JP6324695B2 - 車両用空調装置、電動圧縮機、及び車両の空調方法 - Google Patents

車両用空調装置、電動圧縮機、及び車両の空調方法 Download PDF

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Description

本発明は、車両用空調装置、電動圧縮機、及び車両の空調方法に関するものである。
電気自動車(Electric Vehicle:EV)は、内燃機関であるエンジンを備えないため、暖房用にエンジン排熱を利用できない。
また、エンジンを備えているハイブリッド電気自動車(Hybrid Electric Vehicle:HEV)やプラグインハイブリッド電気自動車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle:PHEV)では、省燃費のため可能な限りエンジンを停止する制御がなされる。このため、冷媒を用いたヒートポンプ暖房若しくはクーラントを媒体とした電気ヒータによる暖房が検討されている。
暖房運転に使用する消費電力は非常に大きいため、暖房運転を行うシステムとしては、高COP(Coefficient Of Performance:成績係数)暖房のヒートポンプシステムが望ましい。電気ヒータのCOPは1より小さくなるためである。しかし、低外温時(例えば−10℃以下)のヒートポンプ暖房では、空気中の水分が凝縮し室外熱交換器に着霜(フロスト)が起こり暖房能力低下を招く可能性がある。
家庭用ルームエアコン等では着霜が発生すると、リバース運転(暖房運転から冷房運転への変更)を行い、室外熱交換器の除霜を行う。しかし、車両用ヒートポンプシステムで同様の除霜を実施すると暖房運転が停止することとなる。
この問題を解決するために、特許文献1に開示されている自動車用冷暖房装置では、蒸発器として機能する室外熱交換器(メインコンデンサ)の冷媒出口側に温水冷媒熱交換器を配置している。そして、自動車用冷暖房装置は、低外気温域において室外熱交換器がフロスト状態となった場合、室外熱交換器で吸熱できない不足熱量を温水冷媒熱交換で加熱し蒸発させることで必要な暖房能力を確保している。
特許第3939445号公報
しかしながら、特許文献1に開示の自動車用冷暖房装置は、温水冷媒熱交換の他に温水を加熱するシーズヒータを内蔵した温水槽、温水を温水冷媒熱交換器に供給するための配管やポンプが必要となる。このため特許文献1に開示の自動車用冷暖房装置は、部品点数が増加し、重量の増加やコストアップを生じることとなる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、重量の増加やコストアップを抑制しつつ、冷媒への加熱能力を高めることができる、車両用空調装置、電動圧縮機、及び車両の空調方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の車両用空調装置、電動圧縮機、及び車両の空調方法は以下の手段を採用する。
本発明の第一態様に係る車両用空調装置は、冷媒を圧縮する電動圧縮機、車室内凝縮器、絞り弁、及び車室外熱交換器がこの順に冷媒配管を介して接続される暖房運転用のヒートポンプサイクルと、高耐熱性の半導体素子で構成されるパワー素子が用いられ、前記電動圧縮機用のインバータと、前記車室外熱交換器と前記電動圧縮機との間に接続されるアキュムレータと、前記アキュムレータをバイパスして前記車室外熱交換器と前記電動圧縮機とを接続するバイパス配管と、を備え、前記インバータは、前記電動圧縮機で圧縮される前記冷媒を前記パワー素子で加熱可能なように前記電動圧縮機に設置され、前記ヒートポンプサイクルの暖房運転時に前記パワー素子が前記冷媒を加熱し、前記パワー素子が前記冷媒を加熱する場合、前記冷媒は、前記バイパス配管によって前記車室外熱交換器から前記電動圧縮機へ送られる
本構成に係る車両用空調装置は、冷媒を圧縮する電動圧縮機、車室内凝縮器、絞り弁、及び車室外熱交換器がこの順に冷媒配管を介して接続されるヒートポンプサイクルを備える。
