(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】2019523177
(43)【公表日】20190822
(54)【発明の名称】自動車用の空調装置および該空調装置の運転方法
(51)【国際特許分類】
   B60H 1/22 20060101AFI20190726BHJP
   F25B 1/00 20060101ALI20190726BHJP
   F25B 13/00 20060101ALI20190726BHJP
【FI】
   !B60H1/22 651C
   !F25B1/00 331Z
   !F25B13/00 S
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
【全頁数】19
(21)【出願番号】2019505168
(86)(22)【出願日】20170726
(85)【翻訳文提出日】20190226
(86)【国際出願番号】EP2017068945
(87)【国際公開番号】WO2018024584
(87)【国際公開日】20180208
(31)【優先権主張番号】102016214119.8
(32)【優先日】20160801
(33)【優先権主張国】DE
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ
(71)【出願人】
【識別番号】596107062
【氏名又は名称】フォルクスヴァーゲン アクチエンゲゼルシャフト
【氏名又は名称原語表記】VOLKSWAGEN AKTIENGESELLSCHAFT
【住所又は居所】ドイツ連邦共和国 38440 ヴォルフスブルク ベルリーナー リング 2
【住所又は居所原語表記】Berliner Ring 2, 38440 Wolfsburg, Germany
(74)【代理人】
【識別番号】100114890
【弁理士】
【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス=ラインハルト
(74)【代理人】
【識別番号】100098501
【弁理士】
【氏名又は名称】森田 拓
(74)【代理人】
【識別番号】100116403
【弁理士】
【氏名又は名称】前川 純一
(74)【代理人】
【識別番号】100135633
【弁理士】
【氏名又は名称】二宮 浩康
(74)【代理人】
【識別番号】100162880
【弁理士】
【氏名又は名称】上島 類
(72)【発明者】
【氏名】シュテファン シュミット
【住所又は居所】ドイツ連邦共和国 フェルプケ ヘルムシュテッター シュトラーセ 7
(72)【発明者】
【氏名】グレゴア ホーマン
【住所又は居所】ドイツ連邦共和国 ヴォルフスブルク エドゥアート−メーリケ−シュトラーセ 10
【テーマコード(参考)】
3L092
3L211
【Fターム(参考)】
3L092BA13
3L092BA26
3L092BA27
3L211CA16
3L211DA22
(57)【要約】
自動車用の空調装置であって、冷媒回路(100)を備えており、該冷媒回路(100)は、コンプレッサ(34)、該コンプレッサの出口に接続された内部熱交換器(WUE)ユニットであって、第1および第2の空気/KM−WUEセグメント(21,22)、第1および第2の空気/KM−WUEセグメント(21,22)の間に配置された第1の膨張弁(Exp.弁)(41)、第2のExp.弁(42)および出口を前記コンプレッサ(34)の入口に接続され、熱源またはヒートシンクに熱的に結合された結合WUE(23)を有する内部熱交換器ユニットを含み、第1および第2のKM案内区間(I/II)は、第4のKM案内区間(IV)を介して互いに接続されており、前記第2の空気/KM―WUEセグメント(22)の入口と、前記結合WUEの出口とは、第3のExp.弁(43)を含む第5のKM案内区間(V)を介して互いに接続されており、前記第1の空気/KM−WUEセグメント(21)の出口と、前記コンプレッサ(34)の入口とは、第6のKM案内区間(VI)を介して互いに接続されている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
自動車用の空調装置であって、冷媒回路(100)を備えており、該冷媒回路(100)は、
‐コンプレッサ(34)、
‐入口側を、第1の冷媒案内区間を介して前記コンプレッサの出口に接続されており、自動車の車室内へ案内可能な空気流部分が通流可能な内部熱交換器ユニットであって、
・前記冷媒回路(100)の気化器として運転可能な第1の空気/冷媒熱交換器セグメント(21)、
・冷媒の流れ方向において前記第1の空気/冷媒熱交換器セグメント(21)の上流側に接続された、第1の膨張弁(41)および
・冷媒の流れ方向において前記第1の膨張弁(41)の上流側に接続された、前記冷媒回路(100)の凝縮器として運転可能な第2の空気/冷媒熱交換器セグメント(22)
を有する内部熱交換器ユニット、
‐冷媒の流れ方向において前記内部熱交換器ユニットの下流側に接続された第2の膨張弁(42)および
‐入口を、第2の冷媒案内区間(II)を介して前記第2の膨張弁(42)に接続されており、出口を第3の冷媒案内区間(III)を介して前記コンプレッサ(34)の入口に接続された、熱源またはヒートシンクに熱的に結合された結合熱交換器(23)
を有する、空調装置において、
‐前記第1および第2の冷媒案内区間(I/II)は、第4の冷媒案内区間(IV)を介して互いに接続されており、
‐前記第2の空気/冷媒熱交換器セグメント(22)の入口と、前記結合熱交換器の出口とは、第3の膨張弁(43)を含む第5の冷媒案内区間(V)を介して互いに接続されており、かつ
