JPH08285399A - 空調装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 原動機の駆動力を用いず、小型軽量、構造簡
単、低コストにする。 【構成】 エンジンの排気ガスの熱エネルギーで回転す
る排気駆動タービン１９と、タービン１９によって駆動
されるコンプレッサ２３と、コンプレッサ２３で高温高
圧にされた空気を冷却する熱交換機５と、熱交換機５か
らの冷気を断熱膨張させて更に冷却するタービン２５
と、タービン１９に流入する気体の流量を制御するバル
ブ１１とを備え、コンプレッサ２３とタービン２５の各
動翼８１、８３がタービン１９のインペラシャフト５３
上で反対向きに支持され、タービン２５で発生した冷気
で車室１３を空調する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば、車両のエア
コンシステムに用いられる空調装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平４−１３４１９８号公報に図４の
ような回転流体機械２０１が記載されている。

【０００３】この回転流体機械２０１は、空調装置の主
要部を構成するものであり、ブロワ２０３とラジアルタ
ービン２０５と水冷の空気冷却器２０７などから構成さ
れている。ブロワ２０３とラジアルタービン２０５の各
インペラ２０９、２１１はモータ２１３の軸２１５を介
して直結されている。ブロワ２０３はモータ２１３によ
って回転駆動され、昇圧された高温の空気は水冷の空気
冷却器２０７で冷却された後、ラジアルタービン２０５
で断熱膨張して低温になり、空調などに供される。この
とき、ラジアルタービン２０５で発生した回転力はブロ
ワ２０３とモータ２１３とにフィードバックされてエネ
ルギーが回収される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この空調装置２０１を
車両に用いる場合は、モータ２１３はバッテリーで駆動
される。又、空調装置２０１は、モータ駆動でなく、ブ
ロワ２０３をエンジンで駆動するように構成される。

【０００５】モータ２１３で駆動する場合でもバッテリ
ーを充電するためにオルタネータをエンジンで駆動しな
ければならないから、空調装置２０１はエンジンの出力
によって駆動されるように構成されており、空調装置２
０１を駆動するための動力損失によってエンジンの燃費
が低下する。特に、エンジン駆動の場合は車両の加速性
に悪影響があり、加速性の低下を防ぐためには、加速時
に空調装置２０１をエンジンから切り離す装置が必要で
あり、それだけ構造が複雑になり、コストが上昇する。
その上、エンジン駆動の場合は空調装置２０１を充分に
高速回転させるために、増速機構が必要になり、更に構
造が複雑で大型になり、コストが上昇する。

【０００６】そこで、この発明は、車両に用いた場合で
もエンジンの燃費を低下させず、加速性を損なわない、
構造簡単、小型軽量、低コストな空調装置の提供を目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の空調装置は、
高温の気体の熱エネルギーを回転力に変換するタービン
と、このタービンにより回転駆動される圧縮機と、この
圧縮機で発生した高温高圧の冷媒を冷却する冷却器と、
冷却器で冷却された冷媒を断熱膨張させると共に、その
動翼が前記圧縮機の動翼に連結された回転式の膨張機と
を備え、膨張機で発生した低温の冷媒を、直接又は間接
に、空調用に供することを特徴とする。

【０００８】請求項２の空調装置は、圧縮機と膨張機の
各動翼が、共通の軸上で互いのスラスト力を打ち消し合
う方向に支持された請求項１の空調装置である。

【０００９】請求項３の空調装置は、タービンと圧縮機
と膨張機の各動翼が、共通の軸上に支持され、この軸が
同一のベアリングで支承された請求項１又は２の空調装
置である。

【００１０】請求項４の空調装置は、空気を冷媒として
用い、膨張機の断熱膨張で生じた冷気を空調用に供する
請求項１、２又は３の空調装置である。

【００１１】請求項５の空調装置は、膨張機で冷却され
た冷媒を空気で加熱すると共に、加熱時に生じた低湿度
の冷気を空調用に供する加熱器を備えた請求項１、２又
は３の空調装置である。

【００１２】請求項６の空調装置は、冷却器が空冷式で
あり、冷却器で冷媒を冷却することにより発生した暖気
を空調用に供する請求項１、２、３、４又は５の空調装
置である。

