(57)【要約】【課題】  熱交換器内の冷媒を円滑に流して、熱交換能力の大幅な改善を図ったマイクロチューブを用いた熱交換器を提供する。【解決手段】  コンプレッサ２、ガスクーラ１０、減圧装置４、蒸発器５などから冷媒サイクルが構成された冷媒サイクル装置において、熱交換器はガスクーラ１０若しくは蒸発器５として使用されるもので、この熱交換器は複数のマイクロチューブ２０を備える。各マイクロチューブ２０の冷媒通路のうち下方に位置する冷媒通路２１を、上方に位置する冷媒通路２１よりも大径とする。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサ、ガスクーラ、減圧装置、蒸発器などから冷媒サイクルが構成された冷媒サイクル装置において前記ガスクーラ若しくは蒸発器として使用される熱交換器であって、
複数のマイクロチューブを備え、各マイクロチューブの冷媒通路のうち下方に位置する冷媒通路を、上方に位置する冷媒通路よりも大径としたことを特徴とする冷媒サイクル装置用熱交換器。
【請求項２】
前記各マイクロチューブの両端に設けられたヘッダー部を備え、該ヘッダー部内の連通路の断面積を、前記マイクロチューブの冷媒通路の断面積の１０倍以上としたことを特徴とする請求項１の冷媒サイクル装置用熱交換器。
【請求項３】
コンプレッサ、ガスクーラ、減圧装置、蒸発器などから冷媒サイクルが構成された冷媒サイクル装置において前記ガスクーラ若しくは蒸発器として使用される熱交換器であって、
複数のマイクロチューブを備え、各マイクロチューブの冷媒通路を、一部又は全て冷媒の上流側と下流側とで異なる径としたことを特徴とする冷媒サイクル装置用熱交換器。
【請求項４】
前記ガスクーラとして使用される場合、前記各マイクロチューブの冷媒通路の径を、冷媒の上流側で大きく、下流側で小さくしたことを特徴とする請求項３の冷媒サイクル装置用熱交換器。
【請求項５】
前記蒸発器として使用される場合、前記各マイクロチューブの冷媒通路の径を、冷媒の上流側で小さく、下流側で大きくしたことを特徴とする請求項３の冷媒サイクル装置用熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンプレッサ、ガスクーラ、減圧装置、蒸発器などから冷媒サイクルが構成された冷媒サイクル装置のガスクーラ若しくは蒸発器として使用される冷媒サイクル装置用熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年地球環境問題に対応するためにカーエアコンなどの冷媒サイクル装置を備えた空調機器に冷媒として二酸化炭素（ＣＯ2）が用いられてきている（特許文献１参照）。該ＣＯ2冷媒は超臨界で作動するため、冷媒回路のガスクーラにおける熱移動が発生し易い。このため、冷媒の温度変化が著しく、凝縮冷媒対応のフィンアンドチューブ式の熱交換器では耐圧対応のため放熱効率が低下してしまう。そこで、マイクロチューブを用いた熱交換器を使用することが考えられる。このマイクロチューブは、微小径の冷媒通路を複数備えた扁平チューブにて構成されている。そして、複数のマイクロチューブを準備し、各マイクロチューブの端部をヘッダーにて連通させる構成が採られていた。この場合、熱交換器には冷媒通路の上流側から下流側に至るまで同一径のマイクロチューブが使用されていた。
