JP4587108B2 - 車両用空調ユニット及びその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、車両用の空調（エアコンディショニング）ユニットに関する。特に、本発明は、乗員室の調和されるべき空気を加熱し、冷却し、除湿する車両のための組合せ型冷凍プラント及びヒートポンプ作動のための空調ユニットに関する。

乗員室に送られるべき空気を調和するため、先行技術では、冷却のための冷媒プラント及び空気を加熱するためのグリコール−空気熱交換器並びにグリコール−空気ヒートポンプ及び空気−空気ヒートポンプを備えた空調ユニットが用いられている。

グリコール−空気熱交換器を備えた空調ユニットは、１０℃以下の低い周囲温度では、効率的な内燃エンジン内の冷却水及びグリコール温度は、乗員室を快適に暖房するのに必要な温度レベルに達することができないという点で不利である。熱をほんの僅かしか放出しない車両駆動システム、例えば電気駆動装置又は燃料電池駆動装置の採用がますます増加している背景に反して、追加のヒータの使用が必要である。

内燃エンジンの冷却水を熱源として利用することは、グリコール−空気ヒートポンプにおいて固有の特徴である。しかしながら、冷却水からの熱抽出により、エンジンは、長期間にわたって低い温度で作動され、これは、燃料経済及び排出エミッションに関して不都合である。

空気／空気ヒートポンプがヒータとして用いられる場合、氷が或る特定の温度でガスクーラ又はコンデンサに着くスマート制御装置は、着氷を回避するが、ヒートポンプの熱出力が減少することになる。しかしながら、ガスクーラ又はコンデンサのところへの着氷が許容される場合、冷媒回路を短時間Ａ／Ｃプラントとして作動させることによりヒートポンプを積極的に霜取りすることができる。しかしながら、この手だてによっても、その結果として、ヒートポンプの平均熱出力が減少することになる。

出力を空気に送り出すヒートポンプシステムは、乗員室に送り込まれる空気の除湿と加熱を同時に行うことができない場合が多い。したがって、車両の空調ユニットを乗員室からの再循環空気で作動させることができない。除湿機能が無いために、最終的には、窓が望ましくないことに曇る。しかしながら、出力をエンジン冷却回路に送り出すヒートポンプシステムは、動的性能及び効率が不十分である場合が多い。

独国特許出願公開第１０１６３６０７号明細書から、冷却及び加熱のための一体形ヒートポンプを備えた車両用空調ユニットが知られており、この場合、冷媒を回路中で循環させ、乗員室の空気への熱伝達が可能になる。第１に、エネルギーを一体形ヒートポンプを用いて運転室のための空気の流れに直接送り込む。これは、車両の空調ボックス内に納められている冷媒パス（refrigerant-passed）型熱交換器を用い、暖房のために冷媒を冷却し、場合によっては凝縮させ、冷房のために冷媒を蒸発させることによって得られる。第２に、一体形ヒートポンプを用いて、エネルギーを運転室のための空気流に送り込み、間接的に熱媒体器に及ぼす。これは、車両の空調ボックス内に納められている液体／空気熱交換器を用い、空気流を加熱するために二次冷媒を冷却し、空気流を冷却するために２次冷媒を加熱することにより得られる。この発明の欠点は、ヒートポンプ作動モードにおいて、内部熱交換器には高圧側ではパスが行われず且つ（及び）多数のコンポーネントが必要であるということにある。

独国特許出願公開第１０１２６２５７号明細書は、車両用の加熱／冷却回路を開示している。それにより、加熱／冷却回路は、車内に送られるべき空気を冷却するエバポレータ、車内に送られるべき空気を加熱する加熱用熱交換器、冷媒を吐出するコンプレッサを備えた外部熱交換器、エバポレータに割り当てられた第１の膨張要素、外部熱交換器に割り当てられた第２の膨張要素、及び上述のコンポーネントを互いに連結する冷媒回路を有している。この発明の特徴は、最も高い系統圧力と最も低い系統圧力との間で外部熱交換器中の冷媒の圧力を調節する手段が設けられていることであり、その目的は、冷房作動モード、暖房作動モード、及び再熱作動モードにおいて空気の効率的で省エネの需要志向型除湿を行うことにある。しかしながら、外部の熱交換器への中程度の圧力の導入の結果として、外部熱交換器の性能が低下し又は加熱／冷却回路の効率が減少する。

