JP2004198105A - 車両用の温度調整機構 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用の温度調整機構であって、空調装置１２を含んでいて、該空調装置の作業媒体の圧縮のためにコンプレッサ装置１４，４０を備えており、コンプレッサ装置（１４，４０）を第１の駆動装置１８、例えば車両の駆動エンジン若しくは第２の駆動装置４２によって駆動する形式のものにおいて、独立暖房の機能を生ぜしめるようにする。
【解決手段】第２の駆動装置がスターリング・エンジン４２を含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用の温度調整機構であって、空調装置を含んでおり、空調装置が該空調装置の作業媒体の圧縮のためのコンプレッサ装置を備えているものに関する。

現代の自動車、特に実用車においては、車両内部空間若しくは運転室に良好な空調条件若しくは快適な温度を生ぜしめ得る温度調整機構の要求が高まっている。独立暖房装置を装備することが公知であり、独立暖房装置によって車両の運転停止時にも十分な暖房が可能である。特に外気温の高い場合に、停止時、即ち例えば車両の駆動エンジンの回転していない状態で冷却を行う、即ちいわゆる独立冷房若しくは空調を行いたいという要求が次第に高まっている。このために公知のシステムでは、貨物室冷却システムの形式で付加的な燃焼エンジンが空調装置の１つのコンプレッサを駆動して、必要な作業媒体流を生ぜしめるようになっている。

本発明の課題は、車両のための簡単な構造の温度調整機構を提供して、該温度調整機構が独立冷房の機能を生ぜしめるようにすることである。

前記課題を解決するために本発明に基づく構成では、車両用の温度調整機構が空調装置を含んでおり、空調装置が該空調装置の作業媒体の圧縮のためのコンプレッサ装置を備えており、コンプレッサ装置が第１の駆動装置、有利には車両の駆動エンジン、及び／又は第２の駆動装置によって駆動されるようになっており、第２の駆動装置がスターリング・エンジンを含んでいる。

本発明に基づく温度調整機構においては、空調装置の作業媒体の循環を行うコンプレッサ装置が、車両の駆動エンジンによって駆動され（このことは従来の車両空調装置において一般的である）、かつ選択的に若しくは補助的に特別な駆動装置、即ちスターリング・エンジンによっても駆動される。スターリング・エンジンが、車両室内空調の機能を所望するものの、同時に例えば車両の駆動エンジンを運転したくない場合に作動される。スターリング・エンジンは利点として構造が比較的簡単で、かつ耐用年数が著しく高く、騒音発生が低い。

スターリング・エンジンの作動にとって必要な温度差を生ぜしめるために、本発明の有利な実施態様では、スターリング・エンジンに対応して、スターリング・エンジンの高温領域（高温室）の加熱用の加熱媒体を形成するための燃焼式の加熱器が配置されている。加熱器内で生じた燃焼生成物若しくは燃焼排ガスが、高温領域の加熱のための加熱媒体として用いられる。このような構成においては、車両に設けられていて車両室内の暖房のために車両の駆動エンジンの冷却媒体から熱を受け取るようになっている暖房熱交換装置が、加熱媒体の供給を受けて、暖房熱交換装置を通過する空気を加熱するので特に有利である。換言すれば、本願発明に基づき設ける加熱器は、空調運転、即ち冷房運転のために、つまりスターリング・エンジンのエネルギー源としても、また暖房運転のために、つまり暖房熱交換器のエネルギー源としても用いられ得る。

さらにスターリング・エンジンのための前述の温度差を生ぜしめるために、別の実施態様では、スターリング・エンジンに対応して、スターリング・エンジンの低温領域（低温室）へ冷媒を供給するための冷媒回路が配置されている。この場合に有利には、冷媒が車両の駆動エンジンの冷却媒体を含んでいる。これによって、車両の駆動エンジンがヒートシンクとして役立ち、該ヒートシンクにおいてスターリング・エンジン内で加熱された冷媒が熱を放出して、再び低い温度でスターリング・エンジンへ戻される。

加熱器の領域で生ぜしめられて通常は一部分しかスターリング・エンジンの作動のために使用されない熱の極めて効率的な利用が、冷媒熱交換装置を設けることによって達成でき、該冷媒熱交換装置において加熱器の燃焼生成物内の熱エネルギーが冷媒へ伝達される。

