JP2001272184A - 熱交換器 - Google Patents

熱交換器

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JP2001272184A
JP2001272184A JP2000086009A JP2000086009A JP2001272184A JP 2001272184 A JP2001272184 A JP 2001272184A JP 2000086009 A JP2000086009 A JP 2000086009A JP 2000086009 A JP2000086009 A JP 2000086009A JP 2001272184 A JP2001272184 A JP 2001272184A
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refrigerant
tube
tubes
curved
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Seiichi Yamamoto
清一 山本
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    • F28F9/001Casings in the form of plate-like arrangements; Frames enclosing a heat exchange core
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 軽量で、冷媒の流出側で十分に温度が低下
し、且つ圧力損失が少ない熱交換器を提供する。 【解決手段】 各ヘッダー1間に複数のチューブ2を設
け、従来のサーペンタイン式の熱交換器と比べて各ヘッ
ダー1間を流れる冷媒の単位時間当たりの流量が増すよ
うにしたので、熱交換器における圧力損失を格段に少な
くできる。また、各チューブ2を蛇行して形成し、従来
のマルチフロー式の熱交換器と比べて冷媒の流通経路が
長くなるようにしたので、冷媒流出側における冷媒の温
度を格段に低下させることができる。さらに、従来のマ
ルチフロー式の熱交換器のように、熱交換器の上下にわ
たって延びる一対のヘッダーパイプを設ける必要がな
く、マルチフロー式の熱交換器に比べ格段に軽量であ
り、実用に際して極めて有利である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば二酸化炭素
を冷媒として使用する冷凍装置に用いられる熱交換器に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、蒸気圧縮型冷凍装置に使用される
フロンに代わる冷媒として、例えば特公平7−1860
2号公報に記載されているように二酸化炭素を使用した
ものが知られている。この蒸気圧縮型冷凍装置は圧縮
機、ガス冷却器、膨張弁及び蒸発器を有し、二酸化炭素
冷媒を圧縮機→ガス冷却器→膨張弁→蒸発器→圧縮機と
順次循環させることにより、室内の冷房等の空調を行っ
ている。
【0003】この冷凍装置の熱交換器であるガス冷却器
には、フロン冷媒を用いた冷凍装置の熱交換器である凝
縮器と同じ構造のものが用いられている。この種のガス
冷却器としては、上下方向に延びる一対のヘッダーパイ
プと、互いに上下方向に所定間隔をおいて配置され各ヘ
ッダーパイプに両端を接続された複数のチューブと、隣
接する各チューブ間に設けられた複数のフィンと、各ヘ
ッダーパイプ内を複数の部屋に仕切る仕切板とを備え
た、いわゆるマルチフロー式と呼ばれるものが一般的で
ある。このガス冷却器では、一方のヘッダーパイプに流
入した冷媒は、分流して各チューブを流通し、他方のヘ
ッダーパイプの所定の部屋にて合流する。その後、再び
分流して各チューブを流通し、一方のヘッダーパイプの
所定の部屋にて合流する。これを繰り返すことにより、
冷媒は各ヘッダーパイプ内の各部屋及び各チューブを順
次流通して、他方のヘッダーパイプより流出するように
なっている。熱交換は各チューブ及び各フィンを介し、
正面より流入する空気と冷媒とで行われている。このマ
ルチフロー式のガス冷却器によれば、冷媒通路を大きく
