JP2013526458A - 外部エバポレータを加熱するために、外部の隣接するコンデンサおよびエバポレータを備える暖房/空調設備 - Google Patents

外部エバポレータを加熱するために、外部の隣接するコンデンサおよびエバポレータを備える暖房/空調設備 Download PDF

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Abstract

暖房/空調設備(IC)は、冷媒を加熱し加圧することが可能なコンプレッサ(CP)と、暖房モードにおいて、コンプレッサ(CP)から来た冷媒との交換によって、内部空気として知られる空気の加熱に寄与することが可能な内部コンデンサ(CDI)と、暖房モードにおいて、冷媒を冷却することが可能な外部減圧器(DTE)と、暖房モードにおいて、コンプレッサ(CP)に供給される外部空気として知られる空気との熱交換によって、外部減圧器(DTE)から来た冷媒を加熱することが可能な外部エバポレータ(EE)とを備える。暖房/空調設備(IC)は、外部エバポレータ(EE)に隣接し、暖房モードにおいて、外部減圧器(DTE)に供給し、外部空気が低温であるときに隣接する外部エバポレータ(EE)が完全に氷結する可能性を低減するように、外部エバポレータ(EE)のための熱源を構成するために、内部コンデンサ(CDI)から来た冷媒を収集することが可能な外部コンデンサ(CDE)をさらに備える。

Description

本発明は、自動車などのある特定の車両、ならびにある特定の建築物に備えつける暖房/空調設備に関する。
当業者には知られているように、ある特定の暖房/空調設備は、暖房モードでも冷房モードでも作動することが可能である可逆ヒートポンプを含む。特に、この効果のために、可逆ヒートポンプは、暖房モードにおいて、加熱され加圧された冷媒流体との交換によって内部空気の加熱に寄与する内部コンデンサと、暖房モードにおいて、外部空気との交換によって冷却され減圧された冷媒流体を加熱する外部エバポレータとを備える。
以下において、「外部」とは、外部空気との熱交換プロセスで使用されるデバイス(すなわち、外部エバポレータ、または内部エバポレータに供給する外部減圧器)を示すものと理解され、「内部」とは、内部空気との熱交換プロセスで使用されるデバイス(たとえば、内部コンデンサまたは内部エバポレータ、あるいはさらに内部エバポレータに供給している内部減圧器など)を示すものと理解される。
低温または極めて低温である場合、つまり、外部空気の温度が零下である、または0℃に近づいているとき、外部空気と、内部コンデンサから来て外部エバポレータ中を循環する部分的に冷却された冷媒との接触により、頻繁に外部エバポレータが氷結し、その氷結は機能に悪影響を与え、したがって設備の効果を低下させる。
この欠点を矯正するために、多くの解決策が提案されてきた。
したがって、特許文献FR2525330に最も顕著に記載されている第1の解決策は、冷却回路から(たとえば、車両モータから)来た熱伝達流体が循環する、氷結除去に専用の外部エバポレータに連結する導管を備えている。この第1の解決策の欠点は、この解決策が外部エバポレータの重要な修正を必要とするということである。さらに、「全電気」車両または「ハイブリッド」車両において、あるいは建築物において顕著なように、熱伝達流体が実際に存在しないか、または暖房モードにおいて予想されるエネルギーから利用できないときには、極めて使用が困難であることがわかる。
特許文献GB988874に最も顕著に記載されている第2の解決策は、内部コンデンサ中を循環する冷媒液体により外部エバポレータを加熱することができるように、内部コンデンサと同じハウジング内に外部エバポレータを埋め込むことを含んでいる。この第2の解決策の欠点は、自動車に実装するのが極めて不都合であるか、あるいは不可能でさえあり、性能全体に対して悪影響があることである。
特許文献US5,586,448に顕著に記載されている第3の解決策は、外部エバポレータを通って循環する熱伝達流体の加熱のための追加の電気ラジエータの使用を含んでいる。この第3の解決策の欠点は、外部エバポレータの修正だけでなく、追加の電気加熱デバイスをも必要し、それにより、それ自体が極めて扱いにくくなり、(電気車両またはハイブリッド車両の場合に広範囲に不利に作用する)エネルギー不足になることにある。
