JP2006242432A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 並設される他の熱交換器との間にシール部材等を介在させなくても熱交換性能を向上することが可能な熱交換器を提供すること。
【解決手段】 第１熱交換器１０の下側のサイドプレート１４には、これに隣接する第２熱交換器２０の上側のサイドプレート２４の凹部２４３に対応した凸部１４３が設けられ、サイドプレート１４とサイドプレート２４との間の隙間４０は、外気の通過方向において屈曲した空間となっている。したがって、この隙間４０を流れる外気の通風抵抗を増大させることができ、隙間４０にシール部材等を介在させなくても、両熱交換器１０、２０のコア部１１、２１の通風量を増大させて熱交換性能を向上することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、熱交換器に関し、特に他の熱交換器と並設される熱交換器に関する。

従来から、熱交換部であるコア部のチューブ積層方向の最外方にコア部を補強する補強プレートを備えた熱交換器がある。この補強プレートは、形状がシンプルで生産性に優れる等の理由により、長手方向に直交する断面形状がコの字形状の部材が多用されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００３−１４８８９３号公報

しかしながら、上記従来技術の熱交換器では、他の熱交換器と補強プレートが相互に隣接するように外部流体の通過方向に対し並列に配置する場合には、互いの補強プレートが干渉しないように隙間を形成すると、この隣接する補強プレート間の隙間を外部流体が通過する。

この補強プレート間の隙間は、コア部より通過抵抗が小さいので外部流体が流れ易く、これに伴ない、コア部における熱交換性能の低下を引き起こし易いという問題がある。

補強プレート間にシール部材を介在させて外部流体の通過を抑制する方法もあるが、部品点数が増加し製造工程も複雑になるという問題がある。

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、並設される他の熱交換器との間にシール部材等を介在させなくても熱交換性能を向上することが可能な熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
内部流体が流通する複数本のチューブ（１１１）を積層してなり、内部流体と外部流体との熱交換を行なうコア部（１１）と、
コア部（１１）のチューブ（１１１）積層方向（Ｙ）の最外方に長手方向（Ｘ）をチューブ（１１１）の長手方向（Ｘ）と同じくして配置され、コア部（１１）側の底壁部（１４１）と底壁部（１４１）の両縁から反コア部側に立設した一対の側壁部（１４２）とからなり、コア部（１１）を補強する補強プレート部材（１４）とを備え、
チューブ（２１１）を積層してなるコア部（２１）を補強する補強プレート部材（２４）を有する他の熱交換器（２０）とともに、それぞれの補強プレート部材（１４、２４）相互が隣接するように、外部流体の通過方向に対し並列に配置される熱交換器（１０）であって、
補強プレート部材（１４）の底壁部（１４１）に、隣接する他の熱交換器（２０）の補強プレート部材（２４）の凹部（２４３）形状に対応して、反コア部側に突出する長手方向（Ｘ）に連続する突出部（１４３）を形成したことを特徴としている。

これによると、当該熱交換器（１０）の補強プレート部材（１４）には、隣接する他の熱交換器（２０）の補強プレート部材（２４）の凹部（２４３）に対応した突出部（１４３）が、補強プレート部材（１４）の長手方向に渡って形成されている。

したがって、両熱交換器（１０、２０）を、補強プレート部材（１４、２４）相互が干渉しないように隙間（４０）を設けて配置したとしても、この隙間（４０）は、当該熱交換器（１０）の補強プレート部材（１４）の突出部（１４３）と隣接する他の熱交換器（２０）の補強プレート部材（２４）の凹部（２４３）との組み合わせにより、外部流体の通過方向に屈曲した空間となる。

このようにして、並列に配置された両熱交換器（１０、２０）の補強プレート部材（１４、２４）間の外部流体通過抵抗を増大させ、シール部材等を介在させなくても熱交換性能を向上することが可能である。

