WO2020003967A1 - 熱交換器、車両用空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上に向かって流れるパスで分流に偏りが生じることを抑制し、熱交換性能を向上させる。 【解決手段】上に向かって流れるパスは、他のパスに比べて流路が狭くされている。

Description

熱交換器、車両用空気調和装置

　本発明は、熱交換器、車両用空気調和装置に関するものである。

　熱交換器では、一方のヘッダから他方のヘッダへの流れを一パスとしている。特許文献１に示されるように、熱交換器には一般に複数のパスが設けられ、且つ各パスの流れが略均等になるように構成されている。

特開２００９－１１５３４２号公報

　熱交換器では、下に向かって流れる下降パスと上に向かって流れる上昇パスとが交互に設けられており、上昇パスでは、液相の熱媒体は気相の熱媒体に比べて上昇しにくい。そのため、液相の熱媒体は、上昇パスのうち、上流に近い側には流れにくくなり、下流に近い側に流れやすくなる。したがって、上昇パス内の分流に偏りが生じ、熱交換性能に影響してしまう。
　本発明の課題は、上に向かって流れるパスで分流に偏りが生じることを抑制し、熱交換性能を向上させることにある。

　本発明の一態様に係る熱交換器は、
　横方向に延び、上下方向に間隔を空けて設けられた一対のヘッダと、
　上下方向に延び、上端及び下端の夫々がヘッダに接続され、横方向に間隔を空けて設けられた複数のチューブと、を備え、
　複数のチューブを通って一方のヘッダから他方のヘッダに向かって流れる熱媒体の流れを一つのパスとし、下に向かって流れるパスと上に向かって流れるパスとが交互に設けられており、
　各パスにおける熱媒体の流れは、暖房時及び冷房時で共通であり、
　最初のパスは、下に向かって流れるパスであり、
　パス数は、三以上の奇数であり、
　上に向かって流れるパスは、他のパスに比べて流路が狭くされている。

　本発明によれば、上に向かって流れるパスは、他のパスに比べて流路が狭くされているので、分流に偏りが生じることを抑制し、熱交換性能を向上させることができる。

一実施形態の車両用空気調和装置を示す図である。 暖房運転を示す図である。 冷房運転を示す図である。 熱交換器を示す図である。 均等パスを模式的に示す図である。 上昇パスを狭くした構成を模式的に示す図である（３‐２‐３）。 上昇パスを狭くした構成を模式的に示す図である（２‐１‐３）。 上昇パスを狭くした構成を模式的に示す図である（３‐１‐２）。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図面は模式的なものであって、現実のものとは異なる場合がある。また、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

《一実施形態》
　《構成》
　図１は、一実施形態の車両用空気調和装置を示す図である。
　車両用空気調和装置１１は、自動車に搭載されるヒートポンプシステムからなり、車室側に設けられた室内熱交換ユニット１２（供給流路）と、車室外に設けられた熱交換器１３と、を備える。車室側と車室外とは、例えばダッシュパネルによって隔てられている。
　室内熱交換ユニット１２は、ダッシュボードの内部に配置されており、一端側から外気や内気を導入し、他端側から車室内へ空気を供給するダクトによって形成されている。室内熱交換ユニット１２の内部には、送風ファン１４と、蒸発器１５と、凝縮器１６と、エアミックスダンパ１７と、が設けられている。

　送風ファン１４は、室内熱交換ユニット１２の一端側に設けられており、モータによって駆動されるときに、外気や内気を吸引し、他端側へと吐出する。
　蒸発器１５は、送風ファン１４よりも下流側に設けられており、吸熱器及び除湿器として、放熱フィンの周囲を通過する空気とチューブ内を通過する低温の熱媒体（冷媒）との間で熱交換を行なう。すなわち、チューブ内の熱媒体を蒸発気化させることで、放熱フィンの周囲の空気を冷却すると共に、放熱フィンの表面に結露を生じさせて除湿を行なう。送風ファン１４から吹き出された空気は、全て蒸発器１５を通過する。

