JP2004515743A - 冷却のための装置並びに方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、冷却媒体の案内のための回路（６０）、熱を熱貯蔵器（１２）に放出するための第１の熱伝達器（１０）、熱を冷却すべき室（１１６）から取り出すための第２の熱伝達器（１１４）、コンプレッサ（１８）及び膨張機構（１２０）とを備える冷却のための装置に関し、第１の別の熱伝達器（７０）が設けられており、これは、冷却媒体の案内のための回路（６０）と冷却水回路（８０）との間の熱伝達を可能にする。本発明は更に冷却のための方法に関する。

Description

【０００１】
本発明は、冷却のための装置であって、冷却媒体の案内のための回路、熱を熱蓄積器へ放出するための第１の熱伝達器、熱を冷却すべき空間若しくは室内から取り出すための第２の熱伝達器、コンプレッサ及び膨張機構を備える形式のものにに関する。さらに本発明は、冷却のための方法であって、冷却媒体の案内のための回路、熱を熱蓄積器へ放出するための第１の熱伝達器、熱を冷却すべき空間から取り出すための第２の熱伝達器、コンプレッサ及び膨張機構によって形成された装置を用いるようになっており、次のステップを行うようになっており、即ち、コンプレッサを運転し、かつ冷却媒体が、冷却媒体の案内のための回路と通して導かれるようになっている形式のものに関する。
【０００２】
先行技術（Ｓｔａｎｄ ｄｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｋ）
前記形式の装置及び方法は特に車両室内の空気調和のために使用される。
【０００３】
図３に、空気調和装置回路を概略的に示してある。第１の熱伝達器１１０内に、第１の媒体を送り込むようになっており、該媒体が回路１６０を貫流する。該媒体は周囲空気１６２に熱を放出し、これによって冷却される。冷却された媒体が熱伝達器１１０から送り出されて、次いで内側の熱伝達器１２８を通して導かれる。内側の熱伝達器１２８からの媒体の送り出しの後に、該媒体は膨張機構１２０内に流入する。該媒体が膨張によって強く冷却され、次いで第２の熱伝達器１１４に供給される。熱伝達器１１４内で、該低温の媒体が温度の高い周囲空気若しくは循環空気を冷却して、該周囲空気若しくは循環空気が低温の空気１６４の形で、冷却すべき空間、例えば自動車室内に供給される。この過程に際して復水若しくは凝縮液１６６が形成される。熱伝達器１１４内での熱交換によって蒸発されかつ場合によっては熱せられた媒体が、熱伝達器１１４から送り出されて、続いて再び内側の熱伝達器１２８を貫流する。内側の熱伝達器１１８からの送り出しの後に、該媒体はコンプレッサ１１８内に達し、そこで圧縮によって加熱される。このようにして加熱された媒体が、熱交換のために再び第１の熱伝達器１１０内に送り込まれる。回路は閉じている。
【０００４】
内側の熱伝達器１２８が回路内の出力増大に用いられている。即ち、媒体が膨張機構１２０内に送り込まれる前に、第２の熱伝達器１１４から送り出されて戻される媒体によって冷却され、これに対して、戻される媒体が向流で加熱される。これによって、回路内の高い温度差、ひいては効率の増大が達成される。
【０００５】
冷却回路内の媒体として、次第にＣＯ_２が重要になっている。ＦＣＫＷの使用中止のための規定及び規制に基づき、このような天然の冷却媒体の重要性が増大している。
【０００６】
従来の冷却媒体と比較して、ＣＯ_２は３１．１℃の低い臨界温度を有している。該温度の上方では、圧力増大による液化はもはや生じない。従って中間の及び高い周囲温度においては、熱放出はいわゆる超臨界圧力で、即ちＣＯ_２にとって７３．８バールを越える圧力で行われる。該超臨界圧力では、熱放出は、従来の冷媒におけるようにほぼ一定な温度で生じる凝縮によっては行われず、圧力と温度とは互いに無関係である。ガス冷却が生ぜしめられている。蒸発器内の状態は、まだ臨界未満である。ＣＯ_２の特性について注目すべきことは、既に無負荷運転時にほぼ１４０乃至１５０℃の温度が達成されることである。
【０００７】
本発明の利点
本発明では、請求項の上位概念に記載の形式の装置において、第１の別の熱伝達器を設けてあり、該熱伝達器が冷却媒体の案内のための回路と冷却水回路との間の熱伝達を可能にしている。
【０００８】
