(57)【要約】【課題】二酸化炭素を冷媒とする冷房サイクルのヒータコアにおいて、ヒータコアの左右に同じ風量の空調風を通過させたときに空気出口温度差がほぼゼロとなるようにする。【解決手段】冷媒が流通するチューブ２１及び冷却用のフィン２２を積層したコア部２０と、チューブ２１の両端部とそれぞれ連通するヘッダタンク３０、４０とを備え、コア部２０が所定数のチューブ２１を１パスとする複数のパスに区分され、前記冷媒がヘッダタンク３０、４０内で折り返して前記各パスを順に流通するように構成されたヒータコア１０において、コア部２０に最初に冷媒が流通した方向（以下、順方向）と同じ方向に冷媒が流れるパス（１）、（３）のチューブ本数よりも、前記順方向と反対の方向に冷媒が流れるパス（２）、（４）のチューブ本数が多くなるように構成した。【選択図】    図１
2006002962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が流通する冷媒通路（２１）及び冷却用のフィン（２２）を積層したコア部（２０）と、前記各冷媒通路（２１）の両端部とそれぞれ連通する一対のタンク部（３０、４０）とを備え、前記コア部（２０）は所定数の冷媒通路（２１）を１パスとする複数のパスに区分され、前記冷媒が前記各タンク部（３０、４０）内で折り返して前記各パスを順に流通するように構成された熱交換器（１０）において、
前記コア部（２０）に最初に冷媒が流通した方向（以下、順方向）と同じ方向に冷媒が流れるパスの冷媒通路（２１）数に対して、前記順方向と反対の方向（以下、逆方向）に冷媒が流れるパスの冷媒通路（２１）数が多くなるように構成したことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記タンク部（３０、４０）は、内部に形成された流通路を仕切るためのセパレータ（２３〜２５）を有し、このセパレータ（２３〜２５）の位置により前記パスの冷媒通路（２１）数が設定されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用空調装置の冷房サイクルに用いられる熱交換器に関し、詳しくは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルに適用される暖房用の熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用空調装置において、乗員が個別に温調を行える独立温調機能を備えたものがある。例えば特許文献１には、ヒータユニット内に左右２つの通風路を形成し、エンジン冷却水を温媒にしたヒータコア及び冷却器を２つに区分する仕切板を設け、各通風路につながる２つのミックスドアの開度をそれぞれ調整することにより、ヒータコアを通過する空気とバイパス路（ヒータコアを通過しない領域）に流れる空気の比率を調整して独立温調できるようにしたものが開示されている（以下、上記のような構成を独立温調方式のヒータユニットという）。
【０００３】
エンジン冷却水を温媒とするヒータコアでは、エンジン冷却水の出入口温度差が１０℃程度であるため、上記のようなヒータユニットにおいて２つのミックスドアを同開度にして、仕切板によって区分されるヒータコアの左右に同じ風量の空気を通過させた場合でも、ヒータコアの左右における空気出口温度差はほとんど生じない。
【特許文献１】特開平９−３２８０１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来より車両用空調装置の冷房サイクルには、おもにフロン冷媒が用いられてきたが、これらが大気中に放出されるとオゾン層の破壊による地球温暖化といった環境問題が懸念されるため、脱フロン対策として、二酸化炭素、エチレン、エタン酸化窒素など（以下、二酸化炭素を代表例とする）を使用した冷房サイクルが提案されている（例えば、特開２００２−１３０８４９号公報）。
【０００５】
このような二酸化炭素を冷媒とした冷房サイクルは、原理的にフロンを使用した従来の冷房サイクルと同じである。しかしながら、二酸化炭素の臨界温度は約３１℃と従来のフロンの臨界温度（例えば、Ｒ−１２は１１２℃）に比べて著しく低いため、放熱器側での二酸化炭素温度が二酸化炭素の臨界温度よりも高くなり、冷媒である二酸化炭素がガス状態のまま入口から出口へ温度低下していく点が相違する。
