背景技術 本発明は、請求項１の上位概念部に記載された形式の空調装置から出発する。

内燃機関により駆動される車両において、空調装置はますます一般的なものと成りつつある。 冷熱発生のために、電気的な駆動装置または内燃機関による機械的な駆動装置を備えた圧縮式冷却装置が使用される。 使用される冷媒は圧倒的に炭化水素、例えばＲ１３４ａである。 その際、自動車内気への熱伝達は液体／空気熱交換器により実施される。 この液体／空気熱交換器はエバポレータ（蒸発器）とも呼ばれる。 択一的な冷媒、例えば二酸化炭素（ＣＯ _２ 、Ｒ７４４）への移行が、現在使用されている炭化水素の低い環境親和性のために予測され得る。 １５０よりも小さなＧＷＰ（ Ｇ ｌｏｂａｌ Ｗ ａｒｍｉｎｇ Ｐ ｏｔｅｎｔｉａｌ：地球温暖化係数）を有する冷媒の使用に関する、欧州連合（ＥＵ）の法規草案が既に存在する。 炭化水素の代替品として議論されているＣＯ _２は、必要な高い圧力に基づいて、明らかに多くの手間がかかる複雑な移動式の空調装置につながる。 Ｒ１５２ａのような燃焼可能な冷媒は、安全上の理由から、また確かに低いけれども、それでも尚存在するＧＷＰに基づいて好まれない。

ＥＰ０９４５２９１Ａ１号明細書から、自動車の利用空間を暖房および冷房するための装置および方法が公知である。 冷媒は暖房運転中圧縮器により圧縮され、３ポート２位置弁を介してエバポレータに到達する。 エバポレータで、冷媒は、圧縮により生ぜしめられた熱の一部を、比較的低温の車両内室空気に放出する。 エバポレータから冷媒は膨張装置に向かって流動する。 膨張装置で、冷媒は、下流に配置されたガス冷却器で熱を周囲空気から受容し得るようになるまで冷却される。 さらなる熱が冷媒に、下流に接続された排気熱交換器で供給される。 排気熱交換器は内燃機関の高温の排気で負荷される。 排気熱交換器から冷媒は再び圧縮器に到達する。 これにより、冷媒回路は閉鎖されている。

冷房運転中、冷媒は圧縮後周囲熱交換器に流入し、そこで低温の周囲空気により負荷される。 その後、冷媒は膨張装置を通流し、そこで膨張され、後続の内室熱交換器で、利用空間に供給される比較的温かい利用空間空気により負荷される。 その後、温められた冷媒はコンプレッサに還流する。 コンプレッサは内燃機関の駆動軸により駆動される。 コンプレッサ出力により、内燃機関の実効出力は減じられる。 さらに、燃料消費は増加する。

発明の利点 本発明によれば、冷媒、有利にはアルコール／水混合物が、低温で沸騰する冷媒であり、駆動手段として、排気熱交換器の通流後、冷媒を圧送するための少なくとも１つの装置に供給される。 そのような冷媒の使用は僅かな温室効果およびゼロに等しいＧＷＰの利点を提供する。 さらに、必要なシステム圧は相応の設計時に負圧領域に、または従来慣用のＲ１３４ａを利用した空調装置よりも明らかに低い圧力領域にある。 このことは高圧装置、例えば冷媒として二酸化炭素（Ｒ７４４）を有する高圧装置に対して、かなりの安全上の利点を意味する。

