JP2005511373A - 空調装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、自動車に用いられる空調装置(10)であって、内燃機関の冷却液循環路(42)に接続された暖房熱伝達器(28)が設けられており、該暖房熱伝達器(28)にブロワ(36)の流れ方向で見てエバポレータ(22)が前置されており、冷媒循環路(32)に設けられたコンプレッサ(12)が、冷房運転の間、冷媒をガスクーラ(16)と膨張弁(20)とを介して圧送するようになっていて、暖房運転の間、冷媒をガスクーラ(16)を迂回して膨張弁(20)を介してエバポレータ(22)に圧送するようになっており、冷却液循環路(42)と冷媒循環路(32)との間に結合熱交換器(30)が設けられている形式のものから出発する。本発明によれば、結合熱交換器(30)が、冷媒循環路(32)においてコンプレッサ(12)の吐出し側でガスクーラ(16)の手前に配置されており、該ガスクーラ(16)に対して平行に第1のバイパス管路(80)が設けられており、ガスクーラ(16)と第1のバイパス管路(80)とを通る通流量が、第1のバイパス管路(80)に設けられた切換弁(52)と、ガスクーラ(16)の入口もしくは出口に設けられたそれぞれ1つの切換弁(48,50)とを介して運転パラメータに関連して制御されるようになっており、所定のユニットの媒体ための熱伝達器(14)が、冷媒循環路(32)で膨張弁(20;38)の後方に接続されていて、暖房運転において熱源として働くようになっている。

Description

【0001】
背景技術
本発明は、請求項1の上位概念部に記載した形式の空調装置から出発する。
【0002】
消費率に対して最適な内燃機関を車両に使用することは、規定された運転領域、たとえば外気温度が低い場合の始動段階の間、車両を快適に暖房するためにもはや十分に熱が冷却液に放出されないことによって、車両の空調にも影響を与える。したがって、温度が低い場合に快適性を確保するかもしくは必要な場合に車両ウィンドガラスも除氷することができるようにするためには、補助ヒータが必要となる。補助ヒータとして空調装置を使用することもできる。なぜならば、特にますます多くの車両に標準的に空調装置が装備されるからである。空調装置は温度が低い場合に冷媒循環路の反転によってヒートポンプとして使用される。このヒートポンプは僅かにエネルギを消費し、暖房出力が高い場合の自然応答特性を有している。
【0003】
さらに、空調装置では、慣用の冷媒R134a(部分フッ化された炭化水素)がますます多くの割合で自然冷媒の二酸化炭素(CO)に置き換えられる。冷媒として二酸化炭素を用いる空調装置では、熱放出が、コンデンサでの冷媒の凝縮下で行われず、超臨界的な圧力の場合にガスクーラで行われる。空調装置がヒートポンプとして使用される場合には、熱吸収はガスクーラを介して行われる。しかし、このようなヒートポンプの主要な欠点は、外気温度が低い場合にガスクーラが空気側で凍結することにある。これによって、内燃機関の、空気流れで見て一般的に後置されたクーラが不十分にしか冷却空気によって通流されないので、この場合、内燃機関の十分な冷却が保証されていない。
【0004】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第19806654号明細書に基づき、車両に用いられる空調装置が公知である。この公知の空調装置は冷媒として二酸化炭素を使用している。この二酸化炭素は冷媒循環路で段階的に液状の状態もしくはガス状の状態で循環する。コンプレッサは冷媒を冷房運転でガスクーラと、熱交換器と、膨張装置と、エバポレータとを介して吸込み側に戻し、圧力が低い場合には熱交換器を介して吸込み側に戻す。この場合、冷媒はガスクーラで、コンプレッサでの圧縮によって発生させられた熱の一部を放出する。その他の熱部分を冷媒は内側の熱交換器で、吸込み側に戻るより冷たい冷媒に伝達する。膨張装置では、冷媒が、周囲温度未満にある温度に膨張させられるので、冷媒はエバポレータで、空調機器内に流入した空気から熱を奪い取ることができ、場合によっては、これによって、空気を同時に乾燥させる。その後、空気は、後置された暖房熱交換器を通って所望の温度にもたらされる。
