(57)【要約】【課題】車両のエアコンディショニングユニットの冷凍回路及びヒートポンプ回路の熱力学的条件への適合が保証されるようにする。【解決手段】本発明は、二酸化炭素で作動可能なエアコンディショニングユニット（１，１０）及び二酸化炭素が膨張しながら仕事を行うかかるユニットの作動方法を提供する。このユニットは、低圧から中圧に圧縮する主コンプレッサ（２）と、第１の外部熱交換器（３）と、中圧から高圧にあらかじめ圧縮する補助コンプレッサ（４，４０）と、第２の外部熱交換器（５）と、膨張機械（６，６０）と、内部熱交換器（７）とを有する。エアコンディショニングユニット（１，１０）は、二酸化酸素が互いに逆方向に通過する冷凍回路（８，８０）及びヒートポンプ回路（８１）に関して切り換え可能である。【選択図】図１
2007263552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素が膨張しながら仕事を行い、この仕事のエネルギーが二酸化炭素を第２の圧縮段で圧縮するのに役立つエアコンディショニングユニット（１，１０）であって、少なくとも、第１の圧縮段の形態をしていて、低圧から中圧に圧縮する主コンプレッサ（２）と、第１の外部熱交換器（３）と、第２の圧縮段の形態をしていて、中圧から高圧にあらかじめ圧縮する補助コンプレッサ（４，４０）と、第２の外部熱交換器（５）と、膨張機械（６，６０）と、内部熱交換器（７）とを有し、前記構成要素は、互いに上述の順序で連結されて回路（８，８０）を形成し、膨張機械（６，６０）と補助コンプレッサ（４，４０）は、膨張−圧縮機械（９，９０）を形成し、
エアコンディショニングユニット（１，１０）は、二酸化酸素が互いに逆方向に通過する回路、即ち、冷凍回路（８，８０）及びヒートポンプ回路（８１）に関して切り換え可能であり、
−特定された前記回路（８，８０，８１）にそれぞれの応じた流路の入れ替えが膨張機械（６，６０）に割り当てられ、それにより入口と出口が回路（８，８０，８１）に応じて入れ替えられ、
−特定された前記回路（８，８０，８１）にそれぞれ応じた流路の入れ替えが補助コンプレッサ（４，４０）に割り当てられ、補助コンプレッサが膨張機械（６，６０）により駆動され、それにより入口と出口が前記回路（８，８０，８１）に応じて入れ替えられ、
−圧力レベル差が特定された前記回路（８，８０，８１）に応じて前記外部熱交換器（３，５）に割り当てられ、
それにより前記膨張−圧縮機械（９，９０）内における圧縮と膨張の割り当てられた容積／密度比が特定される、エアコンディショニングユニット。
【請求項２】
前記膨張−圧縮機械（９，９０）は、前記車両の前記エアコンディショニングユニットの最高圧力が１４０バールの範囲内でそれぞれ設定された前記高圧によって前記車両の前記エアコンディショニングユニットの前記主コンプレッサ（２）に合わせて構成されている、請求項１記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項３】
少なくとも１つの別の膨張−圧縮機械又は膨張機械が、前記エアコンディショニングユニットに組み込まれている、請求項１又は２記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項４】
前記冷凍回路（８，８０）において、前記内部熱交換器（７）は、エバポレータであり、前記ヒートポンプ回路（８１）では、前記内部熱交換器（７）は、ヒータである、請求項１〜３のうちいずれか一に記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項５】
前記冷凍回路（８，８０）及び前記ヒートポンプ回路（８１）において、前記内部熱交換器（７）は、エバポレータであり、前記ヒートポンプ回路（８１）に関し、追加のヒータが前記エバポレータと並列して設けられている、請求項１〜３のうちいずれか一に記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項６】
−前記膨張機械（６，６０）は、全圧力で稼働し、前記補助コンプレッサ（４，４０）には、前記押し退け仕事に加えて、容積変化仕事が課され、又は、
−前記膨張機械（６，６０）には、押し退け仕事及び容積変化仕事が課され、前記補助コンプレッサ（４，４０）は、全圧力で稼働し、又は
−前記膨張機械（６，６０）と前記補助コンプレッサ（４，４０）の両方は、全圧力原理（押し退け仕事）に従って稼働し、又は
−前記膨張機械（６，６０）と前記補助コンプレッサ（４，４０）の両方には、押し退け仕事及び容積変化仕事が課される、請求項１〜３のうちいずれか一に記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項７】
前記車両の前記エアコンディショニングユニットに合わせて構成された前記膨張−圧縮機械（９，９０）では、
−０．４〜０．５４の範囲、又は
−０．５５〜０．８の範囲、又は
−０．６〜０．６７５の範囲の密度又は容積比が設定され、
前記比は、容積効率λ＝１のタイトな膨張−圧縮機械（９，９０）に当てはまり、前記容積効率がλ＝１とは異なる場合、それに応じて修正されなければならない、請求項１のエアコンディショニングユニット。
【請求項８】
前記補助コンプレッサ（４，４０）及び前記膨張機械（６，６０）は、回転又は振動容積形機械、好ましくは内部シャフト又は２シャフト歯車機械を備えた回転ピストン機械として構成され、前記機械は各々、前記二酸化炭素のあらかじめ与えられた流れ方向に応じて互いに逆の回転方向を有し、前記膨張機械（６，６０）及び前記補助コンプレッサ（４，４０）は、種々の周囲温度において、前記二酸化炭素の流れ方向に関し切り換え可能に構成されると共に冷凍回路（８０）からヒートポンプ回路（８１）に、又その逆の関係に動作を切り可能に設けられ、前記膨張機械（６，６０）と前記補助コンプレッサ（４，４０）との間の密度及び容積の比が特定される、請求項１〜７のうちいずれか一に記載のエアコンディショングユニット。
【請求項９】
前記回転容積形機械、好ましくは内部シャフト又は２シャフト歯車機械を備えた回転ピストン機械は、前記回路（８，８０，８１）内に設けられた流路の方向に応じて逆の回転方向に達することができるようにするケーシング内の押し退け幾何学的形状を有する、請求項８記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項１０】
前記膨張−圧縮機械（９，９０）内に存在する前記膨張機械（６，６０）と前記補助コンプレッサ（４，４０）は、共通シャフト（９１）によって互いに連結されている、請求項８又は９記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項１１】
前記膨張−圧縮機械（９，９０）は、一ケーシング内に設けられた前記膨張機械（６，６０）及び前記補助コンプレッサ（４，４０）で構成されている、請求項８〜１０のうちいずれか一に記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項１２】
供給ラインが、前記主コンプレッサ（２）及び前記補助コンプレッサ（４，４０）に割り当てられ、前記供給ラインは、弁、オプションとして、制御可能な弁（９２，９３，９４，９５）を備え、従って、前記冷凍回路（８，８０）又は前記ヒートポンプ回路（８１）に応じて、前記主コンプレッサ（２）の回路関連通路（５１，５２）は、調節可能であり、弁（１１，１２，１３，１４；９２，９３，９４，９５）は、オプションとして少なくとも連絡可能に制御装置（９９）に連結されるようになっている、請求項１１記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項１３】
前記ヒートポンプ回路（８１）では、既存の膨張−圧縮機械（９，９０）に加えて、オプションとして、少なくとも１つの追加の補助圧縮段が、前記膨張−圧縮機械（９，９０）に設けられ、前記補助圧縮段は、超臨界作動とオプションとしての臨界未満作動の両方について用いられる、請求項１２記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項１４】
前記ヒートポンプ回路（８１）では、既存の膨張−圧縮機械（９，９０）に加え、前記膨張−圧縮機械（９，９０）には少なくとも１つの追加の補助膨張段が設けられ、前記補助膨張段は、超臨界作動とオプションとしての臨界未満作動の両方に用いられ、前記膨張−圧縮機械は両方共、直列又は並列回路を形成する、請求項１２記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項１５】
