換器吹出空気温度の変動を抑制する。
ところで、図４、５は本発明者らが行った実験結果を示すデータであり、実験条件は、暖房用熱交換器３への循環温水流量：０．６リットル／ｍｉｎ、暖房用熱交換器３への送風風量：２００ｍ³ ／ｈ、入口温水温度：８８°Ｃ、吸込空気温度：５°Ｃである。また、実験に供した空調装置は、図２、３に示すタイプのものであるが、後述の第２実施形態（図６）のタイプのものでも、同様の結果が得られることを確認している。
【００２８】
図４は暖房用熱交換器３の配置形態と暖房用熱交換器３の左右方向での吹出温度バラツキとの関係を示すものであり、図中、ＦＡＣＥはフェイス吹出口９側の吹出空気温度を示し、ＦＯＯＴはフット吹出口１１、１１ａ側の吹出空気温度を示している。
図４の実験から理解されるように、暖房用熱交換器３を垂直置きとし、かつ、温水を上方から入れ、下方から出すタイプ、およひ水平置きタイプでは、微少流量制御時に、温水自身の比重低下による浮力の影響を受けにくいので、熱交換器左右方向での吹出温度バラツキが僅少となり、実用上問題がない。
【００２９】
これに対して、暖房用熱交換器３を垂直置きとし、かつ、温水を下方から入れ、上方から出すタイプでは、微少流量制御時に、温水自身の比重低下による浮力の影響を受けて、コア部３ｃのうち、温水入口側、温水出口タンク３ａ、３ｂへの温水出入口パイプ３ｄ、３ｅ（図４）が設けられる図示右側の部位に温水が短絡的に集中して流れやすい。その結果、熱交換器左右方向での吹出温度バラツキがフェイス吹出口９側、フット吹出口１１、１１ａ側の双方とも３１．５°Ｃ、３４．２°Ｃという大きな値になってしまう。
【００３０】
ところで、暖房用熱交換器３を垂直置きとし、かつ、温水を上方から入れ、下方から出すタイプでは、温水入口タンクが上方に位置するため、温水中に含まれる空気がこの温水入口タンクに溜まりやすいので、温水（エンジン冷却水）からの空気抜きがしにくいという問題があり、この理由から採用しにくい。
また、水平置きタイプでは、熱交換器３の大きさに対応した大きさを持つスぺースを空調ユニット８内の水平方向（車両前後方向）に確保しなければならないが、実際には、このようなスペースを計器盤下方の狭隘な空間内で確保することが困難な場合が多い。
【００３１】
これに対して、水平置きタイプを傾斜配置するタイプに変更すると、空調ユニット８内での水平方向（車両前後方向）の熱交換器設置スペースを減少できるのて、実用上好適である。そこで、暖房用熱交換器３と水平面とがなす傾斜角度θ（図２）と、熱交換器左右方向での吹出温度バラツキとの関係について実験検討したところ、図５に示す結果が得られた。
【００３２】
すなわち、図５の横軸は上記傾斜角度θであり、縦軸は熱交換器左右方向での吹出温度バラツキΔＴａであり、この図５の実験結果から理解されるように、暖房用熱交換器３に対して、温水を下方から入れ、上方から出すタイプであっても、上記傾斜角度θを５０°以下に設定することにより、吹出温度バラツキΔＴａを７°Ｃ以下まで減少できることが分かった。
【００３３】
そして、上記傾斜角度θを４０°以下に設定することにより、吹出温度バラツキΔＴａをほぼ３°Ｃ以下まで減少できることが分かった。
このように、暖房用熱交換器３と水平面とがなす傾斜角度θを所定角度、すなわち５０°以下に設定することにより、吹出温度バラツキΔＴａを７°Ｃ以下という僅少値に抑制できる。しかも、暖房用熱交換器３の傾斜配置により空調ユニット８内での水平方向への熱交換器設置スペースを減少できる。
【００３４】
（第２実施形態）
図６は本発明の第２実施形態を示すもので、送風機３２を空調ユニット８の車両前方側に配置するレイアウトである。また、図２、３に示す第１実施形態とは吹出口９、９ａ、１０、１１、１１ａが異なっており、本例では、後席側へ冷風を案内するための後席用フェイス吹出口９ａが設定されている。
【００３５】
暖房用熱交換器３と水平面とがなす傾斜角度θは、本例では３０°となっている。
（他の実施形態）
なお、本発明は上記の第１、第２実施例に限定されることなく、請求項記載の技術的思想の趣旨に従って種々変形可能なものであり、以下他の例について述べる。
【００３６】
上記の第１、第２実施例では、温水入口側タンク３ａおよび出口側タンク３ｂ内に、特開平８−１１８９４３号公報記載の温水分配手段を設置しない場合について説明したが、この温水分配手段を温水入口側タンク３ａおよび出口側タンク３ｂのいずれか一方または両方に内蔵させてもよい。この温水分配手段の内蔵により、吹出温度バラツキΔＴａを一層低減できる。
【００３７】
また、第１、第２実施例では、熱交換器３の温水入口３ｄおよび温水出口３ｅをいずれも図４に示すように熱交換器３の左右方向の同一側端部（右側端部）に配置しているが、熱交換器３の温水入口３ｄおよび温水出口３ｅを熱交換器３の左右方向の異なる端部（左側端部と右側端部）に配置するようにしてもよい。
また、第１、第２実施例では、いずれも、蒸発器１２と暖房用熱交換器３の両方を備える空調装置について説明したが、蒸発器１２を持たず、暖房用熱交換器３のみを備えている空調装置（温水式暖房装置）に本発明を適用できることはもちろんである。
【００３８】
また、本発明は、自動車用以外の種々な用途の温水式暖房装置に広く適用可能であることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を説明するための温水回路図である。
【図２】本発明の第１実施形態における暖房用熱交換器の空調ユニット内への配置形態を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態を適用した自動車用空調装置の通風系全体の概要正面図である。
【図４】本発明者らの実験による暖房用熱交換器の置き方と吹出空気温度バラツキとの関係を示す図表である。
【図５】本発明者らの実験による暖房用熱交換器の傾斜角と吹出空気温度バラツキとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態を適用した自動車用空調装置の通風系全体の概要断面図である。
【符号の説明】
１……エンジン、３……暖房用熱交換器、３ａ……温水入口側タンク、
３ｂ……温水出口側タンク、３ｃ……コア部、４……流量制御弁。

