JP5855617B2 - 自動車用の空調システム - Google Patents

Description

本発明は、異なる弁特性を有する弁からなる弁装置を備えた、冷媒回路を有する自動車の乗員室の空気を調和するための空調システムに関する。

さらに、本発明は、エンジン冷却回路と、乗員室の調和されるべき空気を加熱し、冷却しまた除湿するために空調システムモード及びヒートポンプモード並びに後加熱モードの組み合わせのために形成された冷媒回路とを有する空調システムに関し、冷媒回路は内部熱伝達媒体と、冷却液から冷媒に熱供給するための熱伝達媒体とを有し、冷媒回路の構成要素は、内部熱伝達媒体が異なる作動モードで作動又は非作動であるように配置される。さらに、本発明は、冷媒から乗員室用の調和されるべき空気に熱供給するための冷媒回路の熱伝達媒体に関する。

さらに、本発明は、異常が検出された際の空調システムの冷媒回路を運転する方法に関する。

従来技術から公知の自動車の場合、乗員室用の送風を加温するために、エンジンの排熱が利用される。排熱は、エンジン冷却液回路で循環される冷却液によって空調システムに搬送され、そこで、加熱用熱伝達媒体を介して乗員室に流入する空気に伝達される。

熱出力を車両駆動装置の効率的な内燃機関の冷却液回路から抽出する冷却液−空気熱伝達媒体を有する周知の設備は、周囲温度が低い場合、乗員室の総熱需要を満たすために乗員室の快適な加熱のために必要なレベルをもはや達成しない。同様のことがハイブリッド駆動装置を有する車両に当てはまる。

乗員室の総熱需要をエンジン冷却液回路からの熱によって満たすことができない場合、電気抵抗加熱（ＰＴＣ）又は燃料加熱装置のような補助加熱措置が必要である。乗員室用の空気を加熱するためのより効率的な手段は、熱源として空気を有するヒートポンプであり、この熱源では、冷媒回路が唯一の加熱及び補助加熱措置の両方として使用される。

冷凍設備モード及びヒートポンプモードの組み合わせのために、結果として加熱モードのためにも形成される従来技術に含まれる空気−空気−ヒートポンプは、周囲空気から熱を取り入れる。

出力が冷媒と空気との間で伝達されるヒートポンプシステムは、車両に供給された空気を同時に除湿及び加熱できないことが多い。この結果、自動車の空調システムは、周囲温度が低い場合、内気循環で作動できない。内気循環運転の場合、空気は乗員室から再循環する。不十分な除湿機能のため、残る空気湿度並びに乗員から蒸気の形態で放出される水は、ガラス窓の曇りをもたらす。

従来の空調システムでは、２０℃の上方の周囲温度において、温度快適性に達した後に、乗員室に供給される空気は３℃〜１０℃に冷却され、この際に除湿され、次に、僅かな熱出力で所望の循環内気温度に加熱される。熱的快適性には、例えば２０℃〜２５℃の乗員室の基準温度が含まれる。

グリコール−空気ヒートポンプは、たいていの場合水−グリコール混合物に対応する内燃機関の冷却液を熱源として利用する。この場合、冷却液から熱が抽出される。そのため、内燃機関は長時間低い温度で運転され、このことが排ガス発生及び燃費に悪影響を及ぼす。ハイブリッド車両における内燃機関の断続的な運転のため、より長い走行では十分に高い冷却液温度が達成されない。この理由から、内燃機関の始動−停止運転は、低い周囲温度では中断される。内燃機関は遮断されない。

特許文献１（独国特許出願公開第１０２０１００２４７７５号明細書）には、加熱モード及び冷却モードの両方で運転可能である車両を空調するための装置が記載されている。装置は、周囲空気により熱伝達するための凝縮器を有する熱的周囲モジュールと、蒸発器及び乗員室用の送風を処理するための加熱調節装置を有する熱的車内モジュールと、膨張弁及び冷媒を圧縮するための圧縮機を有する膨張モジュールとを含む冷媒回路を備える。さらに、装置は、冷媒回路とは独立した流体回路と接続可能に結合される流体熱伝達媒体により形成される。構成要素は、加熱モードの冷媒が、接続可能な流体熱伝達媒体を介して、あるいは周囲モジュールの凝縮器を介して、あるいは両方を介して熱を吸収できるように弁を用いて相互接続可能であり、これらの熱は、導入された圧縮エネルギと共に、車内モジュールを介して車内送風に伝達可能である。

独国特許出願公開第１０２０１００２４７７５号明細書

本発明の課題は、様々な運転モード用の冷媒回路を有する空調システムを発展形成させること、及び非常の場合に冷媒回路の冷媒を再移動することによって車両乗員の保護に役立つ冷媒回路を運転するための方法を提供することである。

この場合、最小の費用で高い運転信頼性及び僅かな構造スペースで乗客の最大の快適性が保証されるべきであり、並びに空調システムは、様々な運転モードにおいて最大の効率で動作可能であるべきである。

上述した課題は、本発明によれば、冷媒回路を有する自動車の乗員室の空気を調和させるための空調システムによって解決される。

冷媒回路は、圧縮機と、冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体と、第１の二次流れ経路の内部に冷媒から乗員室用の調和されるべき空気に熱供給するための熱伝達媒体とを備える。さらに、冷媒回路は、圧縮機の後の冷媒の流れ方向に形成された弁装置を含み、弁装置は、分岐と、分岐と、冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体との間に配置された弁と、分岐と、冷媒から乗員室用の調和されるべき空気に熱供給するための熱伝達媒体との間に配置された弁とを有する。

本発明によれば、分岐と、冷媒から乗員室用の調和されるべき空気に熱供給するための熱伝達媒体との間に配置された弁は、ＮＯ弁特性を有し、分岐と、冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体との間に配置された弁は、ＮＣ弁特性を有する。

冷媒回路は、冷凍設備モード及びヒートポンプモードの組み合わせのために、並びに後加熱モードのために形成されることが好ましい。

変形実施形態によれば、分岐と、冷媒から乗員室用の調和されるべき空気に熱供給するための熱伝達媒体との間に配置された弁は、ＮＣ弁特性により、分岐と、冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体との間に配置された弁は、ＮＯ弁特性により形成される。