電動圧縮機は、高耐熱性の半導体素子で構成されるパワー素子が用いられるインバータによって制御される。高耐熱性の半導体素子は、例えば、SiCである。
そして、パワー素子は、電動圧縮機で圧縮される冷媒を加熱可能なように電動圧縮機に配置される。すなわち、電動圧縮機はインバータと一体化されている。
パワー素子を高耐熱性の半導体素子で構成することによって、パワー素子は、高耐熱性の半導体素子それ自身が発する熱で冷媒を加熱することが可能となる。すなわち、本構成は、インバータに用いられているパワー素子を高耐熱性の半導体素子で構成し、ヒートポンプサイクルの暖房運転時に、冷媒を加熱する熱源として利用する。
従って、本構成は、重量の増加やコストアップを抑制しつつ、冷媒への加熱能力を高めることができる。また、本構成によれば、冷媒はアキュムレータを経由することなく、液リッチの状態で電動圧縮機へ導入される。冷媒は、ガスの状態よりも液リッチの状態の方が、より熱伝達率が高い。このため、液リッチの冷媒は、パワー素子からの発熱を効率よく吸熱することができる。
上記第一態様では、前記パワー素子が前記冷媒を加熱する場合、前記パワー素子は、前記冷媒を加熱しない場合に比べて効率が下げられることが好ましい。
パワー素子の効率が下がると、パワー素子の発熱量が増加する。このため、パワー素子は、より冷媒を加熱することができる。
上記第一態様では、前記電動圧縮機が、車両外部の電源からの電力により作動可能とされることが好ましい。
本構成によれば、車両に人が搭乗する前に予めヒータを作動させて車室内を暖房することが可能となり、搭乗者の快適性が向上する。
本発明の第二態様に係る電動圧縮機は、車両用空調装置に用いられ、アキュムレータを介して車室外熱交換器と接続されると共に、前記アキュムレータをバイパスして前記車室外熱交換器と接続するバイパス配管が接続される電動圧縮機であって、高耐熱性の半導体素子で構成されるパワー素子が用いられるインバータが設置され、前記パワー素子は、圧縮している冷媒を加熱可能なように配置され、前記パワー素子が前記冷媒を加熱する場合、前記冷媒は、前記バイパス配管によって前記車室外熱交換器から前記電動圧縮機へ送られる
本発明の第三態様に係る車両の空調方法は、冷媒を圧縮する電動圧縮機、車室内凝縮器、絞り弁、及び車室外熱交換器がこの順に冷媒配管を介して接続され、前記車室外熱交換器と前記電動圧縮機との間に接続されるアキュムレータと、前記アキュムレータをバイパスして前記車室外熱交換器と前記電動圧縮機とを接続するバイパス配管と、を備える暖房運転用のヒートポンプサイクルを用いた車両の空調方法であって、高耐熱性の半導体素子で構成されるパワー素子が用いられる前記電動圧縮機用のインバータが、前記電動圧縮機で圧縮される前記冷媒を前記パワー素子で加熱可能なように前記電動圧縮機に設置され、前記ヒートポンプサイクルの暖房運転時に前記パワー素子が前記冷媒を加熱し、前記パワー素子が前記冷媒を加熱する場合、前記冷媒は、前記バイパス配管によって前記車室外熱交換器から前記電動圧縮機へ送られる
本発明によれば、重量の増加やコストアップを抑制しつつ、冷媒への加熱能力を高めることができる、という優れた効果を有する。
本発明の実施形態に係るヒートポンプ式車両用空調装置の冷媒回路図である。 本発明の実施形態に係る電動圧縮機の概略構成図である。 本発明の実施形態に係る電動圧縮機の概略断面図である。 本発明の実施形態に係るパワー素子が電動圧縮機に配置される箇所の詳細断面図である。 本発明の実施形態に係るヒートポンプ式車両用空調装置の冷房運転時における冷媒の流れを示した冷媒回路図である。 本発明の実施形態に係るヒートポンプ式車両用空調装置の暖房運転時における冷媒の流れを示した冷媒回路図である。 本発明の実施形態に係るヒートポンプ式車両用空調装置のパワー素子熱源暖房運転時における冷媒の流れを示した冷媒回路図である。 本発明の変形例に係るヒートポンプ式車両用空調装置の冷媒回路図である。
以下に、本発明に係る車両用空調装置、電動圧縮機、及び車両の空調方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る車両用空調装置10の冷媒回路図を示す。
