JP6110227B2

JP6110227B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP6110227B2
Application number: JP2013132810A
Authority: JP
Inventors: 基之高木
Original assignee: Keihin Thermal Technology Corp
Current assignee: Mahle Behr Thermal Systems Japan Ltd
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: JP2015007503A

Description

本発明は、内部に冷媒を流通させ、空気を通過させることで該冷媒と熱交換を行って前記空気を冷却することが可能な熱交換器に関する。

従来から、自動車等の車両に搭載される車両用空調装置において、内部に冷媒の流通する蒸発器等の熱交換器が用いられており、該熱交換器は、前記冷媒の蓄えられる一組のタンクと、前記タンクの間に接続される複数のチューブとを備える。そして、一方のタンクに供給された冷媒が、互いに等間隔で離間して接続された複数のチューブへとそれぞれ流通した後、他方のタンクを経て再び前記一方のタンクへと循環する。このようにタンク、チューブを循環する冷媒とチューブの間に設けられたフィンを通過する空気とが熱交換されることで、前記空気が冷却されて下流側へと供給される。

このような熱交換器は、例えば、特許文献１に開示されるように、車両用空調装置において、レイアウト上の制約等の理由から前記タンクが略水平方向となるように横置きに配置されることがある。また、熱交換器では、内部を通過する空気が冷却される際に空気中の水分が凝縮水としてフィン等に付着することがあるため、該凝縮水を排水するために熱交換器を所定角度傾斜させて配置し、且つ、該熱交換器が保持されるユニットケースの側壁に排水路を形成している。そして、熱交換器に付着した凝縮水は、重力作用下に前記チューブから前記タンクへ伝って下方へと移動した後、排水路に沿って移動することで排水される。

特開２００３―２０３０号公報

しかしながら、上述した熱交換器では、前記のようにユニットケースに搭載する際に予め傾斜させておく必要があると共に、凝縮水を排水するためにユニットケースの側壁に排水路を設ける必要がある。

また、熱交換器を横置きに配置することで、チューブが略水平方向に延在し、付着した凝縮水が下方へと移動する際、該チューブによって堰き止められ溜まってしまうこととなる。このように凝縮水が熱交換器の外部へと排出されずにフィン等に残存した場合、空気の通過する流路が塞がれてしまい熱交換性能が低下するばかりでなく、通過する空気の風圧によって前記凝縮水が飛散して車室内まで到達してしまうことが懸念される。さらに、空調装置が停止後もそのまま凝縮水が熱交換器に排水されずに残存し続けるとカビ等が繁殖し異臭の原因となる。

本発明は、前記の課題を考慮してなされたものであり、フィン及びチューブに付着した凝縮水を確実且つ円滑に排水でき、熱交換性能の低下や前記凝縮水の飛散を確実に抑制することが可能な熱交換器を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、互いに間隔をおいて配置される一組のタンクと、長手方向に沿った両端部がそれぞれ前記タンクに接続される複数のチューブと、隣接する前記チューブの間に設けられる複数のフィンとを有し、前記フィンを通過する空気の熱交換を行う熱交換器において、
チューブには、その長手方向における一端部と他端部との間となる中間部位が空気の流通方向と直交方向に膨出して形成され、中間部位は一端部及び他端部に対して重力方向上方となるように配置されると共に、前記タンクの側面には、前記チューブ及び/又は前記フィンに付着した凝縮水を排出するための排出ガイドが設けられ、該排出ガイドは、前記タンクに繋がったガイド部と排水溝部が一体となった断面Ｕ字状に形成され、その開口部が前記チューブ側へ開口し、前記排水溝部の長手方向が前記流通方向と同一方向であり、且つ、前記タンクの流通方向に沿った長さと同一の長さで形成されることを特徴とする。

本発明によれば、熱交換器において、長手方向に沿った両端部が一組のタンクに接続される複数のチューブを有し、チューブの一端部と他端部との間となる中間部位が、フィンを通過する空気の流通方向と直交方向に膨出するように形成され、中間部位は一端部及び他端部に対して重力方向上方となるように配置される。

