JP2007071480A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器コアの両側に一対のヘッダタンクを配置してなる熱交換器において、ヘッダタンク内に流れ込む冷媒の流量分布を改善し、熱交換性能の向上を図る。
【解決手段】本発明に係わる熱交換器は、入口ヘッダタンク３０おける冷媒の流入口がパス（１）の最下段に位置するチューブ２１Ｅとデバイド３２との間に取り付けられ、または出口ヘッダタンク４０における冷媒の流出口が最終パスとなるパス（３）の略中央に取り付けられ、あるいは入口ヘッダタンク３０おける冷媒の流入口がパス（１）の最下段に位置するチューブ２１Ｅとデバイド３２との間に取り付けられ且つ出口ヘッダタンク４０における冷媒の流出口が最終パスの略中央に取り付けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、おもに車両用空調装置の冷凍サイクルに用いられる放熱器などの熱交換器に関する。

車両用空調装置の冷凍サイクルに用いられる熱交換器は、一般に扁平のチューブと波形のフィンとを交互に積層した熱交換器コアと、この熱交換器コアに冷媒を流通させるためのヘッダタンクとを備えて構成されている。このうちヘッダタンクは、外部から供給された冷媒を熱交換器コアの各チューブに流入させる入口ヘッダタンクと、熱交換器コアのチューブを通過して熱交換した冷媒を外部に排出する出口ヘッダタンクとに分けられる。また、これらヘッダタンクには内部空間を仕切るためのデバイドが所定箇所に組み込まれ、熱交換器コアは所定数のチューブを１パスとする複数のパスに区分されている。そして、入口ヘッダタンクの上部から流入した冷媒は、デバイドで区切られた空間から１パス目の各チューブに流入して出口ヘッダタンクに流れ込み、デバイドで区切られた空間で折り返して、次の２パス目の各チューブに流入して再び入口ヘッダタンクに流れ込む。以下同様に、冷媒はヘッダタンクとデバイドで区切られたパスとの間を順に折り返しながら流通し、最終のパスを通過した後、出口側のヘッダタンク下部から排出される。

このような熱交換器において、熱交換器内での分流の偏りを無くすために、最初の１パス目はヘッダタンクの中央部から冷媒を送り込むように構成した熱交換器が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００１−２２１５８０号公報

上記特開２００１−２２１５８０号公報に記載の熱交換器によれば、１パス目の温度分布が均一になり、熱交換能力の改善効果が得られるとしている。このように、１パス目にヘッダタンクの中央部から冷媒を送り込むことにより流量分布の偏差が少なくことは本発明者の実験においても確認されているが、流量分布の偏差は少ないながらも依然として残っており、さらなる特性の改善が残求められている。

この発明の目的は、ヘッダタンク内に流れ込む冷媒の流量分布を改善し、熱交換性能の向上を図ることができる熱交換器を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係わる発明は、冷媒が流通する複数のチューブと冷却用のフィンとを交互に積層してなる熱交換器コアと、冷媒の流入口が接続され、且つ少なくとも１つの仕切り板で内部が仕切られた第１ヘッダタンクと、冷媒の流出口と接続された第２ヘッダタンクとを備え、前記熱交換器コアは所定数のチューブを１パスとする複数のパスに区分され、冷媒が前記第１および第２ヘッダタンク内を折り返して前記各パスを順に流通するように構成された熱交換器において、前記第１ヘッダタンクおける冷媒の流入口が第１パスの最下段に位置するチューブと前記仕切り板との間に取り付けられ、または前記第２ヘッダタンクにおける冷媒の流出口が最終パスの略中央に取り付けられ、あるいは前記第１ヘッダタンクおける冷媒の流入口が第１パスの最下段に位置するチューブと前記仕切り板との間に取り付けられ且つ前記第２ヘッダタンクにおける冷媒の流出口が最終パスの略中央に取り付けられていることを特徴とする。

上記構成によれば、入口パイプが第１パスの最下段に位置するチューブとデバイドとの間に取り付けられているため、第１パスの最下段のチューブの入口付近での冷媒の淀みをなくすことができる。したがって、この分だけタンク下部における静圧を抑えることができ、第１パス内の流量分布を改善することができる。

