CN103038596A - 热交换器及具备热交换器的车辆用空调装置 - Google Patents

热交换器及具备热交换器的车辆用空调装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种空气压力损失小，且热交换量大的热交换器以及具有该热交换器的车辆用空调装置。本发明的热交换器具备：扁平管，其在内部形成有多个制冷剂流通孔；散热片，其固定于扁平管的扁平面，将扁平管和散热片交替层叠而形成。在将多个制冷剂流通孔的等效直径设为de，将扁平管的宽度设为W，将与扁平管的宽度方向上的一端和最接近的制冷剂流通孔的距离相当的一端侧壁厚设为t1，将与扁平管的宽度方向上的另一端和最接近的制冷剂流通孔的距离相当的另一端侧壁厚设为t2，将扁平管的层叠方向高度设为Hp，将散热片的层叠方向高度设为Hf，将制冷剂流通孔的个数设为N，并且，等效直径de为0.5以上且0.8以下，扁平管宽度W为12mm以上且16mm以下的情况下，(W-t1-t2)×Hp×Hf/N为3.95以上且10.0以下。

Description

热交换器及具备热交换器的车辆用空调装置
技术领域
本发明涉及一种热交换器及具备热交换器的车辆用空调装置。 
背景技术
在车辆用空调装置中设有通过与空气的热交换而使制冷剂凝缩的冷凝器(热交换器)。在典型的多元流式中，多使用扁平管和波纹状散热片交替层叠的冷凝器。在扁平管的内部形成有多个制冷剂流通孔，在该扁平管的扁平面固定有波纹状散热片的各凸部，空气从波纹状散热片的表面上通过。 
为了提高这种形式的冷凝器的性能，考虑缩小散热片间距，或者，使形成于扁平管的制冷剂流通孔细密化。 
但是，若缩小散热片间距则通过的空气的压力损失增大，导致CRFM(Condenser-Radiator Fan Module)的电机输入的增大。另外，若使制冷剂流通孔细密化则制冷剂压力损失增大，导致压缩制冷剂的压缩机的动力的增加。 
在下述专利文献1中公开了一种多元流式的制冷剂冷凝器，其目的在于，考虑通风阻力及管内压力损失二者而得到最大散热性能。具体而言，在专利文献1中，将管的层叠方向高度Th、管内的制冷剂通路的层叠方向高度Tr、管外表面与制冷剂通路之间的管外周壁厚Td、扁平管的层叠方向的间距Tp作为参数，通过通风开口比Pr(＝Th/Tp)和管外周壁厚Td的关系来规定热交换器的形状。 
专利文献1：(日本)专利第3922288号公报(权利要求1等) 
但是，在专利文献1中，完全没有考虑制冷剂冷凝器的空气流动方向(管的宽度方向)的尺寸。即，对由通过散热片的空气引起的状态量变化(例如空气的通风阻力及空气流动方向的热交换)没有进行严密的研究。因此，该文献记载的制冷剂冷凝器的形状的特定中，没能严密地评价依赖于通风阻力的热交换器的性能。 
发明内容
本发明正是鉴于这种情况而设立的，其目的在于提供一种空气压力损失(通风阻力)小且热交换量大的热交换器及具备热交换器的车辆用空调装置。 
为了解决上述课题，本发明的热交换器及具备热交换器的车辆用空调装置采用以下的方式。 
本发明第一方面的热交换器，具备：扁平管，其在内部形成有多个制冷剂流通孔；散热片，其固定于所述扁平管的扁平面，空气从其表面上通过，所述热交换器通过将所述扁平管和所述散热片交替层叠而形成，其中，在将多个所述制冷剂流通孔的等效直径设为de，所述扁平管的宽度设为W，相当于所述扁平管的宽度方向上的一端和最近的所述制冷剂流通孔的距离的一端侧壁厚设为t1，相当于所述扁平管的宽度方向上的另一端和最近的所述制冷剂流通孔的距离的另一端侧壁厚设为t2，所述扁平管的层叠方向高度设为Hp，所述散热片的层叠方向高度设为Hf，所述制冷剂流通孔的个数设为N，并且，所述等效直径de为0.5以上且0.8以下，所述扁平管宽度W为12mm以上且16mm以下的情况下，(W-t1-t2)×Hp×Hf/N为3.95以上且10.0以下。 