前記ヒートポンプ回路（８１）では、既存の膨張−圧縮機械（９，９０）に加え、追加の絞り断面が、オプションとして、前記膨張−圧縮機械（９，９０）の前記膨張又は前記膨張段又は前記補助圧縮段と並列に用いられ、前記絞り断面は、超臨界作動とオプションとしての臨界未満作動の両方に用いられる、請求項１２記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項１６】
各作動モード中、前記外部熱交換器（３，５）は、中圧部と高圧部に分割される、請求項１〜１５のうちいずれか一に記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項１７】
前記主コンプレッサ（２）は、機械的駆動装置及び（又は）電気的駆動装置を備えている、請求項１記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項１８】
前記エアコンディショニングユニットは、内部熱交換器（ＩＨＸ）（１５）を備え、前記内部熱交換器は、一方において、前記主コンプレッサ（２）と前記内部熱交換器（７）との間の前記ライントレイン（１６）中に組み込まれ、他方において、前記第２の外部熱交換器（５）と前記膨張機械（６，６０）との間の前記ライントレイン（１７）中に組み込まれている、請求項１〜１７のうちいずれか一に記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項１９】
二酸化炭素で作動可能であり、前記二酸化炭素が膨張しながら仕事を行うプロセスのための請求項１〜１７のうちいずれか一に記載の車両用エアコンディショニングユニット（１，１０）を作動させる方法であって、前記膨張しながら行われる仕事のエネルギーが、前記二酸化炭素を高圧段で圧縮するのに役立つ方法において、前記冷凍回路（８，８０）は、前記二酸化炭素の流れの道筋に関し、次のステップ、即ち、
−前記主コンプレッサ（２）の駆動による二酸化炭素の圧縮ステップ、
−熱を放出する中圧のガスクーラとして働く前記第１の外部熱交換器（３）中における圧縮二酸化炭素の流通ステップ、
−前記膨張機械（６，６０）によって機械的に駆動され、第２の圧縮段におけるコンプレッサとして働く前記補助コンプレッサ（４０）中における圧縮二酸化炭素の流通ステップ、
−高圧ガスクーラとして働く前記第２の外部熱交換器（５）中における圧縮二酸化炭素の流通ステップ、
−前記補助コンプレッサ（４０）を駆動するために仕事を行いながら直接用いられる膨張が生じる前記膨張機械（６０）中における圧縮二酸化炭素の流通ステップ、
−エバポレータとして働く前記一体形内部熱交換器（５）中における圧縮二酸化炭素の流通スナップで実施され、前記主コンプレッサ（２）、前記第１の外部熱交換器（３）、前記補助コンプレッサ（４，４０）、前記第２の外部熱交換器（５）、前記膨張機械（６０）及び前記内部熱交換器（７）は、この順序で連結されて流れが通される、方法。
【請求項２０】
二酸化炭素で作動可能であり、前記二酸化炭素が膨張しながら仕事を行うプロセスのための請求項１〜１７のうちいずれか一に記載の車両用エアコンディショニングユニット（１，１０）を作動させる方法であって、前記膨張しながら行われる仕事のエネルギーが、前記二酸化炭素を高圧段で圧縮するのに役立つ方法において、前記ヒートポンプ（８１）は、前記二酸化炭素の流れの道筋に関し、次のステップ、即ち、
−第１の圧縮段の一部として前記冷凍回路（８，８０）と同一の機能を有し、前記冷凍回路の場合と同じ二酸化炭素の流れ方向が存在する前記主コンプレッサ（２）の駆動による二酸化炭素の圧縮ステップ、
−ヒータとして働く前記内部熱交換器（７）中における前記冷凍回路とは逆の方向における圧縮二酸化炭素の流通スナップ、
−前記膨張機械（６０）においても前記補助コンプレッサ（４０）を駆動するために仕事を行いながら直接用いられる膨張が生じるように入口と出口が入れ替えられる逆方向における前記膨張機械（６０）中における圧縮二酸化炭素の流通スナップ、
−環境から熱を奪う低圧エバポレータとして働く前記第２の外部熱交換器（５）中における圧縮二酸化炭素の流通ステップ、
−二相領域において第１の圧縮段のコンプレッサとして働く前記補助コンプレッサ（４，４０）中における圧縮二酸化炭素の流通ステップ、
−中圧コンプレッサとして働き、又、環境から熱を奪う前記第１の外部熱交換器（３）中における圧縮二酸化炭素の流通スナップで実施され、前記主コンプレッサ（２）、前記内部熱交換器（７）、前記膨張機械（６，６０）、前記第２の外部熱交換器（５）、前記補助コンプレッサ（４，４０）及び第１の外部熱交換器（３）は、この順序で連結されて流れが通される、方法。
【請求項２１】
内部熱交換器（ＩＨＸ）（１５）が、一方において、前記主コンプレッサ（２）と前記内部熱交換器（７）との間の前記ライントレイン中に組み込まれ、他方において、前記第２の外部熱交換器（５）と前記膨張機械（６，６０）との間の前記ライントレイン中に組み込まれている、請求項１９又は２０記載の方法。
【請求項２２】
両方の前記回路（８０，８１）において、前記膨張機械（６０）の入口と出口は、前記二酸化炭素の流れ方向の変化により互いに入れ替わり、両方の前記回路（８０，８１）の２つの前記外部熱交換器（３，５）は、互いに異なる圧力レベルで働き、それにより、前記第１の外部熱交換器（３）は、前記冷凍回路（８，８０）では、熱を環境に放出する中圧ガスクーラとして働き、前記ヒートポンプ回路（８１）では、環境から熱を奪う中圧エバポレータとして働き、前記第２の外部熱交換器（５）は、前記冷凍回路（８，８０）では、熱を環境中へ放出する高圧ガスクーラとして働き、前記ヒートポンプ回路（８１）では、熱を環境から奪う低圧エバポレータとして働く、請求項１９〜２１のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項２３】
前記膨張−圧縮機械（９，９０）は、前記車両のエアコンディショニングユニットの前記プロセスパラメータ、即ち、温度及び冷媒流量に適合するようになっている、請求項１９〜２２のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項２４】
前記圧縮と前記膨張との間の容積／密度比が特定され、達成可能な最大性能係数又は達成可能な最大性能係数ＣＯＰｍａｘからの性能係数の偏差及び前記車両のエアコンディショニングユニットの最高圧の範囲内での許容可能な高圧は、主要なパラメータであり、ＣＯＰ値として、指定された時点で指定された周囲温度条件における熱出力と補助エネルギーを含む機械的及び（又は）電気的動力入力の比の値が定義される、請求項１９〜２３のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項２５】
前記補助コンプレッサ（４０）内の前記二酸化炭素の出口密度と入口密度の比としての前記密度の変化は、１．０〜１．３、特に１．０５〜１．２０、特に１．０８〜１．１５であり、これは、内部容積の変化の有無を問わず補助コンプレッサについて当てはまる、請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
圧縮／膨張相互間の密度／面積比は、３０℃〜７０℃のガスクーラ出口温度での超臨界作動に関し０．４０〜０．５４及び０．５５〜０．８の値、特に、０．６〜０．６７５の値に設定され、容積効率λ＝１のタイトな膨張−圧縮機械に関する値又は容積効率がλ＝１とは異なる改造された膨張−圧縮機械について修正された値が提供される、請求項２４記載の方法。
【請求項２７】
前記第２の圧縮段（９０）は、オプションとして、二相領域でも作動される、請求項１９〜２６のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項２８】
前記臨界未満冷凍モードでは、前記超臨界プロセスの前記密度比が採用される、請求項２６記載の方法。
【請求項２９】
仕事を行う膨張は、オプションとして、完全に、不完全に又は全圧力原理で実施される、請求項１９〜２７のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項３０】