従って、熱交換器に空気を通過させ熱交換を行う際、空気中に含まれる水分が冷却され凝縮水としてフィン及びチューブに付着した場合でも、チューブの一端部及び他端部側が中間部位に対して重力方向下方に配置されているため、凝縮水を重力作用下に一端部及び他端部側へと円滑に移動させ確実に排出することが可能となる。その結果、凝縮水が、フィン及びチューブに留まって目詰まりしてしまうことが防止され、目詰まりに起因した熱交換器の性能低下を防止できると共に、凝縮水が通過する空気の風圧によって押圧され飛散してしまうことが防止される。また、熱交換器を車両用空調装置に用いた場合には、熱交換器の性能低下による車室内の温度上昇が抑制され、しかも、熱交換器から飛散した凝縮水が車室内まで到達してしまうことが防止されるため、車室内の乗員の快適性を低下させることがない。

さらに、チューブは、中間部位に対して一端部側及び他端部側をそれぞれ重力方向下方に傾斜させた断面Ｖ字状に形成するとよい。

さらにまた、チューブの傾斜角度は、一端部と他端部とを結ぶ仮想線に対して約１５°〜３０°の範囲内に設定するとよい。

またさらに、チューブは、中間部位が重力方向上方に向かって断面円弧状且つ凸状となるように形成するとよい。

さらに、熱交換器は、車両における天井部に配置され、車室内の後席側への送風を行う車両用空調装置に用いるとよい。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、熱交換器において長手方向に沿った両端部が一組のタンクへと接続される複数のチューブを有し、チューブの一端部と他端部との間となる中間部位が、フィンを通過する空気の流通方向と直交方向に膨出するように形成され、中間部位は一端部及び他端部に対して重力方向上方となるように配置されているため、フィン及びチューブに凝縮水が付着した場合でも、重力方向下方に配置された一端部及び他端部側に向かって凝縮水を円滑に移動させ確実に排出することができる。その結果、凝縮水が、フィン及びチューブに留まって目詰まりしてしまうことが防止され、目詰まりに起因した熱交換器の性能低下を防止できると共に、凝縮水が通過する空気の風圧によって飛散してしまうことが防止される。

本発明の実施の形態に係る熱交換器が用いられた車両用空調装置の全体横断面図である。図１の車両用空調装置におけるケーシング及び熱交換器を示す一部拡大縦断面図である。図２に示す熱交換器の外観斜視図である。図４Ａは、第１変形例に係る熱交換器の全体断面図であり、図４Ｂは、第２変形例に係る熱交換器の全体断面図である。図３に示す熱交換器の傾斜角度θと排水性並びに水飛び発生との関係を示す比較表である。

本発明に係る熱交換器について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１において、参照符号１０は、本発明の実施の形態に係る熱交換器を示す。

先ず、この熱交換器１０が用いられる車両用空調装置１２について図１及び図２を参照しながら簡単に説明する。

この車両用空調装置１２は、例えば、自動車における後席の乗員へ調温された空気を送風する目的で該自動車の天井部１４に配置され、図１に示されるように、ケーシング１６と、ブロア１８を有し前記ケーシング１６に連結されるブロアユニット２０とを備え、前記ケーシング１６の内部にはエバポレータとして用いられる熱交換器１０が収納される。

ケーシング１６は、図１及び図２に示されるように、例えば、樹脂製材料から中空状に形成され、自動車の天井部１４を構成するルーフライニング２２（図２参照）と図示しないルーフとの間に収納されるように幅広状に形成される。このケーシング１６には、ブロアユニット２０に接続される通路部２４と、前記通路部２４の下流側に形成され熱交換器１０が収納される収納部２６とを有し、前記通路部２４と前記収納部２６とが連通すると共に、前記収納部２６の底面１６ａには車室内と連通した送風口２８（図１参照）が開口している。すなわち、収納部２６において送風口２８の上方に熱交換器１０が配置される。

ブロアユニット２０は、ケーシング１６の端部に接続され、ブロアケース３０が前記ケーシング１６の通路部２４と連通し、ブロアケース３０の内部に設けられたブロア１８のファンが通電作用下に回転する。これにより、ブロアケース３０の内部へと吸入された空気がケーシング１６の通路部２４へと供給され、収納部２６において熱交換器１０の一側面１０ａ側から他側面１０ｂ側へと通過することで熱交換され冷却された後、送風口２８（図１参照）から車室内へと供給される。すなわち、熱交換器１０において、空気の流通方向（通過方向）は、その一側面１０ａから他側面１０ｂ側への方向となる。

