車載用暖房装置
【課題】触媒２の活性に影響を与えることなく、長期間高い蓄熱密度の実現し、軽量、小容積でエンジン１始動時に即時に暖房効果を発揮できる車載用暖房装置を提供する。
【解決手段】上述の課題を解決するため、本発明の第１の車載用暖房装置は、エンジンと、車内暖房の熱源として利用するヒータコアと、エンジンから排出される燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出経路と、燃焼ガス排出経路中に、水と反応することによって吸熱・発熱をする蓄熱材と、蓄熱材よりもエンジン側に配置された燃焼ガス浄化触媒とを備え、蓄熱材と燃焼ガス中に含まれる水とが反応することによる発熱によりヒータコアを加熱することを特徴とする。
【解決手段】上述の課題を解決するため、本発明の第１の車載用暖房装置は、エンジンと、車内暖房の熱源として利用するヒータコアと、エンジンから排出される燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出経路と、燃焼ガス排出経路中に、水と反応することによって吸熱・発熱をする蓄熱材と、蓄熱材よりもエンジン側に配置された燃焼ガス浄化触媒とを備え、蓄熱材と燃焼ガス中に含まれる水とが反応することによる発熱によりヒータコアを加熱することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学蓄熱を利用した車載用暖房装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車載用暖房装置では、エンジンの廃熱によって加熱されたエンジン冷却水を用いてヒータコアを加熱し、ヒータコアで空気を加熱し、車内の暖房に利用してきた。このような、暖房装置では、エンジン始動後、エンジンがある程度の温度まで暖まらないと、ヒータコアを加熱することが出来ず、暖房を効果的に行なうことができないという問題があった。
【０００３】
そこで特許文献１や特許文献２のように蓄熱材を用いた暖房装置が検討されている。
【０００４】
特許文献１では、化学蓄熱を利用した車載用暖房装置が開示されている。この特許文献１では、エンジンからの燃焼ガスをゼオライトからなる蓄熱材に流通させる。定常走行時には、流通する燃焼ガスが高温、低湿度となることから、ゼオライトから水蒸気が脱水する反応により蓄熱し、エンジン始動時には、燃焼ガスが低温、高湿度となることから、ゼオライトに水蒸気が吸着する反応により、発熱する。この熱を暖房用の空気と熱交換し、車室内に加熱された空気を供給することにより、暖房を行うものがある。
【０００５】
また、特許文献２のように、化学蓄熱を利用した車載用触媒暖機装置がある。この特許文献２では、エンジンからの燃焼ガスを水酸化物からなる蓄熱材と触媒とを一体化した蓄熱材・触媒充填層を流通させる。定常走行時には、流通する燃焼ガスが高温、低湿度となることから、蓄熱材である水酸化物から水蒸気が脱水する反応により、酸化物が生成され、蓄熱される。また、エンジン始動時には、燃焼ガスが低温、高湿度となることから、酸化物と水蒸気との反応により、発熱する。この熱を一体化した触媒充填層に直接熱伝導により伝え、触媒が活性化温度に到達する時間を短縮するものがある。
【特許文献１】特開昭６２−１０５７１４号公報
【特許文献２】特開平５−１４１２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のように、蓄熱材として、ゼオライト等の吸着材を用いる場合、燃焼ガス中の窒素、酸素、炭化水素、一酸化炭素も同時に吸着されるため、短期間で蓄熱材が破過し、蓄熱できなくなるという課題があった。
【０００７】
また、特許文献２のように、蓄熱材を触媒と一体化して充填させた場合、定常走行時に蓄熱材から水蒸気が脱水する反応が吸熱反応となることから、燃焼ガスや触媒の温度を低下させるため、炭化水素や一酸化炭素に対する触媒活性を低下させるという課題があった。
【０００８】
さらに、特許文献１、２ともに、エンジン停止時にも蓄熱材が外気に連通していることから、空気中の水蒸気を吸着して、蓄熱量が低下するという課題があった。
【０００９】
本発明は、上述の課題を解決し、触媒の活性に影響を与えることなく、高い蓄熱密度を長期間実現することが出来る車載用暖房装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するため、本発明の第１の車載用暖房装置は、エンジンと、車内暖房の熱源として利用するヒータコアと、エンジンから排出される燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出経路と、燃焼ガス排出経路中に、水と反応することによって吸熱・発熱をする蓄熱材と、蓄熱材よりもエンジン側に配置された燃焼ガス浄化触媒とを備え、蓄熱材と燃焼ガス中に含まれる水とが反応することによる発熱によりヒータコアを加熱することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第２の車載用暖房装置は、蓄熱材は酸化物、または細孔径３Å以下の吸着材であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第３の車載用暖房装置は、エンジンとヒータコアとを熱交換する第1熱交換回路と、蓄熱材とヒータコアとを熱交換する第２熱交換回路とを備えていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第４の車載用暖房装置は、熱交換回路制御手段を備え、エンジン始動時に第２熱交換回路、定常走行時に第１熱交換回路に切換えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の第５の車載用暖房装置は、蓄熱材を内設した第１の燃焼ガス経路と、蓄熱材を短絡して燃焼ガスが流通できる第２の燃焼ガス経路と、第１の燃焼ガス経路と第２の燃焼ガス経路への供給量を制御するダンパを備え、エンジン始動時には、燃焼ガスが第１の燃焼ガス経路に全量供給されるようにダンパを切換え、定常走行時には、燃焼ガスを第１の燃焼ガス経路と第２の燃焼ガス経路に配分して供給されるようダンパを切換える制御を行うことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の第６の車載用暖房装置は、エンジン停止直後には、燃焼ガスが第２の燃焼ガス経路に優先的に供給されるようにダンパを切換えることを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明の第７の車載用暖房装置は、蓄熱材の下流側にダンパを備え、エンジン停止時に蓄熱材が外気と遮断されるようにダンパを切換えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、触媒の活性に影響を与えることなく、高い蓄熱密度を長期間実現することができる車載用暖房装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、従来から広く採用されている公知の手段については、詳細な説明を省略する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１にかかる車載用暖房装置の構成図である。燃焼ガス経路は、エンジン１と、ここから排出される燃焼ガス中に含まれる炭化水素や一酸化炭素等を浄化する触媒２と、その下流に設置され、燃焼ガスの熱を利用して化学反応により蓄熱する蓄熱材３と、蓄熱材３と熱交換する熱交換器４と、マフラー５から構成される。また、暖房経路は、エンジン１-ヒータコア６間をポンプ７によって冷却水を循環させる第１の熱交換回路と、熱交換器４-ヒータコア６間をポンプ７によって冷却水を循環させる第２の熱交換回路とを有する。第１の熱交換回路はエンジン１で回収した熱をヒータコア６に伝え、第２の熱交換回路は熱交換器４で回収した熱をヒータコア６に伝えることが可能である。
【００２０】
第１の熱交換回路と、第２の熱交換回路の切り替えは、分岐点に三方弁１０を設けることによって、ポンプ７による水の流れを蓄熱材３側とエンジン１側の切り替えを行なうことが出来る。
【００２１】
なお、その他の形態として、第１の熱交換回路と第２の熱交換回路を別々に設けることなどが考えられる。
【００２２】
第１の熱交換回路と第２の熱交換回路の切り替えは、熱交換回路制御手段(図示せず)を用い下記の定常走行時、エンジン１始動時に応じて切り替えを行なう。なお、熱交換回路制御手段は、マイコン等を用いて実現する事が出来る。
【００２３】
＜定常走行時＞
図２は、本実施の形態１にかかる車載用暖房装置の定常走行時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図である。定常走行時には、エンジン１から排出される燃焼ガスは、触媒２で浄化され、蓄熱材３に、温度２００〜３００℃で流入する。また、このときの燃焼ガス中の水蒸気分圧は１４ｋＰａであり、１００℃の飽和水蒸気圧との比に換算すると１４％となる。また、蓄熱材３として水酸化マグネシウムを用いており、熱交換器４のフィン（ここでは図示せず）間に水酸化マグネシウムの粒子が充填された構成となっている。
【００２４】
図３は、本実施の形態１にかかる車載用暖房装置の蓄熱材３（水酸化マグネシウム）の圧力−温度線図である。図３のAに示すように、上記条件の燃焼ガスが蓄熱材３に流入すると、式１のような反応を生じ、水酸化マグネシウムから水蒸気として脱水する。
【００２５】
［式１］
Ｍｇ（ＯＨ）２→ＭｇＯ＋Ｈ２Ｏ（ｇ）
この反応は吸熱反応であることから、反応に伴い、燃焼ガス温度の低下を生じる。このため、蓄熱材３を触媒２の上流に配置する場合には、触媒２における燃焼ガスの浄化特性を低下させる恐れがあり、本実施の形態１のように、蓄熱材３を触媒２の下流に配置することが好ましい。
【００２６】
つまり、このように配置する事によって、触媒２にはエンジン１からの燃焼ガスが蓄熱材３よりも前に導入される。そのことによって、触媒２をエンジン１と混合、もしくは蓄熱材３よりも排出口側に設ける場合と比較して、エンジン１の燃焼ガスが蓄熱材３によって冷却する前に、触媒２に導入することができる。したがって、燃焼ガスによって触媒２を加熱しながら、燃焼ガスを浄化することにより、触媒活性を損なう事がなく燃焼ガスを浄化する事ができる。
【００２７】
また、触媒２としては、Ptをはじめとする三元触媒が用いられる。このような触媒を用いることによって、特に窒素酸化物，一酸化炭素，炭化水素がそれぞれ式１〜３のように還元・酸化されることによって浄化される。
【００２８】
［式２］
2ＮＯｘ→xO2+N2
［式３］
2CO+O2→2CO2
［式４］
4CxHy+ (4x+y) O2 →4xCO2 + 2yH2O
特に、このような触媒２は常温では酸化・還元能力が低く、エンジンが冷えた状態で始動した直後は酸化・還元能力を発揮することができない。そこで、本実施の形態では、蓄熱材３よりエンジン側に触媒２を配置し、排気ガスによって触媒２を加熱することによって、触媒２の酸化・還元能力を高めることが出来る。
【００２９】
一方、暖房経路では、第１の熱交換回路を用いて、エンジン１の排熱を回収した冷却水を、ポンプ７によりヒータコア６に循環させることで、車室内の暖房が行われ、第２の熱交換回路である熱交換器４とヒータコア６との間の冷却水の循環は、停止される。
【００３０】
＜エンジン１始動時＞
図４は、本実施の形態１にかかる車載用暖房装置のエンジン１始動時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図である。エンジン１始動時には、エンジン１から排出される燃焼ガスは、燃焼ガス経路の構成部材や触媒２が低温（０℃）であり、熱容量も大きいことから、ここで熱を奪われ、温度５０℃以下で蓄熱材３に流入する。また、このときの燃焼ガス中の水蒸気分圧は１４ｋＰａであり、１００℃の飽和水蒸気圧との比に換算すると１４％となる。
【００３１】
図３のＢに示すように、上記条件の燃焼ガスが蓄熱材３に流入すると、（２）式のような反応を生じ、酸化マグネシウムと水蒸気が反応し、水酸化マグネシウムが生成される。
