JP2018044710A

JP2018044710A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2018044710A
Application number: JP2016179410A
Authority: JP
Inventors: 哲佐久間; Satoru Sakuma
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2016-09-14
Filing date: 2016-09-14
Publication date: 2018-03-22
Also published as: CN109690225A; WO2018051786A1

Abstract

【課題】冷媒流出口の設置位置の自由度が高い熱交換器を提供する。
【解決手段】四角形状の伝熱プレート３１を積層し、積層方向の隣り合う２つの伝熱プレート３１の間に冷却水通路と冷媒通路をそれぞれ形成し、積層方向の端に配置された伝熱プレート３１に、冷却水通路の冷却水流入口３４及び冷却水流出口３５と、冷媒通路の冷媒流入口３６及び冷媒流出口３７を設けた熱交換器３Ａにおいて、積層方向の一方の端に配置された前記伝熱プレート３１Ａに、冷却水流入口３４及び冷却水流出口３５と冷媒流入口３６及び冷媒流出口３７との双方の組を設け、積層方向の一方の端に配置された伝熱プレート３１Ａの内側には、冷媒流出口３７に冷媒を戻す冷媒戻り通路４０を形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、伝熱プレートを積層した熱交換器に関する。

例えば、熱交換器である水冷コンデンサは、特許文献１に示すように、熱交換器内に冷媒が通過する冷媒通路と冷却水が通過する冷却水通路を有し、冷媒と冷却水の間で熱交換して冷媒を冷却水によって冷却する。

このような水冷コンデンサは、伝熱プレートが多数積層され、隣り合う伝熱プレート間に冷媒通路と冷却水通路をそれぞれ形成する。冷媒通路と冷却水通路は、各伝熱プレートを仕切りとして交互に形成され、冷媒と冷却水が伝熱プレートを介して熱交換するようになっている。積層方向の一方の端に配置された伝熱プレートには、冷却水流入口と冷却水流出口と冷媒流入口が形成されている。積層方向の他方の端に配置された伝熱プレートには、冷媒流出口が形成されるほかに、過冷却部用の冷媒流入口及び冷媒流出口が形成されている。

つまり、前記従来例では、冷却水及び冷媒の出入口（過冷却部がない場合でも計４つ）は、積層方向の両端に配置される２つの伝熱プレートに分かれて設けられている。

特開２０１３−１１９３８２号公報

ところで、冷却水及び冷媒の出入口の全てを積層方向の一方に配置された同じ伝熱プレートに設けることが、外部配管との接続作業性、レイアウト性等の観点より要請される場合がある。同じ伝熱プレートに設ける場合、冷却水流入口と冷却水流出口は、冷却水通路の実質長を長く取り、熱交換性の向上を図るために、四角形状の伝熱プレートの対角線の角部（隅部）に形成されるのが通常である。

冷媒流入口と冷媒流出口も、熱交換性の向上の観点からは、四角形状の伝熱プレートの対角線の角部に形成されることが好ましい。ここで、冷媒流入口は、四角形状の伝熱プレートの角部に形成するとしても、冷媒流出口については、冷凍サイクルの部品設置、デッドスペースの有効利用等の観点より設置位置に自由度が要請される場合がある。

例えば、冷媒流入口と冷媒流出口に外部配管との接続を行う一体の出入口ブロックを設けたい場合には、冷媒流入口の近傍に冷媒流出口を設けることが要請される。積層方向の一方に配置される伝熱プレートの外側にデッドスペースがある場合には、デッドスペースの有効利用を図るために、そのデッドスペースに冷媒流出口を設置することが要請される。積層方向の一方に配置される伝熱プレートの外側に外部部品の設置スペースがある場合には、外部部品の設置スペースを回避するように冷媒流出口を設置することが要請される。

