JP2020085340A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の流れにおける圧力損失を低減することのできる熱交換器を提供する。【解決手段】熱交換器１０は、内側を冷媒が流れるように構成された内部部材２００と、内側に内部部材２００を収容する容器であって、内部部材２００の周囲の空間を冷却水が流れるように構成されたケース１００と、を備える。内部部材２００は、その長手方向に沿って内側を冷媒が流れるタンク２１０と、タンク２１０の長手方向に沿って並ぶように互いに間隔を空けて積層された複数のチューブ２４０と、を有するものである。複数のチューブ２４０が並んでいる方向を積層方向としたときに、冷却水の入口である第２入口部２１、及び冷却水の出口である第２出口部２２は、いずれも、ケース１００のうち積層方向に沿った一方側の面、である接続面Ｓに設けられている。【選択図】図２

Description

本開示は熱交換器に関する。

車両には、流体間で熱交換を行うための熱交換器が複数設けられる。このような熱交換器としては、例えば、冷媒との熱交換によって冷却水の温度を低下させるための冷却用熱交換器等が挙げられる。

下記特許文献１には、このような熱交換器の一例が示されている。当該熱交換器では、タンクに接続された複数のチューブが、タンクと共にケースの内部に収容されている。熱交換の対象となる一方の流体は、外部からタンク内へと供給された後、タンクの長手方向に沿って流れながらそれぞれのチューブへと分配される。また、熱交換の対象となるもう一方の流体は、ケース内へと供給された後、タンク及びチューブの外側の空間を流れる。これにより、チューブの内側を通る流体と、チューブの外側を通る流体との間で熱交換が行われる。説明の便宜上、前者の流体のことを以下では「第１流体」とも表記し、後者の流体のことを以下では「第２流体」とも表記する。

独国特許出願公開第１０２０１５１１１３９３号明細書

上記特許文献１に記載された熱交換器では、第２流体の入口部及び出口部が、いずれも、ケースの同一面に形成されている。また、第２流体が入口部からケース内に流入する方向は、チューブの積層方向に対して垂直な方向となっている。

このような構成において、第２流体は、入口部からケース内に流入した後、直ちに各チューブ間の隙間へと分配され、流入時における流れ方向を概ね維持したまま、それぞれの隙間に沿って流れる。その後、第２流体は、ケースの奥側の部分において再び合流するとともに、その流れ方向を出口部に向かって１８０度変化させる。

上記特許文献１に記載されているような構成の熱交換器では、外部から供給された第２流体のほぼ全てが、ケースのうち入口部とは反対側の奥側の部分において、その流れ方向を１８０度変化させる。つまり、第２流体のほぼ全体が、ケース内の同一箇所においてその流れ方向を１８０度変化させる。このため、流れ方向を１８０度変化させる際において、第２流体の流れにおける圧力損失は比較的大きくなってしまう。その結果、第２流体を送り出すためのコンプレッサの動力が無駄に消費されてしまう可能性がある。

本開示は、流体の流れにおける圧力損失を低減することのできる熱交換器、を提供することを目的とする。

本開示に係る熱交換器は、第１流体と第２流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、内側を第１流体が流れるように構成された内部部材（２００）と、内側に内部部材を収容する容器であって、内部部材の周囲の空間を第２流体が流れるように構成されたケース（１００）と、を備える。ケースには、第１流体の入口である第１入口部（１１）と、第１流体の出口である第１出口部（１２）と、第２流体の入口である第２入口部（２１）と、第２流体の出口である第２出口部（２２）と、がそれぞれ設けられている。内部部材は、その長手方向に沿って内側を第１流体が流れるタンク（２１０，２２０，２３０，２１５）と、その長手方向がタンクの長手方向に対して垂直となるように、タンクに対して接続された管状の部材であって、タンクの長手方向に沿って並ぶように互いに間隔を空けて積層された複数のチューブ（２４０）と、を有するものである。複数のチューブが並んでいる方向を積層方向としたときに、第２入口部及び第２出口部は、いずれも、ケースのうち積層方向に沿った一方側の面、である接続面（Ｓ）に設けられている。

このような構成の熱交換器では、第２流体の入口である第２入口部、及び第２流体の出口である第２出口部、のいずれもが、ケースのうち積層方向に沿った一方側の面、である接続面に設けられている。このため、第２流体が第２入口部からケース内へと流入する方向は、積層方向と概ね等しくなる。

このような構成において、第２流体は、ケース内を積層方向に沿って流れながら、各チューブ間の隙間に対して順次分配されていくこととなる。各チューブ間の隙間に分配された第２流体は、各隙間の位置においてその流れ方向を１８０度変化させた後、接続面にある第２出口部に向かって流れる。

このため、従来の構成のように、全ての第２流体がケースの奥側に到達し、同じ位置でその流れ方向を１８０度変化させるような構成に比べて、第２流体の流れにおける圧力損失を低減することが可能となる。

