エンジン
で暖められた
ク?ラント
がヒ?タ?コア?部のコルゲ?トチュ?ブを通る際に、キャビン?の空?との熱交換を行う。コルゲ?トチュ?ブの周りには多?の
放熱フィン
が張り巡らされ、ブロワ?ファンの風により?制的な熱?導が行われている。
ヒ?タ?コアは小さなラジエ?タ?であり、
ダッシュボ?ド
の?部におさめられている。材質は熱?導性の高い
アルミニウム
や
?鍮
が用いられ、表面積を?すために多?のフィンが取り付けられたコルゲ?トチュ?ブ?をエンジンで熱せられた冷却水が通る際に、熱交換を行う。
車?の
換?システム
を構成する
ブロワ?ファン
は、ヒ?タ?コアに?制的に風を?てることで冷却水とキャビンの空?の熱交換を促進させ、?風を車?各所に送風する。かつては手動式
ベンチレ?タ?
からの走行風取り?みのみでヒ?タ?コアから?風を?生させる車種も存在したが、現在では事?上ヒ?タ?コアとブロワ?ファンはカ?ヒ?タ?にとって不可分の存在となっている。
ヒ?タ?コアによる熱交換はエンジン排熱の
再利用
にあたる。通常、室?用
エアコン
の暖房機能では
蒸??縮冷凍サイクル
を4方弁と呼ばれるバルブを用いて冷房サイクルとは逆方向に冷媒ガスを回し、室外機側で冷風を放出、室?機側で冷媒の熱を放熱させることで暖房を成立させているが、水冷エンジンの場合にはヒ?タ?コアでの排熱再利用の方がエンジンに負荷が掛からず合理的なため、後述のホットガス式ヒ?タ?を除いて、コンプレッサ?を用いた暖房は用いられない。
エンジンの暖機が完了すると、冷却水は
サ?モスタット
によって一定の?度範?に保たれる。車??部に配送される暖房風の?度は、ヒ?タ?コアを通過する冷却水の量を制限する
流量弁
を使用するか、カ?ヒ?タ?に入る空?通路に可動式シャッタ?を設けてヒ?タ?コアの通過風の量を制限することで制御される。いくつかの車ではこの二つの制御方法を組み合わせた制御機構を用いている場合がある。
初期のカ?ヒ?タ?搭載車などシンプルなシステムでは、ドライバ?が流量弁のロ?タリ?ノブや可動式シャッタ?の開閉レバ?を直接操作することで制御を行っていたが、現在のカ?エアコン搭載車では流量弁やシャッタ?は電子制御にて開閉が行われている。
近年のフルオ?トエアコンに採用例の多いデュアルクライメイトコントロ?ルを採用し、運?席側と助手席側で?立した?度制御を行っている車?や、後部座席用のリアエアコンを採用する高級車、或いは天井側から車?の空調制御を行うオ?バ?ヘッドエアコンを採用する大型車?の場合、二つ以上の?立したヒ?タ?コアを有する場合がある。?立したヒ?タ?コアにそれぞれ冷却水を異なる量通過させる制御を行うことで、座席ごとに最適な?風制御を行っている。
ヒ?タ?コアは多?の屈曲を持つ小さな配管で構成されている。ク?ラントが適切な間隔で交換されていなかったり、ク?ラント交換の際に??な
水道水
などで冷却系統が洗?されていない場合には、ヒ?タ?コアの配管に詰まりが?生する可能性がある。目詰まりが?生すると、カ?ヒ?タ?が正常に動作しなくなる。ラジエ?タ?側の詰まりやサ?モスタットの動作不良など何らかの原因で冷却水流量が制限されている場合は暖房能力が阻害され、冷却系統?へのエア?みなどでヒ?タ?コアに?泡が存在する場合などで冷却水が失われている場合には暖房能力が失われてしまう。ヒ?タ?コアの流量弁の作動不良によっても同?の?態が?生する。
ヒ?タ?コアを用いる?水式カ?ヒ?タ?は、冷却水(
ク?ラント
)が暖まらなければ暖房が利かないため、
冷間始動
後の
暖機運?
