JP2003516265A - 自動車に用いられる空調装置および自動車に用いられる空調装置を運転する方法 - Google Patents

自動車に用いられる空調装置および自動車に用いられる空調装置を運転する方法

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Abstract

(57)【要約】 自動車に用いられる空調装置が冷媒循環路を有しており、該冷媒循環路内で冷媒が湿り蒸気状態へもたらされるようになっている。冷媒循環路には、特に少なくとも1つのコンプレッサ(37)と、圧力波機械(14′)とが設けられており、該圧力波機械(14′)が膨張装置として働くようになっている。圧力波機械(14′)により、膨張過程ではエネルギが取得され、このエネルギは循環路内で冷媒を圧縮するために使用することができる。さらに、自動車に用いられる空調装置を運転する方法が記載される。該方法によれば、冷媒循環路内に圧力波機械が組み込まれており、該圧力波機械(14′)内で冷媒が湿り蒸気状態へもたらされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 背景技術 本発明は、自動車に用いられる空調装置および自動車に用いられる空調装置を
運転する方法に関する。
【0002】 自動車に用いられる空調装置では、現在ではほとんど専ら、冷媒としてテトラ
フルオロエタン(R134a)を用いる「冷蒸気圧縮プロセス」が使用されてい
る。冷媒循環路は、特にエバポレータ(蒸発器)と、コンプレッサと、コンデン
サと、膨張弁とから成っている。膨張弁では、冷媒の等エンタルピ絞りが行われ
る。理想的な等エントロピ膨張には、膨張機械を用いてしか近づくことができな
い。ただし、このような膨張機械はこれまで車両用空調装置では使用されていな
かった。このことには幾つかの理由が挙げられる。第1には、膨張機械により達
成することのできるエネルギ改善が比較的少なく、かつ単純な膨張弁に比べて大
きな手間かかることを考慮すると割に合わない。第2には、これまで使用されて
いた膨張機械は技術的にかなりの過剰費用をかけないと制御することができず、
このためには回転数コントロールまたは入口弁および出口弁の制御が必要となる
。とりわけ、これまで使用されてきた膨張機械では、液体から膨張する冷媒を用
いた運転時に迅速な破壊または高い摩耗を覚悟しなければならなかった。
【0003】 本発明の課題は、少しだけ高い構成手間をかけるだけで慣用の空調装置に比べ
て著しい出力向上を発揮するような、車両用の空調装置を提供することである。
さらに、本発明の課題は、慣用の空調装置に比べて成績係数(COP)の増大を
もたらすような空調装置を運転する方法を提供することである。
【0004】 発明の利点 空調装置を改良するという上記課題は、当該空調装置が冷媒循環路を有してい
て、この冷媒循環路内で冷媒が湿り蒸気状態へもたらされるようになっており、
さらに当該空調装置が少なくとも1つのコンプレッサと、圧力波機械(プレッシ
ャウェーブマシン)として形成された膨張装置とを有していることにより解決さ
れる。
【0005】 さらに、新規方法を提供するという上記課題は、本発明によれば、冷媒循環路
に圧力波機械を組み込み、該圧力波機械内で冷媒を少なくとも部分的に湿り蒸気
状態へもたらすことにより解決される。冷媒が高い圧力レベルから低い圧力レベ
ルへ膨張され、さらにそれと同時に冷媒が低い圧力レベルから高い圧力レベルへ
圧縮されるという利点が得られる。
【0006】 圧力機械は簡単な製造の点ですぐれている。ロータは、たとえば押出成形体か
ら製作されていてよく、ハウジング部分はアルミニウムからフライス加工される
か、またはダイカスト部品として製造され得る。たとえば10000〜2000
0r.p.m.のオーダにあるロータ回転数に基づき、強度に対して特に高い要
求は課せられない。その他の膨張機械とは異なり、圧力波機械の場合には、特に
冷媒の流入および流出に関しても制御またはコントロールが必要とならない。弁
が必要とならないので、空調装置を高い液体含量で湿り蒸気領域で運転すること
