JP3812021B2 - 積層型熱交換器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は流体通路を金属薄板の積層構造により形成する積層型熱交換器に関するもので、冷凍サイクルの冷媒を蒸発させる蒸発器として好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、特開昭59−225702号公報には、図7(a)および(b)に示すような積層型熱交換器1が提案されている。この熱交換器1は、内部流体(冷媒)と外部流体(空気)とを熱交換させる熱交換部3の流体通路2を、複数の金属薄板4の積層構造により形成し、これら金属薄板4相互間を接合(ろう付け)してある。
【0003】
そして、この積層方向の一端部に位置する金属薄板40に接合されるエンドプレート42に、2つの張出部42a、42bを形成し、2つの張出部42a、42bと、上記一端部に位置する金属薄板40との間に形成される空間により、流体通路2の出口部に連通する流体出口通路6および流体通路2の入口部に連通する流体入口通路7を形成してある。
【0004】
また、張出部42a、42bの開口部42c、42dに、冷媒出口パイプ8aおよび冷媒出口パイプ8bの一端部が嵌合した状態で、これらパイプ8a、8bが接合(ろう付け)されている。この種の熱交換器においては、熱交換部3に一体ろう付されるエンドプレート42自身の張出部42a、42bにより流体出口通路6および流体入口通路7を形成することにより、熱交換器1の構造を簡略化している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本発明者らの実験検討によれば、上記公報記載のものでは、パイプ8a、8bの一端部近傍において、流体出口通路6から冷媒出口パイプ8aにかけて、および、冷媒入口パイプ8bから流体入口通路7にかけて、内部流体の流路が直角的に曲がっているため、パイプ8a、8bの一端部近傍に大きな圧力損失が発生し、熱交換部3に係わる内部流体の出入りが良好に行なわれず、冷房能力が低下することがわかった。
【0006】
本発明は上記点に鑑みてなされたもので、エンドプレート自身に形成される流体出口通路および流体入口通路に、流体パイプの一端部を連通させた積層型熱交換器において、流体パイプの一端部近傍における圧力損失を低減することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1ないし5に記載の発明では、熱交換部(3)の流体通路(2)を複数の金属薄板(4、40、41)の積層構造により形成し、
エンドプレート(42)に形成した第1張出部(42a)、第2張出部(42b)と、積層方向の一端部に位置する金属薄板(40)との間の空間により、流体出口通路(6)、流体入口通路(7)を形成し、
第1張出部(42a)に金属薄板積層方向の外方へ張り出す第1副張出部(420a)を形成するとともに、第2張出部(42b)に金属薄板積層方向の外方へ張り出す第2副張出部(420b)を形成し、
第1副張出部(420a)に、外部流体回路との接続用第1流体パイプ(8a)の一端部が接合される第1開口部(42c)を設けるとともに、第2副張出部(420b)に外部流体回路との接続用第2流体パイプ(8b)の一端部が接合される第2開口部(42d)を設け、
第1張出部(42a)には、流体出口通路(6)における流体流れ方向に沿って複数の第1補強リブ(42a’)が一体成形され、
第1補強リブ(42a’)は、第1副張出部(420a)に向かって第1副張出部(420a)の近傍位置まで成形され、
第2張出部(42b)には流体入口通路(7)における流体流れ方向に沿って複数の第2補強リブ(42b’)が一体成形され、
第2補強リブ(42b’)は、第2副張出部(420b)に向かって第2副張出部(420b)の近傍位置まで成形され、
