JP2010054066A

JP2010054066A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2010054066A
Application number: JP2008216376A
Authority: JP
Inventors: Hideo Ohashi; 日出雄大橋
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2010-03-11

Abstract

【課題】ヘッダタンクの十分な耐圧性を確保した上で軽量化を図りうる熱交換器を提供する。
【解決手段】ガスクーラのヘッダタンク２を２枚のプレート7,8により構成する。外側プレート７に熱交換管４の幅よりも幅狭の外方屈曲部12を形成し、外方屈曲部12の前後両側部分に平坦部13を形成する。外方屈曲部12の外側部分を部分円筒状とする。内側プレート８に管挿入穴24を形成する。外側プレート７の前後両側部分の各管挿入穴24と対応する部分に、外方屈曲部12内を熱交換管４内に通じさせる連通部26を形成する。連通部26を、外側プレート７の両平坦部13を熱交換管４の長さ方向外側に向かって膨出させ、当該膨出部27の内部を外方屈曲部12内に通じさせることにより形成する。連通部26の内面を外方屈曲部12の部分円筒状部12aの内面に連なった円弧状とする。
【選択図】図４

Description

この発明は、熱交換器に関し、さらに詳しくは、たとえばＣＯ_２（二酸化炭素）などの超臨界冷媒が用いられる超臨界冷凍サイクルのガスクーラやエバポレータに好適に使用さ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、「超臨界冷凍サイクル」とは、高圧側において、冷媒が臨界圧力を超えた超臨界状態となる冷凍サイクルを意味するものとし、「超臨界冷媒」とは、超臨界冷凍サイクルに用いられる冷媒を意味するものとする。また、この明細書および特許請求の範囲において、隣接する熱交換管どうしの間の通風間隙を流れる空気の下流側（図１に矢印Ｘで示す方向）を前、これと反対側を後というものとする。

超臨界冷凍サイクルに用いられる熱交換器として、互いに間隔をおいて配置された１対のヘッダタンクと、両ヘッダタンク間に、幅方向を前後方向に向けるとともにヘッダタンクの長さ方向に間隔をおいて配置され、かつ両端部がそれぞれ両ヘッダタンクに接続された複数の扁平状熱交換管とを備えており、ヘッダタンクが、外側プレートと内側プレートとが互いに積層されてろう付されることにより構成され、外側プレートの前後方向の中間部に、ヘッダタンクの長さ方向にのびかつ熱交換管の前後方向の幅よりも幅狭の外方屈曲部が形成されるとともに、当該外方屈曲部の前後両側部分に内側プレートに密着する平坦部が形成され、外方屈曲部における熱交換管の長さ方向外側部分が部分円筒状となされ、内側プレートに、前後方向に長くかつ前後両端部が外側プレートの外方屈曲部よりも前後方向外方に突出した複数の管挿入穴が内側プレートの長さ方向に間隔をおいて貫通状に形成され、外側プレートの前後両側部分における内側プレートの各管挿入穴と対応する部分に、外方屈曲部内を、熱交換管内における外側プレートの外方屈曲部よりも前後方向外側部分に通じさせる連通部がそれぞれ形成されており、外側プレートの連通部が、外側プレートの前後両側の平坦部における外方屈曲部に連なった部分を、熱交換管の長さ方向外側に膨出させるとともに、当該膨出部内を外方屈曲部内に通じさせることにより形成され、連通部における熱交換管の長さ方向外側に突出した頂壁が平坦となされた熱交換器が知られている（特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１記載の熱交換器においては、連通部における熱交換管の長さ方向外側に突出した頂壁が平坦となされているので、連通部の当該頂壁に局部的に大きな力が作用し、ヘッダタンクの耐圧性が低下するという問題がある。そして、ヘッダタンクの耐圧性を向上させるためには、外側プレートの肉厚を比較的大きくする必要があるので、ヘッダタンクの重量、すなわち熱交換器全体の重量が大きくなるという問題がある。
特開２００６−１７４４２号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、ヘッダタンクの十分な耐圧性を確保した上で軽量化を図りう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)互いに間隔をおいて配置された１対のヘッダタンクと、両ヘッダタンク間に、幅方向を前後方向に向けるとともにヘッダタンクの長さ方向に間隔をおいて配置され、かつ両端部がそれぞれ両ヘッダタンクに接続された複数の扁平状熱交換管とを備えており、ヘッダタンクが、外側プレートと内側プレートとが互いに積層されてろう付されることにより構成され、外側プレートの前後方向の中間部に、ヘッダタンクの長さ方向にのびかつ熱交換管の前後方向の幅よりも幅狭の外方屈曲部が形成されるとともに、当該外方屈曲部の前後両側部分に内側プレートに密着する平坦部が形成され、外側プレートの外方屈曲部における少なくとも熱交換管の長さ方向外側部分が部分円筒状となされ、内側プレートに、前後方向に長くかつ前後両端部が外側プレートの外方屈曲部よりも前後方向外方に突出した複数の管挿入穴が内側プレートの長さ方向に間隔をおいて貫通状に形成され、外側プレートの前後両側部分における内側プレートの各管挿入穴と対応する部分に、外方屈曲部内を、熱交換管内における外側プレートの外方屈曲部よりも前後方向外側部分に通じさせる連通部がそれぞれ形成されている熱交換器であって、
外側プレートの連通部が、外側プレートの前後両側の平坦部における外方屈曲部に連なった部分を、熱交換管の長さ方向外側に向かって膨出させるとともに、当該膨出部の内部を外方屈曲部内に通じさせることにより形成され、当該連通部の内面が、外方屈曲部の部分円筒状部の内面に連なった円弧状となされている熱交換器。

