JP2010001013A - 自動車用加熱、換気、および／または空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超臨界冷媒が循環する空調回路を備えている自動車用の高性能の加熱、換気、および／または空調装置を提供する。空調回路の成績係数（ＣＯＰ）を３以上、理想的には４に近づくように、可能な限り高くする。
【解決手段】熱交換流体が流動する運搬回路と、超臨界冷媒が循環する空調回路を備えており、前記運搬回路は、ラジエータ７とガスクーラ６の２つの熱交換器と、４０ｌ/ｈと２００ｌ/ｈの間の流量の熱交換流体を送出する手段１３を備え、前記各熱交換器の出口と入口との間の熱交換流体の温度差を４５℃以上とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の客室の加熱、換気、および／または空調用の装置（以下「加熱、換気、および／または空調装置」と称す）に関し、熱交換流体が流動する熱交換器を備えている装置に関する。

多くの自動車においては、その客室内の空気の熱的環境を制御する加熱、換気、および／または空調装置が装備されている。

この装置には、車両エンジン用の冷却回路が備えられている。通常、水とグリコールから成る第１熱交換流体を冷却回路へ循環させることにより、エンジンで発生した熱を、空気ラジエータのような第１熱交換器に放熱させている。また、空気ラジエータに第１空気流を送って、この空気流を客室へ送る前に加熱するようになっている。

さらにこの装置は、客室へ供給される前の第２空気流を冷却する空調回路を備えている。この回路には、主として炭酸ガス、またはＲ７４４のような超臨界流体からなる冷媒が流れる、多くの機器が備えられている。これらの機器には、少なくとも１つの圧縮機と、通常、ガスクーラとして知られている第２熱交換器と、膨張弁、蒸発器が含まれており、さらに必要に応じて、内部熱交換器とアキュムレータが含まれている。

このガスクーラにより、冷媒の熱が第２熱交換流体へ放熱されて、冷媒は冷却される。この第２熱交換流体は、気体（通常は空気）、または液体（通常は水またはグリコール）である。

上記の双方の場合において、空調回路内の冷媒は、通常、モリエル線図と称される熱力学サイクルを行う。従来、この線図から、前記回路の成績係数（ＣＯＰ）を推測している。このＣＯＰは、冷媒を圧縮する圧縮機で消費されるエネルギーに対する、ガスクーラで再生される有効出力の比として定義されている。消費されるエネルギー量を最小として、車両のユーザーの熱的快適性を最大なものとするために、ＣＯＰを、例えば約３〜４とできるだけ大きくすることが、常に目標とされている。

一般論として、前記装置の全体効率は、装置内における熱交換器類の効率に、かなり依存している。加熱、換気、および／または空調装置の設計者は、ラジエータを通過する第１熱交換流体と、第１空気流との間の熱交換を最適にする一方、ガスクーラを通過する冷媒と、加熱される第２熱交換流体との間の熱交換を最適にする方法を常に探している。

このような熱交換を容易にするためには、全体装置における各熱交換器を通過する熱交換流体の流量を、おおむね１０００/ｈ以上のできるだけ高いものとし、それぞれの熱交換器の入口と出口との間の熱交換流体の温度差を、例えば５℃程度に低くすることが望ましいということがよく知られている。このような条件下においては、空調回路のＣＯＰは低く、通常は１程度である。このため、加熱、換気、および／または空調装置の設計者は、この問題に対処するために、通常、装置の他の機器類の熱的性能を改良すること意を注いでいる。

本発明の第１の目的は、自動車の加熱、換気、および／または空調装置であって、超臨界流体のような冷媒が循環する空調回路を備えており、また、客室内に供給される前に第１空気流を加熱する、少なくとも１つの熱交換器を備え、かつ車両の客室内の初期の空気温度が−１０℃程度の、極めて低い温度の下で起動されるときにおいても、客室内の空気の熱的条件を急速に改善するための十分な加熱出力を提供できるようになっており、かつ客室内に急速に供給される第１空気流の望ましい温度が約５０℃であっても、得ようとする熱的快適性に対して、エネルギー消費は少なく、しかも回路のＣＯＰは可能な限り高くて、好ましくは３以上、理想的には４に近いようになっている空調装置を提供することにある。

