JP2012247120A - 複合熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換器の車両搭載性を向上させながら各熱交換器の必要スペースを確保し、かつ熱交換率の向上を図った複合熱交換器を提供する。
【解決手段】 第１熱交換器１、第２熱交換器２、第３熱交換器３および第４熱交換器４が複数配置される。第１熱交換器１は、第２熱交換器２、第３熱交換器３、第４熱交換器４から離間・分離された位置で圧縮機８に連結されて、ここから出力された第１媒体を第２熱交換器２からの第２媒体により液冷却する。第２熱交換器２は、第１熱交換器１から出力された第２媒体を空気冷却する。第３熱交換器３は、第１熱交換器１に接続されてここから出力された第２媒体を空気冷却する。第４熱交換器４は、これを流通する第３媒体を空気冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえばエンジンや空調システム等にそれぞれ接続された複数の熱交換器を有する複合熱交換器に関する。

このような従来の複合熱交換器としては、特許文献１に記載のものが知られている。
この従来の複合熱交換器は、エンジン以外の発熱体用の冷却水を冷却する第１空冷熱交換器と、車両空調用の冷媒を冷却する第２空冷熱交換器と、エンジンの冷却水を冷却する第３空冷熱交換器と、を備える。第１空冷熱交換器および第３空冷熱交換器は、チューブと放熱フィンを交互に積層したコアと、チューブを介して連通する左右の冷却水タンクと、を有する。第３空冷熱交換器は、このコアの幅が第１空冷熱交換器のコアの幅より狭く設定されていて、第１空冷熱交換器の冷却水タンクの間に入れ込むことが可能である。

また別の従来の複合熱交換器としては、特許文献２に記載のものが知られている。
この従来の複合熱交換器は、エンジンの冷却水を冷却するラジエータと、エンジン以外の発熱体用の冷却水を冷却する第１空冷熱交換器と、車室空調用の冷媒を冷却する第２空冷熱交換器と、を備える。第１空冷熱交換器は、冷却水流入側タンクと、冷却水流出側タンクと、これらを連通するチューブと、チューブと交互に積層された放熱フィンと、車室空調用の冷媒を冷却する水冷熱交換器と、を有している。この水冷熱交換器は、流出側タンクの内部に配置されており、冷媒が水冷熱交換器の上方から流入し下方から流出した後、第２空冷熱交換器に流下するようにされることで、オイルが下部に滞留することが抑制され、熱交換効率向上、圧縮機の潤滑不足の解消、冷却システムの性能および信頼性の低下が防止される。

特開２０１０−１２１６０４号公報 特開２０１０−１２７５０８号公報

しかしながら、上記従来の複合熱交換器にあっては、いずれも、エンジンの冷却水を冷却する、サイズが一番大きいメインラジエータ（主放熱器）の車両前後方向にずらして他の熱交換器を並べるようにしている。
このため、配置スペースを確保しようとして車両前後方向に熱交換器を並べると、たとえばハイブリッド電気車両のように多くの熱交換器を搭載しなければならないような場合には、その車両前後方向の階層が増えて冷却風下流の熱交換器の熱交換率が悪くなる。
一方、車両前後方向の階層を少なくしようとすると、同じ車両幅方向面内に複数の熱交換器を詰め込み配置することとなって、熱交換のための必要な広さを確保することが難しくなる。
このように、熱交換器の数が増えるほど、サイズの増大で必要スペースの確保が難しくなり、また車両前後方向の階層が増えて、車両搭載の悪化、熱交換率の悪化をもたらすことになる。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、熱交換器の車両搭載性を向上させながら各熱交換器の必要スペースを確保し、かつ熱交換率の向上を図るようにした複合熱交換器を提供することにある。

この目的のため、請求項１に記載の本発明による複合熱交換器は、
第１熱交換器、第２熱交換器および第３熱交換器が複数配置されて、
第１熱交換器が、第２熱交換器および第３熱交換器から分離・離間された位置で圧縮機に連結されて、圧縮機から出力された第１媒体を第２熱交換器からの第２媒体により液冷却し、
第２熱交換器が、第１熱交換器から出力された第２媒体を空気冷却し、
第３熱交換器が、第１熱交換器に接続されて第１熱交換器から出力された第１媒体を空気冷却し、
ことを特徴とする。

