JP6767341B2 - 車両用空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用空気調和装置に関する。

自動車等の車両に搭載される空気調和装置（以下「空調装置」とも称する）は、空調サイクルを構成する循環系に封止した冷媒を圧縮機で圧縮した後凝縮器で液化し、液化した冷媒をポンプで蒸発器に圧送し、蒸発器での冷媒の気化による吸熱で温度低下させた冷風を生成することで冷房機能を実現している。冷媒としてはフロンフリーのＲ１３４ａ、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ等が用いられる。ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等のエンジンを搭載した車両の場合、エンジンの軸出力の一部を用いて圧縮機を駆動している。

エンジンを圧縮機の駆動源として利用する場合、エンジンを停止させている状態では、一般に空調装置を動作させることができない。このため、バス、トラック、トレーラ等の業務用自動車が高速道路のパーキングエリア等での休憩や、貨物配送先での荷下ろし待ち等のために長時間駐車する場合にエンジンを停止させると、空調装置を作動させることができないので車内環境を快適に保つことが難しくなる問題があった。また、電気自動車ではもともとエンジンが搭載されていないため、エンジン出力により圧縮機を作動させることはできない。

そのため、車両に搭載されているバッテリの電力で圧縮機駆動用のモータを作動させる方式の空調装置が開発され、実用されている。バッテリを駆動源とする場合、エンジン出力を利用する場合と異なり、極力使用電力量を低減させることが求められる。電気自動車の場合、空調関係の電力消費が直接車両の航続距離に影響し、またエンジン搭載車のバッテリの場合でも、空調関係の電力消費で電圧低下が起これば、エンジン始動が困難となる等の問題があるからである。

例えば特許文献１は、自走式防除機の空気調節装置に関し、キャビン１０内に空気調節装置９の室内機２０を配置し、吸気口２１から取り込んだ空気を蒸発器２６周辺を通過させて冷却し、ダクト３０へ送る構成が例示されている（図１、図３、図６）。

特開２００１−３０１４４４号公報

特許文献１では、運転室内の居住性を損なうことなく室内機２０を設置することを解決課題としており、室内機２０の構成としては、上記したように、ファンで吸入した空気に蒸発器を通過させて冷却する一般的なものである。しかし、バッテリでファンを駆動する場合、室内機からの風量を増大させるためには、ファンの回転数を高める必要があり、消費電力が増大して好ましくない。その一方で、吸入した空気は蒸発器を通過する際に受ける流路抵抗によって、ファンの回転数を増加させたとしても風量の増大には限界があるという問題があった。またファンの容量を増大させることも、ファンの大型化につながるため問題がある。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、ファンの大容量化、回転数の増大による消費電力の増大を避けつつ、室内機からの冷却送風量を増大させることができる車両用空気調和装置を提供することを一つの目的としている。

前記の、及び他の問題点を解決するために、本発明の一つの態様は、冷媒を圧縮するための、バッテリからの電力で駆動される圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を液化するための凝縮器と、前記液化された冷媒を気化させて吸熱し車室内へ供給される空気温度を低下させるための蒸発器と、前記蒸発器に向けて送風するための、前記バッテリによって駆動する送風ファンとを備えている車両用空気調和装置であって、前記蒸発器と前記送風ファンとはハウジングに格納されて前記車両の車室内に設置されており、前記ハウジングには、前記送風ファンの動作によって前記ハウジングの外部から空気を導入して前記蒸発器を通過させるための吸気部と、前記蒸発器を通過して冷却された空気が前記送風ファンによって圧送されて前記ハウジング外に送出されるべく設けられている送気部と、前記ハウジング内の前記吸気部から導入される空気の流路において、前記蒸発器の下流側であって前記送風ファンの上流側にある区域に前記ハウジングの外部から前記車室内の空気を導入して前記蒸発器を通過した空気と混合させるための追加空気導入部が前記ハウジングに設けられている、車両用空気調和装置である。
前記追加空気導入部の開口面積は、当該追加空気導入部から導入すべき追加空気の流量に応じて変化させることができるように構成してもよい。

上記した本発明の態様によれば、ファンの大容量化、回転数の増大による消費電力の増大を避けつつ、室内機からの冷却送風量を増大させることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る車両用空気調和装置を取り付けた車両を示す模式図である。 図２は、車両用空気調和装置の全体構成例を示す模式図である。 図３は、車両用空気調和装置の室内機に関する電気系統図である。 図４Ａは、従来の車両用空気調和装置の室内機における空気の流れを示す模式図である。 図４Ｂは、本実施形態の車両用空気調和装置の室内機における空気の流れを示す模式図である。 図５は、本実施形態の室内機の外観を例示する斜視図である。 図６は、本実施形態の室内機の内部構成を例示する斜視図である。

