JP4772120B2 - 車両用の熱交換器及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両用の熱交換器に関し、少なくともひとつの熱交換要素であって、多通路平坦パイプの列を有し、それらは互いに間隔を隔てられ、液密式に、管状収集容器及び管状分配器に結合された端部を有している。そうした熱交換器は、例えば、凝縮器／ガス冷却器又は蒸発器として、車両の空調ユニットに含まれる。

熱交換要素の一般的な構造は、車両工学の一般的な要求条件を満足することを目的として、今日の空調ユニットにおいてそれ自体を確立した。そうした要求条件は、例えば、省スペース、高度の動作信頼性及び機能的効率、絶えず増加する程度の環境互換性、及び製造努力及びコストがわずかであることである。

多通路平坦パイプは、熱を発散又は吸収する加圧流体の流れを含み、代表的に平行に列状に配置され、互いに小さな距離だけ間隔を隔てられてなる、多数の流路が設けられている。この構造は、平坦パイプ本体と流体の接触を可能な限り大きな面積にすることを可能とし、平坦パイプ本体のまわりには、熱交換に伴う外部媒体が通過する。平坦パイプの形状の特性は、列をなす流路の構成から得られ、熱交換組立体は、流れを案内するように機能する。

現代の熱交換器を、環境フレンドリーで効率的な冷媒、特に、高圧縮された二酸化炭素ベースの冷媒を用いて動作可能にするためには、成長する厳しい要求条件と破壊圧力についてのデザイン要求とを満足すべく、現在の技術水順と比較した、デザインの改変は不可欠である。特に、大きな流体通路断面を有する部品と、流体圧力に曝される個別の組立体の間の結合部とは、著しく堅固で重厚に作らなければならない。

明白に言及された要求条件は、熱交換要素に関する限り、とりわけ、収集容器の壁厚を増加し、または、それを幾何学的に最適化することである。従って、強度の理由からも、多通路平坦パイプに結合される収集容器としては、丸パイプが既に受け入れられている。しかし、破壊圧力を高くすることは、また、この幾何学が壁厚を増加させることを要求し、一定の内径において、外径及び組立体全体の構造深さを、明瞭に大きな寸法にしなければならない。さらに、容器もって熱交換器の比較的厚い壁と大きな寸法は、大きなスペースを必要とするだけでなく、重量が増加し、材料の要求が高くなる。

その上、例えば収集容器など、例えば、鑞付け又は溶接によって結合可能な、多通路平坦パイプに結合されるべき部品の材料の質量の大きな違いは、圧力抵抗及び液密の結合部を達成するのに必要な、鑞付け又は溶接のパラメータの選択が重要になることを暗示している。

従って、高い流体圧力が使用されるならば、大きな流路断面を減らすことが賢明である。収集容器又は分配器の壁は、特に、ＣＯ₂システムのためのガス冷却器のように、熱交換器においてＣＯ₂が冷媒として使用される場合には、明瞭に高い圧力に耐えるだけでなく、従来のシステムに比べて、高い温度に耐えられなければならない。

従来の熱交換要素においては、多通路平坦パイプは、多通路平坦パイプが収集容器又は分配器のスリットに押し通された後に、丸い断面をもった収集容器又は分配器に結合される。流体動力学な理由から、多通路平坦パイプは、常に整列され、収集容器又は分配器の長手軸線は、本質的に、それぞれの多通路平坦パイプの延長部の主面を通る。これは、収集容器又は分配器の最も小さい可能な内径を決定し、というのは、多通路平坦パイプは、多通路平坦パイプの個々の通路を閉じること無く、結合を緊密にするように、それぞれのスリットに完全に挿入しなければならないためである。

収集容器又は分配器の内径が、多通路平坦パイプの幅に比べてわずかだけ小さいような、現在の技術水準によって生産された熱交換器の別の問題点は、収集容器又は分配器の円筒軸線に対して交差して結合が行われる場合には、多通路平坦パイプの固定が、収集容器又は分配器に多通路平坦パイプを深く挿入することを必要とすることである。これは、流体流れの問題点につながり、特に、分配器内における受け入れ不可能な冷媒の圧力低下、及び安定性の問題点につながる。