ＭｇＯ＋Ｈ２Ｏ（ｇ）→Ｍｇ（ＯＨ）２ （２）
この反応は発熱反応であることから、反応に伴い、蓄熱材３の温度が６０℃以上に上昇する。
【００３２】
一方、暖房回路では、上記昇温した蓄熱材３から熱交換器４のフィン（ここでは図示せず）を介して熱を回収した冷却水（温度６０℃）を、ポンプ７によりヒータコア６に循環させることで、車室内の暖房が行われ、ヒータコア６で熱交換した後の冷却水は温度４０℃まで低下し、熱交換器４に戻る。また、この間エンジン１とヒータコア６との間の冷却水の循環は停止される。
【００３３】
以上の動作により、エンジン１からの熱を利用することなく、即時に車室内の暖房を行うことができるため、エンジン１始動時にヒータコア６の加熱を素早くすることができる。
【００３４】
さらに、暖房起動の起動を迅速化することによる快適性を高めることができるとともに、エンジン１自身の昇温を早めることもできることから、走行時の燃費を向上させることもできる。
【００３５】
そして、エンジン１始動から所定の時間経過後に、エンジン１の温度が所定温度以上に昇温したら、定常走行時と判断し、第２の熱交換回路から第１の熱交換回路に切り替える。このような切り替えをすることによって、エンジン１始動時に蓄熱材３に蓄熱した熱を利用し、それ以外のときは蓄熱し、次回のエンジン１始動時に備えることができる。
【００３６】
なお、蓄熱材３として、水酸化マグネシウムを用いているが、水和反応を利用する塩化カルシウム系水和物を用いても良い。また、ゼオライト、シリカゲル、活性炭のような吸着材を用いても良い。
【００３７】
（実施の形態２）
図５は、本実施の形態２にかかる車載用暖房装置の構成図である。実施の形態２は、触媒２の下流に、蓄熱材３を介して燃焼ガスを排出する経路と、蓄熱材３を介さずに燃焼ガスを排出する経路の２経路を有し、蓄熱材３にゼオライトを用いる以外は、実施の形態１と同様である。また、このような流路の切り替えは、第１のダンパ、第２のダンパ９により、蓄熱材３に対する流路の切換えを行っている。
【００３８】
＜定常走行時＞
図６は、本実施の形態２にかかる車載用暖房装置の定常走行時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図である。定常走行時には、エンジン１から排出される燃焼ガスは、触媒２で浄化され、第１のダンパ８を傾斜させて、蓄熱材３を経由する流量と、短絡する流量との比率を調整された上で、一部が、蓄熱材３に温度２００〜３００℃で流入する。また、このときの燃焼ガス中の水蒸気分圧は１４ｋＰａであり、相対湿度に換算すると１％となる。
【００３９】
また、蓄熱材３としてゼオライトを用いており、熱交換器４のフィン（ここでは図示せず）間にゼオライトの粒子が充填された構成となっている。
【００４０】
さらに、ゼオライトは細孔径３Åのものを用いている。
【００４１】
図７は、本実施の形態２にかかる車載用暖房装置の蓄熱材３（ゼオライト）の細孔径による水蒸気の選択吸着性を示す図である。図のように、燃焼ガス中に含まれる窒素、酸素、炭化水素、一酸化炭素は、細孔径３Åでは吸着されず、水蒸気のみが選択的に吸着することができる。したがって、他成分吸着による短時間でのゼオライトの破過を防止できる。
【００４２】
つまり、蓄熱材３(ゼオライト)の劣化を抑制することが出来るので、蓄熱材３の劣化を小さく見積もる事ができ、軽量かつ小容量で長期間蓄熱密度を発揮する事ができる。
【００４３】
なお、このような効果は細孔径３Å以下の蓄熱材を用いれば良くシリカゲル、活性炭等の他の吸着材、また水酸化反応を利用する水酸化マグネシウムや水和反応を利用する塩化カルシウム系水和物を用いても得ることが出来る。
【００４４】
図８は、本実施の形態２にかかる車載用暖房装置の蓄熱材３（ゼオライト）の吸着平衡線図である。図８のＡに示すように、上記条件の燃焼ガスが流入すると、ゼオライトから水蒸気として脱水する。この反応は吸熱反応であることから、反応に伴い、燃焼ガス温度の低下を生じる。このため、蓄熱材３を触媒２の上流に配置する場合には、触媒２における燃焼ガスの浄化特性を低下させる恐れがあり、本実施の形態２のように、蓄熱材３を触媒２の下流に配置することが好ましい。
【００４５】
また、第２のダンパ９を水平方向に制御し、蓄熱材３を経由した燃焼ガスの流れと、短絡した流れのいずれに対しても圧力損失にならないようにしている。
【００４６】
一方、暖房経路では、エンジン１の排熱を回収した冷却水を、ポンプ７によりヒータコア６に循環させることで、車室内の暖房が行われ、熱交換器４とヒータコア６との間の冷却水の循環は、停止される。
【００４７】
＜エンジン１始動時＞
図９は、本実施の形態２にかかる車載用暖房装置のエンジン１始動時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図である。エンジン１始動時には、エンジン１から排出される燃焼ガスは、第１のダンパ８を垂直方向に制御するため、短絡することなく、蓄熱材３のみに流入する。燃焼ガス経路の構成部材や触媒２が低温（０℃）であり、熱容量も大きいことから、ここで熱を奪われ、温度５０℃以下で蓄熱材３に流入する。また、このときの燃焼ガス中の水蒸気分圧は１４ｋＰａであり、相対湿度に換算すると７０％となる。
【００４８】
図８のＢに示すように、上記条件の燃焼ガスが蓄熱材３に流入すると、ゼオライトに水蒸気が吸着する。この反応は発熱反応であることから、反応に伴い、蓄熱材３の温度が６０℃以上に上昇する。
【００４９】
また、第２のダンパ９を水平方向に制御し、蓄熱材３を経由した燃焼ガスの流れと、短絡した流れのいずれに対しても圧力損失にならないようにしている。
【００５０】
一方、暖房回路では、上記昇温した蓄熱材３から熱交換器４のフィン（ここでは図示せず）を介して熱を回収した冷却水（温度６０℃）を、ポンプ７によりヒータコア６に循環させることで、車室内の暖房が行われ、ヒータコア６で熱交換した後の冷却水は温度４０℃まで低下し、熱交換器４に戻る。また、この間、エンジン１とヒータコア６との間の冷却水の循環は停止される。また、第１のダンパ８を制御することにより、蓄熱材３に供給される水蒸気量が多くなることから、短時間でより多くの発熱反応を生じ、より即時の暖房効果が得られる。