以下に、添付図面を参照して、本発明の実施形態について具体的に説明する。なお、本発明は、それらの実施形態に限定されるものではない。

まず、図１に、本発明の一実施形態に係る車両用空気調和装置を取り付けた車両の部分模式図を示している。図１は、トラック等の貨物用自動車１００の左側面図を示している。本実施形態の車両用空調装置の取り付け状態を明確に示すために、図１は、貨物用自動車１００の運転室１１０の周辺部分を模式的に示している。貨物自動車１００には、運転室１１０及び荷室１４０があり、シャシー１３０上に取り付けられている。

本実施形態の車両用空調装置１は、車内に冷風を供給するための室内機１０、車内空気と外気との熱交換を行うための室外機２０、及び室内機１０、室外機２０に電力を供給するための電力変換部であるＤＣ／ＡＣインバータ３０（以下「インバータ３０」と略称）を有している。シャシー１３０の側面には貨物自動車１００の電源となるバッテリ４０が設置されている。また運転室１１０内には、バッテリ４０からの直流電力を交流電力に変換するためのインバータ３０が設置されている。

運転室１１０の外部の上面には、走行時の運転室１１０による空気抵抗を減少させるための導風板１２０が設けられている。一般に導風板１２０は運転室１１０の前方側から滑らかに立ち上がる凸面を形成する部材であり、その裏側には運転室１１０上面への取り付け部材や導風板１２０自体の補強部材が設けられるものの、一定の空間が形成されている。本実施形態では、この導風板１２０が形成する内側空間に、空調装置の室外機２０を設置している。なお、室外機２０は運転室１１０の屋根上以外に、運転室１１０の外部後面の荷室１４０との間に設置してもよい。

貨物自動車１００の長距離運行等に備えて運転室１１０内に設けられている居住空間１１２には、例えば仮眠用ベッド１１５などとともに室内機１０が設けられる。室内機１０と室外機２０との間は、図示を省略する管路で接続され、室内機１０、室外機２０で熱交換を行うための冷媒の流路を構成している。

なお、図１に示した貨物自動車１００は一例であり、トレーラのように運転室１１０と荷室１４０が分離可能な形態の車両でもよい。また、インバータ３０，バッテリ４０の設置場所は、取り付け対象となる車両の構成に応じて適宜に選定することができる。

次に、本実施形態の空調装置１の全体構成例について説明する。図２に、空調装置１の全体構成例を模式的に示している。空調装置１は、圧縮機２１、凝縮器２５、及び蒸発器１１を備える。本実施形態では、蒸発器１１が室内機１０に設けられ、圧縮機２１、凝縮器２５は室外機２０に設けられる。圧縮機２１、凝縮器２５、及び蒸発器１１のそれぞれの間は、冷媒が循環できるようにパイプ５０によって液密状態に接続されている。パイプ５０は、冷媒の種類や使用圧力に応じた耐圧性及び耐食性を有する材料（例えば銅等）によって適宜に構成することができる。

図２に例示する空調装置１では、圧縮機２１で圧縮された冷媒が凝縮器２５で冷却されて液化し、室内機１０へ向けて圧送される。高温高圧の液状冷媒は、毛細管等の微少な流路を通じて低温低圧の霧状となって蒸発器１１内に噴出して気化し、その際の気化熱で蒸発器１１周辺の空気から吸熱する。このように冷却された空気は、室内機１０から運転室１１０の居住空間１１２内に放出されて空調効果を発揮する。室内機１０内には、蒸発器１１周辺で冷却された空気を居住空間１１２内に送出するためのファン１２が設けられている。上記の空調サイクルは、通常の車両用空調装置と同様であるが、本実施形態では圧縮機２１及び室内機１０内のファン１２が電動とされている。

