(57)【要約】  本発明は、特に電気自動車用の車両空調システム（１２）の冷媒回路（１０）であって、冷媒（２０）を圧縮するために第１の圧縮機（１６）と下流側に配置される第２の圧縮機（１８）とを含む圧縮ユニット（１４）と、車両内部へ供給され得る空気（２４）を加熱するための凝縮器（２２）と、凝縮器（２２）からの冷媒（２０）を減圧するために凝縮器（２２）の下流側に配置される第１の減圧ユニット（２６）と、車両外気（３０）との熱交換のために冷媒が流通する熱交換器（２８）と、車両内部へ供給され得る空気（２４）を冷却するための蒸発器（３２）と、熱交換器（２８）からの冷媒（２０）を減圧するために蒸発器（３２）の上流側に配置される第２の減圧ユニット（３４）とを備え、第２の圧縮機（１８）、凝縮器（２２）、および、第１の減圧ユニット（２６）が車両空調システム（１２）の冷房モードで迂回され、蒸発器（３２）および第２の減圧ユニット（３４）が車両空調システム（１２）の暖房モードで迂回される、冷媒回路（１０）に関する。また、本発明は、特に前述した冷媒回路（１０）によって車両内部の空調を行う方法に関する。
2015536862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に電気自動車用の車両空調システム（１２）の冷媒回路であって、
冷媒（２０）を圧縮するために第１の圧縮機（１６）と下流側に配置される第２の圧縮機（１８）とを含む圧縮ユニット（１４）と、
車両内部へ供給され得る空気（２４）を加熱するための凝縮器（２２）と、
前記凝縮器（２２）からの前記冷媒（２０）を減圧するために前記凝縮器（２２）の下流側に配置される第１の減圧ユニット（２６）と、
車両外気（３０）との熱交換のために前記冷媒が流通する熱交換器（２８）と、
車両内部へ供給され得る空気（２４）を冷却するための蒸発器（３２）と、
前記熱交換器（２８）からの前記冷媒（２０）を減圧するために前記蒸発器（３２）の上流側に配置される第２の減圧ユニット（３４）と、
を備え、
前記第２の圧縮機（１８）、前記凝縮器（２２）、および、前記第１の減圧ユニット（２６）が前記車両空調システム（１２）の冷房モードで迂回され、
前記蒸発器（３２）および前記第２の減圧ユニット（３４）が前記車両空調システム（１２）の暖房モードで迂回される、冷媒回路。
【請求項２】
前記冷媒（２０）の流通は、冷房モードで第１の切り換え位置をとるとともに暖房モードで第２の切り換え位置をとる方向弁（３６）を設けることによって制御されることを特徴とする請求項１に記載の冷媒回路。
【請求項３】
前記第１の減圧ユニット（２６）および／または前記第２の減圧ユニット（３４）が遮断機能を有する膨張弁であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷媒回路。
【請求項４】
前記第１の圧縮機（１６）の作動圧力および／または送出量が制御され得ることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の冷媒回路。
【請求項５】
前記第２の圧縮機（１８）の作動圧力および／または送出量がほぼ一定であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の冷媒回路。
【請求項６】
前記第１の圧縮機（１６）および／または前記第２の圧縮機（１８）を駆動させるために少なくとも１つの電気モータ（４４）が設けられることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の冷媒回路。
【請求項７】
前記第１の圧縮機（１６）および前記第２の圧縮機（１８）を駆動させるために１つの電気モータ（４４）のみが設けられることを特徴とする請求項６に記載の冷媒回路。
【請求項８】
前記第１の圧縮機（１６）および前記第２の圧縮機（１８）が共通の駆動シャフト（４６）を有することを特徴とする請求項７に記載の冷媒回路。
【請求項９】
カップリング（４８）が設けられ、このカップリングによって前記第２の圧縮機（１８）が前記電気モータ（４４）に結合され得るあるいは前記電気モータ（４４）から取り外され得ることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の冷媒回路。
【請求項１０】
前記各圧縮機（１６，１８）が冷媒行程容積を有し、前記第２の圧縮機（１８）の行程容積が前記第１の圧縮機（１６）の行程容積の約２０−５０％であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の冷媒回路。
【請求項１１】