次に、上述した車両用空調装置１２に用いられる熱交換器１０について説明する。

この熱交換器１０は、図１〜図３に示されるように、その内部に冷媒（熱交換媒体）が循環することで通過する空気を冷却可能なエバポレータとして用いられ、所定間隔離間して配置される一組の第１及び第２タンク３２、３４と、前記第１タンク３２と第２タンク３４との間を接続する複数のチューブ３６と、前記チューブ３６の間に設けられ波状に折曲された複数のフィン３８とを含む。

第１及び第２タンク３２、３４は、例えば、中空箱状で熱交換器１０の幅方向（図１中、矢印Ａ方向）に沿って所定幅を有し、前記熱交換器１０の一端部側（矢印Ｂ１方向）に設けられる前記第１タンク３２には、外部から冷媒の導入される導入配管４０と、前記熱交換器１０の内部を循環した前記冷媒が導出される導出配管４２とが接続され、前記第１タンク３２の内部は、導入配管４０が接続される空間と導出配管４２が接続される空間とが仕切られている。なお、導入配管４０及び導出配管４２は、第１タンク３２の幅方向に沿って並列となるように配置されると共に、前記導入配管４０を通じて供給される冷媒を減圧する膨張弁４４が接続されている。

そして、熱交換器１０は、図２に示されるように、一組の第１及び第２タンク３２、３４が収納部２６内に設置され図示しない保持手段によって保持される。

チューブ３６は、例えば、アルミニウム材料からなる扁平状管により形成され、その長手方向に沿った略中央部に形成され所定角度で折曲した頂部（中間部位）４６と、前記頂部４６から一端部３６ａまで直線状に延在する第１直線部４８と、前記頂部４６から他端部３６ｂまで直線状に延在する第２直線部５０とを含み、前記頂部４６が重力方向において最も上方（図２中、矢印Ｃ１方向）で、前記チューブ３６の一端部３６ａ及び他端部３６ｂが前記重力方向において最も下方（図２中、矢印Ｃ２方向）となるように設けられる。

換言すれば、チューブ３６は、その長手方向（矢印Ｂ１、Ｂ２方向）に沿った略中央部で、空気の流通方向と直交方向に折曲され上方に向かって先細となる断面Ｖ字状に形成される。

そして、複数のチューブ３６が、熱交換器１０の高さ方向（矢印Ｃ１、Ｃ２方向）において互いに等間隔で離間するように設けられ、該チューブ３６の一端部３６ａ及び他端部３６ｂに接続される第１及び第２タンク３２、３４によってそれぞれ保持される。なお、第１及び第２タンク３２、３４は、チューブ３６に対して略直交するように接続される。そのため、第１及び第２タンク３２、３４もケーシング１６の底面１６ａに対して傾斜するように設けられる。

また、第１及び第２タンク３２、３４には、ケーシング１６の底面１６ａに臨む側面にそれぞれ排水ガイド５２が設けられる。この排水ガイド５２は、上方に排水溝５４を有した断面Ｕ字状に形成され、熱交換器１０の幅方向（図１中、矢印Ａ方向）に沿って所定長さを有すると共に、例えば、排水溝５４が第１及び第２タンク３２、３４の側面側となり、且つ、前記チューブ３６の接続される端面に臨む位置に配置される。

図２に示されるように、第１及び第２直線部４８、５０の傾斜角度θは、チューブ３６の一端部３６ａと他端部３６ｂとを結ぶ線分Ｌ１と略平行で、且つ、頂部４６を通り水平方向に延在する仮想線Ｌ２に対して約２０°程度それぞれ下方（矢印Ｃ２方向）に向かって傾斜するように設定される（θ≒２０°）。

