JPH10111088A - 積層型熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 各チューブエレメントの温度のばらつきを少
なくして、良好な熱交換を実現できる積層型熱交換器を
提供する。 【解決手段】 タンク部とこのタンク部に続いて形成さ
れる通路部とが形成されたチューブエレメントを複数段
に積層し、隣合うチューブエレメントをタンク部を突き
合わせて連通し、通路部間にフィンを介在させ、一部の
チューブエレメントにタンク部から突出開口する出入口
部が形成されている。出入口部が形成されたチューブエ
レメントは、タンク部から通路部に移行する部分に複数
のビードを有し、このビード巾を他のチューブエレメン
トのビード巾よりも大きくして通路断面を絞っている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、車両に搭載され
る空調装置等に用いられ、タンク部と通路部とを有する
チューブエレメントをフィンを介して複数段に積層して
構成される積層型熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、所謂ドロンカップ型と称される積
層型熱交換器のチューブエレメントは、２枚の成形プレ
ートを対面接合して構成され、熱交換媒体を分配集合さ
せるタンク部と、このタンク部に通じて熱交換促進用の
ビードが多数形成されている通路部とを有し、さらに、
タンク部から通路部への移行部分に中洲状のビードが形
成されている。そして、所定のチューブエレメントに
は、タンク部から突出開口して配管を接続する出入口部
が形成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような熱交換器で問題となるのは、特定のタンク部に配
管が接続されて熱交換媒体が流出入されるので、出入口
部が形成されたチューブエレメントでは、熱交換媒体が
他のタンク部を経由しない分だけ流路抵抗が小さくなる
と共に、熱交換器の種類によってはこのチューブエレメ
ントが最短経路となり、特に低流量時にあっては、出入
口部を有するチューブエレメントに流れが集中し、熱交
換器の温度分布に悪影響を与えていた。

【０００４】例えば、片タンク型の従来のエバポレータ
の場合、図４（ａ）に示されるように、黒丸で示す出入
口部を有するチューブエレメントの表面温度が他のチュ
ーブエレメントよりも低くなり、出入口部から離れるほ
ど温度が高くなって、表面温度が最も高いチューブエレ
メントと最も低いチューブエレメント（従来では、出入
口部を有するチューブエレメント）との差（ΔＴ）が大
きくなることが確認されている。

【０００５】そこで、この発明においては、各チューブ
エレメントの表面温度のばらつきを少なくして、良好な
熱交換を実現できる積層型熱交換器を提供することを課
題としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】従来の熱交換器は、いず
れのチューブエレメントもタンク部から通路部へ移行す
る部分の形状が基本的に同様であり、このため、流路抵
抗が最も小さく、且つ、最短経路となるチューブエレメ
ントが出入口部を有するチューブエレメントとなってい
たことから、タンク部から通路部への移行部分において
流路断面を小さくして通路抵抗を大きくすれば、熱交換
媒体の良好な分散が得られて温度分布が改善されるとい
う知見を見出し、本願発明をなすに至った。

【０００７】即ち、本願発明にかかる積層型熱交換器
は、タンク部とこのタンク部に続いて形成される通路部
とが形成されたチューブエレメントを複数段に積層し、
隣合うチューブエレメントを前記タンク部を突き合わせ
て連通すると共に、通路部間にフィンを介在させて構成
し、一部のチューブエレメントに、タンク部から突出開
口する出入口部が形成されており、前記出入口部が形成
されたチューブエレメントのタンク部から通路部に移行
する通路断面を他のチューブエレメントよりも小さくし
たことを特徴としている（請求項１）。

【０００８】そして、出入口部が形成されたチューブエ
レメントのタンク部から通路部に移行する通路断面を他
のチューブエレメントよりも小さくする具体的構成とし
ては、タンク部から通路部への移行部分にこの部分を細
分するビードを形成し、このビードの巾を他のチューブ
エレメントのビードの巾よりも大きくして通路断面を絞
る構成が考えられる（請求項２）。ここで、ビードの巾
を大きくするとは、タンク部から通路部に移行する部分
に形成されていた全てのビードを等しく大きくするもの
であっても、部分的に大きくするものであってもよい。
また、他のチューブエレメントとビード数が同じである
必要はなく、幅広のビードを少数形成することで全体と
して流路面積を削減できるような構成としてもよい。

