JP2005528283A - 自動車用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷媒を通すことのできる複数の熱交換器を備えた冷媒回路を有する自動車用空調装置を改良する。
【解決手段】 自動車用空調装置が、冷媒を通すことのできる複数の熱交換器を備えた冷媒回路（１）を有し、そのうち１つの熱交換器（１２）が同時に冷媒回路の一部であり、必要に応じて、暖房運転時に停止される冷媒回路（１）部分から暖房運転時動作中の冷媒回路（１）部分内への冷媒還流部が設けられる。前述の空調装置を運転するための方法であって、少なくとも暖房運転のとき、暖房運転時動作中の冷媒回路（１）部分内の冷媒需要が検出され、暖房運転時停止される別の冷媒回路（１）部分から適宜に冷媒が取り出され、暖房運転時動作中の冷媒回路（１）部分へと供給される。

Description

本発明は、冷媒を通すことのできる複数の熱交換器を備えた冷媒回路を有する自動車用空調装置であって、そのうち１つの熱交換器が同時に冷媒回路の一部であるものに関する。

特に低燃費車では寒い日、走行開始時に加熱するとき暖房能力不足がしばしば現れ、そのことが補助暖房措置の使用を必要とする。自動車のエネルギー消費量を減らしてエネルギーを節約するために低燃費車の空調装置内で熱ポンプシステムが使用される。多くの熱ポンプが熱源として周囲空気を利用する。ここでは周囲熱が加熱に利用可能とされるので、このようなシステムは有利なエネルギー消費量を有することができる。外気温度が下がると、このような熱ポンプの熱供給も低下する。これは周囲温度の低下に伴って上昇する補助暖房需要と矛盾しており、このような熱ポンプシステムはそれが出力需要をもはやカバーできなくなる利用限界に間もなく到達する。例えば熱交換器が着霜もしくは着氷して周囲空気から熱を奪う等の他の問題が付加的措置を必要とする。

多くの熱ポンプは、冷房運転時にキャブ流入空気を冷却する蒸発器も、暖房運転時にキャブ流入空気を暖めるヒータとして付加的に利用する。しかしこれは、冷房除湿時に蒸発器／ヒータに凝縮水が生じる欠点を有する。この湿った蒸発器が暖房に使用されると、窓ガラスが曇る（フラッシュフォギング）。これは安全上の理由から絶対に避けねばならない。暖房と冷房が時間的に接近して連続するこのような状況は春や秋の季節の変わり目にしばしば現れる。

制約なしに信頼できる対策はこの場合、例えば特許文献１に述べられているように、蒸発器がもっぱら冷房と除湿とに使用される一方、暖房にのみ使用される流入空気流中に他の熱交換器を追加することのみが提供する。

エンジン廃熱によって温められるエンジン冷却水が熱源として利用される場合、システムは周囲条件にそんなに強くは依存していない。というのも、エンジン冷却水はしだいに迅速に温められ、こうして豊富で高性能の熱源が熱ポンプ用に用意できるからである。そのことは例えば特許文献２に開示されている。

特許文献３では、一方でエンジン廃熱を熱源として（例えばエンジン冷却水も）使用することが提案され、他方で独自の熱交換器を介してキャブ流入空気に熱を伝達することが提案される。このようなシステムは少なくとも４つの熱交換器を含む：
１．冷房運転時にサイクルの廃熱を周囲に排出する熱交換器（これは凝縮性作動媒体を有する従来の装置では凝縮器と称され、超臨界で運転されるＣＯ_２装置ではガス冷却器と称される）、
２．冷房運転のときキャブ流入空気を冷やして除湿する蒸発器、
３．暖房運転のときキャブ流入空気を暖める熱交換器（ヒータ）、
４．暖房運転のときエンジン廃熱を吸収する熱交換器（熱ポンプ‐蒸発器）。

