JP2005321137A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 温水流れが極低流量でもコア部２全面での温度分布を均一にする。
【解決手段】 一方の上側ヘッダタンク５内の流体通路をチューブ３の長手方向に二層構造とし、一方の外側流体通路５Ａには流体流入部７、他方の内側流体通路５Ｂには流体流出部８を設けると共に、チューブ３を長短二種類とし、一方の長チューブ３Ａは外側流体通路５Ａと他方の下側ヘッダタンク６内の折り返し流体通路６Ａ、他方の短チューブ３Ｂは内側流体通路５Ｂと折り返し流体通路６Ａとを連通するように設け、更には長チューブ３Ａと短チューブ３Ｂとを積層方向に略交互に配置した。
これは、コア部２全体を小さいブロックに分割することで、各Uターン部分では若干の吹出温度の温度勾配が生じても、全体としては均一化されることを狙ったものである。これによれば、温水流れが極低流量でもコア部２全面での温度分布を均一にすることができる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、車両用空調装置のヒータコアに用いて好適な熱交換器に関するものであり、特にチューブとヘッダタンクとで構成される熱交換器にてコア部全面での温度均一を図ったものに関する。

従来、欧州のカーメーカを中心に採用されているリヒート方式（空気を冷却除湿した後に加熱を行う）の車両空調システムでは、空気を加熱するヒータコアの吹き出し温度が、全面均一であることが望ましいとされている。この場合に使用されるヒータコアは、前後Ｕターン流れの熱交換器が採用されていることが多い。

この前後Ｕターン流れの熱交換器として、通風の前後方向にＵ字型流路を形成する扁平なチューブと、コルゲートフィンとを交互に複数積層してなるコア部と、扁平なチューブのＵ字型流路の両端に接続するタンク室を形成する２つのタンクと、このタンクの側面に設けた流体流入出部とを備えた前後Ｕターン方式のもの（例えば特許文献１に記載のヒータコア）が提案されている。

図５は、従来の一実施形態（特許文献１）における熱交換器１を示す正面図であり、図６は図５の熱交換器１における温水の流れを説明する斜視模式図である。温水が流通する複数本のチューブ３とコルゲートフィン４とを一方向に複数本交互に積層し、チューブ３の長手方向および積層方向と略直行する方向から流入してチューブ３の外を流通する空気とチューブ３の中を流れる温水との間で熱交換を行うコア部２を形成している。

また、チューブ３の積層方向に沿って形成されて複数本のチューブ３の長手方向両端に接続されて内部と連通し、チューブ３に温水を分配供給すると共に、チューブ３から流出する温水を集合回収する上下ヘッダタンク５・６を備えている。一方の上側ヘッダタンク５内のタンク部は、前後方向に二つに仕切られていると共に、一方の流入側タンク部５Ａは更にセパレータ９にて中央部で仕切られ、両端側に流体流入部７Ａ・７Ｂが設けられている。また、他方の流出側タンク部５Ｂには流体流出部８が設けられている。

また、他方の下側ヘッダタンク６内の流体通路もセパレータ９にて中央部で仕切られて、左右の折り返しタンク部６Ａを形成している。温水は、流入側タンク部５Ａ両側面の流体流入部７Ａ・７Ｂより流入し、流入側タンク部５Ａに連通する複数の第１パスとなるチューブ３ａを下降して下側ヘッダタンク６の折り返しタンク部６Ａに至り、今度は複数の第２パスとなるチューブ３ｂを上昇して流出側タンク部５Ｂに集合し、流体流出部８から流出する流れとなっている。
特開２００３−１０６７８８号公報

上述したように、通常、全面均一の吹出温度が必要な場合には、上記したような前後Uターン方式の熱交換器が採用される。しかしながら、温水の低流量時には必ずしも均一の吹出温度にならない場合がある。図７は図６の温水流れにおけるコア部２での温度分布の一例を示す等温線図である。この図に示すように、リヒート方式での制御域では非常に温水の流量が低いために温度勾配が生じ易いという問題点がある。

