JP2014059134A - 熱電ヒートポンプの配置構造 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電ヒートポンプの配置構造を提供する。
【解決手段】本発明は、特に自動車用の、少なくとも１つの第１流体回路、１つの第２流体回路および１つの第３流体回路に熱電ヒートポンプが配置された配置構造に関し、第１流体回路の流体と第３流体回路の流体との間で熱を伝達する第１熱交換器が設けられ、第２流体回路の流体と第３流体回路の流体との間で熱を伝達する第２熱交換器が設けられ、それぞれ１つの熱電素子が、第１熱交換器の熱伝達領域間に、および第２熱交換器の熱伝達領域間に配置される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、特に自動車用の、少なくとも１つの第１流体回路および１つの第２流体回路に熱電ヒートポンプが配置された配置構造に関する。

自動車、特に電気的に駆動される車両などでは、乗員室の暖房は、乗員にとっての乗り心地の快適さに関連する要素である。

電動車両の場合、電気モータの形態をとる駆動機械は、専ら内燃機関によって駆動される車両の内燃機関ほどには廃熱を発生させない。しかしながら、ハイブリッド車の場合でも、内燃機関のサイズが小さいほど生じる廃熱も少なくなり得る。そのため、上記ハイブリッド車利用においても、乗員室を適切に暖房するという問題が、解決されるべき課題として残っている。

流体回路が車両に備えられている場合、前記流体回路は、１つの熱電ヒートポンプ要素を用いて熱交換器を介して乗員領域に、および別の熱電ヒートポンプ要素を用いて周囲空気に対する熱交換器に結合することができる。ヒートポンプ要素を制御することにより、流体回路から周囲空気へ、または乗員領域への適切な熱の散逸を実現することが可能である。（特許文献１）はこの点で知られている。

しかしながら前記の構造は、１つの流体回路における利用可能な熱の分配だけを実現する。

車両において、異なる部品の冷却または温度制御に異なる流体回路が使用される場合、前記流体回路はまた、例えば乗員室の暖房にも温度制御にも使用することができる。しかしながら（特許文献１）による制御は、これにほぼ適していない。

欧州特許出願公開第２ ３５７ １０２ Ａ１号明細書

本発明の目的は、特に自動車用の、少なくとも１つの第１流体回路および１つの第２流体回路に熱電ヒートポンプが配置された配置構造を提供することである。この配置構造は、従来技術と比べて簡単な構成のものであるにもかかわらず、乗員室の適切な温度制御を実現する。また、これに関連して前記タイプの配置構造を制御する方法を提供することも目的である。

上記目的は請求項１の特徴によって達成される。それによれば、熱電ヒートポンプの配置構造が提供される。ここで、熱電ヒートポンプは、特に自動車用の、少なくとも１つの第１流体回路、１つの第２流体回路および１つの第３流体回路に配置される。第１流体回路の流体と第３流体回路の流体との間で熱を伝達する第１熱交換器が設けられ、第２流体回路の流体と第３流体回路の流体との間で熱を伝達する第２熱交換器が設けられる。それぞれ１つの熱電素子が、第１熱交換器の熱伝達領域間に、および第２熱交換器の熱伝達領域間に配置される。このようにして、第１および／または第２流体から第３流体への熱の伝達が制御可能となる。その結果、前記第３流体を温度制御または加熱し、例えば乗員室を暖房するために使用できるようになる。

ここで、少なくとも１つの第４流体回路が設けられ、かつ少なくとも１つの第４流体回路の流体と第３流体回路の流体との間で熱を伝達するための少なくとも１つのさらなる第３熱交換器が設けられると有利である。このようにして、さらなる回路の少なくとも１つのさらなる流体を、第３流体への熱伝達に組み込むことを最適化することができる。

熱電素子を少なくとも１つのさらなる第３熱交換器の熱伝達領域間に配置することも好都合である。熱電素子を設けることにより、第４流体から第３流体への熱の伝達を制御することができる。

