JP3858373B2

JP3858373B2 - 車両用空調装置

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Publication number: JP3858373B2
Application number: JP25228897A
Authority: JP
Inventors: 美光井上; 恒吏高橋; 青木　　新治; 肇伊藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-09-17
Filing date: 1997-09-17
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2017-09-17
Also published as: JPH1178489A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は温水等の熱源流体が循環する暖房用熱交換器に、補助暖房熱源としての電気発熱体を一体に備える車両用空調装置において、熱源流体の低温時における暖房即効性の向上を図るための制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両エンジンの高効率化に伴い、エンジン暖機後においても車両エンジンの冷却水（温水）温度が従前に比して低めの温度となる傾向にある。そのため、エンジン冷却水からの廃熱を利用して車室内の暖房を行う温水式空調装置においては、暖房能力不足が課題になっている。
【０００３】
そこで、特開平５−６９７３２号公報等では、温水式の暖房用熱交換器に電気発熱体を一体化し、温水温度が低いときには電気発熱体に通電して、電気発熱体の発熱により暖房空気を加熱することにより、暖房能力の不足を解消するものが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来技術では、車両エンジンの始動直後のように温水の低温時には、暖房即効性の向上のために、電気発熱体の最大能力を必要とするのであるが、暖房用熱交換器に電気発熱体が一体化されているので、電気発熱体の発熱量の一部が暖房用熱交換器内を流通する低温の温水中に奪われてしまい、電気発熱体の発熱量により暖房空気を効率良く加熱することができない。
【０００５】
その結果、暖房空気の車室内への吹出空気温度が十分上昇せず、電気発熱体による暖房即効性を効果的に発揮できない。
本発明は上記点に鑑みてなされたもので、温水等の熱源流体の低温時に、電気発熱体から熱源流体に伝熱される熱量を最小限に低減することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、熱源流体が流通するチューブ（２３）を有し、車室内に吹き出される空気を前記熱源流体により加熱する暖房用熱交換器（１４）と、
前記暖房用熱交換器（１４）に一体に設けられ、車室内に吹き出される空気を加熱する電気発熱体（１５）と、
前記暖房用熱交換器（１４）に送風する送風機（１７）と、
前記暖房用熱交換器（１４）に流通する前記熱源流体の流れを制御する弁手段（１３）と、
前記熱源流体の温度を検出する温度センサ（３２）と、
前記温度センサ（３２）の検出信号が入力され、前記弁手段（１３）の開度を制御する制御装置（２７）とを備え、
前記電気発熱体（１５）の通電時において、前記熱源流体の温度が所定温度以下であるときは、前記制御装置（２７）により前記弁手段（１３）の開度を少開度に制御して、前記暖房用熱交換器（１４）への前記熱源流体の流量を前記熱源流体の温度が前記所定温度を越えるときよりも減少させて、前記送風機（１７）を作動させることを特徴としている。
【０００７】
これによると、温水等の熱源流体の低温時には暖房用熱交換器（１４）への熱源流体の流量を減少させるので、電気発熱体（１５）から熱源流体への伝熱熱量を大幅に低減できる。そのため、電気発熱体の発熱量により暖房空気を効率良く加熱することができ、電気発熱体による暖房即効性を効果的に発揮できる。
また、熱源流体の低温時に弁手段（１３）を完全な全閉状態とせずに、少開度だけ開くから、熱源流体の流量を減少させるだけで、熱源流体の流れを完全に遮断することがない。
