JP5053153B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明はパラレルフロー型の熱交換器に関する。

２本のヘッダパイプの間に複数の偏平チューブを配置して偏平チューブ内部の冷媒通路をヘッダパイプの内部に連通させるとともに、偏平チューブ間にコルゲートフィン等のフィンを配置したパラレルフロー型の熱交換器はカーエアコンなどに広く利用されている。その例を特許文献１、２に見ることができる。

従来のパラレルフロー型熱交換器の一例を図１１に示す。熱交換器１は、２本の水平なヘッダパイプ２、３を上下に間隔を置いて平行に配置し、ヘッダパイプ２、３の間に垂直な偏平チューブ４を所定ピッチで複数配置する。偏平チューブ４はアルミニウム等熱伝導の良い金属を押出成型した細長い成型品であり、内部には冷媒を流通させる冷媒通路５が形成されている。偏平チューブ４は押出成型方向を垂直にする形で配置されるので、冷媒通路５の冷媒流通方向も垂直になる。各冷媒通路５はヘッダパイプ２、３の内部に連通する。なお図１１において紙面上側が垂直方向の上側、紙面下側が垂直方向の下側であり、上側のヘッダパイプ２と下側のヘッダパイプ３の間に複数の偏平チューブ４が長手方向を垂直にして所定ピッチで配置された構成となっている。

ヘッダパイプ２、３と偏平チューブ４は溶着により固定される。冷媒通路５は断面形状及び断面面積の等しいものが図の奥行き方向に複数個並び、そのため偏平チューブ４はハーモニカのような断面を呈している。偏平チューブ４同士の間にはコルゲートフィン６が配置される。偏平チューブ４とコルゲートフィン６は溶着により固定される。偏平チューブ４の他、ヘッダパイプ２、３及びコルゲートフィン６も熱伝導の良い金属からなる。

ヘッダパイプ２、３の間に多数の偏平チューブ４を設け、偏平チューブ４間にコルゲートフィン６を設けた構造であるから、熱交換器１の放熱（吸熱）面積は大きく、効率的に熱交換を行うことができる。下側のヘッダパイプ（下部ヘッダパイプと称することもある）３の一端には冷媒流入口７が設けられ、上側のヘッダパイプ（上部ヘッダパイプと称することもある）２の一端には、冷媒流入口７と対角をなす位置に冷媒流出口８が設けられている。
特開２００５−３７０５４号公報 特開２００１−５９６８９号公報

通常、パラレルフロー型の熱交換器には送風装置が組み合わせられる。図１２にパラレルフロー型熱交換器と送風装置の組み合わせ例を模式的に示す。熱交換器１は水平断面が示されており、送風装置２０はプロペラファンの形状をもって象徴してある。送風装置２０は熱交換器１に対峙する位置に設置されている。送風装置２０を駆動すると、それによって生起された気流がパラレルフロー型熱交換器１を通過し、熱交換器１を流れる冷媒と気流との間で熱交換が行われる。

熱交換器１を通過する気流の風速は、熱交換器１のどこをとっても均一という訳には行かない。一般的に、送風装置２０の中心部に対峙する箇所では風速が相対的に大となり、送風装置２０の周辺部に対峙する箇所では風量が相対的に小となる。風速分布の状況を、図１２ではハッチングを施した図形Ａで表現した。図形Ａの中で、図の上下方向に厚い箇所が「風速大」を表し、上下方向に薄い箇所が「風速小」を表す。

「風速大」の箇所は風量が多く、「風速小」の箇所は風量が少ない。熱交換器１のどの箇所をとっても冷媒流量が同じであるとすれば、「風速大」の箇所では熱交換量が多くなり、「風速小」の箇所では熱交換量が少なくなる。このように熱交換量に差があると、熱交換器１の温度分布に偏りが生じ、熱交換器全体を有効に利用できないため、熱交換効率が低下する。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、パラレルフロー型熱交換器において、通過する気流の風速分布が熱交換量に与える影響を小さくし、熱交換効率を向上させられるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、間隔を置いて平行に配置された２本のヘッダパイプと、前記２本のヘッダパイプの間に所定ピッチで複数配置された偏平チューブとを備え、前記偏平チューブは垂直方向に冷媒を流通させる冷媒通路を内部に有し、この冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた熱交換器において、前記複数の偏平チューブは送風装置によって生起される気流中に配置されるものであり、受ける気流の風速が相対的に大である偏平チューブの内部流路抵抗を、受ける気流の風速が相対的に小である偏平チューブの内部流路抵抗に比べ、相対的に大とすることを特徴としている。

