JP2005061648A

JP2005061648A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2005061648A
Application number: JP2003207741A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Takano; 明彦高野; Takafumi Umehara; 孝文梅原
Original assignee: Zexel Valeo Climate Control Corp
Current assignee: Valeo Thermal Systems Japan Corp
Priority date: 2003-08-18
Filing date: 2003-08-18
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【課題】フィンをより合理的に構成してなる熱交換器を提供すること。
【解決手段】通風方向の風上に設けられた第１チューブ２１０と、風下に設けられた第２チューブ２２０と、各チューブにそれぞれ装着された複数のコルゲート型のフィン３００とを備えた熱交換器において、フィンの構成部材は、一定のピッチで設けられた複数の頂部３０３と、複数の頂部の間に交互に設けられた第１傾斜部３０１及び第２傾斜部３０２とを有し、フィンの波形の振幅方向と直交する中心軸Ｌと第１傾斜部とが交差してなる鋭角をθ_１とするとともに、中心軸Ｌと第２傾斜部とが交差してなる鋭角をθ_２とするとき、これらはθ_１≠θ_２、の関係にあり、複数のフィンの構成部材は、中心軸Ｌを平行としつつ、第１チューブ側の鋭角θ_１及び鋭角θ_２と、第２チューブ側の鋭角θ_１及び鋭角θ_２とが互いに反転する状態に配置した。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、通風方向の風上に設けられた第１チューブと、前記通風方向の風下に設けられた第２チューブと、前記第１チューブ及び前記第２チューブにそれぞれ装着された複数のコルゲート型のフィンとを備えた熱交換器に関し、超臨界冷凍サイクルの放熱器として好適に利用することができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、媒体を流通する偏平型のチューブとコルゲート型のフィンとを交互に積層してなるコアと、各チューブの端部を接続したタンクとを備えた熱交換器が知られている。コアには通風がなされ、チューブを流通する媒体は、コアに伝わる熱によって熱交換をする。また、この種の熱交換器については、通風方向の前後に複数のコアを積層する構成も知られている。媒体は、タンクを介して複数のコアのチューブを流通する。又は、前後のコアにそれぞれ異なる媒体を流通させる場合もある。熱交換器は、通風方向の風上に設けられた第１チューブと、通風方向の風下に設けられた第２チューブと、第１チューブ及び第２チューブにそれぞれ装着された複数のコルゲート型のフィンとを備えた構成となる。特許文献１及び２には、この種の熱交換器が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２６４６７５号公報
【特許文献２】特開２００１−２５５０９３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
さて、熱交換器は、熱交換効率の向上、製造の容易化、小型化、軽量化、及び設置スペースの狭小化等が重要な課題とされており、前述したフィンについても、それらの諸点を考慮しつつ更なる構造的工夫が求められている。特に熱交換器のフィンは、製造が容易であるとともに熱交換効率に対する放熱面積や通気抵抗等のバランス等が重要とされる。
【０００５】
