JP2000346582A - 熱交換器 - Google Patents

熱交換器

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清登 安井
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Masashi Inoue
正志 井上
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造コストを抑えつつチューブの耐圧強度の
向上を図るとともに、当該チューブを具備する熱交換器
の熱交換性能を向上させる。 【解決手段】 扁平なチューブに冷媒を流通させて熱交
換を行う熱交換器について、第1、第2の壁部21,2
2を外側から陥没させて冷媒流路23側に突出する膨出
部25を形成するとともにこれら膨出部25の頂部25
aどうしを当接させることでチューブの長さ方向に長径
を向けた楕円形の断面をなす柱状部26を複数設け、さ
らにチューブの長さ方向に対して斜めに隣接する柱状部
26どうしを一部重複させて配置する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換器およびそ
の製造方法に係り、特に車両用空気調和装置に適用可能
な熱交換器およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】車両用空気調和装置に具備される熱交換
器には熱交換器用チューブが使用されているが、これら
は図19や図20に示すような形態のものに大別され
る。図19に示すものはいわゆる伝縫管であり、この伝
縫管1は、扁平な形状のチューブ2と、チューブ2の内
部に開口部3から挿入される波形のインナーフィン4と
から構成されており、インナーフィン4の波の各頂部4
aはチューブ2の内側面に溶接等により接着されてい
る。
【0003】また、図20に示すものは押し出し成形管
であり、この押し出し成形管5は、チューブ状部6と仕
切壁7とが一体的に押し出し成形されたものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、図19に示
す伝縫管1を熱交換器に使用した場合、チューブ2の内
部に波形のインナーフィン4が挿入されることにより伝
熱面積が拡大して熱伝達率が向上するが、その製造過程
においてはインナーフィン4の挿入やチューブ2内側面
との溶接に多くの作業時間が必要となり、製造コストが
増大するといった問題がある。
【0005】また、図20に示す押し出し成形管5を熱
交換器に使用した場合も、チューブ状部6の内部に仕切
壁7が形成されることにより伝熱面積が拡大して熱伝達
率が向上するが、その製造過程においては押し出し成形
の技術を用いるため、チューブ状部6および仕切壁7の
肉厚を薄く仕上げることが困難であり、使用する材料が
増して製造コストが増大する。さらに、肉厚が厚くなる
分だけ熱交換性能の向上が図れないといった問題もあ
る。
【0006】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、製造コストを抑えつつチューブの耐圧強度の向
上を図るとともに、当該チューブを具備する熱交換器の
熱交換性能を向上させることを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの手段として、本発明に係る熱交換器は、略平行に離
間して冷媒の流路の一部をなす第1の壁部と第2の壁部
とを有する扁平なチューブに冷媒を流通させて熱交換を
行う熱交換器であって、前記チューブには、相対する前
記第1、第2の壁部の少なくともいずれか一方を外側か
ら陥没させて前記流路側に突出する膨出部を形成すると
ともに該膨出部の頂部を他方に当接させることで、前記
チューブの長さ方向に長径を向けた楕円形または長円形
の柱状部が複数設けられ、前記柱状部は、前記長さ方向
に対して斜めに隣接するものどうしが、長さ方向に一部
を重複させて配置されていることを特徴としている。
【0008】この熱交換器において、チューブの長さ方
向に対し斜めに隣接する柱状部どうしでは、冷媒の流れ
の上流側に位置する柱状部の後端部よりも、下流側に位
置する柱状部の前端部が上流側に位置するので、上流側
に位置する柱状部の後端部では低下傾向にある局所熱伝
達率が下流側に位置する柱状部の前端部によって補われ
る。
【0009】また、上流側に位置する柱状部の後端部よ
りも、下流側に位置する柱状部の前端部が上流側に位置
することで、チューブの断面がいかなる位置でも常に柱
状部を含んだ形状となる。ここで、柱状部は第1の壁部
に形成された膨出部と第2の壁部に形成された膨出部と
が頂部どうしをろう付けされたもので、第1、第2の壁
部を接合する役割を果たしており、しかも、柱状部はチ
ューブの長さ方向に沿って規則的に配置され、頂部どう
しの接合部分も広く確保されるため、チューブは長さ方
向のいかなる断面をとっても第1の壁部と第2の壁部と
が膨出部どうしで接着された状態となって接合強度が高
められる。
【0010】なお、上記熱交換器では、前記第1の壁部
および第2の壁部の両側に位置して前記流路の一部をな
すとともに前記長さ方向に対して前記柱状部の斜め前方
および後方に位置する側壁部に、前記柱状部の半分割形
状をなす半膨出部が設けられることが望ましい。第1、
第2の壁部とともに流路の一部をなす側壁部は、柱状部
の千鳥配置の関係から柱状部の斜め前方および後方に位
