JP4179092B2 - 熱交換器 - Google Patents

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Description

本発明は、一般的に言って熱交換器に関するもので、例えば、冷凍サイクルにおける冷媒間の熱交換を行う内部熱交換器として有効なものである。
近年、冷凍サイクルにおいて、地球環境の保護等の観点からR134a等のフロン冷媒に代えて、自然冷媒の一種であるCO2(2酸化炭素)冷媒を用いることが注目を浴びている。CO2冷媒を用いる冷凍サイクル(以下CO2サイクルと略称)では、CO2の臨界温度がフロン冷媒に比較して非常に低いので、夏期の通常の冷房条件では圧縮機の吐出冷媒(高圧冷媒)を冷媒臨界圧力よりも高い領域まで高めて、吐出冷媒を高圧側放熱器において超臨界状態にて外気中に放熱する。
このようなCO2サイクルにおいて、高圧側放熱器出口側の高圧冷媒と蒸発器出口側の低圧冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を設け、蒸発器の入口冷媒と出口冷媒間のエンタルピ差を増大して、冷房性能の向上を図ることが従来提案されている。
このような冷凍サイクルにおける内部熱交換器として、特許文献1および特許文献2記載のものが知られている。
特開2000−130878号公報 特開2002−181466号公報
特許文献1のものは図17に示すように、内側管40の外周側に外側管41を同心状に配置した2重管構造であり、外側管41の内部を第1流体が流れ、内側管40の内部を第2流体が流れることにより、内側管40の壁面を介して第1流体(例えば、低温流体)と第2流体(例えば、高温流体)との間の熱交換を行っている。第1流体のコネクタ部42、43は外側管41の外周面側(側面部)に配置している。
特許文献1のものでは、第1流体側の通路が外側管41の内部に形成される1つの通路だけであり、また、第2流体側の通路も内側管40の内部に形成される1つの通路だけである。このため、第1流体と第2流体との伝熱面は内側管40の円筒面のみとなり、伝熱面積が小さくなる。
その結果、必要伝熱性能(熱交換性能)を確保するためには、2重管構造の熱交換コア部長さLを長くする必要が生じ、これにより、内部熱交換器を車両等に搭載する際の搭載スペースの確保が困難となり、内部熱交換器の搭載性を悪化する。
特に、CO2サイクルの場合には、CO2冷媒の物性から圧縮機の吐出圧(高圧圧力)がフロン冷媒を用いる通常の冷凍サイクルに比較して約10倍程度に高くなるので、耐圧性確保のために2重管構造の肉厚寸法を大きくする必要がある。この結果、2重管構造の剛性が高くなって、2重管構造を通常の配管のように容易に曲げることができないので、上記熱交換コア部長さLの増加と相俟って、内部熱交換器の搭載性をより一層悪化する。
また、特許文献2のものは図18、図19に示すように、1つの熱交換用本体部材(熱交換管)44の内部にアルミニウムの押出成形により2種の通路45、46を成形している。その第1の通路は中心部に形成された中心通路45であり、第2の通路はこの中心通路45の外周側に放射状に多数形成された外周通路46である。
そして、外周通路46に第1流体(例えば、低温流体)を流し、中心通路45に第2流体(例えば、高温流体)を流して、第1流体と第2流体との間で熱交換を行っている。また、外周通路46および中心通路45に対する流体の入出を行うために、熱交換用本体部材44の長手方向の両端部に通路接続のためのコネクタ部47を接合している。なお、図19では、熱交換用本体部材44の左端部側のコネクタ部47のみを図示し、右端部側のコネクタ部の図示は省略している。
しかし、特許文献2のものでは、コネクタ部47を熱交換用本体部材44の長手方向の両端部に対して更に長手方向の外方側に配置しているので、内部熱交換器全体の長手方向寸法が両端部のコネクタ部47の配置により更に大きくなってしまい、内部熱交換器の搭載性を悪化する。
また、特許文献2のものでは、熱交換用本体部材44の外周通路46を中心通路45の外周側に放射状に多数形成するので、コネクタ部47にこの多数の外周通路46を集合する部分を形成する必要が生じる。
このため、コネクタ部47に多数の外周通路46の集合空間48aを形成する円筒状部材48を備えている。これに伴って、この円筒状部材48の中心部に中心通路45と連通する連通通路49aを形成する別体の管状部材49を配置している。この円筒状部材48と別体の管状部材49とにそれぞれ接続パイプ部50、51を接合する構成であるので、部品点数の増加、接合箇所の増加等によりコストアップを招く。
そこで、本発明者らは図20、図21に示すように、熱交換用本体部材44の長手方向の両端部の中心部に長手方向の外方へ突き出す小径円筒部44aを切削加工により一体に形成し、この小径円筒部44aにより中心通路45を外周通路46に対して長手方向の外方へ突き出すように形成するものを検討してみた。多数の外周通路46は箱状部材52の内部空間52a内に連通している。
この検討例によると、図19のコネクタ部47の中心部に位置する管状部材49に相当する部分を熱交換用本体部材44に一体成形することができる。
しかし、その反面、小径円筒部44aは径寸法が小さいので、どうしても耐振強度が低くなる。そのため、振動荷重の印加によって小径円筒部44aの折損が生じやすくなるとともに、切削加工の採用により加工工数が増えて製造コストが高くなる。
本発明は、上記点に鑑み、柱状の単一素材からなる熱交換用本体部材の内部に、第1流体通路および第2流体通路を形成するとともに、この第1、第2流体通路のうち、少なくとも一方の流体通路は複数形成する熱交換器において、熱交換性能の確保と熱交換器長手方向寸法の短縮とを両立することを目的とする。
また、本発明は、熱交換器構成の簡素化および耐振強度の向上を図ることを他の目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、柱状の単一素材により構成される熱交換用本体部材(20)に、柱状の長手方向に延びる複数の通路穴(21〜23)が形成され、
