JP3965387B2 - 熱交換器用の分割フィン - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器用の分割（スプリット）フィン構造に関し、更に詳しくは、前方から後方への複数列の管行路を有する熱交換器であって、管の一の列から別の列へのフィンを通る熱伝達を最小にすることが望まれる熱交換器のための分割フィン構造に関する。

熱交換器の前側と後側との間の熱伝導を制限することが重要となる種々の用途がある。そのような用途は、熱交換器に入る流体温度が該熱交換器から出る流体の温度とは著しく異なるレベルであるものによって代表される。そのような用途の一つは、冷凍システムにおける凝縮器のような熱交換器であり、更に詳しくは、超臨界（transcritical）冷媒を利用するガス冷却器及び冷凍システムである。ＣＯ₂は、そのような冷媒の一例である。

別の用途は、それぞれ別個の流体を受け入れる二つ以上の熱交換器のコアが、空気等のガス（気体）といった別の熱交換流体のための流路において直列に配置される場合に発生する。そのような用途の一例は、例えば、空調システム用の凝縮器もしくはガス冷却器のコアが、エンジン冷却液のためのコアの上流もしくは下流に設置される場合の車両関連において通常見られるものであろう。

前者の場合、冷媒の出口温度をできるだけ下げるため、熱交換器の奥行きを横切る伝導路を制限することが望まれ、そのため、相対的にかなり熱い流入冷媒が、熱交換器の前部から後部に伸長するフィンを通る熱伝導を介して、流出冷媒に対してではなく熱交換器を通過する冷却液に対してその熱を放散させるようにする。後者の場合、凝縮器の稼働効率を妨げないよう、ラジエータ及びその中のエンジン冷却液からの熱が、共通フィンを介して凝縮器に伝達されないこと、もしくはその逆の熱伝達が行われないことが望ましい。

典型的なガス冷却熱交換器において、横断伝導路は、金属管並びに金属フィンの両方に存在する。金属管における横断伝導路の形成を避けるため、熱交換器の前部から後部の隣接する列における管は、互いに離隔される。フィンを通る横断伝導を最小化するため、一般にスロットの形態の熱遮断手段が、熱交換器における管列間のスペースと一直線状に整列してフィンに設けられる。後者の例は、例えば、Shinmuraの米国特許第５，０００，２５７号及びその再発行特許第３５，７１０号、Sugimotoの米国特許第５，９９２，５１４号、Watanabeの米国特許第５，７２０，３４１号、及びYamanakaの米国特許第６，０００，４６０号に開示されている。
米国特許第５，０００，２５７号 米国再発行特許第３５，７１０号 米国特許第５，９９２，５１４号 米国特許第５，７２０，３４１号 米国特許第６，０００，４６０号

上記各特許において、フィンを通る熱伝導に遮断を与えるスロットを形成するため、該フィンから材料が除去されて当該スロットが形成される。これらの構成は、それらの所期の目的には有効であると考えられるが、フィンから材料が除去されるという事実が該フィンの表面積を低減する。フーリエの法則から明らかなように、面積の削減は熱伝達を低減し、従って、上記特許権者が提案したスロットは、熱交換器の一方の側から他方の側へのフィンを通る熱伝導に望ましい低減を与える一方、ガス側熱抵抗を高め、管内に収容される流体からフィンを通過するガスへの熱交換の効率を低減する。典型的なガス／流体熱交換器において、ガス側熱抵抗は、ガスから管内を流れる流体への熱交換に対する全抵抗の９５％ほどの割合を占めるので、ガス側熱抵抗の増加を伴わない、熱交換器の一方の側から他方の側へのフィンを通る熱伝導の低減が切望される。

本発明は、上記目的を達成することに向けられる。

本発明の主目的は、前部から後部へと複数例の管行路を有する熱交換器で使用するための新規で改良されたガス側フィンを提供することである。更に詳しくは、本発明の目的は、熱交換器の一方側から他方側へとフィンを通る熱伝導が最小化され、同時のガス側熱抵抗の増加を伴わないようなフィンを提供することである。

