この発明は熱交換器に関し、さらに詳しくは、たとえばコンプレッサ、ガスクーラ、エバポレータ、気液分離器およびガスクーラから出てきた冷媒とエバポレータから出て気液分離器を通過してきた冷媒とを熱交換させる中間熱交換器とを備えており、かつＣＯ _２のような超臨界冷媒を用いる超臨界冷凍サイクルにおいて、中間熱交換器として好適に用いられる熱交換器に関する。

この明細書および特許請求の範囲において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。

従来、自動車に搭載されるカーエアコンとして、コンプレッサ、コンデンサ、エバポレータ、気液分離器および減圧器からなり、かつフロン系冷媒を使用する冷凍サイクルからなるものが広く使用されている。

ところが、近年においては、環境保護を目的として、ＣＯ _２のような超臨界冷媒を用いる超臨界冷凍サイクルをカーエアコンとして自動車に搭載することが考えられている。

超臨界冷凍サイクルは、コンプレッサ、ガスクーラ、エバポレータ、気液分離器としてのアキュムレータ、減圧器としての膨張弁、およびガスクーラから出てきた高温高圧の冷媒とエバポレータから出てアキュムレータを通過してきた低温低圧の冷媒とを熱交換させる中間熱交換器とを備えたものである。

ところで、超臨界冷凍サイクルにおける中間熱交換器は、従来のフロン系冷媒を使用した冷凍サイクルにはなかった熱交換器であり、自動車のエンジンルーム内に中間熱交換器を効率良く収納することが課題となっており、現在のところエンジンルーム内のガスクーラとエバポレータとの間の部分に配置することが考えられている。

上述した超臨界冷凍サイクルの中間熱交換器に用いられる熱交換器として、真っ直ぐな外管、外管内に間隔をおいて同心状に配置された真っ直ぐな内管、および内管の外周面に周方向に間隔をおき、かつ内管の長さ方向に伸びるように一体に形成されたフィンよりなる熱交換部と、熱交換部の内外両管の両端部に固定されたコネクタとを備えており、熱交換部の外管と内管との間の間隙が第１の流体通路となっているとともに内管内が第２の流体通路となっており、各コネクタに、熱交換部の第１流体通路を外部に通じさせる第１流路、および第１流路に対して独立しかつ熱交換部の第２流体通路を外部に通じさせる第２流路が形成され、すべてのフィンの先端部が外管の内周面に当接しているものが知られている（特許文献１参照）。

特許文献１記載の中間熱交換器において、熱交換部の第１流体通路内を流れる冷媒と第２流体通路内を流れる冷媒との間の熱交換性能を所望のものとするには、両流体通路内を流れる流体間の伝熱面積を大きくする必要がある。 しかしながら、この場合、内外両管の長さを長くしなければならず、しかも内外両管が直管であるため、中間熱交換器の設置スペースが比較的大きくなるという問題がある。 特に、自動車に搭載される場合には、エンジンルーム内において搭載スペース上の制約を受けるため、中間熱交換器を効率良く収納することができなくなり、実現性が低い。

また、第１流体通路は、内管に設けられたフィンにより複数の通路部分に分断されているので、各通路部分を流れる冷媒は効率良く混合されることがなく、両流体通路内を流れる冷媒間での熱交換効率が不十分になるおそれがある。

さらに、内管のすべてのフィンの先端部が外管の内周面に当接しているものの、フィンは外管に固定されていないので、場合によってはフィンと外管との間でがたつきが発生し、振動による異音が発生するおそれがある。

国際公開第０３／０８５３４４号パンフレット

この発明の目的は、上記問題を解決し、設置スペースを比較的小さくすることができる熱交換器を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。

1)外管、外管内に間隔をおいて設けられた内管、および外管と内管との間に設けられたフィンよりなる熱交換部と、熱交換部の内外両管の両端部に固定されたコネクタとを備えており、熱交換部の外管と内管との間の間隙が第１の流体通路となっているとともに内管内が第２の流体通路となっている熱交換器であって、熱交換部が、少なくとも１箇所において曲げられている熱交換器。