本発明の第２の目的は、熱交換器から流出する冷媒の温度が、通常４３℃以下というできる限り低いようになっている自動車の加熱、換気、および／または空調装置を提供することである。

本発明の第３の目的は、車両のパワーユニットが熱エンジン、電動モータ、またはハイブリッドエンジンである大部分の加熱、換気、および／または空調装置に適用することができる熱交換器を提供することである。この装置により、客室内の熱的快適性を変えることができる。すなわち、客室の１つから７つの、中でも特に、４つの異なるゾーンごとの熱的処理が要求されている。最後に、この装置の搭載に必要とされるスペースは、車両の客室内の計器板の下方のように、できるだけ小さいことが望まれている。

本発明の装置は、自動車客室の加熱、換気、および／または空調装置であり、この装置は、熱交換流体ＦＣが流動する少なくとも１つの熱交換器を備えている。

本発明によれば、この装置は、４０ｌ/ｈ〜２００ｌ/ｈの流量で熱交換流体ＦＣを送出する１つ以上の手段を備えており、かつ熱交換器の出口と入口とにおける熱交換流体ＦＣの温度差は、４５℃より大きくされている。

このような構成により、装置における熱交換器が、空調回路またはその冷却回路に、等しく良好に関与することができるので、装置の効率の最適化に役立ち、かつ回路のＣＯＰを３以上に、理想的には４に近づけるのに、より一層役立つことができる。このことは、約４０ｌ/ｈから２００ｌ/ｈの熱交換流体ＦＣの低い流量を選択したことと、熱交換器の出口と入口との間の熱交換流体ＦＣの温度差を、４５℃以上という大きい値としたこととによって達成される。

前記手段を、熱交換流体ＦＣの運搬回路の構成要素とすると有利である。

第１実施例においては、前記手段は、運搬回路に配置されている可変流量制御式のポンプを備えている。

第２実施例においては、前記手段は、熱交換器内に形成されている熱交換流体ＦＣ用の複数の流路を備えている。

熱交換器は、例えばラジエータでも良い。

また熱交換器は、例えば冷媒ＦＲが循環している空調回路に配置されているガスクーラでも良い。

ガスクーラは、例えば運搬回路の構成要素であっても良い。

また運搬回路は、例えばガスクーラが配置されている分岐回路を備えていても良い。

分岐回路が、次の３つの通路を備えていると有利である。
−三方弁と、運搬回路内の熱交換流体ＦＣの流れの方向で、ラジエータの上流の運搬通路上に位置している第１分岐点Ｐ１との間に設けられている第１通路。
−三方弁と、運搬回路内の熱交換流体ＦＣの流れの方向で、ラジエータの下流の運搬通路上に位置している第２分岐点Ｐ２との間に設けられている第２通路。
−三方弁と、運搬回路内の熱交換流体ＦＣの流れの方向で、ラジエータの下流の運搬通路上に位置している第３分岐点Ｐ３との間に設けられている第３通路。

ガスクーラは、第３通路上に配置されていることが望ましい。この場合、前記手段は次のものより成っている。
−三方弁。
−運搬回路内の熱交換流体ＦＣの流れの方向で、第３分岐点Ｐ３の下流の運搬通路上に配置されている第１バルブ。
−運搬回路内の熱交換流体ＦＣの流れの方向で、第３分岐点Ｐ３の上流の第３通路上に配置されている第２バルブ。

