JP4649398B2 - 自動車の一部の装置及びそれに関連する熱交換器を冷却する装置 - Google Patents

自動車の一部の装置及びそれに関連する熱交換器を冷却する装置 Download PDF

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Description

本発明は、特に、自動車の少なくとも一部の装置を低温に冷却する装置であって、低温熱交換器が設けられた熱交換流体のための低温ループと、熱交換面を有する少なくとも１つの熱交換器とを備えてなる冷却装置に関する。また、本発明は、低温熱交換器と、本発明の冷却装置の一部をなす装置用熱交換器とに関する。
最近の自動車では、熱と外気との熱交換を行う熱交換装置の数は、相当に増えている。これらの装置のうち、例えば燃料加熱器は、加熱の必要があるが、多くの装置は、冷却しなければならない。
特に、自動車客室の空調用回路の一部をなす凝縮器、油冷却用ラジエータ、中間冷却用ラジエータについては、冷却する必要がある。また、空気の汚染を減らすために、排出ガスを冷却する必要もある。
油冷却ラジエータや排出ガスの冷却ラジエータのような装置は、低温に冷却する必要はない。従って、これらの装置を、85℃〜100℃の温度の熱交換流体が循環するエンジンの冷却回路に設けることができる。しかし、効率を改善するために、その他の装置、特に、空調回路の凝縮器や中間冷却器に関しては、可能な限り低温で動作させる必要がある。
そのため、現在の自動車には、高温冷却回路の熱交換流体よりも低い温度の熱交換流体が循環する低温冷却回路が設けられている。それにより、空調回路の凝縮器や中間冷却器は、効率よく低温まで冷却される。
しかしながら、現在の自動車において、低温冷却回路には、単一の流入ノズルと単一の流出ノズルとを有する低温熱交換器が設けられており、熱交換流体は、１つまたは複数の流路を流れるようになっている。低温熱交換器では、ある１つの温度レベルの流体が流れ、冷却される流体、例えば中間冷却器内の空気は、熱交換器のある１つの温度レベルに冷却される。
現在の自動車では、冷却流体は周囲の空気により凝縮されるが、低温回路により、エンジン冷却用の熱交換流体により冷却流体を凝縮させることができる。
従って、このような流体を、最適温度に冷却させることができない場合がある。例えば、エンジンに高負荷がかかった時に、給気された空気が給気側において臨界点まで達することがあり、また、冷却流体を十分に凝縮させないことがあり、空調用回路が効率よく動作しないこととなる。
本発明の目的は、上述した欠点を解消するために、自動車の少なくとも１つの装置を低温に冷却することができる装置を提供することにある。
上述した目的は、本発明によると、熱交換器の熱交換面は、少なくとも第１及び第２の熱交換部に分割され、第１の熱交換部では、熱交換流体は第１の流量で流れ、第２の熱交換部では、熱交換流体は第２の流量で流れるようになっており、かつ前記第１の流量を、第２の流量よりも大としてあることにより達成される。
このような特徴を有するため、冷却される流体は、少なくとも２つの温度レベルに冷却される。もちろん、３つ以上の温度レベルに冷却することも容易である。
前記第１及び第２の流量で流れる流体は、低温熱交換器からの流体であり、前記流量を加算した流量は、前記低温熱交換器に流入する流体の流量と等しいことが好ましい。
この冷却装置を、冷却流体の凝縮段と追加冷却段とを備える空調回路の凝縮器に、有利に適用することができる。
低温熱交換器は、ある１つの温度レベルの流体を循環させる。この場合、低温熱交換器は、１個の流出ノズルしか有していない。