この構成によると、内部流路抵抗大で冷媒流量小の偏平チューブを風速大の気流に組み合わせ、内部流路抵抗小で冷媒流量大の偏平チューブを風速小の気流に組み合わせることにより、熱交換量が均等化され、温度分布の偏りが是正され、熱交換器全体の有効利用が可能となって、熱交換効率を向上させることができる。

上記構成の熱交換器において、前記偏平チューブ内の冷媒通路の断面積を変えて内部流路抵抗に差を生じさせることが好ましい。

このような構成にすれば、内部流路抵抗を精密に異ならせることができる。

上記構成の熱交換器において、前記偏平チューブに塑性変形を与えて前記冷媒通路の断面積を変えることが好ましい。

このような構成にすれば、偏平チューブの冷媒通路断面積を簡単に変えることができる。

上記構成の熱交換器において、偏平チューブは内部に複数の冷媒通路を有するものであり、その冷媒通路の数を変えて内部流路抵抗に差を生じさせることが好ましい。

このような構成にすれば、内部流路抵抗の差を簡単に得ることができる。

上記構成の熱交換器において、前記複数の冷媒通路のうち、選択されたものをプラグで閉塞して冷媒通路の数を変えることが好ましい。

このような構成にすれば、冷媒通路の数を簡単に変えることができる。

本発明によると、偏平チューブの冷媒流量に差をつけることによりパラレルフロー型熱交換器における風速分布の偏りを埋め合わせ、これをもって熱交換器全体を有効活用し、熱交換効率を向上させることができる。

以下本発明の第１実施形態を図１に基づき説明する。図１はパラレルフロー型熱交換器と送風装置の組み合わせ例を模式的に示す図であって、図１２と同様のものである。なお図１１、１２に示した従来構造の熱交換器と機能的に共通する要素には図１１、１２で用いたのと同じ符号を付し、説明は省略する。第２実施形態以下の実施形態についても同様とする。

図１２の熱交換器１は、全ての偏平チューブ４が同一構造である。すなわち、どの偏平チューブ４を取り上げても個々の冷媒通路５の断面積と冷媒通路５の数は同じであり、冷媒通路５の合計断面積は同じになる。つまりどの偏平チューブ４でも内部流路抵抗が同じである。これに対して第１実施形態の熱交換器１では、偏平チューブ４によって内部流路抵抗を異ならせる。具体的には、熱交換器１の中心に近く、受ける気流の風速が大である偏平チューブ４ほど内部流路抵抗が大であるものとし、熱交換器１の中心から遠く、受ける気流の風速が小である偏平チューブ４ほど内部流路抵抗が小であるものとする。なお「大小」は熱交換器１の中での相対的な大小を言う。これは第２実施形態以下の実施形態でも同じである。

このように、内部流路抵抗大で冷媒流量小の偏平チューブ４が風速大の気流に組み合わせられ、内部流路抵抗小で冷媒流量大の偏平チューブ４が風速小の気流に組み合わせられることにより、熱交換量が均等化され、温度分布の偏りが是正され、熱交換器１全体の有効利用が可能となって、熱交換効率が向上する。

偏平チューブ４の内部流路抵抗に差を生じさせるにあたり、第１実施形態では、偏平チューブ４内の個々の冷媒通路５の断面積を変えるという手法を採用している。偏平チューブ４の内部には、それぞれ６個の冷媒通路５が一列に並ぶ形で形成されている（６個というのは単なる例示にすぎず、任意の数の冷媒通路を設けることができる）。その冷媒通路５の断面積は、熱交換器１の中心から遠い偏平チューブ４に設けられたものに比べ、熱交換器１の中心に近い偏平チューブ４に設けられたものは相対的に小さくなっている。これにより、１本の偏平チューブ４に形成された冷媒通路５の総断面積（本実施形態では６個の冷媒通路５の断面積の合計）に差がつき、熱交換器１の中心に近い偏平チューブ４ほど冷媒通路５の総断面積が相対的に小さい、という関係が生まれる。

個々の冷媒通路５の断面積比をどのようにするかは実験を通じて決定するのがよい。冷媒通路５の断面積を異ならせるのは、偏平チューブ４の押出成型金型を取り替えることで可能となる。

図１では、熱交換器１の中心に最も遠い偏平チューブ４から最も近い偏平チューブ４まで、偏平チューブ４の１本毎に冷媒通路５の断面積を縮小しているが、この方式は絶対的なものではない。冷媒通路断面積の等しい偏平チューブ４を任意本数連続させた後、冷媒通路断面積を一段と縮小した偏平チューブ４を任意本数連続させることを繰り返す構成であっても良い。