排気熱交換器は簡単な熱サイホン式の構成でまたは弁制御式の構成で使用されることができる。 冷媒は排気熱交換器で、車両の空調のために必要なエネルギを排気から受容する。 有利には、ポンプ、いわゆる「フィードポンプ」は冷媒を排気熱交換器に供給する。 ポンプは有利にはロータリーピストンポンプ、例えば歯車ポンプ、ベーンポンプまたはこれに類するものである。 冷媒を圧送するための装置に数えられ、電動モータまたは有利にはベーンモータであることができるモータは、駆動軸を介してポンプを駆動する。 モータおよびポンプは実質的に同じ外径を有しており、１つの構成ユニットにまとめられていることができる。 冷媒はベーンモータの駆動手段として役立ち、排気熱交換器から液体または蒸気として取り出されることができる。 本発明による空調装置では、冷媒を圧送および圧縮するためのエネルギが内燃機関の駆動軸で取り出されるわけではないので、空調装置により、内燃機関の出力に影響が及ぼされることはない。

冷媒を圧送するための別の装置は有利にはインゼクタポンプである。 インゼクタポンプには冷房運転中冷媒回路の管路分岐を介して高温の冷媒蒸気または高温の冷媒液体が排気熱交換器から駆動手段として供給される。 インゼクタポンプは吸込管路、膨張弁およびエバポレータを介して冷媒を貯蔵容器から吸込む。 駆動蒸気はその前にベーンモータを駆動することができる。 冷媒はエバポレータで、車両内に流入する空気を冷却し、その後、インゼクタポンプにより駆動蒸気と共に貯蔵容器に圧送される。

空調、特に自動車内室の冷房のために、冷媒のためのこれまで必要であったコンプレッサを省略することができる。 そのためには、燃焼チャンバから熱交換器により、蒸発された冷媒の形で獲得されるエネルギが、駆動蒸気として、インゼクタ原理にしたがって運転される冷却装置のために使用される。 インゼクタポンプは空調コンプレッサに対して比較的安価かつ丈夫なコンポーネントである。 電気的なコンプレッサまたは直接内燃機関により駆動されるコンプレッサを省略したことは、従来慣用のコンプレッサ式空調を備えた自動車において結果的に生じる、燃料の大量消費を回避する。 そのような燃料の大量消費は、従来慣用の空調を備えた自動車では、空調が必要とされる限り発生してしまう。 それというのも、少なくともコンプレッサが空調のカット制御時にも内燃機関により駆動されなければならないからである。

排気熱交換器を後にした冷媒蒸気は、ヴィルミエヒートポンプ（Ｖｅｕｉｌｌｅｍｉｅｒ−Ｗａｅｒｍｅｐｕｍｐｅ）のための駆動蒸気としても、または吸収式冷却装置の再生器（Ａｕｓｔｒｅｉｂｅｒ：いわゆる「発生器」）内でも使用されることができる。

暖房運転中、冷媒は加熱熱交換器を通して導かれ、その際、加熱熱交換器を通して車両内に流入する空気を暖める。 冷媒の、インゼクタポンプおよび加熱熱交換器への分配は、３方弁によりかつ／または付加的なポンプにより実施される。 付加的なポンプは一緒にモータにより駆動され、１つの構成ユニットにまとめられることができる。

本発明の別の構成によれば、モータにより駆動される２つのポンプが設けられており、両ポンプのうち、比較的大きな圧送体積を有する第１のポンプが、冷媒を貯蔵容器から排気熱交換器に圧送し、それに対して、比較的小さな圧送体積を有する第２のポンプが、液状の冷媒を排気熱交換器から取り出すために役立つ。 このことは、冷媒の、低温で沸騰する成分が、蒸気としてベーンモータの駆動のために排気熱交換器から取り出されることができ、それに対して、比較的高温で沸騰する成分が、駆動蒸気または駆動液体としてインゼクタポンプに冷房運転中供給されるという利点を有している。 低温で沸騰する成分はベーンモータから流出した後周囲熱交換器に到達し、そこで凝縮し、別個の貯蔵容器に集められる。 この比較的低温で沸騰する成分はその低い沸点に基づいて、特に良好に冷房運転のための冷媒として適している。 冷房運転中、この比較的低温で沸騰する成分は膨張弁およびエバポレータを介してインゼクタポンプにより吸込まれる。 インゼクタポンプで、低温で沸騰する成分は、比較的高温で沸騰する成分と混合し、一緒に貯蔵容器に到達する。 貯蔵容器からフィードポンプが冷媒を再び吸込む。 それにより、冷媒は排気熱交換器に圧送される。

