JP2014126339A - 熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】3種類の流体間の熱交換量を微細に調整可能な熱交換器を提供する。
【解決手段】冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aのうち隣り合うチューブ16a、43a間に形成される空間は、外気が流通する外気用通路70aを形成しており、外気用通路70aには、冷媒用チューブ16aの外表面および冷却水用チューブ43aの外表面の少なくとも一方に接合されて、それぞれの流体間の熱移動を促進するアウターフィン50が配置されており、さらに、冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aの双方に接合されるアウターフィン50として、冷媒用チューブ16aの外気流れ方向の長さと冷却水用チューブ43aの外気流れ方向の長さが異なっていることによって冷媒用チューブ16aとの接合面積と冷却水用チューブ43aとの接合面積が異なっているものが設けられている。
【選択図】図6

Description

本発明は、3種類の流体間で熱交換可能に構成された複合型の熱交換器に関する。
従来、3種類の流体間で熱交換可能に構成された複合型の熱交換器が知られている。例えば、特許文献1に開示された熱交換器では、冷凍サイクルの冷媒と室外空気(外気)との間での熱交換、およびエンジンを冷却する冷却水と外気との間での熱交換が可能に構成された複合型の熱交換器が開示されている。
具体的には、この特許文献1の熱交換器では、冷媒が流れる冷媒用チューブと外部熱源の冷却水が流れる冷却水用チューブとを互いに交互に積層配置するとともに、隣り合う冷媒用チューブと冷却水用チューブとの間に形成されて外気を流通させる外気通路に、冷媒用チューブと冷却水用チューブとの間の熱移動を可能とするアウターフィンを配置している。これにより、冷媒と送風空気との間の熱交換、冷却水と送風空気との間の熱交換だけでなく、冷媒と冷却水との間の熱交換も実現できる。
このため、例えば、冷媒用チューブに付着した霜を取り除く除霜時に、冷却水の有する熱を冷媒用チューブの全域に対して伝熱させることができるので、冷却水の有する熱を有効活用することができる。
特開2012−7821号公報
しかしながら、上記特許文献1の熱交換器のように、冷媒用チューブと冷却水用チューブとを単に交互に配置するだけでは、冷却水の有する熱が、除霜を行うために必要な熱量に対して過剰になってしまうことがある。
これに対し、本出願人は、先に特願2012−62935にて、空気の流れ方向の上流側に配置される上流側熱交換部、および、空気の流れ方向における上流側熱交換部の下流側に配置される下流側熱交換部を備え、上流側熱交換部を構成するチューブの総チューブ本数に対する冷媒用チューブの本数割合と、下流側熱交換部を構成するチューブの総チューブ本数に対する冷媒用チューブの本数割合とを異ならせた熱交換器を提案している(以下、先願例という)。これにより、熱交換器全体として3種類の流体間の熱交換量を調整することができる。
しかしながら、上記先願例のように、上流側熱交換部における冷媒用チューブの本数割合と、下流側熱交換部における冷媒用チューブの本数割合とを異ならせるだけでは、3種類の流体間の熱交換量を調整するにも限界がある。
本発明は上記点に鑑みて、3種類の流体間の熱交換量を微細に調整可能な熱交換器を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、第1流体が流通する第1チューブ(16a)および第2流体が流通する第2チューブ(43a)のうち、少なくとも一方のチューブ(16a)を積層配置して構成されて、第1流体および第2流体のうち少なくとも一方と第3流体とを熱交換させる熱交換部(71、72、700)を備え、第1チューブ(16a)および第2チューブ(43a)のうち隣り合うチューブ(16a、43a)間に形成される空間は、第3流体が流通する第3流体用通路(70a)を形成しており、第3流体用通路(70a)には、第1チューブ(16a)の外表面および第2チューブ(43a)の外表面の少なくとも一方に接合されて、それぞれの流体間の熱移動を促進するアウターフィン(50)が配置されており、さらに、第1チューブ(16a)および第2チューブ(43a)の双方に接合されるアウターフィン(50)として、第1チューブ(16a)の第3流体流れ方向の長さと第2チューブ(43a)の第3流体流れ方向の長さが異なっていることによって第1チューブ(16a)との接合面積と第2チューブ(43a)との接合面積が異なっているものが設けられていることを特徴とする。
これによれば、第1チューブ(16a)および第2チューブ(43a)の双方に接合されるアウターフィン(50)として、第1チューブ(16a)の第3流体流れ方向の長さと第2チューブ(43a)の第3流体流れ方向の長さが異なっていることによって第1チューブ(16a)との接合面積と第2チューブ(43a)との接合面積が異なっているものを設けることで、熱交換器(70)全体として3種類の流体間の熱交換量を微細に調整することができる。つまり、アウターフィン(50)に接合されている、第1チューブ(16a)の第3流体流れ方向の長さと第2チューブ(43a)の第3流体流れ方向の長さとを変更することにより、3種類の流体間の熱交換量を微細に調整することが可能となる。
また、請求項2に記載の発明では、第1流体が流通する第1チューブ(16a)および第2流体が流通する第2チューブ(43a)のうち、少なくとも一方のチューブ(16a)を積層配置して構成されて、第1流体および第2流体のうち少なくとも一方と第3流体とを熱交換させる熱交換部(71、72、700)を備え、第1チューブ(16a)および第2チューブ(43a)のうち隣り合うチューブ(16a、43a)間に形成される空間は、第3流体が流通する第3流体用通路(70a)を形成しており、第3流体用通路(70a)には、第1チューブ(16a)の外表面および第2チューブ(43a)の外表面の少なくとも一方に接合されて、それぞれの流体間の熱移動を促進するアウターフィン(50)が配置されており、さらに、第1チューブ(16a)および第2チューブ(43a)の双方に接合されるアウターフィン(50)として、第1チューブ(16a)の第3流体の流れ方向の配列数と第2チューブ(43a)の第3流体の流れ方向の配列数が異なっていることによって第1チューブ(16a)との接合面積と第2チューブ(43a)との接合面積が異なっているものが設けられていることを特徴とする。
これによれば、第1チューブ(16a)および第2チューブ(43a)の双方に接合されるアウターフィン(50)として、第1チューブ(16a)の第3流体の流れ方向の配列数と第2チューブ(43a)の第3流体の流れ方向の配列数が異なっていることによって第1チューブ(16a)との接合面積と第2チューブ(43a)との接合面積が異なっているものを設けることで、熱交換器(70)全体として3種類の流体間の熱交換量を微細に調整することができる。つまり、アウターフィン(50)に接合されている、第1チューブ(16a)の第3流体の流れ方向の配列数と第2チューブ(43a)の第3流体の流れ方向の配列数とを変更することにより、3種類の流体間の熱交換量を微細に調整することが可能となる。
なお、請求項3における「一方のチューブ(43a)の第3流体流れ最下流部は、他方のチューブ(16a)の第3流体流れ最下流部よりも、第3流体流れ上流側に配置されている」とは、一方のチューブ(43a)の第3流体流れ最下流部は、他方のチューブ(16a)の第3流体流れ最下流部よりも、製造誤差、組付誤差によって微小に第3流体流れ上流側に配置されていることを含む意味ではなく、一方のチューブ(43a)の第3流体流れ最下流部は、他方のチューブ(16a)の第3流体流れ最下流部よりも、他方のチューブ(16a)の第3流体流れ方向の長さの数%(例えば10%)以上、第3流体流れ上流側に配置されていることを意味している。
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
第1実施形態のヒートポンプサイクルの暖房運転時の冷媒流路等を示す全体構成図である。 第1実施形態のヒートポンプサイクルの除霜運転時の冷媒流路等を示す全体構成図である。 第1実施形態のヒートポンプサイクルの冷房運転時の冷媒流路等を示す全体構成図である。 第1実施形態の熱交換器の外観斜視図である。 第1実施形態の熱交換器の分解斜視図である。 第1実施形態の熱交換器の熱交換部長手方向の模式的な断面図である。 図4のVII−VII断面図である。 図4のVIII−VIII断面図である。 第1実施形態の熱交換器における冷媒および冷却水の流れを説明する模式的な斜視図である。 第2実施形態の熱交換器の熱交換部長手方向の模式的な断面図である。 第3実施形態の熱交換器の熱交換部長手方向の模式的な断面図である。 第4実施形態の熱交換器の熱交換部長手方向の模式的な断面図である。 第5実施形態の熱交換器の熱交換部長手方向の模式的な断面図である。 図13のXIV部拡大図である。 第6実施形態の熱交換器の熱交換部長手方向の模式的な断面図である。 第6実施形態の熱交換器のヘッダタンクを示す分解斜視図である。 第6実施形態の熱交換器のヘッダタンクを構成する第2中間プレート部材を示す模式的な平面図である。 第6実施形態の熱交換器のヘッダタンクを構成する第1中間プレート部材を示す模式的な平面図である。 第6実施形態の熱交換器のヘッダタンクを構成するヘッダプレートを示す模式的な平面図である。 第6実施形態の熱交換器のヘッダタンクを構成するタンク形成部材を示す模式的な平面図である。 第7実施形態のヒートポンプサイクルの暖房運転時の冷媒流路等を示す全体構成図である。 第7実施形態のヒートポンプサイクルの暖機運転時の冷媒流路等を示す全体構成図である。 第7実施形態のヒートポンプサイクルの冷房運転時の冷媒流路等を示す全体構成図である。 他の実施形態に係る熱交換器の熱交換部長手方向の模式的な断面図である。 他の実施形態に係る熱交換器の熱交換部長手方向の模式的な断面図である。 他の実施形態に係る熱交換器の冷却水用チューブを示す拡大断面図である。 他の実施形態に係る熱交換器の冷却水用チューブを示す拡大断面図である。 他の実施形態に係る熱交換器のヘッダタンクを構成する中間プレート部材を示す模式的な平面図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
(第1実施形態)
図1〜図9により、本発明の第1実施形態を説明する。本実施形態では、本発明の熱交換器70を、車両用空調装置1において車室内送風空気の温調を行うヒートポンプサイクル10に適用している。図1〜図3は、本第1実施形態の車両用空調装置1の全体構成図である。
この車両用空調装置1は、内燃機関(エンジン)および走行用電動モータMGから車両走行用の駆動力を得る、いわゆるハイブリッド車両に適用されている。
ハイブリッド車両は、車両の走行負荷等に応じてエンジンを作動あるいは停止させて、エンジンおよび走行用電動モータMGの双方から駆動力を得て走行する走行状態や、エンジンを停止させて走行用電動モータMGのみから駆動力を得て走行する走行状態等を切り替えることができる。これにより、ハイブリッド車両では、車両走行用の駆動力をエンジンのみから得る通常の車両に対して車両燃費を向上させることができる。
ヒートポンプサイクル10は、車両用空調装置1において、空調対象空間である車室内へ送風される車室内送風空気を加熱あるいは冷却する機能を果たす蒸気圧縮式の冷凍サイクルである。従って、このヒートポンプサイクル10は、冷媒流路を切り替えて、熱交換対象流体である車室内送風空気を加熱して車室内を暖房する暖房運転(加熱運転)、車室内送風空気を冷却して車室内を冷房する冷房運転(冷却運転)を実行できる。
さらに、このヒートポンプサイクル10では、暖房運転時に冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する後述する複合型の熱交換器70の室外熱交換部16に着いた霜を融解させて取り除く除霜運転を実行することもできる。なお、図1〜図3のヒートポンプサイクル10に示す全体構成図では、各運転時における冷媒の流れを実線矢印で示している。
