JP2018526605A - 熱交換器、及び車両空調システム - Google Patents

Abstract

本発明は、蒸発する冷却材を導くことが意図された平行に案内された平坦チューブ（１ａ、１ｂ）の構成を有する。フィン（２）が、チューブの間に配設され、チューブは当該チューブの流路に対して垂直な方向に空気ガイドスロットを形成し、これにより冷却すべき空気の流れ方向が規定される。チューブは、前記空気の流れ方向（３）において前後に配設された数なくとも２つのアセンブリ（１１）を形成する。アセンブリ（１１、１２）は、冷却材用のチューブ（１ａ、１ｂ）の自由内部断面積（Ｗ１、Ｗ２）が異なる。

Description

本発明は、特に蒸発する冷却材を使用して空気が冷却される、車両空調システム用の熱交換器に関する。効率を向上させるため、熱交換器の設計には、蒸発時の冷却材の濃度の減少が、熱吸収能力の更なる減少をもたらすということが考慮される。これは、平坦なチューブが、冷却材の流れに関して個々のチューブの異なる断面積を有するアセンブリを形成することで達成される。本出願において、「熱交換器」という用語は、「蒸発器／エバポレータ」又は「気化器」と同義的に使用される。

本発明は、更に、車両空調システムに関する。

空調システム、特に車両用の空調システムは、通常、熱交換器を設けられている。熱交換器において、減圧により冷却及び液化された冷却材が薄型管において蒸発し、これにより、冷却材は、冷却材を収容している管を通過する空気から熱を取り出して空気の温度を低下させる。

このために、従来技術において、様々な設計の一連の熱交換器が使用されている。特に、円形及び平坦チューブ、蛇行チューブ又はコレクタ間で平行に配設されたチューブが使用される。従来技術における典型的な称号は、「プレート及びフィン」、「平行な流れ」、「蛇行タイプ」、及び「チューブ及びフィン」である。

車両における空調システム用の熱交換器は、多くの要求を満たさなくてはならない。具体的には、短時間で９ｋＷに至る加熱パワーを伝達可能でなければならず、車両のダッシュボードの下方に配置され得るようにできる限り小型でなくてはならず、冷却材の流れは、１０ｋｇ／分に至ることがあり、空気の経路に関して圧力低下はできる限り小さくあるべきである。また、水しぶきからの保護も必要である。なぜならば、特にエバポレータに付着した凝縮した水により生じる水しぶきは、ヒータに移動してそこで蒸発し、後に（比較的）冷たい窓ガラス上で凝縮してこれを曇らせるからである。したがって、冷却すべき空気からの凝縮水は、確実に排出されなければならず、且つ、一時的でも空調システムを介して車室に入るようなことがあってはならない。

これらの要求が全体的に非常に高度に考慮され、近年、またここ数十年の間に、一連の最適条件が導かれた。平行に案内された平坦チューブを有する熱交換器が、次第に一般的になっている。なぜなら、このようなものが、最終的に車両に関する要求に最適だからである。

ＵＳ ２００７／０２１５３３１ Ａ１は、冷却材が同一設計の平行平坦チューブ内を昇降して案内される熱交換器を開示している。後方の下降チャネルにおいて、冷却材は最初に（既に冷却された）流出空気とすれ違い、やっと最終的に、前方の上昇チャネルにおいて（より暖かい）流入空気とすれ違う（逆流プロセス）。冷却材が熱交換器を通過する際に、その濃度減少を理由として熱吸収能力を失うという事実は、考慮されていない。

同様のことが、ＥＰ ０ ３２５ ８４４ Ａ１の熱交換器にも当てはまる。ここでは、空気流は、互いの背後に（前後に）配設された同一設計の６つのアセンブリを通過する。アセンブリ間に使用されないスペースがあるために、このような構成は、より効果的でなく、また、複数のチューブ及びチューブ接続部を理由としてコストがかかる。冷却材の熱吸収能力の濃度依存性を考慮するために、この構成を、冷却材が、チューブを有する２つのアセンブリを最初に平行に通過し、次いで、冷却材通路において、残りの４つのアセンブリを更に平行に流れるようにすることも可能であろう。ＥＰ ０ ３２５ ８４４ Ａ１は、このような冷却材の案内について検討していない。

