JP5562717B2 - ４つの熱交換器を備える加熱、換気、および／または空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、主として自動車用の加熱、換気、および/または空調装置に関する。

一般に、自動車には、車室内の空気の空気熱的条件を改善するために、加熱、換気、および／または空調装置が装備されている。この空気熱的条件の改善は、空気を車室内に供給することにより行われている。この装置は、車両の計器パネルの下側に配置されている合成樹脂製のハウシングを備えている。このハウジングには、少なくとも１つの空気供給口から、１つ以上の空気吹き出し口へ向かって、空気流が循環する通路が形成されている。

車室内に送り込まれる前の空気流を冷却するために、この装置は、Ｒ７４４として知られている一酸化炭素のような冷媒が、内部を循環する空調回路を備えている。この空調回路は、一般に、少なくとも１つの圧縮機、蒸発器、そしてガスクーラと呼ばれている熱交換器を備えている。この圧縮機により冷媒を高圧にすることができる。この熱交換器は、冷媒が、熱交換器を通過する他の流体と熱交換するようになっている。蒸発器は、空気流を冷却するために設けられている。

特許文献１には、２つの熱交換器が順に配置されている空調回路が開示されている。上流側の熱交換器は、高圧の冷媒が、車両のヒートポンプの冷却回路を循環している冷却液と熱交換できるようになっている。空調回路の冷媒の循環方向に従い、上流側熱交換器の下流に配置されている下流側熱交換器は、上流側熱交換器から来る冷媒と、第２回路内を循環している熱交換流体との間で熱交換をさせるように設計されている。

車両の特定の使用状態において、車室内に吹き出される前の空気流を加熱するために、高圧冷媒から、冷却液などの熱交換流体に伝えられる熱を回収することは有益である。この目的のために、ハウジングには、第２回路内の第１空気熱交換器と、冷却回路内の第２空気熱交換器が設けられている。空気流は、第１空気熱交換器を通過後に、通路内の空気流の方向に従い、第２空気熱交換器を通過する。

しかし、この従来技術には、重大な欠点がある。

冷媒は、空調回路内で、一般にモリエル線図と呼ばれる熱力学サイクルにさらされる。このモリエル線図から、熱交換器により回収され、頭字語“ＣＯＰ”で示される有効出力と、冷媒を圧縮するための圧縮機の消費エネルギーとの比率として定義されている、空調回路の成績係数を導くことは知られている。車両のユーザーに、最適の熱的快適性と、最小のエネルギー消費をもたらすために、例えば約３〜４という、できるだけ高い成績係数“ＣＯＰ”を常に得ようとすることが試みられている。前記特許文献により提案されている技術は、装置を簡素化するとともに、３〜４の可能な限り高い成績係数“ＣＯＰ”を得るように改良されるべきである。

この技術は、高い“ＣＯＰ”と、効果的で迅速な空気流の加熱を、同時に達成するには不適当である。

ＵＳ２００８０４１０７１号明細書（デンソー）

本発明の目的は、装置を可能な限り簡素なものとし、空気流を迅速かつ効果的に加熱しうるようにするとともに、特に３〜４という高い成績係数“ＣＯＰ”をもたらす、空気流を冷却する空調回路を備えている、加熱、換気、および／または空調装置を提供することである。

本発明の装置は、内部を冷媒が循環している空調回路と、内部を熱交換流体が循環している第２回路を備えている、加熱、換気、および／または空調装置であって、冷媒ＦＲと熱交換流体ＦＣとを熱交換させる第１熱交換器と、冷媒ＦＲと熱交換流体ＦＣとを熱交換させる第２熱交換器を備え、第２回路は、熱交換流体ＦＣと空気とを熱交換させる第３熱交換器と、熱交換流体ＦＣと空気とを熱交換させる第４熱交換器を備え、第２回路はさらに、第３熱交換器の出口から第４熱交換器の吸入口に、熱交換流体ＦＣをバイパスさせる、少なくとも１つのバイパス手段を備えており、第３熱交換器の出口は、第２回路上の、第１熱交換器と第２熱交換器の中間点に接続されていることを特徴とする。

バイパス手段は、例えば第３熱交換器の出口と接続されている熱交換流体ＦＣ用の入口Ｅ、中間点に接続されている第１出口、および、第４熱交換器に流入する熱交換流体ＦＣ用の吸入口に接続されている第２出口を有するＹ字型通路から成っている。

