JP2007501739A - Air conditioner - Google Patents
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Abstract
本発明は、内燃機関(12)を備えた自動車のための空調装置(10)であって、該空調装置(10)が主として加熱熱交換器(38)、エバポレータ(40)および排気熱交換器(22,78)を冷媒回路(26)内に有しており、暖房運転中、排気熱交換器(22,78)内で加熱される冷媒が加熱熱交換器(38)を介して、かつ冷房運転中、周囲熱交換器(44)内で冷却された後、膨張装置(46)およびエバポレータ(40)を介して導かれる形式のものから出発する。本発明により、冷媒が、低温で沸騰する冷媒であり、排気熱交換器(22,78)の通流後、駆動手段として、冷媒を圧送するための少なくとも1つの装置(30,42)に供給されるようにした。 The present invention is an air conditioner (10) for an automobile equipped with an internal combustion engine (12), the air conditioner (10) mainly comprising a heating heat exchanger (38), an evaporator (40) and an exhaust heat exchanger. (22, 78) in the refrigerant circuit (26), during the heating operation, the refrigerant heated in the exhaust heat exchanger (22, 78) passes through the heating heat exchanger (38), and During cooling operation, it starts from the type led after being cooled in the ambient heat exchanger (44) and then led through the expansion device (46) and the evaporator (40). According to the present invention, the refrigerant is a refrigerant that boils at a low temperature, and is supplied to at least one device (30, 42) for pumping the refrigerant as drive means after passing through the exhaust heat exchanger (22, 78). It was made to be.
Description
背景技術
本発明は、請求項1の上位概念部に記載された形式の空調装置から出発する。
The invention starts from an air conditioner of the type described in the superordinate conceptual part of claim 1.
内燃機関により駆動される車両において、空調装置はますます一般的なものと成りつつある。冷熱発生のために、電気的な駆動装置または内燃機関による機械的な駆動装置を備えた圧縮式冷却装置が使用される。使用される冷媒は圧倒的に炭化水素、例えばR134aである。その際、自動車内気への熱伝達は液体/空気熱交換器により実施される。この液体/空気熱交換器はエバポレータ(蒸発器)とも呼ばれる。択一的な冷媒、例えば二酸化炭素(CO2、R744)への移行が、現在使用されている炭化水素の低い環境親和性のために予測され得る。150よりも小さなGWP(Global Warming Potential:地球温暖化係数)を有する冷媒の使用に関する、欧州連合(EU)の法規草案が既に存在する。炭化水素の代替品として議論されているCO2は、必要な高い圧力に基づいて、明らかに多くの手間がかかる複雑な移動式の空調装置につながる。R152aのような燃焼可能な冷媒は、安全上の理由から、また確かに低いけれども、それでも尚存在するGWPに基づいて好まれない。 In vehicles driven by internal combustion engines, air conditioners are becoming increasingly common. In order to generate cold heat, a compression cooling device having an electric drive device or a mechanical drive device by an internal combustion engine is used. The refrigerant used is predominantly a hydrocarbon, for example R134a. In this case, heat transfer to the car interior air is performed by a liquid / air heat exchanger. This liquid / air heat exchanger is also called an evaporator. Transition to alternative refrigerants such as carbon dioxide (CO 2 , R744) can be expected due to the low environmental affinity of currently used hydrocarbons. Than 150 small GWP: the use of refrigerants having a (G lobal W arming P otential global warming), regulations draft of the European Union (EU) already exists. CO 2 , which is being discussed as an alternative to hydrocarbons, leads to complex mobile air conditioners that are obviously more labor-intensive based on the high pressures required. Combustible refrigerants such as R152a are not preferred for safety reasons and certainly low, but still based on the existing GWP.
