JP2003279194A - 熱交換器 - Google Patents

熱交換器

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JP2003279194A
JP2003279194A JP2002078132A JP2002078132A JP2003279194A JP 2003279194 A JP2003279194 A JP 2003279194A JP 2002078132 A JP2002078132 A JP 2002078132A JP 2002078132 A JP2002078132 A JP 2002078132A JP 2003279194 A JP2003279194 A JP 2003279194A
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refrigerant
flat tubes
pressure
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Takeshi Muto
健 武藤
Masaaki Kawakubo
昌章 川久保
Norihide Kawachi
典秀 河地
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Denso Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐圧構造を適切とすることにより、軽量化と
コスト低減が可能な熱交換器を提供する。 【解決手段】 高温高圧の二酸化炭素冷媒が流入する冷
媒入口１４近傍のヘッダタンク１３ａまたは扁平チュー
ブ１１Ａを、他の部分のヘッダタンク１３ｂ、１３ｃま
たは扁平チューブ１１ａよりも内部の流体圧力に対する
耐圧強度が高い構造とした。これにより、二酸化炭素の
ように入口と出口とで温度差の大きい冷媒に合わせ、高
温高圧の冷媒が流入する冷媒入口１４近傍だけ耐圧強度
が高い構造とし、逆にその他の部分は肉厚を薄くするこ
とができることより、軽量化とコスト低減が可能な熱交
換器とすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換器の耐圧構
造に関するもので、特に二酸化炭素等を冷媒とした冷凍
サイクルにおいて、高温高圧となったガス冷媒を冷却す
るガスクーラ（コンデンサ）等に適用して好適なもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】近年、冷凍装置の脱フロン対策として、
二酸化炭素を冷媒とする冷凍装置の研究が進められてい
る。この二酸化炭素を冷媒とする冷凍装置は、フロンを
冷媒とする冷凍装置に比べて作動圧力が高く、圧縮した
時の冷媒温度も高くなる。例えば、コンプレッサの後流
で圧縮された二酸化炭素冷媒を冷却するガスクーラで
は、入口の冷媒温度が１５０〜２００℃となる場合もあ
る。
【０００３】このことより、フロンを冷媒とする冷凍装
置の熱交換器に比べて、高温高圧での耐久性が要求され
る。そして、従来このような熱交換器の材質には、軽
量、安価等の理由からアルミニウム合金が用いられてい
る。そして、このアルミニウム合金は、１５０℃以上の
高温状態においての強度低下が著しいため、熱交換器の
ヘッダタンクや扁平チューブの耐圧強度を設計するうえ
では、最も高温高圧で耐圧上不利となる入口冷媒条件に
基づいて肉厚等が決定される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】図３は、二酸化炭素冷
媒のガスクーラで、冷媒入口から冷媒出口までの間での
冷媒温度変化の一例を表すグラフである。このように入
口と出口とで温度差の大きい二酸化炭素等の冷媒を用い
る熱交換器において、入口温度で決めた肉厚で熱交換器
全体を構成することは、入口近傍以外では必要以上の肉
厚となり、大きさ・重量・コストから見て最適とは言え
ない。
【０００５】本発明は、上記の点に鑑みて成されたもの
であり、その目的は、耐圧構造を適切とすることによ
り、小型・軽量化とコスト低減が可能な熱交換器を提供
することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では以下の技術的手段を採用する。請求項１
記載の発明では、高温高圧の流体が流入する流体入口
（１４）近傍のヘッダタンク（１３ａ）または扁平チュ
