JP2008111654A - 熱交換器管の機械的継手 - Google Patents

Abstract

【課題】アキュムレータ（５）付き内部熱交換器で構成されているモジュラーユニット（ＡｃｃｕＩＨＥ）用の安全で且つ費用効果の良い機械的継手を提供する。
【解決手段】本発明は、ＡｃｃｕＩＨＥの熱交換器管（４）とカバープレート（2,3 ）との間の機械的継手に関する。熱交換器管（４）を一体化する際、２つの密封平面が設けられ、熱交換器管（４）の管端部（15）のところの一方の密封平面は、熱交換器管（４）を内側からカバープレートに機械的に接合可能に設計され、熱交換器管（４）の内部連結領域（11）の輪郭に一致したそれぞれの雌型輪郭が内部熱交換器の高圧入口（９）及び高圧出口（10）のところのカバープレート通路内に組み込まれ、外部連結領域（19）を備えた第２の密封平面がカバープレートを外部で冷媒ラインに接合するために設けられる。
【選択図】図４ａ

Description

本発明は、アキュムレータを備えた内部熱交換器で構成されるモジュラーユニット（ＡｃｃｕＩＨＥ）の熱交換器管とカバープレートとの間の機械的継手（メカニカルシール）に関する。

内部熱交換交換機を備えた組合せアキュムレータは、２つの個々のコンポーネントの機能を単一のコンポーネントの状態に一体化している。一体化コンポーネントは、好ましくは、自動車用Ｒ７４４冷凍プラント、特に自動車エアコンディショニング用の冷媒循環システムに用いられる。個々のコンポーネントと比較すると、一体形の、それ故にコンパクトな“ＡｃｃｕＩＨＥ”コンポーネントは、エンジンコンパートメント内に利用できる限られたスペースに合わせて良好にこしらえられ、又、自動車用冷媒プラントのシステム全体に対し費用効果が良い。

冷凍機又はヒートポンプでは、アキュムレータは、蒸発器から見て下流側に位置し、その役割は、種々の作動条件から生じる漸変する冷媒充填量を集め、保守間隔の間に漏れることにより生じる損失に対処するために冷媒の備蓄を維持することにある。

内部熱交換器の機能は、システムの内部過冷の目的のために高温高圧側から低温低圧側（吸引側）にエネルギーを伝達することにあり、その結果、低温低圧側は、加熱され又は過熱される。

アキュムレータと内部熱交換器の組合せは、２つの同心状に配置された容器を含む同軸設計によって実現できる。内部容器は、アキュムレータとして働く。内部容器と外部容器との間の環状隙間は、内部熱交換器を受け入れる。内部熱交換器は、コイル状チューブの状態に巻かれ、内部容器と外部容器との間の隙間に同軸状に配置された熱交換器管から成る場合が多い。このコイル状チューブは、平らな端部を備えた管、リブ付き管又は束ねた状態の管で構成される場合がある。独国特許出願公開第３１１９４４０号明細書から、冷媒プラント用のシステム熱交換器が知られており、このシステム熱交換器は、外部容器内に配置された内部容器を備え、キャパシタから蒸発器に流れる冷媒の蛇行した管が、２つの容器相互間の空間内に配置されている。この場合、蒸発器の出口ラインは、この空間内に中身を明けて空になり、この空間は、オーバーフロー開口部により内部容器に連結され、ここから圧縮機への吸い出しが生じる。

独国特許出願公開第１０２６１８８６号明細書は、周長が異なる２つの壁を備えた熱交換器を記載しており、周長が小さい壁は、他方の壁の大きな周長の内部に配置されている。カバーが、第１の壁の上方区分及び第２の壁の上方区分に固定され、フロアが、２つの壁の２つの下方区分に取り付けられている。２つの壁相互間には、螺旋パイプラインが設けられ、この螺旋パイプラインは、少なくとも一部が第１又は第２の壁のいずれにも接触していない。

