JP2008304109A - 熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】冷媒入口部の熱応力を緩和させて耐久寿命を高めることのできる熱交換器を提供する。
【解決手段】チューブ3と冷却フィン4とを交互に複数積層してなるコア部1の両端に各チューブと連通するヘッダタンク2を設け、一方のヘッダタンク2に接続された冷媒導入パイプ6から各チューブを通って他方のヘッダタンク2に接続された冷媒出口パイプ9まで連続する冷媒流通路を、数本のチューブ3で構成される各流路R1,R2,R3に分断し、各流路R1,R2,R3を流れる冷媒が積層方向で交互に逆向きとなるように前記ヘッダタンク2を複数のタンク部2A,2B,2C,2Dに分割してなる熱交換器である。この熱交換器では、冷媒導入パイプ6と接続される最初段の第1タンク部2Aと、第1タンク部2Aの下に設けられる第2タンク部2Bとを物理的に分離した。
【選択図】図1
【解決手段】チューブ3と冷却フィン4とを交互に複数積層してなるコア部1の両端に各チューブと連通するヘッダタンク2を設け、一方のヘッダタンク2に接続された冷媒導入パイプ6から各チューブを通って他方のヘッダタンク2に接続された冷媒出口パイプ9まで連続する冷媒流通路を、数本のチューブ3で構成される各流路R1,R2,R3に分断し、各流路R1,R2,R3を流れる冷媒が積層方向で交互に逆向きとなるように前記ヘッダタンク2を複数のタンク部2A,2B,2C,2Dに分割してなる熱交換器である。この熱交換器では、冷媒導入パイプ6と接続される最初段の第1タンク部2Aと、第1タンク部2Aの下に設けられる第2タンク部2Bとを物理的に分離した。
【選択図】図1
Description
本発明は、例えば熱交換器に関し、詳細には、ヘッダタンクに生じる熱応力の緩和技術に関する。
例えば、冷媒としてCO2(二酸化炭素)を使用したエアコンのガスクーラ(熱交換器)は、コンプレッサで高温高圧とされた冷媒が内部に流れる長尺状のチューブと、このチューブ外周部に接合されてこのチューブ内を流れる冷媒とチューブ外側を通過する冷却媒体としての空気と熱交換して放熱させる冷却フィンと、を交互に複数重ねて形成されるコア部と、このコア部のチューブに冷媒を導入、導出するため両端に設けられるヘッダタンクとから構成され、ヘッダタンク内にディバイドプレートを設けることにより、冷媒流通路を複数の流路(パス)に分割している(例えば、特許文献1、2等に記載)。
かかる熱交換器では、冷媒は特に冷媒入口部分近傍にて盛んに熱交換が行われ冷却され、それ以降は大きく温度変化せず、空気温度に近づいていくような温度分布となる。これは、CO2冷媒の熱物性に起因する。
特開2005−308261号公報
特開2006−64198号公報
このような熱交換器においては、冷媒流れのパス数を2〜4パスとして、冷却性能を向上させているが、上記のように、最初のパスにおいて、急激に冷媒温度が変化(低下)するため、その後流のパスと大きく冷媒温度が異なる。
その結果、この種の熱交換器では、冷媒入口部のパスは他のパスに比べて特に温度が高いため、他のパスに比して熱膨張量が大きくそれらのパス間に差が生じるそれによりガスクーラは熱変形を生じ、熱交換器の耐久寿命が縮まる。
そこで、本発明は、冷媒入口部の熱応力を緩和させて耐久寿命を高めることのできる熱交換器を提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、内部に冷媒が流通するチューブと冷却フィンとを交互に複数積層してなるコア部の両端に各チューブと連通するヘッダタンクを設け、一方のヘッダタンクに接続された冷媒入口部から各チューブを通って他方のヘッダタンクに接続された冷媒出口部まで連続する冷媒流通路を、複数本のチューブで構成される各流路に分断し、各流路を流れる冷媒が積層方向で交互に逆向きとなるように前記ヘッダタンクを複数のタンク部に分割してなる熱交換器であって、少なくとも前記冷媒入口部と接続される最初段のタンク部と、この最初段のタンク部に隣接して設けられるタンク部とを分離させたことを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の熱交換器であって、前記冷媒流通路を各流路に分断する全てのタンク部間を分離させたことを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