したがって、本発明の目的は、上述の欠点の全部または一部をもたらさない暖房/空調設備を提案することである。
特に、この傾向において、本発明は、
− 冷媒流体の加熱および加圧のためのコンプレッサと、
− 暖房モードにおいて、コンプレッサから来た冷媒流体との交換を通じて、内部空気の加熱に寄与する専用の内部コンデンサと、
− 暖房モードにおいて、(外部エバポレータに供給する前に)冷媒流体を冷却する専用の外部減圧器(DTE)
− 暖房モードにおいて、コンプレッサに供給するために、外部空気の交換によって、外部減圧器から来た冷媒流体を加熱する外部エバポレータ(EE)と、
− 暖房モードにおいて、外部減圧器に供給するために、内部コンデンサから来た冷媒流体を収集する専用の外部エバポレータに隣接し、外部空気が低温であるときに隣接する外部エバポレータが完全に氷結する可能性を低減するように、隣接する外部エバポレータのための熱源を構成する外部コンデンサ(CDE)と、
を備え、
− 外部コンデンサは、一部が気体状で、一部が液状の形態で内部コンデンサから来た冷媒流体を、そのインレットにおいて収集する、それにより、そのアウトレットにおいて液状形態で冷媒流体を提供する、
暖房/空調設備を提案する。内部コンデンサのインレットでは、冷媒流体は気体状形態である。したがって、気相から液相へ冷媒流体の凝縮は2つの部分で行われ、第1の部分は内部コンデンサのレベルで、それに続いて、第2の部分は外部コンデンサのレベルで行われる。液状形態の冷媒流体を移送するホースをいくつか設けることと比較すると、外部コンデンサがあることにより、より多くのカロリーを、したがって、より多くの熱を外部エバポレータに伝達し、さらに、外部エバポレータが完全に氷結するリスクを下げることができるようになる。
また、本発明による暖房/空調設備は、別々に、または、組合せて採用することができる他の特性を特徴とし、詳細には以下の通りである。
− 外部コンデンサと外部エバポレータとは、同じ熱交換器の2つの隣接するサブユニット、または2つの独立した隣接する熱交換器を構成することができる。
− 冷却モードにおいて、冷媒流体を冷却する専用の内部減圧器と、冷房モードにおいて、内部減圧器から来た前記冷媒流体との交換によって内部空気を冷却する内部エバポレータとを特徴とすることができる。
− 外部コンデンサは、冷房モードにおいて、予冷却された冷媒流体を内部減圧器に供給するように、外部空気との交換によって、コンプレッサから来た冷媒流体を予冷却する専用とすることができる。
− コンプレッサの出力と結合された第1のインレットと、コンプレッサのインプットと結合された第1のアウトレットと、外部コンデンサの第1のインレット/アウトレットと結合された第2のアウトレットとを含む第1の三方弁を特徴とすることができる。
− 内部コンデンサのアウトレットと結合されたインレットと、内部エバポレータのインレットに結合されたアウトレットと、外部コンデンサの第2のインレット/アウトレットに結合されたインレット/アウトレットと含む第2の三方弁を特徴とすることができる。
− 第1のバルブの第2のアウトレットと結合された第1のインレットと、外部減圧器のインレットに結合されたアウトレットと、前記外部コンデンサの第1のインレット/アウトレットに結合されたインレット/アウトレットとを含む第3の三方弁を特徴とすることができる。
− 内部エバポレータのアウトレットと結合された第1のインレットと、外部エバポレータのアウトレットと結合された第2のインレットと、コンプレッサのインレットと結合されたアウトレットと含む第4の三方弁を特徴とすることができる。
− 内部コンデンサは、暖房モードにおいて、コンプレッサから来た冷媒流体との交換によって、内部空気を加熱する専用とすることができる。
− 代替として、内部コンデンサは、暖房モードにおいて、熱交換によって内部空気を加熱するための専用エアヒータに供給されることになる熱伝達流体を、コンプレッサから来た冷媒流体との交換によって加熱する専用とすることができる。
