JP2008082658A - Internal heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内部熱交換器に関し、詳細には、熱交換性能の維持と低コストでの製造を可能とする技術に関する。 The present invention relates to an internal heat exchanger, and in particular, to a technique that enables maintenance of heat exchange performance and low-cost production.
例えば、自動車用空調装置には、二酸化炭素を冷媒とした冷凍サイクルが開発されている。その冷凍サイクルを構成する装置のうち内部熱交換器は、高圧中温の冷媒が流れる高圧側流路と、それよりも圧力及び温度の低い低圧低温の冷媒が流れる低圧側流路とを備え、それら両流路を流れる冷媒同士で熱交換させるようにしている。 For example, refrigeration cycles using carbon dioxide as a refrigerant have been developed for automotive air conditioners. Among the devices constituting the refrigeration cycle, the internal heat exchanger includes a high-pressure side passage through which a high-pressure and intermediate-temperature refrigerant flows, and a low-pressure side passage through which a low-pressure and low-temperature refrigerant having a lower pressure and temperature flows. Heat is exchanged between the refrigerants flowing through both flow paths.
このような内部熱交換器の一つとして、例えば低圧で低温の冷媒が流れる管路の周囲に、高圧で高温の冷媒が流れる管路を何重にも巻き付けて熱交換を行うようにした構造のものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 As one of such internal heat exchangers, for example, a structure in which a high-pressure and high-temperature refrigerant flow is wrapped around a pipe line through which low-pressure and low-temperature refrigerant flows to perform heat exchange. Have been proposed (see, for example, Patent Document 1).
この他、高圧冷媒配管と低圧冷媒配管をろう付けし、そのろう付けした両配管を内部に収容するように断熱材で覆った構造の内部熱交換器が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, an internal heat exchanger having a structure in which a high-pressure refrigerant pipe and a low-pressure refrigerant pipe are brazed, and both the brazed pipes are covered with a heat insulating material so as to be accommodated therein is proposed (for example, Patent Document 2). reference).
またこの他、円柱管の中心に断面円形状の第1冷媒通路を形成し、その外側にこの第1冷媒通路を取り囲むようにして複数の第2冷媒通路を形成した内部熱交換器が提案されている(例えば、特許文献3参照)。 In addition, an internal heat exchanger has been proposed in which a first refrigerant passage having a circular cross section is formed at the center of a cylindrical tube, and a plurality of second refrigerant passages are formed outside the first refrigerant passage so as to surround the first refrigerant passage. (For example, refer to Patent Document 3).
またこの他、密閉ケーシング内に設けた冷媒流入管と冷媒流出管を互いにねじった構造とした内部熱交換器が提案されている(例えば、特許文献4参照)。
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、低圧側の熱伝達のための長さが不足して熱交換性能が悪くなると共に、高圧側の管路が長くなり過ぎて通路抵抗が高くなってしまう。
However, in the technique described in
特許文献2に記載の技術では、単位長さ当たりの熱伝達効率が悪く、やはり熱交換性能の面で問題が残る。
With the technique described in
特許文献3に記載の技術では、同一の円柱管に2つの冷媒通路を形成しているため、各冷媒通路とコネクタとの結合構造が複雑となり、加工コストが高くなる。
In the technique described in
特許文献4に記載の技術では、2つの管を互いにねじって熱交換効率を高めるようにしているものの同一の管径とされていることから、高圧高温の冷媒が流れる管と低圧低温の冷媒が流れる管とにおいて、特に高圧側管の耐圧性と低圧側管の熱交換量とが十分に満足のいくものとはならない。 In the technique described in Patent Document 4, two pipes are twisted together to increase heat exchange efficiency. However, since they have the same pipe diameter, a pipe through which a high-pressure and high-temperature refrigerant flows and a low-pressure and low-temperature refrigerant are In particular, the pressure resistance of the high-pressure side pipe and the heat exchange amount of the low-pressure side pipe are not sufficiently satisfactory with the flowing pipe.
そこで、本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、熱交換性能を維持しながらも製造コストを大幅に低減することのできる内部熱交換器を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide an internal heat exchanger that can greatly reduce the manufacturing cost while maintaining the heat exchange performance. .
