JP2024075919A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘッダタンクに接続された複数のチューブに対して熱媒体を均等に分流させ、熱交換器の性能を向上させる。
【解決手段】並列に配置された複数のチューブと、複数のチューブの両端に接続された一対のヘッダタンクとを備え、熱媒体を一方のヘッダタンクから複数のチューブに分流し、分流した熱媒体を他方のヘッダタンクにて合流させる熱交換器であって、前記ヘッダタンクは、熱媒体が流通する流路に、複数の前記チューブへの熱媒体の分流を調整する分流調整部を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器に関し、特に、一対のヘッダタンクの間に複数のチューブを配列した熱交換器に関するものである。

一対のヘッダタンクと、一対のヘッダタンクの間にヘッダタンクの長手方向に沿って並列に配置した複数のチューブと、を備えた熱交換器が知られている（例えば、特許文献１）。
このような熱交換器では、一方のヘッダタンクに流入口を介して流入した冷媒などの熱媒体が一方のヘッダタンク内を流れる過程で複数のチューブに分流され、各チューブを流れる熱媒体とチューブ間を通過する空気などの他の熱媒体との間で熱交換が行われる。各チューブを流れた熱媒体は他方のヘッダタンクにおいて合流し、他方のヘッダタンクに設けられた流出口を介して熱交換器から流出する。

特開２０１９－１５２３５０号公報

上述のような熱交換器に用いられるヘッダタンクは、一般に、略均一な断面積を有する筒状の部材であり、複数のチューブに熱媒体を分流させるヘッダタンクでは、流入口付近における熱媒体の流量が最も多く、流入口から遠ざかるほど、分流された分だけ熱媒体の流量が減少していく。

ここで、熱媒体などの流体の流速は流量と流路の断面積によって定まることから、ヘッダタンク内では、チューブに分流されることで熱媒体の流量が減少していくのに伴って、熱媒体の流速が徐々に遅くなっていく。
前述のようなヘッダタンク内における熱媒体の流量や流速の変化に起因して、ヘッダタンクから各チューブに分流される熱媒体の流量がチューブ間で均等にならず、熱交換器の性能が低下する虞がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ヘッダタンクに接続された複数のチューブに対して熱媒体を均等に分流させること、これによって熱交換器の性能を向上させること、などを課題としている。

本発明の一態様は、並列に配置された複数のチューブと、複数の前記チューブの両端に接続された一対のヘッダタンクとを備え、熱媒体を一方の前記ヘッダタンクから複数の前記チューブに分流し、分流した熱媒体を他方の前記ヘッダタンクにて合流させる熱交換器であって、
前記ヘッダタンクは、熱媒体が流通する流路に、複数の前記チューブへの熱媒体の分流を調整する分流調整部を有する、熱交換器を提供する。

本発明によれば、ヘッダタンクに接続された複数のチューブに対して熱媒体を均等に分流させ、熱交換器の性能を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る熱交換器の外観を示す正面図である。 本発明の実施形態に係る熱交換器に適用されるヘッダタンクを示す斜視図である。 図２のＡ－Ａ断面図である。 図２のＢ部拡大図である。 図３のＣ部拡大図である。 図２の一部を省略した拡大図であり、ヘッダタンクのリブの概略構成を示す。 本発明の実施形態に係る熱交換器の変形例１を模式的に示した説明図である。 本発明の実施形態に係る熱交換器の変形例２を模式的に示した説明図である。 本発明の実施形態に係る熱交換器の変形例３を模式的に示した説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の説明において、同一の符号は同一の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は、本実施形態に係る熱交換器の概略構成の一例を示している。図１に示すように、熱交換器１は、図示Ｚ方向の上下に配置された一対のヘッダタンク１０と、一対のヘッダタンク１０間に形成された熱交換コア部２０とを備えている。

ヘッダタンク１０は、図示Ｘ方向に延在する筒状の部材であり、一対のヘッダタンク１０の間にヘッダタンク１０の延在方向に沿って複数のチューブ１００とフィン（不図示）が交互に並列配置された熱交換コア部２０が設けられている。ヘッダタンク１０の詳細は後述する。

熱交換コア部２０は、複数のチューブ１００と、複数のチューブ１００の配列方向（図示Ｘ方向）の両端に設けられた一対のサイドプレート１０１とを有している。各チューブ１００は、図示Ｚ方向に沿って延在し、各チューブ１００の一端が図示上側のヘッダタンク１０に接続され、他端が図示下側のヘッダタンク１０に接続されている。

