JPWO2003102486A1 - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

超臨界冷凍サイクルの熱交換器において、チューブ５１０と、複数の中空部５２０ａを有するとともにチューブの端部を挿入するスロット５２１ａが設けられたタンク５２０とを備え、タンクにおける中空部の断面輪郭はそれぞれ、スロットの側に直径相当辺が向けられた略半円形を呈する熱交換器である。タンクは、スロットが設けられたプレート体５２１と、中空部を構成する湾曲が複数設けられたタンク部材５２２とを組み付けてなり、プレート体には、複数の中空部を連通する連通凹部５２１ｂを設けた。更に、プレート体及びタンク部材の間には中空部を仕切る仕切部材５２３を設け、プレート体及びタンク部材の要所には孔部５２１ｃ，５２２ａを設けるとともに、仕切部材には各孔部に挿通される複数の突部５２３ａを設け、突部は孔部に挿通した後にカシメた。

Description

技術分野
本発明は、高圧側の圧力が冷媒の臨界点を超える冷凍サイクルの熱交換器に関する。
背景技術
冷凍サイクルに用いられる放熱器やエバポレータ等の熱交換器としては、冷媒を流通するチューブと、チューブの端部を挿入するスロットが設けられたタンクとを備えたものが知られている。冷媒は、タンクから内部に取り入れられて、チューブに伝わる熱によって熱交換をした後、タンクから外部に排出される。
また、冷凍サイクルの冷媒としては、これまで代替フロンを含めフロン系の冷媒が広く採用されてきた。しかし、近年では地球環境に配慮して、これをＣＯ_２に変更する傾向にある。
ＣＯ_２を冷媒とする冷凍サイクルは、フロン系の冷媒を用いた冷凍サイクルと比較すると、内部の圧力が極めて高く、とりわけ高圧側の圧力は、気温等の使用条件によって、冷媒の臨界点を超えることがある。
臨界点とは、気層と液層が共存する状態の高圧側の限界（つまり高温側の限界）であり、蒸気圧曲線の一方での終点である。臨界点での圧力、温度、密度は、それぞれ臨界圧力、臨界温度、臨界密度となる。特に、冷凍サイクルの高温熱源部である放熱器においては、圧力が冷媒の臨界点を上まわると、冷媒が凝縮することはない。
このような超臨界冷凍サイクルに用いる熱交換器は、例えば、特開平１１−３５１７８３号公報に記載されている。
ところで、冷凍サイクルの熱交換器については、冷媒の熱交換効率の向上、小型化、軽量化、製造の容易化、及び設置スペースの節約等が重要な課題とされる。特に、高圧側の圧力が冷媒の臨界点を超える超臨界冷凍サイクルは、フロン系の冷媒を用いる冷凍サイクルと比較すると、非常に高い耐圧強度が要求される。そして、これに用いる熱交換器については、耐圧性の確保とともに、より一層の合理化が必要とされている。
例えば、超臨界冷凍サイクルの熱交換器は、耐圧性を確保する点で、チューブやタンクの容積を小さくするとともに、それらの肉厚を厚くする必要がある。そのため、それらを構成する部材の加工はやや困難となり、熱交換器の製造現場においては、各構成部材をより効率よく加工する構成が望まれている。
本発明は、こうした事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、超臨界冷凍サイクルに用いるため、上記課題に沿って合理的に構成された熱交換器を提供することである。
発明の開示
本願第１請求項に記載した発明は、高圧側の圧力が冷媒の臨界点を超える冷凍サイクルの熱交換器において、当該熱交換器は、前記冷媒を流通するチューブと、複数の中空部を有するとともに前記チューブの端部を挿入するスロットが設けられたタンクとを備えて、前記チューブに伝わる熱にて前記冷媒の熱交換を行うものであり、前記タンクにおける前記複数の中空部の断面輪郭はそれぞれ、前記スロットの側に直径相当辺が向けられた、略半円形を呈する構成の熱交換器である。本発明における直径相当辺とは、１８０°の円弧又はこれをやや変形してなる線（例えばＵ字曲線等）の、両端点を結ぶ辺である。
本発明によると、合理的に構成された熱交換器が得られる。すなわち、本発明の熱交換器は、タンクの内部を複数の中空部に区画することにより、タンクの耐圧性を向上したものである。
