JP6043762B2 - 自動車用車室空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の車室内の空調を行う自動車用車室空調装置に関する。

自動車用車室空調装置としては、例えば、圧縮機と、第１熱交換器と、膨張弁と、第２熱交換器とを備えた空調装置がある。
冷房運転時には、圧縮機により圧縮された熱媒体を第１熱交換器で凝縮させ、膨張弁により減圧して第２熱交換器で気化させて圧縮機に戻す。暖房運転時には、圧縮機により圧縮された熱媒体を第２熱交換器で凝縮させ、膨張弁により減圧して第１熱交換器で気化させて圧縮機に戻す。
第２熱交換器において熱媒体との熱交換により温度調整（冷却または加熱）された空気は、車室前部の吹出口から吹き出され、車室内に供給される。

前記空調装置では、吹出口が車室前部にあるため、温度調整された空気が車室後部には十分に供給されず、車室後部の気温に過不足が生じ、後部座席での快適性が損なわれることがある。
後部座席の搭乗者の要求を満たすために空気の温度を調整したり吹出量を多くした場合には、車室前部の気温に過不足が生じ、前部座席での快適性が損なわれることがある。
このため、車室の前部および後部の両方を快適な温度に調整するのは難しかった。

この問題を解決可能な空調装置としては、例えば、特許文献１に記載された空調装置がある。
この空調装置は、空調ユニットと、床部等に設けられた風路とを備えている。車室の天井の中央部には風路からの空気を供給する上部吹出口が形成され、車室の前部および後部には風路からの空気を供給する下部吹出口が形成されている。
この空調装置は、温度調整された空気を上部吹出口および下部吹出口から車室の前部および後部に供給するため、車室の前部と後部の気温を適正化することができる。

特開２００１−０３９１４９号公報

前記空調装置においては、温度調整された空気の通路となる風路は車室の床部等に設けられる。風路は、通気量を確保するには大きな断面積が必要であるため、設置スペースが大きくなることは避けられなかった。
このため、風路の設置スペースは車室の床部等の設計における制約となっており、このような設計上の制約が少ない空調装置が要望されていた。
本発明は、前記事情に鑑み、車室内の広い範囲で気温を適正化することができ、かつ車室の設計の自由度の点で優れた自動車用車室空調装置を提供する。

本発明の一態様は、自動車の車室内の空調を行う自動車用車室空調装置であって、第１熱媒体が流通する第１熱媒体経路と、第２熱媒体が流通する第２熱媒体経路と、を備え、前記第１熱媒体経路は、前記第１熱媒体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記第１熱媒体が導入される凝縮器と、前記第１熱媒体を減圧し膨張させる膨張弁と、前記膨張弁で膨張された前記第１熱媒体が導入される蒸発器と、を備え、前記第２熱媒体経路は、前記第１熱媒体経路との間で熱の授受を行う伝熱用熱交換器と、前記伝熱用熱交換器から離れて設置された空調ユニットと、前記伝熱用熱交換器と前記空調ユニットとの間で前記第２熱媒体を導くヒートパイプからなる熱輸送路と、を有し、前記伝熱用熱交換器は、前記第２熱媒体が、前記凝縮器または前記蒸発器内の第１熱媒体と熱交換可能となるよう構成され、前記空調ユニットは、前記第２熱媒体が流通する空調用熱交換器と、第２空調用空気を前記空調用熱交換器において前記第２熱媒体と熱交換させて前記車室内に送る第２送風機とを備え、前記熱輸送路は、長手方向に沿って液体の前記第２熱媒体が毛細管現象により浸透するウィック構造または溝が形成され、かつ、長手方向に沿って気体の前記第２熱媒体が流れる空間が確保され、前記第１熱媒体経路は、第１空調用空気を、前記凝縮器または前記蒸発器において前記第１熱媒体と熱交換させて前記車室内に送る第１送風機をさらに備え、前記第１送風機は、前記車室内において、前記第２送風機による前記第２空調用空気の供給箇所とは異なる箇所から前記第１空調用空気が供給されるように設置されている自動車用車室空調装置を提供する。
前記第１送風機は、前記車室の前部から前記第１空調用空気が前記車室に供給されるように設置され、前記第２送風機は、前記車室の後部に前記第２空調用空気が供給されるように設置されていることが好ましい。