圧縮機の後の冷媒の流れ方向に設けられた弁装置は、２つの別個の２−２方向弁の配置とならんで、変形例として、組み合わせて３−２方向弁としても形成することができる。

本発明の変形例によれば、冷媒回路は、弁を有する別の二次流れ経路を備え、この場合、流れ経路は、冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体の方向に配置された弁装置の弁と、熱伝達媒体それ自体との間の結合部を出発点として、圧縮機内への入口まで延びる。弁装置の弁及び二次流れ経路の弁は、組み合わせて４−２方向弁として形成されることが好ましい。

上述した課題は、冷凍設備モード及びヒートポンプモードの組み合わせのために、並びに後加熱モードのために形成された冷媒回路を有する自動車の乗員室の空気を調和させるための本発明による空調システムによっても解決され、冷媒回路は、圧縮機と、冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体と、圧縮機と熱伝達媒体との間に配置された弁とを備える。さらに、冷媒回路は第２の二次流れ経路を含み、二次流れ経路は分岐から放出点まで延び、且つエンジン冷却回路の冷却液から冷媒回路の冷媒に熱供給するための熱伝達媒体と、前接続された膨張器とにより形成される。さらに、冷媒回路は、熱を冷媒回路の高圧側から低圧側に伝達するための内部熱伝達媒体を備える。

本発明によれば、分岐及び第２の二次流れ経路の放出点並びに追加の弁を有する第３の二次流れ経路は、内部熱伝達媒体が冷凍設備モードで作動し、ヒートポンプモードで非作動又は作動するように配置される。

第１の変形実施形態によれば、冷媒回路は、この場合、内部熱伝達媒体がヒートポンプモードで非作動であり、すなわち、内部熱伝達媒体で熱が伝達されないように形成される。

高圧側の第２の二次流れ経路の分岐及び低圧側の放出点は、熱ポンプモードで冷媒の流れ方向に、それぞれ内部熱伝達媒体の後に又は内部熱伝達媒体の前に配置される。さらに、弁を有する第３の二次流れ経路は、冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体の方向に配置された弁装置の弁と、熱伝達媒体それ自体との間の結合部を出発点として、圧縮機内への入口まで延びる。第３の二次流れ経路は、低圧側で、内部熱伝達媒体と圧縮機との間に配置された冷媒ラインに開口する。

第２の変形実施形態によれば、冷媒回路は、内部熱伝達媒体がヒートポンプモードで作動し、すなわち、内部熱伝達媒体で熱が伝達されるように形成される。

第２の二次流れ経路の分岐は、この場合、ヒートポンプモードで冷媒の流れ方向に、高圧の場合に内部熱伝達媒体の後に配置され、放出点は低圧の場合に内部熱伝達媒体の前に配置される。さらに、弁を有する第３の二次流れ経路は、冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体の方向に配置された弁装置の弁と、熱伝達媒体それ自体との間の結合部を出発点として、内部熱伝達媒体内への入口まで延びる。従って、第３の二次流れ経路は、低圧側で、内部熱伝達媒体に通じる冷媒ラインに開口する。

さらに、上述した課題は、冷媒から乗員室用の調和されるべき空気に熱伝達するための熱伝達媒体を有する冷媒回路を備える、自動車の乗員室の空気を調和させるための本発明による空調システムにより解決される。

本発明によれば、熱伝達媒体は単列に、且つ１０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲の深さで並びに最高７ｋＷの出力を伝達するために形成される。熱伝達媒体の深さとは、この場合、空気の流れ方向の熱伝達媒体の延長と理解すべきである。従って、深さは、熱伝達媒体の底面に対して垂直の延長から得られ、この場合、底面とは、空気の流れ方向に対して垂直の平面、すなわち、空気が熱伝達媒体に流入するか又は流出する平面と理解すべきである。

熱伝達媒体の深さは、好ましくは１２ｍｍ〜２０ｍｍであり、１０ｍｍ〜１２ｍｍの範囲で車両毎に最適化される。

本発明の変形例によれば、空調システムは、冷却液から乗員室用の調和されるべき空気に熱供給するための熱伝達媒体を有するエンジン冷却回路を備え、エンジン冷却回路は、調和されるべき乗員室用の空気の流れ方向に、冷媒から乗員室用の調和されるべき空気に熱供給するための熱伝達媒体と共に、直列に、すなわち前後に配置される。冷却液が貫流する熱伝達媒体は、この場合、冷媒が貫流する熱伝達媒体の前に形成されることが好ましい。

熱伝達媒体は、同一の延長を有する底面を備えることが有利である。様々な熱伝達媒体の底面は、同一の配向で互いに整向される。

変形実施形態によれば、熱伝達媒体の底面は互いに異なる底面を備える。

冷却液から乗員室用の調和されるべき空気に熱供給するための熱伝達媒体は、３０ｍｍ〜５５ｍｍの範囲の深さで形成されることが有利である。この場合、３０ｍｍ〜４５ｍｍの深さが好ましい。

さらに、上記課題は、冷媒回路とエンジン冷却回路とを有する自動車の乗員室の空気を調和させるための本発明による空調システムにより解決される。冷媒回路は、
−圧縮機と、一方で圧縮機と熱伝達媒体との間に配置された弁と、他方で配置された弁とを有する冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体と、
−冷媒の流れ方向に前置された弁を有する、冷媒と、乗員室用の調和されるべき空気との間で熱伝達するための熱伝達媒体と、
−受容器と、
−弁を有する第１の二次流れ経路と、冷媒から乗員室用の調和されるべき空気に熱供給するための熱伝達媒体と、
−エンジン冷却回路の冷却液から冷媒回路の冷媒に熱供給するための熱伝達媒体と、弁とを有する第２の二次流れ経路と、
−弁を有する第３の二次流れ経路であって、冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体の方向に配置された弁と、熱伝達媒体それ自体との間の結合部を出発点として圧縮機内への入口まで延びる第３の二次流れ経路と、
−熱を冷媒回路の高圧側から低圧側に伝達するための内部熱伝達媒体とを含む。

