JP2008520489A - 寸法を最適化された熱交換装置、および熱交換装置の寸法を最適化するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一層安価かつ軽量に製造が可能となるように個々の熱交換装置をその寸法に関して冷媒としてのＣＯ_２の使用に適合させる。
【解決手段】流体を転送するための多数の貫流管を有する特に自動車の空調装置用熱交換装置において、装置が所定の奥行Ｔを有し、所定数の貫流管（３、５）が少なくとも一部では所定の相互距離で配置されている。奥行と所定距離との比Ｖが７未満であり、奥行と、所定距離と１０ｍｍとの合計との重み付き比Ｖ’が１．３よりも大きくかつ２．８よりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体を転送するための多数の貫流管を有する特に自動車の空調装置用熱交換装置であって、装置が所定の奥行Ｔを有し、所定数の貫流管が少なくとも一部では所定の相互距離で配置されているものに関する。装置は特に自動車の空調装置に関連して述べられる。しかし、本発明に係る装置は別の空調装置もしくは冷凍サイクルにおいても応用できるものである。

技術の現状により公知の空調装置もしくは熱交換装置は冷却のため冷媒Ｒ１３４ａを利用している。それと並んで、この冷媒の代わりに二酸化炭素（ＣＯ_２）である冷媒Ｒ７４４を利用した空調装置も公知である。旧来の冷媒に比べてＣＯ_２を利用する利点はなかんずくその向上した環境適合性にある。というのもこの冷媒は温室効果を高めないからである。

しかし技術の現状においてＣＯ_２を冷凍サイクル用に使用することは従来の冷媒に比べて一部ではかなりの超過費用と結び付いている。というのもこの冷媒は装置内でＲ１３４ａと比較してかなり高い圧力のもとにあるからである。例えば、従来の冷媒を使用するときのように同じ幾何学形状もしくは同じ寸法の冷凍サイクルが使用されるとききわめて高い重量が、そして高い製造費も引き起こされ、そのことから、装置の製造が不経済となる。

本発明の課題は、一層安価かつ軽量に製造が可能となるように個々の熱交換装置をその寸法に関して冷媒としてのＣＯ_２の使用に適合させることである。

手間をかけた研究で示すことができたように、蒸発器に対する改良によって重量および製造費の特別効率的節約を達成することができる。蒸発器において控え目な出力低下を甘受することも考えられる。というのも、これは、包括的分析で判明したように、車両内で達成可能な冷却に対する影響が最も少ないからである。

課題は、特に冷媒ＣＯ_２の使用時に特に、但し専らではないが、その製造費、出力、重量等に関して装置の改良が達成されるように、特定寸法の適合によって装置を適合させることにある。

他の課題は、冷媒としてＲ１３４ａを使用する熱交換装置も改良することにある。

課題は、本発明によれば、構成要素としての蒸発器がその比冷凍能力を、冷凍サイクル内の反作用が車室内でなお受入れることのできるオーダで低減されることによって解決される。従来の冷媒（Ｒ１３４ａ）を使用して冷媒サイクルの出力レベルが、従来のようにもはや過剰に提供されるのでなく、匹敵するレベルにあることは甘受することができる。より正確には、蒸発器はその冷凍能力、重量および製造費に関して、従来型冷媒を使った蒸発器と比較して匹敵するように設計されねばならない。

本発明によれば、蒸発器の主要な幾何学的大きさは、システム全体の枠内で極力最適な費用対便益比が得られるように最適化される。

詳細には、課題は、奥行と所定距離との比Ｖが７未満であり、および／または奥行と、所定距離と１０ｍｍとの合計との重み付き比Ｖ’が１．３よりも大きくかつ２．８よりも小さいことを特徴とする装置によって解決される。有利な実施形態および諸構成は従属請求項の対象である。

発明の実施の形態

本発明に係る熱交換装置は流体を転送するための多数の貫流管を有し、装置が所定の奥行‐以下では構造奥行とも称する‐を有し、幾つかの貫流管は少なくとも一部では所定の相互距離で配置されている。これにより本発明によれば、奥行と所定距離との比が７未満である。熱交換装置の奥行は、図を参考に詳細に述べるように、実質的に個々の貫流管の奥行から生じる。

個々の貫流管の管距離とは、図を参考に一層正確に明らかとなるように、貫流管のそれぞれ相向き合う側面が相互に離間している距離のことである。この管距離は、好ましくは管の間に配置されるフィンの高さも決定する。それゆえに管距離は以下でフィン高さとも称される。

距離とは、貫流管の間の最短の幾何学的距離のことである。少なくとも一部に設けられる距離とは、管が必ずしもその全長にわたって同じ相互距離を有する必要のないことと理解される。

第１群の管が第１相互距離を有し、第２群の管が第２相互距離を有することも可能である。そのことも図に関連して詳しく説明される。

他の好ましい実施形態において比Ｖは６．５未満、好ましくは６．３未満、特別好ましくは５．９未満である。研究と分析とによって突き止めることができたように、ＣＯ_２を冷媒として使用する場合前記比は特別好ましい費用対便益関係をもたらし、費用対便益関係を評価するための判定基準として特に比冷凍能力、空気側および冷媒側圧力低下、そして製造費と重量が考慮に値する。

他の好ましい１実施形態では、貫流管が少なくとも一部では互いに平行に配置されている。こうして、個々の貫流管の間に実質一定した距離を保証することができる。

好ましくは、貫流管は実質その全長に沿って互いに平行に延び、こうして実質その全長に沿って一定した所定の第１相互距離を有する。

他の好ましい１実施形態において貫流管は扁平管状横断面を有する。扁平管状横断面とは、１つの側面がその長さに関して他の側面をはるかに凌駕した例えば縦長長方形、隅を丸めた縦長長方形、または第１半径が第２半径よりもはるかに大きい楕円等の横断面のことである。

