WO2016194656A1

WO2016194656A1 - 熱交換器

Info

Publication number: WO2016194656A1
Application number: PCT/JP2016/065026
Authority: WO
Inventors: 関口　訓一; 武人岡田; 聡史上村; 隆哉有本
Original assignee: カルソニックカンセイ株式会社
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2016-12-08

Abstract

熱交換器は、一対のタンクと、タンクの長手方向に沿って配列された複数のチューブと、複数のチューブの隣り合うチューブ間に配置された複数のフィンと、少なくとも一対の隣り合うチューブの間に配置された蓄冷ケースと、を備えている。各チューブの一端は、一方のタンクに連通され、他端は他方のタンクに連通されている。蓄冷ケースの内部には、蓄冷ケースには蓄冷剤が充填される。蓄冷ケースは、蓄冷剤が充填される収容部を有する蓄冷プレートを備えている。少なくとも一対の隣り合うチューブの一方の外表面に、蓄冷プレートが固定されている。

Description

熱交換器

　本発明は、車両に適用される熱交換器に関する。

　下記特許文献１は、熱交換器を開示している。特許文献１に開示された熱交換器は、一対のタンクと、複数のチューブと、複数のフィンと、蓄冷ケースとを備えている。タンクは空気流れ方向と直交する方向の両側にそれぞれ配置されており、それらの内部を冷媒が流れる。各チューブの両端はタンクにそれぞれ連通されており、各チューブの内部を冷媒が流れて冷媒と空気流れとの間で熱交換が行われる。複数のチューブは、タンクの長手方向に沿って配列されている。各フィンは、隣り合うチューブの間に配置され空気流れを攪拌する。蓄冷ケースは、少なくとも一対の隣り合うチューブの間に配置されており、その内部には蓄冷剤[cold storage agent]が充填されている。

　特許文献１に開示された熱交換器では、蓄冷ケースのチューブとの対向面には、複数の凸部が設けられている。凸部の先端面をチューブの表面にろう付けすることで、隣り合うチューブ間に蓄冷ケースが固定されている。

日本国特開２０１３－２２８２０６号公報

　特許文献１に開示された熱交換器では、蓄冷ケースの複数の凸部がチューブの表面にろう付けされるので、ろう付け部の内部に微小な空隙[void(s)]が形成されてしまうことがある。この空隙内に溜まった水が凍結して、凍結不具合[freeze failure]が発生することがある。凍結不具合は、凍結した水（氷）の体積膨張による、ろう付け部のはく離や、チューブや蓄冷ケースの破裂[burst]を含む。

　本発明の目的は、蓄冷ケースとチューブとの間での空隙の形成に起因する凍結不具合を抑制することのできる熱交換器を提供することにある。

　本発明の特徴は、熱交換器であって、空気流れ方向と直交する方向の前記熱交換器の両側に配置された一対のタンクと、前記タンクの長方向に沿って配列された複数のチューブと、前記複数のチューブの隣り合うチューブ間に配置された複数のフィンと、少なくとも一対の隣り合うチューブの間に配置された蓄冷ケースと、を備えており冷媒が前記一対のタンクの内部を流れ、前記複数のチューブのそれぞれの一端が前記一対のタンクの一方に連通されるとともに、他端が前記一対のタンクの他方に連通され、前記冷媒が前記複数のチューブの内部を流れて前記空気流れと熱交換し、前記蓄冷ケースの内部には、蓄冷剤が充填され、前記蓄冷ケースが、前記蓄冷剤が充填される収容部を有する蓄冷プレートを備え、前記少なくとも一対の隣り合うチューブの一方の前記チューブの外表面に前記収容部の縁部が密着されて、前記蓄冷プレートが前記少なくとも一対の隣り合うチューブの一方に固定されている、熱交換器を提供する。

第１実施形態に係る熱交換器の斜視図である。上記熱交換器の一部断面斜視図である。上記熱交換器の斜視図である。上記熱交換器の蓄冷プレートの斜視図である。第２実施形態に係る熱交換器の一部断面斜視図である。上記熱交換器の拡大断面図である。

　（第１実施形態）
　図１～図４を参照しつつ第１実施形態を説明する。

　本実施形態に係る熱交換器１は、空気流れ方向（図１中の矢印ＡＦ参照）と直交する方向（図１中の上下方向）の熱交換器１の両側に配置された一対のタンク３と、タンク３の長手方向に沿って配列された複数のチューブ５と、複数のチューブ５の隣り合うチューブ５間に配置された複数のフィン７と、少なくとも一対の隣り合うチューブ５の間に配置され、蓄冷剤が充填される蓄冷ケース９と、を備えている。なお、図１には、一対のタンクのうち一方（上方）のタンク３のみが示されており、他方（下方）のタンクは図示されていない。

