JP2008122070A - 車両用エアコンディショニングユニットの蒸発器としての熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器を車両のエアコンディショニングユニットの蒸発器として用いるための構造を提供する。
【解決手段】熱交換器、特に車両用エアコンディショニングユニットの蒸発器に関する。第１の熱交換器レジスタ１のポートと第３の熱交換器レジスタ２のポートは交互に／斜めに配置され、第２の熱交換器レジスタ３のポートは同一側に配置され、第１の熱交換器レジスタ１及び第３の熱交換器レジスタ２の各々の１つのポート４，５は熱交換器を冷媒回路に連結し、それぞれの別のポートはそれに応じて配置された接合要素６により第２の熱交換器レジスタ３のポートに連結され、接合要素６の流通面積はコレクタライン７の流通面積の少なくとも６０％である。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器中の流れを最適化するための構造、特に熱交換器を車両のエアコンディショニングユニットの蒸発器として用いるための構造に関する。

エアコンディショニングユニットの蒸発器では、冷媒は、空気流からの熱を吸収し、それにより蒸発する。空気流は、これから熱が奪われることにより冷却される。

車両用エアコンディショニングユニットの蒸発器として用いられている熱交換器として種々の形式が知られている。

一般に、２列形熱交換器が、車両用エアコンディショニングユニットの蒸発器として用いられている。流路を延長させ、それ故熱交換器全体にわたって冷媒の温度広がりを延長させるため、欧州特許出願公開第１０５８０７０号明細書によれば、コレクタラインは、仕切り壁を用いて分割される。これにより、次々にパスが行われる４つの熱交換器レジスタで構成された２列形熱交換器が作られる。このようにすると、温度広がりは向上し、したがって、高い伝熱能力を得ることができる。しかしながら、出口横断面における温度分布は、不均一である。加うるに、流れ方向が頻繁に変わるので熱交換器全体における圧力損失が増大する。さらに、仕切り壁を挿入するには、比較的高い技術的労力が必要であり、寸法形状が変わるたびに、仕切り壁の位置を新たに求めなくてはならないので不都合である。

流れを差し向ける同様な形態が、ディスクアンドフラットチューブ（disk and flat tube）形蒸発器について独国特許出願公開第１０３１２７８０号明細書に見られ、ディスク形蒸発器に関しては欧州特許第０７６９６６５号明細書、同第０８６２０３５号明細書及び米国特許第６，０４７，７６９号明細書に見られる。

国際公開第２００５／１００９００号パンフレットでは、レジスタ内の個々の蒸発器管を通る流れを均一にするために絞り段階が、コレクタライン中に挿入される。このようにすると、たとえポートが同一側に設けられていてもレジスタの均一のパスを行うことができる。しかしながら、絞り段階を挿入するには、多大な労力が必要であり、それにより追加の圧力損失が生じ、又、何よりも、絞り段階を各サイズに合わせて個別に寸法決めして製造しなければならない。これにより、これら熱交換器は、費用が極めて高くつく。

２列形蒸発器は、流出空気の温度部分布が、熱交換器の断面領域全体にわたり不均一であるという欠点がある。さらに、熱交換器について必要な車両内スペースをできるだけ狭くすることが望ましい。かくして、僅かなスペースしか必要としない高い熱交換能力を求めることが設計上の目的であるべきである。これは、広い熱交換表面及び（又は）例えば向流又は直交流形熱交換器の蒸発器管の有利な配置及びこれを通る流れによって実現できる。特に、熱媒体又は冷媒からのそれぞれの良好な熱伝達を得ることが目的とされるべきである。この理由で、単一熱交換器レジスタの直列接続が有利である。その目的は、全熱交換表面における熱媒体と空気との間の温度差をできるだけ大きくすることにある。その点に関し、上手く寸法決めされた３列形熱交換器が有利である。

しかしながら、３列形熱交換器では、ポートラインは、典型的には、別々の側に位置し、それにより多大な配管上の労力が必要である。また、組立ては、一層困難である。

独国特許出願公開第１０２２０５３３号明細書の図６及び図７には、ポートが同一側に位置する３列形熱交換器が記載されている。しかしながら、ポートが同一側に設けられていることにより均一のパスが行われないレジスタは、熱交換器からの空気の出口の前に最後に配置されている。したがって、空気流出断面領域全体における均一な温度分布は実現できない。

欧州特許出願公開第１０５８０７０号明細書 独国特許出願公開第１０３１２７８０号明細書 欧州特許第０７６９６６５号明細書 欧州特許同第０８６２０３５号明細書 米国特許第６，０４７，７６９号明細書 国際公開第２００５／１００９００号パンフレット 独国特許出願公開第１０２２０５３３号明細書

