JP2019192569A - 熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】生産性を向上させることができる熱交換器を提供する。【解決手段】 バッテリーパック50を冷却するために用いられる熱交換器1であって、バッテリーパック50の熱を吸熱する冷媒を流通させるチューブ11、及びチューブ11に対して冷媒の流入あるいは流出を行うタンク12を備える熱交換器構造体10を有し、所定の熱交換器構造体10を形成するタンク12の一端側には、冷媒を流通させる配管14が接続されるコネクタ部12cが一体に形成されている。【選択図】図3

Description

本発明は、熱交換器に関する。
特許文献1には、電池冷却に用いられる熱交換器であって、電池と接触し熱媒体が流通する複数のチューブと、複数のチューブへの熱媒体の分配及び複数のチューブからの熱媒体の集合を行う管状の一対のタンクと、タンクの両端を閉塞するキャップと、複数のチューブと一対のタンクとを接続するコネクト部材と、がロウ付けされた熱交換器が開示されている。
欧州特許出願公開第2945217号明細書
電池冷却に用いられる熱交換器では、各構成部品同士のロウ付け部からの熱媒体の漏れは、電池の漏電等の原因となり得る。従って、各構成部品同士をロウ付けする際には、ロウ付け部からの熱媒体の漏れを抑制できるように確実なロウ付けが求められる。ところが、特許文献1に示される熱交換器は、構成部品が多く、ロウ付けを行う箇所も多い。さらに、各構成部品をロウ付け接合する際には、各構成部品を仮固定する必要がある。このため、構成部品が多いと仮固定するための時間がかかり、生産性が悪いという問題が有った。
本発明は、生産性を向上させることができる熱交換器を提供する。
上記目的を達成するために、請求項1に記載の熱交換器は、電池を冷却するために用いられる熱交換器であって、電池の熱を吸熱する熱媒体を流通させるチューブ(11)、及びチューブに対して熱媒体の流入あるいは流出を行うタンク(12)を備える熱交換器構造体(10)を有し、所定の熱交換器構造体を形成するタンクの一端側には、熱媒体を流通させる配管、及び別の熱交換器構造体を形成するタンクの他端側のいずれか一方が接続されるコネクタ部(12c)が一体に形成されている。
このように、タンクの一端側に、コネクタ部が一体に形成されているので、熱交換器の構成部品の数を低減させることができる。このため、熱媒体の漏れを防止するために確実なロウ付けを行う箇所を低減させることができる。さらに、ロウ付けを行う際に各構成部品を仮固定するための時間を低減させることができる。この結果、熱交換器の生産性を向上させることができる。
熱交換器構造体は、1つであっても、複数であっても良い。なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
第1実施形態の熱交換器の上面図である。 第1実施形態の熱交換器構造体の上面図である。 図2のIII−III断面図である。 締結部材の斜視図である。 第2実施形態の熱交換器の上面図である。 第2実施形態の熱交換器構造体の上面図である。 図6のVII−VII断面図である。 第3実施形態の熱交換器の上面図である。 第3実施形態の熱交換器構造体の上面図である。 図9のX−X断面図である。 第4実施形態の熱交換器の上面図である。 第4実施形態の熱交換器構造体の上面図である。 図12のXIII−XIII断面図である。
(第1実施形態)
第1実施形態の熱交換器1について、図面を参照しつつ説明する。図1において、紙面左右方向を熱交換器1の第1方向、紙面上下方向を熱交換器1の第2方向とする。第1方向と第2方向は、互いに直交している。本実施形態では、第1方向及び第2方向を含む面は、水平面である。
熱交換器1は、図示しない冷凍サイクル装置を循環する冷媒と、車両に搭載されたバッテリーパック50とを熱交換させることによって、バッテリーパック50を冷却するものである。従って、バッテリーパック50は、電池であり、冷媒は、熱媒体である。
この熱交換器1を搭載する車両は、バッテリーパック50を電源とする図示しないモータジェネレータによって走行する電気自動車やハイブリッド自動車である。
