JP2006336977A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】各々、熱交換媒体の流路を有する複数の構成部材１０，４０を備えた熱交換器において、流路の内壁面に異常に高い内圧がかかってバーストした場合の被害が少なく済ませられるようにする。
【解決手段】複数の構成部材１０，４０のうち、流路の断面積の最も小さい構成部材を、他の構成部材よりも内圧により破壊されやすく設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、空調装置における冷凍サイクルの構成要素である放熱器や蒸発器などとしてに用いられる熱交換器に関する。

例えば、車両用空調装置に用いられるコンデンサとして、特許文献１に記載されているものが知られている。このものは、チューブとフィンとを交互に重ね合わせてなるコアのチューブ長さ方向両端側にそれぞれタンク（ヘッダ）が配置されており、各タンク内の流路はそれぞれ各チューブ内の流路に連通している。そして、一方のタンクに導入された熱交換媒体は、該タンクから各チューブに分かれて流れる間にフィンを介して周囲の空気との間で熱交換を行った後、他方のタンクから導出されるようになっている。

ところで、近年では、熱交換媒体として、地球温暖化を防止する観点から、二酸化炭素（ＣＯ₂ ）が注目されているが、この二酸化炭素の場合には、作動圧力がフロン系熱交換媒体の場合の約８倍であり、よって、熱交換器についても、耐圧強度を向上させる取組みが進められている。

また、これと並行して、熱交換器がバーストしたときの被害を最小限に止める対策が提案されている。

例えば、上記のものでは、タンクの下端部の破壊強度を上端部よりも小さくしておき、万一、バーストしたときに、熱交換媒体や破片などが下方向に飛散するようになされている。
特開２００１−６６０８８号公報（第３〜４頁，図１および図２）

しかしながら、上記従来の場合には、タンクの流路断面積（内容量）が大きいことから、下端部からバーストしたとしても、そのバースト時のエネルギーは大きく、やはり、危険である。

本発明は、斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、冷凍サイクルの構成要素である熱交換器について、バースト時のエネルギーを小さく抑えられるようにし、もって、二酸化炭素を熱交換媒体とする冷凍サイクルの熱交換器として用いられたときでも、バースト時の被害がより少なくて済むようにすることにある。

上記の目的を達成すべく、本発明では、熱交換器における熱交換媒体の全ての流路は、構成部材によって、その流路断面積が異なっており、流路断面積の大きさによって、バースト時のエネルギーの大きさが違ってくるという点に着目し、異常に高い内圧が加わったときに、最も流路断面積の小さい部位をバーストさせるようにした。

具体的には、本発明では、各々、熱交換媒体の流路を有する複数の構成部材を備えた熱交換器を前提としている。

そして、上記複数の構成部材のうち、上記流路の断面積の最も小さい構成部材は、他の構成部材よりも破壊されやすく設けられているものとする。ここで、本発明では、「熱交換媒体」は、二酸化炭素（ＣＯ₂ ）であってもよいし、その他のものであってもよい。

尚、上記の構成において、複数の構成部材を、互いに平行に延びかつ該延び方向に直交する方向に並ぶように配置された複数のチューブと、これら複数のチューブのチューブ長さ方向両端側のうちの少なくとも一端側に配置されていて、流路を上記各チューブの流路に連通させるように設けられたタンクとすることが好ましく、この場合には、各チューブの流路断面積は、タンクの流路断面積よりも小さいものとする。

また、上記各チューブを破壊されやすいものとするには、例えば、チューブを、アルミニウムの成分比率が９９％以上であるアルミニウム合金（具体的には、「ＪＩＳ Ｈ ４０００」に規定される１０００系のもの）からなるものとすることで、チューブの引張強度をタンクの引張強度よりも小さくすることが挙げられる。

さらに、上記チューブが、チューブ長さ方向に延びる少なくとも１つの隔壁部によりチューブ幅方向に並ぶように区画された複数の流路を有する多孔式の扁平チューブである場合には、各扁平チューブの流路内壁面と該チューブの外表面との間の部位である外壁部の耐圧強度を、隣接する流路間の上記隔壁部の耐圧強度よりも弱くするようにすることができる。

