JP2010255864A - 扁平管および熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】扁平管の横断面における全流体通路の内周囲長を長くして伝熱面積を増大させることができるとともに、容易に製造することができる扁平管を提供する。
【解決手段】冷媒流通管（扁平管）４は、互いに対向する１対の平坦壁13と、２つの側壁14とを備えており、管長さ方向にのびる複数の流体通路16,16Aが、仕切壁15を介して管幅方向に並んで形成されている。両平坦壁13における管幅方向の両端の流体通路16Aを除いた各流体通路16に臨む部分の内面に、流体通路16の長さ方向にのびる１つの凸条17を形成し、仕切壁15の両側面に、流体通路16の長さ方向にのびる１つの凸条18を形成する。仕切壁15に形成された凸条18の高さを、両平坦壁における管幅方向の両端の流体通路16Aを除いた各流体通路16に臨む部分に形成された凸条17の高さよりも低くする。
【選択図】図２
【解決手段】冷媒流通管（扁平管）４は、互いに対向する１対の平坦壁13と、２つの側壁14とを備えており、管長さ方向にのびる複数の流体通路16,16Aが、仕切壁15を介して管幅方向に並んで形成されている。両平坦壁13における管幅方向の両端の流体通路16Aを除いた各流体通路16に臨む部分の内面に、流体通路16の長さ方向にのびる１つの凸条17を形成し、仕切壁15の両側面に、流体通路16の長さ方向にのびる１つの凸条18を形成する。仕切壁15に形成された凸条18の高さを、両平坦壁における管幅方向の両端の流体通路16Aを除いた各流体通路16に臨む部分に形成された凸条17の高さよりも低くする。
【選択図】図２
Description
この発明は、熱交換器の熱交換管、たとえばカーエアコンのコンデンサやエバポレータの冷媒流通管、カーエアコンのヒータコアのエンジン冷却水流通管、自動車用オイルクーラのオイル流通管、自動車用ラジエータのエンジン冷却水流通管などとして使用される扁平管および扁平管を用いた熱交換器に関する。
この明細書において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。
熱交換器の熱交換管として用いられる扁平管として、互いに対向する１対の平坦壁と、両平坦壁の両側縁どうしにまたがって設けられた２つの側壁とを備えており、管長さ方向にのびる複数の流体通路が、仕切壁を介して管幅方向に並んで形成されたアルミニウム押出形材製のものが広く用いられている。
ところで、熱交換器の熱交換性能を向上させるには、扁平管の横断面における全流体通路の総内周囲長を長くして伝熱面積を増大させることが効果的であり、両平坦壁における各流体通路に臨む部分の内面に、それぞれ流体通路の長さ方向にのびる複数の凸条が管幅方向に間隔をおいて形成されているアルミニウム押出形材製の扁平管が提案されている（特許文献１参照）。
一方、扁平管の横断面における全流体通路の総内周囲長を長くするには、流体通路の幅を小さくして流体通路の数を増やすことが効果的であることも分かっており、この場合、特許文献１記載の扁平管のように、両平坦壁における各流体通路に臨む部分の内面に、それぞれ流体通路の長さ方向にのびる複数の凸条が管幅方向に間隔をおいて形成することは、押出用ダイスの強度が低下するので、押出加工性が低下して製造が困難になる。
この発明の目的は、上記問題を解決し、扁平管の横断面における全流体通路の内周囲長を長くして伝熱面積を増大させることができるとともに、容易に製造することができる扁平管を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。