なお、この傾斜角度θは、第１直線部４８及び第２直線部５０で同一となるように設定してもよいし、異なる傾斜角度に設定するようにしてもよい。また、図５に示されるように、傾斜角度θと熱交換器１０の排水性との関係を試験により検証したところ、前記傾斜角度θが０°の場合には付着した凝縮水が排水されずに内部に留まることで通風抵抗が高まり、それに伴って、凝縮水が飛散することが確認された（水飛び発生：有り）。次に、例えば、傾斜角度θを１５°、２０°とした場合には、凝縮水がチューブ３６の一端部３６ａ側及び他端部３６ｂ側に向かって排水されるため、前記凝縮水による目詰まりが改善され、それに伴って、前記凝縮水の飛散の発生がほぼなくなることが確認された。さらに、例えば、傾斜角度θを３０°、４０°、９０°とした場合には、凝縮水がさらに大きな傾斜角度で傾斜したチューブ３６に沿って一端部３６ａ側及び他端部３６ｂ側に向かって排水されるため、前記凝縮水による目詰まりがさらに改善され、それに伴って、前記凝縮水の飛散の発生がなくなることが確認された。

すなわち、傾斜角度θを１５°以上に設定することで排水性を向上させ、凝縮水の飛散を防止でき、さらに、３０°以上に設定することで排水性をさらに向上させ前記凝縮水の飛散を阻止できる。しかしながら、傾斜角度θを３０°以上としても排水性は大きく向上せず、該傾斜角度θを大きく設定した場合に、熱交換器１０を含む車両用空調装置１２の高さ寸法が大きくなるというデメリットのほうが大きくなる。従って、傾斜角度θは、排水性（水飛び発生の有無）とレイアウト要件との兼ね合いから約１５°〜３０°の範囲内に設定するのが最適である。

そして、複数のチューブ３６を通じて第１タンク３２と第２タンク３４とが互いに連通し、導入配管４０から第１タンク３２へと供給された冷媒が複数のチューブ３６を経て第２タンク３４へと流通した後に、再び前記第１タンク３２へと戻って導出配管４２から排出される。

フィン３８は、例えば、アルミニウム等の薄板を波状に折曲することで形成され、高さ方向（矢印Ｃ１、Ｃ２方向）に隣接する２つのチューブ３６の間に設けられると共に、断面Ｖ字状のチューブ３６の形状に応じて長手方向に沿った略中央部が上方（矢印Ｃ１方向）となるように形成される。換言すれば、このフィン３８は、弾性変形可能に形成されているため、隣接するチューブ３６の間に挿入することで、該チューブ３６の断面形状に対応して断面Ｖ字状に変形して収納される。

なお、チューブ３６及びフィン３８の表面には、例えば、親水性を有した表面処理が施されており、該表面処理によって前記フィン３８等に凝縮水が付着した際の排水性が高められている。

本発明の実施の形態に係る熱交換器１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。

先ず、導入配管４０を通じて第１タンク３２に圧縮された冷媒が供給されることにより、前記冷媒は、複数のチューブ３６を通じて第２タンク３４側へと流通した後、前記第２タンク３４から再び前記チューブ３６を通じて前記第１タンク３２へと循環し、導出配管４２を通じて外部へと導出される。この際、車両用空調装置１２のブロアユニット２０からケーシング１６へと供給された空気が、通路部２４を通じて熱交換器１０の上流側からフィン３８の間を通過することで、複数のチューブ３６に流通する冷媒と熱交換され、冷却された状態で前記熱交換器１０の下流側へと流通した後、送風口２８を通じて車室内に送風される。

また、熱交換器１０を通過する空気に含まれた水分が冷却され凝縮水となってフィン３８及びチューブ３６に付着した場合には、前記フィン３８に付着した凝縮水は、重力作用下に下方（矢印Ｃ２方向）に設けられたチューブ３６まで移動し、前記チューブ３６に付着した凝縮水と共に、頂部４６を中心として傾斜した第１及び第２直線部４８、５０に沿って徐々に下方へと移動していく。

そして、第１及び第２直線部４８、５０に沿って移動する凝縮水は、最終的に最も下方（矢印Ｃ２方向）に配置されたチューブ３６の一端部３６ａ及び他端部３６ｂまで到達し、第１及び第２タンク３２、３４の端面に沿って下降した後、排水ガイド５２の排水溝５４へと滴下することで、該排水溝５４に沿ってケーシング１６内へと円滑に排水される。なお、このケーシング１６内に排水された凝縮水は、該ケーシング１６に設けられた図示しないドレンポート等を通じて外部へと排出される。

