JP2017058123A - 特に車両のための熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器ヘッダの冷媒分配を改善する車両空調用熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器は、一束のチューブ２と、第１ヘッダ４とを備え、一束のチューブは、チューブ内を循環する冷媒流体と外部の気流との間の熱の交換を提供し、熱交換器は、第１ヘッダの第１部分４ａにつながるチューブと、第１ヘッダの第２部分４ｂにつながるチューブの間における冷媒の直列の循環を形成するように構成されている。第１ヘッダは、ヘッダの第１部分および第２部分の間の流体の循環を乱すように構成された隔壁１２を有する。熱交換器は、とくに電気および／またはハイブリッド自動車のためのものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に車両のための、とりわけ電気および／またはハイブリッド車両のための熱交換器に関する。

熱機関を有する車両では、車両の客室を加熱するためにエンジンにより発される熱を使用することが知られている。電気モータを有する車両では、車両を駆動するために使用される電気機械により発される熱は、そのような機能を果たすには小さすぎる。同じ問題が、たとえこれがより小さい程度であっても、ハイブリッド車両、すなわち熱および電気駆動の両方を有する車両において、引き起こされる。

この問題を解決するために、空調ループを可逆的に動作させることが既に提案されている。空調ループは、したがって、ユーザからの要求に応じて、客室内へ冷たい空気と温かい空気とを交互に導入するように構成されている。

空調ループは、ラジエータグリルを通過する大気温度における気流により通過されるように、車両のフロントフェイスに位置する熱交換器を使用する。熱交換器は、空調ループが客室を冷却するために使用される時に空調ループを循環する冷媒流体を凝縮させるとともに、逆の場合、空調ループが客室を加熱するためのヒートポンプとして機能する時に当該流体を蒸発させる役目を果たす。

そのような熱交換器の熱的性能は、凝縮器としてその機能を改善するための解決策が、通常、蒸発器としてその機能を改善するための解決策とは逆であるため、最適化することが難しい。

より正確には、層間チューブタイプの凝縮器または蒸発器では、所定の数のチューブを含む経路において直列に冷媒流体を循環させることが有利である、ということは長い間知られてきた。凝縮器では、一の経路から別の経路までのチューブの数を減少させることが圧力の損失を制限しながら熱交換を最適化する、ということも長い間知られてきた。当業者は、そのようなチューブの分配が、他方で、蒸発器の機能にとって好ましくない、ということも知っている。

この状況を回避するための第１の解決策は、熱交換器における流体の循環の方向を反転させることであるが、そのような解決策は、空調ループの複雑性を増大させる。

熱交換器内での冷媒流体の循環の方向の反転無しで凝縮器および蒸発器として交互に役目を果たすようになる熱交換器に対して、当業者は、次に、他方の動作モードに対して一方の動作モードに悪影響をもたらすことを回避するために、できるだけ対称的である構成を有する熱交換器を提案することに導かれる。複数の経路を有する層間チューブタイプの熱交換器の場合、これは、経路ごとに同一の数のチューブを有する、または少なくとも一の経路から別の経路まで同様のままである、という２つの経路の使用を結果的にもたらす。

こういう状況であるから、特に重大な問題は、ヒートポンプモードにおいて熱交換器の氷結の危険である。そのような現象の出現は、気圧の損失における増大のために、熱交換器の全てまたはいくつかを停止させやすい。氷結による熱交換器の劣化は、熱交換器の内側の冷媒流体の蒸発温度および圧力を減少させやすく、それは、結果的に交換器の氷結の危険を増加させる。

別の特に重大な問題は、熱交換器の内部の圧力の損失に関連する。蒸発器モードでは、冷媒流体の密度が凝縮器モードよりも低いことが知られており、それは、圧力の損失を増加させるという効果を有する。したがって、熱的性能を改善させるために機能する蒸発器における圧力の損失を低減しようとすることが不可欠であると思われる。

そのような危険を回避するために、第１経路を交換器の底部分に配置し、交換器が実質的に鉛直面に位置決めされ、チューブは実質的に水平方向に向けられた状態で、第１経路におけるより少ない数のチューブの使用が、既に検討されている。

本件出願人により実行された試験は、しかしながら、そのような交換器のチューブのいくつかが交換にほとんどまたは全く参加しない、ということを示している。これらは、特に、第１経路に近接して位置する第２経路におけるチューブである。さらに、この問題は、より多くの数の経路、経路あたりのチューブの異なる区分、および／またはチューブの異なる向き、特に鉛直の向き、を有する熱交換器においてより一般的であって遭遇されると思われる。