迅速に高い温度にされることのできる冷却媒体はこれにより、自動車の冷却水を加熱することができる。このことは多数の利点をもたらす。快適性を高めるために、自動車を運転開始前に空調することは、既に公知である。暖房される自動車車室において、空調コンプレッサが運転されて、冷却媒体が圧縮される。次いで圧縮の後に、冷却媒体が第１の熱伝達器内に導入される前に第１の別の熱伝達器内に導かれることによって、冷却水を予熱することができる。このようにして、冷却水の温度は既に内燃機関のスタート前に運転温度にある。第１の別の熱伝達器によって、冷却器内にある水を必要に応じて高圧の冷却媒体の冷却のために使用することも可能である。
【０００９】
有利には、第１の別の熱伝達器は、冷却媒体の案内のための回路内でコンプレッサの下流に配置されている。この形式で、冷却媒体は高い温度で熱伝達器内に導入され、したがって、冷却水回路内の冷却水の迅速な加熱が行われる。
【００１０】
コンプレッサが、スタータ・ゼネレータにより運転可能であると有利である。クラッチを介して内燃機関の駆動軸から分離されるこのスタータ・ゼネレータは、これにより、前空調のためのエネルギ並びに内燃機関のスタートの前の冷却水の予熱のためのエネルギを供給する。
【００１１】
同様に、冷却水回路の水ポンプがスタータ・ゼネレータにより運転可能であると有利である。これにより、冷却水はスタータ・ゼネレータの作業により熱伝達器によって搬送される。
【００１２】
第１の熱伝達器がガス冷却器を含んでいると特に有利である。この形式で、第１の熱伝達器内の熱交換は、在来の冷却媒体におけるように、凝縮によって行われるのではない。むしろ、熱交換はガス内で行われる。
【００１３】
冷却媒体として、ＣＯ_２が設けられていると特に有利である。ＣＯ_２により本発明の利が特に有利に助長され、それというのは、ＣＯ_２はコンプレッサにより、スタータ・ゼネレータを使用して、１００〜１５０バールの圧力に圧縮することができ、したがって温度が１４０〜１８０℃に達することができるからである。これにより、冷却水回路内の冷却水の迅速な加熱が行われる。
【００１４】
同様に、第２の別の熱伝達器が、冷却水回路とエンジンオイルとの間に設けられていると有利である。この形式で、エンジンオイルも内燃機関のスタートの前に、高い温度にされ得る。
【００１５】
これに関連して、エンジンオイル回路内にエンジンオイルポンプが設けられており、これは、有利にはスタータ・ゼネレータにより運転可能である。場合によっては、コンプレッサも、水ポンプも、エンジンオイルポンプも、スタータ・ゼネレータによって運転することができる。同様に、油だめ内に、換言すればオイルパン内に、熱伝達器を使用し、この熱伝達器が冷却水により貫流されて、したがって熱が冷却媒体から内燃機関の冷却水を介してエンジンオイルに放出されるようにすることも、考えられる。熱伝達器としては、ディーゼル自動車において存在している冷却水とオイルとの間の熱伝達器を使用することもできる。
【００１６】
第３の別の熱伝達器が、冷却水回路とエンジンオイルとの間に設けられていると特に有利である。これにより、伝動装置オイルも自動車の運転開始の前に運転に近い温度にすることができる。
【００１７】
切換可能な弁が設けられており、これは、付加的な熱流を回避するために、冷却水回路を迂回させることができるようにすることに特に有用である。この機能は、付加的な熱流が内燃機関の運転中に望まれないときに有利であり、それというのは冷却水温度は１２０℃よりも下であるからである。冷却媒体の案内のための回路によって内燃機関の冷却水に放出される付加的な熱量は、この場合冷却水熱伝達器を介して周囲空気に放出することができる。冷却水熱伝達器の面はこのために増大する必要はない。それというのは熱が、高い温度レベルにあるからである。冷却媒体を冷却するためのガス冷却器の面は、減少させられてよく、それというのは、既にガス冷却器内に入る前に、熱の一部分が冷却水に放出されるからである。
【００１８】
第１の熱伝達器と第２の熱伝達器との間に、内側の熱伝達器が設けられていると特に有利である。このような内側の熱伝達器は空調設備の出力増大に役立つ。冷却媒体は膨張機構内での膨張の前に、逆向きの冷却媒体によって前冷却される。同様に、逆流する冷却媒体はコンプレッサ内での圧縮の前に、順方向に流れる冷却媒体によって予熱される。
【００１９】
さらに本発明では、請求範囲の上位概念に記載の形式の方法において、冷却媒体を第１の別の熱伝達器によって導き、この熱伝達器において、冷却媒体の案内のための回路と冷却水回路との間で熱を伝達するようになっている。これによって、本発明に基づく装置の利点が方法的に達成される。
