(57)【要約】【課題】  高圧チャネル及び低圧チャネルを備えたマルチチャネル熱交換器用の製造が簡単且つ費用効果がよい連結ユニットを提供する。【解決手段】  連結ユニットは、軸方向の高圧リザーバ（７）及び半径方向の低圧リザーバ（６）を備え、連結ライン用の連結部（11，12）が各リザーバに設けられている。マルチチャネル熱交換器（１）の軸方向端部（1.1 ）が終端要素（10）によって制限され、終端要素（10）は、高圧リザーバ（７）への高圧流のための軸方向通過穴（10.1）を有し、低圧リザーバ（６）の付近でマルチチャネル熱交換器（１）の軸方向端部（1.1 ）のところには、長手方向スロット（４）が設けられ、低圧流は、長手方向スロット（４）を通って低圧チャネル（２）から低圧リザーバ（６）に半径方向に流れるようになっている。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧チャネル（３）及び低圧チャネル（２）を備えたマルチチャネル熱交換器（１）用の連結ユニットであって、軸方向に配列された高圧リザーバ（７）及び半径方向に配列された低圧リザーバ（６）を備え、連結ライン用の連結部（１１，１２）が各リザーバに設けられている連結ユニットから成り、マルチチャネル熱交換器（１）の軸方向端部（１．１）が終端要素（１０）によって制限され、終端要素（１０）は、高圧リザーバ（７）への高圧流のための軸方向通過穴（１０．１）を有し、低圧リザーバ（６）の付近でマルチチャネル熱交換器（１）の軸方向端部（１．１）のところには、長手方向スロット（４）が設けられ、低圧流は、長手方向スロット（４）を通って低圧チャネル（２）から低圧リザーバ（６）に半径方向に流れるようになっていることを特徴とする連結ユニット。
【請求項２】
連結ユニット（５）内への終端要素（１０）を備えたマルチチャネル熱交換器（１）の侵入深さは、停止部（８）によって制限されていることを特徴とする請求項１記載のマルチチャネル熱交換器（１）用連結ユニット。
【請求項３】
軸方向に配置された高圧リザーバ（７）及び半径方向に配置された低圧リザーバ（６）を備えた連結ユニット（１８）から成るマルチチャネル熱交換器（１）用の連結ユニットであって、低圧リザーバ（６）は、高圧リザーバ（７）に平行に設計配置された同心室（１９）に連結され、室出口（１９．１）は、高圧の流れと低圧の流れが軸方向に排出されるようにする連結部（１２）を有していることを特徴とする連結ユニット。
【請求項４】
連結ラインのための連結部（１１）を備えた軸方向に配置されている高圧リザーバ（７）を備える円筒形連結ユニット（９）から成るマルチチャネル熱交換器（１）用の連結ユニットであって、流れ方向において、高圧リザーバ（７）は、高圧チャネル（３）の軸方向端部にすぐ続き、円筒形連結ユニット（９）は、管状低圧チャネル（２）のための軸方向通過穴（１６）を有していることを特徴とする連結ユニット。
【請求項５】
高圧チャネル（３）は、周囲（１４）に沿って均等且つ同心状に分布して設けられ、低圧チャネル（２）が軸方向に設けられ、低圧チャネルは、連結ユニット（５）の付近で少なくとも１つの長手方向スロット（４）により低圧リザーバ（６）に連結されていることを特徴とするマルチチャネル熱交換器（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧チャネル及び低圧チャネルを備えたマルチチャネル熱交換器及びマルチチャネル熱交換器を他の構成要素、例えば空調ユニット又はヒートポンプに連結するための連結ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
以下の説明において、熱交換器を、熱伝達（伝熱）流体が別々のチャネル内を流れる場合、マルチチャネル熱交換器と呼ぶ。チャネルは、円筒形マルチチャネル熱交換器の長手方向延長部内で且つこの方向に配置されており、この円筒形マルチチャネル熱交換器は、好ましくは押出し加工により製造され、例えば冷凍プロセス内の適当な連結ユニットを備えた内部熱交換器として用いられる。
