JP2010523401A - 自動車用高性能ヒータ熱交換器及び高性能ヒータ熱交換器を備えた暖房空調装置 - Google Patents
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Abstract
Description
・乗用車において典型的な)交差向流型の蝋付熱交換器フィン・チューブ・マトリクスを備え、このマトリクスは、
・扁平チューブ状の冷却液側熱交換流路と、
・冷却液側熱交換器流路の冷却液側とは反対側の表面とこれに蝋付された金属フィンとで形成されたエアー側熱交換流路とを備え、
・これらの金属フィンがエアー側伝熱フィンの空気流れを横切る多数の乱流発生ルーバを備えている。
・自動変速によって自動的に調整された走行段における、又は手動変速時に円滑に走行可能な最高段における走行速度50km/h、
・周囲温度−20℃、
・車両運転説明書による最大暖房強度へのヒータ調整
でもって、最初の30分間にヒータ熱交換器入口で50℃の冷却液温度を上まわらないことに認めることができる。
・冷却液側扁平チューブと空気流れ方向で順次続く多数の乱流発生ルーバを備えたエアー側フィンとから成る蝋付伝熱マトリクスと、
・交差向流で直列に接続された正確に4つの交差向流熱交換器とを有し、又はそれらから成り、
・熱交換器マトリクスの冷却液側第1チューブ末端に、冷却液用流入ポート311及び流出ポート312を備えたポート用ヘッダタンク301を有し、交差向流の流れを形成するためにこのポート用ヘッダタンクが2つの隔壁350、352によって分割されており、
・熱交換器マトリクスの他方の冷却液側チューブ末端には、4段性を規定する正確に1つの隔壁360を備えた転向用ヘッダタンク300を有し、更に選択的に又は組合せて、
a)転向用ヘッダタンク300が、ポート用ヘッダタンク301の冷却液側構造高さhoの30%以下の冷却液側構造高さhuを有し、及び/又は
b)ポート用ヘッダタンク301の付加的中間隔壁351が、段2と段3との間にオリフィス状オリフィス313を備えて設けられており、両方の第1段内で冷却された冷却液がこのオリフィス内で絞られかつ同時に充分に均質化される。
本発明に係る熱交換器の充分な流れ及び温度均一分布と転向用ヘッダタンクを省くことによるマトリクス容積の利得とによって、熱交換器効率を更に改善する可能性、及び/又は熱交換器マトリクス容積を最大にするための付加的構造空間が得られる。更に、この熱交換器は特別簡単に作製することができる。
Claims (32)
- 年間50,000台以上の自重2,000kg以下の乗用車向けの量産用車両プラットフォームに組み込まれ、前記乗用車の液冷駆動原動機及び/又はその補機類の排熱もしくは冷却系及び/又は加熱系のその他の熱源を利用して前記乗用車の車室内の暖房空調を行うヒーター熱交換器であって、冷却液側伝熱チューブとエアーの流れ方向へ順次後続配置した多段乱流発生ルーバを備えたエアー側伝熱フィンとから成る蝋付伝熱マトリクスを有し、暖房用空気が前記伝熱フィンの表面に接して流れるものにおいて、
伝熱マトリクスのマトリクス容積をVmx、エアー側伝熱フィンの中心間距離をtf、冷却液側伝熱チューブの中心間距離をttとするとき、式Vsh=Vmx/(tt+4tf)で計算される比熱交換器容積Vshが下限値0.140m2よりも大きいことを特徴とするヒータ熱交換器。 - マトリクス容積Vmxが少なくとも1.4Lであることを特徴とする請求項1に記載のヒータ熱交換器。
- 平行に配列された冷却液側伝熱チューブの中心間距離ttが7mm以下、及び/又は平行に配列されたエアー側伝熱フィンの中心間距離が1mm以下、及び/又は冷却液側伝熱チューブが内部流路高さ1mm以下の扁平チューブであることを特徴とする請求項1又は2に記載のヒータ熱交換器。
- 少なくとも単段、2段又は多段構成を有し、
合計1.4L以上のマトリクス容積Vmxを有するマトリクス構造の蝋付向流型熱交換器フィン・チューブ伝熱マトリクスを備え、該伝熱マトリクスが、
7mm以下のチューブ中心間距離ttで平行配列された複数の扁平チューブからなる冷却液側熱交換流路と、
冷却液側熱交換流路の冷却液側表面とは反対側の表面とそれに鑞付けで固定された金属製エアー側伝熱フィンとによって形成されたエアー側熱交換流路とを備え、
前記伝熱フィンには暖房用空気の流れを横切るように複数の凹部によってエアー側熱交換流路の乱流発生ルーバが形成され、前記フィンの中心間距離tfが1.3mm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のヒータ熱交換器。 - マトリクス容積Vmxが1.7L以上であり、エアー側伝熱フィンの中心間距離tfが0.8mm以下であり、平行に配列された冷却液側伝熱チューブの中心間距離ttが9〜11mmであり、冷却液側熱交換流路が流路高さ1〜1.5mmの扁平チューブ状流路として形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のヒータ熱交換器。