そこで、本発明は、前記した課題を解決すべくなされたものであり、冷媒流出口の設置位置の自由度が高い熱交換器を提供することを目的とする。

本発明は、四角形状の伝熱プレートを積層し、積層方向の隣り合う２つの前記伝熱プレートの間に冷却水が流れる冷却水通路と冷凍サイクルの冷媒が流れる冷媒通路をそれぞれ形成し、積層方向の端に配置された前記伝熱プレートに、前記冷却水通路に外部から冷却水を流入する冷却水流入口及び前記冷却水通路から外部に冷却水を流出する冷却水流出口と、前記冷媒通路に外部から冷媒を流入する冷媒流入口及び前記冷媒通路から外部に冷媒を流出する冷媒流出口を設けた熱交換器において、積層方向の一方の端に配置された前記伝熱プレートに、前記冷却水流入口及び前記冷却水流出口と前記冷媒流入口及び前記冷媒流出口との双方の組を設け、積層方向の一方の端に配置された前記伝熱プレートの内側には、前記冷媒流出口に冷媒を戻す冷媒戻り通路を形成したことを特徴とする熱交換器である。

本発明によれば、冷媒戻り通路は、冷却水流入口と冷却水流出口と冷媒流入口を設ける部位を除いたスペースであれば自由に設定可能であるため、冷媒流出口の設置自由度が高い熱交換器を提供できる。

本発明の第１実施形態を示し、車両用空気調和装置の構成図である。本発明の第１実施形態を示し、水冷コンデンサの概略斜視図である。本発明の第１実施形態を示し、（ａ）は冷却水の流れを示す水冷コンデンサの要部断面図、（ｂ）は冷媒の流れを示す水冷コンデンサの要部断面図である。本発明の第１実施形態を示し、水冷コンデンサ全体の冷媒流れを示す概念図である。本発明の第１実施形態を示し、（ａ）は電磁弁が閉位置である出入口ブロックの概略断面図、（ｂ）は電磁弁が開位置である出入口ブロックの概略断面図である。本発明の第１実施形態を示し、出入口ブロック内の冷媒流れを示す概略図である。本発明の第２実施形態を示し、（ａ）は積層方向の一方側の端に配置された伝熱プレートの斜視図、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ冷媒の出口位置の各変形例を示す要部斜視図である。本発明の第２実施形態を示し、図７（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。本発明の第３実施形態を示し、（ａ）は積層方向の一方側の端に配置された伝熱プレートの斜視図、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ冷媒の出口位置の各変形例を示す要部斜視図である。本発明の第３実施形態を示し、積層方向の一方側の端に配置された伝熱プレートの斜視図である。本発明の第３実施形態を示し、図１０のＣ−Ｃ線断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１〜図６は本発明の第１実施形態を示す。図１に示すように、車両用空気調和装置は、ヒートポンプ式の冷凍サイクル１と、温水サイクル１０と、これらを制御する制御部（図示せず）とを備えている。

冷凍サイクル１は、冷媒を圧縮する圧縮機２と、圧縮機２で圧縮された冷媒と温水との間で熱交換する熱交換器である水冷コンデンサ３Ａと、水冷コンデンサ３Ａの冷媒通路５ａをバイパスする第１バイパス通路４ａと、第１バイパス通路４ａを開閉する第１開閉弁５ａと、水冷コンデンサ３Ａで熱交換された冷媒を減圧する第１オリフィス６ａと、水冷コンデンサ３Ａで熱交換された冷媒、若しくは水冷コンデンサ３Ａをバイパスされた冷媒と外気との間で熱交換する室外熱交換器７と、室外熱交換器７を出た冷媒を減圧する第２オリフィス６ｂと、第２オリフィス６ｂで減圧（膨張）された冷媒と室内に供給される空気との間で熱交換する室内熱交換器８と、室内熱交換器８をバイパスする第２バイパス通路４ｂと、第２バイパス通路４ｂを開閉する第２開閉弁５ｂと、冷媒の気液を分離等する機能を有し、圧縮機２に気体冷媒のみを送るアキュムレータ９とを備えている。

温水サイクル１０は、温水（暖められた冷却水）を循環させるウォータポンプ１１と、ウォータポンプ１１で循環される温水が通過し、通過する温水が冷媒によって加熱される水冷コンデンサ３Ａと、ウォータポンプ１１で循環する温水と車室内に供給される空気との間で熱交換し、空気を加熱するヒータコア１２とを備えている。

室内熱交換器８とヒータコア１２は、空調ユニットの送風路３０内に配置され、空調ユニットの下流側はダクト（図示せず）によって車室の吹出口（図示せず）に接続されている。

