JP2017515726A - 車両用冷暖房システム - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃エンジンを有する車両用冷暖房システムを提供する。このシステムは、エンジンから排気を排出するための少なくとも１本の排気管（１６，１８）と、該排気管（１６，１８）に配置され、吸収性塩および冷媒液を収めた反応容器（３８，４０）とを備える。凝縮器（５０）は、反応容器（３８，４０）と流体連通しており、排気が排気管（１６，１８）内の反応容器を加熱する際に、反応装置（３８，４０）から冷媒蒸気を受容する。蒸発器（５４）は、車室（５６）内に配置可能であり、凝縮器（５０）および反応容器（３８，４０）と流体連通している。蒸発器（５４）は、凝縮器（５０）から凝縮した冷媒を受容して蒸発器（５４）周辺の空気を冷却すると共に、冷媒蒸気を反応容器（３８，４０）に戻す。本発明は、内燃エンジンを有すると共に冷暖房システムを組み込んだ車両と、運転者の車内環境の冷房方法も提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、車両用冷暖房システムに関する。より具体的に、本発明は、車両用エンジンの排気を利用して、運転室または運転者／搭乗者の車内環境に対する冷暖房システムを提供するものである。

車両用の暖房、冷房および空調システムにおいて、車内に除湿した温風または冷風を提供するために、排気の廃熱を吸収式システムの一部として利用することは既知である。そのようなシステムの一例として、特許文献１：米国特許第5383341号明細書は、冷媒／吸収剤混合物を車両用エンジンからの排気によって加熱する吸収式システムを開示している。冷媒／吸収剤混合物は反応容器内に収められており、該混合物は、吸収剤として作用するチオシアン酸ナトリウム塩（ＮａＳＣＮ）および冷媒として作用するアンモニア水溶液（ＮＨ_３）で構成することができる。反応容器は、排気管を通過するエンジンの排気から抽出される熱によって加熱される。

反応容器は排気管から離間しており、排気廃熱は複数のヒートパイプによって反応装置に伝達される。各ヒートパイプは、排気管内に配置される蒸発器部分と、反応容器内に配置される凝縮器部分とを有する。排気がヒートパイプの蒸発器部分に流入して加熱することにより、各ヒートパイプ内に収められた揮発性媒体を蒸発させ、凝縮器部分に向けて流し込む。その蒸気は、各パイプの凝縮器部分内で凝縮して液体に戻ることによって、熱出力を反応容器内の冷媒／吸収剤混合物に供給する。

米国特許第5383341号明細書

本発明の課題は、運転室または運転者／搭乗者の車内環境下で空気を加熱、冷却および調整するための、排気により駆動される吸収式システムを改良することにある。

本発明は、第１態様において、内燃エンジンを有する車両用冷暖房システムを提供する。このシステムは、エンジンからの排気を排出するための少なくとも１本の排気管と、該排気管に配置された反応容器とを備える。反応容器は、吸収性塩および冷媒液を収める。本発明に係るシステムは、反応容器と流体連通している凝縮器を更に備え、この凝縮器は、排気が排気管内の反応容器を加熱する際に反応装置から冷媒蒸気を受容する。凝縮器および反応容器と流体連通している蒸発器が車内に配置可能であり、この蒸発器は、凝縮器から凝縮した冷媒を受容して蒸発器周辺の空気を冷却すると共に、冷媒蒸気を反応容器に戻す。

本発明は、第２態様において、内燃エンジンおよび上述した第１態様に係る冷暖房システムを備える車両を提供する。

本発明は、第３態様において、内燃エンジンを有する車両の車内環境に対する冷房方法を提供する。本発明に係る方法は、エンジンからの排気を排出するための少なくとも１本の排気管を提供するステップと、該排気管内に、吸収性塩および冷媒液を収めた反応容器を配置するステップとを備える。排気が排気管内の容器を加熱する際に、凝縮器が容器から冷媒蒸気を受容するように、凝縮器を反応容器と流体連通させる。更に、蒸発器が凝縮器から凝縮した冷媒を受容して蒸発器周辺の空気を冷却し、続いて、冷媒蒸気を反応容器に戻すように、凝縮器および反応容器と流体連通している蒸発器を車内に配置する。