2)熱交換管の長さ方向両端面における前後両端部が、外側プレートの前後の連通部の内面に当接している上記1)記載の熱交換器。

3)外側プレートの外方屈曲部におけるヘッダタンクの長さ方向に隣り合う連通部間の部分に、内方に突出した第１の補強リブが形成されている上記1)または2)記載の熱交換器。

4)内側プレートにおけるヘッダタンクの長さ方向に隣り合う管挿入穴の部分に、外側に突出しかつ外側プレートの外方屈曲部内に嵌り込んだ第２の補強リブが形成されている上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の熱交換器。

上記1)の熱交換器によれば、外側プレートの連通部が、外側プレートの前後両側の平坦部における外方屈曲部に連なった部分を、熱交換管の長さ方向外側に向かって膨出させるとともに、当該膨出部の内部を外方屈曲部内に通じさせることにより形成され、当該連通部の内面が、外方屈曲部の部分円筒状部の内面に連なった円弧状となされているので、連通部には局部的に大きな力が作用することはなく、ヘッダタンクの耐圧性が向上する。したがって、内側プレートの肉厚を特許文献１記載の熱交換器の場合よりも薄くすることが可能になり、熱交換器全体の軽量化を図ることができる。

上記2)の熱交換器によれば、熱交換器を製造する際に、熱交換管の両端部の位置決めを行うことができる。

上記3)および4)の熱交換器によれば、ヘッダタンクの耐圧性が一層向上する。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。この実施形態は、この発明による熱交換器を、超臨界冷凍サイクルのガスクーラに適用したものである。