また、本実施形態のヒートポンプサイクル10では、冷媒として通常のフロン系冷媒を採用しており、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルを構成している。この冷媒には圧縮機11を潤滑するための冷凍機油が混入されており、冷凍機油の一部は冷媒とともにサイクルを循環している。
まず、圧縮機11は、エンジンルーム内に配置されて、ヒートポンプサイクル10において冷媒を吸入し、圧縮して吐出するもので、吐出容量が固定された固定容量型圧縮機11aを電動モータ11bにて駆動する電動圧縮機である。固定容量型圧縮機11aとしては、具体的に、スクロール型圧縮機構、ベーン型圧縮機構等の各種圧縮機構を採用できる。
電動モータ11bは、後述する空調制御装置から出力される制御信号によって、その作動(回転数)が制御されるもので、交流モータ、直流モータのいずれの形式を採用してもよい。そして、この回転数制御によって、圧縮機11の冷媒吐出能力が変更される。従って、本実施形態では、電動モータ11bが圧縮機11の吐出能力変更手段を構成する。
圧縮機11の冷媒吐出口には、利用側熱交換器としての室内凝縮器12の冷媒入口側が接続されている。室内凝縮器12は、車両用空調装置1の室内空調ユニット30のケーシング31内に配置されて、その内部を流通する高温高圧冷媒と後述する室内蒸発器20通過後の車室内送風空気とを熱交換させる加熱用熱交換器である。なお、室内空調ユニット30の詳細構成については後述する。
室内凝縮器12の冷媒出口側には、暖房運転時に室内凝縮器12から流出した冷媒を減圧膨張させる暖房運転用の減圧手段としての暖房用固定絞り13が接続されている。この暖房用固定絞り13としては、オリフィス、キャピラリチューブ等を採用できる。暖房用固定絞り13の出口側には、複合型の熱交換器70の室外熱交換部16の冷媒入口側が接続されている。
さらに、室内凝縮器12の冷媒出口側には、室内凝縮器12から流出した冷媒を、暖房用固定絞り13を迂回させて室外熱交換部16側へ導く固定絞り迂回用通路14が接続されている。この固定絞り迂回用通路14には、固定絞り迂回用通路14を開閉する開閉弁15aが配置されている。開閉弁15aは、空調制御装置から出力される制御電圧によって、その開閉作動が制御される電磁弁である。
また、冷媒が開閉弁15aを通過する際に生じる圧力損失は、固定絞り13を通過する際に生じる圧力損失に対して極めて小さい。従って、室内凝縮器12から流出した冷媒は、開閉弁15aが開いている場合には固定絞り迂回用通路14側を介して室外熱交換部16へ流入し、開閉弁15aが閉じている場合には暖房用固定絞り13を介して室外熱交換部16へ流入する。
これにより、開閉弁15aは、ヒートポンプサイクル10の冷媒流路を切り替えることができる。従って、本実施形態の開閉弁15aは、冷媒流路切替手段としての機能を果たす。なお、このような冷媒流路切替手段としては、室内凝縮器12出口側と暖房用固定絞り13入口側とを接続する冷媒回路および室内凝縮器12出口側と固定絞り迂回用通路14入口側とを接続する冷媒回路を切り替える電気式の三方弁等を採用してもよい。
室外熱交換部16は、熱交換器70において内部を流通する冷媒と送風ファン17から送風された外気とを熱交換させる熱交換部である。この室外熱交換部16は、エンジンルーム内に配置されて、暖房運転時には、低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる蒸発用熱交換部(蒸発器)として機能し、冷房運転時には、高圧冷媒を放熱させる放熱用熱交換部(放熱器)として機能する。
また、送風ファン17は、空調制御装置から出力される制御電圧によって稼働率、すなわち回転数(送風空気量)が制御される電動式送風機である。
さらに、本実施形態の熱交換器70では、上述の室外熱交換部16および走行用電動モータMGを冷却する冷却水と送風ファン17から送風された外気とを熱交換させる後述するラジエータ部43と一体的に構成している。
このため、本実施形態の送風ファン17は、室外熱交換部16およびラジエータ部43の双方に向けて外気を送風する室外送風手段を構成している。なお、室外熱交換部16およびラジエータ部43とを一体的に構成した複合型の熱交換器70の詳細構成については後述する。
室外熱交換部16の出口側には、電気式の三方弁15bが接続されている。この三方弁15bは、空調制御装置から出力される制御電圧によって、その作動が制御されるもので、上述した開閉弁15aとともに、冷媒流路切替手段を構成している。
より具体的には、三方弁15bは、暖房運転時には、室外熱交換部16の出口側と後述するアキュムレータ18の入口側とを接続する冷媒流路に切り替え、冷房運転時には、室外熱交換部16の出口側と冷房用固定絞り19の入口側とを接続する冷媒流路に切り替える。
冷房用固定絞り19は、冷房運転時に室外熱交換部16から流出した冷媒を減圧膨張させる冷房運転用の減圧手段であり、その基本的構成は、暖房用固定絞り13と同様である。冷房用固定絞り19の出口側には、室内蒸発器20の冷媒入口側が接続されている。
室内蒸発器20は、室内空調ユニット30のケーシング31内のうち、室内凝縮器12よりも空気流れの上流側に配置されて、その内部を流通する冷媒と車室内送風空気とを熱交換させ、車室内送風空気を冷却する冷却用熱交換器である。室内蒸発器20の冷媒出口側には、アキュムレータ18の入口側が接続されている。
アキュムレータ18は、その内部に流入した冷媒の気液を分離して、サイクル内の余剰冷媒を蓄える低圧側冷媒用の気液分離器である。アキュムレータ18の気相冷媒出口には、圧縮機11の吸入側が接続されている。従って、このアキュムレータ18は、圧縮機11に液相冷媒が吸入されてしまうことを抑制して、圧縮機11の液圧縮を防止する機能を果たす。
本実施形態のヒートポンプサイクル10では、冷房運転時に、熱交換器70のラジエータ部43から流出する冷却水の温度が、熱交換器70の室外熱交換部16から流出する冷媒の温度より低くなっている。これにより、室外熱交換部16が高圧冷媒を放熱させる放熱用熱交換部として機能する冷房運転時において、室外熱交換部16から流出する冷媒の過冷却度を上昇させることができるので、サイクル効率を向上できる。
一方、本実施形態のヒートポンプサイクル10では、暖房運転時に、熱交換器70のラジエータ部43内部の冷却水の温度が、熱交換器70の室外熱交換部16から流出する冷媒の温度より高くなっている。これにより、室外熱交換部16が低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる蒸発用熱交換部として機能する暖房運転時において、冷却水の有する熱量を吸熱することによって冷媒が加熱されて、冷媒の蒸発が促進される。
次に、室内空調ユニット30について説明する。室内空調ユニット30は、車室内最前部の計器盤(インストルメントパネル)の内側に配置されて、その外殻を形成するケーシング31内に送風機32、前述の室内凝縮器12、室内蒸発器20等を収容したものである。
ケーシング31は、車室内に送風される車室内送風空気の空気通路を形成しており、ある程度の弾性を有し、強度的にも優れた樹脂(例えば、ポリプロピレン)にて成形されている。ケーシング31内の車室内送風空気流れ最上流側には、車室内空気(内気)と外気とを切替導入する内外気切替装置33が配置されている。
内外気切替装置33には、ケーシング31内に内気を導入させる内気導入口および外気を導入させる外気導入口が形成されている。さらに、内外気切替装置33の内部には、内気導入口および外気導入口の開口面積を連続的に調整して、内気の風量と外気の風量との風量割合を変化させる内外気切替ドアが配置されている。
内外気切替装置33の空気流れ下流側には、内外気切替装置33を介して吸入された空気を車室内へ向けて送風する送風機32が配置されている。この送風機32は、遠心多翼ファン(シロッコファン)を電動モータにて駆動する電動送風機であって、空調制御装置から出力される制御電圧によって回転数(送風量)が制御される。
送風機32の空気流れ下流側には、室内蒸発器20および室内凝縮器12が、車室内送風空気の流れに対して、この順に配置されている。換言すると、室内蒸発器20は、室内凝縮器12に対して、車室内送風空気の流れ方向上流側に配置されている。
さらに、室内蒸発器20の空気流れ下流側であって、かつ、室内凝縮器12の空気流れ上流側には、室内蒸発器20通過後の送風空気のうち、室内凝縮器12を通過させる風量割合を調整するエアミックスドア34が配置されている。また、室内凝縮器12の空気流れ下流側には、室内凝縮器12にて冷媒と熱交換して加熱された送風空気と室内凝縮器12を迂回して加熱されていない送風空気とを混合させる混合空間35が設けられている。
ケーシング31の空気流れ最下流部には、混合空間35にて混合された空調風を、冷却対象空間である車室内へ吹き出す吹出口が配置されている。具体的には、この吹出口としては、車室内の乗員の上半身に向けて空調風を吹き出すフェイス吹出口、乗員の足元に向けて空調風を吹き出すフット吹出口、および、車両前面窓ガラス内側面に向けて空調風を吹き出すデフロスタ吹出口(いずれも図示せず)が設けられている。
従って、エアミックスドア34が室内凝縮器12を通過させる風量の割合を調整することによって、混合空間35にて混合された空調風の温度が調整され、各吹出口から吹き出される空調風の温度が調整される。つまり、エアミックスドア34は、車室内へ送風される空調風の温度を調整する温度調整手段を構成している。
換言すると、エアミックスドア34は、利用側熱交換器を構成する室内凝縮器12において、圧縮機11吐出冷媒と車室内送風空気との熱交換量を調整する熱交換量調整手段としての機能を果たす。なお、エアミックスドア34は、空調制御装置から出力される制御信号によって作動が制御される図示しないサーボモータによって駆動される。
さらに、フェイス吹出口、フット吹出口、およびデフロスタ吹出口の空気流れ上流側には、それぞれ、フェイス吹出口の開口面積を調整するフェイスドア、フット吹出口の開口面積を調整するフットドア、デフロスタ吹出口の開口面積を調整するデフロスタドア(いずれも図示せず)が配置されている。
これらのフェイスドア、フットドア、デフロスタドアは、吹出口モードを切り替える吹出口モード切替手段を構成するものであって、リンク機構等を介して、空調制御装置から出力される制御信号によってその作動が制御される図示しないサーボモータによって駆動される。
次に、冷却水循環回路40について説明する。この冷却水循環回路40は、作動時に発熱を伴う車載機器の一つである前述の走行用電動モータMGの内部に形成された冷却水通路に、冷却媒体(熱媒体)としての冷却水(例えば、エチレングリコール水溶液)を循環させて、走行用電動モータMGを冷却する冷却水循環回路である。
この冷却水循環回路40には、冷却水ポンプ41、電気式の三方弁42、複合型の熱交換器70のラジエータ部43、このラジエータ部43を迂回させて冷却水を流すバイパス通路44等が配置されている。
冷却水ポンプ41は、冷却水循環回路40において冷却水を走行用電動モータMGの内部に形成された冷却水通路へ圧送する電動式のポンプであり、空調制御装置から出力される制御信号によって回転数(流量)が制御される。従って、冷却水ポンプ41は、走行用電動モータMGを冷却する冷却水の流量を変化させて冷却能力を調整する冷却能力調整手段としての機能を果たす。
三方弁42は、冷却水ポンプ41の入口側とラジエータ部43の出口側とを接続して冷却水をラジエータ部43へ流入させる冷却水回路、および、冷却水ポンプ41の入口側とバイパス通路44の出口側とを接続して冷却水をラジエータ部43を迂回させて流す冷却水回路を切り替える。この三方弁42は、空調制御装置から出力される制御電圧によって、その作動が制御されるもので、冷却水回路の回路切替手段を構成している。なお、三方弁42は、冷却水回路を切り替えることで、ラジエータ部43への冷却水の流入量を制御する冷却水流入量制御手段としての機能も果たす。
つまり、本実施形態の冷却水循環回路40では、図1等の破線矢印に示すように、冷却水ポンプ41→走行用電動モータMG→ラジエータ部43→冷却水ポンプ41の順に冷却水を循環させる冷却水回路と、冷却水ポンプ41→走行用電動モータMG→バイパス通路44→冷却水ポンプ41の順に冷却水を循環させる冷却水回路とを切り替えることができる。
