JP5350578B2 - 空調システム用の内部熱交換器を備えるアキュムレータ - Google Patents

Description

本発明は、空調システム用のアキュムレータに関し、詳細には、細長い筒状の壁を有するハウジング、およびこのハウジングに組み込まれた内部熱交換器を備え、自動車で使用されるアキュムレータに関する。

さらに詳しく言うと、本発明は、例えばＣＯ₂車両空調システムを超臨界で動作させることができる冷却剤循環式空調システム用アキュムレータに関する。アキュムレータだけでなく、このような冷却剤循環では、通常、凝縮器、液化装置、膨張装置、内部熱交換器、および蒸発器が設けられている。

アキュムレータ内に内部熱交換器を一体化することは、例えば米国特許第６５２３３６５ Ｂ２号により公知の技術であり、この特許は、このタイプのアキュムレータについて説明している。この場合の内部熱交換器は、本質的に、アキュムレータのハウジング内に、２重螺旋チューブを備え、このチューブを通って、高圧および低圧の冷却剤が、それぞれ反対方向に流れる。

この構造の欠点は、熱交換器が、アキュムレータ内で大量のスペースを必要とすることである。
米国特許第６５２３３６５ Ｂ２号

本発明は、安価に製作することができ、かつ大きな組込みスペースを必要とせず、冷却剤による熱交換を行うのに十分な表面積を有する内部熱交換器を備えたアキュムレータを提供するものである。

本発明によるこのタイプのアキュムレータは、ハウジングの壁と同軸に整列したラジアル突起リブを有する筒状の構造体を備える内部熱交換器を備えている。前記のリブは、多数の高圧または低圧のラインを画定し、これらのラインを通して冷却剤が流れる。

本発明の構造によると、ハウジングによって熱交換器構造を支持することができ、そのため、この構造体の壁の強度を最小限のものとすることができる。この熱交換器の構造、具体的には、その輪郭は、熱の伝導および伝達上の要件を満足するだけでよい。すなわち、前記の壁は、動作圧力が高いにもかかわらず、それほど強くなくてよい。そのため、同じ量の材料から、熱交換構造の表面積をより大きくすることができる。

本発明による熱交換器は、押出し成形技術によって、安価に製作し得る。本発明による熱交換器は、高圧および／または低圧のライン用の閉じたチャネルを必要とせず、ラジアル突起リブしか必要としないので、製作工程がかなり簡略化され、かつコアを必要としない。

この熱交換器は、アキュムレータ内に、簡単にかつ人間工学的に（第２の壁のように）きわめて容易に配置し得る分離した構成要素からなっている。アキュムレータの外部ハウジングは、変更する必要がない。すなわち、外部ハウジングは、信頼性の高い工程で、単純な筒として作製することができ、圧力下でも安定である。

ハウジングの壁と、このハウジング内の液体容器の間に、熱交換器構造を配置すると、特に有利である。

この熱交換器構造は、内向きラジアルリブおよび外向きラジアルリブを備えているのが好ましい。これによって、高圧側冷却剤用のラインが、一方の側に形成され、低圧側冷却剤用のラインが、他方の側に形成される。

このようにすると、これらのリブは、ハウジングの壁、および液体容器に隣接するので、断面内に閉じ込められる流れのラインを容易に形成することができる。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、以下に説明する好ましい実施形態からよく理解しうると思う。

図１は、本発明によるアキュムレータの第１実施形態を示す。このアキュムレータは、厚さ４〜６ｍｍの細長い筒状の壁１２を有するアルミニウム製ハウジング１０を備えている。ハウジング１０の軸方向の両端部は、それぞれ、上端部片１４および下端部片１６によって閉じられている。

これらの端部片１４、１６は、ハウジング壁の一方の縁部１２ａをかしめることと、例えばカラー１２ｂを使用する締まりばめとの組合せ（上端部片１４参照）によって、あるいは、ハウジングの陥凹部にはめ込んだスナップリング１８（下端部片１６参照）によって定位置で保持される。必要な場合には、追加のシール２０により、緊密な連結が得られるようにする。

