WO2020022067A1 - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

熱交換器（１）は、流量調整部（３００）、熱交換部（４００）、流入部（１００）、及び流出部（２００）を含んでいる。流量調整部は、第１熱媒体の流量を調整する。また、熱交換部は、流量調整部から流出する第１熱媒体と第２熱媒体とを熱交換させる。そして、流入部は、流量調整部へ第１熱媒体を流入させる。流出部は、熱交換部から第１熱媒体を流出させる。さらに、流入部と流出部とは互いに熱伝達が抑制可能な別部材で形成されている。

Description

熱交換器 関連出願の相互参照

　本出願は、２０１８年７月２５日に出願された日本特許出願２０１８－１３９３４１号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、熱交換器に関する。

　従来より、第１熱媒体と第２熱媒体との熱交換を行う熱交換器が、例えば特許文献１で提案されている。熱交換器には、第１熱媒体の流入量を制御するための流量調整部が一体化されている。

　流量調整部は、第１熱媒体が流通する通路面積を変化させる弁体部と、弁体部を収容するバルブボディと、を含む。バルブボディは、第１の入口、第１の出口、第２の入口、第２の出口を含む。バルブボディは、第１の入口と第１の出口との間で第１流路を構成し、第２の入口と第２の出口との間で第２流路を構成する。

中国実用新案第２０７０４９３６６号明細書

　特許文献１の熱交換器では、第１熱媒体はバルブボディの第１の入口と第１の出口との間の第１流路を流通する。また、流量調整部にて減圧して温度低下させた第１熱媒体と第２熱媒体とを熱交換させて第２熱媒体を冷却する。したがって、熱交換部から流出する第１熱媒体は、流量調整部から熱交換部へ流入する第１熱媒体よりも温度が高くなりやすい。

　このため、流量調整部から熱交換部へ流入する第１熱媒体が、熱交換部から流出する第１熱媒体に加熱されてしまうと、熱交換部における熱交換効率が低下してしまう。つまり、熱媒体の冷却効率が低下してしまう。

　本開示は、熱交換部における熱交換効率が低下してしまうことを抑制可能な流量調整部一体型の熱交換器を提供することを目的とする。

　本開示の一態様による熱交換器は、流量調整部、熱交換部、流入部、及び流出部を含む。流量調整部は、第１熱媒体の流量を調整する。熱交換部は、流量調整部から流出する第１熱媒体と第２熱媒体とを熱交換させる。流入部は、流量調整部へ第１熱媒体を流入させる。流出部は、熱交換部から第１熱媒体を流出させる。流入部と流出部とは互いに熱伝達が抑制可能な別部材で形成されている。

　これによると、流入部と流出部が、互いに別部材で形成されているので、熱交換部から流出する第１熱媒体の有する熱が流量調整部へ流入する第１熱媒体へ伝達されてしまうことを抑制できる。また、熱交換部から流出する第１熱媒体の有する熱が熱交換部へ流入する第１熱媒体へ伝達されてしまうことも抑制できる。したがって、熱交換部における熱交換効率の低下を抑制することができる。

　本開示についての上記及び他の目的、特徴や利点は、添付図面を参照した下記詳細な説明から、より明確になる。添付図面において、
図１は、第１実施形態に係る熱交換器の斜視図であり、 図２は、図１に示された熱交換器の一部分解斜視図であり、 図３は、図１に示された熱交換器の上面図であり、 図４は、図１に示された熱交換器の変形例を示した側面図であり、 図５は、第２実施形態に係る熱交換器の上面図であり、 図６は、図５に示された熱交換器の作用効果を示した斜視図である。

　以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各実施形態において先行する実施形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の実施形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

　（第１実施形態）
　以下、本開示の第１実施形態について図を参照して説明する。図１に示された流量調整部一体型の熱交換器１は、例えば、車両に搭載された２次電池を適切な温度に調整する電池温調装置に用いられる。なお、電池温調装置は、車室内空間を適切な温度に調整する空調装置としても機能する。

　電池温調装置は、走行用電動モータから車両走行用の駆動力を得る電気自動車に搭載される。電気自動車は、車両停車時に外部電源から供給された電力を、車両に搭載された２次電池に充電可能となっている。外部電源は例えば商用電源である。２次電池に蓄えられた電力は、走行用電動モータのみならず、電池温調装置を構成する電動式構成機器をはじめとする各種車載機器に供給される。

