JPH07125530A - 自動車用空気調和装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 「自動車用空気調和装置」において、燃焼器
の排気熱を有効利用して車室内冷暖房の効率と性能を向
上させること。 【構成】 燃焼器１０の排気ガスが持っている熱（排気
熱）を利用して冷媒および温水を加熱する排気式熱交換
器１４を、コンプレッサ６の冷媒入口とエバポレータ３
の冷媒出口との間で、かつ、燃焼器１０の温水入口とヒ
ータコア４の温水出口との間に配設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車用空気調和装置
に関し、特に燃焼器の排気熱を利用して冷媒ならびに温
水を加熱するようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、エンジンを動力源とする通常の車
両において、車室内を暖房するための熱源としては、通
常、エンジンを冷却して高温となったエンジン冷却水
（温水）の一部を利用している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このように温
水を熱源として利用する場合には、温水の温度により暖
房能力が変化するため、場合によっては、燃焼熱を利用
して温水を加熱する燃焼式ヒータや、電気加熱ヒータの
一種としてのいわゆるＰＴＣヒータなどを補助熱源とし
て用いることが必要となる。たとえば、最近では、地球
環境保護の思潮の高まりに伴い、各国において燃費規制
の基準が厳しくなっており、エンジンの高効率化が要請
されているが、エンジンの高効率化が達成されると、暖
房用熱源としてのエンジン冷却水温が期待できなくなる
ため、燃焼式ヒータのような補助熱源を用いることが不
可欠となる。また、前記思潮を考慮してエンジンの負担
を軽減すべく、エンジンや電動モータなどの２種類以上
の動力源を組み合わせた車両（いわゆるハイブリッドカ
ー）が多くなりつつあるが（中には、エンジンは単に発
電機の役割しか持たないものがある）、このようなハイ
ブリッドカーにおいても、暖房用熱源としての温水があ
まり期待できない（または全く得られない）ため、燃焼
式ヒータのような補助熱源を用いることが不可欠とな
る。

【０００４】ところが、たとえば燃焼式ヒータを補助熱
源として用いる場合、従来は、単に燃焼式ヒータを空調
システムの温水系に付加するだけであって、燃焼式ヒー
タの排気ガスが持っている熱（排気熱）は何ら利用され
ずに外部に捨てられていた。資源の有効利用を図って車
室内冷暖房の効率と性能を向上させるという観点から
は、燃焼式ヒータの排気熱の利用が考慮されてしかるべ
きである。

【０００５】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、燃焼器の排気熱の有効利用
を図って車室内冷暖房の効率と性能の向上を図りうる自
動車用空気調和装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、冷凍サイクルとヒータコアとを有し車室内
の冷暖房を行う自動車用空気調和装置において、前記ヒ
ータコアの内部を流通する温水を燃焼熱を利用して加熱
する燃焼器と、前記冷凍サイクルを構成するコンプレッ
サと車室内熱交換器との間および前記燃焼器と前記ヒー
タコアとの間に設けられ前記燃焼器の排気熱を利用して
前記冷凍サイクルを循環する冷媒および前記温水を加熱
する排気式熱交換器とを有することを特徴とする。

【０００７】

【作用】このように構成した本発明にあっては、排気式
熱交換器において燃焼器の排気ガスとの熱交換によって
冷媒および温水が加熱され、燃焼器の排気熱の有効利用
が図られる。すなわち、コンプレッサに吸入される低温
低圧の過熱蒸気の状態の冷媒が加熱される場合には、冷
凍サイクルにおける成績係数が大きくなり、投入動力
（コンプレッサの圧縮仕事量）に対する冷凍能力（エバ
ポレータの冷凍効果）が大きくなって、冷房の効率と性
能が向上する。また、特にヒートポンプタイプの冷凍サ
イクルにおいて、コンプレッサから吐出される高温高圧
の過熱蒸気の状態の冷媒が加熱される場合には、コンデ
ンサの放熱量が増加し、暖房の効率と性能が向上する。
さらに、ヒータコアから燃焼器に導入される温水が排気
熱によって再加熱される場合には、ヒータコアに供給さ
れる温水の温度がその分だけ上昇するので、温水による
暖房の効率と性能が向上する。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明の一実施例による自動車用空気調和
装置の概略構成図、図２は同実施例の要部説明図、図３
は同実施例の燃焼器の構造図、図４は同実施例の排気式
熱交換器の構造図、図５は本発明の他の実施例による自
動車用空気調和装置の概略構成図、図６はモリエル線図
上の冷凍サイクルを示す図である。