置する部分で他よりも耐圧強度が低くなる場合がある。
そこで、上記のように柱状部の半分割形状をなす半膨出
部が設けられることで、第1、第2の壁部の接合部分が
増えて接合強度が高められる。また、側壁部に半膨出部
が設けられることで側壁部に沿う冷媒の流れに乱れが生
じ、乱流効果が高まる。
【0011】また、本発明に係る熱交換器は、略平行に
離間して冷媒の流路の一部をなす第1の壁部と第2の壁
部とを有する扁平なチューブに冷媒を流通させて熱交換
を行う熱交換器であって、前記チューブには、楕円形ま
たは長円形の柱状部が、前記第1、第2の壁部間におい
て長径を前記チューブの長さ方向に向けて複数設けら
れ、該柱状部の短径d1、長径をd2、前記長さ方向に
対して斜めに隣接する柱状部どうしの前記チューブの幅
方向の中心間距離をp1、前記長さ方向の中心間距離を
p2とすると、前記柱状部の断面形状が 2.0≦d2/d1≦3.0 を満たし、さらに各柱状部が 1.5≦p1/d1≦3.0 0.5≦p2/d2≦1.5 を満たして配置されていることを特徴としている。
【0012】この熱交換器においては、上記の条件を満
たすように柱状部の断面形状および配置を規定すること
でより高い熱伝達率が得られる。まず、d2/d1の値
が2.0を下回ると、柱状部の断面形状が楕円から円形
に近くなって局所熱伝達率が低下するとともに抗力係数
が増大してしまい、d2/d1の値が3.0を上回る
と、前端部の曲率が小さくなり過ぎて剥離が起こり、局
所熱伝達率が低下する。
【0013】p1/d1の値が1.5を下回ると、チュ
ーブの長さ方向に対して斜めに隣接する柱状部どうしの
間隔が狭まって流路抵抗が増大してしまい、p1/d1
の値が3.0を上回ると、斜めに隣接する柱状部どうし
の間隔が広がって流路抵抗は減少するが、これに伴い柱
状部間を流れる冷媒の流速が鈍化して熱伝達率が低下す
る。また、p2/d2の値が0.5を下回ると、チュー
ブの長さ方向に隣接する柱状部どうしの間隔が狭まって
冷媒の流れが干渉し合い、流路抵抗が減少して熱伝達率
が低下してしまい、p2/d2の値が1.5を上回る
と、隣接する柱状部どうしの間隔が広がって柱状部より
下流側の冷媒の流速が鈍化し熱伝達率が低下する。
【0014】また、本発明に係る熱交換器は、略平行に
離間して冷媒の流路の一部をなす第1の壁部と第2の壁
部とを有する扁平なチューブに冷媒を流通させて熱交換
を行う熱交換器であって、前記チューブには、楕円形ま
たは長円形の前記第1、第2の壁部間に形成された柱状
部が複数設けられ、該柱状部は長径を前記チューブの長
さ方向に対して傾斜させて配置されていることを特徴と
している。
【0015】この熱交換器においては、柱状部が長径を
チューブの長さ方向に対して傾斜させた状態に形成され
ることで、下流側に位置する柱状部の前端部が、上流側
に位置する柱状部の後端部に対してチューブの幅方向に
オフセットされた状態となる。これにより、下流側に位
置する柱状部が上流側に位置する柱状部に対して冷媒の
流れの '陰' とはならなくなり、前端部にぶつかる冷媒
の量が増す。
【0016】なお、上記熱交換器では、前記長径の前記
長さ方向に対する傾斜角が±7゜以下に設定されること
が望ましい。傾斜角を0゜から大きくしていくと徐々に
熱伝達率が向上し、±7゜付近で高い熱伝達率が得られ
るが、これを過ぎると冷媒の流れに剥離が起こり易くな
り、熱伝達率が低下する。
【0017】また、本発明に係る熱交換器は、略平行に
離間して冷媒の流路の一部をなす第1の壁部と第2の壁
部とを有する扁平なチューブに冷媒を流通させて熱交換
を行う熱交換器であって、前記チューブには、楕円形ま
たは長円形の柱状部が前記第1、第2の壁部間において
長径を前記チューブの長さ方向に向けて複数設けられ、
該柱状部は前記冷媒の流れ方向に進むに従って漸次密に
配設されていることを特徴としている。
【0018】凝縮器として用いられる熱交換器では、冷
媒が上流から下流に進むに従って乾き度を低下させるた
め、チューブの壁面に作用する圧力も漸次低下する。そ
こで、冷媒の流れ方向に進むに従って柱状部を漸次密に
配設し、圧力の低下に合わせて流路の断面積を漸次小さ
くすると、チューブの壁面に作用する圧力をほぼ一定と
することが可能となる。これにより、チューブの長さ方
向の全域において熱伝達率がほぼ一定の高い値に保た
れ、圧力損失はほぼ一定の低い値に保たれる。
【0019】また、本発明に係る熱交換器は、略平行に
離間して冷媒の流路の一部をなす第1の壁部と第2の壁
部とを有する扁平なチューブに冷媒を流通させて熱交換
を行う熱交換器であって、前記チューブには、楕円形ま
たは長円形の柱状部が前記第1、第2の壁部間において
長径を前記チューブの長さ方向に向けて複数設けられ、
該柱状部は前記冷媒の流れ方向に進むに従って漸次疎に
配設されていることを特徴としている。
【0020】蒸発器として用いられる熱交換器では、冷
媒が上流から下流に進むに従って乾き度を高めるため、
チューブの壁面に作用する圧力も漸次高まる。そこで、
冷媒の流れ方向に進むに従って柱状部を漸次疎に配設
し、圧力の上昇に合わせて冷媒流路の断面積を漸次大き
くすると、チューブの壁面に作用する圧力をほぼ一定と
することが可能となる。これにより、チューブの長さ方
向の全域において熱伝達率がほぼ一定の高い値に保た
れ、圧力損失はほぼ一定の低い値に保たれる。
【0021】
【発明の実施の形態】本発明に係る熱交換器の第1実施
形態を図1ないし図13に示して説明する。図1に示す
