JP2010065918A - 熱交換器および流体過冷却化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低外気温時においても流体を過冷却状態となるまで冷却して流出させることができる流体過冷却化装置を提供する。
【解決手段】冷媒と外気とを熱交換させて冷媒を凝縮させる凝縮部２０の外気流れ上流側に、凝縮部２０にて凝縮した液相冷媒と外気とを熱交換させて冷媒を過冷却する過冷却部４０における熱交換量を調整する熱交換量調整手段としての横通風ドア８０を設け、低外気温時に横通風ドア８０の開度を縮小させて、凝縮部２０における冷媒と外気との熱交換量を低下させる。これにより、過冷却部４０における液相冷媒と外気との温度差を確保して、過冷却部４０における液相冷媒と外気と熱交換量を増加させることができ、過冷却部４０から確実に過冷却状態の冷媒を流出させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体と空気とを熱交換させる熱交換器、及び過冷却状態の流体を流出する流体過冷却化装置に関するものである。

従来、蒸気圧縮式冷凍サイクル、或いはランキンサイクルに適用されて、流体である冷媒を外気と熱交換させて、冷媒を冷却して凝縮させる凝縮用の熱交換器（凝縮器）が知られている。さらに、この種の凝縮器として、気相冷媒を凝縮させる凝縮部、凝縮部から流出した冷媒を気液分離する気液分離部、及び気液分離部から流出した液相冷媒を過冷却する過冷却部を有して構成される、いわゆるサブクールタイプの凝縮器も知られている。

例えば、特許文献１には、その内部の冷媒流通経路を切り替え可能に構成され、サブクールタイプの凝縮器として適用可能な熱交換器が開示されている。
特開平４−３０９７６５号公報

しかしながら、サブクールタイプの凝縮器を低外気温条件で使用すると、凝縮部にて冷媒を外気温と同等の温度まで十分に冷却することはできるものの凝縮部から流出する冷媒は過冷却状態とはならず、さらに、過冷却部から流出する冷媒も過冷却状態とならないことがある。

その理由は、モリエル線図上における冷媒の飽和液線は、冷媒のエンタルピの増加に伴って、冷媒圧力が上昇するように変化するからである。つまり、凝縮部において、冷媒が外気温と同等の温度まで十分に冷却されて圧力低下してしまうと、凝縮部出口側の冷媒圧力における飽和液線上の冷媒のエンタルピも低下する。従って、凝縮部にて冷媒が十分に冷却されても、凝縮部から流出する冷媒は、過冷却状態とはならず、気液二相状態のままで流出してしまう。一方、過冷却部に流入する気液二相状態の冷媒は、既に、外気温と同等の温度まで冷却されているので、過冷却部において外気温と熱交換しにくくなる。その結果、低外気温条件では、過冷却部において、冷媒を過冷却状態とすることができなくなってしまう。

そして、例えば、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、凝縮器から流出する冷媒が過冷却状態となっていないと、凝縮器の下流側に接続される膨張弁に異音を発生させる原因となり得る。また、ランキンサイクルにおいて、凝縮器から流出する冷媒が過冷却状態となっていないと、凝縮器の下流側に接続される液ポンプの吸入口でキャビテーションを生じ、液ポンプが冷媒を循環させることができないといった不具合を生じる可能性がある。

本発明は、上記問題に鑑み、低外気温時においても流体を過冷却状態となるまで冷却して流出させることができる熱交換器を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、低外気温時においても流体を過冷却状態となるまで冷却して流出させることができる過冷却供給装置を提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に係る発明では、流体と外気とを熱交換させて、流体を冷却する凝縮部と、凝縮部から流出した流体を気液分離する気液分離部と、気液分離部から流出した液相流体と外気とを熱交換させて、液相流体を過冷却する過冷却部とを備え、外気の温度に基づいて、過冷却部における熱交換量を調整する熱交換量調整手段とを備える熱交換器を特徴とする。

これにより、液相流体を過冷却する過冷却部における流体と外気との熱交換量を調整させることが可能となる。その結果、例えば、外気の温度が低く、過冷却状態の流体を流出させ難い場合においても、流体を過冷却状態となるまで冷却して流出させることが可能となる。

請求項２に係る発明では、熱交換量調整手段は、凝縮部における熱交換量を調整することによって、過冷却部における熱交換量を調整することを特徴とする。

これによれば、過冷却部より流体流れの上流側に配設される凝縮部における熱交換量を調整することによって、凝縮部から流出する流体の温度を調整することが可能となる。つまり、過冷却部へ流入する流体の温度を調整することが可能となる。その結果、過冷却部における熱交換量を調整することが可能となる。例えば、外気の温度の低下に伴って、過冷却部における熱交換量が減少する場合には、熱交換量調整手段によって、凝縮部における熱交換量を調整し減少させることにより、凝縮部から流出する流体の温度を上昇させることができる。つまり、過冷却部へ流入する流体の温度を上昇させることができる。よって、過冷却部へ流入する流体の温度と外気の温度との温度差を増加させることができる。その結果、外気の温度低下に伴う過冷却部における熱交換量の減少を抑制することが可能となる。よって、外気の温度が低く、過冷却状態の流体を流出し難い場合においても、流体を過冷却状態となるまで冷却して流出させることが可能となる。

