WO2010061808A1 - 複合熱交換器 - Google Patents

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WO2010061808A1
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heat exchanger
refrigerant
air
cooled heat
water
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English (en)
French (fr)
Inventor
充 岩崎
雄一 回谷
Original Assignee
カルソニックカンセイ株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0234—Header boxes; End plates having a second heat exchanger disposed there within, e.g. oil cooler
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/0408—Multi-circuit heat exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat exchangers for more than two fluids
    • F28D1/0426—Multi-circuit heat exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat exchangers for more than two fluids with units having particular arrangement relative to the large body of fluid, e.g. with interleaved units or with adjacent heat exchange units in common air flow or with units extending at an angle to each other or with units arranged around a central element
    • F28D1/0452—Combination of units extending one behind the other with units extending one beside or one above the other

Definitions

  • the present invention relates to a combined heat exchanger (combined heat exchanger) that handles a plurality of refrigerants (for example, engine cooling water and air conditioning refrigerant) in a cooling system for an automobile.
  • refrigerants for example, engine cooling water and air conditioning refrigerant
  • Patent Document 1 discloses a heat exchanger.
  • This heat exchanger is used in an air conditioner for vehicles, and incorporates a heat exchanger for air-conditioning refrigerant into a tank (header) of an air-cooled heat exchanger for engine cooling water, and air-conditions it with air-cooled cooling water. Cool the refrigerant.
  • the refrigerant flows in from below and flows out from above.
  • Compressor oil is mixed in the air conditioning refrigerant, and the refrigerant circulates in the system together with the mixed oil. Part of the mixed oil is separated from the refrigerant.
  • An object of the present invention is to provide a compact composite heat exchanger that prevents the stagnation of oil mixed in the refrigerant and is excellent in heat exchange efficiency.
  • a feature of the present invention is a cooling system having a first air-cooling heat exchanger that cools cooling water for a heating element other than an internal combustion engine of an automobile, and a second air-cooling heat exchanger that cools a refrigerant for passenger compartment air conditioning.
  • the water-cooled heat The refrigerant flowing out of the exchanger is to provide a composite heat exchanger which is flowed.
  • the refrigerant flows in from the upper inlet port of the water-cooled heat exchanger and flows out from the lower outlet port. For this reason, it is suppressed that oil stays in the lower part, and heat exchange efficiency improves. Further, insufficient lubrication of the compressor due to oil stagnation, deterioration of the performance and reliability of the cooling system can be prevented.
  • the above-described oil stagnation suppression effect is remarkable in devices that involve a decrease in the flow rate of refrigerant caused by volume reduction accompanying condensation, such as condensers in cooling systems and the above-described water-cooled heat exchangers.
  • the water-cooled heat exchanger is disposed inside the downstream tank. In this way, since the water-cooled heat exchanger is disposed in the downstream tank in which the cooled cooling water circulates, higher heat exchange efficiency can be obtained.
  • the first air-cooling heat exchanger and the second air-cooling heat exchanger are arranged adjacent to each other on a plane orthogonal to the flow of the cooling air.
  • the composite heat exchanger is configured to be extremely compact, Excellent in-vehicle performance can be obtained.
  • the composite heat exchanger is used in a vehicle cooling system, and can effectively cool heating elements such as an engine, an intercooler for a supercharger, an air conditioner, and an electric motor of a hybrid electric vehicle.
  • the water-cooled heat exchanger is configured such that a plurality of refrigerant flow path units that serve as the flow paths of the refrigerant are stacked with gaps through which the cooling water passes between each other.
  • the refrigerant channel unit is preferably arranged in the vertical direction.
  • each refrigerant channel unit is formed in a substantially arc shape.
  • the refrigerant flow path unit is formed in a substantially arc shape, the refrigerant is diffused in the width direction of each inner fin along the shape. For this reason, the heat exchange efficiency between a refrigerant
  • each refrigerant flow path unit has a shell tube formed with an inflow port communicating with the inlet port and an outflow port communicating with the outlet port in the vicinity of both ends in the flow direction of the refrigerant, and the inside of the shell tube
  • An inner fin having an inflow hole corresponding to the inflow port, an outflow hole corresponding to the outflow port, and a plurality of grooves formed along the flow of the refrigerant. It is preferable that a slit extending from the inflow hole and a slit extending from the outflow hole are formed.
  • the refrigerant is diffused and converged in the direction perpendicular to the flow by the slits extending from the inflow hole and the outflow hole, respectively. For this reason, the heat exchange efficiency and the oil retention suppression effect are improved. Moreover, since the inner fin is fixed inside the shell tube, the pressure resistance of the shell tube is maintained high.
  • each refrigerant flow path unit has a shell tube formed with an inflow port communicating with the inlet port and an outflow port communicating with the outlet port in the vicinity of both ends in the flow direction of the refrigerant, and inside the shell tube.
  • the refrigerant is diffused and converged in the direction perpendicular to the flow by the notches formed along the end portion on the inflow hole side and the end portion on the outflow hole side of the shell tube. For this reason, the heat exchange efficiency and the oil retention suppression effect are improved. Moreover, since the inner fin is fixed inside the shell tube, the pressure resistance of the shell tube is maintained high.
