JP6214242B2

JP6214242B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP6214242B2
Application number: JP2013136632A
Authority: JP
Inventors: 直久東山
Original assignee: Keihin Thermal Technology Corp
Current assignee: Mahle Behr Thermal Systems Japan Ltd
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: JP2015010776A

Description

この発明は熱交換器に関する。

この明細書および特許請求の範囲において、図１の上下を上下というものとする。

近年、環境保護や自動車の燃費向上などを目的として、信号待ちなどの停車時にエンジンを自動的に停止させる自動車が提案されている。

しかしながら、通常のカーエアコンにおいては、エンジンを停止させると、エンジンを駆動源とする圧縮機が停止するので、エバポレータに冷媒が供給されなくなり、冷房能力が急激に低下するという問題がある。

そこで、このような問題を解決するために、エバポレータに蓄冷機能を付与し、エンジンが停止して圧縮機が停止した際に、エバポレータに蓄えられた冷熱を放冷して車室内を冷却することが考えられている。

この種の蓄冷機能付きエバポレータとして、上下方向にのびるとともに幅方向が通風方向を向いた複数の扁平状冷媒流通管（熱交換管）が、互いに間隔をおいて並列状に配置されており、隣り合う冷媒流通管どうしの間に通風間隙が形成され、全通風間隙のうち一部の通風間隙に蓄冷材が封入された蓄冷材容器が配置されるとともに、残りの通風間隙にアウターフィンが配置され、蓄冷材容器が、２枚の金属板の周縁部どうしを接合することにより形成され、蓄冷材容器内にインナーフィンが配置されている蓄冷機能付きエバポレータが提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１記載の蓄冷機能付きエバポレータによれば、圧縮機が作動している通常の冷房時には、冷媒流通管内を流れる冷媒の有する冷熱が、蓄冷材容器の両側壁を形成する金属板に伝えられた後、直接またはインナーフィンを介して蓄冷材容器内の蓄冷材に伝わって蓄冷材に冷熱が蓄えられるようになっている。一方、圧縮機が停止した際には、蓄冷材容器内の蓄冷材に蓄えられた冷熱が、直接またはインナーフィンを介して蓄冷材容器の両側壁を形成する金属板に伝えられた後冷媒流通管に伝えられ、冷媒流通管を通って蓄冷材容器が配置された通風間隙の両隣の通風間隙に配置されたアウターフィンに伝えられ、アウターフィンから当該通風間隙を流れる空気に放冷されるようになっている。

しかしながら、特許文献１記載の蓄冷機能付きエバポレータによれば、蓄冷材容器を形成する金属板を必要とし、部品点数が多くなるという問題がある。

特開２０１３−６１１３７号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、部品点数を低減しうる熱交換器を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。

1)長手方向を同方向に向けるとともに互いに間隔をおいて並列状に配置された複数の熱交換管を備えており、隣り合う熱交換管どうしの間に形成されたすべての間隙のうち一部の間隙に、フィンと、熱可塑性エラストマーにパラフィンが固定された潜熱蓄熱材とが配置され、フィンが、フィンおよび潜熱蓄熱材が配置されている間隙を形成する両側の熱交換管の外側面に直接接触するとともに、フィンと両側の熱交換管との間に形成される空間が潜熱蓄熱材で埋められ、潜熱蓄熱材が、フィンおよび潜熱蓄熱材が配置されている間隙を形成する両側の熱交換管の外側面に直接接触している熱交換器。

2)潜熱蓄熱材が、フィンにより保持されている上記1)記載の熱交換器。

3)潜熱蓄熱材が配置されたすべての間隙の通風方向両端部のうち少なくとも風下側端部が開放されている上記1)または2)記載の熱交換器。

4)潜熱蓄熱材の風上側端部が、防塵板により覆われている上記3)記載の熱交換器。

5)潜熱蓄熱材が、網状構造の熱可塑性エラストマー中に、パラフィンが取り込まれて固定されることにより形成されている上記1)〜4)のうちのいずれかに記載の熱交換器。

6)潜熱蓄熱材が、熱可塑性エラストマー中に、パラフィンを内包するマイクロカプセルが分散固定されることにより形成されている上記1)〜4)のうちのいずれかに記載の熱交換器。