なお、以下の説明において、図１および図２の上下、左右をそれぞれ上下、左右というものとする。

また、以下の説明において、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。

さらに、以下の説明において、「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。

図１および図２はこの発明による熱交換器を適用したガスクーラの全体構成を示し、図３〜図８はその要部の構成を示す。

図１および図２において、超臨界冷媒、たとえばＣＯ_２を使用する超臨界冷凍サイクルのガスクーラ(1)は、左右方向に間隔をおいて配置されかつ上下方向にのびる２つのヘッダタンク(2)(3)と、両ヘッダタンク(2)(3)間に、上下方向に間隔をおくとともに幅方向を前後方向に向けて配置された複数の扁平状熱交換管(4)と、隣接する熱交換管(4)どうしの間の通風間隙、および上下両端の熱交換管(4)の外側に配置されて熱交換管(4)にろう付されたコルゲートフィン(5)と、上下両端のコルゲートフィン(5)の外側にそれぞれ配置されてコルゲートフィン(5)にろう付されたアルミニウム製サイドプレート(6)とを備えている。なお、この実施形態において、右側のヘッダタンク(2)を第１ヘッダタンク、左側のヘッダタンク(3)を第２ヘッダタンクというものとする。

第１および第２ヘッダタンク(2)(3)は、両面にろう材層を有するブレージングシート、ここではアルミニウムブレージングシートから形成された外側プレート(7)と、両面にろう材層を有するブレージングシート、ここではアルミニウムブレージングシートから形成されかつ外側プレート(7)にろう付された内側プレート(8)とを備えている。第１ヘッダタンク(2)には、内部が冷媒流路(10a)となった入口ヘッダ部(10A)および内部が冷媒流路(10b)となった出口ヘッダ部(10B)が上下に並んで設けられている。第２ヘッダタンク(3)には、内部が冷媒流路(11a)となった１つの中間ヘッダ部(11)が、第１ヘッダタンク(2)の入口ヘッダ部(10A)および出口ヘッダ部(10B)に跨るように設けられている。

熱交換管(4)は、金属、ここではアルミニウム製押出形材からなり、前後方向に幅広の扁平状で、その内部に長さ方向にのびる複数の冷媒通路(4a)が前後方向に並んで形成されている。すべての熱交換管(4)は、右端部が第１ヘッダタンク(2)の入口ヘッダ部(10A)の冷媒流路(10a)に通じるとともに左端部が第２ヘッダタンク(3)の中間ヘッダ部(11)の冷媒流路(11a)の上半部に通じる複数の熱交換管(4)からなる上側熱交換管群と、右端部が第１ヘッダタンク(2)の出口ヘッダ部(10B)の冷媒流路(10b)に通じるとともに左端部が第２ヘッダタンク(3)の中間ヘッダ部(11)の冷媒流路(11a)の下半部に通じる複数の熱交換管(4)からなる下側熱交換管群とに分けられている。

図２〜図７に示すように、第１ヘッダタンク(2)の外側プレート(7)の前後方向（幅方向）の中央部に、右側に突出するとともに左側（内側プレート(8)側）に開口した横断面略Ｕ字状の外方屈曲部(12)が全長にわたって形成されている。外方屈曲部(12)の右側部分（熱交換管(4)の長さ方向外側部分）は横断面円弧状で部分円筒状となっている。当該部分円筒状部を(12a)で示す。外側プレート(7)の外方屈曲部(12)の前後両側部分はそれぞれ同一平面内に位置する平坦部(13)となっている。外側プレート(7)の外方屈曲部(12)の左側を向いた開口は内側プレート(8)により塞がれている。また、外側プレート(7)の両平坦部(13)の前後方向外側縁部には、複数の切り欠き(14)が長さ方向に間隔をおいて形成されている。切り欠き(14)は、熱交換管(4)とは上下方向にずれた位置に形成されている。外側プレート(7)の上下両端部および上下方向の中央部に、それぞれ前後方向に長くかつ一方の平坦部(13)から他方の平坦部(13)に至る仕切板挿入穴(15)が貫通状に形成されている。各仕切板挿入穴(15)は、平坦部(13)の上下両端部および上下方向中央部の切り欠き(14)と対応する位置に形成されている。各仕切板挿入穴(15)内に、両面にろう材層を有するアルミニウムブレージングシートにより形成された仕切板(16)が外側から挿入され、外側プレート(7)および内側プレート(8)にろう付されている。そして、外側プレート(7)の外方屈曲部(12)の内部空間の上下両端開口が仕切板(16)により閉鎖されるとともに、外方屈曲部(12)の内部空間が長さ方向の中央部において仕切板(16)により上下に区画されている。