さらに、第1張出部(42a)は、第1補強リブ(42a’)の端部から第1開口部(42c)へ向かって徐々に縮小する平面形状を有しており、
第2張出部(42b)は第2開口部(42d)から第2補強リブ(42b’)の端部に向かって徐々に拡大する平面形状を有していることを特徴としている。
【0008】
これによれば、第1、第2張出部(42a、42b)にそれぞれ第1、第2副張出部(420a、420b)を形成した分だけ、流体パイプ(8a、8b)の一端部近傍における流体通路を拡大できる。
よって、流体パイプ(8a、8b)の一端部近傍における圧力損失を低減でき、熱交換部(3)に係わる内部流体の流出や流入がスムースに行なわれるため、熱交換性能を向上できる。
また、第1、第2張出部(42a、42b)にそれぞれ流体流れ方向に沿って複数の第1、第2補強リブ(42a’、42b’)を一体成形することにより、エンドプレート(42)の補強効果を発揮できると同時に、流体流れの流通抵抗を減少できる。
【0009】
また、請求項2に記載の発明では、第1、第2副張出部(420a、420b)に、第1、第2開口部(42c、42d)の縁部から外方へ筒状に突出する第1、第2突出部(420c、420d)を設け、この第1、第2突出部(420c、420d)の外周に第1、第2流体パイプ(8a、8b)の一端部を嵌合した状態で接合してあるので、第1、第2流体パイプ(8a、8b)の一端部が第1、第2副張出部(420a、420b)内部へ突出することがなくなり、この分だけ、第1、第2副張出部(420a、420b)内部における圧力損失をさらに低減でき、上記熱交換性能をさらに向上できる。
【0010】
また、請求項3に記載の発明では、流体通路(2)に気液二相流体が流れるとともに、この流体通路(2)の出口部(2a)と入口部(2b)とで、気液二相流体の乾き度が変化する積層型熱交換器において、
第1張出部(42a)の第1副張出部(420a)に形成される第1開口部(42c)、および、第2張出部(42b)の第2副張出部(420b)に形成される第2開口部(42d)のうち、乾き度の大きい気液二相流体が流れる開口部(42c)の開口面積を、乾き度の小さい気液二相流体が流れる開口部(42d)の開口面積よりも大きくしてある。
【0011】
ここで、乾き度の大きい気液二相流体の方が、乾き度の小さい気液二相流体よりも、所定の抵抗に対する圧力損失が大きくなる。これに対して、上述のように構成することにより、乾き度の大きい気液二相流体が流れる開口部(42c)の圧力損失を効果的に低減できる。
また、請求項4に記載の発明では、流体出口通路(6)および流体入口通路(7)の少なくとも一方から、第1、第2流体パイプ(8a、8b)の少なくとも一方にかけての曲がり形状に沿った流体流れを形成する案内板(80a)を、第1、第2副張出部(420a、420b)の少なくとも一方の内部に配置してある。従って、流体パイプ(8a、8b)の一端部近傍における流体の流出や流入をスムースにできる。
【0012】
また、請求項5に記載の発明では、第1、第2流体パイプ(8a、8b)の少なくとも一方の一端部と、熱交換部(3)端部の金属薄板(40)とを連結する連結部材(81a)を設けてあるので、流体パイプ(8a、8b)に加わる外力を、副張出部(420a、420b)だけでなく、金属薄板(40)によっても分散でき、副張出部(420a、420b)近傍の強度を向上できる。よって、副張出部(420a、420b)の変形や、副張出部(420a、420b)と流体パイプ(8a、8b)の一端部との接合部の損傷を抑制できる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
(第1の実施形態)
図1〜図3は本発明の積層型熱交換器を自動車用空調装置の冷凍サイクルにおける冷媒蒸発器1に適用した場合を示しており、この蒸発器1には、図示しない温度作動式膨張弁(減圧手段)で減圧され膨張した低温低圧の気液二相冷媒が流入するようになっている。
【0014】