  • FIG. 1 It is the schematic which shows a part of cooling system to which 1st Embodiment of the heat exchanger of this invention was applied. It is a perspective view which shows the combined state of a sub radiator (for engines other than), a radiator (for engines), and an air conditioning capacitor. It is a perspective view of a sub radiator. It is sectional drawing which shows the water cooling heat exchanger integrated in the downstream tank of a sub radiator. It is a side view of a water cooling heat exchanger. It is a perspective view of a water-cooled heat exchanger. It is a disassembled perspective view of a water cooling heat exchanger.
  • (A) is a top view of the inner fin used for 2nd Embodiment of the heat exchanger of this invention
  • (b) is sectional drawing which follows the VIIIB-VIIIB line
  • (A) is a top view of the inner fin used for 3rd Embodiment of the heat exchanger of this invention
  • (b) is sectional drawing which follows the IXB-IXB line
  • the composite heat exchanger 1 of the first embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the composite heat exchanger 1 is used in a cooling system 9 for a hybrid electric vehicle using an engine (internal combustion engine: not shown) and an electric motor 3 as driving power sources.
  • an engine internal combustion engine: not shown
  • an electric motor 3 electric motor
  • the composite heat exchanger 1 is used in a cooling system 9 including a sub-radiator 5 (first air-cooled heat exchanger) and a condenser 7 (second air-cooled heat exchanger).
  • the sub-radiator 5 cools the cooling water for the drive motor 3 and a control device (a heating element other than the engine) such as an inverter or a converter.
  • the condenser 7 cools the refrigerant for vehicle compartment air conditioning.
  • the sub-radiator 5 includes an upstream tank 11, a downstream tank 13, a flat tube 15 (flow path member), a radiating fin 17, and a water-cooled heat exchanger 19. ing.
  • the cooling water flows into the upstream tank 11 and flows out from the downstream tank 13.
  • the upstream tank 11 is communicated with the downstream tank 15 by a flat tube 15.
  • the radiating fins 17 are alternately stacked with the flat tubes 15.
  • the water-cooled heat exchanger 19 cools the refrigerant for air conditioning in the passenger compartment (as described above, the refrigerant is also cooled by the condenser 7).
  • the water-cooled heat exchanger 19 is disposed inside the downstream tank 13. As shown in FIG. 2, the capacitor 7 is disposed below the sub-radiator 5. As shown in FIG. 5, the refrigerant flows into the water-cooled heat exchanger 19 from above the water-cooled heat exchanger 19 and flows out from below the water-cooled heat exchanger 19. The refrigerant that has flowed out of the water-cooled heat exchanger 19 flows down to the condenser 7.
  • the sub-radiator 5 and the condenser 7 are disposed on a plane substantially orthogonal to the flow of cooling air (inflowing outside air from the front grill while the vehicle is running) for cooling them.
  • the capacitor 7 and the sub radiator 5 are arranged adjacent to each other.
  • the water-cooled heat exchanger 19 is configured by stacking a plurality of shell tubes (refrigerant channel units) 21 serving as refrigerant channels while providing gaps 25 therebetween.
  • shell tubes refrigerant channel units
  • the cooling water in the downstream tank 13 passes through the gap 25.
  • Each shell tube 21 is arranged in the vertical direction so that the flow of the refrigerant is substantially vertical (the direction of gravity).
  • the upper part and the lower part (at least the lower part) of each shell tube 21 are formed in a substantially arc shape.
  • a reinforcement 26 (reinforcing member) is attached to each of the upper and lower portions of the flat tube 15 in which the sub-radiators 5 are stacked.
  • the flat tube 15 is sandwiched between the reinforcements 26 and an appropriate load is applied in the stacking direction, and both ends thereof are inserted into the tanks 11 and 13.
  • the sub-radiator 5 and the capacitor 7 are arranged vertically.
  • An engine radiator 27 is disposed downstream of the cooling air passing through the sub radiator 5 and the condenser 7. In the radiator 27, the engine coolant is cooled by the cooling air.
  • the water-cooled heat exchanger 19 includes a shell tube (refrigerant channel unit) 21, an inner fin (refrigerant channel unit) 29, a ring-shaped patch 31, and a plate-like And an end patch 33.
  • one shell 21 a constituting each shell tube 21 includes a peripheral edge 35, a bead (projection) 39, and an upper part and a lower part (near both ends in the refrigerant flow direction).
  • the inlet 43 and the outlet 47 are provided at the same position.
  • the other shell 21 b has a peripheral edge 37, a bead 41, an inlet 45 and an outlet 49.
  • the peripheral edge 35 of the shell 21a is fitted with the peripheral edge 37 of the shell 21b.
  • the inlet 43 of the shell 21a is fitted with the inlet 45 of the opposing shell 21b.
  • the outlet 47 of the shell 21a is fitted with the outlet 49 of the opposing shell 21b.