第１熱交換器は、空調回路の冷媒ＦＲの循環方向の第２熱交換器の上流に配置されていることが望ましい。

第３熱交換器は熱交換流体ＦＣ用の入口を備えており、この入口は、第１熱交換器の排出オリフィスと連通していることが望ましい。

この装置は、特に、第３熱交換器の入口と出口との間の熱交換流体ＦＣの第１流量を、１２０ｌ/ｈ〜３００ｌ/ｈに保持する第１保持手段を備えている。

この第１保持手段は、例えば第３熱交換器内に、２パス以上の熱交換流体ＦＣの第１循環通路を備えている。

特に、第１保持手段は、４パス以上の第１循環通路を備えているのが望ましい。

第１保持手段は、例えば熱交換流体ＦＣのための別の絞りを備えており、この絞りは、吸入口の上流に配置されている。

この装置は、第４熱交換器の吸入口と排出口との間の熱交換流体ＦＣの第２流量を、４０ｌ/ｈ〜１２０ｌ/ｈに保持する第２保持手段を備えていることが望ましい。

この装置は、第４熱交換器と、第３熱交換器の少なくとも第１部分を収容している第１通路を備えていることが望ましい。

この第１通路は、車両の外部と連通している外気導入口を備えていることが望ましい。

この装置は、車室と連通している内気導入口を有する第２通路を備えていると有利である。

この第２通路には、第３熱交換器の第２部分が設けられていることが望ましい。

各種の実施例においては、この第２部分は、第１部分から別体として、又は一体として形成されている。

本発明の装置は、構成が可能な限り簡単であり、かつ空気流を迅速かつ効果的に加熱することが可能であり、特に３〜４という高い成績係数“ＣＯＰ”得ることができる。

添付図面を参照しながら、次の実施例の詳細な説明を読むことにより、本発明をよりよく理解することができると思う。

本発明の装置の部分模式図である。 図１の装置の詳細図である。 図１の装置の空調回路を循環している冷媒ＦＲの熱力学サイクルを示すモリエル線図である。 図１の装置の他の実施例の模式図である。 図１の装置の他の実施例の模式図である。

図１において、自動車には、車室内空気の空熱要因を改善するために、加熱、換気、および／または空調装置１が装備されている。この装置１は、合成樹脂製のハウジング２を備えており、このハウジング２内に、空気供給口４と空気吹出し口５との間を循環する空気流３の通路が形成されている。

空気流３を冷却するために、この装置１は、内部を冷媒ＦＲが循環している空調回路６を備えている。この冷媒は、Ｒ７４４として知られている二酸化炭素であることが望ましい。空調回路６は、公知の要領で、冷媒ＦＲを高温高圧にする圧縮機７を備えている。又、空調回路６は、冷媒ＦＲと、第２回路１０内を循環している熱交換流体ＦＣとを熱交換させるための第１水冷媒熱交換器８と第２水冷媒熱交換器９を備えている。空調回路６内で、冷媒ＦＲは、空調回路６内の冷媒ＦＲの循環方向１１に従って、圧縮機７から第１熱交換器８へ、その後、第２熱交換器９に循環している。第２回路１０内で、熱交換流体ＦＣは、第２回路１０内の熱交換流体ＦＣの循環方向１２に従って、第２熱交換器９から第１熱交換器８に向かって循環している。

第１熱交換器８と第２熱交換器９は、熱交換流体ＦＣと空気との間、そして冷媒ＦＲと空気との間で熱交換することなく、熱交換流体ＦＣと冷媒ＦＲとの間で直接に熱交換できるように、それぞれ設定されている。

空調回路６は、図示していない膨張弁と蒸発器を備えている。蒸発器は、蒸発器を通過する空気流３を冷却できるように、ハウジング２内に収容されている。空調回路６は、内部熱交換器と、冷媒ＦＲのアキュムレータを備えていることが望ましい。空調回路６は、空調回路６内の冷媒ＦＲの循環を制御するバルブのような他の部品を備えることもある。

第２回路１０は、熱交換流体ＦＣを循環させるためのポンプ１３を備えており、このポンプ１３は、熱交換流体ＦＣの流動方向１２に従って、第１熱交換器８の出口に配置されていることが望ましい。

第２回路１０は、第３空気熱交換器１４と第４空気熱交換器１５を備えており、この２つの熱交換器は、空気流３が連続して通過するように、装置１のハウジング２内で、互いに向かい合って配置されている。この空気熱交換器１４，１５は、熱交換流体ＦＣと空気流３との間で熱交換できるように設定されている。従って、この空気熱交換器１４，１５は、前述の水冷媒熱交換器８，９とは技術的に異なっている。

