JP2004125346A

JP2004125346A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2004125346A
Application number: JP2002293635A
Authority: JP
Inventors: Etsuo Hasegawa; 長谷川　恵津夫; Masaaki Kawakubo; 川久保　昌章; Yoshitake Kato; 加藤　吉毅; Takeshi Muto; 武藤　健
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】自動車空調装置の室内熱交換器（ヒータコア）３などの加熱のみを行う熱交換器において、ＣＯ_２を熱媒体として空調空気の加熱を行うにあたり、熱媒体の流れにおいてターンなどによる圧力損失を増加させることなく、熱媒体の温度の偏りを縮小できる熱交換器の提供。
【解決手段】空調空気流の上流側に配された前方コア４と、該前方コア４に並設して下流側に配された後方コア５とを備え、熱媒体（ＣＯ_２）が後方コア５から前方コア４に流れる室内熱交換器３において、後方コア５が備えるフィン５２のピッチを、前方コア４が備えるフィン４２のピッチより疎にすることによって、前方コア４の伝熱量の割合を後方コア５の伝熱量の割合よりも大きく設定する。これによって、熱媒体の後方コア５の入口付近における急激な温度低下を防ぐことができ、熱媒体の温度の偏りを縮小できる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二酸化炭素（以下、ＣＯ_２と略す）を熱媒体とした圧縮サイクルを用いて空調空気の加熱を行うのに好適な熱交換器に関するものであり、特に自動車空調装置の室内熱交換器（ヒータコア）など、加熱のみを行う熱交換器に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮サイクルにおける熱媒体として、オゾン層破壊などの環境破壊を生じないＣＯ_２が注目されている。しかしＣＯ_２は臨界温度が低いため、加熱に必要なレベルの温度では凝縮しない。このため、ＣＯ_２を熱媒体として使用する場合、相変化による凝縮熱を利用することができず、圧縮機によって高温高圧になったＣＯ_２ガスの顕熱のみで加熱を行うことになる。
【０００３】
したがって熱容量の小さい気体の顕熱によって加熱を行うことになり、熱媒体は熱交換器への入口からごくわずかの流域で、急激に温度が低下する。
このため、熱媒体（ＣＯ_２）の温度は、熱媒体の熱交換器への入口付近のみが高くなってしまい、熱媒体の流れ方向において大きな偏りが生じてしまう。
【０００４】
自動車空調装置のヒータコアなどにおける、熱媒体の流れ方向の温度の偏りは、運転席側と助手席側での空調空気の吹出温度の差を生じさせ、空調に不具合を生じさせる。そこで、熱媒体の流れ方向に意図的に伝熱能力を変化させ、熱媒体の温度の偏りを縮小する必要がある。
熱媒体の温度の偏りを縮小するための従来技術としては、熱媒体の流れを被加熱媒体の温度の高いものから熱交換できるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２０３２５０公報（第３−６頁、図１）
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記のごとき発明では、熱媒体の流れにおいてターン数が多くなり熱媒体の圧力損失が大きくなるため、圧縮機への負荷が大きくなる。逆にターン数を増やさずに、最適な順番に熱交換をするためには被加熱媒体の流路を複雑にする必要があり、送風機の負荷が大きくなる。
【０００７】
【発明の目的】
本発明の目的は、自動車空調装置の室内熱交換器（ヒータコア）などの加熱のみを行う熱交換器において、ＣＯ_２を熱媒体として空調空気の加熱を行うにあたり、熱媒体の流れにおいてターンなどによる圧力損失を増加させることなく、熱媒体の温度の偏りを縮小できる熱交換器の提供にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の発明は、空調空気流の上流側に配された前方コアと、該前方コアに並設して下流側に配された後方コアとを備え、熱媒体が後方コアから前方コアに流れる熱交換器において、前方コアの伝熱量の割合を後方コアの伝熱量の割合よりも大きく設定したことを特徴とする。