超臨界ＣＯ_２プロセスでは、出力と効率を高めるために、高圧側と低圧側との間で熱を交換する内部熱交換がなお設けられている。

従って暖房運転時、冷房運転時にはその都度２つの熱交換器が作動し、残り２つは作動していない。それとともに一方で両方の運転状態において冷媒需要がきわめて異なることがある。暖房運転時、冷たい周囲空気と接続された停止中の構成要素内で冷媒が完全に凝縮することがあり、暖房運転時には冷媒需要が最大となる。停止された分岐の完全遮断は冷媒の移動を確実には阻むことができない。というのも、弁類の僅かな漏れまたは切換時の不都合な状況によってかなりな量が冷媒回路のこれら停止された部分内に達し得るからである。この冷媒移動は基本的に十分な冷媒量を確保しまた十分に大きな受液器によってこの冷媒量を緩衝することによって起きることがある。しかしこれは構造空間上の理由から、特に二酸化炭素の有毒な冷媒の場合安全上の理由から避けねばならない。
独国特許発明第３９０７２０１号明細書 独国特許発明第３６３５３５３号明細書 独国特許出願公開第１９６４４５８３号明細書

本発明の課題は、前記諸欠点を防止し、改良された冷媒回路を提供することである。

この課題は、必要に応じて暖房運転時に停止される冷媒回路部分から暖房運転時動作中の冷媒回路部分内への冷媒還流部が設けられる特徴を有する空調装置によって解決される。有利な諸構成は従属請求項の対象である。

発明の実施の形態

本発明によれば、空調装置の冷媒回路中に、必要なら、暖房運転時に必要とされない冷媒回路部分から暖房運転時に動作中の冷媒回路部分内への冷媒還流部が設けられている。こうして、停止された冷媒回路部分内への冷媒移動は克服することができる。停止された冷媒回路部分内に冷媒損失を埋め合わせるために大量の冷媒を貯蔵する必要はない。

冷媒還流にとって障害となるのは運転の過程でエンジン冷媒の温度に伴って上昇する吸込圧力であり、停止された冷媒回路部分は圧縮機の吸込側と接続することによって空になるまで吸い込むことができない。この問題は主に、熱源となる冷媒の流入部から熱ポンプ‐蒸発器が分離可能であることによって解決される。主にエンジン‐冷媒回路である冷媒回路から熱ポンプ‐蒸発器を分離すると、熱ポンプ‐蒸発器が冷え、それに伴って吸込圧力が低下する。停止された冷媒回路部分内の周囲温度によって決まる蒸気圧力よりも吸込圧力が低い場合、冷媒はそこから冷媒回路の動作部分内に流れ、こうして冷媒回路に還流することができる。

主に、冷媒需要を検出するための手段、特に、暖房運転時に冷媒を流通させる冷媒回路部分内に十分な冷媒が存在するか否かを検出するための手段が設けられており、これらが冷媒の状態を監視する。これは主に少なくとも１つの温度センサまたは圧力センサである。

温度センサは主に冷媒回路中で、冷媒の流れ方向に見て圧縮機の下流、ヒータの上流に配置されている。圧力センサは主に冷媒回路中で、冷媒の流れ方向に見て圧縮機の上流に配置されている。

付加的に以下のパラメータ「熱ポンプ‐蒸発器の冷媒温度」、「熱ポンプ‐蒸発器上流の冷媒温度」、「熱ポンプ‐蒸発器下流の冷媒温度」、「圧縮機回転数」、「空調装置内の空気温度」、「高圧」および／または「吸込圧力」も、監視のため評価することができる。

主に冷媒回路中に逆止め弁が設けられており、この逆止め弁は暖房運転時動作中の冷媒回路部分を暖房運転時停止される冷媒回路部分から分離し、かつ冷媒還流運転のとき、暖房運転時停止される冷媒回路部分から暖房運転時動作中の冷媒回路部分へと冷媒を流通させる。

相応する空調装置を運転するとき冷媒需要を検出するために高温ガス温度および／または吸込圧力および／または熱ポンプ‐蒸発器下流の冷媒過熱が監視され、高温ガス温度閾値を上まわると、または吸込圧力閾値を下まわると、または熱ポンプ‐蒸発器出口の冷媒過熱用閾値を上まわると、冷媒還流運転が開始される。主に、所定時間後、または所定の（外気温度および圧縮機回転数に依存した）最小加熱出力を下まわると、冷媒還流の最後が終了される。さらに、停止された冷媒回路部分内に過度に多くの冷媒が入れられたことを検出するために相応する手段が設けられている。相応する状態が検出されると、停止された冷媒回路部分から冷媒回路動作部分内に、最適運転が再び可能となるような多くの冷媒が還流される。