本発明は、状況を改善することを目的するとともに、この目的のために、熱交換器であって、前記交換器は、一束のチューブと、第１ヘッダと、を備え、前記一束のチューブは、前記チューブ内を循環する冷媒流体と外部の気流との間の熱の交換を提供し、前記熱交換器は、前記第１ヘッダの第１部分に現れる前記チューブの第１部分と、前記ヘッダの第２部分に現れる前記チューブの第２部分と、の間における前記冷媒流体のための直列の循環を形成するように構成された熱交換器を提案する。

本発明によれば、前記第１ヘッダは、前記チューブの前記第１部分と前記第２部分との間の循環を乱すように構成された隔壁を有する。

本件出願人は、そのような隔壁の使用が、一束のチューブの内側の冷媒流体の分配（区分）を改善し、それは、熱交換を増加させるとともに特に蒸発器動作モードにおける圧力の損失を制御するという効果を有する、ということを見つけた。このタイプの隔壁は、その流れの断面を減少させることにより冷媒流体を加速させなければならず、したがって下流に配置されたチューブへの供給に好ましくないと思われるけれど、反対に、当該チューブへの改善された供給が観測される。説明を構成すると主張すること無く、そのような現象は、冷媒流体が一の経路から別の経路まで行く時に、冷媒流体の２相状態に由来し得る。

別個にまたは組み合わせて用いられ得る、さまざまな実施の形態によれば、
−前記一束の前記チューブは、前記チューブの前記第１部分および第２部分にそれぞれ対応する第１経路および第２経路に区分されている。

−前記一束は、前記熱交換器の使用時に前記経路が水平方向に向けられるように構成されている。

−前記第１経路における前記冷媒流体のための流れの断面は、前記一束における前記冷媒流体のための流れの断面の４０％〜７０％、とくに５０％〜７０％に相当する。

−前記第１経路における前記冷媒流体のための流れの断面は、４０％、特に５０％より大きい。

−前記隔壁は、前記第１ヘッダの前記第１部分と前記第２部分との間の通過領域から距離ｄに配置されており、前記隔壁は、
−前記第１部分において、前記距離ｄは、前記第１ヘッダの前記第１部分の軸方向の長さの半分より短く、
−前記第２部分において、前記距離ｄは、前記第１ヘッダの前記第２部分の前記軸方向の長さの半分より短い、
というように位置決めされている。

−前記隔壁は、前記通過領域に配置されている。

−前記隔壁は、前記冷媒流体を、前記一束の前記チューブが現れる前記熱交換器の第２ヘッダの分離隔壁と呼ばれる隔壁に近接して位置するチューブ部分に選択的に向かわせるように構成されており、前記分離隔壁は、前記直列の循環、すなわち前記一束の複数の経路における循環を規定している。

−前記分離隔壁に近接して位置する前記第２チューブ部分における前記チューブは、前記冷媒流体が前記熱交換器を離れるための穴と対向して配置されている。

−前記冷媒流体の循環を乱す前記隔壁は、前記冷媒流体を前記一束に向かわせるように向けられたデフレクタである。

−前記冷媒流体の循環を乱す前記隔壁は、前記第１ヘッダの長手軸に対して交差する向きに配置されている。

−前記冷媒流体の循環を乱す前記隔壁は、前記流体のための１つまたは２つ以上の通過穴を有している。

−前記通過穴は、前記冷媒流体の循環を乱す前記隔壁の表面に規則的に分配されている。

−前記通過穴は、前記流体を、前記分離隔壁に近接して位置する前記第２チューブ部分における前記チューブの方向に向かわせるように分配されている。

−前記通過穴は、前記チューブに近接して位置する前記冷媒流体の循環を乱す前記隔壁の半分において、より多い、および／または、より大きい表面領域を有する。

−前記熱交換器は、自動車のフロントフェイス上に位置決めされるように構成されており、前記車両は、特に電気および／またはハイブリッド車両である。

付随された図面を参照して、純粋に説明的かつ非限定的な例として提供される、本発明の複数の実施の形態の以下の詳細な説明の記載を通して、本発明は、より良く理解されるとともに、本発明の目的、詳細、特徴、および利点は、より明らかになるであろう。

