JP4542552B2

JP4542552B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP4542552B2
Application number: JP2006550878A
Authority: JP
Inventors: 昭彦高野
Original assignee: Valeo Thermal Systems Japan Corp
Current assignee: Valeo Thermal Systems Japan Corp
Priority date: 2005-01-07
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2025-12-27
Also published as: JPWO2006073136A1; WO2006073136A1

Description

本発明は、媒体を流通するチューブと、チューブの端部を接続したタンクとを備え、媒体がチューブに伝わる熱にて熱交換をする熱交換器に関する。

冷凍サイクルに用いられる放熱器やエバポレータ等の熱交換器としては、複数の偏平状のチューブと波型のフィンとを交互に積層してコアをなすとともに、チューブの端部をパイプ状のタンクに挿入してなるものが知られている。冷媒は、タンクから内部に取り入れられて、コアに伝わる熱にて熱交換をしつつチューブを流通した後、タンクから外部に排出される。後記特許文献１には、複数の部材をろう付けしてなるタンクの構成が開示されている。
また、冷凍サイクルの冷媒としては、これまで代替フロンを含めフロン系の冷媒が広く採用されてきたところ、近年では地球環境に配慮して、これをＣＯ_２に変更する傾向にある。ＣＯ_２を冷媒とする冷凍サイクルは、フロン系の冷媒を用いた冷凍サイクルと比較すると、内部の圧力が極めて高く、とりわけ高圧側の圧力は、気温等の使用条件によって、冷媒の臨界点を超える訳である。臨界点とは、気層と液層が共存する状態の高圧側の限界（つまり高温側の限界）であり、蒸気圧曲線の一方での終点である。臨界点での圧力、温度、密度は、それぞれ臨界圧力、臨界温度、臨界密度となる。特に、冷凍サイクルの高温熱源部である放熱器においては、圧力が冷媒の臨界点を上まわると、冷媒が凝縮することはない。
特許文献１：特開２００２−２１３８９３号公報
ところで、冷凍サイクルの熱交換器については、冷媒の熱交換効率の向上、小型化、軽量化、製造の容易化、及び設置スペースの節約等が重要な課題とされる。特に、高圧側の圧力が冷媒の臨界点を超える超臨界冷凍サイクルは、フロン系の冷媒を用いる冷凍サイクルと比較すると、非常に高い耐圧強度を要し、これに用いる熱交換器については、耐圧性を確保するべく、一層の合理化が必要とされている。
例えば、超臨界冷凍サイクルの熱交換器は、耐圧性を確保する点で、チューブやタンクの容積を小さくするとともに、それらの肉厚を厚くする必要がある。ここで、タンクの肉厚を厚くする場合、タンクの構成部材のろう付けをどのように達成するかが非常に重要な問題となる。
一般に、タンクの構成部材としては、表面にろう材がクラッドされたブレージングシートを所定の形状に成形してなるものが採用されている。そして、肉厚のブレージングシートを成形してタンクの外郭を構成する部材とする場合は、ろう材がクラッドされていないブレージングシートの端面におけるろう材の確保が課題となる。或いは、ブレージングシートを重ね合わせるように設計すると、タンクの不要な大型化を招くという問題が生じる。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、チューブの端部を接続するタンクがより合理的に構成された熱交換器を提供することである。

本願第１請求項に記載した発明は、媒体を流通するチューブと、前記チューブの端部を接続したタンクとを備え、前記媒体が前記チューブに伝わる熱にて熱交換をする熱交換器において、当該熱交換器は、前記チューブ及び前記タンクを構成する部材を組み立てるとともにそれらを炉中ろう付けしてなり、前記タンクは、その外郭を構成する第１タンク部材及び第２タンク部材と、前記第１タンク部材と前記第２タンク部材に挟まれた第３タンク部材とを備え、前記第１タンク部材には、前記チューブの端部を挿入するスロットを設け、前記第３タンク部材は、前記第１タンク部材及び前記第２タンク部材よりも薄肉のプレートを成形してなるとともに、その表面にろう材がクラッドされたものであり、前記第１タンク部材、前記第２タンク部材、及び前記第３タンク部材は、前記第３タンク部材の表面から溶融したろう材にてろう付けしたた構成の熱交換器である。
本願第２請求項に記載した発明は、請求項１において、前記第３タンク部材は、前記タンクの内部を縦断するものであるとともに、前記タンクの内部を連通する開口部を有する構成の熱交換器である。
本願第３請求項に記載した発明は、請求項２において、前記開口部は、前記第３タンク部材の長手方向に亘り所定のピッチで設けた構成の熱交換器である。
本願第４請求項に記載した発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記第３タンク部材は、前記第１タンク部材の外周面に当接する折曲げ部を有する構成の熱交換器である。
本願第５請求項に記載した発明は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記第３タンク部材は、前記第２タンク部材の外周面に当接する折曲げ部を有する構成の熱交換器である。
本願第６請求項に記載した発明は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記第３タンク部材は、前記第１タンク部材の外周面に当接する第１の折曲げ部と、前記第２タンク部材の外周面に当接する第２の折曲げ部とを有し、前記第１の折曲げ部と前記第２の折曲げ部とは、前記第３タンク部材の長手方向に亘り、交互に設けた構成の熱交換器である。
本願第７請求項に記載した発明は、高圧側の圧力が冷媒の臨界点を超える冷凍サイクルに用いることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載の熱交換器である。