形成することができるので、圧力損失が少ないという利
点がある。
【0004】また、他のガス冷却器として、冷媒の流入
側から流出側までを蛇行する一本のチューブを備えた、
いわゆるサーペンタイン式と呼ばれるものも知られてい
る。このガス冷却器のチューブは、所定方向に延びる複
数の直路部と、各直路部の端部を結ぶ複数の曲路部とか
ら構成され、各直路部間に複数のフィンが設けられてい
る。このガス冷却器においては、前述のガス冷却器と同
様に、熱交換は各チューブ及び各フィンを介し、正面よ
り流入する空気と冷媒とで行われている。このサーペン
タイン式のガス冷却器によれば、冷媒の流通経路を長く
することができるので、冷媒の流出側での温度が低くな
り、冷凍装置の冷凍能力を十分に確保することができる
という利点がある。
【0005】しかしながら、熱交換器に二酸化炭素を用
いた場合、二酸化炭素の臨界温度は31°Cと従来のフ
ロンの臨界温度(例えば、R12では112°C)と比
べて低いので、夏季など外気温度が高いときにはガス冷
却器の温度が二酸化炭素の臨界温度より高くなり、ガス
冷却器の冷媒出口側で二酸化炭素が凝縮しない。このた
め、外気温度に関わらず熱交換器の出口側で凝縮するフ
ロン冷媒を用いた冷凍装置のように十分な冷凍能力が確
保できないという問題点があった。
【0006】この問題点を解決するため、冷媒に二酸化
炭素を用いた場合は熱交換器の高圧側における冷媒の圧
力を、フロン冷媒を用いた場合の10〜20kg/cm
2より高くし、100kg/cm2〜170kg/cm2
として冷凍装置の冷凍能力を確保している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記マ
ルチフロー式のガス冷却器においては、高圧の冷媒が流
通するため各ヘッダーパイプの肉厚を増して十分な強度
確保しなければならず、ガス冷却器の重量が増してしま
うという問題点があった。また、冷媒の流通経路が短い
ので、冷媒の流出側で十分に冷媒の温度が低下しないと
いう問題点もある。
【0008】また、前記サーペンタイン式のガス冷却器
においては、冷媒の通路の断面積が小さいので圧力損失
が大きく、冷媒を高圧で運転すると冷凍装置が正常に作
動しないという問題点がある。
【0009】本発明は前記問題点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、軽量で、冷媒の流出
側で十分に温度が低下し、且つ圧力損失が少ない熱交換
器を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するために、請求項1では、冷媒が流通するチューブを
有する熱交換器において、複数のチューブと、各チュー
ブの冷媒流入側と接続する一のヘッダーと、各チューブ
の冷媒流出側と接続する一のヘッダーとを備え、各チュ
ーブを、各ヘッダー間を蛇行するよう形成している。こ
れにより、冷媒流入側のヘッダーと冷媒流出側のヘッダ
ーとの間を流れる冷媒の単位時間当たりの流量が増す。
また、各チューブが蛇行しているので冷媒の流通経路が
長くなる。
【0011】また、請求項2では、請求項1記載の熱交
換器において、前記各チューブを、所定方向に延びる複
数の直路部と、各直路部の端部を結ぶ複数の曲路部とか
ら構成し、各チューブを、隣接する各チューブの各直路
部及び各曲路部が所定の間隔で並ぶよう形成している。
これにより、請求項1の作用に加え、熱交換器が設置さ
れる限られたスペースに、各チューブがより長く形成さ
れる。
【0012】また、請求項3では、請求項2記載の熱交
換器において、前記各曲路部を、各直路部の垂直方向に
延びる直部と、直部の両端側の湾曲部とから構成し、前
記各チューブを矩形状に形成している。これにより、請
求項2の作用に加え、熱交換器が設置される限られたス
ペースに、各チューブがさらに長く形成される。
【0013】また、請求項4では、請求項2または3記
載の熱交換器において、隣接する前記各チューブ間に複
数のフィンを設けている。これにより、請求項2または
3作用に加え、各チューブ間の各フィンを介して冷媒と
空気の熱交換が行われる。
【0014】また、請求項5では、請求項2、3または
4記載の熱交換器において、熱交換器本体の外側に位置