【００２０】
コンプレッサを、スタータ・ゼネレータにより運転すると特に有利である。クラッチを介して内燃機関の駆動軸から分離されるこのスタータ・ゼネレータは、これにより、前空調のためのエネルギ並びに内燃機関のスタートの前の冷却水の加熱のためのエネルギを供給する。
【００２１】
有利には、冷却水回路の水ポンプを、スタータ・ゼネレータにより運転する。これにより、冷却水はスタータ・ゼネレータの作業により、熱伝達器によって搬送される。
【００２２】
冷却媒体としてＣＯ_２を使用すると有利である。ＣＯ_２により本発明の利点を特に良好に達成することができる。それというのはＣＯ_２はコンプレッサにより、スタータ・ゼネレータを使用して、１００〜１５０バールの圧力に圧縮することができ、したがって、温度は１４０〜１８０℃に達することができるからである。これにより、冷却水回路内の冷却水の迅速な加熱が行われる。
【００２３】
冷却水回路内の冷却水を第２の別の熱伝達器によって導き、この熱伝達器内で、エンジンオイルとの熱交換を行うと特に有利である。この形式で、エンジンオイルも内燃機関のスタートの前に高い温度にすることができる。
【００２４】
同様に、エンジンオイルを、エンジンオイルポンプを備えた第２の別の熱伝達器によってポンピングし、エンジンオイルポンプを、スタータ・ゼネレータにより運転すると有利である。場合によっては、コンプレッサも、水ポンプも、エンジンオイルポンプも、スタータ・ゼネレータにより運転することができる。同様に、油だめ内に、換言すればオイルパン内に、熱伝達器を使用し、この熱伝達器は冷却水により貫流され、したがって、熱が冷却媒体から内燃機関の冷却水を介してエンジンオイルに放出されるようにすることも考えられる。熱伝達器としては、ディーゼル自動車において存在している冷却水とオイルとの間の熱伝達器を使用することもできる。
【００２５】
冷却水回路内の冷却水を第３の別の熱伝達器によって導き、この熱伝達器内で、伝動装置オイルとの熱交換を行うことも、有利である。これにより、伝動装置オイルも自動車の運転開始前に運転に近い温度にすることができる。
【００２６】
切換可能な弁を使用し、この弁は、付加的な熱流を回避するために、冷却水回路を迂回するようにすることも、特に有利である。この機能は、冷却水内の付加的な熱流が内燃機関の運転中に望ましくないときに、有利である。熱伝達器は基本的にしかしながら、弁なしでも運転することができる。それというのは、冷却水温度は１２０℃よりも下であるからである。冷却水を導く回路によって内燃機関の冷却水に放出される熱量は、この場合、冷却水熱伝達器を介して周囲空気に放出することができる。冷却水熱伝達器の面はこのために増大する必要はない。それというのは、熱が高い温度レベルにあるからである。冷却媒体を冷却するためのガス冷却器の面は、減少させられてよく、それというのは、既にガス冷却器内に入る前に、熱の一部分が冷却水に放出されるからである。
【００２７】
方法は更に次のことによって、有利に展開されている。すなわち、第１の熱伝達器と第２の熱伝達器との間に内側の熱伝達器が使用されることである。このような内側の熱伝達器は空調設備の出力増大に役立つ。冷却媒体は膨張機構内での膨張の前に、逆流する冷却媒体によって前冷却される。同様に、逆流する冷却媒体はコンプレッサ内での圧縮の前に順方向に流れる冷却媒体によって予熱される。
【００２８】
本発明は、特に、ＣＯ_２を冷却媒体として使用する空調設備において、冷却媒体の効果的な予熱ができるという認識に基づいている。このために、付加的な熱伝達器が設けられており、冷却水の予熱が特に自動車の内室の前空調を伴って行われる。
【００２９】
実施例の説明
図１に本発明に基づく装置の一部分が示してある。鎖線の右側、換言すれば内側の熱伝達器２８の右側の部分（図示せず）は、すでに図３で内側の熱伝達器１２８の右側に示して説明した部分に相応している。
【００３０】