前記各圧縮機（１６，１８）が最大圧力比を有し、前記第２の圧縮機（１８）の最大圧力比が前記第１の圧縮機（１６）の最大圧力比の約３０−５０％であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の冷媒回路。
【請求項１２】
冷房モードでは前記第２の減圧ユニット（３４）の下流側に配置されるとともに暖房モードでは前記第１の減圧ユニット（２６）の下流側に配置される冷媒リザーバ（４２）が吸込側に設けられることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の冷媒回路。
【請求項１３】
冷房モードでは前記第２の減圧ユニット（３４）の上流側に配置されるとともに暖房モードでは前記第１の減圧ユニット（２６）の上流側に配置される冷媒リザーバ（５２）が吐出側に設けられることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の冷媒回路。
【請求項１４】
前記冷媒回路（１０）は、前記第１の圧縮機（１６）の吸込側（５４）に至るまでの前記第１または第２の減圧ユニット（２６，３４）の下流側の低圧セクションと、前記第１の圧縮機（１６）の吐出側（５６）に至るまでの前記第１または第２の減圧ユニット（２６，３４）の上流側の高圧セクションとを有し、前記低圧セクションおよび前記高圧セクションが少なくとも特定の領域に内部熱交換器（５８）として形成されることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の冷媒回路。
【請求項１５】
特に請求項１から１４のいずれか一項に記載の車両空調システム（１２）の冷媒回路（１０）によって車両内部の空調を行う方法であって、
冷媒（２０）は、
前記車両空調システム（１２）の暖房モードでは、車両内部へ供給され得る空気（２４）を加熱するための凝縮器（２２）、下流側に配置される第１の減圧ユニット（２６）、および、車両外気（３０）との熱交換のために蒸発器として作用する熱交換器（２８）を通じて流れ、
前記車両空調システム（１２）の冷房モードでは、車両内部へ供給され得る空気（２４）を冷却するための蒸発器（３２）、上流側に配置される第２の減圧ユニット（３４）、および、車両外気（３０）との熱交換のために凝縮器として作用する熱交換器（２８）を通じて流れ、
前記冷媒（２０）は、前記冷房モードでは専ら前記第１の圧縮機（１６）のみによって圧縮されるとともに、前記暖房モードでは前記第１の圧縮機（１６）によって及び更には下流側に配置される第２の圧縮機（１８）によっても圧縮される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に電気自動車用の車両空調システムの冷媒回路、および、特にそのような冷媒回路によって車両内部の空調を行う方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の自動車には、近頃、通常、車両内部の空調を行なうための空調システムが備えられる。これらの車両空調システムは、外部温度が高いときに車両内部の冷房を達成するために、主にカルノー原理に基づく冷媒回路によって動作される。外部温度が低いときに車両内部を暖めるために、通常、自動車の内燃エンジンからの廃熱が使用される。
【０００３】
しかしながら、電気自動車の場合には全体として、内燃エンジンを有する自動車の場合には暖機運転段階中に、車両エンジンからの廃熱が非常に少なく、そのため、車両内部の十分な暖房を行うことができない。このため、しばしば、付加的な電気加熱器具が使用されるが、この電気加熱器具は、非常に高いエネルギー消費と関連付けられるとともに、設置スペースおよび付加的な器具コストの更なる必要性とも関連付けられる。
【０００４】
車両内部の暖房を改善するために、従来技術では、車両内部を冷やすために存在する車両空調システムを必要時にヒートポンプとして動作させること、したがって、車両内部を暖めるために外気を熱源として利用することが既に提案されてきた。
【０００５】