【０００９】
それによって、熱媒体の上流部、すなわち、熱媒体の熱交換器への入口付近の伝熱量を下げることができ、熱媒体の熱交換器への入口付近での急激な温度低下を抑えることができる。一方、後方コアの伝熱量の減少は前方コアの伝熱量を増加させることで補うことができる。
【００１０】
〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱交換器であって、前方コアの伝熱量の割合を後方コアの伝熱量の割合よりも大きくする手段として、後方コアが備える上流フィンのピッチを、前方コアが備える下流フィンのピッチより疎にしたことを特徴とする。
それによって、前方コアの伝熱量の割合を後方コアの伝熱量の割合よりも大きくすることができ、請求項１と同様の効果を得ることができる。
【００１１】
〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の熱交換器であって、前方コアの伝熱量の割合を後方コアの伝熱量の割合よりも大きくする手段として、後方コアが備える上流フィンの上流ルーバの傾斜を、前方コアが備える下流フィンの下流ルーバの傾斜より緩やかにしたことを特徴とする。
それによって、前方コアの伝熱量の割合を後方コアの伝熱量の割合よりも大きくすることができ、請求項１と同様の効果を得ることができる。
【００１２】
〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の熱交換器であって、前方コアの伝熱量の割合を後方コアの伝熱量の割合よりも大きくする手段として、後方コアが備える上流フィンの上流ルーバのピッチを、前方コアが備える下流フィンの下流ルーバのピッチより疎にしたことを特徴とする。
それによって、前方コアの伝熱量の割合を後方コアの伝熱量の割合よりも大きくすることができ、請求項１と同様の効果を得ることができる。
【００１３】
〔請求項５の手段〕
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の熱交換器であって、前方コアの伝熱量の割合を後方コアの伝熱量の割合よりも大きくする手段として、前方コアが備える下流フィンにのみルーバを設けたことを特徴とする。
それによって、前方コアの伝熱量の割合を後方コアの伝熱量の割合よりも大きくすることができ、請求項１と同様の効果を得ることができる。
【００１４】
〔請求項６の手段〕
請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の熱交換器であって、前方コアの伝熱量の割合を後方コアの伝熱量の割合よりも大きくする手段として、後方コアが備える上流フィンの板厚を、前方コアが備える下流フィンの板厚よりも薄くしたことを特徴とする。
それによって、前方コアの伝熱量の割合を後方コアの伝熱量の割合よりも大きくすることができ、請求項１と同様の効果を得ることができる。
【００１５】
〔請求項７の手段〕
請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の熱交換器であって、前方コアの伝熱量の割合を後方コアの伝熱量の割合よりも大きくする手段として、後方コアが備える上流フィンの高さを、前方コアが備える下流フィンの高さよりも高くしたことを特徴とする。
それによって、前方コアの伝熱量の割合を後方コアの伝熱量の割合よりも大きくすることができ、請求項１と同様の効果を得ることができる。
【００１６】
〔請求項８の手段〕
請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の熱交換器であって、前方コアの伝熱量の割合を後方コアの伝熱量の割合よりも大きくする手段として、後方コアが有する上流チューブの相当直径を、前方コアが有する下流チューブの相当直径よりも大きくしたことを特徴とする。