図１には、２つの回路が示してある。一方は空気調和装置の運転のための冷却媒体の回路６０であり、他方は内燃機関９０の冷却のための冷却水回路８０である。冷却媒体がコンプレッサ１８によって圧縮される。コンプレッサ１８が内燃機関９０の始動の前に、スタータ・ゼネレータ７２によって運転される。圧縮された冷却媒体は熱の放出のために第１の熱伝達器１０内に流入する前に、第１の別の熱伝達器７０内に流入するようになっている。熱伝達器７０内には、冷却水も流入するようになっており、該冷却水は冷却水回路８０によって搬送される。冷却水ポンプ７４が冷却水の搬送のために、同じくスタータ・ゼネレータ７２によって、若しくは他の形式で電気的に運転される。このようにして、熱が冷却水に放出され、その結果、冷却水の温度が運転温度の近傍の範囲に達する。弁７６によって、内燃機関９０の通常の運転時には冷却水内に付加的な熱流が生じることを、回避することができる。もちろん、該装置を弁７６なしに運転することも可能であり、それというのは、冷却水は１２０℃の範囲の温度を上回ることがないからである。回路６０及び第１の別の熱伝達器７０から冷却水回路内に到達する付加的な熱量が、冷却水・熱伝達器７８を介して周囲空気に放出されるようになっている。このために冷却水・熱伝達器７８の面が拡大される必要はなく、それというのは該熱は高い温度レベルで生じるからである。ガス冷却器として構成された第１の熱伝達器１０の面が、小さくされてよく、それというのは、すでにガス冷却器内への流入の前に、熱の一部分が冷却水に放出されるからである。
【００３１】
図２はＣＯ_２のための熱力学的な状態線図を示しており、該状態線図では、圧力ｐが固有のエンタルピーｈに関連して示してある。さらに線図には、等温線が記入してあり、対応する温度が線図の上側の縁に記載してある。等温線は１０℃の間隔で記入してある。さらに、等温線を３１．１℃に記入してあり、該温度がＣＯ_２の臨界温度を表している。
【００３２】
異なる３つのサイクルが、図２の状態線図に記入してある。中抜きの円で示すサイクルは、無負荷状態の運転に相当するものである。中抜き三角で示すサイクルは、２２ｋｍ／ｈでの走行運転に相当するものである。中抜き四角で示すサイクルは、６４ｋｍ／ｈでの走行運転に相当するものである。
【００３３】
線図の説明は、任意の１つのサイクルの右側下方の角から出発するものである。まず、圧縮が行われ、その結果、媒体の温度が高められる。圧縮は、例えば図１のコンプレッサ１８によって生ぜしめられる。これによって媒体が高力及び高温の状態に達し、従って、エンタルピーも高められる。次いで、サイクルの右側上方の角から熱エネルギがほぼ等圧で放出される。熱エネルギの放出は、すべてのサイクルにおいてＣＯ_２の臨界温度の上方で行われ、即ちガス冷却が行われる。ガス冷却の区域が二重矢印Ａで示してある。空調装置は、経過の左側上方の角に相当する状態に、即ちエンタルピーの減少せしめられかつ温度の低下した状態に達する。次いで、膨張が行われ、その結果、温度並びに圧力がエンタルピーのほぼ一定のもとで変化する。これによってサイクルの左側下方の点が達成される。この状態では、ＣＯ_２が部分的に液化されている。このことは、温度が臨界未満であることによって可能である。このような過程は、臨界の温度境界を超えることに基づき、トランスクリティックとも呼ばれる。続いて、冷却媒体によって熱が受け取られ、その結果、圧力変化なしにサイクルの右側下方の点が達成される。このようにしてサイクルが循環される。
【００３４】
本発明の図示の実施例は、本発明の具体例を示したもので、本発明を限定するものではない。本発明の枠内で、種々の変化及び変更が、本発明の周囲並びに等価性若しくは同一性を逸脱することなしに可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に基づく装置の概略的な部分図。
【図２】
本発明に基づく装置の作動過程を示す状態線図。
【図３】
先行技術の装置の概略図。
【符号の説明】
１０ 第１の熱伝達器、 １８ コンプレッサ、 ２８ 内側の熱伝達器、 ６０ 回路、 ７０ 第１の別の熱伝達器、 ７２ スタータ・ゼネレータ、 ７４ 水ポンプ、 ７６ 弁、 ７８ 冷却水熱伝達器、 ８０ 冷却水回路、 ９０ 内燃機関、 １１０ 第１の熱伝達器、 １１４ 第２の熱伝達器、 １１６ 冷却すべき室、 １１８ コンプレッサ、 １２０ 膨張機構、 １２８ 内側の熱伝達器、 １６０ 回路、 １６２ 周囲空気、 １６４ 低温の空気、 １６６ 凝縮物、 Ａ 二重矢印、 ｈ エンタルピー、 ｐ 圧力

Claims (20)

1. 冷却のための装置であって、
   冷却媒体の案内のための回路（６０）、
   熱を熱蓄積器（１２）へ放出するための第１の熱伝達器（１０）、
   熱を冷却すべき空間（１１６）から取り出すための第２の熱伝達器（１１４）、
   コンプレッサ（１８）及び膨張機構（１２０）を備える形式のものにおいて、
   第１の別の熱伝達器（７０）を設けてあり、該熱伝達器が冷却媒体の案内のための回路（６０）と冷却水回路（８０）との間の熱伝達を可能にしていることを特徴とする、冷却のための装置。