ーブ（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）を、他の部分のヘッダ
タンク（１３ｂ、１３ｃ）または扁平チューブ（１１、
１１ａ）よりも内部の流体圧力に対する耐圧強度が高い
構造としたことを特徴とする。
【０００７】これにより、二酸化炭素のように入口と出
口とで温度差の大きい冷媒に合わせ、高温高圧の流体が
流入する流体入口（１４）近傍だけ耐圧強度が高い構造
とし、逆にその他の部分は耐圧強度を下げた設計とする
ことができることより、小型・軽量化とコスト低減が可
能な熱交換器とすることができる。
【０００８】請求項２記載の発明では、流体入口（１
４）近傍のヘッダタンク（１３ａ）または扁平チューブ
（１１Ａ）を、他の部分のヘッダタンク（１３ｂ、１３
ｃ）または扁平チューブ（１１、１１ａ）よりも肉厚を
厚くしたことを特徴とする。
【０００９】これにより、高温高圧の流体が流入する流
体入口（１４）近傍だけ厚肉部品を配置して耐圧強度が
高い構造とすることができ、逆にその他の部分には耐圧
強度を下げた薄肉部品を配置することより、小型・軽量
化とコスト低減が可能な熱交換器とすることができる。
【００１０】請求項３記載の発明では、流体入口（１
４）近傍の各々の扁平チューブ（１１Ｂ、１１Ｃ）にお
いて、流体流入側（Ｂ１、Ｃ１）を流体流出側（Ｂ２、
Ｃ２）よりも内部の流体圧力に対する耐圧強度が高い構
造としたことを特徴とする。
【００１１】上記請求項２記載の発明では、熱交換器全
体を見て高温高圧部に係わる部分に厚肉部品を配置して
いるが、本項発明では各々の扁平チューブ（１１Ｂ、１
１Ｃ）内に耐圧強度の高低を設けている。これにより、
高温高圧の流体が流入する流体入口（１４）近傍の流体
流入側（Ｂ１、Ｃ１）は耐圧強度が高い構造とし、流体
流出側（Ｂ２、Ｃ２）は耐圧強度を下げた構造となるこ
とより、小型・軽量化とコスト低減が可能な熱交換器と
することができる。
【００１２】請求項４記載の発明では、流体入口（１
４）近傍の各々の扁平チューブ（１１Ｂ）において、流
体流入側（Ｂ１）の肉厚を厚くし、流体流出側（Ｂ２）
の肉厚を薄くしたことを特徴とする。これにより、高温
高圧の流体が流入する流体入口（１４）近傍の流体流入
側（Ｂ１）は耐圧強度が高い厚肉構造となり、流体流出
側（Ｂ２）は耐圧強度を下げた薄肉構造となることよ
り、小型・軽量化とコスト低減が可能な熱交換器とする
ことができる。
【００１３】請求項５記載の発明では、扁平チューブ
（１１Ｃ）は、チューブ内にインナーフィン（１６）を
備えるチューブであり、流体入口（１４）近傍の各々の
扁平チューブ（１１Ｃ）において、流体流入側（Ｃ１）
のインナーフィン（１６）の山数を多くし、流体流出側
（Ｃ２）のインナーフィン（１６）の山数を少なくした
ことを特徴とする。
【００１４】これにより、高温高圧の流体が流入する流
体入口（１４）近傍の流体流入側（Ｃ１）はインナーフ
ィン（１６）の山数を多くして耐圧強度が高い構造と
し、流体流出側（Ｃ２）はインナーフィン（１６）の山
数を少なくして耐圧強度を下げた構造とできる。このこ
とより、チューブの肉厚を薄くすることができ、小型・
軽量化とコスト低減が可能な熱交換器とすることができ
る。
【００１５】請求項６記載の発明では、流体は、冷凍サ
イクルの二酸化炭素（ＣＯ2）冷媒であることを特徴と
する。このように、入口と出口とで温度差の大きい二酸
化炭素のような冷媒に合った耐圧構造となるうえ、軽量
化とコスト低減が可能な熱交換器とすることができる。
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形
態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１６】
【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、本発明の
実施形態を、図面に基づき説明する。図１は、本発明の
実施形態に係わる冷凍サイクルの模式図であり、車両用
の空調装置等に用い、二酸化炭素（ＣＯ2）等の高圧の
冷媒を使用する冷凍サイクルである。
【００１７】コンプレッサで冷媒を圧縮し、ガスクーラ
（コンデンサ）で冷却し、膨張弁で減圧し、エバポレー
タで蒸発させる通常の冷凍サイクルに加え、システムの
効率（性能）を向上させるため、エバポレータ下流の低
