JP2004125352A - 熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＣＯ２冷媒のような第１の流体を、空気のような第２の流体によって冷却するガスクーラのような熱交換器における効率を改善する。
【解決手段】第１のヘッダータンク２は入口タンク２ａと出口タンク２ｂから構成され、相手方の第２のヘッダータンクとの間を橋絡する扁平な熱交換チューブ６には入口側の冷媒通路７と出口側の冷媒通路８がそれぞれ複数個形成されている。冷媒は入口タンク２ａから入口側の冷媒通路７を通って第２のヘッダータンクへ流れ、そこで反転して、出口側の冷媒通路８を通って出口タンク２ｂへ流れる。矢印９のように流れる空気によって冷却された出口側の冷媒は、出口タンク２ｂと入口タンク２ａの間、出口側の冷媒通路８と入口側の冷媒通路７の間、及び隣接する熱交換チューブ６の間に設けられるフィンを介して再び加熱されるので、その熱伝達経路に穴１０のような熱伝達阻止手段が設けられる。
【選択図】 図２
【解決手段】第１のヘッダータンク２は入口タンク２ａと出口タンク２ｂから構成され、相手方の第２のヘッダータンクとの間を橋絡する扁平な熱交換チューブ６には入口側の冷媒通路７と出口側の冷媒通路８がそれぞれ複数個形成されている。冷媒は入口タンク２ａから入口側の冷媒通路７を通って第２のヘッダータンクへ流れ、そこで反転して、出口側の冷媒通路８を通って出口タンク２ｂへ流れる。矢印９のように流れる空気によって冷却された出口側の冷媒は、出口タンク２ｂと入口タンク２ａの間、出口側の冷媒通路８と入口側の冷媒通路７の間、及び隣接する熱交換チューブ６の間に設けられるフィンを介して再び加熱されるので、その熱伝達経路に穴１０のような熱伝達阻止手段が設けられる。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器に係り、特に、ＣＯ２（二酸化炭素）を冷媒とする空調装置に使用されるガスクーラ（コンデンサ）のように、入口側の流体と出口側の流体との間の温度差が大きい場合に好適な熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
空調装置において圧縮された冷媒を冷却するために、多数の細い冷媒通路を平行に形成された扁平な熱交換チューブを複数個平行に並べて、それらの扁平チューブの一端を入口タンク及び出口タンクを構成する第１のヘッダータンクに接続すると共に、他端を冷媒の流れる方向を反転させるための第２のヘッダータンクに接続することにより、入口タンクから扁平チューブの一側の冷媒通路群を通過して第２のヘッダータンクに達した冷媒を反転させて、同じ扁平チューブの他側の冷媒通路群を通過させて出口タンクへ導くように、扁平チューブによって反対方向に折り返す冷媒通路を形成すると共に、それらの扁平チューブの間に波形のフィンを取り付けて、冷却媒体である空気を流すための流路を形成したコンデンサ或いはガスクーラと呼ばれる熱交換器は従来からよく知られている（例えば、特許文献１−３参照）。
【特許文献１】
特開平１０−２８８４７６号公報
【特許文献２】
特開２００１−１３３０７５号公報
【特許文献３】
特開２００１−５０６８５号公報
【０００３】
このような構成の熱交換器において、冷媒と空気との間の温度差を大きくして熱交換効率を高めるために、１本の扁平チューブの一側において冷媒の出口側となって比較的に低温の冷媒が流れる冷媒通路群の周囲から、他側において冷媒の入口側となって比較的に高温の冷媒が流れる冷媒通路群の周囲に向かって、冷却用の空気を流すことも行われている。
【０００４】
しかしながら、このような構成の熱交換器を、ＣＯ２のような流体を超臨界圧域において冷媒として作動させる空調装置の冷凍サイクルにおけるガスクーラとして使用した場合には、ガスクーラの冷媒入口と冷媒出口との間の温度差とか、１本の扁平チューブの中でも入口側となる冷媒通路群と、出口側となる冷媒通路群との間の温度差が非常に大きくなるために、扁平チューブにおける冷媒通路の２つの群の間で直接に移動する熱や、扁平チューブに取り付けられたフィンを介して間接的に移動する熱、或いは扁平チューブの一端に取り付けられたヘッダータンク内の入口タンクから出口タンクに向かって移動する熱等の量が多くなるために、扁平チューブ内において空気によって冷却された冷媒が、下流側の部分において上流側の冷媒によって再び加熱される場合が生じて、熱交換器全体の効率が低下することから、空調装置の冷房能力の低下や動力消費の増大を招く可能性がある。
【０００５】
この問題を解決することを目的とするものではないが、ＣＯ２のような超臨界圧流体を冷媒とする空調装置の熱交換器として、１本の熱交換チューブに入口側の冷媒通路と出口側の冷媒通路とを同時に形成することなく、冷媒が一方向にのみ流れる熱交換チューブと、波形のフィン及びヘッダータンクによって構成された複数個のコアを、相互間に所定の間隔をおいて並列に配置すると共に、いずれのコアでも上部に冷媒の入口部分を、下部に冷媒の出口部分を設けて、それら複数個のコアを斜めの配管によって直列に接続することにより、客観的に見ると、熱交換器全体の入口部分と出口部分との間を遠ざけた構成の熱交換器も既存の文献に記載されている（特許文献４参照）。
【特許文献４】
特開２００１−１４７０９５号公報
【０００６】
しかしながら、このように複数個のコアを並列に配置すると共に隣接するコアの間に必要な間隔をとると、熱交換器全体の占めるスペースが大きくなることから、自動車用空調装置の場合には自動車の狭いエンジンコンパートメント内に設置することが困難になるだけでなく、熱交換器が複数個のコアを有するためにコストが高くなるので、前述の問題の現実的な解決手段にはならない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術における前述のような問題に鑑み、熱交換器の各部分に新規な構成の熱伝達阻止手段を設けることによって、入口側の冷媒の有する熱が出口側の冷媒へ移動することを阻止すると共に、部品点数の増加やコストの上昇をも抑えて、それらの問題を解消することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、この課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された熱交換器を提供する。
【０００９】
請求項１に記載された熱交換器においては、熱交換チューブの一部に形成された入口側通路と、熱交換チューブの他の一部に形成された出口側通路との間に、それらの通路を流れる第１の流体の間の熱の移動を妨げる少なくとも１つの熱伝達阻止手段が設けられている。この場合の熱伝達阻止手段には請求項２から１１に記載されたような色々な具体的手段が含まれている。
【００１０】
その具体的な手段の１つは、熱交換チューブの入口側通路と出口側通路との間に、第１の流体の流れが生じない穴を設けることである。その穴の一端又は両端は何らかの材料によって閉塞される。一端が閉塞された場合には、穴の中へ第１の流体が流入することもあるが、流入した流体は穴の中に留まって流れない。両端を閉塞された場合には、穴の中が空気等によって満たされる。この場合には、穴の位置に整合するようにスリットを形成することができ、それによって穴の内部は大気に連通して空気が流通するようになる。いずれの場合も、穴と、その中にある流体等が熱伝達阻止手段となって、入口側通路にある第１の流体と出口側通路にある第１の流体との間で熱が移動するのを妨げることができるので、熱交換器の効率が改善される。
【００１１】
熱交換チューブに設けられる熱伝達阻止手段としては、熱交換チューブの入口側通路と出口側通路との間に、断面積の小さいくびれた部分を形成することも効果的である。それによって、入口側通路と出口側通路との間の熱の移動を妨げることができるし、更に、その部分にスリット等の開口を形成すると、この部分の断面積が縮小するので熱の移動が妨げられるだけでなく、スリットを流れる空気のような第２の流体と、通路内を流れる第１の流体との間で熱交換が行なわれるので、第１の流体を第２の流体によって追加的に冷却することもできる。
【００１２】
請求項１２に記載された熱交換器においては、熱交換用のフィンが、熱交換チューブに形成された入口側通路と出口側通路の間に対応する位置に、それらの通路を流れる第１の流体の間の熱の移動を妨げる少なくとも１つの熱伝達阻止手段が設けられる。その具体的な手段としては、請求項１３及び１４に記載されているように、熱交換用のフィンのその位置に切り込みを加えることによって断熱スリットを形成するとか、更に進んで迷路状の断熱スリットを形成するというようなものがある。
【００１３】
いずれの場合でも、入口側通路を流れる第１の流体と、出口側通路を流れる第１の流体との間にある温度差によって、熱交換用のフィンを介して熱の移動が生じるのを断熱スリット等の熱伝達阻止手段によって抑制することができるので、熱交換器の効率が改善される。