図1に示すように、バッテリーパック50は、直方体形状の複数のバッテリーセル51を積層配置したものである。バッテリーセル51の長手方向は、第2方向に一致している。複数のバッテリーセル51の積層方向は、第1方向に一致している。バッテリーセル51は、充放電可能な二次電池(例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池)で構成されている。
バッテリーパック50は、図示しないインバータ装置に接続されている。インバータ装置は、バッテリーパック50から供給された直流電流を交流電流に変換し、変換した交流電流をモータジェネレータに供給する。また、インバータ装置は、車両の回生時に、モータジェネレータによって発電された交流電流を直流電流に変換し、変換した直流電流をバッテリーパック50に供給して、バッテリーパック50を充電する。
バッテリーパック50は、モータジェネレータへの電流の供給時及び充電時に自己発熱する。そこで、熱交換器1では、内部を流通する冷媒に、バッテリーパック50が発生した熱を吸熱させる。これにより、バッテリーパック50を冷却して、バッテリーパック50の劣化を抑制するとともに、バッテリーパック50の入出力特性の低下を抑制している。
熱交換器1は、圧縮機、凝縮器、及び減圧弁(いずれも不図示)とともに、蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置を構成している。圧縮機は、冷媒を圧縮機して吐出するものである。凝縮器は、圧縮機によって圧送された冷媒を、空気と熱交換することによって、凝縮させるものである。減圧弁は、凝縮器によって凝縮された冷媒を減圧するものである。
熱交換器1は、減圧弁によって減圧された冷媒と、バッテリーパック50とを熱交換させることによって、バッテリーパック50が発生した熱を冷媒に吸熱させて、冷媒を蒸発させる蒸発器である。
ここで、本実施形態の冷凍サイクル装置では、冷媒としてHFC系冷媒(具体的には、R134a)を採用している。もちろん、冷媒としてHFO系冷媒(例えば、R1234yf)を採用してもよい。なお、冷媒には圧縮機を潤滑するための冷凍機油が混入されており、冷凍機油の一部は冷媒とともに冷凍サイクル装置を循環している。
図1及び図2に示すように、熱交換器1は、チューブ11と、チューブ11の両端に取り付けられた一対のタンク12と、タンク12の開口部を閉塞するキャップ13から構成された熱交換器構造体10が、第1方向に並んで複数設けられて構成されている。隣接する熱交換器構造体10は、配管14によって接続されている。
チューブ11、タンク12、及びキャップ13は、熱伝導性に優れた金属(例えば、アルミニウム合金)で構成されている。チューブ11、タンク12、及びキャップ13の外表面には、ロウ材層が形成されている。
図3に示すように、チューブ11は、扁平な板形状である。チューブ11は、その長手方向が第2方向と一致するように、第1方向に複数本並列配置されている。チューブ11の長手方向とバッテリーセル51の長手方向は一致している。チューブ11には、冷媒が流通し、第2方向に延びるように形成された流通穴11aが第1方向に並んで複数形成されている。本実施形態では、チューブ11は、押出加工による微細多穴チューブを採用している。
各チューブ11は、熱伝導材を介して、各バッテリーセル51の外表面に密着している。本実施形態では、1つのバッテリーセル51に1つのチューブ11が熱伝導材を介して密着している。熱伝導材は、電気絶縁性と高い熱伝導性を備え、チューブ11とバッテリーセル51間の熱伝導性を高めるものである。熱伝導材として、熱伝導グリスや熱伝導シートが採用される。
タンク12は、チューブ11に対して、冷媒の流入あるいは流出を行うものである。タンク12は、チューブ接合部12aと接続部12bとから構成されている。チューブ接合部12aは、長手方向が第1方向に延びて形成された管状に形成された部位である。接続部12bは、第3方向に延びて形成された管状の部位である。第3方向は、第1方向及び第2方向に直交する方向である。つまり、チューブ接合部12aの長手方向と、接続部12bの長手方向は、異なる方向に向いている。接続部12bは、チューブ接合部12aの一端部に接続されて、チューブ接合部12aに連通している。つまり、本実施形態のタンク12は、途中で90°曲げられた円管で形成されている。