　凝縮器１６は、蒸発器１５よりも下流側に設けられており、放熱器として、放熱フィンの周囲を通過する空気とチューブ内を通過する高温の熱媒体（熱媒）との間で熱交換を行なう。すなわち、チューブ内の熱媒体を凝縮液化させることで、放熱フィンの周囲の空気を加熱する。凝縮器１６は、室内熱交換ユニット１２の断面のうち、略半分を塞ぐように配置されることで、凝縮器１６を通過する流路と、凝縮器１６を迂回する流路と、が形成されている。すなわち、蒸発器１５を通過した空気の一部が凝縮器１６を通過し、残りが凝縮器１６を迂回する。
 

　エアミックスダンパ１７は、凝縮器１６を通過する流路を開放して凝縮器１６を迂回する流路を閉鎖する位置と、凝縮器１６を通過する流路を閉鎖して凝縮器１６を迂回する流路を開放する位置と、の間で回動可能である。エアミックスダンパ１７が凝縮器１６を通過する流路を開放して凝縮器１６を迂回する流路を閉鎖する位置にあるときには、蒸発器１５を通過した空気は全て凝縮器１６を通過する。エアミックスダンパ１７が凝縮器１６を通過する流路を閉鎖して凝縮器１６を迂回する流路を開放する位置にあるときには、蒸発器１５を通過した空気は全て凝縮器１６を迂回する。エアミックスダンパ１７が凝縮器１６を通過する流路と凝縮器１６を迂回する流路の双方を開放する位置にあるときには、蒸発器１５を通過した空気のうち、一部が凝縮器１６を通過し、残りが凝縮器１６を迂回する。そして、凝縮器１６の下流側で、凝縮器１６を通過した空気と、凝縮器１６を迂回した空気とが混合される。

　熱交換器１３は、エンジンルーム内又はモータルーム内に設けられており、放熱フィンの周囲を通過する外気とチューブ内を通過する熱媒体との間で熱交換を行なう。外気とは
主に走行風であるが、十分な走行風が得られないときは、図示しない送風機が駆動されることで、放熱フィンに対して外気が送風される。
　運転モードを暖房とするときには、熱交換器１３を蒸発器、つまり吸熱器として機能させ、放熱フィンの周囲を通過する外気とチューブ内を通過する低温の熱媒体（冷媒）との間で熱交換を行なう。すなわち、チューブ内の熱媒体を蒸発気化させ、吸熱させる。
　運転モードを冷房とするときには、熱交換器１３を凝縮器、つまり放熱器として機能させ、放熱フィンの周囲を通過する外気とチューブ内を通過する高温の熱媒体（熱媒）との間で熱交換を行なう。すなわち、チューブ内の熱媒体を凝縮液化させ、放熱させる。

　次に、熱媒体の回路構成について説明する。
　凝縮器１６の出口は、流路２１を介して熱交換器１３の入口に連通している。流路２１には、膨張弁３１（第一の膨張弁）が設けられている。
　膨張弁３１は、液相である高圧の熱媒体を霧状にして吹き出すことにより、気化しやすい低圧の熱媒体に減圧するものであり、開度が全閉から全開まで調整可能である。
　熱交換器１３の出口は、流路２２を介して凝縮器１６の入口に連通している。流路２２には、熱交換器１３の側から凝縮器１６の側に向かって、開閉弁３２、逆止弁３３、アキュムレータ３４、及び圧縮機３５が、順に設けられている。

　開閉弁３２は、流路２２を開放又は閉鎖する。
　逆止弁３３は、開閉弁３２の側からアキュムレータ３４の側への通過を許容し、逆方向の通過を阻止する。
　アキュムレータ３４は、熱媒体の気液分離を行ない、気相の熱媒体だけを圧縮機３５へと供給する。
　圧縮機３５は、気相である低圧の熱媒体を圧縮することにより、液化しやすい高圧の熱媒体に昇圧させるものであり、熱媒体と共に循環するオイルによって潤滑が行なわれる給油式である。例えば、ロータリー圧縮機、斜板式圧縮機、スクロール圧縮機等である。熱媒体に対するオイル濃度は数％程度である。圧縮機３５の駆動源は、エンジンや電動モータである。