この蒸発器1は、図2に示すように多数の冷媒通路(流体通路)2を並列に形成し、この冷媒通路2内を流れる冷媒と冷媒通路2の外部を流れる空調用送風空気(外部流体)とを熱交換させて、冷媒を蒸発させる熱交換部3を備えている。
この熱交換部3は金属薄板4の積層構造により形成されており、その具体的構造は基本的には公知のものと同じでよいので、以下積層構造の概略を説明すると、熱交換部3では、金属薄板4、具体的にはアルミニュウム心材(A3000番系の材料)の両面にろう材(A4000番系の材料)をクラッドした両面クラッド材(板厚:0.6mm程度)を所定形状に成形して、これを2枚1組として多数組積層した上で、ろう付けにて接合することにより多数の冷媒通路2を並列に形成するものである。
【0015】
この多数の冷媒通路2をその両端部(図2の上端部および下端部)でそれぞれ互いに連通させる連通穴4a、4bを持ったタンク部4c、4dが金属薄板4の両端部に形成されている。タンク部4c、4dは冷媒通路2よりも積層方向外方へ突出する円筒状突出部にて形成されている。
また、熱交換部3において、隣接する冷媒通路2の外面側相互の間隙にコルゲートフィン(フィン手段)5を接合して空気側の伝熱面積の増大を図っている。このコルゲートフィン5はA3003のような、ろう材をクラッドしてないアルミニュウムベア材にて波形状に成形されている。
【0016】
熱交換部3の金属薄板4の積層方向(図2中左右方向)の一端部に位置する金属薄板40、および、これに接合されるエンドプレート42、さらに上記積層方向の他端部に位置する金属薄板41(図1参照)、および、これに接合されるエンドプレート43(図1参照)も、上記金属薄板4と同様に両面クラッド材から成形されており、但し、これらの板材40、41、42、43は強度確保のため、上記金属薄板4より厚肉、例えば1mm程度にしてある。
【0017】
そして、一端部の金属薄板40はその両端部に冷媒入口穴40a、冷媒出口穴40bが開けてあり、冷媒入口穴40aはタンク部4c側に連通し、冷媒出口穴40bはタンク部4d側に連通する。一方、他端部のエンドプレート43は、積層方向の他端部に位置するコルゲートフィン5を保護するとともに熱交換部3の他端部を補強する役割も兼ねている。
【0018】
また、エンドプレート42は、上記積層方向の外方へ突出する2つの張出部42a、42bが形成してある。この2つの張出部42a、42bと、熱交換部3の上記積層方向の一端部に位置する金属薄板40との間に形成される空間により、タンク部4cを経て冷媒通路2の出口部2aに連通する冷媒出口通路6、およびタンク部4dを経て冷媒通路2の入口部(図2中、冷媒通路2の下端部)2bに連通する冷媒入口通路7を形成している。
【0019】
ここで、エンドプレート42の2つの張出部42a、42bには、図3に示すように、補強用のリブ42a′、42b′が一体成形されている。このリブ42a′、42b′は、冷媒流れ方向(図3中上下方向)に沿って形成することにより、冷媒の流通抵抗を減少するようにしてある。
また、エンドプレート42の2つの張出部42a、42bには、図2に示すように、この張出部42a、42bの張出面よりも上記積層方向の外方(図2中左側)へ突出する副張出部420a、420bが一体成形されている。
【0020】
なお、張出部42aの一端部(図2中上端部)が、タンク部4cを経て冷媒通路2の出口部2aに連通し、他端部(図2中下端部)に、副張出部420aを設けてある。これにより、張出部42aの冷媒出口通路6の一端部から他端部(図2中上端部から他端部)にかけて、冷媒が流れる。また、張出部42bのうち一端部(図2中下端部)が、タンク部4dを経て冷媒通路2の入口部2bに連通し、他端部(図2中上端部)に、副張出部420bを設けてある。これにより、張出部42bの冷媒入口通路7の一端部から他端部(図2中下端部から上端部)にかけて、冷媒が流れる。
【0021】
