JP3970030B2 - 熱交換器 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスクーラ(放熱器)やエバポレータ(蒸発器)などの熱交換器に係り、特に、二酸化炭素(CO2)を冷媒として用いた超臨界冷凍サイクルのように高い耐圧設計圧力が要求されるのに好適な熱交換器に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、地球環境の保全に対する関心が高まっているが、例えば車両用空調装置の冷媒として従来用いられているR134aといった代替フロンは、地球温暖化に対して影響を与えることが懸念されている。このため、そのような代替フロン冷媒に代わる物質として、元来自然界に存在する物質、いわゆる自然冷媒を用いた冷凍サイクルの研究が行われている。このような自然冷媒の候補として、二酸化炭素(CO2)が注目されている。このCO2は、地球温暖化に対する寄与が代替フロンよりもはるかに小さいだけでなく、可燃性がないうえ、基本的には人体に無害であるため、そのような背景から、CO2を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクル(以下、CO2冷凍サイクルと略す)の研究開発が行われている。
【0003】
ところで、CO2冷凍サイクルの作動は、フロンを使用した通常の蒸気圧縮式冷凍サイクル(以下、通常冷凍サイクルと呼ぶ)と比較して、高圧側(圧縮機の吐出側)の圧力が冷媒の臨界圧力を越え、通常冷凍サイクルにおける高圧側の約10倍という高圧が作用する。このような超臨界冷凍サイクルに用いられるマルチフロー(パラレルフロー)タイプのガスクーラ(放熱器)は、十分な耐圧強度を確保する必要があり、例えば特開平10−288476号公報に示される技術が提案されている。
【0004】
図10及び図11はそのような従来の熱交換器を示す。同図において、符号1はガスクーラ(放熱器)やエバポレータ(蒸発器)などマルチフロータイプの熱交換器であり、一対のヘッダ2,2′と、それら一対のヘッダ2,2′間に設けられた扁平チューブ3と、一方のヘッダ2内に、そのヘッダ2の横断面を第1流路2aと第2流路2bとに二分するよう長さ方向に設けられた仕切部4とを備えている。他方のヘッダ2′は、流路をUターンできるようにU字状に形成されている。また、扁平チューブ3は、図11に示すように、長さ方向に沿って冷媒を流通させるための流通孔が設けられ、流通孔のうち、幅方向の一側部側には複数の流通孔3a,3bが設けられると共に、幅方向の他側部側には複数の流通孔3c,3dが設けられている。このように、各側部における流通孔3a,3dの数を複数とすることにより、単数の流通孔を各側部それぞれに設ける場合に比較して、伝熱面積をより広く確保して熱交換効率を向上させることができるようになっている。
【0005】
そして、冷媒が入口5aからヘッダ2内の第1流路2aに供給されると、その冷媒が扁平チューブ3内の流通孔3a,3bを流通して他方のヘッダ2′に至り、ヘッダ2′内でUターンして向きが変えられ、扁平チューブ3内の流通孔3c,3dを流通することによりヘッダ2の第2流路2bに流入して出口5bより排出される。従って、扁平チューブ3において幅方向の半分より一側部の孔3a,3dは冷媒が流入する入口側をなし、幅方向半分より他側部の孔3c,3dは冷媒が流出する出口側をなし、扁平チューブ3内の幅方向の半分の一側部と他側部とで冷媒が互いに逆方向になるように構成されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の熱交換器においては、CO2冷凍サイクルに用いることからヘッダの耐圧を上げるため、ヘッダ2,2′を肉厚にする必要があり、そのため、ヘッダ2の仕切部4をも肉厚にしなければならない。しかしながら、ヘッダ2の仕切部4を肉厚にすると、扁平チューブ3の仕切部4と対応する部分、即ち、孔3bと孔3cとの間の部分3eもそれに合わせた長さに形成するので、熱交換に寄与することができない部分が増し、しかもそれだけ重量増を招いてコストアップする問題があった。
