WO2015040978A1 - 車両用空調装置、車両空調用ヒータ、及び車両の空調方法 - Google Patents

車両用空調装置、車両空調用ヒータ、及び車両の空調方法 Download PDF

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昌俊 森下
中野　浩児
中村　秀男
圭史 永坂
俊輔 藥師寺
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三菱重工オートモーティブサーマルシステムズ株式会社
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    • B60H1/2221—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant the heat being derived from electric heaters arrangements of electric heaters for heating an intermediate liquid

Definitions

  • the present invention relates to a vehicle air conditioner, a vehicle air conditioner heater, and a vehicle air conditioning method.
  • Hybrid Electric Vehicle HEV
  • plug-in hybrid electric vehicles Plug-in Hybrid Electric Vehicle: PHEV
  • HEV Hybrid Electric Vehicle
  • PHEV plug-in Hybrid Electric Vehicle
  • Engine for various vehicles is installed.
  • the cooling system is independent.
  • the inverter cooling system and the heating hot water heater system are independent. If the cooling system is independent, the number of parts increases and the cost increases.
  • the upper limit of the cooling water temperature of the inverter is determined by the heat loss, heat resistance, cooling structure, etc. of the semiconductor (silicon: Si) constituting the power element. In the case of a general power element made of Si, it is necessary to suppress the temperature rise to about 65 ° C., for example.
  • Patent Document 1 discloses an inverter device composed of a SiC power element made of silicon carbide (SiC) having heat resistance with respect to a cooling water temperature when cooling an engine in an HEV cooling system. Yes.
  • the inverter device is arranged in series with the engine, and engine cooling water is used to cool the inverter device.
  • Patent Document 1 discloses a configuration in which an inverter composed of SiC power elements (hereinafter referred to as “SiC inverter”) and an engine cooling system are integrated and cooled by the same radiator. Further, when the outside air temperature is low, the cranking power resistance increases due to an increase in the oil viscosity in the engine, and the engine startability deteriorates. Patent Document 1 discloses that the engine startability is improved by using heat generated from a SiC inverter.
  • General HEV and PHEV are controlled to stop the engine as much as possible during idling to improve fuel efficiency.
  • engine exhaust heat is used as a heating heat source for air conditioning, the engine cannot be stopped when heating is performed at a low outside temperature.
  • Patent Document 1 although the SiC inverter is cooled by the engine cooling system, it is not disclosed that the heat generated by the SiC inverter is used for air conditioning.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and integrates a vehicle cooling system and a configuration relating to heating and air conditioning to enable more efficient heating and air conditioning. It aims at providing the heater for vehicles, and the air-conditioning method of vehicles.
  • the vehicle air conditioning apparatus, the vehicle air conditioning heater, and the vehicle air conditioning method of the present invention employ the following means.
  • a vehicle air conditioner includes a radiator used for cooling a vehicle-side heat generating device, a heater core that exchanges heat between air blown into a vehicle interior and a heat medium, the radiator, and the heater core.
  • the heat medium that circulates between the air flow path and the power element for air conditioning composed of a highly heat-resistant semiconductor element are integrated, and the power medium and the heating element heat the heat medium that flows to the heater core. And a heater.
  • heat exchange is performed between the air blown into the vehicle interior and the heat medium by the heater core.
  • the vehicle interior is heated by the heat-exchanged air.
  • the heat medium flows through the flow path and circulates between the radiator and the heater core used for cooling the vehicle-side heat generating device. That is, the heat medium is radiated by the radiator after cooling the vehicle-side heat generating device, and is introduced into the heater core.
  • the cooling system for the vehicle-side heat generating device and the heating system for the vehicle air conditioner are integrated.
  • the vehicle-side heat generating device is, for example, a vehicle driving engine, an inverter, a motor, and a battery.
  • the heat medium flowing to the heater core is heated by the heater.
  • the heater is integrated with a power element for air conditioning composed of a highly heat-resistant semiconductor element, and heats the heat medium by the power element and the heating element.
  • the highly heat-resistant semiconductor element is, for example, SiC.
  • the power element is resistant to a heat medium that has been heated to a high temperature by cooling the engine, and heat generated by the highly heat-resistant semiconductor element itself.
  • the heating medium can be further heated.
  • the highly heat-resistant semiconductor element that is, the power element is cooled by the heat medium. Therefore, this structure cools the power element for an air conditioning with the cooling system of a vehicle side heat-emitting device, and uses the heat for heating air conditioning. Further, the power element for air conditioning and the heating element are integrated to constitute a heater.
  • the electric power of the heating element required for heating the heat medium is smaller than that of the conventional one, and the load on the heating element is reduced, so that the reliability of the heater is improved.
  • the heating element compensates for an insufficient amount of heating with only the power element for air conditioning, heating of the heat medium does not become insufficient.
  • the heater according to this configuration can heat the heat medium more efficiently because the power element for air conditioning and the heating element complement each other.
  • this configuration integrates the vehicle cooling system and the configuration related to heating and air conditioning, and enables more efficient heating and air conditioning.