本開示によれば、流体の流れにおける圧力損失を低減することのできる熱交換器、が提供される。

図１は、第１実施形態に係る熱交換器の外観を示す斜視図である。 図２は、第１実施形態に係る熱交換器の内部構成を示す分解組立図である。 図３は、第１実施形態に係る熱交換器において、第２流体の流れる経路について説明するための図である。 図４は、第１実施形態に係る熱交換器のフィンの構成を示す図である。 図５は、第１実施形態の変形例に係る熱交換器の構成を模式的に示す図である。 図６は、第１実施形態の他の変形例に係る熱交換器の構成を模式的に示す図である。 図７は、第２実施形態に係る熱交換器の構成を示す図である。 図８は、第３実施形態に係る熱交換器の外観を示す斜視図である。 図９は、熱交換器のフィンについての他の例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

第１実施形態について説明する。本実施形態に係る熱交換器１０は、不図示の車両に搭載されるものである。熱交換器１０は、当該車両を循環する冷媒と冷却水との間で熱交換を行うための熱交換器として構成されている。

熱交換の対象となる一方の流体である冷媒は、車両に搭載された不図示の空調用冷凍サイクルを循環するものである。冷媒としては、本実施形態ではＲ１２３４ｙｆのような空調用冷媒が用いられるのであるが、冷媒としてＲ７４４のような二酸化炭素が用いられることとしてもよい。冷媒は、冷凍サイクルに設けられた不図示の膨張弁を通りその温度及び圧力を低下させた後、冷却用の流体として熱交換器１０に供給される。冷媒は、熱交換器１０を通る際において蒸発し、気相から液相へと変化する。つまり、本実施形態における熱交換器１０は、冷媒を蒸発させるための蒸発器として機能する。

熱交換の対象となるもう一方の流体である冷却水は、車両の内燃機関やラジエータを通る経路で循環するものである。冷却水としては、本実施形態ではＬＬＣが用いられるのであるが、冷却水として水が用いられることとしてもよい。また、冷却水による冷却対象は、内燃機関ではなくモータジェネレータやインバータ等であってもよい。冷却水は、内燃機関等を通りその温度を上昇させた後に熱交換器１０に供給される。

熱交換器１０では、低温の冷媒と、高温の冷却水との間で熱交換が行われる。熱交換器１０は、冷媒との熱交換によって冷却水の温度を低下させるための冷却用熱交換器として構成されている。冷媒は、本実施形態における「第１流体」に該当する。冷却水は、本実施形態における「第２流体」に該当する。熱交換器１０は、第１流体と第２流体との間で熱交換を行うためのものであればよく、その具体的な用途については特に限定されない。

図１及び図２に示されるように、熱交換器１０は、ケース１００と内部部材２００とを備えている。

先ず、ケース１００の構成について説明する。ケース１００は、その全体が概ね直方体となるように形成された容器である。外部から供給された冷媒及び熱交換器は、いずれもケース１００の内側へと供給される。冷媒と冷却水との間の熱交換はケース１００の内側において行われる。熱交換が行われた後の冷媒及び冷却水は、それぞれケース１００から外部へと排出される。

ケース１００は、容器部材１２０と板状部材１１０とを有している。容器部材１２０は、ケース１００の概ね全体をなす部分であって、本実施形態では樹脂によって形成されている。容器部材１２０は、概ね直方体の容器として形成されており、その一側面側が開放されている。板状部材１１０は、この開放された側面を塞ぐように設けられた板状の部材である。本実施形態では、板状部材１１０は金属によって形成されている。

板状部材１１０は、その一部が加締められており、これにより容器部材１２０に対して固定されている。このような態様に換えて、例えばボルト等によって板状部材１１０が容器部材１２０に対して締結固定されているような態様であってもよい。

図２に示されるように、板状部材１１０と容器部材１２０との間には環状のシール部材ＯＲが挟み込まれている。シール部材ＯＲは、例えばゴムによって形成されたパッキンである。シール部材ＯＲによって、板状部材１１０と容器部材１２０との間が水密に塞がれている。

尚、図１及び図２においては、水平な方向であって板状部材１１０側から容器部材１２０側へと向かう方向、がｘ方向となっており、同方向に沿ってｘ軸が設定されている。また、ｘ方向に対して垂直な方向であって、容器部材１２０の開口の長辺に沿って紙面手前側から奥側へと向かう方向、がｙ方向となっており、同方向に沿ってｙ軸が設定されている。更に、ｘ方向及びｙ方向のいずれに対しても垂直な方向であって、下方側から上方側に向かう方向がｚ方向となっており、同方向に沿ってｚ軸が設定されている。以降においては、上記のように定義されたｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向を用いて説明を行う。図１や図２以外の図を参照する場合においても同様である。

ケース１００の一部である板状部材１１０には、第１入口部１１と、第１出口部１２と、第２入口部２１と、第２出口部２２と、がそれぞれ設けられている。

第１入口部１１は、第１流体である冷媒の入口として設けられた配管である。第１出口部１２は、第１流体である冷媒の出口として設けられた配管である。第１入口部１１から流入した冷媒は、後述の内部部材２００の内側、具体的にはタンク２１０の内側へと流入し、内部部材２００を構成する各部材の内側を通って流れる。その後、冷媒は、内部部材２００が有するタンク２２０から、第１出口部１２を通って外部へと排出される。