複数の通路穴は、円柱状の半径方向の中心側に位置する中心側の通路穴(21)と、中心側の通路穴(21)に対して円柱状の半径方向の一方および他方の両外側に位置する両外側の通路穴(22、23)とから構成され、
中心側の通路穴(21)は、円柱状の半径方向に一直線上に並列配置された複数の穴であり、また、両外側の通路穴(22、23)は中心側の通路穴(21)に沿って一直線上に並列配置された複数の穴であり、
両外側の通路穴(22、23)により円柱状の長手方向に延びる第1流体通路(16a)が形成され、
中心側の通路穴(21)により円柱状の長手方向に延びる第2流体通路(16b)が形成され、
中心側の通路穴(21)相互間を連通する連通穴(24)が熱交換用本体部材(20)に円柱状の半径方向に向くように設けられ、
第2流体通路(16b)に流体を入出させるコネクタ部(25)が連通穴(24)と連通するようにして円柱状の側面部に配置され、
熱交換用本体部材(20)において円柱状の長手方向の両端部には、中心側の通路穴(21)を閉塞する補助キャップ部材(27)、および両外側の通路穴(22、23)と連通する内部空間(29)を有する主キャップ部材(28)が接合され、
主キャップ部材(28)に、内部空間(29)を通して第1流体通路(16a)に流体を入出させる別のコネクタ部(31)が備えられていることを特徴とする
これによると、第1流体通路(16a)および第2流体通路(16bをいずれも複数の通路穴(21〜23)により構成しているから、第1、第2流体通路(16a、16b)を両方とも細密化して伝熱面積を増大熱交換性能を向上できるとともに、流体通路の細密化により耐圧性も向上できる。
そして、熱交換用本体部材(20)の柱状の側面部に第2流体通路(16b)側のコネクタ部(25)を配置するから、熱交換用本体部材(20)におけるコネクタ部(25)の配置部位までを第1流体通路(16a)と第2流体通路(16b)との熱交換部として構成できる。
したがって、必要な熱交換性能を確保するに際して、第2流体通路(16b)側のコネクタ部(25)の配置スペース分だけ、熱交換器の長手方向寸法を短縮でき、車両等に対する熱交換器搭載性を向上できる。
また、熱交換用本体部材(20)の長手方向端部に接合される主キャップ部材(28)を用いて、第1流体通路(16a)側の別のコネクタ部(31)を配置できる。
また、中心側の通路穴(21)は、円柱状の半径方向に一直線上に並列配置された複数の穴であるから、中心側の通路穴(21)を連通させる連通穴(24)は直線形状でよく、簡単に穴あき加工できる。
また、第2流体通路(16b)側のコネクタ部(25)を熱交換用本体部材(20)の柱状の側面部に直接接合することができるので、熱交換器構成を簡素化できる。しかも、図20、21の検討例のような小径の円筒部を切削加工で形成する必要がなくなるので、対振強度を向上できるとともに、小径円筒部の切削加工廃止に伴う加工コストの低減を図ることができる。
請求項2に記載の発明のように、請求項1において、補助キャップ部材(27)と主キャップ部材(28)とを一体成形すれば、部品点数を減少できる。
請求項3に記載の発明のように、請求項において、主キャップ部材(28)と別のコネクタ部(31)とを一体成形してもよい。これによっても、部品点数を減少できる。
請求項4に記載の発明のように、請求項において、第2流体通路(16b)側のコネクタ部(25)と第1流体通路(16a)側の別のコネクタ部(31)を1つのコネクタ部(35)として一体成形してもよい。これによっても、部品点数を減少できる。
請求項5に記載の発明では、柱状の単一素材により構成される熱交換用本体部材(20)に、柱状の長手方向に延びる複数の通路穴(21〜23)が形成され、
複数の通路穴は、円柱状の半径方向の中心側に位置する中心側の通路穴(21)と、中心側の通路穴(21)に対して円柱状の半径方向の一方および他方の両外側に位置する両外側の通路穴(22、23)とから構成され、
中心側の通路穴(21)は、円柱状の半径方向に一直線上に並列配置された複数の穴であり、また、両外側の通路穴(22、23)は中心側の通路穴(21)に沿って一直線上に並列配置された複数の穴であり、
両外側の通路穴(22、23)により円柱状の長手方向に延びる第1流体通路(16a)が形成され、
中心側の通路穴(21)により円柱状の長手方向に延びる第2流体通路(16b)が形成され、
中心側の通路穴(21)相互間を連通する第1連通穴(24)が熱交換用本体部材(20)に円柱状の半径方向に向くように設けられ、
両外側の通路穴(22、23)のうち、円柱状の半径方向の一方側の通路穴(22)相互間を連通する第2連通穴(33)および円柱状の半径方向の他方側の通路穴(23)相互間を連通する第3連通穴(34)が熱交換用本体部材(20)に第1連通穴(24)と平行な方向に向くように設けられ、
第1流体通路(16a)に流体を入出させるコネクタ部(31)が第2連通穴(33)および第3連通穴(34)と連通するようにして円柱状の側面部に配置され、
第2流体通路(16b)に流体を入出させる別のコネクタ部(25)が第1連通穴(24)と連通するようにして円柱状の側面部において第1流体通路(16a)側のコネクタ部(31)の反対側部位に配置され
熱交換用本体部材(20)の円柱状の長手方向両端部には、中心側の通路穴(21)および両外側の通路穴(22、23)の全部を閉塞するキャップ部材(28)が接合されていることを特徴とする。
これによると、第1流体通路(16a)および第2流体通路(16b)をいずれも複数の通路穴(21〜23)により構成して、流体通路の細密化による熱交換性能および耐圧性の向上効果を請求項1と同様に向上できる。
また、第2流体通路(16b)側のコネクタ部(25)および第1流体通路(16a)側のコネクタ部(31)を両方とも熱交換用本体部材(20)の円柱状の側面部に配置して、熱交換器の長手方向寸法を短縮する効果をさらに向上できる。