　電池温調装置は、第１熱媒体として冷媒が循環する冷凍サイクル装置と、第２熱媒体としての低温冷却水が循環する低温冷却水回路と、高温冷却水が循環する高温冷却水回路と、を含む。低温冷却水回路は、２次電池の熱を低温冷却水で受け取る熱媒体回路である。冷凍サイクル装置が構成する冷媒回路は、熱交換器１を介して低温冷却水回路の低温冷却水の熱を冷媒で受け取る熱媒体回路である。高温冷却水回路は、高温側水－冷媒熱交換器を介して冷凍サイクル装置の冷媒の熱を高温冷却水で受け取る熱媒体回路である。

　なお、本実施形態の冷媒が第１熱媒体に対応し、低温冷却水が第２熱媒体に対応する。

　続いて、熱交換器１の具体的な構成について説明する。図１～図３に示されるように、流量調整部一体型の熱交換器１は、流入部１００、流出部２００、流量調整部３００、及び熱交換部４００を含んでいる。

　流入部１００は、流量調整部３００へ冷媒を流入させる入口部分である。流出部２００は、熱交換部４００から冷媒を流出させる出口部分である。

　流入部１００と流出部２００とは互いに熱伝達が抑制可能な別部材で形成されている。ここで、別部材とは、流入部１００と流出部２００とは物体が分離した状態である。よって、流入部１００と流出部２００とが接触した状態であっても、流入部１００と流出部２００とは物体が互いに分離している。

　本実施形態では、流量調整部３００は、バルブボディ３０１とセンサボディ３０２とを含む。流入部１００及び弁体部３１０はバルブボディ３０１に形成されている。流出部２００はセンサボディ３０２に形成されている。すなわち、バルブボディ３０１に設けられた流入部１００と、センサボディ３０２に設けられた流出部２００と、は分割されている。バルブボディ３０１及びセンサボディ３０２はケース３６０に固定されている。バルブボディ３０１及びセンサボディ３０２は、Ａｌ、Ａｌを主体とする合金、Ｃｕ、Ｃｕを主体とする合金等の金属材料によって形成されている。すなわち、流入部１００及び流出部２００は、例えば、Ａｌ、Ａｌを主体とする合金、Ｃｕ、Ｃｕを主体とする合金等の金属材料で構成されている。

　流量調整部３００は、冷媒を減圧させる減圧部であると共に、熱交換部４００へ流入する冷媒の流量を調整する。また、流量調整部３００は、弁体部３１０及び駆動部３２０を含む。弁体部３１０は、バルブボディ３０１に内蔵されている。弁体部３１０は、弁体の絞り開度を変更可能に構成された可変絞り機構である。弁体部３１０は、流入部１００からバルブボディ３０１へ流入する冷媒が流通する通路面積を変化させる。

　駆動部３２０は、弁体部３１０を駆動変位させる。駆動部３２０は、回路基板３３０、アクチュエータ３４０、センサ３５０、及びケース３６０を含む。

　回路基板３３０は、四角形状の平坦面を持つ平板である。回路基板３３０は、センサ３５０の検出信号やアクチュエータ３４０を制御する電気信号を処理する電気回路が構成されている。回路基板３３０は、トランジスタ、コンデンサ、抵抗素子等の発熱素子３３１を含む。

　アクチュエータ３４０は、弁体部３１０の弁体の開度を変化させる駆動部品である。アクチュエータ３４０は、例えば、ステッピングモータである。アクチュエータ３４０は、ケース３６０の一部を構成するバルブボディ３０１に固定されている。センサ３５０は、流量調整部３００を通過する冷媒の物理量として温度及び圧力を検出する。アクチュエータ３４０及びセンサ３５０は、回路基板３３０の電気回路に電気的に接続されている。センサ３５０のセンシング部はバルブボディ３０１に配置されている。

　ケース３６０は、バルブボディ３０１及びセンサボディ３０２に固定される。ケース３６０は、アクチュエータ３４０、センサ３５０、及び回路基板３３０を収容する。ケース３６０は、樹脂材料によって形成されている。

　熱交換部４００は、流量調整部３００から流出する冷媒と、低温冷却水回路を循環する低温冷却水と、を熱交換させる。熱交換部４００は、いわゆるチラーである。

　図１及び図２に示されるように、熱交換部４００は、複数の板状部材４０１が所定間隔を設けて積層配置されたことにより直方体状に構成されている。すなわち、熱交換部４００は、複数の板状部材４０１の最上層に対応する上面４１０、複数の板状部材４０１の最下層に対応する下面４２０、及び、複数の板状部材４０１の積層方向に平行な側面４３０を有する。