温低圧冷媒とガスクーラ下流の高温高圧冷媒とを熱交換
させてガスクーラ下流の冷媒温度を下げる内部熱交換器
（内部ＨＥ）を備えている。
【００１８】本実施形態は、本発明に係わる熱交換器を
車両用空調装置のガスクーラに適用したものであって、
図２は、その本実施形態に係わるガスクーラ（熱交換
器）１の斜視図である。図１中、１１は冷媒（流体）が
流通する複数本の扁平チューブであり、これら扁平チュ
ーブ１１間には、波形状に形成されたアルミニウム製
（本実施形態ではＡ３００３にろう材が被覆されたも
の）のコルゲートフィン１２が配設されている。そし
て、扁平チューブ１１及びコルゲートフィン１２により
冷媒と送風空気との熱交換を行うコア部１０を構成して
いる。
【００１９】尚、扁平チューブ１１は、アルミニウム材
（本実施形態ではＡ１０５０）を押し出し加工にて一体
成形したものであり、扁平チューブ１１とコルゲートフ
ィン１２とは、コルゲートフィン１２の表裏両面に被覆
されたろう材により一体ろう付けされている。因みに、
ろう材は、扁平チューブ１１及びコルゲートフィン１２
より低い融点を有する金属材料であり、本実施形態で
は、Ａ４３４３である。
【００２０】ところで、扁平チューブ１１の両端側に
は、扁平チューブ１１に冷媒を分配供給すると共に、扁
平チューブ１１から流出する冷媒を集合回収するヘッダ
タンク１３が配設されている。
【００２１】このヘッダタンク１３は、アルミニウムの
圧延材にろう材を被覆したものに複数本の扁平チューブ
１１を差し込んで接合するための長孔（図示せず）を複
数個明け、長円形の筒状に丸めたタンクプレート１３１
と、そのタンクプレート１３１の両端に嵌めるキャップ
１３２とから構成されて冷媒通路を形成し、この冷媒通
路（ヘッダタンク）１３は扁平チューブ１１の長手方向
と直交する方向（図２では上下方向）に延びている。
【００２２】また、図２に示す本実施形態の熱交換器１
では、左側のヘッダタンク１３は仕切りキャップ１３２
ａで上下に分けられ、上部が冷媒入口部のヘッダタンク
１３ａ、下部が冷媒出口部のヘッダタンク１３ｃとなっ
ている。
【００２３】そして、入口配管１４からヘッダタンク１
３ａ入った冷媒は、コア部１０の上半分のチューブ１１
に分配供給されて図の右側へ流れ、右側のヘッダタンク
１３ｂ内に流出して一旦合流し、そのまま下側へ流れ、
今度はコア部１０の下半分のチューブ１１に分配供給さ
れて図の左側へ流れ、ヘッダタンク１３ｃ内に流出して
再度合流し、出口配管１５から集合回収され、大きくは
左右にＵターンして流れる構造となっている。
【００２４】次に、熱交換器１の製造方法（組立方法）
の概略について説明する。先ず、タンクプレート１３１
として、アルミニウムの板材に複数の図示しない長孔を
明け、両側を曲げ立てたものをプレスにて製作する。そ
こへアルミニウムの角材から形成した図示しないタンク
補強部材を挿入し、タンクプレート１３１の曲げ立てて
いた部分を更に曲げて両端を突き合わせ、先のタンク補
強部材を包み込んだ長円形の筒状とする。そして、筒状
の両端にキャップ１３２、１３２ａを嵌めてヘッダタン
ク１３ａ〜１３ｃを形成する（タンク仮組工程）。
【００２５】次に、扁平チューブ１１間にコルゲートフ
ィン１２を挿入してコア部１０を仮組立すると共に、チ
ューブ１１の両端側に先のヘッダタンク１３ａ〜１３ｃ
を挿入する（コア組工程）。その後、コア組したものに
入口配管１４、出口配管１５等を付け、全体をワイヤー
等で固定した状態で熱交換器１を炉内で加熱して真空ろ
う付けを行う（ろう付け工程）。この時、扁平チューブ
１１、タンク補強部材、キャップ、配管等は、コルゲー
トフィン１２やタンクプレート１３１の表裏両面に被覆
されたろう材により一体ろう付けされる。
【００２６】次に、本実施形態の特徴を述べる。図４は
本発明の第1実施形態における熱交換器１の構造を表す
正面図である。上述した構造の熱交換器１において、高
温高圧の冷媒が流入する冷媒入口１４近傍のヘッダタン
ク１３ａまたは扁平チューブ（コア部１０の上半分のチ
ューブ）１１Ａを、他の部分のヘッダタンク１３ｂ、１
３ｃまたは扁平チューブ（コア部１０の下半分のチュー
ブ）１１ａよりも内部の流体圧力に対する耐圧強度が高
い構造としている。
【００２７】具体的に、図５の（ａ）は、冷媒入口１４
近傍側（コア部１０の上半分）の扁平チューブ１１Ａの
断面図であり、（ｂ）は、冷媒出口１５側（コア部１０
の下半分）の扁平チューブ１１ａの断面図である。ま
