WO2011071192A1

WO2011071192A1 - 電気自動車用防曇・空調システム

Info

Publication number: WO2011071192A1
Application number: PCT/JP2010/073639
Authority: WO
Inventors: 琢昌渡邊
Original assignee: Watanabe Takumasa
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2011-06-16
Also published as: JP4801197B2; CN102712236A; EP2511116B1; US9463683B2; JP2011121516A; EP2511116A1; EP2511116A4; CN102712236B; US20120241127A1

Abstract

車内に十分な排熱源を持たない電気自動車等では、ウインドウの防曇や、車内暖房などの空気加熱にバッテリーからの電力を使用すると、走行可能距離が短縮してしまう問題がある。この問題を解決するために、デシカント調湿技術を活用した。すなわち、空気の相対湿度差により、空気中の水蒸気を吸着したり、空気中へ水蒸気を放出する除湿剤（２）により、電気自動車の走行時には乗員が発する水蒸気を吸湿して絶対湿度の上昇を抑制すると共に、吸湿熱を活用して高温の空気を製造し、これをフロントウインドウなどへ噴出し曇り止めと車内暖房を行う。また、電気自動車等の停車時に商用電力を用いて電気ヒータ（３）と送風ファン（４）を駆動して高温の低相対湿度空気を製造し、除湿剤（２）を再生する。このように、電気自動車の停車時を利用して除湿剤（２）を再生する構成としたので、除湿剤の形状に対する制約が無くなると共に、通過する空気流路の切り替え装置などが簡潔化された。その結果、コンパクトで走行時の電力使用量の低い電気自動車等の防曇・空調システムが可能となり、走行可能距離の延長や蓄電バッテリーの容量削減などの効果が得られた。

Description

電気自動車用防曇・空調システム

　本発明は、電気自動車等の車内空間の空調システム、とりわけウインドウ周辺空気の相対湿度を制御し、視界を遮るウインドウの結露による曇りを防止するための電気自動車用防曇・空調システムに関するものである。

　近年、地球温暖化の傾向が顕著となり、その対策の一環として主たる温室効果ガスである二酸化炭素の排出量を削減すべく化石燃料を全く使用しない電気自動車や、一部化石燃料を使用するハイブリッド自動車等の導入が進められている。
　しかしながら、これらの電気自動車等では、外気が車室内温度より低温となる冬季などに、乗員から排出される水蒸気（不感常泄）がウインドウガラスに結露し視界が妨げられ、安全運転に支障をきたす問題がある。
　この問題では車室内空気の除湿が対策となるが、電気自動車等の場合は、従来自動車の様に圧縮式空調（冷凍）システムによる冷却除湿に頼ることは、特に低温化した空気の加熱において蓄電力の消費が顕著となり、走行可能距離の短縮という二次的な問題が発生する。
　例えば、外気が５℃、６０％ＲＨ（絶対湿度２．６ｇ／ｋｇ）の環境下で、車内容積が４ｍ３（＝空気重量４．８ｋｇ）の電気自動車に乗員３名が乗車した場合、人間の不感常泄量（水蒸気発散量）は約３０ｇ／ｈ・人であるから、車内の絶対湿度は毎時１８．８ｇ／ｋｇの速度で上昇する。このため、ウインドウガラス近傍の空気温度が５℃の場合には、相対湿度１００％（絶対湿度５．４ｇ／ｋｇ）には約９分で到達し、結露（窓が曇る）が始まる。
　従来の自動車であれば、エンジン排熱を利用しウインドウガラス近傍の空気温度を上昇させて相対湿度を低下して結露を防止する対策を行っているが、電気自動車では有効な熱源が無いために、この対策は取れない。
　すなわち、暖房や防曇など加熱のために電力を消費する事は、電気自動車等の走行可能距離の短縮や、高価なリチウムイオン電池の容量アップに繋がり経済性を損なうこととなる。従って、電力の使用を抑制できる防曇・空調システムは早急に確立されるべき技術と言える。
　近年、空気の除湿を効果的に行う手段として、デシカント調湿技術が提案されている。例えば特許文献１では、２つのデシカント（水分吸脱装置部内に設置された除湿剤）を処理空気と再生空気の流通経路に交互に切り換え接続可能な状態に配置し、一方のデシカントで処理空気中の水分を吸着する時に、他方のデシカントを再生空気によって再生し、２つのデシカントを交互に使用し、室内へ導入する外気を除湿するようにした空調システムが記載されている。