請求項２に記載の本発明による複合熱交換器は、
請求項１に記載の複合熱交換器において、
第１媒体が冷媒であり、かつ
第２媒体が冷却水である、
ことを特徴とする。

請求項３に記載の本発明による複合熱交換器は、
請求項１又は請求項２に記載の複合熱交換器において、
第１熱交換器が、凝縮器であり、
第３熱交換器が、過冷却器である、
ことを特徴とする。

請求項４に記載の本発明による複合熱交換器は、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合熱交換器において、
第３熱交換器の第１媒体の流れ上流側又は下流側には、前記第１媒体の貯留部を接続・配置した、
ことを特徴とする。

請求項５に記載の本発明による複合熱交換器は、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の複合熱交換器において、
第３熱交換器は、放熱器である、
ことを特徴とする。

請求項６に記載の本発明による複合熱交換器は、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の複合熱交換器において、
第２熱交換器および第３熱交換器のうちの少なくとも一方を、第３媒体を空気冷却する第４熱交換器の通風上流側に配置した、
ことを特徴とする。

請求項７に記載の本発明による複合熱交換器は、
請求項６に記載の複合熱交換器において、
第４熱交換器が、主放熱器であり、
第３媒体が、冷却水であるである、
ことを特徴とする。

請求項８に記載の本発明による複合熱交換器は、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の複合熱交換器において、
複合熱交換器が、電気車両またはハイブリッド車に搭載されている、
ことを特徴とする。

請求項１に記載の本発明の複合熱交換器にあっては、同じ第１媒体を冷却する第１熱交換器を第３熱交換器から分離・離間し、前者を第２熱交換器の第２媒体で液冷するようにしたため、第１熱交換器を小型化、高熱交換率化することができ、そのスペース分、第２熱交換器および第３熱交換器の配置スペースが広がることになる。したがって、熱交換器の車両搭載性を向上させながら各熱交換器の必要スペースを確保し、かつ熱交換率の向上を図ることができる。

請求項２に記載の本発明の複合熱交換器にあっては、第１媒体を冷媒、第２媒体を冷却水としたので、たとえば車室内等の空調システムや電気モータやインバータを有する強電系部品の冷却など、異なった種類の冷却を最適に行うことが可能となる。

請求項３に記載の本発明の複合熱交換器にあっては、第１熱交換器を凝縮器、第３熱交換器を過冷却器としたので、車室内等の空調システムを用いるものに最適である。

請求項４に記載の本発明の複合熱交換器にあっては、第１媒体の貯留部を第３熱交換器の上流側、下流側いずれの側にも設けることができ、その場合でも第１媒体の溜め量を最適に調整することができる。

請求項５に記載の本発明の複合熱交換器にあっては、第３熱交換器を放熱器とすることで、第１冷媒の冷却を最適に行うことができる。

請求項６に記載の本発明の複合熱交換器にあっては、第２熱交換器および第３熱交換器のうちの少なくとも一方を、第３媒体を空気冷却する第４熱交換器の通風上流側に配置したので、これらを前後方向にまとめながら同じ空気流で効率よく冷却することができる。

請求項７に記載の本発明の複合熱交換器にあっては、第４熱交換器を主放熱器、これを流れる第３媒体を冷却水としたので、熱を大量に発生するエンジン等を十分に冷却することができる。

請求項８に記載の本発明の複合熱交換器にあっては、複合熱交換器を電気車両またはハイブリッド車に搭載したので、電気モータやエンジン等を室内空調システム等とともに効率よく冷却するのに最適である。

本発明の実施例１の複合熱交換器を示す全体図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。なお、この実施例では、電気車両に搭載される複合熱交換器を例にとって説明する。

まず、実施例１の複合熱交換器の全体構成を説明する。
この実施例１の複合熱交換器は、凝縮器（本発明の第１熱交換器に相当）１と、サブラジエータ（本発明の第２熱交換器に相当）２と、サブクールコンデンサ（本発明の第３熱交換器、放熱器に相当）３と、メインラジエータ（本発明の第４熱交換器、主放熱器に相当）４と、リキッドタンク（本発明の貯留部に相当）５と、膨張器６と、蒸発器７と、圧縮機８と、を備えている。この複合熱交換器は、エンジン（内燃機関）と電気モータ９とにより走行可能なハイブリッド電気車両に搭載され、図示しないエンジンをメインラジエータ４で、電気モータ９等をサブラジエータ２で、また車室空調システムの冷却を凝縮器１やサブクールコンデンサ３等で行う。