7)熱交換管が冷熱を輸送する媒体を流すとともに、潜熱蓄熱材が熱交換管内を流れる媒体の有する冷熱により冷却されるようになされ、熱交換管内を流れる媒体が、隣り合うすべての間隙のうち潜熱蓄熱材が配置されていない間隙を流れる空気から熱を奪って気化し、蓄冷機能付きエバポレータとして用いられる上記1)〜6)のうちのいずれかに記載の熱交換器。

8)潜熱蓄熱材が配置された間隙の両隣に、潜熱蓄熱材が配置されていない間隙がある上記7)記載の熱交換器。

9)熱交換管が温熱を輸送する媒体を流すとともに、潜熱蓄熱材が熱交換管内を流れる媒体の有する温熱により加熱されるようになされている上記1)〜6)のうちのいずれかに記載の熱交換器。

上記1)〜9)の熱交換器は、長手方向を同方向に向けるとともに互いに間隔をおいて並列状に配置された複数の熱交換管を備えており、隣り合う熱交換管どうしの間に形成されたすべての間隙のうち一部の間隙に、フィンと、熱可塑性エラストマーにパラフィンが固定された潜熱蓄熱材とが配置され、フィンが、フィンおよび潜熱蓄熱材が配置されている間隙を形成する両側の熱交換管の外側面に直接接触するとともに、フィンと両側の熱交換管との間に形成される空間が潜熱蓄熱材で埋められ、潜熱蓄熱材が、フィンおよび潜熱蓄熱材が配置されている間隙を形成する両側の熱交換管の外側面に直接接触しており、熱可塑性エラストマーは、パラフィンの融点以上の温度においてもゴム状弾性を有するので、上記1)〜9)の熱交換器によればパラフィンが溶け出すことはなく、形状保持性に優れている。したがって、潜熱蓄熱材を収容する容器やインナーフィンを必要とせず、特許文献１記載の蓄冷機能付きエバポレータに比べて部品点数を低減することが可能になる。

そして、上記7)の熱交換器のように、熱交換管が冷熱を輸送する媒体を流すとともに、潜熱蓄熱材が熱交換管内を流れる媒体の有する冷熱により冷却されるようになされ、熱交換管内を流れる媒体が、隣り合うすべての間隙のうち潜熱蓄熱材が配置されていない間隙を流れる空気から熱を奪って気化し、蓄冷機能付きエバポレータとして用いられる場合、圧縮機が作動している通常の冷房時には、熱交換管内を流れる冷媒の有する冷熱が、潜熱蓄熱材に伝わって潜熱蓄熱材に冷熱が蓄えられる。一方、圧縮機が停止した際には、潜熱蓄熱材に蓄えられた冷熱が熱交換管に伝えられ、熱交換管を通って潜熱蓄蓄熱材が配置された間隙の両隣の間隙を流れる空気に放冷される。

上記1)の熱交換器によれば、隣り合う熱交換管どうしの間に形成されたすべての間隙のうち一部の間隙に、フィンと、潜熱蓄熱材とが配置され、フィンが、フィンおよび潜熱蓄熱材が配置されている間隙を形成する両側の熱交換管の外側面に直接接触するとともに、フィンと両側の熱交換管との間に形成される空間が潜熱蓄熱材で埋められているので、熱交換管と潜熱蓄熱材との間の冷熱の伝熱が効率よく行われる。すなわち、熱交換管内を流れる流体の有する冷熱または温熱が、フィンを経て潜熱蓄熱材の全体に伝わり、これとは逆に、潜熱蓄熱材全体に蓄えられた冷熱または温熱が、フィンを経て熱交換管に伝わる。その結果、熱交換管と潜熱蓄熱材との間の冷熱の伝熱が効率よく行われる。

上記2)の熱交換器によれば、隣り合う熱交換管どうしの間からの潜熱蓄熱材の脱落を確実に防止することができる。

上記4)の熱交換器によれば、潜熱蓄熱材への塵埃の付着を防止することが可能になり、熱可塑性エラストマーの劣化を抑制することができる。

上記5)および6)の熱交換器に用いられている潜熱蓄熱材において、熱可塑性エラストマーは、パラフィンの融点以上の温度においてもゴム状弾性を有するので、パラフィンが溶け出すことはなく、形状保持性に優れている。

