JP2005283021A - 熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】 冷媒が超臨界下で運転される冷凍サイクルの放熱器と、他の放熱体もしくは発熱体とを対向して配置することを可能にして省スペース化を図ることができる熱交換システムを提供する。
【解決手段】 空調システムの第１放熱器４と、この第１放熱器４の冷却風が通過する領域の一部に対向する動力系を冷却する第２放熱器１０とを備え、第２放熱器１０を第１放熱器４の冷媒の上流側冷媒パス１７Ａに対向する配置させ、第２放熱器の冷媒温度を第１放熱器４の上流側冷媒パス１７Ａの冷媒温度以下に設定した。
【選択図】 図３

Description

本発明は熱交換システムに関し、さらに詳しくは、超臨界下で運転される例えば二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍サイクルの放熱器の配置に関するものである。

従来の空調システムでは、ＨＦＣ１３４ａなどのフロン系冷媒が用いられた冷凍サイクルを利用しているが、オゾン層の破壊や地球の温暖化といった環境問題が懸念されている。このため、脱フロン対策の一つとして、二酸化炭素、エチレン、エタン、酸化窒素などを冷媒として用いる冷凍サイクルが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。これら二酸化炭素などを冷媒として用いる冷凍サイクルは、原理的にはフロン系冷媒を用いた従来の冷凍サイクルと同じである。

従来のフロン系冷媒を用いた冷凍サイクルでは、放熱器内で冷媒が凝縮状態となるため、放熱器内での温度勾配は極めて小さい。

一方、二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍サイクルのように、放熱時に冷媒状態が超臨界下で運転される放熱器では、通過する冷媒はガス体である。また、放熱器の入口では、冷媒が１００℃以上の高温となるが、放熱器に流入した後は、冷却風と急激に熱交換して冷却される特性がある。このように、二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍サイクルでは、放熱器において冷媒の入口と出口との間で温度勾配が急峻となる特性がある。このように、この放熱器に別の放熱器を対向するように配置して冷却風を共用することは行われていなかった。
特公平７−１８６０２号公報

上述のように、冷媒が超臨界下で運転される空調システムでは、その放熱器内の温度勾配が急峻であるため、その放熱器を通過してくる冷却風の温度も分布が発生するものであった。このため、この冷凍サイクルの放熱器に別の放熱器を対向配置して冷却風を共用させようとした場合に、何れか一方の放熱器において、ともすると吸熱が起きてしまい放熱性能を阻害してしまう可能性があった。

このような理由から、冷媒が超臨界下で運転される冷凍サイクルの放熱器に他の放熱器を対向させて配置して熱交換を行う熱交換システムはなかった。具体的には、例えば車両のエンジンルームなどにおいて空調システムの放熱器と他の放熱器などとを互いに干渉しない配置としていた。

そこで、本発明の目的は、冷媒が超臨界下で運転される冷凍サイクルの放熱器と、他の放熱体もしくは発熱体とを対向して配置することを可能にして省スペース化を図ることができる熱交換システムを提供することにある。

請求項１記載の発明は、冷媒が超臨界下で運転される冷凍サイクルの第１放熱器と、該第１放熱器の冷却風が通過する領域の一部に対向するように他の第２放熱器とを、互いに放熱を維持するように配置させたことを特徴としている。

請求項２記載の発明は、冷媒が超臨界下で運転される冷凍サイクルの第１放熱器と、該第１放熱器の冷却風が通過する領域の一部に対向するように他の第２放熱器と、を配置させると共に、前記第１放熱器と前記第２放熱器とのうち、互いに対向する領域における内部冷媒の温度が低い方を冷却風の上流側に配置させることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載された熱交換システムであって、前記第２放熱器を、前記第１放熱器における冷媒の上流側領域に対向するように、前記第１放熱器よりも冷却風の上流側に配置させたことを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の熱交換システムであって、前記上流側領域における冷媒の流れ方向と、前記第２放熱器における冷媒の流れ方向とを同一方向にしたことを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項３記載の熱交換システムであって、前記上流側領域と前記第２放熱器とを、互いに高温側同士と低温側同士とが対向するようにしたことを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載された熱交換システムであって、前記第１放熱器における冷媒の下流側領域に対向するように、前記第２放熱器を前記第１放熱器よりも冷却風の下流側に配置させたことを特徴としている。

請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明であって、前記第２放熱器の冷媒の流れ方向が前記下流側領域における冷媒の流れ方向と逆方向であることを特徴としている。

請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載された熱交換システムであって、前記第１放熱器は、一対の平行なヘッダと、前記ヘッダ間を結ぶ複数のチューブと、前記チューブ間に配置されたフィンと、を備えてなることを特徴としている。

