(57)【要約】【課題】熱交換性能を維持しながらも製造コストを大幅に低減することのできる内部熱交換器を提供する。【解決手段】高圧中温の冷媒が流れる高圧側パイプ２１と、それよりも圧力及び温度が低い低圧低温の冷媒が流れる低圧側パイプ２２と、を備え、これら冷媒同士で熱交換を行う内部熱交換器であって、前記高圧側パイプ２１を、前記低圧側パイプ２２よりも内径及び外径共に小さい円径パイプとし、且つ、高圧側パイプ２１と低圧側パイプ２２を螺旋状に寄り合わせた構造とした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧中温の冷媒が流れる高圧側パイプ（２１）と、それよりも圧力及び温度が低い低圧低温の冷媒が流れる低圧側パイプ（２２）と、を備え、これら冷媒同士で熱交換を行う内部熱交換器であって、
前記高圧側パイプ（２１）を、前記低圧側パイプ（２２）よりも内径及び外径共に小さい円径パイプとし、且つ、高圧側パイプ（２１）と低圧側パイプ（２２）を螺旋状に寄り合わせた構造とした
ことを特徴とする内部熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の内部熱交換器であって、
前記高圧側パイプ（２１）の外周には、クラッド材が設けられた
ことを特徴とする内部熱交換器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の内部熱交換器であって、
前記低圧側パイプ（２２）の内径（φＬｏｗ）を等価直径で８〜１２ｍｍの範囲とし、前記高圧側パイプ（２１）の内径（φＨｉ）を等価直径で４〜６ｍｍの範囲としたこと
ことを特徴とする内部熱交換器。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか一つに記載の内部熱交換器であって、
前記高圧側パイプ（２１）を、少なくとも２つ以上とした
ことを特徴とする内部熱交換器。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか一つに記載の内部熱交換器であって、
前記冷媒を二酸化炭素ガスとした
ことを特徴とする内部熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部熱交換器に関し、詳細には、熱交換性能の維持と低コストでの製造を可能とする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車用空調装置には、二酸化炭素を冷媒とした冷凍サイクルが開発されている。その冷凍サイクルを構成する装置のうち内部熱交換器は、高圧中温の冷媒が流れる高圧側流路と、それよりも圧力及び温度の低い低圧低温の冷媒が流れる低圧側流路とを備え、それら両流路を流れる冷媒同士で熱交換させるようにしている。
【０００３】
このような内部熱交換器の一つとして、例えば低圧で低温の冷媒が流れる管路の周囲に、高圧で高温の冷媒が流れる管路を何重にも巻き付けて熱交換を行うようにした構造のものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この他、高圧冷媒配管と低圧冷媒配管をろう付けし、そのろう付けした両配管を内部に収容するように断熱材で覆った構造の内部熱交換器が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
またこの他、円柱管の中心に断面円形状の第１冷媒通路を形成し、その外側にこの第１冷媒通路を取り囲むようにして複数の第２冷媒通路を形成した内部熱交換器が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
またこの他、密閉ケーシング内に設けた冷媒流入管と冷媒流出管を互いにねじった構造とした内部熱交換器が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２００１−５６１８８号公報（特に、図１６に記載）
【特許文献２】特開２００４−８５１８３号公報
【特許文献３】特開２００３−１０６７８４号公報