請求項３に係る発明では、熱交換量調整手段は、凝縮部を通過する外気の通風量を調整することによって、凝縮部における熱交換量を調整することを特徴とする。

これにより、凝縮部を通過する外気の通風量を調整するという容易な作動で、凝縮部における熱交換量を調整することが可能となる。

請求項４に係る発明では、熱交換量調整手段は、凝縮部へ流入する外気が流れる風路の通風抵抗を変化させる通風ドアであることを特徴とする。

これにより、簡素な構成で、凝縮部における熱交換量を調整することが可能となる。

請求項５に係る発明では、熱交換量調整手段は、外気の温度より高温の空気を凝縮部に導入させることによって、凝縮部における熱交換量を調整することを特徴とする。

これにより、外気の温度より高温の空気を凝縮部に導入させるという容易な作動で、凝縮部における熱交換量を調整することが可能となる。

請求項６に係る発明では、熱交換量調整手段は、高温の空気が凝縮部へ向かって流れる風路の通風抵抗を変化させる導入ドアであることを特徴とする。

これにより、簡素な構成で、凝縮部における熱交換量を調整することが可能となる。

請求項７に係る発明では、上述の熱交換器と、凝縮部へ流入する流体の圧力を検出する圧力センサと、外気の温度を検出する外気温度センサと、圧力センサにより検出された検出圧力、及び外気温度センサにより検出された検出外気温度に基づいて、過冷却部へ流入する流体の温度を推定する流体温度推定手段と、過冷却部から流出する流体が過冷却状態となるように、過冷却部に流入する流体の温度と外気の温度との目標温度差を決定する目標温度差決定手段とを備え、熱交換量調整手段は、流体温度推定手段が推定した推定値から検出外気温度を減算した値が、目標温度差となるように制御される流体過冷却化装置を特徴とする。

これによれば、流体温度推定手段が推定した過冷却部へ流入する流体の温度と、外気温度センサが検出した外気の温度との温度差を目標温度差となるように目標温度差決定手段が制御されるので、過冷却部から流出する流体は、確実に過冷却状態となる。

請求項８に係る発明では、車両に適用される請求項７に記載の流体過冷却化装置であって、目標温度差決定手段は、目標温度差を、車速の増加に伴って減少するように決定することを特徴とする。

ここで、車速の増加に伴って、凝縮部、及び過冷却部へ通風する走行風の風量が増加するので、凝縮部、及び過冷却部の熱交換性能も向上する。従って、過冷却部へ流入する流体の温度を上昇させても、凝縮部にて十分に冷却された流体を過冷却部に供給し、かつ過冷却部にて冷媒を過冷却状態となるまで十分に冷却して流出させることができる。

請求項９に係る発明では、熱交換量調整手段は、凝縮部の熱伝達率を調整することによって、凝縮部における熱交換量を調整することを特徴とする。

これにより、凝縮部の熱交換効率を調整するという容易な作動で、凝縮部における熱交換量を調整することが可能となる。

請求項１０に係る発明では、凝縮部は、流体が流れる複数のチューブと、隣接するチューブ間に配設され熱交換を促進する複数のフィンとを有し、熱交換量調整手段は、形状記憶合金で形成されるとともに、外気の温度の変化に伴って外気の流れる方向を変化させるルーバであることを特徴とする。

これにより、簡素な構成で、凝縮部における熱交換量を調整することが可能となる。形状記憶合金で形成されたルーバは、外気温度に応じた記憶形状に変形するため、外気温度に応じて凝縮部の熱交換効率を調整する熱交換量調整手段を簡素な構成で提供することが可能となる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態における流体過冷却化装置１０１の構造について、図１、及び図２を用いて説明する。図１は、本実施形態における流体過冷却化装置１０１のブロック図である。ここで、図１の下方向は、車両に搭載された際の重力方向を示している。図２は、本実施形態における流体過冷却化装置１０１の側面を示す模式図である。

流体過冷却化装置１０１が有する熱交換器１００は、自動車用空気調和装置の冷凍サイクルに適用されるものである。冷凍サイクルは圧縮機、熱交換器１００、膨張弁、及び蒸発器を備えている。これらの装置は、冷媒配管によって順に接続されている。熱交換器１００は、自動車のエンジンルーム内の走行風を受け易い位置に配設されたエンジン冷却水冷却用ラジエータの走行風流れ前方に設けられており、図示しない取付ブラケットを介して車体に取り付けられている。

熱交換器１００は、凝縮部２０、気液分離部３０、過冷却部４０、第１タンク部５０、及び第２タンク部６０とを備えている。凝縮部２０は、圧縮機から吐出された高温高圧のガス冷媒を室外空気と熱交換させて冷却して、凝縮させる部分である。気液分離部３０は、気相冷媒と液相冷媒とに分離させ、液相冷媒を貯留する部分である。過冷却部４０は、内部に導かれた液相冷媒を室外空気と熱交換させて、過冷却する部分である。これらの構成部品は、全てアルミニウム製であり、全て一体的に設けられている。

凝縮部２０は、水平方向に延びる複数のチューブ５を積層して成る凝縮チューブ群５ａと、各チューブ５の間に配設されるコルゲートフィン６とを備えている。チューブ５、及びコルゲートフィン６は、ろう付けにより接合されている。チューブ５は、アルミニウムを押出し加工することによって成形され、断面形状が偏平な長円形状に形成されている。チューブ５の内部には、複数の図示しない冷媒流路が並列に形成されている。

過冷却部４０は、水平方向に延びる複数のチューブ５を積層して成る過冷却チューブ群５ｂと、各チューブ５の間に配設されるコルゲートフィン６とを備えている。チューブ５、及びコルゲートフィン６は、ろう付けにより接合されている。過冷却部４０を構成するチューブ５とコルゲートフィン６の基本的構成は、凝縮部２０と同様である。

凝縮部２０と過冷却部４０とは、内部を流れる冷媒と被加熱空気（室外空気）とを熱交換させる熱交換部１０を構成している。熱交換部１０の被加熱空気流れ方向Ａ（以下、空気流れ方向Ａという）の上流側には、外気温度Ｔａを検出する外気温度センサ１０ａが配設されている。外気温度センサ１０ａは、熱交換部１０のうち、過冷却部４０側に位置している。ここで、過冷却チューブ群５ｂは、凝縮チューブ群５ａと比べて数が少なく、本実施形態では、過冷却チューブ群５ｂの数は、凝縮チューブ群５ａの数の１／３程度である。