本発明の目的は、乗員室を暖房するのに必要な電力消費量を簡単な設計方法で減少させる、車両の組合せ型冷凍プラント及びヒートポンプ作動のための空調ユニット及びその作動方法を提案することにある。

独国特許出願公開第１０１６３６０７号明細書 独国特許出願公開第１０１２６２５７号明細書

本発明によれば、この課題は、一次回路及び二次通路を備えた、車両のための組合せ型冷凍プラント及びヒートポンプ作動のための空調ユニットによって解決される。一次回路は、従来の圧縮冷凍機械から知られている種々のコンポーネント、即ち、コンプレッサ、熱を冷媒から環境に伝達する熱交換器又は第１のガスクーラ、絞り要素、及び熱を乗員室の調和されるべき空気から冷媒に供給する熱交換器又はエバポレータを有する。本発明の二次通路は、２つの部分を有し、第１の部分は、コンプレッサと熱交換器との間に設けられた分岐箇所から始まって熱交換器とコンプレッサとの間に設けられた入口箇所まで延びる。第１の部分には、冷媒から乗員室の調和されるべき空気への熱伝達のための熱交換器が設けられると共に次に第２の絞り要素がこの熱交換器の下流側に設けられる。第２の部分は、熱交換器とコンプレッサとの間に設けられた分岐箇所から始まって熱交換器とコンプレッサとの間に設けられた入口箇所まで延びる。

本発明の有利な実施形態では、二次通路のための追加の熱交換器が、第２のガスクーラとしての役目を果たし、この場合、再循環又は新鮮な空気として供給される乗員室の調和されるべき空気が加熱される。かくして、第１のガスクーラとしての役目を果たす熱交換器に加えて、冷媒から環境への熱伝達のための別個の第２のガスクーラが利用可能である。さらに、乗員室の調和させるべき空気から冷媒に熱を供給するために設けられた熱交換器は、エバポレータとしての役目を果たす。

以下に説明する冷媒差し向け手段を用いることにより、複雑さの減少した状態でヒートポンプ作動モードで連続的に動作可能な空調ユニットにより、再循環モードで乗員室を暖房することができる。

本発明の空調ユニットの作動を最適化することにより、第１に、一次回路に設けられたガスクーラのところでの不都合な着氷が回避され、第２に、ガスクーラの着氷を阻止するための間欠的な作動又は積極的な霜取りがそれぞれ不要である。本発明のもう１つの利点は、例えばグリコール−空気ヒートポンプの場合にエミッション及び燃料消費量を増大させるエンジン冷媒の冷却が起こらないということである。

本発明の空調ユニットの冷媒の追加の過熱及び冷却による冷凍能力の向上のために、高圧側と低圧側の両方でヒートポンプモード並びに冷凍プラントモードにおいて冷媒がパスする内部熱交換器が設けられている。

本発明の有利な実施形態では、低圧側で入口箇所と内部熱交換器との間には、冷媒を分離して蓄えるためのアキュムレータが設けられている。また、空調ユニットのスペース上の要件を緩和するため、内部熱交換器及びアキュムレータをシングルピース組合せコンポーネントとして構成するのが良い。

上述の冷媒差し向け手段により、空調ユニットのヒートポンプ作動モードと冷媒プラント作動モードの切り換えが可能である。好ましくは、少なくとも分岐箇所が、能動的切り換え弁としての役目を果たし、入口箇所が、受動的切り換え弁としての役目を果たす。能動的切り換え弁に代えて、２つの単一の切り換え弁を設けても良い。また、変形例として、受動的切り換え弁に代えて、例えば、選択的スイッチを用いても良い。