ように、本実施形態における熱交換器10は、扁平な形
状を有する複数のチューブ11と、これらのチューブ1
1の両端に設けられてチューブ11内の冷媒流路と連通
する一対のヘッドパイプ12,13と、各チューブ11
間に配置されてその頂部がチューブ11に接する波形フ
ィン14とを備えている。
【0022】一方のヘッドパイプ12の内部は中央より
もやや下方に設けられた仕切板15でふたつに分割され
ている。そして、ヘッドパイプ12の上部には上方に位
置する内部空間に連通するように冷媒流入管16が取り
付けられ、ヘッドパイプ12の下部には下方に位置する
内部空間に連通するように冷媒流出管17が取り付けら
れている。
【0023】この熱交換器10においては、チューブ1
1を流通する冷媒は矢印Aで示すように、仕切板15よ
り上の領域aではヘッドパイプ12からヘッドパイプ1
3に向けて流れ、仕切板15より下の領域bではヘッド
パイプ13からヘッドパイプ12に向けて流れるように
なっている。
【0024】図2に示すように、チューブ11には、平
板20を折り曲げ加工することにより略平行に離間して
第1の壁部21と第2の壁部22とが形成されており、
これら第1の壁部21と第2の壁部22とに囲まれた部
分に冷媒流路23が形成されている。
【0025】また、チューブ11には、相対する第1の
壁部21、第2の壁部22の壁面を外側から陥没させて
複数のディンプル24が形成されており、これらディン
プル24を形成することによって冷媒流路23側には複
数の膨出部25が形成されている。
【0026】これら膨出部25は、頂部25aを平面視
するとチューブ11の長さ方向(図中の矢印A方向)を
長径とする楕円形をなし、さらに、図3に示すように相
対するものどうしで頂部25aを当接させることで、第
1の壁部21と第2の壁部との間に設けられて楕円形の
断面形状をなす柱状部26の体をなしている。なお、柱
状部26の断面形状は楕円形に限らず、長円形であって
もよい。また、柱状部26は中実であってもよい。
【0027】また、各膨出部25は、図4に示すように
A方向に対して斜めに隣接するものどうしがA方向に一
部を重複させて千鳥状に配置されており、各柱状部26
もこれに準じた配置となっている。
【0028】図2に示すように、チューブ11には、熱
交換を行う空気の流入方向(図中の矢印B方向)に対す
る前縁部30および後縁部31が設けられており、これ
ら前縁部30および後縁部31には、所定の薄さに形成
されて流入空気のチューブ11まわりの流れを整流する
機能を有するスプリッタプレート部32,33が形成さ
れている。
【0029】図1および図5に示すように、チューブ1
1の両端はヘッドパイプ12,13に挿入されるが、チ
ューブ11の両端部には、スプリッタプレート部32,
33の一部を切除するようにして切欠部34,35がそ
れぞれ形成されている。
【0030】一方、ヘッドパイプ12,13には、チュ
ーブ11の端部の形状に一致しチューブ11を挿入可能
なように複数のチューブ挿入穴36が形成されている。
これらチューブ挿入穴36の両側には、一部を切除され
たスプリッタプレート部32,33を挿入可能なように
溝部37が形成されている。
【0031】ここで、チューブ挿入穴36の幅w1は、
切欠部34,35が形成された部分のチューブ11の幅
w2とほぼ同じ大きさに設定され、スプリッタプレート
部32,33を含めたチューブ11の幅w3は、チュー
ブ挿入穴36の幅w1よりも大きく設定されている。こ
れにより、チューブ11の端部をチューブ挿入穴36に
挿入すると、切欠部34,35の段がヘッドパイプ1
2,13に突き当たってそれ以上の挿入が阻止されるよ
うになっている。
【0032】次に、上記のような構造の熱交換器10の
製造方法を図6を参照して説明する。まず、図6(a)に
示すように、チューブ11を製作するための平板20を
用意し、この平板20に、後にチューブ11の内側面お
よび外側面となる両面にろう付け用のろう材をクラッド
する。さらに、あらかじめ切欠部34,35となる部分
を平板20の端部に形成する。
【0033】次に、図6(b)に示すように、平板20を
プレス成形またはロール成形し、冷媒流路23となる部
分に膨出部25を形成し、前縁部30となる部分には折
り曲げ代40を形成し、後縁部31となる部分にはろう
付け部41,41を形成する。続いて、図6(c)に示す
ように、折り曲げ代40に沿って平板20を折り曲げ加
工する。折り曲げられた平板20は、折り曲げ代40、
ろう付け部41,41、膨出部25の頂部25aどうし
を当接させて扁平な形状のチューブ11となる。
【0034】次に、図6(d)に示すように、チューブ挿
入穴36を有するヘッドパイプ12,13を用意する。
そして、チューブ挿入穴36にチューブ11の端部を挿
入するとともに、各チューブ11間に波形フィン14を
配置して熱交換器10を組み立てる。この後、組み立て
られた熱交換器10を加熱炉(図示略)に入れ、所定の
温度で一定時間加熱すると、平板20にクラッドされた
ろう材が溶解し、熱交換器10の各部、すなわち折り曲
げ代40、ろう付け部41,41、膨出部25の頂部2
5aどうし、チューブ11の両端部とチューブ挿入穴3
6、チューブ11と波形フィン14の当接部分がそれぞ
れろう付けされ、熱交換器10が完成する。
【0035】上記のように構成された熱交換器10にお
いては、冷媒流路23内に配置された柱状部26の断面