熱交換器の公知のデザインにおいては、多通路平坦パイプの端部が、多通路平坦パイプの延長部の主面に対して９０゜まで部分的に捩られて、収集容器又は分配器の主軸に対して平行に延びた、対応するスリットに挿入される（ＷＯ２００５／０７１３４０Ａ１）。それにより、収集容器又は分配器の内径は、多通路平坦パイプの幅とはほとんど独立してデザインすることができる。しかしながら、隣接する多通路平坦パイプの間の最小距離は明らかに増加し、というのは、収集容器又は分配器に結合される領域における多通路平坦パイプの幅は、所望のように緊密にパックされた構成と競合するためである。従って、与えられた取付スペースに対する熱交換器の有効性は減少する。さらに、多通路平坦パイプにおける捩られた端部が、案内羽根として働いて、結合領域における流れ状態が変化するので、熱交換は妨げられる。捻れの角度を小さくすると、対応する問題点が生じる。

上述した問題点を解決するための公知のアプローチとしては、多通路平坦パイプの端部を分割し、分割によって作られた部分的な領域を捩り、捩られた部分的な領域を、互いに平行に、収集容器又は分配器の主軸に対して平行に、収集容器又は分配器に結合する（ＤＥ １０１ ４６ ８２４ Ａ１、ＤＥ １０ ２００４ ００２ ２５２Ａ１）。それにより、渦巻き空間と、２つの隣接する多通路平坦パイプの間の最小距離との寸法を小さくできる。しかし、これらのアプローチは、一般的には問題点を解決しない。

加えて、端部を９０゜捩ることによる、多通路平坦パイプの大きな変形が常に伴い、これが比較的限られた端部領域について実行されると、損傷の危険が生じて、ひび割れ、漏れ、狭窄が生じる。

さらに、収集容器又は分配器の外壁における近接した長手方向スリットは、強度の理由から避けるべきであり、というのは、構成要素の静的な変化は、さらに厚い材料を壁領域に必要とすることを暗示するためである。

今日、熱交換器、特に、車両におけるガス冷却器がデザインされるとき、ひとつの流行している問題点は、特に受容可能な寸法と分配器における冷媒圧力の低下の値でもって、挿入された多通路平坦パイプと、それぞれの収集容器又は分配器との間に、適当な形態の結合部を見い出すことである。

ＷＯ２００５／０７１３４０Ａ１ ＤＥ １０１ ４６ ８２４ Ａ１ ＤＥ １０ ２００４ ００２ ２５２Ａ１

本発明の目的は、外寸が可能な限り小さくて、高い動作圧力にて、特に、ＣＯ₂システムにおいて、車両の空調ユニットに用いるのに適しているような、車両用の熱交換器を提供することである。従来技術の不都合は解消され、本発明に従った熱交換器についての適当な製造方法が開示される。

請求項１に記載の特徴を有する熱交換器によって、問題点は解決される。本発明のさらに発展した有利な実施形態は、従属請求項に開示されている。本発明による熱交換器の製造方法は、請求項８に開示され、方法はさらに、従属請求項９乃至１４によって確立される。

本発明は、互いに間隔を隔てられた多通路平坦パイプの列を備えてなる熱交換要素に基づき、多通路平坦パイプの端部は、液密のやり方にて、管状収集容器と管状分配器とに結合され、複数の領域に分割され、結合に向けられたその端部におけるそれぞれの領域は、多通路平坦パイプの延長部の主面に対して平行に整列されるように形成され、領域は少なくとも部分的に、収集容器及び分配器の長手軸線の方向に重なり合っている。重ね合わせは、結合部の領域において多通路平坦パイプの幅を減少させ、かかる円形断面のための幅は、収集容器又は分配器の最小内径を決定する。

