JP4334311B2

JP4334311B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP4334311B2
Application number: JP2003341997A
Authority: JP
Inventors: 明彦高野; 孝文梅原
Original assignee: Valeo Thermal Systems Japan Corp
Current assignee: Valeo Thermal Systems Japan Corp
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: JP2005106409A

Description

本発明は、チューブ及びフィンを積層してなるコアと、チューブの端部を接続したタンクと、コアの積層方向の端に配置されるとともにその端部をタンクに支持された補強部材とを備え、チューブを流通する媒体がコアに伝わる熱にて熱交換をする熱交換器に関する。

冷凍サイクルに用いられる放熱器やエバポレータ等の熱交換器としては、複数の偏平型のチューブと波型のフィンとを交互に積層してコアをなすとともに、チューブの端部をタンクに接続してなるものが知られている。冷媒は、タンクから内部に取り入れられて、コアに伝わる熱にて熱交換をしつつチューブを流通した後、タンクから外部に排出される。

一般に、このような熱交換器の機械的強度を向上する補強部材としては、コアの積層方向の端に配置されるとともにその端部をタンクに支持されたものが知られている。特許文献１乃至１０には、この種の補強部材を備えた熱交換器が開示されている。

更に、冷凍サイクルの冷媒としては、これまで代替フロンを含めフロン系の冷媒が広く採用されてきたところ、近年では地球環境に配慮して、これをＣＯ_２に変更する傾向にある。ＣＯ_２を冷媒とする冷凍サイクルは、フロン系の冷媒を用いた冷凍サイクルと比較すると、内部の圧力が極めて高く、とりわけ高圧側の圧力は、気温等の使用条件によって、冷媒の臨界点を超える。臨界点とは、気層と液層が共存する状態の高圧側の限界（つまり高温側の限界）であり、蒸気圧曲線の一方での終点である。臨界点での圧力、温度、密度は、それぞれ臨界圧力、臨界温度、臨界密度となる。特に、冷凍サイクルの高温熱源部である放熱器においては、圧力が冷媒の臨界点を上まわると、冷媒が凝縮することはない。特許文献１１には、このような超臨界冷凍サイクルにおいて好適に用いられる優れた熱交換器が開示されている。
特許第３１５６５６５号実登第２５１８５５０号実開平５−９６７８８号公報特開平１０−１９７１８８号公報特開平１０−３３２２９３号公報特開２００１−１２８２１号公報特開２００２−２４３３８７号公報特開２００２−２８６３９３号公報特開２００３−４３９５号公報特開２００３−４２６８３号公報国際公開第０３／０４０６４０号パンフレット

ところで、冷凍サイクルの熱交換器については、冷媒の熱交換効率の向上、小型化、軽量化、製造の容易化、及び設置スペースの節約等が重要な課題とされる。特に、高圧側の圧力が冷媒の臨界点を超える超臨界冷凍サイクルは、フロン系の冷媒を用いる冷凍サイクルと比較すると、非常に高い耐圧強度を要し、これに用いる熱交換器については、耐圧性の確保とともに、より一層の合理化が必要とされている。

例えば、超臨界冷凍サイクルの熱交換器は、耐圧性を確保する点で、チューブやタンクの容積を小さくするとともに、それらの肉厚を厚くする必要がある。そして、前述した補強部材についても、このようなタンクの肉厚化及び小径化等に対応するべく、更なる構造的工夫が求められている。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、補強部材を合理的に構成してなる熱交換器を提供することである。

本願第１請求項に記載した発明は、チューブ及びフィンを積層してなるコアと、前記チューブの端部を接続したタンクと、前記コアの積層方向の端に配置されるとともにその端部を前記タンクに支持された補強部材とを備え、前記チューブを流通する媒体が前記コアに伝わる熱にて熱交換をする熱交換器において、
前記タンクには、前記チューブの端部を挿入するチューブ挿入孔と、前記補強部材の端部を挿入する補強部材挿入孔とを設け、
前記補強部材は、一定幅の帯状の素材を加工してなるものであり、前記コアと対向する第１の部位と、前記第１の部位から突出した第２の部位とを備え、前記第２の部位は、前記帯状の素材の幅方向端部をその素材の長手方向に亘り折り曲げてなるリブであり、前記補強部材挿入孔に挿入する端部は、前記第２の部位から延出した構成の熱交換器である。