形状が、A方向を長径とする楕円形をなすことで、熱伝
達率の向上と流路抵抗の低減とが図られている。詳述す
ると、冷媒の流れが最初にぶつかる柱状部26の前端部
では側面の曲率が小さいので、前端部に沿って流れる冷
媒の流速が加速され、局所熱伝達率が向上する。そし
て、前端部を過ぎ後端部に至るまでは側面の曲率が大き
いので、流れの剥離が起こり難くなって形状抵抗が小さ
く抑えられ、流路抵抗が低減する。
【0036】ここで、流れ場の中に長径を流れ方向に一
致させて配置された楕円断面を有する柱状体について、
側面の流路長s/d2(s:柱状体先端のよどみ点から
側面に沿う長さ)と局所熱伝達率Nu/Re 1/2(Nu:ヌ
ッセルト数、Re:レイノルズ数)との関係を図7に、
レイノルズ数Reと流れの抵抗を示す抗力係数CDとの関
係を図8に示す。なお、各図には、比較の対象として円
形断面を有する柱状体の局所熱伝達率、抗力係数をそれ
ぞれ示している。
【0037】図7によると、楕円断面を有する柱状体の
前端部(よどみ点付近)における局所熱伝達率は、円形
断面を有する柱状体に比べて格段に高い値を示すことが
わかる。また、前端部を過ぎ後端部に至るまでの間にお
いても楕円断面を有する柱状体の局所熱伝達率は、円形
断面を有する柱状体の局所熱伝達率よりも常に高い値を
示すことがわかる。
【0038】図8によると、楕円断面を有する柱状体の
抗力係数は、任意のレイノルズ数に対して円形断面を有
する柱状体の抗力係数よりも常に低い値(約1/2)を
示すことがわかる。
【0039】なお、柱状部26の断面形状は、図4に示
すように短径をd1、長径をd2とすると、 2.0≦d2/d1≦3.0 … (I) を満たすことが望ましい。式(I)において、d2/d
1の値が2.0を下回ると、柱状部26の断面形状が楕
円から円形に近くなって局所熱伝達率が低下するととも
に抗力係数が増大してしまい、d2/d1の値が3.0
を上回ると、前端部の曲率が小さくなり過ぎて剥離が起
こり、局所熱伝達率が低下するからである。
【0040】また、熱交換器10においては、冷媒流路
23内に配置された各柱状部26が千鳥状に配置される
ことで、冷媒流路23を流れる冷媒が網の目のようにな
って流れて交わりの箇所に位置する柱状部26の前端部
に効率よくぶつかるようになり、熱伝達率の向上が図ら
れる。
【0041】式(I)を満たす断面形状をなす柱状部を
設けたチューブ(後述するチューブ11Aと同形状)と
従来の押し出し成形チューブとの熱交換性能を比較する
ため、両者について冷媒循環量と熱伝達率との関係を図
9に、冷媒循環量と冷媒に生じる圧力損失との関係を図
10に示す。両図によると、柱状部を設けたチューブ
は、押し出し成形チューブと比較して圧力損失の上昇も
みられるが、それにも増して熱伝達率が格段に上昇する
ことがわかる。
【0042】また、各柱状部26は、図4に示すように
A方向に対して斜めに隣接するものどうしのチューブの
幅方向(図中の矢印B方向)の中心間距離距離をp1、
A方向の中心間距離をp2とすると、 1.5≦p1/d1≦3.0 … (II) 0.5≦p2/d2≦1.5 … (III) を満たして千鳥状に配置されることが望ましい。式(I
I)において、p1/d1の値が1.5を下回ると、A
方向に対して斜めに隣接する柱状部26どうしの間隔が
狭まって流路抵抗が増大してしまい、p1/d1の値が
3.0を上回ると、斜めに隣接する柱状部26どうしの
間隔が広がって流路抵抗は減少するが、これに伴い柱状
部26間を流れる冷媒の流速が鈍化して熱伝達率が低下
するからである。式(III)においては、p2/d2の
値が0.5を下回ると、A方向に隣接する柱状部26ど
うしの間隔が狭まって両柱状部26まわりの流れが干渉
して流路抵抗が減少して熱伝達率が低下してしまい、p
2/d2の値が1.5を上回ると、A方向に隣接する柱
状部26どうしの間隔が広がって柱状部26後方の冷媒
の流速が鈍化し熱伝達率が低下するからである。
【0043】ここで、各柱状部26の配置を図11に示
すように異ならせた4タイプのチューブ11A,11
B,11C,11Dについて、冷媒循環量と熱伝達率と
の関係を図12に、冷媒循環量と冷媒に生じる圧力損失
との関係を図13に示す。なお、柱状部26の断面形状
はいずれのタイプもすべて同一(d2/d1=3.0/
6.1)としてある。
【0044】図12によると、チューブ11A(p1/
d1=2.0、p2/d2=1.20…)、チューブ1
1B(p1/d1=1.5、p2/d2=1.15
…)、チューブ11C(p1/d1=2.0、p2/d
2=1.15…)、の各タイプを用いた場合は、任意の
冷媒循環量に対する熱伝達率がすべて同じような値を示
し、チューブ11D(p1/d1=1.26…、p2/
d2=1.15…)を用いた場合は、任意の冷媒循環量
に対する熱伝達率が他のタイプを用いた場合よりも常に
高い値を示すことがわかる。
【0045】図13によると、チューブ11A,11
B,11C,の各タイプを用いた場合は、任意の冷媒循
環量に対する圧力損失がほぼ同様の値を示し、チューブ
11Dを用いた場合は、任意の冷媒循環量に対する圧力
損失が他のタイプを用いた場合よりもやや高い値を示す
が、その差は僅かであることがわかる。
【0046】さらに、熱交換器10においては、A方向
に対して斜めに隣接する柱状部26どうしが一部を重複
させるように配置されることで、熱伝達率の向上とチュ
ーブ11の耐圧強度の向上が図られている。詳述する
と、柱状部26側面の局所熱伝達率は、前端部で最も高