ができる。さらに、圧力波機械は駆動装置なしでも十分となることを可能にする
。なぜならば、圧力波機械は、実験により判っているように、圧力波機械内で膨
張する物質、つまり冷媒の衝撃力によってのみ駆動され得るからである。圧力波
機械を用いて、冷媒は湿り蒸気状態へも膨張されるので有利である。このことは
従来の膨張機械では、運動させられる構成部分、特に膨張タービンにおける羽根
の破壊または摩耗に関する高い発生率に基づき回避されていた。この理由から、
膨張機械もほとんど専ら、このような問題の生じない冷ガスプロセスにおいてし
か使用されていなかった。
【0007】 本発明の有利な構成は、請求項2〜請求項10に記載されている。
【0008】 冷媒が二酸化炭素であると有利である。二酸化炭素は冷媒循環路内で、たとえ
ば車両用空調装置における使用の際に、膨張時に少なくとも部分的にかつ周辺温
度に関連して、超臨界状態から湿り蒸気状態へもたらされる。本発明による空調
装置のこのような構成は特に重要となる。二酸化炭素の使用と、圧力波機械の使
用との組み合わせは、大きな利点をもたらす。すなわち、冷媒として二酸化炭素
が使用されると、従来使用されていたテトラフルオロエタンに比べて、膨張機械
に基づき、より大きなエネルギ改善と冷却出力利益とを得ることができる。本発
明による空調装置は有利な構成では、空調運転における熱溜め(ヒートシンク)
の温度、つまり周辺温度またはヒートポンプ運転における内室温度に関連して、
遷移臨界的(transkritisch)なプロセスガイドまたは亜臨界的(
unterkritisch)なプロセスガイドを有することができる。二酸化
炭素は約31℃の臨界点を有しているので、冷媒循環が、超臨界的(ueber
kritsch)な状態から湿り蒸気状態への膨張を行う遷移臨界な領域で行わ
れるか、または冷媒を液体の状態から湿り蒸気の状態へ移行させることのできる
亜臨界的な領域で行われるという運転条件が生じ得る。
【0009】 本発明のさらに別の有利な構成では、圧力波機械での膨張過程で自由になった
出力が冷媒の圧縮のために利用されるように圧力波機械とコンプレッサとが互い
に接続されている。これにより、コンプレッサのための駆動装置を著しく小さく
寸法設定することができる。こうして、圧力波機械のためにかかる手間は、少な
くとも部分的に再び補償される。膨張作業は有利には圧力波機械自体で圧縮作業
として少なくとも部分的に再び利用されるので、圧力波機械なしの運転に相応し
て付加的になお必要とされるコンプレッサのためにさらに必要となる駆動作業は
減少する。このような構成では、圧力波機械のコンプレッサ区分が、相応して冷
媒循環路に組み込まれる。しかし、複数の冷媒循環路または分岐された冷媒循環
路を設けることも可能である。その場合、コンプレッサ区分はこれらの循環路の
内の1つに組み込まれていて、冷媒は、コンプレッサ区分が組み込まれている循
環路の媒体と混合することができる。
【0010】 圧力波機械の他に補助コンプレッサとしてさらに設けられているコンプレッサ
は、圧力波機械なしの冷媒循環路に比べて小さな出力しか有していない。
【0011】 この補助コンプレッサは圧力波機械のコンプレッサ区分に直列または並列に接
続されていてよい。
【0012】 本発明のさらに別の有利な構成では、圧力波機械が、この圧力波機械を貫流す
る冷媒質量流の衝撃力(Impulskraefte)によってのみ駆動される
。このためには、もともと原理的な理由から極めて小さな駆動出力しか必要とさ
れていない。
【0013】 本発明による方法の有利な実施態様では、冷媒として、圧力波機械内で周辺温
度に関連して超臨界状態から湿り蒸気状態へもたらすことができる二酸化炭素が
使用される。
【0014】 本発明のさらに別の特徴および利点は、以下の実施例の説明に記載されている
【0015】 実施例の説明 図1には、自動車に用いられる空調装置(エアコンディショナ)の冷媒循環路
が示されている。冷媒としては、超臨界圧にまでもたらすことのできる二酸化炭
素が使用される。冷媒循環路は流れ方向で挙げていくと、コンプレッサ10と、
ガスクーラまたはコンデンサ12と、膨張装置を形成する圧力波機械(プレッシ