従って、走行用電動モータMGの作動中に、三方弁42が、冷却水をラジエータ部43を迂回させて流す冷却水回路に切り替えると、冷却水はラジエータ部43にて放熱することなく、その温度を上昇させる。つまり、三方弁42が、冷却水をラジエータ部43を迂回させて流す冷却水回路に切り替えた際には、走行用電動モータMGの有する熱量(発熱量)が冷却水に蓄熱されることになる。
本実施形態の冷却水循環回路40では、熱交換器70のラジエータ部43から流出する冷却水の温度が予め定めた基準温度(本実施形態では65℃)以下となっている。これにより、走行用電動モータMGのインバータを高熱から保護することができる。
室外熱交換部16は、エンジンルーム内に配置されて、冷却水と送風ファン17から送風された外気とを熱交換させる放熱用熱交換部として機能する。前述の如く、ラジエータ部43は、室外熱交換部16とともに複合型の熱交換器70を構成している。
ここで、図4〜図9を用いて、本実施形態の複合型の熱交換器70の詳細構成について説明する。なお、図6では、図示の明確化のために、冷媒用チューブ16aを点ハッチングで示し、冷却水用チューブ43aを網掛けハッチングで示している。また、図9では、ヒートポンプサイクル10における冷媒の流れを実線で示し、冷却水循環回路40における冷却水の流れを破線矢印で示している。
まず、図4および図5に示すように、複合型の熱交換器70は、冷媒または冷却水を流通させる複数本のチューブ、この複数本のチューブの両端側に配置されてそれぞれのチューブを流通する冷媒または冷却水の集合あるいは分配を行う一対の集合分配用タンク等を有する、いわゆるタンクアンドチューブ型の熱交換器構造に構成されている。
より具体的には、複合型の熱交換器70は、内部に第1流体としての冷媒が流通する冷媒用チューブ16aと、内部に第2流体としての冷却水が流通する冷却水用チューブ43aとを備えている。
また、複合型の熱交換器70は、冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aを交互に積層配置して構成された上流側熱交換部71を備えている。上流側熱交換部71は、冷媒用チューブ16aを流通する冷媒と冷媒用チューブ16aの周囲を流れる第3流体としての空気(送風ファン17から送風された外気)とを熱交換させるとともに、冷却水用チューブ43aを流通する冷却水と冷却水用チューブ43aの周囲を流れる空気(送風ファン17から送風された外気)とを熱交換させる熱交換部である。
上流側熱交換部71の外気流れ下流側には、冷媒用チューブ16aを積層配置して構成された下流側熱交換部72が設けられている。下流側熱交換部72は、冷媒用チューブ16aを流通する冷媒と冷媒用チューブ16aの周囲を流れる空気(送風ファン17から送風された外気)とを熱交換させる熱交換部である。
冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aとしては、長手方向垂直断面の形状が扁平形状の扁平チューブが採用されている。より具体的には、冷媒用チューブ16aとしては、押出加工により成形された偏平多穴形状の断面形状を有するチューブが採用されている。また、冷却水用チューブ43aとしては、1枚の板材を折り曲げることによって形成された扁平二穴形状の断面形状を有するチューブが採用されている。
上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aは、その外表面のうち平坦面同士が互いに平行に、かつ、対向するように所定の間隔を開けて交互に積層配置されている。同様に、下流側熱交換部72を構成する冷媒用チューブ16aについても、所定の間隔を開けて積層配置されている。
上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aは、冷却水用チューブ43aの間に配置され、冷却水用チューブ43aは、冷媒用チューブ16aの間に配置されている。また、下流側熱交換部72を構成する冷媒用チューブ16aと、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aまたは冷却水用チューブ43aとは、送風ファン17によって送風された外気の流れ方向から見たときに、互いに重合配置されている。
熱交換器70において、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aと冷却水用チューブ43aとの間に形成される空間、および下流側熱交換部72を構成する隣り合う冷媒用チューブ16a間に形成される空間は、送風ファン17によって送風された外気が流通する外気通路70a(第3流体用通路)を形成している。
そして、この外気通路70aには、冷媒と外気との熱交換および冷却水と外気との熱交換を促進するとともに、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aを流通する冷媒と冷却水用チューブ43aを流通する冷却水との間の熱移動、および下流側熱交換部72を構成する隣り合う冷媒用チューブ16aを流通する冷媒同士の熱移動を可能とするアウターフィン50が配置されている。
このアウターフィン50としては、伝熱性に優れる金属の薄板を波状に曲げ成形したコルゲートフィンが採用されており、本実施形態では、このアウターフィン50が、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aの双方に接合されていることによって、冷媒用チューブ16aと冷却水用チューブ43aとの間の熱移動を可能としている。さらには、アウターフィン50が、下流側熱交換部72を構成する隣り合う冷媒用チューブ16a同士に接合されていることによって、隣り合う冷媒用チューブ16a間の熱移動を可能としている。なお、アウターフィン50の表面には、外気の流れ方向Xに沿って複数の鎧窓状のルーバ(図示せず)が切り起こし形成されていてもよい。
次に、冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aについて、図6に基づいて説明する。図6に示すように、冷却水用チューブ43aの外気流れ方向Xの長さは、冷媒用チューブ16aの外気流れ方向Xの長さよりも短い。このため、冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aの双方に接合されるアウターフィン50は、冷媒用チューブ16aとの接合面積と冷却水用チューブ43aとの接合面積が異なっている。
冷却水用チューブ43aの外気流れ最下流部と、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aの外気流れ最下流部とは、同一平面上に位置付けられている。冷却水用チューブ43aの外気流れ最上流部は、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aの外気流れ最上流部よりも、外気流れ下流側に配置されている。また、冷却水用チューブ43aの外気流れ最上流部は、アウターフィン50の外気流れ最上流部よりも、外気流れ下流側に配置されている。
次に、上流側タンク部73および下流側タンク部74について説明する。図4および図5に示すように、積層型の熱交換部70は、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aの積層方向に延びる上流側タンク部73と、下流側熱交換部72を構成する冷媒用チューブ16aの積層方向に延びる下流側タンク部74を備えている。
上流側タンク部73には、上流側熱交換部71を構成する冷却水用チューブ43aを流通する冷却水の集合あるいは分配を行う上流側冷却水空間731が形成されている。また、下流側タンク部74には、下流側熱交換部72を構成する冷媒用チューブ16aの集合あるいは分配を行う下流側冷媒空間741が形成されている。
上流側タンク部73および下流側タンク部74は、一体に形成されている。以下、上流側タンク部73と下流側タンク部74が一体化されたものを、ヘッダタンク75という。
ヘッダタンク75は、外気の流れ方向に2列に配置された冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aの双方が固定されるヘッダプレート751、ヘッダプレート751に固定される中間プレート部材752、並びに、タンク形成部材753を有している。
タンク形成部材753は、ヘッダプレート751および中間プレート部材752に固定されることによって、その内部に上述した上流側冷却水空間731および下流側冷媒空間741を形成するものである。具体的には、タンク形成部材753は、平板金属にプレス加工を施すことにより、その長手方向から見たときに、二山状(W字状)に形成されている。
そして、タンク形成部材753の二山状の中央部753cが中間プレート部材752に接合されることによって、上流側冷却水空間731および下流側冷媒空間741が区画されている。
中間プレート部材752には、図7および図8の断面図に示すように、ヘッダプレート751に固定されることによって、ヘッダプレート751との間に冷却水用チューブ43aに連通する複数の連通用空間76を形成する複数の凹み部752aが形成されている。
凹み部752aにおける外気流れ下流側、すなわち下流側タンク部74の下流側冷媒空間741と対応する部位には、その表裏を貫通する第1貫通穴752bが形成されている。これにより、連通用空間76と下流側タンク部74の下流側冷媒空間741とが連通している。
このため、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aから連通用空間76に流入した冷媒は、第1貫通穴752bから下流側冷媒空間741に流出する。したがって、この連通用空間76は、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aと下流側タンク部74の下流側冷媒空間741とを連通させる連通路としての機能を果たす。
連通用空間76は、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aおよび下流側熱交換部72を構成する冷媒用チューブ16aのうち、外気の流れ方向から見たときに、互いに重合配置された冷媒用チューブ16aの端部同士を結ぶ方向に延びている。より具体的には、連通用空間76は、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aおよび下流側熱交換部72を構成する冷媒用チューブ16aの端部において、外気の流れ方向に延びている。
また、中間プレート部材752における、上流側熱交換部71を構成する冷却水用チューブ43aに対応する部位には、その表裏を貫通する第2貫通穴752cが設けられている。この第2貫通穴752cには、上流側熱交換部71を構成する冷却水用チューブ43aが貫通している。これにより、上流側熱交換部71を構成する冷却水用チューブ43aが、タンク形成部材753内に形成される上流側冷却水空間731に連通している。
さらに、図5に示すように、上流側熱交換部71におけるヘッダタンク75側の端部では、冷却水用チューブ43aが冷媒用チューブ16aよりも、ヘッダタンク75側へ突出している。つまり、冷媒用チューブ16aのヘッダタンク75側の端部と冷却水用チューブ43aのヘッダタンク75側の端部は、不揃いに配置されている。
一方、中間プレート部材752における、下流側熱交換部72を構成する冷媒用チューブ16aのうち連通用空間76と連通しない冷媒用チューブ16aに対応する部位には、その表裏を貫通する第3貫通穴752dが設けられている。この第3貫通穴752dには、下流側熱交換部72を構成する冷媒用チューブ16aのうち連通用空間76と連通しない冷媒用チューブ16aが貫通している。これにより、下流側熱交換部72を構成する冷媒用チューブ16aのうち連通用空間76と連通しない冷媒用チューブ16aが、タンク形成部材753内に形成される下流側冷媒空間741に連通している。
さらに、図5に示すように、下流側熱交換部72におけるヘッダタンク75側の端部では、連通用空間76と連通しない冷媒用チューブ16aが、連通用空間76と連通する冷媒用チューブ16aよりも、ヘッダタンク75側へ突出している。つまり、隣り合う冷媒用チューブ16aの端部同士は、不揃いに配置されている。