本発明の態様によれば、伝熱用熱交換器と、伝熱用熱交換器から離れて設置された空調用熱交換器と、これらを互いに接続する熱輸送路とを有する第２熱媒体経路によって、車室内の任意の箇所（例えば車室の後部）に、直接、第２空調用空気を供給することができる。このため、当該箇所に適正な温度の第２空調用空気を十分に供給し、当該箇所における気温を適正化できる。
さらに、本発明の態様によれば、熱輸送路に、細径とすることが容易なヒートパイプが用いられているため、空調用空気を風路（ダクト）により導く構造の空調装置に比べ、車室の床部等における省スペース化を図ることができる。
ヒートパイプは、曲げ箇所があっても第２熱媒体の流通には支障がないため、風路（ダクト）に比べて曲げの自由度が高い。このため、車室の設計における制約を少なくできる。
従って、車室内の広い範囲の気温を適正化することができ、かつ車室の設計の自由度を高めることができる。

（Ａ）本発明の実施形態の自動車用車室空調装置を備えた自動車を示す概略図。（Ｂ）（Ａ）に示す自動車用車室空調装置を示す概略図。 図１の空調装置の第２熱媒体経路を示す概略図。 図２の第２熱媒体経路の熱輸送路の構造を示す概略図。

以下、本発明の一実施形態に係る自動車用車室空調装置を、図面を参照して説明する。
図１（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る自動車用車室空調装置（以下、空調装置という）１０を備えた自動車２０を示す概略図である。図１（Ｂ）は、空調装置１０を示す概略図である。図２は、空調装置１０の第２熱媒体経路２を示す概略図である。図３は、第２熱媒体経路２の熱輸送路１５の構造の一例を示す概略図である。
なお、図１（Ａ）、図１（Ｂ）および図２では、左方が前方であり、右方が後方である。

図１および図２に示すように、空調装置１０は、自動車２０の車室２１内の空調を行う空調装置であって、第１熱媒体１１が流通する第１熱媒体経路１と、第２熱媒体１２が流通する第２熱媒体経路２とを備えている。

第１熱媒体経路１は、第１熱媒体１１を圧縮する圧縮機３と、室外側熱交換器４と、第１熱媒体１１を減圧し膨張させる膨張弁５と、第１空調ユニット６と、これらを順次接続する環状の熱媒体配管９とを有する。
圧縮機３は、自動車２０の駆動源であるエンジン２２によって、第１熱媒体１１を吸入し圧縮して吐出することができる。
なお、圧縮機３の駆動源はエンジン２２に限らず、モータ等であってもよい。

室外側熱交換器４は、熱媒体２４が流通する循環経路２５を介してラジエータ２６と接続されている。
室外側熱交換器４では、ラジエータ２６で冷却または加熱された熱媒体２４との熱交換により、第１熱媒体１１を冷却または加熱することができる。
膨張弁５は、弁開度の調整により第１熱媒体１１を減圧し膨張させることができる減圧手段（圧力調整手段）である。

第１空調ユニット６は、室内側熱交換器７（第１空調用熱交換器）と、第１空調用空気３１を室内側熱交換器７で第１熱媒体１１と熱交換させて車室２１内に送る第１ファン８（第１送風機）とを有する。
室内側熱交換器７は、熱媒体配管９の一部である熱媒体配管９Ａの外周面に、放熱または吸熱のための複数の薄板状のフィン７ａが設けられた構造とすることができる。フィン７ａは、アルミニウム、ステンレス鋼、銅などの金属で構成することができる。
なお、室内側熱交換器７の放熱構造（または吸熱構造）は薄板状のフィンに限らない。第１熱媒体１１と第１空調用空気３１との熱交換が可能であれば、その他の構造（棒状の放熱体を有する構造など）を採用してもよい。