また、第１チューブ及び第２チューブにそれぞれフィンを装着する場合は、各フィンの間の熱抵抗について考慮する必要もある。つまり、第１チューブを流通する媒体と第２チューブを流通する媒体とがフィンに伝わる熱により熱交換をしてしまうと、これが熱交換効率を低下する原因となる。
【０００６】
フィンに伝わる熱による媒体同士の熱交換を防ぐ対策としては、設計上、各フィンの間に若干の隙間を設けることが考えられる。但し、コアに発生するそり等の微妙な寸法誤差によると、フィン同士は結局当接してしまうことから、かかる場合における熱交換効率の低下を防止するための構成が必要とされている。更に、媒体同士の熱交換を防ぐ対策としては、特許文献１のように、第１チューブ及び第２チューブにそれぞれ波形の位相が異なるフィンを装着することにより、フィン同士の接触部位を可及的に低減する構成も知られている。この構成は、媒体同士の熱交換を防ぐ対策として非常に有効ではあるものの、製造面においてはフィンの構成部材を複数種類用いることがやや不利となる。
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、通風方向の風上に設けられた第１チューブと、通風方向の風下に設けられた第２チューブと、第１チューブ及び第２チューブにそれぞれ装着された複数のコルゲート型のフィンとを備えた熱交換器であって、かかるフィンをより合理的に構成してなる熱交換器、を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願第１請求項に記載した発明は、通風方向の風上に設けられた第１チューブと、前記通風方向の風下に設けられた第２チューブと、前記第１チューブ及び前記第２チューブにそれぞれ装着された複数のコルゲート型のフィンとを備え、前記第１チューブを流通する媒体及び前記第２チューブを流通する媒体が、前記第１チューブ、前記第２チューブ、及び前記フィンに伝わる熱にて熱交換をする熱交換器において、前記第１チューブに装着されたフィンと前記第２チューブに装着されたフィンとは、互いに共通の構成部材を用いてなり、前記フィンの構成部材は、一定のピッチで設けられた複数の頂部と、前記複数の頂部の間に交互に設けられた第１傾斜部及び第２傾斜部とを有し、前記フィンの波形の振幅方向と直交する中心軸Ｌと前記第１傾斜部とが交差してなる鋭角をθ_１とするとともに、前記中心軸Ｌと前記第２傾斜部とが交差してなる鋭角をθ_２とするとき、これらはθ_１≠θ_２、の関係にあり、前記複数のフィンの構成部材は、前記中心軸Ｌを平行としつつ、前記第１チューブ側の鋭角θ_１及び鋭角θ_２と、前記第２チューブ側の鋭角θ_１及び鋭角θ_２とが互いに反転する状態に配置した構成の熱交換器である。このような構成によると、フィンをより合理的に構成してなる熱交換器が得られる。
【０００９】
すなわち、本発明の熱交換器は、第１チューブ側のフィンと第２チューブ側のフィンとが互いに共通の構成部材を用いてなるものであり、製造面においては部材共通化による利点が得られる。更に、第１チューブ側の鋭角θ_１及び鋭角θ_２と、第２チューブ側の鋭角θ_１及び鋭角θ_２とが互いに反転していれば、必然的に、第１チューブ側の第１傾斜部は、第２チューブ側の第１傾斜部及び第２傾斜部に対して非平行となる。且つ、第１チューブ側の第２傾斜部は、第２チューブ側の第１傾斜部及び第２傾斜部に対して非平行となる。従って、各フィンの構成部材を配置する際には、各構成部材を中心軸Ｌ方向にどのように相対移動させても、第１チューブ側の第１傾斜部と第２チューブ側の第１傾斜部又は第２傾斜部とが線に沿って連続的に接触することはない。また、第１チューブ側の第２傾斜部と第２チューブ側の第１傾斜部又は第２傾斜部とが線に沿って連続的に接触することはない。その結果、フィン同士の接触部位が低減され、第１チューブ側と第２チューブ側との間の熱抵抗を十分に確保することが可能となる。
【００１０】
