JP2010127508A - 複合熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒に混入したオイルの滞留を防止すると共に、熱交換効率に優れたコンパクトな複合熱交換器を提供する。
【解決手段】自動車のエンジン以外の発熱体３用の冷却水を冷却する第１空冷熱交換器５と、車室空調用の冷媒を冷却する第２空冷熱交換器７とを備えた複合熱交換器１であって、第１空冷熱交換器５は、冷却水が流入する流入側タンク１１及び流出する流出側タンク１３と、タンク１１，１３を連通させる流路部材１５と、流路部材１５と交互に積層された放熱フィン１７と、車室空調用の冷媒を冷却する水冷熱交換器１９とを有し、水冷熱交換器１９を、流出側タンク１３の内部に配置すると共に、冷媒は、水冷熱交換器１９の上方から流入し下方から流出した後、第２空冷熱交換器７に流下する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車用の冷却システムにおいて複数の冷媒（例えば、ラジエータの冷却水と空調用の冷媒）を扱う複合熱交換器に関する。

特許文献１に「熱交換器及び車両用空気調和装置」が記載されている。

この熱交換器は車両用空気調和装置に用いられており、エンジン冷却水用の空冷熱交換器のタンク（ヘッダ）に空調冷媒用の熱交換器を組み入れて、空冷された冷却水によって空調用冷媒を冷却するものであり、この冷媒用熱交換器では、冷媒を下方から流入させ上方から流出させている。
特開２００６−１６２１７６号公報

空調用冷媒は圧縮機のオイルが混入した状態でシステム内を循環しており、混入したオイルは一部が冷媒と分離した状態で存在している。

上記のように特許文献１の熱交換器では、冷媒を下方から上方に移動させているから、熱交換器の下部にオイルが滞留することがあり、オイルが滞留すると熱交換効率が低下する上に、圧縮機の潤滑不足によって冷却システムの性能と信頼性が低下する恐れがある。

また、昨今の車両には、内燃エンジン、過給機用のインタークーラ、空気調和装置、ハイブリッド電気自動車の電動モータのような発熱体があり、これらの発熱体を冷却する（発熱体からの熱を排熱）するためのコンパクトで効率的な熱交換器（複合熱交換器）が求められている。

そこで、この発明は、冷媒に混入したオイルの滞留を防止すると共に、熱交換効率に優れたコンパクトな複合熱交換器の提供を目的としている。

請求項１の複合熱交換器は、自動車のエンジン以外の発熱体用の冷却水を冷却する第１空冷熱交換器と、車室空調用の冷媒を冷却する第２空冷熱交換器とを備えた冷却システムに用いられる複合熱交換器であって、前記第１空冷熱交換器は、冷却水が流入する流入側タンク及び流出する流出側タンクと、前記両タンクを連通させる流路部材と、前記流路部材と交互に積層された放熱フィンと、車室空調用の冷媒を冷却する水冷熱交換器とを有し、前記水冷熱交換器は、前記タンクの内部に配置され、前記第２空冷熱交換器は、第１空冷熱交換器の下方に配置され、冷媒は、前記水冷熱交換器の上方から流入し下方から流出した後、前記第２空冷熱交換器に流入することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載された複合熱交換器であって、前記第１空冷熱交換器と第２空冷熱交換器は、これらを冷却する冷却風の流れと直交する同一面上に配置されており、第２空冷熱交換器は、第１空冷熱交換器に隣接して配置されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載された複合熱交換器であって、前記水冷熱交換器は、冷媒の流路となる複数箇の冷媒流路部材を、冷却水が通過するための隙間を互いの間に設けながら積層して構成されており、前記冷媒流路部材は、冷媒の流れがほぼ鉛直方向になるように配置されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載された複合熱交換器であって、前記冷媒流路部材の少なくとも下部は、ほぼ円弧状に形成されていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項３または請求項４に記載された複合熱交換器であって、前記冷媒流路部材は、互いに固定されて内部に冷媒流路を形成すると共に、冷媒の流れ方向両端部付近に設けられた冷媒の流入口及び流出口とを備えた一対のシェルチューブと、両シェルチューブの内側に固定され、前記冷媒の流入口及び流出口にそれぞれ対応する冷媒の流入口及び流出口と、冷媒の流れに沿って形成された多数の溝とを備えたインナーフィンとを有し、前記インナーフィンには、自身の前記流入口及び流出口と連通し、流れの幅方向に冷媒を拡散し、収束させて熱交換効率を向上させる切り欠きが設けられていることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項３または請求項４に記載された複合熱交換器であって、前記冷媒流路部材は、互いに固定されて内部に冷媒流路を形成すると共に、冷媒の流れ方向両端部付近に設けられた冷媒の流入口及び流出口とを備えた一対のシェルチューブと、両シェルチューブの内側に固定され、前記冷媒の流入口及び流出口にそれぞれ対応する冷媒の流入口及び流出口と、冷媒の流れに沿って形成された多数の溝とを備えたインナーフィンとを有し、前記インナーフィンには、前記シェルチューブの流入口側及び流出口側の固定部に沿って設けられ、流れの幅方向に冷媒を拡散し、収束させて熱交換効率を向上させる切り欠きが設けられていることを特徴とする。