  • the flow path has a bypass flow path that bypasses the vehicle-side heat generating device and the radiator and distributes the heat medium to the heater.
  • the heat medium heated by the heater can be preferentially distributed to the heater core by bypassing the vehicle-side heat generating device and the radiator.
  • a heat carrier is raised in a short time and the standup performance of heating improves.
  • the heater heats the heat medium before it is radiated by the radiator and flows to the heater core.
  • the heater is operable by electric power from a power source outside the vehicle.
  • a vehicle air-conditioning heater includes a heating element and a power element for air conditioning composed of a highly heat-resistant semiconductor element, and a flow path through which a heating medium for heating and air-conditioning flows. Then, the heating element and the power element face each other to contact and heat the heat medium.
  • a vehicle air conditioning method includes a radiator used for cooling a vehicle-side heat generating device, a heater core that exchanges heat between air blown into a vehicle interior and a heat medium, the radiator, and the heater core.
  • An air conditioning method for a vehicle comprising: a flow path through which the heat medium circulates, wherein the heat flowing to the heater core by a power element for air conditioning composed of a highly heat-resistant semiconductor element and a heating element. Heat the medium.
  • the configuration relating to the vehicle cooling system and the heating / air-conditioning is integrated to provide an excellent effect of enabling more efficient heating / air-conditioning.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a vehicle air conditioner 10 according to the present embodiment.
  • the vehicle air conditioner 10 according to the present embodiment is mounted on a hybrid electric vehicle (HEV) or a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV).
  • HEV hybrid electric vehicle
  • PHEV plug-in hybrid electric vehicle
  • an HVAC unit 12 Heating Ventilation and Air Conditioning Unit 12 is integrated into the cooling system 16 of the vehicle-side heating device 14, as will be described in detail later.
  • the vehicle-side heat generating device 14 is, for example, an engine 18 (internal combustion engine) for driving a vehicle, an inverter 20, a motor, a battery, and the like.
  • the HVAC unit 12 switches between the inside air and the outside air from the vehicle interior by the inside / outside air switching damper 22 and introduces the blower 24 for pressure feeding downstream, and the air flow path 26 connected to the blower 24 downstream from the upstream side.
  • a vehicle interior evaporator 28 and a heater core 30 are sequentially arranged toward the side.
  • the vehicle air conditioner 10 is installed in an instrument panel on the passenger compartment side, and a plurality of differentials that are opened to the passenger compartment through the temperature-controlled air through the vehicle interior evaporator 28 and the heater core 30.
  • the air is blown out from any one of the air outlet 32, the face air outlet 34, and the foot air outlet 36.
  • the air is blown into the vehicle compartment according to the blow mode selectively switched by the blow mode switching dampers 38, 40, 42, and the vehicle interior is air-conditioned to the set temperature.
  • the vehicle interior evaporator 28 exchanges heat between the air blown into the vehicle interior and the refrigerant.
  • the air cooled by heat exchange is blown into the vehicle interior from one of the differential blowing port 32, the face blowing port 34, and the foot blowing port 36 according to the blowing mode switched by the blowing mode switching dampers 38, 40, 42. Cool the passenger compartment.
  • the refrigerant circuit connected to the vehicle interior evaporator 28 is omitted.
  • the heater core 30 exchanges heat between the air blown into the passenger compartment and the heat medium.
  • the air heated by the heat exchange is blown into the vehicle interior from any one of the differential blowing port 32, the face blowing port 34, and the foot blowing port 36 in accordance with the blowing mode switched by the blowing mode switching dampers 38, 40, 42.
  • the heat medium is referred to as coolant.
  • the heater core 30 is connected to a flow path (hereinafter referred to as “coolant flow path”) 46 through which a heat medium circulating between the radiator 44 and the heater core 30 used for cooling the vehicle-side heating device 14 flows.
  • coolant flow path a flow path
  • the radiator 44 dissipates the heat of the coolant after the outside air is ventilated by the outside fan 48 and the vehicle-side heat generating device 14 is cooled.
  • the coolant passage 46 is integrated with a power element for air conditioning composed of a highly heat-resistant semiconductor element, and a heater (hereinafter referred to as “hot water heater”) 50 that heats the coolant by the power element and the heating element. Is provided. That is, the coolant flowing to the heater core 30 is heated by the hot water heater 50.
  • a heater hereinafter referred to as “hot water heater” 50 that heats the coolant by the power element and the heating element.
  • the power element for air conditioning is provided, for example, in an inverter for air conditioning.
  • a highly heat-resistant semiconductor element constituting the power element is a semiconductor element having higher heat resistance than a conventional semiconductor element such as Si. Moreover, the high heat-resistant semiconductor element should just be what can endure the temperature rise of the coolant which flows through the coolant flow path 46 so that details may be mentioned later.
  • the high heat resistant semiconductor element is, for example, SiC, but is not limited thereto, and may be a gallium nitride semiconductor or a diamond semiconductor.
  • the semiconductor element used in the inverter 20 for driving the vehicle is also preferably a high heat resistant semiconductor element such as SiC.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the hot water heater 50 according to the present embodiment.
  • the structure of the hot water heater 50 shown by FIG. 2 is an example, and is not restricted to this.
