JP4451312B2 - 特に自動車用の空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文による、特に自動車用の、空調装置に関する。

一般タイプの空調装置は、特許文献１に記載されている。その装置では、冷房装置は、冷たさ蓄積器と組み合わせて作動され、冷媒は、循環ポンプの支援で冷たさ蓄積器から冷たさを蒸発器に送る熱媒として使用される。蒸発器及び冷たさ蓄積器は冷媒側に並列に接続され、このことは配管接続部及び構成要素への大きな支出に、ゆえに好ましくない製造費の増加につながる。さらに、当然、このタイプの装置も、自動車内、特に乗用車内の貴重な空間を占有することになる。

自動車内の従来形の冷房装置は、一般に、ベルトドライブを介して自動車エンジンに固定して接続される冷媒圧縮器だけで駆動される。エンジンが作動していない場合、空調装置も作動しない。乗員室は夏期には急速に温度上昇する。この結果、運転者は、空調装置を作動している状態に維持するために、交通渋滞時又は待機時でもエンジンを作動させたままにすることになる。これは、汚染物質や騒音の発生のため、環境への著しい負荷となり、さらに燃料を消費する行為となる。

始動／停止機能を備えた自動車の場合、エンジンは、燃料消費を低減するために、自動車が停止すると（例えば赤信号での、比較的短時間の場合でも）直ちに自動的にオフに切り換えられる。したがって、冷房装置も同様に停止し、ゆえに、乗員室に入ってくる空気の冷却及び除湿など、安全や快適に関わる機能を実行させることが不可能となる。

固定（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ）空調装置は、すでに商用車の分野で連続生産に入っている。これは、乗用車の空調にはほど遠い水準にある。現在の考え方は、空間及び重量に対する性能比の見地から、未だ乗用車に使用するには不適である。

冷却推進力に乏しく、エンジンが停止した直後だけ冷房をもたらす一般に熱負荷を間接的にロードした貯蔵蒸発器を用いる固定空調概念は、実際の用途で知られている。

さらに、電気的に駆動される圧縮器は、例えば、ベルト駆動式スタータジェネレータと組み合わせた、一体化スタータジェネレータ又はハイブリッド圧縮器として、すなわち、一体化電動機を備えた圧縮器として知られている。しかしながら、これは、不都合にもより大容量のバッテリ及びジェネレータが必要となる。自動車は、それで停止状態で高エネルギーを消費することになる。さらに、その効率は、非常に長い連結動作（ジェネレータ／バッテリ／冷却圧縮器）のため非常に低くなる。

冷媒Ｒ７４４／ＣＯ_２を使用する二次冷却液回路及び二次冷却液回路内に蓄熱器を備えた冷房装置も同様に知られている。この状況における一つの欠点は、ハードウエア、空間及び重量が比較的高出費の要因となることである。さらに、限定的にしか、低熱力学を実現できない。さらに、その効率は、冷媒から熱媒へ、及び熱媒から有効空気へ熱を伝達するので、低い。

長距離商用車用のエンジンに依存しない空調装置も知られている。この場合、蓄熱器は、二次回路を介して冷たさがロードされ、上述した関連の欠点（ハードウエア、空間及び重量）を有するので、このタイプの固定空調も乗用車に使用するには若干不適である。

独国特許出願公開第３７ ０４ １８２ Ａ１号明細書

したがって、本発明は、従来技術の欠点を解消する導入部に記載のタイプの空調装置を提供するものであり、特に、空間、構成要素、配管接続及び電気エネルギーに関しほとんど支出を伴わない有効空気の冷却及び除湿効果を備えた、特に乗用車用の、さらに十分な冷却推進力が達成される、固定空調機能を提供することを目的とする。

