JP6060147B2 - 特に自動車用の熱交換器用コレクターボックスおよびその熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、特に自動車用の熱交換器用コレクターボックス（collector box）に関する。

自動車に使用される、例えば空調回路における凝縮器のような熱交換器は、既に知られている。

そのような空調回路は、一般に、圧縮機、凝縮器またはガス冷却器、膨張弁および蒸発器を備えている。凝縮器は、第一の流体を第二の流体と熱交換させることによって第一の流体を凝縮および／または冷却するようになっている。

この場合、使用される第一の流体はフロン（Freon）系流体のような冷媒であり、第二の流体は空気のような冷却流体である。

一般に熱交換器は、熱交換管のコアおよびコレクターボックスを備えている。

公知の対応策において、コレクターボックスは、例えば押し出し加工によってシングルピースで作られている。

コレクターボックスは、二つの部品から成るもの、すなわち、熱交換管の端部を支えるコレクターおよびコレクターに固定されて液密にコレクターボックスを閉鎖する蓋体から構成されるものも知られている。

通例、コレクターボックスは全体が略円形であり、この構成によって破裂強度が良好となっている。

しかしながら、この構成は、コレクターボックス内に収容される熱交換管の材料の過剰消費をもたらすことになる。さらに、コレクターボックス内の熱交換管の長さが長いため、圧力損失の問題が発生する。

加えてこの構成は、熱交換器の全容積が大きいことに加えて高さが高い。

他方で、平底のコレクターも知られているが、破裂強度の理由から、そのようなコレクターは一般に非常にかさばるものになっている。

従って本発明の目的は、良好な破裂強度を備える熱交換器用の最適なコレクターを提供することによって先行技術のこれらの不利益を軽減し、同時に、コレクターの全容積を小さくし、またそれによって熱交換器の全容積を小さくすることにある。

この目的を達成するために、本発明の対象は、複数の熱交換管を有する熱交換コアを備えた主に自動車用の熱交換器用であって、前記複数の熱交換管の端部を受け入れる平底を有する流体コレクターを備えたコレクターボックスであって、前記流体コレクターは前記平底から延びる二つの側壁を有し、前記側壁はそれぞれ、前記底板との間に１．５ｍｍ〜４ｍｍの半径の曲面を形成し、前記流体コレクターにおける破裂強度とコレクターボックスの高さの比は１０より大きいことを特徴とする。

前記コレクターボックスは、一つ以上の下記の特徴を単独であるいは組み合わせて有する。
・前記半径は、約２ｍｍ〜３ｍｍである、
・前記流体コレクターは、全体形状が略「Ｕ」である、
・前記熱交換器は、前記コレクターの形状を補完する形状の、前記コレクターを閉鎖する蓋体を有する、
・前記コレクターは、１５ｍｍ未満の高さを有する、
・前記高さは、約１１ｍｍである、
・前記流体コレクターは、１ｍｍ〜１．２ｍｍの厚さを有する、
・前記流体コレクターは前記熱交換管の端部を受けるフランジを有する。

本発明は、また、複数の熱交換管を備えた熱交換コアと、上記にて規定された少なくとも一つのコレクターボックスとを有する主に自動車用の熱交換器に関する。

一実施例によれば、前記熱交換器は、特に自動車における空調回路用の凝縮器である熱交換器である。

本発明のさらなる特徴および利点は、非限定的かつ例示的な実施例を介して付与された下記の説明を読むことにより、および添付された図面を検討することにより、より明瞭になるであろう。

熱交換器の斜視図である。 略Ｕ字形の平底コレクターを備えた、図１の熱交換器のコレクターボックスの断面図である。 熱交換器の熱交換コアの管端部を収容する略Ｕ字形の平底コレクターを備えた、図１の熱交換器のコレクターボックスの断面図である。 破裂強度が平底コレクターの半径の関数としてどのように変化するかを概略的に示すグラフである。 平底コレクターの高さが平底コレクターの半径の関数としてどのように変化するかを概略的に示すグラフである。 破裂強度とコレクターの高さの比が、平底コレクターの半径の関数としてどのように変化するかを示す図である。

