JPH11182977A - 車両エアコン用の多重流動型凝縮器 - Google Patents

車両エアコン用の多重流動型凝縮器

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JPH11182977A
JPH11182977A JP10272351A JP27235198A JPH11182977A JP H11182977 A JPH11182977 A JP H11182977A JP 10272351 A JP10272351 A JP 10272351A JP 27235198 A JP27235198 A JP 27235198A JP H11182977 A JPH11182977 A JP H11182977A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 冷媒流路等の有効面積を最適化し、凝縮器の
熱伝導率を向上させ冷媒側の圧損を最小化させ得る車両
用エアコンの多重流動型凝縮器の提供。 【解決手段】 ヘッダとタンクを有し、一対のヘッダパ
イプ;多数の偏平チューブ、バッフルを備えバッフルは
ヘッダ内部を多数の隔室に区画し、冷媒がその流入口と
流出口間で一対のヘッダパイプと多数の偏平チューブ等
の多数の流路をジグザグ形態に流れるようにし、バッフ
ルの少くとも一つにバイパス路を形成し、バイパス路の
水力直径の偏平チューブの水力直径に対する比を大略
0.28〜2.25範囲とし、冷媒流入口設置の一側ヘ
ッダパイプの入口側の隔室と、この隔室に対向する他側
のヘッダパイプの隔室と、これ等の隔室の間に連絡され
る多数の偏平チューブ等により形成される入口側通路の
面積が、凝縮器全体の流通路等の面積に対して大略30
〜65%の範囲となる構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は車輌のエアコンシス
テムに用いるための多重流動型(multiflowtype)凝縮器
に関するもので、詳しくは凝縮過程で相変化された液冷
媒を、ヘッダに形成された隔室等の間に効率的にバイパ
スさせることによって、凝縮器の熱伝達効率を向上させ
得る高効率凝縮器に関する。
【0002】
【従来の技術】自動車用凝縮器は、圧縮機から吐出され
る高温、高圧の気相冷媒を導入して外部空気との熱交換
を通して凝縮させた後、凝縮された液相の冷媒を膨張手
段を経て蒸発器に吐出させる機態を遂行する装置であっ
て、最近は自動車関連部品が小型、軽量化される趨勢に
よって、コンパクトでありながら熱交換性能が優れた多
様な形態の高効率凝縮器が開発されている。
【0003】その代表的なものとしては、それぞれの内
部に形成された多重流路を有する複数の偏平チューブ等
の間に波状フィンを介在し、それぞれの偏平チューブの
両端を筒形状を成す一対のヘッダに連通、接続させるこ
とによって、流入パイプにより凝縮器に導入された冷媒
が、これ等のヘッダとチューブにより形成された流路を
通して流動しつつ、外部空気と熱交換されるようにした
多重流動型凝縮器がよく知られている。
【0004】図13を参照してこれをより詳細に説明す
ると、並列流動型凝縮器(60)は、第1ヘッダ(6
1)、第2ヘッダ(62)、多数の偏平チューブ(6
3)、及び隣接する偏平チューブの間にそれぞれ介在さ
れる多数の波状フィン(64)から構成される。前記多
数の偏平チューブ(63)のそれぞれの両端部は、前記
第1ヘッダ(61)と第2ヘッダ(62)に接続、連通
され、この偏平チューブが接続される前記ヘッダ等の内
部に、少なくとも1つのバップル等(65)が設置され
ていて、それぞれ多数の偏平チューブ(63)により形
成される複数の流通路(pass)を決めるようになる。
【0005】従って、冷媒は凝縮器の内部をジグザグ形
態に流れるようになる。このような形態の凝縮器は、既
存のサーペンチン型(serpentine type) 凝縮器をさらに
小型、軽量化しつつ高性能化を実現したもので、最近の
自動車用空調システムには、ほとんどこのような形態の
凝縮器が広く採用されている。
【0006】一般的に、凝縮器内部を通過する冷媒は、
圧縮機から気相に導入された後、入口側から出口側に流
動しつつ凝縮器を通過する外部空気との熱交換を通して
気相と液相とが共存する過程を経て、最終の出口側の領
域で液相に変化されて冷媒循環回路の他の構成要素に排
出される。すなわち、凝縮器の上部領域は気相の比重が
大きい冷媒が流れ、下部領域に行くほど凝縮された液相
冷媒の比重がだんだん大きくなり、凝縮器の全体からみ
ると、二相の冷媒が共存しつつ流動する形態を見せると
言える。
【0007】このように冷媒が相変化される過程で、主
に気相の冷媒が流れる領域に位置した偏平チューブの内
側壁面に形成された薄い液膜は、冷媒と空気との間の熱
伝達を妨害する熱抵抗として作用することは勿論、気相