冷凍サイクル１は、冷房時には、第１開閉弁５ａが開位置、第２開閉弁５ｂが閉位置とされる。室外熱交換器７が凝縮器（コンデンサ）として機能し、室内熱交換器８が蒸発器（エバポレータ）として機能し、車室内に冷風が導かれる。

冷凍サイクル１は、暖房時には、第１開閉弁５ａが閉位置、第２開閉弁５ｂが開位置とされる。水冷コンデンサ３Ａが凝縮器（コンデンサ）として機能し、室外熱交換器７が蒸発器（エバポレータ）として機能する。そして、温水サイクル１０の温水が循環され、冷凍サイクル１の水冷コンデンサ３Ａが温水サイクル１０の温水を加熱してヒータコア１２を加熱し、車室内に暖風が導かれる。

水冷コンデンサ３Ａの冷媒流入口３６に接続される入口側通路２１、冷媒流出口３７に接続される出口側通路２２、第１バイパス通路４ａ及び第１オリフィス６ａは、出入口ブロック２０に形成されている。出入口ブロック２０については、下記に詳述する。

室外熱交換器７と室内熱交換器８を接続する一部通路２６、室内熱交換器８とアキュムレータ９を接続する一部通路２７、第２バイパス通路４ｂ及び第２開閉弁５ｂは、通路ブロック２５に形成されている。

図２〜図４に示すように、水冷コンデンサ３Ａは、多数の伝熱プレート３１，３１Ａを有し、多数の伝熱プレート３１，３１Ａが積層されている。伝熱プレート３１，３１Ａは、四角形状である。伝熱プレート３１，３１Ａの積層体内には、積層方向の隣り合う２つの伝熱プレート３１の間に冷却水が流れる冷却水通路３２（図３（ｂ）に示すと、冷媒が流れる冷媒通路３３（図３（ｂ）に示す）がそれぞれ形成されている。

冷却水通路３２と冷媒通路３３は、積層方向に交互に配置されている。冷却水通路３２は、積層体内で複数列に分岐され、各列が共に同じ流れ方向に形成されている。つまり、冷却水流れは、いわゆる１パスである。

冷媒通路３３も、積層体内で複数列に分岐され、各列が共に同じ流れ方向に形成されている。つまり、冷媒流れは、いわゆる１パスである（図４の冷媒流れを参照）。

積層方向の一端（図面上の上端）に配置された伝熱プレート３１Ａに、冷却水通路３２に外部から冷却水を流入する冷却水流入口３４と、冷却水通路３２から外部に冷却水を流出する冷却水流出口３５と、冷媒通路３３に外部から冷媒を流入する冷媒流入口３６と、冷媒通路３３から外部に冷媒を流出する冷媒流出口３７が設けられている。

冷却水流入口３４と冷却水流出口３５は、伝熱プレート３１Ａの対角線上の異なる角部（隅部）にそれぞれ配置されている。冷媒流入口３６と冷媒流出口３７は、冷却水流入口３４と冷却水流出口３５の配置位置とは異なる伝熱プレート３１Ａの異なる角部（隅部）に近接配置されている。

積層方向の一方の端に配置された伝熱プレート３１Ａの内側には、具体的には、積層方向の一方の端に配置された伝熱プレート３１Ａと当該伝熱プレート３１Ａの積層方向の隣り合う伝熱プレート３１との間には、冷媒戻り通路４０が形成されている。

伝熱プレート３１の積層体内の冷媒通路３３の出口３８は、冷媒戻り通路４０に開口している。具体的には、伝熱プレート３１Ａには、上方に突出する通路用突部４１が設けられ、この通路用突部４１によって冷媒戻り通路４０が形成されている。冷媒戻り通路４０は、伝熱プレート３１の積層体の冷媒の出口３８と冷媒流出口３７との間を直線状に結している。

図５及び図６に示すように、出入口ブロック２０は、冷媒流入口３６に接続される入口側通路２１と冷媒流出口３７に接続される出口側通路２２と入口側通路２１と出口側通路２２を接続する第１バイパス通路４ａとから成る通路群を有する。出入口ブロック２０は、通路調整手段として、第１バイパス通路４ａを開閉する第１開閉弁５ａと、出口側通路２２に設けられた第１オリフィス６ａとを有する。