第１入口部１１及び第１出口部１２はいずれも、板状部材１１０、すなわちケース１００のうち−ｘ方向側の側面から、−ｘ方向側に向けて突出するように設けられている。本実施形態では、第１入口部１１及び第１出口部１２はいずれもブロック１３０を介して板状部材１１０に設けられている。このような態様に換えて、第１入口部１１及び第１出口部１２が、ブロック１３０を介さず板状部材１１０の表面に直接設けられているような態様であってもよい。

第１入口部１１及び第１出口部１２は、板状部材１１０のうち、ｙ方向に沿った中央よりも−ｙ方向側寄りとなる位置に設けられている。また、第１入口部１１は、第１出口部１２の−ｚ方向側となる位置に設けられている。第１入口部１１の位置は、内部部材２００が有するタンク２１０と対応する位置となっている。第１出口部１２の位置は、内部部材２００が有するタンク２２０と対応する位置となっている。

第２入口部２１は、第２流体である冷却水の入口として設けられた配管である。第２出口部２２は、第２流体である冷却水の出口として設けられた配管である。第２入口部２１から流入した冷却水は、ケース１００の内側であって、且つ内部部材２００の周囲の空間へと流入する。冷却水は当該空間を流れた後、第２出口部２２を通って外部へと排出される。

第２入口部２１及び第２出口部２２は、板状部材１１０、すなわちケース１００のうち−ｘ方向側の側面から、−ｘ方向側に向けて突出するように設けられている。本実施形態では、第２入口部２１及び第２出口部２２はいずれも、板状部材１１０の表面に直接設けられている。このような態様に換えて、第２入口部２１及び第２出口部２２が、第１入口部１１等と同様にブロックを介して板状部材１１０に設けられている態様であってもよい。

第２入口部２１は、板状部材１１０のうち、ｙ方向に沿った中央よりも−ｙ方向側寄りとなる位置に設けられている。また、第２出口部２２は、板状部材１１０のうち、ｙ方向に沿った中央よりもｙ方向側寄りとなる位置に設けられている。

続いて、図２を参照しながら内部部材２００の構成について説明する。内部部材２００は、先に述べたように、その内側を第１流体である冷媒が流れるように構成された部材である。内部部材２００は、３つのタンク２１０、２２０、２３０と、チューブ２４０と、フィン２５０と、を有している。これらはいずれも金属によって形成されており、互いにろう接されることで一体となっている。

タンク２１０、２２０、２３０は、それぞれ細長い形状の容器として形成されている。タンク２１０、２２０、２３０は、いずれも、その長手方向をｘ方向に沿わせた状態で配置されており、その−ｘ方向側の端部において板状部材１１０に対しろう接されている。

タンク２１０は、板状部材１１０のうち第１入口部１１が設けられた部分に対し、ｘ方向側から接続されている。第１入口部１１から供給される冷媒は、その全てがタンク２１０の内部へと流入し、タンク２１０の長手方向、すなわちｘ方向に向かって流れる。当該冷媒は、後述の各チューブ２４０へと分配されていく。

タンク２２０は、板状部材１１０のうち第１出口部１２が設けられた部分に対し、ｘ方向側から接続されている。タンク２２０には、各チューブ２４０を通り熱交換が行われた後の冷媒が流入する。当該冷媒は、タンク２２０から第１出口部１２に向かって流れて、第１出口部１２から外部へと排出される。

タンク２３０は、板状部材１１０のうち中央よりもｙ方向側寄りとなる部分に対し、ｘ方向側から接続されている。タンク２３０には、タンク２１０からチューブ２４０を通った冷媒が流入する。当該冷媒は、タンク２３０において折り返した後、再びチューブ２４０を通ってタンク２２０に流入する。

チューブ２４０は、その断面が扁平形状となるように形成された管状の部材である。チューブ２４０は複数設けられており、これらがタンク２１０等の長手方向、すなわちｘ方向に沿って複数並ぶように配置されている。互いに隣り合うチューブ２４０の間には一定の隙間が形成されており、当該隙間に後述のフィン２５０が配置されている。それぞれのチューブ２４０は、その長手方向をｙ方向に沿わせた状態で配置されている。つまり、チューブ２４０の長手方向は、タンク２１０、２２０、２３０のそれぞれの長手方向に対して垂直となっている。

チューブ２４０のうち−ｙ方向側の端部は、タンク２１０及びタンク２２０に対して接続されている。また、チューブ２４０のうちｙ方向側の端部はタンク２３０に対して接続されている。

それぞれのチューブ２４０の内部空間は、ｚ方向に沿った中央となる位置において区切られている。これにより、チューブ２４０には、冷媒の通る流路が２つ形成されており、これらがｚ方向に沿って２つ並んでいる。これらのうち−ｚ方向側の流路は、タンク２１０とタンク２３０との間を繋いでいる。また、ｚ方向側の流路は、タンク２２０とタンク２３０との間を繋いでいる。