第１タンク部５０は、チューブ５の長手方向の一端に設けられている。第１タンク部５０の内部には、複数のチューブ５の一端の全てが開口している。第１タンク部５０は、筒形状であり、複数のチューブ５の積層方向（重力方向）に延びている。第１タンク部５０の内部には、第１仕切り板５３が配設されている。第１仕切り板５３は、第１タンク部５０の内部空間を、複数のチューブ５の積層方向に仕切っている。凝縮部２０を構成する凝縮チューブ群５ａの一端は、第１タンク部５０の内部空間のうち、第１仕切り板５３より重力方向上側の空間である第１分配室５１に開口している。一方、過冷却部４０を構成する過冷却チューブ群５ｂの一端は、第１タンク部５０の内部空間のうち、第１仕切り板５３より重力方向下側の空間である第１集合室５２に開口している。つまり、第１タンク部５０の内部には、凝縮部２０へ冷媒を分配する第１分配室５１、及び過冷却部４０から冷媒を集合させる第１集合室５２が形成されている。

第１タンク部５０には、流入管５４、及び流出管５５が接続されている。流入管５４は、第１タンク部５０の重力方向の上側に接続されている。流出管５５は、第１タンク部５０の重力方向の下側に接続されている。流入管５４には、熱交換器１００へ流入する冷媒の圧力Ｐ１を検出する圧力センサ５４ａが設けられている。

第２タンク部６０は、チューブ５の長手方向の他端に設けられている。第２タンク部６０の内部には、複数のチューブ５の他端の全てが開口している。第２タンク部６０は、筒形状であり、複数のチューブ５の積層方向（重力方向）に延びている。第２タンク部６０の内部には、第２仕切り板６３が配設されている。第２仕切り板６３は、第２タンク部６０の内部空間を、複数のチューブ５の積層方向に仕切っている。第２タンク部６０の内部空間のうち、第２仕切り板６３より重力方向上側の空間である第２集合室６１には、凝縮部２０を構成する凝縮チューブ群５ａの他端が開口している。一方、第２タンク部６０の内部空間のうち、第２仕切り板６３より重力方向下側の空間である第２分配室６２には、過冷却部４０を構成する過冷却チューブ群５ｂの他端が開口している。第２タンク部６０における第２仕切り板６３の位置は、第１タンク部５０における第１仕切り板５３の位置と同じである。つまり、第２タンク部６０の内部には、凝縮部２０から冷媒を集合させ、気液分離部３０に冷媒を流出する第２集合室６１、及び気液分離部３０から冷媒が流入し、過冷却部４０へ冷媒を分配する第２分配室６２が形成されている。

気液分離部３０は、第２タンク部６０の長手方向に沿って一体的に設けられている。気液分離部３０は、筒形状であり、複数のチューブ５の積層方向（重力方向）に延びている。気液分離部３０には、第２タンク部６０の第２集合室６１と気液分離部３０の内部空間とを連通させる図示しない第１連通路、及び第２タンク部６０の第２分配室６２と気液分離部３０の内部空間とを連通させる図示しない第２連通路が形成されている。より具体的には、第１連通路は、第２集合室６１と気液分離部３０の重力方向の中間部とを接続している。第２連通路は、第２分配室６２と気液分離部３０の重力方向の下部とを接続している。

さらに、熱交換器１００は、通風制御装置７０、及び複数の横通風ドア８０を加えて、流体過冷却化装置１０１を構成している。横通風ドア８０は、回転軸８１と、ドア部８２とを備えている。回転軸８１は、棒形状であり、水平方向に延びている。回転軸８１の一端は、モータ群８０ａに接続されている。横通風ドア８０は、回転軸８１の軸を中心として回転する。ドア部８２は、回転軸８１の長手方向に沿って回転軸に固定されている。ドア部８２の長手方向（回転軸方向）の寸法は、チューブ５の長手方向の寸法と略同じ大きさである。ドア部８２の長手方向に直交する幅方向の寸法は、各回転軸８１の間の間隔と同じ大きさである。回転軸８１は、ドア部８２の長手方向に直交する幅方向の中間に位置している。

横通風ドア８０の全閉状態時において、隣接する横通風ドア８０のドア部８２同士の間に間隙は形成されない。また、ドア部８２は、隣接する横通風ドア８０のドア部８２と干渉し合うこともない。横通風ドア８０の全開状態時において、ドア部８２は、熱交換部１０に干渉することはない。ここで、横通風ドア８０の全閉状態とは、ドア部８２の幅方向が複数のチューブ５の積層方向と一致している状態である。横通風ドア８０の全開状態とは、ドア部８２の幅方向が複数のチューブ５の積層方向と直交する方向と一致している状態である。

横通風ドア８０は、回転軸８１を回転させ、ドア部８２を回転軸８１の軸を中心に回転させることで、横通風ドア８０の開度を調整している。横通風ドア８０は、その開度により、横通風ドア８０の空気流れ方向Ａの下流側に配設される凝縮部２０の一部と熱交換する被加熱空気量を調整している。従って、本実施形態の横通風ドア８０は、熱交換量調整手段を構成している。ここで、凝縮部２０の一部とは、凝縮部２０の全体の半分より少ない部分であり、凝縮部２０のうち、重力方向の上側に位置する部分であって、凝縮部２０のうち全体の１／４〜１／３程度の部分である。

通風制御装置７０は、外気温度センサ１０ａ、圧力センサ５４ａ、及び複数の横通風ドア８０を駆動するモータ群８０ａに接続されている。通風制御装置７０は、外気温度センサ１０ａが検出した検出外気温度Ｔａｍ、及び圧力センサ５４ａが検出した検出圧力Ｐ１に基づいて、複数の横通風ドア８０の開度を調整している。通風制御装置７０は、複数の横通風ドア８０の開度を調整することで、複数の横通風ドア８０の空気流れ方向Ａの下流側に配設される凝縮部２０における熱交換量を調整している。