この目的は、請求項１の特徴部分により本発明に従って達成される。

本発明による手法は、圧縮式冷凍回路のスイッチがオフにされたときの固定空調機能を備えた空調装置を簡単且つ有利な方法で生み出すものであり、冷媒側又は冷却回路内の蒸発器や蓄熱器の簡単な直列配置のため、配管接続や構成要素に関する支出が非常に低くて済む。したがって、ほとんど実装やハードウエアに費用をかけないで、空調機能を、自動車エンジンが稼働していない間に実現できる。さらに、本発明による空調装置は、事前及び固定空調にも適している。自動車が過熱したとき、より良い冷却熱力学、さらに随意に冷却装置が冷たさをロードした蓄熱器で始動されているとき、より低い高温度ピークも提供される。さらに、追加冷却回路（二次冷却回路）が不要となるので、空間、構成要素及び電気エネルギーへの追加的支出が回避される。一体化蓄熱器を備えた改造された冷却装置を実質的に具備する、本発明による回路接続により、冷房装置のスイッチがオフに切り換えられても、非常に良好な空調を達成できる。冷媒収集器内にある冷媒は、蓄熱器から蒸発器に冷たさを伝達する熱媒の役割を果たす。冷媒はエネルギーを潜在的に伝達し、蒸発と凝縮とが事実上同圧力で起こるので、固定空調回路を維持するのに非常に低いポンプ動力しか必要ない。自動車の事前空調は、蓄熱器と冷媒収集器の随意の断熱によって、エンジンが長期間動作不能であった後でも提供される。

本発明は、冷媒収集器がサクション（ｓｕｃｔｉｏｎ）領域に、すなわち、蒸発器の上流又は下流に配置される冷却装置に特に適している。この理由で、冷媒の二酸化炭素を使用する冷房装置が特に適しているが、この場合、冷媒収集器が、一般に冷媒液圧回路に関して蒸発器の下流に配置されているからである。

本発明によれば、冷媒収集器を固定空調回路内に、又は蓄熱器の下流及び循環ポンプ又は蒸発器の上流に配置することがさらに可能となる。

これは、冷媒が固定空調回路内を循環するとき、液状冷媒が蒸発器に入り、その内部で部分的又は完全に蒸発すると直ちにその装置内で圧力増加が生じるので、閉固定空調回路内の圧力増加を最小限に抑える。この体積増加は、装置内の圧力の増加につながる。冷媒圧力の大きさが蒸発温度を決定することは知られており、この圧力が高くなればなるほど、蒸発温度も高くなる。

さらに、この位置の冷媒収集器によって、固定空調回路内の循環ポンプが冷媒収集器から１００％液状冷媒だけを吸い込む、したがって気泡に起因する騒音もなく完全に動作することが保証される。

特に冷たさをロードした蓄熱器の場合、圧縮式冷凍回路と固定空調回路とを並列動作できると好都合である。

その結果、冷たさをロードした蓄熱器と、圧縮式冷凍回路が稼働しているときの固定空調回路を単に接続するだけで高冷却推進力を達成することが可能となる。

本発明の有利な構成や改良は、他の従属項から、及び図面を参照して以下で概説される例示的な実施形態から明らかとなる。

図１ａは、ＡＣ動作における、全体的に参照番号１０１で示される、空調装置を示す。圧縮回路が稼働しているとき（鎖線で示された高圧領域及び連続線で示されたサクション領域）、冷媒１１は、圧縮器１内で高温度圧力レベルにされ、内部熱交換器３を介してさらに冷却される前に周囲熱交換器２内で冷却される。それは次に膨張弁４を通過し、低圧力温度レベル（温度条件により、１０℃から０℃まで）まで膨張させられる。蒸発器５において、冷媒１１は、車内（乗員室−図示せず）に通される有効空気から熱エネルギーを取り込み、この空気を冷却し、除湿し、さらにその過程でその空気が蓄熱器６に移動する前に部分的又は完全に蒸発させられる。この例示的な実施形態において、蓄熱器６は、冷媒液圧回路に関して空調装置１０１の蒸発器５の下流に配置される。冷媒１１が蓄熱器６内に存在する蓄熱媒体６’よりも冷たい場合、この媒体は、冷媒１１が冷媒収集器７を通過する前に冷たさをロードされる。冷媒収集器７から、冷媒１１は、他の内部熱交換器８の低圧側を経由して流れ、その過程で、圧縮器１に送り戻される前に過熱される。

空間上の理由で、蓄熱器６内の蓄熱媒体６’は、最高可能体積蓄熱容量が達成されるように、固相と液相との間で相変化すると好都合である。この場合、熱の導入と除去とは、主に潜在的である、すなわち相変化中の融解熱の形の等温レベルで行われる。例示的な実施形態では、以下に記載されるものを含み、蓄熱媒体は、パラフィン６’の形である。当然、他の例示的な実施形態において、とりわけ、アルコール又は含水塩を使用することも可能である。

