JP5819433B2 - 電磁弁を備え、ヒートポンプとして動作する空調ループ - Google Patents

Description

本発明は、自動車の空調ループに関し、より詳細には、ヒートポンプとして動作する空調ループに関する。

電気自動車には、車内の空気を暖めるための主な熱量源、すなわち、内燃機関がもはや存在しない。実際、電気自動車の電気モータが供給する熱量はわずかしかない。これを解消するため、車内の空気を冷やすために通常使用される空調ループがヒートポンプとして使用される。このようにして、車内の空気を暖めるために必要とされる熱量は、空調ループ内を循環する冷却流体によって供給される。空調ループのコンプレッサによって冷却流体が圧縮されると、冷却流体の温度が上昇し、通気、暖房および／または空調システム内に設置されたラジエータを通過する空気に熱量が供給される。

ヒートポンプとして動作するために空調ループを使用するには、外部熱交換器や分配弁などのコンポーネントを追加して、冷却流体循環回路に手を加える必要がある。加えて、空調ループのさまざまなコンポーネントを接続するために多数のパイプを追加し、空気が冷される空調モードの冷却流体循環回路と、空気が暖められるヒートポンプモードの冷却流体循環回路を形成することが必要である。

これらの追加はすべて、空調ループの製造コストの増加、流体循環回路の複雑性の増大および空調ループの不本意な大きさをもたらす。

本発明の目的は、冷却流体が循環し、ヒートポンプとして動作可能な自動車用空調ループであって、コンプレッサと、コンプレッサ、ラジエータおよび外部熱交換器に接続された第１の電磁弁とを含み、ラジエータが第１の膨張デバイスを介して外部熱交換器に接続されるとともに、第２の膨張デバイスを介して蒸発器に接続され、蒸発器がコンプレッサに接続され、外部熱交換器が第２の電磁弁を介してコンプレッサおよび蒸発器に接続される空調ループであって、外部熱交換器、第１の電磁弁および第２の電磁弁が単一部品を形成することを特徴とする空調ループを提供することによって、これらの欠点を解消することである。

外部熱交換器および２つの電磁弁を単一化する性質には、空調ループのパイプ数が減ることで、空調ループのコスト削減および大きさの縮小が得られるという利点がある。加えて、外部熱交換器および２つの電磁弁によって形成される単一部品は、空調ループ内の冷却流体循環回路を簡略化し、ひいては、冷却流体の圧力損失を低減する。

例えば、第２の電磁弁を外部熱交換器に直接接続することによって、この熱交換器の流体出口と弁の流体入口とを接続するパイプが除去される。空調ループがヒートポンプモードまたは冷却モードのいずれかで動作することにより、このパイプは、外部熱交換器から、低圧および気相状態で冷却流体を受ける（ヒートポンプモード）か、または、高圧および液相状態で冷却流体を受ける（冷却モード）。その結果、このパイプは、高圧の流体と低圧の流体とを受けるのに構造的に適したものでなければならず、すべてのパイプが１つの流体状態にのみ適したものである本発明と比較すると、さらなるコストを伴うことになる。最後に、パイプを除去し、冷却流体循環回路を単純化することによって、冷却流体の経路は空調ループ内において縮小される。液相の流体の密度は気相状態のものより高いため、両方のモードに共通した外部交換器の出口でのパイプの数量を低減すること、またはさらになくすことが好適である。このようにして、空調ループ内の冷却流体の量は低減され、経済的な節約をもたらすほか、環境にもやさしい。

本発明の第１の特徴によれば、第１の膨張デバイスは第１の電磁弁と一体化される。

本発明の別の特徴によれば、蒸発器および第２の膨張デバイスは単一ブロックを形成する。

本発明のさらなる別の特徴によれば、第１および第２の膨張デバイスは、電子膨張弁である。

本発明の他の特徴、詳細および利点は、図面に関連した誘導として与えられた以下の説明を読むことで明らかになるであろう。

本発明による空調ループの図。 本発明による空調回路の変形例の実施形態の図。

図１は、高圧パイプ６を介して第１の電磁弁４に接続されたコンプレッサ２を含む、本発明による空調ループ１を示す。さらに詳しく言えば、コンプレッサ２の出口２ａが、第１の電磁弁４の高圧入口４ａに接続される。「高圧」とは、コンプレッサ２による圧縮により、冷却流体が高圧の状態にあることを意味することを理解されたい。

