JP7332393B2

JP7332393B2 - 熱交換器

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Publication number: JP7332393B2
Application number: JP2019157295A
Authority: JP
Inventors: 智金子
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2019-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2023-08-23
Anticipated expiration: 2039-08-29
Also published as: JP2021032549A

Description

本発明は、例えば、冷媒とクーラントとを熱交換するための熱交換器に関するものである。

従来、冷媒等の第１熱媒体と水等の液体の第２熱媒体との熱交換に用いられる熱交換器としては、外管と、外管の内側に設けられた内管と、を有する二重管式の熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。

二重管式の熱交換器は、内管の内側に第１熱媒体を流通させるとともに、外管との内側と内管の外側との間に第２熱媒体を流通させることによって、第１熱媒体と第２熱媒体とを熱交換させている。

特開２０１８－９１５９９号公報

二重管式の熱交換器は、コンパクト化を図るため螺旋状に曲げて使用されることが多いが、その場合、中心部が空洞となるため、単位体積当たりの伝熱面積を十分に確保できず、小型化を図ることが困難である。

本発明の目的とするところは、単位体積当たりの熱交換量を向上させることによって、小型化を図ることのできる熱交換器を提供することにある。

本発明の熱交換器は、前記目的を達成するために、互いに間隔をおいて配置された一対のヘッダと一対の前記ヘッダの間を接続する断面扁平形状の熱交換チューブとを有する熱交換モジュールを複数積層することによって形成された熱交換ユニットと、前記熱交換ユニットにおける少なくとも熱交換チューブを収容するユニット収容体と、を備え、前記熱交換チューブ内を流通する第１熱媒体とユニット収容体内において前記熱交換チューブの外側を流通する第２熱媒体とを熱交換させる熱交換器であって、前記熱交換ユニットには、一の前記熱交換モジュールにおいて前記熱交換チューブを一方に向かって流通した第１熱媒体を、隣り合う他の前記熱交換モジュールにおいて前記熱交換チューブを他方に向かって流通させることにより、積層された複数の前記ヘッダの間を蛇行させながら複数の前記熱交換モジュールの積層方向に第１熱媒体を流通させる第１熱媒体流路が形成され、前記ユニット収容体内における熱交換ユニットの外側には、前記熱交換チューブの断面長手方向の両側の間を前記熱交換モジュールの積層方向と直交する面において蛇行させながら第２熱媒体を流通させる第２熱媒体流路が形成されている。

本発明によれば、外形寸法を大きくすることなく、第２熱媒体流路の全長を大きくし、第１熱媒体と第２熱媒体との熱交換量を増加させることが可能となるので、単位体積当たりの熱交換量を向上させることによって、小型化を図ることが可能となる。

本発明の一実施形態を示す熱交換器の全体斜視図である。熱交換器の分解斜視図である。熱交換ユニットの斜視図である。ヘッダの斜視図である。熱交換チューブの斜視図である。マニホールドの斜視図である。ユニット収容体の分解斜視図である。図１における８－８断面図である。図８における９－９断面図である。冷媒の流路を説明する斜視図である。クーラントの流路を説明する斜視図である。その他の例を示す熱交換チューブ及び流路形成板の断面図である。その他の例を示す熱交換チューブ及び流路形成板の断面図である。

図１乃至図１１は、本発明の一実施形態を示すものである。尚、本実施形態では、図１の実線の矢印で示す、前後方向、左右方向（幅方向）、上下方向を基準として方向を表記する。ただし、本発明の熱交換器は、ここで示す方向に限定されるものではない。