図2及び図3に示すように、チューブ接合部12aの周面には、長手方向が第1方向と一致する接合穴12fが形成され、この接合穴12fにチューブ11の端部が挿入されて、チューブ11の両端がチューブ接合部12aの接合穴12fにロウ付け接合されている。チューブ11の各流通穴11aは、チューブ接合部12a内に連通している。
図3に示すように、キャップ13は、扁平な有底筒状の挿入部13aと、挿入部13aの外周側に形成されて円環板状の当接部13bとから構成されている。挿入部13aの外径は、チューブ接合部12aの内径よりも僅かに小さくなっている。キャップ13はプレス成型によって上記した成型に形成される。
挿入部13aがチューブ接合部12aの開口部に挿入され、当接部13bがチューブ接合部12aの端部に当接して、当接部13bとチューブ接合部12aの端部がロウ付け接合されて、チューブ接合部12aの開口部がキャップ13によって閉塞されている。
図3に示すように、接続部12bの端部、つまり、接続部12bの開口部の近傍には、冷媒を流通させる配管14が着脱可能に接続するためのコネクタ部12cが一体に形成されている。本実施形態では、コネクタ部12cは、接続部12bの端部の外周面の一部が径方向外側に突出した形状である。
接続部12bの開口部には、配管14が挿入されて接続されている。配管14の両端部は、耐腐食性に優れた金属(例えば、ステンレス鋼、真鍮)や合成樹脂で構成されている。配管14の中間部は、耐腐食性に優れた金属やゴムで構成されている。
配管14の先端の外周面には、2つのOリング溝14aが全周にわたって凹んで形成されていて、これらのOリング溝14aには、それぞれOリング15が取り付けられている。Oリング15は、Oリング溝14aの底面及び接続部12bの内周面と全周にわたって密着している。このため、配管14と接続部12bとの接続部分からの冷媒の漏洩が防止される。
配管14の先端のOリング溝14aが形成されている位置よりも端部から離れた側の外周面には、この外周面の一部が径方向に突出した係合部14bが形成されている。係合部14bの外径は、接続部12bの外径よりも大きくなっている。係合部14bは、接続部12bの先端に当接している。
配管14は、締結部材16によって、接続部12bの先端に固定されている。図4に示すように、締結部材16は、断面が円弧形状の筒状であり、弾性変形可能な合成樹脂や金属(例えば、鉄)で構成されている。締結部材16には、周方向に切り欠かれた第1係合部16aと第2係合部16bとが軸線方向に隣接して形成されている。
配管14の先端を接続部12bの開口部に挿入した後に、締結部材16を変形させて、第1係合部16aがコネクタ部12cに係合し、第2係合部16bが係合部14bに係合するように、締結部材16を配管14と接続部12bとの接続部分に取り付ける。これにより、配管14の先端は、締結部材16によって、接続部12bの先端に第3方向に移動不能に固定される。
以下に、本実施形態の熱交換器1の製造方法について説明する。チューブ11の両端をそれぞれ一対のタンク12の接合穴12fに挿入し、キャップ13の挿入部13aをタンク12のチューブ接合部12aの開口部に挿入した状態で、図示しない治具で、チューブ11、一対のタンク12、及びキャップ13を仮固定する仮固定工程を行う。
次に、各構成部品が一体となるように仮固定された熱交換器構造体10全体を加熱炉内へ投入して加熱し、各構成部品の表面に形成されたロウ材層のロウ材を溶融させ、更に、再びロウ材が凝固するまで冷却することによって、各構成部品を一体的にロウ付け接合して熱交換器構造体10を形成する接合工程を行う。
次に、図1に示すように、複数の熱交換器構造体10を並列に並べたうえで、配管14の両端部のそれぞれを、隣接する熱交換器構造体10の接続部12bの開口部に挿入し、上記したように、締結部材16を配管14と接続部12bとの接続部分に取り付ける組付工程を行う。これにより、隣接する熱交換器構造体10のタンク12同士が配管14によって接続されて、熱交換器1が完成する。
