JP2002544032A - 加熱および空調装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、第１熱交換器（１２）を有する第１流体回路（１０）、第２熱交換器（２２）を有する第２流体回路（２０）、および、第３熱交換器（３２）を有する第３流体回路（３０）を備えた、特に乗り物用の加熱空調システムに関する。本発明によれば、第２または第３熱交換器（２２）（３２）が、空気流技術を用いて、第１熱交換器（１２）の下流に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （技術分野） 本発明は、加熱および空調用の装置に関し、特に、乗物用の加熱および空調装
置に関する。

【０００２】 （従来技術） 従来の乗物用の加熱および空調装置は、通常、エンジン側のクーラント回路と
冷媒回路とによって形成されている。

【０００３】 以下に記載する本発明を明確に理解するために、「第１流体回路」という用語
は、エンジン側のクーラント回路を意味するものと理解されたい。標準的な加熱
および空調用装置では、また本発明の場合も同様に、種々の熱交換器、凝縮器、
および蒸発器が用いられる。

【０００４】 以下に記載する本発明の説明および添付された請求項では、「熱交換器」とい
う用語は、空調に関連する熱交換器、凝縮器、および蒸発器を意味するものと理
解されたい。言い換えれば、「熱交換器」という用語は、空調に直接関連する部
品のみを含み、例えば、不要なエンジンの熱を放散させるために使われるヒート
シンクのような、熱を周辺空気に供給したり、あるいは、周辺空気から熱を奪う
ために用いられるユニットは含まれない。

【０００５】 上記の定義を考慮に入れると、標準的な空調装置は、第１熱交換器を有する第
１流体回路と、第２熱交換器を有する第２流体回路とで構成されており、第１流
体回路の第１熱交換器は、通常は加熱の目的で使用され、他方、第２流体回路の
第２熱交換器は、通常は蒸発器として設計されており、冷却のために使用される
。

【０００６】 このような加熱および空調装置の加熱性能を改善するために、例えばＰＴＣ加
熱レジスタ、燃料電池、その他の付加装置を設けることによって、第１熱交換器
の加熱性能を高める種々の試みがなされて来た。しかし、これらの試みは、付加
装置が比較的複雑で、加熱および空調装置に取付けるのに、かなりの費用がかか
る。

【０００７】 米国特許５，２９１，９４１号は、第２流体回路が冷却と加熱の双方に使用さ
れるようにした加熱および空調装置を提案している。また、この文献には、３つ
の流体回路、すなわち、加熱の目的で、内燃機関から第１熱交換器を介して熱を
提供する第１流体回路、冷却用の従来の冷媒回路として設けられた第２流体回路
、および熱力学的加熱回路として設計された第３流体回路を備えた加熱および空
調装置についても記載されている。この好ましい実施形態は、本明細書の請求項
１の前提部に対応している。

【０００８】 この公知の加熱および空調装置は、それぞれ、冷却および加熱を目的とする第
２と第３の熱交換器の最適化を可能にするが、この実施形態は、今日に求められ
ている応答時間と制御性に関しては、適切でないことが判明している。

【０００９】 したがって、本発明の目的は、第１熱交換器を有する第１流体回路、第２熱交
換器を有する第２流体回路、および、第３熱交換器を有する第３流体回路を備え
た、特に乗物用の汎用タイプの空調装置を、より短い応答時間と、改善された制
御性を有するように改良することにある。

【００１０】 本発明によれば、この目的は、第２と第３熱交換器、またはそれらの一方が、
空気流技術によって、第１熱交換器の下流に接続されることにより達成される。

【００１１】 そのため、従来技術とは対照的に、エンジン側のクーラント回路の熱交換器の
下流側に、少なくとも１つの熱交換器を空気流技術によって接続することが可能
となり、第１熱交換器を、加熱する時に発生する熱の一部が失われることがない
ので、例えば、乗物の始動時にエンジンが冷えている時、熱力学的加熱回路の加
熱能力を、実質的に即刻利用することが可能となっている。特に、熱力学的加熱
回路の別の熱交換器が下流に接続され、助手席に供給される空気の最終調整は、
この熱交換器によって実行されるので、加熱操作における制御を、好適に行うこ
とができる。