上記7)の熱交換器によれば、熱交換管が冷熱を輸送する媒体を流すとともに、潜熱蓄熱材が熱交換管内を流れる媒体の有する冷熱により冷却されるようになされ、熱交換管内を流れる媒体が、隣り合うすべての間隙のうち潜熱蓄熱材が配置されていない間隙を流れる空気から熱を奪って気化し、蓄冷機能付きエバポレータとして用いられる場合、圧縮機が作動している通常の冷房時には、熱交換管内を流れる冷媒の有する冷熱が、潜熱蓄熱材に伝わって潜熱蓄熱材に冷熱が蓄えられる。一方、圧縮機が停止した際には、潜熱蓄熱材に蓄えられた冷熱が熱交換管に伝えられ、熱交換管を通って潜熱蓄熱材が配置された間隙の両隣の間隙を流れる空気に放冷される。そして、熱可塑性エラストマーは、パラフィンの融点以上の温度においてもゴム状弾性を有するので、パラフィンが溶け出すことはなく、形状保持性に優れている。したがって、潜熱蓄熱材を収容する容器を必要とせず、特許文献１記載の蓄冷機能付きエバポレータに比べて部品点数を低減することが可能になる。

この発明による熱交換器を適用した蓄冷機能付きエバポレータの全体構成を示す斜視図である。図１の蓄冷機能付きエバポレータの部分拡大水平断面図である。図２のＡ−Ａ線断面図である。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

以下の説明において、通風方向下流側（図１および図２に矢印Ｘで示す方向）を前、これと反対側を後というものとし、通風方向下流側から見た際の上下、左右（図１の上下、左右）を上下、左右というものとする。

さらに、以下の説明において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。

図１はこの発明による熱交換器を適用した蓄冷機能付きエバポレータの全体構成を示し、図２および図３はその要部の構成を示す。

図１において、蓄冷機能付きエバポレータ(1)（熱交換器）は、上下方向に間隔をおいて配置された左右方向にのびるアルミニウム製上ヘッダタンク(2)およびアルミニウム製下ヘッダタンク(3)と、両ヘッダタンク(2)(3)間に設けられた熱交換コア部(4)とを備えている。

上ヘッダタンク(2)は、前側（通風方向下流側）に位置する風下側上ヘッダ部(5)と、後側（通風方向上流側）に位置しかつ風下側上ヘッダ部(5)に一体化された風上側上ヘッダ部(6)とを備えている。風下側上ヘッダ部(5)の左端部に冷媒入口(7)が設けられ、風上側上ヘッダ部(6)の右端部に冷媒出口(8)が設けられている。下ヘッダタンク(3)は、前側に位置する風下側下ヘッダ部(9)と、後側に位置しかつ風下側下ヘッダ部(9)に一体化された風上側下ヘッダ部(11)とを備えている。

図１および図２に示すように、熱交換コア部(4)には、長手方向が上下方向を向くとともに幅方向が通風方向（前後方向）を向いた複数のアルミニウム押出形材製扁平状冷媒流通管(12)が、左右方向（冷媒流通管(12)の厚み方向）に間隔をおいて並列状に配置されている。ここでは、前後方向に間隔をおいて配置された２つの冷媒流通管(12)からなる複数の組(13)が左右方向に間隔をおいて配置されており、前後の冷媒流通管(12)よりなる組(13)の隣り合うものどうしの間に間隙(14A)(14B)が形成されている。前側の冷媒流通管(12)の上端部は風下側上ヘッダ部(5)に接続されるとともに、同下端部は風下側下ヘッダ部(9)に接続されている。また、後側の冷媒流通管(12)の上端部は風上側上ヘッダ部(6)に接続されるとともに、同下端部は風上側下ヘッダ部(11)に接続されている。そして、冷媒は、冷媒入口(7)を通ってエバポレータ(1)の風下側上ヘッダ部(5)内に入り、全冷媒流通管(12)を通って風上側上ヘッダ部(6)の冷媒出口(8)から流出するようになっている。

