JP2011230655A

JP2011230655A - 車室内熱交換器

Info

Publication number: JP2011230655A
Application number: JP2010102876A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Matsumoto; 雄一松元; Yusuke Iino; 祐介飯野
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2011-11-17
Also published as: EP2565571A1; CN102869942A; EP2565571A4; US20130048260A1; WO2011136047A1

Abstract

【課題】車室内送風路に配設されてコンデンサとして作動する熱交換器の熱効率を向上する。
【解決手段】
コンデンサとして機能する車室内熱交換器１であって、複数の冷媒流通チューブ１１を積層した１対のチューブ群１３Ａ，１３Ｂを、相互に対向させて送風方向に並べて配設し、冷媒流通チューブ１１の軸方向一端側に、冷媒入口管１４ａを有すると共に一方のチューブ群１３Ａの各冷媒流通チューブ１１を連通して接続した入口側ヘッダタンク１４Ａと、冷媒出口管１４ｂを有すると共に他方のチューブ群１３Ｂの各冷媒流通チューブ１１を連通して接続した出口側ヘッダタンク１４Ｂと、を別体に、かつ、相互に間隔をあけて配設し、冷媒流通チューブ１１の軸方向他端側には、一対のチューブ群１３Ａ，１３Ｂの各冷媒流通チューブ１１を連通して接続した１個の中間ヘッダタンク１５を配設した。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両用ヒートポンプ装置における車室内熱交換器に関する。

エンジン搭載車両のヒートポンプ装置（空調装置）において、特許文献１では、気液混合状態の冷媒をエバポレータの入口側から送風方向と交差する一方向に流通させた後、反転させて逆方向に流通させ、入口側と同一側にある出口側からガス状冷媒として流出させるカウンターフロー式として、車室内に送風される冷房空気の温度分布ムラを抑制している。

特許第３２１４３１８号公報

一方、電気自動車あるいは小型エンジン搭載のハイブリッド車においては、エンジンの排熱を利用したヒータコアによる暖房が困難であるため、ヒートポンプサイクルの車室内熱交換器をコンデンサとして作動させて暖房を行うことが考えられている。
このように車室内熱交換器をコンデンサとして使用する場合も、上記エバポレータで採用されているカウンターフロー式の冷媒流路を採用することは、暖房空気の温度分布ムラを抑制する上で効果的である。

しかし、コンデンサとして作動する熱交換器では、高温高圧のガス状冷媒を流入する冷媒入口側と、凝縮して低温な液冷媒を流出する冷媒出口側との温度差が３０℃程度（エバポレータでは１０℃程度）にも増大する。
このため、かかる高温な冷媒入口側と低温な冷媒出口側との間での熱交換により、熱交換器の効率、ひいてはヒートポンプサイクルの熱効率が低下することが懸念される。

本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、コンデンサとして作動される車室内熱交換器からの暖房空気の温度分布を均一化しつつ、熱交換器入口側と出口側との熱交換を抑制して良好な熱効率を維持することを目的とする。

本発明は、第１〜第３の発明を有し、
車室内の送風路に配設され、少なくともコンデンサとして機能する車両用ヒートポンプ装置の熱交換器であって、第１〜第３の発明に共通な以下の構成を備える。
複数の冷媒流通チューブを積層した１対のチューブ群を、相互に対向させて前記送風路の送風方向に並べて配設する。

前記冷媒流通チューブの軸方向一端側に、冷媒入口を有すると共に一方の前記チューブ群の各冷媒流通チューブを連通して接続した入口側ヘッダタンクと、冷媒出口を有すると共に他方の前記チューブ群の各冷媒流通チューブを連通して接続した出口側ヘッダタンクと、が配設される。
前記冷媒流通チューブの軸方向他端側に、前記一対のチューブ群の各冷媒流通チューブを連通して接続した１個の中間ヘッダタンクが配設される。