図２に示すように、室内側熱交換器７の熱媒体配管９Ａは、直線部と折返し部とを有する蛇行構造とすることができる。詳しくは、熱媒体配管９Ａは、第１直線部９ａと第２直線部９ｂの一方側の端部同士が第１折返し部９ｄで互いに連結され、第２直線部９ｂと第３直線部９ｃの他方側の端部同士が第２折返し部９ｅで互いに連結された構造を有する。
第１〜第３直線部９ａ〜９ｃは互いに並列して配置されている。各フィン７ａは、直線部９ａ〜９ｃに接して形成されている。
室内側熱交換器７では、熱媒体配管９Ａが蛇行構造とされているため、フィン７ａとの間の熱移動の効率を高めることができる。
なお、室内側熱交換器７の熱媒体配管９Ａは蛇行構造に限らず、直線的な構造としてもよい。

第１空調ユニット６は、車室２１の前部、例えばダッシュボードの内側に設けることができる。第１空調ユニット６は、車室２１の前部に設けられた吹出口から車室２１内に第１空調用空気３１を供給できる。

第１熱媒体経路１は、圧縮機３、室外側熱交換器４、膨張弁５、室内側熱交換器７が環状の熱媒体配管９を介して接続されることにより、全体として環状に構成されている。
熱媒体配管９は、圧縮機３と室外側熱交換器４、室外側熱交換器４と膨張弁５、膨張弁５と室内側熱交換器７、室内側熱交換器７と圧縮機３、をそれぞれ互いに接続している。

第２熱媒体経路２は、第２熱媒体１２が流通する伝熱用熱交換器１３と、伝熱用熱交換器１３から離れて設置された第２空調ユニット１４と、伝熱用熱交換器１３と第２空調ユニット１４とを互いに接続する熱輸送路１５とを有する。

伝熱用熱交換器１３は、熱輸送路１５のうち一端部１５ａに近い部分（熱輸送路１５Ａ）の外周面に、放熱または吸熱のための複数の薄板状のフィン１３ａが設けられた構造とすることができる。フィン１３ａは、アルミニウム、ステンレス鋼、銅などの金属で構成することができる。
なお、伝熱用熱交換器１３の放熱構造（または吸熱構造）は薄板状のフィンに限らない。第２熱媒体１２と第１空調用空気３１との熱交換が可能であれば、その他の構造（棒状の放熱体を有する構造など）を採用してもよい。
伝熱用熱交換器１３の熱輸送路１５Ａは、この例では直線的な構造であるが、蛇行構造としてもよい。

伝熱用熱交換器１３は、第２熱媒体１２が第１熱媒体１１と熱交換可能となるように設置される。
図示例では、伝熱用熱交換器１３は、室内側熱交換器７の前面側（第１空調用空気３１の流れ方向の前面側）に設置されているため、室内側熱交換器７で温度調整された第１空調用空気３１が導入されることにより、第１空調用空気３１と第２熱媒体１２との間で熱交換がなされる。
このように、伝熱用熱交換器１３では、第１空調用空気３１を介して、第１熱媒体経路１との間で熱の授受が行われる。
伝熱用熱交換器１３は、第１空調ユニット６とともに、車室２１の前部、例えばダッシュボード内に設けることができる。

なお、図示例では、伝熱用熱交換器１３のフィン１３ａは、室内側熱交換器７のフィン７ａとは別体であるが、フィン７ａと一体に形成してもよい。

第２空調ユニット１４は、第２空調用熱交換器１７と、第２空調用空気３２を第２空調用熱交換器１７で第２熱媒体１２と熱交換させて車室２１内に送る第２ファン１８（第２送風機）とを有する。
第２空調用熱交換器１７は、熱輸送路１５のうち他端部１５ｂに近い部分（熱輸送路１５Ｂ）の外周面に、放熱または吸熱のための複数の薄板状のフィン１７ａが設けられた構造とすることができる。フィン１７ａは、アルミニウム、ステンレス鋼、銅などの金属で構成することができる。
なお、伝熱用熱交換器１３および第２空調用熱交換器１７の放熱構造（または吸熱構造）は薄板状のフィンに限らない。第２熱媒体１２と第２空調用空気３２との熱交換が可能であれば、その他の構造（棒状の放熱体を有する構造など）を採用してもよい。

