JP2020153641A - 熱交換器、及び扁平チューブの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】螺旋流を発生させることで流れを乱し、より簡易的に熱媒体の層流化を抑制し、熱交換性能を向上させる。【解決手段】扁平チューブ１３は、板部２１と板部２２とで形成され、流路２４の内壁面には、螺旋溝３３が形成される。【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器、及び熱交換器を構成する扁平チューブの製造方法に関するものである。

扁平形のチューブにおいて、冷媒が流れる各貫通孔の内周面に、周方向に沿ってジグザグになる溝を形成することで、伝熱面積を拡大し、熱交換性能の向上を図るものがある。

実開平４−７３７６３号公報

チューブは押出成形され、各貫通孔に形成される溝は軸方向に延びているため、冷媒の流れは軸方向に沿った層流となる。したがって、貫通孔の内周面に接することなく流れる冷媒は、貫通孔の内周面に接して流れる冷媒よりも伝熱が促進されにくくなり、熱交換性能が抑制される可能性がある。なお、中空のチューブ内に、螺旋流を発生させるインナーフィンを別部材で設けることも考えられるが、コストや重量の面で不利となる。本発明の課題は、螺旋流を発生させることで流れを乱し、より簡易的に熱媒体の層流化を抑制し、熱交換性能を向上させることである。

本発明の一態様に係る熱交換器は、熱媒体が流れる複数の流路を形成した扁平チューブを備えた熱交換器において、扁平チューブは、長手方向に延び短手方向に並んだ複数の流路凹部が一方の面に形成された第一の板部と、第一の板部における一方の面に接合され、第一の板部に形成された流路凹部と共に流路を構成する第二の板部と、を備え、流路凹部の内壁面に螺旋溝を設けた。

本発明の一態様に係る扁平チューブの製造方法は、熱交換器が備え、熱媒体が流れる複数の流路を形成した扁平チューブを、長手方向に延び短手方向に並んだ複数の流路凹部が一方の面に形成された第一の板部と、第一の板部における一方の面に接合され第一の板部に形成された流路凹部と共に流路を構成する第二の板部と、で形成し、流路凹部の内壁面に螺旋溝を形成し、螺旋溝をプレス加工によって成形する。

本発明によれば、流路凹部の内壁面に螺旋溝が設けられているため、螺旋流を発生させることで流れを乱し、より簡易的に熱媒体の層流化を抑制し、熱交換性能を向上させることができる。また、螺旋溝をプレス加工によって形成するため、螺旋流を発生させることで流れを乱し、より簡易的に熱媒体の層流化を抑制し、熱交換性能を向上させることができる。

熱交換器を示す図である。 チューブの一端側を示す斜視図である。 折り曲げる前の状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図面は模式的なものであって、現実のものとは異なる場合がある。また、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、構成を下記のものに限定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

《一実施形態》
《構成》
以下の説明では、互いに直交する三方向を、便宜的に、縦方向、横方向、及び奥行方向とする。この際、空気の流通方向を奥行方向とする。図１は、熱交換器を示す図である。ここでは、熱交換器１１の正面、つまり奥行方向の風上側から見た状態を示す。熱交換器１１は、カーエアコンやショーケース等、ヒートポンプサイクル及び冷凍回路において、蒸発器や凝縮器として機能するものである。アルミ製の熱交換器１１は、上下一対のヘッダ１２と、複数の扁平チューブ１３と、複数のフィン１４と、を備える。

一対のヘッダ１２は、横方向に延び、縦方向に間隔を空けて設けられている。ヘッダ１２は、両端が閉塞された円筒状の配管によって形成されており、内部は隔壁１７によって横方向に並んだ区画に仕切られている。上方のヘッダ１２は、内部が横方向一端側の区画１２Ａと横方向他端側の区画１２Ｂとに分けられており、横方向一端側の区画１２Ａには流入口１５が設けられている。下方のヘッダ１２は、内部が横方向一端側の区画１２Ｃと横方向他端側の区画１２Ｄとに分けられており、横方向他端側の区画１２Ｄには排出口１６が設けられている。