熱交換流体ＦＣは、水とグリコールの混合体であることが好ましい。一方、冷媒ＦＲは、超臨界流体であることが好ましい。

運搬回路に、車両のエンジン、またはモータが設けられていることが好ましい。

ガスクーラは、熱交換流体ＦＣの流路に逆らって流れる、冷媒ＦＲ用の流動回路を備えていると有利である。

冷媒ＦＲの回路は、熱交換流体ＦＣの流路と向かい合って流れる単一通路であるのが好ましい。

空調回路のＣＯＰを３以上に、理想的には４に近づけることができる。

本発明は、以下の詳細な説明と添付図面により、更に明らかになると思う。

本発明の加熱、換気、および／または空調装置の第１実施例の略図である。 本発明の加熱、換気、および／または空調装置の第２実施例の略図である。 図１と図２に示されている装置の構成要素である、空調回路を循環している冷媒の熱力学サイクルを示すモリエル線図である。 図１と図２に示されている装置の構成要素である熱交換器により、４０ｌ/ｈから２００ｌ/ｈの流量の、熱交換流体を送出する手段の一実施例を示す略図である。 図４で示されている手段を備えるガスクーラの一部の略図である。

図１と図２において、自動車には、客室内の空気の熱的条件を改良するための、加熱、換気、および／または空調装置１が設けられている。この改良は、客室内に、加熱されようとする第１空気流２と、冷却されようとする第２空気流３を供給することによって達成される。

この装置１は、通常は水とグリコールから成る熱交換流体ＦＣの運搬回路４を備えている。この運搬回路４は、作動時に放熱する機器類５，６と、前記機器類５，６から熱交換流体ＦＣによって吸熱された熱を放熱する、少なくとも１つのラジエータ７とを備えている。この機器類５，６は、例えば車両のエンジンまたはモータ５（熱エンジン、電動モータ、またはハイブリッドエンジン）と、装置１の一部である空調回路８用のガスクーラ６である。このラジエータ７は、客室内に供給される前の第１空気流２を加熱するようになっている。このガスクーラ６の機能は、空調回路８を循環している冷媒ＦＲ、より具体的に言うと、ガスクーラ６を通過する冷媒ＦＲの熱を冷却することである。

この装置１の効率を上げるためには、ラジエータ７とガスクーラ６による熱交換が、出来るだけ充分に行われることが最も重要である。従来、ラジエータ７とガスクーラ６を通過する熱交換流体ＦＣの流量が、１０００ｌ/ｈ以上の場合に、この熱交換が最も効果的に行われると考えられていた。

本発明によると、ラジエータ７とガスクーラ６を前述の条件下で使用することにより、ラジエータ７とガスクーラ６の両方の内部で起こる熱交換は、これらを通過する熱交換流体ＦＣの流量が、４０ｌ/ｈと２００ｌ/ｈの間である限り、最適であることが分かっている。この条件は、単なる数字の大小、または無作為に選択された任意的な事項ではなく、産業の思考における癖に逆らいつつ、進歩性を有する結果とみなすべきである。特に、本発明の設計者は、従来、一般に教示されているものとは逆のものを選択し、ラジエータ７とガスクーラ６を通過する熱交換流体ＦＣの低い流量の方を選ぶとともに、ラジエータ７とガスクーラ６の出口９，１０と入口１１，１２の間の熱交換流体ＦＣの温度差を４５℃以上、好ましくは６０℃から８０℃以上としている。

その結果、本発明による加熱、換気、および／または空調装置１には、この装置１の効率を改善し、かつ熱交換を容易にするために、熱交換流体ＦＣの流量を、４０ｌ/ｈから２００ｌ/ｈにする少なくとも１つのポンプ１３を設けてあり、特にガスクーラ６を通過する冷媒ＦＲが、図３に示すＡＢＣＤの熱力学サイクルを行って、成績係数を３以上、理想的には４に近づけることができるようになっている。

空調回路８は、ガスクーラ６に加えて、圧縮機１４、内部熱交換器１５、膨張弁１６、蒸発器１７、およびアキュムレータ１８を備えており、かつこの回路には、超臨界流体、Ｒ７４４、またはそれに類似する冷媒ＦＲが循環している。