‐前記第1の空気/冷媒熱交換器セグメント(21)の出口と、前記コンプレッサ(34)の入口とは、第6の冷媒案内区間(VI)を介して互いに接続されており、
複数の調節可能な弁(42,43,51,52,52,53,54)が、前記冷媒回路(100)内に分散されて配置されており、これにより、これらの弁の切換位置に応じて、ヒートポンプモードでは、前記第1、第2および第3の冷媒案内区間(I/II/III)を冷媒が通流可能であるのに対し、前記第4、第5および第6の冷媒案内区間(IV/V/VI)では冷媒の通流が阻止されている、
または、冷却モードでは、前記第4、第5および第6の冷媒案内区間(IV/V/VI)を冷媒が通流可能であるのに対し、前記第1、第2および第3の冷媒案内区間(I/II/III)では冷媒の通流が阻止されている
ことを特徴とする、空調装置。
【請求項2】
前記第1の冷媒案内区間と前記第4の冷媒案内区間との分岐箇所に、切換可能な2方向制御弁が配置されている、請求項1記載の空調装置。
【請求項3】
前記第1の冷媒案内区間(I)と前記第4の冷媒案内区間(IV)との分岐箇所(101)の下流側に、それぞれ切換可能な遮断弁(51,52)が配置されている、請求項1記載の空調装置。
【請求項4】
前記第3の冷媒案内区間と前記第6の冷媒案内区間との合流箇所に、切換可能な2方向制御弁が配置されている、請求項1から3までのいずれか1項記載の空調装置。
【請求項5】
前記第3の冷媒案内区間(III)と前記第6の冷媒案内区間(VI)との合流箇所(106)の上流側に、それぞれ切換可能な遮断弁(53,54)が配置されている、請求項1から3までのいずれか1項記載の空調装置。
【請求項6】
前記コンプレッサ(34)の上流側に、冷媒/冷媒熱交換器として形成された内部熱交換器(24)の低圧出口が配置されており、該内部熱交換器(24)の低圧入口は、前記第3の冷媒案内区間(III)と前記第6の冷媒案内区間(VI)との合流箇所(106)の下流側に位置しており、前記内部熱交換器(24)の高圧入口および高圧出口は、前記結合熱交換器(23)の出口と、前記第3の冷媒案内区間(III)と前記第5の冷媒案内区間(V)との分岐箇所(105)との間に位置している、請求項1から5までのいずれか1項記載の空調装置。
【請求項7】
前記結合熱交換器(23)は、冷媒側を駆動ユニットおよび/または該駆動ユニットの電気的なコンポーネントに熱的に結合された、冷媒/冷媒熱交換器として形成されている、請求項1から6までのいずれか1項記載の空調装置。
【請求項8】
請求項1から7までのいずれか1項記載の空調装置の運転方法において、
‐複数の調節可能な弁(43,51,52,52,53,54)を、ヒートポンプモードの切換位置に切り換え、
‐凝縮器として運転される第2の空気/冷媒熱交換器セグメント(22)と、凝縮器または気化器として運転される第1の空気/冷媒熱交換器セグメント(21)との間の温度差を調節する第1の膨張弁(41)を調節し、かつ
‐前記第1の空気/冷媒熱交換器セグメント(21)と、気化器として運転される結合熱交換器(23)との間の圧力差を調節する第2の膨張弁(42)を調節する、運転方法。
【請求項9】
請求項1から7までのいずれか1項記載の空調装置の運転方法において、
‐複数の調節可能な弁(42,51,52,52,53,54)を、冷却モードの切換位置に切り換え、
‐凝縮器として運転される結合熱交換器(23)と、気化器または凝縮器として運転される第2の空気/冷媒熱交換器セグメント(22)との間の圧力差を調節する第3の膨張弁(43)を調節し、かつ
‐前記第2の空気/冷媒熱交換器セグメント(22)と、気化器として運転される第1の空気/冷媒熱交換器セグメント(21)との間の温度差を調節する第1の膨張弁(41)を調節する、運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、自動車用の空調装置であって、冷媒回路を備えており、該冷媒回路は、
‐コンプレッサ、
‐入口側を、第1の冷媒案内区間を介してコンプレッサの出口に接続されており、自動車の車室内へ案内可能な空気流部分が通流可能な内部熱交換器ユニットであって、
・冷媒回路の気化器として運転可能な第1の空気/冷媒熱交換器セグメント、
・冷媒の流れ方向において第1の空気/冷媒熱交換器セグメントの上流側に接続された、第1の膨張弁および
・冷媒の流れ方向において第1の膨張弁の上流側に接続された、冷媒回路の凝縮器として運転可能な第2の空気/冷媒熱交換器セグメント
を有する内部熱交換器ユニット、
‐冷媒の流れ方向において内部熱交換器ユニットの下流側に接続された第2の膨張弁および
‐入口側を、第2の冷媒案内区間を介して第2の膨張弁に接続されており、出口を第3の冷媒案内区間を介してコンプレッサの入口に接続された、熱源またはヒートシンクに熱的に結合された結合熱交換器
を有している。
【0002】
本発明はさらに、このような空調装置を運転するための、2つの異なる方法に関する。
【0003】
前記のような空調装置およびその運転方法は、国際公開第2012028307号(WO2012/028307 A1)から公知である。
【0004】
