膨張段を備えた熱交換器
【課題】本発明は、第１流体の膨張並びに熱伝達をできるだけ簡単にかつ省スペース的に実施することができる熱交換器ユニットを提供せんとするものである。
【解決手段】第１流体の状態、特に空調装置の冷媒の状態を調節するための熱交換器ユニットは流体と空気の熱交換器を備え、この流体と空気の熱交換器は、第１管要素ユニット３ａに第１流体を供給するための入口接続分配管８と、流体と空気の熱交換器３から圧縮機段１４に第１流体を移送するための中間出口１０と、圧縮機段１４から流体と空気の熱交換器３に第１流体を移送するための中間入口１１とを具備し、中間入口１１の下流に第２管要素ユニット３ｂが配置され、第２管要素ユニットから第１流体を排出するために出口接続分配管１３が設けられ、第１流体が出口接続分配管を経て膨張段１５に移送可能である。
【解決手段】第１流体の状態、特に空調装置の冷媒の状態を調節するための熱交換器ユニットは流体と空気の熱交換器を備え、この流体と空気の熱交換器は、第１管要素ユニット３ａに第１流体を供給するための入口接続分配管８と、流体と空気の熱交換器３から圧縮機段１４に第１流体を移送するための中間出口１０と、圧縮機段１４から流体と空気の熱交換器３に第１流体を移送するための中間入口１１とを具備し、中間入口１１の下流に第２管要素ユニット３ｂが配置され、第２管要素ユニットから第１流体を排出するために出口接続分配管１３が設けられ、第１流体が出口接続分配管を経て膨張段１５に移送可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体と空気の熱交換器を備えた、第１流体の状態、特に空調装置の冷媒の状態を調節するための熱交換器ユニットに関し、更に詳しくは、流体と空気の熱交換器が、第１管要素ユニットに第１流体を供給するための入口接続分配管を具備し、空気または第２流体が特に第１流体の流れ方向に対して横方向に第１管要素ユニットの周囲を流れることができるようにまたは第１管要素ユニットを流通できるように、第１管要素ユニットが形成されている、熱交換器ユニットに関する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
本発明の課題は、第１流体の膨張並びに熱伝達をできるだけ簡単にかつ省スペース的に実施することができる、冒頭に述べた種類の熱交換器ユニットを提供することである。本発明の他の課題は、高い効率で冷媒循環を可能にする、冒頭に述べた種類の熱交換器ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
この課題は請求項１の特徴を有する熱交換器ユニットによって解決される。この熱交換器ユニットの場合、流体と空気の熱交換器から圧縮機段に第１流体を移送するための中間出口と、圧縮機段から流体と空気の熱交換器に第１流体を移送するための中間入口が設けられ、中間入口の下流に第２管要素ユニットが配置され、第２管要素ユニットから第１流体を排出するために出口接続分配管が設けられ、第１流体が出口接続分配管を経て膨張段に移送可能である。その際、第１流体が空気に熱を放出する第１冷却プロセスが第１管要素ユニット内で行われると有利である。続いて、第１流体が圧縮機段で圧縮可能である。これに応じて高い圧力レベルで、第２冷却プロセスが第２管要素ユニット内で実現可能である。この第２冷却プロセスでは、第１流体が更に冷却される。これにより、第１管要素ユニットと第２管要素ユニットには好ましくは異なる温度範囲が割り当てられる。この温度範囲は空気の供給温度によって調節可能である。第１流体は第２管要素ユニットを流通した後で、膨張段において次のように膨張する。すなわち、膨張段から圧縮機段に技術的な仕事が伝達され、それに伴い内部のエネルギー回収が可能であるように膨張する。
【０００４】
本発明の実施形態では、圧縮機段と膨張段が互いに隣接して配置され、かつ特にトルクを伝達するように互いに連結可能に形成されている。その際、圧縮機段と膨張段の隣接配置構造は、すべての重要な構成要素のきわめて省スペース的な配置を可能にする。両段を１つの構造ユニットにまとめることができるときわめて有利である。更に、両段が少なくとも所定の運転状態でトルクを伝達するように互いに連結可能であると有利である。
【０００５】
本発明の他の実施形態では、特に第１管要素ユニットが垂直組込み状況で第２管要素ユニットの下方に配置されている。それによって、本発明に従って協働するすべての構成要素の省スペース的な配置、特に圧縮機段と膨張段の省スペース的な配置が可能となり、両管要素ユニットの間で測地学的な落差が実現可能である。その代わりに、第１管要素ユニットを水平方向において第２管要素ユニットのすぐ横に配置することが可能である。
【０００６】
本発明の他の実施形態では、第１管要素ユニットと第２管要素ユニットが好ましくは直方体の包被空間内で共通の１つの構造ユニットを形成している。共通の構造ユニットは好ましくは１つの流れ面を有し、第２流体がこの流れ面を経て第１管要素ユニットおよび第２管要素ユニットに供給可能であり、この流れ面は包被空間の側方の端面と比較して大きい。
【０００７】
本発明の他の実施形態では、第１管要素ユニットは少なくとも一部が水平に配置された管要素に沿って形成され、かつ第１の流体が下側から上側へ垂直方向に流通できるように形成されている。このような配置構造の場合、第１流体が気体状態で第１管要素ユニット内に有利に保持される。従って、垂直方向において入口接続分配管の入口の上方または入口接続分配管全体の上方に配置された中間出口を第１管要素ユニットに付設することができる。それによって、第２管要素ユニットに通じる中間入口と中間出口の間隔を、きわめて小さく採寸することができる。
【０００８】
本発明の他の実施形態では、第２管要素ユニットは少なくとも一部が水平に配置された管要素に沿って形成され、かつ第１の流体が上側から下側へ垂直方向に流通できるように形成され、特に中間入口が第２管要素ユニットの上側区間に配置されている。このような配置構造により、第１流体を少なくとも部分的に液体状態で第２管要素ユニットを経て案内することができる。この場合、第２管要素ユニットの流通は重力の作用によって促進される。これにより、第１流体をきわめて低い温度まで冷却することができる。出口接続分配管の出口が第２管要素ユニットの最も低い個所に配置されると有利である。
【０００９】
本発明の他の実施形態では、膨張段の下流に、第１流体を蒸発させるための第２熱交換器が設けられている。第２の熱交換器の下流には、それ自体公知の冷媒コンプレッサを配置することができる。この冷媒コンプレッサは出口側が本発明による熱交換器ユニットに直接または間接的に接続されているので、構造がきわめて簡単でエネルギー効率の高い冷媒閉鎖回路が生じる。
【００１０】
本発明の他の実施形態では、流体と空気の熱交換器の外側に配置された移送管が圧縮機段と中間入口の間に設けられている。移送管は所望な壁厚と所望な流れ横断面積を有することができる。この場合、圧縮機段と中間入口の間隔を移送管によって架橋することができる。従って、移送管は圧縮機段と膨張段を最小の空間に、特に共通のハウジング内に直接隣り合わせて配置することを可能にする。
【００１１】
本発明の他の実施形態では、膨張段が出口接続分配管に一体的に形成されているかあるいは溶接、ろう付けまたは接着されている。圧縮機段が出口接続分配管に一体的に形成されているかあるいは溶接、ろう付けまたは接着されていると更に有利である。従って、膨張段と場合によっては圧縮機段は第２管要素ユニットと共にまとめられたシステムを形成する。特に、膨張段と圧縮機段は直方体の包被空間内に統合可能である。
【００１２】