本発明の模範的な実施形態は、上記の点を次のような熱交換器において実現する。すなわち、該熱交換器は、前部及び後部と、前部から後部における（複数の）扁平管からなる複数の離隔した列とを有し、これが、各列において整列された管行路を規定する。サーペンタインフィンは、各列において隣り合う管行路と境が接し、かつ、各フィンが各列で共通するように前部から後部へと伸長する。サーペンタインフィンは、各列の整列された管行路間のスペースにおけるある位置において各フィンに熱流遮断手段（熱流遮断部）を有する。本発明は、改良点として、フィンを通って完全に延長するスリットによって熱流遮断手段が規定されることを企図し、これはまた、フィンが形成されるいかなる材料もスリットにおいて除去されていないことによって特徴付けられる。

好ましい実施形態において、スリットの縁は、フィンの残部（フィンの縁以外の部分）からずらされる。

一実施形態において、スリットの縁は、フィンの残部に対し鋭角に延在する。

更に好ましくは、各スリットの縁は、上記鋭角にてフィンの残部から反対方向にずらされる。

本発明の別の実施形態において、各スリットの縁はオフセットな離隔した面へとずらされる。

本発明の更に別の実施形態において、各フィンにて熱流遮断手段を規定する該各フィンのスリットは、短い結合区域によって分けられ、また、各スリットの縁は、該結合区域を変形させることによって互いに離隔される。

好ましくは、上記結合区域は、フィンの残部よりも薄く形成される。例えば、結合区域を薄くし、これによりスリットの縁を離隔した関係へとずらすため、結合区域にコイニング（圧印加工）操作が利用され得る。

好ましい実施形態において、冷凍システムもしくは熱ポンプシステムにおけるガス冷却器もしくはガス冷却器／蒸発器として使用できるように、管行路の整列された一つ一つは、水力学的に連続して接続される。

他の目的及び利点は、添付図面を参照した次の詳細な説明から明らかとなろう。

以下の記述は、概して冷凍システムの点から本発明を説明する。該冷凍システムは熱ポンプシステムをも包含することを企図する。その記述の文脈は、車両の加熱／冷却システムのものとなるが、当然のことながら、本発明は、車両システムでの使用に限定されない。本発明はまた、ガス冷却器に関連して記載される。該ガス冷却器においては、冷媒のような単一の流体を冷却及び／もしくは凝縮するために、ガス、特に空気が利用される。用語「ガス冷却器（ガス冷却器）」は、凝縮器と、冷媒を凝縮することなく冷却する冷却器との両方を含むことを企図する。しかしながら、本発明はまた、異なる動作流体をそれぞれ受け入れる複数のコアを有する熱交換器、例えば、ガス冷却器からの冷媒と、エンジン等のための冷却液との両方を冷却するための複数コア熱交換器に適用可能である。同様に、本発明は、熱交換器中の別の動作流体を冷却するガス、特に空気との関連で記載されるが、当然のことながら、ガスが動作流体によって加熱される熱交換器も同様に使用可能である。要するに、本発明は、特許請求の範囲に記載した点を除き、以下の記載によっては限定されない。

図１を参照すれば、本発明に従って製造された熱交換器が、一組の平行に離隔した管状ヘッダー１０、１２を含むように例示される。もちろん、管状ヘッダー１０、１２の代わりに、所望により、タンクが取り付けられたヘッダー板が使用可能である。

図示の実施形態において、ヘッダー１０には、１４で概略的に示される出口が設けられ、他方、ヘッダー１２には、１６で概略的に示される入口が設けられる。熱交換器を通る空気流の方向は、矢印１８で示され、入口１６及び出口１４の丁度記載された配置構成は、向流／直交流熱交換形態を与えることが分かる。しかし、ある例では、空気流方向１８は逆にされ得る。