【0007】
また、ガスクーラとして利用される熱交換器にあっては、例えば冷媒の入口5a側の温度が100℃以上であって、Uターンして戻ってきた冷媒の出口5b側の温度が50℃程度にまで冷やされるものとなっている。そのため、一本の扁平チューブ3内で50℃以上の温度差をもつ冷媒が流れていることになる。しかしながら、このように一本の扁平チューブ3内で高温の冷媒と低温の冷媒とが隣り合って流通するように構成すると、高温の冷媒と低温の冷媒とが互いに熱影響を受けることになり、冷媒同士で熱交換してしまって空気との熱交換が行われなくなり、空気との熱交換効率が低下する問題があった。このような問題は、ガスクーラとして使用する場合のみならず、冷媒の出口に過熱度をもたせる蒸発器として利用する場合にも同様のことがあてはまる。
【0008】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、軽量化してコストダウンを図ると共に、熱交換効率を高めることができる熱交換器を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。請求項1に係る発明は、対向配置された一対のヘッダと、これら一対のヘッダ間を連結する複数の扁平チューブとを備え、扁平チューブが、幅方向の一側部側に設けられた流通孔と、幅方向の他側部側に設けられた流通孔とを有してなる熱交換器において、前記扁平チューブの一側部と他側部との間には、これら一側部及び他側部間の伝熱を制限する熱抵抗部が設けられ前記熱抵抗部は、前記扁平チューブの幅方向の一側部側の流通孔と他側部側の流通孔との間の壁部の中央部に、該扁平チューブの長さ方向に沿って設けられた肉抜き部により構成され、前記肉抜き部は、その両面に前記扁平チューブの扁平面をなす薄肉壁部を有することを特徴とする。
【0010】
この発明の熱交換器によれば、チューブの一側部側の流通孔と他側部側の流通孔との間に設けられる肉抜き部により構成される熱抵抗部によって、一側部側の流通孔を流れる冷媒と、他側部側の流通孔を流れる冷媒が互いに熱伝導によって悪影響を受けるのを抑制することができると共に、冷媒と空気との熱交換を良好に行うことができる。
【0011】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の熱交換器において、前記扁平チューブは、引き抜き加工または押し出し加工による一体成形チューブにより構成されることを特徴とする。
【0012】
この発明の熱交換器によれば、扁平チューブが、引き抜き加工または押し出し加工による一体成形チューブにより構成されるので、肉抜き部を設けるにも拘わらず、容易に製作することができる。
【0013】
請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の熱交換器において、前記扁平チューブの先端部には、凹部とその両側に配置される挿入突起とが設けられ、該挿入突起が前記ヘッダの嵌入部に嵌入され、前記凹部が前記ヘッダと当接されることを特徴とする。
【0014】
この発明の熱交換器によれば、挿入突起が前記ヘッダの嵌入部に嵌入され、凹部がヘッダと当接されるので、ヘッダに対する扁平チューブの取り付け位置を容易に決定でき、熱交換器の製作を容易化するとともに、冷媒漏れの発見を容易化し、製品の信頼性を高めることができる。
【0015】
請求項4記載の発明は、請求項3記載の熱交換器において、前記挿入突起には、前記ヘッダの内部に設けられる流路と対応する形状の切り欠きが設けられることを特徴とする。
【0016】
この発明の熱交換器によれば、挿入突起に、ヘッダの内部に設けられる流路と対応する形状の切り欠きが設けられるので、ヘッダ内部の流路を流れる冷媒と圧力損失を減少させ、熱交換性能を高めることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図1から図3はこの発明の一実施の形態に係る熱交換器を示す図であって、図1は熱交換器を示す全体斜視図、図2は熱交換器におけるヘッダと扁平チューブとの関係を示す平面説明図、図3は熱交換器に適用する扁平チューブを示す斜視図である。