本発明の特に有利な実施形態は、第１の絞り要素を冷媒を互いに逆の方向で装填可能な２つの流路を備える双方向にパス可能なスロットル弁として構成することにある。ヒートポンプ作動における冷媒の流れ方向は、冷媒プラント作動とは逆であるが、双方向にパスできる絞り弁により、追加の第２の絞り弁を用いることを差し控えることができる。また、冷媒を逆の方向に装填できる２つの流路を備えた絞り弁により得られる明らかな利点にもかかわらず、２つの別々の絞り弁を用いることは、本発明の範囲に含まれる。

中程度の圧力を生じさせるために設けられた第２の絞り要素は、一定断面を有するよう構成され、即ち、固定絞りとして構成され、又は好ましくは、調節可能な断面を有する。好ましくは絞り弁としての役目を果たす絞り要素の断面の積極的な制御により、エバポレータのところの着氷及びエバポレータを加熱したとき、それにより、その表面に凝縮付着している水が急に蒸発するために生じる窓の瞬間的な曇り又は突然の曇りが回避される。

上述の特徴を用いて組合せ型冷凍プラント及びヒートポンプ作動モードのための空調ユニットを作動させる方法は、冷媒プラントモードでは、一次回路にのみ冷媒を装填し、ヒートポンプモードでは、二次通路と一次回路に冷媒を装填し、乗員室の調和されるべき空気をエバポレータで冷却すると共に除湿し、次に、ガスクーラとしての役目を果たす熱交換器で加熱することを特徴とする。かかる加熱は、再循環空気運動及び第２のガスクーラの下流側に配置された断面が調節可能な第２の絞り要素を通る冷媒流量に依存し、それ故に、エバポレータ内の温度の冷媒側レベルにも依存する。

ヒートポンプモードでは、エバポレータとしての役目を果たす熱交換器、第１の絞り要素、内部熱交換器、及びガスクーラとしての役目を果たす熱交換器には各々、冷媒が逆方向にパスされる。これは、これらコンポーネントから成る一次回路の部分が冷媒プラントモードと比較して逆方向にパスされることを意味している。

技術の現状と比較した本発明の明確な利点及び特徴は本質的に、次の通りである。
・乗員室の空気の除湿と加熱が同時に行われる。
・再循環作動を可能にすることによりヒートポンプに必要な最大熱出力が減少し、第２のガスクーラの上流側の空気温度が、ヒートポンプのオンへの切り換え後、非常に迅速に上昇する。
・同等の機能を備えた他の補助加熱システムと比較して、動的挙動が向上すると共に複雑さが減少する。
・電動式コンプレッサを任意的に用いている間、加熱能力がエンジンとは独立して利用できる。
・「自由な」周囲熱を用いることにより車両の燃料消費量が減少する。
・能動的コンポーネント（コンプレッサ、能動的切り換え弁、外部で調節可能な膨張弁）の数の減少の結果として、空調ユニットの製造の際のコストが節約される。

本発明の別の特徴及び利点は、添付の図面を参照して行われる好ましい実施形態についての以下の詳細な説明を読むと、当業者には容易に明らかになろう。

図１は、一次回路及び二次通路を備えた車両用の組合せ型冷凍プラント及びヒートポンプモードのための空調ユニットの回路構成図である。

一次回路には、冷媒プラントモードにおいて点線の矢印で指示された冷媒の流れ方向に、以下のコンポーネントが互いに次々に配置されると共に互いに結合されており、かかるコンポーネントは、コンプレッサ５、能動的切り換え弁６、第１のガスクーラとして構成された熱交換器２、内部熱交換器として構成された熱交換器９、双方向に通すことができる絞り弁１１として構成された第１の絞り要素、エバポレータとして構成された熱交換器３、受動的切り換え弁７、及びアキュムレータ８である。

