高効率な省エネ暖房技術 車載用ヒートポンプを完成

最適化を求め試行錯誤の日々

NEDOプロジェクトでは、高効率な車載用ヒートポンプの実現に向けて、様々なシミュレーションや試行錯誤が重ねられました。具体的には、各構成機器の特徴を反映したシミュレーションを行い、各条件を満足する熱交換器サイズやコンプレッサ型式といった構成機器の諸元を見極めました。そして試作を実施して、ベンチ（写真2）および実車での性能を確認。さらにコンプレッサなどの構成機器の高効率化を行いました。システム開発におけるシミュレータの開発では、放熱側、吸熱側の熱交換温度、冷媒温度と空気側温度が釣り合うように繰り返し計算を行い、収束解を求める研究を実施しました。

写真2　ベンチ設備 (写真提供：デンソー)

なかでも車載システムのシミュレータ開発では、規定の走行モード走行時の室内平均温度、風量、暖房能力、COP(Coefficient Of Performance、冷却・加熱能力÷投入電力)などの試算を行なえる車載システムのシミュレータの開発を行いました。ところが、外気モード（外気を100％導入して暖房するモード）の実験ではCOPはシミュレーションとおおよそ1割程度の誤差で一致するものの、目標とするCOPには届きませんでした。

原因を追究した結果、①コンプレッサや熱交換器などの機器諸元が最適化されていない、②外気モードでは換気ロスが大きい、③走行開始初期(ウォームアップ時)に効率重視の制御が織り込まれていなかったことなどの問題点がわかり、対策を行っていきました。

ヒートポンプの生き字引的な存在で、設計の担当者であるデンソーサーマルマネジメントユニット技術1部の伊藤誠司さんは、「ガソリン車で可能な機能はEVでも使いたい。オートエアコンで快適に動かすためには、冷凍サイクルの特性を生かしながら車両適合しなければならなかった」と当時を振り返ります。

コンプレッサの漏れを防ぐ

今回のプロジェクトにおける重要なコンポーネントは、コンプレッサでした。
スクロール式のコンプレッサの場合、冷房用に設計したコンプレッサではヒートポンプのような高圧縮比にすると、圧縮速度および内部漏れの増加などにより内部損失が大きくなりコンプレッサ効率が著しく低下してしまう可能性があります。

「－30℃の低温下では、暖房に用いるコンプレッサは、吸入側と吐出側の温度差（≒圧力差）が大きく、高圧縮比で使用されることになります。また、スクロールコンプレッサでは、スクロール（写真3）と呼ばれる渦巻き状のロータ（旋回スクロール）とステータ（固定スクロール）とで作る圧縮室がスクロールの回転に従い、外側（吸入側）から内側（吐出側）に向かって徐々に体積が小さくなることで圧縮する仕組みです（図3）。この圧縮室は複数隣り合って存在します。すなわち高圧縮比になると、この隣りあう圧縮室の圧力差も大きくなります。
圧力差が大きくなるために隣りあう圧縮室間の冷媒の漏れも大きくなり、効率などに大きな影響を与えます。また、ベアリングなどの機械部品に対する負荷が増加して信頼性が低下することが想定されます」と当時のデンソーコンプレッサ開発部の佐貫さんは言います。

そこで、低温下でコンプレッサの各種性能を測定するために、コンプレッサの入口・出口の温度・圧力を測定し所定の条件になるようコントロールする設備を開発しました。そして、現状のコンプレッサ（冷房用）を使用して、冷房条件と暖房条件にてコンプレッサを評価した結果、冷房条件に比べて暖房条件では、コンプレッサ効率が低下することが判りました。
測定結果を受けて分析を重ね、漏れ損失やベアリングの耐力などに対する対策案の立案が行われました。

そして、①スクロールの歯先からの漏れ低減と摺動損失低減を両立するために背圧（旋回スクロールの押付荷重）の適正化、②ベアリングの大型化などの対策を行い、その効果を定量的に評価し、順次、既存コンプレッサの改良や新型コンプレッサの設計に反映していきました。これらの改良の視点は最新のガスインジェクションタイプのコンプレッサにも受け継がれています。

写真3(左)　コンプレッサのカットモデル (中央にあるのが渦巻き状のスクロール)
図3(右)　作動空間ごとに生じる圧力の差 (資料提供：デンソー)

車載性向上とコスト低減を実現

ここまでの取り組みの結果、従来に比べバルブ類の数を大幅に減らし、かつコストがかかる電気式の可変絞りを一つも用いないヒートポンプの開発に成功しました。これによって車載性を向上すると同時にコスト低減も可能としました。一方、COPに関しては、シミュレータによる最適サイクル設計、ヒートポンプ条件に適したコンプレッサの効率向上、および各制御ロジックの改良により、大幅な効率向上を確認しました。

一方、プロジェクトではコスト面での話し合いも不可欠でした。 「固定絞りを電気式の可変絞りにするなどの検討もありましたが、コストと実装スピードを優先しました。車両メーカーと話をするのは当時の冷暖房技術部のチームです。そのチームとコスト面について協議し、プロジェクトを進めていきました」(伊藤さん) このように、成功の裏には、コスト戦略も含めた他チームとの連携もありました。