上端部片１４は、低圧注入口２２および高圧排出口２４を備えている。下端部片１６は、高圧注入口２６および低圧排出口２８を備えている。

これら２つの端部片１４と１６の間に、液体冷却剤を保持する液体容器３０が配置されている。低圧注入口に接続され、かつ液体容器３０の壁３２に向かう筒状要素３４は、液体容器３０の開いた上端部を通り、その内部に突き出ている。

液体容器３０の下端部のところに、排出開口３６がある。排出開口３６の上流側に、フィルタ３８を設けてある。排出開口３６は、低圧排出口２８に接続され、それを通って、少量の冷却剤および潤滑剤を排出させることができる。こうすると、液体容器３０内にオイルが溜まることがなくなる。

筒状のハウジング壁１２と液体容器３０の壁３２の間に、長手方向ラジアルリブ４２、４４を備える筒状のアルミニウム製熱交換器構造体４０がある。図２は、これらのリブの断面形状を示し、図３は、その詳細を示している。

熱交換器構造体４０の外向きラジアルリブ４２は、ハウジング壁１２の内面によって支持され、それによって、多数の軸方向高圧ライン４６が形成されている。内向きラジアルリブ４４は、液体容器３０の壁３２の外面上に位置決めされ、それによって、多数の軸方向低圧ライン４８が画定されている。

突出リブ４２、４４を備える熱交換器構造体４０は、上端部片１４から下端部片１６に軸方向に延びている。

熱交換器構造体４０は、弾性的かつ変形可能な塑性シール５０、５２によって、これらの端部片（１４）（１６）に連結されている。これらのシールにより、低圧側が高圧側からシールされている。

図４に示し、図５により詳細に示すように、シール５０、５２は、いくつかの円錐状の突起５４を有する。突起５４の数は、熱交換器構造体４０の内向きラジアルリブ４４間の間隙の数に対応している。突起５４は、前記間隙内に圧入されている。あるいは、シール５０、５２と熱交換器構造体４０の間の気密接続は、摩擦溶接によって行うこともできる。摩擦溶接によると、一般に、公差がより小さくなる。

シール５０、５２を外側縁部上で融解させることも可能である。この場合には突起５４はない。次いで、これらの融解シールを熱交換器構造体４０のリブ４４間に押し込む。

最後に、シール５０、５２の射出成型工程に、熱交換器構造体４０を直接含めることもできる。いずれの場合でも、熱交換器構造体４０およびシール５０、５２から、あらかじめ組み立てられた構成要素を形成することができる。

図６に詳細に示すシール５０、５２と、端部片１４、１６との気密接続は、端部片１４、１６にシール５０、５２を押し付けることによって行われる。この接続は、端部片１４、１６の側壁５６の斜めの突起によって、および／または追加の可撓性リングシール５８によって行うこともできる。また、支持することもできる。

次に、空調システム用の典型的な冷却剤回路におけるアキュムレータの動作原理を説明する。この冷却剤は、主として、低圧下で、蒸発器から蒸気の形態でもたらされる（以下、これを低圧冷却剤と称する）。

次いで、この冷却剤は、上端部片１４の低圧注入口２２を介して、アキュムレータ内に進む。この低圧冷却剤は、筒状の要素３４を介して、液体容器３０の内部に達する。筒状の要素３４は、低圧冷却剤を液体容器３０の壁３２に接線方向に向ける。そのため、この低圧冷却剤の液体部分は、壁３２に当たり、液体容器３０の下部捕集区域に流れ落ちる。

低圧冷却剤の気体部分は、この時点で液体部分から分離しており、上向きに進み、液体容器３０の上縁部３２ａを通過して、熱交換器構造体４０の内向きラジアルリブ４４、および液体容器３０の壁３２の外面によって画定される低圧ライン４８に入る。この低圧冷却剤は、下向きに流れ、第１リング形状捕集チャネル６０に入る。この第１捕集チャネルは、低圧排出口２８に連結され、これを通って、低圧冷却剤がアキュムレータから出る。