冷媒は、圧縮機１４からガスクーラ６へ流れ、ついで、内部熱交換器１５の第１入口１９へ流れ、その後、膨張弁１６から蒸発器１７へ流動し、そこからアキュムレータ１８へ流れ、最後に、圧縮機１４に戻る前に、内部熱交換器１５の第２入口２０に流れる。

圧縮機１４は、冷媒ＦＲを気体状態で吸入し、高圧に圧縮するように設計されている。ガスクーラ６は、熱交換流体ＦＣに熱を放出することにより、比較的一定の圧力で、圧縮された冷媒ＦＲを冷却する。内部熱交換器１５は、第１入口１９に流入する冷媒ＦＲが、第２入口２０に流入する冷媒ＦＲに熱を放出できるように形成されている。この目的のために、第１入口１９に流入する冷媒ＦＲと、第２入口２０に流入する冷媒ＦＲは、それぞれ逆の方向に流れる。膨張弁１６は、液体状態でガスクーラ６から出た冷媒ＦＲの少なくとも一部の圧力を低下させることができる。蒸発器１７は、膨張弁１６から液体状態で到着した冷媒ＦＲを、比較的一定の圧力で、蒸発器１７を通過する第２空気流を冷却することにより、気体状態に変化させるように作られている。アキュムレータ１８は、気体状態の冷媒ＦＲだけが圧縮機１４に吸い込まれるように、蒸発器１７を出た液体状態のままになっている冷媒ＦＲを蓄積するようになっている。

図３のモリエル線図は、空調回路８を流動する冷媒ＦＲに適用される熱力学サイクルＡＢＣＤを示している。ＡＢ部分は、圧縮機１４による冷媒ＦＲの等エントロピー圧縮を示している。ＢＣ部分は、ガスクーラ６による放熱量を示している。ＣＤ部分は、膨張弁１６内の冷媒ＦＲの等エンタルピー膨張を示している。ＤＡ部分は、蒸発器１７による第２空気流３からの吸熱量を示している。

空調回路８の成績係数（ＣＯＰ）は、供給された仕事量に対する吸熱量の比率として定義されている。これは、（ＨＢ−ＨＣ）/（ＨＢ−ＨＡ）で示され、この式において、ＨＡは、Ａ点のエンタルピー値、ＨＢは、Ｂ点のエンタルピー値、ＨＣは、Ｃ点のエンタルピー値である。本発明によるガスクーラ６を備えている空調回路８のＣＯＰは、３以上で、理想的には４に近い値である。前記回路８の作動点は、空調回路８を循環している冷媒ＦＲの流動方向に、膨張弁１６から圧縮機１４に至る空調回路８の低圧部分によって決定される。また空調回路８の作動点は、冷媒ＦＲの蒸発温度と、圧縮機１４の効率、そして、圧縮機１４の吐出時の冷媒ＦＲの許容最高温度の特性によって決定される。この決定値は、圧縮機１４に冷媒ＦＲが流入し、そして流出するときの、圧力と温度の条件を定めている。これらの条件は、（ＨＢ−ＨＡ）差を最小にすることにより、ＣＯＰを最大にするための設計上の余地が殆ど無く、加熱、換気、および／または空調装置１の設計者における重要な条件となることが判明している。

最後に、熱交換流体ＦＣにより、ガスクーラ６から吸熱される熱量を増加させるために、換言すると、ＣＯＰを出来るだけ高くするために、ガスクーラ６から出てくるときの冷媒ＦＲの温度を出来るだけ低くしなければならず、（ＨＢ−ＨＣ）差を最大にしなければならない。このことは、冷媒ＦＲの冷却と関連するエンタルピーの変化が、臨界点ＰＣでの水平と比較して、等温曲線が急勾配であるため、６０℃と１００℃の間より、２０℃と６０℃の間の方が大きいので、特に重要である。