図１は、本発明の実施例に係り、冷凍サイクルを示す説明図である。
図２は、本発明の実施例に係り、熱交換器の概要を示す説明図である。
図３は、本発明の実施例に係り、熱交換器を示す正面図である。
図４は、本発明の実施例に係り、熱交換器を示す上面断面図である。
図５は、本発明の実施例に係り、熱交換器の要部を示す上面断面図である。
図６は、本発明の実施例に係り、熱交換器の要部を示す上面断面図である。
図７は、本発明の実施例に係り、（ａ）は第１タンクを示す上面図、（ｂ）は第１タンクを示す正面図、（ｃ）は第１タンクを示す右側面図、（ｄ）は第１タンクを示す左側面図、（ｅ）は第１タンクを示す背面図である。
図８は、本発明の実施例に係り、（ａ）は第１タンク部材を示す上面図、（ｂ）は第１タンク部材を示す正面図、（ｃ）は第１タンク部材を示す右側面図、（ｄ）は第１タンク部材を示す左側面図、（ｅ）は第１タンク部材を示す背面図である。
図９は、本発明の実施例に係り、（ａ）は第２タンク部材を示す上面図、（ｂ）は第２タンク部材を示す正面図、（ｃ）は第２タンク部材を示す右側面図、（ｄ）は第２タンク部材を示す左側面図、（ｅ）は第２タンク部材を示す背面図である。
図１０は、本発明の実施例に係り、（ａ）は第３タンク部材を示す上面図、（ｂ）は第３タンク部材を示す正面図、（ｃ）は第３タンク部材を示す右側面図、（ｄ）は第３タンク部材を示す左側面図、（ｅ）は第３タンク部材を示す背面図である。
図１１は、本発明の実施例に係り、（ａ）は第１閉鎖部材を示す上面図、（ｂ）は第１閉鎖部材を示す正面図、（ｃ）は第１閉鎖部材を示す右側面図、（ｄ）は第１閉鎖部材を示す左側面図、（ｅ）は第１閉鎖部材を示す背面図である。
図１２は、本発明の実施例に係り、（ａ）は第２閉鎖部材を示す上面図、（ｂ）は第２閉鎖部材を示す正面図、（ｃ）は第２閉鎖部材を示す右側面図、（ｄ）は第２閉鎖部材を示す左側面図、（ｅ）は第２閉鎖部材を示す背面図である。
図１３は、本発明の実施例に係り、第１タンク部材、第２タンク部材、第３タンク部材、第１閉鎖部材、及び第２閉鎖部材を示す上面分解図である。
図１４は、本発明の実施例に係り、（ａ）は第２タンクを示す上面図、（ｂ）は第２タンクを示す正面図、（ｃ）は第２タンクを示す右側面図、（ｄ）は第２タンクを示す左側面図、（ｅ）は第２タンクを示す背面図である。
図１５は、本発明の実施例に係り、（ａ）は第１タンク部材を示す上面図、（ｂ）は第１タンク部材を示す正面図、（ｃ）は第１タンク部材を示す右側面図、（ｄ）は第１タンク部材を示す左側面図、（ｅ）は第１タンク部材を示す背面図である。
図１６は、本発明の実施例に係り、（ａ）は第２タンク部材を示す上面図、（ｂ）は第２タンク部材を示す正面図、（ｃ）は第２タンク部材を示す右側面図、（ｄ）は第２タンク部材を示す左側面図、（ｅ）は第２タンク部材を示す背面図である。
図１７は、本発明の実施例に係り、（ａ）は第３タンク部材を示す上面図、（ｂ）は第３タンク部材を示す正面図、（ｃ）は第３タンク部材を示す右側面図、（ｄ）は第３タンク部材を示す左側面図、（ｅ）は第３タンク部材を示す背面図である。
図１８は、本発明の実施例に係り、（ａ）は第１閉鎖部材を示す上面図、（ｂ）は第１閉鎖部材を示す正面図、（ｃ）は第１閉鎖部材を示す右側面図、（ｄ）は第１閉鎖部材を示す左側面図、（ｅ）は第１閉鎖部材を示す背面図である。
図１９は、本発明の実施例に係り、（ａ）は第２閉鎖部材を示す上面図、（ｂ）は第２閉鎖部材を示す正面図、（ｃ）は第２閉鎖部材を示す右側面図、（ｄ）は第２閉鎖部材を示す左側面図、（ｅ）は第２閉鎖部材を示す背面図である。
図２０は、本発明の実施例に係り、第１タンク部材、第２タンク部材、第３タンク部材、第１閉鎖部材、及び第２閉鎖部材を示す上面分解図である。
図２１は、本発明の実施例に係り、熱交換器の要部を示す上面断面図である。
図２２は、本発明の実施例に係り、熱交換器の要部を示す上面断面図である。