【００５１】
以上の動作により、エンジン１からの熱を利用することなく、即時に車室内の暖房を行うことができるため、エンジン１始動時にヒータコア６の加熱を素早くすることができる。さらに、暖房起動の起動を迅速化することによる快適性を高めることができるとともに、エンジン１自身の昇温を早めることもできることから、走行時の燃費を向上させることもできる。
【００５２】
＜エンジン１停止直後＞
図１０は、本実施の形態２にかかる車載用暖房装置のエンジン１停止直後の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図である。エンジン１停止直後には、第１のダンパ８、第２のダンパ９をいずれも水平方向に制御し、蓄熱材３を経由することなく、燃焼ガス経路から燃焼ガスを掃気する。
【００５３】
この動作により、水蒸気分圧が１４kＰａと高い燃焼ガスを短時間で掃気できるため、燃焼ガス経路に滞留した低温になった燃焼ガス中に含まれる水蒸気がゼオライトに吸着して、次のエンジン１始動時に利用できる蓄熱量が減少するのを抑制することができる。
【００５４】
一方、暖房回路では、ポンプ７を停止し、冷却水の循環を停止している。
【００５５】
＜エンジン１停止時＞
図１１は、本実施の形態２にかかる車載用暖房装置のエンジン１停止時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図である。エンジン１停止時には、燃焼ガス、冷却水とも停止しており、第１のダンパ８を水平方向、第２のダンパ９を垂直方向に制御することにより、エンジン１からマフラー５までの空間を密閉空間とし、蓄熱材３を空気が流通して、空気中に含まれる水蒸気がゼオライトに吸着して、次のエンジン１始動時に利用できる蓄熱量が減少するのを抑制することができる。
【００５６】
なお、蓄熱材３として、ゼオライトを用いているが、シリカゲル、活性炭等の他の吸着材を用いても良い。また、水酸化反応を利用する水酸化マグネシウムや水和反応を利用する塩化カルシウム系水和物を用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明にかかる車載用暖房装置は、ガソリン車、ディーゼル車、ハイブリッド車等の自動車用途の暖房装置に展開することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本実施の形態１にかかる車載用暖房装置の構成図
【図２】本実施の形態１にかかる車載用暖房装置の定常走行時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図
【図３】本実施の形態１にかかる車載用暖房装置の蓄熱材（水酸化マグネシウム）の圧力−温度線図
【図４】本実施の形態１にかかる車載用暖房装置のエンジン始動時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図
【図５】本実施の形態２にかかる車載用暖房装置の構成図
【図６】本実施の形態２にかかる車載用暖房装置の定常走行時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図
【図７】本実施の形態２にかかる車載用暖房装置の蓄熱材（ゼオライト）の細孔径による水蒸気の選択吸着性を示す図
【図８】本実施の形態２にかかる車載用暖房装置の蓄熱材（ゼオライト）の吸着平衡線図
【図９】本実施の形態２にかかる車載用暖房装置のエンジン始動時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図
【図１０】本実施の形態２にかかる車載用暖房装置のエンジン停止直後の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図
【図１１】本実施の形態２にかかる車載用暖房装置のエンジン停止時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図
【符号の説明】
【００５９】
１ エンジン
２ 触媒
３ 蓄熱材
４ 熱交換器
５ マフラー
６ ヒータコア
７ ポンプ
８ 第１のダンパ
９ 第２のダンパ
１０ 三方弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学蓄熱を利用した車載用暖房装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車載用暖房装置では、エンジンの廃熱によって加熱されたエンジン冷却水を用いてヒータコアを加熱し、ヒータコアで空気を加熱し、車内の暖房に利用してきた。このような、暖房装置では、エンジン始動後、エンジンがある程度の温度まで暖まらないと、ヒータコアを加熱することが出来ず、暖房を効果的に行なうことができないという問題があった。
【０００３】
そこで特許文献１や特許文献２のように蓄熱材を用いた暖房装置が検討されている。
【０００４】
特許文献１では、化学蓄熱を利用した車載用暖房装置が開示されている。この特許文献１では、エンジンからの燃焼ガスをゼオライトからなる蓄熱材に流通させる。定常走行時には、流通する燃焼ガスが高温、低湿度となることから、ゼオライトから水蒸気が脱水する反応により蓄熱し、エンジン始動時には、燃焼ガスが低温、高湿度となることから、ゼオライトに水蒸気が吸着する反応により、発熱する。この熱を暖房用の空気と熱交換し、車室内に加熱された空気を供給することにより、暖房を行うものがある。
【０００５】
また、特許文献２のように、化学蓄熱を利用した車載用触媒暖機装置がある。この特許文献２では、エンジンからの燃焼ガスを水酸化物からなる蓄熱材と触媒とを一体化した蓄熱材・触媒充填層を流通させる。定常走行時には、流通する燃焼ガスが高温、低湿度となることから、蓄熱材である水酸化物から水蒸気が脱水する反応により、酸化物が生成され、蓄熱される。また、エンジン始動時には、燃焼ガスが低温、高湿度となることから、酸化物と水蒸気との反応により、発熱する。この熱を一体化した触媒充填層に直接熱伝導により伝え、触媒が活性化温度に到達する時間を短縮するものがある。