【0005】
流れ分配の切換によって、コンプレッサは冷媒を暖房運転の間にまずエバポレータを介して圧送する。このエバポレータは、いま、逆方向で通流される。この場合、冷媒は、圧縮によって発生させられた熱の一部を、空調機器内に流入した空気に放出する。したがって、この空気が乗客室を暖房し、ウィンドガラスを除氷する。エバポレータの後方では、冷媒が膨張装置でより低い温度に減圧されるので、冷媒はコンプレッサの吸込み側への途中、冷却液循環路と冷媒循環路との間に配置された結合熱交換器で熱を冷却液循環路から吸収することができる。このような空調装置によって、内燃機関の負担で寒い気候条件の場合に乗客室内の温度を上昇させることが可能となる。
【0006】
さらに、ヨーロッパ特許出願公開第0945291号明細書に基づき、自動車の使用室を暖房しかつ冷房するための装置および方法が公知である。冷媒は暖房運転でコンプレッサによって圧縮され、3ポート2位置弁を介してエバポレータに到達する。このエバポレータでは冷媒が、圧縮によって発生させられた熱の一部をより冷たい車両内室空気に放出する。エバポレータから冷媒は膨張装置に流れる。この膨張装置で冷媒は、後方に配置されたガスクーラで熱を周囲空気から吸収することができる程度にまで冷却される。その他の熱は、後置された排ガス熱交換器内の冷媒に供給される。この排ガス熱交換器は内燃機関の熱い排ガスで負荷される。
【0007】
排ガス熱交換器から冷媒は再びコンプレッサに到達する。これによって、冷媒循環路が閉じられている。冷媒が膨張装置で、周囲温度未満にある温度に膨張させられると、ガスクーラを通流する空気を飽和温度未満の温度に冷却することができる。この事例では、水が、吸い込まれた周囲空気から凝縮する。温度が水の昇華線未満である場合には、水が固体の状態に移行し、ガスクーラが凍結する。ガスクーラは一般的に内燃機関のクーラに空気の流れ方向で見て前置されているので、ガスクーラの凍結によって、内燃機関の整然とした冷却が危険にさらされる。したがって、過度に激しい凍結を回避するためには、臨界的な周囲条件の場合に3ポート2位置弁を介してバイパス管路が開放され、これによって、ガスクーラが短時間閉鎖されている。冷媒はガスクーラを迂回して直接排ガス熱交換器に到達し、そこからコンプレッサの吸込み側に到達する。
【0008】
内燃機関に用いられる過給装置、いわゆる「チャージャ」は、燃料の燃焼のために必要となる空気の圧縮によって空気装入量を同じ行程容積および同じ回転数のまま増加させ、これによって、より高い出力密度を可能にする。さらに、圧縮によって加熱された、過給空気とも呼ばれる空気は燃焼室内への流入前に冷却される。これによって、空気の密度ひいては内燃機関の出力が一層向上させられる。過給空気は過給空気クーラで冷却液または外気によって冷却することができる。この場合、自動車に対して、空冷式の構成が極めて有利であると分かった。過給空気クーラから放出された熱は使用されずに周囲に放出される。
【0009】
発明の利点
本発明によれば、結合熱交換器が、冷媒循環路においてコンプレッサの吐出し側でガスクーラの手前に配置されており、該ガスクーラに対して平行に第1のバイパス管路が設けられており、ガスクーラと第1のバイパス管路とを通る通流量が、第1のバイパス管路に設けられた切換弁と、ガスクーラの入口もしくは出口に設けられたそれぞれ1つの切換弁とを介して運転パラメータに関連して制御されるようになっている。さらに、所定のユニットの媒体ための熱伝達器が、冷媒循環路で膨張弁の後方に接続されていて、暖房運転において熱源として働くようになっている。
【0010】