この刊行物が開示する自動車用の空調装置の冷媒回路は、ヒートポンプモードと冷却モードの両方において運転可能である。冷媒回路において慣例であるように、この冷媒回路には冷媒圧縮用のコンプレッサが含まれる。冷媒側においてコンプレッサの下流側には、2つの空気/冷媒熱交換器セグメントを備えた内部熱交換器ユニットが接続されており、2つの空気/冷媒熱交換器セグメントのうち、冷媒入口側の空気/冷媒熱交換器セグメントは、あらゆる運転モードにおいて常に凝縮器として運転され、冷媒出口側の空気/冷媒熱交換器セグメントは、必要に応じて凝縮器または気化器のいずれかとして運転され得る。凝縮器という用語は、ここでは広義に理解され、凝縮不能な冷媒を備えた冷媒回路においてガスクーラとして働くような装置も含まれる。内部熱交換器セグメントを空気流が通流可能であり、空気流は、複数の分配通路を介して自動車の内室に案内され得る。内部熱交換器ユニットの2つの熱交換器セグメントの間には、両熱交換器セグメント間の圧力差を調節可能な第1の膨張弁が配置されている。公知の冷媒回路にはさらに、空気/冷媒熱交換器として形成されており、冷媒回路を外気に熱的に結合する外部熱交換器が含まれる。さらに、冷媒の下流側の熱交換器セグメントの、第1の膨張弁とは反対の側に配置された、第2の膨張弁が設けられている。
【0005】
ヒートポンプモードにおいて、圧縮された冷媒はまず、常に凝縮器として運転される熱交換器セグメントを通流し、凝縮器は、この凝縮器を通流する空気流に熱を供給する。次いで冷却された冷媒は第1の膨張弁を通流し、このとき下流側に接続された熱交換器セグメントをより低い温度レベルで運転しようとする場合には、減圧を調節することができるようになっている。しかしまたこの熱交換器セグメントは、通流する空気流に熱を供給する別の凝縮器としても利用され、よって空気流は、内部熱交換器ユニットを通過すると、二重に加熱されることになる。次いで第2の膨張弁により、冷媒の大幅な膨張が行われ、これにより外部熱交換器を気化器として運転し、気化器を通流する周辺空気から熱を受け取ることができるようになっている。次いで冷媒は、コンプレッサに戻る。
【0006】
冷却モードにおいて、圧縮された冷媒はまずコンプレッサから、やはり最初は常に凝縮器として利用される熱交換器セグメントを通流し、熱交換器セグメントは、この熱交換器セグメントを通流する空気流に熱を供給する。この空気流は車室内へ案内されるが、冷却モードでは大幅な加熱は一切所望されていないため、空気流の主な部分はバイパスフラップにより、前記熱交換器セグメントの周りに案内され得るようになっている。よってこのセグメント内でのガス冷却もしくは凝縮は、当然ながら極めて非効率的である。冷却モードでは、第1の膨張弁は閉じられており、冷媒は、前記熱交換器セグメントの出口から直接、このモードでは本来の凝縮器として働き、通流する外気に熱を供給する外部熱交換器に向かって流れる。冷却モードでは、冷媒は上述したヒートポンプモードの場合とは逆の方向に、外部熱交換器を通流することが考慮される。外部熱交換器の下流側で、冷媒は第2の膨張弁を通り、冷却モードでは気化器として運転される、別の内部熱交換器セグメントに向かって流れる。このために必要な冷媒の膨張は、第2の膨張弁において行われる。次いで冷媒は、気化器からコンプレッサに戻る。
【0007】
この公知の空調装置における欠点は、冷却モードにおけるその低い効率にある。
【0008】
本発明の課題は、請求項1の上位概念に記載の空調装置を改良して、特に冷却モードにおいて、より効率的に運転することができるようにすることにある。
【0009】
この課題は、請求項1の上位概念に記載の特徴に関連して、
‐第1および第2の冷媒案内区間が、第4の冷媒案内区間を介して互いに接続されており、
‐第2の空気/冷媒熱交換器セグメントの入口と、結合熱交換器の出口とが、第3の膨張弁を含む第5の冷媒案内区間を介して互いに接続されており、かつ
‐第1の空気/冷媒熱交換器セグメントの出口と、コンプレッサの入口とが、第6の冷媒案内区間を介して互いに接続されており、
複数の調節可能な弁が、冷媒回路内に分散されて配置されており、これにより、これらの弁の切換位置に応じて、
ヒートポンプモードでは、第1、第2および第3の冷媒案内区間を冷媒が通流可能であるのに対し、第4、第5および第6の冷媒案内区間では冷媒の通流が阻止されている、
または、冷却モードでは、第4、第5および第6の冷媒案内区間を冷媒が通流可能であるのに対し、第1、第2および第3の冷媒案内区間では冷媒の通流が阻止されている
ことにより、解決される。
【0010】
本発明の好適な実施形態は、各従属特許請求項に記載されている。
【0011】
発明者は、冷却モードにおける効率損失が、特にここでは第2の空気/冷媒熱交換器セグメントと呼ばれる冷媒入口側の内部熱交換器セグメントに対する凝縮器機能の継続的な割当てに起因するものである、ということに気付いた。よって第4の冷媒案内区間を用いて、第1の冷媒案内区間の入口と、第2の冷媒案内区間の出口との間に、第2の空気/冷媒熱交換器セグメントを迂回する、直接的な接続部を形成した。さらに、コンプレッサにより圧縮された冷媒を、(ヒートポンプモードでは)第1の冷媒案内区間を介して、または(冷却モードでは)第4の冷媒案内区間を介して案内することができる、複数の弁が提供された。
【0012】
つまり冷却モードでは、圧縮された冷媒はまず結合熱交換器を通流し、この場合、結合熱交換器は凝縮器として働いて、冷媒回路をヒートシンクに熱的に結合する。ヒートシンクは、結合熱交換器が外部熱交換器として形成されている場合には、外気であってよい。結合熱交換器が冷媒/冷媒熱交換器として形成されている場合には、ヒートシンクは熱的に結合された冷媒回路、例えばエンジン冷却回路または電子機器冷却回路であってよい。結合熱交換器の下流側で、冷媒は第5の冷媒案内区間を通流すると共に、そこで本発明により設けられた第3の膨張弁を通流し、第3の膨張弁において冷媒は膨張させられる。第3の膨張弁の下流側で初めて、冷却されかつ膨張させられた冷媒は、内部熱交換器ユニットの第2の空気/冷媒熱交換器セグメントに流入し、これにより、第2の空気/冷媒熱交換器セグメントを気化器として運転することができる。
【0013】