請求項1に記載の発明は、高圧中温の冷媒が流れる高圧側パイプと、それよりも圧力及び温度が低い低圧低温の冷媒が流れる低圧側パイプとを備え、これら冷媒同士で熱交換を行う内部熱交換器であって、前記高圧側パイプを、前記低圧側パイプよりも内径及び外径共に小さい円径パイプとし、且つ、高圧側パイプと低圧側パイプを螺旋状に寄り合わせた構造としたことを特徴とする。
The invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の内部熱交換器であって、前記高圧側パイプの外周には、クラッド材が設けられたことを特徴とする。 A second aspect of the present invention is the internal heat exchanger according to the first aspect, wherein a clad material is provided on an outer periphery of the high-pressure side pipe.
請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の内部熱交換器であって、前記低圧側パイプの内径を等価直径で8〜12mmの範囲とし、前記高圧側パイプの内径を等価直径で4〜6mmの範囲としたことことを特徴とする。
Invention of
請求項4に記載の発明は、請求項1から請求項3の何れか一つに記載の内部熱交換器であって、前記高圧側パイプを、少なくとも2つ以上としたことを特徴とする。
The invention according to claim 4 is the internal heat exchanger according to any one of
請求項5に記載の発明は、請求項1から請求項4の何れか一つに記載の内部熱交換器であって、前記冷媒を二酸化炭素ガスとしたことを特徴とする。 A fifth aspect of the present invention is the internal heat exchanger according to any one of the first to fourth aspects, wherein the refrigerant is carbon dioxide gas.
請求項1に記載の発明によれば、高圧側パイプと低圧側パイプを螺旋状に寄り合わせた構造としたので、熱交換長さを稼ぐことができ、内部熱交換器の長さ当たりの熱交換効率が向上する。また、本発明の内部熱交換器の端部は、円形であるので継手の構造も簡単になり、コストを大幅に低減することができる。また、本発明によれば、高圧側パイプを低圧側パイプよりも内径及び外径を小さくしているので、高圧側パイプは熱交換量が向上すると共に耐圧性も向上する。 According to the first aspect of the present invention, since the high-pressure side pipe and the low-pressure side pipe are arranged close to each other in a spiral shape, the heat exchange length can be earned, and the heat per length of the internal heat exchanger can be obtained. Exchange efficiency is improved. In addition, since the end of the internal heat exchanger of the present invention is circular, the structure of the joint is simplified, and the cost can be greatly reduced. Further, according to the present invention, since the high-pressure side pipe has a smaller inner diameter and outer diameter than the low-pressure side pipe, the high-pressure side pipe improves the heat exchange amount and also the pressure resistance.
請求項2に記載の発明によれば、高圧側パイプの外周にクラッド材を設けたので、低圧側パイプに比べて外径の小さい高圧側パイプがクラッド材を持つことにより、高価なクラッド材の量を減らすことができ、低コスト化を図れる。 According to the second aspect of the present invention, since the cladding material is provided on the outer periphery of the high-pressure side pipe, the high-pressure side pipe having a smaller outer diameter than the low-pressure side pipe has the cladding material, so that the expensive cladding material The amount can be reduced and the cost can be reduced.
請求項3に記載の発明によれば、高圧側パイプ及び低圧側パイプの最適な内径の組み合わせとすることにより、効果的に冷房性能を向上できる。 According to the third aspect of the invention, the cooling performance can be effectively improved by combining the optimum inner diameters of the high pressure side pipe and the low pressure side pipe.
請求項4に記載の発明によれば、2つ以上とした高圧側パイプが低圧側パイプを覆うことにより断熱材が不要になり、コストの低減ができる。 According to the fourth aspect of the present invention, since the two or more high-pressure side pipes cover the low-pressure side pipe, a heat insulating material becomes unnecessary, and the cost can be reduced.
請求項5に記載の発明によれば、安価に耐圧構造を構築できるため、内部熱交換器を具備することが必須の二酸化炭素ガスを冷媒とした空調装置には最適である。 According to the fifth aspect of the present invention, since the pressure-resistant structure can be constructed at low cost, it is optimal for an air conditioner using carbon dioxide gas, which is essential to have an internal heat exchanger, as a refrigerant.