そして、第１の発明では、入口側ヘッダタンクと、出口側ヘッダタンクと、を別体に、かつ、相互に間隔をあけて配設した。
また、第２の発明では、入出側ヘッダタンクの、入口側ヘッダタンクと、出口側ヘッダタンクと、を、断熱層を介して一体に形成した。
また、第３の発明では、入出側ヘッダタンクの、入口側ヘッダタンクと、出口側ヘッダタンクと、を一体に形成し、かつ、前記冷媒入口と前記冷媒出口とを、前記各タンクの冷媒流通チューブ積層方向の相反する側の各端部に形成した。

第１〜第３の発明に共通の構成において、
冷媒入口から入口側ヘッダタンク内に導入した冷媒が、入口側のチューブ群の冷媒流通チューブを通って中間ヘッダタンク内に至り、該中間ヘッダタンクから出口側のチューブ群の冷媒流通チューブを通って出口側ヘッダタンク内に至り、前記冷媒出口から流出するカウンターフロー式の冷媒流路が形成される。

かかる冷媒流路形態により、熱交換器の送風路断面全領域において入口側チューブ群の温度と出口側チューブ群の温度とを平均した温度が、均一化されるので、熱交換器を通過後の暖房空気の温度分布が均一化される。
そして、第１の発明では、入口側ヘッダタンクと、出口側ヘッダタンクとが別体で形成され、かつ、相互に間隔をあけて配設されるため、入口側ヘッダタンク周辺の高温な冷媒と、出口側ヘッダタンク周辺の低温な冷媒との熱交換が抑制されて熱効率を良好に維持できる。

また、第２の発明では、断熱層の介在によって入口側ヘッダタンク周辺の高温な冷媒と、出口側ヘッダタンク周辺の低温な冷媒との熱交換が抑制されて熱効率を良好に維持でき、かつ、両タンクを一体に形成することにより強度が向上すると共に、熱交換器の組立性が向上する。
また、第３の発明では、最も高温となる冷媒入口と最も低温となる冷媒出口とが両タンク間の最も離れた位置に形成されるため、これら温度差が大きい領域間での熱交換を抑制されて熱効率を良好に維持でき、かつ、両タンクを一体に形成することにより強度が向上すると共に、熱交換器の組立性が向上する。

本発明に係る車室内熱交換器を備えた車両用空調装置における冷媒回路の概要を示す図。第１の実施形態にかかる車室内熱交換器の斜視図。第１実施形態にかかる車室内熱交換器の要部横断面図。第２の実施形態にかかる車室内熱交換器の斜視図。第２実施形態にかかる車室内熱交換器の要部横断面図。第３の実施形態にかかる車室内熱交換器の斜視図。第３実施形態にかかる車室内熱交換器の要部横断面図。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る車室内熱交換器を備えた車両用ヒートポンプ装置（空調装置）における冷媒回路の概要を示す。
該空調装置は、車室内の送風路５１に配設された車室内熱交換器１、車室外に配設された車室外熱交換器２、４方切換弁３、コンプレッサ４、並列接続された膨張弁５Ａ，５Ｂ及び逆止弁６Ａ，６Ｂを、冷媒配管７を介して循環接続して構成される。

車室内送風路５１にはファン５２が配設され、車室内空気をファン５１によって送風し、車室内熱交換器１を経由して循環させて冷房または暖房を行うようになっている。
暖房時には、４方弁３が図示実線状態に切換えられ、コンプレッサ４で加圧された冷媒は、４方弁３を介して車室内熱交換器１に流入し、車室内空気と熱交換（放熱）して凝縮液化される。この熱交換によって、車室内空気は加熱される。加熱された車室内空気は、ファン５１によって車室内に送風され、車室内を暖房する。

そして、液冷媒は、逆止弁６Ａを通って膨張弁５Ｂに至り、減圧され霧状となって車室外熱交換器２に流入し、外気と熱交換（吸熱）して気化（ガス化）された後、コンプレッサ４の吸入口に戻されて再度加圧されるサイクルが繰り返される。
また、冷房時には、コンプレッサ４の駆動により加圧された冷媒は、図示点線状態にある４方弁３を介して車室外熱交換器２に流入し、外気と熱交換（放熱）してガス冷媒が凝縮液化される。この液冷媒は、逆止弁６Ｂを通って膨張弁５Ａに至り、減圧され霧状となって車室内熱交換器１に流入する。

