JP3922288B2

JP3922288B2 - 冷媒凝縮器

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Publication number: JP3922288B2
Application number: JP2005071620A
Authority: JP
Inventors: 良一真田; 道泰山本; 佳史安芸
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2019-12-09
Also published as: JP2005195325A

Description

本発明は、冷媒の凝縮に伴ってチューブ内で冷媒が気液２相流となる冷媒凝縮器に関するもので、車両用空調装置に用いて好適なものである。

この種の冷媒凝縮器として、一対のヘッダタンクの間にチューブとフィンを多数積層配置した、一般にマルチフロータイプと称される冷媒凝縮器が知られている。そして、このマルチフロータイプ冷媒凝縮器の放熱性能向上に関する技術として、特開昭６２−１７５５８８号公報には、チューブ内冷媒通路の相当直径を特定の範囲に設定することが示され、また、特表平４−５０５３６２号公報には、チューブを構成するプレートに、内側に向かって突出するリブを形成することが示され、さらに、特開平６−２１３５３４号公報には、凝縮距離を特定の範囲に設定することが示されている。
特開昭６２−１７５５８８号公報特表平４−５０５３６２号公報特開平６−２１３５３４号公報

しかしながら、上記各公報に示された従来技術は、いずれも管内側の熱伝達のみに着目したものであって、通風抵抗および管内圧損を考慮して冷媒凝縮器の放熱性能の向上に結びつけようとするものではない。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、マルチフロータイプの冷媒凝縮器において、通風抵抗および管内圧損の両方を考慮して最大放熱性能が得られる条件を求め、それにより放熱性能の向上を図ることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明者らが、通風抵抗および管内圧損を考慮して冷媒凝縮器の放熱性能をシミュレーションにて検討したところ、冷媒通路におけるチューブ積層方向の寸法（チューブ内通路高さ）について、放熱性能がピークとなる特定の範囲を見いだした。

請求項１記載の発明では、内部に冷媒通路（１４１）を有するチューブ（１４）を積層した凝縮器（１０）において、
冷媒は凝縮されるに伴ってチューブ（１４）内で気液２相流となり、
冷媒通路（１４１）のチューブ積層方向高さをチューブ内通路高さ（Ｔｒ）としたとき、このチューブ内通路高さ（Ｔｒ）を０．５〜０．８ｍｍに設定し、
チューブ（１４）の外表面と冷媒通路（１４１）との間のチューブ積層方向寸法をチューブ外周肉厚Ｔｄとしたとき、このチューブ外周肉厚Ｔｄを０．１〜０．４ｍｍとし、
チューブ（１４）のチューブ積層方向高さをチューブ高さＴｈとし、隣接するチューブ（１４）のチューブ積層方向間隔をチューブピッチＴｐとし、通風開口比（Ｐｒ）＝Ｔｈ／Ｔｐとしたとき、
０．１４２９×Ｔｄ ² ＋０．１３４３×Ｔｄ＋０．１３９≧通風開口比（Ｐｒ）≧０．１４２９×Ｔｄ ² ＋０．１３４３×Ｔｄ＋０．１１３、にしたことを特徴としている。

これによると、通風抵抗および管内圧損に影響のあるチューブ内通路高さ（Ｔｒ）を上記の特定の範囲に設定することにより、通風抵抗による放熱性能低下分と管内圧損による放熱性能低下分の和を小さくすることができ、放熱性能を高めることができる。
また、通風開口比（Ｐｒ）を上記範囲に設定することにより通風抵抗による放熱性能低下分と管内圧損による放熱性能低下分の和をさらに小さくすることができ、放熱性能をより一層高めることができる。

請求項２に記載の発明では、チューブ内通路高さ（Ｔｒ）を、０．５〜０．７ｍｍに設定したことを特徴とする。

これによると、チューブ内通路高さを上記範囲に設定することにより、通風抵抗による放熱性能低下分と管内圧損による放熱性能低下分の和をさらに小さくすることができ、放熱性能をさらに高めることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は本発明を適用する車両用空調装置における凝縮器１０の全体構造を例示するものであり、凝縮器１０は車両用空調装置の冷凍サイクルにおいて圧縮機（図示せず）から吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒を冷却して凝縮させるものである。また、凝縮器１０は周知のように、車両エンジンルーム内において最前部（エンジン冷却用ラジエータの前方位置）に配置されて、エンジン冷却用ラジエータと共通のクーリングファンにより送風される冷却空気（外気）により冷却される。