本願第２請求項に記載した発明は、請求項１において、前記補強部材は、前記端部に向って前記第１の部位の幅を縮小するとともに前記第２の部位の幅を拡大する絞り部を備えた構成の熱交換器である。

本願第３請求項に記載した発明は、請求項１又は２において、前記タンクを構成する部材としては、前記チューブ挿入孔及び前記補強部材挿入孔を設けた部材を備え、前記補強部材挿入孔は、前記チューブ挿入孔と同型とした構成の熱交換器である。

本願第４請求項に記載した発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記タンクを構成する部材としては、前記チューブ挿入孔を設けた部材と、前記補強部材挿入孔を設けた他の部材とを備えた構成の熱交換器である。

本願第５請求項に記載した発明は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記チューブは、その端部が捩じれた偏平型のものであり、前記チューブ挿入孔及び前記補強部材挿入孔の長径は、前記タンクの長手方向に揃えた構成の熱交換器である。

本願第６請求項に記載した発明は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、高圧側の圧力が冷媒の臨界点を超える冷凍サイクルに用いる構成の熱交換器である。

本発明によれば、補強部材を合理的に構成してなる熱交換器を得ることができる。

以下に、本発明の第１実施例を図１乃至図８に基づいて説明する。図１に示す冷凍サイクル１は、自動車に搭載される車内空調用の冷凍サイクルであり、冷媒を圧縮するコンプレッサ２と、コンプレッサ２で圧縮された冷媒を冷却する放熱器１００と、放熱器１００で冷却された冷媒を減圧して膨張する膨張弁３と、膨張弁３で減圧された冷媒を蒸発するエバポレータ４と、エバポレータ４から流出する冷媒を気層と液層に分離して気層の冷媒をコンプレッサ２へ送るアキュムレータ５と、高圧側の冷媒と低圧側の冷媒とを熱交換することによってサイクルの効率を向上する内部熱交換器６とを備えたものである。冷媒としてはＣＯ_２を用いており、当該超臨界冷凍サイクル１の高圧側の圧力は、気温等の使用条件により、冷媒の臨界点を上まわる。図１中の矢印は冷媒の循環方向を示す。

図２乃至図４に示すように、本例の熱交換器たる放熱器１００は、冷媒（つまり媒体）を流通する偏平型のチューブ２１０とコルゲート型のフィン２２０とを交互に積層してなる第１コア２００ａ及び第２コア２００ｂと、各チューブ２１０の端部がそれぞれ挿入接続された第１のタンク３００ａ、第２のタンク３００ｂ、及び第３のタンク３００ｃと、第１のタンク３００ａに設けられた冷媒の入口部４００と、第３のタンク３００ｃに設けられた冷媒の出口部５００とを備えている。各タンク３００ａ，３００ｂ，３００ｃは、その上下端部を閉鎖部材３３０にて閉鎖した管状のものである。また、第１コア２００ａ及び第２コア２００ｂの積層方向の上下の端には、補強部材６００をそれぞれ配置している。この補強部材６００は、第１コア２００ａ及び第２コア２００ｂに跨るものであり、補強部材６００の端部６３０は、各タンク３００ａ，３００ｂ，３００ｃにそれぞれ支持されている。

コンプレッサ２から送られる冷媒は、入口部４００から流入する。出口部５００から流出した冷媒は、膨張弁３へと送られる。尚、図２中の矢印は、放熱器１００における冷媒の流通方向を示しており、白抜き矢印は、第１コア２００ａ及び第２コア２００ｂに対する通風方向を示している。

第１のタンク３００ａには、第１コア２００ａのチューブ２１０の一方の端部が接続されている。第２のタンク３００ｂには、第１コア２００ａのチューブ２１０の他方の端部及び第２コア２００ｂのチューブ２１０の一方の端部が接続されている。また、第３のタンク３００ｃには、第２コア２００ｂのチューブ２１０の他方の端部が接続されている。