中は暖房が?き始めるまでに時間がかかる。
寒冷地仕?
が用意される極めて寒冷な地域ではこの欠点が特に?著となるため、場合によっては後述の
燃?式ヒ?タ?
等の冷却水に?らない暖房システムか、始動前に
電熱線
で冷却水を予熱する
ブロックヒ?タ?
の後付けが必要となる場合もある。一部の
ハイブリッドカ?
ではエンジンが稼動している時間が短いために冷却水が?まらず、結果として暖房が?かない。そのため、暖房のためだけにエンジンを稼動させることとなり、夏よりも冬に燃費が?化するケ?スもある。また、
電池式電?自動車
では、原動機の?熱を利用できないために一部の車種では後述の
PTCヒ?タ?
でヒ?タ?コア?の水を?めて?熱する暖房を用いている。
ヒ?タ?コアを用いた?水式カ?ヒ?タ?の?史は、
1938年
に
アメリカ合衆?
の中堅自動車メ?カ?であった
ナッシュ?ケルビネ?タ?
が水冷自動車用暖房システムとして設計した"Conditioned Air System"に始まる
[1]
。その特?は、エンジンの冷却水を室?のヒ?タ?コアに引き?み、ベンチレ?タ?から取り?んだ??な外?を電動ファンによってヒ?タ?コアに?てることで暖房を行うもの
[2]
で、燃?式ヒ?タ?などに?るしかなかった?時のカ?ヒ?タ?事情としては非常に?期的で合理的なものであった。
ナッシュは
1939年
にはこのシステムにサ?モスタットを追加した?展型のヒ?タ?システム?
ウェザ?アイ
(Weather Eye)を??した。サ?モスタットにより?度が自動調整され、また暖房に??循環モ?ドの選?を可能とした。さらに翌
1940年
には、フロントウインドシ?ルド?側に送風することで窓?側の曇りや外側の凍結を抑える
デフロスタ?
機能と、外?のちり、ほこりを濾過する使い捨てフィルタ?を採用した。1954年にはウェザ?アイはカ?ク?ラ?システムと組み合わされた世界初のカ?エアコンシステム、
オ?ルウェザ?アイ
(All Weather Eye)に?展した。同年にナッシュが
ハドソン
と合?して
アメリカン?モ?タ?ズ
(AMC)となった後も、ウェザ?アイのブランドは長く使われた。
ウェザ?アイと同時期の
1938年
、やはりアメリカの弱小自動車メ?カ?であった
ハップモビル(Hupmobile)
でも同?の?水式カ?ヒ?タ?である
Evanair-Conditioner
が開?された。室?からの操作によりヒ?タ?コアを通過した空?が?風となって室?に導入されるシステムであったが、Evanair-Conditionerはウェザ?アイとは異なり、ヒ?タ?コアがエンジンル?ム?に置かれ、
ボンネット
上の
エアスク?プ
から外?が取り?まれた。
基本的なカ?ヒ?タ?のシステムとして、これらの機構は?に完成の域に達しており、その後のほぼ全ての自動車に利用されて現在に至っている。一般には、車室?にヒ?タ?コアを引き?んだナッシュ?ウェザ?アイの手法が主流であるが、これは外?導入???循環の切り替えや?度調整といった?用面で?合的に優位であることによる。
日本車
では?後の
1956年
式
トヨタ?クラウン
において、上位グレ?ドであるデラックスに搭載されたのが始まりである。ただしナッシュのごとく完全なビルドイン型ヒ?タ?普及は1960年代に入ってからで、それまでは前席側足元中央に、「だるまヒ?タ?」などと呼ばれるヒ?タ?コアと送風ファンがセットになったドラム型ヒ?タ?を後付けするオプション構造が一時的に主流であった。