比較的低温で沸騰する成分を有利に、比較的高温で沸騰する成分から排気熱交換器内で分離することができるように、排気熱交換器は、別の有利な構成では、二成分混合物を分離するための精留塔の形で構成されているインサートを有している。

さらに有利には、少なくとも１つの熱交換器が貯蔵容器と組み合わされている。 それにより、構造体積および構造手間は僅かに維持されることができる。

排気熱交換器は内燃機関および／または燃焼チャンバの排気により負荷されることができる。 第１の事例で、排気熱交換器は原則的に内燃機関の排気経路中の任意の箇所に配置されることができる。 排気熱交換器が本発明の別の有利な構成により内燃機関のシリンダヘッドに組み込まれると、排気の熱エネルギは直接内燃機関の排気弁で取り出されることができる。 これにより、温度的に高く負荷される排気弁は適当に冷却される。 排気熱交換器が内燃機関の燃焼室の排気口と排気式ターボチャージャとの間に配置されると、排気流中の排気から、排気式ターボチャージャのタービンの手前で、熱エネルギが取り出され、排気式ターボチャージャの、温度的に高く負荷された駆動側は温度的に負荷軽減される。 有利には、排気熱交換器は触媒の下流に配置されることができる。 これにより、触媒が熱の取り出しにより時間的に遅れて初めてその運転温度に到達する事態は回避される。

排気の熱エネルギが空調装置の運転のために不十分である場合、排気熱交換器の排気側に燃焼チャンバを接続することが有利である。 燃焼チャンバにより、必要なときに、例えばバーナにより付加的なエネルギが供給される。 これにより、燃焼チャンバを備えた公知の独立式ヒータ（Ｓｔａｎｄｈｅｉｚｕｎｇ）と同様に、内燃機関の運転に依存しない、内燃機関が停止した車両の空調も可能である。 さらに、高い効率を有する自動車内燃機関の昨今のコンセプト、例えばガソリン直接噴射およびディーゼル直接噴射において、一般に電気的に運転される補助ヒータ（Ｚｕｓａｔｚｈｅｉｚｕｎｇ）の必要を省略する。

本発明の別の有利な構成では、排気熱交換器は専ら燃焼チャンバにより排ガスもしくは燃焼ガスにより負荷される。 燃焼チャンバは内燃機関に依存することなく独立的に運転されることができる。 その結果、自給自足の空調装置が生ぜしめられ、内燃機関を運転することなく冷房かつ／または暖房することができる。 さらに、特に液冷式の内燃機関において、自動車ヒータの明らかに迅速な応答が得られる。 それというのも、もはや加熱冷却回路全体の高い熱容量が一緒に加熱される必要がなく、別個の燃焼チャンバにより、明らかに僅かな熱容量で設計可能な空調回路だけが加熱されればよいからである。 内燃機関の冷却回路と空調装置との分離は冷却回路の設計を簡単化する。 それというのも、冷却回路の設計は専ら内燃機関の冷却の観点を充足すればよく、もはや自動車ヒータの観点を充足する必要はないからである。 燃焼チャンバが既に内燃機関の始動前に運転され、これにより、自動車のパッセンジャルームが予熱または予冷されることができるので、空調装置は、従来慣用のシステムに比べて明らかに低い冷房ピーク出力および暖房ピーク出力で設計されることができる。