本発明の他の実施形態では、圧縮機段と膨張段が共通の１つのハウジング内に配置され、ハウジングが圧縮機ホイールと膨張段ホイールとの間の断熱隔壁を備え、この隔壁が圧縮機ホイールおよび膨張段ホイールに接触する。断熱隔壁が一方では圧縮機段の圧縮機空間を画成し、他方では膨張段の膨張空間を画成すると有利である。断熱隔壁は同時に、圧縮機段と膨張段の間で熱伝達を制限する。従って、断熱隔壁がセラミック材料または合成樹脂材料によって形成されていると有利である。
【００１３】
本発明の他の実施形態では、圧縮機段と膨張段が共通の１本の軸を備え、圧縮機ホイールまたは膨張段ホイールが共通の軸上に摺動可能に配置されている。その際、それぞれ他のホイールが共通の軸に固定連結されているかまたは共通の軸上に軸方向に摺動不能に軸承されていると有利である。圧縮機段と膨張段の共通のハウジング内に、ばね要素が設けられていると更に有利である。このばね要素は共通の軸上に摺動可能に配置されたホイールを、共通の軸上に固定されたホイールの方へ直接的にまたは間接的にばね力で付勢している。これに関連して特に、断熱隔壁をハウジング内に摺動可能に支承すると有利である。それによって、隔壁は摺動可能に配置されたホイールと共に、軸上に固定されたホイールの方へ押圧可能である。
【００１４】
本発明の他の実施形態では、膨張段が第１流体の内部膨張を実施することができる可変の膨張容積を有する。更に、圧縮機段は第１流体の内部圧縮を実施することができる可変の圧縮機容積を有する。冷却プロセスからの仕事を取り出すための内部膨張と、冷却プロセスに仕事を供給するための内部圧縮は、膨張段の技術的仕事を圧縮機段に直接伝達可能であることにより、ポテンシャルエネルギーをきわめて有利に回収することを可能にする。これにより、関連する冷却プロセスの効率が高められる。内部膨張を実現するためあるいは内部圧縮を実現するために、可動のピストンが作動室内に配置されていると有利である。このピストンによって、可変膨張容積が拡大によって変更可能であるかあるいは可変圧縮機容積が縮小によって変更可能であり、従ってポテンシャルエネルギーの伝達のために使用可能である。
【００１５】
本発明の他の実施形態では、膨張段と圧縮機段がそれぞれ、中央軸に軸承された内側ホイールと、ハウジングに軸承され内側ホイールを包囲する外側ホイールを備え、内側ホイールに外歯が付設され、この外歯にかみ合う対応する内歯が外側ホイールに付設され、内側ホイールと外側ホイールがそれぞれ、互いに離隔された２つの回転軸線回りに回転可能に軸承されている。その際、内側ホイールと外側ホイールはそれぞれ一緒に、第１および第２圧縮機ホイールとしてあるいは第１および第２膨張段ホイールとして作用する。従って、両段は、きわめてコンパクトにかつ低コストで形成可能である、２つの圧縮機ホイールまたは膨張段ホイールを備えた内軸構造を有する。共通の軸が設けられ、両内側ホイールがこの共通の軸に軸承されていると有利である。それぞれ外側ホイールを支持するために、別個のスライドシューが設けられていると有利である。このスライドシューは一方ではハウジングに接触し、他方では小さな寸法の面状のスライド接触部が外側ホイールに接触する。スライドシューはそれぞれ、運転中生じる、外側ホイールに対する力の範囲に配置されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
他の特徴と特徴組み合わせは、図に例示した、次に説明する実施形態から明らかである。
【００１７】
自動車用空調システムにおける熱交換器ユニット１は、図１、図２及び図5に示すように、特に流体と空気の熱交換器３と膨張段(an expansion stage)／圧縮機ユニット２とを備えている。この流体と空気の熱交換器３と膨張段／圧縮機ユニット２は共通の直方体状包被空間４内に配置されている。熱交換器ユニットは特に、第１流体と、大気（外気）の形態の第２流体との間で熱交換する働きをする。この場合、第１流体として特に、これ以上詳しく示していないが図５に示す空調装置の冷媒回路の冷媒が選択される。このような冷媒回路は特に、冷媒コンプレッサK（冷媒圧縮機K）を備えている。この冷媒コンプレッサでは気体の冷媒が圧縮されて搬送され、そして冷媒コンプレッサKは出口側が本発明による熱交換器ユニットに接続されている。その際、本発明による熱交換器ユニットの下流側には、第２の熱交換器W2が配置され、この第２の熱交換器内では、冷却プロセスの範囲内で、液状冷媒が蒸発させられる。第２の熱交換器には収集ユニットSを接続することができる。この収集ユニット内では気体の冷媒を液体冷媒から分離することができ、そして収集ユニットから気体冷媒を取り出して冷媒コンプレッサに新たに供給することができる。従って、図5に示すように、きわめて簡単な構造の閉じた冷媒回路が形成される。理解されるように、冷媒回路は両方向に運転可能である。
【００１８】
変形実施形態では、本発明による熱交換器ユニットが移動式または定置式の空調装置および／またはヒートポンプの冷媒回路内に設けられている。他の変形実施形態では、熱交換器ユニットのために空気の代わりに他の気体および／または液体の第２流体が使用される。他の変形実施形態では、物理的および／または化学的に異なる少なくとも３つの流体が流通できるように、流体と空気の熱交換器が形成されている。
【００１９】
共通の包被空間４は比較的に大きな第１端面４ａを有する。この第１端面は熱交換器ユニットの（ほぼ垂直な）上下軸線Ｈに対して平行にかつ横軸線Ｑに対して平行に向いており、１つまたは複数の空気流（および場合によっては第３の流体）が流通軸線Ｄの方向からこの第１端面を通って流体と空気の熱交換器３に供給可能である。これに応じて、流体と空気の熱交換器３はそれぞれの空気流が流通軸線Ｄの方向に通過できるように形成されている。第１端面４ａと反対側の第２端面４ｂにおいて、空気流は流体と空気の熱交換器３から排出可能である。
【００２０】
流体と空気の熱交換器３は本発明に従い、第１管要素ユニット３ａと第２管要素ユニット３ｂを備えている。この第１と第２の管要素ユニットはそれぞれ、横軸線Ｑの方向に向いた多数の管要素５を備えている。管要素５は主として横軸線Ｑ方向に第１流体を適切に案内するために設けられている。管要素５は特に、第１流体が流通可能な１つまたは複数の中空室を有する偏平管プロファイルとして形成されている。個々の管要素５の間には好ましくは、熱伝導する熱伝達要素６、例えばいわゆるフィンが配置されている。この熱伝達要素は管要素５に熱伝導連結されて固定されている。図１，２においては、見やすくするために、管要素の間に設けられた熱伝達要素の一部だけが示してある。管要素５はその周りを第２および／または第３流体が特に流通方向Ｄに流れることができるように形成されている。
【００２１】
第１管要素ユニット３ａは複数の管要素ユニットを取り囲む直方体の管要素包被空間７内において、第２管要素ユニット３ｂのすぐ下に配置されている。好ましくは、第１管要素ユニット３ａに第１空気流路が、そして第２管要素ユニット３ｂに第２空気流路が付設されている。この場合、第１空気流路は第２空気流路よりも高い温度を有することができる。変形実施形態では、空気流路にわたって連続的な温度勾配が設けられている。この温度勾配の最も低い温度レベルは特に管要素包被空間７の垂直方向上側の範囲７ａ内に配置されている。
【００２２】
流体と空気の熱交換器３は共通の包被空間４の下側範囲４ｃ内に更に、入口接続分配管８を備えている。入口８ａを経てこの入口接続分配管に第１流体を供給することができる。第１流体は入口接続分配管８から第１管要素ユニット３ａに移送可能である。この場合、第１流体は入口接続分配管８の範囲内において多数の管要素５に分配可能である。第１管要素ユニット３ａの管要素５は好ましくは次のように接続されて設けられている。すなわち、第１管要素ユニット内の第１流体の流れが第１方向変換分配管９の範囲において少なくとも１度１８０°方向変換し、中間出口１０を経て第１の管要素ユニットから外へ案内可能であるように接続されて設けられている。第１流体は第１の管要素ユニット３ａを経て上下軸線Ｈの方向に中間出口１０の方へ上向きに移送可能である。この場合、中間出口１０はほぼ入口接続分配管８の上方に配置されている。このような配置構造は、第１管要素ユニット内において第１流体がすべての運転状態で気体の状態で存在し、従って第１流体が第１管要素ユニットを通って垂直方向上方に搬送可能であると、有利に実現可能である。
