JP5497419B2 - 内部熱交換器とアキュムレータの複合装置 - Google Patents

内部熱交換器とアキュムレータの複合装置 Download PDF

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    • F28F1/022Tubular elements of cross-section which is non-circular with multiple channels

Description

本発明は、自動車の加熱、換気、および/または空調装置を備える空調回路の分野において、この空調回路の構成部品である内部熱交換器と、アキュムレータを備えている複合装置に関する。更に本発明は、この複合装置を備えている空調回路にも関する。
一般に、自動車は、車室内の空気の熱的要因を制御するために、加熱、換気、および/または空調装置を備えている。空調回路に設けられているこの空調装置は、車室内に供給される前の空気を冷却する。この空調回路には、多くの機器が設けられており、例えば、R744として知られている二酸化炭素のような超臨界冷媒流体が循環している。これらの機器は、少なくとも圧縮機、ガスクーラ、内部熱交換器、膨張弁、蒸発器、およびアキュムレータを備えている。
冷媒は、圧縮機からガスクーラへ、その後、内部熱交換器の高圧区間を経て膨張弁に流れ、その後、蒸発器を経てアキュムレータに流れ、最後に、内部熱交換器の低圧区間を経て圧縮機に戻される。
圧縮機は、吸入した気体状の冷媒を圧縮して、高圧にする。ガスクーラは、比較的一定の圧力のもとで、圧縮された冷媒を冷却し、周囲に放熱する。膨張弁は、ガスクーラから流動して来た冷媒の圧力を低下させ、少なくとも部分的に液化される。蒸発器において、膨張弁から流動して来た液状の冷媒は、蒸発器を通過する空気流から熱を奪って、比較的一定の圧力のもとで、気体状の冷媒に変換される。その後、蒸発した冷媒流体は、圧縮機により吸引される。この構成において、冷媒流体は、内部熱交換器の「高圧」区間内においては高圧であり、「低圧」区間内においては低圧である。
空調回路は、空調回路内の冷媒流体の流動方向において、圧縮機の出口で始まり、膨張弁の入口で終わっている「高圧」回路を備え、ガスクーラと内部熱交換器の「高圧」区間が、この2つの間に設けられている。
空調回路はまた、空調回路内の冷媒流体の流動方向において、膨張弁の出口で始まり、圧縮機の入口で終わる「低圧」回路を備えており、蒸発器、アキュムレータ、および内部熱交換器5の「低圧」区間が、この2つの点の間に設けられている。
アキュムレータは、気体状冷媒と液状冷媒とを分離する機能を有する。そのためアキュムレータは、この分離機能を果たすための気液分離空間を備えている。このアキュムレータはまた、空調回路の使用条件により、循環している冷媒流体を貯留する役割を果たしている。このためアキュムレータは、蒸発器から流動して来た液状の冷媒流体を貯留する、液冷媒貯留空間を備えている。一般に、アキュムレータは、気液分離空間と液冷媒貯留空間を有する、流体密封室から成っており、この流体密封室は、流体密封室の下部に液冷媒貯留空間を形成するための、底壁を備えている。従って、蒸発器から流動して来た液状の冷媒流体は、気体状冷媒と液状冷媒とに分離され、後者の液状冷媒は、重力により、液冷媒貯留空間の下壁上に貯留される。
内部熱交換器において、「高圧」区間内を循環している冷媒は、「低圧」区間内を循環している冷媒と熱交換することができる。従って、空気と熱交換する事無く、空調回路の異なる位置で循環している、同じ流体との間で熱交換がなされる。
日本総研とデンソーの出願に係る特許文献1には、内部熱交換器とアキュムレータを組み合わせた複合装置が記載されている。一般に、アキュムレータは前記の流体密封室を備えており、この流体密封室には、カバーにより閉鎖される開口を備えている。また、この流体密封室は、空調回路の複合装置の使用位置において、液冷媒貯留空間を覆う内部熱交換器が設けられている。
