JP2023003759A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で耐圧性能の高いターンブロックを備える熱交換器を提供する。【解決手段】液相と気相との相変化を生じる冷媒と空気との間で熱交換を行う熱交換器１００は、対向して一対設けられるヘッダタンク２と、ヘッダタンク２どうしを接続し内部を流通する冷媒と周囲を流れる空気との間で熱交換を行う複数のチューブ１と、を有し、空気の流れ方向に複数重ねて設けられるコア部１０と、単一の部材によって形成され、一つのコア部１０のヘッダタンク２の端部と当該ヘッダタンク２と空気の流れ方向に重なる他のコア部１０のヘッダタンク２の端部との間を接続し、連続して冷媒を流通させるターンブロック３０と、を備え、ターンブロック３０は、各々のヘッダタンク２との各々の接続部３０ａから内部に向けて斜めの直線状に形成される内部通路３２の先端どうしが連通してＶ字状になるＶ字通路３１を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器に関する。

特許文献１には、上下のタンク間に冷媒が流れるチューブが設けられる熱交換ユニットが、風流れ方向に前後２層に設けられる熱交換器が開示されている。この熱交換器は、一端部から供給される冷媒が同じ端部から排出される構造である。この熱交換器の他端部には、前後２層のタンク間で冷媒を流通させる連通部形成部材（ターンブロック）が設けられる。

特開２０１２－１７７５４６号公報

ところで、冷媒が流通する熱交換器においては、内部で冷媒が液相と気相との相変化を生じて高圧となる。そのため、熱交換器全体で内部圧に対する高い耐圧性能が要求される。

また、熱交換器が車両内に配置される場合には、小型化が要求される一方で、配置空間の限られたスペース内で熱交換効率を上げるために、熱交換部の有効面積をできるだけ大きく確保する必要がある。タンク間で冷媒を流通させるターンブロックは、熱交換に直接寄与しないため、冷媒の流通における圧損を小さくすると共に、必要な耐圧性能を確保した上で、できるだけ小型であることが望ましい。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、冷媒の流通における圧損が小さく、小型で耐圧性能の高いターンブロックを備える熱交換器を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、液相と気相との相変化を生じる冷媒と空気との間で熱交換を行う熱交換器は、対向して一対設けられるヘッダタンクと、前記ヘッダタンクどうしを接続し内部を流通する冷媒と周囲を流れる空気との間で熱交換を行う複数のチューブと、を有し、空気の流れ方向に複数重ねて設けられるコア部と、単一の部材によって形成され、一つの前記コア部の前記ヘッダタンクの端部と当該ヘッダタンクと空気の流れ方向に重なる他の前記コア部の前記ヘッダタンクの端部との間を接続し、連続して冷媒を流通させるターンブロックと、を備え、前記ターンブロックは、各々の前記ヘッダタンクとの各々の接続部から内部に向けて斜めの直線状に形成される内部通路の先端どうしが連通してＶ字状になるＶ字通路を有する。

上記態様では、各々のヘッダタンクとの接続部から内部に向けて斜めの直線状に形成される内部通路の先端どうしが連通してＶ字通路を形成する。そのため、冷媒の流通に必要な通路面積を確保し、冷媒の流通における圧損を小さくすることができる。また、ターンブロックは単一の部材によって形成されるので、ターンブロックを小型にすることができ、耐圧性能を高くすることができる。したがって、冷媒の流通における圧損が小さく、小型で耐圧性能の高いターンブロックを備える熱交換器を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る熱交換器の分解斜視図である。 図２は、ターンブロックの斜視図である。 図３は、図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。 図４は、ヘッダタンクの中心線に対する内部通路の角度について説明するグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る熱交換器１００について説明する。

まず、図１を参照して、熱交換器１００の全体構成について説明する。図１は、熱交換器１００の分解斜視図である。

熱交換器１００は、車両（図示省略）に搭載される。熱交換器１００は、空調装置（図示省略）において冷凍サイクル（図示省略）を循環して液相と気相との相変化を生じる冷媒と、空調に用いられる空気との間で熱交換を行う。

具体的には、熱交換器１００は、空調に用いられる空気が通過するＨＶＡＣ（Ｈｅａｔｉｎｇ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）ユニット（図示省略）内に設けられる。熱交換器１００は、空調装置が暖房運転を行う際に、空調に用いられる空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮させて空気を加熱する凝縮器である。これに限らず、熱交換器１００は、空調装置が冷房運転を行う際に、空調に用いられる空気との間での熱交換を行い、冷媒を蒸発させて空気を冷却及び除湿する蒸発器であってもよい。

熱交換器１００は、複数のコア部１０と、ターンブロック３０と、補強部材２０と、を有する。コア部１０は、複数のチューブ１と、一対のヘッダタンク２と、複数のフィン（図示省略）と、を備える。チューブ１，ヘッダタンク２，及びフィンは、アルミニウムなどの金属によって形成され、ろう付け等によって互いに接合されて一体になる。