EP0945291A1号明細書から、自動車の利用空間を暖房および冷房するための装置および方法が公知である。冷媒は暖房運転中圧縮器により圧縮され、3ポート2位置弁を介してエバポレータに到達する。エバポレータで、冷媒は、圧縮により生ぜしめられた熱の一部を、比較的低温の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向かって流動する。膨張装置で、冷媒は、下流に配置されたガス冷却器で熱を周囲空気から受容し得るようになるまで冷却される。さらなる熱が冷媒に、下流に接続された排気熱交換器で供給される。排気熱交換器は内燃機関の高温の排気で負荷される。排気熱交換器から冷媒は再び圧縮器に到達する。これにより、冷媒回路は閉鎖されている。 From EP 0 945 291 A1, an apparatus and a method for heating and cooling a use space of a motor vehicle are known. The refrigerant is compressed by the compressor during the heating operation, and reaches the evaporator via the 3-port 2-position valve. In the evaporator, the refrigerant releases a part of the heat generated by the compression to the vehicle interior air having a relatively low temperature. The refrigerant flows from the evaporator toward the expansion device. In the expansion device, the refrigerant is cooled in a gas cooler located downstream until heat can be received from the ambient air. Further heat is supplied to the refrigerant in an exhaust heat exchanger connected downstream. The exhaust heat exchanger is loaded with the hot exhaust of the internal combustion engine. The refrigerant reaches the compressor again from the exhaust heat exchanger. Thereby, the refrigerant circuit is closed.
冷房運転中、冷媒は圧縮後周囲熱交換器に流入し、そこで低温の周囲空気により負荷される。その後、冷媒は膨張装置を通流し、そこで膨張され、後続の内室熱交換器で、利用空間に供給される比較的温かい利用空間空気により負荷される。その後、温められた冷媒はコンプレッサに還流する。コンプレッサは内燃機関の駆動軸により駆動される。コンプレッサ出力により、内燃機関の実効出力は減じられる。さらに、燃料消費は増加する。 During cooling operation, the refrigerant flows after compression into the ambient heat exchanger where it is loaded with cold ambient air. Thereafter, the refrigerant flows through the expansion device, is expanded there, and is loaded with the relatively warm utilization space air supplied to the utilization space in the subsequent internal heat exchanger. Thereafter, the warmed refrigerant returns to the compressor. The compressor is driven by the drive shaft of the internal combustion engine. The effective output of the internal combustion engine is reduced by the compressor output. In addition, fuel consumption increases.
発明の利点
本発明によれば、冷媒、有利にはアルコール/水混合物が、低温で沸騰する冷媒であり、駆動手段として、排気熱交換器の通流後、冷媒を圧送するための少なくとも1つの装置に供給される。そのような冷媒の使用は僅かな温室効果およびゼロに等しいGWPの利点を提供する。さらに、必要なシステム圧は相応の設計時に負圧領域に、または従来慣用のR134aを利用した空調装置よりも明らかに低い圧力領域にある。このことは高圧装置、例えば冷媒として二酸化炭素(R744)を有する高圧装置に対して、かなりの安全上の利点を意味する。
Advantages of the invention According to the invention, the refrigerant, preferably an alcohol / water mixture, is a refrigerant boiling at a low temperature and, as drive means, at least one for pumping the refrigerant after passing through the exhaust heat exchanger. Supplied to the device. The use of such a refrigerant provides the benefits of GWP equal to a slight greenhouse effect and zero. Furthermore, the required system pressure is in the negative pressure region at the time of the corresponding design, or in a pressure region clearly lower than the air conditioner using the conventional R134a. This represents a considerable safety advantage over high pressure devices, for example high pressure devices with carbon dioxide (R744) as refrigerant.
排気熱交換器は簡単な熱サイホン式の構成でまたは弁制御式の構成で使用されることができる。冷媒は排気熱交換器で、車両の空調のために必要なエネルギを排気から受容する。有利には、ポンプ、いわゆる「フィードポンプ」は冷媒を排気熱交換器に供給する。ポンプは有利にはロータリーピストンポンプ、例えば歯車ポンプ、ベーンポンプまたはこれに類するものである。冷媒を圧送するための装置に数えられ、電動モータまたは有利にはベーンモータであることができるモータは、駆動軸を介してポンプを駆動する。モータおよびポンプは実質的に同じ外径を有しており、1つの構成ユニットにまとめられていることができる。冷媒はベーンモータの駆動手段として役立ち、排気熱交換器から液体または蒸気として取り出されることができる。本発明による空調装置では、冷媒を圧送および圧縮するためのエネルギが内燃機関の駆動軸で取り出されるわけではないので、空調装置により、内燃機関の出力に影響が及ぼされることはない。 The exhaust heat exchanger can be used in a simple thermosyphonic configuration or in a valve-controlled configuration. The refrigerant is an exhaust heat exchanger and receives energy necessary for air conditioning of the vehicle from the exhaust. Advantageously, a pump, a so-called “feed pump” supplies refrigerant to the exhaust heat exchanger. The pump is preferably a rotary piston pump, such as a gear pump, a vane pump or the like. A motor, counted in the device for pumping the refrigerant, which can be an electric motor or advantageously a vane motor, drives the pump via a drive shaft. The motor and pump have substantially the same outer diameter and can be combined into one component unit. The refrigerant serves as a drive means for the vane motor and can be removed from the exhaust heat exchanger as liquid or vapor. In the air conditioner according to the present invention, the energy for pumping and compressing the refrigerant is not extracted by the drive shaft of the internal combustion engine, so that the output of the internal combustion engine is not affected by the air conditioner.