如上述多项式所示，在评价热交换器的热交换性能时，使用如下的多项式，即使用扁平管宽度W的多项式。由此，能够考虑由通过散热片的空气引起的状态变化(例如空气的通风阻力及空气流动方向的热交换)，能够更严密地反映热交换性能。 
另外，不仅考虑扁平管宽度W及扁平管高度Hp这些扁平管的形状，也要考虑散热片高度Hf来决定热交换器的形状。由此，能够更严密地考虑空气压力损失。 
通过设定除以制冷剂流通孔个数N的多项式，可以评价每个制冷剂流通孔1的性能。 
通过使用以上的多项式，将其值设为3.95以上且10.0以下，发现可以实现空气压力损失小且热交换量大的热交换器。 
另外，优选的是，扁平管通过挤压加工制造。 
所述等效直径de优选设为0.55以上且0.76以下。 
通过将等效直径de设为0.55以上且0.76以下，能够使空气压力损失变小，且使热交换量变大。 
优选的是，所述散热片设为波纹形状，其间距优选设为1.6mm以上且2.0mm以下。 
通过将散热片间距设为1.6mm以上且2.0mm以下，能够进一步使空气压力损失变小，且使热交换量变大。 
另外，本发明第二方面的车辆用空调装置，具备上述任一方面的热交换器。 
由于具备上述热交换器，能够提供高性能的车辆用空调装置。另外，本发明的热交换器作为车辆用空调装置的冷凝器使用是合适的。 
根据本发明，能够提供一种空气压力损失小，且热交换量大的热交换器及具备热交换器的车辆用空调装置。 
附图说明
图1是表示本发明一实施方式的车辆用空调装置的冷凝器的正面图； 
图2是图1的扁平管的横剖面图； 
图3是表示图1的波纹状散热片的正面图； 
图4是将图1所示的冷凝器的模拟结果以多项式表示的图表； 
图5是图1所示的冷凝器的模拟结果以等效直径表示的图表。 
标记说明 
1：冷凝器（热交换器） 
13：芯部 
14：扁平管 
15：波纹状散热片 
W：扁平管宽度 
t1：一端侧壁厚 
t2：另一端侧壁厚 
Hp：扁平管的层叠方向高度 
Hf：波纹状散热片的层叠方向高度 
Pf：波纹状散热片的散热片间距 
N：制冷剂流通孔的个数 
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。 
图1中表示本实施方式的冷凝器(热交换器)1的正面图。冷凝器1在车辆用空调装置的冷冻循环中将压缩机(未图示)排出的高温高压的过热气体制冷剂冷却并使其凝缩。另外，冷凝器1作为CRFM(Condenser-Radiator Fan Module)的一构成要素，配置于车辆发动机室内的最前部。在冷凝器1的后方，依次配置有发动机冷却用散热器(未图示)、冷却风扇(未图示)。冷凝器1由通过冷却风扇吹来的冷却空气(外气)冷却。 
冷凝器1具备隔开规定间隔配置的一对第一集水箱11及第二集水箱12。这些集水箱11、12形成为筒状，以其长度方向朝向近似竖直方向的状态进行配置。在这些集水箱11、12间配置有进行空气和制冷剂的热交换的芯部13。 
冷凝器1为制冷剂从设于集水箱11、12之间的多个并行流路流过的多元流式。芯部13具备在集水箱11、12间在水平方向延伸的扁平管14、固定于扁平管14的扁平面的波纹状散热片15。通过将扁平管14和波纹状散热片15交替地在上下方向层叠而形成有芯部13。 
图2中表示扁平管14的横截面。如该图所示，在扁平管14的内部，在长度方向上形成有独立的多个制冷剂流通孔20。具有多个制冷剂流通孔20的扁平管14可以通过挤出加工铝合金制的素材而制造。 
扁平管14的长度方向的一端侧连接第一集水箱11，另一端部连接第二集水箱12。由此，制冷剂通过多个制冷剂流通孔20后在集水箱11、12间流通。 
图3中表示波纹状散热片15的正面图。如该图所示，波纹状散热片15形成为波形形状。该波纹状散热片15可以通过冲压加工铝合金制的板材来制造。波纹状散热片15的山部15a及谷部15b通过焊接相对扁平管14的扁平面接合。空气从该波纹状散热片15的表面上流过，促进空气和制冷剂的热交换。 
