JP4400332B2

JP4400332B2 - 車両用空調装置

Info

Publication number: JP4400332B2
Application number: JP2004181082A
Authority: JP
Inventors: 伸西田; 秀一水野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2024-06-18
Also published as: CN1709735A; JP2006001455A; DE102005027674A1; US20060042308A1; CN100384652C

Description

本発明は、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を備える車両用空調装置に関するものである。

車両用の冷却装置および空調装置における熱交換器は年々高性能化や小型化が図られている一方、車両の高機能化やシステムの複雑化にともない必要とされる熱交換器の数やその放熱能力が増大している。

近年の高機能化が進んだ車両においては、搭載される機能品が増加していること、および車両の衝突安全性の向上から、機能品のエンジンルームへの搭載位置的条件が厳しくなってきており、特に新規に増設される熱交換器の設置個所については、その確保が困難を極めることとなっている。

ここで、近年開発が進んでいる炭酸ガスを冷媒とする空調装置においては、放熱器を通過した後の冷媒と圧縮機に吸入される前の冷媒の熱交換を行って冷凍サイクルの効率を向上させる内部熱交換器の設置が必須であり、前述した車両側の制限からその搭載手法が単にインストールの問題だけではなく、システムトータルのコストに対して大きな影響をもたらすことになる。

このような搭載の問題を解決するために、次のようないくつかの提案がなされている。すなわち、液相冷媒を貯蔵するアキュムレータに内部熱交換器を内蔵したもの（例えば、特許文献１、２参照）、圧縮機から吐出された冷媒を冷却する放熱器と内部熱交換器とを一体にしたもの（例えば、特許文献３参照）、さらには、内部熱交換器をアキュムレータや放熱器と一体にしたもの（例えば、特許文献４参照）が提案されている。
特開２００２−２０６８２３号公報特開平１０−１７６８９１号公報特開２０００−３１８４３２号公報特開２０００−９７５０４号公報

しかしながら、アキュムレータに内部熱交換器を内蔵した装置では、冷凍サイクルの配管の取りまわしは簡素になるが、アキュムレータ内部に熱交換器を設けることで、アキュムレータ自体が非常に大型になるという問題がある。

また、放熱器と内部熱交換器とを一体にした装置では、内部熱交換器を放熱器と同じ位置に配置することから搭載性は優れるものの、空気流れに対して並列に配置するため放熱器の正面面積を制限することになり、放熱器の放熱性能を低下させるという問題がある。

さらに、内部熱交換器をアキュムレータや放熱器と一体にした装置では、上述した両方の問題、すなわち、アキュムレータの大型化および放熱器の放熱性能の低下という問題をかかえることになってしまう。

本発明は上記点に鑑みて、アキュムレータの大型化や放熱器の放熱性能の低下を招くことなく、内部熱交換器の搭載性を向上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、水冷エンジンを冷却した冷却水と外気とを熱交換して冷却水を冷却するラジエータ（３０）と、ラジエータ（３０）の車両後方側に配置されて空気流を発生させる２つの送風機（３１）と、送風機（３１）の外周側を覆って、送風機（３１）によって発生させた空気流がラジエータ（３０）を通過するように空気流をガイドする長方形のファンシュラウド（３２）とを備える車両に搭載され、冷凍サイクルの冷媒を吸入、圧縮する圧縮機（１０）と、圧縮機（１０）から吐出された冷媒と外気とを熱交換して冷媒を冷却する放熱器（１１）と、放熱器（１１）を通過した後の冷媒と圧縮機（１０）に吸入される前の冷媒との熱交換を行う内部熱交換器（１５）とを備え、ファンシュラウド（３２）の車両後方側で且つ送風機（３１）の外周側のスペースに、内部熱交換器（１５）の少なくとも一部が設置され、さらに、内部熱交換器（１５）は、コの字状であり、中間部位が２つの送風機（３１）間に配置され、一端側部位が一方の送風機（３１）の上部に配置され、他端側部位が一方の送風機（３１）の下部に配置されていることを特徴とする。

これによると、従来有効に使われていなかったスペースを利用するため、内部熱交換器の設置のためにエンジンルーム内に新たにスペースを確保する必要がない。

また、内部熱交換器をアキュムレータや放熱器と一体にするものではないため、アキュムレータの大型化や放熱器の放熱性能の低下を招くことなく、内部熱交換器の搭載性を向上することができる。

