JP3702500B2

JP3702500B2 - 積層型熱交換器

Info

Publication number: JP3702500B2
Application number: JP22090295A
Authority: JP
Inventors: 吉治梶川; 敏夫大原; 栄一鳥越; 泰一相川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-08-29
Filing date: 1995-08-29
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2015-08-29
Also published as: US5778974A; JPH0961014A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は積層型熱交換器に関し、特には積層型冷媒蒸発器に用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
積層型熱交換器の従来技術として、特開平６−１９４００１号公報に開示されたものがある。この公報に開示された熱交換器は、一対のプレートを接合してなるチューブエレメントと、放熱効果を促進するためのフィンとを交互に積層することによってその熱交換部を形成し、さらに、この熱交換部に３つのタンク部を形成している。
【０００３】
このように、タンク部を３つにすることによって、冷媒出入口配管の取出口を熱交換器の同一側面に設けることができ、配管取付を簡素化できるという長所がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術のようにタンク部が３つ設けられた熱交換器は、タンク部が２つ設けられた熱交換器に比べて、各タンク部の径が相対的に小さくなる。その結果、各タンク部の冷媒流路面積が小さくなり、各タンク部での冷媒流動抵抗が大きくなって、上記熱交換部での冷媒圧損が大きくなる。このことは、この熱交換器を蒸発器として用いた場合は、この蒸発器での冷房能力が落ちるということである。
【０００５】
しかも上記従来技術は、図１２に示すように、各チューブエレメント１１０のタンク部に、内側に折れ曲がった折れ曲がり部２１０を形成し、この折れ曲がり部２１０を、隣り合うチューブエレメント１１０のタンク部２０１〜２０３とのろう付けしろとしている。従って、この内側に折れ曲がった折れ曲がり部２１０のために、各タンク部２０１〜２０３内での冷媒流動抵抗がさらに大きくなってしまう。
【０００６】
実際に本発明者等が、（１）図１２のように、３つのタンク部２０１〜２０３が設けられ、かつ各タンク部２０１〜２０３内に内側に折れ曲がった折れ曲がり部２１０が形成されたものと、（２）図１３のように、２つのタンク部３０１、３０２が設けられ、かつ各タンク部３０１、３０２内に内側に折れ曲がった折れ曲がり部３１０が形成されたものとについて、タンク部内を流れる冷媒流量とこれらタンク部内での冷媒流動抵抗との関係について実験した。
【０００７】
その結果、図１２のものについては、図１４の一点鎖線に示すデータが得られ、図１３のものについては、図１４の破線に示すデータが得られた。ここで、図１２のタンク部の径Ｄは１５（ｍｍ）、図１３のタンク部の径Ｄは２５（ｍｍ）である。このように、図１２のものでは、図１３のものに比べてタンク部の径Ｄが小さいため、図１２のタンク部内での冷媒流動抵抗は、図１３の冷媒流動抵抗より大幅に増大した。
【０００８】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、３つのタンク部を有する積層型熱交換器において、タンク部を流れる冷媒の流動抵抗を極力小さくすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１〜３記載の発明では、隣り合うチューブエレメントの第１〜第３タンク部とのろう付けしろとして、各チューブエレメントの第１〜第３タンク部のそれぞれに形成された第１〜第３折れ曲がり部のうち、第１折れ曲がり部がタンク部内側に折れ曲がっており、第２折れ曲がり部および第３折れ曲がり部がタンク部外側に折れ曲がっていることを特徴としている。
【００１０】