本発明の特に有利な実施態様では、コンプレッサ装置が、第１の駆動装置によって駆動可能な第１のコンプレッサ並びに、スターリング・エンジンによって駆動可能な第２のコンプレッサを含んでいる。即ち構造的に互いに分離された２つのコンプレッサを設けてあり、該コンプレッサが車両内の、各コンプレッサにとってそれぞれ特に有利な領域に取り付けられている。

前述のコンプレッサ装置において選択的にコンプレッサの１つを、空調装置の作業媒体の圧縮に用いるために、弁装置が設けられており、弁装置によって選択的に第１のコンプレッサ若しくは第２のコンプレッサが作業媒体回路内に接続されるようになっている。

本発明に基づき温度調整機構に用いるスターリング・エンジンが、特に有利な実施態様ではパワーピストン・スターリング・エンジンとして形成されている。パワーピストン・スターリング・エンジンは極めて高い効率を有するもので、従って過度なエネルギー損失を避ける点で特に有利である。

本発明の別の実施態様において前記課題を解決するために、車両用の温度調整機構が空調装置を含んでおり、空調装置が該空調装置の作業媒体の圧縮のためのコンプレッサ装置を備えており、コンプレッサ装置が、スターリング・エンジンを含む駆動装置によって駆動されるようになっている。

スターリング・エンジンを温度調整機構の１つのコンプレッサのため、若しくは温度調整機構の空調装置の１つのコンプレッサのための駆動部として使用するというすでに述べた思想は、スターリング・エンジンが実質的に唯一の駆動源であり、車両の駆動エンジンを運転しているか否かに依存せず、空調装置を常にスターリング・エンジンによって駆動する場合にも実現可能である。

車両に搭載可能で図１に示す温度調整機構１０は、１つの機構領域として空調装置１２を備えている。空調装置１２のコンプレッサ１４が、例えば流体継ぎ手１６を介して車両の駆動エンジン１８に連結されるようになっている。空調装置１２のコンプレッサ１４から圧力下で送られた作業媒体が、３ポート２位置電磁弁２０を介して、コンデンサ２２及びドライヤー２４を経てエキスパンションバルブ２６へ流れる。次いでエバポレータ２８を通過した後に、作業媒体は別の３ポート２位置電磁弁３０を介してコンプレッサ１４へ戻る。即ちコンプレッサ１４を使用して、空調装置１２が、駆動エンジン１８を回転させている場合に、つまり例えば車両の走行中に若しくは駆動エンジンの回転したまま車両を停車させている場合に運転される。

駆動エンジン１８はさらに冷却媒体回路３２を備えている。冷却媒体回路３２が冷却器３４を含んでおり、該冷却器において例えば送風機３６によって、冷却媒体回路３２内を循環する冷却媒体が冷却され、その結果、駆動エンジン１８を相応に冷却するようになっている。冷却媒体回路３２の別の領域内に暖房熱交換器３８が設けられており、該暖房熱交換器内から、駆動エンジン１８の冷却媒体内の熱が、車両室内へ導入すべき空気に伝達される。これによって、暖房熱交換器３８が殊に外気温度の低い場合に、即ち一般的には空調装置１２を作動させていない、若しくは必要の応じて湿った空気の除湿若しくは乾燥のために作動させているような状態で、運転される。冷却媒体回路３２の種々の領域内を循環する冷却媒体は、循環のためのポンプ（図示せず）によって駆動されるようになっており、冷却媒体回路が別の構成要素を含んでいてよい。

本発明に基づく温度調整機構１０の別の重要な構成部分、若しくは該温度調整機構の空調装置１２の別の重要な構成部分が別のコンプレッサ４０である。該コンプレッサ４０が空調装置１２の作業媒体の流れに関して、駆動エンジン１８によって作動させるべきコンプレッサ１４に対して並列に配置されている。両方の弁２０，３０の切換状態に応じて、両方のコンプレッサ１４，４０の１つが作業媒体回路内に接続され、その結果、エバポレータ２８から流出する蒸気の作業媒体がコンプレッサ１４によってか、若しくはコンプレッサ４０によって圧縮されて、コンデンサ２２へ供給される。