エンジン冷却回路は、冷却液から乗員室に供給されるべき空気に熱伝達するための熱伝達媒体と、弁とを備える。

本発明によれば、冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体は、自動車の前部領域に配置される。冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体の周りに形成された弁並びに第１及び第３の二次流れ経路の弁並びに受容器は、自動車の車輪ハウジングの領域に設けられる。冷媒と、乗員室用の調和されるべき空気との間で熱伝達するための熱伝達媒体に冷媒の流れ方向に前置された弁、第２の二次流れ経路の弁並びにエンジン冷却回路の弁は、自動車の冷却水タンクの領域に配置される。冷媒回路及びエンジン冷却回路の冷媒と、乗員室用の調和されるべき空気との間の熱伝達のための熱伝達媒体は、空調ユニットに格納される。

第１の変形例によれば、所属の弁を有する第２の二次流れ経路の熱伝達媒体は、自動車の冷却水タンクの領域に配置される。

第２の変形例によれば、内部熱伝達媒体及び所属の弁を有する第２の二次流れ経路の熱伝達媒体は、自動車の車輪ハウジングの領域に配置される。

冷却液から冷媒回路の第２の二次流れ経路の冷媒に熱供給するための熱伝達媒体及び冷却液から乗員室に供給されるべき空気に熱伝達するための熱伝達媒体は、エンジン冷却回路において流動技術的に有利に互いに平行に切り替えられ、それぞれエンジン冷却回路の弁又は３方向弁を介して分離可能に配置されることが好ましい。

本発明の有利な形態によれば、冷媒回路の高圧側及び低圧側の冷媒の内部容積と密度との積は、等しい大きさである。

自動車の乗員室の空気を調和させるための空調システムの冷媒回路を運転するための本発明による方法であって、冷媒回路が、圧縮機と、冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体と、冷媒から乗員室用の調和されるべき空気に熱供給するための熱伝達媒体とを備える方法は、次の工程、すなわち、
−自動車の周囲センサ及び／又は自動車通信によって非常の場合を検出する工程と、
−圧縮機を遮断する工程とを含む。

本発明の変形例によれば、冷媒回路は、冷凍設備モード及びヒートポンプモードの組み合わせ、並びに後加熱モードのために形成され、圧縮機の後の冷媒の流れ方向に形成された弁装置を備える。弁装置は、分岐と、分岐と、冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体との間に配置された弁と、分岐と、冷媒から乗員室用の調和されるべき空気に熱供給するための熱伝達媒体との間に配置された弁とを含む。冷媒回路は、冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体に、高圧とは異なる圧力が冷媒により付勢されるように運転されることが有利である。

本方法は、次の追加の工程、すなわち、
−分岐と、冷媒から乗員室用の調和されるべき空気に熱供給するための熱伝達媒体との間に配置された弁が開放される間に、分岐と、冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体との間に配置された弁を開放する工程を含むことが好ましい。

この場合、冷媒から乗員室用の調和されるべき空気に熱供給するための熱伝達媒体から冷媒を弁装置により再移動させることによって、すなわち、弁の開放によって且つ冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体の分岐を介して、高圧が乗員室への送風流に配置された熱伝達媒体で取り除かれる。

冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体は、冷媒ライン用の２つの接続側を備え、この場合、第１の接続側に弁装置の弁が、第２の接続側に別の弁が配置される。熱伝達媒体の第２の接続側の弁は、冷媒を再移動させるための冷媒回路の追加の容積を利用できるように開放されることが有利である。

従来技術に対する空調システムの冷媒回路の別の利点は、以下のように要約することができる。
−低い周囲温度における暖かい空気及びエンジン冷却回路の冷たい冷却水の迅速な提供、
−後加熱器の熱出力が蒸発器の冷凍出力よりも小さい場合の後加熱モード、
−特にヒートポンプモードにおける、同様に、提供されるべき出力、効率及び快適性に関してシステム始動中の簡単、確実でエネルギ的に最適な運転、
−特に切替プロセスの最少化による空調システムの最長の寿命、
−最小の妨害雑音。

本発明のさらなる詳細、特徴及び利点は、対応する図面を参照して実施例の以下の説明から明らかになる。冷媒回路を有する空調システムが示されている。

冷凍設備モード並びに空気を除湿及び加熱するためのモードの図である。 熱源として周囲空気を有するヒートポンプモード並びに熱源としてエンジン冷却回路の冷却液を有するヒートポンプモードの図である。 周囲空気への追加の熱放出を有する空気を除湿及び後加熱するためのモードの図である。 エンジン冷却回路からの追加の熱吸収による空気を除湿及び後加熱するためのモードの図である。 霜取りモードの図である。 図２によるヒートポンプモード並びに図４による空気を除湿及び後加熱するためのモードの非作動の内部熱伝達媒体を有する自動車内の配置の図である。 図２によるヒートポンプモード並びに図４による空気を除湿及び後加熱するためのモードの作動の内部熱伝達媒体を有する自動車内の配置の図である。

図１〜図５では、異なる運転モードにおける冷媒回路２とエンジン冷却回路３とを有する自動車用の空調システム１が示されている。

一次冷媒回路２は、図１に破線矢印で示されている冷凍設備モードにおいて、冷媒の流れ方向に連続して配置された蒸発器４、圧縮機５、凝縮器／ガス冷却器として運転される熱伝達媒体６、受容器７及び弁１６とならんで、内部熱伝達媒体８も含む。内部熱伝達媒体８とは、高圧における冷媒と低圧における冷媒との間の熱伝達に使用される回路内部の熱伝達媒体と理解すべきである。この場合、例えば、一方で冷媒液が凝縮後にさらに冷却され、他方で吸入ガスが圧縮機５の前で過熱される。