これまで一般的な自動車空調装置が、内燃機関の冷却もしくは排気熱から運転される暖房回路と、別個のコンプレッサにより運転される冷房回路とに二分割されており、暖房回路と冷房回路とが、一般的な運転状態、すなわち暖房、冷房および除湿のために個々のシステムが対立しないようにしなければならない制御機構により結び付けられていたのに対し、内燃機関の冷却と空調装置との間のこれまで公知のインターフェースを回避するインテグラルなシステムが生ぜしめられる。 本発明による空調装置に統合される制御コンセプトは、どのような個々の機能、すなわち暖房または冷房が提供されるのか、または個々の機能のどのような組み合わせ、すなわち暖房、冷房および除湿のどのような組み合わせで、燃焼チャンバの、運転のために使用される燃焼エネルギの出力が熱交換器により提供されるのかに応じて、迅速に機能し、エネルギを節約し、自動車の内燃機関の機能に依存することなく運転される空調装置を提供することを許可する。

図面 その他の利点は以下の図面の説明から得られる。 図面には本発明の実施例が示されている。 図面、明細書および特許請求の範囲は多数の特徴の組み合わせを含んでいる。 当業者はこれらの特徴を合目的に個別に観察し、有意義な別の組み合わせにまとめることもできる。
図１：空調装置の概略的な構造を示す図である。
図２：燃焼チャンバを備えた、図１の変化形を示す図である。
図３：排気熱交換器の一実施例の概略図である。
図４：図３の変化形を示す図である。
図５：ポンプの駆動装置の概略図である。
図６：冷媒のための排気熱交換器に装入されるインサートを示す図である。
図７：内燃機関とは独立的な燃焼チャンバを備えた、図２の変化形を示す図である。
図８：図３に示した熱交換器の、統合された燃焼チャンバを備えた変化形を示す図である。
図９：図８の変化形を示す図である。

実施例の説明 図１に示した本発明による空調装置１０は、エネルギに関して、内燃機関１２の排気系システムに排気熱交換器２２を介して連結されている。 内燃機関１２はシリンダロー１４を有している。 シリンダロー１４のシリンダは、エキゾーストマニフォールド１６、排気管１８、触媒２０、排気熱交換器２２および消音器２４を介して、排気を周囲に排出する。 排気熱交換器２２はシリンダロー１４のシリンダヘッドに組み込まれていることができる。 図１に示した実施例では、排気熱交換器２２は排気経路内に、流動方向で見て触媒２０の下流に配置されている。

排気熱交換器２２は冷媒回路２６に接続されている。 ポンプ２６、いわゆる「フィードポンプ」は冷媒を貯蔵容器３４から排気熱交換器２２に圧送する。 排気熱交換器２２がその運転温度に到達すると、冷媒は排気熱交換器２２を冷媒蒸気として後にし、後続の経過中モータ３０を駆動する。 モータ３０は電動モータであることができるが、有利にはベーンモータ８０として形成されている（図５）。 モータ３０は駆動軸３２により駆動力に関してポンプ２８に結合されている。 ポンプ２８は有利には歯車ポンプ８２として形成されている（図５）。 ベーンモータ８０および歯車ポンプ８２の回転方向は矢印８４により暗示されている。 回転方向８４から得られる冷媒流には符号６６を付した。

３方弁３６はモータ３０の下流の冷媒流を２つの管路分岐５４，５６に分岐する。 暖房運転中、冷媒蒸気は管路分岐５６および加熱熱交換器３８を介して貯蔵容器３４内に還流する。 その際、加熱熱交換器３８で、車両内に流入する空気流５２が暖められる。

冷房運転中、冷媒蒸気は駆動蒸気として管路分岐５４を介してインゼクタポンプ４２に供給される。 インゼクタポンプ４２は吸込管路６０、膨張弁４６およびエバポレータ４０を介して冷媒を貯蔵容器３４から吸込み、吸込まれた冷媒を駆動蒸気と共に集合管路５８および周囲熱交換器４４を介して集合容器３４内に戻し圧送する。 周囲熱交換器４４内で、冷媒もしくは冷媒蒸気から、周囲からの空気流５０により、熱が奪われる。 暖房運転時に車両のための空気流５２を除湿するために、ミックス運転が可能である。 ミックス運転では、冷媒蒸気の一部分が加熱熱交換器３８を通流し、その他の部分が駆動ガスとしてインゼクタポンプ４２を負荷する。 それにより、空気流５２はまずエバポレータ４０で冷却され、その後、加熱熱交換器３８で、所望の温度にもたらされることができる。