特開２００７−０３２９１２号公報

　従来の自動車では、乗員が発生する水蒸気（不感常泄）が原因であるウインドウガラスの曇りを取り除くため、冬季でもカーエアコンを作動させ、室内空気を露点以下に冷却することで除湿し、その後にヒータにて当該低温空気を加熱して、低相対湿度空気とした後にウインドウへ吹きつけ、ウインドウの曇を防止する手段を用いている。
　また、前記特許文献１記載のデシカント空調システムでは、比較的短時間に除湿剤の吸着工程と再生工程を繰り返す構成であるため、装置構成が複雑となるほか、電気自動車への適用に際しては、連続運転の際に除湿剤再生に電力を消費せざるを得ない構成となり実用的ではない。
　このように、自動車内部に排熱を保有する従来の自動車に対し、電気自動車や、車体内部に小容量のエンジン駆動発電機を保有するハイブリッド型自動車では加熱源となる排熱がわずかであり、空気加熱のためにバッテリーに蓄えている電気を利用することは走行距離の短縮を引き起こすなどの問題がある。走行時の電気使用量を最小化できるウインドウガラスの防曇や車内暖房技術は、安全で快適な電気自動車を提供する上で重要な課題である。

　本発明では、電気自動車等の走行時に問題となるウインドウガラスの曇りと共に、車内暖房の熱源確保を解決する手段として、乗員の不感常泄（約３０ｇ／ｈ・人）を大容量で固定式の除湿剤に吸湿させる事で、低湿度の空気を得るとともに、吸湿時に発生する吸湿熱を車室内の暖房に利用するデシカント空調技術を活用している。
　当然のことであるが、長時間の運転では大容量の除湿剤が必要となる。また、大量に水蒸気を吸湿した除湿剤を再生するタイミングが重要となる。
　本発明では、除湿剤の再生を電気自動車等の停車時やバッテリー充電時に行う手段を採用している。すなわち、走行時は除湿剤の吸湿作用を利用して乗員が発する不感常泄を除湿剤に吸湿させ、停車時あるいはバッテリーの充電時に商用電力を用いて、除湿剤を効果的に再生する手段を採用した。
　このように、本発明の本質は、電気自動車等の停車時を除湿剤の再生にあて、走行時を除湿剤による水蒸気吸湿時間とした点にある。停車時の除湿剤再生では、商用電力を用いて相対湿度の低い空気を製造し、これにより除湿剤を再生する。また、走行時には、乗員が発する不感常泄を除湿剤が吸湿し、車内空気の絶対湿度上昇を抑制すると共に吸湿熱を暖房に利用する手段を構築している。

　走行時は除湿剤の吸湿作用を利用して乗員が発する不感常泄を除湿剤に吸湿させ、停車時には商用電力を用いて、除湿剤を再生する手段を採用したことで、従来のデシカント装置のように再生運転、吸湿運転のために２倍の容量の除湿剤を用意する必要がなく、走行時には大容量の除湿剤を吸湿専用と使用できると共に、除湿剤の形状設定の自由度が向上し、また吸湿時と再生時の流路切り替えの構成も簡潔化されている。
　すなわち、除湿剤を固定化できるので、限られたスペースであっても大容量の除湿剤を設置できると共に、従来のデシカントシステムのような除湿剤を回転させる装置や、処理空気と再生空気の流路切り替えなどの複雑な装置構成が不要となり、軽量でコンパクトな電気自動車向けの防曇・空調システムの提供が可能となった。
　また、本発明の電気自動車用防曇・空調システムを用いれば、冬季には電気自動車のウインドウの曇りを除去した上に暖房効果が得られるので、搭載される蓄電バッテリーからの使用電力を極小に削減できる。
　その上、夏季には車室内空気の絶対湿度を低くできるので、電動圧縮式冷凍装置内での水分凝縮量を削減でき、圧縮式冷凍サイクルの運転効率を高められ、冷凍装置の小型化や軽量化も可能となる。