以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１に示す冷凍サイクル１は、自動車に搭載される車内空調用の冷凍サイクルであり、冷媒を圧縮するコンプレッサ２と、コンプレッサ２で圧縮された冷媒を冷却する放熱器１００と、放熱器１００で冷却された冷媒を減圧して膨張する膨張弁３と、膨張弁３で減圧された冷媒を蒸発するエバポレータ４と、エバポレータ４から流出する冷媒を気層と液層に分離して気層の冷媒をコンプレッサ２へ送るアキュムレータ５と、高圧側の冷媒と低圧側の冷媒とを熱交換することによってサイクルの効率を向上する内部熱交換器６とを備えたものである。冷媒としてはＣＯ_２を用いており、当該超臨界冷凍サイクル１の高圧側の圧力は、気温等の使用条件により、冷媒の臨界点を上まわる。図１中の矢印は冷媒の循環方向を示す。
図２乃至図６に示すように、本例の熱交換器たる放熱器１００は、冷媒（つまり媒体）を流通する偏平状のチューブ２１０とコルゲート型のフィン２２０とを交互に積層してなる第１コア２００ａ及び、同様に偏平状のチューブ２１０とコルゲート型のフィン２２０とを交互に積層してなる第２コア２００ｂと、各チューブ２１０の端部がそれぞれ挿入接続された、第１のタンク３００ａ、第２のタンク３００ｂ、及び第３のタンク３００ｃと、第１のタンク３００ａに設けられた冷媒の入口部４００と、第３のタンク３００ｃに設けられた冷媒の出口部５００とを備えている。各タンク３００ａ，３００ｂ，３００ｃは、その上下端部を閉鎖した管状のものである。また、第１コア２００ａ及び第２コア２００ｂの上下側部には、補強部材たるサイドプレート６００を設けている。サイドプレート６００の端部は、各タンク３００ａ，３００ｂ，３００ｃにそれぞれ支持されている。
コンプレッサ２から送られる冷媒は、入口部４００から流入する。出口部５００から流出した冷媒は、膨張弁３へと送られる。尚、これらの図中の矢印は、放熱器１００における冷媒の流通方向を示しており、白抜き矢印は、第１コア２００ａ及び第２コア２００ｂに対する通風方向を示している。
第１のタンク３００ａには、第１コア２００ａのチューブ２１０の一方の端部が挿入されている。第２のタンク３００ｂには、第１コア２００ａのチューブ２１０の他方の端部及び第２コア２００ｂのチューブ２１０の一方の端部が挿入されている。また、第３のタンク３００ｃには、第２コア２００ｂのチューブ２１０の他方の端部が挿入されている。
そして、第１コア２００ａ及び第２コア２００ｂに対しては、図示を省略したファンによって通風がなされ、冷媒は、第１コア２００ａ及び第２コア２００ｂに伝わる熱にて熱交換を行う。また、第１コア２００ａ及び第２コア２００ｂは、通風方向に重ねられるとともに、チューブ２１０の偏平状の面が通風方向と平行になるように構成されている。通風は、第２コア２００ｂ側から施される。つまり本例の放熱器１００は、第１コア２００ａ及び第２コア２００ｂにおける冷媒の流れを対向流としたカウンターフロータイプの熱交換器である。
かかる放熱器１００は、チューブ２１０、フィン２２０、第１のタンク３００ａ、第２のタンク３００ｂ、第３のタンク３００ｃ、入口部４００、及び出口部５００、及びサイドプレート６００を構成する複数のアルミ合金製の部材を一体に組み立てた後、その組み立て体を炉中にてろう付けして製造する。また、このような炉中ろう付けに際し、各部材の要所には、ろう付けに要するろう材及びフラックスが設けられる。
本例のチューブ２１０は、複数の流路２１１を有するアルミ合金製の押出し成形チューブである。又は、帯状の素材をロール成形してなるチューブである。また、その両端部の幅方向は、通風方向に対してそれぞれ９０°に捩じれている。チューブ２１０の端部を捩じることにより、各タンク３００ａ、３００ｂ、３００ｃの小径化を達成している。
図７乃至図１３に示すように、第１のタンク３００ａは、その外郭を構成する第１タンク部材３１０及び第２タンク部材３２０と、第１タンク部材３１０と第２タンク部材３２０に挟まれた第３タンク部材３３０と、第１のタンク３００ａの長手方向端部を閉鎖する第１閉鎖部材３４０及び第２閉鎖部材と３５０とを備えている。
第１タンク部材３１０及び第２タンク部材３２０は、その長手方向断面が略半円状ものである。本例の第１タンク部材３１０及び第２タンク部材３２０は、プレートを所定の形状にプレス成形してなる部材である。或いは、押出し成形部材又は引き抜き成形部材に所定の加工を施してなるものである。第１タンク部材３１０には、チューブ２１０の端部を挿入するスロット３１１が所定のピッチで１列に設けられている。
第３タンク部材３３０は、第１タンク部材３１０及び第２タンク部材３２０よりも薄肉のプレートを成形してなるとともに、その表面にろう材がクラッドされたものである。本例の第３タンク部材３３０は、第１タンク部材３１０及び第２タンク部材３２０の間に挟まれることにより、第１のタンク３００ａの内部を縦断し、且つ、第１のタンク３００ａの内部を連通する開口部３３１を有するものである。開口部３３１は、第３タンク部材３３０の長手方向に亘り所定のピッチで設けられている。図例では、スロット３１１と同じピッチで１列に設けられている。