ところで、タンク形成部材753の中央部753cは、中間プレート部材752に形成された凹み部752aに適合する形状に形成されており、上流側冷却水空間731と下流側冷媒空間741は、ヘッダプレート751および中間プレート部材752の接合部位から内部の冷却水または冷媒が漏れないように区画されている。
また、図4に示すように、冷却水用チューブ43aの長手方向一端側(図の紙面上側)に配置される上流側タンク部73の長手方向一端側(図の紙面左側)には、上流側冷却水空間731へ冷却水を流入させる冷却水流入配管434が接続されている。冷却水用チューブ43aの長手方向一端側に配置される上流側タンク部73の長手方向他端側(図の紙面右側)には、上流側冷却水空間731から冷却水を流出させる冷却水流出配管435が接続されている。冷却水用チューブ43aの長手方向他端側(図の紙面下側)に配置される上流側タンク部73の長手方向両端側は、閉塞部材によって閉塞されている。
また、冷媒用チューブ16aの長手方向一端側(図の紙面上側)に配置される下流側タンク部74の長手方向一端側(図の紙面左側)には、下流側冷媒空間741から冷媒を流出させる冷媒流出配管165が接続されている。冷媒用チューブ16aの長手方向一端側に配置される下流側タンク部74の長手方向他端側(図の紙面右側)には、下流側冷媒空間741へ冷媒を流入させる冷媒流入配管164が接続されている。冷媒用チューブ16aの長手方向他端側(図の紙面下側)に配置される下流側タンク部74の長手方向両端側は、閉塞部材によって閉塞されている。
また、図9に示すように、冷却水用チューブ43aの長手方向一端側(図4の紙面上側)に配置される上流側タンク部73(以下、第1上流側タンク部730aという)には、上流側冷却水空間731を、第1上流側タンク部730aの長手方向に2つに仕切る上流側仕切部材732が配置されている。
以下、上流側仕切部材732により仕切られた2つの上流側冷却水空間731のうち、冷却水流入配管434と連通する空間を第1上流側冷却水空間731aといい、冷却水流出配管435と連通する空間を第2上流側冷却水空間731bという。また、冷却水用チューブ43aの長手方向他端側(図4の紙面下側)に配置される上流側タンク部73を、第2上流側タンク部730bという。
一方、冷媒用チューブ16aの長手方向一端側(図4の紙面上側)に配置される下流側タンク部74(以下、第1下流側タンク部740aという)には、下流側冷媒空間741を、第1下流側タンク部740aの長手方向に2つに仕切る下流側仕切部材742が配置されている。
以下、下流側仕切部材742により仕切られた2つの下流側冷媒空間741のうち、冷媒流入配管164と連通する空間を第1下流側冷媒空間741aといい、冷媒流出配管165と連通する空間を第2下流側冷媒空間741bという。また、冷媒用チューブ16aの長手方向他端側(図4の紙面下側)に配置される下流側タンク部74を、第2下流側タンク部740bという。
従って、本実施形態の熱交換器70では、図9の模式的な斜視図に示すように、冷媒流入配管164を介して第1下流側タンク部740aの第1下流側冷媒空間741aへ流入した冷媒の一部が、下流側熱交換部72を構成する冷媒用チューブ16aへ流入し、当該冷媒用チューブ16a内を図の上側から下側に向かって流れる。また、第1下流側タンク部740aの第1下流側冷媒空間741aへ流入した冷媒の他の一部は、ヘッダプレート751と中間プレート部材752との間に形成された連通用空間76を介して、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aへ流入し、当該冷媒用チューブ16a内を図の上側から下側に向かって流れる。
下流側熱交換部72を構成する冷媒用チューブ16aから流出した冷媒は、第2下流側タンク部740bの下流側冷媒空間741にて集合する。また、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aから流出した冷媒は、ヘッダプレート751と中間プレート部材752との間に形成された連通用空間76を介して、第2下流側タンク部740bの下流側冷媒空間741にて集合する。
第2下流側タンク部740bの下流側冷媒空間741にて集合した冷媒は、図の右側から左側に向かって流れる。その後、第2下流側タンク部740bの下流側冷媒空間741にて集合した冷媒の一部は、下流側熱交換部72を構成する冷媒用チューブ16aへ流入し、当該冷媒用チューブ16a内を図の下側から上側に向かって流れる。また、第2下流側タンク部740bの下流側冷媒空間741にて集合した冷媒の他の一部は、ヘッダプレート751と中間プレート部材752との間に形成された連通用空間76を介して、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aへ流入し、当該冷媒用チューブ16a内を図の下側から上側に向かって流れる。
下流側熱交換部72を構成する冷媒用チューブ16aから流出した冷媒は、第1下流側タンク部740aの第2下流側冷媒空間741bにて集合する。また、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aから流出した冷媒は、ヘッダプレート751と中間プレート部材752との間に形成された連通用空間76を介して、第1下流側タンク部740aの第2下流側冷媒空間741bにて集合する。
第1下流側タンク部740aの第2下流側冷媒空間741bにて集合した冷媒は、図の右側から左側に向かって流れ、冷媒流出配管165から流出していく。
一方、本実施形態の熱交換器70では、図9の模式的な斜視図に示すように、冷却水流入配管434を介して第1上流側タンク部730aの第1上流側冷却水空間731aへ流入した冷却水が、上流側熱交換部71を構成する冷却水用チューブ43aへ流入し、当該冷却水用チューブ43a内を図の上側から下側に向かって流れる。
上流側熱交換部71を構成する冷却水用チューブ43aから流出した冷却水は、第2上流側タンク部730bの上流側冷却水空間731にて集合する。そして、 第2上流側タンク部730bの上流側冷却水空間731にて集合した冷却水は、図の左側から右側に向かって流れる。
その後、第2上流側タンク部730bの上流側冷却水空間731にて集合した冷却水は、上流側熱交換部71を構成する冷却水用チューブ43aへ流入し、当該冷却水用チューブ43a内を図の下側から上側に向かって流れる。上流側熱交換部71を構成する冷却水用チューブ43aから流出した冷却水は、第1上流側タンク部730aの第2上流側冷却水空間731bにて集合する。
第1上流側タンク部730aの第2上流側冷却水空間731bにて集合した冷却水は、図の左側から右側に向かって流れ、冷却水流出配管435から流出していく。
上述した熱交換器70では、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aおよび下流側熱交換部72を構成する冷媒用チューブ16aの双方により室外熱交換部16が構成されており、上流側熱交換部71を構成する冷却水用チューブ43aによりラジエータ部43が構成されている。
また、上述した熱交換器70の冷媒用チューブ16a、冷却水用チューブ43a、ヘッダタンク75の各構成部品およびアウターフィン50は、いずれも同一の金属材料(本実施形態では、アルミニウム合金)で形成されている。そして、中間プレート部材752を挟み込んだ状態でヘッダプレート751とタンク形成部材753がかしめによって固定されている。
さらに、かしめ固定された状態の熱交換器70全体を加熱炉内へ投入して加熱し、各構成部品表面に予めクラッドされたろう材を融解させ、さらに、再びろう材が凝固するまで冷却することで、各構成部品が一体にろう付けされる。これにより、室外熱交換部16とラジエータ部43とが一体化されている。
なお、上記の説明から明らかなように、本実施形態の冷媒は、特許請求の範囲に記載された第1流体に対応し、冷却水は第2流体に対応し、空気(外気)は第3流体に対応し、冷媒用チューブ16aは第1チューブに対応し、冷却水用チューブ43aは第2チューブに対応している。
次に、本実施形態の電気制御部について説明する。空調制御装置は、CPU、ROMおよびRAM等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成され、そのROM内に記憶された空調制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、出力側に接続された各種空調制御機器11、15a、15b、17、41、42等の作動を制御する。
また、空調制御装置の入力側には、車室内温度を検出する内気センサ、外気温を検出する外気センサ、車室内の日射量を検出する日射センサ、室内蒸発器20の吹出空気温度(蒸発器温度)を検出する蒸発器温度センサ、圧縮機11吐出冷媒温度を検出する吐出冷媒温度センサ、室外熱交換部16出口側冷媒温度Teを検出する出口冷媒温度センサ51、走行用電動モータMGへ流入する冷却水温度Twを検出する冷却水温度検出手段としての冷却水温度センサ52等の種々の空調制御用のセンサ群が接続されている。
なお、本実施形態では、冷却水温度センサ52によって、冷却水ポンプ41から圧送された冷却水温度Twを検出しているが、もちろん冷却水ポンプ41に吸入される冷却水温度Twを検出してもよい。
さらに、空調制御装置の入力側には、車室内前部の計器盤付近に配置された図示しない操作パネルが接続され、この操作パネルに設けられた各種空調操作スイッチからの操作信号が入力される。操作パネルに設けられた各種空調操作スイッチとしては、車両用空調装置の作動スイッチ、車室内温度を設定する車室内温度設定スイッチ、運転モードの選択スイッチ等が設けられている。
なお、空調制御装置は、圧縮機11の電動モータ11b、開閉弁15a等を制御する制御手段が一体に構成され、これらの作動を制御するものであるが、本実施形態では、空調制御装置のうち、圧縮機11の作動を制御する構成(ハードウェアおよびソフトウェア)が冷媒吐出能力制御手段を構成し、冷媒流路切替手段を構成する各種機器15a、15bの作動を制御する構成が冷媒流路制御手段を構成し、冷却水の回路切替手段を構成する三方弁42の作動を制御する構成が冷却水回路制御手段を構成している。
さらに、本実施形態の空調制御装置は、上述した空調制御用のセンサ群の検出信号に基づいて、室外熱交換部16に着霜が生じているか否かを判定する構成(着霜判定手段)を有している。具体的には、本実施形態の着霜判定手段では、車両の車速が予め定めた基準車速(本実施形態では、20km/h)以下であって、かつ、室外熱交換部16出口側冷媒温度Teが0℃以下のときに、室外熱交換部16に着霜が生じていると判定する。
次に、上記構成における本実施形態の車両用空調装置1の作動を説明する。本実施形態の車両用空調装置1では、車室内を暖房する暖房運転、車室内を冷房する冷房運転を実行することができるとともに、暖房運転時に、除霜運転を実行することができる。以下に各運転における作動を説明する。
(a)暖房運転
暖房運転は、操作パネルの作動スイッチが投入(ON)された状態で、選択スイッチによって暖房運転モードが選択されると開始される。そして、暖房運転時に、着霜判定手段によって室外熱交換部16の着霜が生じていると判定された際には除霜運転が実行される。
まず、通常の暖房運転時には、空調制御装置が、開閉弁15aを閉じるとともに、三方弁15bを室外熱交換部16の出口側とアキュムレータ18の入口側とを接続する冷媒流路に切り替え、さらに、冷却水ポンプ41を予め定めた所定流量の冷却水を圧送するように作動させるとともに、冷却水循環回路40の三方弁42を冷却水がラジエータ部43を迂回して流れる冷却水回路に切り替える。
これにより、ヒートポンプサイクル10は、図1の実線矢印に示すように冷媒が流れる冷媒流路に切り替えられ、冷却水循環回路40は、図1の破線矢印に示すように冷却水が流れる冷却水回路に切り替えられる。
この冷媒流路および冷却水回路の構成で、空調制御装置が上述の空調制御用のセンサ群の検出信号および操作パネルの操作信号を読み込む。そして、検出信号および操作信号の値に基づいて車室内へ吹き出す空気の目標温度である目標吹出温度TAOを算出する。