ガスクーラから流動して来た高圧冷媒は、流体密封室に設けられている「高圧」冷媒流入口を通って、複合装置内に流入し、内部熱交換器内を循環して、最終的に、流体密封室に設けられている「低圧」冷媒流入口を通って、複合装置から流出する。
蒸発器から流動して来た低圧冷媒は、流体密封室に設けられている低圧冷媒流入口から複合装置内に流入する。液状の低圧冷媒は、その重力により、流体密封室の下壁上に貯留し、気体状の低圧冷媒は、流体密封室の上部空間に集まる傾向がある。この流体密封室の上部空間に、U字形に曲げられている導管が設けられ、この導管の一端から、気体状の低圧冷媒が吸い込まれて、内部熱交換器と連通している導管の他端に導かれる。内部熱交換器内で、高圧冷媒流体は、低圧冷媒流体に放熱する。気体状の低圧冷媒流体は、流体密封室の壁部に形成されている「低圧」冷媒流出口を経て、内部熱交換器および複合装置から流出する。
しかし、この従来技術における複合装置には、大きな欠点がある。
前記特許文献1に記載されている複合装置は、自動車のエンジンルームに組み込まれるということを考慮に入れていない。空調回路の構成に関して、高圧冷媒と低圧冷媒の流入口および流出口が、同じ側に設けられているもの、言い換えると、流体密封室の頂部に流れる構成に限定されているように見受けられる。さらに、この複合装置を自動車に組み付ける際には、各部品により占められる空間を最小にするための技術的な解決策が必要となる。
特開平10−19421号公報
従って、本発明の目的は、第1に、アキュムレータの流体密封室内の内部熱交換器の配置を、独創的なものとすることにより、前述の欠点を解消することである。そのため、複合装置の外部寸法を小さくするべく、内部熱交換器は、流体密封室内に偏心的に配置されている。この配置により、流体密封室の直径を増大したり、吐出室を設けるために、内部熱交換器の下に流体密封室を延ばしたりすることなく、内部熱交換器に横方向の吐出室を設けることができる。
従って本発明は、少なくとも1つの内部熱交換器と液冷媒貯留空間を内蔵している流体密封室を備える複合装置に関し、前記流体密封室は、第1中心軸方向に伸び、かつ前記内部熱交換器は、第2中心軸方向に伸び、前記第1中心軸は前記第2中心軸に対して偏位していることを主な特徴としている。
本発明の第1の特徴によると、第1中心軸と第2中心軸の離隔量は、1〜25mmである。
本発明の第2の特徴によると、流体密封室と内部熱交換器は、円筒状をなしている。
本発明の他の特徴によると、内部熱交換器は、第2中心軸の周りに巻き付けられている、少なくとも1つの第1扁平チューブを備えている。
本発明の他の特徴によると、第1扁平チューブは、複数の流路を備えている。
本発明の他の特徴によると、内部熱交換器は、それ自体に巻き付けられている第1扁平チューブの中心に向かう吸入室を備えている。
この複合装置は、内部熱交換器の周囲に、少なくとも部分的に位置している吐出室を備えており、前記吐出室は、内部熱交換器の外壁と、流体密封室の内壁により形成されているのが望ましい。
また、内部熱交換器は、第1扁平チューブの多数の流路により形成されている第1循環路を備えており、この第1循環路は、扁平チューブの第1端部により吸入室と連通し、かつ扁平チューブの第2端部により、吐出室と連通しているのが好ましい。
第1循環路は、第1扁平チューブとともに巻かれている、第2扁平チューブにより形成されているのが好ましい。
内部熱交換器は、第1扁平チューブとともに巻かれている、第3扁平チューブの多数の流路により形成された第2循環路を備えている。
本発明の他の特徴によると、第2循環路は、一方において、内部熱交換器の外周に配置されている第1通路と連通しており、他方において、軸心が第2中心軸と一致している第2通路と連通している。
なお、第1扁平チューブ、第2扁平チューブ、第3扁平チューブ、第1通路、および、第2通路は、一体の組立部品として形成されている。
更に、流体密封室は、上部カバーと下部カバーにより閉鎖されており、液冷媒貯留空間は、内部熱交換器と前記液冷媒貯留空間との境界に位置する下部壁を備えている。
本発明の複合装置は、上部カバーを貫通し、液冷媒貯留空間の上方の流体密封室内に存在する気液分離空間に通じている第1導管を備えている。