本実施形態に係る車両用空調装置10は、HVACユニット(Heating Ventilation
and Air Conditioning Unit)12と、冷暖房が可能なヒートポンプサイクル16とを備える。
HVACユニット12は、内外気切替えダンパ18により車室内からの内気又は車室外からの外気を切替え導入し、下流側に圧送するブロア20と、ブロア20に連なる空気流路中に上流側から下流側にかけて順次配設されている車室内蒸発器24及び車室内凝縮器26を備えている。このHVACユニット12は、車室側のインストルメントパネル内に設置され、車室内蒸発器24及び車室内凝縮器26を介して温調された空気を、車室内に向けて開口されている複数のデフ吹出し口28、フェイス吹出し口30、フット吹出し口32のいずれかから、吹出しモード切替えダンパ34,36,38により選択的に切替えられる吹出しモードに従って車室内に吹出し、車室内を設定温度に空調するものである。また、車室内蒸発器24と車室内凝縮器26との間には、エアミックスダンパ40が、車室内凝縮器26に流入する空気の流量を制御可能なように、回転自在に設置されている。また、HVACユニット12には、吹出し空気温度センサー(FS)42が設けられている。
冷暖房可能なヒートポンプサイクル16は、冷媒を圧縮する電動圧縮機50、車室内凝縮器26、絞り弁52(膨張弁)、及び車室外熱交換器54がこの順に冷媒配管60を介して接続される暖房運転用のサイクルを備えている。なお、車室外熱交換器54と電動圧縮機50との間には、アキュムレータ56が接続されている。
すなわち、電動圧縮機50の冷媒出口に接続される冷媒配管60Aは車室内凝縮器26に接続され、車室内凝縮器26は、冷媒配管60Bによって絞り弁52を介して車室外熱交換器54に接続される。冷媒配管60Bには、絞り弁52をバイパスするバイパス配管60Cが備えられ、バイパス配管60Cには切替弁62が備えられる。本実施形態では、絞り弁52として、キャピラリー等の固定絞り弁が採用されるが、これに限らず、温度式自動膨張弁等が採用されてもよい。
車室外熱交換器54は、冷媒配管60Dによってアキュムレータ56を介して電動圧縮機50の冷媒入口に接続される。車室外熱交換器54は、車室外ファン55によって外気が通風され、冷媒の熱を熱交換する。
車室外熱交換器54とアキュムレータ56とを接続する冷媒配管60Dには、車室外熱交換器54側から三方切替弁64A及び三方切替弁64Bが設けられる。この三方切替弁64A,64Bは、例えば、2個の電磁弁を組み合わせた構成により代替することが可能である。
そして、三方切替弁64Aには冷媒配管60Eが接続されており、冷媒配管60Eには絞り弁66を介して車室内蒸発器24が接続され、車室内蒸発器24は、冷媒配管60Fを介してアキュムレータ56に接続されている。
本実施形態では、絞り弁66として、絞り弁52と同様にキャピラリー等の固定絞り弁が採用されるが、これに限らず、温度式自動膨張弁等が採用されてもよい。
また、三方切替弁64Bにはバイパス配管60Gが接続されており、バイパス配管60Gは電動圧縮機50の冷媒入口に接続されている。すなわち、バイパス配管60Gは、アキュムレータ56をバイパスして車室外熱交換器54と電動圧縮機50とを接続する。
上記ヒートポンプサイクル16において、切替弁62が閉じられ、冷媒は三方切替弁64Aを通過し、三方切替弁64Bによって車室外熱交換器54と電動圧縮機50とがアキュムレータ56を介して接続されることにより、暖房運転用の冷凍サイクルが構成される。
一方、冷房運転用の冷凍サイクルは、切替弁62が開かれ、三方切替弁64Aによって車室外熱交換器54と車室内蒸発器24が接続されることにより構成される。
図2は、本実施形態に係る電動圧縮機50の概略構成図である。
電動圧縮機50には、高耐熱性の半導体素子で構成されるパワー素子70(例えばIGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)が用いられるインバータ72が設置される。すなわち、電動圧縮機50は、インバータ72と一体化されている。