霧状の冷媒は車室内空気と熱交換（吸熱）して蒸発してガス状となり、車室内空気を冷却する。冷却された車室内空気は、ファン５１によって車室内に送風され、車室内を冷房する。ガス状の冷媒は、コンプレッサ４の吸入口に戻されて再度加圧されるサイクルが繰り返される。
上記のように、暖房時にコンデンサとして作動する車室内熱交換器１が、以下のように構成されている。なお、熱交換器１は、暖房時にコンデンサとして作動するときと、冷房時にエバポレータとして作動するときとで、冷媒流通方向が逆となるが、以下ではコンデンサとして作動するときの冷媒流通方向で説明する。

図２〜図４は、車室内熱交換器１の第１の実施形態を示す。
扁平な通路断面を有する複数の冷媒流通チューブ１１を、上下方向にコルゲートフィン１２を介して積層した１対のチューブ群１３Ａ,１３Ｂが形成され、これら１対のチューブ群１３Ａ,１３Ｂを相互に対向させて、送風路１の送風方向に間隔を開けて２列配設されている。各冷媒流通チューブ１１とコルゲートフィン１２とは、ろう付け等により固定されている。

前記２列のチューブ群１３Ａ,１３Ｂのチューブ軸方向両側に、冷媒流通チューブ１１の積層方向に延びるヘッダタンクが、それぞれ配設されている。
前記チューブの軸方向一方の側（図示左側）に配設されるヘッダタンクは、入口側ヘッダタンク１４Ａと出口側ヘッダタンク１４Ｂとで別体に形成され、かつ、相互に間隔をあけて配設されている。入口側ヘッダタンク１４Ａ及び出口側ヘッダタンク１４Ｂは、例えば、円形パイプ部材の上下端面を蓋部材で閉塞し、かつ、後述するように、各冷媒流通チューブ１１の端部を挿入するための複数の孔を開口した形状を有する。

入口側ヘッダタンク１４Ａには、送風方向下流側のチューブ群１３Ａの各冷媒流通チューブ１１の一端部が対応する孔に挿入されてタンク内部と連通され、ろう付け等によって固定されている。
入口側ヘッダタンク１４Ａの上部には、外部の上流側冷媒配管７と接続される冷媒入口管１４ａがタンク内部と連通してろう付けにより連結されている。

出口側ヘッダタンク１４Ｂには、送風方向上流側のチューブ群１３Ｂの各冷媒流通チューブ１１の一端部が対応する孔に挿入されてタンク内部と連通され、ろう付け等によって固定されている。
出口側ヘッダタンク１４Ｂの下端部には、外部の下流側冷媒配管７と接続される冷媒出口管１４ｂがタンク内部と連通してろう付けにより連結されている。

冷媒入口管１４ａ及び冷媒出口管１４ｂは、それぞれ先端部が車室内送風路５０の通路壁を気密に貫通し、車室外にて外部の上流側冷媒配管７及び下流側冷媒配管７と接続されるように形成されている。
また、チューブの軸方向他方の側（図示右側）に配設される中間ヘッダタンク１５は、１個のタンクで形成され、両チューブ群１３Ａ,１３Ｂの全ての冷媒流通チューブ１１の端部を、対応して形成された孔内に挿入し、連通させてろう付け等により固定している。

このように構成された車室内熱交換器１において、暖房時にコンデンサとして作動するときの冷媒の流れを、図３を参照して説明する。
上流側の冷媒配管７から冷媒入口管１４ａを介して入口側ヘッダタンク１４Ａ内に流入した高圧・高温のガス状冷媒は、該入口側ヘッダタンク１４Ａ内を拡散しつつチューブ群１３Ａの各冷媒流通チューブ１１を通って反対側の中間ヘッダタンク１５内に至る。