凝縮器１は、圧縮機８と一体的に連結されて、圧縮機８の冷媒（本発明の第１媒体に相当）の出口と、電気モータ９やインバータ１０等を介してサブラジエータ２の冷却水（本発明の第２媒体に相当）の出口側と、リキッドタンク５の入口側と、にそれぞれ接続されている。この凝縮器１では、冷媒と冷却水が独立、かつ隣接して流通されることで熱交換が可能とされていることで、圧縮機８の出口から吐き出された冷媒は冷却水により液相まで液冷され、リキッドタンク５の入口まで送られる。なお、凝縮器１では、図示を省略したチューブと放熱フィンにて、冷却水を空冷する。

圧縮機８は、実施例では吐出容量可変形の圧縮機であり、図示を省略した制御器から容量制御用電磁弁に出力される容量制御信号に対応して吐出容量が変化（数％〜１００％）される。この圧縮機８は、図示を省略した電磁クラッチ又はディレクトプーリ（電磁クラッチなし）を介して図示しない電動モータによってベルト駆動される。

サブラジエータ２は、図示を省略したチューブと放熱フィンを交互に積層したコアを有し、冷媒を冷却して凝縮器１から出力された冷却水をさらに空冷する、この出口側は、車両を走行させるための電気モータ９やインバータ１０といった発熱する強電系部品の冷却部に接続されて、これらを冷却する。

サブクールコンデンサ３は、図示を省略したチューブと放熱フィンを交互に積層したコアを有し、その入り口側がリキッドタンク５の出口側に、またその出口側が膨張器６にそれぞれ接続されている。サブクールコンデンサ３では、リキッドタンク５から送られてきた媒体を空気流により空冷して過冷却(サブクール)液として、膨張器６へ送り出す。

リキッドタンク５は、凝縮器１とサブクールコンデンサ３との間に配置されてこれら間を接続する。リキッドタンク５は、凝縮器１にて液化された高圧中温の液化冷媒に含まれる水分やゴミをフィルタ部で取り除くとともに、余分な冷媒を一時的に溜めておき、急冷時等に冷媒が十分に供給できるようにする。

膨張器６は、サブクールコンデンサ３から送り出されてきた過冷却液を低圧にするとともに絞り、冷媒を低温かつ低圧の霧状の冷媒として気化しやすいようにする。この冷媒は蒸発器７へと送られる。

蒸発器７は、車室内に配設された図示を省略したエアコンユニットの送風ダクト内に配置されていて、膨張器６を通過して減圧膨張した低温低圧の冷媒を、送風機の空気流を受けて蒸発させ、送風ダクト内を車室へ向けて流れる空気流を冷却する。蒸発器７から出た冷媒は、圧縮機８の入口へ送り出される。

メインラジエータ４は、図示を省略したチューブと放熱フィンを交互に積層したコアを有し、エンジンを冷却するためのもので、サブラジエータ３とは別の冷却水（本発明の第３媒体に相当）をエンジンの冷却部との間で還流させ空冷する。また、メインラジエータ４には、図示を省略した電気ファンが設けられており、駐車時等におけるエンジンの冷却のための空気流を発生させる。サイズとしては、図１に示すように、他の熱交換器（凝縮器１、サブラジエータ２、サブクールコンデンサ３）よりかなり大きい。

なお、電気モータ９は、これ単独で車両を駆動走行させ、あるいはエンジンとともに車両を駆動走行させるものであり、その稼働にあっては発熱量が大きい。また、インバータ１０は、アクセル操作、車速などの計測データに基づき、電気モータ９へ供給する電力を制御するもので、これも発熱量が大きい。なお、これらの構造は周知なので、ここでは説明を省略する。

