JP4082191B2 - 空調装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調装置に関するもので、車両用空調装置に適用して有効である。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
通常、車両用空調装置は、室内に吹き出す空気を冷却する冷却専用の熱交換器、及び室内に吹き出す空気を加熱する加熱専用の熱交換器を有し、冷却専用熱交換器を加熱専用熱交換器より空気流れ上流側に配置して、冷却専用熱交換器を通過して加熱専用熱交換器を迂回して流れる冷風と冷却専用熱交換器及び加熱専用熱交換器を通過する温風との風量割合を調節することにより車室内に吹き出す空気の温度を制御するエアミックス方式が採用されている。
【0003】
なお、他の方式としては、通過した空気の全量を加熱専用熱交換器を通過させるとともに、加熱専用熱交換器の加熱能力を調節することにより車室内に吹き出す空気の温度を制御するリヒート方式がある。
【0004】
ところで、空調装置にて室内に吹き出す空気を除湿する場合には、通常、室内に吹き出す空気の温度を冷却用の熱交換器にて露点以下まで低下させて空気中の水分を凝縮させるが、例えば秋や冬等の外気温度が低いときに空気温度を露点以下まで低下させると、吹出空気温度が下がりすぎるため、露点以下まで低下した空気を加熱用の熱交換器にて加熱する必要がある。
【0005】
しかし、空調装置を小型にすべく、冷却用の熱交換器と加熱用の熱交換器とを近接させると、冷却用の熱交換器で発生した凝縮水が、室内に吹き出す空気の流れによって吹き飛ばされて加熱用の熱交換器にかかってしまうおそれが高い。
【0006】
そして、冷却用の熱交換器で発生した凝縮水が吹き飛ばされて加熱用の熱交換器にかかってしまうと、凝縮水が加熱用の熱交換器にて加熱されて蒸発し、その蒸発した水分が室内に吹き出す空気と共に室内に供給されてしまうので、実質的に室内を除湿することができなくなるおそれがある。
【0007】
また、車両用空調装置においては、高い湿度を有する空気が車室内に供給されると、外気温度が低いときには窓ガラスが曇り、十分な視界を確保することができなくなるおそれがある。
【0008】
本発明は、上記点に鑑み、第1には、従来と異なる新規な空調装置を提供し、第2には、冷却用の熱交換器で発生した凝縮水が加熱用の熱交換器にかかってしまうことを防止して冷却用の熱交換器と加熱用の熱交換器とを近接配置し、空調装置の小型化を図ることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明では、室内に吹き出す空気が流れる空調ケーシング(1)と、空調ケーシング(1)内に収納され、室内に吹き出す空気を冷却する第1熱交換器(3)と、空調ケーシング(1)内のうち第1熱交換器(3)より空気流れ下流側に収納され、室内に吹き出す空気を加熱することができる第2熱交換器(4)とを有し、第1熱交換器(3)は、空気流れに対して直列に配置された複数個の熱交換部(3a、3b)を有して構成され、さらに、第1熱交換器(3)は、第1熱交換器(3)に供給される冷却用の媒体が、空気流れ上流側に配置された熱交換部(3a)から空気流れ下流側に配置された熱交換部(3b)に向けて流れるように構成され、冷却用の媒体として、第1熱交換器(3)内で相変化することなく、吸熱量に略比例して温度上昇する媒体が採用されていることを特徴とする。
【0010】
これにより、上流側の熱交換部(3a)の温度は、下流側の熱交換部(3b)の温度より低くなる。このため、第1熱交換器(3)で発生する凝縮水の多くは、上流側の熱交換部(3a)で発生するため、室内に吹き出す空気の流れによって吹き飛ばされる凝縮水の多くは、上流側の熱交換部(3a)から飛散して下流側の熱交換部(3b)にかかる。
【0011】
したがって、第1熱交換器(3)で発生した凝縮水が第2熱交換器(4)にかかってしまうことを防止できるので、冷却用の熱交換器である第1熱交換器(3)と加熱用の熱交換器である第2熱交換器(4)とを近接配置することができ、空調装置の小型化を図ることができる。
【0012】