これは、低流量時における流量分配の僅かなばらつきが、チューブに流れる温水量のばらつきとなり、吹出温度のばらつきに大きな影響を及ぼすためである。本発明は、この従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、温水流れが極低流量でもコア部全面の温度分布が均一に得られる熱交換器を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項４に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、流体が流通する複数本のチューブ（３）を一方向に複数本積層し、チューブ（３）の長手方向および積層方向と略直行する方向から流入してチューブ（３）の外を流通する外部流体とチューブ（３）の中を流れる内部流体との間で熱交換を行うコア部（２）と、チューブ（３）の積層方向に沿って形成されて複数本のチューブ（３）の長手方向両端に接続されて内部と連通し、チューブ（３）に流体を分配供給すると共に、チューブ（３）から流出する流体を集合回収する第１・第２ヘッダタンク（５、６）とを備えた熱交換器において、
一方の第１ヘッダタンク（５）内の流体通路をチューブ（３）の長手方向に二層構造とし、一方の第１流体通路（５Ａ）には流体流入部（７）、他方の第２流体通路（５Ｂ）には流体流出部（８）を設けると共に、チューブ（３）を長短二種類とし、一方の第１チューブ（３Ａ）は第１流体通路（５Ａ）と他方の第２ヘッダタンク（６）内の折り返し流体通路（６Ａ）、他方の第２チューブ（３Ｂ）は折り返し流体通路（６Ａ）と第２流体通路（５Ｂ）とを連通するように設け、更には第１チューブ（３Ａ）と第２チューブ（３Ｂ）とを積層方向に略交互に配置したことを特徴としている。

これは、一方の第１ヘッダタンク（５）内の流体通路を二層構造すると共に、長い第１チューブ（３Ａ）と短い第２チューブ（３Ｂ）とを組み合わせることにより、コア部（２）内に局所的な左右Uターンを構成し、これを多数並べることによってコア部（２）全面での吹き出し温度の均一化を図ったものである。すなわち、コア部（２）全体を小さいブロックに分割することで、各Uターン部分では若干の吹出温度の温度勾配が生じても、全体としては均一化されることを狙ったものである。

この請求項１に記載の発明によれば、温水流れが極低流量でもコア部（２）全面での温度分布を均一にすることができる。また、本発明の構造は、前述した従来構造のように流入側タンク部をセパレータにて中央部で仕切って両端側から温水を流入させなくとも、温度分布の均一化が図れることから、セパレータなしで構成することができ、製造コストを低減できるうえ、タンク内部にセパレータを入れることによって起こる内部リークなどの問題もなくすことができる。

また、請求項２に記載の発明では、各流体通路（５Ａ、５Ｂ、６Ａ）を仕切り部材（９）にて積層方向の略中央で仕切ると共に、第１流体通路（５Ａ）の積層方向両側に第１・第２流体流入部（７Ａ、７Ｂ）を設け、第２流体通路（５Ｂ）の積層方向の略中央の仕切り位置に流体流出部（８）を設けたことを特徴としている。

この請求項２に記載の発明によれば、より左右での温度差をなくすことができる。または、左右独立温度コントロールの車両用空調装置に対応して左半分と右半分とで温水の流量を変えることにより、別々の吹き出し温度に調節することが可能となるうえ、左右別々の温度設定としてもその半面毎での温度均一化が図れることとなる。

また、請求項３に記載の発明では、積層方向の全域もしくは一部にて、両チューブ（３Ａ、３Ｂ）の比率や配置を変えたことを特徴としている。この請求項３に記載の発明によれば、同じサイズのコア部（２）でも、両チューブ（３Ａ、３Ｂ）の比率や配置を変えることによって吹き出し温度の分布を任意に可変することができる。