これらの図において、実質的に同じ部材は同じ参照符号を有する。

図１は、空調回路の凝縮器のような、一列以上の管３の列をなす多数の管３からなるコアを備えた熱交換器１を簡易的に示している。

図示された例における熱交換器１は、流体がコアを通過しついで除去することができるように二つの流体コレクターボックス５を備えている。

このために、流体入口及び出口のカップリング７が設けられており、これらは、図示された例において、一つのコレクターボックス５に取り付けられている。

図２ａおよび図２ｂを参照すると、コレクターボックス５は、管３の端部を支える平底コレクター形成部９を備えており、ただ一つの管３の一端が図２ｂで視ることができる。

コレクターボックス５はそれを閉鎖する蓋体１１も備えている。

図示の実施例によれば、コレクター９と蓋体１１は二つの異なる部品として構成されている。

図示の実施例によれば、コレクター９の材料の厚みは１ｍｍ〜１．２ｍｍ、例えば約１．２ｍｍである。

コレクター９は、例えば、約１５ｍｍの幅ｌおよび約１１ｍｍの高さｈを有している。

これらの寸法は、閉鎖されたコレクターボックス５の寸法に一致している。従ってこの例では、コレクターボックス５は、約１５ｍｍの幅ｌと、約１１ｍｍの高さを有している。

平底コレクター９を備えたそのようなコレクターボックス５は、円形コレクターを備えたコレクターボックスと比較してより平らな形状を有しており、従って、円形コレクターを備えたコレクターボックスの高さより低い高さｈを有しているため省スペースとなっている。

更に、例としてのコレクター９は、中央壁１３と、中央壁１３の両側に延びる二つの側壁１５を備えた、全体が略Ｕ字状の形状を有している。コレクター９は空洞１７をこのように区切っている。

コレクター９が平底であるとは、本例によれば、Ｕ字形のうちの中央壁１３が略平らであることを意味する。この中央壁１３はコレクター９の平底を形成している。

この中央壁１３は、多数の平行な横スロット（図では見えない）を有しており、その形状はコレクター９を通過する管３の端部の形状に合わせている。

管３の端部を受ける（複数の）フランジ１９（図２ｂ）によって境界づけられるような横スロットを設けてもよい。

図示の例によれば、側壁１５は中央壁１３に対して略直交するように延在している。

このようにして、コレクター９は、中央壁１３と側壁１５の間をつなぐ曲面１４を備えている。

コレクター９における、側壁１５と中央壁１３の間の曲面１４の半径Ｒ（図２ａ）は、１．５ｍｍ〜４ｍｍである。

半径Ｒが大きくなればなるほど、コレクター９の破裂強度はより良好となる。

本出願人によって実施された計算のデータを挙げる。
・半径Ｒが１ｍｍの場合、破裂強度は約９０バール、
・半径Ｒが２ｍｍの場合、破裂強度は約１３３バール、
・半径Ｒが３ｍｍの場合、破裂強度は約１４７バールである。

これが図３ａに概略的に図示されており、横軸はミリメータ単位の半径Ｒを表し、縦軸はバール単位の破裂強度Ｐを表している。

しかしながら、半径Ｒが大きくなればなるほど、管３がコレクター９内に突き出す長さがより長くなる。

これは、再度図２ｂを参照すると、コレクター９の横スロットに挿入される各管３の高さが、一方ではコレクター９内の管３の端部と関連する横スロットの側端の間でｈ１であり、他方ではｈ２であることに因る。

この管の高さｈ２は、コレクター９内の管３の端部と管３が入るスロットのポイントとの間の管の高さに一致する。第二の高さｈ２に対する基準は、例えば、大体、スロットの中央である。