するチューブを覆う外板部を設け、熱交換器本体の外側
に位置するチューブと外板部との間に複数のフィンを設
けている。これにより、請求項2、3または4の作用に
加え、外板部とチューブとの間の各フィンを介して冷媒
と空気の熱交換が行われる。
【0015】また、請求項6では、請求項3記載の熱交
換器において、隣接する各チューブの各湾曲部間にスペ
ーサを設け、各湾曲部間の間隔が他の部分の間隔と等し
くなるようにし、隣接する各チューブ間に同形状の複数
のフィンを設けている。これにより、請求項3の作用に
加え、各チューブ間の各フィンは同形状のものが用いら
れる。
【0016】
【発明の実施の形態】図1乃至図4は本発明に係る熱交
換器の第1の実施形態を示すもので、図1は熱交換器の
外観斜視図、図2は熱交換器の部分正面断面図、図3は
チューブの斜視図、図4は外板部の斜視図である。
【0017】この熱交換器は、二酸化炭素冷媒の流入側
及び流出側に設けられる一対のヘッダー1と、各ヘッダ
ー1に両端が接続された複数のチューブ2と、熱交換器
の骨格部材である外板部3と、隣接する各チューブ2間
及び各チューブ2と外板部3との間に設けられる複数の
フィン4とから構成される。
【0018】各ヘッダー1は、一端が閉塞された前後方
向に延びる円筒状に形成され、熱交換器の左右の一方の
上方と、他方の下方とに配置される。この各ヘッダー1
は、チューブ2との接続のための複数の孔1aを、周方
向に所定間隔をおいて有している。
【0019】各チューブ2は、前後方向に広い扁平リン
グ状チューブであり、各ヘッダー1間を蛇行して設けら
れる。本実施形態においては7本で4種類のチューブ2
が用意され、熱交換器の左右方向に延び互いに上下方向
に平行な複数の直路部2aと、各直路部2aの端部を結
ぶ曲路部2bとから構成される。図1に示すように、各
チューブ1の互いの各直路部2aは上下方向に所定間隔
をおいて配置されている。各曲路部2bは所定の円弧状
に形成され、左右方向に並んだ各曲路部2bの曲率半径
を変化させることにより、左右方向に所定間隔をおいて
配置されている。本実施形態においては、前述したよう
に4種類のチューブ2-1,2-2,2-3,2-4が用意され
ている。図3(a)はチューブ2-1を示しており、最も
外側に位置する曲路部2bと最も内側に位置する曲路部
2bとが交互に存在する形状を有している。図3(b)
はチューブ2-2を示しており、外側から2番目に位置す
る曲路部2bと内側から2番目に位置する曲路部2bと
が交互に存在する形状を有している。図3(c)はチュ
ーブ2-3を示しており、外側から3番目に位置する曲路
部2bと内側から3番目に位置する曲路部2bとが交互
に存在する形状を有している。図3(d)はチューブ2
-4を示しており、7本のチューブ群の常に中央に位置す
る形状を有している。本実施形態では4種類のチューブ
2-1,2-2,2-3,2-4の全てが4つの曲路部2bと5
つの直路部2aとを有している。尚、直路部2aを奇数
個(本実施形態では5つ)有するようにチューブ2を形
成すれば、全てのチューブ2の全長、即ち流路長を等し
くすることができる。
【0020】外板部3は、上下外側に位置する各直路部
2a及び左右外側に位置する各曲路部2bと所定間隔を
おいて、熱交換器を上下方向及び左右方向より覆うよう
形成される。図4に示すように、外板部3は各曲路部2
bに沿って左右方向に凹となる部分に、この凹部を塞ぎ
取付孔3bを有する取付板3aを有し、この取付孔3b
を介してボルト等により図示しない固定部に固定され
る。
【0021】各フィン4は波状に形成されるとともに、
隣接する各チューブ2間及びチューブ2と外板部3との
間に設けられ、各チューブ2からの熱が伝わるようにな
っている。
【0022】以上の構成においては、二酸化炭素冷媒が
上方のヘッダー1に流入すると、これに接続された各チ
ューブ2内に分流する。分流した冷媒はそれぞれ各直路
部2a及び各曲路部2bを順次流通して下方のヘッダー
1にて合流し、下方のヘッダー1より流出する。このと
き、各チューブ2及び各フィン4を介して冷媒と熱交換
器の正面より流入する空気とで熱交換が行われる。
【0023】このように、本実施形態の熱交換器によれ
ば、各ヘッダー1間に複数のチューブ2を設け、従来の
