JP2010181140A - 熱交換器用の熱交換インサート - Google Patents

Abstract

【課題】軽量化に伴うインサートの薄肉化による熱交換器の変形を防止するための手段を提供する。
【解決手段】金属ストリップまたは金属シートから形成された熱交換器用インサート１０は、第１の厚さを有する少なくとも第１のゾーンと、第２の厚さを有する少なくとも第２のゾーンを備えている。第１の厚さおよび第２の厚さは、第２の厚さが第１の厚さの１．５倍以上、２倍以下となるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器用の熱交換インサート、およびこのようなインサートを備える熱交換器に関する。

本発明は、詳細には、間隙によって離隔されたチューブのコアと、複数の波形熱交換インサートを備えた、主として自動車用の熱交換器に関する。複数の波形熱交換インサートは、一連の実質的に平坦な部分を形成するように折り曲げられた金属ストリップの形態である。各平坦部は、２つのチューブの間に配設され、チューブ間の間隙に適合した寸法の１つの曲がり接合部によって、２つずつ連結されている。

熱交換器の機能は、チューブ内を循環する流体と、熱交換器を通過する外部流体との間の熱交換を可能にすることである。チューブ内を循環する流体と、外部流体との間の熱交換の性能を向上させたい場合には、外部流体とチューブ内を循環する流体との間の熱交換の表面積の増大を可能にする手段を、熱交換器に設けるのが一般的である。

したがって、このような熱交換器は、一般に、冷却流体が循環する１列または複数列の整列したチューブを備えている。これらのチューブの集合体は、一般にコアと呼ばれている。このような熱交換器の機能は、チューブ内を循環する冷却流体と、熱交換器の外部を通過する流体との間の熱交換を可能にすることである。

したがって、１つの曲がり接合部によって２つずつ連結された一連の実質的に平坦な部分によって形成された、概観が概ね波形の複数の熱交換インサートを熱交換器に設けることが、周知の方法である。通常は、波形インサートは、曲がり接合部の一部がチューブに接触するように、２つのチューブの間に配設される。

このような熱交換器は、例えば、自動車の空調装置に組み入れることができる。この場合、熱交換器を通過する外部流体は、通常は自動車の内部に吹き込ませる空気であり、冷却流体は冷媒流体である。この場合、熱交換器は、この吹き込ませる空気を冷却することを目的としている。したがって、この熱交換器は蒸発器である。

空調回路内の流体の循環は、通常は、自動車のエンジンによって直接駆動されるコンプレッサによって行われる。

現在、自動車に使用する構成部品の重量を軽減することが求められている。特に、熱交換器は、金属、特にアルミニウムで形成されている。現在の要求に応えるために、このような熱交換器の製造に使用される金属シートの厚さを低減する必要があると考えられている。

使用する金属シートの厚さは、一般に、インサート用が７０μｍ未満であり、チューブ用が２７０μｍ未満である。このような厚さの低減により、熱交換器の機械強度が低下して、故障および劣化が促進されるリスクが上昇するという不都合が生じている。

劣化のリスクは、熱交換器の生産段階で、様々な構成要素を共に固定する最終製造段階で、良好な結合を確実にするために、チューブおよびインサートのコアに保持圧力がかかった時に増大する。

このような保持圧力下では、チューブおよびインサートのコアは、変形および／またはずれが生じて、例えば漏れの発生による故障や、例えば圧力損失の増加による効率の低下が起こりうる。

本発明の目的は、上記の問題点を解消した、導入部で述べた新しいタイプの熱交換器を提案することにある。

本発明は、金属ストリップまたは金属シートから形成された熱交換器用のインサートを提供するものである。このようなインサートは、第１の厚さを有する少なくとも１つの第１のゾーン、および第２の厚さを有する少なくとも第２のゾーンを備えている。

第１の厚さおよび第２の厚さは、第２の厚さが第１の厚さの１．５倍以上、２倍以下となるようにする。

本発明の好適な実施形態では、第２のゾーンは、好ましくはインサートの端部において、第１の長さに亘って金属ストリップを折り曲げることによって得られる局所肉厚部を画定している。