伝統的な冷媒プラントモードでは、空調ユニット１の一次回路にのみ冷媒が通される。最初に、乗員室内に送り込まれる空気を冷却するため、冷媒をコンプレッサ５で圧縮し、次に能動的切り換え弁６により第１のガスクーラとして構成された熱交換器２に差し向ける。このガスクーラ内において、冷媒は、余剰の熱を環境に放出する。次に、冷却された冷媒は、内部熱交換器として構成された熱交換器９を通り、ここには、低い温度の方向における冷媒の次の絞り部前の開始箇所が配置されており、これにより、空調ユニット１の冷凍能力が向上する。次に、第１の絞り要素１１を用いて冷媒を、エバポレータとして構成された熱交換器３内に生じている圧力レベルまで膨張させる。２相混合物が作られる。次に、２相混合物をエバポレータとして構成された熱交換器３で蒸発させ、それにより、乗員室内に送り込まれる空気を所望の温度まで冷却する。冷媒は、エバポレータを出た後、受動的切り換え弁７を通ってアキュムレータ８まで流れ、ここで、不完全な蒸発により依然として存在している液体冷媒を分離して蓄える。最後に、アキュムレータ８を出た冷媒を内部熱交換器として構成された熱交換器９で加熱し、最後に、コンプレッサ５によって引き込んで再び圧縮する。本発明の別の有利な実施形態は、内部熱交換器９とアキュムレータ８をシングルピース組合せコンポーネント１０として製造することにあり、それにより、スペース上の要件が緩和されると共に製造費が減少する。冷媒プラントモードでは、それにより、冷媒は、図１の回路構成図に従って、一次回路を反時計回りに通る。

二次通路は、２つの部分１５，１６から成り、二次通路の第１の部分１５は、能動的切り換え弁６から始まって、エバポレータとして構成された熱交換器３と受動的切り換え弁７との間に設けられた一次回路の入口箇所１４まで延びる。二次通路のこの第１の部分１５では、冷媒の流れ方向に、能動的切り換え弁６の後に、ガスクーラとして構成された熱交換器４が設けられると共にその下流側に第２の絞り要素１２が設けられている。二次通路の第２の部分１６は、補完手段として、第１のガスクーラとして構成された熱交換器２と能動的切り換え弁６との間に設けられた分岐箇所１３から始まり、受動的切り換え弁７まで延びている。

ヒートポンプモードでは、空調ユニット１の二次通路の２つの部分１５，１６と一次回路の両方には、実線の矢印で指示するように冷媒が通る。最初に、乗員室に送り込まれる空気を加熱するため、冷媒をコンプレッサ５で圧縮し、次に、能動的切り換え弁６により二次通路の第１の部分１５に沿って第２のガスクーラとして構成された熱交換器４に差し向ける。第２のガスクーラ内では、第１のガスクーラとは対照的に、熱は、環境には放出されず、これを用いて乗員室の空気を加熱する。第２のガスクーラの下流側に位置する第２の絞り要素１２内において、冷媒をコンプレッサ圧力レベルから中程度の圧力レベルに膨張させ、それにより、一般に、２相混合物を生じさせる。中程度の圧力レベルにより、エバポレータ３内の冷媒側温度レベルを制御する。一方において、エバポレータ３が着氷するのを阻止するため、エバポレータ３内の温度レベルをエバポレータ３の上流側の温度が０℃よりも高い場合、０℃よりも低く減少させてはならない。他方、瞬間的曇りが生じないようにするために、エバポレータ３内の温度レベルは、エバポレータ３の上流側の空気温度が０℃よりも低い場合、０℃よりも高くあってはならない。エバポレータとして構成された熱交換器３内において、冷媒を部分的に蒸発させ、それにより、乗員室に送り込まれる空気を冷却すると共に除湿する。今や除湿された空気が、第２のガスクーラとして構成された熱交換器４上をこれに沿って流れ、したがって、乗員室を暖房するのに必要な温度レベルまで加熱される。エバポレータ３内で部分的に蒸発した冷媒を双方向に通すことができる絞り弁１１として構成された絞り要素で膨張させて第１のガスクーラとして構成された熱交換器２内に生じている圧力レベルにする。それにより、双方向に通すことができる絞り弁は、空調ユニットの冷媒プラントモードと比較して、逆方向のパスが行われる。ガスクーラとして構成された熱交換器２内において、冷媒を一段と蒸発させる。分岐箇所１３に達した後、冷媒は今や、受動的切り換え弁７まで延びている二次通路１６の第２の部分を通る。受動的切り換え弁７を通過した後、冷媒は、アキュムレータ８、内部熱交換器として構成された熱交換器９、及びコンプレッサ５を含む一次回路の部分を通る。