如图3所示，波纹状散热片15的高度设为Hf，散热片间距设为Pf。 
如图1所示，第一集水箱11内通过隔板16分割为两个室17、18，向上方的第一室17导入来自压缩机的气体制冷剂。该气体制冷剂经由与第一室17连通的位于上方的扁平管14而流入第二集水箱12，在第二集水箱12内U形弯转后，经由位于下方的剩余扁平管14流入下方的第二室18。气体制冷剂与通过扁平管14间的空间的空气进行热交换而被冷却、凝缩，随着制冷剂的凝缩在扁平管14的制冷剂流通孔20内制冷剂变为气液两相流。 
下面，对上述结构的冷凝器1的热交换性能，通过基于数值计算的模拟而研究的结果进行说明。 
本实施方式中，作为热交换性能的指标，采用与相对于正面面积Fa[m2]及空气压力损失ΔPa[Pa]的热交换量Q[W]相当的Q/Fa/ΔPa。通过采用该热交换性能指标，可以考虑通过冷凝器1(具体而言为波纹状散热片15)的空气的压力损失。即，热交换量Q越大、空气压力损失ΔPa越小，取越大的值。 
热交换量Q及空气压力损失ΔPa通过以下的关系式求得： 
ΔPa＝A×Pf^B 
Q＝C×exp(-D×Pf) 
在此，Pf为散热片间距(参照图3)，A、B、C及D为常数。 
另外，在模拟中，也考虑流过扁平管14的制冷剂通道孔20的制冷剂的压力损失。具体而言，制冷剂压力损失根据制冷剂流通孔20的管摩擦系数、气体制冷剂及液制冷剂的物理性值等算出。在制冷剂压力损失较大的情况下，热交换时(制冷剂凝缩时)的制冷剂的p(压力)-h(焓)线图的状态量变化从理想的水平(即压力一定且温度一定)向左下方过渡，凝缩时的制冷剂的平均温度CTm降低。若平均温度CTm降低，则与平均温度CTm和空气温度Tai的差(CTm-Tai)成比例的热交换量Q减少。因此，制冷剂压力损失越大，热交换量Q越大，上述热交换性能指标的取值越大。 
在模拟中，使用以下的条件： 
入口空气温度Tai＝35℃ 
入口制冷剂压力Pri＝1.744MPa 
空气的正面风速Fvi＝4.5m/s 
制冷剂入口过热度SH＝20K 
制冷剂出口过冷却度SC＝10K 
散热片间距Pf＝1.6mm以上且2.0mm以下 
作为规定冷凝器1的形状的参数，使用以下的多项式： 
(W-t1-t2)×Hp×Hf/N 
如图2所示，上述多项式的各变数如下： 
W：扁平管14的宽度 
t1：与扁平管14的宽度方向上的一端(在图2中为左端)和最近的制冷剂流通孔20的距离相当的一端侧壁厚 
t2：与扁平管14的宽度方向上的另一端(在图3中为右端)和最近的制冷剂流通孔20的距离相当的另一端侧壁厚 
Hp：扁平管14的层叠方向(上下方向)高度 
Hf：波纹状散热片15的层叠方向(上下方向)高度 
N：制冷剂流通孔20的个数 
在上述的多项式中，从扁平管宽度W减去一端侧壁厚t1及另一端侧壁厚t2是由于在这些壁厚t2、t2的范围不进行实质的热交换。 
扁平管14的层叠方向高度Hp及波纹状散热片15的层叠方向高度Hf与扁平管宽度W一同构成乘积的形式是由于这些参数与热交换量成比例。 
除以制冷剂流通孔个数N是为了评价每个制冷剂流通孔20的性能。 
图4中表示模拟结果。在该图中，纵轴为上述热交换性能指标Q/Fa/ΔPa，横轴为多项式(W-t1-t2)×Hp×Hf/N。 
该图中，分别表示扁平管宽度为12mm、14mm、15mm及16mm的情况。从该图可知，在多项式为3.95以上且10以下的情况下，所有的曲线都包含极大点。因此，如果将多项式选定为3.95以上且10以下，则能够得到高性能的冷凝器1。 
作为与图4的对比，相对专利文献1规定的冷凝器，计算了本实施方式的多项式。作为专利文献1的冷凝器的各种元素，参考[0021]记载的数值(管高度th＝1.7mm、散热片高度Fh＝7.8mm、管外周壁厚Td＝0.35mm)、及从专利文献1的图2读取的制冷剂流通孔的个数(14个)。 