　流路２１のうち、熱交換器１３と膨張弁３１との間には分岐点があり、この分岐点は、流路２３を介して蒸発器１５の入口に連通している。流路２３には、分岐点の側から蒸発器１５の側に向かって、開閉弁３６、及び膨張弁３７（第二の膨張弁）が、順に設けられている。
　開閉弁３６は、流路２３を開放又は閉鎖する。
　膨張弁３７は、液相である高圧の熱媒体を霧状にして吹き出すことにより、気化しやすい低圧の熱媒体に減圧するものであり、開度が全閉から全開まで調整可能である。

　流路２２のうち、熱交換器１３と開閉弁３２との間には分岐点があり、また流路２３のうち、開閉弁３６と膨張弁３７との間には分岐点があり、これら分岐点同士は、流路２４を介して連通している。流路２４には、逆止弁３８が設けられている。
　逆止弁３８は、流路２２の側から流路２３の側への通過を許容し、逆方向の通過を阻止する。
　流路２２のうち、開閉弁３２と逆止弁３３との間には分岐点があり、この分岐点は、流路２５を介して蒸発器１５の出口に連通している。

　次に、各運転モードについて説明する。
　［暖房運転］
　図２は、暖房運転を示す図である。
　図中、低圧の熱媒体が通過する流路を太い点線で示し、高圧の熱媒体が通過する流路を太い実線で示し、開放された開閉弁を白抜きで示し、閉鎖された開閉弁を黒塗りで示して
いる。
　運転モードが暖房であるときには、膨張弁３１を僅かに解放し、開閉弁３２を開放し、開閉弁３６を閉鎖し、膨張弁３７を閉鎖した状態で、圧縮機３５を駆動する。

　これにより、熱媒体は、圧縮機３５、凝縮器１６、膨張弁３１、熱交換器１３、開閉弁３２、逆止弁３３、及びアキュムレータ３４を順に経由して循環する。この循環経路において、気相の熱媒体は、圧縮機３５で圧縮され高圧となり、凝縮器１６で凝縮液化し、放熱によって低温になる。液相の熱媒体は、膨張弁３１で膨張され低圧となり、熱交換器１３で蒸発気化し、吸熱によって高温となる。
　一方、室内熱交換ユニット１２では、送風ファン１４を駆動すると共に、エアミックスダンパ１７で凝縮器１６を通過する流路を開放する。これにより、導入された空気が凝縮器１６で加熱され、温かい空気が車室内に供給される。

　［冷房運転］
　図３は、冷房運転を示す図である。
　図中、低圧の熱媒体が通過する流路を太い点線で示し、高圧の熱媒体が通過する流路を太い実線で示し、開放された開閉弁を白抜きで示し、閉鎖された開閉弁を黒塗りで示している。
　運転モードが冷房であるときには、膨張弁３１を全開放し、開閉弁３２を閉鎖し、開閉弁３６を閉鎖し、膨張弁３７を僅かに解放した状態で、圧縮機３５を駆動する。

　これにより、熱媒体は、圧縮機３５、凝縮器１６、膨張弁３１、熱交換器１３、逆止弁３８、膨張弁３７、蒸発器１５、逆止弁３３、及びアキュムレータ３４を順に経由して循環する。この循環経路において、気相の熱媒体は、圧縮機３５で圧縮され高圧となり、凝縮器１６で凝縮液化し、放熱によって低温になる。液化しつつある熱媒体は、熱交換器１３でさらに凝縮液化し、放熱によってさらに低温になる。液相の熱媒体は、膨張弁３７で膨張され低圧となり、蒸発器１５で蒸発気化し、吸熱によって高温となる。
　一方、室内熱交換ユニット１２では、送風ファン１４を駆動すると共に、エアミックスダンパ１７で凝縮器１６を通過する流路を閉鎖する。これにより、導入された空気が蒸発器１５で冷却及び除湿された後に、凝縮器１６を迂回し、除湿された涼しい空気が車室内に供給される。

