JP2005200011A - 車両を停車時に空調するための空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】停車時に空調するための効率のよい空調装置を提供する。
【解決手段】本発明は、車両を停車時に空調するための空調装置に関する。この空調装置はヒートポンプ回路２を備え、このヒートポンプ回路は周囲の熱を吸収するための第１の熱交換器３と、車両室内に熱を排出するための第２の熱交換器４と、電気的または機械的に駆動可能なコンプレッサ５とを備え、このコンプレッサはヒートポンプ回路２の流れの方向において第１の熱交換器３と第２の熱交換器４の間に配置されている。空調装置は更に、電力または機械的な出力を発生するための追加装置６を備え、電力または機械的な出力の少なくとも一部がコンプレッサ５を駆動するために使用され、追加装置６の排熱をヒートポンプ回路２に伝達する第３の熱交換器８が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両を停車時に空調するための空調装置に関する。車両を停車状態で空調、特に暖房できることは益々重要になって来ている。キャンピングカーのほかに、特に車両キャビンを長時間暖房することができる商用車の分野で重要である。というのは、車両キャビンが運転者によって睡眠場所としても利用されるからである。

車両室内の暖房は往々にして、駆動エンジンの排熱を室内の暖房のために利用することによって行われる。更に、燃料で運転される追加暖房装置を使用することが知られている。この追加暖房装置は駆動エンジンの冷却回路に統合され、それによって停車時の暖房機能に切換えるために、走行運転中に通常のごとく利用される空調装置の構成要素を使用するかあるいは停車状態での運転のためにのみ設計された別個の暖房装置として形成されている。

停車状態での使用に制限することはいろいろな経済性を有する。最も望ましくないケースでは、停車時の暖房を実現するために、駆動エンジンがアイドリング回転される。このようなエンジンは熱供給装置としての機能に関して寸法が大きすぎるので、効率が悪い。更に、大きな質量が加熱されるので、効率が更に悪くなる。燃料で運転される追加暖房装置は良好な効率を有する。ただし、燃料で運転される暖房装置はエミッションを生じる。これは多くの場合望ましくない。

本発明の課題は、停車時に空調するための効率のよい空調装置を提供することである。

この課題は、ヒートポンプ回路を備え、このヒートポンプ回路が周囲の熱を吸収するための第１の熱交換器と、車両室内に熱を排出するための第２の熱交換器と、電気的または機械的に駆動可能なコンプレッサとを備え、このコンプレッサがヒートポンプ回路の流れの方向において第１の熱交換器と第２の熱交換器の間に配置され、更に、電力または機械的な出力を発生するための追加装置を備え、電力または機械的な出力の少なくとも一部がコンプレッサを駆動するために使用され、追加装置の排熱をヒートポンプ回路に伝達する第３の熱交換器が設けられている、車両を停車時に空調するための空調装置によって解決される。

本発明の効果は、空調装置がヒートポンプ回路を備えることにより、効率が更に高められることにある。というのは、車両室内の暖房のために付加的に周囲の熱を使用することができるからである。更に、追加装置の排熱がヒートポンプ回路に取り込まれる。そのために使用される熱交換器は好ましくは第１の熱交換器とコンプレッサの間に配置されている。基本的には、ヒートポンプ回路はこの付加的な熱の取り込みをしないで運転することができる。しかし、二酸化炭素が冷媒として使用されるときには、周囲の熱を吸収することによって生じる温度差は、ヒートポンプ回路を効率的に運転するために充分ではない。この場合、付加的な熱交換器が、付加的な熱の取り込みによって効率を高めることにより、対策を講じる。勿論、本発明による空調装置はＲ１３４ａの冷媒によって運転可能である。

本発明の有利な実施形では、第２の熱交換器を通る空気流を更に加熱するために、追加装置の排熱が利用される。更に、追加装置によって発生した電力を同様に熱発生のために使用すると有利である。この場合、第２の熱交換器を通る空気流内に、電気式加熱要素、いわゆるＰＴＣが収容される。

追加装置として燃料電池装置を使用すると有利である。というのは、この燃料電池装置が排熱と電力を供給するからである。電力はコンプレッサを駆動するため、上記のように電気式加熱要素のためおよび車両に更に電力を供給するために使用可能である。

きわめて望ましい実施形では、空調装置の所定の構成要素が上記のように暖房運転のためおよび冷房運転、すなわち第２の運転方式のために利用可能である。例えばコンプレッサの二重利用は、コストの理由から、特に空調装置の全体コストの観点から、きわめて有利である。