本発明に係る電気自動車に設置された防曇・空調システムの構成図である。除湿ユニットの内部に設置される除湿剤の形状説明図である。

　本発明では、電気自動車等の長時間運転に際しても十分な除湿機能を確保するために除湿剤の大容量化を実施した。このために従来とは異なる除湿剤の形状および構成としている。
　また、除湿剤は電気自動車等の運転時に乗員の不感常泄を吸湿し、停車時に再生を行うことから、除湿剤の吸湿と再生を同時に行う必要が無い。この運用特性を活用することで簡潔な除湿ユニットが構築されている。

　図１は本発明による電気自動車等の防曇・空調システム（１０）の概略構成図である。
　防曇・空調システム（１０）は、除湿ユニット（１）、その内部に設置された除湿剤（２）、電気ヒータ（３）および送風ファン（４）、除湿ユニット（１）の下流部に設置される通風ダクト（５ｂ）、通風ダクト（５ｂ）の下流に設置される防曇ノズル（６）、および排気ダクト（７）、防曇ノズル（６）および排気ダクト（７）への送気を切り替えるガイドベーン（８）、排気ダクト（７）と同心円状に設置される空洞管（９ａ）、および外気導入ダクト（９）などから構成される。
　除湿ユニット（１）は両端に通風ダクト（５ａ）、（５ｂ）を備えている。通風ダクト（５ｂ）は、制御装置（１２）からの指令により動作する流路切り替え装置（１３）に接続されている。この流路切り替え装置（１３）は空気の排出口を２つ設けてあり、一方の排出口は通風ダクト（５ｃ）を経て防曇ノズル（６）に接続されている。他方の排出口は排気ダクト（７）に接続されており、排気ダクト（７）は車輌の底部へ向かいとりつけられている。流路切り替え装置（１３）はガイドベーン（８）を備え、このガイドベーン（８）は制御装置（１２）によって、通風ダクト（５ｃ）または排気ダクト（７）へ接続されている開口部を塞ぐように動作する。また、排気ダクト（７）には外気導入ダクト（９）の二重管構造をなす空洞管（９ａ）が設けられている。この空洞管（９ａ）は排気ダクト（７）より外径が２０ｍｍ程度大きい。また、外気導入ダクト（９）の一方は車室へ接続される。制御装置（１２）は防曇・空調システム（１０）の運転状態に応じて除湿ユニット（１）内の電気ヒータ（３），送風ファン（４），および流路切り替え装置（１３）内のガイドベーン（８）の運転ならびに開閉動作を制御する。
　停車時における電気自動車等の防曇・空調システム（１０）の再生運転に付いて説明する。商用電源を用いて除湿ユニット（１）の内部に設置される電気ヒータ（３）および送風ファン（４）を稼働し、車内空気を送風ファン（４）にて送気する。車内空気は電気ヒータ（３）にて加熱され高温化して相対湿度の低い空気状態となる。この高温低相対湿度状態の空気が除湿剤（２）を通過する際に、除湿剤（２）から水分を吸収し、高湿度の低温空気となり、その後、排気ダクト（７）を経て車外へ排気される。
　排気ダクト（７）はその外周側に車外からの外気を車内へ取り込む二重管構造をなす空洞管（９ａ）との二重管構造部を有しており、送風ファン（４）の稼働により空気圧が減少した車内へ、外気導入ダクト（９）を介し外気が流入する。この時、排気ダクト（７）を通過する高湿度の排気と、車内へ流入する低温外気は熱交換を行う。この時、排気ダクト（７）を通過する高湿度排気は温度低下するため排気ダクト（７）の内部で結露を起こす事があるが、発生したドレインは重力により車外へ排出される構成となっている。
　次に走行時における電気自動車等の防曇・空調システム（１０）の吸湿運転に付いて説明する。走行時には図示されない車載の蓄電バッテリー（１１）からの電力を用い、車内空気を送風ファン（４）にて除湿剤（２）へ送気する。この時、除湿剤（２）が通過する空気中の水蒸気を吸湿するので空気の絶対湿度は低下する。と同時に発生する吸湿熱により通過空気が加熱され高温空気が得られる。この低相対湿度の高温空気を除湿ユニット（１）の下流部に設置される通風ダクト（５）を経由し、防曇ノズル（６）からフロントウインドウなどの窓ガラスへ向けて噴射し、ウインドウの結露除去あるいは結露発生を防止している。
　図２は除湿ユニット（１）の内部に設置されている除湿剤（２）の形状説明図である。
　除湿剤（２）は高分子収着剤を塗布したダンボール状の薄板を積層した形状である。
　除湿剤（２）は開口部（２ａ）を形成する折り板形状の板材（２ｂ）と平板材（２ｃ）を交互に積層した形状である。
　平板材（２ｃ）は多数の通気穴を有している。
　また、除湿剤（２）の周囲は、開口面（２ａ）を除き密閉形状である。