冷媒の流速が液相冷媒の流速より相対的に速いことに起
因して冷媒全体の流動抵抗に作用し、冷媒の入口側と出
口側の間にはシステムのエネルギー増大を伴う圧力降
下、すなわち圧力椙失を誘発させるようになる。
【0008】通常的に、凝縮器の性能を向上させるため
には、冷媒が熱交換することが出来る伝熱面積は増加さ
せ、冷媒側の圧力降下は最小化させ得るように凝縮器を
設計することが重要である。冷媒の伝熱面積即ち、実際
に冷媒が通過するチューブの有効流路断面積を増大させ
る方案として、単位チューブの内部に形成される冷媒が
流通される多数の内部流体通路の水力直径(hydraulic d
iameter)を減少させる方案と、単位チューブはそのまま
置いて、冷媒の流通路数を増加させることによって、冷
媒の全体流路長さを長く形成する方案をあげることがで
きる。
【0009】まず、チューブの水力直径を減少させるた
めの方案として、米国特許第4,998,580号に開
示されている通り、それぞれのチューブの内側に波状形
状のスペーサー(spacer)を内蔵させて多数の流体流動路
を形成し、各流体流動路の水力直径を小さく形成する方
案があるが、これは流体流動路の水力直径が小さくなる
ほどそれに相応して冷媒の通過抵抗を増加させるので、
冷媒側の過度な圧力降下を誘発させるようになる。
【0010】また、このように水力直径が小さい流体流
動路等を有するチューブを適用した凝縮器では、冷媒側
の過度な圧力降下を防止するために、冷媒の流通路の数
を少なく維持しなければならないので、水力直径が大き
いチューブを有するかまたは、より多い流通路を有する
凝縮器に比して冷媒が実際に流動することができる全体
の流路長さ、即ち偏平チューブそれぞれの長さが短くな
る。従って、’580特許では、冷媒の流通路数が多く
なると、例えば3固以上の流通路を有する場合、冷媒側
の圧力降下が過度に発生され、結果的にシステムエネル
ギーを増加させるようになる。
【0011】冷媒の全体の流路長さを増加させる方案と
しては、図1のようにヘッダパイプ内部に多数のバップ
ルを介在して、流入パイプを通して導入された冷媒が一
回以上Uターンしつつ凝縮器の内部を流動することによ
って、結果的にチューブの有効流路単面積を増大させる
効果を発揮するようになり、車両用エアコンシステムと
してはこの形態の凝縮器が多く利用されている。
【0012】このような形態の凝縮器では、冷媒が凝縮
器を通過する過程で発生する冷媒の流動時の相変化すな
わち、冷媒が気相から液相に相変化されて凝縮器の内部
を流れる時、液相が気相に比して比体積が小さく流速が
遅い点を勘案して、凝縮器の入口側流通路の有効面積
(またはチューブ数)を相対的に大きくし、出口側流通
路に行くほど流路面積を減少させることによって、入口
側流通路で最も大きい熱交換が行われることができるよ
うにすることと共に、相変化による冷媒の流動抵抗を減
少させるようになる。しかし、熱交換器の伝熱性能を向
上させるためにチューブの水力直径を小さすぎるように
設定するか、冷媒の流路長さを長すぎるように設定する
場合は、放熱量は増大されるがそれほど凝縮器の入口側
と出口側との間における冷媒流動抵抗が大きくなり、圧
力降下量が増加されるので、圧縮機の仕事量が増加され
るはずである。
【0013】これによって、水力直径が小さいチューブ
を利用した凝縮器は、冷媒の流路長さ、すなわち、Uタ
ーンする回数を最小化し、水力直径が比較的に大きいチ
ューブを利用した凝縮器は冷媒が少なくとも2回以上U
ターンして流れるようにすることによって、冷媒の圧力
降下が過度に発生することを防止しつつ伝熱性能の向上
を図っている。
【0014】一方、一対のヘッダパイプの内部に少なく
とも1つのバップルを設置して、冷媒がジグザグ形態に
流動されるようにして、冷媒の流路長さを長く設定する
方式の凝縮器においては、流路長さの増加による冷媒の
圧力降下を最小化することと共に、各流通路を通過しつ
つ液相に相変化された液相冷媒を凝縮器の出口側に近接
した所にバイパスさせるために、バップル中央部にバイ
パス通路を形成して伝熱性能をより向上させる技術等が
紹介されている。
【0015】すなわち、米国特許第4,243,094
号をその一例としてあげてみると、この’094特許
は、一対の円筒型ヘッダパイプの間に平板フィンが介在
された多数のチューブを配置し、前記ヘッダパイプの内
部には毛細管作用をするように形成された小さい孔(bor
e)を有する複数個のバップルを設置することによって、
各流通路を通過しつつ液相に相変化された冷媒が、次の
流通路を経ずに同一ヘッダパイプ内の隣接する下流側の
隔室にバイパスされ得るように構成した凝縮器を例示し
ている。この’094特許によると、バップルの中央部
に形成される比較的に小さい孔が毛細管作用をすること
により、この孔を通して気相の冷媒が通過することを効
果的に遮断すると同時に、液相の冷媒のみをバイパスさ
せると言及している。