請求項１の複合熱交換器は、水冷熱交換器の上方から冷媒を流入させ下方から流出するように構成したので、従来例と異なって、オイルが下部に滞留することが抑制されて熱交換効率が向上すると共に、オイルの滞留による圧縮機の潤滑不足と冷却システムの性能及び信頼性の低下が防止される。また、水冷熱交換器を、冷却された後の流出側タンクに配置すれば、それだけ高い熱交換効率が得られる。

また、水冷熱交換器から流出した冷媒が、第１空冷熱交換器の下方に配置されている第２空冷熱交換器へ無理なく流下するから、水冷熱交換器と第２空冷熱交換器とにわたって、オイルの滞留抑制機能が大きく向上する。

特に、コンデンサや上記の水冷熱交換器のように、冷媒が凝縮し体積が減少することによって流速が低下する機器では、オイルの滞留を抑制したことによる上記の効果は顕著である。

請求項２の複合熱交換器は、請求項１の構成と同等の効果が得られる。

また、第１空冷熱交換器と第２空冷熱交換器を冷却風の流れと直交する同一面上に配置すると共に、第１空冷熱交換器と第２空冷熱交換器とを互いに隣接配置したことによって、複合熱交換器は極めてコンパクトに構成されており、優れた車載性が得られるから、車両の冷却システムに用いられて、エンジン、過給機用のインタークーラ、空気調和装置、ハイブリッド電気自動車の電動モータなどの発熱体を効果的に冷却することができる。

請求項３の複合熱交換器は、請求項１または請求項２の構成と同等の効果が得られる。

また、水冷熱交換器を縦置きにし、流路部材中を冷媒がほぼ鉛直に流れる（流下する）ようにしたので、高いオイル滞留抑制効果が得られる。

請求項４の複合熱交換器は、請求項３の構成と同等の効果が得られる。

また、冷媒流路部材の少なくとも下部をほぼ円弧状に形成したことによってオイルの流れが円滑になり、部分的な滞留が抑制されてオイルの滞留抑制効果がさらに向上する。

また、冷媒流路部材の上部をほぼ円弧状に形成すれば、冷媒が流れに沿って各インナーフィンの幅方向に拡散されるから、冷却水との熱交換効率がさらに向上する。

請求項５の複合熱交換器は、請求項３または請求項４の構成と同等の効果が得られる。

また、自身の流入口と流出口と連通する切り欠きをインナーフィンに設けたことによって流れと直交する方向に冷媒が拡散され、また、収束するから、熱交換効率とオイルの滞留抑制効果とが向上する。

また、インナーフィンを内側に固定したことによってシェルチューブの耐圧強度が高く維持される。

請求項６の複合熱交換器は、請求項３または請求項４の構成と同等の効果が得られる。

また、シェルチューブの流入口及び流出口側の固定部に沿った切り欠きをインナーフィンに設けたことによって流れと直交する方向に冷媒が拡散され、また、収束するから、熱交換効率とオイルの滞留抑制効果とが向上する。