通風制御装置７０は、ＣＰＵ７１と、横通風ドア８０を駆動するモータ群８０ａに接続される駆動回路７４とを備えている。ＣＰＵ７１は、流体温度推定手段７２ａと目標温度差決定手段７２ｂと判定手段７３とを有している。流体温度推定手段７２ａには、圧力センサ５４ａから検出圧力Ｐ１が入力され、駆動回路７４から横通風ドア８０の開度情報が入力される。流体温度推定手段７２ａは、その入力値に基づいて、過冷却部４０へ流入する冷媒の温度の推定冷媒温度Ｔｋを推定し、冷媒温度Ｔｋを判定手段７３に出力する。目標温度差決定手段７２ｂには、図示しない車速センサ（エンジン回転数センサ）によって検出された車速Ｓが入力される。目標温度差決定手段７２ｂは、その入力値に基づいて、過冷却部４０へ流入する冷媒温度Ｔｋと外気の温度との目標温度差Ｔｘを算出し、目標温度差Ｔｘを判定手段７３に出力する。判定手段７３には、流体温度推定手段７２ａから推定冷媒温度Ｔｋが入力され、外気温度センサ１０ａから外気温度Ｔａｍが入力され、目標温度差決定手段７２ｂから目標温度差Ｔｘが入力される。判定手段７３は、推定冷媒温度Ｔｋと外気温度Ｔａｍとの温度差が、目標温度差Ｔｘの近傍であるか否かを判定する。判定手段７３は、推定冷媒温度Ｔｋと外気温度Ｔａｍとの差が目標温度差Ｔｘの近傍でない場合、判定結果を駆動回路７４に出力する。

ここで、本実施形態における目標温度差Ｔｘについて、図３を用いて詳しく説明する。図３は、本実施形態における目標温度差Ｔｘと車速Ｓとの関係を示すグラフである。縦軸に目標温度差Ｔｘを、横軸に車速Ｓを示している。

目標温度差Ｔｘは、車速Ｓに応じて変化する値である。目標温度差Ｔｘと車速Ｓとの関係は、比例関係である。すなわち、車速Ｓが大きくなると、目標温度差Ｔｘは、一次関数的に小さくなる。また、目標温度差Ｔｘは、車速Ｓと比例関係にある基準値αから所定値βを加算、又は減算した値である。換言すると、目標温度差Ｔｘは、不等式α−β≦Ｔｘ≦α＋βを満たす値である。つまり、上記記載の目標温度差Ｔｘの近傍とは、この不等式を満たす範囲内の値である。換言すると、判定手段７３は、推定冷媒温度Ｔｋと外気温度Ｔａｍとの差が、不等式α−β≦Ｔｋ−Ｔａｍ≦α＋βを満たすか否かを判定する手段である。

次に、本実施形態における流体過冷却化装置１０１の作動について説明する。まず、熱交換器１００の作動について説明すると、自動車用空気調和装置の運転が開始されると、圧縮機から気相冷媒が吐出される。圧縮機から吐出された気相冷媒は、流入管５４を介して第１タンク部５０の第１分配室５１に流入する。第１分配室５１に流入した気相冷媒は、凝縮部２０の凝縮チューブ群５ａ内に分配される。凝縮チューブ群５ａ内に流入した冷媒は、走行風である被加熱空気と熱交換する。ここで、熱交換する被加熱空気量は、複数の横通風ドア８０によって調整されている。被加熱空気と熱交換した気相冷媒は、冷却され凝縮する。その結果、冷媒は、ガス冷媒を一部含む飽和液相冷媒となる。この飽和液相冷媒は、第２タンク部６０の第２集合室６１に流入する。第２集合室６１にて集合した冷媒は、第１連通路を介して気液分離部３０内に流入する。

気液分離部３０にて、ガス冷媒を一部含む飽和液相冷媒は、気液分離される。ここで、気液分離される冷媒は、気液分離部３０内に配設される図示しない乾燥剤により、その冷媒中の水分が除去される。気液分離された液相冷媒は、第２連通路を介して、第２タンク部６０の第２分配室６２に流入する。第２分配室６２に流入した液相冷媒は、過冷却部４０の過冷却チューブ群５ｂ内に分配される。過冷却部４０の過冷却チューブ群５ｂに流入した液相冷媒は、被加熱空気と熱交換し再度冷却され、過冷却状態となる。過冷却された液相冷媒は、第１タンク部５０の第１集合室５２に集合する。そして、過冷却された液相冷媒は、流出管５５から膨張弁に供給される。

次に、本実施形態における通風制御装置７０の作動について、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態における通風制御装置７０の通風制御を示すフローチャートである。このフローチャートのうち、ステップ１０３の演算処理によって、図１の流体温度推定手段７２ａという機能的構成要素が提供されている。ステップＳ１０４の演算処理によって、図１の目標温度差決定手段７２ｂという機能的構成要素が提供されている。そして、ステップＳ１０５の演算処理によって、図１の判定手段７３という機能的構成要素が提供されている。また、このフローチャートは、自動車用空気調和装置の運転が開始されると同時にスタートする。

まず、ステップＳ１０１にて、横通風ドア８０の開度を初期化する。横通風ドア８０の初期位置は、通常の使用温度（例えば、１５〜３５℃）時において、横通風ドア８０によって凝縮部２０への通風を抑制する必要がないため、全開状態の位置である。次に、ステップＳ１０２にて、外気温度センサ１０ａから外気温度Ｔａｍを読み込む。さらに、同時に圧力センサ５４ａから圧力Ｐ１を読み込む。ステップＳ１０３にて、横通風ドア８０の開度、及び圧力Ｐ１に基づき、過冷却部４０へ流入する推定冷媒温度Ｔｋを推定する。ステップＳ１０４にて、車速Ｓに基づき、目標温度差Ｔｘを算出する。

