自動車用エアコン送風機の原理
概要：自動車用エアコンシステムは、車内の空気の冷却、加熱、換気、空気浄化を実現する装置です。乗客に快適な運転環境を提供し、運転者の疲労を軽減し、運転の安全性を向上させます。エアコン設備は、自動車の完成度を測る指標の一つとなっています。自動車用エアコンシステムは、圧縮機、エアコンブロワー、凝縮器、液体貯蔵乾燥機、膨張弁、蒸発器、ブロワーなどで構成されています。本稿では、主に自動車用エアコンブロワーの原理について紹介します。
地球温暖化と運転環境に対する人々の要求の高まりに伴い、エアコンシステムを搭載した車が増えています。統計によると、2000年には米国とカナダで販売された車の78%にエアコンが搭載されており、現在では少なくとも90%の車にエアコンが搭載されていると控えめに推定されています。エアコンは、人々に快適な運転環境を提供するだけでなく、車の利用者として、緊急事態に効果的かつ迅速に対処できるよう、その原理を理解しておく必要があります。
1. 自動車用冷凍システムの動作原理
自動車用エアコン冷凍システムの動作原理
1. 自動車用エアコン冷凍システムの動作原理
自動車用エアコンの冷凍システムのサイクルは、圧縮、放熱、絞り、吸熱の4つのプロセスから構成されます。
（１）圧縮工程：圧縮機は蒸発器出口で低温低圧の冷媒ガスを吸入し、高温高圧のガスに圧縮した後、凝縮器に送ります。この工程の主な機能は、ガスを圧縮・加圧して液化しやすくすることです。圧縮工程中、冷媒の状態は変化せず、温度と圧力が上昇し続け、過熱ガスが形成されます。
（２）熱放出過程：高温高圧の過熱冷媒ガスが凝縮器（ラジエーター）に入り、大気と熱交換を行います。圧力と温度が低下するため、冷媒ガスは液体に凝縮し、大量の熱を放出します。この過程の機能は、熱を放出し、凝縮することです。凝縮過程は、冷媒の状態変化、すなわち、一定の圧力と温度の条件下で、徐々に気体から液体へと変化することを特徴としています。凝縮後の冷媒液は、高圧高温の液体です。冷媒液は過冷却されており、過冷却度が高いほど、蒸発過程で熱を吸収する蒸発能力が高くなり、冷却効果が向上し、すなわち、それに応じて冷房能力が向上します。
（３）絞り工程：高圧・高温の冷媒液は膨張弁を通して絞り込まれ、温度と圧力が低下し、膨張装置から霧（微細な液滴）が除去されます。この工程の役割は、冷媒を冷却し圧力を下げ、高温高圧の液体を低温・低圧の液体にすることで、熱吸収を促進し、冷凍能力を制御し、冷凍システムの正常な動作を維持することです。
4) 吸熱プロセス：膨張弁で冷却・減圧されたミスト状の冷媒液が蒸発器に入ると、冷媒の沸点は蒸発器内の温度よりもはるかに低くなるため、冷媒液は蒸発器内で蒸発して気体になります。蒸発過程で周囲の熱を大量に吸収し、車内の温度を下げます。その後、低温・低圧の冷媒ガスが蒸発器から流れ出し、コンプレッサーが再び吸い込むのを待ちます。吸熱プロセスは、冷媒の状態が液体から気体に変化し、この間圧力が変化しないことが特徴です。つまり、この状態変化は定圧プロセス中に行われます。
2. 自動車用エアコンの冷凍システムは、一般的に圧縮機、凝縮器、液体貯蔵乾燥機、膨張弁、蒸発器、送風機で構成されています。図1に示すように、これらの部品は銅（またはアルミニウム）と高圧ゴム管で接続され、密閉システムを形成しています。冷凍システムが作動すると、この密閉システム内で冷凍記憶のさまざまな状態が循環し、各サイクルには4つの基本的なプロセスがあります。
（１）圧縮プロセス：圧縮機は、蒸発器出口で低温・低圧の冷媒ガスを吸入し、高温高圧のガス除去圧縮機で圧縮します。
（２）熱放出プロセス：高温高圧の過熱冷媒ガスが凝縮器に入り、圧力と温度の低下により冷媒ガスが液体に凝縮され、大量の熱が放出されます。
（３）絞りプロセス：高温高圧の冷媒液が膨張装置を通過した後、体積が大きくなり、圧力と温度が急激に低下し、膨張装置から霧（小さな液滴）が排出されます。
（４）熱吸収プロセス：ミスト状の冷媒液が蒸発器に入ると、冷媒の沸点は蒸発器内部の温度よりもはるかに低いため、冷媒液は気化します。蒸発プロセス中に大量の熱が周囲から吸収され、低温低圧の冷媒蒸気が圧縮機に入ります。
2. 送風機の動作原理
通常、自動車の送風機は遠心送風機であり、その動作原理は遠心ファンと似ていますが、空気の圧縮プロセスが複数の作動インペラ（または複数の段）による遠心力の作用によって行われる点が異なります。送風機には高速回転するローターがあり、ローター上のブレードが空気を高速で移動させます。遠心力によって空気はケーシングのインボリュート形状に沿ってファン出口に流れ、高速の空気流には一定の風圧があります。新しい空気はケーシングの中心から補充されます。