第１の電磁弁４は、ラジエータ８、第１の膨張デバイス１２および外部熱交換器１０に接続される。第１の膨張デバイス１２は電子膨張弁である。「電子膨張弁」とは、流量範囲の変動が電子的に制御される膨張オリフィスが設けられた膨張弁を意味することを理解されたい。加えて、このような膨張弁はまた、冷却流体が膨張弁を通って流れることができないよう、膨張オリフィスを完全に閉鎖する。電子膨張弁は、ヒートポンプモードまたは冷却モードに特有である制御法則によって制御される。高圧パイプ６が、第１の電磁弁４の高圧出口４ｂをラジエータ８の高圧入口８ａに接続する。通気、暖房および／または空調システム１００内に設置されたラジエータ８は、車内（図示せず）の方へ向けられた空気Ｆを暖める。

次に、高圧出口８ｂを通ってラジエータ８から出る冷却流体は、高圧パイプ６に達した後、第２の膨張デバイス２０に達する。冷却流体の圧力を低下することができる第２の膨張デバイス２０は、電子膨張弁である。「電子膨張弁」とは、流量範囲の変動が電子的に制御される膨張オリフィスが設けられた膨張弁を意味するように理解されたい。加えて、このような膨張弁はまた、冷却流体が膨張弁を通って流れないよう、膨張オリフィスを完全に閉鎖する。第２の膨張デバイス２０は、空気Ｆを冷却するための蒸発器１４に接続され、通気、暖房および／または空調システム１００内に設置される。空調ループ１のパイプ数を低減するために、第２の膨張デバイス２０は、蒸発器１４との単一ブロックを形成する。言い換えれば、第２の膨張デバイス２０を通過する冷却流体は、パイプを通って循環することなく蒸発器１４に達する。このようにして、第２の膨張デバイス２０は、蒸発器１４に直接接続される。さらに詳しく言えば、第２の膨張デバイス２０の低圧出口が、蒸発器１４の低圧入口に直接接続される。

蒸発器１４は、低圧出口１４ｂを介してアキュムレータ１６に接続され、アキュムレータ１６は、コンプレッサ２の入口２ｂに接続される。蒸発器１４、アキュムレータ１６およびコンプレッサ２の間の流体接続は、低圧パイプ１８を介して構築される。「低圧」とは、膨張デバイスによる膨張によって、これらのパイプを通過する流体が低圧の状態にあることを意味するように理解されたい。

第１の膨張デバイス１２はまた、高圧パイプ６を介してラジエータ８の高圧出口８ｂに接続される。この第１の膨張デバイス１２は、電子膨張弁である。第１の膨張デバイス１２が第１の電磁弁４に直接一体化されることで、冷却流体がラジエータ８から外部熱交換器１０へ循環する。

外部熱交換器１０および第１の電磁弁４は、単一部品を形成する。「単一」とは、外部熱交換器１０および第１の電磁弁４が、互いに分離不能であり、第１の電磁弁４から外部熱交換器１０へ冷却流体を運ぶためのパイプは不要であることを意味するように理解されたい。外部熱交換器１０は、第１の電磁弁４の出口４ｃに直接接続された流体入口１０ａを含む。

空調ループ１のパイプ数を低減し、空調ループ１内の冷却流体の経路を単純化するように、第１の電磁弁４は以下のようにして構造化される。コンプレッサ２から冷却流体を受ける高圧入口４ａは、外部熱交換器１０の入口１０ａに直接接続された出口である出口４ｃに接続される。加えて、第１の膨張デバイス１２は第１の電磁弁４の一体部品を形成し、第１の膨張デバイス１２の入口１２ａは、ラジエータ８の高圧出口８ｂに接続され、高圧入口４ａとは別の第１の電磁弁４の流体入口を構成する。第１の膨張デバイス１２は、第１の電磁弁４の出口４ｃに接続された出口１２ｂを備える。最後に、高圧入口４ａはまた、第１の電磁弁４の高圧出口４ｂに接続される。接続４ｃおよび１２ｂの直径は、低圧（ヒートポンプモード）での圧力損失を制限するような寸法にされる。寸法決定は、低圧パイプの寸法に従う。同様に、接続４ａおよび４ｂの直径は、高圧パイプの寸法に従って寸法が決定される。