熱交換コア部(4)における全間隙(14A)(14B)に、両面にろう材層を有するアルミニウムブレージングシートからなり、かつ前後方向にのびる波頂部、前後方向にのびる波底部、および波頂部と波底部とを連結する連結部よりなるアルミニウム製コルゲートフィン(15)が、前後両冷媒流通管(12)に跨るように配置されて間隙(14A)(14B)を形成する左右両側の組(13)を構成する前後両冷媒流通管(12)にろう付されている。

熱交換コア部(4)における全間隙(14A)(14B)のうち一部の複数の間隙(14A)でかつ隣接していない間隙(14A)に、熱可塑性エラストマーにパラフィンが固定された潜熱蓄熱材(16)が配置されており、コルゲートフィン(15)と両側の冷媒流通管(12)との間に形成される空間が潜熱蓄熱材(16)で埋められている。間隙(14A)に配置されたコルゲートフィン(15)および潜熱蓄熱材(16)は、間隙(14A)を形成する左右両側の組(13)を構成する前後両冷媒流通管(12)に直接接触している。潜熱蓄熱材(16)としては、網状構造の熱可塑性エラストマー中に、パラフィンが取り込まれて固定されることにより形成されている潜熱蓄熱材、たとえばＪＳＲ社製、「ＣＡＬＧＲＩＰ」が用いられる。なお、潜熱蓄熱材(16)中のパラフィンの凝固点は、５〜１０℃程度に調整しておくことが好ましい。また、網状構造の熱可塑性エラストマー中に、パラフィンが取り込まれて固定されることにより形成されている潜熱蓄熱材に代えて、他の潜熱蓄熱材、たとえば熱可塑性エラストマー中に、パラフィンを内包するマイクロカプセルが分散固定されることにより形成されている潜熱蓄熱材が用いられてもよい。潜熱蓄熱材(16)が配置された間隙(14A)の風下側端部は開放されている。潜熱蓄熱材(16)の風上側端部は、左右方向に隣り合う管組(13)の風上側冷媒流通管(12)の風上側縁部に跨ってろう付されたアルミニウム製防塵板(17)により覆われている。

潜熱蓄熱材(16)が配置された間隙(14A)を除いたすべての間隙(14B)、ここでは潜熱蓄熱材(16)が配置された間隙(14A)の左右両側に隣り合う間隙(14B)は、通風間隙となっている。なお、左右両端の冷媒流通管(12)の組(13)の外側にも両面にろう材層を有するアルミニウムブレージングシートからなるコルゲートフィン(15)が配置されて前後両冷媒流通管(12)にろう付され、さらに左右両端のコルゲートフィン(15)の外側にアルミニウム製サイドプレート(18)が配置されてコルゲートフィン(15)にろう付されている。左右両端の冷媒流通管(12)とサイドプレート(18)との間も通風間隙となっている。

上述した蓄冷機能付きエバポレータ(1)は、車両のエンジンを駆動源とする圧縮機、圧縮機から吐出された冷媒を冷却するコンデンサ（冷媒冷却器）、コンデンサを通過した冷媒を減圧する膨張弁（減圧器）とともに冷凍サイクルを構成し、カーエアコンとして、停車時に圧縮機の駆動源であるエンジンを一時的に停止させる車両、たとえば自動車に搭載される。そして、圧縮機が作動している場合には、圧縮機で圧縮されてコンデンサおよび膨張弁を通過した低圧の気液混相の２相冷媒が、冷媒入口(7)を通って蓄冷機能付きエバポレータ(1)の風下側上ヘッダ部(5)内に入り、全冷媒流通管(12)を通って風上側上ヘッダ部(6)の冷媒出口(8)から流出する。冷媒が冷媒流通管(12)内を流れる間に、通風間隙(14B)を通過する空気と熱交換をし、冷媒は気相となって流出する。

圧縮機の作動時には、冷媒流通管(12)内を流れる冷媒の有する冷熱が、冷媒流通管(12)の左右両側壁およびコルゲートフィン(15)を経て潜熱蓄熱材(16)の全体に伝わって潜熱蓄熱材(16)に冷熱が蓄えられる。

