JP6357321B2 - 自動車用空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハウジング内に形成される送風路に２つの加熱手段を直列に備える自動車用空調装置に関する。

ヒートポンプ方式の自動車用空調装置は、エンジン駆動の自動車、電気自動車、ハイブリッド車のいずれにも用いることができ、ハウジング内に形成される送風路に冷房用熱交換器（エバポレータ）と暖房用熱交換器（コンデンサ）とを備えている。
しかし、ヒートポンプ方式の自動車用空調装置は、暖房運転時にコンデンサを加熱手段として用いることから、極低温のときに暖房性能に劣ることがある。このため、補助の加熱手段として、エンジン駆動の自動車の場合は、エンジン冷却水を熱媒体とする熱交換器であるヒータコア、電気自動車の場合は、電気ヒータを併用するのが望ましい。

しかし、暖房用の加熱手段を２つにすると、その分、空調装置が大型化するので、これらをできるだけ近接させて配置する必要がある。
尚、加熱手段の取付方法としては、特許文献１に記載されているように、ハウジングの外面に形成される着脱口からヒータコアなどの加熱手段を挿入して取付ける方法が一般的である。

特開２００２−２１９９２９号公報

しかしながら、２つの加熱手段を直列に互いに近接させて配置する場合に、ハウジングの外面に並べて２つの着脱口を形成し、同じ面に同じ方向から挿入する方式とすると、２つの加熱手段のフランジ部の干渉を避けるべく、離して配置する必要がある。従って、その分、空調装置の送風路方向（車両前後方向）の長さが長くなり、空調装置の大型化を招く。

また、補助の加熱手段として電気ヒータを用いる場合、電気ヒータは、一般に、ハウジング内に収納されるヒータエレメント部と、ハウジング外に張り出す制御ユニット部とを含んで構成され、制御ユニット部はヒータエレメント部に比べ送風路方向に大きい。従って、制御ユニット部がもう１つの加熱手段と干渉するため、離して配置する必要があり、この場合も空調装置の大型化を招く。

本発明は、このような実状に鑑み、２つの加熱手段を直列に互いに近接させて配置することができるようにした自動車用空調装置を提供することを課題とする。

本発明に係る自動車用空調装置では、ハウジング内に形成される送風路に冷房用熱交換器と暖房用の２つの加熱手段とを直列に備え、これら２つの加熱手段が、前記ハウジングの外面に形成される２つの着脱口のそれぞれから挿入されて取付けられる。前記冷房用熱交換器は、ヒートポンプサイクルのエバポレータであって、前記２つの加熱手段の上流側に配置され、前記２つの加熱手段は、直列に互いに近接させて配置される。そして、前記２つの着脱口のうち、一方は前記ハウジングの下面に、他方は前記ハウジングの側面に形成され、前記２つの加熱手段のうち、一方は前記ハウジングの下方から、他方は前記ハウジングの側方から挿入されて取付けられる。

本発明によれば、２つの加熱手段をハウジングに対し異なる方向から挿入して取付ける構成とすることにより、両者のハウジング外の部位が互いに干渉するのを回避できる。従って、その分、２つの加熱手段を送風路方向（車両前後方向）に近接させることができ、空調装置の大型化を抑制できるという効果を奏する。

本発明の一実施形態として示すヒータコア仕様の空調装置の概略構成図 ＰＴＣヒータ仕様の空調装置の概略構成図 ヒータコア仕様の空調装置の側面図 ＰＴＣヒータ仕様の空調装置の側面図 ヒータコア仕様の空調装置の断面図 ＰＴＣヒータ仕様の空調装置の断面図 ヒータコア仕様の空調装置の組立方法を示す斜視図 ＰＴＣヒータ仕様の空調装置の組立方法を示す斜視図 ＰＴＣヒータ取付用フレームの斜視図 同上フレームの正面図 同上フレームの平面図 本発明の他の実施形態として示すＰＴＣヒータ仕様の空調装置の断面図 冷房運転時のヒートポンプサイクルの概略図 暖房運転時のヒートポンプサイクルの概略図

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
自動車用空調装置は、自動車（エンジン駆動の自動車、電気自動車、ハイブリッド車を含む）の車室内に配設され、車室内空気（内気）又は車室外空気（外気）を取込んで温調し、それを車室内に吹き出すＨＶＡＣ（Heating Ventilation and Air Conditioning）ユニット１（図１〜図６）と、車室外に配設され、フロン系冷媒を介してＨＶＡＣユニット１との熱交換を行うヒートポンプサイクル２０（図１３、図１４）と、から構成される。