凝縮器１０は、所定間隔を開けて配置された一対のヘッダタンク、すなわち、第１、第２ヘッダタンク１１、１２を有し、この第１、第２ヘッダタンク１１、１２は上下方向に略円筒状に延びる形状になっている。この第１、第２ヘッダタンク１１、１２の間に熱交換用のコア部１３を配置している。

本例の凝縮器１０は、一般にマルチフロータイプと称されているものであって、コア部１３は第１、第２ヘッダタンク１１、１２の間で、水平方向に冷媒を流すアルミニウム製の偏平チューブ１４を上下方向に多数積層配置し、この多数の偏平チューブ１４の間にアルミニウム製のコルゲートフィン１５を介在して接合している。

偏平チューブ１４は、図２に示すように、内部に丸穴形状の冷媒通路１４１を多数備え、押し出し加工によって形成される。そして、偏平チューブ１４の長手方向の一端部を第１ヘッダタンク１１に接続し、他端部を第２ヘッダタンク１２に接続して、冷媒通路１４１を介して第１、第２ヘッダタンク１１、１２間を連通している。

第１ヘッダタンク１１内は、セパレータ１６によって２つの室１７、１８に分割されており、図中上方の第１室１７に圧縮機からのガス冷媒が導入される。そのガス冷媒は、第１室１７と連通する一部の偏平チューブ１４を介して第２ヘッダタンク１２に流入し、第２ヘッダタンク１２内でＵターンした後、残部の偏平チューブ１４を介して図中下方の第２室１８に流入する。そして、ガス冷媒は、偏平チューブ１４間の空間を通過する空気と熱交換して冷却され、凝縮される。そして、冷媒の凝縮に伴って偏平チューブ１４内で冷媒が気液２相流となる。次に、上記構成の凝縮器１０において、放熱性能をシミュレーションにて検討した結果について説明する。

このシミュレーションの前提条件は、コア部高さＨ＝３００ｍｍ、コア部幅Ｗ＝６００ｍｍ、フィンピッチＦｐ＝３ｍｍ、凝縮器入口の風速２ｍ／ｓ、凝縮器入口の空気温度３５°Ｃ、凝縮器入口の冷媒圧力１．７４ＭＰａ（ａｂｓ）、凝縮器入口のスーパーヒート２０°Ｃ、凝縮器出口の乾き度０、凝縮器出口のサブクール０°Ｃとした。そして、偏平チューブ１４におけるチューブ積層方向の高さであるチューブ高さＴｈ、偏平チューブ１４の外表面と冷媒通路１４１との間のチューブ積層方向寸法であるチューブ外周肉厚Ｔｄ、コルゲートフィン１５におけるチューブ積層方向の高さであるフィン高さＦｈをパラメータにし、通風抵抗および管内圧損を加味して、放熱量を算出した。

（１）チューブ内通路高さＴｒの検討。

図３〜６は、チューブ外周肉厚Ｔｄを０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍにした時の、フィン高さＦｈと放熱性能の関係をシミュレーションによって求めたグラフである。ここで、チューブ高さＴｈは、０．８ｍｍ〜１．８ｍｍの範囲で０．２ｍｍ毎に設定し、フィン高さＦｈは、４ｍｍ〜１２ｍｍの範囲で２ｍｍ毎に設定した。なお、放熱性能比の基準となる凝縮器の仕様は、コア部高さＨ＝３００ｍｍ、コア部幅Ｗ＝６００ｍｍ、フィンピッチＦｐ＝３．２ｍｍ、チューブ高さＴｈ＝１．７ｍｍ、チューブ外周肉厚Ｔｄ＝０．３５ｍｍ、フィン高さＦｈ＝７．８ｍｍである。この図３〜６によれば、チューブ外周肉厚Ｔｄやチューブ高さＴｈの寸法にかかわらず、フィン高さＦｈが４ｍｍ前後において放熱性能がピークになることが理解される。