【特許文献１】特開２００１−２６３８６１号公報（第２頁、第４頁参照）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来のマイクロチューブ式の熱交換器は、扁平チューブからなるマイクロチューブを所定間隔を存して複数並設して列を作り、この列を複数間隔を存して並べて構成すると共に、熱交換器の上流側から下流側に至るまで同一径の冷媒通路のマイクロチューブが使用されていた。このため、コンプレッサから冷媒と共に吐出されたオイルがマイクロチューブの下方に位置する冷媒通路内に溜まり、圧力損失が大きくなって冷媒流通が阻害されるようになる。そこで、全ての冷媒通路の径を大きくすると、今度は熱交換効率が低下してしまう問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１の発明は、コンプレッサ、ガスクーラ、減圧装置、蒸発器などから冷媒サイクルが構成された冷媒サイクル装置においてガスクーラ若しくは蒸発器として使用される熱交換器であって、複数のマイクロチューブを備え、各マイクロチューブの冷媒通路のうち下方に位置する冷媒通路を、上方に位置する冷媒通路よりも大径としたものである。
【０００５】
請求項２の発明は上記において、各マイクロチューブの両端に設けられたヘッダー部を備え、このヘッダー部内の連通路の断面積を、マイクロチューブの冷媒通路の断面積の１０倍以上としたものである。
【０００６】
請求項３の発明は、コンプレッサ、ガスクーラ、減圧装置、蒸発器などから冷媒サイクルが構成された冷媒サイクル装置においてガスクーラ若しくは蒸発器として使用される熱交換器であって、複数のマイクロチューブを備え、各マイクロチューブの冷媒通路を、一部又は全て冷媒の上流側と下流側とで異なる径としたものである。
【０００７】
請求項４の発明は上記において、ガスクーラとして使用される場合、各マイクロチューブの冷媒通路の径を、冷媒の上流側で大きく、下流側で小さくしたものである。
【０００８】
請求項５の発明は請求項３において、蒸発器として使用される場合、各マイクロチューブの冷媒通路の径を、冷媒の上流側で小さく、下流側で大きくしたものである。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明によれば、ガスクーラ若しくは蒸発器として使用される熱交換器において、複数のマイクロチューブを備え、各マイクロチューブの冷媒通路のうち下方に位置する冷媒通路を、上方に位置する冷媒通路よりも大径としたので、コンプレッサから冷媒と共に吐出されるオイルがマイクロチューブの下方の冷媒通路内に溜まった場合でも、溜まったオイルによる圧力損失を軽減させることができるようになる。これにより、冷媒を熱交換器内に円滑に流すことが可能となる。従って、熱交換器の熱交換効率を維持しながら、オイルによる圧損を低減させることができ、総じて熱交換能力の大幅な改善を図ることができるようになるものである。又、ＣＯ2サイクルの特徴であるガスクーラによる圧力損失が冷凍能力低下に及ぼす影響を軽減でき、サイクル効率を向上させることができる。
【００１０】
また、請求項２の如く各マイクロチューブの両端に設けられたヘッダー部内の連通路の断面積を、マイクロチューブの冷媒通路の断面積の１０倍以上とすることにより、上方に位置する冷媒通路をガスが通り、下方に位置する冷媒通路をオイルが通るようになるため、上方に位置する冷媒通路での圧力損失は防止できる。
【００１１】
請求項３の発明によれば、ガスクーラ若しくは蒸発器として使用される熱交換器において、複数のマイクロチューブを備え、各マイクロチューブの冷媒通路を、一部又は全て冷媒の上流側と下流側とで異なる径としたので、例えば、請求項４の如く、ガスクーラとして使用する場合に、溶け込み性の変化するオイルを使用することで、下流側のオイル粘度は低下し、各マイクロチューブの冷媒通路の径を、冷媒の上流側で大きく、下流側で小さくすることにより、コンプレッサからオイルと共に高圧ガスが流入するガスクーラの入口側での圧力損失を軽減させ、ガスクーラの入口側で冷媒を円滑に流すことができる。これにより、オイルによる圧損を低減させることが可能となる。従って、ガスクーラにおける冷媒と空気との熱交換効率を著しく改善することができるようになるものである。又、下流側の冷媒通の径を小さくすることで、耐久対応が容易となり、肉厚を薄くでき、熱交換効率が向上する。
