JP5539741B2 - 蓄熱機能を備える熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関し、特に、熱交換流体が循環するチューブと蓄熱材タンク部と熱交換フィンとを備えている熱交換器に関する。

一般に熱交換器は、内部に熱交換流体が循環する１列以上の並置されたチューブ群を備えている。このチューブ群の組み立て体は、一般にコアと呼ばれている。この熱交換器の目的は、チューブ内を循環する熱交換流体と、熱交換器の外部を通過する流体との間の熱交換をさせることである。

この熱交換を改良するために、すなわち、熱交換器の性能を向上させるために、熱交換フィンを各チューブ間に設け、その有効表面積を大とし、かつ外部流体の流れを乱流とさせるようにしている。

この熱交換器は、例えば、自動車の空調装置に組み込まれる。この場合、熱交換器を通過する外部流体は、一般に車室内に吹き込まれる空気であり、熱交換流体は冷媒である。この場合、熱交換器は、吹き出し空気をリフレッシュする役目も果たす。

空調装置における熱交換流体は、一般に、車両のエンジンによって直接に駆動される圧縮機によって循環させられる。

車両のエンジンが停止すると、流体の循環も停止し、空気と熱交換流体との熱交換が行われなくなる。そのため、車室内に吹き出される空気も、リフレッシュされなくなってしまう。この状況は、車両が停止している時にエンジンを自動的に停止させて、自動車の燃料消費量を低減させるように設計されている最近のシステムにおいては、車室内にリフレッシュされた空気が供給されなくなるので一層問題となる。

熱交換器と蓄熱材のタンクを組み合わせることは知られており、この蓄熱材は、熱交換流体がシステム内を循環している時に、暖熱、又は冷熱を蓄えて、熱交換流体が循環しなくなった時に、外部流体に対して放熱する。この空調装置において、蓄冷材のタンクを備える熱交換器が知られており、エンジンが稼動している時に冷気を蓄えて、エンジンが停止すると放冷し、車室内へ空気を吹き込ませる。このような熱交換器は、例えば特許文献１および２により公知である。

しかし、この種の熱交換器は、例えば、二酸化炭素の作動圧のような、高圧のもとで、チューブ内を循環する流体には不適である。

仏国特許ＦＲ２８７８６１３号公報 仏国特許ＦＲ２８７８６１４号公報

従って、本発明の目的の１つは、前述の欠点を克服することである。

この目的を達成するために、本発明は熱交換器における新型のチューブの外面板を提案するものである。このチューブの外面板は、金属薄板製で、チューブの外壁を成しており、この外壁と接する少なくとも１つの第１凹部と、外壁から離隔して配置された少なくとも１つの第２凹部とを、それぞれ金属薄板に備えており、さらに外壁と第２凹部を結合する連結脚（２８）であって、隣接する第１凹部同士を分離する連結脚を具備している。

第２空洞部は、ほぼ半円筒形をしている。

他の実施例においては、外面板は、第１方向に、複数の第１空洞部と第２空洞部を備えている。更に具体的に言うと、外面板が伸長している第１方向に、第１空洞部と第２空洞部とが、交互に配置されている。

本発明はまた、鏡面対称すなわち中心対称をなす第１外面板と第２外面板から成るチューブにも関する。

別の実施例によると、第１外面板の第１空洞部と、第２外面板の第１空洞部とにより、第１の流体循環通路が形成されている。

また、第１外面板の第２空洞部と、第２外面板の第２空洞部とにより、第２流体の循環路が形成されている。

第１外面板と第２外面板との間に、中間伝導板を配置してあることが望ましい。

この場合、第１外面板、および/または第２外面板の第１空洞部は、中間伝導板と協同して、第１流体の循環通路を形成している。

同様に、第１外面板、および/または第２外面板の第２空洞部は、中間伝導板と協同して、第２流体の循環通路を形成している。

別の実施例によると、中間伝導板は、２つ以上の第１空洞部、および/または２つ以上の第２空洞部間を連通させる１つ以上の通路を備えている。

最後に、本発明はまた、この多数のチューブを備えている熱交換器にも関する。

一般にこの熱交換器は、多数のチューブの間に、熱交換フィンを交互に設けたコアから成り立っている。

チューブの第１空洞部は、蓄熱材のタンク部であり、チューブの第２空洞部は、熱交換流体の循環通路であるのが好ましい。

全ての例において、少なくとも熱交換フィンは、チューブとの第２接触面を備えている。この場合、大多数のチューブは、それぞれ２つのフィンと接触して、様々な熱交換性能を高めている。

