JP3702500B2 - 積層型熱交換器 - Google Patents
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Description
【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 (3)
- 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。
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