JP7051351B2

JP7051351B2 - 車両用補助暖房装置

Info

Publication number: JP7051351B2
Application number: JP2017188505A
Authority: JP
Inventors: 隆角田
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2022-04-11
Anticipated expiration: 2037-09-28
Also published as: JP2019064302A

Description

本発明は、車両の挙動で発生する熱源を利用して蓄熱した熱にて、車両の室内を補助的に暖房する車両用補助暖房装置に関する。

従来、自動車を代表とする車両は、エンジン等の燃焼熱を熱源として室内暖房を行うことが主流であったが、今後は燃焼機関に頼らない、いわゆる電動車両が増加する傾向にある。電動車両では燃焼機関のように、大きな熱量を発生する発熱源がないため、室内暖房の熱源は、ヒートポンプ式空調装置やヒータ等の電気発熱手段で確保する必要がある。

しかし、ヒートポンプ式空調装置や電気発熱手段は電気エネルギによって駆動されるため、この電気エネルギを車載バッテリから受けると、当該車載バッテリの電力消費量が増加し車両の走行航続距離が短くなり、特に寒冷地では大きな問題となる。

そのため、本出願人は特許文献１（特開２０１０－２２１９６８号公報）において、車両の室内を、外部電源から供給される電力で補助的に暖房することで、走行時のバッテリ消費を抑制し、航続距離を延ばすようにした技術を提案した。

特開２０１０－２２１９６８号公報

しかし、上述した文献に開示されている技術では、外部電源を供給する設備が整っていない環境に車両が駐車されている場合には、適用することができない。又、外部電源による補助的な暖房を毎回行うと、電気料金が余分に嵩んでしまう不都合がある。

本発明は、上記事情に鑑み、外部電源を用いることなく少ない電力での補助暖房を可能として、余分な電気料金の増加を抑制し、冷態時においても少ない電力で室内を早期に昇温させることのできる車両用補助暖房装置を提供することを目的とする。

本発明は、車両の挙動で発生する熱源と該車両の外部から取り入れる自然熱源との少なくとも１つから熱エネルギを回収する熱エネルギ回収手段と、前記熱エネルギ回収手段で回収した熱エネルギを蓄熱する蓄熱材と、前記車両に設けられている空調装置と、前記空調装置の動作を制御するコントローラとを有し、前記コントローラが、前記空調装置による前記車両の室内を暖房するに際し、前記蓄熱材に蓄熱されている熱で前記車両の室内を補助的に暖房する制御を行う車両用補助暖房装置において、前記車両の車室前部に配置されて車体幅方向へ延在する前部サポート部材と、前記前部サポート部材内に形成され且つ前記空調装置の空調用ダクトに近接すると共に並行に配置された、前記蓄熱材を装填する蓄熱材配置部位と、前記空調用ダクト及び前記蓄熱材配置部位間を連通する連通部と、前記連通部内を開閉する開閉手段と、乗員が携帯する送信機と、前記コントローラに接続されている受信機とを更に有し、前記コントローラには、前記送信機からの信号を前記受信機が受信すると前記開閉手段を前記車両に前記乗員が乗車する前に遠隔操作にて開放させて、前記空調装置が起動する前に前記蓄熱材に蓄熱されている熱を前記車両の室内に供給させる開閉制御手段が備えられている。

本発明によれば、車室前部に配置されて車体幅方向へ延在する前部サポート部材に形成した蓄熱材配置部位に蓄熱材を装填し、この蓄熱材に対し、車両の挙動で発生する熱源と車両の外部から取り入れる自然熱源との少なくとも１つからの熱エネルギで蓄熱し、又、この蓄熱剤配置部位と空調装置の空調用ダクト間とを連通部で連通し、この連通部に配設した開閉手段を乗員が乗車する前の所定タイミングで開放させて、空調装置が起動する際に蓄熱材に蓄熱されている熱を車両の室内に供給させるようにしたので、外部電源を用いることなく、少ない電力での室内を早期に昇温させることができる。又、余分な電気料金の増加が抑制され、冷態時においても少ない電力で乗員が温感を早期に取得することができる。

インストルメントパネル内部の断面側面図空調装置の概略構成図補助暖房装置の概略構成図蓄熱処理ルーチンを示すフローチャート暖房処理ルーチンを示すフローチャート蓄熱ユニットによる補助暖房と空調装置との切換えタイミングを示すタイムチャート