【０００９】
また、請求項２記載の発明では、熱源流体の温度が所定温度以下であるときに、熱源流体の温度が低下するにつれて、送風機（１７）の風量を減少させることを特徴としている。
【００１０】
これによると、電気発熱体（１５）の加熱作用による暖房時に、ストーブ比（＝暖房能力／風量）を高めることができるので、暖房初期から乗員に与える暖房感を高めることができる。
また、請求項３記載の発明では、熱源流体の温度が前記所定温度より高い高温側の所定温度より高いときは、電気発熱体（１５）への通電を遮断することを特徴としている。
【００１１】
これによると、熱源流体と空気との熱交換にて暖房能力が十分得られる条件のときに、電気発熱体が無駄に電力消費するのを自動的に防止できる。
同様に、請求項４記載の発明のように、外気温を検出する外気温センサ（３３）を有し、この外気温センサ（３１）の検出信号に基づいて外気温が所定値以上であるときに、電気発熱体（１５）への通電を遮断するようにすれば、外気温が比較的高く、最大暖房能力を要求されないときに、電気発熱体が無駄に電力消費するのを自動的に防止できる。
【００１２】
また、請求項５記載の発明では、車室内への吹出温度を調整する温度調整手段（３８）を備え、
制御装置（２７）は、この温度調整手段（３８）が最大暖房状態にあることを判定する判定手段（Ｓ１１０）を有し、この判定手段（Ｓ１１０）にて温度調整手段（３４）が最大暖房状態にないと判定されたときは、電気発熱体（１５）への通電を遮断することを特徴としている。
【００１３】
これによると、最大暖房時のみに電気発熱体（１５）に通電できるので、温度調整手段（３４）が最大暖房状態にないときに、電気発熱体が無駄に電力消費するのを防止できる。以上の請求項３〜５記載の発明によると、電気発熱体（１５）の電力消費を必要最小限に抑えることができる。
【００１４】
また、請求項６記載の発明では、電気発熱体（１５）に通電するための電源をなす車載バッテリ（３０）の充電状態に応じた信号を発生するバッテリ充電信号発生手段（３４）を有し、
制御装置（２７）が、このバッテリ充電信号発生手段（３４）の発生信号に基づいて車載バッテリ（３０）の充電状態に余裕がないと判定したときに、電気発熱体（１５）への通電を遮断することを特徴としている。
【００１５】
これによると、電気発熱体（１５）への通電に起因する車載バッテリ（３０）の過放電を未然に回避できる。
そして、本発明は、請求項７記載のように、暖房用熱交換器（１４）が車両エンジン（２０）の温水回路（１１）に設けられ、熱源流体として車両エンジン（２０）からの温水が暖房用熱交換器（１４）に循環するようになっている車両用空調装置において好適に実施できる。
【００１６】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は電気発熱体を一体化した温水式の車両暖房用熱交換器を含む車両温水回路を示し、水冷式の車両エンジン１０の温水回路１１には車両エンジン１０により回転駆動される温水ポンプ１２が配置されており、この温水ポンプ１２の作動により温水（エンジン冷却水）が温水回路１１を循環する。
【００１８】
温水回路１１において、車両エンジン１０で加熱された温水は温水弁（弁手段）１３を介して車両暖房用熱交換器１４に流入する。ここで、温水弁１３は、サーボモータ等の電気アクチュエータ１３ａと、この電気アクチュエータ１３ａにより操作されて温水流路の開度を調整する弁体１３ｂとから構成されている。また、車両暖房用熱交換器１４には電気発熱体１５が一体に組み込まれており、この熱交換器１４は車両用空調装置のケース１６内に収容されている。この暖房用熱交換器１４は、空調用送風機１７の送風空気を温水または電気発熱体１５を熱源として加熱する。
【００１９】
図２は図１の車両暖房用熱交換器１４の正面図であって、この熱交換器１４は、温水入口側タンク１８と、温水出口側タンク１９と、この両タンク１８、１９の間に設けられた熱交換用コア部２０とを有している。