、内部に冷媒が流通するチューブと冷却フィンとを交互に複数積層してなるコア部の両端に各チューブと連通するヘッダタンクを設け、一方のヘッダタンクに接続された冷媒入口部から各チューブを通って他方のヘッダタンクに接続された冷媒出口部まで連続する冷媒流通路を、複数本のチューブで構成される各流路に分断し、各流路を流れる冷媒が積層方向で交互に逆向きとなるように前記ヘッダタンクを複数のタンク部に分割してなる熱交換器であって、少なくとも前記冷媒入口部と接続される最初段のタンク部と、この最初段のタンク部に隣接して設けられるタンク部との間に、非熱伝導性手段を介在させたことを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の熱交換器であって、前記非熱伝導性手段を、前記冷媒流通路を各流路に分断する全てのタンク部間に介在させたことを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、請求項3または請求項4に記載の熱交換器であって、前記非熱伝導性手段は、前記最初段のタンク部と、この最初段のタンク部に隣接して設けられるタンク部との間に設けられる空気層または断熱材層からなることを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、請求項1から請求項5の何れか一つに記載の熱交換器であって、前記冷媒流通路を各流路に分断するタンク部間と対応する部位の冷却フィンの一部または全部を切断したことを特徴とする。
請求項1に記載の熱交換器によれば、冷媒入口部と接続される最初段のタンク部と、それに隣接して設けられるタンク部とを分離したので、特に冷媒入口部近傍部で高温冷媒が急激に冷却されることにより生じるタンク部の温度差からの熱膨張量の差による熱応力が最初段のタンク部からそのタンクに隣接するタンク部に伝達され難くなり、ヘッダタンクに対する応力を低減できる。これにより、本発明によれば、熱交換器の耐久寿命を延ばすことができる。
請求項2に記載の熱交換器によれば、冷媒流通路を各流路に分断する全てのタンク部間を分離したので、各タンク部がそれぞれ独立し、互いのタンク部からの熱応力を受け難くなる。
請求項3に記載の熱交換器によれば、冷媒入口部と接続される最初段のタンク部と、その下に設けられるタンク部との間に非熱伝導性手段を介在させたので、特に冷媒入口部近傍部で高温冷媒が急激に冷却されることにより生じるタンク部の温度差からの熱膨張量の差による熱応力が最初段のタンク部からその下のタンク部に伝達され難くなり、ヘッダタンクに対する応力を低減できる。これにより、本発明によれば、熱交換器の耐久寿命を延ばすことができる。
請求項4に記載の熱交換器によれば、冷媒流通路を各流路に分断する全てのタンク部間に非熱伝導性手段を介在させたので、各タンク部がそれぞれ独立し、互いのタンク部からの熱応力を受け難くなる。
請求項5に記載の熱交換器によれば、非熱伝導性手段として空気層または断熱材層としたので、簡易な構成で低コスト化できる。
請求項6に記載の熱交換器によれば、冷媒流通路を各流路に分断するタンク部間と対応する部位の冷却フィンの一部または全部を切断したので、カットされた冷却フィンの部位で熱応力が分断され、熱応力の伝達がより一層低減する。
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
「第1実施形態」
図1は第1実施形態の熱交換器の正面図、図2は第1実施形態の熱交換器を流れる冷媒流れ方向を示す図、図3は第1実施形態の熱交換器における最初段の上部タンク部とそれに隣接する下部のタンク部間の部位を拡大して示す図、図4は第1実施形態の熱交換器において最初段の流路が熱膨張した様子を示す図、図5は比較例の熱交換器における各流路の熱膨張状態を示す図、図6は比較例の熱交換器が熱応力で変形する様子を示す図である。
図1は第1実施形態の熱交換器の正面図、図2は第1実施形態の熱交換器を流れる冷媒流れ方向を示す図、図3は第1実施形態の熱交換器における最初段の上部タンク部とそれに隣接する下部のタンク部間の部位を拡大して示す図、図4は第1実施形態の熱交換器において最初段の流路が熱膨張した様子を示す図、図5は比較例の熱交換器における各流路の熱膨張状態を示す図、図6は比較例の熱交換器が熱応力で変形する様子を示す図である。