さらに、冷却用の媒体として、第1熱交換器(3)内で相変化することなく、吸熱量に略比例して温度上昇する媒体を採用している。
【0013】
これにより、上流側の熱交換部(3a)と下流側の熱交換部(3b)との温度差を大きくすることができるので、より多くの凝縮水を上流側の熱交換部(3a)で発生させることができ、第1熱交換器(3)で発生した凝縮水が第2熱交換器(4)にかかってしまうことを確実に防止できる。
請求項2に記載の発明では、冷却用の媒体は、水であることを特徴とするものである。
【0014】
請求項3に記載の発明では、冷却用の媒体は、吸着剤が気相冷媒を吸着する作用を利用して冷媒を蒸発させ、その蒸発潜熱により冷凍能力を発揮する吸着式冷凍機により生成されることを特徴とするものである。
【0015】
請求項4に記載の発明では、請求項3に記載の空調装置にて構成された車両用空調装置であって、吸着式冷凍機は、車両で発生する廃熱により稼動することを特徴とするものである。
【0016】
因みに、上記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一例である。
【0017】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
本実施形態は、本発明に係る空調装置をリヒート式の車両用空調装置に適用したものであって、図1、2は本実施形態に係る空調装置(空調ユニット)の模式図である。
【0018】
図1中、空調ケーシング1は室内に吹き出される空気が流れるダクト手段であり、空気流れ最上流側には、室内又は室外から空気を吸引して室内に空気を送風する遠心式の送風機2が設けられている。
【0019】
なお、本実施形態では、空調ケーシング1(空調ユニット)は、車両床下又はシート下に搭載されている。
【0020】
また、空調ケーシング1の空気流れ最下流側は、乗員の上半身側に向けて空気を吹き出すフェイス吹出口、乗員の下半身側に向けて空気を吹き出すフット吹出口、及び窓ガラスに向けて空気を吹き出すデフロスタ吹出口等に連通しているとともに、吹出モード、つまり空気を吹き出させる吹出口を切り替える吹出モード切換装置が設けられている。
【0021】
また、空調ケーシング1内のうち、送風機2より空気流れ下流側であって、吹出モード切換装置より上流側には、室内に吹き出す空気と熱媒体とを熱交換する第1、2熱交換器3、4が収納されており、空気流れ上流側に収納された第1熱交換器3は、主に室内に吹き出す空気を冷却する熱交換器であり、空気流れ下流側に収納された第2熱交換器4は、主に室内に吹き出す空気を加熱する熱交換器である。
【0022】
そして、第1熱交換器3は、空気流れに対して直列に配置された複数個(本実施形態では、2個)の熱交換部3a、3bを有し、かつ、第1熱交換器3に供給される冷却用の媒体が、空気流れ上流側に配置された熱交換部3aから空気流れ下流側に配置された熱交換部3bに向けて流れるように構成されている。
【0023】
また、第1熱交換器3に供給される冷却用の熱媒体は、本実施形態では、吸着式冷凍機により生成(冷却)された流体で、第1熱交換器3に流入した熱媒体は、第1熱交換器3内で相変化することなく、室内吹き出す空気から吸熱しながら吸熱量に略比例して温度が上昇してそのエンタルピを上昇させる。
【0024】
なお、吸着式冷凍機とは、吸着剤が気相冷媒を吸着する作用を利用して冷媒を蒸発させ、その蒸発潜熱により冷凍能力を発揮するもので、その詳細は後述する。
【0025】
一方、第2熱交換器4に供給される加熱用の熱媒体は、エンジン冷却水、つまりエンジンにて過熱された熱媒体であり、本実施形態では、両熱交換器3、4に供給される熱媒体を同一のものとしている。
【0026】
因みに、熱媒体は水(エチレングリコール等の不凍液が混合されたものも含む。)であり、走行用駆動源をなすエンジン(内燃機関)を冷却するエンジン冷却水と同じ流体である。
【0027】
次に、吸着式冷凍機10について図3を用いて述べる。
【0028】
