JP2014115074A - 空調システムの内部熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、コンパクトな構造設計を有していながら高い熱伝達容量を呈する内部熱交換器を提供することである。
【解決手段】
空調システム２の内部熱交換器１において、外側管３と、外側管３の内側に配置される管路構造体４とを備え、管路構造体は第１のフローチャネル５を含み、第２のフローチャネル６が外側管３と管路構造体４との間に形成され、第１のフローチャネル５は蛇行構成を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空調システムの内部熱交換器であって、外側管と、外側管の内側に配置される管路構造体とを備え、管路構造体は第１のフローチャネルを含み、第２のフローチャネルが外側管と管路構造体との間に形成される、内部熱交換器に関する。

そのような内部熱交換器が特許文献１から既知である。空調システムの冷却材回路に組み込まれた内部熱交換器は、冷却材の熱をその冷却材の高圧側から低圧側へ伝達することによって、空調システムの効率を上げることを可能にする。冷却材は、高圧側では液体であり、低圧側では気体であり、高圧側の冷却材は第１のフローチャネルに通され、低圧側の冷却材は第２のフローチャネルに通される。第２のフローチャネルに通される冷却材は、低圧及び気体状態に起因して比較的低い熱吸収能力を呈し、これは、内部熱交換器の全熱伝達容量を制限する。

大抵の場合、外側管及び外側管の内側に配置される管路構造体の双方が、円形の断面を有して設計され、外側管及び管状の管路構造体の長さは同一である。

内部熱交換器が例えば車両における移動式空調システムに設置するように設計される場合、内部熱交換器のサイズ、特に長さが制限されることが問題である。この理由により、全熱伝達容量も同様に制限される。

独国特許出願公開第１０２００７０１５１８６号

コンパクトな構造設計を有しながら高い熱伝達容量を呈する内部熱交換器を提供することが、本発明の目的である。

この目的は、請求項１の特徴部によって達成される。従属項は、有利な実施形態に言及している。

この目的を達成するために、第１のフローチャネルは蛇行構成を有する。これに関連して、熱交換目的に使用可能な効果的な管の長さを、内部熱交換器の内部において大幅に拡大することができることが有利である。結果として、熱交換器の熱伝達容量が増加し、その一方で熱交換器の全長は同時に短いままである。それと同時に、第１のフローチャネルの蛇行構成は、内部熱交換器に対して特にコンパクトな構造設計をもたらし、これは、内部熱交換器を例えば車両における移動式空調システムに設置するのに特に適したものにする。

管路構造体の外面は、熱伝導リブを有することができる。熱伝導リブは、外側管の中央に配置される第１のフローチャネルを起点にして外側管の内壁の方向に好適に延びている。熱伝導リブは、管路構造体の外面を増大させ、それによって、熱伝達容量を高める。熱伝導リブは、熱を、第１のフローチャネルによって運ばれる流体から熱伝導リブへ直接伝達することができるように、実質的に一様な態様で第１のフローチャネルと接合される。熱伝導リブは、外側管に対して半径方向にかつその長手方向に延在しており、これにより、第２のフローチャネルにおいて案内される流体が熱伝導リブに沿って流れてその熱伝導リブが放出する熱を吸収する。

熱伝導リブは、外側管の内壁の領域まで延びることができる。しかしながら、装着を簡単にするために、熱伝導リブは、外側管の内壁に接触しないように設計される。好適には、熱伝導リブと外側管の内壁との間に間隙が生じ、この場合、この間隙の寸法は、０．５ｍｍ〜２．５ｍｍであることが好ましく、好適には１．５ｍｍである。この実施形態では、熱伝導リブが第２のフローチャネルをほぼ貫通して延びることが特に有利である。その結果として、熱伝導リブの間にチャネルが形成され、特に効果的な熱伝達がもたらされる。それと同時に、管路構造体を外側管に挿入することによって容易に設置することができるように、熱伝導リブ、したがって管路構造体それ自体は、外側管の内壁から離間される。

管路構造体を複数の部品から構成することができる。これは、第１のフローチャネルがその蛇行構成に起因した複雑な形状を有するため、管路構造体の製造性を向上させることとなる。

管路構造体は、少なくとも熱伝導リブが設けられるとともにチャネル部材を介して相互接続される外殻（shells）を有することができる。そのような管路構造体を製造するために、外殻は最初に、例えば押出しによって作製及び加工される。熱伝導リブは、単一部品として実質的に一様な態様で外殻上に成形される。外殻の一方の側面は、区分ごとに第１のフローチャネルの内壁を形成する。その結果として、外殻の側面を形作ることはフローチャネルの形状を定めることとなる。