1)互いに対向する１対の平坦壁と、両平坦壁の両側縁どうしにまたがって設けられた２つの側壁とを備えており、管長さ方向にのびる複数の流体通路が、仕切壁を介して管幅方向に並んで形成されている押出形材製の扁平管において、
両平坦壁における管幅方向の両端の流体通路を除いた各流体通路に臨む部分の内面に、当該流体通路の長さ方向にのびる１つの凸条が形成され、隣り合う流体通路間の仕切壁の両側面に、流体通路の長さ方向にのびる１つの凸条が形成されている扁平管。
両平坦壁における管幅方向の両端の流体通路を除いた各流体通路に臨む部分の内面に、当該流体通路の長さ方向にのびる１つの凸条が形成され、隣り合う流体通路間の仕切壁の両側面に、流体通路の長さ方向にのびる１つの凸条が形成されている扁平管。
2)仕切壁に形成された凸条の高さが、両平坦壁における管幅方向の両端の流体通路を除いた各流体通路に臨む部分に形成された凸条の高さよりも低くなっている上記1)記載の扁平管。
3)平坦壁の凸条が、管幅方向の両端の流体通路を除いた各流体通路の管幅方向の中央部に形成され、仕切壁の凸条が、仕切壁の高さ方向の中央部に形成されている上記1)または2)記載の扁平管。
4)全凸条の先端面が横断面半円形であるとともに、全凸条の先端面の曲率半径が等しくなっており、全凸条の高さが凸条の先端面の曲率半径よりも高くなっており、両平坦壁における管幅方向の両端の流体通路を除いた各流体通路に臨む部分に形成された凸条の先端面の曲率の中心と、仕切壁における管幅方向の両端の流体通路を除いた各流体通路に臨む部分に形成された凸条の先端面の曲率の中心とを結ぶ直線上での両凸条間の距離が一定であり、両平坦壁における管幅方向の両端の流体通路を除いた各流体通路に臨む部分に形成された２つの凸条の高さが相互に等しくなっているとともに、仕切壁における管幅方向の両端の流体通路を除いた各流体通路に臨む部分に形成された２つの凸条の高さが相互に等しくなっている上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の扁平管。
5)互いに間隔をおいて配置された１対のヘッダタンク間に、上記1)〜4)のうちのいずれかに記載された複数の扁平管からなる熱交換管が相互に間隔をおいて並列状に配置され、すべての熱交換管の両端部がヘッダタンクにろう付され、隣り合う熱交換管どうしの間の通風間隙にフィンが配置され、フィンが熱交換管にろう付されている熱交換器。
上記1)の扁平管によれば、両平坦壁における管幅方向の両端の流体通路を除いた各流体通路に臨む部分の内面には、流体通路の長さ方向にのびる１つの凸条が形成されているだけであるので、流体通路の幅を小さくして流体通路の数を増やすことが可能となり、扁平管の横断面における全流体通路の総内周囲長を長くして伝熱面積を増大させることができる。しかも、隣り合う流体通路間の仕切壁の両側面に、流体通路の長さ方向にのびる１つの凸条が形成されているので、これによっても、扁平管の横断面における全流体通路の総内周囲長を長くして伝熱面積を増大させることができる。したがって、この扁平管を用いた熱交換器の熱交換性能が向上する。また、両平坦壁における管幅方向の両端の流体通路を除いた各流体通路に臨む部分の内面には、流体通路の長さ方向にのびる１つの凸条が形成されているだけであるので、流体通路の幅を小さくして流体通路の数を増やしたとしても、押出加工性が低下することはなく、比較的容易に製造することができる。