第３タンク部材３３０の幅方向側部には、第１タンク部材３１０の外周面に当接する第１の折曲げ部３３２と、第２タンク部材３２０の外周面に当接する第２の折曲げ部３３３が設けられている。第１の折曲げ部３３２と第２の折曲げ部３３３とは、第３タンク部材の長手方向に亘り、所定のピッチで交互に設けられている。
第１閉鎖部材３４０は、第１タンク部材３１０と第３タンク部材３３０との間を閉鎖するものである。第１タンク部材３１０の要所及び第１閉鎖部材３４０には、互いに嵌合する嵌合凹部３１３及び嵌合凸部３４１がそれぞれ設けられている。また、第２閉鎖部材３５０は、第２タンク部材３２０と第３タンク部材３３０との間を閉鎖するものである。第２タンク部材３２０の要所及び第２閉鎖部材３５０には、互いに嵌合する嵌合凹部３２２及び嵌合凸部３５１がそれぞれ設けられている。本例の第１閉鎖部材３４０及び第２閉鎖部材３５０は、プレートを成形してなる部材である。
第１タンク部材３１０及び第２タンク部材３２０は、第３タンク部材３３０を挟みつつ第１タンク部材３１０の接合面３１２と第２タンク部材３２０の接合面３２１とを付き合せるように組み付けられる。第１の折曲げ部３３２及び第２の折曲げ部３３３は、各部材を組み付けた後にカシメる。
第１タンク部材３１０、第２タンク部材３２０、第３タンク部材３３０、第１閉鎖部材３４０、及び第２閉鎖部３５０は、炉中ろう付けにおいて、第３タンク部材３３０の表面から溶融したろう材にてろう付けされる。
尚、第１タンク部材３１０と第１閉鎖部材３４０との間や、第２タンク部材３２０と第２閉鎖部材３５０との間にろう材が十分に回り込まない場合は、適宜置きろうを配置したり、第１閉鎖部材３４０や第２閉鎖部材３５０にろう材をクラッドしたりするとよい。
また、チューブ２１０と第１タンク部材３１０のスロット３１１とをろう付けするろう材は、適宜置きろうを配置することにより確保している。或いは、チューブ２１０にろう材をクラッドし、そのろう材にてろう付けすることも可能である。
第３のタンク３００ｃの構成は、第１タンク３００ａと同様である。尚、それぞれの第２タンク部材３２０の要所には、入口部４００又は出口部５００を接続する孔部が設けられれいる（図示はせず）。入口部４００又は出口部５００は、それらの孔部にろう付けされている。
一方、図１４乃至図２０に示すように、第２のタンク３００ｂもまた、その外郭を構成する第１タンク部材３１０及び第２タンク部材３２０と、第１タンク部材３１０と第２タンク部材３２０に挟まれた第３タンク部材３３０と、第１のタンク３００ａの長手方向端部を閉鎖する第１閉鎖部材３４０及び第２閉鎖部材と３５０とを備えている。第１タンク部材３１０の長手方向には、チューブ２１０の端部を挿入するスロット３１１が所定のピッチで２列に設けられている。その他の構成は、第１のタンクの３００ａと同様である。
このような構成によると、各タンク３００ａ，３００ｂ，３００ｃにおけるろう付けを確実に行うことが可能となる。また、ろう付けに必要なろう材を薄肉の第３タンク部材３３０に設けることによれば、各部材の形状について設計の自由度が向上する。従って、タンク３００ａ，３００ｂ，３００ｃのスリム化が可能となり、放熱器１００の設置スペースの狭小化に貢献することができる。更に、第３タンク部材３３０は、タンク３００ａ，３００ｂ，３００ｃを補強する補強部材としても作用するので、タンク３００ａ，３００ｂ，３００ｃの耐圧性能が向上するという利点もある。
尚、第１タンク部材３１０及び第２タンク部材３２０の肉厚は、２．３〜３．５ｍｍが好ましい範囲であり、これに対する第３タンク部材３３０の肉厚は、０．３〜１．０ｍｍが好ましい範囲である。この範囲は、現状の製造技術を踏まえつつ、超臨界圧力に対するタンク３００ａ，３００ｂ，３００の容積及び耐圧性能がバランス良く確保されるように設定した値である。
このように本例の放熱器１００は、超臨界状態となる冷媒に応じて所要の耐圧性を確保するとともに、各タンク３００ａ，３００ｂ，３００ｃにおけるろう付けの信頼性を確実に向上してなるものであり、自動車に搭載される超臨界冷凍サイクル１の熱交換器として、極めて好適に利用することができる。また、本例における各部の構成は、特許請求の範囲に記載した技術的範囲において適宜に設計変更が可能であり、図例したものに限定されないことは勿論である。
例えば図２１及び図２２に示すように、本例の構成は、内部を複数に区画したタンク３００ｄ、３００ｅに応用することも可能である。図例したタンク３００ｄ、３００ｅは、偏平型のチューブ２１０の端部を捩じらずに、その端部を複数の内部区画域に跨るように接続する構成となっている。
また、本例の放熱器１００におけるタンクの構成は、エバポレータ４のタンクや内部熱交換器６のタンクに応用することも可能である。