図１及び図２はＨＶＡＣユニット１の概略図であり、図１はヒータコア仕様、図２はＰＴＣヒータ仕様である。図３及び図４はＨＶＡＣユニット１の側面図であり、図３はヒータコア仕様、図４はＰＴＣヒータ仕様である。図５及び図６はＨＶＡＣユニット１の断面図であり、図５はヒータコア仕様、図６はＰＴＣヒータ仕様である。

尚、本実施形態では、暖房用の加熱手段として、ヒートポンプサイクルのコンデンサ１３を用い、更に、補助の加熱手段として、ヒータコア１４又はＰＴＣヒータ１５を用いている。それ故、補助の加熱手段として、ヒータコア１４を用いるものを「ヒータコア仕様」、ＰＴＣヒータ１５を用いるものを「ＰＴＣヒータ仕様」と称している。

主に図１及び図２を参照しつつ、ＨＶＡＣユニット１の構成について説明する。
ＨＶＡＣユニット１は、ハウジング２により、その内部に送風路３を形成してなる。

送風路３の入口側には、内気取込み口４及び外気取込み口５と、これらの取込み口４、５を選択的に切換える内外気切換ドア６と、フィルタ７と、取込み口４、５から空気（内気又は外気）を取込んで送風路３へ送風するブロア８と、が設けられる。

送風路３のブロア８下流側には、ヒートポンプサイクルの冷房用熱交換器であるエバポレータ９が設けられる。

送風路３のエバポレータ９下流側は、仕切壁１０により、暖房用熱交換通路１１と、バイパス通路１２とに分けられている。
暖房用熱交換通路１１には、加熱手段として、ヒートポンプサイクルの暖房用熱交換器であるコンデンサ１３と、ヒータコア１４又はＰＴＣヒータ１５とが直列に設けられる。詳しくは、ヒータコア１４又はＰＴＣヒータ１５が上流側に設けられ、コンデンサ１３が下流側に設けられる。
従って、バイパス通路１２は２つの加熱手段（コンデンサ１３と、ヒータコア１４又はＰＴＣヒータ１５）をバイパスしている。

ヒータコア１４は、エンジン駆動の自動車の場合に適した補助の加熱手段であり、エンジン冷却水（エンジンを冷却して受熱したエンジン冷却水）を熱媒体として空気を加熱する。
ＰＴＣヒータ１５は、電気自動車の場合に適した補助の加熱手段であり、電気的に加熱されたヒータエレメントの中を空気を通過させることで、空気を加熱する。電気ヒータとして、特にＰＴＣヒータを用いることで、温度制御が容易となる。

暖房用熱交換通路１１及びバイパス通路１２の入口側には、エアミックスドア１６が設けられる。
エアミックスドア１６は、暖房用熱交換通路１１（２つの加熱手段）への空気の流れを制御するもので、冷房運転時には暖房用熱交換通路１１への空気の通流を遮断する機能を有している。

送風路３の出口側には、温調された空気を適宜の方向に吹き出すべく、デフ吹出し口１７、フェース吹出し口１８、及び、フット吹出し口１９が設けられ、これらはそれぞれのドアにより開閉される。

尚、運転席側と助手席側とで独立に温度調整が可能な左右独立温調仕様の空調装置の場合は、図１〜図６の紙面と垂直な方向で、手前側と奥側とに、左右独立の送風路３、３が形成されている。
そして、冷房用熱交換器９、暖房用熱交換器１３、１４（又は１５）は左右独立の送風路３、３に跨がって設けられている。
そして、エアミックスドア１６は左右独立の送風路３、３に別々に設けられ、各エアミックスドア１６を別々に開度調整することで、左右独立した温度調整が可能となる。
フェース吹出し口１８及びフット吹出し口１９が左右独立に設けられることは言うまでもない。

次にヒートポンプサイクル２０の構成について、図１３及び図１４により説明する。図１３及び図１４はヒートポンプサイクル２０の概略図であり、図１３は冷房運転時、図１４は暖房運転時の状態を示している。

ヒートポンプサイクル２０は、フロン系冷媒を循環させるもので、上記のエバポレータ（冷房用熱交換器）９及びコンデンサ（暖房用熱交換器）１３を含んで構成される。
ヒートポンプサイクル２０は、上記のエバポレータ（冷房用熱交換器）９と、エバポレータ９の出口側配管が接続されるコンプレッサ（圧縮機）２１と、コンプレッサ２１の出口側配管が接続されるコンデンサ（暖房用熱交換器）１３と、コンデンサ１３の出口側配管が接続される膨張弁等の減圧手段２２と、減圧手段２２の出口側配管が接続される車室外熱交換器２３と、車室外熱交換器２３の出口側配管が接続される膨張弁等の減圧手段２４と、を含んで構成され、減圧手段２４の出口側配管はエバポレータ９に接続されている。