本実施形態の熱交換器１は、例えば、電気自動車またはハイブリッド自動車に適用されるものである。熱交換器１は、車両における温度の管理が必要な機器の温度を調節するために用いられ、冷凍サイクルを構成している冷媒回路の第１熱媒体としての冷媒と、温度の管理が必要な機器を冷却した第２熱媒体としてのクーラント（ＬＬＣ）と、を熱交換させるためのものである。温度の管理が必要な機器は、例えば、車両走行用の電動モータに電力を供給するためのバッテリである。冷媒としては、例えば、Ｒ－１３４ａ、Ｒ－１２３４ｙｆが用いられる。クーラントとしては、例えば、エチレングリコールに防腐剤及び防錆剤を添加した液体が用いられる。

熱交換器１は、図１に示すように、内部に冷媒が流通する熱交換ユニット１０と、熱交換ユニット１０における少なくとも後述する熱交換チューブが収容されるユニット収容体１００と、を備えている。熱交換器１は、例えば、ポリプロピレン等の合成樹脂材料によって形成されている。熱交換ユニット１０及びユニット収容体１００は、それぞれ、必要な耐圧性能、耐食性能及び熱伝導性能を満たす単一の材料または複数の材料を組み合わせることによって形成される。

熱交換ユニット１０は、図３に示すように、上下方向に積層される複数の熱交換モジュール１１と、積層された熱交換モジュール１１において上下方向に並ぶ後述する複数対のヘッダが接続される一対のマニホールド２０と、を有している。

複数の熱交換モジュール１１は、それぞれ、左右方向に互いに間隔をおいて設けられた一対のヘッダ１２と、一対のヘッダ１２の間を接続する熱交換チューブ１３と、を有している。

一対のヘッダ１２は、図４に示すように、それぞれ、中心軸を前後方向に向けた筒状の部材である。ヘッダ１２は、前端が閉鎖され、後端が開放されている。ヘッダ１２の後端は、図３に示すように、マニホールド２０に接続される。ヘッダ１２の外周部には、図４に示すように、軸方向に沿って延びるように、熱交換チューブ１３の端部を接続するためのチューブ接続孔１２ａが形成されている。ヘッダ１２におけるチューブ接続孔１２ａの外周側には、熱交換チューブ１３の端面が当接するとともに、熱交換チューブ１３の端部が嵌合するチューブ嵌合凹部１２ｂが形成されている。

熱交換チューブ１３は、図５に示すように、それぞれ、内部を流れる冷媒の流通方向と直交する断面における長手方向を前後方向に向けた姿勢で左右方向に延びる横断面扁平形状の管部材である。熱交換チューブ１３には、横断面の長手方向（前後方向）に複数の冷媒流路１３ａが形成されている。熱交換チューブ１３の上面及び下面には、冷媒流路１３ａに沿って延びる断面円弧状の凸部１３ｂが、横断面の長手方向に複数配置されている。

一対のマニホールド２０は、それぞれ、互いに上下方向に積層され、中心軸を前後方向に向けた複数の筒状部２１を有する部材である。図６には、一方のマニホールド２０のみを示す。複数の筒状部２１のそれぞれの前端部には、ヘッダ１２の後端が接続されるヘッダ接続孔２１ａが形成されている。筒状部２１におけるヘッダ接続孔２１ａの外周側には、ヘッダ１２の後端面が当接するとともに、ヘッダ１２の端部が嵌合するヘッダ嵌合凹部２１ｂが形成されている。また、マニホールド２０における隣り合う筒状部２１と筒状部２１との間に位置する複数の部分のうちの一部には、上下方向に隣り合う筒状部２１を互いに連通する連通孔２１ｃが形成されている。さらに、一対のマニホールド２０のうちの１つの筒状部２１の後端部には、図３に示すように、冷媒を流入させるための冷媒流入口２０ａが形成されている。また、一対のマニホールド２０のうちの冷媒流入口２０ａが形成された筒状部２１以外の１つの筒状部２１の後端部には、冷媒を流出させるための冷媒流出口２０ｂが形成されている。