第１開閉弁は、電磁式のものであり、図５（ａ）に示す非通電時には、第１バイパス通路４ａが閉位置に位置し、冷媒が水冷コンデンサ３Ａに流れ、図５（ｂ）に示す通電時には、第１バイパス通路４ａが開位置に位置し、冷媒が水冷コンデンサ３Ａをバイパスする（図６参照）。

以上説明したように、積層方向の一方の端に配置された伝熱プレート３１Ａの内側には、具体的には、積層方向の一方の端に配置された伝熱プレート３１Ａと当該伝熱プレート３１Ａの積層方向の隣り合う伝熱プレート３１との間には、冷媒戻り通路４０が形成されている。冷媒戻り通路４０は、冷却水流入口３４と冷却水流出口３５と冷媒流入口３６を設ける部位を除いたスペースであれば自由に設定可能（例えば、この第１実施形態にように冷媒流出口３７を冷媒流入口３６に近接した位置）であるため、冷媒流出口３７の設置自由度が高い水冷コンデンサ３Ａを提供できる。

伝熱プレート３１，３１Ａの積層体内に入る冷却水の入口（冷却水流入口３４）と前記伝熱プレート３１，３１Ａの積層体内から出る冷却水の出口（冷却水流出口３５）の組と、伝熱プレート３１，３１Ａの積層体内に入る冷媒の入口（冷媒流入口３６）と伝熱プレート３１の積層体内から出る冷媒の出口（冷媒流出口３７）の組とは、伝熱プレート３１Ａの対角線上の異なる角部（隅部）にそれぞれ形成されている。従って、冷却水が１パスの冷却水通路３２（図３（ｂ）に示す）を極力ショートカットすることなく流れ、冷媒が１パスの冷媒通路３３（図３（ｂ）に示すを極力シートカットすることなく流れるため、冷媒流入口３６と冷媒流出口３７を伝熱プレート３１Ａに近接配置しても熱交換性が低下しない。

積層方向の一方の端に配置された伝熱プレート３１Ａには、冷却水流入口３４及び冷却水流出口３５と冷媒流入口３６及び冷媒流出口３７との双方の組が共に配置されている。従って、冷却水通路３２と冷媒通路３３の双方の流入口３４，３６と流出口３５，３７が同じ伝熱プレート３１Ａに配置されるため、冷却水通路３２側と冷媒通路３３側の双方の流入口３４，３６と流出口３５，３７への配管接続性が良く、レイアウト性も良い。

積層方向の一方の端に配置された伝熱プレート３１Ａには、近接配置した冷媒流入口３６と冷媒流出口３７に接続される通路群とその通路調整手段（通路切換手段、通路抵抗手段）を有する出入口ブロック２０が固定されている。従って、出入口ブロック２０を伝熱プレート３１Ａに取り付けることにより、水冷コンデンサ３Ａの冷媒流入口３６と冷媒流出口３７に接続される部品及びその近辺に配置される部品を取り付けることができるため、取り付け作業性が良く、レイアウト性も良い。

熱交換器は水冷コンデンサ３Ａであり、出入口ブロック２０の通路群は、冷媒流入口３６に接続される入口側通路２１と冷媒流出口３７に接続される出口側通路２２と入口側通路２１と出口側通路２２間を接続する第１バイパス通路４ａであり、通路調整手段は、第１バイパス通路４ａを開閉する第１開閉弁５ａと、出口側通路２２に設けられた第１オリフィス６ａである。従って、水冷コンデンサ３Ａを使用する暖房時と、水冷コンデンサ３Ａを使用しない冷房時とに使い分けできる冷凍サイクル１を部品点数を少なく、レイアウト性良く構成できる。

（第２実施形態）
図７（ａ）及び図８は、本発明の第２実施形態を示す。図７（ａ）において、伝熱プレート３１Ｂには、２本の通路用突部４１が設けられ、この２本の通路用突部４１によってその内側に２本の冷媒戻り通路４０が形成されている。２本の冷媒戻り通路４０は、伝熱プレート３１Ｂの積層体の出口３８と冷媒流出口３７の間をそれぞれ連通している。図７（ａ）、図８において、図面の同一構成箇所には、同一符号を付して説明を省略する。水冷コンデンサの他の構成は、前記第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

