JP2004508525A - 車両に設けられたｃｏ２空調装置に用いられる熱交換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、熱交換器であって、高圧側の冷媒流によって第１の方向で通流される第１の通路と、低圧側の冷媒によって第１の方向とは反対の第２の方向で通流される、第１の通路から分離された第２の通路とが設けられている形式のものにおいて、第１の通路と第２の通路とが、それぞれ個々の熱交換薄板（１，２，３，…）内にまたは個々の熱交換薄板（１，２，３，…）上に形成された多数の小さな通路（１１，１２，１３，…）を有しており、熱交換薄板の複数の層が、互いにはんだ付けされているかまたは溶接されていることを特徴している。

Description

【０００１】
本発明は、熱交換器であって、高圧側の冷媒流によって通流される第１の通路と、低圧側の冷媒によって通流される、第１の通路から分離された第２の通路とが設けられている形式のものに関する。
【０００２】
このような形式の熱交換器は、車両に設けられたＣＯ_２空調装置の内部熱交換器としての使用において、ドイツ冷房・空調技術会（Ｄｅｕｔｓｃｈ．　Ｋａｅｌｔｅ−　ｕｎｄ　Ｋｌｉｍａｔｅｃｈｎｉｓｃｈ．　Ｖｅｒｅｉｎ）の状況報告書第２０号「コーレンディオキシド　−　ベゾンダーハイテン　ウント　アインザッツシャンセン　アルス　ケルテミッテル（Ｋｏｈｌｅｎｄｉｏｘｉｄ　−　Ｂｅｓｏｎｄｅｒｈｅｉｔｅｎ　ｕｎｄ　Ｅｉｎｓａｔｚｃｈａｎｃｅｎ　ａｌｓ　Ｋａｅｌｔｅｍｉｔｔｅｌ）」（第１３７頁、１９９８年１１月）に基づき知られている。
【０００３】
ＦＣＫＷ（Ｆｌｕｏｒｃｈｌｏｒｋｏｈｌｅｎｗａｓｓｅｒｓｔｏｆｆ：ハイドロクロロフルオロカーボン）の使用からの脱出に対する規定および規制から出発して、ＦＣＫＷに対して択一的な自然冷媒への関心が高まっている。
【０００４】
多様な自然冷媒には、不燃性のかつ無毒性の二酸化炭素も所属している。１８６６年に初めて冷媒として使用され、５０年代に使用されなくなった二酸化炭素に対する研究は、８０年代の終わりにローレンツと共同研究者との研究によって再び注目を集めた。将来の使用分野は、車両空調設備、ヒートポンプ、小さな出力の搬送可能な空調機器、空気除湿器および乾燥器にある。
【０００５】
ＣＯ_２プロセスの性能および効率を向上させるためには、いわゆる「内部熱交換器または内側熱交換器」が提案されている。この内部熱交換器は冷媒（ＣＯ_２）によって通流される。ガスクーラからエバポレータへの経路では１回通流され、エバポレータとコンプレッサとの間では２回通流される。内部熱交換器の主な役割は、高い周囲温度が付与されている場合、すなわち、ガスクーラが冷媒を膨張前に十分に冷却することができない場合に内部熱交換器によって付加的な冷却を可能することである。熱流は、ガスクーラの後方の高圧側から（コンプレッサへの流入前の）エバポレータの後方の低圧側に送出される。この場合、吸込み側で部分的にまだ液状の冷媒は、コンプレッサに到達する前に完全に蒸発する。内部熱交換器が向流式熱交換器として形成されていると有利である。
【０００６】
上述した、ドイツ冷房・空調技術会の状況報告書に基づき知られている内部熱交換器は、目下、たとえば向流二重管式熱交換器として製作される。この場合、管成形体は、押し出されたアルミニウムから製作される。高圧側の冷媒流は強度の理由に基づき内側の管内に案内される。この場合、冷媒の、満足のいく熱伝達係数と同時に許容可能な減圧とを獲得するためには、吸込み側の伝熱面積のもしくは吸込み側で通流される横断面積の寸法設定が困難となる。
【０００７】
本発明の課題および利点
本発明の課題は、ＣＯ_２空調装置内の内部熱交換器としての使用のために適した、小さな容積で極めて大きな伝熱面積を実現することができるコンパクトな小型の熱交換器を提供することである。
【０００８】
この課題は請求項により解決される。
【０００９】
本発明の主要なアスペクトによれば、第１の通路と第２の通路とが、それぞれ個々の熱交換薄板内にまたは個々の熱交換薄板上に形成された多数の小さな通路を有しており、熱交換薄板の複数の層が、互いに結合されていて、たとえばはんだ付けされているかまたは溶接されていることによって、このような熱交換器を極めてコンパクトに、すなわち、小さな容積と同時に大きな伝熱面積を備えて製作することができる。多数の小さな通路と、向流原理での熱交換器の設計および運転形式とによって、許容可能な減圧時の熱伝達を公知の解決手段に比べて改善することができる。