本願第２請求項に記載した発明は、請求項１において、前記複数の頂部はそれぞれ、互いに異なる第１の曲率Ｒ_１と第２の曲率Ｒ_２とを有し、前記複数のフィンの構成部材は、前記第１チューブ側の頂部と、前記第２チューブ側の頂部とが互いに反転する状態に配置した構成の熱交換器である。
【００１１】
すなわち、第１チューブ側の頂部と、第２チューブ側の頂部とが互いに反転していれば、各構成部材を中心軸Ｌ方向にどのように相対移動させても、第１チューブ側の頂部と第２チューブ側の頂部とが曲線に沿って連続的に接触することはない。その結果、フィン同士の接触部位は一層低減される。各フィンの頂部はチューブとそれぞれ接触する部位であることから、頂部同士の接触を低減することは、第１チューブ側と第２チューブ側との間の熱抵抗を確保する上で極めて有効である。
【００１２】
本願第３請求項に記載した発明は、請求項１において、前記フィンの波形の振幅方向に対して一方の前記頂部の曲率をＲ_Ａ、他方の前記頂部の曲率をＲ_Ｂとするとき、これらはＲ_Ａ≠Ｒ_Ｂ、の関係にあり、前記複数のフィンの構成部材は、前記第１チューブ側の前記曲率Ｒ_Ａの頂部及び前記曲率Ｒ_Ｂの頂部と、前記第２チューブ側の前記曲率Ｒ_Ａの頂部及び前記曲率Ｒ_Ｂの頂部とが互いに反転する状態に配置した構成の熱交換器である。
【００１３】
すなわち、第１チューブ側の曲率Ｒ_Ａの頂部及び曲率Ｒ_Ｂの頂部と、第２チューブ側の曲率Ｒ_Ａの頂部及び曲率Ｒ_Ｂの頂部とが互いに反転していれば、各構成部材を中心軸Ｌ方向にどのように相対移動させても、第１チューブ側の頂部と第２チューブ側の頂部とが曲線に沿って連続的に接触することはない。その結果、フィン同士の接触部位は一層低減される。各フィンの頂部はチューブとそれぞれ接触する部位であることから、頂部同士の接触を低減することは、第１チューブ側と第２チューブ側との間の熱抵抗を確保する上で極めて有効である。
【００１４】
本願第４請求項に記載した発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、当該熱交換器は、その内部の圧力が前記媒体の臨界点を超える冷凍サイクルの放熱器であり、前記媒体は、前記第２チューブを流通した後に前記第１チューブを流通する構成の熱交換器である。ここで、臨界点とは、気層と液層が共存する状態の高温側の限界（つまり高圧側の限界）であり、蒸気圧曲線の一方での終点である。臨界点での圧力、温度、密度は、それぞれ臨界圧力、臨界温度、臨界密度となる。熱交換器の内部において、圧力が媒体の臨界点を上まわると、媒体は凝縮されない。
【００１５】
すなわち、本発明の熱交換器は、フィンをより合理的に構成してなる熱交換器であり、その内部の圧力が媒体の臨界点を超える冷凍サイクルの放熱器として好適に利用することが可能である。媒体が凝縮されない放熱器は、媒体が定常的に凝縮される放熱器（つまりコンデンサ）と比較すると、媒体の温度変化が極めて大きいことから、第１チューブ側と第２チューブ側との間の熱抵抗を十分に確保する必要がある。そして本発明は、フィンを合理化することによって超臨界冷凍サイクルの放熱器の性能を向上するという顕著な効果を達成している。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の第１具体例を図１乃至図８に基づいて説明する。図１及び図２に示す本例の熱交換器１は、自動車の車内空調用の冷凍サイクルに用いられる放熱器である。媒体としてはＣＯ_２を採用しており、熱交換器１の内部の圧力は、気温等の使用条件により、媒体の臨界点を上まわる。
【００１７】
この熱交換器１は、偏平状のチューブ２１０，２２０とコルゲート型のフィン３００とを交互に積層してなる複数のコア１１０，１２０と、各チューブ２１０，２２０の端部を連通接続した複数のタンク４００とを備え、チューブ２１０，２２０を流通する媒体がコア１１０，１２０に伝わる熱にて熱交換をする構成となっている。各コア１１０，１２０の上下側部には、補強部材たるサイドプレート５００を設けており、各サイドプレート５００の両端部は、それぞれタンク４００に支持されている。