また、インナーフィンを内側に固定したことによってシェルチューブの耐圧強度が高く維持される。

＜第１実施例＞
図１〜図７を参照しながら複合熱交換器１（本発明の第１実施例）を説明する。複合熱交換器１はエンジン（内燃機関）と電動モータ３とを駆動力源とするハイブリッド電気自動車の冷却システム９に用いられており、図１は冷却システム９の一部を示す概略図、図２は複合熱交換器１と電動モータ３などの冷却水用サブラジエータ５とエンジンの冷却水用ラジエータ２７とを組み合わせた状態を示す斜視図、図３はサブラジエータ５の斜視図、図４はサブラジエータ５の流出側タンク１３に組み込まれた水冷熱交換器１９を示す断面図、図５は水冷熱交換器１９の側面図、図６は水冷熱交換器１９の斜視図、図７は水冷熱交換器１９の分解斜視図である。

複合熱交換器１は、駆動モータ３及びインバータやコンバータのような制御機器（エンジン以外の発熱体）用の冷却水を冷却するサブラジエータ５（第１空冷熱交換器）と、車室空調用の冷媒を冷却するコンデンサ７（第２空冷熱交換器）とを備えた冷却システム９に用いられており、サブラジエータ５は、冷却水が流入する流入側タンク１１及び流出する流出側タンク１３と、タンク１１，１３を連通させる扁平チューブ１５（流路部材）と、扁平チューブ１５と交互に積層された放熱フィン１７と、車室空調用の冷媒を冷却する水冷熱交換器１９とを有し、図４と図５のように、水冷熱交換器１９は流出側タンク１３の内部に配置され、図２のように、コンデンサ７はサブラジエータ５の下方に配置され、図５のように、冷媒は水冷熱交換器１９の上方から流入し、下方から流出した後、コンデンサ７に流下する。

また、図２のように、サブラジエータ５とコンデンサ７はこれらを冷却する冷却風（車両の走行中にフロントグリルから流入する外気）の流れとほぼ直交する同一面上に配置され、コンデンサ７とサブラジエータ５は互いに隣接して配置されている。

また、図５のように、水冷熱交換器１９は、冷媒の流路となる複数箇のシェルチューブ２１，２３（冷媒流路部材）を冷却水が通過するための隙間２５を互いの間に設けながら積層して構成されていると共に、シェルチューブ２１，２３は冷媒の流れがほぼ鉛直方向（重力方向）になるように縦置きにされている。

また、シェルチューブ２１，２３の上部と下部（少なくとも下部）はほぼ円弧状に形成されている。

サブラジエータ５は、積層された扁平チューブ１５の上部と下部にそれぞれレインフォース２６（補強部材）を取り付けて積層方向に適度な荷重を加えた状態で、扁平チューブ１５の両端をタンク１１，１３に挿入して形成されている。

また、図２のように、サブラジエータ５とコンデンサ７はこの順で上下に縦置きされており、冷却風の下流にはエンジン用のラジエータ２７が配置され、冷却風によってエンジン冷却水を冷却する。

水冷熱交換器１９は、図５と図７のように、シェルチューブ２１，２３とインナーフィン２９（冷媒流路部材）とリング状のパッチ３１とプレート状の封止用エンドパッチ３３とから構成されている。また、シェルチューブ２１，２３は、図４と図６のように、一方が他方に嵌入して印籠を形成する縁部３５，３７と、互いに直交して対向するビード３９，４１（突起）と、上方と下方（冷媒の流れ方向の両端部付近）に設けられ、一方が他方に嵌入して印籠を形成する流入口４３，４５及び流出口４７，４９とを有し、インナーフィン２９は、流入口４３，４５と流出口４７，４９にそれぞれ対応する流入口５１及び流出口５３と、全体を波形に加工して形成され冷媒の流れに沿った多数の溝５５とを有している。