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。図１の符号１は電動車両の車室前部に配設されているインストルメントパネル（以下、「インパネ」と略称）である。尚、符号３はフロントガラス、４はグローブホックスである。

又、インパネ１の内部空間１ａに、前部サポート部材としてのステアリングサポートビーム５が車幅方向へ水平に配設されている。このステアリングサポートビーム５は図示しないステアリングコラムを支持するものである。更に、このステアリングサポートビーム５と乗員が着座する車両シート（図示せず）側に対峙するインパネ１の内面との間に、後述する空調装置２３の空調用ダクト２３ａがインパネ１の内面に沿って車幅方向に配設されている。

図２に示すように、空調用ダクト２３ａは、外気吸入口２３ｂ或いは内気吸入口２３ｃからの空気を空調ファン２３ｅによって吸引して、インパネ１等に開口されている吹出口２３ｆへ導く。この空調用ダクト２３ａ内にはヒートポンプを構成する熱交換器２３ｇが配設され、この熱交換器２３ｇを通過する空気を所定に調温（加熱、或いは冷却）させて、吹出口２３ｆから吹き出させる。

又、ステアリングサポートビーム５内に蓄熱材配置部位５ａが形成され、この蓄熱材配置部位５ａに蓄熱ユニット２が装填されている。図１、図２に示すように、この蓄熱材配置部位５ａは、空調用ダクト２３ａに近接する位置で、且つ並行に設けられている。この蓄熱材配置部位５ａに装填されている蓄熱ユニット２は、内部にバラフィン等の周知の蓄熱材２ｅが充填されている蓄熱容器２ａを有し、この蓄熱容器２ａの外周が発泡ウレタン等の断熱材２ｂで囲繞されている。尚、ステアリングサポートビーム５が断熱性を有する材料で形成されている場合、この断熱材２ｂを省略すると共に、蓄熱ユニット２の両端を断熱材で閉塞させるようにしても良い。

この蓄熱ユニット２の空調用ダクト２３ａと対向する面に対峙する断熱材２ｂの一部が開口されて、伝熱領域としての放熱窓２ｃが形成され、この放熱窓２ｃが連通部としての連通管２ｆを介して空調用ダクト２３ａに連通されている。この連通管２ｆに、樹脂など熱伝導率の低い材料で形成した開閉手段としての暖房バルブ２ｄが開閉自在に配設されており、この暖房バルブ２ｄが電磁ソレノイド等からなるバルブアクチュエータ２２（図３参照）に連設されている。暖房バルブ２ｄはバルブアクチュエータ２２の回動により開閉動作される。尚、このバルブアクチュエータ２２は、後述するコントローラ１１ａからの駆動信号に従って正転／逆転動作される。

又、電動車両には、図３に示す補助暖房装置１１が搭載されている。この補助暖房装置１１はコントローラ１１ａを有しており、このコントローラ１１ａにて補助暖房を行うための蓄熱、及び、乗員が乗車する際の補助暖房制御が実行される。

コントローラ１１ａは、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び不揮発性メモリ等を有する周知のマイクロコンピュータを主体に構成されており、ＲＯＭにはＣＰＵが実行する各種プログラム、各種固定データ等が記憶されている。ＣＰＵでは、ＲＯＭに記憶されているプログラムに従い補助暖房用の蓄熱、及び、補助暖房制御を行う。

このコントローラ１１ａの入力側に、熱エネルギ回収手段としての熱回収ユニット１２が接続されている。この熱回収ユニット１２は発熱源１３で発生した熱エネルギを電気エネルギに変換して回収するものである。発熱源１３としては電動車両の挙動で発生する熱源と自然熱源がある。電動車両の挙動による発熱源１３としては、走行時の電動車両に発生するタイヤ摩擦熱、フレーム、マウント、サスペンション等の振動熱、空気抵抗による摩擦熱等がある。自然熱源による発熱源１３としては太陽熱、風力等がある。そして、熱回収ユニット１２で回収した電気エネルギをコントローラ１１ａへ送信する。

更に、このコントローラ１１ａの入力側に受信機１４が接続されている。この受信機１４は、運転者等が携帯する送信機１５からの信号を受信するもので、運転者等の操作者は、送信機１５に設けられている乗車準備スイッチ（図示せず）をＯＮすることで、遠隔地から乗車準備信号を受信機１４に無線送信する。受信機１４が補助暖房信号を受信すると、それをトリガーとして、コントローラ１１ａが予め記憶されている制御プログラムに従い補助暖房制御を実行する。