また、タンクの中空部の断面輪郭は、耐圧強度を単に考慮すると、円形が理想であると考えられる。但し実際には、タンクのスロットにはチューブを挿入することから、スロットの近傍においてはチューブによる補強がなされることとなる。ついては、中空部の断面輪郭は、円形よりもむしろ、スロットの側に直径相当辺が向けられた略半円形が望ましい。このような構成は、タンクの容積が比較的小さい超臨界冷凍サイクルの熱交換器には極めて有効である。
このように、本発明は、複数の中空部の断面輪郭がそれぞれ略半円形を呈する構成の熱交換器であり、超臨界冷凍サイクルの熱交換器として、極めて顕著な効果を達成したものである。
本願第２請求項に記載した発明は、請求項１において、前記タンクは、前記スロットが設けられたプレート体と、前記中空部を構成する湾曲が複数設けられたタンク部材とを組み付けてなる構成の熱交換器である。
本発明によると、一層合理的に構成された熱交換器が得られる。すなわち、このようなプレート体及びタンク部材を組み付けることにより、複数の半円形状の中空部を有するタンクを、効率よく作成することが可能となる。
本願第３請求項に記載した発明は、請求項２において、前記プレート体には、前記複数の中空部を連通する連通凹部を設けた構成の熱交換器である。
本発明によると、より一層合理的に構成された熱交換器が得られる。すなわち、仮に、複数の湾曲を設けたタンク部材に連通凹部を設けると、タンク部材の加工が非常に複雑化するという不都合がある。この点、プレート体に連通凹部を設けると、これを比較的容易に加工することが可能となり、前述した不都合が確実に回避される。このように、本発明の熱交換器は、タンクの内部における複数の中空部の連通構造について合理化したものである。
本願第４請求項に記載した発明は、請求項３において、前記連通凹部は、前記スロットの周囲に設けられたザグリ部である構成の熱交換器である。
本発明によると、複数の中空部は、スロットの周囲に設けられた連通凹部たるザグリ部によって連通される。
本願第５請求項に記載した発明は、請求項２乃至４のいずれかにおいて、前記プレート体及び前記タンク部材の間には、前記中空部を仕切る仕切部材を設けた構成の熱交換器である。
本発明によると、タンクにおける中空部は、仕切部材によって所定の間隔に仕切られる。
本願第６請求項に記載した発明は、請求項５において、前記プレート体の要所には孔部を設けるとともに、前記仕切部材には前記プレート体の孔部に挿通される突部を設け、前記突部は、前記孔部に挿通した後にカシメた構成の熱交換器である。
本発明によると、プレート体の孔部に挿通した仕切部材の突部をカシメることにより、プレート体及び仕切部材を堅固に組み付けることが可能となり、製造性がより向上される。
本願第７請求項に記載した発明は、請求項５又は６において、前記タンク部材の要所には孔部を設けるとともに、前記仕切部材には前記タンク部材の孔部に挿通される突部を設け、前記突部は、前記孔部に挿通した後にカシメた構成の熱交換器である。
本発明によると、タンク部材の孔部に挿通した仕切部材の突部をカシメることにより、タンク部材及び仕切部材を堅固に組み付けることが可能となり、製造性がより向上される。
本願第８請求項に記載した発明は、高圧側の圧力が冷媒の臨界点を超える冷凍サイクルの熱交換器において、当該熱交換器は、前記冷媒を流通するチューブと、複数の中空部を有するとともに前記チューブの端部を挿入するスロットが設けられたタンクとを備えて、前記チューブに伝わる熱にて前記冷媒の熱交換を行うものであり、前記タンクは、前記スロットが設けられたプレート体と、前記中空部を構成する湾曲が複数設けられたタンク部材とを組み付けてなり、前記プレート体には、前記複数の中空部を連通する連通凹部を設けた構成の熱交換器である。
本発明によると、合理的に構成された熱交換器が得られる。すなわち、仮に、複数の湾曲を設けたタンク部材に連通凹部を設けると、タンク部材の加工が非常に複雑化するという不都合がある。この点、プレート体に連通凹部を設けることによれば、これを比較的容易に加工することが可能となり、そのような不都合が確実に回避される。このように、本発明の熱交換器は、タンクの内部における複数の中空部の連通構造について合理化したものである。
本願第９請求項に記載した発明は、請求項８において、前記連通凹部は、前記スロットの周囲に設けられたザグリ部である構成の熱交換器である。
本発明によると、複数の中空部は、スロットの周囲に設けられた連通凹部たるザグリ部によって連通される。
