JP5766158B2 - 冷却システム回路及びヒートポンプ回路を備えた自動車の冷媒回路 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の空調及び暖房のための冷却システム回路及びヒートポンプ回路を備えた自動車の冷媒回路に関する。

現代の自動車の駆動エンジンから出る廃熱量は十分ではない。このため、このような車両では、比較的低い周囲温度において自動車の客室の温度を調節できる補助熱源が必要となる。

この課題を解決するための種々の方法が先行技術において周知となっている。この技術には例えば、熱を供給するシステム、さらには、車両の空調用の冷却システムのためのヒートポンプ回路も含まれる。これらは通常、車両内にある。

例えば、ヒートポンプを相互接続可能な車両空調システムが特許文献１から既知である。このシステムでは、ヒートポンプの手段により、エンジンの冷却回路からの廃熱は、自動車の客室の加熱に利用可能であるため、エンジンの冷却回路が、補助熱交換器を介して冷却システムのヒートポンプ回路に連結されている。したがって、エンジン廃熱は、エンジン冷却水回路に組み込まれた補助熱交換器を介してヒートポンプ回路の冷媒回路に送り込まれる。

さらに、空調モードにおいて及びヒートポンプモードにおいて選択的に作動可能な車両用空調システムが、特許文献２から知られている。ヒートポンプモードでは、熱交換器は、ヒートポンプ蒸発器として冷却水回路と一体形成されている。この結果、ヒートポンプモードではエンジン廃熱を利用し、かつ自動車の客室を加熱するために使用することができる。

また、冷却システムモードにおいて及びヒートポンプモードにおいて選択的に作動可能な車両用空調システムが、特許文献３からも知られている。ここでは、ヒートポンプ蒸発器として冷却システム凝縮器を利用して、外気から熱を取り込む。このシステムでは、ヒートポンプ回路の作動による過度に高い圧力損失の結果として、ヒートポンプ蒸発器／冷却システム凝縮器の氷結リスクが低温でも増大する。

周囲温度の低下に伴い空気ヒートポンプの出力が低減することも不利となる。自動車の客室の適切な加熱に要求される熱的要件は、低温では必然的に増大する。−１０℃未満の周囲温度では、多くの場合に、空気ヒートポンプのみでは、要求される熱出力を実現できない。

独国特許出願公開第１０２ ００ ９００号明細書 欧州特許第１６２３８５７号明細書 独国特許第１０ ２００６ ０２６ ３５９号明細書

本発明が解決する課題は、空気ヒートポンプの熱出力の増大、外気から利用可能な出力の最大利用に加えて、ヒートポンプの全体的な性能数値の最適化である。

本発明の課題は、請求項１の特徴により解決できる。さらなる発展は従属クレームに示される。

本発明が解決する課題は、特に、冷却システム回路及びヒートポンプ回路を備えた自動車の冷媒回路によって解決される。このヒートポンプ回路では、冷却剤回路のヒートポンプ凝縮器、冷却システム及びヒートポンプ蒸発器、並びに冷却装置が、補助ヒートポンプ蒸発器として直列接続で配置される。冷却装置の冷媒側には膨張部材が組み込まれており、これは冷却剤回路を加熱する手段が冷却剤回路に設けられる。

用語「冷却装置」は、広い意味では、例えば、その一方の面が、例えば、グリコール回路などの、冷却剤回路又は熱交換器回路に固定されており、他方の面が冷媒回路に固定されている熱交換器を意味する。冷却装置の主要なタスクは、冷却剤回路又は熱交換器回路からの熱を冷媒回路に伝えることである。ヒートポンプモードでは、冷媒回路は、自動車の客室を加熱するために切り替えられる。

本発明の好ましい実施形態によれば、冷却剤回路は、自動車の水加熱回路として設計される。したがって、水加熱回路は、ヒートポンプ回路における補助熱源として、その水加熱回路を加熱する手段と共に提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、冷却剤回路及び／又は水加熱回路を加熱する手段が、冷却剤回路の電気抵抗ヒーター、グロープラグ又はＰＴＣ加熱素子として配置される。

本発明者らによる一実施形態によれば、冷却装置に組み込まれた膨張部材は、冷媒の流れ方向における冷却装置の上流に配置される。

変形例として、冷却装置に付随する増設部は、冷媒の流れ方向における冷却装置の下流に配置されることが好ましい。

この配置による利点は、冷却装置内の冷媒が、異なる温度レベルでも蒸発可能なことである。この温度は、周囲温度レベルよりも高い。したがって、冷却水回路も、より高い温度レベルでも作動される。これは、要求される冷却水循環ポンプのポンプ性能を低減する。