他の好ましい１実施形態において流体は冷媒、好ましくはＲ７４４（ＣＯ_２）である。

他の好ましい１実施形態では、多数の第１貫流管が少なくとも一部では所定の第１相互距離を有し、多数の第２貫流機構が実質的に所定の第２相互距離を有し、奥行と所定距離の少なくとも一方との比Ｖが７未満である。

これは、個々の貫流機構が別の貫流機構とは別の相互距離を有することを意味する。個々の距離は互いに実質平行な貫流機構の内部でも変更することができる。さらに、所定の第１距離も、所定の第２距離も、奥行と両方の所定距離との比がそれぞれ７未満となるようなものとしておくことができる。

多数の第１貫流機構に流体が特定方向で通され、他の多数の貫流機構には流体が別方向で通されるようになった熱交換装置において、好ましくは、それぞれ異なる所定の管距離が選択される。こうして、状況によっては、達成される熱伝達能力に関して一層安価な構造様式を達成することができる。

他の好ましい１実施形態では、多数の第１貫流機構が多数の第２貫流機構に対して横方向でずらされている。第１、第２貫流機構の個々の所定距離は同一にまたは異なるように選択することができる。同じ多数の貫流機構の内部で所定距離は変更することもできる。

他の好ましい１実施形態では、貫流管の間に冷却フィンが配置されている。これらのフィンは、周囲空気との熱交換を改善するのに役立つ。既に触れたように、これらの冷却フィンの高さは相隣接する貫流管の所定距離によって実質的に決まる。

好ましい１実施形態では、個々の冷却フィンの肉厚が０．０４〜０．２ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．１２ｍｍ、特別好ましくは０．０６〜０．１ｍｍである。フィン密度は４０〜９０Ｒｉ／ｄｍ、好ましくは５０〜８０Ｒｉ／ｄｍ、特別好ましくは６０〜７０Ｒｉ／ｄｍである。

他の好ましい１実施形態では、装置の奥行が１０ｍｍ〜６０ｍｍ、好ましくは２０ｍｍ〜５０ｍｍ、特別好ましくは２５ｍｍ〜４５ｍｍである。これらの異なる奥行は特に、意図された応用目的に起因して生じ、すなわち例えば装置が小型車、中級車または上級車のいずれにおいて使用されるのかに起因して生じる。

他の好ましい１実施形態では、貫流管の間の所定距離が４ｍｍ〜１２ｍｍ、好ましくは４．５ｍｍ〜１０ｍｍである。これらの距離も、特にその都度の応用に起因して生じる。

他の好ましい１実施形態では、３０ｍｍ〜５０ｍｍの奥行、好ましくは３５ｍｍ〜４５ｍｍの奥行に、５ｍｍ〜１２ｍｍ、好ましくは５．５ｍｍ〜１０ｍｍの所定距離が割り当てられている。この実施形態は、特に、但し専らではないが、中級車または上級車の空調装置内で応用できる大きく寸法設計された熱交換装置である。しかし、選択された寸法は比が７未満に留まることを実質確保する。

他の好ましい１実施形態では、１５ｍｍ〜４０ｍｍの奥行、好ましくは２０ｍｍ〜３５ｍｍの奥行に、３ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは４ｍｍ〜８．５ｍｍの所定距離が割り当てられている。これらの寸法は特に小型車および中級車の空調装置において応用される。

これらの寸法においても７未満の比は実質保持されたままでなければならないであろう。しかし、値７を僅かに上まわるような比も実質７の比と理解される。

他の好ましい１実施形態では、貫流管の幅が１ｍｍ〜３ｍｍ、好ましくは１．５ｍｍ〜２ｍｍ、特別好ましくは約１．７ｍｍ〜１．９ｍｍである。貫流管の肉厚は０．１ｍｍ〜０．６ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍ〜０．４ｍｍ、特別好ましくは約０．３ｍｍである。これらの寸法によって、周囲空気との特別有利な熱交換を達成することができる。

本発明に係る装置は好ましくは、自動車空調装置冷媒サイクルの構成要素である蒸発器である。

本発明はさらに、本発明に係る少なくとも１つの熱交換装置を有する特に自動車用の空調装置に向けられている。

本発明はさらに、熱交換装置を寸法設計するための方法であって、第１ステップでは装置の第１寸法が確定され、他の１ステップでは装置の第２寸法が確定され、他の１ステップでは装置の少なくとも２つの第１目標パラメータが算出され、他の１ステップでは少なくとも１つの寸法が変更され、変更された寸法から再び、変更された寸法を有する装置の少なくとも２つの第２目標パラメータが算出され、最後に第１、第２目標パラメータの比較から一層好ましい目標パラメータが選択される方法に向けられている。

好ましくは、第１、第２寸法は、奥行、冷却フィンのフィン高さ、貫流管の距離等を含む寸法群から選択されている。

しかしさらに、ｄｍ（デシメートル）当りフィン密度等の値も寸法と理解することができる。

目標パラメータは、構造空間奥行、冷凍能力、空気側圧力低下、重量、製造費を含むパラメータ群から選択されている。冒頭で触れたように、前記要因でもって結局、異なる冷媒、ここではＲ１３４ａとＲ７４４（ＣＯ_２）にとっての熱交換装置の有益さまたは価値が算出される。本発明に係る方法によって熱交換装置の主要寸法は変更し、それとともにそれぞれ該当する前記出発値を算出し、こうして、受入れ可能な製造支出もしくは受入れ可能な費用において満足し得る十分な冷凍能力が受入れ可能な重量で達成されるように寸法設計された装置に到達することができる。