次に、本実施形態の空調装置１の電気系統の構成について説明する。図３に、本実施形態の空調装置１に含まれる室内機１０まわりの制御系統例を示している。空調装置１の電源は、バッテリ４０と、バッテリ４０の直流電力を交流電力に変換するインバータ３０とで構成される。この構成により、空調装置１は車両のエンジンが停止している場合でも運転して運転室１１０内に冷風を供給することができる。バッテリ４０としては、自動車用バッテリとして一般的な鉛蓄電池を用いることができるが特に特定の形式のバッテリに限定されるものではない。鉛蓄電池を用いる場合には、実用的にはＪＩＳ Ｄ ５３０１に規定する５時間率容量で１２０Ａｈ以上のものを使用することが好ましい。

インバータ３０は、室外機２０に設けられている圧縮機駆動用モータに電力を供給するための電力変換部である。本実施形態では、圧縮機駆動用モータの電源として単相ＡＣ２２０Ｖが供給される構成としているが、これ以外の電力仕様を用いても差し支えない。インバータ３０の回路方式としては、パルス幅変調（ＰＷＭ）方式等の適宜の方式を採用することができる。またインバータ３０の出力容量は、負荷となる各モータ等の仕様に応じて決定すればよい。なお、以下、蒸発器（Evaporator）、凝縮器（Condenser）、圧縮機（Compressor）を、それぞれＥＶ、ＣＤ、ＣＰの略号で示すことがある。

室内機１０内には、ＥＶファンモータ１２Ａ、ＥＶファンモータ駆動回路１３、ＥＶファンモータ駆動制御回路１４（以下「ＥＶファン制御回路１４」とも称する）、及び入出力インタフェース部１７が備えられている。ＥＶファンモータ１２Ａは蒸発器１１へ送風するためのブロワファンを駆動するモータであり、例えば単相ＡＣモータ、ブラシレスＤＣモータ等が用いられる。ＥＶファンモータ駆動回路１３は、バッテリ４０からの電力を受けてＥＶファンモータ１２Ａ駆動用の出力電圧を生成する回路ブロックであり、例えばＥＶファンモータ１２Ａへの供給電力を制御するＩＧＢＴのゲートドライブ回路として構成される。この回路ブロックの回路方式としては、ＰＷＭ方式等を用いることができる。

ＥＶファンモータ駆動回路１３の出力は、ＥＶファン制御回路１４によって制御される。ＥＶファン制御回路１４は、後述するようにＣＰＵ等のプロセッサを備え、室内機１０から送出される空気温度の情報を温度センサ１６から取得し、またＥＶファンモータ１２に設けられる回転センサ１２Ｂからモータ１２Ａの回転数の情報を取得し、これらの情報に基づいてプロセッサが実行する演算処理によりＥＶファンモータ駆動回路１３の出力を制御する。バッテリ４０とＥＶファンモータ駆動回路１３、ＥＶファン制御回路１４の入力との間には電源スイッチ１５が設けられており、空調装置１０を運転しない場合には電源スイッチ１５をオフしておくことにより、回路１３，１４において無用の電力が消費されないように構成されている。

回転センサ１２Ｂは、ＥＶファンモータ１２のロータ回転数を検出するためのセンサであり、例えば磁気抵抗素子、ホール素子を利用して構成される。温度センサ１６は、サーミスタ等の素子を用いて実現される。温度センサ１６は、例えば室内機１０の外部上面に設置され、室内機１０が設置されている居住空間１１２の空気温度を測定する。温度センサ１６の出力信号は、室内機１０と室外機２０との間を接続する通信線７０を通じて、室外機２０の圧縮機モータ駆動制御回路にも供給される。これにより、室外機２０側でも居住空間１１２内の温度データを利用することができる。

入出力インタフェース部１７は、空調装置１による居住空間１１２内の目標温度設定等のデータ入力、現在の室温、室内機１０あるいは室外機２０による異常検出報知といったデータ出力の機能を実現するブロックであり、例えば液晶表示パネル、タッチパネル、プッシュスイッチ等の入出力デバイスにより構成されている。入出力インタフェース部１７は、ＥＶファン制御回路１４と通信可能に接続されてデータの授受を行う。また入出力インタフェース部１７は、室内機１０と室外機２０とを接続する前記の通信線７０を通じて、室外機２０のＣＰ制御回路ともデータの授受を行うことができる。

なお、以上の室内機１０の構成は一例であり、後述する本実施形態の空調装置１の機能を実現するために、他の種々の構成を採用することが可能である。

次に、本実施形態の室内機１０の具体的な構成について、模式図を参照して説明する。図４Ａに従来の車両用空気調和装置の室内機１０における空気の流れを示す模式図を、図４Ｂに、本実施形態の車両用空気調和装置１の室内機１０における空気の流れを示す模式図を示している。