チャネル部材は好適には櫛形とされている。好適には、２つのチャネル部材が設けられていて、この二つのチャネル部材が蛇行形状を形成し、また他方においては第１のフローチャネルの側方向境界壁も形成している。チャネル部材は、側方向境界壁を形成するベース部分を呈し、針状突出部がそのベース部分上に位置している。管路構造体及び第１のフローチャネルを製造するために、２つのチャネル部材が互いに対向して配置され、該突出部も互いに向き合う。それらのチャネル部材を側方向にずらすことによって蛇行構造がもたらされる。

管路構造体の部材を、金属材料から構成することができる。特に、加工しやすく高い熱伝導率を有する材料が考慮されうる。そのような有利な材料はアルミ合金を含み、アルミ合金は、高い熱伝導率を呈する一方、また他方で押出しによって加工することができ、管路構造体を簡易にかつコスト効率的に製造することができる。

管路構造体の部材を、互いに対して実質的に結合することができる。これに関して、特に、接着結合又は半田付けによってこれらの部材を接合することが可能である。漏れを防止するために、この材料結合によって部材の密着性のあるかつ耐久性のある接続が可能になる。加えて、この方法は、簡易でコスト効率がよい。

管路構造体を外側管に挿入することができる。これは、内部熱交換器の製造を簡易化させる。

管路構造体の表面側（フェース）の部分はパイプソケットを有することができ、パイプソケットは第１のフローチャネルと接続され流れの移送を可能にする。さらに、空調システムの高圧側の管路は、パイプソケットに連結される。すなわち、パイプソケットは、内部熱交換器を空調システムに組み込む接続部材を形成する。

外側管は、これらの表面（フェース）をそれぞれの蓋によって封止することができ、蓋は、第１のフローチャネル及び第２のフローチャネルに接続される管継手を有する。蓋は、好適には、第１のフローチャネルに接続されるパイプソケットのための貫通孔を有する。貫通孔はここでは、漏れを防止するように設計されており、その結果、流体は低圧側を通過することができる。加えて、蓋は、第２のフローチャネルにおいて移送される流体を空調回路に取り込む接続部材を有する。

外側管の内径は、好適には２５ｍｍ〜３５ｍｍである。第１のフローチャネルの幅は、好適には３．５ｍｍ〜５．５ｍｍである。これらの寸法は、車両の移動式空調システムに組み込まれるのに特によく適しているきわめてコンパクトな内部熱交換器を生み出す。一方、それと同時に、熱伝達容量は大きく、およそ５００ｍｍの長さの熱交換器から生じる約６００Ｗの大きさである。

第１のフローチャネルは、少なくとも部分的に矩形である断面を有することができる。そのようなチャネルは、製造が簡単であり、円形のチャネルよりも大きな表面積を有する。

本発明による内部熱交換器は、移動式空調システムに好適に用いられ、特に車両空調システムにおいて好適に用いられる。コンパクトな構造設計、管状形状、かつ高い熱伝達容量は、本発明による内部熱交換器を、車両の移動式空調システムに組み込むのに特によく適したものにする。

本発明による内部熱交換器のいくつかの実施形態が、図面に基づいて以下でより詳細に記載される。

内部熱交換器を有する移動式空調システムの空調回路の概略図である。 内部熱交換器の断面図である。 内部熱交換器の第１の分解図である。 内部熱交換器の第２の分解図である。 内部熱交換器の第３の分解図である。 内部熱交換器の第４の分解図である。 内部熱交換器の空間図である。

図１は、移動式空調システムの、具体的には、車両の空調システムの空調回路の概略図を示す。空調システムは、冷却材が循環する閉回路からなる。冷却材は、圧縮機によって圧縮され、次いでコンデンサー１８へ向かい、コンデンサー１８において冷却材は液化される。液体状の冷却材は、７バール〜１５バールの圧力において３０℃〜５０℃の温度を呈する。ここで、第１のフローチャネル５内の液化された冷却材が本発明による内部熱交換器１に供給され、コンデンサー１８を通過した冷却材は、内部熱交換器１において、蒸発器２０を通過した気体冷却材に熱を放出する。次いで、液体冷却材は膨張弁１９に流れ込み、膨張弁１９において冷却材の圧力は減少する。冷却材は蒸発器２０において熱を吸収し、この場合、冷却材は蒸発し、次いで気体になる。この加熱された気体冷却材は、２．５バール〜４バールの圧力において−１℃〜１５℃の温度を有する。気体冷却材は、第２のフローチャネル６を経て内部熱交換器を通って流れ、他方の側に沿って通される液体冷却材からの熱を吸収する。

図２は、詳細には車両に用いる移動式空調システムである空調システム２の内部熱交換器１の断面図を示す。内部熱交換器１は、管状の設計であり、外側管３と外側管３の内側に配置される管路構造体４とを包含する。管路構造体４はここでは外側管３に挿入されている。管路構造体４は第１のフローチャネル５を含み、第２のフローチャネル６が外側管３と管路構造体４との間に形成される。管路構造体４はここでは、第１のフローチャネル５が蛇行設計を有するように構成される。外側管３の内径は３０ｍｍであり、第１のフローチャネル５の幅は４．５ｍｍである。