【００１４】
請求項１５に記載された熱交換器においては、第１のヘッダータンクを構成する入口タンクと出口タンクとの間に、熱伝達阻止手段として断面積の小さい連結部が設けられる。その具体的な手段としては、請求項１６に記載されているように、少なくとも１つの切り込みを有する迷路状の連結部を用いるとか、請求項１７に記載されているように、断面積の小さいＵ形の屈曲部分を有する連結部を使用することもできる。
【００１５】
いずれの場合も、連結部の断面積が小さくなると共に連結部の実質的な長さが増大するので、入口タンクと出口タンクが近接して設けられていても、連結部によってそれらの間に熱の移動が生じるのを抑制することができる。従って、熱交換の結果として大きな温度差を生じた入口タンク内の第１の流体と出口タンク内の第１の流体との間で無用の熱交換が行なわれるのを阻止して、熱交換器の効率を高く維持することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら、本発明の好適な幾つかの実施例について詳細に説明する。図１は概略的に本発明の第１実施例の熱交換器の外観を示したものである。しかしながら、第２実施例以下の熱交換器の全体構成も概ね図１に近い形状のものとなる。図示実施例の熱交換器１は、例えばＣＯ２のように、圧縮しても容易に液化しない流体を、超臨界圧状態において冷媒として作動させる空調装置の冷凍サイクルにおけるガスクーラとして使用されるものである。
【００１７】
第１実施例の熱交換器１は左右一対の縦方向のヘッダータンク２及び３を備えている。少なくとも左側のヘッダータンク（第１のヘッダータンク）２は、図２に示すように中央がくびれた繭形の断面形を有する。従って、ヘッダータンク２は２本の円筒を縦方向に並べて接触させたような形状及び構造を有する。第１実施例の場合は、左側のヘッダータンク２を構成する２本の円筒部分２ａ及び２ｂが直接には連通していない。そのために、円筒部分２ａ及び２ｂの間のくびれた部分に縦方向の隔壁２ｃが全長にわたって設けられる。隔壁２ｃによって区画された２つの円筒部分２ａ及び２ｂは、それぞれ入口タンク及び出口タンクとして使用される。
【００１８】
なお、このような形状、構造の左側のヘッダータンク２はアルミニウムの押し出し成形等によって容易に製造することができる。また、この形状構造から明らかなように、ヘッダータンク２は２本の円筒を接触させたものか、或いはそれらの間に僅かな間隔を置いて平行に且つ縦方向に並べると共に、それらの間の数箇所を細くて薄肉の連結部分によって機械的に連結したような構造のものとして製作してもよい。これについては後に第９実施例等として説明する。
【００１９】
第１実施例の熱交換器１においては、左側のヘッダータンク２を形成する一方の円筒部分である入口タンク２ａの例えば下部へ片寄った位置に冷媒の入口４が設けられると共に、それと反対に他方の円筒部分である出口タンク２ｂの上部へ片寄った位置に冷媒の出口５が設けられる。
【００２０】
第１実施例の熱交換器１においては右側のヘッダータンク（第２のヘッダータンク）３も繭形の断面形を有するが、それを構成する円筒部分３ａ及び３ｂの間に縦方向の隔壁を設ける必要はないので、それらの部分が相互に直接に連通している。なお、第１実施例の熱交換器１のような構成では、右側のヘッダータンク３の円筒部分３ａ及び３ｂの間に大きな温度差が生じることはないし、それらの間に隔壁を設ける必要もないので、右側のヘッダータンク３の断面形は繭形のみならず、単なる円形や小判形、或いは楕円形等であってもよい。
【００２１】
一対のヘッダータンク２及び３の間を接続するように、相互に平行に複数本の熱交換チューブ６が取り付けられる。熱交換チューブ６は図３に示すように扁平な形状を有すると共に長手方向に多数の穴を有するもので、アルミニウムのような材料を押し出し成形することによって製造される。熱交換チューブ６の両端部分は、ヘッダータンク２及び３に機械加工を加えることによって形成されたスリット状の開口に挿入されて、蝋付けされることにより気密に接続される。それによって、熱交換チューブ６に長手方向に形成された複数個の細い穴のような冷媒通路群の一端が２つの部分に分かれて、左側のヘッダータンク２を構成する入口タンク２ａ及び出口タンク２ｂに連通すると共に、冷媒通路群の他端が全て右側のヘッダータンク３の内部に連通する。
【００２２】
図２及び図３に示す第１実施例の熱交換チューブ６においては、それに形成された例えば９個の穴のうちで、矢印９によって示す冷却用空気の流れ方向において下流側となる例えば４個の穴が入口側の冷媒通路７となる。入口側の冷媒通路７の一端は、左側のヘッダータンク２を構成する一方の円筒部分である入口タンク２ａに連通していると共に、他端は右側のヘッダータンク３の円筒部分３ａに連通している。
【００２３】
また、熱交換チューブ６に形成された例えば９個の穴のうちで、冷却空気の流れ方向９において上流側となる例えば４個の穴が出口側の冷媒通路８となる。出口側の冷媒通路８の一端は、左側のヘッダータンク２を構成する他方の円筒部分である出口タンク２ｂに連通していると共に、他端は右側のヘッダータンク３の円筒部分３ｂに連通しているので、円筒部分３ｂを介して他の円筒部分３ａとも連通している。
【００２４】
第１実施例の熱交換器１の特徴は、図２及び図３に示すように、入口側の冷媒通路群７と出口側の冷媒通路群８との間に、冷媒通路として使用されない穴１０が残されていることである。空白の穴１０は入口側の冷媒通路７と出口側の冷媒通路８との間の熱伝達阻止手段を構成する。そのために、穴１０の両端或いは一端が熱交換チューブ６と同じ材料か又は他の適当な材料によって塞がれていて、冷媒が穴１０の中へ流入することができないか、或いは流入することができたとしても、それを通過して流れることができないようになっている。
【００２５】
穴１０の一端を簡単に塞ぐ１つの方法として、図２に示したように、左側のヘッダータンク２において入口タンク２ａと出口タンク２ｂとの間に形成される隔壁２ｃと穴１０とを整合させる方法がある。左側のヘッダータンク２に熱交換チューブ６を挿入するスリットを切削した時に隔壁２ｃの一部も切削されるので、削り残された隔壁２ｃの端面によって穴１０の一端を塞ぐことができる。右側のヘッダータンク３の中には隔壁が設けられないから、左側のように隔壁の切削端面によって穴１０の他端を塞ぐことはできないが、一端が塞がれていれば穴１０を通過する冷媒の流れは生じないので本発明の目的を達成することができる。
【００２６】
穴１０の両端を何らかの材料によって完全に塞ぐことができる場合は、穴１０に連通するように熱交換チューブ６の腹面に穴やスリット等を設けて、穴１０を大気に開放させるのが得策である。それによって穴１０内へ空気が流入して冷媒通路７及び８を流れる冷媒を追加的に冷却することができるし、入口側の冷媒通路７と出口側の冷媒通路８との間に空気室が形成されて、それらの通路の間の断熱性が高くなる。（この点については、後に第６実施例として説明する。）
【００２７】
図１に示したように、ヘッダータンク２及び３によって互いに平行に支持された複数本の扁平な熱交換チューブ６の間には波形のフィン１１が取り付けられて蝋付けされる。フィン１１は、例えばアルミニウムの薄板を扁平な熱交換チューブ６の幅と同程度の幅を有する長いリボン状に裁断して、それを波形に屈曲させたものである。しかしながら、波形のフィン１１の代わりに、例えば平板状の金属の薄板からなる多数のリボンを使用して複数本の熱交換チューブ６を橋絡してもよいことは言うまでもない。
【００２８】
第１実施例の熱交換器１はこのように構成されているから、図示しない圧縮機によって圧縮されたＣＯ２のような冷媒（第１の流体）を冷媒の入口４から左側のヘッダータンク２の入口タンク２ａ内へ供給すると、冷媒は入口タンク２ａ内で長手方向に流れる間に複数本の熱交換チューブ６に形成された多数の入口側の冷媒通路７へ分岐して流入する。冷却用空気（第２の流体）は図３に示す矢印９の方向に流れているので、冷媒通路７を流れる冷媒は下流側の空気によって相当程度冷却された後に右側のヘッダータンク３内へ放出されて合流する。そして、右側のヘッダータンク３内において流れの方向を反転させられて、複数本の熱交換チューブ６に形成された多数の出口側の冷媒通路８へ分岐して流入し、それを通過する間に上流側の低温の空気によって強く冷却される。
【００２９】
そのために、入口側の冷媒通路７を流れる高温の冷媒と、出口側の冷媒通路８を流れる低温の冷媒との間に大きい温度差が生じるが、入口側の冷媒通路７と出口側の冷媒通路８との間には冷媒の流れがない空白の穴１０が設けられているので、僅かな量の熱が穴１０の外側の肉厚が薄い部分１２等を通って、入口側の冷媒通路７から出口側の冷媒通路８へ流れるだけである。従って、出口側の冷媒通路８を流れる低温の冷媒が入口側の冷媒通路７を流れる高温の冷媒によって殆ど加熱されないので、空白の穴１０を設けない場合に比べて、冷媒の出口５へ到達する冷媒の温度が低下して、熱交換器１の効率が著しく向上する。