したがって、ＤＥ１０３１３８５０Ａ１は、自動車を効率的に冷暖房するための装置であって、特に二酸化炭素を冷媒として用いて動作して、この冷媒の特性に適合されるとともに、二段階圧縮を伴うヒートポンプ・冷却ユニット複合動作にも適合される装置を提供するという目的を扱った。前記文献は、冷媒回路、および、二段階圧縮を伴う冷媒回路の冷却ユニット・ヒートポンプ複合動作のための方法を提案し、この方法では、第２の圧縮段階後に冷媒が熱エネルギーを解放する。冷却ユニット動作において、冷媒は、蒸発圧力まで膨張された後、熱を吸収し、第１の圧縮段階で圧縮される。この後に中間冷却が続き、その後、冷媒が第２の圧縮段階へ供給される。これに対し、ヒートポンプ動作では、第１の圧縮段階の後に冷媒の中間冷却がない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、空調システムを特に省エネ態様で冷房機およびヒートポンプとして動作させることができる、車両空調システムの冷媒回路および車両内部の空調を行う方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、車両空調システムの冷媒回路であって、冷媒を圧縮するために第１の圧縮機と下流側に配置される第２の圧縮機とを含む圧縮ユニットと、車両内部へ供給され得る空気を加熱するための凝縮器と、凝縮器からの冷媒を減圧するために凝縮器の下流側に配置される第１の減圧ユニットと、車両外気との熱交換のために冷媒が流通する熱交換器と、車両内部へ供給され得る空気を冷却するための蒸発器と、熱交換器からの冷媒を減圧するために蒸発器の上流側に配置される第２の減圧ユニットとを備え、第２の圧縮機、凝縮器、および、第１の減圧ユニットが車両空調システムの冷房モードで迂回され、蒸発器および第２の減圧ユニットが車両空調システムの暖房モードで迂回される、冷媒回路により、本発明にしたがって達成される。この冷媒回路は、第１の圧縮機を空調システムの冷房モードに特に合わせることができるようにするとともに、第２の圧縮機を空調システムの暖房モードに特に合わせることができるようにする。冷房モードでは、第２の圧縮機が遮断され、それにより、空調システムは、専ら第１の圧縮機のみによりエネルギー効率の良い態様で車両内部を冷やす。特に寒い気候において車両内部の十分な暖房を確保するために、暖房モードでは、比較的高い圧縮機出力および比較的高い圧力比が必要とされ、これこそが第２の圧縮ステージが作動される理由である。この第２の圧縮機は暖房モード特に合わせられ、したがって、第２の圧縮機は、第１の圧縮機と共に、車両空調システムのエネルギー効率の良い暖房動作を可能にする。
【０００８】
冷媒回路の１つの実施形態において、冷媒の流通は、冷房モードで第１の切り換え位置をとるとともに暖房モードで第２の切り換え位置をとる方向弁を設けることによって制御される。特定の状況では、冷媒回路内の流通を特に冷房モードおよび暖房モードの要件に合わせるために、遮断弁および／または逆止弁を更に設けることもできる。
【０００９】
第１の減圧ユニットおよび／または第２の減圧ユニットが遮断機能を有する膨張弁であることが好ましい。これにより、冷媒回路内の個々の構成要素の数を最小限に抑えることができるとともに、好適には前記特定の膨張弁を用いて流通を制御することができる。あるいは、膨張弁と遮断弁との既製のアセンブリを減圧ユニットとして使用することも考えられる。
【００１０】
冷媒回路の更なる実施形態では、第１の圧縮機の作動圧力および／または送出量を制御することができ、好ましくは、連続的に変えることができる態様で制御することができる。したがって、問題を何ら伴うことなく第１の圧縮機の出力をそれぞれの限界条件に適合させることができ、それにより、冷房モードおよび暖房モードの両方において車両空調システムの特にエネルギー効率の良い動作がもたらされる。
【００１１】
一方、例えば、第２の圧縮機の作動圧力および／または送出量をほぼ一定にすることができる。したがって、第２の圧縮機は、固定的に予め決められた定格出力を有する簡単で安価な構成要素であるとともに、簡単にＯＮまたはＯＦＦに切り換えられ得る。第２の圧縮機は必要とされるときだけ作動されるため、暖房モードにおける圧縮ユニット全体としてのエネルギー効率の良い出力適合を特に第１の圧縮機によって行うことができる。第１の圧縮機は、例えば、冷房モードのために最適化される従来の空調圧縮機であり、一方、第２の圧縮機は、例えば、暖房モードのために最適化される簡単な付加的な圧縮機である。結果として、この場合の圧縮ユニットは、別個の圧縮機ハウジング内の２つの別個の圧縮機を備える。低コストおよび少ない製造支出を前提に第２の圧縮機が特定の度合いの出力制御を有さなければならない場合には、もう一つの方法として、第２の圧縮機だけを複数の段階で制御できると考えられる。すなわち、第２の圧縮機が例えば２つあるいは３つの出力段階を有する。
【００１２】
冷媒回路の更なる実施形態では、第１の圧縮機および／または第２の圧縮機を駆動させるために少なくとも１つの電気モータが設けられる。
【００１３】
特に、両方の圧縮機を駆動させるために１つの電気モータのみを設けることができる。これは、製造および組み立てにおける支出を減らし、したがって、車両空調システムのコストを低減する。