中間ヘッダタンク１５内で合流した冷媒は、逆方向にターンし、送風方向上流側のチューブ群１３Ｂの各冷媒流通チューブ１１を通って出口タンク１４Ｂ内に至り、冷媒出口管１４ｂから下流側の冷媒配管７へ流出する。
冷媒は、上記のように２つのチューブ群１３Ａ，１３Ｂの各冷媒流通チューブ１１を通る間に、これら各チューブ１１の外表面に接触しつつ流通する送風空気と熱交換して放熱されると共に、同じく外表面に接触する送風空気によって冷却されるコルゲートフィン１２と熱交換して放熱されることにより、効率よく冷却されて凝縮液化される。

そして、かかるカウンターフロー式の冷媒流路により、送風方向下流側のチューブ群１３Ａにおいて高温なガス状冷媒が高密度で流通する冷媒入口に近い領域と、送風方向上流側のチューブ群１３Ｂにおいて凝縮された低温な液冷媒が流通する冷媒出口に近い領域とが、送風方向に重なり合う。
一方、反対側の中間ヘッダタンク１５に近づくほど送風方向下流側及び上流側の各チューブ群１３Ａ，１３Ｂを流通する冷媒温度（又は気液割合）の差が縮小する。

即ち、送風路断面の全領域において、送風方向下流側チューブ群１３Ａの冷媒温度（気液割合）と上流側チューブ群１３Ｂの冷媒温度（気液割合）との平均値（平均温度又は平均気液割合）が均一化される。これにより、車室内熱交換器１を通過して熱交換しつつ車室内へ送風される暖房空気の温度が均一化され、快適な暖房を行うことができる。

ところで、コンデンサとして作動する車室内熱交換器１では、既述したように冷媒入口周辺と、冷媒出口周辺との温度差が特に大きい。
例えば、エンジン冷却水を用いたヒータコアによる車室内暖房の場合、空気との熱交換による出入口温度差は１０℃程度（顕熱変化）であり、また、車室内熱交換器１を冷房時にエバポレータ（エバポレータ）として使用する場合も、出入口温度差は１０℃程度（潜熱変化）である。

これに対し、車室内熱交換器１をコンデンサとして作動させる場合、冷媒は、入口側では高温な完全ガス状態で流入し、出口側では放熱されて凝縮した低温な液状態で流出し、出入口温度差は３０℃程度（潜熱変化）にもなってしまう。
このように温度差が大きい入口側と出口側とで熱交換が行われると、出口側の液化した低温な冷媒が入口側の高温なガス状冷媒によって再加熱され、熱交換効率が低下してしまう。

そこで、本第１の実施形態では、入出側ヘッダタンクを、入口側ヘッダタンク１４Ａと出口側ヘッダタンク１４Ｂとで別体に形成し、間隔を開けて配設した。
これにより、入口側ヘッダタンク１４Ａ内の高温なガス状冷媒と、出口側ヘッダタンク１４Ｂ内の冷却された低温な液冷媒との間での熱交換を効果的に抑制でき、熱効率の低下を十分に抑制できる。
また、冷媒入口管１４ａ及び冷媒出口管１４ｂを、車室外で冷媒配管７と接続する構成としたため、該接続の緩み、外れ等の事態を生じた場合でも、冷媒が車室内に漏出して乗員に影響を及ぼすことを回避できる。

また、冷媒出口管１４ｂを出口タンク１４Ｂの下端部に配設したため、液冷媒及び冷媒中に含有させたオイルが、スムーズに冷媒出口管１４ｂから流出し、出口タンク１４Ｂの下部に滞留することを防止でき、良好な熱効率を維持できる。
図４及び図５は、第２の実施形態を示し、冷媒の入出側ヘッダタンク２１を一体化したものである。