第１熱交換器を通る第３回路の流体の流体流を制御するための弁が第１熱交換器に割り当てられる場合、および／または第２熱交換器を通る第３回路の流体の流体流を制御するための弁が第２熱交換器に割り当てられる場合、および／または少なくとも１つの第３熱交換器を通る第３回路の流体の流体流を制御するための弁が少なくとも１つの第３熱交換器に割り当てられる場合も有利である。各弁を用いて、熱交換器を通る流れを、ひいては伝達される熱の量も制御することができる。

第１熱交換器を通る第１回路の流体の流体流を制御するための弁が第１熱交換器に割り当てられる場合、および／または第２熱交換器を通る第２回路の流体の流体流を制御するための弁が第２熱交換器に割り当てられる場合、および／または少なくとも１つの第３熱交換器を通る第４回路の流体の流体流を制御するための弁が少なくとも１つの第３熱交換器に割り当てられる場合も適切である。各弁を用いて、熱交換器を通る流れを、ひいては伝達される熱の量も制御することができる。

ここで上記弁のうちの少なくとも１つの弁が、流体の流れで見て熱交換器の上流および／または下流に配置されると有利である。

弁が絞り弁であることも有利である。これにより、各熱交換器を通る通過流量を制御することができる。

熱電素子がペルチェ素子であると特に好都合である。これにより、適切に作動させることによって、熱の伝達を制御することができる。

有利には、熱電素子が電気的におよび／または電子的に作動可能であることが提案される。これにより、例えば乗員室の暖房を最適化するために、適切な電気的および／または電子的作動によって、第３流体への熱の伝達を制御することができる。

第１熱交換器および第２熱交換器および／または少なくとも１つの第３熱交換器をハウジングの中に配置することも好適である。

第１、第２および／または第３熱交換器が、第３回路の流体の流れで見て互いに並列に、および／または直列に配置される場合、有利である。したがって、全ての熱交換器を並列にまたは直列に配置することができる。しかしながら、熱交換器の一部を直列に配置または接続すること、および熱交換器の別の一部を並列に配置または接続することも可能である。

前記目的は、前記方法に関して、請求項１２の特徴によって達成される。それによれば、配置構造を制御する方法が提供される。この方法により、少なくとも１つの流体から第３流体への熱の伝達が、要求される暖房力の所定の基準、および／または接続された各流体回路における利用可能な熱量の所定の基準を満たすように、少なくとも１つの熱電素子および／または少なくとも１つの弁が制御される。

ここで、乗員室を暖房するための第３流体の設定値温度が熱電素子および／または弁の選択および作動を介して達成されるように制御が実行されると好都合である。

さらなる有利な実施形態は、以下の図面の説明によって、および従属項によって説明される。

本発明を、少なくとも１つの例示的実施形態に基づき、および図面を参照して、以下でより詳細に説明する。

複数の流体管路からなる回路構成に熱電ヒートポンプが配置された配置構造の概略図を示す。 複数の流体管路からなる回路構成に熱電ヒートポンプが配置された配置構造の概略図を示す。 複数の流体管路からなる回路構成に熱電ヒートポンプが配置された配置構造の概略図を示す。

図１は、複数の流体回路２、３、４および５を有する回路構成または回路配置構造における熱電ヒートポンプ１を、概略的配置構造で示す。ここで、流体回路２、３、４は、熱源６、７、８を有する流体回路を構成する。その結果、流体回路２、３、４を流れる流体が各熱源６、７、８によって加熱される。流体回路２、３、４の流体から流体回路５の流体へ熱を伝達することにより、流体回路５の流体は加熱される。加熱された流体を使用して、別の熱交換器９を用いて、自動車の乗員室へ流れ込む空気を暖めることが可能である。

ここで、熱電ヒートポンプ１は、３台の熱交換器１０、１１および１２によって形成される。熱交換器１０は流体回路２の流体と流体回路５の流体との間で熱を伝達する。

熱交換器１１は流体回路３の流体と流体回路５の流体との間で熱を伝達する。熱交換器１２は流体回路４の流体から流体回路５の流体へ熱を伝達する。

熱電ヒートポンプ１の熱交換器１０、１１、１２は、それぞれに含まれる流体間での熱の伝達を制御する１つの熱電素子をそれぞれ有すると好ましい。その際、各熱電素子の電気的または電子的な起動を用いて、流体回路５の入口側の流体から出口側の流体への熱の伝達が適切な方式で実行可能である。