冷媒を圧送するための別の装置は有利にはインゼクタポンプである。インゼクタポンプには冷房運転中冷媒回路の管路分岐を介して高温の冷媒蒸気または高温の冷媒液体が排気熱交換器から駆動手段として供給される。インゼクタポンプは吸込管路、膨張弁およびエバポレータを介して冷媒を貯蔵容器から吸込む。駆動蒸気はその前にベーンモータを駆動することができる。冷媒はエバポレータで、車両内に流入する空気を冷却し、その後、インゼクタポンプにより駆動蒸気と共に貯蔵容器に圧送される。 Another device for pumping the refrigerant is preferably an injector pump. During the cooling operation, the injector pump is supplied with high-temperature refrigerant vapor or high-temperature refrigerant liquid as drive means from the exhaust heat exchanger via the branch of the refrigerant circuit. The injector pump sucks refrigerant from the storage container via a suction pipe, an expansion valve, and an evaporator. The driving steam can drive the vane motor before that. The refrigerant is an evaporator that cools the air flowing into the vehicle, and is then pumped to the storage container together with the driving steam by an injector pump.
空調、特に自動車内室の冷房のために、冷媒のためのこれまで必要であったコンプレッサを省略することができる。そのためには、燃焼チャンバから熱交換器により、蒸発された冷媒の形で獲得されるエネルギが、駆動蒸気として、インゼクタ原理にしたがって運転される冷却装置のために使用される。インゼクタポンプは空調コンプレッサに対して比較的安価かつ丈夫なコンポーネントである。電気的なコンプレッサまたは直接内燃機関により駆動されるコンプレッサを省略したことは、従来慣用のコンプレッサ式空調を備えた自動車において結果的に生じる、燃料の大量消費を回避する。そのような燃料の大量消費は、従来慣用の空調を備えた自動車では、空調が必要とされる限り発生してしまう。それというのも、少なくともコンプレッサが空調のカット制御時にも内燃機関により駆動されなければならないからである。 For air conditioning, in particular for cooling the interior of a car, it is possible to dispense with compressors that have been required for refrigerants. For this purpose, the energy obtained in the form of evaporated refrigerant by the heat exchanger from the combustion chamber is used as driving steam for the cooling device operated according to the injector principle. Injector pumps are relatively inexpensive and rugged components for air conditioning compressors. The elimination of an electrical compressor or a compressor driven directly by an internal combustion engine avoids the large consumption of fuel that results in automobiles with conventional compressor air conditioning. Such a large amount of fuel consumption occurs as long as air conditioning is required in an automobile equipped with conventional air conditioning. This is because at least the compressor must be driven by the internal combustion engine during air-conditioning cut control.
排気熱交換器を後にした冷媒蒸気は、ヴィルミエヒートポンプ(Veuillemier−Waermepumpe)のための駆動蒸気としても、または吸収式冷却装置の再生器(Austreiber:いわゆる「発生器」)内でも使用されることができる。 The refrigerant vapor after the exhaust heat exchanger can also be used as driving vapor for a Veilmier-Waumpump or in a regenerator (Austreiber) of an absorption chiller Can do.
暖房運転中、冷媒は加熱熱交換器を通して導かれ、その際、加熱熱交換器を通して車両内に流入する空気を暖める。冷媒の、インゼクタポンプおよび加熱熱交換器への分配は、3方弁によりかつ/または付加的なポンプにより実施される。付加的なポンプは一緒にモータにより駆動され、1つの構成ユニットにまとめられることができる。 During the heating operation, the refrigerant is guided through the heating heat exchanger, and warms the air flowing into the vehicle through the heating heat exchanger. The distribution of the refrigerant to the injector pump and the heat exchanger is performed by a three-way valve and / or by an additional pump. Additional pumps can be driven together by a motor and combined into one component unit.