  • the inner fin 29 has an inflow hole 51 corresponding to the inflow ports 43 and 45, an outflow hole 53 corresponding to the outflow ports 47 and 49, and a number of grooves 55 along the refrigerant flow.
  • the groove 55 is formed by processing the entire inner fin 29 into a waveform.
  • the pair of shells 21 a and 21 b constitute one assembly (unit) of the shell tube 21 by interposing the inner fins 29 and the peripheral edges 35 and 37 being fitted.
  • the plurality of shell tubes 21 are connected by the inflow ports 43 and 45 and the outflow ports 47 and 49 being fitted to each other with the patch 31 interposed therebetween.
  • the beads 39 and 41 between the adjacent shell tubes 21 come into contact with each other.
  • a certain appropriate load is acting in the stacking direction of the shell tubes 21.
  • the inflow port 45 and the outflow port 49 of the outermost shell 21 b are sealed with the end patch 33.
  • the size of the gap 25 is appropriately maintained by the patch 31 and the beads 39 and 41.
  • the inner fin 29 is brazed to the shells 21a and 21b at the top of the corrugation.
  • the inlet 43 of the innermost shell 21 a is connected to the compressor of the cooling system 9 via the inlet port 57.
  • the outlet 47 of the innermost shell 21 a is connected to the condenser 7 of the cooling system 9 via the outlet port 59.
  • the cooling water for the drive motor 3 and the like is circulated by the pump 61 and flows into the upstream tank 11 of the sub-radiator 5 as shown in FIGS. 2 and 3.
  • the cooling water is cooled by cooling air through the radiation fins 17 while flowing through the flat tube 15, and then flows from the downstream tank 13 to cool the drive motor 3 and the like.
  • the high-temperature and high-pressure gas-conditioning refrigerant compressed by the compressor flows into the shell tubes 21 of the water-cooled heat exchanger 19 from the inlets 43 and 45 as shown in FIG.
  • the refrigerant is cooled by the cooling water flowing in the downstream tank 13 while flowing down the groove 55 of the inner fin 29.
  • the cooled refrigerant enters a gas state with a reduced superheat degree or a partially saturated gas-liquid mixed state, and flows out from the outlets 47 and 49.
  • the refrigerant further flows down to the condenser 7 and is condensed.
  • the refrigerant flowing out of the condenser 7 is decompressed by an expansion valve (not shown).
  • the decompressed refrigerant is heat-exchanged by an evaporator (not shown).
  • the refrigerant that has flowed out of the evaporator is compressed by the compressor. Thereafter, this cycle is repeated.
  • the water-cooled heat exchanger 19 is configured so that the refrigerant flows out from the upper side to the lower side, the lubricating oil of the compressor mixed in the refrigerant is suppressed from staying below the water-cooled heat exchanger 19.
  • the lower part of the shell tube 21 is formed in a substantially circular arc shape, the effect of suppressing oil stagnation is improved. As a result, a decrease in heat exchange efficiency due to oil retention and a decrease in performance and reliability of the cooling system 9 due to insufficient lubrication of the compressor are prevented.
  • the water-cooled heat exchanger 19 is disposed in the downstream tank 13 of the cooling water cooled by the cooling air, high heat exchange efficiency can be obtained.
  • the water-cooled heat exchanger 19 is arranged in the vertical direction, the refrigerant flows down in the substantially vertical direction. As a result, the oil retention effect is further improved.
  • the upper portion of the shell tube 21 is also formed in a substantially arc shape, the refrigerant is diffused in the width direction of the inner fin 29 along this shape as indicated by an arrow 63 in FIG. As a result, the heat exchange efficiency between the refrigerant and the cooling water is further improved.
  • the composite heat exchanger 1 is configured to be extremely compact and has an excellent in-vehicle property. .
  • the composite heat exchanger 1 is used in a vehicle cooling system 9 and can effectively cool a heating element such as an engine, an air conditioner, and an electric motor 3.
  • the inner fins (refrigerant flow path units) 101 fixed inside the shell tube (refrigerant flow path unit) 21 are arcs of the shell tube 21 positioned at both ends in the refrigerant flow direction. It is extended to the department.
  • a pair of slits 103 extending from the inflow hole 51 are provided on both sides of the inflow hole 51.
  • a pair of slits 105 extending from the outflow hole 53 are provided on both sides of the outflow hole 53.
  • the inner fin 101 is brazed to the shell tube 21 at the top of the corrugation and at both ends in the flow direction. For this reason, the tube pressure strength is ensured up to both ends in the flow direction.
  • the slits 103 and 105 are provided over several grooves 55.
  • the refrigerant is diffused in the direction (width direction) substantially orthogonal to the flow by the slits 103 and 105 (slit 103: from the inflow hole 51) and converged (slit 105: to the outflow hole 53). Since the refrigerant flows through the entire width of the shell tube 21 through the slits 103 and 105, the contact area between the refrigerant and the cooling water is expanded, and the heat exchange efficiency is improved. In addition, since the slit 105 is inclined so that the side communicating with the outflow hole 53 is lowered, the oil in the refrigerant is more reliably guided to the outflow hole 53.
