TWI602719B - Air-conditioning system with air intake bypass - Google Patents

Description

具進氣旁路之車用空調系統

本發明是關於一種具進氣旁路之車用空調系統，能適用於燃油動力車輛、電動車輛與油電混合動力車輛，除了能根據車艙的熱負載需求進行熱交換之外，還能進行一次空氣與二次空氣的混合，以兼顧低耗能與最適送風量的功能。

汽車是近代最偉大的發明之一，能加快行進的速度而帶給人類前所未有的交通便利，尤其在工商發達的社會，現代人通勤的需求大增，使得乘車的時間也大幅延長，可以用”無車不行”來形容人類與車輛之間密不可分的關係。由於車輛在道路上行駛當中是直接與自然環境接觸，因此目前的車輛都必須配備空調系統來提供溫度調整的功能，以創造舒適的乘車環境。

車艙內的熱量來源除了車體本身產生的熱能之外，還包括由車體外部輻射、對流或傳導所進入的熱能。當車輛處於靜止狀態時，車體本身結構直接曝曬於太陽底下將會形成類似小溫室的情況而大量集收太陽能，其效果通常使得車體內外溫度高達50℃以上；此外，車輛在行駛過程當中會受到外在環境與車況的影響而產生「瞬時多變」的劇烈變化，由於傳統的車用空調系統是利用冷氣產生的冷風與引擎冷卻水所提供的熱風進行冷熱風混合來調節車內的溫度，為了克服劇烈的熱負載變化以維持車艙 內的恆溫舒適性，冷氣的壓縮機都是以最大能力運轉，而燃油動力車輛的冷氣壓縮機最大能力更受到引擎轉速的影響，轉速越高則最大能力越大，傳統的車用空調系統以如此耗能的作業方式導致車輛引擎的能源消耗大幅增加，不但造成傳統燃油動力車輛的過度油耗，對於目前新興的電動車輛而言，更是嚴重影響續航力的致命傷。

目前雖然有廠商研發出各種車用空調節能技術，但主要是利用變風量(Variable Air Volume,VAV)的控制方法，也就是維持送風溫度的前提下，透過改變送風量的手段來適應熱負載的變化，但這樣的控制方法容易有送風量過高或是不足的問題，而且需要加熱盤管來控制出風溫度，導致車艙內產生濕度過低的問題而影響舒適性，對於熱能的平衡調整也還有待改善。此外，還有採用旁路變能量的壓縮機控制機構，但能量的消耗仍大，對於壓縮機的壽命也有負面的影響。

雖然目前冷凍空調已經有使用進氣旁路來混合一次空氣與二次空氣的控制技術，例如發明人所提出的台灣第I292026號專利，但由於一般環境的熱負載變化較為單純，因此只要考慮設定溫度與環境溫度就可以進行調整，但是對於汽車「瞬時多變」的熱負載變化，就必須要考慮更複雜的控制因素，但有利於解決目前車用空調系統的能耗問題，並兼顧舒適度要求。

有鑑於前述缺失，本發明之主要目的在於提供一種具進氣旁路之車用空調系統，車內熱交換器設置於氣體通道中，可以利用調整風門自動調整流經熱交換器與進氣旁路的一次空氣與二次空氣，提供最適送風 量，並且可以直接利用車體本身的內部熱能，取代傳統車輛利用加熱盤管調節送風溫度的先前技術，有效節省能源。

本發明之次一目的在於提供一種車用空調系統，能夠判斷車內溫度與濕度的熱需求進行調控，以使用者自行設定的等效溫度目標值作為空調系統的恆溫範圍，提高舒適性，還能回收空調系統的能量浪費，以提高能源的使用效率。

為此，本發明提供一種具進氣旁路之車用空調系統，包含有一氣體通道、一車內熱交換器設於氣體通道中、一感測單元、一舒適設定器與一控制器，其特徵在於：具有一進氣旁路設於氣體通道中相鄰於車內熱交換器，以及一調整單元，其具有一調整風門與一致動器且受該控制器控制而能調整流經該熱交換器與該進氣旁路的氣體比率。