最後に、この複合装置は、下部カバーを貫通して、吐出室に通じている第2導管を備えている。
本発明はまた、前述の特徴の少なくとも1つを備える複合装置が組み込まれている空調回路にも関する。
本発明の非常に有利な第1の特長は、第1循環通路において、内部の水頭損失を増加させることなく、外部体積を小さくすることができるということにある。これにより、本発明の複合装置を、次第に空間が小となってきているエンジンルーム内に、容易に組み立てることができる。
本発明の他の特徴、詳細な構造、および効果は、次の詳細な説明と添付図面により、より一層明らかになると思う。
本発明の複合装置の縦断面図ある。 本発明の複合装置の、内部熱交換器部分における横断面図である。
図1は、上蓋とも呼ばれる上部カバー3と、下蓋とも呼ばれる下部カバー4により閉鎖されている流体密封室2を備える、本発明の複合装置1を示している。
流体密封室2は、第1中心軸Aまわりに縦方向に伸長している。この流体密封室2の断面形状は円筒状であるが、平行六面体、正方形、長方形等とすることもできる。流体密封室2の、第1中心軸Aの方向における長さは、第1中心軸Aと直交するその外径よりも大きい。
複合装置1はまた、ガスクーラからの冷媒16が複合装置1内に流入する「高圧」冷媒流入口5を備えている。この「高圧」冷媒流入口5は、下部カバー4を貫通して、内部熱交換器9と接続された第1管状通路12に形成されている。複合装置1はまた、高圧冷媒が、複合装置1から膨張弁へ流出する「高圧」冷媒流出口6を備えている。この「高圧」冷媒流出口6は、第2管状通路13に形成されており、この第2管状通路13は、内部熱交換器9部分から始まり、流体密封室の内部を通過し、上部カバー3を貫通している。
複合装置1はまた、蒸発器からの冷媒が複合装置1内に流入する「低圧」冷媒流入口7を備えている。この「低圧」冷媒流入口7は、上部カバー3を貫通する第1導管14に形成されている。また複合装置1は、低圧冷媒が、複合装置1から圧縮機へ流出する「低圧」冷媒流出口8を備えている。この「低圧」冷媒流出口8は、下部カバー4を貫通している第2導管15に形成されている。
複合装置1は、外部に対してシールされている流体密封室2を備えている。この流体密封室2は、内部熱交換器9、蒸発器からの冷媒を気体状冷媒16aと液状冷媒16bに分離している気液分離空間10、そして、蒸発器からの液状冷媒または、特に気液分離空間10からの液状冷媒を貯留している液冷媒貯留空間11を内蔵している。
前記気液分離空間10は、第1導管14が、複合装置1の流体密封室の第1中心軸Aから離隔しており、蒸発器からの冷媒流体が、前記気液分離空間10の接線方向から流入できるサイクロン形式の構造であることが好ましい。この接線方向からの流入は、第1導管14の円筒状の壁部に設けられている、孔17により行われる。この配置により、前記気体状冷媒16aと前記液状冷媒16bの分離は、促進される。流体密封室2の内側容積内に位置している第1導管14の端部は、プレート18により閉鎖されている。このプレート18は、流体密封室2の第1中心軸Aに対して、直角方向に伸長している。前記プレート18の外周部と、流体密封室2の内壁19との間に小さい隙間が設けられており、冷媒16の液状冷媒16bが、重力により、液冷媒貯留空間11に降下できるようになっている。
液冷媒貯留空間11は、プレート18の下方で、下部壁20までの間にあり、蒸発器からの液体状冷媒16bが、重力により下部壁20上に、貯留されている。空調回路への複合装置1の使用位置、および/または複合装置1単独の作動位置において、「低圧」冷媒吸入口7は、下部壁20の上方に位置しているので、液体状冷媒16bは、重力により、「低圧」冷媒吸入口7から下部壁20に向かって自然に降下し、最後に、下部壁20の上に溜まる。下部壁20は、流体密封室2の内壁19に対して、しっかりと載置されている。