【００３０】
なお、左側のヘッダータンク２においては、入口タンク２ａ内にある冷媒と出口タンク２ｂ内にある冷媒との間に大きい温度差が生じるが、左側のヘッダータンク２の断面形が、隔壁２ｃを有する中央のくびれた繭形となっているから、入口タンク２ａから出口タンク２ｂへの熱伝達量も、左側のヘッダータンク２が隔壁を有する単なる円筒等である場合に比べて少なくなり、連結部によって出口側の冷媒通路８内の冷媒が温度上昇する程度は僅かなものになる。
【００３１】
図４は第１実施例の変形例としての第２実施例を示したものである。第２実施例の熱交換器としての全体構成は図１と同様なものであるが、その特徴は熱交換チューブ６ａの断面形状にある。第２実施例の熱交換チューブ６ａにおいては、入口側の冷媒通路７と出口側の冷媒通路８との間に、特別に大径とした空白の穴１０ａが設けられている。第１実施例の空白の穴１０と同様に、大径の穴１０ａも、その一端又は両端が塞がれているか、或いは大気に開放されている、
【００３２】
第２実施例の熱交換器においては、その熱交換チューブ６ａが大径の穴１０ａを備えているので、穴１０ａの外側の部分１２ａの肉厚ｔ１は、冷媒通路７及び８の外側の肉厚ｔ０に比べて小さくなるので、この部分を通過して入口側の冷媒通路７から出口側の冷媒通路８へ流れる熱量は、第１実施例の場合よりも更に少なくなる。また、大径の穴１０ａが大気に開放されている場合には、通路７及び８を流れる冷媒が大径の穴１０ａ内の空気によって追加的に冷却される程度も高くなる。従って、第２実施例の熱交換器は第１実施例のそれよりも一段と優れた作用効果を奏する。
【００３３】
図５に第３実施例の熱交換器の要部を示す。第３実施例における熱交換チューブ１３は、第２実施例の熱交換チューブ６ａと同様に扁平で、入口側の冷媒通路７及び出口側の冷媒通路８と、それらの冷媒通路の間に大径の穴１０ａを備えているが、異なる点は、第３実施例の熱交換チューブ１３が一端或いは両端において切り欠き１４を有することである。従って、このような熱交換チューブ１３の端部を、前述の実施例において説明したような繭形等の断面形状を有するヘッダータンク２或いは３にスリットを形成して挿入すると、切り欠き１４の底部がヘッダータンクの表面に届かないので、大径の穴１０ａの一端或いは両端が大気に開放されることになる。勿論、大径の穴１０ａ内へ冷媒が流入することはない。
【００３４】
このように、第３実施例においては端部が大気に開放された大径の穴１０ａが入口側の冷媒通路７と出口側の冷媒通路８の間に形成されるので、穴１０ａによる断熱効果及び冷媒の冷却効果が高くなる。
【００３５】
第３実施例のように端部に切り欠き１４を有する熱交換チューブ１３を使用する場合には、左側のヘッダータンク２（図１参照）も、繭形断面と隔壁２ｃを有する一体のものよりも、図５に例示したように独立の２本の円筒１５及び１６を使用して構成したほうが、スリットを加工する場合に好都合である。円筒１５及び１６は第１実施例における左側のヘッダータンク２を構成する２つの円筒部分２ａ及び２ｂに対応するもので、それと同様に入口タンク及び出口タンクとなる必要から相互に直接には連通しておらず、図示しない最小限の太さ或いは断面積を有する連結部によって相互に連結されているか、或いは直接には連結されないで、熱交換チューブ１３や、図示しない外枠等を介して間接的に連結されるだけとする。それによって熱伝達阻止手段が構成されて、入口タンク１５と出口タンク１６との間の断熱性が高くなり、熱交換器の効率が向上することになる。
【００３６】
図６に第４実施例の熱交換器の要部のみを示す。第４実施例の特徴は、扁平な熱交換チューブ１７が、前述の各実施例と同様な入口側の冷媒通路７と出口側の冷媒通路８との間に長手方向に長く、断面積が減少するくびれた連結部分１８を有することにある。くびれた形となって断面積が小さくなっている連結部分１８が熱伝達阻止手段として入口側の冷媒通路７から出口側の冷媒通路８への熱伝達を妨げることは言うまでもない。それによって出口側の冷媒の温度上昇が抑制されるので熱交換器の効率が向上する。
【００３７】
図７は、第４実施例の変形例としての第５実施例を示すもので、第５実施例の熱交換チューブ１９においては、１つの熱伝達阻止手段として、第４実施例と同様に形成された熱交換チューブのくびれた連結部分１８に打ち抜きを加えて、長手方向に長い幾つかのスリット２０を形成している点に特徴がある。スリット２０を設けることによって、入口側の冷媒通路７から出口側の冷媒通路８へ流れる熱量が第４実施例の場合よりも更に減少するだけでなく、スリット２０を通過して流れる空気によって、冷媒通路７及び８が追加的に冷却されるという作用効果が生じる。
【００３８】
第５実施例の手法を第１実施例に応用した例を第６実施例として、その要部を図８に示す。既に第１実施例の説明において触れているが、第６実施例の熱交換チューブ２１の特徴は、第１実施例の熱交換チューブ６と同様に形成された冷媒通路７及び８と、それらの間に形成されて両端を何らかの材料によって塞がれている空白の長い穴１０を有すると共に、その長い穴１０と連通するように打ち抜きによるスリット２２を形成して、穴１０を大気に開放していることである。それによって、穴１０が空気室となって冷媒通路７及び８の間に高い断熱性を与えるだけでなく、穴１０へ流入する空気によって冷媒通路７及び８が追加的に冷却されるので熱交換器の効率が向上する。
【００３９】
以上の実施例は、主として熱交換チューブに何らかの熱伝達阻止手段を設けたものであるが、本発明の目的は熱交換器のフィンに熱伝達阻止手段を設けることによっても達成される。勿論、これらの実施例に示す熱伝達阻止手段を適宜組み合わせることも可能である。フィンに改良を加えた熱交換器の一つを第７実施例として、その要部構造を図９に示す。第７実施例における熱交換チューブ６は第１実施例のそれと同様なものであるが、これを第２実施例から第６実施例の熱交換チューブに置き換えてもよい。
【００４０】
第７実施例の熱交換器において、隣接する熱交換チューブ６の間に取り付けられる波形のフィン２３は、空白の穴１０に対応する位置の少なくとも一部に長手方向の断熱スリット２４を形成されている。断熱スリット２４は部分的に、つまり飛び飛びに形成するのがよい。この場合は、破線のように形成される断熱スリット２４の間に、幅の狭い連結部２３ｃが形成される。断熱スリット２４をフィン２３の全長にわたって形成する場合には、波形フィン２３を別体の２条の波形フィンによって構成して、それらの間に間隔をとればよい。いずれにしても、断熱スリット２４を形成することによって、波形のフィン２３は長手方向に実質的に分割された２つの領域２３ａ及び２３ｂを有するものとなる。
【００４１】
第７実施例の熱交換器においては、波形のフィン２３が断熱スリット２４によって冷媒通路７及び８に対応する２つの領域２３ａ及び２３ｂに分割され、その間の熱伝達が抑制されるので、入口側の冷媒通路７から出口側の冷媒通路８へ、波形のフィン２３を介して熱が伝達され難くなり、冷却された出口側の冷媒が入口側の冷媒によって再び加熱されるのを防止することができる。それによって熱交換器の効率も向上する。
【００４２】
このように波形のフィン２３に熱伝達阻止手段としての断熱スリット２４を設けて、２つの領域２３ａ及び２３ｂの間の熱伝達を妨げる場合に、断熱スリット２４が形成されていない連結部２３ｃの長さを、フィン２３の全長によって除した値の百分率であるフィン結合率と、２つの領域２３ａ及び２３ｂの間の熱移動量（Ｗ）との関係を図１０に示す。この線図から明らかなように、フィン結合率を０．０２％程度に抑えると、熱移動量は数十Ｗ程度の低レベルになる。
【００４３】
第７実施例においては、波形のフィン２３の２つの領域２３ａ及び２３ｂの間の熱伝達を抑制する熱伝達阻止手段として断熱スリット２４を形成しているが、他の構成を有する熱伝達阻止手段を備えている第８実施例の熱交換器の要部を図１１に示す。この場合も、熱交換チューブ６は第１実施例のそれと同様なものである。隣接する熱交換チューブ６の間に設けられる波形のフィン２５は、空白の穴１０に対応する位置の少なくとも一部に、迷路状の断熱スリット２６が設けられている。それによって、波形のフィン２５は実質的に２つの領域２５ａ及び２５ｂに分割される。
【００４４】
第８実施例における迷路状の断熱スリット２６は、熱伝達阻止手段として多少の程度の差があっても、第７実施例における熱伝達阻止手段である断熱スリット２４と同質の作用をすることが明らかであるから、第８実施例は第７実施例と実質的に同様な効果を奏する。
【００４５】