2. 第１の別の熱伝達器（７０）が、冷却媒体の案内のための回路（６０）内でコンプレッサ（１８）の下流に配置されている請求項１記載の装置。
3. コンプレッサ（１８）が、スタータ・ゼネレータ（７２）によって、若しくはバッテリーによって電気的に運転可能である請求項１又は２記載の装置。
4. 冷却水回路（８０）の水ポンプ（７４）が、スタータ・ゼネレータ（７２）によって、若しくはバッテリーによって直接に電気的に運転可能である請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 第１の熱伝達器（１０）がガス冷却器を含んでいる請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 冷却媒体として、ＣＯ_２が用いられている請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 第２の別の熱伝達器が、冷却水回路とエンジンオイルとの間に設けられている請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. エンジンオイル回路内にエンジンオイルポンプを設けてあり、該エンジンオイルポンプがスタータ・ゼネレータ（７２）によって、若しくはバッテリーによって直接に電気的に運転可能である請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 第３の別の熱伝達器が、冷却水回路と伝動装置オイルとの間に設けられている請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 切換可能な弁（７６）を設けてあり、該弁が冷却水回路を付加的な熱流の回避のために迂回させるようになっている請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 第１の熱伝達器（１０）と第２の熱伝達器（１１４）との間に、内側の熱伝達器（１２８）が設けられている請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. 冷却のための方法であって、冷却媒体の案内のための回路（６０）、熱を熱蓄積器（１２）へ放出するための第１の熱伝達器（１０）、熱を冷却すべき空間（１１６）から取り出すための第２の熱伝達器（１１４）、コンプレッサ（１８）及び膨張機構（１２０）によって形成された装置を用いるようになっており、次のステップを行うようになっており、即ち、
    コンプレッサ（１８）を運転し、かつ
    冷却媒体が、冷却媒体の案内のための回路（６０）と通して導かれるようになっている形式のものにおいて、
    冷却媒体が第１の別の熱伝達器（７０）を通して導かれ、該熱伝達器によって熱を冷却媒体の案内のための回路（６０）と冷却水回路（８０）との間で伝達するようになっていることを特徴とする、冷却のための方法。
13. コンプレッサ（１８）を、スタータ・ゼネレータ（７２）によって、若しくはバッテリーによって直接に電気的に運転する請求項１２記載の方法。
14. 冷却水回路（８０）の水ポンプ（７４）を、スタータ・ゼネレータ（７２）によって、若しくはバッテリーによって直接に電気的に運転する請求項１２又は１３記載の方法。
15. 冷却媒体としてＣＯ_２を使用する請求項１２から１４までのいずれか１項記載の方法。
16. 冷却水回路内の冷却水が第２の別の熱伝達器を通して導かれ、該熱伝達器によってエンジンオイルとの熱交換を行う請求項１２から１５までのいずれか１項記載の方法。
17. エンジンオイルが、エンジンオイルポンプによって第２の別の熱伝達器を通して圧送され、エンジンオイルポンプを、スタータ・ゼネレータ（７２）によって、若しくはバッテリーによって直接に電気的に運転する請求項１２から１６までのいずれか１項記載の方法。
18. 冷却水回路内の冷却水を第３の別の熱伝達器によって導き、この熱伝達器内で、伝動装置オイルとの熱交換を行うことを特徴とする、請求項１２から１７までのいずれか１項に記載の方法。
19. 切換可能な弁を用いて、該弁によって冷却水回路を、付加的な熱流の回避のために迂回する請求項１２から１８までのいずれか１項記載の方法。
20. 第１の熱伝達器（１０）と第２の熱伝達器（１１４）との間で、内側の熱伝達器（２８）を用いる請求項１２から１９までのいずれか１項記載の方法。