【0016】しかし、’094特許は、冷媒流通路の数
またはチューブの水力直径とバイパス孔の大きさ及び両
子間の相関関係に対して明確に提示していないので、冷
媒流通路の数をどの程度に設定したら過度な圧力降下な
く所望する伝熱性能を得ることができるか、バイパス通
路の大きさをどの程度の範囲に設定することが好ましい
か、また冷媒通路群の数またはチューブの水力直径によ
っていかにバイパス通路を設定することが好ましいか等
に対する言及が全然ないので、実際品に適用することは
非常に難しいことが予測される。また、通常的に流体流
動時において、毛細管効果を達成するためには、流体通
路の直径を小さく長く設定しなければならないというこ
とは一般的に知られた事実であることを勘案する時、バ
ップルに孔を加工する過程と、バップルをヘッダ内に設
置する工程が非常にややこしいという問題点がある。
【0017】凝縮された液相冷媒をバイパスさせるまた
他の従来の技術として、日本国実開昭63−17368
8号があげられるが、図14及び図15(a)、(b)
に図示のとおり、チューブ(78)の両端が挿入される
一対の中孔ヘッダパイプ(70)の内部に、上部部材
(74)と網状部材(77)、そして下部部材(75)
とを順に積層させて構成したバップル手段(73)とを
設置することによって、ヘッダパイプ(70)の内部空
間を上部隔室(71)と下部隔室(72)とに区画す
る。上部及び下部部材(74、75)のそれぞれにはホ
ール(76)が提供され、前記バップル手段(73)の
網状部材(77)を通して、上部隔室(71)内の液冷
媒(80)を下部隔室(72)にバイパスさせる凝縮器
が提示されている。
【0018】しかし、このような構成もまた米国特許第
4,243,094号のように、バップル手段にバイパ
ス通路を形成した液冷媒をバイパスさせるという漠然な
効果を主張しているばかりであり、冷媒流通路の数とバ
イパス通路の大きさ及びこれ等の両子間の関係等、凝縮
器の伝熱性能と圧力降下に関しては全然言及していない
ばかりでなく、バップル手段(73)の製作と設置が複
雑で、構成要素が多いという問題点がある。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】本発明は前記の問題点
を勘案して案出されたもので、本発明の目的は、凝縮器
内の流通路の中、気相の冷媒が多量に流れる流通路と液
相の冷媒が多量に流れる流通路を考えて冷媒流通路等の
有効面積を最適化することによって、凝縮器の熱伝達効
率を向上させると共に、冷媒側の圧力降下を最小化させ
得る多重流動型の高効率凝縮器を提供することにある。
【0020】本発明の他の目的は、冷媒が流動するチュ
ーブの水力直径によってバイパス通路の大きさを最適化
することによって、液冷媒を効果的にバイパスさせ得る
多重流動型の高効率凝縮器を提供することにある。
【0021】本発明のまた他の目的はバイパス通路を容
易に形成することができる多重流動型の高効率凝縮器を
提供することにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めの本発明の凝縮器は、それぞれのヘッダパイプは冷媒
の流動を決めるために相互に結合されるヘッダとタンク
とを有し、前記のタンクとヘッダはそれぞれ半円及び楕
円形状の断面を有し、相互に平行に配置されるし、また
冷媒の流入口と流出口とを有する一対のヘッダパイプ;
相互に等間隔で隔設され並列に配置され、それぞれはそ
の両端部で前記一対のヘッダパイプに連結され、また多
数の内部流体通路を有し、それぞれの内部流体通路の水
力直径が大略1mm乃至1.7mmである多数の偏平チ
ューブ;前記多数の偏平チューブの隣接するチューブ等
の間にそれぞれ介在される多数の波状フイン;前記一対
のヘッダパイプのそれぞれの内部に少なくとも1つずつ
設置される最小限に2個のバップル;前記のバップル等
のそれぞれは、前記のヘッダパイプなどに提供されたそ
れぞれのスリットに挿入される突起を有し、前記バップ
ル等のそれぞれの外周面は、対応される前記ヘッダパイ
プなどの内周面と接面して、前記ヘッダパイプなどの内
部を多数の隔室に区画することによって、冷媒が前記冷
媒の流入口と流出口との間で、前記一対のヘッダパイプ
と多数の偏平チューブ等により決められる多数の冷媒流
路をジグザグ形態に流れるようにし;相互に隣接する前
記隔室等の間に冷媒の疎通路を提供して、主に凝縮され
た液相の冷媒を通過させるために、前記バップル等の少
なくとも1つにバイパス通路を形成し、このバイパス通
路の水力直径の前記偏平チューブの水力直径に対する比
は、大略0.28乃至2.25範囲;及び前記の冷媒が
流入される流入口が設置される一側ヘッダパイプの入口
側の隔室と、この入口側の隔室に対向する他側のヘッダ
パイプの隔室と、これ等の隔室の間に連結される多数の
備平チューブ等により形成される入口側流通路の面積