圧縮機が停止した場合には、潜熱蓄熱材(16)に蓄えられた冷熱が、直接冷媒流通管(12)に伝わるとともに、コルゲートフィン(15)を経て冷媒流通管(12)に伝わり、さらに冷媒流通管(12)を通過して当該冷媒流通管(12)における潜熱蓄熱材(16)が配置された間隙(14A)とは反対側の通風間隙(14B)に配置されているコルゲートフィン(15)に伝わる。そして、コルゲートフィン(15)を介して通風間隙(14B)を通過する空気に伝えられる。したがって、エバポレータ(1)を通過した風の温度が上昇したとしても、当該風は冷却されるので、冷房能力の急激な低下が防止される。

上記実施形態においては、潜熱蓄熱材(16)の風上側端部は、左右方向に隣り合う管組(13)の風上側冷媒流通管(12)の風上側縁部に跨ってろう付されたアルミニウム製防塵板(17)により覆われているが、これに限定されるものではなく、防塵板(17)は必ずしも必要としない。

上記実施形態においては、この発明による熱交換器が、蓄冷機能付きエバポレータに適用されているが、これに限定されるものではなく、熱交換管が温熱を輸送する媒体を流すものであり、潜熱蓄熱材が、熱交換管内を流れる媒体の有する温熱により加熱されるようになされている熱交換器に適用されることもある。

この発明による蓄熱材容器は、停車時に圧縮機の駆動源であるエンジンを一時的に停止させる車両のカーエアコンを構成する冷凍サイクルの蓄冷機能付きエバポレータに好適に用いられる。

(1)：蓄冷機能付きエバポレータ（熱交換器）
(12)：冷媒流通管（熱交換管）
(14A)(14B)：間隙
(15)：コルゲートフィン
(16)：潜熱蓄熱材
(17)：防塵板

Claims

長手方向を同方向に向けるとともに互いに間隔をおいて並列状に配置された複数の熱交換管を備えており、隣り合う熱交換管どうしの間に形成されたすべての間隙のうち一部の間隙に、フィンと、熱可塑性エラストマーにパラフィンが固定された潜熱蓄熱材とが配置され、フィンが、フィンおよび潜熱蓄熱材が配置されている間隙を形成する両側の熱交換管の外側面に直接接触するとともに、フィンと両側の熱交換管との間に形成される空間が潜熱蓄熱材で埋められ、潜熱蓄熱材が、フィンおよび潜熱蓄熱材が配置されている間隙を形成する両側の熱交換管の外側面に直接接触している熱交換器。
潜熱蓄熱材が、フィンにより保持されている請求項１記載の熱交換器。
潜熱蓄熱材が配置されたすべての間隙の通風方向両端部のうち少なくとも風下側端部が開放されている請求項１または２記載の熱交換器。
潜熱蓄熱材の風上側端部が、防塵板により覆われ、潜熱蓄熱材が配置された間隙の風下側端部が開放されている請求項３記載の熱交換器。
潜熱蓄熱材が、網状構造の熱可塑性エラストマー中に、パラフィンが取り込まれて固定されることにより形成されている請求項１〜４のうちのいずれかに記載の熱交換器。
潜熱蓄熱材が、熱可塑性エラストマー中に、パラフィンを内包するマイクロカプセルが分散固定されることにより形成されている請求項１〜４のうちのいずれかに記載の熱交換器。
熱交換管が冷熱を輸送する媒体を流すとともに、潜熱蓄熱材が熱交換管内を流れる媒体の有する冷熱により冷却されるようになされ、熱交換管内を流れる媒体が、隣り合うすべての間隙のうち潜熱蓄熱材が配置されていない間隙を流れる空気から熱を奪って気化し、蓄冷機能付きエバポレータとして用いられる請求項１〜６のうちのいずれかに記載の熱交換器。
潜熱蓄熱材が配置された間隙の両隣に、潜熱蓄熱材が配置されていない間隙がある請求項７記載の熱交換器。
熱交換管が温熱を輸送する媒体を流すとともに、潜熱蓄熱材が熱交換管内を流れる媒体の有する温熱により加熱されるようになされている請求項１〜６のうちのいずれかに記載の熱交換器。