図３〜図６はそれぞれが、種々の設置段階における本発明による内部熱交換器１の分解図を示す。これらの図から明らかであるように、管路構造体４の外側は、第１のフローチャネル５を起点にして外側管３の内壁８の領域内まで延びる熱伝導リブ７を有する。熱伝導リブ７は、第２のフローチャネル６に通される冷却材が熱伝導リブ７に沿って流れて熱を吸収するように、半径方向にかつ第２のフローチャネル６の流れ方向に沿って延びる。熱伝導リブ７と外側管３の内壁８との間の距離はここでは、管路構造体４を、外側管３内に挿入することによって容易に設置することができるように選択される。この実施形態における距離は１．５ｍｍである。

第１のフローチャネル５は矩形の断面を有する。

また、明らかなように、管路構造体４は、複数の部品からなり、熱伝導リブ７が設けられるとともに２つのチャネル部材１０によってともに接合される２つの外殻９を有する。チャネル部材１０は、櫛形の設計であり、上側側面及び下側側面が外殻９と接合される。チャネル部材１０は突出部１６を有し、この場合、チャネル部材１０は、第１のフローチャネル５の蛇行構造をもたらすように、互いに対してオフセットした外殻と接合される。

これらの部材、すなわち管路構造体４の外殻９及びチャネル部材１０は、金属材料、 この例示的な実施形態ではアルミ合金からなる。

押出しによる成形が行われる。管路構造体４の部材９、１０は、半田接続によって互いに対してしっかりと結合される。

管路構造体４の表面１１(フェース)の部分においてパイプソケット１２を収容し、そこでは、パイプソケット１２が第１のフローチャネル５に接続され、流れの移送を可能ならしめる。加えて、外側管３の端部１３は蓋１４によって封止され、そこでは、蓋１４は、第１のフローチャネル５及び第２のフローチャネル６に連結される管継手１５を有している。パイプソケット１２及び蓋の双方は管路構造体４又は外側管３としっかりと結合される。

図７は、内部熱交換器１を示している。内部熱交換器１は、管状の設計であり、４０ｍｍの直径及び１３０ｍｍの長さにおいて６００Ｗの熱伝達容量を有する。結果として、内部熱交換器１は、移動式空調システム２へ組み込むのに適している。

Claims (15)

1. 空調システム（２）の内部熱交換器（１）において、外側管（３）と、該外側管（３）の内側に配置される管路構造体（４）とを備え、該管路構造体（４）は第１のフローチャネル（５）を含み、第２のフローチャネル（６）が前記外側管（３）と前記管路構造体（４）との間に形成され、前記第１のフローチャネル（５）は蛇行構成を有することを特徴とする、内部熱交換器。
2. 前記管路構造体（４）の外側に熱伝導リブ（７）を有することを特徴とする、請求項１に記載の内部熱交換器。
3. 前記熱伝導リブ（７）は、前記外側管（３）の内壁（８）の領域内まで延在していることを特徴とする、請求項２に記載の内部熱交換器。
4. 前記管路構造体（４）は複数の部品からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内部熱交換器。
5. 前記管路構造体（４）は外殻（９）を有し、該外殻には少なくとも熱伝導リブ（７）が設けられているとともにチャネル部材（１０）によって相互接続されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内部熱交換器。
6. 前記チャネル部材（１０）は櫛形であることを特徴とする、請求項５に記載の内部熱交換器。
7. 前記管路構造体（４）の部材（９、１０）は金属材料からなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内部熱交換器。
8. 前記管路構造体（４）の部材（９、１０）は、互いに対してしっかりと結合されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の内部熱交換器。
9. 前記管路構造体（４）は前記外側管（３）に挿入されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の内部熱交換器。
10. 前記管路構造体（４）の表面（１１）の部分においてパイプソケット（１２）を収容し、該パイプソケット（１２）が前記第１のフローチャネル（５）と接続されて流れの移送を可能ならしめることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の内部熱交換器。
11. 前記外側管（３）の端部（１３）は蓋（１４）によって夫々封止され、該蓋（１４）は、前記第１のフローチャネル（５）及び前記第２のフローチャネル（６）と接続される管継手（１５）を有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の内部熱交換器。
12. 前記外側管（３）の内径は、２５ｍｍ〜３５ｍｍの寸法であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の内部熱交換器。
13. 前記第１のフローチャネル（５）の幅は、３．５ｍｍ〜５．５ｍｍの寸法であることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の内部熱交換器。
14. 前記第１のフローチャネル（５）は、少なくとも部分的に矩形である断面を有することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の内部熱交換器。
15. 移動式空調システム（２）において用いるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の内部熱交換器。

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