請求項に記載の発明のように、請求項1ないし5のいずれか1つにおいて、熱交換用本体部材(20)は円柱状の単一素材の外周面の少なくとも一部に平坦面(20a)を有しており、
円柱状の側面部に配置されるコネクタ部(25、31)を前記平坦面(20a)に配置すれば、コネクタ部(25、31)を円柱状の熱交換用本体部材(20)に対して平坦面(20a)にて容易に接合できる。
請求項に記載の発明では、請求項1ないしのいずれか1つに記載の熱交換器により構成され、前記第1流体通路(16a)および前記第2流体通路(16b)のいずれか一方に低圧冷媒が流れ、他方に高圧冷媒が流れる、冷凍サイクルの内部熱交換器を特徴としている。
これにより、熱交換性能および搭載性の両面で優れた冷凍サイクルの内部熱交換器を提供できる。
請求項に記載の発明では、請求項1ないしのいずれか1つに記載の熱交換器により構成され、前記第1流体通路(16a)および前記第2流体通路(16b)のいずれか一方に冷凍サイクルの冷媒が流れ、他方に水が流れる、冷凍サイクルの水冷媒熱交換器を特徴としている。
これにより、熱交換性能および搭載性の両面で優れた冷凍サイクルの水冷媒熱交換器を提供できる。
なお、上記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。
以下本発明を図に示す実施形態について説明する。下記の第1〜第13実施形態のうち、特許請求の範囲に記載した発明の実施形態は、第1実施形態、第2実施形態、第4実施形態、第7実施形態、第9実施形態、第10実施形態、第11実施形態、第12実施形態、および第13実施形態である。そして、下記の第3実施形態、第5実施形態、第6実施形態、および第8実施形態は参考例として示す実施形態である。
(第1実施形態)
図1は本実施形態による内部熱交換器を備える車両用空調装置の冷凍サイクルを示すもので、冷凍サイクルは、冷媒としてCO2冷媒を用いるCO2サイクルにて構成されている。圧縮機10はプーリ10a等を介して車両エンジン(図示せず)により駆動されるもので、冷媒(CO2)を吸入し、その吸入した冷媒を冷媒の臨界圧力以上にまで圧縮する。
高圧側の放熱器11は圧縮機10の吐出側に接続され、圧縮機10の吐出冷媒(高圧冷媒)と室外空気とを熱交換して吐出冷媒の放熱を行う。放熱器11は車室外、具体的には車両のエンジンルームに設置され、図示しない冷却ファンにより室外空気が放熱器11に向かって送風されるようになっている。
減圧装置12は可変絞り機構等により構成されるもので、放熱器11の出口側に接続され、放熱器11出口側の高圧冷媒を低温低圧の気液2相状態に減圧するものである。
蒸発器13は減圧装置12の出口側に接続されるもので、室内空調ユニット14内に設置される。この室内空調ユニット14は車室内の計器盤内側等に配置され、図示しない空調用送風機の送風空気を温度調整して車室内へ吹き出す。蒸発器13においては低圧冷媒が送風空気から吸熱して蒸発することにより送風空気を冷却する。
アキュムレータ15は蒸発器13の出口側に接続されるもので、蒸発器13の出口側冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を溜める気液分離手段であって、気相冷媒を圧縮機1の吸入側に向けて流出させる。これにより、アキュムレータ15は圧縮機10に液相冷媒が吸入されることを防止する役割を果たす。
そして、内部熱交換器16は、アキュムレータ15の出口側を流れる低温の低圧冷媒(気相冷媒)と、放熱器11の出口側を流れる高温の高圧冷媒とを熱交換するものである。そのため、内部熱交換器16には低圧冷媒が流れる低圧冷媒通路16aと高圧冷媒が流れる高圧冷媒通路16bが形成されている。なお、内部熱交換器16は、通常、圧縮機10、放熱器11、アキュムレータ15等とともに車両のエンジンルーム内に搭載される。
次に、第1実施形態による内部熱交換器16の具体的構造を図2、図3により詳述する。図2(a)は内部熱交換器16の全体形状のうち、長手方向一端側の半分程度の部分の分解斜視図であり、図2(b)は熱交換本体部材単体の斜視図である。図3(a)はこの長手方向一端側の半分程度の部分の組付状態の斜視図で、図3(b)(c)は図3(a)の2つのコネクタ部の断面図である。
第1実施形態の内部熱交換器16は円柱状の熱交換本体部材20を有しており、この熱交換本体部材20は、アルミニウム合金のように熱伝導率が高い金属からなる単一素材にて構成されている。より具体的には、熱交換本体部材20は、アルミニウム合金を押出成形により円柱状に形成されるとともに、円柱状の長手方向に多数の通路穴21、22、23が貫通している。
ここで、通路穴21は、熱交換本体部材20の円形断面の中心部を通過する一直線上に複数個(図示の例では4個)並列配置されている。従って、熱交換本体部材20の円形断面は、複数個の通路穴21により2つの半円状の領域に仕切られる。この2つの半円状の領域の一方に通路穴22が、他方に通路穴23がそれぞれ、複数個(図示の例では3個)ずつ並列配置されている。この複数個の通路穴22と通路穴23も、通路穴21に沿って一直線上に配置されている。
本実施形態では、中央部の4個の通路穴21により図1の高圧冷媒通路16bを構成し、この通路穴21の両側に位置する合計6個の通路穴22、23により図1の低圧冷媒通路16aを構成している。
ここで、高圧冷媒に比較して低圧冷媒のほうが比体積が大きいので、低圧冷媒通路16aの合計通路数(6個)を高圧冷媒通路16bの合計通路数(4個)より大きくして、低圧冷媒通路16aの合計通路断面積を高圧冷媒通路16bの合計通路断面積より大きくしている。これにより、低圧冷媒通路16aの圧損増大を抑制できる。
なお、図2、図3では通路穴21、22、23をすべて同一径にて形成する例を図示しているが、中央部の通路穴21と、その両側に位置する通路穴22、23とで径寸法を変えてもよい。