　各チューブの一端は、一方のタンク３に連通されるとともに、他端は、他方のタンクに連通されている。一方のタンク３に供給された冷媒は、一方のタンク３の内部を流れたのち、チューブ５の内部に流入する。チューブ５の内部を流れた冷媒は、他方のタンクの内部に流入する。他方のタンクの内部を流れた冷媒は、他方のタンクから排出される。冷媒は、主として、チューブ５の内部を流れている間に熱交換器１の外部の空気流れと熱交換する。

　蓄冷ケース９は、蓄冷剤が充填される収容部[accommodation portion]（収容凹部[accommodating depressed portion]）１１を有する蓄冷プレート１３を備えている。上述した少なくとも一対の隣り合うチューブ５のうちの一方の外表面（空気流れ側の表面）に収容部１１の縁部が密着されて、蓄冷プレート１３が少なくとも一対の隣り合うチューブ５のうちの一方に固定されている。

　収容部１１の縁部からチューブ５の外表面に沿ってフランジ１５が延設されている（図１及び図３参照）。蓄冷プレート１３には、チューブ５に向けて突部１７が設けられている。チューブ５の外表面には、突部１７と係合する凹部１９が設けられている。突部１７及び凹部１９と同様の突部及び凹部が、他方のタンクの近傍にも設けられている。蓄冷プレート１３の空気流れ方向ＡＦの両側縁には、熱交換器１を構成する後述する複数のプレート２３の一つの両側縁と係合する係合フランジ２１が設けられている。

　なお、本実施形態では、空気は図１中の矢印ＡＦに示されるように流れ、この矢印ＡＦに基づいて、空気流れＡＦの上流及び下流が定義される。本実施形態に係る熱交換器１は、例えば、車両用空調装置に適用される。図１及び図２に示されるように、空気流れ方向ＡＦと直交する方向（図１中の横方向：タンク３の長手方向）にチューブ５が配列される。チューブ５間を流れる空気とチューブ５の内部を流れる冷媒との間で熱交換が行なわれ、空気が冷却される。即ち、本実施形態に係る熱交換器１は、エバポレータとして機能する。

　図１及び図２に示されるように、熱交換器１は、複数のプレート２３を積層させることで構成されている。複数のプレート２３は、交互に向きが変えられている[turned over alternately]。各プレート２３の長手方向の両端には、一対のタンク３を形成する孔２５が形成されている（上述したように、他方のタンクを形成する孔は図示されていない）。また、各プレート２３には、両端の孔２５を連通させる溝部[grooved portions]２７が長手方向に沿って形成されている。図３に示されるように、複数のプレート２３を交互に積層させることで、孔２５が連通されてタンク３が形成され、溝部２７がチューブ５を形成する。一対の対向する溝部２７が、一つのチューブ５を形成する。

　複数のプレート２３を積層することで構成される熱交換器１について詳しく説明する。図１～図３に示されるように、熱交換器１は、一対のタンク３（他方のタンクは図示せず）、複数のチューブ５、複数のフィン７、及び、蓄冷ケース９などを備えている。タンク３は、複数枚のプレート２３を重ね合わせることで、長方形のプレート２３の長手方向の端部に形成された孔２５が連結されて構成される（他方のタンクも同様）。孔２５の周縁には、プレート２３の主面[main plane]（接合面）から外方に延出された円筒壁が形成されている。複数のプレート２３は、空気流れ方向ＡＦと直交する方向（図１中の横方向）に重ね合わされてろう付けされ、孔２５（円筒壁含む）によってプレート２３の積層方向に沿って延設されたタンク３が構成される。

　一対のタンク３（他方のタンクは図示せず）は、熱交換器１の空気流れ方向ＡＦと直交する方向（図１中の上下方向）の両側に配置され、タンク３（他方も同様）は空気流れ方向ＡＦと直交する方向（図１中の横方向）に沿って配置される。タンク３を構成する孔２５は、プレート２３の長手方向の端部に、空気流れ方向ＡＦ（プレート２３の幅方向）に沿って二つ設けられている（他方のタンクも同様）。即ち、空気流れ方向ＡＦに沿って二つの流路（タンク３）が並列に配置されている（他方のタンクでも同様）。従って、本実施形態に係る熱交換器１では、四つの流路が設けられている。