また、外壁部の耐圧強度を弱くする具体例としては、チューブ幅方向における流路の幅寸法Ｒｗと、チューブ厚さ方向における流路の高さ寸法Ｒｈと、チューブ幅方向における隔壁部の壁厚寸法Ｍｗと、チューブ厚さ方向における外壁部の壁厚寸法Ｍｈとが、次式、 Ｍｗ／２Ｒｗ＞Ｍｈ／Ｒｈ
を満たすようにすることが挙げられる。

本発明によれば、各々、熱交換媒体の流路を有する複数の構成部材を備えた熱交換器において、バースト時に、流路断面積の最小の構成部材が破壊されるようにすることができるので、バースト時のエネルギーを、流路断面積の大きい構成部材の場合よりも小さく抑えることができ、よって、その分だけ、バースト時の被害を少なく済ませることができる。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係るガスクーラの全体構成を示しており、このガスクーラは、例えば、熱交換媒体にＣＯ₂ が用いられた車両用エアコン装置の冷凍サイクルにおいて、コンプレッサから吐出された高温高圧のＣＯ₂ を低温高圧化するために用いられる。尚、低温高圧のＣＯ₂ は、エキスパンションバルブにより膨張して低温低圧の気液混合状態となり、次いで、エバポレータで蒸発して低温低圧のガスになった後、コンプレッサに吸い込まれることとなる。

本ガスクーラは、車両のエンジンルーム（図示せず）前端部に縦置きに搭載されるようになっており、各々、水平方向に延びるように配置された複数の扁平チューブ１０と、同じく、各々、水平方向に延びるように配置された複数の伝熱用のフィン２０と有するコア３０と、このコア３０のチューブ長さ方向両側にそれぞれ配置されていて、各扁平チューブ１０の両端部に接続された１対のヘッダタンク４０，４０とを備えている。コア３０の上下両端には、それぞれ、保持プレート５０がチューブ長さ方向に延びるように配置されており、各保持プレート５０は、その両端部において、対応するヘッダタンク４０の上下両端部に取り付けられている。

各扁平チューブ１０は、上下方向に圧縮された状態の扁平形状をなしており、内部には、チューブ長さ方向に延びる複数（図示する例では、８つ）の冷媒流路１０ａがチューブ幅方向に等ピッチでもって並ぶように形成されている。隣り合う２つの冷媒流路１０ａ，１０ａは、該両冷媒流路１０ａ，１０ａ間に位置する部位である隔壁部１１でもって互いに区画されている。各冷媒流路１０ａの断面積Ｓａは、互いに等しくされている。この扁平チューブ１０は、アルミニウム合金からなる押出成形品であり、各冷媒流路１０ａの両端部は開口されている。

各フィン２０は、複数の波形がチューブ長さ方向に連続する形状を有するコルゲートフィンであり、アルミニウム合金製の薄板材が折曲げ加工されてなっている。コア３０の上下両端に位置するフィン２０以外の各フィン２０は、該フィン２０の頂部が上側の扁平チューブ１０の下面に、また底部が下側の扁平チューブ１０の上面に、それぞれ、ろう付けにより接合されている。コア３０の上下両端の各フィン２０は、それぞれ、対応する保持プレート５０により保持されている。

各ヘッダタンク４０は、アルミニウム合金製（ＪＩＳ Ｈ ４０００の「Ａ ３００３」）の板材を円筒状に形成してなるタンク本体４１と、このタンク本体４１の上下両端部に開口部を閉塞するように取り付けられたキャップ４２とからなっている。各キャップ４２は、ろう付けによりタンク本体４１に接合されている。各ヘッダタンク４０の内部は、所定の断面積Ｓｂ（＞Ｓａ）を持つ中空の冷媒流路４０ａとされている。また、各ヘッダタンク４０には、扁平チューブ１０の端部を挿入するための挿入孔（図示せず）がコア３０の複数の扁平チューブ１０と同じピッチでもって形成されており、各挿入孔には、対応する扁平チューブ１０の端部が挿入されている。そして、各挿入孔の開口縁と扁平チューブ１０の端部とは、ろう付けにより互いに接合されている。