この方法では、一方または他方の寸法の僅かな変更が既に出発値もしくは目標パラメータの劇的な変化をもたらし得ることを考慮することができる。

好ましくは、目標パラメータはしばしば、特に異なる寸法において算出され、こうして得られたこれら多数の目標パラメータセットから最も好ましいパラメータセットが算出される。目標パラメータのこの多重算出によって熱交換装置の所期の出力もしくは目標パラメータのきわめて正確な分析を達成することができる。好ましくは、最も好ましい目標パラメータセットを算出するとき個々の目標パラメータは所定の判定基準に従って重み付けされる。こうして例えば、上級車内で本装置を利用するために重量および製造費の目標パラメータを小型車内に応用する場合よりも小さく重み付けすることが可能である。

本発明に係る装置および本発明に係る方法のその他の利点および実施形態は図から明らかとなる。

図１は本発明に係る熱交換装置１の一部を平面図で示す。これは多数の第１貫流管３と多数の第２貫流管５とを有する。好ましい１実施形態において冷媒は多数の第１貫流管３内を１方向に、例えば図示平面から外へと流れ、多数の第２貫流管５内を逆方向に、すなわち図示平面内へと流れる。

符号７は貫流管の室を表す。好ましくは、貫流管は多数の室もしくは通路に区画されている。

第１貫流管３と第２貫流管５は空隙８によって相互に分離されている。貫流管３、５内で冷媒が異なる温度を有することがあり、熱伝達が起きてはならないので、この空隙８は断熱に役立つ。しかし空隙の代わりに貫流管は奥行Ｔに沿って連続的に配置しておくこともでき、すなわち多数の扁平管のみ設けておくことができる。その場合好ましくは、室もしくは通路７はブラインドに実施され、すなわちこの通路内を冷媒は流れない。

符号４は貫流管３、５の間に配置されるフィンであり、ここでは上からの平面図で示してある。値Ｈ_Ｒｉはフィン高さであり、実質的に個々の貫流管３もしくは５の距離によって、より正確には各貫流管３、５の相向き合う側面の距離によって決まる。

符号Ｔは、上で触れたように装置の主要な幾何学値である構造奥行を表す。フィン４は実質的に完全奥行Ｔに沿って延び、好ましくは空隙によって中断されていない。前記比Ｖは構造奥行Ｔとフィン高さＨ_Ｒｉとの比を決定する。

図１に一部図示した熱交換装置の側面図が図２に示してある。ｂは個々の貫流管の管幅を表す。冷媒としてＲ１３４ａを利用する熱交換装置の場合、管の幅は２〜４ｍｍ、好ましくは２．５〜３ｍｍである。

冷媒としてＣＯ_２を利用する熱交換装置では、‐上で触れたように‐管の幅が好ましくは１．２〜２ｍｍの範囲内である。全体として装置は幅が１２０〜４００ｍｍ、好ましくは２１５〜３５０ｍｍ、特別好ましくは２５０〜３１５ｍｍである。同様に有利な幅は１２０〜３１５ｍｍである。本発明に係る装置の高さは１４０〜３００ｍｍ、好ましくは２００〜３００ｍｍ、特別好ましくは２２０〜２５０ｍｍである。同様に有利な高さは１４０〜２７０ｍｍである。好ましい１実施形態において装置は実質的にアルミニウムまたはアルミニウム含有材料から製造されている。

符号Ａはいわゆる横ピッチ、すなわち個々の貫流機構の各幾何学中心の距離を表す。この横ピッチＡからフィン高さＲ_Ｈｉが得られるのは、付加的になお各管幅ｂが考慮されるときである。すなわち、フィン高さと横ピッチは直接的関係にある。横ピッチをフィン高さの尺度として利用できるのは、貫流管３、５の横断面のゆえにフィン高さもしくは貫流管距離の幾何学的に明確で一定した明示が存在しない場合、例えば図２において貫流管の距離が図示平面に垂直な方向で変化するときである。これは例えば貫流管の断面が円形である場合に有り得ることである。その場合、本発明に係る奥行と管距離との比は奥行と横ピッチとの比に取替えることができる。

本発明に係る装置の他の実施形態が図３に略示されている。符号３、５はそれぞれ個々の貫流管の平面図に関係している。図１に示す実施形態とは異なり、ここでは貫流管３と貫流管５が相互に横方向でずらされている。これは、貫流管の間の距離を貫流管３と貫流管５とで個別に決定できることを意味する。図３に示す実施例では貫流管３の距離Ｈ_Ｒｉが貫流管５の距離Ｈ_Ｒｉと同じである。

本発明に係る装置の他の実施形態が図４に略示されている。この場合貫流管３は、相互距離Ｈ_Ｒｉ２を有する貫流管５よりも大きな相互距離Ｈ_Ｒｉ１を有する。好ましくは両方の距離の少なくとも一方Ｈ_Ｒｉ１またはＨ_Ｒｉ２、この場合距離Ｈ_Ｒｉ１は、奥行Ｔと距離Ｈ_Ｒｉ１との比が７未満となるように選択されている。しかし、相応する比が７未満となるように両方の距離を選択することも可能である。