そして、図2(a)、図3(b)に示すように熱交換本体部材20の長手方向の一端部付近には連通穴24が穴開け(切削)加工により形成してある。この連通穴24は熱交換本体部材20の中央部の4個の通路穴21を互いに連通するとともに熱交換本体部材20の外周面上の1箇所に開口している。
この連通穴24には高圧冷媒通路16bのための出口側のコネクタ部25が接続される。このコネクタ部25は、アルミニウム合金を鍛造加工により直方体状に成形したもので、コネクタ部25のうち熱交換本体部材20の外周面に接する面は円弧状になっている。
また、コネクタ部25には、連通穴24と一直線上に連通する連通穴26が穴開け(切削)加工により形成してある。コネクタ部25は熱交換本体部材20の外周面(側面部)に配置されろう付けにより接合される。
熱交換本体部材20の長手方向の一端部の円形断面には補助キャップ部材27が配置される。この補助キャップ部材27は4個の通路穴21の配列方向に沿って延びる長円状の板部材を有し、この板部材から通路穴21側に向かって円柱状の突出部27aを突出させた形状になっている。
この突出部27aは4個の通路穴21にそれぞれ対応して4個成形されている。この補助キャップ部材27は具体的にはアルミニウム合金を鍛造により成形したものである。そして、熱交換本体部材20の長手方向の一端部の円形断面において各通路穴21に補助キャップ部材27の突出部27aを挿入して、各通路穴21の周縁部にそれぞれ補助キャップ部材27をろう付けにより接合する。これにより、各通路穴21の端部を補助キャップ部材27で閉塞するようになっている。
ここで、補助キャップ部材27として、複数の通路穴21にそれぞれ対応して独立に成形された複数の補助キャップ部材を用いて、複数の通路穴21の端部を閉塞するようにしてもよい。
主キャップ部材28は円筒形状の一端部を閉塞した有底円筒形状の部材であり、アルミニウム合金を鍛造加工により有底円筒形状に成形したものである。主キャップ部材28の内径は、熱交換本体部材20の外径より微小量大きく設計して、主キャップ部材28の開口側の端部を熱交換本体部材20の外周上に嵌合できるようになっている。主キャップ部材28は熱交換本体部材20の外周上にろう付けにより接合される。
これにより、主キャップ部材28の内壁面と熱交換本体部材20の一端部との間に円筒状の内部空間29(図3(c)参照)が形成され、この内部空間29に熱交換本体部材20の通路穴22、23が開口する。また、主キャップ部材28の円筒面には内部空間29を外部に開口する連通穴30が穴開け(切削)加工により形成してある。
この連通穴30には低圧冷媒通路16aのための入口側のコネクタ部31が接続される。このコネクタ部31は、アルミニウム合金を鍛造加工により直方体状に成形したものである。また、コネクタ部31には、連通穴30と一直線上に連通する連通穴32が穴開け(切削)加工により形成してある。コネクタ部31は主キャップ部材28の円筒面(外周面)に配置されろう付けにより接合される。
ここで、図2、図3では、コネクタ部31を熱交換本体部材20および主キャップ部材28の円周方向に対してコネクタ部25と同一位置に配置する例について図示しているが、連通穴30の開口位置は主キャップ部材28の円筒面の円周方向に対して自由に選択できるので、コネクタ部31の位置も熱交換本体部材20および主キャップ部材28の円周方向に対して自由に選択できる。また、必要に応じて、コネクタ部31を主キャップ部材28の円筒底面部(熱交換器長手方向端部)に配置してもよい。
なお、図2、図3では、前述したように、熱交換本体部材20の長手方向の一端部(左端部)における通路接続構成のみを示しているが、熱交換本体部材20の長手方向の他端部(右端部)においても同一の通路接続構成を設定する。すなわち、熱交換本体部材20の長手方向の他端部(右端部)では、補助キャップ部材27と同一構成の補助キャップ部材を用いて各通路穴21の端部を閉塞するとともに、各通路穴21相互間を連通穴24と同一の連通穴により連通する。
そして、コネクタ部25と同一のコネクタ部の連通穴を熱交換本体部材20側の連通穴に連通する。これにより、コネクタ部の連通穴から熱交換本体部材20側の連通穴を通して通路穴21の他端部(右端部)付近に高圧冷媒を流入できる。
また、熱交換本体部材20の長手方向の他端部(右端部)側にも、有底円筒形状の主キャップ部材28と同一構成の主キャップ部材を嵌合して接合し、この主キャップ部材にコネクタ部31と同一構成のコネクタ部を接合する。これにより、熱交換本体部材20の長手方向の他端部(右端部)における主キャップ部材およびコネクタ部によって低圧冷媒の出口通路部を構成できる。
次に、上記構成において本実施形態の作動を説明する。最初に、図1の冷凍サイクル(CO2サイクル)の作動を説明すると、冷媒は圧縮機10により圧縮されて昇圧する。ここで、CO2サイクルでは、圧縮機10の吐出冷媒を通常、臨界圧力よりも高い領域まで圧縮するので、放熱器11では吐出冷媒が超臨界状態のまま室外空気と熱交換して放熱する。
放熱器11で放熱して温度低下した高圧冷媒は、内部熱交換器16の高圧冷媒通路16bを通過して減圧装置12に流入し、ここで減圧されて低温低圧の気液2相状態になる。この低圧冷媒は次に蒸発器13に流入し、ここで室内空調ユニット14の送風空気から蒸発潜熱を奪って液相冷媒が蒸発する。
これにより、室内空調ユニット14の送風空気を蒸発器13にて冷却でき、室内空調ユニット14から車室内へ冷風を吹き出して車室内を冷房できる。蒸発器13を通過した低圧冷媒はアキュムレータ15および内部熱交換器16の低圧冷媒通路16aを通過して圧縮機10に吸入される。
ところで、内部熱交換器16においてアキュムレータ15出口側の低温の低圧冷媒と、放熱器11出口側の高温の高圧冷媒とを熱交換するから、蒸発器13の入口側における冷媒のエンタルピが、内部熱交換器16を設定しない場合に比べて、内部熱交換器16での熱交換量相当分だけ小さくなる。
従って、蒸発器13の入口と出口とのエンタルピ差が、内部熱交換器16を設定しない場合に比べて、上記蒸発器入口冷媒のエンタルピ減少分だけ大きくなるので、蒸発器13の冷却能力を向上できる。