ヒートポンプモードでは、冷媒は、図１の回路構成図に従って、二次通路の２つの部分１５，１６を時計回りに通る。エバポレータ３、双方向に通過可能な絞り弁１１、内部熱交換器９、及び第１のガスクーラ２を含む一次回路の部分も又、時計回りのパスが行われ、アキュムレータ８、内部熱交換器９、及びコンプレッサ５を含む一次回路の部分は、反時計回りのパスが行われる。

一次回路及び二次通路を備えた車両用の組合せ型冷凍プラント及びヒートポンプモードのための空調ユニットの回路構成図である。

符号の説明

１ 空調ユニット
２ 熱交換器（ガスクーラ）
３ 熱交換器（エバポレータ）
４ 熱交換器（ガスクーラ）
５ コンプレッサ
６ 分岐箇所
７ 入口箇所
８ アキュムレータ
９ 内部熱交換器
１０ 組合せ型コンポーネント
１１ 第１の絞り要素
１２ 第２の絞り要素
１３ 分岐箇所
１４ 入口箇所
１５ 第２の通路の第１の部分
１６ 第２の通路の第２の部分

Claims (12)

1. 組合せ型冷凍プラント及びヒートポンプ作動モードのための空調ユニット（１）であって、
   ａ）コンプレッサ（５）、冷媒から環境への熱伝達のための第１熱交換器（２）、第１の絞り要素（１１）、及び乗員室の調和されるべき空気から前記冷媒への熱入力のための第２熱交換器（３）を備えた一次回路と、
   ｂ）２つの部分（１５，１６）を備えた二次通路とを有し、前記コンプレッサ（５）と前記第１熱交換器（２）との間に設けられた第１分岐箇所（６）から始まる前記第１の部分（１５）は、前記第２熱交換器（３）と前記コンプレッサ（５）との間に設けられた第１入口箇所（１４）まで延び、かつ、前記冷媒から乗員室の調和されるべき空気への熱伝達のための第３熱交換器（４）と、該第３熱交換器（４）に対して下流の第２絞り要素（１２）とを備え、前記第１熱交換器（２）と前記コンプレッサ（５）との間に設けられた第２分岐箇所（１３）から始まる前記第２の部分（１６）は、前記第２熱交換器（３）と前記コンプレッサ（５）との間に設けられた第２入口箇所（７）まで延び、
   冷媒プラントモードにおいて、前記冷媒は、前記コンプレッサ（５）から出発して、前記第１分岐箇所（６）、前記第２分岐箇所（１３）、前記第１熱交換器（２）、前記第１の絞り要素（１１）、前記第２熱交換器（３）、前記第１入口箇所（１４）及び前記第２入口箇所（７）を順次に通って、前記コンプレッサ（５）へ戻るように、前記一次回路を循環し、
   ヒートポンプモードにおいて、前記冷媒は、前記コンプレッサ（５）から出発して、前記第１分岐箇所（６）、前記第１の部分（１５）の前記第３熱交換器（４）、前記第１の部分（１５）の前記第２の絞り要素（１２）、前記第１入口箇所（１４）、前記第２熱交換器（３）、前記第１の絞り要素（１１）、前記第１熱交換器（２）、前記第２分岐箇所（１３）、前記第２の部分（１６）及び前記第２入口箇所（７）を順次に通って、前記コンプレッサ（５）へ戻るように、前記一次回路及び前記二次通路を循環する、空調ユニット（１）。
2. 前記第３熱交換器（４）は、ガスクーラとしての役目を果たす請求項１記載の空調ユニット（１）。
3. 前記冷媒の追加の過熱及び冷却のための内部熱交換器（９）が設けられている請求項１又は２記載の空調ユニット（１）。
