JP6972681B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本開示は、空気と熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器に関する。

空気と熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器としては、例えば、車両に設けられるラジエータや、空調装置に設けられるヒータコア等が挙げられる。このような熱交換器は、内部を熱媒体が通るチューブが複数積層された熱交換コア部を備える。熱交換コア部では、チューブの内側を通る熱媒体（例えば温水）と、チューブの外側を通る空気との間で熱交換が行われる。

熱交換コア部のうち、チューブが積層されている方向における端部には、熱交換コア部を補強するためのサイドプレートが設けられることが多い。下記特許文献１に記載されている熱交換器では、端部に配置されたチューブとサイドプレートとの間が、フィンを介して接続されている。

特開２００１−１１６４８４号公報

例えば、温水によって空気の加熱を行うヒータコアにおいては、熱交換器に温水（熱媒体）が供給され始めると、それぞれのチューブの温度は次第に上昇して行く。ただし、積層方向における端部に配置されたチューブ、すなわちサイドプレートの近傍に配置されたチューブでは、温水からの熱の一部がサイドプレート側に伝わるため、他のチューブに比べて昇温が遅くなってしまう。その結果、複数のチューブの温度が均一とはならず、チューブ間で温度差が生じてしまう。

それぞれのチューブの端部は、熱媒体を貯えるタンクに対してろう接されている。このため、上記のような温度差が生じると、チューブの不均一な熱膨張に伴って応力が生じ、タンクとチューブとの接続部分等が破損してしまう可能性がある。

本開示は、複数のチューブ間における温度差を抑制することのできる熱交換器、を提供することを目的とする。

本開示に係る熱交換器は、空気と熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器（１０）であって、内部を熱媒体が通るチューブ（３０）が複数積層されている熱交換コア部（５０）と、それぞれのチューブが接続されたタンク（２０）と、熱交換コア部のうち、チューブが積層されている方向における端部に配置されているサイドプレート（１００）と、を備える。この熱交換器では、サイドプレートと熱交換コア部との間の伝熱によってチューブ間に温度差が生じてしまうこと、を抑制するための温度差抑制部（２１０，２２０）が設けられている。温度差抑制部は、サイドプレートと隣接する位置に設けられた蓄熱部材（２１０，２２０）である。

このような構成の熱交換器では、サイドプレートと熱交換コア部との間の伝熱によってチューブ間に温度差が生じてしまうことが、温度差抑制部によって防止される。温度差抑制部としては、例えば、熱媒体の供給が停止されている際にサイドプレートの温度を高温に維持するための蓄熱部材や、サイドプレートと熱交換コア部との間の伝熱を抑制するための断熱部材等を用いることができる。

本開示によれば、複数のチューブ間における温度差を抑制することのできる熱交換器、が提供される。

図１は、第１実施形態に係る熱交換器の全体構成を示す図である。 図２は、図１の熱交換器のうちサイドプレートの近傍部分の構成を示す図であって、図１のＩＩ−ＩＩ断面を示す図である。 図３は、第２実施形態に係る熱交換器のうち、サイドプレートの近傍部分の構成を示す図である。 図４は、第３実施形態に係る熱交換器のうち、サイドプレートの近傍部分の構成を示す図である。 図５は、第４実施形態に係る熱交換器のうち、サイドプレートの近傍部分の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１及び図２を参照しながら、第１実施形態について説明する。本実施形態に係る熱交換器１０は、車両用空調装置に設けられる所謂「ヒータコア」として構成される。熱交換器１０では、外部から供給される高温の水（つまり温水）が熱媒体として用いられ、当該熱媒体との熱交換によって空気の加熱が行われる。熱交換器１０は、一対のタンク２０と、熱交換コア部５０と、一対のサイドプレート１００と、を備えている。