2)フィンが、内管の外周面に周方向に間隔をおき、かつ内管の長さ方向に伸びるように一体に形成されている上記1)記載の熱交換器。

3)熱交換部の曲げ部分の横断面において、一部のフィンの先端部が、外管の曲げ内側部分および曲げ外側部分の内周面に当接しており、外管の曲げ内側部分および曲げ外側部分により、フィンを介して内管が挟着固定されている上記2)記載の熱交換器。

4)熱交換部の曲げ部分の横断面において、一部のフィンの先端部が外管の曲げ内側部分および曲げ外側部分の内周面に当接している部分の周方向の両側に、それぞれフィンの先端部と外管の内周面との間に隙間が形成された流体混合部が設けられている上記3)記載の熱交換器。

5)熱交換部が複数の曲げ部分を有しており、内外両管の軸線を含む１つの平面内において曲げられた曲げ部分と、内外両管の軸線を含みかつ上記平面と交わる他の１つの平面内において曲げられた曲げ部分とが混在している上記1)〜4)のうちのいずれかに記載の熱交換器。

6)外管、内管およびコネクタがそれぞれアルミニウム製である上記1)〜5)のうちのいずれかに記載の熱交換器。

7)コンプレッサ、ガスクーラ、エバポレータ、気液分離器、減圧器、およびガスクーラから出てきた冷媒とエバポレータから出てきた冷媒とを熱交換させる中間熱交換器とを備えており、かつ超臨界冷媒を用いる冷凍サイクルであって、中間熱交換器が上記1)〜6)のうちのいずれかに記載された熱交換器からなる冷凍サイクル。

8)中間熱交換器の第１流体通路内をエバポレータから出てきた低圧の冷媒が流れ、同じく第２流体通路内をガスクーラから出てきた高圧の冷媒が流れるようになっている上記7)記載の冷凍サイクル。

9)超臨界冷媒が二酸化炭素からなる上記7)または8)記載の冷凍サイクル。

10)上記7)〜9)のうちのいずれかに記載の冷凍サイクルがカーエアコンとして搭載されている車両。
11)コンプレッサ、室外熱交換器、気液分離器、減圧器、およびコンプレッサにより圧縮された高温高圧の熱媒体とエンジンからヒータコアに送られるエンジン冷却液とを熱交換させる冷却液加熱用熱交換器とを備えており、かつ超臨界熱媒体を用いる暖房サイクルであって、冷却液加熱用熱交換器が上記1)〜6)のうちのいずれかに記載された熱交換器からなる暖房サイクル。

12)冷却液加熱用熱交換器の第１流体通路内をエンジン冷却液が流れ、同じく第２流体通路内をコンプレッサにより圧縮された高温高圧の熱媒体が流れるようになっている上記11)記載の暖房サイクル。

13)超臨界熱媒体が二酸化炭素からなる上記11)または12)記載の暖房サイクル。

14)上記11)〜13)のうちのいずれかに記載の暖房サイクルがカーエアコンとして搭載されている車両。

上記1)の熱交換器によれば、熱交換部が、少なくとも１箇所において曲げられているので、熱交換部の第１および第２流体通路内を流れる流体間の総伝熱面積を、所望の熱交換性能を得るために必要な大きさにしたとしても、両コネクタ間の直線的な間隔は、特許文献１記載の中間熱交換器よりも短くなる。 したがって、この熱交換器の設置スペースの直線的な長さを特許文献１記載の熱交換器の場合に比べて小さくすることができる。 しかも、たとえば自動車に搭載する場合には、自動車の空きスペースに合わせて任意の形状に曲げることが可能になり、自動車のエンジンルーム内のスペースを有効利用することができる。

上記2)の熱交換器によれば、第１および第２流体通路内を流れる流体間の伝熱面積が増大し、熱交換効率が向上する。 また、フィンが内管に一体に形成されているので、部品点数が少なくなる。