【０００３】
内部熱交換器は例えば、冷凍プロセスの効率を高めるために車両用空調ユニット内に用いられている。内部熱交換器の動作原理は、高圧状態の冷媒からの熱を低圧状態の冷媒に伝えることにある。これに伴うエンタルピーの増減により、高い冷凍容量の達成が可能になる。
【０００４】
自動車内でのスペースが限られているので、内部熱交換器を備えた車両用空調ユニットの構成要素をこれらが可能な限り狭い空間を必要とするように設計することも望ましい。これは、伝熱のために利用される表面の又内部熱交換器のサイズに対して最適化されなければならないことを意味している。
【０００５】
ＣＯ2が冷媒として用いられる場合、熱交換器内の冷媒ライン及びチャネルの断面は、冷媒の圧力が高いので小さくなければならない。したがって、内部熱交換器、特に半径方向断面の構造的設計に応じて、例えば管ラインを高圧チャネル及び低圧チャネルに非常に容易に連結するのに利用できる適当な連結ユニットを提供することが必要である。
【０００６】
米国特許第６，０９８，７０４号明細書は、車両内部の空気の加熱のためのスペースが最適化された同軸熱交換器を開示しており、かかる熱交換器では、フィン付き内側管がフィン付き外側管内に挿入されている。それにより、内側管の外壁は、外側管の半径方向フィンに積極的に又は非積極的に隣接している。伝熱のために用いられる流体、即ち水とグリコールの混合物及び冷媒は、内側管内及び外側管のフィン相互間の隙間を流れる。管がこのように同軸状に配置されているので、複数の狭い半径方向チャネルが形成され、その結果、良好な熱伝達が得られる。流体の流れを分離するため、内側管の周囲に沿って設けられた管コネクタが用いられ、かくして外側管を軸方向に制限する。したがって、冷媒は、外側管から管コネクタ内へ流れ、そこで集められて内部熱交換器の長手方向延長部に直交して更に差し向けられることが可能になる。かかる熱交換器の欠点は、内側管及び外側管がフィン付きの設計になっているので、熱交換器を機械的強度及び安全性のために冷媒としてＣＯ2を用いる空調ユニット内で生じる高圧では作動させることができないということにある。
【０００７】
米国特許出願公開第２００２／００４６８３０号明細書から、１本の管から成っていて、１つの内側チャネル及び幾つかの外側チャネルを備えた内部熱交換器が知られている。外側チャネルは、ウェブ又はフィンを分離することにより互いに分離され、フィンは管の主軸に対し半径方向に配置されている。外側チャネルは、専用連結要素により別の管に連結されている。このため、円筒形連結要素は、外側管を包囲し、したがって、外側チャネルの軸方向端部を制限している。この連結要素は、溝の中に案内されるＯリング又は切断フェルールにより熱交換器に連結されている。加うるに、この連結要素は、中空ニードルを備え、軸方向チャネルの流体の流れはこの中空ニードルを通って熱交換器から排出される。連結要素のこの種の固定法及び構造的設計は、非常に費用が高くつく。
【０００８】
米国特許第４，３６８，７７７号明細書から、向流ユニットとしての円筒形非加圧型熱交換器が知られており、かかる熱交換器では、水と加熱用ガスが別々のチャネル内を流れる。外側チャネルの環状室は水を導き、その軸方向端部は環状終端領域によって閉じられている。水は、外側室領域の外部で熱交換器の長手方向延長部に対し直交して設けられたフランジを通って供給される。内側管は、加熱用ガスを導き、その長手方向延長部には、伝熱効率を向上させるためにその内側及び外側のところに等間隔を置いて設けられた半径方向フィンが設けられている。外側フィンは、２つの内側フィン相互間の想像上の長い隙間の中に配置されている。水と加熱用ガスのそれぞれの流れ方向において、外側フィン及び内側フィンはそれぞれ、一定の割合で拡大されており、その目的は、熱交換器が作動中、過熱し又は破壊されるのを防止することにある。フィン付き熱交換器管により、或る用途では、良好な熱伝達が可能になるが、高い動作圧力及びその結果としてのチャネル直径に鑑みて冷凍プロセスの内部熱伝達には適していない。加うるに、内側及び外側に、流れ方向に一定の割合で増減するフィン付きの管の製造は、非常に複雑であり且つ費用が高くつくように思われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