ヒートポンプの作動中に、冷却装置がヒートポンプ空気蒸発器と並列に接続されるように、自動車の冷媒回路は構成されることが特に好ましい。この構成により、周囲空気からの熱及び冷却剤回路から出た熱の両方を利用して、ヒートポンプの手段により車両の乗客客室を加熱できる。

この実施形態では、冷却装置を備えないときの作動と比較して、蒸発圧力を若干上昇させることができる。これにより、ヒートポンプ回路の作動中における冷却システム凝縮器の氷結リスクが最小化し、吸気密度が上昇し、これに伴い冷媒の質量流が大きくなり、ヒートポンプの性能が向上する。

本発明の有利な構造上の一実施形態によれば、冷媒回路について、冷媒の分岐点が、冷却システムの作動中の流れ方向における第１の膨張弁の下流に配置される。

先行技術では、第２の蒸発器がバッテリ冷却器として、乗客客室蒸発器と並列で作動される。この場合では、通例、分岐点は、乗客客室蒸発器の膨張弁の上流に配置される。したがって、乗客客室蒸発器及びバッテリ冷却器の各々は、それぞれの膨張弁に組み込まれる。

しかしながら、先行技術による接続では、ヒートポンプの作動中、冷却システム凝縮器が乗客客室蒸発器よりも低い温度レベル／圧力レベルにおいてヒートポンプ蒸発器として作動する間、蒸発器内で逆流が生じる。先行技術による膨張弁の配置により、さらにより低い温度レベル／圧力レベルでも冷却装置を作動することになる。しかしながら、これは有利ではない。冷却装置の上流に分離した膨張弁を備えた本発明による配置の目的は、冷却システム凝縮器と同等又は若干高い温度レベル／圧力レベルでも冷却装置を作動することである。

本発明の他の実施形態によれば、ヒートポンプ回路の作動中、そこを流体が直列に流れるように２つの膨張弁を配置することが有利である。

これは、ヒートポンプ凝縮器と乗客客室蒸発器との間の膨張弁を通して常に流体が流れ、その後、冷却装置に組み込まれた膨張弁若しくはヒートポンプ蒸発器に組み込まれた膨張弁、又はその両方を通して並列に流体が流れるので、ヒートポンプ回路の作動中には常に当てはまる。

冷却システムの作動中、乗客客室蒸発器を通る部分的な質量流、及び冷却装置を通る部分的な質量流が共に、コレクタ上流の収集点に到達するので、内部熱交換器の下流における膨張弁を貫流した後には、冷却装置に組み込まれた膨張弁に感知可能な程度の絞り効果は生じない。冷却装置に組み込まれた膨張弁は、この作動中に冷却装置を通る質量流と、乗客客室蒸発器を通る質量流との比を実質的に調整する。

本発明の有利なさらなる発展は、部分的な質量流を同時にもたらすように冷媒コレクタが設計されることである。

本発明の設計は、外気熱を利用するヒートポンプ回路を形成し、追加熱を利用する第２の源をヒートポンプ回路に組み込む。好ましい実施形態によれば、この第２の源は、車両の冷却水回路として設計された冷却剤回路である。特に電気自動車では、駆動エンジン、電子性能構成部品、もしくはバッテリの冷却回路、又はこれらの構成部品のうちのいくつかを冷却するための回路が、冷却装置を通してヒートポンプ回路に同時に組み込まれる。特に好ましい実施形態によれば、電気抵抗ヒーター、電気的なグロープラグ、又はＰＴＣ加熱素子が、この冷却水回路に追加的に統合される。

したがって、電気駆動構成部品の廃熱に加えて、冷却水回路、概して、電気駆動システムの低温回路に電力を伝えることができる。ヒートポンプを用いて熱をより高い温度レベルに上昇させて車両の乗客客室の加熱に利用できる。

車両に冷却水回路が備えられていない場合には、冷却剤又は加熱剤を加熱する手段を受け入れる水加熱回路が単独で構成される。

本発明の利点は、熱源の追加的な統合によりヒートポンプの平均熱出力を増大できるという事実にある。これにより、単に電気的な直接加熱による加熱と比較して、電気自動車の加熱のための消費電力の低減がもたらされる。結果として、同じバッテリ容量でも車両の走行距離を長くできる。

電気自動車に用いられる場合には、加熱用の電気エネルギー入力を低減することによる車両の走行距離の増大、及びバッテリ容量の改善した利用が、特に有利である。

本発明の実施形態のさらなる詳細、特徴、及び利点は、関連する図面を参照した例示の実施形態に関する以下の記述から明らかとなる。図面を以下に説明する。

その上流に膨張弁を備える冷却装置を含む自動車用の冷媒回路を示す。 その下流に膨張弁を備える冷却装置を含む自動車用の冷媒回路を示す。 三方弁を備えた自動車用の冷媒回路を示す。