が、凝縮器全体の流通路等の面積に対して大略30%乃
至65%の範囲であることを含むことを特徴とする。
【0023】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明によ
る好ましい実施の形態を詳細に説明する。図1に図示さ
れた本発明の凝縮器(10)は、相互に並列に整列され
る多数の偏平チューブ(11)と隣接する偏平チューブ
等(11)の間に介在される多数の波状フィン(12)
とを含む。偏平チューブ等(11)のそれぞれは、一端
部で第1ヘッダパイプ(13)に、そして他端部で第2
ヘッダパイプ(14)に連結される。凝縮器(10)は
また最外郭部に配置される一対のサイドプレート(2
0、21)を含む。ヘッダパイプ等(13、14)のそ
れぞれの両端部は、ブラインドキャップ(blind cap)
(17、18)により密閉される。第1ヘッダパイプ
(13)の上部には、流入パイプ(15)が連結され、
その下部には流出パイプ(16)が連結される。図1に
は流入及び流出パイプ(15、16)の全てが第1ヘッ
ダパイプ(13)に連結されるように図示されている
が、例えば流入パイプ(15)は第1ヘッダパイプ(1
3)に、流出パイプ(16)は第2ヘッダパイプ(1
4)に連結することもできる。このような流入/流出パ
イプの位置は冷媒の流通路の数によって決定される。
【0024】第1及び第2ヘッダパイプ(13、14)
のそれぞれの内部にはバップル(19)が配置されて多
数の冷媒流通路を決めるようになり、またそれぞれの冷
媒流通路は、多数の偏平チューブ(11)により決めら
れる。図1では、4個の冷媒流通路(Pl、P2、P
3、P4)が形成される例を示しているし、冷媒流通路
の数はバップルの数を調節することによって変化させ得
る。並列流動型の凝縮器では、冷媒が流入パイプ(1
5)を通して第1ヘッダパイプ(13)に流入された後
流出パイプ(16)を通して排出される時まで、冷媒流
路等をジグザグ形態に流動するようになる。また、ヘッ
ダパイプなど(13、14)のそれぞれに形成されたバ
ップル(19)により、第1ヘッダパイプ(13)には
3個の隔室(13a、13b、13c)が、第2ヘッダ
パイプ(14)には2個の隔室(14a、14b)が形
成された例を示している。
【0025】図2は、ヘッダパイプ、バップル及びチュ
ーブの結合関係を示す部分展開斜視囲であり、図3は図
2のII−II線に沿って切り取った本発明の一実施の形態
による断面図である。偏平チューブ(11)は内壁など
により区画される多数の内部流体通路(11a)を有す
る。ヘッダパイプなど(13、14)のそれぞれは、ヘ
ッダ(22)とタンク(23)とからなり、ヘッダ(2
2)とタンク(23)のそれぞれは、結合された状態で
大略楕円形状の断面を形成するように切曲される。
【0026】また、ヘッダパイプ等(13、14)のそ
れぞれは、2個の構成要素から構成されず、円形の断面
積を有するようにすることができる。それぞれのヘッダ
パイプが円形の断面積を有する場合、ヘッダパイプはク
ラッド(clad)が被服された板を用いてシーミング(seami
ng) するか押出等の方法により製造する。
【0027】ヘッダ(22)には多数のスロット(slot
s) (24)が形成されていて、このスロット等に偏平
チューブ(11)等が挿入される。バップル(19)は
ヘッダパイプ等(13、14)の内部に位置するように
なり、バップル(19)の外周面の形状は、ヘッダパイ
プなど(13、14)の内周面の形状と同様に形成され
て、ヘッダパイプ(13、14)とバップル(19)と
が結合された状態で、バップル(19)の外周面はヘッ
ダパイプ(13、14)の内周面と接面するようにな
る。これとは異なって、バップル(19)が位置するヘ
ッダパイプ(13、14)の内周面に前記のバップル
(19)の挿入位置を固定するための所定深さの溝をヘ
ッダパイプ(13、14)の内周面に沿って形成し、バ
ップル(19)外周面の大きさをヘッダパイプ(13、
14)の内周面より若干大きく形成して、バップルの外
周面がこの溝に挿入されて、前記のヘッダパイプとバッ
プルとが接面されるようにすることもできる。バップル
(19)には、その外周面上の一部分から外側に延長さ
れる突起(26)が形成され、この突起(26)は、タ
ンク(23)に形成されたスリット(27)に挿入され
る。
【0028】前記の突起は、ヘッダパイプ(13、1
4)の外部に所定長さに延長されるようにすることによ
って、スリット(27)にバップル(19)が結合され
た時、ヘッダパイプ(13、14)の外部に突出された
突起(26)部分をかしめ(caulking)等の方法により押
さえ付けて、突起挿入用スリット(27)がヘッダパイ
プ(13、14)の外表面に完全に圧搾されて固定させ
ることによって、ブレージングのために製品を移送する
過程で、バップル(19)が所定の位置から離脱されな