【００１３】請求項７の空調装置は、タービンの入口側
に高温の気体をバイパスさせるバルブが配置された請求
項１、２、３、４、５又は６の空調装置である。

【００１４】請求項８の空調装置は、高温の気体が車両
のエンジンの排気ガスであり、タービンが排気ガスの熱
エネルギーを回転力に変換する排気駆動タービンであ
り、車両の室内の空調用に用いられる請求項１、２、
３、４、５、６又は７の空調装置である。

【００１５】

【作用】各請求項の空調装置は、高温の気体の熱エネル
ギーを回転力に変換するタービンと、このタービンによ
り回転駆動される圧縮機と、この圧縮機で発生した高温
高圧の冷媒を冷却する冷却器と、冷却器で冷却された冷
媒を断熱膨張させると共に、その動翼が前記圧縮機の動
翼に連結された回転式の膨張機とで構成されており、圧
縮機はタービンによって回転駆動され、発生した高温高
圧の冷媒は冷却器で冷却され、更に、膨張機で断熱膨張
して温度が下がり、直接又は間接に、空調用に供され
る。

【００１６】このように、圧縮機をタービンで駆動する
ように構成し、従来例と異なってエンジンの出力を用い
ないから、エンジンの出力損失は発生しない。

【００１７】又、圧縮機は高速回転のタービンで駆動さ
れるから、圧縮機を高速回転させるための増速機構が不
要になり、それだけ構造簡単、小型軽量、低コストにな
る。

【００１８】更に、膨張機で発生した回転が圧縮機とタ
ービンにフィードバックされるから、空調装置の効率が
向上する。

【００１９】請求項２の空調装置は、請求項１の空調装
置において、圧縮機と膨張機の各動翼が共通の軸上で互
いのスラスト力を打ち消し合う方向に支持されたもので
あり、これらの動翼を支持する共通軸のベアリング及び
スラスト力を受ける機構の負担が軽減され、これらの耐
久性が向上する。

【００２０】請求項３の空調装置は、請求項１又は２の
空調装置において、タービンと圧縮機と膨張機の各動翼
を共通の軸上で支持し、この軸を同一のベアリングで支
承したものであり、タービンと圧縮機と膨張機の各動翼
を個別に支承するためのベアリングが不要であるから、
それだけ軸方向に小型になり、構造が簡単になり、部品
点数が低減し、軽量になる。

【００２１】更に、圧縮機と膨張機の各動翼のスラスト
力が互いに打ち消し合う請求項２の構成は、このような
ベアリング個数の少ない支持構成で特に有利であり、軸
を支承するベアリングの負担が軽減し、耐久性が大幅に
向上する。

【００２２】請求項４、５、６の各空調装置は、それぞ
れ、膨張機で発生した冷気（請求項４）、加熱器で冷媒
を加熱する際に発生した冷気（請求項５）、冷却器で冷
媒を冷却する際に発生した暖気（請求項６）を、空調に
用いるものであり、構造簡単、小型軽量で、扱い易い。

【００２３】請求項７は、請求項１、２、３、４、５又
は６の空調装置において、タービンの入口側に高温の気
体をバイパスさせるバルブを配置したものであり、この
バルブによってタービンを駆動する気体の流量調整を行
えば、空調装置の回転数を制御し、あるいは空調装置を
停止させることが可能であり、例えば、高温の気体の熱
エネルギーが過剰なときに空調装置の過回転と耐久性低
下などを防止することができる。

【００２４】請求項８は、請求項１、２、３、４、５、
６又は７の空調装置を車両に用い、排気駆動タービンで
圧縮機を駆動するように構成したものである。

【００２５】従来例と異なって、エンジンの出力を圧縮
機の駆動に用いないから、エンジンの出力損失が発生せ
ず燃費が向上する。又、膨張機の回転が圧縮機と排気駆
動タービンにフィードバックされ、空調装置の効率を改
善する。