車室外熱交換器２３は、車室外、具体的には車両前面に配置され、ファン２９による送風又は車両の走行風を受けて外気と熱交換する。

減圧手段２２に対しては、バイパス配管２５が設けられる。ここにおいて、バイパス配管２５に設けた開閉弁２６などの制御の下、冷房運転時には冷媒がバイパス配管２５を流れ、暖房運転時には冷媒が減圧手段２２を流れるように構成されている。
また、減圧手段２４及びエバポレータ（冷房用熱交換器）９に対し、これらをバイパスするバイパス配管２７が設けられる。ここにおいて、バイパス配管２７に設けた開閉弁２８などの制御の下、冷房運転時には冷媒が減圧手段２４及びエバポレータ９へ流れ、暖房運転時には冷媒がバイパス配管２７を流れるように構成されている。
尚、上記流れの制御のため、開閉弁２６、２８の他、一方向弁等が適宜設けられるが、ここでは省略した。

次に上記のヒートポンプサイクル２０の動作について、冷房運転時と暖房運転時とに分けて説明する。

冷房運転時には、図１３に示すように、バイパス配管２５の開閉弁２６が開き、バイパス配管２７の開閉弁２８が閉じ、冷媒は図１３の矢印に示すように循環する。

ヒートポンプサイクル２０では、先ずコンプレッサ２１にて圧縮された高温高圧のガス冷媒がコンデンサ（暖房用熱交換器）１３に流入するが、冷房運転時にはエアミックスドア１６の閉鎖により、空気との熱交換は行われず、コンデンサ１３をそのまま通過する。従って、コンプレッサ２１にて圧縮された高温高圧のガス冷媒は、そのまま、バイパス配管２５を通り、冷房運転時にコンデンサとして機能する車室外熱交換器２３に流入する。従って、高温高圧のガス冷媒は、車室外熱交換器２３にて外気に放熱し、凝縮液化される。
尚、冷房運転時に冷媒をコンデンサ（暖房用熱交換器）１３をバイパスさせる方式と比較すると、バイパスのための配管及び弁を省略でき、コスト低減を図ることができる。

車室外熱交換器２３にて凝縮された冷媒は、膨張弁等の減圧手段２４で断熱膨張し、減圧された後、気液二相冷媒となって、エバポレータ（冷房用熱交換器）９に流入する。エバポレータ９に流入した冷媒は、空気との熱交換により加熱されて蒸発ガス化される。このとき、エバポレータ９にて冷却された空気は、適宜の吹出し口から吹き出されて、車室内の冷房に供される。
エバポレータ９を経た冷媒はコンプレッサ２１に吸入され、再び圧縮される。

暖房運転時には、図１４に示すように、バイパス配管２５の開閉弁２６が閉じ、バイパス配管２７の開閉弁２８が開いて、冷媒は図１４の矢印に示すように循環する。

ヒートポンプサイクル２０では、先ずコンプレッサ２１にて圧縮された高温高圧のガス冷媒がコンデンサ（暖房用熱交換器）１３に流入し、空気との熱交換により冷却されて凝縮液化される。このとき、空気はコンデンサ１３にて加熱され、適宜の吹出し口から吹き出されて、車室内の暖房に供される。

コンデンサ１３にて凝縮された冷媒は、膨張弁等の減圧手段２２で断熱膨張し、減圧された後、気液二相冷媒となって、暖房運転時にエバポレータとして機能する車室外熱交換器２３に流入する。この気液二相冷媒は、車室外熱交換器２３にて、ファン２９による送風又は車両の走行風により外気から吸熱して、蒸発ガス化した後、バイパス配管２７を通って、コンプレッサ２１に吸入され、再び圧縮される。

上記のようなヒートポンプサイクル２０を利用した空調装置では、暖房運転時にコンデンサ１３を加熱手段として用いることから、極低温のときに暖房性能に劣ることがある。このため、補助の加熱手段として、エンジン駆動の自動車の場合は、ヒータコア１４、電気自動車の場合は、ＰＴＣヒータ１５を併用する。
しかし、暖房用の加熱手段をコンデンサ１３とヒータコア１４又はＰＴＣヒータ１５との２つにすると、その分、空調装置が大型化するので、これらをできるだけ近接させて配置する必要がある。

そこで、本実施形態では、２つの加熱手段１３、１４（又は１５）を次のように取付ける。
図７及び図８はＨＶＡＣユニット１の組立方法を示す斜視図であり、図７はヒータコア仕様、図８はＰＴＣヒータ仕様の場合である。