く後端部に向かうにつれて低くなるのであるが、斜めに
隣接する柱状部26どうしでは、上流側に位置する柱状
部26の後端部よりも、下流側に位置する柱状部26の
前端部が上流側に位置するので、上流側に位置する柱状
部26の後端部では低下傾向にある局所熱伝達率が、下
流側に位置する柱状部26の前端部によって補われるよ
うになり、これによってチューブ10全体として熱伝達
率を平均的に向上させることができる。
【0047】また、斜めに隣接する柱状部26どうしで
は、上流側に位置する柱状部26の後端部よりも、下流
側に位置する柱状部26の前端部が上流側に位置するの
で、チューブ10はA方向に対し垂直な断面がいかなる
箇所でも常に柱状部26を含んだ形状となる。ここで、
柱状部26は図3にも示すように第1の壁部21に形成
された膨出部25と第2の壁部22に形成された膨出部
25とが頂部25aどうしをろう付けされたもので、柱
状部26が第1、第2の壁部21,22を接合する役割
を果たしている。しかも、柱状部26はA方向に沿って
規則的に配置され、頂部25aどうしの接合部分も広く
確保される。そのため、チューブ10はA方向のいかな
る断面をとっても第1の壁部21と第2の壁部22とが
膨出部25どうしで接着された状態となって接合強度が
高められ、平板20の板厚が薄くても十分な耐圧強度が
確保される。
【0048】次に、本発明に係る熱交換器の第2実施形
態を図14に示して説明する。なお、上記第1実施形態
において既に説明した構成要素には同一符号を付して説
明は省略する。図14に示すように、本実施形態におけ
るチューブ11には、楕円形をなす膨出部42が、長径
をA方向に対して傾斜角θだけ傾斜させた状態に形成さ
れ、相対するものどうしで頂部42aを当接させること
で柱状部43の体をなしている。また、各膨出部42
は、A方向に対して斜めに隣接するものどうしがA方向
に一部を重複させるようにして千鳥状に配置されてお
り、各柱状部43もこれに準じた配置となっている。
【0049】上記のように構成されたチューブ11を具
備する熱交換器においては、斜めに隣接する柱状部43
どうしがA方向に一部を重複させるように配置されるこ
とで熱伝達率の向上とチューブ11の耐圧強度の向上が
図られることに加えて、膨出部42が長径をA方向に対
して傾斜角θだけ傾斜させた状態に形成されることで、
下流側に位置する柱状部43の前端部が、上流側に位置
する柱状部43の後端部に対してB方向にオフセットさ
れた状態となって冷媒の流れの '陰' とはならなくな
り、前端部にぶつかる冷媒の量が増し、これによって熱
伝達率が向上する。
【0050】なお、傾斜角θは±7゜以下に設定される
ことが望ましい。傾斜角を0゜から大きくしていくと徐
々に熱伝達率が向上して効果が現れるが、±7゜を過ぎ
ると剥離が起こり易くなり、熱伝達率が低下するからで
ある。
【0051】次に、本発明に係る熱交換器の第3実施形
態を図15および図16に示して説明する。なお、上記
各実施形態において既に説明した構成要素には同一符号
を付して説明は省略する。図15に示すように、本実施
形態におけるチューブ11には、第1、第2の壁部2
1,22の両側に位置して冷媒流路23の一部をなす側
壁部44に、柱状部26の半分割形状をなす柱状部45
が設けられている。柱状部45は、第1、第2の壁部2
1,22をそれぞれ陥没させて形成した半膨出部46を
頂部どうしで当接させることで柱状部45の体をなして
いる。
【0052】柱状部45は、正に楕円形をなして千鳥状
に配置された柱状部26のうち、A方向に隣接する柱状
部26a間に配置され、これら柱状部26aに対して斜
めに隣接する柱状部26bとB方向に配列された状態に
形成されている。
【0053】上記のように構成されたチューブ11を具
備する熱交換器においては、チューブ11の側壁部44
に半分割形状の柱状部45が設けられることで、チュー
ブ11の耐圧強度および熱伝達率の向上が図られてい
る。詳述すると、正に楕円形をなして千鳥状に配置され
る柱状部26は、例えば本実施形態では、B方向から見
て1個または2個ずつ配列され、さらにそれらがA方向
に交互に配列されている。ここで、チューブ11につい
て、柱状部26bが配置された箇所の断面と、柱状部2
6aが2個配列された箇所の断面とを比較すると、前者
は後者に比べて第1、第2の壁部21,22間の接合部
分が小さく接合強度が低いことがわかる。これは、柱状
部26bが配置された箇所の耐圧強度が、柱状部26a
が2個配列された箇所よりも低いことを示している。そ
こで、上記のように柱状部26bが配置された箇所に半
分割形状の柱状部45を設けると、第1、第2の壁部2
1,22間の接合部分が拡大して接合強度が増し、柱状
部26aが2個配列された箇所と同程度に耐圧強度が高
められる。また、柱状部45を設けることにより、側壁
部44に沿う冷媒の流れに乱れが生じ、乱流効果が高ま
って熱伝達率の向上が図られる。
【0054】図16には、類似の実施形態として、蒸発
器として用いられる積層型熱交換器を構成する冷媒流通
部47を示す。冷媒流通部47には、上端に設けられた
冷媒入口48から下端を往復して上端に設けられた冷媒
出口49に抜けるU字型の冷媒流路50が形成されてい
る。冷媒流路50には、図15のチューブ11と同様に
半分割形状の柱状部45が配設されており、これによっ
て冷媒流通部47の耐圧強度および熱伝達率の向上が図
られている。
