JPWO2013108648A1

JPWO2013108648A1 - 車両用空調装置の熱交換器および車両用空調装置

Info

Publication number: JPWO2013108648A1
Application number: JP2013553713A
Authority: JP
Inventors: 太一宇都
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2015-05-11
Also published as: CN104053966A; WO2013108648A1; EP2806243A1; US20140367076A1

Abstract

車両用空調装置の熱交換器は、互いに平行に配置された複数枚のフィン１と、フィン１を貫通した互いに平行で、フィン１の面において千鳥状に配置された複数本の伝熱管とを有し、フィン１は、伝熱管を貫通させる貫通孔３が形成された帯材２から波形状のカット金型９によって分断されたものであって、段ピッチＤｐが、「Ｄｐ＝Ｃ＋Ｄ＋２Ｗ＋２δ、０＜δ＜Ｄ＋Ｗ」、ここで、Ｃはカット金型９の厚さ、Ｄは伝熱管の外径、Ｗは貫通孔３のフィン１の一方側に突出したフィンカラー４の先端の周囲外側に突出したフィンカラーフランジ５の幅、δはカット金型９とフィンカラーフランジ５とのクリアランス、である。

Description

この発明は車両用空調装置の熱交換器および車両用空調装置に関するものである。

従来の車両用空調装置は、天井形、床下形、セパレート形などさまざまな搭載方式がある。また、車両用空調装置は、室外熱交換器、室外送風機、圧縮機等を含む室外ユニットと、室内熱交換器、室内送風機等を含む室内ユニットとから構成されている。
室外ユニットでは室外送風機により吸込んだ外気を用いて室外熱交換器を冷却し、熱交換した外気を再び外に吐き出す。室内ユニットでは室内送風機を稼動させ、車内の空気および車外の空気を室内熱交換器で熱交換させ、熱交換した空気を室内に吐き出す。これらの機器は配管によって順次接続され、冷媒を循環させることで冷凍サイクルを形成している。

車両用空調装置の室内熱交換器および室外熱交換器（以下、両者をまたは一方を「熱交換器」と称す）は、室内ユニットおよび室外ユニット（以下、両者をまたは一方を「ユニット」と称す）の外形の制約及び能力の関係上、ルームエアコンやパッケージエアコンなどと比較してコア長（伝熱管の長さに相当する）が長く、熱交換器自体の自重によりたわみが生じ易い。そのため、熱交換器の剛性を上げる必要がある。
そして、伝熱管同士の上下方向の「段ピッチ」および左右方向の「列ピッチ」を狭め伝熱管の本数を増やすことで熱交換器の剛性を上げることが可能である。
一方、段ピッチおよび列ピッチを狭め伝熱管の本数を増やすと、熱交換器を通る空気の通過面積が狭くなるため、熱交換器の圧力損失が上昇し空調装置の能力が低下してしまうため、伝熱管の外径を基準に、「段ピッチ」、「列ピッチ」および「フィンピッチ」等を規定し、熱交換量が大きく、伝熱特性に優れた熱交換器が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２７４９８２号公報（第４−５頁、図７）

特許文献１に開示された熱交換器は、熱交換量が大きく、伝熱特性に優れているものの、フィンは矩形板であることから、所定の大きさが必要であった。すなわち、フィンは、予め伝熱管を貫通させるための貫通孔が形成された帯材を、直線状のカット金型によって切断することによって、矩形に形成される。このとき、貫通孔にはフィンの一方側に突出した円筒状のフィンカラーと、フィンカラーの先端の周囲外側に突出したフィンカラーフランジとを有しているため、フィンを直線にカットするには、カット金型が通過するのに必要な距離（カット金型の厚さと所定のクリアランスとの和）に加え、フィンカラーフランジを避けるために伝熱管同士に距離（所定の大きさの段ピッチ）が必要となる。
すなわち、伝熱管の外径をＤ、フィンカラーフランジの幅をＷとすると、伝熱管同士の段ピッチ（Ｄｐ）は、「Ｄｐ＞Ｃ＋２Ｄ＋４Ｗ」である必要があった（これについては、別途詳細に説明する）。
このため、熱交換器の小型化を促進するために、段ピッチをさらに減少させたいという要請があった。

この発明は、上記のような要請に応えるものであり、熱交換器の小型化を促進することができる車両用空調装置の熱交換器および該熱交換器を有する車両用空調装置を提供することを目的とする。