各扁平チューブ１３は、縦方向に延び、上端及び下端の夫々がヘッダ１２に接続され、横方向に沿って等間隔に設けられている。すなわち、扁平チューブ１３は縦方向が長手方向、横方向が短手方向となる。扁平チューブ１３は横方向に薄い扁平形状であり、両端をヘッダ１２の内部に連通させてヘッダ１２にろう付けされている。ここでは１２本ある場合を示してあり、夫々を識別する場合は、横方向の一端から他端に向かって順に１３ａ〜１３ｌとする。上方のヘッダ１２では、扁平チューブ１３ｄと扁平チューブ１３ｅとの間が隔壁１７によって仕切られており、下方のヘッダ１２では、扁平チューブ１３ｈと扁平チューブ１３ｉとの間が隔壁１７によって仕切られている。各フィン１４は、隣り合う扁平チューブ１３同士の間にろう付けによって固定されている。

ヘッダ１２及び扁平チューブ１３によって、流路が形成されており、そこを冷媒（熱媒体）が流れる。すなわち、先ず流入口１５を介して上方のヘッダ１２における横方向一端側の区画１２Ａへ流入し、扁平チューブ１３ａ〜１３ｄに分配されてから下方のヘッダ１２における横方向一端側の区画１２Ｃへ流入する。次に扁平チューブ１３ｅ〜１３ｈに分配されてから上方のヘッダ１２における横方向他端側の区画１２Ｂへ流入し、次に扁平チューブ１３ｉ〜１３ｌに分配されてから下方のヘッダ１２における横方向他端側の区画１２Ｄへ流入し、排出口１６を介して排出される。こうして、冷媒は各扁平チューブ１３を流れるときに、扁平チューブ１３及びフィン１４の周囲を流れる空気との間で熱交換を行なう。すなわち、冷媒は周囲を流れる空気から吸熱することで蒸発気化し、空気は冷媒の吸熱によって冷やされる。

次に、扁平チューブ１３の詳細について説明する。図２は、チューブの一端側を示す斜視図である。扁平チューブ１３は、連続した一枚の板材を縦方向に沿った折り目で折り曲げて接合した扁平形であり、一片側の板部２１（第一の板部）と、他片側の板部２２（第二の板部）と、を備える。板部２１における板部２２との対向面には、縦方向に延び奥行方向に並んだ複数の流路凹部２３が形成されている。ここでは一例として六つの流路凹部２３がある。

板部２２における板部２１との対向面には、縦方向に延び奥行方向に並び、板部２１の流路凹部２３に対向する複数の流路凹部２３が形成されている。各流路凹部２３は、断面が略半円形であり、板部２１と板部２２とが接合されるときに、対向する一対の流路凹部２３によって断面が略円形の流路２４が形成される。流路２４の直径は約１.５ｍｍよりも小さい。このように、流路２４の直径を小さくすることで、流路２４内を流れる冷媒の流速を速くすることができる。これにより、熱交換性能を向上することができる。このように、板部２１の流路凹部２３と板部２２の流路凹部２３とで流路２４を構成し、板部２１及び板部２２の接合面２５同士がろう付けされることで各流路２４が封止される。