ＤＥ １９５ １５ ５２６ Ｃ１は、逆流プロセスにおいて、合計で６つの通路内で空気を冷却する熱交換器を開示している。これらの通路は、多数の同じ設計の平坦なチューブによって構成されている。ここでは、冷却材の熱吸収能力の濃度依存性が、連続した通路において、これらの通路を形成する平坦チューブのグループの個数を、２から５へ単調に増やし、これにより冷却材流の合計断面を段階的に増加させて、これに応じて冷却材の流速が減少する（漸進的通流）、という点で考慮されている。ここでのデメリットは、大きな圧力低下を伴う操作又は過熱において、冷却材の出口で、流入空気の温度とのより小さい温度差が、順流動作よりも逆流システム内で存在し得る、ということである。

本発明は、かかる従来技術からスタートしている。その目的は、外形寸法をそのままに維持しつつ、達成可能な温度差を大きくして、熱交換器の効率性を向上させるように、熱交換器を最適にするのに影響を受け得る追加のパラメータであって、出口領域において冷却材の流れを減速するように利用され得るパラメータを提供することである。

本目的は、本発明の第１態様において、以下の特徴を有する熱交換器により達成される。

熱交換器は、冷却材入口及び冷却材出口と、蒸発する冷却材を導くことが意図された平行に案内された平坦チューブと、を有する。フィンがチューブの間に配設され、チューブは、チューブの流路に対して垂直な方向に空気ガイドスロットを形成し、これにより流れる空気の流れ方向を規定する。前記チューブは、冷却材が連続的に流れる少なくとも２つのアセンブリであって、前記空気の流れ方向において互いに背後に配設されたアセンブリを形成し、これらのアセンブリは、当該アセンブリの各チューブの内部断面積の寸法が異なる。前記冷却材入口に隣接する前記チューブは、前記冷却材出口に隣接する前記チューブよりも大きい断面積を有する。

したがって、非常に異なった態様で設計された熱交換器を最適化するように、追加のパラメータ、すなわち、チューブの内部自由断面積における変化が提供される。また、２つ又は少数の異なるチューブタイプへの分割が実際上の目的に十分であるという更なる知識が利用される。更に、異なるチューブを理由として、増大する流れ長さを有するチューブの断面を拡大させる方が、従来技術のように同一チューブの本数を段階的に増加させるよりも、冷却材の低い濃度に顕著に正確に適合され得る。

本発明の実施形態は、この最適化パラメータを利用して、従来技術よりも正確に、冷却材が熱交換器を通過する間に、蒸発による冷却材の濃度の減少が熱吸収能力の更なる減少をもたらす、という事実を考慮する。

本発明の第１実施形態において、熱交換器は、それぞれベース部とカバーとを構成する下側及び上側コレクタを有する。熱交換器の冷却材入口は、これらコレクタのうちの一方に配設され、冷却材出口は、同一の又は他方のコレクタに配設される。平坦チューブの端部は、これらコレクタの開口に溶接される。２つのコレクタのそれぞれは、１つだけの領域、又は隔壁によって互いから分離された複数の領域を形成し、これにより、チューブは、冷却材が連続的に流れる少なくとも２つの通路を形成する。これらの通路のうちの少なくともいくつかは、チューブの断面積が異なり、また場合により、冷却材が流れるチューブの本数も異なる。熱交換器の冷却材出口における通路において、チューブの個々の断面の合計は、冷却材入口において始まる通路におけるよりも大きい。