公知の熱交換器は全て、蒸発器管が２列の状態に配置され、又は３列形管に関し、蒸発器管が連結されたコレクタラインのポートは、互いに異なる側に設けられ、コレクタラインの配管作業は費用が高く付き、或いは、蒸発器管を通る流れが最適ではなく、又は冷媒の分布を向上させるためには、追加のインサート、例えば分離ディスク又は絞り段階がコレクタラインに必要であるという欠点がある。

課題は、構成上の利点の各々により、１つ又は数個の他のパラメータの不利な変化が生じるということにある。

したがって、本発明は、空気出口断面における均一な温度分布を達成することができるような仕方で熱交換器を構成することを目的としている。さらに、熱交換器の両方のポートは、コレクタライン中の複雑な管類又はインサートを必要とすることなく、同一側に設けられるべきである。

この課題は、本発明によれば、最初の熱交換器レジスタ及び最後の熱交換器レジスタが、空気流の方向で見て、斜めに配置されたポートを備え、中間の熱交換器レジスタのポートが、同一側に設けられるという特徴によって解決される。したがって、熱交換器ポートは、片側に設けられ、最初の熱交換器レジスタと中間の熱交換器レジスタとの間の接合部及び中間の熱交換器レジスタと第２の熱交換器レジスタとの間の接合部が、互いに向かい合って配置され、かくして、相互間隔を短くすることができる。特に、斜めに連結された最後の熱交換器レジスタにより、このレジスタのフラットチューブ全てにおける圧力損失が等しいので、均一性の高い冷媒分布、及びかくして熱交換器レジスタの均一の表面温度が達成される。この回路は、チッケルマン（Tichelmann）システムとも呼ばれている。その結果、この構成により、出口断面領域全体における空気温度の均一性の高い望ましい分布が得られる。

さらに、コレクタラインの設計が単純化され、したがって、蒸発器の分割及び（又は）絞りを求めることが不要である。また、特に冷媒として二酸化炭素を用いるシステム（Ｒ７４４型システム）について冷媒回路中の高い内部圧力は、コレクタラインのより簡単な構造により容易に制御することができる。熱交換器のポートラインは、同一側に配置される。これにより、費用のかかる追加の管類が不要になる。

接合要素の水力流れ面積は、コレクタラインの流れ面積の少なくとも６０％なので、熱交換器全体にわたる圧力損失が低くなる。

特に車両用エアコンディショニングユニットの蒸発器としての熱交換器の有利な実施形態は、従属項形式の請求項に記載されている。

本発明の有利な実施形態では、接合要素の最適流れ面積が得られる。一方において、圧力損失が小さく保たれ、他方において、接合要素の容易な製造及び組立てが達成される。また、接合要素に起因する熱交換器のスペース上の要件が緩和される。接合要素の最適流れ面積は、コレクタラインの流れ面積の７５％〜１１０％である。

本発明の実施形態によれば、接合要素は、１８０°の曲り管として設計されている。１８０°の曲り管は、単純な接合方式なので、かかる１８０°の曲り管は、標準コンポーネントを用いて容易且つ費用効果の良い仕方で実現できる。

別の有利な実施形態によれば、接合要素は、接合管ソケットとして構成される。この実施形態は、スペース及び費用を相当節約するコレクタラインの接合方式を提供する。したがって、接合管ソケットは、これらのフェースがコレクタラインの有孔周方向表面に適合するよう構成され、例えばろう付けにより取り付けられる。

本発明の別の有利な実施形態によれば、熱交換領域は、コレクタラインに連結された多チャネル式フラットチューブ形蒸発器管として構成される。フラットチューブ形蒸発器、特に多チャネル式フラットチューブ形蒸発器により、融通性のあるサイズ及び形態を費用効果の良い仕方で実現できる。多チャネル式フラットチューブ形蒸発器を押し出しプロフィールとして機械的労力をほとんど払わない状態で費用効果の良い仕方で製造できる。これら多チャネル式フラットチューブ形蒸発器は、良好な特定の熱交換能力を同時にもたらす高い動作圧力で用いるのに特に適している。

本発明の実施形態では、熱交換器ポートがそれぞれ他方の熱交換器ポートのポート領域内に延長されるようポート延長ラインが設けられる。これにより、両方のポートを互いに隣接して配置することができる。１本又はそうでなければ２本のポート延長ラインにより、両方の熱交換器ポートを、車両内への熱交換器の有利な挿入及び熱交換器の容易な組立てが達成されるよう構成することができる。また、両方の熱交換器ポートを共通の熱交換器のポート部品に結合することができる。