それによって、前方コアの伝熱量の割合を後方コアの伝熱量の割合よりも大きくすることができ、請求項１と同様の効果を得ることができる。
【００１７】
〔請求項９の手段〕
請求項９に記載の発明は、請求項１ないし８に記載の熱交換器を組み込んだ圧縮式空調装置であって、二酸化炭素を熱媒体として用いることを特徴とする。
それによって、臨界温度の低い二酸化炭素を熱媒体として加熱を行う場合、熱交換器内の熱媒体の流れ方向の温度の偏りを縮小することができ、空調空気の吹出温度の差にともなう空調の不具合を解消することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
この発明を図１ないし図３に示す実施例とともに説明する。本実施例では自動車空調装置１にＣＯ_２の圧縮サイクル２を適用し、室内熱交換器３によって空調空気の加熱を行っている。
自動車空調装置１は図２に示すごとく、上流部においてブロワ１２を備え、その下流には冷媒蒸発器１３と室内熱交換器３とを備える。空調空気は内外気切替ドア１１を介して、ブロワ１２により吸引される。吸引された空調空気は冷媒蒸発器１３で冷却除湿され、その後、目標温度に応じて一部がエアミックスドア１４を介して、室内熱交換器３により加熱され、自動車室内へ送られる。
【００１９】
圧縮サイクル２は図２に示すごとく、圧縮機２１と、圧縮機２１と直結する室内熱交換器３と、圧縮機２１の下流にあって大気と熱の交換を行う室外熱交換器２３を備える。
ＣＯ_２ガスは圧縮機２１により、臨界点以上の高温、高圧まで圧縮されて吐出され、室内熱交換器３で空調空気を加熱する。
【００２０】
その後、冷房運転においてはバイパスバルブ２２Ｂを通過し、室外熱交換器２３で大気によって冷却され、さらに内部熱交換器２４で冷媒蒸発器１３を出た低温のＣＯ_２によって冷却される。冷却され液化したＣＯ_２は冷房用膨張弁２５で膨張され、冷媒蒸発器１３で気化熱を奪い空調空気の冷却除湿を行う。冷媒蒸発器１３を出たＣＯ_２は、アキュムレータ２６を介して圧力調整され、内部熱交換器２４で残余の冷熱を、室外熱交換器２３を出たＣＯ_２に与える。その後、再度、圧縮機２１によって圧縮され、サイクルを繰り返す。
【００２１】
一方、暖房運転においては、室内熱交換器３で空調空気を加熱することにより温度が低下したＣＯ_２ガスは暖房用膨張弁２２で膨張されてさらに温度を下げ、室外熱交換器２３で大気熱を吸収する。その後、バイパスバルブ２５Ｂを通過し、アキュムレータ２６で圧力調整されたのち、再度、圧縮機２１によって圧縮され、サイクルを繰り返す。
【００２２】
室内熱交換器３に使用される熱交換器は図１に示すごとく、空調空気の流れに対し上流側に置かれた前方コア４と、下流側に置かれた後方コア５とを熱交換器本体として備える。
後方コア５の一端側には、熱媒体であるＣＯ_２ガスの上流側ヘッダー３１が備えられ上流配管３２が接続されている。後方コア５の他端側には中間ヘッダー３３が備えられ、前方コア４の一端側と連結されている。前方コア４の他端側には下流側ヘッダー３４が備えられ下流配管３５が接続されている。
【００２３】
下流側ヘッダー３４と中間ヘッダー３３とは、前方コア４が有する複数の下流チューブ４１によって連結され、中間ヘッダー３３と上流側ヘッダー３１とは、後方コア５が有する複数の上流チューブ５１によって連結されている。
隣接する下流チューブ４１間には、伝熱能力を高めるためフィン４２が接合されている。フィン４２には図３に示すごとく、さらに空気の混合を促進して伝熱能力を高めるために、ルーバ４３が設けられている。上流チューブ５１間にも、同様の目的でフィン５２、ルーバ５３が設けられている。
【００２４】
圧縮機２１によって圧縮され高温となったＣＯ_２ガスは、上流配管３２を通って上流側ヘッダー３１に流入する。上流側ヘッダー３１に流入したＣＯ_２ガスは上流チューブ５１に分配され、フィン５２、ルーバ５３を介して空調空気と熱交換を行いながら温度を低下させていく。その後、中間ヘッダー３３で流れ方向をターンさせ、下流チューブ４１に分配され、フィン４２、ルーバ４３を介して空調空気と熱交換を行う。熱交換を終えたＣＯ_２ガスは下流側ヘッダー３４に集約され、下流配管３５を通って室外熱交換器２３へと送られる。