本発明の別の構成によれば、モータにより駆動される2つのポンプが設けられており、両ポンプのうち、比較的大きな圧送体積を有する第1のポンプが、冷媒を貯蔵容器から排気熱交換器に圧送し、それに対して、比較的小さな圧送体積を有する第2のポンプが、液状の冷媒を排気熱交換器から取り出すために役立つ。このことは、冷媒の、低温で沸騰する成分が、蒸気としてベーンモータの駆動のために排気熱交換器から取り出されることができ、それに対して、比較的高温で沸騰する成分が、駆動蒸気または駆動液体としてインゼクタポンプに冷房運転中供給されるという利点を有している。低温で沸騰する成分はベーンモータから流出した後周囲熱交換器に到達し、そこで凝縮し、別個の貯蔵容器に集められる。この比較的低温で沸騰する成分はその低い沸点に基づいて、特に良好に冷房運転のための冷媒として適している。冷房運転中、この比較的低温で沸騰する成分は膨張弁およびエバポレータを介してインゼクタポンプにより吸込まれる。インゼクタポンプで、低温で沸騰する成分は、比較的高温で沸騰する成分と混合し、一緒に貯蔵容器に到達する。貯蔵容器からフィードポンプが冷媒を再び吸込む。それにより、冷媒は排気熱交換器に圧送される。 According to another configuration of the present invention, two pumps driven by a motor are provided, and the first pump having a relatively large pumping volume of both pumps exchanges heat from the storage container for exhaust heat. A second pump that pumps into the vessel, while having a relatively small pumping volume, serves to remove liquid refrigerant from the exhaust heat exchanger. This means that components of the refrigerant that boil at low temperatures can be removed as vapor from the exhaust heat exchanger for driving the vane motor, whereas components that boil at relatively high temperatures are driven steam or drive It has the advantage that it is supplied to the injector pump as liquid during cooling operation. The components boiling at low temperature flow out of the vane motor and then reach the ambient heat exchanger where they condense and are collected in a separate storage vessel. This component boiling at a relatively low temperature is particularly well suited as a refrigerant for cooling operation based on its low boiling point. During cooling operation, the component boiling at a relatively low temperature is sucked by an injector pump through an expansion valve and an evaporator. In the injector pump, the components boiling at a low temperature are mixed with the components boiling at a relatively high temperature and reach the storage container together. The feed pump draws refrigerant again from the storage container. Thereby, the refrigerant is pumped to the exhaust heat exchanger.
比較的低温で沸騰する成分を有利に、比較的高温で沸騰する成分から排気熱交換器内で分離することができるように、排気熱交換器は、別の有利な構成では、二成分混合物を分離するための精留塔の形で構成されているインサートを有している。 The exhaust heat exchanger is, in another advantageous configuration, a two-component mixture so that components boiling at relatively low temperatures can be advantageously separated from components boiling at relatively high temperatures in the exhaust heat exchanger. It has an insert constructed in the form of a rectifying column for separation.
さらに有利には、少なくとも1つの熱交換器が貯蔵容器と組み合わされている。それにより、構造体積および構造手間は僅かに維持されることができる。 More advantageously, at least one heat exchanger is combined with the storage vessel. Thereby, the structural volume and the structural labor can be maintained slightly.
排気熱交換器は内燃機関および/または燃焼チャンバの排気により負荷されることができる。第1の事例で、排気熱交換器は原則的に内燃機関の排気経路中の任意の箇所に配置されることができる。排気熱交換器が本発明の別の有利な構成により内燃機関のシリンダヘッドに組み込まれると、排気の熱エネルギは直接内燃機関の排気弁で取り出されることができる。これにより、温度的に高く負荷される排気弁は適当に冷却される。排気熱交換器が内燃機関の燃焼室の排気口と排気式ターボチャージャとの間に配置されると、排気流中の排気から、排気式ターボチャージャのタービンの手前で、熱エネルギが取り出され、排気式ターボチャージャの、温度的に高く負荷された駆動側は温度的に負荷軽減される。有利には、排気熱交換器は触媒の下流に配置されることができる。これにより、触媒が熱の取り出しにより時間的に遅れて初めてその運転温度に到達する事態は回避される。 The exhaust heat exchanger can be loaded by the exhaust of the internal combustion engine and / or the combustion chamber. In the first case, the exhaust heat exchanger can in principle be arranged at any point in the exhaust path of the internal combustion engine. If the exhaust heat exchanger is incorporated into the cylinder head of the internal combustion engine according to another advantageous configuration of the invention, the heat energy of the exhaust can be taken directly at the exhaust valve of the internal combustion engine. As a result, the exhaust valve loaded with high temperature is appropriately cooled. When the exhaust heat exchanger is disposed between the exhaust port of the combustion chamber of the internal combustion engine and the exhaust type turbocharger, heat energy is extracted from the exhaust in the exhaust stream before the turbine of the exhaust type turbocharger, The driving side of the exhaust-type turbocharger that is heavily loaded is reduced in temperature. Advantageously, the exhaust heat exchanger can be arranged downstream of the catalyst. This avoids a situation where the catalyst reaches its operating temperature only after a time delay due to heat extraction.