この第２実施形態でも、前記第１実施形態と同様な理由によって、冷媒流出口３７の設置自由度が高い水冷コンデンサを提供できる。

この第２実施形態では、２本の冷媒戻り通路４０が形成されているため、加工による減肉や加工ひずみによる平面度低下を極力防止できる。平面度低下の防止により、ろう付け不良を抑制できる。つまり、前記第１実施形態のように冷媒戻り通路４０が１本の場合には、一定値以上の通路断面積を確保するために加工による減肉や加工ひずみによる平面度低下を引き起こす恐れが高いが、第２実施形態では、そのような恐れを極力防止できる。

この第２実施形態では、２本の冷媒戻り通路４０が形成されているため、前記第１実施形態の冷媒戻り通路４０の高さｈ１（図３（ｂ））より冷媒戻り通路４０の高さｈ２（図８）を低くできる。これにより、第１実施形態の出入口ブロック２０の高さＨ１に対して出入口ブロック２０の高さＨ２を低くでき、水冷コンデンサ（熱交換器）の積層方向のコンパクト化を図ることができる。

この第２実施形態では、冷媒戻り通路４０は２本設けられているが、３本以上設けても良い。

図７（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示すように、冷媒の出口３８の位置は、角部でなくても直線箇所でも良い。

（第３実施形態）
図９（ａ）には、本発明の第３実施形態に係る伝熱プレート３１Ｃが示されている。図９（ａ）において、伝熱プレート３１Ｃには、前記第２実施形態と同様に、２本の通路用突部４１が設けられ、この２本の通路用突部４１によって２本の冷媒戻り通路４０が形成されている。その上、第２実施形態とは異なり、通路用突部４１とは別に突部４２が設けられている。突部４２は、伝熱プレート３１Ｂの平面をほぼ十字状に配置されている。具体的には、突部４２は、２本の通路用突部４１で囲まれた領域と、２本の通路用突部４１で囲まれる外側の領域に亘って配置されている。突部４２は、通路用突部４１にその直線箇所で連結されているため、冷媒を流す機能は小さい。このように突部４２には冷媒を流す機能が小さいので、通路用突部４１を同じ流路断面である必要はない。

図９（ａ）において、図面の同一構成箇所には、同一符号を付して説明を省略する。水冷コンデンサの他の構成は、前記第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

この第３実施形態でも、前記第１実施形態と同様な理由によって、冷媒流出口３７の設置自由度が高い水冷コンデンサを提供できる。

この第３実施形態では、伝熱プレート３１Ｃには、通路用突部４１と共に突部４２が設けられているため、伝熱プレート３１Ｂの加工性と剛性を確保し易い。

この第３実施形態では、冷媒戻り通路４０は２本設けられているが、３本以上設けても良い。

図９（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示すように、冷媒の出口３８の位置は、角部でなくても直線箇所でも良い。

（第４実施形態）
図１０及び図１１は、本発明の第４実施形態を示す。図１０において、伝熱プレート３１Ｄには、表面積全体の半分以上のスペースによって幅広の通路用突部４１が設けられ、この通路用突部４１によってその内側に幅広の冷媒戻り通路４０が形成されている。幅広の冷媒戻り通路４０は、伝熱プレート３１Ｄの積層体の出口３８と冷媒流出口３７の間をそれぞれ連通している。通路用突部４１の複数箇所には、伝熱プレート３１に当接する補強リブ４３が設けられている。

図１０、図１１において、図面の同一構成箇所には、同一符号を付して説明を省略する。水冷コンデンサの他の構成は、前記第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

この第４実施形態でも、前記第１実施形態と同様な理由によって、冷媒流出口３７の設置自由度が高い水冷コンデンサを提供できる。

この第４実施形態では、伝熱プレート３１Ｄの全面積の半分以上のスペースに冷媒戻り通路４０が形成されているため、前記第２実施形態の通路用突部４１の高さｈ２（図８）より冷媒戻り通路４０の高さｈ３を低くできる。これにより、第２実施形態の出入口ブロック２０の高さＨ２に対して出入口ブロック２０の高さＨ３を低くでき、水冷コンデンサ（熱交換器）の積層方向の更なるコンパクト化を図ることができる。