【００２５】
一方、空調空気は前方コア４に対しほぼ垂直に供給され、まず前方コア４のフィン４２、ルーバ４３を介して、下流チューブ４１を流れるＣＯ_２ガスによって加熱される。次に後方コア５に、そのままほぼ垂直に流れ込み、後方コア５のフィン５２、ルーバ５３を介して、上流チューブ５１を流れるＣＯ_２ガスによって加熱される。
【００２６】
従来の前方コアと後方コアとは、同一の構造を備えているため伝熱能力は全く同等であった。このため、上記のごとくＣＯ_２ガスを流すと、上流側ヘッダー３１に近い部分でＣＯ_２ガスの温度が急激に下がるため、ＣＯ_２ガスの流れ方向において、ＣＯ_２ガスの温度の偏りが大きくなり、室内熱交換器３の左右両端における出側の空調空気の温度差は大きかった（８℃以上）。
【００２７】
第１実施例では図３に示すごとくフィンピッチを、前方コア４のフィン４２では従来より小さく、後方コア５のフィン５２では従来より大きくした。このため、後方コア５の伝熱能力が従来よりも下がり、後方コア５の上流側ヘッダー３１付近でのＣＯ_２の急激な温度低下を抑えることができる。一方、前方コア４では伝熱能力が従来よりも上がっているので、後方コア５における加熱不足を補うことができる。
上記のごとく前方コア４と後方コア５とでフィンピッチに差を設けることで、室内熱交換器３の左右両端における出側の空調空気の温度差を３℃以下に縮小することができる。なお、本実施例における改善では、空調空気の加熱量は従来と比べて９９％確保できる。
【００２８】
第２実施例では図４に示すごとくルーバ４３、５３の傾斜を、前方コア４のルーバ４３では従来より大きく、後方コア５のルーバ５３では従来より小さくした。このため、後方コア５の伝熱能力が従来よりも下がり、後方コア５の上流側ヘッダー３１付近でのＣＯ_２の急激な温度低下を抑えることができる。一方、前方コア４では伝熱能力が従来よりも上がっているので、後方コア５における加熱不足を補うことができる。
上記のごとく前方コア４と後方コア５とでルーバ４３、５３の傾斜に差を設けることで、室内熱交換器３の左右両端における出側の空調空気の温度差を３℃以下に縮小することができる。なお、本実施例における改善でも、空気の加熱量は従来と比べて９９％確保できる。
【００２９】
第３実施例では図５に示すごとくルーバピッチを、前方コア４のルーバ４３では従来より小さく、後方コア５のルーバ５３では従来より大きくした。このため、後方コア５の伝熱能力が従来よりも下がり、後方コア５の上流側ヘッダー３１付近でのＣＯ_２の急激な温度低下を抑えることができる。一方、前方コア４では伝熱能力が従来よりも上がっているので、後方コア５における加熱不足を補うことができる。
上記のごとく前方コア４と後方コア５とでルーバピッチに差を設けることで、室内熱交換器３の左右両端における出側の空調空気の温度差を３℃以下に縮小することができる。なお、本実施例における改善でも、空気の加熱量は従来と比べて９９％確保できる。
【００３０】
第４実施例では図６に示すごとく、後方コア５ではルーバがないフィン５２を使用し、前方コア４のルーバ４３では、ルーバピッチを従来よりも小さくした。このため、後方コア５の伝熱能力が従来よりも下がり、後方コア５の上流側ヘッダー３１付近でのＣＯ_２の急激な温度低下を抑えることができる。一方、前方コア４では伝熱能力が従来よりも上がっているので、後方コア５における加熱不足を補うことができる。
上記のごとく後方コア５のフィン５２のルーバをなくすことにより、室内熱交換器３の左右両端における出側の空調空気の温度差を３℃以下に縮小することができる。なお、本実施例における改善でも、空気の加熱量は従来と比べて９９％確保できる。
【００３１】
第５実施例では図７に示すごとくフィン４２、５２の板厚を、前方コア４のフィン４２では従来より大きく、後方コア５のフィン５２では従来より小さくした。このため、後方コア５の伝熱能力が従来よりも下がり、後方コア５の上流側ヘッダー３１付近でのＣＯ_２の急激な温度低下を抑えることができる。一方、前方コア４では伝熱能力が従来よりも上がっているので、後方コア５における加熱不足を補うことができる。