【特許文献１】特開昭６２−１０５７１４号公報
【特許文献２】特開平５−１４１２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のように、蓄熱材として、ゼオライト等の吸着材を用いる場合、燃焼ガス中の窒素、酸素、炭化水素、一酸化炭素も同時に吸着されるため、短期間で蓄熱材が破過し、蓄熱できなくなるという課題があった。
【０００７】
また、特許文献２のように、蓄熱材を触媒と一体化して充填させた場合、定常走行時に蓄熱材から水蒸気が脱水する反応が吸熱反応となることから、燃焼ガスや触媒の温度を低下させるため、炭化水素や一酸化炭素に対する触媒活性を低下させるという課題があった。
【０００８】
さらに、特許文献１、２ともに、エンジン停止時にも蓄熱材が外気に連通していることから、空気中の水蒸気を吸着して、蓄熱量が低下するという課題があった。
【０００９】
本発明は、上述の課題を解決し、触媒の活性に影響を与えることなく、高い蓄熱密度を長期間実現することが出来る車載用暖房装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するため、本発明の第１の車載用暖房装置は、エンジンと、車内暖房の熱源として利用するヒータコアと、エンジンから排出される燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出経路と、燃焼ガス排出経路中に、水と反応することによって吸熱・発熱をする蓄熱材と、蓄熱材よりもエンジン側に配置された燃焼ガス浄化触媒とを備え、蓄熱材と燃焼ガス中に含まれる水とが反応することによる発熱によりヒータコアを加熱することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第２の車載用暖房装置は、蓄熱材は酸化物、または細孔径３Å以下の吸着材であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第３の車載用暖房装置は、エンジンとヒータコアとを熱交換する第1熱交換回路と、蓄熱材とヒータコアとを熱交換する第２熱交換回路とを備えていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第４の車載用暖房装置は、熱交換回路制御手段を備え、エンジン始動時に第２熱交換回路、定常走行時に第１熱交換回路に切換えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の第５の車載用暖房装置は、蓄熱材を内設した第１の燃焼ガス経路と、蓄熱材を短絡して燃焼ガスが流通できる第２の燃焼ガス経路と、第１の燃焼ガス経路と第２の燃焼ガス経路への供給量を制御するダンパを備え、エンジン始動時には、燃焼ガスが第１の燃焼ガス経路に全量供給されるようにダンパを切換え、定常走行時には、燃焼ガスを第１の燃焼ガス経路と第２の燃焼ガス経路に配分して供給されるようダンパを切換える制御を行うことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の第６の車載用暖房装置は、エンジン停止直後には、燃焼ガスが第２の燃焼ガス経路に優先的に供給されるようにダンパを切換えることを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明の第７の車載用暖房装置は、蓄熱材の下流側にダンパを備え、エンジン停止時に蓄熱材が外気と遮断されるようにダンパを切換えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、触媒の活性に影響を与えることなく、高い蓄熱密度を長期間実現することができる車載用暖房装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、従来から広く採用されている公知の手段については、詳細な説明を省略する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１にかかる車載用暖房装置の構成図である。燃焼ガス経路は、エンジン１と、ここから排出される燃焼ガス中に含まれる炭化水素や一酸化炭素等を浄化する触媒２と、その下流に設置され、燃焼ガスの熱を利用して化学反応により蓄熱する蓄熱材３と、蓄熱材３と熱交換する熱交換器４と、マフラー５から構成される。また、暖房経路は、エンジン１-ヒータコア６間をポンプ７によって冷却水を循環させる第１の熱交換回路と、熱交換器４-ヒータコア６間をポンプ７によって冷却水を循環させる第２の熱交換回路とを有する。第１の熱交換回路はエンジン１で回収した熱をヒータコア６に伝え、第２の熱交換回路は熱交換器４で回収した熱をヒータコア６に伝えることが可能である。
【００２０】
第１の熱交換回路と、第２の熱交換回路の切り替えは、分岐点に三方弁１０を設けることによって、ポンプ７による水の流れを蓄熱材３側とエンジン１側の切り替えを行なうことが出来る。
【００２１】
なお、その他の形態として、第１の熱交換回路と第２の熱交換回路を別々に設けることなどが考えられる。
【００２２】
第１の熱交換回路と第２の熱交換回路の切り替えは、熱交換回路制御手段(図示せず)を用い下記の定常走行時、エンジン１始動時に応じて切り替えを行なう。なお、熱交換回路制御手段は、マイコン等を用いて実現する事が出来る。
【００２３】
＜定常走行時＞
図２は、本実施の形態１にかかる車載用暖房装置の定常走行時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図である。定常走行時には、エンジン１から排出される燃焼ガスは、触媒２で浄化され、蓄熱材３に、温度２００〜３００℃で流入する。また、このときの燃焼ガス中の水蒸気分圧は１４ｋＰａであり、１００℃の飽和水蒸気圧との比に換算すると１４％となる。また、蓄熱材３として水酸化マグネシウムを用いており、熱交換器４のフィン（ここでは図示せず）間に水酸化マグネシウムの粒子が充填された構成となっている。