図１は、本発明による熱交換器の一例を概略的に正面図で示している。 図２は、本発明による熱交換器の冷媒流体の循環を乱す隔壁の第１の実施形態を斜視図で示している。 図３は、隔壁の別の実施の形態を正面図で示している。 図４は、隔壁の別の実施の形態を正面図で示している。 図５は、隔壁の別の実施の形態を正面図で示している。 図６は、隔壁の別の実施の形態を正面図で示している。 図７は、隔壁の別の実施の形態を正面図で示している。 図８は、隔壁の別の実施の形態を正面図で示している。 図９は、隔壁の別の実施の形態を正面図で示している。 図１０は、隔壁の追加の実施の形態を軸方向の切断面に沿って概略的に示している。

図１に示されるように、本発明は、蒸発器モードおよび凝縮器モードにおいて交互に機能するように構成された熱交換器１に関する。それは、特に、客室の加熱と空調とを交互に可能な、車両、特に自動車の客室の空調ループにおいて使用されることを意図された熱交換器である。したがって、ユーザからの要求が加熱の要求である時、ループは、ヒートポンプとして機能し、熱交換器は蒸発器として役目を果たすであろう。ユーザからの要求が空調のための要求である時、ループは、冷却ポンプとして機能し、熱交換器は凝縮器として役目を果たすであろう。本発明は、既に上で説明された理由により、特に電気および／またはハイブリッド駆動を有する車両におけるその適用を見つけるであろう。

熱交換器は、一束のチューブ２を有しており、それは、当該チューブを循環する冷媒流体と外部の気流との間の熱の交換を提供する。一束のチューブ２には、この目的のために、チューブと外部の気流との間の交換の表面領域を増加させるために、チューブ２間に位置する挿入部３、特に波型の導入部が設けられ得る。

熱交換器は、この場合、第１および第２ヘッダ４，５を有しており、そこではチューブが当該チューブ２の逆の端部２Ａを通って現れる。チューブ２は、たとえば、互いに平行である。チューブは、実質的に同じ長さを有し得る。この場合、ヘッダ４，５は、平行であり、かつ、チューブ２に対して実質的に直角に向けられている。

好ましくは、チューブは、車両の横軸と実質的に平行に置かれており、ヘッダは、したがって、チューブに対して直角に置かれている。

冷媒流体は、少なくとも２つの経路で、熱交換器を循環する。交換器は、したがって、まず初めに第１ヘッダ４の第１部分４ａに現れるチューブ２の第１部分４において符号６が付された矢印の方向に通過し、次に第１ヘッダ４において符号７が付された矢印の方向に通過し、最後に第１ヘッダ４の第２部分４ｂに現れるチューブ２の第２部分において符号８が付された矢印の方向に通過する。冷媒流体は、熱交換器において下から上へ、すなわち第２経路の下に配置された第１経路から車両に関連付けられた基準点の鉛直軸に沿って、循環する。

さまざまな経路における循環を提供するために、第１ヘッダ４および／または第２ヘッダ５には、分離隔壁と呼ばれる、ヘッダをさまざまなチャンバ５ａ、５ｂに分割するとともに、冷媒流体を分離隔壁の１つの一側に位置する上流のチャンバに接続されたチューブ２を通過させ、次に逆のヘッダを通過させ、分離隔壁の他側に位置する下流のチャンバに接続されたチューブを通過させる隔壁９が設けられている。分離隔壁は、好ましくはシールされている。

前記一束のチューブは、ここでは、チューブ２の第１部分および第２部分にそれぞれ対応する第１経路および第２経路に区分されている。図１では、前記経路は、一点鎖線により分離されている。そのような場合、前記経路間の分離において第２ヘッダ５に配置された単一の分離隔壁９が用いられる。それは、第２ヘッダ５の内側に位置しているため、それは、ここでは破線で示されている。

熱交換器は、また、たとえば、ここでは同じヘッダ、この場合は第２ヘッダ５に位置する、冷媒流体のための入口１０および／または出口１１を有している。

本発明によれば、第１ヘッダ４は、チューブ２の第１部分と第２部分との間、すなわちこの場合は第１経路と第２経路との間での流体の循環を乱すように構成された隔壁１２を有している。

２つの経路の間での流体の循環を乱すための隔壁１２は、より正確にはこの流れが下から上へ生じる時、一束における全てのチューブでの冷媒流体の流れのより良い分配を促進することが分かる。熱交換は、したがって、圧力の損失を制御しながら改善される。

冷媒流体の循環を乱す１つまたは２つ以上の隔壁は分離隔壁の機能とは異なる機能であることに留意されるべきである。分離隔壁は、一束における複数の経路での循環を規定する役目を果たす一方、冷媒流体の循環を乱す隔壁は、複数の経路における循環が形成されており、それが１つの経路から別の経路へ行く時に流体の流れを乱れた状態にする役目を果たす。