逆止弁１９は、弁１６の方向から熱伝達媒体１１への冷媒の貫流を阻止する。逆の流れ方向では、逆止弁１９は透過性である。

例えば冷媒Ｒ１３４ａによる未臨界運転の際に、あるいは二酸化炭素による特定の周囲条件の際に冷媒の液化が行われ、熱伝達媒体６は凝縮器として示される。熱伝達の一部は、一定の温度で行われる。熱伝達媒体６における超臨界運転時又は超臨界熱放出中に、冷媒の温度は常に低下する。この場合、熱伝達媒体６はガス冷却器としても示される。超臨界運転では、特定の周囲条件下又は例えば冷媒による空調システム１の運転モード下で二酸化炭素が発生する可能性がある。

乗員室用の送風の同時の冷却及び除湿、並びに再加熱としても示される加熱のために、また図１で実線からなる矢印で示された冷媒の流れ方向を参照すると、空調システム１の冷媒回路２は、追加の構成要素を有する二次流れ経路を備える。

圧縮機５の出口には、分岐２４が形成される。分岐２４と熱伝達媒体６との間に、閉じられている追加の遮断弁１４が配置される。第１の二次流れ経路は、分岐２４から膨張弁１６の出口の分岐２６まで延び、圧縮機５を出発点として冷媒の流れ方向に、開口した遮断弁１３と、加熱調節装置１１としても示され、第２の凝縮器／ガス冷却器の機能を達成する熱伝達媒体１１とを備える。

第１の二次流れ経路は、閉じられている膨張弁１６と弁９との間で一次冷媒回路に開口する。加熱調節装置１１における冷却又は凝縮後に、冷媒は、弁９を貫流する際に膨張され、逆止弁２０と内部熱伝達媒体８とを通して圧縮機５に流れて戻る。逆止弁２０は、ヒートポンプモードの運転時に蒸発器４内の冷媒の沈積の阻止に使用される。内部熱伝達媒体８は、低圧側のみで貫流し、非作動である。

蒸発器４を介して流れる空気は、除湿及び／又は冷却され、次に、加熱調節装置１１によって再び加温される。この場合、熱出力は、蒸発器４並びに圧縮機５において冷媒に供給された出力から構成される。

エンジン冷却回路３の内部で、冷却液、好ましくは水−グリコール混合物が、エンジン２１と熱伝達媒体１２との間で循環される。加熱用熱伝達媒体としても示される熱伝達媒体１２では、エンジン２１によって放出された熱が乗員室に供給されるべき空気に伝達される。熱伝達媒体１２は、グリコール−空気熱伝達媒体として形成される。

エンジン冷却回路３の並列接続の流れ経路は、遮断弁２２、２３によって開放または閉鎖され、この場合、各々の流れ経路は遮断弁２２、２３により形成され、これによって別個に切り替えることができる。図１に従って記載された運転モードでは、遮断弁２３が開放される。遮断弁２２は、エンジン２１によって放出された熱を冷媒回路２の蒸発する冷媒に伝達するための熱伝達媒体１０を有する流れ経路を備え、この遮断弁が閉鎖される。熱伝達媒体１０は貫流されない。

図示していないブロワを介して吸入された空気は、乗員室に流入する前に、最初に流れ方向に蒸発器４、次に加熱用熱伝達媒体１２、次に加熱調節装置１１を介して導かれる。従って、熱伝達媒体４、１２、１１は、乗員室に供給されるべき空気に関して開示した順序で前後に配置され、必要及び運転モードに応じて接続又は遮断される。変形例として、加熱調節装置１１を空気の流れ方向に加熱用熱伝達媒体１２の後方にも配置することができる。

周囲温度が低い場合、乗員室が加熱され、このことは、加熱又はヒートポンプモードで運転される図２による空調システム１によって実現可能である。図２は、熱源として周囲空気を有する並びに熱源としてエンジン冷却回路３の冷却液を有するヒートポンプモードの冷媒回路２を示している。

図１に記載した第１の二次流れ経路のほかに、第２の二次流れ経路は、熱伝達媒体６又は前置された弁１７と受容器７との間に配置される分岐２５から、圧縮機５の入口の放出点２７まで延びる。従って、第２の二次流れ経路は、内部熱伝達媒体８と一次冷媒回路の圧縮機５との間に開口し、膨張弁として形成された膨張器１８と、熱伝達媒体１０とを備える。熱伝達媒体１０は、一方で冷媒によって、他方でエンジン冷却回路３の冷却液によって貫流されることができる。冷媒側で、運転モードに応じて熱が冷却液から冷媒に伝達されるように、熱伝達媒体１０が蒸発器として運転される。熱伝達媒体１０は、冷房機としても示される。

遮断弁１５を有する第３の二次流れ経路は、遮断弁１４と熱伝達媒体６との間の部分を圧縮機５の入口と結合する。

空調システム１のヒートポンプモードでは、弁９、１３、１４は、圧縮機５の後の冷媒質量流が第１の二次流れ経路を通して、従って第２の凝縮器／ガス冷却器として形成された加熱調節装置１１並びに弁１６を通して案内されるように切り替えられる。冷媒の流れ方向は矢印で示され、この場合、破線からなる矢印は、熱源として空気を有するヒートポンプモードの冷媒の流れ方向を示し、実線からなる矢印は、熱源としてエンジン冷却回路３の冷却液を有するヒートポンプモードの冷媒の流れ方向を示している。

遮断弁１４が閉鎖されている間に、遮断弁１３は開放される。加熱調節装置１１では、熱が冷媒から乗員室に供給されるべき空気に放出される。

蒸発器４を冷媒回路２から流動技術的に分離するために、弁９が閉じられる。内部熱伝達媒体８は片側だけ貫流されるので、この場合、熱は伝達されない。内部熱伝達媒体８は非作動である。

分岐２６から放出点２７まで延びる一次冷媒回路の部分は、冷媒によって貫流されないが、開口しているため冷媒及びオイルの沈積が生じることがある。この沈積を阻止するために、蒸発器４の後の冷媒の流れ方向に、逆止弁２０が配置される。変形例として、逆止弁２０を内部熱伝達媒体８の後にも配置可能である。

自動車の構成要素の配置に応じて、追加の構成要素、特に追加の弁を使用することなしに、内部熱伝達媒体８は能動的にも貫流されることができる。

熱源として空気を有するヒートポンプモードでは、冷媒は、膨張弁１７を貫流する際に、周囲温度に対応する圧力レベルで２相領域に膨張される。次に、蒸発器として運転される熱伝達媒体６では、熱は周囲から冷媒に伝達される。空調システム１は周囲空気から熱を吸収する。