第１の電磁弁４および第１の膨張デバイス１２は、モノブロックユニットを形成する。このように、第１の膨張デバイス１２の出口１２ｂと第１の電磁弁４の出口４ｃとの間は、例えば、ラジエータ８を第１の電磁弁１２に接続するため、または、蒸発器１４をアキュムレータ１６に接続するために使用されるタイプの追加のパイプによって接続されない。この接続は第１の電子弁４内において確立される。同じようにして、高圧入口４ａと高圧出口４ｂ、または、高圧入口４ａと出口４ｃとの接続は、第１の電磁弁４内において確立される。

一方では、高圧入口４ａと高圧出口４ｂとの間の接続が、高圧下での冷却流体の圧力値に耐性であるよう、構成されることに留意されたい。他方では、出口４ｃと出口１２ｂ、または、出口４ｃと高圧入口４ａとの間の接続は、高圧下で冷却流体の圧力値に耐性であるよう、構成される。

外部熱交換器１０、第１の電磁弁４および第１の膨張デバイス１２は、単一部品を形成する。したがって、外部熱交換器１０、第１の電磁弁４および第１の膨張デバイス１２は、機械的に分離不能である。

外部熱交換器１０は、車内前方に設置される。「外部」とは、この熱交換器が、通気、暖房および／または空調システム１００内に設置されないことを意味するように理解されたい。

外部熱交換器１０は、第２の電磁弁２２の入口開口２２ａに接続された出口１０ｂを含む。出口１０ｂおよび入口２２ａの直径は、低圧パイプ１８と同一および均質である。第１の電磁弁４のように、この第２の電磁弁２２は、外部熱交換器１０と単一部品を形成する。このように、外部熱交換器１０、第１の電磁弁４、第１の膨張デバイス１２および第２の電磁弁２２によって形成されたモノブロックアセンブリは、空調モードまたはヒートポンプモードのいずれかを提供するための空調ループ１において使用されるパイプ数を低減するように働く。

特に、２つの電磁弁１２、２２と外部熱交換器１０とを直接接続すると、電磁弁が空調ループ１の別のコンポーネントに接続される場合より、空調ループ１において使用されるパイプ数が大幅に低減される。

外部熱交換器１０の同じ側に２つの電磁弁１２、２２を設置することは、単一部品の大きさを低減するように働く。

第２の電磁弁２２は、高圧出口２２ｂ（直径が高圧パイプと均一）と、低圧出口２２ｃ（直径が低圧パイプと均一）とを含む。高圧出口２２ｂは、高圧パイプ６を介して第２の膨張デバイス２０に接続される。低圧出口２２ｃは、低圧パイプ１８を介してアキュムレータ１６に接続される。

第２の電磁弁２２は、外部熱交換器１０に直接接続される。このように、外部熱交換器１０、第１の電磁弁４および第２の電磁弁２２は、単一部品を形成する。

高圧パイプ６は、４〜８ｍｍの内径を有する。好ましくは、内径は６ｍｍである。低圧パイプ１８は、１０〜１６ｍｍの内径を有する。好ましくは、低圧パイプは、１２ｍｍの内径を有する。

２つの膨張デバイス１２、２０は、前述したように電子膨張弁である。電子膨張弁の使用は、電子膨張弁の膨張オリフィスが完全に閉鎖されるため、膨張弁としての作用に加えて遮断弁としても作用しうるため、熱電膨張弁より好ましい。このように、動作モード（通常モードまたはヒートポンプモード）に応じて空調ループ１のある部品へのアクセスを防止する、さらなる遮断弁の必要性がなくなる。

以下、ヒートポンプ動作中の空調ループ１の動作について説明する。

冷却流体は、コンプレッサ２内を流れる際に、高圧および高温下に置かれる。コンプレッサ２から出る冷却流体は、コンプレッサ２からの冷却流体のすべてをラジエータ８へ運ぶように制御される第１の電磁弁４へ達する。言い換えれば、高圧入口４ａからのすべての冷却流体は、高圧出口４ｂへ向けられる。このように、コンプレッサ２から高圧下の流体がすべて、第１の電磁弁４の出口４ｃに達するわけではない。