以上のように、実施例１では、メインラジエータ、エンジンの冷却部およびそれら間の配管は、エンジンを冷却するエンジン冷却回路を構成する。また、サブクールコンデンサ３、膨張器６、蒸発器７、圧縮機８、凝縮器１、リキッドタンク５およびそれら間の配管は、車室空調用冷却回路１２を構成する。さらに、サブラジエータ２、凝縮器１の一部およびそれら間の配管は、電気モータ９やインバータ１０等の強電系部品を冷却する強電系用冷却回路１１を構成する。

上記のようにそれぞれ構成した部品は、以下のように配置される。
すなわち、サブラジエータ２とサブクールコンデンサ３は、メインラジエータ４の車両前側に上下方向に並列配置される。また、エアコンの冷媒を冷却する凝縮器１は、圧縮機８に連結されて、サブラジエータ２、サブクールコンデンサ３、およびメインラジエータ４から離間・分離された位置(車両前後方向の後方側)に配置される。すなわち、従来一体的に設けられていた凝縮器とサブクールコンデンサとが本実施例では離間分離されるとともに、これにより凝縮器は従来の空冷から液冷へと変更される。

次に、この実施例１の複合熱交換器の作用を説明する。
エンジン冷却回路では、メインラジエータ４を流れる空気流により冷却水が冷却され、この冷却された冷却水がエンジンの冷却部へ送られてエンジン内を流れることによりエンジンを冷却する。エンジンで温められた冷却水はメインラジエータ４へ戻され、再度冷却されてエンジンへ送り出される。

強電系用冷却回路１１では、冷却水（エンジンの冷却水とは別の冷却水）が凝縮器１およびサブラジエータ２を通過する空気流によりそれぞれ冷却され、この冷却された冷却水が電気モータ９やインバータ１０等の強電系部品の冷却部を流れることにより、これらを最適な温度範囲内になるように冷却する。また、強電系部品を冷却した冷却水は、さらに凝縮器１へ流れ込み、ここで空気流により冷却されながら、隣接して流れる車室空調用冷却回路１２の冷媒を冷却する。

一方、車室空調用冷却回路１２では、圧縮機８で圧縮されて高温・高圧のガス状となった冷媒は圧縮機８から吐き出されて凝縮器１に入り、ここで強電系用冷却回路１１の冷却水により冷却されて液化される。この液化された冷媒はリキッドタンク５にて気液分離され、余分な一部が溜められ残りの媒体がサブクールコンデンサ３に送られる。サブクールコンデンサ３では、リキッドタンク５から送られてきた液冷媒（気体冷媒を一部含む）をさらに空気流で過冷却してほぼ完全な液冷媒とする。この液媒体は膨張器６へ送られてここで膨張・絞りが行われることで低温・低圧の霧状の冷媒として気化しやすいようにされる。この霧状の冷媒は、蒸発器７に送られてここで気化してパイプの周囲を通って車室内に流れ込む空気流から熱を奪い、車室空調用の冷風を作り出す。この蒸発器７で熱交換して温まった冷媒は、圧縮機１へ送られ、ここで圧縮され高温・高圧の気体となって、凝縮器１で容易に液化できるようにされる。以下、上記サイクルが繰り返される。

次に、この実施例１の複合熱交換器の効果を説明する。
この実施例１の複合熱交換器にあっては、従来一体とされ、そのためいずれも空冷であった凝縮器１とサブクールコンデンサ３とを分離・離間して、凝縮器１をサブクールコンデンサ３、サブラジエータ２およびメインラジエータ４から離れた位置にある圧縮機１に連結するとともに、凝縮器１ではここを流れる車室空調用冷却回路１２の冷媒を、サブラジエータ２を流れる強電系用冷却回路１１の冷却水で液冷するようにした。したがって、サブクールコンデンサ３およびサブラジエータ２は、凝縮器１が不要になった分、さらに設置スペースが確保でき、空気冷却のための十分な面積を確保できる。

また、これらの後方にメインラジエータ４を配置しても、全体としてはコンパクトに収まり、かつ車両前後方向２階層のみであるため空気流がスムーズに流れ、十分な冷却能力を確保できる。また、メインラジエータ４は、凝縮器１が不要になった分、前方に配置したサブクールコンデンサ３およびサブラジエータ２の面積が従来の凝縮器付きコンデンサおよびサブラジエータの場合より小さくなるので、メインラジエータ４に直接当たる空気流を増え、熱交換効率が向上する。
一方、離間した凝縮部１は従来の空冷から液冷へと変更することで、熱交換効率を向上させることができ、そのサイズを小さくすることができる。