冷媒質量流は、熱伝達媒体６から出た後に第３の二次流れ経路と開放した遮断弁１５とを通して圧縮機５の入口に導かれる。従って、冷媒回路２は閉鎖される。

エンジン冷却回路３では、冷却液は、エンジン２１と加熱用熱伝達媒体１２との間で循環される。遮断弁２３が開放されている間に、遮断弁２２は閉鎖される。これによって、冷却液は、もっぱら加熱用熱伝達媒体１２を通して流れ、この結果、エンジン２１で排出される熱は、乗員室に供給されるべき空気にもっぱら伝達される。

この場合、熱伝達媒体１０は、冷媒によっても、冷却液によっても貫流されない。弁１８が閉じられる。それにもかかわらず、対応する運転条件において、沈積した冷媒及びオイルは、短時間の弁２２の開放によって、従ってエンジン冷却回路３の暖かい冷却液を熱伝達媒体１０に加えることにより排出することができる。

熱源としてエンジン冷却回路３の冷却液を有するヒートポンプモードでは、冷媒は、膨張弁１８を貫流する際に、冷却液温度に対応する圧力レベルで２相領域に膨張される。次に、蒸発器１０で、エンジン冷却回路３で循環される冷却液から熱が冷媒に伝達される。空調システム１はエンジン冷却回路３から熱を吸収する。冷媒質量流は、蒸発器１０から出た後に圧縮機５によって吸入される。冷媒回路２が閉じられる。

エンジン冷却回路３では、冷却液は、エンジン２１と蒸発器１０との間で循環される。遮断弁２２が開放される。同時に閉じた遮断弁２３では、冷却液はもっぱら蒸発器１０を通して流れ、この結果、エンジン２１で排出される熱は、冷媒回路２で蒸発された冷媒にもっぱら伝達される。この場合、加熱用熱伝達媒体１２は冷却液によって貫流されない。変形例として、遮断弁２２のほかに、遮断弁２３も開放することができる。次に、冷却液は、蒸発器１０及び加熱用熱伝達媒体１２の両方を通して平行に流れ、この結果、エンジン２１で排出される熱は、冷媒及び乗員室に供給されるべき空気の両方に伝達される。熱伝達媒体１０、１１、１２の大きさ、従って出力は、空調システム１のそれぞれの運転方法に適合される。

膨張弁１６、１７、１８は、冷媒の必要な充填量に応じて冷凍設備モード及びヒートポンプモードで運転可能である。ヒートポンプモードにおける冷媒の不足の場合、膨張弁１６の貫流の際に冷媒を予め膨張させることができる。次に、冷媒はより小さい密度を有し、冷媒の充填量は受容器７で低減される。

異なる熱源を有するヒートポンプモードに応じて、弁１７、１８は交互に閉鎖されるか又は開放され、この結果、熱伝達媒体６又は熱伝達媒体１０が冷媒によって貫流され、一方、それぞれ他の熱伝達媒体６、１０は付勢されない。変形例として、両方の熱伝達媒体６、１０も冷媒によって貫流されることができ、この結果、周囲空気及びエンジン冷却回路３の冷却液の両方は熱源として利用可能である。

空調システム１の運転中に、例えばヒートポンプモードの間の切替え時に、あるいは空調システム１の停止時に、冷媒回路２の構成要素内の冷媒は、例えば冷媒によって能動的に貫流されない構成要素に再移動することができる。しかし、冷媒の再移動は、引き続き設定される運転モードで冷媒の不足をもたらす可能性がある。

空調システム１の始動時の冷媒の不足を回避するために、遮断弁１３、１４は適切な弁特性を有し、ＮＯ特性又はＮＣ特性により形成される。ＮＯ特性を有する弁は、非接続、従って電流遮断状態で「開放」しており、この場合、ＮＯは「通常開」を表す。ＮＣ特性を有する弁は、非接続の電流遮断状態で「閉鎖」している。この場合、ＮＣは「通常閉」を表す。

ＮＯ特性を有する弁１３及びＮＣ特性を有する弁１４により、空調システム１を低温の熱伝達媒体６のヒートポンプモードの運転から遮断した直後に、冷媒が集まり、次に、空調システム１の新規始動の際に、特に熱源として冷却液を有するヒートポンプモードで、冷媒を充分に利用できないことが防止される。

さらに、ＮＯ特性を有する弁９を形成することも有利であるが、この理由は、分岐２６から放出点２７まで延びる一次冷媒回路２の部分に沈積した冷媒が、各々の運転モードで圧縮機によって吸引されるからである。

弁１３、１４は、図示した実施形態では２−２方向弁として形成される。従って、弁１３、１４は、それぞれ２つの接続部及び２つの切替位置を有する。変形例として、弁１３、１４は、組み合わせて３−２方向弁としても、あるいは弁１３、１４、１５が同一の弁特性の場合に弁１５を追加して４−２方向弁として形成される。

さらに、冷媒回路２の高圧側及び低圧側における液体を案内するもしくはガス相の冷媒が加えられる管路部分及び構成要素の内部容量は、運転モードに応じて且つ冷媒の状態に応じて、すべての運転モードについて最適な充填量が保証されるように調整される。

非常時、すなわち、例えば事故あるいは車両通信と関連した運転者補助センサもしくは自動車の周囲センサによる事故の事前の予想の場合、圧縮機５が、使用される冷媒回路２と無関係に且つ使用される運転モードと無関係に遮断される。ヒートポンプモードで、及び圧縮機５の後の冷媒の流れの分割を同時に形成した場合、事故検出の際に、弁１３の開放状態で弁１４がさらに開放され、加熱調節装置１１内の高圧を明らかに低減し、これによって、高温の高圧冷媒及び冷媒それ自体による乗員の危険を回避する。弁１４の開放により、第１の二次流れ経路内の高圧が、膨張弁１６まで弁１３と加熱調節装置１１とを介して圧縮機５の出口から急激に解除されるが、この理由は、冷媒が、ヒートポンプモードに応じて蒸発器として運転されるかあるいは機能なしに周囲空気により環流される「低温」の熱伝達媒体６に入るからである。高温且つ乗員室の送風流内に配置される高圧が加えられる加熱調節装置１１内の冷媒による乗員室内の乗員の危険性は、劇的に低減される。回避された事故の後にも、空調システム１の再度の運転開始が、圧縮機５の遮断及び弁１４の開放後に簡単に可能である。