温水入口側タンク１８には図１に示す水冷式の車両エンジン１０からの温水（エンジン冷却水）が流入する入口パイプ２１が設けられ、温水出口側タンク１９には温水を外部へ流出させ、エンジン１０側に還流させる出口パイプ２２が設けられている。なお、本例の熱交換器１４は図２に示すように上下対称形であるので、温水入口側タンク１８と温水出口側タンク１９とを上下逆転してもよい。
【００２０】
各タンク１８、１９はそれぞれタンク本体部１８ａ、１９ａと、このタンク本体部１８ａ、１９ａの開口端面を閉じるシートメタル１８ｂ、１９ｂとからなり、図２の左右方向が長手方向となる周知のタンク構造である。そして、シートメタル１８ｂ、１９ｂには偏平状のチューブ挿入穴（図示せず）が多数個、図２の左右方向に１列または複数列並んで形成されている。
【００２１】
熱交換用コア部２０は暖房用空気の流れ方向（図２の紙面垂直方向）に対して平行な偏平状に形成された偏平チューブ２３を多数個図２の左右方向に並列配置している。この多数個の偏平チューブ２３内を温水は図２の下側から上側への一方向に流れる。そして、この多数個の偏平チューブ２３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）２４を配置し接合している。このコルゲートフィン２４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。
【００２２】
偏平チューブ２３の両端開口部はシートメタル１８ｂ、１９ｂのチューブ挿入穴内にそれぞれ挿通され、接合される。また、コア部２０の最外側（図２の左右両端部）のコルゲートフィン２４のさらに外側にはサイドプレート２５、２６が配設され、このサイドプレート２５、２６は最外側のコルゲートフィン２４およびタンク１８、１９に接合される。
【００２３】
さらに、熱交換用コア部２０の一部の部位に、偏平チューブ２３の代わりに、電気発熱体１５を設置している。図２の例では、熱交換用コア部２０の３箇所に電気発熱体１５を等間隔で設置している。具体的には、熱交換用コア部２０のうち、電気発熱体１５が設置される部位では、隣接するコルゲートフィン２４の折り曲げ頂部に、それぞれ偏平チューブ２３の長手方向に延びる平板状の金属製保持板（図示せず）を所定間隔を開けて接合し、この２枚の保持板の間に電気発熱体１５を組み付ける構造となっている。
【００２４】
なお、暖房用熱交換器１４の各部品はいずれもアルミニウムからなり、一体ろう付けにて接合され、このろう付け後に電気発熱体１５の組み付けを行う。
電気発熱体１５は、図示しない板状の発熱体素子と、この発熱体素子の表裏両面に配置された細長の平板状の電極板との３層サンドウイッチ構造を電気絶縁材で被覆した構造になっており、この電極板を介して外部回路に発熱体素子が電気的に接続される。そして、発熱体素子は所定の設定温度、すなわちキューリ点にて抵抗値が急増する正の抵抗温度特性を有する抵抗体材料（例えば、チタン酸バリウム）からなるＰＴＣヒータ素子である。また、３本の電気発熱体１５は車載電源（図１に示すバッテリ３０）に対して電気的に並列接続される。
【００２５】
次に、図１により３本の電気発熱体１５への通電を制御するための制御系を説明すると、空調用電子制御装置２７はマイクロコンピュータ等から構成されるものであり、予め設定されたプログラムに基づいて所定の演算処理を行って電気発熱体１５等への通電を制御する。電子制御装置２７の出力信号はリレー２８に加えられ、このリレー２８によって電気発熱体１５への通電が断続される。なお、図１では図示の簡略化のために、電気発熱体１５およびリレー２８を１つづつ示しているが、実際には３本の電気発熱体１５に対応して３個のリレー２８が設けられる。
【００２６】
また、電子制御装置２７には車両エンジン１０の運転を断続するイグニッションスイッチ２９を介して車載バッテリ３０から電源が供給される。この車載バッテリ３０にはオルタネータ（交流発電機）３１が接続され、このオルタネータ３１の出力電圧によりバッテリ３０が充電される。