しかし、好ましい実施例では、低温熱交換器は、熱交換流体のための少なくとも第１及び第２の流出ノズルを備え、第１の流出ノズルは、熱交換器の第１の熱交換部に連結され、第２の流出ノズルは、熱交換器の第２の熱交換部に連結され、第１の流出ノズルを介して低温熱交換器から流出する熱交換流体は、第２の流出ノズルを介して低温熱交換器から流出する熱交換流体よりも高温である。
この特徴により、熱交換流体の温度は、熱交換器の第２の熱交換部において低くなり、熱交換器を流れる流体を大きく冷却できるようになる。
１つの実施例において、低温熱交換器は、熱交換流体が連続して流れる複数の流路を備えており、第１の流出ノズルは、連続する流路を流れる熱交換流体に対して、第２の流出ノズルの上流側に位置している。
そのため、第１の流出ノズルから流出する熱交換流体は、第２の流出ノズルから流出する熱交換流体よりも高温である。もちろん、３つ以上の流出ノズルを設けることもできる。例えば、第２の流出ノズルの下流側に第３の流出ノズルを設け、さらに低温の流体を流出させることもできる。
流量は小さくなっていくのが好ましい。すなわち、第１の流出ノズルから流出される流体の流量は、第２の流出ノズルから流出される流体の流量より大きく、第２の流出ノズルから流出される流体の流量は、第３の流出ノズルから流出される流体の流量よりも大きい。このようにするために、例えば圧力降下を大としてもよい。
本発明の追加的または代替的な特徴は、次の通りである。
−低温ループは、循環ポンプを備えている。
−低温ループは、自動車のエンジンの高温ループの流入口と流出口との間に、バイパスループとして設けられている。
−装置用熱交換器は、中間冷却器である。
−装置用熱交換器は、自動車客室の空調回路の一部をなす凝縮器である。
−凝縮器は、冷却流体凝縮部と、冷却流体追加冷却部と、冷却流体を瀘過し、水分を除去するリザーバとを備え、冷却流体凝縮部は、熱交換器の第１の熱交換部からなり、冷却流体追加冷却部は、熱交換器の第２の熱交換部からなっている。
−冷却流体を濾過し、水分を除去するリザーバは、凝縮部と追加冷却部との間、または追加冷却部の下流側に設けられている。
本発明の他の特徴及び利点は、図面を用いて行う実施例の説明から明らかになると思う。
図１は、自動車のエンジン（１０）により発生される熱エネルギーを冷却する冷却装置のブロック図である。この冷却装置は、それぞれ独立している高温ループ（２）と低温ループ（４）とを備えている。
高温ループ（２）は、エンジン（１０）、ループに熱交換流体を循環させる循環ポンプ（１２）、サーモスタットまたは温度調整バルブ（図示しない）、及び自動車の主熱交換器である高温ラジエータ（１８）を備えている。また、高温ループ（２）には、車両客室を加熱するヒータ（２４）を有する加熱流路（２２）が設けられている。さらに、きわめて低温まで冷却する必要のない装置、例えばラジエータ（３４）や排出ガス冷却器（３８）が、流路（３２）に設けられている。
低温ループ（４）は、循環ポンプ（５８）、低温熱交換器（６０）（この場合には低温ラジエータ）、及び、例えば空調回路の凝縮器や中間冷却器である装置用熱交換器（１０２）を備えている。循環ポンプ（５８）及び両熱交換器（６０）（１０２）は、流路（６２）において直列に接続されている。
高温ループ（２）を循環する熱交換流体の流量は、低温ループ（４）を循環する熱交換流体の流量の約１０倍である。例えば、高温ラジエータ（１８）を流れる熱交換流体の流量は、5,000〜10,000リットル/時で変化し、低温熱交換器（６０）を流れる熱交換流体の流量は、0〜1,000リットル/時で変化する。
図２は、本発明による冷却装置の第１の実施例を示している。低温熱交換器（６０）は、流入ヘッダボックス（７２）及び流出ヘッダボックス（７４）を備えている。流入ノズル（７６）は流入ヘッダボックス（７２）と、流出ノズル（７８）は流出ヘッダボックス（７４）と連結されている。