ＡＣ動作において又は圧縮式冷凍回路が稼働しているとき（図１ａ）、蓄熱器６は冷たさをロードされる。

図１ｂにおいて、空調装置１０１は、固定空調動作において稼働する、すなわち、固定空調回路（実線）が動作中である間、圧縮式冷凍回路のスイッチはオフに切り換えられている（点線）。蓄熱器６が完全に冷たさをロードされると、固定空調回路を、より良好な冷却推進力を達成するために、圧縮式冷凍回路と並列に動作させることもできる。

圧縮器１のスイッチがオフに切り換えられた場合、逆止弁９及び閉じた膨張弁４は、高圧領域（図１ｂの点線で示された）からの冷媒が、蒸発器５及び冷媒収集器７を具備する固定空調回路の動作区域に侵入するのを防止し、これは冷媒圧力を上昇させることになる。固定空調はこれから固定空調回路を介して行われ、そこでは、循環ポンプ１３の支援で、液体冷媒１１が冷媒収集器７から凝縮管路１４を介して蒸発器５に通される。蒸発器５において、冷媒１１は、有効空気から熱エネルギーを取り出し、この空気を冷却し、除湿し、その過程で、蓄熱器６に移動する前に部分的又は完全に蒸発させられる。ここでは、冷媒１１は、凝縮し、冷媒収集器７に流入し、そこから回路が再度始まる。したがって、固定空調回路において、蓄熱器６は凝縮器の機能を果たす。冷媒収集器７内に存在し、圧縮器１に必要な潤滑液１２の低い熱力学的特性のため、凝縮管路１４の開口部１４’は、循環ポンプ１３によって液体冷媒１１だけしか吸い込まれないような深さまでしか冷媒収集器７内に突き出ていない。この状況において、気体と液体冷媒１１との混合体が吸い込まれる場合、冷媒１１の有効エンタルピー差の全て（０から過熱まで）が利用されるわけではなく、さらに送られる気泡のため、騒音が回路内に生成される恐れがあるので、冷媒１１が液体状態であることも特に保証されるべきである。この例示的な実施形態において、冷媒収集器７は、サクション領域、すなわち、蒸発器の上流又は下流に配置されており、冷媒収集器７が冷媒液圧回路に関して蒸発器５の下流に都合良く位置しているので、特に記載の空調装置１０１を環境を考慮した二酸化炭素冷媒と共に使用するのに適するようになる。したがって、この例示的実施形態において、二酸化炭素も冷媒１１として使用される。

凝縮及び蒸発は、いわば、定圧的に行われ、さらに冷媒は一般的に熱をほとんど潜在的に伝達するので、固定空調回路を維持するのに循環ポンプ１３には低動力しか必要ない。蓄熱器６の及び冷媒収集器７の断熱部１０は、冷却エネルギーを長期間蓄え、続いて有効空気の事前空調に使用できるようにする。断熱部１０の他の利点は、空調装置１０１のスイッチがオフに切り換えられ、著しく加熱されてしまうと液体冷媒１１の著しく緩やかな蒸発となる。その結果、冷媒圧力は、急激に上昇せず、空調装置１０１が始動するとより高い冷却能力及びより低い冷媒高圧力が達成される。

多数の配管接続位置、ゆえに回路内の漏れが生じる可能性のある位置を減少させるために、蓄熱器６と冷媒収集器７とが図１ａ、１ｂ、図２にしたがって一体化されることが好ましい。さらに、他の例示的な実施形態において、漏れる箇所の数を減らすために、循環ポンプ１３及び／又は逆止弁９を蓄熱器６又は冷媒収集器７内に収容することも同様に考えられる。

図２は、大規模貯蔵容量、すなわち大容積を有する蓄熱器６を備えた空調装置１０２を示しており、この蓄熱器６は、冷媒収集器７を包囲し、冷媒収集器７の容器に必要な材料の量を減らすために、圧力容器として設計されている。

図３は、車室内が温度上昇したときに急速冷房を可能にする空調装置１０３を示す。蓄熱器６が加熱した、すなわちその負荷を失ったとき、それは、冷房装置１０３が始動されると冷たさの一部を移送し、ゆえに蒸発器５における冷却性能に逆効果を与える。冷却容量の全てが蒸発器５に移動されることになる場合、バイパス管路１６を有するバイパス弁１５の追加によって、蓄熱器６を迂回させることができる。バイパス弁１５は、本例におけるように、電気的に作動されるか、又は温度自動調整的に作動されても良い。