【００１４】
この場合、第１の圧縮機および第２の圧縮機が共通の駆動シャフトを有することが好ましい。したがって、圧縮機は、例えば、異なる圧縮形態によって所望の行程容積および／または圧力比に適合され得るスクロール圧縮機またはロータリーピストン圧縮機である。この場合、２つの圧縮機は、単一圧縮機の第１および第２の段階と称することもでき、また、好ましくは共通の圧縮機ハウジング内に収容され得る。
【００１５】
特に、カップリングを設けることができ、このカップリングによって第２の圧縮機が電気モータに結合され得るあるいは電気モータから取り外され得る。２つの圧縮機のための駆動部として単一の電気モータだけが設けられる場合には、カップリングによって支出を殆ど伴わずに第２の圧縮機を必要に応じて作動させるあるいは作動停止させることができる。これは、空調システムの特にエネルギー効率の良い動作を可能にする。
【００１６】
冷媒回路の更なる実施形態では、各圧縮機が冷媒行程容積を有し、第２の圧縮機の行程容積が第１の圧縮機の行程容積の約２０−５０％である。第２の圧縮機の低い行程容積は、冷媒が第２の圧縮機に入るときに冷媒が第１の圧縮機によって既に事前圧縮されてしまっているという事実を考慮に入れる。その結果、出力の損失を伴うことなく第２の圧縮機の行程容積を減らすことができ、それにより、第２の圧縮機のための設置のスペースおよびエネルギーの必要性が減るという利点がもたらされる。
【００１７】
また、各圧縮機が最大圧力比を有し、第２の圧縮機の最大圧力比は、第１の圧縮機の最大圧力比の約３０−５０％であることが好ましい。特に、より低い行程容積と併せて、第２の圧縮機は、より低い圧力比の結果として、車両空調システムの独立した動作のためではなくむしろ第１の圧縮機のための支援動作のためだけに設計される簡単で安価な“カットイン圧縮機”として設計され得る。
【００１８】
冷媒回路の１つの変形実施形態においては、冷房モードでは第２の減圧ユニットの下流側に配置されるとともに暖房モードでは第１の減圧ユニットの下流側に配置される冷媒リザーバが吸込側に設けられる。
【００１９】
冷媒回路の別の実施形態においては、冷房モードでは第２の減圧ユニットの上流側に配置されるとともに暖房モードでは第１の減圧ユニットの上流側に配置される冷媒リザーバが吐出側に設けられる。
【００２０】
冷媒回路は、第１の圧縮機の吸込側に至るまでの第１または第２の減圧ユニットの下流側の低圧セクションと、第１の圧縮機の吐出側に至るまでの第１または第２の減圧ユニットの上流側の高圧セクションとを更に有し、低圧セクションおよび高圧セクションを少なくとも特定の領域に内部熱交換器として形成することができる。この場合、高圧セクション内の冷媒は、内部熱交換器により、熱エネルギーを低圧セクション内の冷媒へ解放し、それにより、車両空調システムの効率が高められる。
【００２１】
また、序文で述べた目的は、車両空調システムの冷媒回路、例えば前述した冷媒回路によって車両内部の空調を行う方法であって、冷媒が、車両空調システムの暖房モードでは、車両内部へ供給され得る空気を加熱するための凝縮器、下流側に配置される第１の減圧ユニット、および、車両外気との熱交換のために蒸発器として作用する熱交換器を通じて流れ、車両空調システムの冷房モードでは、車両内部へ供給され得る空気を冷却するための蒸発器、上流側に配置される第２の減圧ユニット、および、車両外気との熱交換のために凝縮器として作用する熱交換器を通じて流れ、冷媒が、冷房モードでは専ら第１の圧縮機のみによって圧縮されるとともに、暖房モードでは第１の圧縮機によって及び更には下流側に配置される第２の圧縮機によっても圧縮される、方法によっても達成される。
【００２２】
専ら冷房機としてのみ動作される従来の空調システムと同様に、冷房モードでは、冷房モードのために最適化される圧縮機のみが使用され、したがって、車両空調システムは、冷房機としての動作中にエネルギー需要が増大しない。第２の圧縮機は、外部温度が低いときであっても十分な暖房出力を得るために、ヒートポンプとしての動作中にのみ作動される。ここで、ヒートポンプ動作における空調システムの効率は、電気加熱器具の効率よりも一般に高く、通常はかなり高い。言い換えると、このことは、圧縮ユニットの電気エネルギー需要が同等の暖房出力を得るための電気加熱器具の電気エネルギー需要よりも低いことを意味する。したがって、与えられた方法は、全体として、設計および方法に関して少ない追加費用で車両内部の極めてエネルギー効率の良い空調をもたらす。
【００２３】