また、従来すべての部品がメインラジエータ４の近くにまとめられていたため、これら間の配管作業が大変だったのが、本実施例では上記のようにメインラジエータ周りがコンパクトな配置となって車両搭載性が向上するのみならず、凝集部１が分離された位置に配置されていることから各部品間の配管作業が容易となる。

また、サブクールコンデンサ３およびサブラジエータ２を、空冷の第１放熱器の通風上流側である車両前側に配置することで、他の熱交換器で温まる前の空気流で冷媒を冷却することが可能となって、冷却効率が向上する。

以上、本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。

たとえば、実施例１では、サブクールコンデンサ３およびサブラジエータ２を、空冷の第４放熱器の通風上流側である車両前側に配置したが、サブクールコンデンサ３およびサブラジエータ２の少なくともいずれか一方を空冷の第４熱交換器の通風上流側である車両前側に配置しても、冷媒の冷却効率を高めることができる。

また、リキッドタンク５は、サブラジエータ２と膨張器６の間に配置してもよい。
なお、圧縮機８は実施例１のものに限られず、他のタイプを用いてもよい。

実施例では、本発明をハイブリッド電気車両に限られず、電気自動車や、ガソリンエンジン車など他の車種にも適用することができる。
電気自動車の場合、メインラジエータ４は不要となる。したがって、その他の熱交換器だけを用いることになるが、この場合、その分複合熱交換器全体を小さくできるので、電気自動車のようにその全体の形状や部品の配置に大きな自由度を確保したい場合には最適である。
このように本発明にあっては、第４熱交換器（実施例１ではメインラジエータ）は必ずしも必要ではない。
また、強電系用冷却回路１１は、他の部品を冷却水で冷却するものであって空冷の熱交換器で冷却水を冷却するものであればよい。

１ 凝縮器（第１熱交換器）
２ サブラジエータ（第２熱交換器）
３ サブクールコンデンサ（第３熱交換器：放熱器）
４ メインラジエータ（第４熱交換器）
５ リキッドタンク（貯留部）
６ 膨張器
７ 蒸発器
８ 圧縮機
９ 電気モータ
１０ インバータ
１１ 強電系用冷却回路
１２ 車室空調用冷却回路

Claims (8)

1. 第１熱交換器、第２熱交換器および第３熱交換器が複数配置されて、
   前記第１熱交換器は、前記第２熱交換器および前記第３熱交換器から分離・離間された位置で圧縮機に連結されて、該圧縮機から出力された第１媒体を前記第２熱交換器からの第２媒体により液冷却し、
   前記第２熱交換器は、前記第１熱交換器から出力された前記第２媒体を空気冷却し、
   前記第３熱交換器は、前記第１熱交換器に接続されて該第１熱交換器から出力された前記第１媒体を空気冷却する、
   ことを特徴とする複合熱交換器。
2. 請求項１に記載の複合熱交換器において、
   前記第１媒体は冷媒であり、かつ
   前記第２媒体は冷却水である、
   ことを特徴とする複合熱交換器。
3. 請求項１又は請求項２に記載の複合熱交換器において、
   前記第１熱交換器は、凝縮器であり、
   前記第３熱交換器は、過冷却器である、
   ことを特徴とする複合熱交換器。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合熱交換器において、
   前記第３熱交換器の前記第１媒体の流れ上流側又は下流側には、前記第１媒体の貯留部を接続・配置した、
   ことを特徴とする複合熱交換器。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の複合熱交換器において、
   前記第３熱交換器は、放熱器である、
   ことを特徴とする複合熱交換器。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の複合熱交換器において、
   前記第２熱交換器および前記第３熱交換器のうちの少なくとも一方は、第３媒体を空気冷却する第４熱交換器の通風上流側に配置した、
   ことを特徴とする複合熱交換器。
7. 請求項６に記載の複合熱交換器において、
   前記第４熱交換器は、主放熱器であり、
   前記第３媒体は、冷却水である、
   ことを特徴とする複合熱交換器。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の複合熱交換器において、
   該複合熱交換器は、ハイブリッド電気車両に搭載されている、
   ことを特徴とする複合熱交換器。
   

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