車室内の空気を加熱、冷却および調整するための吸収式システムの概略図である。 図１のシステムを車載状態で示す斜視図である。

以下、単なる例示として、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

図１は、車室内の空気を加熱、冷却、および調整するため、排気からの廃熱を利用する吸収式システムの概略図である。排気は、車両のエンジン（図示せず）の排気出口と連通している入口１２と、１つ以上のテールパイプ（図示せず）と流体連通している出口１４とを有する排気導管１０に沿って流動する。排気導管１０は、入口１２から出口１４に相互に並走する第１排気管１６および第２排気管１８を備える。各管１６，１８は、排気入口２０，２２を有しており、排気流に対して排気導管１０を閉口しつつ、排気入口２０，２２を通じて外気を取り込むことができる。第１排気管１６にある排気入口２０は、入口が閉口し、かつ排気流が開口した状態、並びに、第２排気管１８にある排気入口２２は、入口が開口し、かつ排気流が閉口した状態を示しているが、入口２０，２２のぞれぞれの位置は、必要に応じて逆でもよい。エンジンが駆動している間、排気が排気導管１０を通じて流動し続けるように、入口２０，２２のうち少なくとも一方は、入口を閉口し、かつ排気流を開口した状態になければならない。

空気／燃料バーナ２４は、空気入口２０，２２の下流において、各排気管１６，１８と流体連通している。外気および燃料は、バーナ空気入口２６および燃料入口２８のそれぞれを通じてバーナ２４に入る。スライドシート式空気制御弁２７は、バーナ空気入口２６を通じて空気の流れを制御すると共に、燃料制御弁２９は、燃料入口２８を通じて燃料の流れを制御している。一対の空気／燃料導管３０，３２は、空気／燃料バーナ２４を第１排気管１６および第２排気管１８に接続している。

各排気管１６，１８は、空気／燃料導管３０，３２が排気管に進入する、隣接するベンチュリ部分３４，３６を含む。各管１６，１８におけるベンチュリ部分３４，３６の下流には反応容器３８,４０がある。各反応容器３８，４０は略筒状であり、内部チャンバ４２，４４を有する。各筒状容器３８，４０の外面は、各排気管１６，１８の内面に対向して配置されている。容器３８，４０は、排気流路を画定する内面も有する。各容器３８，４０の内面は、排気管の中央に向かって内向きに延在する複数のフィン４３を含む。フィン４３は、排気からチャンバ４２，４４の内容物に熱を伝達する熱交換器としての役割を果たす。結果として、排気は、各容器３８，４０の中央を通じて流動することができ、かつ、各筒状チャンバ４２，４４の内容物に熱を付与する。各反応装置３８，４０のチャンバ４２，４４は、塩および冷媒液からなる混合物を収める。例えば、好適な混合物は、水中の塩化リチウム（ＬｉＣｌ）またはメタノール中の臭化リチウム（ＬｉＢｒ）を含む。

各反応装置３８，４０のチャンバ４２，４４は、以下により詳細に記載するように、チャンバからシステムの残部までの冷媒蒸気の流れを制御する第１三方制御弁４６と流体連通している。第２三方制御弁４８は、チャンバ４２，４４内に戻る蒸気の流れを制御している。チャンバ４２，４４は、第１制御弁４６の開閉に応じて、第１導管４９を介して凝縮器５０と選択的に流体連通している。凝縮器ファン５２は、冷媒蒸気を凝縮するために、外気を凝縮器５０に亘って選択的に取り込むことができる。

