JP5640875B2

JP5640875B2 - 複合熱交換器

Info

Publication number: JP5640875B2
Application number: JP2011089315A
Authority: JP
Inventors: 松平　範光; 範光松平
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2031-04-13
Also published as: JP2012218680A

Description

本発明は、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）や電気気動車（ＥＶ）の冷却システムなどに用いられる複合熱交換器に関する。

例えば、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）や電気気動車（ＥＶ）においても、小型化、軽量化、省燃費化などの要求は極めて強く、これらの車両に用いられる冷却システムでは、冷却システムを構成する複数個の熱交換器を一体に組み合わせた複合熱交換器が用いられている。

特許文献１に従来の複合熱交換器（車両用マルチタイプ熱交換器）が開示されており、図７はこれと同等に構成された複合熱交換器１０１を示している。

複合熱交換器１０１が用いられている冷却システムは、車両駆動用の電動機１０３とインバータ１０５とコンバータなどからなる動力回路を冷却水で冷却する動力回路冷却システムと、車室用の空調システムと、エンジン１０７を冷却水で冷却するエンジン冷却システムから構成されている。

動力回路冷却システムにおいて、電動ポンプによってメイン循環回路を循環する冷却水は動力回路を冷却し、外気によってサブラジエータ１０９で空冷されると共に、メイン循環回路と並列に設けられたサブ回路からデガスタンク１１１に送られ空気が分離されてメイン循環回路へ戻る。また、車室用空調システムにおいて、コンプレッサ１１３で圧縮された冷媒は、サブラジエータ１０９に内蔵された水冷コンデンサ１１５で水冷された後、コンデンサ１１７で空冷され、膨張弁からエバポレータへ移動する。また、エンジン冷却システムにおいてエンジン１０７を冷却した冷却水はラジエータ１１９で空冷される。

また、複合熱交換器１０１では、上下に一体にされたサブラジエータ１０９とコンデンサ１１７をラジエータ１１９の一側に配置して一体に形成されている。

特許４１７５９１８号

しかし、従来の複合熱交換器１０１では、上記のように、水冷コンデンサ１１５をサブラジエータ１０９に内蔵させたことによってサブラジエータ１０９のタンクサイズが大型化しており、それだけ広い配置スペースが必要になる上に、レイアウト上の自由度が低下する。

また、サブラジエータ１０９とコンデンサ１１７を上下に配置し、水冷コンデンサ１１５をサブラジエータ１０９に内蔵させたので、水冷コンデンサ１１５とコンデンサ１１７との距離が近すぎて、これらの配管を接続するに当たって充分な作業スペース及び配管の取り付け調整代が得られない。

また、コンデンサ１１７の上部に配置されたサブラジエータ１０９に水冷コンデンサ１１５を内蔵させた構成では、車室用空調システムのコンプレッサ１１３と水冷コンデンサ１１５との鉛直方向寸法を充分に大きくすることが不可能であり、このような状態では冷媒に含まれたオイルが逃げ易い。

また、走行中に取り入れる外気によって冷却されるサブラジエータ１０９（水冷コンデンサ１１５）とコンデンサ１１７とラジエータ１１９は車両の前方に配置されるが、水冷コンデンサ１１５とコンデンサ１１７とを接続する配管が前方に突き出していると、車両が軽度の衝突や接触を起こしただけでも突き出した配管がダメージを受け易い。

そこで、この発明は、サブラジエータの小型化によって狭いスペースに配置可能にし、レイアウト上の自由度を高め、水冷コンデンサとコンデンサとを適度な距離を介して配置し、配管時に充分な作業スペースと配管取り付け調整代を得ると共に、コンプレッサ１１３と水冷コンデンサ１１５との鉛直方向寸法を充分に大きくしてオイルのロスを軽減し、配管の前方への突き出しを回避する複合熱交換器の提供を目的としている。

請求項１の複合熱交換器は、車載発熱体を冷却する冷却水と外気との間で熱交換する第１熱交換器と、前記冷却水を気液分離するデガスタンクと、車室空調用の冷媒を前記車載発熱体用の冷却水で冷却する第２熱交換器と、前記第２熱交換器からの冷媒を外気で冷却する第３熱交換器とを有し、前記第２熱交換器は、冷却水が上方から前記デガスタンクの底面に向かって流れる位置で前記デガスタンクの内部に配置されていると共に、前記第２熱交換器は、そのコアの間に設けられた冷却水通路が冷却水の流れ方向とほぼ平行に配置され、前記デガスタンクには、前記デガスタンクの底面で、且つ、前記第２熱交換器に対向する下方位置に開口する流出ポートが設けられたことを特徴とする。