内部部材２００が以上のように構成されていることにより、第１入口部１１からタンク２１０へと流入した冷媒は、チューブ２４０のうち−ｚ方向側の部分に形成された流路を通ってタンク２３０に流入する。当該冷媒は、チューブ２４０のうちｚ方向側の部分に形成された流路を通ってタンク２２０に流入し、第１出口部１２から外部へと排出される。このような冷媒の流れを実現するための構成として、例えば、タンク２１０とタンク２２０が一体となっており、それぞれの内部空間の間が壁によって区切られているような構成を採用してよい。

フィン２５０は、金属板を折り曲げることによって形成された所謂コルゲートフィンである。フィン２５０は複数設けられており、互いに隣り合うチューブ２４０同士の各隙間に配置されているのであるが、図２においては一つのフィン２５０のみが図示されている。フィン２５０は、ｘ方向側に突出する部分である山部２５１と、−ｘ方向側に突出する部分である谷部２５２とが、ｚ方向に沿って交互に並ぶように形成されている。山部２５１及び谷部２５２はいずれも、ｙ方向に沿って直線状に伸びるように形成されている。このような形状のフィン２５０がチューブ２４０間の隙間に設けられていることにより、冷却水との間の接触面積が大きくなっている。これにより、冷媒と冷却水との間の熱交換がより効率的に行われる。

以上に説明したように、本実施形態に係る熱交換器１０は、内側を冷媒が流れるように構成された内部部材２００と、内側に内部部材２００を収容する容器であって、内部部材２００の周囲の空間を冷却水が流れるように構成されたケース１００と、を備える。

内部部材２００は、その長手方向に沿って内側を冷媒が流れるタンク２１０、２２０、２３０と、複数のチューブ２４０とを備える。それぞれのチューブ２４０は、その長手方向がタンク２１０、２２０、２３０の長手方向に対して垂直となるように、タンク２１０、２２０、２３０に対して接続された管状の部材である。また、それぞれのチューブ２４０は、タンク２１０、２２０、２３０の長手方向に沿って並ぶように互いに間隔を空けて積層されている。

ここで、複数のチューブ２４０が並んでいる方向、すなわちｘ軸に沿った方向のことを「積層方向」とすると、第２入口部２１及び第２出口部２２は、いずれも、ケース１００のうち上記の積層方向に沿った一方側の面に設けられている。このような面のことを、以下では「接続面」とも称する。本実施形態では、ケース１００を構成する板状部材１１０のうち−ｘ方向側の面が、上記の接続面に該当する。図１等においては、上記の接続面に符号Ｓが付されている。以下では、接続面のことを「接続面Ｓ」とも表記する。

接続面Ｓに対して第２入口部２１及び第２出口部２２の両方が設けられていることの効果について、図３を参照しながら説明する。図３には、ケース１００の内側における冷却水の流れが複数の矢印によって示されている。尚、図３においては、容器部材１２０、フィン２５０、及びシール部材ＯＲの図示が省略されている。

冷却水の入口である第２入口部２１は、ケース１００のうち、積層方向に沿った一方側の面である接続面Ｓに設けられている。このため、冷却水が第２入口部からケース１００内へと流入する方向は、積層方向と概ね等しくなっている。

本実施形態では、冷却水の入口である第２入口部２１が、板状部材１１０のうち、ｙ方向に沿った中央よりも−ｙ方向側寄りとなる位置に設けられている。このため、第２入口部２１からケース１００内に流入した冷却水は、タンク２１０やタンク２２０の近傍の部分を積層方向に沿って奥側へと流れながら、チューブ２４０間の各隙間に対して順次分配されていく。矢印で示されるように、冷却水は、主にタンク２１０とタンク２２０との間から各隙間に流入するのであるが、一部の冷却水はｚ方向側や−ｚ方向側から各隙間へと流入する。

冷却水は、チューブ２４０間の各隙間に流入する際にその流れ方向を変化させ、各隙間をｙ方向に向かって流れる。その後、タンク２３０の近傍となる位置まで到達すると、冷却水は、−ｘ方向側に向かってその流れ方向を変化させた後、第２出口部２２に向かって流れる。その後、冷却水は第２出口部２２から外部へと排出される。冷却水がチューブ２４０間の隙間を流れる際には、チューブ２４０の内側を通る低温の冷媒と、チューブ２４０の外側を通る高温の冷却水との間で熱交換が行われる。

このように、冷却水は、タンク２１０等の近傍の位置を積層方向に沿って流れながら、各チューブ間の隙間に対して順次分配されていく。分配された冷却水は、それぞれの隙間の位置においてその流れ方向を１８０度変化させた後、接続面Ｓの第２出口部２２に向かって流れる。尚、上記における各隙間の「位置」とは、各隙間の積層方向に沿った位置、すなわちｘ座標のことを意味する。