次に、通風抵抗および管内圧損に影響のあるチューブ内通路高さＴｒに着目し、図３〜６に示す結果をチューブ内通路高さＴｒで整理したものが図７である。なお、チューブ内通路高さＴｒの定義は、Ｔｒ＝Ｔｈ−２×Ｔｄであり、言い換えると、冷媒通路１４１における偏平チューブ１４の積層方向の高さである。

図７から理解されるように、チューブ外周肉厚Ｔｄやフィン高さＦｈの寸法にかかわらず、チューブ内通路高さＴｒが、０．３５≦Ｔｒ≦０．８ｍｍの範囲のとき放熱性能が高くなり、特に、０．５≦Ｔｒ≦０．７ｍｍの範囲のとき放熱性能がピークになることが判明した。

なお、０．３５ｍｍ＞Ｔｒでは放熱性能が急激に低下しているが、これはチューブの冷媒通路の面積が減少し、管内圧損が増加するためである。一方、Ｔｒ＞０．８ｍｍで放熱性能が低下しているのは、チューブ内通路高さＴｒの増加に伴って通風面積が減少し、通風抵抗が増加するためである。故に、チューブ内通路高さＴｒは、０．３５ｍｍ≦Ｔｒ≦０．８ｍｍとするのが望ましく、その範囲のとき、管内圧損による放熱性能低下分と通風抵抗による放熱性能低下分の和が最小になり、結果的に放熱性能が高くなる。

（２）通風開口比Ｐｒの検討。

次に、通風抵抗および管内圧損に影響のある通風開口比Ｐｒに着目し、図３〜６に示す結果を通風開口比Ｐｒで整理したものが図８〜１１である。なお、通風開口比Ｐｒの定義は、Ｐｒ＝Ｔｈ／Ｔｐである。ここで、チューブピッチＴｐは、隣接する偏平チューブ１４の、チューブ積層方向の間隔である。

そして、図１２は、図８〜１１から各チューブ外周肉厚Ｔｄ（０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ）毎に放熱性能が高くなる通風開口比Ｐｒの範囲を求めて、通風開口比Ｐｒの最適範囲を示したものである。ここで、通風開口比Ｐｒの最適範囲は、チューブ外周肉厚Ｔｄで整理した下記式１で表すことができる。ただし、下記式１において、Ｔｄの単位はｍｍである。

〔数１〕０．１４２９×Ｔｄ²＋０．１３４３×Ｔｄ＋０．１３９≧Ｐｒ≧０．１４２９×Ｔｄ²＋０．１３４３×Ｔｄ＋０．１１３
そして、チューブ内通路高さＴｒを、０．３５≦Ｔｒ≦０．８ｍｍ（または、０．５≦Ｔｒ≦０．７ｍｍ）に設定し、かつ通風開口比Ｐｒを上記式１の範囲に設定することにより、極めて高い放熱性能を得ることができる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、偏平チューブ１４として、押し出し加工によって丸穴形状の冷媒通路１４１を形成した例を示したが、図１３に示す種々のチューブに本発明は適用可能である。

図１３（ａ）に示す偏平チューブ１４は、角穴形状の冷媒通路１４１を多数備え、押し出し加工によって形成されたものである。図１３（ｂ）に示す偏平チューブ１４は、冷媒通路１４１の内側に向かって突出する突起部１４２を有し、押し出し加工によって形成されたものである。図１３（ｃ）に示す偏平チューブ１４は、平板状の金属条帯を円筒状に湾曲させ、その突合面を溶接して内部に１つの冷媒通路１４１を形成した電縫管チューブであり、冷媒通路１４１中にインナーフィン１４３を配置している。図１３（ｄ）に示す偏平チューブ１４は、平板を折り曲げ、端部をろう付けして内部に１つの冷媒通路１４１を形成したものであり、冷媒通路１４１中にインナーフィン１４３を配置している。なお、図１３（ｃ）および図１３（ｄ）に示すインナーフィン１４３は、ストレートインナーフィンあるいはオフセットインナーフィンを用いることができる。図１３（ｅ）に示す偏平チューブ１４は、ローラまたはプレスでリブ１４４を形成した第１平板１４５に、第２平板１４６をろう付けしたものである。図１３（ｆ）に示す偏平チューブ１４は、１枚の平板の一部に、ローラまたはプレスでリブ１４４を形成し、次に平板を折り曲げて端部をろう付けしたものである。なお、図１３（ｅ）および図１３（ｆ）に示すリブ１４４は、冷媒流れ方向に延びるストレートリブでもよいし、冷媒流れ方向に対して斜めに延びるクロスリブでもよい。