具体的には、冷媒流入口２０ａは、左側に位置するマニホールド２０における上から１番目の筒状部２１に形成されている。また、冷媒流出口２０ｂは、左側に位置するマニホールド２０における上から６番目の筒状部２１に形成されている。さらに、左側に位置するマニホールド２０は、図８に示すように、連通孔２１ｃによって、上から２番目と３番目の筒状部２１、及び、上から４番目と５番目の筒状部２１が連通している。また、右側に位置するマニホールド２０は、連通孔２１ｃによって、上から１番目と２番目の筒状部２１、上から３番目と４番目の筒状部２１、及び、上から５番目と６番目の筒状部２１が連通している。

ユニット収容体１００は、図７に示すように、熱交換ユニット１０の前後両面及び下面を覆う収容体本体１１０と、熱交換ユニット１０の上面を覆う上面板１２０と、熱交換ユニット１０の上下方向に隣り合う熱交換モジュール１１の間に配置される複数の流路形成板１３０と、を有している。

収容体本体１１０は、熱交換ユニット１０の下側に位置する下面板１１１と、前側に位置する前面板１１２と、後側に位置する後面板１１３と、を有している。収容体本体１１０は、左右方向の内側の大きさが一対のヘッダ１２の間の大きさと略同一であり、前後方向の内側の大きさが熱交換チューブ１３の前後方向の大きさよりも大きく、収容体本体１１０内において熱交換ユニット１０の前後両側に所定の大きさの隙間が形成される。下面板１１１の左側且つ後側には、クーラントを流入させるためのクーラント流入口１１１ａが形成されている。また、下面板１１１の上面には、熱交換ユニット１０の最下部に位置する熱交換モジュール１１との間の空間を左右方向に複数に仕切る流路形成部１１１ｂが形成されている。さらに、下面板１１１の上面の前後方向両側におけるそれぞれの幅方向の所定位置には、最下部に位置する流路形成板１３０の下面に設けられた後述する延出片が嵌合する嵌合溝１１１ｃが形成されている。

上面板１２０は、収容体本体１１０における前面板１１２と後面板１１３との間に嵌合する大きさに形成されている。上面板１２０の左側且つ後側には、クーラントを流出させるためのクーラント流出口１２０ａが形成されている。また、上面板１２０の下面には、熱交換ユニット１０の最上部に位置する熱交換モジュール１１との間の空間を左右方向に複数に仕切る流路形成部１２０ｂが形成されている。さらに、上面板１２０の下面の前後方向両側におけるそれぞれの幅方向の所定位置には、最上部に位置する流路形成板１３０の上面に設けられた後述する嵌合溝に嵌合する延出片１２０ｃが形成されている。

複数の流路形成板１３０は、それぞれ、収容体本体１１０における前面板１１２と後面板１１３との間に嵌合する大きさの板状部材であり、図８及び図９に示すように、収容体本体１１０内における上下に隣り合う熱交換モジュール１１の間の空間を上下に仕切っている。流路形成板１３０の上面及び下面には、図７乃至図９に示すように、上下方向に隣り合う熱交換チューブ１３との間の空間を前後方向の前端側または後端側を除いて左右方向に複数の空間に仕切る流路形成部１３１が形成されている。また、流路形成板１３０の四隅のうちの１つには、ユニット収容体１００内において流路形成板１３０によって仕切られた空間を上下方向に連通させるための連通切欠き１３０ａが形成されている。さらに、各流路形成板１３０の下面の前後方向両側におけるそれぞれの幅方向所定位置には、流路形成部１３１に沿って延びると共に下方に延びる延出片１３０ｂが形成されている。また、各流路形成板１３０の上面の前後方向両側におけるそれぞれの幅方向所定位置には、流路形成部１３１に沿って延びるように形成され、上方に隣り合う流路形成板１３０の延出片１３０ｂが嵌合する嵌合溝１３０ｃが形成されている。複数の流路形成板１３０は、それぞれ、連通切欠き１３０ａの位置が前後方向に互い違いとなるように向きを変えて上下に積層される。