請求項２の複合熱交換器は、請求項１に記載された発明であって、前記デガスタンクには、仕切り板によって、冷却水の流入ポートを有する流入側区間と冷却水の前記流出ポートを有する流出側区画とを含む複数の区画が形成されており、前記第２熱交換器は、前記流出側区画の前記流出ポートに近接して配置されていることを特徴とする。

請求項３の複合熱交換器は、請求項２に記載された発明であって、前記流入側区画と前記流出側区画は、冷却水の流れ線上で互いに最も離れた箇所に設けられていると共に、前記流入側区間の流入ポートは前記デガスタンクの上部に設けられていることを特徴とする。

請求項４の複合熱交換器は、請求項２又は請求項３に記載された発明であって、前記仕切り板には、下流側の区画へ冷却水を流す冷却水流路が設けられていることを特徴とする。

請求項５の複合熱交換器は、請求項４に記載された発明であって、前記仕切り板の冷却水流路は、前記第２熱交換器の上端部より上方に配置されていることを特徴とする。

請求項６の複合熱交換器は、請求項１〜請求項５のいずれかに記載された発明であって、前記デガスタンクが、前記第３熱交換器より上方に配置されていることを特徴とする。

請求項１の複合熱交換器は、第２熱交換器（水冷コンデンサ）をデガスタンクの内部に配置したことにより、従来例と異なって、第２熱交換器を内蔵しない第１熱交換器（サブラジエータ）が小型化されて狭いスペースに配置可能になり、レイアウト上の自由度が向上している。

また、デガスタンクは、一般に冷却システムの最上部に配置されており、従って、デガスタンクに内蔵された第２熱交換器と、第２熱交換器からの冷媒を外気で冷却する第３熱交換器との間に適度な距離が設けられるから、これらを接続するに当たって充分な作業スペースと配管取り付け調整代が得られる。

また、第２熱交換器をデガスタンクに内蔵させた本発明の構成では、従来例と異なって、第２熱交換器と第３熱交換器（空冷コンデンサ）とを接続する配管が前方に突き出すことがなくなり、従って、車両が軽度の衝突や接触を起こした場合でも、これらを接続する配管がダメージを受けることが防止される。

また、デガスタンクの内部で第２熱交換器が冷却水と衝突することによって気液分離効率（冷却水から空気を分離させる効率）が向上し、コンプレッサで圧縮された冷媒が内部を循環することによって高温になった第２熱交換器が冷却水と接触することにより、気液分離効率がさらに向上するから、第１熱交換器を用いた冷却システム、例えば、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）や電気気動車（ＥＶ）に用いられる動力回路のような車載発熱体を冷却する冷却システムの性能も向上する。

また、第２熱交換器を、コアの冷却水通路とデガスタンクの冷却水の流れ方向とがほぼ平行になるように配置したことにより、第２熱交換器の周囲で冷却水が乱流を作らない。従って、多量の冷却水がコアを通過し、第２熱交換器（冷媒）が効率よく冷却される。

さらに、冷却水の流れ方向とほぼ平行に配置したコアが、下記の仕切り板と同様に機能して気液分離機能（空気の分離機能）を促進させる。

請求項２の複合熱交換器は、請求項１の構成と同等の効果が得られる。

また、仕切り板は、空気の分離を促進させると共に、デガスタンクを複数の区画に分割し、冷却水の流量と流動方向を調整して多量の冷却水を第２熱交換器に導いており、冷却水は流入側区画の流入ポートから流入し、各区画内部を流動し、流出側区画の流出ポートから流出する間に空気が分離される。従って、流出ポートに近接して配置された第２熱交換器は、空気の混入割合が少ない冷却水と接触して効率よく冷却されるから、第２熱交換器を用いた冷却システムの性能も向上する。

請求項３の複合熱交換器は、請求項２構成と同等の効果が得られる。

また、流入側区画の流入ポートをデガスタンクの上部に設け、流出側区画の流出ポートをデガスタンクの底部に設けたことによって冷却水の流路が最も長くなり、空気の分離がそれだけ促進されるから、第２熱交換器の冷却効率と、第２熱交換器を用いた冷却システムの性能が向上する。