蓄熱材のタンクが、チューブ状の外観を有し、特にタンクが扁平なチューブとして製造されているのが好ましい。タンクがこのような形状であると、その製造が簡単である。

好ましい実施例においては、熱交換流体は冷媒であり、蓄熱材は蓄冷用である。このような態様は、例えば自動車用空調装置用に特に適している。

本発明の他の特徴と効果は、本発明をより良く理解し、かつ本発明の定義を明確にするのに役立つ以下の詳細な説明と添付図面により、明らかになると思う。

多数の熱交換フィンと組み合わされている熱交換流体の循環チューブを備えている本発明の熱交換器の概略正面図である。 本発明による熱交換器における熱交換流体が循環するチューブの外面板の拡大横断面図である。 図２に示す流体循環チューブの外面板の斜視図である。 本発明による熱交換器の熱交換流体が循環するチューブの横断面図である。 本発明の熱交換器の図１のＶ-Ｖ線における横断面図である。 本発明の熱交換器の他の実施例の斜視図である。

図１は、本発明による熱交換器１の概略正面図である。この熱交換器１は、２つの並列する集合タンク２を備えている。この実施例においては、２つの集合タンク２は平行六面体の形状をしている。この集合タンク２は、他のどのような幾何学的形状のものであってもよい。

またこの熱交換器１は、１列以上の整列しているチューブ４からなるコア８を備えている。各チューブ４の両端部は、それぞれ集合タンク２に挿入されている。同じ列で隣り合っている２本のチューブ４の間に、熱交換フィン６が設けられている。

このコア８は、第１の方向である厚さ方向Ｘと、第２の方向である幅方向Ｙと、Ｘ方向とＹ方向の両方に直交する第３の方向である高さ方向Ｚ方向を向いている。Ｘ，Ｙ、Ｚ方向は、正しい直交関係にある。

熱交換フィン６は、薄くて細長い金属帯板を反復して逆方向に折り曲げて、波形とされ、湾曲部を２つずつ接続することにより、実質的に平面的な部分が形成されるようになっている。湾曲した部分の頂点は、互いに平行な第１接触面３４と第２接触面３６を形成されている。従って、熱交換フィン６の実質的な部分は、これら第１接触面３４と第２接触面３６との間に形成されることとなる。

熱交換フィン６の湾曲部は、熱交換機能を発揮するために、チューブ４の外壁１０と接触している。

各チューブ４は、その両側に配置されている熱交換フィン６と接触している。各チューブ４は、互いに平行な大きい側面を有し、チューブ４を形成している各外面板２０は、平坦部３０を有している。チューブ４の一方の大きい側面は、フィンの第１接触面３４と、全長にわたって接触している。チューブ４の他方の大きい側面は、隣のフィンの第２接触面３６と接触している。

図２は、図１の熱交換器１の熱交換流体が循環するチューブ４で使用されている外面板２０の横断図である。

本発明のチューブ４は、図４に示すように、間に中間伝導板が配置されている２枚の外面板２０から成っている。

外面板２０は、おおむね長方形の金属薄板からなっている。この外面板２０は、外壁１０を備えている。この金属薄板の内面に、第１空洞部２４と第２空洞部２６が形成されている。外壁１０の内面に、分離されている第１空洞部２４と第２空洞部２６が支持されている。

図２の構成においては、第１空洞部２４は外壁１０と接している。第２空洞部２６は、外壁１０と距離をおいて配置されており、外壁１０と直接に接していない。

第２空洞部２６は、連結脚２８をもって、外壁１０と結合されている。この連結脚２８により、第２空洞部２６は、外壁１０と接しないように、離して保持されている。連結脚２８により、２つの隣接している第１空洞部２４は分離されている。

第２空洞部２６は、ほぼ半円筒形をしている。従って、第２空洞部２６とその連結脚２８は、Ｙ字形をなしている。

外面板２０の外壁１０は、平坦部３０と両側部３２とから成っている。両側部３２は、平坦部３０の端部に位置しており、円筒形の４分の１の形状をしている。

好ましい実施例においては、外面板２０は、熱交換器１の厚さ方向に、すなわち前記のＸ方向に、第１空洞部２４と第２空洞部２６を交互に備えている。

なお、本発明の連結脚２８の厚さすなわち幅は、第２空洞部２６の幅よりも小さい。従って、第１空洞部２４は、おおむね台形状をしており、第１空洞部２４の一部分は、コア部の厚さ方向、すなわちＸ方向に、第２空洞部２６よりも食い込み状態となっている。

この構成は、特に有利である。外面板２０のＸ方向と直交する第１平面における第１区域は、第１空洞部２４のみで占められており、第１平面から少し離れている外面板２０の、Ｘ方向と直交する第２平面における第２区域は、第１空洞部２４と第２空洞部２６で占められており、第１平面と第２平面から少し離れている外面板２０の、Ｘ方向と直交する第３平面における第３区域は、第２空洞部２６のみで占められている。