第３熱交換器１４は、第４熱交換器１５の空気流出面１７の向かい側に位置する空気流入面１６を備えている。すなわち、ハウジング２内の空気流３の流動方向１８に従って、空気供給口４からの空気流３は、第４熱交換器１５を通過し、空気流出面１７を経て、第３熱交換器１４に向かった後、この空気流３は、空気流入面１６から流入し、第３熱交換器１４を通過する。第３熱交換器１４の空気流入面１６は、第４熱交換器１５の空気流出面１７と実質的に平行であることが望ましい。ハウジング２内のこの配列により、空気流３は、まず、第４熱交換器１５により加熱された後に、第３熱交換器１４により加熱される。この第３熱交換器１４内の熱交換流体ＦＣの第１温度Ｔ１は、第４熱交換器１５内の熱交換流体ＦＣの第２温度Ｔ２よりも高温である。

第３熱交換器１４は、熱交換流体ＦＣ流入用の入口１９を備えている。この入口１９は、第１熱交換器８から流出する熱交換流体ＦＣ用の排出オリフィス２０と連通している。本実施例において、熱交換流体ＦＣは、ポンプ１３により循環させられる。

第３熱交換器１４は、熱交換流体ＦＣ用の出口２１を備えており、熱交換流体ＦＣは、第３熱交換器１４の入口１９と出口２１との間の第１循環通路３０内を流動する。

第３熱交換器１４の出口２１は、熱交換流体ＦＣのバイパス手段２２により、第２回路１０の中間点２６と、第４熱交換器１５に流入する熱交換流体ＦＣ用の吸入口２３に連通している。この中間点２６は、第１熱交換器８と第２熱交換器９との間に位置している。

すなわち、図１-２において、このバイパス手段２２は、熱交換流体ＦＣ用の入口Ｅ、熱交換流体ＦＣ用の第１出口Ｓ１、そして熱交換流体ＦＣ用の第２出口Ｓ２を備えているＹ字型通路から成っている。この第１出口Ｓ１は、中間点２６に接続されている。

第２出口Ｓ２は、第４熱交換器１５の吸入口２３に接続されている。熱交換流体ＦＣは、第１出口Ｓ１と第２出口Ｓ２に向かい、バイパス点２２'で分岐されている。すなわち、第３熱交換器１４の出口を出た熱交換流体ＦＣは、バイパス点２２'から、加熱されるために第１熱交換器８に供給されるか、又は空気流３を加熱するために、第４熱交換器１５に供給される。

第４熱交換器１５内において、熱交換流体ＦＣは、吸入口２３から排出口２４までの第２循環通路３１内を循環する。第４熱交換器１５の排出口２４は、第２熱交換器９の吸入口２５と連通している。

このような設計により、空気流３は、２段階で加熱され、最初は、第２循環通路３１と接触している時であり、２度目は第１循環通路３０と接触している時である。熱交換流体ＦＣと空気との間の熱交換を最大にするために、第１循環通路３０は、少なくとも２パス、又は４パス、又はそれ以上のパスを備えている。第１循環通路３０のパス数は、第１循環通路３０と、第３熱交換器１４を通過している空気流３との間の交点の数に相当している。バイパス点２２'と吸入口２３との間に、熱交換流体にブレーキをかけて、第４熱交換器１５の入口での流量を抑制する絞り４２が設けられている。この絞り４２は、例えばバイパス点２２'と吸入口２３を接続している通路４３の直径を減少させるボトルネック状などの形状とされている。

第２回路１０は、中間点２６からバイパス点２２'に伸長している主分岐路２９を備えている。この主分岐路２９は、第１熱交換器８、ポンプ１３、そして第１循環通路３０を備えている。又、主分岐路２９は、熱交換流体ＦＣの流量を、１２０ｌ/ｈと３００ｌ/ｈの間に調節する手段を備えている。

バイパス点２２'において、主分岐路２９は、第１分岐路３２と第２分岐路３３に分割されている。この第１分岐路３２は、バイパス点２２'を中間点２６に接続している。第２分岐路３３は、第２循環通路３１と、第２熱交換器９を備えている。

第１分岐路３２内で、熱交換流体ＦＣは、８０ｌ/ｈと１８０ｌ/ｈの間の流量で循環している。この迅速に第１熱交換器８に戻す設定により、熱交換流体ＦＣを、迅速に加熱することができる。