また、請求項２に記載の発明では、
チューブ（１１１）の長手方向（Ｘ）端部に接続され、チューブ（１１１）積層方向（Ｙ）に延びて、内部を複数本のチューブ（１１１）内と連通するタンク部（１２）を備え、
他の熱交換器（２０）と並列配置する場合には、タンク部（１２）のチューブ（１１１）積層方向（Ｙ）の端部（１２１）を、他の熱交換器（２０）のチューブ（２１１）と連通するタンク部（２２）との当接部（１２１）とすることを特徴としている。

これによると、タンク部（１２、２２）同士が当接して、両熱交換器（１０、２０）相互の位置決めがされるので、両熱交換器（１０、２０）の補強プレート部材（１４、２４）間の隙間（４０）を精度よく設定することができる。

また、請求項３に記載の発明では、他の熱交換器（２０）と並列配置する場合には、タンク部（１２）の当接部（１２１）と他の熱交換器（２０）のタンク部（２２）との間に熱移動抑制部材（３０）を介装することを特徴としている。

これによると、両熱交換器（１０、２０）のタンク部（１２、２２）間の熱移動を抑制することができる。したがって、熱移動に伴なう熱交換器（１０、２０）の性能低下を抑制することができる。

また、請求項４に記載の発明では、タンク部（１２）を他の熱交換器（２０）のタンク部（２２）と機械的に結合して、他の熱交換器（２０）と一体化することを特徴としている。

これによると、当該熱交換器（１０）を並列配置する他の熱交換器（２０）と一体化し、所謂熱交換器モジュールとすることができる。その際、タンク部（１２、２２）相互を機械的に結合するので、補強プレート部材（１４、２４）相互を機械的に結合する必要がなく、補強プレート部材（１４、２４）の変形を防止することができる。

また、請求項５に記載の発明では、タンク部（１２）の他の熱交換器（２０）のタンク部（２２）との機械的結合は、ねじ部材（１２２）を用いて行なわれ、このねじ部材（１２２）は、軸方向が、タンク部（１２）と他の熱交換器（２０）のタンク部（２２）との間に付勢される応力の方向と略同一となるように配置されることを特徴としている。

これによると、ねじ部材（１２２）の耐久力に優れた方向において機械的結合を行なうことができる。

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

図１は、本発明を適用した一実施形態における熱交換器を採用した熱交換器モジュール１の概略構造を示す正面図であり、図２は、図１のＡ部拡大図、図３は、図１におけるＢ−Ｂ線断面図である。

図１に示す熱交換器モジュール１は、図示した姿勢で自動車の前方部に搭載されるものであって、搭載前に予め第１熱交換器１０と第２熱交換器２０とを一体化したものである。

本実施形態の第１熱交換器１０は、燃料電池車の燃料電池ユニットを冷却する冷却水を外気との熱交換により冷却するラジエータである。一方、第２熱交換器２０は、この車両の空調装置の冷凍サイクル内に設けられ、冷凍サイクル内を循環する二酸化炭素冷媒を凝縮する凝縮器である。

両熱交換器１０、２０は、熱交換時の熱交換部温度が近似しているため、車両前後方向（すなわち外気の通過方向）に並設すると、車両後方側に配置された熱交換器の熱交換性能が著しく低下するため、外気の通過方向に対して並列に配置されるようになっている。

第１熱交換器１０および第２熱交換器２０は、上記ラジエータおよび凝縮器に限定されるものではないが、本発明は熱交換時の熱交換部温度が近似する複数の熱交換器を組み合わせる場合に適用して極めて有効である。

図１に示す第１熱交換器１０は、コア部１１のチューブ１１１内を流れる冷却水が図中左から右方向に向かう所謂クロスフロータイプとしたものであり、基本構成としてコア部１１、左タンク１２、右タンク１３、サイドプレート１４とからなる。

コア部１１は、内部を流通する冷却水を冷却する熱交換部であり、複数のチューブ１１１およびフィン１１２が上下方向（図１図示Ｙ方向）に交互に積層され構成されている。

フィン１１２は、薄肉の帯板材から波状に成形され、内側に図示しないスリット状のルーバが設けられたものである。またチューブ１１１は、薄肉の帯板材から断面が偏平状に成るように折り曲げられ、端部同士が溶接されたものである。