【0055】次に、本発明に係る熱交換器の第4実施形
態を図17に示して説明する。なお、上記各実施形態に
おいて既に説明した構成要素には同一符号を付して説明
は省略する。本実施形態における熱交換器は、外気に熱
を放出して冷媒を凝縮させる凝縮器として用いられるも
のである。図17に示すように、この熱交換器に用いら
れるチューブ11に形成された膨出部25は、A方向に
進むに従って個々の断面の大きさが相似形を保ちながら
拡大されて漸次密に配設され、柱状部26もこれに準じ
て漸次密に配設されており、A方向に対し垂直な冷媒流
路23の断面積は、下流に位置する箇所ほど小さくなっ
ている。
【0056】凝縮器として用いられる熱交換器では、冷
媒が上流から下流に進むに従って乾き度を低下させるの
で(ガス状相に対して液状相が増加する)、チューブ1
1の壁面に作用する圧力も漸次低下する。そこで、上記
のように構成されたチューブ11を具備する熱交換器に
おいては、圧力の低下に合わせて冷媒流路23の断面積
を漸次小さくすることにより、チューブ11の壁面に作
用する圧力がほぼ一定となる。これにより、チューブ1
1の長さ方向の全域において熱伝達率がほぼ一定の高い
値に保たれる。また、チューブ11の長さ方向の全域に
おいて圧力損失がほぼ一定の低い値に保たれる。
【0057】上記のチューブ11においては、相似形を
保ちながらも柱状部26の大きさを個々に拡大すること
で、冷媒流路23の断面積が下流に向けて漸次小さくな
るように構成したが、例えば、相似形をくずして柱状部
26の大きさを変化させてもよいし、柱状部26の大き
さは変化させずにA方向に進むに従って配列を変化させ
てもよい。
【0058】次に、本発明に係る熱交換器の第5実施形
態を図18に示して説明する。なお、上記各実施形態に
おいて既に説明した構成要素には同一符号を付して説明
は省略する。本実施形態における熱交換器は、外気から
熱を奪って冷媒をガス化させる蒸発器として用いられる
ものである。図18に示すように、熱交換器10は、略
矩形の平板51,52を重ね合わせて接合して形成され
た冷媒流通部53が積層されて構成されている。冷媒流
通部53には、平板51,52の外周部および中央部を
接合することで、上端に設けられた冷媒入口54から下
端を往復して上端に設けられた冷媒出口55に抜けるU
字型の扁平チューブ状の冷媒流路56が形成されてい
る。
【0059】冷媒流路56は、平板51,52の中央部
を接合されて両側の流路を仕切る仕切部57の下端57
bが平板51,52の両側縁から等距離に配置されると
ともに上端57aが冷媒入口54寄りに配置されて仕切
部57の上端が冷媒入口54側に傾いた状態に形成され
ている。これにより、冷媒の流れ方向に垂直な冷媒流路
56の断面積は、上流に位置する箇所ほど小さく、下流
に位置する箇所ほど大きくなっている。
【0060】また、冷媒流路56には、相対する平板5
1,52の壁面を外側から陥没させることで複数の膨出
部58が形成され、さらに相対する膨出部58の頂部ど
うしを当接させることで複数の柱状部59が設けられて
いる。
【0061】各柱状部59は、隣接するものどうしが冷
媒の流れ方向の距離および流れ方向に直交する方向の距
離を一定に保って配置されている。このため、冷媒流路
23の断面積は、下流に位置する箇所ほど大きくなって
いる。
【0062】蒸発器として用いられる熱交換器では、冷
媒が上流から下流に進むに従って乾き度を高めるので
(液状相に対してガス状相が増加する)、冷媒流通部5
3の壁面に作用する圧力も漸次高まる。そこで、上記の
ように構成された冷媒流通部53を具備する熱交換器に
おいては、圧力の上昇に合わせて冷媒流路56の断面積
を漸次大きくすることにより、冷媒流通部53の壁面に
作用する圧力がほぼ一定となる。これにより、冷媒の流
れ方向の全域において熱伝達率がほぼ一定の高い値に保
たれる。また、冷媒の流れ方向の全域において圧力損失
がほぼ一定の低い値に保たれる。
【0063】上記の冷媒流通部53においては、隣接す
る柱状部59どうしを一定間隔に配置することで、冷媒
流路56の断面積が下流に向けて漸次大きくなるように
構成したが、例えば、配置は変えずに個々の柱状部59
を下流に位置するものほど拡大してもよいし、柱状部5
9の大きさは変化させずにA方向に進むに従って数を増
やすように配列して漸次密に配設してもよい。
【0064】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る熱交
換器によれば、冷媒の流れの上流側に位置する柱状部の
後端部よりも、下流側に位置する柱状部の前端部が上流
側に配置され、上流側に位置する柱状部の後端部では低
下傾向にある局所熱伝達率が下流側に位置する柱状部の
前端部によって補われるので、チューブ全体として熱伝
達率を平均的に向上させることができる。
【0065】また、下流側に位置する柱状部の前端部が
上流側に配置されることで、チューブは長さ方向のいか
なる断面をとっても第1の壁部と第2の壁部とが膨出部
どうしで接着された状態となって接合強度が高められる
ので、チューブの耐圧強度を高めることができる。
【0066】さらに、第1、第2の壁部とともに流路の
一部をなす側壁部に、柱状部の半分割形状をなす半膨出
部が設けられることで、第1、第2の壁部の接合部分が
増えて接合強度が高められる。また、側壁部に半膨出部
が設けられることで側壁部に沿う冷媒の流れに乱れが生
じ、乱流効果が高まるので、熱伝達率を向上させること
ができる。
