自動車用ヒートポンプシステム
従来のカーエアコンシステムの概略図
従来のカーエアコンシステムでは、冷媒は、高圧ガス、高圧液体、低圧液体、低圧ガスの 4 つの主な状態にあります。 これら 4 つの状態を接続する 4 つの主要なコンポーネントは、コンプレッサー、凝縮器、膨張弁、蒸発器です。 コンプレッサーはパイプライン内の冷媒を圧縮します。 冷媒は、エンジンルームの前部にあるコンデンサーでガスから液体に凝縮します。 この過程で熱が放出されます。 液冷媒は膨張弁を通過すると急激に圧力が下がります。 最終的には車室内の蒸発器で蒸発し、多量の熱を吸収します。 これにより、車室内の冷却効果が得られる。 ここで言うパイプライン内の冷媒は冷媒とも呼ばれ、気化しやすく液化し熱を伝えやすい性質を持っています。 最初に広く使用された冷媒はフロンでした。 その後、フロンによるオゾン層の破壊のため、カーエアコン用途では徐々にテトラフルオロエタン (R134A というブランド名) に置き換えられました。 近年、環境保護の一層の重視により、冷媒は二酸化炭素冷媒へと徐々に発展してきています。
ヒートポンプの熱管理の仕組み
ヒートポンプシステムを導入する主な理由は、純電気自動車や純電気走行をサポートするプラグインハイブリッド車では、暖房用の安定した熱源としてエンジンを利用できなくなったことにある。 したがって、ヒートポンプ システムの導入前は、電気自動車の空調システムの暖房機能は主に、抵抗 PTC (Positive Temperment Coefficient) ヒーターとも呼ばれる電気ヒーターによって完成されていました。 また、直接電気加熱によって得られる熱により、バッテリーの出力と航続距離が大幅に減少することを知っておく必要があります。 統計によると、冬に電気暖房によるエアコン暖房機能をオンにすると、電力のほぼ半分が暖房に使用されます。 走行に必要なパワーは半分しか残っていない。 暖房にヒートポンプシステムを使用すると、走行距離が大幅に増加します。
ヒートポンプ熱管理システム冷却モード
実際、ヒートポンプ熱管理システムでは、複数のポンプやバルブによって制御されていますが、ヒートポンプ HeatPump と呼ばれるコンポーネントはありません。 ヒートポンプシステムは、水を低いところから高いところへ移送するウォーターポンプに似た性質を持っているため、ヒートポンプと呼ばれています。 ヒートポンプシステム全体で、温度の低い場所から温度の高い場所へ熱を移動させることができます。 たとえば、夏には、ヒートポンプ システムにより車外の低温が持ち込まれません。 逆に車内の熱を車外へ逃がします。 それにより冷却効果が得られる。
ヒートポンプ熱管理システムの暖房モード
これに対応して、冬の暖房時には、ヒートポンプシステムが車外から車内に熱を送ります。 それでは、車外が氷点下数十度であっても、熱は車内に運ばれるのでしょうか? 前述したように、氷点下数十度でも熱は存在します。 熱があれば運ぶことができます。
では、ヒートポンプシステムをカーエアコンシステムにどのように応用できるのでしょうか？
まず、熱が環境からヒートポンプ システムに引き込まれます。 次に、熱が圧縮されて加熱されます。 そして、その熱を利用して車室内の冷たい空気を加熱し、暖かくします。 加熱された空気は車室内に送り込まれ、減圧後の熱は低温の熱に変換されて車外に排出されます。 ヒートポンプ システムでは、加熱と冷却の両方の条件を考慮する必要があります。 ストップバルブSV1、SV4を遮断し、SV5をONにすると暖房運転となります。 冷房モードの車内の蒸発器は、暖房モードの凝縮器として使用され、高温の凝縮器とともに車内に熱を供給します。 暖房モードでは、ヒートポンプ熱管理システムは、青い冷却剤パイプライン内のモーター、電子制御、充電器からの廃熱を、熱交換器を介して赤い冷媒空調パイプラインに転送して、キャビンに熱を提供することもできます。 ストップバルブSV1、SV4をON、SV5をOFFにすると冷房運転となり、冷房運転時の対応する室外凝縮器が暖房運転時の蒸発器として使用されます。