そして、副張出部420a、420bには、外部と内部を連通する開口部42c、42dが形成されている。また、副張出部420a、420bには、開口部42c、42dの縁部から金属薄板積層方向の外方側へ円筒状に突出する突出部420c、420dが一体成形されている。
そして、外部冷媒回路との接続用配管ジョイント8に一体成形された冷媒出口パイプ8aの一端部、冷媒入口パイプ8bの一端部が、突出部420c、420dの外周に嵌合した状態で、これら一端部を突出部420c、420dに接合(ろう付け)してある。この配管ジョイント8はA6000番系のアルミニュウムベア材にて成形されている。この配管ジョイント8の冷媒入口パイプ8bの他端部には、図示しない膨張弁の出口側冷媒配管が連結され、また、冷媒出口パイプ8aの他端部には、蒸発器で蒸発したガス冷媒を圧縮機(図示せず)側へ吸入させる圧縮機吸入配管が連結される。
【0022】
ここで、図3において、副張出部420a、420bの平面方向(図3中紙面と平行な方向)の大きさが小さすぎると、後述する圧力損失低減の効果がさほど得られなくなり、平面方向の大きさが大きすぎると、この副張出部420a、420bの強度が大きく低下して、副張出部420a、420bの変形等を招く恐れがある。このため、本実施形態では、副張出部420a、420bの上記平面方向の面積を、上記パイプ8a、8bの断面積の5倍程度に設定してある。
【0023】
次に、上記構成において本実施形態の冷媒蒸発器の製造方法を説明すると、蒸発器1は図1に示す状態に積層して仮組付した後、その仮組付状態を適宜の治具にて保持して、ろう付け炉内に仮組付体を搬入する。次に、このろう付け炉内にて、仮組付体をアルミニュウム両面クラッド材のろう材の融点まで加熱して、蒸発器1各部の接合箇所を一体ろう付けする。
【0024】
そして、本実施形態によれば、張出部42a、42bに副張出部420a、420bを形成した分だけ、冷媒出口パイプ8aの一端部近傍および冷媒入口パイプ8bの一端部近傍における冷媒通路を拡大できる。よって、上記両パイプ8a、8bの一端部近傍における圧力損失を低減でき、熱交換部3に係わる冷媒の流出や流入がスムースに行なわれるため、熱交換性能を向上できる。
【0025】
また、上記両パイプ8a、8bの一端部が副張出部420a、420b内部へ突出していないので、内部へ突出している場合に比べて、圧力損失をさらに低減でき、上記熱交換性能をさらに向上できる。
(第2の実施形態)
図4に示す本実施形態では、上記第1の実施形態の第1張出部42aの副張出部420aに設けた開口部42cの開口面積を、第2張出部42bの副張出部420bに設けた開口部42dの開口面積よりも大きくし、同時に、配管ジョイント8の冷媒出口パイプ8aの一端部の開口面積を、冷媒入口パイプ8bの一端部の開口面積よりも大きくしている。
【0026】
ここで、蒸発器1の冷媒の入口側(冷媒入口パイプ8b、開口部42d、冷媒入口通路7、タンク部4d)には、乾き度の小さい気液二相冷媒が供給され、流体通路2の入口部2bから出口部2aへ流れる間にこの気液二相冷媒が蒸発するため、冷媒の出口側(タンク部4c、冷媒出口通路6、開口部42c、冷媒入口パイプ8b)には、乾き度の大きい気液二相冷媒が流れる。そして、乾き度の大きい気液二相流体の方が、乾き度の小さい気液二相流体よりも、所定の抵抗に対する圧力損失が大きくなるが、上記構成とすることにより、冷媒の出口側における圧力損失を効果的に低減できる。
【0027】
(第3の実施形態)
図5に示す本実施形態は、上記第2の実施形態における副張出部420aの内部に案内板80aを配置したものである。この案内板80aは、冷媒出口パイプ8aから冷媒出口通路6にかけて滑らかに曲がる流体流れを形成するように配置されている。なお、案内板80aは、略矩形板部材を図5に示す形状に変形させてあり、この部材を、上記した配置となるように、副張出部420aの開口部42c外周部に接合してある。
【0028】
これにより、張出部42a内の冷媒出口通路6から冷媒出口パイプ8aへスムースに冷媒を流すことができ、さらに圧力損失を低減できる。