すなわち、熱交換器１０において、長手方向に沿った略中央部の頂部４６を中心として下方（矢印Ｃ２方向）へと傾斜させた第１及び第２直線部４８、５０を有したチューブ３６を設けることにより、フィン３８及び前記チューブ３６に付着した凝縮水を下方（矢印Ｃ２方向）に向かって傾斜した前記チューブ３６の一端部３６ａ及び他端部３６ｂ側へと確実に移動させることができる。そのため、凝縮水がフィン３８及びチューブ３６の間に留まることなく、好適に排水ガイド５２へと導いて排水することができる。

その結果、凝縮水によるフィン３８の目詰まりが防止され、該目詰まりに起因した熱交換器１０の性能低下が防止されると共に、前記目詰まりした凝縮水が、通過する空気の風圧によって押し飛ばされ、ケーシング１６の送風口２８を通じて車室内へと落下してしまうことが防止される。

以上のように、本実施の形態では、熱交換器１０を構成するチューブ３６を、第１及び第２タンク３２、３４の接続される両端部が重力方向において下方（矢印Ｃ２方向）となり、長手方向に沿った略中央部が前記重力方向において上方（矢印Ｃ１方向）に突出するように断面Ｖ字状に折曲させ配置することにより、例えば、車両用空調装置１２において、前記第１及び第２タンク３２、３４が略水平となるようにケーシング１６内に配置された場合でも、前記チューブ３６及び該チューブ３６の間に設けられたフィン３８に付着した凝縮水を、前記チューブ３６の第１及び第２直線部４８、５０に沿って第１及び第２タンク３２、３４側へと確実に導いて外部へと確実且つ円滑に排水することが可能となる。

その結果、付着した凝縮水が、フィン３８及びチューブ３６に留まって目詰まりしてしまうことが防止され、該目詰まりによって流路断面積が低下することで生じる熱交換器１０の性能低下を防止できる。また、フィン３８やチューブ３６に付着した凝縮水が通過する空気の風圧によって押し飛ばされ飛散してしまうことが抑制される。そのため、熱交換器１０を車両用空調装置１２に用いた場合、該熱交換器１０の性能低下による車室内の温度上昇を抑制でき、しかも、該熱交換器１０から風圧で飛ばされた凝縮水が車室内まで到達してしまうことが抑制されるため、車室内の乗員の快適性を低下させることがない。

また、熱交換器１０における１及び第２直線部４８、５０の傾斜角度θを、約１５°〜３０°の範囲内に設定することで、付着した凝縮水の排水性を高めて該凝縮水の飛散を防止しつつ、前記熱交換器１０を含む車両用空調装置１２の高さ寸法を抑制することが可能となる。

さらに、第１及び第２タンク３２、３４の側面に、排水溝５４を有した排水ガイド５２をそれぞれ設けることにより、チューブ３６の一端部３６ａ及び他端部３６ｂまで導かれた凝縮水を前記第１及び第２タンク３２、３４の端面から下方（矢印Ｃ２方向）へと滴下させ前記排水ガイド５２によって円滑に熱交換器１０の外部へと排出することが可能となる。

さらにまた、この排水ガイド５２は、熱交換器１０を構成する第１及び第２タンク３２、３４に設けられているため、ユニットケース（ケーシング１６）に排水路を設けていた従来技術の構成と比較し、車両用空調装置１２におけるケーシング１６の製造コストを削減することが可能であり、しかも、排水路に合わせて熱交換器１０を組み付ける必要がないため組付性の向上を図ることが可能となる。

なお、上述した排水ガイド５２は、第１及び第２タンク３２、３４の端面に臨む位置に設ける場合に限定されるものではなく、例えば、前記チューブ３６の一端部３６ａ及び他端部３６ｂの下方（矢印Ｃ２方向）となる位置にそれぞれ設けるようにしてもよい。

さらにまた、チューブ３６における両端部側を略中央の頂部４６に対してそれぞれ同一方向（下方）に傾斜させているため、単に、直線状に形成されたチューブを傾斜させる場合と比較し、前記チューブ３６を含む熱交換器１０の高さ寸法を抑制することが可能となる。