第２空調ユニット１４は、車室２１の後部に第２空調用空気３２を供給できる位置に設置することができる。第２空調ユニット１４の設置位置は、例えば前部座席２７の下方の床部２８、コンソールボックス後部、天井部などとしてよい。
図示例の第２空調ユニット１４は、前部座席２７の下方の床部２８に設置されている。第２空調ユニット１４は、車室２１前部に設置された伝熱用熱交換器１３に対して、後方側に離れた位置に設置されている。
図示例の第２空調ユニット１４では、第２ファン１８は斜め上方に向けられており、後部座席２９に向かって斜め上方に第２空調用空気３２を吹出させることができる。

熱輸送路１５は、第２熱媒体１２により伝熱用熱交換器１３と第２空調用熱交換器１７との間で熱を移動させるヒートパイプで構成されている。
熱輸送路１５は、管状部材であり、内部には水等の第２熱媒体１２が封入されている。熱輸送路１５は、内面に、相分離及び相拡散のために毛細管構造を有する溝(図示略)が形成されていてもよいし、後述するウィック構造１９（図３参照）が形成されていてもよい。
熱輸送路１５は、伝熱用熱交換器１３から第２空調用熱交換器１７にかけて、車室２１の床部２８に設置することができる。

図３に示すように、ウィック構造１９は、例えば熱輸送路１５の内面に、長手方向に沿って層状に形成することができる。図示例のウィック構造１９は、熱輸送路１５の内面に全周にわたって一定厚さの層状に形成され、その内側には、熱輸送路１５の長手方向に連続する空間１６が確保されている。
ウィック構造１９には、毛細管現象により第２熱媒体１２を保持できる材料が用いられる。ウィック構造１９の材料の例としては、金属極細線ファイバー、金属メッシュ、および金属粉末の焼結体が挙げられる。
液体の第２熱媒体１２は毛細管現象によりウィック構造１９に浸透し、ウィック構造１９を伝わって熱輸送路１５の長手方向に移動することができる。気体の第２熱媒体１２は、空間１６を通って熱輸送路１５の長手方向に移動することができる。
このウィック構造１９によれば、重力に頼らず毛細管力で液体の第２熱媒体１２を被冷却部に輸送できるため，ヒートパイプの姿勢によらず熱を輸送できる。

伝熱用熱交換器１３と第２空調ユニット１４とを互いに接続する熱輸送路１５は、１本であってもよいし、複数本であってもよい。

次に、空調装置１０の動作について説明する。空調装置１０は、冷房運転時には次のように動作する。
図１および図２に矢印で示すように、圧縮機３により圧縮された第１熱媒体１１は、熱媒体配管９を通して室外側熱交換器４に導入され、熱媒体２４との熱交換により冷却され、凝縮する。
次いで、第１熱媒体１１は、熱媒体配管９を通して膨張弁５に導入され、減圧される。第１熱媒体１１は、熱媒体配管９を通して室内側熱交換器７に導入され、第１空調用空気３１との熱交換により加熱され、気化する。
第１熱媒体１１は、熱媒体配管９を通して圧縮機３に戻る。
第１熱媒体１１は、この過程を繰り返しつつ第１熱媒体経路１内で循環する。

室外側熱交換器４で第１熱媒体１１との熱交換により加熱された熱媒体２４は、循環経路２５を通してラジエータ２６に導入され、外気等と熱交換することにより冷却される。
このように、冷房運転時には、室外側熱交換器４は凝縮器として機能し、室内側熱交換器７は蒸発器として機能する。

第１空調ユニット６では、第１ファン８を稼働させ、第１空調用空気３１を室内側熱交換器７に送る。室内側熱交換器７では、第１熱媒体１１との熱交換により第１空調用空気３１が冷却され、伝熱用熱交換器１３を通過して、車室２１の前部の吹出口から冷風として車室２１内に供給される。

第２熱媒体経路２の伝熱用熱交換器１３では、第１空調用空気３１との熱交換により第２熱媒体１２が冷却され、凝縮する。液体となった第２熱媒体１２は、熱輸送路１５を通って第２空調用熱交換器１７に向けて移動する。
熱輸送路１５がウィック構造１９（図３参照）を有する場合には、第２熱媒体１２はウィック構造１９に浸透し、ウィック構造１９を伝わって移動する。