排気の熱エネルギが空調装置の運転のために不十分である場合、排気熱交換器の排気側に燃焼チャンバを接続することが有利である。燃焼チャンバにより、必要なときに、例えばバーナにより付加的なエネルギが供給される。これにより、燃焼チャンバを備えた公知の独立式ヒータ(Standheizung)と同様に、内燃機関の運転に依存しない、内燃機関が停止した車両の空調も可能である。さらに、高い効率を有する自動車内燃機関の昨今のコンセプト、例えばガソリン直接噴射およびディーゼル直接噴射において、一般に電気的に運転される補助ヒータ(Zusatzheizung)の必要を省略する。 If the exhaust heat energy is insufficient for the operation of the air conditioner, it is advantageous to connect a combustion chamber to the exhaust side of the exhaust heat exchanger. The combustion chamber provides additional energy when needed, for example by a burner. This makes it possible to air-condition a vehicle in which the internal combustion engine is stopped, which is not dependent on the operation of the internal combustion engine, as in a known independent heater having a combustion chamber. Furthermore, in the current concept of automotive internal combustion engines with high efficiency, for example gasoline direct injection and diesel direct injection, the need for a generally electrically operated auxiliary heater (Zusatzheung) is omitted.
本発明の別の有利な構成では、排気熱交換器は専ら燃焼チャンバにより排ガスもしくは燃焼ガスにより負荷される。燃焼チャンバは内燃機関に依存することなく独立的に運転されることができる。その結果、自給自足の空調装置が生ぜしめられ、内燃機関を運転することなく冷房かつ/または暖房することができる。さらに、特に液冷式の内燃機関において、自動車ヒータの明らかに迅速な応答が得られる。それというのも、もはや加熱冷却回路全体の高い熱容量が一緒に加熱される必要がなく、別個の燃焼チャンバにより、明らかに僅かな熱容量で設計可能な空調回路だけが加熱されればよいからである。内燃機関の冷却回路と空調装置との分離は冷却回路の設計を簡単化する。それというのも、冷却回路の設計は専ら内燃機関の冷却の観点を充足すればよく、もはや自動車ヒータの観点を充足する必要はないからである。燃焼チャンバが既に内燃機関の始動前に運転され、これにより、自動車のパッセンジャルームが予熱または予冷されることができるので、空調装置は、従来慣用のシステムに比べて明らかに低い冷房ピーク出力および暖房ピーク出力で設計されることができる。 In another advantageous configuration of the invention, the exhaust heat exchanger is loaded exclusively with exhaust gas or combustion gas by the combustion chamber. The combustion chamber can be operated independently without relying on the internal combustion engine. As a result, a self-sufficient air-conditioning apparatus is generated, and cooling and / or heating can be performed without operating the internal combustion engine. Furthermore, a particularly quick response of the automotive heater is obtained, especially in liquid-cooled internal combustion engines. This is because the high heat capacity of the entire heating / cooling circuit no longer needs to be heated together, but only a separate air conditioning circuit with a distinctly small heat capacity can be heated by a separate combustion chamber. . The separation of the cooling circuit and the air conditioner of the internal combustion engine simplifies the design of the cooling circuit. This is because the design of the cooling circuit need only satisfy the viewpoint of cooling the internal combustion engine, and no longer satisfies the viewpoint of the automobile heater. Since the combustion chamber is already operated before the start of the internal combustion engine, so that the passenger room of the vehicle can be preheated or precooled, the air conditioner has a clearly lower cooling peak power and lower than conventional systems. Can be designed with heating peak power.