そして、ステップＳ１０５にて、推定冷媒温度Ｔｋと外気温度Ｔａｍとの差が、目標温度差Ｔｘの近傍であるか否かを判定する。換言すると、推定冷媒温度Ｔｋと外気温度Ｔａｍとの差が、不等式α−β≦Ｔｋ−Ｔａｍ≦α＋βを満たすか否かを判定する。推定冷媒温度Ｔｋと外気温度Ｔａｍとの差が、目標温度差Ｔｘの近傍である場合、すなわち不等式を満たす場合、横通風ドア８０の開度は、そのまま維持され、ステップＳ１０２に戻る。一方、推定冷媒温度Ｔｋと外気温度Ｔａｍとの差が、目標温度差Ｔｘの近傍でない場合、すなわち不等式を満たさない場合、ステップＳ１０６にて、横通風ドア８０の開度を変更する。そして、ステップＳ１０２に戻る。

具体的に説明すると、ステップＳ１０５にて、α＋β≦Ｔｋ−Ｔａｍの場合、ステップＳ１０６にて推定冷媒温度Ｔｋを下げるために、横通風ドア８０は、開くようにその開度を制御される。横通風ドア８０の開度が開くように制御されると、凝縮部２０へ流入する外気が流れる風路の通風抵抗は、減少する。外気が流れる風路の通風抵抗が減少し、凝縮部２０を通過する外気の通風量が増加すると、凝縮部２０における熱交換量は、増加する。凝縮部２０における熱交換量が増加すると、過冷却部４０へ流入する冷媒の温度と外気の温度との温度差は、減少する。その結果、過冷却部４０へ流入する冷媒の温度と外気の温度との温度差を、目標温度差Ｔｘに近づけることが可能となる。つまり、過冷却部４０における熱交換量を調整することができ、冷媒を過冷却状態となるまで冷却して過冷却部４０から流出させることが可能となる。

一方、ステップＳ１０５にて、Ｔｋ−Ｔａｍ≦α−βの場合、ステップＳ１０６にて推定冷媒温度Ｔｋを上げるために、横通風ドア８０は、閉まるようにその開度を制御される。横通風ドア８０の開度が閉まるように制御されると、凝縮部２０へ流入する外気が流れる風路の通風抵抗は、増加する。外気が流れる風路の通風抵抗が増加し、凝縮部２０を通過する外気の通風量が減少すると、凝縮部２０における熱交換量は、減少する。凝縮部２０における熱交換量が減少すると、過冷却部４０へ流入する冷媒の温度と外気の温度との温度差は、増加する。その結果、過冷却部４０へ流入する冷媒の温度と外気の温度との温度差を、目標温度差Ｔｘに近づけることが可能となる。つまり、過冷却部４０における熱交換量を調整することができ、冷媒を過冷却状態となるまで冷却して過冷却部４０から流出させることが可能となる。

ここで、横通風ドア８０の全開状態時において、ステップＳ１０５にて、α＋β≦Ｔｋ−Ｔａｍの場合は、ステップＳ１０６では、そのまま全開状態が維持されるように制御される。横通風ドア８０の全閉状態時において、ステップＳ１０５にて、Ｔｋ−Ｔａｍ≦α−βの場合は、ステップＳ１０６では、そのまま全閉状態が維持されるように制御される。

次に、本実施形態の流体過冷却化装置１０１の優れた効果について説明する。流体過冷却化装置１０１は、低外気温時において、凝縮部２０の一部への通風を抑制する横通風ドア８０を有している。横通風ドア８０により一部の通風が抑制される凝縮部２０は、外気温度Ｔａｍまで冷媒を冷却してしまう従来の凝縮部と比べて熱交換量が少ない。その結果、凝縮部２０から流出した冷媒は、従来技術の凝縮部から流出した冷媒と比べて温度が高い状態にある。つまり、凝縮部２０から流出した冷媒は、外気温度Ｔａｍより温度が高い状態にある。その結果、過冷却部４０へ流入する液相冷媒は、外気温度Ｔａｍの被加熱空気と熱交換することが可能となる。よって、本実施形態の流体過冷却化装置１０１は、十分に冷却され、過冷却状態となった冷媒を流出することが可能となる。

また、本実施形態における流体過冷却化装置１０１は、過冷却部４０へ流入する推定冷媒温度Ｔｋと外気温度Ｔａｍとの差が、目標温度差Ｔｘの近傍の値である。ここで目標温度差Ｔｘは、車速Ｓに基づく変数である。車速Ｓが大きい場合、走行風の風量も増えるため、過冷却部４０における熱交換量も増加する。そのため、目標温度差Ｔｘが小さい値に決定されても、過冷却部４０から流出する冷媒は、十分に冷却され、過冷却状態となって流出することが可能となる。具体的な作動として、目標温度差Ｔｘが小さい値となると、横通風ドア８０は開くようにその開度が制御される。その結果、凝縮部２０から流出する冷媒は、凝縮部２０にて十分に冷却され、横通風ドア８０を閉じている場合よりも温度が低い状態となる。つまり、凝縮部２０における熱交換量も確保することが可能となる。換言すると、凝縮部２０における熱交換量と、過冷却部４０における熱交換量とのバランスをとることができる。その結果、過冷却部４０から流出する冷媒は、過冷却状態となるとともに、外気の温度に応じた冷却可能な温度にまで冷却されて流出させることが可能となる。

この効果について、図５を用いて詳細に説明する。図５は、本実施形態における流体過冷却化装置１０１の効果を示すモリエル線図である。横軸にエンタルピを示し、縦軸に圧力を示す。従来のサブクールタイプの凝縮器の状態変化を破線で示し、本実施形態の熱交換器１００の状態変化を実線で示す。

モリエル線図上における冷媒の飽和液線は、冷媒のエンタルピの増加に伴って、冷媒圧力が上昇するように変化している。従来の凝縮器の冷媒は、外気温と同等の温度まで十分に冷却されて圧力低下してしまい、凝縮部出口側の冷媒圧力における飽和液線上の冷媒のエンタルピも低下している。従って、凝縮部にて冷媒が十分に冷却されても、凝縮部から流出する冷媒は、過冷却状態とはならず、気液二相状態のままで流出してしまう。また、過冷却部に流入する液相冷媒は、既に、外気温と同等の温度まで冷却されているので、過冷却部において外気温と熱交換しにくくなっており、その結果、低外気温条件では、過冷却部において、冷媒を過冷却状態とすることができなくなってしまう。