  • the hot water heater 50 includes an air conditioning power element 70 made of SiC and a heating element.
  • the coolant passage 46 where the hot water heater 50 is disposed is a heat exchanger, and a PTC (Positive Temperature Coefficient) element 72 and a power element 70 which are heating elements are opposed to the coolant passage 46.
  • the coolant is heated by the contact.
  • the heating element according to the present embodiment is a PTC element 72 as an example, but is not limited thereto, and may be another type of heating element. Further, the contact here may be either direct contact or indirect contact.
  • the PTC element 72 sandwiched between the electrode plates 74 is in contact with the coolant channel 46 via a heat conductive sheet 76 having insulation properties.
  • a case 78 (for example, an aluminum case) that stores the power element 70 is in contact with the coolant channel 46 so as to face the PTC element 72.
  • a control board 80 is disposed on the power element 70. That is, the heat from the PTC element 72 is conducted to the coolant through the electrode plate 74 and the heat conductive sheet 76. Further, heat from the power element 70 is conducted to the coolant through the case 78.
  • control substrate 80 When a copper inlay substrate or a heat dissipation substrate is used as the control substrate 80, the control substrate 80 is disposed below the power element 70, and the control substrate 80 and the case 78 are in contact with each other. That is, the heat from the power element 70 is conducted to the coolant via the control board 80 and the case 78.
  • the multilayered hot water heater 50 includes a plurality of PTC elements 72, and contacts the PTC elements 72 via the heat conductive sheet 76 to each of the branched coolant flow paths 46 to heat the coolant.
  • the coolant channel 46 has a bypass channel 52 that bypasses the vehicle-side heat generating device 14 and the radiator 44 and distributes the coolant to the hot water heater 50.
  • the bypass channel 52 is provided with a valve 54 that controls the flow rate of the coolant flowing to the hot water heater 50 via the bypass channel 52.
  • the coolant channel 46 is provided with a pump 56 for feeding coolant on the upstream side of the hot water heater 50.
  • the pump 56 may be integrated with the hot water heater 50.
  • the coolant flow path 46 includes a water temperature sensor 58 between the heater core 30 and the downstream side of the hot water heater 50.
  • the water temperature sensor 58 measures the temperature of the coolant.
  • the hot water heater 50 controls the amount of heating by the PTC element 72 based on the coolant temperature measured by the water temperature sensor 58.
  • the water temperature sensor 58 may be installed inside the hot water heater 50.
  • FIG. 4 shows the coolant flow in the normal heating operation in which the valve 54 is closed.
  • the coolant circulates between the heater core 30 and the radiator 44. That is, the coolant is radiated by the radiator 44 after cooling the vehicle-side heat generating device 14 and is introduced into the heater core 30.
  • the coolant flowing to the heater core 30 is heated by the hot water heater 50.
  • the hot water heater 50 is integrated with an air conditioning power element 70 composed of a highly heat-resistant semiconductor element, and heats the coolant by the power element 70 and the PTC element 72.
  • the power element 70 is resistant to coolant that has become hot due to cooling of the engine 18, and the highly heat-resistant semiconductor element itself is The coolant can be heated with the generated heat. As the coolant is heated, the highly heat-resistant semiconductor element, that is, the power element 70 is cooled by the coolant.
  • the vehicle air conditioner 10 has the configuration related to the cooling system 16 and the heating air conditioning by arranging the heater core 30 and the hot water heater 50 in the cooling system 16 of the vehicle-side heat generating device 14. Integrate. Therefore, in the vehicle air conditioner 10 according to the present embodiment, the cooling of the power element 70 for air conditioning is cooled by the cooling system 16 of the vehicle-side heat generating device 14, and the heat is used for heating air conditioning.
  • the power element 70 for air conditioning and the PTC element 72 are integrated to constitute the hot water heater 50.
  • the electric power of the PTC element 72 required for heating the coolant can be reduced as compared with the prior art, and the load of the PTC element 72 is reduced, so that the reliability of the hot water heater 50 is improved.
  • the PTC element 72 compensates for an insufficient heating amount with only the power element 70 for air conditioning, heating of the coolant does not become insufficient.
  • the power element 70 for air conditioning and the PTC element 72 complement each other, the hot water heater 50 can heat the coolant more efficiently.
  • the power element 70 is composed of a highly heat-resistant semiconductor element, the cooling temperature of the power element 70 can be increased as compared with the conventional case. For this reason, it is possible to reduce the size of the radiator 44, and it is possible to reduce the input from the vehicle interior fan 48 to the radiator 44.
  • the hot water heater 50 heats the coolant before it is radiated from the radiator 44 and flows to the heater core 30. For this reason, it becomes easy to control the temperature of a coolant, and the temperature control of heating becomes easy.
  • the vehicle air conditioner 10 integrates the configuration related to the vehicle cooling system 16 and the heating air conditioning, and enables more efficient heating air conditioning. Further, by using the hot water heater 50, heating can be performed with the engine 18 stopped even at a low outside air temperature. For this reason, since it is not necessary to operate the engine 18 only for heating a vehicle interior, a fuel consumption improves. Furthermore, the fuel efficiency is improved by using the coolant warmed by the hot water heater 50 for starting the engine 18 at the low outside air temperature.