コア部１１の上下最外部のフィン１１２の更に外方には、補強プレート部材としてのサイドプレート１４が配設され、上下最外部のフィン１１２に当接するようになっている。

左右のタンク（タンク部）１２、１３は、平板材の組み合わせ等により形成されており、チューブ１１１の積層方向Ｙに延びるように配設されている。両タンク１２、１３にはチューブ１１１およびサイドプレート１４の長手方向Ｘ端部が挿入接続され、タンク１２、１３内がコア部１１を構成する複数のチューブ１１１内と連通するようになっている。

第１熱交換器１０を構成する各部材は、強度特性、耐腐食性等の特性に優れるアルミニウム合金からなり、これらが一体でろう付けされることでラジエータである第１熱交換器１０が形成されている。

なお、左タンク１２には、図示しない入口パイプ等が形成されており、また、右タンク１３には、図示しない出口パイプ等が成形されている。

図１に示す第２熱交換器２０は、第１熱交換器１０と同様に、コア部２１のチューブ２１１内を流れる冷媒が図中左から右方向に向かう所謂クロスフロータイプとしたものであり、基本構成としてコア部２１、左タンク２２、右タンク２３、サイドプレート２４とからなる。

コア部２１は、内部を流通する冷媒を外気との熱交換により凝縮する熱交換部であり、複数のチューブ２１１およびフィン２１２が上下方向（図１図示Ｙ方向）に交互に積層され構成されている。

フィン２１２は、薄肉の帯板材から波状に成形され、内側に図示しないスリット状のルーバが設けられたものである。また、チューブ２１１は、押し出し成形された多孔扁平チューブである。

コア部２１の上下最外部のフィン２１２の更に外方には、長手方向Ｘに直交する断面形状が略コの字形状をなす補強プレート部材としてのサイドプレート２４が配設され、上下最外部のフィン２１２に当接するようになっている。

左右のタンク（タンク部）２２、２３は、筒状部材の両端を閉塞して形成されており、チューブ２１１の積層方向Ｙに延びるように配設されている。両タンク２２、２３にはチューブ２１１およびサイドプレート２４の長手方向Ｘ端部が挿入接続され、タンク２２、２３内がコア部２１を構成する複数のチューブ２１１内と連通するようになっている。

第２熱交換器２０を構成する各部材は、強度特性、耐腐食性等の特性に優れるアルミニウム合金からなり、これらが一体でろう付けされることで凝縮器である第２熱交換器２０が形成されている。

なお、左タンク２２には、図示しない入口ジョイント等が形成されており、また、右タンク１３には、図示しない出口ジョイント等が成形されている。

ここで、第１熱交換器１０が本実施形態における本発明で言うところの熱交換器に相当し、第２熱交換器２０が本実施形態における他の熱交換器に相当するものである。

次に、本発明の要部構造について説明する。

第１熱交換器１０の左タンク１２と右タンク１３とはほぼ同一構造であり、第２熱交換器２０の左タンク２２と右タンク２３ともほぼ同一構造であり、第１熱交換器１０のタンク部と第２熱交換器２０のタンク部との結合部構造も左右同一であるので、タンク部間の結合部構造は、両熱交換器１０、２０の左タンク１２、２２側を用いて説明する。

図１では、詳細図示を省略したが、図２に示すように、第１熱交換器１０の左タンク１２は、下方端部（チューブ１１１積層方向Ｙの下方端部）１２１を、第２熱交換器２０の左タンク２２の上方端部（積層方向Ｙの上方端部）２２１に当接している。

第１熱交換器１０左タンク１２の下方端部１２１と第２熱交換器２０左タンク２２の上方端部２２１との当接部位には、低熱伝導材（例えば樹脂材）からなる断熱プレート３０が介装されている。

すなわち、第１熱交換器１０左タンク１２の下方端部１２１と第２熱交換器２０左タンク２２の上方端部２２１とは、断熱プレート３０を介して当接している。

これにより、両熱交換器１０、２０の左タンク１２、２２間の熱移動を抑制することができ、熱移動に伴なう熱交換器１０、２０の性能低下を抑制している。断熱プレート３０は、本実施形態における熱移動抑制部材である。