多通路平坦パイプの端部の分割によって得られたそれぞれの領域は、その端部が結合部に向けられ、多通路平坦パイプの延長部の主面に対して平行に整列されているので、一方において、多通路平坦パイプの間の結合が、他方において、収集容器及び分配器が、良く知られた方法で、収集容器及び分配器の壁の対応するスリットに端部を挿入され、液密の結合部が作られる。スリットは、多通路平坦パイプの全体の幅に比べて明瞭に短い長さを有することを必要とし、有利には、収集容器又は分配器の長手軸線に対して横切るように配置される。この事実のために、高い圧力が適用されるとき、スリットが広がるのを防ぐために、壁を厚くすることはほとんど必要なく、多通路平坦パイプと収集容器又は分配器とのそれぞれの間の結合部は、低い荷重に曝される。収集容器及び分配器の長手軸線は、有利には、多通路平坦パイプの延長部の主面に対して垂直に延びている。

多くの場合に、多通路平坦パイプがそれらの端部にて２つの領域に分割され、それぞれの領域が結合に向けた端部に形成され、多通路平坦パイプの延長部の主面に対して平行に整列され、領域が収集容器及び分配器の長手軸線の方向に少なくとも部分的に重なり合うならば、充分で特に製造に有利である。

特に、多通路平坦パイプがその端部にて分割され、等しい幅の２つの領域を形成し、多通路平坦パイプの端部の両方の領域が、それぞれの領域が結合に向けられた端部に形成され、多通路平坦パイプの延長部の主面に対して平行に整列され、これらの領域の端部が、収集容器及び分配器の長手軸線の方向に互いに従って配置されるならば、収集容器及び分配器における必要な最小内径は、非分割の多通路平坦パイプを用いた結合に比べて半分に減少する。

従って、多通路平坦パイプの端部が半分に切断されて分割されるのが特に好ましいが、多通路平坦パイプの半分以外の分割も可能である。

本発明の大きな利点は、多通路平坦パイプをかなり捩ることなく、収集容器及び分配器に必要な内径を減少できる可能性である。これは、アルミニウムから作られた多通路平坦パイプが使用された場合でさえも、過荷重の危険をかなり減少させる。

さらに、収集容器及び分配器の内径の減少に関連して、本発明は、高い動作圧力にて使用される場合であっても、壁厚を比較的薄く保つことを可能にする。従って、容器の寸法及び重量は小さく保たれる。従って、材料、重量、及び製造コストは節約される。有利には、収集容器及び分配器の内部体積が小さいことは、システムにおける冷媒の量が少ないことに関連する。収集容器及び分配器に挿入される、多通路平坦パイプにおける端部の領域が、収集容器及び分配器の内径に比べて明瞭に幅狭であるならば、収集容器及び分配器の壁に設けられたスリットに、結合のためにさほど深く挿入する必要はなくなる。これは、多通路平坦パイプの端部のオーバーハングを短くし、それにより、流れの問題点、特に、分配器内における受容不可能な冷媒の圧力低下を回避する。

熱交換要素の端部パイプと、多通路平坦パイプの細い通路との間の結合が作られ、前記結合を実現するのに必要な端部パイプの直径を比較的細く保ち、隣接する多通路平坦パイプの間の距離を著しく大きくする必要がない。

特に、従来の多通路平坦パイプを改変し、熱交換要素を製造する、本発明による方法を利用することで、多通路平坦パイプの過荷重の危険は減少する。本発明による方法は、ひび割れ、狭窄、又は漏れなどの、個々の通路の損傷を回避する。方法は、少なくとも以下の段階を含む。すなわち、
− 多通路平坦パイプの端部を分割して、複数の領域を形成する段階と、
− 多通路平坦パイプにおける延長部の主面に、端部領域を広げる段階と、
− 端部領域を曲げて、多通路平坦パイプにおける延長部の主面から外らす段階と、
− 多通路平坦パイプにおける端部領域を互いに押して、互いに平行な所定距離にまで、少なくとも部分的に重ねる段階と、
− 多通路平坦パイプの端部領域を、収集容器及び分配器に準備されたスリットに挿入する段階と、
− 多通路平坦パイプの端部領域を、収集容器及び分配器に結合する段階と、である。