本発明に係る装置の他の実施形態が図５に示してある。この実施形態では個々の貫流管の間の距離が貫流管３の内部でのみ変化する。しかし、管５の内部でのみ距離を変化させ、または貫流管３の内部でも貫流管５の内部でも変化させることも可能である。距離の少なくとも一方Ｈ_Ｒｉが判定基準を満たし、奥行とこの距離との比が７未満であることを、この実施形態でも保証しなければならない。

個々の管の間に他の異なる距離もしくは複数の異なる距離、例えば距離Ｈ_Ｒｉ１、Ｈ_Ｒｉ２、Ｈ_Ｒｉ３等を設けることも可能であろう。いずれにしても距離の１つＨ_Ｒｉについて、７未満であるとの上記比を保たねばならないであろう。

図６は距離Ｈ_Ｒｉ１の定義を具体的に説明するための略図である。図３〜図５では貫流管がそれぞれ直線的長辺面を有し、これが同時に距離を直接決定するのに対して、図６に示す実施形態では貫流管が楕円形横断面を有する。この場合、貫流管の間の距離は、貫流管３にそれぞれ引いた両方の接線Ｔの距離と定義される。

しかし、上で付記したように、相向き合う側面の距離によってではなく、上で横ピッチとして表した個々の貫流管の各幾何学的中心線の距離によって管距離を定義することも可能である。これが考慮に値するのは、既に述べたようになかんずく、貫流管がここに示した幾何学形状とは異なる例えば凹面形状または凸面形状等の幾何学形状を有する場合である。

図７に示す線図は上級車用冷却曲線のシミュレーションを示す。匹敵する冷却曲線が冷媒Ｒ１３４ａはここで曲線１１、１２によって、Ｒ７４４はここで曲線１４、１５によって、それぞれ無負荷動作点においてプロットされている。

上側曲線１２、１４は車室内の温度推移を示し、下側曲線１１、１５は蒸発器自体の温度推移を示す。

さらに、Ｒ１３４ａ蒸発器が６５ｍｍの構造奥行を有するのに対して、Ｒ７４４蒸発器は２５ｍｍだけ少ない構造奥行、つまり４０ｍｍの構造奥行を有することがシミュレーションのため前提された。

横座標には時間が分で、縦座標には温度が摂氏でプロットされている。シミュレーションは複数の時間区分Ｉ〜ＩＶに区分され、区分Ｉは第３速、３２ｋｍ／ｈでの走行、区分ＩＩは第４速、６４ｋｍ／ｈでの走行、区分ＩＩＩはアイドリング（無負荷）、区分ＩＶは第２速、６４ｋｍ／ｈでの走行に関係している。

第３速（Ｉ）のときでもＲ７４４蒸発器がＲ１３４ａ蒸発器よりも迅速な冷却を達成することがわかる。範囲ＩＩ〜ＩＶでは各蒸発器がそれぞれ実質的に同じ値を達成する。

代表的動作点における異なる蒸発器実施の出力比較が図８に示してある。この動作点は、冷凍サイクルにかかわりなく比較を可能とするように定義されている。

指摘しておくなら、以下に述べる方法もしくは得られる結果はＲ１３４ａ蒸発器の改良にもＲ７４４（ＣＯ_２）蒸発器の改良にも等しく転用することができる。

ここに示した線図において前提とされたのは空気質量流量ＧＬＶ＝８ｋｇ／分、空気入口温度ｔＬＶｅ＝４０℃、相対湿度φＬＶＥ＝４０％である。

線図において菱形は冷媒Ｒ７４４（ＣＯ_２）について算出した値を示し、楕円は冷媒Ｒ１３４ａについて算出した値を示す。

フィン密度は冷媒Ｒ７４４を使った蒸発器が７０Ｒｉ／ｄｍ、冷媒Ｒ１３４ａを使った蒸発器が６０Ｒｉ／ｄｍである。

横座標には構造奥行がｍｍで、縦座標には総出力がｋＷでプロットされている。書き込まれた数値対もしくは点３１〜３９は温度Ｔ、フィン高さＨ_Ｒｉ、フィン密度Ｚ_ｒｉおよびいわゆる横ピッチｓ_ｑの関数である。横ピッチは個々の貫流管相互の各中心間距離を表す。個々の数値対もしくは点３１〜３９を結ぶ範囲は各種等級の車両の冷凍サイクルの出力レベルを網羅する。上側曲線２２は上級区分またはバン区分に割り当てられ、下側曲線２３は小型車の出力需要を示す。

４０ｍｍよりも小さな構造奥行、すなわち測点３１〜３５について冷媒Ｒ７４４の数値がプロットされている。構造奥行範囲シグマ４０ｍｍについて冷媒Ｒ１３４ａの数値がプロットされている。上で触れたように、測点３１〜３５について７０Ｒｉ／ｄｍの統一的フィン密度が選択され、測点３６〜３９について６０Ｒｉ／ｄｍの統一的フィン密度が選択された。

測点３１、３２の事例では僅かな横ピッチ、測点３３〜３５の事例では高い横ピッチが設定された。僅かな横ピッチから同様に僅かなフィン高さが得られ、そのことが線２８で示唆されている。同様に、高い横ピッチには高いフィン高さが得られ、そのことが線２７によって明確にされる。

測点３６、３７には僅かな横ピッチが選択された。そのことから、線２５が示すように僅かなフィン高さＨ_Ｒｉが生じる。測点３８、３９には高い横ピッチが選択されたのであり、そのことから‐線２６が示すように‐高いフィン高さが生じる。

線図から明らかとなるように、Ｒ７４４における構造奥行は、座標にプロットされた一定した出力レベルにおいて、著しく低減する。これは、構造奥行Ｔとフィン高さＨ_Ｒｉとの関係もしくは比が移動することを意味する。