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本実施の形態の内部熱交換器を適用した車両用空調装置の系統図、図2は、本実施の形態の内部熱交換器を示し、(A)は側面図、(B)は端面図、図3は、本実施の形態の内部熱交換器における圧力とエンタルピーとの関係を示すPH線図、図4は、本実施の形態の内部熱交換器における高圧側パイプの通路抵抗を示す特性図、図5は、本実施の形態の内部熱交換器における低圧側パイプの通路抵抗を示す特性図、図6は、本実施の形態の内部熱交換器における熱交換量を示す特性図、図7は、本実施の形態の内部熱交換器の他の例を示す側面図である。 FIG. 1 is a system diagram of a vehicle air conditioner to which the internal heat exchanger of the present embodiment is applied, FIG. 2 shows the internal heat exchanger of the present embodiment, (A) is a side view, and (B). Is an end view, FIG. 3 is a PH diagram showing the relationship between pressure and enthalpy in the internal heat exchanger of the present embodiment, and FIG. 4 is a passage resistance of the high-pressure side pipe in the internal heat exchanger of the present embodiment. FIG. 5 is a characteristic diagram showing the passage resistance of the low-pressure side pipe in the internal heat exchanger of the present embodiment, and FIG. 6 is a characteristic showing the amount of heat exchange in the internal heat exchanger of the present embodiment. FIG. 7 is a side view showing another example of the internal heat exchanger of the present embodiment.
車両用空調装置は、冷媒として二酸化炭酸ガスを用いており、冷媒を圧縮する圧縮機1と、この圧縮機1で圧縮、昇温された冷媒と外気との間で熱交換させる外部熱交換器2と、車両前席側に配置される第1の蒸発器(エバポレーター)3と、車両後席側に配置される第2の蒸発器4と、第1の蒸発器3に対応して設けられたこの第1の蒸発器専用の第1の内部熱交換器5と、第2の蒸発器4に対応して設けられたこの第2の蒸発器専用の第2の内部熱交換器6とを備えている。
The vehicle air conditioner uses carbon dioxide gas as a refrigerant, the
エンジンルーム7内には、圧縮機1と、外部熱交換器2が設けられている。車両のエンジンルームよりリア側の部位8には、第1の蒸発器3と、第2の蒸発器4とが設けられている。第2の内部熱交換器6は、エンジンルームからリアに渡って設けられている。
A
第1の蒸発器3と第1の内部熱交換器5との間には、第1の膨張弁9が設けられている。また、第2の蒸発器4と第2の内部熱交換器6との間には、第2の膨張弁10が設けられている。なお、外部熱交換器2の出口には、この外部熱交換器2で冷却した冷媒を第1の内部熱交換器5または第2の内部熱交換器6へ供給する電磁弁11が設けられている。
A first expansion valve 9 is provided between the
圧縮機1は、図示しないモータ又は車両駆動装置からの駆動力を得て気相状態の二酸化炭酸ガスを圧縮し、高温高圧の冷媒として吐出する。
The
外部熱交換器2は、圧縮機1で圧縮、昇温された冷媒を外気と熱交換させて吸熱し冷媒を冷却する。
The external heat exchanger 2 heat-exchanges the refrigerant compressed and heated by the
第1の蒸発器3は、前席側に設けられた空調ダクト内に配置され、第1の膨張弁9で減圧(膨張)された低温低圧の冷媒を蒸発させる。
The
第1の膨張弁9は、第1の内部熱交換器5から出力された高圧の冷媒を減圧(膨張)させて霧状とし、その霧状とした冷媒を第1の蒸発器3へと出力する。
The first expansion valve 9 depressurizes (expands) the high-pressure refrigerant output from the first
第2の蒸発器4は、後席側に設けられた空調ダクト内に配置され、第2の膨張弁10で減圧された低温低圧の冷媒を蒸発させる。