【0067】本発明に係る熱交換器によれば、柱状部が
長径をチューブの長さ方向に対して傾斜させた状態に形
成されることで、下流側に位置する柱状部の前端部が上
流側に位置する柱状部の後端部に対してチューブの幅方
向にオフセットされた状態となって冷媒の流れの '陰'
とはならず、前端部に冷媒がぶつかる割合が増すので、
熱伝達率を向上させることができる。
【0068】本発明に係る熱交換器によれば、これを凝
縮器として用いる場合、チューブに設ける柱状部を冷媒
の流れ方向に進むに従って漸次密に配設し、チューブの
壁面に作用する圧力の低下に合わせて流路の断面積を漸
次小さくすることで、チューブの壁面に作用する圧力を
ほぼ一定とすることが可能となる。これにより、チュー
ブの長さ方向の全域において熱伝達率をほぼ一定の高い
値に保ち、さらにチューブの長さ方向の全域において圧
力損失をほぼ一定の低い値に保つことができる。
【0069】また、熱交換器を蒸発器として用いる場
合、チューブに設ける柱状部を冷媒の流れ方向に進むに
従って漸次疎に配設し、チューブの壁面に作用する圧力
の上昇に合わせて冷媒流路の断面積を漸次大きくするこ
とで、チューブの壁面に作用する圧力をほぼ一定とする
ことが可能となる。これにより、チューブの長さ方向の
全域において熱伝達率をほぼ一定の高い値に保ち、さら
にチューブの長さ方向の全域において圧力損失をほぼ一
定の低い値に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る熱交換器の第1実施形態を示す
正面図である。
【図2】 図1に示した熱交換器に使用されるチューブ
の斜視図である。
【図3】 図2におけるIII−III線矢視断面図である。
【図4】 図2におけるIV−IV線矢視断面図である。
【図5】 ヘッダパイプへのチューブの差し込み部を示
す平断面図である。
【図6】 図1に示した熱交換器の製造方法を示す工程
図である。
【図7】 流れ場に置かれた楕円断面を有する柱状体に
ついて側面の流路長と局所熱伝達率との関係を示す図表
である。
【図8】 流れ場に置かれた楕円断面を有する柱状体に
ついてレイノルズ数と抗力係数との関係を示す図表であ
る。
【図9】 楕円断面を有する柱状部を設けたチューブと
従来の押し出し成形チューブとについて冷媒循環量と熱
伝達率との関係を示す図表である。
【図10】 楕円断面を有する柱状部を設けたチューブ
と従来の押し出し成形チューブとについて冷媒循環量と
冷媒に生じる圧力損失との関係を示す図表である。
【図11】 柱状部の配置を異ならせた4タイプのチュ
ーブを示す平面図である。
【図12】 図11に示した4タイプのチューブについ
て冷媒循環量と熱伝達率との関係を示す図表である。
【図13】 図11に示した4タイプのチューブについ
て冷媒循環量と冷媒に生じる圧力損失との関係を示す図
表である。
【図14】 本発明に係る熱交換器の第2実施形態を示
す図であって、当該熱交換器に具備されるチューブを示
す平面図である。
【図15】 本発明に係る熱交換器の第3実施形態を示
す図であって、当該熱交換器に具備されるチューブを示
す平面図である。
【図16】 第3実施形態に示した熱交換器に類似する
実施形態を示す図であって、蒸発器として使用される熱
交換器に具備される冷媒流通部を示す側面図である。
【図17】 本発明に係る熱交換器の第4実施形態を示
す図であって、当該熱交換器に具備されるチューブを示
す平面図である。
【図18】 本発明に係る熱交換器の第5実施形態を示
す図であって、蒸発器として使用される熱交換器に具備
される冷媒流通部を示す側面図である。
【図19】 従来の熱交換器に使用される伝縫管の一例
を示す斜視図である。
【図20】 従来の熱交換器に使用される押し出し成形
管の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
10 熱交換器 11 チューブ 12,13 ヘッドパイプ 14 波形フィン 20 平板 21 第1の壁部 22 第2の壁部 23 冷媒流路 24 ディンプル 25 膨出部 25a 頂部 26 柱状部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 敦 愛知県西春日井郡西枇杷島町旭町3丁目1 番地 三菱重工業株式会社エアコン製作所 内 (72)発明者 安井 清登 愛知県西春日井郡西枇杷島町旭町3丁目1 番地 三菱重工業株式会社エアコン製作所 内 (72)発明者 五百川 博 愛知県西春日井郡西枇杷島町旭町3丁目1 番地 三菱重工業株式会社エアコン製作所 内 (72)発明者 古藤 広之 愛知県名古屋市中村区岩塚町字高道1番地 三菱重工業株式会社名古屋研究所内 (72)発明者 渡部 真 愛知県西春日井郡西枇杷島町旭町3丁目1 番地 三菱重工業株式会社エアコン製作所 内 (72)発明者 井上 正志 愛知県西春日井郡西枇杷島町旭町3丁目1 番地 三菱重工業株式会社エアコン製作所 内 (72)発明者 仲戸 宏治 愛知県西春日井郡西枇杷島町旭町3丁目1 番地 三菱重工業株式会社エアコン製作所 内 Fターム(参考) 3L103 AA01 AA11 AA17 AA37 AA39 BB38 DD15 DD54 DD55 DD57

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 略平行に離間して冷媒の流路の一部をな
    す第1の壁部と第2の壁部とを有する扁平なチューブに