第１の実施形態同様、円形パイプ部材（押し出しによる成形でも可能）で形成された入口側ヘッダタンク部材２１Ａと出口側ヘッダタンク部材２１Ｂを、これらの円形断面相互に外接する１対のプレート２１Ｃ、２１Ｄで連結し、上下端の外形断面全体を蓋部材で閉塞した形状として一体化する。その他の構成は、第１の実施形態と同様であり、冷媒入口管２１ａ及び冷媒出口管２１ｂは、一体化された入出側ヘッダタンク２１の対応する位置に接続される。

このように一体化すると、入口側ヘッダタンク部材２１Ａ及び出口側ヘッダタンク部材２１Ｂの隣接する壁部と、１対のプレート２１Ｃ、２１Ｄと、上下端の蓋部材とで囲まれる空間が空気断熱層２２として介在する。したがって、一体化したタンクにおいても、この空気断熱層２２の介在によって、入口側ヘッダタンク部材２１Ａ内の高温なガス状冷媒と出口側ヘッダタンク部材２１Ｂ内の低温な液冷媒との間での熱交換を極力抑制することができ、熱効率を良好に維持できる。

また、入口側ヘッダタンクと出口側ヘッダタンクを、入出側ヘッダタンク２１として一体化することによりタンクの強度が向上すると共に、両チューブ群１３Ａ、１３Ｂがチューブ軸方向の両側でそれぞれ一体化されたタンクに連結支持されることにより、熱交換器１全体の強度が向上する。
また、タンクを一体化したことにより、両チューブ群１３Ａ，１３Ｂの冷媒流通チューブ１１を入口側ヘッダタンク部材２１Ａ及び出口側ヘッダタンク部材２１Ｂに同時に組み付けることが可能となって熱交換器の製造効率が向上する。

図６及び図７は、第３の実施形態を示し、冷媒の入出口側ヘッダタンクを一体化した別の形態でを示す。
入出口側ヘッダタンク３１は、中間ヘッダタンク１５と同様の外形を有する箱型に一体化して形成され、タンク内部空間が仕切壁３２により、入口側のチューブ群１３Ａが連通して接続される入口側ヘッダタンク３１Ａと、出口側のチューブ群１３Ｂが連通して接続される出口側ヘッダタンク３１Ｂとに画成されている。

ここで、入口側ヘッダタンク３１Ａの上端部に冷媒入口管３１ａが連結されると共に、出口側ヘッダタンク３１Ｂの下端部に冷媒出口管３１ｂが連結される。
ここで、冷媒入口管３１ａ周辺の領域は、高温なガス状冷媒が流入される直後の部分であるから最も高温となり、一方、冷媒出口管３１ｂ周辺の領域は、チューブ群１３Ｂの各冷媒流通チューブ１１から冷却された液冷媒が流出して合流することにより最も低温となる。

そして、冷媒入口管３１ａと冷媒出口管３１ｂを、入出側ヘッダタンク３１の最も離れた対角位置に配置したことにより、上記のように熱交換器の中で最も高温となる領域と最も低温となる領域とを、可能な限り遠ざけることができる。したがって、これら高温領域と低温領域間での熱交換が抑制され、良好な熱効率を維持できる。
また、入出側ヘッダタンク３１として一体化することによりタンクの強度が向上すること、両チューブ群１３Ａ、１３Ｂがチューブ軸方向の両側でそれぞれ一体化されたタンクに連結支持されることにより熱交換器１全体の強度が向上すること、及び、両チューブ群１３Ａ，１３Ｂの冷媒流通チューブ１１をそれぞれ一体化されたタンクに同時に組み付けることが可能となって熱交換器の製造効率が向上することは、第２の実施形態と同様である。

さらに、例えば、入出口側ヘッダタンク３１Ａと中間ヘッダタンク３１Ｂとを、同様の外形を有した部材を用いて汎用化し、別体の仕切り板を連結して仕切壁３２を形成することにより、コスト低減を図れる。

以上示した実施形態では、車室内熱交換器１をコンデンサとエバポレータとに作動を切換えられる構成としたが、コンデンサとエバポレータとを車室内送風路に別個に備え、冷暖房に応じて切換える構成としたシステムのコンデンサに本発明にかかる構成を適用することもできる。
また、コルゲートフィンの代わりに、各冷媒流通チューブを貫通させる平板状フィンを上下方向に多数列配設した構成であってもよい。