一方、電子制御装置２７には次の各種センサ類からの信号が入力される。すなわち、水冷式車両エンジン１０の温水温度を検出する水温センサ３２、外気温を検出する外気温センサ３３、車載バッテリ３０の充電電圧に応じた信号を発生するバッテリ電圧センサ（バッテリ充電信号発生手段）３４、最大暖房状態の信号を発生する最大暖房スイッチ３５、および空調作動スイッチ（例えば、空調送風スイッチ）３６からの信号が電子制御装置２７に入力される。
【００２７】
上記最大暖房スイッチ３５は車両用空調装置が最大暖房状態にあるか否かに応じて開閉されるものである。例えば、車両用空調装置の温度調整方式が周知のエアミックスタイプである場合は、図３に示すように、暖房用熱交換器１４を通る暖房空気（温風）と、暖房用熱交換器１４のバイパス路３７を通る暖房空気（冷風）との風量割合を調整するエアミックスドア（温度調整手段）３８がバイパス路３７を全閉し、暖房用熱交換器１４への空気路を全開する２点鎖線位置３８ａに操作されている状態のとき、最大暖房スイッチ３５はオン状態となる。
【００２８】
なお、図３において、３９は内外気切替箱、４０は送風空気を冷却する冷房用熱交換器（蒸発器）、４１〜４３は吹出モード切替用ドア、４４はデフロスタ開口部、４５はフェイス開口部、４６はフット開口部である。
次に、上記構成において作動を説明する。まず、最初に、各機能部品による作動の概要を説明する。車室の暖房を行うときには、空調用送風機１７を作動させるとともに、温水弁１３を開弁させる。送風機１７の作動によって、暖房用熱交換器１４の偏平チューブ２３とコルゲートフィン２４との間の空隙部を暖房用空気が通過する。一方、車両用エンジン１０のウォータポンプ１２の作動によりエンジン１０からの温水が温水弁１３を介して暖房用熱交換器１４の入口パイプ２１より温水入口側タンク１８内に流入する。
【００２９】
そして、温水は、入口側タンク１８にて多数本の偏平チューブ２３に分配され、この偏平チューブ２３を並列に流れる間にコルゲートフィン２４を介して暖房用空気に放熱する。多数本の偏平チューブ２３を通過した温水は、温水出口側タンク１９に流入し、ここで集合され、出口パイプ２２から温水は熱交換器外部へ流出し、エンジン１０側に還流する。
【００３０】
一方、暖房時において、温水温度が低くて、電気発熱体１５を発熱させる必要があるときは、リレー２８をオンして電気発熱体１５に車載バッテリ３０の電圧を印加する。これにより、各電気発熱体１５が通電され発熱する。各電気発熱体１５の発熱は両側のコルゲートフィン２４に伝導されて、このコルゲートフィン２４から暖房用空気に放熱される。従って、温水の低温時でも暖房空気を速やかに加熱して即効暖房を行うことができる。
【００３１】
ここで、電気発熱体１５の発熱体素子は所定のキューリ点にて抵抗値が急増する正の抵抗温度特性を有するＰＴＣ素子であるから、周知のごとく、その発熱温度をキューリ点に自己制御する自己温度制御機能を備えている。
ところで、上記電気発熱体１５の発熱は、両側のコルゲートフィン７から偏平チューブ２３を介して偏平チューブ２３内の温水にも伝導される。この温水への伝熱量が増大すると、電気発熱体１５の発熱量を暖房空気の加熱のために有効利用できないので、電気発熱体１５の発熱による即効暖房性が損なわれることになる。
【００３２】
そこで、本実施形態では、即効暖房性の改善のために、空調装置全体としての作動制御を図４に示すごとく行っている。
図４の制御ルーチンは、車両エンジン１０のイグニッションスイッチ２９および空調作動スイッチ３６が投入されるとスタートし、ステップＳ１００にて各種センサ類からの信号読み込みを行い、次のステップＳ１１０にて最大暖房スイッチ３５からの信号に基づいて最大暖房状態かどうか判定する。
【００３３】
最大暖房状態であれば、次のステップＳ１２０にてバッテリ電圧センサ３４からの信号に基づいてバッテリ充電状態に余裕があるかどうか判定する。バッテリ充電状態に余裕があれば、次のステップＳ１３０にて外気温センサ３３からの信号に基づいて外気温が所定温度（例えば、１０°Ｃ）以下であるかどうか判定する。
【００３４】
この判定は車両環境が暖房の必要性の高い寒冷時にあるかどうかを判定するものであるため、設定温度は例えば、１０°Ｃという低めの温度とする。そして、外気温が寒冷時のように１０°Ｃ以下であれば、次のステップＳ１４０にて水温センサ３２からの信号に基づいて水温が第１所定温度（例えば、８０°Ｃ）以下であるかどうか判定する。水温が８０°Ｃ以下であれば、次のステップＳ１５０にてリレー２８をオンして電気発熱体１５に通電する。