【特許文献４】実開昭５８−４９１６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、低圧側の熱伝達のための長さが不足して熱交換性能が悪くなると共に、高圧側の管路が長くなり過ぎて通路抵抗が高くなってしまう。
【０００８】
特許文献２に記載の技術では、単位長さ当たりの熱伝達効率が悪く、やはり熱交換性能の面で問題が残る。
【０００９】
特許文献３に記載の技術では、同一の円柱管に２つの冷媒通路を形成しているため、各冷媒通路とコネクタとの結合構造が複雑となり、加工コストが高くなる。
【００１０】
特許文献４に記載の技術では、２つの管を互いにねじって熱交換効率を高めるようにしているものの同一の管径とされていることから、高圧高温の冷媒が流れる管と低圧低温の冷媒が流れる管とにおいて、特に高圧側管の耐圧性と低圧側管の熱交換量とが十分に満足のいくものとはならない。
【００１１】
そこで、本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、熱交換性能を維持しながらも製造コストを大幅に低減することのできる内部熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に記載の発明は、高圧中温の冷媒が流れる高圧側パイプと、それよりも圧力及び温度が低い低圧低温の冷媒が流れる低圧側パイプとを備え、これら冷媒同士で熱交換を行う内部熱交換器であって、前記高圧側パイプを、前記低圧側パイプよりも内径及び外径共に小さい円径パイプとし、且つ、高圧側パイプと低圧側パイプを螺旋状に寄り合わせた構造としたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内部熱交換器であって、前記高圧側パイプの外周には、クラッド材が設けられたことを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の内部熱交換器であって、前記低圧側パイプの内径を等価直径で８〜１２ｍｍの範囲とし、前記高圧側パイプの内径を等価直径で４〜６ｍｍの範囲としたことことを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３の何れか一つに記載の内部熱交換器であって、前記高圧側パイプを、少なくとも２つ以上としたことを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４の何れか一つに記載の内部熱交換器であって、前記冷媒を二酸化炭素ガスとしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、高圧側パイプと低圧側パイプを螺旋状に寄り合わせた構造としたので、熱交換長さを稼ぐことができ、内部熱交換器の長さ当たりの熱交換効率が向上する。また、本発明の内部熱交換器の端部は、円形であるので継手の構造も簡単になり、コストを大幅に低減することができる。また、本発明によれば、高圧側パイプを低圧側パイプよりも内径及び外径を小さくしているので、高圧側パイプは熱交換量が向上すると共に耐圧性も向上する。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、高圧側パイプの外周にクラッド材を設けたので、低圧側パイプに比べて外径の小さい高圧側パイプがクラッド材を持つことにより、高価なクラッド材の量を減らすことができ、低コスト化を図れる。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、高圧側パイプ及び低圧側パイプの最適な内径の組み合わせとすることにより、効果的に冷房性能を向上できる。