外面板２０は、押し出し加工により製造すると、特に有利である。

図３に示すように、大きい熱交換表面を有するように、第１空洞部２４と第２空洞部２６を、外面板２０の高さ方向、すなわちＺ方向に設けられていることが好ましい。

図４は、図１の熱交換器１における熱交換流体が循環するチューブ４の横断面図である。

図４に示すように、チューブ４は、２枚の外面板２０の間に、中間伝導板４０を配置して構成されている。

外面板２０によりチューブ４を形成する時、中間伝導板４０は、コア部の高さ方向、言い換えればＺ方向と、コア部の厚さ方向、言い換えればＸ方向において、各外面板２０と同一の寸法である。

このようにして、中間伝導板４０は、２つの外面板２０の間に挟まれている。図４の実施例によると、中間伝導板４０は、２つの外面板２０の側部３２と合致する周辺端部４２を備えている。

チューブを組み立てた時、外面板２０と中間伝導板４０も共に組み立てられ、ろう付け等により結合される。

本発明の特に有益な実施例によると、中間伝導板４０は、中間伝導板４０の両側に配置されている２枚の外面板内に、それぞれ設けられている２つの第１空洞部２４を連通させる多数の通路を備えている。

本発明の実施例によると、２つの外面板２０は同様のものであり、かつ互いに中心対称となるように配置されている。この配置によると、外面板２０の第１空洞部２４は、他方の外面板２０の第１空洞部２４とは向かい合わない。同様に、外面板２０の第２空洞部２６は、他方の外面板２０の第２空洞部２６とは向かい合わない。図４に示す構成において、一方の外面板２０の第１空洞部２４は、他方の外面板２０の第２空洞部２６と向かい合うが、中間伝導板４０によりシールされており、互いに分離されている。

図示しない実施例として、チューブ４を形成するために、２つの外面板２０を互いに鏡面対称とすることもできる。この実施例においては、中間伝導板４０を設けるか否かは任意である。しかし、チューブ４を堅固なものとし、ろう付けを容易にするために、中間伝導板４０を２つの外面板２０の間に挿入することもできる。

好ましい実施例によると、チューブ４の第１空洞部２４は、温熱又は冷熱の蓄熱材用のタンクに適しており、チューブ４の第２空洞部２６は、熱交換流体の循環用に適している。

さらに、第１空洞部２４の一部を非連通とすることにより、チューブ４内の蓄熱材・蓄冷材に対する２つ以上の独立したタンク領域をＸ方向に確実に形成することができる。

好ましい実施例によると、熱交換流体は冷媒であり、蓄熱材は、蓄冷材である。従って、本発明の熱交換器は、特に自動車用空調装置に適している。チューブは冷媒の循環通路として使われ、タンクは、蓄熱材を受け入れるための通路として使われる。

熱交換流体として、冷媒又は加熱媒体を使用することができる。冷媒は、超臨界流体、特にＲ７４４として知られている二酸化炭素、又は亜臨界流体、特にＲ１３４ａと呼称されている冷媒であるフッ素化化合物を使用することができる。さらに、本発明の熱交換器は、他の代替流体を使用することもできる。蓄熱材としては、蓄冷材を使用することができる。更に、蓄熱材として、例えば塩のような固体、液体、相変化物質、又は液冷媒を使用することができる。

タンクは、タンク内で蓄熱材が循環しない、いわゆる受動的な蓄熱装置、又はタンク内で蓄熱材が循環する、いわゆる能動的な蓄熱装置用とすることができる。この能動的な蓄熱装置は、蓄熱材の閉回路、又はポンプにより作動される回路からなるものとしうる。

図５は、図１の熱交換器１のフィン６と２つのチューブ４を模式的に示す平面図である。

この実施例において、フィン６の第１接触面３４は、チューブ４と接しており、第２接触面３６は、隣のチューブ４と接している。各チューブ４は、２つの平坦部３０を備えている。フィン６の第１接触面３４と第２接触面３６は、フィン６を取り囲んでいるチューブ４の第１空洞部２４と接している。

第２空洞部２６は、中間伝導板４０と直接に接触して、チューブ４のコア部に配置されている。第２空洞部２６は、Ｘ方向に交互にずらして配置されていることが好ましい。

第１空洞部２４は、１つ以上の蓄熱材の集合管５０と連通している。例えば、図６に示すように、円筒状の２つの集合管５０が設けられていると有利である。これらの集合管５０は、コア８の両側に配置されており、各チューブ４の２つの空洞部２６の一方の端部をそれぞれ受け入れている。これらの集合管５０は、各チューブ４の第２空洞部２６を互いに連通させている。