本発明の第２実施形態を図２に基づき説明する。図２はパラレルフロー型熱交換器と送風装置の組み合わせ例を模式的に示す図である。

第２実施形態では、個々の冷媒通路５の断面積は同じであるが、偏平チューブ４毎の冷媒通路５の数が異なっている。すなわち、熱交換器１の中心に最も近い偏平チューブ４は冷媒通路５を２個しか有しない。そこから外側に向かうにつれ、偏平チューブ４の有する冷媒通路５の数が１個ずつ増え、最も多く有するもので６個の冷媒通路５を有することとされている。冷媒通路５の数を変えるのは、偏平チューブ４の押出成型金型を取り替えることで可能となる。

上記のように構成することにより、熱交換器１の中心に近い偏平チューブ４は相対的に内部流路抵抗が大きく、熱交換器１の中心から遠い偏平チューブ４は相対的に内部流路抵抗が小さい、という関係を得ることができる。これにより、内部流路抵抗大で冷媒流量小の偏平チューブ４が風速大の気流に組み合わせられ、内部流路抵抗小で冷媒流量大の偏平チューブ４が風速小の気流に組み合わせられることとなり、熱交換量が均等化され、温度分布の偏りが是正され、熱交換器１全体の有効利用が可能となって、熱交換効率が向上する。

図２では、熱交換器１の中心に最も近い偏平チューブ４から始まって、偏平チューブ４の１本毎に冷媒通路５の数を少なくしているが、この方式は絶対的なものではない。冷媒通路５の数の等しい偏平チューブ４を任意本数連続させた後、冷媒通路５の数を一段と減らした偏平チューブ４を任意本数連続させることを繰り返す構成であっても良い。

第１実施形態と第２実施形態の技術内容は排他的・択一的ではないので、両者を同時に実施しても構わない。

本発明の第３実施形態を図３及び図４に示す。図３はヘッダパイプと偏平チューブとの接続部の拡大断面図、図４は偏平チューブの水平断面図である。

第３実施形態は、第１実施形態と同じく、冷媒通路５の断面積を変えて内部流路抵抗に差を生じさせる。冷媒通路５の断面積を変えるのは次のようにして行う。すなわち図示しない工具で冷媒通路５を挟みつけ、塑性変形部９を形成して冷媒通路５の断面積を縮小する。ここでは、下部ヘッダパイプ３の内部に突き出した偏平チューブ４の先端を塑性変形させることで、６個ある冷媒通路５のうち、２個の断面積を縮小している。このようにすることにより、１本の偏平チューブ４に設けられた冷媒通路５の総断面積（６個の冷媒通路５の断面積の合計）を小さくする。塑性変形部９の塑性変形量と、塑性変形させる冷媒通路５の数を適切に設定することにより、内部流路抵抗を所望量だけ増大させることができる。言い換えれば、冷媒流量を所望量だけ減少させることができるのである。このようにして、冷媒流量を所望量に調整することができる。

冷媒通路５の塑性変形は、ヘッダパイプ２または３の内部に突き出した偏平チューブ４の中で、ヘッダパイプとの溶着に影響を与えない箇所を選んで行う。ヘッダパイプ２または３から外に出た箇所を選ぶのは、偏平チューブ４とコルゲートフィン６の溶着に悪影響を与えるおそれがあり、好ましくない。

本発明の第４実施形態を図５及び図６に示す。図５はヘッダパイプと偏平チューブとの接続部の拡大断面図、図６は偏平チューブの水平断面図である。

第４実施形態は、第１実施形態と同じく、冷媒通路５の断面積を変えて内部流路抵抗に差を生じさせる。冷媒通路５の断面積を変えるのは次のようにして行う。すなわち所定断面のプラグ１０を冷媒通路５に押し込み、冷媒通路５の断面積を縮小する。このようにすることで、１本の偏平チューブ４に設けられた冷媒通路５の総断面積（６個の冷媒通路５の断面積の合計）を小さくする。ここでは角形断面の冷媒通路５に断面Ｘ形のプラグ１０が押し込まれている。プラグ１０の断面形状と、それを押し込む冷媒通路５の数を適切に設定することにより、内部流路抵抗を所望量だけ増大させることができる。言い換えれば、冷媒流量を所望量だけ減少させることができるのである。このようにして、冷媒流量を所望量に調整することができる。