図４は、蓄熱器６が冷媒収集器７から空間的に離して接続される、他の空調装置１０４を示す。蓄熱器６及び冷媒収集器７が別々に配置される場合、装置の実装が著しく簡単になる。このことは場所を取らない構造となる。さらに、蓄熱器６は、蒸発器５と冷媒収集器７との間の空調装置１０４の冷媒管路を不必要に延ばす必要もなく、熱的に重要でない位置、例えば、エンジンルームの外側に収容されても良い。

図５ａ、５ｂ、６は、固定空調回路が冷媒循環ポンプ（図１ａ〜４の参照番号１３）を使用しないで動作する、回路図１０５、１０６を示す。このタイプの回路配置を用いると、蒸発器５は、蓄熱器６よりも測地位置的に低い高さに配置されるので、固定空調動作中（図５ａ−点線で示された圧縮式冷凍回路）循環ポンプを使用しない重力を利用した冷媒回路がサーモサイホン効果によって簡単に形成される。蓄熱器６から得ることができる冷却容量は、実質的に駆動圧力勾配、固定空調回路内の管路抵抗によって、及び冷媒１１のエンタルピー差によって決まる。固定空調回路内の高駆動圧力勾配は、蒸発器５及び蓄熱器６内の２つの凝縮液面高さ１８、１９間のかなりの高度差と、冷媒１１の蒸気流２０と凝縮液流２１との間のかなりの密度差とを利用して達成される。最大可能エンタルピー差を達成するために、蒸発器５は、冷媒１１が蒸発器入口で空気の温度レベルまで事実上過熱されるので、交差向流式（ｃｒｏｓｓ−ｃｏｕｎｔｅｒｃｕｒｒｅｎｔ ｆｏｒｍ）で設計されている。図５ａ、５ｂ、図６から分かるように、凝縮液管路１４は、この場合も同じように断熱部１０を備えている。凝縮液管路１４は、切換弁１７で閉じられ、固定空調動作においてのみ開かれる。

図６に示されている回路図１０６の場合、蓄熱器６は、冷媒収集器７から離して配置されており（図４参照）、その結果、蓄熱器６を冷却装置の残りの部分から空間的に離して配置でき、さらに高蓄熱容量を備えることができる。蓄熱器６と冷媒収集器７とを別々に配置することによって、冷房装置１０６の実装が著しく簡単になる。さらに、蒸発器５と冷媒収集器７との間の残りの冷却装置の配管長を短くすることができ、それにより冷媒圧力損失を低レベルに保つことができる。

図５ａ、５ｂ、及び図６に示された回路配線１０５、１０６は、高冷却力を必要とせず、十分な重力回路を生成できるように、蒸発器５と蓄熱器６との間の装置高さ間にかなりの差を実現することが可能である固定空調装置に主に適している。このエンジンに依存しない空調用の１つの可能な適用範囲は、運転室が仕事場、宿泊及び睡眠用空間となり、さらに長距離運転後の運転者の休憩時間には法的規制がある、長距離用商用車であろう。このエンジンに依存しない空調は、運転者を高温多湿の周囲条件から守ることができる。特に夜間、冷房の需要が、太陽放射がないおかげであまり高くないとき、重力を利用した空調回路が運転室の空調に適することになる。停止時に必要な冷却容量が高い場合には、冷媒凝縮液流が循環ポンプによってブーストされなければならなくなる。

図７で示された圧力ｐ／エンタルピーｈ線図は、圧縮式冷凍回路（Ａ／Ｃ回路−参照番号１（圧縮器）、２（周囲熱交換器）、３（内部熱交換器）、４（膨張弁）、５（蒸発器）及び８（内部熱交換器）で明示された）及び固定空調回路内の冷媒ＣＯ_２の状態の例を示す。この線図は、固定冷却中に冷媒がＡ／Ｃ動作におけるよりも蒸発器５においてほぼ５０％より大きくエンタルピーが変化することを示す。冷却容量は、冷媒の質量流量と冷媒のエンタルピー変量の積から計算できることは知られている、すなわち、蒸発器５における同冷媒容量に対し、固定冷却は、５０％より低い質量流量の冷媒が必要となる。これは、補助回路内の管路断面（凝縮液管路１４）と循環ポンプ１３とを対応して小さくすることが可能となるということになる。