Claims (3)

1. 温水源（１）から供給される温水と空気とを熱交換して空気を加熱する暖房用熱交換器（３）と、
   前記温水源（１）から前記暖房用熱交換器（３）に供給される温水流量を制御するための流量制御弁（４）とを備え、
   前記流量制御弁（４）により前記温水流量を制御して前記暖房用熱交換器（３）の吹出空気温度を調整するようになっており、
   前記暖房用熱交換器（３）は、前記温水と空気との熱交換を行うコア部（３ｃ）と、前記コア部（３ｃ）の一端部に配置された温水入口側タンク（３ａ）と、前記コア部（３ｃ）の他端部に配置された温水出口側タンク（３ｂ）とを備え、
   前記暖房用熱交換器（３）は、前記温水入口側タンク（３ａ）から温水が前記コア部（３ｃ）を経て前記温水出口側タンク（３ｂ）に向かう一方向のみに流れるように構成されており、
   前記暖房用熱交換器（３）を通風路内に配置するに当たり、前記温水入口側タンク（３ａ）が下方に、前記温水出口側タンク（３ｂ）が上方となるようにして、しかも、前記暖房用熱交換器（３）と水平面とがなす傾斜角度（θ）が５０°以下の所定傾斜角度となるように前記暖房用熱交換器（３）を傾斜して配置することを特徴とする温水式暖房装置。
2. 前記温水源が自動車の水冷式の走行用エンジン（１）であり、請求項１に記載の温水式暖房装置を自動車用温水式暖房装置として構成したことを特徴とする温水式暖房装置。
3. 前記暖房用熱交換器（３）と水平面とがなす傾斜角度（θ）を４０°以下に設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の温水式暖房装置。

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