いようにすると共に、ブレージングの後に該当部位から
のリークの発生を最大限抑制することができるようにす
る。
【0029】バップル(19)には最小限に1つ以上の
バイパス手段(25)が形成される。図3は本発明によ
るバイパス通路の一実施の形態を図示したもので、バッ
プル(19)の外周面には少なくとも1つの切取部(2
5)が形成され、前記の切取部(25)は、プレス加工
等によりバップルの成形時に同時に成形することが好ま
しい。前記のバップル(19)がヘッダパイプ(13、
14)に結合された状態でバイパス通路(25a)を形
成することによって、流入パイプ(15)を通して流入
された気相の冷媒の中凝縮過程を経ながら相変化された
液相の冷媒を通過させるようになる。
【0030】すなわち、バイパス通路はヘッダパイプ等
(13、14)とバップル等(19)により決められる
隔室等(13a、13b、13c、14a、14b)の
中、相互に隣接する隔室等の間に冷媒の疎通路を提供し
て、各冷媒流路を通過しながら凝縮された液相の冷媒の
中の一部を、隣接した隔室などに直接通過させるように
なる。前記のバイパス通路(25a)は、バップルの中
央部分に形成することもできるが、バップルの外周面に
形成することが加工上にさらに有利である。すなわち、
バップル(19)の中央部分に形成する場合、バップル
(19)を1次加工した後、さらに所定大きさのバイパ
ス通路を加工しなければならない作業上の問題と、一定
大きさ以下に加工する場合、加工パンチがそれにより小
さくなることによって加工パンチの強度が弱くなり、寿
命が短くなるという問題点がある。
【0031】しかし、バップルの外周面にバイパス通路
を形成する場合は、加工パンチで一括作業を行いながら
金型のみを若干修正しても、バップル加工工程時に一気
に加工することが可能になるので加工が容易になり、冷
媒流動特性などを考えてバイパス通路の位置を変更しよ
うとする時により有利な利点がある。図4は、本発明の
他の実施の形態によるバイパス通路を示す断面図であっ
て、この実施の形態では、ヘッダパイプ(13または1
4)の内周面にバイパス通路(28)を形成したもので
ある。この実施の形態におけるバイパス通路(28)
は、押出成形やロール成形等によりヘッダパイプ(1
3、14)の軸方向に沿ってその内周面に長く形成する
こともでき、プレス加工等の方法によりバップル(1
9)が位置する部分のみに形成することもできる。
【0032】図5は、バイパス通路のまた他の実施の形
態を示す図面であり、図6の(a)(b)は、それぞれ
バイパス通路を加工する方法などに対する概略説明図で
ある。バップル(19)の中心部分にバイパス通路を形
成する場合、加工上の問題点を補完し、冷媒をまた効率
的にバイパスさせ得る実施の形態を例示したものであ
る。ここにおいてはバイパス通路(29)をその例とし
てランシング(Lancing)、バーリング(burring) 、スク
ラッチング(scratching)等の方法により形成している。
すなわち、バップル(19)からバイパス通路が形成さ
れる部分を完全に切り取らず、折られた部分(19a)
に裁って置くことによって、この折られた部分(19
a)は、液冷媒のバイパス時に案内役割を果たすように
なり、パンチング加工による前記の短所を解消すること
ができる長所がある。
【0033】図7は、車輌用エアコンシステムの冷媒循
環回路を示す全体概略図である。冷媒循環回路(35)
は通常的に圧縮機(36)、凝縮器(37)、膨張手段
(38)及び蒸発器(39)からなる。このような冷媒
循環回路(35)で冷媒は圧縮機(36)で圧縮され
て、大略15乃至20kg/cm程度の高温高圧状態
に圧縮されて凝縮器(37)に送られる。圧縮機(3
6)から流来する高圧は、凝縮器の冷媒流入口(I)部
分に伝達され、冷媒は凝縞器(37)内の冷媒流通路
(図4の図示によると、4個の冷媒流通路)を経ながら
冷媒は液相に相変化され、冷媒流出口(O)を経て排出
される。液相の冷媒は、膨張器具(38)を経ながら大
略2乃至5kg/cmの低温低圧の状態で蒸発器(3
9)に流入され、周図の空気との間に熱交換が行われた
後、さらに圧縮機(36)に送られて冷媒循環回路を循
環するようになる。
【0034】図8は、図7の冷媒循環回路の理想的なサ
イクル及び実際のサイクルを示すp−h線図である。凝
縮器(37)を流動する冷媒側で圧力降下(dPr)が
発生しないことが理想的な冷媒循環サイクル(IC)で
あるが、実際には冷媒は凝縮器(37)の冷媒流通路等
を経ながら冷媒流動抵抗を受けることによって、凝縮器
内で所定の圧力降下(dPr)が発生するようになるは
ずである。実際冷媒循環サイクル(AC)すなわち、凝
縮器(37)の入口側(I)と出口側(O)の圧力を測
定した時、冷媒側で所定の圧力降下が発生されるように
なるが、このような圧力降下はバップルにバイパス通路