２つのヘッダタンク４０のうち、一方のヘッダタンク４０では、その上端近傍部位に、該ヘッダタンク４０内の冷媒流路４０ａに冷媒を流入させるための流入パイプ６０が設けられており、他方のヘッダタンク４０では、その下端近傍部位に、該ヘッダタンク４０内の冷媒流路４０ａの冷媒を流出させるための流出パイプ７０が設けられている。つまり、流入パイプ６０は、上述したコンプレッサの吐出側に接続されることになり、流出パイプ７０は、エキスパンションバルブの上流側に接続されることになる。

そして、本実施形態では、各扁平チューブ１０は、一般の熱交換器に使用されるアルミニウム合金の材質として最も引張強度の低い１０００系（ＪＩＳ Ｈ ４０００）中の「Ａ １１００」からなるものとされており、このことで、各扁平チューブ１０の引張強度が、ヘッダタンク４０の引張強度よりも小さくなっている。

また、各扁平チューブ１０では、各扁平チューブ１０における冷媒流路１０ａの内壁面と該扁平チューブ１０の外表面との間の部位である外壁部１２の耐圧強度が、隣接する冷媒流路１０ａ，１０ａ間の隔壁部１１の耐圧強度よりも弱くされている。

具体的には、チューブ幅方向における冷媒流路１０ａの幅寸法Ｒｗと、チューブ厚さ方向における冷媒流路１０ａの高さ寸法Ｒｈと、チューブ幅方向における隔壁部１１の壁厚寸法Ｍｗと、チューブ厚さ方向における外壁部１２の壁厚寸法Ｍｈとが、次式、
Ｍｗ／２Ｒｗ＞Ｍｈ／Ｒｈ
を満たすようにされている。

つまり、扁平チューブ１０の冷媒流路１０ａの断面形状が円形である場合には、Ｒｗ＝Ｒｈであるので、上記の式は、
Ｍｗ／２＞Ｍｈ
となり、この場合、外壁部１２の壁厚寸法Ｍｈは、隔壁部１１の壁厚寸法Ｍｗの２分の１未満ということになる。

したがって、本実施形態によれば、各々、複数の冷媒流路１０ａ，１０ａ，…を有していて、水平方向に延びかつ上下方向に並ぶように配置された複数の扁平チューブ１０，１０，…と、冷媒流路４０ａを有していて、該冷媒流路４０ａが各扁平チューブ１０の冷媒流路１０ａに連通するように上記複数の扁平チューブ１０，１０，…のチューブ長さ方向両端側に配置された１対のヘッダタンク４０，４０とを備えたマルチフロータイプのガスクーラにおいて、各扁平チューブ１０の引張強度がヘッダタンク４０の引張強度よりも小さいので、冷媒流路１０ａ，４０ａに異常に高い内圧が加わったときに、ヘッダタンク４０よりも先に扁平チューブ１０の部分をバーストさせることができる。その際に、扁平チューブ１０の冷媒流路断面積Ｓａがヘッダタンク４０の冷媒流路断面積Ｓｂよりも小さい（Ｓａ＜Ｓｂ）ことから、バースト時のエネルギーを小さく抑えることができ、よって、ヘッダタンク４０がバーストする場合に比べて、バーストに起因する被害の程度を少なく済ませることができる。

また、扁平チューブ１０がバーストするときには、隣り合う冷媒流路１０ａ，１０ａ間の隔壁部１１よりも先に外壁部１２を破壊させることができる。よって、隔壁部１１が先に破壊されると、隣り合う冷媒流路１０ａ，１０ａ同士が１つになって流路断面積が拡大し、その分、バースト時のエネルギーが大きくなって被害を拡大する虞があるのに対し、１つの冷媒流路１０ａのみが破壊されることによるバーストに止めることができる。この結果、バーストに起因する被害の程度を、さらに少なく済ませることができる。