サーペンタイン式の熱交換器と比べて各ヘッダー1間を
流れる冷媒の単位時間当たりの流量が増すようにしたの
で、熱交換器における圧力損失を格段に少なくできる。
また、各チューブ2を蛇行して形成し、従来のマルチフ
ロー式の熱交換器と比べて冷媒の流通経路が長くなるよ
うにしたので、冷媒流出側における冷媒の温度を格段に
低下させることができる。さらに、従来のマルチフロー
式の熱交換器のように、熱交換器の上下にわたって延び
る一対のヘッダーパイプを設ける必要がなく、マルチフ
ロー式の熱交換器に比べ格段に軽量であり、実用に際し
て極めて有利である。
【0024】また、各直路部2a及び各曲路部2bを並
べて配置し、熱交換器が設置される限られたスペース
に、各チューブ2がより長く形成されるようにしたの
で、冷媒と空気との熱交換の効率が向上し、冷媒流出側
における冷媒の温度を低下させることができる。従っ
て、この熱交換器が設けられる冷凍回路の冷凍能力を向
上させることができる。
【0025】また、各チューブ2間及び各チューブ2と
外板部3との間に複数のフィン4を設けたので、冷媒と
空気の熱交換を促進することができ、冷凍回路の冷凍能
力を向上させることができる。
【0026】また、外板部3に取付板3aを設け、この
部分に流入する空気が各チューブ2側に流入するように
したので、冷媒と空気の熱交換を促進することができ、
冷凍回路の冷凍能力を向上させることができる。
【0027】尚、前記実施形態においては、冷媒として
二酸化炭素を用いたものを示したが、他の炭化水素冷媒
や従来のフロン冷媒を用いても冷凍回路の冷却能力は向
上する。
【0028】また、前記実施形態においては、外板部3
及び各フィン4を設けたものを示したが、図5に示すよ
うに、これらを設けない構成としてもよい。
【0029】また、前記実施形態においては、各直路部
2aの端部を各曲路部2bで接続したものを示したが、
例えば図6に示すように、内側に位置する各曲路部2b
の代わりに、前後方向に延びる円筒部2cを設けて各直
路部2aと接続してもよい。この場合、加工が難しい曲
率半径の小さい各曲路部2bを省くことができ、熱交換
器の製造コストの低減を図ることができる。また、曲路
部2bと比べて冷媒の内圧に対する強度が向上し、冷媒
の圧力を高めて冷凍回路の冷凍能力を向上させることが
できる。
【0030】また、前記実施形態においては、外板部3
を上下外側に位置する各直路部2a及び左右外側に位置
する各曲路部2bと所定間隔をおいて形成したものを示
したが、図7に示すように、外板部3にあって各曲路部
2bに沿って左右方向に凹となる位置には、左右方向に
延在する内板部3cが設けられている。この内板部3c
はチューブ2-1(図3(a)参照)の直路部2aに沿っ
て延在している。そして、内板部3cとチューブ2-1の
直路部2aとの隙間はチューブ2の隣合う直路部2a間
の距離とほぼ等しくなっており、そこにはフィン4が配
設されている。本実施形態によれば、各フィン4の個数
が増すことから、冷媒と空気の熱交換をさらに促進する
ことができ、冷凍回路の冷凍能力を向上させることがで
きる。
【0031】また、前記実施形態においては、前後方向
に延びる各ヘッダー1を設けたものを示したが、図8に
示すように、上下方向に延びる各ヘッダー1bを設けた
ものであってもよい。
【0032】図9及び図10は本発明の第2の実施形態
を示すもので、図9は熱交換器の外観斜視図、図10は
熱交換器の部分正面断面図である。
【0033】この熱交換器は、二酸化炭素冷媒の流入側
及び流出側に設けられる一対のヘッダー11と、各ヘッ
ダー11に両端が接続された複数のチューブ12と、隣
接する各チューブ12間に設けられる複数のフィン13
とから構成される。
【0034】各ヘッダー11は第1の実施形態と同様
に、一端を閉塞した前後方向に延びる円筒状に形成さ
れ、左右一方の上方と、他方の下方とに配置される。こ
の各ヘッダー11は、チューブ12との接続のための複
数の孔11aを、周方向に所定間隔をおいて有してい
る。
【0035】各チューブ12は、前後方向に広い扁平リ
ング状チューブであり、各ヘッダー11間を矩形状に蛇
行して設けられる。各チューブ12は図9に示すよう
に、熱交換器の左右方向に延び互いに上下方向に平行な