次に、本実施形態の内部熱交換器16部分の作動を説明する。放熱器11出口側の高温の高圧冷媒は熱交換本体部材20の右端部側に位置するコネクタ部(図示せず)から熱交換本体部材20の連通穴(図示せず)を通過して中央部の通路穴21の右端部に流入する。
この高温の高圧冷媒は、通路穴21を図2(b)の矢印aのように右側から左側へと流れた後に、連通穴24を通過してコネクタ部25の連通穴26へと流れる。更に、高圧冷媒はコネクタ部25に接続される高圧冷媒配管を通過して図1の減圧装置12へ向かって流れる。
一方、アキュムレータ15出口側の低温の低圧冷媒は熱交換本体部材20の左端部側に位置するコネクタ部31から主キャップ部材28の連通穴30を通過して主キャップ部材28の内部空間29に流入する。この内部空間29から合計6個の通路穴22、23に低圧冷媒が分配され、この通路穴22、23を低圧冷媒が図2(b)の矢印bのように左側から右側へと流れる。
そして、この通路穴22、23の低圧冷媒は右端部側の主キャップ部材(図示せず)の内部空間に集合し、この主キャップ部材に接合されるコネクタ部(図示せず)から熱交換器16外部へ取り出される。低圧冷媒はこのコネクタ部に接続される低圧冷媒配管を通過して圧縮機1の吸入側へ向かう。
熱交換本体部材20においては、通路穴21を通過する高圧冷媒と通路穴22、23を通過する低圧冷媒の流れ方向が逆方向となり、効率のよい対向流にて高圧冷媒と低圧冷媒との熱交換を行うことができる。
更に、高圧冷媒通路16bを構成する通路穴21を4個に細密化し、また、低圧冷媒通路16aを構成する通路穴22、23は合計6個に細密化しているので、高圧冷媒と低圧冷媒間の合計伝熱面積を、図17のような単純な二重管構造の従来技術に比して大幅に増大できる。このため、熱交換本体部材20の長手方向寸法を図17の従来技術(単純な二重管構造)より短縮しても必要な熱交換性能を確保できる。これと同時に、通路穴21〜23の細密化により耐圧性も向上できる。
また、本実施形態では、高圧冷媒通路16bを構成する中央部の4個の通路穴21を一直線状に配置し、この通路穴21相互間を熱交換本体部材20の半径方向に延びる連通穴24により連通させ、この連通穴24を熱交換本体部材20の外周面上に開口するから、高圧冷媒通路16bに対する出口側コネクタ部25および入口側コネクタ部(図示せず)を熱交換本体部材20の外周面上、すなわち、熱交換本体部材20の側面部に配置できる。
換言すると、本実施形態では、高圧冷媒通路16bの出口側コネクタ部25および入口側コネクタ部(図示せず)を熱交換本体部材20の長手方向の外方側に配置する必要がなく、熱交換本体部材20の長手方向寸法の範囲内に配置できる。そのため、図18、図19の従来技術と比較しても、内部熱交換器16全体の長手方向寸法を短縮でき、内部熱交換器16の車両搭載性を向上できる。
また、本実施形態では、 高圧冷媒通路16bの出口側コネクタ部25および入口側コネクタ部(図示せず)を熱交換本体部材20の外周面上に配置し、熱交換本体部材20の外周面上から直接、高圧冷媒の入出を行うようにしているので、出口側コネクタ部25および入口側コネクタ部(図示せず)をそれぞれ1つの単純な形状の部品とすることができる。そのため、図18、図19の従来技術に比較して部品点数、接合箇所の低減により製造コストを低減できる。
また、図20、図21に示す検討例に比較すると、切削加工により形成する小径円筒部が不要になるので、切削加工工数を低減して製造コストを一層低減できる。また、小径円筒部による耐振強度の低下という不具合も解消できる。
(第2実施形態)
第1実施形態では、高圧冷媒通路16b側のコネクタ部25を円柱状熱交換本体部材20の外周面(側面部)に配置し、低圧冷媒通路16a側のコネクタ部31を主キャップ部材28に配置しているが、第2実施形態では、図4、図5に示すように高圧冷媒通路16b側のコネクタ部25および低圧冷媒通路16a側のコネクタ部31を両方とも円柱状熱交換本体部材20の外周面(側面部)に配置する。
図4は図2(a)に対応する分解斜視図で、図5は図3(b)に対応する断面図である。高圧冷媒通路16b側のコネクタ部25は第1実施形態と同一構成である。主キャップ部材28は第1実施形態の内部空間29および連通穴30を持たない有底円筒形状あるいは円板形状の部材であり、円柱状熱交換本体部材20の長手方向の端部に接合され、全部の通路穴21〜23を閉塞する。
したがって、主キャップ部材28に各通路穴21〜23内に挿入される円柱状の突出部(補助キャップ部材27の円柱状突出部27aと同様のもの)を一体成形しておけば、通路穴21〜23の閉塞のためのシール性を向上できるとともに、主キャップ部材28の接合時の位置決めが容易となる。
一方、円柱状熱交換本体部材20において長手方向の端部付近に、図5に示すように低圧冷媒通路16aを構成する3個の上側通路穴22相互間を連通する連通穴33および3個の下側通路穴23相互間を連通する連通穴34が設けてある。この連通穴33、34はそれぞれ円柱状熱交換本体部材20の外周面の円周方向において中央部の通路穴21の連通穴24と反対側の部位に開口している。
低圧冷媒通路16a側のコネクタ部31は、円柱状熱交換本体部材20の直径より僅かに小さい高さを有する直方体状の箱状部材であり、上記の両連通穴33、34と連通する連通穴32a、32bを設けている。すなわち、連通穴33と連通穴32aとが、また、連通穴34と連通穴32bとがそれぞれ連通するようにしてコネクタ部31は円柱状熱交換本体部材20の外周面に配置され接合される。
コネクタ部31には、低圧冷媒が流入する入口部31aおよびこの入口部31aに連通する内部空間31bが形成してある。この内部空間31bに連通穴32a、32bを連通させている。従って、コネクタ部31の低圧冷媒は、入口部31a→内部空間31b→連通穴32a、32bを経て円柱状熱交換本体部材20の連通穴33、34から上下両側の通路穴22、23に分配される。