図３は、折り曲げる前の状態を示す図である。図中の（ａ）は扁平チューブ１３を内側から見た図であり、図中の（ｂ）は扁平チューブ１３を縦方向から見た図である。流路凹部２３には、上流側に位置する区間３１と、下流側に位置する区間３２とがある。ここでは、流路凹部２３における縦方向の全域に、区間３１と区間３２とが形成されている。区間３１は、縦方向の上流側に配置され、通過する冷媒に螺旋流を発生させるために、上流側から見た巻き方向が例えば右回りとなる螺旋溝３３が形成されている。区間３２は、縦方向の下流側に配置され、通過する冷媒に螺旋流を発生させるために、上流側から見た巻き方向が例えば左回りとなる螺旋溝３４が形成されている。すなわち、螺旋溝３３と螺旋溝３４とは、巻き方向が異なるという意味で不規則に配置されている。下流側の螺旋溝３４は、上流側の螺旋溝３３よりもピッチが小さく、且つ溝深さが深い。板部２１と板部２２とを接合したときに、螺旋溝３３と螺旋溝３４とは、上流側から下流側に延びる一連の螺旋形状をなす。

上流側の螺旋溝３３、及び下流側の螺旋溝３４は、全てプレス加工によって成形されている。すなわち、一片側の板部２１及び他片側の板部２２は、連続した一枚の板材からなり、一方の面に上流側の螺旋溝３３及び下流側の螺旋溝３４がプレス加工によって成形される。ここでは、他方の面が平らになるように、圧縮によって螺旋溝３３及び螺旋溝３４を成形しているが、他方の面が凹凸になるように、絞りによって螺旋溝３３及び螺旋溝３４を成形してもよい。

板部２１及び板部２２は、縦方向に沿った折り目２６で折り返し曲げ（ヘミング曲げ）される。例えば、一工程目で鋭角にＶ曲げし、二工程目で平潰して密着させる。また、一工程目で直角にＬ曲げし、二工程目で曲げ込み、三工程目で平潰して密着させてもよい。平潰しをする際、板部２１と板部２２との接合面２５に、ろう材からなるブレージングシートを介在させ、ろう付けされる。

《作用》
次に、一実施形態の主要な作用効果について説明する。
扁平形のチューブにおいて、冷媒が流れる各貫通孔の内周面に、周方向に沿ってジグザグになる溝を形成することで、伝熱面積を拡大し、熱交換性能の向上を図るものがある。しかしながら、押出成形されるチューブは、各貫通孔に形成される溝が軸方向に延びるため、冷媒の流れが軸方向に沿った層流となる。そのため、貫通孔の内周面に接することなく流れる冷媒は、貫通孔の内周面に接して流れる冷媒よりも伝熱が促進されにくくなり、熱交換性能が抑制される可能性がある。なお、中空のチューブ内に、螺旋流を発生させるインナーフィンを別部材で設けることも考えられるが、コストや重量の面で不利となる。

本実施形態では、板部２１と板部２２とで扁平チューブ１３を形成している。板部２１及び板部２２を接合することで、対向する一対の流路凹部２３により流路２４が形成される。また、各流路凹部２３の内壁面には螺旋溝３３及び螺旋溝３４が形成されている。このように、流路凹部２３の内壁面に螺旋溝３３及び螺旋溝３４が形成されているため、通過する冷媒に螺旋流を発生させることで流れを乱すことができる。したがって、より簡易的に冷媒の層流化を抑制し、熱交換性能を向上させることができる。また、インナーフィンを別部材で設ける構成と比べて、コストや重量の増加を抑制できる。

また、流路凹部２３の少なくとも上流側に螺旋溝３３が形成されている。したがって、流路２４の上流側で冷媒に螺旋流を発生させることができる。

また、流路凹部２３の内壁面に、長手方向に沿って螺旋溝３３及び螺旋溝３４を不規則に複数配置している。これにより、通過する冷媒の流れが乱されるため、冷媒の層流化を抑制し、熱交換性能を向上させることができる。

上流側の螺旋溝３３によって螺旋流化しても、下流側に向かうほど徐々に層流化することが考えられる。そこで、上流側の螺旋溝３３と下流側の螺旋溝３４とは、巻き方向を逆にしている。これにより、徐々に層流化する冷媒を、下流側の螺旋溝３４によって更に螺旋流化させる。したがって、より効果的に螺旋流を発生させ、熱交換性能を向上させることができる。