  • the outer diameter r of the ring-shaped patch 31 is smaller than the outer diameter R of both end portions 157 and 159 (FIG. 4) of the shell tube 21.
  • the slits 103 and 105 extend to the outside of the outer periphery of the patch 31.
  • the inflow hole 51 and the outflow hole 53 are both provided in the center of the inner fin 101 in the width direction, but may be provided offset in the width direction. In this case, the refrigerant flow can be more dispersed in the width direction. As a result, the heat exchange efficiency can be further improved.
  • notches 153 and 155 are provided in the inner fin (refrigerant channel unit) 151.
  • the upper notch 153 is provided over the width direction along the end 157 (FIG. 4) of the shell tube 21 on the inlet 43, 45 side.
  • the lower notch 155 is provided in the width direction along the end 159 (FIG. 4) of the shell tube 21 on the outflow ports 47 and 49 side.
  • the notches 153 and 155 are provided over all the grooves 55.
  • the refrigerant is diffused in the direction (width direction) substantially orthogonal to the flow by the notches 153 and 155 (notch 153: from the inflow hole 51) and converged (notch 155: to the outflow hole 53). . Since the coolant flows through the entire width of the shell tube 21 by the notches 153 and 155, the contact area between the coolant and the cooling water is expanded, and the heat exchange efficiency is improved.
  • the inflow port 51 and the outflow port 53 may be provided offset in the width direction.
  • the refrigerant flow can be more dispersed in the width direction.
  • the heat exchange efficiency can be further improved.

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Abstract

　複合熱交換器は、自動車の内燃機関以外の発熱体用の冷却水を冷却する第１空冷熱交換器５と、車室空調用の冷媒を冷却する第２空冷熱交換器とを備えている。第１空冷熱交換器は、冷却水が流入する上流タンクと、冷媒が流出する下流タンクと、上流タンクを下流タンクに連通させる流路部材と、流路部材と交互に積層された放熱フィンと、冷媒を冷却する水冷熱交換器とを有している。水冷熱交換器は、下流タンクの内部に配置され、冷媒が流入するインレットポートを上部に有すると共に冷媒が流出するアウトレットポートを下部に有している。上記熱交換器によれば、冷媒に混入したオイルの滞留を防止でき、熱交換効率を向上でき、小型化を実現できる。

Description

複合熱交換器
　本発明は、自動車用の冷却システムにおいて複数の冷媒（例えば、エンジン冷却水と空調用冷媒）を扱う複合熱交換器[combined heat exchanger]に関する。
　日本国特開２００６－１６２１７６号公報［特許文献１］には、熱交換器が開示されている。
　この熱交換器は、車両用空気調和装置に用いられており、エンジン冷却水用の空冷熱交換器のタンク（ヘッダ）に空調冷媒用の熱交換器を組み入れて、空冷された冷却水によって空調用冷媒を冷却する。この冷媒用熱交換器では、冷媒は、下方から流入され、上方から流出される。