が形成されている場合やそうでない場合とは閑係なく発
生するようになる。また、凝縮器の前方から波状フィン
(12)を経て後方に通過するようになる空気側でも圧
力降下が発生するようになる。このような冷媒側及び空
気側での過度な圧力降下は、エアコンシステムが必要と
する圧縮機の仕事量を増加させるようになり、結局エア
コンシステムのエネルギーを増加させるようになる。
【0035】従来のサーペンチン型の凝縮器から並列流
動型(parallel flow type)乃至多重流動型凝縮器に車輌
用凝縮器の設計が変わることによって、サーペンチン型
凝縮器で熱伝達効果の向上のために用いられた比較的に
大きい単一チューブは多数の偏平チューブに代替され
た。多数の偏平チューブの両端は隔設されて並列に配置
される一対のヘッダに連結されて冷媒の流通路を決める
ようになるが、凝縮器内に流入された冷媒は、それぞれ
の偏平チューブ内を並列に流動するようになる。並列流
動型凝縮器では、要求される性態を得るための方法とし
て、偏平チューブの水力直径を一定範囲内に制限する
か、バップル手段により凝縮器の内部を多数の冷媒流通
路を形成するように分割するようになる。
【0036】上述の如く、偏平チューブまたは偏平チュ
ーブのそれぞれの内部流体通路の水力直径を一定値以下
に維持する場合は、伝熱性能が増加するが、それぞれの
偏平チューブを通して流れる冷媒の通過抵抗が増加する
ようになり、それによって過度な圧力降下が随伴され
て、結果的に冷媒循環回路の全体から要求されるシステ
ムエネルギーが増加するようになるので、この場合は冷
媒流通路の数は少なく維持することしかない。これとは
異なって、備平チューブの水力直径が適切な範囲内にあ
る時、即ち偏平チューブの水力直径を大略1mm以上に
多少大きく設定する場合は、それぞれの偏平チューブを
通過する冷媒の通過抵抗は、1mm以下の水力直径を有
する偏平チューブに比して少なくなり、圧力降下は相対
的に小さくなる。従って、比較的に小さい水力直径を有
する偏平チューブに比して多数の冷媒流通路を形成する
ことができるようになり、結果的に冷媒の全体流路長さ
を増加させ得るようになって、伝熱性能も向上させ得る
ようになる。
【0037】参考に、水力直径は円の形状でない断面を
円の形状断面の直径に換算して計算されるもので、水力
直径Dh は下記式により表現される。 D = 4A/P ここにおいて、Aはチューブの断面積、Pは接水長さ(w
etted perimeter)を示す。
【0038】本発明者は、前記に記述した点を考えて、
バイパス通路を有する凝縮器において、偏平チューブの
内部を流動する冷媒の流動抵抗を少なくして、冷媒の圧
力降下を最小化するために偏平チューブの水力直径を一
定範囲に制限し、冷媒の流動抵抗減少による偏平チュー
ブの伝熱性能の低下を防止するために、バイパス通路の
大きさを偏平チューブの水力直径によって最適化させ
て、液相の冷媒を隣接する隔室にバイパスさせると同時
に、冷媒の流動位置別の流動特性を勘案して冷媒流通路
の有効面積を最適化させて、全ての冷媒流通路で冷媒が
一定した流速で流動されつつ凝縮されるように設計する
ことによって、究極的に圧力降下が最小化されながらも
凝縮器全体の伝熱性能を向上させ得る改善された凝縮器
を発明するようになった。
【0039】本発明者は、前記のような最適の擬縮器を
設計するためにまず、チューブの水力直径が1mm以下
の場合は上述の如く過度な圧力降下が発生されて、冷媒
流路を長くすることができず、チューブの製作もまた難
しく、1.7mm以上の場合は、凝縮器性能を満足させ
るために冷媒流路を長くしなければならないし、それに
よって凝縮器が大型化される点を考えて、水力直径の範
囲を大略1乃至1.7mm範囲に設定した後、バップル
に約1mmの水力直径を有するバイパス通路を形成した
凝縮器とバイパス通路を形成しない従来の一般的な凝縮
器とを準備してテストを行った。
【0040】実験結果、バイパス通路を形成した凝縮器
が、そうでない凝縮器に比して圧力降下量は少なかった
が、放熱量は多少劣るということを再び確認することが
できた。これによって本発明者らは、バイパス通路の水
力直径とチューブの水力直径との相関関係が性能にある
程度の影響を及ぼし得るという事実を類推し、これを確
認するために前記チューブの水力直径の範囲即ち1−
1.7mm中、最低値0.5倍から最高値2倍まで(大
略0.5mm乃至3.4mm範囲)をバイパス通路の水
力直径に設定し、実験を行った結果、図9のような実験
結果を得た。
【0041】図9を参照して説明すると、バイパス通路
の水力直径のチューブの水力直径に対する比、DhB
hT値が一定した範囲を超過するか未満の場合、凝縮
器の性能がそのまま表れないことが分かる。放熱性能面
ではバイパス通路を形成したものが低くなったし、圧力
降下側面では多少改善されたことを示している。
【0042】前記の実験結果を総合してみると、バイパ