本発明の熱交換器は、タンクをより合理的に構成してなるものであり、高圧側の圧力が冷媒の臨界点を超える冷凍サイクルの放熱器として好適に利用することができる。

Claims

媒体を流通するチューブと、前記チューブの端部を接続したタンクとを備え、前記媒体が前記チューブに伝わる熱にて熱交換をする熱交換器において、
当該熱交換器は、前記チューブ及び前記タンクを構成する部材を組み立てるとともにそれらを炉中ろう付けしてなり、
前記タンクは、その外郭を構成する第１タンク部材及び第２タンク部材と、前記第１タンク部材と前記第２タンク部材に挟まれた第３タンク部材とを備え、
前記第１タンク部材には、前記チューブの端部を挿入するスロットを設け、
前記第３タンク部材は、前記第１タンク部材及び前記第２タンク部材よりも薄肉のプレートを成形してなるとともに、その表面にろう材がクラッドされたものであり、
前記第１タンク部材、前記第２タンク部材、及び前記第３タンク部材は、前記第３タンク部材の表面から溶融したろう材にてろう付けしたことを特徴とする熱交換器。
前記第３タンク部材は、前記タンクの内部を縦断するものであるとともに、前記タンクの内部を連通する開口部を有することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
前記開口部は、前記第３タンク部材の長手方向に亘り所定のピッチで設けたことを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
前記第３タンク部材は、前記第１タンク部材の外周面に当接する折曲げ部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の熱交換器。
前記第３タンク部材は、前記第２タンク部材の外周面に当接する折曲げ部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の熱交換器。
前記第３タンク部材は、前記第１タンク部材の外周面に当接する第１の折曲げ部と、前記第２タンク部材の外周面に当接する第２の折曲げ部とを有し、前記第１の折曲げ部と前記第２の折曲げ部とは、前記第３タンク部材の長手方向に亘り、交互に設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の熱交換器。
高圧側の圧力が冷媒の臨界点を超える冷凍サイクルに用いることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載の熱交換器。