具体的には、下から１番目、３番目及び５番目の流路形成板１３０の連通切欠き１３０ａを、前側且つ右側に配置するとともに、２番目及び４番目の流路形成板１３０の連通切欠き１３０ａを後側且つ左側に配置する。

以上のように構成された熱交換器１において、熱交換ユニット１０を流通する冷媒は、図１０に示すように、まず、冷媒流入口２０ａを介して、左側のマニホールド２０の上から１番目の筒状部２１に流入し、上から１番目の熱交換モジュール１１を左から右に向かって流通し、右側のマニホールド２０の上から１番目の筒状部２１に流入する。右側のマニホールド２０の上から１番目の筒状部２１に流入した冷媒は、連通孔２１ｃを介して、上から２番目の筒状部２１に流入し、上から２番目の熱交換モジュール１１を右から左に向かって流通し、左側のマニホールド２０の上から２番目の筒状部２１に流入する。左側のマニホールド２０の上から２番目の筒状部２１に流入した冷媒は、連通孔２１ｃを介して、上から３番目の筒状部２１に流入し、上から３番目の熱交換モジュール１１を左から右に向かって流通し、右側のマニホールド２０の上から３番目の筒状部２１に流入する。右側のマニホールド２０の上から３番目の筒状部２１に流入した冷媒は、連通孔２１ｃを介して、上から４番目の筒状部２１に流入し、上から４番目の熱交換モジュール１１を右から左に向かって流通し、左側のマニホールド２０の上から４番目の筒状部２１に流入する。左側のマニホールド２０の上から４番目の筒状部２１に流入した冷媒は、連通孔２１ｃを介して、上から５番目の筒状部２１に流入し、上から５番目の熱交換モジュール１１を左から右に向かって流通し、右側のマニホールド２０の上から５番目の筒状部２１に流入する。右側のマニホールド２０の上から５番目の筒状部２１に流入した冷媒は、連通孔２１ｃを介して上から６番目の筒状部２１に流入し、上から６番目の熱交換モジュール１１を右から左に向かって流通し、左側のマニホールド２０の上から６番目の筒状部２１に流入し、冷媒流出口２０ｂから流出する。

即ち、熱交換ユニット１０には、図１０に示すように、積層された複数のヘッダ１２の間を蛇行させながら熱交換モジュールの積層方向である上下方向の上から下に向かって冷媒を流通させる第１熱媒体流路としての冷媒流路が形成される。

また、ユニット収容体１００を流通するクーラントは、図１１に示すように、クーラント流入口１１１ａを介して、収容体本体１１０の下面板１１１と下から１番目の流路形成板１３０との間の空間に流入し、前面板１１２と後面板１１３との間において蛇行しながら左から右に向かって流通する。下面板１１１と下から１番目の流路形成板１３０との間の空間を流通したクーラントは、連通切欠き１３０ａを介して、下から１番目の流路形成板１３０と下から２番目の流路形成板１３０との間の空間に流入し、前面板１１２と後面板１１３との間において蛇行しながら右から左に向かって流通する。下から１番目の流路形成板１３０と下から２番目の流路形成板１３０との間の空間を流通したクーラントは、連通切欠き１３０ａを介して、下から２番目の流路形成板１３０と下から３番目の流路形成板１３０との間の空間に流入し、前面板１１２と後面板１１３との間において蛇行しながら左から右に向かって流通する。下から２番目の流路形成板１３０と下から３番目の流路形成板１３０との間の空間を流通したクーラントは、連通切欠き１３０ａを介して、下から３番目の流路形成板１３０と下から４番目の流路形成板１３０との間の空間に流入し、前面板１１２と後面板１１３との間において蛇行しながら右から左に向かって流通する。下から３番目の流路形成板１３０と下から４番目の流路形成板１３０との間の空間を流通したクーラントは、連通切欠き１３０ａを介して、下から４番目の流路形成板１３０と下から５番目の流路形成板１３０との間の空間に流入し、前面板１１２と後面板１１３との間において蛇行しながら左から右に向かって流通する。下から４番目の流路形成板１３０と下から５番目の流路形成板１３０との間の空間を流通したクーラントは、連通切欠き１３０ａを介して、下から５番目の流路形成板１３０と上面板１２０との間の空間に流入し、前面板１１２と後面板１１３との間において蛇行しながら右から左に向かって流通し、クーラント流出口１２０ａから流出する。