【００１２】
また、請求項５の如く、熱交換器を下流側で温度が低下して冷媒ガス密度が高くなる蒸発器として使用する場合、各マイクロチューブの冷媒通路の径を、冷媒の上流側で小さく、下流側で大きくすることにより、冷媒通路内の圧力損失を軽減させることができるようになる。これにより、蒸発器内の冷媒ガスを円滑に流すことが可能となる。従って、蒸発器における冷媒と空気との熱交換効率を著しく改善することができるようになるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、熱交換器内の冷媒を円滑に流して、熱交換能力の大幅な改善を図ったマイクロチューブを用いた熱交換器を提供することを目的とする。
【００１４】
次に、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の冷媒サイクル装置用熱交換器を備えた実施例の冷却装置１の冷媒回路図である。この図において、１はカーエアコンなどに使用される冷却装置、２は冷却装置１を構成する２段圧縮式のロータリコンプレッサで、この冷媒回路には冷媒としてＣＯ2（二酸化炭素）が用いられている。
【００１５】
このロータリコンプレッサ２（本発明のコンプレッサに相当）は、密閉容器５１内に図示しない電動要素と、この電動要素にて駆動される第１及び第２の回転圧縮要素５２、５３を備えて構成された内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサである。そして、冷媒吸入管２Ｂから吸い込んだ冷媒ガス（ＣＯ2）を第１の回転圧縮要素５２で圧縮し、この圧縮した冷媒を一旦密閉容器５１内に吐出する。そして、この密閉容器５１内の中間圧の冷媒ガスを第２の回転圧縮要素５３に吸い込んで圧縮し、冷媒吐出管２Ａより吐出するものである。
【００１６】
そして、係るロータリコンプレッサ２の冷媒吐出管２Ａには本発明の冷媒サイクル装置用熱交換器としてのガスクーラ１０が接続され、このガスクーラ１０の出口側に設けられた配管４Ａには膨張弁（本発明の減圧装置に相当）４を介して蒸発器５が接続されている。この蒸発器５の出口側はアキュムレータ６を介してロータリコンプレッサ２の冷媒吸入管２Ｂに接続され、これにより、環状の冷媒回路が構成されている。尚、５４はガスクーラ１０を出た冷媒と蒸発器５を出た冷媒を熱交換させる中間熱交換器である。
【００１７】
そして、ロータリコンプレッサ２の第１及び第２の回転圧縮要素５２、５３で前述の如く二段圧縮された高温高圧のガス冷媒（ＣＯ2）は、ガスクーラ１０においてそこに通風される空気と熱交換し、放熱する。この状態では冷媒は凝縮せず、中間熱交換器５４で更に冷却され、膨張弁４に流入して絞られた後膨張する過程で液化していく。そして、蒸発器５に流入し、そこで蒸発して気化することで周囲から熱を奪い、冷却効果を発揮する。この冷却効果を利用して図示しない車室内の空気を冷却して空調する。
【００１８】
蒸発器５を出た冷媒は中間熱交換器５４でガスクーラ１０からの冷媒から熱を奪い、次にアキュムレータ６に流入し、そこで気液分離されてガス冷媒のみが冷媒吸入管２Ｂからロータリコンプレッサ２に吸い込まれる遷臨界冷媒サイクルを繰り返す。
【００１９】
前記ガスクーラ１０は相対向して平行に配置された左右一対のヘッダー部１１、１２と、両ヘッダー部１１、１２間に渡って複数取り付けられたマイクロチューブ２０・・・とから構成されている。この場合、両ヘッダー部１１、１２は同一形状であり、各マイクロチューブ２０・・の両端に両ヘッダー部１１、１２をそれぞれ接続する（図２白抜き矢印）。