本発明の更なる特徴および利点は、図面に関連する好ましい実施形態の以下の説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１の実施形態に係る車両空調システムの本発明に係る冷媒回路の概略平面図を示す。
【図２】車両空調システムの冷房モードにおける図１に示される冷媒回路の概略平面図を示す。
【図３】車両空調システムの暖房モードにおける図１に示される冷媒回路の概略平面図を示す。
【図４】第２の実施形態に係る車両空調システムの本発明に係る冷媒回路の概略平面図を示す。
【図５】車両空調システムの冷房モードにおける図４に示される冷媒回路の概略平面図を示す。
【図６】車両空調システムの暖房モードにおける図４に示される冷媒回路の概略平面図を示す。
【図７】車両空調システムの冷房モードにおける冷媒の状態変化を示すモリエ線図を示す。
【図８】車両空調システムの暖房モードにおける冷媒の状態変化を示すモリエ線図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、特に電気自動車用の車両空調システム１２の冷媒回路１０を示し、この冷媒回路１０は、冷媒２０を圧縮するために第１の圧縮機１６と下流側に配置される第２の圧縮機１８とを含む圧縮ユニット１４と、圧縮ユニット１４からの冷媒２０を冷却して凝縮するとともに車両内部へ供給され得る空気２４を加熱するための凝縮器２２と、凝縮器２２からの冷媒２０を減圧するために凝縮器２２の下流側に配置される第１の減圧ユニット２６と、車両外気３０との熱交換のためにおよび随意的に冷媒２０を冷却して凝縮しあるいは加熱して蒸発させるために冷媒が流通する熱交換器２８と、冷媒２０を加熱して蒸発させるとともに車両内部へ供給され得る空気２４を冷却するための蒸発器３２と、熱交換器２８からの冷媒２０を減圧するために蒸発器３２の上流側に配置される第２の減圧ユニット３４とを備える。
【００２６】
冷媒２０の流通を制御するために、冷媒回路１０は、車両空調システム１２の冷房モードで第１の切り換え位置をとるとともに車両空調システム１２の暖房モードで第２の切り換え位置（図２および図３も参照）をとる方向弁３６、正確には３／２方弁を更に備える。
【００２７】
また、随意的に冷媒回路１０の流体ライン４０内の冷媒の流通を可能にするあるいは妨げる遮断弁３８が設けられる。
【００２８】
図１に示される例において、２つの減圧ユニット２６，３４はそれぞれ、遮断機能を有する膨張弁の形態を成す。あるいは、いずれの場合にも、膨張弁と遮断弁との既製のアセンブリが減圧ユニット２６，３４として使用されることも考えられる。このようにすると、冷媒２０の流通を制御するために減圧ユニット２６，３４を使用することもでき、したがって、更なる流通制御要素、例えば更なる別個の遮断弁または逆止弁を省くことができる。
【００２９】
図２は、車両空調システム１２の冷房モードにおける冷媒回路１０を通じた冷媒２０の流れを示す。この冷房モードでは、第２の圧縮機１８、凝縮器２２、および、第１の減圧ユニット２６が迂回されるのが分かる。このため、例えば電磁弁として形成される遮断弁３８が開放されるのに対し、第１の減圧ユニット２６は、膨張弁を通じた冷媒の流れが妨げられる閉位置をとる。
【００３０】
冷房モードでは、方向弁３６がその第１の切り換え位置をとり、この第１の切り換え位置において、方向弁は、凝縮器として作用する熱交換器２８を第２の減圧ユニット３４に接続する。
【００３１】
図３は、車両空調システム１２の暖房モードにおける冷媒回路１０を通じた冷媒２０の流れを示す。この暖房モードでは、蒸発器３２および第２の減圧ユニット３４が迂回されるのが分かる。このため、遮断弁３８が閉じられ、それにより、冷媒２０は流体ライン４０を通じて流れることができない。
【００３２】
車両空調システム１２の暖房モードでは、方向弁３６がその第２の切り換え位置をとり、この第２の切り換え位置において、方向弁は、このときには蒸発器として作用する熱交換器２８を冷媒リザーバ４２を介して圧縮ユニット１４の第１の圧縮機１６に接続する。
【００３３】
第２の減圧ユニット３４が遮断機能を有する場合、第２の減圧ユニット３４は、暖房モードにおいて、それが膨張弁を通じた冷媒の流れを妨げるその閉位置をとることができる。
【００３４】
車両内部の空調を行う方法は、図２および図３に示される車両空調システム１２の冷媒回路１０を参照すると明らかになる。
【００３５】
車両空調システム１２の冷房モードにおいて、冷媒２０は、車両内部へ供給され得る空気２４を冷却するための蒸発器３２、上流側に配置される第２の減圧ユニット３４、および、車両外気３０との熱交換のための凝縮器として作用する熱交換器２８を通じて流れる。