さらに、本発明は、上述したタイプの暖房/空調設備を特徴とする、自動車のような車両を提案する。本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を精査し、添付の図面を参照すると明らかになるであろう。
暖房モードにおける本発明による暖房/空調設備の第1の実施形態を概略的かつ機能的な形態で示した図である。 暖房モードにおける本発明による暖房/空調設備の第2の実施形態を概略的かつ機能的な形態で示した図である。 冷却モードにおける本発明による暖房/空調設備の第1の実施形態を概略的かつ機能的な形態で示した図である。
添付の図面は、場合に応じて、本発明を補完するとともに本発明の定義に寄与するのに役立ち得る。
本発明の目的は、可逆ヒートポンプ暖房/空調設備(IC)を提案することである。
以下において、非排他的な例として、暖房/空調設備(IC)は、たとえば、「完全電気」タイプまたは「ハイブリッド」タイプなどの車など、自動車に属すると考える。しかしながら、本発明はこの用途に限定されるものではない。実際には、本発明は、車両または建築物に設置されることになるかどうかにかかわらず、任意の可逆ヒートポンプ型暖房/空調設備に関与する。
図1〜図3に、本発明による暖房/空調設備ICの2つの実施形態を概略的に示す。図1および図3に示される第1の実施形態は、たとえば、電気自動車または建築物に設置されることになる。図2に示される第2の実施形態は、たとえば、ハイブリッド自動車に埋め込まれることになる。
本発明による暖房/空調設備ICは、必要に応じて、暖房モードまたは冷却モードで作動することになる。特に、この目的のために、暖房/空調設備ICは、コンプレッサCP、内部コンデンサCDI、外部減圧器DTE、外部エバポレータEEおよび外部コンデンサCDEを特徴とし、それらはすべて少なくとも暖房モードで使用される。
コンプレッサCPは、暖房モードでは、外部エバポレータEEから来る冷媒流体を加熱し、加圧する。
内部コンデンサCDIは、暖房モードでのみ使用される。内部コンデンサCDIは、コンプレッサCPによって加圧された高温のガスに変換される冷媒流体との交換によって、(ここでは車室の内部から来る)内部空気の加熱に寄与する。内部コンデンサCDIは、そのアウトレットで、内部空気との交換中に部分的に冷却された液相の冷媒流体を送出する。
図1および図3に示した例では、内部コンデンサCDIは、ガス/空気タイプのものである。したがって、内部コンデンサCDIを使用して、内部コンデンサCDIの導管中を、または内部コンデンサCDIの積層パネル間を循環する冷媒流体(高温の加圧されたガス)との交換によって、内部コンデンサCDIを通過する内部空気を加熱する。
図2に示した例では、内部コンデンサCDIは、ガス/液体タイプのものである。したがって、内部コンデンサCDIは、内部コンデンサCDIの導管の一部の中を、または、内部コンデンサCDIの積層パネルの特定の部分間を循環する冷媒流体(高温の加圧されたガス)との交換によって、冷却回路から来た、内部コンデンサCDIの他の導管中を、または内部コンデンサCDIの積層パネルの他の特定の部分間を循環する熱伝達流体を加熱する。次いで、この加熱された熱伝達流体は冷却回路に戻ってポンプPEに供給され、暖房モードにおいて加熱された熱伝達流体との交換によってそれを通過する内部空気を加熱するエアヒータARに供給される。従来は、エアヒータARから流れた熱伝達流体は冷却回路の一部分に供給され、モータMRを通過し、内部コンデンサCDIに供給される。
本明細書では、「エアヒータ」とは空気/液体熱交換器を意味するものと解される。
さらに、エアヒータARは、暖房/空調設備ICの一部を形成することができることに留意されたい。
外部減圧器DTEは、暖房モードでのみ使用される。外部減圧器DTEは、外部コンデンサCDIから来た冷媒流体を冷却および減圧し、その後、その冷媒流体は外部エバポレータEEに供給される。外部減圧器DTEは、減圧され冷却された液体を送出する。