本発明に基づき、両方の内部熱交換器セグメントを気化器として運転することが可能であり、これにより、内部熱交換器ユニットにおいてもっぱら冷却のみを行い、効率を低下させる、内部熱交換器ユニットにおいて凝縮器として利用されるセグメントの、従来技術では不可避の加熱作用を無くすことが可能になる。しかしまた、第2の空気/冷媒熱交換器セグメント自体を冷却モードにおいて加熱するように運転することも可能である。このためには単に、第3の膨張弁における減圧を減少させるだけで済む。それどころか極端なケースでは、第3の膨張弁において減圧を省き、第2の内部熱交換器セグメントを最高温度で運転することが可能である一方で、減圧を実現するためには第1の膨張弁を利用し、これにより、第1の内部熱交換器セグメントを(唯一の)気化器として運転することができる。つまり冷却モードにおける効率向上の他に、本発明は、冷媒回路の制御における、より大きなフレキシビリティをも可能にする。
【0014】
ヒートポンプモードにおいて、本発明による空調装置は、冒頭で述べた、請求項1の上位概念を形成する装置と同様に作動する。この場合、圧縮された冷媒は、第1の冷媒案内区間を経て直接に、凝縮器として働く第2の内部熱交換器セグメントに流入する。下流側に接続された第1の内部熱交換器セグメントは、第1の膨張弁の調節に応じて、やはり凝縮器として働くか、または気化器として働き、この場合、両セグメントの所望の温度差は、大きなフレキシビリティでもって調節可能である。次いで冷媒は第2の膨張弁を通流し、そこでいずれにせよ、接続している結合熱交換器が如何なる場合でも気化器として働き、熱的に結合された熱源から熱を受け取ることができる程度に、膨張させられる。
【0015】
つまり結果として、本発明による空調装置を運転するための、2つの特に好適な方法が得られる。1つは請求項8記載の方法、つまり本発明による空調装置の運転方法であって、該方法では、
‐複数の調節可能な弁を、ヒートポンプモードの切換位置に切り換え、
‐凝縮器として運転される第2の空気/冷媒熱交換器セグメントと、凝縮器または気化器として運転される第1の空気/冷媒熱交換器セグメントとの間の温度差を調節する第1の膨張弁を調節し、かつ
‐第1の空気/冷媒熱交換器セグメントと、気化器として運転される結合熱交換器との間の圧力差を調節する第2の膨張弁を調節する。
【0016】
もう1つは請求項9記載の方法、つまり本発明による空調装置の運転方法であって、該方法では、
‐複数の調節可能な弁を、冷却モードの切換位置に切り換え、
‐凝縮器として運転される結合熱交換器と、気化器または凝縮器として運転される第2の空気/冷媒熱交換器セグメントとの間の圧力差を調節する第3の膨張弁を調節し、かつ
‐第2の空気/冷媒熱交換器セグメントと、気化器として運転される第1の空気/冷媒熱交換器セグメントとの間の温度差を調節する第1の膨張弁を調節する。
【0017】
説明したように、本発明の重要な要素は、冷媒が、意図するモードにおいて択一的に、第1の冷媒案内区間または第4の冷媒案内区間を通流する、という点にある。このことを実現するためには、特に2つ態様が特に有利である。第1の態様では、第1の冷媒案内区間と第4の冷媒案内区間との分岐箇所に、切換可能な2方向制御弁が配置されている、ということが想定されている。これに対して第2の態様では、第1の冷媒案内区間と第4の冷媒案内区間との分岐箇所の下流側に、それぞれ切換可能な遮断弁が配置されている、ということが想定されている。第1のケースでは、2方向制御弁の構造および制御が複雑である一方で、構成部材の節減は有利であると見なすことができる。第2のケースでは、構成部材の数は確かに増えるが、その構造および制御は特に簡単であり、この点にこの態様の利点がある。
【0018】
同じく本発明の重要な特徴は、冷媒が、所望の運転モードに応じて択一的に、第3の冷媒案内区間または第6の冷媒案内区間を通流する、という点にもある。この切換を実現するためにも、やはり2つの態様が特に有利であると見なされる。第1の態様では、第3の冷媒案内区間と第6の冷媒案内区間との合流箇所に、切換可能な2方向制御弁が配置されている、ということが想定されている。これに対して第2の態様では、第3の冷媒案内区間と第6の冷媒案内区間との合流箇所の上流側に、それぞれ切換可能な遮断弁が配置されている、ということが想定されている。両態様の利点および欠点に関しては同じく上記したものを参照されたい。
【0019】
冷媒の選択に応じて、冷媒回路に追加的な内部熱交換器、すなわち冷媒回路の異なる区間を互いに熱的に結合する冷媒/冷媒熱交換器を装備することが有意であるか、またはそれどころか必要不可欠な場合がある。よってこのような構成では、コンプレッサの上流側に、冷媒/冷媒熱交換器として形成された内部熱交換器の低圧出口が配置されており、この内部熱交換器の低圧入口は、第3の冷媒案内区間と第6の冷媒案内区間との合流箇所の下流側に位置しており、前記内部熱交換器の高圧入口および高圧出口は、結合熱交換器の出口と、第3の冷媒案内区間と第5の冷媒案内区間との分岐箇所との間に位置している、ということが想定されていてよい。換言すると、前記内部熱交換器は、低圧側ではコンプレッサの入口の直前に位置しており、かつ高圧側では結合熱交換器の出口の直後に位置している。
【0020】
本発明の別の特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】内部熱交換器ユニットの第1の実施形態を示す図である。
【図2】内部熱交換器ユニットの第2の実施形態を示す図である。
【図3】内部熱交換器ユニットの第3の実施形態を示す図である。
【図4】内部熱交換器ユニットの第4の実施形態を示す図である。
【図5】図2に示した内部熱交換器ユニットを用いた冷媒回路を示す図である。