上記3)の熱交換器によれば、内管が外管に固定されることになり、振動による異音の発生を防止することができる。

上記4)の熱交換器によれば、第１流体通路内に流体を流すと、流体が曲げ部分を通過する際の慣性力と相俟って、流体混合部において効率良く混合されることになり、乱流効果と流体温度均一化効果により、特許文献１記載の中間熱交換器に比較して、両流体通路内を流れる流体間での熱交換性能が向上する。

上記5)の熱交換器を、たとえば自動車に搭載する場合には、自動車の空きスペースに合わせて任意の形状に曲げることが可能になり、自動車のエンジンルーム内のスペースを有効利用することができて、実現性が高くなる。

また、上記5)の熱交換器において、上記3)の構成を備えている場合には、内管が外管に固定されることによる異音発生防止効果が一層向上する。

さらに、上記5)の熱交換器において、上記4)の構成を備えている場合、内外両管の軸線を含む１つの平面内において曲げられた曲げ部分と、内外両管の軸線を含みかつ上記平面と交わる他の１つの平面内において曲げられた曲げ部分とでは、流体混合部の内外両管の周方向の位置が異なったものになる。 したがって、第１流体通路内を流れる流体は、各曲げ部分を通過する際の慣性力と相俟って、各流体混合部において一層効率良く混合されることになり、乱流効果と流体温度均一化効果による両流体通路内を流れる流体間での熱交換性能向上効果が顕著になる。

上記6)の熱交換器によれば、第１流体通路を流れる流体と第２流体通路を流れる流体との間の伝熱効率が向上する。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

なお、以下の説明において、図４の上下、左右をそれぞれ上下、左右というものとする。

また、全図面を通じて同一部分および同一物には同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１はこの発明による熱交換器の第１の実施形態の全体構成を示し、図２〜図４はその要部の構成を示す。 また、図５は図１の熱交換器を中間熱交換器として用いた超臨界冷凍サイクルを示す。

図１〜図４において、熱交換器(1)は、横断面円形の外管(2)、外管(2)内に間隔をおいて同心状に挿入された横断面円形の内管(3)および内管(3)の外周面に設けられたフィン(4)よりなる熱交換部(10)と、熱交換部(10)の両管(2)(3)の両端部に固定されたコネクタ(5)とを備えており、熱交換部(10)、すなわち両管(2)(3)が、少なくとも１箇所、ここでは両管(2)(3)の軸線を含む１つの水平な平面(P)内において２箇所で曲げられている。 曲げ部分を(10A)で示す。

外管(2)は、金属、ここではアルミニウム押出形材からなる。 内管(3)は、金属、ここではアルミニウム押出形材からなり、その外周面に、複数のフィン(4)が、周方向に間隔をおき、かつ内管(3)の長さ方向に伸びるように一体に形成されている。 曲げ部分(10A)を除いた熱交換部(10)の直線状部分(10B)においては、フィン(4)の先端部と外管(2)内周面との間には若干の隙間が存在している（図２参照）。 内管(3)の両端部は外管(2)よりも外方に突出しており、この外方突出部(3a)の全体にわたってフィン(4)が切除され、フィン無し部(8)が設けられている。 また、内管(3)の内周面には、全長にわたる複数のインナーフィン(9)が周方向に間隔をおいて一体に形成されている（図２および図３参照）。 そして、外管(2)と内管(3)との間の間隙が第１の流体通路(6)となっているとともに内管(3)内が第２の流体通路(7)となっている。

