JP4889905B2 - 自動車用温度調節装置および該装置を実施する方法 - Google Patents

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Description

【0001】
本発明は、自動車のための温度調節装置、およびこの装置を実施するための方法に関する。
【0002】
本発明は、特に、自動車のキャビンの冷暖房に適用される。
【0003】
従来技術、特にFR−2697210は、低温源から熱を奪って、この熱を高温源に伝達する冷媒流体のための主圧縮回路を備えたヒートポンプと、冷却熱交換器に接続された冷却剤液体のための冷却回路を備え、自動車の発熱部品を冷却するための冷却手段とを有し、低温源または高温源が、冷媒/冷却剤熱交換器を備え、冷媒/冷却剤熱交換器は、少なくとも2つの熱交換器に対して選択的に接続可能な冷却剤液体のための二次回路に対して主冷媒回路を熱的に結合する、自動車温度調節装置を開示している。
【0004】
一般に、圧縮回路は、低温源と熱交換する蒸発器と、高温源と熱交換する凝縮器とを備えており、これらの要素は、コンプレッサおよび膨張弁によって互いに接続されている。冷媒は、蒸発器内で気化することにより、低温源から熱を奪う。コンプレッサは、気化した冷媒を吸い込んで、この冷媒を、高温源との熱交換によって冷却される凝縮器に送る。そして、この凝縮器内で冷媒が凝縮される。膨張弁によって、液化状態の冷媒を減圧することで蒸発器に送ることができる。
【0005】
空間や部品を加熱するため、あるいは、前記空間や前記部品を冷却するために、ヒートポンプを使用することができる。
【0006】
FR−2697210において、低温源は、第1の二次冷却剤回路に対して主冷媒回路を熱的に結合する第1の冷媒/冷却剤熱交換器を備えており、また、高温源は、第2の二次冷却剤回路に対して主冷媒回路を熱的に結合する第2の冷媒/冷却剤熱交換器を備えている。二次回路は、適切な弁を介して、自動車のエンジンルーム内に配置された外部熱交換器と、自動車のキャビン内に配置された内部熱交換器とに対して選択的に接続可能である。弁を作動させることにより、ヒートポンプを使用して、自動車のキャビンを冷却したり、あるいは、自動車のキャビンを加熱したりすることができる。冷却の場合、高温源が外部熱交換器となり、低温源が内部熱交換器となり、加熱の場合、高温源が内部熱交換器となり、低温源が外部熱交換器となる。
【0007】
加熱の場合、ヒートポンプの性能は、外気温度によって制限される。冬季においては、外気温度が不十分であるため、ヒートポンプは、キャビンを加熱する目的で使用される場合、十分な効率を得ることができない。また、冬季に低温源が凍結することにより、ヒートポンプの動作性能が損なわれる可能性がある。
【0008】
さらに、外部熱交換器および内部熱交換器の可逆性(reversibility)(各熱交換器が、高温源または低温源として使用されるという可逆性)は、基本的に、以下の2つの問題を招く。
1)高温源または低温源としての熱交換器の特定の動作に対して、熱交換器を最適化することができないため、各熱交換器の性能に限界がある。
2)内部熱交換器の近傍の空気の湿度を制御することが難しい。
【0009】
2つ目の問題は、ミッドシーズンにおいて自動車のキャビンを冷暖房する場合に、特に厄介である。そのような状況下では、内部熱交換器の動作モードが、キャビン冷却とキャビン加熱との間で頻繁に切換えられる虞がある。したがって、冷却モードにおいては、内部熱交換器が水分を取り込んでしまう。内部熱交換器が加熱モードに切換えられると、冷却モード中に溜まった水が気化してキャビン内に吐き出される。FR−2697210は、内部熱交換器に近接して配置された補助的な熱交換器により、このような問題を緩和することを提案している。しかしながら、このような補助的な熱交換器は、特定の状況下、特に気温が15℃前後となるミッドシーズンにおいては機能しない。
【0010】
本発明の特定の目的は、特に自動車のキャビンを加熱または冷却するために使用する場合、あるいは、自動車を推進させるためのモータの温度を調節するために使用する場合に、熱交換器を有する温度調節装置の性能を最適化することである。