さらに、特別な場合、非常の際に、第１の二次流れ経路からの冷媒をもっぱら熱伝達媒体６内に移動させて、蒸発器４内への再移動を回避するために、圧縮機５の入口への結合部としての第３の二次流れ経路の弁１５を閉鎖することも可能である。蒸発器４内への冷媒の再移動は、図２による冷媒回路２の場合に、逆止弁２０によっても阻止される。さらに、膨張弁１７を開放して、第１の二次流れ経路から流出する冷媒用により大きな容積を提供することができる。

図３は、周囲空気への追加の熱放出により空気を除湿及び後加熱するためのモードの冷媒回路２を有する空調システム１を示している。

圧縮機５で高圧に圧縮された冷媒質量流は、開放した又は部分開放した遮断弁１３、１４によって、凝縮器／ガス冷却器６及び加熱調節装置１１の両方に案内される。両方の熱伝達媒体６、１１では、冷媒は熱を空気に放出し、熱伝達媒体６では周囲空気に、加熱調節装置１１では乗員室に供給されるべき空気に放出する。

蒸発器４を貫流する前に、冷媒の両方の部分質量流が集められ、膨張される。

内部熱伝達媒体８は作動しており、両側で冷媒によって付勢される。

部分質量流の部分もしくは圧縮機５の後のそれらの分割によって、蒸発器４及び圧縮機５で冷媒に供給される出力のどの部分が、蒸発器４で除湿され及び／又は冷却された乗員室用の空気を後加熱するための熱として使用されるかが調整される。残りの出力は熱として周囲に放出される。

図４に、エンジン冷却回路３からの追加の熱吸収による空気を除湿及び後加熱するためのモードの冷媒回路２を有する空調システム１が示されている。

圧縮機５で高圧に圧縮された冷媒質量流は、開放した遮断弁１３及び閉鎖した遮断弁１４によってもっぱら加熱調節装置１１を通して案内される。従って、冷媒は、供給された出力全体を乗員室に供給されるべき空気に熱として放出する。

加熱調節装置１１の出口には、冷媒質量流が蒸発器４、１０によって２つの部分質量流に分割される。蒸発器４では、冷媒は、乗員室に供給されるべき空気から熱を吸収し及び／又は空気を除湿する。蒸発器１０では、エンジン冷却回路３から冷媒に熱が供給される。

冷媒の部分質量流は、圧縮機５の入り口の前で再び一体化される。乗員室に供給されるべき空気に放出される熱は、従って、圧縮機５で及び蒸発器４、１０に供給された出力から構成される。

内部熱伝達媒体８は作動しており、両側で冷媒によって付勢され、この場合、部分質量流は、冷媒−冷却液熱伝達媒体として形成された蒸発器１０によって膨張の前にさらに冷却又は過冷却され、部分質量流は蒸発後に蒸発器４によって過熱される。この場合、内部熱伝達媒体８は直流で運転される。

エンジン冷却回路３では、冷却液は、遮断弁２２の開放時にエンジン２１と蒸発器１０との間で循環される。遮断弁２２のほかに、遮断弁２３も開放している場合、冷却液は、変形例として、蒸発器１０及び加熱用熱伝達媒体１２の両方を通して平行に流れ、この結果、エンジン２１で排出される熱は、冷媒及び乗員室に供給されるべき空気の両方に伝達される。

図１〜図４による異なる運転モードで示した空調システム１の回路では、乗員室に供給されるべき空気質量流は、冷却液回路３の加熱用熱伝達媒体１２の熱伝達面の過電流の場合も、冷媒回路２の加熱調節装置１１の熱伝達面の過電流の場合も、加温することができる。

ＰＴＣ加熱器、すなわち電気作動の抵抗加熱と同様の底面と、１２ｍｍの取付け深さとを有する加熱調節装置１１として高出力加熱調節装置を使用する場合、最高７ｋＷの熱を伝達することができ、この結果、加熱用熱伝達媒体１２は任意に省略も可能であり、空調システム１は、加熱用熱伝達媒体１２なしに形成可能である。加熱調節装置１１は、最高２５ｍｍの取付け深さを有することができる。

加熱調節装置１１の１２ｍｍの小さな取付け深さのため、温度層形成をもたらす可能性がある。これらの温度層形成を回避するために、加熱用熱伝達媒体１２及び加熱調節装置１１の並列運転が好ましく、この場合、加熱用熱伝達媒体１２の熱伝達面、従って寸法は単一の運転の場合よりも小さく形成される。貫流面及び加熱用熱伝達媒体１２の深さはより小さく、すなわち、例えば深さは３５ｍｍ未満である。熱伝達媒体１１、１２の出力及び寸法は最適に互いに調整される。最高３０ｍｍもしくは最高２５ｍｍのそれぞれの取付け深さを有する加熱用熱伝達媒体１２と加熱調節装置１１との組み合わせは、最高５５ｍｍ、しかし好ましくは最高４５ｍｍ、車両毎に最適化して３０ｍｍの全体の取付け深さの熱伝達媒体１１、１２をもたらす。

加熱用熱伝達媒体１２は、加熱調節装置１１用の空気質量流の予熱器として使用される。熱伝達媒体１１、１２は同時に運転され、この場合、空気質量流は熱伝達媒体１１、１２を連続して付勢する。この場合、冷媒回路２内の高圧上昇が補助され、空気温度分布の均質化が高められる。

加熱調節装置１１の大きさは、出力に応じて適合され、この場合、加熱調節装置１１の出口における冷媒の可能な限り小さな過冷却が保証される。空調システム１の信頼性に関する冷媒の再移動及び内部容積の調整に関して、本実施形態は重要な利点を提供し、且つ従来の加熱調節装置よりも明らかに小さな内部容積において、ヒートポンプモードの運転の際に冷凍設備モードの運転時の凝縮器としての熱伝達媒体６よりも全体的により小さな充填量を保証する。