さらに、算出された目標吹出温度TAOおよびセンサ群の検出信号に基づいて、空調制御装置の出力側に接続された各種空調制御機器の作動状態を決定する。
例えば、圧縮機11の冷媒吐出能力、すなわち圧縮機11の電動モータに出力される制御信号については、以下のように決定される。まず、目標吹出温度TAOに基づいて、予め空調制御装置に記憶された制御マップを参照して、室内蒸発器20の目標蒸発器吹出温度TEOを決定する。
そして、この目標蒸発器吹出温度TEOと蒸発器温度センサによって検出された室内蒸発器20からの吹出空気温度との偏差に基づいて、フィードバック制御手法を用いて室内蒸発器20からの吹出空気温度が目標蒸発器吹出温度TEOに近づくように、圧縮機11の電動モータに出力される制御信号が決定される。
また、エアミックスドア34のサーボモータへ出力される制御信号については、目標吹出温度TAO、室内蒸発器20からの吹出空気温度および吐出冷媒温度センサによって検出された圧縮機11吐出冷媒温度等を用いて、車室内へ吹き出される空気の温度が車室内温度設定スイッチによって設定された乗員の所望の温度となるように決定される。
なお、通常の暖房運転時および除霜運転時には、送風機32から送風された車室内送風空気の全風量が、室内凝縮器12を通過するようにエアミックスドア34の開度を制御してもよい。
そして、上記の如く決定された制御信号等を各種空調制御機器へ出力する。その後、操作パネルによって車両用空調装置の作動停止が要求されるまで、所定の制御周期毎に、上述の検出信号および操作信号の読み込み→目標吹出温度TAOの算出→各種空調制御機器の作動状態決定→制御電圧および制御信号の出力といった制御ルーチンが繰り返される。
なお、このような制御ルーチンの繰り返しは、他の運転時にも基本的に同様に行われる。
通常の暖房運転時のヒートポンプサイクル10では、圧縮機11から吐出された高圧冷媒が室内凝縮器12へ流入する。室内凝縮器12へ流入した冷媒は、送風機32から送風されて室内蒸発器20を通過した車室内送風空気と熱交換して放熱する。これにより、車室内送風空気が加熱される。
室内凝縮器12から流出した高圧冷媒は、開閉弁15aが閉じているので、暖房用固定絞り13へ流入して減圧膨張される。そして、暖房用固定絞り13にて減圧膨張された低圧冷媒は、室外熱交換部16へ流入する。室外熱交換部16へ流入した低圧冷媒は、送風ファン17によって送風された外気から吸熱して蒸発する。
この際、冷却水循環回路40では、冷却水がラジエータ部43を迂回して流れる冷却水回路に切り替えられているので、冷却水が室外熱交換部16を流通する冷媒に放熱することや、冷却水が室外熱交換部16を流通する冷媒から吸熱することはない。つまり、冷却水が室外熱交換部16を流通する冷媒に対して熱的な影響を及ぼすことはない。
室外熱交換部16から流出した冷媒は、三方弁15bが、室外熱交換部16の出口側とアキュムレータ18の入口側とを接続する冷媒流路に切り替えられているので、アキュムレータ18へ流入して気液分離される。そして、アキュムレータ18にて分離された気相冷媒が、圧縮機11に吸入されて再び圧縮される。
以上の如く、通常の暖房運転時には、室内凝縮器12にて圧縮機11から吐出された冷媒の有する熱量によって車室内送風空気が加熱されて、車室内の暖房を行うことができる。
(b)除霜運転
次に、除霜運転について説明する。ここで、本実施形態のヒートポンプサイクル10のように、室外熱交換部16にて冷媒と外気とを熱交換させて冷媒を蒸発させる冷凍サイクル装置では、室外熱交換部16における冷媒蒸発温度が着霜温度(具体的には、0℃)以下になってしまうと室外熱交換部16に着霜が生じるおそれがある。
このような着霜が生じると、熱交換器70の外気通路70aが霜によって閉塞されてしまうので、室外熱交換部16の熱交換能力が著しく低下してしまう。そこで、本実施形態のヒートポンプサイクル10では、暖房運転時に、着霜判定手段によって室外熱交換部16の着霜が生じていると判定された際に除霜運転を実行する。
この除霜運転では、空調制御装置が圧縮機11の作動を停止させるとともに、送風ファン17の作動を停止させる。従って、除霜運転時には、通常の暖房運転時に対して、室外熱交換部16へ流入する冷媒流量が減少し、外気通路70aへ流入する外気の風量が減少することになる。
さらに、空調制御装置が冷却水循環回路40の三方弁42を、図2の破線矢印に示すように、冷却水をラジエータ部43へ流入させる冷却水回路に切り替える。これにより、ヒートポンプサイクル10に冷媒は循環することはなく、冷却水循環回路40は、図2の破線矢印に示すように冷媒が流れる冷却水回路に切り替えられる。
従って、ラジエータ部43の冷却水用チューブ43aを流通する冷却水の有する熱量がアウターフィン50を介して、室外熱交換部16に伝熱されて、室外熱交換部16の除霜がなされる。つまり、走行用電動モータMGの廃熱を有効に利用した除霜が実現される。
(c)冷房運転
冷房運転は、操作パネルの作動スイッチが投入(ON)された状態で、選択スイッチによって冷房運転モードが選択されると開始される。この冷房運転時には、空調制御装置が、開閉弁15aを開くとともに、三方弁15bを室外熱交換部16の出口側と冷房用固定絞り19の入口側とを接続する冷媒流路に切り替える。これにより、ヒートポンプサイクル10は、図3の実線矢印に示すように冷媒が流れる冷媒流路に切り替えられる。
この際、冷却水循環回路40の三方弁42については、冷却水温度Twが基準温度以上になった際には、冷却水をラジエータ部43へ流入させる冷却水回路に切り替え、冷却水温度Twが予め定めた基準温度未満になった際には、冷却水がラジエータ部43を迂回して流れる冷却水回路に切り替えられる。なお、図3では、冷却水温度Twが基準温度以上になった際の冷却水の流れを破線矢印で示している。
冷房運転時のヒートポンプサイクル10では、圧縮機11から吐出された高圧冷媒が室内凝縮器12へ流入して、送風機32から送風されて室内蒸発器20を通過した車室内送風空気と熱交換して放熱する。室内凝縮器12から流出した高圧冷媒は、開閉弁15aが開いているので、固定絞り迂回用通路14を介して室外熱交換部16へ流入する。室外熱交換部16へ流入した低圧冷媒は、送風ファン17によって送風された外気にさらに放熱する。
室外熱交換部16から流出した冷媒は、三方弁15bが、室外熱交換部16の出口側と冷房用固定絞り19の入口側とを接続する冷媒流路に切り替えられているので、冷房用固定絞り19にて減圧膨張される。冷房用固定絞り19から流出した冷媒は、室内蒸発器20へ流入して、送風機32によって送風された車室内送風空気から吸熱して蒸発する。これにより、車室内送風空気が冷却される。
室内蒸発器20から流出した冷媒は、アキュムレータ18へ流入して気液分離される。そして、アキュムレータ18にて分離された気相冷媒が、圧縮機11に吸入されて再び圧縮される。以上の如く、冷房運転時には、室内蒸発器20にて低圧冷媒が車室内送風空気から吸熱して蒸発することによって、車室内送風空気が冷却されて車室内の冷房を行うことができる。
本実施形態の車両用空調装置1では、上記の如く、ヒートポンプサイクル10の冷媒流路および冷却水循環回路40の冷却水回路を切り替えることによって、種々の運転を実行することができる。さらに、本実施形態では、上述した特徴的な熱交換器70を採用しているので、冷媒、冷却水、外気の3種類の流体間の熱交換量を微細に調整することができる。
より詳細には、本実施形態の熱交換器70では、冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aの双方に接合されるアウターフィン50は、冷媒用チューブ16aとの接合面積と冷却水用チューブ43aとの接合面積が異なっている。 具体的には、冷却水用チューブ43aの外気流れ方向Xの長さを、冷媒用チューブ16aの外気流れ方向Xの長さよりも短くしている。
さらに、冷却水用チューブ43aの外気流れ最上流部を、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aの外気流れ最上流部よりも、外気流れ下流側に配置している。これにより、冷媒と外気との熱交換量を充分に確保することができる。したがって、熱交換器70全体として冷媒と外気との熱交換量を適切に確保することができる。
なお、本実施形態の冷却水用チューブ43aの配置は一例であり、冷却水用チューブ43aの配置を外気の流れ方向Xにおいて変更することにより、冷却水と外気との温度差を変更できるので、冷却水と外気との熱交換量を微細に調整できる。つまり、冷却水用チューブ43aを外気流れ上流側に配置する程、冷却水と外気との熱交換量を増大させることができ、冷却水用チューブ43aを外気流れ下流側に配置する程、冷却水と外気との熱交換量を低減させることができる。
ところで、室外熱交換部16における冷媒蒸発温度が着霜温度以下になると室外熱交換部16に着霜が生じるおそれがある。このような着霜が生じると、熱交換器70の外気通路70aが霜によって閉塞されてしまう。
これに対し、本実施形態では、冷却水用チューブ43aの外気流れ最上流部を、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aの外気流れ最上流部、およびアウターフィン50の外気流れ最上流部の双方よりも、外気流れ下流側に配置している。このため、アウターフィン50が配置されている部位(外気通路70a)の外気流れ最上流部が霜によって閉塞されたとしても、冷却水用チューブ43aの外気流れ最上流部近傍のアウターフィン50の側部から空気を導入することができる。これによると、着霜による外気通路70aの閉塞を抑制できるので、耐着霜性を向上させることができる。
ところで、冷却水用チューブ43aは、エンジンの冷却水が流通するものであるため、車両の走行系の部品である。このため、非走行系の部品である冷媒用チューブ16aと比較して、衝突破壊に対する耐性を向上させる必要がある。
ここで、本実施形態では、冷却水用チューブ43aの外気流れ最上流部を、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aの外気流れ最上流部よりも、外気流れ下流側に配置している。このため、車両前方からの衝突の衝撃に対して、冷媒用チューブ16aが冷却水用チューブ43aよりも先に衝突の衝撃を受けることになり、冷却水用チューブ43aを衝突の衝撃から保護することができる。 同様に、走行時の飛び石等からも、冷却水用チューブ43aを保護することができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について図10に基づいて説明する。本第2実施形態は、上記第1実施形態と比較して、冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aの構成が異なるものである。なお、図10は、第1実施形態の図6に対応する図面である。
図10に示すように、本実施形態の上流側熱交換部71は、冷媒用チューブ16aを積層配置して構成されている。本実施形態の下流側熱交換部72は、冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aを交互に積層配置して構成されている。外気の流れ方向Xから見たときに、下流側熱交換部72を構成する冷却水用チューブ43aと重合する部位には、冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aのいずれも配置されていない。
つまり、本実施形態では、冷媒用チューブ16aが外気の流れ方向Xに2本並んで配置されているのに対し、冷却水用チューブ43aは外気の流れ方向Xに1本配置されている。したがって、1つのアウターフィン50に接合されている、冷媒用チューブ16aの外気の流れ方向Xの配列数と冷却水用チューブ43aの外気の流れ方向Xの配列数が異なっている。
また、本実施形態では、冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aとして、互いに同じ外形のチューブが採用されている。冷却水用チューブ43aの外気流れ最下流部と、下流側熱交換部72を構成する冷媒用チューブ16aの外気流れ最下流部とは、同一平面上に位置付けられている。冷却水用チューブ43aの外気流れ最上流部と、下流側熱交換部72を構成する冷媒用チューブ16aの外気流れ最上流部とは、同一平面上に位置付けられている。冷却水用チューブ43aの外気流れ最上流部は、アウターフィン50の外気流れ最上流部よりも、外気流れ下流側に配置されている。