ャウェーブマシン)14と、エバポレータ(蒸発器)16とを有している。これ
らの構成部分は複数の管路を介してそれぞれ互いに接続されている。圧力波機械
14はこの実施例では、膨張側とコンプレッサ側とを有しており(図2につきさ
らに詳しく説明する)、この場合、膨張側は図示の冷媒循環路に組み込まれてい
て、コンプレッサ側は第2の循環路(図示しない)に組み込まれている。この第
2の循環路は必ずしも空調のために使用されるわけではないか、または乗客室の
空調のためにのみ使用されるわけではない。両循環路の冷媒はこの実施例では部
分的に混ざり合ってよい。
【0016】 本発明による空調装置は次のようにして作動する:コンプレッサ10で二酸化
炭素が圧縮され、この場合、コンプレッサ10はエネルギWv′を受け取る。続
いて設けられたガスクーラまたはコンデンサ12において、二酸化炭素から熱エ
ネルギQが取り出される。二酸化炭素は車両用空調装置における使用時では、
フルシーズンで使用される間、しばしば超臨界状態で存在する。引き続き圧力波
機械14において、二酸化炭素は湿り蒸気領域にまで膨張し、この場合、圧力波
機械14によってエネルギWExが獲得される。このエネルギExはコンプレッ
サ区分において、冷媒を圧縮するために使用され、この場合、コンプレッサ区分
はその運転のためにエネルギWvを必要とし、このエネルギWvが前記エネルギ Ex により提供される。エバポレータ16では、二酸化炭素に別のエネルギQ が供給されるので、二酸化炭素は引き続き、湿り蒸気に近い状態をとるか、また
は湿り蒸気から蒸気への境界にある状態をとるか、または純然たる蒸気状になる
【0017】 圧力波機械14は図2に示されている。この圧力波機械14は、可能となる1
実施例では第1のハウジング側(以下「膨張側18」と呼ぶ)と、軸方向で反対
の側に位置する第2のハウジング側(以下「コンプレッサ側19」と呼ぶ)と、
両ハウジング側の間に配置されたロータ22(部分的に切り開いて図示する)と
を有している。
【0018】 圧力波機械14はコンプレッサ側20に入口24と出口26とを有している(
それぞれ矢印と、相応する通路とにより示す)。膨張側18には、同じく入口2
8と出口30とが設けられている(同じく矢印と通路とにより示す)。注意すべ
き点は、コンプレッサ側20の入口24のための通路と、膨張側18の出口30
のための通路とが、コンプレッサ側20の出口26のための通路と膨張側18の
入口28のための通路よりも大きな横断面を有していることである。
【0019】 圧力波機械14では膨張も圧縮も行われるので、図1に示した実施例を、図3
に示したように、圧力波機械14が冷媒循環路内で同時にコンプレッサとしても
働くようにすることにより、さらに改良することができる。したがって、圧縮の
ためのエネルギWExの使用は、なお圧力波機械14自体の内部で行われる。図
1に示した構成と区別するために、図3に図示した圧力波機械は符号14′で示
されており、さらに択一的に図2でも同じく符号14′で示されている。エバポ
レータ16の下流側では、管路32が直接に圧力波機械14′へ、正確に言えば
圧力波機械14′の、入口24と出口26との間のコンプレッサ区分へ通じてい
て、さらに、圧縮された冷媒のための管路34を介してコンデンサ12へ通じて
いる。圧力波機械14′に設けられたコンプレッサ区分に対して並列に、補助コ
ンプレッサ37が設けられており、この補助コンプレッサ37はその運転時にエ
ネルギWv′′を受け取る。
【0020】 図4に示したモリエル線図もしくは圧力・エンタルピ線図には、前で既に説明
した、亜臨界的なプロセスガイドのための、供給されたエネルギ量と、導出され
たエネルギ量とが例示されている。この場合、簡略化の目的で補助コンプレッサ
の影響は考慮されていない。点1から点2にまで、冷媒はエネルギWv′の供給
下に圧縮され、点2から点3にまでコンデンサ12内で等圧にかつエネルギQ の導出下に液化されるか、または液体−湿り蒸気の境界へもたらされ、さらに点
3から点4にまでエネルギWExの導出下に湿り蒸気領域にまで膨張し、そして