【００２６】更に、高速回転する排気駆動タービンで圧
縮機を駆動するから増速機構が不要である。又、エンジ
ンの出力を用いないから車両の加速性が損なわれず、加
速性の低下を防止するためにエンジンと空調装置とを切
り離す装置が不要である。従って、それだけ低コストに
なると共に、構造簡単、小型軽量であり、車載性が向上
する。

【００２７】

【実施例】図１、２により本発明の第１実施例を説明す
る。この実施例は請求項１、２、３、４、７、８の特徴
を備えている。図１は車両に用いられた実施例のエアコ
ンシステム１（空調装置）の構成を示し、図２はこのエ
アコンシステム１の回転機構部３を示している。なお、
符号を与えていない部材等は図示されていない。

【００２８】図１のように、エアコンシステム１は、回
転機構部３、熱交換機５（冷却器）、排気ガスの流入路
７及び流出路９、ウェストゲートバルブ１１（バル
ブ）、車室１３、車室１３への吐き出し流路１５、車室
１３からの吸い込み流路１７などから構成されている。

【００２９】図２のように、回転機構部３は、排気駆動
タービン１９、ベアリング部２１、コンプレッサ２３
（圧縮機）、タービン２５（膨張機）などから構成され
ている。

【００３０】排気駆動タービン１９のタービンハウジン
グ２７には、その入口２９に排気ガスの流入路７が接続
され、出口３１に流出路９が接続されている。又、流入
路７と流出路９との間にはバイパス路３３が設けられて
おり、ウェストゲートバルブ１１はバイパス路３３の流
入路７側開口に配置されている。

【００３１】矢印３５のように、流入路７から流入した
エンジンの排気ガスは排気駆動タービン１９のインペラ
３７（動翼）を回転させて、矢印３９のように、流出路
９から流出する。このとき、ウェストゲートバルブ１１
を全開すると、排気ガスはバイパス路３３を介して流入
路７から流出路９にバイパスし、排気駆動タービン１９
の回転は停止する。又、ウェストゲートバルブ１１の開
度を調節すると、排気駆動タービン１９の回転数を調節
できる。この排気駆動タービン１９は排気ガスの熱エネ
ルギーが低い状態（例えば、アイドリング時のようにエ
ンジン回転数が低い場合）でも作動する。

【００３２】図１のように、ベアリング部２１は、ベア
リングハウジング４１、ベアリングホルダ４３、一対の
ボールベアリング４５、オイルフィルムダンパ４７など
を備えている。

【００３３】ベアリングハウジング４１は、連結部材４
９とボルト５１とでタービンハウジング２７に固定され
ている。ボールベアリング４５はベアリングホルダ４３
の内周に配置されており、インペラ３７が固定されたイ
ンペラシャフト５３を支承している。ベアリングハウジ
ング４１の給油口５５には、矢印５７のようにオイルが
供給され、このオイルはベアリングハウジング４１の内
部を潤滑し冷却して、矢印５９のように、排油口６１か
ら排出される。オイルフィルムダンパ４７はこのオイル
によってベアリングハウジング４１とベアリングホルダ
４３の外周との間に形成され、振動を吸収しながらベア
リングホルダ４３などをフローティング支持する。

【００３４】コンプレッサハウジング６３は、連結部材
６５とボルト６７とでベアリングハウジング４１に固定
されており、タービンハウジング６９は、コンプレッサ
ハウジング６３の周溝７１に係合した連結部材７３とボ
ルト７５とでコンプレッサハウジング６３に固定されて
いる。各ハウジング６３、６９の間には断熱材のフラン
ジ７７が配置され、コンプレッサ２３とタービン２５の
間の熱洩れを防止している。又、このフランジ７７とタ
ービンハウジング６９との間にはコンプレッサ２３とタ
ービン２５の間の圧洩れを防止するシール７９が配置さ
れている。

【００３５】コンプレッサ２３とタービン２５の各イン
ペラ８１、８３（動翼）は排気駆動タービン１９のイン
ペラシャフト５３上に支持され、ナット８５で脱落を防
止されている。こうして、インペラ８１、８３はインペ
ラシャフト５３（共通の軸）上に支持されることによ
り、ベアリング部２１（同一のベアリング）によってイ
ンペラシャフト５３を介して片持ち支持されている。