本発明の実施形態として、頂部コレクタ及び底部コレクタラインは各々、それぞれのコレクタブロックに結合される。コレクタラインの対応の通路及び蒸発器管を互いに連結するポートソケットは、コレクタブロック内に設けられる。これにより、コンポーネントの数が減少するので熱交換器の製造が単純化される。コレクタブロックを例えば反物として入手できる押出し材料から製造することができ、それ故、容易且つ費用効果の良い仕方で製造することができる。モジュール方式の製造にも適したコレクタブロックは、互いに異なるサイズ、種々の能力及び種々のポート形態を有するよう構成でき、組立てが容易である。

一実施形態では、コレクタラインの通路は、冷媒の所望の経路に従って接合穴により互いに連結される。接合穴は、穴あけによりコレクタブロックに容易に作ることができる。コレクタラインの接合穴及び通路は、必要に応じて栓で閉鎖できる。

本発明の有利な別の実施形態は、端ブロックをコレクタブロックのフェースに設けられた接合要素として構成することにより実現される。これにより、管類全体（コレクタライン、接合要素）のコンパクトな構造を達成することができる。端ブロックは、コレクタラインを受け入れることにより熱交換器レジスタを固定すると共に対応のホルダの追加の取付けにより熱交換器を全体として取り付けるのに役立ち得る。また、これらコンポーネントの組立て及び標準化が容易になる。

したがって、端ブロックは、特にこれらが接合板及び端板で構成されていることに鑑みて、能力、構成及び冷媒回路中への組み込みに関する熱交換器の種々の形態に合わせて様々であって良い。

本発明の別の実施形態では、接合チャネルは、連結されるべきコレクタラインの位置に応じて接合板に設けられ、接合チャネルは、端板によって閉鎖される。このように、コレクタブロックの個々のコレクタラインの有利な連結が達成され、熱交換器の容易な製造及び標準化されたモジュール化構造の実現が可能である。

本発明の実施形態では、熱交換器ポートは、端ブロック内に組み込まれる。これにより、熱交換器のよりコンパクトな設計が可能であり、特に、コンポーネントの数の減少により、組立てがしやすい製造が可能になる。

熱交換器は、モジュールとして製造されたコンポーネントから成るよう構成される。モジュール化構造により、種々の能力、種々の寸法及び種々の連結形態を備えた熱交換器の単純な設計を容易に達成できる。

特に有利には、熱交換器は、冷媒Ｒ７４４を用いるエアコンディショニングユニットに使用できる。Ｒ７４４（二酸化炭素）は、特に多チャネル式フラットチューブ及びコレクタブロックを耐高圧性に構成することができるのでかかる高い動作圧力に耐えることができる。ただし、コンポーネントがそれに応じて寸法決めされることを条件とする。

液体冷媒の良好な分布は、本発明に従って、熱交換器管を３列に配置すると共に熱交換器レジスタへの結合により達成できる。これにより、熱交換器から出た空気流の均一な温度分布が得られるので特に有利である。

本発明による解決策の利点は、更に、熱交換器により引き起こされる圧力損失が最小限に抑えられ、熱交換器の設計が単純化されることにある。また、モジュール化構造により、熱交換器を種々のサイズで容易に設計でき、容易に延長させ又は小形にすることができ、それ故、それぞれの条件に融通性を持って適合できる。

本発明の別の細部、特徴及び利点は、図面を参照して以下の説明を読むと明らかになろう。

特に車両用ＨＶＡＣの空気コンディショニングユニット用の蒸発器としての熱交換器が、次のように構成されている。

図１では、３つの熱交換器レジスタ１，２，３を備えた熱交換器の略図が示されている。場合によっては表面を延長させるフィンを備えた蒸発器管９が、各々、はんだ付け又はろう付けによりコレクタライン７に連結されている。熱交換器レジスタ１，２，３のコレクタライン７は、各々、一方の側が例えばはんだ付け又はろう付けされたキャップによって閉鎖されている。コレクタライン７のポートは、各々、互いに反対側の端部のところに位置している。第１の熱交換器レジスタ１及び第３の熱交換器レジスタ２のところでは、ポートは、交互に配置されている。