１…車室内熱交換器、２…車室外熱交換器、７…冷媒配管、１１…冷媒流通チューブ、１３Ａ，１３Ｂ…チューブ群、１４Ａ…入口側ヘッダタンク、１４Ｂ…出口側ヘッダタンク、１４ａ…冷媒入口管、１４ｂ…冷媒出口管、１５…中間ヘッダタンク、２１Ａ…入口側ヘッダタンク部材、２１Ｂ…出口側ヘッダタンク部材、２１Ｃ，２１Ｄ…プレート、２１ａ…冷媒入口管、２１ｂ…冷媒出口管、３１…入出口側ヘッダタンク、３１Ａ…入出口側ヘッダタンク、３１ａ…冷媒入口管、３１ｂ…冷媒出口管、３２…仕切壁、５１…送風路、５２…ファン

Claims

車室内の送風路に配設され、少なくともコンデンサとして機能する車両用ヒートポンプ装置の熱交換器であって、
複数の冷媒流通チューブを積層した１対のチューブ群を、相互に対向させて前記送風路の送風方向に並べて配設し、
前記冷媒流通チューブの軸方向一端側に、
冷媒入口を有すると共に一方の前記チューブ群の各冷媒流通チューブを連通して接続した入口側ヘッダタンクと、
冷媒出口を有すると共に他方の前記チューブ群の各冷媒流通チューブを連通して接続した出口側ヘッダタンクと、
を別体に、かつ、相互に間隔をあけて配設し、
前記冷媒流通チューブの軸方向他端側に、前記一対のチューブ群の各冷媒流通チューブを連通して接続した１個の中間ヘッダタンクを配設したこと
を特徴とする車室内熱交換器。
車室内の送風路に配設され、少なくともコンデンサとして機能する車両用ヒートポンプ装置の熱交換器であって、
複数の冷媒流通チューブを積層した１対のチューブ群を、相互に対向させて前記送風路の送風方向に並べて配設し、
前記冷媒流通チューブの軸方向一端側に、
冷媒入口を有すると共に一方の前記チューブ群の各冷媒流通チューブを連通して接続した入口側ヘッダタンクと、
冷媒出口を有すると共に他方の前記チューブ群の各冷媒流通チューブを連通して接続した出口側ヘッダタンクと、
を、断熱層を介して一体に配設し、
前記冷媒流通チューブの軸方向他端側に、前記一対のチューブ群の各冷媒流通チューブを連通して接続した１個の中間ヘッダタンクを配設したこと
を特徴とする車室内熱交換器。
車室内の送風路に配設され、少なくともコンデンサとして機能する車両用ヒートポンプ装置の熱交換器であって、
複数の冷媒流通チューブを積層した１対のチューブ群を、相互に対向させて前記送風路の送風方向に並べて配設し、
前記冷媒流通チューブの軸方向一端側に、
冷媒入口を有すると共に一方の前記チューブ群の各冷媒流通チューブを連通して接続した入口側ヘッダタンクと、
冷媒出口を有すると共に他方の前記チューブ群の各冷媒流通チューブを連通して接続した出口側ヘッダタンクと、
を、一体に配設し、
かつ、前記冷媒入口と前記冷媒出口とを、前記各タンクの前記冷媒流通チューブ積層方向の相反する側の各端部に形成し、
前記冷媒流通チューブの軸方向他端側に、前記一対のチューブ群の各冷媒流通チューブを連通して接続した１個の中間ヘッダタンクを配設したこと
を特徴とする車室内熱交換器。
前記複数の冷媒流通チューブは上下方向に配設され、前記冷媒出口は、前記出口側ヘッダタンクの下端部に配設された請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の車室内熱交換器。
前記冷媒入口及び前記冷媒出口は、外部の冷媒配管と車室外で接続される請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の車室内熱交換器。