【００１８】
また、当該熱交換器１は、通風方向の前後に複数のコア１１０，１２０を積層し、各コア１１０，１２０のチューブ２１０，２２０に流れる媒体の向きを互いに対向させる構成となっている。隣接するサイドプレート５００同士、又はタンク４００同士は、ブラケット６００にて支持されている。尚、図中の白矢印は、図示を省略したファンによる風通方向を示している。
【００１９】
以下の説明においては、通風方向の風上に設けられたコアを第１コア１１０とし、通風方向の風下に設けられたコアを第２コア１２０とする。更に、第１コア１１０におけるチューブを第１チューブ２１０とし、第２コア１２０におけるチューブを第２チューブ２２０とする。第２チューブ２２０の一方の端部を接続したタンク４００の要所には、媒体を流入する入口部４０１が設けられており、第１チューブ２１０の一方の端部を接続したタンク４００の要所には、媒体を流出する出口部４０２が設けられている。また、第２チューブ２２０の他方の端部を接続したタンク４００と、第１チューブ２１０の他方の端部を接続したタンク４００とは、連通部４０３を介して連通されている。入口部４０１から熱交換器１の内部に流入した媒体は、第２チューブ２２０を流通した後に第１チューブ２１０を流通し、その後に出口部４０２から熱交換器１の外部に流出する。
【００２０】
第１チューブ２１０、第２チューブ２２０、フィン３００、タンク４００、入口部４０１、出口部４０２、連通部４０３、サイドプレート５００、及びブラケット６００は、それぞれアルミニウム又はアルミニウム合金製の部材からなり、ジグを用いて一体に組み立てるとともに、その組み立て体を炉中で加熱処理して一体にろう付けしている。また、このようなろう付けに際し、各部材の要所には予めろう材及びフラックスが設けられる。
【００２１】
尚、熱交換器１における媒体の流通構造は、適宜に設計変更が可能である。例えば、図１及び図２に示す熱交換器１は、連通部４０３を介して所定のタンク４００同士を連通したものであるところ、図３に示すように、１つのタンク４００に第１チューブ２１０の端部及び第２チューブ２２０の端部を接続すれば、連通部４０３を省略するとともにタンク４００の数を削減することが可能である。
【００２２】
本例のフィン３００は、第１チューブ２１０及び第２チューブ２２０にそれぞれ装着されたコルゲート型のものである。また、第１チューブ２１０に装着されたフィン３００と第２チューブ２２０に装着されたフィン３００とは、互いに共通の構成部材を用いてなるものである。フィン３００の構成部材は、帯状の金属素材をロール成形し、これを所定の長さに切断して製造している。その適宜部位には、乱流を発生して媒体の熱交換効率を向上するルーバ（図示はせず）が設けられている。第１チューブ２１０側のフィン３００と第２チューブ２２０側のフィン３００とが互いに共通の構成部材を用いてなるものであれば、製造面においては部材共通化による利点が得られる。
【００２３】
図４には、本例のフィン３００の波形を示す。同図に示すように、フィン３００の構成部材は、一定のピッチで設けられた複数の頂部３０３と、複数の頂部の間に交互に設けられた第１傾斜部３０１及び第２傾斜部３０２とを有している。また、フィン３００の波形の振幅方向と直交する中心軸Ｌと第１傾斜部３０１とが交差してなる鋭角をθ_１とするとともに、中心軸Ｌと第２傾斜部３０２とが交差してなる鋭角をθ_２とするとき、これらはθ_１≠θ_２、の関係となっている。そして、複数のフィン３００の構成部材は、中心軸Ｌを平行としつつ、第１チューブ側の鋭角θ_１及び鋭角θ_２と、第２チューブ側の鋭角θ_１及び鋭角θ_２とが互いに反転する状態に配置されている。
【００２４】