上記2)の扁平管によれば、仕切壁に形成された凸条の高さが、両平坦壁における管幅方向の両端の流体通路を除いた各流体通路に臨む部分に形成された凸条の高さよりも低くなっているので、仕切壁の凸条の先端から平坦壁の外面までの伝熱距離を、平坦壁の凸条の先端から平坦壁の外面までの伝熱距離に近づけることができ、流体通路内を流れる流体から平坦壁外面への伝熱性が向上する。また、押出加工時には、仕切壁は外周から流れ込む金属材料により成形されるので、仕切壁に形成された凸条の高さが高くなると、当該凸条の横断面形状の寸法精度が低下することがある。しかしながら、仕切壁に形成された凸条の高さが、両平坦壁における各流体通路に臨む部分に形成された凸条の高さよりも低くなっていると、仕切壁の凸条の横断面形状の寸法精度の低下を抑制することができる。
上記4)の扁平管によれば、扁平管の横断面における全流体通路の総内周囲長を、効果的に長くして伝熱面積を増大させることができる。
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。この実施形態は、この発明による扁平管を、フロン系冷媒を使用したカーエアコンのコンデンサの冷媒流通管に適用したものである。
図１はこの発明による扁平管からなる冷媒流通管を有するカーエアコン用コンデンサの全体構成を示し、図２および図３はその要部の構成を示す。
なお、以下の説明において、図１の上下、左右を上下、左右というものとし、通風方向下流側（図１に矢印Ｘで示す方向および図２の右側）を前、これと反対側を後というものとする。
図１において、カーエアコン用のコンデンサ(1)（熱交換器）は、左右方向に間隔をおいて配置された上下方向にのびる１対のアルミニウム製ヘッダタンク(2)(3)と、両ヘッダタンク(2)(3)間において幅方向を通風方向に向けるとともに上下方向に間隔をおいて配置され、かつ両端部が両ヘッダタンク(2)(3)にろう付された複数のアルミニウム押出形材製扁平状冷媒流通管(4)（扁平管）と、隣り合う冷媒流通管(4)どうしの間、および上下両端の冷媒流通管(4)の外側に配置されて冷媒流通管(4)にろう付されたアルミニウム製コルゲートフィン(5)と、上下両端のコルゲートフィン(5)の外側に配置されてコルゲートフィン(5)にろう付されたアルミニウム製サイドプレート(6)とを備えている。
左側ヘッダタンク(2)は、高さ方向の中央部よりも上方において仕切部材(7)により上下２つのヘッダ部(2a)(2b)に仕切られ、右側ヘッダタンク(3)は、高さ方向の中央部よりも下方において仕切部材(7)により上下２つのヘッダ部(3a)(3b)に仕切られている。左側ヘッダタンク(2)の上ヘッダ部(2a)に流体入口（図示略）が形成され、流体入口に通じる流入路(8a)を有するアルミニウムベア材製入口部材(8)が上ヘッダ部(2a)にろう付されている。また、右側ヘッダタンク(3)の下ヘッダ部(3b)に流体出口（図示略）が形成され、流体出口に通じる流出路(9a)を有するアルミニウムベア材製出口部材(9)が下ヘッダ部(3b)にろう付されている。
左右のヘッダタンク(2)(3)は、少なくとも外面にろう材層を有するアルミニウム製パイプ、たとえば両面にろう材層を有するアルミニウムブレージングシートからなる素板が筒状に成形されるとともに両側縁部が部分的に重ね合わされて相互にろう付された筒状体からなり、かつ前後方向に長い複数の管挿入穴を有するタンク本体(11)と、タンク本体(11)の両端にろう付されてその両端開口を閉鎖するアルミニウム製閉鎖部材(12)とからなる。なお、ヘッダタンク本体(11)の詳細な図示は省略する。また、ヘッダタンク本体(11)は、外周面にろう材が溶射されたアルミニウム押出管からなるものであってもよい。