タンク２０は、熱媒体である温水を内部に貯える容器であって、熱交換器１０に２つ設けられている。それぞれのタンク２０は略円筒形状の容器となっており、これらの間に挟まれるように熱交換コア部５０が配置されている。一方のタンク２０は、外部から供給される熱媒体を受け入れて、これをそれぞれのチューブ３０（後述）に分配するものである。他方のタンク２０は、それぞれのチューブ３０を通った熱媒体を受け入れて、これを外部に排出するものである。

熱交換コア部５０は、熱媒体と空気との間で熱交換が行われる部分である。熱交換コア部５０は、チューブ３０と、フィン４０とを有している。

チューブ３０は、金属板を折り曲げるように形成された管であって、熱交換コア部５０において複数設けられている。それぞれのチューブ３０は、その一端が一方のタンク２０に接続されており、他端が他方のタンク２０に接続されている。チューブ３０とタンク２０との間はろう接されており、水密に塞がれている。

図２に示されるように、チューブ３０は、その長手方向に対し垂直な断面の形状が扁平形状となっている。それぞれのチューブ３０は、その主面を互いに対向させた状態で、タンク２０の長手方向に沿って並ぶように積層されている。チューブ３０が積層されている方向（図１、２では上下方向）のことを、以下では「積層方向」とも称する。

それぞれのチューブ３０の内側には、熱媒体が通る流路ＦＰが形成されている。それぞれのタンク２０の内部空間は、流路ＦＰによって連通されている。このため、一方のタンクから２０からチューブ３０に供給された熱媒体は、流路ＦＰを通って他方のタンク２０に向かう。このとき、流路ＦＰを通る高温の熱媒体と、チューブ３０の外側を通る空気との間で熱交換が行われ、当該空気が加熱される。

本実施形態では、１本のチューブ３０に２つの流路ＦＰが形成されている。ただし、流路ＦＰの数は１つであってもよく、３つ以上であってもよい。

フィン４０は、金属板を波状に折り曲げることによって形成された所謂「コルゲートフィン」である。フィン４０は複数設けられており、熱交換コア部５０のうちそれぞれのチューブ３０の間に配置されている。それぞれのフィン４０の頂部は、その隣に配置されたチューブ３０に対して当接しており、且つろう接されている。フィン４０によって空気との接触面積が大きくなっており、空気に対する伝熱が効率よく行われる。図２に示されるように、フィン４０には複数のルーバー４１が形成されている。ルーバー４１は、空気への伝熱がより効率的に行われる様に、フィン４０の一部が切り起こされたものである。図１においては、フィン４０の一部の図示が省略されている。

サイドプレート１００は、熱交換コア部５０を外側から補強するために設けられた板状の部材である。それぞれのサイドプレート１００は、熱交換コア部５０のうち積層方向における両端部に配置されている。サイドプレート１００は、その一端が一方のタンク２０に接続されており、他端が他方のタンク２０に接続されている。サイドプレート１００とタンク２０との間はろう接されている。

尚、上下に配置されたサイドプレート１００の構成は互いに同一（上下対称）である。このため、以下では上側に配置されたサイドプレート１００の構成について説明し、下側に配置されたサイドプレート１００の構成については説明を省略する。

図２に示されるように、サイドプレート１００は、当接部１１０と、外側起立部１２０と、内側起立部１３０と、中央部１４０と、を有している。

当接部１１０は、熱交換コア部５０の積層方向に対して垂直な部分であって、図２の断面において左右両側に１つずつ形成されている。当接部１１０は、熱交換コア部５０のうち積層方向の端部（上端）に配置されたフィン４０に対して当接しており、且つろう接されている。換言すれば、当接部１１０は、積層方向の端部（上端）に配置されたチューブ３０に対して、フィン４０を介して接続されている。

外側起立部１２０は、当接部１１０のうち外側の端部となる縁から、熱交換コア部５０とは反対側（図２では上方側）に向かって伸びるように形成された部分である。内側起立部１３０は、当接部１１０のうち内側の端部となる縁から、やはり熱交換コア部５０とは反対側に向かって伸びるように形成された部分である。中央部１４０は、一対の内側起立部１３０のうち、熱交換コア部５０とは反対側における端部の縁同士を繋ぐように形成された部分である。