先にも触れたが、図１に例示したような熱交換器１においては、左側のヘッダータンク２を構成する入口タンク２ａ及び出口タンク２ｂを互いに相手から独立させて、それらの間で直接に熱伝達が行われないようにすると熱交換器１の効率が高くなる。図１２に要部を示す第９実施例の熱交換器においては、少なくとも左側のヘッダータンク２が、それぞれ円筒部分２ａ及び２ｂに対応する互いに独立した円筒からなる入口タンク２７及び出口タンク２８を平行に支持することによって構成されている。入口タンク２７及び出口タンク２８は、熱伝達阻止手段として断面積を小さくするために、大きい間隔をおいて飛び飛びに設けられた薄くて長手方向の幅が狭い板状の連結部２９によって連結されるが、図示しないフレーム等によって位置が固定される場合には連結部２９を廃止してもよい。
【００４６】
連結部２９等による円筒２７及び２８の間のタンク結合率と、それらの間の熱移動量との関係は図１３に示した線図のようになる。タンク結合率は熱移動量の許容値によって決まるので、例えば、熱移動量を１００Ｗ以下に抑える必要がある場合には、タンク結合率を６％以下としなければならない。具体的に６％のタンク結合率を実現するには、連結部２９の板厚が１ｍｍの場合に、経路の長さ、即ち、円筒２７及び２８の長手方向における連結部２９の寸法を６ｍｍにする必要がある。このように、単純な平板状の連結部２９によって円筒２７及び２８を連結する場合でも、連結部２９の厚さや、円筒２７及び２８の長手方向における連結部２９の寸法を小さくすることによって、熱伝達阻止手段となる連結部２９の効果を高めることができる。
【００４７】
図１４に、本発明の第１０実施例としての熱交換器の要部を示す。第１０実施例は第９実施例を改良したもので、図１に示したような左側のヘッダータンク２に相当するものを構成する相互に独立した入口タンク２７及び出口タンク２８を連結するための連結部３０、即ち、２本の円筒２７及び２８の間に設ける熱伝達阻止手段の構造に特徴がある。第１０実施例における連結部３０は板材に複数個の切り込み３１を加えることによってＷ形の迷路状に形成されたものである。
【００４８】
迷路状の連結部３０を設けることによって、連結部３０の実質的な長さが非常に長くなると共に断面積が小さくなるので、入口側の高温の冷媒が流れる入口タンク２７の熱が、連結部３０を通って冷却された後の低温の冷媒が流れる出口タンク２８へ伝達され難くなる。それによって熱交換器の効率が向上する。なお、第１０実施例においては、入口タンク２７及び出口タンク２８にそれぞれ独立の２本の熱交換チューブ３２及び３３を接続して、それらの先端を図示しない右側のヘッダータンク３（図１参照）に相当するものに接続しているが、熱交換チューブ３２及び３３を纏めて、例えば前述の第３実施例に（図５参照）示したような単一の熱交換チューブ１３とすることもできる。
【００４９】
本発明の第１１実施例としての熱交換器の要部を図１５に示す。この場合は、図１に示す左側のヘッダータンク２に相当するものを構成する入口タンク３９及び出口タンク４０のそれぞれが、押し出し成形等によって始めから円筒として成形されるのではなく、複数個の部品が結合することによって円筒として構成される。即ち、第１１実施例においては、熱交換チューブ３２及び３３に接続する断面形状が半円形の部材３６が、独立の部品として押し出し成形等によって製造される。また、部材３６とは別に眼鏡形の部材３７が押し出し成形等によって製造される。眼鏡形の部材３７は２つの断面半円形の部分３８を備えており、それらに部材３６が結合して蝋付け等によって一体化されることによって、入口タンク３９及び出口タンク４０が構成される。
【００５０】
第１１実施例においては、入口タンク３９及び出口タンク４０を連結するために断面Ｕ形の連結部４１が設けられている。押し出し成形等の方法によれば、Ｕ形の連結部４１を始めから２個の半円形の部分３８と一体的に成形することもできるが、その場合には、Ｕ形の連結部４１が眼鏡形の部材３７の全長にわたって形成されるので、Ｕ形の連結部４１を十分な熱伝達阻止手段とするためには、Ｕ形の連結部４１に打ち抜き等を加えてスリットを形成することにより、長手方向の寸法を減少させる必要がある。従って、２個の断面半円形の部分３８を独立に押し出し成形して、長手方向に短いＵ形の連結部４１をそれらに蝋付けするというような手順を踏んだ方がよい場合もある。
【００５１】
第１１実施例においては、Ｕ形の連結部４１が入口タンク３９及び出口タンク４０の間の熱伝達距離を長くして熱伝達阻止手段を構成するので、第１１実施例は図１４に示す第１０実施例等と同質の作用効果を奏する。加えて、全体が複数個の部品によって構成されるので、製造が容易になるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の熱交換器の全体構成を示す斜視図である。
【図２】第１実施例の熱交換器の要部の断面を示す平面図である。
【図３】第１実施例の熱交換器の要部を示す斜視図である。
【図４】第２実施例の熱交換器の要部を示す側面図である。
【図５】第３実施例の熱交換器の要部の断面を示す平面図である。
【図６】第４実施例の熱交換器の要部を示す斜視図である。
【図７】第５実施例の熱交換器の要部を示す斜視図である。
【図８】第６実施例の熱交換器の要部を示す斜視図である。
【図９】第７実施例の熱交換器の要部を示す斜視図である。
【図１０】フィン結合率と熱移動量の関係を示す線図である。
【図１１】第８実施例の熱交換器の要部を示す側面図である。
【図１２】第９実施例の熱交換器の要部を示す側面図である。
【図１３】タンク結合率と熱移動量の関係を示す線図である。
【図１４】第１０実施例の熱交換器の要部を示す概念的な平面図である。
【図１５】第１１実施例の熱交換器の要部を示す概念的な平面図である。
【符号の説明】
１…熱交換器
２…左側のヘッダータンク（第１のヘッダータンク）
２ａ…入口タンク
２ｂ…出口タンク
３…右側のヘッダータンク（第２のヘッダータンク）
６…扁平な熱交換チューブ
７…入口側の冷媒通路
８…出口側の冷媒通路
９…冷却空気の流れ方向
１０…冷媒（第１の流体）の流れが生じない穴
１０ａ…大径の穴
１１…波形のフィン
１４…切り欠き
１５…入口タンク
１６…出口タンク
１８…くびれた連結部分
２０…スリット
２４…断熱スリット
２６…迷路状の断熱スリット
２７…入口タンク
２８…出口タンク
２９…連結部
３０…迷路状の連結部
３２，３３…熱交換チューブ
３９…入口タンク
４０…出口タンク
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器に係り、特に、ＣＯ２（二酸化炭素）を冷媒とする空調装置に使用されるガスクーラ（コンデンサ）のように、入口側の流体と出口側の流体との間の温度差が大きい場合に好適な熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
空調装置において圧縮された冷媒を冷却するために、多数の細い冷媒通路を平行に形成された扁平な熱交換チューブを複数個平行に並べて、それらの扁平チューブの一端を入口タンク及び出口タンクを構成する第１のヘッダータンクに接続すると共に、他端を冷媒の流れる方向を反転させるための第２のヘッダータンクに接続することにより、入口タンクから扁平チューブの一側の冷媒通路群を通過して第２のヘッダータンクに達した冷媒を反転させて、同じ扁平チューブの他側の冷媒通路群を通過させて出口タンクへ導くように、扁平チューブによって反対方向に折り返す冷媒通路を形成すると共に、それらの扁平チューブの間に波形のフィンを取り付けて、冷却媒体である空気を流すための流路を形成したコンデンサ或いはガスクーラと呼ばれる熱交換器は従来からよく知られている（例えば、特許文献１−３参照）。
【特許文献１】
特開平１０−２８８４７６号公報
【特許文献２】
特開２００１−１３３０７５号公報
【特許文献３】
特開２００１−５０６８５号公報
【０００３】
このような構成の熱交換器において、冷媒と空気との間の温度差を大きくして熱交換効率を高めるために、１本の扁平チューブの一側において冷媒の出口側となって比較的に低温の冷媒が流れる冷媒通路群の周囲から、他側において冷媒の入口側となって比較的に高温の冷媒が流れる冷媒通路群の周囲に向かって、冷却用の空気を流すことも行われている。
【０００４】
しかしながら、このような構成の熱交換器を、ＣＯ２のような流体を超臨界圧域において冷媒として作動させる空調装置の冷凍サイクルにおけるガスクーラとして使用した場合には、ガスクーラの冷媒入口と冷媒出口との間の温度差とか、１本の扁平チューブの中でも入口側となる冷媒通路群と、出口側となる冷媒通路群との間の温度差が非常に大きくなるために、扁平チューブにおける冷媒通路の２つの群の間で直接に移動する熱や、扁平チューブに取り付けられたフィンを介して間接的に移動する熱、或いは扁平チューブの一端に取り付けられたヘッダータンク内の入口タンクから出口タンクに向かって移動する熱等の量が多くなるために、扁平チューブ内において空気によって冷却された冷媒が、下流側の部分において上流側の冷媒によって再び加熱される場合が生じて、熱交換器全体の効率が低下することから、空調装置の冷房能力の低下や動力消費の増大を招く可能性がある。