【0011】
この目的のため、本発明は、前述したタイプの自動車温度調節装置であって、二次回路が、冷却熱交換器と、「外部」熱交換器と、「高温」または「低温」熱交換器とに対して選択的に接続可能であることを特徴とする自動車温度調節装置を提供する。
【0012】
この装置の様々な実施形態の特徴は、以下の通りである。すなわち、
低温源は、第1の冷媒/冷却剤熱交換器を備え、該第1の冷媒/冷却剤熱交換器は、冷却熱交換器と、外部熱交換器と、「低温」熱交換器とに選択的に接続可能な第1の二次冷却剤回路に対して、主冷媒回路を熱的に結合する。高温源は、第2の冷媒/冷却剤熱交換器を備え、該第2の冷媒/冷却剤熱交換器は、冷却熱交換器と、外部熱交換器と、「高温」熱交換器とに選択的に接続可能な第2の二次冷却剤回路に対して、主冷媒回路を熱的に結合する。
【0013】
第1および第2の二次回路は、3ポート式の第1のバイパス弁と3ポート式の第2のバイパス弁とを介して、冷却回路に接続可能であり、3ポート式の第1のバイパス弁は、第1および第2の冷媒/冷却剤熱交換器の出口に接続された第1のポートと、外部熱交換器の入口に接続された第2のポートと、冷却熱交換器の上流側にある冷却回路の分枝部に接続された第3のポートとを有し、3ポート式の第2のバイパス弁は、第1および第2の冷媒/冷却剤熱交換器の入口に接続された第1のポートと、冷却熱交換器の下流側にある冷却回路の分枝部に接続された第2のポートと、外部熱交換器の出口に接続された第3のポートとを有する。
【0014】
第1および第2の二次回路は、2ポート式の第1のバイパス弁と2ポート式の第2のバイパス弁とを介して、冷却回路に接続されるのに適しており、2ポート式の第1のバイパス弁は、冷却熱交換器の上流側にある冷却回路の分枝部に接続された第1のポートと、外部熱交換器の上流側にある第1および第2の二次回路の分枝部に接続された第2のポートとを有し、2ポート式の第2のバイパス弁は、冷却熱交換器の下流側にある冷却回路の分枝部に接続された第1のポートと、外部熱交換器の下流側にある第1および第2の二次回路の分枝部に接続された第2のポートとを有する。
【0015】
冷却熱交換器が、冷却剤/空気熱交換器である。
【0016】
冷却回路の冷却剤液体が、水と不凍液との混合物である。
【0017】
外部熱交換器および冷却熱交換器は、互いに接続されることにより、自動車内に装着される前に予め組み立てられるのに適した単一のモジュールを形成する。
【0018】
発熱部品がモータである。
【0019】
また、本発明は、少なくとも一方の二次回路の冷却剤液体を、外部熱交換器および冷却熱交換器の両方を通じて循環させることを特徴とする、前述した装置を実施する方法を提供する。
【0020】
また、本発明は、冷却回路の冷却剤液体を、外部熱交換器および冷却熱交換器の両方を通じて循環させることを特徴とする、前述した装置を実施する方法を提供する。
【0021】
添付図面を参照して、単に一例として与えられた以下の説明をよめば、本発明を更に良く理解できる。
【0022】
図1から図3は、図面間にわたって参照符号10が付与された、本発明の第1の実施形態を構成する自動車温度調節装置を示している。
【0023】
以下の説明では、適切な熱交換器によって相互に熱を交換する時に、2つの部品は、互いに熱的に結合されると表現する。
【0024】
温度調節装置10は、ヒートポンプ12を備えている。ヒートポンプ12は、低温源16から熱を奪うとともに、その熱の少なくとも一部を高温源18に伝達する圧縮式の主冷媒回路14を備えている。
【0025】
低温源16および高温源18は、(電気的または機械的に駆動される)コンプレッサ20および膨張弁22によって互いに接続されている。冷媒は、低温源16から熱を奪い気化する。コンプレッサ20は、気化した冷媒を吸い込んで高温源に送る。冷媒は、この高温源で凝縮して冷却される。膨張弁22は、冷媒を減圧することにより、冷媒を液体の状態で低温源16へと送ることができる。冷媒は、図1に矢印で示される方向で、回路14を循環する。
【0026】