Ｒ１３４ａの事例では６５ｍｍの奥行が７〜１０ｍｍのフィン高さ、４０ｍｍの奥行には４〜６ｍｍのフィン高さが割り当てられるのに対して、冷媒Ｒ７４４を使用する場合は４０ｍｍの奥行に７〜１０ｍｍのフィン高さ、２７ｍｍの奥行に５〜８ｍｍのフィン高さが割り当てられる。

旧来の構造様式では冷媒Ｒ７４４にＲ１３４ａの関係もしくは寸法設計が引き継がれた。そのことから、Ｒ１３４ａと比較して著しく高い出力値がもたらされたが、しかし重量増と費用増ももたらされた。これはなかずくＲ７４４では著しく高い圧力が要求されることに起因している。この著しく高い出力値は例えば点４１、４２によってプロットされている。点４１、４２において生じる出力は最大要求出力の１５％超である。

それとともに、専門業界の考えに反して寸法設計時に費用もしくは重量を低減する変更が可能であり、その際同時に冷凍能力の損失を甘受する必要のないことを示すことができた。

Ｒ７４４における著しく高い潜在力は、Ｒ７４４サイクル中のＲ７４４圧縮機の比吐出し量が高いので低圧部分内で圧力低下が一層迅速に達成されることに根拠がある。そのことから一層高い動力学がもたらされ、蒸発器では空気と冷媒との間で一層高い駆動温度勾配がもたらされる。

蒸発器内での冷媒側圧力低下は匹敵するオーダにあり、１バールの圧力低下がＲ１３４ａでは約９Ｋ、Ｒ７４４では単に１Ｋの温度ドリフトを引き起こす。そのことから、蒸発器内の流れ長にわたって平均して、空気と冷媒との間に著しく高い駆動温度勾配をもたらす（Ｒ７４４蒸発器は平均して著しく冷たい表面温度を提供する）。

冒頭で触れたように、費用対便益最善状態は値である構造奥行、冷凍能力、空気側圧力低下、重量および費用の関数として表すように努められる。冒頭で触れたように変量は奥行Ｔ、フィン高さＨ_Ｒｉ、管距離等、もしくはこれらの値から導き出される横ピッチ等の値である。

これまでの熟慮と研究によれば、６５ｍｍの構造奥行は既存の出力レベルにとってむしろ過度に大きく選択されている。概算によれば、奥行６５ｍｍのレベルを達成する奥行５５ｍｍの設計が一層好ましいであろう。しかしながらこのような実施形態は場合によっては費用を高め、空気側圧力低下を不都合にする。出力を考慮して冷媒Ｒ１３４ａにとって特別好ましいと判明したのは４０ｍｍの奥行である。しかしその場合、費用および空気側圧力低下に関して不都合を予想しなければならない。これらの熟慮は、製造されるべき蒸発器を判定し評価するとき異なる観点のきわめて複雑な錯綜を示す。

冷媒Ｒ７４４を利用する蒸発器の場合、２５〜４５ｍｍの構造空間奥行が特別適していることが判明した。

図９に示す線図は本発明の諸利点の幾つかを具体的に示す。図９ａに示す部分線図には蒸発器の重量が達成可能な冷凍能力に対して示してある。例えば空気質量流量ＧＬＶ等の物理的境界条件は図８についての説明のなかで基礎とされた条件と同一である。同様に、同じ蒸発器寸法が選択された。

小型車と中級車とに関係した測点４４、４５と同様に、幾何学的寸法の適合によって匹敵する冷凍能力を達成することができ、冷媒Ｒ７４４用測点４４と冷媒Ｒ１３４ａ用測点４５が算定された。測点４５では平均構造奥行と６０Ｒｉ／ｄｍのフィン密度が基礎とされた。測点４４では４５におけるよりも小さな奥行、僅かな横ピッチおよび高いフィン密度が選択された。

上級車用装置に関係した両方の測点４６、４７も、同じ冷凍能力において著しく低減した重量のＲ７４４蒸発器を示す。測点４６では高い構造奥行Ｔ、所定のフィン密度、高い横ピッチｓ_ｑが選択された。測点４７ではＲ７４４蒸発器用に点４６におけるよりも低い奥行Ｔ、４６と比較して同じフィン密度、相応に同じ横ピッチが選択された。それゆえに、僅かな構造奥行によって、その他は同じ横ピッチと、それぞれ同じ出力のＲ１３４ａ蒸発器に比べて重量上の利点とにおいて著しい軽量化が得られる。僅かな構造奥行によって材料費もごく僅かとなり、それとともに費用低減が得られる。

それと並んで、上級用の蒸発器では６５から４０ｍｍへの、小型車では４０から２５ｍｍへの構造奥行低減を達成することができる。そのことがもたらす付加的利点として、自動車内で僅かな構造空間が必要とされる。

図９ｂの線図が示すように、縦座標に示した空気側圧力低下も低減させることができる。ブロック５１〜５３は冷媒１３４ａ、ブロック５４〜５５は冷媒Ｒ７４４に関係している。Ｒ７４４を使用する場合約５０％の空気側圧力低下の著しい減少も達成することができる。そのことから車両空気調和のための空気量が高まり、送風機内での消費電力が少なくなり、さらには、空調装置の騒音レベルを低下する潜在的可能性が得られる。