本発明の他の有利な実施形は従属請求項に記載されている。

次に、実施の形態に基づいて本発明を詳しく説明する。

図１は、本発明による空調装置の第１の実施の形態を示している。空調装置１はヒートポンプ回路２を備えている。このヒートポンプ回路には、第１の熱交換器３、第２の熱交換機４、第３の熱交換機８、コンプレッサ５、液溜９および膨張弁１０が設けられている。ヒートポンプ回路２では冷媒として二酸化炭素（ＣＯ2）が使用される。熱交換器３を介して周囲の空気流１５から熱が奪われ、ヒートポンプ回路２に取り込まれる。コンプレッサ５は冷媒を圧縮し、第２の熱交換器４に供給する。熱交換器４を通過する空気流１６はヒートポンプ回路２から熱を受け取り、好ましくは車両の室内を暖房するために、車両の室内に案内される。冷媒はその後、膨張弁１０を経て再び第１の熱交換器３に案内される。従って、ヒートポンプ回路は閉じている。

ヒートポンプ回路は、コンプレッサ５を駆動するために使用しなければならない電気的なエネルギーまたは機械的なエネルギーよりも多くの熱エネルギーを周囲から奪って車両室内に取り込むことができるという利点がある。

このようなヒートポンプ回路２の場合、外気温度に応じてヒートポンプ回路２の効率的な運転をすることができないという問題がある。熱交換器８を介して追加装置６から付加的な熱がヒートポンプ回路２に取り込まれる。それによって、ヒートポンプ回路２は効率的な運転範囲にもたらされる。

図１に示した実施の形態では、追加装置として燃料電池装置６が設けられている。この燃料電池装置は空気供給管１１と燃料供給管１２に接続されている。燃料電池装置の内部構造は本発明にとってあまり重要ではない。特に内燃機関を備えた車両において運転する場合、燃料電池としてSOFC（固体酸化物形燃料電池）が使用されると有利である。この燃料電池の手前に改質器が接続配置されている。この改質器は触媒反応によって、ガソリンまたはディーゼル燃料から水素を含むガスを発生する。このガスは更に、SOFCのための燃料ガスとして使用される。

燃料電池装置６で発生した熱は冷却回路１３を経て排出され、第３の熱交換器８に供給される。燃料電池装置６は更に、電力を供給する。この電力は導線１４を経て電気運転式コンプレッサ５に供給される。それによって、必要な電力がコンプレッサに供給される。

ヒートポンプ回路２を備えた本発明による空調装置の利点は主として、停車中に空調装置１が使用されるときに生じる。一般的に走行運転中は充分な熱出力が供されるので、暖房のための効率のよい空調装置は不要である。しかし、停車中は、すべての熱エネルギー源を利用することが有利である。従って、周囲の熱を吸収するための第１の熱交換器３は、停車中空調装置１を効率的に運転するために大きく寄与する。第１の熱交換器３と第３の熱交換器８の組み合わせによって、周囲から吸収される熱量が少ないにもかかわらず、ヒートポンプ回路２を効率的に運転することができる。

図２の空調装置は、車両室内の前側範囲と後側範囲を別々に暖房することができるように形成されている。図１の第２の熱交換器４の代わりに、図２では２個の熱交換器４ａ，４ｂが設けられている。この場合、熱交換器４ａを通過する空気流１６ａは車両の前側範囲を暖房し、熱交換器４ｂを通過する空気流１６ｂは後側範囲を暖房する。

図３に示した本発明による空調装置の実施の形態の場合、燃料電池装置６の排熱が暖房のために付加的に利用される。この場合、燃料電池装置６を冷却する冷却回路１８が設けられ、この冷却回路が熱を付加的な熱交換器１７に案内する。この熱交換器は第２の熱交換器４を通過する空気流１６内に設けられている。従って、第２の熱交換器４で予熱された空気は付加的な熱交換器１７によって更に加熱される。回路１８は勿論、燃料電池装置６と第３の熱交換器８を接続する回路１３に接続可能である。これは例えば、第３の熱交換器８と付加的な熱交換器１７を直列に接続することによって行われる。しかし、熱交換器８，１７を並列に接続し、燃料電池装置６の排熱をすべての運転状況で両熱交換器８，１７にできるだけ有利に配分するために調節できるようにすることが望ましい。

図４に示した空調装置の実施の形態の場合、燃料電池装置によって発生した電力が空気流１６を暖めるために付加的に利用される。そのために、燃料電池装置６から給電される電気式加熱要素、いわゆるＰＴＣが設けられている。

従って、燃料電池装置６によって発生した熱出力と電力が四重に利用される。熱出力は熱交換器８，１７に案内され一方、電力はコンプレッサ５とＰＴＣ１８に供給される。運転状況に依存する空調装置の巧みな機器構成によって、熱出力と電力のこれらの消費装置は、燃料電池装置６によって発生した熱出力と電力を車両室内の暖房のために完全にかつ最適に利用するように運転可能である。空調装置を制御するために必要な制御装置は図示していないが、勿論設けられている。

