JP2004003700A

JP2004003700A - 凝縮器

Info

Publication number: JP2004003700A
Application number: JP2002157793A
Authority: JP
Inventors: Taisuke Ueno; 植野　泰典; Takashi Yoshida; 吉田　敬
Original assignee: Japan Climate Systems Corp
Current assignee: Japan Climate Systems Corp
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2004-01-08

Abstract

【課題】車両用凝縮器において、軽量で放熱効果の優れた凝縮器を得ることを目的とする。
【解決手段】互いに交互に配列された複数のチューブ及びフィンを有し、これら複数のチューブの両端に接続されたヘッダタンクを有する凝縮器において、該チューブの高さを１．０ｍｍ〜１．４５ｍｍに設定した。
【選択図】　　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車両用空調装置の凝縮器に関するもので、特に、軽量で放熱効果の優れた凝縮器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の凝縮器としては、互いに交互に配列された複数のチューブ及びフィンを有し、これら複数のチューブの両端に接続されたヘッダタンクを有するものがよく知られている。これらの凝縮器のチューブとしては、その高さが２．０ｍｍ前後のものが主流であった。そして、凝縮器の軽量化のために、チューブ板厚を薄肉化したものとしては、現状ではチューブ板厚を０．４ｍｍまで薄肉化したものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の凝縮器では、チューブ内の冷媒の通路面積を確保するとともにチューブの耐圧強度を確保するために、上記で示したようなチューブ高さ及びチューブ板厚のものが、主流として使用されていた。
しかし、上記のようにチューブ板厚の薄肉化による軽量化が推し進められているが、凝縮器としての熱交換効率との関係で研究されたものはない。チューブ板厚の薄肉化を熱交換効率の向上に結びつけようとする検討は十分に行われていない。
【０００４】
本発明は、高耐食性アルミニウムを使用することよって、チューブ板厚を、従来のものよりさらに薄肉化できることが判明した。そして、チューブ板厚を所定の薄肉にした際に凝縮器の最大熱交換性能が得られる条件を求め、それにより凝縮器の熱交換効率の向上を図ることを目的とする。また、チューブの耐圧強度を確保しつつ凝縮器の熱交換効率の向上を図ることを他の目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明者らが、凝縮器の熱交換効率を実験し検討したところ、チューブ板厚、チューブ高さおよびフィン高さについて、伝熱性能がピークとなる特定の範囲を見いだした。
【０００６】
請求項１の発明は、互いに交互に配列された複数のチューブ及びフィンを有し、これら複数のチューブの両端に接続されたヘッダタンクを有する凝縮器において、該チューブの高さが１．０ｍｍ〜１．４５ｍｍであり、チューブの板厚が０．２ｍｍ〜０．３ｍｍであることを特徴としている。
【０００７】
この構成では、チューブ高さおよびチューブ板厚を上記範囲に設定しているので、冷媒流速と冷媒通路の圧力損失のバランスが良好となり、最適な放熱量を得ることができる。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の凝縮器において、該チューブ内容積の２０〜４０％が非流通領域であるので、チューブ内での冷媒通路の圧力損失と管内流速とのバランスが最適となり、熱交換効率に優れている。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の凝縮器において、該チューブがロールフォーミングで板材を折り曲げて形成したチューブである。
一般的に、押出し成形によりチューブを成形することやロールフォーミングで板材を折り曲げてチューブを成形することが知られている。前者の成形方法では、一度に扁平チューブを成形して得られるメリットを有するが、板厚の調整幅が大きく、±０．１ｍｍの精度誤差を見込む必要がある。それに対して、後者の成形方法では、成形工数で前者に比較して劣るが、基になる板材の厚さを高精度に調整することで、チューブの板厚を所定寸法に対して±０．０１ｍｍ程度の寸法誤差に制御できる。したがって、チューブの板厚を０．２ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲に高精度に調整できる。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項３に記載の凝縮器において、該チューブが、該チューブの内面にはろう材層が配設された扁平値チューブからなり、該チューブの少なくとも一方の平面から内側に向けて複数の突起が設けられ、該突起の頂部が該チューブの対向内面に接合されている構成である。
【００１１】