局所肉厚部を、圧延によって薄くすると特に有利である。

別法またはこれに加えて、第１のゾーンは、機械加工、圧延、スタンピング、または成形によって、金属ストリップを局所的に薄くすることによって形成する。

インサートの局所肉厚部は、例えば第２の厚さと第１の厚さとの間の差に等しい所定の高さの少なくとも１つの横断方向の突出部を画定していると有利である。

本発明はまた、上記した少なくとも１つのインサートを備える熱交換器にも関する。

本発明の好適な実施形態では、インサートは、その同一の側面か、または相反する２つの側面に設けられた２つの局所肉厚部を備えている。

好ましくは、熱交換器は、少なくとも２つの局所肉厚部の間に配設された、少なくとも１つの熱交換チューブを備えている。

変更形態では、熱交換チューブは、インサートの局所肉厚部と相互作用できる少なくとも１つの局所変形部を備えている。

本発明の他の特徴および利点は、本発明の理解を補うだけではなく、適宜に本発明の定義に寄与しうる添付の図面、および以下の詳細な説明の考察から明らかになると思う。

本発明による熱交換器の正面図である。 図１の熱交換器のコアの一部の斜視図である。 図２の熱交換器のコアの部分の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って切った断面図である。 本発明による異なる実施形態の図３の線ＩＶ−ＩＶに沿って切った断面図である。 図４のインサートの実施形態の斜視図である。 図２の熱交換器のコアの部分の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って切った本発明の別の実施形態の断面図である。

図１は、熱交換器２の正面図である。熱交換器２は、波形インサート１０が配設された間隙１２によって離隔されたチューブ８のコアを備えている。

波形インサート１０は、一連の平坦部または実質的に平坦な部分２２を形成するように折り曲げられた金属シートまたはストリップ２０の形態である。各平坦部２２は、２つのチューブ８の間に配設され、２つの連続したチューブ８の間に画定された間隙１２に適合した寸法の１つの曲がり接合部２４によって２つずつ連結されている。

熱交換器２は、冷媒液または冷却液などの流体循環チューブ８の一端および他端をそれぞれに受容している第１の収集リング４および第２の収集リング６も備えている。チューブ８は、互いに均等に離隔して一列に配設され、チューブ８のコアを構成している。

第１の収集リング４は、冷媒液または冷却液などの流体が循環する空調回路に連結されたインレットマニホールド１４に連結され、第２の収集リング６は、同様に空調回路に連結されたアウトレットマニホールド１６に連結されている。

したがって、空調回路の上流部を出た流体は、インレットマニホールド１４に入り、第１の管状収集リング４を経て、チューブ８を循環してから第２の収集リング６に達する。次いで、流体は、第２の収集リング６を通り、空調回路の下流部に連結されたアウトレットマニホールド１６から出る。

別の実施形態によると、熱交換器２は、単一収集リングを備えている。単一収集リングは、その内部にインレットマニホールド１４およびアウトレットマニホールド１６が個々に配置されるように、内部仕切りによって分離するか、または並置された２つの収集室によって形成した２つの内部空間を有する。

チューブ８およびインサート１０のコアは、熱交換器２の全体を保持し、強度を高める２つの端版１８を備えている。

本発明は、端版１８を備えていない熱交換器も対象としている。

熱交換器２は、その内部を通過する空気などの外部流体と、冷媒または冷却液などのチューブ８の内部を循環する流体との間の熱交換を可能にする。

図１の例では、チューブ８の内部を循環する流体は、Ｒ７４４という名称でも知られている二酸化炭素などの超臨界流体、またはＲ１３４ａという名称の冷媒流体であるフッ素化合物などの亜臨界流体とすることができる。さらに、本発明は、他の代替流体と共に用いることもできる。チューブ８の内部を循環する流体は、自動車の熱機関を冷却するための流体などの冷却流体とすることもできる。

図２は、図１の熱交換器のコアの一部の斜視図である。

図２は、チューブ８およびインサート１０の形状、ならびにその互いに対する構成を明確に示している。

図１に示すように、２つのチューブ８の間には、波形の熱交換インサート１０が配設されている。

各インサート１０は、例えばアルミニウム合金からなる折り曲げられた金属シート、またはストリップの形態に形成されている。各インサート１０は、金属ストリップ２０に切込みを入れて形成されたルーバー２６を備えている。

波形インサート１０は、例えば、「フラットバンド」とも呼ばれる金属ストリップの連続的な折り畳みによって形成されている。インサート１０は、２つの近接した平坦部２０が接合部２４によって互いにつながるように構成された一連の平坦部２０を備えている。

気流Ｆが、熱交換器２を横断し、チューブ８およびインサート１０のコアを通過する。

したがって、熱交換器２は、気流Ｆが熱交換器２に入る面を形成する上流面と、気流Ｆが熱交換器２から出る面を形成する下流面を有する。

本発明によると、インサート１０は、局所肉厚部３０も備えている。この局所肉厚部３０は、インサート１０の強度を向上させ、従って熱交換器２の強度の向上に寄与することができる。

２つの局所肉厚部３０は、気流Ｆが流れる方向におけるインサート１０の両端部に設けるのが好ましい。したがって、第１の局所肉厚部３０は、熱交換器２の上流面に位置し、第２の局所肉厚部３０は、熱交換器２の下流面に位置している。