第１経路における冷媒流体は、たとえば、一束における冷媒流体のための流れの断面の５０％〜７０％を示す。第１の変形例によれば、冷媒流体の流れの断面は、各経路において同一である。すなわち、一束におけるチューブ２が全て同一である場合、各経路は同じ数のチューブ２を有する。

こういう状況であるから、別の変形例によれば、優れた結果が、５０％より大きい、とくに約６０％の、第１経路における冷媒流体のための流れの断面を用いることにより得られることが分かった。流体の流れを乱す隔壁のおかげで、凝縮機の形態における動作に有利に働くけれど、蒸発器の形態における動作は満たされたままである。すなわち、この他の変形例によれば、一束におけるチューブ２が全て同一である場合、第１経路は、複数のチューブの５０％〜７０％、特に複数のチューブ２の６０％を有する。

かく乱隔壁１２は、ここでは第１ヘッダ４の第１部分４ａと第２部分４ｂとの間の通過領域１３に配置されている。こういう状況であるから、一変形例では、それはわずかに離れて位置し得る。より正確には、それは通過領域３から距離ｄに配置され、第１部分または第２部分のいずれかに位置決めされ得て、第１部分に位置決めされる時、距離ｄは第１ヘッド４の第１部分４ａの軸方向の長さの半分未満であり、第２部分に位置決めされる時、距離ｄは第１ヘッダ４の第２部分４ｂの軸方向の長さの半分未満である。

冷媒流体の循環を乱す隔壁１２は、冷媒流体を、好ましくは第２ヘッダ５に位置する分離隔壁９に近接して位置する第２チューブ部分のチューブ２に向けさせるように構成され得る。問題になっているチューブ２は、ここでは、冷媒流体のための出口１１に対向しており、かく乱隔壁１２の上に配置されている。

第１の実施形態によれば、冷媒流体の循環を乱す隔壁１２は、たとえば、第１ヘッダの長手軸に対して交差して、とくに直交して配置されており、冷媒流体のための１つまたは２つ以上の通過穴を有している。これにより意味されることは、冷媒流体の循環を乱す隔壁１２が第１ヘッダ４に接触するようになる周縁部を有しており、その内部輪郭に従っている、ということである。通過穴は、とくに円形または長方形の断面を有している。それらは、貫通穴であり、冷媒流体が第１ヘッダ４の第１部分４ａから第２部分４ｂへ通過することを許容する。図２〜図９に示された隔壁は、この実施形態に対応している。

図２、図４および図５における変形例によれば、通過穴１４は、隔壁の表面上に規則的に分配されている。

図３における変形例によれば、単一の通過穴１４が、特に隔壁の中央部に、設けられている。

図６〜図９における変形例によれば、通過穴１４は、冷媒流体を、第２ヘッダ５の分離隔壁９に近接して位置する第２チューブ部分２におけるチューブの方向に向かわせるように分配されている。通過穴１４は、したがって、チューブ２に近接して位置する隔壁の半分において、より多い、および／または、より大きな表面領域を有する。

図６における変形例によれば、通過穴１４は、平行列で分配されており、各々は同じ数の穴を有しており、通過穴の断面は１つの列から次の列へと増加している。

図７における変形例によれば、通過穴１４は、同じ断面を有しており、増加する数の穴を有する平行列で分配されている。

図８における変形例によれば、通過穴１４は、同じ横方向に延びており、当該横方向において同じ寸法を有しており、当該横方向に対して直角な方向における通過穴１４の断面は、１つの通過穴１４から次の通過穴１４へと増加している。

図９における変形例によれば、通過穴１４は、同じ横方向に延びており、この方向において１つの通過穴１４から次の通過穴１４へと増加する寸法を有しており、当該横方向に対して直角な方向における通過穴１４の寸法は、一定のままである。

図示されていない追加の変形例では、冷媒流体の循環を乱す隔壁１２は、第１ヘッダ４において横向きに配置されたフィルタータイプの要素から構成され得る。

図１０における変形例によれば、冷媒流体の循環を乱す隔壁１２は、冷媒流体を前記一束に向かわせるように向けられたデフレクタ１５である。デフレクタ１５は、第１ヘッダ４の一部分のみにわたって延びており、当該ヘッダ４の第２部分４ｂに向かって曲げられた自由端１６を有している。