同時に、冷却剤回路の凝縮器からもたらされる高圧冷却剤（以下、高圧冷却剤と称する）は、高圧注入口２６を介して、下からアキュムレータに入る。この高圧冷却剤は、外向きラジアルリブ４２およびハウジング壁１２の内面によって画定される高圧ライン４６に入る。したがって、高圧冷却剤は、熱交換器構造体４０の他方の側を、低圧冷却剤と反対の方向に上向きに流れる。

低圧ライン４６および高圧ライン４８の有効表面が大きいことにより、確実に、高圧冷却剤と低圧冷却剤の間で熱が効率的に交換される。この高圧冷却剤は、第２リング形状捕集チャネル６２に捕集され、第２捕集チャネル６２に接続された高圧排出口２４を介して、アキュムレータから出る。

熱交換器構造体４０のリブ４２、４４の数、（径方向の）幅、および（円周に沿った）厚さを変更することにより、低圧ライン４６および高圧ライン４８を、個々の要件に適合するように設計することができる。具体的には、このようにすると、熱交換器構造体４０内の低圧側有効熱交換表面と高圧側有効熱交換表面の比を、最適にすることができる。

図７に、図３のものとは異なる熱交換器構造体４０の断面形状の例を示す。

図８および図９は、熱交換器構造４０の断面設計に関する別の代替実施形態を示す。これらの実施形態は、ともに、低圧冷却剤用のライン４８を画定する外向きラジアル突起リブ４２、および内向きラジアル突起リブ４４を有する。この場合、高圧冷却剤は、熱交換器構造体４０の中央部分に形成された分離チャネル６４を通過する（図９参照）。

外側の低圧ライン４８にも低圧冷却剤が入るように、これらの代替実施形態では、外側低圧ライン４８が端部片１４、１６と交わるところで、ハウジング壁１２内に注入チャンバ６６を備えている（図８参照）。

図１０は、本発明によるアキュムレータの第２実施形態を示す。第１代替実施形態の構成要素に対応し、同じ機能を有する構成要素は、前記構成要素の実際の形態において生じ得る差異にかかわらず、同じ符号で示してあり、説明を省く。

この場合、ハウジング１０を閉じる端部片１４、１６は、ハウジング１０に溶接されている。低圧注入口２２の直径は、下にいくにつれ大きくなり、そのため、拡散器として働く。筒状の要素３４の代わりに、単一片ならびに上部シール５０からなる構造（６８）を想定し、それによって、出口孔７２を備える膨張副チャンバ７０が形成される。

この拡散器および膨張副チャンバにより、確実に、流入する低圧冷却剤が遅くなる。個々の出口孔７２の配置および直径は、動圧を伴う領域および動圧を伴わない領域に関して、膨張副チャンバ７０から、液体容器３０に入る床面積全体にわたって、安定した流速の均質な出口流が保証されるように調整される。

この実施形態では、液体容器３０は、下部シール５２と合わせた単一片からなっている。その他の点では、この実施形態の動作原理は、上記で説明した第１実施形態のものと同じである。

当然のことながら、ある実施形態または代替実施形態のある特徴を、別の実施形態または代替実施形態に適用することが可能である。

上記で説明したすべての実施形態および代替実施形態は、壁が最大で６ｍｍの、安定的かつ容易に生成される筒を、ハウジング１０として使用することができ、そのため、ハウジング壁１２によって、安定化される熱交換器構造４０の壁強度を比較的小さくすることができる。

このコスト効果の高い設計により、小さな容積内に、軽量で、極めて大きな熱交換用の表面を作製することができる。これは、高圧における超臨界二酸化炭素冷却剤回路に対する主要な利点である（高圧側の動作圧力は、最大１４０バールであり、空調ユニットがオフに切り替わったときの低圧側の動作圧力は、最大１００バールである）。