冷却流体は、ラジエータ８内を流れている間、ラジエータ８を通過する空気Ｆに対して熱量を損失する。実際、ラジエータは、コンデンサ（凝縮器）またはガス冷却器のように挙動する。ラジエータ８の出口にある冷却流体が、第２の膨張デバイス２０を介して蒸発器１４に達しないようにするために、第２の膨張デバイス２０は完全に閉鎖されて、流体の流れを阻止する。

したがって、ラジエータ８を通過する冷却流体はすべて、第１の膨張デバイス１２に到達し、膨張を受けながら第１の膨張デバイス１２を通過した後、出口４ｃを介して外部熱交換器１０の方へ直接運ばれる。このようにして、出口４ｃは、第１の膨張デバイス１２から低圧下の流体のみを受ける。このヒートポンプモードにおいて、外部熱交換器１０は、冷却流体がこの外部熱交換器１０を通過する外気から熱量を集める蒸発器として作用する。

第２の電磁弁２２は、流体が高圧出口２２ｂを通って流れず、すべての冷却流体が低圧出口２２ｃを介してアキュムレータ１６の方へ循環できるように構成される。アキュムレータ１６の出口で、冷却流体は、新しい熱力学サイクルを始めるためにコンプレッサ２の方へ運ばれる。第２の膨張デバイス２０を完全に閉鎖することで、第２の電磁弁２２から蒸発器１４の方へ流体が流れなくなる。

以下、除氷モード中の空調ループ１の動作について説明する。

ヒートポンプモード中、外部熱交換器１０が氷結する問題がある。これに関して、外部熱交換器１０が蒸発器として作用するため、外気によって運ばれた水滴が、外部熱交換器１０の表面上で凝結して氷を形成するという危険がある。これは、言い換えれば、外気が外部熱交換器１０を通過できず、外気と冷却流体との間の熱交換が行われないことを意味する。その場合、空調ループ１の性能が低下してしまう。

これを解消するために、第１の電磁弁４は、ラジエータ８および外部熱交換器１０の両方の方へ冷却流体を分配するように使用される。ラジエータ８と外部熱交換器１０との間で冷却流体の流れを共有することは、蒸発器１４より下流にある冷却された空気を暖めながら、除氷するために外部熱交換器１０の低圧値を上昇させる働きをする。したがって、高圧および高温下にある冷却流体は、外部熱交換器１０を通過し、外部熱交換器１０の表面上の氷結水と冷却流体の熱量とを交換する。水に伝達される熱量により、この水は液相状態になり、最終的に外気が外部熱交換器１０を通って流れる。

ラジエータ８に達する冷却流体は、通気、暖房および／または空調システム１００内で空気Ｆを暖めるために、冷却流体の熱量と空気Ｆとを交換する。次に、冷却流体は、第２の膨張デバイス２０を通って循環した後、蒸発器１４を通過する。最後に、冷却流体は、蒸発器１４から出て、アキュムレータ１６を通過した後、コンプレッサ２に戻る。

外部熱交換器１０を通過する冷却流体は、第２の電磁弁２２を通って進み、第２の膨張デバイス２０に達するように高圧出口２２ｂを介して完全に出る。次に、冷却流体は、蒸発器１４内に流れた後、アキュムレータ１６に流れ、コンプレッサ２に戻る。

このような動作モードの場合、第１の膨張デバイス１２は完全に閉じられるため、冷却流体は、ラジエータ８から外部熱交換器１０の方へ流れないことを理解されたい。加えて、第２の電磁弁２２は、外側熱交換器１０から出る流体がアキュムレータ１６に達するのを阻止するために、流体が低圧出口２２ｃを通って流れないように構成される。

以下、冷却モード中の空調ループ１の動作について説明する。

このモードにおいて、空調ループは、通気、暖房および／または空調システム１００内において空気Ｆを冷却するように動作する。

コンプレッサ２は、冷却流体を圧縮し、第１の電磁弁４の方へ送る。第１の電磁弁４は、冷却流体が外部熱交換器１０の方へ流れ、冷却流体がラジエータ８の方へは流れないように構成される。

外部熱交換器１０内に流れる際に、冷却流体は、冷却流体の熱量を外気と交換する。このようにして、外部熱交換器１０は、コンデンサとして、またはガス冷却器として作用する。次に、冷却流体は、第２の電磁弁２２内に流れる。第２の電磁弁２２は、冷却流体が第２の膨張デバイス２０の方へ流れ、アキュムレータ１６の方へは流れないように構成される。