また本例の場合、複数の頂部３０３はそれぞれ、互いに異なる第１の曲率Ｒ_１と第２の曲率Ｒ_２とを有し、複数のフィン３００の構成部材は、第１チューブ２１０側の頂部と、第２チューブ２２０側の頂部とが互いに反転する状態に配置されている。
【００２５】
図５乃至図８には、図４に示すフィン３００の波形を反転してなる波形を破線表示する。これらの図中の破線は、各図毎に中心軸Ｌ方向に漸次相対移動させたものである。
【００２６】
つまり、第１チューブ２１０側の鋭角θ_１及び鋭角θ_２と、第２チューブ２２０側の鋭角θ_１及び鋭角θ_２とが互いに反転していれば、必然的に、第１チューブ２１０側の第１傾斜部３０１は、第２チューブ２２０側の第１傾斜部３０１及び第２傾斜部３０２に対して非平行となる。且つ、第１チューブ２１０側の第２傾斜部３０２は、第２チューブ２２０側の第１傾斜部３０１及び第２傾斜部３０２に対して非平行となる。従って、各フィン３００の構成部材を配置する際には、各構成部材を中心軸Ｌ方向にどのように相対移動させても、第１チューブ２１０側の第１傾斜部３０１と第２チューブ２２０側の第１傾斜部３０１又は第２傾斜部３０２とが線に沿って連続的に接触することはない。また、第１チューブ２１０側の第２傾斜部３０２と第２チューブ２２０側の第１傾斜部３０１又は第２傾斜部３０２とが線に沿って連続的に接触することはない。その結果、フィン３００同士の接触部位が低減され、第１チューブ２１０側と第２チューブ２２０側との間の熱抵抗を十分に確保することができる。
【００２７】
また、第１チューブ２１０側の頂部３０３と、第２チューブ２２０側の頂部３０３とが互いに反転していれば、各構成部材を中心軸Ｌ方向にどのように相対移動させても、第１チューブ２１０側の頂部３０３と第２チューブ２２０側の頂部３０３とが曲線に沿って連続的に接触することはない。その結果、フィン３００同士の接触部位は一層低減することができる。各フィン３００の頂部３０３はチューブ２１０，２２０とそれぞれ接触する部位であることから、頂部３０３同士の接触を低減することは、第１チューブ２１０側と第２チューブ２２０側との間の熱抵抗を確保する上で極めて有効である。
【００２８】
以上のように、本例の熱交換器１は、フィン３００をより合理的に構成してなるものであり、車内空調用冷凍サイクルの放熱器として好適に利用することができる。勿論、本例におけるフィン３００の構成は、その他各種の熱交換器に応用することも可能である。例えば、ラジエータのコアと冷凍サイクルの放熱器のコアとを積層してなる熱交換器であって、第１チューブ及び第２チューブにそれぞれ異なる媒体を流通するものに応用することも可能である。
【００２９】
次に、本発明の第２具体例を図９乃至部１３に基づいて説明する。図９には、本例のフィン３００の波形を示す。本例の場合、フィン３００の波形の振幅方向に対して一方の頂部３０３の曲率をＲ_Ａ、他方の頂部３０３の曲率をＲ_Ｂとするとき、これらはＲ_Ａ≠Ｒ_Ｂ、の関係にあり、複数のフィン３００の構成部材は、第１チューブ２１０側の曲率Ｒ_Ａの頂部３０３及び曲率Ｒ_Ｂの頂部３０３と、第２チューブ２２０側の曲率Ｒ_Ａの頂部３０３及び曲率Ｒ_Ｂの頂部３０３とが互いに反転する状態に配置されている。尚、その他の基本構成は前述した具体例と同様である。
【００３０】
図１０乃至図１３には、図９に示すフィン３００の波形を反転してなる波形を破線表示する。これらの図中の破線は、各図毎に中心軸Ｌ方向に漸次相対移動させたものである。
【００３１】
つまり、第１チューブ２１０側の曲率Ｒ_Ａの頂部３０３及び曲率Ｒ_Ｂの頂部３０３と、第２チューブ２２０側の曲率Ｒ_Ａの頂部３０３及び曲率Ｒ_Ｂの頂部３０３とが互いに反転していれば、各構成部材を中心軸Ｌ方向にどのように相対移動させても、第１チューブ２１０側の頂部３０３と第２チューブ２２０側の頂部３０３とが曲線に沿って連続的に接触することはない。その結果、フィン３００同士の接触部位は一層低減することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、フィンをより合理的に構成してなる熱交換器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体例に係り、熱交換器を示す左上斜視図である。