請求項２に記載の発明では、内部熱交換器（１５）は、高温冷媒が流れる通路と低温冷媒が流れる通路とを有する熱交換部（１５０、１５１、１５２）を備え、熱交換部（１５０、１５１、１５２）は、押出し加工あるいは引抜き加工によって作成されたものであることを特徴とする。

これによると、押出し加工あるいは引抜き加工にて形成した熱交換部は、耐圧性が高いため、冷媒圧力が高くなるＣＯ_２サイクルに用いる内部熱交換器用として好適である。

請求項３に記載の発明のように、熱交換部（１５０）は円柱形状であってもよいし、請求項４に記載の発明のように、熱交換部（１５１、１５２）は板状であってもよい。また、請求項５に記載の発明のように、熱交換部（１５２）は、板状の熱交換部構成部材（１５２０）を複数枚接合したものでもよい。

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。なお、以下に説明する第１、第７、第８実施形態が特許請求の範囲に記載した発明の実施形態であり、第２〜第６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は第１実施形態に係る車両用空調装置の構成を模式的に示すもので、この車両用空調装置の冷凍サイクルは、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は車両の水冷エンジンＥにより駆動されるもので、冷媒（ＣＯ_２）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。

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）と外気とを熱交換して吐出冷媒を冷却する。

膨張弁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。

蒸発器１３は、膨張弁１２の出口側に接続され、室内空調ユニット２０内に設置される。この室内空調ユニット２０は、車室内の計器盤内側等に配置され、送風機と電動機からなる空調用送風機２１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１４は、蒸発器１３の出口側に接続され、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１４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１５は、アキュムレータ１４から流出して圧縮機１０に吸入さ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。そのため、内部熱交換器１５には、低圧冷媒が流れる低圧冷媒通路と高圧冷媒が流れる高圧冷媒通路が形成されている。

次に、上記構成になる装置の、冷凍サイクルの作動を説明する。まず、冷媒は圧縮機１０により圧縮されて昇圧する。ここで、ＣＯ_２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外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１５の高圧冷媒通路を通過して膨張弁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２０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２０の送風空気を蒸発器１３にて冷却でき、室内空調ユニット２０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１４および内部熱交換器１５の低圧冷媒通路を通過して圧縮機１０に吸入される。

ところで、内部熱交換器１５においてアキュムレータ１４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１５を設定しない場合に比べて、内部熱交換器１５での熱交換量相当分だけ小さくなる。

したがって、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１５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、内部熱交換器１５の搭載位置等について、図２、図３に基づいて説明する。図２はファンシュラウド近傍を車両側方から見た状態の図、図３はファンシュラウド近傍を車両斜め後方から見た状態の斜視図である。

車両のエンジンルーム内には、車両のエンジンＥ（図１参照）を冷却する冷却装置が搭載されており、その冷却装置は、ラジエータ３０と、２つの送風機３１と、ファンシュラウド３２とを備えている。

ラジエータ３０は、放熱器１１の車両後方側に配置され、エンジンＥを冷却した冷却水と外気とを熱交換して冷却水を冷却する。

送風機３１は、空気流を発生させるファン３１０と、このファン３１０を駆動する電動機３１１とから構成されている。また、送風機３１は、ラジエータ３０の車両後方側に配置され、放熱器１１とラジエータ３０に外気を送風する。

ファンシュラウド３２は、ファン３１０を囲む円筒形状の２つの円筒部３２０と、円筒部３２０の周囲の略平面状の平板部３２１とを有する。そして、送風機３１の外周側を円筒部３２０によって覆うとともに、ラジエータ３０のコア面のうちファン３１０と対向していない部位を平板部３２１によって覆うことにより、ファン３１０によって発生させた空気流が放熱器１１およびラジエータ３０を通過するように空気流をガイドする。また、ファンシュラウド３２は、電動機３１１を保持する機能も有している。

内部熱交換器１５は、ファンシュラウド３２の車両後方側で、且つ送風機３１の外周側のスペースに設置されている。換言すると、内部熱交換器１５は、ファンシュラウド３２における平板部３２１の車両後方側で、且つファンシュラウド３２における円筒部３２０の外周側のスペースに設置されている。

内部熱交換器１５は略コの字状に曲げられており、中間部の直線状部分が２つの送風機３１間に配置され、一端側の直線状部分が一方の送風機３１の上部に配置され、他端側の直線状部分が一方の送風機３１の下部に配置されている。