本発明による空調装置では、冷媒が暖房運転および冷房運転において同じ方向で膨張装置とエバポレータとを通流する。暖房運転では、空調装置がヒートポンプとして作業する。この場合、熱伝達器は膨張弁の後方で熱源として働く。この場合、熱伝達器は所定のユニットの媒体、たとえば内燃機関の過給空気または内燃機関の潤滑オイルまたは変速機の潤滑オイルを冷却する。熱伝達器の後方では、コンプレッサが、予熱された冷媒を許容可能な圧縮最終温度に圧縮する。この場合に発生させられた熱は結合熱交換器を介して冷却液循環路の冷却液に放出され、しかも、有利には、内燃機関と暖房熱交換器との間で車両内室のための暖房熱交換器の近くで放出される。これによって、大きな熱量を冷却液に結合することができ、さほどの遅れならびに損失なしに、車両内室の暖房のためだけでなく、最適な運転温度への内燃機関の迅速な暖機のためにも使用することができる。
【0011】
冷却液への入熱を必要な場合に増加させるためには、冷媒循環路で結合熱交換器の手前に選択的に熱ガス弁が設けられている。これによって、コンプレッサの背圧を高めることができるので、このコンプレッサはより大きな熱出力をもたらす。さらに、冷媒は熱ガス弁によって、結合熱交換器における許容可能な最大の圧力に減圧される。
【0012】
コンプレッサは冷媒を暖房運転の間、ガスクーラを迂回してエバポレータに圧送し、冷房運転の間、ガスクーラを介してエバポレータに圧送する。したがって、冷媒循環路はガスクーラに対して平行にバイパス管路を有している。このバイパス管路には、遮断装置として切換弁が配置されている。冷房運転から暖房運転への切換時には、ガスクーラ内で液状の状態にある冷媒が、装置の、作業する領域に圧送されなければならない。このためには、ガスクーラの出口に設けられた切換弁が開放されるのに対して、ガスクーラへの入口に設けられた切換弁と、ガスクーラのバイパス管路に設けられた切換弁とは、コンプレッサの出口における圧力が上側の目標値に到達するまで閉鎖される。その後、バイパス管路に設けられた切換弁が開放し、ガスクーラの出口に設けられた切換弁は、コンプレッサの出口における圧力が下側の目標値に低下するまで閉鎖する。空調装置の簡単な構成では、ガスクーラの出口に設けられた切換弁が逆止弁として形成されていると有利である。
【0013】
本発明による熱伝達器は、有利には、エバポレータに対して平行に第2のバイパス管路に配置されている。本発明の有利な構成では、第2のバイパス管路に設けられた熱伝達器に第2の膨張弁が前置されている。この膨張弁は、冷媒の減圧のほかに、同時に遮断機能を有していてよい。これによって、膨張弁は冷媒流を、規定された運転条件に相応して両ユニットに分配することができるかもしくは熱伝達器を完全に分離することができる。こうして、暖房運転において、一方では、冷媒への入熱が調整され、他方では、乗客室を暖房するための新空気もしくは循環空気を除湿するのに、エバポレータを通る冷媒流で常に十分であることが確保されている。本発明の別の有利な構成では、第2の膨張弁が省略され、これに対して、第1の膨張弁の後方で第2のバイパス管路の分岐部に、冷媒流を調整するための三方弁が配置される。有利には、両変化形において、エバポレータは不変のままである。
【0014】
熱伝達器が、内燃機関のチャージャの媒体の過給空気を冷却するために働く場合には、熱伝達器が、有利には、三重熱伝達器として形成されている。この三重熱伝達器は冷却空気と、過給空気と、冷媒とによって通流されるので、過給空気の廃熱は冷却空気だけでなく、冷媒にも放出することができる。過給空気と冷媒とは向流で流れる。これによって、高い熱交換率が達成される。冷却空気は開口を通って過給空気もしくは冷媒に対して垂直に衝突し、同じく熱を吸収する。
【0015】
3つの媒体の間の熱交換は熱伝達器の新たな構成によって可能となる。したがって、熱伝達器は冷却空気通路を有している。この冷却空気通路は過給空気通路と共に共通の壁を有している。この場合、この共通の壁は、冷媒通路が配置された扁平管と一緒に過給空気通路を形成している。冷媒もしくは冷却空気への入熱を調整するためには、熱伝達器が冷却空気通路にレジスタを有している。このレジスタが閉鎖されると、冷却空気ひいては周囲への熱放出が著しく妨害され、熱がほぼ完全に冷媒に放出される。しかし、ヒートポンプのための熱が不要となる事例では、レジスタが開放され、過給空気が圧倒的にまたは完全に冷却空気によって冷却される。この場合、熱伝達器を通る冷媒流は絞られるかまたは遮断される。
【0016】
