JP7213628B2 - 熱交換器、車両用空気調和装置 - Google Patents
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Description
本発明の課題は、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にある。
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、
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。
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、
入口側のパスは、他のパスに比べて流路が狭くされている。
《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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
[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。
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。
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。
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。
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。
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。
図6は、出口側のパスを広くした構成を模式的に示す図である(2‐2‐3)。
ここでは、第一パスP1を『2』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、出口側の第三パスP3は、第一パスP1及び第二パスP2よりも広い。また、入口側の第一パスP1は、第三パスP3よりも狭い。
図7は、出口側のパスを広くした構成を模式的に示す図である(1‐2‐3)。
ここでは、第一パスP1を『1』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、出口側の第三パスP3は、第一パスP1及び第二パスP2よりも広い。また、入口側の第一パスP1は、第二パスP2及び第三パスP3よりも狭い。
ここでは、第一パスP1を『2』に設定し、第二パスP2を『3』に設定し、第三パスP3を『3』に設定している。すなわち、出口側の第三パスP3は、第一パスP1よりも広い。また、入口側の第一パスP1は、第二パスP2及び第三パスP3よりも狭い。
図9は、出口側のパスを広くした構成を模式的に示す図である(1‐3‐2)。
ここでは、第一パスP1を『1』に設定し、第二パスP2を『3』に設定し、第三パスP3を『2』に設定している。すなわち、出口側の第三パスP3は、第一パスP1よりも広い。また、入口側の第一パスP1は、第二パスP2及び第三パスP3よりも狭い。
図10は、出口側のパスを広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、出口側の第三パスP3は、第一パスP1及び第二パスP2よりも広い。また、入口側の第一パスP1は、第三パスP3よりも狭い。
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。
そこで、出口側の第三パスP3では、他のパスに比べて流路が広くされている。すなわち、出口側の第三パスP3では、他のパスに比べてチューブ42の本数が多くされている。また、入口側の第一パスP1では、他のパスに比べて流路が狭くされている。すなわち、入口側の第一パスP1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、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7の構成によれば、第一パスP1は基準よりも狭い『1』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。すなわち、入口側から出口側に向かって、段階的にパスが広くされている。そのため、暖房時の圧力損失を効果的に低減することができる。
図9の構成によれば、第一パスP1は基準よりも狭い『1』に設定され、第二パスP2は基準よりも広い『3』に設定され、第三パスP3は基準の『2』に設定されている。第一パスP1は、暖房時に圧力損失の影響が最も小さいため、この第一パスP1を狭くすることで、相対的に第三パスP3を広くすることができ、結果として暖房時の圧力損失を低減することができる。
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。
Claims (4)
- 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、
入口側のパスは、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、
前記入口側のパスは、前記入口側のパス以外の全てのパスに比べて流路が狭くされ、前記入口側のパス以外の全てのパスは、流路の広さが互いに等しくされていることを特徴とする熱交換器。 - 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に記載の熱交換器。
- パス数は、三であることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱交換器。
- 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1~3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。
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