JP2024013383A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡単な構造変更で熱交換器のコア部における温度分布の不均一を解消し、蒸発器や凝縮器などとして用いられる熱交換器の性能向上を図る。【解決手段】熱交換器は、複数のチューブと、チューブの一端側に接続される第１ヘッダタンクと、チューブの他端側に接続される第２ヘッダタンクを備え、複数のチューブによって熱交換コア部を形成する熱交換器であって、熱交換コア部は、第１ヘッダタンク及び第２ヘッダタンク内の区分けによって、第１ヘッダタンクから第２ヘッダタンクに熱媒体を流す第１チューブ群と第２ヘッダタンクから第１ヘッダタンクに熱媒体を流す第２チューブ群とが複数設けられており、第２ヘッダタンクには、一つの第１チューブ群と一つの第２チューブ群を連通させる区分け領域の中に、第１チューブ群の一部を別の第２チューブ群の一部に連通させるバイパス区分け領域が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器に関するものである。

熱交換器は、複数のチューブを並列配備して、チューブの両端部にヘッダタンクを接続し、ヘッダタンクを介して複数のチューブ内を流れる熱媒体（冷媒を含む）と複数のチューブ間を流れる流体（例えば、空気）との間で熱交換を行うものであり、一対のヘッダタンクの間で複数のチューブが並列配置された領域が熱交換器のコア部になっている。なお、ここでは、状態が変化する冷媒や状態が変化しない流体（水など）を総称して熱媒体という。

このような熱交換器は、コア部における熱交換効率を高めるために、一方のヘッダタンクから他方のヘッダタンクへ向けた熱媒体の流れを１つのパスとして、ヘッダタンク内を区分けすると共にコア部内のチューブをパス毎に群分けすることで、コア部内で複数パスを構成している。複数パスでは、第１パスが一方のヘッダタンク（第１ヘッダタンク）から他方のヘッダタンク（第２ヘッダタンク）に向けた流れであれば、その次の第２パスは第２ヘッダタンクから第１ヘッダタンクに向けた逆向きの流れになり、偶数パスを設定することで、一方側のヘッダタンクに熱媒体の流入口と流出口を集中配置することができる（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２００２－１４７９９２号公報

従来、偶数パスの熱交換器で蒸発器（エバポレーター (evaporator)）を構成する場合に、コア部内の下流側のパスにおいて、チューブ群を流れる冷媒の流量にばらつきが生じる現象が確認されている。これによると、コア部内の中央付近において温度帯の高い部分（温度分布が不均一な部分）が生じることになり、この現象が蒸発器における空気の冷却性能を向上させる上での妨げになっている。この現象に対しては、各種の対処が検討されているが、より簡単な構造変更で蒸発器の冷却性能（吸熱性能）を向上させることが求められている。

また、前述の説明では、蒸発器を例にして説明したが、凝縮器（コンデンサー（condenser））においても同様の現象でコア部の温度分布が不均一になることが確認されている。これに対しても、より簡単な構造変更で凝縮器の加熱性能（放熱性能）を向上させることが求められている。

本発明は、このような事情に対処するために提案されたものであり、より簡単な構造変更で熱交換器のコア部における温度分布の不均一を解消し、蒸発器や凝縮器などとして用いられる熱交換器の性能向上を図ることが、本発明の課題である。

このような課題を解決するために、本発明による熱交換器は、以下の構成を具備するものである。
複数のチューブと、前記チューブの一端側に接続される第１ヘッダタンクと、前記チューブの他端側に接続される第２ヘッダタンクを備え、前記複数のチューブによって熱交換コア部を形成する熱交換器であって、前記熱交換コア部は、前記第１ヘッダタンク及び前記第２ヘッダタンク内の区分けによって、前記第１ヘッダタンクから前記第２ヘッダタンクに熱媒体を流す第１チューブ群と前記第２ヘッダタンクから前記第１ヘッダタンクに熱媒体を流す第２チューブ群とが複数設けられており、前記第２ヘッダタンクには、一つの前記第１チューブ群と一つの前記第２チューブ群を連通させる区分け領域の中に、前記第１チューブ群の一部を別の前記第２チューブ群の一部に連通させるバイパス区分け領域が形成されていることを特徴とする熱交換器。

このような特徴を有する本発明によると、簡単な構造変更で熱交換器のコア部における温度分布の不均一を解消し、蒸発器や凝縮器などとして用いられる熱交換器の性能向上を図ることができる。

本発明の実施形態に係る熱交換器の説明図。 熱交換コア部における熱媒体の流れを示した説明図（（Ａ）が左側面図、（Ｂ）が右側面図）。 本発明の実施形態に係る熱交換器の構成例を示した説明図（（Ａ）側面図、（Ｂ）が正面図）。 本発明の実施形態に係る熱交換器の構成例を示した説明図（（Ａ）が平面図、（Ｂ）が底面図）。 第２ヘッダタンクの内部構造の一例を示した説明図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明で、異なる図における同一符号は同一機能の部位を示しており、各図における重複説明は適宜省略する。