　空調用冷媒には、コンプレッサのオイルが混入しており、冷媒は、混入したオイルと共にシステム内を循環している。混入したオイルは、一部が冷媒と分離している。
　上記特許文献１の熱交換器では、冷媒が下方から上方に移動されるので、熱交換器の下部にオイルが滞留することがある。オイルが滞留すると熱交換効率の低下や、コンプレッサの潤滑不足に起因する冷却システムの性能低下及び信頼性低下が懸念される。
　また、最近の車両は、内燃エンジン、過給機用のインタークーラ、空気調和装置、ハイブリッド電気自動車の電動モータのような発熱体を有している。このため、このような発熱体を冷却する（発熱体の熱を排熱する）ためのコンパクトで効率的な熱交換器（複合熱交換器）が求められている。
　本発明の目的は、冷媒に混入したオイルの滞留を防止して、熱交換効率に優れたコンパクトな複合熱交換器を提供することにある。
　本発明の特徴は、自動車の内燃機関以外の発熱体用の冷却水を冷却する第１空冷熱交換器、及び、車室空調用の冷媒を冷却する第２空冷熱交換器を有する冷却システムに用いられる複合熱交換器であって、前記第１空冷熱交換器は、前記冷却水が流入する上流タンクと、冷却水が流出する下流タンクと、前記上流タンクを前記下流タンクに連通させる流路部材と、前記流路部材と交互に積層された放熱フィンと、前記冷媒を冷却する水冷熱交換器とを有しており、前記水冷熱交換器は、前記上流タンク又は前記下流タンクの内部に配置され、前記冷媒が流入するインレットポートを上部に有すると共に前記冷媒が流出するアウトレットポートを下部に有しており、前記第２空冷熱交換器は、第１空冷熱交換器の下方に配置され、前記水冷熱交換器から流出した前記冷媒が流入される複合熱交換器を提供する。
　上記特徴によれば、水冷熱交換器の上部のインレットポートから冷媒を流入させ、下部のアウトレットポートから流出する。このため、オイルが下部に滞留することが抑制され、熱交換効率が向上する。また、オイルの滞留によるコンプレッサの潤滑不足や、冷却システムの性能低下及び信頼性低下が防止される。
　また、水冷熱交換器から流出した冷媒が、第１空冷熱交換器（水冷熱交換器）の下方に配置された第２空冷熱交換器へと無理なく流下するので、水冷熱交換器及び第２空冷熱交換器におけるオイルの滞留抑制効果が大きく向上する。
　特に、冷却システムのコンデンサや上記水冷熱交換器のように、凝縮に伴う体積減少に起因する冷媒の流速低下を伴う機器では、上述したオイルの滞留抑制効果は顕著である。
　ここで、前記水冷熱交換器は、前記下流タンクの内部に配置されていることが好ましい。このようにすれば、冷却後の冷却水が循環する下流タンク内に水冷熱交換器が配置されるので、より高い熱交換効率が得られる。
　ここで、前記第１空冷熱交換器及び前記第２空冷熱交換器が、それらの冷却風の流れに直交する面上で、互いに隣接して配置されていることが好ましい。
　このようにすれば、冷却風の流れに直交する面上で、第１空冷熱交換器及び第２空冷熱交換器が互いに隣接配置されているので、複合熱交換器は極めてコンパクトに構成され、優れた車載性を得られる。この結果、複合熱交換器は、車両の冷却システムに用いられて、エンジン・過給機用インタークーラ・空気調和装置・ハイブリッド電気自動車の電動モータなどの発熱体を効果的に冷却できる。
　ここで、前記水冷熱交換器が、前記冷媒の流路となる複数の冷媒流路ユニットが、前記冷却水が通過する隙間を互いの間に設けて積層されて構成されており、複数の前記冷媒流路ユニットが、縦方向に配置されていることが好ましい。
　このようにすれば、水冷熱交換器が縦方向に配置されているので、流路部材中を冷媒がほぼ鉛直に流下する。この結果、オイルの滞留抑制効果がさらに向上する。
　さらに、各冷媒流路ユニットの下部が、ほぼ円弧状に形成されていることが好ましい。
　このようにすれば、冷媒流路ユニット下部がほぼ円弧状に形成されているので、オイルの流れが円滑になって部分的な滞留が抑制される。この結果、オイルの滞留抑制効果がさらに向上する。
　なお、冷媒流路ユニットの上部をほぼ円弧状に形成すれば、冷媒がその形状に沿って各インナーフィンの幅方向に拡散される。このため、冷媒と冷却水との間の熱交換効率がさらに向上する。
　またさらに、各冷媒流路ユニットが、前記冷媒の流れ方向の両端近傍に前記インレットポートと連通する流入口及び前記アウトレットポートと連通する流出口がそれぞれ形成されたシェルチューブと、前記シェルチューブの内部に固定され、前記流入口に対応する流入孔及び前記流出口に対応する流出孔並びに前記冷媒の流れに沿って形成された複数の溝を有するインナーフィンとを備え、各インナーフィンには、前記流入孔から延設されたスリット、及び、前記流出孔から延設されたスリットが形成されていることが好ましい。
　このようにすれば、流入孔及び流出孔からそれぞれ延設されたスリットによって、冷媒がその流れと直交する方向に拡散・収束される。このため、熱交換効率とオイルの滞留抑制効果とが向上する。また、インナーフィンがシェルチューブの内部に固定されるので、シェルチューブの耐圧強度が高く維持される。