なお、図4、5においても、図2、図3と同様に円柱状熱交換本体部材20の長手方向の一端側の構成のみを図示しているが、第2実施形態でも円柱状熱交換本体部材20の長手方向の他端側に図4、5と同様のコネクタ部を配置すればよい。
第2実施形態によると、高圧冷媒通路16b側のコネクタ部25および低圧冷媒通路16a側のコネクタ部31の両方を円柱状熱交換本体部材20の外周面(側面部)に配置するから、第1実施形態に比較して内部熱交換器16の長手方向寸法をより一層短縮できるという利点がある。
(第3実施形態)
図6は第3実施形態であり、第1、第2実施形態における低圧冷媒通路16を構成する3個の上側通路穴22および3個の下側通路穴23をそれぞれ扁平断面形状(長円状)からなる1個の扁平穴にて構成している。この通路穴22、23の扁平断面形状は中央部の4個の通路穴21の配列方向(円柱状熱交換本体部材20の径方向)に沿って延びる形状になっている。
第3実施形態においても、中央部の通路穴21に連通するコネクタ部25、すなわち、高圧冷媒通路16b側のコネクタ部25を円柱状熱交換本体部材20の外周面(側面部)に配置することにより、第1実施形態と同様の効果を発揮できる。
(第4実施形態)
第1、第2実施形態では、円柱状熱交換本体部材20の中央部に位置する4個の通路穴21により高圧冷媒通路16bを構成しているが、第4実施形態では図7に示すように、円柱状熱交換本体部材20の中央部に2個の断面楕円状の通路穴21を設けて、この2個の断面楕円状の通路穴21を連通穴24によりコネクタ部25の連通穴26に連通している。このようにしても第1実施形態と同様の効果を発揮できる。
(第5実施形態)
図8は第5実施形態であり、第1、第2実施形態における低圧冷媒通路16aを構成する通路穴22、23と、高圧冷媒通路16bを構成する通路穴21の配置形態を変更している。すなわち、第5実施形態では、高圧冷媒通路16bを構成する通路穴21を断面楕円状の1個の穴とし、この1個の断面楕円状の通路穴21を円柱状熱交換本体部材20の中心部から外周面側、すなわち、コネクタ部25の接合部位側に偏って配置している。
そして、円柱状熱交換本体部材20の円形断面において、1個の断面楕円状の通路穴21の外側を囲むように、円形穴からなる7個の通路穴22をC状に配置している。
第5実施形態によると、通路穴21をコネクタ部25側に偏って配置することにより、連通穴24は円柱状熱交換本体部材20の外周面からの深さが非常に小さい穴とすることができ、連通穴24の穴開け加工が簡単になる。
(第6実施形態)
第5実施形態では、断面楕円状の通路穴21を1個設けるとともに、この通路穴21の楕円状の長軸方向を連通穴24の穴開け方向(冷媒流れ方向)と一致させているが、第6実施形態では図9に示すように、断面楕円状の通路穴21を2個設けるとともに、この通路穴21の楕円状の長軸方向を連通穴24の穴開け方向(冷媒流れ方向)に対して垂直な方向に設定している。このようにしても第5実施形態と同様に、連通穴24の穴開け加工を簡単にすることができる。
(第7実施形態)
上記の各実施形態では、熱交換本体部材20を円柱状に形成しているが、本発明熱交換器は熱交換本体部材20を円柱状以外の種々な柱形状にて構成できる。
図10は第7実施形態を示すもので、図10(a)は分解斜視図で、図10(b)は図10(a)のA−A断面図(高圧冷媒側コネクタ部の断面図)である。第7実施形態では、熱交換本体部材20を、円形外周面の一部に平坦面20aを有する断面D形状の柱形状に形成している。これに伴って、主キャップ部材28も円形外周面の一部に平坦面28aを有する断面D形状の有底筒形状に形成している。
そして、熱交換本体部材20および主キャップ部材28の平坦面20a、28aにそれぞれコネクタ部25、31を配置している。これにより、熱交換本体部材20とコネクタ部25とを互いに平坦面20aにて接合できるとともに、主キャップ部材28とコネクタ部31とを互いに平坦面28aにて接合できる。
そのため、コネクタ部25、31に円弧状の接合面を加工する必要がなくなり、コネクタ部25、31の加工コストを低減できる。また、熱交換本体部材20の連通穴24および主キャップ部材28の連通穴30も平坦面20a、28aに開けるので、その穴開け加工が容易になる。
(第8実施形態)
図11は第8実施形態を示すもので、図11(a)は分解斜視図で、図11(b)は図11(a)のB−B断面図(高圧冷媒側コネクタ部25の断面図)である。第8実施形態では、第7実施形態に対して熱交換本体部材20および主キャップ部材28の断面形状を四角形にしている。
第8実施形態においても、熱交換本体部材20および主キャップ部材28の平坦面20a、28aにそれぞれコネクタ部25、31を配置し接合しているので、第7実施形態と同様の作用効果を発揮できる。
なお、熱交換本体部材20および主キャップ部材28の断面形状としては、その他に、六角形、八角形等の多角形状としてもよい。
また、図6〜図11に示す第3〜第8実施形態において、第2実施形態と同様に、低圧冷媒通路16a側のコネクタ部31を柱状の熱交換本体部材20の外周面(側面部)に配置するようにしてもよい。
(第9実施形態)
図12は第9実施形態を示すもので、主キャップ部材28の外周面に低圧冷媒側のコネクタ部31を一体成形したものである。具体的には、アルミニウム合金の鍛造加工等により主キャップ部材28と低圧冷媒側コネクタ部31との一体構造を成形する。なお、主キャップ部材28の連通穴30(図3(c)参照)とコネクタ部31の連通穴32は一度の穴開け加工により加工できる。
(第10実施形態)
図13は第10実施形態を示すもので、主キャップ部材28に補助キャップ部材27を一体成形している。すなわち、主キャップ部材28の内部空間29の底面部に補助キャップ部材27を円柱状に突き出すように一体成形している。この一体成形も具体的にはアルミニウム合金の鍛造加工等により行う。
(第11実施形態)