第２空調ユニット１４では、第２ファン１８を稼働させ、第２空調用空気３２を第２空調用熱交換器１７に送る。第２空調用熱交換器１７では、第２熱媒体１２との熱交換により第２空調用空気３２は冷却される。
第２空調ユニット１４は前部座席２７の下方の床部２８に設置されているため、冷却された第２空調用空気３２は、冷風として、車室２１の後部に供給される。
図示例では、第２ファン１８は斜め上方に向けられているため、第２空調用空気３２は後部座席２９に向かって斜め上方に向けて流れる。

第２空調用熱交換器１７における第２空調用空気３２との熱交換により加熱されて蒸発した第２熱媒体１２は、熱輸送路１５の空間１６を通って伝熱用熱交換器１３に向けて移動し、伝熱用熱交換器１３において第１空調用空気３１との熱交換により冷却され、凝縮する。

次いで、暖房運転時の空調装置１０の動作について説明する。
暖房運転時には、第１熱媒体１１は、図１および図２に示す矢印とは反対の方向に流れる。
圧縮機３により圧縮された第１熱媒体１１は、熱媒体配管９を通して室内側熱交換器７に導入され、第１空調用空気３１との熱交換により冷却され、凝縮する。
次いで、第１熱媒体１１は、熱媒体配管９を通して膨張弁５に導入され、減圧される。第１熱媒体１１は、熱媒体配管９を通して室内側熱交換器７に導入され、熱媒体２４との熱交換により加熱され、気化する。
第１熱媒体１１は、熱媒体配管９を通して圧縮機３に戻る。
第１熱媒体１１は、この過程を繰り返しつつ第１熱媒体経路１内で循環する。

室外側熱交換器４で第１熱媒体１１との熱交換により冷却された熱媒体２４は、循環経路２５を通してラジエータ２６に導入され、外気等と熱交換することにより加熱される。
このように、暖房運転時には、室外側熱交換器４は蒸発器として機能し、室内側熱交換器７は凝縮器として機能する。

第１空調ユニット６では、第１ファン８を稼働させ、第１空調用空気３１を室内側熱交換器７に送る。室内側熱交換器７では、第１熱媒体１１との熱交換により第１空調用空気３１が加熱され、伝熱用熱交換器１３を通過して、車室２１の前部の吹出口から温風として車室２１内に供給される。

第２熱媒体経路２の伝熱用熱交換器１３では、第１空調用空気３１との熱交換により第２熱媒体１２が加熱され、蒸発する。気体となった第２熱媒体１２は、熱輸送路１５の空間１６を通って第２空調用熱交換器１７に向けて移動する。

第２空調ユニット１４では、第２ファン１８を稼働させ、第２空調用空気３２を第２空調用熱交換器１７に送る。第２空調用熱交換器１７では、第２熱媒体１２との熱交換により第２空調用空気３２は加熱される。
第２空調ユニット１４は前部座席２７の下方の床部２８に設置されているため、加熱された第２空調用空気３２は、車室２１の後部に供給される。

第２空調用熱交換器１７における第２空調用空気３２との熱交換により冷却されて液体となった第２熱媒体１２は、熱輸送路１５を通って伝熱用熱交換器１３に向けて移動する。
熱輸送路１５がウィック構造１９（図３参照）を有する場合には、第２熱媒体１２はウィック構造１９に浸透し、ウィック構造１９を伝わって熱輸送路１５に沿って移動する。
第２熱媒体１２は、伝熱用熱交換器１３において第１空調用空気３１との熱交換により加熱され、蒸発する。