【０００９】ここで用いられる積層型熱交換器は、チュ
ーブエレメントの片側にのみタンク部が設けられる所謂
片タンク型のものであっても、チューブエレメントの両
側にタンク部を形成する両タンク型のものであってもよ
い。さらに、タンク部から通路部に移行する通路断面を
小さくする構成は、熱交換媒体の入口側のチューブエレ
メントだけに設けるようにしても、出口側のチューブエ
レメントだけに設けるようにしても、又は、入口側と出
口側の両方に設けるようにしてもよい。

【００１０】したがって、出入口部から流入される熱交
換媒体は、最も通路抵抗の小さい、また、経路長の短い
通路部を通って流れようとするが、出入口部が形成され
たチューブエレメントは、タンク部から通路部への移行
部分で通路断面が他のチューブエレメントよりも絞られ
ているので、この部分に集中して流れるのが抑えられ、
各チューブエレメントを略均一に流れる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面により説明する。図１において、積層型熱交換器１
は、車両等の空調装置に用いられるエバポレータであ
り、フィン２とチューブエレメント３とを交互に複数段
に積層してコア本体を形成し、所定のチューブエレメン
トに冷媒の出入口部４、５が設けられている例えば４パ
ス方式のものであり、チューブエレメント３は、積層方
向両端のチューブエレメント３ａ，３ｂ、出入口部が形
成されているチューブエレメント３ｃ，３ｄ、及びほぼ
中央のチューブエレメント３ｅを除いて図２（ａ）で示
す成形プレート６を２枚対面接合して構成されている。

【００１２】この成形プレート６は、アルミニウム製の
プレートをプレス加工して形成されているそれ自体公知
のもので、一端部に椀状の２つのタンク形成用膨出部
７，７が形成されていると共に、これに続いて通路形成
用膨出部８が形成されている。通路形成用膨出部８に
は、円筒状の丸ビード９が所定の規則性をもって一体に
形成されると共に、タンク形成用膨出部７間から成形プ
レートの他端部近傍にかけて延びる突条１０が一体形成
されている。また、タンク形成用膨出部７は、通路形成
用膨出部８より大きく膨出形成され、この膨出部分に通
孔１１が形成され、タンク形成用膨出部７から通路形成
用膨出部８へ移行する部分には、成形プレート６の長手
方向に延びる中洲状のビード１２（以下、中洲状ビード
と言う）が３つづつ形成されている。

【００１３】各ビード９，１２及び突条１０は成形プレ
ート周縁の接合代１３と同一面上になるよう形成されて
おり、２枚の成形プレート６がその周縁で接合されると
互いのビード９，１２と突条１０も接合され、対向する
タンク形成用膨出部７によって一対のタンク部１４、１
４が形成されると共に、対向する通路形成用膨出部８に
よって、タンク部間を結ぶ折り返し通路部１５が形成さ
れる。

【００１４】積層方向両端のチューブエレメント３ａ，
３ｂは、図２（ａ）で示される成形プレート６に略平坦
状のプレート（平プレート）１６を外側に接合して構成
されている。また、チューブエレメント３ｅは、通常の
成形プレート６と、片側のタンク形成用膨出部に通孔を
有しない成形プレート６ａ（図１でのみ示す）とを組み
合わせて構成されており、この非連通部分をもって一方
のタンク群を中程で仕切る仕切部１７が形成されてい
る。この仕切部１７は、タンク形成用膨出部７に通孔１
１を形成しない代わりに、チューブエレメント間に薄板
を挟んで通孔を閉塞する構成としてもよい。その他の構
成については通常の成形プレート６と同様であるので説
明を省略する。