最後にエネルギQの吸収下に点4から点1にまでエバポレータ内で完全に蒸気
状の状態へ移行される。膨張弁を備えた空調装置に比べて本発明による空調装置
により達成することのできるエネルギ利益を、図4から明瞭に知ることができる
。つまり、破線5により、膨張弁において点3から点4′にまで冷媒により実施
される等エンタルピ膨張が示されている。これによって、従来の循環路からは、
たとえばコンプレッサの駆動のために使用することのできる付加的なエネルギW Ex を取得することはできないことが判る。本発明による空調装置を用いると、
実線6によりシンボル化された、点3から点4′′までの等エントロピ膨張によ
って特徴付けられた理想的な循環プロセスに著しく近づくことが判る。また、図
4からは、本発明による空調装置では従来のプロセスに比べてコンプレッサ10
内でのエネルギ吸収Wv′が不変のままであるのに対して、有効冷却エネルギ(
Nutz−Kaelteenergie)Qは量WExだけ増大されているこ
とが判る。モリエル線図もしくは圧力・エンタルピ線図に示されたエネルギ量は
、正確を期すために、比エネルギの量である。
【0021】 本発明による空調装置は、亜臨界的(unterkritisch)なプロセ
スガイドを有することができるだけでなく、図5の線図に示したような遷移臨界
的(transkritisch)なプロセスガイドをも有することができる。
この場合、簡略化の目的で補助コンプレッサの影響は考慮されていない。亜臨界
的なプロセスガイドが必要となるのか、または超臨界的なプロセスガイドが必要
となるのかは、とりわけ周辺温度に関連している。
【0022】 図5では、既に図4につき使用した符号が再び使用される。点1は図示のプロ
セス経過では、蒸気状態と湿り蒸気状態との間の飽和線に位置している。点1か
ら点2にまで、冷媒はエネルギWv′の供給下に圧縮され、この場合、破線によ
り、エネルギWvisの供給下での等エントロピ圧縮も示されている。点2では
、冷媒が超臨界領域に位置している。冷媒がガスクーラ/コンデンサ12を通っ
て流れて、点3への到達までに等圧の状態変化を受けかつエネルギQを放出し
ても、冷媒は超臨界領域から出ない。点3から点4にまで、冷媒は圧力波機械1
4′内で、エネルギWExの放出下に湿り蒸気領域にまで膨張する。WExis は、等エントロピ膨張の場合に得られるはずのエネルギを表している。点4から
点1にまで、冷媒はエバポレータを通過し、このエバポレータ内で冷媒はエネル
ギを吸収する。
【0023】 次に、図2および図6につき、圧力波機械14´の機能を簡単に説明する。図
3および図6では、分かり易くするために、図2に関連して既に導入した入口お
よび出口のための符号24〜30が同じく使用されている。
【0024】 以下に、ロータが1回転する間のいわゆる「セル」、つまりロータの互いに隣
接したベーンの間の空間の内部における状態を説明する。この場合、セル内の冷
媒の状態が回転中に変化する。図6には、1つのセルが符号36でシンボリック
に示されている。セル36は図6に示した展開図で見て下方から上方へ向かって
運動させられる。説明の目的で、まずセル内に、静止した冷媒が周囲圧および周
囲温度で存在していることから出発する。セル36が膨張側の入口28の開放縁
部38に到達すると、セル36内に圧力波が導入される。なぜならば、入口28
における冷媒の圧力がセル36内の圧力よりも高く形成されているからである。
この圧力波は速度cでセル36内へ進入する。圧力波の全体速度は、速度c と周速uとの重畳から得られる線40によって表される。開放縁部38への到達
時にセル36内に存在する冷媒は、飛躍的な圧力・速度増大にさらされる。温度
増大も認められる。膨張側の入口28からは、膨張されるべき冷媒がセル36内
へ後流し、コンプレッサ側の出口26からは、このときに圧縮された冷媒がセル
36から流出する。圧力波がコンプレッサ側20へ到達すると、セル内容物全体
が速度Cにまで加速されている。速度Cと周速uとの重畳に基づき、図6に
破線で書き込まれた仮想分離線42が得られる。この仮想分離線42は膨張側の
入口28を介して流入する冷媒と、最初にセル36内に存在していた、圧縮され