このようにすることによって、上記第２および第３タンク部については、これらのタンク部内に、内側に折れ曲がった折れ曲がり部（図１２でいう折れ曲がり部２１０）が形成されないことになり、その分、図１２に示す従来例に比べてタンク部の冷媒流路面積が大きくなる。その結果、このタンク部内を流れる冷媒の流動抵抗が小さくなる。
【００１１】
従って、外部媒体との熱交換に寄与するチューブに連通する第２および第３タンク部内での冷媒流動抵抗を、図１２に示す従来例に比べて小さくできる。特に、第１〜第３タンク部は、並んで形成されており、チューブエレメントを構成する一対のプレートのうちの他方のプレートに形成された上記第１折れ曲がり部にのみ、各チューブエレメントの位置決めをするためのフランジ部を形成したことを特徴としている。
【００１２】
ところで、上記フランジ部は、プレス加工の加工工数の面から、上記折れ曲がり部がタンク部外側に折れ曲がっている場合に比べて、タンク部内側に折れ曲がっている場合の方が形成し易い。従って、上記第１折れ曲がり部に上記フランジ部を容易に形成できる。そして、このフランジ部によって、各チューブエレメントの位置決めを容易に行うことができる。
【００１３】
また、請求項２記載の発明では、請求項１記載の積層型熱交換器において、第１タンク部を、熱交換器外部から冷媒を流入するとともに、この流入した冷媒を、チューブを介さずに、直接第２タンク部に流すように構成したことを特徴としている。
【００１４】
これによると、上記タンク部内側に折れ曲がった第１折れ曲がり部によって、この第１タンク部内の冷媒流動抵抗が大きくなるが、この第１タンク内の冷媒は、熱交換に寄与するチューブを介さずに直接第２タンク部に流れる、すなわち、この第１タンク部内の冷媒は熱交換に寄与しないので、この第１タンク部内での冷媒流動抵抗が大きくなっても、熱交換器による熱交換性能には悪影響はない。
【００１５】
また、請求項３記載の発明のように、上記積層型熱交換器を冷凍サイクルの冷媒蒸発器として用いた場合は、上記のようにタンク部内での冷媒流動抵抗を、図１２に示す従来例に比べて小さくできることによって、この蒸発器での冷房能力を向上することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を自動車用空調装置としての積層型冷媒蒸発器に適用した一実施の形態について、図１〜７に基づいて説明する。まず初めに本実施の形態の冷凍サイクルおよび通風系について図１を用いて説明する。
【００１７】
図１に示すように、冷凍サイクル１は、冷媒を吸入、圧縮、吐出する圧縮機２と、圧縮機２からの冷媒を、外部の空気との熱交換によって凝縮させる凝縮器３と、冷凍サイクル１の負荷に応じて余分な冷媒を一時的に蓄える受液器４と、受液器４からの冷媒を減圧膨張する膨張弁（減圧手段）５と、膨張弁５からの気液２相冷媒を、空調ダクト１０内の空気との熱交換によって蒸発させる冷媒蒸発器６とからなる。
【００１８】
このうち圧縮機２は、電磁クラッチ７およびベルト８を介して自動車エンジン９と連結されており、電磁クラッチ７が通電状態のときに自動車エンジン９の回転動力が伝達され、電磁クラッチが非通電状態のときにエンジン９の回転動力が遮断される。また、上記蒸発器６は、車室内と連通した空調ダクト１０（空気通路）内に配設されている。この空調ダクト１０の空気上流側には、車室内気を吸入する内気吸入口１１と外気を吸入する外気吸入口１２とが形成されており、これら吸入口１１、１２は内外気切換手段１３によって選択的に開閉される。そしてその下流側には、内気または外気を吸入して車室内側に送風する送風手段１４が設けられている。
【００１９】
また、空調ダクト１０内のうち蒸発器６の空気下流側には、エンジン９の冷却水を熱源として空気を加熱する加熱手段１５が設けられている。また、空調ダクト１０の下流端には、車両窓ガラスの内面に向けて空気を吹き出すデフロスタ吹出口１６、車室内乗員の上半身に向けて空気を吹き出すフェイス吹出口１７、および車室内乗員の足元に向けて空気を吹き出すフット吹出口１８が形成されている。そして、これらの吹出口は吹出口切換手段１９によって選択的に開閉される。
【００２０】
そして、電磁クラッチ７が通電状態となって圧縮機２が駆動すると、蒸発器６内を流れる気液２相冷媒が、空調ダクト１０内の空気から吸熱して蒸発し、これによって空調ダクト１０内の空気を冷却する。そして、蒸発器６を通過した冷風が、エアミックスドア（温度調節手段）２０によって温度調節された後、上記吹出口１６〜１８のいずれかから車室内に吹き出される。