【００３５】
そして、次のステップＳ１６０にて、再度、水温の判定を行う。すなわち、水温が第２所定温度（例えば、３５°Ｃ）以下であるかどうか判定する。ここで、第２所定温度は、暖房感が得られる温度まで空気を温水により加熱することができる最低温度であり、本例ではこの観点から３５°Ｃとしている。水温が３５°Ｃ以下であれば、次のステップＳ１７０にて送風機１７を作動させるとともに、温水弁１３を閉弁する。
【００３６】
このように、電気発熱体１５の発熱時に温水の温度が低いときは、温水弁１３を閉弁することにより、暖房用熱交換器１４に低温の温水が流通することを阻止できるので、電気発熱体１５の発熱が熱の良導体（アルミニウム）である偏平チューブ２３を通して低温の温水に奪われるのを効果的に防止できる。
図５は空調作動スイッチ３６の投入後の経過時間を横軸にとり、縦軸に電気発熱体１５の消費電力、送風機１７の駆動モータ印加電圧、温水弁１３の開度、およびエンジン水温をとったものである。
【００３７】
水温が上記第２所定温度（例えば、３５°Ｃ）以下の低温域にある場合に、温水弁１３を全閉するとともに、送風機１７の駆動モータ印加電圧を図５に示すように、水温の低下につれて低下させている。従って、送風機１７の風量も水温の低下につれて低下させることができ、この風量制御により、特にエンジン始動直後の低水温時でもストーブ比（＝暖房能力／風量）を高めることができるので、暖房初期から乗員に与える暖房感を高めることができる。
【００３８】
換言すると、エンジン始動直後の低水温時において、電気発熱体１５の発熱（例えば、消費電力：１ＫＷ）のみで乗員の暖房感を確保するためには、風量を少量（空調装置の風量レベルのＬｏまたはＭｅ相当）に設定して、車室内への吹出空気温度を高めることが有効である。
一方、図４のステップＳ１１０、Ｓ１３０での判定がＮ０のときは、必要暖房能力が小さくてよいときであるので、ステップＳ１８０に進み、電気発熱体１５の通電を遮断する。また、ステップＳ１２０でバッテリ充電状態に余裕がないと判定されたときも、車載バッテリ３０の過放電防止のために、電気発熱体１５の通電を遮断する。
【００３９】
そして、ステップＳ１８０からステップＳ１９０に進み、送風機１７の通常の作動制御を行うとともに、温水弁１３を開弁させる。ここで、送風機１７の通常の作動制御とは、水温が所定温度（例えば、３５°Ｃ）以下であるときは、送風機１７を停止して、車室内への冷風の吹出を防止し、水温が所定温度（例えば、３５°Ｃ）に到達すると、送風機１７をＬｏレベルの風量で始動させ、水温が所定温度（例えば、６０°Ｃ）に上昇するまで、徐々に風量を増大させ、その後は、車室内への必要吹出温度（ＴＡＯ）に応じて風量を変化させる。
【００４０】
また、ステップＳ１６０の判定で、水温が３５°Ｃ以上であるときも、ステップＳ１９０に進み、送風機１７の通常の作動制御を行う。この場合は、水温が３５°Ｃ以上であるため、送風機１７の停止状態はなく、送風機１７はＬｏレベル以上の風量で作動する。
（他の実施形態）
なお、上記の実施形態では、電気発熱体１５の通電時において、温水（熱源流体）の温度が所定温度以下であるときには、温水弁１３を全閉して、暖房用熱交換器１４への熱源流体の流通を阻止しているが、温水弁１３を完全な全閉状態とせずに、温水弁１３を少開度だけ開いて、暖房用熱交換器１４への温水流量を、減少させるようにしてもよい。
【００４１】
また、上記の実施形態では、図１の制御ブロック図に示すように最大暖房スイッチ３５を備えているが、車室内への吹出空気温度を自動制御する場合には、電子制御装置２７において、温度調整部材（エアミックスドア３８等）の位置を自動制御するための位置信号を演算処理するので、この位置信号から最大暖房状態を判定するようにすれば、最大暖房スイッチ３５を廃止できる。
【００４２】
また、暖房用熱交換器１４に循環する熱源流体としては、温水に限らず、エンジンオイル等の油類であってもよいことはもちろんである。