これまで一般的な自動車空調装置が、内燃機関の冷却もしくは排気熱から運転される暖房回路と、別個のコンプレッサにより運転される冷房回路とに二分割されており、暖房回路と冷房回路とが、一般的な運転状態、すなわち暖房、冷房および除湿のために個々のシステムが対立しないようにしなければならない制御機構により結び付けられていたのに対し、内燃機関の冷却と空調装置との間のこれまで公知のインターフェースを回避するインテグラルなシステムが生ぜしめられる。本発明による空調装置に統合される制御コンセプトは、どのような個々の機能、すなわち暖房または冷房が提供されるのか、または個々の機能のどのような組み合わせ、すなわち暖房、冷房および除湿のどのような組み合わせで、燃焼チャンバの、運転のために使用される燃焼エネルギの出力が熱交換器により提供されるのかに応じて、迅速に機能し、エネルギを節約し、自動車の内燃機関の機能に依存することなく運転される空調装置を提供することを許可する。 Conventionally, a general automobile air conditioner is divided into a heating circuit operated from cooling or exhaust heat of an internal combustion engine and a cooling circuit operated by a separate compressor, and the heating circuit and the cooling circuit are In the past, between the cooling of the internal combustion engine and the air conditioner, it was linked by a control mechanism that had to keep the individual systems in conflict for general operating conditions, i.e. heating, cooling and dehumidification An integral system is created that avoids known interfaces. The control concept integrated into the air conditioner according to the invention is what individual functions are provided, i.e. heating or cooling, or what combination of individual functions, i.e. heating, cooling and dehumidification. In combination, depending on whether the output of the combustion energy used for operation of the combustion chamber is provided by the heat exchanger, it functions quickly, saves energy and depends on the function of the internal combustion engine of the vehicle Allow to provide an air conditioner that can be operated without any problems.
図面
その他の利点は以下の図面の説明から得られる。図面には本発明の実施例が示されている。図面、明細書および特許請求の範囲は多数の特徴の組み合わせを含んでいる。当業者はこれらの特徴を合目的に個別に観察し、有意義な別の組み合わせにまとめることもできる。
図1:空調装置の概略的な構造を示す図である。
図2:燃焼チャンバを備えた、図1の変化形を示す図である。
図3:排気熱交換器の一実施例の概略図である。
図4:図3の変化形を示す図である。
図5:ポンプの駆動装置の概略図である。
図6:冷媒のための排気熱交換器に装入されるインサートを示す図である。
図7:内燃機関とは独立的な燃焼チャンバを備えた、図2の変化形を示す図である。
図8:図3に示した熱交換器の、統合された燃焼チャンバを備えた変化形を示す図である。
図9:図8の変化形を示す図である。
Drawings Other advantages are derived from the following description of the drawings. The drawings show an embodiment of the present invention. The drawings, specification and claims include numerous combinations of features. Those skilled in the art can individually observe these features for purposeful purposes and combine them into other meaningful combinations.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic structure of an air conditioner.
FIG. 2 shows a variation of FIG. 1 with a combustion chamber.
FIG. 3 is a schematic diagram of an embodiment of an exhaust heat exchanger.
FIG. 4 is a diagram showing a variation of FIG.
FIG. 5 is a schematic diagram of a pump drive device.
FIG. 6 is a view showing an insert inserted in an exhaust heat exchanger for refrigerant.
FIG. 7 shows the variant of FIG. 2 with a combustion chamber independent of the internal combustion engine.
FIG. 8 shows a variation of the heat exchanger shown in FIG. 3 with an integrated combustion chamber.
FIG. 9 is a diagram showing a variation of FIG.