図２に示すように、冷媒流通管(4)は、上下方向に間隔をおいて互いに対向する１対の平坦壁(13)と、両平坦壁(13)の両側縁どうしにまたがって一体に設けられた２つの側壁(14)と、両側壁(14)間において両平坦壁(13)にまたがるとともに相互に前後方向（管幅方向）に所定間隔をおいて設けられ、かつ管長さ方向にのびる複数の仕切壁(15)とを備えたものであり、左右方向（管長さ方向）にのびる複数の流体通路(16)(16A)が、仕切壁(15)を介して管幅方向に並んで形成されたものである。前後両端部の流体通路(16A)を除いた他の流体通路(16)の横断面形状は四角形である。なお、図２においては、流体通路(16)(16A)における平坦壁(13)の内面と仕切壁(15)の両側面との連接部は直角となっているが、当該連接部には丸みが形成されている場合もある。
冷媒流通管(4)の両平坦壁(13)における各流体通路(16)に臨む部分の内面に、流体通路(16)の長さ方向にのびる１つの凸条(17)が形成され、隣り合う流体通路(16)間の仕切壁(15)の両側面に、流体通路(16)の長さ方向にのびる１つの凸条(18)が形成されている。両平坦壁(13)における各流体通路(16)に臨む部分の内面の凸条(17)は各流体通路(16)の前後方向の中央部に形成され、仕切壁(15)の両側面の凸条(18)は仕切壁(15)の高さ方向（上下方向）の中央部に形成されている。
図３に示すように、仕切壁(15)に形成された凸条(18)の高さ(hb)は、両平坦壁(13)における各流体通路(16)に臨む部分の内面に形成された凸条(17)の高さ(ha)よりも低くなっている。この場合、仕切壁(15)の凸条(18)の先端から平坦壁(13)の外面までの伝熱距離を、平坦壁(13)の凸条(17)の先端から平坦壁(13)の外面までの伝熱距離に近づけることができ、流体通路(16)内を流れる流体から平坦壁(13)外面への伝熱性が向上する。また、押出加工時には、仕切壁(15)は外周から流れ込む金属材料により成形されるので、仕切壁(15)に形成される凸条(18)の高さ(hb)が高くなると、流れ込む金属材料が不足して当該凸条(18)の横断面形状の寸法精度が低下することがある。しかしながら、仕切壁(15)の凸条(18)の高さ(hb)が、両平坦壁(13)の凸条(17)の高さ(ha)よりも低くなっていると、仕切壁(15)の凸条(18)の横断面形状の寸法精度の低下を抑制することができる。
冷媒流通管(4)の全凸条(17)(18)の先端面は横断面半円形、すなわち円筒面状であるとともに、全凸条(17)(18)の先端面の曲率半径(R)は等しくなっており、全凸条(17)(18)の高さ(ha)(hb)は凸条(17)(18)の先端面の曲率半径(R)よりも高くなっていることが好ましい。また、１つの流体通路(16)における両平坦壁(13)の２つの凸条(17)の先端面の曲率の中心線と、１つの流体通路(16)における仕切壁(15)の２つの凸条(18)の先端面の曲率の中心線とを結ぶ直線(S)上での両凸条(17)(18)間の距離(d)は等しくなっていることが好ましい。さらに、両平坦壁(13)の凸条(17)の高さ(ha)は相互に等しくなっているとともに、１つの流体通路(16)における仕切壁(15)の両凸条(18)の高さ(hb)は相互に等しくなっていることが好ましい。