【００２３】
流体と空気の熱交換器３は更に、共通の包被空間４の垂直方向上側範囲４ｄ内に、中間入口１１を備えている。第１流体がこの中間入口から第２の管要素ユニット３ｂに供給可能である。第２管要素ユニット３ｂの管要素５は好ましくは、第２管要素ユニット内の第１流体の流れが複数の第２方向変換分配管１２の範囲内で複数回１８０°方向変換され得るように接続されて設けられている。第１流体は出口接続分配管１３を経て第２管要素ユニット３ｂ、ひいては流体と空気の熱交換器３から外へ案内される。その際、出口接続分配管１３が上下軸線Ｈに関して中間入口１１の下方のレベルに配置されているので、第１流体は第２管要素ユニット３ｂを流通する際に或る程度の測地落差を通過する。特に、出口接続分配管１３は第２管要素ユニット３ｂの下側区間内におよび第１管要素ユニット３ａの上方に配置されている。このような配置構造により、第２管要素ユニットを流通する際に第１流体の凝縮に対する流体と空気の熱交換器の許容誤差が生じる。
【００２４】
既に述べたように、流体と空気の熱交換器３には膨張段／圧縮機ユニット２が付設されている。このユニットには、第１の管要素ユニット３ａから中間出口１０を経て第１流体が供給可能である。第２管要素ユニット３ｂは膨張段／圧縮機ユニット２の後に接続配置されている。
【００２５】
膨張段／圧縮機ユニット２は特に、共通の鉢状ハウジング１６内に配置された圧縮機段１４と膨張段１５を備えている（図３参照）。鉢状ハウジング１６は好ましくは流通軸線Ｄ方向において流体と空気の熱交換器３と同じ幅を有する。変形実施形態では、膨張段と圧縮機のユニットが別個のハウジング内に収納され、互いに隣接して配置されている。他の変形実施形態では、膨張段と圧縮機のユニットが伝動装置ユニットおよび／またはクラッチユニットを介してトルクを伝達するように互いに連結されているかあるいは互いに連結可能に形成されている。特に、膨張段と圧縮機のユニットの連結は、熱交換器ユニットまたは自動車空調装置の運転状態に依存して変更可能である。そのために、少なくとも１個のセンサを介して、自動車空調装置および／または熱交換器ユニットの運転状態に関する情報を入手する調整装置／制御装置が設けられている。
【００２６】
ハウジング１６内には、第１流体を搬送するための複数の通路が設けられている。この通路について図３，４に基づいて詳しく後述する。ハウジング１６内には、中心軸線１６ａを有するほぼ円筒状の中空室１６ｂが形成されている。この中空室内において、共通の軸１７が回転軸線１７ａ回りに偏心回転可能に軸承されている。中心軸線１６ａと回転軸線１７ａは一定の距離を有する。共通の軸１７には、一方では膨張段内側ホイール１５ａが高い精度で固定されている。他方では、圧縮機内側ホイール１４ａが軸方向に摺動可能に共通の軸１７上に軸承されている。この場合、フェザーキー継手１７ｂによって回転が阻止される。膨張段内側ホイール１５ａと圧縮機内側ホイール１４ａにはそれぞれ、外側ホイール、すなわち膨張段外側ホイール１５ｂと圧縮機外側ホイール１４ｂが付設されている。膨張段外側ホイール１５ｂには内歯が設けられている。この内歯は膨張段内側ホイール１５ａの対応する外歯にかみ合っている。圧縮機外側ホイール１４ｂには内歯が設けられている。この内歯は圧縮機内側ホイール１４ａの対応する外歯にかみ合っている。外側ホイール１４ｂ，１５ｂはそれぞれ中央において共通のハウジング１６に回転可能に軸承されている。各外側ホイールの力が発生する範囲には、スライドシュー１８が設けられている。このスライドシューには当該の外側ホイールが支持されている。スライドシュー１８はそれぞれ別個の構成要素として形成され、そしてスライドシューに支持された外側ホイールが接触してスライドする比較的に小さな接触面を備えている。スライドシュー以外の範囲において外側ホイール１４ｂ，１５ｂとハウジング１６の間には、リング状の潤滑用隙間１６ｃが設けられている。
【００２７】
端面の範囲において膨張段１５の要素とハウジング１６の間には、好ましくは金属製またはセラミックス製の第１支持要素１９が設けられている。この第１支持要素は周方向に延びる少なくとも１個のシールリング２０を備え、膨張段内側ホイール１５ａと膨張段外側ホイール１５ｂの端面側を支持している。膨張段１５と圧縮機段１４との間には断熱隔壁２１が設けられている。この隔壁はハウジング１６内に摺動可能に配置されている。隔壁は圧縮機ホイール１４ａ，１４ｂと膨張段ホイール１５ａ，１５ｂに接触する。断熱隔壁２１は好ましくは熱を伝導しにくい材料、特に合成樹脂またはセラミック材料からなっている。断熱隔壁２１の周溝内には、周方向に延びる少なくとも１個のシールリング２２が設けられている。
【００２８】
ハウジング１６の第２端面の範囲には、ねじ止め可能なハウジング蓋１６ｄが設けられている。ハウジング１６はこのハウジング蓋によって閉鎖可能に形成されている。ハウジング蓋１６ｄと圧縮機段１４の間には第２支持要素２３が設けられている。この第２支持要素は端面側が圧縮機ホイール１４ａ，１４ｂに接触し、好ましくは支持要素２３とハウジング蓋１６ｄの間に圧縮挿入されたコイルばね２５を介して圧縮機ホイール１４ａ，１４ｂに押し付けられている。第２支持要素２３の複数の周溝には少なくとも２個のシールリング２４が設けられている。シールリング２４の間には周方向に延びる他の環状溝２６が設けられている。この環状溝は圧縮機段１４の第１流出通路２７に接続し、第１流体が流通し得るように形成されている。
【００２９】
流出通路２７は実質的に第２支持要素２３内に配置され、環状溝２６を介して圧縮機段の第２流出通路２８に連通している。この第２流出通路２８はハウジング１６内に孔として形成されている。圧縮機段１４の第１流入通路２９が流出通路２７に対してほぼ直径方向に向き合うよう第２支持要素２３内に配置されている。この第１流入通路２９はばね２５の空間を経て圧縮機段の第２流入通路３０に連通している。この第２流入通路３０は好ましくは流体と空気の熱交換器の中間出口１０に直接接続されているかまたはこの中間出口と一体に形成されている。変形実施形態では、中間出口１０と第２流入通路３０との間に移送管路が接続配置されている。上記の配管によって、第１流体は流体と空気の熱交換器から中間出口１０の下流に向かって流入通路２９，３０を経て圧縮機段１４に供給可能である。第１流体はこの圧縮機段において、互いにかみ合う圧縮機ホイール１４ａ，１４ｂによって圧縮される。続いて、第１流体は流出通路２７，２８を経て移送管路３１に移送可能であり（図１参照）、更にこの移送管路を経て中間入口１１に搬送可能である。
【００３０】
第１流体は第２管要素ユニット３ｂを流通した後で出口接続分配管１３を経て、ハウジング内に配置された第３流入通路３２および第１支持要素１９内に配置された第４流入通路３３に達する。第１流体は第３流入通路および第４流入通路を経て膨張段１５に供給可能である。この膨張段において、第１流体は膨張段ホイール１５ａ，１５ｂにポテンシャルエネルギーを放出しながら連続的に膨張可能である。ハウジング内に配置された第３流出通路３４と、第１支持要素１９内に配置された第４流出通路３５が流入通路３２，３３に対して直径方向に向き合う側に設けられている。これらの流出通路は膨張段１５の低圧側と連通し、出口３６への膨張第１流体の移送を可能にする。第１流体は出口３６を経て膨張段／圧縮機ユニット２からだけでなく熱交換器ユニット１全体からも出る。
【００３１】