ここで、内部熱交換器１５における熱交換部の構成について説明する。図４は熱交換部の断面構造を示すもので、熱交換部１５０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、熱交換部１５０は、アルミニウム合金を押出し加工あるいは引抜き加工して円柱形状に形成されるとともに、円柱の長手方向に多数の通路１５０ａ、１５０ｂが貫通している。

そして、中心部に形成された第１通路１５０ａは、例えば高温冷媒が流れ、第１通路１５０ａの周囲に複数個形成された第２通路１５０ｂは、例えば低温冷媒が流れるようになっている。

本実施形態では、ファンシュラウド３２の車両後方側で且つ送風機３１の外周側のスペースに内部熱交換器１５を設置するため、すなわち、従来有効に使われていなかったスペースを利用するため、内部熱交換器１５の設置のためにエンジンルーム内に新たにスペースを確保しなくても、内部熱交換器１５をエンジンルーム内に設置することができる。

また、内部熱交換器１５をアキュムレータ１４や放熱器１１と一体にするものではないため、アキュムレータ１４の大型化や放熱器１１の放熱性能の低下を招くことなく、内部熱交換器１５の搭載性を向上することができる。

また、冷媒流れからは放熱器１１と内部熱交換器１５は近接していることが望ましく、放熱器１１と一体で構成されることの多いラジエータ３０およびファンシュラウド３２に内部熱交換器１５を収納することでこれに対応している。

また、押出し加工あるいは引抜き加工にて形成した熱交換部１５０は、耐圧性が高いため、冷媒圧力が高くなるＣＯ_２サイクルに用いる内部熱交換器１５用として好適である。

なお、内部熱交換器１５はその全体がファンシュラウド３２の車両後方側で且つ送風機３１の外周側のスペースにある必要はなく、一部がエンジンルームへ伸びていてもよい。換言すると、車両前方から見たときに、内部熱交換器１５の一部がファンシュラウド３２の投影面外に位置していてもよい。

（第２実施形態）
図５は第２実施形態に係る車両用空調装置のファンシュラウド近傍を車両側方から見た状態の図、図６は図５の右側面図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図５、図６に示すように、内部熱交換器１５は略コの字状に曲げられており、中間部の直線状部分が、ファンシュラウド３２の投影面内において送風機３１の車両幅方向外側に配置されている。また、送風機３１の上部および下部に配置された直線状部分は、ファンシュラウド３２の投影面内において車両幅方向のほぼ全域に亘って配置されている。本実施形態は、より長い内部熱交換器１５の搭載方法として好適である。

（第３実施形態）
図７は第３実施形態に係る車両用空調装置のファンシュラウド近傍を車両側方から見た状態の図、図８は図７の右側面図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図７、図８に示すように、ファンシュラウド３２の投影面内において送風機３１の上部または下部に大きなスペースがある場合、例えば細長いＵ字状に曲げた内部熱交換器１５をそのスペースに配置する。

（第４実施形態）
図９は第４実施形態に係る車両用空調装置のファンシュラウド近傍を車両側方から見た状態の図、図１０は図９の右側面図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図９、図１０に示すように、ファンシュラウド３２の投影面内において送風機３１の上部のみ、あるいは下部のみにスペースがある場合、そのスペースに内部熱交換器１５を配置する。内部熱交換器１５が横長のものにおいてもこの手法が有効である。

（第５実施形態）
図１１は第５実施形態に係る車両用空調装置のファンシュラウド近傍を車両側方から見た状態の図、図１２は図１１の右側面図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１１、図１２に示すように、ファンシュラウド３２の投影面内において送風機３１の車両幅方向外側に大きなスペースがある場合、例えば細長いＵ字状に曲げた内部熱交換器１５をそのスペースに配置する。

（第６実施形態）
図１３は第６実施形態に係る車両用空調装置のファンシュラウド近傍を車両斜め後方から見た状態の斜視図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１３に示すように、ファンシュラウド３２の投影面内において送風機３１の車両幅方向外側に、アキュムレータ１４および内部熱交換器１５を配置することにより、ファンシュラウド３２後方のデッドスペースをさらに有効に利用している。

また、放熱器１１と内部熱交換器を直接接続して、余計な配管等を不要にしている。さらに、アキュムレータ１４と内部熱交換器１５を、冷媒が流れる通路を接続するためのコネクタ部４０を介して直接接続している。これにより、アキュムレータ１５の出口冷媒を直接内部熱交換器１５の低圧側へ導き、システムを大幅に簡素化している。