本実施形態の熱交換器は、図1に示すように、内部に冷媒が流れるコア部1と、このコア部1の両端に設けられるヘッダタンク2と、から構成されている。
コア部1は、内部に冷媒が流通するチューブ3と、波形に形成された冷却フィン4と、を交互に複数積層し、その積層された上端部と下端部に補強部材としてのサイドプレート5を配置して、これらを一体にろう付けすることで形成されている。
チューブ3は、例えばCO2(二酸化炭素)ガス等の冷媒をその内部に流通させる流路を有する押し出し加工や板材を折り曲げた加工による偏平形状をなす長尺状のアルミニウム材からなっている。冷却フィン4は、例えば、長尺状のアルミニウム箔材をコルゲート加工するなどして波形形状とされ、各チューブ3間にロウ付けで配置される。かかる冷却フィン4は、ファンにより送られる空気が接触して流れ、コンプレッサーで圧縮された高温高圧の冷媒がその内部を流れるチューブ3とロー付けされているため、熱交換された熱を空気に放熱させ冷媒を冷却する役目をする。
ヘッダタンク2は、コア部1の両端、すなわち複数のチューブ3の長手方向両端部に配置されている。かかるヘッダタンク2は、コア部1を流れる冷媒流通路を、図2に示す如く複数本のチューブ3で構成される3つの流路R1,R2,R3(第1流路R1,第2流路R2,第3流路R3)に分断し、各流路R1,R2,R3を流れる冷媒が積層方向で交互に逆向き(冷媒流れを矢印で示す)となるように前記ヘッダタンク2を4つのタンク部2A,2B,2C,2Dに分割した構造とされている。
具体的には、図1及び図2で示すコア部1の左側に配置されるヘッダタンク2を、高さ方向で2つのタンク部2A,2B(第1タンク部2Aと第2タンク部2B)に物理的に分断すると共に、右側に配置されるヘッダタンク2を同じく2つのタンク部2C,2D(第3タンク部2Cと第4タンク部2D)に分断している。但し、右側のヘッダタンク2は、その内部に配置されるディバイドプレート8で2つのタンク部に分断されている。
第1タンク部2Aには、コア部1を図中高さ方向で約3等分したときの上段(最初段)となる第1流路R1を構成する複数本のチューブ3に対応して設けられ、それらチューブ3の端部をそのタンク内に挿入させている。そして、この第1タンク部2Aには、コンプレッサーで圧縮された高温の冷媒をコア部1内に導入させるための冷媒入口部となる冷媒導入パイプ6が取り付けられている。また、第1タンク部2Aの高さ方向における上部と下部には、蓋として機能するエンドプレート7がそれぞれろう付けされている。
第2タンク部2Bは、3つの流路のうち中段となる第2流路R2と下段となる第3流路R3を構成する複数本のチューブ3に対応して設けられ、それらチューブ3の端部をそのタンク内に挿入させて、ろう付けして流路を連通させている。この第2タンク部2Bは、第2流路R2を流れてくる冷媒を第3流路R3へとその流れ方向を変える役目をし、前記第1タンク部2Aの下に配置されている。また、第2タンク部2Bの高さ方向における上部と下部には、同じく蓋として機能するエンドプレート7がそれぞれろう付けされている。そして、この第2タンク部2Bは、その上に配置される第1タンク部2Aに対して所定の隙間を有して物理的に分離されている。
第3タンク部2Cは、上段となる第1流路R1と中段となる第2流路R2を構成する複数本のチューブ3に対応して設けられ、それらチューブ3の端部をそのタンク内に挿入させて、ろう付けして流路を連通させている。この第3タンク部2Cは、第1流路R1から第2流路R2へと冷媒の流れ方向を変える役目をし、ヘッダタンク2内に設けられたディバイドプレート8により前記第3タンク部2Cと分断されている。この第3タンク部2Cの高さ方向における上部には、蓋として機能するエンドプレート7がろう付けされている。
第4タンク部2Dは、下段となる第3流路R3を構成する数本のチューブ3に対応して設けられ、それらチューブ3の端部をそのタンク内に挿入させてろう付け連通させている。そして、第4タンク部2Dには、第1流路R1、第2流路R2、第3流路R3を順に流れることにより熱交換されて冷却された冷媒をコア部1外へと排出させるための冷媒出口部となる冷媒出口パイプ9が取り付けられている。この第4タンク部2Dの高さ方向における下部には、蓋として機能するエンドプレート7がろう付けされている。