【００３６】又、インペラ８１、８３は互いのスラスト
力が相殺し合うように、反対向きに配置されており、ボ
ールベアリング４５、４５及びベアリング部２１に設け
られたスラスト力を受ける機構に掛かる負担を低減し、
これらの耐久性を大幅に向上させている。

【００３７】コンプレッサハウジング６３の吸入口８７
は吸い込み流路１７を介して車室１３に接続され、吐出
口８９は吐き出し管路９１を介して熱交換機５に接続さ
れている。又、タービンハウジング６９の入口９３は管
路９５を介して熱交換機５に接続され、出口９７は流路
１５を介して車室１３に接続されている。

【００３８】排気駆動タービン１９の回転は、インペラ
シャフト５３を介して各インペラ８１、８３を回転さ
せ、コンプレッサ２３とタービン２５とを駆動する。

【００３９】駆動されたコンプレッサ２３は、矢印９９
のように、車室１３から暖まった空気（冷媒）を吸い込
んで加圧する。熱交換機５はコンプレッサ２３で加圧さ
れ高温になった空気を冷却する。タービン２５は冷却さ
れた空気を断熱膨張させて更に冷却し、矢印１０１のよ
うに、この冷気を車室１３に吹き込んで空調する。

【００４０】こうして、エアコンシステム１が構成され
ている。

【００４１】上記のように、エアコンシステム１（回転
機構部３）は、コンプレッサ２３を排気駆動タービン１
９で駆動するように構成し、従来例と異なって、エンジ
ンの出力をコンプレッサ２３の駆動に用いないから、エ
ンジンの出力損失が発生せず、燃費が向上する。

【００４２】又、高速回転する排気駆動タービン１９で
コンプレッサ２３を駆動するから増速機構が不要である
と共に、エンジンの出力損失がないから車両の加速性が
損なわれず、加速性の低下を防止するためにエンジンと
回転機構部３とを切り離す装置が不要である。従って、
それだけ低コストになると共に、構造簡単、小型軽量で
あり、車載性に優れている。

【００４３】更に、各インペラ３７、８１、８３をイン
ペラシャフト５３上に配置したから、タービン２５で発
生したインペラ８３の回転がインペラシャフト５３を介
してインペラ８１、３７にフィードバックされ、コンプ
レッサ２３と排気駆動タービン１９の回転を促進すると
共に、エネルギーが回収されて、エアコンシステム１の
効率が向上する。

【００４４】又、インペラ８１、８３が互いのスラスト
力を相殺し合うからベアリング部２１の負担が低減し耐
久性が大幅に向上する。

【００４５】これに加えて、インペラ８１、８３がイン
ペラシャフト５３を介してベアリング部２１によって片
持ち支持されているから、これらのインペラ８１、８３
を個別に支承するためのベアリングが不要であり、それ
だけ軸方向に小型になり、構造が簡単になり、部品点数
が低減し、軽量になる。又、インペラ８１、８３のスラ
スト力が互いに打ち消し合う構成は、このようにベアリ
ング個数の少ない支持構成で特に有利であり、ベアリン
グ部２１の負担が軽減し、耐久性が大幅に向上する。

【００４６】更に、ウェストゲートバルブ１１の操作に
よって排気駆動タービン１９の回転数制御と回転停止な
どを行えるから、エンジンが高速回転し排気ガスの熱エ
ネルギーが過剰なときに回転機構部３の過回転と耐久性
低下などを防止することができる。

【００４７】以上のように、エアコンシステム１は回転
機構部３の小型軽量化により、車載性に優れ、低コスト
である。

【００４８】次に、図２により本発明の第２実施例を説
明する。この実施例は請求項１、２、３、５、７、８の
特徴を備えており、第１実施例と同様に、車両のエアコ
ンシステム１０３（空調装置）を構成している。なお、
図２と以下の説明の中で第１実施例と同じ機構及び機能
には同一の符号を与えて引用すると共に、これらの説明
は省く。