　電気自動車等の車体内部に、水分吸湿作用を発生する大容量で固定式の除湿剤（２）を内包する除湿ユニット（１）を複数配置した車内空調装置を開発した。
　この車内空調装置では、主にバッテリー蓄電などを行う停車時に、商用電力による温風を製造する手段と、該温風により除湿ユニット内の除湿剤を加熱再生する手段とを備えている。
　また、除湿剤（２）としては、体積当たりの吸湿量が多いものが有利であるため、前記除湿ユニット（１）内部に内包される除湿剤（２）は、高分子収着剤あるいはイモゴライト吸着剤などの水分吸湿作用を示す除湿剤を塗布した折り板材（２ｂ）と通気穴を有する平板材（２ｃ）から成るダンボール状の板材を複数積層した構造物を用いている。
　また、限られた車内スペースを有効に活用するために、除湿作用を有する粉剤と粘土材の混練物に一定方向の通気口を多数設置した後に、燃結などにより形成した構造物を用いることも可能である。同様の理由から、除湿ユニット（１）内部に内包される除湿剤（２）は、高分子収着剤あるいはイモゴライト吸着剤を塗布した複数個の突起を有する３次元構造物の集積体としても良い。
　このように、電気自動車用の防曇・空調システム（１０）に利用される除湿剤（２）と通過する空気との接触面積を大きく確保すると共に、担持される除湿剤（２）の重量密度も格段に上昇させているので、長時間の電気自動車の走行時においても、送風ファン（４）の駆動だけでウインドウの防曇ならびに室内暖房が可能となり、蓄電バッテリー（１１）からの電力供給量が削減される。
　すなわち、本発明は、電気自動車等において、その車体内部に、水分吸湿作用を発生する除湿剤（２）を内包する除湿ユニット（１）を複数配置し、その除湿ユニット（１）内に電気ヒータ（３）と送風ファン（４）などを併せて設置することで、電気自動車等の停車時に商用電力により電気ヒータ（３）と送風ファン（４）を稼働させ、加熱され温度上昇した低相対湿度の空気を除湿剤（２）へ導き、除湿剤（２）を再生した後の空気を車外へ排気できる構成とした。
　一方、走行時においては、乗員から発生する不感常泄による水蒸気を含む空気を除湿剤（２）へ導き、空気中の水蒸気を除湿剤（２）に吸わせることで、絶対湿度を低下させると共に温度上昇した低相対湿度の空気が得られる。この低相対湿度で高温の空気をフロントウインドウやリアウインドウなどへ吹き掛けることで、ウインドウに発生する結露除去が可能な電気自動車用の防曇・空調システム（１０）が提供される。
　特に、本発明では電気自動車用防曇・空調システム（１０）ならびに除湿ユニット（１）の構成を次のように明確に規定しているので、電気自動車等での利用可能性が確立している。
　すなわち、本発明では、電気自動車等の車内の空気を防曇ノズル（６）に導く第１の通風ダクト（５ａ）と前記防曇ノズル（６）との間に設けられた除湿ユニット（１）を備えた電気自動車用防曇・空調システム（１０）であって、
　前記第１の通風ダクト（５ａ）は、