図示の実施例ではコンプレッサ１４の駆動装置として車両の駆動エンジン１８が用いられているものの、例えば個別の電動モータが用いられてもよく、コンプレッサ４０の駆動装置としてスターリング・エンジン４２を用いてある。スターリング・エンジン４２が、図示の例では往復ピストン圧縮機として形成されたコンプレッサ４０のピストン４４を駆動して運動させ、その結果、空調装置１２の作業媒体内に必要な圧力を生ぜしめる。周知のようにこの種のスターリング・エンジン４２は低温領域４６と高温領域４８を有している。低温領域４６に対応して冷媒回路５０を配置してあり、該冷媒回路が図示の実施例では駆動エンジン１８の冷却媒体回路３２の分岐部によって形成されており、この場合にはスターリング・エンジン４２の低温領域４６を介した冷却媒体の循環が、別の３ポート２位置電磁弁５２の適切な操作によって生ぜしめられ若しくは中断される。図示の実施例では、冷媒回路５０が冷却媒体回路３２の、暖房熱交換器３８へも通じている領域から分岐している。もちろん冷媒回路への分岐部は冷却媒体回路３２の、冷却器３４へ通じる領域に設けられてもよい。

高温領域に必要な熱を生ぜしめるために、スターリング・エンジン４２に対応して加熱装置５４を配置してある。加熱装置５４が有利には燃焼式の加熱装置であって、例えば気化バーナー若しくは噴霧バーナーを含んでおり、該バーナーが燃料と燃焼空気の供給を受けて、燃焼によって熱を生ぜしめ、該熱が燃焼排ガス若しくは燃焼生成物内で搬送される。車両室内の冷房を必要としない段階で、即ち例えば外気温度の低い場合に、本発明に基づく温度調整装置において独立暖房の機能を満たすために、加熱装置５４内で生ぜしめられた熱を、管路区分５６で示してあるように、燃焼排ガスによって暖房熱交換器３８に搬送して、そこで車両室内へ導入すべき空気に伝達することが可能である。このような機能を所望するか否かに応じて、暖房熱交換器３８への燃焼排ガスの供給が管路区分内に配置された弁装置（図示せず）の適切な操作によって行われ若しくは中断される。燃焼排ガスは暖房熱交換器へ供給しない場合には排ガス系を介して外部へ放出される。

図１に示す温度調整機構１０においては、従来の温度調整機構（温度調整システム）に比べて著しく改善された機能が得られる。一面において空調装置１０が、駆動エンジン１８を作動させていない場合にも、補足的に設けられたスターリング・エンジン４２の適切な作動によって効率的に運転される。他面において、空調装置１２を停止させている状態でも独立暖房の機能が、このために付加的な構成部分の用意を必要とすることなく達成される。殊に、スターリング・エンジン４２が空調装置１２のためのエネルギー源を成している運転状態で、空調装置１２の、駆動エンジン１８に依存しない運転が行われるので、この機構領域の調整の著しい改善が達成され、従来の独立暖房システムに比べて付加的な著しい電気エネルギー消費が避けられる。スターリング・エンジン４２の使用による空調装置１２の運転の際のこのような利点に基づき、原理的には本発明に基づく温度調整機構１０を次のように構成することが考えられ、即ち唯一のコンプレッサ、即ちコンプレッサ４０だけを設けて、該コンプレッサがすべての運転状態でスターリング・エンジン４２によって駆動される。原理的には機構全体の簡略化が唯一のコンプレッサ、例えばコンプレッサ１４だけを設けることによって達成されてよく、該コンプレッサが選択的に駆動エンジン１８によってか若しくはスターリング・エンジン４２によって駆動される。この場合には適当な継ぎ手若しくは付加的な継ぎ手が設けられてよく、該継ぎ手によってスターリング・エンジンに対する断ち継ぎが行われる。殊にスターリング・エンジン４２と関連して示すコンプレッサは１つの例であり、別の形式のコンプレッサを使用することも可能である。

次に図２に基づきスターリング・エンジン４２の構造並びに該スターリング・エンジンと協働する構成部分について説明する。図２に示してあるように、スターリング・エンジン４２は図示の実施例ではディスプレーサーエンジン若しくはピストン・スターリング・エンジンとして形成されている。スターリングエンジンがディスプレーサー５８並びにピストン６０を有している。スターリング・エンジン４２のピストン６０がコンプレッサ４０若しくはピストン４４に連結されていて一緒に移動運動できるようになっている。スターリング・エンジン４２のピストン６０によって別の構造のコンプレッサを駆動することも可能である。ディスプレーサー５８の両方の端面に低温室４６若しくは高温室４８を形成してあり、低温室４６がピストン６０とディスプレーサー５８との間に位置している。スターリング・エンジン４２はさらに冷却器６２を有しており、該冷却器が冷却媒体回路５０内に組み込まれていて、駆動エンジンを通って循環するエンジン冷却媒体によって貫流される。さらに蓄熱器６４が設けられている。低温室４６と高温室４８との間を周期的に移動される媒体、一般的にヘリウムが冷却器６２及び蓄熱器６４を通って流れる。