【００１２】 本発明による加熱と空調装置の好適な改良では、エンジン側流体回路の第１熱
交換器が、第２と第３の熱交換器の間に配置されるように、３つの熱交換器は、
空気流技術によって直列に配置されている。これにより、例えば、ファンによっ
て送られた空気は、まず冷却の目的を有する蒸発器を通過し、次に、クーラント
回路の熱交換器を通過し、最後に、加熱の目的をもって設計された熱力学的流体
回路の熱交換器を通過する。

【００１３】 冷却の目的で使用される熱交換器が、加熱の目的で使用される熱交換器の上流
に接続されているという事実は、冷却の目的で使用される熱交換器によって生成
される湿気が、加熱モードにおいてさえ、もはや問題を起こさないことを意味し
ている。

【００１４】 この湿気の生成は、特に従来技術においては問題であり、乗物内の窓が頻繁に
曇る原因となっていた。しかし、冷却目的で使用される熱交換器を通過する空気
は比較的低温であるので、この空気中の湿気は、少量しか奪わない。そのため、
エンジン側の流体回路の第１熱交換器による加熱と、これに続く熱力学的流体回
路の下流側熱交換器の最終的な加熱の後に発生する空気の総合的な湿気の量は、
きわめて少なく、そのため、窓はもはや曇ることはない。

【００１５】 エンジン側流体回路の第１熱交換器に関しては、冷却の目的で使用される上流
側の熱交換器と、加熱の目的で使用される下流側の熱交換器を設けたことによっ
て、第２と第３熱交換器の形態を最適化することができる。これによって、従来
、エンジン側熱交換器に加えて、１つの熱交換器だけが冷却と加熱の双方の目的
に使用される場合にみられる騒音の発生を回避することができる。

【００１６】 各熱交換器は、互いに熱的に絶縁された状態とし、単数または複数の下流側熱
交換器を、第１熱交換器との構造的なユニットとして形成するのが有利である。
この構成によって、断熱を維持しながらも、加熱の目的で使用される複数の熱交
換器を、コンパクトに結合することが可能になる。

【００１７】 例えば流体供給手段その他のように、必要な部品の数を減らすために、一方の
流体回路が、他方の流体回路に関するバイパスを果すように、第２と第３流体回
路を互いに連結するのが好ましい。このようにして、２つの熱力学的流体回路を
、適切な制御要素によって、加熱用または冷却用として選択的に使用することが
可能な包括的な回路へ連結することができる。

【００１８】 バイパス型の形態の利点は、冷却操作と加熱操作との変更に際して、反転の必
要がないことである。

【００１９】 流体の流れ、または流体の状態の制御手段を、第２と第３流体回路の間の遷移
領域に設けるのが有利である。これらの手段は、一方では、加熱と冷却のモード
切換えのために、他方では、対応する操作モードのパワーレベルを制御するため
に用いても良い。

【００２０】 流体の流れの制御手段、および、流体の状態制御手段は、例えば、１つの出口
をスロットルとした３方バルブの形態の互いに結合された装置としてもよく、或
いは、例えば、スロットルバルブ、または供給ラインの断面が狭窄された、分離
した複数のスロットル部を有する複数の制御バルブのような分離した装置として
も良い。

【００２１】 特に好適な実施形態では、少なくとも１つの流体の流れ、または流体の状態の
制御手段が、流体の流れと流体の状態の双方に影響するようにして、例えばスロ
ットルとして設計され配置されている。もしも、スロットル機能が、２段または
多段スロットル式となっていれば、特に好ましい。

【００２２】 多段式の場合に、熱力学的流体回路が加熱された時は、大きな抵抗状態となり
、所望の加熱実行を達成するために必要な熱が十分な場合には、低抵抗状態に切
り替わる。

【００２３】 加熱モードと冷却モード間の切換えに際しての制御をさらに改良するためには
、個々の流体回路のための別々の制御手段を、例えば、単純な閉鎖バルブ、或い
は、温度コントローラと共にオプションとして設けられる無復帰バルブの形態で
設けると有利である。