車両用空調ユニットの製造業者によって要望されることは、とりわけ高圧下での冷媒、例えばＣＯ2の使用と関連して、マルチチャネル熱交換器の種々の幾何学的形状に適していて、更に互いに容易に連結することができる連結要素付き耐高圧熱交換器を設計できることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この技術の現状に基づき、本発明は、特にＣＯ2で動作する車両用空調ユニットについて冷凍プロセス内の高圧に適していて、容易に製造できる熱交換器及び連結ユニットを提供することにより上記要望に応えている。加うるに、本発明は、小さな取付け寸法を有し、幾何学的に複雑なマルチチャネル熱交換器に適している。
本発明によれば、上記課題は、独立形式の請求項１及び別の独立形式の請求項３，４，５の特徴を備えた連結ユニット付きマルチチャネル熱交換器を提供することにより解決される。適当な従属形式の請求項は、本発明の他の特徴を示している。
【００１１】
本発明の技術的思想は、好ましくはマルチチャネル熱交換器の端部のところに配置された連結ユニットが軸方向及び半径方向リザーバを構成し、かかるリザーバ内に高圧流体及び低圧流体を集め、これらをそれぞれのリザーバのところに設けられた連結部を介して連結ラインに差し向けることにある。
それにより、低圧流体は、半径方向リザーバ内へ流れ、高圧流体は軸方向リザーバ内へ流れる。マルチチャネル熱交換器の軸方向端部は、高圧流体が高圧リザーバに流れるようにするための軸方向通路を備えた終端要素によって制限されている。これら通路の幾何学的形状は、高圧チャネルの幾何学的形状と同一であり、通路は、終端要素内に同心状に配置されている。
【００１２】
本発明によれば、低圧流体は、長手方向スロットを通って低圧チャネルから低圧リザーバに流れる。これらスロットは、低圧リザーバの付近にのみ設けられ、半径方向に配置されている。
スロットは好ましくは、のこ引きにより作られ、その結果、従来技術によるスロットのフライス加工と比べ、本発明のマルチチャネル熱交換器は安価に製造される。マルチチャネル熱交換器の軸方向端部から始まって、これらスロットは、直径に沿い且つ好ましくは断面全体にわたり対称に作られる。フライス加工と比べた場合ののこ引きの利点は、マルチチャネル熱交換器を製造する労力を大幅に減少させることができるということにある。
【００１３】
連結ユニットは、好ましくはろう付けによりマルチチャネル熱交換器に取り付けられる。終端要素を備えたマルチチャネル熱交換器の位置合わせ及び侵入深さは、停止部を用いることにより制限できる。停止部を連結ユニットそれ自体又はマルチチャネル熱交換器の外部に設けることができる。
【００１４】
マルチチャネル熱交換器は好ましくは、円形の筒体として設計され、少なくとも１つの低圧チャネル及び周囲に沿って同心状に配置された複数の円形、長円形又は楔形チャネルを有し、かかるチャネル内を高圧冷媒が流れる。本質的に円形筒体として形作られた低圧チャネルは、熱交換器の長手方向に設けられていて、伝熱面を拡大する役目を果たす半径方向突起を有する。これら突起は好ましくは、同心状に配置された２つの高圧チャネル相互間に設けられる。
【００１５】
高圧リザーバ及び低圧リザーバのところに設けられた連結部は各々、連結ラインを互いに連結するよう働く。これら連結部は有効には、スリーブ又は受け口として設計される。
【００１６】
本発明の別の好ましい実施形態によれば、連結ユニットは、たった１つの軸方向に配置された高圧リザーバを有し、この高圧リザーバは、流れ方向において高圧チャネルの軸方向端部にすぐ続いている。それにより、低圧冷媒は、高圧リザーバ中を通って設けられた少なくとも１つの管状チャネル及び連結ユニットに設けられた軸方向通過穴内を流れる。高圧リザーバは、リザーバの側壁に設けられた開口部を介して連結される。