また、この案内板80aを、乾き度の大きい気液二相冷媒の流れる冷媒の出口側に設けているため、この出口側における圧力損失を、より一層効果的に低減できる。
【0029】
(第4の実施形態)
図6に示す本実施形態では、上記第1の実施形態における副張出部420aに一体成形した突出部420c(図2参照)を廃止し、この突出部420c(図2参照)の突出高さの分だけ、副張出部420aの張出高さを高くしたものである。つまり、副張出部420aの張出面の高さと、突出部420aの突出端面の高さとは一致している。これにより、副張出部420a内の流体通路をさらに拡大でき、圧力損失をさらに低減できる。
【0030】
なお、副張出部420aの開口部42cに、配管ジョイント8の冷媒出口パイプ8aの一端部を内嵌合した状態で接合してある。また、冷媒出口パイプ8aの一端部と、上記積層方向の一端部に位置する金属薄板40とを連結する連結片(連結部材)81aが、冷媒出口パイプ8aの一端面に一体に設けられている。
この連結片81aは、冷媒出口パイプ8aの一端部の切削加工により、冷媒出口パイプ8aに一体成形されており、この連結片81aの先端を、上記金属薄板40に接合してある。
【0031】
ここで、副張出部420aを形成することにより、特にこの部位が、従来技術に比べて強度的に弱くなるが、上記した構成とすることにより、副張出部420aの強度を得ることができる。また、この連結片81aの平面方向を、流体の流れ方向に沿うように配置してあるため、この連結片81aが流体流れの妨げとなることはなく、大きな圧力損失が発生することはない。
【0032】
(他の実施形態)
上記実施形態において、冷媒の出口側である第1張出部42aのみに、副張出部41aを設けてもよい。これにより、乾き度の大きい気液二相冷媒の流れる、冷媒の出口側における圧力損失を、効果的に低減できる。
また、上記案内板80aや連結片81aを、冷媒入口パイプ8bに適用してもよい。
【0033】
また、本発明は上記した蒸発器1に限定されることはなく、冷媒を凝縮する凝縮器に本発明を適用してもよい。これにより、凝縮器における冷媒の入口側や出口側の圧力損失を低減でき、凝縮器による凝縮能力を向上できる。
この場合、冷媒の入口側に乾き度の大きい気液二相冷媒が流れ、出口側に乾き度の小さい気液二相冷媒が流れるため、入口側の開口面積を、出口側の開口面積より大きくしてもよい。これにより、圧力損失が大きく問題となる入口側において、効果的に圧力損失を低減できる。
【0034】
さらに、本発明は蒸発器1や凝縮器に限定されることなく、他の種々の流体の熱交換を行う熱交換器一般に広く適用できる。
また、本発明の要部はエンドプレート42の張出部42a、42b近傍の構成にあるから、熱交換部3における冷媒通路構成等は種々変更してもよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係わる蒸発器の正面図である。
【図2】図1の蒸発器の要部断面図である。
【図3】エンドプレートの正面図である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係わる蒸発器の要部断面図である。
【図5】本発明の第3の実施形態に係わる蒸発器の要部断面図である。
【図6】(a)は本発明の第4の実施形態に係わる蒸発器の要部断面図、(b)は配管ジョイントの冷媒出口パイプのA矢視図である。
【図7】(a)は従来技術に係わる蒸発器の部分分解斜視図、(b)は蒸発器の要部断面図である。
【符号の説明】
1…蒸発器、2…冷媒通路、3…熱交換部、4、40…金属薄板、
42…エンドプレート、42a、42b…張出部、
420a、420b…副張出部、42c、42d…開口部、
6…冷媒出口通路、7…冷媒入口通路、
8a…冷媒出口パイプ、8b…冷媒入口パイプ。
Claims (5)