図１において、熱交換器１は、第１ヘッダタンク１１と第２ヘッダタンク１２の間に熱交換コア部１０が形成されている。熱交換コア部１０は、図示省略した複数のチューブによって構成されており、第１ヘッダタンク１１又は第２ヘッダタンク１２を介してチューブを流れる熱媒体（冷媒を含む）と図示矢印Ａに沿って熱交換コア部１０を通過する流体（例えば、空気）との間で熱交換が行われる。

第１ヘッダタンク１１と第２ヘッダタンク１２には、熱交換コア部１０のパス割を行うために、複数の区分け領域が形成されている。図示の例では、第１ヘッダタンク１１は、熱媒体の流入口Ｅ１が設けられる第１の区分け領域１１Ａと、熱媒体の流出口Ｅ２が設けられる第２の区分け領域１１Ｂと、区分け領域１１Ａ，１１Ｂに対して独立して区分けされる区分け領域１１Ｃが設けられている。

これに対して、第２ヘッダタンク１２は、第１の区分け領域１２Ａと第２の区分け領域１２Ｂに区分けされていると共に、第１の区分け領域１２Ａと第２の区分け領域１２Ｂの中に、バイパス区分け領域１２Ｃが設けられている。ここで、バイパス区分け領域１２Ｃは、第１の区分け領域１２Ａと第２の区分け領域１２Ｂとは独立した区分け領域になっていて、第１の区分け領域１２Ａや第２の区分け領域１２Ｂに流入した熱媒体がバイパス区分け領域１２Ｃに流入することは無い。

熱交換コア部１０は、第１ヘッダタンク１１から第２ヘッダタンク１２に向けて熱媒体を流す第１チューブ群Ｔ１と第２ヘッダタンク１２から第１ヘッダタンク１１に向けて熱媒体を流す第２チューブ群Ｔ２があり、この第１チューブ群Ｔ１と第２チューブ群Ｔ２がそれぞれ複数設けられている。図示の例では、一方側の第１ヘッダタンク１１に熱媒体の流入口Ｅ１と流出口Ｅ２が集中配備されているので、第１チューブ群Ｔ１と第２チューブ群Ｔ２はセットで設けられており、これによって熱交換コア部１０は、偶数個にパス割されている。

図２によって、より具体的に熱交換コア部１０における熱媒体の流れを説明する。図示の矢印が熱媒体の流れ方向を示している。

熱交換コア部１０は、先ず、第１ヘッダタンク１１の区分け領域１１Ａから第２ヘッダタンク１２の区分け領域１２Ａに向けて熱媒体を流すように、一つの第１チューブ群Ｔ１によって第１パスＰ１が形成されている。また、第２ヘッダタンク１２の区分け領域１２Ａから第１ヘッダタンク１１の区分け領域１１Ｃに向けて熱媒体を流すように、一つの第２チューブ群Ｔ２によって第２パスＰ２が形成されている。すなわち、第２パスＰ２は、第１パスＰ１に区分け領域１２Ａを介して連通する一つの第２チューブ群Ｔ２によって形成されている。

また、熱交換コア部１０は、第１ヘッダタンク１１の区分け領域１１Ｃから第２ヘッダタンク１２の区分け領域１２Ｂに向けて熱媒体を流すように、一つの第１チューブ群Ｔ１によって第３パスＰ３が形成されている。すなわち、第３パスＰ３は、第２パスＰ２に区分け領域１１Ｃを介して連通する一つの第１チューブ群Ｔ１によって形成されている。

更に、熱交換コア部１０は、第２ヘッダタンク１２の区分け領域１２Ｂから第１ヘッダタンク１１の区分け領域１１Ｂに向けて熱媒体を流すように、一つの第２チューブ群Ｔ２によって第４パスＰ４が形成されている。すなわち、第４パスＰ４は、第３パスＰ３に区分け領域１２Ｂを介して連通する一つの第２チューブ群Ｔ２によって形成されている。

これに対して、第２ヘッダタンク１２に設けられるバイパス区分け領域１２Ｃは、第１チューブ群Ｔ１の一部を別の第２チューブ群Ｔ２の一部に連通させるものである。具体的には、前述した第３パスＰ３と第４パスＰ４の間に設けられる別の第２チューブ群Ｔ２Ｓに、前述した第１パスＰ１における第１チューブ群Ｔ１の一部を連通させている。すなわち、第１ヘッダタンク１１の区分け領域１１Ａから第２ヘッダタンク１２に向けて流れる熱媒体の一部が、第３パスＰ３と第４パスＰ４の間に設けられる第２チューブ群Ｔ２Ｓにバイパス区分け領域１２Ｃを介して流入することになる。そして、第２チューブ群Ｔ２Ｓを流れる熱媒体は、第１ヘッダタンク１１の区分け領域１１Ｂにて第４パスＰ４を流れる熱媒体と合流して流出口Ｅ２に至る。

また、熱交換コア部１０においては、第１パスＰ１と第４パスＰ４が熱交換コア部１０を通過する熱交換対象流体の流れに沿って配置され、第２パスＰ２と第３パスＰ３が熱交換コア部１０を通過する熱交換対象流体の流れに沿って配置されている。