まず、図４Ａを参照すると、室内機１０は樹脂成形品等で形成された箱形のハウジング１０Ａを有している。ハウジング１０Ａ内の上部には蒸発器１１が設けられ、図外の室外機２０と配管５０により接続されている。ハウジング１０Ａ内の下部にはファン１２が設けられ、蒸発器１１を通過して冷却された空気を吸引してハウジング１０Ａ外へ送風する機能を果たしている。蒸発器１１とファン１２との間は、蒸発器１１から滴下する凝縮水の受け皿を兼ねた隔離板１０Ｃによって仕切られており、ファン１２の上流側の空気と下流側の空気とが混じり合って冷却効率が低下しないように構成されている。

ハウジング１０Ａには、正面上部に外部空気吸入部１０Ａ−１が、正面下部に冷却空気送出部１０Ａ−２が設けられている。外部空気吸入部１０Ａ−１、冷却空気送出部１０Ａ−２は、いずれもハウジング１０Ａに設けられた開口部であって、外部空気吸入部１０Ａ−１からハウジング１０Ａ内に導入された空気が冷却空気送出部１０Ａ−２から送出される構成となっている。

図４Ａの従来例では、ファン１２が動作することによってハウジング１０Ａ外から外部空気吸入部１０Ａ−１を通じて外部空気がハウジング１０Ａ内に導入され、蒸発器１１を通過して冷却される。冷却された空気は内部領域１０Ｂを流れてファン１２によって冷却空気送出部１０Ａ−２からハウジング１０Ａの外部へ送出される。図中の矢印は、空気の流れを模式的に示している。図４Ａの従来例の場合、ハウジング１０Ａ外からの空気は、外部空気吸入部１０Ａ−１のみからハウジング１０Ａ内に導入される。このため、急速冷房等のために冷却空気送出部１０Ａ−２から送出される冷却空気量を増やすためには、ファン１２の羽径を大きくして容量を増やすか、ファン１２の回転数を高めて風量を増やすしかない。しかし、ファン１２の羽径を拡大することはファン１２自体の大型化につながり、室内機１０のコンパクト化の要請と反して問題である。またファン１２の回転数を高めることも、消費電力の増大の点でまた問題である。

このような問題点に関して、図４Ｂに例示する本実施形態の室内機１０の構成例を説明する。本実施形態の室内機１０において、図４Ａの従来例と構成上異なるのは、ハウジング１０Ａの天板部に追加空気導入部１０Ａ−３が設けられていることである。追加空気導入部１０Ａ−３は、ハウジング１０Ａの天板部に設けられた開口部であって、ハウジング１０Ａ外の空間とハウジング１０Ａの内部領域１０Ｂとを空気流通可能としている。このため、図４Ｂの室内機１０でファン１２を動作させた場合、外部空気吸入部１０Ａ−１からハウジング１０Ａ内に導入されて蒸発器１１を通過した空気と、追加空気導入部１０Ａ−３を通じてハウジング１０Ａ内に導入された空気とが内部領域１０Ｂで混合され、ファン１２を介して冷却空気送出部１０Ａ−２から送出される。これにより、図４Ａの従来例と比較して、冷却空気送出部１０Ａ−２からの送出空気量（風量）を増大させることができる。

追加空気導入部１０Ａ−３の開口面積を設定するにあたっては、その開口面積を当初大きく設定しておき、徐々に開口面積を小さくしていきながら、冷却空気送出部１０Ａ−２から所望の送出風量が得られるようにチューニングすればよい。なお、追加空気導入部１０Ａ−３の開口面積は、上記チューニングにより決定した値に固定してもよいし、あるいは適宜のパラメータに応じて可変とすることも可能である。例えば、追加空気導入部１０Ａ−３の開口部にフラップ等のシャッターの機能を果たす要素と当該フラップ等を室内温度に応じて開閉する構成を付加しておくことができる。この場合、空調装置１の運転を開始してから所定温度まではフラップ等を閉じておき、所定温度以下に下がったらフラップを開けて追加空気導入部１０Ａ−３からある程度冷却された室内空気を導入して風量を増大させるように制御することが可能である。あるいは、追加空気導入部１０Ａ−３の開口部に取り付け可能なアダプタを用意しておき、当該開口部の面積を適宜に手動で調整可能と構成することもできる。