かつ流出する冷媒との間の境界を形成している。コンプレッサ側の出口26のた
めの閉鎖縁部44は、コンプレッサ側20における圧力波の望ましくない反射が
生ぜしめられないようにし、かつ最大冷媒量が膨張されかつ圧縮されるように、
この閉鎖縁部44が仮想分離線42に突き当たるように配置されていなければな
らない。
【0025】 セル36の閉鎖後に、このセル36は流入した冷媒を引き続き搬送する。冷媒
の衝撃(Impuls)および連続した圧力波とに基づき、セル36内の圧力は
膨張側18では減少する。セル36内では、膨張側18およびコンプレッサ側2
0において約0の軸方向速度cが形成される。膨張側18の出口30の開放縁部
46への到達と共に、理想的な場合には圧力pが形成される。圧縮された冷媒
は、コンプレッサ側20における圧力波の反射と、冷媒の膨張とに基づいて流出
する。コンプレッサ側20の入口24の開放縁部48への到達と共に、圧縮され
るべき冷媒が後流し、この場合、この冷媒はガス衝撃に基づいてセル36内へ吸
い込まれる。仮想分離線50は、流出する冷媒と、流入する冷媒とを分離してい
る。流れの、適宜な時機での遅延および反射の回避は、閉鎖縁部52,54の適
正な配置によって達成され得る。この場合にも、閉鎖縁部52の配置は再び、流
出するガスの速度cと周速uとに調和されている。
【0026】 圧力補償は、セル内部で音速で行なわれる。それゆえに、圧力波機械14´は
このような出力クラスの流体機械にとっては有利に低いロータ回転数、たとえば
10000〜20000r.p.m.でしかない低いロータ回転数において、高
い性能を有している。
【0027】 もちろん、ロータの外部駆動装置が存在していてもよいが、しかし圧力波機械
14′に流入する冷媒の衝撃力だけでロータ22を駆動するためには十分となる
ような構成も達成可能である。
【0028】 補助コンプレッサ37を並列に接続する代わりに、図7に示したように、補助
コンプレッサ37を圧力波機械14′のコンプレッサ区分に直列に接続すること
もできる。全冷媒流は、圧力波機械14′によって第1の圧力レベルにまでもた
らされ、次いで補助コンプレッサ37において、コンデンサまたはガスクーラ1
2で必要となる圧力にまでもたらされる。図7に示した実施例は、図3に示した
実施例に比べて次のような利点を有している。すなわち、図3に示した実施例よ
りも少数の管路しか設けられておらず、また図3に示した実施例よりも小さな圧
力差に基づき、内部漏れ損失がほとんど予想されない。さらに、圧力波機械内で
の圧縮最終温度も図3の実施例の場合よりも低くなる。これにより、熱力学的な
損失も減少する。さらに、圧力波機械を、慣用の空調装置回路に対して大きな変
更をすることなしにエバポレータの近傍に自由に配置することができることも有
利である。
【0029】 図示の実施例から明らかであるように、本発明の構成には、弁が設けられてお
らず、このことは空調装置を極めて好都合なものにすると同時に、故障発生率を
低下させるための前提条件でもある。
【0030】 ヒートポンプ回路は、当業者により図示の装置回路から簡単に引き出すことが
できる。この場合、選択的な暖房運転、冷房運転または除湿運転のための相応す
る切換弁が設けられていなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 圧力波機械を有する本発明による空調装置の第1実施例を示す冷媒循環路の回
路図である。
【図2】 本発明による空調装置で使用される圧力波機械の概略図である。
【図3】 本発明による空調装置の第2実施例を示す回路図である。
【図4】 図3に示した本発明による空調装置における亜臨界的なプロセスガイドを、補
助コンプレッサの影響を考慮せずに示すモリエル線図である。
【図5】 本発明による空調装置における遷移臨界的なプロセスガイドを、圧縮作業W を回収された膨張作業WExと補助コンプレッサの作業Wvzとに分割すること
なしに示すモリエル線図である。
【図6】 図2に示した圧力波機械のローラの周方向展開図である。