理論的には、遠心送風機の圧力流量特性曲線は直線ですが、ファン内部の摩擦抵抗やその他の損失により、実際の圧力流量特性曲線は流量の増加に伴って緩やかに低下し、それに対応する遠心送風機の動力流量曲線は流量の増加に伴って上昇します。ファンが一定速度で運転されている場合、ファンの動作点は圧力流量特性曲線に沿って移動します。運転中のファンの動作状態は、ファン自体の性能だけでなく、システムの特性にも依存します。配管ネットワークの抵抗が増加すると、配管性能曲線はより急になります。ファン制御の基本原理は、ファン自体の性能曲線または外部配管ネットワークの特性曲線を変更することによって、必要な動作条件を得ることです。そのため、低速、中速、高速で走行しているときに車が正常に動作するように、いくつかのインテリジェントシステムが車に搭載されています。
送風機の制御原理
2.1 自動制御
エアコン制御基板の「自動」スイッチを押すと、エアコンのコンピューターは必要な送風温度に応じて送風機の速度を自動的に調整します。
空気の流れ方向が「正面」または「双方向」に設定され、送風機が低速状態にある場合、送風機の速度は制限範囲内で日射強度に応じて変化します。
（１）低速制御の操作
低速制御中は、エアコン制御コンピュータがパワートライオードのベース電圧を遮断し、パワートライオードと超高速リレーも遮断されます。電流は送風機モーターから送風機抵抗に流れ、その後鉄心に伝わり、モーターを低速で回転させます。
エアコンのコンピューターは、次の 7 つの部品で構成されています。1 バッテリー、2 イグニッション スイッチ、3 ヒーター リレー、1 ブロワー モーター、5 ブロワー レジスター、6 パワー トランジスタ、7 温度ヒューズ ワイヤー、8 エアコン コンピューター、9 高速リレー。
（２）中速制御の操作
中速制御時には、パワートライオードに温度ヒューズが組み込まれており、過熱による損傷からトライオードを保護します。エアコンのコンピュータは、ブロワー駆動信号を変更することでパワートライオードのベース電流を変化させ、ブロワーモーターの速度を無線で制御します。
3) 高速制御の操作
高速制御中、エアコンコンピュータはパワートライオードのベース電圧とコネクタNo.40のタイアイアンを切り離し、高速リレーをオンにします。ブロワーモーターからの電流は高速リレーを通ってタイアイアンに流れ、モーターを高速回転させます。
2.2 予熱
自動制御状態では、ヒーターコア下部に設置された温度センサーが冷却液の温度を検知し、予熱制御を行います。冷却液温度が40℃未満で自動スイッチがオンの場合、エアコン制御コンピュータは送風機を停止させ、冷気の放出を防ぎます。逆に、冷却液温度が40℃を超えると、エアコン制御コンピュータは送風機を起動し、低速で回転させます。その後は、計算された風量と必要な送風温度に応じて、送風機の回転速度が自動的に制御されます。
上記で説明した予熱制御は、空気の流れが「下方」または「二重流」方向に選択されている場合にのみ有効です。
2.3 遅延式空気流量制御（冷却時のみ）
遅延式気流制御は、蒸発器温度センサーによって検出された冷却器内部の温度に基づいて行われます。
風量制御は、エアコンからの熱風の誤排出を防ぎます。この遅延制御動作は、エンジン始動時に以下の条件が満たされた場合にのみ一度だけ実行されます。1. コンプレッサーが作動していること。2. ブロワー制御が「自動」状態（自動スイッチオン）になっていること。3. 風量制御が「フェイス」状態であること。フェイススイッチで「フェイス」に調整するか、自動制御で「フェイス」に設定してください。4. クーラー内部の温度が30℃以上であること。
遅延式空気流量制御の動作は以下のとおりです。
上記4つの条件がすべて満たされ、エンジンが始動した場合でも、ブロワーモーターはすぐには始動しません。ブロワーモーターには4秒の遅延がありますが、コンプレッサーがオンになり、エンジンが始動し、冷媒ガスを使用して蒸発器を冷却する必要があります。4秒後、ブロワーモーターが始動し、最初の5秒間は低速で動作し、最後の6秒間で徐々に高速に加速します。この動作により、吹き出し口から熱風が急激に放出されて乱流が発生するのを防ぎます。
閉会の挨拶
完璧な車載コンピューター制御エアコンシステムは、車内の温度、湿度、清浄度、雰囲気、換気を自動的に調整し、車内の空気を一定の速度と方向に流すことで、乗客に快適な運転環境を提供します。また、様々な外部気候や条件下でも乗客が快適な空気環境を維持できるよう配慮されています。さらに、窓ガラスの曇りを防ぎ、ドライバーの視界を確保することで、安全運転の基本を保証してくれます。
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