また、冷媒は先ず扁平チューブ１３の上流側で空気との熱交換が行なわれるため、一般に下流側は上流側に比べて熱交換効率が低下してしまう。そこで、下流側の螺旋溝３４は、上流側の螺旋溝３３よりもピッチが小さく、且つ溝深さが深い。これにより、熱交換効率が低減する下流側で、より効果的に螺旋流を発生させ、熱交換効率を向上させることができる。

板部２１及び板部２２は、一体形成されており、各流路凹部２３が内側になるように折り曲げて接合されている。これにより、板部２１及び板部２２を別部材で構成する場合と比べて、部品点数を減少させ、且つ扁平チューブ１３の剛性を向上させることができる。

また、上流側の螺旋溝３３及び下流側の螺旋溝３４を、プレス加工によって成形する。これにより、巻き方向、ピッチ、溝深さ等が異なる不規則な螺旋溝を複数成形することができ、押出成形よりも設計の自由度が向上する。

《変形例》
本実施形態では、板部２１及び板部２２の双方に流路凹部２３を形成しているが、これに限定されるものではない。すなわち、板部２１及び板部２２の何れか一方だけに流路凹部２３を形成し、この流路凹部２３を封止することができれば、他方は平面のままでもよい。

本実施形態では、流路凹部２３における縦方向の全域に螺旋溝３３及び螺旋溝３４が形成されているが、これに限定されるものではない。区間３１よりも上流側、また区間３１と区間３２との間、また区間３２よりも下流側等に、螺旋溝３３や螺旋溝３４が形成されていない区間を形成してもよい。プレス加工であるからこそ、このように不規則な螺旋溝を任意に成形することができる。

本実施形態では、縦方向に延びる扁平チューブ１３を設けた縦流れの構造について説明したが、これに限定されるものではない。横方向に延びる扁平チューブ１３を設けた横流れの構造としてもよい。

以上、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく実施形態の改変は、当業者にとって自明のことである。

１１…熱交換器、１２…ヘッダ、１３…扁平チューブ、１４…フィン、１５…流入口、１６…排出口、１７…隔壁、２１…板部（第一の板部）、２２…板部（第二の板部）、２３…流路凹部、２４…流路、２５…接合面、２６…折り目、３１…区間、３２…区間、３３…螺旋溝、３４…螺旋溝

Claims (7)

1. 熱媒体が流れる複数の流路を形成した扁平チューブを備えた熱交換器において、
   前記扁平チューブは、
   長手方向に延び短手方向に並んだ複数の流路凹部が一方の面に形成された第一の板部と、
   前記第一の板部における一方の面に接合され、前記第一の板部に形成された前記流路凹部と共に前記流路を構成する第二の板部と、を備え、
   前記流路凹部の内壁面に螺旋溝を設けたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記流路凹部の少なくとも上流側に前記螺旋溝を設けたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記流路凹部の内壁面に、長手方向に沿って前記螺旋溝を不規則に複数配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記流路凹部の内壁面に、巻き方向が互いに異なる前記螺旋溝を交互に配置したことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記螺旋溝は、上流側に位置する前記螺旋溝よりも下流側に位置する前記螺旋溝のピッチが小さい、又は溝が深いことを特徴とする請求項３又は４に記載の熱交換器。
6. 前記第一の板部及び前記第二の板部は、一体形成されており、前記流路凹部が内側になるように折り曲げて接合されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の熱交換器。
7. 熱交換器が備え、熱媒体が流れる複数の流路を形成した扁平チューブを、長手方向に延び短手方向に並んだ複数の流路凹部が一方の面に形成された第一の板部と、前記第一の板部における一方の面に接合され前記第一の板部に形成された前記流路凹部と共に前記流路を構成する第二の板部と、で形成し、
   前記流路凹部の内壁面に螺旋溝を形成し、
   前記螺旋溝をプレス加工によって成形することを特徴とする扁平チューブの製造方法。

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