- 伝熱チューブ中心間距離ttが7mm以下であり、入口温度差100K、空気質量流量6kg/分及び冷却液流量10L/分の条件下でマトリクス容積1L当り7.1kW以下の比出力を示すように構成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のヒータ熱交換器。
- エアーの流れ方向で48mm以上の奥行を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1に項記載のヒータ熱交換器。
- 25℃の空気を流速6kg/分で通過させたときのエアー側等温圧力損失が200Pa以上、及び/又は80℃の冷却液を流量5L/分で通過させたときの冷却液側等温圧力損失が40mbar以上であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のヒータ熱交換器。
- 自重1,400kg以下の乗用車に適合又は搭載されたヒータ熱交換器であって、冷却液側扁平伝熱チューブとエアー側伝熱フィンからなる伝熱マトリクスのマトリクス容積Vmxが1.08L以上、伝熱チューブの中心間距離ttが6.5mm以下、伝熱フィンの中心間距離tfが1.3mm以下であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のヒータ熱交換器。
- 自重が1,400kgを超えて2,00kg以下の乗用車に適合又は搭載されたヒータ熱交換器であって、冷却液側扁平伝熱チューブとエアー側伝熱フィンからなる伝熱マトリクスのマトリクス容積Vmxが1.48L以上、伝熱チューブの中心間距離ttが6.5mm以下、伝熱フィンの中心間距離tfが1.3mm以下であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のヒータ熱交換器。
- 少なくとも単段、2段又は4段構成の向流型伝熱マトリクスからなり、該伝熱マトリクスの冷却液側熱交換流路の入口側又は出口側に冷却液の流れを混合して絞る混合手段が設けられていることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載のヒータ熱交換器。
- 前記混合手段として第1ヘッダタンクとそれに後続する第2ヘッダタンクとの間に両ヘッダタンクを連通させる穴を備えた隔壁又は連通管路が混合手段として設けられ、第1ヘッダタンクからの冷却液容積流の全体又は少なくとも90%以上が前記穴又は連通管路を通して後続の第2ヘッダタンクへ導かれることによって混合が行われるように構成されていることを特徴とする請求項11に記載のヒータ熱交換器。
- 前記混合手段が伝熱マトリクスの最終段から2段目と最終段との間にのみ設けられ、冷却液が冷却液側熱交換流路内で最も低温の最終段へ移行するときのみに混合が行われるように構成されていることを特徴とする請求項11又は12に記載のヒータ熱交換器。
- 交差向流形式で直列接続された4段構成の交差流型伝熱マトリクスからなり、
伝熱マトリクスの冷却液側伝熱チューブの一端側には冷却液のための流入ポート(311)と流出ポート(312)とを備えたポート用ヘッダタンク(301)が配置され、該ポート用ヘッダタンクが冷却液の交差向流の流れを形成するために2つの隔壁(350、352)によって分割され、
伝熱マトリクスの冷却液側伝熱チューブの他端側には4段構成とするための単一の隔壁(360)を有する方向変換用ヘッダタンク(300)が配置され、更に、
(a)方向変換用ヘッダタンク(300)の内部構造高さhuがポート用ヘッダタンク(301)の内部構造高さhoの30%以下であり、
(b)ポート用ヘッダタンク(301)の内部には、2段目と3段目の間で冷却液の流れを絞って3段目へ向けて混合均質化された冷却液流れとして通過させるオリフィス(313)を備えた追加の隔壁(351)が設けられていることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載のヒータ熱交換器。 - 流入ポート(311)と流出ポート(312)がポート用ヘッダタンク(301)の一方の側(400)にあり、追加の隔壁(351)のオリフィス(313)が該ポート用ヘッダタンク(301)の他方の側(401)にあることを特徴とする請求項14に記載のヒータ熱交換器。
- それぞれが1つずつの扁平チューブ流路(506a、b;508a、b)とエアー流れ方向で順次後続配置された複数の乱流発生ルーバを有するエアー側伝熱フィンとからなる4つの冷却液側伝熱チューブで構成された蝋付伝熱マトリクスを備え、