本熱交換器が、冷凍システムにおけるガス冷却器もしくはガス冷却器／蒸発器として使用することを企図する場合、上記の向流／直交流の配置構成が好ましい。この点は、管状ヘッダー１０、１２の耐高圧性のため、該ヘッダー１０、１２の使用についても当てはまる。

複数の扁平管２０がヘッダー１０、１２間に延在し、これらヘッダーは各管内部と流体連通する。各扁平管は、三つの行路（走路）２２、２４及び２６を有するようにサーペンタイン構造に構成される。これら行路は、互いに平行で、熱交換器の前部（フロント）２８から後部（リア／バック）３０へと相互に直線状に整列される。従って、行路２２は、熱交換器内の行路の前列を形成し、行路２４は、熱交換器内の行路の中間列を形成し、更に、行路２６は、熱交換器内の行路の後列を形成する。行路２２、２４及び２６は、これらが互いに接触した場合に生じるであろうようなこれら行路２２、２４及び２６間の熱伝導を防ぐかさもなければ最小化するため、小間隙２７（図２）分だけ離隔される。

個々の行路が、弓形区域３２によって連結される。通常、弓形区域３２は、該熱交換器を通る空気流１８の方向において、ヘッダー１０、１２の一方もしくは他方とほぼ一致する。好ましくは、行路２２、２４、２６を構成する管群及び弓形区域３２は、大寸法Ｄ_Mとこれを横断する小寸法Ｄ_mとを有する扁平管である。望ましくは、熱交換器を通るガス流路の断面積を最大化するため、行路２２、２４、２６は、大寸法Ｄ_Mが該熱交換器を通る空気流１８の方向と平行となるように配向される。

同時に、超臨界冷凍システムに使用されるガス冷却器のような高圧の用途において、ヘッダー１０、１２の直径ができるだけ小さいことが望ましい。従って、管大寸法Ｄ_Mが、ヘッダー１０もしくは１２のいずれかの直径よりも大きいことさえあり得ると考えられる。そのような場合、一括して３４で示される行路２２、２６の端部は、各ヘッダー１０、１２において該ヘッダー１０、１２の伸長方向に伸びる細長いスロット３６に受け入れられる。この関係を、管大寸法Ｄ_Mが空気流１８の方向と平行であることを要求する関係と共に実現するため、端部３４のすぐ近くで、該管に、常に９０°ではないが一般に９０°のひねり３８が設けられる。同様のひねりは、各弓形区域３２の端部でも設けられ、点線４０で概略的に示される。ひねり４０は、管の曲がりが弓形区域３２を包含することを容易にする。

全体的に４２で示されるサーペンタインフィンは、隣り合う管間に配置され、各フィン４２は、熱交換器のフロント２８からリア３０へと行路２２、２４及び２６の整列した組間に延長する。あるいは、板フィンもしくは他のフィンが使用され得る。従って、フィン４２を通る行路２２、２４及び２６間の熱伝導流路が存在する。

おおむね既に言及したように、多くの用途において、そのような熱伝導路が存在することは望ましくない。上記のように、それらの用途は、超臨界冷凍システムにおけるガス冷却器として稼働される場合のガス冷却器もしくはガス冷却器／蒸発器におけるような行路２２と２６間に相当大きい温度差が存在するものを含む。別の典型例は、行路のいくつかが冷媒のために凝縮器に使用され、かつ、行路の他のものが、エンジン冷却液のような冷却液のためにラジエーターとして使用されている場合であろう。後者の場合はもちろん、冷却液流から冷媒流を分離する追加のヘッダーが使用されるだろう。図１から分かるように、各フィン４２は、複数のおおむね平坦な区域４４を含み、これら区域は、頂部４６で互いに結合され、次いで、該頂部は、フィン４２が間に配置される各管行路２２、２４、２６の平坦側部に対し、鑞付け、はんだ付けもしくは溶接などにより冶金学的に接合される。