実施例の説明
図1に示した本発明による空調装置10は、エネルギに関して、内燃機関12の排気系システムに排気熱交換器22を介して連結されている。内燃機関12はシリンダロー14を有している。シリンダロー14のシリンダは、エキゾーストマニフォールド16、排気管18、触媒20、排気熱交換器22および消音器24を介して、排気を周囲に排出する。排気熱交換器22はシリンダロー14のシリンダヘッドに組み込まれていることができる。図1に示した実施例では、排気熱交換器22は排気経路内に、流動方向で見て触媒20の下流に配置されている。
Description of Embodiments
排気熱交換器22は冷媒回路26に接続されている。ポンプ26、いわゆる「フィードポンプ」は冷媒を貯蔵容器34から排気熱交換器22に圧送する。排気熱交換器22がその運転温度に到達すると、冷媒は排気熱交換器22を冷媒蒸気として後にし、後続の経過中モータ30を駆動する。モータ30は電動モータであることができるが、有利にはベーンモータ80として形成されている(図5)。モータ30は駆動軸32により駆動力に関してポンプ28に結合されている。ポンプ28は有利には歯車ポンプ82として形成されている(図5)。ベーンモータ80および歯車ポンプ82の回転方向は矢印84により暗示されている。回転方向84から得られる冷媒流には符号66を付した。
The
3方弁36はモータ30の下流の冷媒流を2つの管路分岐54,56に分岐する。暖房運転中、冷媒蒸気は管路分岐56および加熱熱交換器38を介して貯蔵容器34内に還流する。その際、加熱熱交換器38で、車両内に流入する空気流52が暖められる。
The three-
冷房運転中、冷媒蒸気は駆動蒸気として管路分岐54を介してインゼクタポンプ42に供給される。インゼクタポンプ42は吸込管路60、膨張弁46およびエバポレータ40を介して冷媒を貯蔵容器34から吸込み、吸込まれた冷媒を駆動蒸気と共に集合管路58および周囲熱交換器44を介して集合容器34内に戻し圧送する。周囲熱交換器44内で、冷媒もしくは冷媒蒸気から、周囲からの空気流50により、熱が奪われる。暖房運転時に車両のための空気流52を除湿するために、ミックス運転が可能である。ミックス運転では、冷媒蒸気の一部分が加熱熱交換器38を通流し、その他の部分が駆動ガスとしてインゼクタポンプ42を負荷する。それにより、空気流52はまずエバポレータ40で冷却され、その後、加熱熱交換器38で、所望の温度にもたらされることができる。
During the cooling operation, the refrigerant vapor is supplied as drive vapor to the
排気熱交換器22として、種々異なる構造形式が使用されることができる。図3には「シェルアンドチューブ型熱交換器(Roehrenwaermetauscher)22」が示されている。シェルアンドチューブ型熱交換器22では、冷媒は、互いに平行に配置されたチューブ74を通して導かれる。チューブ74はその端部で集合ボックス70,72により互いに接続されている。チューブ74および集合ボックス70,72はシェル68内に格納されている。シェル68は排気流48により通流される。その際、熱は排気流48から冷媒流66に伝達される。図4に示した排気熱交換器78はいわゆる「二重管型熱交換器(Mantelwaermetauscher)」78である。二重管型熱交換器78では、冷媒流66が外管室76を通して導かれる。外管室76を通して排気管18が案内されている。それにより、熱エネルギは排気管18から冷媒に伝達される。
Various types of structures can be used as the
図2に示した構成では、モータ30により、2つのポンプ28,64が駆動される。両ポンプ28,64のうち、第1のポンプ28は比較的大きな圧送体積を有しており、冷媒を貯蔵容器34から排気熱交換器22に圧送し、それに対して、比較的小さな圧送体積を有する第2のポンプ64は、冷媒の、一般に比較的高温で沸騰する成分から成る、加熱された液状の冷媒を、排気熱交換器22からインゼクタポンプ42に圧送する。ポンプ28,64は同じ構造形式、有利には回転ポンプであることができ、実質的に、必要な圧送体積に応じて幅だけが異なっていることができる。ポンプ28もしくは両ポンプ28,64は有利にはモータ30と相俟って1つの構成ユニットを形成する。これにより、スペースを節約したコンパクトかつ安価な解決策が得られる。それというのも、とりわけポンプ28,64が実質的にモータ30と同じ外径を有しているからである。冷媒の、低温で沸騰する成分は排気熱交換器22を蒸気形態で後にし、モータ30を駆動する。モータ30の通過後、冷媒蒸気は周囲熱交換器44内で凝縮され、第2の貯蔵容器62に集められる。第2の貯蔵容器62は吸込管路60、膨張弁46およびエバポレータ40を介してインゼクタポンプ42に連通している。ポンプ64が、比較的高温で沸騰する成分を有する冷媒をインゼクタポンプ42に圧送する冷房運転中、インゼクタポンプ42は付加的な貯蔵容器62から冷媒を吸込む。付加的な貯蔵容器62の冷媒は、比較的低温で沸騰する成分から成っており、それゆえ、エバポレータ40内で比較的低い圧力で簡単に蒸発し、冷熱を発生させる。インゼクタポンプ42内で、比較的高温で沸騰する成分から成る冷媒は、比較的低温で沸騰する成分から成る蒸発された冷媒と再び混合され、共通の貯蔵容器34に供給される。