外側起立部１２０と内側起立部１３０とは互いに平行であり、当接部１１０と中央部１４０とは互いに平行である。このような当接部１１０、外側起立部１２０、内側起立部１３０、及び中央部１４０が形成されていることにより、曲げに対するサイドプレート１００の剛性が高められている。

一対の内側起立部１３０と中央部１４０の内側には、これらにより三方を囲まれた空間ＳＰ１が形成されている。また、外側起立部１２０、当接部１１０、及び内側起立部１３０の内側には、これらにより三方を囲まれた空間ＳＰ２が形成されている。

空間ＳＰ１には、そのほぼ全体を満たすように蓄熱部材２１０が配置されている。蓄熱部材２１０は、その一部がサイドプレート１００に当接しており、他の一部が熱交換コア部５０（具体的にはフィン４０）に当接している。本実施形態では、蓄熱部材２１０としてセラミックが用いられている。このような蓄熱部材２１０の位置は、サイドプレート１００と隣接する位置、ということができる。

熱交換器１０の製造時においては、その全体が加熱炉において加熱されることにより、熱交換コア部５０やサイドプレート１００等の各部材がろう接によって接合される。その際、蓄熱部材２１０は、予め空間ＳＰ１の内側に配置された状態となっている。つまり、蓄熱部材２１０は、熱交換コア部５０及びサイドプレート１００のろう接が行われるよりも前から、サイドプレート１００と隣接する位置に設けられていたものである。

このため、蓄熱部材２１０としては、ろう接の際の加熱に耐え得るような耐熱性の部材を用いる必要が有る。このような部材としては、本実施形態のようにセラミックを用いることもできるが、例えばカーボンを用いることもできる。

蓄熱部材２１０が設けられていることの効果について説明する。熱交換器１０における熱交換が行われる際には、不図示の循環ポンプによって熱交換器１０への熱媒体の供給が行われると共に、不図示のファンによって熱交換器への空気の供給が行われる。その際、それぞれのチューブ３０は、熱媒体の熱によって高温となっており、且つ概ね均一な温度となっている。

熱交換器１０における熱交換が停止されると、上記の循環ポンプが停止し、熱媒体の循環が停止する。熱媒体の循環が停止した直後においては、それぞれのチューブ３０は高温となっている。このため、ファンの動作は停止させず、熱交換コア部５０への空気の供給を継続させることにより、しばらくの間は空気の加熱を継続して行うことができる。チューブ３０の温度は次第に低下して行き、最終的にはファンの動作が停止される。

その後、熱交換器１０における熱交換を再開させる際には、循環ポンプ及びファンを再び動作させる。このとき、低温となっている各チューブ３０を高温の熱媒体を通ることにより、チューブの温度が再び上昇する。

サイドプレート１００には温水が供給されないので、サイドプレート１００の温度はチューブ３０に比べて上昇しにくい。仮に、サイドプレート１００の温度が常温まで低下していた場合には、サイドプレート１００と熱交換コア部５０との間で伝熱が生じてしまう。具体的には、積層方向における端部に配置されたチューブ３０、すなわちサイドプレート１００の近傍に配置されたチューブ３０から、サイドプレート１００側へと熱が伝わってしまう。その結果、当該チューブの昇温が、他のチューブ３０の昇温に比べて遅くなってしまうことが懸念される。

この場合、複数のチューブ３０の温度は均一とはならず、チューブ３０間で温度差が生じてしまうこととなる。このような温度差が生じると、チューブ３０の不均一な熱膨張に伴って応力が生じ、タンク２０とチューブ３０との接続部分等が破損してしまう可能性がある。

上記のような現象の発生を抑制するために、本実施形態では、サイドプレート１００と隣接する位置に蓄熱部材２１０が配置されている。熱交換器１０による熱交換が行われているときには、チューブ３０からの伝熱により、サイドプレート１００及び蓄熱部材２１０はいずれも高温となっており、チューブ３０の温度と概ね同一の温度となっている。