図２に示すように、第１熱交換器１０左タンク１２の下方端部１２１と第２熱交換器２０左タンク２２の上方端部２２１近傍に接合されたＬ字形状の接合ブラケット２２２とは、第１熱交換器１０側に設けられた雄ねじ部（ねじ部材に相当）１２２とナット２２３とにより機械的に結合されている。

雄ねじ部１２２は、軸方向が、両左タンク１２、２２間に付勢される応力（本例では、車両の振動等により発生する上下方向の応力）の方向となるように形成しており、雄ねじ部１２２の耐久性に優れた方向において機械的結合を行なうようになっている。

このように第１熱交換器１０および第２熱交換器２０を上下に並設する場合に、両熱交換器１０、２０のコア部１１やサイドプレート１４より比較的高強度なタンク部同士を当接することで、上側の第１熱交換器１０の重量を下側の第２熱交換器２０のタンク部で確実に支えることができる。

また、機械的結合部である雄ねじ部１２２は、軸方向に応力が加わり易く、径方向のせん断応力が加わり難いので、上記タンク部同士の当接と合わせて、耐久信頼性の高い一体化構造となっている。

上述のように結合され一体化された熱交換器モジュール１において、隣接する第１熱交換器１０の下方側のサイドプレート１４と第２熱交換器２０の上方側のサイドプレート２４とは、図３に示すように、干渉防止のため隙間４０を設けて配置されている。

図３に示すように、第２熱交換器２０のサイドプレート２４は、本実施形態ではプレス加工により、前述したように断面形状が略コの字形状をなしており、フィン２１２が接合された底壁部２４１と、底壁部２４１の両縁からコア部２１の反対側に立設された一対の側壁部２４２とからなり、上方側（外方側）を開口している。

一方、第１熱交換器１０のサイドプレート１４は、本実施形態ではプレス加工により、フィン１１２が接合された底壁部１４１と、底壁部１４１の両縁からコア部１１の反対側に立設された一対の側壁部１４２とからなり、下方側（外方側）を開口している。

サイドプレート１４の底壁部１４１には、側壁部１４２間に下方向き（コア部１１側と反対向き）に突出する凸部（突出部）１４３が、長手方向Ｘに連続して形成されている。この凸部１４３は、隣接する第２熱交換器２０のサイドプレート部材２４の底壁部２４１と側壁部２４２により形成された凹部２４３に対応する位置に形成されている。

この凸部１４３が形成されたサイドプレート１４と、凹部２４３を有するサイドプレート２４との間の隙間４０は、図３に示すように、外気の流れ方向（図示左右方向、外気の通過方向、車両前後方向）において屈曲した形状の空間、所謂迷路構造の空間を形成している。

上述の構成によれば、第１熱交換器１０の下側のサイドプレート１４と、これに隣接する第２熱交換器２０の上側のサイドプレート２４との間の隙間４０は、外気の通過方向において屈曲した空間となっている。したがって、この隙間４０を流れる外部流体である外気の通風抵抗を増大させることができる。これにより、隙間４０にシール部材等を介在させなくても、両熱交換器１０、２０のコア部１１、２１の通風量を増大させて熱交換性能を向上することができる。

また、サイドプレート１４の凸部１４３がサイドプレート２４の凹部２４３に入り込み、サイドプレート２４の側壁部２４２がサイドプレート１４の側壁部１４２と凸部１４３との間に入り込むように配置されている。

したがって、第１熱交換器１０のコア部１１の下端と第２熱交換器２０のコア部２１の上端との間の距離（所謂各コア部１１、２１形成におけるデッドスペース、熱交換に寄与しないデッドスペース）を小さくでき、限られた熱交換器モジュール１の搭載スペースにおいて両熱交換器１０、２０のコア部１１、２１を比較的大きく形成できる。これにより、両熱交換器１０、２０の熱交換性能を一層向上することができる。

また、第１熱交換器１０のサイドプレート１４は、底壁部１４１に形成した凸部１４３が補強リブとして機能するため、サイドプレート１４に凸部１４３を設けない場合に対し同一強度（剛性）を得るための高さ（上下方向厚さ）を小さくすることができる。本発明者の検討によれば、凸部１４３を設けた場合には凸部１４３を設けない場合に対し高さを４０〜７０％程度とすることができる。