本願第１０請求項に記載した発明は、高圧側の圧力が冷媒の臨界点を超える冷凍サイクルの熱交換器において、当該熱交換器は、前記冷媒を流通するチューブと、複数の中空部を有するとともに前記チューブの端部を挿入するスロットが設けられたタンクとを備えて、前記チューブに伝わる熱にて前記冷媒の熱交換を行うものであり、前記タンクは、前記スロットが設けられたプレート体と、前記中空部を構成する湾曲が複数設けられたタンク部材とを組み付けてなり、前記プレート体及び前記タンク部材の間には、前記中空部を仕切る仕切部材を設け、前記プレート体及び前記タンク部材の要所にはそれぞれ孔部を設けるとともに、前記仕切部材には前記プレート体及び前記タンク部材の孔部にそれぞれ挿通される複数の突部を設け、前記突部は、前記孔部に挿通した後にカシメた構成の熱交換器である。
本発明によると、合理的に構成された熱交換器が得られる。すなわち、タンクにおける中空部は、仕切部材によって所定の間隔に仕切られる。そして、プレート体の孔部に挿通した仕切部材の突部と、タンク部材の孔部に挿通した仕切部材の突部とをカシメることにより、プレート体、タンク部材、及び仕切部材を堅固に組み付けることが可能となる。これにより、製造性がより向上される。
発明を実施するための最良の形態
以下に、本発明の具体例を図面に基いて詳細に説明する。図１に示す冷凍サイクル１は、自動車に搭載される車内空調用の冷凍サイクルである。この冷凍サイクル１は、冷媒を圧縮するコンプレッサ２００と、コンプレッサ２００で圧縮された冷媒を冷却する放熱器３００と、放熱器３００で冷却された冷媒を減圧して膨張する膨張弁４００と、膨張弁４００で減圧された冷媒を蒸発するエバポレータ５００と、エバポレータ５００から流出する冷媒を気層と液層に分離して気層の冷媒をコンプレッサ２００へ送るアキュムレータ６００と、高圧側の冷媒と低圧側の冷媒とを熱交換することによってサイクルの効率を向上する内部熱交換器７００とを備えたものである。冷媒としてはＣＯ_２を用いており、超臨界冷凍サイクルを形成している。この超臨界の冷凍サイクル１の高圧側の圧力は、気温等の使用条件により、冷媒の臨界点を上まわる。
更に、図２乃至図５に示すように、この明細書では、熱交換器はエバポレータを例にとって説明している。
この例のエバポレータ５００は、冷媒を流通する複数の偏平状のチューブ５１０と、複数の中空部５２０ａを有し且つ各チューブ５１０の端部をそれぞれ挿入する複数のスロット５２１ａが設けられた、一対のタンク５２０とを備え、チューブ５１０に伝わる熱にて冷媒の熱交換を行うものである。複数のチューブ５１０は、ルーバーが形成された波型のフィン５３０を介して積層されている。
また、タンク５２０の要所には冷媒の入口部５４０及び出口部５５０が設けられている。
そして、チューブ５１０及びフィン５３０に対しては、図示を省略したファンによって通風がなされ、入口部５４０から流入した冷媒は、チューブ５１０及びフィン５３０に伝わる熱にて熱交換をしつつ、チューブ５１０を流通した後に、出口部５５０から排出される。
このエバポレータ５００は、チューブ５１０、タンク５２０、フィン５３０、入口部５４０、及び出口部５５０を構成するアルミ合金製の各部材を一体に組み付けた後、その組み付け体を炉中にてろう付けして製造している。
本例のタンク５２０は、所定の間隔で複数のスロット５２１ａが設けられたプレート体５２１と、中空部５２０ａを構成する半筒状の湾曲が複数列設されたタンク部材５２２と、中空部５２０ａを所定の長さに仕切る仕切部材５２３とを組み付けて構成されている。
プレート体５２１は、タンク部材５２２に対して各湾曲の開口側を覆うように合致し、複数の中空部５２０ａの断面輪郭はそれぞれ、スロット５２１ａの側に直径相当辺が向けられた略半円形を呈するものとなる。また仕切部材５２３は、プレート体５２１及びタンク部材５２２の間に設けられている。
更に、プレート体５２１における各スロット５２１ａの周囲には、それぞれザグリ部５２１ｂを設けている。このザグリ部５２１ｂは、複数の中空部５２０ａを連通する連通凹部である。
つまり、入口部５４０及び出口部５５０は、それぞれ中空部５２０ａのうちの一つと連通されており、複数の中空部５２０ａは、ザグリ部５２１ｂが形成するプレート体５２１とタンク部材５２２との隙間によって互いに連通されている。