熱交換部(10)は、真っ直ぐな外管(2)内に真っ直ぐな内管(3)を挿入した後、曲げ加工を施すことにより形成されている。 この曲げ加工は、両管(2)(3)にコネクタ(5)を固定する前後いずれかに施される。 図３に示すように、熱交換部(10)の曲げ部分(10A)においては、上記平面(P)上において、外管(2)が、曲げ中心と外管(2)の軸線とを結ぶ方向に若干潰れている。 そして、熱交換部(10)の曲げ部分(10A)の横断面、すなわち上記平面(P)と直交する断面（図１のＢ−Ｂ線断面に相当する）において、内管(3)の一部のフィン(4)の先端部は、外管(2)の曲げ内側部分(2a)および曲げ外側部分(2b)の内周面に当接しており、外管(2)の曲げ内側部分(2a)および曲げ外側部分(2b)により、フィン(4)を介して内管(3)が挟着固定されている。 また、熱交換部(10)の曲げ部分(10A)の横断面において、一部のフィン(4)の先端部が外管(2)の曲げ内側部分(2a)および曲げ外側部分(2b)に当接している部分の周方向の両側（図３では上下両側）においては、それぞれフィン(4)の先端部と外管(2)内周面との間の隙間が、直線状部分(10B)におけるフィン(4)の先端部と外管(2)内周面との間よりも大きくなっており、ここに流体混合部(20)が形成されている。

図４に示すように、コネクタ(5)は金属、ここではアルミニウム製のブロックからなり、横向き円柱状部(5a)と、円柱状部(5a)の上端に連なった直方体状部(5b)とよりなる。 以下、左側のコネクタ(5)について説明する。 コネクタ(5)における円柱状部(5a)の右端面には、環状壁(11)が右方突出状に一体に形成されることにより、外管(2)の端部を嵌め入れる外管嵌入用凹所(12)が形成されている。 そして、外管(2)の端部がコネクタ(5)の外管嵌入用凹所(12)内に嵌め入れられ、外管(2)外周面と、環状壁(11)の先端部、すなわち凹所(12)の開口周縁部とが接合されている。 この接合は、ろう付、ここではトーチろう付により行われている。

コネクタ(5)には一端が円柱状部(5a)の右端面における環状壁(11)に囲まれた部分に開口するとともに他端が直方体状部(5b)の上面に開口し、かつ第１流体通路(6)に連通した流路(13)が形成されている。 また、コネクタ(5)の流路(13)における円柱状部(5a)に存在する横向き部分の左端面と円柱状部(5a)の左端面（外面）との間に左右方向に伸びる貫通穴(14)が形成されている。 そして、内管(3)のフィン無し部(8)の左側部分が貫通穴(14)内に挿入されている。 フィン無し部(8)の左端部は貫通穴(14)における円柱状部(5a)の左端面側の開口より外方に突出しており、内管(3)のフィン無し部(8)の外周面が、円柱状部(5a)における貫通穴(14)の左端開口の周縁部に接合されている。 この接合は、ろう付、ここではトーチろう付により行われている。

コネクタ(5)の円柱状部(5a)の左端面における貫通穴(14)の周囲の部分には環状壁(15)が左方突出状に一体に形成されている。 内管(3)のフィン無し部(8)の左端部は環状壁(15)よりも左方に突出しており、フィン無し部(8)における環状壁(15)よりも突出した部分および環状壁(15)に被さるようにユニオンねじ(16)が配置されている。 環状壁(15)はユニオンねじ(16)に形成された貫通穴(17)の右端大径部(17a)内に嵌め入れられ、フィン無し部(8)の左端部は貫通穴(17)における右端大径部(17a)に連なった小径部(17b)内に嵌め入れられている。 ユニオンねじ(16)の右端部は、円柱状部(5a)の左端面における環状壁(15)の周囲の部分に形成された環状凹所(18)内に嵌っており、ユニオンねじ(16)の外周面の右端部と、円柱状部(5a)における凹所(18)の内周面とが接合されている。 この接合は、ろう付、ここではトーチろう付により行われている。 一方のコネクタ(5)のユニオンねじ(16)は第２流体通路(7)内に流体を供給するための配管用パイプを接続するのに利用され、他方のコネクタ(5)のユニオンねじ(16)は第２流体通路(7)内から流体を排出するための配管用パイプを接続するのに利用される。