シェルチューブ２１，２３はインナーフィン２９を間に挟み込み、縁部３５，３７を互いに嵌入させ印籠を形成してシェルチューブＡＳＳＹにされており、各シェルチューブＡＳＳＹは流入口４３，４５と流出口４７，４９を互いに嵌入させて印籠を形成すると共に、パッチ３１を間に挟み、ビード３９，４１を接触させて積層し、積層方向に一定の適正な荷重を加え、また、最外側のシェルチューブ２３の流入口４５と流出口４９をエンドパッチ３３で封止し、パッチ３１とビード３９，４１によって各シェルチューブＡＳＳＹの隙間２５を適正に保ちながら一体に鑞付けして水冷熱交換器１９を形成する。この際、シェルチューブ２１、２３とインナーフィン２９の波形頂部も鑞付け接合されている。さらに、図２と図５と図６のように、最内側シェルチューブ２１の流入口４３はアダプタ５７を介してコンプレッサ側に連結され、流出口４７はアダプタ５９を介してコンデンサ７側に連結されている。

冷却システム９において、駆動モータ３などの冷却系では、ポンプ６１で循環する冷却水は、図２と図３のように、サブラジエータ５のタンク１１に流入し、各扁平チューブ１５を流れる間に放熱フィン１７を介し冷却風によって冷却されてタンク１３に流入し、駆動モータ３などを冷却する。

また、コンプレッサで圧縮され高温高圧のガス状態になった空調用冷媒は、図５のように、流入口４３，４５から水冷熱交換器１９の各シェルチューブＡＳＳＹに流入し、インナーフィン２９の溝５５を流下する間に、サブラジエータ５のタンク１３を流れる冷却水によって冷却され、過熱度が低下した状態、あるいは、一部が飽和した状態で流出口４７，４９から外部に流出し、さらに流下しコンデンサ７に流入して凝縮され、膨張弁で減圧され、エバポレータで熱交換し、コンプレッサで圧縮されてこのサイクルを繰り返す。

次に、複合熱交換器１の効果を説明する。

水冷熱交換器１９中を冷媒が上方から下方に移動（流下）するように構成したので、冷媒に混入したコンプレッサの潤滑オイルが下方に停滞することが抑制され、さらに、シェルチューブ２１，２３の下部をほぼ円弧状に形成したことによってオイルの停滞抑制効果が向上し、オイルの滞留による熱交換効率の低下と、コンプレッサの潤滑不足による冷却システム９の性能及び信頼性の低下が防止される。

また、水冷熱交換器１９を、冷却風で冷却水が冷却された後の流出側タンク１３に配置したことによってそれだけ高い熱交換効率が得られている。

また、水冷熱交換器１９を縦置きにし、冷媒がほぼ鉛直方向に流下するようにしたので、オイルの滞留抑制効果がさらに向上する。

また、シェルチューブ２１，２３の上部もほぼ円弧状に形成したことによって、図４の矢印６３のように、流れに沿って冷媒が各インナーフィン２９の幅方向に拡散されるので、冷却水との熱交換効率がさらに向上する。

また、冷媒が凝縮し体積が減少することによって流速が低下する水冷熱交換器１９やコンデンサ７では、オイルの滞留を抑制したことによる上記の効果は顕著である。

また、サブラジエータ５とコンデンサ７を冷却風の流れと直交する同一面上に配置し、コンデンサ７をサブラジエータ５の下方に隣接配置したことにより、複合熱交換器１は極めてコンパクトに構成され、優れた車載性を得ているから、車両の冷却システム９に用いられて、エンジン、空気調和装置、電動モータ３などの発熱体を効果的に冷却することができる。

＜第２実施例＞
図８（ａ）、（ｂ）を参照しながら本発明の第２実施例を説明する。

第２実施例の複合熱交換器では、シェルチューブ２１，２３の内側に固定されるインナーフィン１０１（冷媒流路部材）は、シェルチューブ２１、２３の流れ方向両端円弧部にいたるまで延在しさらに、流入口５１と流出口５３とそれぞれ連通する切り欠き１０３，１０５が幅方向の両側に設けられている。そして、インナーフィン１０１の波形の頂部と、流れ方向両端と、はシェルチューブと鑞付け接合されている。このため流れ方向端部までチューブ耐圧強度が確保される。