本発明に係る車両用空調装置の熱交換器は、互いに平行に配置された複数枚のフィンと、該フィンを貫通した互いに平行で、前記フィンの面において千鳥状に配置された複数本の伝熱管と、を有し、前記フィンは、前記伝熱管を貫通させる貫通孔が形成された帯材からカット金型によって分断されたものであって、前記伝熱管同士の段ピッチＤｐが、「Ｄｐ＝Ｃ＋Ｄ＋２Ｗ＋２δ、０＜δ＜Ｄ＋Ｗ」、ここで、Ｃは前記カット金型の厚さ、Ｄは前記伝熱管の外径、Ｗは前記貫通孔の前記フィンの一方側に突出したフィンカラーの先端の周囲外側に突出したフィンカラーフランジの幅、δは前記カット金型と前記フィンカラーフランジとのクリアランス、であることを特徴とする。

本発明に係る車両用空調装置の熱交換器は、段ピッチＤｐが「Ｃ＋２Ｄ＋２Ｗ＋２δ」にまで縮小されるから、高さの増加を抑え小型化を促進することができる。

本発明の実施の形態１に係る車両用空調装置の熱交換器のフィンを示す正面図。本発明の実施の形態１に係る車両用空調装置の熱交換器のフィンを示す側面図。比較のために従来のフィンを示す正面図。比較のために従来のフィンを示す側面図。伝熱管径と断面二次モーメントとの関係を示す相関図。本発明の実施の形態２に係る車両用空調装置を説明する平面図。本発明の実施の形態２に係る車両用空調装置を説明する正面図。

［実施の形態１：熱交換器］
図１〜図４は本発明の実施の形態１に係る車両用空調装置の熱交換器を説明するものであって、図１はフィンを示す正面図、図２はフィンを示す側面図、図３Ａは比較のために従来のフィンを示す正面図、図３Ｂは比較のために従来のフィンを示す側面図、図４は伝熱管径と断面二次モーメントとの関係を示す相関図である。なお、各図は、模式的に描かれたものであって、本発明は描かれた形態に限定されるものではない。
図１および図２において、車両用空調装置の熱交換器（図示しない。以下「熱交換器」と称す）は、互いに平行に配置された複数枚のフィン１と、フィン１を貫通した互いに平行で、フィン１の面において千鳥状に配置された複数本の伝熱管（図示しない）と、を有している。

フィン１は所定幅の帯材２から分断されたものであって、帯材２には予め前記伝熱管（図示しない）を貫通させるための貫通孔３が千鳥状に形成されている。
貫通孔３の内周に沿って、一方の面側に突出した円筒状のフィンカラー４が形成され、フィンカラー４の先端には外周に向かって突出したフィンカラーフランジ５が形成されている。なお、フィンカラー４は伝熱管の姿勢を保持し、伝熱管との間の伝熱を確実にするためのものであって、貫通孔の内径、すなわち、伝熱管の外径に等しい。
そして、帯材２はフィンカラーフランジ５に干渉しないように、波形状のカット金型９によって分断され、分断された小片がフィン１になる（図１において、分断される縁である分断線８を一点鎖線にて示す）。

このとき、貫通孔３の中心６同士のフィン１の長手方向（図１において上下方向）の距離である「段ピッチＤｐ」が、「Ｄｐ＝Ｃ＋Ｄ＋２Ｗ＋２δ」になっている。ここで、Ｃはカット金型９の厚さ、Ｄは貫通孔３の内径（図示しない伝熱管の外径に同じ）、Ｗは前記貫通孔の前記フィンの一方側に突出したフィンカラーの先端の周囲外側に突出したフィンカラーフランジ５の幅、δはカット金型９とフィンカラーフランジ５とのクリアランスで、「０＜δ＜Ｄ＋Ｗ」である。なお、クリアランスδは、適宜設定するものであって、カット金型９を駆動する装置の工程能力によって決定される。

図３Ａおよび図３Ｂは、比較のために従来のフィン１１を説明するものであって、直線状のカット金型１９によって分断する際の段ピッチＤｐを示している。図３Ａおよび図３Ｂにおいて、フィン１１は所定幅の帯材１２から分断されたものであって、帯材１２には貫通孔３（図１参照）が千鳥状に形成されている。
このとき、フィン１１は帯材１２は直線状の分断線１８において分断され、段ピッチＤｐは、「Ｄｐ＞Ｃ＋２Ｄ＋４Ｗ」になっている。