図２から分かるように、各区域４４は、三つのセグメントから定義される。該三つのセグメントは、管行路２２間に延在する第１セグメント４８と、管行路２４間に延在する第２セグメント５０と、管行路２６間に延在する第３セグメント５２とを含む。各セグメント４８、５０、５２には、一般にルーバー５４が設けられ、該ルーバーは慣用の構成であり得る。

各セグメント４８、５０、５２間には流れ遮断手段が存在する。二つのそのような流れ遮断手段が図２に示され、これらは、本発明の異なる実施形態に従って形成される。第１の流れ遮断手段は全体的に５６で示され、第２の流れ遮断手段は全体的に５８で示される。本発明によれば、各流れ遮断手段は、細長いスリットによって定義され、該スリットは、各フィン４４を通って連続的に走り、行路２２、２４及び２６間のスペース２７と一直線状に整列配置されるように設けられる。該スリットは、図２に６２で示され、各スリットは、区域６４を結合することによって遮られる。区域６４は、長さ２、３ミリメートルであり得、また、対応するスリット６２の所々に設けられる。結合区域６４は、各フィン４２の各区域４４に存在する必要はなく、一般にそのようには存在しない。それらは、フィン４２が各スリット６２で個々の部分に分割されないように、フィン４２の一体性（完全性）を維持するような頻度で設けられる必要があるだけである。

スリット６２は、おおむね直線であり、対向縁を有する。図３に示されるように、対向縁は６６及び６８で示され、互いに対面し、空気流１８の方向をおおむね横切る。図３に示される本発明の実施形態において、縁６６及び６８は、互いに完全には隣接しないが実質上隣接し、この位置でのフィン４２の連続性の中断のため、一のセグメント４８、５０、５２から他のセグメントへの熱の流れを遮断する。スリット６２は、フィン４２自体からのいかなる材料の除去も伴わずに形成される点に特に留意すべきである。その結果、各フィン４２の表面積は、スリット６２の存在によっては何ら低減されず、そのため、各フィン４２は、方向１８に流れる空気の熱交換のための最大表面積を有する。従って、結果として生じる各フィンのより大きい表面積は、改善された熱伝達を提供する。

図３に示される実施形態において、必須ではないが、鑞付け用材料が用いられる場合、該鑞付け材料は、フィン４２上ではなく管行路２２、２４、２６の側壁７０上に設けられることが望ましい。これは、縁６６、６８を共に鑞接するかもしれない該スリット６２内への鑞付け材料の流れを防ぐ結果、スリット６２がその形成後も切れ目なく連続的なままであることを保証する。

図４の実施形態は、各スリット６２の縁６６、６８が共に鑞接しないことの更なる保証を提供する。この実施形態において、管行路２４間に延在する各フィン４２のセグメント５０は、フィン４２からいかなる材料も除去することなく、セグメント４８、５２から管行路２２、２４、２６の伸長方向においてずらされる。その結果、各セグメント４８、５０、５２の平面をおおむね横断する平面における間隙７０が、流れ遮断手段５６を規定するように設けられる。

更に別の形態が図５に示される。図５の実施形態において、流れ遮断手段５８の一つが例示される。スリット６２の一方の縁７２は上方に曲げられ、これに対し、他方の縁７４は下方に曲げられる。その結果、二つの縁７２、７４は、図５に示されるように離隔される。また、縁７２、７４間の間隙は、図４の実施形態のものと同様に形成され、フィン４２の表面積を低減するいかなる材料の該フィンからの除去も伴わない。

図６は、本発明の更に別の実施形態を示す。この実施形態において、連結区域６４は、例えばコイニングなどの適当な動作によって圧縮される。これは、セグメント４８、５０、５２のうちの隣り合うもの間に間隙７６を形成するように、たとえ同一面を占有していても互いから追い出されているスリットの縁７２、７４をもたらす。コイニング動作は、フィンからのいかなる材料の除去をも引き起こさないので、フィンの表面積は最大となり、熱伝達を改善する。