図１０では個々の蒸発器の出力値が構造奥行にわたって横座標としてプロットされている。ＣＯ_２蒸発器でも、Ｒ１３４ａ蒸発器でも、同じフィン高さを有する蒸発器はそれぞれ１つの線上にある。符号６３は以下で第１フィン高さと称する大きなフィン高さに付属した線を表し、符号６２は低い第２フィン高さ（以下で第２フィン高さと称する）に割り当てられた線を表し、符号６１は第２フィン高さよりもなお低いフィン高さ（以下で第３フィン高さと称する）に割り当てられた線を表す。

図１０から明らかとなるように、個々の線６１〜６３は比較的類似した勾配を有する。そのことから、その他は同じ構造様式もしくはフィン高さにおいて出力と構造奥行との比例的依存関係を推論することができる。さらに、その他は同じ寸法であるがフィン高さの小さい蒸発器は伝熱表面増大のゆえに一層高い出力を引き起こすことを認めることができる。

ハッチング範囲６０、７０は所要の出力値もしくは有意義な出力値を限定する。出力限界はなかんずく車室冷房のシミュレーションによって突き止められた。上側範囲６０ではそれ以上の出力上昇が他の利点をもはやもたらさないが、下限以下の範囲７０内では車室冷却がもはや受入れ可能でない。符号６５〜６８が示す測定値は所要の出力範囲の内部にあり、異なる構造様式の装置を表す。

符号６７は大きな構造奥行と上記第１フィン高さとを有するＲ１３４ａ蒸発器に関係している。符号６５は上記第３フィン高さと僅かな構造奥行とを有するＲ１３４ａ蒸発器に関係している。

符号６６は第２フィン高さと平均的構造奥行とを有するＲ１３４ａ蒸発器に関係している。

符号６８は第１フィン高さと平均的構造奥行とを有するＲ１３４ａ蒸発器に関係している。符号７１〜７４は、範囲６０、７０間の許容可能な範囲７５内にもはやない蒸発器の測定値を表す。符号７１は僅かな構造奥行と第１フィン高さとを有する蒸発器、符号７２は第３フィン高さとごく小さな構造奥行とを有するＲ７４４蒸発器、符号７３は僅かな構造奥行と第３フィン高さとを有するＣＯ_２蒸発器、符号７４は高い構造奥行と第１フィン高さとを有するＣＯ_２蒸発器を表す。

それゆえに、所定の構造奥行およびフィン高さにおいてＣＯ_２蒸発器はＲ１３４ａ蒸発器よりも高い出力値を有することがわかる。やはり図１０から明らかとなるように、例えば第２フィン高さにおいて僅かな構造奥行を有するＣＯ_２蒸発器は、線７６から明らかとなるように、応用にとって興味あるものであろう。楕円１４０、１４１が示す範囲内に好ましい寸法がある。

図１１には出力と重量との比が構造奥行との関係で示してある。出力／重量の基準値は、個々の値の異なる重要性に即すために相互に再度重み付けされた。方法のさらに好ましい変更態様では、出力と費用が等価な値と見做される一方、重量とフィン高さは従属的役割を演じる。

図１１〜図１５に示す線図では、出力が費用との比で５０：５０の比で評価され、出力が重量との比で８０：２０の比で評価され、構造奥行がフィン高さとの比で７０：３０の比で評価されるように、重み付けは設定された。三角形はそれぞれＣＯ_２蒸発器に関係し、円はＲ１３４ａ蒸発器に関係している。座標に出力／重量比がプロットされているので、高い数値、すなわち出力方向に一層移動した比が一層好ましいと見做すことができる。

それとともに、Ｒ１３４ａ蒸発器では平均的構造奥行と上記第２フィン高さとを有する符号８１とした蒸発器と、僅かな構造奥行と第３フィン高さとを有する符号８３とした蒸発器が特別好ましいと実証されることがわかる。

第１フィン高さを有する符号８４とした蒸発器は確かに出力と重量との比に関してなお好ましいのではあるが、しかしその絶対出力は小型車の冷却にとってももはや受入れられないであろう。この形式の蒸発器に関しては例えば後部設備内での利用が考えられよう。同様に、例えば第２フィン高さ範囲内の同じフィン高さを有する蒸発器は小型車および／または中級車用の他の選択案と見做すことができよう。

従って冷媒ＣＯ_２では、小さな奥行と高いフィン高さとを有する符号８６、８７として蒸発器と、僅かな奥行と第３フィン高さとを有する符号８８とした蒸発器を優先することができる。最後に、僅かな奥行を有する符号８９とした蒸発器もなお比較的好ましいものであるが、しかしその出力に限界がある。

蒸発器９１は第１フィン高さと直接比較して悪い結果となる。さらに、この蒸発器は現在求められる出力上限を既に超えている。

符号９２とした蒸発器では、管およびフィンの装着密度が高いので、さらに出力が過度に低いとき、出力対重量比が不都合となる。

符号９５、９６は、測定値に基づいて確定された傾向線に関係している。これらの傾向線に基づいて、ここで好ましい出力／重量比等の好ましい設計は蒸発器のいかなる寸法で予想できるのかを算定もしくは推定することができる。

詳細には、傾向線９５はＣＯ_２蒸発器、傾向線９６はＲ１３４ａ蒸発器に関係している。

図１２には出力と製造費との比が構造奥行との関係で示してある。出力と費用との比において再び上記比もしくは上記重み付けも基礎とされた。

円で表したＲ１３４ａ蒸発器では平均的構造奥行および第１フィン高さとを有する蒸発器１０１は最良の出力／費用比を有することを認めることができる。しかしこの蒸発器は僅かな出力を有し、それゆえに傾向線１１５の作成時に考慮されない。

