JP6580451B2 - 熱交換機 - Google Patents

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Description

本発明は、熱交換機に係り、より詳しくは、温度の互いに異なる作動流体を内部で相互熱交換させる熱交換機に関する。
一般に、自動車のエアコンシステムは、外部の温度変化に関係なく、自動車室内の温度を適当な温度に維持して快適な室内環境を維持するようにする。
このようなエアコンシステムは、冷媒を圧縮する圧縮器、前記圧縮器で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮機、前記凝縮機で凝縮されて液化した冷媒を急速に膨張させる膨張バルブ、及び前記膨張バルブで膨張した冷媒を蒸発させながら、冷媒の蒸発潜熱を利用して前記エアコンシステムが設けられた室内に送風される空気を冷却する蒸発器などを主な構成要素として含む。
前記エアコンシステムは、一般的な冷凍サイクルにより作動するものであり、冷媒は前記構成員を順次に反復循環しながら、高温高圧の液体状態から低温低圧の気体状態に連続的に相変化して冷房過程を行うようになる。
ここで、冷媒は、エアコン配管に設けられる二重管構造の熱交換機を通じて、高温高圧の液体冷媒が低温低圧の気体冷媒と相互熱交換されながら過冷される。
しかし、このような従来の車両用エアコンシステムは、熱交換機が凝縮機で凝縮された冷媒をさらに過冷させる構造になっているため、冷媒の流れが複雑で、凝縮機入出口の配管内側の圧力降下が頻繁に発生するなどの問題点がある。
また、凝縮機が限定されたサイズに形成され、エンジンルームの内部空間が狭くて、冷媒が移動するエアコン配管の長さに制約が生じることにより、冷媒を必要温度に低減させるための最小要求長さを充足しないようになる。これにより、圧縮器の所要動力対比冷房能力の係数であるＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）が低くなって、エアコンシステムの全体的な冷房性能及び効率が低下するという問題点もある。
この背景技術に記載された事項は、発明の背景に対する理解を増進させるために作成されたもので、この技術が属する分野における通常の知識を有する者にすでに知られていた従来技術でない事項を含むこともある。
そこで、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、流入した高温高圧の液体冷媒のうちの一部を迂回させて膨張させ、低温低圧の気体冷媒と共に高温高圧の液体冷媒を相互熱交換させて冷却することにより、冷媒のサブクール増大を通じてエアコンシステムの冷房性能を向上させるようにする熱交換機を提供することにある。
このような目的を達成するために、本発明の実施形態に係る熱交換機は、複数のプレートが積層されて内部に相互交差するように配置される複数の第１流路と第２流路をそれぞれ形成し、前記第１、第２流路を通過するそれぞれの作動流体を相互熱交換する放熱部と、前記放熱部の内部に一体に形成されて前記第２流路と連結され、前記放熱部に流入した作動流体のうちの一つの作動流体一部を迂回させて膨張させ、前記第１流路を通過する作動流体と熱交換させるサブ膨張部と、を含む。
前記サブ膨張部は、前記第２流路のうちのいずれか一つの第２流路と連結ホールによって連結される少なくとも一つの第３流路と、前記第３流路に流入する作動流体を膨張させるオリフィスと、を含むことができる。
前記作動流体は、凝縮機から供給されて、前記第１流路を通過しながら前記第３流路に一部が通過する高温高圧の液体冷媒と、蒸発器から供給されて、前記第２流路を通過する低温低圧の気体冷媒と、を含むことができる。
前記放熱部は、一面の一側に形成されて、前記第１流路と連結される第１流入ホールと、一面の他側に形成されて、前記第２流路と連結される第２排出ホールと、他面の一側に形成されて、前記第２流路と連結される第２流入ホールと、他面の他側に形成されて、前記第１流路と連結される第１排出ホールと、を含むことができる。
前記放熱部は、一面に連結ブロックが装着されることができる。
前記連結ブロックは、前記第１流入ホールに対応する一側に形成されて、内部に形成される連結通路によって前記第１流入ホールと連結される第１連結ホールと、前記第２排出ホールに対応する他側に形成されて、前記第２排出ホールと連結される第２連結ホールと、を含むことができる。
前記第１連結ホールは、前記第３流路と前記オリフィスによって連結されることができる。
前記放熱部は他面に下部カバーが装着され、前記下部カバーには、前記第１排出ホールと前記第２流入ホールに対応する位置にそれぞれ連結ポートが一体に形成されることができる。