一方の集合管５０に注入管５２を設け、チューブ４の第１空洞部２４に蓄熱材を充填と有利である。

最後に、図１は、２つの集合管を備えている熱交換器を示しているが、いわゆるＵ字型の循環チューブと単一の集合管を備えている熱交換器とすることもできる。コアに多数のチューブ列を設けて、Ｕ型の循環を行わせることができる。言い換えると、互いに向かい合うチューブ内の流体の循環を、反対方向の流れとするか、あるいは、Ｉ型の循環、言い換えると、互いに向かい合うチューブ内の流体の循環を、同一方向の流れとすることができる。

本発明は、単なる例として示した前述の実施例に限定されるものではなく、当業者により、特許請求の範囲に含まれる前述の種々の実施例の組み合わせから想定される他の実施例が含まれる。

１ 熱交換器
２ 集合タンク
４ チューブ
６ 熱交換フィン
８ コア
１０ 外壁
２０ 外面板
２４ 第１空洞部
２６ 第２空洞部
２８ 連結脚
３０ 平坦部
３２ 側部
３４ 第１接触面
３６ 第２接触面
４０ 中間伝導板
４２ 周辺端部
４４ 通路
４６ 載置部
５０ 集合管
５２ 注入管
Ｘ コアの厚さ方向
Ｙ コアの幅方向
Ｚ コアの高さ方向

Claims (19)

1. 熱交換器のチューブ（４）の外壁（１０）を成す金属薄板製の外面板（２０）であって、前記金属薄板に、前記外壁（１０）と接する少なくとも１つの第１凹部（２４）と、前記外壁（１０）から離隔して配置された少なくとも１つの第２凹部（２６）とを備えており、さらに前記外壁（１０）と前記第２凹部（２６）を結合する連結脚（２８）であって、隣接する前記第１凹部（２４）同士を分離する連結脚（２８）を具備していることを特徴とする外面板（２０）。
2. 前記第１凹部（２４）は、おおむね台形の形状をなしていることを特徴とする請求項１記載の外面板（２０）。
3. 前記第２凹部（２６）は、おおむね半円筒形をなしていることを特徴とする請求項１又は２に記載の外面板（２０）。
4. 各々多数の前記第１凹部（２４）と前記第２凹部（２６）は、前記外面板（２０）の表面の第１方向に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の外面板（２０）。
5. 前記第１凹部（２４）と前記第２凹部（２６）は、前記外面板（２０）の表面の第１方向に、交互に配置されていることを特徴とする請求項４記載の外面板（２０）。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の第１外面板（２０）と第２外面板（２０）を備えていることを特徴とする熱交換器（１）用の熱交換チューブ（４）。
7. 前記第１外面板（２０）と前記第２外面板（２０）が、互いに鏡面対称に配置されていることを特徴とする請求項６記載のチューブ（４）。
8. 前記第１外面板（２０）の第１凹部（２４）と、前記第２外面板（２０）の第１凹部（２４）とにより、第１流体の循環通路を形成してあることを特徴とする請求項７記載のチューブ（４）。
9. 前記第１外面板（２０）の第２凹部（２６）と、前記第２外面板（２０）の第２凹部（２６）とにより、第２流体の循環通路を形成してあることを特徴とする請求項７又は８に記載のチューブ（４）。
10. 前記第１外面板（２０）と前記第２外面板（２０）との間に、中間伝導板（４０）を配置してあることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載のチューブ（４）。
11. 前記第１外面板（２０）と前記第２外面板（２０）は、これらの間に中間伝導板（４０）を介して、互いに中心対称に配置されていることを特徴とする請求項６記載のチューブ（４）。
12. 前記第１外面板（２０）、および/または前記第２外面板（２０）の第１凹部（２４）と、前記中間伝導板（４０）とにより、第１流体の循環通路を形成してあることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のチューブ（４）。
13. 前記第１外面板（２０）、および/または前記第２外面板（２０）の第２凹部（２６）と、前記中間伝導板（４０）とにより、第２流体の循環通路を形成してあることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のチューブ（４）。
14. 前記中間伝導板（４０）は、２つ以上の第１凹部（２４）、および/または２つ以上の第２凹部（２６）間を連通させる１つ以上の通路（４４）を備えていることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載のチューブ（４）。
15. 請求項６〜１４のいずれか１項に記載のチューブ（４）を多数備えていることを特徴とする熱交換器（１）。
16. 多数の前記チューブ（４）と、多数の熱交換フィン（６）とを交互に備えているコア（８）を具備していることを特徴とする請求項１５記載の熱交換器。
17. 前記チューブ（４）の第１凹部（２４）は、蓄熱材のタンク部であることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の熱交換器。
18. 前記チューブ（４）の第２凹部（２６）は、熱交換流体の循環通路であることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の熱交換器。
19. 前記熱交換流体は冷媒であり、前記蓄熱材は蓄冷材であることを特徴とする請求項１８記載の熱交換器。

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