高温室４８に対応して加熱のために加熱器５４が配置してある。加熱器の燃焼室６６内に、矢印Ｐ１で示してあるように燃焼空気が導入される。矢印Ｐ２が燃料の導入を示している。さらに点火機構、例えばグロー点火プラグ６８が燃焼室６６内へ突入しており、これによって、燃焼空気と霧化若しくは気化された燃料とから成る混合気が点火される。燃焼排ガスが高温室４８に沿って流れ、若しくは高温室を通る管路領域内を流れて、所望の加熱を行う。燃焼室６６若しくは加熱器５４を流過した燃焼排ガス若しくは燃焼生成物は、必要に応じて管路５６によって暗示してあるように、暖房用熱交換器３８へ供給され、暖房運転を必要としない場合には排ガス系を介して外部へ放出される。

コンプレッサ４０の駆動のためにスターリング・エンジン４２を使用することによって、車両の駆動エンジン１８の運転に依存することなしに空調装置１２を運転することができ、その結果、停止時にも車両室内が冷やされる。スターリング・エンジンの低温室４６内に必要な低い温度は、エンジン冷却媒体によって生ぜしめられ、この場合には駆動エンジン１８がヒートシンクとして役立つ。高温室（高温領域）４８に対応して配置された加熱器５４内に生じた廃熱が、スターリング・エンジン４２を運転しない場合に、例えば独立暖房若しくは補助暖房用に高温の空気を車両室内へ導入するために活用される。

図１に示すシステムの変化例が図３に示してある。基本的な構造は同じである。図３に示すシステムにおいてはスターリング・エンジン４２の冷媒回路５０が、付加的に冷媒熱交換器７０を備えている。スターリング・エンジン４２の低温室（低温領域）４６から流出する冷媒若しくは冷却剤が、冷媒熱交換器７０を通って、該冷媒熱交換器内で熱すべき媒体として流過する。管路区分７２を介して、加熱器５４の燃焼排ガスが若しくは該燃焼排ガスの一部分が、スターリング・エンジン４２の高温室４８から冷媒熱交換器７０へ導かれる。該燃焼排ガス内にまだ含まれる熱エネルギーが、冷媒熱交換器７０内でスターリング・エンジン４２からの冷媒若しくは冷却剤に伝達され、その結果、該冷媒若しくは冷却剤が付加的に熱せられて、冷却媒体回路３２のほかの領域内へ流入する。これによって、形成されたエネルギーが、車両室内に導入された空気を空調装置１２の運転によって乾燥させると同時に暖房する段階で効率的に活用される。例えば、スターリング・エンジン４２の加熱器の３ｋＷの加熱出力から１ｋＷの機械的な出力が生ぜしめられる。燃焼生成物若しくは燃焼排ガス内で搬送される残りの熱から、熱交換器７０の冷媒によってほぼ３００Ｗ乃至６００Ｗが、車両エンジン１８の冷却媒体を熱するために活用できる。加熱器５４を二段の装置として構成することも考えられ、該装置が、冷房運転の必要な場合、即ち空調装置１２の作動している場合に例えば３ｋＷで運転されるのに対して、付加的に加熱を行いたい場合に、即ち車両エンジン１８の冷却媒体を熱したい場合に、例えば６ｋＷの加熱出力で運転される。

さらに図１及び図３に示す両方のシステムの組み合わせも考えられ、これによって加熱器５４の燃焼排ガスが、適当な弁の配置によって選択的に管路区分５６を介して熱交換器３８へ導かれ、若しくは管路区分７２を介して熱交換器７０へ導かれ、若しくは適切な分配によって両方の熱交換器３８，７０へ導かれる。