【0018】
図1,図2に示すこの実施形態の熱交換器10は、対向配置された一対のヘッダ11,12と、その一対のヘッダ11,12間を連結する複数の扁平チューブ13と、それら扁平チューブ13の間に設けられたコルゲートフィン14とを備えている。コルゲートフィン14は、扁平チューブ13内の冷媒と熱交換する空気側の伝熱面積を増大させることを目的として設けられている。そして、一対のヘッダ11,12のうち、冷媒が図1に示す入口15aより図2に示すヘッダ11の第1流路11Aに供給されると、その冷媒が扁平チューブ13の幅方向の一側部側に設けられた複数の流通孔13a〜13dを流通して他方のヘッダ12に至り、そのヘッダ12内で流路がUターンして扁平チューブ13の幅方向の他側部側に設けられた複数の流通孔13e〜13hを流通することにより、ヘッダ11内の第2流路11Bに流れ込み、かつ図1に示す出口15bより排出されるようになっている。
【0019】
そのため、ヘッダ11内には、図2に示すように、そのヘッダ11の横断面を第1流路11Aと第2流路11Bとに二分するよう長さ方向に設けられた仕切部16が設けられる一方、ヘッダ12内には中間壁17を中心として冷媒をUターンさせるための折り返し流路12Aが形成され、また、扁平チューブ13においては、第1流路11Aと対応する一側部側に流通孔13a〜13dが設けられると共に、第2流路11Bと対応する他側部側に流通孔13e〜13hが設けられている。中間壁17は、折り返し流路12A内で冷媒がUターンする際の冷媒の流れを整流させてスムーズに折り返しさせるためのものである。なお、この実施の形態における中間壁17の形状は、ヘッダ12の長さ方向に長い四角柱形状となっているが、これに限らず、例えば半円柱形状など、その他の形状を採用しても良いことは勿論である。
【0020】
そして、この実施形態において、扁平チューブ13の幅方向の一側部側と他側部側との間の中央には、これら一側部側の流通孔13a〜13dを通る冷媒と、他側部側の流通孔13e〜13hを通る冷媒との間における伝熱を制限する熱抵抗部(符示せず)が設けられている。
【0021】
即ち、この熱抵抗部は、図3に示すように、扁平チューブ13の幅方向において、ヘッダ11の仕切部16と対応する中央部に形成された空間部である肉抜き部21よりなっている。肉抜き部21は、扁平チューブ13の幅方向の中央部に長さ方向に沿って矩形状に設けられており、冷媒が侵入しない程度に仕切部16の幅より小さい幅寸法をなしている。
【0022】
このように構成された熱交換器10は、冷媒が入口15aからヘッダ11内の第1流路11Aに供給されると、そこから図2に示すように、扁平チューブ13の幅方向の一側部側に設けられている流通孔13a〜13dを流通して他方のヘッダ12に流れ込み、ヘッダ12内でUターンして扁平チューブ13内の流通孔13e〜13hを流通してヘッダ11内の第2流路11Bに戻り、かつ出口15bより排出される。
【0023】
その際、扁平チューブ13では流通孔13a〜13d内の高温の冷媒と、流通孔13e〜13h内の低温の冷媒とが隣り合って流通するので、熱伝導によって互いに熱影響を与えるおそれがある。しかしながら、扁平チューブ13の一側部側と他側部側との間の中央部に肉抜き部21からなる熱抵抗部が設けられ、肉抜き部21が流通孔13a〜13dを流れる冷媒と、流通孔13e〜13hを流れる冷媒とが互いに熱伝導によって悪影響を受けるのを抑制することができるため、空気との熱交換が促進される。
【0024】