排気熱交換器２２として、種々異なる構造形式が使用されることができる。 図３には「シェルアンドチューブ型熱交換器（Ｒｏｅｈｒｅｎｗａｅｒｍｅｔａｕｓｃｈｅｒ）２２」が示されている。 シェルアンドチューブ型熱交換器２２では、冷媒は、互いに平行に配置されたチューブ７４を通して導かれる。 チューブ７４はその端部で集合ボックス７０，７２により互いに接続されている。 チューブ７４および集合ボックス７０，７２はシェル６８内に格納されている。 シェル６８は排気流４８により通流される。 その際、熱は排気流４８から冷媒流６６に伝達される。 図４に示した排気熱交換器７８はいわゆる「二重管型熱交換器（Ｍａｎｔｅｌｗａｅｒｍｅｔａｕｓｃｈｅｒ）」７８である。 二重管型熱交換器７８では、冷媒流６６が外管室７６を通して導かれる。 外管室７６を通して排気管１８が案内されている。 それにより、熱エネルギは排気管１８から冷媒に伝達される。

図２に示した構成では、モータ３０により、２つのポンプ２８，６４が駆動される。 両ポンプ２８，６４のうち、第１のポンプ２８は比較的大きな圧送体積を有しており、冷媒を貯蔵容器３４から排気熱交換器２２に圧送し、それに対して、比較的小さな圧送体積を有する第２のポンプ６４は、冷媒の、一般に比較的高温で沸騰する成分から成る、加熱された液状の冷媒を、排気熱交換器２２からインゼクタポンプ４２に圧送する。 ポンプ２８，６４は同じ構造形式、有利には回転ポンプであることができ、実質的に、必要な圧送体積に応じて幅だけが異なっていることができる。 ポンプ２８もしくは両ポンプ２８，６４は有利にはモータ３０と相俟って１つの構成ユニットを形成する。 これにより、スペースを節約したコンパクトかつ安価な解決策が得られる。 それというのも、とりわけポンプ２８，６４が実質的にモータ３０と同じ外径を有しているからである。 冷媒の、低温で沸騰する成分は排気熱交換器２２を蒸気形態で後にし、モータ３０を駆動する。 モータ３０の通過後、冷媒蒸気は周囲熱交換器４４内で凝縮され、第２の貯蔵容器６２に集められる。 第２の貯蔵容器６２は吸込管路６０、膨張弁４６およびエバポレータ４０を介してインゼクタポンプ４２に連通している。 ポンプ６４が、比較的高温で沸騰する成分を有する冷媒をインゼクタポンプ４２に圧送する冷房運転中、インゼクタポンプ４２は付加的な貯蔵容器６２から冷媒を吸込む。 付加的な貯蔵容器６２の冷媒は、比較的低温で沸騰する成分から成っており、それゆえ、エバポレータ４０内で比較的低い圧力で簡単に蒸発し、冷熱を発生させる。 インゼクタポンプ４２内で、比較的高温で沸騰する成分から成る冷媒は、比較的低温で沸騰する成分から成る蒸発された冷媒と再び混合され、共通の貯蔵容器３４に供給される。

冷媒を、比較的低温で沸騰する成分と、比較的高温で沸騰する成分とに分割することにより、比較的高温で沸騰する成分をインゼクタポンプ４２のための駆動蒸気または駆動液体として使用することにより、別個の貯蔵容器６２からの、比較的低温で沸騰する成分の蒸発および吸込のためのより高い負圧が達成される。 貯蔵容器６２内の、比較的低温で沸騰する成分は同時にエバポレータ４０内で、比較的低いエバポレータ温度、ひいては冷却能力の改善を許可する。 周囲熱交換器４４の代わりに、図１に示した加熱熱交換器３８が使用されることもできる。 さらに、加熱熱交換器３８が周囲熱交換器４４と組み合わされて使用されることができる。 別の可能性は、加熱熱交換器３８を、３方弁３６を介してインゼクタポンプ４２に対して並列に接続することにある。 この別の可能性は破線で図示した。