前記第３流路は、前記第１流入ホールに近接した位置で前記第１流路の間に配置されることができる。
前記放熱部は、前記膨張バルブに一体に装着されることができる。
前記放熱部は、前記第１流路と前記第２流路を通過する前記作動流体の流動を対向流（ｃｏｕｎｔｅｒｆｌｏｗ）させて相互熱交換させることができる。
前記放熱部は、複数のプレートが積層される板型に形成されることができる。
本発明の実施形態による熱交換機を適用すれば、複数のプレートが積層され、流入した高温高圧の液体冷媒のうちの一部を迂回させて膨張させ、低温低圧の気体冷媒と共に高温高圧の冷媒を相互熱交換させて冷却することにより、冷媒のサブクールの増大を通じてエアコンシステムの冷房性能を向上させることができる。
また、冷媒のサブクールの増大は冷媒を必要温度まで低減させ、温度の低い冷媒を圧縮器に供給することにより、圧縮器の所要動力対比冷房能力の係数であるＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を向上させることができる。
これと同時に、ＣＯＰの向上はエアコンシステムの作動時に車両の燃費向上を図ることができる。
さらに、従来の配管タイプの熱交換機に比べ、エアコン配管のレイアウトを簡素化して空間活用度を向上させ、かつ配管の長さ増加による車両のＮＶＨ性能低下を防止することができる。
本発明の実施形態に係る熱交換機が適用されるエアコンシステムのブロック構成図である。 本発明の実施形態に係る熱交換機の斜視図である。 本発明の実施形態に係る熱交換機の平面図である。 図３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図３のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 図３のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。 本発明の実施形態に係る熱交換機の作動状態図である。
発明を実施するため形態
以下、本発明の好ましい実施形態を添付した図面に基づいて詳細に説明する。
これに先立ち、本明細書に記載された実施形態と図面に示された構成は、本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想を全て代弁するものではないので、本出願時点において、これらを代替できる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。
図１は、本発明の実施形態に係る熱交換機が適用されるエアコンシステムのブロック構成図であり、図２と図３は、本発明の実施形態に係る熱交換機の斜視図及び平面図であり、図４は、図３のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図５は、図３のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、図６は、図３のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
図１を参照すれば、本発明の実施形態に係る熱交換機１００は、冷媒を圧縮する圧縮器１０と、冷媒を凝縮させる凝縮機２０と、凝縮された冷媒を膨張させる膨張バルブ３０と、膨張バルブ３０を通じて膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器４０とを含むエアコンシステムに適用される。
このように構成されるエアコンシステムにおいて、前記圧縮器１０、凝縮機２０、膨張バルブ３０、蒸発器４０、及び熱交換機１００は連結配管によって相互連結される。
つまり、本実施形態において、前記熱交換機１００は、前記凝縮機２０と前記膨張バルブ３０との間、及び前記蒸発器４０と前記圧縮器１０との間に配置される。このような熱交換機１００は、前記凝縮機２０から排出される冷媒と、前記蒸発器４０から排出される冷媒がそれぞれ流入する。
このような熱交換機１００は、図２乃至図６に示したように、放熱部１１０とサブ膨張部１３０を含む。
先ず、前記放熱部１１０を説明する際に、図３の（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示されたＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、及びＣ−Ｃ線に沿った断面図である図４乃至図６を参照する。