本発明を適用する凝縮器の全体構造を示す図である。図１のＡ−Ａ断面図である。チューブ外周肉厚Ｔｄが０．１ｍｍ時の、フィン高さＦｈと放熱性能の関係を示す図である。チューブ外周肉厚Ｔｄが０．２ｍｍ時の、フィン高さＦｈと放熱性能の関係を示す図である。チューブ外周肉厚Ｔｄが０．３ｍｍ時の、フィン高さＦｈと放熱性能の関係を示す図である。チューブ外周肉厚Ｔｄが０．４ｍｍ時の、フィン高さＦｈと放熱性能の関係を示す図である。チューブ内通路高さＴｒと放熱性能の関係を示す図である。チューブ外周肉厚Ｔｄが０．１ｍｍ時の、通風開口比Ｐｒフィンと放熱性能の関係を示す図である。チューブ外周肉厚Ｔｄが０．２ｍｍ時の、通風開口比Ｐｒフィンと放熱性能の関係を示す図である。チューブ外周肉厚Ｔｄが０．３ｍｍ時の、通風開口比Ｐｒフィンと放熱性能の関係を示す図である。チューブ外周肉厚Ｔｄが０．４ｍｍ時の、通風開口比Ｐｒフィンと放熱性能の関係を示す図である。チューブ外周肉厚Ｔと通風開口比Ｐｒの関係を示す図である。（ａ）〜（ｆ）は本発明の他の実施形態を示すチューブの構成図である。

符号の説明

１０・・・凝縮器
１１、１２・・・ヘッダタンク
１４・・・チューブ
１４１・・・冷媒通路
１５・・・フィン
Ｔｒ・・・チューブ内通路高さ

Claims

内部に冷媒通路（１４１）が形成され、積層配置された多数のチューブ（１４）と、前記チューブ（１４）間に配置されたフィン（１５）と、前記チューブ（１４）の長手方向両端側に配設され、前記冷媒通路（１４１）と連通するヘッダタンク（１１、１２）とを有し、前記チューブ（１４）間を通過する空気と熱交換して、前記冷媒通路（１４１）内を流れる冷媒を凝縮させる凝縮器（１０）において、
前記冷媒は凝縮されるに伴って前記チューブ（１４）内で気液２相流となり、
前記冷媒通路（１４１）のチューブ積層方向高さをチューブ内通路高さ（Ｔｒ）としたとき、このチューブ内通路高さ（Ｔｒ）を０．５〜０．８ｍｍに設定し、
前記チューブ（１４）の外表面と前記冷媒通路（１４１）との間のチューブ積層方向寸法をチューブ外周肉厚（Ｔｄ）としたとき、このチューブ外周肉厚（Ｔｄ）を０．１〜０．４ｍｍとし、
前記チューブ（１４）のチューブ積層方向高さをチューブ高さ（Ｔｈ）とし、隣接する前記チューブ（１４）のチューブ積層方向間隔をチューブピッチ（Ｔｐ）とし、通風開口比（Ｐｒ）＝Ｔｈ／Ｔｐとしたとき、
０．１４２９×Ｔｄ ² ＋０．１３４３×Ｔｄ＋０．１３９≧通風開口比（Ｐｒ）≧０．１４２９×Ｔｄ ² ＋０．１３４３×Ｔｄ＋０．１１３、にしたことを特徴とする冷媒凝縮器。
前記チューブ内通路高さ（Ｔｒ）を、０．５〜０．７ｍｍに設定したことを特徴とする請求項１に記載の冷媒凝縮器。