液冷媒貯留空間11には、第2管状通路13が貫通しているが、この液冷媒貯留空間11にはまた、中間導管21が貫通している。この中間導管21の第1端部21aは、気液分離空間10に通じており、プレート18の上面から数mm突出している。そのため、冷媒16の液体状冷媒16bは、中間導管21に戻らず、冷媒16の気体状冷媒16aのみが、中間導管21を通り抜けることができる。この中間導管21は、下部壁21を貫通しており、内部熱交換器9と連通している第2端部21bを備えている。図1に示す第1実施例において、中間導管21は、第2管状通路13よりも径が大きく、第2管状通路13と、同軸に取り付けられている。従って、中間導管21と第2管状通路13の双方の軸は、流体密封室2の第1中心軸Aに対して、離隔していることが特徴である。図示されていない第2実施例において、中間導管21は、第2管状通路13より径が大きく、中間導管21の中心軸は、第1中心軸Aと同軸である。従って、この中間導管21は、流体密封室2の円筒状の中心に位置している。しかし、本発明のこの実施例においても、内部熱交換器9は常に離隔している。その結果、第2管状通路13は、中間導管21の内部で離隔している。言い換えると、中間導管21の中心軸は、第1中心軸Aと同軸であり、第2管状通路13の中心軸は、中間導管21の中心軸とは同軸ではない。
気体状冷媒16が、内部熱交換器9に向かって降下する一方で、第2管状通路13内を流動している冷媒は、上部カバー3の方向に上昇する。複合装置におけるこの循環は、「対向流」と呼ばれる。
下部壁20は、複合装置1の流体密封室2の第1中心軸Aに対して、直角を成していることが望ましい。
気液分離空間10は、前記上部カバー3と隣接しており、上部カバー3の直下に位置している。その結果、液冷媒貯留空間11は、気液分離空間10と下部壁20との間に位置しており、プレート18が、気液分離空間10と液冷媒貯留空間11の間に設けられている。
液冷媒貯留空間11の底部となっている下部壁20は、内部熱交換器9の上方に位置している。重力軸に沿って、液冷媒貯留空間11が、内部熱交換器9の上方に配置されていることが特徴である。
流体密封室2と内部熱交換器9の断面形状は、双方ともに円筒形であり、完全に協調化されている。
流体密封室2の第1中心軸A上で、内部熱交換器9を覆っているか、または内部熱交換器9の上方に位置している液冷媒貯留空間11は、内部熱交換器9よりも高い位置にある。
内部熱交換器9は、その第2中心軸Bの周囲に巻き付けられている第1扁平チューブ22から成っており、前記第2中心軸Bは、複合装置1の流体密封室2の第1中心軸Aとは同軸ではなくて、離隔している。この第2中心軸Bからの第1中心軸Aの離隔量dにより、流体密封室2の、従って全体としての複合装置の外部寸法を増大させることなく、第2導管15を、下部カバー4に容易に設置することができる。第1中心軸Aと第2中心軸Bとは平行であることが特徴である。
第1扁平チューブ22は、低圧冷媒用の微小流路とも呼ばれる多数の出口孔23を備えている。この多数の出口孔23は、低圧冷媒用の第1循環通路である。この第1循環通路は、吸入室24と吐出室25に連通している。この吸入室24は、中間導管21の第2端部21bと、それ自体に巻き付けられている第1扁平チューブ22の巻き付け始めの部分、および、下部カバー4により形成されている。
吐出室25は、内部熱交換器9の外壁を形成している第1扁平チューブ22、および/または、詳細を後述する第3扁平チューブ27の外周の巻き付け部分、下部壁20、下部カバー4、最後に、内部熱交換器9が配置されている流体密封室2の内壁19により形成されている。第1中心軸Aと第2中心軸の間の離隔量dに伴い、吐出室の断面形状は卵形をしている。
第1循環通路は、多数の出口孔23を有する第2扁平チューブ26を備えている。この第2扁平チューブ26は、第1扁平チューブ22に巻き付けられており、双方のチューブにより、「低圧」冷媒16用の第1循環通路が形成されている。
また内部熱交換器9は、「高圧」冷媒用の第2循環通路を形成する多数の出口孔23を有する第3扁平チューブ27を備えている。この第3扁平チューブ27は、一方において、内部熱交換器の外周部に配置されている第1管状通路12と連通しており、他方において、内部熱交換器9の第2中心軸Bと同軸の第2管状通路13と連通している。また、第1管状通路12は、例えば溶接、ろう付け等により、第3扁平チューブ27の端部と堅固に連結されており、多数の出口孔23が、第1管状通路12の内部と連通している。第3扁平チューブ27の他端部も同様に、第2管状通路13と連通している。