図５は、霜取りモードの冷媒回路２及びエンジン冷却回路３を有する空調システム１を示している。この場合、以前に蒸発器として運転された熱伝達媒体６が霜取りされるか又は解氷される。高圧下で且つ高温で圧縮機５から流出する冷媒は、遮断弁１４が開放し、遮断弁１３が閉鎖している場合に、熱伝達媒体６を通して搬送される。冷媒の熱放出の下に、以降に凝縮器／ガス冷却器として運転される熱伝達媒体６の熱伝達面が解氷される。

膨張弁１８内の冷媒の膨張後に、蒸発器１０の冷媒はエンジン冷却回路３から熱を吸収し、圧縮機５によって吸入される。エンジン冷却回路３では、冷却液は、遮断弁２２の開放時にエンジン２１と蒸発器１０との間で循環される。

弁９、１６、１７、１８は、運転モードに応じて固定制限装置としても形成することができる。

開示した実施形態では冷媒回路２の高圧領域に配置される受容器７は、変形例として、蒸発器４の後の冷媒の流れ方向の低圧側の蓄電池としても配置可能である。

熱伝達媒体６は、変形例として、水が加えられる凝縮器として形成することができる。

図６及び図７には、車両の図１〜図５からの空調システム１の冷媒回路２の最適な配置が示されている。構成要素の配置では、前部領域２９、車輪ハウジング３０、冷却水タンク３１及び空調ユニット３２に区別される。図６による配置の場合、弁１３、１４、１５、１７、車輪ハウジング３０の受容器７及び分岐２４、並びに熱伝達媒体６は、自動車の前部領域２９に格納される。熱伝達媒体１０、弁９、１６、１８、２８、逆止弁１９、分岐２５、２６、並びに放出点２７は、冷却水タンクに、従って熱伝達媒体４、１１、１２を有する空調ユニット３２のすぐ近くに配置される。冷媒回路２の残りの構成要素は、自動車のエンジンルームにある。

図７では、図６の配置とならんで、さらに、内部熱伝達媒体８、前接続された弁１８を有する熱伝達媒体１０、並びに分岐２５が車輪ハウジングに配置される。冷却水タンクには、弁９、１６、２８、並びに逆止弁１９があり、空調ユニット３２には熱伝達媒体４、１１、１２がある。

図６及び図７の最適化された管路ガイドから、作動又は非作動の内部熱伝達媒体８による異なる運転方法が得られる。

図１〜図５に対する図６及び図７による冷媒回路２の形成の本質的な差は、熱伝達媒体８と１０の結合部にある。図２の形態によれば、熱源としてエンジン冷却回路の冷却液を有するヒートポンプモード又は図４、エンジン冷却回路３からの追加の熱吸収により空気を除湿及び後加熱するためのモードでは、冷媒は、弁１６から高圧レベルで、さらに内部熱伝達媒体８を通して、次に膨張弁１８を介して熱伝達媒体１０に流れる。熱伝達媒体１０の出口は、圧縮機５内への入口と直接結合される。

図６による冷媒回路２では、これとは反対に、熱伝達媒体１０は、冷媒が内部熱伝達媒体８を付勢することなしに、上述の運転モードに従って弁１６の後に膨張弁１８を介して直接熱伝達媒体１０に流れるように結合される。熱伝達媒体１０の出口は、内部熱伝達媒体８内への入口の前に当然配置され、この結果、低圧側の冷媒は内部熱伝達媒体８を通して流れる。

内部熱伝達媒体８は、図２によるヒートポンプモード、並びに図４による空気を除湿及び後加熱するためのモードでは、図２及び図４による実施形態且つ図６に従って非作動のままである。

エンジン冷却回路３の遮断弁２２、２３は統合され、３方向弁２８として形成される。

図７は、図２によるヒートポンプモード並びに図４による空気を除湿及び後加熱するためのモードで作動している内部熱伝達媒体８を有する自動車内の配置として、修正した冷媒回路２を有する空調システム１を示している。図１〜図５又は図６による冷媒回路２の形成に対する本質的な差は、熱伝達媒体８と１０の結合部にある。

図１〜図５、図６及び図７による冷媒回路２の比較は、ヒートポンプモード及び追加のスイッチ要素なしに空気を除湿及び後加熱するためのモードでの内部熱伝達媒体８の能動的運転のある及び能動的運転のない空調システム１を示しており、この場合、冷凍設備モードの内部熱伝達媒体８は常に運転されている。ここで、内部熱伝達媒体８の作動は、回路構成要素の配置のみに左右される。

図１〜図５の実施形態によれば、熱伝達媒体１０からの出口は、放出点２７を介して圧縮機５内への入口と直接結合される。同様に、第３の二次流れ経路は、熱伝達媒体６の入口と圧縮機４の入口とを結合し、この場合、熱伝達媒体６の入口として、冷凍設備モードでは冷媒の流れ方向を基礎とすべきである。それぞれ熱伝達媒体１０から又は熱伝達媒体６から流出する冷媒は、内部熱伝達媒体８を通して流れない。

図７の実施形態によれば、放出点２７を介した熱伝達媒体１０からの出口は、しかしながら、内部熱伝達媒体８の入口と結合される。同様に、第３の二次流れ経路は、熱伝達媒体６の入口と内部熱伝達媒体８の入口とを結合する。熱伝達媒体１０から又は熱伝達媒体６から流出する冷媒は、この場合、それぞれ内部熱伝達媒体８を通して流れる。

従って、内部熱伝達媒体８は、図２と同様のヒートポンプモードで、また、図４による空気を除湿及び後加熱するためのモードで作動しており、それぞれ直流で運転される一方、内部熱伝達媒体８には、冷凍設備モードで反対の流れの冷媒が付勢される。変形実施形態によれば、内部熱伝達媒体８は、ヒートポンプモード、並びに、空気を除湿及び後加熱するためのモードにおいても、反対の流れで運転される。