有利には、内燃機関の出力をさらに高めるために、過給空気がヒートポンプ機能に基づき周囲温度未満に冷却されてもよい。しかし、これは、過給空気内の湿分が完全に凝縮していない限りにしか見ることができない。
【0017】
さらに、熱伝達器はマイクロ構造で製作されている。このような形式の熱伝達器は高い圧力のために適していて、コンパクトな構造で廉価に製作することができる。マイクロ構造で製作された熱伝達器に対する詳しい説明は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第19910985号明細書から明らかとなる。
【0018】
さらなる利点は、図面に基づく以下の実施例の説明から明らかとなる。図面には、本発明の実施例が示してある。図面の簡単な説明、実施例の説明および特許請求の範囲には、数多くの特徴が組み合わせて記載してある。当業者は、これらの特徴を有利には個々に考慮することもできるし、別の有利な組合せにまとめることもできる。
【0019】
実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【0020】
空調装置10は冷媒管路32を有している。この冷媒管路32内には冷媒、有利には二酸化炭素が循環している。冷媒管路32は、閉じられた冷媒循環路を形成している。この場合、冷媒の流れ経過は矢印によって図示してある(図1参照)。温度が低い場合には、空調装置10が、いわゆる「暖房運転」で運転されることによってヒートポンプとして使用される。
【0021】
車両を暖房するためには、ブロワ36によって空気60が新空気として周囲から吸い込まれるかまたは循環空気として車両内室から吸い込まれ、エバポレータ22を備えた空調機器26を通って圧送される。この場合、空気60は除湿される。後方に配置された暖房熱伝達器28は空気60を所望の温度に暖める。暖房熱伝達器28は、循環する冷却液を備えた冷却液循環路42に接続されている。冷却液の熱が車両内室を暖房するのに十分でない、内燃機関の幾つかの運転領域、たとえば周囲温度が低い場合の内燃機関の始動段階では、付加的に熱が結合熱交換器30を介して冷媒管路32から冷却液循環路42に結合される、つまり、移動させられる。結合熱交換器30は、冷却液循環路42で有利には内燃機関と暖房熱交換器28との間に配置されていて、冷媒循環路32でコンプレッサ12とガスクーラ16との間に配置されている。
【0022】
コンプレッサ12は冷媒を許容可能な圧縮最終温度に圧縮する。その後、冷媒は結合熱交換器30内に流入する。この結合熱交換器30では冷媒が熱を冷却液に放出する。そこから、冷媒は暖房運転においてガスクーラ16の傍らを通って、開放された切換弁52を備えた第1のバイパス管路80を介して熱交換器18に到達する。この熱交換器18では、冷媒からさらに引き続き熱が奪い取られる。次いで、冷媒は第1の膨張弁20で蒸発圧に減圧される。この場合、冷媒は著しく冷却されるので、この冷媒は、後方に配置されたエバポレータ22を通流する場合に、空調機器26内に流入した空気の乾燥時に生ぜしめられる熱を吸収することができる。
【0023】
冷媒の一部は第2の膨張弁38を通流する。この第2の膨張弁38は第2のバイパス管路82に配置されている。この第2のバイパス管路82はエバポレータ22に対して平行に延びている。第2の膨張弁38によって減圧された冷媒は、冷却したい媒体、たとえば内燃機関の過給空気40のための熱伝達器14を通過し、過給空気40から熱を奪い取る。暖められた冷媒はコンプレッサ12に戻る方向で流れ、コレクタ24で液体を除去する。さらに、冷媒は内側の熱交換器18でさらに引き続き熱を、圧縮された冷媒から吸収し、再びコンプレッサ12によって許容可能な圧縮最終温度に圧縮される。
【0024】
コンプレッサ12の後方の冷媒の温度が、規定された値を上回って上昇している場合には、圧縮最終温度を許容可能な限界値に保持するために、切換弁54によって第4のバイパス管路86が内側の熱交換器18に対して平行に開放する。さらに、コンプレッサ12の後方の冷媒循環路32には、無段階に調整可能な熱ガス弁44が配置されていてよい。この熱ガス弁44によって、より高い圧縮最終圧を形成することができる。この圧縮最終圧は、より大きな熱量を結合熱交換器30を介して冷却液循環路42に結合することを可能にしている。