　空気流れ方向ＡＦに沿って配置された一対の流路（タンク３）は、それらの長手方向の一端部にろう付けされた連通管（不図示）によって連通される（他方のタンクでも同様）。なお、連通管の位置に後述する仕切板が配置されてもよい（この場合の仕切板は、孔２５を塞ぐ閉塞板となる）。また、一対の流路の他端部の一方には、冷媒を流入させる流入管（不図示）が接続され、他方には流出管（不図示）が接続される。他方のタンクでは、一対の流路の他端部の一方及び他端部の他方は閉塞されている（即ち、仕切板［閉塞板］が配置されている）。

　プレート２３上には上述した溝部２７が形成されており、二枚のプレート２３を溝部２７の開口側を向い合せて（内表面を向い合せて）積層させると、向かい合う二つの溝部２７によって一つのチューブ５が形成される。各溝部２７は、プレート２３を凹ませることで形成されている。複数枚のプレート２３を空気流れ方向ＡＦと直交する方向（図１中の横方向）に積層させてろう付けすると、プレート２３の積層方向に複数のチューブ５が等間隔に配列される。また、積層方向に隣り合うチューブ５の間には、空気の流路が形成される（流路には後述するフィン７や、蓄冷ケース９及び蓄冷フィン２９が配置される）。

　チューブ５は、空気流れ方向ＡＦ（プレート２３の幅方向）に二列配置される。各チューブ５の両端は、タンク（３）と連通されている。各チューブ５の内部には、タンク３に供給された冷媒が流れ、チューブ５の外部を流れる空気と冷媒との間で熱交換が行われ、空気が冷却される。なお、一対のタンク（３）の内部には、孔（２５）を閉塞する仕切板（不図示）が複数箇所に設けられており、冷媒が一方のタンク３と他方のタンクの間を往復する（流路長が長くなる）。この結果、空気と冷媒との間の熱交換効率が向上される。なお、熱交換器１内の冷媒の流れについては、日本国特許第４７６１７９０号に開示された熱交換器における冷媒の流れと同じである。

　プレート２３の積層方向に隣り合うチューブ５の間にはフィン７が配置されている。フィン７は、隣り合うチューブ５の外表面にろう付けされている、フィン７は、チューブ５の外部を流れる空気を攪拌し、冷媒と空気との熱交換効率を向上させる。少なくとも一対の隣り合うチューブ５の間には、内部に蓄冷剤が充填された蓄冷ケース９が配置されている。蓄冷ケース９は蓄冷プレート１３を備えている。蓄冷プレート１３の長さは、チューブ５の長さより短い。

　蓄冷プレート１３には、二列のチューブ５の外表面に向けて開口された収容部１１が形成されている。収容部１１は、蓄冷プレート１３の長手方向に沿って延設され、二列のチューブ５の幅より僅かに短い幅を有している。収容部１１の内部には蓄冷剤が充填される。なお、収容部１１の側面には、収容部１１の内部に蓄冷剤を充填するための充填口１１Ｈが形成されている（図４参照）。

　蓄冷プレート１３のフランジ１５をチューブ５の外表面にろう付けすることによって、蓄冷プレート１３がチューブ５に固定される。蓄冷プレート１３及びチューブ５によって蓄冷ケース９が構成される。蓄冷プレート１３のフランジ１５をチューブ５の外表面にろう付けすることによって、蓄冷ケース９とチューブ５との間のろう付け面積を大幅に削減しつつ、ろう付け部（蓄冷プレート１３とチューブ５との間）での空隙の形成を抑制できる。

　上述したように、フランジ１５は、蓄冷プレート１３の収容部１１の周囲（周縁部）に、チューブ５の外表面に沿って延設されている。フランジ１５がチューブ５の外表面にろう付けされる。収容部１１の周囲にフランジ１５を設けることによって、ろう付け面積を大幅に削減しつつ、かつ、蓄冷プレート１３を確実にプレート２３にろう付けできる。