管（８０）は偏平であり、流入ヘッダボックス（７２）と流出ヘッダボックス（７４）との間に設けられている。流入ヘッダボックス（７２）は、ほぼ中央に設けた直交する仕切板（８２）により２分割されており、流出ヘッダボックス（７４）は、中央より下方に設けた直交する仕切板（８４）により２分割されている。これにより、熱交換流体が循環する３つの流路（８６）（８８）（９０）が形成されている。
熱交換流体は、流入ヘッダボックス（７２）を流れた後、矢印（９２）のように流路（８６）を、矢印（９４）のように流路（８８）を、矢印（９６）のように流路（９０）を順に通過する。
また、この冷却装置は、例えば中間冷却器や空調回路の凝縮器である装置用熱交換器（１０２）を備えている。装置用熱交換器（１０２）は、流入ヘッダボックス及び流出ヘッダボックスを備え、それぞれは、直交する仕切板（図示しない）により２分割されている。
これにより、第１の熱交換部（１０４）及び第２の熱交換部（１０６）が形成されている。これらの熱交換部（１０４）（１０６）は、ヘッダボックスの長手方向の仕切板により区切られた２つのチャンバ内における管の数により定められている。図２に示すように、第１の熱交換部（１０４）は、第２の熱交換部（１０６）よりも大きいのが好ましい。
流体が循環する低温ループは、流路（１０８）を備えている。流路（１０８）において、熱交換流体は、例えば電気ポンプである循環ポンプ（１１２）により、矢印（１１０）の方向に循環される。また、低温ループは、２つの流路（１１４）（１１６）を備え、流体は、矢印（１１８）の方向に流れる。
矢印（１２０）（１２２）で示すように、冷却される流体、例えば、中間冷却器内の空気や空調回路内の冷却流体は、熱交換部（１０４）を流れてから、熱交換部（１０６）を流れる。このように、冷却される流体は、２つのレベルの熱交換部により冷却される。
すなわち、第１の熱交換部（１０４）を流れる熱交換流体の流量Ｑ1は、第２の熱交換部（１０６）を流れる熱交換流体の流量Ｑ2よりも大としてある。
図３は、本発明による冷却装置の第２の実施例を示している。この実施例においては、低温熱交換器（６０）は、上述した流出ノズル（７８）の他に、流出ノズル（１３２）を備えている。流出ノズル（１３２）からは、矢印（９２）の方向に流路（８６）を流れる熱交換流体が流出し、流出ノズル（７８）からは、矢印（９６）の方向に流路（９０）を流れる熱交換流体が流出する。
このように、低温熱交換器（６０）の１つの流路（８６）を通過して、流出ノズル（１３２）から流出する熱交換流体は、３つの流路（８６）（８８）（９０）を通過して、流出ノズル（７８）から流出する熱交換流体よりも高温となっている。
第２の実施例において、低温熱交換器（６０）は、２つの温度レベルの流体を流す。第１の温度の流体は、流路（１３４）を通過して第１の熱交換部（１０４）へ流れ、第２の温度（第１の温度より低い）の流体は、流路（１３６）を通過して、第２の熱交換部（１０６）へ流れる。ループ内の圧力分布は、特に流出ノズル（７８）（１３２）において低下し、第１の熱交換部（１０４）を通過する熱交換流体の流量Ｑ1は、第２の熱交換部（１０６）を通過する熱交換流体の流量Ｑ2よりも大である。
このタイプの冷却装置により、流体を１つの温度レベルまで冷却する冷却装置に比して、流体をかなり低温まで冷却することができる。例えば、熱交換流体は、第１の流路（８６）から40℃〜60℃の温度で流出し、第２の流路（８８）から30℃〜50℃の温度で流出し、第３の流路（９０）から20℃〜40℃の温度に低下されて流出する。
第１の熱交換部（１０４）に流入する熱交換流体の平均温度は約50℃であり、第２の熱交換部（１０６）に流入する熱交換流体の平均温度は約30℃である。これらの値は一例であり、周囲温度に依存するものである。