このような熱交換器１によると、熱交換コア部１０を流れる熱媒体は、流入口Ｅ１から、第１パスＰ１、第２パスＰ２、第３パスＰ３、第４パスＰ４を順次経由して、流出口Ｅ２に至る流れに加えて、第１パスＰ１の一部がバイパス区分け領域１２Ｃを介して第３パスＰ３と第４パスＰ４の間に設けられる第２チューブ群Ｔ２Ｓに流れる。

これによると、第３パスＰ３と第４パスＰ４を隣接させた場合に温度分布の不均一が生じる箇所が、第２チューブ群Ｔ２Ｓに替わることになり、そこに実質的に第２パスが設けられることになるので、それにより熱交換コア部１０内の温度不均一が解消されることになる。

図３～図５は、本発明の実施形態に係る熱交換器１の構成例を示している。図示の熱交換器１は、一例として蒸発器として用いることができ、その場合は、チューブ１００を流れる冷媒（熱媒体）によって、熱交換コア部１０を図示Ｙ方向に向けて通過する空気を冷却する。

第１ヘッダタンク１１には、流入口Ｅ１に流入ダクト２が接続され、流出口Ｅ２に流出ダクト３が接続されている。第１ヘッダタンク１１と第２ヘッダタンク１２は、図示Ｘ方向に延在しており、この延在方向に沿って複数のチューブ１００が並列配置され、各チューブ１００の一端が第１ヘッダタンク１１に接続され、他端が第２ヘッダタンク１２に接続されている。

単体のチューブ１００は、図示Ｚ方向に沿って延在しており、図示Ｙ方向に沿って偏平な管状部材であり、熱交換コア部１０においては、図示Ｙ向（空気の通過方向）に沿って２列並べられている。

第１ヘッダタンク１１は、内部に区分け壁１１１，１１２を設けることで、前述した区分け領域１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃが形成されており、第２ヘッダタンク１２は、内部に区分け壁１２１，１２２と底壁１２３を設けることで、前述した区分け領域１２Ａ，１２Ｂとバイパス区分け領域１２Ｃを形成している。

この際、バイパス区分け領域１２Ｃは、図５に示すように、第２ヘッダタンク１２内で、区分け領域１２Ａ，１２Ｂ間の区分け壁１２１の一部に凹み１２１Ａを設け、その凹み１２１Ａに対して区分け壁１２１と交差する方向に区分け壁１２２を設け、更に凹み１２１Ａの下辺に沿って底壁１２３を設けている。これにより、バイパス区分け領域１２Ｃにおける底壁１２３の下側は、それぞれ区分け領域１２Ａ，１２Ｂになっている。

このような熱交換器１によると、蒸発器として用いるに際して、熱交換コア部１０内の温度不均一を解消することができ、空気の冷却性能を向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

１：熱交換器，２：流入ダクト，３：流出ダクト，
１０：熱交換コア部，
１１：第１ヘッダタンク，１２：第２ヘッダタンク，
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１２Ａ，１２Ｂ：区分け領域，
１２Ｃ：バイパス区分け領域，
Ｔ１：第１チューブ群，Ｔ２：第２チューブ群，
Ｐ１：第１パス，Ｐ２：第２パス，Ｐ３：第３パス，Ｐ４：第４パス，
Ｅ１：流入口，Ｅ２：流出口，
１００：チューブ，１１１，１１２，１２１，１２２：区分け壁，
１２３：底壁

Claims (3)

1. 複数のチューブと、前記チューブの一端側に接続される第１ヘッダタンクと、前記チューブの他端側に接続される第２ヘッダタンクを備え、前記複数のチューブによって熱交換コア部を形成する熱交換器であって、
   前記熱交換コア部は、前記第１ヘッダタンク及び前記第２ヘッダタンク内の区分けによって、前記第１ヘッダタンクから前記第２ヘッダタンクに熱媒体を流す第１チューブ群と前記第２ヘッダタンクから前記第１ヘッダタンクに熱媒体を流す第２チューブ群とが複数設けられており、
   前記第２ヘッダタンクには、一つの前記第１チューブ群と一つの前記第２チューブ群を連通させる区分け領域の中に、前記第１チューブ群の一部を別の前記第２チューブ群の一部に連通させるバイパス区分け領域が形成されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記熱交換コア部は、
   一つの前記第１チューブ群によって第１パスを形成し、
   前記第１パスに連通する一つの前記第２チューブ群によって第２パスを形成し、
   前記第２パスに連通する別の前記第１チューブ群によって第３パスを形成し、
   前記第３パスに連通する別の前記第２チューブ群によって第４パスを形成しており、
   前記バイパス区分け領域は、
   前記第３パスと前記第４パスの間に設けられる更に別の第２チューブ群に、前記第１パスにおける前記第１チューブ群の一部を連通させることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記第１パスと前記４パス、前記第２パスと前記３パスは、それぞれ前記熱交換コア部を通過する熱交換対象流体の流れに沿って配置されることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。