    冷媒を流通させて熱交換を行う熱交換器であって、 前記チューブには、相対する前記第1、第2の壁部の少
    なくともいずれか一方を外側から陥没させて前記流路側
    に突出する膨出部を形成するとともに該膨出部の頂部を
    他方に当接させることで、前記チューブの長さ方向に長
    径を向けた楕円形または長円形の柱状部が複数設けら
    れ、 前記柱状部は、前記長さ方向に対して斜めに隣接するも
    のどうしが、長さ方向に一部を重複させて配置されてい
    ることを特徴とする熱交換器。
  2. 【請求項2】 前記第1の壁部および第2の壁部の両側
    に位置して前記流路の一部をなすとともに、前記長さ方
    向に対して前記柱状部の斜め前方および後方に位置する
    側壁部に、前記柱状部の半分割形状をなす半膨出部が設
    けられていることを特徴とする請求項1記載の熱交換
    器。
  3. 【請求項3】 略平行に離間して冷媒の流路の一部をな
    す第1の壁部と第2の壁部とを有する扁平なチューブに
    冷媒を流通させて熱交換を行う熱交換器であって、 前記チューブには、楕円形または長円形の柱状部が、前
    記第1、第2の壁部間において長径を前記チューブの長
    さ方向に向けて複数設けられ、 該柱状部の短径d1、長径をd2、前記長さ方向に対し
    て斜めに隣接する柱状部どうしの前記チューブの幅方向
    の中心間距離をp1、前記長さ方向の中心間距離をp2
    とすると、前記柱状部の断面形状が 2.0≦d2/d1≦3.0 を満たし、さらに各柱状部が 1.5≦p1/d1≦3.0 0.5≦p2/d2≦1.5 を満たして配置されていることを特徴とする熱交換器。
  4. 【請求項4】 略平行に離間して冷媒の流路の一部をな
    す第1の壁部と第2の壁部とを有する扁平なチューブに
    冷媒を流通させて熱交換を行う熱交換器であって、 前記チューブには、楕円形または長円形の柱状部が前記
    第1、第2の壁部間に複数設けられ、該柱状部は長径を
    前記チューブの長さ方向に対して傾斜させて配置されて
    いることを特徴とする熱交換器。
  5. 【請求項5】 前記長径の前記長さ方向に対する傾斜角
    が±7゜以下に設定されていることを特徴とする請求項
    4記載の熱交換器。
  6. 【請求項6】 略平行に離間して冷媒の流路の一部をな
    す第1の壁部と第2の壁部とを有する扁平なチューブに
    冷媒を流通させて熱交換を行う熱交換器であって、 前記チューブには、相対する前記第1、第2の壁部の少
    なくともいずれか一方を外側から陥没させて前記流路側
    に突出する膨出部を形成するとともに該膨出部の頂部を
    他方に当接させることで、前記チューブの長さ方向に長
    径を向けた楕円形または長円形の柱状部が複数設けら
    れ、 該柱状部の短径d1、長径をd2、前記長さ方向に対し
    て斜めに隣接する柱状部どうしの前記チューブの幅方向
    の中心間距離をp1、前記長さ方向の中心間距離をp2
    とすると、前記柱状部の断面形状が 2.0≦d2/d1≦3.0 を満たし、各柱状部が 1.5≦p1/d1≦3.0 0.5≦p2/d2≦1.5 を満たし、さらに前記長さ方向に対して斜めに隣接する
    ものどうしが、長さ方向に一部を重複させて配置されて
    いることを特徴とする熱交換器。
  7. 【請求項7】 略平行に離間して冷媒の流路の一部をな
    す第1の壁部と第2の壁部とを有する扁平なチューブに
    冷媒を流通させて熱交換を行う熱交換器であって、 前記チューブには、相対する前記第1、第2の壁部の少
    なくともいずれか一方を外側から陥没させて前記流路側
    に突出する膨出部を形成するとともに該膨出部の頂部を
    他方に当接させることで、楕円形または長円形の柱状部
    が複数設けられ、 該柱状部は、前記チューブの長さ方向に対して傾斜させ
    て配置されるとともに、長径を前記長さ方向に対して斜
    めに隣接するものどうしが前記長さ方向に一部を重複さ
    せるようにして配置されていることを特徴とする熱交換
    器。
  8. 【請求項8】 前記長径の前記長さ方向に対する傾斜角
    が±7゜以下に設定されていることを特徴とする請求項
    7記載の熱交換器。
  9. 【請求項9】 略平行に離間して冷媒の流路の一部をな
    す第1の壁部と第2の壁部とを有する扁平なチューブに
    冷媒を流通させて熱交換を行う熱交換器であって、 前記チューブには、楕円形または長円形の柱状部が、前
    記第1、第2の壁部間において長径を前記チューブの長
    さ方向に向けて複数設けられ、 該柱状部は前記冷媒の流れ方向に進むに従って漸次密に
    配設されていることを特徴とする熱交換器。
  10. 【請求項10】 略平行に離間して冷媒の流路の一部を
    なす第1の壁部と第2の壁部とを有する扁平なチューブ
    に冷媒を流通させて熱交換を行う熱交換器であって、 前記チューブには、楕円形または長円形の柱状部が、前
    記第1、第2の壁部間において長径を前記チューブの長
    さ方向に向けて複数設けられ、 該柱状部は前記冷媒の流れ方向に進むに従って漸次疎に
    配設されていることを特徴とする熱交換器。
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