前記膨張−圧縮機械（９，９０）の前記入口と前記出口の入れ替えにより、前記膨張−圧縮機械（９，９０）は、前記機械（９，９０）の前記補助コンプレッサ（４，４０）が、オプションとして、コンプレッサ又は膨張機械として作動されるよう構成され、同じことは、前記膨張機械（６，６０）にも当てはまり、前記膨張機械は、組み合わせ形歯車機械か回転又は振動により作業空間を塞ぐ他の回転／振動機械かのいずれか及び前記コンプレッサと前記膨張機械との間の与えられた密度比によって実施される膨張機械又はコンプレッサとして働き、前記密度比は、オプションとして、前記冷凍回路又は前記ヒートポンプ回路が選択可能になるように調節され、前記歯車機械の作業空間として、歯車の周りの容積が、それぞれ定められる、請求項１９〜２９のうちいずれか一に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素で作動可能な車両用エアコンディショニングユニット及び膨張しながら仕事を行う二酸化炭素でエアコンディショニングユニットを作動させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用エアコンディショニング用途で従来用いられている臨界経過（transcritical）プロセス（実線、プロセスＢ）が、圧力／エンタルピー図に記載されており、このプロセスは、圧縮（状態１″−状態２″）、外部熱交換器への熱出力（状態２″−状態３″）、内部熱交換器の高圧側（状態３″−状態４″）、非可逆性等圧膨張（状態４″−状態５″）、内部熱交換器（状態５″−状態６″）、及び内部熱交換器の低圧側（状態６″−状態１″）によって説明される。
【０００３】
問題は、高い周囲温度では、このプロセスの性能係数が、現行の冷媒又はその代替品と比較して比較的明確に減少するということにある。
このプロセスの熱力学的分析の示すところによれば、二酸化炭素の仕事を行う膨張は、設計に応じて、この欠点を少なくとも補償することができる。これを達成するため、非可逆的膨張４″−５″に代えて、仕事を行う可逆的膨張（概略的に５′−６′）が用いられる。
【０００４】
二酸化炭素で作動可能な自動車用のかかるエアコンディショニングユニット１は、独国特許第１９８４１６８６号明細書、独国未公開特許第１００１３１９１号明細書及び独国特許出願公開第１０２２０３９１号明細書に記載されており、冷凍／エアコンディショニングユニットは、歯車機械の形態をした膨張機械を有するものとして記載されている。かかる実施形態は、一段冷媒プロセスであり、エアコンディショニングユニットは、二酸化炭素を利用した冷媒回路を有し、この冷媒回路は、流れの方向に、コンプレッサ、ガスクーラ又は液化機、歯車機械（外部歯付き、螺旋歯付き）の形態をした膨張機械、及びエバポレータを有し、これらコンポーネントは、ラインにより互いに連結されている。冷媒回路では、二酸化炭素は、膨張して二相領域中に仕事を行い、膨張の開始点は、超臨界又は臨界未満である場合がある。周囲温度に応じて、ユニットをエアコンディショニングモード又はヒートポンプモードで作動させることができる。仕事を行う膨張により歯車機械の膨張プロセス中に得られたエネルギーは、例えば、コンプレッサを駆動するための機械的又は電気的動力として用いられる。主コンプレッサへの機械的組み込みは、比較的費用がかかり、効率の連鎖は、電力への変換にとって重要である。
【０００５】
技術の現状に従って伝統的に定置冷凍／エアコンディショニング用途に用いられている別の臨界経過プロセスが、図２の圧力／エンタルピー図に記載されており（破線、プロセスＡ）、このプロセスは、圧縮（状態１′−状態２′）、第１の外部熱交換器への熱出力（状態２′−状態３′）、補助コンプレッサ段（状態３′−４′）、第２の外部熱交換器（状態４′−状態５′）、補助コンプレッサ段を直接駆動する膨張段５′−６′、及び内部熱交換器（状態５′−状態６′）によって説明される。
【０００６】
図１の二酸化炭素で作動可能な定置用のかかるエアコンディショニングユニット１は、独国特許第１９８１３２２０号明細書に記載されているが、膨張−圧縮機械がフリーピストン式機械として実現された状態で設けられている。この特許文献に記載された膨張−圧縮機械は、独国特許出願公開第１０２４２２７１号明細書に関し、膨張がフリーピストン式機械の形態を維持した状態で多段方式に構成されている点で一段と改良されている。エアコンディショニングユニット１は、メインコンプレッサ２と、第１の外部熱交換器３と、補助コンプレッサ４と、第２の外部熱交換器５と、膨張機械６と、内部熱交換器７とを有している。これらは、二酸化炭素のための回路８を構成するようこの順序で互いに連結されている。膨張機械６及び補助コンプレッサ４は、膨張−圧縮機械９として構成されている。膨張−圧縮機械９は、フリーピストン式設計に合わせて構成されていて、二酸化炭素の仕事を行う膨張方式のピストン形膨張機であり、二酸化炭素の仕事を行う膨張のエネルギーは、二酸化炭素を膨張−圧縮機械９の高圧段で圧縮するために用いられる。多段膨張が提供され、膨張は、複動形シリンダを備えた数基の膨張機械を用いて生じるよう管理されるのがよく、膨張機械のピストンは、ピストンロッドを介して補助コンプレッサ４のピストンに機械的に結合されている。仕事を行う膨張は、膨張機械６中で生じ、補助コンプレッサ４の高圧段で圧縮が行われる。冷凍ユニット１の動作原理を説明すると、二酸化炭素に膨張機械６中の仕事を行う膨張及び補助コンプレッサ４内での圧縮を同時に及ぼす。
【０００７】
自動車業界は、自動車コンポーネントの小形化を目的としているので、可搬用途、例えば自動車に上述の膨張−圧縮機械を用いることは、これに起因する設計及び寸法形状により組み立て及び作動が複雑になるということを意味することが問題となる。
【０００８】
第２のコンプレッサ段を備えた冷凍機械が、ロレンツェン・ジー（Lorentzen, G）著，「ジ・ユーズ・オブ・ナチュラル・リフリージェランツ−ア・コンプリート・ソリュージョン・トュ・ザ・CFC／HCFC・プリーダメント（The use of natural refrigerants - a
complete solution to the CFC/HCFC predament）」，「プロシーディング・オブ・コンフェレンス・ニュー・アプリケーション・オブ・ナチュラル・ワーキング・フリューズ・イン・リフリジェレーション・アンド・エアコンディショニング（Proceeding of conference New Application of Natural Working Fluids in Refrigeration and Air Conditioning）」，ハノーバー（Hannover），10-13.5.94，23/36 に記載されており、エアコンディショニングユニットは、第１のコンプレッサ、第１のガスクーラ、第２のコンプレッサ、第２のガスクーラ、膨張機械及びエバポレータを有し、これらは、閉冷凍回路を形成するよう互いに直列に連結されている。コンプレッサ及び膨張機械は、両方共ピストン形機械として構成されており、これらは、駆動モータに連結され、このモータにより駆動される。
【０００９】
独国特許出願公開第１０２００５０１７６２３号明細書では、膨張が仕事を行っている状態で、比冷凍出力の増大のみが用いられる。利用できる機械的膨張仕事は、摩擦熱に変換され、この摩擦熱により冷媒回路が加熱される。この方法を用いると、エアコンディショニングモードにおける性能係数が改善され、これに対し、仕事を行う膨張の高い潜在的可能性は利用されない。
【００１０】
【特許文献１】独国特許第１９８４１６８６号明細書
【特許文献２】独国未公開特許第１００１３１９１号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１０２２０３９１号明細書
【特許文献４】独国特許第１９８１３２２０号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第１０２４２２７１号明細書
【特許文献６】独国特許出願公開第１０２００５０１７６２３号明細書
【非特許文献１】ロレンツェン・ジー（Lorentzen, G）著，「ジ・ユーズ・オブ・ナチュラル・リフリージェランツ−ア・コンプリート・ソリュージョン・トュ・ザ・CFC／HCFC・プリーダメント（The use of natural refrigerants - a complete solution to the CFC/HCFC predament）」，「プロシーディング・オブ・コンフェレンス・ニュー・アプリケーション・オブ・ナチュラル・ワーキング・フリューズ・イン・リフリジェレーション・アンド・エアコンディショニング（Proceeding of conference New Application of Natural Working Fluids in Refrigeration and Air Conditioning）」，ハノーバー（Hannover）10-13.5.94，23/36