凝縮器５０は、凝縮器と蒸発器との間の流体の流れを制御する第３制御弁５１を含む第２導管５３を介して蒸発器５４と流体連通している。蒸発器５４は、図１に概略的に示したように、車両の運転室５６内または車内に配置可能である。蒸発器ファン５８は、運転室５６の外側からの外気を蒸発器５４に亘って選択的に取り込むことができる。運転室５６内には、蒸発器５４に隣接するヒータ６０も設けられている。ヒータ６０は、好適な熱源（例えば、冷却液）と流体連通しており、ヒータ内への流体の流れは、ヒータ制御比例弁６２によって制御されている。運転室５６の内側または外側のいずれかに、運転室の操作者からの要求に応じて、運転室内ヒータ制御（図示せず）を介して、ヒータ制御弁６２および蒸発器ファン５８を制御するヒータ制御装置６３を設ける。第２制御弁４８が開口し、かつ、第３制御弁５１が閉口しているとき、第３導管６４は、蒸発器５４を反応装置のチャンバ４２，４４と流体連通している。

排気入口２０，２２並びに空気／燃料バーナ２４の空気および燃料入口弁２７，２９の操作を制御することができる電子制御ユニット（ＥＣＵ）７０も設ける。ＥＣＵ７０は、第１制御弁４６、第２制御弁４８、および第３制御弁５１を制御することもできる。操作者は、制御インタフェース（図示せず）を介して手動により、または、ＥＣＵ７０と連通しているメモリ（図示せず）に格納された１つ以上のプログラムによって自動的に、ＥＣＵ７０（および様々な弁）を制御することができる。

図２は、車両上に搭載した図１のシステムを示す図である。この実施例において、車両は油圧ショベルの形態の作業機であるが、本発明は、例えば自動車、オンハイウェイトラックやオフハイウェイトラック、および農業用トラクタ等の別の車両においても同等に利用することができることを理解されよう。図示したショベルにおいて、エンジン１００は車体の後方に向かって存在している。排気導管１０は、エンジン１００の排気出口（図示せず）から、車体の上方に突出しているテール導管１０２に走行している。排気導管入口１２とテール導管１０２との間には、排気管１６，１８および反応装置３８，４０を含むハウジング１０４があり、反応装置３８，４０は、図２において、ハウジング１０４によって視界から隠されている。

車体の切欠き部から分かるように、第１導管４９は、反応装置３８，４０を凝縮器５０に接続しており、該凝縮器５０は、この実施例では、運転室５６の頂部上において一対の凝縮器ファン５２に沿って配置されている。凝縮器５０および蒸発器５４を接続している第２導管は、図２において不可視であり、同様に、運転室５６内にある空調ユニット１０６内に収められている蒸発器およびヒータ６０も不可視である。蒸発器５４を反応装置３８，４０に接続している第３導管６４は、車体の切欠き部において見ることができる。

産業状の利用可能性

図１および図２に示したシステムの操作態様について説明すれば、次のとおりである。先ず、車両のエンジンを始動し、排気が排気導管１０に流入し始める前に、反応装置３８，４０のチャンバ４２，４４に、冷媒を吸収した塩を収める。エンジン始動後、高温の排気が排気導管１０の排気管１６，１８を通じて流入し始めると、高温の排気は内向きに延在する、反応装置３８，４０のフィン４３上を通過し、排熱がフィンを介してチャンバ４２，４４の内容物に伝達される。チャンバ４２，４４内の湿潤した塩が加熱されると、冷媒が蒸発する。冷媒が蒸発すると、ＥＣＵ７０は第１制御弁４６を開口し、蒸気が第１導管４９に沿って凝縮器５０内に流入する。反応装置のチャンバ４２，４４に残留した塩は乾燥し、実質的に冷媒ではなくなる。

冷媒蒸気が凝縮器５０を通過すると、冷媒蒸気は、凝縮器ファン５２によって凝縮器コイル上に取り込まれた外気によって冷却されて液体に凝縮される。開口した第３制御弁５１により、凝縮物は重力によって第２導管５３を通じて凝縮器５０から蒸発器５４に流入することができる。液体冷媒が蒸発器５４内に流入すると、液体冷媒は、蒸発器ファン５８によって蒸発器上に取り込まれた外気を冷却する。操作者によって要求された加熱／冷却設定に応じて、運転室内の加熱または冷却を所望のレベルにするために、ヒータ制御装置６３によりヒータ制御弁６２に指示を出して、流体を熱源からヒータ内に流入させることができる。