本発明の第１実施形態によるアキュムレータの長手方向断面図である。 図１の線Ａ−Ａにおける断面図である。 図２の熱交換器構造の詳細拡大断面図である。 図１の線Ｂ−Ｂにおける断面図である。 図４の熱交換器構造およびシールの詳細拡大断面図である。 図１の細部Ｘの拡大図である。 第１代替実施形態による熱交換器構造の詳細拡大断面図である。 図１に対応する、本発明の熱交換器構造の第２代替実施形態によるアキュムレータの簡略図である。 第２代替実施形態による熱交換器構造の詳細拡大断面図である。 本発明の第２実施形態によるアキュムレータの長手方向断面図である。

符号の説明

１０ ハウジング
１２ 壁
１２ａ 縁部
１２ｂ カラー
１４ 上端部片
１６ 下端部片
１８ スナップリング
２０ シール
２２ 低圧注入口
２４ 高圧排出口
２６ 高圧注入口
２８ 低圧排出口
３０ 液体容器
３２ 壁
３２ａ 上縁部
３４ 筒状要素
３６ 排出開口
３８ フィルタ
４０ 熱交換器構造体
４２ 外向きラジアルリブ
４４ 内向きラジアルリブ
４６ 高圧ライン
４８ 低圧ライン
５０ シール
５２ シール
５４ 突起
５６ 側壁
５８ リングシール
６０ 第１リング形状捕集チャネル
６２ 第２リング形状捕集チャネル
６４ 分離チャネル
６６ 注入チャンバ
６８ 構造
７０ 膨張副チャンバ
７２ 出口孔

Claims (4)

1. 細長い筒状の壁（１２）を有するハウジング（１０）と、前記ハウジング（１０）に収容された内部熱交換器とを備える空調システム用のアキュムレータであって、
   前記内部熱交換器は、前記ハウジング（１０）の前記筒状の壁（１２）と同軸に配置されたラジアル突起リブ（４２）（４４）を有する筒状の構造体（４０）を備え、前記ラジアル突起リブ（４２）（４４）は、内側と外側の両方を向いており、前記筒状の構造体（４０）は、前記ハウジング（１０）の前記筒状の壁（１２）と、前記ハウジング（１０）内に取り付けられた液体容器（３０）との間に配置され、前記ラジアル突起リブ（４２）（４４）は、前記ハウジング（１０）の前記筒状の壁（１２）と、前記液体容器（３０）とのそれぞれに隣接し、
   内向きの前記ラジアル突起リブ（４４）間の間隙と、外向きの前記ラジアル突起リブ（４２）間の間隙とは、アキュムレータの低圧注入口（２２）に接続されて、前記ハウジング（１０）の軸方向に低圧冷却剤の流路が形成されるとともに、前記筒状の構造体（４０）の中央部分に形成されたチャネル（６４）により、前記ハウジング（１０）の軸方向に高圧冷却剤の流路が形成されていることを特徴とする、アキュムレータ。
2. アキュムレータであって、前記筒状の構造体（４０）の軸方向の両端部にシール（５０）（５２）が取り付けられており、前記筒状の構造体（４０）および前記シール（５０）（５２）は、あらかじめ組み立てられた構成要素を形成していることを特徴とする、請求項１に記載のアキュムレータ。
3. アキュムレータであって、前記シール（５０）（５２）は、前記ハウジング（１０）の前記軸方向端部を閉じる端部片（１４）（１６）に連結されていることを特徴とする、請求項２に記載のアキュムレータ。
4. アキュムレータであって、低圧注入口（２２）および高圧排出口（２４）が、一方の端部片（１４）に設けられ、かつ高圧注入口（２６）および低圧排出口（２８）が、他方の端部片（１６）に設けられていることを特徴とする、請求項３に記載のアキュムレータ。

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