請求項９記載の発明は、請求項８記載の発明であって、前記チューブは、前記ヘッダの長手方向に沿って複数の冷媒パスに区分され、互いに隣接する前記冷媒パス同士は互いに異なる方向に冷媒を案内することを特徴としている。

請求項１０記載の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載された熱交換システムであって、前記第２放熱器が電熱ヒータであることを特徴としている。

本発明によれば、超臨界下で運転される熱交換システムの第１放熱器の冷却風上流側もしくは下流側に、他の第２放熱器を対向して配置することが可能となり、熱交換システムが収納される空間、特に車両の内部空間における放熱器の設置スペースの有効利用ならびに省スペース化が図れる。

以下、本発明の実施の形態に係る熱交換システムをの詳細を図面に基づいて説明する。本実施の形態に係る熱交換システムは、冷媒として二酸化炭素を用いる車両用空調システムを燃料電池自動車に適用した例である。

（第１の実施の形態）
次に、図１〜図５を用いて本発明の第１の実施の形態について説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る熱交換システムの概略を示す回路図である。図１に示すように、この熱交換システムは、周知の冷凍サイクルと、この冷凍サイクルにおける後述する第１放熱器（車室外放熱器）４に対向配置させた第２放熱器１０とを備えてなる。

冷凍サイクルは、圧縮機１、室内放熱器２、三方弁３、第１放熱器４、チェック弁５、内部熱交換器６、膨張弁７、エバポレータ８、アキュムレータ９などで大略構成されている。第２放熱器１０は、上記の第１放熱器４の冷却風上流側に対向配置されている。

次に、本実施の形態に係る熱交換システムの特徴を図２および図３を用いて説明する。なお、図２は第１放熱器４のみを示す斜視図であり、図３は第１放熱器４と第２放熱器１０とを対向配置させた状態を示す斜視図である。

図２および図３に示すように、第１放熱器４は、一対の平行なヘッダ１１、１２を連結する複数のチューブ１３が互いに平行をなすように配置されている。これらチューブ１３同士の間隙には、放熱用のフィン１４が介在されている。なお、ヘッダ１１、１２間の複数のチューブ１３が連結された領域は、冷媒パス１７となっている。

ヘッダ１１、１２は、長手方向の両端部が閉塞されている。ヘッダ１１の一方（図中上側）の端部近傍の外側部には、冷媒入口１５が設けられている。また、ヘッダ１２の他方（図中下側）の端部近傍の外側部には、冷媒出口１６が設けられている。また、ヘッダ１１の一方の端部からこのヘッダ１１の全長の略三分の一の長さ位置には、内部空間を遮断する隔壁１１Ａが形成されている。一方、ヘッダ１２の他方の端部からこのヘッダ１２の全長の略三分の一の長さ位置には、内部空間を遮断する隔壁１２Ａが形成されている。

なお、図２に示すように、冷媒パス１７は、上流側冷媒パス１７Ａ、中間冷媒パス１７Ｂ、下流側冷媒パス１７Ｃの３つの領域に区画されている。そして、上流側冷媒パス１７Ａは、ヘッダ１１に形成された隔壁１１Ａより一方の端部側（図中上側）に配置されている。中間冷媒パス１７Ｂは、ヘッダ１１に形成された隔壁１１Ａとヘッダ１２に形成された隔壁１２Ａとの間の領域に配置されている。下流側冷媒パス１７Ｃは、ヘッダ１２に形成された隔壁１２Ａより他方の端部側（図中下側）に配置されている。

このような第１放熱器４においては、冷媒入口１５から上流側冷媒パス１７Ａを経てヘッダ１２に移動し、ヘッダ１２に至った冷媒はヘッダ１２の隔壁１２Ａで規制されるため中間冷媒パス１７Ｂに流れ込む。そして、中間冷媒パス１７Ｂを経てヘッダ１１に移動した冷媒は、ヘッダ１１の隔壁１１Ａでヘッダ１１の一方の端部側へは移動が規制されているため、他方の端部側へ移動して下流側冷媒パス１７Ｃへ流れ込み、ヘッダ１２の冷媒出口１６から出るようになっている。このように、第１放熱器４では、冷媒は上流側冷媒パス１７Ａ、中間冷媒パス１７Ｂ、下流側冷媒パス１７Ｃの３つのパスをジグザグ状に流れるようになっている。

ここで、第２放熱器１０の構成、配置位置の説明に先駆けて、本実施の形態の第１放熱器４における冷媒入口１５から冷媒出口１６へ向けた冷媒の温度を測定した結果を示す図４に基づいて説明する。