【図7】 本発明による空調装置の第3実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
10 コンプレッサ、 12 ガスクーラまたはコンデンサ、 14,14′ 圧力波機械、 16 エバポレータ、 18 膨張側、 20 コンプレッサ
側、 22 ロータ、 24 入口、 26 出口、 28 入口、 30 出
口、 32,34 管路、 36 セル、 37 補助コンプレッサ、 38
開放縁部、 40 線、 42 仮想分離線、 44,46,48 閉鎖縁部、
50 仮想分離線、 52,54 閉鎖縁部

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 自動車に用いられる空調装置において、冷媒循環路が設けら
    れており、該冷媒循環路内で冷媒が湿り蒸気状態へもたらされるようになってお
    り、さらに少なくとも1つのコンプレッサ(10;37)と、圧力波機械(14
    ;14′)とが設けられており、該圧力波機械(14;14′)が膨張装置を形
    成していることを特徴とする、自動車に用いられる空調装置。
  2. 【請求項2】 冷媒が二酸化炭素であり、該二酸化炭素を冷媒循環路内で超
    臨界状態から湿り蒸気状態へもたらすことができるように当該空調装置が形成さ
    れている、請求項1記載の空調装置。
  3. 【請求項3】 冷媒循環路が、周辺温度に関連して、遷移臨界的なプロセス
    ガイドまたは亜臨界的なプロセスガイドを有している、請求項2記載の空調装置
  4. 【請求項4】 圧力波機械(14;14′)での膨張過程で自由になったエ
    ネルギがコンプレッサ(10)のために利用されるように圧力波機械(14)と
    コンプレッサ(10)とが互いに接続されている、請求項1から3までのいずれ
    か1項記載の空調装置。
  5. 【請求項5】 圧力波機械(14′)がコンプレッサ区分を有しており、圧
    力波機械(14′)が同時にコンプレッサをも形成するように前記コンプレッサ
    区分が冷媒循環路内に組み込まれている、請求項1から4までのいずれか1項記
    載の空調装置。
  6. 【請求項6】 補助コンプレッサ(37)が設けられており、該補助コンプ
    レッサ(37)が、圧力波機械(14′)のコンプレッサ区分と直列に接続され
    ている、請求項5記載の空調装置。
  7. 【請求項7】 補助コンプレッサ(37)が、前記コンプレッサ区分の下流
    側に配置されている、請求項6記載の空調装置。
  8. 【請求項8】 補助コンプレッサ(37)が設けられており、該補助コンプ
    レッサ(37)が、圧力波機械(14′)のコンプレッサ区分と並列に接続され
    ている、請求項5記載の空調装置。
  9. 【請求項9】 圧力波機械(14;14′)が、該圧力波機械内で膨張する
    冷媒の衝撃力によってのみ駆動される、請求項1から8までのいずれか1項記載
    の空調装置。
  10. 【請求項10】 当該空調装置を選択的にヒートポンプとしても運転するこ
    とができるように冷媒循環路が形成されている、請求項1から9までのいずれか
    1項記載の空調装置。
  11. 【請求項11】 自動車に用いられる空調装置を運転する方法において、以
    下のステップ: −冷媒循環路に圧力波機械(14;14′)を組み込み、 −該圧力波機械(14;14′)内で冷媒を少なくとも部分的に湿り蒸気状態へ
    もたらす、 を実施することを特徴とする、自動車に用いられる空調装置を運転する方法。
  12. 【請求項12】 冷媒として、圧力波機械(14;14′)内で周辺温度に
    関連して超臨界状態から湿り蒸気状態へもたらすことができる二酸化炭素を使用
    する、請求項11記載の方法。
  13. 【請求項13】 当該方法を周辺温度に関連して、遷移臨界的なプロセスガ
    イド下に行うか、または亜臨界的なプロセスガイド下に行う、請求項12記載の
    方法。
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