冷却される流体は、第１の熱交換部（１０４）内で殆んどの熱を発散し、その後、かなり低温の熱交換流体と熱交換され、それにより流出温度は低くなる。冷却流体を第１の熱交換部（１０４）で凝縮し、さらに第２の熱交換部（１０６）で追加冷却できるので、この冷却装置を、空調回路の凝縮器に好適に適用することができる。
図４は、本発明による冷却装置の第３の実施例を示す図である。この冷却装置においては、低温熱交換器（６０）は４つの流路を有している。流入ヘッダボックス（７２）には、直交する２つの仕切板（１４２）（１４６）があり、流出ヘッダボックス（７４）には、単一の仕切板（１４４）が設けられている。仕切板（１４２）（１４４）（１４６）は、低温熱交換器（６０）の流路を流れる熱交換流体の送り流路及び戻り流路を形成している。
熱交換流体は、第３の流路を通過した後、流出ノズル（１４１）から流出する。この流体は、上述の実施例と同様に、装置用熱交換器（１０２）の流路（１３４）を通過して、第１の熱交換部（１０４）へ流れる。熱交換流体は、低温熱交換器（６０）の最終流路である第４の流路を通過した後、流出ノズル（１４３）から流出する。
この流体は、流路（１４５）を通過して、装置用熱交換器（１０２）の第２の熱交換部（１０６）へ流れる。このようにして、上述したのと同様に、第２の熱交換部（１０６）を通過する流体は、第１の熱交換部（１０４）を通過する流体よりも低温となる。
また、上述の実施例とは異なり、流体の低温ループは、独立しておらず、高温ループ（２）の両端において、バイパスループとして取り付けられる場合もある。流路（１５０）には、エンジンの流出口が直接連結されている。流路（１５２）は、エンジンの流入口に連結されている。
このように、この実施例では、流体の温度は、上述した場合よりも高い。熱交換流体は、約９０℃の温度で、流入ヘッダボックスに流入する。流体は、流出ノズル（１４１）から約６０℃で、また、流出ノズル（１４３）から約４０℃で流出する。このようにして、流入時に高温である熱交換流体は、かなり低温に冷却される。
本発明の冷却装置は、図５及び図６に示した空調回路の冷却流体の冷却に好適に適用することができる。空調回路の凝縮器に、冷却流体を瀘過し、水分を除去しうる「容器」である中間リザーバを設けることは公知である。また、中間リザーバにより、循環する流体の量を変化させることができ、液体相と気体相とを分離することができる。
液体状態の流体を循環させて、液体/気体平衡温度より低い温度に追加冷却する凝縮器の上流部と下流部との間に、中間リザーバを取り付けることにより、ループに流れる流体の量にかかわらず、凝縮器の性能を改善することができる。
中間リザーバは、凝縮器の一方のヘッダボックスに固定され、２つの連結流路が貫通している基部に取り付けられている。中間リザーバの下端には、ねじにより基部に固定されたヘッド部が取り付けられている。
この実施例を図６に示す。中間リザーバ（１５４）は、第１の熱交換部（１０４）と第２の熱交換部（１０６）との間に設けられている。冷却流体は、第１の熱交換部（１０４）で凝縮され、第２の熱交換部（１０６）で追加冷却される。
図５に示す実施例では、中間リザーバ（１５４）は、追加冷却用の第２の熱交換部（１０６）の流出部に設けられている。しかし、凝縮器は、上述したのと同様に、第１の熱交換部（１０４）と第２の熱交換部（１０６）とを備えている。
自動車のエンジンにより発生される熱エネルギーを冷却する、高温ループ及び低温ループを備える冷却装置のブロック図である。 本発明による独立した低温冷却装置の第１の実施例を示すブロック図である。 本発明による独立した低温冷却装置の第２の実施例を示すブロック図である。 エンジンの高温ループの両端にバイパスループとして取り付けられた冷却装置の第３の実施例を示すブロック図である。 空調装置の凝縮器の冷却に適用された本発明による冷却装置のブロック図である。 空調装置の凝縮器の冷却に適用された本発明による冷却装置のブロック図である。