ところで、第２入口部２１及び第２出口部２２のそれぞれが、本実施形態のような接続面Ｓではなく、例えばケース１００のｚ方向側の面に設けられているような従来構成について検討する。この場合、第２入口部２１から供給された冷却水は、−ｚ方向に向かって流れることとなる。このような従来構成においては、冷却水はケース１００内に流入した後、直ちに各チューブ２４０間の隙間へと分配され、流入時における流れ方向を概ね維持したまま、それぞれの隙間に沿って−ｚ方向側へと流れる。その後、冷却水は、ケース１００の奥側の部分、すなわち−ｚ方向側の底面近傍において再び合流するとともに、その流れ方向を上方の第２出口部２２に向かって１８０度変化させる。

つまり、供給された冷却水のほぼ全体が、ケース１００内の同一箇所においてその流れ方向を１８０度変化させる。このため、流れ方向を１８０度変化させる際において、冷却水の流れにおける圧力損失は比較的大きくなってしまう。その結果、第２流体を送り出すためのコンプレッサの動力が無駄に消費されてしまい、熱交換器１０における熱交換の効率が低下してしまう可能性がある。

そこで、本実施形態では上記のように、第２入口部２１及び第２出口部２２のそれぞれを接続面Ｓに設けることとしている。このような構成においては、先述のように、各隙間に分配された冷却水が、各隙間に順次分配されていきながら、それぞれの隙間の位置においてその流れ方向を１８０度変化させる。このため、上記従来構成のように、全ての冷却水がケース１００の奥側に到達し、同じ位置でその流れ方向を１８０度変化させるような構成に比べて、冷却水の流れにおける圧力損失を低減することが可能となっている。

本実施形態では、第２入口部２１が、接続面Ｓのうちチューブ２４０の長手方向に沿って中央よりも一方側寄りとなる位置、具体的には中央よりも−ｙ方向側寄りとなる位置に設けられている。また、第２出口部２２が、接続面Ｓのうちチューブ２４０の長手方向に沿って中央よりも他方側寄りとなる位置、具体的には中央よりもｙ方向側寄りとなる位置に設けられている。このため、ケース１００の内部における冷却水は、概ねｙ方向に沿って流れることとなる。

これに対し、第１入口部１１及び第１出口部１２は、いずれも、接続面Ｓのうちチューブ２４０の長手方向に沿って中央よりも一方側寄りとなる位置に設けられている。具体的には、第１入口部１１及び第１出口部１２は、いずれも、接続面Ｓのうち、チューブ２４０の長手方向に沿って第２入口部２１と同じ一方側、つまり中央よりも−ｙ方向側となる位置に設けられている。

このような構成とされていることの利点について説明する。先に述べたように、本実施形態では熱交換器１０が蒸発器として機能する。このため、内部部材２００を通る際における冷媒の温度変化は、各部における冷媒の圧力変化に相当する程度しか生じない。ただし、過熱蒸気となった冷媒が第１出口部１２から排出される場合、すなわち、所謂スーパーヒートの状態となって冷媒が排出されるような場合には、第１出口部１２の近傍における冷媒の温度が、それよりも上流側における冷媒の温度に比べて局所的に高くなってしまう。

高温の冷媒が排出され得る第１出口部１２の近くに、第２出口部２２を配置すると、第２出口部２２から排出される冷却水の冷却が十分には行われなくなってしまう可能性がある。本実施形態のように、冷却水の温度を低下させるための冷却用熱交換器として熱交換器１０が用いられる場合には、上記のような現象は好ましいものではない。

そこで、本実施形態では、第１入口部１１及び第１出口部１２をいずれも接続面Ｓのうち−ｙ方向側となる位置に設けることとした上で、第２出口部２２を、これらとは反対側となる位置に設けることとしている。当該位置は、内部部材２００を冷媒が流れる経路において、概ね中央の折り返し地点となる位置である。つまり、スーパーヒートの状態となるか否かに拘らず、冷媒の温度が常に安定している位置である。本実施形態では、このような位置に第２出口部２２を配置することで、熱交換器１０による冷却水の冷却を安定的に行うことが可能となっている。

尚、熱交換器１０から排出される冷媒がスーパーヒートの状態となる可能性が低い場合、もしくは、スーパーヒートの状態となったとしても、熱交換への悪影響が比較的小さいような場合には、第２入口部２１と第２出口部２２との位置を互いに入れ換えた構成としてもよい。すなわち、接続面Ｓのうち中央よりもｙ方向側となる位置に第２入口部２１を設けて、接続面Ｓのうち中央よりも−ｙ方向側となる位置に第２出口部２２を設けた構成としてもよい。

冷凍サイクルにおいては、蒸発器の出口における冷媒の温度に基づいて、蒸発器の入口に設けられた膨張弁の開度が調整されるのが一般的となっている。そこで、本実施形態では、第１入口部１１及び第１出口部１２を、いずれも接続面Ｓのうち−ｙ方向側となる位置に設けて、両者の位置を互いに近接させることしている。これにより、第１入口部１１の近傍に設けられる膨張弁と、第１出口部１２の近傍に設けられる温度センサと、を互いに一体のユニットとした上で、当該ユニットをブロック１３０の近傍に取り付けるようなことが可能となっている。