【００４９】図２のように、エアコンシステム１０３
は、回転機構部３、熱交換機５（冷却器）、排気ガスの
流入路７及び流出路９、ウェストゲートバルブ１１（バ
ルブ）、車室１３、吐き出し流路１５、吸い込み流路１
７、熱交換機１０５（加熱器）、ブロア１０７などから
構成され、回転機構部３は、排気駆動タービン１９、ベ
アリング部２１、コンプレッサ２３、タービン２５など
から構成されている。

【００５０】熱交換機１０５は、各流路１５、１７を介
してタービン２５の出口９７とコンプレッサ２３の吸入
口８７との間に接続されており、ブロア１０７は車室１
３から暖まった空気を熱交換機１０５に供給し、冷気を
車室１３へ吹き込む。タービン２１、コンプレッサ２
３、熱交換機５、１０５の冷媒には、第１実施例と同様
に、空気が用いられている。

【００５１】コンプレッサ２３は排気駆動タービン１９
によって駆動され、系内の冷媒空気を加圧し、熱交換機
５は加圧された空気を冷却し、タービン２５は冷却され
た空気を断熱膨張させて更に冷却する。熱交換機１０５
は車室１３で温度が上昇しブロア１０７によって吹き付
けられた空気を低温の冷媒空気と熱交換し、除湿しなが
ら冷却する。冷却された低湿度の冷気はブロア１０７に
よって車室１３に吹き込まれ、車室１３の空調に供され
る。

【００５２】又、コンプレッサ２３は熱交換機１０５で
の熱交換によって加熱された冷媒空気を吸入し、圧縮す
る。

【００５３】こうして、エアコンシステム１０３が構成
されている。

【００５４】エアコンシステム１０３は、実施例１のエ
アコンシステム１と同様に、回転機構部３の小型軽量化
により、車載性がよく低コストであると共に、上記のよ
うに、熱交換機１０５を用いたことによって低湿度の冷
気が得られ車室１３の快適性が向上する。

【００５５】なお、各実施例のように、熱交換機５（冷
却器）を空冷式にすれば熱交換によって発生した暖気を
空調に用いることができる。

【００５６】請求項６は、請求項１、２、３、４又は５
の空調装置をこのように構成したものであり、冷房から
暖房まで幅の広い温度範囲で空調が可能である。又、暖
気を得るためのヒータが不要になるか、又はヒータの容
量を小さくすることができる。

【００５７】又、本発明の空調装置は、車両用の空調装
置に限定されない。例えば、ボイラーの蒸気を利用し
て、居住空間あるいは空調が必要な倉庫などの空調にも
用いることができる。

【００５８】以上の実施例は、圧縮機と膨張機と圧縮機
を駆動するタービンのそれぞれに遠心式のものを用いた
例であるが、これらは遠心式に限定されない。例えば、
遠心式以外のターボ型のもの、あるいはスクリュ式、ベ
ーン式、スクロール式のような容積形のものでもよい。

【００５９】

【発明の効果】各請求項の空調装置は、高温の気体の熱
エネルギーで回転するタービンで圧縮機を駆動し、圧縮
された冷媒を冷却器で冷却し、更に膨張機で断熱膨張さ
せた低温の冷媒を、直接又は間接に、空調用に供する。

【００６０】このように、エンジンの出力を用いずに、
圧縮機をタービンで駆動するように構成したから、従来
例と異なってエンジンの出力損失が生じない。

【００６１】又、圧縮機を高速回転のタービンで駆動す
るように構成したことにより、圧縮機を高速回転させる
ための増速機構が不要になり、それだけ構造が簡単で、
低コストになる。更に、膨張機の回転が圧縮機とタービ
ンにフィードバックされ、空調装置の効率を向上させ
る。

【００６２】請求項２の空調装置は、請求項１の空調装
置において、圧縮機と膨張機の各動翼を共通の軸上で互
いのスラスト力を打ち消し合うように反対向きに支持し
たことにより、これらの動翼を支持する軸のベアリング
及びスラスト力を受ける機構などの負担が軽減され、こ
れらの耐久性が向上する。

【００６３】請求項３の空調装置は、請求項１又は２の
空調装置において、タービンと圧縮機と膨張機の各動翼
を共通の軸上で支持し、この軸を同一のベアリングで支
承したことにより、タービンと圧縮機と膨張機の各動翼
を個別に支承するためのベアリングが不要になり、それ
だけ軸方向に小型になり、構造が簡単になり、部品点数
が低減し、軽量になる。