ＡＣ動作における本発明による空調装置の第１の実施形態の概略回路図を示す。 固定空調動作における図１ａで示された本発明による実施形態の概略回路図を示す。 固定空調動作における本発明による空調装置の第２の実施形態の概略回路図を示す。 ＡＣ動作においてバイパスを備えた本発明による空調装置の第３の実施形態の概略回路図を示す。 ＡＣ動作における個別に配置された蓄熱器と冷媒収集機とを備えた本発明による空調装置の第４の実施形態の概略回路図を示す。 固定空調動作におけるサーモサイホン効果を利用する本発明による空調装置の第５の実施形態の概略回路図を示す。 ＡＣ動作において図５ａで示された本発明による第５の実施形態の概略回路図を示す。 本発明による空調装置の第６の実施形態の概略回路図を示す。 概略圧力エンタルピー線図を示す。

Claims (13)

1. Ａ／Ｃ動作用の冷媒の圧縮式冷凍回路を備え、高圧領域、サクション領域、及び、前記圧縮式冷凍回路のスイッチがオフに切り換えられたときの固定空調動作用の接続された固定空調回路を有する、自動車用の空調装置において、少なくとも、
   圧縮器と、
   膨張弁と、
   冷たさを環境に放出する冷却器としての蒸発器と、
   蓄熱媒体を含む蓄熱器とを有し、
   前記蓄熱器は固定空調動作中に冷たさ蓄積器及び凝縮器の働きをし、熱媒として存在する前記冷媒は、前記蓄熱器からの前記冷たさを前記固定空調回路内の前記蒸発器に移動させるために使用される、自動車用の空調装置であって、
   前記蒸発器（５）及び前記蓄熱器（６）は、冷媒の流れに関して直列に接続され、断熱された冷媒収集器（７）が提供され、さらにＡ／Ｃ動作における前記蓄熱器（６）の冷たさのロード及び固定空調動作におけるそのアンロード中に前記冷媒が次の順で構成要素：蒸発器（５）、蓄熱器（６）及び冷媒収集器（７）を通って流れること、
   固定空調動作において冷媒（１１）が高圧領域から、前記蒸発器（５）と前記冷媒収集器（７）とを具備する動作区域に侵入するのを防止する逆止弁（９）が設けられること、および
   前記蓄熱器（６）及び前記冷媒収集器（７）は互いに一体化されること
   を特徴とする空調装置。
2. 前記冷媒（１１）は二酸化炭素（ＣＯ_２）であることを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
3. 前記冷媒（１１）は、循環ポンプ（１３）によって前記蓄熱器（６）から及び／又は前記冷媒収集器（７）から冷媒凝縮液管路（１４）を経由して前記固定空調回路内の前記蒸発器（５）に送られることを特徴とする請求項１または２に記載の空調装置。
4. 前記固定空調回路内の前記冷媒（１１）は、好ましくは切換弁（１７）によって閉じることができる冷媒凝縮液管路（１４）を経由して、サーモサイホン効果によって前記蓄熱器（６）から及び／又は前記冷媒収集器（７）から前記蒸発器（５）に送られ、前記蒸発器（５）は前記蓄熱器（６）及び／又は前記冷媒収集器（７）よりも測地的に低い位置に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の空調装置。
5. 前記冷媒収集器（７）は、前記蓄熱器（６）の下流及び前記循環ポンプ（１３）及び／又は前記蒸発器（５）の上流に配置されることを特徴とする請求項３に記載の空調装置。
6. 前記冷媒収集器（７）及び／又は前記蓄熱器（６）及び／又は前記冷媒凝縮液管路（１４）は断熱されていることを特徴とする請求項３、４または５に記載の空調装置。
7. 前記冷媒凝縮液管路（１４）の開口部（１４’）は、固定空調動作中において常に液体冷媒（１１）中にあることを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載の空調装置。
8. 前記循環ポンプ（１３）及び／又は前記逆止弁（９）は、前記蓄熱器（６）及び前記冷媒収集器（７）に一体化されることを特徴とする請求項３に記載の空調装置。
9. 前記蓄熱器（６）は前記冷媒収集器（７）を包囲す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空調装置。
10. 前記圧縮式冷凍回路が稼働しているときのＡ／Ｃ動作において、前記蓄熱器（６）、及び、特に冷たさのロードは、バイパス管路（１６）を有する電気的又は熱力学的バイパス弁（１５）によって迂回させることができ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空調装置。
11. 前記蓄熱器（６）内の蓄熱媒体（６’）は、固相と液相との間で相変化す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空調装置。
12. 前記蒸発器（５）は交差向流構造のものであ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空調装置。
13. 特に前記蓄熱器（６）が冷たさをロードされると、前記圧縮式冷凍回路と前記固定空調回路とが並列動作できることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の空調装置。

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