図５に示した空調装置の場合、燃料電池装置の代わりに、エンジン−発電機−ユニット７が使用される。このユニットはエンジン２０と発電機２１を含んでいる。エンジン２０は空調装置の運転のためおよび場合によっては他の電気的な消費装置に給電するために使用できるような大きさに定められている。従って、エンジンは車両空調装置の停車時の運転に合わせられている。

エンジン２０によってコンプレッサ５と発電機２１が駆動される。エンジン２０によって発生した排熱は、燃料電池装置の場合のように、一方では第３の熱交換器８に案内され、他方では付加的な熱交換器１７に案内される。発電機２１によって発生した電力は更に、ＰＴＣ１９に供給される。エンジン２０によるコンプレッサ５の機械式駆動の代わりに、コンプレッサは電気で駆動することもできる。この場合、発電機２１からコンプレッサに給電される。

図６は、暖房と冷房を行う本発明による空調装置を示している。その際、空調装置の多数の構成要素が両運転方式で使用される。図６には暖房のための運転方式が示してある。この運転方式で使用される管区間は、見やすくするために太い線で示してあり、使用されない管区間は細い線で示してある。図示した運転方式では、空調装置の構造は図３の空調装置の構造にほぼ一致している。ヒートポンプ回路２は図３の構造と同じ構成要素を備えている。両運転方式を切り換えるために必要である多数の弁が設けられている。燃料電池装置６の冷却回路は点線で示してある。燃料電池装置６の排熱は図３の場合のように、第３の熱交換器８と付加的な熱交換器１７を経て案内される。冷却回路は第３の熱交換器８と付加的な熱交換器１７を通る管に対して平行に、他の熱交換器２２を介して閉じることができる。この他の熱交換器は、供される熱全部が暖房のために使用されないときあるいは空調装置が冷房運転されているときに、燃料電池装置６の冷却回路から熱を排出するために設けられている。この場合、熱は周囲に排出される。一方では熱交換器２２を通って流れる冷媒あるいは他方では熱交換器８，１７を通って流れる冷媒の割合は可変に調節可能である。冷却回路１３はポンプ２９によって維持される。

更に、空調装置の電力網が示してある。燃料電池装置６によって発生した電力は、上述の実施の形態の場合のように、コンプレッサ５を駆動するために使用される。更に、それぞれ熱交換器を通過する空気流を発生する複数のファンが駆動される。電力は更に、車両の他の消費装置に供される。ＤＣ／ＡＣコンバータ３０によって、１１０Ｖまたは２３０Ｖの交流電圧を発生することができ、この交流電圧はコンセント３１で供給され、このコンセントに家庭用の消費装置を接続することができる。

図７は図６の空調装置の冷房運転を示している。この運転方式でも、使用される管区間は太い線で示してあり、使用されない管区間は細い線で示してある。熱交換器４は蒸発器として作動し、車両室内から熱を吸収する。この熱は内部の熱交換器２３に案内され、冷房回路は再び蒸発器４で閉じる。この運転方式では、膨張弁１０が図６の運転方式と比べて逆方向に運転される。熱交換器２３は他方では第２の冷房回路に収容されている。この第２の冷房回路は凝縮器２４と暖房運転で使用されるコンプレッサ５を備えている。コストの観点から、コンプレッサ５が暖房運転でも冷房運転でも使用可能であることが重要である。なぜなら、このコンプレッサは空調装置の全体コストのかなりの部分を占める高価な構成要素であるからである。

燃料電池装置６は電気エネルギーを発生するために冷房運転でも必要である。この電気エネルギーは図示した実施の形態では、コンプレッサ５を駆動する働きをする。燃料電池装置６の排熱を排出するために、冷却回路１３が運転され、熱交換器２２から大気に熱を放出する。熱交換器１７を経て案内される冷却回路１３の分岐部は働かない。

冷房回路が冷媒としてＣＯ2を用いて運転されるときに、熱交換器２３が必要である。熱交換器２３は、大きな出力定格（成績係数ＣＯＰ）を達成するために必要である。凝縮器２４から出るＣＯ2冷媒は、膨張弁１０に至る経路で熱交換器２３によって冷却される。熱は蒸発器４から出る冷媒によって吸収される。冷媒は、凝縮器２４ら出る冷媒よりも数度だけ低い温度を有する。