より詳しく言うと、前記一側部側から前記他側部側に逃げる熱を考えた場合、従来では、空気に比較して熱伝導効率が桁違いに高い、両側部間の壁部を通ることができたため、比較的熱が逃げやすい構造となっていた。これに対し、この実施の形態の熱交換器10は、前記壁部に相当する部分が肉抜き部21とされているため、前記一側部側から他側部側に熱が逃げようとすると、肉抜き部21内の空気を介して伝熱するか、もしくは、この肉抜き部21を形成する薄肉壁部21a,21b(図3参照)を通らなければならなくなる。したがって、従来のような金属製の前記壁部に比較して、空気の方が桁違いに熱伝導率が低いことと、従来の肉厚の前記壁部に比較して、板厚の薄い薄肉壁部21a,21bの方が熱抵抗が高いこととから、伝熱量を著しく低減させることができるようになる。このような理由により、流通孔13a〜13dを流れる冷媒から、流通孔13e〜13hを流れる冷媒に向かって逃げる伝熱量を低く抑えられるようになるので、扁平チューブ13内を流れる冷媒と、扁平チューブ13の周囲を流れる空気との温度差を大きくすることができ、これら冷媒及び空気間での熱交換が促進されるものとなっている。
【0025】
以上説明のように、従来のように扁平チューブの中央部に何等工夫されていないものに比較すると、冷媒と空気との熱交換の性能を確実に高めることができる。その結果、ガスクーラのように入口15aと出口15bとで50℃以上の温度差をもつ冷媒が流れても、入口側の冷媒と出口側の冷媒とがそれぞれ空気と良好に熱交換できる。
【0026】
しかも、扁平チューブ13の中央部に肉抜き部21が設けられていると、それだけ扁平チューブ13それぞれの重量を軽減することができるので、熱交換器10全体を大幅に軽量化することができる。
【0027】
なお、複数の流通孔13a〜13d,13e〜13h及び肉抜き部21を有する扁平チューブ13は、引き抜き加工又は押し出し加工によって一体に成形できるので、肉抜き部21を設けるにも拘わらず、容易に製作することができる。
【0028】
図4〜図9は、この発明の参考例としての熱交換器ならびに他の実施の形態に係る熱交換器をそれぞれ示している。まず、図4に示す参考例は、熱抵抗部として、扁平チューブ13の幅方向の中央部に、一側部側及び他側部側の肉厚より薄くすることによって形成された薄肉部22が設けられている。この薄肉部22により、冷媒と空気との熱交換を促進させると共に、扁平チューブ13の重量を軽減し、熱交換器全体の軽量化を図ることができる。
【0029】
冷媒と空気との熱交換を促進させることができる理由は、本発明の第1の実施形態で説明したのと同様の理由によるものである。すなわち、前記一側部側から他側部側に熱が逃げようとすると、肉厚の薄い薄肉部22を介して伝熱するか、もしくは、この薄肉部22を間に挟む空気層を通らなければならなくなる。したがって、従来の肉厚の壁部に比較して、板厚の薄い薄肉部22の方が熱抵抗が高いことと、従来のような金属製の壁部に比較して、空気の方が桁違いに熱伝導率が低いこととから、伝熱量を著しく低減させることができるようになる。このような理由により、流通孔13a〜13dを流れる冷媒から、流通孔13e〜13hを流れる冷媒に向かって逃げる伝熱量を低く抑えられるようになるので、扁平チューブ13内を流れる冷媒と、扁平チューブ13の周囲を流れる空気との温度差を大きくすることができ、これら冷媒及び空気間での熱交換が促進されるものとなっている。
【0030】
図5に示す第2参考例は、熱抵抗部として、扁平チューブ13の中央部に穴部23が長さ方向に沿って設けられている。即ち、この穴部23は、冷媒の熱交換に寄与しない部分を削除したものであり、これによっても上述と同様の作用効果を得ることができる上、軽量化を実現することもできる。この場合、穴部23は、扁平チューブ13の薄肉部22に設けられることによって熱交換や軽量化の実現をいっそう果たすことができる。
【0031】