一方、本実施形態における熱交換器１００の冷媒は、横通風ドア８０によって、外気温と同等の温度まで十分に冷却されない為、圧力が低下せず、凝縮部出口側の冷媒圧力における飽和液線上の冷媒のエンタルピも低下していない。よって、過冷却部に流入する液相冷媒は、外気温と同等の温度まで冷却されていないので、過冷却部において外気温と熱交換することができ、その結果、低外気温条件で、過冷却部において、冷媒を過冷却状態とすることが可能となる。

そして、例えば、蒸気圧縮式冷凍サイクルに本実施形態の流体過冷却化装置１０１が適用される場合において、流体過冷却化装置１０１から流出する冷媒が過冷却状態となっていると、流体過冷却化装置１０１の下流側に接続される膨張弁の異音の発生を抑制することが可能となる。また、ランキンサイクルに本実施形態の流体過冷却化装置１０１が適用される場合において、流体過冷却化装置１０１から流出する冷媒が過冷却状態となっていると、流体過冷却化装置１０１の下流側に接続される液ポンプの吸入口でキャビテーションが生じ、液ポンプが冷媒を循環させることができないといった不具合の発生を抑制することが可能となる。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態における流体過冷却化装置２００について、図６、及び図７を用いて説明する。本実施形態を含む以下の各実施形態において、既に説明した実施形態と同一、又は相当する構成については、同一符号を付し、その重複説明を省略する。本実施形態の流体過冷却化装置は、第１実施形態における横通風ドア８０に代えて、熱交換量調整手段としての導入ドア２８０を備えている。図６は、本実施形態における流体過冷却化装置２０１、車両内燃機関２０２、及び導入ドア２８０の配置関係を示す配置図であり、ボンネットを上方から見た模式的な上面図である。図７は、本実施形態における導入ドア２８０の模式図である。

導入ドア２８０は、車両内燃機関２０２の放熱を回りこみを防止する防止板である。ここで、本実施形態において、導入ドア２８０は、車両用に用いられているが、車両用に限らず、外気の温度より高温の空気を凝縮部２０に導入させることによって、凝縮部２０における熱交換量を調整するものであればよい。

導入ドア２８０は、図６に示すように、流体過冷却化装置２０１の周囲に配設されている。導入ドア２８０は、通常の使用温度時には、温風が、矢印Ｃのように、凝縮部２０、及び過冷却部４０に対する空気流れ方向Ａ上流側へ回りこむことを防止している。ここで、内燃機関２０２は、流体過冷却化装置２０１の後方に配置されている。つまり、導入ドア２８０は、温風が凝縮部２０へ向かって流れる風路の通風抵抗を増加させている。ここで、温風の風路は、図６に示すボディ２０３、及び導入ドア２８０によって区画されている。導入ドア２８０は、その主面を車両内燃機関２０２の放熱が回りこむ方向である矢印Ｃと交差する向きで配置されている。一方、導入ドア２８０は、低外気温時には、凝縮部２０、及び過冷却部４０の空気流れ方向Ａ上流側への温風の回りこみを許容する。つまり、導入ドア２８０は、温風が凝縮部２０へ向かって流れる風路の通風抵抗を減少させている。

具体的には、導入ドア２８０は、襖のような構造を有している。導入ドア２８０は、数枚の板部材をスライド可能に組み立てられている。通常の使用温度時には、導入ドア２８０は、複数の板部材を図７中に示す矢印Ｂの閉方向にスライドさせて、車両内燃機関２０２の放熱の回りこみを防止している。閉方向とは、図６における前方である。低外気温時には、導入ドア２８０は、複数の板部材を図７中に示す矢印Ｂの開方向にスライドさせて、車両内燃機関の放熱の回りこみを許容している。開方向とは、図６における後方である。導入ドア２８０は、図示しない導入制御装置によって制御されている。ここで、導入ドア２８０の詳細な制御は、図４に示す第１実施形態における横通風ドア７０の制御フローと同様の制御を行い、過冷却部４０における熱交換量を調整する。

この本実施形態の構成によっても、導入ドア２８０によって外気の温度より高温の空気を凝縮部２０に導入させることによって、過冷却部４０の熱交換量を調整することができ、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態のように車両用に適用されている場合、車両内燃機関の廃熱を有効に利用することができる。
（第３実施形態）
次に、第３実施形態における熱交換器について、図８、及び図９を用いて説明する。本実施形態における熱交換器は、第１実施形態におけるコルゲートフィン６に代えて、ルーバ３０６ａが形成されたコルゲートフィン３０６を備えている。また、本実施形態における熱交換器には、第１実施形態における横通風ドア８０が設けられていない。図８、９は、本実施形態におけるコルゲートフィン３０６を空気流れ方向Ａに垂直な水平方向から見た模式図である。図８に示すコルゲートフィン３０６は、ルーバ３０６ａが開状態であり、図９に示すコルゲートフィン３０６は、ルーバ３０６ａが閉状態である。ここで、凝縮部２０には、コルゲートフィン３０６が配設され、過冷却部４０には、第１実施形態におけるコルゲートフィン６が配設されている。