本実施形態では、ケース１００の一部が、金属からなる板状部材１１０によって形成されている。同じく金属によって形成された内部部材２００は、板状部材１１０に対して内側からろう接されている。また、第１入口部１１、第１出口部１２、第２入口部２１、及び第２出口部２２のそれぞれが、板状部材１１０に設けられている。

ケース１００のうち、冷却水等を供給するための配管が接続される部分には、当該配管を介して振動が加えられることがある。そこで、本実施形態では、ケース１００のうち配管が接続される部分を金属からなる板状部材１１０とし、これを内部部材２００と共に一体とすることで、振動に対する熱交換器１０の強度を高めている。

本実施形態では、フィン２５０に形成された山部２５１及び谷部２５２のそれぞれが、チューブ２４０の長手方向、すなわちｙ方向に沿って伸びている。当該方向は、チューブ２４０間の隙間を冷却水が流れる方向に対して平行となっている。このため、チューブ２４０間の隙間における冷却水の流れを、当該隙間に配置されたフィン２５０が妨げてしまうことがない。

フィン２５０に関するその他の工夫点について、図４を参照しながら説明する。同図に示されるように、それぞれのフィン２５０にはルーバー２５３が形成されている。ルーバー２５３は、フィン２５０のうち山部２５１と谷部２５２との間の概ね平板状の部分を、切り起こすことによって形成されたものである。具体的には、上記の平板状の部分に対し、ｘ方向に沿った直線状の切り込みを、ｙ方向に沿って並ぶよう複数形成した上で、切り込みの間の短冊状の部分をｘ軸周りに回転させて捩じることによって、それぞれのルーバー２５３が形成されている。その結果、上記の切り込みは拡げられて開口２５４となっている。

このように、本実施形態におけるフィン２５０には、複数の開口２５４が形成されている。チューブ２４０間の隙間を通る冷却水の一部は、この開口２５４を通り、隣にある隙間へと流入することができる。これにより、一部の隙間において冷却水の圧力が局所的に上昇してしまうようなことが防止されるので、冷却水の流れにおける圧力損失を更に低減することが可能となっている。

フィン２５０には、上記とは異なる態様の開口２５４が形成されることとしてもよい。例えば、ルーバー２５３を形成することなく、単なるスリット状の開口として開口２５４が形成されることとしてもよい。

図４に示されるように、それぞれのフィン２５０のうちｙ方向側の端部と、タンク２３０との間には隙間ＧＰが形成されている。同様に、それぞれのフィン２５０のうち−ｙ方向側の端部と、タンク２２０やタンク２１０との間にも、隙間ＧＰが形成されている。このような隙間が形成されていることにより、チューブ２４０間の各隙間に向けて冷却水を分配するための経路、及び、各隙間を通った後の冷却水が再び合流するための経路、のそれぞれを十分に確保することができる。これにより、冷却水の流れにおける圧力損失が更に低減される。

本実施形態の変形例について、図５を参照しながら説明する。同図に示されるように、この変形例では、ｘ軸に沿った見た場合におけるケース１００の形状が長方形とはなっておらず、平行四辺形となっている。このため、ケース１００の内部空間は、タンク２１０よりも−ｚ方向側の部分において比較的広くなっている。図５では、このように広くなった部分が空間ＳＰ１として示されている。同様に、ケース１００の内部空間は、タンク２３０よりもｚ方向側の部分においても比較的広くなっている。図５では、このように広くなった部分が空間ＳＰ２として示されている。

本変形例の接続面Ｓにおいて、第２入口部２１が形成されている位置は、図２に示される第２入口部２１の位置と同じである。つまり、冷却水の入口である第２入口部２１は、ｙ方向に沿った中央よりも−ｙ方向側の位置であり、ｚ方向に沿った中央よりも−ｚ方向側の位置に設けられている。本変形例では、このような第２入口部２１の近くに、図５に示されるような広めの空間ＳＰ１が形成されている。このため、第２入口部２１から供給された冷却水が、タンク２１０の長手方向に沿って流れる際の圧力損失が更に低減されている。

本変形例の接続面Ｓにおいて、第２出口部２２が形成されている位置は、図２に示される第２出口部２２の位置と同じである。つまり、冷却水の出口である第２出口部２２は、ｙ方向に沿った中央よりもｙ方向側の位置であり、ｚ方向に沿った中央よりもｚ方向側の位置に設けられている。本変形例では、このような第２出口部２２の近くに、図５に示されるような広めの空間ＳＰ２が形成されている。このため、各隙間を通った後の冷却水が、合流しタンク２１０の長手方向に沿って流れる際の圧力損失についても更に低減されている。

本実施形態の他の変形例について、図６を参照しながら説明する。同図に示されるように、この変形例では、ｘ軸に沿った見た場合におけるケース１００の形状が長方形とはなっておらず、六角形となっている。具体的には、ケース１００のうち−ｘ方向側の側壁が、−ｘ方向側に向かって突出するような形状となっており、当該側壁の内側には、図６に示されるような広めの空間ＳＰ１１が形成されている。同様に、ケース１００のうちｘ方向側の側壁が、ｘ方向側に向かって突出するような形状となっており、当該側壁の内側には、図６に示されるような広めの空間ＳＰ１２が形成されている。空間ＳＰ１１、Ｓ１２が形成されていることの効果は、先に説明した図５の変形例において、空間ＳＰ１、Ｓ２が形成されていることの効果と同じである。