図７は、本発明に従う熱交換器の好ましい使用環境を示す。冷凍（冷却）目的もしくは空調目的に使用され得るような冷凍システムが特に例示され、更に詳しくは、加熱及び冷却の両方に使用され得る熱ポンプシステムが示される。本発明に従ってなされた二つの熱交換器は、全体的に８０及び８２でそれぞれ示される。これら熱交換器は、ガス冷却器／蒸発器として使用され、一方が蒸発器として稼働する場合、他方がガス冷却器として稼働し、逆の場合もある。該二つの熱交換器は、慣用の圧縮機圧縮機８６及び膨張弁８８のような慣用の弁８４付き熱ポンプ回路に接続される。一般的に、吸い込みライン熱交換器（図示せず）が、アキュムレーター（これも図示せず）と共に圧縮機８６の入口側９０に設置される。

冷却目的で図７のシステムが使用される場合、熱交換器８０は、ガス冷却器として稼働し、鉛管に接続される熱ポンプ及びライン９４における弁８４を介して、圧縮機８６の出口側９２からの圧縮された冷媒を受け入れる。圧縮されたホット冷媒は、ライン９６におけるガス冷却器として稼働する熱交換器８０を出て、最後に、熱交換器８２に接続されたライン９８に排出する膨張弁８８を通過する。該冷媒は、蒸発器として稼働する熱交換器８２内で膨張され、最後に、もしあれば上述した吸い込みライン熱交換器を介して、圧縮機８６の入口側９０に戻される。両熱交換器８０、８２を通って空気を駆り立てるために慣用のファン１００が使用される。

加熱目的で図７のシステムが使用される場合、熱交換器８２はガス冷却器として、熱交換器８０は蒸発器として使用される。この場合、圧縮機８６の出口側９２からのホット圧縮冷媒は、ライン９８における熱交換器８２に供給され、ライン１０２において該熱交換器から出る。該ライン１０２は、鉛管及び弁８４に接続される熱ポンプによって熱膨張弁８８に接続される。膨張弁８８からの冷媒は、熱交換器８０が今度は蒸発器として稼働するので、ライン９４における熱交換器８０に入り、この中で膨張する。熱交換器８０を出る冷媒は、ライン９６を出て、鉛管及び弁８４に接続される熱ポンプを介して、圧縮機８６の入口側９０へと戻される。

上記より、当然のことながら、本発明に従って形成された熱交換器は、管類行路のいくつかの列に共通なフィンを通る熱伝導が全く望ましくない用途に理想的に適している。熱遮断手段としての役割を果たす、フィン５４のセグメント４８、５０及び５２間におけるスリット６２の形成は、フィン４２が形成される材料を何ら除去することなく、上記の機能を実現する。従って、フィン４２は、それらの元々の表面積を保持し、該表面積は、熱伝達に利用可能で、熱の遮断手段を与えるためにフィンからの材料の除去を伴う従前から知られていたフィンに比べ、該フィン４２をより効率的なものとする。

本発明は、一の行路から次の行路へと大きな温度差が生じ、かつすべての行路が冷媒のような単一の動作流体を含む熱交換器にのみ適用できるのではなく、フィンが凝縮区域及びラジエータ区域の両方に共通である共通コアの凝縮器及びラジエータのような組合せ熱交換器に有効に使用され得る。

熱遮断手段５６、５８は、サーペンタインフィン４２を設けるために使用される一般的なロール成形操作中に容易に形成され、また、フィン５２からの材料の除去、及びこのような除去材料からなるスクラップの処分を要することなく、所望の効果を実現する簡易で経済的な方法を与える。

なお、当然のことながら、ある例において、本発明の原理は、サーペンタインフィン熱交換器に限らず、プレートフィン熱交換器にも同様に使用され得る。

本発明に従って形成された熱交換器のやや概略的な斜視図である。 図１の線２−２にほぼ沿う拡大部分断面図である。 図２の線３−３にほぼ沿う部分断面図である。 本発明の変形実施形態を示す、図２の線４−４にほぼ沿う部分断面図である。 本発明の更に別の変形実施形態を示す、図２の線５−５にほぼ沿う部分断面図である。 更なる変形形態を示す、図２の線５−５に沿うものと同様な図である。 本発明に従って形成されたフィンを有する熱交換器が使用され得る冷凍システム、特に熱ポンプシステムの概略図である。