２つの加熱手段１３、１４（又は１５）は、ハウジング２の外面に形成される２つの着脱口３１、３２のそれぞれから挿入されて取付けられる。
そして、前記２つの着脱口３１、３２は、ハウジング２の互いに異なる面に形成される。従って、前記２つの加熱手段１３、１４（又は１５）は、ハウジング２に対し互いに異なる方向から挿入されて取付けられる。

より具体的には、ハウジング２の下面にコンデンサ１３用の着脱口３１が形成され、コンデンサ１３はハウジング２に対し下方から挿入されて取付けられる。
また、ハウジング２の側面にヒータコア１４（又はＰＴＣヒータ１５）用の着脱口３２が形成され、ヒータコア１４（又はＰＴＣヒータ１５）はハウジング２に対し側方から挿入されて取付けられる。

上記のように、２つの加熱手段１３、１４（又は１５）をハウジング２に対し異なる方向から挿入して取付ける構成とすることにより、両者のハウジング２外の部位が互いに干渉するのを回避できる。
すなわち、挿入型の加熱手段１３、１４（又は１５）は、着脱口３１、３２の開口部周縁部に係止されてシール部となるフランジ部を有する。着脱口３１、３２からの空気の漏れを防止するためである。従って、同じ面に同じ方向から挿入する方式とすると、２つの加熱手段のフランジ部の干渉を避けるべく、離して配置する必要がある。
この点、異なる面に異なる方向から挿入することで、互いのフランジ部の干渉を防止でき、より近接させて配置することが可能となる。

また、補助の加熱手段として電気ヒータ（ＰＴＣヒータ）１５を用いる場合、電気ヒータ１５は、一般に、ハウジング２内に収納されるヒータエレメント部１５ａと、ハウジング２外に張り出す制御ユニット部１５ｂとを含んで構成され、制御ユニット部１５ｂはヒータエレメント部１５ａに比べ送風路方向に大きい。従って、同じ面に同じ方向から挿入する方式とすると、制御ユニット部１５ｂがもう１つの加熱手段（コンデンサ）１３と干渉するため、離して配置する必要がある。
この点、異なる面に異なる方向から挿入することで、制御ユニット部１５ｂの干渉を防止でき、より近接させて配置することが可能となる。

本実施形態によれば、２つの加熱手段を送風路方向（車両前後方向）に近接させることができ、ＨＶＡＣユニット１の大型化を抑制できるという効果を奏する。
尚、２つの加熱手段を互いに反対側の側方から挿入して取付けることも可能であるが、反対側には各種ドアの操作用のリンク機構があり、これと干渉するので、下方と側方とから挿入する方式とするのがよい。

また、上記のようなヒートポンプ方式の自動車用空調装置では、補助の加熱手段として、エンジン駆動の自動車の場合は、ヒータコア１４、電気自動車の場合は、ＰＴＣヒータ１５を併用する。
しかし、ヒータコア１４とＰＴＣヒータ１５とでは形状やサイズが異なるため、ハウジング２の共通化には工夫を必要とする。

そこで、本実施形態では、次のようにして、ヒータコア１４とＰＴＣヒータ１５との選択的取付けを可能とする。
ヒータコア１４とＰＴＣヒータ１５とでは、ハウジング２内へ収納する部位の比較で、ヒータコア１４の方が大きく、ＰＴＣヒータ１５の方が小さい。

着脱口３２は、ヒータコア１４又はＰＴＣヒータ１５を選択的に取付けるものであるが、サイズの大きいヒータコア１４に合わせて形成される。
従って、ヒータコア１４を取付ける場合は、図７に示されているように、ヒータコア１４は、そのまま、着脱口３２から挿入されて取付けられる。

これに対し、サイズの小さいＰＴＣヒータ１５を取付ける場合は、次のようにする。
図８に示されているように、ＰＴＣヒータ１５（ヒータエレメント部１５ａ）は、着脱口３２に合わせた外径寸法のフレーム３３内に収納されて、このフレーム３３を介して取付けられる。
尚、フレーム３３は耐熱性を有する樹脂によりチャンネル状（コ字状）に形成されている。フレーム３３は、また、後述するように保持部３４に温度センサ３５を保持させた状態で、挿入される。

このようにすることで、ヒータコア１４とＰＴＣヒータ１５とのように、タイプの異なる２種類の加熱手段を共通のハウジング２に取付けることが可能となり、部品共通化によるコスト低減を図ることができる。