【００１７】
本発明の連結ユニットを備えたマルチチャネル熱交換器の選択された用途に関し、２つの低圧チャネルが円筒形マルチチャネル熱交換器の直径方向に設けられ、連結ユニットの付近において直径に沿って設けられた長手方向スロットを介して互いに且つ低圧リザーバに連結される。
【００１８】
本発明の連結ユニットの別の有利な実施形態は、軸方向リザーバと半径方向リザーバとから成り、それにより、受け口に代わる半径方向リザーバが軸方向リザーバに平行に配置された同心の、したがって円筒形の室を有する。その利点は、低圧の流れと高圧の流れを別々にであるが、それにもかかわらず軸方向には結合して導くことができ、利用可能な制限された取付けスペースを有効に利用できるということにある。
【００１９】
熱応力を回避するため、マルチチャネル熱交換器、連結ユニット及び終端要素は、同種材料、好ましくはアルミニウムで作られている。アルミニウムは、熱伝達係数が高いので、熱を伝達するのに特に適している。
当業者であれば、上記説明から、マルチチャネル熱交換器の軸方向端部が一端部だけを意味するのではなく、本発明の設計は両方の軸方向端部を含むことは容易に理解されよう。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の顕著な利点は本質的に以下の通りである。
・冷凍プロセス中の高い動作圧力に適していること
・製造が簡単且つ費用効果がよいこと
・取付けスペースが最適化された連結ユニットであること
・連結ユニットが幾何学的に複雑なマルチチャネル熱交換器に適していること
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を添付の図面によって例示として説明する。
図１は、代表的な車両用空調ユニットの冷凍回路を示している。冷凍プロセスの低圧領域１３は、膨張弁１３．２の出口から圧縮口１３．５の吸込み側まで延びており、高圧領域は、圧縮機１３．５の出口から膨張弁１３．２の入口まで延びている。したがって、高圧冷媒と低圧冷媒が同時に内部マルチチャネル熱交換器１を通る。
【００２２】
蒸発器１３．３内で冷媒が膨張しそのエンタルピーが増大する。蒸発器１３．３と内側マルチチャネル熱交換器１との間の流れ方向において乾燥器を備えた冷媒収集器１３．４が配置され、その目的は、冷媒の湿度を集めて冷媒を乾燥させることにある。すぐ下流側に配置された内部マルチチャネル熱交換器１内において、熱が低圧冷媒に伝えられ、その結果、冷媒のエンタルピーが増大する。圧縮機１３．５内において冷媒蒸気が圧縮される。圧縮後における圧縮最終温度を持つ冷媒が凝縮器／ガス冷却器１３．１内で冷却され、冷却の続行のために内部マルチチャネル熱交換器１に差し向けられる。その後、高圧冷媒が膨張弁１３．２内で膨張して蒸発器１３．３に流れ、冷媒回路が閉じられる（閉回路となる）。
【００２３】
図２及び図３はそれぞれ、本発明の第１の好ましい実施形態の軸方向及び半径方向断面を示している。マルチチャネル熱交換器１の端部のところには、冷却ユニット５が配置され、この冷却ユニット５は、軸方向に配置された高圧リザーバ７及び半径方向に配置された低圧リザーバ６を有している。マルチチャネル熱交換器１の軸方向端部１．１は、終端要素１０によって制限され、この終端要素１０は、高圧流体のための軸方向通過穴１０．１を有している。終端要素１０は、停止部８に接触し、この停止部は、連結ユニット５内へのマルチチャネル熱交換器１の侵入深さを制限する。軸方向通過穴１０．１は好ましくは、高圧チャネル３の幾何学的形状と同一の幾何学的形状を有している。周囲に沿って同心状に配置され、円形筒体として設計されている６つの高圧チャネル３が、低圧リザーバ６を貫通して設けられ、終端要素１０の軸方向通過穴１０．１内へ通じている。