もし、内部熱交換器9が第2扁平チューブ26を備えていない場合、内部熱交換器9は、一緒に巻き付けられている第1扁平チューブ22と第3扁平チューブ27とから成り、それぞれのチューブが、第1循環通路と第2循環通路を形成している。
この実施例において、第1循環通路は、第1扁平チューブ22と第2扁平チューブ26を備えており、第3扁平チューブ27は、第1扁平チューブ22と第2扁平チューブ26の間に挿入されているか、あるいは挟み込まれている。
この場合、第1、第2、第3の3つの扁平チューブは、内部熱交換器9の第2中心軸Bの周囲に、互いに交互に配置して、巻き付けられている。
第1扁平チューブ22、第2扁平チューブ26、第3扁平チューブ27、第1管状通路12、および第2管状通路13から成る中間の副組立部品は、一個の組立部品とされている。この組立部品は、単一の組立部品を破壊することなく、前述の部品類を接続して組立てられている。この組立では、各部品類を例えばろう付けや溶接等することにより、強固になされている。
図2は、本発明の流体密封室2の、第1中心軸Aと直交する断面を示している。一点鎖線E−Eと一点鎖線F−Fの交点は、流体密封室2の第1中心軸Aを示しており、内壁19内の容積の中心軸である。図2では、図を複雑にしないように、流体密封室2の厚さを略示してある。
一点鎖線C−Cと一点鎖線F−Fとの交点は、内部熱交換器9の第2中心軸Bを示している。離隔量dは、流体密封室2の第1中心軸Aと、内部熱交換器9の第2中心軸Bとの距離であり、前記離隔量dが最小値である1mm以下では、内部熱交換器9の側方向のスペースが不十分となる。離隔量dの最大値は25mmであり、これは、内部熱交換器9の外径と、流体密封室2の外径の双方を満足させるために必要な値である。
この2つの値の間で、内部熱交換器9の側方空間を大とし、この空間を吐出室にしている。流体密封室2の直径を増大させることなく、それぞれ一定の直径のもつ内部熱交換器9、流体密封室2、そして第2導管15を、容易に配置することができる。
第3扁平チューブ27の、一端部は、内部熱交換器9の外周部に位置している第1管状通路12と接続され、同じく、他端部は、内部熱交換器9の第2中心軸Bと同軸の、第2管状通路13と接続されている。
第1扁平チューブ22と第2扁平チューブ26は、その端部から、吸入室の気体状の「低圧」冷媒を吸入する。この「低圧」冷媒は、第3扁平チューブ27内を流動している「高圧」冷媒と対向するように、第1扁平チューブ22と第2扁平チューブ26内を流動している。その後「低圧」冷媒は、第1扁平チューブ22と第2扁平チューブ26の各端部から吐出室へ流出し、第2導管15を経て、複合装置1から流出する。
複合装置1は、上部カバー3と下部カバー4により、空調回路と流体結合することができる。複合装置1における一方の圧縮機と、他方のガスクーラとは、下部カバー4に設けられている導管により接続されている一方、一方の蒸発器と、他方の膨張弁とは、上部カバー3に設けられている導管により接続されている。この構成により、複合装置1の空調回路への組み込み、ひいては、自動車のエンジンルームへの組み込みが容易になる。
「上方」、「下方」、「覆う」、「下部」、「上部」は、複合装置1の使用位置によるものである。この使用位置は、本発明の複合装置1の空調回路への設置により、容易に決定される。しかし、この使用位置を、複合装置1単独で決定することもできる、言い換えれば、その現実の作動に応じ、空調装置への配置とは無関係に決定することができる。
1 複合装置
2 流体密封室
3 上部カバー
4 下部カバー
5 「高圧」冷媒流入口
6 「高圧」冷媒流出口
7 「低圧」冷媒流入口
8 「低圧」冷媒流出口
9 内部熱交換器
10 気液分離空間
11 液冷媒貯留空間
12 第1管状通路
13 第2管状通路
14 第1導管
15 第2導管
16 冷媒
16a 気体状冷媒
16b 液体状冷媒
17 孔
18 プレート
19 内壁
20 下部壁
21 中間導管