　次に、熱交換器１３について説明する。
　図４は、熱交換器を示す図である。
　熱交換器１３は、上下一対のヘッダ４１と、複数のチューブ４２と、複数のフィン４３と、を備える。
　一対のヘッダ４１は、横方向に延び、上下方向に間隔を空けて設けられている。ヘッダ４１は、両端が閉塞された円筒状の配管によって形成されており、内部は隔壁４６によって横方向に並んだ区画に仕切られている。上方のヘッダ４１は、内部が横方向一端側の区画４１Ａと横方向他端側の区画４１Ｂとに分けられており、横方向一端側の区画４１Ａには流入口４４が設けられている。下方のヘッダ４１は、内部が横方向一端側の区画４１Ｃと横方向他端側の区画４１Ｄとに分けられており、横方向他端側の区画４１Ｄには排出口４５が設けられている。
 

　各チューブ４２は、上下方向に延び、上端及び下端の夫々がヘッダ４１に接続され、横方向に沿って等間隔に設けられている。チューブ４２は横方向に薄い扁平形状であり、両端をヘッダ４１の内部に連通させてヘッダ４１にろう付けされている。ここでは１２本ある場合を示してあり、夫々を識別する場合は、横方向の一端から他端に向かって順に４２ａ～４２ｌとする。上方のヘッダ４１では、チューブ４２ｄとチューブ４２ｅとの間が隔壁４６によって仕切られており、下方のヘッダ４１では、チューブ４２ｈとチューブ４２
ｉとの間が隔壁４６によって仕切られている。
　各フィン４３は、隣り合うチューブ４２同士の間にろう付けによって固定されている。

　ヘッダ４１及びチューブ４２によって流路が形成されており、そこを熱媒体が流れる。すなわち、先ず流入口４４を介して上方のヘッダ４１における横方向一端側の区画４１Ａへ流入し、チューブ４２ａ～４２ｄに分配されてから下方のヘッダ４１における横方向一端側の区画４１Ｃへ流入する。次にチューブ４２ｅ～４２ｈに分配されてから上方のヘッダ４１における横方向他端側の区画４１Ｂへ流入し、次にチューブ４２ｉ～４２ｌに分配されてから下方のヘッダ４１における横方向他端側の区画４１Ｄへ流入し、排出口４５を介して排出される。こうして、熱媒体は各チューブ４２を流れるときに、チューブ４２及びフィン４３の周囲を流れる空気との間で熱交換を行なう。

　熱交換器１３では、複数のチューブ４２を通って一方のヘッダ４１から他方のヘッダ４１に向かって流れる熱媒体の流れを一つのパスとし、下に向かって流れるパスと上に向かって流れるパスとが交互に設けられている。チューブ４２ａ～４２ｄを通って下に向かって流れるパスを第一パスＰ１とし、チューブ４２ｅ～４２ｈを通って上に向かって流れるパスを第二パスＰ２とし、チューブ４２ｉ～４２ｌを通って下に向かって流れるパスを第三パスＰ３とする。ここでは、説明を簡単にするために、第一パスＰ１、第二パスＰ２、及び第三パスＰ３で、チューブ４２の本数を同一とする均等パスとしている。
　図５は、均等パスを模式的に示す図である。
　各パスの幅は、チューブ４２の本数を模式的に表している。以下の説明では、チューブ４２の基準となる本数を『２』で表し、基準となる本数よりも多い本数を『３』で表し、基準となる本数よりも少ない本数を『１』で表す。ここでは、第一パスＰ１、第二パスＰ２、及び第三パスＰ３の全てが、基準の『２』となる。

　次に、本実施形態におけるパスの設定例を示す。
　図６は、上昇パスを狭くした構成を模式的に示す図である（３‐２‐３）。
　ここでは、第一パスＰ１を『３』に設定し、第二パスＰ２を『２』に設定し、第三パスＰ３を『３』に設定している。すなわち、第二パスＰ２は、第一パスＰ１及び第三パスＰ３よりも狭い。
　図７は、上昇パスを狭くした構成を模式的に示す図である（２‐１‐３）。
　ここでは、第一パスＰ１を『２』に設定し、第二パスＰ２を『１』に設定し、第三パスＰ３を『３』に設定している。すなわち、第二パスＰ２は、第一パスＰ１及び第三パスＰ３よりも狭い。また、出口側の第三パスＰ３は、入口側の第一パスＰ１よりも広い。
　図８は、上昇パスを狭くした構成を模式的に示す図である（３‐１‐２）。
　ここでは、第一パスＰ１を『３』に設定し、第二パスＰ２を『１』に設定し、第三パスＰ３を『２』に設定している。すなわち、第二パスＰ２は、第一パスＰ１及び第三パスｐ３よりも狭い。また、入口側の第一パスＰ１は、出口側の第三パスＰ３よりも広い。