熱交換器１００は、配管５０によって冷凍サイクルの他の構成部品と冷媒が循環可能なように接続される。配管５０は、中継部材５１とシールリング５２とを介してヘッダタンク２に接続される。配管５０は、一方のコア部１０のヘッダタンク２と、当該ヘッダタンク２と隣接する他方のコア部１０のヘッダタンク２と、に各々接続される。熱交換器１００に供給される冷媒は、一方の配管５０ａを通じて一方のコア部１０に流入し、他方のコア部１０から他方の配管５０ｂを通じて流出する。

コア部１０は、各々のチューブ１の間を空気が通過するように、空気の流れ方向に対して交差するように設けられる。複数のコア部１０は、連続して空気が通過するように、空気の流れ方向に重ねて設けられる。コア部１０は、熱交換器１００では二つ並べて設けられ前後２層になっているが、二つに限らず複数設けられればよい。

チューブ１は、平行に並べて設けられ、間隔を空けて積層される。チューブ１は、扁平な形状に形成され、厚さ方向に積層される。隣り合うチューブ１どうしの間隔には、フィンが設けられる。チューブ１は、空気の流れ方向に対して交差する方向に積層される。チューブ１内には、冷媒が流通する流路が形成される。チューブ１は、各々のコア部１０にてヘッダタンク２どうしを接続し、内部を流通する冷媒と周囲を流れる空気との間で熱交換を行う。

ヘッダタンク２は、各々のコア部１０にて対向するように一対ずつ設けられる。ヘッダタンク２は、複数のチューブ１の長手方向の両端部が各々挿入されるように配置される。ヘッダタンク２は、冷媒を一時的に貯蔵する。ヘッダタンク２は、中継部材５１若しくはターンブロック３０が設けられない端部を閉塞する閉塞部材２ａを有する。

コア部１０における一方のヘッダタンク２には、冷凍サイクルを循環して空調に用いられる冷媒が流入する。ヘッダタンク２に流入した冷媒は、複数のチューブ１内をそれぞれ流通する。冷媒は、チューブ１を流通する際に空気との間で熱交換を行う。コア部１０における他方のヘッダタンク２には、チューブ１内を流通した冷媒が流れ込む。ヘッダタンク２に流れ込んだ冷媒は、再び冷凍サイクルを循環する。

フィンは、隣り合うチューブ１の間に設けられ、チューブ１と交互に積層される。フィンは、チューブ１の長手方向に沿って波状に形成され、隣接する２つのチューブ１と接合される。複数のチューブ１とフィンの周囲には、空調装置のブロワ（図示省略）によって供給される空気が通過する。そのため、チューブ１の内部を流通する冷媒は、チューブ１の表面とフィンとを介して、空気との間で熱交換を行うことができる。このように、フィンは、冷媒と空気との間の熱交換を促進させる。

補強部材２０は、コア部１０における積層方向の両端部に各々設けられる。補強部材２０は、コア部１０における積層方向の両端部に設けられるフィンに当接する。補強部材２０は、長手方向の端部が各々のヘッダタンク２にそれぞれ係止され、一対のヘッダタンク２の間を連結して補強する。補強部材２０は、チューブ１とフィンとをろう付けしてコア部１０を形成する際に、フィンにろう付けされてコア部１０と一体になる。

ターンブロック３０は、一方のコア部１０のヘッダタンク２の端部と当該ヘッダタンク２と空気の流れ方向に重なる他方のコア部１０のヘッダタンク２の端部との間を接続し、連続して冷媒を流通させる。即ち、ターンブロック３０は、前側のコア部１０から後側のコア部１０に冷媒を移動させる。ターンブロック３０は、チューブ１とフィンとをろう付けしてコア部１０を形成する際に、ヘッダタンク２にろう付けされてコア部１０と一体になる。

一方のコア部１０を流通した冷媒は、ターンブロック３０を通過して方向転換し、他方のコア部１０を流通する。即ち、一方のコア部１０のチューブ１と他方のコア部１０のチューブ１とでは、冷媒の流通方向は反対向きである。

ここで、冷媒が流通する熱交換器１００においては、内部で冷媒が液相と気相との相変化を生じて高圧となる。そのため、熱交換器１００全体で内部圧に対する高い耐圧性能が要求される。また、ターンブロック３０は、コア部１０の外側に突出する。そのため、ＨＶＡＣユニット内にターンブロック３０を収容すると、その分だけコア部１０における有効面積（熱交換に寄与する面積）が小さくなるおそれがある。一方、ＨＶＡＣユニット外にターンブロック３０を配置する場合には、ＨＶＡＣユニットの風路を形成するケースに、ターンブロック３０を突出させるための貫通孔を設ける必要がある。