そして、第１コア２００ａ及び第２コア２００ｂに対しては、図示を省略したファンによって通風がなされ、冷媒は、第１コア２００ａ及び第２コア２００ｂに伝わる熱にて熱交換を行う。また、第１コア２００ａ及び第２コア２００ｂは、通風方向に重ねられるとともに、チューブ２１０の偏平状の面が通風方向と平行になるように構成されている。通風は、第２コア２００ｂ側から施される。つまり本例の放熱器１００は、第１コア２００ａ及び第２コア２００ｂにおける冷媒の流れを対向流としたカウンターフロータイプの熱交換器である。

かかる放熱器１００は、チューブ２１０、フィン２２０、第１のタンク３００ａ、第２のタンク３００ｂ、第３のタンク３００ｃ、入口部４００、及び出口部５００、及び補強部材６００を構成する複数のアルミ合金製の部材を一体に組み立てた後、その組み立て体を炉中にてろう付けして製造する。また、このような炉中ろう付けに際し、各部材の要所には、ろう付けに要するろう材及びフラックスが設けられる。

図５に示すように、本例のチューブ２１０は、複数の流路２１１を有するアルミ合金製の押出し成形チューブである。また、このチューブ２１０の端部は、押出し成形の後に加工を施すことにより、所定の方向に捩じれている。具体的には、チューブ２１０の両端部の幅方向は、通風方向に対してそれぞれ９０°に捩じれている。

図６に示すように、第１のタンク３００ａは、互いに組み立てられて管状となる第１タンク部材３１０及び第２タンク部材３２０と、第１タンク部材３１０及び第２タンク部材３２０の間のスペースを閉鎖する閉鎖部材３３０とを備えている。第１タンク部材３１０の長手方向には、チューブ２１０の端部を挿入するチューブ挿入孔３１１が所定のピッチで１列に設けられている。また、その長手方向の両端部には、補強部材６００の端部６３０を挿入する補強部材挿入孔３１２が設けられている。チューブ挿入孔３１１及び補強部材挿入孔３１２の長径は、第１のタンク３００ｃの長手方向に揃えられている。これは、耐圧強度の確保に伴う第１のタンク３００ｃの小径化に対応する構成である。更に、第２タンク部材３２０には、その長手方向に亘り、第１タンク部材３１０の端面３１２を接合する端面接合面３２１、第１タンク部材３１０を位置決めするリブ３２２、第１タンク部材３１０を位置決めした後に折り曲げられる折り曲げ部３２３が設けられている。第１タンク部材３１０は、折り曲げ部３２３を折り曲げることにより、第２タンク部材３２０に保持される。また、第２タンク部材３２０の要所には、閉鎖部材３３０を嵌め込むための嵌合部３２４が設けられている。閉鎖部材３３０は、第１タンク部材３１０及び第２タンク部材３２０の内周面と合致する縁部を有するプレートであり、第１タンク部材及び第２タンク部材は、それらの間に閉鎖部材３３０を挟んだ状態に組み立てられる。本例の場合、閉鎖部材３３０は、第１タンク部材３１０に対し、チューブ挿入孔３１１と補強部材挿入孔３１２との間に配置する。折り曲げ部３２３は、第２タンク部材３２０の長手方向の全長に亘って折り曲げる。或いは、部分的に折り曲げてもよい。チューブ２１０の端部及び補強部材６００の端部６３０は、第１タンク部材３１０及び第２タンク部材３２０を組み立てる前、又は組み立てた後にチューブ挿入孔３１１に挿入される。前述した炉中ろう付けにおいては、チューブ２１０の端部とチューブ挿入孔３１１、補強部材６００の端部６３０と補強部材挿入孔３１２、及び第１タンク部材３１０の端面３１２と第２タンク部材３２０の端面接合面３２１とがろう付けされる。

一方、図７に示すように、第２のタンク３００ｂもまた、互いに組み立てられて管状となる第１タンク部材３１０及び第２タンク部材３２０と、第１タンク部材３２１０及び第２タンク部材３２０の間のスペースを閉鎖する閉鎖部材３３０とを備えている。第１タンク部材３１０の長手方向には、チューブ２１０の端部を挿入するチューブ挿入孔３１１が所定のピッチで２列に設けられている。その他の構成は、第１タンクの３００ａと同様である。