また、穴部23は、流通孔13a〜13d,13e〜13hを有する扁平チューブ13が押し出し加工等によって成形された後、所定の位置に穴部23がプレス加工等によって形成される。なお、図5では穴部23が扁平チューブ13に長さ方向に沿って一体に形成された例を示したが、これに限らず、断続的に複数形成してもよい。穴部23を断続的に複数形成する場合は、一体に形成する場合に比べて,偏平チューブ13の強度を高く保つのに有利である。よって、高温冷媒と低温冷媒との冷媒相互熱交換の影響が少ない場合においては、断続的に形成する形態の方が有利である。
【0032】
図6及び図7に本発明のの実施形態を示す。熱交換器10を構成するヘッダ11は、図6に示すように、内部に互いに切り離して設けられた第1流路10A,第2流路10Bを有する筒状をなしており、また、その内側面には扁平チューブ13を嵌入するための嵌入部19を有している。そして、詳細に図示していないが、扁平チューブ13の一側部側に設けられた流通孔13a〜13dと他側部側に設けられた流通孔13e〜13hとがヘッダ11の第1流路10A,第2流路10Bとそれぞれ接続されるようになっている。
【0033】
この実施形態においては、熱抵抗部として、前記肉抜き部21が扁平チューブ13に設けられる他、図6及び図7に示すように、扁平チューブ13の先端部に凹部24とその両側に配置される挿入突起25とが設けられ、その挿入突起25が図6のようにヘッダ11の嵌入部19に挿入されたとき、凹部24がヘッダ11と当接することにより、ヘッダ11に対する扁平チューブ13の取り付け位置を決定するようにしたものである。そのため、ヘッダ11の嵌入部19は、扁平チューブ13の挿入突起25のみを嵌入し得るように形成されている。
【0034】
ところで図2において、ヘッダ11内の仕切り部16と、偏平チューブ13の端面のうち、仕切り部16と対応する部分とのろう付けが不良であった場合、ヘッダ11の第1流路11Aとヘッダ11の第2流路11Bが直接連通する内部漏れの状態になる。このような内部漏れの状態になると、冷媒が偏平チューブ13を通過することなくヘッダ11の第1流路11Aから第2流路11Bへと流通し、熱交換性能が低下し、製品不良となる。この内部漏れは、冷媒漏れによる製品不良を発見するための冷媒漏れ検査では、熱交換器の外部へ検査流体が漏れないために、検出できない。図6の第の実施形態では、ろう付け不良の場合、偏平チューブ13の挿入突起25とヘッダ11のチューブ挿入部19との隙間から、冷媒が必ず外部へ漏れるために、製品不良を発見することができる。
【0035】
この実施形態によれば、扁平チューブ13に熱抵抗部が設けられる他、凹部24と挿入突起25が設けられることにより、ヘッダ11,12に対する扁平チューブ13の取り付け位置を容易に決定できるので、前述した作用効果に加え、熱交換の製作が容易になるばかりでなく、内部漏れがないため製品不良を必ず発見でき、製品の信頼性を高めることもできる利点を有する。
【0036】
図8及び図9に示す本発明のの実施形態は、扁平チューブ13の挿入突起25に、ヘッダ11,12の第1流路10A及び第2路10Bと対応する形状の切り欠き26が形成されている。そして、扁平チューブ13が図9に示すようにヘッダ11,12に挿入して取り付けられたとき、切り欠き26によって第1流路10A,第2流路10Bを流れる冷媒の圧力損失を減少させるようにしたものである。これにより、冷媒の流れがスムーズになり、熱交換の性能をより高めることができる。また、流れの乱れをなくして冷媒流動音を低減することができる。なお、上記の各実施の形態においては、扁平チューブの断面形状として、その基本部分の形状を長円形としたが、この形状は長円形に限られることなく長方形(四角形)であってもよい。また、上記の実施の形態において、各種の熱抵抗部の構成を示したが、扁平チューブ自体を二分割する形態であってもよい。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1に係る発明によれば、チューブの一側部側と他側部側との間に設けられる肉抜き部により構成される熱抵抗部により、一側部側の流通孔を流れる冷媒と、他側部側の流通孔を流れる冷媒とが互いに熱伝導によって冷媒同士で熱交換して悪影響を受けるのを抑制し、冷媒と空気との熱交換を良好に行うことができるため、熱交換器の性能を確実に高めることができ、しかもチューブ個々の重量を軽減して熱交換器全体を大幅に軽量化することができる効果が得られる。