例えば、温水が低流量の場合には、通常第１パスとなる第１チューブ（３Ａ）の途中で熱交換が終了してしまう。そこで、チューブの配列を変えて第１パスとなる第１チューブ（３Ａ）の比率を減らし、第２パスとなる第２チューブ（３Ｂ）の比率を増やすことで、両パスで均一に熱交換させることができるようになる。

また、吹き出し温度を比較的高くしたい部分に第１パスとなる第１チューブ（３Ａ）をかためて配置し、逆に吹き出し温度を比較的低くしたい部分に第２パスとなる第２チューブ（３Ｂ）をかためて配置することにより、意図したように温度勾配を生じさせることもできるようになる。

また、請求項４に記載の発明では、両チューブ（３Ａ、３Ｂ）列の一部に、大流量通路（１０）を設けたことを特徴としている。この請求項４に記載の発明によれば、任意の部分に設けた大流量通路（１０）を用いて、温水を直接下側の第２ヘッダタンク（６）へバイパスさせて流入させるようにすることにより、吹き出し温度の分布を任意に可変することができる。ちなみに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態における熱交換器１を示し、（ａ）は斜視模式図、（ｂ）は（ａ）中Ａ−Ａ方向の部分断面図、（ｃ）は（ａ）中Ｂ−Ｂ方向の断面図である。本実施形態の熱交換器１は、例えば車両用空調装置のヒータコアに用いられるもので、エンジンのウォータジャケットで温められたエンジン冷却水と車両の車室内へ吹き出される空気とを熱交換して空気を加熱するものである。

この熱交換器１は、例えばアルミニウム合金などの金属材料によって所定の形状に形成されたもので、大別してエンジン冷却水と空気との熱交換を行うコア部２と、このコア部２の図示上の上下端部に接続された上側ヘッダタンク（第１ヘッダタンク）５・下側ヘッダタンク（第２ヘッダタンク）６とから構成されて、一体ろう付けにより製造される。

本発明の特徴の１つとして、一方の上側ヘッダタンク５内の流体通路は、チューブ３の長手方向（図示上の上下方向）に二層構造としている。具体的には図１（ｂ）の部分断面図に示すように、チューブ３の端部を差し込むチューブ挿入孔５１ａを開けたシートメタル５１の上に、従来のタンク空間を形成する第１（内側）キャプセル５２を乗せ、更にその上にもう１つのタンク空間を形成する第２（外側）キャプセル５３を被せることで二層構造としている。

そして、一方の外側流体通路（第１流体通路）５Ａには流体流入部として入口パイプ７、他方の内側流体通路（第２流体通路）５Ｂには流体流出部として出口パイプ８を設けている。また、他方の下側ヘッダタンク６内は１つの折り返し流体通路６Ａを形成しており、具体的には図示しないが、上側ヘッダタンク５のシートメタル５１と第１キャプセル５２と同様に、シートメタル６１とキャプセル６２とで構成している。尚、シートメタル５１・６１、キャプセル５２・５３・６２には、片面および両面にろう材を被覆したアルミニウム合金材（クラッド材）が使用されている。

次に、コア部２は、チューブ３とコルゲートフィン４とを交互に複数積層して構成されている。複数のチューブ３は、内部を流れるエンジン冷却水と、隣設する２つのチューブ３間を通過する空気との熱交換を行う扁平な流路管で、コルゲートフィン４を介して両ヘッダタンク５・６の長手方向に積層されている。また、本発明の特徴の１つとして、チューブ３を長短の二種類としている。

そして、一方の長チューブ（第１チューブ）３Ａは上側ヘッダタンク５内の外側流体通路５Ａと下側ヘッダタンク６内の折り返し流体通路６Ａとを連通するように設けられ、他方の短チューブ（第２チューブ）３Ｂはその折り返し流体通路（６Ａ）と上側ヘッダタンク５内の内側流体通路５Ｂとを連通するように設けられている。よって前記した上側ヘッダタンク５の第１キャプセル５２には長チューブ３Ａの端部だけを差し込むチューブ挿入孔５２ａが開けられている。そして、本発明の特徴の１つとして、長チューブ３Ａと短チューブ３Ｂとを積層方向に交互に配置している。