本実施形態において、前記放熱部１１０は、図４乃至図６に図示したように、複数のプレート１１２が積層されて内部に相互交差するように配置される複数の第１流路１１４と第２流路１１６をそれぞれ形成し、前記第１、第２流路１１４、１１６を通過するそれぞれの作動流体を相互熱交換させる。
このように構成される前記放熱部１１０は、複数のプレート１１２が積層される板型（または、「プレート型」ともいう）に形成されることができる。
このような放熱部１１０には第１流入ホール１１８、第１排出ホール１２２、第２流入ホール１２４、及び第２排出ホール１２６が形成される。
前記第１流入ホール１１８は、前記放熱部１１０の一面の一側に形成されて、前記第１流路１１４と連結される。
前記第１排出ホール１２２は、前記放熱部１１０の一面の他側に形成されて、前記第１流路１１４によって前記第１流入ホール１１８と相互連結される。
前記第２流入ホール１２４は、前記放熱部１１０の他面の一側に形成されて、前記第２流路１１６と連結される。このような第２流入ホール１２４は、前記放熱部１１０の一面に形成された前記第１流入ホール１１８と反対方向に位置する。
前記第２排出ホール１２６は、前記放熱部１１０の他面の他側に形成されて、前記第２流路１１６によって前記第２流入ホール１２４と連結される。このような第２排出ホール１２６は、前記放熱部１１０の他面に形成された前記第１排出ホール１２２と反対方向に位置する。
一方、本実施形態においては、前記第１、第２流入ホール１１８、１２４と第１、第２排出ホール１２２、１２６が放熱部１１０の一面と他面にそれぞれ形成されることを一実施形態として説明しているが、これに限定されず、前記第１、第２流入ホール１１８、１２４と第１、第２排出ホール１２２、１２６の位置は変更して適用することができる。
例えば、前記第１、第２流入ホール１１８、１２４と第１、第２排出ホール１２２、１２６が放熱部１１０の両面のいずれか一面に全て形成されてもよい。
これにより、前記放熱部１１０は、第１、第２流入ホール１１８、１２４を通じて第１、第２流路１１４、１１６をそれぞれ通過する作動流体の流動を対向流させて相互熱交換させることができる。
本実施形態において、前記サブ膨張部１３０は前記放熱部１１０の内部に一体に形成されて、前記第２流路１１６と連結される。このようなサブ膨張部１３０は、前記放熱部１１０に流入した作動流体のうちの一つの作動流体一部を迂回させて膨張させ、前記第１流路１１４を通過する作動流体と熱交換させる。
ここで、前記サブ膨張部１３０は、少なくとも一つの第３流路１３２と、オリフィス１３４とを含むことができる。
先ず、前記第３流路１３２は、前記放熱部１１０の内部で前記第２流路１１６のうちのいずれか一つの第２流路１１６と連結ホール１３６によって連結される。前記第３流路１３２は前記放熱部１１０の内部で２列が形成されることができる。
ここで、前記第３流路１３２は、前記第１流入ホール１１８に近接した位置で、図３を基準として上部に位置する前記第１流路１１４の上下部両側にそれぞれ配置されることができる。
つまり、前記第３流路１３２は、前記第１流路１１４を介して前記放熱部１１０の内部の一側に構成される。このような第３流路１３２は、内部に流入した作動流体を第１流路１１４を通過する作動流体と相互熱交換させる。
したがって、前記第３流路１３２を通過する作動流体は、第３流路１３２の間に配置された前記第１流路１１４を通過する作動流体と相互熱交換される。その後、第３流路１３２の作動流体は前記連結ホール１３６を通じて第２流路１１８を通過する作動流体と混ざり合って、前記第２排出ホール１２６を通じて前記放熱部１１０の外部に排出される。
そして前記オリフィス１３４は、前記第１流入ホール１１８に流入した作動流体のうち、前記第３流路１３２に流入する一部の作動流体を膨張させる。
このようなオリフィス１３４は、通路の直径を狭く変更して作動流体の流れを制御する通路であり、作動流体の通過時に断熱膨脹によって圧力変化を発生させる。つまり、前記オリフィス１３４は、第１流入ホール１１８に流入する作動流体の一部が流入するとき、圧力変化を利用して膨張させて相変化させるようになる。
これにより、作動流体は前記オリフィス１３４を通過しながら断熱膨張することにより、相変化が発生することができる。
このようなオリフィス（ｏｒｉｆｉｃｅ）１３４の定義及び機能は当業者に自明であるので、それ以上の詳しい説明は省略する。
一方、本実施形態において、前記作動流体は、前記凝縮機２０から供給されて、前記第１流路１１４を通過しながら前記第３流路１３６に一部が通過する高温高圧の液体冷媒と、前記蒸発器４０から供給されて、前記第２流路１１６を通過する低温低圧の気体冷媒で構成されることができる。