即ち、ユニット収容体１００には、図１１に示すように、熱交換チューブ１３の断面長手方向の両側の間を熱交換モジュール１１の積層方向と直交する面において蛇行させながらクーラントを流通させる第２熱媒体流路としてのクーラント流路が形成される。

また、クーラント流路は、クーラントを、熱交換チューブ１３の冷媒の流通方向に対向する方向に流通させるとともに、積層された複数のヘッダ１２の間を蛇行させながら熱交換モジュール１１の積層方向における冷媒の流通方向に対向する方向に流通させる。

ここで、ユニット収容体１００を流通するクーラントは、図９に示すように、熱交換チューブ１３の上面側及び下面側を、熱交換チューブ１３における冷媒の流通方向に対して直交する方向に流通する。熱交換チューブ１３の上面及び下面には、横断面の長手方向に複数の凸部１３ｂが配置されている。このため、熱交換チューブ１３の上面側及び下面側を流れるクーラントは、凸部１３ｂに衝突することによって流通方向が変化して撹拌されながら流れることになる。

このように、本実施形態の熱交換器によれば、熱交換ユニット１０には、一の熱交換モジュール１１において熱交換チューブ１３を一方に向かって流通した冷媒を、隣り合う他の熱交換モジュール１１において熱交換チューブ１３を他方に向かって流通させることにより、積層された複数のヘッダ１２の間を蛇行させながら複数の前記熱交換モジュール１１の積層方向に冷媒を流通させる冷媒流路が形成され、ユニット収容体１００内における熱交換ユニット１０の外側には、熱交換チューブ１３の断面長手方向の両側の間を熱交換モジュール１１の積層方向と直交する面において蛇行させながらクーラントを流通させるクーラント流路が形成されている。

これにより、外形寸法を大きくすることなく、クーラント流路の全長を大きくし、冷媒とクーラントとの熱交換量を増加させることが可能となるので、単位体積当たりの熱交換量を向上させることによって、小型化を図ることが可能となる。

これにより、冷媒の流通方向とクーラントの流通方向とを互いに対向させることによって、熱交換効率を向上させることが可能となる。

また、クーラント流路は、ユニット収容体１００の内側において、互いに隣り合う熱交換モジュール１１の熱交換チューブ１３の間の空間を流路形成板１３０によって仕切ることにより形成される。

これにより、簡単な構成によってクーラント流路を形成することが可能となるので、製造コストの低減を図ることが可能となる。

また、クーラント流路を形成する熱交換チューブ１３の外面には、クーラントの流通方向に沿って連続する凸部１３ｂが形成されている。

これにより、熱交換チューブ１３の上面側及び下面側を流れるクーラントが、凸部１３ｂに衝突することによって流通方向が変化して撹拌されることになり、冷媒とクーラントとの熱交換量を増加させることが可能となる。

また、熱交換ユニット１０及びユニット収容体１００は、樹脂材料からなる。

これにより、金属製の熱交換器と比較して、軽量化を図ることが可能となるとともに、耐食性能を向上させることが可能となる。

尚、前記実施形態では、第１熱媒体としての冷媒と第２熱媒体としてのクーラントとを熱交換するようにしたものを示したが、これに限られるものではない。第１熱媒体として水またはクーラントを用いるとともに、第２冷媒として冷媒または水を用いてもよい。