【０００９】図１に示す自動車用空気調和装置は、車室
内への空調風を形成する空調ユニット１を有し、この空
調ユニット１は図示しない送風機により取り入れた空気
を車室内に向かって送るためのダクト２を有している。
ダクト２内には、熱交換器として、上流側から順に、低
温低圧の気液混合状態の冷媒を蒸発させて取り入れ空気
を冷却し除湿するエバポレータ３と、温水を利用してエ
バポレータ３の通過空気を加熱するヒータコア４とが配
設されている。ヒータコア４の上流側には、このヒータ
コア４を通過する空気（温風）と迂回する空気（冷風）
との割合を調節するためのエアミックスドア５が設けら
れており、このエアミックスドア５の開度を調節するこ
とによって車室内に吹き出される空気の温度が調節され
る。

【００１０】前記ダクト２外には、エバポレータ３から
のガス状冷媒を吸入して断熱圧縮するコンプレッサ６
と、コンプレッサ６で圧縮された高温高圧のガス状冷媒
を冷却して中温高圧の液状冷媒にするコンデンサ７と、
コンデンサ７からの中温高圧の液状冷媒を断熱膨脹させ
て蒸発しやすい低温低圧の気液混合状態の冷媒にする膨
脹弁８とが配設されている。冷凍サイクル９は、これら
コンプレッサ６、コンデンサ７、膨脹弁８、およびエバ
ポレータ３を配管で連結して構成されている。

【００１１】また、前記ダクト２外には、ヒータコア４
の内部を流通する温水をたとえば灯油、軽油、ガソリン
などの燃焼熱を利用して加熱する燃焼器１０が設けられ
ている。温水循環系１１はヒータコア４と燃焼器１０と
を配管で連結して構成されている。燃焼器１０には、燃
料（灯油、軽油、ガソリンなど）を貯蔵する燃料タンク
１２と、燃料タンク１２内の燃料を燃焼器１０に供給す
る燃料ポンプ１３とが接続されている。後述するよう
に、燃焼器１０は、従来一般に別部材であった、燃焼用
の空気を送風する過給器と、温水を循環させるウォータ
ポンプと、燃料と空気を混合して燃焼させることによっ
て発生した燃焼ガスの燃焼熱を利用して温水を加熱する
燃焼式ヒータとを一体化した構造をしている。

【００１２】さらに、本実施例では、前記ダクト２外
に、燃焼器１０の排気ガスが持っている熱（排気熱）を
利用して冷媒および温水を加熱する排気式熱交換器１４
が配設されている。この排気式熱交換器１４は、コンプ
レッサ６の冷媒入口とエバポレータ３の冷媒出口との間
で、かつ、燃焼器１０の温水入口とヒータコア４の温水
出口との間に設けられている。

【００１３】図２に示すように、コンプレッサ６と燃焼
器１０とは同一の駆動源（たとえば電動モータやエンジ
ンなど）によってＶベルト１６を介して駆動されるよう
になっている。コンプレッサ６と燃焼器１０にはそれぞ
れ図示しない電磁クラッチが設けられており（マグネッ
トクラッチ）、必要な時のみ駆動源１５の駆動力がコン
プレッサ６と燃焼器１０に伝達されるようになってい
る。つまり、同じ駆動源１５を用いつつ、コンプレッサ
６のみを作動させたり、燃焼器１０のみを作動させた
り、あるいは、コンプレッサ６と燃焼器１０の両者を同
時に作動させたりすることができるようになっている。