以上説明したように、本実施形態では、冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aの双方に接合されるアウターフィン50として、冷媒用チューブ16aの外気の流れ方向Xの配列数と冷却水用チューブ43aの外気の流れ方向Xの配列数とを異ならせることで、冷媒用チューブ16aとの接合面積と冷却水用チューブ43aとの接合面積が異なっているものを設けることで、3種類の流体間の熱交換量を微細に調整することが可能となる。
ところで、空気の流れ方向から見たときに異なる種類のチューブ16a、43aを互いに重合配置しようとすると、異なる種類のチューブ16a、43aの厚み(空気流れ方向に垂直な方向、つまりチューブ積層方向の長さ)を揃える必要があるので、チューブ16a、43aの設計自由度が失われてしまう。
これに対し、本実施形態では、外気の流れ方向Xから見たときに、下流側熱交換部72を構成する冷却水用チューブ43aと重合する部位には、冷媒用チューブ16aを配置しないので、チューブ16a、43aの厚みを変更することによっても、3種類の流体間の熱交換量を微細に調整することができる。したがって、チューブ16a、43aの設計自由度を向上させつつ、3種類の流体間の熱交換量を微細に調整することが可能となる。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について図11に基づいて説明する。本第3実施形態は、上記第2実施形態と比較して、熱交換部の構成が異なるものである。なお、図11は、第1実施形態の図6に対応する図面である。
図11に示すように、本実施形態の複合型の熱交換器70は、冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aを交互に積層配置して構成された熱交換部700を備えている。つまり、上記第2実施形態の熱交換器70は、外気の流れ方向Xに対して直列に配置された上流側熱交換部71および下流側熱交換部72を有していたのに対し、本実施形態の熱交換器70は、外気の流れ方向Xに対して単列の熱交換部700を有している。
冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aの厚みは、等しくなっている。また、冷却水用チューブ43aは、冷媒用チューブ16aに対して、外気の流れ方向Xの長さが短い。具体的には、冷却水用チューブ43aにおける外気の流れ方向Xの長さは、冷媒用チューブ16aにおける外気の流れ方向Xの長さの約半分になっている。
冷却水用チューブ43aの外気流れ最下流部、冷媒用チューブ16aの外気流れ最下流部、およびアウターフィン50の外気流れ最下流部は、同一平面上に位置付けられている。冷媒用チューブ16aの外気流れ最上流部と、アウターフィン50の外気流れ最上流部とは、同一平面上に位置付けられている。冷却水用チューブ43aの外気流れ最上流部は、冷媒用チューブ16aの外気流れ最上流部およびアウターフィン50の外気流れ最上流部よりも、外気流れ下流側に配置されている。
ところで、外気の流れ方向Xに対して直列に配置された上流側熱交換部71および下流側熱交換部72を有する熱交換器70では、上流側熱交換部71を構成するチューブと下流側熱交換部72を構成するチューブとの間に隙間が形成されており、この隙間がいわゆるデッドスペースになっていた。
これに対し、本実施形態では、熱交換器70を、外気の流れ方向Xに対して単列の熱交換部700を有するように構成することで、上流側熱交換部71を構成するチューブと下流側熱交換部72を構成するチューブとの間のデッドスペースを廃止できる。これにより、熱交換器70における、外気の流れ方向Xの長さを短くできるので、熱交換器70の小型化を図ることができる。
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態について図12に基づいて説明する。本第4実施形態は、上記第3実施形態と比較して、冷却水用チューブ43aの長さおよび配置が異なるものである。なお、図12は、第1実施形態の図6に対応する図面である。
図12に示すように、本実施形態の冷却水用チューブ43aにおける外気の流れ方向Xの長さは、冷媒用チューブ16aにおける外気の流れ方向Xの長さの約2/3になっている。冷却水用チューブ43aの外気流れ最下流部は、冷媒用チューブ16aの外気流れ最下流部よりも、外気流れ上流側に配置されている。
本実施形態によれば、上記第3実施形態と比較して、冷却水用チューブ43aにおける外気の流れ方向Xの長さを長くするとともに、冷却水用チューブ43aを外気流れ上流側に配置している。これにより、冷却水と外気との熱交換量を充分に確保することができる。
(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態について図13および図14に基づいて説明する。本第6実施形態は、上記第4実施形態と比較して、冷却水用チューブ43aの構成が異なるものである。なお、図13は、第1実施形態の図6に対応する図面である。
図13および図14に示すように、本実施形態の冷却水用チューブ43aにおける外気流れ最下流部には、外気流れ下流側に向けて突出するとともに、外気の流れ方向Xと平行に延びる棒状の突出部400が設けられている。
突出部400は、冷却水用チューブ43aと一体に形成されている。また、突出部400は、アウターフィン50と接触していない。突出部400の外気流れ最下流部、冷媒用チューブ16aの外気流れ最下流部、およびアウターフィン50の外気流れ最下流部は、同一平面上に位置付けられている。突出部400自身には、冷却水が流通する冷却水流路が形成されていない。
本実施形態によれば、冷却水用チューブ43aに突出部400を設けるとともに、突出部400、冷媒用チューブ16a、およびアウターフィン50の外気流れ最下流部を同一平面上に位置付けることで、熱交換部700を製造する際に、熱交換部700の外気流れ下流側の端面を揃えることができる。これにより、熱交換器70の生産性を向上させることができる。
(第6実施形態)
次に、本発明の第6実施形態について図15〜図20に基づいて説明する。本第7実施形態では、上記第2実施形態と比較して、中間プレート部材752を、2枚のプレート部材の積層構造とした点等が異なっている。
なお、図15は、第1実施形態の図6に対応する図面である。また、図17〜図19では、図示の明確化のために、冷媒用チューブ16aと連通する部位を点ハッチングで示し、冷却水用チューブ43aと連通する部位を網掛けハッチングで示している。
図15に示すように、本実施形態の熱交換器70では、外気の流れ方向Xから見たときに、冷媒用チューブ16aと冷却水用チューブ43aとが重合配置されていない。また、冷却水用チューブ43aの外気流れ最上流部は、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aの外気流れ最下流部よりも、外気流れ上流側に配置されている。また、冷却水用チューブ43aの外気流れ最下流部は、下流側熱交換部72を構成する冷媒用チューブ16aの外気流れ最上流部よりも、外気流れ下流側に配置されている。
図16に示すように、上流側タンク部73には、冷却水用チューブ43aを流通する冷却水の集合あるいは分配を行う上流側冷却水空間738が形成されている。また、下流側タンク部74には、冷媒用チューブ16aを流通する冷媒の集合あるいは分配を行う下流側冷媒空間748が形成されている。
ここで、本実施形態の下流側冷媒空間748は、特許請求の範囲に記載された第1流体空間に対応し、下流側タンク部74は第1流体タンク部に対応し、上流側冷却水空間738は第2流体空間に対応し、上流側タンク部73は第2流体タンク部に対応している。
中間プレート部材752は、第1中間プレート部材851および第2中間プレート部材852の2枚のプレート部材が積層されることによって形成されている。つまり、ヘッダタンク75は、ヘッダプレート751、第1中間プレート部材851、第2中間プレート部材852並びにタンク形成部材753を有して構成されている。
ヘッダプレート751には、冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aが挿入されて接合される冷媒用チューブ接続穴751aおよび冷却水用チューブ接続穴751bが形成されている。冷媒用チューブ接続穴751aおよび冷却水用チューブ接続穴751bは、ヘッダプレート751の板面の表裏を貫通するように形成されている。
また、冷媒用チューブ接続穴751aおよび冷却水用チューブ接続穴751bは、それぞれ、冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aの外周断面形状に対応する扁平形状に形成されており、その内周面に冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aの外周面が接合される。
第1中間プレート部材851は、一方の板面がヘッダプレート751の板面に接合される板状部材である。第1中間プレート部材851は、冷媒を連通させる複数の冷媒連通穴851aと、冷却水を連通させる複数の冷却水連通穴851bが形成されている。冷媒連通穴851aおよび冷却水連通穴851bは、第1中間プレート部材851の板面の表裏を貫通するように形成されている。また、冷媒連通穴851aおよび冷却水連通穴851bは、外気の流れ方向Xに延びる長穴形状に形成されている。
より具体的には、冷媒連通穴851aは、上流側熱交換部71を構成する冷媒用チューブ16aおよび下流側熱交換部72を構成する冷媒用チューブ16aのうち、外気の流れ方向から見たときに、互いに重合配置された冷媒用チューブ16aの双方と連通するように、外気の流れ方向Xに延びる長穴形状に形成されている。
冷却水連通穴851bは、冷媒連通穴851aよりも外気流れ方向Xの長さが短い長穴形状に形成されている。冷却水連通穴851bの外気流れ最上流部と、冷媒連通穴851aの外気流れ最上流部とは、同一平面上に位置付けられている。冷却水連通穴851bの外気流れ最下流部は、冷媒連通穴851bの外気流れ最下流部よりも、外気流れ上流側に配置されている。
第2中間プレート部材852は、一方の板面が第1中間プレート部材851の他方の板面に接合される板状部材である。第2中間プレート部材852には、第2中間プレート部材852の板面の表裏を貫通するように形成された第1貫通穴852aおよび第2貫通穴852bが設けられている。第1貫通穴852aおよび第2貫通穴852bは、外気の流れ方向Xに延びる長穴形状に形成されている。
第1貫通穴852aは、第1中間プレート部材851と第2中間プレート部材852とが接合された際に、冷媒連通穴851aと重なり合うように形成されている。さらに、第1貫通穴852aは、第2中間プレート部材852とタンク形成部材753とが接合された際に、下流側冷媒空間748と対応する部位(つまり、外気流れ下流側)に形成されている。
これにより、冷媒用チューブ16aと下流側タンク部74内の下流側冷媒空間748とが、冷媒用チューブ接続穴751a、冷媒連通穴851aおよび第1貫通穴852aを介して連通している。このため、本実施形態の冷媒用チューブ接続穴751a、冷媒連通穴851aおよび第1貫通穴852aは、特許請求の範囲に記載された第1流体用貫通穴に対応している。
第2貫通穴852bは、第1中間プレート部材851と第2中間プレート部材852とが接合された際に、冷却水連通穴851bと重なり合うように形成されている。さらに、第2貫通穴852bは、第2中間プレート部材852とタンク形成部材753とが接合された際に、上流側冷却水空間738と対応する部位(つまり、外気流れ上流側)に形成されている。
これにより、冷却水用チューブ43aと上流側タンク部73内の上流側冷却水空間738とが、冷却水用チューブ接続穴751b、冷却水連通穴851bおよび第2貫通穴852bを介して連通している。このため、本実施形態の冷却水用チューブ接続穴751b、冷却水連通穴851bおよび第2貫通穴852bは、特許請求の範囲に記載された第2流体用貫通穴に対応している。