また、上記構成によれば、出口パイプが最終パスの中央に取り付けられているため、タンク内に流れ込む冷媒の静圧分布は出口パイプの上下で対称に近い形状となり、静圧の偏差を少なくして最終パス内の流量分布を改善することができる。とくに、冷媒の集まる下流側の第２ヘッダタンクでは、静圧の高低差が大きいため、静圧の偏差を少なくすることにより、最終パス内の流量分布を大幅に改善することができる。

以下、本発明に係わる熱交換器を実施するための最良の形態を図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）、（ｂ）は本実施形態における冷媒の出／入口パイプとヘッダタンクとの位置関係を示す部分断面図、図２は本実施形態における熱交換器の全体構成図である。なお、各図においては細部やハッチングなどを適宜に省略している。

本実施形態に係わる熱交換器１０は、図２に示すように、内部を流通する冷媒と冷却風５０との間で熱交換を行う熱交換器コア２０と、この熱交換器コア２０の両端部に接合された入口ヘッダタンク３０および出口ヘッダタンク４０とから構成されている。

熱交換器コア２０は、内部に冷媒の流通となるチューブ穴が複数形成された多穴管構造のチューブ２１と、波形に成形された冷却用のフィン２２とを交互に積層した構造となっている。この熱交換器コア２０の両端部は入口ヘッダタンク３０および出口ヘッダタンク４０と接合され、これらヘッダタンクの内部に形成された冷媒の流通路と、各チューブ２１のチューブ穴とが互いに連通して冷媒が流通するように構成されている。また、熱交換器コア２０は、所定数のチューブ２１を１パスとする複数のパスに区分され、本実施形態ではパス（１）〜（３）に区分されている。

入口ヘッダタンク３０は、冷媒の入口側となるタンクであり、内部の流通路を仕切るデバイド３２が所定位置に挿入されている。このデバイド３２が挿入されることにより、入口ヘッダタンク３０の内部は、外部から供給された冷媒をパス（１）に分配する入口側分配タンク３３と、パス（２）を流通した冷媒を折り返してパス（３）に分配する入口側折り返しタンク３４とに区分されている。このうち、入口側分配タンク３３の所定位置には冷媒の流入口となる入口パイプ３１が取り付けられている。入口パイプ３１の取り付け位置については後述する。

出口ヘッダタンク４０は、冷媒の出口側となるタンクであり、内部の流通路を仕切るデバイド４２が所定位置に挿入されている。このデバイド４２が挿入されることにより、出口ヘッダタンク４０の内部は、パス（１）を流通した冷媒を折り返してパス（２）に分配する出口側折り返しタンク４３と、パス（３）を流通した冷媒を集合させて、外部に排出する出口側集合タンク４４とに区分されている。このうち、出口側集合タンク４４の所定位置には冷媒の流出口となる出口パイプ４１が取り付けられている。出口パイプ４１の取り付け位置については後述する。

上述したように、各ヘッダタンクの所定位置にデバイドを挿入することにより、熱交換器コア２０は所定数のチューブを１パスとする複数のパスに区分されている。本実施形態では、上からパス（１）〜パス（３）に区分され、２ターン（折り返し数）、３パスで構成されている。

なお、パス数を増やすにはヘッダタンクに挿入するデバイドの数を増やせばよく、また各パスのチューブ本数は、各ヘッダタンクに挿入したデバイドの位置により任意に設定することができる。

上記のように構成された熱交換器１０において、入口パイプ３１を通じて入口ヘッダタンク３０に供給された冷媒は、入口側分配タンク３３からパス（１）の各チューブ２１へ分配され、それぞれのチューブ内を流通して出口ヘッダタンク４０の出口側折り返しタンク４３に流入する。そして、冷媒は出口側折り返しタンク４３で折り返してパス（２）の各チューブ２１へ分配される。以下同様に、冷媒は出口ヘッダタンク４０→パス（２）→入口ヘッダタンク３０→パス（３）→出口ヘッダタンク４０というように各パスを順に回りながら熱交換器コア２０を流通する。この間、熱交換器コア２０を通過する冷却風５０との間で熱交換が行われる。この熱交換器１０を、例えば冷媒としてＣＯ２を用いる放熱器（ガスクーラ）として構成した場合は、冷却風５０により冷媒を放熱させて、高温から中低温に冷却することができる。