【００３６】
車両空調システム１２の暖房モードでは、対照的に、冷媒２０は、車両内部へ供給され得る空気２４を加熱するための凝縮器２２、下流側に配置される第１の減圧ユニット２６、および、車両外気３０との熱交換のための蒸発器として作用する熱交換器２８を通じて流れる。
【００３７】
この場合、冷媒２０は、冷房モードでは、圧縮ユニット１４の第１の圧縮機１６のみによって圧縮され、また、車両空調システム１２の暖房モードでは、圧縮ユニット１４の第１の圧縮機１６によって及び更には下流側に配置される第２の圧縮機１８によって圧縮される。
【００３８】
冷房モードにおいて、これは、専ら冷房機としてのみ動作される従来の空調システムと同様に、冷房モードに特に合わせられる第１の圧縮機１６のみを用いた車両空調システム１２の省エネ動作をもたらす。また、冷媒回路１０は、車両空調システム１２を典型的な省エネ態様でヒートポンプとして動作させることもできるようにし、この場合、空調システムの暖房モードに特に合わせられる第２の圧縮機１８は、全体の圧縮機出力を増大させるべく作動される。したがって、車両内部の十分な暖房は、車両外気３０が非常に冷たい場合であっても可能である。
【００３９】
図１に示される例では、第１の圧縮機１６の作動圧力および／または送出量を制御できる、好ましくは連続的に変えることができる態様で制御できる。第１の圧縮機１６が冷房モードおよび暖房モードの両方で動作しているため、いずれの場合にも、第１の圧縮機１６の適切な作動によって圧縮機出力をそれぞれの限界条件および所望の空調に適合させることができ、したがって、車両空調システム１２の特にエネルギー効率の良い動作が可能である。
【００４０】
一方、第２の圧縮機１８の作動圧力および／または送出量はほぼ一定にすることができる。第２の圧縮機１８は、より高い圧縮機出力を与えることができるように暖房モードにおいてのみ作動される。圧縮機出力全体の増大が必要でなければ、これは、第１の圧縮機１６の作動によって何ら問題なく適合され得る。その結果、第２の圧縮機１８の簡単で安価な実施形態にもかかわらず、車両空調システム１２の極めてエネルギー効率の良い動作が暖房モードでも確保される。一例として、第１の圧縮機１６は、冷房モードのために最適化される従来の空調圧縮機である。それに対し、第２の圧縮機１８は、暖房モードのために最適化される簡単で付加的な圧縮機となり得る。したがって、この場合、圧縮ユニット１４は、それぞれが別個の圧縮機ハウジング内に収容されてそれぞれが電気モータ４４によって駆動される２つの別個の圧縮機１６，１８を備える。
【００４１】
しかしながら、図１〜図３に示される例では、第１の圧縮機１６および第２の圧縮機１８の両方を駆動させることができる１つの電気モータ４４のみが設けられる。
【００４２】
この場合、２つの圧縮機１６，１８は共通の駆動シャフト４６を有し、第２の圧縮機１８を電気モータ４４に結合させることができるあるいは電気モータ４４から外すことができるカップリング４８が設けられる。
【００４３】
第１の圧縮機１６および第２の圧縮機１８は、例えば、異なる圧縮形態によって所望の行程容積および／または圧力比に適合され得るスクロール圧縮機またはロータリーピストン圧縮機である。この場合、２つの圧縮機１６，１８は、単一圧縮機の第１および第２の段階と称することもでき、また、共通の圧縮機ハウジング内に収容され得る。
【００４４】
図示の例において、２つの圧縮機１６，１８および電気モータ４４は、駆動シャフト４６およびカップリング４８と共に、出費を殆ど伴わずに冷媒回路１０に取り付けることができあるいは交換することができるコンパクトで事前装着可能なアセンブリとして構成される。
【００４５】
図１〜図３に示されるように、冷媒回路１０の個々の構成要素の数を減らすとともに、必要とされる設置スペースも減らすために、流体ライン４０の遮断弁３８もアセンブリとして構成されるこの圧縮ユニット１４に組み込まれる。
【００４６】
車両空調システム１２の特に安価な実施形態において、カップリング４８は、圧縮ユニット１４の停止中においてのみ第２の圧縮機１８と第１の圧縮機１６との間または第２の圧縮機１８と電気モータ４４との間の機械的な結合を確立できるあるいは解放できる簡単な機械アセンブリとして構成される。第２の圧縮機１８のそのような結合または取り外しは、暖房モードと冷房モードとの間を切り換えるときにだけ行えば済むため、利便性の比較的大きい損失を伴わずに、カップリング４８を開放するあるいは閉じるための駆動シャフト４６の短い停止を実現できる。
【００４７】