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、２つ以上とした高圧側パイプが低圧側パイプを覆うことにより断熱材が不要になり、コストの低減ができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、安価に耐圧構造を構築できるため、内部熱交換器を具備することが必須の二酸化炭素ガスを冷媒とした空調装置には最適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本実施の形態の内部熱交換器を適用した車両用空調装置の系統図、図２は、本実施の形態の内部熱交換器を示し、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は端面図、図３は、本実施の形態の内部熱交換器における圧力とエンタルピーとの関係を示すＰＨ線図、図４は、本実施の形態の内部熱交換器における高圧側パイプの通路抵抗を示す特性図、図５は、本実施の形態の内部熱交換器における低圧側パイプの通路抵抗を示す特性図、図６は、本実施の形態の内部熱交換器における熱交換量を示す特性図、図７は、本実施の形態の内部熱交換器の他の例を示す側面図である。
【００２４】
車両用空調装置は、冷媒として二酸化炭酸ガスを用いており、冷媒を圧縮する圧縮機１と、この圧縮機１で圧縮、昇温された冷媒と外気との間で熱交換させる外部熱交換器２と、車両前席側に配置される第１の蒸発器（エバポレーター）３と、車両後席側に配置される第２の蒸発器４と、第１の蒸発器３に対応して設けられたこの第１の蒸発器専用の第１の内部熱交換器５と、第２の蒸発器４に対応して設けられたこの第２の蒸発器専用の第２の内部熱交換器６とを備えている。
【００２５】
エンジンルーム７内には、圧縮機１と、外部熱交換器２が設けられている。車両のエンジンルームよりリア側の部位８には、第１の蒸発器３と、第２の蒸発器４とが設けられている。第２の内部熱交換器６は、エンジンルームからリアに渡って設けられている。
【００２６】
第１の蒸発器３と第１の内部熱交換器５との間には、第１の膨張弁９が設けられている。また、第２の蒸発器４と第２の内部熱交換器６との間には、第２の膨張弁１０が設けられている。なお、外部熱交換器２の出口には、この外部熱交換器２で冷却した冷媒を第１の内部熱交換器５または第２の内部熱交換器６へ供給する電磁弁１１が設けられている。
【００２７】
圧縮機１は、図示しないモータ又は車両駆動装置からの駆動力を得て気相状態の二酸化炭酸ガスを圧縮し、高温高圧の冷媒として吐出する。
【００２８】
外部熱交換器２は、圧縮機１で圧縮、昇温された冷媒を外気と熱交換させて吸熱し冷媒を冷却する。
【００２９】
第１の蒸発器３は、前席側に設けられた空調ダクト内に配置され、第１の膨張弁９で減圧（膨張）された低温低圧の冷媒を蒸発させる。
【００３０】
第１の膨張弁９は、第１の内部熱交換器５から出力された高圧の冷媒を減圧（膨張）させて霧状とし、その霧状とした冷媒を第１の蒸発器３へと出力する。
【００３１】
第２の蒸発器４は、後席側に設けられた空調ダクト内に配置され、第２の膨張弁１０で減圧された低温低圧の冷媒を蒸発させる。
【００３２】
第２の膨張弁１０は、第２の内部熱交換器６から出力された高圧の冷媒を減圧させて霧状とし、その霧状とした冷媒を第２の蒸発器４へと出力する。
【００３３】
電磁弁１１は、外部熱交換器２で冷却された冷媒を第１の蒸発器３と第２の蒸発器４へと供給する冷媒の流路を切り換える機能をする。前席側のみ運転する場合は、電磁弁１１を閉めて冷媒が第１の蒸発器３へと流れるようにする。
【００３４】
そして本実施の形態では、第１の内部熱交換器５と第２の内部熱交換器６は、図２に示すように、高圧中温の冷媒が流れる高圧側パイプ２１と、それよりも圧力及び温度が低い低圧低温の冷媒が流れる低圧側パイプ２２とからなり、これら各パイプをそれぞれ流れる冷媒同士で熱交換を行う。図２には、第１の内部熱交換器５のみを示しているが、第２の内部熱交換器も同一の構造である。
【００３５】
高圧側パイプ２１と低圧側パイプ２２は、何れも内部に冷媒が流れる冷媒流路を形成する円径パイプとして形成され、その外周にははんだ接続するためのクラッド材（図示は省略する）が設けられている。また、高圧側パイプ２１は、低圧側パイプ２２よりも内径及び外径が共に小さくされている。そしてさらに、高圧側パイプ２１と低圧側パイプ２２は、その長手方向に沿って螺旋状に寄り合わされた構造とされている。換言すると、内径及び外径の異なる高圧側パイプ２１と低圧側パイプ２２を、いわゆるしめ縄を編むようにしてその長手方向に螺旋状に寄り合わされることにより構成されている。
【００３６】