パワー素子70を構成する高耐熱性の半導体素子は、従来のSi等の半導体素子よりも耐熱性が高い半導体素子である。また、高耐熱性の半導体素子は、詳細を後述するように、冷媒の温度上昇に耐えうるものであればよい。
高耐熱性の半導体素子は、一例としてSiCであるが、これに限らず、窒化ガリウム系やダイヤモンド系の半導体とされてもよい。
そして、インバータ72は、電動圧縮機50で圧縮される冷媒をパワー素子70で加熱可能なように電動圧縮機50に設置される。すなわち、冷媒は、電動圧縮機50の冷媒入口50Aから冷媒出口50Bへ至る間に、パワー素子70の発熱及び電動圧縮機50のモータ発熱により加熱される。
パワー素子70を高耐熱性の半導体素子で構成することによって、パワー素子70は、高耐熱性の半導体素子それ自身が発する熱で冷媒を加熱することが可能となる。すなわち、車両用空調装置10は、インバータ72に用いられているパワー素子70を高耐熱性の半導体素子で構成し、ヒートポンプサイクル16の暖房運転時に、冷媒を加熱する熱源として利用する。
なお、インバータ72の設置位置は、車両の設計に依存することとなるが、電動圧縮機50の側面(図2の実線)や背後(図2の破線)の冷媒入口50A近辺に設置されることが好ましい。
また、高耐熱性の半導体素子をパワー素子70として用いることによって、電動圧縮機50のみならず、車両用空調装置10としての信頼性を高めることができる。
図3は、本実施形態に係る電動圧縮機50の概略断面図である。
図3に示されるように、冷媒配管60A及びバイパス配管60Gに接続される冷媒流路61が電動圧縮機50のモータ50C表面に接触するように設置され、その冷媒流路61に接触するようにパワー素子70が設置される。これにより冷媒流路61を流れる冷媒は、パワー素子70とモータ50Cによって加熱される。また、これに伴い、パワー素子70とモータ50Cは冷媒によって冷却されることとなる。
なお、ここでいう接触とは、直接的な接触又は間接的な接触、何れであってもよい。また、冷媒流路61に設置されるパワー素子70の数及び場所は限定されず、図3に示されるように4カ所でもよいし、1カ所でもよい。
図4は、パワー素子70が電動圧縮機50に配置される箇所の詳細断面図である。
図4に示されるように、パワー素子70の上部には制御基板74が配置されている。
パワー素子70及び制御基板74を格納するケース(例えばアルミケース)76を介して、パワー素子70が冷媒流路61と接する。
冷媒流路61は、例えば複数に分岐されて並列にモータ50Cと接する。そして、パワー素子70は、分岐された各冷媒流路61に対応するように設置される。なお、冷媒流路61は、複数に分岐されることなく、すなわち直列にモータ50Cと接触してもよい。
また、ケース76とパワー素子70との間、ケース76と冷媒流路61との間、冷媒流路61とモータ50Cとの間には、放熱グリスや熱伝導シート等、パワー素子70からケース76への熱伝導性を高める構成が適宜設けられる。
なお、制御基板74として銅インレイ基板や放熱基板が用いられる場合、パワー素子70の下部に制御基板74が配置され、制御基板74とケース76と接触する。すなわち、パワー素子70からの熱は、制御基板74及びケース76を介して、冷媒に伝導される。
次に、上記ヒートポンプ式車両用空調装置1の運転時の冷媒流れを、図5ないし図7を用いて説明する。なお、各図において、運転時の冷媒流れ経路が太線で表されている。
[冷房運転]
冷房運転時には、切替弁62が全開状態に制御され、三方切替弁64Aによって車室外熱交換器54と車室内蒸発器24が接続される。また、エアミックスダンパ40は、車室内凝縮器26へ空気が流通しないように位置する。なお、HVACユニット12で温度調整が必要な場合は、エアミックスダンパ40は、適宜開かれ、車室内に吹き出される空気の温度が調整される。
