【自動車用語辞典:空調「ヒートポンプ」】気体の圧縮/膨張による温度変化を利用した冷暖房システム

■原理は家庭用エアコンと同じ

●消費電力が小さくEVに適している

通常エンジン車の暖房は、エンジンの冷却水を熱源とする「温水暖房方式」を採用しています。一方でエンジンの運転頻度が低い、あるいはエンジンを搭載しないPHEVやEVでは、PTCヒーターやヒートポンプが採用されています。

電動車用の冷暖房システムの主流として採用が進むヒートポンプについて、解説していきます。

●ヒートポンプシステムとは

ヒートポンプは、気体を圧縮や膨張させると温度が変化するという性質を利用して、熱エネルギーを移動させる技術です。少ないエネルギーで冷熱源と温熱源を作ることができ、通常のヒーターに比べて高いエネルギー効率を得ることができます。

原理は、家庭用の冷暖房エアコンと同じです。熱交換器で外気の熱を冷媒で回収し、コンプレッサーで冷媒を圧縮して、熱を発生させて車室内を暖めます。一方で、車室内から回収した空気は減圧し、冷やして車外に放出します。圧縮でなく減圧すれば、冷房になります。

●ヒートポンプの作動原理

ヒートポンプによる冷暖房システムの作動は、以下の通りです。

・暖房
コンプレッサーで圧縮された高圧高温のガス状冷媒は、コンデンサーに送られ通過する空気を暖めます。放熱して凝縮した冷媒は、暖房用絞りで低圧低温になります。その後、冷媒は室外熱交換器を通って外気から熱を受け取り、コンプレッサーに吸引されます。

・冷房
冷房の場合は、室内コンデンサーへの空気の流れを遮断するのでコンデンサーは熱交換せず単なる冷媒の通路です。コンプレッサーで圧縮された冷媒は室外熱交換器で凝縮されます。その後、膨張弁を通過した冷媒は、低温低圧になりエバポレーターに進み、通過する空気を冷やします。

ヒートポンプの作動
ヒートポンプの作動概念

●ヒートポンプのメリットと課題

ヒートポンプ以外のEV用暖房システムとしては、PTCヒーターがあります。

PTCヒーターは、半導体セラミックを発熱体にしたヒーターです。エアコンユニットにフィンを設けて搭載する空気ヒーターと、水を加熱して温水を循環させて暖房を行う温水ヒーターがあります。

速暖性や極低温特性については、PTCヒーター、特に空気PTCヒーターが優れています。ただし、大電流を流すので消費電力が大きく効率は低く、また安全対策が必要です。

一方ヒートポンプの最大のメリットは、PTCヒーターより消費電力が少ない、航続距離の悪化が小さいことです。課題は、氷点下のような厳寒時には外気の熱を利用する構成上、暖房能力が低下することです。

●実用例

販売されているEVやPHEVでは、一般的には温水PTCヒーターとヒートポンプを併用しています。ヒートポンプが機能しにくいマイナス温度の厳寒時には、まずPTCヒーターが起動し、車室内温度がある程度の温度に上昇するとヒートポンプに切り替わるように設定しています。

また追加の対応として、ステリングヒーターやシートヒーターを装備しています。

●PTCヒーター

三菱アイミーブEVと日産リーフの初代は、暖房に温水PTCヒーターを使っていました。

当時は、ヒーターを付けると航続距離が極端に短くなるというクレームが多発しました。対応として、両モデルとも2012年以降PTCヒーターにヒートポンプシステムが追加されました。


現在EVやPHEVの暖房としては、温水PTCヒーターとヒートポンプの併用が主流です。航続距離の悪化を抑えるために、今後はヒートポンプだけで対応することが有望視されています。

そのために、マイナス温度下でも効率が維持できるヒートポンプシステムの改良が進められています。

(Mr.ソラン)

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