　あるいは、各冷媒流路ユニットが、前記冷媒の流れ方向の両端近傍に前記インレットポートと連通する流入口及び前記アウトレットポートと連通する流出口がそれぞれ形成されたシェルチューブと、前記シェルチューブの内部に固定され、前記流入口に対応する流入孔及び前記流出口に対応する流出孔並びに前記冷媒の流れに沿って形成された複数の溝を有するインナーフィンとを備え、各インナーフィンには、前記流入孔側の端部に沿う切り欠き、及び、前記流出孔側の端部に沿う切り欠きが形成されていることが好ましい。
　このようにすれば、シェルチューブの流入孔側の端部及び流出孔側の端部に沿って形成された切り欠きによって、冷媒がその流れと直交する方向に拡散・収束される。このため、熱交換効率とオイルの滞留抑制効果とが向上する。また、インナーフィンがシェルチューブの内部に固定されるので、シェルチューブの耐圧強度が高く維持される。
本発明の熱交換器の第１実施形態が適用された冷却システムの一部を示す概略図である。 サブラジエータ（エンジン以外用）、ラジエータ（エンジン用）、及び、空調用コンデンサの組み合わせ状態を示す斜視図である。 サブラジエータの斜視図である。 サブラジエータの下流タンクに組み込まれた水冷熱交換器を示す断面図である。 水冷熱交換器の側面図である。 水冷熱交換器の斜視図である。 水冷熱交換器の分解斜視図である。 （ａ）は本発明の熱交換器の第２実施形態に用いられたインナーフィンの平面図であり、（ｂ）は図８（ａ）中のＶＩＩＩＢ－ＶＩＩＩＢ線に沿う断面図である。 （ａ）は本発明の熱交換器の第３実施形態に用いられたインナーフィンの平面図であり、（ｂ）は図９（ａ）中のＩＸＢ－ＩＸＢ線に沿う断面図である。
　＜第１実施形態＞
　図１～図７を参照しつつ、第１実施形態の複合熱交換器１を説明する。複合熱交換器１は、図１に示されるように、エンジン（内燃機関：図示せず）及び電動モータ３を駆動力源とするハイブリッド電気自動車の冷却システム９に用いられている。
　複合熱交換器１は、図１に示されるように、サブラジエータ５（第１空冷熱交換器）と、コンデンサ７（第２空冷熱交換器）とを備えた冷却システム９に用いられている。サブラジエータ５は、駆動モータ３及びインバータやコンバータのような制御機器（エンジン以外の発熱体）用の冷却水を冷却する。一方、コンデンサ７は、車室空調用の冷媒を冷却する。
　サブラジエータ５は、図１～図３に示されるように、上流タンク１１と、下流タンク１３と、扁平チューブ１５（流路部材）と、放熱フィン１７と、水冷熱交換器１９とを有している。冷却水は、上流タンク１１に流入し、下流タンク１３から流出する。上流タンク１１は、扁平チューブ１５によって下流タンク１５と連通されている。放熱フィン１７は、扁平チューブ１５と交互に積層されている。水冷熱交換器１９は、車室空調用の冷媒を冷却する（上述したように、冷媒は、コンデンサ７によっても冷却される）。
　図４及び図５に示されるように、水冷熱交換器１９は下流タンク１３の内部に配置されている。コンデンサ７は、図２に示されるように、サブラジエータ５の下方に配置されている。冷媒は、図５に示されるように、水冷熱交換器１９の上方から、水冷熱交換器１９内に流入し、水冷熱交換器１９の下方から流出する。水冷熱交換器１９から流出した冷媒は、コンデンサ７へと流下する。
　また、図２に示されるように、サブラジエータ５及びコンデンサ７は、これらを冷却する冷却風（車両走行中のフロントグリルからの流入外気）の流れにほぼ直交する面上に配置されている。コンデンサ７及びサブラジエータ５は、互いに隣接して配置されている。
　また、図５に示されるように、水冷熱交換器１９は、冷媒の流路となる複数のシェルチューブ（冷媒流路ユニット）２１が互いの間に隙間２５を設けながら積層されることで構成されている。下流タンク１３内の冷却水は、隙間２５を通過する。各シェルチューブ２１は、冷媒の流れがほぼ鉛直方向（重力方向）になるように、縦方向に配設されている。各シェルチューブ２１の上部と下部（少なくとも下部）はほぼ円弧状に形成されている。
　図３に示されるように、サブラジエータ５の積層された扁平チューブ１５の上部と下部には、それぞれレインフォース２６（補強部材）が取り付けられている。扁平チューブ１５は、レインフォース２６に挟まれて積層方向に適度な荷重が加えられて、それらの両端がタンク１１，１３に挿入されている。
　また、図２に示されるように、サブラジエータ５及びコンデンサ７は上下に配置されている。そして、サブラジエータ５及びコンデンサ７を通過する冷却風の下流に、エンジン用のラジエータ２７が配置されている。ラジエータ２７では、冷却風によってエンジン冷却水が冷却される。
　水冷熱交換器１９は、図５及び図７に示されるように、シェルチューブ（冷媒流路ユニット）２１と、インナーフィン（冷媒流路ユニット）２９と、リング状のパッチ３１と、プレート状のエンドパッチ３３とから構成されている。また、各シェルチューブ２１を構成する一方のシェル２１ａは、図４及び図６に示されるように、周縁３５と、ビード（突起）３９と、上部及び下部（冷媒の流れ方向の両端部付近）に設けられた流入口４３及び流出口４７とを有している。同様に、他方のシェル２１ｂは、周縁３７と、ビード４１と、流入口４５及び流出口４９とを有している。シェル２１ａの周縁３５は、シェル２１ｂの周縁３７と嵌合する。シェル２１ａの流入口４３は、対向するシェル２１ｂの流入口４５と嵌合する。シェル２１ａの流出口４７は、対向するシェル２１ｂの流出口４９と嵌合する。インナーフィン２９は、流入口４３，４５に対応する流入孔５１と、流出口４７，４９に対応する流出孔５３と、冷媒の流れに沿った多数の溝５５とを有している。溝５５は、インナーフィン２９全体を波形に加工することで形成されている。