低圧チャネル２は、マルチチャネル熱交換器１の長手方向に延びるよう設計された６つの半径方向突起１５を有している。マルチチャネル熱交換器１の軸方向端部１．１のところでは、突起１５は、マルチチャネル熱交換器１の周面の方向に６つの長手方向スロット４として半径方向に形作られている。これらスロット４は各々、２つの隣り合う高圧チャネル３相互間に位置している。このように、低圧チャネル２は、半径方向に配置された低圧リザーバ６に連結されていて、本発明によれば、低圧流体がスロット４を通って低圧リザーバ６に流れ、ここに集められるようになっている。マルチチャネル熱交換器１の長手方向軸線に直交して低圧リザーバ６に設けられた連結部１２により、他の連結ラインへの連結が行われる。低圧流体は、高圧リザーバ７の壁に設けられた軸方向連結部１１を通って連結ユニット５から出る。この実施形態の特定の利点は、低圧リザーバ６の側壁の厚さを減少させることができるということにある。さらに、長手方向スロットは、低圧チャネルの断面に対し広い出口領域を形成する。
【００２４】
図４及び図５は、本発明の第２の好ましい実施形態を示している。この場合、円形連結ユニット９は、高圧冷媒が集められるたった１つの軸方向高圧リザーバ７を有している。図５を参照すると、連結ユニット９及びマルチチャネル熱交換器１は、等しい呼称サイズを有している。これが意味することは、円筒形連結ユニット９の内径がマルチチャネル熱交換器１の外径に等しいということである。この実施形態の特定の利点は、円筒形連結ユニット９への取付け幅が小さく、マルチチャネル熱交換器１への円筒形連結ユニット９の取付けを少ない労力で、例えば、ろう付けにより実現できるということにある。
【００２５】
当業者であれば、低圧流体が２つの別々の円筒形低圧チャネル２内を流れることは容易に理解されよう。これら低圧チャネル２はそれぞれ、周面から等距離のところで直径方向に配置されている。連結ユニット９の範囲内において、両方の低圧チャネル２は長円形の管として結合された状態で作られている。この２つの低圧チャネル２を「受け入れる」管は、高圧リザーバ７に設けられた軸方向通過穴１６を貫通して設けられている。この軸方向通過穴１６は、その幾何学的形状が長円形管に合致されていて、接触領域において連結ユニット９がマルチチャネル熱交換器１に確実に連結されるようになっている。さらに、マルチチャネル熱交換器１の長手方向延長部に直交して、壁には連結ラインのための連結部１１が設けられている。高圧流体は、同心状に配置されたほぼ６つの高圧チャネル３内を流れる。図４を参照すると、これら６つの高圧チャネル３は、対称に配置され、断面軸線の左側と右側のいずれの側でも、２つの高圧チャネル３が円形筒体として設計され、別の高圧チャネル３が長円形筒体として設計されている。これら高圧チャネル３は、これらの端部が連結ユニット９に通じ、高圧冷媒はこの連結ユニット内に集められる。連結ユニット９内へのマルチチャネル熱交換器１の侵入深さは、高圧チャネル３の端部の設計によってのみ決まる。当業者であれば、連結ユニット９は規定された機能性を確保するよう高圧チャネルの端部を完全に包囲しなければならないことは容易に理解されよう。
【００２６】
図６及び図７に示す本発明の第３の実施形態は、低圧リザーバ６と高圧リザーバ７とから成っている。両方のリザーバは、マルチチャネル熱交換器１の軸方向端部１．１のところに配置された終端要素１０によって互いに分離されている。この終端要素１０は好ましくは、円形に設計され、停止部８によって制限されている。動作条件の下では、高圧冷媒は、軸方向通過穴１０．１を通って流れて高圧リザーバ７に至るようになっている。低圧領域は、２つの円形低圧チャネル２を更に有し、これら低圧チャネルには、連結ユニット５の付近で長手方向にスロット４が設けられ、かくして、これら低圧チャネルは低圧リザーバ６の方向に半径方向に開口している。スロット４は、マルチチャネル熱交換器１の直径全体にわたって延び、したがって、両方の低圧領域は互いに且つ低圧リザーバ６と連結されている。高圧領域は更に、４つの円形チャネル及び２つの長円形同心チャネルを有することを特徴としている。これらチャネル３は、ほぼ対称に配置されている。すなわち、２つの幾何学的形状が同一のチャネルは各々鏡像のように配置されている。連結ユニット５の内径は、低圧リザーバ６の付近ではマルチチャネル熱交換器１の外径よりも大きく、それにより冷媒が流出又は流入する所要の自由空間が確保されるようになっている。スロット４は、低圧リザーバ６の軸方向長さ全体にわたって延びていることが分かる。