その結果、ＡｃｃｕＩＨＥの内部熱交換器及びアキュムレータは、通常、筒形ハウジング内に収納され、このハウジングは、フェースに設けられた終端連結部を介して外部に通じている。これら終端連結部では、内部管端部を好ましくは内側からハウジングカバーに連結することが必要である。先行技術に関連した技術文献に見られる従来の解決策は、コイル状チューブの円筒形端部を外部熱交換器中に通して溶接、はんだ又はねじ継手によって外部に対して密封することを特徴としている。第２のねじ継手は、常に、コンポーネントをＡｃｃｕＩＨＥに通されてこれから出る同一の管端部に更に接合している。

かかる解決策の欠点は、コンポーネントから遠ざかって突き出た連結箇所が損傷に極めて弱いということにある。

もう１つの欠点は、管が、カバー又は容器フロアに通されたときに、溶接及びはんだ付けを介して接合されるということにあり、このプロセスは、手が込んでいて費用が掛かり、しかもそれほど安全であるというわけではない。例えば、材料を接合しながら熱を導入すると、材料の機械的性質に悪影響が生じる場合がある。これにより、機械的レイアウトの際に、大きな肉厚又は高い品質の材料を用いることが必要になり、それにより、処理するのに費用が高く付く場合も多い。加うるに、費用効果の良いタイプの構造を外部からの材料の接合によっては実現できない。

一方において、内側から材料を接合することは、外側からの材料の接合に関して上述したのと同じ欠点が付きものである。他方、下方連結部を接合する際、コイル状チューブをハウジングから特定の長さＬだけ引き出さなければならない。コイル状チューブがこのプロセス中に壊れる恐れがある。

圧縮継手に関し、従来型常温成形では、端部が平らな管を真っ直ぐな長さにわたり保持し、次に力を及ぼしてこれを軸方向に成形する。この場合の欠点は、両方の保持長さＬに必要な空間により、コイル管ターンの数を減少し、それ故に、コンポーネントのサイズが同一であると仮定すると、アキュムレータと内部熱交換器又は熱出力との間の伝熱面が減少するということにある。それ故、使用可能な内部熱交換器の高さは、２つの保持長さＬだけ減少する。このことは、常温成形を介する接合に利用できる余地が十分ではないという場合が多いことを意味する。加うるに、第２の連結部を接合する際、コイル状チューブをハウジングから保持長さＬだけ引き出さなければならない。上述したように、コイル状チューブは、このプロセス中に壊れる恐れがある。

終端連結部が３つ以上の場合、ねじ継手は排除される。

本発明の目的は、内部熱交換器（ＩＨＥ）とコンポーネントカバー及びコンポーネント容器との間の安全で且つ費用効果の良い機械的継手（メカニカルシール）を実現することにある。

この目的は、内部熱交換器管（ＩＨＥ）とアキュムレータを備えた内部熱交換器で構成されるコンポーネントのカバープレートとの間の機械的継手により達成され、その特徴につき、以下に説明する。

独国特許出願公開第３１１９４４０号明細書 独国特許出願公開第１０２６１８８６号明細書

本発明の底流に流れる技術的思想は、内部熱交換器の高圧通路の管端部とカバープレート又は容器フロアを内側から接合することを含む。このことは、コンポーネントカバーへの内部熱交換器の連結箇所がコンポーネントの内部からシフトされることを意味する。この場合、本発明は、２つの形式の密封平面を提供する。

第１の外部密封平面は、コンポーネントを外部環境に対して密封するようにし、好ましくは、自動車用途に許可されている接合法を用いて実現される。

伝熱管とコンポーネントカバーとの間の内部継手は、第２のタイプを表し、本発明によれば第１の外部密封平面から切り離される。第２の内部密封平面の役割は、冷媒が高圧にさらされた熱交換器の内部空間から内部で逃げ出て低圧にさらされている熱交換器の外部空間内に流れ込むのを阻止することにある。本発明は、内部継手の締まり具合に課される要件が、システム環境に対する締まり具合に関する要件と比較して同じほど厳しくはないということを利用している。それ故、コンポーネント又はコンポーネントカバーの内部に配置された継手は、比較的緊密でありさえすれば良い。というのは、外部への冷媒の損失とは対照的に、僅かな内部漏れを許容できるからである。これにより、コンポーネントと伝熱管との間の継手に対して例えば溶接又ははんだ付けにより材料を緊密に接合することが不要になり、それにより、コスト上の利点が得られる。