これによれば、上述のデッドスペースの減少に寄与することができ、両熱交換器１０、２０の熱交換性能の向上が容易である。

また、この通風抵抗が大きい隙間４０は、タンク部１２、２２同士およびタンク部１３、２３同士を当接して両熱交換器１０、２０相対的な位置決めを行なうことで形成できるので、隙間４０を精度よく設定することができる。

また、第１熱交換器１０と第２熱交換器２０との一体化は、両熱交換器１０、２０のコア部１１やサイドプレート１４より比較的高強度なタンク部１２、２２同士およびタンク部１３、２３同士を当接し相互に固定する機械的接合により行なっている。したがって、サイドプレート１４、２４相互を機械的に結合する必要がなく、隙間４０を設けることができる。これにより、サイドプレート１４、２４が変形して、これに接合するフィン１１２、２１２が座屈することを防止でき、これに伴なう熱交換性能の低下を防止できる。

（他の実施形態）
上記一実施形態では、第１熱交換器１および第２熱交換器２０の２つの熱交換器を並設する場合について説明したが、３つ以上の熱交換器を並設する場合であっても本発明を適用することができる。例えば、図４に示すように、第１熱交換器１０に対し第２熱交換器２０を２つ並設するものであってもよい。

また、上記一実施形態では、熱交換器モジュール１の第１熱交換器１０に本発明を適用した場合について説明したが、本発明を第２熱交換器に適用したものであってもよい。また、例えば図５に示すように、隣接する第１、第２熱交換器１０、２０の両方に本発明を適用するものであってもよい。これによれば、両サイドプレート１４、２４の高さを小さくすることができるので、コア部形成におけるデッドスペースを一層小さくすることができる。

また、上記一実施形態では、サイドプレート１４の凸部１４３は、プレス加工等により底壁部１４１に直接形成するものであったが、例えば図６に示すように、サイドプレート１４本体とは別部材１４Ａとして形成し、サイドプレート１４本体と一体化したものであってもよい。

また、上記一実施形態では、第１、第２熱交換器１０、２０は所謂クロスフロータイプであったが、これに限定されるものではない。例えば図７（ａ）に示すように、内部流体が上方から下方に向かって流れる所謂バーチカルフロータイプの熱交換器であっても本発明を適用することができる。

図７（ａ）に示すように第１熱交換器１０と第２熱交換器２０とを外気流れに対し並列に配置し、両タンク１２、２２間を雄ねじ部（ねじ部材に相当）１２２とナット２２３とにより機械的に結合する場合には、図７（ｂ）にＣ部拡大図を示すように、雄ねじ部１２２の軸方向が、両タンク１２、２２間に付勢される応力（本例では、車両の振動等により発生する上下方向の応力）の方向となるように形成し、雄ねじ部１２２の耐久性に優れた方向において機械的結合を行なうことが好ましい。

また、上記一実施形態では、第１熱交換器１０と第２熱交換器２０との機械的結合を雄ねじ部１２２およびナット２２３により行なっていたが、これに限定されるものではない。例えば、リベット等により行なうものであってもよいし、かしめ加工等によりタンク部同士を直接結合するものであってもよい。

また、上記一実施形態では、第１熱交換器１０と第２熱交換器２０とを機械的に結合して熱交換器モジュール１としていたが、搭載前にモジュール化するものに限定されるものではない。例えば、複数の熱交換器をそれぞれ車両に搭載したときに、２つ以上の熱交換器が外気流れに対し並列に配置される場合に、少なくとも１つの熱交換器に本発明を適用すれば有効である。

また、上記一実施形態では、第１熱交換器１０の内部流体は冷却水であり、第２熱交換器２０の内部流体は冷媒であり、第１熱交換器１０および第２熱交換器２０の外部流体は外気（空気）であったが、各流体はこれに限定されるものではない。