第１の例示的な実施形態では、局所肉厚部３０は、特に、インサート１０を構成する金属ストリップ２０の第１の長さＡに亘って折り曲げるなどして、局所的に曲げることによって形成している。したがって、金属ストリップが第１の厚さＴｈ１を有する場合、局所肉厚部３０は、第１の厚さＴｈ１の２倍に等しい第２の厚さＴｈ２を有する。

したがって、インサート１０は、第１の厚さＴｈ１を有する第１のゾーンと、第２の厚さＴｈ２を有する少なくとも第２のゾーンを備えることになる。

この実施形態は、第２の厚さＴｈ２の２倍以下の第１の厚さＴｈ１を有することを可能にする。

さらに、例えば、第１の厚さＴｈ１が第２の厚さＴｈ２よりも薄くなるように、厚さＴｈ１の第１のゾーンと厚さＴｈ２の第２のゾーンを画定するために、例えば、圧延などによって、金属ストリップ２０を局所的に薄くすることも可能である。

局所肉厚部３０の寸法を小さくして、第２の厚さＴｈ２を得るために、例えば圧延によって局所肉厚部３０を薄くする。

この実施形態によると、第２の厚さＴｈ２は、第１の厚さＴｈ１の１．５倍〜２倍の範囲であるのが望ましい。

さらに、本発明は、局所肉厚部３０が、第２の厚さＴｈ２と第１の厚さＴｈ１との間の差に少なくとも等しい高さｈ２を有する終端当接部を画定することを可能にする。

また、このような終端当接部は、インサート１０をチューブ８間の所定の位置に保持するのに役立つ。具体的には、図２に示すように、インサート１０は、横方向、すなわち、中心平面に垂直な気流Ｆの流動の方向に保持される。

別法として、第２の実施形態によると（不図示）、機械加工によって、インサート１０の第１の部分を薄くして、局所肉厚部３０を設けることが可能である。薄くするインサート１０の第１の部分は、チューブ８およびインサート１０のコアの中心平面に対して対称に位置させるのが好ましい。この中心平面とは、熱交換器２の上流面および下流面から等距離にある平面であり、熱交換器２に対して平行である。

上記の構成については、図２の熱交換器２のコアの部分の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である図３に詳細に例示してある。

図３に示すように、終端当接部は、チューブ８の端部壁４０に接触している。この接触は、インサート１０に接触しているチューブ８の２つ大きな側面をつないでいるチューブ８の２つの小さい側面でなされているのが好ましい。

このような保持により、インサート１０は、所定の位置に配置されて保持され、熱交換器２の組み立てのために圧力がかかると、チューブ８の間で移動できなくなる。

図３の例によると、２つの局所肉厚部３０は、インサート１０の同一の側面に設けられている。この実施形態では、熱交換器２の上流面および下流面、ならびに中心平面に対して垂直な平面の同一断面において、同じチューブ８の両側に２つの終端当接部を設けることが可能である。

この例によると、インサート１０は、チューブ８の所定の位置に保持される。

別の変更された実施形態によると、２つの局所肉厚部３０を、インサート１０の両側に設けてある。これは、図３の線ＩＶ−ＩＶに沿って切り取った断面図である図４に詳細に示してある。

図４に例示するように、下流面に位置するインサート１０の端部は、インサート１０の第１の側に局所肉厚部３０を備えている。上流面に位置するインサート１０の端部は、第１の側とは反対のインサート１０の第２の側に局所肉厚部３０を備えている。

このような構成により、交互する終端当接部が可能となる。このように形成すると、インサート１０を、２つの近接するチューブ８の間の所定の位置に保持することができる。

図５は、図４のインサートの実施形態の斜視図である。

本発明は、特に、蒸発器、凝縮器、ガス冷却器、または熱放射器などの自動車用に設計された加熱設備、換気設備、および／または空調設備の熱交換器に利用することができる。

さらに、上記の例は、折り畳み型のチューブを備えた熱交換器に関するものである。しかし、本発明は、プレートを備えるチューブ、または押出チューブによる実施形態も対象としている。

流体循環用チューブ８は、「単チャンネル」型である。本明細書に記載しているチューブ８は、単なる例である。本発明では、他のタイプのチューブも、流体循環用チューブ８として用いることができる。本発明はまた、チューブ８が複数の内部チャンネルを画定する内部仕切りを備えている実施形態も対象としている。このようなチューブは、一般に「多チャンネルチューブ」と呼ばれている。したがって、チューブ８は、「多チャンネルフラットチューブ」として知られている。

図６は、本発明の代替の実施形態を示している。

この変更形態は、チューブ８のコアの厚さを減少させるという利点を有する。このため、チューブ８は、局所変形部３２を備えている。この局所変形部３２により、インサート１０の局所肉厚部３０を受容するのに適した空間を画定することが可能となっている。