　一対のシェル２１ａ，２１ｂは、インナーフィン２９を間に介在させて、周縁３５，３７が嵌合されることでシェルチューブ２１の一つのアッセンブリ（ユニット）を構成している。複数のシェルチューブ２１は、流入口４３，４５及び流出口４７，４９が、パッチ３１を間に介在させて、互いに嵌合されることで、連結されている。このとき、隣接するシェルチューブ２１同士のビード３９，４１が接触する。シェルチューブ２１の積層方向には、一定の適正な荷重が作用している。また、最外側のシェル２１ｂの流入口４５及び流出口４９は、エンドパッチ３３で封止される。パッチ３１及びビード３９，４１によって、隙間２５の寸法が適正に保持される。上述したこれらの要素がロウ付けされて水冷熱交換器１９が形成される。インナーフィン２９は、その波形の頂部で、シェル２１ａ，２１ｂとロウ付けされている。また、図２、図５及び図６に示されるように、最内側のシェル２１ａの流入口４３は、インレットポート５７を介して、冷却システム９のコンプレッサに連結される。同様に、最内側のシェル２１ａの流出口４７は、アウトレットポート５９を介して、冷却システム９のコンデンサ７に連結される。
　冷却システム９において、駆動モータ３などのための冷却水は、ポンプ６１で循環され、図２及び図３に示されるように、サブラジエータ５の上流タンク１１に流入される。冷却水は、扁平チューブ１５を流れる間に放熱フィン１７を介して冷却風によって冷却された後、下流タンク１３から流入されて駆動モータ３などを冷却する。
　また、コンプレッサで圧縮された高温高圧のガス状態の空調用冷媒は、図５に示されるように、流入口４３，４５から水冷熱交換器１９の各シェルチューブ２１に流入される。冷媒は、インナーフィン２９の溝５５を流下する間に下流タンク１３内を流れる冷却水によって冷却される。冷却された冷媒は、過熱度が低下したガス状態、あるいは、部分飽和した気液混合状態となり、流出口４７，４９から外部に流出される。冷媒は、さらにコンデンサ７に流下して凝縮される。コンデンサ７から流出した冷媒は、膨張弁（図示せず）で減圧される。減圧された冷媒は、エバポレータ（図示せず）で熱交換される。エバポレータから流出した冷媒は、コンプレッサで圧縮される。その後、このサイクルが繰り返される。
　次に、複合熱交換器１の効果を説明する。
　冷媒が上方から下方に流下された後に流出されるように水冷熱交換器１９が構成されているので、冷媒に混入したコンプレッサの潤滑オイルが水冷熱交換器１９の下方に停滞することが抑制される。さらに、シェルチューブ２１の下部がほぼ円弧状に形成されているので、オイルの停滞抑制効果が向上する。この結果、オイルの滞留による熱交換効率の低下や、コンプレッサの潤滑不足に起因する冷却システム９の性能低下及び信頼性低下が防止される。
　また、冷却風によって冷却された冷却水の下流タンク１３に水冷熱交換器１９が配置されているので、高い熱交換効率が得られる。
　また、水冷熱交換器１９が縦方向に配置されているので、冷媒がほぼ鉛直方向に流下する。この結果、オイルの滞留抑制効果がさらに向上する。
　また、シェルチューブ２１の上部もほぼ円弧状に形成されているので、図４の矢印６３で示されるように、この形状に沿って冷媒がインナーフィン２９の幅方向に拡散される。この結果、冷媒と冷却水との間の熱交換効率がさらに向上する。
　特に、凝縮に伴う体積減少に起因する冷媒の流速低下を伴う水冷熱交換器１９やコンデンサ７では、上述したオイルの滞留抑制効果は顕著である。
　また、冷却風の流れに直交する面上で、コンデンサ７が、サブラジエータ５の下方に隣接配置されているので、複合熱交換器１は極めてコンパクトに構成され、優れた車載性を得ている。この結果、複合熱交換器１は、車両の冷却システム９に用いられて、エンジン・空気調和装置・電動モータ３などの発熱体を効果的に冷却できる。
　＜第２実施形態＞
　図８（ａ）及び図８（ｂ）を参照しつつ、第２実施形態の複合熱交換器を説明する。
　本実施形態の複合熱交換器では、シェルチューブ（冷媒流路ユニット）２１の内部に固定されるインナーフィン（冷媒流路ユニット）１０１が、冷媒の流れ方向の両端に位置するシェルチューブ２１の円弧部まで延在されている。また、流入孔５１から延設された一対のスリット１０３が、流入孔５１の両側に設けられている。同様に、流出孔５３から延設された一対のスリット１０５が、流出孔５３の両側に設けられている。インナーフィン１０１は、その波形の頂部、及び、流れ方向の両端において、シェルチューブ２１とロウ付けされている。このため、流れ方向の両端までチューブ耐圧強度が確保される。
　スリット１０３，１０５はいくつかの溝５５にわたって設けられている。冷媒は、スリット１０３，１０５によって、その流れにほぼ直交する方向（幅方向）に拡散され（スリット１０３：流入孔５１から）、また、収束される（スリット１０５：流出孔５３に）。冷媒が、スリット１０３，１０５によって、シェルチューブ２１の全幅に流れるので、冷媒と冷却水との接触面積が拡大し、熱交換効率が向上する。また、スリット１０５が、流出孔５３と連通する側が低くなるよう傾斜されているので、冷媒中のオイルが、より確実に流出孔５３に導かれる。