図14は第11実施形態を示すもので、高圧冷媒側コネクタ部25と低圧冷媒側コネクタ部31とを1つのコネクタ部35として一体成形している。すなわち、略直方体状の形状からなる1つのコネクタ部35に、高圧冷媒側の連通穴26および低圧冷媒側の連通穴32を開けるとともに、このコネクタ部35に段付き状の2つの平坦面35a、35bを形成している。そして、連通穴26側の平坦面35aを熱交換本体部材20の平坦面20aに接合し、連通穴32側の平坦面35bを主キャップ部材28の平坦面28aに接合している。
以上により、高圧冷媒側および低圧冷媒側の2つのコネクタ部を1つのコネクタ部35として一体成形できる。
(第12実施形態)
図15は第12実施形態を示すもので、熱交換本体部材20における通路穴21〜23の断面形状を矩形状にしている。すなわち、通路穴21〜23は上記各実施形態のような断面円形穴に限らず、矩形状してよい。さらには、通路穴21〜23を多角形状にしてもよい。
(第13実施形態)
図16は第13実施形態を示すもので、冷凍サイクルの冷媒と水との間で熱交換を行う水冷媒熱交換器160に本発明を適用したものである。
水冷媒熱交換器160は、車両エンジン(図示せず)の冷却水が流れる水通路160aと圧縮機10の高圧吐出冷媒が流れる冷媒通路160bとを有している。車両エンジンの冷却水は周知のように防錆剤、凍結防止剤等の成分を水に添加したものであるから、水冷媒熱交換器160における水という用語は、水を含む冷却媒体という意味で用いている。
水通路160aは、上記各実施形態における熱交換本体部材20の通路穴21と通路穴22、23のうちいずれか一方により構成され、冷媒通路160bは通路穴21と通路穴22、23のうち他方により構成される。
なお、水冷媒熱交換器160は上記各実施形態における内部熱交換器16に対して2つの通路160a、160bを流れる流体が相違するのみで、熱交換器構成自体は上記各実施形態と同じでよい。
次に、水冷媒熱交換器160の作用効果を説明すると、冬期の暖房時には、車両エンジンの始動直後にはエンジン冷却水温度が外気温度付近の低温になっている。そこで、冬季の暖房時においてエンジン冷却水温度が所定温度より低いときは、冷凍サイクルの圧縮機10を車両エンジンにより駆動して、圧縮機10の高圧吐出冷媒を水冷媒熱交換器160の冷媒通路160bに流入させる。
一方、車両エンジンの冷却水を、車両エンジンのウォータポンプ(図示せず)の作動により水通路160aに流入させる。ここで、圧縮機10の高圧吐出冷媒の温度はエンジン冷却水温度より十分高いので、水冷媒熱交換器160において高圧吐出冷媒によりエンジン冷却水を加熱して、エンジン冷却水温度を速やかに上昇できる。これにより、車両エンジンの暖機時間を短縮して燃費を向上できる。
これに対し、夏期の冷房時には、車両エンジンの始動時に エンジン冷却水温度が外気温度付近の低温になっているので、圧縮機10の高圧吐出冷媒を水冷媒熱交換器160においてエンジン冷却水と熱交換して高圧吐出冷媒をエンジン冷却水にて冷却(放熱)することができる。
すなわち、夏期の冷房時には車両エンジンの始動直後に高圧吐出冷媒の放熱能力を、低温のエンジン冷却水を有効利用して一時的に上昇できる。よって、車両エンジンの始動直後における冷房性能の向上を図ることができる。
(他の実施形態)
なお、前述した第1〜第12実施形態では、柱状の熱交換本体部材20の中央部の通路穴21により高圧冷媒通路16bを構成し、この中央部の通路穴21の周りに位置する通路穴22、23により低圧冷媒通路16aを構成しているが、各通路穴の形状、大きさ、個数の変更等によって、柱状の熱交換本体部材20の中央部の通路穴21により低圧冷媒通路16aを構成し、この中央部の通路穴21の周りに位置する通路穴22、23により高圧冷媒通路16bを構成するようにしてもよい。
また、前述した第1〜第12実施形態では、冷凍サイクルの低圧冷媒と高圧冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器16について説明し、第13実施形態では、冷凍サイクルの冷媒と水との間で熱交換を行う水冷媒熱交換器について説明したが、本発明はこのような用途に限定されることなく、種々な用途の熱交換器に広く適用できる。
本発明は、要するに、柱状の単一素材により構成される熱交換用本体部材20に、柱状の長手方向に延びる第1流体通路および第2流体通路を形成する熱交換器に対して広く適用できるものであって、その用途は限定されない。
本発明の第1実施形態を適用する冷凍サイクルの構成図である。 (a)は第1実施形態による内部熱交換器の分解斜視図、(b)は同内部熱交換器の熱交換本体部材の斜視図である。 (a)は第1実施形態による内部熱交換器の組付状態の斜視図、(b)は同内部熱交換器の高圧冷媒側コネクタ部の断面図、(c)は同内部熱交換器の低圧冷媒側コネクタ部の断面図である。 第2実施形態による内部熱交換器の分解斜視図である。 第2実施形態による内部熱交換器の両コネクタ部の断面図である。 第3実施形態による内部熱交換器の高圧冷媒側コネクタ部の断面図である。 第4実施形態による内部熱交換器の高圧冷媒側コネクタ部の断面図である。 第5実施形態による内部熱交換器の高圧冷媒側コネクタ部の断面図である。 第6実施形態による内部熱交換器の高圧冷媒側コネクタ部の断面図である。 (a)は第7実施形態による内部熱交換器の分解斜視図で、(b)は(a)のA−A断面図である。 (a)は第8実施形態による内部熱交換器の分解斜視図で、(b)は(a)のB−B断面図である。 第9実施形態による主キャップ部材とコネクタ部との一体化構造を示す斜視図である。 第10実施形態による主キャップ部材と補助キャップ部材との一体化構造を示す斜視図である。 (a)は第11実施形態による内部熱交換器の分解斜視図で、(b)は(a)のB−B断面図、(c)は(b)のA−A断面図である。 第12実施形態による内部熱交換器の高圧冷媒側コネクタ部の断面図である。 第13実施形態を適用する冷凍サイクルの構成図である。 (a)は従来技術による内部熱交換器の縦断面図で、(b)は(a)のA−A断面図である。 従来技術による内部熱交換器の一部の斜視図である。 図18の内部熱交換器の要部断面図である。 本発明者の検討例による内部熱交換器の分解斜視図である。 図20の内部熱交換器の要部断面図である。