膨張段１５で回収された技術的な仕事は本発明に従い膨張段１５と圧縮機段１４の共通の軸１７を経て圧縮機段に直接伝えられる。その際、圧縮機段１４において冷却プロセスの圧縮作業の一部が実施され、回収された技術的な仕事が内部で利用されると有利である。変形実施形態では、本発明による１個の流体と空気の熱交換器に複数の膨張段／圧縮機ユニットが付設されている。この複数の膨張段／圧縮機ユニットによって多段の膨張と多段の圧縮が実現可能である。他の変形では、個々のまたは複数の膨張段の間並びに付設されたそれぞれの圧縮機ユニットの間に、場合によっては制御可能な伝動装置ユニット／クラッチユニットが設けられている。
【００３２】
膨張段／圧縮機ユニット２は好ましくはほぼ円筒状に形成され、その流通軸線Ｄ方向の流体と空気の熱交換器３の厚さにほぼ一致する直径を有する。膨張段／圧縮機ユニット２の軸方向の長さは上下軸線Ｈ方向の流体と空気の熱交換器３の高さよりも短い。従って、膨張段／圧縮機ユニットは最小の共通包被空間４内に有利に挿入される。
【００３３】
本発明による熱交換器ユニットにより、第１流体で実施される冷却プロセスの次の方法ステップが、きわめて簡単な手段でおよび狭いスペースで実現可能である。すなわち、冷却、内部圧縮による中間圧縮、更なる冷却および／または（部分）凝縮、内部応力除去による膨張が実現可能である。膨張時に放出されるポテンシャルエネルギーの本発明による回収および内部利用によって、きわめて効率のよいプロセスを実施することができる。提案した配置構造は、冷却機の多数の構成要素を共通の１つの構造ユニットにまとめる。この構造ユニットはきわめて小さな直方体の包被空間を有するブロックとして、自動車製造またはその他の用途に有利に使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】流体と空気の熱交換器と膨張段／圧縮機ユニットを備えた本発明による熱交換器ユニットの縦断面図である。
【図２】図１の熱交換器ユニットの斜視図である。
【図３】図１の膨張段／圧縮機ユニットの拡大縦断面図である。
【図４】図３の膨張段／圧縮機ユニットのＩＶ−ＩＶ線に沿った横断面図である。
【図５】図５は空調装置の冷媒回路の一例を示す。
【符号の説明】
【００３５】
３ 流体と空気の熱交換器
３ａ 第１管要素ユニット
３ｂ 第２管要素ユニット
５ 管要素
７ 直方体の包被空間
８ 入口接続分配管
１０ 中間出口
１１ 中間入口
１３ 出口接続分配管
１４ 圧縮機段
１４ａ，１４ｂ 圧縮機ホイール
１５ 膨張段
１５ａ，１５ｂ 膨張段ホイール
１６ ハウジング
１６ａ 回転軸線
１７ 軸
１７ａ 回転軸線
３１ 移送管
Ｈ 垂直方向
K 冷媒圧縮機
W2 第二熱交換器
S 液体冷媒収集ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体と空気の熱交換器を備えた、第１流体の状態、特に空調装置の冷媒の状態を調節するための熱交換器ユニットに関し、更に詳しくは、流体と空気の熱交換器が、第１管要素ユニットに第１流体を供給するための入口接続分配管を具備し、空気または第２流体が特に第１流体の流れ方向に対して横方向に第１管要素ユニットの周囲を流れることができるようにまたは第１管要素ユニットを流通できるように、第１管要素ユニットが形成されている、熱交換器ユニットに関する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
本発明の課題は、第１流体の膨張並びに熱伝達をできるだけ簡単にかつ省スペース的に実施することができる、冒頭に述べた種類の熱交換器ユニットを提供することである。本発明の他の課題は、高い効率で冷媒循環を可能にする、冒頭に述べた種類の熱交換器ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
この課題は請求項１の特徴を有する熱交換器ユニットによって解決される。この熱交換器ユニットの場合、流体と空気の熱交換器から圧縮機段に第１流体を移送するための中間出口と、圧縮機段から流体と空気の熱交換器に第１流体を移送するための中間入口が設けられ、中間入口の下流に第２管要素ユニットが配置され、第２管要素ユニットから第１流体を排出するために出口接続分配管が設けられ、第１流体が出口接続分配管を経て膨張段に移送可能である。その際、第１流体が空気に熱を放出する第１冷却プロセスが第１管要素ユニット内で行われると有利である。続いて、第１流体が圧縮機段で圧縮可能である。これに応じて高い圧力レベルで、第２冷却プロセスが第２管要素ユニット内で実現可能である。この第２冷却プロセスでは、第１流体が更に冷却される。これにより、第１管要素ユニットと第２管要素ユニットには好ましくは異なる温度範囲が割り当てられる。この温度範囲は空気の供給温度によって調節可能である。第１流体は第２管要素ユニットを流通した後で、膨張段において次のように膨張する。すなわち、膨張段から圧縮機段に技術的な仕事が伝達され、それに伴い内部のエネルギー回収が可能であるように膨張する。
【０００４】
本発明の実施形態では、圧縮機段と膨張段が互いに隣接して配置され、かつ特にトルクを伝達するように互いに連結可能に形成されている。その際、圧縮機段と膨張段の隣接配置構造は、すべての重要な構成要素のきわめて省スペース的な配置を可能にする。両段を１つの構造ユニットにまとめることができるときわめて有利である。更に、両段が少なくとも所定の運転状態でトルクを伝達するように互いに連結可能であると有利である。
【０００５】
本発明の他の実施形態では、特に第１管要素ユニットが垂直組込み状況で第２管要素ユニットの下方に配置されている。それによって、本発明に従って協働するすべての構成要素の省スペース的な配置、特に圧縮機段と膨張段の省スペース的な配置が可能となり、両管要素ユニットの間で測地学的な落差が実現可能である。その代わりに、第１管要素ユニットを水平方向において第２管要素ユニットのすぐ横に配置することが可能である。
【０００６】
本発明の他の実施形態では、第１管要素ユニットと第２管要素ユニットが好ましくは直方体の包被空間内で共通の１つの構造ユニットを形成している。共通の構造ユニットは好ましくは１つの流れ面を有し、第２流体がこの流れ面を経て第１管要素ユニットおよび第２管要素ユニットに供給可能であり、この流れ面は包被空間の側方の端面と比較して大きい。
【０００７】
本発明の他の実施形態では、第１管要素ユニットは少なくとも一部が水平に配置された管要素に沿って形成され、かつ第１の流体が下側から上側へ垂直方向に流通できるように形成されている。このような配置構造の場合、第１流体が気体状態で第１管要素ユニット内に有利に保持される。従って、垂直方向において入口接続分配管の入口の上方または入口接続分配管全体の上方に配置された中間出口を第１管要素ユニットに付設することができる。それによって、第２管要素ユニットに通じる中間入口と中間出口の間隔を、きわめて小さく採寸することができる。
【０００８】
本発明の他の実施形態では、第２管要素ユニットは少なくとも一部が水平に配置された管要素に沿って形成され、かつ第１の流体が上側から下側へ垂直方向に流通できるように形成され、特に中間入口が第２管要素ユニットの上側区間に配置されている。このような配置構造により、第１流体を少なくとも部分的に液体状態で第２管要素ユニットを経て案内することができる。この場合、第２管要素ユニットの流通は重力の作用によって促進される。これにより、第１流体をきわめて低い温度まで冷却することができる。出口接続分配管の出口が第２管要素ユニットの最も低い個所に配置されると有利である。
【０００９】
本発明の他の実施形態では、膨張段の下流に、第１流体を蒸発させるための第２熱交換器が設けられている。第２の熱交換器の下流には、それ自体公知の冷媒コンプレッサを配置することができる。この冷媒コンプレッサは出口側が本発明による熱交換器ユニットに直接または間接的に接続されているので、構造がきわめて簡単でエネルギー効率の高い冷媒閉鎖回路が生じる。