複数の直路部12aと、各直路部12aの端部を結ぶ曲
路部12bとから構成される。図10に示すように、各
チューブ11の互いの各直路部12aは上下方向に所定
間隔をおいて配置されている。各曲路部12bは、上下
方向に延びる直部12b1と、この各直部12b1の両端側
の正面断面が円弧状に形成された湾曲部12b2とから構
成される。この各曲路部12bの各湾曲部12b2は各チ
ューブ12ごとに同じ形状に形成され、各曲路部12b
が接続する各直路部12a間の距離により直部12b1の
長さが異なっている。各曲路部12bは左右方向に所定
間隔をおいて配置され、これに伴い左右外側の曲路部1
2bに接続する各直路部12aは長手寸法が長く形成さ
れる。本実施形態においては、各チューブ12の曲路部
12bは4つ設けられている。
【0036】各フィン13は、隣接する各チューブ12
間に設けられ、平板状に形成されている。本実施形態に
おいては、図10に示すように、隣接する各チューブ1
2の各湾曲部12b2における間隔は他の部分と比べて長
いので、各湾曲部12b2の外側にスペーサ13aを設
け、このスペーサ13aを介して各湾曲部12b2間にも
他の部分と同形状のフィン13を設置している。
【0037】以上の構成においては、二酸化炭素冷媒が
上方のヘッダー11に流入すると、これに接続された各
チューブ12内に分流する。分流した冷媒はそれぞれ各
直路部12a及び各曲路部12bを順次流通して下方の
ヘッダー11にて合流し、下方のヘッダー11より流出
する。このとき、各チューブ12及び各フィン13を介
して冷媒と熱交換器の正面より流入する空気とで熱交換
が行われる。
【0038】このように、本実施形態の熱交換器によれ
ば、各ヘッダー11間に複数のチューブ12を設け、従
来のサーペンタイン式の熱交換器と比べて各ヘッダー1
1間を流れる冷媒の単位時間当たりの流量が増すように
したので、熱交換器における圧力損失を格段に少なくで
きる。また、各チューブ12を蛇行して形成し、従来の
マルチフロー式の熱交換器と比べて冷媒の流通経路が長
くなるようにしたので、冷媒流出側における冷媒の温度
を格段に低下させることができる。さらに、従来のマル
チフロー式の熱交換器のように、熱交換器の上下にわた
って延びる一対のヘッダーパイプを設ける必要がなく、
マルチフロー式の熱交換器に比べ格段に軽量であり、実
用に際して極めて有利である。
【0039】また、各チューブ12を矩形状に形成し、
熱交換器が設置されるスペースを有効に利用して各チュ
ーブ12を配置することができ、各チューブ12内の冷
媒の流通経路を長くすることができる。従って、冷媒と
空気との熱交換の効率が向上し、冷媒流出側における冷
媒の温度を低下させることができ、この熱交換器が設け
られる冷凍回路の冷凍能力を向上させることができる。
【0040】また、各チューブ12間に複数のフィン1
3を設け、冷媒と空気の熱交換が促進するようにしたの
で、冷凍回路の冷凍能力を向上させることができる。本
実施形態においては、スペーサ13aを設け、各チュー
ブ12間の各フィン13は同形状のものが用いられるよ
うにしたので、各チューブ12の形状に合わせて複数種
類のフィン13を設ける必要がなく、製造コストの低減
を図ることができる。
【0041】尚、第2の実施形態においては、各チュー
ブ12間にのみ各フィン13を設けたものを示したが、
第1の実施形態と同様の外板部を設け、これと各チュー
ブ12との間にフィン13を設けてもよい。
【0042】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1記載の熱
交換器によれば、各ヘッダー間に複数のチューブを設
け、従来のサーペンタイン式の熱交換器と比べて各ヘッ
ダー間を流れる冷媒の単位時間当たりの流量が増すよう
にしたので、熱交換器における圧力損失を格段に少なく
できる。また、各チューブを蛇行して形成し、従来のマ
ルチフロー式の熱交換器と比べて冷媒の流通経路が長く
なるようにしたので、冷媒流出側における冷媒の温度を
格段に低下させることができる。さらに、従来のマルチ
フロー式の熱交換器のように、熱交換器の上下にわたっ
て延びる一対のヘッダーパイプを設ける必要がなく、マ
ルチフロー式の熱交換器に比べ格段に軽量であり、実用