【発明の開示】
【００１１】
本発明は、車両のエアコンディショニングユニットにとってコンパクトに構成されると共に膨張−圧縮機械を冷凍回路及びヒートポンプ回路の熱力学的条件に適合させる、二酸化炭素で作動できる車両用エアコンディショニングユニット及びエアコンディショニングユニットの作動方法を説明する課題に基づいている。現行のエアコンディショニングユニットの作動圧力を超えるべきではない。
【００１２】
この課題は、請求項１、請求項１８及び請求項１９の特徴によって解決される。請求項１の記載によれば、二酸化炭素で作動可能であり、二酸化炭素が膨張しながら仕事を行い、この仕事のエネルギーが二酸化炭素を第２の圧縮段で圧縮するのに役立つエアコンディショニングユニットが、少なくとも、第１の圧縮段の形態をしていて、低圧から中圧に圧縮する主コンプレッサと、第１の外部熱交換器と、第２の圧縮段の形態をしていて、中圧から高圧にあらかじめ圧縮する補助コンプレッサと、第２の外部熱交換器と、膨張機械と、内部熱交換器とを有し、構成要素は、互いに上述の順序で連結されて冷凍モードで動作する回路を形成し、膨張機械と補助コンプレッサは、膨張−圧縮機械を形成し、
エアコンディショニングユニットは、二酸化酸素が互いに逆方向に通過する回路、即ち、冷凍回路及びヒートポンプ回路に関して切り換え可能であり、
−特定された回路にそれぞれの応じた流路の交番が膨張機械に割り当てられ、それにより入口と出口が回路に応じて入れ替えられ、
−特定された回路にそれぞれ応じた流路の交番が補助コンプレッサに割り当てられ、補助コンプレッサが膨張機械により駆動され、それにより入口と出口が回路に応じて入れ替えられ、
−圧力レベル差が特定された回路に応じて外部熱交換器に割り当てられ、
それにより膨張−圧縮機械（９，９０）内における圧縮と膨張の割り当てられた容積／密度比が特定される。
【００１３】
膨張−圧縮機械は、車両のエアコンディショニングユニットの主コンプレッサ（質量流量）及び技術の現状の自動車用ＣＯ2冷媒回路の動作パラメータ（最高約１４０バールの高圧）に合わせて調整される。可能な限り最大の性能係数を計算すると、今日のシステムよりも明らかに高圧が得られた。本発明の目的は、指定された動作圧力を超えないように膨張−圧縮機械を改造することにある。
【００１４】
少なくとも１つの別の膨張−圧縮機械又は膨張機械をエアコンディショニングユニットに組み込むのがよい。
【００１５】
内部熱交換器は、冷凍回路とではエバポレータとして機能し、ヒートポンプ回路ではヒータとして機能する。
【００１６】
膨張機械及び補助コンプレッサを全圧力機械であるように構成するのがよく、それにより、
−膨張機械は、全圧力で稼働し、補助コンプレッサには、押し退け仕事に加えて、容積変化仕事が課され、又は、
−膨張機械には、押し退け仕事及び容積変化仕事が課され、補助コンプレッサは、全圧力で稼働し、又は
−膨張機械と補助コンプレッサの両方には、容積変化仕事が課される。
【００１７】
車両のエアコンディショニングユニットに適合させた膨張−圧縮機械では、以下の密度比、即ち、
−０．４〜０．５４の範囲、又は
−０．５５〜０．８の範囲、又は
−０．６〜０．６７５の範囲を設定するのがよく、
かかる比は、容積効率λ＝１のタイトな膨張−圧縮機械に当てはまり、又は、前記容積効率がλ＝１とは異なる場合、それに応じて修正されなければならない。
【００１８】
補助コンプレッサ及び膨張機械は、回転又は振動容積形機械、好ましくは内部シャフト又は２シャフト歯車機械を備えた回転ピストン機械として構成されるのがよく、機械は各々、二酸化炭素のあらかじめ与えられた流れ方向に応じて互いに逆の回転方向を有し、膨張機械及び補助コンプレッサは、種々の周囲温度において、二酸化炭素の流れ方向に関し切り換え可能に構成されると共に冷凍回路からヒートポンプ回路に、又その逆の関係に動作を切り可能に設けられ、膨張機械と補助コンプレッサとの間の密度及び容積の比が特定される。
【００１９】
回転容積形機械、好ましくは内部シャフト又は２シャフト歯車機械を備えた回転ピストン機械は、回路内に設けられた流路の方向に応じて逆の回転方向に達することができるようにするケーシング内の押し退け幾何学的形状を有するのがよい。
【００２０】
膨張−圧縮機械内に存在する膨張機械と補助コンプレッサは、共通シャフトによって互いに連結されるのがよい。
【００２１】
膨張−圧縮機械は、一ケーシング内に設けられた膨張機械及び補助コンプレッサで構成されるのがよい。
【００２２】
供給ラインが、主コンプレッサ及び補助コンプレッサに割り当てられ、供給ラインは、弁、オプションとして、制御可能な弁を備え、従って、冷凍回路又はヒートポンプ回路に応じて、主コンプレッサの回路関連通路は、調節可能であり、弁は、オプションとして少なくとも連絡可能に制御装置に連結されるようになっている。
【００２３】
ヒートポンプ回路では、既存の膨張−圧縮機械に加えて、オプションとして、少なくとも１つの追加の補助圧縮段が、膨張−圧縮機械に設けられるのがよく、補助圧縮段は、超臨界作動とオプションとしての臨界未満作動の両方について用いられる。
【００２４】
他方、ヒートポンプ回路では、既存の膨張−圧縮機械に加え、膨張−圧縮機械には少なくとも１つの追加の補助膨張段が設けられるのがよく、補助膨張段は、超臨界作動とオプションとしての臨界未満作動の両方に用いられ、膨張−圧縮機械は両方共、直列又は並列回路を形成する。
【００２５】
最後に、ヒートポンプ回路では、既存の膨張−圧縮機械に加え、追加の絞り断面が、オプションとして、膨張−圧縮機械の膨張又は膨張段又は補助圧縮段と並列に用いられるのがよく、絞り断面は、超臨界作動とオプションとしての臨界未満作動の両方に用いられる。
【００２６】
各作動モード中、外部熱交換器は、中圧部と高圧部に分割されるのがよい。
【００２７】
上述のことから推定されることは、外部熱交換器は、外部熱交換器の中圧及び（又は）高圧部、膨張−圧縮機械及び内部熱交換器／アキュムレータ又はそれぞれ空気が入れられる車両のアキュムレータ（以下に説明する）又は冷凍回路から成るコンパクトなモジュールである。
【００２８】
外部熱交換器のところの膨張により、膨張した低温冷媒は、熱入力ができる限り少ないエバポレータに運ばれなければならない。これは、低圧の２つの冷媒の流れを有する二重管（同軸管）を用いることによって達成され、外部熱交換器からの膨張済み冷媒は、好ましくは、エバポレータから来た冷媒を包囲した状態で内部を流れる。同軸管は、２つの冷媒の流れ相互間で熱を伝達することを主な目的とはしておらず、外部からの熱入力をできる限り少なく保つ。
【００２９】
外部熱交換器の場合、更に、その結果として、特に第２の圧縮段後における低い圧縮最終温度により、熱は、周囲空気には放出されず、将来の自動車に提供される低圧又は高圧冷凍回路中に組み込まれる。以下のシナリオが考えられる。
ａ）高温回路では３及び低温回路では５、
ｂ）低温回路では３及び５、
ｃ）高温回路では３及び５、
ｄ）低温回路では３及び高温回路では５。
【００３０】
熱交換器３（及び（又は）５）中の周囲空気への熱の伝達及び他の各熱交換器３（及び（又は）５）中の冷凍回路への熱の伝達も考えられる。
【００３１】
その結果、膨張−圧縮機械の構成に関し、この機械を高圧熱交換器とのみ組み合わせた状態で好ましくはエバポレータユニットの近くでエンジンコンパートメント内に比較的独立してコンパクトなユニットとして配置できる。
【００３２】
主コンプレッサは、オプションとして、機械的駆動装置及び（又は）電気的駆動装置を備えるのがよい。
【００３３】
エアコンディショニングユニットは、内部熱交換器（以下ではＩＨＸ）を備えるのがよく、内部熱交換器は、一方において、主コンプレッサと内部熱交換器との間のライントレイン中に組み込まれ、他方において、第２の外部熱交換器と膨張機械との間のライントレイン中に組み込まれる。それにより、現行のＣＯ2ユニットを明らかに下回るＩＨＸの５％〜５０％の効率が目的とされる。この場合、内部熱交換器は、プロセスＢと比較して、質量流量を僅かに減少させるようになっている。プロセスＢでは、ＩＨＸは、高い周囲温度で所要の冷凍能力をもたらすようになっており、最大性能係数では最適高圧を著しく減少させる。
【００３４】
二酸化炭素で作動可能であり、二酸化炭素が膨張しながら仕事を行うプロセスのための車両用エアコンディショニングユニットを請求項１９の特徴記載部分に従って作動させる方法であって、膨張しながら行われる仕事のエネルギーが、二酸化炭素を高圧段で圧縮するのに役立つ方法において、