【００１０】
多数の小さな通路によって、伝熱面積を著しく増大させることができる。
【００１１】
高圧側における熱伝達係数と伝熱面積との積が、低圧側における熱伝達係数と伝熱面積との積に相当するように、小さな通路の水力直径が選択されていると有利となり得る。
【００１２】
択一的または付加的には、高圧側における熱伝達係数と伝熱面積との積が、低圧側における熱伝達係数と伝熱面積との積に相当するように、小さな通路のジグザグ案内による流れ案内が選択されていてもよい。
【００１３】
通路が、薄板上にもしくは薄板内に除去式の製造法または被着式の製造法により製作されることによって、通路、すなわち、通路直径を運転圧比率に適合させて極めて小さく形成することができる。
【００１４】
実施例
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００１５】
図１に示した本発明による熱交換器の実施例は、連続してはんだ付けされているかまたは溶接されていて、２つのカバープレート８，９の間に詰め込まれている個々のプレート状の熱交換薄板１，２，３が、小さな通路１１，１２，１３と流れ開口４，５，６，７とを備えていることによって極めてコンパクトに形成されている。左側のカバープレート８の流入開口１４で流入する高い圧力のＣＯ_２（矢印ＥＨ参照）は左側の熱交換薄板１の流れ開口４を通って中間の熱交換薄板２に流れ、この熱交換薄板２の通路１２を矢印方向で下方に通流し、そこから再び左向きに第１の熱交換薄板１の流れ開口６とカバープレート８の流出開口１６とを通って流出する（矢印ＡＨ参照）。さらに、ハッチングした矢印が示しているように、低い圧力のＣＯ_２（矢印ＥＮ参照）は、左側のカバープレート８の流入開口１５内に流入し、第１の熱交換薄板１の通路１１を下方から上方に通流し、さらに、第２の熱交換薄板２の流れ開口５を通って第３の熱交換薄板３に流れ、そこで同じく第３の熱交換薄板３の小さな通路１３を下方から上方に通流し、第３の熱交換薄板３、第２の熱交換薄板２および第１の熱交換薄板１の相応の流れ開口７と、その後、左側のカバープレート８の流出開口１７とを通って流出する（矢印ＡＮ参照）。
【００１６】
こうして、図示の熱交換器は高圧側の冷媒（黒矢印）によって第１の方向で通流され、低圧側の冷媒（ハッチング矢印）によって向流で通流される。
【００１７】
当然ながら、３つの熱交換薄板１，２，３しか備えていない図示の熱交換器の構造は単に例示的なものにすぎない。
【００１８】
したがって、図１に示した熱交換器は、熱交換薄板によって規定された個々の層から成っている。これらの層は、一方では（約１５０ｂａｒまでの）高い圧力と同時に高い温度にあるＣＯ_２と、他方では（約６０ｂａｒまでの）低い圧力と同時に低い温度にあるＣＯ_２とによって向流で通流される。
【００１９】
熱交換器を、生ぜしめられる熱伝達条件に理想的に適合させるためには、熱伝達が流体の物質特性と流れ状態とによって規定されることが考慮されなければならない。しかし、低圧側における熱伝達係数は一般的に高圧側における熱伝達係数よりも著しく小さく設定されている。したがって、熱交換器の容積を最も効率よく使用するためには、高圧側における熱伝達係数と伝熱面積との積を、低圧側における熱伝達係数と伝熱面積との積に適合させることが目標とされなければならない。このことは、小さな通路１１，１２，１３が加工成形された個々の成形体、すなわち熱交換薄板１，２，３から成る図示のコンパクトな熱交換器において、小さな通路１１，１２，１３の水力直径の相応の適合によって行うことができる。
【００２０】
さらに、伝熱面積もしくは熱伝達係数を、たとえばジグザグ状での小さな通路の適宜な流れ案内によって増加させることが可能となる。
【００２１】
図面に示したようなコンパクトな熱交換器は、有利には、銅または銅合金、特殊鋼、アルミニウムおよび別の材料から製作することができる。
【００２２】
上述した本発明による熱交換器の実施例は、有利には、車両、特に自動車に設けられたＣＯ_２空調装置内の内部熱交換器に使用することができる。
【００２３】