次に、各ヘッダタンクにおける出／入口パイプの取り付け位置と作用効果について説明する。

図１（ａ）は、入口パイプ３１と入口ヘッダタンク３０との位置関係を示す部分断面図である。本実施形態では、冷媒の流入口となる入口パイプ３１を、第１パスとなるパス（１）の最下段に位置するチューブ２１Ｅとデバイド２１との間に位置するように取り付けている。

本実施形態のように、熱交換器コア２０の左右に縦長のヘッダタンクを直立させて配置した熱交換器において、入口パイプ３１をパス（１）の最も外寄り（設置姿勢の最上部側）に取り付けると、チューブの出入口における圧力差がタンク上部よりも下部で大きくなり、冷媒の流速も下部になるほど遅くなる。このため、タンク内の静圧も上部では小さく、下部に行くほど大きくなり、この静圧分布によって冷媒の流量分布にも偏差が生じることになる。

これに対して本実施形態の構成では、入口パイプ３１がパス（１）の最下段に位置するチューブ２１Ｅとデバイド３２との間に取り付けられているため、パス（１）の最下段のチューブ２１Ｅの入口付近での冷媒の淀みをなくすことができる。したがって、この分だけタンク下部における静圧を抑えることができ、パス（１）内の流量分布を改善することができる。

図１（ｂ）は、出口パイプ４１と出口ヘッダタンク４０との位置関係を示す部分断面図である。本実施形態では、冷媒の流出口となる出口パイプ４１を、最終パスとなるパス（３）の中央に取り付けている。

上記構成によれば、出口パイプ４１がパス（３）の中央に取り付けられているため、タンク内に流れ込む冷媒の静圧分布は出口パイプ４１の上下で対称に近い形状となり、静圧の偏差を少なくしてパス（３）内の流量分布を改善することができる。とくに、冷媒の集まる下流側の出口ヘッダタンク４０では、静圧の高低差が大きいため、静圧の偏差を少なくすることにより、パス（３）内の流量分布を大幅に改善することができる。

以下、本発明に係わる熱交換器の実施例および比較例について説明する。ただし、以下に説明する実施例および比較例の実験結果はＣＡＥの解析により得られたものである。

［装置構成］
ここでは、実施例および比較例の熱交換器として、図３に示すように、２ターン、３パスで構成された熱交換器を設定した。このうち、入口ヘッダタンク３０の入口側分配タンク３３については、入口パイプ３１の位置を４段階に設定し、そのうちの一つを実施例１、その他を比較例１〜３とした。

また、出口ヘッダタンク４０の出口側集合タンク４４については、出口パイプ４１の位置を３段階に設定し、そのうちの一つを実施例２、その他を比較例４、５とした。

図４（ａ）は、入口ヘッダタンク３０の入口側分配タンク３３における入口パイプ３１の位置を示すもので、上から順に比較例１（外寄り）、比較例２（中央）、比較例３（デバイド寄り１）、実施例１（デバイド寄り２）の各位置を示している。このうち比較例２は、特開２００１−２２１５８０号公報に記載された熱交換器の配置を示している。また比較例３は、図５に示すように、入口パイプ３１とデバイド３２との間にパス（１）の最下段のチューブ２１Ｅが位置するように配置した例を示している。また実施例１は、図１（ａ）に示すように、入口パイプ３１がパス（１）の最下段のチューブ２１Ｅとデバイド３２の間に位置するように配置した例を示している。

図４（ｂ）は、出口ヘッダタンク４０の出口側集合タンク４４における出口パイプ４１の位置を示すもので、上から順に比較例４（デバイド寄り）、実施例２（中央）、比較例５（外寄り）の各位置を示している。このうち実施例２は、図１（ｂ）に示すように、出口パイプ４１をパス（３）の中央に取り付けた例を示している。