た、図示しないが、冷媒入口部のヘッダタンク１３ａの
タンクプレート１３１を厚くしている。
【００２８】このように、冷媒入口１４近傍のヘッダタ
ンク１３ａまたは扁平チューブ１１Ａを、他の部分のヘ
ッダタンク１３ｂ、１３ｃまたは扁平チューブ１１ａよ
りも肉厚を厚くすることにより、二酸化炭素のように入
口と出口とで温度差の大きい冷媒に合った耐圧構造とし
て、高温高圧の流体が流入する流体入口１４近傍だけ厚
肉部品を配置して耐圧強度が高い構造となり、逆にその
他の部分は耐圧強度を下げた薄肉部品を配置できること
から、小型・軽量化とコスト低減が可能な熱交換器とす
ることができる。
【００２９】（第２実施形態）図６は本発明の第２実施
形態における扁平チューブ１１Ｂの長手方向断面図であ
る。また、図７は図６の扁平チューブ１１Ｂの両端断面
図であり、（ａ）は冷媒流入側（ヘッダタンク１３ａ
側）Ｂ１部断面、（ｂ）は冷媒流出側（ヘッダタンク１
３ｂ側）Ｂ２部断面を示す。上述の第１実施形態では、
熱交換器１全体を見て高温高圧部に係わる部分に厚肉部
品を配置しているが、本実施形態では各々の扁平チュー
ブ１１Ｂ内に耐圧強度の高低を設けている。
【００３０】具体的に、冷媒入口１４近傍の各々の扁平
チューブ１１Ｂにおいて、冷媒流入側Ｂ１の肉厚を厚く
し、冷媒流出側Ｂ２の肉厚を薄くしている。これによ
り、高温高圧の流体が流入する流体入口１４近傍の流体
流入側Ｂ１は耐圧強度が高い厚肉構造となり、流体流出
側Ｂ２は耐圧強度を下げた薄肉構造となることより、小
型・軽量化とコスト低減が可能な熱交換器とすることが
できる。
【００３１】（第３実施形態）図８は本発明の第３実施
形態における扁平チューブ１１Ｃの長手方向断面図であ
る。また、図９は図８の扁平チューブ１１Ｃの両端断面
図であり、（ａ）は冷媒流入側（ヘッダタンク１３ａ
側）Ｃ１部断面、（ｂ）は冷媒流出側（ヘッダタンク１
３ｂ側）Ｃ２部断面を示す。
【００３２】本実施形態の扁平チューブ１１Ｃは、チュ
ーブ内にインナーフィン１６を備えるチューブであり、
冷媒入口１４近傍の各々の扁平チューブ１１Ｃにおい
て、冷媒流入側Ｃ１のインナーフィン１６の山数を多く
し、冷媒流出側Ｃ２の山数が少なくなるようインナーフ
ィン１６をプレス加工し、チューブ内に入れて一体ろう
付けしている。
【００３３】このように、高温高圧の流体が流入する流
体入口１４近傍の流体流入側Ｃ１はインナーフィン１６
の山数を多くして耐圧強度が高い構造とし、流体流出側
Ｃ２はインナーフィン１６の山数を少なくして耐圧強度
を下げた構造とできることより、チューブの肉厚を薄く
することができ、小型・軽量化とコスト低減が可能な熱
交換器とすることができる。
【００３４】（その他の実施形態）上述の実施形態で
は、二酸化炭素冷媒を用いているが、本発明はこれに限
らず、エチレン、エタン、酸化窒素及び通常のフロンで
あっても良い。また、上述の実施形態では車両用空調装
置のガスクーラに適用しているが、その他の熱交換器、
例えば給湯器やチラー等で給湯用水やブラインを加熱す
る熱交換器に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係わる冷凍サイクルの模式
図である。
【図２】本発明の実施形態に係わる熱交換器（ガスクー
ラ）の斜視図である。
【図３】二酸化炭素冷媒のガスクーラで、冷媒入口から
冷媒出口までの間での冷媒温度変化の一例を表すグラフ
である。
【図４】本発明の第1実施形態における熱交換器の構造
を表す正面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）とも図4中の扁平チューブの断
面図である。
【図６】本発明の第２実施形態における扁平チューブの
長手方向断面図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は図６の扁平チューブの両端断
面図である。
【図８】本発明の第３実施形態における扁平チューブの
長手方向断面図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は図８の扁平チューブの両端断
面図である。
【符号の説明】
１０ コア部 １１（１１Ａ、１１ａ、１１Ｂ、１１Ｃ） 扁平チュー
ブ １３（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ） ヘッダタンク １４ 冷媒入口（流体入口） １６ インナーフィン Ｂ１、Ｃ１ 流体流入側 Ｂ２、Ｃ２ 流体流出側 ＣＯ2 二酸化炭素