また、上述した熱交換器１０のように、チューブ３６の長手方向（矢印Ｂ１、Ｂ２方向）に沿った略中央部が上方（矢印Ｃ１方向）に向かって先細となる断面Ｖ字状に折曲される場合に限定されるものではなく、例えば、図４Ａに示される熱交換器６０のように、空気の流通方向と直交するように上方（矢印Ｃ１方向）に向かって略中央部が断面円弧状に膨出したチューブ６２を備える構成としてもよいし、図４Ｂに示される熱交換器７０のように、例えば、チューブ７２の略中央部から一端部３６ａ側（又は他端部３６ｂ側）にオフセットした位置に、重力方向において最も上方（矢印Ｃ１方向）となるように突出した頂部（中間部位）７４を設けるようにしてもよい。

すなわち、熱交換器１０、６０、７０を構成するチューブ３６、６２、７２の一端部３６ａ及び他端部３６ｂが重力方向において最も上方（矢印Ｃ１方向）に突出した頂部４６、７４に対して前記重力方向において下方（矢印Ｃ２方向）となるように形成されていれば、特にその形状には限定されるものではない。

換言すれば、熱交換器１０、６０、７０の配置されるケーシング１６の形状や、該ケーシング１６を含む車両用空調装置１２の収納される天井部１４内のレイアウト上の制約に応じて、前記チューブ３６、６２、７２の長手方向に沿った中間部位を一端部３６ａ及び他端部３６ｂに対して上方へと膨出させるように自在に設計すればよい。

また、上述した実施の形態では、チューブ３６の外側のみにフィン３８が設けられるタイプの熱交換器１０について説明したが、例えば、チューブの外部にアウターフィンが設けられ、且つ、該チューブの内部にインナーフィンの設けられるラミネートタイプの熱交換器において、前記チューブ及びフィンの略中央部近傍を重力方向上方に向かって突出させる構成としてもよい。

なお、本発明に係る熱交換器は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０、６０、７０…熱交換器１２…車両用空調装置
１６…ケーシング２０…ブロアユニット
２８…送風口３２…第１タンク
３４…第２タンク３６、６２、７２…チューブ
３６ａ…一端部３６ｂ…他端部
３８…フィン４６、７４…頂部
４８…第１直線部５０…第２直線部
５２…排水ガイド

Claims

互いに間隔をおいて配置される一組のタンクと、長手方向に沿った両端部がそれぞれ前記タンクに接続される複数のチューブと、隣接する前記チューブの間に設けられる複数のフィンとを有し、前記フィンを通過する空気の熱交換を行う熱交換器において、
前記チューブには、その長手方向における一端部と他端部との間となる中間部位が前記空気の流通方向と直交方向に膨出して形成され、前記中間部位は前記一端部及び他端部に対して重力方向上方となるように配置されると共に、前記タンクの側面には、前記チューブ及び/又は前記フィンに付着した凝縮水を排出するための排出ガイドが設けられ、該排出ガイドは、前記タンクに繋がったガイド部と排水溝部が一体となった断面Ｕ字状に形成され、その開口部が前記チューブ側へ開口し、前記排水溝部の長手方向が前記流通方向と同一方向であり、且つ、前記タンクの流通方向に沿った長さと同一の長さで形成されることを特徴とする熱交換器。
請求項１記載の熱交換器において、
前記チューブは、前記中間部位に対して前記一端部側及び他端部側がそれぞれ重力方向下方に傾斜した断面Ｖ字状に形成されることを特徴とする熱交換器。
請求項２記載の熱交換器において、
前記チューブの傾斜角度は、前記一端部と前記他端部とを結ぶ仮想線に対して約１５°〜３０°の範囲内に設定されることを特徴とする熱交換器。
請求項１記載の熱交換器において、
前記チューブは、前記中間部位が重力方向上方に向かって断面円弧状且つ凸状となるように形成されることを特徴とする熱交換器。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器において、
前記熱交換器は、車両における天井部に配置され、車室内の後席側への送風を行う車両用空調装置に用いられることを特徴とする熱交換器。