吸着剤は、吸着剤の関係湿度、つまり吸着剤表面の相対湿度に応じた量の冷媒(本実施形態では、水)を吸着するものである。このため、吸着剤を加熱すると関係湿度が低下するため吸着していた冷媒を脱離放出し、吸着剤を冷却すると関係湿度が上昇するため雰囲気中の冷媒を吸着する。
【0029】
なお、吸着剤が冷媒(水蒸気)を吸着する際には、凝縮熱相当の吸着熱が発生するので、吸着剤の吸着能力を維持するには、吸着剤を冷却しながら冷媒を吸着させる必要がある。
【0030】
因みに、本実施形態では、吸着剤としてシリカゲルを用いていたが、活性アルミナ、活性炭、ゼオライト、モレキュラーシービングカーボン等を用いてもよいことは言うまでもない。
【0031】
室外熱交換器11は吸着器12内を循環した熱媒体と室外空気とを熱交換する熱交換器であり、吸着していた冷媒を脱離放出させる際には、エンジン等の車両で発生した熱(本実施形態では、エンジン冷却水)を吸着器12内に循環させる。なお、切換弁V1〜V4は熱媒体の循環経路を切り換えるものである。
【0032】
また、吸着器12は、内部が略真空に保たれた状態で冷媒(本実施形態では、水)が封入されたステンレス(本実施形態では、SUS304)製のケーシング12a、熱媒体とケーシング12a内の冷媒との間で熱交換を行う蒸発/凝縮コアをなす第1熱交換器12b、及び吸着剤を冷却又は加熱する吸着コアをなす第2熱交換器12cから等から構成されている。
【0033】
次に、吸着式冷凍機10の概略作動を述べる。
【0034】
先ず、切換弁V1〜V4を図3の実線に示すように作動させて、第1吸着器12の第1熱交換器12bと第1熱交換器3との間、第1吸着器12の第2熱交換器12cと室外熱交換器11との間、並びに第2吸着器12の第1熱交換器と室外熱交換器11との間、第2吸着器12の第2熱交換器12cとエンジンとの間に熱媒体を循環させる。
【0035】
これにより、第1吸着器12が吸着工程となり、第2吸着器12が脱離工程となるので、第1吸着器12で発生した冷凍能力により室内に吹き出す空気が冷却され、第2吸着器12にて吸着剤の再生が行われる。
【0036】
つまり、この状態(以下、第1状態と呼ぶ。)では、第1吸着器12の第1熱交換器12bは液相冷媒を蒸発させて冷凍能力を発生させる蒸発器として機能し、第1吸着器12の第2熱交換器12cは吸着剤を冷却する冷却器として機能し、第2吸着器12の第1熱交換器12bは吸着剤から脱離した水蒸気を冷却する凝縮器として機能し、第2吸着器12の第2熱交換器12cは吸着剤を加熱する加熱器として機能する。
【0037】
そして、第1状態で所定時間(本実施形態では、60秒〜100秒)が経過したときに、切換弁V1〜V4を図3の破線に示すように作動させて、第2吸着器12の第1熱交換器12bと第1熱交換器3との間、第2吸着器12の第2熱交換器12cと室外熱交換器11との間、並びに第1吸着器12の第1熱交換器と室外熱交換器11との間、第1吸着器12の第2熱交換器12cとエンジンとの間に熱媒体を循環させる。
【0038】
これにより、第2吸着器12が吸着工程となり、第1吸着器12が脱離工程となるので、第2吸着器12で発生した冷凍能力により室内に吹き出す空気が冷却され、第1吸着器12にて吸着剤の再生が行われる。
【0039】
つまり、この状態(以下、第2状態と呼ぶ。)では、第2吸着器12の第1熱交換器12bは液相冷媒を蒸発させて冷凍能力を発生させる蒸発器として機能し、第2吸着器12の第2熱交換器12cは吸着剤を冷却する冷却器として機能し、第1吸着器12の第1熱交換器12bは吸着剤から脱離した水蒸気を冷却する凝縮器として機能し、第1吸着器12の第2熱交換器12cは吸着剤を加熱する加熱器として機能する。
【0040】
そして、第2状態で所定時間が経過したとき、切換弁V1〜V4作動させて再び第1状態とする。このように、第1状態及び第2状態を所定時間毎に交互に繰り返して、空調装置を連続的に稼働させる。
【0041】
なお、所定時間は、ケーシング12a内に存在する液相冷媒の残量や吸着剤の吸着能力等に基づいて適宜選定されるものである。
【0042】
次に、空調装置の作動について述べる。
【0043】
1.最大冷房運転(クールダウン)