上記のごとく前方コア４と後方コア５とでフィン４２、５２の板厚に差を設けることで、室内熱交換器３の左右両端における出側の空調空気の温度差を３℃以下に縮小することができる。なお、本実施例における改善でも、空気の加熱量は従来と比べて９９％確保できる。
【００３２】
第６実施例では図８に示すごとくフィン４２、５２の山の高さを、前方コア４のフィン４２では従来より小さく、後方コア５のフィン５２では従来より大きくした。すなわち下流、上流チューブ４１、５１の本数を、前方コア４では従来より多く、後方コア５では従来より少なくした。このため、後方コア５の伝熱能力が従来よりも下がり、後方コア５の上流側ヘッダー３１付近でのＣＯ_２の急激な温度低下を抑えることができる。一方、前方コア４では伝熱能力が従来よりも上がっているので、後方コア５における加熱不足を補うことができる。
上記のごとく前方コア４と後方コア５とでフィン４２、５２の山の高さに差を設けることで、室内熱交換器３の左右両端における出側の空調空気の温度差を３℃以下に縮小することができる。なお、本実施例における改善でも、空気の加熱量は従来と比べて９９％確保できる。
【００３３】
第７実施例では図９に示すごとくチューブ１本あたりの流路部屋数を、前方コア４の下流チューブ４１では従来より多く、後方コア５の上流チューブ５１では従来より少なくした。すなわち下流、上流チューブ４１、５１の相当直径を、前方コア４では従来より小さく、後方コア５では従来より大きくした。このため、後方コア５の伝熱能力が従来よりも下がり、後方コア５の上流側ヘッダー３１付近でのＣＯ_２の急激な温度低下を抑えることができる。一方、前方コア４では伝熱能力が従来よりも上がっているので、後方コア５における加熱不足を補うことができる。
上記のごとく前方コア４と後方コア５とで下流、上流チューブ４１、５１の相当直径に差を設けることで、後方コア５の左右両端における出側の空調空気の温度差を３℃以下に縮小することができる。なお、本実施例における改善でも、空気の加熱量は従来と比べて９９％確保できる。
【００３４】
〔変形例〕
本実施例は、向流式熱交換器を用いて超臨界状態のＣＯ_２のごとく気相の熱媒体によって加熱するものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、熱交換の方式として並流式を採用してもよく、ＬＬＣ（ロングライフクーラント）のごとく液相の熱媒体を用いてもよく、また、暖房ばかりでなく冷房運転に適用してもよい。
さらに伝熱能力に差を設ける手段も実施例に限定されるものではなく、また、コアが１つの熱交換器において加熱媒体の流れ方向に伝熱能力の差を設けるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例にかかる熱交換器の斜視図である。
【図２】ＣＯ_２圧縮サイクルを用いた自動車空調装置を示す図である。
【図３】第１実施例にかかるフィンおよびチューブの一部を示す斜視図である。
【図４】第２実施例にかかるフィンおよびルーバの一部を示す断面図である。
【図５】第３実施例にかかるフィンおよびチューブの一部を示す斜視図である。
【図６】第４実施例にかかるフィンおよびチューブの一部を示す斜視図である。
【図７】第５実施例にかかるフィンおよびルーバの一部を示す断面図である。
【図８】第６実施例にかかるフィンおよびチューブの一部を示す断面図である。
【図９】第７実施例にかかるフィンおよびチューブの一部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１　　自動車空調装置
２　　圧縮サイクル
３　　室内熱交換器（ヒータコア）
３１　上流側ヘッダー
３３　中間ヘッダー
３４　下流側ヘッダー
４　　前方コア
４１　下流チューブ
４２　フィン（下流フィン）
４３　ルーバ（下流ルーバ）
５　　後方コア
５１　上流チューブ
５２　フィン（上流フィン）
５３　ルーバ（上流ルーバ）

Claims

空調空気流の上流側に配された前方コアと、該前方コアに並設して下流側に配された後方コアとを備え、熱媒体が前記後方コアから前記前方コアに流れる熱交換器において、