【００２４】 本発明による加熱および空調装置の応答性を更に改良するために、対象として
いる熱交換器に関して、空気を迂回させるか、又は供給する空気流制御手段を、
少なくとも１つの熱交換器の上流に接続しても良い。このようにすると、１つ又
は複数の熱交換器に、空気のバイパスが提供される。

【００２５】 冷却モードでは、例えば、加熱目的で使用される熱交換器は、幾らかの残熱が
蓄積されている可能性があるので、これを通さずに、蒸発器、すなわち、冷却目
的で使用される熱交換器のみを介して、空気を供給するようになる。引き続き、
冷却モードから加熱モードに切替える際には、加熱目的で使用される熱交換器の
みを空気が通過するように、冷却目的で使用される熱交換器を通る流れを停止さ
せることができる。そのため、加熱力が、冷却目的で使用される熱交換器内の残
留冷気に曝されることがない。

【００２６】 かくして、応答性が著しく向上し、特に、残熱は、冷却モードで冷却されてい
ないので、加熱目的で使用される熱交換器に保持されることとなる。

【００２７】 最後に、少なくとも１つの熱交換器内で、流体の相変化が起こることが好まし
い。言い換えれば、少なくとも１つの熱交換器を、蒸発器または凝縮器として設
計し、熱交換器の流体回路が、熱力学的な加熱または冷却回路として見なされる
ようにするのである。

【００２８】 以下、添付図面を参照して行う本発明の純粋に例示的な幾つかの実施形態に関
する詳細な説明によし、本発明の他の利点と特徴を理解し得ると思う。

【００２９】

【発明の実施の形態】

図１は、本発明による加熱および空調装置の第１の好適な実施形態を示す。こ
の加熱および空調装置は、第１熱交換器１２を備え第１流体回路１０を有する。
この第１流体回路１０は、例えば内燃エンジン１を冷却するために使用されるエ
ンジン側のクーリング回路を備えている。

【００３０】 第１流体回路１０の各部材は、従来通りのものであり、加熱目的で使用される
第１熱交換器１２の他に、流体供給手段５、サーモスタット３によって制御され
るバイパスライン２、および周辺空気と作用するヒートシンク４を有する。空気
流技術によって、第１熱交換器１２にファン１４が設けられている。

【００３１】 運転状況によっては、特に冷間始動の後では、第１熱交換器１２によって提供
される加熱エネルギは、乗物の内部を所望の温度にするには十分でない。そのた
め、ここに示す実施形態では、第３熱交換器と呼ぶ別の熱交換器３２が、第１熱
交換器１２の下流側に、空気流技術によって接続されている。

【００３２】 第３熱交換器３２には、公知のように、流体供給手段３３と流体膨張手段３６
とを有する熱力学的加熱回路３０を介して供給される。そのため、第３熱交換器
３２の下流側接続により、制御技術によって定められる加熱性能を好ましいもの
とすることができる。例えば、冷間始動の後で、第１流体回路の第１熱交換器１
２が、未だ冷えている時でさえ、第３熱交換器３２は熱を供給することができ、
反応を改良することが可能となる。

【００３３】 必要な場合には、空調、または場合によっては湿気をのぞくためために、冷却
目的で使用される第２熱交換器２２が、第１熱交換器１２の上流に、空気流技術
によって配置される。この冷却目的で使用される第２熱交換器２２は、通常は公
知の蒸発器として設計されている。

【００３４】 第２熱交換器２２には、この例においては、流体の搬送または供給手段２５と
、流体の膨張またはスロットル手段２６とを有する熱力学的な第２流体回路を介
して供給される。第２流体回路２０は、純粋な冷却操作では、助手席の温度制御
に必要でない熱を周辺空気に供給するために使用されるヒートシンク２４を備え
ていても良い。このヒートシンク２４は、公知の凝縮器として設計されている。

【００３５】 第２熱交換器２２、第１熱交換器１２、第３熱交換器３２を順番に直列配置し
てあるため、助手席に供給される空気の温度を最適に制御することができる。こ
こに示す実施形態では、空気の温度は、３つの流体回路の流体技術制御のみによ
って制御されるが、追加的な空気流制御手段を設けても良い。

【００３６】 第３熱交換器３２を下流側に接続してあるため、再加熱という付加的な可能性
が発揮され、かつこの熱交換器を、加熱目的の流体のための最適な構成とするこ
とができる。そのため、助手席に入り込む空気を最適に温度制御することが可能
になる。