藉此，調整單元可以控制流經熱交換器的一次氣體與流經進氣旁路的二次氣體的風量比率，進而維持適宜出風量與出風口溫度，並透過熱負載的平衡調整來達成節省能耗的功效。

10‧‧‧車用空調系統

20‧‧‧氣體通道

21‧‧‧進風側

22‧‧‧出風側

23‧‧‧進氣旁路

30‧‧‧能量轉換單元

31‧‧‧車內熱交換器

32‧‧‧車外熱交換器

33‧‧‧壓縮機

34‧‧‧冷媒調節器

40‧‧‧調整單元

41‧‧‧調整風門

42‧‧‧致動器

50‧‧‧感測單元

51‧‧‧出風口溫度感測器

52‧‧‧車內溫度感測器

60‧‧‧舒適設定器

70‧‧‧控制器

80‧‧‧儲能單元

第1圖為本發明較佳實施例之系統示意圖。

請先參閱第1圖，本發明所提供具進氣旁路之車用空調系統10，具有一氣體通道20，一能量轉換單元30，一調整單元40、一感測單元50，一舒適設定器60與一控制器70，各構件的具體結構分別詳述如下：氣體通道20具有相對的一進風側21與一出風側22，以及一進氣旁路23連通於前述進風側21與出風側22，用以供未流經能量轉換 單元30當中車內熱交換器31的二次空氣通過，其中，進風側21可以根據熱值而讓車體外界的氣體或車艙內的氣體至少其中之一引進空氣調節單元20，在本實施例是引進車艙內氣體，有助於控制溫度、濕度與快速達成熱平衡。

能量轉換單元30是由一車內熱交換器31、一車外熱交換器32，以及一壓縮機33與冷媒調節器34連接於前述熱交換器31&32之間而構成一冷媒循環迴路，其中車內熱交換器31設置於氣體通道20之中，藉此進行製冷或供暖。

調整單元40是由一調整風門41與一致動器42所構成，設置於進氣旁路23靠近進風側21的位置，能夠控制一次氣體與二次氣體的氣體比率。在此補充說明的是，調整單元40也可以設置在靠近出風側22的位置，或是進氣旁路23內。

感測單元50是由設於出風側22的一出風口溫度感測器51、設於車艙內的一車內溫度感測器52與設於車表的一車體溫度感測器53，以分別偵測出風口溫度、車內溫度與車體溫度。

舒適設定器60設置於車艙內，一般位於儀表板上，以便於使用者輸入一設定溫度作為車用空調系統10控制的等效溫度(Equivalent Temperature)目標值，其考慮因素涵蓋與人體熱平衡有關的車艙內溫度、濕度、氣流與輻射量。在本實施例中，前述等效溫度的估算是利用感測單元50所量測得到的出風口溫度、車內溫度與車體溫度等參數至少其中之一或其組合所進行。另外，舒適設定器60也可以透過後視鏡或行車紀錄器等可顯示之裝置上顯示等效溫度目標值與估算完成的等效溫度。

控制器70電性連接致動器42、能量轉換單元30、感測單元50與舒適設定器60，除了估算前述等效溫度之外，並能夠藉由車內溫度與等效溫度目標值之間的差值計算目標熱負載，之後透過控制車內熱交換器31進行製冷或供暖作業。當前述差值介於一預定範圍內，也就是車內溫度與設定溫度之間趨向接近時，控制器70會藉由致動器42控制一次空氣與二次空氣之間氣體比率，維持出風量與出風口溫度在使用者較舒適的等效溫度範圍，並達成熱平衡，以降低車內熱交換器31的能量消耗，或者利用一儲能單元80將能量轉換單元30多餘的能量轉換能力加以儲存。