これらの切り欠き１０３，１０５は溝５５の全幅にわたって設けられており、冷媒をその流れとほぼ直交する方向（幅方向）に拡散させ、また、収束させ、シェルチューブ２１、２３の全幅に冷媒が流れるように構成されているため冷却水との接触面積を拡大し、熱交換効率を向上させている。また、切り欠き１０５が流出口５３の連通側が低くなるよう傾斜している為、傾斜した切り欠き部によりオイルがより確実に流出口へ導かれる。

また、リング状パッチ３１の外径ｒは、シェルチューブ２１，２３の流入口４３，４５及び流出口４７，４９側固定部１５７，１５９（図４）の外径Ｒより小さく、切り欠き１０３，１０５はリング状パッチ３１の外周より外側にまで延びている。リング状パッチ３１を隣り合うチューブ間で流入流出口外周に設けることでインナーフィン切り欠き１０３、１０５による強度を補強しさらに耐久性を向上させている。

また、流入口５１と流出口５３はいずれもインナーフィン１０１の幅方向の中心に設けられているが、流入口５１と流出口５３を幅方向にオフセットさせ、これに応じて切り欠き１０３，１０５の幅方向長さを不等長にすれば、流入口５１側と流出口５３側とにわたって冷媒の流路長が長くなり、熱交換効率をそれだけ向上させることができる。

＜第３実施例＞
図９（ａ）、（ｂ）を参照しながら本発明の第３実施例を説明する。

第３実施例の複合熱交換器では、インナーフィン１５１（冷媒流路部材）に切り欠き１５３，１５５が設けられており、これらの切り欠き１５３，１５５はシェルチューブ２１，２３の流入口４３，４５及び流出口４７，４９側の固定部１５７，１５９（図４）に沿って幅方向の両側に設けられている。

切り欠き１０５，１５５は溝５５の全幅にわたって設けられており、冷媒をその流れとほぼ直交する方向（幅方向）に拡散させ、また、収束させ、溝５５の全幅を有効に利用することによって冷却水との接触面積を拡大し、熱交換効率を向上させている。

また、インナーフィン１５１においても、流入口５１と流出口５３を幅方向にオフセットさせ、これに応じて切り欠き１５３，１５５の幅方向長さを不等長にすれば、流入口５１側と流出口５３側とにわたって冷媒の流路長が長くなり、熱交換効率をそれだけ向上させることができる。

［本発明の範囲に含まれる他の態様］
なお、本発明は上述した実施形態のみに限定解釈されるものではなく、本発明の技術的な範囲内で様々な変更が可能である。

冷却システム９の一部を示す概略図である。 複合熱交換器１と電動モータ３などの冷却水用サブラジエータ５とエンジンの冷却水用ラジエータ２７とを組み合わせた状態を示す斜視図である。 サブラジエータ５の斜視図である。 サブラジエータ５の流出側タンク１３に組み込まれた水冷熱交換器１９を示す断面図である。 水冷熱交換器１９の側面図である。 水冷熱交換器１９の斜視図である。 水冷熱交換器１９の分解斜視図である。 （ａ）は第２実施例に用いられたインナーフィン１０１の平面図、（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は第３実施例に用いられたインナーフィン１５１の平面図、（ｂ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

１ 複合熱交換器
３ 電動モータ及びインバータやコンバータのような制御機器（エンジン以外の発熱体）
５ サブラジエータ（第１空冷熱交換器）
７ コンデンサ（第２空冷熱交換器）
９ 冷却システム
１１ 流入側タンク
１３ 流出側タンク
１５ 扁平チューブ（流路部材）
１７ 放熱フィン
１９ 水冷熱交換器
２１，２３ シェルチューブ（冷媒流路部材）
２９ インナーフィン（冷媒流路部材）
４３，４５ シェルチューブ２１，２３の流入口
４７，４９ シェルチューブ２１，２３の流出口
５１ インナーフィン２９の流入口
５３ インナーフィン２９の流出口
５５ インナーフィン２９の溝
１０１ インナーフィン（冷媒流路部材）
１０３，１０５ インナーフィン１０１の切り欠き
１５１ インナーフィン（冷媒流路部材）
１５３，１５５ インナーフィン１５１の切り欠き
１５７，１５９ シェルチューブ２１，２３の流入口４３，４５及び流出口４７，４９側の固定部