ここで、流体通路(16)の幅を２Ｗ、流体通路(16)の高さを２Ｈ、横断面における平坦壁(13)および仕切壁(15)の凸条(17)(18)の先端面の曲率半径(R)をそれぞれＲ１、平坦壁(13)の凸条(17)の高さ(hb)をａ＋Ｒ、仕切壁(15)の凸条(18)の高さ(ha)をｂ＋Ｒとした場合、流体通路(16)の内周囲長Ｌは次の式で求められる。すなわち、流体通路(16)は上下方向および通風方向の中心線に対してそれぞれ線対称なので、両中心線により分割された４分の１の区画の周囲長を求め、それを４倍することにより、流体通路(16)の内周囲長Ｌが求められる。
すなわち、
Ｌ＝４｛（Ｗ−Ｒ１）＋（Ｈ−Ｒ１）＋（ａ＋ｂ）＋πＲ１｝・・・(1)
となる。
Ｌ＝４｛（Ｗ−Ｒ１）＋（Ｈ−Ｒ１）＋（ａ＋ｂ）＋πＲ１｝・・・(1)
となる。
なお、流体通路(16)の横断面形状が正方形の場合には、
ｄ＝｛（Ｈ−ａ）２＋（Ｗ−ｂ）２｝１／２−２Ｒ・・・(2)
となる。ｄは、冷媒流通管(4)の押出加工性を考えると、その下限値には限界があるので一定とする。
ｄ＝｛（Ｈ−ａ）２＋（Ｗ−ｂ）２｝１／２−２Ｒ・・・(2)
となる。ｄは、冷媒流通管(4)の押出加工性を考えると、その下限値には限界があるので一定とする。
式(2)を変形すると、
（ｄ＋２Ｒ１）２＝（Ｈ−ａ）２＋（Ｗ−ｂ）２・・・(3)
となる。
（ｄ＋２Ｒ１）２＝（Ｈ−ａ）２＋（Ｗ−ｂ）２・・・(3)
となる。
式(3)から（Ｈ−ａ）および（Ｗ−ｂ）は、斜辺の長さが（ｄ＋２Ｒ１）である直角三角形の直角をなす他の２辺の長さを表すことになる。ここで、斜辺の長さが（ｄ＋２Ｒ１）、直角をなす他の２辺の長さが（Ｈ−ａ）および（Ｗ−ｂ）である直角三角形は、直径が（ｄ＋２Ｒ１）の円に内接することになるので、（Ｈ−ａ）と（Ｗ−ｂ）との和が最大となるのは、（Ｈ−ａ）＝（Ｗ−ｂ）の場合であり、（Ｈ−ａ）≠（Ｗ−ｂ）であれば、（Ｈ−ａ）＝（Ｗ−ｂ）の場合に比べて（Ｈ−ａ）と（Ｗ−ｂ）との和は小さくなる。すなわち、平坦壁(13)の凸条(17)の高さ(ha)をａ’＋Ｒ１、仕切壁(15)の凸条(18)の高さ(hb)をｂ’＋Ｒ１とし、ａ’＞ｂ’とすれば、
（Ｈ−ａ）＋（Ｗ−ｂ）＞（Ｈ−ａ’）＋（Ｗ−ｂ’）・・・(4)
となり、この(4)式から
ａ＋ｂ＜ａ’＋ｂ’・・・(5)
が導き出される。
（Ｈ−ａ）＋（Ｗ−ｂ）＞（Ｈ−ａ’）＋（Ｗ−ｂ’）・・・(4)
となり、この(4)式から
ａ＋ｂ＜ａ’＋ｂ’・・・(5)
が導き出される。
したがって、式(1)と式(5)から、流体通路(16)の横断面形状が正方形の場合には、流体通路(16)の内周囲長Ｌが長くなるのは、平坦壁(13)の凸条(17)の高さ(ha)が仕切壁(15)の凸条(18)の高さ(hb)よりも高い場合であることが分かる。
ここで、流体通路(16)の横断面形状が１辺０．６ｍｍ、すなわち２Ｈ＝２Ｗ＝０．６ｍｍの正方形で、平坦壁(13)の凸条(17)が流体通路(16)の前後方向の中央部に形成されているとともに、仕切壁(15)の凸条(18)が上下方向の中央部に形成されており、さらに凸条(17)(18)の厚みが０．２ｍｍ、ｄ＝０．１５ｍｍ、Ｒ１＝０．１ｍｍという条件で、平坦壁(13)の凸条(17)の高さ(ha)と仕切壁(15)の凸条(18)の高さ(hb)がいずれも０．１５２ｍｍの場合から、平坦壁(13)の凸条(17)の高さ(ha)が高くなるとともに仕切壁(15)の凸条(18)の高さ(hb)が低くなるように変化させた場合の内周囲長Ｌの変化を、上記式(1)に基づいて求めた結果を図４に示す。