主に、冷媒還流時、暖房運転時に非動作冷媒回路部分内の膨張弁が閉じられ、通気が循環空気に切り換えられる。これにより蒸発器内の圧力が高まり、この措置によって冷媒還流が加速される。これが十分でなく、十分な還流を達成する前に吸込圧力が相応に強く低下すると、主に前記膨張弁が再び開放され、するとガス冷却器も空になるまで吸い込まれる。

主に冷媒還流運転時にガス冷却器を空になるまで吸い込むとき、冷媒回路の一部であるガス冷却器に周囲空気を付加するために付属するファンがオンにされる。これによりガス冷却器はそのなかで冷媒が蒸発する間そんなに迅速には冷えず、吸込圧力はファン運転なしの場合よりも高いレベルに留まる。ファン投入によって冷媒還流が全体として加速される。

主に暖房運転時、冷媒回路中の吸込圧力が上限界値を上まわると、熱ポンプ‐蒸発器が冷媒回路から分離される。限界値を上まわるとは、動作冷媒回路が過剰充填されていることを示す。高い吸込圧力は暖房運転時に前記過剰充填状態において同時に冷媒温度が高いとき現れることがある。熱交換器の分離によって吸込圧力が再び低下し、これにより許容吸込圧力値を上まわることは防止される。引き続き吸込圧力が所定閾値以下に下がると、熱ポンプ‐蒸発器は再び冷媒回路に接続することができる。

選択的に蒸発器内の冷媒流を介して吸込圧力は調整可能であり、蒸発器内の冷媒流を変更することによって一定値に、主に可能な最大値に、安定的に調整することができる。これにより、上記２点制御において現れることのあるような運転状態の変動が防止される。有利な実施形態において蒸発器内の最大冷媒流は最大吸込圧力に相当する。冷媒流はサイクル弁または比例弁によって調整される。

以下、図面を参考に１実施例を基に本発明が詳しく説明される。

図１は冷房運転時の空調装置冷媒回路１を示しており、管路システムの動作部分、すなわち運転中の部分は停止された部分よりも太く示してあり、流れ方向は矢印で示唆されている。冷媒回路１内で冷媒は圧縮機２から出て、開放された切換弁ＳＶ２を介してガス冷却器３に送られ、そこで周囲に熱を放出する。そこから冷媒は内部熱交換器４へと流れ、そこで圧縮機吸込ガス、すなわち圧縮機２に引き続き再び供給される気体冷媒と熱交換してさらに冷やされる。冷媒は膨張弁ＸＶ１によって減圧され、蒸発器５内で蒸発し、同時にキャブ流入空気が冷やされる。逆止め弁ＲＶ、冷媒受液器６および内部熱交換器４を介して冷媒は引き続き再び圧縮機２へと流れる。

この運転時、冷媒回路１の一部のみが流通させる。冷媒回路１のうち流通させない部分、すなわち停止された部分中にヒータ１１、すなわち暖房運転時にキャブ流入空気を暖める熱交換器と、第２膨張弁ＸＶ２と、熱ポンプ‐蒸発器１２、すなわち暖房運転時に空調装置のやはり一部たるエンジン‐冷媒回路５１を介して供給されるエンジンＭのエンジン廃熱を吸収する熱交換器と、切換弁ＳＶ１が配置されている。この運転状態のとき切換弁ＳＶ１は閉じている。

空調装置のエンジン‐冷媒回路５１は図には不完全に示してあるだけであり、冷媒‐循環ポンプ５２を備えた加熱回路、第１冷媒弁ＨＲＶ１、加熱体５３、第２冷媒弁ＨＲＶ２、熱ポンプ‐蒸発器１２、そしてエンジンＭを含むだけである。エンジン‐冷媒回路５１は基本的に別の構成としておくこともできる。エンジンサーモスタットやラジエータに至る回路等の他の分岐も図示されていない。