Claims (6)

1. 自動車のエンジン以外の発熱体（３）用の冷却水を冷却する第１空冷熱交換器（５）と、車室空調用の冷媒を冷却する第２空冷熱交換器（７）とを備えた冷却システム（９）に用いられる複合熱交換器（１）であって、
   前記第１空冷熱交換器（５）は、冷却水が流入する流入側タンク（１１）及び流出する流出側タンク（１３）と、前記両タンク（１１，１３）を連通させる流路部材（１５）と、前記流路部材（１５）と交互に積層された放熱フィン（１７）と、車室空調用の冷媒を冷却する水冷熱交換器（１９）とを有し、
   前記水冷熱交換器（１９）は、前記タンク（１１，１３）の内部に配置され、
   前記第２空冷熱交換器（７）は、第１空冷熱交換器（５）の下方に配置され、
   冷媒は、前記水冷熱交換器（１９）の上方から流入し下方から流出した後、前記第２空冷熱交換器（７）に流入することを特徴とする複合熱交換器（１）。
2. 請求項１に記載された複合熱交換器（１）であって、
   前記第１空冷熱交換器（５）と第２空冷熱交換器（７）は、これらを冷却する冷却風の流れと直交する同一面上に配置されており、第２空冷熱交換器（７）は、第１空冷熱交換器（５）に隣接して配置されていることを特徴とする複合熱交換器（１）。
3. 請求項１または請求項２に記載された複合熱交換器（１）であって、
   前記水冷熱交換器（１９）は、冷媒の流路となる複数箇の冷媒流路部材（２１，２３）を、冷却水が通過するための隙間（２５）を互いの間に設けながら積層して構成されており、前記冷媒流路部材（２１，２３）は、冷媒の流れがほぼ鉛直方向になるように配置されていることを特徴とする複合熱交換器（１）。
4. 請求項３に記載された複合熱交換器（１）であって、
   前記冷媒流路部材（２１，２３）の少なくとも下部は、ほぼ円弧状に形成されていることを特徴とする複合熱交換器（１）。
5. 請求項３または請求項４に記載された複合熱交換器（１）であって、
   前記冷媒流路部材は、互いに固定されて内部に冷媒流路を形成すると共に、冷媒の流れ方向両端部付近に設けられた冷媒の流入口（４３，４５）及び流出口（４７，４９）とを備えた一対のシェルチューブ（２１，２３）と、両シェルチューブ（２１，２３）の内側に固定され、前記冷媒の流入口（４３，４５）及び流出口（４７，４９）にそれぞれ対応する冷媒の流入口（５１）及び流出口（５３）と、冷媒の流れに沿って形成された多数の溝（５５）とを備えたインナーフィン（１０１）とを有し、
   前記インナーフィン（１０１）には、自身の前記流入口（５１）及び流出口（５３）と連通し、流れの幅方向に冷媒を拡散し、収束させて熱交換効率を向上させる切り欠き（１０３，１０５）が設けられていることを特徴とする複合熱交換器（１）。
6. 請求項３または請求項４に記載された複合熱交換器（１）であって、
   前記冷媒流路部材は、互いに固定されて内部に冷媒流路を形成すると共に、冷媒の流れ方向両端部付近に設けられた冷媒の流入口（４３，４５）及び流出口（４７，４９）とを備えた一対のシェルチューブ（２１，２３）と、両シェルチューブ（２１，２３）の内側に固定され、前記冷媒の流入口（４３，４５）及び流出口（４７，４９）にそれぞれ対応する冷媒の流入口（５１）及び流出口（５３）と、冷媒の流れに沿って形成された多数の溝（５５）とを備えたインナーフィン（１５１）とを有し、
   前記インナーフィン（１５１）には、前記シェルチューブ（２１，２３）の流入口（４３，４５）側及び流出口（４７，４９）側の固定部（１５７，１５９）に沿って設けられ、流れの幅方向に冷媒を拡散し、収束させて熱交換効率を向上させる切り欠き（１５３，１５５）が設けられていることを特徴とする複合熱交換器（１）。

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