【００２４】
図３は、本実施の形態１にかかる車載用暖房装置の蓄熱材３（水酸化マグネシウム）の圧力−温度線図である。図３のAに示すように、上記条件の燃焼ガスが蓄熱材３に流入すると、式１のような反応を生じ、水酸化マグネシウムから水蒸気として脱水する。
【００２５】
［式１］
Ｍｇ（ＯＨ）２→ＭｇＯ＋Ｈ２Ｏ（ｇ）
この反応は吸熱反応であることから、反応に伴い、燃焼ガス温度の低下を生じる。このため、蓄熱材３を触媒２の上流に配置する場合には、触媒２における燃焼ガスの浄化特性を低下させる恐れがあり、本実施の形態１のように、蓄熱材３を触媒２の下流に配置することが好ましい。
【００２６】
つまり、このように配置する事によって、触媒２にはエンジン１からの燃焼ガスが蓄熱材３よりも前に導入される。そのことによって、触媒２をエンジン１と混合、もしくは蓄熱材３よりも排出口側に設ける場合と比較して、エンジン１の燃焼ガスが蓄熱材３によって冷却する前に、触媒２に導入することができる。したがって、燃焼ガスによって触媒２を加熱しながら、燃焼ガスを浄化することにより、触媒活性を損なう事がなく燃焼ガスを浄化する事ができる。
【００２７】
また、触媒２としては、Ptをはじめとする三元触媒が用いられる。このような触媒を用いることによって、特に窒素酸化物，一酸化炭素，炭化水素がそれぞれ式１〜３のように還元・酸化されることによって浄化される。
【００２８】
［式２］
2ＮＯｘ→xO2+N2
［式３］
2CO+O2→2CO2
［式４］
4CxHy+ (4x+y) O2 →4xCO2 + 2yH2O
特に、このような触媒２は常温では酸化・還元能力が低く、エンジンが冷えた状態で始動した直後は酸化・還元能力を発揮することができない。そこで、本実施の形態では、蓄熱材３よりエンジン側に触媒２を配置し、排気ガスによって触媒２を加熱することによって、触媒２の酸化・還元能力を高めることが出来る。
【００２９】
一方、暖房経路では、第１の熱交換回路を用いて、エンジン１の排熱を回収した冷却水を、ポンプ７によりヒータコア６に循環させることで、車室内の暖房が行われ、第２の熱交換回路である熱交換器４とヒータコア６との間の冷却水の循環は、停止される。
【００３０】
＜エンジン１始動時＞
図４は、本実施の形態１にかかる車載用暖房装置のエンジン１始動時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図である。エンジン１始動時には、エンジン１から排出される燃焼ガスは、燃焼ガス経路の構成部材や触媒２が低温（０℃）であり、熱容量も大きいことから、ここで熱を奪われ、温度５０℃以下で蓄熱材３に流入する。また、このときの燃焼ガス中の水蒸気分圧は１４ｋＰａであり、１００℃の飽和水蒸気圧との比に換算すると１４％となる。
【００３１】
図３のＢに示すように、上記条件の燃焼ガスが蓄熱材３に流入すると、（２）式のような反応を生じ、酸化マグネシウムと水蒸気が反応し、水酸化マグネシウムが生成される。
ＭｇＯ＋Ｈ２Ｏ（ｇ）→Ｍｇ（ＯＨ）２ （２）
この反応は発熱反応であることから、反応に伴い、蓄熱材３の温度が６０℃以上に上昇する。
【００３２】
一方、暖房回路では、上記昇温した蓄熱材３から熱交換器４のフィン（ここでは図示せず）を介して熱を回収した冷却水（温度６０℃）を、ポンプ７によりヒータコア６に循環させることで、車室内の暖房が行われ、ヒータコア６で熱交換した後の冷却水は温度４０℃まで低下し、熱交換器４に戻る。また、この間エンジン１とヒータコア６との間の冷却水の循環は停止される。
【００３３】
以上の動作により、エンジン１からの熱を利用することなく、即時に車室内の暖房を行うことができるため、エンジン１始動時にヒータコア６の加熱を素早くすることができる。
【００３４】
さらに、暖房起動の起動を迅速化することによる快適性を高めることができるとともに、エンジン１自身の昇温を早めることもできることから、走行時の燃費を向上させることもできる。
【００３５】
そして、エンジン１始動から所定の時間経過後に、エンジン１の温度が所定温度以上に昇温したら、定常走行時と判断し、第２の熱交換回路から第１の熱交換回路に切り替える。このような切り替えをすることによって、エンジン１始動時に蓄熱材３に蓄熱した熱を利用し、それ以外のときは蓄熱し、次回のエンジン１始動時に備えることができる。
【００３６】
なお、蓄熱材３として、水酸化マグネシウムを用いているが、水和反応を利用する塩化カルシウム系水和物を用いても良い。また、ゼオライト、シリカゲル、活性炭のような吸着材を用いても良い。
【００３７】
（実施の形態２）
図５は、本実施の形態２にかかる車載用暖房装置の構成図である。実施の形態２は、触媒２の下流に、蓄熱材３を介して燃焼ガスを排出する経路と、蓄熱材３を介さずに燃焼ガスを排出する経路の２経路を有し、蓄熱材３にゼオライトを用いる以外は、実施の形態１と同様である。また、このような流路の切り替えは、第１のダンパ、第２のダンパ９により、蓄熱材３に対する流路の切換えを行っている。
【００３８】
＜定常走行時＞
図６は、本実施の形態２にかかる車載用暖房装置の定常走行時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図である。定常走行時には、エンジン１から排出される燃焼ガスは、触媒２で浄化され、第１のダンパ８を傾斜させて、蓄熱材３を経由する流量と、短絡する流量との比率を調整された上で、一部が、蓄熱材３に温度２００〜３００℃で流入する。また、このときの燃焼ガス中の水蒸気分圧は１４ｋＰａであり、相対湿度に換算すると１％となる。
【００３９】
また、蓄熱材３としてゼオライトを用いており、熱交換器４のフィン（ここでは図示せず）間にゼオライトの粒子が充填された構成となっている。
【００４０】
さらに、ゼオライトは細孔径３Åのものを用いている。
【００４１】