ス通路の水力直径のチューブの水力直径に対する比、D
hB/DhT値が過度に小さい場合(図9の図示のとお
り0.28以下値)は、バイパス通路の加工問題や実質
的な液冷媒のバイパス効果を期待しにくく、その反面過
度に大きい場合(図9の図示のように2.25以上値)
は、液冷媒ばかりでなく気相冷媒の一部が同時にバイパ
スされる可能性が大きくなるので、バイパス通路を形成
する本来の目的を達成することが難しくなるという事実
と、またチューブの水力直径が比較的に小さい場合(大
略1mm)、また比較的に大きい場合(大略1.7m
m)は、一般的にチューブの水力直径に対するバイパス
通路の水力直径は反比例関係に設定することが好ましい
が、その中間範囲の水力直径を有するチューブに対して
は後述のとおり、冷媒流通路の有効面積を考えてバイパ
ス通路の水力直径を設定しなければならないことを確認
した。
【0043】バイパス通路の形状においても、本発明者
らは図2、3の図示のように、バップル(19)に切取
部(25)を形成してヘッダパイプ(13、14)と結
合するか、または図4のようにヘッダパイプ(13、1
4)の内壁面を利用して形成するか、または図5、6の
ようにスクラッチ形状にバップルを裂く方法等によって
バイパス通路を形成した凝縮器でも類似した結果を得
た。これはバイパス通路の形状と形成位置によって凝縮
器の性能には大きい影響を及ぼさないと解釈することが
できる。引いて、下部側の冷媒流通路に行くほど液冷媒
量が多くなることに鑑みて、冷媒流入パイプ(15)に
隣接した第1ヘッダパイプ(13)の上部隔室(13
a)とそれと隣接した中部隔室(13b)との間の冷媒
の疎通路を提供するバイパス通路の大きさ及び数は、中
部隔室(13b)と下部隔室(13c)との間の冷媒の
疎通を提供するバイパス通路の大きさ及び数より少ない
方が好ましい。
【0044】しかし、下部冷媒流通路に接近することに
より漸次的にバイパス通路の大きさを大きくするか、ま
たは生産性及び作業性等の理由で、バイパス通路の大き
さを同じく形成するとしても性能にはあまり影響を及ぼ
さないことをテスト結果から確認することができた。従
って、バイパス通路の形態は、凝縮器の全体的な性能に
は大きい影響を及ぼさないものと判断される。図9の曲
線A、Bが示しているように、凝縮された液冷媒をバイ
パスさせることは放熱性能よりは圧力降下の改善に主眼
点を置くものであって、バイパス通路が形成された凝縮
器は、バイパス通路を形成しない凝縮器に比して圧力降
下量は多少改善される反面放熱性能が劣るが、チューブ
の水力直径に対するバイパス通路の水力直径の比率を最
適化することによって、一定した範囲で放熱性能をある
程度改善させ得る事実を確認することができた。
【0045】従って、本発明者らは、本発明による凝縮
器の放熱性能をバイパス通路を形成しない凝縮器より向
上させるために、チューブ及びバイパス通路だけでなく
バイパス通路を有する凝縮器に適合するように、冷媒流
通路の有効面積を連関させなければならないことを類推
し、これを確認するために冷蝶の流動位置別の流動特
性、すなわち相変化程度と冷媒の流速などを考えて冷媒
流通路を変化させながら実験した結果、圧力降下の側面
で優れた効果が表れ、バイパス通路を形成しない凝縮器
より放熱性能面でも効果が優れた凝縮器が得られた。
【0046】図10乃至図12は、偏平チューブの水力
直径とバイパス通路の水力直径及び冷媒流通路の数を変
化させながら実験した結果を示している。図10は、バ
イパス通路の水力直径チューブの水力直径に対する比、
即ち図9の実験結果に基づいてDhB/DhT値を大略
0.28力至2.25の範囲に設定した状態で、凝縮器
全体のチューブ数対比入口側の流通路を決めるチューブ
数を増加させながら放熱量及び圧力降下量を測定した傾
向グラフであって、実験に用いられた凝縮器は4個の冷
媒流通路を有し、バイパス通路の水力直径のチューブの
水力直径に対する比、DhB/DhT値が0.95であ
る凝縮器を用いた。
【0047】グラフを参照すると、入口例の冷媒流通路
のチューブ数が全体チューブ数に対して40%以内の場
合は、従来技術及び本発明の実験結果の全てが、放熱量
は多少劣っているし、圧力降下量は多少増加するものと
表れた。しかし、それぞれ本発明の凝縮器及び従来技術
の凝縮器を表れる曲線C、E及びD、Fが示しているよ
うに、全体チューブ数対比入口例の冷媒流通路の面積が
占める比率が大略40%乃至55%の場合、既存のバイ
パス通路を有する凝縮器に比して、本発明の凝縮器は放
熱量や圧力降下量の面において多少優れた性能を示して
いる。
【0048】引いて、3個の流通路と5個の流通路を有
する凝縮器に対する実験結果、3個の流通路の場合、入
口例の流通路の面積が大略55%乃至65%の場合が、
5個流通路の場合は大略30%力至45%の場合が最適
の性能を表れた。これは入口側の冷媒流通路内の冷媒の