【００２７】
図８及び図９は、本発明の第４の実施形態を示し、連結ユニット１８が軸方向に配置された高圧リザーバ７及び半径方向に配置された低圧リザーバ６を有し、低圧リザーバ６は、高圧リザーバ７に平行に円筒形に設計された室１９に連結されている。この連結により、低圧流体は、低圧リザーバ６から流れ出て、マルチチャネル熱交換器１の主軸に同心に配置された室１９内へ流れ込む。室の出口１９．１は、連結部１２を有しており、したがって、高圧流体を低圧の流れのすぐそばで軸方向に排出できるようになっている。それぞれ隣り合う同心状に配置された高圧チャネル３相互間には、長手方向スロット４が設けられ、これら長手方向スロットは、軸方向低圧チャネル２と低圧リザーバを連結している。終端要素１０を備えたマルチチャネル熱交換器の軸方向端部１．１は、高圧チャネルの数及び幾何学的形状に応じて、高圧の流れのための軸方向通過穴１０．１を有している。かくして、高圧流体は、本発明によれば、高圧リザーバ７内へ流れ、更に連結ラインへの軸方向連結部１１により更に下流側に流れる。軸方向に配置された円筒形低圧チャネル２の伝熱面は、半径方向突起１５によって拡大されている。これら突起１５の深さは、伝熱面の所要の拡大量及び機械的強度条件で決まる。
【００２８】
高圧チャネルの数及び設計は、上記説明には限定されず、複数の組合せの状態で可変的に設計可能である。特に冷媒の流量及び冷却回路中に生じる動作圧力レベルで決まるのは高圧チャネルの数である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】車両用空調ユニットの冷凍回路を示す図である。
【図２】好ましい実施形態の同軸熱交換器の半径方向断面図である。
【図３】図２の熱交換器の管連結要素の軸方向断面図である。
【図４】第２の実施形態の同軸熱交換器の半径方向断面図である。
【図５】図４の熱交換器の管連結要素の軸方向断面図である。
【図６】第３の実施形態の同軸熱交換器の半径方向断面図である。
【図７】図６の熱交換器の管連結要素の軸方向断面図である。
【図８】第４の実施形態の同軸熱交換器の半径方向断面図である。
【図９】図８の熱交換器の管連結要素の軸方向断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  熱交換器
１．１  熱交換器の軸方向端部
２  低圧チャネル
３  高圧チャネル
４  長手方向スロット
５  連結ユニット
６  低圧リザーバ
７  高圧リザーバ
８  停止部
９  連結ユニット
１０  終端要素
１０．１  軸方向通過穴
１１  高圧リザーバの連結部
１２  低圧リザーバの連結部
１３  冷媒回路
１３．１  凝縮器
１３．２  膨張弁
１３．３  蒸発器
１３．４  冷媒収集器
１３．５  圧縮機
１４  周囲
１５  半径方向突起
１６  軸方向通過穴
１７  直径方向
１８  連結ユニット
１９  室
１９．１  室出口
【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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【図８】
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【図９】
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