  • FIG. 5 shows a coolant flow in the bypass heating operation in which the valve 54 is opened.
  • the vehicle side heat generating device 14 and the radiator 44 can be bypassed by the bypass flow path 52, and the coolant can flow to the hot water heater 50.
  • the case where the radiator 44 is bypassed is a case where the temperature of the radiator 44 or the vehicle-side heat generating device 14 is low, for example, before the engine 18 is started.
  • the cooling amount of the coolant necessary for heating is large, and the start-up of the heating is delayed.
  • the heating amount of the coolant necessary for heating is small, and the start-up of the heating is accelerated.
  • the coolant that circulates between the radiator 44 and the heater core 30 flows, and the power element 70 for air conditioning that is configured by a highly heat-resistant semiconductor element, A hot water heater 50 that heats the coolant that is integrated and that flows to the heater core 30 by the power element 70 and the heating element is provided. Therefore, the vehicle air conditioner 10 according to the present embodiment integrates the configuration related to the vehicle cooling system 16 and the heating air conditioning, and enables more efficient heating air conditioning.
  • FIG. 6 shows a configuration according to a first modification of the vehicle air conditioner 10.
  • the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
  • the vehicle air conditioner 10 according to the first modification is mounted on an electric vehicle (EV).
  • EV electric vehicle
  • the engine 18 which is an internal combustion engine is not included as the vehicle-side heat generating device 14.
  • FIG. 7 shows a configuration according to a second modification of the vehicle air conditioner 10.
  • the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
  • the hot water heater 50 can be operated by electric power from a power source 90 (hereinafter referred to as “external power source”) 90 outside the vehicle.
  • a power source 90 hereinafter referred to as “external power source”
  • the hot water heater 50 is operated by the external power supply 90.
  • the hot water heater 50 can be controlled wirelessly using a portable terminal device or the like.
  • the operation of the hot water heater 50 is enabled by setting a timer.

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Abstract

　車両の冷却システムと暖房空調に係る構成を統合し、より効率的な暖房空調を可能とする。車両用空調装置（１０）は、車両側発熱機器（１４）の冷却に用いられるラジエータ（４４）と、車室内に送風される空気とクーラントとを熱交換するヒータコア（３０）、ヒータコア（３０）とラジエータ（４４）との間を循環するクーラントが流れるクーラント流路（４６）を備える。そして、車両用空調装置（１０）は、高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子と一体化され、パワー素子及び発熱体によってヒータコア（３０）へ流れるクーラントを加熱する温水ヒータ（５０）を備える。