低温源16は、主冷媒回路14を、冷却剤液体のための第1の二次回路26に熱的に結合する第1の冷媒/冷却剤熱交換器24を備えている。この二次回路は、冷却剤液体を循環させるためのポンプ28を有している。このポンプは、第1の熱交換器24の入口に接続されている。
【0027】
第1の二次回路26は、「外部」熱交換器30および「低温」熱交換器32に対して選択的に接続可能である。
【0028】
図1から図3に示される例において、外部熱交換器30は、自動車のエンジンルームM内に配置された冷却剤/空気熱交換器であり、低温熱交換器32は、自動車のキャビンH内に配置された冷却剤/空気熱交換器である。
【0029】
高温源18は、主冷媒回路14を、冷却剤液体のための第2の二次回路36に熱的に結合する第2の冷媒/冷却剤熱交換器34を有している。この第2の二次回路は、冷却剤液体を循環させるためのポンプ38を有している。このポンプは、第2の熱交換器34の入口に接続されている。
【0030】
第2の二次回路36は、外部熱交換器30および「高温」熱交換器39に対して選択的に接続可能である。
【0031】
図1から図3に示される例において、高温熱交換器39は、自動車のキャビンH内に配置された冷却剤/空気熱交換器である。
【0032】
従来のファン(図示せず)は、空気の流れを低温熱交換器32および高温熱交換器39を通じて循環させる役目を果たす。
【0033】
第1の熱交換器24および第2の熱交換器34に接続されたヒートポンプ12は、例えば、自動車のエンジンルーム内に配置される。
【0034】
主回路内を循環する冷媒は、従来型のものである。この冷媒は、例えば、メタンおよびエタンの塩素誘導体およびフッ素誘導体(フロン)、炭化水素、アンモニア、および炭酸ガスから選択される。第1の二次回路26および第2の二次回路36内を循環する冷却剤液体は、水および不凍液(グリコール)の混合物であることが好ましい。
【0035】
2つの二次冷却剤回路26、36は、第1の二次回路の3ポート弁40と、第2の二次回路の3ポート弁42と、両方の二次回路に共通の3ポート弁44とにより、外部熱交換器30と低温熱交換器32と高温熱交換器39とにそれぞれ接続されている。
【0036】
第1の二次回路26の3ポート弁40は、低温源の第1の冷媒/冷却剤熱交換器24の出口と、外部熱交換器30の入口と、低温熱交換器32の入口とに接続されている。
【0037】
第2の二次回路36の弁42は、高温源の第2の冷媒/冷却剤熱交換器34の出口と、外部熱交換器30の入口と、高温熱交換器39の入口とに接続されている。
【0038】
第1の二次回路26および第2の二次回路36の両方に共通の弁44は、低温源の第1の冷媒/冷却剤熱交換器24の入口と、高温源の第2の冷媒/冷却剤熱交換器34の入口と、外部熱交換器30の出口とに接続されている。
【0039】
弁40から44は、従来の電気的、機械的、熱機械的、または空気力的な手段によって制御される。
【0040】
また、温度調節装置10は、本明細書で説明している例のような、自動車のモータ等の自動車の発熱部品を冷却するための手段を備えている。自動車を推進させるためのこのモータは、ヒートエンジン式のものであることが好ましい。しかしながら、変形例では、モータが他のタイプのもの、特に電動機であっても構わない。
【0041】
エンジン冷却手段は、冷却熱交換器50に接続された冷却液回路48を備えている。
【0042】
図示された例において、冷却熱交換器50は、好ましくは自動車のエンジンルームM内に配置された冷却剤/空気熱交換器である。従来のファン(図示せず)は、この冷却熱交換器50を通じて空気流を流すために役立つ。
【0043】
冷却回路48内を循環する冷却剤液体は、水および不凍液(グリコール)の混合物であることが好ましい。
【0044】
第1の二次回路26および第2の二次回路36は、装置10の特定の使用形態で、冷却熱交換器50に接続されるように構成されている。
【0045】
この目的のため、本発明の第1の実施形態において、第1の二次回路26および第2の二次回路36は、以下の手段によって冷却回路に接続されることができる。
【0046】