図８は、図２の空調装置のように、車両室内の前側範囲のための熱交換器２７，２８と後側範囲のための熱交換器２５，２６を備えた本発明による空調装置を示している。図２または図６，７の実施の形態と異なり、暖房運転と冷房運転のために別個の熱交換器が設けられている。熱交換器２８，２６は暖房運転のために使用され一方、熱交換器２７，２５は冷房運転のために使用される。このような分離の長所は次の点にある。すなわち、暖房運転から冷房運転に切り換える際に比較的に多量の湿気が熱交換器に蓄えられ、この湿気が運転方式を切換えた直後車両のガラスを曇らせるが、熱交換器を分離することによってこの曇りが回避される。

勿論、前側範囲と後側範囲間での暖房出力と冷房出力の配分を調節することができる。そのために必要な弁は図示していない。

図９は図８の空調装置の冷房運転を示している。この図から明らかなように、冷房運転では、熱交換器２７，２５が働く。

暖房運転と冷房運転のために別個の熱交換器を設けると、コストが上昇するが、このコスト上昇は比較的に小さい。コンプレッサ５を両運転方式で使用可能であることが空調装置のコストの観点から重要である。

本発明による空調装置の他の実施形は専門家の裁量の範囲内にあり、従って本発明に含まれる。

本発明による空調装置の第１の実施の形態を示す図である。 前側範囲と後側範囲のための２個の熱交換器を備えた、図１の空調装置を示す図である。 付加的な熱交換器を備えた、図１の空調装置の他の実施の形態を示す図である。 付加的な電気式加熱要素を備えた、図３の空調装置の他の実施の形態を示す図である。 追加装置として、追加エンジンと発電機の組み合わせを備えた、図４の実施の形態の変形を示す図である。 暖房機能と冷房機能を有するＣＯ2空調装置の暖房運転状態を示す図である。

図６の空調装置の冷房運転状態を示す図である。 図６，７の空調装置の変形の暖房運転状態を示す図である。 図８の空調装置の冷房運転状態を示す図である。

符号の説明

１…空調装置、２…ヒートポンプ回路、３…第１の熱交換器、４…第２の熱交換器、５…コンプレッサ、６…燃料電池装置、７…エンジン−発電機−ユニット、８…第３の熱交換器、９…液溜、１０…膨張弁、１１…空気供給管、１２…燃料供給管、１３…冷却回路、１４…導電線、１５…周囲からの空気流、１６…車両室内への空気流、１６ａ…前側範囲内の空気流、１６ｂ…後側範囲内の空気流、４ａ…前側範囲のための熱交換器、４ｂ…後側範囲のための空気流、１７…付加的な熱交換器、１８…付加的な熱交換器１７に至る冷却回路、１９…ＰＴＣ（電気式加熱要素）、２０…エンジン、２１…発電機、２２…他の熱交換器、２３…内部熱交換器、２４…凝縮器、２５，２６，２７，２８…熱交換器、２９…ポンプ、３０…ＤＣ／ＡＣコンバータ、３１…コンセント、３２…ファン

Claims (9)

1. ヒートポンプ回路（２）を備え、このヒートポンプ回路が周囲の熱を吸収するための第１の熱交換器（３）と、車両室内に熱を排出するための第２の熱交換器（４；４ａ，４ｂ）と、電気的または機械的に駆動可能なコンプレッサ（５）とを備え、このコンプレッサがヒートポンプ回路（２）の流れの方向において第１の熱交換器（３）と第２の熱交換器（４；４ａ，４ｂ）の間に配置され、
   更に、電力または機械的な出力を発生するための追加装置（６，７）を備え、電力または機械的な出力の少なくとも一部がコンプレッサ（５）を駆動するために使用され、
   追加装置（６，７）の排熱をヒートポンプ回路（２）に伝達する第３の熱交換器（８）が設けられている、車両を停車時に空調するための空調装置。
2. 第３の熱交換器（８）がヒートポンプ回路（２）の流れ方向において第１の熱交換器（３）とコンプレッサ（５）の間に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の空調装置。
3. ヒートポンプ回路（２）に二酸化炭素冷媒が充填されていることを特徴とする、請求項１記載の空調装置。
4. 第２の熱交換器（４）を通る空気流（１６）内に、付加的な熱交換器（１７）が設けられ、空気流（１６）を更に加熱するために、追加装置（６，７）からの熱がこの付加的な熱交換器に供給されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の空調装置。
5. 電力を供給される電気式加熱要素（１９）が、第２の熱交換器（４）を通る空気流（１６）内に配置されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の空調装置。
6. 第２の運転方式において、ヒートポンプ回路（２）の個々の構成要素（５，９）が車両室内を冷房するために運転されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の空調装置。
7. コンプレッサ（５）が第２の運転方式で使用される構成要素であることを特徴とする、請求項６記載の空調装置。
8. 追加装置が燃料電池装置（６）であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の空調装置。
9. 追加装置が車両エンジンに依存しないで空調装置（１）を運転することができるエンジン−発電機−ユニット（７）であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の空調装置。
   

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