図７は、本実施の形態２にかかる車載用暖房装置の蓄熱材３（ゼオライト）の細孔径による水蒸気の選択吸着性を示す図である。図のように、燃焼ガス中に含まれる窒素、酸素、炭化水素、一酸化炭素は、細孔径３Åでは吸着されず、水蒸気のみが選択的に吸着することができる。したがって、他成分吸着による短時間でのゼオライトの破過を防止できる。
【００４２】
つまり、蓄熱材３(ゼオライト)の劣化を抑制することが出来るので、蓄熱材３の劣化を小さく見積もる事ができ、軽量かつ小容量で長期間蓄熱密度を発揮する事ができる。
【００４３】
なお、このような効果は細孔径３Å以下の蓄熱材を用いれば良くシリカゲル、活性炭等の他の吸着材、また水酸化反応を利用する水酸化マグネシウムや水和反応を利用する塩化カルシウム系水和物を用いても得ることが出来る。
【００４４】
図８は、本実施の形態２にかかる車載用暖房装置の蓄熱材３（ゼオライト）の吸着平衡線図である。図８のＡに示すように、上記条件の燃焼ガスが流入すると、ゼオライトから水蒸気として脱水する。この反応は吸熱反応であることから、反応に伴い、燃焼ガス温度の低下を生じる。このため、蓄熱材３を触媒２の上流に配置する場合には、触媒２における燃焼ガスの浄化特性を低下させる恐れがあり、本実施の形態２のように、蓄熱材３を触媒２の下流に配置することが好ましい。
【００４５】
また、第２のダンパ９を水平方向に制御し、蓄熱材３を経由した燃焼ガスの流れと、短絡した流れのいずれに対しても圧力損失にならないようにしている。
【００４６】
一方、暖房経路では、エンジン１の排熱を回収した冷却水を、ポンプ７によりヒータコア６に循環させることで、車室内の暖房が行われ、熱交換器４とヒータコア６との間の冷却水の循環は、停止される。
【００４７】
＜エンジン１始動時＞
図９は、本実施の形態２にかかる車載用暖房装置のエンジン１始動時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図である。エンジン１始動時には、エンジン１から排出される燃焼ガスは、第１のダンパ８を垂直方向に制御するため、短絡することなく、蓄熱材３のみに流入する。燃焼ガス経路の構成部材や触媒２が低温（０℃）であり、熱容量も大きいことから、ここで熱を奪われ、温度５０℃以下で蓄熱材３に流入する。また、このときの燃焼ガス中の水蒸気分圧は１４ｋＰａであり、相対湿度に換算すると７０％となる。
【００４８】
図８のＢに示すように、上記条件の燃焼ガスが蓄熱材３に流入すると、ゼオライトに水蒸気が吸着する。この反応は発熱反応であることから、反応に伴い、蓄熱材３の温度が６０℃以上に上昇する。
【００４９】
また、第２のダンパ９を水平方向に制御し、蓄熱材３を経由した燃焼ガスの流れと、短絡した流れのいずれに対しても圧力損失にならないようにしている。
【００５０】
一方、暖房回路では、上記昇温した蓄熱材３から熱交換器４のフィン（ここでは図示せず）を介して熱を回収した冷却水（温度６０℃）を、ポンプ７によりヒータコア６に循環させることで、車室内の暖房が行われ、ヒータコア６で熱交換した後の冷却水は温度４０℃まで低下し、熱交換器４に戻る。また、この間、エンジン１とヒータコア６との間の冷却水の循環は停止される。また、第１のダンパ８を制御することにより、蓄熱材３に供給される水蒸気量が多くなることから、短時間でより多くの発熱反応を生じ、より即時の暖房効果が得られる。
【００５１】
以上の動作により、エンジン１からの熱を利用することなく、即時に車室内の暖房を行うことができるため、エンジン１始動時にヒータコア６の加熱を素早くすることができる。さらに、暖房起動の起動を迅速化することによる快適性を高めることができるとともに、エンジン１自身の昇温を早めることもできることから、走行時の燃費を向上させることもできる。
【００５２】
＜エンジン１停止直後＞
図１０は、本実施の形態２にかかる車載用暖房装置のエンジン１停止直後の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図である。エンジン１停止直後には、第１のダンパ８、第２のダンパ９をいずれも水平方向に制御し、蓄熱材３を経由することなく、燃焼ガス経路から燃焼ガスを掃気する。
【００５３】
この動作により、水蒸気分圧が１４kＰａと高い燃焼ガスを短時間で掃気できるため、燃焼ガス経路に滞留した低温になった燃焼ガス中に含まれる水蒸気がゼオライトに吸着して、次のエンジン１始動時に利用できる蓄熱量が減少するのを抑制することができる。
【００５４】
一方、暖房回路では、ポンプ７を停止し、冷却水の循環を停止している。
【００５５】
＜エンジン１停止時＞
図１１は、本実施の形態２にかかる車載用暖房装置のエンジン１停止時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図である。エンジン１停止時には、燃焼ガス、冷却水とも停止しており、第１のダンパ８を水平方向、第２のダンパ９を垂直方向に制御することにより、エンジン１からマフラー５までの空間を密閉空間とし、蓄熱材３を空気が流通して、空気中に含まれる水蒸気がゼオライトに吸着して、次のエンジン１始動時に利用できる蓄熱量が減少するのを抑制することができる。
【００５６】
なお、蓄熱材３として、ゼオライトを用いているが、シリカゲル、活性炭等の他の吸着材を用いても良い。また、水酸化反応を利用する水酸化マグネシウムや水和反応を利用する塩化カルシウム系水和物を用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明にかかる車載用暖房装置は、ガソリン車、ディーゼル車、ハイブリッド車等の自動車用途の暖房装置に展開することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本実施の形態１にかかる車載用暖房装置の構成図
【図２】本実施の形態１にかかる車載用暖房装置の定常走行時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図
【図３】本実施の形態１にかかる車載用暖房装置の蓄熱材（水酸化マグネシウム）の圧力−温度線図