【0025】
冷房運転では、コンプレッサ12が冷媒を結合熱交換器30を介してガスクーラ16を通して圧送する。熱ガス弁44と、ガスクーラ16の出口および入口に設けられた両切換弁48,50とは開放されているのに対して、第1のバイパス管路80に設けられた切換弁52はガスクーラ16に対して平行に閉鎖されている。簡単な構成では、ガスクーラ16の出口に設けられた切換弁50が逆止弁として形成されている。別の簡単な構成では、切換弁48,52がまとめられて、三方弁を形成していてもよい。したがって、冷媒はまず結合熱交換器30で冷却され、その後、ガスクーラ16で冷却される。事情により、結合熱交換器30での冷却が割愛される場合には、熱ガス弁44が短時間閉鎖され、冷媒が、切換弁46を備えた第3のバイパス管路84を介して流れる。
【0026】
本発明の有利な構成では、第2の膨張弁38を、第2のバイパス管路82の分岐部に設けられた三方弁56によって節約することができる。この三方弁56はエバポレータ22および熱伝達器14への冷媒流を調整する(図5参照)。この熱伝達器14は過給空気クーラ、有利には三重熱伝達器として形成されている。この三重熱伝達器は冷媒と、過給空気40と、冷却空気58とによって通流される。この冷却空気58はベンチレータ34によって吸い込まれる。有利には、熱伝達器14はマイクロ構造で製作されている。この場合、冷媒は過給空気40に対する向流原理で流れる。冷媒は冷媒入口62を通って最初に集合管66内に到達し、その後、複数の冷媒通路72を介して、冷媒出口64を備えた別の集合管66に到達する。冷媒出口64を介して冷媒は熱伝達器14を再びあとにする(図2参照)。過給空気40は矢印方向で過給空気通路88内に流入するのに対して、冷却空気58は冷却空気通路74内で過給空気40に対して垂直に案内されている。この場合、熱伝達器14の個々の通路は、通流する全ての媒体の熱交換を目的に向かって行うことができるように形成されている。
【0027】
より良好な熱交換のために薄片68を有する過給空気通路88は、冷却空気通路74と共に共通の壁90を有している(図3参照)。空調装置10の暖房運転の間、過給空気40と冷却空気58との間で熱交換を行いたくない事例では、シャッタもしくはレジスタ76が冷却空気通路74を閉鎖し得るかまたは冷却空気流58を絞り得る。過給空気40と冷媒との間の熱交換のためには、過給空気通路88が部分的に扁平管70から形成される。この扁平管70は壁90を互いに結合している。扁平管70には、極めて小さな直径を備えた複数の冷媒通路72が延びている。過給空気通路88の端部には過給空気コレクタ78が設けられている(図4参照)。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明による空調装置の概略図である。
【図2】
三重熱伝達器を示す図である。
【図3】
図2に示したIII−III線に沿った断面を拡大した寸法で示す図である。
【図4】
図2に示したIV−IV線に沿った断面を拡大した寸法で示す図である。
【図5】
図1に対する変化形を示す図である。
【符号の説明】
10 空調装置、 12 コンプレッサ、 14 熱伝達器、 16 ガスクーラ、 18 熱交換器、 20 第1の膨張弁、 22 エバポレータ、 24 コレクタ、 26 空調機器、 28 暖房熱伝達器、 30 結合熱交換器、 32 冷媒循環路、 34 ベンチレータ、 36 ブロワ、 38 第2の膨張弁、 40 過給空気、 42 冷却液循環路、 44 熱ガス弁、 46 切換弁、 48 切換弁、 50 切換弁、 52 切換弁、 54 切換弁、 56 三方弁、 58 冷却空気、 60 空気、 62 冷媒入口、 64 冷媒出口、 66 集合管、 68 薄片、 70 扁平管、 72 冷媒通路、 74 冷却空気通路、 76 レジスタ、 78 過給空気コレクタ、 80 第1のバイパス管路、 82 第2のバイパス管路、 84 第3のバイパス管路、 86 第4のバイパス管路、 88 過給空気通路、 90 壁