このように構成された熱交換器では、図2に示すように、コンプレッサーで圧縮されて高温高圧となった冷媒が冷媒導入パイプ6から導入されると、該冷媒導入パイプ6が取り付けられた第1タンク部2A内に流れ、この第1タンク部2Aからそれぞれのチューブ3内に分散されて第1流路R1を流れる。この第1流路R1を冷媒が流れることにより、ファンにより導入される風を受けて前記冷媒と熱交換して当該冷媒を冷却する。
熱交換により冷却された冷媒は、第1流路R1の出口部分に設けられた第3タンク部2Cへと流れ、ここで流路の向きが変えられる。そして、冷媒は、この第3タンク部2Cに接続された各チューブ3を先の第1流路R1の流れ方向とは逆向きに流れる。この第2流路R2を流れる冷媒は、同様にファンによる導入空気を受け熱交換されてさらに冷却される。
冷媒は、第2流路R2の出口に来ると、今度は第2タンク部2B内に流れ込む。第2タンク部2B内に流れ込んだ冷媒は、その向きを変え、この第2タンク部2Bと接続される各チューブ3内を第2流路R2の流れ方向とは逆向きに流れる。この第3流路R3を流れる冷媒は、やはりファンによる導入空気を受け熱交換されてさらに冷却される。そして、冷媒は、第3流路R3の出口部分で第4タンク部2Dに流れ込んだ後、この第4タンク部2Dに取り付けられた冷媒出口パイプ9からコア部外へと排出される。
ところで、CO2を冷媒とする熱交換器では、図5に示すように、CO2冷媒の熱物性に起因して冷媒入口部分が他の部位に比べて最も高温となり、熱膨張量が極めて大きくなる。熱膨張量の大きさを図5に表記した矢印の大きさで示す。その結果、図6に示すように、コア部1の第1流路R1と対応する部位が他の部位に比べて熱応力を受け易く、その第1流路R1と対応する部位のヘッダタンク2が応力を受けて熱変形し、熱交換器自体の耐久寿命が減少する。
これに対して、第1実施形態の熱交換器では、図4に示すように、最も高温となり熱膨張が生じ易い冷媒入口部分に対応する第1タンク部2Aをその下の第2タンク部2Bに対して物理的に分離しているため、第1流路R1に対応するコア部1の部位が熱膨張により延びても他の部位に対してその熱膨張による熱応力の影響を無くさせることができる。これにより、ヘッダタンク2が熱変形することなく、熱交換器自体の耐久寿命が延びる。
「第2実施形態」
第2実施形態は、図7に示すように、冷媒導入パイプ6と接続される上段(最初段)の第1タンク部2Aと、この第1タンク部2Aの下に設けられる第2タンク部2Bとの間に、非熱伝導性手段10を介在させた例である。
第2実施形態は、図7に示すように、冷媒導入パイプ6と接続される上段(最初段)の第1タンク部2Aと、この第1タンク部2Aの下に設けられる第2タンク部2Bとの間に、非熱伝導性手段10を介在させた例である。
具体的には、第1タンク部2Aの下端に設けたエンドプレート7と、第2タンク部2Bの上端に設けたエンドプレート7との間に、空気層または非熱伝導性物質からなる非熱伝導性手段10を配置する。非熱伝導性物質には、例えばグラスウールやポリスチレンフォーム等が使用される。
さらに、比熱伝導性物質には弾性を有していることが望ましい。
第2実施形態の熱交換器では、第1タンク部2Aと第2タンク部2Bとの間に空気層または非熱伝導性物質からなる非熱伝導性手段10を設けたことにより、タンク部2Aの熱膨張を吸収し、タンク部2Bへ伝わらないようにするとともに、第1タンク部2Aからその下の第2タンク部2Bに熱が伝達され難くなり、ヘッダタンク2に対する応力を低減できる。これにより、実施形態1の熱交換器よりも更に熱交換器の耐久寿命を延ばすことができる。
図8では、第1タンク部2Aと第2タンク部2B間の空隙が小さい場合には、非熱伝導性手段10と対応する位置のチューブ3を1本、冷媒を流さないデッドチューブとしてもよい。
「第3実施形態」
第3実施形態は、図9に示すように、第1タンク部2Aと第2タンク部2B間と対応する部位の冷却フィン4の一部または全部を切断した例である。冷却フィン4のカットは、コア部1を組み立てる前に行うと組み付けることができなくなるため、熱交換器組立後に行う。
第3実施形態は、図9に示すように、第1タンク部2Aと第2タンク部2B間と対応する部位の冷却フィン4の一部または全部を切断した例である。冷却フィン4のカットは、コア部1を組み立てる前に行うと組み付けることができなくなるため、熱交換器組立後に行う。
第1タンク部2Aと第2タンク部2Bとの間の部位と対応する部位の冷却フィン4の一部または全部を切断すれば、カットされた部位から熱応力の伝達がより一層低減する。