図１によれば、第１の熱交換器レジスタ１のポート（このポートは、冷媒回路への熱交換器の組み込みのための熱交換器のポート４でもある）が、底部コレクタライン７の右側に配置されている。この場合、液体冷媒は、第１の熱交換器レジスタ１に流入し、個々の並列パス式蒸発器管９全体に広がる。熱交換器レジスタ１の他方のポートは、頂部コレクタライン７の左側に配置されている。ここから接合要素６（例えば、はんだ付け又はろう付けされた１８０°の曲り管）を通って第２の熱交換器レジスタ３への接合が、達成されている。この場合も又、並列に配置され、平行なパスが行われる蒸発器管９は、コレクタライン７に組み込まれている。この場合、底部コレクタライン７のポートも又、左側に位置している。したがって、このポートに近い蒸発器管９を通る流れは、ポートよりも遠くに位置する蒸発器管９を通る流れよりも幾分強烈である。この場合も又、底部ポートは、接合要素６（１８０°曲り管）を介して第３の熱交換器レジスタ２のポートに連結されている。平行に配置された蒸発器管９は、均一にパスが行われ、頂部コレクタライン７内で互いに結合される。第２のポートは、コレクタライン７の右側に位置し、即ち、他方のポートと対角線方向反対側に位置し、同時に、冷媒回路への熱交換器の組み込みのための熱交換器の熱交換器ポート５としての役目を果たす。冷媒は、熱交換器レジスタ１，２，３の蒸発器管９を通るその経路で、空気流１８から吸収した熱により、プロセス条件に応じて完全に蒸発し又は過熱状態になり、それにより、空気流１８が冷却される。空気流１８は、第３／最後の熱交換器レジスタ２から第１の熱交換器レジスタ１までの冷媒の流れと逆に流れる。熱交換器レジスタ１，２，３のポートは、右側のポートを左側のポートで置き換えることができ、頂部コレクタライン７を底部コレクタライン７で置き換えることができ、又、その逆の関係が成り立つように配置されている。

別の実施形態では、図２を参照すると、接合要素６は、接合管ソケット８として構成されている。したがって、これら接合要素は、コレクタライン７の周方向表面の形状に適合しており、例えば、これらにろう付けされる。接合管ソケット８は、コレクタライン７相互間に配置されるので、追加のスペースは不要である。

図３に示すようにポート延長ライン１０を別途設けることにより、熱交換器の両方のポート４，５を直結できる。これにより、熱交換器の組立てを一層単純化するポート構成の実現が可能になる。

コレクタライン７を図４に従って構成するのが有利である。管を用いる代わりに、頂部コレクタライン７と底部コレクタライン７は各々、コレクタブロック１１を形成するよう統合され、管ラインは、例えば穴あけ又はフライス加工により形成される。また、押し出しプロフィールからコレクタブロックを製造することもできる。蒸発器管９は、ポートソケット１２内にはんだ付け又はろう付けされている。また、接合要素６を接合穴１３としてコレクタブロック１１に形成しても良く、場合によっては、栓によって閉鎖される。熱交換器の設計がコンパクトであること及びコレクタブロック１１への取付けが簡単に行えることは有利である。

図５では、接合チャネル１６を備えた接合板１４及び端板１５を有する端ブロックが、接合要素としてコレクタブロック１１のフェースに取り付けられている。接合チャネル１６は、コレクタライン７相互間の所望の流れが可能になるように接合板１４に設けられている。接合チャネル１６が接合板１４にフライス加工されていない場合、冷媒は流れることができない。端板１５は、接合チャネル１６を閉鎖している。接合板１４及び端板１５は、例えばねじ及びシールを用いてコレクタブロック１１に連結されている。

別の実施形態では、追加のコレクタ管ポート板により、端ブロックを管として構成されているコレクタライン７についても使用できる。コレクタ管ポート板は、接合板の寸法形状を有し、又、かかるコレクタ管ポート板は、それに応じてコレクタラインに接合可能に構成された穴を備えている。これらコレクタ管ポート板は、例えばろう付けによりコレクタラインに連結されている。コレクタ管連結板に続く接合板１４は、接合チャネルのそれぞれの配置によりオプションとしての所望の流れを放出する。

図６では、蒸発器管９は、蒸発器管９が熱交換器レジスタ１，２，３の１つ１つについて１つ又は数個の流れチャネル１７を提供するよう構成されている。

３つの熱交換器レジスタを備えた熱交換器の略図である。 接合管ソケット及び蒸発器管の組み込み状態を示す詳細図である。 ポート延長ラインを備えた熱交換器のポート形態を示す図である。 コレクタブロック及び接合穴の詳細図である。 接合板及び端板を含むコレクタブロック及び端ブロックの詳細図である。 コレクタライン中への３つの流れチャネルを備えた蒸発器管の組み込みの詳細図である。