請求項４の複合熱交換器は、請求項２または請求項３の構成と同等の効果が得られる。

また、下流側区画へ冷却水を流す冷却水流路（例えば、貫通孔や切り欠き）を設けたことにより、仕切り板による冷却水の流量及び流動方向の調整機能が向上すると共に、冷却水流路を通過する際に空気の分離が促進され、第２熱交換器の冷却効率と、第２熱交換器を用いた冷却システムの性能が向上する。

請求項５の複合熱交換器は、請求項４の構成と同等の効果が得られる。

また、仕切り板の冷却水流路を第２熱交換器の上端部より上方に配置したことにより、冷却水が第２熱交換器に効率よく導かれるから、第２熱交換器の冷却効率と、第２熱交換器を用いた冷却システムの性能が向上する。

請求項６の複合熱交換器は、請求項１〜請求項５の構成と同等の効果が得られる。

また、第２熱交換器を内蔵したデガスタンクを第３熱交換器より上方に配置したことにより、コンプレッサと第２熱交換器との鉛直方向寸法を充分に大きくすることが可能になり、冷媒に含まれたオイルの逃げ（ロス）がそれだけ軽減される。

一実施例の複合熱交換器１が用いられた車両冷却システム３を示すブロック図である。複合熱交換器１の一部を構成する強電系冷却システム５を示すブロック図である。デガスタンク１７を示す断面図である。デガスタンク１７の他の断面図である。デガスタンク１７を水平に切断して示す断面図である。仕切り板３３，３５の平面図である。従来例の複合熱交換器１０１を示すブロック図である。

＜一実施例＞
図１〜図６によって複合熱交換器１の説明をする。

［複合熱交換器１の構成］
図１と図２のように、複合熱交換器１が用いられている冷却システム３は、強電系冷却システム５と、車室用の空調システム７と、エンジン冷却システム９から構成されている。

強電系冷却システム５は、車両駆動用の電動機１１及びインバータ１３及びコンバータなどからなる強電系（車載発熱体）を冷却水で冷却する冷却システムであり、サブラジエータ１５（第１の熱交換器）とデガスタンク１７と冷却水ポンプ１９と、これらを接続して冷却水を循環させるメイン回路２１と、メイン回路２１から分岐してメイン回路２１とデガスタンク１７との間で冷却水を循環させるサブ回路２３などから構成されており、矢印のように、冷却水ポンプ１９からの冷却水は電動機１１及びインバータ１３及びコンバータを冷却し、サブラジエータ１５において、車両の前方から取り入れた外気によって空冷され、冷却水ポンプ１９に戻ってメイン回路２１を循環する。さらに、冷却水はサブ回路２３とデガスタンク１７との間で循環し、デガスタンク１７で空気を分離（気液分離）してメイン回路２１へ戻る。また、デガスタンク１７は冷却システム３の最上部に配置されている。

車室用の空調システム７は、コンプレッサと、水冷コンデンサ２５（第２の熱交換器）と、空冷コンデンサ２７（第３熱交換器）と、膨張弁と、エバポレータなどからなり、水冷コンデンサ２５は強電系冷却システム５のデガスタンク１７に内蔵されている。コンプレッサで圧縮された冷媒は水冷コンデンサ２５に送られ、デガスタンク１７の内部を流れる冷却水によって水冷された後、コンデンサ２７で外気により空冷されて凝縮し、エバポレータで車室の空気と熱交換し、コンプレッサで再び圧縮されて循環する。

サブラジエータ１５とコンデンサ２７は、サブラジエータ１５をコンデンサ２７の上側にして一体的に形成されており、図１のように、デガスタンク１７は空冷コンデンサ２７より上方に配置されている。

また、エンジン冷却システム９において、冷却水はエンジン２９（図２）を冷却し、ラジエータ３１で外気によって空冷され、冷却水ポンプに戻って循環する。

図３〜図６のように、デガスタンク１７は２枚の仕切り板３３，３５によって流入側区画３７と中間区画３９と流出側区画４１とに区画されており、流入側区画３７の上部には冷却水の流入ポート４３が設けられ、流出側区画４１の底部には流出ポート４５が設けられている。このように、流入側区画３７の流入ポート４３と流出側区画４１の流出ポート４５は冷却水の流れ線上で互いに最も離れた箇所に設けられている。また、デガスタンク１７の最上部には冷却水から分離された空気を外部へ逃がす空気抜きパイプ４７が取り付けられている。