このように、ターンブロック３０には小型化が要求される一方で、配置空間の限られたスペース内で熱交換効率を上げるために、コア部１０の有効面積をできるだけ大きく確保する必要がある。ヘッダタンク２間で冷媒を流通させるターンブロック３０は、熱交換に直接寄与しないため、冷媒の流通における圧損を小さくすると共に、必要な耐圧性能を確保した上で、できるだけ小型であることが望ましい。そこで、熱交換器１００には、以下の構造のターンブロック３０が適用される。

以下、図２及び図３を参照して、ターンブロック３０の構造について説明する。図２は、ターンブロック３０の斜視図である。図３は、図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。

図２に示すように、ターンブロック３０は、単一の部材によって形成される。具体的には、ターンブロック３０は、アルミニウムなどの金属のブロックを切削して形成される。ターンブロック３０は、一対の接続部３０ａと、Ｖ字状のＶ字通路３１と、を有する。

接続部３０ａは、ターンブロック３０の端部に、深座ぐり形状に切削して形成される。接続部３０ａは、ヘッダタンク２の外形と同じ形状に形成される。各々の接続部３０ａには、ヘッダタンク２の端部が嵌合する。

図３に示すように、Ｖ字通路３１は、一方のコア部１０から流入する冷媒を、他方のコア部１０に向けて流出させるために方向転換させる。Ｖ字通路３１は、一対の内部通路３２を有する。

Ｖ字通路３１における最狭部の有効通路面積は、ヘッダタンク２内の最低通路面積以上である。これにより、ターンブロック３０によって冷媒が流れる際の流路抵抗を増加させることを防止できる。なお、Ｖ字通路３１における最狭部は、内部通路３２どうしが接続される接続部に形成される。

内部通路３２は、各々のヘッダタンク２との各々の接続部３０ａから内部に向けて斜めの直線状に形成される。内部通路３２は、ドリルを用いた切削加工によって形成される。そのため、内部通路３２は、円形の流路断面を有する。一対の内部通路３２は、先端どうしが連通してＶ字状に形成される。よって、Ｖ字通路３１を形成する際には、単一の部材に一対の内部通路３２を切削するだけでよいので、加工を容易にすると共に耐圧性能を向上させることができる。

以上のように、各々のヘッダタンク２との接続部３０ａから内部に向けて斜めの直線状に形成される内部通路３２の先端どうしが連通してＶ字通路３１を形成する。そのため、冷媒の流通に必要な通路面積を確保し、冷媒の流通における圧損を小さくすることができる。また、ターンブロック３０は単一の部材によって形成されるので、ターンブロック３０を小型にすることができ、耐圧性能を高くすることができる。したがって、冷媒の流通における圧損が小さく、小型で耐圧性能の高いターンブロック３０を備える熱交換器１００を提供することができる。

また、ターンブロック３０が複数部品からなる場合は、複数の部品どうしの接合強度の低下に起因する冷媒漏れ等が発生するリスクがあるため、製造工程や検査工程が複雑化するおそれがある。これに対して、熱交換器１００では、ターンブロック３０が単一の部材によって形成されるので、製造工程や検査工程が複雑化することを抑制できる。

次に、図４を参照して、ヘッダタンク２の中心線Ｐに対する内部通路３２の中心線Ｑの角度θについて説明する。図４は、ヘッダタンク２の中心線Ｐに対する内部通路３２の中心線Ｑの角度θについて説明するグラフである。図４の横軸は、ターンブロック３０の幅Ｗ［ｍｍ］であり、縦軸は、ターンブロック３０の長さＬ［ｍｍ］である。

ターンブロック３０は、幅Ｗ及び長さＬが小さいほど小型化が可能である。そのため、幅Ｗも長さＬも小さい方が望ましい。具体的には、ターンブロック３０の大きさは、幅Ｗが４５［ｍｍ］以下であり、長さＬが２０［ｍｍ］以下であることが望ましい。即ち、図４における太実線で囲われた範囲内であることが望ましい。

図４のグラフは、例として、内部通路３２の大きさをφ９．６［ｍｍ］とし、Ｖ字通路３１における最狭部の通路面積をφ９．６［ｍｍ］に相当する７２．４［ｍｍ^２］以上としたときに形成されるＶ字通路３１をプロットしたものである。

プロットＡでは、角度θは１０度である。プロットＢでは、角度θは２０度である。プロットＣでは、角度θは３３度である。プロットＤでは、角度θは４５度である。プロットＥでは、角度θは６０度である。