【００２１】
次に、上記蒸発器６の構成について図２、３を用いて説明する。なお、図２は蒸発器６のタンク部の横断面図、図３は図２のＡ−Ａ矢視断面図である。蒸発器６は、アルミニウムよりなる一対のプレート１００を接合してなるチューブエレメント１１０と、同じくアルミニウムよりなる、放熱効果を促進するための波状のコルゲートフィン１２０とが、図２、３の左右方向に交互に複数積層されることによって熱交換部が構成され、この熱交換部の上記積層方向両端に、アルミニウムよりなるエンドプレート１３１、１３２が設けられた構成となっている。
【００２２】
このうち、上記プレート１００には、プレス成形によってＵ字状をなす通路形成用くぼみ部１００ａが形成されている。また、この通路形成用くぼみ部１００ａの一端側（図３の上方側）には、プレート１００の面に対して垂直方向に突出した円筒状の第１〜第３突出部１０１〜１０３が、それぞれ並んで形成されている。
【００２３】
ここで、図２の一部拡大図である図４を用いて、上記第１〜第３突出部１０１〜１０３の先端形状を説明する。まず、一方のプレート１００の第１突出部１０１の先端には、第１タンク部１４１内側に折れ曲がった第１折れ曲がり部１０１ａが全周にわたって形成されている。
【００２４】
また、他方のプレート１００の第１突出部１０１の先端には、上記内側に折れ曲がった第１折れ曲がり部１０１ａが全周にわたって形成されるとともに、この第１折れ曲がり部１０１ａの先端にはさらに、第１突出部１０１の突出方向と同方向に突出したフランジ部１０１ｂが全周にわたって形成されている。また、第２突出部１０２の先端には、第２タンク部１４２外側に折れ曲がった第２折れ曲がり部１０２ａが全周にわたって形成されている。また、第３突出部１０３の先端には、第３タンク部１４３外側に折れ曲がった第３折れ曲がり部１０３ａが全周にわたって形成されている。
【００２５】
そして、図２、３に示す蒸発器６においては、隣合うチューブエレメント１１０の第１突出部１０１どうし、第２突出部１０２どうし、および第３突出部１０３どうしが互いに接続している。なお、図４に示すように、第１突出部１０１のフランジ部１０１ｂが、相手側のチューブエレメント１１０の第１折れ曲がり部１０１ａと嵌合しており、これによって各チューブエレメント１１０の位置決めがなされている。
【００２６】
その結果、積層された各第１突出部１０１、第２突出部１０２、および第３突出部１０３によって、上記積層方向に伸びる略円筒状の第１タンク部１４１、第２タンク部１４２、第３タンク部１４３が形成される。また、チューブエレメント１１０のうち、互いの通路形成用くぼみ部１００ａが対向してできる空間にてチューブ１００ｂが形成される。なお、上記第２、第３タンク部１４２、１４３の径（図中Ｄで示す幅）は、１５（ｍｍ）である。
【００２７】
また、上記エンドプレート１３１には、第１タンク部１４１および第２タンク部１４２に対応した位置にそれぞれ開口部が形成されているとともに、これらの開口部間を連通してＵターン通路を形成するためのＵターンプレート１５０が設けられている。また、上記エンドプレート１３２には、第１タンク部１４１および第３タンク部１４３に対応した位置にそれぞれ開口部が形成されている。
【００２８】
次に、上記第１〜第３突出部１０１〜１０３およびこれらの先端部分の成形方法について説明する。まず、上記一方のプレート１００の第１突出部１０１については、このプレート１００の一部を深絞り加工し、その加工度を順々に上げていくことによって、図５（ａ）に示すように、この一部になべ底を作る。そして、このなべ底に、このなべ底の径よりもやや小さな径の孔を、打ち抜きによって形成することによって、図５（ｂ）に示すような第１折れ曲がり部１０１ａを成形する。
【００２９】
また、上記他方のプレート１００の第１突出部１０１については、上記と同様の方法で、このプレート１００の一部に図５（ａ）に示すようななべ底を作る。そして、このなべ底に、図５（ｂ）の孔よりもさらに径の小さい孔を打ち抜きによって形成し（図５（ｃ））、その後、バーリング加工によって、図５（ｄ）に示すような第１折れ曲がり部１０１ａおよびフランジ部１０１ｂを成形する。
【００３０】