すなわち、本発明のフィン１は、波形状のカット金型９による波形状の分断線８において分断され、段ピッチＤｐは「Ｄｐ＝Ｃ＋Ｄ＋２Ｗ＋２δ」になるのに対し、従来の直線状のカット金型１９による直線状の分断線１８において分断されたフィン１１は、段ピッチＤｐが「Ｄｐ＞Ｃ＋２Ｄ＋４Ｗ」になるから、本発明のフィン１の段ピッチＤｐが小さくなっている。
よって、フィン１を用いた熱交換器は小型化を促進することができる。

なお、以上は、波形状のカット金型９を用いているが、本発明はこれに限定するものではなく、鋸刃形状（山形状）や、ラック形状（連続した台形状）等、フィンカラーフランジ５に触れないように蛇行するものであれば何れであってもよい。
さらに、フィン１の幅方向（図１において斜め左右方向）で隣接する貫通孔３との関係で、貫通孔３の中心６同士の距離を段ピッチＤｐに等しくすると（すなわち、隣接する３個所の貫通孔の中心６を正三角形に配置すると）、長手方向（上下方向）の伝熱管の端部同士を連通するＵベント（曲がり管）と、幅方向（斜め左右方向）の伝熱管の端部同士を連通するＵベント（曲がり管）とを同じにすることが可能になる。

ところで、これまでに示してきたように、伝熱管径（貫通孔の内径Ｄ）を維持したまま段ピッチＤｐを狭めると、熱交換器を通過する空気の正面面積が狭くなり圧力損失が増加し、車両用空調装置自体の能力が低下してしまう。
表１および図４は、圧力損失を考慮し、熱交換器を通る空気の正面面積を同一にした際に式１を用いて算出した熱交換器の断面二次モーメントの一例を示している。
伝熱管を細径管化し、段ピッチを狭めることにより熱交換器の剛性を上げることができ、かつ圧力損失の増加を抑えることができる。表中の値はあくまでも一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。

［実施の形態２：車両用空調装置］
図５および図６は本発明の実施の形態２に係る車両用空調装置を説明するものであって、図５は平面図、図６は正面図である。なお、各図は、模式的に描かれたものであって、本発明は描かれた形態に限定されるものではない。
図５および図６において、車両用空調装置４０は、室外熱交換器２１、室外送風機２２、圧縮機２３、気液分離器２４を有する室外ユニット２０と、室内熱交換器３１、室内送風機３２を有する室内ユニット３０とから構成され、図示しない車両に取付足４１によって設置されている。

室外ユニット２０では室外熱交換器２１が筐体２５内に収納され、室外送風機２２により吸い込んだ外気を室外熱交換器で熱交換し、熱交換した外気を再び外に吐き出す。室内ユニット３０では室内送風機３２を稼動させ、車内の空気および車外の空気をリターン口３３を経由して吸い込み、室内熱交換器３１で熱交換し、熱交換した空気を室内に吐き出す。これらの機器は、図示しない冷媒配管によって接続され、冷媒を循環させることで冷凍サイクルを形成している。
そして、室外熱交換器２１および室内熱交換器３１は、何れも本発明の熱交換器（実施の形態１参照）である。すなわち、フィン１を用いたことによって室外熱交換器２１および室内熱交換器３１の小型化が促進されるから、車両用空調装置４０は小型になっている。

１フィン、２帯材、３貫通孔、４フィンカラー、５フィンカラーフランジ、６中心、８分断線、９カット金型、１１フィン、１２帯材、１８分断線、１９カット金型、２０室外ユニット、２１室外熱交換器、２２室外送風機、２３圧縮機、２４気液分離器、２５筐体、３０室内ユニット、３１室内熱交換器、３２室内送風機、３３リターン口、４０車両用空調装置、４１取付足、δ クリアランス、Ｃカット金型の厚さ、Ｄ貫通孔の内径、Ｄｐ段ピッチ、Ｗフィンカラーフランジの幅。

本発明に係る車両用空調装置の熱交換器は、千鳥状に設けられた複数の伝熱孔を有し、互いに平行に配置された複数枚のフィンと、前記複数枚のフィンの前記貫通孔を貫通し、互いに平行に設けられた伝熱管と、を備え、前記伝熱管同士の段ピッチＤｐが、「Ｄｐ＝Ｃ＋Ｄ＋２Ｗ＋２δ、０＜δ＜Ｄ＋Ｗ」、ここで、Ｃ：前記カット金型の厚さ、Ｄ：前記伝熱管の外径、Ｗ：前記貫通孔の前記フィンの一方側に突出したフィンカラーの先端の周囲外側に突出したフィンカラーフランジの幅、δ：カット金型と前記フィンカラーフランジとのクリアランス、であり、前記伝熱管が細径管で形成されていることを特徴とする。