目標吹出温度TAOが第1所定値より小さくなったとき、又は乗員が手動操作にて最大冷房運転を選択したときには、図4(a)に示すように、図示しない温水バルブを閉じて第2熱交換器4への熱媒体(温水)供給を停止した状態で、第1熱交換器3に吸着式冷凍機で生成された温度の低い熱媒体を供給する。
【0044】
因みに、目標吹出温度TAOとは、乗員が設定した希望室内温度や室内温度などに基づいて決定される制御パラメータを成すもので、目標吹出温度TAOが小さくなるほど大きな冷房能力が必要であるとみなされ、逆に目標吹出温度TAOが大きくなるほど大きな暖房能力が必要であるとみなされる。
【0045】
そして、本実形態では、目標吹出温度TAOに基づいて最大冷房運転(クールダウン)や温度コントロール運転等の運転モード、エアミックスドア5の開度及び吹出モード等が自動制御される。
【0046】
2.温度コントロールモード(除湿暖房運転)
目標吹出温度TAOが第1所定値より大きく、かつ、第1所定値より大きい第2所定値以下となったとき、又はデフロスタ吹出モード等の曇り除去運転が手動操作にて選択された場合等には、図4(b)に示すように、温水バルブを開いて第2熱交換器4へ熱媒体(温水)を供給した状態で、第1熱交換器3に吸着式冷凍機で生成された温度の低い熱媒体を供給する。
【0047】
これにより、第1熱交換器3にて除湿冷却された空気が第2熱交換器4にて所定温度まで加熱されて室内に吹き出される。なお、室内に吹き出す空気の温度は、温水バルブにて第2熱交換器4での加熱能力を調節することにより行う。
【0048】
3.(除湿不要)暖房運転
目標吹出温度TAOが第2所定値より大きくなったとき、又はや最大暖房運転が手動操作にて選択された場合等には、図4(c)に示すように、吸着式冷凍機10を停止して第1熱交換器3への熱媒体の供給を停止した状態で、温水バルブを開いて第2熱交換器4へ熱媒体(温水)を供給する。
【0049】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【0050】
第1熱交換器3に供給される冷却用の媒体は、空気流れ上流側に配置された熱交換部3aから空気流れ下流側に配置された熱交換部3bに向けて流れるので、上流側の熱交換部3aの温度(例えば、5℃)は、下流側の熱交換部3bの温度(例えば、8℃)より低くなる。
【0051】
このため、第1熱交換器3で発生する凝縮水の多くは、上流側の熱交換部3aで発生するため、室内に吹き出す空気の流れによって吹き飛ばされる凝縮水の多くは、上流側の熱交換部3aから飛散して下流側の熱交換部3bにかかる。
【0052】
したがって、第1熱交換器3で発生した凝縮水が第2熱交換器4にかかってしまうことを防止できるので、冷却用の熱交換器である第1熱交換器3と加熱用の熱交換器である第2熱交換器4とを近接配置することができ、空調装置の小型化を図ることができる。
【0053】
(第2実施形態)
第1実施形態では、第2熱交換器4は加熱専用の熱交換器であったが、本実施形態は、図5に示すように、吸着式冷凍機で生成された温度の低い(例えば、約5℃)熱媒体を第2熱交換器4に供給する場合と、エンジンにて加熱された温度の高い(例えば、90℃)熱媒体を第2熱交換器4に供給する場合とは切替弁V5を設けて、図6に示すように、最大冷房運転には、第2熱交換器4にも吸着式冷凍機で生成された温度の低い熱媒体を供給して冷房能力を強化したものである。
【0054】
なお、図6では、吸着式冷凍機で生成された温度の低い熱媒体を第1熱交換器3と第2熱交換器4とに並列分配供給しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば第2熱交換器4を流出した熱媒体が第1熱交換器3に流れ込むように熱媒体が直列供給してもよい。
【0055】
(第3実施形態)
上述の実施形態では、2つの熱交換部3a、3bを独立した熱交換器にて構成していたが、本実施形態は、図7に示すように、2つの熱交換部3a、3bを一体化して1つの熱交換器が複数個の熱交換部3a、3b有すようにしたものである。
【0056】
(その他の実施形態)
上述の実施形態では、冷却用の熱媒体を吸着式冷凍機により生成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば蒸気圧縮式冷凍機にて生成してもよい。