又、コントローラ１１ａの出力側にＰＴＣヒータ等、抵抗加熱で発熱する電気ヒータ２１が接続されており、この電気ヒータ２１が、上述した蓄熱容器２ａ内に配設されて、蓄熱材２ｅを加熱可能にしている。

又、この蓄熱容器２ａ内に蓄熱材２ｅの温度を検知する温度検出手段としての温度センサ１６が配設されており、この温度センサ１６がコントローラ１１ａの入力側に接続されている。

更に、このコントローラ１１ａの出力側に上述したバルブアクチュエータ２２が接続されていると共に、上述した空調装置２３が接続されている。この空調装置２３はヒートポンプ式で、車室内全体を暖房するものであり、コントローラ１１ａからのＯＮ信号によって補助暖房と共に起動されて空調暖房を行う。

コントローラ１１ａは、電動車両が走行中は熱回収ユニット１２で回収した発熱源１３から電気エネルギにて電気ヒータ２１を発熱させて蓄熱材２ｅを加熱させる。そして、乗員が電動車両に乗車する際に、暖房バルブ２ｄを開弁させると共に、空調装置２３の空調ファン２３ｅを駆動させて、蓄熱材２ｅに蓄熱されている熱を、空調用ダクト２３ａを流れる空気と混合させて、吹出口２３ｆから室内に吹き出させる。尚、このとき、空調装置２３は、図２に示すように、外気吸入口２３ｂが閉じ、内気吸入口２３ｃを開いた内気循環に設定されている。

このコントローラ１１ａで行う蓄熱処理、及び補助暖房処理は、具体的には、図４、図５に示す蓄熱処理ルーチン、暖房処理ルーチンに従って処理される。

先ず、蓄熱処理ルーチンについて説明する。上述したように、電動車両が走行すると、熱回収ユニット１２は発熱源１３からの熱エネルギを電気エネルギに変換する。コントローラ１１ａは、この電気エネルギにて電気ヒータ２１を発熱させて、蓄熱材２ｅを加熱する。

蓄熱処理ルーチンでは、先ず、ステップＳ１で、温度センサ１６で検出した蓄熱材２ｅの温度（蓄熱温度）を読込み、ステップＳ２で蓄熱材２ｅが蓄熱可能か否か、換言すれば、蓄熱容量に余裕があるか否かを、予め設定した閾値に基づいて判定する。閾値は、蓄熱材２ｅの飽和温度（沸点）以下であれば良く、任意に設定可能である。そして、蓄熱温度が閾値以下の場合、蓄熱可能と判定してステップＳ３へ進む。又、蓄熱温度が閾値を超えている場合は、蓄熱不能と判定し、ステップＳ５へ分岐する。

ステップＳ３へ進むと熱回収処理を実行してステップＳ４へ進む。この熱回処理は、熱回収ユニット１２で回収した電気エネルギを、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の回路を介して電気ヒータ２１を発熱可能な電圧まで調圧させる処理を含む。

そして、ステップＳ４ヘ進み、調圧した電圧で電気ヒータ２１を発熱させて、ルーチンを抜ける。一方、ステップＳ５へ分岐すると、電気ヒータ２１をＯＦＦさせてルーチンを抜ける。蓄熱材２ｅはその周囲が断熱材２ｂで覆われており、断熱材２ｂに開口されている放熱窓２ｃは、連通管２ｆに介装されている熱伝導率の低い材料で形成した暖房バルブ２ｄによって閉塞されているため、放熱され難く、蓄熱状態が長時間保持される。

一方、図５に示す暖房処理ルーチンは、送信機１５からの乗車準備信号が受信されるまで待機している。そして、乗車準備信号が受信された時、ステップＳ１１からステップＳ１２へ進む。この送信機１５は、運転者（乗員）が駐車状態にある電動車両に乗車しようとする際に乗車準備スイッチＯＮさせることで、補助暖房を遠隔操作するものである。従って、この送信機１５は高機能携帯電話（スマートフォン）やパーソナルコンピュータであってもよく、この場合、受信機１４はインターネット回線を通じて乗車準備信号を受信する。又、送信機１５はスマートキーであっても良い。送信機１５がスマートキーの場合、スマートキーの携帯者が電動車両に近づいて、コントローラ１１ａが乗車準備信号を受信した場合、自動的にステップＳ１２へ進む。