The second evaporator 4 is disposed in an air conditioning duct provided on the rear seat side, and evaporates the low-temperature and low-pressure refrigerant decompressed by the
第2の膨張弁10は、第2の内部熱交換器6から出力された高圧の冷媒を減圧させて霧状とし、その霧状とした冷媒を第2の蒸発器4へと出力する。
The
電磁弁11は、外部熱交換器2で冷却された冷媒を第1の蒸発器3と第2の蒸発器4へと供給する冷媒の流路を切り換える機能をする。前席側のみ運転する場合は、電磁弁11を閉めて冷媒が第1の蒸発器3へと流れるようにする。
The
そして本実施の形態では、第1の内部熱交換器5と第2の内部熱交換器6は、図2に示すように、高圧中温の冷媒が流れる高圧側パイプ21と、それよりも圧力及び温度が低い低圧低温の冷媒が流れる低圧側パイプ22とからなり、これら各パイプをそれぞれ流れる冷媒同士で熱交換を行う。図2には、第1の内部熱交換器5のみを示しているが、第2の内部熱交換器も同一の構造である。
In the present embodiment, the first
高圧側パイプ21と低圧側パイプ22は、何れも内部に冷媒が流れる冷媒流路を形成する円径パイプとして形成され、その外周にははんだ接続するためのクラッド材(図示は省略する)が設けられている。また、高圧側パイプ21は、低圧側パイプ22よりも内径及び外径が共に小さくされている。そしてさらに、高圧側パイプ21と低圧側パイプ22は、その長手方向に沿って螺旋状に寄り合わされた構造とされている。換言すると、内径及び外径の異なる高圧側パイプ21と低圧側パイプ22を、いわゆるしめ縄を編むようにしてその長手方向に螺旋状に寄り合わされることにより構成されている。
Each of the high-
内部熱交換器5、6は、2つのパイプを螺旋状に寄り合わせた構造としているが、その両端部は互いにそれぞれのコネクタと接続できる程度の隙間を有した独立した端部とされている。高圧側パイプ21と低圧側パイプ22の両端部21A、21B及び22A、22Bは、何れも断面円形状をした形とされ、従来からのコネクタで接続できるようになっている。
The
第1及び第2の内部熱交換器5、6は、図3で示す圧力とエンタルピ(熱量)とを示すPH線図に基づいて必要最大性能となるように最適化する。特に、冷房性能改善には、高圧側パイプ21と低圧側パイプ22の内径を最適化することが重要である。
The 1st and 2nd
図4、図5、図6は、冷媒流量を1.100kg/h、2.150kg/h、3.200kg/h 流路の長さを1.400mm、2.800mm、3.1200mmにしたときの値を示している。 4, 5, and 6 show the refrigerant flow rate of 1.100 kg / h, 2.150 kg / h, 3.200 kg / h when the flow path length is 1.400 mm, 2.800 mm, 3.1200 mm. The value of is shown.
高圧側パイプ21の内径φHiは、図4に示すように、4mmより小さくなると極端に通路抵抗(ΔPgHi)が上昇するから下限は4mm以上であることが好ましく、6mm以上でも通路抵抗の低減は少ないことから上限は耐圧の観点から最大6mmとすることが好ましい。つまり、高圧側パイプ21の内径φHiは、等価直径で4〜6mmの範囲とすることが望ましい。等価直径Dとは、パイプの流路断面積をA、流路の周囲長さ(冷媒が濡れる長さ)をLとしたときに、D=(4×A)/Lで表される値とする。
As shown in FIG. 4, when the inner diameter φHi of the high-
低圧側パイプ22の内径φLowは、図5に示すように、8mmよりも小さくなると極端に通路抵抗(ΔPgLow)が上昇するから下限は8mm以上であることが好ましく、12mm以上でも通路抵抗の低減は少ないことから上限は耐圧の観点から最大12mmとすることが好ましい。つまり、低圧側パイプ22の内径φLowは、等価直径で8〜12mmとすることが望ましい。 As shown in FIG. 5, when the inner diameter φLow of the low-pressure side pipe 22 is smaller than 8 mm, the passage resistance (ΔPgLow) is extremely increased. Therefore, the lower limit is preferably 8 mm or more. Since the amount is small, the upper limit is preferably set to a maximum of 12 mm from the viewpoint of pressure resistance. That is, the inner diameter φLow of the low-pressure side pipe 22 is desirably 8 to 12 mm in terms of equivalent diameter.