Description

車両用空調装置、車両空調用ヒータ、及び車両の空調方法
　本発明は、車両用空調装置、車両空調用ヒータ、及び車両の空調方法に関するものである。
　ハイブリッド電気自動車（Hybrid　Electric　Vehicle：ＨＥＶ）やプラグインハイブリッド電気自動車（Plug-in　Hybrid　Electric　Vehicle：ＰＨＥＶ）では、内燃機関であるエンジンに加え、直流電源、インバータ、及びインバータによって駆動されるモータ等の各種車両用の機器が搭載されている。
　このような車両では、エンジンの他、パワー素子を含む車両用のインバータ等に対しても冷却が必要であり、その冷却システムは独立している。また、エンジンを不要とする電気自動車（Electric　Vehicle：ＥＶ）においても、インバータの冷却と暖房用温水ヒータの系統は独立している。冷却システムが独立していると部品点数が増加し、コストアップとなる。
　なお、インバータの冷却水の温度上限は、パワー素子を構成する半導体（シリコン：Ｓｉ）の熱損失、耐熱性、及び冷却構造等で決定される。Ｓｉで構成される一般的なパワー素子の場合、例えば６５℃程度までに温度上昇を抑える必要がある。
　特許文献１では、ＨＥＶ用冷却システムにおいて、エンジンを冷却する際の冷却水温度に対して耐熱性を有する炭化シリコン（Silicon　Carbide：ＳｉＣ）からなるＳｉＣパワー素子で構成されるインバータ装置が開示されている。そして、冷却システムにおいて、インバータ装置は、エンジンと直列に配設され、インバータ装置の冷却にエンジンの冷却水が用いられる。このように特許文献１には、ＳｉＣパワー素子で構成されるインバータ（以下「ＳｉＣインバータ」という。）とエンジンの冷却システムを統合し、同一のラジエータで冷却する構成が開示されている。
　また、低外気温時は、エンジン内のオイル粘度の上昇によりクランキング動力抵抗が増大し、エンジン始動性が悪化する。特許文献１では、ＳｉＣインバータからの発熱を利用してエンジン始動性を向上させることが開示されている。
特許第４１４０５６２号公報
　一般的なＨＥＶやＰＨＥＶは、燃費向上のためアイドリング時にエンジンを極力停止する制御とされている。しかし、エンジン排熱が空調用暖房熱源として使用されているため、低外気温での暖房使用時にはエンジンを停止させることができない。
　特許文献１では、ＳｉＣインバータをエンジンの冷却システムで冷却しているものの、ＳｉＣインバータで生じる熱を空調に利用することに関しては開示されていない。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、車両の冷却システムと暖房空調に係る構成を統合し、より効率的な暖房空調を可能とする、車両用空調装置、車両空調用ヒータ、及び車両の空調方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明の車両用空調装置、車両空調用ヒータ、及び車両の空調方法は以下の手段を採用する。
　本発明の第一態様に係る車両用空調装置は、車両側発熱機器の冷却に用いられるラジエータと、車室内に送風される空気と熱媒体とを熱交換するヒータコアと、前記ラジエータと前記ヒータコアとの間を循環する前記熱媒体が流れる流路と、高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子と一体化され、前記パワー素子及び発熱体によって前記ヒータコアへ流れる前記熱媒体を加熱するヒータと、を備える。
　本構成によれば、ヒータコアによって車室内に送風される空気と熱媒体とが熱交換される。この熱交換された空気によって、車室内は暖房される。
　熱媒体は、流路を流れ、車両側発熱機器の冷却に用いられるラジエータとヒータコアとの間を循環する。すなわち、熱媒体は、車両側発熱機器を冷却した後にラジエータで放熱され、ヒータコアに導入される。このように、本構成は、車両側発熱機器の冷却システムと車両用空調装置の暖房系統が統合されている。なお、車両側発熱機器は、例えば、車両駆動用のエンジン、インバータ、モータ、及びバッテリー等である。
　そして、ヒータコアへ流れる熱媒体は、ヒータによって加熱される。ヒータは、高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子と一体化され、パワー素子及び発熱体によって熱媒体を加熱する。
　なお、高耐熱性の半導体素子は、例えば、ＳｉＣである。パワー素子を高耐熱性の半導体素子で構成することによって、パワー素子は、エンジンを冷却することで高温となった熱媒体にも耐性を有し、かつ高耐熱性の半導体素子それ自身が発する熱で熱媒体をさらに加熱することが可能となる。そして、熱媒体の加熱に伴い、高耐熱性の半導体素子、すなわちパワー素子は熱媒体によって冷却されることとなる。従って、本構成は、空調用のパワー素子を車両側発熱機器の冷却システムで冷却し、かつその熱を暖房空調に用いることとなる。
　また、空調用のパワー素子と発熱体とが一体化されてヒータを構成する。このため、熱媒体を加熱するために要する発熱体の電力は、従来に比べて少なくて済み、かつ発熱体の負荷が低減するためヒータの信頼性も向上する。一方、空調用のパワー素子だけでは不十分な加熱量を発熱体が補うため、熱媒体の加熱が不十分となることはない。このように、本構成に係るヒータは、空調用のパワー素子と発熱体とが相互に補完し合うので、より効率良く熱媒体を加熱できる。
　このように、本構成は、車両の冷却システムと暖房空調に係る構成を統合し、より効率的な暖房空調を可能とする。