交換器は、たとえば、アルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されている。それは、たとえばロウ付けにより製造されている。チューブ２は、フラットタイプであり得る、および／または、冷媒流体のための複数の循環流路を有し得る。それらは、たとえば、押し出しチューブ、または、流路を規定する内部かく乱手段が設けられたチューブである。ヘッダ４，５は、とくに、実質的に長方形状の断面を有している。それらは、ヘッダプレレートにより形成され得て、そこでは、チューブ２が対応する穴を通って挿入されており、カバーが２つの端部隔壁と組み合わせてヘッダを閉じている。

熱交換器は、特に、実質的に鉛直な方向において、自動車のフロントフェイス上に位置決めされるように構成されており、冷媒流体の循環は、下から上へと生じる。すなわち、第１経路は、たとえば、下の経路である。

Claims (15)

1. 熱交換器であって、
   前記交換器は、一束のチューブ（２）と、第１ヘッダ（４）と、を備え、
   前記一束のチューブ（２）は、前記チューブ（２）内を循環する冷媒流体と外部の気流との間の熱の交換を提供し、
   前記熱交換器は、前記第１ヘッダの第１部分に現れる前記チューブ（２）の第１部分と、前記ヘッダ（４）の第２部分（４ｂ）に現れる前記チューブ（２）の第２部分と、の間における前記冷媒流体のための直列の循環を形成するように構成され、
   前記第１ヘッダ（４）は、前記チューブ（２）の前記第１部分と前記第２部分との間の循環を乱すように構成された隔壁（１２）を有する
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記一束の前記チューブ（２）は、前記チューブ（２）の前記第１部分および第２部分にそれぞれ対応する第１経路および第２経路に区分されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第１経路における前記冷媒流体のための流れの断面は、前記一束における前記冷媒流体のための流れの断面の４０％〜７０％に相当する
   ことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記第１経路における前記冷媒流体のための流れの断面は、４０％より大きい
   ことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
5. 前記隔壁（１２）は、前記第１ヘッダ（４）の前記第１部分と前記第２部分との間の通過領域から距離ｄに位置しており、前記隔壁（１２）は、
   −前記第１部分（４ａ）において、前記距離ｄは、前記第１ヘッダ（４）の前記第１部分（４ａ）の軸方向の長さの半分より短く、
   −前記第２部分（４ａ）において、前記距離ｄは、前記第１ヘッダ（４）の前記第２部分（４ｂ）の前記軸方向の長さの半分より短い、
   というように位置決めされている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 前記隔壁（１２）は、前記通過領域に位置している
   ことを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記隔壁（１２）は、前記冷媒流体を、前記一束の前記チューブ（２）が現れる前記熱交換器の第２ヘッダ（５）の分離隔壁（９）に近接して位置する前記第２チューブ部分（２）における前記チューブに選択的に向かわせるように構成されており、前記分離隔壁（９）は、前記直列の循環を規定している
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の熱交換器。
8. 前記分離隔壁（９）に近接して位置する前記第２チューブ部分（２）における前記チューブは、前記冷媒流体が前記熱交換器を離れるための穴（１１）と対向して配置されている
   ことを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
9. 前記冷媒流体の循環を乱す前記隔壁（１２）は、前記流体のための１つまたは２つ以上の通過穴（１４）を有している
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の熱交換器。
10. 前記冷媒流体の通過穴（１４）は、前記冷媒流体の循環を乱す前記隔壁（１２）の表面に規則的に分配されている
    ことを特徴とする請求項９に記載の熱交換器。
11. 前記通過穴（１４）は、前記流体を、前記分離隔壁（９）に近接して位置する前記第２チューブ部分（２）における前記チューブの方向に向かわせるように分配されている
    ことを特徴とする請求項９に記載の熱交換器。
12. 前記通過穴（１４）は、前記チューブ（２）に近接して位置する前記冷媒流体の循環を乱す前記隔壁（１２）の半分において、より多い、および／または、より大きい表面領域を有する
    ことを特徴とする請求項９または１１に記載の熱交換器。
13. 前記冷媒流体の循環を満たす前記隔壁（１２）は、前記第１ヘッダの長手軸に対して交差する向きに配置されている
    ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の熱交換器。
14. 前記冷媒流体の循環を乱す前記隔壁（１２）は、前記冷媒流体を前記一束に向かわせるように向けられたデフレクタ（１５）である
    ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の熱交換器。
15. 前記熱交換器は、自動車のフロントフェイス上に位置決めされるように構成されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の熱交換器。

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