図４に示すように、冷媒入口（ガスクーラ入口）１５に入り込む冷媒温度は約１４０℃であるが、上流側冷媒パス１７Ａを通過してヘッダ１２に至るまでに（パス数０〜１の間に）、約５８℃まで低下している。また、ヘッダ１２から中間冷媒パス１７Ｂを通ってヘッダ１１に至るまでの間に（パス数１〜２の間に）、冷媒温度は約５８℃から約４３℃まで低下している。さらに、ヘッダ１１から下流側冷媒パス１７Ｃを通過してヘッダ１２に至るまでの間に（パス数２〜３の間に）、冷媒温度は約４３℃から約３８℃まで低下している。

図４から判るように、冷媒温度は冷媒入口１５から入って上流側冷媒パス１７Ａを通過することにより、急激に冷却される。これに比較して、中間冷媒パス１７Ｂと下流側冷媒パス１７Ｃとを通過したときの冷媒の温度降下は小さくなる。

次に、第２放熱器１０の構成を説明する。図３に示すように、第２放熱器１０は、第１放熱器４の幅寸法と同程度の幅寸法に設定されている。

第２放熱器１０は、互いに平行な一対のヘッダ１８、１９と、これらヘッダ１８、１９を連結する互いに平行な複数のチューブ２０と、これらチューブ２０同士の間に介在されたフィン２１とを備えてなる。

ヘッダ１８、１９は、第１放熱器４のヘッダ１１、１２の長さの三分の一の長さに設定されている。また、チューブ２０の長さは、第１放熱器４のチューブ１３とほぼ同じ長さに設定されている。そして、ヘッダ１８、１９の外側部のほぼ中央に冷媒入口１８Ａ、１９Ａが設けられている。

本実施の形態では、このような構成の第２放熱器１０は、例えば燃料電池自動車用の放熱器であり、動力系を冷却する放熱器であるが、この他に燃料電池系を冷却する放熱器を適用することもできる。

本実施の形態では、上述した第１放熱器４の現象を踏まえ、図３に示すように、第２放熱器１０を、第１放熱器４の上流側冷媒パス１７Ａと対向するように、冷却風上流側に配置している。そして、第２放熱器１０内の冷媒の温度は、第１放熱器４の上流側冷媒パス１７Ａ内の冷媒の温度以下に設定している。

このため、第２放熱器１０を通過した冷却風は、第２放熱器１０内の冷媒の温度より温度が高くなることはなく、第２放熱器１０を通過した冷却風で第１放熱器４の上流側冷媒パス１７Ａを冷却することができる。また、第１放熱器４の中間冷媒パス１７Ｂおよび下流側冷媒パス１７Ｃの２つのパスでは、第２放熱器１０を通過しない冷却風で冷却されるため、上流側冷媒パス１７Ａ内を通過した冷媒を確実に冷却することができる。

このように、第１放熱器４の上流側冷媒パス１７Ａの冷却風上流側に対向する第２放熱器１０を配置し、第２放熱器１０の冷媒温度を上流側冷媒パス１７Ａの冷媒温度以下に設定したことにより、第１放熱器４では吸熱することがなく、第１放熱器４および第２放熱器１０の双方の熱交換器を成立させることができる。

なお、熱交換システムの運転条件により、第１放熱器４と第２放熱器１０の冷媒温度は、絶対温度は変化するが、基本的に通常運転時は、吸熱を起こさないように制御することが可能である。

また、第２放熱器１０を第１放熱器４に対向して冷却風を共用できる構成であるため、第２放熱器１０を別の場所に配置する必要がなく、例えばエンジンルーム内の省スペース化を図ることができる。

本実施の形態の熱交換システムにおいては、図５に示すように、第２放熱器１０の冷媒が流れる方向をヘッダ１８からヘッダ１９に向けて、第１放熱器４の上流側冷媒パス１７Ａと第２放熱器１０の高温側と低温側とを合わせることにより、第１放熱器４の上流側冷媒パス１７Ａ内で局部的に吸熱が起こることを防止でき、放熱効率を高めることができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係る熱交換システムを図６を用いて説明する。なお、本実施の形態では、上述の第１の実施の形態の構成を大部分が同一であるため、異なる構成部分のみを説明する。

図６に示すように、本実施の形態の熱交換システムにおいては、幅の狭い第２放熱器３０を第１放熱器４の冷却風上流側に配置したものである。この第２放熱器３０は、第１放熱器４の上流側冷媒パス１７Ａの冷媒入口１５側に近い部分に対向配置されている。