ところで、ヘッダプレート751の外周縁部には、爪部751cが形成されている。ヘッダプレート751、中間プレート部材851、852およびタンク形成部材753を組み付けた状態で、爪部751cをタンク形成部材753側へ折り曲げる(かしめる)ことによって、ヘッダプレート751、中間プレート部材851、852およびタンク形成部材753が固定される。
ここで、第1中間プレート部材851の外周縁部には、局所的に外方側へ突出する位置決め部851cが複数形成されている。この位置決め部851cがヘッダプレート751の爪部751cに当接することによって、第1中間プレート部材851のヘッダプレート751に対する位置決めがなされる。
第2中間プレート部材852およびタンク形成部材753については、それらの外周縁部が爪部751cに当接することによって、ヘッダプレート751に対する位置決めがなされる。したがって、第2中間プレート部材851とヘッダプレート751の内側との間には、位置決め部851cが存在しない部位に、外気と連通する外部空間(図示せず)が形成される。
ところで、ヘッダプレート751、第2中間プレート部材852およびタンク形成部材753には、それぞれ溝部801、802、803が形成されている。
具体的には、図16および図19に示すように、ヘッダプレート751に形成されたプレート側溝部としての溝部801(以下、第1溝部801ともいう)は、第1中間プレート部材851に対向するヘッダプレート751の板面に形成されている。第1溝部801は、ヘッダプレート751の当該板面を凹ませることによって形成されている。また、第1溝部801は、隣り合う冷媒用チューブ接続穴751aと冷却水用チューブ接続穴751bとの間の部位を横切るように、ヘッダプレート751における外気流れ方向Xの一端側から他端側へ延びるように直線状に複数本形成されている。
図16および図17に示すように、第2中間プレート部材852に形成されたプレート側溝部としての溝部802(以下、第2溝部801ともいう)は、第1中間プレート部材851に対向する第2中間プレート部材852の板面に形成されている。第2溝部802は、第2中間プレート部材852の当該板面を凹ませることによって形成されている。また、第2溝部802は、隣り合う第1貫通穴852aと第2貫通穴852bとの間の部位を横切るように、第2中間プレート部材852における外気流れ方向Xの一端側から他端側へ延びるように直線状に複数本形成されている。
換言すると、溝部801、802は、第1中間プレート部材851がヘッダプレート751および第2中間プレート部材852に接合された際に、接合面となる冷媒連通穴851aと冷却水連通穴851bとの間の部位から第1中間プレート部材851の外気流れ方向端部へ至る範囲に複数本形成されている。
第1中間プレート部材851がヘッダプレート751および第2中間プレート部材852に接合された際に溝部801、802内の溝内空間は、その外気流れ方向の端部において上述した外部空間に連通している。つまり、溝部801、802内の溝内空間は、隣り合って配置される冷媒連通穴851aと冷却水連通穴851bとの間の部位から外部空間にまで連続してつながっている。
図16および図20に示すように、タンク形成部材753に形成されたタンク側溝部としての溝部803(以下、第3溝部803ともいう)は、第2中間プレート部材852に対向するタンク形成部材753における中央部753cの板面に形成されている。第3溝部803は、タンク形成部材753の中央部753cの当該板面を凹ませることによって形成されている。また、第3溝部803は、中央部753cにおけるチューブ積層方向の一端側から他端側へ延びるように直線状に形成されている。
図16に示すように、ヘッダプレート751の爪部751cには、スリット穴751dが形成されている。スリット穴751dは、ヘッダプレート751の表裏を貫通する貫通穴である。また、スリット穴751dは、溝部801、802、803の端部に対応する複数箇所に形成されている。
本実施形態によれば、ヘッダプレート751および第2中間プレート部材852に、それぞれ溝部801、802を形成することで、冷媒連通穴851aを流通する冷媒あるいは冷却水流通穴851bを流通する冷却水が、ヘッダプレート751、第1中間プレート部材851および第2中間プレート部材852同士の接合面から漏れ出しても、溝部801、802内に形成される溝内空間へ導くことができる。したがって、冷媒と冷却水とが混合してしまうことを抑制できる。
また、タンク形成部材753に溝部803を形成することで、上流側冷却水空間738を流通する冷却水あるいは下流側冷媒空間748を流通する冷媒が、タンク形成部材753と第2中間プレート部材852との接合面から漏れ出しても、溝部803内に形成される溝内空間へ導くことができる。したがって、冷媒と冷却水とが混合してしまうことを抑制できる。
さらに、溝内空間がスリット穴751dを介して外部に連通しているので、上述の接合面に漏れ出した冷媒および冷却水を熱交換器70の外部に排出することができる。このため、接合面に漏れ出た冷媒と冷却水のうち一方の流体が、冷媒連通穴851aまたは冷却水流通穴851b内、あるいは、上流側冷却水空間738または下流側冷媒空間748内において、他方の流体と混合することを抑制できる。
このとき、本実施形態の熱交換器70では、外気の流れ方向Xから見たときに、冷媒用チューブ16aと冷却水用チューブ43aとが重合配置していないので、溝部801、802を直線状とすることができる。このため、簡素な構成で、ヘッダタンク75内で冷媒と冷却水とが混合してしまうことを抑制できる。
(第7実施形態)
次に、本発明の第7実施形態について図21〜図23に基づいて説明する。本実施形態では、図21〜図23の全体構成図に示すように、第1実施形態に対して、ヒートポンプサイクル10および冷却水循環回路40の構成を変更した例を説明する。なお、図21〜図23では、ヒートポンプサイクル10における冷媒の流れを実線で示し、冷却水循環回路40における冷却水の流れを破線矢印で示している。
具体的には、本実施形態の冷却水循環回路40は、作動時に発熱を伴う車載機器の一つであるエンジンEGの内部に形成された冷却水通路に、冷却媒体(熱媒体)としての冷却水を循環させて、エンジンEGを冷却する冷却水循環回路である。すなわち、本実施形態では、第1実施形態の走行用電動モータMGが廃止されており、代わりにエンジンEGを配置している。
さらに、本実施形態では、第1実施形態の室内凝縮器12が廃止されており、室内空調ユニット30のケーシング31内に第1実施形態の複合型の熱交換器70を配置している。そして、この熱交換器70のうち、第1実施形態の室外熱交換部16を室内凝縮器12として機能させている。以下、熱交換器70のうち室内凝縮器12として機能する部位を室内凝縮部と表記する。
また、熱交換器70のうち、第1実施形態のラジエータ部43を、冷媒の有する熱により冷却水を加熱する熱回収用熱交換部45として機能させている。これにより、本実施形態のヒートポンプサイクル10では、冷媒の熱により冷却水を加熱してエンジンの暖機を行う暖機運転を実行することもできる。熱回収用熱交換部45は、冷却水循環回路40におけるバイパス通路44に配置されている。
一方、室外熱交換部16については、内部を流通する冷媒と送風ファン17から送風された外気とを熱交換させる単一の熱交換器として構成されている。同様に、ラジエータ部43については、内部を流通する冷却水と送風ファン46から送風された外気とを熱交換させる単一の熱交換器として構成されている。
その他の構成は、第1実施形態と同様である。また、本実施形態では、除霜運転に代えて暖機運転が実行されるものの、その他の作動は、第1実施形態と同様である。
以下、暖機運転について説明する。ここで、エンジンEGのオーバーヒートを抑制するためには、冷却水の温度は所定の上限温度以下に維持されるとともに、エンジンEGの内部に封入された潤滑用オイルの粘度増加によるフリクションロスを低減するためには、冷却水の温度は所定の下限温度以上に維持されることが望ましい。
そこで、本実施形態のヒートポンプサイクル10では、暖房運転時に、冷却水温度Twが予め定めた基準温度以下になった際に暖機運転が実行される。この暖機運転では、ヒートポンプサイクル10の三方弁15bについては、通常の暖房運転時と同様に作動させ、冷却水循環回路40の三方弁42については、冷却水を図14の破線矢印に示すようにラジエータ43を迂回させる、すなわち熱回収用熱交換部45へ流入させる冷却水回路に切り替える。
従って、図22の実線矢印に示すように、圧縮機11から吐出された高圧高温冷媒は、通常の暖房運転時と同様に、室内凝縮部12に流入する。室内凝縮部12へ流入した高温高圧冷媒の有する熱量は、三方弁42が冷却水を熱回収用熱交換部45へ流入させる冷却水回路に切り替えているので、送風機32によって送風された送風空気に伝熱するとともに、アウターフィン50を介して冷却水に伝熱する。その他の作動は、通常の暖房運転時と同様である。
以上の如く、暖機運転時には、室内凝縮器12にて圧縮機11から吐出された冷媒の有する熱量によって車室内送風空気が加熱されて、車室内の暖房を行うことができる。さらに、室内凝縮器12にて圧縮機11から吐出された冷媒の有する熱量は、アウターフィン50を介して冷却水にも伝熱されるので、冷却水の温度が上昇する。したがって、冷媒の有する熱量を利用して、エンジンEGの暖機を実現できる。
もちろん、本実施形態のヒートポンプサイクル10に、第2〜第6実施形態に記載した熱交換器70を適用してもよい。
(他の実施形態)
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。
(1)上述の実施形態では、冷媒用チューブ16aの厚みと冷却水用チューブ43aの厚みとが等しい例について説明したが、これに限らず、例えば図24に示すように、冷媒用チューブ16aの厚みを冷却水用チューブ43aの厚みより厚くしてもよい。また、図25に示すように、冷却水用チューブ43aの厚みを、冷媒用チューブ16aの厚みよりも厚くしてもよい。
このように、冷媒用チューブ16aおよび冷却水用チューブ43aの厚みを変更することによっても、3種類の流体間の熱交換量を微細に調整することが可能となる。
なお、冷却水用チューブ43aの厚みを、冷媒用チューブ16aの厚みよりも厚くすると、外気通路70aの外気流れ最上流部が霜によって閉塞された場合に、冷却水用チューブ43aの外気流れ最上流部近傍のアウターフィン50の側部からより多くの空気を導入することができる。このため、着霜による外気通路70aの閉塞をより抑制できるので、耐着霜性をより向上させることができる。
(2)上述の第5実施形態では、冷却水用チューブ43aにおける外気流れ最下流部に突出部400を設けた例について説明したが、突出部400の配置箇所や形状はこれに限定されない。
例えば、突出部400を、冷却水用チューブ43aにおける外気流れ最上流部に設けてもよい。この場合、チッピング(走行時の飛び石)に対する耐性を向上させることができる。また、冷却水用チューブ43aの外気流れ最上流部および最下流部のうち、冷媒用チューブ16aの外気流れ方向端部との距離が近い方に、突出部400を設けてもよい。この場合、突出部400の体積を低減できるので、製造コストを低減できる。また、突出部400を、冷媒用チューブ16aに設けてもよい。
また、上述の第5実施形態では、突出部400を、外気流れ方向Xに延びる棒状に形成した例について説明したが、これに限らず、図26に示すように、突出部400に貫通穴401を形成してもよい。また、図27に示すように、突出部400に凹部402を形成してもよい。これらによれば、突出部400を軽量化できるので、熱交換器70の軽量化を図ることができる。
(3)上述の第6実施形態では、ヘッダプレート751および第2中間プレート部材852に、それぞれ溝部801、802を形成した例について説明したが、これに限らず、第1中間プレート部材851の両面に溝部801、802をそれぞれ形成してもよい。
(4)上述の第6実施形態では、第1中間プレート部材851および第2中間プレート部材852を別体として構成した例について説明したが、これに限らず、図28に示すように、第1中間プレート部材851および第2中間プレート部材852を一体の中間プレート部材752として形成してもよい。