図２は、３台の熱交換器１０２、１０３、１０４を備えた熱電ヒートポンプ１０１の概略図を示す。入口側において、熱電ヒートポンプ１０１は流体回路１０５、１０６および１０７に接続される一方で、別の流体回路１０８も熱電ヒートポンプ１０１に接続される。

熱源は、流体回路１０５の流体１０９が熱源によって加熱されるように流体回路１０５、１０６、１０７に配置されると好ましい。ここで、流体１０９は温度Ｔ₃で熱交換器１０２に入り、温度Ｔ₉で熱交換器１０２および熱電ヒートポンプ１０１を再び出る。流体回路１０６の流体１１０は流体回路１０６の熱源によって加熱され、温度Ｔ₄で熱交換器１０３すなわち熱電ヒートポンプ１０１に入る。流体１１０は温度Ｔ₁₀で熱交換器１０３すなわち熱電ヒートポンプ１０１を再び出る。流体回路１０７の流体１１１は熱源によって加熱される。流体１１１は温度Ｔ₅で熱交換器１０４に入り、温度Ｔ₁₁で前記熱交換器１０４すなわち熱電ヒートポンプ１０１を出る。

流体回路１０８の流体１１２は温度Ｔ₁で熱電ヒートポンプ１０１に入り、一方では、前記流体が温度Ｔ₂で熱電ヒートポンプ１０１を出るように、迂回路１１３および弁１１４を経由して、熱交換器１０２、１０３および１０４を経由して流れることができる。

あるいは、流体１１２は熱交換器１０２を通って、および／または熱交換器１０３を通って、および／または熱交換器１０４を通って流れることができる。これは弁１１５、１１６、１１７によって制御可能である。ここでは、流体１１２は熱交換器１０２を温度Ｔ₆で、熱交換器１０３を温度Ｔ₇で、および／または熱交換器１０４を温度Ｔ₈で出る。弁１１４、１１５、１１６および１１７の制御により、迂回路１１３および／または熱交換器１０２および／または熱交換器１０３および／または熱交換器１０４を通過する流体１１２の流体の流速が制御される。

さらに、各熱交換器１０２、１０３、１０４は、それぞれ、第１熱伝達領域１１８および第２熱伝達領域１１９、第１熱伝達領域１２０および第２熱伝達領域１２１、および第１熱伝達領域１２２および第２熱伝達領域１２３を有するように構成される。流体回路１０５の流体１０９は熱伝達領域１１８を通って流れる。流体１１２は第１熱交換器１０２の第２熱伝達領域１１９を通って流れる。

対応して、流体１１０は熱交換器１０３の熱伝達領域１２０を通って流れ、流体１１２は熱交換器１０３の熱伝達領域１２１を通って流れる。

流体１１１は、熱伝達領域１２２において、熱交換器１０４を通って流れ、流体１１２は熱伝達領域１２３において、熱交換器１０４を通って流れる。

図２の例示的実施形態では、それぞれに１つの熱電素子１２４、１２５、１２６が、熱伝達領域１１８、１１９および１２０、１２１および１２２、１２３の間にそれぞれ配置される。熱伝達領域１１８、１１９および１２０、１２１および１２２、１２３それぞれの間の熱流は、各熱電素子１２４、１２５、１２６の起動によって制御することができる。他の例示的実施形態では、熱交換器の少なくとも１台を、熱電素子を含まないようにすることもできる。

弁１１４〜１１７は、流体流１１２を制御するために流体回路１０８に配置される。例示的実施形態では、前記弁は、流体の流れで見て各熱交換器１０２、１０３、１０４の下流に位置付けられ、および／または迂回路１１３に配置される。あるいは、対応する弁を、各熱交換器の上流に位置付けることもできる。いくつかの弁を熱交換器の上流に位置付け、そしてその他の弁を各熱交換器の下流に位置付けることも可能である。