図８に示すように、本例の補強部材６００は、一定幅の帯状の素材をプレス成形加工又はロール成形加工してなるものであり、第１コア２００ａ及び第２コア２００ｂと対向する第１の部位６１０と、第１の部位６１０から突出した第２の部位６２０とを備えている。この第２の部位６２０は、帯状の素材の幅方向端部をその素材の長手方向に亘り垂直に折り曲げてなるリブである。第１の部位６１０には、第１コア２００ａと第２コア２００ｂとの間の熱抵抗を増加する長孔６１１が設けられている。補強部材挿入孔３１２に挿入する端部６３０は、それぞれ第２の部位６２０から延出している。この端部６３０は、補強部材挿入孔３１２の位置に応じてクランク状に折り曲げたりもする。このような構成によれば、補強部材６００の小型化且つ軽量化を達成するとともに、補強部材の６００の強度、製造性、及び冷媒の熱交換効率を満足に確保することができる。

このように本例の放熱器１００は、超臨界状態となる冷媒に応じて所要の耐圧性を確保するとともに、各タンク３００ａ，３００ｂ，３００ｃの小径化に応じてその補強部材を合理化してなるものであり、自動車に搭載される超臨界冷凍サイクル１の熱交換器として、極めて好適に利用することができる。また、本例における各部の構成は、特許請求の範囲に記載した技術的範囲において適宜に設計変更が可能であり、図例したものに限定されないことは勿論である。かかる補強部材６００の構成は、エバポレータ４や内部熱交換器６等、その他の熱交換器に応用することも可能である。

次に、本発明の第２実施例を図９に基づいて説明する。同図に示すように、本例の補強部材６００は、その端部６３０に向って第１の部位６１０の幅を縮小するとともに第２の部位６２０の幅を拡大する絞り部６０１を備えたものである。すなわち本例によれば、一定幅の帯状の素材を有効利用しつつ、第２の部位６２０から延出する端部６３０の幅を大きく設定して、各タンク３００ａ，３００ｂ，３００ｃに対する補強部材６００の支持強度を向上することが可能である。その他の構成は、前述した実施例と同様である。

このように、補強部材６００には絞り部６０１を設けると一層合理的である。

次に、本発明の第３実施例を図１０乃至図１５に基づいて説明する。これらの図に示すように、本例の補強部材挿入孔３１２は、チューブ挿入孔３１１と同型とした。このような構成によると、チューブ挿入孔３１１及び補強部材挿入孔３１２の成形時には、それらを判別する必要がなくなるため、第１タンク部材３１０を製造する金型の汎用性等を向上することができる。例えば、チューブ挿入孔３１１の数が異なる第１タンク部材３１０を製造する場合は、一定形状の孔を列設した素材又は列設する素材を、チューブ挿入孔３１１の数に応じて所定の長さに切断することにより、これを得ることが可能となる。

更に本例の場合、補強部材６００の端部６３０は、チューブ２１０の端部形状を模擬してなるものであり、閉鎖部材３３０は、第１タンク部材３１０に対し、補強部材挿入孔３１２よりも長手方向端部寄りに配置している。第１タンク部材３１０の要所には、閉鎖部材３３０に設けた凸部３３１を嵌め込むための嵌合部３１３が設けられている。

補強部材６００の端部６３０は、第１コア２００ａ及び第２コア２００ｂの積層方向の端に配置される本体部材、すなわち第１の部位６１０及び第２の部位６２０を構成する部材に、他の部材６３１を設けてなるものである。端部６３０を構成する部材６３１には、第１の部位６１０の端部に設けた凸部６１２を嵌め込む嵌合部６３２を設けている。すなわち、補強部材６００の端部６３０は、他の部位と一体に設けると、チューブ２１０の端部形状を模擬するのが困難になる場合がある。このような場合は、補強部材６００は、第１の部位６１０及び第２の部位６２０を構成する部材に他の部材６３１を設けて構成するとよい。その他の構成は、前述した実施例と同様である。

このように、補強部材挿入孔３１２は、チューブ挿入孔３１１と同型とすると一層合理的である。また、補強部材６００は、第１の部位６１０及び第２の部位６２０を構成する部材に他の部材６３１を設けて構成することも可能である。