【０００６】
一方、車両用空調装置の暖房サイクルは、エンジン車ではエンジン冷却水を温媒として用いているが、電気自動車等ではエンジン冷却水がないため、代わりに冷房サイクルの放熱器をヒータコアとして使用して暖房することが考えられている。このような二酸化炭酸を冷媒とした冷房サイクルの放熱器（以下、ヒータコアという）を独立温調方式のヒータユニットに組み込んで暖房を行うように構成した場合でも、ヒータコアの左右で空気出口温度差がほとんどないことが求められている。
【０００７】
しかしながら、二酸化炭素の冷媒は高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となることから、ヒータコアでは冷媒の出入り口温度差が１００℃程度と大きくなる。このため、仕切板により区分されたヒータコアの左右に同じ風量の空気を通過させても、ヒータコアの左右で熱交換量の差が大きくなるために、それぞれの吹き出し口（例えば、運転席と助手席）では空気出口温度差が大きくなってしまう。すなわち、独立温調方式のヒータユニットで左右同一温度にしたい場合に、２つのミックスドアを同開度にして、仕切板により区分されたヒータコアの左右に同じ風量の空気を通過させたとしても、ヒータコアのそれぞれの吹き出し口では左右の空気出口温度差が生じてしまうことになる。
【０００８】
また独立温調方式のヒータユニットでない場合（仕切板がなく、ミックスドアが１枚）についても、ヒータコアの左右の温度差が大きいと、ヒータコアのそれぞれの吹き出し口では左右の空気出口温度差が生じてしまうことになる。
【０００９】
なお、二酸化炭酸を冷媒とした冷房サイクルのヒータコアを、独立温調方式のヒータユニットに組み込んで暖房を行うようにした先行技術文献は出願人による検索範囲内において検出されていないことを補足する。
【００１０】
本発明の目的は、二酸化炭素を冷媒とする冷房サイクルのヒータコアとして用いられる熱交換器であって、ヒータコアの左右に同じ風量の空調風を通過させても空気出口温度差をほとんど生じることがない熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、冷媒が流通する冷媒通路及び冷却用のフィンを積層したコア部と、前記各冷媒通路の両端部とそれぞれ連通する一対のタンク部とを備え、前記コア部は所定数の冷媒通路を１パスとする複数のパスに区分され、前記冷媒が前記各タンク部内で折り返して前記各パスを順に流通するように構成された熱交換器において、前記コア部に最初に冷媒が流通した方向（以下、順方向）と同じ方向に冷媒が流れるパスの冷媒通路数に対して、前記順方向と反対の方向（以下、逆方向）に冷媒が流れるパスの冷媒通路数が多くなるように構成したことを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１において、前記タンク部は、内部に形成された流通路を仕切るためのセパレータを有し、このセパレータの位置により前記パスの冷媒通路数が設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、逆方向に冷媒が流れるパスでの熱交換量を増やして、順方向に冷媒が流れるパスでの熱交換量と、逆方向に冷媒が流れるパスの熱交換量とをほぼ等しくすることができるため、熱交換器の左右に同じ風量の空調風を通過させたときに、熱交換器の吹き出し口において左右の空気出口温度差をほぼゼロにすることができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、前記セパレータの位置を変えることによって各パス毎のチューブ本数を容易に変更することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係わる熱交換器を二酸化炭酸を冷媒とした冷房サイクルのヒータコアに適用した場合の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本実施例に係わるヒータコアの全体構成を示す斜視図である。このヒータコア１０は、コア部２０と、このコア部２０の両端に配置されたヘッダタンク３０、４０とを備えて構成されている。