　《作用》
　次に、一実施形態の主要な作用効果について説明する。
　熱交換器１３は、各パスにおける熱媒体の流れが暖房時と冷房時とで共通である。これにより、運転モードが切り替わるとしても、熱媒体の入口と出口を常に一定にすることができる。そして、最初の第一パスＰ１は、上から下に向かって流れる、つまり重力に従う下降パスである。これにより、熱媒体が流れやすくなる。また、パス数は三、つまり奇数である。これにより、最後の第三パスＰ３も下に向かって流れる下降パスとし、熱媒体が流れやすくなる。最後の第三パスＰ３が、下から上に向かって流れる、つまり重力に逆らう上昇パスになると、熱媒体と共に循環するオイルが排出されにくくなる。したがって、最後の第三パスＰ３を下降パスとすることで、オイルの滞留を抑制できる。また、パス数が増えると、圧力損失が大きくなるため、パス数は三が好ましい。

　一方、上昇パスとなる第二パスＰ２では、液相の熱媒体は気相の熱媒体に比べて上昇しにくい。そのため、液相の熱媒体は、第二パスＰ２のうち、第一パスＰ１に近い側のチューブ４２には流れにくくなり、第三パスＰ３に近い側のチューブ４２に流れやすくなる。すなわち、第二パスＰ２内の分流に偏りが生じ、熱交換性能に影響してしまう。
　そこで、上昇パスとなる第二パスＰ２では、他のパスに比べて流路が狭くされている。すなわち、上昇パスとなる第二パスＰ２では、他のパスに比べてチューブ４２の本数が少なくされている。これにより、第二パスＰ２内で分流に偏りが生じることを抑制し、熱交換性能を向上させることができる。さらに、第二パスＰ２を狭くした分だけ、第一パスＰ１や第三パスＰ３を広くすることができるので、スペースを有効利用し、熱交換性能を向上させることができる。

　図６の構成によれば、第一パスＰ１は基準よりも広い『３』に設定され、第二パスＰ２は基準の『２』に設定され、第三パスＰ３は基準よりも広い『３』に設定されている。上昇パスとなる第二パスＰ２は、分流に偏りが生じやすいため、この第二パスＰ２を相対的に最も狭くすることで、分流に偏りが生じることを抑制できる。
　図７の構成によれば、第一パスＰ１は基準の『２』に設定され、第二パスＰ２は基準よりも狭い『１』に設定され、第三パスＰ３は基準よりも広い『３』に設定されている。暖房時に室外の熱交換器１３は、蒸発器として機能するため、熱交換器１３の出口に近づくほど熱媒体が気化する。気相は液相に比べて熱媒体の密度が低く、流速が速いため、圧力損失は大きい。すなわち、暖房時には、熱媒体が気化する出口側のパスで圧力損失が大きくなってしまう。そこで、出口側の第三パスＰ３は、入口側の第一パスＰ１に比べて広くされている。すなわち、出口側の第三パスＰ３は、入口側の第一パスＰ１に比べてチューブ４２の本数が多くされている。これにより、暖房時の圧力損失を低減し、熱交換性能を向上させることができる。したがって、暖房が優先される車両に好適である。また、暖房時は出口側から着霜し始めるため、出口側の流路を広くすることで、着霜に起因した通風路の閉塞を抑制することができる。

　図８の構成によれば、第一パスＰ１は基準よりも広い『３』に設定され、第二パスＰ２は基準よりも狭い『１』に設定され、第三パスＰ３は基準の『２』に設定されている。冷房時に室外の熱交換器１３は、凝縮器として機能するため、熱交換器１３の出口に近いほど熱媒体が液化する。つまり、入口側では熱媒体が気相である。気相は液相に比べて熱媒体の密度が低く、流速が速いため、圧力損失は大きい。すなわち、冷房時には、熱媒体が気相となる入口側のパスで圧力損失が大きくなってしまう。そこで、入口側の第一パスＰ１は、出口側の第三パスＰ３に比べて広くされている。すなわち、入口側の第一パスＰ１は、出口側の第三パスＰ３に比べてチューブ４２の本数が多くされている。これにより、冷房時の圧力損失を低減し、熱交換性能を向上させることができる。したがって、冷房が優先される車両に好適である。