それにより交差向流方式で直列接続された4段構成の交差向流型熱交換器を構成し、
伝熱マトリクスの冷却液側伝熱チューブの一端側には冷却液のための流入ポート(511)と流出ポート(512)とを備えたポート用ヘッダタンク(501)が配置され、該ポート用ヘッダタンクが交差向流の流れを形成するために3つの隔壁(550、551、552)によって分割され、
伝熱マトリクスの冷却液側伝熱チューブの他端側では、個々の冷却液側扁平チューブ流路の端部が一体に閉鎖されていると共に1段目と2段目の扁平チューブ流路(506a、506b)を連通させる第1の隙間(506sp)及び3段目と4段目の扁平チューブ流路(508a、508b)を連通させる第2の隙間(508sp)が設けられ、
ポート用ヘッダタンク(501)の内部には、2段目と3段目の間で冷却液の流れを絞って3段目へ向けて混合均質化された冷却液流れとして通過させるオリフィス(513)を備えた追加の隔壁(551)が設けられていることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載のヒータ熱交換器。 - 冷却液側伝熱チューブがそれぞれ溶接シーム(506tn、508tn)で冷却液側熱交換流路を二分割した2つの二連扁平チューブ(506、508)で構成され、各二連扁平チューブが上流側熱交換流路と下流側熱交換流路の間で冷却液の向きを向流に転向させるために扁平チューブの端部近傍で溶接シーム(506tn、508tn)のシーム中断部による隙間(506sp、508sp)を形成しているか、
それぞれ溶接シーム(506tn、508tn)で冷却液側熱交換流路を二分割した2つの二連扁平チューブ(506a、506b、508a、500b)が予め成形されたプレートの組立によって形成され、各二連扁平チューブの溶接シーム(506tn、508tn)には扁平チューブの端部近傍に上流側熱交換流路と下流側熱交換流路の間で冷却液の向きを向流に転向させるためのシーム中断部による隙間(506sp、508sp)が形成されていることを特徴とする請求項16に記載のヒータ熱交換器。 - ポート用ヘッダタンク(501)がそれぞれ扁平チューブ流路を有する個々の扁平チューブを利用して形成され、個々の扁平チューブ流路(506a、506b、508a、508b)が、冷却液側熱交換流路端板の接合により、前記隙間(506sp、508sp)と各段のヘッダパイプ(501a、501b、501c、501d)と共に一体化されていることを特徴とする請求項17に記載のヒータ熱交換器。
- 第1〜第4の合計4つのヘッダパイプを備え、第1ヘッダパイプ(501a)が冷却液の流入ポートを形成し、第4ヘッダパイプ(501d)が冷却液の流出ポートを形成し、オリフィス(513)が3段目の第3ヘッダパイプ(501c)の上流側で第2ヘッダパイプ(501b)から流出してくる2段目の冷却液の流れを絞って混合するように配置されていることを特徴とする請求項18に記載のヒータ熱交換器。
- 年間50,000台以上の自重2,000kg以下の乗用車向けの量産用車両プラットフォームに組み込まれ、前記乗用車の車室内の暖房空調を行うための請求項1〜19のいずれか1項に記載のヒータ熱交換器を備えた暖房空調装置。
- ヒータ熱交換器で暖められた空気を搭載乗用車の車室内の足元空間に導くフロント側足元暖房エアー吐出口とヒータ熱交換器とを備え、該ヒータ熱交換器は、空気入口温度(Tahi)が−20℃、冷却液入口温度(Tchi)が50℃、暖房空気質量流量が5kg/分、及び冷却液流量が5L/分の暖房動作点で前記暖房空気質量流量の暖房空気を足元暖房エアー吐出口に向けて通過させているときの足元暖房エアー吐出口の出口における暖房空気温度Taffが、式Phi=100(Taff−Tahi)/(Tchi−Tahi)で求められる総熱効率Phiをエアー側補助ヒータ無しに85%以上に高める平均温度となるように構成されていることを特徴とする請求項20に記載の暖房空調装置。
- ヒータ熱交換器が、式Phi=100(Taff−Tahi)/(Tchi−Tahi)で求められる総熱効率Phiを、空気入口温度−20℃及び冷却液入口温度50℃の動作温度におけるアイドリング状態を含むあらゆる走行速度下においてMVEGA(Motor Vehicle Emission Group of Automobiles)による走行速度分布でエアー側補助ヒータ無しに80%以上に維持するように構成されていることを特徴とする請求項20又は21に記載の暖房空調装置。
- 予定された設置空間容積、固定装置、エアー側PTC補助ヒータ用の電気端子、及びエアー側補助ヒータ装置のうちの1つ以上に対する準備措置を何ら有していないことを特徴とする請求項20〜22のいずれか1項に記載の暖房空調装置。