第２分岐路３３内で、熱交換流体ＦＣは、４０ｌ/ｈと１２０ｌ/ｈの間の流量で循環している。これにより、第２循環通路３１と接触する空気流３の加熱を最適化することができる。

最後に、この設計により、第１熱交換器８内の熱交換流体ＦＣの迅速な加熱と、第３熱交換器１４と第４熱交換器１５内の熱交換流体ＦＣの迅速な冷却を両立することができ、空気流３を迅速に加熱することができる。

また、冷媒ＦＲと熱交換流体ＦＣ間の熱交換が最適化されている一方で、例えば３から４の高い“ＣＯＰ”を得ることができる。図２のモリエル線図で示されている熱力学サイクルは、空調回路６内の冷媒ＦＲに関し、等圧冷却線(ＡＢ)は、初めに第１熱交換器８内の、次に第２熱交換器９内の冷媒ＦＲの熱力学上の変化を示している。この等圧冷却線(ＡＢ)は、第１熱交換器８内の第１等圧冷却線(ＡＣ)と、第２熱交換器９内の第２等圧冷却線(ＣＢ)を合わせたものである。第１熱交換器８の入口のＡ点で、冷媒の温度は１１０℃である。第１熱交換器８の出口と第２熱交換器９の入口の間のＣ点で、冷媒の温度は３０℃である。第２熱交換器９の出口のＢ点で、冷媒の温度は５℃である。これは、第２熱交換器９の出口のＢ点での冷媒ＦＲの冷却を最大にするために、第２熱交換器９内の熱交換流体ＦＣを減少させた本発明の各条件により得られた結果である。

本発明によると、第２熱交換器９の出口での冷媒ＦＲの温度を最大に下げることができ、高い成績係数を得ることができる。第２熱交換器９の出口での冷媒ＦＲの温度は、第２熱交換器９の入口、すなわち吸入口２５の熱交換流体ＦＣの温度と関連している。第２熱交換器９の入口の熱交換流体ＦＣの温度は、第４熱交換器１５を通過する空気流３の温度により限定されている。本発明によれば、第４熱交換器１５の熱交換流体ＦＣの流量を減少させることにより、第２熱交換器９の出口での冷媒ＦＲの温度を下げることができる。

又、本発明によると、第３熱交換器１４内の熱交換流体ＦＣの流量が多いため、空気流３の加熱を最大にすることができ、高い成績係数を得ることができる。この加熱は、第４熱交換器１５による熱交換流体ＦＣの予熱と、特に、主循環通路３０に備えられている非常に多くのパス数により可能となっている。

図３と図４において、この装置１は、ハウジング２内に形成されている第１通路３５と第２通路３９を備えている。この第１通路３５は、車外から外気流３aが導入される外気導入口３６を備えている。この外気導入口３６において、外気流３aの温度Ｔexは、約−１８℃である。第２通路３９は、車内から内気流３bが導入される内気導入口４０を備えている。この内気導入口４０において、内気流３bの温度Ｔreは、約２２℃〜２５℃である。

外気流３aは、第１通路３５内を循環しており、第４熱交換器１５と、第３熱交換器１４の第１部分３７を連続して通過している。

内気流３bは、第２通路３８内を循環しており、第３熱交換器１４の第２部分３８を通過している。

図３において、第３熱交換器１４の第２部分３８は、第３熱交換器１４の第１部分３７と一体に形成されている。

図４において、第３熱交換器１４の第２部分３８は、第３熱交換器１４の第１部分３７と別体に形成されている。この第１部分３７と第２部分３８は、直列に接続されており、第２部分３８は、例えば、車両の後部の、内気のみが通過する位置に設置する事ができる。

１ 加熱、換気、および／または空調装置
２ ハウジング
３ 空気流
３a 外気流
３b 内気流
４ 空気供給口
５ 空気吹き出し口
６ 空調回路
７ 圧縮機
８ 第１水冷媒熱交換器
９ 第２水冷媒熱交換器
１０ 第２回路
１１ 循環方向
１２ 流動方向
１４ 第３空気熱交換器
１５ 第４空気熱交換器
１６ 空気流入面
１７ 空気流出面
１８ 流動方向
１９ 入口
２０ 排出オリフィス
２１ 出口
２２ バイパス
２２'バイパス点
２３ 吸入口
２４ 排出口
２５ 吸入口
２６ 中間点
２９ 主分岐路
３０ 第１循環通路
３１ 第２循環通路
３２ 第１分岐路
３３ 第２分岐路
３５ 第１通路
３６ 外気導入口
３７ 第１部分
３８ 第２部分
３９ 第２通路
４０ 内気導入口
Ｅ 入口
Ｓ１ 第１出口
Ｓ２ 第２出口
Ｔex 外気温
Ｔre 内気温