3ポート式の第1のバイパス弁52は、第1の冷媒/冷却剤熱交換器24および第2の冷媒/冷却剤熱交換器34の出口に接続された第1のポートと、外部熱交換器30の入口に接続された第2のポートと、冷却熱交換器50の上流側にある冷却回路48の分枝部に接続された第3のポートとを有している。
【0047】
3ポート式の第2のバイパス弁54は、第1の冷媒/冷却剤熱交換器24および第2の冷媒/冷却剤熱交換器34の入口に接続された第1のポートと、冷却熱交換器50の下流側にある冷却回路48の分枝部に接続された第2のポートと、外部熱交換器30の出口に接続された第3のポートとを有している。
【0048】
バイパス弁52、54は、従来の電気的、機械的、熱機械的、または空気力的な手段によって制御される。
【0049】
図1は、自動車キャビン冷却モードにおける温度調節装置10の構成を示している。この場合、弁40から44は、第1の二次冷却剤回路26を低温熱交換器に接続するとともに、第2の二次冷却剤回路36を外部熱交換器30に接続するように設定される。
【0050】
同時に、バイパス弁52、54は、第2の二次回路36の冷却剤を、外部熱交換器30および冷却熱交換器50の両方を通じて循環させるように設定される。バイパス弁52、54のこのような設定は、一般にサーモスタットの制御下にある冷却手段の動作が停止されている間、その時の回路48内の冷却液の流量がゼロとなるように成されることが好ましい。注目すべき点は、自動車のエンジンが比較的冷めている間、特にエンジン始動後の長い期間中もしくは短い期間中に、冷却手段の動作が停止されるという点である。
【0051】
第1の二次回路26の冷却剤は、低温熱交換器32を介してキャビンから熱を奪って、この熱を、第1の冷媒/冷却剤熱交換器24を介して気化された冷媒に伝える。
【0052】
第2の二次回路36の冷却剤は、第2の冷媒/冷却剤熱交換器34を介して凝縮された冷媒から熱を奪って、この熱を、外部熱交換器30および冷却熱交換器50を介して自動車の外部に伝える。
【0053】
冷却熱交換器50は、外部熱交換器30の熱交換領域に付加されるため、ヒートポンプの動作は、熱が、第2の二次回路36内を循環する冷却剤および熱交換器30、50により、高温源18からより効率的に排出されることによって最適化される。
【0054】
図2は、キャビン加熱形態における装置10を示している。これらの状況下で、弁40から44は、第1の二次冷却剤回路26を外部熱交換器30に接続するとともに、第2の二次冷却剤回路36を高温熱交換器39に接続するように設定される。
【0055】
さらに、バイパス弁52、54は、図1に示される方法と同様の方法で、第1の二次回路26の冷却剤を、外部熱交換器30および冷却熱交換器50の両方を通じて循環させるように設定される。バイパス弁52、54のこのような設定は、冷却手段の動作が停止されている間に成されることが好ましく、その時、回路48内の冷却液の流量がゼロとなる。
【0056】
第1の二次回路26の冷却剤は、外部熱交換器30および冷却熱交換器50を介して自動車の外部から熱を奪って、この熱を、第1の冷媒/冷却剤熱交換器24を介して気化された冷媒に伝える。
【0057】
第2の二次回路36の冷却剤は、第2の冷媒/冷却剤熱交換器34を介して凝縮された冷媒から熱を奪って、この熱を、高温熱交換器39を介してキャビンに伝える。
【0058】
冷却熱交換器50は、外部熱交換器30の熱交換領域に付加されるため、ヒートポンプの動作は、第1の二次回路26内を循環する冷却剤および熱交換器30、50によって最適化される。これにより、外部の空気からより効率的に熱を得ることができる。したがって、外部熱交換器30が、冬季に凍結する虞を低減できる。
【0059】
無論、弁40から44は、例えばキャビン内の相対湿度の制御に寄与しつつ、急速にキャビンを加熱するために、図1に示されるキャビン冷却形態と図2に示されるキャビン加熱形態との間の中間の形態を成すように設定することができる。
【0060】
図3は、弁40から44が、図2と同様の状態(キャビン加熱)に設定されたキャビン形態の装置10を示している。しかしながら、この形態においては、エンジン冷却手段が作動している。すなわち、冷却液が、冷却回路48内を循環している。その結果、バイパス弁52、54は、二次回路26および外部熱交換器30を、冷却回路48および冷却熱交換器50から分離するように設定される。