冷媒弁ＨＲＶ１は冷房運転時、最大冷凍出力が求められるとき閉じているが、しかしいわゆる再熱運転時に蒸発器５内での冷却（および大抵は除湿）に引き続いて加熱体５３内で空気が再び暖められねばならないとき、周期的にまたは部分的に開放しておくことができる。

ヒータ１１、蒸発器５、加熱体５３は、ふつう自動車のインストルメントパネル内に配置される空調装置５４（破線で図示）の一部である。図示しない送風機を介して循環空気または新鮮空気は空調装置５４内を移送することができ、空気は蒸発器５内で冷やされ、ヒータ１１および加熱体５３によって暖めることができる。空調装置５４内で温度調節された空気は好適な吐出し口（図示せず）を介して車室内に供給することができる。

冷房運転時熱ポンプ‐蒸発器１２は低いシステム圧力にあり、ヒータ１１は第２膨張弁ＸＶ２の開放によってやはり蒸発器圧力レベルに置くことができるので、冷房運転時に必要とされない冷媒回路１部分内への液体冷媒の移動は現れない。熱ポンプ‐蒸発器１２も、ヒータ１１も、最も低いシステム圧力に相当する凝縮温度よりも高い温度である。

膨張弁ＸＶ２を遮断可能な膨張弁として形成し、切換弁ＳＶ１を無電流時閉じる切換弁として形成することによってヒータ１１の完全遮断が可能であり、これは実際的安全コンセプトに合致している。膨張弁が遮断可能でなく、特に下流で気密でない場合、逆止め弁を付け加えることによって逆方向の流通は防止することができる。切換弁ＳＶ１が付加的に下流で開放されるように形成されている場合、切換弁ＳＶ１と膨張弁ＸＶ２との間に許容外の高圧が発生することは防止することができる。選択的に切換弁ＳＶ１と切換弁ＳＶ２との組合せは３ポート２位置切換弁として実現することができ、ＳＶ１が無電流時閉、下流で開放との性質はここでも妥当すべきである。

図２は空調装置の暖房運転を示す。その際冷媒は高い圧力と高い温度で圧縮機２から出て、いまや開放された切換弁ＳＶ１を介してヒータ１１に送られ、そこで冷やされ、キャブ流入空気を暖める。引き続き冷媒は膨張弁ＸＶ２において低いシステム圧力に絞られ、熱ポンプ‐蒸発器１２内で蒸発し、そこでエンジン‐冷媒回路５１の冷媒から熱を吸収する。この目的のために冷媒弁ＨＲＶ２は熱ポンプ‐蒸発器１２にエンジン冷媒が付加されるように切り換えられている。運転条件に応じて、冷媒は湿り蒸気（すなわち液体成分と相平衡な蒸気）として、または多かれ少なかれ過熱されて、熱ポンプ‐蒸発器１２から出ることができる。特に、エンジン冷媒温度が高いとき過熱が起きる。この過熱は冷媒回路１内を循環する冷媒量にも依存しており、これは冷媒回路１の動作部分内での冷媒不足を検知するのに利用することができる。引き続き吸込気体は受液器６へと流れ、（この運転様式のとき機能しない）内部熱交換器４を通して圧縮機２へと流れる。

冷媒弁ＨＲＶ１の機能は実際の暖房需要に従い、要求に応じて完全開放、部分開放、またはまったく閉じておくことができる。この切換時に熱ポンプ‐蒸発器１２はエンジン冷媒側で加熱体５３の下流で切り換えられている。しかし別の接続、例えば加熱体の上流、またはエンジン‐冷媒回路５１の自立した部分回路内での接続も考えられる。エンジン‐冷媒回路５１とは独立した熱源への接続も考えられる。