【０００５】
この問題を解決することを目的とするものではないが、ＣＯ２のような超臨界圧流体を冷媒とする空調装置の熱交換器として、１本の熱交換チューブに入口側の冷媒通路と出口側の冷媒通路とを同時に形成することなく、冷媒が一方向にのみ流れる熱交換チューブと、波形のフィン及びヘッダータンクによって構成された複数個のコアを、相互間に所定の間隔をおいて並列に配置すると共に、いずれのコアでも上部に冷媒の入口部分を、下部に冷媒の出口部分を設けて、それら複数個のコアを斜めの配管によって直列に接続することにより、客観的に見ると、熱交換器全体の入口部分と出口部分との間を遠ざけた構成の熱交換器も既存の文献に記載されている（特許文献４参照）。
【特許文献４】
特開２００１−１４７０９５号公報
【０００６】
しかしながら、このように複数個のコアを並列に配置すると共に隣接するコアの間に必要な間隔をとると、熱交換器全体の占めるスペースが大きくなることから、自動車用空調装置の場合には自動車の狭いエンジンコンパートメント内に設置することが困難になるだけでなく、熱交換器が複数個のコアを有するためにコストが高くなるので、前述の問題の現実的な解決手段にはならない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術における前述のような問題に鑑み、熱交換器の各部分に新規な構成の熱伝達阻止手段を設けることによって、入口側の冷媒の有する熱が出口側の冷媒へ移動することを阻止すると共に、部品点数の増加やコストの上昇をも抑えて、それらの問題を解消することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、この課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された熱交換器を提供する。
【０００９】
請求項１に記載された熱交換器においては、熱交換チューブの一部に形成された入口側通路と、熱交換チューブの他の一部に形成された出口側通路との間に、それらの通路を流れる第１の流体の間の熱の移動を妨げる少なくとも１つの熱伝達阻止手段が設けられている。この場合の熱伝達阻止手段には請求項２から１１に記載されたような色々な具体的手段が含まれている。
【００１０】
その具体的な手段の１つは、熱交換チューブの入口側通路と出口側通路との間に、第１の流体の流れが生じない穴を設けることである。その穴の一端又は両端は何らかの材料によって閉塞される。一端が閉塞された場合には、穴の中へ第１の流体が流入することもあるが、流入した流体は穴の中に留まって流れない。両端を閉塞された場合には、穴の中が空気等によって満たされる。この場合には、穴の位置に整合するようにスリットを形成することができ、それによって穴の内部は大気に連通して空気が流通するようになる。いずれの場合も、穴と、その中にある流体等が熱伝達阻止手段となって、入口側通路にある第１の流体と出口側通路にある第１の流体との間で熱が移動するのを妨げることができるので、熱交換器の効率が改善される。
【００１１】
熱交換チューブに設けられる熱伝達阻止手段としては、熱交換チューブの入口側通路と出口側通路との間に、断面積の小さいくびれた部分を形成することも効果的である。それによって、入口側通路と出口側通路との間の熱の移動を妨げることができるし、更に、その部分にスリット等の開口を形成すると、この部分の断面積が縮小するので熱の移動が妨げられるだけでなく、スリットを流れる空気のような第２の流体と、通路内を流れる第１の流体との間で熱交換が行なわれるので、第１の流体を第２の流体によって追加的に冷却することもできる。
【００１２】
請求項１２に記載された熱交換器においては、熱交換用のフィンが、熱交換チューブに形成された入口側通路と出口側通路の間に対応する位置に、それらの通路を流れる第１の流体の間の熱の移動を妨げる少なくとも１つの熱伝達阻止手段が設けられる。その具体的な手段としては、請求項１３及び１４に記載されているように、熱交換用のフィンのその位置に切り込みを加えることによって断熱スリットを形成するとか、更に進んで迷路状の断熱スリットを形成するというようなものがある。
【００１３】
いずれの場合でも、入口側通路を流れる第１の流体と、出口側通路を流れる第１の流体との間にある温度差によって、熱交換用のフィンを介して熱の移動が生じるのを断熱スリット等の熱伝達阻止手段によって抑制することができるので、熱交換器の効率が改善される。
【００１４】
請求項１５に記載された熱交換器においては、第１のヘッダータンクを構成する入口タンクと出口タンクとの間に、熱伝達阻止手段として断面積の小さい連結部が設けられる。その具体的な手段としては、請求項１６に記載されているように、少なくとも１つの切り込みを有する迷路状の連結部を用いるとか、請求項１７に記載されているように、断面積の小さいＵ形の屈曲部分を有する連結部を使用することもできる。
【００１５】
いずれの場合も、連結部の断面積が小さくなると共に連結部の実質的な長さが増大するので、入口タンクと出口タンクが近接して設けられていても、連結部によってそれらの間に熱の移動が生じるのを抑制することができる。従って、熱交換の結果として大きな温度差を生じた入口タンク内の第１の流体と出口タンク内の第１の流体との間で無用の熱交換が行なわれるのを阻止して、熱交換器の効率を高く維持することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら、本発明の好適な幾つかの実施例について詳細に説明する。図１は概略的に本発明の第１実施例の熱交換器の外観を示したものである。しかしながら、第２実施例以下の熱交換器の全体構成も概ね図１に近い形状のものとなる。図示実施例の熱交換器１は、例えばＣＯ２のように、圧縮しても容易に液化しない流体を、超臨界圧状態において冷媒として作動させる空調装置の冷凍サイクルにおけるガスクーラとして使用されるものである。
【００１７】
第１実施例の熱交換器１は左右一対の縦方向のヘッダータンク２及び３を備えている。少なくとも左側のヘッダータンク（第１のヘッダータンク）２は、図２に示すように中央がくびれた繭形の断面形を有する。従って、ヘッダータンク２は２本の円筒を縦方向に並べて接触させたような形状及び構造を有する。第１実施例の場合は、左側のヘッダータンク２を構成する２本の円筒部分２ａ及び２ｂが直接には連通していない。そのために、円筒部分２ａ及び２ｂの間のくびれた部分に縦方向の隔壁２ｃが全長にわたって設けられる。隔壁２ｃによって区画された２つの円筒部分２ａ及び２ｂは、それぞれ入口タンク及び出口タンクとして使用される。
【００１８】
なお、このような形状、構造の左側のヘッダータンク２はアルミニウムの押し出し成形等によって容易に製造することができる。また、この形状構造から明らかなように、ヘッダータンク２は２本の円筒を接触させたものか、或いはそれらの間に僅かな間隔を置いて平行に且つ縦方向に並べると共に、それらの間の数箇所を細くて薄肉の連結部分によって機械的に連結したような構造のものとして製作してもよい。これについては後に第９実施例等として説明する。
【００１９】
第１実施例の熱交換器１においては、左側のヘッダータンク２を形成する一方の円筒部分である入口タンク２ａの例えば下部へ片寄った位置に冷媒の入口４が設けられると共に、それと反対に他方の円筒部分である出口タンク２ｂの上部へ片寄った位置に冷媒の出口５が設けられる。
【００２０】
第１実施例の熱交換器１においては右側のヘッダータンク（第２のヘッダータンク）３も繭形の断面形を有するが、それを構成する円筒部分３ａ及び３ｂの間に縦方向の隔壁を設ける必要はないので、それらの部分が相互に直接に連通している。なお、第１実施例の熱交換器１のような構成では、右側のヘッダータンク３の円筒部分３ａ及び３ｂの間に大きな温度差が生じることはないし、それらの間に隔壁を設ける必要もないので、右側のヘッダータンク３の断面形は繭形のみならず、単なる円形や小判形、或いは楕円形等であってもよい。
【００２１】
一対のヘッダータンク２及び３の間を接続するように、相互に平行に複数本の熱交換チューブ６が取り付けられる。熱交換チューブ６は図３に示すように扁平な形状を有すると共に長手方向に多数の穴を有するもので、アルミニウムのような材料を押し出し成形することによって製造される。熱交換チューブ６の両端部分は、ヘッダータンク２及び３に機械加工を加えることによって形成されたスリット状の開口に挿入されて、蝋付けされることにより気密に接続される。それによって、熱交換チューブ６に長手方向に形成された複数個の細い穴のような冷媒通路群の一端が２つの部分に分かれて、左側のヘッダータンク２を構成する入口タンク２ａ及び出口タンク２ｂに連通すると共に、冷媒通路群の他端が全て右側のヘッダータンク３の内部に連通する。