【００３７】 このようにして、従来のように、加熱と冷却のために、１個の熱交換器のみを
設けたものにおいて発生した、騒音の問題を除去することができる。

【００３８】 第１熱交換器１２の上流側に、第２熱交換器２２を配置してあるため、助手席
に入り込む空気を、適切に冷却することができる。

【００３９】 冷却モードから加熱モードへの切換えは、問題の発生する可能性を有する湿気
が第２熱交換器２２内に存在すること無しに、即刻可能である。

【００４０】 空気流技術による第２熱交換器２２の上流側への接続は、コンパクト化という
意味でも好ましい解決策である。しかし、冷却に使用される第２熱交換器２２を
、別のチャンネルに、すなわち、第１熱交換器１２と並列して設けることもでき
る。すなわち、図２に示す実施形態のようにである。

【００４１】 図２に示す実施形態では、２つの回路に対し、一の流体搬送または流体供給手
段２５のみで足りるように、第２流体回路２０と第３流体回路３０は、第３熱交
換器３２を介して連結されている。図示するように、二次温度制御に使用される
だい３熱交換器３２を備える第３流体回路３０は、第２流体回路２０のバイパス
を形成している。

【００４２】 加熱モードと冷却モードとの切替えのためには、例えば、第２流体回路２０ま
たは第３流体回路３０用の２つの三方バルブ３５を単純に操作するだけでよい。
もしも、或る程度の除湿が必要であるときには、バルブ操作を混合しておこなっ
てもよい。言い換えれば、三方バルブ３５は、一方では、空気を乾燥させるため
の冷却を行うように、他方では、助手席に入り込む空気を所望の温度に加熱する
ように、第３熱交換器３２と第２熱交換器２２に流体が供給されるようにセット
される。

【００４３】 図３は、第３の好適な実施形態を示し、その構造は、基本的には、図２に示す
実施形態と対応している。図２に示す実施形態のように、２つの熱力学的流体回
路２０と３０が、互いに連結されているが、この実施形態では、熱交換器２２，
１２，３２は、図１に示した実施形態と同様に直列に配置されている。そのため
、図１と図２に示す実施形態の利点は同様である。

【００４４】 図４は、第１熱交換器１２と第３熱交換器３２を、複合ユニットとして加熱目
的で使用されるようにしたものを示す。このユニットは、２つの熱交換器の間で
、熱的な連結解除が行われるように設計されている。このタンデムラジエータ型
に熱交換器を配列すると、コンパクトな設計が可能となる。

【００４５】 図４に示すように、クーラントまたは冷媒の供給ラインを、互いにずらして配
置してあると、さらに熱的連結が解除される。

【００４６】 しかし、タンデムラジエータの形態を、他の適切な形態、例えば、セグメント
化或いはセクション化した形態で、または、前述したように、断熱されて平行に
延び、対応する流体回路によって、順流または対向流となるようにした形態とし
ても良い。

【００４７】 図５は、直列配置された熱交換器１２，２２，３２に、空気を供給すること、
およびこれらの熱交換器を迂回して空気を通過させることができるようにした空
気流制御手段を示している。

【００４８】 この構成によると、流体側制御を補強すること、又は流体側制御を置き換える
ことが可能となり、いずれにしても、残留熱と残留冷気が、それぞれ対応する不
使用時の熱交換器内に保持されるので、応答性が改善される。

【００４９】 流体技術に関して述べると、１つの通路４０内の、ファン１４の下流に、冷却
目的で使用される第２熱交換器２２と、加熱目的で使用されるべく複合ユニット
とした熱交換器１２，３２とが、直列に設けられている。

【００５０】 図示のように、熱交換器２２の作用を可能にし、或いは、規制する制御フラッ
プ４２，４４が、冷却目的で使用される第２熱交換器２２の上流側に設けられて
いる。したがって、空気は、第２熱交換器２２を通過するか、第２熱交換器２２
をバイパス状に迂回して流れる。

【００５１】 また、２つのフラップ４６と４８を備える空気流制御手段が、加熱目的で使用
される２つの熱交換器１２，３２を有する複合ユニットの上流に配置されており
、空気は、これらの熱交換器を通過するか、迂回させられる。