このように、多通路平坦パイプと端部パイプとの間の結合、すなわち、熱交換要素における分配器と収集容器との間の結合は、流れの断面積を小さくしつつ、少ないスペースを要求する。従って、特に、高い動作圧力が明瞭に減少した最小壁厚に関連する場合に、同一の流れの断面積を提供しつつ、小さな直径の端部パイプを使用できる。従って、本発明に従った切断及び屈曲のデザインは、特に、自動車の空調ユニットにおけるガス冷却器に適している。

有利には、多通路平坦パイプの端部は、等しい幅の２つの領域が作られるように分割される。本発明による方法の可能性は、多通路平坦パイプにおける両方の端部領域を互いに押して、両方の端部領域を、互いに対して、及び多通路平坦パイプにおける延長部の主面に対して平行とし、端部領域を、多通路平坦パイプにおける延長部の主面に対して垂直方向に、互いの後ろに位置させるならば、完全な効果をもつ。

多通路平坦パイプにおける端部領域と、収集容器及び分配器との結合は、鑞付けによって形成されているならば、有利である。

多通路平坦パイプにおける端部領域は、曲げゲージの助けで形成されているならば、好ましくはアルミニウムである材料を、絞りや、もつれ、張りすぎ、又はひび割れなどによって損傷せずに、比較的小さな曲げ半径を達成できる。立証された方法においては、多通路平坦パイプにおける端部領域を、曲げゲージの助けで形成し、少なくとも６つの異なる小さい半径の屈曲を用いて形成する。

次に、本発明について、例示的な実施形態によって説明する。

図１は、従来技術による熱交換要素の分配器１を示した模式図であって、多通路平坦パイプに結合される準備が出来ている。分配器１には、その長手軸線を横切るように配置されてなるスリット２が設けられ、多通路平坦パイプを押し入れてから、それらは分配器１にしっかりと鑞付けされる。スリット２は、規則正しく距離を隔てて、平行に延びている。スリット２は、分配器１のほぼ全厚みにわたって延びていることに留意されたい。

図２は、従来技術に従って、従来の分配器１に押し入れられた多通路平坦パイプ３を模式的に示している。多通路平坦パイプ３の幅は、管状の分配器１の内径に概略対応している。多通路平坦パイプ３は、分配器の円筒軸線に対して横方向に挿入されているため、密封結合のためには、多通路平坦パイプ３を分配器１に深く挿入することが必要である。必要な横断面の実質的な制限は、特に、分配器１における受容不可能な冷媒圧力低下という、流れの問題点をもたらす。

図３は、従来技術に従って、別のやり方で、多通路平坦パイプに結合されるように準備された分配器１を示した模式図である。分配器１には、その長手軸線に対して平行に配置されたスリット２が設けられ、多通路平坦パイプをスリットに押し入れてから、それらは分配器１にしっかりと鑞付けされる。そうしたデザインの分配器１が使用されるのは、端部領域が９０゜捩られた多通路平坦パイプが挿入される場合である。スリットの間には、わずかに幅狭なウェブ４だけが残され、鑞付けされた継ぎ目に過剰な荷重を与えないように、高い動作圧力においてさえも、分配器１の安定性を確保しなければならない。スリット２とウェブ４との長さは、一緒になって、２つの隣接する多通路平坦パイプの間の距離を形成し、従って、これは比較的大きくなければならない。