熱交換器１において、一方のヘッダタンク１０に流入口Ｅ１を介して流入した熱媒体（冷媒を含む）は、ヘッダタンク１０内を図示Ｘ方向に沿って流れる過程で分流され、熱交換コア部２０を構成する各チューブ１００内を図中Ｚ方向に流れる。そして、チューブ１００を流れる熱媒体と、熱交換コア部２０を図中Ｙ方向に沿って通過する流体（例えば、空気）との間で熱交換が行われる。各チューブ１００を流れた熱媒体は、他方のヘッダタンク１０において合流し、流出口Ｅ２を介して熱交換器１の外部に流出する。

以下、上述した熱交換器１に適用されるヘッダタンク１０について説明する。
図２はヘッダタンク１０について、チューブ１００が接続される面が下面となるように示した斜視図であり、図３は図２のＡ－Ａ断面図である。また、図４は図２のＢ部拡大図であり、図５は図３のＣ部拡大図であり、図６は、図２の一部を省略した拡大図である。

図２及び図３に示すように、ヘッダタンク１０は、図示Ｘ方向に延在する筒状の部材であり、図２中上側に位置する第１タンク部材１０Ａと図２中下側に位置する第２タンク部材１０Ｂとが接合されて構成される。つまり、第１タンク部材１０Ａと第２タンク部材１０Ｂとが接合されることで、熱媒体が流通する流路が形成される。

第１タンク部材１０Ａの上面の一端には、熱媒体の流入口Ｅ１又は流出口Ｅ２（図１参照）が設けられる連通孔１４が設けられている。連通孔１４には流入口Ｅ１又は流出口Ｅ２が設けられると共に配管（不図示）が接続され、ヘッダタンク１０に対する熱媒体の流入又は流出は、連通孔１４、流入口Ｅ１又は流出口Ｅ２、及び、配管を介して行われる。

第１タンク部材１０Ａの上面には、ヘッダタンク１０の内部に突出し、熱媒体が流通する流路において、複数のチューブ１００への熱媒体の分流を調整する分流調整部としての複数のリブ１１が設けられている。図３から図６に示すように、複数のリブ１１は、第１タンク部材１０Ａの上面において、第１タンク部材１０Ａの長手方向（図示Ｘ方向）の一端から他端に亘ってそれぞれ間隔Ｄをあけて設けられている。

図３から図６に示す例では、各リブ１１の間隔Ｄはいずれも等しく、また、各リブ１１の図示Ｘ方向に沿う長さＬ及び図示Ｙ方向に沿う幅Ｗがいずれも等しくなるように形成されている。各リブ１１の幅Ｗは、第１タンク部材１０Ａの短手方向の一端から他端に亘る幅となっている。なお、複数のリブ１１の間隔Ｄ、幅Ｗ、長さＬは、第１タンク部材１０Ａに対する所望の強度を確保するために必要な寸法とすることが好ましい。

また、図６に示すように、各リブ１１は図示Ｚ方向に沿う高さＨがそれぞれ異なり、複数のリブ１１は、一端側から他端側に向かうに従って、ヘッダタンク１０内に突出する方向に高さが増すように形成されている。図６において、複数のリブ１１は、ヘッダタンク１０の流入口Ｅ１が設けられる連通孔１４から遠ざかるほど、ｈ_１，ｈ_２・・・ｈ_ｎ－１，ｈ_ｎと徐々に高さが増すように形成されている。

ヘッダタンク１０において、リブ１１の高さＨが高いほど、当該リブ１１の位置における熱媒体の流れる方向と直交する（図示Ｚ方向）断面積が小さくなる。つまり、複数のリブ１１は、ヘッダタンク１０内において、一端側（連通孔１４側）から他端側（連通孔１４から遠ざかる側）までの間に熱媒体が流通する流路の断面積を変化させることにより複数のチューブ１００への熱媒体の分流を調整する。

第２タンク部材１０Ｂの下面には、複数のチューブ１００の一端を挿入し、チューブ１００とヘッダタンク１０とを連通させるための複数のチューブ挿入孔１８が図示Ｘ方向に沿って所定の間隔をあけて形成されている。各チューブ挿入孔１８は、熱交換コア部２０のチューブ１００の配列間隔に対応するように設けられている。

ヘッダタンク１０には、両端部を外側から覆うキャップ１３が設けられ、キャップ１３によってヘッダタンク１０が閉塞される。

このように形成されたヘッダタンク１０を用いた熱交換器１では、一方のヘッダタンク１０に流入口Ｅ１を介して流入した熱媒体が、ヘッダタンク１０内を図示Ｘ方向に沿って流れると共に、熱交換コア部２０を構成する各チューブ１００に分流される。各チューブ１００内を図中Ｚ方向に流れる熱媒体は、熱交換コア部２０を図中Ｙ方向に沿って通過する流体と熱交換した後に、他方のヘッダタンク１０に流れ、流出口Ｅ２を介して熱交換器１の外部に流出する。