ハップモビルのようにエンジンル?ム?にヒ?タ?コアを持たせる設計では、1966年の
スバル?1000
が特異な?例として知られる。このモデルでは、冷却ファンを持たないメインラジエ?タ?より手前に?たる直列配置の配管に、電動冷却ファン付きの小型サブラジエ?タ?が付いており、車?からの操作で、この電動ファンとサブラジエ?タ?の排熱を?力な?風ヒ?タ?として利用できた。しかし外?導入?用で??循環ができず、雨天時に車?の窓が曇りやすかったり、?暖な季節でもデフロスタ?が?風でしか使えない欠点があり、その後のスバル車は短期間で一般的な車?ヒ?タ?コア方式に移行している。
なお、?立した車?送風機構を持たないトラックなどで、エンジンル?ムのラジエ?タ?背後直後から導風口を車室?に向けて開け、走行中にラジエ?タ?排熱で暖まった空?を車?に導入するタイプの簡易なラム?ヒ?タ?の事例が、1950年代末から1960年代にかけて見られたが、?風吹き出し口が?員の足元周?に限られ、本格的な?風ヒ?タ?に比べると性能が著しく劣ること、?制送風でないためデフロスタ?機能が?えられないことから、あまり定着しなかった。
空冷エンジン
は冷却水を持たない構造上、ヒ?タ?コアを使用することが出?ない。そのため、エンジンの回?中非常に高?となる
エキゾ?ストマニホ?ルド
の周?をシュラウドで?んだ上で、その?部に外?を通して加熱し、室?に?風を導入する
ヒ?トエクスチェンジャ?
と呼ばれるシステムが用いられた。?度制御は加熱された?風と加熱されていない外?を混合することで行われたが、設計によっては排?系統にリ?クが?生した際に最?の場合室?に排?ガスの致死的な充?が?生する、安全上の問題を引き起こす可能性があった。また、
キャブレタ?
や
インテ?クマニホ?ルド
の接合部の?態によっては室?に
ガソリン
臭が立ち籠める場合もあり、?水式ヒ?タ?と比べて快適性にやや難があった。
こうしたヒ?トエクスチェンジャ?によるカ?ヒ?タ?は
フォルクスワ?ゲン?タイプ1
や
ポルシェ?911
で?く採用された。ヒ?タ?コアを用いた?水式カ?ヒ?タ?と比較しても、ヒ?トエクスチェンジャ?構造の排?管に交換するだけで暖房機能が取り付けられるためにコストも安く、日本車では?後の
?民車
として活躍した
スバル?360
がこの形式を採用、?時は最高級車のクラウン?デラックスにしか?備されなかったカ?ヒ?タ?が日本の
大衆車
にも?く採用された。
しかし、極端な寒冷地に置いては空冷エンジンではオ?バ?ク?ルを引き起こしやすく、結果としてカ?ヒ?タ?が殆ど利かなくなる欠点もあった。そのため、
タトラ
などの空冷エンジン車製造メ?カ?ではこうした形式のヒ?タ?を採用せず、後述の燃?式ヒ?タ?を空冷エンジン車の主要なカ?ヒ?タ?として採用し?けた。ポルシェ911もメインヒ?タ?はヒ?トエクスチェンジャ?としながらも、補助ヒ?タ?として燃?式ヒ?タ?も?備していた。
派生的用途としては、1970年代に
マツダ
の
ロ?タリ?エンジン
が
マスキ?法
を突破するために採用した
二次空?導入?置
の一種である
サ?マルリアクタ?
に、このヒ?トエクスチェンジャ?が採用されたことが知られている。サ?マルリアクタ?によって燃費が?化した排ガス?策車?の燃費改善のために、排?管の中途にエアポンプからの送風を予熱するためのヒ?トエクスチェンジャ?を?着し、
1975年
型エンジンでは
1973年
比40%の燃費改善を達成した。この開?作業はフェニックス計?