また、暖房用熱交換器１４に電気発熱体１５を一体化する場合に電気発熱体１５の設置形態を図１の形態に限らず、暖房用熱交換器１４の仕様の変化等に対応して種々変更し得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における暖房用熱交換器を含む温水回路と電気制御系統を含む全体システム図である。
【図２】図１の暖房用熱交換器の正面図である。
【図３】本発明の一実施形態における空調装置通風系の概略断面図である。
【図４】本発明の一実施形態における電気制御のフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態における作動説明図である。
【符号の説明】
１０…車両エンジン、１４…暖房用熱交換器、１５…電気発熱体、
１７…送風機、２７…電子制御装置、３０…車載バッテリ、３２…水温センサ、３３…外気温センサ、３４…バッテリ電圧センサ、３５…最大暖房スイッチ。

Claims

熱源流体が流通するチューブ（２３）を有し、車室内に吹き出される空気を前記熱源流体により加熱する暖房用熱交換器（１４）と、
前記暖房用熱交換器（１４）に一体に設けられ、車室内に吹き出される空気を加熱する電気発熱体（１５）と、
前記暖房用熱交換器（１４）に送風する送風機（１７）と、
前記暖房用熱交換器（１４）に流通する前記熱源流体の流れを制御する弁手段（１３）と、
前記熱源流体の温度を検出する温度センサ（３２）と、
前記温度センサ（３２）の検出信号が入力され、前記弁手段（１３）の開度を制御する制御装置（２７）とを備え、
前記電気発熱体（１５）の通電時において、前記熱源流体の温度が所定温度以下であるときは、前記制御装置（２７）により前記弁手段（１３）の開度を少開度に制御して、前記暖房用熱交換器（１４）への前記熱源流体の流量を前記熱源流体の温度が前記所定温度を越えるときよりも減少させて、前記送風機（１７）を作動させることを特徴とする車両用空調装置。
前記熱源流体の温度が所定温度以下であるときに、前記熱源流体の温度が低下するにつれて、前記送風機（１７）の風量を減少させることを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置。
前記熱源流体の温度が前記所定温度より高い高温側の所定温度より高いときは、前記電気発熱体（１５）への通電を遮断することを特徴とする請求項１または２に記載の車両用空調装置。
外気温を検出する外気温センサ（３３）を有し、この外気温センサ（３１）の検出信号に基づいて外気温が所定値以上であるときは、前記電気発熱体（１５）への通電を遮断することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の車両用空調装置。
車室内への吹出温度を調整する温度調整手段（３８）を備え、
前記制御装置（２７）は、この温度調整手段（３８）が最大暖房状態にあることを判定する判定手段（Ｓ１１０）を有し、
この判定手段（Ｓ１１０）にて前記温度調整手段（３４）が最大暖房状態にないと判定されたときは、前記電気発熱体（１５）への通電を遮断することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の車両用空調装置。
前記電気発熱体（１５）に通電するための電源をなす車載バッテリ（３０）の充電状態に応じた信号を発生するバッテリ充電信号発生手段（３４）を有し、
前記制御装置（２７）が、このバッテリ充電信号発生手段（３４）の発生信号に基づいて前記車載バッテリ（３０）の充電状態に余裕がないと判定したときに、前記電気発熱体（１５）への通電を遮断することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の車両用空調装置。
前記暖房用熱交換器（１４）が車両エンジン（２０）の温水回路（１１）に設けられ、前記熱源流体として前記車両エンジン（２０）からの温水が前記暖房用熱交換器（１４）に循環するようになっていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の車両用空調装置。