第２実施形態について説明する。以下では、第１実施形態と異なる点について主に説明し、第１実施形態と共通する点については適宜説明を省略する。

本実施形態に係る熱交換器１０は、高温の冷媒との熱交換によって冷却水の温度を上昇させるための加熱用熱交換器として構成されている。当該冷媒としてはＲ７４４のような二酸化炭素が用いられる。つまり、本実施形態では、第１流体として二酸化炭素からなる冷媒が用いられる。当該冷媒は超臨界域の状態で第１入口部１１から供給される。

図７には、本実施形態に係る熱交換器１０のうち、容器部材１２０、フィン２５０、及びシール部材ＯＲを除いた部分の構成が、図３と同様の視点で描かれている。

本実施形態では、タンク２１０及びタンク２２０に換えて、単一のタンク２１５が設けられている。また、それぞれのチューブ２４０の内部空間は、ｚ軸に沿った中央となる位置において区切られておらず、それぞれのチューブ２４０の内側には単一の流路のみが形成されている。

本実施形態の第１出口部１２は、板状部材１１０のうち、チューブ２４０の長手方向に沿って一方側寄りとなる位置、具体的には、板状部材１１０のうち、ｙ方向に沿った中央よりも−ｙ方向側寄りとなる位置に設けられている。また、第１出口部１２は、ｚ方向に沿った中央よりもｚ方向側寄りとなる位置に設けられている。

また、本実施形態の第１入口部１１は、板状部材１１０のうち、チューブ２４０の長手方向に沿って他方側寄りとなる位置、具体的には、板状部材１１０のうち、ｙ方向に沿った中央よりもｙ方向側寄りとなる位置に設けられている。また、第１入口部１１は、ｚ方向に沿った中央よりも−ｚ方向側寄りとなる位置に設けられている。

このように、本実施形態では、第１出口部１２が、接続面Ｓのうちチューブ２４０の長手方向に沿って−ｙ方向側寄りとなる位置、つまり、第２入口部２１と同じ一方側寄りとなる位置に設けられている。また、第１入口部１１が、接続面Ｓのうちチューブ２４０の長手方向に沿ってｙ方向側寄りとなる位置、つまり、第２出口部２２と同じ他方側寄りとなる位置に設けられている。

第１入口部１１の位置は、タンク２３０と対応する位置となっている。このため、第１入口部１１から供給された冷媒は、本実施形態ではタンク２３０へと流入する。

当該冷媒は、タンク２３０からそれぞれのチューブ２４０へと分配されて、チューブ２４０の内側を−ｙ方向側に向かって流れる。その後、冷媒はタンク２１５に流入する。

第１出口部１２の位置は、タンク２１５と対応する位置となっている。このため、上記のようにタンク２１５に流入した冷媒は、タンク２１５から第１出口部１２に向かって流れて、第１出口部１２から外部へと排出される。

以上のような構成においては、第１流体である冷媒は、第１入口部１１から第１出口部１２へと向かう方向、すなわち、−ｙ方向に向かって流れる。一方、第２流体である冷却水は、第２入口部２１から第２出口部２２へと向かう方向、すなわち、上記とは反対のｙ方向に向かって流れる。このように、本実施形態では、冷媒と冷却水とが互いに対向する方向に流れる。

本実施形態では、上記のように冷媒が超臨界域の状態で流れている。超臨界域では、冷媒は相変化を伴うことなく流れる。このため、冷媒の温度は、最も上流の第１入口部１１から、最も下流の第１出口部１２側に行くに従って次第に高くなる。その結果、第１入口部１１における冷媒の温度と、第１出口部１２における冷媒の温度と、の間の温度差は比較的大きくなる。

このような場合には、上記のように冷媒と冷却水とを互いに対向する方向に流すことで、両流体間の温度差を各部において十分に確保することができる。その結果、熱交換器１０における熱交換効率を高めることができる。

このように、超臨界域の二酸化炭素からなる冷媒を利用し、熱交換器１０を加熱用熱交換器として用いる場合には、第１入口部１１の位置等を本実施形態のように構成することが好ましい。

第３実施形態について説明する。以下では、第１実施形態と異なる点について主に説明し、第１実施形態と共通する点については適宜説明を省略する。

図８には、本実施形態に係る熱交換器１０の構成が、図１と同様の視点で描かれている。本実施形態では、第２入口部２１及び第２出口部２２が設けられている位置においてのみ第１実施形態と異なっている。

本実施形態では、第２入口部２１及び第２出口部２２のそれぞれが、板状部材１１０ではなく、容器部材１２０のうちｘ方向側の面に設けられている。当該面は、ケース１００のうち積層方向に沿った一方側の面であるから、本実施形態における「接続面Ｓ」に該当する。