低圧側パイプ22の内径φLowを8mm、高圧側パイプ21の内径φHiを4mmとした場合の通路抵抗は、低圧側パイプ22の内径φLowを6mm、高圧側パイプ21の内径φHiを3mmとしたときの通路抵抗に対して、200kPa低減できる効果がある。これは、エバポレータの蒸発圧力を200kPa低減することにあたり、冷房性能は10%の改善に相当する。内部熱交換器の熱交換量は、図6に示すように、前記した範囲内の内径とすることで、高圧側及び低圧側で共に1200W〜2400Wを発揮できていることから問題はない。
When the inner diameter φLow of the low-pressure side pipe 22 is 8 mm and the inner diameter φHi of the high-
なお、図7では、直径及び内径が共に低圧側パイプ22よりも小さい高圧側パイプ21を2本使用し、その2本の高圧側パイプ21と1本の低圧側パイプ22を螺旋状に寄り合わせた構造としても同様の作用効果が得られる。特に、2本の高圧側パイプ21を使用した場合は、高圧側パイプ21が低圧側パイプ22を覆うことにより断熱材が不要になり、コストを低減することが可能となる。高圧側パイプ21の数は、熱交換性能が維持できれば、3本以上であっても構わない。
In FIG. 7, two high-
1…圧縮機
2…外部熱交換器
3…第1の蒸発器
4…第2の蒸発器
5…第1の内部熱交換器(内部熱交換器)
6…第2の内部熱交換器(内部熱交換器)
9…第1の膨張弁
10…第2の膨張弁
11…電磁弁
21…高圧側パイプ
22…低圧側パイプ
DESCRIPTION OF
6 ... Second internal heat exchanger (internal heat exchanger)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ...
Claims (5)
前記高圧側パイプ(21)を、前記低圧側パイプ(22)よりも内径及び外径共に小さい円径パイプとし、且つ、高圧側パイプ(21)と低圧側パイプ(22)を螺旋状に寄り合わせた構造とした
ことを特徴とする内部熱交換器。 An internal heat exchange that includes a high-pressure side pipe (21) through which a high-pressure and intermediate-temperature refrigerant flows and a low-pressure side pipe (22) through which a low-pressure and low-temperature refrigerant having lower pressure and temperature flow, and performs heat exchange between these refrigerants. A vessel,
The high-pressure side pipe (21) is a circular pipe having a smaller inner diameter and outer diameter than the low-pressure side pipe (22), and the high-pressure side pipe (21) and the low-pressure side pipe (22) are close to each other in a spiral shape. An internal heat exchanger characterized by having an open structure.
前記高圧側パイプ(21)の外周には、クラッド材が設けられた
ことを特徴とする内部熱交換器。 The internal heat exchanger according to claim 1,
An internal heat exchanger characterized in that a clad material is provided on the outer periphery of the high-pressure side pipe (21).
前記低圧側パイプ(22)の内径(φLow)を等価直径で8〜12mmの範囲とし、前記高圧側パイプ(21)の内径(φHi)を等価直径で4〜6mmの範囲としたこと
ことを特徴とする内部熱交換器。 An internal heat exchanger according to claim 1 or claim 2,
The inner diameter (φLow) of the low-pressure side pipe (22) is in the range of 8 to 12 mm in equivalent diameter, and the inner diameter (φHi) of the high-pressure side pipe (21) is in the range of 4 to 6 mm in equivalent diameter. And internal heat exchanger.
前記高圧側パイプ(21)を、少なくとも2つ以上とした
ことを特徴とする内部熱交換器。 An internal heat exchanger according to any one of claims 1 to 3,
An internal heat exchanger characterized in that at least two high-pressure side pipes (21) are provided.
前記冷媒を二酸化炭素ガスとした
ことを特徴とする内部熱交換器。 An internal heat exchanger according to any one of claims 1 to 4,
An internal heat exchanger characterized in that the refrigerant is carbon dioxide gas.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010096372A (en) * | 2008-10-15 | 2010-04-30 | Hitachi Cable Ltd | Internal heat exchanger for carbon dioxide refrigerant |
KR101170131B1 (en) * | 2009-09-29 | 2012-07-31 | 한라공조주식회사 | Air-Conditioning System for Vehicle using R1234yf |
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2006
- 2006-09-28 JP JP2006265404A patent/JP2008082658A/en active Pending
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JP2010096372A (en) * | 2008-10-15 | 2010-04-30 | Hitachi Cable Ltd | Internal heat exchanger for carbon dioxide refrigerant |
KR101170131B1 (en) * | 2009-09-29 | 2012-07-31 | 한라공조주식회사 | Air-Conditioning System for Vehicle using R1234yf |
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