【0038】
請求項2記載の発明によれば、扁平チューブが、引き抜き加工または押し出し加工による一体成形チューブにより構成されるので、肉抜き部を設けるにも拘わらず、容易に製作することができる。
【0039】
請求項3記載の発明によれば、挿入突起が前記ヘッダの嵌入部に嵌入され、凹部がヘッダと当接されるので、ヘッダに対する扁平チューブの取り付け位置を容易に決定でき、熱交換器の製作を容易化するとともに、冷媒漏れの発見を容易化し、製品の信頼性を高めることができる。
【0040】
請求項4記載の発明によれば、挿入突起に、ヘッダの内部に設けられる流路と対応する形状の切り欠きが設けられるので、ヘッダ内部の流路を流れる冷媒と圧力損失を減少させ、熱交換性能を高めることができる。
【0041】
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の一実施の形態に係る熱交換器を示す全体斜視図である。
【図2】 図1のB−B線断面に相当するヘッダと扁平チューブとの関係を示す断面説明図である。
【図3】 熱交換器に適用する扁平チューブを示す斜視図である。
【図4】 この発明の参考例としての熱交換器を示す要部の斜視図である。
【図5】 この発明の第2参考例としての熱交換器を示す要部の図であって、(a)は扁平チューブの要部の平面図、(b)はその縦断面図である。
【図6】 この発明の第の実施形態に係る扁平チューブの先端をヘッダに全体的に挿入したときの状態を示す説明図である。
【図7】 扁平チューブの先端を示す平面図である。
【図8】 この発明の第の実施形態に係る熱交換器を示す要部の平面図である。
【図9】 図8の扁平チューブをヘッダに取り付けた状態を示す説明図である。
【図10】 従来の熱交換器を示す斜視図である。
【図11】 従来の熱交換器におけるヘッダと扁平チューブとを示す説明図である。
【符号の説明】
10 熱交換器
11,12 ヘッダ
10A,11A 第1流路
10B,11B 第2流路
12A 折り返し流路
13 扁平チューブ(チューブ)
13a〜13d 一側部側の流通孔
13e〜13h 他側部側の流通孔
14 コルゲートフィン
16 仕切部
19 挿入部
21 肉抜き部(熱抵抗部、空間部)
24 凹部
25 挿入突起
26 切り欠き

Claims (4)

  1. 対向配置された一対のヘッダと、これら一対のヘッダ間を連結する複数の扁平チューブとを備え、扁平チューブが、幅方向の一側部側に設けられた流通孔と、幅方向の他側部側に設けられた流通孔とを有してなる熱交換器において、
    前記扁平チューブの一側部と他側部との間には、これら一側部及び他側部間の伝熱を制限する熱抵抗部が設けられ
    前記熱抵抗部は、前記扁平チューブの幅方向の一側部側の流通孔と他側部側の流通孔との間の壁部の中央部に、該扁平チューブの長さ方向に沿って設けられた肉抜き部により構成され、
    前記肉抜き部は、その両面に前記扁平チューブの扁平面をなす薄肉壁部を有することを特徴とする熱交換器。
  2. 請求項1記載の熱交換器において、
    前記扁平チューブは、引き抜き加工または押し出し加工による一体成形チューブにより構成されることを特徴とする熱交換器。
  3. 請求項1または2記載の熱交換器において、
    前記扁平チューブの先端部には、凹部とその両側に配置される挿入突起とが設けられ、
    該挿入突起が前記ヘッダの嵌入部に嵌入され、前記凹部が前記ヘッダと当接されることを特徴とする熱交換器。
  4. 請求項記載の熱交換器において、
    前記挿入突起には、前記ヘッダの内部に設けられる流路と対応する形状の切り欠きが設けられることを特徴とする熱交換器。
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