本発明の第５実施形態を図７及び図８に示す。図７はヘッダパイプと偏平チューブとの接続部の拡大断面図、図８は偏平チューブの水平断面図である。

第５実施形態は、第２実施形態と同じく、冷媒通路５の数を変えて内部流路抵抗に差を生じさせる。冷媒通路５の数を変えるのは次のようにして行う。すなわち隣接する２個の冷媒通路５にＵ字形のプラグ１１を挿入し、これら２個の冷媒通路５を閉塞する。プラグ１１の数を増やせば、閉塞される冷媒通路５の数を多くすることができる。なお図ではプラグ１１の断面が円形になっているが、冷媒通路５の形に合わせた角形断面にすれば閉塞度が一層向上する。

本発明の第６実施形態を図９及び図１０に示す。図９はヘッダパイプと偏平チューブとの接続部の拡大断面図、図１０は偏平チューブの水平断面図である。

第６実施形態は、第５実施形態と同じく、プラグにより冷媒通路５の数を減らして行く。ここで用いるプラグ１２は冷媒通路５の形に合わせた角形断面のものであり、一端にフランジ１２ａを有している。このプラグ１２を用いれば、冷媒通路５を１個ずつ閉塞して行くことができる。

第４実施形態から第６実施形態までのプラグ１０、１１、１２は、金属でも、あるいは合成樹脂やセラミックでも、製造することができる。

第１実施形態から第６実施形態において、偏平チューブ４同士の間にコルゲートフィン６が配置されている構成としたが、フィンの種類はコルゲートフィンに限られない。ストレートフィンやスリットフィンなど別の種類のフィンを配置してもよい。また、複数のヘッダパイプ（例えば、上部ヘッダパイプと下部ヘッダパイプの２本のヘッダパイプ）と複数の偏平チューブのみからなり、フィンを備えない熱交換器に対しても本発明は適用可能である。

図においてはプロペラファンの形状をもって送風装置２０を象徴させたが、送風装置２０のファンはプロペラファンに限定されるものではない。シロッコファンやターボファンなど、一般的に熱交換器に組み合わせて用いられるファンであれば何であってもよい。それぞれのファンが持つ風速分布の特性に合わせて、各偏平チューブ４の内部流路抵抗を調整すればよい。

以上、本発明の各実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明はパラレルフロー型熱交換器に広く利用可能である。

第１実施形態に係る熱交換器と送風装置の組み合わせを模式的に示す図 第２実施形態に係る熱交換器と送風装置の組み合わせを模式的に示す図 第３実施形態に係る熱交換器のヘッダパイプと偏平チューブとの接続部の拡大断面図 第３実施形態に係る熱交換器の偏平チューブの水平断面図 第４実施形態に係る熱交換器のヘッダパイプと偏平チューブとの接続部の拡大断面図 第４実施形態に係る熱交換器の偏平チューブの水平断面図 第５実施形態に係る熱交換器のヘッダパイプと偏平チューブとの接続部の拡大断面図 第５実施形態に係る熱交換器の偏平チューブの水平断面図 第６実施形態に係る熱交換器のヘッダパイプと偏平チューブとの接続部の拡大断面図 第６実施形態に係る熱交換器の偏平チューブの水平断面図 従来の熱交換器の概略構造を示す垂直断面図 従来の熱交換器と送風装置の組み合わせを模式的に示す図

符号の説明

１ 熱交換器
２、３ ヘッダパイプ
４ 偏平チューブ
５ 冷媒通路
６ コルゲートフィン
７ 冷媒流入口
８ 冷媒流出口
９ 塑性変形部
１０、１１、１２ プラグ
２０ 送風装置

Claims (5)

1. 間隔を置いて平行に配置された２本のヘッダパイプと、前記２本のヘッダパイプの間に所定ピッチで複数配置された偏平チューブとを備え、前記偏平チューブは垂直方向に冷媒を流通させる冷媒通路を内部に有し、この冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた熱交換器において、
   前記複数の偏平チューブは送風装置によって生起される気流中に配置されるものであり、受ける気流の風速が相対的に大である偏平チューブの内部流路抵抗を、受ける気流の風速が相対的に小である偏平チューブの内部流路抵抗に比べ、相対的に大とすることを特徴とする熱交換器。
2. 前記偏平チューブ内の冷媒通路の断面積を変えて内部流路抵抗に差を生じさせることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記偏平チューブに塑性変形を与えて前記冷媒通路の断面積を変えることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記偏平チューブは内部に複数の冷媒通路を有するものであり、その冷媒通路の数を変えて内部流路抵抗に差を生じさせることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
5. 前記複数の冷媒通路のうち、選択されたものをプラグで閉塞して冷媒通路の数を変えることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。

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