あるいはまたはさらに、熱電ヒートポンプ１０１すなわちその中に配置された熱交換器１０２、１０３、１０４を通る流体流１０９、１１０、１１１を制御するために、各弁を流体回路１０５、１０６、１０７に配置することも可能である。

図３は、第１流体回路２０２、第２流体回路２０３、第３流体回路２０５および第４流体回路２０４を備えた回路構成における熱電ヒートポンプ２０１の配置構造を示す。

流体回路２０２、２０３および２０４は、それぞれ図１および２の流体回路２、３、４および１０５、１０６、１０７に対応する流体回路である。流体回路２０５は流体回路５および流体回路１０８にそれぞれ対応する。流体回路２０５は、乗員室を暖房するための流体回路を構成し、ポンプ２０６と、乗員室に流れ込む空気を暖める暖房用熱交換器２０７と、ＰＴＣ型の構成のヒータとして形成され、例えば高電圧ＰＴＣ補助ヒータであってもよい任意選択の電気ヒータ２０８とを含む。熱交換器２０７は、暖房用熱交換器として、空調システムの空調ユニット配置構造内に例えば配置される。車両の乗員室を暖房するために、熱が熱電ヒートポンプ２０１によって流体回路２０２、２０３および２０４から流体回路２０５へ伝達される。

第１流体回路２０２は、ファン２１０を備えた第１熱交換器２０９と、ファン２１２を備えた第２熱交換器２１１とを有する流体回路である。この流体回路は、流れに関して、弁２１３、２１４を介して回路２０３に接続されている。車両の駆動モータ２１５は、制御装置２１６およびポンプ２１７とともに、回路２０３に配置される。流体回路２０２には、分岐管２１８および弁２１３および弁２１４に加えて、流体回路の流体を循環するためのポンプ２１９が配置されている。

流体回路２０４はバッテリ２２０を冷却するための流体回路である。前記流体回路２０４はポンプ２２１と、充電装置２２２と、例えば高圧バッテリの形態であってもよいバッテリ２２０とを含む。バッテリ２２０の下流に接続される、加熱用に機能し得る高圧ＰＴＣ補助ヒータ２２３を設けてもよい。さらに、回路２０４に、ファン２２５を備えた熱交換器２２４が設けられるが、これは任意選択であり、迂回路２２６および弁２２７を通る流れによって迂回され得る。同じく回路２０４に配置されるのは第２熱交換器２２８である。第２熱交換器２２８は回路２０４と空調システムの冷却回路２２９との間で熱を伝達するように機能する。第２熱交換器２２８は冷却器とも呼ばれ、冷却液回路２０４の冷却液と冷却回路２２９の冷媒との間の液体−液体熱交換器である。冷却回路２２９に２台の凝縮器２３０、２３１が配置されると好ましい。また、冷媒を回路において液体として圧送する冷媒圧縮機２３２が配置される。蒸発器２３４および膨張弁２３５および制御弁２３６も回路２２９に設けられる。また、弁２３７、２３８が設けられ、それらは第２熱交換器２２８の分岐管に配置される。

１、１０１、２０１ 熱電ヒートポンプ
２、１０５、２０２ 第１流体回路
３、１０６、２０３ 第２流体回路
４、１０７、２０４ 第４流体回路
５、１０８、２０５ 第３流体回路
６、７ 熱源
９、２２４ 熱交換器
１０、１０２、２０９ 第１熱交換器
１１、１０３、２１１、２２８ 第２熱交換器
１２、１０４ 第３熱交換器
１０９、１１０、１１１、１１２ 流体
１１３、２２６ 迂回路
１１４、１１５、１１６、１１７、２１３、２１４、２２７、２３７、２３８ 弁
１１８、１２０、１２２ 第１熱伝達領域
１１９、１２１、１２３ 第２熱伝達領域
１２４、１２５、１２６ 熱電素子
２０６、２１７、２１９、２２１ ポンプ
２０７ 暖房用熱交換器
２０８ 電気ヒータ
２１０、２１２、２２５ ファン
２１５ 駆動モータ
２１６ 制御装置
２１８ 分岐管
２２０ バッテリ
２２２ 充電装置
２２３ 高圧ＰＴＣ補助ヒータ
２２９ 冷却回路
２３０、２３１ 凝縮器
２３２ 冷媒圧縮機
２３４ 蒸発器
２３５ 膨張弁
２３６ 制御弁