【００１０】
本発明の他の実施形態では、流体と空気の熱交換器の外側に配置された移送管が圧縮機段と中間入口の間に設けられている。移送管は所望な壁厚と所望な流れ横断面積を有することができる。この場合、圧縮機段と中間入口の間隔を移送管によって架橋することができる。従って、移送管は圧縮機段と膨張段を最小の空間に、特に共通のハウジング内に直接隣り合わせて配置することを可能にする。
【００１１】
本発明の他の実施形態では、膨張段が出口接続分配管に一体的に形成されているかあるいは溶接、ろう付けまたは接着されている。圧縮機段が出口接続分配管に一体的に形成されているかあるいは溶接、ろう付けまたは接着されていると更に有利である。従って、膨張段と場合によっては圧縮機段は第２管要素ユニットと共にまとめられたシステムを形成する。特に、膨張段と圧縮機段は直方体の包被空間内に統合可能である。
【００１２】
本発明の他の実施形態では、圧縮機段と膨張段が共通の１つのハウジング内に配置され、ハウジングが圧縮機ホイールと膨張段ホイールとの間の断熱隔壁を備え、この隔壁が圧縮機ホイールおよび膨張段ホイールに接触する。断熱隔壁が一方では圧縮機段の圧縮機空間を画成し、他方では膨張段の膨張空間を画成すると有利である。断熱隔壁は同時に、圧縮機段と膨張段の間で熱伝達を制限する。従って、断熱隔壁がセラミック材料または合成樹脂材料によって形成されていると有利である。
【００１３】
本発明の他の実施形態では、圧縮機段と膨張段が共通の１本の軸を備え、圧縮機ホイールまたは膨張段ホイールが共通の軸上に摺動可能に配置されている。その際、それぞれ他のホイールが共通の軸に固定連結されているかまたは共通の軸上に軸方向に摺動不能に軸承されていると有利である。圧縮機段と膨張段の共通のハウジング内に、ばね要素が設けられていると更に有利である。このばね要素は共通の軸上に摺動可能に配置されたホイールを、共通の軸上に固定されたホイールの方へ直接的にまたは間接的にばね力で付勢している。これに関連して特に、断熱隔壁をハウジング内に摺動可能に支承すると有利である。それによって、隔壁は摺動可能に配置されたホイールと共に、軸上に固定されたホイールの方へ押圧可能である。
【００１４】
本発明の他の実施形態では、膨張段が第１流体の内部膨張を実施することができる可変の膨張容積を有する。更に、圧縮機段は第１流体の内部圧縮を実施することができる可変の圧縮機容積を有する。冷却プロセスからの仕事を取り出すための内部膨張と、冷却プロセスに仕事を供給するための内部圧縮は、膨張段の技術的仕事を圧縮機段に直接伝達可能であることにより、ポテンシャルエネルギーをきわめて有利に回収することを可能にする。これにより、関連する冷却プロセスの効率が高められる。内部膨張を実現するためあるいは内部圧縮を実現するために、可動のピストンが作動室内に配置されていると有利である。このピストンによって、可変膨張容積が拡大によって変更可能であるかあるいは可変圧縮機容積が縮小によって変更可能であり、従ってポテンシャルエネルギーの伝達のために使用可能である。
【００１５】
本発明の他の実施形態では、膨張段と圧縮機段がそれぞれ、中央軸に軸承された内側ホイールと、ハウジングに軸承され内側ホイールを包囲する外側ホイールを備え、内側ホイールに外歯が付設され、この外歯にかみ合う対応する内歯が外側ホイールに付設され、内側ホイールと外側ホイールがそれぞれ、互いに離隔された２つの回転軸線回りに回転可能に軸承されている。その際、内側ホイールと外側ホイールはそれぞれ一緒に、第１および第２圧縮機ホイールとしてあるいは第１および第２膨張段ホイールとして作用する。従って、両段は、きわめてコンパクトにかつ低コストで形成可能である、２つの圧縮機ホイールまたは膨張段ホイールを備えた内軸構造を有する。共通の軸が設けられ、両内側ホイールがこの共通の軸に軸承されていると有利である。それぞれ外側ホイールを支持するために、別個のスライドシューが設けられていると有利である。このスライドシューは一方ではハウジングに接触し、他方では小さな寸法の面状のスライド接触部が外側ホイールに接触する。スライドシューはそれぞれ、運転中生じる、外側ホイールに対する力の範囲に配置されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
他の特徴と特徴組み合わせは、図に例示した、次に説明する実施形態から明らかである。
【００１７】
自動車用空調システムにおける熱交換器ユニット１は、図１、図２及び図5に示すように、特に流体と空気の熱交換器３と膨張段(an expansion stage)／圧縮機ユニット２とを備えている。この流体と空気の熱交換器３と膨張段／圧縮機ユニット２は共通の直方体状包被空間４内に配置されている。熱交換器ユニットは特に、第１流体と、大気（外気）の形態の第２流体との間で熱交換する働きをする。この場合、第１流体として特に、これ以上詳しく示していないが図５に示す空調装置の冷媒回路の冷媒が選択される。このような冷媒回路は特に、冷媒コンプレッサK（冷媒圧縮機K）を備えている。この冷媒コンプレッサでは気体の冷媒が圧縮されて搬送され、そして冷媒コンプレッサKは出口側が本発明による熱交換器ユニットに接続されている。その際、本発明による熱交換器ユニットの下流側には、第２の熱交換器W2が配置され、この第２の熱交換器内では、冷却プロセスの範囲内で、液状冷媒が蒸発させられる。第２の熱交換器には収集ユニットSを接続することができる。この収集ユニット内では気体の冷媒を液体冷媒から分離することができ、そして収集ユニットから気体冷媒を取り出して冷媒コンプレッサに新たに供給することができる。従って、図5に示すように、きわめて簡単な構造の閉じた冷媒回路が形成される。理解されるように、冷媒回路は両方向に運転可能である。
【００１８】
変形実施形態では、本発明による熱交換器ユニットが移動式または定置式の空調装置および／またはヒートポンプの冷媒回路内に設けられている。他の変形実施形態では、熱交換器ユニットのために空気の代わりに他の気体および／または液体の第２流体が使用される。他の変形実施形態では、物理的および／または化学的に異なる少なくとも３つの流体が流通できるように、流体と空気の熱交換器が形成されている。
【００１９】
共通の包被空間４は比較的に大きな第１端面４ａを有する。この第１端面は熱交換器ユニットの（ほぼ垂直な）上下軸線Ｈに対して平行にかつ横軸線Ｑに対して平行に向いており、１つまたは複数の空気流（および場合によっては第３の流体）が流通軸線Ｄの方向からこの第１端面を通って流体と空気の熱交換器３に供給可能である。これに応じて、流体と空気の熱交換器３はそれぞれの空気流が流通軸線Ｄの方向に通過できるように形成されている。第１端面４ａと反対側の第２端面４ｂにおいて、空気流は流体と空気の熱交換器３から排出可能である。
【００２０】
流体と空気の熱交換器３は本発明に従い、第１管要素ユニット３ａと第２管要素ユニット３ｂを備えている。この第１と第２の管要素ユニットはそれぞれ、横軸線Ｑの方向に向いた多数の管要素５を備えている。管要素５は主として横軸線Ｑ方向に第１流体を適切に案内するために設けられている。管要素５は特に、第１流体が流通可能な１つまたは複数の中空室を有する偏平管プロファイルとして形成されている。個々の管要素５の間には好ましくは、熱伝導する熱伝達要素６、例えばいわゆるフィンが配置されている。この熱伝達要素は管要素５に熱伝導連結されて固定されている。図１，２においては、見やすくするために、管要素の間に設けられた熱伝達要素の一部だけが示してある。管要素５はその周りを第２および／または第３流体が特に流通方向Ｄに流れることができるように形成されている。
【００２１】