内部熱交換器とアキュムレータは、一緒になって、モジュラーユニット（ＡｃｃｕＩＨＥ）を形成する。組合せコンポーネント（ＡｃｃｕＩＨＥ）は、上方カバープレート及び下方カバープレートを備えたハウジングによって包囲される。ハウジングは、アキュムレータを収納し、このアキュムレータは、液体冷媒を低圧下で集める。高圧下の冷媒のための熱交換器管は、隙間内にコイル状になっており、隙間幅ｓが、アキュムレータとハウジングとの間に生じている。本発明によれば、熱交換器管の端部は、熱交換器管をカバープレートに内側から機械的に接合する連結領域を備えている。カバープレートは、内部熱交換器の高圧入口及び高圧出口のところのカバープレート通路内の熱交換器管の連結領域の雌型輪郭にマッチした雌型輪郭を呈する。

特に望ましい実施形態では、熱交換器管の連結領域は、内側からカバープレートに接合可能にする雄ねじを備えている。この目的のため、カバープレートのカバープレート通路は、それぞれマッチした雌ねじを有し、したがって、熱交換器管をカバープレートにねじ込むことができるようになっている。

上方カバープレートは、有利には、冷媒循環システムの低圧入口及び高圧出口を備えている。この場合、下方カバープレートは、それに対応して、冷媒循環システムの低圧出口及び高圧入口を有する。熱交換器管をそれぞれのカバープレートにねじ込んだ後、熱交換器管を好ましくは常温成形し、その間、ねじ山は、軸方向における支持を行う。

機械的継手は、有利な一実施形態では、密封輪郭をねじ山の前に成形することにより密封される。本発明の別の有利な実施形態では、シールは、密封輪郭をねじ山の前に形成し、ねじ山を押し付けることにより実現される。加うるに、熱交換器管をねじ山の後に成形しても良い。別の実施形態では、シールは又、密封輪郭を形成しないで、ねじ山を押し付けることによってのみ実現できる。

変形例として、半径方向シールを提供する密封要素を常温成形に代えて用いても良い。本発明の別の実施形態では、機械的継手は、ねじ山及びシールによって内部熱交換器（ＩＨＥ）とコンポーネントカバーとの間に実現される。この場合、コイル状熱交換器管の連結領域は、雄ねじを備える。しかしながら、ねじ山の無い半径方向シールの特に有利な変形例も又、可能である。ねじ山を省くことにより、コンポーネントの接合が大幅に簡単になる。ねじ山の無いかかる密封要素を用いた場合、熱交換器管をコンポーネントカバーとコンポーネント容器の両方に機械的に接合できる。

この場合、シールは、有利には、熱交換器管の管端部に固定される。一方において、このシールは、例えばテフロン（Teflon：登録商標）円錐形ニップルの形態をした弾性又はプラスチック材料で作られた円筒形シールであるのが良い。他方、Ｏリングシールをシールとして用いても良く、１つ又は２つ以上のＯリングの使用が可能である。

カバープレートは、各々、雄ねじにマッチした雌ねじを有する。熱交換器管の連結領域は、カバープレートにねじ込まれる。この場合、シールは、有利には、密封要素を半径方向に圧縮することにより達成される。この場合、軸方向密封は有利ではない。というのは、これにより、熱交換器管の螺旋に対するカバープレートの正確な位置を達成するのが不可能だからである。

本発明の目的を達成する別の対策では、コイル状熱交換器管の管端部は、滑らかな状態のままであるのが良い。この場合、対応の雌型輪郭は、カバーに付与される。この解決策では、螺旋コイルは、カバー内に挿入され、摩擦溶接マンドレルが終端連結部を貫通した状態で、それぞれのカバープレート内に溶接されている。