符号の説明
16…内部熱交換器、16a…低圧冷媒通路(第1流体通路)、
16b…高圧冷媒通路(第2流体通路)、20…熱交換用本体部材、
21〜23…通路穴、25、31…コネクタ部。

Claims (8)

  1. 柱状の単一素材により構成される熱交換用本体部材(20)に、前記柱状の長手方向に延びる複数の通路穴(21〜23)が形成され、
    前記複数の通路穴は、前記円柱状の半径方向の中心側に位置する中心側の通路穴(21)と、前記中心側の通路穴(21)に対して前記円柱状の半径方向の一方および他方の両外側に位置する両外側の通路穴(22、23)とから構成され、
    前記中心側の通路穴(21)は、前記円柱状の半径方向に一直線上に並列配置された複数の穴であり、また、前記両外側の通路穴(22、23)は前記中心側の通路穴(21)に沿って一直線上に並列配置された複数の穴であり、
    前記両外側の通路穴(22、23)により前記柱状の長手方向に延びる第1流体通路(16a)が形成され、
    前記中心側の通路穴(21)により前記柱状の長手方向に延びる第2流体通路(16b)が形成され、
    前記中心側の通路穴(21)相互間を連通する連通穴(24)が前記熱交換用本体部材(20)に前記円柱状の半径方向に向くように設けられ、
    前記第2流体通路(16b)に流体を入出させるコネクタ部(25)が前記連通穴(24)と連通するようにして前記柱状の側面部に配置され、
    前記熱交換用本体部材(20)において前記円柱状の長手方向の両端部には、前記中心側の通路穴(21)を閉塞する補助キャップ部材(27)、および前記両外側の通路穴(22、23)と連通する内部空間(29)を有する主キャップ部材(28)が接合され、
    前記主キャップ部材(28)に、前記内部空間(29)を通して前記第1流体通路(16a)に流体を入出させる別のコネクタ部(31)が備えられていることを特徴とする熱交換器。
  2. 前記補助キャップ部材(27)と前記主キャップ部材(28)が一体成形されていることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  3. 前記主キャップ部材(28)と前記第1流体通路(16a)側の別のコネクタ部(31)が一体成形されていることを特徴とする請求項に記載の熱交換器。
  4. 前記第2流体通路(16b)側のコネクタ部(25)と前記第1流体通路(16a)側の別のコネクタ部(31)が1つのコネクタ部(35)として一体成形されていることを特徴とする請求項に記載の熱交換器。
  5. 柱状の単一素材により構成される熱交換用本体部材(20)に、前記柱状の長手方向に延びる複数の通路穴(21〜23)が形成され、
    前記複数の通路穴は、前記円柱状の半径方向の中心側に位置する中心側の通路穴(21)と、前記中心側の通路穴(21)に対して前記円柱状の半径方向の一方および他方の両外側に位置する両外側の通路穴(22、23)とから構成され、
    前記中心側の通路穴(21)は、前記円柱状の半径方向に一直線上に並列配置された複数の穴であり、また、前記両外側の通路穴(22、23)は前記中心側の通路穴(21)に沿って一直線上に並列配置された複数の穴であり、
    前記両外側の通路穴(22、23)により前記柱状の長手方向に延びる第1流体通路(16a)が形成され、
    前記中心側の通路穴(21)により前記柱状の長手方向に延びる第2流体通路(16b)が形成され、
    前記中心側の通路穴(21)相互間を連通する第1連通穴(24)が前記熱交換用本体部材(20)に前記円柱状の半径方向に向くように設けられ、
    前記両外側の通路穴(22、23)のうち、前記円柱状の半径方向の一方側の通路穴(22)相互間を連通する第2連通穴(33)および前記円柱状の半径方向の他方側の通路穴(23)相互間を連通する第3連通穴(34)が前記熱交換用本体部材(20)に前記第1連通穴(24)と平行な方向に向くように設けられ、
    前記第1流体通路(16a)に流体を入出させるコネクタ部(31)が前記第2連通穴(33)および前記第3連通穴(34)と連通するようにして前記柱状の側面部に配置され、
    前記第2流体通路(16b)に流体を入出させる別のコネクタ部(25)が前記第1連通穴(24)と連通するようにして前記柱状の側面部において前記第1流体通路(16a)側のコネクタ部(31)の反対側部位に配置され
    前記熱交換用本体部材(20)の前記円柱状の長手方向両端部には、前記中心側の通路穴(21)および前記両外側の通路穴(22、23)の全部を閉塞するキャップ部材(28)が接合されていることを特徴とする熱交換器。
  6. 前記熱交換用本体部材(20)は前記柱状の単一素材の外周面の少なくとも一部に平坦面(20a)を有しており、
    前記円柱状の側面部に配置される前記コネクタ部(25、31)が前記平坦面(20a)に配置され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. 請求項1ないしのいずれか1つに記載の熱交換器により構成され、
    前記第1流体通路(16a)および前記第2流体通路(16b)のいずれか一方に低圧冷媒が流れ、他方に高圧冷媒が流れることを特徴とする冷凍サイクルの内部熱交換器。
  8. 請求項1ないしのいずれか1つに記載の熱交換器により構成され、
    前記第1流体通路(16a)および前記第2流体通路(16b)のいずれか一方に冷凍サイクルの冷媒が流れ、他方に水が流れることを特徴とする冷凍サイクルの水冷媒熱交換器。
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