図５に、本実施形態の室内機１０の外観を例示する斜視図を、図６に、本実施形態の室内機１０の内部構成を例示する斜視図を示している。すでに説明したように、室内機１０は樹脂成形品等で形成されるハウジング１０Ａを有し、その正面上部には外部空気吸入部１０Ａ−１が、その正面下部には冷却空気送出部１０Ａ−２が設けられている。外部空気吸入部１０Ａ−１には、室内機１０の外観デザインの要請等から適宜の格子部品等を設けることができる。また、冷却空気送出部１０Ａ−２には、送出される冷却空気の向きを可変とするためのルーバ等を設けることができる。室内機１０の正面右手には入出力インタフェース部１７としての液晶ディスプレイ、操作ボタン等が配置されている。また、室内機１０の側面には、電源スイッチ１５が設けられている。

ハウジング１０Ａの上面には、複数の小穴の集合として構成される追加空気導入部１０Ａ−３が設けられている。図５の例では、この小穴の開口面積として追加空気導入部１０Ａ−３の開口面積が設定されている。

図６に示すように、ハウジング１０Ａ内には蒸発器１１が設けられている。蒸発器１１は、冷媒が流通する屈曲チューブ１１Ａと、アルミニウム等の熱伝導性の高い材料で形成された多数のフィン１１Ｂを備えている。屈曲チューブ１１Ａには空調装置１の室外機２０からの配管５０に連通するパイプ１０Ｄが接続されている。

蒸発器１１の後方下部には、ファン１２が設けられている。図６の例では、ファン１２は蒸発器１１の幅方向にわたって延在するラインフローファンとして構成されている。

図４Ａ、図４Ｂの模式図で示したように、外部空気吸入部１０Ａ−１からハウジング１０Ａ内に導入された空気は蒸発器１１のフィン１１Ｂの間を通過する間に熱交換を行って冷却され、蒸発器１１後部の内部領域１０Ｂに入る。ここで冷却空気には追加空気導入部１０Ａ−３から導入された空気が混合されて、ファン１２によって冷却空気送出部１０Ａ−２からハウジング１０Ａ外へと送出される。このような作用によって、ファン１２の大型化、回転数の増大を抑制しつつ、室内機１０から送出される冷却空気の風量を増大させることが可能である。

以上詳細に説明したように、本実施形態の車両用空調装置によれば、ファンの大容量化、回転数の増大による消費電力の増大を避けつつ、室内機からの冷却送風量を増大させることができる。

１ 車両用空気調和装置
１０室内機
１０Ａ ハウジング
１０Ａ−１ 外部空気吸入部
１０Ａ−２ 冷却空気送出部
１０Ａ−３ 追加空気導入部
１０Ｂ 内部領域
１１ 蒸発器
１２ ファン
１２Ａ 蒸発器ファンモータ
１２Ｂ 回転センサ
１３ ＥＶファンモータ駆動回路
１４ ＥＶファンモータ駆動制御回路
１５ 主スイッチ
１６ 温度センサ
２０ 室外機
２１ 圧縮機
２５ 凝縮器
３０ ＤＣ／ＡＣインバータ
４０ バッテリ

Claims (2)

1. 冷媒を圧縮するための、バッテリからの電力で駆動される圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を液化するための凝縮器と、前記液化された冷媒を気化させて吸熱し車室内へ供給される空気温度を低下させるための蒸発器と、前記蒸発器に向けて送風するための、前記バッテリによって駆動する送風ファンとを備えている車両用空気調和装置であって、
   前記蒸発器と前記送風ファンとはハウジングに格納されて前記車両の車室内に設置されており、
   前記ハウジングには、前記送風ファンの動作によって前記ハウジングの外部から空気を導入して前記蒸発器を通過させるための吸気部と、前記蒸発器を通過して冷却された空気が前記送風ファンによって圧送されて前記ハウジング外に送出されるべく設けられている送気部と、前記ハウジング内の前記吸気部から導入される空気の流路において、前記蒸発器の下流側であって前記送風ファンの上流側にある区域に前記ハウジングの外部から前記車室内の空気を導入して前記蒸発器を通過した空気と混合させるための追加空気導入部が前記ハウジングに設けられている、
   車両用空気調和装置。
2. 請求項１に記載の車両用空気調和装置であって、
   前記追加空気導入部の開口面積は、当該追加空気導入部から導入すべき追加空気の流量に応じて変化させることができるように構成されている、
   車両用空気調和装置。