【図6】図5に示した冷媒回路のヒートポンプモードを示す図である。
【図7】図5に示した冷媒回路の冷却モードを示す図である。
【図8】図3に示した内部熱交換器ユニットを用いた冷媒回路を示す図である。
【図9】図4に示した内部熱交換器ユニットを用いた冷媒回路を示す図である。
【0022】
各図面における同一符号は、同じまたは類似の要素を示すものである。
【0023】
図1〜図4に示す、それぞれ異なる内部熱交換器ユニットのうち、図2〜図4に示したものは、以下に説明する、図5〜図9に図示したような冷媒循環回路に関連して、特に有利に使用され得る。この場合、部分図1a〜4aは、それぞれ空気案内通路延在部に対して平行な、鉛直方向の縦断面を表している。部分図1b〜4bは、それぞれ熱交換器を部分的に破断して、空気流の方向に見たところを表している。
【0024】
ケーシング10(詳しくは図示せず)内には空気案内通路12が形成されている。空気案内通路12を通って空気流14が流れることができるようになっており、空気流14は、典型的には上流側に配置されたファンにより生ぜしめられかつ下流側に配置された混合室内へ案内され、混合室からさらに複数の分配通路を介して車室に案内され、流出する。図1〜図4には単に、車室のフットスペースに向けられた部分流16aと、車室のヘッドスペースに向けられた部分流16bとが例示されているに過ぎない。
【0025】
図1〜図4に示す実施形態に共通して、埃、花粉およびその他の不純物を下流側に配置された内部熱交換器もしくは車室から遮断する任意のフィルタ18が、空気案内通路に張設されている。内部熱交換器という用語は、この部材において温度調節された空気が車室内部に流入することができる、ということを示唆するものである。さらに、図1〜図4に示す実施形態は、複数の抵抗加熱素子から形成された電気的な熱交換器セグメント20を有しており、電気的な熱交換器セグメント20は、好適には複数の、いわゆるPTC抵抗素子(PTC=positiv temperature coefficient)から成っている。任意のフィルタ18と電気的な熱交換器セグメント20との間、すなわち電気的な熱交換器セグメント20の空気流上流側には、図1〜図4に示す全ての実施形態において、第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21が配置されている。図2〜図4に示す実施形態は追加的に、第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22を有しており、第2の空気/熱交換器セグメント22は実施形態に応じて、第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21と共に第1の熱交換器を形成する(図2)か、電気的な熱交換器セグメント20と共に第2の熱交換器を形成する(図3)か、または独立して第3の熱交換器を形成する(図4)。
【0026】
図1〜図4に示す全ての実施形態について特徴的なのは、各熱交換器セグメント20,21,22をバイパスする空気案内通路12の側方通路12’を切換位置に応じて開閉するバイパスフラップ30である。閉じられたフラップ位置が、図1〜図4に実線で示されている。部分図1a〜4aでは、開かれたフラップ位置は追加的に破線で示されている。閉じられたフラップ位置では、全空気流14が熱交換器セグメント20,21,22を強制的に通流させられるので、冷媒と空気との間もしくは抵抗加熱素子と空気との間で熱伝達が実現される。これに対して開かれたフラップ位置では、より低い流れ抵抗に基づき空気流14の大部分が側方通路12’を介して流れるので、実質的に熱伝達は全く行われない。
【0027】
以下に、図1〜図4に示す各実施形態の相違点を説明する。
【0028】
図1には最も簡単な実施形態が示されている。ここでは、電気的な熱交換器セグメント20と第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21とが実質的に、空気案内通路12の横断面と同じ範囲を占めている。電気的な熱交換器セグメント20は、空気流方向に見て、第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21の下流側に配置されている。バイパスフラップ30は、空気案内通路12の上部領域に配置されており、空気案内通路12の側方通路12’は、空気案内通路12の上縁領域内に延在している。熱交換器セグメント20,21を介した実質的な部分流と、側方通路12’を介した実質的な部分流の両方を可能にするバイパスフラップ30のフラップ位置では、下流側に配置された混合室内に温度差層が生じる。この温度差層は特に、より高温の部分流16aを車室のフット領域に流入させ、より低温の部分流16bをヘッド領域に流入させるために利用され得る。部分図1bにおいて示唆するように、さらに熱交換器セグメント20,21の横方向のセグメント化が図られており、この場合、個々の横方向セグメントは、好適には別個に制御可能である。下流側に配置された混合室が相応する横方向分岐部を有している場合には、このようにして、運転席空間と助手席空間の空気調節を、それぞれ異ならせることが可能である。バイパスフラップ30は、好適には自動制御可能であり、このためには部分図1bに示唆したアクチュエータ32を使用することができる。
【0029】
バイパスフラップ30の位置および熱交換器セグメント20,21の横方向のセグメント化以外に、特に好適な実施形態では、より小さな区分の温度差を生ぜしめることができる。このことは特に、このような実施形態では電気的な熱交換器セグメント20が、複数の独立制御可能な抵抗加熱素子から形成されていることに基づく。