【００１７】
コア部２０は、内部に冷媒が流通する冷媒通路としてのチューブ２１と、コルゲート形状に成形された冷却用のフィン２２とを交互に積層したものである。チューブ２１は、隣接するもの同士の間に空調風（空気）の流通する隙間を確保した状態で互いに平行に積層され、各隙間にフィン２２が配置されている。
【００１８】
ヘッダタンク３０、４０は、外部から供給された冷媒を各チューブ２１に分配するとともに、空調風と熱交換後の冷媒を合流させて外部に排出するタンク部である。ヘッダタンク３０、４０は、コア部２０の両端、即ち複数のチューブ２１の長手方向の両端部に接合され、ヘッダタンク３０、４０の内部に設けられた冷媒の流通路と、各チューブ２１の内部通路とが互いに連通するように構成されている。
【００１９】
ヘッダタンク３０、４０には、内部に形成された流通路を仕切るためのセパレータ２３〜２５が組み込まれている。このセパレータが組み込まれることにより、コア部２０を構成する複数のチューブ２１は所定数のチューブ２１を１パスとする複数のパスに区分される。本実施例のコア部２０では、上からパス（１）〜パス（４）に区分され、３ターン（折り返し数）、４パスで構成されている。各パス毎のチューブ本数は、ヘッダタンク３０、４０内においてセパレータ２３〜２５の位置を変えることによって容易に変更することができる。
【００２０】
また、ヘッダタンク３０のセパレータ２３よりも上側には冷媒の入口パイプ３１が設けられ、ヘッダタンク３０のセパレータ２４よりも下側には冷媒の出口パイプ３２が設けられている。
【００２１】
入口パイプ３１からヘッダタンク３０へ供給された冷媒は、パス（１）の各チューブ２１に分配され、それぞれのチューブ内を流通してヘッダタンク４０へ流入する。この冷媒はヘッダタンク４０内で折り返して、パス（２）の各チューブ２１に分配され、それぞれのチューブ内を流通してヘッダタンク３０へ流入する。以下同様にして、冷媒はヘッダタンク３０→パス（３）→ヘッダタンク４０→パス（４）→ヘッダタンク３０というように、各パスを順に回りながらコア部２０内を流通し、セパレータ２４で仕切られたヘッダタンク３０内で合流した後、出口パイプ３２から排出される。この間、冷媒が各パスを流通する度に、コア部２０に流れ込む空調風５０との間で熱交換がなされることになる。
【００２２】
図２は、上記のようなヒータコア１０を、独立温調方式のヒータユニットに組み込んだときの通風路及び仕切板との関係を模式的に示した図である。図２に示すように、ヒータコア１０の空調風の下流側には仕切板６０が設けられ、この仕切板６０により独立した２つの通風路Ｆ１、Ｆ２が形成されている。そして、ヒータコア１０の右側のコア部２０ａを通過した空調風５０は通風路Ｆ１を流通し、ヒータコア１０の左側のコア部２０ｂを通過した空調風５０は通風路Ｆ２を流通する。すなわち、ヒータコア１０の熱交換領域（コア部２０）は通風路Ｆ１、Ｆ２により２つに分割されていることになる。
【００２３】
なお、本実施例のヒータコア１０を適用する独立温調方式のヒータユニットとしては、例えば特開平９−３２８０１１号公報（図１）に示された車両用空気調和装置を用いることができる。
【００２４】
図２において、ヒータコア１０の左右に同風量の空調風５０をそれぞれ通過させたときに、通風路Ｆ１の空気出口温度Ｔ１と、通風路Ｆ２の空気出口温度Ｔ２との空気出口温度差（Ｔ１−Ｔ２）がゼロであればコア部２０ａ、２０ｂでの熱交換量は等しいことになる。熱交換量は以下の式（１）で表すことができる。
【００２５】
熱交換量Ｑ＝Ａ（伝熱面積）×Ｋ（熱通過率）×ΔＴ（温度差）  …（１）
ここで、ΔＴは冷媒温度と空気出口温度との温度差であり、冷媒が流通する方向から見て上流側ほど冷媒温度が高いため、ΔＴは大きくなる。図３は、１パスのヒータコアに同風量の空調風を通過させたときの冷媒温度と空気出口温度との関係を示したもので、（ａ）は冷媒流れ方向と冷媒温度及び空気入出口温度との関係を示す特性図、（ｂ）は左右の熱交換量の差を示す説明図、（ｃ）は１パスのヒータコアを示す概略図である。図３（ｃ）のような１パスのヒータコアに左から右に向かって冷媒が流通した場合、図３（ａ）に示すように、最初に冷媒が流通する上流側ほどΔＴが大きくなり、図３（ｂ）に示すように左右のコア面積で比較すると、冷媒の流通する下流側の右コアよりも、上流側となる左コアの熱交換量が大きくなる。