制冷剂流通孔的直径设为1mm(＝1.7-2×0.35)。 
另外，对扁平管宽度W由于专利文献1中没有规定，因此，为了与本实施方式对比而使用16mm作为假设数值。一端侧壁厚t1及另一端侧壁厚t2若由16mm的扁平管宽度、14个制冷剂流通孔、1mm的制冷剂流通孔直径算出，则分别为0.133mm。由以上的数值得到的多项式的值如下。 
(W-t1-t2)×Hp×Hf/N 
＝(16-0.133-0.133)×1.7×7.8/14 
＝14.9 
这样，可知专利文献1公开的冷凝器在本实施方式规定的多项式的范围即3.95以上且10以下的范围之外。 
图5中表示模拟结果。在该图中，纵轴为上述的热交换性能指标Q/Fa/ΔPa，横轴为形成于扁平管14的多个制冷剂流通孔20的等效直径de。在此，等效直径de是指将形成于一个扁平管14的多个制冷剂流通孔20换算为等效的一个圆管时的直径。 
在该图中，分别表示扁平管宽度为12mm、14mm、15mm及16mm的情况。从该图可知，在等效直径de为0.5以上且0.8以下，优选为0.55以上且0.76的情况下，包含所有曲线的极大点。因此，如果以上述的方式选定等效直径de，则能够得到高性能的冷凝器1。 
根据本实施方式，起到以下的作用效果。 
在评价冷凝器1的热交换性能时，决定用使用扁平管宽度W的多项式。由此，也能够考虑由通过波纹状散热片15的空气引起的状态变化(例如空气的通风阻力、及空气流动方向的热交换)，能够更严密地反映热交换性能。 
不仅考虑扁平管宽度W及扁平管高度Hp这些扁平管的形状，也考虑散热片高度Hf来决定热交换器的形状。由此，能够更严密地考虑空气压力损失。 
通过设定除以制冷剂流通孔个数N的多项式，可以评价每个制冷剂流通孔的性能。 
将相对于正面面积Fa及空气压力损失ΔPa的热交换量Q作为热交换性能指标，通过上述多项式进行了评价。这样，通过由热交换量Q除以空气压力损失ΔPa的多项式进行评价，充分考虑了空气压力损失。由此，能够对与现实的使用状态相近的性能进行评价。 
另外，在模拟时，通过也考虑制冷剂压力损失算出热交换量Q，因此，能够进一步对与现实的使用状态相近的性能进行评价。 
将以上的多项式作为参数进行评价，发现其多项式的值在3.95以上且10.0以下的范围，上述的热交换性能指标较大(空气压力损失小，且热交换量大)。由此，通过多项式规定高性能的冷凝器的形状，因此能够再现性较好地得到高性能的冷凝器。 

Claims (4)

1.一种热交换器，具备：扁平管，其在内部形成有多个制冷剂流通孔；散热片，其固定于所述扁平管的扁平面，空气从其表面上通过，所述热交换器通过将所述扁平管和所述散热片交替层叠而形成，其特征在于，
在将多个所述制冷剂流通孔的等效直径设为de，所述扁平管的宽度设为W，相当于所述扁平管的宽度方向上的一端和最近的所述制冷剂流通孔的距离的一端侧壁厚设为t1，相当于所述扁平管的宽度方向上的另一端和最近的所述制冷剂流通孔的距离的另一端侧壁厚设为t2，所述扁平管的层叠方向高度设为Hp，所述散热片的层叠方向高度设为Hf，所述制冷剂流通孔的个数设为N，并且，
所述等效直径de为0.5以上且0.8以下，所述扁平管宽度W为12mm以上且16mm以下的情况下，
(W-t1-t2)×Hp×Hf/N为3.95以上且10.0以下。
2.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述等效直径de为0.55以上且0.76以下。
3.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，所述散热片形成为波纹形状，其间距为1.6mm以上且2.0mm以下。
4.一种车辆用空调装置，其特征在于，具备权利要求1～3中任一项所述的热交换器。
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