【0057】
また、蒸気圧縮式冷凍機にて冷房能力を生成する際には、第1熱交換器3及び第2熱交換器4に直接、フロン等の冷媒を循環させてもよい。なお、この場合、温度コントロールモード時においては、蒸気圧縮式冷凍機の高圧冷媒を第2熱交換器4に供給して空気を加熱することが望ましい。
【0058】
さらに、蒸気圧縮式冷凍機にて冷房能力を生成する際には、第1熱交換器3内で熱媒体、つまり冷媒が相変化して下流側の熱交換部3bにて上述の実施形態より多量の凝縮水が発生するので、第1熱交換器3と第2熱交換器4との距離を上述の実施形態より大きくすることが望ましい。
【0059】
また、上述の実施形態では、車両で発生する廃熱として、エンジン冷却水を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば燃料電池自動車等電気自動車では、燃料電池又は電動モータから発生する廃熱により室内に吹き出す空気を加熱する、又は吸着式冷凍機を稼動させる等してもよい。
【0060】
また、上述の実施形態では、空調ケーシング1を床下等に搭載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、トランクルームや計器盤下方側等に搭載してもよいことは言うまでもない。
【0061】
また、上述の実施形態では、2つの熱交換部3a、3bを有しているので、第1熱交換器3にて熱媒体は巨視的に1度Uターンしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば第1熱交換器3を3以上の熱交換部にて構成して第1熱交換器3にて熱媒体を巨視的にWターンさせてもよい。
【0062】
また、上述の実施形態では、リヒート式の空調装置であったが、エアミックス式としてもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る空調装置(空調ユニット)の模式図である。
【図2】本発明の第1実施形態に係る空調装置(空調ユニット)の模式図である。
【図3】本発明の第1実施形態に係る吸着式冷凍機の模式図である。
【図4】本発明の第1実施形態に係る空調装置の作動説明図である。
【図5】本発明の第2実施形態に係る吸着式冷凍機の模式図である。
【図6】本発明の第2実施形態に係る空調装置の作動説明図である。
【図7】本発明の第3実施形態に係る空調装置の作動説明図である。
【符号の説明】
1…空調ケーシング、2…送風機、3…第1熱交換器、
3a、3b…熱交換部、4…第2熱交換器
Claims (4)
- 室内に吹き出す空気が流れる空調ケーシング(1)と、
前記空調ケーシング(1)内に収納され、室内に吹き出す空気を冷却する第1熱交換器(3)と、
前記空調ケーシング(1)内のうち前記第1熱交換器(3)より空気流れ下流側に収納され、室内に吹き出す空気を加熱することができる第2熱交換器(4)とを有し、
前記第1熱交換器(3)は、空気流れに対して直列に配置された複数個の熱交換部(3a、3b)を有して構成され、
さらに、前記第1熱交換器(3)は、前記第1熱交換器(3)に供給される冷却用の媒体が、空気流れ上流側に配置された前記熱交換部(3a)から空気流れ下流側に配置された前記熱交換部(3b)に向けて流れるように構成され、
前記冷却用の媒体として、前記第1熱交換器(3)内で相変化することなく、吸熱量に略比例して温度上昇する媒体が採用されていることを特徴とする空調装置。 - 前記冷却用の媒体は、水であることを特徴とする請求項1に記載の空調装置。
- 前記冷却用の媒体は、吸着剤が気相冷媒を吸着する作用を利用して冷媒を蒸発させ、その蒸発潜熱により冷凍能力を発揮する吸着式冷凍機により生成されることを特徴とする請求項1または2に記載の空調装置。
- 請求項3に記載の空調装置にて構成された車両用空調装置であって、
前記吸着式冷凍機は、車両で発生する廃熱により稼動することを特徴とする車両用空調装置。
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