【００２２】
図２及び図３に示す第１実施例の熱交換チューブ６においては、それに形成された例えば９個の穴のうちで、矢印９によって示す冷却用空気の流れ方向において下流側となる例えば４個の穴が入口側の冷媒通路７となる。入口側の冷媒通路７の一端は、左側のヘッダータンク２を構成する一方の円筒部分である入口タンク２ａに連通していると共に、他端は右側のヘッダータンク３の円筒部分３ａに連通している。
【００２３】
また、熱交換チューブ６に形成された例えば９個の穴のうちで、冷却空気の流れ方向９において上流側となる例えば４個の穴が出口側の冷媒通路８となる。出口側の冷媒通路８の一端は、左側のヘッダータンク２を構成する他方の円筒部分である出口タンク２ｂに連通していると共に、他端は右側のヘッダータンク３の円筒部分３ｂに連通しているので、円筒部分３ｂを介して他の円筒部分３ａとも連通している。
【００２４】
第１実施例の熱交換器１の特徴は、図２及び図３に示すように、入口側の冷媒通路群７と出口側の冷媒通路群８との間に、冷媒通路として使用されない穴１０が残されていることである。空白の穴１０は入口側の冷媒通路７と出口側の冷媒通路８との間の熱伝達阻止手段を構成する。そのために、穴１０の両端或いは一端が熱交換チューブ６と同じ材料か又は他の適当な材料によって塞がれていて、冷媒が穴１０の中へ流入することができないか、或いは流入することができたとしても、それを通過して流れることができないようになっている。
【００２５】
穴１０の一端を簡単に塞ぐ１つの方法として、図２に示したように、左側のヘッダータンク２において入口タンク２ａと出口タンク２ｂとの間に形成される隔壁２ｃと穴１０とを整合させる方法がある。左側のヘッダータンク２に熱交換チューブ６を挿入するスリットを切削した時に隔壁２ｃの一部も切削されるので、削り残された隔壁２ｃの端面によって穴１０の一端を塞ぐことができる。右側のヘッダータンク３の中には隔壁が設けられないから、左側のように隔壁の切削端面によって穴１０の他端を塞ぐことはできないが、一端が塞がれていれば穴１０を通過する冷媒の流れは生じないので本発明の目的を達成することができる。
【００２６】
穴１０の両端を何らかの材料によって完全に塞ぐことができる場合は、穴１０に連通するように熱交換チューブ６の腹面に穴やスリット等を設けて、穴１０を大気に開放させるのが得策である。それによって穴１０内へ空気が流入して冷媒通路７及び８を流れる冷媒を追加的に冷却することができるし、入口側の冷媒通路７と出口側の冷媒通路８との間に空気室が形成されて、それらの通路の間の断熱性が高くなる。（この点については、後に第６実施例として説明する。）
【００２７】
図１に示したように、ヘッダータンク２及び３によって互いに平行に支持された複数本の扁平な熱交換チューブ６の間には波形のフィン１１が取り付けられて蝋付けされる。フィン１１は、例えばアルミニウムの薄板を扁平な熱交換チューブ６の幅と同程度の幅を有する長いリボン状に裁断して、それを波形に屈曲させたものである。しかしながら、波形のフィン１１の代わりに、例えば平板状の金属の薄板からなる多数のリボンを使用して複数本の熱交換チューブ６を橋絡してもよいことは言うまでもない。
【００２８】
第１実施例の熱交換器１はこのように構成されているから、図示しない圧縮機によって圧縮されたＣＯ２のような冷媒（第１の流体）を冷媒の入口４から左側のヘッダータンク２の入口タンク２ａ内へ供給すると、冷媒は入口タンク２ａ内で長手方向に流れる間に複数本の熱交換チューブ６に形成された多数の入口側の冷媒通路７へ分岐して流入する。冷却用空気（第２の流体）は図３に示す矢印９の方向に流れているので、冷媒通路７を流れる冷媒は下流側の空気によって相当程度冷却された後に右側のヘッダータンク３内へ放出されて合流する。そして、右側のヘッダータンク３内において流れの方向を反転させられて、複数本の熱交換チューブ６に形成された多数の出口側の冷媒通路８へ分岐して流入し、それを通過する間に上流側の低温の空気によって強く冷却される。
【００２９】
そのために、入口側の冷媒通路７を流れる高温の冷媒と、出口側の冷媒通路８を流れる低温の冷媒との間に大きい温度差が生じるが、入口側の冷媒通路７と出口側の冷媒通路８との間には冷媒の流れがない空白の穴１０が設けられているので、僅かな量の熱が穴１０の外側の肉厚が薄い部分１２等を通って、入口側の冷媒通路７から出口側の冷媒通路８へ流れるだけである。従って、出口側の冷媒通路８を流れる低温の冷媒が入口側の冷媒通路７を流れる高温の冷媒によって殆ど加熱されないので、空白の穴１０を設けない場合に比べて、冷媒の出口５へ到達する冷媒の温度が低下して、熱交換器１の効率が著しく向上する。
【００３０】
なお、左側のヘッダータンク２においては、入口タンク２ａ内にある冷媒と出口タンク２ｂ内にある冷媒との間に大きい温度差が生じるが、左側のヘッダータンク２の断面形が、隔壁２ｃを有する中央のくびれた繭形となっているから、入口タンク２ａから出口タンク２ｂへの熱伝達量も、左側のヘッダータンク２が隔壁を有する単なる円筒等である場合に比べて少なくなり、連結部によって出口側の冷媒通路８内の冷媒が温度上昇する程度は僅かなものになる。
【００３１】
図４は第１実施例の変形例としての第２実施例を示したものである。第２実施例の熱交換器としての全体構成は図１と同様なものであるが、その特徴は熱交換チューブ６ａの断面形状にある。第２実施例の熱交換チューブ６ａにおいては、入口側の冷媒通路７と出口側の冷媒通路８との間に、特別に大径とした空白の穴１０ａが設けられている。第１実施例の空白の穴１０と同様に、大径の穴１０ａも、その一端又は両端が塞がれているか、或いは大気に開放されている、
【００３２】
第２実施例の熱交換器においては、その熱交換チューブ６ａが大径の穴１０ａを備えているので、穴１０ａの外側の部分１２ａの肉厚ｔ１は、冷媒通路７及び８の外側の肉厚ｔ０に比べて小さくなるので、この部分を通過して入口側の冷媒通路７から出口側の冷媒通路８へ流れる熱量は、第１実施例の場合よりも更に少なくなる。また、大径の穴１０ａが大気に開放されている場合には、通路７及び８を流れる冷媒が大径の穴１０ａ内の空気によって追加的に冷却される程度も高くなる。従って、第２実施例の熱交換器は第１実施例のそれよりも一段と優れた作用効果を奏する。
【００３３】
図５に第３実施例の熱交換器の要部を示す。第３実施例における熱交換チューブ１３は、第２実施例の熱交換チューブ６ａと同様に扁平で、入口側の冷媒通路７及び出口側の冷媒通路８と、それらの冷媒通路の間に大径の穴１０ａを備えているが、異なる点は、第３実施例の熱交換チューブ１３が一端或いは両端において切り欠き１４を有することである。従って、このような熱交換チューブ１３の端部を、前述の実施例において説明したような繭形等の断面形状を有するヘッダータンク２或いは３にスリットを形成して挿入すると、切り欠き１４の底部がヘッダータンクの表面に届かないので、大径の穴１０ａの一端或いは両端が大気に開放されることになる。勿論、大径の穴１０ａ内へ冷媒が流入することはない。
【００３４】
このように、第３実施例においては端部が大気に開放された大径の穴１０ａが入口側の冷媒通路７と出口側の冷媒通路８の間に形成されるので、穴１０ａによる断熱効果及び冷媒の冷却効果が高くなる。
【００３５】
第３実施例のように端部に切り欠き１４を有する熱交換チューブ１３を使用する場合には、左側のヘッダータンク２（図１参照）も、繭形断面と隔壁２ｃを有する一体のものよりも、図５に例示したように独立の２本の円筒１５及び１６を使用して構成したほうが、スリットを加工する場合に好都合である。円筒１５及び１６は第１実施例における左側のヘッダータンク２を構成する２つの円筒部分２ａ及び２ｂに対応するもので、それと同様に入口タンク及び出口タンクとなる必要から相互に直接には連通しておらず、図示しない最小限の太さ或いは断面積を有する連結部によって相互に連結されているか、或いは直接には連結されないで、熱交換チューブ１３や、図示しない外枠等を介して間接的に連結されるだけとする。それによって熱伝達阻止手段が構成されて、入口タンク１５と出口タンク１６との間の断熱性が高くなり、熱交換器の効率が向上することになる。
【００３６】
図６に第４実施例の熱交換器の要部のみを示す。第４実施例の特徴は、扁平な熱交換チューブ１７が、前述の各実施例と同様な入口側の冷媒通路７と出口側の冷媒通路８との間に長手方向に長く、断面積が減少するくびれた連結部分１８を有することにある。くびれた形となって断面積が小さくなっている連結部分１８が熱伝達阻止手段として入口側の冷媒通路７から出口側の冷媒通路８への熱伝達を妨げることは言うまでもない。それによって出口側の冷媒の温度上昇が抑制されるので熱交換器の効率が向上する。
【００３７】