本発明の別の細部、特徴及び利点は、添付の図面を参照して例示の実施形態についての以下の説明を読むと理解できよう。

図１ａは、先行技術による内部熱交換器及びアキュムレータから成る組合せコンポーネント（ＡｃｃｕＩＨＥ）を示す図である。このコンポーネントは、コイル状熱交換器管を備えた内部熱交換器で構成され、この内部熱交換器は、アキュムレータと一緒になって、モジュラーユニットを形成している。内部熱交換器は、内径Ｄの円筒体として設計されたハウジング１から成る。ハウジング１は、上方カバープレート２及び下方カバープレート３によって境界付けられている。上方カバープレート２は、低圧入口６及び高圧出口１０を備えている。下方カバープレート３は、低圧出口８及び高圧入口を備えている。アキュムレータ５は、下から密封された直径ｄの同心状に配置された筒体の形態で内部に配置されている。アキュムレータ筒体の上側被覆面は、オーバーフロー７として設計された開口部に隣接して低圧入口６のための開口部を有している。冷媒が、高圧下で、コイル状熱交換器管４を通って流れ、このコイル状熱交換器管は、下方カバープレート３から延びていて、アキュムレータ５とハウジング１との間の幅ｓの隙間内に配置され、アキュムレータ５の外壁に沿って同軸状に下から上方に螺旋状に延びて上方カバープレート２の高圧出口１０を介して内部熱交換器から出ている。

図１ｂに示すように、下方終端連結部を接合するには、長さＬのコイル状熱交換器管４をハウジング１から引き出すことが必要であり、この場合、コイル状熱交換器管がこのプロセス中に壊れる恐れが生じる（先行技術）。

図２は、先行技術による端が平らな管の従来型常温成形の欠点を示している。この場合、コイル状熱交換器管４は、真っ直ぐな長さにわたって保持され、次に、力を加えることにより軸方向に形成される。この場合の欠点としては、両方の保持長さＬに必要な空間により、コイル状熱交換器管４のターンの数が減少し、それ故に、コンポーネントのサイズが同一であると仮定すると、アキュムレータと内部熱交換器又は熱出力との間の伝熱面が減少するということにある。使用可能な内部熱交換器の高さは、図２よ示すように２×Ｌだけ減少する。加うるに、下方連結部を実現する際、コイル状熱交換器管４をハウジングから保持長さＬだけ引き出さなければならない。この場合、熱交換器管４を壊す恐れがある。

図３は、コイル状熱交換器管４と上方カバープレート２又は下方カバープレート３との間の継手を示している。機械的継手は、成形法によって達成できる。図３ａによれば、コイル状熱交換器管４の内部連結領域１１は、雄ねじ１２を備えている。カバープレート２，３は、これにマッチした雌ねじ１３を備えている。成形プロセスに先立って、コイル状熱交換器管４の内部連結領域１１をまず最初にカバー２，３にねじ込む。図３ｂによれば、ねじ山１２，１３をいったん互いに螺合させると、常温成形が生じる。この場合、軸方向支持は、ねじ山１２，１３により実現される。

内部連結領域１１をコイル状熱交換器管４からカバープレート２，３まで次のようにして密封するのが良い。
１．密封輪郭をねじ山１２，１３の前に形成する。
２．密封輪郭をねじ山１２，１３の前に形成し、ねじ山１２，１３を押し付け、雄ねじ１２を備えた熱交換器管４をマンドレル１８によって拡張し、これを雄ねじ１３を備えたボアホール内に圧入し又は押し込み、緊密さが得られるようねじ山１２，１３の遊び及び運動の自由度を無くす。
３．密封輪郭をねじ山１２，１３の前に形成し、ねじ山１２の後に熱交換器管４を拡張させて追加的に成形するマンドレル１８によりねじ山１２，１３を押し付ける。
４．拡張目的でマンドレル１８によりねじ山１２，１３を押し付けるだけである。