少なくとも出口の前の最後の通路において、流れる冷却材に対して大きい断面を有する平坦チューブを使用することにより、この領域において冷却材の圧力低下を減少させることが達成され得る。これは、所定の出口圧力により、より低い入口圧力、及びより低い入口温度、ひいては流入空気に対する大きな温度差が可能とされるためである。熱交換器を通過する間に、冷却材の濃度は蒸発により絶えず減少するので、同じ熱量を吸収するためにはより大きい体積が必要である（漸進的通流）。しかしながら、本実施形態においては、従来技術とは異なり、この大きい体積がより大きい断面を有するチューブにより提供される。従来技術のように、平行チューブの本数を増加させることにより同時にフィン領域を設けたり、そのためにより大きい体積の熱交換器が必要となることはない。

全体として、この最適化は、通流空気のより良い冷却をもたらすだけでなく、圧力低下が減少するために露点が低くなり、空気のより良い乾燥をももたらす。

本発明の実施形態において、最適化計算によれば、第２アセンブリのチューブの断面積は、第１アセンブリのチューブの断面積の１．１〜２．５倍、特に１．２〜１．６倍であるべきである。

有利には、追加的及び補足的に、本発明の更なる実施形態において、流れ方向において互いに背後に（前後に）配設されたアセンブリのチューブの本数、したがって、流れに割り当てられるフィンの領域が異なってもよい。このように、アクティブなフィン領域が、冷却材の流れ断面から独立して最適化され得る。

好適には、熱交換器の全ての構成要素が、単一作業プロセスにおいて安価に溶接される。

本発明の更なる特にシンプルな実施形態において、チューブは、冷却材が連続的に流れる正確に２つの通路を形成し、第１通路はより小さい断面積を持つチューブを有し、第２通路はより大きい断面積を持つチューブを有し、各通路のチューブは、互いに一律の断面を有するチューブを持つアセンブリにより形成される。このようなシンプルな設計においても、熱供給による冷却材の濃度減少は、より良い近似において有利に考慮され得る。

更なる実施形態において、チューブが、冷却材が連続的に流れる２つを超える通路を形成する場合、冷却材の流れは更に最適化されるであろう。ここで、通路に寄与するチューブの本数と当該通路の同一チューブのうちの１つの断面積との積として計算される通路の流れ断面は、冷却材の流れの方向において、単調に増加するシーケンスを形成する。

本発の他の態様は、異なる公称能力を有する複数の熱交換器の製造に関する。これは、より高い性能を有する熱交換器におけるチューブのアセンブリが、より小さい断面積を有するアセンブリとして使用され、より低い性能を有する熱交換器における同じアセンブリが、より大きい断面積を有するアセンブリとして使用されるという点において最適化され得る。

他の態様は、本発明による熱交換器の使用に関する。熱交換器は、冷却材と空気の流れとの間の熱の交換が順流において生じるという点において最適化され得る。したがって、設置時に、冷却材入口に対面する熱交換器の側面が、空気入口に対面する。しかしながら、最適化が逆流において生じる場合には、設置時に、冷却材入口に対面する熱交換器の側面が、空気出口に対面する。

本発明による熱交換器の従来技術に比較して高い効率性は、特に、車両の空調システムでの使用に関する高い要求を満たすことに貢献する。

本発明による熱交換器の実施形態の斜視図。 ２つの通路を有する本発明の第１実施形態の断面図。 チューブの異なる断面を示す図２から抽出した拡大図。 本発明の４通路実施形態の断面図。 本発明の他の４通路実施形態の断面図。 図５による熱交換器の上側コレクタを介した断面図。

図１乃至３は、車両の空調システムのエバポレータ用の本発明による熱交換器の第１実施形態を示す。熱交換器は、蒸発する冷却材を導くことが意図された‐図１において鉛直方向に配設された‐複数の平行に案内された平坦チューブを有する。

フィン２が隣接するチューブ間に溶接されて、チューブ１の流路に対して垂直な方向に空気ガイドスロットを形成する。スロットは、図１において、左後方から右前方に延びている。空気は、矢印３により示されるこの方向において流れるが、空気流が熱交換器のレイアウトに従って配向されるかどうか、すなわち、図１に示すような冷却材の流れに対する順流か逆流かを決定するのは、主として熱交換器の構造である。