この構成では、ロールフォーミングで形成したチューブの非流通領域が突起として形成されているので、これらの突起によりチューブ内の冷媒の乱流を促進でき、熱交換効率を向上できる。それとともに、これらの突起がチューブの補強用に機能するので、チューブの耐圧強度を向上できる。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項４に記載の凝縮器において、該チューブが、該チューブの内面にはろう材層が配設された扁平チューブからなり、該チューブの両平面から内側に向けて複数の突起が設けられ、該突起の対向頂部同士が接合されているので、チューブの耐圧強度が一層向上できる。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の凝縮器において、該チューブがアルミニウム材からなり、該アルミニウム材の外側に犠牲腐食層が配設され、この犠牲腐食層の存在により、腐食がアルミニウム層まで進行するのを抑制できるので、チューブ板厚を０．２ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲に薄くしても十分耐食性を確保できるようになった。
【００１４】
請求項７の発明は、請求項６に記載の凝縮器において、該犠牲腐食層が該チューブの最外面に配設され、該犠牲層が亜鉛含有ろう材層からなり、亜鉛が効果的に犠牲腐食の機能を果たすので、耐食性を向上できる。特に、シリコン７．５〜１０％のアルミニウム材に亜鉛０．５〜１．５％含有するろう材層が好適である。
【００１５】
請求項８の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の凝縮器において、該チューブがその外層にろう材層が設けられたクラッド材からなり、該フィンが無垢材からなる構成である。チューブの外層にろう材が設けられているので、フィンにはろう材のない無垢材でよく、フィンのコスト削減が可能である。又無垢材であるので、フィンの板厚を薄くでき、コルゲート形状へ成形することが容易となり、コルゲート形状内を通過する空気との熱交換効率も向上できる。
【００１６】
請求項９の発明は、請求項１ないし８のいずれかに記載の凝縮器において、フィン高さが５．７ｍｍ〜８．０ｍｍである。この構成では、フィン高さを上記範囲に設定することにより、フィンとチューブからなるコアの重量に対する放熱量が好ましい範囲となる。即ち、この範囲とすることで軽量で熱交換効率の優れた凝縮器を得られる。
【００１７】
請求項１０の発明は、請求項１ないし９のいずれかに記載の凝縮器において、該チューブが１枚の板材を折り曲げて断面略矩形状に形成した扁平チューブであって、その短辺両端部は、その板厚が３枚以上の板厚を有するように折畳み形成されているので、耐圧強度に優れたチューブを得られる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、自動車用空調装置の凝縮器に本発明を適用した実施形態を示すもので、凝縮器の全体構成の概要を示す。図２は、チューブとフィンからなる積層体（コア）をヘッダタンクに組付ける前の状態を示す。図３は、チューブとフィンの寸法関係を説明する図である。図４はチューブの概略を示す図である。図５は、チューブの部分拡大図を示す。
【００１９】
図１において、空気の流れ方向と直交方向に扁平チューブ２とフィン３とが積層され、扁平チューブ２の両先端部２ａが両側に配設されたヘッダタンク４（５）の挿入孔４ａ（５ａ）に挿入されて一体ロウ付けされる。扁平チューブ２は断面略矩形状に形成された１枚のアルミニウム合金製薄板からなる。図５に示すように、扁平チューブ２は、Ａ３０００番系のアルミニウム材の芯材２１と、その内外層２２、２３にろう材を被覆した３層のクラッド材からなる。そのクラッド材の外側層２２はＡ４０００番系のアルミニウム材に亜鉛１．０％含有する犠牲腐食層で形成されている。フィン３はＡ３０００番系のアルミニウム材の無垢材からなる。ここで言う無垢材とは、ろう材層を設けてないということである。即ち、フィンにろう材層を設けなくても、チューブ外面にろう材層が存在するので、フィンとチューブのろう付けが可能であり、無垢材のフィンを使用した。
【００２０】
本実施例では、熱交換媒体の入口６は左側ヘッダタンク４の上部に連通し、出口７は右側ヘッダタンク５の下部に連通している。両ヘッダタンク４、５には仕切り板（図示せず）が設けられており、入り口６から導入された熱交換媒体がＵターンしながら扁平チューブ２、ヘッダタンク４、５内を流れ、出口７から流出するようになっている。
【００２１】
扁平チューブ２の製造方法の１例を説明する。図４及び図５に示すように、ロールフォーミングにより、薄板の一方端部をＵターンして折り曲げ、他方端部で両端部を合せている。一方端部では、板厚が３枚以上になるように繰り返して折り曲げて、強度強化を図っている。他方端部でも、どちらかの端部を２重に折り曲げて、合せた際に３枚重ねになるように設けている。このように端部の厚みを薄板の３枚分以上の厚みにすることで、チューブの耐圧強度、耐変形性を向上できるので、チューブの薄肉化に対して有効である。
チューブ２には、扁平部分の両平面に、外側から内方に向かって押しつぶして形成された多くの突起８が設けられており、対向する突起８、８同士がろう付けで一体接合されている。この突起８は、チューブ２の剛性を向上でき、耐変形性を向上できる。
【００２２】
次に、凝縮器１において、各種性能についてテストした結果を説明する。図１ないし図４に示す構成の凝縮器を使用し、下記仕様を設定した。
チューブ仕様　：　幅１６ｍｍ×チューブ高さ（Ｔｈ）×３５本
フィン仕様　　：　幅１６ｍｍ×（フィン高さ（Ｆｈ）＝７．０）×（フィンピッチ（Ｆｐ）＝１．４ｍｍ）×３６段
通風面積　　　：　長さ６００ｍｍ×（Ｔｈ×３５本＋Ｆｈ×３６段）／１，０００，０００
実験条件は、凝縮器（コンデンサ）入口の空気温度が３７℃、コンデンサ入口圧力１．７４ＭＰａ、コンデンサ入口のスーパーヒート２５℃、コンデンサ出口のサブクール５℃、コンデンサ入口の風速１．５ｍ／ｓ、使用冷媒はＨＦＣ−１３４ａを採用した。