【００１５】チューブエレメント３ｃ，３ｄは、これに
形成される出入口部４、５が一方のタンク部から突出開
口しており、図２（ｂ）に示される成形プレート６ｂと
これと対称形状をなす成形プレート６ｃ（図１でのみ示
す）を対面接合して構成されている。成形プレート６ｂ
（又は６ｃ）は、一端部に椀状の２つのタンク形成用膨
出部７が形成され、これに続いて通路形成用膨出部８が
形成されている点、通路形成用膨出部８には丸ビード９
が形成されると共にタンク形成用膨出部間から突条１０
が一体形成されている点、タンク形成用膨出部７は通路
形成用膨出部８より大きく膨出形成され、この膨出部分
に通孔１１が形成されている点等で他のチューブエレメ
ント６を構成する成形プレートと同様であるが、出入口
部４、５を構成する湾状部１８がタンク形成用膨出部７
から延設されている点で異なっており、また、中洲状ビ
ード１２’の形状が他のチューブエレメント６と異なっ
ている。

【００１６】このチューブエレメント３ｃ，３ｄを構成
する成形プレートの中洲状ビード１２’は、図３にも示
されるように、タンク形成用膨出部７から通路形成用膨
出部８へ移行する部分で等間隔Ｂに所定のビード巾Ａを
もって形成されており、接合代１３と中洲状ビード１
２’との間、突条１０と中洲条ビード１２’との間も間
隔Ｂにそれぞれ設定されている。この実施例では、３つ
の各中洲条ビード１２’の両脇を冷媒が流れるようにし
ていることから、タンク部から折り返し通路部へ移行す
る各部分に４つの流路が形成されている。

【００１７】折り返し通路部１５での成形プレート間の
間隙は、いずれのチューブエレメンも同じに設定してあ
り、また、このチューブエレメント３ｃ，３ｄのタンク
部１４から折り返し通路部１５へ移行する部分での総流
路面積は、他のチューブエレメント３の総流路面積より
も小さく設定してある。換言すれば、チューブエレメン
ト３ｃ，３ｄの中洲状ビード１２’が、他のチューブエ
レメント３の中洲状ビード１２よりも幅広に設定されて
いる。

【００１８】そして、熱交換器１は、図１に示すよう
に、隣合うチューブエレメントがタンク部で突き合わさ
れて積層方向（通風方向に対して直角）に延びる２つの
タンク群を形成しており、一方のタンク群は、積層方向
の中央の仕切部１７を除いてタンク形成用膨出部に形成
された通孔１１を介して各タンク部が連通され、他方の
タンク群は，仕切られることなく通孔１１を介して全タ
ンク部が連通されている。

【００１９】したがって、仕切部１３によって一方のタ
ンク群は、出入口部４と連通するタンクブロックと、出
入口部５と連通するタンクブロックとに分けられ、出入
口部４から流入された冷媒は、入口側のタンクブロック
の全体に分散され、各チューブエレメントの折り返し通
路部１５を突条１０に沿って上昇する（第１パス）。そ
して、突条１０の上方をＵターンして下降し（第２パ
ス）、反対側のタンク群に至る。その後、反対側のタン
ク群を構成する残りのチューブエレメントに平行移動
し、そのチューブエレメントの折り返し通路部１５を突
条１０に沿って再び上昇する（第３パス）。そして、突
条１０の上方をＵターンして下降し（第４パス）、出口
側のタンクブロックに集められた後に出入口部５から流
出する。

【００２０】図４において、タンク部１４から折り返し
通路部１５へ移行する部分の流路面積を変化させて所定
の温度と流量の冷媒を流したときの各チューブエレメン
トの表面温度の実測結果が示されている。図中左上の数
字は、出入口部が形成されたチューブエレメント３ｃ，
３ｄの中洲状ビード１２’が形成された移行部分での流
路断面を、他のチューブエレメントのそれとの比で表し
たものであり、図４（ａ）は流路断面が他のチューブエ
レメントと同じに設定されている従来の熱交換器を示
し、図４（ｂ）は流路断面比を０．８５に、図４（ｃ）
は流路断面比を０．７に、図４（ｄ）は流路断面比を
０．５にそれぞれ設定した場合を示している。また、図
中にプロットしてある丸印は、図１で示す各々のチュー
ブエレメントの表面温度に対応しており、黒丸は、出入
口部４、５が形成されたチューブエレメント３ｃ，３ｄ
の表面温度を示している。