図１は好ましい実施形態における自動車用の冷媒回路を示す。冷媒回路１は、冷却システムモードとヒートポンプモードとを利用できる。

冷却システムモードでは、まず、冷媒圧縮機５の下流に冷却システム凝縮器２が慣習的方法で配置される。本発明の好ましいが必須ではない実施形態によれば、冷媒は、内部熱交換器９を通り冷却システム凝縮器２に流れる。内部熱交換器９は、サブクール逆流デバイスとしても設計される。その後、冷媒は、膨張弁１１内で膨張する。膨張弁１１は、冷媒が双方向に流れることができ、分岐点１８を通り、冷却システム及びヒートポンプ蒸発器３に入れるように構成されることが好ましい。

本発明の広い意味では、構成部品は、膨張部材としての膨張弁として設計される。したがって、この用語は、特別に構成された膨張弁に加えて、膨張部材の機能を担うことができる毛細管又は他の遮断部材をも含む。

冷却システム及びヒートポンプ蒸発器３は、冷却システムモードにおいてでもヒートポンプモードにおいてでも、空気を冷却及び除湿する蒸発器として作動する。ただし、ヒートポンプ蒸発器３は、準拡張のヒートポンプ凝縮器としても作動することができる。

冷却システム蒸発器３の下流において、冷媒の質量流は、節点１４及び開放弁７ａを通り、冷媒コレクタ８に流れ、その後、内部熱交換器９を通って冷却システム回路の回路を閉じる冷媒圧縮機５に流れる。

ヒートポンプモードでは、冷媒回路１は、冷媒がヒートポンプの高圧ストランド１５を通りヒートポンプ凝縮器４に流れるように、冷媒圧縮機５の下流に、弁６により接続される。空気側は、ヒートポンプ凝縮器４は、自動車の客室のための空気を加熱するための空調システムと一体化される。ヒートポンプ凝縮器４から出た冷媒は、膨張弁１２内で膨張し、弁７ａが閉じているときには、節点１４を通り冷却システム及びヒートポンプ蒸発器３に導かれる。ここで、蒸発器に入る空気が冷媒よりも暖かい場合には、自動車の客室の空調用の空気は再度冷却及び除湿される。空気が冷却剤よりも冷たい場合には、空気はヒートポンプ蒸発器３内で加熱され、除湿はされない。この場合、空気を意図的に加熱又は冷却、及び除湿するように、ヒートポンプ蒸発器３内の温度レベルを調整することができる。冷媒は、その後、分岐点１８を通り膨張弁１７に流れ、次に、冷却装置１０に入る。冷却装置１０は、ヒートポンプモードでは、冷却水回路用のヒートポンプ蒸発器として設計される。冷却装置１０の下流では、冷媒は冷媒コレクタ８を通り、回路が閉じた後、内部熱交換器９を通り冷媒圧縮機５に流れる。

膨張弁１２及び１７は、冷媒が双方向に流れるように構成される必要は無い。膨張弁１１のみが、空気ヒートポンプ回路の作動のために、双方向に通過して流れることができるように構成されなければならない。

冷媒回路１の特に好ましい回路の変形例によれば、ヒートポンプモードでは、冷媒の質量流は、ヒートポンプ蒸発器３の下流の分岐点１８において、２つの部分的な質量流に分離する。部分的な質量流の一方は、上述したように、冷却装置１０を通って導かれ、この部分的な質量流の他方と並行して、双方向に通って流れることができる膨張弁１１、さらに内部熱交換器９を通りヒートポンプ空気蒸発器２に流れる。

したがって、この回路では、ヒートポンプは、共に蒸発器として機能する、ヒートポンプ空気蒸発器２及び冷却装置１０を通して並行して熱を供給される。弁６ａが閉じているときには、ヒートポンプ空気蒸発器２からの部分的な冷媒の質量流は、ヒートポンプ低圧ストランド１６及び開放弁７ｂを通り冷媒コレクタ８に流れる。ここで、２つの部分的な質量流は再度結合し、その後、内部熱交換器９を通り冷媒圧縮機５に導かれる。

変形例として、冷却装置１０及びヒートポンプ空気蒸発器２のヒートポンプモードにおける並列な貫流をともなう冷媒回路１の設定では、ヒートポンプ空気圧縮機２へのストランドは、冷媒の全質量流により、単独でも作動することができる。例えば、冷却回路からの排熱が利用可能でないか、ヒートポンプ空気蒸発器２の容積が、ヒートポンプに必要な熱出力を利用可能な程度に十分である場合に単独で作動することができる。

−１０℃以下の非常に低い周囲温度で、かつ冷却回路又はヒーター回路内の際立ってより高い水温では、ヒートポンプ空気蒸発器２を作動せずに、冷却水回路から必要な全出力を得ることが有利である可能性がある。この結果、吸気圧力が上昇し、冷媒の質量流が大きくなる。このようにして、ヒートポンプの性能が向上する。