図４は、本発明による熱交換要素を製造するための方法において、４つの発明に関連した段階のそれぞれの後における、多通路平坦パイプの端部を示した上面図及び正面図である。矢印は、それぞれの形成段階の方向を示していて、参照符号は、すべての４つの単一の図面において、同一の構成要素を示している。段階１．）においては、多通路平坦パイプ３は、等しい幅の２つの領域３’，３”に分割され、この場合には、１５mmの深さのスリット５が用いられる。段階２．）においては、端部領域３’，３”は、多通路平坦パイプ３の延長部の主面において広げられる。広がりの屈曲半径は、領域３’，３”を隔てるスリット５の深さに依存し、この例の実施形態においては、３３mmになっている。段階３．）においては、端部領域３’，３”は、多通路平坦パイプ３における延長部の主面から外れるように曲げられ、端部は、多通路平坦パイプ３の延長部の主面に対して垂直に、この事例では３．６５mmの所定距離を有し、この距離は、分配器１における多通路平坦パイプ３と結合するための個々のスリット２の間の距離に対応している。段階４．）においては、多通路平坦パイプ３における端部領域３’，３”は、互いに押し重ねられ、互いに平行に所定の距離にて、少なくとも部分的に重なり合う。好ましくは、多通路平坦パイプの延長部の主面に対して垂直な方向に、端部領域３’，３”が互いの後ろの位置になるまで、互いに押し重ねる。

最後の段階４．）における屈曲の半径は、所定のスリット幅について、多通路平坦パイプ３における端部領域３’，３”の分配器１への挿入深さを定める。特に、２つの屈曲半径Ｒ６は、６mmのスリット幅について、挿入深さを、この例では、５mmに制限する。これらの半径が大きいならば、端部領域３’，３”は、５mmよりも深く、分配器に挿入されることになる。これは再び、分配器の内部断面積を減少させることになる。

図５は、熱交換要素における付随する分配器と関連して、本発明に従って改変された２つの多通路平坦パイプ３を示した斜視図である。正面の構成において、本発明に従って改変された多通路平坦パイプ３は、分配器１に準備されたスリット２に挿入されるべく整列されている。後方の構成においては、本発明に従って改変された多通路平坦パイプ３は、既に挿入された位置にあり、分配器１への鑞付けが実行される。矢印は、熱交換要素の組立中における、本発明に従って改変された多通路平坦パイプの動きの方向を示している。スリット２の長さは、図１と比較すると、分配器１の外周に対して減少していることが明らかに分かる。同時に、多通路平坦パイプ３の幅は、もはや、下向きに分配器１の内径を制限する寸法ではなく、内径は、図２のデザインに比べて小さく保たれる。

図６は、本発明による熱交換要素の全体を示した斜視図である。熱交換要素は、列をなす多通路平坦パイプ３を具備し、これらは互いに間隔を隔てられ、その端部は、本発明に従って改変され、液密式に、管状収集容器６及び管状分配器１に結合されている。矢印は、冷媒、例えばＣＯ₂の流れの方向を示している。

図７は、例示的な多通路平坦パイプ３であって、本発明による熱交換器の製造の開始材料として働く。それは、アルミニウムから作られており、１２本の通路７を互いに規則正しい距離に配置され、これを通して、動作中には、冷媒としてのＣＯ₂が通り抜ける。通路が偶数であるために、最も内側の通路の間にて多通路平坦パイプ３を分割して、等しい幅によって特徴付けられる、本発明に従った、２つの端部領域３’，３”を作ることが可能になる。

従来技術による、多通路平坦パイプに結合する準備の出来た分配器を示した模式図である。 従来技術による、多通路平坦パイプを従来の分配器に押し入れた様子を示した模式図である。 従来技術による、多通路平坦パイプに結合するための準備が出来た、別の分配器を示した模式図である。 本発明による熱交換要素を製造するための方法において、４つの発明に関連した段階のそれぞれの後における、多通路平坦パイプの端部を示した図である。 付随する分配器と関連して、本発明に従って改変された２つの多通路平坦パイプを示した斜視図である。 本発明による熱交換要素の全体を示した斜視図である。 例示的な多通路平坦パイプを示した図である。

Claims (14)