次に、本発明の第４実施例を図１６乃至図１９に基づいて説明する。これらの図に示すように、本例の各タンク３００ａ，３００ｂ，３００ｃは、互いに組み立てられて管状となる第１タンク部材３１０及び第２タンク部材３２０と、第１タンク部材３２１０及び第２タンク部材３２０の間のスペースを閉鎖する閉鎖部材３３０と、補強部材挿入孔３４１を設けてなる補強部材支持部材４３０とを備えている。第１タンク部材３１０の長手方向には、チューブ２１０の端部を挿入するチューブ挿入孔３１１が所定のピッチで設けられている。

この補強部材支持部材４３０は、第１タンク部材３１０と同様に、第２タンクのリブ３２２に位置決めされ、第２タンク部材３２０の端面接合面３２１に端面を接合して設けられる。また、折り曲げ部３２３を折り曲げることにより、第１タンク部材３１０とともに第２タンク部材３２０に保持される。閉鎖部材３３０は、第１タンク部材３１０と補強部材支持部材３４０との間に設けられている。このような構成によると、第１タンク部材３１０の製造を容易化することができる。すなわち、非同型のチューブ挿入孔３１１及び補強部材挿入孔３１２を第１タンク部材３１０に設ける場合は、金型の汎用性等に制約が生じるという不都合があるが、本例によれば、そのような不都合を回避することができる。例えば、チューブ挿入孔３１１の数が異なる第１タンク部材３１０を製造する場合は、一定形状の孔を列設した素材又は列設する素材を、チューブ挿入孔３１１の数に応じて所定の長さに切断することにより、これを得ることが可能となる。その他の構成は、前述した実施例と同様である。

このように、各タンク３００ａ，３００ｂ，３００ｃは、チューブ挿入孔３１１を設けた部材３１０と、補強部材挿入孔３４１を設けた他の部材３４０とを備えたものであってもよい。

本発明の熱交換器は、冷凍サイクルの放熱器として好適に利用することが可能である。

本発明の実施例に係り、冷凍サイクルを示す説明図である。（第１実施例）本発明の実施例に係り、熱交換器の概要を示す説明図である。（第１実施例）本発明の実施例に係り、熱交換器の要部を示す正面断面図である。（第１実施例）本発明の実施例に係り、熱交換器を示す上面図である。（第１実施例）本発明の実施例に係り、チューブを示す断面図である。（第１実施例）本発明の実施例に係り、第１のタンクについて、（ａ）第１タンク部材を示す上面図、（ｂ）第１タンク部材を示す正面図、（ｃ）第２タンク部材を示す上面図、（ｄ）第２タンク部材を示す正面図、（ｅ）閉鎖部材を示す上面図、（ｆ）閉鎖部材を示す正面図である。（第１実施例）本発明の実施例に係り、第２のタンクについて、（ａ）第１タンク部材を示す上面図、（ｂ）第１タンク部材を示す正面図、（ｃ）第２タンク部材を示す上面図、（ｄ）第２タンク部材を示す正面図、（ｅ）閉鎖部材を示す上面図、（ｆ）閉鎖部材を示す正面図である。（第１実施例）本発明の実施例に係り、（ａ）補強部材を示す上面図、（ｂ）補強部材を示す正面図である。（第１実施例）本発明の実施例に係り、（ａ）補強部材を示す上面図、（ｂ）補強部材を示す正面図である。（第２実施例）本発明の実施例に係り、熱交換器の要部を示す正面断面図である。（第３実施例）本発明の実施例に係り、熱交換器を示す上面図である。（第３実施例）本発明の実施例に係り、第１のタンクについて、（ａ）第１タンク部材を示す上面図、（ｂ）第１タンク部材を示す正面図、（ｃ）第２タンク部材を示す上面図、（ｄ）第２タンク部材を示す正面図、（ｅ）閉鎖部材を示す上面図、（ｆ）閉鎖部材を示す正面図である。（第３実施例）本発明の実施例に係り、第２のタンクについて、（ａ）第１タンク部材を示す上面図、（ｂ）第１タンク部材を示す正面図、（ｃ）第２タンク部材を示す上面図、（ｄ）第２タンク部材を示す正面図、（ｅ）閉鎖部材を示す上面図、（ｆ）閉鎖部材を示す正面図である。（第３実施例）本発明の実施例に係り、（ａ）補強部材を示す上面図、（ｂ）補強部材を示す正面図である。（第３実施例）本発明の実施例に係り、（ａ）補強部材を示す分解上面図、（ｂ）補強部材を示す分解正面図である。（第３実施例）本発明の実施例に係り、熱交換器の要部を示す正面断面図である。（第４実施例）本発明の実施例に係り、熱交換器を示す上面図である。（第４実施例）本発明の実施例に係り、第１のタンクについて、（ａ）第１タンク部材を示す上面図、（ｂ）第１タンク部材を示す正面図、（ｃ）第２タンク部材を示す上面図、（ｄ）第２タンク部材を示す正面図、（ｅ）閉鎖部材を示す上面図、（ｆ）閉鎖部材を示す正面図、（ｇ）補強部材支持部材を示す上面図、（ｈ）補強部材支持部材を示す正面図である。（第４実施例）本発明の実施例に係り、第２のタンクについて、（ａ）第１タンク部材を示す上面図、（ｂ）第１タンク部材を示す正面図、（ｃ）第２タンク部材を示す上面図、（ｄ）第２タンク部材を示す正面図、（ｅ）閉鎖部材を示す上面図、（ｆ）閉鎖部材を示す正面図、（ｇ）補強部材支持部材を示す上面図、（ｈ）補強部材支持部材を示す正面図である。（第４実施例）