【００１４】燃焼器１０はたとえば図３に示す構造をし
ている。同図（Ａ）は燃焼器１０の正面図、同図（Ｂ）
は同図（Ａ）のＢ−Ｂ断面図、同図（Ｃ）は同図（Ａ）
のＣ−Ｃ断面図である。同図に示すように、本実施例の
燃焼器１０は、前述のように、従来一般に別部材であっ
た過給器とウォータポンプと燃焼式ヒータとを一体化し
た構造をしている。すなわち、燃焼器１０は多重の円筒
形状をしており、過給器に相当する過給器部２０と、ウ
ォータポンプに相当するウォータポンプ部２１と、燃焼
式ヒータに相当する燃焼式ヒータ部２２とからなってい
る。過給器部２０は空気入口管２３と空気用ファン２４
とを有し、その内部は燃焼式ヒータ部２２の燃焼筒２５
の内部に形成された燃焼室２６と連通している（図３
（Ｂ）参照）。また、ウォータポンプ部２１は温水入口
管２７と温水用ファン２８とを有し、その内部は燃焼式
ヒータ部２２の外筒２９の内部と連通している（図３
（Ｃ）参照）。過給器部２０の内部とウォータポンプ部
２１の内部とは仕切板３０によって完全に遮断されてい
る。また、過給器部２０の空気用ファン２４とウォータ
ポンプ部２１の温水用ファン２８とは同軸上に配置さ
れ、図示しないマグネットクラッチを介して同じシャフ
ト３１によって同時に連動して回転するようになってい
る。燃焼式ヒータ部２２の燃焼筒２５の一端には点火プ
ラグ３２と燃料噴射ノズル３３が設けられている。ま
た、燃焼筒２５と外筒２９との間には伝熱筒３４が設け
られている。空気用ファン２４によって空気入口管２３
から過給器部２０の内部に流入した空気は、通路３５を
通って燃焼式ヒータ部２２の空気室３６に至り、開口３
７から燃焼室２６に供給される。この燃焼室２６におい
て空気は燃料噴射ノズル３３によって供給された燃料と
混合され、点火プラグ３２で着火されて燃焼する。この
時発生する高温の燃焼ガスは、燃焼室２６下流の第１排
気室３８と、これと連通し燃焼筒２５と伝熱筒３４との
間の第２排気室３９とを通って排気管４０へ排気される
（以上図３（Ｂ）参照）。一方、温水用ファン２８によ
って温水入口管２７からウォータポンプ部２１の内部に
流入した温水は、通路４１を通って外筒２９の内部に流
入し、伝熱筒３４を介して排気される高温の燃焼ガスと
の熱交換によって加熱された後、高温となって温水出口
管４２から流出する（図３（Ｃ）参照）。

【００１５】排気式熱交換器１４はたとえば図４に示す
構造をしている。同図（Ａ）は、排気ガスの流通する排
気ガス筒５０に温水の流通する温水管５１と冷媒の流通
する冷媒管５２とを貫通させた構造のものであって、温
水管５１と冷媒管５２の外周部にはそれぞれ複数のフィ
ン５３が取り付けられている。この場合、排気式熱交換
器１４に流入する冷媒と温水は燃焼器１０から排出され
る排気ガスとの熱交換によって加熱される。同図（Ｂ）
は、温水管５１に冷媒管５２を巻き付け、これらを排気
ガス筒５０の内部に収容した構造のものである。この場
合、排気式熱交換器１４に流入する温水は燃焼器１０か
らの排気ガスとの熱交換によって加熱され、同じく排気
式熱交換器１４に流入する冷媒は排気ガスおよび温水と
の熱交換によって加熱される。さらに、同図（Ｃ）は、
温水の流通する温水筒５４に冷媒管５２を貫通させた状
態で温水筒５４を排気ガス筒５０に貫通させた構造のも
のであって、冷媒管５２と温水筒５４の外周部にはそれ
ぞれ複数のフィン５３が取り付けられている。この場
合、排気式熱交換器１４に流入する温水は燃焼器１０か
らの排気ガスとの熱交換によって加熱され、同じく排気
式熱交換器１４に流入する冷媒は温水（間接的には排気
ガス）との熱交換によって加熱される。

【００１６】次に作用を説明すると、冷房運転時には、
コンプレッサ６を作動させて冷媒を図１の点線矢印の方
向に流す。これにより、冷凍サイクル９が機能し、エバ
ポレータ３を通過する取り入れ空気が冷却されて冷風が
車室内に吹き出される。このとき、燃焼器１０を作動さ
せて排気ガスを排気式熱交換器１４に導けば、エバポレ
ータ３からコンプレッサ６に吸入される低温低圧の過熱
蒸気の状態の冷媒は排気ガスとの熱交換によって加熱さ
れることになり、冷凍サイクルにおける成績係数が大き
くなる。ここで、成績係数とは、モリエル線図上におい
て、投入動力（コンプレッサの圧縮仕事量）ｐと冷凍能
力（エバポレータの冷凍効果）ｑとの比、つまり、 成績係数＝ｑ／ｐ として定義されるものである（図６参照）。すなわち、
コンプレッサに吸入される冷媒を加熱すると、図６に示
すように、コンプレッサ入口の冷媒の状態がＡ点から
Ａ′点に移動し（加熱によるエンタルピーの増加量をｒ
とする）、成績係数がｑ／ｐから（ｑ＋ｒ）／ｐに増加
する。これは冷房の効率と性能のアップを意味してい
る。なお、燃焼器１０を作動させた場合には、ヒータコ
ア４に温水が流れるので、エバポレータ３通過空気が加
熱されないよう、エアミックスドア５は全閉位置（フル
クール位置）に設定しておくのが好ましい。