チューブ高さ（Ｔｈ）が、０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．４ｍｍ、１．６ｍｍ、１．８ｍｍであって、チューブ板厚（Ｔｔ）が０．２０ｍｍ、０．３０ｍｍ、０．３５ｍｍのものについて、放熱量／通風面積を測定した。その結果は、図６に示すように、チューブ高さ（Ｔｈ）が所定の範囲にあるときに放熱量／通風面積が良い結果を示す、所謂放物線を描く。しかし、チューブ板厚（Ｔｔ）が０．３５ｍｍのものでは、その良い結果を示す範囲が極めて小さく、製作管理が困難であり、実用的でない。なお、板厚（Ｔｔ）が０．２ｍｍ未満のものは、耐圧強度が低いので、テストから外してある。この結果からして、板厚（Ｔｈ）は０．２ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲が良く、且つ、チューブ高さ（Ｔｈ）は１．０ｍｍ〜１．４５ｍｍの範囲で、放熱量／通風面積の良いものが得られた。放熱量／通風面積が良いということは、放熱量効率の良いものが得られるので、凝縮器を軽量、且つコンパクトにできる。
【００２３】
上記テスト品の中で、チューブ高さ（Ｔｈ）＝１．２ｍｍ、チューブ板厚（Ｔｔ）＝０．２５ｍｍのものについて、シミュレーションテストした。即ち、チューブの内容積（Ｖ＝チューブの内側高さ×チューブの内側幅×チューブ有効長さ）に対して、突起８を形成することによってチューブ内に形成される非流通領域（Ｒ）の面積の割合を測定した。
図７は、縦軸に放熱量を取り、横軸に非流通領域（Ｒ）の割合を取ってグラフに示したものである。非流通領域が少ないと、チューブ内の熱交換媒体の乱流が少なく、熱交換効率が低下し、逆に非流通領域が多いと管内圧損が大きく、結果的に熱交換効率が悪化する。図７の結果からして、非流通領域（Ｒ）が２０〜４０％になるように突起の大きさ、突起の数量を調整して設けるようにする。
【００２４】
さらに、フィン高さと性能との関係についてシミュレーションした。
チューブ仕様　：　幅１６ｍｍ×（チューブ高さ（Ｔｈ）＝１．２ｍｍ）×（チューブ板厚＝０．２５ｍｍ）
フィン仕様　　：　幅１６ｍｍ×フィン高さ（Ｆｈ）×フィン板厚（Ｆｔ）×（フィンピッチ＝１．４ｍｍ）
板厚（Ｆｔ）は、高さ（Ｆｈ）に応じて座屈強度がほぼ同じになるように設定した。フィン座屈強度Ｐ＝ｋ×Ｆｔ^３／Ｆｈ^２
コアサイズ　　　：　（長さ＝６００ｍｍ）×（高さ＝約２９７ｍｍ）
高さ＝約２９７ｍｍ近辺になるようにチューブ本数（Ｔｎ）を設定した。
コア重量　　　：　上記フィン、チューブ重量に加えて、一定のヘッダタンク、エンドプレートの重量を加算した。
実験条件は、コンデンサ入口の空気温度が３７℃、コンデンサ入口圧力１．７４ＭＰａ、コンデンサ入口のスーパーヒート２５℃、コンデンサ出口のサブクール５℃、コンデンサ入口の風速１．５ｍ／ｓ、使用冷媒はＨＦＣ−１３４ａを採用した。
上記条件において、フィン高さ（Ｆｈ）を、１０ｍｍ〜５ｍｍの範囲で変更し、それに応じてフィン板厚（Ｆｔ）を設定し、高さ＝約２９７ｍｍ近辺になるようにチューブ本数（Ｔｎ）及びフィン数（チューブ本数＋１本）を設定した。こうして得られた凝縮器（コンデンサ）の重量を算出し、この重量に対してシミュレーションにより得られる放熱量の結果を図８に示す。
図８の結果から、フィン高さ（Ｆｈ）と放熱量／コア重量の関係を図９に示す。放熱量／コア重量が良い結果を示すフィン高さ（Ｆｈ）は、５．７ｍｍ〜８．０ｍｍの範囲である。放熱量／コア重量が良いということは、コア重量の軽いもので良い放熱量が得られるので、凝縮器を軽量にでき、コンパクトにできる。その結果として凝縮器を安価にできる。
【００２５】
チューブに設ける突起は一方から設け、他方のチューブ内面にろう付けするようにしても良い。チューブの両端部の板３枚の板厚構造は、この構造に限られるものでは無く、他の構造でも良い。チューブの両端部の板厚を３枚にしたが、この数に限られるものではなく、３枚以上でも良い。また逆に、チューブの端部の強度が十分である凝縮器、或はそれほど高強度を要求されない凝縮器の場合には、薄板を単にＵターンして折り曲げ、結果として端部の板厚が１枚のものでも良い。
【００２６】
【発明の効果】
本発明では、互いに交互に配列された複数のチューブ及びフィンを有し、これら複数のチューブの両端に接続されたヘッダタンクを有する凝縮器において、該チューブの高さが１．０ｍｍ〜１．４５ｍｍであり、チューブの板厚が０．２ｍｍ〜０．３ｍｍであるので、冷媒通路の圧力損失が小さく、かつ最適の放熱面積を確保でき、軽量な凝縮器を得られる。
【００２７】
特に、チューブをロールフォーミングにより、薄板材を折り曲げて形成するものでは、板材の厚さを薄くできると同時に薄厚の厚さを高精度で管理できるので、安定して薄厚のチューブを成形できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に関わる凝縮器の斜視図を示す。
【図２】図１に示す凝縮器において、チューブとフィンからなる積層体（コア）をヘッダタンクに組付ける前の状態を示す。
【図３】図１に示す凝縮器のチューブとフィンの寸法関係を説明する図である。
【図４】図１の凝縮器のチューブの概略であり、（ａ）は長手方向の端部を示し、（ｂ）は上面図を示す。
【図５】図４のチューブの部分拡大図を示す。
【図６】チューブ板厚及びチューブ高さと放熱量との関係を示す特性図である。
【図７】非流通領域と放熱量との関係を示す特性図である。
【図８】フィン高さ、フィン板厚、チューブ本数及びコア重量と放熱量との関係を示す表である。
【図９】フィン高さと放熱量との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１　　　凝縮器
２　　　チューブ
３　　　フィン
４、５　　ヘッダタンク
８　　　突起
２１　　芯材
２２　　犠牲腐食層
２３　　ろう材層
Ｒ　　　非流通領域