複数のコルゲートフィン４は、隣設する２つのチューブ３間に挟まれた状態でチューブ３にろう付けなどの接合手段を用いて接合され、チューブ３内を流れるエンジン冷却水と、隣設する２つのチューブ３間を通過する空気との熱交換効率を向上させるものである。尚、本実施形態のコルゲートフィン４は、帯び状で極薄の板材（例えばアルミニウム合金などの金属板）を、波形形状に曲折して設けたものである。

次に、例えば車両用空調装置のヒータコアに用いられる熱交換器１の組み付け方法を図１に基づいて簡単に説明する。先ず、複数のチューブ３Ａ・３Ｂの図示上下端部を、シートメタル５１・６１に多数形成された長円状のチューブ挿入孔５１ａ・６１ａ内に差し込み、隣設する２つのチューブ３Ａ・３Ｂ間にコルゲートフィン４を仮組み付けして熱交換器１のコア部２を構成する。次に、図示上側のシートメタル５１には第１キャプセル５２と第２キャプセル５３を、また、図示下側のシートメタル６１にはキャプセル６２を嵌め合わせる。

更に、第１キャプセル５２と第２キャプセル５３に入口パイプおよび出口パイプの接続側部分を差し込む。これにより、コア部２の図示上下端部にヘッダタンク５・６を設置し、且つヘッダタンク５の両側面に２本の出入口パイプを接続した熱交換器１の仮組み付けが終了する。次に、この熱交換器１を炉中に入れてろう材の溶融温度以上の温度で加熱することにより、熱交換器１の各接合箇所がろう付けされて熱交換器１が製造される。

次に、例えば車両用空調装置のヒータコアに用いられる熱交換器１での流体流れを図１に基づいて簡単に説明する。エンジンのウォータジャケットで暖められたエンジン冷却水は、上側ヘッダタンク５の側面に取り付けた入口パイプ７から上側ヘッダタンク５内の外側流体通路５Ａ内に流入する。そして、その外側流体通路５Ａに連通する複数の長チューブ３Ａの上側端より流入して下側ヘッダタンク６の折り返し流体通路６Ａに向かう（１パス目）。

次に、折り返し流体通路６Ａから短チューブ３Ｂの下側端より流入して上側ヘッダタンク５の内側流体通路５Ｂに向かう（２パス目）。そして、内側流体通路５Ｂ内のチューブ３の両脇を流れ、上側ヘッダタンク５のもう一方の側面に取り付けた出口パイプ８から流出してエンジンのウォータジャケットへ向かう流れとなる。このように、複数のチューブ３Ａ・３Ｂ内を流れる際に、エンジン冷却水は隣設する２つのチューブ３間を通過する空気と熱交換して空気を加熱する。これによって、車両の車室内は暖房される。

次に、本実施形態での特徴と、その効果について述べる。流体が流通する複数本のチューブ３を一方向に複数本積層し、チューブ３の長手方向および積層方向と略直行する方向から流入してチューブ３の外を流通する外部流体とチューブ３の中を流れる内部流体との間で熱交換を行うコア部２と、チューブ３の積層方向に沿って形成されて複数本のチューブ３の長手方向両端に接続されて内部と連通し、チューブ３に流体を分配供給すると共に、チューブ３から流出する流体を集合回収する上下ヘッダタンク５・６とを備えた熱交換器において、
一方の上側ヘッダタンク５内の流体通路をチューブ３の長手方向に二層構造とし、一方の外側流体通路５Ａには入口パイプ７、他方の内側流体通路５Ｂには出口パイプ８を設けると共に、チューブ３を長短二種類とし、一方の長チューブ３Ａは外側流体通路５Ａと他方の下側ヘッダタンク６内の折り返し流体通路６Ａ、他方の短チューブ３Ｂは折り返し流体通路６Ａと内側流体通路５Ｂとを連通するように設け、更には長チューブ３Ａと短チューブ３Ｂとを積層方向に略交互に配置している。