【0061】
図示しない形態においては、弁40から44を、図1と同様の状態(キャビン冷却)に設定し、バイパス弁52、54を、図3と同様の状態に設定することができる。二次回路26および外部熱交換器30が、冷却回路48および冷却熱交換器50から分離されるこの形態は、エンジン冷却手段が作動された状態で達成される。
【0062】
図4は、本発明の第2の実施形態の温度調節装置を示している。この図において、先の図面の要素と類似する要素には、同一の参照符号が付されている。
【0063】
この実施形態において、第1の二次回路26および第2の二次回路36は、以下の手段によって冷却回路48に接続できる。
【0064】
2ポート式の第1のバイパス弁56は、冷却熱交換器50の上流側にある冷却回路48の分枝部に接続された第1のポートと、外部熱交換器30の上流側にある第1の二次回路26および第2の二次回路36の分枝部に接続された第2のポートとを有している。
【0065】
2ポート式の第2のバイパス弁58は、冷却熱交換器50の下流側にある冷却回路48の分枝部に接続された第1のポートと、外部熱交換器30の下流側にある第1の二次回路26および第2の二次回路36の分枝部に接続された第2のポートとを有している。
【0066】
バイパス弁56、58は、従来の電気的、機械的、熱機械的、または空気力的な手段によって制御される。
【0067】
バイパス弁56、58は、二次回路26、36と冷却回路48とが、互いに対して図1から図3に示される接続形態と類似の接続形態(または分離形態)を成すように設定されても良い。
【0068】
しかしながら、本発明のこの第2の実施形態において、バイパス弁56、58は、冷却回路48の冷却剤が、外部熱交換器30および冷却熱交換器50の両方を通じて流れるように設定されても良い。このような設定は、異常な過熱に晒されるエンジンを効率的に冷却することが望ましい場合に有益である。なぜなら、この形態においては、外部熱交換器30が、冷却熱交換器50の熱交換領域に付加されているからである。
【0069】
無論、外部熱交換器30および冷却熱交換器50を、様々な方法でエンジンルーム内に配置することができる。特に、これら2つの熱交換器30、50を通る空気流の方向に対して略垂直な平面への熱交換器30、50の投影が、少なくとも部分的に重なり合うように、熱交換器30、50を前後に(積み重ね形態で)配置することができる。あるいは、これら2つの熱交換器30、50を通る空気の流れ方向に対して略垂直な平面への熱交換器30、50の投影が重なり合わないように、熱交換器を左右(モザイク形態で)に配置することができる。
【0070】
さらに、外部熱交換器30および冷却熱交換器50は、バイパス弁によって相互に接続され、これによって、エンジンルーム内に装着される前に予め組み立てることができる単一のモジュールを形成しても良い。
【0071】
本発明は、前述した実施形態に限定されない。特に、図1から図3に示される第1の実施形態においては、冷却回路48の冷却剤を、外部熱交換器30および冷却熱交換器50の両方を通じて流す設定に適したバイパス弁52、54を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施形態を構成する自動車温度調節装置を使用した第1の形態を示す概略図である。
【図2】 本発明の第1の実施形態を構成する自動車温度調節装置を使用した第2の形態を示す概略図である。
【図3】 第3の使用形態における装置を示し、図1および図2に示された温度調節装置の部分図である。
【図4】 本発明の第2の実施形態の自動車温度調節装置を示す図3と同様の図である。

Claims (9)

  1. 低温源(16)から熱を奪って、該熱を高温源(18)に伝達する冷媒流体のための主圧縮回路(14)を備えたヒートポンプ(12)と、
    冷却熱交換器(50)に接続された冷却剤液体のための冷却回路(48)を備え、自動車の発熱部品を冷却するための冷却手段とを含んでおり