Claims (14)

1. 冷媒ＦＲが循環する空調ループ（６）と、熱交換流体ＦＣが循環する第２ループ（１０）を備える加熱、換気、および／または空調装置（１）であって、前記装置（１）は、冷媒ＦＲと熱交換流体ＦＣとの間の第１熱交換器（８）と、冷媒ＦＲと熱交換流体ＦＣとの間の第２熱交換器（９）とを備え、第２ループ（１０）は、熱交換流体ＦＣと空気との間の第３熱交換器（１４）と、熱交換流体ＦＣと空気との間の第４熱交換器（１５）とを備え、
   第２ループ（１０）は、熱交換流体ＦＣが第３熱交換器（１４）から流出する出口（２１）から、熱交換流体ＦＣが流入する第４熱交換器（１５）の入口（２３）へ、熱交換流体ＦＣを流通させる少なくとも１つのバイパス手段（２２）を備えており、
   かつ第３熱交換器（１４）の前記出口（２１）は、第２ループ（１０）の第１熱交換器（８）と第２熱交換器（９）との間に位置する中間点（２６）に接続されている
   ことを特徴とする、加熱、換気、および／または空調装置（１）。
2. バイバス手段（２２）は、第３熱交換器（１４）の前記出口（２１）に接続されている熱交換流体ＦＣ用の入口Ｅと、前記中間点（２６）に接続されている第１出口Ｓ１と、第４熱交換器（１５）の前記入口（２３）に接続されている熱交換流体ＦＣ用の第２出口Ｓ２とを有するＹ字型通路から成っていることを特徴とする、請求項１に記載の装置（１）。
3. 第１熱交換器（８）は、空調ループ（６）内の冷媒ＦＲの循環（１１）の方向の上流側に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置（１）。
4. 第３熱交換器（１４）は、熱交換流体ＦＣ用の入口（１９）を備え、入口（１９）が第１熱交換器（８）から流出する熱交換流体ＦＣ用の排出オリフィス（２０）と流体的に連通していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の装置（１）。
5. 前記装置（１）は、第３熱交換器（１４）の入口（１９）と出口（２１）との間の熱交換流体ＦＣの第１流量を１２０Ｌ／ｈ〜３００Ｌ／ｈに保持する第１の手段を備えていることを特徴とする、請求項４に記載の装置（１）。
6. 前記第１の保持手段は、第３熱交換器（１４）内の熱交換流体ＦＣの第１循環通路（３０）を有し、この第１循環通路（３０）は２パス以上の配列を含むことを特徴とする、請求項５に記載の装置（１）。
7. 前記第１の保持手段の前記第１循環通路（３０）が４パス以上の配列を含むことを特徴とする、請求項６に記載の装置（１）。
8. 前記第１の保持手段は、熱交換流体ＦＣの流量を抑制する絞り（４２）を備え、前記絞り（４２）が吸入口（２３）の上流側に配置されていることを特徴とする、請求項５〜７のいずれかに記載の装置（１）。
9. 前記装置（１）は、第４熱交換器（１５）の吸入口（２３）と、熱交換流体ＦＣが第４熱交換器（１５）から流出する排出口（２４）との間の、熱交換流体ＦＣの第２流量を、４０Ｌ／ｈ〜１２０Ｌ／ｈに保持する第２の手段を備えていることを特徴とする、請求項２〜８のいずれかに記載の装置（１）。
10. 前記装置（１）は、第４熱交換器（１５）と、第３熱交換器（１４）の少なくとも第１部分（３７）を収容している第１通路（３５）を備えていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の装置（１）。
11. 前記第１通路は、車両の外部と連通している外気導入口（３６）を備えていることを特徴とする、請求項１０に記載の装置（１）。
12. 前記装置（１）は、車室と連通している内気導入口（４０）を有する第２通路（３９）を備えていることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の装置（１）。
13. 前記第２通路（３９）には、第３熱交換器（１４）の第２部分（３８）が収容されていることを特徴とする、請求項１２に記載の装置（１）。
14. 前記第２部分（３８）は、前記第１部分（３７）とは別体として形成されているか、前記第１部分（３７）と一体に形成されていることを特徴とする、請求項１３に記載の装置（１）。

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