　一方が前記車内に連結され、他方が前記除湿ユニット（１）の一方に連結されてなり、
　前記除湿ユニット（１）の他方に連結された第２の通風ダクト（５ｂ）と、
　前記防曇ノズル（６）に一方が連結された第３の通風ダクト（５ｃ）と、
　前記車内に一方が連結されて外気を前記車内に導くための外気導入ダクト（９）と、
　外部に前記車内の空気を排出させるための排気ダクト（７）と、
　第１の孔、第２の孔、第３の孔並びに内部にガイドベーン（８）を備え、第１の孔には前記排気ダクト（７）が連結され、前記第２の孔には前記第３の通風ダクト（５ｃ）の他方が連結され、前記第３の孔には、前記第２の通風ダクト（５ｂ）が連結され、前記ガイドベーン（８）の切換によって、前記除湿ユニット（１）に連結された前記第２の通風ダクト（５ｂ）からの除湿剤を通過後の空気を前記第３の通風ダクト（５ｃ）に送る又はその空気を前記排気ダクト（７）に送る流路切換装置（１３）と、
　前記排気ダクト（７）より径が大きくされて前記排気ダクト（７）に挿入され、前記流路切換装置（１３）側となる側端に第４の孔を設け、この第４の孔に前記外気導入ダクト（９）の他方を連結した空洞管（９ａ）とを備え、
　前記除湿ユニット（１）は、
　前記第１の通風ダクト（５ａ）、前記第２の通風ダクト（５ｂ）、前記第３の通風ダクト（５ｃ）、排気ダクト（７）、前記外気導入ダクト（９）、空洞管（９ａ）より等価水力直径が大きく、内部には、前記第１の通風ダクト（５ａ）側にファン（４）を設け、ファン（４）の後にヒータ（３）を設け、ヒータ（３）の後に除湿剤（２）を設け、この除湿剤（２）の後には所定の大きさの空洞部を設け、この空洞部からの空気を前記第２の通風ダクト（５ｂ）に送るように構成されている。
　別の産業上の利用可能性に付いて紹介する。
　電気自動車等に車載される電動圧縮式冷凍装置を使用して車内温度を低下させる際にも、乗員から発生する不感常泄による水蒸気や、外気が車内へ持ち込む水蒸気を、除湿ユニット内の除湿剤に吸わせることで、絶対湿度の低い空気が得られる。
　その結果、絶対湿度の低い空気を電動圧縮式冷凍装置で冷却するので、蒸発器（エバポレータ）での結露（水蒸気凝縮）が防止あるいは低減できる。これにより電動圧縮式冷凍装置は空気の冷却除湿の負荷から解放され、空気を目的温度（通常は２５℃程度）まで冷却するのみの負荷となり、冷凍効率の高い運転が可能な電気自動車用の防曇・空調システムが提供される。
　本発明では除湿剤として、高相対湿度領域で高い吸湿率、かつ低相対湿度領域で低い吸湿率を示す高分子収着剤やイモゴライトなどを使用しているので、除湿剤の再生運転時には相対湿度２０％程度の乾燥空気により十分な再生運転を行うことが可能であり、走行時、室内気の相対湿度が６０％程度であっても吸湿率差を大きくとる事が可能となり、除湿剤の充填量を低減化できるため軽量かつコンパクトな電気自動車用の防曇・空調システムが提供される。