冷凍回路は、二酸化炭素の流れの道筋に関し、次のステップ、即ち、
−主コンプレッサの駆動による二酸化炭素の圧縮ステップ、
−熱を放出する中圧のガスクーラとして働く第１の外部熱交換器中における圧縮二酸化炭素の流通ステップ、
−膨張機械によって機械的に駆動され、第２の圧縮段におけるコンプレッサとして働く補助コンプレッサ中における圧縮二酸化炭素の流通ステップ、
−高圧ガスクーラとして働く第２の外部熱交換器中における圧縮二酸化炭素の流通ステップ、
−補助コンプレッサを駆動するために仕事を行いながら直接用いられる膨張が生じる膨張機械中における圧縮二酸化炭素の流通ステップ、
−エバポレータとして働く一体形内部熱交換器中における圧縮二酸化炭素の流通スナップで実施され、主コンプレッサ、第１の外部熱交換器、補助コンプレッサ、第２の外部熱交換器、膨張機械及び内部熱交換器は、連結されて流れが通される。
【００３５】
二酸化炭素で作動可能であり、二酸化炭素が膨張しながら仕事を行うプロセスのための車両用エアコンディショニングユニットを請求項２０の特徴記載部分に従って作動させる方法であって、膨張しながら行われる仕事のエネルギーが、二酸化炭素を高圧段で圧縮するのに役立つ方法において、
ヒートポンプは、二酸化炭素の流れの道筋に関し、次のステップ、即ち、
−第１の圧縮段の一部として冷凍回路と同一の機能を有し、冷凍回路の場合と同じ二酸化炭素の流れ方向が存在する主コンプレッサの駆動による二酸化炭素の圧縮ステップ、
−ヒータとして働く内部熱交換器中における冷凍回路とは逆の方向における圧縮二酸化炭素の流通スナップ、
−膨張機械においても補助コンプレッサを駆動するために仕事を行いながら直接用いられる膨張が生じるように入口と出口が入れ替えられる逆方向における膨張機械中における圧縮二酸化炭素の流通スナップ、
−環境から熱を奪う低圧エバポレータとして働く第２の外部熱交換器中における圧縮二酸化炭素の流通ステップ、
−二相領域において第１の圧縮段のコンプレッサとして働く補助コンプレッサ中における圧縮二酸化炭素の流通ステップ、
−中圧コンプレッサとして働き、又、環境から熱を奪う第１の外部熱交換器中における圧縮二酸化炭素の流通スナップで実施され、主コンプレッサ、内部熱交換器、膨張機械、第２の外部熱交換器、補助コンプレッサ及び第１の外部熱交換器は、連結されて流れが通される。
【００３６】
技術の現状の幾つかの例では、内部熱交換器に加えてヒータがヒートポンプ回路に設けられる。この場合、内部熱交換器は、常にエバポレータである。この特別設計は、扱われないが、本発明では実現できる。
【００３７】
上述の設計では、ＩＨＸは又、一方において、主コンプレッサと内部熱交換器との間のライントレイン中に組み込まれ、他方において、第２の外部熱交換器と膨張機械との間のライントレイン中に組み込まれるのがよい。
【００３８】
両方の回路において、膨張機械の入口と出口は、二酸化炭素の流れ方向の変化により互いに入れ替わるのがよく、両方の回路の２つの外部熱交換器は、互いに異なる圧力レベルで働き、それにより、第１の外部熱交換器は、冷凍回路では、熱を環境に放出する中圧ガスクーラとして働き、ヒートポンプ回路では、環境から熱を奪う中圧エバポレータとして働き、第２の外部熱交換器は、冷凍回路では、熱を環境中へ放出する高圧ガスクーラとして働き、ヒートポンプ回路では、熱を環境から奪う低圧エバポレータとして働く。
【００３９】
それにより、膨張−圧縮機械は、車両のエアコンディショニングユニットのプロセスパラメータ、即ち、温度及び冷媒流量に合わせて調節される。
【００４０】
上述の方法を実現するため、圧縮と膨張との間の容積／密度比が特定され、達成可能な最大性能係数又は達成可能な最大性能係数ＣＯＰｍａｘからの性能係数の偏差及び車両のエアコンディショニングユニットの最高圧の範囲内での許容可能な高圧は、主要なパラメータであり、ＣＯＰ値として、指定された時点で指定された周囲温度条件における熱出力と補助エネルギーを含む機械的及び（又は）電気的動力入力の比の値が定義される。
【００４１】
補助コンプレッサ内の二酸化炭素の出口密度と入口密度の比としての密度の変化は、１．０〜１．３、特に１．０５〜１．２０、特に１．０８〜１．１５であるのがよく、これは、内部容積の変化の有無を問わず補助コンプレッサについて当てはまる。
【００４２】
圧縮／膨張相互間の密度／面積比は、３０℃〜７０℃のガスクーラ出口温度での超臨界作動に関し０．４０〜０．５４及び０．５５〜０．８の値、特に、０．６〜０．６７５の値に設定されるのがよく、容積効率λ＝１のタイトな膨張−圧縮機械に関する値又は容積効率がλ＝１とは異なる改造された膨張−圧縮機械について修正された値が提供される。
【００４３】
第２の圧縮段は、オプションとして、二相領域でも作動されるのがよい。
【００４４】
臨界未満冷凍モードでは、超臨界プロセスの密度比を採用するのがよい。
【００４５】
仕事を行う膨張は、オプションとして、完全に、不完全に又は全圧力原理で実施されるのがよい。
【００４６】
膨張−圧縮機械の入口と出口の入れ替えにより、膨張−圧縮機械は、機械の補助コンプレッサが、オプションとして、コンプレッサ又は膨張機械として作動されるよう構成されるのがよく、同じことは、膨張機械にも当てはまり、膨張機械は、組み合わせ形歯車機械か回転又は振動により作業空間を塞ぐ他の回転／振動機械かのいずれか及びコンプレッサと膨張機械との間の与えられた密度比によって実施される膨張機械又はコンプレッサとして働き、密度比は、オプションとして、冷凍回路又はヒートポンプ回路が選択可能になるように調節され、歯車機械の作業空間として、歯車の周りの容積が、それぞれ定められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
図面を参照して実施形態を例示として本発明を詳細に説明する。
【００４８】
以下において、図１、図３及び図４は、大部分が互いに共通であると考えられ、図１には本発明のエアコンディショニングユニット１が示され、図３及び図４には歯車機械の使用法が記載されている。
【００４９】
二酸化炭素で作動可能であり、二酸化炭素が膨張しながら仕事を行い、この仕事のエネルギーが二酸化炭素を第２の圧縮段で圧縮するのに役立つエアコンディショニングユニット１，１０は、少なくとも、第１の圧縮段の形態をしていて、低圧から中程度の圧力（以下、「中圧」という）に圧縮する主コンプレッサ２と、第１の外部熱交換器３と、第２の圧縮段の形態をしていて、中圧から高圧にあらかじめ圧縮する補助コンプレッサ４，４０と、第２の外部熱交換器５と、膨張機械６，６０と、内部熱交換器７とを有し、これら構成要素は、互いに上述の順序で連結されて冷凍モードで働く回路８，８０を形成し、膨張機械６，６０と補助コンプレッサ４，４０は、膨張−圧縮機械９，９０を形成し、エアコンディショニングユニット１，１０は、二酸化酸素が互いに逆方向に通過する回路、即ち、冷凍回路８，８０及びヒートポンプ回路８１に関して切り換え可能であり、
−特定されたそれぞれの回路８，８０，８１に応じた流路の変更が膨張機械６，６０に割り当てられ、それにより入口と出口がそれぞれの流路に応じて入れ替えられ、
−特定されたそれぞれの回路８，８０，８１に応じた流路の変更が補助コンプレッサ４，４０に割り当てられ、補助コンプレッサが膨張機械６，６０により駆動され、それにより入口と出口が、それぞれの流路に応じて入れ替えられ、
−圧力レベル差が特定された回路に応じて第１の外部熱交換器３，５に割り当てられ、それにより膨張−圧縮機械９，９０内における圧縮と膨張の割り当てられた容積／密度比が特定される。
【００５０】
図２には、冷凍回路８，８０で行われるプロセスが、第１の圧力／エンタルピー直径プロセスＡ（実線）によって例示されている。図示のプロセスコースの場合、点１″は、二相領域の飽和ライン（ｘ＝１）上に位置している。点１′から点″まで、二酸化炭素は、機械的及び（又は）電気的駆動力を供給しながら主コンプレッサ２内で圧縮される。二酸化炭素は、ポイント２″のところで、超臨界領域内にあり、二酸化炭素は、これがガスクーラ／液化機３を通って流れても、ここから出ることはなく、この例では、点３′に達して熱流を放出するまで等圧状態変化を受ける。点３′から点４′まで、第２のコンプレッサ段によって超臨界領域において更に圧縮が行われ、この第２のコンプレッサ段は、補助コンプレッサ４及び膨張機械６から成っている。点４′から点５′への状態変化中、この場合も又、熱流が放出される。点５′から先は、点６′に至るまで二酸化炭素は、例示的に構成された歯車機械６（回転／振動ピストン機械、特に内部シャフトを備えた回転ピストン機械も又想定できる）内で湿り蒸気範囲まで膨張し、それにより、機械的エネルギーが放出される。点６′から点１′まで、二酸化炭素は、エバポレータ（蒸発器）の形態をした内部熱交換器７を通過し、ここで、二酸化炭素は熱を奪う。