この場合、第1中間プレート部材851と第2中間プレート部材852との間の接合面が存在しなくなるので、当該接合面から冷媒あるいは冷却水が漏れ出すことがなくなる。したがって、第2溝部802を形成する必要がないので、より簡素な構成で、冷媒と冷却水とが混合してしまうことを抑制できる。
(5)上述の第1実施形態では、第1流体としてヒートポンプサイクル10の冷媒を採用し、第2流体として冷却水循環回路40の冷却水を採用し、さらに、第3流体として送風ファン17によって送風された外気を採用した例を説明したが、第1〜第3流体はこれに限定されない。例えば、第7実施形態のように、第3流体として車室内送風空気を採用してもよい。また、第3流体は、冷却水であってもよい。
例えば、第1流体は、ヒートポンプサイクル10の高圧側冷媒であってもよいし、低圧側冷媒であってもよい。
例えば、第2流体は、エンジン、走行用電動モータMGに電力を供給するインバータ等の電気機器等を冷却する冷却水を採用してもよい。また、第2流体として、冷却用のオイルを採用し、第2熱交換部をオイルクーラとして機能させてもよいし、第2流体として、蓄熱剤、蓄冷剤等を採用してもよい。
さらに、本発明の熱交換器70が適用されたヒートポンプサイクル10を据置型空調装置、冷温保存庫、自動販売機用冷却加熱装置等に適用する場合は、第2流体として、ヒートポンプサイクル10の圧縮機の駆動減としてのエンジン、電動モータおよびその他の電気機器等を冷却する冷却水を採用してもよい。
さらに、上述の実施形態では、ヒートポンプサイクル(冷凍サイクル)に本発明の熱交換器70を適用した例を説明したが、本発明の熱交換器70の適用はこれに限定されない。すなわち、3種類の流体間で熱交換を行う装置等に幅広く適用可能である。
例えば、車両用冷却システムに適用される熱交換器として適用することができる。そして、第1流体は、作動時に発熱を伴う第1車載機器の有する熱量を吸熱した熱媒体とし、第2流体は、作動時に発熱を伴う第2車載機器の有する熱量を吸熱した熱媒体とし、第3流体は、室外空気としてもよい。
より具体的には、ハイブリッド車両に適用する場合には、第1車載機器をエンジンEGとし、第1流体をエンジンEGの冷却水とし、第2車載機器を走行用電動モータとし、第2流体を走行用電動モータの冷却水としてもよい。
これらの車載機器の発熱量は、車両の走行状態(走行負荷)に応じてそれぞれ変化するので、エンジンEGの冷却水の温度および走行用電動モータの冷却水の温度も車両の走行状態によって変化する。従って、この例によれば、発熱量の大きい車載機器にて生じた熱量を、空気のみならず、発熱量の小さい車載機器側へ放熱させることが可能となる。
また、第1車載機器または第2車載機器として、排気還流装置(EGR)、過給器、パワーステアリング装置、バッテリ等を採用してもよい。また、熱交換部を、EGRクーラ、インタークーラ、パワーステアリングオイル冷却用のオイルクーラ等として機能させてもよい。
また、第1、第2流体は、温度が異なる同種類の流体であってもよい。例えば、第1流体および第2流体が、互いに温度が異なる冷媒であってもよいし、互いに温度が異なる冷却水であってもよい。また、第1流体および第2流体が、互いに異なる流路(回路)を流通する流体であってもよいし、1つの流路(回路)から分流した流体であってもよい。
(6)上述の実施形態では、冷却水循環回路40の冷却媒体回路を切り替える回路切替手段として、電気式の三方弁42を採用した例を説明したが、回路切替手段はこれに限定されない。例えば、サーモスタット弁を採用してもよい。サーモスタット弁は、温度によって体積変化するサーモワックス(感温部材)によって弁体を変位させて冷却媒体通路を開閉する機械的機構で構成される冷却媒体温度応動弁である。従って、サーモスタット弁を採用することで、冷却水温度センサ52を廃止することもできる。
(7)上述の実施形態では、冷媒として通常のフロン系冷媒を採用した例を説明したが、冷媒の種類はこれに限定されない。二酸化炭素等の自然冷媒や炭化水素系冷媒等を採用してもよい。さらに、ヒートポンプサイクル10が、圧縮機11吐出冷媒が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルを構成していてもよい。
16a 冷媒用チューブ(第1チューブ)
43a 冷却水用チューブ(第2チューブ)
50 アウターフィン
70a 外気通路(第3流体用通路)
71 上流側熱交換部
72 下流側熱交換部
700 熱交換部

Claims (10)

  1. 第1流体が流通する第1チューブ(16a)および第2流体が流通する第2チューブ(43a)のうち、少なくとも一方のチューブ(16a)を積層配置して構成されて、前記第1流体および前記第2流体のうち少なくとも一方と第3流体とを熱交換させる熱交換部(71、72、700)を備え、
    前記第1チューブ(16a)および前記第2チューブ(43a)のうち隣り合うチューブ(16a、43a)間に形成される空間は、前記第3流体が流通する第3流体用通路(70a)を形成しており、
    前記第3流体用通路(70a)には、前記第1チューブ(16a)の外表面および前記第2チューブ(43a)の外表面の少なくとも一方に接合されて、それぞれの流体間の熱移動を促進するアウターフィン(50)が配置されており、
    さらに、前記第1チューブ(16a)および前記第2チューブ(43a)の双方に接合される前記アウターフィン(50)として、前記第1チューブ(16a)の前記第3流体流れ方向の長さと前記第2チューブ(43a)の前記第3流体流れ方向の長さが異なっていることによって前記第1チューブ(16a)との接合面積と前記第2チューブ(43a)との接合面積が異なっているものが設けられていることを特徴とする熱交換器。
  2. 第1流体が流通する第1チューブ(16a)および第2流体が流通する第2チューブ(43a)のうち、少なくとも一方のチューブ(16a)を積層配置して構成されて、前記第1流体および前記第2流体のうち少なくとも一方と第3流体とを熱交換させる熱交換部(71、72、700)を備え、
    前記第1チューブ(16a)および前記第2チューブ(43a)のうち隣り合うチューブ(16a、43a)間に形成される空間は、前記第3流体が流通する第3流体用通路(70a)を形成しており、
    前記第3流体用通路(70a)には、前記第1チューブ(16a)の外表面および前記第2チューブ(43a)の外表面の少なくとも一方に接合されて、それぞれの流体間の熱移動を促進するアウターフィン(50)が配置されており、
    さらに、前記第1チューブ(16a)および前記第2チューブ(43a)の双方に接合される前記アウターフィン(50)として、前記第1チューブ(16a)の前記第3流体の流れ方向の配列数と前記第2チューブ(43a)の前記第3流体の流れ方向の配列数が異なっていることによって前記第1チューブ(16a)との接合面積と前記第2チューブ(43a)との接合面積が異なっているものが設けられていることを特徴とする熱交換器。
  3. 前記第1チューブ(16a)および前記第2チューブ(43a)のうち一方のチューブ(43a)の前記第3流体流れ最下流部は、他方のチューブ(16a)の前記第3流体流れ最下流部よりも、前記第3流体流れ上流側に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の熱交換器。
  4. 前記一方のチューブ(43a)には、前記第3流体流れ方向下流側に向かって突出するとともに、前記アウターフィン(50)と接触しない突出部(400)が形成されており、
    前記他方のチューブ(16a)の前記第3流体流れ最下流部と前記突出部(400)の前記第3流体流れ最下流部が、同一平面上に位置付けられていることを特徴とする請求項3に記載の熱交換器。
  5. さらに、前記第3流体流れ方向に垂直な前記第1チューブ(16a)の厚みと、前記第3流体流れ方向に垂直な前記第2チューブ(43a)の厚みが異なっていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の熱交換器。
  6. さらに、前記第1チューブ(16a)の積層方向に延びて、前記第1チューブ(16a)を流通する前記第1流体の集合あるいは分配を行う第1流体空間(748)が形成された第1流体タンク部(74)と、
    前記第2チューブ(43a)の積層方向に延びて、前記第2チューブ(43a)を流通する前記第2流体の集合あるいは分配を行う第2流体空間(731)が形成された第2流体タンク部(73)とを備え、
    前記第1流体タンク部(74)および前記第2流体タンク部(73)は、
    前記第1チューブ(16a)および前記第2チューブ(43a)の双方が固定されるヘッダプレート(751)と、
    前記ヘッダプレート(751)に固定される第1中間プレート部材(851)および第2中間プレート部材(852)と、
    前記ヘッダプレート(751)および前記第2中間プレート部材(852)に固定されることによって、その内部に前記第1流体空間(748)および前記第2流体空間(738)を形成するタンク形成部材(753)を有しており、
    前記ヘッダプレート(751)、前記第1中間プレート部材(851)および前記第2中間プレート部材(852)には、それぞれ、内部を前記第1流体が流通する第1流体用貫通穴(751a、851a、852a)、および、内部を前記第2流体が流通する第2流体用貫通穴(751b、851b、852b)が形成されており、
    前記第1流体用貫通穴(751a、851a、852a)を介して、前記第1チューブ(16a)と前記第1流体タンク部(74)内の前記第1流体空間(748)とが連通しており、
    前記第2流体用貫通穴(751b、851b、852b)を介して、前記第2チューブ(43a)と前記第2流体タンク部(73)内の前記第2流体空間(738)とが連通しており、
    前記第3流体の流れ方向から見たときに、前記第1チューブ(16a)と前記第2チューブ(43a)とが重合配置されておらず、
    前記ヘッダプレート(751)、前記第1中間プレート部材(851)および前記第2中間プレート部材(852)のうち、互いに接合される板面の少なくとも1つには、前記第3流体の流れ方向に延びるプレート側溝部(801、802)が形成されており、
    前記プレート側溝部(801、802)内に形成される溝内空間は、隣り合って配置される前記第1流体用貫通穴(751a、851a、852a)と前記第2流体用貫通穴(751b、851b、852b)との間の部位から前記第1流体タンク部(74)および前記第2流体タンク部(73)の外部にまで連続してつながっていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の熱交換器。
  7. 前記第2中間プレート部材(852)および前記タンク形成部材(753)の接合面には、前記第1チューブ(16a)および前記第2チューブ(43a)の積層方向に延びるタンク側溝部(803)が形成されており、
    前記タンク側溝部(803)内に形成される溝内空間は、隣り合って配置される前記第1流体空間(748)と前記第2流体空間(738)との間の部位から前記第1流体タンク部(74)および前記第2流体タンク部(73)の外部にまで連続してつながっていることを特徴とする請求項6に記載の熱交換器。
  8. 前記第1中間プレート部材(851)および前記第2中間プレート部材(852)は、一体に形成されていることを特徴とする請求項6または7に記載の熱交換器。
  9. 前記第3流体の流れ方向に対して、単列の前記熱交換部(700)を有することを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載の熱交換器。
  10. 蒸気圧縮式の冷凍サイクルにおいて圧縮機吐出冷媒を放熱させる放熱器として用いられる熱交換器であって、
    前記第1流体は、前記冷凍サイクルの冷媒であり、
    前記第2流体は、外部熱源の有する熱量を吸熱した熱媒体であり、
    前記第3流体は、空気であることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1つに記載の熱交換器。
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