　また、リング状のパッチ３１の外径ｒは、シェルチューブ２１の両端部１５７，１５９（図４）の外径Ｒより小さい。また、スリット１０３，１０５は、パッチ３１の外周の外側まで延びている。パッチ３１を隣り合うチューブの流入口４３，４５及び流出口４７，４９の外周に取り付けることで、スリット１０３，１０５によるインナーフィン２９の強度低下が補強され、耐久性がさらに向上されている。
　また、流入孔５１及び流出孔５３は、いずれもインナーフィン１０１の幅方向の中央に設けられているが、幅方向にオフセットして設けられても良い。この場合、冷媒流れをより幅方向に分散させることができる。この結果、熱交換効率をさらに向上できる。
　＜第３実施形態＞
　図９（ａ）及び図９（ｂ）を参照しつつ、第３実施形態の複合熱交換器を説明する。
　本実施形態の複合熱交換器では、インナーフィン（冷媒流路ユニット）１５１に、切り欠き１５３，１５５が設けられている。上方の切り欠き１５３は、流入口４３，４５側のシェルチューブ２１の端部１５７（図４）に沿って、幅方向にわたって設けられている。同様に、下方の切り欠き１５５は、流出口４７，４９側のシェルチューブ２１の端部１５９（図４）に沿って、幅方向にわたって設けられている。
　切り欠き１５３，１５５は全ての溝５５にわたって設けられている。冷媒は、切り欠き１５３，１５５によって、その流れにほぼ直交する方向（幅方向）に拡散され（切り欠き１５３：流入孔５１から）、また、収束される（切り欠き１５５：流出孔５３に）。冷媒が、切り欠き１５３，１５５によって、シェルチューブ２１の全幅に流れるので、冷媒と冷却水との接触面積が拡大し、熱交換効率が向上する。
　また、インナーフィン１５１においても、流入口５１及び流出口５３が幅方向にオフセットして設けられても良い。この場合、冷媒流れをより幅方向に分散させることができる。この結果、熱交換効率をさらに向上できる。
　なお、本発明は上述した実施形態のみに限定解釈されるものではなく、本発明の技術的な範囲内で様々な変更が可能である。

Claims (7)

  1. 　自動車の内燃機関以外の発熱体用の冷却水を冷却する第１空冷熱交換器、及び、車室空調用の冷媒を冷却する第２空冷熱交換器を有する冷却システムに用いられる複合熱交換器であって、
    　前記第１空冷熱交換器は、前記冷却水が流入する上流タンクと、冷却水が流出する下流タンクと、前記上流タンクを前記下流タンクに連通させる流路部材と、前記流路部材と交互に積層された放熱フィンと、前記冷媒を冷却する水冷熱交換器とを有しており、
    　前記水冷熱交換器は、前記上流タンク又は前記下流タンクの内部に配置され、前記冷媒が流入するインレットポートを上部に有すると共に前記冷媒が流出するアウトレットポートを下部に有しており、
    　前記第２空冷熱交換器は、第１空冷熱交換器の下方に配置され、前記水冷熱交換器から流出した前記冷媒が流入される。
  2. 　請求項１に記載された複合熱交換器であって、
    　前記水冷熱交換器が、前記下流タンクの内部に配置されている。
  3. 　請求項１又は２に記載された複合熱交換器であって、
    　前記第１空冷熱交換器及び前記第２空冷熱交換器は、それらの冷却風の流れに直交する面上で、互いに隣接して配置されている。
  4. 　請求項１～３のいずれかに記載された複合熱交換器であって、
    　前記水冷熱交換器は、前記冷媒の流路となる複数の冷媒流路ユニットが、前記冷却水が通過する隙間を互いの間に設けて積層されて構成されており、
    　複数の前記冷媒流路ユニットは、縦方向に配置されている。
  5. 　請求項４に記載された複合熱交換器であって、
    　各冷媒流路ユニットの下部が、ほぼ円弧状に形成されている。
  6. 　請求項４又は請求項５に記載された複合熱交換器であって、
    　各冷媒流路ユニットは、前記冷媒の流れ方向の両端近傍に前記インレットポートと連通する流入口及び前記アウトレットポートと連通する流出口がそれぞれ形成されたシェルチューブと、前記シェルチューブの内部に固定され、前記流入口に対応する流入孔及び前記流出口に対応する流出孔並びに前記冷媒の流れに沿って形成された複数の溝を有するインナーフィンとを備え、
    　各インナーフィンには、前記流入孔から延設されたスリット、及び、前記流出孔から延設されたスリットが形成されている。
  7. 　請求項４又は請求項５に記載された複合熱交換器であって、
    　各冷媒流路ユニットは、前記冷媒の流れ方向の両端近傍に前記インレットポートと連通する流入口及び前記アウトレットポートと連通する流出口がそれぞれ形成されたシェルチューブと、前記シェルチューブの内部に固定され、前記流入口に対応する流入孔及び前記流出口に対応する流出孔並びに前記冷媒の流れに沿って形成された複数の溝を有するインナーフィンとを備え、
    　各インナーフィンには、前記流入孔側の端部に沿う切り欠き、及び、前記流出孔側の端部に沿う切り欠きが形成されている。
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