これは、一方の上側ヘッダタンク５内の流体通路を二層構造すると共に、長いチューブ３Ａと短チューブ３Ｂとを組み合わせることにより、コア部２内に局所的な左右Uターンを構成し、これを多数並べることによってコア部２全面での吹き出し温度の均一化を図ったものである。すなわち、コア部２全体を小さいブロックに分割することで、各Uターン部分では若干の吹出温度の温度勾配が生じても、全体としては均一化されることを狙ったものである。

これによれば、温水流れが極低流量でもコア部２全面での温度分布を均一にすることができる。また、本発明の構造は、前述した従来構造のように流入側タンク部をセパレータにて中央部で仕切って両端側から温水を流入させなくとも、温度分布の均一化が図れることから、セパレータなしで構成することができ、製造コストを低減できるうえ、タンク内部にセパレータを入れることによって起こる内部リークなどの問題もなくすことができる。

（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態における熱交換器１を示す断面図である。上述の実施形態と異なるのは、各流体通路５Ａ・５Ｂ・６Ａをセパレータ（仕切り部材）９にて積層方向の略中央で仕切ると共に、外側流体通路５Ａの積層方向両側に左側入口パイプ（第１流体流入部）７Ａと、右側入口パイプ（第２流体流入部）７Ｂとを設け、内側流体通路５Ｂの積層方向の略中央の仕切り位置に出口パイプ８を設けた点である。

これによれば、より左右での温度差をなくすことができる。または、左右独立温度コントロールの車両用空調装置に対応して左半分と右半分とで温水の流量を変えることにより、別々の吹き出し温度に調節することが可能となるうえ、左右別々の温度設定としてもその半面毎での温度均一化が図れることとなる。尚、セパレータ９は、図２のように一体でなく、必要部分に分けて設ける構成であっても良い。

（第３実施形態）
図３は、本発明の第３実施形態における熱交換器１を示す断面図である。上述の実施形態と異なるのは、積層方向の全域にて、両チューブ３Ａ・３Ｂの比率を変えている点である。これによれば、同じサイズのコア部２でも、両チューブ３Ａ・３Ｂの比率を変えることによって吹き出し温度の分布を任意に可変することができる。

例えば、温水が低流量の場合には、通常第１パスとなる第１チューブ３Ａの途中で熱交換が終了してしまう。そこで、図３に示す実施形態では、チューブの配列を変えて第１パスとなる長チューブ３Ａの比率を減らし、第２パスとなる短チューブ３Ｂの比率を増やすことで、両パスで均一に熱交換させることができるようにしている。

また、図示はしないが、吹き出し温度を比較的高くしたい部分に第１パスとなる長チューブ３Ａをかためて配置し、逆に吹き出し温度を比較的低くしたい部分に第２パスとなる短チューブ３Ｂをかためて配置することにより、意図したように温度勾配を生じさせることもできるようになる。また、このような可変は積層方向の一部だけ実施しても良い。

（第４実施形態）
図４は、本発明の第４実施形態における熱交換器１を示す断面図である。上述の実施形態と異なるのは、両チューブ３Ａ・３Ｂ列の一部に、大流量通路１０を設けている点である。これによれば、任意の部分に設けた大流量通路１０を用いて、温水を直接下側ヘッダタンク６へバイパスさせて流入させるようにすることにより、吹き出し温度の分布を任意に可変することができる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、本発明を車両用空調装置のヒータコアに利用した例を説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明を車両用エンジン冷却装置のラジエータなど、他の用途の熱交換器に利用しても良い。また、上述の実施形態では、外側流体通路５Ａを流入側として左右側から流入させ、内側流体通路５Ｂを流出側として中央部から流出させているが、内側流体通路５Ｂを流入側として外側流体通路５Ａを流出側としても良いし、中央部から流入させて左右側に流出させる流し方としても良い。