そして冷媒は、上部のタンク５２０からほぼ半数のチューブ５１０を流通して下部のタンク５２０にもたらされ、更に残りのチューブ５１０を流通して上部のタンク５２０にもたらされる。
図６乃至図７に示すように、本例においては、プレート体５２１及びタンク部材５２２の要所にはそれぞれ孔部５２１ｃ，５２２ａを設けるとともに、仕切部材５２３にはプレート体５２１の孔部５２１ｃ及びタンク部材５２２の孔部５２２ａにそれぞれ挿通される複数の突部５２３ａを設けている。孔部５２１ｃ，５２２ａは、プレス加工又は切削加工により設けられている。仕切部材５２３の各突部５２３ａは、プレート体５２１及びタンク部材５２２の孔部５２１ｃ，５２２ａにそれぞれ挿通した後にジグを用いてカシメられている。
このような構成よると、プレート体５２１、タンク部材５２２、及び仕切部材５２３は正確且つ堅固に組み付けることができる。
一方、図８に示すように、本例のチューブ５１０は、複数の流路５１１が形成された押出し部材である。チューブ５１０の端部には、タンク５２０のプレート体５２１に突き当てられる段部５１２が設けられている。スロット５２１ａに対するチューブ５１０の端部の挿入量は、段部５１２によって規制され、チューブ５１０とタンク部材５２２との間には、所定の間隔が設定される。
尚、同図に示す段部５１２は、押出し部材を所定の長さに切断した後に加工を施してなるものである。但し、こうした段部５１２は、押出し部材の切断とともに形成するように構成することも可能である。
図９及び図１０に示すように、タンク５２０のプレート体５２１は、所定の厚さの素材に対し、スロット５２１ａ及びザグリ部５２１ｂをプレス加工又は切削加工して作成される。
或いは図１１に示すように、スロット５２１ａをプレス加工した素材と、ザグリ部５２１ｂをプレス加工した素材とを重ね合わせて作成するように構成してもよい。この場合、各素材は前述したろう付けにより一体化される。
更に、図１２及び図１３に示すように、プレート体５２１の表面には、タンク部材５２２を嵌合する溝状の嵌合部５２１ｄを設けてもよい。プレート体５２１にこのような嵌合部５２１ｄを設ければ、プレート体５２１及びタンク部材５２２の組み付け性及びろう付け性を向上させることができる。
チューブ５１０の端部は、プレート体５２１のスロット５２１ａに挿入されて、複数の中空部５２０ａに跨る状態でろう付けされる。スロット５２１ａの周囲に設けられたザグリ部５２１ｂにより、ろう付け時にチューブ５１０の流路５１１にろう材がまわり込む事態を回避することができ、ろう付けの信頼性は確実に向上される。
また、図１４に示すように、本例のタンク部材５２２は押出し部材からなるものである。尚、このタンク部材５２２について、中空部５２０ａと中空部５２０ａとの間に位置する壁部の厚さｔ_１は、耐圧性を考慮して、他の壁部の厚さｔ_２よりもある程度厚く設定されている。具体的には、ｔ_１はｔ_２の１．３〜１．８倍の間に設定されている。
そして、プレート体５２１に連通凹部たるザグリ部５２１ｂを設けることにより、このような押出し部材に更なる加工を施さなくても、複数の中空部５２０ａを連通することができる。つまり、押出し部材からなるタンク部材５２２に加工を施す場合は、プレート体５２１に加工を施す場合と比較するとやや困難を伴うものの、本例の構成によれば、そのような不都合を回避することができ、延いては、加工コストの低廉化に貢献することができる。
このように、本例のエバポレータ５００は、超臨界状態となる冷媒に応じて所要の耐圧性を確保するとともに、冷媒の熱交換効率の向上、小型化、軽量化、製造の容易化、及び設置スペースの節約等について合理化を達成したものである。
以上説明したように、本発明は、自動車に搭載される超臨界冷凍サイクルの熱交換器として、極めて好適に利用することができる。
産業上の利用可能性
本発明は、超臨界冷凍サイクルに用いられる熱交換器であり、自動車に搭載される放熱器やエバポレータ等の熱交換器に適している。
【図面の簡単な説明】
図１ 本発明の具体例に係り、超臨界冷凍サイクルを示す説明図である。
図２ 本発明の具体例に係り、エバポレータを示す斜視図である。
図３ 本発明の具体例に係り、エバポレータを示す正面図である。
図４ 本発明の具体例に係り、エバポレータを示す側面図である。