コルゲートフィン３０６には、複数のルーバ３０６ａが形成されている。ここで、本実施形態では、コルゲートフィン３０６に複数のルーバ３０６ａが形成されているが、コルゲートフィン３０６と複数のルーバ３０６ａとは、別体であってもよい。複数のルーバ３０６ａのうち、空気流れ方向Ａの上流側に形成されたルーバ３０６ａは、空気流れ方向Ａの上流側に向かって傾斜して延び出している。複数のルーバ３０６ａのうち、空気流れ方向Ａの下流側に形成されたルーバ３０６ａは、空気流れ方向Ａの下流側に向かって傾斜して延び出している。また、コルゲートフィン３０６は、形状記憶合金で成形されている。つまり、ルーバ３０６ａも形状記憶合金で成形されている。ルーバ３０６ａは、通常の使用温度時において、空気流れ方向Ａと直交する方向に向かって変位するように記憶されている。また、ルーバ３０６ａは、低外気温時において、空気流れ方向Ａに向かって変位するように記憶されている。ここで、本実施形態では、コルゲートフィン３０６及びルーバ３０６ａは、形状記憶合金で成形されているが、各々が別体で構成される場合には、ルーバ３０６ａのみが形状記憶合金としてもよい。

次に、コルゲートフィン３０６に形成されたルーバ３０６ａの詳細について説明する。まず、図８に示す通常の使用温度時には、空気流れ方向Ａと直交する方向に向かって変位したルーバ３０６ａにより、凝縮部２０の熱伝達率を増加させる。その結果、凝縮部２０における熱交換量は、増加し、過冷却部４０における熱交換量は、減少する。

一方、図９に示す低外気温時の外気の風路は、空気流れ方向Ａに向かって変位したルーバ３０６ａにより、各ルーバ３０６ａ間を通過していない。従って、凝縮部２０の熱伝達率は、減少する。その結果、凝縮部２０における熱交換量は、減少し、過冷却部４０における熱交換量は、増加する。

この本実施形態の構成によっても、ルーバ３０６ａによって凝縮部２０の熱伝達率を調整することで、過冷却部４０における熱交換量を調整することができ、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態における熱交換器は、外気の温度によってルーバ３０６ａを制御する制御装置を有さず、外気温度に応じて変形するように形状記憶されたルーバ３０６ａを有している。よって、本実施形態における熱交換器は、コスト低減を図ることが可能となる。
（他の実施形態）
上記第１〜第３実施形態では、熱交換量調整手段は、凝縮部２０における熱交換量を調整することによって、過冷却部４０における熱交換量を調整している。熱交換量調整手段として、第１実施形態では、横通風ドア８０が用いられ、第２実施形態では、導入ドア２８０が用いられ、第３実施形態では、ルーバ３０６ａが形成されたコルゲートフィン３０６が用いられている。これに対して、熱交換量調整手段として、例えば、過冷却部４０の空気流れ方向Ａの上流側に、促進ファンを設ける構成を用いてもよい。促進ファンは、低外気温時において回転し、過冷却部４０へ通風する風量を増加させる機能を有する。その結果、過冷却部４０における熱交換量の調整を図ることが可能となる。

また、熱交換量調整手段として、上記第１実施形態では、横通風ドア８０が用いられ、上記第２実施形態では、導入ドア２８０が用いられ、上記第３実施形態では、ルーバ３０６ａが形成されたコルゲートフィン３０６が用いられている。さらに、これらの熱交換量調整手段を、組み合わせて用いてもよい。

また、上記第１実施形態では、熱交換量調整手段として横通風ドア８０が用いられている。さらに、熱交換量調整手段として、例えば、図１０に示すような縦通風ドア４８０を用いてもよい。図１０は、他の実施形態における流体過冷却化装置４０１を示す模式図である。縦通風ドア４８０は、横通風ドア８０の回転軸８１を重力方向と一致する方向に配置させたドアである。また、熱交換量調整手段は、例えば、図１１に示すようなフィルムドア５８０であってもよい。図１１は、他の実施形態における流体過冷却化装置５０１の側面を示す模式図である。フィルムドア５８０は、回転軸５８１に巻き取られるフィルム部５８２の巻き取り量によって、凝縮部２０の一部への通風を抑制している。フィルムドア５８０を用いると、流体過冷却化装置の規格を小さくすることが可能となる。

また、上記第１実施形態では、横通風ドア８０の開度を制御する通風制御装置７０を備えている。また、上記第２実施形態においても、導入ドア２８０の開度を制御する図示しない導入制御装置を備えている。しかし、これらのドア８０、２８０は、例えば、形状記憶合金で形成され、外気温度によって形状を変化させる貫通孔６８１が形成されたものであってもよい。図１２は、他の実施形態における通風導入ドア６８０を示す模式図である。通風導入ドア６８０は、形状記憶合金で形成されている。また、通風導入ドア６８０には、外気温度に応じて形状を変化させる複数の貫通孔６８１が形成されている。その結果、制御装置を有する流体過冷却化装置と比べて安価な熱交換器を提供することが可能となる。

具体的には、通風導入ドア６８０は、横通風ドア８０のように凝縮部２０へ流入する外気の通風抵抗を変化させるものとして用いることができる。その場合、通風導入ドア６８０は、凝縮部２０の空気流れ方向Ａの上流側に配置される。通風導入ドア６８０は、その主面を空気流れ方向Ａと直交する向きで配置されている。ここで、通風導入ドア６８０の貫通孔６８１は、通常の使用温度時には、開状態となるように形状記憶されている。一方、低外気温時には、閉状態となるように形状記憶されている。

また、通風導入ドア６８０は、導入ドア２８０のように外気の温度より高温の空気が凝縮部２０へ向かって流れる風路の通風抵抗を変化させるものとして用いることができる。その場合、通風導入ドア６８０は、導入ドア２８０と同様の位置に配置される。通風導入ドア６８０は、その主面を車両内燃機関の放熱が回りこむ方向と交差する向きで配置されている。ここでは、通風導入ドア６８０の貫通孔６８１は、通常の使用温度時には、閉状態となるように形状記憶されている。一方、低外気温時には、開状態となるように形状記憶されている。通風導入ドア６８０は、通常の使用温度時には、貫通孔６８１を閉状態にさせて、車両内燃機関の放熱の回りこみを防止している。低外気温時には、通風導入ドア６８０は、貫通孔６８１を開状態にさせて、車両内燃機関の放熱の回りこみを許容している。