局所変形部３２を、チューブ８の端部３６に設けるのが好ましい。局所変形部３２は、インサート１０の局所肉厚部３０と相互作用するように、この局所肉厚部３０の形状に一致させている。

図６の例によると、チューブ８は、ｅ１の厚さを有する中心部３４と、この中心部３４の両側に設けられた２つの端部３６を備えている。各端部３６は、ｅ２の厚さを有する。厚さｅ１は、厚さｅ２にインサート１０の終端当接部の高さｈ２の２倍を加えた値に等しい。

図６の実施形態は、波形インサート１０の特定の実施形態も示している。この例によると、インサート１０は、その各側に２つの局所肉厚部３０を備えているため、合計４つの局所肉厚部３０を有する。

このようなインサート１０は、逆方向への二重折り返し、すなわちインサート１０の端部の第１の長さ（Ａ）に亘る金属ストリップの２つの相反する方向への折り返しの結果である。この折り返しの後、折り返された二重折り返し部分の厚さを、薄肉化、好ましくは上記した圧延によって、薄くすることができる。

この実施形態は、熱交換器２の取付けのために圧力がかけられると、チューブ８のコアにインサート１０が保持されるという同様の利点を有する。

本発明は、蒸発器に限定されるものではない。本発明は、凝縮器、ガス冷却器、熱放射器などのあらゆるタイプの熱交換器に有用である。

本発明は、単なる例として記載した上記の実施形態に限定されるものではなく、当業者が特許請求の文脈の範囲内と見なす他の変更形態、また、上記した様々な実施形態のすべての組み合わせを包含するものである。

２ 熱交換器
４ 第１の収集リング
６ 第２の収集リング
８ チューブ
１０ インサート
１２ 間隙
１４ インレットマニホールド
１６ アウトレットマニホールド
１８ 端版
２０ ストリップ
２２ 平坦部
２４ 曲がり接合部
２６ ルーバー
３０ 局所肉厚部
３２ 局所変形部
３４ 中心部
３６ 端部
Ａ 第１の長さ
Ｆ 気流
Ｔｈ１ 第１の厚さ
Ｔｈ２ 第２の厚さ
ｅ１ 中心部の厚さ
ｅ２ 端部の厚さ
ｈ２ 高さ

Claims (15)

1. 金属ストリップ（２０）から形成された熱交換器（２）用のインサート（１０）において、
   第１の厚さ（Ｔｈ１）を有する少なくとも第１のゾーンおよび第２の厚さ（Ｔｈ２）を有する少なくとも第２のゾーンを備えていることを特徴とする、インサート（１０）。
2. 第２の厚さ（Ｔｈ２）は、第１の厚さ（Ｔｈ１）の２倍以下であることを特徴とする、請求項１に記載のインサート（１０）。
3. 第２の厚さ（Ｔｈ２）は、第１の厚さ（Ｔｈ１）の１．５倍以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載のインサート（１０）。
4. 第２のゾーンは、第１の長さ（Ａ）に亘って金属ストリップ（２０）を折り返して形成された局所肉厚部（３０）を画定していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のインサート（１０）。
5. 金属ストリップ（２０）の局所肉厚部（３０）を、インサート（１０）の端部に設けてあることを特徴とする、請求項４に記載のインサート（１０）。
6. 局所肉厚部（３０）は、圧延によって薄くされていることを特徴とする、請求項４または５に記載のインサート（１０）。
7. 第１のゾーンは、金属ストリップ（２０）を局所的薄肉化によって形成してあることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のインサート（１０）。
8. 局所的薄肉化は、機械加工によって行われていることを特徴とする、請求項７に記載のインサート（１０）。
9. インサート（１０）の局所肉厚部（３０）は、高さ（ｈ２）を有する少なくとも１つの横断方向の突出部を画定していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のインサート（１０）。
10. 局所肉厚部（３０）の高さ（ｈ２）は、第２の厚さ（Ｔｈ２）と第１の厚さ（Ｔｈ１）との間の差に等しいことを特徴とする、請求項９に記載のインサート（１０）。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のインサート（１０）を、少なくとも１つ備える熱交換器（２）。
12. インサート（１０）は、その同一の側面に設けられた２つの局所肉厚部（３０）を備えていることを特徴とする請求項１１に記載の熱交換器（２）。
13. インサート（１０）は、その２つの相反する側面に設けられた２つの局所肉厚部（３０）を備えていることを特徴とする請求項１１に記載の熱交換器（２）。
14. 少なくとも２つの局所肉厚部（３０）の間に配設された少なくとも１つの熱交換チューブ（８）を備えていることを特徴とする請求項１２または１３に記載の熱交換器（２）。
15. 熱交換チューブ（８）は、インサート（１０）の局所肉厚部（３０）と相互作用できる少なくとも１つの局所変形部（３２）を備えていることを特徴とする請求項１４に記載の熱交換器（２）。

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