【００２６】
したがって、図１に示すような４パスのヒータコアの場合、ΔＴはパス（１）＞パス（２）＞パス（３）＞パス（４）となる。このうち、パス（１）とパス（３）では、右側のコア部２０ａのΔＴ＞左側のコア部２０ｂのΔＴとなり、パス（２）とパス（４）では、右側のコア部２０ａのΔＴ＜左側のコア部２０ｂのΔＴとなる。このように、二酸化炭素を冷媒とした冷房サイクルでは冷媒の出入り口温度差が大きいため、左右での熱交換量に差が生じ、空気出口温度差（Ｔ１−Ｔ２）が大きくなる。
【００２７】
また、このような傾向はパス数に係わらず発生する。図４は、各パス当たりのチューブ本数を均等にした場合の２、４、６パスのヒータコアについての空気出口温度Ｔ１、Ｔ２を示す特性図である。図４に示すように、パス数を増やしても空気出口温度差（Ｔ１−Ｔ２）は少なくなることはない。また、４パスのヒータコアの左右に同風量の空調風を通過させたときの空気出口温度Ｔ１、Ｔ２の計算結果を図５（ａ）に示す（各パスのチューブ本数は同一とする）。図に示すように、通過風量が多くなるにつれて空気出口温度差（Ｔ１−Ｔ２）が大きくなり、運転席と助手席では左右の空気出口温度差が大きくなってしまう。
【００２８】
ここで、チューブ本数と冷媒の通路断面積について説明する。
【００２９】
１パス分のチューブ本数増減により、冷媒の通路断面積、及び冷媒の流速が増減、また冷媒側／空気側の伝熱面積が増減し、１パス分の熱交換量が増減する。式（１）のＡ×Ｋは次式で表される。
【００３０】
１／ＫＡ＝１／（αｇ×Ａｇ）＋１／（αａ×Ａａ）            …（２）
ただし、αｇ：冷媒側熱伝達率
αａ：空気側熱伝達率
Ａｇ：冷媒側伝熱面積
Ａａ：空気側伝熱面積
このうち、α（熱伝達率）は次式で表される。
【００３１】
α＝０．０２２×（ｖ＋Ｄ／ν）＾０．８×Ｐｒ＾０．５×（λ／Ｄ）
…（３）
ただし、ｖ：流速（＝Ｇ／Ａｃ  Ｇ：流量、Ａｃ：通路断面積）
Ｄ：流路直径
ν：動粘性係数
Ｐｒ：プラントル数
λ：流体の熱伝導率
ここで、仮に、基準チューブ本数に対するチューブ本数の増減比をＮで表す（基準Ｎ＝１）。Ｎ＝１のとき、αｇ＝１、αａ＝１、ｖｇ（冷媒側流速）＝１、Ａｇ＝１、Ａａ＝１とすると、ＫＡ＝０．５となる。例えば、Ｎ＝２（基準に対してチューブ本数２倍）とすると、以下のようになる。
【００３２】
ｖｇ＝０．５
αｇ＝基準１×０．５７（式（３）より基準に対しｖ＾０．８となるため）
αａ≒１（風速同一であるため）
Ａｇ＝基準１×２
Ａａ＝基準１×２
となり、以上から式（２）より、Ｎ＝２の場合はＫＡ＝０．７となり、１パス分のチューブ本数を基準に対して２倍とすると、ＫＡは１．４倍程度となり、熱交換量を大きくできる。すなわち、１パス分のチューブ本数を増減することで、各パスごとの熱交換量を増減できることになる。
【００３３】
そこで、本実施例のヒータコア１０では、コア部２０において最初に冷媒が流通するパス（１）と、このパス（１）と同じ方向（順方向）に冷媒が流れるパス（３）のチューブ本数に対して、前記順方向と反対の方向（逆方向）に冷媒が流れるパス（２）、（４）のチューブ本数が多くなるようにしている。このようなチューブ本数とすることによってパス（２）、（４）の熱交換量が増え、パス（１）、（３）の熱交換量とパス（２）、（４）の熱交換量とをほぼ等しくすることができる。
【００３４】
ただし、Ｎ＝１のときはＫ＝０．５、Ｎ＝２のときはＫ＝０．３５となり、チューブ本数を２倍にした場合にはＫは小さくなり、Ｎ＝１とＮ＝２を同じＡとして比較すると、熱交換量はチューブ本数が少ないＮ＝１の方が大きくなる。すなわち、同じコア体積では、１パスあたりのチューブ本数が少ない方がコア全体の熱交換量を大きくできることになる。しかし、１パスあたりのチューブ本数を少なくすると、ｖｇが上昇し、圧力損失が増大するため、圧縮器への負荷が増大することになる。したがって、逆方向に冷媒が流れるパス（２）、（４）のチューブ本数は、コア全体の熱交換量と圧力損失のバランスを考慮してチューブ本数を設定する必要がある。
【００３５】