コレクタ４と５が、熱交換器の頂部と底部とに配設され、チューブ１の端部が内部に溶接される開口（図１では示されない）を有する。チューブが、冷却材が連続的に通過する少なくとも２つの通路を形成するように、２つのコレクタのそれぞれは、隔壁（図１では図示されない）によって互いから分離された複数の領域を形成し得る。コレクタ４、５の各々は、かいば桶状のベース部と、各チャンバを閉鎖するカバーとを有する。

最もシンプルな態様では、図１の上側コレクタ４は、単独の隔壁によって、冷却材が入口８を介して流入する後方領域と、冷却材が出口９を介して流出する前方領域とに分割されるのに対し、通路の接続チャンバとしての下側コレクタ５は、隔壁を必要としない。結果として、冷却材が連続的に流れる２つの通路、すなわち、図１において、頂部から底部への流れ方向を有する第１アセンブリ１１における後方通路と、底部から頂部への流れ方向を有する第２アセンブリ１２における前方通路とが形成される。一般に、コレクタ４及び５のチャンバ７は、常に、第１にチューブの開口と、第２にチューブの更なる入口とを収容しており、チューブの開口から冷却材がチャンバに流入し、チューブの入口に冷却材が流入する。これらのチューブは、平坦チューブ１のうちのいくつかだけでなく、場合により、冷却材の入口８又は出口９をも含む。

図２は、図１の熱交換器の断面を示す。紙面に対して垂直に延びるチューブ１が、空気流の方向３において互いに背後に（前後に）配設された２つのアセンブリ１１及び１２、すなわち、上側（表側）の小さい方のアセンブリ１１、及び下側（裏側）の大きい方のアセンブリを形成していることが明らかである。アセンブリのサイズは、流れ方向３に存在してユニット１５を形成するチューブ１の本数により決まる。図２において、第１の小さい方のアセンブリ１１（流れ方向において１番目）においてそれぞれユニット１５を形成する８のチューブと、第２の大きい方のアセンブリ１２（流れ方向において２番目）における１１のユニット１５と、が存在している（図３も参照）。

図３は、図２の抽出拡大図であって、これを更に明確に示す。ここでのみ、アセンブリ１１及び１２は、異なる内部断面積を有するチューブ１ａ、１ｂからなることが明らかである。熱交換器の冷却材出口９が通じるアセンブリが、冷却材チューブ１ａを使用する。冷却材チューブ１ａは、それぞれ、冷却材入口８に隣接するアセンブリ１２のもの（チューブ１ｂ；断面積Ｗ_２）より大きい断面積Ｗ_１を有する。

断面の差は、ほんのわずかである。アセンブリ１２及び１１のチューブの断面積の好ましい比率Ｗ_２／Ｗ_１は、１．１〜２．５であり、特に、１．２〜１．６である。２つを超えるアセンブリの場合、それぞれのアセンブリに関して、チューブ断面の値が選択されてよく、チューブ断面の値は、その隣り合うアセンブリのチューブ断面の値の間である。

チューブ１ａ、１ｂの幅は、同一であることが明らかである。構造的な理由から、各ユニット１５の最初及び最後のチューブ１ａ、１ｂは、外側がわずかに丸みを帯びている。これら最後のチューブを別として、各ユニット１５の他のチューブ１ａ、１ｂは、同一の内部断面積Ｗ_１又はＷ_２を有する。

図２及び図３の場合、矢印３により示される順流プロセスが最適化される。なぜならば、熱交換器全体の平均として、逆流プロセスにおけるよりもより大きい温度差が、冷却材と空気との間で生じるからである。他の構成において逆流又は順流が好適であるかどうかは、各ケースにつき改めて検討しなければならない。

図４は、４つの通路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４を有する本発明の実施形態を示す。Ｐ１とＰ２は、より小さい断面積のチューブを有し、Ｐ３及びＰ４は、より大きい断面積のチューブを有する。本実施形態は、特に過熱動作に適している。ここで、冷却材は、４つのチューブを流れ、１ａを２回、そして１ｂを２回流れる。この構成において、最適化は、下方からの矢印３により示される逆流プロセスが好適であることを示す。そうでない場合には、ここでも、図２及び図３を参照して説明した特徴が、例えば、断面比及びチューブ幅に適用される。