「第4実施形態」
第4実施形態は、図10に示すように、冷媒流通路を各流路R1,R2,R3に分断する全てのタンク部2A,2B,2C,2Dを分離した例である。
第4実施形態は、図10に示すように、冷媒流通路を各流路R1,R2,R3に分断する全てのタンク部2A,2B,2C,2Dを分離した例である。
具体的には、第1タンク部2Aと第2タンク部2Bの間と、第3タンク部2Cと第4タンク部2Dとの間を、それぞれ物理的に分離している。分離した各タンク部2A,2B,2C,2Dの上端部及び下端部には、それぞれエンドプレート7を取り付けている。
このように、第4実施形態の熱交換器では、各流路R1,R2,R3に分断する全てのタンク部2A,2B,2C,2D間を分離したので、各タンク部2A,2B,2C,2Dがそれぞれ独立し、互いのタンク部2A,2B,2C,2Dからの熱応力を受け難くなる。
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、前記各実施形態は本発明の一例であり、本発明は、前記各実施形態に制限されることはない。
1…コア部
2…ヘッダタンク
3…チューブ
4…冷却フィン
6…冷媒導入パイプ(冷媒入口部)
7…エンドプレート
9…冷媒出口パイプ(冷媒出口部)
10…非熱伝導性手段(空気層または非熱伝導性物質)
2…ヘッダタンク
3…チューブ
4…冷却フィン
6…冷媒導入パイプ(冷媒入口部)
7…エンドプレート
9…冷媒出口パイプ(冷媒出口部)
10…非熱伝導性手段(空気層または非熱伝導性物質)
Claims (6)
- 内部に冷媒が流通するチューブ(3)と冷却フィン(4)とを交互に複数積層してなるコア部(1)の両端に各チューブ(3)と連通するヘッダタンク(2)を設け、一方のヘッダタンク(2)に接続された冷媒入口部(6)から各チューブ(3)を通って他方のヘッダタンク(2)に接続された冷媒出口部(9)まで連続する冷媒流通路を、複数本のチューブ(3)で構成される各流路(R1,R2,R3)に分断し、各流路(R1,R2,R3)を流れる冷媒が積層方向で交互に逆向きとなるように前記ヘッダタンク(2)を複数のタンク部(2A,2B,2C,2D)に分割してなる熱交換器であって、
少なくとも前記冷媒入口部(6)と接続される最初段のタンク部(2A)と、この最初段のタンク部(2A)に隣接して設けられるタンク部(2B)とを分離した
ことを特徴とする熱交換器。 - 請求項1に記載の熱交換器であって、
前記冷媒流通路を各流路(R1,R2,R3)に分断する全てのタンク部(2A,2B,2C,2D)間を分離した
ことを特徴とする熱交換器。 - 内部に冷媒が流通するチューブ(3)と冷却フィン(4)とを交互に複数積層してなるコア部(1)の両端に各チューブ(3)と連通するヘッダタンク(2)を設け、一方のヘッダタンク(2)に接続された冷媒入口部(6)から各チューブ(3)を通って他方のヘッダタンク(2)に接続された冷媒出口部(9)まで連続する冷媒流通路を、複数本のチューブ(3)で構成される各流路(R1,R2,R3)に分断し、各流路(R1,R2,R3)を流れる冷媒が積層方向で交互に逆向きとなるように前記ヘッダタンク(2)を複数のタンク部(2A,2B,2C,2D)に分割してなる熱交換器であって、
少なくとも前記冷媒入口部(6)と接続される最初段のタンク部(2A)と、この最初段のタンク部(2A)に隣接して設けられるタンク部(2B)との間に、非熱伝導性手段(10)を介在させた
ことを特徴とする熱交換器。 - 請求項3に記載の熱交換器であって、
前記非熱伝導性手段(10)を、前記冷媒流通路を各流路(R1,R2,R3)に分断する全てのタンク部(2A,2B,2C,2D)間に介在させた
ことを特徴とする熱交換器。 - 請求項3または請求項4に記載の熱交換器であって、
前記非熱伝導性手段(10)は、前記最初段のタンク部(2A)と、この最初段のタンク部(2A)に隣接して設けられるタンク部(2B)との間に設けられる空気層または非熱伝導性物質からなる
ことを特徴とする熱交換器。 - 請求項1から請求項5の何れか一つに記載の熱交換器であって、
前記冷媒流通路を各流路(R1,R2,R3)に分断するタンク部(2A,2B,2C,2D)間と対応する部位の冷却フィン(4)の一部または全部を切断した
ことを特徴とする熱交換器。
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