【００５２】 個々の熱交換器に対するフラップの開閉は、操作モードに応じて選ばれ、冷却
時には、加熱目的で使用される熱交換器１２，３２内に含まれる残留熱が冷却力
を損うことなく、また加熱時には、冷却目的で使用される熱交換器２２を初期に
加熱する必要がないようにされ、回路全体の応答性が著しく改善される。冷却モ
ードと加熱モードとの切換え時には、残っている残留熱または残留冷気は、即刻
に使用されることとなり、好ましい。

【００５３】 図６ａから図６ｅは、冷却目的で使用される熱力学的第２流体回路２０と、加
熱目的で使用される第３流体回路３０を含む種々の可能な連結要領を示すもので
、特に、熱力学的第３流体回路３０内での流体膨張に関する種々の可能な連結要
領を示している。

【００５４】 図６ａでは、流体回路２０，３０の一方、または、流体回路２０，３０の両方
に、選択的に適用しうる三方バルブ３５が、流体の流れの技術によって、流体搬
送手段すなわちコンプレッサー２５の下流側に接続されている。

【００５５】 加熱目的で使用される第３流体回路３０における、膨張バルブの形態を持つ流
体膨張手段３６が、三方バルブ３５の下流に配置されている。エンジン側の流体
回路熱交換器として使用される第３熱交換器３２が、さらにその下流に配置され
ている。冷却目的で使用される第２流体回路２０との境界部には、無復帰バルブ
が設けられている。

【００５６】 図６ｂに示す実施形態では、流体膨張手段３６と三方バルブ３５が結合されて
、１つのユニット３４を形成している。このユニット３４では、第３流体回路３
０へ向く出口側が、流体膨張手段３６すなわちスロットルとなっている。

【００５７】 図６ｃと図６ｄに示す実施形態では、スロットル機能は、それぞれ２つの流体
膨張手段３６であるバルブと、径の小さなホース３７によって達成されるように
なっており、加熱目的で使用される流体のスロットルは、熱交換器３２の両側で
起こる。

【００５８】 図６ｅに示す実施形態では、第３流体回路３０に向うスロットル点として設計
された入口と出口を備える２つの三方バルブ３４が、流体搬送または流体供給手
段２５の各々の側に設けられている。

【００５９】 最後に、図７は、第２と第３の熱力学的流体回路２０，３０の別の可能な組合
わせを、基本的に図２と対応した図で示している。制御を容易とするために、こ
の実施形態では、各流体回路のための１対の制御バルブ３５が、コンプレッサー
である流体供給手段２５の下流に接続されている。この実施形態では、熱力学的
加熱回路である第３流体回路３０に十分な熱がある時に、僅かな抵抗を示す２段
スロットル３８が、加熱目的で使用される熱交換器３２の下流に接続されている
。

【００６０】 例えば乗物の冷間始動の後などの加熱段階には、迅速な加熱が高抵抗の２段ス
ロットル３８によって行われるように、抵抗は適度に調整される。そのため、始
動の殆ど直後に満足の行く加熱を行いうるように、熱交換器３２は、助手席へ熱
を短時間で供給することができる。

【００６１】 結論として、本発明による解決策は、非常に広い種類の設定に対して、外部条
件およびシステムの状態と基本的に無関係に、迅速な応答を可能にする加熱およ
び空調装置を提供するものと言える。

【００６２】 ＰＴＣ加熱レジスタ、或いは燃料電池を使用した場合の他のアプローチとは対
照的に、本発明の解決策は、公知の熱力学的部品のみを必要とし、もしも、熱力
学的部品どうしが連結又は接続されれば、部品の数を更に減少させることも可能
である。このように、システム全体を最適に、かつ容易に制御することができ、
余分な空間を必要とすることはない。

【００６３】 以上、本発明について、添付図面を参照して、詳細に説明したが、当業者は、
非常に広い種類の変形と修正が、請求項の範囲内で可能であることを理解しうる
と思う。特に、１つの実施形態の個々の特徴を、他の実施形態の他の特徴と結合
できることを付記しておく。