つまり、前記第３流路１３２に流入する作動流体は高温高圧の液体冷媒で構成され、前記オリフィス１３４を通過しながら膨張し、気体と液体が混合された低温低圧の混合冷媒に相変化して、第３流路１３２を通過するようになる。
一方、本実施形態において、前記放熱部１１０は一面に連結ブロック１４０が装着されることができる。
前記連結ブロック１４０は、一側と他側に第１、第２連結ホール１４２、１４４がそれぞれ形成されることができる。
前記第１連結ホール１４２は前記第１流入ホール１１８に対応する一側に形成され、内部に形成される連結通路１４６によって前記第１流入ホール１１８と連結される。
ここで、前記第１連結ホール１４２は前記第３流路１３２と前記オリフィス１３４によって連結されることができる。これにより、前記凝縮機２０から流入した冷媒は前記連結ホール１４２に流入し、一部が前記オリフィス１３４を通過して第３流路１３２に流入する。
本実施形態において、前記第２連結ホール１４４は前記第２排出ホール１２６に対応する他側に形成され、前記第２排出ホール１２６と連結される。
そして前記第１連結ホール１４２と前記第２連結ホール１４４との間には前記放熱部１１０を貫いて貫通ホールＨが形成される。前記貫通ホールＨは、前記熱交換機１００を装着する場合、締結ボルト（図示せず）が挿入されることができる。
このように構成される連結ブロック１４４は、前記圧縮器１０と前記凝縮機２０にそれぞれ連結される配管を効率的に放熱部１１０に連結することができる。
一方、前記放熱部１１０は他面に下部カバー１５０が装着されることができる。
前記下部カバー１５０には、前記第１排出ホール１２２と前記第２流入ホール１２４に対応する位置にそれぞれ連結ポートＰが一体に形成されることができる。これにより、前記放熱部１１０は、前記下部カバー１５０の連結ポートＰによって前記膨張バルブ３０に一体に装着されることができる。
以下、上記のように構成される本発明の実施形態に係る熱交換機１００の作動及び作用について詳細に説明する。
図７は、本発明の実施形態に係る熱交換機の作動状態図である。
先ず、凝縮機２０から排出された高温高圧の液体冷媒は、図７の（Ｓ１）に示したように、前記連結ブロック１４０の第１連結ホール１４２に流入して、前記連結通路１４６と前記第１流入ホール１１８を通過して前記放熱部１１０の第１流路１１４に流入する。
このとき、サブ膨張部１３０は、前記第１連結ホール１１８に流入した高温高圧の液体冷媒のうちの一部をオリフィス１３４を通過させながら第３流路１３２に流入させるようになる。高温高圧の液体冷媒は前記オリフィス１３４によって膨張して低温低圧の混合冷媒に相変化する。
これにより、前記第３流路１３２を通過する作動流体は、気体冷媒と液体冷媒が混合された低温低圧の混合冷媒で構成される。
このような混合冷媒は、第１流路１１４を通過する液体冷媒と相互熱交換された後、連結ホール１３６を通じて第２流路１１６に流入することができる。
一方、前記第１流路１１４を通過した液体冷媒は、前記放熱部１１０の内部で混合冷媒と後述する低温低圧の気体冷媒と相互熱交換された後、前記第１排出ホール１２２を通じて前記放熱部１１０の外部に排出される。
このように、前記第１排出ホール１２２に排出される冷媒は膨張バルブ３０に流入する。
そして前記蒸発器４０から排出された低温低圧の気体冷媒は、図７の（Ｓ２）に示したように、前記放熱部１１０の第２流入ホール１２４に流入して第２流路１１８を通過するようになる。
これにより、前記第１流路１１４を通過する液体冷媒は、第２流路１１６を通過する低温低圧の気体冷媒と、第３流路１３２を通過する低温低圧の混合冷媒との相互熱交換によって冷却される。
ここで、前記第１流路１１４を通過する液体冷媒は、第２流路１１６と第３流路１３２を通過する気体冷媒及び混合冷媒と反対方向に流動しながら、効率的に相互熱交換が行われる。
また、本実施形態に係る熱交換機１００は、サブ膨張部１３０を通じて凝縮機２０から流入する液体冷媒のうちの一部を迂回させ、迂回した冷媒を膨張させて低温低圧の混合冷媒に相変化させた後、液体冷媒との熱交換に使用することができる。
これにより、前記熱交換機１００は流動する冷媒の全体流量は維持し、膨張バルブ３０を通じて蒸発器４０に流入する冷媒の温度と、圧縮器１０に流入する冷媒の温度を低くすることができるようになる。
したがって、上記のように構成される本発明の実施形態に係る熱交換機１００を適用すれば、複数のプレート１１２が積層され、流入した高温高圧の液体冷媒のうちの一部を迂回させて膨張させ、低温低圧の気体冷媒と共に高温高圧の冷媒を相互熱交換させて冷却することにより、冷媒のサブクールの増大を通じてエアコンシステムの冷房性能を向上させることができる。