　積層された複数の板状部材４０１は、冷媒と低温冷却水とを熱交換するコア部を構成する。各板状部材４０１は細長の略矩形状の部材である。各板状部材４０１は、例えばアルミニウム芯材の両面にろう材をクラッドした両面クラッド材である。

　隣接する板状部材４０１の間には空間が形成されている。この空間が冷媒流路及び冷却水流路を構成する。冷媒流路及び冷却水流路は、板状部材４０１の積層方向に交互に形成されている。

　板状部材４０１は、冷媒流路と冷却水流路とを仕切る隔壁である。また、板状部材４０１は、冷媒流路を流れる冷媒と冷却水流路を流れる低温冷却水とを熱交換させる伝熱プレートとしての機能を有する。例えば、熱交換部４００では、冷媒流路の冷媒流れ方向と、冷却水流路の冷却水流れ方向は反対方向である。つまり、冷媒と低温冷却水とは対向流となる。

　本実施形態では、熱交換部４００は、上面４１０に対応する板状部材４０１に、冷媒の流入口４０２及び流出口４０３と、低温冷却水の流入口４０４及び流出口４０５と、を有する。また、熱交換部４００は、下面４２０に対応する板状部材４０１に、熱交換器１を取付対象に固定するためのフランジ４０６を有する。

　上記の構成において、流量調整部３００と熱交換部４００とは一体的に構成されている。流量調整部３００の弁体部３１０は、熱交換部４００の流入口４０２に固定される。流出部２００は、熱交換部４００の流出口４０３に固定される。すなわち、バルブボディ３０１は、熱交換部４００の冷媒の流入口４０２に固定される。センサボディ３０２は、熱交換部４００の冷媒の流出口４０３に固定される。つまり、流入部１００及び流出部２００は、熱交換部４００の上面４１０に配置される。

　以上の構成によると、流入部１００と流出部２００が、互いに別部材で形成されているので、熱交換部４００から流出する冷媒の有する熱が流量調整部３００へ流入する冷媒へ伝達されてしまうことを抑制できる。また、熱交換部４００から流出する冷媒の有する熱が熱交換部４００へ流入する冷媒へ伝達されてしまうことも抑制できる。したがって、熱交換部４００における熱交換効率の低下を抑制することができる。

　また、流入部１００と流出部２００とが分割されているので、バルブボディ３０１とセンサボディ３０２とが一つの物体として構成される場合よりも２物体に分割されたことにより表面積が増える。よって、バルブボディ３０１及びセンサボディ３０２を介した放熱性を向上させることができる。また、熱交換部４００に対するバルブボディ３０１及びセンサボディ３０２のロウ付け性を向上させることができる。

　さらに、流入部１００と流出部２００とが分割されているので、冷媒が熱交換部４００に流入する影響と、冷媒が熱交換部４００から流出する影響と、を分けることができる。冷媒が熱交換部４００に流入する影響には弁体部３１０の動作の影響も含まれる。このため、センサ３５０がセンサボディ３０２を通過する冷媒の温度及び圧力を検出する場合、バルブボディ３０１の影響を外乱として受けずに済む。よって、センサ３５０への外乱を抑制することができる。

　変形例として、熱交換器１は、電池温調装置以外の装置に適用しても良い。例えば、熱交換器１の熱交換部４００は、動作時に発熱を伴う車載機器の温度調整のために用いられても良い。車載機器は、例えば、発電機、インバータ、モータジェネレータ、充放電器等である。

　変形例として、冷媒の流入口４０２及び流出口４０３と、低温冷却水の流入口４０４及び流出口４０５と、は熱交換部４００の上面４１０に限られず、側面４３０や下面４２０に設けられていても良い。また、冷媒の流入口４０２及び流出口４０３と、低温冷却水の流入口４０４及び流出口４０５と、は熱交換部４００のうち異なる面に設けられていても良い。

　変形例として、流入部１００及び流出部２００は、熱交換部４００の上面４１０に限られず、側面４３０や下面４２０に設けられていても良い。また、図４に示されるように、流入部１００及び流出部２００は、熱交換部４００のうち異なる面に設けられていても良い。