図２ｂに示されるように、スロットの側端に関する管３の高さｈ１は、コレクター９内の管３の高さｈ２より低い。

第一の高さｈ１は熱交換器性能が最適となるように、主に機械的強度あるいは圧力低下関連を根拠として設定される。

従って、スロットの側端に関する高さｈ１が決定され、コレクター９の形状に応じて変化するのはコレクター９内の管３の高さｈ２である。

より詳しくは、コレクター９がより平らになればなるほど、すなわち、半径Ｒが小さくなればなるほど、この高さｈ２は低くなる。

実際には、スロットの側端が高くなればなるほど、コレクター９内に突出する管の割合が大きくなる。というのは、この側端に関する管の高さｈ１が一定だからである。半径Ｒが大きくなればなるほど、スロットの側端がより高くなる。従って、コレクター９内の管の高さｈ２は、半径Ｒと共に大きくなる。

それに対して、スロットの側端が低くなればなるほど、コレクター９内に突出した部分がより小さくなる。というのは、この側端に関する管の高さｈ１が一定だからである。半径Ｒが小さくなればなるほど、スロットの側端はより低くなる。従って、コレクター９内の管の高さｈ２は、半径Ｒと共に小さくなる。

この管３の突出量の増大によって、すなわち、コレクター９内のこの管３の高さｈ２の増大によって、コレクター９の高さｈが非常に大きくなる。

半径Ｒに伴うコレクターボックスの高さの増大が、図３ｂのグラフに直線によって概略的に示されている。図３ｂにおいて、横軸はミリメータ単位の半径Ｒを表し、縦軸はミリメータ単位のコレクターボックス５の高さを表している。

管３の材料の余分な追加消費をせず、従ってコレクター９の高さを高くせず、結果としてコレクターボックス５の高さを高くせず、その結果として熱交換器１の全寸法の増大が生じないようにするために、半径Ｒを大きくしすぎる必要はない。

図３ａおよび図３ｂのグラフを参照すると、半径Ｒが１．５ｍｍ〜４ｍｍの間にあるとき、コレクターボックス５の高さｈが１５ｍｍ未満、例えば、１０ｍｍ〜１５ｍｍで良好な破裂強度が得られる。

従って、そのような半径Ｒによって省スペースが可能となる。

詳しくは、前述のように、コレクター９内の管の高さｈ２はコレクター９がより平らになるに伴い小さくなり、従って、半径Ｒと共に小さくなる。

もしも、先行技術の対応策のように、管３が同じ長さに維持された場合、半径Ｒが小さくなった時コレクター内の管の高さｈ２が小さくなり、従って、熱交換用の管３の高さとコレクター９内に突出する高さｈ２の比が大きくなる。

従って、追加材料を必要とすることなく大きくなるのが、熱交換に寄与する管３の高さである。

従って、同じ寸法の場合、熱交換性能は改善される。

別の方法として、一定なのが熱交換に有用な管３の高さの場合、半径Ｒと共に高さｈ２が小さくなり、管３の全長は減少し、材料が節約される。

高さｈが１５ｍｍ未満で半径Ｒが１．５ｍｍ〜４ｍｍであることによって、熱交換器１の全寸法は先行技術の対応策と比較して減少し、同時に良好な破裂強度を確保することができる。

詳しくは、図４のグラフにおいてベル状の曲線が示すように、破裂強度のコレクター９の高さｈに対する比を設定することによって、最適な比は、すなわちベル状の曲線の頂点であるが、１．５ｍｍ〜４ｍｍの半径Ｒ、特に、略２ｍｍ〜４ｍｍの半径Ｒに対応する。なお、図４のグラフにおいて、横軸はミリメータ単位の半径Ｒを表し、縦軸は前述の比を表している。

詳しくは、半径Ｒが１．５ｍｍ〜４ｍｍにおいて、破裂強度とコレクターボックスの高さの比は１０より大きい。

本出願人は、コレクターボックス５の高さｈが約１１ｍｍで、半径Ｒが略２ｍｍ〜３ｍｍの場合の最適な対応策について言及した。

更に、再度図２ａおよび図２ｂを参照すると、コレクター９の側壁１５はそれらの端部に、縁曲げタブ（crimping tab）２１が設けられている。この縁曲げタブ２１は蓋部１１の外面に押しつけられるように、空洞１７の内側に向けて曲がっている。