外部エバポレータEEは、暖房モードでのみ使用される。外部エバポレータEEは、外部空気(冷気)との交換、すなわち、外部空気中に含まれている熱の吸収によって、外部減圧器DTEから来た冷媒流体(減圧され冷却された液体)を加熱する際に使用される。外部エバポレータEEは、そのアウトレットで、気体状の少し加熱された位相の冷媒流体を送出し、その冷媒流体はコンプレッサCPに供給されることになる。
外部コンデンサCDEは、外部エバポレータEEに隣接している。
本明細書において、「隣接する」とは、外部エバポレータEEに接触していること、または外部エバポレータEEのすぐ近くに、最も典型的には数センチメートル以内にあること、あるいはむしろ、外部エバポレータEEに連結されることと解される。
外部コンデンサCDEは、暖房モードでは、内部コンデンサCDIから来た冷媒流体を収集し、それにより、この冷媒流体を外部圧力減速機DTEに供給し、かつ、隣接する外部エバポレータEEのための熱源を構成することを担う。次いで、(外部コンデンサCDEで構成される)この熱源は、外部空気の温度が低いときに外部エバポレータEEが完全に氷結する可能性を低減するようなものであることを理解されたい。
本明細書では、「氷結する可能性を低減する」とは、外部エバポレータEEに関する氷結の発生を可能な限り制限することであると解される。一般に、外部の温度が低く、湿度が高レベルで外部空気速度が低いときにのみ、完全に氷結してしまう可能性がある。
外部コンデンサCDEと連結もしくは機械接触している場合の熱伝導によって、および/または外部コンデンサCDEの通過中に加熱された外部空気(図示のように、外部コンデンサCDEは外部空気の流れと相対して外部エバポレータEEの上流に配置されなければならない)によって、外部エバポレータEEの加熱を行うことができることに留意することが重要である。
外部コンデンサCDEと外部エバポレータEEとは、単一の熱交換器の2つの隣接するサブユニット(好ましくは、連結している)、または2つの隣接する独立した熱交換器を構成することができることが留意されよう。
外部コンデンサCDEは、冷房モードでも機能することができることが留意されよう。そのような場合、暖房/空調設備はまた、図1〜図3に示すような内部減圧器DTIと内部エバポレータEIとを含まなければならない。
内部減圧器DTIは、冷房モードでのみ使用される。内部減圧器DTIは、外部コンデンサCDEから来た(液相の)冷媒流体を冷却および加圧し、その後、その冷媒流体は内部エバポレータEIに到達する。
内部エバポレータEIも冷房モードでのみ使用される。内部エバポレータEIは、内部減圧器DTIから来た冷却され減圧された(液相の)冷媒流体との熱交換によって、内部エバポレータEIを通過する内部空気を冷却するために使用される。
冷房モードでは、外部コンデンサCDEを使用して、外部空気との熱交換によって、コンプレッサCPから来た冷媒流体(高温の加圧された気体)を予冷却し、それにより、予冷却された(液相の)冷媒流体が内部減圧器DTIに供給される。
暖房/空調設備ICの機能の検証を容易にするだけでなく、その専有面積を制限するように、暖房/空調設備ICは、以下に記載する三方弁Vjのうちの少なくとも1つを含むことができる。
− コンプレッサCPのアウトレットに結合されたインレットと、内部コンデンサCDIのインレットに結合された第1のアウトレットと、外部コンデンサCDEの第1のインレット/アウトレットと結合された第2のアウトレットとを特徴とする第1のバルブV1(j=1)。
− 内部コンデンサCDIのアウトレットに結合されたインレットと、内部エバポレータEIのインレットと結合されたアウトレットと、外部コンデンサCDEの第2のインレット/アウトレットと結合されたインレット/アウトレットとを特徴とする第2のバルブV2(j=2)。
− 第1のバルブV1の第2のアウトレットと結合された第1のインレットと、減圧器DTIのインレットに結合されたアウトレットと、外部コンデンサCDEの第1のインレット/アウトレットに結合されたインレット/アウトレットとを特徴とする第3のバルブV3(j=3)。