【００２１】この実測データから明らかなように、出入
口部を有するチューブエレメント３ｃ，３ｄの表面温度
は、従来の構成であれば、このチューブエレメントに冷
媒が多く流れることから他のチューブエレメントよりも
低くなっていたが、流路断面が絞られるほど表面温度が
相対的に高くなり、このチューブエレメントへの集中的
な冷媒の流れが抑えられて他のチューブエレメントへ冷
媒が分散していることが判る。また、全体としても、温
度分布のばらつきが小さくなり、最も表面温度が高くな
るチューブエレメントと最も低くなるチューブエレメン
トとの表面温度差（ΔＴ）がチューブエレメント３ｃ，
３ｄの流路を絞るほど小さくなることが判る（図５
（ａ）参照）。

【００２２】このように、上述の範囲では、出入口部を
有するチューブエレメント３ｃ，３ｄの流路断面を小さ
くしていけばΔＴが小さくなって温度分布はよくなるも
のであるが、流路断面を小さくしていくと、図５（ｂ）
に示されるように、出入口部を有するチューブエレメン
ト３ｃ，３ｄの通路抵抗が徐々に大きくなり、熱交換能
力に影響してくる。

【００２３】確かに、多数段（１８段）に積層されたチ
ューブエレメントのうちで、流路断面が絞られているチ
ューブエレメントは出入口部が形成された２つのチュー
ブエレメント３ｃ，３ｄだけであることから、熱交換器
自体の熱交換能力に大きく影響するものではないが、通
路抵抗の削減と流路面積の削減とのバランスを考慮し、
現段階では、上述の熱交換器で前記流路断面比を０．７
位に設定することが望ましいとの知見を得ている。

【００２４】尚、この実施例においては、チューブエレ
メント３ｃ，３ｄの風上側と風下側の両方において、幅
広の中洲状ビードが形成されているが、流路面積を絞っ
て冷媒流量を減らすのであれば、風上側又は風下側のい
ずれか一方の中洲状ビードを幅広に形成し、他方は、従
前と同様の形状としてもよい。また、出口側と入口側の
両方の流路面積を絞ることが望ましいが、いずれか一方
のみを絞るようにしてもよい。

【００２５】図６に両タンク型の積層型熱交換器の例が
示され、この熱交換器にあっては、それぞれのチューブ
エレメントの両端部にタンク部２１、２１を形成してそ
の間を熱交換媒体通路部２２で連通させている。そし
て、隣合うチューブエレメントをタンク部２１を突き合
わせて接合すると共に熱交換媒体通路部２２間にフィン
２を介在させ、積層両端のチューブエレメント２０ａ，
２０ｂに出入口部４、５が形成されている。

【００２６】一端側に形成されるタンク群は、チューブ
エレメント２０ｃの仕切壁２３にて第１及び第２タンク
ブロック（Ａ，Ｂ）に区画され、他端側に形成されるタ
ンク群は、チューブエレメント２０ｄの仕切壁２４にて
第３及び第４タンクブロック（Ｃ，Ｄ）に区画され、入
口部４から流入された冷媒は、第１タンクブロックＡを
構成する全タンク部に分散され、この第１タンクブロッ
クＡを構成するチューブエレメントの熱交換媒体通路部
２２を上昇して第３タンクブロックＣに至る（第１パ
ス）。そして、第３タンクブロックＣを構成する残りの
チューブエレメントに平行移動し、そのチューブエレメ
ントの熱交換媒体通路部２２を下降して第２タンクブロ
ックＢに入る（第２パス）。その後、第２タンクブロッ
クＢを構成する残りのチューブエレメントに平行移動
し、そのチューブエレメントの熱交換媒体通路部２２を
上昇して第４タンクブロックＤに入り（第３パス）、し
かる後に出口部５から流出する。

【００２７】チューブエレメント２０は２枚の対称形状
をなす成形プレート２５、２５を対面接合して構成さ
れ、チューブエレメント２０ｃ，２０ｄにあっては、仕
切部２３、２４に対応する部分で通孔が形成されていな
い成形プレート２５ａが用いられている。また、出入口
部４、５が形成されたチューブエレメント２０ａ，２０
ｂは、図７に示される成形プレート２５ｂに出入口部の
端部を除いて略平坦状に形成されたプレート２５ｃを接
合して構成されている。