ステップＳ１２へ進むと、コントローラ１１ａはバルブアクチュエータ２２を動作させて、暖房バルブ２ｄを、図２示すように開弁させる。すると、蓄熱材２ｅを囲繞する断熱材２ｂに開口されている放熱窓２ｃから連通管２ｆを介して蓄熱材２ｅに蓄熱されている熱が空調用ダクト２３ａに伝熱される。尚、このステップＳ１２，及び後述するステップＳ１８での処理が、本発明の開閉制御手段に対応している。

その後、空調ファン２３ｅをＯＮさせ、空調ファン２３ｅによって空調用ダクト２３ａを流れる空気に蓄熱材２ｅに蓄熱されている熱を混合させて、吹出口２３ｆから室内に吹き出させ、室内を補助的に暖房する。

その後、ステップＳ１４へ進み、カウンタタイマのカウント値Ｔｉｍをインクリメントして経過時間の計時を開始し、ステップＳ１５で、カウント値Ｔｉｍが設定時間Ｔｏに達したか否かを調べる。この設定時間Ｔｏは空調装置２３をＯＮさせるまでの待機時間であり、室内温度や外気温等に応じて可変設定される。或いは、予め運転者（乗員）が設定しても良い。

そして、Ｔｉｍ＜Ｔｏの場合、ステップＳ１４へ戻り、設定時間Ｔｏに達するまで待機する。一方、カウント値（経過時間）Ｔｉｍが設定時間Ｔｏに達した場合（Ｔｉｍ≧Ｔｏ）、ステップＳ１６へ進み、空調装置２３をＯＮさせる。すると、空調用ダクト２３ａを流れる空気が熱交換器２３ｇを通過する際に加熱されて所定に昇温され、更に、蓄熱材２ｅに蓄熱されている熱と混合されて更に昇温された後、吹出口２３ｆから吹き出される。

次いで、ステップＳ１７で室内温度Ｔｅｍと暖房設定温度Ｔｅｏとを比較する。この暖房設定温度Ｔｅｏは、予め設定した固定値であっても良いが、乗員が設定することのできる可変値であっても良い。

室内温度Ｔｅｍが暖房設定温度Ｔｅｏに達するまで暖房バルブ２ｄの開状態を維持し、室内温度Ｔｅｍが暖房設定温度Ｔｅｏに達した場合、ステップＳ１８へ進み、バルブアクチュエータ２２を動作させ、暖房バルブ２ｄを閉弁させてルーチンを終了する。

暖房バルブ２ｄが閉弁されると、放熱窓２ｃに連通する連通管２ｆが遮蔽されるため、空調用ダクト２３ａに対する蓄熱材２ｅからの熱が遮断され、流通する空気は熱交換器２３ｇによる空調暖房のみで温度調節される。

図６に補助暖房と空調暖房との動作タイミングを示す。コントローラ１１ａが、運転者からの乗車準備信号を受信すると（経過時間ｔ０）、暖房バルブ２ｄが開弁すると共に、空調装置２３の空調ファン２３ｅが稼動し、蓄熱材２ｅの熱が、空調用ダクト２３ａを流れる空気と混合されて昇温される（補助暖房）。

その後、予め設定されている設定時間Ｔｏ（経過時間ｔ１）に達すると、空調装置２３がＯＮし、空調用ダクト２３ａを流れる空気は、蓄熱材２ｅによる補助暖房と空調装置２３による空調暖房との双方で昇温される。その結果、室内が早期に昇温されると共に、空調装置２３の電力消費量を低減させることができる。室内温度が早期に昇温されるため、運転者（乗員）は早期に温感を取得することができ、快適性が向上する。

そして、室内温度が暖房設定温度Ｔｅｏに達すると暖房バルブ２ｄが閉弁し、補助暖房が終了する（経過時間ｔ２）。その際、同図に破線で示すように、暖房バルブ２ｄを段階的に閉弁させて、補助暖房を緩やかに終了させるようにしても良い。この蓄熱材２ｅに蓄熱させる発熱源１３は走行時に発生する熱、振動エネルギ、或いは自然熱源であるため、外部電源が不要で、余分な電気料金の増加を抑制することができる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限るものではなく、例えば前部サポート部材はトーボードクロスメンバであっても良い。又、蓄熱ユニット２の断熱材２ｂはステアリングサポートビーム５の外周を覆うように配設されていても良い。或いはステアリングサポートビーム５の蓄熱材配置部位５ａを断熱材で形成するようにしても良い。