上記実施形態においては、前後両端の流体通路(16A)を除いた流体通路(16)の横断面形状は正方形であるが、これに限定されるものではなく、長方形であってもよい。たとえば、流体通路(16)の横断面形状が横０．６ｍｍ、縦０．５ｍｍの長方形で、平坦壁(13)の凸条(17)が前後方向の中央部に形成されているとともに、仕切壁(15)の凸条(18)が上下方向の中央部に形成されており、さらに凸条(17)(18)の幅が０．２ｍｍ、ｄ＝０．１５ｍｍ、Ｒ１＝０．１ｍｍという条件で、平坦壁(13)の凸条(17)の高さ(ha)と仕切壁(15)の凸条(18)の高さ(hb)がいずれも０．１２９ｍｍの場合から、平坦壁(13)の凸条(17)の高さ(ha)が高くなるとともに仕切壁(15)の凸条(18)の高さ(hb)が低くなるように変化させた場合の内周囲長Ｌの変化を、上記式(1)に基づいて求めた結果を図５に示す。
この発明による扁平管は、カーエアコンを構成するコンデンサや、エバポレータなどの熱交換器に好適に用いられる。
(1)：コンデンサ（熱交換器）
(2)(3)：ヘッダタンク
(4)：冷媒流通管（扁平管）
(5)：コルゲートフィン
(13)：平坦壁
(14)：側壁
(15)：仕切壁
(16)(16A)：流体通路
(17)：凸条
(18)：凸条
(2)(3)：ヘッダタンク
(4)：冷媒流通管（扁平管）
(5)：コルゲートフィン
(13)：平坦壁
(14)：側壁
(15)：仕切壁
(16)(16A)：流体通路
(17)：凸条
(18)：凸条
Claims (5)
- 互いに対向する１対の平坦壁と、両平坦壁の両側縁どうしにまたがって設けられた２つの側壁とを備えており、管長さ方向にのびる複数の流体通路が、仕切壁を介して管幅方向に並んで形成されている押出形材製の扁平管において、
両平坦壁における管幅方向の両端の流体通路を除いた各流体通路に臨む部分の内面に、当該流体通路の長さ方向にのびる１つの凸条が形成され、隣り合う流体通路間の仕切壁の両側面に、流体通路の長さ方向にのびる１つの凸条が形成されている扁平管。 - 仕切壁に形成された凸条の高さが、両平坦壁における管幅方向の両端の流体通路を除いた各流体通路に臨む部分に形成された凸条の高さよりも低くなっている請求項１記載の扁平管。
- 平坦壁の凸条が、管幅方向の両端の流体通路を除いた各流体通路の管幅方向の中央部に形成され、仕切壁の凸条が、仕切壁の高さ方向の中央部に形成されている請求項１または２記載の扁平管。
- 全凸条の先端面が横断面半円形であるとともに、全凸条の先端面の曲率半径が等しくなっており、全凸条の高さが凸条の先端面の曲率半径よりも高くなっており、両平坦壁における管幅方向の両端の流体通路を除いた各流体通路に臨む部分に形成された凸条の先端面の曲率の中心と、仕切壁における管幅方向の両端の流体通路を除いた各流体通路に臨む部分に形成された凸条の先端面の曲率の中心とを結ぶ直線上での両凸条間の距離が一定であり、両平坦壁における管幅方向の両端の流体通路を除いた各流体通路に臨む部分に形成された２つの凸条の高さが相互に等しくなっているとともに、仕切壁における管幅方向の両端の流体通路を除いた各流体通路に臨む部分に形成された２つの凸条の高さが相互に等しくなっている請求項１〜３のうちのいずれかに記載の扁平管。
- 互いに間隔をおいて配置された１対のヘッダタンク間に、請求項１〜４のうちのいずれかに記載された複数の扁平管からなる熱交換管が相互に間隔をおいて並列状に配置され、すべての熱交換管の両端部がヘッダタンクにろう付され、隣り合う熱交換管どうしの間の通風間隙にフィンが配置され、フィンが熱交換管にろう付されている熱交換器。
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2009
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