また、第２突出部１０２および第３突出部１０３については、上記第１突出部１０１の場合と同様の方法で、プレート１００の一部に図６（ａ）に示すようななべ底を作る。そして、この底部分を打ち抜くことによって、図６（ｂ）に示すような第２突出部１０２および第３突出部１０３を成形する。そして、この突出部１０２、１０３の先端部に、図６（ｃ）に示すようにテーパ状の部材１７０を当てて図中矢印方向にプレスすることによって、図６（ｄ）示すように、各突出部１０２、１０３の先端に第２折れ曲がり部１０２ａおよび第３折れ曲がり部１０３ａを成形する。
【００３１】
次に、蒸発器６内での冷媒流れについて説明する。まず、図２の破線矢印で示すように、膨張弁５（図１）からの冷媒が第１タンク部１４１内に流入すると、この冷媒は第１タンク部１４１内を一番奥まで流れる。そして、Ｕターンプレート１５０によって形成されたＵターン通路を介して第２タンク部１４２内に流入する。
【００３２】
ここで、第２タンク部１４２内および第３タンク部１４３内には、それぞれ仕切り部材１４２ａ、１４３ａが設けられているので、この仕切り部材１４２ａ、１４３ａに対応して、第２タンク部１４２→チューブ１００ｂ→第３タンク部１４３→チューブ１００ｂ→第２タンク部１４２→チューブ１００ｂ→第３タンク部１４３というように蛇行して流れ、最後はこの第３タンク部１４３の出口から流出して圧縮機２（図１）に吸入される。
【００３３】
以上説明した本実施の形態によると、第１タンク部１４１には、図１２に示す従来例と同じように、隣り合うチューブエレメント１１０の第１タンク部１４１とのろう付けしろとなる折れ曲がり部１０１ａを、タンク部内側に折り曲げて形成しているが、第２および第３タンク部１４２、１４３には、折れ曲がり部１０２ａ、１０３ａをタンク部外側に折り曲げて形成しているため、この第２および第３タンク部１４２、１４３の冷媒流路面積は、図１２のタンク部２０２、２０３の冷媒流路面積よりも大きくなる。従って、この第２および第３タンク部１４２、１４３での冷媒流動抵抗を小さくすることができる。
【００３４】
実際に本発明者らが、本実施の形態における蒸発器６を用いて、タンク部１４２、１４３内での冷媒流量を変えながら、これらタンク部１４２、１４３内での冷媒流動抵抗を計測したところ、図７の実線で示すデータが得られた。なお、図７中一点鎖線と破線で示すデータは、それぞれ図１４と同じであり、一点鎖線は図１２のもの、破線は図１３のものを示している。
【００３５】
この図７のデータからも分かるように、本実施の形態では、タンク部が３つあるにもかかわらず、第２、第３タンク部１４２、１４３内に、図１２でいうところの内側に折れ曲がった折れ曲がり部２１０が形成されていないため、タンク部１４２、１４３内での冷媒流動抵抗を、図１３に示すものの冷媒流動抵抗とほぼ同レベルにすることができる。
【００３６】
また、蒸発器６を成形する段階で、チューブエレメント１１０を複数積層するにあたって、これら各チューブエレメント１１０の位置決めをするためには、いずれかのタンク部にフランジ部１０１ｂ（図４）を設けることが必要となる。しかし、このフランジ部１０１ｂは、プレス加工の加工工数の面から、タンク外側に折れ曲がった折れ曲がり部１０２ａ、１０３ａに形成することは困難である。
【００３７】
従って、上記フランジ部１０１ｂを形成するために、上記３つのタンク部１４１〜１４３のうちの少なくとも１つに、タンク内側に折れ曲がる折れ曲がり部を形成しなければならない。すなわち、上記３つのタンク部１４１〜１４３のうちの少なくとも１つは、この内側に折れ曲がる折れ曲がり部による冷媒圧力損失が避けられない。
【００３８】
そこで本実施の形態では、上記内側に折れ曲がる折れ曲がり部を形成しなければならないタンク部を、チューブ１００ｂへの冷媒流通のない第１タンク部１４１とした。この第１タンク部１４１は、熱交換部における熱交換とは関係のないタンク部であるので、この第１タンク部１４１内では冷媒圧損があっても、熱交換部では上記折れ曲がり部による冷媒圧損が無いようにすることができる。
【００３９】
（変形例）
以下、本発明の第１〜第４変形例を図８〜１１を用いて説明する。なお、図８〜１１はそれぞれ、各変形例における図２相当図である。また、各変形例における第１〜第３突出部１０１〜１０３の先端形状は、上記実施の形態と同じである。
【００４０】