本実施の形態では、第２放熱器３０が第１放熱器４の冷媒温度の高い領域と対向するため、第２放熱器３０の冷媒温度より第１放熱器４の冷媒温度のほうが確実に高いため、第２放熱器３０を通過した冷却風により第１放熱器４で吸熱が確実に起こることがないように設定されている。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態に係る熱交換システムを図７および図８を用いて説明する。本実施の形態では、第２放熱器４０を第１放熱器４の冷却風下流側に配置したことを特徴としている。なお、本実施の形態における他の構成は、上述した第１の実施の形態と同様であるため、その説明は省略する。

本実施の形態では、図７に示すように、第２放熱器４０を第１放熱器４の冷却風下流側で、第１放熱器４の下流側冷媒パス１７Ｃに対向するように配置している。この第２放熱器４０の幅寸法は、第１放熱器４の幅寸法とほぼ同一であり、ヘッダ４１、４１の長さ寸法は、ヘッダ１１、１２の三分の一に設定されている。ヘッダ４１、４２の互いの外側部には、冷媒出入口４１Ａ、４２Ａが設けられている。

このような構成において、第２放熱器４の下流側冷媒パス１７Ｃ内の冷媒温度は、第１放熱器４０内の冷媒温度以下になるように設定されている。このため、第１放熱器４の下流側冷媒パス１７Ｃを通過した冷却風は、第２放熱器４０内の冷媒の温度より温度が高くなることはなく、第１放熱器４の下流側冷媒パス１７Ｃを通過した冷却風で第２放熱器４０のを冷却することができる。また、第１放熱器４の冷却風上流側には放熱器が存在しないため、確実に冷却することができる。

このように、第１放熱器４の下流側冷媒パス１７Ｃの冷却風下流側に対向する第２放熱器４０を配置し、下流側冷媒パス１７Ｃの冷媒温度が第２放熱器４０内の冷媒温度以下に設定されているため、第２放熱器４０では吸熱することがなく、第１放熱器４および第２放熱器４０の双方の熱交換器を成立させることができる。

なお、上述の第１および第２の実施の形態と同様に、熱交換システムの運転条件により、第１放熱器４と第２放熱器４０の冷媒温度は、絶対温度は変化するが、基本的に通常運転時は、吸熱を起こさないように制御することが可能である。

また、本実施の形態においても、第２放熱器４０を第１放熱器４に対向して冷却風を共用できる構成であるため、第２放熱器４０を別の場所に配置する必要がなく、例えばエンジンルーム内の省スペース化を図ることができる。

本実施の形態の熱交換システムにおいては、図８に示すように、第２放熱器４０の冷媒が流れる方向をヘッダ４２側からヘッダ４１側へ向けて、第１放熱器４の下流側冷媒パス１７Ｃと第２放熱器４０の高温側と低温側とを逆にすることにより、第２放熱器４０を効率的に冷却させることも可能である。なお、この場合も、第１放熱器４の下流側冷媒パス１７Ｃ内の冷媒温度は、第２放熱器４０内の冷媒温度以下に保たれていることが必要である。

なお、下流側冷媒パス１７Ｃは、図４に示すように、冷媒の流れ方向に沿って比較的緩やかに温度が低下するため、第２放熱器４０内の冷媒の流れ方向は、図８とは逆に下流側冷媒パス１７Ｃ内の冷媒の流れ方向と一致させてもよい。

（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態に係る熱交換システムについて図９を用いて説明する。本実施の形態は、上述した第３の実施の形態とほぼ同様の構成であり、第２放熱器５０の幅寸法が第１放熱器４より短い場合である。

本実施の形態では、第２放熱器５０の幅寸法が第１放熱器４の幅寸法の略半分であり、第１放熱器４の下流側冷媒パス１７Ｃのヘッダ１２側の領域に合わせて対向配置している。また、本実施の形態でも上述の第３の実施の形態と同様に、第２放熱器５０は、第１放熱器４の冷却風下流側に配置されている。

また、第２放熱器５０のヘッダ５１、５２には、冷媒出入口５１Ａ、５２Ａが設けられている。なお、本実施の形態では、図４に示すように、第１放熱器４の冷媒温度の変動が少ない下流側冷媒パス１７Ｃの終端側の領域に、第２放熱器５０を対向配置しているため、第２放熱器５０の冷媒出入口５１Ａ、５２Ａのどちらを冷媒入口としてもよい。

（その他の実施の形態）
上述した実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

例えば、上述した各実施の形態では、チューブが水平方向に沿って配置した状態を図示したが、第１放熱器４や第２放熱器１０、３０、４０、５０は上下左右の配置方向に限定されるものではない。