逆止め弁ＲＶは、冷媒が冷たい蒸発器５内に達し、場合によっては下流で膨張弁ＸＶ１を通して冷たいガス冷却器３内に達してそこに溢れることを防止する。しかしながらこれは完全には成功せず、逆止め弁ＲＶの有限な気密性によって冷媒は、ごくゆっくりとではあるが、冷媒回路１の停止された部分（蒸発器５とガス冷却器３）内に絶えず流れる。それゆえに冷媒は時々吸い出されねばならない。冷媒回路１の動作部分内の冷媒容量が減少するのに伴って、‐冷媒不足のない運転と比較して‐熱ポンプ‐蒸発器１２での過熱が増し、圧縮機２の出口での冷媒温度も冷媒不足なしの状態のときよりも高い。この温度と特性線図に蓄えられ吸込圧力、高圧および冷媒温度（または前記変量の単に幾つか）に依存することのある目標温度との比較は、冷媒回路１の動作部分内への冷媒還流の需要を検知することを可能とする。

選択的に動作冷媒回路内での冷媒不足は、所定の公差範囲から吸込圧力が逸脱することによって、または熱ポンプ‐蒸発器１２下流の冷媒過熱が所定の公差範囲から逸脱することによって検知することができる。

公差範囲は複数のパラメータ、熱ポンプ‐蒸発器１２の入口での冷媒温度に実質的に依存しており、しかし選択された高圧、圧縮機回転数またはヒータ１１での空気温度にも依存していることがある。

強く不安定な運転状態（例えばエンジン回転数、従って圧縮機回転数が変化するとき等の）は一時的に、冷媒不足と間違うような冷媒回路１内の諸条件をもたらすことがある。それゆえに、データの適宜なフィルタリング（例えば時間的に僅かに変化する回転数の要求）によって、十分定常的な運転状態の観察によってのみ冷媒還流が開始されることをもたらすことができる。

冷媒還流時の状況が図３に示してある。その際、暖房運転時と同様に切換弁ＳＶ１が開放され、切換弁ＳＶ２が閉じている。暖房運転時に停止される冷媒回路１部分から冷媒を吸い出すために吸込圧力はガス冷却器３および蒸発器５内で周囲温度によって決定される圧力よりも低くなるように下げられねばならない。これは最も簡単にはエンジン‐冷媒回路５１内で冷媒弁ＨＲＶ２が、熱ポンプ‐蒸発器１２をもはやエンジン冷媒が貫流しないように切り換えられていることによって達成される。熱がもはや供給されないので、熱ポンプ‐蒸発器１２が冷え、従って吸込圧力も低下する。圧縮機２の吸込圧力が蒸発器５内の圧力よりも低いとき、逆止め弁ＲＶが開き、蒸発器５が空にされる。付加的に膨張弁ＸＶ１が開放されると、ガス冷却器３とガス冷却器３、膨張弁ＸＶ１間の管路も空にされる。

熱ポンプは吸出しの間引き続き、ゆっくりとのみ低下する加熱出力を提供し、補助暖房機能の始まりを利用者が確認することはない。

冷媒弁ＨＲＶ１の機能は実際の暖房需要に合わせられ、要求に応じて完全開放、部分開放またはまったく閉じておくことができる。

冷媒還流の最後は複数の可能性によって確認することができる。

・高温ガス温度が閾値を下まわる、
・吸込圧力が閾値を下まわる（場合によっては周囲温度および圧縮機回転数に依存）、
・所定時間後に冷媒還流が終了、
・所定の最低加熱出力を下まわるとき冷媒還流が終了（外気温度および圧縮機回転数に依存）。

冷房運転時の空調装置の本発明に係る回路を示す。 暖房運転時の図１の回路を示す。 冷媒還流時の図１の回路を示す。

符号の説明

１ 冷媒回路
２ 圧縮機
３ ガス冷却器
４ 内部熱交換器
５ 蒸発器
６ 受液器
１１ ヒータ
１２ 熱ポンプ‐蒸発器
５１ エンジン‐冷媒回路
５２ 冷媒‐循環ポンプ
５３ 加熱体
５４ 空調装置
ＨＲＶ１、ＨＲＶ２ 冷媒弁
Ｍ エンジン
ＲＶ 逆止め弁
ＳＶ１、ＳＶ２ 切換弁
ＸＶ１、ＸＶ２ 膨張弁

Claims (20)