又、蓄熱材配置部位５ａの連通管２ｆ側にＰＴＣヒータ等の電気ヒータを配設し、コントローラ１１ａ或いは空調装置２３は、暖房バルブ２ｄの開弁により連通管２ｆを開放するに際し、温度センサ１６で検出した蓄熱材２ｅの蓄熱温度が設定温度を下回っていた場合、電気ヒータを発熱させて、早期に補助暖房させるようにしても良い。

１…インストルメントパネル、
１ａ…内部空間、
２…蓄熱ユニット、
２ａ…蓄熱容器、
２ｂ…断熱材、
２ｃ…放熱窓、
２ｄ…暖房バルブ、
２ｅ…蓄熱材、
２ｆ…連通管、
３…フロントガラス、
４…グローブホックス、
５…ステアリングサポートビーム、
５ａ…蓄熱材配置部位、
１１…補助暖房装置、
１１ａ…コントローラ、
１２…熱回収ユニット、
１３…発熱源、
１４…受信機、
１５…送信機、
１６…温度センサ、
２１…電気ヒータ、
２２…バルブアクチュエータ、
２３…空調装置、
２３ａ…空調用ダクト、
２３ｂ…外気吸入口、
２３ｃ…内気吸入口、
２３ｅ…空調ファン、
２３ｆ…吹出口、
２３ｇ…熱交換器、
ｔ０，ｔ１，ｔ２…経過時間、
Ｔｅｍ…室内温度、
Ｔｅｏ…設定温度、
Ｔｉｍ…カウント値、
ｔ０…経過時間、
Ｔｏ…設定時間

Claims

車両の挙動で発生する熱源と該車両の外部から取り入れる自然熱源との少なくとも１つから熱エネルギを回収する熱エネルギ回収手段と、
前記熱エネルギ回収手段で回収した熱エネルギを蓄熱する蓄熱材と、
前記車両に設けられている空調装置と、
前記空調装置の動作を制御するコントローラと
を有し、
前記コントローラが、前記空調装置による前記車両の室内を暖房するに際し、前記蓄熱材に蓄熱されている熱で前記車両の室内を補助的に暖房する制御を行う車両用補助暖房装置において、
前記車両の車室前部に配置されて車体幅方向へ延在する前部サポート部材と、
前記前部サポート部材内に形成され且つ前記空調装置の空調用ダクトに近接すると共に並行に配置された、前記蓄熱材を装填する蓄熱材配置部位と、
前記空調用ダクト及び前記蓄熱材配置部位間を連通する連通部と、
前記連通部内を開閉する開閉手段と、
乗員が携帯する送信機と、
前記コントローラに接続されている受信機と
を更に有し、
前記コントローラには、前記送信機からの信号を前記受信機が受信すると前記開閉手段を前記車両に前記乗員が乗車する前に遠隔操作にて開放させて、前記空調装置が起動する前に前記蓄熱材に蓄熱されている熱を前記車両の室内に供給させる開閉制御手段が備えられている
ことを特徴とする車両用補助暖房装置。
前記開閉制御手段は、外気温及び前記車両の室内温度と、予め設定され或いは前記乗員が設定した暖房設定温度とを比較し、該外気温と該室内温度との一方が前記暖房設定温度を下回っている場合に前記開閉手段を開放動作させる
ことを特徴とする請求項１記載の車両用補助暖房装置。
前記蓄熱材は、前記蓄熱材配置部位に断熱材を介して装填されていると共に、該断熱材に、前記連通部に伝熱可能な伝熱領域が設けられている
ことを特徴とする請求項１～２の何れか１項に記載の車両用補助暖房装置。
前記前部サポート部材の少なくとも前記蓄熱材配置部位の外周が断熱材で覆われている
ことを特徴とする請求項１～２の何れか１項に記載の車両用補助暖房装置。
前記前部サポート部材の少なくとも前記蓄熱材配置部位が断熱材で形成されている
ことを特徴とする請求項１～２の何れか１項に記載の車両用補助暖房装置。
前記蓄熱材の蓄熱温度を検出する温度検出手段と、
前記蓄熱材配置部位に配設する電気ヒータと
を有し、
前記開閉手段が前記連通部を開放するに際し、前記温度検出手段で検出した前記蓄熱材の蓄熱温度が設定温度を下回っていた場合、前記空調装置は前記電気ヒータを発熱させる
ことを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の車両用補助暖房装置。