【００２８】図７の成形プレート２５ｂは、一方のタン
ク形成用膨出部２６に出入口部を構成する湾状部１８’
が形成されている点、中洲状ビード２７の形状が異なる
点を除いて他のチューブエレメントで多用される成形プ
レートと同様の形状をなしており、タンク形成用膨出部
２６から通路形成用膨出部２８へ移行する部分がチュー
ブエレメントの通風方向の巾（短手方向の長さ）に略等
しく形成されており、この移行部分に多数（例えば８
ケ）の中洲状ビード２７が形成されている。このような
構成にあっても、出入口部４、５が形成されているチュ
ーブエレメント２０ａ，２０ｂでは、中洲状ビード２７
の巾が他のチューブエレメントよりも大きく形成されて
おり、このチューブエレメントに集中しやすい冷媒の流
れを抑えて温度分布をよくしている。

【００２９】尚、上記した２つの構成例では、流路数を
減らすことなく中洲状ビードの巾を大きくすることで総
流路断面を小さくするものであるが、隣り合う中洲状ビ
ードを適宜一体に形成して流路数を減らし、これにより
総流路面積を小さくするようにしてもよい。このような
構成は、特に中洲状ビードの数が多い図６、７で示す熱
交換器において有効である。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
積層型熱交換器の出入口部が形成されたチューブエレメ
ントにおいて、タンク部から通路部に移行する通路断面
を他のチューブエレメントよりも小さくするようにした
ので、出入口部が形成されたチューブエレメントに集中
して熱交換媒体が流れることがなくなり、できるだけ各
チューブエレメントの冷媒流量を均してチューブエレメ
ント毎で異なる温度のばらつきを小さくすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明にかかる片タンク式の積層型熱
交換器を示す正面図である。

【図２】図２は、図１に示す積層型熱交換器のチューブ
エレメントを構成する成形プレートを示す図である。

【図３】図３は、タンク形成用膨出部から通路形成用膨
出部への移行部分を示す図２（ｂ）の一部拡大図であ
る。

【図４】図４は、出入口部を有するチューブエレメント
の流路面積を変化させて各チューブエレメントの表面温
度を実測した結果を示す線図である。

【図５】図５（ａ）は、流路面積の変化に対する表面温
度の最大値と最低値との差（ΔＴ）の変化を示す特性線
図であり、図５（ｂ）は、流路面積の変化に対する通路
抵抗の変化を示す特性線図である。

【図６】図６は、本発明にかかる両タンク式の積層型熱
交換器を示す正面図である。

【図７】図７は、図６に示す積層型熱交換器の出入口部
が形成されたチューブエレメントを構成する成形プレー
トの図である。

【符号の説明】

１ 積層型熱交換器 ２ フィン ３、３ａ〜３ｅ、２０、２０ａ〜２０ チューブエレメ
ント ４，５ 出入口部 １４、２１ タンク部 １５ 折り返し通路部 ２２ 熱交換媒体通路部 １２、１２’、２７ 中洲状ビード

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タンク部とこのタンク部に続いて形成さ
   れる通路部とが形成されたチューブエレメントを複数段
   に積層し、隣合うチューブエレメントを前記タンク部を
   突き合わせて連通すると共に通路部間にフィンを介在さ
   せ、一部のチューブエレメントにタンク部から突出開口
   する出入口部が形成されている積層型熱交換器におい
   て、 前記出入口部が形成されたチューブエレメントのタンク
   部から通路部に移行する流路断面を、他のチューブエレ
   メントよりも小さくすることを特徴とする積層型熱交換
   器。
2. 【請求項２】 前記チューブエレメントには、タンク部
   から通路部に移行する部分を細分するビードが形成さ
   れ、前記出入口部が形成されたチューブエレメントの前
   記ビードの巾を他のチューブエレメントよりも大きくし
   て前記移行部分の流路断面を小さくする請求項１記載の
   積層型熱交換器。