開示した接続の変形例及び運転モードは、低圧側で液体状から気体状への相移行を通過する各々の冷媒に利用可能である。高圧側では、媒体は、ガス冷却、凝縮及び過冷却によって、吸収された熱をヒートシンクに放出する。適切な冷媒として、このために例えばＲ７４４、Ｒ７１７等のような天然物質、可燃性のＲ２９０、Ｒ６００、Ｒ６００ａ等、並びにＲ１３４ａ、Ｒ１５２ａ、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ等のような化学物質、あるいは多様な冷媒混合物が利用可能である。

１ 空調システム
２ 冷媒回路
３ エンジン冷却回路
４ 蒸発器
５ 圧縮機
６ 熱伝達媒体
７ 受容器
８ 内部熱伝達媒体
９ 弁
１０ 熱伝達媒体、蒸発器
１１ 熱伝達媒体、加熱調節装置
１２ 熱伝達媒体、加熱用熱媒体
１３ 弁、遮断弁
１４ 弁、遮断弁
１５ 弁、遮断弁
１６ 弁、膨張器、膨張弁
１７ 弁、膨張弁
１８ 弁、膨張器、膨張弁
１９ 逆止弁
２０ 逆止弁
２１ エンジン
２２ 弁、遮断弁
２３ 弁、遮断弁
２４ 分岐
２５ 分岐
２６ 分岐
２７ 放出点
２８ 弁、３方向弁
２９ 前部領域
３０ 車輪ハウジング
３１ 冷却水タンク
３２ 空調ユニット

Claims (7)

1. 自動車の乗員室の空気を調和させるための空調システム（１）であって、
   冷媒回路（２）を有し、この冷媒回路（２）は、
   圧縮機（５）と、冷媒と周囲との間の熱伝達のための熱伝達媒体（６）と、前記圧縮機（５）と前記熱伝達媒体（６）との間に配置された弁（１４）と、
   前記分岐（２５）から放出点（２７）まで延び、且つエンジン冷却回路（３）の冷却液から、前接続された膨張器（１８）を有する前記冷媒回路（２）の冷媒に熱供給するための熱伝達媒体（１０）を含む二次流れ経路と、
   熱を前記冷媒回路（２）の高圧側から低圧側に伝達するための内部熱伝達媒体（８）と、を備え、
   前記分岐（２５）、前記放出点（２７）、及び二次流れ経路が、前記弁（１４）と前記熱伝達媒体（６）との間の前記弁（１５）との結合部を出発点として、前記内部熱伝達媒体（８）が冷凍設備モードで作動し、ヒートポンプモードで非作動又は作動するように配置されることを特徴とする空調システム（１）。
2. 高圧側の前記分岐（２５）及び低圧側の前記放出点（２７）は、それぞれ前記ヒートポンプモードで前記冷媒の流れ方向において、前記内部熱伝達媒体（８）の後、又は、前記内部熱伝達媒体（８）の前に、前記二次流れ経路が前記圧縮機（５）内への入口まで延びて、前記内部熱伝達媒体（８）が前記ヒートポンプモードで非作動であるように配置される請求項１記載の空調システム（１）。
3. 前記分岐（２５）は、前記ヒートポンプモードで前記冷媒の流れ方向において、前記内部熱伝達媒体（８）の後、また前記放出点（２７）が前記内部熱伝達媒体（８）の前に、前記二次流れ経路が前記内部熱伝達媒体（８）内への入口まで延びて、前記内部熱伝達媒体（８）がヒートポンプモードで作動するように配置される請求項１記載の空調システム（１）。
4. 自動車の乗員室の空気を調和させるための空調システム（１）であって、
   冷媒回路（２）を有し、
   この冷媒回路（２）は、
   圧縮機（５）と、冷媒と周囲との間の熱伝達のための弁（１７）を有する熱伝達媒体（６）と、
   前記圧縮機（５）と前記熱伝達媒体（６）との間に配置された弁（１４）と、
   前記冷媒と前記乗員室用の調和されるべき空気との間で熱伝達するための熱伝達媒体（４）、及び、弁（９）と、
   受容器（７）と、
   弁（１３）を備えた第１の二次流れ経路、及び、前記冷媒から前記乗員室用の調和されるべき空気に熱供給するための熱伝達媒体（１１）と、
   エンジン冷却回路（３）の冷却液から前記冷媒回路（２）の前記冷媒に熱供給するための熱伝達媒体（１０）と、弁（１８）と、を備えた第２の二次流れ経路と、
   前記弁（１４）と前記熱伝達媒体（６）との間の部分を前記圧縮機（５）の入口と結合する弁（１５）を備えた第３の二次流れ経路と、
   熱を前記冷媒回路（２）の高圧側から低圧側に伝達するための内部熱伝達媒体（８）と、
   前記冷却液から前記乗員室に供給されるべき空気に熱伝達するための前記熱伝達媒体（１２）と、弁（２８）と、を備えたエンジン冷却回路（３）と、を備え、
   前記熱伝達媒体（６）は、前記自動車の前部領域（２９）に配置され、
   前記弁（１３、１４、１５、１７）及び前記受容器（７）は、前記自動車の車輪ハウジング（３０）の領域に配置され、
   前記弁（９、１８、２８）は、前記自動車の冷却水タンク（３１）の領域に配置され、 前記熱伝達媒体（４、１１、１２）は、空調ユニット（３２）に配置されることを特徴とする空調システム（１）。
5. 前記弁（１８）を備えた前記熱伝達媒体（１０）は、前記自動車の前記冷却水タンク（３１）の領域に配置される請求項４記載の空調システム（１）。
6. 前記内部熱伝達媒体（８）、及び、前記弁（１８）を備えた前記熱伝達媒体（１０）は、前記自動車の前記車輪ハウジング（３０）の領域に配置される請求項４記載の空調システム（１）。
7. 前記冷媒回路（２）の高圧側の冷媒の内部容積と密度との積と、前記冷媒回路（２）の低圧側の冷媒の内部容積と密度との積とは、互いに等しい請求項１乃至６の何れか１項に記載の空調システム（１）。

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