[3]
と名付けられた。ただし、マツダのヒ?トエクスチェンジャ?機構の着想元は、空冷ポルシェのカ?ヒ?タ?ではなく、技術者の自宅に取り付けてあった
瞬間湯沸器
の?部機構である。
?制空冷エンジンはエンジンの周?が大きなシュラウドで取り?まれ、エンジン動力の一部で?動される
シロッコファン
などの吸い?み式ファンで外?をシュラウド?に引き?み、?制的に空冷フィンに?てて冷却を行う。こうしてエンジンに直接?れて熱された空?を、ヒ?トエクスチェンジャ?を介さずにそのまま車?に送り?むタイプの空冷エンジン車ヒ?タ?の事例も古くから存在した。よく知られる事例は
シトロエン?2CV
や
フィアット?ヌオ?ヴァ500
のような、ごく簡易な空冷エンジン車のケ?スである。
この方式はヒ?タ?としては最も原始的で構造簡?な部類であるが、エンジンに?れた空?をそのまま車?に取り?むため、車?にガソリンやオイルの臭?が入り?む場合がある。また根本的に?度が安定せず、補助的な電動ブロワ?ファンを持たない場合には暖房能力の絶?的な不足やデフロスタ?機能を設けられないといった問題を伴う(2CVやヌオ?ヴァ500にはデフロスタ?はあるが、送風はエンジンの冷却ファン?力のみに?る構造のため、?度や風量の調節が難しい場合がある)。このため、簡易型の空冷エンジン車自?が市場から消えるのと軌を一にして用いられなくなった。
燃?式ヒ?タ?
とは、自動車燃料であるガソリンや
?油
を直接の燃料として運?する小型のヒ?タ?であり、
建築
用暖房でいうところの
FF式石油ファンヒ?タ?
に類似した構造の暖房器具である。車?の換?システムの配管中途に割り?ませる?な形で取り付けられ、電?式の
イグナイタ?
で
点火
を行い、外側のヒ?タ?ユニット?で燃料を燃?させ、空?が?側の通?管を通り?ける際に加熱(
熱交換
)を行う。
冷却水や空冷フィンの放熱などエンジンの排熱に?らない暖房であり、作動開始と同時に?風が?生することが特?である。?生熱量は5,000から50,000
BTU
にも達する。その高性能さ故に
キャンピングカ?
、
軍用車?
、
船舶
、
?道車?
、一部の
航空機
でも用いられている。
燃?式ヒ?タ?の?史は
第二次世界大?
前
の
1930年代
にまで遡る。自動車用として最初に
開?
を行ったのは
カナダ
人のHarry J. McCollumによる
South Wind heaters
であり、McCollumは
1934年
に
シカゴ
でStewart Warner companyを設立、
アメリカ
市場
向けに
市販
を開始した
[4]
。Southwindヒ?タ?は
アメリカ軍
でもModel M978 heaterとして
制式
採用され、
1950年代
から
1960年代
にかけての軍用車?に幅?く搭載された。市販車では
1940年代
の
フォ?ド
車から
1970年代
の
フォルクスワ?ゲン
車で
純正
採用された。
1948年
時点の記?では民間車?、軍用車、航空機向けなどに合計300万台以上を?り上げたという
[4]
。
また、?時の空冷エンジン車では、エンジンの熱のみでカ?ヒ?タ?を成立させることは技術的にも(
北米
や
北ヨ?ロッパ
の)
?候
?件面でも困難であった。そうした時代の空冷エンジン車には燃?式ヒ?タ?が主要なカ?ヒ?タ?として第二次世界大?後の1960年代に至るまで?く用いられていた。現在でも極めて寒冷な
北?
に限らず、
パ?キング
ヒ?タ?や補助ヒ?タ?として、冷却水が暖まるまでの暖房として燃?式ヒ?タ?が純正もしくは
ディ?ラ?
後付けで?く用いられている。
ポルシェ?911
の純正でも採用されたドイツの
エバスペッヒャ?
(
ドイツ語版
)
や
ベバスト
のシェアが高く、日本でも
ミクニ
や
五光製作所
などが輸入およびライセンス生産を行っており、その他のメ?カ?の機種もトラック?バス?キャンピングカ?向けを中心に市販されている。
?部で燃料にガソリンや?油を用いる構造上、作動させ?けるとどうしても
燃費
に直接的な?影響が出る。また、燃?の際には必ず
一酸化炭素
や
二酸化硫?