Claims

互いに交互に配列された複数のチューブ及びフィンを有し、これら複数のチューブの両端に接続されたヘッダタンクを有する凝縮器において、該チューブの高さが１．０ｍｍ〜１．４５ｍｍであり、チューブの板厚が０．２ｍｍ〜０．３ｍｍであることを特徴とする凝縮器。
請求項１に記載の凝縮器において、該チューブ内容積の２０〜４０％が非流通領域であることを特徴とする。
請求項１又は２に記載の凝縮器において、該チューブがロールフォーミングで板材を折り曲げて形成したチューブであることを特徴とする。
請求項３に記載の凝縮器において、該チューブが、該チューブの内面にはろう材層が配設された扁平チューブからなり、該チューブの少なくとも一方の平面から内側に向けて複数の突起が設けられ、該突起の頂部が該チューブの対向内面に接合されていることを特徴とする。
請求項４に記載の凝縮器において、該チューブが、該チューブの内面にはろう材層が配設された扁平チューブからなり、該チューブの両平面から内側に向けて複数の突起が設けられ、該突起の対向頂部同士が接合されていることを特徴とする。
請求項１ないし５のいずれかに記載の凝縮器において、該チューブがアルミニウム材からなり、該アルミニウム材の外側に犠牲腐食層が配設されていることを特徴とする。
請求項６に記載の凝縮器において、該犠牲腐食層が該チューブの最外面に配設され、該犠牲層が亜鉛含有ろう材層からなることを特徴とする。
請求項１ないし７のいずれかに記載の凝縮器において、該チューブがその外層にろう材層が設けられたクラッド材からなり、該フィンが無垢材からなることを特徴とする。
請求項１ないし８のいずれかに記載の凝縮器において、フィン高さが５．７ｍｍ〜８．０ｍｍであることを特徴とする。
請求項１ないし９のいずれかに記載の凝縮器において、該チューブが１枚の板材を折り曲げて断面略矩形状に形成した扁平チューブであって、その短辺両端部は、その板厚が３枚以上の板厚を有するように折畳み形成されていることを特徴とする。