【００１７】一方、暖房運転時には、燃焼器１０を作動
させて温水を図１の実線矢印の方向に流す。このように
した場合には、燃焼器１０内における燃焼ガスとの熱交
換によって加熱され高温となった温水はヒータコア４に
導かれ、ここで取り入れ空気に放熱して中温となる。こ
の過程において取り入れ空気が加熱されて温風が車室内
に吹き出される。ヒータコア４から流れ出た中温の温水
は、排気式熱交換器１４を通過し、この過程において燃
焼器１０から排出される排気ガスとの熱交換によって再
加熱されて温度が上昇し、この状態で燃焼器１０内に流
入する。したがって、ヒータコア４に流入する温水は燃
焼器１０と排気式熱交換器１４とによって２度加熱され
ることになり、それだけヒータコア４に供給される温水
の温度が上昇することになるので、温水による暖房の効
率と性能が向上する。

【００１８】さらに、除湿暖房運転時には、エバポレー
タ３とヒータコア４とを共に機能させるべく、コンプレ
ッサ６と燃焼器１０とを共に作動させる。この時の冷凍
サイクル９と温水循環系１１の作用についてはそれぞれ
前述した通りであるから、その説明は省略する。

【００１９】図５は本発明の他の実施例であって、冷凍
サイクルをヒートポンプタイプで構成したものを示して
いる。ここでは、図１のものと共通する部分には同一の
符号を付し、その説明を一部省略する。

【００２０】図５に示す自動車用空気調和装置は、図１
に示す自動車用空気調和装置と同様の温水循環系１１を
有するが、冷凍サイクルはヒートポンプタイプのもので
構成されている。すなわち、同図（Ａ）に示すように、
車室外には冷媒の流れる方向に応じて放熱または吸熱を
行う室外熱交換器６０が設けられ、前記ダクト２内には
冷媒の流れる方向に応じてエバポレータまたはコンデン
サとして機能する室内熱交換器６１が設けられている。
これらの熱交換器６０、６１は、コンプレッサ６、四方
弁６２、アキュムレータ６３、膨脹弁６４、６５、およ
び逆止弁６６、６７を介して配管によって相互に接続さ
れている。膨脹弁６４、６５と逆止弁６６、６７はそれ
ぞれ並列に接続されている。コンプレッサ６と室内熱交
換器６１との間、より詳細には、アキュムレータ６３と
膨脹弁６４（または逆止弁６６）との間には排気式熱交
換器１４が配設されている。同時にこの排気式熱交換器
１４は燃焼器１０の温水入口とヒータコア４の温水出口
との間に配設されている。なお、２組の膨脹弁６４、６
５と逆止弁６６、６７を用いる代わりに、たとえば、冷
房運転時と暖房運転時とで同一の膨脹弁を使用する場合
や、電子制御式膨脹弁を使用する場合などには、図５
（Ｂ）に示すように、別の四方弁６８を用いて１個の膨
脹弁６９だけで構成することも可能である。

【００２１】この装置において、冷房運転時には、コン
プレッサ６を作動させるとともに四方弁６２（および四
方弁６８）を図示実線のように切り換えて冷媒を図５の
実線矢印の方向に流す。このように冷媒を流すと、周知
のように、室外熱交換器６０はコンデンサとして、室内
熱交換器６１はエバポレータとしてそれぞれ機能するこ
とになり、室内熱交換器６１は取り入れ空気を冷却して
その冷風を車室内に吹き出すようになる。このとき、燃
焼器１０を作動させて排気ガスを排気式熱交換器１４に
導くようにすれば、コンプレッサ６に吸入される低温低
圧の過熱蒸気の状態の冷媒が排気ガスとの熱交換によっ
て加熱されて成績係数が大きくなり、冷房の効率と性能
が向上することは前述した通りである。

【００２２】一方、暖房運転時には、同じくコンプレッ
サ６を作動させつつ四方弁６２（および四方弁６８）を
図示点線のように切り換えて冷媒を図５の点線矢印の方
向、つまり、冷房運転時とは逆の方向に流れるようにす
る。このようにした場合には、周知のように、室外熱交
換器６０はエバポレータとして、室内熱交換器６１はコ
ンデンサとしてそれぞれ機能することになり、室内熱交
換器６１は取り入れ空気に放熱してこれを加熱して温風
を車室内に吹き出すようになる。このとき、燃焼器１０
を作動させて排気ガスを排気式熱交換器１４に導くよう
にすれば、コンプレッサ６から吐出される高温高圧の過
熱蒸気の状態の冷媒はさらに加熱されるため、コンデン
サとしての室内熱交換器６１の放熱量が増加し、暖房の
効率と性能が向上する。さらに、この場合には、ヒータ
コア４に温水が循環しているので、エアミックスドア５
を開いて室内熱交換器６１通過空気をヒータコア４に導
くようにすれば、室内熱交換器６１とヒータコア４とで
２度の加熱を受けるようになるので、暖房の効率と性能
はより一層向上されたものとなる。しかも、前述のよう
に温水についても排気式熱交換器１４によって再加熱さ
れるようになっているので、さらなる効率化と性能アッ
プが期待される。