図４のグラフから、角度θが３３度の場合（プロットＣ）と４５度の場合（プロットＤ）とに、幅Ｗが４５［ｍｍ］以下であり長さＬが２０［ｍｍ］以下であるターンブロック３０にＶ字通路３１を形成可能であることが分かる。よって、ヘッダタンク２の中心線Ｐに対する内部通路３２の中心線Ｑの角度θは、３０度から４５度であることが望ましいことが分かる。なお、角度θの下限は、角度θが３３度のときのターンブロック３０の長さＬから、長さＬが２０［ｍｍ］のときの角度θを推定して３０度とした。

このように、角度θを３０度から４５度とすることで、ターンブロック３０の幅を冷媒が流れる両ヘッダタンク２の幅以上に広げることなく、長さ方向の大きさを小さくすることができる。

なお、ここでは、ターンブロック３０の大きさは、幅Ｗが４５［ｍｍ］以下、長さＬが２０［ｍｍ］以下であり、内部通路３２の大きさをφ９．６［ｍｍ］とし、Ｖ字通路３１における最狭部の通路面積をφ９．６［ｍｍ］に相当する７２．４［ｍｍ^２］以上である場合を例示した。しかしながら、これらの大きさが異なっていても、ターンブロック３０の幅を冷媒が流れる両ヘッダタンク２の幅以上に広げることなく、長さ方向の大きさを小さくするための角度θの範囲は変わらない。

以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

液相と気相との相変化を生じる冷媒と空気との間で熱交換を行う熱交換器１００は、対向して一対設けられるヘッダタンク２と、ヘッダタンク２どうしを接続し内部を流通する冷媒と周囲を流れる空気との間で熱交換を行う複数のチューブ１と、を有し、空気の流れ方向に複数重ねて設けられるコア部１０と、単一の部材によって形成され、一つのコア部１０のヘッダタンク２の端部と当該ヘッダタンク２と空気の流れ方向に重なる他のコア部１０のヘッダタンク２の端部との間を接続し、連続して冷媒を流通させるターンブロック３０と、を備え、ターンブロック３０は、各々のヘッダタンク２との各々の接続部３０ａから内部に向けて斜めの直線状に形成される内部通路３２の先端どうしが連通してＶ字状になるＶ字通路３１を有する。

この構成によれば、各々のヘッダタンク２との接続部３０ａから内部に向けて斜めの直線状に形成される内部通路３２の先端どうしが連通してＶ字通路３１を形成する。そのため、冷媒の流通に必要な通路面積を確保し、冷媒の流通における圧損を小さくすることができる。また、ターンブロック３０は単一の部材によって形成されるので、ターンブロック３０を小型にすることができ、耐圧性能を高くすることができる。したがって、冷媒の流通における圧損が小さく、小型で耐圧性能の高いターンブロック３０を備える熱交換器１００を提供することができる。

ターンブロック３０が複数部品からなる場合は、複数の部品どうしの接合強度の低下に起因する冷媒漏れ等が発生するリスクがあるため、製造工程や検査工程が複雑化するおそれがある。これに対して、熱交換器１００では、ターンブロック３０が単一の部材によって形成されるので、製造工程や検査工程が複雑化することを抑制できる。

また、Ｖ字通路３１における最狭部の有効通路面積は、ヘッダタンク２内の最低通路面積以上である。

この構成によれば、ターンブロック３０によって冷媒が流通する際の流路抵抗を増加させることを防止できる。

また、ヘッダタンク２の中心線Ｐに対する内部通路３２の角度θは、３０度から４５度である。

この構成によれば、ターンブロック３０の幅を冷媒が流れる両ヘッダタンク２の幅以上に広げることなく、長さ方向の大きさを小さくすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１００ 熱交換器
１ チューブ
２ ヘッダタンク
１０ コア部
３０ ターンブロック
３０ａ 接続部
３１ Ｖ字通路
３２ 内部通路

Claims (3)

1. 液相と気相との相変化を生じる冷媒と空気との間で熱交換を行う熱交換器であって、
   対向して一対設けられるヘッダタンクと、前記ヘッダタンクどうしを接続し内部を流通する冷媒と周囲を流れる空気との間で熱交換を行う複数のチューブと、を有し、空気の流れ方向に複数重ねて設けられるコア部と、
   単一の部材によって形成され、一つの前記コア部の前記ヘッダタンクの端部と当該ヘッダタンクと空気の流れ方向に重なる他の前記コア部の前記ヘッダタンクの端部との間を接続し、連続して冷媒を流通させるターンブロックと、
   を備え、
   前記ターンブロックは、各々の前記ヘッダタンクとの各々の接続部から内部に向けて斜めの直線状に形成される内部通路の先端どうしが連通してＶ字状になるＶ字通路を有する、
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
   前記Ｖ字通路における最狭部の有効通路面積は、前記ヘッダタンク内の最低通路面積以上である、
   ことを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載の熱交換器であって、
   前記ヘッダタンクの中心線に対する前記内部通路の角度は、３０度から４５度である、
   ことを特徴とする熱交換器。

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