あるいは、無論、駆動シャフト４６が回転しているときであっても第２の圧縮機１８を結合できるあるいは外すことができるようにするカップリングを使用することも考えられる。
【００４８】
２つの圧縮機１６，１８はそれぞれ所定の冷媒行程容積を有し、第２の圧縮機１８の行程容積は、第１の圧縮機１６の行程容積の約２０−５０％である。冷媒２０は、それが第２の圧縮機１８へ流れ込むときに第１の圧縮機１６によって特定の度合いの事前圧縮を既に受けてしまっているため、出力の損失を何ら伴うことなく、第２の圧縮機１８の行程容積を第１の圧縮機１６の行程容積と比べて減らすことができ、それにより、圧縮ユニット１４のよりコンパクトで安価な構造がもたらされる。
【００４９】
更に、両方の圧縮機１６，１８がそれぞれ最大圧力比を有し、第２の圧縮機１８の最大圧力比は、第１の圧縮機１６の最大圧力比の約３０−５０％である。第２の圧縮機１８は、行程容積および最大圧力比が第１の圧縮機１６と比べて小さいため、特に簡単で安価な付加的圧縮機として製造され得る。
【００５０】
例えば、約−２０℃の低い外部温度の場合に約５０℃の車両内部への所望の空気出口温度を得るために、強力な蒸発器は、約−２６℃の蒸発温度（約１バールの冷媒圧力に対応する）と、約５８℃の凝縮温度（約１６バールの冷媒圧力に対応する）とをもたらす。この場合、第１の圧縮機１６が冷媒２０を１バールの初期圧力から約６−７バールまで圧縮するとともに、この中間圧力から継続して、第２の圧縮機１８が約１６バールの所望の最終圧力まで冷媒２０の更なる圧縮を行えば特に有益であることが分かってきた。このとき、第２の圧縮機１８の最大圧力比は、第１の圧縮機１６の最大圧力比の約３３−４４％である。
【００５１】
図１〜図３は、冷房モードでは第２の減圧ユニット３４の下流側に配置されるとともに暖房モードでは第１の減圧ユニット２６の下流側に配置される冷媒リザーバ４２が吸込側に設けられる、第１の実施形態に係る車両空調システム１２の冷媒回路１０を示す。したがって、この冷媒リザーバ４２は低圧リザーバであり、該低圧リザーバから好ましくは専ら気体冷媒２０だけが引き出され、それにより、その気体冷媒を圧縮ユニット１４へ供給する。
【００５２】
冷房モードでは、第１の圧縮機１６による圧縮後、冷媒２０が凝縮器として作用する熱交換器２８へ供給され、該熱交換器内で、冷媒２０が冷えて凝縮するとともに、外気３０が加熱される。この時点で液体の冷媒２０は、その後、方向弁３６と第２の減圧ユニット３４とを介して、蒸発器３２へ伝導され、該蒸発器内で、冷媒２０は、車両内部へ供給され得る空気２４を冷却し、そのプロセスでそれ自体が加熱されて蒸発され、その後、再び元の冷媒リザーバ４２へ流れる。
【００５３】
暖房モードにおいて、冷媒２０は、両方の圧縮機１６，１８によって圧縮されて、凝縮器２２へ供給され、該凝縮器２２内で、冷媒２０は、車両内部へ供給され得る空気２４を加熱し、そのプロセスでそれ自体が冷えて凝縮する。この時点で液体の冷媒２０は、その後、第１の減圧ユニット２６を通じて流れて、このときに蒸発器として作用する熱交換器２８に入り、該熱交換器内で、冷媒２０は、車両外気３０を冷却し、そのプロセスでそれ自体が加熱されて蒸発される。ほぼ気体の冷媒２０は、その後、方向弁３６によって再び元の冷媒リザーバ４２へ入る。
【００５４】
図４〜図６は、基本的な構造および動作に関して図１〜図３に示される冷媒回路１０の第１の実施形態に概ね対応する第２の実施形態に係る冷媒回路１０を示す。したがって、繰り返しを避けるため、図１〜図３の先の説明が明示的に参照され、以下では、実施形態間の違いのみについて説明する。
【００５５】
第１の実施形態とは異なり、図４〜図６では、冷房モードで第２の減圧ユニット３４の上流側に配置されるとともに暖房モードで第１の減圧ユニット２６の上流側に配置される冷媒リザーバ５２が吐出側に設けられる。したがって、冷媒リザーバ５２は高圧リザーバであり、該高圧リザーバから好ましくは専ら液体冷媒２０だけが引き出され、それにより、その液体冷媒を、冷房モードでは第２の減圧ユニット３４を介して蒸発器３２へ伝導し、暖房モードでは第１の減圧ユニット２６を介して蒸発器として作用する熱交換器２８へ伝導する。
【００５６】
冷媒回路１０は、第１の圧縮機１６の吸込側５４に至るまでの第１または第２の減圧ユニット２６，３４の下流側の低圧セクションと、第１の圧縮機１６の吐出側５６に至るまでの第１または第２の減圧ユニット２６，３４の上流側の高圧セクションとを有し、低圧セクションおよび高圧セクションは少なくとも特定の領域に内部熱交換器５８として形成される。図４〜図６には、内部熱交換器５８として形成される冷媒回路１０の領域間の熱交換が破線双頭矢印６０によって示されており、これらの２つの領域は、実際の冷媒回路１０において良好な熱伝達が可能となるようにそれらの領域が互いに近接して位置される場合であっても、明確にするためだけの理由で互いから離れて示される。