　上記第一態様では、前記流路が、車両側発熱機器及び前記ラジエータをバイパスして前記熱媒体を前記ヒータへ流通させるバイパス流路を有することが好ましい。
　本構成によれば、車両側発熱機器及びラジエータをバイパスすることによって、ヒータで加熱された熱媒体を優先的にヒータコアへ流通させることができる。これにより、熱媒体が短時間で上昇され、暖房の立ち上がり性能が向上する。
　上記第一態様では、前記ヒータが、前記ラジエータで放熱されて前記ヒータコアへ流れる前の前記熱媒体を加熱することが好ましい。
　本構成によれば、熱媒体の温度が制御し易いので、暖房の温度制御が容易となる。
　上記第一態様では、前記ヒータが、車両外部の電源からの電力により作動可能とされることが好ましい。
　本構成によれば、車両に人が搭乗する前に予めヒータを作動させて車室内を暖房することが可能となり、搭乗者の快適性が向上する。
　本発明の第二態様に係る車両空調用ヒータは、発熱体と、高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子と、を備え、暖房空調用の熱媒体が流れる流路に対して、前記発熱体と前記パワー素子とが対向して接触して前記熱媒体を加熱する。
　本発明の第三態様に係る車両の空調方法は、車両側発熱機器の冷却に用いられるラジエータと、車室内に送風される空気と熱媒体とを熱交換するヒータコアと、前記ラジエータと前記ヒータコアとの間を循環する前記熱媒体が流れる流路と、を備えた車両の空調方法であって、高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子及び発熱体によって前記ヒータコアへ流れる前記熱媒体を加熱する。
　本発明によれば、車両の冷却システムと暖房空調に係る構成を統合し、より効率的な暖房空調を可能とする、という優れた効果を有する。
本発明の実施形態に係る車両用空調装置の構成図である。 本発明の実施形態に係る温水ヒータの断面図である。 本発明の実施形態に係る多層化させた温水ヒータの断面図である。 本発明の実施形態に係る車両用空調装置の通常暖房運転におけるクーラントの流れを示した図である。 本発明の実施形態に係る車両用空調装置のバイパス暖房運転におけるクーラントの流れを示した図である。 本発明の第１変形例に係る車両用空調装置の構成図である。 本発明の第２変形例に係る車両用空調装置の構成図である。
　以下に、本発明に係る車両用空調装置、車両空調用ヒータ、及び車両の空調方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
　図１は、本実施形態に係る車両用空調装置１０の構成図である。
　本実施形態に係る車両用空調装置１０は、ハイブリッド電気自動車(Hybrid　Electric　Vehicle：ＨＥＶ)やプラグインハイブリッド電気自動車（Plug-in　Hybrid　Electric　Vehicle：ＰＨＥＶ）に搭載されている。
　そして、車両用空調装置１０は、詳細を後述するように、ＨＶＡＣユニット（Heating　Ventilation　and　Air　Conditioning　Unit）１２が、車両側発熱機器１４の冷却システム１６に統合されている。車両側発熱機器１４は、例えば、車両駆動用のエンジン１８（内燃機関）、インバータ２０の他、モータ、及びバッテリー等である。
　ＨＶＡＣユニット１２は、内外気切替えダンパ２２により車室内からの内気又は車室外からの外気を切替え導入し、下流側に圧送するブロア２４と、ブロア２４に連なる空気流路２６中に上流側から下流側にかけて順次配設されている車室内蒸発器２８及びヒータコア３０を備える。この車両用空調装置１０は、車室側のインストルメントパネル内に設置され、車室内蒸発器２８及びヒータコア３０を介して温調された空気を、車室内に向けて開口されている複数のデフ吹出し口３２、フェイス吹出し口３４、フット吹出し口３６のいずれかから吹き出す。そして、吹出しモード切替えダンパ３８，４０，４２により選択的に切替えられる吹出しモードに従って車室内に吹出し、車室内を設定温度に空調する。
　車室内蒸発器２８は、車室内に送風される空気と冷媒とを熱交換する。熱交換により冷やされた空気は、吹出しモード切替えダンパ３８，４０，４２により切替えられる吹出しモードに応じて、デフ吹出し口３２、フェイス吹出し口３４、フット吹出し口３６のいずれかから車室内に吹出し、車室内を冷房する。なお、図１では、車室内蒸発器２８に接続される冷媒回路は省略されている。
　ヒータコア３０は、車室内に送風される空気と熱媒体とを熱交換する。熱交換により暖められた空気は、吹出しモード切替えダンパ３８，４０，４２により切替えられる吹出しモードに応じて、デフ吹出し口３２、フェイス吹出し口３４、フット吹出し口３６のいずれかから車室内に吹出し、車室内を暖房する。以下の説明において熱媒体をクーラントと称呼する。
　ヒータコア３０には、車両側発熱機器１４の冷却に用いられるラジエータ４４とヒータコア３０との間を循環する熱媒体が流れる流路（以下「クーラント流路」という。）４６が接続される。
　ラジエータ４４は、車室外ファン４８によって外気が通風され、車両側発熱機器１４を冷却した後のクーラントの熱を放熱する。
　また、クーラント流路４６には、高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子と一体化され、パワー素子及び発熱体によってクーラントを加熱するヒータ（以下「温水ヒータ」という。）５０が備えられる。
　すなわち、ヒータコア３０へ流れるクーラントは、温水ヒータ５０によって加熱される。このように、車両側発熱機器１４の冷却システム１６と車両用空調装置１０の暖房系統が統合されている。
　なお、空調用のパワー素子は、例えば空調用のインバータ等に備えられる。