例えば、図２の実施形態において内側流体通路５Ｂを流入側として外側流体通路５Ａを流出側とした場合、最初の流体の分配においてチューブ３が支障となることなどの課題を残すが、出口パイプ８が第２キャプセル５３に付けるだけで簡単となるうえ、出口パイプ８の位置が仕切り位置でなくとも良くなる。また、流出側となる外側流体通路５Ａは仕切り部を省くことができるため、セパレータ部を簡素にできるなどの効果もある。

本発明の第１実施形態における熱交換器１を示し、（ａ）は斜視模式図、（ｂ）は（ａ）中Ａ−Ａ方向の部分断面図、（ｃ）は（ａ）中Ｂ−Ｂ方向の断面図である。 本発明の第２実施形態における熱交換器１を示す断面図である。 本発明の第３実施形態における熱交換器１を示す断面図である。 本発明の第４実施形態における熱交換器１を示す断面図である。 従来の一実施形態における熱交換器１を示す正面図である。 図５の熱交換器１における温水の流れを説明する斜視模式図である。 図６の温水流れにおけるコア部２での温度分布の一例を示す等温線図である。

符号の説明

２…コア部
３…チューブ
３Ａ…長チューブ（第１チューブ）
３Ｂ…短チューブ（第２チューブ）
５…上側ヘッダタンク（第１ヘッダタンク）
５Ａ…外側流体通路（第１流体通路）
５Ｂ…内側流体通路（第２流体通路）
６…下側ヘッダタンク（第２ヘッダタンク）
６Ａ…折り返し流体通路
７…入口パイプ（流体流入部）
７Ａ…左側入口パイプ（第１流体流入部）
７Ｂ…右側入口パイプ（第２流体流入部）
８…出口パイプ（流体流出部）
９…セパレータ（仕切り部材）
１０…大流量通路

Claims (4)

1. 流体が流通する複数本のチューブ（３）を一方向に複数本積層し、前記チューブ（３）の長手方向および積層方向と略直行する方向から流入して前記チューブ（３）の外を流通する外部流体と前記チューブ（３）の中を流れる内部流体との間で熱交換を行うコア部（２）と、
   前記チューブ（３）の積層方向に沿って形成されて前記複数本のチューブ（３）の長手方向両端に接続されて内部と連通し、前記チューブ（３）に前記流体を分配供給すると共に、前記チューブ（３）から流出する前記流体を集合回収する第１・第２ヘッダタンク（５、６）とを備えた熱交換器において、
   一方の前記第１ヘッダタンク（５）内の流体通路を前記チューブ（３）の長手方向に二層構造とし、一方の第１流体通路（５Ａ）には流体流入部（７）、他方の第２流体通路（５Ｂ）には流体流出部（８）を設けると共に、
   前記チューブ（３）を長短二種類とし、一方の第１チューブ（３Ａ）は前記第１流体通路（５Ａ）と他方の前記第２ヘッダタンク（６）内の折り返し流体通路（６Ａ）、他方の第２チューブ（３Ｂ）は前記折り返し流体通路（６Ａ）と前記第２流体通路（５Ｂ）とを連通するように設け、
   更には前記第１チューブ（３Ａ）と前記第２チューブ（３Ｂ）とを前記積層方向に略交互に配置したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記各流体通路（５Ａ、５Ｂ、６Ａ）を仕切り部材（９）にて前記積層方向の略中央で仕切ると共に、前記第１流体通路（５Ａ）の前記積層方向両側に第１・第２流体流入部（７Ａ、７Ｂ）を設け、前記第２流体通路（５Ｂ）の前記積層方向の略中央の前記仕切り位置に前記流体流出部（８）を設けたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記積層方向の全域もしくは一部にて、前記両チューブ（３Ａ、３Ｂ）の比率や配置を変えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記両チューブ（３Ａ、３Ｂ）列の一部に、大流量通路（１０）を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。

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