外側プレート(7)の外方屈曲部(12)の頂部における上端部の仕切板挿入穴(15)よりも若干下方の位置に冷媒入口(17)が形成されており、外側プレート(7)の外面に、冷媒入口(17)に通じる冷媒流入路(19)を有するアルミニウム製入口部材(18)がろう付されている。また、外方屈曲部(12)の頂部における下端部の仕切板挿入穴(15)よりも若干上方の位置に冷媒出口(21)が形成されており、外側プレート(7)の外面に、冷媒出口(21)に通じる冷媒流出路(23)を有するアルミニウム製出口部材(22)がろう付されている。外側プレート(7)は、アルミニウムブレージングシートにプレス加工を施することにより形成されている。

第１ヘッダタンク(2)の内側プレート(8)には、前後方向に長い複数の貫通状管挿入穴(24)が、上下方向に間隔をおいて形成されている。上半部の複数の管挿入穴(24)は、上端の仕切板(16)と中央部の仕切板(16)との間の部分に形成され、同じく下半部の複数の管挿入穴(24)は、下端の仕切板(16)と中央部の仕切板(16)との間の部分に形成されている。管挿入穴(24)の前後方向の長さは、外方屈曲部(12)の前後方向の幅よりも若干長く、管挿入穴(24)の前後両端部は外方屈曲部(12)の前後両側縁よりも外方に突出している。また、内側プレート(8)の前後両側縁部における外側プレート(7)の平坦部(13)の切り欠き(14)と対応する位置に、切り欠き(14)を通って右方にのびかつ前後方向内方に折り曲げられて外側プレート(7)の外面に係合する係合爪(25)が一体に形成され、外側プレート(7)にろう付されている。上下両端部および上下方向中央部の係合爪(25)は、仕切板(16)の前後両端部に係合した状態で仕切板(16)にろう付されている。なお、図７に実線で示すように、係合爪(25)は、２つのプレート(7)(8)を組み合わせる前の状態では、内側プレート(8)と直角をなして左右方向外方にのびている。真っ直ぐな係合爪を(25A)で示す。そして、２つのプレート(7)(8)を組み合わせた後に係合爪(25A)を前後方向内方に曲げることによって２つのプレート(7)(8)が仮止めされるとともに、仕切板(16)が仮止めされる。内側プレート(8)は、両面にろう材層を有するアルミニウムブレージングシートにプレス加工を施すことにより形成されている。

第１ヘッダタンク(2)の入口ヘッダ部(10A)は、外側プレート(7)および内側プレート(8)における上下方向中央部の仕切板(16)よりも上側の部分により形成され、同じく出口ヘッダ部(10B)は、外側プレート(7)および内側プレート(8)における上下方向中央部の仕切板(16)よりも下側の部分により形成されている。第１ヘッダタンク(2)の入口ヘッダ部(10A)および出口ヘッダ部(10B)の冷媒流路(10a)(10b)は、上下両端の仕切板(16)と上下方向中央部中央部の仕切板(16)との間に形成されている。

第１ヘッダタンク(2)の外側プレート(7)の前後両側部分における内側プレート(8)の各管挿入穴(24)と対応する部分に、外方屈曲部(12)内を、熱交換管(4)における外側プレート(7)の外方屈曲部(12)よりも前後方向外側に位置する冷媒通路(4a)に通じさせる連通部(26)がそれぞれ形成されている。外側プレート(7)の連通部(26)は、外側プレート(7)の前後両側の平坦部(13)における外方屈曲部(12)に連なった部分を、右側（熱交換管(4)の長さ方向外側）に向かって膨出させるとともに、当該膨出部(27)の内部を外方屈曲部(12)内に通じさせることにより形成されている。連通部(26)の内面は、外方屈曲部(12)の部分円筒状部(12a)の内面に連なった円弧状となされている。そして、熱交換管(4)の右端面（長さ方向の端面）における前後両端部は、外側プレート(7)の前後の連通部(26)の内面に当接している。