　　１・・・除湿ユニット、
　　２・・・除湿剤、
　　２ａ・・・除湿剤の開口部
　　２ｂ・・・折り板形状の板材
　　２ｃ・・・平板形状の板材
　　３・・・電気ヒータ、
　　４・・・送風ファン、
　　５、５ａ、５ｂ、５ｃ・・・通風ダクト、
　　６・・・防曇ノズル、
　　７・・・排気ダクト、
　　８・・・ガイドベーン、
　　９・・・外気導入ダクト、
　　９ａ・・・空洞管
　１０・・・防曇・空調システム、
　１１・・・蓄電バッテリー、
　１２・・・制御装置
　１３・・・流路切り替え装置

Claims

　蓄電された電力を電動機の動力源として走行する電気自動車等の車体内部に、水分吸湿作用を発生する除湿剤（２）を内包する除湿ユニット（１）を複数配置した車内空調装置であって、
　主にバッテリー蓄電時に、併行して電力による温風を製造する手段（３、４）と、
　該温風により除湿ユニット（１）内の除湿剤（２）を加熱再生する手段を備え、
　前記除湿ユニット（１）内部に内包される除湿剤（２）は、
　高分子収着剤あるいはイモゴライト吸着剤を塗布した折り板材（２ｂ）と通気穴を有する平板材（２ｃ）から成るダンボール状の板材を複数積層した構造物であることを特徴とした電気自動車用防曇・空調システム。
　蓄電された電力を電動機の動力源として走行する電気自動車等の車体内部に、水分吸湿作用を発生する除湿剤（２）を内包する除湿ユニット（１）を複数配置した車内空調装置であって、
　主にバッテリー蓄電時に、併行して電力による温風を製造する手段（３、４）と、
　該温風により除湿ユニット（１）内の除湿剤（２）を加熱再生する手段を備え、
　前記除湿ユニット（１）内部に内包される除湿剤（２）は、
　除湿作用を有する粉剤と粘土材の混練物に多数の一方向の通気口を設置した後に、燃結などにより形成した構造物であることを特徴とする電気自動車用防曇・空調システム。
　蓄電された電力を電動機の動力源として走行する電気自動車等の車体内部に、水分吸湿作用を発生する除湿剤（２）を内包する除湿ユニット（１）を複数配置した車内空調装置であって、
　主にバッテリー蓄電時に、併行して電力による温風を製造する手段（３、４）と、
　該温風により除湿ユニット（１）内の除湿剤（２）を加熱再生する手段を備え、
　前記除湿ユニット（１）内部に内包される除湿剤（２）は、
　高分子収着剤あるいはイモゴライト吸着剤を塗布した複数個の突起を有する３次元構造物の集積体であることを特徴とする電気自動車用防曇・空調システム。
　蓄電された電力を電動機の動力源として走行する電気自動車等の車内の空気を、防曇ノズル（６）に導く第１の通風ダクト（５ａ）と前記防曇ノズル（６）との間に設けられた除湿ユニット（１）を備えた電気自動車用防曇・空調システムであって、
　前記第１の通風ダクト（５ａ）は、
　一方が前記車内に連結され、他方が前記除湿ユニット（１）の一方に連結されてなり、
　前記除湿ユニット（１）の他方に連結された第２の通風ダクト（５ｂ）と、
　前記防曇ノズル（６）に一方が連結された第３の通風ダクト（５ｃ）と、
　前記車内に一方が連結されて外気を前記車内に導くための外気導入ダクトと、
　外部に前記車内の空気を排出させるための排気ダクト（７）と、
　第１の孔、第２の孔、第３の孔並びに内部にガイドベーン（８）を備え、第１の孔には前記排気ダクト（７）が連結され、前記第２の孔には前記第３の通風ダクト（５ｃ）の他方が連結され、前記第３の孔には、前記第２の通風ダクト（５ｂ）が連結され、前記ガイドベーン（８）の切換によって、前記除湿ユニットに連結された前記第２の通風ダクト（５ｂ）からの除湿剤（２）を通過後の空気を前記第３の通風ダクト（５ｃ）に送る又はその空気を前記排気ダクト（７）に送る流路切換装置（１３）と、
　前記排気ダクト（７）より径が大きくされて前記排気ダクト（７）に挿入され、前記流路切換装置（１３）側となる側端に第４の孔を設け、この第４の孔に外気導入ダクト（９）の他方を連結した空洞管（９ａ）とを備え、
　前記除湿ユニット（１）は、
前記第１の通風ダクト（５ａ）、前記第２の通風ダクト（５ｂ）、前記第３の通風ダクト（５ｃ）、排気ダクト（７）、前記外気導入ダクト（９）、空洞管（９ａ）より等価水力直径が大きく、内部には、前記第１の通風ダクト（５ａ）側にファン（４）を設け、ファン（４）の後にヒータ（３）を設け、ヒータ（３）の後に除湿剤（２）を設け、この除湿剤（２）の後には所定の大きさの空洞部を設け、この空洞部からの空気を前記第２の通風ダクト（５ｂ）に送るように構成されていることを特徴とする電気自動車用防曇・空調システム。