カバープレート２，３への外部連結領域１９は、高圧冷媒ラインの終端部を備えている。

図３ｃは、内部熱交換器（ＩＨＥ）と上方又は下方カバープレート２，３との間の実現された機械的継手を示している。

図４は、ねじ山及びシールを備えた機械的継手を示している。この場合、コイル状熱交換器管４の内部連結領域１１は、雄ねじ１２を備えている。加うるに、シール１４が、コイル状熱交換器管１４の管端部１５に設けられている。図４に記載されたこの種の実施形態は、組み立て上の理由で有利である。しかしながら、変形例として、シールを熱交換器管４に設けないで、それぞれのカバー２，３に設けられた溝内に配置しても良い。一方において、シール１４は、例えばテフロン（Teflon：登録商標）円錐形ニップルの形態をした図４ｂに示すような弾性又はプラスチック材料で作られた円筒形シールであるのが良い。他方、図４ａのＯリングシール１７をシール１４として用いても良く、この場合、１つ又は２つ以上のＯリングの使用が可能である。カバープレート２，３は、雌ねじ１３を備える。コイル状熱交換器管４の内部連結領域１１は、カバープレート２，３にねじ込まれる。シール１４は、それぞれ用いられている密封要素１６，１７を半径方向に圧縮することにより達成される。軸方向密封は有利ではない。というのは、これにより、コイル状熱交換器管の螺旋に対するそれぞれのカバープレート２，３の正確な位置を達成するのが不可能だからである。

図５は、少なくとも１つのＯリングシール１７を備えた機械的継手の特に好ましい実施形態を示しており、他の実施形態とは対照的に、ねじ山は設けられていない。図５ａによれば、この場合、シール１４が、Ｏリングシール１７の形態の密封要素としてコイル状熱交換器管４の端部１５に固定されている。これとは対照的に、図５ｂは、互いに上下に配置された２つのＯリングシール１７を備えた実施形態を示している。シール１４は、少なくとも１つのＯリングシール１７を半径方向に圧縮することにより達成される。

内部熱交換器及びアキュムレータから成る先行技術の組合せコンポーネント（ＡｃｃｕＩＨＥ）を示す図である。 コイル状チューブがカバーへの内部溶接が可能になるように引き出される内部熱交換器及びアキュムレータから成る先行技術の組合せコンポーネント（ＡｃｃｕＩＨＥ）を示す図である。 常温成形による接合後の内部熱交換器及びアキュムレータから成る先行技術の組合せコンポーネントを示す図である。 ３ａは、ねじ結合及び成形法で実現された熱交換器管と上方又は下方カバープレートとの間の機械的継手を示す図であってねじ結合前の熱交換器管及びカバープレートを示す図、３ｂは、ねじ結合及び成形法で実現された熱交換器管と上方又は下方カバープレートとの間の機械的継手を示す図であってマンドレルによるねじ山の拡張前の熱交換器管及びカバープレートを示す図、３ｃは、実現された機械的継手を示す図である。 は、ねじ山及びシールで実現された熱交換器管と上方又は下方カバープレートとの間の機械的継手を示す図であってＯリングシールによる機械的継手を示す図である。 は、ねじ山及びシールで実現された熱交換器管と上方又は下方カバープレートとの間の機械的継手を示す図であって円筒形シールによる機械的継手を示す図である。 ５ａは、ねじ山を用いないでＯリングシールを用いた熱交換器管と上方又は下方カバープレートとの間の機械的継手を示す図であって１つのＯリングシールによる機械的継手を示す図、５ｂは、ねじ山を用いないでＯリングシールを用いた熱交換器管と上方又は下方カバープレートとの間の機械的継手を示す図であって２つのＯリングによる機械的継手を示す図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ 上方カバープレート
３ 下方カバープレート
４ 熱交換器管
５ アキュムレータ
６ 低圧入口
７ オーバーフロー
８ 低圧出口
９ 高圧入口
１０ 高圧出口
１１ 内部連結領域
１２ 雄ねじ
１３ 雌ねじ
１４ シール
１５ 管端部
１６ 円筒形シール（密封要素）
１７ Ｏリングシール（密封要素）
１８ 拡張マンドレル
１９ 外部連結領域
ｓ 隙間幅
ｄ アキュムレータ５の直径
Ｄ ハウジング１の内径
Ｌ 保持長さ

Claims (16)