Claims (13)

1. 特に自動車用の、少なくとも１つの第１流体回路（２、１０５）、１つの第２流体回路（３、１０６）および１つの第３流体回路（５、１０８）に熱電ヒートポンプ（１）が配置された配置構造であって、前記第１流体回路（２）の流体と前記第３流体回路（５）の流体との間で熱を伝達する第１熱交換器（１０、１０２）が設けられ、前記第２流体回路（３）の流体と前記第３流体回路（５）の流体との間で熱を伝達する第２熱交換器（１１、１０３）が設けられ、それぞれ１つの熱電素子（１２４、１２５）が、前記第１熱交換器（１０、１０２）の熱伝達領域（１１８、１１９）間に、および前記第２熱交換器（１１、１０３）の熱伝達領域（１２０、１２１）間に配置される、配置構造。
2. 少なくとも１つのさらなる第４流体回路（４、１０７）が設けられ、かつ前記少なくとも１つの第４流体回路の流体と前記第３流体回路の流体との間で熱を伝達するための少なくとも１つのさらなる第３熱交換器（１２、１０４）が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の配置構造。
3. 熱電素子（１２６）が前記少なくとも１つのさらなる第３熱交換器（１０４）の熱伝達領域（１２２、１２３）間に配置されることを特徴とする、請求項２に記載の配置構造。
4. 前記第１熱交換器を通る前記第３回路の流体の流体流を制御するための弁（１１５）が前記第１熱交換器に割り当てられ、および／または前記第２熱交換器を通る前記第３回路の流体の流体流を制御するための弁（１１６）が前記第２熱交換器に割り当てられ、および／または前記少なくとも１つの第３熱交換器を通る前記第３回路の流体の流体流を制御するための弁（１１７）が前記少なくとも１つの第３熱交換器に割り当てられることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の配置構造。
5. 前記第１熱交換器を通る前記第１回路の流体の流体流を制御するための弁が前記第１熱交換器に割り当てられ、および／または前記第２熱交換器を通る前記第２回路の流体の流体流を制御するための弁が前記第２熱交換器に割り当てられ、および／または前記少なくとも１つの第３熱交換器を通る前記第４回路の流体の流体流を制御するための弁が前記少なくとも１つの第３熱交換器に割り当てられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の配置構造。
6. 前記弁のうちの少なくとも１つの弁が、前記流体の流れで見て前記熱交換器の上流および／または下流に配置されることを特徴とする、請求項４または５に記載の配置構造。
7. 前記弁が絞り弁であることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一項に記載の配置構造。
8. 前記熱電素子（１２４、１２５、１２６）がペルチェ素子であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の配置構造。
9. 前記熱電素子（１２４、１２５、１２６）が電気的におよび／または電子的に作動可能であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の配置構造。
10. 前記第１熱交換器および前記第２熱交換器および／または前記少なくとも１つの第３熱交換器がハウジングの中に配置されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の配置構造。
11. 前記第１、第２および／または第３熱交換器が、前記第３回路の前記流体の流れで見て互いに並列に、および／または直列に配置されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の配置構造。
12. 少なくとも１つの流体から前記第３流体への熱の伝達が、要求される暖房力の所定の基準、および／または各接続された流体回路における利用可能な熱量の所定の基準を満たすように、前記少なくとも１つの熱電素子および／または前記少なくとも１つの弁が制御されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の配置構造を制御する方法。
13. 乗員室を暖房するための前記第３流体の設定値温度が前記熱電素子および／または弁の選択および作動を介して達成されるように前記制御が実行されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。