【図４】本実施の形態１にかかる車載用暖房装置のエンジン始動時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図
【図５】本実施の形態２にかかる車載用暖房装置の構成図
【図６】本実施の形態２にかかる車載用暖房装置の定常走行時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図
【図７】本実施の形態２にかかる車載用暖房装置の蓄熱材（ゼオライト）の細孔径による水蒸気の選択吸着性を示す図
【図８】本実施の形態２にかかる車載用暖房装置の蓄熱材（ゼオライト）の吸着平衡線図
【図９】本実施の形態２にかかる車載用暖房装置のエンジン始動時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図
【図１０】本実施の形態２にかかる車載用暖房装置のエンジン停止直後の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図
【図１１】本実施の形態２にかかる車載用暖房装置のエンジン停止時の燃焼ガス、冷却水の流れを示す図
【符号の説明】
【００５９】
１ エンジン
２ 触媒
３ 蓄熱材
４ 熱交換器
５ マフラー
６ ヒータコア
７ ポンプ
８ 第１のダンパ
９ 第２のダンパ
１０ 三方弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、
車内暖房の熱源として利用するヒータコアと、
前記エンジンから排出される燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出経路と、
前記燃焼ガス排出経路中に、水と反応することによって吸熱・発熱をする蓄熱材と、
前記蓄熱材よりもエンジン側に配置された前記燃焼ガス浄化触媒と、を備え、
前記蓄熱材と前記燃焼ガス中に含まれる水とが反応することによる発熱により前記ヒータコアを加熱する車載用暖房装置。
【請求項２】
前記蓄熱材は、酸化物である請求項１に記載の車載用暖房装置。
【請求項３】
前記蓄熱材は、細孔径３Å以下の吸着材である請求項１に記載の車載用暖房装置。
【請求項４】
前記エンジンと前記ヒータコアとを熱交換する第１熱交換回路と、
前記蓄熱材と前記ヒータコアとを熱交換する第２熱交換回路とを備えた請求項１に記載の車載用暖房装置。
【請求項５】
熱交換回路制御手段を備え、
エンジン始動時に前記第２熱交換回路、定常走行時に前記第１熱交換回路に切換える請求項４に記載の車載用暖房装置。
【請求項６】
前記蓄熱材を内設した第１の燃焼ガス排出経路と、
前記蓄熱材を短絡して燃焼ガスが流通できる第２の燃焼ガス排出経路と、
前記第１の燃焼ガス排出経路と前記第２の燃焼ガス排出経路への供給量を制御するダンパを備え、
エンジン始動時には、燃焼ガスが前記第１の燃焼ガス排出経路に全量供給されるように前記ダンパを切換え
定常走行時には、燃焼ガスを前記第１の燃焼ガス排出経路と前記第２の燃焼ガス排出経路に配分して供給されるように前記ダンパを切換える制御を行う請求項１から４に記載の車載用暖房装置。
【請求項７】
エンジン停止直後には、燃焼ガスが前記第２の燃焼ガス排出経路に優先的に供給されるように前記ダンパを切換える請求項６に記載の車載用暖房装置。
【請求項８】
前記蓄熱材の下流側にダンパを備え、
エンジン停止時に前記蓄熱材が外気と遮断されるように前記ダンパを切換える請求項１から７に記載の車載用暖房装置。
【請求項１】
エンジンと、
車内暖房の熱源として利用するヒータコアと、
前記エンジンから排出される燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出経路と、
前記燃焼ガス排出経路中に、水と反応することによって吸熱・発熱をする蓄熱材と、
前記蓄熱材よりもエンジン側に配置された前記燃焼ガス浄化触媒と、を備え、
前記蓄熱材と前記燃焼ガス中に含まれる水とが反応することによる発熱により前記ヒータコアを加熱する車載用暖房装置。
【請求項２】
前記蓄熱材は、酸化物である請求項１に記載の車載用暖房装置。
【請求項３】
前記蓄熱材は、細孔径３Å以下の吸着材である請求項１に記載の車載用暖房装置。
【請求項４】
前記エンジンと前記ヒータコアとを熱交換する第１熱交換回路と、
前記蓄熱材と前記ヒータコアとを熱交換する第２熱交換回路とを備えた請求項１に記載の車載用暖房装置。
【請求項５】
熱交換回路制御手段を備え、
エンジン始動時に前記第２熱交換回路、定常走行時に前記第１熱交換回路に切換える請求項４に記載の車載用暖房装置。
【請求項６】
前記蓄熱材を内設した第１の燃焼ガス排出経路と、
前記蓄熱材を短絡して燃焼ガスが流通できる第２の燃焼ガス排出経路と、
前記第１の燃焼ガス排出経路と前記第２の燃焼ガス排出経路への供給量を制御するダンパを備え、
エンジン始動時には、燃焼ガスが前記第１の燃焼ガス排出経路に全量供給されるように前記ダンパを切換え
定常走行時には、燃焼ガスを前記第１の燃焼ガス排出経路と前記第２の燃焼ガス排出経路に配分して供給されるように前記ダンパを切換える制御を行う請求項１から４に記載の車載用暖房装置。
【請求項７】
エンジン停止直後には、燃焼ガスが前記第２の燃焼ガス排出経路に優先的に供給されるように前記ダンパを切換える請求項６に記載の車載用暖房装置。
【請求項８】
前記蓄熱材の下流側にダンパを備え、
エンジン停止時に前記蓄熱材が外気と遮断されるように前記ダンパを切換える請求項１から７に記載の車載用暖房装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−１４９７９４（Ｐ２０１０−１４９７９４Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３２５４１（Ｐ２００８−３３２５４１）
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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