【００２０】
上記マイクロチューブ２０は、例えば、アルミニウムなどの金属にて構成され、断面略楕円形若しくは長円形の扁平チューブである。このマイクロチューブ２０の内部には、一端から他端まで延在し、内部を冷媒が流れる微小径の断面長孔から成る冷媒通路２１が複数形成されている。複数の冷媒通路２１・・は、マイクロチューブ２０の長手方向に延在して形成されると共に、これらの冷媒通路２１・・は互いに平行に設けられている。実施例では、冷媒通路２１はマイクロチューブ２０内に八列設けられている。尚、マイクロチューブ２０内の冷媒通路２１の数は実施例に限られるものでない。
【００２１】
ガスクーラ１０には、左右方向に複数のマイクロチューブ２０が設けられており、これらのマイクロチューブ２０は上下方向に複数段（図では３段のみ記載）設けられている（図３）。また、マイクロチューブ２０は各冷媒通路２１が上下に並ぶように配置されると共に、図４の如く下方に位置する冷媒通路２１Ｌは、その上方に位置する冷媒通路２１Ｓよりも大径とされている。即ち、実施例では上から６列を小径の冷媒通路２１Ｓ・・・とし、下２列を大径の冷媒通路２１Ｌ、２１Ｌとしている。
【００２２】
前記両ヘッダー部１１、１２には、接続孔１３が複数形成されており、各接続孔１３・・は、マイクロチューブ２０の端部が挿入できるように、そのマイクロチューブ２０の端部形状に略合致した楕円若しくは長円状に形成され、ヘッダー部１１、１２の一面側（相対向する面の側）に開口している。また、これらの接続孔１３・・は、一面側の開口からヘッダー部１１、１２の他面側に行くに従って内寸が縮小せられている。
【００２３】
実施例では接続孔１３・・は三列所定間隔を存して構成され、各列にはそれぞれ接続孔１３が四個と三個と四個、所定間隔を存して形成されている。また、ヘッダー部１１、１２内には連通路１４が複数列（実施例では三列）設けられ、各連通路１４・・はそれぞれ各列の接続孔１３・・・の奥部に連通している（図２、図３）。係る連通路１４により、各列を構成する接続孔１３・・・はそれぞれ一列ごとに相互に連通されている。
【００２４】
尚、連通路１４は、接続孔１３の列を相互に連通するものではない。また、連通路１４の断面積は、マイクロチューブ２０の大径の冷媒通路２１Ｌの断面積の１０倍以上とされている。１５は、ヘッダー部１１に設けた連通路１４を閉塞するための閉塞部、１６は、中央の連通路１４とそれに隣接する冷媒下流側の連通路１４とを連通するためのベンド配管である。
【００２５】
一側のヘッダー部１１に設けられた冷媒上流側の連通路１４部分には閉塞部１５の外側から前記冷媒吐出管２Ａが接続され、係る冷媒上流側の連通路１４と冷媒吐出管２Ａとは相互に連通する。他側のヘッダー部１２には図示しない閉塞部の外側からベンド配管１７が取り付けられており、このベンド配管１７は他側のヘッダー部１２に設けられた図示しない冷媒上流側の連通路と、中央の連通路とを連通する。また、他側のヘッダー部１２に設けられた冷媒下流側の連通路、即ち、ガスクーラ１０の出口側となる連通路に前記配管４Ａが接続される。
【００２６】
一方、ヘッダー部１１、１２間に渡るマイクロチューブ２０は、接続孔１３・・に対応して三列所定間隔を存して配置され、各列は所定間隔を存して並設された四本、三本、四本のマイクロチューブ２０・・にて構成される。そして、各マイクロチューブ２０・・の両端がヘッダー部１１、１２の接続孔１３・・内にそれぞれ挿入されて接続されている。
【００２７】