図６（ａ）はチューブ本数と冷媒側熱伝達率αｇとの関係を示す特性図であり、図６（ｂ）はチューブ本数と圧力損失の関係を示す特性図である（各線は冷媒温度、圧力条件を変えて計算したときの特性を示す）。図６（ａ）に示すように、チューブ本数が少ないほど冷媒側熱伝達率αｇは高くなるが、その反面で図６（ｂ）に示すように圧力損失も増大し、圧縮器への負荷が増大することになる。したがって、双方のバランスが最も良いのがチューブ本数４〜６の範囲となる。なお、冷媒側の圧力損失の許容値が大きければ、１パスあたりのチューブ本数が少ない方が熱交換量を大きくできるが、上述したように圧力損失が増大するため、コア全体の熱交換量と圧力損失のバランスを考慮すると、チューブ本数４〜６の範囲で設定することが好ましい。
【００３６】
本実施例において、各パスのチューブ本数を、パス（１）＝４本、パス（２）＝６本、パス（３）＝４本、パス（４）＝５本にそれぞれ設定し、ヒータコア１０の左右に同風量の空調風を通過させたときの空気出口温度Ｔ１、Ｔ２を図５（ｂ）に示す。図５（ａ）と比較してみると、パス（１）、（３）のチューブ本数よりもパス（２）、（４）のチューブ本数を多くした場合は、パス（１）、（３）の熱交換量とパス（２）、（４）の熱交換量とがほぼ等しくなるため、通過風量が増大しても空気出口温度差（Ｔ１−Ｔ２）をほぼゼロとすることができる。  したがって、独立温調方式のヒータユニットにおいて、２つのミックスドアを同開度とし、ヒータコアの左右に同じ風量の空気を通過させた場合に、ヒータコアのそれぞれの吹き出し口では左右の空気出口温度差がほとんど生じないため、運転席と助手席をほぼ同一温度とすることができる。この場合、２つのミックスドアの開度をそれぞれ個別に調整する必要がなく、同一開度とすることによりヒータコアの左右をほぼ同一温度にすることができるため、温調制御が容易なものとなる。
【００３７】
また独立温調方式でないヒータユニットについても、本実施例のヒータコア１０を適用した場合は、ヒータコアのそれぞれの吹き出し口で左右の空気出口温度差をほとんど生じることがないため、運転席と助手席をほぼ同一温度とすることができ、温調制御を容易なものとすることができる。
【００３８】
なお、本実施例では、チューブ総本数１９において、パス（１）＝４本、パス（２）＝６本、パス（３）＝４本、パス（４）＝５本に設定した例について示したが、本発明はこれ以外のパス数やチューブ本数の組み合わせにも適用可能である。すなわち、順方向に冷媒が流れるパスのチューブ本数に対して、逆方向に冷媒が流れるパスのチューブ本数が多くなるように設定することによって、順方向と逆方向のそれぞれのパスの熱交換量をほぼ等しくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施例に係わるヒータコアの全体構成を示す斜視図。
【図２】実施例のヒータコアを独立温調方式のヒータユニットに組み込んだときの通風路及び仕切板との関係を模式的に示した図。
【図３】（ａ）は冷媒流れ方向と冷媒温度及び空気入出口温度との関係を示す特性図。（ｂ）は左右の熱交換量の差を示す説明図。（ｃ）は１パスのヒータコアを示す概略図。
【図４】各パス当たりのチューブ本数を均等にした場合の２、４、６パスのヒータコアについての空気出口温度差Ｔ１−Ｔ２を示した特性図。
【図５】（ａ）は４パスのヒータコアの左右に同風量の空調風を通過させたときの空気出口温度Ｔ１、Ｔ２の計算結果を示す特性図。（ｂ）は各パスのチューブ本数を実施例の本数に設定したときの空気出口温度Ｔ１、Ｔ２の計算結果を示す特性図。
【図６】（ａ）はチューブ本数と冷媒側熱伝達率αｇとの関係を示す特性図。図（ｂ）はチューブ本数と圧力損失の関係を示す特性図。
【符号の説明】
【００４０】
Ｆ１、Ｆ２…通風路
１０…ヒータコア
２０（２０ａ、２０ｂ）…コア部
２１…チューブ
２２…フィン
２３〜２５…セパレータ
３０、４０…ヘッダタンク
３１…入口パイプ
３２…出口パイプ
５０…空調風
６０…仕切板
【図１】
2006002962.tif 000003
【図２】
2006002962.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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