図７は、第４実施例の変形例としての第５実施例を示すもので、第５実施例の熱交換チューブ１９においては、１つの熱伝達阻止手段として、第４実施例と同様に形成された熱交換チューブのくびれた連結部分１８に打ち抜きを加えて、長手方向に長い幾つかのスリット２０を形成している点に特徴がある。スリット２０を設けることによって、入口側の冷媒通路７から出口側の冷媒通路８へ流れる熱量が第４実施例の場合よりも更に減少するだけでなく、スリット２０を通過して流れる空気によって、冷媒通路７及び８が追加的に冷却されるという作用効果が生じる。
【００３８】
第５実施例の手法を第１実施例に応用した例を第６実施例として、その要部を図８に示す。既に第１実施例の説明において触れているが、第６実施例の熱交換チューブ２１の特徴は、第１実施例の熱交換チューブ６と同様に形成された冷媒通路７及び８と、それらの間に形成されて両端を何らかの材料によって塞がれている空白の長い穴１０を有すると共に、その長い穴１０と連通するように打ち抜きによるスリット２２を形成して、穴１０を大気に開放していることである。それによって、穴１０が空気室となって冷媒通路７及び８の間に高い断熱性を与えるだけでなく、穴１０へ流入する空気によって冷媒通路７及び８が追加的に冷却されるので熱交換器の効率が向上する。
【００３９】
以上の実施例は、主として熱交換チューブに何らかの熱伝達阻止手段を設けたものであるが、本発明の目的は熱交換器のフィンに熱伝達阻止手段を設けることによっても達成される。勿論、これらの実施例に示す熱伝達阻止手段を適宜組み合わせることも可能である。フィンに改良を加えた熱交換器の一つを第７実施例として、その要部構造を図９に示す。第７実施例における熱交換チューブ６は第１実施例のそれと同様なものであるが、これを第２実施例から第６実施例の熱交換チューブに置き換えてもよい。
【００４０】
第７実施例の熱交換器において、隣接する熱交換チューブ６の間に取り付けられる波形のフィン２３は、空白の穴１０に対応する位置の少なくとも一部に長手方向の断熱スリット２４を形成されている。断熱スリット２４は部分的に、つまり飛び飛びに形成するのがよい。この場合は、破線のように形成される断熱スリット２４の間に、幅の狭い連結部２３ｃが形成される。断熱スリット２４をフィン２３の全長にわたって形成する場合には、波形フィン２３を別体の２条の波形フィンによって構成して、それらの間に間隔をとればよい。いずれにしても、断熱スリット２４を形成することによって、波形のフィン２３は長手方向に実質的に分割された２つの領域２３ａ及び２３ｂを有するものとなる。
【００４１】
第７実施例の熱交換器においては、波形のフィン２３が断熱スリット２４によって冷媒通路７及び８に対応する２つの領域２３ａ及び２３ｂに分割され、その間の熱伝達が抑制されるので、入口側の冷媒通路７から出口側の冷媒通路８へ、波形のフィン２３を介して熱が伝達され難くなり、冷却された出口側の冷媒が入口側の冷媒によって再び加熱されるのを防止することができる。それによって熱交換器の効率も向上する。
【００４２】
このように波形のフィン２３に熱伝達阻止手段としての断熱スリット２４を設けて、２つの領域２３ａ及び２３ｂの間の熱伝達を妨げる場合に、断熱スリット２４が形成されていない連結部２３ｃの長さを、フィン２３の全長によって除した値の百分率であるフィン結合率と、２つの領域２３ａ及び２３ｂの間の熱移動量（Ｗ）との関係を図１０に示す。この線図から明らかなように、フィン結合率を０．０２％程度に抑えると、熱移動量は数十Ｗ程度の低レベルになる。
【００４３】
第７実施例においては、波形のフィン２３の２つの領域２３ａ及び２３ｂの間の熱伝達を抑制する熱伝達阻止手段として断熱スリット２４を形成しているが、他の構成を有する熱伝達阻止手段を備えている第８実施例の熱交換器の要部を図１１に示す。この場合も、熱交換チューブ６は第１実施例のそれと同様なものである。隣接する熱交換チューブ６の間に設けられる波形のフィン２５は、空白の穴１０に対応する位置の少なくとも一部に、迷路状の断熱スリット２６が設けられている。それによって、波形のフィン２５は実質的に２つの領域２５ａ及び２５ｂに分割される。
【００４４】
第８実施例における迷路状の断熱スリット２６は、熱伝達阻止手段として多少の程度の差があっても、第７実施例における熱伝達阻止手段である断熱スリット２４と同質の作用をすることが明らかであるから、第８実施例は第７実施例と実質的に同様な効果を奏する。
【００４５】
先にも触れたが、図１に例示したような熱交換器１においては、左側のヘッダータンク２を構成する入口タンク２ａ及び出口タンク２ｂを互いに相手から独立させて、それらの間で直接に熱伝達が行われないようにすると熱交換器１の効率が高くなる。図１２に要部を示す第９実施例の熱交換器においては、少なくとも左側のヘッダータンク２が、それぞれ円筒部分２ａ及び２ｂに対応する互いに独立した円筒からなる入口タンク２７及び出口タンク２８を平行に支持することによって構成されている。入口タンク２７及び出口タンク２８は、熱伝達阻止手段として断面積を小さくするために、大きい間隔をおいて飛び飛びに設けられた薄くて長手方向の幅が狭い板状の連結部２９によって連結されるが、図示しないフレーム等によって位置が固定される場合には連結部２９を廃止してもよい。
【００４６】
連結部２９等による円筒２７及び２８の間のタンク結合率と、それらの間の熱移動量との関係は図１３に示した線図のようになる。タンク結合率は熱移動量の許容値によって決まるので、例えば、熱移動量を１００Ｗ以下に抑える必要がある場合には、タンク結合率を６％以下としなければならない。具体的に６％のタンク結合率を実現するには、連結部２９の板厚が１ｍｍの場合に、経路の長さ、即ち、円筒２７及び２８の長手方向における連結部２９の寸法を６ｍｍにする必要がある。このように、単純な平板状の連結部２９によって円筒２７及び２８を連結する場合でも、連結部２９の厚さや、円筒２７及び２８の長手方向における連結部２９の寸法を小さくすることによって、熱伝達阻止手段となる連結部２９の効果を高めることができる。
【００４７】
図１４に、本発明の第１０実施例としての熱交換器の要部を示す。第１０実施例は第９実施例を改良したもので、図１に示したような左側のヘッダータンク２に相当するものを構成する相互に独立した入口タンク２７及び出口タンク２８を連結するための連結部３０、即ち、２本の円筒２７及び２８の間に設ける熱伝達阻止手段の構造に特徴がある。第１０実施例における連結部３０は板材に複数個の切り込み３１を加えることによってＷ形の迷路状に形成されたものである。
【００４８】
迷路状の連結部３０を設けることによって、連結部３０の実質的な長さが非常に長くなると共に断面積が小さくなるので、入口側の高温の冷媒が流れる入口タンク２７の熱が、連結部３０を通って冷却された後の低温の冷媒が流れる出口タンク２８へ伝達され難くなる。それによって熱交換器の効率が向上する。なお、第１０実施例においては、入口タンク２７及び出口タンク２８にそれぞれ独立の２本の熱交換チューブ３２及び３３を接続して、それらの先端を図示しない右側のヘッダータンク３（図１参照）に相当するものに接続しているが、熱交換チューブ３２及び３３を纏めて、例えば前述の第３実施例に（図５参照）示したような単一の熱交換チューブ１３とすることもできる。
【００４９】
本発明の第１１実施例としての熱交換器の要部を図１５に示す。この場合は、図１に示す左側のヘッダータンク２に相当するものを構成する入口タンク３９及び出口タンク４０のそれぞれが、押し出し成形等によって始めから円筒として成形されるのではなく、複数個の部品が結合することによって円筒として構成される。即ち、第１１実施例においては、熱交換チューブ３２及び３３に接続する断面形状が半円形の部材３６が、独立の部品として押し出し成形等によって製造される。また、部材３６とは別に眼鏡形の部材３７が押し出し成形等によって製造される。眼鏡形の部材３７は２つの断面半円形の部分３８を備えており、それらに部材３６が結合して蝋付け等によって一体化されることによって、入口タンク３９及び出口タンク４０が構成される。
【００５０】
第１１実施例においては、入口タンク３９及び出口タンク４０を連結するために断面Ｕ形の連結部４１が設けられている。押し出し成形等の方法によれば、Ｕ形の連結部４１を始めから２個の半円形の部分３８と一体的に成形することもできるが、その場合には、Ｕ形の連結部４１が眼鏡形の部材３７の全長にわたって形成されるので、Ｕ形の連結部４１を十分な熱伝達阻止手段とするためには、Ｕ形の連結部４１に打ち抜き等を加えてスリットを形成することにより、長手方向の寸法を減少させる必要がある。従って、２個の断面半円形の部分３８を独立に押し出し成形して、長手方向に短いＵ形の連結部４１をそれらに蝋付けするというような手順を踏んだ方がよい場合もある。
【００５１】