第１管要素ユニット３ａは複数の管要素ユニットを取り囲む直方体の管要素包被空間７内において、第２管要素ユニット３ｂのすぐ下に配置されている。好ましくは、第１管要素ユニット３ａに第１空気流路が、そして第２管要素ユニット３ｂに第２空気流路が付設されている。この場合、第１空気流路は第２空気流路よりも高い温度を有することができる。変形実施形態では、空気流路にわたって連続的な温度勾配が設けられている。この温度勾配の最も低い温度レベルは特に管要素包被空間７の垂直方向上側の範囲７ａ内に配置されている。
【００２２】
流体と空気の熱交換器３は共通の包被空間４の下側範囲４ｃ内に更に、入口接続分配管８を備えている。入口８ａを経てこの入口接続分配管に第１流体を供給することができる。第１流体は入口接続分配管８から第１管要素ユニット３ａに移送可能である。この場合、第１流体は入口接続分配管８の範囲内において多数の管要素５に分配可能である。第１管要素ユニット３ａの管要素５は好ましくは次のように接続されて設けられている。すなわち、第１管要素ユニット内の第１流体の流れが第１方向変換分配管９の範囲において少なくとも１度１８０°方向変換し、中間出口１０を経て第１の管要素ユニットから外へ案内可能であるように接続されて設けられている。第１流体は第１の管要素ユニット３ａを経て上下軸線Ｈの方向に中間出口１０の方へ上向きに移送可能である。この場合、中間出口１０はほぼ入口接続分配管８の上方に配置されている。このような配置構造は、第１管要素ユニット内において第１流体がすべての運転状態で気体の状態で存在し、従って第１流体が第１管要素ユニットを通って垂直方向上方に搬送可能であると、有利に実現可能である。
【００２３】
流体と空気の熱交換器３は更に、共通の包被空間４の垂直方向上側範囲４ｄ内に、中間入口１１を備えている。第１流体がこの中間入口から第２の管要素ユニット３ｂに供給可能である。第２管要素ユニット３ｂの管要素５は好ましくは、第２管要素ユニット内の第１流体の流れが複数の第２方向変換分配管１２の範囲内で複数回１８０°方向変換され得るように接続されて設けられている。第１流体は出口接続分配管１３を経て第２管要素ユニット３ｂ、ひいては流体と空気の熱交換器３から外へ案内される。その際、出口接続分配管１３が上下軸線Ｈに関して中間入口１１の下方のレベルに配置されているので、第１流体は第２管要素ユニット３ｂを流通する際に或る程度の測地落差を通過する。特に、出口接続分配管１３は第２管要素ユニット３ｂの下側区間内におよび第１管要素ユニット３ａの上方に配置されている。このような配置構造により、第２管要素ユニットを流通する際に第１流体の凝縮に対する流体と空気の熱交換器の許容誤差が生じる。
【００２４】
既に述べたように、流体と空気の熱交換器３には膨張段／圧縮機ユニット２が付設されている。このユニットには、第１の管要素ユニット３ａから中間出口１０を経て第１流体が供給可能である。第２管要素ユニット３ｂは膨張段／圧縮機ユニット２の後に接続配置されている。
【００２５】
膨張段／圧縮機ユニット２は特に、共通の鉢状ハウジング１６内に配置された圧縮機段１４と膨張段１５を備えている（図３参照）。鉢状ハウジング１６は好ましくは流通軸線Ｄ方向において流体と空気の熱交換器３と同じ幅を有する。変形実施形態では、膨張段と圧縮機のユニットが別個のハウジング内に収納され、互いに隣接して配置されている。他の変形実施形態では、膨張段と圧縮機のユニットが伝動装置ユニットおよび／またはクラッチユニットを介してトルクを伝達するように互いに連結されているかあるいは互いに連結可能に形成されている。特に、膨張段と圧縮機のユニットの連結は、熱交換器ユニットまたは自動車空調装置の運転状態に依存して変更可能である。そのために、少なくとも１個のセンサを介して、自動車空調装置および／または熱交換器ユニットの運転状態に関する情報を入手する調整装置／制御装置が設けられている。
【００２６】
ハウジング１６内には、第１流体を搬送するための複数の通路が設けられている。この通路について図３，４に基づいて詳しく後述する。ハウジング１６内には、中心軸線１６ａを有するほぼ円筒状の中空室１６ｂが形成されている。この中空室内において、共通の軸１７が回転軸線１７ａ回りに偏心回転可能に軸承されている。中心軸線１６ａと回転軸線１７ａは一定の距離を有する。共通の軸１７には、一方では膨張段内側ホイール１５ａが高い精度で固定されている。他方では、圧縮機内側ホイール１４ａが軸方向に摺動可能に共通の軸１７上に軸承されている。この場合、フェザーキー継手１７ｂによって回転が阻止される。膨張段内側ホイール１５ａと圧縮機内側ホイール１４ａにはそれぞれ、外側ホイール、すなわち膨張段外側ホイール１５ｂと圧縮機外側ホイール１４ｂが付設されている。膨張段外側ホイール１５ｂには内歯が設けられている。この内歯は膨張段内側ホイール１５ａの対応する外歯にかみ合っている。圧縮機外側ホイール１４ｂには内歯が設けられている。この内歯は圧縮機内側ホイール１４ａの対応する外歯にかみ合っている。外側ホイール１４ｂ，１５ｂはそれぞれ中央において共通のハウジング１６に回転可能に軸承されている。各外側ホイールの力が発生する範囲には、スライドシュー１８が設けられている。このスライドシューには当該の外側ホイールが支持されている。スライドシュー１８はそれぞれ別個の構成要素として形成され、そしてスライドシューに支持された外側ホイールが接触してスライドする比較的に小さな接触面を備えている。スライドシュー以外の範囲において外側ホイール１４ｂ，１５ｂとハウジング１６の間には、リング状の潤滑用隙間１６ｃが設けられている。
【００２７】
端面の範囲において膨張段１５の要素とハウジング１６の間には、好ましくは金属製またはセラミックス製の第１支持要素１９が設けられている。この第１支持要素は周方向に延びる少なくとも１個のシールリング２０を備え、膨張段内側ホイール１５ａと膨張段外側ホイール１５ｂの端面側を支持している。膨張段１５と圧縮機段１４との間には断熱隔壁２１が設けられている。この隔壁はハウジング１６内に摺動可能に配置されている。隔壁は圧縮機ホイール１４ａ，１４ｂと膨張段ホイール１５ａ，１５ｂに接触する。断熱隔壁２１は好ましくは熱を伝導しにくい材料、特に合成樹脂またはセラミック材料からなっている。断熱隔壁２１の周溝内には、周方向に延びる少なくとも１個のシールリング２２が設けられている。
【００２８】
ハウジング１６の第２端面の範囲には、ねじ止め可能なハウジング蓋１６ｄが設けられている。ハウジング１６はこのハウジング蓋によって閉鎖可能に形成されている。ハウジング蓋１６ｄと圧縮機段１４の間には第２支持要素２３が設けられている。この第２支持要素は端面側が圧縮機ホイール１４ａ，１４ｂに接触し、好ましくは支持要素２３とハウジング蓋１６ｄの間に圧縮挿入されたコイルばね２５を介して圧縮機ホイール１４ａ，１４ｂに押し付けられている。第２支持要素２３の複数の周溝には少なくとも２個のシールリング２４が設けられている。シールリング２４の間には周方向に延びる他の環状溝２６が設けられている。この環状溝は圧縮機段１４の第１流出通路２７に接続し、第１流体が流通し得るように形成されている。
【００２９】
流出通路２７は実質的に第２支持要素２３内に配置され、環状溝２６を介して圧縮機段の第２流出通路２８に連通している。この第２流出通路２８はハウジング１６内に孔として形成されている。圧縮機段１４の第１流入通路２９が流出通路２７に対してほぼ直径方向に向き合うよう第２支持要素２３内に配置されている。この第１流入通路２９はばね２５の空間を経て圧縮機段の第２流入通路３０に連通している。この第２流入通路３０は好ましくは流体と空気の熱交換器の中間出口１０に直接接続されているかまたはこの中間出口と一体に形成されている。変形実施形態では、中間出口１０と第２流入通路３０との間に移送管路が接続配置されている。上記の配管によって、第１流体は流体と空気の熱交換器から中間出口１０の下流に向かって流入通路２９，３０を経て圧縮機段１４に供給可能である。第１流体はこの圧縮機段において、互いにかみ合う圧縮機ホイール１４ａ，１４ｂによって圧縮される。続いて、第１流体は流出通路２７，２８を経て移送管路３１に移送可能であり（図１参照）、更にこの移送管路を経て中間入口１１に搬送可能である。