蓋部１１について言うと、これは例えば、コレクター９と略同じ厚さを有している。すなわちこの場合、１ｍｍ〜１．２ｍｍの厚さを有している。

前述のように、蓋体１１はコレクター９の形状を補完する形状を有している。

図示の実施例によれば、蓋体１１も全体が略「Ｕ」字状であり、中央壁部２５とこの中央壁部２５の両側から延びる二つの側壁２７を有する。

中央壁部２５は、コレクター９の平底と同じように実質上平らでもよい。

図示の例によれば、側壁２７は、中央壁部２５に対して略垂直に延びている。蓋体は、中央壁部２５と側壁２７の間の連結部を形成する曲面２９を有してもよい。

この曲面２９は、蓋体１１が空洞１７内で動かないように、コレクター９の縁曲げタブ２１の形状を補完する形状をなしている。

蓋体１１が、コレクター９によって区切られている空洞１７内に導入できるように、蓋体１１の両側壁２７の外面同士を隔てる距離は、コレクター９の両側壁１５の内面同士を隔てる距離と、より小さな値であるが、概略等しい。

「外面」は、空洞１７の外側に面する面を意味している。「内面」は、空洞１７の内側に面する面を意味している。

同様に、蓋体１１の両曲面２９の外面同士を隔てる距離は、コレクター９の両縁曲げタブ２１の内面同士を隔てる距離と、より小さな値であるが、概略等しい。

従って、コレクター９の平底を側壁１５と連結する曲面が略１．５ｍｍ〜４ｍｍの半径Ｒを有する平底コレクターは、スペースを節約し、かつ、破裂強度とコレクターボックス５の高さｈの比を最適とすることが理解されるであろう。

Claims (9)

1. 複数の熱交換管（３）を有する熱交換コアを備えた主に自動車用の熱交換器用であって、前記複数の熱交換管（３）の端部を支える平底（１３）を有する流体コレクター（９）を備えたコレクターボックスにおいて、
   前記流体コレクター（９）は、前記平底（１３）から延びる二つの側壁（１５）を有し、前記側壁（１５）はそれぞれ前記平底（１３）との間に、１．５ｍｍ〜４ｍｍの半径（Ｒ）の曲面を形成し、
   前記コレクターボックス（１５）の高さ（ｈ）は１０〜１５ｍｍであり、
   前記流体コレクター（９）は、１ｍｍ〜１．２ｍｍの厚さ（ｅ）を有し、
   前記流体コレクター（９）における、単位バール（Ｂａｒ）での破裂強度と単位ミリメートル（ｍｍ）での前記コレクターボックス（１５）の高さ（ｈ）の比は１０より大きいことを特徴とするコレクターボックス。
2. 前記半径（Ｒ）は、２ｍｍ〜４ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のコレクターボックス。
3. 前記半径（Ｒ）は、２ｍｍ〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のコレクターボックス。
4. 前記流体コレクター（９）は、全体形状が略「Ｕ」であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のコレクターボックス。
5. 前記流体コレクター（９）の形状を補完する形状の、前記流体コレクター（９）を閉鎖する蓋体を有することを特徴とする請求項４に記載のコレクターボックス。
6. 前記高さ（ｈ）は、１１ｍｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のコレクターボックス。
7. 前記流体コレクター（９）は前記熱交換管（３）の端部を受けるフランジ（１９）を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のコレクターボックス。
8. 複数の熱交換管（３）を備えた熱交換コアと、請求項１〜７のいずれか一項に記載の少なくとも一つのコレクターボックスとを有することを特徴とする自動車用の熱交換器。
9. 前記熱交換器は、自動車における空調回路用の凝縮器であることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。

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