図５は、連続流の４つの通路Ｐ１〜Ｐ４を有する本発明の他の実施形態を示す。Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３は、流れ方向３に対して横断方向に互いに隣接して配置され、全体として流れ方向においてＰ４により完全に覆われている。入口８から延びる３つの通路Ｐ１〜Ｐ３は、より小さい断面Ｗ_１のチューブを有する領域１１を横断し、各ユニット１５について１２のチューブを空気の流れ方向３に有する（図５において互いに上方に示される）。第１通路Ｐ１は、互いに隣接して配置された８のチューブユニット１５を含み、第２通路Ｐ２は、１１のチューブユニット１５を有し、第３通路Ｐ３は、１５のチューブユニット１５を有している。第４通路Ｐ４は、領域１２全体を利用して各ユニット１５につき９のチューブを有しており、そして、全部で３４の隣接するユニット１５は、使用されるチューブの中でより大きい断面Ｗ_２のチューブを有している。したがって、通路の総断面積は、以下のようになる。
第１通路：８×１２×Ｗ_１＝９６×Ｗ_１
第２通路：１１×１２×Ｗ_１＝１３２×Ｗ_１
第３通路：１５×１２×Ｗ_１＝１８０×Ｗ_１、及び
第４通路：３４×９×Ｗ_２＝３０６×Ｗ_２＝４５９×Ｗ_１
ここで、最後の変換では、通路Ｐ４とＰ１〜Ｐ３とにおけるチューブ１の断面積の比がＷ_２／Ｗ_１＝１．５であることを想定している。したがって、冷却材の熱吸収能力の減少を考慮するように、通路の流れ断面は、冷却材の流れ方向において、単調に増加するシーケンスを形成する。各通路において、冷却材は、先行する通路よりもゆっくりと流れるため、低下した熱吸収能力が補償される。領域１２全体を合計で３０６のチューブを有する第４通路に対して使用することにより、冷却材出口に近いところで最大の冷却を集中させることが可能となる。これにより、本実施形態について、順流における最適な冷却がもたらされる。

本発明は、エバポレータを通過する際に、冷却材中の気体比率が増加し、一定の圧力に対してその濃度が減少するという知識の実現を可能とする。しかしながら、冷却材の熱吸収能力は濃度に比例し、一定の効果的な熱移動に対して、冷却材の流れの増大した体積、したがって増大した断面が必要となる。従来技術において、これは、追加のチャネルにより実現されているが、これら追加のチャネルに必要なスペースによって熱交換器の寸法が大きくなってしまう。本発明によれば、増大したチューブ断面により、この追加スペースは少なくとも部分的に節約される。追加のチューブ体積だけが必要とされ、追加のチューブ長さや取付フィンは必要とされない。こうして、同じ能力の熱交換器をより小さく構成することができる。或いは、この熱交換器は、同じサイズのものと比較してより効率的に作動する。また、特にわずかな過熱を有する冷却材出口における大きい熱移動は、逆流より順流において、冷却がより効果的であろうということを意味する。

図６は、図５の上側コレクタ４を示す。その内部は、冷却材の流れをより多数の流れ方向に分割するように、隔壁６により複数のチャンバ７に分割される。

Claims (13)