　《変形例》
　本実施形態では、パス数を三にしているが、これに限定されるものではない。パス数は三以上の奇数であればよいので、パス数を例えば五にしてもよい。
　本実施形態では、各パスにおける流路の広さを、チューブ４２の本数によって調整しているが、これに限定されるものではない。例えば、チューブ４２の流路断面積によって調整してもよい。
　本実施形態では、室内熱交換ユニット１２において、暖房用の熱源として凝縮器１６のみを設けているが、これに限定されるものではなく、別途、他の熱源を追加してもよい。例えば、温度によって抵抗値が変化するＰＴＣヒータ（ＰＴＣ：Positive Temperature Coefficient）を設けてもよい。これによれば、暖房効果が向上する。

　以上、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく実施形態の改変は、当業者にとって自明のことである。

　１１…車両用空気調和装置、１２…室内熱交換ユニット、１３…熱交換器、１４…送風ファン、１５…蒸発器、１６…凝縮器、１７…エアミックスダンパ、２１…流路、２２…流路、２３…流路、２４…流路、２５…流路、３１…膨張弁、３２…開閉弁、３３…逆止弁、３４…アキュムレータ、３５…圧縮機、３６…開閉弁、３７…膨張弁、３８…逆止弁、４１…ヘッダ、４１Ａ…区画、４１Ｂ…区画、４１Ｃ…区画、４１Ｄ…区画、４２…チューブ、４３…フィン、４４…流入口、４５…排出口、４６…隔壁、Ｐ１…第一パス、Ｐ２…第二パス、Ｐ３…第三パス
 

Claims (6)

1. 　横方向に延び、上下方向に間隔を空けて設けられた一対のヘッダと、
   　上下方向に延び、上端及び下端の夫々が前記ヘッダに接続され、横方向に間隔を空けて設けられた複数のチューブと、を備え、
   　複数の前記チューブを通って一方の前記ヘッダから他方の前記ヘッダに向かって流れる熱媒体の流れを一つのパスとし、下に向かって流れるパスと上に向かって流れるパスとが交互に設けられており、
   　各パスにおける前記熱媒体の流れは、暖房時及び冷房時で共通であり、
   　最初のパスは、下に向かって流れるパスであり、
   　パス数は、三以上の奇数であり、
   　上に向かって流れるパスは、他のパスに比べて流路が狭くされていることを特徴とする熱交換器。
2. 　出口側のパスは、他のパスに比べて流路が広くされていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 　入口側のパスは、他のパスに比べて流路が広くされていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 　前記流路の広さは、前記チューブの本数によって調整されることを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の熱交換器。
5. 　パス数は、三であることを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載の熱交換器。
6. 　車室内へ空気を供給する供給流路と、
   　前記供給流路に設けられ、周囲を通過する空気と内部を通過する熱媒体との間で熱交換を行ない、前記熱媒体に放熱させる凝縮器と、
   　前記供給流路のうち前記凝縮器よりも上流側に設けられ、周囲を通過する空気と内部を通過する前記熱媒体との間で熱交換を行ない、前記熱媒体に吸熱させる蒸発器と、
   　車室外に設けられ、周囲を通過する外気と内部を通過する前記熱媒体との間で熱交換を行なう請求項１～５の何れか一項に記載の熱交換器と、
   　前記熱媒体を圧縮する圧縮機と、
   　前記熱媒体を膨張させる第一の膨張弁及び第二の膨張弁と、を備え、
   　暖房時には、前記圧縮機、前記凝縮器、前記第一の膨張弁、前記熱交換器の順に、前記熱媒体を循環させ、
   　冷房時には、前記第二の膨張弁、前記蒸発器、前記圧縮機、前記凝縮器、前記熱交換器の順に、前記熱媒体を循環させることを特徴とする車両用空気調和装置。
    

Images