以上の説明から明らかなように、熱交換器1のタンク12の一端側には、冷媒を流通させる配管14が接続されるコネクタ部12cが一体に形成されている。
これによれば、熱交換器1の構成部品数を低減させることができる。このため、各構成部品同士のロウ付けを行う箇所を低減させることができる。さらに、ロウ付けを行う際に各構成部品を仮固定するための時間を低減させることができる。この結果、熱交換器1の生産性を向上させることができる。
このことは、本実施形態の熱交換器1のように、バッテリーパック50を冷却するために用いられる熱交換器において極めて有効である。その理由は、バッテリーパック50を冷却するために用いられる熱交換器では、各構成部材同士の確実なロウ付けが求められるからである。
また、熱交換器1を構成する部品点数を低減することができ、各構成部品を仮固定させるための治具を単純な構造にすることができるので、熱交換器1の製造コストを低減させることができる。
また、チューブ11とタンク12から構成された熱交換器構造体10が、並んで複数設けられ、隣接する熱交換器構造体10のコネクタ部12cが、配管14によって接続されている。
これによれば、バッテリーパック50の容量や形状に合わせて、熱交換器構造体10の数を容易に増減させることができる。このため、バッテリーパック50の容量や形状毎に専用の熱交換器1を製造する必要が無い。よって、熱交換器1の生産性を更に向上させることができるとともに、熱交換器1の製造コストを更に低減させることができる。
また、チューブ接合部12aの長手方向と接続部12bの長手方向は、異なる方向に向いており、コネクタ部12cは、接続部12bの開口端部に形成されている。
これによれば、接続部12bをチューブ接合部12aの形成方向に対して任意の方向に形成することによって、配管14のコネクタ部12cへの接続方向を、任意の方向に設定することができる。このため、熱交換器1の形状の自由度が増し、熱交換器1の車両への搭載性を向上させることができる。
また、接続部12bは、チューブ接合部12aの一端側に配置されており、チューブ接合部12aの他端側の開口部には、この他端側の開口部を閉塞するキャップ13が配置されている。これによれば、チューブ接合部12aからの冷媒の漏洩を防止することができる。
(第2実施形態)
以下に、図5〜図7を用いて、第1実施形態の熱交換器1と異なる点について第2実施形態の熱交換器2について説明する。図5〜図7は、それぞれ第1実施形態で説明した図1〜図3に対応する図面である。
第2実施形態の熱交換器2では、図7に示すように、チューブ接合部12aの両端部に、接続部12bが形成されている。図6及び図7に示すように、チューブ接合部12aには、2つの接合穴12fが第1方向に並んで形成され、この2つの接合穴12fのそれぞれにチューブ11の端部が挿入されてロウ付け接合されている。つまり、一対のタンク12に、2つのチューブ11が接合された熱交換器構造体10が構成されている。
熱交換器構造体10を構成する一対のタンク12のうち一方側は、冷媒を2つのチューブ11に分配して流入させる流入側タンク12−1である。流入側タンク12−1の2つの接続部12bのそれぞれの開口部から冷媒がタンク12内に流入して、この冷媒が2つのチューブ11に分配されて流入する。
熱交換器構造体10を構成する一対のタンク12のうち他方側は、2つのチューブ11から流出した冷媒を集合させる流出側タンク12−2である。流出側タンク12−2の2つの接続部12bからは、冷媒が流出する。
図5に示すように、複数の熱交換器構造体10は、第1方向に並列に並べられて配置されている。流出側タンク12−2の2つの接続部12bの開口部のそれぞれは、隣接する熱交換器構造体10の流入側タンク12−1の2つの接続部12bのそれぞれの開口部に配管14によって接続されている。このような構造によって、上流側の熱交換器構造体10から流出した冷媒が、下流側の熱交換器構造体10に順次流入する。