この事例のためには、上述した構造と詳述した流れ条件とを備えた内部熱交換器が、約１５０ｂａｒまでの高い圧力に対して設計され得る。
【００２４】
この場合、図１に黒矢印（高圧）によって特徴付けた第１の流れ通路は、ガスクーラからエバポレータへの第１の流路に位置しており、図１にハッチング矢印（低圧）によって特徴付けた第２の流れ通路は、エバポレータから車両空調装置のコンプレッサへの第２の流路に位置している。
【００２５】
第１の流路には、約１５０ｂａｒまでの高い圧力と高い温度とが形成されてよく、第２の流路には、約６０ｂａｒまでの低い圧力と比較的低い温度とが形成されてよい。
【００２６】
図１に示した熱交換器が単に概略的なかつ例示的なものでしかなく、熱交換薄板のプレート状の形とは異なる別のジオメトリ、たとえば円筒状の構造を実現することもできることが、当業者には上述の説明につき明確となっている。
【００２７】
図２に示した実施例では、第１の熱交換薄板１に、たとえば２つの小さな通路１１が位置している。両通路１１は低圧側で冷媒によって通流される。小さな通路１１のほぼＵ字形の横断面は第２の熱交換薄板２によって閉鎖されるので、冷媒は逃出することができない。両熱交換薄板１，２を相関的に固定するためには、結合部２０、たとえばはんだ結合部が設けられている。高圧側で冷媒によって通流される小さな通路１２は、それぞれ低圧側の小さな通路１１に対して真上にに位置しているものの、第２の熱交換薄板２の、第１の熱交換薄板１とは反対の側に位置している。高圧側の小さな通路１２の長手方向側は、図２に示していない別の熱交換薄板３によって閉鎖することもできる。小さな通路１１，１２は向流原理で冷媒によって通流される。
【００２８】
図２の熱交換器は、図３の配置形式により、低圧側の小さな通路１１の開口が、高圧側で通流される小さな通路１２の開口に対してずらされて配置されることによって、さらにコンパクトに製作することができる。いま、第１の熱交換薄板１の小さな通路１１の両開口の間に位置する第１のウェブ２２は、通路１１，１２内の圧力差によって発生させられた力を吸収するように、高圧側で通流される小さな通路１２の開口とは反対の側に正確に位置している。低圧側の小さな通路１１を高圧側の小さな通路１２に対して、互いに異なる圧力レベルを備えた平面にずらすことによって、熱交換薄板１，２の、必要となる厚さを減少させることができる。このことは、通路１１，１２内の圧力差によって発生させられた力が両開口の間のウェブ２２によって増加的に吸収されることによって達成される。この手段によって、熱交換器の容積と特に質量とを著しく減少させることができる。このことは、特に大きな密度および大きな強度をも備えた材料にとって重要となる。いま、質量を減少させるこの手段によって、大きな密度を備えた材料を使用することもできる。なぜならば、この場合、熱交換器の質量は、もはや材料の密度によってだけではなく、小さな通路内に位置する流体の密度によっても規定さるからである。特に大きな強度を備えた材料、たとえば特殊鋼または銅が使用される。
【００２９】
図４に示した実施例では、第２のウェブ２４が、図３に示した実施例の第１のウェブ２２に比べて減少させられている。この場合、圧力差によってウェブに生ぜしめられる応力は、その都度の材料の許容可能な応力が上回られない程度の大きさである。さらに、小さな通路１１の開口も小さな通路１２の開口に対して互いにずらされて配置されている。図４に示した実施例によって、熱交換器をさらにコンパクトに形成することができる。
【００３０】
圧力差がδｐ〜２２５ｂａｒで材料として銅が使用されている場合には、熱交換薄板１，２の厚さは６００〜１０００μｍのオーダ内で変動してよく、小さな通路１１，１２の寸法は４００〜１４００μｍで変動してよく、ウェブ２２，２４の幅は３５０〜８００μｍで変動してよい。しかし、サイズ比率は上向きにまたは下向きに適切に変化してよく、いずれにせよ、制限されていない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
個々の薄板層から形成された本発明による熱交換器の実施例における構造および流れ条件を示す図である。
【図２】
コンパクトな熱交換器の第１の配置形式を示す図である。
【図３】
コンパクトな熱交換器の第２の配置形式を示す図である。