【００６４】更に、圧縮機と膨張機の各動翼のスラスト
力が互いに打ち消し合う請求項２の構成は、このような
ベアリング個数の少ない支持構成で特に有利であり、軸
を支承するベアリングの負担が軽減し、耐久性が大幅に
向上する。

【００６５】請求項４、５、６の各空調装置は、それぞ
れ、膨張機で発生した冷気（請求項４）、加熱器で冷媒
を加熱する際に発生した冷気（請求項５）、冷却器で冷
媒を冷却する際に発生した暖気（請求項６）を、空調に
用いるものであり、構造簡単、小型軽量で、扱い易い。

【００６６】請求項７は、請求項１、２、３、４、５又
は６の空調装置において、タービンの入口側にバルブを
配置して気体の流量を制御することにより、空調装置の
回転数を制御しあるいは空調装置を停止させることを可
能にし、気体の熱エネルギーが過剰なときに空調装置の
過回転と耐久性低下などを防止することができる。

【００６７】請求項８は、請求項１、２、３、４、５、
６又は７の空調装置を車両に用い、排気駆動タービンで
圧縮機を駆動するように構成したことにより、従来例と
異なって、エンジンの出力を用いないから、燃費と車両
の加速性とが向上する。又、加速性の低下を防止するた
めの切り離し装置と増速機構とが不要であるから、それ
だけ構造簡単、小型軽量、低コストであり、車載性が向
上する。又、膨張機の回転のフィードバックによって高
い効率が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成を示す図である。

【図２】各実施例の回転機構部を示す断面図である。

【図３】本発明の第２実施例の構成を示す図である。

【図４】従来例の断面図である。

【符号の説明】

１、１０３ エアコンシステム（空調装置） ５ 熱交換機（冷却器） １１ ウェストゲートバルブ（バルブ） １９ 排気駆動タービン（タービン） ２１ ベアリング部（同一のベアリング） ２３ コンプレッサ（圧縮機） ２５ タービン（膨張機） ３７、８１、８３ インペラ（動翼） ５３ インペラシャフト（共通の軸） １０５ 熱交換機（加熱器）

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温の気体の熱エネルギーを回転力に変
   換するタービンと、このタービンにより回転駆動される
   圧縮機と、この圧縮機で発生した高温高圧の冷媒を冷却
   する冷却器と、冷却器で冷却された冷媒を断熱膨張させ
   ると共に、その動翼が前記圧縮機の動翼に連結された回
   転式の膨張機とを備え、膨張機で発生した低温の冷媒
   を、直接又は間接に、空調用に供することを特徴とする
   空調装置。
2. 【請求項２】 圧縮機と膨張機の各動翼が、共通の軸上
   で互いのスラスト力を打ち消し合う方向に支持された請
   求項１の空調装置。
3. 【請求項３】 タービンと圧縮機と膨張機の各動翼が、
   共通の軸上に支持され、この軸が同一のベアリングで支
   承された請求項１又は２の空調装置。
4. 【請求項４】 空気を冷媒として用い、膨張機の断熱膨
   張で生じた冷気を空調用に供する請求項１、２又は３の
   空調装置。
5. 【請求項５】 膨張機で冷却された冷媒を空気で加熱す
   ると共に、加熱時に生じた低湿度の冷気を空調用に供す
   る加熱器を備えた請求項１、２又は３の空調装置。
6. 【請求項６】 冷却器が空冷式であり、冷却器で冷媒を
   冷却することにより発生した暖気を空調用に供する請求
   項１、２、３、４又は５の空調装置。
7. 【請求項７】 タービンの入口側に高温の気体をバイパ
   スさせるバルブが配置された請求項１、２、３、４、５
   又は６の空調装置。
8. 【請求項８】 高温の気体が車両のエンジンの排気ガス
   であり、タービンが排気ガスの熱エネルギーを回転力に
   変換する排気駆動タービンであり、車両の室内の空調用
   に用いられる請求項１、２、３、４、５、６又は７の空
   調装置。