Claims (16)

  1. 自動車に用いられる空調装置(10)であって、内燃機関の冷却液循環路(42)に接続された暖房熱伝達器(28)が設けられており、該暖房熱伝達器(28)にブロワ(36)の流れ方向で見てエバポレータ(22)が前置されており、冷媒循環路(32)に設けられたコンプレッサ(12)が、冷房運転の間、冷媒をガスクーラ(16)と膨張弁(20)とを介して圧送するようになっていて、暖房運転の間、冷媒をガスクーラ(16)を迂回して膨張弁(20)を介してエバポレータ(22)に圧送するようになっており、冷却液循環路(42)と冷媒循環路(32)との間に結合熱交換器(30)が設けられている形式のものにおいて、結合熱交換器(30)が、冷媒循環路(32)においてコンプレッサ(12)の吐出し側でガスクーラ(16)の手前に配置されており、該ガスクーラ(16)に対して平行に第1のバイパス管路(80)が設けられており、ガスクーラ(16)と第1のバイパス管路(80)とを通る通流量が、第1のバイパス管路(80)に設けられた切換弁(52)と、ガスクーラ(16)の入口もしくは出口に設けられたそれぞれ1つの切換弁(48,50)とを介して運転パラメータに関連して制御されるようになっており、所定のユニットの媒体ための熱伝達器(14)が、冷媒循環路(32)で膨張弁(20;38)の後方に接続されていて、暖房運転において熱源として働くようになっていることを特徴とする、空調装置。
  2. 熱伝達器(14)が、エバポレータ(22)に対して平行に第2のバイパス管路(82)に配置されている、請求項1記載の空調装置。
  3. 第2のバイパス管路(82)で熱伝達器(14)の手前に第2の膨張弁(38)が配置されている、請求項2記載の空調装置。
  4. 第2のバイパス管路(82)が、冷媒の流れ方向で見て第1の膨張弁(20)の後方で分岐しており、分岐部に三方弁(56)が配置されている、請求項2記載の空調装置。
  5. 熱伝達器(14)を冷媒循環路(32)から完全にまたは部分的に分離することができる弁(38,56)が設けられている、請求項1から4までのいずれか1項記載の空調装置。
  6. 熱伝達器(14)が、チャージャの媒体の過給空気(40)を冷却するために働くようになっている、請求項1から5までのいずれか1項記載の空調装置。
  7. 冷媒が、超臨界的な圧力で放熱を行う媒体である、請求項1から6までのいずれか1項記載の空調装置。
  8. 冷媒が二酸化炭素である、請求項7記載の空調装置。
  9. ガスクーラ(16)の出口に設けられた切換弁(50)が、逆止弁として形成されている、請求項1から8までのいずれか1項記載の空調装置。
  10. 冷媒循環路(32)で結合熱交換器(30)の手前に熱ガス弁(44)が設けられている、請求項1から9までのいずれか1項記載の空調装置。
  11. 熱ガス弁(44)の手前で第3のバイパス管路(84)が分岐しており、該第3のバイパス管路(84)が、結合熱交換器(30)を迂回していて、切換弁(46)を有している、請求項10記載の空調装置。
  12. 熱伝達器(14)が、三重熱伝達器として形成されていて、冷却空気(58)によって通流されるようになっている、請求項1から11までのいずれか1項記載の空調装置。
  13. 熱伝達器(14)を通る冷却空気流(58)が、レジスタ(76)によって絞られるようになっているかまたは遮断されるようになっている、請求項12記載の空調装置。
  14. 熱伝達器(14)が、マイクロ構造で製作されている、請求項1から13までのいずれか1項記載の空調装置。
  15. 熱伝達器(14)が、冷却空気通路(74)を有しており、該冷却空気通路(74)が、過給空気通路(88)と共に共通の壁(90)を有しており、該共通の壁(90)が、冷媒通路(72)を有する扁平管(70)と一緒に過給空気通路(88)を形成している、請求項12から14までのいずれか1項記載の空調装置。
  16. 過給空気通路(88)内に薄片(68)が配置されている、請求項15記載の空調装置。
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