第１１実施例においては、Ｕ形の連結部４１が入口タンク３９及び出口タンク４０の間の熱伝達距離を長くして熱伝達阻止手段を構成するので、第１１実施例は図１４に示す第１０実施例等と同質の作用効果を奏する。加えて、全体が複数個の部品によって構成されるので、製造が容易になるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の熱交換器の全体構成を示す斜視図である。
【図２】第１実施例の熱交換器の要部の断面を示す平面図である。
【図３】第１実施例の熱交換器の要部を示す斜視図である。
【図４】第２実施例の熱交換器の要部を示す側面図である。
【図５】第３実施例の熱交換器の要部の断面を示す平面図である。
【図６】第４実施例の熱交換器の要部を示す斜視図である。
【図７】第５実施例の熱交換器の要部を示す斜視図である。
【図８】第６実施例の熱交換器の要部を示す斜視図である。
【図９】第７実施例の熱交換器の要部を示す斜視図である。
【図１０】フィン結合率と熱移動量の関係を示す線図である。
【図１１】第８実施例の熱交換器の要部を示す側面図である。
【図１２】第９実施例の熱交換器の要部を示す側面図である。
【図１３】タンク結合率と熱移動量の関係を示す線図である。
【図１４】第１０実施例の熱交換器の要部を示す概念的な平面図である。
【図１５】第１１実施例の熱交換器の要部を示す概念的な平面図である。
【符号の説明】
１…熱交換器
２…左側のヘッダータンク（第１のヘッダータンク）
２ａ…入口タンク
２ｂ…出口タンク
３…右側のヘッダータンク（第２のヘッダータンク）
６…扁平な熱交換チューブ
７…入口側の冷媒通路
８…出口側の冷媒通路
９…冷却空気の流れ方向
１０…冷媒（第１の流体）の流れが生じない穴
１０ａ…大径の穴
１１…波形のフィン
１４…切り欠き
１５…入口タンク
１６…出口タンク
１８…くびれた連結部分
２０…スリット
２４…断熱スリット
２６…迷路状の断熱スリット
２７…入口タンク
２８…出口タンク
２９…連結部
３０…迷路状の連結部
３２，３３…熱交換チューブ
３９…入口タンク
４０…出口タンク
Claims (17)
- 第１の流体を流入及び流出させるために相互に平行に近接して纏められた入口タンク及び出口タンクからなる第１のヘッダータンクと、
前記第１の流体の流動方向を反転させるために前記第１のヘッダータンクに対して所定の間隔をとって平行に配置された第２のヘッダータンクと、
それぞれ長手方向に前記第１の流体のための複数個の流体通路が形成されていると共に前記２つのヘッダータンクの間を橋絡するようにそれらに対して接合された複数本の熱交換チューブと、
隣接する前記熱交換チューブの間に取り付けられて第２の流体のための流路を形成する熱交換用のフィンとからなり、
前記入口タンクが、前記熱交換チューブに形成された複数個の前記流体通路の少なくとも一部からなる入口側通路を介して、前記第２のヘッダータンクに連通していると共に、
前記第２のヘッダータンクが、前記熱交換チューブに形成された複数個の前記流体通路の少なくとも他の一部からなる出口側通路を介して、前記出口タンクに連通していることによって、
前記第１の流体が、前記入口側通路と、それに対して前記第２のヘッダータンクにおいて反対方向に折り返している前記出口側通路を順次に流れる間に、前記フィンに接触しながら前記熱交換チューブの外側を流れる前記第２の流体との間で熱交換が行なわれるように構成された熱交換器において、
それぞれの前記熱交換チューブの一部に形成された前記入口側通路と、前記熱交換チューブの他の一部に形成された前記出口側通路との間に、それらの通路を流れる前記第１の流体の間の熱の移動を妨げる少なくとも１つの熱伝達阻止手段が設けられていることを特徴とする熱交換器。 - 請求項１において、前記熱伝達阻止手段として、前記入口側通路及び前記出口側通路に沿って、前記第１の流体の流れが生じない穴が形成されていることを特徴とする熱交換器。
- 請求項２において、前記第１の流体の流れが生じない前記穴の両端が閉塞されていることを特徴とする熱交換器。
- 請求項３において、前記第１の流体の流れが生じない前記穴が大気に連通していることを特徴とする熱交換器。
- 請求項４において、前記第１の流体の流れが生じない前記穴を大気に連通させるためのスリットが前記熱交換チューブの一部に開口していることを特徴とする熱交換器。
- 請求項２において、前記第１の流体の流れが生じない前記穴の一端のみが閉塞されていることを特徴とする熱交換器。
- 請求項２ないし６のいずれかにおいて、前記第１の流体の流れが生じない前記穴の一端が、前記第１のヘッダータンクにおいて前記入口タンクと前記出口タンクとを区画する隔壁の端面によって閉塞されていることを特徴とする熱交換器。
- 請求項６において、前記熱交換チューブの一端が切り欠きを有することによって、前記第１の流体の流れが生じない前記穴が大気に連通していることを特徴とする熱交換器。
- 請求項２ないし８のいずれかにおいて、前記第１の流体の流れが生じない前記穴の直径が、前記流体通路のそれよりも大きいことを特徴とする熱交換器。
- 請求項１において、前記熱交換チューブが、前記入口側通路と前記出口側通路との間に、断面積の小さい連結部分を有することを特徴とする熱交換器。
- 請求項１０において、断面積の小さい前記連結部分に、前記熱交換チューブの長手方向に延びるスリットが開口していることを特徴とする熱交換器。
- 第１の流体を流入及び流出させるために相互に平行に近接して纏められた入口タンク及び出口タンクからなる第１のヘッダータンクと、
前記第１の流体の流動方向を反転させるために前記第１のヘッダータンクに対して所定の間隔をとって平行に配置された第２のヘッダータンクと、
それぞれ長手方向に前記第１の流体のための複数個の流体通路が形成されていると共に前記２つのヘッダータンクの間を橋絡するようにそれらに対して接合された複数本の熱交換チューブと、
隣接する前記熱交換チューブの間に取り付けられて第２の流体のための流路を形成する熱交換用のフィンとからなり、
前記入口タンクが、前記熱交換チューブに形成された複数個の前記流体通路の少なくとも一部からなる入口側通路を介して、前記第２のヘッダータンクに連通していると共に、
前記第２のヘッダータンクが、前記熱交換チューブに形成された複数個の前記流体通路の少なくとも他の一部からなる出口側通路を介して、前記出口タンクに連通していることによって、
前記第１の流体が、前記入口側通路と、それに対して前記第２のヘッダータンクにおいて反対方向に折り返している前記出口側通路を順次に流れる間に、前記フィンに接触しながら前記熱交換チューブの外側を流れる前記第２の流体との間で熱交換が行なわれるように構成された熱交換器において、
前記熱交換用のフィンが、前記熱交換チューブに形成された前記入口側通路と前記出口側通路との間に対応する位置に、それらの通路を流れる前記第１の流体の間の熱の移動を妨げる少なくとも１つの熱伝達阻止手段が設けられていることを特徴とする熱交換器。 - 請求項１２において、前記熱伝達阻止手段として、前記フィンに断熱スリットが形成されていることを特徴とする熱交換器。
- 請求項１２において、前記熱伝達阻止手段として、前記フィンに迷路状の断熱スリットが形成されていることを特徴とする熱交換器。
- 第１の流体を流入及び流出させるために相互に平行に近接して纏められた入口タンク及び出口タンクからなる第１のヘッダータンクと、
前記第１の流体の流動方向を反転させるために前記第１のヘッダータンクに対して所定の間隔をとって平行に配置された第２のヘッダータンクと、
それぞれ長手方向に前記第１の流体のための複数個の流体通路が形成されていると共に前記２つのヘッダータンクの間を橋絡するようにそれらに対して接合された複数本の熱交換チューブと、
隣接する前記熱交換チューブの間に取り付けられて第２の流体のための流路を形成する熱交換用のフィンとからなり、
前記入口タンクが、前記熱交換チューブに形成された複数個の前記流体通路の少なくとも一部からなる入口側通路を介して、前記第２のヘッダータンクに連通していると共に、
前記第２のヘッダータンクが、前記熱交換チューブに形成された複数個の前記流体通路の少なくとも他の一部からなる出口側通路を介して、前記出口タンクに連通していることによって、
前記第１の流体が、前記入口側通路と、それに対して前記第２のヘッダータンクにおいて反対方向に折り返している前記出口側通路を順次に流れる間に、前記フィンに接触しながら前記熱交換チューブの外側を流れる前記第２の流体との間で熱交換が行なわれるように構成された熱交換器において、
前記第１のヘッダータンクを構成する前記入口タンクと前記出口タンクとの間に、断面積の小さい連結部が設けられていることを特徴とする熱交換器。 - 請求項１５において、前記連結部が、少なくとも１つの切り込みを有する迷路状の連結部であることを特徴とする熱交換器。
- 請求項１５において、前記連結部が、断面積の小さいＵ形の屈曲部分を有することを特徴とする熱交換器。
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