尚、上記の実施形態では、扁平チューブ１０の各冷媒流路１０ａが、断面円形状である場合について説明しているが、冷媒流路１０ａの断面形状は特に限定されるものでなく、適宜設計することができる。例えば、図３の変形例に示すように、上下がそれぞれ円弧状である一方、左右が互いに平行な直線状であってもよい。

また、上記の実施形態では、コア３０の両側にヘッダタンク４０，４０が配置されている場合について説明しているが、何れか一端側にのみヘッダタンク４０が配置されていてもよい。

また、上記の実施形態では、複数の冷媒流路１０ａ，１０ａ，を有する多孔式の扁平チューブ１０が備えられている場合について説明しているが、チューブ１０の断面形状や、冷媒流路の数は特に限定されるものでない。例えば、冷媒流路１０ａの数については、上記実施形態の場合は８つであるが、１つであってもよいし、２つ以上であってもよい。それらは、使用条件などに応じて任意に設計することができる。

また、上記の実施形態では、車両用エアコン装置のガスクーラ（放熱器）として使用される場合について説明しているが、本発明は、エバポレータ（蒸発器）など、さらには、車両用以外のものも含め、種々の熱交換器に適用することができる。

また、上記の実施形態では、ＣＯ₂ を用いた冷凍サイクルの熱交換器の場合について説明しているが、本発明は、フロン系など、他の熱交換媒体を用いた熱交換器に適用することもできる。

本発明の実施形態に係るガスクーラの全体構成を示す正面図である。 ガスクーラにおける扁平チューブの構成を示す拡大断面図である。 本実施形態の変形例における扁平チューブの構成を示す図２相当図である。

符号の説明

１０ 扁平チューブ（チューブ）
１０ａ 冷媒流路（流路）
１１ 隔壁部
１２ 外壁部
４０ ヘッダタンク（タンク）
４０ａ 冷媒流路（流路）
Ｓａ （チューブの）流路断面積
Ｓｂ （タンクの）流路断面積

Claims (8)

1. 各々、熱交換媒体の流路を有する複数の構成部材を備えた熱交換器であって、
   上記複数の構成部材のうち、上記流路の断面積の最も小さい構成部材は、他の構成部材よりも内圧により破壊されやすく設けられていることを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、
   複数の構成部材は、
   互いに平行に延びかつ該延び方向に直交する方向に並ぶように配置された複数のチューブと、
   上記複数のチューブのチューブ長さ方向両端側のうちの少なくとも一端側に配置され、流路を上記各チューブの流路に連通させるように設けられたタンクとであることを特徴とする熱交換器。
3. 請求項２に記載の熱交換器において、
   各チューブの流路断面積は、タンクの流路断面積よりも小さいことを特徴とする熱交換器。
4. 請求項３に記載の熱交換器において、
   チューブの引張強度が、タンクの引張強度よりも小さいことを特徴とする熱交換器。
5. 請求項４に記載の熱交換器において、
   チューブは、アルミニウムの成分比率が９９％以上であるアルミニウム合金からなることを特徴とする熱交換器。
6. 請求項２，３，４，５のうちの何れか１項に記載の熱交換器において、
   各チューブは、扁平チューブであり、
   上記扁平チューブは、チューブ長さ方向に延びる少なくとも１つの隔壁部によりチューブ幅方向に並ぶように区画された複数の流路を有し、
   上記各扁平チューブの流路内壁面と該チューブの外表面との間の部位である外壁部の耐圧強度が、隣接する流路間の上記隔壁部の耐圧強度よりも弱くされていることを特徴とする熱交換器。
7. 請求項６に記載の熱交換器において、
   チューブ幅方向における流路の幅寸法Ｒｗと、チューブ厚さ方向における流路の高さ寸法Ｒｈと、チューブ幅方向における隔壁部の壁厚寸法Ｍｗと、チューブ厚さ方向における外壁部の壁厚寸法Ｍｈとが、次式、
   Ｍｗ／２Ｒｗ＞Ｍｈ／Ｒｈ
   を満たすことを特徴とする熱交換器。
8. 請求項１，２，３，４，５，６，７のうちの何れか１項に記載の熱交換器において、
   熱交換媒体として、二酸化炭素が使用されることを特徴とする熱交換器。
   
   

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