なお、図３および図４（ａ）、（ｂ）は、ヘッダタンクに対する出／入口パイプの位置を模式的に描いたものであり、チューブ本数、位置などは実験条件と異なる。

［解析結果］
以上のような条件によりタンク内における流量分布について解析した結果について説明する。

［実施例１の評価］
図６は、入口ヘッダタンク３０の入口側分配タンク３３において各チューブに流れる冷媒の流量分布を示す特性図である。図６において、横軸は上からのチューブ位置を順に示したもので、ここでは１８本のチューブについて示している。また太線のラインは、流量分布の平均値５．５６％（１８本のチューブに均等に流れる場合）を示している。解析された流量分布がこの平均値のラインに近いほど流量分布が改善されていることになる。この平均値５．５６％のラインを基準とした標準偏差を表１に示す。

図６および表１に示すように、実施例１の標準偏差は比較例１〜３と比べて最も小さくなり、流量分布の改善に最も効果があることが確認された。

図７は、出口ヘッダタンク４０の出口側集合タンク４４において各チューブに流れる冷媒の流量分布を示した特性図である。図７についても、太線のラインは流量分布の平均値５．５６％（チューブ本数１８本としているため）を示しており、解析された流量分布がこの平均値のラインに近いほど流量分布が改善されていることになる。この平均値５．５６％のラインを基準とした標準偏差を表２に示す。

図７および表２に示すように、実施例２の標準偏差は比較例４、５と比べて最も小さくなり、流量分布の改善に最も効果があることが確認された。

以上の解析結果から明らかなように、実施例１および２の構成では、ヘッダタンクからチューブに流れ出る冷媒の流量分布、およびチューブからヘッダタンク内に流れ込む冷媒の流量分布が各比較例と比べて改善されることが確認され、熱交換性能の向上に効果があることが立証された。

なお、熱交換器に実施例１、および実施例２の構成を組み合わせて実施した場合は、熱交換器全体として流量分布の改善に大きな効果が得られるが、それぞれの構成を単独で実施した場合でも、従来例と比べて流量分布の改善に効果を得ることができる。

また、本実施例では、熱交換器を２ターン、３パスで構成した例について示したが、本発明は、少なくとも１ターン、２パスで構成された熱交換器であれば適用することができ、それよりもさらにターン数、パス数が多くても適用することができる。

（ａ）、（ｂ）は本実施形態における冷媒の出／入口パイプとヘッダタンクとの位置関係を示す部分断面図。 実施形態における熱交換器の全体構成図。 実施例および比較例の熱交換器を示す説明図。 （ａ）、（ｂ）は各ヘッダタンクと出／入口パイプとの位置を示す説明図。 比較例３の構成を示す説明図。 入口ヘッダタンクにおける流量分布の解析結果を示す特性図。 出口ヘッダタンクにおける流量分布の解析結果を示す特性図。

符号の説明

１０…熱交換器
２０…熱交換器コア
２１（２１Ｅ）…チューブ
２１…デバイド（仕切り板）
２２…フィン
３０…入口ヘッダタンク（第１ヘッダタンク）
３１…入口パイプ
３２、４２…デバイド
３３…入口側分配タンク
３４…出口側折り返しタンク
４０…出口ヘッダタンク（第２ヘッダタンク）
４１…出口パイプ
４３…出口側折り返しタンク
４４…出口側集合タンク
５０…冷却風

Claims (1)

1. 冷媒が流通する複数のチューブ（２１）と冷却用のフィン（２２）とを交互に積層してなる熱交換器コア（２０）と、冷媒の流入口が接続され、且つ少なくとも１つの仕切り板（３２）で内部が仕切られた第１ヘッダタンク（３０）と、冷媒の流出口と接続された第２ヘッダタンク（４０）とを備え、前記熱交換器コアは所定数のチューブを１パスとする複数のパスに区分され、冷媒が前記第１および第２ヘッダタンク内を折り返して前記各パスを順に流通するように構成された熱交換器において、
   前記第１ヘッダタンク（３０）おける冷媒の流入口が第１パスの最下段に位置するチューブ（２１Ｅ）と前記仕切り板（３２）との間に取り付けられ、または前記第２ヘッダタンク（４０）における冷媒の流出口が最終パスの略中央に取り付けられ、あるいは前記第１ヘッダタンク（３０）おける冷媒の流入口が第１パスの最下段に位置するチューブ（２１Ｅ）と前記仕切り板（３２）との間に取り付けられ且つ前記第２ヘッダタンク（４０）における冷媒の流出口が最終パスの略中央に取り付けられていることを特徴とする熱交換器。
   

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