前記前方コアの伝熱量の割合を前記後方コアの伝熱量の割合よりも大きく設定したことを特徴とする熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器であって、前記後方コアは、熱媒体の上流側ヘッダーと中間ヘッダーとの間に配された上流チューブおよび該上流チューブに接合された上流フィンからなり、前記前方コアは、前記中間ヘッダーと前記上流側ヘッダーに並設された下流側ヘッダーとの間に配された下流チューブおよび該下流チューブに接合された下流フィンからなり、前記上流フィンのピッチを前記下流フィンのピッチより疎にしたことを特徴とする熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器であって、前記後方コアは、熱媒体の上流側ヘッダーと中間ヘッダーとの間に配された上流チューブおよび該上流チューブに接合された上流フィンからなり、前記前方コアは、前記中間ヘッダーと前記上流側ヘッダーに並設された下流側ヘッダーとの間に配された下流チューブおよび該下流チューブに接合された下流フィンからなり、前記上流フィンが備える上流ルーバの傾斜を、前記下流フィンが備える下流ルーバの傾斜より緩やかにしたことを特徴とする熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器であって、前記後方コアは、熱媒体の上流側ヘッダーと中間ヘッダーとの間に配された上流チューブおよび該上流チューブに接合された上流フィンからなり、前記前方コアは、前記中間ヘッダーと前記上流側ヘッダーに並設された下流側ヘッダーとの間に配された下流チューブおよび該下流チューブに接合された下流フィンからなり、前記上流フィンが備える上流ルーバのピッチを、前記下流フィンが備える下流ルーバのピッチより疎にしたことを特徴とする熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器であって、前記後方コアは、熱媒体の上流側ヘッダーと中間ヘッダーとの間に配された上流チューブおよび該上流チューブに接合された上流フィンからなり、前記前方コアは、前記中間ヘッダーと前記上流側ヘッダーに並設された下流側ヘッダーとの間に配された下流チューブおよび該下流チューブに接合された下流フィンからなり、前記下流フィンにのみルーバを設けたことを特徴とする熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器であって、前記後方コアは、熱媒体の上流側ヘッダーと中間ヘッダーとの間に配された上流チューブおよび該上流チューブに接合された上流フィンからなり、前記前方コアは、前記中間ヘッダーと前記上流側ヘッダーに並設された下流側ヘッダーとの間に配された下流チューブおよび該下流チューブに接合された下流フィンからなり、前記上流フィンの板厚を前記下流フィンの板厚よりも薄くしたことを特徴とする熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器であって、前記後方コアは、熱媒体の上流側ヘッダーと中間ヘッダーとの間に配された上流チューブおよび該上流チューブに接合された上流フィンからなり、前記前方コアは、前記中間ヘッダーと前記上流側ヘッダーに並設された下流側ヘッダーとの間に配された下流チューブおよび該下流チューブに接合された下流フィンからなり、前記上流フィンの高さを前記下流フィンの高さよりも高くしたことを特徴とする熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器であって、前記後方コアは、熱媒体の上流側ヘッダーと中間ヘッダーとの間に配された上流チューブを備え、前記前方コアは、前記中間ヘッダーと前記上流側ヘッダーに並設された下流側ヘッダーとの間に配された下流チューブを備え、前記上流チューブの相当直径を前記下流チューブの相当直径よりも大きくしたことを特徴とする熱交換器。
請求項１ないし８に記載の熱交換器を組み込んだ圧縮式空調装置であって、二酸化炭素を熱媒体として用いることを特徴とする圧縮式空調装置。