符号の説明

１冷凍サイクル
２コンプレッサ
３膨張弁
４エバポレータ
５アキュムレータ
６内部熱交換器
１００放熱器
２００ａ第１コア
２００ｂ第２コア
２１０チューブ
２１１流路
２２０フィン
３００ａ第１のタンク
３００ｂ第２のタンク
３００ｃ第３のタンク
３１０第１タンク部材
３１１チューブ挿入孔
３１２補強部材挿入孔
３１３嵌合部
３２０第２タンク部材
３２１端面接合面
３２２リブ
３２３折り曲げ部
３２４嵌合部
３３０閉鎖部材
３３１凸部
３４０補強部材支持部材
３４１補強部材挿入孔
４００入口部
５００出口部
６００補強部材
６０１絞り部
６１０第１の部位
６１１長孔
６１２凸部
６２０第２の部位
６３０補強部材の端部
６３１端部を構成する部材
６３２嵌合部

Claims

チューブ及びフィンを積層してなるコアと、前記チューブの端部を接続したタンクと、前記コアの積層方向の端に配置されるとともにその端部を前記タンクに支持された補強部材とを備え、前記チューブを流通する媒体が前記コアに伝わる熱にて熱交換をする熱交換器において、
前記タンクには、前記チューブの端部を挿入するチューブ挿入孔と、前記補強部材の端部を挿入する補強部材挿入孔とを設け、
前記補強部材は、一定幅の帯状の素材を加工してなるものであり、前記コアと対向する第１の部位と、前記第１の部位から突出した第２の部位とを備え、前記第２の部位は、前記帯状の素材の幅方向端部をその素材の長手方向に亘り折り曲げてなるリブであり、前記補強部材挿入孔に挿入する端部は、前記第２の部位から延出したことを特徴とする熱交換器。
前記補強部材は、前記端部に向って前記第１の部位の幅を縮小するとともに前記第２の部位の幅を拡大する絞り部を備えたことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
前記タンクを構成する部材としては、前記チューブ挿入孔及び前記補強部材挿入孔を設けた部材を備え、
前記補強部材挿入孔は、前記チューブ挿入孔と同型としたことを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換器。
前記タンクを構成する部材としては、前記チューブ挿入孔を設けた部材と、前記補強部材挿入孔を設けた他の部材とを備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の熱交換器。
前記チューブは、その端部が捩じれた偏平型のものであり、
前記チューブ挿入孔及び前記補強部材挿入孔の長径は、前記タンクの長手方向に揃えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の熱交換器。
高圧側の圧力が冷媒の臨界点を超える冷凍サイクルに用いることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の熱交換器。