第２の膨張デバイス２０内で循環すると、冷却流体は膨張を受け、空気Ｆから熱量を集めるために蒸発器１４に達する。蒸発器１４から出ると、流体はアキュムレータ１６の方へ運ばれ、第２の電磁弁２２の低圧出口２２ｃが完全に閉鎖されることにより、外部熱交換器１０に達しえない。アキュムレータ１６から出ると、冷却流体はコンプレッサ２の方へ戻る。

したがって、このモードにおいて、第１の膨張デバイス１２は完全に閉鎖され、第１の電磁弁４は、冷却流体が高圧出口４ｂを通って流れないように構成される。

以下、除湿モード中の空調ループ１の動作について説明する。

冷却流体は、高圧状態に達するためにコンプレッサ２を通過した後、第１の電磁弁４を通って進む。第１の電磁弁４は、すべての冷却流体がラジエータ８の方へ向けられるように構成される。

冷却流体は、ラジエータ８内に流れると熱量が放出され、その後、膨張を受ける第２の膨張デバイス２０に到達する。次に、冷却流体は、蒸発器１４を通って進む空気Ｆから熱量を集めた後、アキュムレータ１６の方へ運ばれ、最終的にコンプレッサ２に戻る。

この動作モードにおいて、第１の膨張デバイス１２は、ラジエータ８から外部熱交換器１０へ出る冷却流体へのアクセスを防止するために完全に閉鎖される。第１の電磁弁４はまた、冷却流体が出口４ｃの方へ流れないように構成される。加えて、第２の電磁弁２２の高圧出口２２ｂおよび低圧出口２２ｃは、冷却流体が第２の電磁弁２２を通って外部熱交換器１０の方へ戻らないようにするために完全に閉鎖される。

図２は、本発明による空調ループの変形例の実施形態を示す。

この変形例によれば、空調ループは、内部熱交換器２４を含む。この内部熱交換器２４は、高圧下の冷却流体と低圧下の冷却流体との間の熱交換のために使用される。この内部熱交換器２４は、空調ループ１の性能係数を高めるように働く。内部熱交換器２４は、蒸発器１４から冷却流体を受ける低圧入口２４ａと、アキュムレータ１６に接続された低圧出口２４ｂとを含む。加えて、内部熱交換器は、第２の電磁弁２２の高圧出口２２ｂから流体を受ける高圧入口２４ｃと、第２の膨張デバイス２０に接続された高圧出口２４ｄとを含む。

Claims (4)

1. 冷却流体が循環する自動車用空調ループ（１）であって、この自動車用空調ループ（１）はヒートポンプとして動作可能であり、
   −コンプレッサ（２）と、
   −前記コンプレッサ（２）、ラジエータ（８）および外部熱交換器（１０）に接続された第１の電磁弁（４）と、を含み、
   −前記ラジエータ（８）は、第１の膨張デバイス（１２）を介して前記外部熱交換器（１０）に接続されるとともに、第２の膨張デバイス（２０）を介して蒸発器（１４）に接続され、
   −前記蒸発器（１４）は前記コンプレッサ（２）に接続され、
   −前記外部熱交換器（１０）は、第２の電磁弁（２２）を介して、前記コンプレッサ（２）および前記蒸発器（１４）に接続され、
   前記外部熱交換器（１０）、前記第１の電磁弁（４）および前記第２の電磁弁（２２）は、単一部品を形成し、
   前記第１の膨張デバイス（１２）は、前記第１の電磁弁（４）に設けられ、
   前記第２の膨張デバイス（２０）は、蒸発器（１４）と単一ブロックを形成する位置に設けられ、
   前記第１電磁弁（４）の前記第１の膨張デバイス（１２）は、配管（６）を介して前記ラジエータ（８）、前記第２膨張デバイス（２０）、前記第２の電磁弁（２２）の高圧出口（２２ｂ）につながっていることを特徴とする空調ループ。
2. 前記第１の膨張デバイス（１２）は前記第１の電磁弁（４）に一体化される、請求項１に記載の空調ループ（１）。
3. 前記蒸発器（１４）および前記第２の膨張デバイス（２０）は単一ブロックを形成する、請求項１または２に記載の空調ループ（１）。
4. 前記第１の膨張デバイス（１２）および前記第２の膨張デバイス（２０）は電子膨張弁である、請求項１から３のいずれか一項に記載の空調ループ。

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