【００５７】
図６に示される暖房モードでは、内部熱交換器５８の機能がどちらかといえば取るに足りないが、図５に示される冷房モードでは、車両空調システム１２の効率がかなり高められる。これは、高圧セクション内の冷媒２０が熱エネルギーを低圧セクション内の冷媒２０へ伝えるからである。
【００５８】
車両空調システム１２の効率を高めるための内部熱交換器５８の組み込みが冷媒回路１０の特定の実施形態に限定されないことは言うまでもない。したがって、内部熱交換器５８を特に図１〜図３に示される冷媒回路１０で使用することもできる。
【００５９】
図４〜図６に示される冷媒回路１０の第２の実施形態では、冷房モードにおいて熱交換器２８の下流側に配置されるともに冷媒リザーバ５２の上流側に配置される逆止弁６２が更に設けられる。したがって、図５に示される冷媒モータにおいて、逆止弁６２は、冷媒が熱交換器２８から冷媒リザーバ５２へ流れることができるようにし、一方、図６に示される暖房モードにおいて、逆止弁は、冷媒が冷媒リザーバ５２および第１の減圧ユニット２６を迂回することによって凝縮器２２から直接に熱交換器２８へ流れるのを防止する。
【００６０】
図７は、車両空調システム１２の冷房モードにおける冷媒回路１０のモリエ線図を示し、エンタルピーＥが横座標上に対数的にプロットされ、また、冷媒２０の圧力Ｐが縦座標上に対数的にプロットされる。ここで、クロスハッチングで協調された冷媒２０（ここでは、Ｒ  １３４  ａ）の蒸発範囲６４は、約０℃の温度および約３バールの対応する冷媒圧力にある。その後、冷媒２０は、同様にクロスハッチングで強調される凝縮範囲６６に入るまでは、専ら第１の圧縮機１６のみによって圧縮され、凝縮範囲６６では、冷媒２０が約２０バールの圧力で約６５℃の温度にある。最後に、冷媒２０は、それが再び蒸発範囲６４内に入る程度まで第２の減圧ユニット３４で膨張される。
【００６１】
図８は、車両空調システム１２の暖房モードにおける冷媒回路１０のモリエ線図を示し、同様に、エンタルピーＥが横座標上に対数的にプロットされ、また、冷媒２０の圧力Ｐが縦座標上に対数的にプロットされる。冷房モードと比べて、暖房モードでは、蒸発範囲６４と凝縮範囲６６とがかなり離れて位置しており、したがって、圧縮ユニット１４のより高い出力が必要とされる。このため、第２の圧縮機１８が作動され、それにより、圧縮ユニット１４の出力は、第１の圧縮機１６の出力と第２の圧縮機１８の出力とから成る。
【００６２】
冷媒Ｒ  １３４  ａおよびＨＦＯ  １２３４  ｙｆは、特に図示の冷媒回路１０のための冷媒２０として適している。しかしながら、言うまでもなく、他の適した冷媒２０を車両空調システム１２の冷媒回路１０で使用することもできる。
【００６３】
車両空調システム１２のための前述した冷媒回路１０および車両内部の空調を行う提起された方法は、車両内部を暖めるためにかなりの“エンジン熱”をもたらさない電気自動車に特に適している。このとき、この暖房は、車両空調システム１２の冷媒回路１０の前述したヒートポンプ動作によって行なわれる。
【００６４】
極限状態下において冷媒回路１０がヒートポンプ動作で車両内部を暖めるのに十分な暖房出力を与えることができなければ、例えば、車両外気３０が極めて低い温度にある場合、車両空調システム１２は、随意的に、空気２４の流れ方向で凝縮器２２の下流側に配置される更なる暖房器具６８を有することができる。暖房器具６８は、図１〜図３に示されるように、冷媒回路１０の第１の実施形態のみに示されるが、無論、随意的には、冷媒回路１０の第２の実施形態において暖房器具６８を設けることもできる。
【００６５】
暖房器具６８は、その電気抵抗が温度に伴って変化するＰＴＣヒーターと称されるものであることが特に好ましい。したがって、凝縮器２２からの空気２４が暖かければ暖かいほど、ＰＴＣヒーターの電気抵抗が大きくなるとともに、その暖房出力が低くなる−逆もまた同様である。したがって、暖房器具６８は、空気温度に応じてその暖房出力を自動的に調整するとともに、低い空気温度が与えられると高い暖房出力を生み出し、高い温度が与えられると低い暖房出力を生み出す。これは、ひいては、車両空調システム１２の特に省エネ動作に寄与する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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