この場合、複数列（三列）配設されたマイクロチューブ２０は、隣接する一方の列の各マイクロチューブ２０・・間に、他方の列の各マイクロチューブ２０・・がそれぞれ所定の間隔を存して所定寸法進入したかたちで配置されている（接続孔１３・・・も同様の配置とされている）。
【００２８】
そして、ロータリコンプレッサ２から冷媒吐出管２Ａに吐出された高温の冷媒は一側のヘッダー部１１内の上流側一列目の連通路１４に入り、そこで当該一列目を成す各マイクロチューブ２０・・の冷媒通路２１・・・に分流する。そして、他側のヘッダー部１２に設けた一列目の連通路１４にて合流し、ベンド配管１７を経て二列目の連通路１４に入り、そこで分流されて二列目を成す各マイクロチューブ２０・・の冷媒通路２１・・・に流入する。
【００２９】
次に、一側のヘッダー部１１内の二列目の連通路１４に入り、そこで合流してベンド配管１６から三列目の連通路１４に流入し、そこで分流して三列目を成すマイクロチューブ２０・・の冷媒通路２１・・に流入した後、他側のヘッダー部１２の三列目の連通路１４に入り、そこで合流してヘッダー部１２に接続された配管４Ａに流出する。
【００３０】
即ち、各ベンド配管１６、１７により、隣接するマイクロチューブ２０・・の列が相互に直列となるように、一列目のマイクロチューブ２０・・、二列目のマイクロチューブ２０・・、三列目のマイクロチューブ２０・・の順で直列に接続している。これにより、ガスクーラ１０の各列を成すマイクロチューブ２０内には、一列目から三列目に向けて直列に冷媒が流れることになる（一列のマイクロチューブ２０・・内には平行して冷媒は流れる）。コンプレッサ作動油としては、ＰＡＧ、ＰＯＥ、ＰＶＥ、鉱油などで常温以上の温度で温度が下がる程、ＣＯ2を溶け込ませる特徴を有するものを使用する。
【００３１】
以上の構成で、次に冷却装置１の動作を説明する。ロータリコンプレッサ２の図示しない電動要素に通電され、それによって第１及び第２の回転圧縮要素５２、５３が駆動されると、ロータリコンプレッサ２からは２段圧縮された高温高圧の冷媒（ＣＯ2）が冷媒吐出管２Ａに吐出される。冷媒吐出管２Ａに吐出された冷媒はガスクーラ１０に流入し、上述の如く各マイクロチューブ２０・・・内を流れる。
【００３２】
この場合、実施例のような多段圧縮式のロータリコンプレッサ１０の場合、第二の回転圧縮要素５３からのオイル吐出量が多くなる。ガスクーラ１０のマイクロチューブ２０・・・に流入した高温高圧の冷媒に混入するオイルは、ガスクーラ１０のマイクロチューブ２０の冷媒通路２１のうち、下方の冷媒通路２１Ｌに溜まりやすくなるが、本発明では下方の冷媒通路２１Ｌ、２１Ｌを上方の冷媒通路２１Ｓ・・・より大径としているので、オイルがこの下方の冷媒通路２１Ｌ、２１Ｌ内に溜まっても圧力損失が小さくなる。また、ヘッダー部１１、１２内の連通路１４の断面積は、マイクロチューブ２０の冷媒通路２１Ｌの断面積の１０倍以上とされているので、連通路１４内でオイル分離が行われ、上方の冷媒通路２１Ｓをガスが通り、下方の冷媒通路２１Ｌをオイルが通るようになるため、上方の冷媒通路２１Ｓでの圧力損失は防止できる。これにより、ガスクーラ１０内を通してガス状態である冷媒はマイクロチューブ２０・・・内を円滑に流れるようになる。一方で、上方の冷媒通路２１Ｓは小径なので、熱交換効率も確保される。そして、最終的に配管４Ａに流出する。ガスクーラ１０は、図示しない送風機で図１の中白抜き矢印方向に通風されている。
【００３３】
送風機から送られた風は各マイクロチューブ２０・・間を通過し、マイクロチューブ２０の冷媒通路２１・・内を流通する冷媒と熱交換することにより、冷媒は冷却され、逆に空気は暖められる。この場合、ガスクーラ１０のマイクロチューブ２０内を流れる冷媒の流れに対して、通風を対向流としているので、ガスクーラ１０内の冷媒を高効率で冷却することができる。