ここで、熱媒体は、ヘッダタンク１０内を図示Ｘ方向に沿って流れる過程において、流入口Ｅ１に近い位置に接続されたチューブ１００から順に分流され、チューブ１００に流れた分だけヘッダタンク１０内を流れる熱媒体の流量が減少していく。

断面積が一様な流路の場合には、流量減少に伴って熱媒体の流速が低下していくところ、本実施形態に係るヘッダタンク１０内ではリブ１１によって流路の断面積が小さくなる箇所を形成してヘッダタンクの一端から他端までの間に流路の断面積を変化させている。このため、熱媒体の流量が減少しても必ずしも流速が低下せず、ヘッダタンク１０内における熱媒体の流速を最適化することができる。

すなわち、ヘッダタンク１０には、前述のリブ１１が熱媒体の流入口Ｅ１から遠ざかるほど高さＨが増すように形成されているので、流入口Ｅ１近傍に形成されたリブ１１の位置における断面積よりも、流入口Ｅ１から遠い位置に形成されたリブ１１の位置における断面積がより小さくなる。このため、ヘッダタンク１０内では、流入口Ｅ１から離れ、各チューブ１００に分流されて熱媒体の流量が減少した位置でも、必ずしも熱媒体の流速が低下せず、流速を維持又は速くすることができ、ヘッダタンク１０内において、複数のチューブ１００に均等に分流させるために最適な熱媒体の流速とすることができる。

このように本実施形態によれば、ヘッダタンク１０内の熱媒体の流速を最適化することで、ヘッダタンクに接続された複数のチューブ１００に対して熱媒体を均等に分流させることができる。また、複数のチューブ１００に均等に熱媒体が流れることから、チューブ１００間を通過する空気等の熱媒体とチューブ１００内を流れる熱媒体との熱交換量が熱交換コア部２０全体に亘って略均一になり、熱交換器の性能を向上させることができる。

（変形例１）
図７は、前述の実施形態に係る熱交換器の変形例１を模式的に示した説明図である。
図７に示すように、熱交換器１に適用される一対のヘッダタンク１０には、長手方向中央部に流入口Ｅ１、流出口Ｅ２が設けられている。

本変形例では、一方のヘッダタンク１０において、流入口Ｅ１を中心に一端側と他端側に向かって、流入口Ｅ１から遠ざかるほどｈ_１，ｈ_２，ｈ_３と徐々に高さが増すように複数のリブ１１を形成している。これにより、ヘッダタンク１０内において、流入口Ｅ１に近い箇所における断面積よりも、流入口Ｅ１から遠い箇所における断面積が小さくなり、複数のリブ１１が、熱媒体が流通する流路の断面積を変化させることでチューブ１００への熱媒体の分流を調整する。なお、本変形例における複数のリブ１１の長さＬ、幅Ｗ、及び間隔Ｄはすべて等しい。

（変形例２）
図８は、前述の実施形態に係る熱交換器の変形例２を模式的に示した説明図である。
図８に示すように、熱交換器１に適用される一対のヘッダタンク１０には、長手方向の一端に流入口Ｅ１、流出口Ｅ２が設けられている。

本変形例では、ヘッダタンク１０内において、一端側（流入口Ｅ１側）から他端側（流入口Ｅ１から遠ざかる側）までの間に熱媒体が流通する流路の断面積を変化させるために、長手方向（図示Ｘ方向）に沿う長さＬが、ｌ_１，ｌ_２，ｌ_３・・・と徐々に増すように複数のリブ１１を形成している。つまり、ヘッダタンク１０内において、流入口Ｅ１から遠ざかるほど、リブ１１によって断面積が小さくなる範囲が広くなっている。

これにより、ヘッダタンク１０内において、流入口Ｅ１に近い箇所における所定範囲の断面積の平均値よりも、流入口Ｅ１から遠い箇所における所定範囲に断面積の平均値の方が小さくなり、複数のリブ１１が、熱媒体が流通する流路の断面積を変化させることでチューブ１００への熱媒体の分流を調整する。なお、本変形例における複数のリブ１１の高さＨ、幅Ｗ、及び間隔Ｄはすべて等しい。

（変形例３）
図９は、前述の実施形態に係る熱交換器の変形例３を模式的に示した説明図である。
図９に示すように、熱交換器１に適用される一対のヘッダタンク１０には、長手方向の一端に流入口Ｅ１、流出口Ｅ２が設けられている。