水冷コンデンサ２５は流出側区画４１の底部に（流出ポート４５に近接して）設置されており、そのコア４９には冷媒移送パイプ５１，５１を介して冷媒が流出入する。また、コア４９は冷却水通路５３が冷却水の流れ方向（矢印）とほぼ平行になるように配置されており、多量の冷却水が、乱流を作らずに、コア４９を通過し冷却するようにされている。

また、図６のように、仕切り板３３，３５には丸孔５５，５７（冷却水流路）が上下に設けられており、区画３７，３９の冷却水は丸孔５５，５７を通って下流側の区画３９，４１へ移動する。また、図４のように、下側の丸孔５７の下端は水冷コンデンサ２５（コア４９）の上端より上方に配置されている。

デガスタンク１７の流入ポート４３から流入側区画３７へ流入した冷却水は、流入側区画３７で撹拌されて空気を分離し、仕切り板３３の丸孔５５，５７を通って空気を分離しながら下流の中間区画３９へ流入し、同様に、中間区画３９で撹拌されて空気を分離し、仕切り板３５の丸孔５５，５７を通って空気を分離しながら下流の流出側区画４１へ流入し、流出側区画４１で空気を分離すると共に、冷却水通路５３を通過してコア４９（水冷コンデンサ２５）の冷媒を冷却する。

［複合熱交換器１の効果］
複合熱交換器１は、水冷コンデンサ２５をデガスタンク１７の内部に配置したので、水冷コンデンサ２５を内蔵しないサブラジエータ１５が小型化されて狭いスペースに配置可能になり、レイアウト上の自由度が向上している。

また、デガスタンク１７に内蔵された水冷コンデンサ２５と、水冷コンデンサ２５に接続されるコンデンサ２７との間に充分な距離が設けられているから、これらの配管を接続するに当たって必要な作業スペース及び配管取り付け調整代が得られている。

また、冷却システム３の後方に配置されているデガスタンク１７に水冷コンデンサ２５を内蔵させた複合熱交換器１では、水冷コンデンサ２５とコンデンサ２７とを接続する配管が車両の前方に突き出すことがなくなり、従って、車両が軽度の衝突や接触を起こした場合でも、この配管がダメージを受けることが防止される。

また、冷却システム３の最上部に配置されたデガスタンク１７に水冷コンデンサ２５を内蔵させたことによって、水冷コンデンサ２５と冷媒用コンプレッサとの鉛直方向寸法が充分に大きくなっているから、冷媒に含まれたオイルの逃げ（ロス）がそれだけ軽減される。

また、デガスタンク１７の内部で冷却水が水冷コンデンサ２５と衝突することによって空気の分離効率が向上し、高温冷媒が内部を循環する水冷コンデンサ２５が冷却水と接触することによって空気の分離効率が向上し、コア４９が仕切り板３３，３５と同様に機能して空気の分離をさらに促進させ、その結果、強電系冷却システム５の性能も向上する。

また、水冷コンデンサ２５を、コア４９の冷却水通路５３と冷却水の流れ方向とがほぼ平行になるように配置したので、コア４９の周囲で冷却水が乱流を作らない。従って、冷却水通路５３を通過する多量の冷却水によりコア４９を介して冷媒が効率よく冷却され、車室用空調システム７の性能も向上する。

また、デガスタンク１７の仕切り板３３，３５は空気の分離を促進させると共に、デガスタンク１７を複数の区画３７，３９，４１に分割し、冷却水の流量と流動方向を調整して多量の冷却水を水冷コンデンサ２５に導いており、冷却水は流入ポート４３から流入し、区画３７，３９，４１を流動し、流出ポート４５から流出する間に空気が分離される。従って、流出ポート４５に近接して配置された水冷コンデンサ２５は空気の混入割合が少ない冷却水と接触して冷媒が効率よく冷却されるから、水冷コンデンサ２５を用いた冷却システム７の性能がさらに向上する。

また、流入側区画３７の流入ポート４３をデガスタンク１７の上部に設け、流出側区画４１の流出ポート４５をデガスタンク１７の底部に設けたことにより、冷却水の流路が最も長くなって空気の分離がそれだけ促進されるから、水冷コンデンサ２５の冷却効率と、冷却システム７の性能がさらに向上する。