【0030】
図2に示す実施形態では追加的に、鉛直方向において第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21の下に配置された、第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22が設けられている。特に、引き続き以下でさらに説明する冷媒循環回路に関連して、第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22を加熱すると共に、第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21を冷却するように運転することが可能であり、このことは結果的に、下流側に配置された混合室内に改善された温度差層を生ぜしめる。他方では、第1および第2の熱交換器セグメント21,22を同じ温度で運転すること、あるいは冷却モードまたは加熱モードにおいて一緒にではあるがそれぞれ異なる温度で運転することも可能である。電気的な熱交換器セグメント20は、追加ヒータもしくは対向ヒータとして使用され得る。当業者は、このようにして混合室内の温度差層の最もフレキシブルな形成が可能になることを認識している。その他の点については同じく、上で図1に関して述べた説明を参照されたい。
【0031】
図3に示す実施形態では、第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22が、鉛直方向において電気的な熱交換器セグメント20の下で、空気流方向において第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21の下流側に配置されている。ここでも結果的に、混合室内の温度差層の極めてフレキシブルな形成が生ぜしめられるが、第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21の影響が増大して、電気的な熱交換器セグメント20の影響を損なうことになる。その他の点については同じく、上で図1に関して述べた説明を参照されたい。
【0032】
最後に図4に示す変化態様では、電気的な熱交換器セグメント20、第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21および第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22は全て、空気案内通路横断面の実質的に同じ領域を占めている。図1に示した実施形態の場合と同様に、ここでも混合室内の温度差層は、実質的にバイパスフラップ30と、場合により追加的に、電気的な熱交換器セグメント20の小区分の制御可能性とに基づいて調節される。ただしここでは、より多数の制御可能な熱交換器セグメント20,21,22に基づき、温度調節においてより大きなフレキシビリティが与えられている。
【0033】
図5に示す、特に有利な冷媒循環回路100では、図2に示した内部熱交換器ユニットが(当然ここでも使用可能な任意のフィルタ18無しで)使用されている。図8および図9に示すように、図3および図4に示した内部熱交換器ユニットを用いても、実質的に同じ回路が実現され得る。よって、図5に示す冷媒回路100に焦点を当てた以下の説明は、図3および図4に関する注釈を考慮すれば完全に、図8および図9に示す冷媒回路100にも当てはまる。
【0034】
冷媒回路100には、冷媒を圧縮可能なコンプレッサ34が含まれる。コンプレッサ34の出口は、冷媒導管を介して第1の分岐箇所もしくは合流箇所101に接続されている。分岐箇所および合流箇所という用語は、ここでは交換可能に用いられる。第1の分岐箇所101からは2つの冷媒案内区間、つまり第1の冷媒案内区間Iと第4の冷媒案内区間IVが分岐している。第1の冷媒案内区間Iは、第1の遮断弁51を有しかつ第2の分岐箇所もしくは合流箇所102で終わっている。第4の冷媒案内区間IVは、第2の遮断弁52を有しかつ第3の分岐箇所もしくは合流箇所103で終わっている。第2の合流箇所102は、第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22の入口に接続されている。第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22の出口は、第1の膨張弁41を介して、第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21の入口に接続されている。第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21の出口は、第4の分岐箇所もしくは合流箇所104に接続されており、第4の分岐箇所もしくは合流箇所104自体は、第2の膨張弁42を有する第2の冷媒案内区間IIを介して、第3の合流箇所103に接続されている。
【0035】
第2の合流箇所102は、さらに第3の膨張弁43を有する第5の冷媒案内区間Vを介して、第5の分岐箇所もしくは合流箇所105に接続されている。第5の分岐箇所もしくは合流箇所105は一方では、冷媒/冷媒熱交換器として形成された内部熱交換器24の高圧出口に接続されており、かつ他方では第3の遮断弁53を有する第3の冷媒案内区間IIIを介して、第6の分岐箇所もしくは合流箇所106に接続されており、第6の分岐箇所もしくは合流箇所106自体は、コレクタ36を介して内部熱交換器24の低圧入口に接続されており、内部熱交換器24の低圧出口は、コンプレッサ34の入口に接続されている。
【0036】