1. 冷媒を通すことのできる複数の熱交換器を備えた冷媒回路（１）を有する自動車用空調装置であって、そのうち１つの熱交換器（１２）が同時に冷媒回路の一部であり、必要に応じて暖房運転時に停止される冷媒回路（１）部分から暖房運転時動作中の冷媒回路（１）部分内への冷媒還流部が設けられることを特徴とする空調装置。
2. 冷媒還流運転用熱交換器（１２）が冷媒回路の流入部から分離可能であることを特徴とする、請求項１記載の空調装置。
3. 冷媒回路がエンジン‐冷媒回路（５１）であることを特徴とする、請求項１または２記載の空調装置。
4. 冷媒需要を検出するための手段が設けられていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の空調装置。
5. 暖房運転時に冷媒を流通させる冷媒回路（１）部分内に十分な冷媒が存在するか否かを検出するための手段を特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の空調装置。
6. 冷媒需要検出手段として単数または複数の温度センサおよび／または圧力センサが設けられていることを特徴とする、請求項４または５のいずれか記載の空調装置。
7. 冷媒回路中の温度センサが、冷媒の流れ方向に見て圧縮機（２）の下流、ヒータ（１１）の上流に配置されていることを特徴とする、請求項６記載の空調装置。
8. 冷媒回路中の圧力センサが、冷媒の流れ方向に見て圧縮機（２）の上流に配置されていることを特徴とする、請求項６記載の空調装置。
9. 冷媒回路（１）中に逆止め弁（ＲＶ）が設けられており、この逆止め弁は暖房運転時動作中の冷媒回路（１）部分を暖房運転時停止される冷媒回路（１）部分から分離し、かつ冷媒還流運転のとき、暖房運転時停止される冷媒回路（１）部分から暖房運転時動作中の冷媒回路（１）部分へと冷媒を流通させることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の空調装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項記載の空調装置を運転するための方法であって、少なくとも暖房運転のとき、暖房運転時動作中の冷媒回路（１）部分内の冷媒需要が検出され、暖房運転時停止される別の冷媒回路（１）部分から適宜に冷媒が取り出され、暖房運転時動作中の冷媒回路（１）部分へと供給される方法。
11. 冷媒需要を検出するために少なくとも１つのパラメータまたは任意のパラメータ組合せが監視され、監視されたパラメータが高温ガス温度および／または吸込圧力および／または冷媒温度、特に蒸発器出口の冷媒温度および／または高圧および／または圧縮機回転数を含むことを特徴とする、請求項１０記載の方法。
12. 前記パラメータを監視するために閾値が設定可能であり、監視時、設定可能な閾値を上まわりおよび／または下まわることが検知されることを特徴とする、請求項１１記載の方法。
13. パラメータおよび／またはパラメータ組合せによって決定される特性線図から閾値を導き出すことができることを特徴とする、請求項１２記載の方法。
14. 所定時間後、または所定の最小加熱出力を下まわると、または高温ガス温度閾値または吸込圧力閾値を下まわると、冷媒還流が終了されることを特徴とする、請求項１０から１３のいずれか１項記載の方法。
15. 暖房運転時動作中の冷媒回路（１）部分内の膨張弁（ＸＶ１）が閉じられ、空調装置内の空気案内が循環空気に切換えられることを特徴とする、請求項１０〜１４のいずれか１項記載の方法。
16. 設定可能な吸込圧力を下まわると膨張弁（ＸＶ１）が再び開放されることを特徴とする、請求項１５記載の方法。
17. ガス冷却器（３）に空気を付加するためにファンが投入されることを特徴とする、請求項１０〜１６のいずれか１項記載の方法。
18. 暖房運転で熱交換器（１２）の運転時、吸込圧力によって上限界値を上まわるとこの熱交換器（１２）が冷媒回路から分離されることを特徴とする、請求項１０〜１７のいずれか１項記載の方法。
19. 吸込圧力によって第２限界値を下まわると熱交換器（１２）が再び冷媒回路に接続されることを特徴とする、請求項１８記載の方法。
20. 蒸発器内の冷媒流を介して一定した吸込圧力が調整可能であることを特徴とする、請求項１０〜１９のいずれか１項記載の方法。
    
    

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