    低温源(16)または高温源(18)、冷媒/冷却剤熱交換器(24、34)を有し、該冷媒/冷却剤熱交換器(24、34)が、少なくとも2つの熱交換器に対して選択的に接続可能な冷却剤液体のための二次回路(26、36)に対して、主冷媒回路(14)を熱的に結合しており
    二次回路(26、36)が、冷却熱交換器(50)と、外部熱交換器(30)と、高温または低温熱交換器(32、39)とに対して、選択的に接続可能であり、
    外部熱交換器(30)および冷却熱交換器(50)が、複数のバイパス弁を介して互いに接続されることにより、自動車内に装着される前に予め組み立てられるのに適した単一のモジュールを形成することを特徴とする自動車温度調節装置。
  2. 低温源(16)が、冷却熱交換器(50)と、外部熱交換器(30)と、低温熱交換器(32)とに選択的に接続可能な第1の二次冷却剤回路(26)に対して、主冷媒回路を熱的に結合する第1の冷媒/冷却剤熱交換器(24)を備え、
    高温源(18)が、冷却熱交換器(50)と、外部熱交換器(30)と、高温熱交換器(39)とに選択的に接続可能な第2の二次冷却剤回路(36)に対して、主冷媒回路(14)を熱的に結合する第2の冷媒/冷却剤熱交換器(34)を備えていることを特徴とする、請求項1に記載の装置。
  3. 第1および第2の二次回路(26、36)が、3ポート式の第1のバイパス弁(52)と3ポート式の第2のバイパス弁(54)とを介して、冷却回路(48)に接続可能であり、
    3ポート式の第1のバイパス弁(52)が、第1および第2の冷媒/冷却剤熱交換器(24、34)の出口に接続された第1のポートと、外部熱交換器(30)の入口に接続された第2のポートと、冷却熱交換器(50)の上流側にある冷却回路(48)の分枝部に接続された第3のポートとを有し、
    3ポート式の第2のバイパス弁(54)が、第1および第2の冷媒/冷却剤熱交換器(24、34)の入口に接続された第1のポートと、冷却熱交換器(50)の下流側にある冷却回路(48)の分枝部に接続された第2のポートと、外部熱交換器(30)の出口に接続された第3のポートとを有することを特徴とする、請求項2に記載の装置。
  4. 第1および第2の二次回路(26、36)が、2ポート式の第1のバイパス弁(56)と2ポート式の第2のバイパス弁(58)とを介して、冷却回路(48)に接続されるのに適し、
    2ポート式の第1のバイパス弁(56)が、冷却熱交換器(50)の上流側にある冷却回路(48)の分枝部に接続された第1のポートと、外部熱交換器(30)の上流側にある第1および第2の二次回路(26、36)の分枝部に接続された第2のポートとを有し、
    2ポート式の第2のバイパス弁(58)が、冷却熱交換器(50)の下流側にある冷却回路(48)の分枝部に接続された第1のポートと、外部熱交換器(30)の下流側にある第1および第2の二次回路(26、36)の分枝部に接続された第2のポートとを有することを特徴とする、請求項2に記載の装置。
  5. 冷却熱交換器(50)が、冷却剤/空気熱交換器であることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の装置。
  6. 冷却回路(48)の冷却剤液体が、水と不凍液との混合物であることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の装置。
  7. 発熱部品がモータであることを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載の装置。
  8. 少なくとも一方の二次回路(26、36)の冷却剤液体を、外部熱交換器(30)および冷却熱交換器(50)の両方を通じて循環させることを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載の装置を実施する方法。
  9. 冷却回路(48)の冷却剤液体を、外部熱交換器(30)および冷却熱交換器(50)の両方を通じて循環させることを特徴とする、請求項2に従属する請求項4に記載された装置、または請求項4に従属する請求項5あるいは請求項6に記載された装置の実施方法。
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