その後、循環ポンプが停止すると、上記のようにチューブ３０の温度は次第に低下して行き、蓄熱部材２１０の温度も次第に低下して行く。ただし、蓄熱部材２１０の熱容量は比較的大きいので、温度の低下速度は小さい。このため、熱交換器１０による熱交換が再開された際の蓄熱部材２１０の温度が、依然として常温よりも高い状態となっている可能性が高くなる。このように、蓄熱部材２１０は所謂「ヒートマス」として機能するものである。

蓄熱部材２１０の温度が高い状態においては、蓄熱部材２１０からの伝熱により、サイドプレート１００の温度も高くなっている。このような状態で循環ポンプの動作を再開させると、上記のようにチューブ３０の温度は上昇するのであるが、サイドプレート１００が高温となっていることにより、チューブ３０からサイドプレート１００側への熱の移動は小さくなる。このため、サイドプレート１００の近傍に配置されたチューブ３０と他のチューブ３０との間の温度差を小さくし、チューブ３０の熱膨張に伴う応力を小さくすることができる。

以上に説明したように、本実施形態に係る熱交換器１０では、蓄熱部材２１０がサイドプレート１００と隣接する位置に設けられていることにより、サイドプレート１００と熱交換コア部５０との間の伝熱によってチューブ３０間に温度差が生じてしまうこと、が抑制されている。このような蓄熱部材２１０は、本実施形態における「温度差抑制部」に該当する。

本実施形態では、蓄熱部材２１０としてセラミックが用いられている。このため、蓄熱部材２１０により、熱交換器１０の全体がさらに補強されるという効果も得ることができる。また、蓄熱部材２１０として熱容量が比較的大きな部材が用いられることにより、ヒータコアである熱交換器１０の暖房性能が向上するという効果も得られる。

第２実施形態について、図３を参照しながら説明する。以下では、第１実施形態と異なる点について主に説明し、第１実施形態と共通する点については適宜説明を省略する。

本実施形態では、空間ＳＰ１に蓄熱部材２１０が配置されておらず、代わりに空間ＳＰ２のそれぞれに蓄熱部材２２０が配置されている。蓄熱部材２２０は、第１実施形態の蓄熱部材２１０と同様にヒートマスとして機能するものである。

外側起立部１２０のうち熱交換コア部５０とは反対側の端部には、当該端部から中央部１４０側に向かって伸びるように保持部１２１が形成されている。保持部１２１によって、蓄熱部材２２０が空間ＳＰ２の内側に保持されている。

蓄熱部材２２０は、熱交換コア部５０及びサイドプレート１００等のろう接が行われた後に、サイドプレート１００に取り付けられたものである。このため、蓄熱部材２２０としては、蓄熱部材２１０と同様に耐熱性の高い部材（例えばセラミック）を用いてもよいのであるが、耐熱性の低い部材を用いることもできる。例えば、内部にパラフィンを収容した金属製の容器を、蓄熱部材２２０として用いることもできる。以上のような構成においても、第１実施形態で説明したものと同様の効果を奏する。

第３実施形態について、図４を参照しながら説明する。以下では、第１実施形態と異なる点について主に説明し、第１実施形態と共通する点については適宜説明を省略する。

本実施形態では、空間ＳＰ１に蓄熱部材２１０が配置されておらず、空間ＳＰ１及び空間ＳＰ２はいずれも空の空間となっている。一方、本実施形態では、サイドプレート１００と熱交換コア部５０との間に断熱部材２３０が配置されている。

断熱部材２３０は、熱交換コア部５０のうち積層方向の端部に配置されたフィン４０と、サイドプレート１００との間の概ね全体に亘るように配置された板状の部材である。熱交換コア部５０は、サイドプレート１００に直接は接続されておらず、断熱部材２３０を介して接続されている。断熱部材２３０は、熱交換コア部５０とサイドプレート１００との間の伝熱を抑制するために設けられている。このような断熱部材２３０としては、例えば多孔質セラミックのような熱伝導率の低い部材を用いることができる。