　パワー素子を構成する高耐熱性の半導体素子は、従来のＳｉ等の半導体素子よりも耐熱性が高い半導体素子である。また、高耐熱性の半導体素子は、詳細を後述するように、クーラント流路４６を流れるクーラントの温度上昇に耐えうるものであればよい。
　高耐熱性の半導体素子は、一例としてＳｉＣであるが、これに限らず、窒化ガリウム系やダイヤモンド系の半導体とされてもよい。
　なお、車両駆動用のインバータ２０で用いられる半導体素子もＳｉＣ等の高耐熱性の半導体素子であることが好ましい。
　図２は、本実施形態に係る温水ヒータ５０の断面図である。なお、図２に示される温水ヒータ５０の構成は一例であり、これに限られない。
　温水ヒータ５０は、上述したように、ＳｉＣで構成される空調用のパワー素子７０と発熱体とを備える。そして、温水ヒータ５０が配置される箇所のクーラント流路４６は、熱交換器とされ、発熱体であるＰＴＣ（Positive　Temperature　Coefficient）素子７２とパワー素子７０とがクーラント流路４６に対して対向して接触することで、クーラントを加熱する。
　本実施形態に係る発熱体は、一例としてＰＴＣ素子７２であるが、これに限らず、他の種類の発熱体であってもよい。また、ここでいう接触とは、直接的な接触又は間接的な接触、何れであってもよい。
　本実施形態に係る温水ヒータ５０は、一例として、電極板７４で挟まれたＰＴＣ素子７２が絶縁性を有する熱伝導シート７６を介してクーラント流路４６と接触している。そして、ＰＴＣ素子７２と対向するようにパワー素子７０を格納するケース７８（例えばアルミケース）がクーラント流路４６に接触している。パワー素子７０の上部には制御基板８０が配置されている。
　すなわち、ＰＴＣ素子７２からの熱は、電極板７４及び熱伝導シート７６を介して、クーラントに伝導される。また、パワー素子７０からの熱は、ケース７８を介して、クーラントに伝導される。
　なお、制御基板８０として銅インレイ基板や放熱基板が用いられる場合、パワー素子７０の下部に制御基板８０が配置され、制御基板８０とケース７８とが接触する。すなわち、パワー素子７０からの熱は、制御基板８０及びケース７８を介して、クーラントに伝導される。
　さらに、より熱交換効率を高める場合には、図３に示すように温水ヒータ５０を多層化させることが好ましい。
　多層化させた温水ヒータ５０は、ＰＴＣ素子７２を複数備え、分岐されたクーラント流路４６各々に対して熱伝導シート７６を介してＰＴＣ素子７２を接触させ、クーラントを加熱する。なお、クーラント流路４６に挟まれるＰＴＣ素子７２は、その上下でクーラント流路４６に接触する。
　また、図１に示されるように、クーラント流路４６は、車両側発熱機器１４及びラジエータ４４をバイパスしてクーラントを温水ヒータ５０へ流通させるバイパス流路５２を有する。バイパス流路５２には、バイパス流路５２を介して温水ヒータ５０へ流れるクーラントの流量を制御するバルブ５４が備えられる。
　クーラント流路４６は、温水ヒータ５０の上流側に、クーラントを送液するポンプ５６を備える。なお、ポンプ５６は、温水ヒータ５０と一体化されてもよい。
　また、クーラント流路４６は、温水ヒータ５０の下流側であってヒータコア３０との間に水温センサ５８を備える。水温センサ５８は、クーラントの温度を測定する。温水ヒータ５０は、水温センサ５８で測定されたクーラントの温度に基づいて、ＰＴＣ素子７２による加熱量を制御する。なお、水温センサ５８は、温水ヒータ５０の内部に設置されてもよい。
　次に、本実施形態に係る車両用空調装置１０の運転時のクーラントの流れを、図４，５を用いて説明する。なお、各図において、運転時の冷媒流れ経路が太線で表されている。
［通常暖房運転］
　図４は、バルブ５４が閉じられた状態である通常暖房運転におけるクーラントの流れを示す。
　図４に示されるように、クーラントは、ヒータコア３０とラジエータ４４との間を循環する。すなわち、クーラントは、車両側発熱機器１４を冷却した後にラジエータ４４で放熱され、ヒータコア３０に導入される。
　そして、ヒータコア３０へ流れるクーラントは、温水ヒータ５０によって加熱される。温水ヒータ５０は、高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子７０と一体化され、パワー素子７０及びＰＴＣ素子７２によってクーラントを加熱する。パワー素子７０を高耐熱性の半導体素子で構成することによって、パワー素子７０は、エンジン１８を冷却することで高温となったクーラントにも耐性を有し、かつ高耐熱性の半導体素子それ自身が発する熱でクーラントを加熱することが可能となる。そして、クーラントの加熱に伴い、高耐熱性の半導体素子、すなわちパワー素子７０はクーラントによって冷却されることとなる。
　このように、本実施形態に係る車両用空調装置１０は、ヒータコア３０と温水ヒータ５０とを、車両側発熱機器１４の冷却システム１６に配置することで、冷却システム１６と暖房空調に係る構成を統合する。
　従って、本実施形態に係る車両用空調装置１０は、空調用のパワー素子７０の冷却を車両側発熱機器１４の冷却システム１６で冷却し、かつその熱を暖房空調に用いることとなる。
　また、空調用のパワー素子７０とＰＴＣ素子７２とが一体化されて温水ヒータ５０を構成する。このため、クーラントを加熱するために要するＰＴＣ素子７２の電力は、従来に比べて少なくて済み、かつＰＴＣ素子７２の負荷が低減するため温水ヒータ５０の信頼性も向上する。一方、空調用のパワー素子７０だけでは不十分な加熱量をＰＴＣ素子７２が補うため、クーラントの加熱が不十分となることはない。このように、温水ヒータ５０は、空調用のパワー素子７０とＰＴＣ素子７２とが相互に補完し合うので、より効率良くクーラントを加熱できる。
　また、パワー素子７０が高耐熱性の半導体素子で構成されるため、パワー素子７０の冷却温度を従来に比べて高くできる。このため、ラジエータ４４の小型化が可能であり、車室外ファン４８からラジエータ４４への入力が低減可能となる。