第2実施形態の熱交換器2では、接続部12bは、チューブ接合部12aの両端側に配置されている。これにより、キャップ13が不要であるので、ロウ付け箇所を削減することができ、熱交換器2の生産性を更に向上させることができる。
(第3実施形態)
以下に、図8〜図10を用いて、第3実施形態の熱交換器3について、第2実施形態の熱交換器2と異なる点について説明する。図8〜図10は、それぞれ第2実施形態で説明した図5〜図7に対応する図面である。
第3実施形態の熱交換器3では、図9、図10に示すように、チューブ接合部12aが、キャップ13によって2つの部屋に分割されている。キャップ13は円板形状である。
第3実施形態のタンク12は、第1実施形態と同様の熱交換器構造体10のタンク12のチューブ接合部12aの開口部に、キャップ13を挿入してロウ付け接合したうえで、別の熱交換器構造体10のタンク12のチューブ接合部12aの開口部をロウ付け接合することによって製造される。
第3実施形態の熱交換器3では、第1実施形態の熱交換器1と比較して、2つのタンク12の開口部を、1つのキャップ13で閉塞することができるので、ロウ付け箇所を更に削減することができ、熱交換器3の生産性を更に向上させることができる。
また、キャップ13によって、チューブ接合部12aが2つの部屋に分割されているので、1つのタンク12の2つの接続部12bにそれぞれ流入した冷媒が、チューブ接合部12a内において混ざらずに、それぞれチューブ11に流入する。このため、1つのタンク12に接続されている2つのチューブ11のそれぞれに均等に冷媒を流通させることができ、隣接するバッテリーセル51を均等に冷却することができる。
(第4実施形態)
以下に、図11〜図13を用いて、第4実施形態の熱交換器4について、第1実施形態の熱交換器1と異なる点について説明する。図11〜図13は、それぞれ第1実施形態で説明した図1〜図3に対応する図面である。
図11、図12に示すように、第4実施形態の熱交換器4では、隣接する熱交換器構造体10は、タンク12同士で直接接続されている。つまり、所定の熱交換器構造体10のタンク12に別の熱交換器構造体10のタンク12が接続されている。
冷媒をチューブ11に流入させる流入側タンク12−1が、第1方向に、直列配置されている。また、チューブ11から流出した冷媒が流入する流出側タンク12−2が、第1方向に直列配置されている。
図13に示すように、第4実施形態の熱交換器4のタンク12は、チューブ接合部12aの一端側に接続部12bが形成され、チューブ接合部12aの他端側に被接続部12dが形成されている。チューブ接合部12a、接続部12b、及び被接続部12dは、第1方向に、つまり、同じ方向に一直線上に形成されている。
接続部12bの外周面には、外周面の一部が径方向外側に突出した形状であるコネクタ部12cが形成されている。
被接続部12dの外径は、接続部12bの内径よりも僅かに小さくなっていて、被接続部12dが接続部12bの開口部に挿入している。被接続部12dの外周面には、2つのOリング溝12eが全周にわたって凹んで形成されていて、これらのOリング溝12eには、それぞれOリング15が取り付けられている。Oリング15は、Oリング溝12eの底面及び接続部12bの内周面と全周にわたって密着している。このため、接続部12bと被接続部12dとの接続部分からの冷媒の漏洩が防止される。
被接続部12dのOリング溝12eが形成されている位置よりもチューブ接合部12a側の外周面には、この外周面の一部が径方向に突出した係合部12gが形成されている。係合部12gの外径は、接続部12bの外径よりも大きくなっている。係合部12gは、接続部12bの先端に当接している。締結部材16によって、接続部12bと被接続部12dとが第3方向に移動不能に固定されている。
図11に示すように、隣接する熱交換器構造体10のタンク12が接続されないタンク12の開口部はキャップ13によって閉塞されている。つまり、このタンク12は被接続部12dが形成されておらず、チューブ接合部12aの開口部が、キャップ13によって閉塞されている。
以下に、隣接する熱交換器構造体10同士を接続する第4実施形態の熱交換器4の組付工程について説明する。熱交換器構造体10の被接続部12dを、この熱交換器構造体10と隣接する熱交換器構造体10の接続部12bに挿入して、係合部12gを接続部12bの先端に当接させる。