コネクタ(5)には、直方体状部(5b)の上面から下方に伸びるめねじ穴(19)が形成されている。 一方のコネクタ(5)のめねじ穴(19)は第１流体通路(6)内に流体を供給するための配管用パイプを接続するのに利用され、他方のコネクタ(5)のめねじ穴(19)は第１流体通路(6)内から流体を排出するための配管用パイプを接続するのに利用される。

右側のコネクタ(5)は左側のコネクタ(5)と左右逆向きの構成であり、左側コネクタ(5)の場合と同様にして外管(2)および内管(3)に固定されている。

図５は、上述した熱交換器(1)を中間熱交換器として用いた超臨界冷凍サイクルを示す。

図５において、超臨界冷凍サイクルは超臨界冷媒としてＣＯ _２を用いるものであり、コンプレッサ(21)、ガスクーラ(22)、エバポレータ(23)、気液分離器としてのアキュムレータ(24)、減圧器としての膨張弁(25)、およびガスクーラ(22)から出てきた冷媒とエバポレータ(23)から出てきた冷媒とを熱交換させる中間熱交換器(1)を備えている。 超臨界冷凍サイクルは、カーエアコンとして車両、たとえば自動車に搭載される。

中間熱交換器(1)の第１流体通路(6)内をエバポレータ(23)から出てアキュムレータ(24)を通過してきた低圧の冷媒が流れ、同じく第２流体通路(7)内をガスクーラ(22)から出てきた高圧の冷媒が流れるようになっている。 そして、第１流体通路(6)内を流れる冷媒は、各曲げ部分(10A)を通過する際の慣性力と相俟って、流体混合部(20)において混合されることになり、乱流効果と流体温度均一化効果により、両流体通路(6)(7)内を流れる冷媒間での熱交換性能が向上する。

図６に、第１の実施形態の熱交換器(1)（実施例）と、全体が真っ直ぐな熱交換部を備えた以外は実施例の熱交換器(1)と同じ構成の熱交換器（比較例）との熱交換性能を示す。 ここで、実施例の熱交換器(1)における曲げ部分(10A)を含んだ熱交換部(10)の実質長は、比較例の熱交換器の熱交換部の直線長さに等しい。 図６に示す結果から、実施例の熱交換器(1)の熱交換性能は、比較例の熱交換器よりも優れていることが分かる。

図７は、この発明による熱交換器の第２の実施形態を示す。

図７に示す実施形態の熱交換器(30)の場合、熱交換部(10)、すなわち両管(2)(3)が、少なくとも１箇所、ここでは３箇所で曲げられている。 各曲げ部分(10A)においては、熱交換部(10)は、両管(2)(3)の軸線を含む１つの平面(P1)(P2)(P3)内で曲げられているが、これらの平面(P1)(P2)(P3)は相互に交わるようになっている。

図示は省略したが、上述した第１の実施形態の場合と同様に、各曲げ部分(10A)においては、上記平面(P1)(P2)(P3)上において、外管(2)が、曲げ中心と外管(2)の軸線とを結ぶ方向に若干潰れている。 そして、熱交換部(10)の曲げ部分(10A)の横断面、すなわち上記平面(P1)(P2)(P3)と直交する断面において、内管(3)の一部のフィン(4)の先端部は、外管(2)の曲げ内側部分(2a)および曲げ外側部分(2b)の内周面に当接しており、外管(2)の曲げ内側部分(2a)および曲げ外側部分(2b)により、フィン(4)を介して内管(3)が挟着固定されている。 また、熱交換部(10)の曲げ部分(10A)の横断面において、一部のフィン(4)の先端部が外管82)の曲げ内側部分(2a)および曲げ外側部分(2b)に当接している部分の周方向の両側においては、それぞれフィン(4)の先端部と外管(2)内周面との間の隙間が、直線状部分(10B)におけるフィン(4)の先端部と外管(2)内周面との間よりも大きくなっており、ここに流体混合部(20)が形成されている。 ここでは、上記平面(P1)(P2)(P3)が相互に交わるようになっているので、各曲げ部分(10A)の流体混合部(20)の位置は、両管(2)(3)の周方向に異なっている。