4. 低圧側で前記第２入口箇所（７）と前記内部熱交換器（９）との間には、前記冷媒を分離して蓄えるためのアキュムレータ（８）が設けられている請求項１乃至３の何れか１項記載の空調ユニット（１）。
5. 前記第１分岐箇所（６）は、能動的切り換え弁としての役目を果たす請求項１乃至４の何れか１項記載の空調ユニット（１）。
6. 前記第２入口箇所（７）は、受動的切り換え弁としての役目を果たす請求項５記載の空調ユニット（１）。
7. 前記第１の絞り要素（１１）は、前記冷媒を互いに逆の方向で通すことができる２つの流路を備える双方向にパス可能なスロットル弁としての役目を果たす請求項１乃至６の何れか１項記載の空調ユニット（１）。
8. 中程度の圧力を生じさせるために設けられた前記第２の絞り要素（１２）は、調節可能な断面を備えた状態で構成されている請求項１乃至７の何れか１項記載の空調ユニット（１）。
9. 前記内部熱交換器（９）及び前記アキュムレータ（８）は、シングルピース組合せコンポーネント（１０）として構成されている請求項１乃至８の何れか１項記載の空調ユニット（１）。
10. 請求項１記載の特徴を用いて組合せ型冷凍プラント及びヒートポンプ作動モードのための空調ユニット（１）を作動させる方法であって、冷媒プラントモードでは、前記一次回路にのみ冷媒を通し、ヒートポンプモードでは、前記二次通路（１５，１６）と前記一次回路に冷媒を通し、前記乗員室の調和されるべき前記空気を前記第２熱交換器（３）で冷却すると共に除湿し、次に、ガスクーラとしての役目を果たす前記第３熱交換器（４）で加熱し、
    冷媒プラントモードにおいて、前記冷媒は、前記コンプレッサ（５）から出発して、前記第１分岐箇所（６）、前記第２分岐箇所（１３）、前記第１熱交換器（２）、前記第１の絞り要素（１１）、前記第２熱交換器（３）、前記第１入口箇所（１４）及び前記第２入口箇所（７）を順次に通って、前記コンプレッサ（５）へ戻るように、前記一次回路内を循環し、
    ヒートポンプモードにおいて、前記冷媒は、前記コンプレッサ（５）から出発して、前記第１分岐箇所（６）、前記第１の部分（１５）の前記第３熱交換器（４）、前記第１の部分（１５）の前記第２の絞り要素（１２）、前記第１入口箇所（１４）、前記第２熱交換器（３）、前記第１の絞り要素（１１）、前記第１熱交換器（２）、前記第２分岐箇所（１３）、前記第２の部分（１６）及び前記第２入口箇所（７）を順次に通って、前記コンプレッサ（５）へ戻るように、前記一次回路及び前記二次通路を循環する方法。
11. ヒートポンプモードでは、エバポレータ（３）としての役目を果たす前記第２熱交換器（３）、前記第１の絞り要素（１１）、前記内部熱交換器（９）、及びエバポレータとしての役目を果たす前記熱交換器（２）には各々、前記冷媒が逆方向にパスされる請求項１０記載の方法。
12. ヒートポンプモードでは、前記第２の絞り要素（１２）の前記流れ断面の制御により、前記エバポレータ（３）内の冷媒側温度レベルを制御する請求項１０又は１１記載の方法。

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