符号の説明

１ 第１の熱交換器レジスタ
２ 第３（最後）の熱交換器レジスタ
３ 第２（中間、介在）の熱交換器レジスタ
４ 熱交換器ポート（低温）／供給ライン（戻りライン）
５ 熱交換器ポート（低温）／前送りライン
６ 接合要素（曲り管）
７ コレクタライン／コレクタ管
８ 接合管ソケット
９ フラットチューブ形蒸発器／多チャネルフラットチューブ形蒸発器／蒸発器管
１０ ポート延長ライン
１１ コレクタブロック
１２ 蒸発器管／フラットチューブ形蒸発器用のポートソケット
１３ 接合穴
１４ 接合板
１５ 端板
１６ 接合チャネル
１７ 流れチャネル
１８ 空気流

Claims (13)

1. 車両用エアコンディショニングユニットの蒸発器としての熱交換器であって、３つの平面上に配置され、冷媒が連続して通る３つの熱交換器レジスタを有し、前記熱交換器レジスタが、通り過ぎてゆく空気の熱を前記熱交換器レジスタ中を流れている液体に伝えて蒸発させ、前記熱交換器レジスタが、コレクタラインに連結された平行流通形熱交換管から成り、前記熱交換器レジスタのポートが各々、前記コレクタラインの端上に設けられている、熱交換器において、第１の熱交換器レジスタ（１）のポートと第３の熱交換器レジスタ（２）のポートは、交互に／斜めに配置され、第２の熱交換器レジスタ（３）のポートは、同一側に配置され、前記第１の熱交換器レジスタ（１）及び第３の熱交換器レジスタ（２）の各々の１つのポート（４，５）は、前記熱交換器を冷媒回路に連結するのに役立ち、それぞれの別のポートは、それに応じて配置された接合要素（６）により前記第２の熱交換器レジスタ（３）の前記ポートに連結され、前記接合要素（６）の流通面積は、前記コレクタライン（７）の流通面積の少なくとも６０％であることを特徴とする熱交換器。
2. 前記接合要素（６）の最適流通面積は、前記コレクタライン（７）の流通面積の７５％〜１１０％である請求項１記載の熱交換器。
3. 前記接合要素（６）は、１８０°の曲り管として構成されている請求項１又は２記載の熱交換器。
4. 前記接合要素（６）は、接合管ソケット（８）として構成され、前記接合管ソケットのフェースは、前記コレクタライン（７）の周方向表面に適合し、前記周方向表面は、開口部を備えている請求項１乃至３の何れか１項に記載の熱交換器。
5. 前記熱交換器レジスタ（１，２，３）は、前記コレクタライン（７）に組み込まれた多チャネル式フラットチューブ形蒸発器（９）を備えている請求項１乃至４の何れか１項に記載の熱交換器。
6. ポート延長ライン（１０）が、熱交換器ポート（４，５）を他方の熱交換器ポート（５，４）のポート領域中に延長させるよう構成されている請求項１乃至５の何れか１項に記載の熱交換器。
7. 頂部及び底部コレクタライン（７）は各々、それぞれのコレクタブロック（１１）に結合され、前記フラットチューブ形蒸発器を連結するために前記コレクタライン（７）及び前記ポートソケット（１２）の対応の通路が設けられている請求項１乃至６の何れか１項に記載の熱交換器。
8. 接合穴（１３）が、２本のコレクタライン（７）の各々相互間に設けられた接合要素（６）として出て前記コレクタブロック（１１）に設けられている請求項７記載の熱交換器。
9. 接合板（１４）及び端板（１５）を有する端ブロックが、接合要素（６）として前記コレクタブロック（１２）のフェースに取り付けられている請求項７記載の熱交換器。
10. 接合チャネル（１６）が、前記コレクタライン（７）の位置に応じて前記接合板（１４）に設けられ、前記接合チャネル（１６）を閉鎖する端板（１５）が設けられている請求項９記載の熱交換器。
11. 前記端ブロックには、熱交換器ポート（４，５）が設けられている請求項９又は請求項１０記載の熱交換器。
12. 前記熱交換器は、モジュールとして製造されたコンポーネントで構成されている、請求項１乃至１１の何れか１項に記載の熱交換器。
13. 前記熱交換器は、冷媒Ｒ７４４を流通させることができるよう構成されている請求項１乃至１２の何れか１項に記載の熱交換器。

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