に際して極めて有利である。
【0043】また、請求項2記載の熱交換器によれば、
請求項1の効果に加え、熱交換器が設置される限られた
スペースに、各チューブがより長く形成されるようにし
たので、冷媒と空気との熱交換の効率が向上し、冷媒流
出側における冷媒の温度を低下させることができる。従
って、この熱交換器が設けられる冷凍回路の冷凍能力を
向上させることができる。
【0044】また、請求項3記載の熱交換器によれば、
請求項2の効果に加え、熱交換器が設置されるスペース
を有効に利用して各チューブを配置することができ、各
チューブ内の冷媒の流通経路をさらに長くすることがで
きる。従って、冷媒と空気との熱交換の効率が向上し、
冷媒流出側における冷媒の温度を低下させることがで
き、この熱交換器が設けられる冷凍回路の冷凍能力を向
上させることができる。
【0045】また、請求項4記載の熱交換器によれば、
請求項2または3の効果に加え、各チューブ間に複数の
フィンを設け、冷媒と空気の熱交換が促進するようにし
たので、冷凍回路の冷凍能力を向上させることができ
る。
【0046】また、請求項5記載の熱交換器によれば、
請求項2、3または4の効果に加え、外板部とチューブ
との間に複数のフィンを設け、冷媒と空気の熱交換が促
進するようにしたので、冷凍回路の冷凍能力を向上させ
ることができる。
【0047】また、請求項6記載の熱交換器によれば、
請求項3の効果に加え、各チューブ間の各フィンは同形
状のものが用いられるようにしたので、各チューブの形
状に合わせて複数種類のフィンを設ける必要がなく、製
造コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示す熱交換器の外観
斜視図
【図2】熱交換器の部分正面断面図
【図3】チューブの斜視図
【図4】外板部の斜視図
【図5】熱交換器の外観斜視図
【図6】熱交換器の外観斜視図
【図7】熱交換器の外観斜視図
【図8】熱交換器の外観斜視図
【図9】本発明の第2の実施形態を示す熱交換器の外観
斜視図
【図10】熱交換器の部分正面断面図
【符号の説明】
1…ヘッダー、1b…ヘッダー、2…チューブ、2a…
直路部、2b…曲路部、2-1…チューブ、2-2…チュー
ブ、2-3…チューブ、2-4…チューブ、3…外板部、4
…フィン、11…ヘッダー、12…チューブ、12a…
直路部、12b…曲路部、12b1…直部、12b2…湾曲
部、13…フィン。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 冷媒が流通するチューブを有する熱交換
    器において、 複数のチューブと、 各チューブの冷媒流入側と接続する一のヘッダーと、 各チューブの冷媒流出側と接続する一のヘッダーとを備
    え、 各チューブを、各ヘッダー間を蛇行するよう形成したこ
    とを特徴とする熱交換器。
  2. 【請求項2】 前記各チューブを、所定方向に延びる複
    数の直路部と、各直路部の端部を結ぶ複数の曲路部とか
    ら構成し、 各チューブを、隣接する各チューブの各直路部及び各曲
    路部が所定の間隔で並ぶよう形成したことを特徴とする
    請求項1記載の熱交換器。
  3. 【請求項3】 前記各曲路部を、各直路部の垂直方向に
    延びる直部と、直部の両端側の湾曲部とから構成し、 前記各チューブを矩形状に形成したことを特徴とする請
    求項2記載の熱交換器。
  4. 【請求項4】 隣接する各チューブ間に複数のフィンを
    設けたことを特徴とする請求項2または3記載の熱交換
    器。
  5. 【請求項5】 熱交換器本体の外側に位置するチューブ
    を覆う外板部を設け、 熱交換器本体の外側に位置するチューブと外板部との間
    に複数のフィンを設けたことを特徴とする請求項2、3
    または4記載の熱交換器。
  6. 【請求項6】 隣接する各チューブの各湾曲部間にスペ
    ーサを設け、各湾曲部間の間隔が他の部分の間隔と等し
    くなるようにし、 隣接する各チューブ間に同形状の複数のフィンを設けた
    ことを特徴とする請求項3記載の熱交換器。
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