その他の構成は第１の実施形態の熱交換器(1)と同じであり、第１の実施形態の場合と同様に、超臨界冷凍サイクルの中間熱交換器として好適に用いられる。 中間熱交換器として用いられた場合、各曲げ部分(10A)の流体混合部(20)の位置は、両管(2)(3)の周方向に異なっているので、第１流体通路(6)内を流れる冷媒は、各曲げ部分(10A)を通過する際の慣性力と相俟って、流体混合部(20)において一層効率良く混合されることになり、乱流効果と流体温度均一化効果による両流体通路(6)(7)内を流れる冷媒間での熱交換性能向上効果が、第１の実施形態の場合よりも優れたものになる。

図８は、上述した熱交換器(1)(30)を冷却液加熱用熱交換器として使用し、かつ超臨界熱媒体を用いる暖房サイクルを示す。

図８において、暖房サイクルは、超臨界熱媒体としてＣＯ _２を用いるものであり、コンプレッサ(50)、コンプレッサ(50)により圧縮された高温高圧の熱媒体とエンジン(51)からヒータコア(52)に送られるエンジン冷却液とを熱交換させる冷却液加熱用熱交換器(1)(30)、冷却液加熱用熱交換器(1)(30)を通過した熱媒体を減圧する減圧器としての膨張弁(53)、膨張弁(53)で減圧された熱媒体を蒸発させる室外熱交換器(54)、および室外熱交換器(54)からコンプレッサ(50)に送られる熱媒体中の液体を分離する気液分離器としてのアキュムレータ(55)を備えている。 暖房サイクルは、カーエアコンとして車両、たとえば自動車に搭載される。

冷却液加熱用熱交換器(1)(30)の第１流体通路(6)内をエンジン冷却液が流れ、同じく第２流体通路(7)内をコンプレッサ(50)により圧縮された高温高圧の熱媒体が流れるようになっている。

なお、この暖房サイクルにおいて、コンプレッサ(50)、膨張弁(53)およびアキュムレータ(55)として、図５に示す超臨界冷凍サイクルのコンプレッサ(21)、減圧器としての膨張弁(25)および気液分離器としてのアキュムレータ(24)が共用されるとともに、室外熱交換器(54)としてガスクーラ(22)が共用されるように、配管および切り替え弁などが設けられることがある。

上記において、超臨界冷媒および超臨界熱媒体としては、二酸化炭素が使用されているが、これに限定されるものではなく、エチレン、エタン、酸化窒素なども使用可能である。

この発明による熱交換器の第１の実施形態を示す全体斜視図である。

図１Ａ−Ａ線拡大断面図である。

図１のＢ−Ｂ線拡大断面図である。

図１のＣ−Ｃ線拡大断面図である。

第１の実施形態の熱交換器を中間熱交換器として用いた超臨界冷凍サイクルを示す図である。

第１の実施形態の熱交換器を用いて行った実験例および比較例を示すグラフである。

この発明による熱交換器の第２の実施形態を示す全体斜視図である。

第１および第２の実施形態の熱交換器を冷却液加熱用熱交換器として用いた暖房サイクルを示す図である。

符号の説明

(1)(30)：熱交換器
(2)：外管
(2a)：曲げ内側部分
(2b)：曲げ外側部分
(3)：内管
(4)：フィン
(5)：コネクタ
(6)：第１流体通路
(7)：第２流体通路
(10)：熱交換部
(10A)：曲げ部分
(20)：流体混合部
(21)：コンプレッサ
(22)：ガスクーラ
(23)：エバポレータ
(24)：アキュムレータ（気液分離器）
(25)：膨張弁（減圧器）
(50)：コンプレッサ
(51)：エンジン
(52)：ヒータコア
(53)：膨張弁（減圧器）
(54)：室外熱交換器
(55)：アキュムレータ（気液分離器）
(P)(P1)(P2)(P3)：平面