（第７実施形態）
図１４は第７実施形態に係る車両用空調装置の熱交換部の断面構造を示す斜視図である。

図１４に示すように、内部熱交換器１５における熱交換部１５１は、アルミニウム合金を押出し加工あるいは引抜き加工して板状に形成されるとともに、多数の通路１５１ａ、１５１ｂが貫通している。

そして、例えば一方の列（図１４において上側の列）の第１通路１５１ａを高温冷媒が流れ、他方の列（図１４において下側の列）の第２通路１５１ｂを低温冷媒が流れ、壁面を介して高温冷媒と低温冷媒の熱交換を行う構造となっている。

（第８実施形態）
図１５は第８実施形態に係る車両用空調装置の熱交換部の断面構造を示す斜視図である。

図１５に示すように、内部熱交換器１５における熱交換部１５２は、アルミニウム合金を押出し加工あるいは引抜き加工して板状に形成された熱交換部構成部材１５２０を、複数枚（本例では３枚）重ねて接合している。

そして、熱交換部構成部材１５２０には多数の通路１５２１が形成されており、例えば中央の熱交換部構成部材１５２０の通路１５２１を高温冷媒が流れ、両側の熱交換部構成部材１５２０の通路１５２１を低温冷媒が流れるようになっている。

本発明の第１実施形態に係る車両用空調装置の構成を模式的に示す図である。第１実施形態に係る車両用空調装置のファンシュラウド近傍を車両側方から見た状態の図である。第１実施形態に係る車両用空調装置のファンシュラウド近傍を車両斜め後方から見た状態の斜視図である。図１の内部熱交換器１５の熱交換部の断面構造を示す斜視図である。第２実施形態に係る車両用空調装置のファンシュラウド近傍を車両側方から見た状態の図である。図５の右側面図である。第３実施形態に係る車両用空調装置のファンシュラウド近傍を車両側方から見た状態の図である。図７の右側面図である。第４実施形態に係る車両用空調装置のファンシュラウド近傍を車両側方から見た状態の図である。図９の右側面図である。第５実施形態に係る車両用空調装置のファンシュラウド近傍を車両側方から見た状態の図である。図１１の右側面図である。第６実施形態に係る車両用空調装置のファンシュラウド近傍を車両斜め後方から見た状態の斜視図である。第７実施形態に係る車両用空調装置の熱交換部の断面構造を示す斜視図である。第８実施形態に係る車両用空調装置の熱交換部の断面構造を示す斜視図である。

符号の説明

１０…圧縮機、１１…放熱器、１５…内部熱交換器、３０…ラジエータ、３１…送風機、３２…ファンシュラウド。

Claims

水冷エンジンを冷却した冷却水と外気とを熱交換して冷却水を冷却するラジエータ（３０）と、前記ラジエータ（３０）の車両後方側に配置されて空気流を発生させる２つの送風機（３１）と、前記送風機（３１）の外周側を覆って、前記送風機（３１）によって発生させた空気流が前記ラジエータ（３０）を通過するように空気流をガイドする長方形のファンシュラウド（３２）とを備える車両に搭載され、
冷凍サイクルの冷媒を吸入、圧縮する圧縮機（１０）と、前記圧縮機（１０）から吐出された冷媒と外気とを熱交換して冷媒を冷却する放熱器（１１）と、前記放熱器（１１）を通過した後の冷媒と前記圧縮機（１０）に吸入される前の冷媒との熱交換を行う内部熱交換器（１５）とを備え、
前記ファンシュラウド（３２）の車両後方側で且つ前記送風機（３１）の外周側のスペースに、前記内部熱交換器（１５）の少なくとも一部が設置され、
さらに、前記内部熱交換器（１５）は、コの字状であり、中間部位が前記２つの送風機（３１）間に配置され、一端側部位が一方の送風機（３１）の上部に配置され、他端側部位が一方の送風機（３１）の下部に配置されていることを特徴とする車両用空調装置。
前記内部熱交換器（１５）は、高温冷媒が流れる通路と低温冷媒が流れる通路とを有する熱交換部（１５０、１５１、１５２）を備え、
前記熱交換部（１５０、１５１、１５２）は、押出し加工あるいは引抜き加工によって作成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置。
前記熱交換部（１５０）は円柱形状であることを特徴とする請求項２に記載の車両用空調装置。
前記熱交換部（１５１、１５２）は板状であることを特徴とする請求項２に記載の車両用空調装置。
前記熱交換部（１５２）は、板状の熱交換部構成部材（１５２０）を複数枚接合したものであることを特徴とする請求項２に記載の車両用空調装置。