【図２】本発明の具体例に係り、熱交換器を示す右上斜視図である。
【図３】本発明の具体例に係り、熱交換器を示す右上斜視図である。
【図４】本発明の具体例に係り、フィンの波形を示す説明図である。
【図５】本発明の具体例に係り、フィンの波形を示す説明図である。
【図６】本発明の具体例に係り、フィンの波形を示す説明図である。
【図７】本発明の具体例に係り、フィンの波形を示す説明図である。
【図８】本発明の具体例に係り、フィンの波形を示す説明図である。
【図９】本発明の具体例に係り、フィンの波形を示す説明図である。
【図１１】本発明の具体例に係り、フィンの波形を示す説明図である。
【図１２】本発明の具体例に係り、フィンの波形を示す説明図である。
【図１３】本発明の具体例に係り、フィンの波形を示す説明図である。
【符号の説明】
１熱交換器
１１０第１コア
１２０第２コア
２１０第１チューブ
２２０第２チューブ
３００フィン
３０１第１傾斜部
３０２第２傾斜部
３０３頂部
４００タンク
４０１入口部
４０２出口部
４０３連通部
５００サイドプレート
６００ブラケット

Claims

通風方向の風上に設けられた第１チューブと、前記通風方向の風下に設けられた第２チューブと、前記第１チューブ及び前記第２チューブにそれぞれ装着された複数のコルゲート型のフィンとを備え、前記第１チューブを流通する媒体及び前記第２チューブを流通する媒体が、前記第１チューブ、前記第２チューブ、及び前記フィンに伝わる熱にて熱交換をする熱交換器において、前記第１チューブに装着されたフィンと前記第２チューブに装着されたフィンとは、互いに共通の構成部材を用いてなり、
前記フィンの構成部材は、一定のピッチで設けられた複数の頂部と、前記複数の頂部の間に交互に設けられた第１傾斜部及び第２傾斜部とを有し、
前記フィンの波形の振幅方向と直交する中心軸Ｌと前記第１傾斜部とが交差してなる鋭角をθ_１とするとともに、前記中心軸Ｌと前記第２傾斜部とが交差してなる鋭角をθ_２とするとき、これらはθ_１≠θ_２、の関係にあり、
前記複数のフィンの構成部材は、前記中心軸Ｌを平行としつつ、前記第１チューブ側の鋭角θ_１及び鋭角θ_２と、前記第２チューブ側の鋭角θ_１及び鋭角θ_２とが互いに反転する状態に配置したことを特徴とする熱交換器。
前記複数の頂部はそれぞれ、互いに異なる第１の曲率Ｒ_１と第２の曲率Ｒ_２とを有し、
前記複数のフィンの構成部材は、前記第１チューブ側の前記頂部における前記第１の曲率Ｒ_１及び前記第２の曲率Ｒ_２と、前記第２チューブ側の前記頂部における前記第１の曲率Ｒ_１及び前記第２の曲率Ｒ_２とが互いに反転する状態に配置したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
前記フィンの波形の振幅方向に対して一方の前記頂部の曲率をＲ_Ａ、他方の前記頂部の曲率をＲ_Ｂとするとき、これらはＲ_Ａ≠Ｒ_Ｂ、の関係にあり、
前記複数のフィンの構成部材は、前記第１チューブ側の頂部と、前記第２チューブ側の頂部とが互いに反転する状態に配置したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
当該熱交換器は、その内部の圧力が前記媒体の臨界点を超える冷凍サイクルの放熱器であり、前記媒体は、前記第２チューブを流通した後に前記第１チューブを流通することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の熱交換器。