第１ヘッダタンク(2)の外側プレート(7)の外方屈曲部(12)における上下方向に隣り合う連通部(26)間の部分に、内方に突出した第１の補強リブ(28)が形成されている。また、第１ヘッダタンク(2)の内側プレート(8)における上下方向に隣り合う管挿入穴(24)の部分に、外側に突出しかつ外側プレート(7)の外方屈曲部(12)内に嵌り込んだ第２の補強リブ(29)が形成されている。なお、第２の補強リブ(29)は、入口ヘッダ部(10A)の冷媒流路(10a)に臨む下端の管挿入穴(24)と、出口ヘッダ部(10B)の冷媒流路(10b)に臨む上端の管挿入穴(24)との間には形成されていない。

図２および図８に示すように、第２ヘッダタンク(3)は、第１ヘッダタンク(2)とほぼ同様な構成であり、同一物および同一部分に同一符号を付す。両ヘッダタンク(2)(3)は、内側プレート(8)どうしが対向するように配置されている。

第２ヘッダタンク(3)の外側プレート(7)および内側プレート(8)には上下両端部のみに仕切板(16)が配置されており、外側プレート(7)の外方屈曲部(12)の内部空間(24)は、上下両端開口のみが仕切板(16)により閉鎖されている。なお、外側プレート(7)の外方屈曲部(7)に冷媒入口および冷媒出口が形成されていない。

第２ヘッダタンク(3)の内側プレート(8)のすべての管挿入穴(24)は、中間ヘッダ部(11)の冷媒流路(11a)の上下方向の範囲、すなわち上下両端の仕切板(16)間に形成されており、内側プレート(8)のすべての管挿入穴(24)は、中間プレート(9)のすべての連通穴(22)を介して、中間ヘッダ部(11)内の冷媒流路(11a)に通じさせられている。

第２ヘッダタンク(3)の第２の補強リブ(29)は、すべての隣り合う管挿入穴(24)間に形成されている。

ガスクーラ(1)はすべての部品を組み合わせて一括ろう付することにより製造される。

ガスクーラ(1)は、圧縮機、エバポレータ、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ともに超臨界冷凍サイクルを構成し、カーエアコンとして車両、たとえば自動車に搭載される。

上述したガスクーラ(1)において、圧縮機を通過したＣＯ_２が、入口部材(18)の冷媒流入路(19)を通って冷媒入口(17)から第１ヘッダタンク(2)の入口ヘッダ部(10A)内の冷媒流路(10a)に入り、冷媒流路(10a)内を下方に流れながら分流して上側熱交換管群のすべての熱交換管(4)の冷媒通路(4a)内に流入する。冷媒通路(4a)内に流入したＣＯ_２は、冷媒通路(4a)内を左方に流れて第２ヘッダタンク(3)の中間ヘッダ部(11)内の冷媒流路(11a)の上半部に流入する。中間ヘッダ部(11)内の冷媒流路(11a)の上半部に流入したＣＯ_２は、冷媒流路(11a)内を下方に流れ、分流して下側熱交換管群のすべての熱交換管(4)の冷媒通路(4a)内に流入し、流れ方向を変えて冷媒通路(4a)内を右方に流れて第１ヘッダタンク(2)の出口ヘッダ部(10B)内の冷媒流路(10b)に入る。その後、ＣＯ_２は、出口ヘッダ部(10B)の冷媒流路(10b)内を下方に流れ、冷媒出口(21)および出口部材(22)の冷媒流出路(23)を通って流出する。そして、ＣＯ_２が熱交換管(4)の冷媒通路(4a)内を流れる間に、通風間隙を図１に矢印Ｘで示す方向に流れる空気と熱交換し、冷却される。