Ｒ１３４ａ蒸発器の傾向線１１５とＣＯ_２蒸発器の傾向線１１６は、上と同様に、蒸発器にとって特別好ましい結果がいかなる幾何学形状において予想できるのかをそれぞれ示す。第３フィン高さを有する符号１０２で示した蒸発器は確かに著しく不都合になるが、しかしここでは、符号１０４〜１０６で示した蒸発器に比べて構造奥行が僅かであるという利点を考慮することができる。

三角形で表したＣＯ_２蒸発器を検討すると、第１フィン高さもしくは僅かにその下のフィン高さを有する符号１０７、１０８で示す蒸発器の良好な出力／費用比は、しかし第１フィン高さを有する符号１１０で示す蒸発器の良好な出力／費用比は、保持されたままである。

第３フィン高さを有する符号１１１で示す蒸発器は、予想どおり、費用側に否定的に表れる高い装着密度のゆえに多少不都合となる。第２フィン高さを有する蒸発器は必然的に第３もしくは第１フィン高さを有する蒸発器の間にあり、まったく興味ある選択案となろう。

最後に、第３フィン高さにおいて大きな構造奥行を有する符号１１２とした蒸発器と僅かな構造奥行を有する符号１１３とした蒸発器とにおいて前記比はなお不都合である。

前者ではフィン高さが低い（もしくは装着密度が高い）ので高い費用が優勢であるのに対して、後者ではなお妥当な費用において低い出力が優勢である。図１１に符号９３で示した蒸発器に一致した符合１１４とした蒸発器は上記諸理由のゆえに考慮されないままである。

一般に、Ｒ１３４ａ構造様式の蒸発器に比べてＣＯ_２蒸発器の低いレベルが生じる。ここではなお、強度上もしくは安全上の（ＣＯ_２を冷媒として使用する場合よりも動作圧力が著しく高い）理由から一層安定した構造様式、従って一層高い重量を根拠とすることのできる一定の費用上の欠点を認めることができる。

図１３〜図１５に示す図表は図１０〜図１２に示す第１図表と相関している。しかしながら図１３〜図１５に示す図表では横座標にプロットされた値「構造奥行」は構造奥行とフィン高さ＋１０ｍｍの合計との比Ｖ’に取替えられた。

構造奥行とフィン高さとの重み付き比Ｖ’にわたる個々の蒸発器の図１３に示す出力から、同じ冷媒で作動するすべての蒸発器（Ｒ１３４ａもしくはＣＯ_２）はいまやそれらのフィン高さに実質左右されることなく一定した線に集まることになる。こうして構造奥行およびフィン高さ相互の選択された重み付けが解明され、これはフィン高さに対する１０ｍｍの被加数に表現される。同じ構造奥行のＲ１３４ａ蒸発器に比べてＣＯ_２蒸発器の出力上の利点がやはり認められる。個々の数値は、上と同様にやはり測定値もしくはシミュレーションによって突き止められた数値であり、後者は測定によって確認された。

絶対的構造奥行（図１１参照）と比較して、重み付きフィン高さに関係した構造奥行にわたって、重量に関係した出力の図１４に示す図でも、基本的に上と同じ判断が生じる。そのうえ、研究したＲ７４４蒸発器の重量に関係した出力はＶ’＝１．３〜Ｖ’＝２．８の間で最大であり、この範囲の外側では減少すると考えられることが判明する。一層良好な数値はＶ’＝１．５以降の蒸発器で生じ、なお一層良好な数値はＶ’＝１．８５以降の蒸発器で生じる。重量に関係した最高出力を有する蒸発器は重み付き比Ｖ’が２．２もしくは２．４である。それに対して傾向線は約Ｖ’＝２．１に極大を示す。

基準構造奥行にわたってプロットして、図１５に示す出力／費用比の図にも比較（図１２、図１５参照）してやはり同じことが妥当する。ここでも優先度に変わりはない。Ｒ７４４蒸発器の費用に関係した出力は、重み付き比Ｖ’が約２．６未満であるとき、Ｒ１３４ａ蒸発器の費用に関係した出力を凌駕する。

本発明に係る方法では所定の寸法もしくはパラメータ、すなわち構造奥行とフィン高さとに依存して、費用、出力、重量等の異なる目標パラメータを算定しかつ特に異なる重み付けによって相互に測定することができ、この本発明に係る方法によっていかなる変更態様が最終的に最も好ましい実施形態であるのかがわかる。こうして、本発明に係る方法でもって、一部では重み付けも考慮した異なるプロット法を利用してＲ１３４ａ蒸発器およびＣＯ_２蒸発器にとって最も好ましい寸法を特別効率的に際立たせることができる。こうして、重量、出力等の判定基準を考慮して個々の蒸発器について理想的寸法設計を選択することができる。

好ましくは、本方法用に使用される独自に開発されたプログラムは、任意の判定基準を設定し、目標パラメータを任意に設定し、こうして例えば自動車空気調和の要求条件に対処することを利用者に可能とする。このようなプログラムを作成するとき、測定および／または手間のかかる熱力学的熟慮を通して獲得された諸経験を持ち込みもしくは組合せる必要がある。

それゆえに本発明は、本発明に係る方法を計算機支援で実行することを可能とするソフトウェアにも向けられている。

ＣＯ_２蒸発器にとって特別好ましい構造奥行はフィン高さ４．０〜１０．０ｍｍにおいて２０〜４５ｍｍの範囲内であった。

特別有利であると実証されたのは、特に上級車で利用する場合フィン高さが５．５〜１０ｍｍのとき３５〜４５ｍｍの構造奥行、そして特に小型車、中級車で利用する場合フィン高さが４〜８．５ｍｍのとき２０〜３５ｍｍの構造奥行である。