− 内部エバポレータEIのアウトレットと結合された第1のインレットと、外部エバポレータEEのアウトレットと結合された第2のインレットと、コンプレッサCPのインレットと結合されたアウトレットとを特徴とする第4のバルブV4(j=4)。
また、図1〜図3に非排他的な方法で示すように、暖房/空調設備ICは、1つまたは複数の脱水リザーバRD1、RD2を任意選択で含むことができることが留意されよう。図示された例では、暖房/空調設備ICは、外部コンデンサCDEの第1のインレット/アウトレットと外部減圧器DTEのインレットとの間に配置された第1の脱水リザーバRD1と、外部コンデンサCDEの第2のインレット/アウトレットと内部エバポレータEIのインレットとの間に配置された第2の脱水リザーバRD2とを特徴とする。
暖房/空調設備ICの暖房モードについて、図1〜図2の矢印によって表す。この暖房モードでは、冷媒流体はコンプレッサCPから内部コンデンサCDIに向かって循環し、そこで使用される(図1)か、または熱交換による内部空気の加熱に単に貢献する(図2)。そのとき、第1のバルブV1は、冷媒流体を内部コンデンサCDIへ向けるとように構成される。その後、冷媒流体は、内部コンデンサCDIから、この目的のために構成された第2のバルブV2を経由して外部コンデンサCDEへ行く。次いで、隣接する外部エバポレータEEを加熱して、それによって、その外部エバポレータEEが氷結しないか、またはほんのわずかしか氷結しないようにすることができる。次いで、冷媒流体は、外部コンデンサCDEから、この目的のために構成された第3のバルブV3を経由して外部減圧器DTEへ行く。次いで、冷媒流体は部分的に冷却され、減圧される。次いで、冷媒流体は、外部減圧器DTEから外部エバポレータEEへ行き、そこで、外部空気との熱交換によって冷却される。最後に、冷媒流体は、外部エバポレータEEから、この目的のために構成される第4のバルブV4を経由して、コンプレッサCPへ行き、そこで、加熱され加圧された気体へと変換される。
暖房/空調設備ICの冷房モードについて、図3の矢印によって表す。この冷房モードでは、冷媒流体はコンプレッサCPから外部コンデンサCDEに向かって循環し、そこで、外部空気との熱交換によって部分的に冷却される。第1のバルブV1および第3のバルブV3は、この目的のために構成される。次いで、冷媒流体は外部コンデンサCDEから、この目的のために構成された第2のバルブV2を経由して内部減圧器DTIへ行き、そこで、冷却され減圧される。次いで、冷媒流体は内部減圧器DTIから内部エバポレータEIへ行き、そこで、内部エバポレータEIを通過する内部空気を熱交換によって冷却する。次いで、冷媒流体は内部エバポレータEIから、この目的のために構成されたバルブV4を経由してコンプレッサCPへ行き、そこで、加熱され加圧された気体に変換される。
本発明は、以下のうちのいくつかの複数の利点を提供する。
− 任意の追加の加熱デバイスを必要とせず、これは、特に、全電気システムまたはハイブリッドシステムに取り付ける場合に有利である。
− 外部エバポレータのインレットにおけるエンタルピーを減少させつつ、著しく複雑にすることなく、外部の温度が低温、またはむしろ極めて低温であるときに、暖房/空調設備の熱力学的サイクルの収率(性能係数)の改善を可能にし、それにより、冷媒流体の同じスループットを維持しながら、したがって消費エネルギーの量が同じままで、外部エバポレータの蒸発エネルギーを増加させることができる。
本発明は、非排他的な方法で本明細書で上述した暖房/空調設備および車両の実施の方法に限定されるものではなく、むしろ、添付の特許請求の範囲の枠組内の、当業者によって予見され得るすべての変形形態を包含するものである。

Claims (12)

  1. 冷媒流体を加熱し加圧するように適合されたコンプレッサ(CP)と、暖房モードにおいて、前記コンプレッサ(CP)から来た前記冷媒流体との交換によって、内部空気の加熱に寄与することが可能な内部コンデンサ(CDI)と、暖房モードにおいて、前記コンプレッサ(CP)に供給される外部空気との交換によって、前記外部減圧器(DTE)から来た前記冷媒流体を冷却することが可能な内部減圧器(DTE)とを備える、暖房/空調設備(IC)であって、暖房モードにおいて、前記外部減圧器(DTE)に供給するために、前記内部コンデンサ(CDI)から来た前記冷媒流体を収集することが可能な、外部エバポレータ(EE)に隣接し、外部空気が低温であるときに前記隣接する外部エバポレータ(EE)が氷結する可能性を低減するように、前記外部エバポレータ(EE)のための熱源を構成する外部コンデンサ(CDE)をさらに備えることを特徴とする、暖房/空調設備(IC)。