次に、締結部材16を変形させて、第1係合部16aがコネクタ部12cに係合し、第2係合部16bが係合部12gに係合するように、締結部材16を接続部12bと被接続部12dとの接続部分に取り付ける。同様の方法で、順次、隣接する熱交換器構造体10同士を接続すると、第4実施形態の熱交換器4が完成する。
(他の実施形態)
(1)上記した実施形態では、冷凍サイクル装置の蒸発器として熱交換器1〜4を用いた例について説明したが、サーモサイフォン式の蒸発器として熱交換器1〜4を用いてもよい。
(2)熱媒体として冷却水を採用して、熱交換器1〜4に冷却水を流通させて、この冷却水とバッテリーパック50から発生した熱とを熱交換させることによって、バッテリーパック50を冷却する実施形態であってもよい。
例えば、バッテリー冷却用の冷却水を循環させる冷却水循環回路を設ける。そして、この冷却水循環回路に、冷却水を冷却する冷却器と熱交換器1〜4を配置すればよい。冷却器としては、冷凍サイクルの低圧冷媒と冷却水とを熱交換させて冷却水を冷却する水−冷媒熱交換器(いわゆるチラー)、冷却水の有する熱を大気に放熱させる放熱用熱交換器(いわゆるラジエータ)等を採用することができる。
(3)接合工程において、溶融させたロウ材をチューブ11とタンク12の接合部や、キャップ13とタンク12の接合部に流し込むことによって、各構成部品を一体的にロウ付け接合してもよい。
(4)接続部12bと配管14、或いは、接続部12bと被接続部12dとを着脱可能に接続するコネクタ部12cの構成は、上述したものに限定されない。熱交換器1〜4の内部を流通する冷媒の漏れを防止可能であれば、上述した実施形態に限らず、別の形式の着脱自在な流体継手を構成するもの採用してもよい。
(5)上記説明した第1実施形態の熱交換器1や第4実施形態の熱交換器4では、一対のタンク12には、1つのチューブ11が接続されているが、一対のタンク12に、複数のチューブ11が接続されている実施形態であっても差し支えない。
(6)上記説明した第1実施形態の熱交換器1〜第3実施形態の熱交換器3では、チューブ接合部12aは第1方向に形成され、接続部12bはチューブ接合部12aの形成方向と直交する第3方向に形成されている。接続部12bは、チューブ接合部12aの構成方向に対して任意の方向に形成することができる。
(7)上記説明した第2実施形態の熱交換器2では、1つのタンク12に2つのチューブ11が接続されている。1つのタンク12に、3以上のチューブ11を接続した実施形態であってもよい。
10 熱交換器構造体
11 チューブ
12 タンク
12c コネクタ部

Claims (4)

  1. 電池を冷却するために用いられる熱交換器であって、
    前記電池の熱を吸熱する熱媒体を流通させるチューブ(11)、及び前記チューブに対して前記熱媒体の流入あるいは流出を行うタンク(12)を備える熱交換器構造体(10)を有し、
    所定の前記熱交換器構造体を形成する前記タンクの一端側には、前記熱媒体を流通させる配管、及び別の前記熱交換器構造体を形成する前記タンクの他端側のいずれか一方が接続されるコネクタ部(12c)が一体に形成されている熱交換器。
  2. 前記タンクは、所定の方向に延びて管状に形成され、前記チューブが接合されたチューブ接合部(12a)、及び所定方向に延びて管状に形成され、前記コネクタ部が形成された接続部(12b)を有し、
    前記チューブ接合部の長手方向と前記接続部の長手方向は、異なる方向に向いており、前記コネクタ部は、前記接続部の開口端部に形成されている請求項1に記載の熱交換器。
  3. 前記接続部は、前記チューブ接合部の一端側に配置されており、
    前記チューブ接合部の他端側の開口部には、前記他端側の開口部を閉塞するキャップ(13)が配置されている請求項2に記載の熱交換器。
  4. 前記接続部は、前記チューブ接合部の両端側に配置されている請求項2に記載の熱交換器。
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