【００３０】
第１流体は第２管要素ユニット３ｂを流通した後で出口接続分配管１３を経て、ハウジング内に配置された第３流入通路３２および第１支持要素１９内に配置された第４流入通路３３に達する。第１流体は第３流入通路および第４流入通路を経て膨張段１５に供給可能である。この膨張段において、第１流体は膨張段ホイール１５ａ，１５ｂにポテンシャルエネルギーを放出しながら連続的に膨張可能である。ハウジング内に配置された第３流出通路３４と、第１支持要素１９内に配置された第４流出通路３５が流入通路３２，３３に対して直径方向に向き合う側に設けられている。これらの流出通路は膨張段１５の低圧側と連通し、出口３６への膨張第１流体の移送を可能にする。第１流体は出口３６を経て膨張段／圧縮機ユニット２からだけでなく熱交換器ユニット１全体からも出る。
【００３１】
膨張段１５で回収された技術的な仕事は本発明に従い膨張段１５と圧縮機段１４の共通の軸１７を経て圧縮機段に直接伝えられる。その際、圧縮機段１４において冷却プロセスの圧縮作業の一部が実施され、回収された技術的な仕事が内部で利用されると有利である。変形実施形態では、本発明による１個の流体と空気の熱交換器に複数の膨張段／圧縮機ユニットが付設されている。この複数の膨張段／圧縮機ユニットによって多段の膨張と多段の圧縮が実現可能である。他の変形では、個々のまたは複数の膨張段の間並びに付設されたそれぞれの圧縮機ユニットの間に、場合によっては制御可能な伝動装置ユニット／クラッチユニットが設けられている。
【００３２】
膨張段／圧縮機ユニット２は好ましくはほぼ円筒状に形成され、その流通軸線Ｄ方向の流体と空気の熱交換器３の厚さにほぼ一致する直径を有する。膨張段／圧縮機ユニット２の軸方向の長さは上下軸線Ｈ方向の流体と空気の熱交換器３の高さよりも短い。従って、膨張段／圧縮機ユニットは最小の共通包被空間４内に有利に挿入される。
【００３３】
本発明による熱交換器ユニットにより、第１流体で実施される冷却プロセスの次の方法ステップが、きわめて簡単な手段でおよび狭いスペースで実現可能である。すなわち、冷却、内部圧縮による中間圧縮、更なる冷却および／または（部分）凝縮、内部応力除去による膨張が実現可能である。膨張時に放出されるポテンシャルエネルギーの本発明による回収および内部利用によって、きわめて効率のよいプロセスを実施することができる。提案した配置構造は、冷却機の多数の構成要素を共通の１つの構造ユニットにまとめる。この構造ユニットはきわめて小さな直方体の包被空間を有するブロックとして、自動車製造またはその他の用途に有利に使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】流体と空気の熱交換器と膨張段／圧縮機ユニットを備えた本発明による熱交換器ユニットの縦断面図である。
【図２】図１の熱交換器ユニットの斜視図である。
【図３】図１の膨張段／圧縮機ユニットの拡大縦断面図である。
【図４】図３の膨張段／圧縮機ユニットのＩＶ−ＩＶ線に沿った横断面図である。
【図５】図５は空調装置の冷媒回路の一例を示す。
【符号の説明】
【００３５】
３ 流体と空気の熱交換器
３ａ 第１管要素ユニット
３ｂ 第２管要素ユニット
５ 管要素
７ 直方体の包被空間
８ 入口接続分配管
１０ 中間出口
１１ 中間入口
１３ 出口接続分配管
１４ 圧縮機段
１４ａ，１４ｂ 圧縮機ホイール
１５ 膨張段
１５ａ，１５ｂ 膨張段ホイール
１６ ハウジング
１６ａ 回転軸線
１７ 軸
１７ａ 回転軸線
３１ 移送管
Ｈ 垂直方向
K 冷媒圧縮機
W2 第二熱交換器
S 液体冷媒収集ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体と空気の熱交換器を備えた、第１流体の状態、特に空調装置の冷媒の状態を調節するための熱交換器ユニットであって、前記の流体と空気の熱交換器が、
―第１管要素ユニット（３ａ）に第１流体を供給するための入口接続分配管（８）を具備し、空気または第２流体が特に第１流体の流れ方向に対して横方向に前記第１管要素ユニットの周囲を流れることができるようにまたは前記第１管要素ユニットを流通できるように、前記第１管要素ユニットが形成され、
―更に、前記の流体と空気の熱交換器（３）から圧縮機段（１４）に第１流体を移送するための中間出口（１０）と、
―前記圧縮機段（１４）から前記の流体と空気の熱交換器（３）に第１流体を移送するための中間入口（１１）とを具備し、
―前記中間入口（１１）の下流に第２管要素ユニット（３ｂ）が配置され、空気または第２流体が前記第２管要素ユニットの周囲を流れることができるようにまたは前記第２管要素ユニットを流通できるように、前記第２管要素ユニットが形成され、
―前記第２管要素ユニットから第１流体を排出するために出口接続分配管（１３）が設けられ、第１流体が前記出口接続分配管を経て膨張段（１５）に移送可能である、
上記熱交換器ユニット。
【請求項２】
前記圧縮機段（１４）と前記膨張段（１５）が互いに隣接して配置され、かつ特にトルクを伝達するように互いに連結可能であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器ユニット。
【請求項３】
前記第１管要素ユニット（３ａ）が垂直組込み状況で前記第２管要素ユニット（３ｂ）の下方に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器ユニット。
【請求項４】
前記第１管要素ユニット（３ａ）と前記第２管要素ユニット（３ｂ）が好ましくは直方体の包被空間（７）内に共通の１つの構造ユニットを形成していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項５】
前記第１管要素ユニット（３ａ）は少なくとも一部が水平に配置された管要素（５）に沿って形成され、かつ第１の流体が下側から上側へ垂直方向（Ｈ）に流通できるように形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項６】
前記第２管要素ユニット（３ｂ）は少なくとも一部が水平に配置された管要素（５）に沿って形成され、かつ第１の流体が上側から下側へ垂直方向（Ｈ）に流通できるように形成され、特に中間入口（１１）が第２管要素ユニット（３ｂ）の上側区間に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項７】
前記膨張段（１５）の下流に、第１流体を蒸発させるための第２熱交換器が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項８】
前記の流体と空気の熱交換器（３）の外側に配置された移送管（３１）が前記圧縮機段（１４）と前記中間入口（１１）の間に設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項９】
前記膨張段（１５）が前記出口接続分配管（１３）に一体的に形成されているかあるいは溶接、ろう付けまたは接着されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項１０】
前記圧縮機段（１４）と前記膨張段（１５）が共通の１つのハウジング（１６）内に配置され、該ハウジング（１６）が（その中に摺動可能に配置された、）圧縮機ホイール（１４ａ，１４ｂ）と膨張段ホイール（１５ａ，１５ｂ）との間の断熱隔壁（２１）を備え、この隔壁が前記圧縮機ホイールおよび前記膨張段ホイールに接触することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項１１】