　上述したように、チューブ５に向けて突出された突部１７が、蓄冷プレート１３に設けられている。また、突部１７と係合する凹部１９が、チューブ５の外表面に設けられている。突部１７は、蓄冷プレート１３の長手方向の両端に設けられている。各突部１７は、蓄冷プレート１３の空気流れ方向ＡＦの中央に設けられている。凹部１９は、空気流れ方向ＡＦの二列のチューブ５を構成する二列の溝部２７を仕切るビード部[bead]の裏面に位置する。凹部１９は、突部１７に対応して、チューブ５の両端に設けられている。本実施形態では、一つのビードの（裏側の）両端がそれぞれ凹部１９として機能している。突部１７と凹部１９とを係合させることで、蓄冷プレート１３をチューブ５（プレート２３）に対して正確に位置決めできる。この結果、蓄冷プレート１３を正確かつ確実にチューブ５（プレート２３）にろう付けできる。

　さらに、蓄冷プレート１３の両側縁には、チューブ５側に折り曲げられた係合フランジ２１が設けられている。係合フランジ２１は、プレート２３の両側縁と係合する。係合フランジ２１をプレート２３と係合させることで、蓄冷プレート１３をチューブ５（プレート２３）に対してより正確に位置決めできる。この結果、蓄冷プレート１３をより正確かつ確実にプレート２３にろう付けできる。

　蓄冷プレート１３及びチューブ５によって構成された蓄冷ケース９によれば、例えば、燃費改善のために車両の内燃機関を交差点で停止させる場合などに、蓄冷剤と空気流れとの間の熱交換によって補助的に空気流れを冷却でき、この冷却された空気流れで車室を冷房できる。

　なお、蓄冷プレート１３のと対向するチューブ５の外表面（対向面）と収容部１１との間には、蓄冷フィン２９が配置されている。蓄冷フィン２９は、収容部１１の外表面及びチューブ５の外表面にろう付けされている。蓄冷フィン２９は、収容部１１とチューブ５との間を流れる空気を攪拌し、蓄冷剤と空気との熱交換効率を向上させる（空気とチューブ５内の冷媒との熱交換効率も向上させる）。

　本実施形態に係る熱交換器１では、蓄冷プレート１３が、チューブ５の外表面に収容部１１の縁部が密着されて、チューブ５（プレート２３）に固定されている。このため、蓄冷ケース９とチューブ５との間のろう付け面積を大幅に削減できる。この結果、ろう付け部（蓄冷プレート１３とチューブ５との間）での空隙の形成に起因する凍結不具合を抑制できる。

　また、収容部１１の縁部からチューブ５の外表面に沿ってフランジ１５が延設されているので、ろう付け面積を大幅に削減しつつ、かつ、蓄冷プレート１３を確実にプレート２３にろう付けできる。

　さらに、チューブ５に向けて突出された突部１７が蓄冷プレート１３に設けられ、かつ、突部１７と係合する凹部１９がチューブ５の外表面に設けられているので、蓄冷プレート１３をチューブ５に対して正確に位置決めできる。この結果、蓄冷プレート１３を正確かつ確実にチューブ５にろう付けできる。

　またさらに、チューブ５の両側縁と係合する係合フランジ２１が蓄冷プレート１３の両側縁に設けられているので、蓄冷プレート１３をチューブ５に対してより正確に位置決めできる。この結果、蓄冷プレート１３をより正確かつ確実にチューブ５にろう付けできる。

　（第２実施形態）
　図５及び図６を参照しつつ第２実施形態を説明する。第１実施形態の構成と同一又は同等の構成には、同一の参照符号を付して、それらの詳しい説明は省略する。

　本実施形態に係る熱交換器１０１は、収容部１１の外表面に、複数の突部１０５が設けられている。各突部１０５は、収容部１１と対向するチューブ５の外表面に向けて突出されている。各突部１０５の先端１０３は、チューブ５の外表面にろう付けされる。先端１０３は、曲面状に形成されている。複数の突部１０５によっても、上述した蓄冷フィン２９と同様の効果が得られる。また、本実施形態によれば、上記構成によって部品数を削減できる。

　もし、先端１０３が平面状に形成されると、先端１０３とチューブ５の外表面とは面接触となる。従って、ろう付け部（先端１０３とチューブ５との間）に空隙が形成されやすい（凍結不具合が発生しやすい）。従って、本実施形態では、先端１０３は曲面状に形成されている。先端１０３を曲面状に形成することで先端１０３をチューブ５に点接触させることができる。この結果、ろう付け部での空隙の形成、即ち、凍結不具合を防止できる。