本実施形態の空調装置１０は、第２熱媒体経路２が、伝熱用熱交換器１３と、伝熱用熱交換器１３から離れて設置された第２空調ユニット１４と、これらを互いに接続するヒートパイプからなる熱輸送路１５とを有するので、車室２１の後部に、直接、第２空調用空気３２を供給することができる。
このため、車室２１の後部に、適正な温度の第２空調用空気３２を十分に供給できる。よって、車室２１の後部における気温を適正化できる。
さらに、空調装置１０では、熱輸送路１５に、細径とすることが容易なヒートパイプが用いられているため、第１空調用空気３１を風路（ダクト）により車室２１の後部に導く構造に比べ、車室２１の床部２８における省スペース化を図ることができる。
また、ヒートパイプは、曲げ箇所があっても第２熱媒体１２の流通には支障がないため、風路（ダクト）に比べ、曲げの自由度が高い。このため、車室の設計における制約が少ない。
従って、空調装置１０によれば、車室２１内の広い範囲の気温を適正化することができ、かつ車室２１の設計の自由度を高めることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、これらは本発明の例示であり、追加、省略、置換、及びその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。
例えば、第２熱媒体経路の第２空調ユニットの設置位置は図示例に限定されない。第２空調ユニットは車室内の任意の箇所に設置できる。

図１等に示す空調装置１０は、１つの第２熱媒体経路２を有するが、第２熱媒体経路２の数は複数（２以上の任意の数）であってもよい。
例えば、３列の座席を有する自動車においては、２つの第２熱媒体経路（２列目座席用および３列目座席用の第２熱媒体経路）を有する空調装置を使用することができる。
この空調装置では、２列目座席用の第２熱媒体経路の空調ユニットによって、２列目座席を含む空間に空調用空気を供給するとともに、３列目座席用の第２熱媒体経路の空調ユニットによって、３列目座席を含む空間に空調用空気を供給することができる。
また、自動車の駆動源はエンジンに限らず、モータ等であってもよい。

１…第１熱媒体経路、２…第２熱媒体経路、３…圧縮機、４…室内側熱交換器（凝縮器または蒸発器）、５…膨張弁、７…室内側熱交換器（蒸発器または凝縮器）、８…第１ファン（第１送風機）、１０…自動車用車室空調装置、１１…第１熱媒体、１２…第２熱媒体、１３…伝熱用熱交換器、１４…第２空調ユニット、１５…熱輸送路、１７…空調用熱交換器、１８…第２ファン（第２送風機）、１９…ウィック構造、２０…自動車、２１…車室。

Claims (2)

1. 自動車の車室内の空調を行う自動車用車室空調装置であって、
   第１熱媒体が流通する第１熱媒体経路と、第２熱媒体が流通する第２熱媒体経路と、を備え、
   前記第１熱媒体経路は、前記第１熱媒体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記第１熱媒体が導入される凝縮器と、前記第１熱媒体を減圧し膨張させる膨張弁と、前記膨張弁で膨張された前記第１熱媒体が導入される蒸発器と、を備え、
   前記第２熱媒体経路は、前記第１熱媒体経路との間で熱の授受を行う伝熱用熱交換器と、前記伝熱用熱交換器から離れて設置された空調ユニットと、前記伝熱用熱交換器と前記空調ユニットとの間で前記第２熱媒体を導くヒートパイプからなる熱輸送路と、を有し、
   前記伝熱用熱交換器は、前記第２熱媒体が、前記凝縮器または前記蒸発器内の第１熱媒体と熱交換可能となるよう構成され、
   前記空調ユニットは、前記第２熱媒体が流通する空調用熱交換器と、第２空調用空気を前記空調用熱交換器において前記第２熱媒体と熱交換させて前記車室内に送る第２送風機とを備え、
   前記熱輸送路は、長手方向に沿って液体の前記第２熱媒体が毛細管現象により浸透するウィック構造または溝が形成され、かつ、長手方向に沿って気体の前記第２熱媒体が流れる空間が確保され、
   前記第１熱媒体経路は、第１空調用空気を、前記凝縮器または前記蒸発器において前記第１熱媒体と熱交換させて前記車室内に送る第１送風機をさらに備え、
   前記第１送風機は、前記車室内において、前記第２送風機による前記第２空調用空気の供給箇所とは異なる箇所から前記第１空調用空気が供給されるように設置されている自動車用車室空調装置。
2. 前記第１送風機は、前記車室の前部から前記第１空調用空気が前記車室に供給されるように設置され、
   前記第２送風機は、前記車室の後部に前記第２空調用空気が供給されるように設置されている請求項１に記載の自動車用車室空調装置。

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