蒸発器５４上を通過して運転室５６内に流入した空気が冷却されると、液体冷媒は再度蒸発する。ＥＣＵ７０は、第３制御弁５１を閉口し、かつ、第２制御弁４８を開口することによって、蒸気を第３導管６４を介して、反応装置のチャンバ４２，４４に返流させることができる。蒸気がチャンバ４２，４４に再び戻ると、蒸気は凝縮され、吸収されて塩に戻る。反応装置３８，４０の冷却および反応装置３８，４０内の冷媒蒸気の凝縮を促進するため、ＥＣＵ７０は排気入口２０，２２の一方を開口して、反応装置のフィン４３に亘って、排気の代わりに外気を取り込むことができる。空気入口２０，２２のいずれかが開口している場合、排気管１６，１８内の各ベンチュリ部分３４，３６が作用して、入口２０，２２を通じて管内により多くの空気を取り込み、フィン４３に亘る空気の質量流量の割合を増加させる。対照的に、反応装置３８，４０を更に加熱する必要がある場合、空気／燃料混合物が排気流において燃焼する際に、排気ケースの温度を上昇させるために、ＥＣＵによって空気／燃料バーナ２４の制御弁２７，２９に指示を出して、空気／燃料混合物を排気管１６，１８内に取り込むことができる。代替的に、反応装置３８，４０の冷却を促進するために、ＥＣＵ７０により、空気／燃料バーナ２４の空気制御弁２７のみを開口するように指示を出して、外気を排気管１６，１８内に更に取り込むこともできる。

本発明は、反応装置を排気管内の排気流に直接的に配置する点において有利である。それにより、反応装置の成績係数に対して、排気流から反応装置への高効率なエネルギー伝達による高レベルの排気を確実にする。排気入口および／または空気／燃料バーナがシステム内に含まれている場合、本発明は、排気管内および反応装置に亘る温度を、選択的に操作可能な排気入口、並びに、空気および／または空気／燃料混合物を管内に供給する空気／燃料バーナによって迅速に調整することができる。排気入口が開口しているとき、排気管内のベンチュリ部分は、付加的な空気流を反応装置に亘って取り込むことによってもたらされる冷却効果を高める。

空気／燃料バーナを含むことによる更なる利点として、エンジンを停止した状態においても、バーナが空気／燃料混合物または清浄空気を取り込むようにＥＣＵによって指示したか否かに応じて、反応装置を加熱または冷却することによってシステムを操作することができる点が挙げられる。空気の制御および空気／燃料バーナの燃料制御弁により、操作中にシステム性能を増大させることもできる。

反応装置は、所定の時間だけ、エンジンを停止した状態で、空気／燃料バーナユニットを必要とすることなく、システムの保持機能を可能とするエネルギー貯蔵能力も有する。最終的に、本発明のシステムの部品は、既存システムにおける既存の凝縮器および蒸発器の部品構成およびレイアウトを著しく変更する必要なく、車両のＨＶＡＣシステムに後付可能である。

本発明の好適な実施形態は、平行な２本の管を有する排気導管を含むが、本発明は、排気入口、ベンチュリ部分、および反応容器を含む１本の排気管のみを含んでもよいことを理解されよう。

本発明の好適な実施形態においては両方存在しているが、本発明によるシステムは、排気入口または空気／燃料バーナの一方のみを採用してもよいことを理解されよう。本発明によるシステムは、排気入口および／または空気／燃料バーナを全く含まなくてもよい。

反応容器は筒状であることが好ましいが、そのような形状または環状の断面を有するものに限定されない。例えば、反応装置は、反応装置を通じて長手方向に延在する中央通路を有する正方形、三角形、または長方形の断面を有していてもよい。そのようなケースにおいて、排気流は、容器の内面および外面に沿って指向され得る。

空気／燃料バーナは、バーナから少なくとも１本の排気管内に誘導される空気／燃料比率を変更することができるように、適用され得る。

このような修正・改善や更なる修正改善は、本発明の範囲から逸脱することなく取り入れることができる。

Claims (16)