- 流体通路(2)内を流れる内部流体と前記流体通路(2)の外部を流れる外部流体とを熱交換させる熱交換部(3)を有し、
この熱交換部(3)の流体通路(2)を、複数の金属薄板(4、40、41)の積層構造により形成し、
前記複数の金属薄板(4、40、41)のうち、その積層方向の一端部に位置する金属薄板(40)に接合されるエンドプレート(42)に、前記積層方向の外方へ張り出す第1張出部(42a)および第2張出部(42b)を形成し、
これら第1張出部(42a)および第2張出部(42b)と、前記一端部に位置する金属薄板(40)との間に形成される空間により、前記流体通路(2)の出口部(2a)に連通する流体出口通路(6)、および、前記流体通路(2)の入口部(2b)に連通する流体入口通路(7)を形成し、
前記第1張出部(42a)に前記積層方向の外方へ張り出す第1副張出部(420a)を形成するとともに、前記第2張出部(42b)に前記積層方向の外方へ張り出す第2副張出部(420b)を形成し、
前記第1副張出部(420a)に、外部流体回路との接続用第1流体パイプ(8a)の一端部が接合される第1開口部(42c)を設けるとともに、前記第2副張出部(420b)に外部流体回路との接続用第2流体パイプ(8b)の一端部が接合される第2開口部(42d)を設け、
前記第1張出部(42a)には、前記流体出口通路(6)における流体流れ方向に沿って複数の第1補強リブ(42a’)が一体成形され、
前記第1補強リブ(42a’)は、前記第1副張出部(420a)に向かって前記第1副張出部(420a)の近傍位置まで成形され、
前記第2張出部(42b)には前記流体入口通路(7)における流体流れ方向に沿って複数の第2補強リブ(42b’)が一体成形され、
前記第2補強リブ(42b’)は、前記第2副張出部(420b)に向かって前記第2副張出部(420b)の近傍位置まで成形され、
さらに、前記第1張出部(42a)は、前記第1補強リブ(42a’)の端部から前記第1開口部(42c)へ向かって徐々に縮小する平面形状を有しており、
前記第2張出部(42b)は前記第2開口部(42d)から前記第2補強リブ(42b’)の端部に向かって徐々に拡大する平面形状を有していることを特徴とする積層型熱交換器。 - 前記第1、第2副張出部(420a、420b)に、前記第1、第2開口部(42c、42d)の縁部から外方へ筒状に突出する第1、第2突出部(420c、420d)を形成し、この第1、第2突出部(420c、420d)の外周に、前記第1、第2流体パイプ(8a、8b)の前記一端部を嵌合した状態で接合したことを特徴とする請求項1に記載の積層型熱交換器。
- 前記流体通路(2)に気液二相流体が流れるとともに、この流体通路(2)の前記出口部(2a)と前記入口部(2b)とで、気液二相流体の乾き度が変化する積層型熱交換器であって、
前記第1開口部(42c)および前記第2開口部(42d)のうち、乾き度の大きい気液二相流体が流れる開口部(42c)の開口面積を、乾き度の小さい気液二相流体が流れる開口部(42d)の開口面積よりも大きくしたことを特徴とする請求項1または2に記載の積層型熱交換器。 - 前記流体出口通路(6)および前記流体入口通路(7)の少なくとも一方から、前記第1、第2流体パイプ(8a、8b)の少なくとも一方にかけて滑らかに曲がる流体流れを形成する案内板(80a)を、前記第1、第2副張出部(420a、420b)の少なくとも一方の内部に配置したことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の積層型熱交換器。
- 前記第1、第2流体パイプ(8a、8b)の少なくとも一方の一端部と、前記熱交換部(3)端部の金属薄板(40)とを連結する連結部材(81a)を設けたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の積層型熱交換器。
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