また、第１実施形態では、圧力センサ５４ａは、流入管５４に設けられている。しかし、例えば、圧力センサ５４ａは、第２分配室６２に設けられていてもよい。その場合、流体温度推定手段７２ａは、圧力センサ５４ａによって検出される第２分配室６２内の圧力Ｐ２に基づいて、過冷却部４０へ流入する推定冷媒温度Ｔｋが推定される。

また、第１実施形態では、目標温度差Ｔｘは、車速Ｓに基づいて算出されている。さらに、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、目標温度差Ｔｘは、車速Ｓに基づいて算出されている。しかし、目標温度差Ｔｘは、一定の規定値であってもよい。

また、上記第２実施形態では、導入ドア２８０が用いられている。しかし、例えば、導入ドア２８０に代えて、車両内燃機関の放熱を凝縮部２０の空気流れ方向Ａの上流側へ送風するファンであってもよい。

また、上記第３実施形態では、コルゲートフィン３０６が用いられている。コルゲートフィン３０６には、複数のルーバ３０６ａが形成されている。しかし、例えば、コルゲートフィン３０６には、通風孔である複数のスリットが形成されていてもよい。その場合、コルゲートフィン３０６に形成されたスリットは、通常の使用温度時には、開状態となるように形状記憶され、低外気温時には、閉状態となるように形状記憶されている。

また、上記第３実施形態では、コルゲートフィン３０６に形成された複数のルーバ３０６ａは、形状記憶合金で成形されている。しかし、複数のルーバ３０６ａは、電子制御されていてもよい。その場合、流体過冷却化装置として、熱交換率制御装置、圧力センサ５４ａ、外気温度センサ１０ａ、及びルーバ３０６ａを駆動する駆動用モータ群を備えており、その熱交換率制御装置により、上記第１実施形態における通風制御装置７０の制御と同様の制御を行う。

本発明の第１実施形態における流体過冷却化装置のブロック図である。 第１実施形態における流体過冷却化装置の側面を示す模式図である。 第１実施形態における目標温度差と車速との関係を示すグラフである。 第１実施形態における通風制御装置の通風制御を示すフローチャートである。 第１実施形態における流体過冷却化装置の効果を示すモリエル線図である。 第２実施形態における流体過冷却化装置、車両内燃機関、及び導入ドアの配置関係を示す配置図である。 第２実施形態における導入ドアの模式図である。 第３実施形態におけるコルゲートフィンの模式図である。 第３実施形態におけるコルゲートフィンの模式図である。 他の実施形態における流体過冷却化装置を示す模式図である。 他の実施形態における流体過冷却化装置の側面を示す模式図である。 他の実施形態における通風導入ドアを示す模式図である。

符号の説明

５…チューブ、１０ａ…外気温度センサ、２０…凝縮部、３０…気液分離部、４０…過冷却部、５４ａ…圧力センサ、７０…通風制御装置、８０…通風ドア（熱交換量調整手段）、２８０…導入ドア（熱交換量調整手段）、３０６…コルゲートフィン、３０６ａ…ルーバ（熱交換量調整手段）、４８０…通風ドア（熱交換量調整手段）、５８０…通風ドア（熱交換量調整手段）、６８０…通風ドア（導入ドア、熱交換量調整手段）。

Claims (10)

1. 流体と外気とを熱交換させて、前記流体を冷却する凝縮部と、
   前記凝縮部から流出した流体を気液分離する気液分離部と、
   前記気液分離部から流出した液相流体と外気とを熱交換させて、前記液相流体を過冷却する過冷却部とを備え、
   前記外気の温度に基づいて、前記過冷却部における熱交換量を調整する熱交換量調整手段とを備えることを特徴とする熱交換器。
2. 前記熱交換量調整手段は、前記凝縮部における熱交換量を調整することによって、前記過冷却部における熱交換量を調整することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記熱交換量調整手段は、前記凝縮部を通過する外気の通風量を調整することによって、前記凝縮部における熱交換量を調整することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記熱交換量調整手段は、前記凝縮部へ流入する外気が流れる風路の通風抵抗を変化させる通風ドアであることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記熱交換量調整手段は、前記外気の温度より高温の空気を前記凝縮部に導入させることによって、前記凝縮部における熱交換量を調整することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
6. 前記熱交換量調整手段は、前記高温の空気が前記凝縮部へ向かって流れる風路の通風抵抗を変化させる導入ドアであることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
7. 請求項１から６のいずれか１つに記載の熱交換器と、
   前記凝縮部へ流入する流体の圧力を検出する圧力センサと、
   前記外気の温度を検出する外気温度センサと、
   前記圧力センサにより検出された検出圧力、及び前記外気温度センサにより検出された検出外気温度に基づいて、前記過冷却部へ流入する流体の温度を推定する流体温度推定手段と、
   前記過冷却部から流出する流体が過冷却状態となるように、前記過冷却部に流入する流体の温度と前記外気の温度との目標温度差を決定する目標温度差決定手段とを備え、
   前記熱交換量調整手段は、前記流体温度推定手段が推定した推定値から前記検出外気温度を減算した値が、前記目標温度差となるように制御されることを特徴とする流体過冷却化装置。
8. 車両に適用される請求項７に記載の流体過冷却化装置であって、
   前記目標温度差決定手段は、前記目標温度差を、車速の増加に伴って減少するように決定することを特徴とする流体過冷却化装置。
9. 前記熱交換量調整手段は、前記凝縮部の熱伝達率を調整することによって、前記凝縮部における熱交換量を調整することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
10. 前記凝縮部は、前記流体が流れる複数のチューブと、隣接する前記チューブ間に配設され熱交換を促進する複数のフィンとを有し、
    前記熱交換量調整手段は、形状記憶合金で形成されるとともに、前記外気の温度の変化に伴って前記外気の流れる方向を変化させるルーバであることを特徴とする請求項９に記載の熱交換器。

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