本実施形態の第２入口部２１は、上記の接続面Ｓのうち、ｙ方向に沿った中央よりも−ｙ方向側寄りとなる位置であり、且つ、ｚ方向に沿った中央よりも−ｚ方向側寄りとなる位置に設けられている。また、本実施形態の第２出口部２２は、上記の接続面Ｓのうち、ｙ方向に沿った中央よりもｙ方向側寄りとなる位置であり、且つ、ｚ方向に沿った中央よりもｚ方向側寄りとなる位置に設けられている。

本実施形態でも第１実施形態と同様に、第２出口部２２を、ｙ方向に沿って第１入口部１１及び第１出口部１２とは反対側となる位置に設けることとしている。このような態様でも、第１実施形態で説明したものと同様の効果を奏する。

以上の各実施形態においては、フィン２５０が、ルーバー２５３を有するコルゲートフィンである場合の例について説明した。しかしながら、フィン２５０はコルゲートフィンに限定されず、種々の態様のフィンを用いることができる。例えば、図９に示されるような所謂オフセットフィンを、フィン２５０として用いることができる。フィン２５０では、山部２５１と谷部２５２のそれぞれを、その長手方向であるｙ方向の途中の位置において、ｚ方向にオフセットさせた形状となっている。フィン２５０のうち上記のようにオフセットした部分では、開口２５４が形成されている。このような構成のフィン２５０を用いた場合でも、これまでに説明したものと同様の効果を奏する。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１０：熱交換器
１１：第１入口部
１２：第１出口部
２１：第２入口部
２２：第２出口部
１００：ケース
Ｓ：接続面
２００：内部部材
２１０，２２０，２３０，２１５：タンク
２４０：チューブ

Claims (14)

1. 第１流体と第２流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
   内側を前記第１流体が流れるように構成された内部部材（２００）と、
   内側に前記内部部材を収容する容器であって、前記内部部材の周囲の空間を前記第２流体が流れるように構成されたケース（１００）と、を備え、
   前記ケースには、
   前記第１流体の入口である第１入口部（１１）と、
   前記第１流体の出口である第１出口部（１２）と、
   前記第２流体の入口である第２入口部（２１）と、
   前記第２流体の出口である第２出口部（２２）と、がそれぞれ設けられており、
   前記内部部材は、
   その長手方向に沿って内側を前記第１流体が流れるタンク（２１０，２２０，２３０，２１５）と、
   その長手方向が前記タンクの長手方向に対して垂直となるように、前記タンクに対して接続された管状の部材であって、前記タンクの長手方向に沿って並ぶように互いに間隔を空けて積層された複数のチューブ（２４０）と、を有するものであり、
   複数の前記チューブが並んでいる方向を積層方向としたときに、
   前記第２入口部及び前記第２出口部は、いずれも、前記ケースのうち前記積層方向に沿った一方側の面、である接続面（Ｓ）に設けられている熱交換器。
2. 前記接続面において、
   前記第２入口部は、前記チューブの長手方向に沿って一方側寄りとなる位置に設けられており、
   前記第２出口部は、前記チューブの長手方向に沿って他方側寄りとなる位置に設けられている、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記ケースの一部は、金属からなる板状部材（１１０）によって形成されており、前記内部部材は、前記板状部材にろう接されている、請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記第１入口部及び第１出口部が前記板状部材に設けられている、請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記第２入口部及び第２出口部が前記板状部材に設けられている、請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記接続面において、
   前記第１入口部及び第１出口部は、いずれも、前記チューブの長手方向に沿って一方側寄りとなる位置に設けられている、請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記接続面において、
   前記第１入口部及び第１出口部は、いずれも、前記チューブの長手方向に沿って前記第２入口部と同じ一方側となる位置に設けられている、請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記接続面において、
   前記第１出口部は、前記チューブの長手方向に沿って一方側寄りとなる位置に設けられており、
   前記第１入口部は、前記チューブの長手方向に沿って他方側寄りとなる位置に設けられている、請求項５に記載の熱交換器。
9. 前記接続面において、
   前記第１出口部は、前記チューブの長手方向に沿って前記第２入口部と同じ一方側寄りとなる位置に設けられており、
   前記第１入口部は、前記チューブの長手方向に沿って前記第２出口部と同じ他方側寄りとなる位置に設けられている、請求項８に記載の熱交換器。
10. 前記第１流体は、二酸化炭素からなる冷媒である、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の熱交換器。
11. 互いに隣り合う前記チューブに間にはフィン（２５０）が配置されている、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の熱交換器。
12. 前記フィンは、山部（２５１）と谷部（２５２）とが交互に並ぶようによって形成されたものであり、
    それぞれの前記山部及び前記谷部は前記チューブの長手方向に沿って伸びている、請求項１１に記載の熱交換器。
13. 前記フィンと前記タンクとの間に隙間（ＧＰ）が形成されている、請求項１１又は１２に記載の熱交換器。
14. 前記フィンには開口（２５４）が形成されている、請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の熱交換器。

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