  2. 前記外部コンデンサ(CDE)と前記外部エバポレータ(EE)とが、1つの熱交換器の2つの隣接するサブユニットを構成することを特徴とする、請求項1に記載の設備。
  3. 前記外部コンデンサ(CDE)と前記外部エバポレータ(EE)とが、2つの独立した隣接する熱交換器を構成することを特徴とする、請求項1に記載の設備。
  4. 冷房モードにおいて、前記冷媒流体を冷却することが可能な内部減圧器(DTI)と、
    冷房モードにおいて、前記内部減圧器(DTI)から来た前記冷媒流体との交換によって前記内部空気を冷却することが可能な内部エバポレータ(EI)とを備えることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の設備。
  5. 前記外部コンデンサ(CDE)が、冷房モードにおいて、予冷却された冷媒流体を前記内部減圧器(DTI)に供給するように、前記外部空気との交換によって、前記コンプレッサ(CP)から来た前記冷媒流体を予冷却することが可能であることを特徴とする、請求項4に記載の設備。
  6. 前記コンプレッサ(CP)のアウトレットと結合されたインレットと、前記内部コンデンサ(CDI)のインレットと結合された第1のアウトレットと、前記外部コンデンサ(CDE)の第1のインレット/アウトレットと結合された第2のアウトレットとを含む第1の三方弁(V1)を含むことを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の設備。
  7. 前記内部コンデンサ(CDI)のアウトレットと結合されたインレットと、前記内部エバポレータ(EI)のインレットと結合されたアウトレットと、前記外部コンデンサ(CDE)の第2のインレット/アウトレットと結合されたインレット/アウトレットとを含む第2の三方弁(V2)を含むことを特徴とする、請求項4乃至6のいずれか一項に記載の設備。
  8. 前記第1のバルブ(V1)の第2のアウトレットと結合された第1のインレットと、前記外部減圧器(DTE)のインレットに結合されたアウトレットと、前記外部コンデンサ(CDE)の前記第1のインレット/アウトレットと結合されたインレット/アウトレットを含む第3の三方弁(V3)を含むことを特徴とする、請求項6または7に記載の設備。
  9. 前記内部エバポレータ(EI)のアウトレットと結合された第1のインレットと、前記外部エバポレータ(EE)のアウトレットと結合された第2のインレットと、前記コンプレッサ(CP)のインレットと結合されたアウトレットとを含む第4の三方弁(V4)を含むことを特徴とする、請求項4乃至8のいずれか一項に記載の設備。
  10. 前記内部コンデンサ(CDI)が、暖房モードにおいて、前記コンプレッサ(CP)から来た前記冷媒流体との交換によって、前記内部空気を加熱することが可能であることを特徴とする、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の設備。
  11. 前記内部コンデンサ(CDI)が、暖房モードにおいて、熱交換によって前記内部空気を加熱するための専用エアヒータ(AR)に供給されることになる熱伝達流体を、前記コンプレッサ(CP)から来た前記冷媒流体との交換によって加熱することが可能であることを特徴とする、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の設備。
  12. 請求項1乃至11のいずれか一項に記載の暖房/空調設備を含むことを特徴とする、車両。
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