本発明に係る装置の要部平面図である。 図１による本発明に係る装置の側面図である。 他の実施形態の略図である。 他の実施形態の略図である。 他の実施形態の略図である。 管距離を具体的に説明するための略図である。 達成される冷却を具体的に説明するための線図である。 個々の構成要素を分析するための図である。 本発明に係る装置の冷凍性能と重量との間の比のグラフである。 空気側圧力低下の図である。 構造奥行に依存した出力の図である。 出力と重量との比と構造奥行との関係を示す図である。 出力と費用との比と構造奥行との関係を示す図である。 構造奥行とフィン高さとの依存した出力の図である。 出力と重量との比と、構造奥行とフィン高さとの関係を示す図である。 出力と費用との比と、構造奥行とフィン高さとの比との関係を示す図である。

Claims (28)

1. 流体を転送するための多数の貫流管を有する特に自動車の空調装置用熱交換装置であって、装置が所定の奥行Ｔを有し、所定数の貫流管（３、５）が少なくとも一部では所定の相互距離で配置されているものにおいて、奥行と所定距離との比Ｖが７未満であり、および／または奥行と、所定距離と１０ｍｍとの合計との重み付き比Ｖ’が１．３よりも大きくかつ２．８よりも小さいことを特徴とする装置。
2. 所定距離が９ｍｍ以下、好ましくは８ｍｍ以下、好ましくは６ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 比Ｖが６．８未満、好ましくは６．６未満、好ましくは６．３未満であることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
4. 比Ｖが６．１未満、好ましくは５．９未満、好ましくは５．１未満であることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
5. 重み付き比Ｖ’が少なくとも１．５、好ましくは少なくとも１．８５、好ましくは少なくとも２．２であることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
6. 重み付き比Ｖ’が最高で２．６、好ましくは最高で２．４、好ましくは最高で２．２５であることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
7. 貫流管が少なくとも一部では互いに平行に配置されていることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
8. 貫流管が実質一定した所定の第１相互距離を有することを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
9. 貫流管が扁平管状横断面を有することを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
10. 貫流管が一体に構成され、特に単一の薄板帯材または押出形材からなることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
11. 貫流管が、そして好ましくは装置が、９０バール超の破裂圧力を有することを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
12. 流体が冷媒、好ましくはＲ７４４（ＣＯ_２）であることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
13. 多数の第１貫流管（３）が少なくとも一部では所定の第１相互距離を有し、多数の第２貫流管（５）が所定の第２相互距離を有し、奥行と所定距離の少なくとも一方との比Ｖが７未満であることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
14. 多数の第１貫流管（３）が多数の第２貫流管（５）に対して横方向でずらされていることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
15. 貫流管の間に冷却フィン（４）が配置されていることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
16. 装置の奥行が１０ｍｍ〜６０ｍｍ、好ましくは２０ｍｍ〜５０ｍｍ、特別好ましくは２５ｍｍ〜４５ｍｍであることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
17. 装置の所定距離が４ｍｍ〜１２ｍｍ、好ましくは４．５ｍｍ〜１０ｍｍであることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
18. ３０ｍｍ〜５０ｍｍの奥行、好ましくは３５ｍｍ〜４５ｍｍの奥行に、５ｍｍ〜１２ｍｍ、好ましくは５．５ｍｍ〜１０ｍｍの所定距離が割り当てられていることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
19. ２０ｍｍ〜３５ｍｍの奥行、好ましくは２５ｍｍ〜３０ｍｍの奥行に、３ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは４ｍｍ〜８ｍｍの所定距離が割り当てられていることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
20. 貫流管の幅が１ｍｍ〜３ｍｍ、好ましくは１．３ｍｍ〜２ｍｍ、特別好ましくは約１．４ｍｍ〜１．９ｍｍであることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
21. 貫流管の肉厚が０．１ｍｍ〜０．６ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍ〜０．４ｍｍ、特別好ましくは約０．２５ｍｍ〜０．３ｍｍであることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
22. 装置が蒸発器であることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１項記載の装置。
23. 特に自動車用の空調装置において、空調装置が先行請求項の少なくとも１項記載の少なくとも１つの熱交換装置を有することを特徴とする空調装置。
24. 熱交換装置を寸法設計するための方法であって、
    ‐装置の第１寸法を確定するステップ、
    ‐装置の第２寸法を確定するステップ、
    ‐装置の少なくとも２つの第１目標パラメータを算出するステップ、
    ‐少なくとも１つの寸法を変更するステップ、
    ‐変更された寸法を有する装置の少なくとも２つの第２目標パラメータを算出するステップ、
    ‐第１、第２目標パラメータを比較して一層好ましい目標パラメータを算出するステップ、
    を含む方法。
25. 寸法が、奥行、フィン高さ、貫流管の距離を含む寸法群から選択されていることを特徴とする、請求項２４記載の方法。
26. パラメータが、構造空間奥行、冷凍能力、体積流量、空気側圧力低下、重量、製造費を含むパラメータ群から選択されていることを特徴とする、請求項２４記載の方法。
27. 目標パラメータが何度か算出され、こうして算出された目標パラメータセットから最も好ましいパラメータセットが算出されることを特徴とする、請求項２４記載の方法。
28. 最も好ましい目標パラメータセットを算出するとき個々の目標パラメータが所定の判定基準に従って重み付けされることを特徴とする、請求項２４記載の方法。

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