【００５１】
図３及び図４では、膨張機械６０及び補助コンプレッサ４０は、シャフト６４，６５及びシャフト４４，４５を備えた２シャフト膨張−圧縮機械９０として構成され、それにより、膨張機械６０と補助コンプレッサ４０の両方は、それぞれケーシング６３，６４内でそれぞれの歯により互いに噛み合った２つの歯車６１，６２及び歯車４１，４２の形態を有し、したがって、回路を通る流れの指定された方向に応じて互いに逆の回転方向を得ることができ、それにより、歯車６１，６２及び歯車４１，４２が、ケーシング６３，６４の部分シリンダ空間６６，６７及び部分シリンダ空間４６，４７内に設けられるようになっている。
【００５２】
さらに、内部シャフト回転ピストン機械が想定される（図については、特定の設計の内部協調後に後で提供する）。
【００５３】
詳細な説明は全て、他の設計方式の機械に当てはまる。
【００５４】
膨張−圧縮機械９０内に存在する膨張機械６０と補助コンプレッサ４０は、好ましくは、共通シャフト９１により互いに連結されるのがよい。
【００５５】
寸法形状及び容量比に関し、膨張機械６０と補助コンプレッサ４０を容量設計に関し潜在的に互いに異なる形態にすることができる。即ち、
１．図３及び図４に示すように、膨張機械６０と補助コンプレッサ４０との間の膨張−圧縮機械９０を全圧力原理で働く（押し退けによる仕事のみ）膨張機械６０とこれまた全圧力原理で働く補助コンプレッサ４０の組み合わせとして実現できる。
２．膨張機械６０と補助コンプレッサ４０との間の膨張−圧縮機械９０を追加の押し退け仕事を用いる全圧力原理で働く膨張機械６０又は補助コンプレッサ４０の組み合わせとして実現できる。
３．膨張機械６０と補助コンプレッサ４０との間の膨張−圧縮機械９０を全圧力原理で働く膨張機械６０と追加の押し退け仕事を用いる全圧力原理で働く補助コンプレッサ４０の組み合わせとして実現できる。
４．膨張機械６０と補助コンプレッサ４０との間の膨張−圧縮機械９０を追加の押し退け仕事を用いる全圧力原理で働く膨張機械６０と全圧力原理で働く補助コンプレッサ４０の組み合わせとして実現できる。
【００５６】
全ての場合において、膨張機械６０と補助コンプレッサ４０との間の膨張−圧縮機械９０を組立体６０と組立体４０の両方を含む一ケーシングを備えた共通機械として実現できる。
【００５７】
内部熱交換器７０、主コンプレッサ２及び第１の外部熱交換器３との間には、供給ライン９６，９７が設けられ、これら供給ラインは、提供される構成及び用途、即ち、冷凍回路８０及び（又は）ヒートポンプ回路８１に応じて、弁、オプションとして、制御可能な弁９２，９３，９４，９５を備えるのがよく、したがって、エアコンディショニングユニット１０の冷凍回路８０又はヒートポンプ回路８１に応じて、主コンプレッサ２を通る回路と関連して差し向けられる流れは、調節可能であり、弁９２，９３，９４，９５は、図１に示すように、少なくとも連絡可能に回路の切り換えのための制御装置９９に連結される。
【００５８】
図１に示す弁１１，１２，１３，１４は、ヒートポンプ回路８１に関し、冷凍回路８からヒートポンプ回路８１に切り換えるために補助コンプレッサ４に割り当てられるのがよく、特に、膨張−圧縮機械９，９０が歯車機械で構成されていない場合に設けられるのがよい。弁１１，１２，１３，１４，９２，９３，９４，９５を全て、制御装置９９によってサポートするのがよいが、このようにするかどうかは任意である。
【００５９】
図３に示すように、エアコンディションニングユニット１０の冷凍回路８０では、補助コンプレッサ４の歯車機械は、入口４８１及び出口４９１を備え、膨張機械６０の歯車機械は、入口６８１及び出口６９１を備えている。
【００６０】
しかしながら、図４に示すように、エアコンディショニングユニット１０のヒートポンプ回路８１では、補助コンプレッサ４の歯車機械は、入口４９２及び出口４８２を備え、膨張機械６の歯車機械は、入口６９２及び出口６８２を備え、各歯車機械４３，６３の元の入口と出口は、これらの機能を交換する。
【００６１】
以下において、図３の冷凍回路８０及び図４のヒートポンプ回路８１におけるエアコンディショニングユニット１０の機能を詳細に説明する。先ず最初に、回路８０中の二酸化炭素冷媒の流れの道筋が図３の冷媒回路８０中に示されており、二酸化炭素は、矢印５１の方向に流れ、以下のステップが実施される。
−主コンプレッサ２の駆動による二酸化炭素の圧縮、
−熱を放出する中圧のガスクーラとして働く第１の外部熱交換器３中における圧縮二酸化炭素の流通、
−膨張機械６０によって機械的に駆動され、第２の圧縮段におけるコンプレッサとして働く補助コンプレッサ４０中における圧縮二酸化炭素の流通、
−高圧ガスクーラとして働く第２の外部熱交換器５中における圧縮二酸化炭素の流通、
−補助コンプレッサ４０を駆動するために仕事を行いながら直接用いられる膨張が生じる膨張機械６０中における圧縮二酸化炭素の流通、
−エバポレータとして働く内部熱交換器５中における圧縮二酸化炭素の流通。
【００６２】
エアコンディショニングユニット１０のヒートポンプ回路では、回路８０中における矢印５２の方向に従う二酸化炭素の流れの道筋が、図４に示されており、この流れの方向は、冷凍回路中における流れの方向とは逆である。ヒートポンプ回路では、エアコンディショニングユニット１０は、ヒートポンプとして切り換えられる。以下のステップが実施される。
−第１の圧縮段の一部として冷凍回路と同一の機能を有し、冷凍回路の場合と同じ二酸化炭素の流れ方向が存在する主コンプレッサ２の駆動による二酸化炭素の圧縮、
−ヒータとして働く内部熱交換器７中における冷凍回路とは逆の方向における圧縮二酸化炭素の流通、
−膨張機械６０においても補助コンプレッサ４０を駆動するために仕事を行いながら直接用いられる膨張が生じるように入口と出口が入れ替えられる逆方向における膨張機械６０中における圧縮二酸化炭素の流通、
−環境から熱を奪う低圧エバポレータとして働く第２の外部熱交換器５中における圧縮二酸化炭素の流通、
−二相領域において第１の圧縮段のコンプレッサとして働く補助コンプレッサ４０中における圧縮二酸化炭素の流通、
−中圧コンプレッサとして働き、又、環境から熱を奪う第１の外部熱交換器３中における圧縮二酸化炭素の流通。
【００６３】
回路８，８０，８１の両方において、膨張機械６０の入口と出口は、二酸化炭素の流れ方向が変化するので互いに入れ替わる。また、外部熱交換器３，５は両方共、両方の作動モードにおいて互いに異なる圧力レベルで働き、それにより、冷凍回路８，８０では、第１の外部熱交換器３は、環境から熱を奪う中圧ガスクーラとして働き、これに対し、第２の外部熱交換器５は、冷凍回路８，８０では、熱を環境中へ放出する高圧ガスクーラとして働き、ヒートポンプ回路８１では、熱を環境から奪う低圧エバポレータとして働く。
【００６４】
以上要約すると、膨張−圧縮機械９０は、与えられる回路８０又は８１に応じて、流れが交互の方向に通され、作動モードに応じて、それぞれの入口と出口は、機能を入れ替え、外部熱交換器３，５は両方共、作動モードに応じて、互いに異なる圧力レベルに設定され、補助コンプレッサ４は、回路８０，８１に応じて流れが交互の方向に通され、それにより、作動モードに応じて、入口と出口も又機能を入れ替える。
【００６５】
図３及び図４に示すように、膨張−圧縮機械９０の実施形態では、歯車６１は、シャフトによって歯車４２に連結され、互いに逆の回転方向を達成できるようになっている。
【００６６】
エアコンディショニングユニットは、オプションとして、図５に示すようにＩＨＸ１５を有してもよく、このＩＨＸは、一方において、主コンプレッサ２と内部熱交換器７との間のライントレイン１６中に組み込まれるのがよく、他方において、第２の外部熱交換器５と膨張機械６，６０との間のライントレイン１７中に組み込まれるのがよい。それにより、ＩＨＸの効率は、現行のＣＯ2ユニットよりも明確に５〜５０％低い値を有することを狙いとしている。プロセスＢと比較して、内部熱交換器は、好ましくは、質量流量をほんの僅か減少させるようになっている。プロセスＢでは、ＩＨＸは、高い周囲温度で所要の冷凍能力を発揮するようになっており、最大性能係数では最適高圧を著しく減少させる。
【００６７】