由於本發明設有進氣旁路而能夠以部分負荷進行運轉，使用於燃油動力、油電混合或純電動車輛的空調系統時，當引擎在低負載的情況下，例如下坡行駛或是減速行駛的過程中，引擎的慣性運轉將會使空調系統有額外的能量轉換能力，此時可以透過儲能單元80進行儲冷回收，並於引擎高負載時，例如爬坡行駛的過程中，暫停壓縮機33的運轉並開始利用儲能單元80的能量進行致冷，之後在引擎恢復低負載時重新啟動壓縮機33，讓能量可以充分運用而不會有所浪費。為幫助理解，在此補充說明的是，儲能單元80為成熟的習知技術，例如台灣新型專利M408014所載的能量儲存裝置揭露一種習用的儲能系統，也就是利用能量收集本體連接壓縮機，再將所收集之能量傳送到能量轉換器，隨後能量轉換器讓水儲能系統內的水(儲能介質)產生溫度或是固液相態變化而達到儲存能量的作用。當然，前述說明非指本發明必須採用前述專利所載之儲能系統，合先陳明。

此外，當車用空調系統10使車內環境位於等效溫度內的平衡狀態時，流經車內熱交換器31的一次空氣較少而使熱交換器產生多餘的 能力，並可以利用儲能單元80進行儲存冷能，為本發明一重要特徵。

10‧‧‧車用空調系統

20‧‧‧氣體通道

21‧‧‧進風側

22‧‧‧出風側

23‧‧‧進氣旁路

30‧‧‧能量轉換單元

31‧‧‧車內熱交換器

32‧‧‧車外熱交換器

33‧‧‧壓縮機

34‧‧‧冷媒調節器

40‧‧‧調整單元

41‧‧‧調整風門

42‧‧‧致動器

50‧‧‧感測單元

51‧‧‧出風口溫度感測器

52‧‧‧車內溫度感測器

60‧‧‧舒適設定器

70‧‧‧控制器

80‧‧‧儲能單元

Claims (7)

1. 一種具進氣旁路之車用空調系統，包含有一氣體通道、一車內熱交換器設於該氣體通道中，其特徵在於：該氣體通道中更具有獨立的一進氣旁路與該車內熱交換器間隔設置，用以供未流經該車內熱交換器的二次空氣通過，以及一調整單元具有一調整風門與一致動器以調整流經該車內熱交換器與該進氣旁路的氣體比率；其中，該車內熱交換器連接有一車外熱交換器、一壓縮機與一冷媒調節器而組成一具能量轉換之冷媒循環迴路，該冷媒循環迴路更連接有一儲能單元，藉以當車內環境位於等效溫度內的平衡狀態時，流經該車內熱交換器的一次空氣較少而使該車內熱交換器產生多餘的能力，進行儲存冷能。
2. 如請求項1所述之具進氣旁路之車用空調系統，其中該氣體通道具有一進風側可以引導外界氣體或車內氣體至少其中之一進入該空氣調節單元。
3. 如請求項1所述之具進氣旁路之車用空調系統，其更包含有一控制器能計算一目標熱負載並控制該冷媒循環迴路。
4. 如請求項1至3其中任一項所述之具進氣旁路之車用空調系統，其中該調整單元設置在靠近該進風側或靠近該氣體通道相對該進風側的一出風側的位置。
5. 如請求項1至3其中任一項所述之具進氣旁路之車用空調系統，其更包含有一感測單元、一舒適設定器與一控制器，舒適設定器能供使用者設定一等效溫度目標值後輸入該控制器，該控制器估算前述等效溫度。
6. 如請求項5項所述之具進氣旁路之車用空調系統，其中該感測單元具有設 於該氣體通道相對該進風側的一出風側的一出風口溫度感測器，設於車內的一車內溫度感測器或設於車表的一車體溫度感測器至少其中之一。
7. 如請求項5項所述之具進氣旁路之車用空調系統，其中該調整單元受到該控制器的控制。