【００３４】
ガスクーラ１０を出た冷媒は前述した如く中間熱交換器５４で更に冷却され、膨張弁４に流入して絞られた後、膨張する過程で液化していく。そして、蒸発器５に流入し、そこで蒸発して気化することで周囲から熱を奪い、冷却効果を発揮する。この冷却効果を利用して図示しない車室内の空気を冷却して空調する。
【００３５】
蒸発器５を出た冷媒は中間熱交換器５４でガスクーラ１０からの冷媒から熱を奪い、次にアキュムレータ６に流入し、そこで気液分離されてガス冷媒のみが冷媒吸入管２Ｂからロータリコンプレッサ２に吸い込まれるものである。
【００３６】
次に、図５には本発明の他の実施例のガスクーラ１０を示している。この場合、マイクロチューブ２０は各冷媒通路２１・・・が水平に並ぶように設けられている。即ち、ガスクーラ１０は、水平のマイクロチューブ２０を上下に並設している。この場合には、下方に位置するマイクロチューブ２０の冷媒通路２１・・を大径の冷媒通路２１Ｌ・・・とするものである。
【００３７】
尚、実施例ではガスクーラ１０を例に採って本発明を説明したが、それに限らず、蒸発器５も上述したガスクーラ１０と同様のマイクロチューブ構造とすることで、同様の効果を得ることができる。
【００３８】
また、上記構成に代えて、或いは、上記構成に加えて、ガスクーラ１０の場合には冷媒の上流側となるマイクロチューブ２０の一部又は全ての冷媒通路２１・・を下流側となるマイクロチューブ２０の冷媒通路２１・・よりも大径としてもよい。係る場合にはロータリコンプレッサ２からオイルと共に高圧ガスが流入するガスクーラ１０の入口側の圧力損失を軽減させ、ガスクーラ１０内の冷媒を円滑に流すことができるようになる。
【００３９】
一方、蒸発器５の場合には冷媒の上流側となるマイクロチューブ２０の一部又は全ての冷媒通路２１・・を、下流側となるマイクロチューブ２０の冷媒通路２１・・よりも小径とするとよい。係る場合にも下流側で冷媒のガス密度が高くなる蒸発器５のマイクロチューブ２０の冷媒通路２１内の圧力損失を軽減させることができるようになる。これにより、蒸発器５内の冷媒ガスを円滑に流すことが可能となり、蒸発器５における冷媒と空気との熱交換効率を著しく改善することができるようになる。
【００４０】
また、実施例では本発明の熱交換器（ガスクーラ１０や蒸発器５）をカーエアコンなどに使用される冷却装置１に適用したが、それに限らず、冷媒に熱伝導率が高く温度変化が著しい冷媒（実施例のＣＯ2など）が用いられる種々の冷媒回路装置に用いても本発明は有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の冷媒サイクル装置用熱交換器を備えた実施例の冷却装置の冷媒回路図である。
【図２】本発明の熱交換器の実施例としてのガスクーラのヘッダー部の拡大斜視図である。
【図３】図２のガスクーラのヘッダー部の正面図である。
【図４】図２のガスクーラのマイクロチューブの拡大図である。
【図５】図４のマイクロチューブの他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  冷却装置
２  ロータリコンプレッサ
２Ａ  冷媒吐出管
２Ｂ  冷媒吸入管
４  膨張弁
４Ａ  配管
５  蒸発器（熱交換器）
６  アキュムレータ
１０  ガスクーラ（熱交換器）
２０  マイクロチューブ
２１、２１Ｌ、２１Ｓ  冷媒通路
【図１】
2005037054.tif 000003
【図２】
2005037054.tif 000004
【図３】
2005037054.tif 000005
【図４】
2005037054.tif 000006
【図５】
2005037054.tif 000007