21a 第1端部
21b 第2端部
22 第1扁平チューブ
23 出口孔
24 吸入室
25 吐出室
26 第2扁平チューブ
27 第3扁平チューブ
A 第1中心軸
B 第2中心軸
d 離隔量














Claims (14)

  1. 少なくとも1つの内部熱交換器(9)と液冷媒貯留空間(11)を内蔵している流体密封室(2)を備え、前記流体密封室(2)は、第1中心軸(A)方向を向き、かつ前記内部熱交換器(9)は、第2中心軸(B)方向を向いている複合装置(1)において、前記第1中心軸(A)は、前記第2中心軸(B)に対して離隔しており、
    前記内部熱交換器(9)は、前記第2中心軸(B)の周囲に巻き付けられている、少なくとも1つの第1扁平チューブ(22)を備えており、
    前記内部熱交換器(9)は、巻き付けられている前記第1扁平チューブ(22)の中心方向を向く吸入室(24)を備えていることを特徴とする複合装置(1)。
  2. 第1中心軸(A)と第2中心軸(B)の離隔量(d)は、1〜25mmであることを特徴とする請求項1記載の複合装置(1)。
  3. 流体密封室(2)と内部熱交換器(9)は、円筒状をなしていることを特徴とする請求項1または2に記載の複合装置(1)。
  4. 第1扁平チューブ(22)は、多数の流路(23)を備えていることを特徴とする請求項記載の複合装置(1)。
  5. 内部熱交換器(9)の周囲に、少なくとも部分的に位置している吐出室(25)が設けられ、この吐出室(25)は、内部熱交換器(9)の外壁と、流体密封室(2)の内壁(19)とにより形成されていることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の複合装置(1)。
  6. 内部熱交換器(9)は、第1扁平チューブ(22)の多数の流路(23)により形成されている第1循環通路を備えており、この第1循環通路は、扁平チューブ(22)の第1端部により、吸入室(24)と連通しており、かつ扁平チューブ(22)の第2端部により、吐出室(25)と連通していることを特徴とする請求項またはに記載の複合装置(1)。
  7. 第1循環通路は、第1扁平チューブ(22)とともに巻かれている第2扁平チューブ(26)により形成されていることを特徴とする請求項記載の複合装置(1)。
  8. 内部熱交換器(9)は、第1扁平チューブ(22)とともに巻かれている第3扁平チューブ(27)の多数の流路(23)により形成されている、第2循環通路を備えていることを特徴とする請求項3〜のいずれかに記載の複合装置(1)。
  9. 第2循環通路は、一方において、内部熱交換器(9)の外周に配置されている第1通路(12)と連通しており、他方において、軸心が第2中心軸と一致している第2通路(13)と連通していることを特徴とする請求項記載の複合装置(1)。
  10. 第1扁平チューブ(22)、第2扁平チューブ(26)、第3扁平チューブ(27)、第1通路(12)、そして、第2通路(13)は、単一体の組立部品として形成されていることを特徴とする請求項記載の複合装置(1)。
  11. 流体密封室(2)は、上部カバー(3)と下部カバー(4)により閉鎖されており、液冷媒貯留空間(11)は、内部熱交換器(9)と前記液冷媒貯留空間(11)との境界に配置されている下部壁(20)を備えていることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の複合装置(1)。
  12. 上部カバー(3)を貫通し、流体密封室(2)の液冷媒貯留空間(11)の上方の気液分離空間(10)に通じている、第1導管(14)を備えていることを特徴とする請求項11記載の複合装置(1)。
  13. 下部カバー(4)を貫通し、吐出室(25)に通じている、第2導管(15)を備えていることを特徴とする請求項と請求項1112のいずれかに記載の複合装置(1)。
  14. 請求項1〜13のいずれかに記載の複合装置(1)を備える空調回路。
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