内部熱交換器24の低圧入口は、冷媒/冷媒熱交換器として形成された結合熱交換器23の出口に接続されており、結合熱交換器23は、例えば駆動ユニットおよび/または駆動ユニットの電子機器の冷却に用いることができる冷媒回路(詳しくは図示せず)の冷媒側の構成部材である。内燃機関冷却用の冷媒回路が考えられる。同様にこの冷媒回路は、電気的な駆動ユニットおよび/または電気的な駆動ユニットの電子機器、特に出力電子機器およびトラクションバッテリーの冷却に用いることもできる。空気/冷媒熱交換器として形成された外部熱交換器としての、結合熱交換器の構成も考えられる。ただしこれは、エネルギ的にあまり有利ではない。
【0037】
結合熱交換器23は、入口側において第3の合流箇所103に接続されている。
【0038】
最後に第4の分岐箇所104は、第4の遮断弁54を有する第6の冷媒案内区間VIを介して、第6の合流箇所106に接続されている。
【0039】
以下に、図5に示す冷媒回路100の好適な運転モードを、図6および図7に基づき説明する。図6および図7には実線で、それぞれ運転状態の、すなわち冷媒が通流する冷媒案内区間が図示されている。各モードにおいて遮断される、すなわち冷媒が通流しない部分は破線で図示されている。
【0040】
図6には、冷媒回路100のヒートポンプモードが示されている。このために第1の遮断弁51は開かれており、第2の遮断弁52は閉じられている。つまりコンプレッサ34により圧縮された冷媒は、第1の冷媒案内区間Iを通流するのに対し、第4の冷媒案内区間IVは通流しないままである。第1の冷媒案内区間Iもしくは第4の冷媒案内区間IVにおける遮断弁51,52の配置に対して択一的に、第1の分岐箇所101に切換可能な2方向制御弁を取り付けることも可能な場合がある。さらに、ヒートポンプモードでは、第3の遮断弁53は開かれており、第4の遮断弁54は閉じられている。つまり、冷媒が第3の冷媒案内区間IIIを通流することができる一方で、第6の冷媒案内区間VIは遮断されている。第3の冷媒案内区間IIIもしくは第6の冷媒案内区間VIにおける第3の遮断弁53および第4の遮断弁54の配置に対して択一的に、2方向制御弁が第6の合流箇所106で使用される場合もある。
【0041】
さらにヒートポンプモードは追加的に、第5の冷媒案内区間Vもやはり遮断されている、という点において優れている。図示の実施形態では、このために第3の膨張弁43が用いられる。択一的に、このためには第5の冷媒案内区間Vに設けられた追加的な遮断弁が使用される場合もある。
【0042】
つまりコンプレッサ34内で圧縮された冷媒は、第1の冷媒案内区間Iを通って第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22に流入する。第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22は、このモードでは凝縮器として運転され、熱を冷媒から空気流14に伝達する。第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22の出口から、冷媒は第1の膨張弁41を経て第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21に到達する。このとき第1の膨張弁41の位置に応じて減圧を調節することができ、これにより第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21は、凝縮器としての第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22と実質的に同じ温度レベルでやはり凝縮器として運転され得る、または第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22よりも低い温度レベルで運転され得る、または通流する空気流14から熱を奪う気化器として運転され得る。第1の膨張弁41の調節は、典型的には下流側に配置された混合室(個別には図示せず)において所望の温度差層を得るための調節の枠内で行われる。図示の実施形態では、空気流14は、第1および第2の空気/冷媒熱交換器セグメント21,22の下流側でさらに電気的な熱交換器セグメント20を通流し、そこで追加加熱または対向加熱が行われてよい。ただし冷媒循環回路100に関して、電気的な熱交換器セグメント20は任意であると見なしてよい。
【0043】
第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21の下流側で、冷媒は第4の分岐箇所104において第2の冷媒案内区間IIに流入する。それというのも、第4の遮断弁54の遮断位置に基づき、同じく第4の分岐箇所104から分岐する第6の冷媒案内区間VIは遮断されているからである。第2の冷媒案内区間IIに含まれている第2の膨張弁42において、冷媒のさらなる膨張が行われる。冷媒の圧力はいずれにしろ、下流側に配置された結合熱交換器23が、接続された冷媒回路から熱を受け取る気化器として運転される程度に低いことが望ましい。
【0044】
結合熱交換器23の下流側で、冷媒は内部熱交換器24の高圧部分を通流する。ただしこの内部熱交換器24は、当業者が認識するように、コレクタ36と同じく任意であり、実質的に冷媒の選択に左右されるものであるに過ぎない。結合熱交換器23の出口を、図示の実施形態では内部熱交換器24の高圧出口が接続された、第5の合流箇所105に直接に接続することも考えられる。
【0045】
第5の合流箇所105から、冷媒は開かれた第3の遮断弁53と第3の冷媒案内区間IIIとを通流し、第6の合流箇所106、内部熱交換器24の低圧部分を経てコンプレッサ34に戻る。