を含む排?ガスが?生するため、排?口の施工や通風パイプの接?には特別な注意が必要となる。また、?部に
すす
が堆積するため定期的な?掃も必要となる。
劣化
(?質)燃料などの不適切な燃料の混入によっても
不完全燃?
などの危?な燃??態が?生しうる。そのため、航空機での燃?式ヒ?タ?は、安全指令に?わる定期点?品目に指定されている。
ブロックヒ?タ?
とは、極めて寒冷な地方でエンジン停止中の冷却水の凍結を防ぎ、始動を容易にする電熱器である。
自動車メ?カ?
のオプション品や用品として用意されているほか、後付けの社外品も市場に流通しており、
シリンダ?ブロック
や
シリンダ?ヘッド
の
コアプラグ
と交換するものや、ラジエ?タ?ホ?スに割り?ませるように?着する製品などが存在する。こうした機器を利用することで、始動性の向上に加え、?水ヒ?タ?の暖房?果をより早く?揮させることが可能となる。
ブロックヒ?タ?は特に寒冷な?候である北アメリカ北部やカナダ、北?で多く用いられる。最初の製品は
ノ?スダコタ州
の
Andrew Freeman
が
1947年
に開?し、
1949年
に特許取得したもの
[5]
である。
ホットガス式ヒ?タ?
とは、室?用
エアコン
と同じく
蒸??縮冷凍サイクル
のカ?ク?ラ?の
コンプレッサ?
と
冷媒ガス
を利用して暖房を行うもので、
デンソ?
により開?された製品である
[6]
。
室?用エアコンと異なる点は、室?用エアコンは4方弁と呼ばれるバルブを用いて室外機と室?機の冷媒ガスの流れを逆?させ、室?機でコンプレッサ?で?縮された冷媒ガスの凝縮(=室?への放熱)を行い、室外機で凝縮され液化した冷媒ガスの?化による冷風の放出を行うことで暖房サイクルを成立させているのに?して、ホットガス式ヒ?タ?では?縮されて蓄熱した冷媒ガスをそのまま室?のエバポレ?タ?とは別系統に存在する
熱交換器
に送り?んで放熱を行い、その後の冷媒ガスは外部のコンデンサ?で冷風を作り出すことなく直接コンプレッサ?に返送される点にある。
現在の?は
寒冷地仕?
の
トヨタ?ハイエ?ス
などに搭載される程度に留まり、その地位も冷間時におけるヒ?タ?コアによる暖房の弱さを補う補助暖房としての位置付けに留まっている。
PTCヒ?タ?
とは、周??度を自己判?して放熱量制御を行う
[7]
電熱線ヒ?タ?の一種である。PTCはPositive Temperature Coefficientの略である。
自動車においてはホットガス式ヒ?タ?と同じく、始めは寒冷地仕?の補助ヒ?タ?として登場した。近年では
三菱?i-MiEV
においてメインのカ?ヒ?タ?として採用されている
[8]
。一般的な
ガソリンエンジン
や
ディ?ゼルエンジン
車においては、ブロックヒ?タ?と同?にエンジンの暖機を補助する?果があり、
トヨタ?プリウス
などの
ハイブリッドカ?
においては、ヒ?タ?作動のためだけにエンジンを始動することを抑制できるので、寒冷時の燃費?化をある程度抑制できる?果がある反面、i-MiEVでは重要な熱源となるエンジンが存在しない
電?自動車
にカ?ヒ?タ?を搭載するための苦肉の策であり、動力源である電力を直接消耗してしまうために作動によって航?距離が短くなってしまう欠点も混在している。
エアコンの熱交換を逆にすることで、車外から熱を奪い車?に熱を放出する
ヒ?トポンプ
という仕組み(冷暖房付きル?ムエアコンと同じ方法)で?めるヒ?タ?を世界で始めて
日産?リ?フ
に搭載した
[9]
。一般的にヒ?トポンプによる暖房は、上記のPTCヒ?タ?など電熱線式と比べると?率は良いが、それでも燃料/電?は余分に消費する。