符号の説明

１０、２０ 管状ヘッダー
１４ 出口
１６ 入口
１８ 空気流
２０ 扁平管
２２、２４、２６ 行路
２８ 前部
３０ 後部
４２ サーペンタインフィン
６２ スリット
６４ 結合区域
６６、６８ 縁

Claims (10)

1. 前部及び後部と、前部から後部への扁平管の離隔した複数の列であって、各列において整列された複数の管行路を規定する当該列と、各列において隣り合う管行路と境を接する複数のフィンであって、各フィンが前記各列に共通するように前部から後部へと伸長する当該フィンとを有すると共に、各列における整列された管行路間のスペースのある位置において各フィンに熱流遮断手段を有する熱交換器において、
   前記熱流遮断手段は、フィンを通って完全に延長するスリットによって規定され、かつ、スリットにおいてフィンが形成されるいかなる材料の除去もなく、
   各スリットの各縁は、スリットの対向する縁に対しずらされていないことを特徴とする熱交換器。
2. 前部及び後部と、前部から後部への扁平管の離隔した複数の列であって、各列において整列された複数の管行路を規定する当該列と、各列において隣り合う管行路と境を接する複数のサーペンタインフィンであって、各フィンが前記各列に共通するように前部から後部へと伸長する当該フィンとを有すると共に、各列における整列された管行路間のスペースのある位置において各フィンに熱流遮断手段を有する熱交換器において、
   前記熱流遮断手段は、フィンを通って完全に延長するスリットによって規定され、かつ、スリットにおいてフィンが形成されるいかなる材料の除去もなく、
   各スリットの各縁は、スリットの対向する縁に対しずらされておらず、
   管行路の整列された一つ一つは水力学的に連続して接続されることを特徴とする熱交換器。
3. 超臨界冷媒と、該冷媒を圧縮するための圧縮機と、圧縮機の入口に接続される、該冷媒を蒸発させるための蒸発器と、圧縮機から圧縮された冷媒を受け入れ、該冷媒を冷却し、かつ、冷却された冷媒を蒸発器へと排出するためのガス冷却器とを含む冷凍システムにおいて、
   前記ガス冷却器は熱交換器を備え、
   該熱交換器は、前部及び後部と、前部から後部への扁平管の離隔した複数の列であって、各列において整列された複数の管行路を規定する当該列と、各列において隣り合う管行路と境を接する複数のサーペンタインフィンであって、各フィンが前記各列に共通するように前部から後部へと伸長する当該フィンとを有すると共に、各列における整列された管行路間のスペースのある位置において各フィンに熱流遮断手段を有し、
   前記熱流遮断手段は、フィンを通って完全に延長するスリットによって規定され、かつ、スリットにおいてフィンが形成されるいかなる材料の除去もないことを特徴とする冷凍システム。
4. 前記スリットの縁は、フィンの残部からずらされている請求項３の熱交換器。
5. 前記スリットの縁は、フィンの残部に対し鋭角に伸びる請求項４の熱交換器。
6. 前記各スリットの縁は、フィンの残部から前記鋭角へと反対方向にずらされている請求項５の熱交換器。
7. 前記各スリットの縁は、オフセットの離隔した面へとずらされている請求項４の熱交換器。
8. 前記各フィンに熱流遮断手段を規定する該各フィンにおけるスリットは、短い結合区域によって分割され、各スリットの縁は、該結合区域を変形させることによって互いに離隔される請求項３の熱交換器。
9. 前記結合区域は、フィンの残部よりも薄い請求項８の熱交換器。
10. 前記冷凍システムは、蒸発器がガス冷却器でもあり、かつガス冷却器が蒸発器でもある熱ポンプシステムである請求項３の冷凍システム。

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