また、仕切り板３３，３５に下流側区画へ冷却水を流す丸孔５５，５７を設けたことによって仕切り板３３，３５による冷却水の流量及び流動方向の調整機能が向上すると共に、丸孔５５，５７を通過する際に空気の分離が促進され、水冷コンデンサ２５の冷却効率と、冷却システム７の性能がさらに向上する。

また、仕切り板３３，３５の丸孔５５，５７を水冷コンデンサ２５の上端より上方に配置したことによって水冷コンデンサ２５に冷却水が効率よく導かれるから、水冷コンデンサ２５の冷却効率と、冷却システム７の性能がさらに向上する。

また、複合熱交換器１は、上記のような本発明の効果を得ながら、水冷コンデンサ２５とコンデンサ２７とを一体的に形成したことによってコンパクトに構成され、車載性が向上している。

［本発明の範囲に含まれる他の態様］
なお、仕切り板の冷却水流路は、丸孔の他に、任意の形状の貫通孔や、仕切り板の周囲に形成された切り欠きでもよい。

１複合熱交換器
３複合熱交換器１が用いられた冷却システム
５強電系冷却システム
７車室用の空調システム
９エンジン冷却システム
１１電動機（車載発熱体）
１３インバータ（車載発熱体）
１５サブラジエータ（第１熱交換器）
１７デガスタンク
２５水冷コンデンサ（第２熱交換器）
２７空冷コンデンサ（第３熱交換器）
３３，３５仕切り板
３７流入側区画
４１流出側区画
４３冷却水の流入ポート
４５冷却水の流出ポート
４９水冷コンデンサ２５のコア
５３コア４９の冷却水通路
５５，５７仕切り板３３，３７の冷却水流路

Claims

車載発熱体（１１，１３）を冷却する冷却水と外気との間で熱交換する第１熱交換器（１５）と、前記冷却水を気液分離するデガスタンク（１７）と、車室空調用の冷媒を前記車載発熱体（１１，１３）用の冷却水で冷却する第２熱交換器（２５）と、前記第２熱交換器（２５）からの冷媒を外気で冷却する第３熱交換器（２７）とを有し、
前記第２熱交換器（２５）は、冷却水が上方から前記デガスタンク（１７）の底面に向かって流れる位置で前記デガスタンク（１７）の内部に配置されていると共に、前記第２熱交換器（２５）は、そのコア（４９）の間に設けられた冷却水通路（５３）が冷却水の流れ方向とほぼ平行に配置され、
前記デガスタンク（１７）には、前記デガスタンク（１７）の底面で、且つ、前記第２熱交換器（２５）に対向する下方位置に開口する流出ポート（４５）が設けられたことを特徴とする複合熱交換器（１）。
請求項１に記載された複合熱交換器（１）であって、
前記デガスタンク（１７）には、仕切り板（３３，３５）によって、冷却水の流入ポート（４３）を有する流入側区間（３７）と冷却水の前記流出ポート（４５）を有する流出側区画（４１）とを含む複数の区画（３７，３９，４１）が形成されており、
前記第２熱交換器（２５）は、前記流出側区画（４１）の前記流出ポート（４５）に近接して配置されていることを特徴とする複合熱交換器（１）。
請求項２に記載された複合熱交換器（１）であって、
前記流入側区画（３７）と前記流出側区画（４１）は、冷却水の流れ線上で互いに最も離れた箇所に設けられていると共に、
前記流入側区間（３７）の流入ポート（４３）は前記デガスタンク（１７）の上部に設けられていることを特徴とする複合熱交換器（１）。
請求項２又は請求項３に記載された複合熱交換器（１）であって、
前記仕切り板（３３，３５）には、下流側の区画（３９，４１）へ冷却水を流す冷却水流路（５５，５７）が設けられていることを特徴とする複合熱交換器（１）。
請求項４に記載された複合熱交換器（１）であって、
前記仕切り板（３３，３５）の冷却水流路（５５，５７）は、前記第２熱交換器（２５）の上端部より上方に配置されていることを特徴とする複合熱交換器（１）。
請求項１〜請求項５のいずれかに記載された複合熱交換器（１）であって、
前記デガスタンク（１７）が、前記第３熱交換器（２７）より上方に配置されていることを特徴とする複合熱交換器（１）。