このような構成の熱交換器１０においても、循環ポンプによる熱媒体の供給が開始されると、それぞれのチューブ３０はその温度を上昇させて行く。ただし、本実施形態では断熱部材２３０が配置されているので、積層方向における端部に配置されたチューブ３０の熱は、サイドプレート１００側には殆ど伝わらない。このため、当該チューブ３０は、他のチューブとほぼ同じ昇温速度でその温度を上昇させて行く。その結果、サイドプレート１００の近傍に配置されたチューブ３０と他のチューブ３０との間の温度差は小さくなり、その結果としてチューブ３０の熱膨張に伴う応力も小さくなる。以上のような効果を奏する断熱部材２３０は、本実施形態における「温度差抑制部」に該当する。

第４実施形態について、図５を参照しながら説明する。以下では、第１実施形態と異なる点について主に説明し、第１実施形態と共通する点については適宜説明を省略する。

本実施形態では、空間ＳＰ１に蓄熱部材２１０が配置されておらず、代わりに配管２４０が配置されている。配管２４０は、金属によって形成された断面が矩形の管であって、その内側には流路２４１が形成されている。流路２４１は、流路ＦＰと同様に、熱媒体である温水が通る流路となっている。熱交換器１０は、循環ポンプによって送り出された熱媒体の一部がタンク２０に供給され、当該熱媒体の他の一部が流路２４１に供給されるように構成されている。

配管２４０は、その長手方向をサイドプレート１００の長手方向（図５では紙面奥行方向）に一致させた状態で、空間ＳＰ１に配置されている。配管２４０の外表面は、サイドプレート１００のうち、内側起立部１３０及び中央部１４０のそれぞれの内面に当接している。このため、熱交換器１０による熱交換が行われているときには、配管２４０の内部を通る熱媒体によってもサイドプレート１００が加熱される。

循環ポンプの動作が停止した直後においては、流路２４１は高温の熱媒体で満たされた状態となっているので、サイドプレート１００の温度が低下しにくくなっている。このように、配管２４０は、第１実施形態における蓄熱部材２１０と同様に、所謂「ヒートマス」として機能するものとなっている。配管２４０に形成された流路２４１は、本実施形態における「温度差抑制部」に該当する。このような構成においても、第１実施形態で説明したものと同様の効果を奏する。

尚、本実施形態における流路２４１は、サイドプレート１００とは別の部材である配管２４０の内面により区画された流路、として形成されている。このような態様に替えて、流路２４１が、サイドプレート１００によって一部又は全部が区画された流路、として形成されていてもよい。いずれの場合においても、内部を熱媒体が通るように形成された流路２４１が、サイドプレート１００と隣接する位置に設けられている構成であればよい。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１０：熱交換器
２０：タンク
３０：チューブ
５０：熱交換コア部
１００：サイドプレート
２１０，２２０：蓄熱部材
２３０：断熱部材
２４１：流路

Claims (3)

1. 空気と熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器（１０）であって、
   内部を熱媒体が通るチューブ（３０）が複数積層されている熱交換コア部（５０）と、
   それぞれの前記チューブが接続されたタンク（２０）と、
   前記熱交換コア部のうち、前記チューブが積層されている方向における端部に配置されているサイドプレート（１００）と、を備え、
   前記サイドプレートと前記熱交換コア部との間の伝熱によって前記チューブ間に温度差が生じてしまうこと、を抑制するための温度差抑制部（２１０，２２０）が設けられており、
   前記温度差抑制部は、前記サイドプレートと隣接する位置に設けられた蓄熱部材（２１０，２２０）である、熱交換器。
2. 前記蓄熱部材（２１０）は、前記熱交換コア部及び前記サイドプレートのろう接が行われるよりも前から、前記サイドプレートと隣接する位置に設けられていたものである、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記蓄熱部材（２２０）は、前記熱交換コア部及び前記サイドプレートのろう接が行われた後に、前記サイドプレートに取り付けられたものである、請求項１に記載の熱交換器。
   

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