エアコンディショニングユニット１，１０の機能を保証するため、膨張−圧縮機械９０は、プロセスパラメータ、即ち、温度及び冷媒流量に合わせて調整される。これらパラメータは、自動車用エアコンディショニングユニットと定置ユニットが区別される場合明らかに異なる。例えば、エアコンディショニングユニットの周囲温度は、５℃〜７０℃で変化する場合がある。
【００６８】
したがって、自動車のエアコンディショニングユニット１０の動作範囲全体が、許容可能な動作条件で効率的な動作を可能にする圧縮と膨張の容積／密度比を見出し／特定することが有用である。重要なパラメータは、達成可能な性能係数（ＣＯＰ）又は可能な限り最高の性能係数ＣＯＰmaxからのその偏差、並びに自動車用エアコンディショニングユニットの最高圧力の領域における許容可能な高圧である。なお、図５と図６を参照されたい。
【００６９】
実験例では、０℃〜１０℃の蒸発温度に関する計算を行った。第１のコンプレッサ段２及び第２のコンプレッサ段９０の圧縮の効率及び膨張機械６０の効率は、７０％である。加うるに、膨張側では、全圧力原理の効率を、完全等エントロピー膨張と比較して考慮に入れた。膨張機械６０により得られる技術的仕事は、第２の段９０の圧縮の所要技術的仕事に対応している。第１の外部熱交換器３，５中の最適中圧及び高圧は、選択された容積／密度比における考えられる最大性能係数を計算できるよう選択される。
【００７０】
ベースとして図６の性能係数、図７の内部熱交換器７を備えた一段プロセスの最適高圧（ＣＯＰＫＭ（内部熱交換器、スロットル））が、図６及び図７に記録されている。ＣＯＰ値として、指定された周囲温度条件における冷凍出力と補助エネルギーを含む機械的及び（又は）電気的動力入力の比の値が定義される。
【００７１】
冷凍回路の超臨界部分では、以下のことが当てはまり、即ち、膨張−圧縮プロセスに関し、考えられる最大性能係数（ＣＯＰＫＭ（ｍａｘ））が図６に記録されている。膨張と圧縮の密度の比は、一定ではない（０．６９〜０．７８の範囲）。膨張−圧縮機械を構成する場合、効率がよく且つ信頼性の高い動作を可能にするよう選択された動作パラメータについて一定の密度比が見出されるべきである。一定の密度比の場合、別の曲線が指示される（ＣＯＰＫＭ（０．６），（０．６２５）及び（０．８））。密度比０．６〜０．６７５の高圧計算値は、高圧ガスクーラ出口温度図により図７に示すように最大性能係数における最適高圧よりも明らかに低い。密度比０．８の高圧計算値は、これよりも高い。達成可能な最大性能係数と比較した性能係数の偏差は、許容範囲内にある。自動車用エアコンディショニングユニット１０における高圧での膨張−圧縮機械９０の作動のため、特に密度比０．６〜０．６７５の場合最大性能係数よりも低い密度比を考慮に入れるべきである。というのは、この範囲では、安定した動作点を計算できるからである。
【００７２】
超臨界エアコンディショニング動作において、臨界未満動作のための密度比が採用される。臨界未満動作に関し、膨張−圧縮機械９０（膨張及び（又は）圧縮）は、二相領域中に位置する動作点を有するのがよい。
【００７３】
臨界未満及び（又は）超臨界ヒートポンプ回路８１では、二酸化炭素の過冷却の状態で又はそのような状態ではない完全凝縮に関し、二酸化炭素の密度に起因して、選択された密度比を達成することができない。第２の膨張及び（又は）圧縮段によって二酸化炭素の流量のばらつきをチェックすることができる。また、絞り断面を実現することができる。  好ましくは、補助コンプレッサ４０中の二酸化炭素の密度変化（入口と出口の密度比）は、１．０〜１．３、特に１．０５〜１．２０、特に１．０８〜１．１５分の比を有するのがよく、これは、内部容積の変化を伴う又特に内部容積の変化を伴わない補助コンプレッサ４０について当てはまる。
【００７４】
圧縮／膨張相互間の密度／面積比は、０．４０〜０．５４の値を有し、３０℃〜７０℃のガスクーラ出口温度の超臨界動作については０．５５〜０．８、特に０．６〜０．６７５の値を有するのがよい。
【００７５】
この場合、第２の圧縮段９０は、二相領域でも働くことができる。
【００７６】
一般に、第２コンプレッサ段は、図２の高圧／エンタルピー図に示すように本発明の膨張−圧縮機械９０で役立つ。
【００７７】
また、臨界未満冷凍回路８，８０は、超臨界プロセスコースの密度比を採用することが可能である。
【００７８】
ヒートポンプ回路８１では、既存の膨張−圧縮段６０に加えて、第２の膨張又は圧縮段が、それぞれ又は両方共有用である場合があり、この尺度は、臨界未満動作に関するオプションでもあり、これらオプションは、超臨界領域においても向上した制御性又は性能係数を達成する直列又は並列回路である。
【００７９】
さらに、二酸化炭素冷媒の流入量又は流出量の制御はそれぞれ、上流側又は下流側に配置された供給弁（図示せず）によって実施できる。
【００８０】
膨張−圧縮機械９０は、これが主コンプレッサ２とは独立に働くことができるように構成されているのがよい。
【００８１】
各場合における動作中、外部熱交換器３，５を中圧部と高圧部に分割することができる。
【００８２】
本発明により、ガスクーラでの膨張中、自動車内部における騒音の発生を避けることができる。騒音に関し、ホース又はこれに対応したパイプラインレイアウトは、切り離しを保証することができる。
【００８３】
本発明のもう１つの利点は、本発明の膨張−圧縮機械９０が、冷凍回路８０とヒートポンプ回路８１の両方で役に立ち得るということにある。
【００８４】
圧縮の設計は、膨張の設計と同じであってもよく又はこれとは異なっていてもよい。
プロセス内において、内部熱伝達も可能である。
【００８５】
本発明により、仕事を行う膨張は、完全に、不完全に又は全圧力原理で機能することができる。
【００８６】
膨張−圧縮機械９０における補助コンプレッサ４０と膨張機械６０の組み合わせに関し、以下の利点が結果的に得られる。即ち、膨張−圧縮機械９０の入口及び出口を機械が依然として働いている間に入れ替えることができるので、補助コンプレッサ４０は、コンプレッサと膨張機械の両方として働くことができ、同じことは、膨張機械とコンプレッサの両方として働くことができる膨張機械６０についても当てはまり、膨張機械は、例えば、作業空間、即ち、部分シリンダ空間（歯車機械の場合、即ち、歯車の周りの容積）を塞ぐ組み合わせ形歯車機械４０−６０又は他の回転／振動機械を用いた構成により、又はそれぞれ回転又は振動により、コンプレッサ／膨張機械相互間の指定された密度比によって、調整されて、動作を上述したように実行することができるようになっている。
【００８７】
それぞれの動作中、外部熱交換器を中圧部と高圧部に分割することができる。
【００８８】
外部熱交換器の場合、更に、その結果として、特に第２の圧縮段後における低い圧縮最終温度により、熱は、周囲空気には放出されず、将来の自動車に提供される低圧又は高圧冷凍回路中に組み込まれる。以下のシナリオが考えられる。
ａ）高温回路では３及び低温回路では５、
ｂ）低温回路では３及び５、
ｃ）高温回路では３及び５、
ｄ）低温回路では３及び高温回路では５。
【００８９】
熱交換器３（及び（又は）５）中の周囲空気への熱の伝達及び他の各熱交換器３（及び（又は）５）中の冷凍回路への熱の伝達も考えられる。
【００９０】
その結果、膨張−圧縮機械の構成に関し、この機械を高圧熱交換器とのみ組み合わせた状態で好ましくはエバポレータユニットの近くでエンジンコンパートメント内に比較的独立してコンパクトなユニットとして配置できる。
【００９１】
本発明は、エアコンディショニングユニット１０の性能係数を高めると共に二酸化炭素の出力を減少させ、しかも、エアコンディショニングユニット１０を費用効果がよく且つコンパクトに構成できるという可能性をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】膨張−圧縮機械を備えたエアコンディションイングユニットの略図である。
【図２】第１のコンプレッサ段Ａ及び追加の第２のコンプレッサ段Ｂを備えたエアコンディショニングユニットの２つの高圧／エンタルピー略図Ａ，Ｂである。
【図３】本発明の膨張−圧縮機械が冷凍回路内に設けられたエアコンディションイングユニットの略図である。
【図４】本発明の膨張−圧縮機械がヒートポンプ回路内に設けられたエアコンディショニングユニットの略図である。
【図５】内部熱交換器（ＩＨＸ）を備えた図１のエアコンディションニングユニットの略図である。
【図６】エアコンディショニングユニットの性能係数（ＣＯＰ）／ガスクーラ出口温度の図である。
【図７】エアコンディショニングユニットの高圧ガスクーラ出口温度の図である。
【符号の説明】
【００９３】
１  エアコンディショニングユニット
２  主コンプレッサ