1. 多通路平坦パイプの端部を分割して、複数の領域を形成する段階と、多通路平坦パイプにおける延長部の主面に、端部領域を広げる段階と、端部領域を曲げて、多通路平坦パイプにおける延長部の主面から外らす段階と、多通路平坦パイプにおける端部領域を互いに押して、互いに平行な所定距離にまで、少なくとも部分的に重ねる段階と、多通路平坦パイプの端部領域を、収集容器及び分配器に準備されたスリットに挿入する段階と、多通路平坦パイプの端部領域を、収集容器及び分配器に結合する段階により製造され、多通路平坦パイプ（３）の列を有する熱交換要素であって、多通路平坦パイプ（３）の端部は、液密のやり方にて、管状収集容器（６）と管状分配器（１）とに結合されてなり、多通路平坦パイプ（３）の端部は、複数の領域（３’，３”）に分割され、結合に向けられたその端部におけるそれぞれの領域（３’，３”）は、多通路平坦パイプ（３）の延長部の主面に対して平行に整列されるように形成され、領域（３’，３”）は少なくとも部分的に、収集容器（６）及び分配器（１）の長手軸線の方向に重なり合っていることを特徴とする熱交換要素。
2. 多通路平坦パイプ（３）の端部は、２つの領域（３’，３”）に分割され、結合に向けられたその端部におけるそれぞれの領域（３’，３”）は、多通路平坦パイプ（３）の延長部の主面に対して平行に整列されるように形成され、領域（３’，３”）は少なくとも部分的に、収集容器（６）及び分配器（１）の長手軸線の方向に重なり合っていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換要素。
3. 収集容器（６）と分配器（１）との長手軸線は、多通路平坦パイプ（３）の延長部の主面に対して垂直に延びていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換要素。
4. 多通路平坦パイプ（３）の端部は、等しい幅の２つの領域（３’，３”）に分割されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の熱交換要素。
5. 多通路平坦パイプ（３）の端部における両方の領域（３’，３”）は、結合に向けられたその端部におけるそれぞれの領域（３’，３”）が多通路平坦パイプ（３）の延長部の主面に対して平行に整列されるように形成され、領域（３’，３”）の端部は、収集容器（６）及び分配器（１）の長手方向に、互いの後ろに位置していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換要素。
6. 多通路平坦パイプ（３）は、アルミニウムから作られていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の熱交換要素。
7. 多通路平坦パイプ（３）は、少なくとも１２本の単一通路（７）を具備していることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の熱交換要素。
8. 熱交換要素の製造方法であって、少なくとも、
   − 多通路平坦パイプの端部を分割して、複数の領域を形成する段階と、
   − 多通路平坦パイプにおける延長部の主面に、端部領域を広げる段階と、
   − 端部領域を曲げて、多通路平坦パイプにおける延長部の主面から外らす段階と、
   − 多通路平坦パイプにおける端部領域を互いに押して、互いに平行な所定距離にまで、少なくとも部分的に重ねる段階と、
   − 多通路平坦パイプの端部領域を、収集容器及び分配器に準備されたスリットに挿入する段階と、
   − 多通路平坦パイプの端部領域を、収集容器及び分配器に結合する段階と、
   を備えていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の熱交換要素の製造方法。
9. 多通路平坦パイプの端部は、２つの領域に分割されていることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 多通路平坦パイプの端部は、等しい幅の２つの領域に分割されていることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 多通路平坦パイプにおける両方の端部領域を互いに押して、両方の端部領域を、互いに対して、及び多通路平坦パイプにおける延長部の主面に対して平行とし、端部領域を、多通路平坦パイプにおける延長部の主面に対して垂直方向に、互いの後ろに位置させることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 多通路平坦パイプにおける端部領域と、収集容器及び分配器との結合は、鑞付けによって形成されていることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 多通路平坦パイプにおける端部領域は、曲げゲージの助けで形成されていることを特徴とする請求項８乃至１２の何れか１項に記載の方法。
14. 多通路平坦パイプにおける端部領域を、曲げゲージの助けで形成する段階は、少なくとも６つの異なる半径に屈曲させることで実行されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。

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