【図４】
コンパクトな熱交換器の第３の配置形式を示す図である。
【符号の説明】
１　熱交換薄板、　２　熱交換薄板、　３　熱交換薄板、　４　流れ開口、　５　流れ開口、　６　流れ開口、　７　流れ開口、　８　カバープレート、　９　カバープレート、　１１　通路、　１２　通路、　１３　通路、　１４　流入開口、　１５　流入開口、　１６　流出開口、　１７　流出開口、　２０　結合部、　２２　ウェブ、　２４　ウェブ

Claims (15)

1. 熱交換器であって、高圧側の冷媒流によって通流される第１の通路と、低圧側の冷媒によって通流される、第１の通路から分離された第２の通路とが設けられている形式のものにおいて、第１の通路と第２の通路とが、それぞれ個々の熱交換薄板（１，２，３，…）内にまたは個々の熱交換薄板（１，２，３，…）上に形成された多数の小さな通路（１１，１２，１３，…）を有しており、熱交換薄板の複数の層が、互いに結合されていることを特徴とする、熱交換器。
2. 高圧側の冷媒流と低圧側の冷媒流とが、当該熱交換器を向流原理で通流するように、小さな通路の流れ案内が選択されている、請求項１記載の熱交換器。
3. 熱交換薄板が、プレート状に形成されている、請求項１または２記載の熱交換器。
4. 高圧側の冷媒と低圧側の冷媒とがＣＯ_２である、請求項１から３までのいずれか１項記載の熱交換器。
5. 高圧側における熱伝達係数と伝熱面積との積が、低圧側における熱伝達係数と伝熱面積との積に相当するように、小さな通路（１１，１２，１３，…）の水力直径が選択されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の熱交換器。
6. 高圧側における熱伝達係数と伝熱面積との積が、低圧側における熱伝達係数と伝熱面積との積に相当するように、小さな通路の流れ案内が選択されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の熱交換器。
7. 小さな通路が、ジグザグパターンで熱交換薄板内にまたは熱交換薄板上に案内されている、請求項６記載の熱交換器。
8. 熱交換薄板（１，２，３）の材料が、銅および銅合金、特殊鋼、アルミニウムおよび別の材料を有するグループから選択されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の熱交換器。
9. 小さな通路が、除去式の製造プロセスまたは構築式の製造プロセスによって熱交換薄板内にもしくは熱交換薄板上に製作されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の熱交換器。
10. プレート状の熱交換薄板が、互いに反対の側に位置する２つのカバープレート（８，９）の間に閉じ込められており、両カバープレート（８，９）のうちの第１のカバープレート（８）が、それぞれ高圧側のかつ低圧側の冷媒のための流入開口（１４，１５）と流出開口（１６，１７）とを有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の熱交換器。
11. 車両、特に自動車に設けられたＣＯ_２空調装置内の内部熱交換器としての、請求項１から１０までのいずれか１項記載の熱交換器の使用。
12. 内部熱交換器が、約１５０ｂａｒまでのＣＯ_２冷媒の高い圧力に対して設計されている、請求項１１記載の使用。
13. 内部熱交換器の第１の通路が、ガスクーラからエバポレータへの第１の流路でＣＯ_２によって通流されるようになっており、第２の通路が、エバポレータから車両空調装置のコンプレッサへの第２の流路でＣＯ_２によって通流されるようになっている、請求項１１または１２記載の使用。
14. 第１の流路に約１５０ｂａｒまでの高い圧力と高い温度とが形成されるようになっており、第２の流路に約６０ｂａｒまでの低い圧力と比較的低い温度とが形成されるようになっている、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の使用。
15. 第１の熱交換薄板（１）の小さな通路（１１）が、第２の熱交換薄板（２）の小さな通路（１２）に対してずらされて配置されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の熱交換器。