内部熱交換器５、６は、２つのパイプを螺旋状に寄り合わせた構造としているが、その両端部は互いにそれぞれのコネクタと接続できる程度の隙間を有した独立した端部とされている。高圧側パイプ２１と低圧側パイプ２２の両端部２１Ａ、２１Ｂ及び２２Ａ、２２Ｂは、何れも断面円形状をした形とされ、従来からのコネクタで接続できるようになっている。
【００３７】
第１及び第２の内部熱交換器５、６は、図３で示す圧力とエンタルピ（熱量）とを示すＰＨ線図に基づいて必要最大性能となるように最適化する。特に、冷房性能改善には、高圧側パイプ２１と低圧側パイプ２２の内径を最適化することが重要である。
【００３８】
図４、図５、図６は、冷媒流量を１．１００ｋｇ／ｈ、２．１５０ｋｇ／ｈ、３．２００ｋｇ／ｈ  流路の長さを１．４００ｍｍ、２．８００ｍｍ、３．１２００ｍｍにしたときの値を示している。
【００３９】
高圧側パイプ２１の内径φＨｉは、図４に示すように、４ｍｍより小さくなると極端に通路抵抗（ΔＰｇＨｉ）が上昇するから下限は４ｍｍ以上であることが好ましく、６ｍｍ以上でも通路抵抗の低減は少ないことから上限は耐圧の観点から最大６ｍｍとすることが好ましい。つまり、高圧側パイプ２１の内径φＨｉは、等価直径で４〜６ｍｍの範囲とすることが望ましい。等価直径Ｄとは、パイプの流路断面積をＡ、流路の周囲長さ（冷媒が濡れる長さ）をＬとしたときに、Ｄ＝（４×Ａ）／Ｌで表される値とする。
【００４０】
低圧側パイプ２２の内径φＬｏｗは、図５に示すように、８ｍｍよりも小さくなると極端に通路抵抗（ΔＰｇＬｏｗ）が上昇するから下限は８ｍｍ以上であることが好ましく、１２ｍｍ以上でも通路抵抗の低減は少ないことから上限は耐圧の観点から最大１２ｍｍとすることが好ましい。つまり、低圧側パイプ２２の内径φＬｏｗは、等価直径で８〜１２ｍｍとすることが望ましい。
【００４１】
低圧側パイプ２２の内径φＬｏｗを８ｍｍ、高圧側パイプ２１の内径φＨｉを４ｍｍとした場合の通路抵抗は、低圧側パイプ２２の内径φＬｏｗを６ｍｍ、高圧側パイプ２１の内径φＨｉを３ｍｍとしたときの通路抵抗に対して、２００ｋＰａ低減できる効果がある。これは、エバポレータの蒸発圧力を２００ｋＰａ低減することにあたり、冷房性能は１０％の改善に相当する。内部熱交換器の熱交換量は、図６に示すように、前記した範囲内の内径とすることで、高圧側及び低圧側で共に１２００Ｗ〜２４００Ｗを発揮できていることから問題はない。
【００４２】
なお、図７では、直径及び内径が共に低圧側パイプ２２よりも小さい高圧側パイプ２１を２本使用し、その２本の高圧側パイプ２１と１本の低圧側パイプ２２を螺旋状に寄り合わせた構造としても同様の作用効果が得られる。特に、２本の高圧側パイプ２１を使用した場合は、高圧側パイプ２１が低圧側パイプ２２を覆うことにより断熱材が不要になり、コストを低減することが可能となる。高圧側パイプ２１の数は、熱交換性能が維持できれば、３本以上であっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施の形態の内部熱交換器を適用した車両用空調装置の系統図である。
【図２】本実施の形態の内部熱交換器を示し、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は端面図である。
【図３】本実施の形態の内部熱交換器における圧力とエンタルピとの関係を示すＰＨ線図である。
【図４】本実施の形態の内部熱交換器における高圧側パイプの通路抵抗を示す特性図である。
【図５】本実施の形態の内部熱交換器における低圧側パイプの通路抵抗を示す特性図である。
【図６】本実施の形態の内部熱交換器における熱交換量を示す特性図である。
【図７】本実施の形態の内部熱交換器の他の例を示す側面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…圧縮機
２…外部熱交換器
３…第１の蒸発器
４…第２の蒸発器
５…第１の内部熱交換器（内部熱交換器）
６…第２の内部熱交換器（内部熱交換器）
９…第１の膨張弁
１０…第２の膨張弁
１１…電磁弁
２１…高圧側パイプ
２２…低圧側パイプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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