本発明に係る車両用空調装置の熱交換器は、上記の構成を備えたことにより、段ピッチＤｐが「Ｃ＋Ｄ＋２Ｗ＋２δ」にまで縮小され、高さの増加を抑え小型化を促進することができる。また、伝熱管を細径管とするため、熱交換器の剛性を上げることができる。

本発明に係る鉄道車両用空調装置の熱交換器は、千鳥状に設けられた複数の貫通孔を有し、互いに平行に配置された複数枚のフィンと、前記複数枚のフィンの前記貫通孔を貫通し、互いに平行に設けられた伝熱管と、前記伝熱管同士の段ピッチＤｐが、「Ｄｐ＝Ｃ＋Ｄ＋２Ｗ＋２δ、０＜δ＜Ｄ＋Ｗ」、ここで、Ｃ：前記カット金型の厚さ、Ｄ：前記伝熱管の外径、Ｗ：前記貫通孔の前記フィンの一方側に突出したフィンカラーの先端の周囲外側に突出したフィンカラーフランジの幅、δ：前記カット金型と前記フィンカラーフランジとのクリアランス、であり、前記伝熱管が直径５ｍｍ〜８ｍｍの細径管で形成されていることを特徴とする。

本発明に係る鉄道車両用空調装置の熱交換器は、上記の構成を備えたことにより、段ピッチＤｐが「Ｃ＋Ｄ＋２Ｗ＋２δ」にまで縮小され、高さの増加を抑え小型化を促進することができる。また、伝熱管を細径管とするため、熱交換器の剛性を上げることができる。

本発明に係る車両用空調装置の熱交換器は、千鳥状に設けられた複数の貫通孔を有し、互いに平行に配置された複数枚のフィンと、前記複数枚のフィンの前記貫通孔を貫通し、互いに平行に設けられた伝熱管と、前記伝熱管同士の段ピッチＤｐが、１２．７〜２０．４ｍｍであって、「Ｄｐ＝Ｃ＋Ｄ＋２Ｗ＋２δ、０＜δ＜Ｄ＋Ｗ」、ここで、Ｃ：カット金型の厚さ、Ｄ：前記伝熱管の外径、Ｗ：前記貫通孔の前記フィンの一方側に突出したフィンカラーの先端の周囲外側に突出したフィンカラーフランジの幅、δ：前記カット金型と前記フィンカラーフランジとのクリアランス、であり、前記伝熱管が直径５ｍｍ〜８ｍｍの細径管で形成されていることを特徴とする。

Claims

互いに平行に配置された複数枚のフィンと、
該フィンを貫通した互いに平行で、前記フィンの面において千鳥状に配置された複数本の伝熱管と、を有し、
前記フィンは、前記伝熱管を貫通させる貫通孔が形成された帯材からカット金型によって分断されたものであって、
前記伝熱管同士の段ピッチＤｐが、
Ｄｐ＝Ｃ＋Ｄ＋２Ｗ＋２δ
０＜δ＜Ｄ＋Ｗ
ここで、Ｃ：前記カット金型の厚さ、
Ｄ：前記伝熱管の外径、
Ｗ：前記貫通孔の前記フィンの一方側に突出したフィンカラーの先端の周囲外側に突出したフィンカラーフランジの幅、
δ：前記カット金型と前記フィンカラーフランジとのクリアランス、
であることを特徴とする車両用空調装置の熱交換器。
前記フィンの分断された縁が波形状または山形状であることを特徴とする請求項１記載の車両用空調装置の熱交換器。
前記伝熱管の外径が５〜８ｍｍであることを特徴とする請求項１または２記載の車両用空調装置の熱交換器。
冷凍サイクルの一部を構成する室外熱交換器および圧縮機と、気液分離器と、室外送風機とを具備する室外ユニットと、
前記冷凍サイクルの一部を構成する室内熱交換器と、室内送風機とを具備する室内ユニットとから構成され、
前記室外熱交換器および前記室内熱交換器は、請求項１乃至３の何れか一項に記載の熱交換器であることを特徴とする車両用空調装置。