前記圧縮機段（１４）と前記膨張段（１５）が共通の１本の軸（１７）を備え、圧縮機ホイール（１４ａ）または膨張段ホイール（１５ａ）が共通の軸（１７）上に摺動可能に配置されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項１２】
―前記膨張段（１５）が第１流体の内部膨張を実施することができる可変の膨張容積を有することと、
―前記圧縮機段（１４）が第１流体の内部圧縮を実施することができる可変の圧縮機容積を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項１３】
前記膨張段（１５）と前記圧縮機段（１４）がそれぞれ、中央軸（１７）に軸承された内側ホイール（１４ａ，１５ａ）と、ハウジングに軸承され内側ホイールを包囲する外側ホイール（１４ｂ，１５ｂ）とを備え、
―前記内側ホイール（１４ａ，１５ａ）に外歯が付設され、
―この外歯にかみ合う対応する内歯が前記外側ホイール（１４ｂ，１５ｂ）に付設され、
―該内側ホイールと外側ホイールがそれぞれ、互いに離隔された２本の回転軸線（１７ａ，１６ａ）回りに回転可能に軸承されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項１】
流体と空気の熱交換器を備えた、第１流体の状態、特に空調装置の冷媒の状態を調節するための熱交換器ユニットであって、前記の流体と空気の熱交換器が、
―第１管要素ユニット（３ａ）に第１流体を供給するための入口接続分配管（８）を具備し、空気または第２流体が特に第１流体の流れ方向に対して横方向に前記第１管要素ユニットの周囲を流れることができるようにまたは前記第１管要素ユニットを流通できるように、前記第１管要素ユニットが形成され、
―更に、前記の流体と空気の熱交換器（３）から圧縮機段（１４）に第１流体を移送するための中間出口（１０）と、
―前記圧縮機段（１４）から前記の流体と空気の熱交換器（３）に第１流体を移送するための中間入口（１１）とを具備し、
―前記中間入口（１１）の下流に第２管要素ユニット（３ｂ）が配置され、空気または第２流体が前記第２管要素ユニットの周囲を流れることができるようにまたは前記第２管要素ユニットを流通できるように、前記第２管要素ユニットが形成され、
―前記第２管要素ユニットから第１流体を排出するために出口接続分配管（１３）が設けられ、第１流体が前記出口接続分配管を経て膨張段（１５）に移送可能である、
上記熱交換器ユニット。
【請求項２】
前記圧縮機段（１４）と前記膨張段（１５）が互いに隣接して配置され、かつ特にトルクを伝達するように互いに連結可能であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器ユニット。
【請求項３】
前記第１管要素ユニット（３ａ）が垂直組込み状況で前記第２管要素ユニット（３ｂ）の下方に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器ユニット。
【請求項４】
前記第１管要素ユニット（３ａ）と前記第２管要素ユニット（３ｂ）が好ましくは直方体の包被空間（７）内に共通の１つの構造ユニットを形成していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項５】
前記第１管要素ユニット（３ａ）は少なくとも一部が水平に配置された管要素（５）に沿って形成され、かつ第１の流体が下側から上側へ垂直方向（Ｈ）に流通できるように形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項６】
前記第２管要素ユニット（３ｂ）は少なくとも一部が水平に配置された管要素（５）に沿って形成され、かつ第１の流体が上側から下側へ垂直方向（Ｈ）に流通できるように形成され、特に中間入口（１１）が第２管要素ユニット（３ｂ）の上側区間に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項７】
前記膨張段（１５）の下流に、第１流体を蒸発させるための第２熱交換器が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項８】
前記の流体と空気の熱交換器（３）の外側に配置された移送管（３１）が前記圧縮機段（１４）と前記中間入口（１１）の間に設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項９】
前記膨張段（１５）が前記出口接続分配管（１３）に一体的に形成されているかあるいは溶接、ろう付けまたは接着されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項１０】
前記圧縮機段（１４）と前記膨張段（１５）が共通の１つのハウジング（１６）内に配置され、該ハウジング（１６）が（その中に摺動可能に配置された、）圧縮機ホイール（１４ａ，１４ｂ）と膨張段ホイール（１５ａ，１５ｂ）との間の断熱隔壁（２１）を備え、この隔壁が前記圧縮機ホイールおよび前記膨張段ホイールに接触することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項１１】
前記圧縮機段（１４）と前記膨張段（１５）が共通の１本の軸（１７）を備え、圧縮機ホイール（１４ａ）または膨張段ホイール（１５ａ）が共通の軸（１７）上に摺動可能に配置されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項１２】
―前記膨張段（１５）が第１流体の内部膨張を実施することができる可変の膨張容積を有することと、
―前記圧縮機段（１４）が第１流体の内部圧縮を実施することができる可変の圧縮機容積を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【請求項１３】
前記膨張段（１５）と前記圧縮機段（１４）がそれぞれ、中央軸（１７）に軸承された内側ホイール（１４ａ，１５ａ）と、ハウジングに軸承され内側ホイールを包囲する外側ホイール（１４ｂ，１５ｂ）とを備え、
―前記内側ホイール（１４ａ，１５ａ）に外歯が付設され、
―この外歯にかみ合う対応する内歯が前記外側ホイール（１４ｂ，１５ｂ）に付設され、
―該内側ホイールと外側ホイールがそれぞれ、互いに離隔された２本の回転軸線（１７ａ，１６ａ）回りに回転可能に軸承されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−１９８７２６（Ｐ２００７−１９８７２６Ａ）
【公開日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１３６８２（Ｐ２００７−１３６８２）
【出願日】平成１９年１月２４日（２００７．１．２４）
【出願人】（５０３１８７２３５）オブリストエンジニアリング ゲーエムベーハー (1)
【出願人】（３９８０７２９５３）ビステオン グローバル テクノロジーズ インコーポレーテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月２４日（２００７．１．２４）
【出願人】（５０３１８７２３５）オブリストエンジニアリング ゲーエムベーハー (1)
【出願人】（３９８０７２９５３）ビステオン グローバル テクノロジーズ インコーポレーテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
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