図２もまた、冷却装置１０を含む自動車用の冷媒回路１を示すが、この例では、流れ方向におけるその下流に膨張弁１７が配置されている。

この例は、ヒートポンプモードにおいて、冷却装置１０を通り導かれる冷媒の質量流を流す膨張弁１７が、冷却装置１０の下流に配置されているという点で、図１による冷媒回路と決定的に異なる。

冷却水の最低温度が制限されている場合、特に、この制限値が周囲温度よりも高い場合に、この配置は有利となる。さらに、この配置により、熱源の周囲の領域を効果的に利用できる。これは、ヒートポンプ空気蒸発器２により質量流を最小化できるため、最小限の圧力損失及び冷媒と外気との最小限の温度差によって、周囲領域から出力を得ることができるからである。さらに、冷媒と冷却水との温度差を最小限にして、最大質量流を冷却装置を通して導くこともできる。この結果、冷却水の冷却が不要になり、ヒートポンプ空気蒸発器における氷結リスクを最小化でき、さらには、ヒートポンプにより達成可能な熱出力を最大化できる。

図３は、図１のように膨張弁１７が冷媒の流れ方向における冷却装置１０の上流に配置されている、自動車用の冷媒回路を示す。ただし、冷媒圧縮機の排気口における弁６ａ及び６ｂ、及び図１に示す冷媒コレクタ８の上流における弁７ａ及び７ｂは、図３では三方弁６及び７として形成される。

１ 冷媒回路
２ 冷却システム凝縮器、ヒートポンプ空気蒸発器
３ 冷却システム及びヒートポンプ蒸発器
４ ヒートポンプ凝縮器
５ 冷媒圧縮機
６ａ，６ｂ 弁
７ａ，７ｂ 弁
８ 冷媒コレクタ
９ 内部熱交換器
１０ 冷却装置
１１ 膨張弁
１２ 膨張弁
１４ 節点
１５ ヒートポンプ高圧ストランド
１６ ヒートポンプ低圧ストランド
１７ 膨張弁
１８ 分岐点

Claims (7)

1. 冷却システム回路及びヒートポンプ回路を備えた自動車の冷媒回路（１）であって、
   上記冷却システム回路は、熱交換器（９）と、蒸発器（３）と、を備え、
   上記ヒートポンプ回路は、凝縮器（４）と、上記蒸発器（３）と直列に接続された冷却装置（１０）と、この冷却装置（１０）と連通する膨張弁（１７）と、を備え、
   上記冷却装置（１０）は、冷却剤回路と連通し、この冷却剤回路は、冷却剤を加熱する手段を備えており、
   上記冷却装置（１０）に組み込まれる上記膨張弁（１７）は、上記冷媒の上記流れ方向における上記冷却装置（１０）の下流に配置されていることを特徴とする自動車の冷媒回路。
2. 冷却システム回路及びヒートポンプ回路を備えた自動車の冷媒回路（１）であって、
   上記冷却システム回路は、熱交換器（９）と、蒸発器（３）と、を備え、
   上記ヒートポンプ回路は、凝縮器（４）と、上記蒸発器（３）と直列に接続された冷却装置（１０）と、この冷却装置（１０）と連通する膨張弁（１７）と、を備え、
   上記冷却装置（１０）は、冷却剤回路と連通し、この冷却剤回路は、冷却剤を加熱する手段を備えており、
   上記冷却装置（１０）が、上記ヒートポンプ回路の作動中、ヒートポンプ空気蒸発器（２）と並列に接続されていることを特徴とする自動車の冷媒回路。
3. 上記冷却剤回路は、駆動エンジンを冷却する自動車の冷却水回路として設計され、電子性能構成部品、バッテリ、又はこれらの構成部品の複数が、上記冷却剤を加熱する手段として提供される請求項１記載の自動車の冷媒回路。
4. 上記冷却剤回路は、自動車の水加熱回路として構成されている請求項１乃至３の何れか１項に記載の自動車の冷媒回路。
5. 電気抵抗ヒーター、グロープラグ、又はＰＴＣ加熱素子が、上記冷却剤を加熱する手段として上記冷却剤回路に配置される請求項１乃至４の何れか１項に記載の自動車の冷媒回路。
6. ２つの膨張弁（１２，１７）が、上記ヒートポンプ回路の作動中、そこを直列に貫流するように配置される請求項１乃至５の何れか１項に記載の自動車の冷媒回路。
7. 冷媒コレクタ（８）が、部分的な質量流を共にもたらすように設計される請求項１乃至６の何れか１項に記載の自動車の冷媒回路。

Images