1. 冷却材入口（８）及び冷却材出口（９）と、
   蒸発する冷却材を導くことが意図された平行に案内された平坦チューブ（１；１ａ、１ｂ）と、
   前記チューブ（１；１ａ、１ｂ）の間に配設されたフィン（２）であって、前記チューブ（１）の流路に対して垂直な方向に空気ガイドスロットを形成し、これにより流れる空気の流れ方向（３）を規定するフィン（２）と、を有し、
   前記チューブ（１）は、冷却材が連続的に流れる少なくとも２つのアセンブリ（１１、１２）であって、前記空気の流れ方向（３）において互いに前後に配設されたアセンブリ（１１、１２）を形成し、
   前記アセンブリ（１１、１２）は、当該アセンブリの各チューブ（１ａ、１ｂ）の内部断面積（Ｗ_１、Ｗ_２）の寸法が異なり、前記冷却材出口（９）に隣接する前記チューブ（１ａ）は、前記冷却材入口（１ｂ）に隣接する前記チューブよりも大きい断面積（Ｗ_２）を有する、
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記熱交換器は、間に前記チューブ（１）が延びる上側及び下側コレクタ（４、５）を有し、
   平行な流れのチューブ（１）は通路（Ｐ１‐Ｐ４）を形成し、冷却材が前記通路（Ｐ１‐Ｐ４）を連続的に流れ、
   前記冷却材入口（８）と前記冷却材出口（９）とは、好適には、前記コレクタ（４、５）のうちの一方に配設される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記コレクタ（４、５）は開口を有し、
   前記開口の内部に、前記チューブ（９）の端部が堅固に溶接される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記２つのコレクタのそれぞれは、単数のチャンバ（７）、又は隔壁（６）によって互いから分離された複数のチャンバ（７）を形成し、これにより、前記チューブ（１；１ａ、１ｂ）は、冷却材が連続的に流れる少なくとも２つの通路（Ｐ１‐Ｐ４）を形成する、
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の熱交換器。
5. 前記通路（Ｐ１‐Ｐ４）は、前記チューブ（１）の本数が異なり、及び／又は冷却材が流れる前記チューブ（１ａ、１ｂ）の断面が異なり、
   前記冷却材出口（９）に隣接する前記通路において、当該通路に寄与する前記チューブ（１ａ）の断面積（Ｗ_２）の合計は、前記冷却材入口（８）に隣接する前記通路におけるよりも大きい、特には１．１〜２．５倍、更に特には１．２〜１．６倍大きい値を有する、
   ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 前記空気の流れ方向（３）において互いに前後に配設された前記チューブ（１ａ、１ｂ）の本数は、前記第１アセンブリ（１１）と前記第２アセンブリ（１２）とで異なる、
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の熱交換器。
7. チューブ（１ａ、１ｂ）は、冷却材が連続的に流れる２つの通路をまさに形成し、
   前記２つの通路は、第１通路と第２通路とを含み、
   前記第１通路は、より小さい断面積（Ｗ_１）を持つチューブ（１ｂ）を有し、
   前記第２通路は、より大きい断面積（Ｗ_２）を持つチューブ（１ａ）を有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の熱交換器。
8. 前記チューブ（１）は、冷却材が連続的に流れる２つを超える通路（Ｐ１‐Ｐ４）を形成し、
   前記冷却材の流れ方向において、前記各通路の断面積の合計が単調に増大するシーケンスを形成する、
   ことを特徴とする請求子１乃至６のいずれかに記載の熱交換器。
9. アセンブリ（１１、１２）の前記チューブ（１）は、同一の断面積を有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の熱交換器。
10. アセンブリ（１１、１２）は、連続した流れの複数の通路（Ｐ１‐Ｐ４）を有し、
    後続の通路は、先行する通路より多くのチューブ（１）を有し、これにより、チューブの断面積の合計が増大する、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の熱交換器。
11. 複数のチューブ（１）が互いに結合されて構造ユニット（１５）とされ、
    前記ユニットは、断面において横長の形状を有し、
    前記フィン（２）は、隣接するユニット（１５）の間に配設される、
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の熱交換器。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の熱交換器を有する車両空調システムであって、
    空気及び冷却材は順流であり、
    前記冷却材入口に対面する前記熱交換器の側面が、前記空気入口に対面して配設される、
    ことを特徴とする車両空調システム。
13. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の熱交換器を有する車両空調システムであって、
    空気及び冷却材は逆流であり、
    前記冷却材出口に対面する前記熱交換器の側面が、前記空気入口に対面して配設される、
    ことを特徴とする車両空調システム。

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