ＰＴＣヒータ１５を取付ける場合に使用するフレーム３３は、更に、次のような形態とすることが可能である。
図９はフレーム３３の斜視図、図１０はフレーム３３の正面図、図１１はフレーム３３の平面図である。
フレーム３３には、温度センサの保持部３４を一体的に設けてある。これにより、１〜複数の温度センサ（サーミスタ）３５の取付けが容易となる。

温度センサ３５は、ＰＴＣヒータ１５の温度制御に用いられる。すなわち、ＰＴＣヒータ１５（あるいは空気）の温度を設定温度に制御するために、ＰＴＣヒータ１５（あるいは空気）の実際の温度を検出するために用いられる。
温度センサ３５は、また、ハウジング２の保護のために用いられる。すなわち、樹脂製のハウジング２が所定の上限温度を超えた場合にＰＴＣヒータ１５への通電を禁止するため、ハウジング２の実際の温度を検出するために用いられる。
尚、ＰＴＣヒータ１５の温度とハウジング２の温度とを単一のセンサで平均的に検出してもよいし、別々のセンサで個別に検出してもよい。更に、ＰＴＣヒータ１５の温度を複数のセンサで検出したり、ハウジング２の温度を複数のセンサで検出したりしてもよい。

図１２は本発明の他の実施形態として示すＰＴＣヒータ仕様のＨＶＡＣユニット１の断面図である。
本実施形態では、フレーム３３は、送風路方向の出口側の内面に、後段のコンデンサ１３に向かって拡径する傾斜案内部３６を有している。
このような傾斜案内部３６を設けることで、小サイズのＰＴＣヒータ１５から大サイズのコンデンサ１３への空気の流れをスムーズにすることができる。
本実施形態では、フレームの送風路方向の出口側の内面に傾斜案内部を設けたが、フレームの送風路方向の入口側の内面に傾斜案内部を設けてもよい。この場合は、ヒータエレメント部１５ａに向かって縮径する傾斜案内部とする。

尚、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１ ＨＶＡＣユニット
２ ハウジング
３ 送風路
４ 内気取込み口
５ 外気取込み口
６ 内外気切換ドア
７ フィルタ
８ ブロワ
９ エバポレータ（ヒートポンプサイクルの冷房用熱交換器）
１０ 仕切壁
１１ 暖房用熱交換通路
１２ バイパス通路
１３ コンデンサ（ヒートポンプサイクルの暖房用熱交換器）
１４ ヒータコア
１５ ＰＴＣヒータ
１５ａ ヒータエレメント部
１５ｂ 制御ユニット部
１６ エアミックスドア
１７ デフ吹出し口
１８ フェース吹出し口
１９ フット吹出し口
２０ ヒートポンプサイクル
２１ コンプレッサ
２２ 減圧手段
２３ 車室外熱交換器
２４ 減圧手段
２５ バイパス配管
２６ 開閉弁
２７ バイパス配管
２８ 開閉弁
２９ ファン
３１、３２ 着脱口
３３ フレーム
３４ 温度センサ保持部
３５ 温度センサ
３６ 傾斜案内部

Claims (4)

1. ハウジング内に形成される送風路に冷房用熱交換器と暖房用の２つの加熱手段とを直列に備え、
   これら２つの加熱手段が、前記ハウジングの外面に形成される２つの着脱口のそれぞれから挿入されて取付けられる、自動車用空調装置であって、
   前記冷房用熱交換器は、ヒートポンプサイクルのエバポレータであって、前記２つの加熱手段の上流側に配置され、
   前記２つの加熱手段は、直列に互いに近接させて配置され、
   前記２つの着脱口のうち、一方は前記ハウジングの下面に、他方は前記ハウジングの側面に形成され、
   前記２つの加熱手段のうち、一方は前記ハウジングの下方から、他方は前記ハウジングの側方から挿入されて取付けられることを特徴とする、自動車用空調装置。
2. 前記２つの加熱手段のうち、一方は、ヒートポンプサイクルのコンデンサであり、他方は、エンジン冷却水を熱媒体とするヒータコアであることを特徴とする、請求項１記載の自動車用空調装置。
3. 前記２つの加熱手段のうち、一方は、ヒートポンプサイクルのコンデンサであり、他方は、電気ヒータであることを特徴とする、請求項１記載の自動車用空調装置。
4. 前記電気ヒータは、前記ハウジング内に収納されるヒータエレメント部と、前記ハウジング外に張り出す制御ユニット部とを有し、前記制御ユニット部の送風路方向の寸法が、前記ヒータエレメント部の送風路方向の寸法より大きいことを特徴とする、請求項３記載の自動車用空調装置。