また、前記実施形態では、複数のヘッダ１２、複数の熱交換チューブ１３及び一対のマニホールド２０のそれぞれを接合することによって熱交換ユニット１０を形成し、収容体本体１１０、上面板１２０及び複数の流路形成板１３０のそれぞれを接合することによってユニット収容体１００を形成するようにしたものを示したが、これに限られるものではない。例えば、一対のヘッダ及び熱交換チューブからなる熱交換モジュールを一部品として形成してもよく、複数のヘッダ１２、複数の熱交換チューブ１３、一対のマニホールド２０及び複数の流路形成板１３０の２つ以上を一部品として形成してもよい。

また、前記実施形態では、熱交換チューブ１３の外面にクーラントの流通方向に沿って連続する凸部１３ｂを形成したものを示したが、クーラント流路においてクーラントを撹拌させることが可能であれば、凸部１３ｂに限られず、熱交換チューブの外面に凹部を形成してもよい。

また、前記実施形態では、熱交換チューブ１３の外面に凸部１３ｂを形成したものを示したが、これに限られるものではない。例えば、図１２に示すように、外面を平面状に形成した熱交換チューブ１３´を用いるとともに、上下両面に凹凸形状を形成した流路形成板１３０´を用いることによってクーラント流路においてクーラントが撹拌されるようにしてもよい。また、例えば、図１３に示すように、凸部１３ｂを有する熱交換チューブ１３を用いるとともに、上下両面に凹凸形状が形成された流路形成板１３０´を用いることによってクーラント流路においてクーラントが撹拌されるようにしてもよい。

１…熱交換器、１０…熱交換ユニット、１１…熱交換モジュール、１２…ヘッダ、１３…熱交換チューブ、１３ｂ…凸部、２０…マニホールド、１００…ユニット収容体、１３０…流路形成板。

Claims

互いに間隔をおいて配置された一対のヘッダと一対の前記ヘッダの間を接続する断面扁平形状の熱交換チューブとを有する熱交換モジュールを複数積層することによって形成された熱交換ユニットと、前記熱交換ユニットにおける少なくとも熱交換チューブを収容するユニット収容体と、を備え、前記熱交換チューブ内を流通する第１熱媒体とユニット収容体内において前記熱交換チューブの外側を流通する第２熱媒体とを熱交換させる熱交換器であって、
前記熱交換ユニットには、一の前記熱交換モジュールにおいて前記熱交換チューブを一方に向かって流通した第１熱媒体を、隣り合う他の前記熱交換モジュールにおいて前記熱交換チューブを他方に向かって流通させることにより、積層された複数の前記ヘッダの間を蛇行させながら複数の前記熱交換モジュールの積層方向に第１熱媒体を流通させる第１熱媒体流路が形成され、
前記ユニット収容体内における熱交換ユニットの外側には、前記熱交換チューブの断面長手方向の両側の間を前記熱交換モジュールの積層方向と直交する面において蛇行させながら第２熱媒体を流通させる第２熱媒体流路が形成されている
熱交換器。
前記第２熱媒体流路は、第２熱媒体を、前記熱交換チューブの第１熱媒体の流通方向に対向する方向に流通させるとともに、積層された複数の前記ヘッダの間を蛇行させながら前記熱交換モジュールの積層方向における第１熱媒体の流通方向に対向する方向に流通させる
請求項１に記載の熱交換器。
前記第２熱媒体流路は、前記ユニット収容体の内側において、互いに隣り合う前記熱交換モジュールの前記熱交換チューブの間の空間を流路形成板によって仕切ることにより形成される
請求項１または２に記載の熱交換器。
前記第２熱媒体流路を形成する前記熱交換チューブの外面及び前記流路形成板の外面の少なくとも一方は、第２熱媒体の流通方向に沿って連続する凹部または凸部を有している
請求項３に記載の熱交換器。
前記熱交換ユニット及びユニット収容体は、樹脂材料からなる
請求項１乃至４のいずれかに記載の熱交換器。