この装置１に、熱交換流体ＦＣの流量を４０ｌ/ｈと２００ｌ/ｈの間とするポンプ手段１３を装備するように、本発明の発明者は、装置１と独立して、またはそれと組み合わせて実施しうるポンプ手段１３について、多くの実施例を提供している。

再び、図１と図２に基づいて、ポンプ手段１３の第１実施例について述べると、ポンプ２３は、運搬回路４の構成要素であり、熱交換流体ＦＣの循環流量を、４０ｌ/ｈと２００ｌ/ｈとの間に維持できる可変容量制御式ポンプである。

図１において、ポンプ２３、エンジンまたはモータ５、ガスクーラ６、およびラジエータ７は、運搬回路４に順に配列されている。他の実施例において、この順番を異ならせることもある。

図２において、運搬回路４は、ガスクーラ６が装備されている分岐回路４'を備えている。この分岐回路４'は、次の各要素を備えている。
−三方弁２７と、運搬回路４内で熱交換流体ＦＣが流れる方向で、ラジエータ７の上流の運搬回路４上に位置している第１分岐点Ｐ１との間に設けられている第１通路２４。
−三方弁２７と、運搬回路４内で熱交換流体ＦＣが流れる方向で、ラジエータ７の下流の運搬回路４上に位置している第２分岐点Ｐ２との間に設けられている第２通路２５。
−三方弁２７と、運搬回路４内で熱交換流体ＦＣが流れる方向で、ラジエータ７の下流の運搬回路４に位置している第３分岐点Ｐ３との間に設けられている。ガスクーラ６は、第３通路２６上に配置されている第３通路２６。

第２実施例における前記手段１３は、三方弁２７、運搬回路４内で熱交換流体ＦＣが流れる方向に、第３分岐点Ｐ３の下流の運搬回路４に配置されている第１バルブ２８、および運搬回路４内で熱交換流体ＦＣが流れる方向に、第３分岐点Ｐ３の上流の第３通路２６に配置されている第２バルブ２９から成っている。

図４と図５に示す第３実施例における前記手段１３は、ガスクーラ６またはラジエータ７である熱交換器６，７内の熱交換流体ＦＣが通過する多くの通路２１から成っている。

図５において、ガスクーラ６は、熱交換流体ＦＣの流路２１に関して、対向流をなす、単一の冷媒ＦＲ用流体回路２２を備えている。換言すると、ガスクーラ６内で、冷媒ＦＲは、熱交換流体ＦＣの方向と反対の方向に流れる。この対向流は、１回だけ行われる。

次に示す表の始めの４つの欄は、上記の構成からなるこの装置１の異なる作動モードにおける特性を示し、５番目の欄は、従来型の装置の特性を示している。

この表において、流体ＦＣは、運搬回路４を循環する熱交換流体ＦＣであり、流体ＦＲは、空調回路８を循環する冷媒ＦＲである。

一例として、従来装置の作動を、本発明の装置１の実施例１の作動と比較すると、従来技術の作動時よりも、実施例１の作動時の方が、ガスクーラ６を出る冷媒ＦＲの温度がより低いことが明らかである。これは、実施例１のＣＯＰが、従来技術よりもすぐれているということを裏付けている。

１ 加熱、換気、および／または空調装置
２ 第１空気流
３ 第２空気流
４ 運搬回路
５ 機器類（エンジンまたはモータ）
６ 機器類（ガスクーラ）
７ ラジエータ
８ 空調回路
９ 出口
１０ 出口
１１ 入口
１２ 入口
１３ ポンプ手段
１４ 圧縮機
１５ 内部熱交換器
１６ 膨張弁
１７ 蒸発器
１８ アキュムレータ
１９ 第１入口
２０ 第２入口
２１ 流路
２２ 流体回路
２３ ポンプ
２４ 第１通路
２５ 第２通路
２６ 第３通路
２７ 三方弁
２８ 第１バルブ
２９ 第２バルブ