３  第１の外部熱交換器
４  補助コンプレッサ
５  第２の外部熱交換器
６  膨張機械
７  内部熱交換器
８  回路
１０  本発明のエアコンディショニングユニット
１１  弁
１２  弁
１３  弁
１４  弁
１５  内部熱交換器（ＩＨＸ）
１６  第１のライントレイン
１７  第２のライントレイン
４０  歯車
４１  歯車
４２  歯車
４３  ケーシング
４４  シャフト
４５  シャフト
４６  部分シリンダ空間
４７  部分シリンダ空間
５１  冷凍回路内での一酸化炭素の流れ方向を示す矢印
５２  ヒートポンプ回路内での一酸化炭素の流れ方向を示す矢印
６０  膨張機械
６１  歯車
６２  歯車
６３  ケーシング
６４  シャフト
６５  シャフト
６６  部分シリンダ空間
６７  部分シリンダ空間
８０  冷凍回路
８１  ヒートポンプ回路
９０  膨張−圧縮機械
９１  共通シャフト
９２  弁
９３  弁
９４  弁
９５  弁
９６  供給ライン
９７  供給ライン
９９  制御装置
４８１  入口
４８２  出口
４９１  入口
４９２  出口
６８１  入口
６８２  出口
６９１  入口
６９２  出口
１′  圧力−エンタルピー点
２′  圧力−エンタルピー点
３′  圧力−エンタルピー点
４′  圧力−エンタルピー点
５′  圧力−エンタルピー点
６′  圧力−エンタルピー点
１″  圧力−エンタルピー点
２″  圧力−エンタルピー点
３″  圧力−エンタルピー点
４″  圧力−エンタルピー点
５″  圧力−エンタルピー点
６″  圧力−エンタルピー点
λ  容積効率
ＣＯＰ  性能係数
【図１】
2007263552.tif 000003
【図２】
2007263552.tif 000004
【図３】
2007263552.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007263552.tif 000007
【図６】
2007263552.tif 000008
【図７】
2007263552.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成19年5月10日(2007.5.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素が膨張しながら仕事を行い、この仕事のエネルギーが二酸化炭素を第２の圧縮段で圧縮するのに役立つエアコンディショニングユニット（１，１０）であって、少なくとも、第１の圧縮段の形態をしていて、低圧から中圧に圧縮する主コンプレッサ（２）と、第１の外部熱交換器（３）と、第２の圧縮段の形態をしていて、中圧から高圧にあらかじめ圧縮する補助コンプレッサ（４，４０）と、第２の外部熱交換器（５）と、膨張機械（６，６０）と、内部熱交換器（７）とを有し、前記構成要素は、互いに上述の順序で連結されて回路（８，８０）を形成し、膨張機械（６，６０）と補助コンプレッサ（４，４０）は、膨張−圧縮機械（９，９０）を形成し、
エアコンディショニングユニット（１，１０）は、二酸化酸素が互いに逆方向に通過する回路、即ち、冷凍回路（８，８０）及びヒートポンプ回路（８１）に関して切り換え可能であり、
−特定された前記回路（８，８０，８１）にそれぞれの応じた流路の入れ替えが膨張機械（６，６０）に割り当てられ、それにより入口と出口が回路（８，８０，８１）に応じて入れ替えられ、
−特定された前記回路（８，８０，８１）にそれぞれ応じた流路の入れ替えが補助コンプレッサ（４，４０）に割り当てられ、補助コンプレッサが膨張機械（６，６０）により駆動され、それにより入口と出口が前記回路（８，８０，８１）に応じて入れ替えられ、
−圧力レベル差が特定された前記回路（８，８０，８１）に応じて前記外部熱交換器（３，５）に割り当てられ、
それにより前記膨張−圧縮機械（９，９０）内における圧縮と膨張の割り当てられた容積／密度比が特定される、エアコンディショニングユニット。
【請求項２】
前記膨張−圧縮機械（９，９０）は、前記車両の前記エアコンディショニングユニットの最高圧力が１４０バールの範囲内でそれぞれ設定された前記高圧によって前記車両の前記エアコンディショニングユニットの前記主コンプレッサ（２）に合わせて構成されている、請求項１記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項３】
少なくとも１つの別の膨張−圧縮機械又は膨張機械が、前記エアコンディショニングユニットに組み込まれている、請求項１又は２記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項４】
前記冷凍回路（８，８０）において、前記内部熱交換器（７）は、エバポレータであり、前記ヒートポンプ回路（８１）では、前記内部熱交換器（７）は、ヒータである、請求項１〜３のうちいずれか一に記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項５】
前記冷凍回路（８，８０）及び前記ヒートポンプ回路（８１）において、前記内部熱交換器（７）は、エバポレータであり、前記ヒートポンプ回路（８１）に関し、追加のヒータが前記エバポレータと並列して設けられている、請求項１〜３のうちいずれか一に記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項６】
−前記膨張機械（６，６０）は、全圧力で稼働し、前記補助コンプレッサ（４，４０）には、前記押し退け仕事に加えて、容積変化仕事が課され、又は、
−前記膨張機械（６，６０）には、押し退け仕事及び容積変化仕事が課され、前記補助コンプレッサ（４，４０）は、全圧力で稼働し、又は
−前記膨張機械（６，６０）と前記補助コンプレッサ（４，４０）の両方は、全圧力原理（押し退け仕事）に従って稼働し、又は
−前記膨張機械（６，６０）と前記補助コンプレッサ（４，４０）の両方には、押し退け仕事及び容積変化仕事が課される、請求項１〜３のうちいずれか一に記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項７】
前記車両の前記エアコンディショニングユニットに合わせて構成された前記膨張−圧縮機械（９，９０）では、
−０．４〜０．５４の範囲、又は
−０．５５〜０．８の範囲、又は
−０．６〜０．６７５の範囲の密度又は容積比が設定され、
前記比は、容積効率λ＝１のタイトな膨張−圧縮機械（９，９０）に当てはまり、前記容積効率がλ＝１とは異なる場合、それに応じて修正されなければならない、請求項１のエアコンディショニングユニット。
【請求項８】
前記補助コンプレッサ（４，４０）及び前記膨張機械（６，６０）は、回転又は振動容積形機械、好ましくは内部シャフト又は２シャフト歯車機械を備えた回転ピストン機械として構成され、前記機械は各々、前記二酸化炭素のあらかじめ与えられた流れ方向に応じて互いに逆の回転方向を有し、前記膨張機械（６，６０）及び前記補助コンプレッサ（４，４０）は、種々の周囲温度において、前記二酸化炭素の流れ方向に関し切り換え可能に構成されると共に冷凍回路（８０）からヒートポンプ回路（８１）に、又その逆の関係に動作を切り可能に設けられ、前記膨張機械（６，６０）と前記補助コンプレッサ（４，４０）との間の密度及び容積の比が特定される、請求項１〜７のうちいずれか一に記載のエアコンディショングユニット。
【請求項９】
前記回転容積形機械、好ましくは内部シャフト又は２シャフト歯車機械を備えた回転ピストン機械は、前記回路（８，８０，８１）内に設けられた流路の方向に応じて逆の回転方向に達することができるようにするケーシング内の押し退け幾何学的形状を有する、請求項８記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項１０】
前記膨張−圧縮機械（９，９０）内に存在する前記膨張機械（６，６０）と前記補助コンプレッサ（４，４０）は、共通シャフト（９１）によって互いに連結されている、請求項８又は９記載のエアコンディショニングユニット。
【請求項１１】
前記膨張−圧縮機械（９，９０）は、一ケーシング内に設けられた前記膨張機械（６，６０）及び前記補助コンプレッサ（４，４０）で構成されている、請求項８〜１０のうちいずれか一に記載のエアコンディショニングユニット。
【外国語明細書】
2007263552.tif 000010
2007263552.tif 000011
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