　（第２実施形態）
　本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図５に示されるように、流入部１００及び流出部２００は、熱交換部４００を構成する面のうちの同じ面に配置されている。また、ケース３６０は、流入部１００と流出部２００との間に配置されている。すなわち、ケース３６０は、バルブボディ３０１とセンサボディ３０２との間に配置されている。また、ケース３６０の全体が熱交換部４００の上面４１０に配置される。

　そして、回路基板３３０の法線方向において、回路基板３３０と熱交換部４００とが重合配置される領域が回路基板３３０の全体になる。また、ケース３６０の全体が熱交換部４００の上面４１０に沿っている。したがって、図６に示されるように、破線部で示された領域において、ケース３６０の内部の熱や通電時に回路基板３３０で発生する熱を熱交換部４００へ移動させやすくすることができる。

　また、流入部１００と流出部２００とがケース３６０によって引き離されている。このため、流入部１００と流出部２００とが互いに影響しにくくなるようにすることができる。

　変形例として、回路基板３３０は、実装面が熱交換部４００の上面４１０に対して垂直になるように立てられた状態でケース３６０に収容されても良い。

　本開示は上述の実施形態に限定されることなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

　例えば、熱交換器１が適用される電池温調装置は電気自動車に搭載されているが、電池温調装置は、内燃機関及び走行用電動モータから車両走行用の駆動力を得るハイブリッド自動車に搭載されていても良い。また、電池温調装置は、車両用に限られず、車両用以外の２次電池に適用しても良い。熱交換器１は電池温調装置以外の装置に適用されても良い。

　また、上記実施形態では、熱媒体として冷却水や冷媒を用いているが、油等の各種媒体を熱媒体として用いても良い。熱交換部４００は空気と冷媒とを熱交換させるものでも良い。

　上記実施形態では、流入部１００はバルブボディ３０１に一体化され、流出部２００はセンサボディ３０２に一体化されていたが、これは構成の一例である。流入部１００はバルブボディ３０１から分離されていても良いし、流出部２００はセンサボディ３０２から分離されていても良い。流入部１００及び流出部２００は、バルブボディ３０１及びセンサボディ３０２と同じ材料で構成されていても良いし、異なる材料で構成されていても良い。流入部１００及び流出部２００は、例えばステンレス等の他の金属材料で構成されていても良い。流入部１００及び流出部２００は、互いに異なる金属材料で構成されていても良い。流入部１００及び流出部２００は互いに熱伝導が困難な材料で構成されていても良い。

　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (8)

1. 　第１熱媒体の流量を調整する流量調整部（３００）と、
   　前記流量調整部から流出する前記第１熱媒体と第２熱媒体とを熱交換させる熱交換部（４００）と、
   　前記流量調整部へ前記第１熱媒体を流入させる流入部（１００）と、
   　前記熱交換部から前記第１熱媒体を流出させる流出部（２００）と、
   　を含み、
   　前記流入部と前記流出部とは互いに熱伝達が抑制可能な別部材で形成されている熱交換器。
2. 　前記流量調整部は、バルブボディ（３０１）とセンサボディ（３０２）とを含み、
   　前記バルブボディに設けられた前記流入部と、前記センサボディに設けられた前記流出部と、は分割されている請求項１に記載の熱交換器。
3. 　前記流入部及び前記流出部は、前記熱交換部を構成するいずれかの面に配置されている請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 　前記流入部及び前記流出部は、前記熱交換部を構成するいずれかの面のうち異なる面に配置されている請求項１または２に記載の熱交換器。
5. 　前記流入部及び前記流出部は、前記熱交換部を構成する面のうちの同じ面に配置されており、
   　前記流量調整部は、前記熱交換部へ流入する前記第１熱媒体の流量を調整する弁体部（３１０）の動作を制御する回路基板（３３０）を収容したケース（３６０）を含み、
   　前記ケースは、前記流入部と前記流出部との間に配置されている請求項１または２に記載の熱交換器。
6. 　前記熱交換部は、直方体状に構成されている請求項３ないし５のいずれか１つに記載の熱交換器。
7. 　前記流量調整部は、前記第１熱媒体の物理量を検出するセンサ（３５０）を含む請求項１ないし６のいずれか１つに記載の熱交換器。
8. 　前記熱交換部は、動作時に発熱を伴う車載機器の温度調整のために用いられる請求項１ないし７のいずれか１つに記載の熱交換器。

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