【0046】
図7には冷媒回路100の冷却モードが示されている。この場合、第1の遮断弁51は閉じられており、第2の遮断弁52は開かれている。さらに第3の遮断弁53は閉じられており、第4の遮断弁54は開かれている。第3の膨張弁43は、このモードでは調節されて運転される。これに対して第2の膨張弁42は閉じられており、第2の冷媒案内区間IIを遮断している。このために1つの択一的な実施形態では、第2の冷媒案内区間IIに設けられた追加的な遮断弁が使用される場合もある。
【0047】
コンプレッサ34により圧縮された冷媒は、第1の分岐点101で第4の冷媒案内区間IVに分岐し、第3の合流箇所103を経て結合熱交換器23の入口に到達する。結合熱交換器23は、このモードでは凝縮器として運転され、接続された冷媒回路に熱を供給する。任意の内部熱交換器24の高圧部分を通流してから、冷媒は第5の分岐点105において、閉じられた第3の遮断弁53に基づき第5の冷媒案内区間Vへ流入し、そこで第3の膨張弁43により膨張させられる。
【0048】
第1の遮断弁51は閉じられているので、膨張した冷媒は第2の合流点102から第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22に流入する。この場合、第3の膨張弁43の調節に応じて、第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22を別の凝縮器として利用することができ、これにより、第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22を通流する空気流14の部分に熱を供給することができるようになっている。しかしまた、第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22を気化器として運転し、第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22を通流する空気流14の部分から熱を受け取ることもできる。前記調節は実地では、所望される混合室(図示せず)内の温度差層に応じて調節される。冷媒側においては、第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22の下流側で、冷媒は第1の膨張弁41においてさらに膨張され、次いで第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21を通流する。第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21は、このモードではいずれにせよ気化器として運転され、これにより、第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21を通流する空気流14の部分から熱を受け取ることができるようになっている。
【0049】
冷媒側で、第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21の下流側に位置する第4の分岐点104において、冷媒は閉じられた第2の膨張弁42に基づき第6の冷媒案内区間に流入し、開かれた第4の遮断弁54を通ってコレクタ36へ流れ、任意の内部熱交換器24の低圧部分を通ってコンプレッサ34に戻る。
【0050】
当業者は、3つの任意ではない熱交換器もしくは熱交換器セグメント、つまり前記冷媒回路100に設けられた第1の空気/冷媒熱交換器セグメント21、第2の空気/冷媒熱交換器セグメント22および結合熱交換器23が、それぞれ凝縮器としても、気化器としても運転され得る、ということを認識する。少数の切換要素および制御要素を適当に調節することにより、冷媒回路100では2つの基本的なモード、つまりヒートポンプモードと冷却モードとにおいて運転が可能であり、この場合、両モードのうちのそれぞれにおいて、必要に応じて、内部熱交換器の下流側の空気側に配置された混合室内の異なる温度差層が可能である。このようにして、車室内の温度分布を最もフレキシブルかつ個別に適合させることができるようになっている。
【0051】
もちろん、詳細な説明において述べた図示の実施形態は、本発明を図解する実施例であるに過ぎない。本明細書の開示に照らして、当業者には広範な変化態様の可能性が与えられている。
【符号の説明】
【0052】
10 ケーシング
12 空気案内通路
12’ 12の側方通路
14 空気流
16a フットスペースに向かう空気流部分
16b ヘッドスペースに向かう空気流部分
18 フィルタ
20 電気的な熱交換器セグメント
21 第1の空気/冷媒熱交換器セグメント
22 第2の空気/冷媒熱交換器セグメント
23 結合熱交換器
24 内部熱交換器
30 バイパスフラップ
32 アクチュエータ
34 コンプレッサ
36 コレクタ
41 第1の膨張弁
42 第2の膨張弁
43 第3の膨張弁
51 第1の遮断弁
52 第2の遮断弁
53 第3の遮断弁
54 第4の遮断弁
100 冷媒回路
101 第1の分岐箇所/合流箇所
102 第2の分岐箇所/合流箇所
103 第3の分岐箇所/合流箇所
104 第4の分岐箇所/合流箇所
105 第5の分岐箇所/合流箇所
106 第6の分岐箇所/合流箇所
I 第1の冷媒案内区間
II 第2の冷媒案内区間
III 第3の冷媒案内区間
IV 第4の冷媒案内区間
V 第5の冷媒案内区間
VI 第6の冷媒案内区間
【図1a】
【図1b】
【図2a】
【図2b】
【図3a】
【図3b】
【図4a】
【図4b】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【国際調査報告】