比較的低温で沸騰する成分を良好に、比較的高温で沸騰する成分から分離するために、排気熱交換器２２のためのインサート１００が役立つ（図６）。 インサート１００は２成分混合物を分離するための精留塔の形式で構成されている。 インサート１００は複数のベルベース９２を有している。 ベルベース９２はインサート１００を高さ方向で区画し、上方に向かって方向付けられたカラーを備えた開口９４を有している。 開口９４は間隔を置いて鐘形のベル９６により覆われる。 その結果、開口９４のカラーはベル９６により軸方向でオーバーラップされる。 ベルベースには、開口９４に対して平行に、溢流部９８が設けられている。 冷媒はポンプ２８により、インサート１００の上側の部分に設けられた流入部８６を介して供給される。 インサート１００の上側の部分に設けられた流出部８８を介して、冷媒は、比較的低温で沸騰する成分から成る蒸気として取り出されることができる。 下側の部分には吸込管路９０が存在する。 吸込管路９０を介して、第２のポンプ６４は、比較的高温で沸騰する成分を有する冷媒を取り出す。

排気のエネルギが空調装置１０の運転のために不十分であれば、有利には、排気経路に、排気熱交換器２２の手前に、燃焼チャンバ１０２が接続されることができる。 燃焼チャンバ１０２は燃料ノズル１０４を有しており、必要のあるときに、排気を付加的に加熱するか、または内燃機関の停止時に、空調の運転のために必要な熱エネルギを提供する。 燃焼チャンバ１０２により、空調装置１０の、内燃機関１２に依存することのない自給自足の運転が、僅かなエネルギ投入でもって可能である。 その際、空調装置１０は、図７の実施例に示すように、排気側でも冷媒側でも内燃機関１２から分離されていることができる。 熱交換器２２はこの事例では専ら燃焼チャンバ１０６により負荷される。 燃焼チャンバ１０６は燃料ノズル１１０を有している。 燃料ノズル１１０には燃料１１６が燃料管路１０８を介して供給される。 燃焼のために必要な空気１１２は燃料ノズル１１０の側方から燃焼チャンバ１０６内に流入する。 燃焼チャンバ１０６は有利には排気熱交換器２２と相俟って１つの構成ユニットを形成することができる。 排気熱交換器２２から流出する排気４８のために、独自の排気管１８が設けられることができるか、または排気が内燃機関１２の排気系システム内に導入されることができる。 それにより、空調装置１０は迅速に機能し、省エネルギであり、内燃機関１２の機能に依存しない。 空調装置１０は自動車の空調の要件だけを考慮すればよい。 図８および図９に示した変化形には、相応の燃焼チャンバ１１８，１２０が示されている。 燃焼チャンバ１１８，１２０は、図３および図４に示した実施例と同様の熱交換器２２，７８に組み込まれている。

図１および図２に示した空調装置では、冷媒が向流原理で熱交換器２２を排気流４８に対して相対的に通流するのに対し、図７〜図９に示した実施例による排気熱交換器２２内の冷媒の流動方向と排気の流動方向とは同じ向きに方向付けられている。

空調装置の概略的な構造を示す図である。

燃焼チャンバを備えた、図１の変化形を示す図である。

排気熱交換器の一実施例の概略図である。

図３の変化形を示す図である。

ポンプの駆動装置の概略図である。

冷媒のための排気熱交換器に装入されるインサートを示す図である。

内燃機関とは独立的な燃焼チャンバを備えた、図２の変化形を示す図である。

図３に示した熱交換器の、統合された燃焼チャンバを備えた変化形を示す図である。

図８の変化形を示す図である。