Claims (16)

1. 熱交換流体ＦＣが流動する１つ以上の熱交換器（６、７）を備え、かつ４０ｌ/ｈと２００ｌ/ｈの間の流量の熱交換流体ＦＣを送出する、少なくとも１つの手段（１３）を備え、前記熱交換器（６、７）の出口（９、１０）と入口（１１、１２）とにおける熱交換流体ＦＣの温度差が、４５℃以上であることを特徴とする自動車の客室の加熱、換気、または／および空調装置（１）。
2. 前記手段（１３）は、熱交換流体ＦＣの運搬回路（４）の構成要素であることを特徴とする請求項１に記載の装置（１）。
3. 前記手段（１３）は、運搬回路（４）に配置されている可変容量制御式のポンプ（２３）を備えていることを特徴とする請求項２に記載の装置（１）。
4. 前記手段（１３）は、熱交換器（６、７）内に形成されている熱交換流体ＦＣ用の多数の流路（２１）を有することを特徴とする請求項２または３に記載の装置（１）。
5. 熱交換器（７）は、ラジエータであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の装置（１）。
6. 熱交換器（６）は、冷媒ＦＲが循環する空調回路（８）内に配置されているガスクーラであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の装置（１）。
7. ガスクーラ（６）は、運搬回路（４）の構成要素であることを特徴とする請求項６または請求項２〜４のいずれか１つに記載の装置（１）。
8. 運搬回路（４）は、ガスクーラ（６）が設けられている分岐回路（４'）を備えていることを特徴とする請求項７に記載の装置（１）。
9. 分岐回路（４'）は、３つの通路（２４）、（２５）、（２６）を備えており、
   −第１通路（２４）は、三方弁（２７）と、運搬回路（４）内で熱交換流体ＦＣが流れる方向で、ラジエータ（７）の上流の運搬回路（４）に位置している第１分岐点Ｐ１との間に設けられており、
   −第２通路（２５）は、三方弁（２７）と、運搬回路（４）内で熱交換流体ＦＣが流れる方向で、ラジエータ（７）の下流の運搬回路（４）に位置している第２分岐点Ｐ２との間に設けられており、
   −第３通路（２６）は、三方弁（２７）と、運搬回路（４）内で熱交換流体ＦＣが流れる方向で、ラジエータ（７）の下流の運搬回路（４）に位置している第３分岐点Ｐ３との間に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の装置（１）。
10. ガスクーラ（６）は、第３通路（２６）に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の装置（１）。
11. 前記手段（１３）は、三方弁（２７）と、運搬回路（４）内の熱交換流体ＦＣが流れる方向で、第３分岐点Ｐ３の下流の運搬回路（４）に配置されている第１バルブ（２８）と、運搬回路（４）内の熱交換流体ＦＣが流れる方向で、第３分岐点Ｐ３の上流の第３通路（２６）に配置されている第２バルブ（２９）とから成っていることを特徴とする請求項９または１０に記載の装置（１）。
12. 熱交換流体ＦＣは、水とグリコールの混合物であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の装置（１）。
13. 冷媒ＦＲは、超臨界流体であることを特徴とする請求項６〜１２のいずれか１つに記載の装置（１）。
14. 運搬回路（４）は、車両のエンジンまたはモータ（５）を含んでいることを特徴とする請求項２〜１３のいずれか１つに記載の装置（１）。
15. ガスクーラ（６）は、熱交換流体ＦＣの流路（２１）に対して対向流をなしている冷媒ＦＲ用の流体回路（２２）を備えていることを特徴とする請求項４または請求項６〜１４のいずれか１つに記載の装置（１）。
16. 冷媒ＦＲの流体回路（２２）は、熱交換流体ＦＣの流路（２１）と向かい合う単一の通路であることを特徴とする請求項１５に記載の装置（１）。

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