エネルギー供給の観点から、本発明に基づくシステムは、従来の独立暖房と同じく独立空調装置として分類され、それというのは主要なエネルギー源として前述の加熱器５４を設けてあるからである。始動の後に自動的に作動する、即ち電気エネルギーを供給されるシステムとして提供するために、スターリング・エンジン４２によって１つのコンプレッサだけを駆動するのではなく、発電機をも駆動することが考えられ、発電機は例えば直動発電機として形成されていて運転時に、特に燃料ポンプ、過給機、並びに冷却空気ファン若しくは加熱空気ファンの運転のために必要な電気エネルギーを生ぜしめるようになっており、冷却空気ファン若しくは加熱空気ファンを介して、温度調整された空気が車両室内に供給される。

車両のための本発明に基づく温度調整機構の回路図 図１の温度調整機構の、スターリング・エンジンを備える領域の拡大図 温度調整機構の別の実施例の回路図

符号の説明

１０ 温度調整機構、 １２ 空調装置、 １４ コンプレッサ、 １６ 流体継ぎ手、 １８ 駆動エンジン、 ２０ ３ポート２位置電磁弁、 ２２ コンデンサ、 ２４ ドライヤー、 ２６ エキスパンションバルブ、 ２８ エバポレータ、 ３０ ３ポート２位置電磁弁、 ３２ 冷却媒体回路、 ３８ 暖房熱交換器、 ４０ コンプレッサ、 ４２ スターリング・エンジン、 ４４ ピストン、 ４６ 低温室、 ４８ 高温室、 ５０ 冷媒回路、 ５２ ３ポート２位置電磁弁、 ５４ 加熱器、 ５６ 管路、 ５８ ディスプレーサー、 ６０ ピストン、 ６２ 冷却器、 ６４ 蓄熱器、 ６６ 燃焼室、 ６８ グロー点火プラグ、 ７０ 冷媒熱交換器、 ７２ 管路区分

Claims (12)

1. 車両用の温度調整機構であって、空調装置（１２）を含んでおり、空調装置が該空調装置（１２）の作業媒体の圧縮のためのコンプレッサ装置（１４，４０）を備えており、コンプレッサ装置（１４，４０）が第１の駆動装置（１８）及び／又は第２の駆動装置（４２）によって駆動されるようになっており、第２の駆動装置（４２）がスターリング・エンジン（４２）を含んでいることを特徴とする、車両用の温度調整機構。
2. スターリング・エンジン（４２）に対応して、スターリング・エンジンの高温領域（４８）の加熱用の加熱媒体を形成するための燃焼式の加熱器（５４）が配置されている請求項１記載の温度調整機構。
3. 加熱媒体が、加熱器（５４）内で生ぜしめられた燃焼生成物を含んでいる請求項２記載の温度調整機構。
4. 暖房熱交換装置（３８）が設けられており、暖房熱交換装置内で、加熱すべき空気が加熱媒体によって加熱されるようになっている請求項２又は３記載の温度調整機構。
5. スターリング・エンジン（４２）に対応して、スターリング・エンジンの低温領域（４６）へ冷媒を供給するための冷媒回路（５０）が配置されている請求項１から４のいずれか１項記載の温度調整機構。
6. 冷媒が、車両の駆動エンジン（１８）の冷却媒体を含んでいる請求項５記載の温度調整機構。
7. 加熱器（５４）の燃焼生成物内の熱エネルギーを冷媒へ伝達するための冷媒熱交換装置（７０）が設けられている請求項２、５又は６記載の温度調整機構。
8. コンプレッサ装置（１４，４０）が、第１の駆動装置（１８）によって駆動可能な第１のコンプレッサ（１４）並びに、スターリング・エンジン（４２）によって駆動可能な第２のコンプレッサ（４０）を含んでいる請求項１から７のいずれか１項記載の温度調整機構。
9. 弁装置（２０，３０）が設けられており、弁装置によって選択的に第１のコンプレッサ（１４）若しくは第２のコンプレッサ（４０）が作業媒体回路内に接続されるようになっている請求項８記載の温度調整機構。
10. スターリング・エンジン（４２）がパワーピストン・スターリング・エンジンとして形成されている請求項１から９のいずれか１項記載の温度調整機構。
11. 車両用の温度調整機構であって、空調装置を含んでおり、空調装置が該空調装置の作業媒体の圧縮のためのコンプレッサ装置を備えており、コンプレッサ装置が、スターリング・エンジンを含む駆動装置によって駆動されるようになっており、請求項１から１０に記載の１つ若しくは複数の手段が設けられていることを特徴とする、車両用の温度調整機構。
12. スターリング・エンジン（４２）によって駆動可能な発電機が設けられている請求項１から１１のいずれか１項記載の温度調整機構。

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