符号の説明
２ 高温ループ
４ 低温ループ
１０ エンジン
１２ 循環ポンプ
１８ 高温ラジエータ
２２ 加熱流路
２４ ヒータ
３２ 加熱流路
３４ ラジエータ
３８ 排出ガス冷却器
５８ 循環ポンプ
６０ 低温熱交換器
６２ 流路
７２ 流入ヘッダボックス
７４ 流出ヘッダボックス
７６ 流入ノズル
７８、１３２、１４１、１４３ 流出ノズル
８０ 管
８２、８４ 仕切り板
８６、８８、９０ 流路
１０２ 装置用熱交換器
１０４ 第１の熱交換部
１０６ 第２の熱交換部
１０８ 流路
１１２ 循環ポンプ
１１４、１１６ 流路
１３４、１３６ 流路
１４５ 流路
１４２、１４４、１４６ 仕切板
１５０、１５２ 流路
１５４ 中間リザーバ

Claims (9)

  1. 低温熱交換器（６０）と、熱交換面を有する少なくとも１つの装置用熱交換器（１０２）とが設けられた熱交換流体の低温ループ（４）を備えた、自動車における一部の装置を冷却する装置において、
    I：装置用熱交換器（１０２）の熱交換面は、少なくとも第１及び第２の熱交換部（１０４）（１０６）に分割され、第１の熱交換部（１０４）では、熱交換流体は第１の流量Ｑ1で流れ、第２の熱交換部（１０６）は、熱交換流体の第２の流量Ｑ2で流れ、第１の流量Ｑ1を、第２の流量Ｑ2よりも大としてあること、及び
    II： 低温熱交換器（６０）は、熱交換流体のための少なくとも１つの第１及び第２の流出ノズル（７８）（１３２）（１４１）（１４３）を備え、第１の流出ノズルは、第１の熱交換部（１０４）に連結され、第２の流出ノズルは、第２の熱交換部（１０６）に連結され、第１の流出ノズルを介して低温熱交換器（６０）から出る熱交換流体は、第２の流出ノズルを介して低温熱交換器（６０）から出る熱交換流体よりも高温であることを特徴とする、自動車における一部の装置を冷却する冷却装置。
  2. 低温熱交換器（６０）は、熱交換流体が連続して流れる複数の流路（８６）（８８）（９０）を備え、第１の流出ノズルは、流路（８６）（８８）（９０）を流れる熱交換流体に対して、第２の流出ノズルの上流側に位置していることを特徴とする、請求項１記載の冷却装置。
  3. 低温ループ（４）は、循環ポンプ（５８）を備えていることを特徴とする、請求項１または２に記載の冷却装置。
  4. 低温ループ（４）を、自動車のエンジンの高温ループ（２）の流入口と流出口との間に、バイパスループとして設けてあることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の冷却装置。
  5. 装置用熱交換器（１０２）は、中間冷却器であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の冷却装置。
  6. 装置用熱交換器（１０２）は、自動車の空調回路の冷却流体の冷却に適用されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の冷却装置。
  7. 前記空調回路は、冷却流体凝縮部と、冷却流体追加冷却部と、冷却流体を瀘過し、水分を除去するリザーバ（１５４）とを備え、冷却流体凝縮部は、装置用熱交換器（１０２）の第１の熱交換部（１０４）からなり、冷却流体追加冷却部は、装置用熱交換器（１０２）の第２の熱交換部（１０６）からなっていることを特徴とする、請求項６記載の冷却装置。
  8. リザーバ（１５４）を、第１の熱交換部（１０４）と第２の熱交換部（１０６）との間に設けてあることを特徴とする、請求項７記載の冷却装置。
  9. リザーバ（１５４）を、第２の熱交換部（１０６）の下流側に設けてあることを特徴とする、請求項７記載の冷却装置。
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