【図面の簡単な説明】

【図１】 別々の３つの流体回路が設けられた、本発明による加熱および空調装置の第１
の好適実施形態を示す。

【図２】 ２つの流体回路が互いに結合あるいは連結された、本発明による加熱および空
調装置の第２の好適実施形態を示す。

【図３】 空調に関連する複数の熱交換器が直列に配置された、図２の実施形態に類似す
るさらに別の好適実施形態を示す。

【図４】 互いに１つの構造的ユニットとして結合され、本発明の１つの実施形態の一部
を形成する２つの熱交換器を示す。

【図５】 直列に配置された熱交換器の詳細図を、割当てられた空気流制御手段と共に示
す。

【図６】 図６ａから図６ｅは、互いに連結された流体回路のための、流体の流れ、また
は流体の状態の制御手段の種々の可能な形態を示す。

【図７】 本発明による加熱および空調装置の、特に好適な実施形態の熱力学的流体回路
を模式的に示す。

【符号の説明】 １ 内燃エンジン ２ バイパスライン ３ サーモスタット ４ ヒートシンク ５ 流体供給手段 １０ 第１流体回路 １２ 第１熱交換器 １４ ファン ２０ 第２流体回路 ２２ 第２熱交換器 ２４ ヒートシンク ２５ 流体供給手段 ２６ スロットル手段 ３０ 第３流体回路 ３１，３８ 制御手段 ３２ 第３熱交換器 ３３ 流体供給手段 ３４，３５ 三方バルブ ３６ 流体膨張手段 ３７ ホースまたはライン ３８ ２段スロットル ４０ 通路 ４２，４４ 制御フラップ ４６，４８ フラップ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１熱交換器（１２）を有する第１流体回路（１０）、第２熱
   交換器（２２）を有する第２流体回路（２０）、および第３熱交換器（３２）を
   有する第３流体回路（３０）を備えた、乗物用の加熱および空調装置であって、
   前記第２熱交換器または第３熱交換器（２２）（３２）が、空気流技術によって
   、前記第１熱交換器（１２）の下流に接続されていることを特徴とする、加熱お
   よび空調装置。
2. 【請求項２】 前記第２または第３熱交換器（２２）（３２）の一方が、空気
   流技術によって前記第１熱交換器（１２）の下流に接続されており、前記第２ま
   たは第３熱交換器（２２）（３２）の他方が、前記第１熱交換器（１２）の上流
   に接続されているか、又は接続することが可能となっていることを特徴とする、
   請求項１記載の加熱および空調装置。
3. 【請求項３】 下流側熱交換器（２２）（３２）は、前記第１熱交換器（１２
   ）と１つの構造的なユニットを形成し、かつ各熱交換器（１２）（２２）（３２
   ）は、互いに断熱されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の加熱
   および空調装置。
4. 【請求項４】 第２と第３流体回路（２０）（３０）は互いに連結されており
   、一方の流体回路（２０）（３０）は、他の流体回路（２０）（３０）に対する
   バイパスを形成していることを特徴とする、請求項１または２に記載の加熱およ
   び空調装置。
5. 【請求項５】 前記第２と第３流体回路（２０９（３０）の間の遷移領域に、
   流体の流れまたは流体の状態の制御手段（３１）；（３４）；（３５），（３６
   ）；（３５），（３７），（３８）を設けてあることを特徴とする、請求項４記
   載の加熱および空調装置。
6. 【請求項６】 少なくとも１つの流体の流れと、流体の状態、またはそれらの
   一方の制御手段（３１）；（３４）；（３５），（３６）；（３５），（３７）
   ，（３８）が、スロットル、特に２段または多段スロットルの機能を果すように
   なっていることを特徴とする、請求項５記載の加熱および空調装置。
7. 【請求項７】 少なくとも１つの熱交換器（１２）（２２）（３２）の上流に
   、問題とする熱交換器（１２）（２２）（３２）に対して、空気を迂回または供
   給させるための空気流制御手段を接続してあることを特徴とする、請求項１〜６
   のいずれかに記載の加熱および空調装置。
8. 【請求項８】 少なくとも１つの熱交換器（１２）（２２）（３２）で、相変
   化が起こるようになっていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載
   の加熱および空調装置。