図５ 本発明の具体例に係り、エバポレータの要部を示す正面断面図である。
図６ 本発明の具体例に係り、プレート体、タンク部材、及び仕切部材を示す分解説明図である。
図７ 本発明の具体例に係り、プレート体、タンク部材、及び仕切部材を示す説明図である。
図８ 本発明の具体例に係り、チューブを示す斜視図である。
図９ 本発明の具体例に係り、プレート体を示す正面図である。
図１０ 本発明の具体例に係り、プレート体（図９のＸ−Ｘ断面）を示す斜視図である。
図１１ 本発明の具体例に係り、プレート体を示す斜視図である。
図１２ 本発明の具体例に係り、プレート体を示す斜視図である。
図１３ 本発明の具体例に係り、プレート体（図１２のＸ−Ｘ断面）を示す斜視図である。
図１４ 本発明の具体例に係り、タンク部材を示す斜視図である。

Claims (10)

1. 高圧側の圧力が冷媒の臨界点を超える冷凍サイクルの熱交換器において、
   当該熱交換器は、前記冷媒を流通するチューブと、複数の中空部を有するとともに前記チューブの端部を挿入するスロットが設けられたタンクとを備えて、前記チューブに伝わる熱にて前記冷媒の熱交換を行うものであり、
   前記タンクにおける前記複数の中空部の断面輪郭は、それぞれ、前記スロットの側に直径相当辺が向けられた、略半円形を呈することを特徴とする熱交換器。
2. 前記タンクは、前記スロットが設けられたプレート体と、前記中空部を構成する湾曲が複数設けられたタンク部材とを組み付けてなることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記プレート体には、前記複数の中空部を連通する連通凹部を設けたことを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
4. 前記連通凹部は、前記スロットの周囲に設けられたザグリ部であることを特徴とする請求項３記載の熱交換器。
5. 前記プレート体及び前記タンク部材の間には、前記中空部を仕切る仕切部材を設けたことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか記載の熱交換器。
6. 前記プレート体の要所には孔部を設けるとともに、前記仕切部材には前記プレート体の孔部に挿通される突部を設け、前記突部は、前記孔部に挿通した後にカシメたことを特徴とする請求項５記載の熱交換器。
7. 前記タンク部材の要所には孔部を設けるとともに、前記仕切部材には前記タンク部材の孔部に挿通される突部を設け、前記突部は、前記孔部に挿通した後にカシメたことを特徴とする請求項５又は６記載の熱交換器。
8. 高圧側の圧力が冷媒の臨界点を超える冷凍サイクルの熱交換器において、
   当該熱交換器は、前記冷媒を流通するチューブと、複数の中空部を有するとともに前記チューブの端部を挿入するスロットが設けられたタンクとを備えて、前記チューブに伝わる熱にて前記冷媒の熱交換を行うものであり、
   前記タンクは、前記スロットが設けられたプレート体と、前記中空部を構成する湾曲が複数設けられたタンク部材とを組み付けてなり、
   前記プレート体には、前記複数の中空部を連通する連通凹部を設けたことを特徴とする熱交換器。
9. 前記連通凹部は、前記スロットの周囲に設けられたザグリ部であることを特徴とする請求項８記載の熱交換器。
10. 高圧側の圧力が冷媒の臨界点を超える冷凍サイクルの熱交換器において、
    当該熱交換器は、前記冷媒を流通するチューブと、複数の中空部を有するとともに前記チューブの端部を挿入するスロットが設けられたタンクとを備えて、前記チューブに伝わる熱にて前記冷媒の熱交換を行うものであり、
    前記タンクは、前記スロットが設けられたプレート体と、前記中空部を構成する湾曲が複数設けられたタンク部材とを組み付けてなり、
    前記プレート体及び前記タンク部材の間には、前記中空部を仕切る仕切部材を設け、
    前記プレート体及び前記タンク部材の要所にはそれぞれ孔部を設けるとともに、前記仕切部材には前記プレート体及び前記タンク部材の孔部にそれぞれ挿通される複数の突部を設け、前記突部は、前記孔部に挿通した後にカシメたことを特徴とする熱交換器。

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