　また、蓄冷プレート１３に設けた複数の突部１０５によって収容部１１とチューブ５との間を流れる空気を攪拌し、蓄冷剤と空気との熱交換効率を向上させる（空気とチューブ５内の冷媒との熱交換効率も向上させる）。第１実施形態の蓄冷フィン２９（図１参照）を廃止しても、熱交換効率を維持できる。なお、複数の突部１０５を千鳥状に[staggered manner]配置させたり、空気流れＡＦに対する突部１０５の分布密度を変化させたりするなどして、熱交換効率を向上することができる。

　本実施形態に係る熱交換器１０１では、突部１０５の先端１０３が曲面状に形成されているので、先端１０３とチューブ５の外表面とを点接触させることでろう付部での空隙の形成に起因する凍結不具合を防止できる。

　また、収容部１１とチューブ５の外表面との間に複数の突部１０５を設けることで、収容部１１とチューブ５との間を流れる空気を攪拌し、蓄冷剤と空気との熱交換効率を向上させる（空気とチューブ５内の冷媒との熱交換効率も向上させる）。

　上記実施形態では、複数枚のプレート２３を重ね合わせることでタンク３及びチューブ５が構成された。しかし、この構成に限定されない。例えば、タンクとチューブとが互いに独立されており、タンク及びチューブを組み上げて熱交換器が構成されてもよい。この場合も、少なくとも一対の隣り合うチューブ間に蓄冷ケースを配置させることで、上記実施形態に係る熱交換器１又は１０１で説明した蓄冷ケース９による効果と同じ効果を得られる。

　また、上記実施形態の各タンク（３）は、Ｕ字状に形成されたが、一方（他方）のタンクが二分割されてもよい（空気流れ方向ＡＦに並設される）。又は、一方（他方）のタンクが直線状の単一のタンクであってもよい。又は、一方（他方）のタンクが空気流れ方向ＡＦに並設された三つ以上の分割タンクで構成されてもよい。

　上記実施形態では、蓄冷プレート１３に突部１７が設けられ、チューブ５の外表面に凹部１９が設けられた。しかし、チューブ５の外表面に突部が設けられ、蓄冷プレート１３に凹部が設けられてもよい。

　上記実施形態では、突部１７及び凹部１９の係合、並びに、係合フランジ２１及びプレート２３の両側縁の係合によって、蓄冷ケース９（蓄冷プレート１３）がチューブ５（プレート２３）に対して位置決めされた。しかし、突部１７及び凹部１９の係合のみ、又は、係合フランジ２１及びプレート２３の両側縁の係合のみによって、蓄冷ケース９（蓄冷プレート１３）がチューブ５（プレート２３）に対して位置決めされてもよい。

Claims

　熱交換器であって、
　空気流れ方向と直交する方向の前記熱交換器の両側に配置された一対のタンクと、
　前記タンクの長手方向に沿って配列された複数のチューブと、
　前記複数のチューブの隣り合うチューブ間に配置された複数のフィンと、
　少なくとも一対の隣り合うチューブの間に配置された蓄冷ケースと、を備えており
　冷媒が前記一対のタンクの内部を流れ、
　前記複数のチューブのそれぞれの一端が前記一対のタンクの一方に連通されるとともに、他端が前記一対のタンクの他方に連通され、前記冷媒が前記複数のチューブの内部を流れて前記空気流れと熱交換し、
　前記蓄冷ケースの内部には、蓄冷剤が充填され、
　前記蓄冷ケースが、前記蓄冷剤が充填される収容部を有する蓄冷プレートを備え、
　前記少なくとも一対の隣り合うチューブの一方の前記チューブの外表面に前記収容部の縁部が密着されて、前記蓄冷プレートが前記少なくとも一対の隣り合うチューブの一方に固定されている、熱交換器。
　請求項１記載の熱交換器であって、
　前記収容部の縁部から前記チューブの外表面に沿ってフランジが延設されている、熱交換器。
　請求項１又は２記載の熱交換器であって、
　前記蓄冷プレート及び前記チューブの外表面の一方に向けて突出された突部が、前記蓄冷プレート及び前記チューブの外表面の他方に設けられ、
　前記突部と係合する凹部が、前記蓄冷プレート及び前記チューブの前記外表面の前記一方に設けられている、熱交換器。
　請求項１～３の何れか一項に記載の熱交換器であって、
　前記熱交換器を構成する複数のプレートの一つの両側縁とそれぞれ係合する係合フランジが、前記蓄冷プレートの前記空気流れ方向の両側縁にそれぞれ設けられている、熱交換器。