本変形例では、ヘッダタンク１０内において、一端側（流入口Ｅ１側）から他端側（流入口Ｅ１から遠ざかる側）までの間に熱媒体が流通する流路の断面積を変化させるために、リブ１１の長手方向（図示Ｘ方向）に沿う間隔Ｄが、ｄ_１，ｄ_２，ｄ_３・・・と徐々に狭くなるように複数のリブ１１を形成している。つまり、ヘッダタンク１０内において、流入口Ｅ１から遠ざかるほど、リブ１１によって断面積が小さくなる範囲が広くなっている。

これにより、ヘッダタンク１０内において、流入口Ｅ１に近い箇所における所定範囲の断面積の平均値よりも、流入口Ｅ１から遠い箇所における所定範囲の断面積の平均値の方が小さくなり、複数のリブ１１が、熱媒体が流通する流路の断面積を変化させることでチューブ１００への熱媒体の分流を調整する。なお、本変形例における複数のリブ１１の高さＨ、長さＬ、及び幅Ｗはすべて等しい。

（変形例４）
本変形例では、複数のリブ１１の幅Ｗを変化させることで断面積を変化させて熱媒体の分流を調整する（図示省略）。より具体的には、ヘッダタンク１０内において、複数のリブ１１の短手方向に沿う幅Ｗを、一端側（流入口Ｅ１側）から他端側（流入口Ｅ１から遠ざかる側）までの間に徐々に大きくなるように形成する。

これにより、ヘッダタンク１０内において、流入口Ｅ１に近い箇所における所定範囲の断面積の平均値よりも、流入口Ｅ１から遠い箇所における所定範囲の断面積の平均値の方が小さくなり、複数のリブ１１が、熱媒体が流通する流路の断面積を変化させることでチューブ１００への熱媒体の分流を調整する。なお、本変形例における複数のリブ１１の高さＨ、長さＬ、及び間隔Ｄはすべて等しい。

なお、上記変形例１から変形例４では、複数のリブ１１の高さＨ、長さＬ、間隔Ｄ及び幅Ｗの何れかを変化させることでヘッダタンク１０内の熱媒体が流通する流路の断面積を変化させる例について説明したが、これらを適宜組み合わせて熱媒体が流通する流路の断面積を変化させてもよい。

以上説明してきたように、本実施形態及びその変形例に係る熱交換器によれば、ヘッダタンクに接続された複数のチューブに対して熱媒体を均等に分流させ、熱交換器の性能を向上させることができる。

特に、射出成型やダイカストのように任意の断面積となる形状に加工し易いものに比して、このような加工が難しい板金製のヘッダタンクにおいても熱媒体が流通する流路の断面積を変化させることができ、熱媒体を均等に分流することができる。

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、具体的な構成は上述した実施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。

１：熱交換器、１０：ヘッダタンク、１０Ａ：第１タンク部材、１０Ｂ：第２タンク部材、
１１：リブ、１３：キャップ、１４：連通孔、１８：チューブ挿入孔、
２０：熱交換コア部、１００：チューブ、１０１：サイドプレート
Ｅ１：流入口、Ｅ２：流出口

Claims (6)

1. 並列に配置された複数のチューブと、複数の前記チューブの両端に接続された一対のヘッダタンクとを備え、熱媒体を一方の前記ヘッダタンクから複数の前記チューブに分流し、分流した熱媒体を他方の前記ヘッダタンクにて合流させる熱交換器であって、
   前記ヘッダタンクは、熱媒体が流通する流路に、複数の前記チューブへの熱媒体の分流を調整する分流調整部を有する、熱交換器。
2. 前記分流調整部は、前記流路の断面積を変化させて複数の前記チューブへの熱媒体の分流を調整する、請求項１記載の熱交換器。
3. 前記分流調整部は、前記ヘッダタンクにおける熱媒体の流入口から離れるほど、前記流路の断面積が小さくなるように形成されている、請求項２記載の熱交換器。
4. 前記分流調整部は、前記ヘッダタンクの内部に突出する複数のリブであり、
   複数の前記リブは、前記ヘッダタンクにおける熱媒体の流入口から離れるほど、前記ヘッダタンク内部へ突出する高さが増すように形成されている、請求項２記載の熱交換器。
5. 前記分流調整部は、前記ヘッダタンクの内部に突出する複数のリブであり、
   複数の前記リブは、前記ヘッダタンクにおける熱媒体の流入口から離れるほど、各前記リブの間隔が小さくなるように形成されている、請求項２記載の熱交換器。
6. 前記分流調整部は、前記ヘッダタンクの内部に突出する複数のリブであり、
   複数の前記リブは、各前記リブの熱媒体の流通方向に沿う長さが、前記ヘッダタンクにおける熱媒体の流入口から離れるほど、長くなるように形成されている、請求項２記載の熱交換器。