また、冷媒のサブクールの増大は冷媒を必要温度まで低減させ、温度の低い冷媒を前記圧縮器１０に供給することにより、圧縮器の所要動力対比冷房能力の係数であるＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を向上させることができる。
これと同時に、ＣＯＰの向上はエアコンシステムの作動時に車両の燃費向上を図ることができる。
さらに、従来の配管タイプの熱交換機に比べ、エアコン配管のレイアウトを簡素化して空間活用度を向上させ、かつ配管の長さ増加による車両のＮＶＨ性能低下を防止することができる。
以上のように、本発明はたとえ限定された実施形態と図面によって説明されたが、本発明はこれによって限定されず、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であるのははもちろんである。
１００：熱交換機
１１０：放熱部
１１２：プレート
１１４：第１流路
１１６：第２流路
１１８：第１流入ホール
１２２：第１排出ホール
１２４：第２流入ホール
１２６：第２排出ホール
１３０：サブ膨張部
１３２：第３流路
１３４：オリフィス
１３６：連結ホール
１４０：連結ブロック
１４２：第１連結ホール
１４４：第２連結ホール
１４６：連結通路
１５０：下部カバー
Ｐ：連結ポート

Claims (12)

  1. 複数のプレートが積層されて内部に相互交差するように配置される複数の第１流路と第２流路をそれぞれ形成し、前記第１、第２流路を通過するそれぞれの作動流体を相互熱交換する放熱部と、
    前記放熱部の内部に一体に形成されて前記第２流路と連結され、前記放熱部に流入した作動流体のうちの一つの作動流体の一部を迂回させて膨張させてから、前記第１流路を通過する作動流体と熱交換させるサブ膨張部と、
    を含むことを特徴とする熱交換機。
  2. 前記サブ膨張部は、
    前記第２流路のうちのいずれか一つの第２流路と連結ホールによって連結される少なくとも一つの第３流路と、
    前記第３流路に流入する作動流体を膨張させるオリフィスと、
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換機。
  3. 前記作動流体は、
    凝縮機から供給されて、前記第１流路を通過しながら前記第３流路に一部が通過する高温高圧の液体冷媒と、
    蒸発器から供給されて、前記第２流路を通過する低温低圧の気体冷媒と、
    を含むことを特徴とする請求項２に記載の熱交換機。
  4. 前記放熱部は、
    一面の一側に形成されて、前記第１流路と連結される第１流入ホールと、
    一面の他側に形成されて、前記第２流路と連結される第２排出ホールと、
    他面の一側に形成されて、前記第２流路と連結される第２流入ホールと、
    他面の他側に形成されて、前記第１流路と連結される第１排出ホールと、
    を含むことを特徴とする請求項２に記載の熱交換機。
  5. 前記放熱部は、一面に連結ブロックが装着されることを特徴とする請求項４に記載の熱交換機。
  6. 前記連結ブロックは、
    前記第１流入ホールに対応する一側に形成されて、内部に形成される連結通路を通じて前記第１流入ホールと連結される第１連結ホールと、
    前記第２排出ホールに対応する他側に形成されて、前記第２排出ホールと連結される第２連結ホールと、を含むことを特徴とする請求項５に記載の熱交換機。
  7. 前記第１連結ホールは、前記第３流路と前記オリフィスによって連結されることを特徴とする請求項６に記載の熱交換機。
  8. 前記放熱部は他面に下部カバーが装着され、前記下部カバーには前記第１排出ホールと前記第２流入ホールに対応する位置にそれぞれ連結ポートが一体に形成されることを特徴とする請求項４に記載の熱交換機。
  9. 前記第３流路は、前記第１流入ホールに近接した位置で前記第１流路の間に配置されることを特徴とする請求項４に記載の熱交換機。
  10. 前記放熱部は、前記膨張バルブに一体に装着されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換機。
  11. 前記放熱部は、前記第１流路と前記第２流路を通過する前記作動流体の流動を対向流（ｃｏｕｎｔｅｒｆｌｏｗ）させて相互熱交換させることを特徴とする請求項１に記載の熱交換機。
  12. 前記放熱部は、複数のプレートが積層される板型に形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換機。
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