また、冷媒戻り通路４０は、伝熱プレート３１Ｄのほぼ全スペース、具体的には、冷却水流入口３４と冷却水流出口３５と冷媒流入口３６を設けた部位を除いた全スペースに最大限形成でき、冷媒戻り通路４０を設ける表面積が大きければ大きいほど、水冷コンデンサ（熱交換器）の積層方向の更なるコンパクト化を図ることができる。

（変形例）
前記第１〜第４実施形態では、冷媒流入口３６に冷媒流出口３７を近接配置したが、これに限定されない。つまり、積層方向の一方に配置される伝熱プレート３１Ａ〜３１Ｄの外側にデッドスペースがある場合には、デッドスペースの有効利用を図るために、そのデッドスペースに冷媒流出口３７を設置することが可能である。積層方向の一方に配置される伝熱プレート３１Ａ〜３１Ｄの外側に外部部品の設置スペースがある場合には、外部部品の設置スペースを回避するように冷媒流出口３７を設置することが可能である。

前記第１〜第４実施形態では、冷却水の流れは、１パスであるが、複数パスにしても良い。

３Ａ水冷コンデンサ（熱交換器）
３１，３１Ａ〜３１Ｄ伝熱プレート
３２冷却水通路
３３冷媒通路
３４冷却水流入口
３５冷却水流出口
３６冷媒流入口
３７冷媒流出口
４０冷媒戻り通路
４１通路用突部

Claims

四角形状の伝熱プレート（３１）を積層し、積層方向の隣り合う２つの前記伝熱プレート（３１）の間に冷却水が流れる冷却水通路（３２）と冷凍サイクルの冷媒が流れる冷媒通路（３３）をそれぞれ形成し、積層方向の端に配置された前記伝熱プレート（３１）, （３１Ａ〜３１Ｄ）に、前記冷却水通路（３２）に外部から冷却水を流入する冷却水流入口（３４）及び前記冷却水通路（３２）から外部に冷却水を流出する冷却水流出口（３５）と、前記冷媒通路（３３）に外部から冷媒を流入する冷媒流入口（３６）及び前記冷媒通路（３３）から外部に冷媒を流出する冷媒流出口（３７）を設けた熱交換器（３Ａ）において、
積層方向の一方の端に配置された前記伝熱プレート（３１Ａ〜３１Ｄ）に、前記冷却水流入口（３４）及び前記冷却水流出口（３５）と前記冷媒流入口（３６）及び前記冷媒流出口（３７）との双方の組を設け、
積層方向の一方の端に配置された前記伝熱プレート（３１Ａ〜３１Ｄ）の内側には、前記冷媒流出口（３７）に冷媒を戻す冷媒戻り通路（４０）を形成したことを特徴とする熱交換器（３Ａ）。
請求項１記載の熱交換器（３Ａ）であって、
積層方向の一方の端に配置された前記伝熱プレート（３１Ａ）には、前記冷媒流出口（３７）にまで延びる通路用突部（４１）が設けられ、前記通路用突部（４１）によって前記冷媒戻り通路（４０）が形成されていることを特徴とする熱交換器（３Ａ）。
請求項２記載の熱交換器（３Ａ）であって、
前記通路用突部（４１）は、複数本であり、前記通路用突部（４１）によって複数本の前記冷媒戻り通路（４０）が形成されていることを特徴とする熱交換器（３Ａ）。
請求項３記載の熱交換器（３Ａ）であって、
前記伝熱プレート（３１Ｃ）には、前記通路用突部（４１）とは別に突部（４２）が設けられていることを特徴とする熱交換器（３Ａ）。
請求項１記載の熱交換器（３Ａ）であって、
積層方向の一方の端に配置された前記伝熱プレート（３１Ｄ）の内部には、全面積の半分以上のスペースに前記冷媒戻り通路（４０）を形成することを特徴とする熱交換器（３Ａ）。