これにより、図5に示されるように、電動圧縮機50で圧縮された冷媒は、車室内凝縮器26を介し、絞り弁52をバイパスして車室外熱交換器54に導入され、車室外ファン55によって通風される外気と熱交換されて凝縮液化される。その後、冷媒は、絞り弁66で減圧されて気液二相状態となり、車室内蒸発器24に供給される。車室内蒸発器24において、冷媒は、ブロア20から送風されてくる内気又は内外気の混合気と熱交換されて蒸発ガス化された後、アキュムレータ56内に導入され、いったん貯留された後、電動圧縮機50に吸入され、再圧縮される。以下、同様のサイクルを繰り返すことになる。
また、車室内蒸発器24において、冷媒との熱交換により冷却された内気又は内外気の混合気は、吹出しモード切替えダンパ34,36,38により切替えられる吹出しモードに応じて、デフ吹出し口28、フェイス吹出し口30、及びフット吹出し口32のいずれかから車室内に吹出され、車室内の冷房に供されることになる。
[通常暖房運転]
通常暖房運転時には、切替弁62が全閉状態に制御され、三方切替弁64A,64Bにより、車室外熱交換器54と電動圧縮機50とがアキュムレータ56を介して接続される。また、エアミックスダンパ40は、車室内凝縮器26へ空気が流通するように位置する。
これにより、図6に示されるように、電動圧縮機50で圧縮された冷媒は、吐出配管60Aから車室内凝縮器26に導入され、車室内凝縮器26で、ブロア20から送風されてくる内気又は内外気の混合気と熱交換されて放熱される。これによって加熱された空気は、吹出しモードに応じて、デフ吹出し口28、フェイス吹出し口30、及びフット吹出し口32のいずれかから車室内に吹出され、車室内の暖房に供されることになる。
車室内凝縮器26で放熱して凝縮液化された冷媒は、絞り弁52に導かれ、減圧されて気液二相状態となり、車室外熱交換器54に供給され、車室外ファン55によって通風される外気と熱交換されて二相状態の蒸発ガスとなる。その後、冷媒は、アキュムレータ56を経由して、電動圧縮機50の冷媒入口へ導入され、再圧縮される。以下、同様のサイクルを繰り返すことになる。
[パワー素子熱源暖房運転]
パワー素子熱源暖房運転は、パワー素子70を熱源として用いて、パワー素子70の発熱によって冷媒を加熱する場合に行われる。なお、パワー素子熱源暖房運転は、例えば外気温度が車室外熱交換器54の除霜を必要とする温度まで低下した場合に行われる。
パワー素子熱源暖房運転では、通常運転時と同様であるものの、図7に示されるように、三方切替弁64Bにより、アキュムレータ56をバイパスして車室外熱交換器54から電動圧縮機50へ冷媒が導入される。
これにより、冷媒は、アキュムレータ56を経由することなく、液リッチな二相状態の状態で電動圧縮機50へ導入される。なお、冷媒が液リッチとなる理由は、外気温度が低く、冷媒が室外熱交換器54で十分に吸熱できず、その結果、冷媒が十分に蒸発できないためである。冷媒は、ガスの状態よりも液リッチの状態の方が、より熱伝達率が高い。このため、液リッチの冷媒は、パワー素子70からの発熱を効率よく吸熱することができる。
また、パワー素子70が冷媒を加熱する場合、パワー素子70は、冷媒を加熱しない場合に比べて効率が下げられる。
パワー素子70の効率が下がると、パワー素子70の発熱量が増加する。このため、パワー素子70は、より冷媒を加熱することができる。
以上説明したように、本実施形態に係る車両用空調装置10は、冷媒を圧縮する電動圧縮機50、車室内凝縮器26、絞り弁52、及び車室外熱交換器54がこの順に冷媒配管60を介して接続される暖房運転用のヒートポンプサイクル16を備える。そして、高耐熱性の半導体素子で構成されるパワー素子70が用いられる電動圧縮機50用のインバータ72が、電動圧縮機50で圧縮される冷媒をパワー素子70で加熱可能なように電動圧縮機50に設置され、ヒートポンプサイクル16の暖房運転時にパワー素子70が冷媒を加熱する。
従って、車両用空調装置10は、重量の増加やコストアップを抑制しつつ、冷媒への加熱能力を高めることができる。
(変形例)
図8は、車両用空調装置10の変形例に係る構成を示す。なお、図8における図1と同一の構成部分については図1と同一の符号を付して、その説明を省略する。