- 冷却液に放出される排熱が5kW未満の第1動作モードでは搭載自動車の駆動用燃焼機関を冷却するための主冷却液流の全量がヒータ熱交換器内を流れるように、また排熱が第1動作モードのときよりも高温(この場合、排熱の温度をより厳密に定義すると、a)第1動作モードのときよりも高温、b)第1動作モードで冷却液に放出される熱量よりも予め定められた値xkW以上高温、又はc)第1動作モードで冷却液に放出される熱量よりも予め定められた値ykW以上高温)となるか、又はそれとは別に冷却液温度が搭載自動車のラジエータバイパスに設定されている初期開路温度よりも10Kだけ高温となったとにの第2動作モードでは前記主冷却液流がヒータ熱交換器とラジエータ系とに分流して流れるように、更に第2動作モードで駆動用燃焼機関の回転数が無負荷回転数近傍のときは車室内の暖房強度が最高の場合でもヒータ熱交換器を流れる冷却液の流量を2.5L/分以下に制限できるように構成されていることを特徴とする請求項20〜23のいずれか1項に記載の暖房空調装置。
- 制御フラップと制御フラップを制御するサーボモータとを備えたエアー側温度調節機構を更に備え、該温度調節機構は、ヒータ全開時に車室内に送られる空気の95%以上がヒータ熱交換器を通過するように構成されていることを特徴とする請求項20〜24のいずれか1項に記載の暖房空調装置。
- ディーゼルエンジンを備えた乗用車に付設されるかエアー側補助ヒータを持たない乗用車に組み込まれ、
前記乗用車の自動変速又は手動変速による最高速ギア段での円滑走行時における走行速度50km/h、
外気温度−20℃、及び
最大暖房強度のヒータ調整段
での冬季定速走行試験条件下にて、定速走行の最初の30分間に冷却液がヒータ熱交換器の冷却液入口温度50℃及び/又はヒータ熱交換器の冷却液出口温度40℃を超えないように構成されていることを特徴とする請求項20〜25のいずれか1項に記載の暖房空調装置。 - 30分間の定速走行の直後にエンジンを作動させたまま車両停止後15分間の無負荷回転を行った時にヒータ熱交換器の冷却液出口温度が25℃以下に低下するように構成されていることを特徴とする請求項26に記載の暖房空調装置。
- ディーゼルエンジンを備えた乗用車に付設されるかエアー側補助ヒータを持たない乗用車に組み込まれ、ヒータ熱交換器が、それぞれ入口温度差100Kと空気質量流量6kg/分及び冷却液流量10L/分の動作条件下で伝熱マトリクスのマトリクス容積1L当り8.0kW以上の比出力を個々に有する少なくとも2つの直列接続された交差向流型熱交換器で構成され、これらの比出力は、全てのヒータ熱交換器が入口温度差100K、空気質量流量6kg/分、冷却液流量10L/分の動作条件下において前記直列接続によってマトリクス容積1L当り7.1kW以下の比出力に下げられるように構成されていることを特徴とする請求項20〜27のいずれか1項に記載の暖房空調装置。
- 少なくとも2つの交差向流方式で直列接続された交差向流型のヒータ熱交換器を備え、これらのヒータ熱交換器には冷却液の圧力差が予め定められた値を超えると自動的に開く弁が付設され、該弁が−10℃以下の極端に低い冷却液温度のときに前記ヒータ熱交換器の1段以上の伝熱マトリクスを一時的に一部又は全部バイパスする流路を形成してヒータ熱交換器の個々の伝熱マトリクスを完全な貫流状態にすることを特徴とする請求項20〜28のいずれか1項に記載の暖房空調装置。
- 交差向流方式で直列接続された2つ以上のヒータ熱交換器を備え、個々のヒータ熱交換器が互いに少なくとも実質同一構造であり、且つ全てのヒータ熱交換器が伝熱マトリクス寸法及び/又はヘッダタンク寸法について同一であることを特徴とする請求項20〜29のいずれか1項に記載の暖房空調装置。
- 年間50,000台以上の量産車からなる単一シリーズの乗用車に付設又は組込まれ、該シリーズの全ての乗用車の駆動原動機がラジエータバイパス(6b)とサーモスタット付き冷却系とを有し、駆動原動機の出力が定格出力の50%以上でサーモスタットが閉路状態のときにラジエータバイパス(6b)が少なくとも一時的にヒータ熱交換器の冷却液流量よりも大きな冷却液流量を冷却系に与えるように構成されていることを特徴とする請求項20〜30のいずれか1項に記載の暖房空調装置。
- 自重2,000kg以下の車両を年間50,000台以上量産するための車両プラットホームであって、個々の車両が、車両プラットホーム中でそれぞれ同一構造の請求項1〜19のいずれか1項に記載の少なくとも1つのヒータ熱交換器及び/又は請求項20〜31のいずれか1項に記載の少なくとも1つの暖房空調装置を有することを特徴とする車両プラットホーム。
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