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２８Ｆ 9/02 ３０１ Ｆ２８Ｆ 9/02 ３０１Ｚ (72)発明者 河地 典秀 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 3L103 AA11 BB33 CC30 CC40 DD15 DD54

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 流体が流通する複数本の扁平チューブ
    （１１、１１Ａ、１１ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）を有し、前
    記流体と前記扁平チューブ（１１、１１Ａ、１１ａ、１
    １Ｂ、１１Ｃ）の外を流通する外部流体との間で熱交換
    を行うコア部（１０）と、 前記扁平チューブ（１１、１１Ａ、１１ａ、１１Ｂ、１
    １Ｃ）の長手方向両端側に接続され、前記扁平チューブ
    （１１、１１Ａ、１１ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）の長手方向
    と直交する方向に延びると共に、前記複数本の扁平チュ
    ーブ（１１、１１Ａ、１１ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）内と連
    通し、前記扁平チューブ（１１、１１Ａ、１１ａ、１１
    Ｂ、１１Ｃ）に前記流体を分配供給すると共に、前記扁
    平チューブ（１１、１１Ａ、１１ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）
    から流出する前記流体を集合回収するヘッダタンク（１
    ３ａ、１３ｂ、１３ｃ）とを備えた熱交換器において、 高温高圧の前記流体が流入する流体入口（１４）近傍の
    前記ヘッダタンク（１３ａ）または前記扁平チューブ
    （１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）を、他の部分の前記ヘッダ
    タンク（１３ｂ、１３ｃ）または前記扁平チューブ（１
    １、１１ａ）よりも内部の流体圧力に対する耐圧強度が
    高い構造としたことを特徴とする熱交換器。
  2. 【請求項２】 前記流体入口（１４）近傍の前記ヘッダ
    タンク（１３ａ）または前記扁平チューブ（１１Ａ）
    を、他の部分の前記ヘッダタンク（１３ｂ、１３ｃ）ま
    たは前記扁平チューブ（１１、１１ａ）よりも肉厚を厚
    くしたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
  3. 【請求項３】 前記流体入口（１４）近傍の各々の前記
    扁平チューブ（１１Ｂ、１１Ｃ）において、流体流入側
    （Ｂ１、Ｃ１）を流体流出側（Ｂ２、Ｃ２）よりも内部
    の流体圧力に対する耐圧強度が高い構造としたことを特
    徴とする請求項１に記載の熱交換器。
  4. 【請求項４】 前記流体入口（１４）近傍の各々の前記
    扁平チューブ（１１Ｂ）において、流体流入側（Ｂ１）
    の肉厚を厚くし、流体流出側（Ｂ２）の肉厚を薄くした
    ことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
  5. 【請求項５】 前記扁平チューブ（１１Ｃ）は、チュー
    ブ内にインナーフィン（１６）を備えるチューブであ
    り、前記流体入口（１４）近傍の各々の前記扁平チュー
    ブ（１１Ｃ）において、流体流入側（Ｃ１）の前記イン
    ナーフィン（１６）の山数を多くし、流体流出側（Ｃ
    ２）の前記インナーフィン（１６）の山数を少なくした
    ことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
  6. 【請求項６】 前記流体は、冷凍サイクルの二酸化炭素
    （ＣＯ2）冷媒であることを特徴とする請求項１ないし
    請求項５のいずれかに記載の熱交換器。
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