1. 内燃エンジンを有する車両用冷暖房システムであって、
   前記エンジンからの排気を排出するための少なくとも１本の排気管と、
   前記排気管に配置され、吸収性塩および冷媒液を収めた反応容器と、
   前記反応容器と流体連通し、排気が前記排気管内の前記反応容器を加熱する際に前記反応装置から冷媒蒸気を受容する凝縮器と、
   車室内に配置可能であり、前記凝縮器および前記反応容器と流体連通し、前記凝縮器から凝縮した冷媒を受容して蒸発器周辺の空気を冷却すると共に、冷媒蒸気を前記反応容器に戻す蒸発器と、
   を備えるシステム。
2. 空気および燃料源と流体連通する空気／燃料バーナを更に備え、該バーナは、空気または空気／燃料混合物を前記反応容器の上流側で前記少なくとも１本の排気管内に誘導するように選択的に操作可能である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記反応容器の上流側で前記少なくとも１本の排気管が排気入口を有し、該排気入口は、外気を前記排気管内に選択的に取り込むことができるように、閉口位置および開口位置の間を移動可能である、請求項１に記載のシステム。
4. 前記少なくとも１本の排気管の排気入口と前記反応容器との間に、ベンチュリ部分を更に備える、請求項３に記載のシステム。
5. エンジンの排気を排出するための一対の排気管を備え、各排気管に反応容器が収められ、該反応容器が、前記凝縮器、排気入口、並びに前記排気入口および反応容器の間のベンチュリ部分と流体連通する、請求項４に記載のシステム。
6. 空気および燃料源と流体連通し、空気または空気／燃料混合物を前記反応容器の上流側で前記少なくとも１本の排気管内に誘導するように選択的に操作可能な空気／燃料バーナと、
   前記反応容器の上流側で前記少なくとも１本の排気管内に設けられ、外気を前記排気管内に選択的に取り込むことができるように、閉口位置および開口位置の間を移動可能な排気入口と、
   を更に備える、請求項１に記載のシステム。
7. 前記少なくとも１本の排気管が、前記排気入口および前記反応容器の間にベンチュリ部分を備える、請求項６に記載のシステム。
8. エンジンからの排気を排出するための一対の排気管を備え、各排気管に反応容器が収められ、該反応容器が、前記凝縮器、排気入口、並びに前記排気入口および反応容器の間のベンチュリ部分と流体連通する、請求項７に記載のシステム。
9. 前記反応容器を加熱または冷却すべく、前記空気／燃料バーナおよび／または前記排気入口を作動させるための制御装置を更に備える、請求項６〜８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記反応装置は、前記少なくとも１本の排気管の内面に対向して配置される外面と、排気の流路を画定する内面とを有する筒状容器である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記反応容器の内面は、前記流路の中央に向かって内向きに延在する複数のフィンを備え、該フィンは、前記排気管内の排気からの熱を前記容器内の塩および冷媒に伝達する、請求項１０に記載のシステム。
12. 車室内で前記蒸発器に隣接して配置されるヒータを更に備え、該ヒータは、加熱源からヒータへの加熱流体の流れを制御するためのヒータ制御弁を有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 前記加熱流体が、車両のエンジンからの冷却液である、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記塩は塩化リチウムおよび臭化リチウムからなる群から選択され、前記冷媒は水およびメタノールからなる群から選択される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のシステム。
15. 内燃エンジンと、
    請求項１〜１４のいずれか一項に記載の冷暖房システムと、
    を備える車両。
16. 内燃エンジンを有する車両における運転者の車内環境を冷房する方法であって、
    前記エンジンからの排気を排出するための少なくとも１本の排気管を設けるステップと、
    該排気管内に、吸収性塩および冷媒液を収めた反応容器を配置するステップと、
    排気が前記排気管内の前記容器を加熱する際に、前記凝縮器が前記容器から冷媒蒸気を受容するように、前記凝縮器を前記反応容器に流体連通させるステップと、
    車内に蒸発器を配置するステップと、
    前記蒸発器が前記凝縮器から凝縮した冷媒を受容して前記蒸発器周辺の空気を冷却し、続いて、冷媒蒸気を前記反応容器に戻すように、前記蒸発器を前記凝縮器および前記反応容器に流体連通させるステップと、
    を備える方法。

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