また、上記一実施形態では、第１熱交換器１０および第２熱交換器２０は、いずれもアルミニウム合金により形成されていたが、これに限定されるものではなく、他の金属により形成されるものであってもよい。また、一部および全部が樹脂により形成されるものであってもよい。

また、上記一実施形態では、第１熱交換器１０および第２熱交換器２０は、自動車用の熱交換器であったが、これに限定されるものではなく、自動車以外の車両用であってもよく、航空機用、船舶用等であってもよい。また、家庭用もしくは工場用等の定置式の熱交換器であってもかまわない。

本発明を適用した一実施形態における熱交換器を採用した熱交換器モジュール１の概略構造を示す正面図である。 図１におけるＡ部拡大図である。 図１におけるＢ−Ｂ線断面図である。 他の実施形態における要部断面図である。 他の実施形態における要部断面図である。 他の実施形態における要部断面図である。 （ａ）は、他の実施形態における正面図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ部拡大図である。

符号の説明

１ 熱交換器モジュール
１０ 第１熱交換器（本発明の熱交換器に相当）
１１ コア部
１２ 左タンク（タンク部）
１３ 右タンク（タンク部）
１４ サイドプレート（補強プレート部材）
２０ 第２熱交換器（本発明の他の熱交換器に相当）
２１ コア部（他の熱交換器のコア部）
２２ 左タンク（他の熱交換器のタンク部）
２３ 右タンク（他の熱交換器のタンク部）
２４ サイドプレート（他の熱交換器の補強プレート部材）
３０ 断熱プレート（熱移動抑制部材）
４０ 隙間
１１１ チューブ
１２１ 端部（当接部）
１２２ 雄ねじ部（ねじ部材）
１４１ 底壁部
１４２ 側壁部
１４３ 凸部（突出部）
２１１ チューブ（他の熱交換器のチューブ）
２４３ 凹部

Claims (5)

1. 内部流体が流通する複数本のチューブ（１１１）を積層してなり、前記内部流体と外部流体との熱交換を行なうコア部（１１）と、
   前記コア部（１１）の前記チューブ（１１１）積層方向（Ｙ）の最外方に長手方向（Ｘ）を前記チューブ（１１１）の長手方向（Ｘ）と同じくして配置され、前記コア部（１１）側の底壁部（１４１）と前記底壁部（１４１）の両縁から反コア部側に立設した一対の側壁部（１４２）とからなり、前記コア部（１１）を補強する補強プレート部材（１４）とを備え、
   チューブ（２１１）を積層してなるコア部（２１）を補強する補強プレート部材（２４）を有する他の熱交換器（２０）とともに、それぞれの補強プレート部材（１４、２４）相互が隣接するように、前記外部流体の通過方向に対し並列に配置される熱交換器（１０）であって、
   前記底壁部（１４１）に、前記隣接する他の熱交換器（２０）の補強プレート部材（２４）の凹部（２４３）形状に対応して、前記反コア部側に突出する前記長手方向（Ｘ）に連続した突出部（１４３）を形成したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記チューブ（１１１）の長手方向（Ｘ）端部に接続され、前記積層方向（Ｙ）に延びて、内部を前記複数本のチューブ（１１１）内と連通するタンク部（１２）を備え、
   前記他の熱交換器（２０）と並列配置する場合には、前記タンク部（１２）の前記積層方向（Ｙ）の端部（１２１）を、前記他の熱交換器（２０）のチューブ（２１１）と連通するタンク部（２２）との当接部（１２１）とすることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記他の熱交換器（２０）と並列配置する場合には、前記タンク部（１２）の前記当接部（１２１）と前記他の熱交換器（２０）のタンク部（２２）との間に熱移動抑制部材（３０）を介装することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記タンク部（１２）を前記他の熱交換器（２０）のタンク部（２２）と機械的に結合して、前記他の熱交換器（２０）と一体化することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記タンク部（１２）の前記他の熱交換器（２０）のタンク部（２２）と機械的結合は、ねじ部材（１２２）を用いて行なわれ、
   前記ねじ部材（１２２）は、軸方向が、前記タンク部（１２）と前記他の熱交換器（２０）のタンク部（２２）との間に付勢される応力の方向と略同一となるように配置されることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。

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