【００２３】さらに、除湿暖房運転時には、室内熱交換
器６１をエバポレータして機能させるとともにヒータコ
ア４を機能させるべく、コンプレッサ６と燃焼器１０と
を共に作動させつつ四方弁６２（および四方弁６８）を
図示実線のように切り換えて冷媒を図５の実線矢印の方
向に流す。この時の冷凍サイクル９と温水循環系１１の
作用についてはそれぞれ前述した通りであるから、その
説明は省略する。

【００２４】以上、本実施例によれば、排気式熱交換器
１４を設け、燃焼器１０の排気熱を利用して冷媒と温水
を加熱するようにしたので、燃焼器１０の排気熱の有効
利用が図られ、冷房および暖房の効率と性能が向上す
る。すなわち、冷房または除湿運転時においてコンプレ
ッサ６に吸入される低温低圧の過熱蒸気の状態の冷媒が
加熱される場合には、冷凍サイクルにおける成績係数が
大きくなり、冷房（ならびに除湿）の効率と性能が向上
する。一方、暖房運転時において、コンプレッサ６から
吐出される高温高圧の過熱蒸気の状態の冷媒が加熱され
る場合には（特に図５に示すヒートポンプタイプの場
合）、コンデンサとして機能する室内熱交換器６１の放
熱量が増加し、暖房の効率と性能が向上する。また、ヒ
ータコア４から燃焼器１０に導入される温水が再加熱さ
れる場合には、ヒータコア４に供給される温水の温度が
その分だけ上昇するので、温水による暖房の効率と性能
が向上する。

【００２５】また、本実施例では、従来一般に別部材で
あった過給器とウォータポンプと燃焼式ヒータとを一体
化して燃焼器１０を構成するとともに、同一のシャフト
３１過給器部２０とウォータポンプ部２１の各ファン２
４、２８を駆動するようにしたので、システムをコンパ
クトにすることができる。

【００２６】さらに、本実施例では、コンプレッサ６と
燃焼器１０とを同一の駆動源１５によってそれぞれマグ
ネットクラッチを介して必要な時のみ作動させうるよう
にしたので、システムの簡素化が図られ、また、システ
ムのコンパクト化にも資するようになる。

【００２７】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、排気
式熱交換器を設け、燃焼器の排気熱を利用して冷媒と温
水を加熱するようにしたので、燃焼器の排気熱の有効利
用が図られ、車室内の冷房および暖房の効率と性能が向
上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による自動車用空気調和装置
の概略構成図

【図２】同実施例の要部説明図

【図３】同実施例の燃焼器の構造図

【図４】同実施例の排気式熱交換器の構造図

【図５】本発明の他の実施例による自動車用空気調和装
置の概略構成図

【図６】モリエル線図上の冷凍サイクルを示す図

【符号の説明】

１…空調ユニット ２…ダクト ３…エバポレータ（車室内熱交換器） ４…ヒータコア ５…エアミックスドア ６…コンプレッサ ７…コンデンサ ８、６４、６５…膨脹弁 ９…冷凍サイクル １０…燃焼器 １１…温水循環系 １２…燃料タンク １３…燃料ポンプ １４…排気式熱交換器 ６０…室外熱交換器 ６１…室内熱交換器（車室内熱交換器） ６２、６８…四方弁 ６６、６７…逆止弁

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷凍サイクル（９）とヒータコア（４）
   とを有し車室内の冷暖房を行う自動車用空気調和装置に
   おいて、 前記ヒータコア（４）の内部を流通する温水を燃焼熱を
   利用して加熱する燃焼器（１０）と、 前記冷凍サイクル（９）を構成するコンプレッサ（６）
   と車室内熱交換器（３、６１）との間、および前記燃焼
   器（１０）と前記ヒータコア（４）との間に設けられ、
   前記燃焼器（１０）の排気熱を利用して、前記冷凍サイ
   クル（９）を循環する冷媒、および前記温水を加熱する
   排気式熱交換器（１４）と、 を有することを特徴とする自動車用空気調和装置。