　また、温水ヒータ５０は、ラジエータ４４で放熱されてヒータコア３０へ流れる前のクーラントを加熱する。このため、クーラントの温度が制御し易くなり、暖房の温度制御が容易となる。
　従って、本実施形態に係る車両用空調装置１０は、車両の冷却システム１６と暖房空調に係る構成を統合し、より効率的な暖房空調を可能とする。
　また、温水ヒータ５０が用いられることで、低外気温時でも、エンジン１８を停止した状態で暖房が可能となる。このため、車室内を暖房するためだけにエンジン１８を作動させる必要がないため、燃費が向上する。
　さらに、低外気温時のエンジン１８の始動に温水ヒータ５０で暖められたクーラントを用いることで、燃費が向上する。
［バイパス暖房運転］
　図５は、バルブ５４が開かれた状態であるバイパス暖房運転におけるクーラントの流れを示す。
　バルブ５４を開くことで、バイパス流路５２によって車両側発熱機器１４及びラジエータ４４をバイパスしてクーラントを温水ヒータ５０まで流すことができる。
　ラジエータ４４をバイパスする場合は、例えば、エンジン１８を始動させる前のように、ラジエータ４４や車両側発熱機器１４の温度が低い場合である。このような場合に、ラジエータ４４をバイパスしないでクーラントを温水ヒータ５０によって加熱すると、暖房のために必要なクーラントの加熱量が多く、暖房の立ち上がりが遅くなる。
　一方、ラジエータ４４をバイパスしないでクーラントを温水ヒータ５０によって加熱すると、暖房のために必要なクーラントの加熱量が少なく、暖房の立ち上がりが早くなる。
　このように、ラジエータ４４をバイパスし、温水ヒータ５０がクーラントを加熱することで、クーラントの温度が短時間で上昇し、このクーラントが優先的にヒータコア３０へ流れるので、暖房の立ち上がり性能が向上する。
　以上説明したように、本実施形態に係る車両用空調装置１０は、ラジエータ４４とヒータコア３０との間を循環するクーラントが流れ、高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子７０と一体化され、パワー素子７０及び発熱体によってヒータコア３０へ流れるクーラントを加熱する温水ヒータ５０を備える。
　従って、本実施形態に係る車両用空調装置１０は、車両の冷却システム１６と暖房空調に係る構成を統合し、より効率的な暖房空調を可能とする。
（第１変形例）
　図６は、車両用空調装置１０の第１変形例に係る構成を示す。なお、図６における図１と同一の構成部分については図１と同一の符号を付して、その説明を省略する。
　第１変形例に係る車両用空調装置１０は、電気自動車(Electric　Vehicle：ＥＶ)に搭載されている。このため、車両側発熱機器１４として、内燃機関であるエンジン１８は含まれない。
（第２変形例）
　図７は、車両用空調装置１０の第２変形例に係る構成を示す。なお、図７における図１と同一の構成部分については図１と同一の符号を付して、その説明を省略する。
　本第２変形例では、温水ヒータ５０が車両外部の電源（以下「外部電源」という。）９０からの電力によって作動可能とされる。例えば、車両の充電中等、車両と外部電源９０とが接続状態にある場合、外部電源９０にて温水ヒータ５０を作動させる。
　そして、車両と外部電源９０とが接続状態の場合に、携帯型端末機器等を用いた無線による温水ヒータ５０の制御が可能とされる。また、タイマーを設定することによる温水ヒータ５０の作動が可能とされる。
　これらにより、低外気温時の早朝等、車両に人が搭乗する前に予め温水ヒータ５０を作動させ車室内を暖房することが可能となり、搭乗者の快適性が向上する。
　以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
　１０　　車両用空調装置
　１４　　車両側発熱機器
　３０　　ヒータコア
　４４　　ラジエータ
　４６　　クーラント流路
　５０　　温水ヒータ
　５２　　バイパス流路
　７０　　パワー素子
　７２　　ＰＴＣ素子

Claims (6)

  1. 　車両側発熱機器の冷却に用いられるラジエータと、
    　車室内に送風される空気と熱媒体とを熱交換するヒータコアと、
    　前記ラジエータと前記ヒータコアとの間を循環する前記熱媒体が流れる流路と、
    　高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子と一体化され、前記パワー素子及び発熱体によって前記ヒータコアへ流れる前記熱媒体を加熱するヒータと、
    を備える車両用空調装置。
  2. 　前記流路は、車両側発熱機器及び前記ラジエータをバイパスして前記熱媒体を前記ヒータへ流通させるバイパス流路を有する請求項１記載の車両用空調装置。
  3. 　前記ヒータは、前記ラジエータで放熱されて前記ヒータコアへ流れる前の前記熱媒体を加熱する請求項１又は請求項２記載の車両用空調装置。
  4. 　前記ヒータは、車両外部の電源からの電力により作動可能とされる請求項１から請求項３の何れか１項記載の車両用空調装置。
  5. 　発熱体と、
    　高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子と、
    を備え、
    　暖房空調用の熱媒体が流れる流路に対して、前記発熱体と前記パワー素子とが対向して接触して前記熱媒体を加熱する車両空調用ヒータ。
  6. 　車両側発熱機器の冷却に用いられるラジエータと、車室内に送風される空気と熱媒体とを熱交換するヒータコアと、前記ラジエータと前記ヒータコアとの間を循環する前記熱媒体が流れる流路と、を備えた車両の空調方法であって、
    　高耐熱性の半導体素子で構成される空調用のパワー素子及び発熱体によって前記ヒータコアへ流れる前記熱媒体を加熱する車両の空調方法。
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