1. アキュムレータ（５）を備えた内部熱交換器で構成されているモジュラーユニット（ＡｃｃｕＩＨＥ）の熱交換器管（４）とカバープレート（２，３）との間の機械的継手であって、前記モジュラーユニットは、上方カバープレート（２）及び下方カバープレート（３）を備えていて、低圧下の液体冷媒のためのアキュムレータ（５）を収納したハウジング（１）から成り、冷媒のための熱交換器管（４）が、前記アキュムレータ（５）と前記ハウジング（１）との間の幅ｓの隙間内において高圧下でコイル状になっている、機械的継手において、前記熱交換器管（４）を一体化する際、２つの密封平面が設けられ、前記熱交換器管（４）の管端部（１５）のところの一方の密封平面は、熱交換器管（４）を内側から前記カバープレート（２，３）に機械的に接合可能に設計されており、前記熱交換器管（４）の内部連結領域（１１）の輪郭に一致したそれぞれの雌型輪郭が、前記内部熱交換器の高圧入口（９）及び高圧出口（１０）のところのカバープレート通路内に組み込まれ、外部連結領域（１９）を備えた第２の密封平面が、前記カバープレート（２，３）を外部で冷媒ラインに接合するために設けられている特徴とする機械的継手。
2. 低圧入口（６）及び前記高圧出口（１０）は、前記モジュラーユニットの前記上方カバープレート（２）に組み込まれ、低圧出口（８）及び前記高圧入口（９）は、前記下方カバープレート（３）に組み込まれている請求項１記載の機械的継手。
3. コイル状熱交換器管（４）は、前記内部連結領域（１１）に設けられたそれぞれの雄ねじ（１２）を備え、前記カバープレート（２，３）は、各々、前記雄ねじにマッチした雌ねじ（１３）を備え、前記機械的継手は、前記コイル状熱交換器管（４）と前記カバープレート（２，３）との間のスクリューによる結合を介して実現可能である請求項１又は２記載の機械的継手。
4. 前記コイル状熱交換器管（４）は、前記機械的継手を実現する際に常温成形され、前記ねじ山１２，１３は、常温成形中、軸方向における支持を行う請求項３記載の機械的継手。
5. 前記機械的継手は、密封輪郭を前記雄ねじ（１２）の前に形成することにより密封される請求項３又は４記載の機械的継手。
6. 前記機械的継手は、前記雄ねじ（１２）を押さえ付けることにより密封される請求項３又は４記載の機械的継手。
7. シール（１４）が、前記熱交換器管（４）の前記管端部（１５）に設けられている請求項５記載の機械的継手。
8. 前記シールは、密封輪郭を前記雄ねじ（１２）の前に形成し、前記雄ねじ（１２）を押さえ付けることにより実現される請求項３乃至７の何れか１項に記載の機械的継手。
9. 前記熱交換器管（４）は、前記雄ねじ（１２）の後に成形される請求項３乃至８の何れか１項に記載の機械的継手。
10. ねじ山を備えていないシールが、密封輪郭を形成することにより半径方向に詰まった密封要素（１６，１７）を備えるシール（１４）として実現される請求項１又は２記載の機械的継手。
11. 前記シール（１４）は、円筒形シール（１６）である請求項７乃至１０の何れか１項に記載の機械的継手。
12. 前記円筒形シール（１６）は、プラスチック材料から成る請求項１１記載の機械的継手。
13. 前記円筒形シール（１６）は、弾性材料から成る請求項１１記載の機械的継手。
14. 前記シール（１４）は、Ｏリングシール（１７）として設計されている請求項７乃至１０の何れか１項に記載の機械的継手。
15. 前記Ｏリングシール（１７）は、数個のＯリングから成る請求項１４記載の機械的継手。
16. 前記コイル状熱交換器管（４）の前記管端部（１５）のところの前記内部連結領域（１１）は、円筒形に滑らかなままであり、前記カバープレート（２，３）は、対応の雌型輪郭を呈し、螺旋コイルが、前記カバー内に挿入され、摩擦溶接マンドレルが終端連結部を貫通した状態で、それぞれの前記カバープレート（２，３）内に溶接されている請求項１又は２記載の機械的継手。