JP2008304109A - 熱交換器 - Google Patents

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

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。

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。

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。

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。

図１は第１実施形態の熱交換器の正面図である。 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である。 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である。 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である。 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である。 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７は第２実施形態の熱交換器において非熱伝導性手段を介在させてタンク部間を分離させた例を示す要部拡大図である。 図８は第２実施形態の熱交換器の他の例を示す要部拡大図である。 図９は第３実施形態の熱交換器においてタンク部間を分離させた部位に対応する冷却フィンを切断した例を示す要部拡大図である。 図１０は第４実施形態の熱交換器において各流路に分断する全てのタンク部を分離した例を示す図である。

符号の説明

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）

Claims (6)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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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