上記の実施形態においては、超臨界冷凍サイクルの超臨界冷媒として、ＣＯ_２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、酸化窒素などが使用可能である。

また、上記の実施形態においては、熱交換管(4)は、アルミニウム押出形材からなるが、これに両面にろう材層を有するアルミニウムブレージングシートからなる管製造用金属板を曲げた折り曲げ体からなるものであってもよい。

さらに、上記の実施形態においては、この発明の方法により製造されたヘッダタンク用外側プレートが超臨界冷凍サイクルのガスクーラのヘッダタンクに用いられているが、これに限定されるものではなく、他の熱交換器に用いることも可能である。

この発明の熱交換器を適用したガスクーラの全体構成を示す斜視図である。図１のガスクーラの後方から前方を見た一部省略垂直断面図である。図２のＡ−Ａ線拡大断面図である。図２のＢ−Ｂ線拡大断面図である。図２のＣ−Ｃ線拡大断面図である。図２のＤ−Ｄ線拡大断面図である。図１のガスクーラの第１ヘッダタンクの分解斜視図である。図１のガスクーラの第２ヘッダタンクの分解斜視図である。

符号の説明

(1)：ガスクーラ（熱交換器）
(2)(3)：ヘッダタンク
(4)：熱交換管
(7)：外側プレート
(8)：内側プレート
(12)：外方屈曲部
(12a)：部分円筒状部
(13)：平坦部
(24)：管挿入穴
(26)：連通部
(27)：外方膨出部
(28)：第１の補強リブ
(29)：第２の補強リブ

Claims

互いに間隔をおいて配置された１対のヘッダタンクと、両ヘッダタンク間に、幅方向を前後方向に向けるとともにヘッダタンクの長さ方向に間隔をおいて配置され、かつ両端部がそれぞれ両ヘッダタンクに接続された複数の扁平状熱交換管とを備えており、ヘッダタンクが、外側プレートと内側プレートとが互いに積層されてろう付されることにより構成され、外側プレートの前後方向の中間部に、ヘッダタンクの長さ方向にのびかつ熱交換管の前後方向の幅よりも幅狭の外方屈曲部が形成されるとともに、当該外方屈曲部の前後両側部分に内側プレートに密着する平坦部が形成され、外側プレートの外方屈曲部における少なくとも熱交換管の長さ方向外側部分が部分円筒状となされ、内側プレートに、前後方向に長くかつ前後両端部が外側プレートの外方屈曲部よりも前後方向外方に突出した複数の管挿入穴が内側プレートの長さ方向に間隔をおいて貫通状に形成され、外側プレートの前後両側部分における内側プレートの各管挿入穴と対応する部分に、外方屈曲部内を、熱交換管内における外側プレートの外方屈曲部よりも前後方向外側部分に通じさせる連通部がそれぞれ形成されている熱交換器であって、
外側プレートの連通部が、外側プレートの前後両側の平坦部における外方屈曲部に連なった部分を、熱交換管の長さ方向外側に向かって膨出させるとともに、当該膨出部の内部を外方屈曲部内に通じさせることにより形成され、当該連通部の内面が、外方屈曲部の部分円筒状部の内面に連なった円弧状となされている熱交換器。
熱交換管の長さ方向両端面の前後両端部が、外側プレートの前後の連通部の内面に当接している請求項１記載の熱交換器。
外側プレートの外方屈曲部におけるヘッダタンクの長さ方向に隣り合う連通部間の部分に、内方に突出した第１の補強リブが形成されている請求項１または２記載の熱交換器。
内側プレートにおけるヘッダタンクの長さ方向に隣り合う管挿入穴の部分に、外側に突出しかつ外側プレートの外方屈曲部内に嵌り込んだ第２の補強リブが形成されている請求項１〜３のうちのいずれかに記載の熱交換器。