また、上述した各実施の形態では、熱交換システムとして、二酸化炭素冷媒を用いる車両用空調システムを燃料電池自動車に適用した例であるが、本発明は、燃料電池自動車以外の車両や他の空調システムなどに適用可能である。

さらに、上述した各実施の形態では、第１放熱器４が３つの冷媒パスをもつ場合で説明したが、単数でも３つ以外の複数でもよい。

また、上述した第３および第４の実施の形態では、第２放熱器４０，５０が熱交換器であるが、これに代えて電熱ヒータを配置する構成としてもよい。

さらに、上述した各実施の形態では、第１放熱器４が図４に示す特性を持つ場合に適用して第２放熱器の配置を設定したが、冷媒が超臨界下で運転される冷凍サイクルの放熱器では図４に示した特性と同様の特性を持っているため、第１放熱器の特性に対応して第２放熱器の配置位置などを決定すればよい。

本発明の熱交換システムの概略をを示す回路図である。 本発明の各実施の形態で用いる第１放熱器の斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る熱交換システムの放熱器部分の斜視図である。 本発明の各実施の形態で用いる第１放熱器における流路の位置と冷媒温度との関係を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る熱交換システムにおける放熱器部分の斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る熱交換システムにおける放熱器部分の斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る熱交換システムにおける放熱器部分の斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る熱交換システムにおける放熱器部分の斜視図である。 本発明の第４の実施の形態に係る熱交換システムにおける放熱器部分の斜視図である。

符号の説明

４ 第１放熱器
１０，３０，４０，５０ 第２放熱器
１１，１２ ヘッダ
１３ チューブ
１４ フィン
１５ 冷媒入口
１６ 冷媒出口
１７ 冷媒パス
１７Ａ 上流側冷媒パス
１７Ｂ 中間冷媒パス
１７Ｃ 下流側冷媒パス
１８，１９，４１，４２，５１，５２ ヘッダ

Claims (10)

1. 冷媒が超臨界下で運転される冷凍サイクルの第１放熱器（４）と、該第１放熱器（４）の冷却風が通過する領域の一部（１７Ａ，１７Ｃ）に対向するように他の第２放熱器（１０，３０，４０，５０）とを、互いに放熱を維持するように配置させたことを特徴とする熱交換システム。
2. 冷媒が超臨界下で運転される冷凍サイクルの第１放熱器（４）と、該第１放熱器（４）の冷却風が通過する領域の一部（１７Ａ，１７Ｃ）に対向するように他の第２放熱器（１０，３０，４０，５０）と、を配置させると共に、
   前記第１放熱器（４）と前記第２放熱器（１０，３０，４０，５０）とのうち、互いに対向する領域における内部冷媒の温度が低い方を冷却風の上流側に配置させることを特徴とする熱交換システム。
3. 前記第２放熱器（１０，３０）を、前記第１放熱器（４）における冷媒の上流側領域（１７Ａ）に対向するように、前記第１放熱器（４）よりも冷却風の上流側に配置させたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された熱交換システム。
4. 前記上流側領域（１７Ａ）における冷媒の流れ方向と、前記第２放熱器（１０，３０）における冷媒の流れ方向とを同一方向にしたことを特徴とする請求項３記載の熱交換システム。
5. 前記上流側領域（１７Ａ）と前記第２放熱器（１０，３０）とを、互いに高温側同士と低温側同士とが対向するようにしたことを特徴とする請求項３記載の熱交換システム。
6. 前記第１放熱器（４）における冷媒の下流側領域（１７Ｃ）に対向するように、前記第２放熱器（４０，５０）を前記第１放熱器（４）よりも冷却風の下流側に配置させたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された熱交換システム。
7. 前記第２放熱器（４）の冷媒の流れ方向が前記下流側領域（１７Ｃ）における冷媒の流れ方向と逆方向であることを特徴とする請求項６記載の熱交換システム。
8. 前記第１放熱器（４）は、一対の平行なヘッダ（１１，１２）と、前記ヘッダ（１１，１２）間を結ぶ複数のチューブ（１３）と、前記チューブ（１３）間に配置されたフィン（１４）と、を備えてなることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載された熱交換システム。
9. 前記チューブ（１３）は、前記ヘッダ（１１，１２）の長手方向に沿って複数の冷媒パス（１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ）に区分され、互いに隣接する前記冷媒パス（１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ）同士は互いに異なる方向に冷媒を案内することを特徴とする請求項８記載の熱交換システム。
10. 前記第２放熱器（４０，５０）が電熱ヒータであることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載された熱交換システム。

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