In the configuration shown in FIG. 2, two
冷媒を、比較的低温で沸騰する成分と、比較的高温で沸騰する成分とに分割することにより、比較的高温で沸騰する成分をインゼクタポンプ42のための駆動蒸気または駆動液体として使用することにより、別個の貯蔵容器62からの、比較的低温で沸騰する成分の蒸発および吸込のためのより高い負圧が達成される。貯蔵容器62内の、比較的低温で沸騰する成分は同時にエバポレータ40内で、比較的低いエバポレータ温度、ひいては冷却能力の改善を許可する。周囲熱交換器44の代わりに、図1に示した加熱熱交換器38が使用されることもできる。さらに、加熱熱交換器38が周囲熱交換器44と組み合わされて使用されることができる。別の可能性は、加熱熱交換器38を、3方弁36を介してインゼクタポンプ42に対して並列に接続することにある。この別の可能性は破線で図示した。
Using the component boiling at a relatively high temperature as the driving vapor or driving liquid for the
比較的低温で沸騰する成分を良好に、比較的高温で沸騰する成分から分離するために、排気熱交換器22のためのインサート100が役立つ(図6)。インサート100は2成分混合物を分離するための精留塔の形式で構成されている。インサート100は複数のベルベース92を有している。ベルベース92はインサート100を高さ方向で区画し、上方に向かって方向付けられたカラーを備えた開口94を有している。開口94は間隔を置いて鐘形のベル96により覆われる。その結果、開口94のカラーはベル96により軸方向でオーバーラップされる。ベルベースには、開口94に対して平行に、溢流部98が設けられている。冷媒はポンプ28により、インサート100の上側の部分に設けられた流入部86を介して供給される。インサート100の上側の部分に設けられた流出部88を介して、冷媒は、比較的低温で沸騰する成分から成る蒸気として取り出されることができる。下側の部分には吸込管路90が存在する。吸込管路90を介して、第2のポンプ64は、比較的高温で沸騰する成分を有する冷媒を取り出す。
The
排気のエネルギが空調装置10の運転のために不十分であれば、有利には、排気経路に、排気熱交換器22の手前に、燃焼チャンバ102が接続されることができる。燃焼チャンバ102は燃料ノズル104を有しており、必要のあるときに、排気を付加的に加熱するか、または内燃機関の停止時に、空調の運転のために必要な熱エネルギを提供する。燃焼チャンバ102により、空調装置10の、内燃機関12に依存することのない自給自足の運転が、僅かなエネルギ投入でもって可能である。その際、空調装置10は、図7の実施例に示すように、排気側でも冷媒側でも内燃機関12から分離されていることができる。熱交換器22はこの事例では専ら燃焼チャンバ106により負荷される。燃焼チャンバ106は燃料ノズル110を有している。燃料ノズル110には燃料116が燃料管路108を介して供給される。燃焼のために必要な空気112は燃料ノズル110の側方から燃焼チャンバ106内に流入する。燃焼チャンバ106は有利には排気熱交換器22と相俟って1つの構成ユニットを形成することができる。排気熱交換器22から流出する排気48のために、独自の排気管18が設けられることができるか、または排気が内燃機関12の排気系システム内に導入されることができる。それにより、空調装置10は迅速に機能し、省エネルギであり、内燃機関12の機能に依存しない。空調装置10は自動車の空調の要件だけを考慮すればよい。図8および図9に示した変化形には、相応の燃焼チャンバ118,120が示されている。燃焼チャンバ118,120は、図3および図4に示した実施例と同様の熱交換器22,78に組み込まれている。
If the energy of the exhaust is insufficient for the operation of the
図1および図2に示した空調装置では、冷媒が向流原理で熱交換器22を排気流48に対して相対的に通流するのに対し、図7〜図9に示した実施例による排気熱交換器22内の冷媒の流動方向と排気の流動方向とは同じ向きに方向付けられている。
In the air conditioner shown in FIGS. 1 and 2, the refrigerant flows through the
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