本変形例では、インバータ72が設置されている電動圧縮機50が車両外部の電源(以下「外部電源」という。)90からの電力によって作動可能とされる。例えば、車両の充電中等、車両と外部電源90とが接続状態にある場合、外部電源90にて電動圧縮機50を作動させる。
そして、車両と外部電源90とが接続状態の場合に、携帯型端末機器等を用いた無線による電動圧縮機50の制御が可能とされる。また、タイマーを設定することによる電動圧縮機50の作動が可能とされる。
これらにより、低外気温時の早朝等、車両に人が搭乗する前に予め電動圧縮機50を作動させて車室内を暖房することが可能となり、搭乗者の快適性が向上する。
以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、上記実施形態では、パワー素子70を熱源とする場合、アキュムレータ56をバイパスして冷媒を車室外熱交換器54から電動圧縮機50へ導入する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。パワー素子70を熱源とする場合、アキュムレータ56をバイパスせずに冷媒を車室外熱交換器54から電動圧縮機50へ導入する形態としてもよい。
10 車両用空調装置
16 ヒートポンプサイクル
26 車室内凝縮器
50 電動圧縮機
52 絞り弁
54 車室外熱交換器
56 アキュムレータ
60 冷媒配管
60G バイパス配管
70 パワー素子
72 インバータ

Claims (5)

  1. 冷媒を圧縮する電動圧縮機、車室内凝縮器、絞り弁、及び車室外熱交換器がこの順に冷媒配管を介して接続される暖房運転用のヒートポンプサイクルと、
    高耐熱性の半導体素子で構成されるパワー素子が用いられ、前記電動圧縮機用のインバータと、
    前記車室外熱交換器と前記電動圧縮機との間に接続されるアキュムレータと、
    前記アキュムレータをバイパスして前記車室外熱交換器と前記電動圧縮機とを接続するバイパス配管と、
    を備え、
    前記インバータは、前記電動圧縮機で圧縮される前記冷媒を前記パワー素子で加熱可能なように前記電動圧縮機に設置され、前記ヒートポンプサイクルの暖房運転時に前記パワー素子が前記冷媒を加熱し、前記パワー素子が前記冷媒を加熱する場合、前記冷媒は、前記バイパス配管によって前記車室外熱交換器から前記電動圧縮機へ送られる車両用空調装置。
  2. 前記パワー素子が前記冷媒を加熱する場合、前記パワー素子は、前記冷媒を加熱しない場合に比べて効率が下げられる請求項1記載の車両用空調装置。
  3. 前記電動圧縮機は、車両外部の電源からの電力により作動可能とされる請求項1または請求項記載の車両用空調装置。
  4. 車両用空調装置に用いられ、アキュムレータを介して車室外熱交換器と接続されると共に、前記アキュムレータをバイパスして前記車室外熱交換器と接続するバイパス配管が接続される電動圧縮機であって、
    高耐熱性の半導体素子で構成されるパワー素子が用いられるインバータが設置され、
    前記パワー素子は、圧縮している冷媒を加熱可能なように配置され、前記パワー素子が前記冷媒を加熱する場合、前記冷媒は、前記バイパス配管によって前記車室外熱交換器から前記電動圧縮機へ送られる電動圧縮機。
  5. 冷媒を圧縮する電動圧縮機、車室内凝縮器、絞り弁、及び車室外熱交換器がこの順に冷媒配管を介して接続され、前記車室外熱交換器と前記電動圧縮機との間に接続されるアキュムレータと、前記アキュムレータをバイパスして前記車室外熱交換器と前記電動圧縮機とを接続するバイパス配管と、を備える暖房運転用のヒートポンプサイクルを用いた車両の空調方法であって、
    高耐熱性の半導体素子で構成されるパワー素子が用いられる前記電動圧縮機用のインバータが、前記電動圧縮機で圧縮される前記冷媒を前記パワー素子で加熱可能なように前記電動圧縮機に設置され、前記ヒートポンプサイクルの暖房運転時に前記パワー素子が前記冷媒を加熱し、前記パワー素子が前記冷媒を加熱する場合、前記冷媒は、前記バイパス配管によって前記車室外熱交換器から前記電動圧縮機へ送られる車両の空調方法。
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