図８に示す第１変形例のように、第１実施の形態で設けられていたＵターンプレート１５０およびエンドプレート１３１の開口部を無くしても良い。この場合、一番奥のプレート１００の第１突出部１０１と第２突出部１０２との間に、これらを連通する連通通路１６０を形成し、この連通通路１６０にて第１タンク部１０１からの冷媒を第２タンク部１０２内にＵターンさせれば良い。
【００４１】
また、図９に示す第２変形例のように、上記連通通路１６０を、仕切り部材１４２ａ側に設けても良い。また、図１０に示す第３変形例のように、上記連通通路１６０を複数設けても良い。また、図１１に示す第４変形例のように、第１タンク部１０１の積層方向両端をエンドプレート１３１、１３２にて閉塞し、この第１タンク部１０１内には冷媒を流さないようにし、第２タンク部１０２と第３タンク部１０３のみで冷媒を流すようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明一実施の形態における冷凍サイクルおよび通風系を示す概略構成図である。
【図２】上記実施の形態における蒸発器６のタンク部の横断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図４】図２の一部拡大図である。
【図５】上記実施の形態における第１折れ曲がり部１０１ａおよびフランジ部１０１ｂの成形過程を示す図である。
【図６】上記実施の形態における第２折れ曲がり部１０２ａおよび第３折れ曲がり部１０３ａの成形過程を示す図である。
【図７】上記実施の形態と図１２、図１３のものとについての、冷媒流量と冷媒流動抵抗との関係についての実験データである。
【図８】本発明第１変形例における図２相当図である。
【図９】本発明第２変形例における図２相当図である。
【図１０】本発明第３変形例における図２相当図である。
【図１１】本発明第４変形例における図２相当図である。
【図１２】従来の積層型熱交換器のタンク部の一部を示す断面図である。
【図１３】従来の積層型熱交換器のタンク部の一部を示す断面図である。
【図１４】図１２のものと図１３のものとについての、冷媒流量と冷媒流動抵抗との関係についての実験データである。
【符号の説明】
１…冷凍サイクル、６…蒸発器、１００…プレート、１００ｂ…チューブ、
１０１…第１突起部、１０１ａ…第１折れ曲がり部、１０１ｂ…フランジ部、
１０２…第２突起部、１０２ａ…第２折れ曲がり部、１０３…第３突起部、
１０３ａ…第３折れ曲がり部、１１０…チューブエレメント、
１２０…コルゲートフィン、１４１…第１タンク部、１４２…第２タンク部、
１４３…第３タンク部。

Claims

第１〜第３タンク部（１４１〜１４３）、および前記第２タンク部（１４２）と前記第３タンク部（１４３）との間を連通するチューブ（１００ｂ）がそれぞれ形成されたチューブエレメント（１１０）を複数備え、
前記第１〜第３タンク部（１４１〜１４３）のそれぞれには、隣り合う前記チューブエレメント（１１０）の前記第１〜第３タンク部（１４１〜１４３）とのろう付けしろとなる第１〜第３折れ曲がり部（１０１ａ〜１０３ａ）が形成されており、
前記複数のチューブエレメント（１１０）を積層し、かつ隣り合う前記チューブエレメント（１１０）の前記第１〜第３折れ曲がり部（１０１ａ〜１０３ａ）どうしを互いにろう付けすることによって成形された積層型熱交換器において、
前記第１タンク部（１４１）に形成された前記第１折れ曲がり部（１０１ａ）が、タンク部内側に折れ曲がっており、
前記第２タンク部（１４２）に形成された前記第２折れ曲がり部（１０２ａ）、および前記第３タンク部（１４３）に形成された前記第３折れ曲がり部（１０３ａ）が、タンク部外側に折れ曲がっており、
前記第１〜第３タンク部（１４１〜１４３）は、並んで形成されており、
前記チューブエレメント（１１０）を構成する一対のプレート（１００）のうちの他方のプレート（１００）に形成された前記第１折れ曲がり部（１０１ａ）にのみ、各チューブエレメント（１１０）の位置決めをするためのフランジ部（１０１ｂ）が形成されていることを特徴とする積層型熱交換器。
前記第１タンク部（１４１）は、熱交換器外部から冷媒を流入するとともに、この流入した冷媒を、前記チューブ（１００ｂ）を介さずに、直接前記第２タンク部（１４２）に流すように構成されたことを特徴とする請求項１記載の積層型熱交換器。
請求項１ないし２のいずれか１つに記載の積層型熱交換器が、冷凍サイクル（１）の冷媒蒸発器（６）であることを特徴とする積層型冷媒蒸発器。