相変化程度が放熱性能に相当な影響を及ぼし、入口側の
領域が大きくなることによって液相の冷媒がバイパスさ
れる流量と、バイパスされず再凝縮される気相の冷媒が
流れる冷媒流通路との相関関係を最適に設定した場合の
みに放熱性能が優秀に表れるということを確認すること
ができた。
【0049】すなわち、凝縮器の流入口側に入ってくる
気相の冷媒は、比体積の大きさのために入口側の流通路
で最も多い量の冷媒が凝縮されるので、凝縮された液相
の冷媒をバイパスさせない場合、気相の冷媒と液相の冷
媒の不均一な流速の差異により圧力降下が発生されつ
つ、上述のように冷媒流れの抵抗要素として作用される
が、凝縮された液相の冷媒を適切にバイパスさせる場合
は、液冷媒がバイパスされることにより、チューブ側を
循環する気相冷媒の流動を円滑にし、下部流通路に行っ
ても入口側の流速と大きい差異なく流れ得るようにな
り、総合的に凝縮器の性能が増加されるものと判断され
る。
【0050】凝縮器の設計条件を前記のように設定した
場合、圧力降下量を効率的に維持しつつ放熱量も増加さ
せ得るので、チューブの水力直径を小さくしながらも、
冷媒流通路の数をある程度増加させ得るようになり、ま
た水力直径が大きいチューブを用いる場合は、例えば流
通路の数をより多くするとしても(すなわち、冷媒の全
体流路長さを増加させても)圧力降下量を許容範囲以内
に制限することができるようになる。このような事実は
同一サイズの凝縮器の場合、本発明による凝縮器が従来
技術の凝縮器(バイパス通路の有無とは関係なく)に比
してより優越な性能を有するようになり、これは言い換
えれば同一な性能を得るために凝縮器を設計する場合よ
り小型化された凝縮器が提供される。
【0051】図11は、前記において設定したチューブ
の水力直径範囲が大略1乃至1.7mmにおいてチュー
ブの水力直径を変化させた時、放熱性能と圧力降下量の
変化推移を示したグラフであって、従来技術I はバイパ
ス通路のない一般的な凝縮器であり、従来技術IIは従来
技術にバイパス通路を形成した凝縮器を示す。グラフを
参照すると、冷媒流通路が4個の従来技術の凝縮器にお
いて入口側冷媒流通路の面積は、全体凝縮器面積の大略
30%乃至40%であるが、冷媒流通路等に沿って流れ
ながら凝縮された冷媒がバイパスされ得るように、一定
大きさのバイパス通路を形成して実験した結果(Prior A
rt II)は、バイパス通路のない(Prior Art I) 従来の凝
縮器に比して圧力降下量が相当に低くなったが、放熱性
能はバイパス通路のない凝縮器より劣るものに表れ、バ
イパス通路がある凝縮器の全体的な性能がバイパス通路
を形成しない凝縮器よりさらに劣るものに表れる。
【0052】しかし、本発明によってバイパス通路を形
成した図1の凝縮器では、バイパス通路の水力直径のチ
ューブの水力直径に対する比と、入口側流通路(Pl)
の面積を凝縮器の全体流通路等の面積の大略30−65
%に設定した場合、チューブの水力直径が増加すること
によって、放熱量は従来技術I 、IIに比して優れた性能
を表し、圧力降下量は従来技術I に比して優れるが、従
来技術IIに比しては多少劣るものに表れた。本発明によ
る凝縮器が従来技術IIに比して圧力降下量が多少大きい
理由は、従来技術IIの入口側領域が、本発明による凝縮
器の入口領域より小さいので、気相の冷媒が液相冷媒と
共にバイパスされる量が、本発明のよる凝縮器より多い
ものと判断され、これ両側の間に圧力降下量の差異はあ
まり大きくないことに表れた。
【0053】すなわち、図11のグラフから一般的に用
いられるチューブの水力直径に関係なく、入口側の冷媒
流通路における凝縮量と、バイパス通路及び偏平チュー
ブの水力直径の比は、相互に相関関係があることが分か
るし、入口側の流通路における凝縮量、すなわち入口側
の流通路の面積が図10に示した範囲内で設定する時、
凝縮器は最適の性能を表すことが分かった。すなわち、
バイパス通路とチューブ水力直径の比を最適化し、入口
側の冷媒流通路のチューブ数を凝縮器に形成される全体
の冷媒流通路の数によって一定範囲に設定する場合、要
望する放熱量と圧力降下量を得ることができるというこ
とを意味する。
【0054】図12は図11の条件で、冷媒流通路の数
を異にしながら実験した結果の傾向を示したグラフであ
って、冷媒流通路の数が増加するほど、放熱量と圧力降
下量とが同時に増加する。従来技街I は、バイパス通路
のない一般的な凝縮器であり、従来持術IIは、バイパス
通路を有しているが、入口領域の面積を本発明のそれよ
り小さく設定した従来の凝縮器を示している。図12か
ら、流通路の数が増加するほど放熱量は増加するが、そ
れほど圧力損失が大きくなるので、流通路の数を過度に
多く設定することに制約が伴われることが分かる。すな
わち従来技術I の場合、放熱量は増加されるが圧力降下
量が急激に増加され、従来技術IIの場合圧力降下量はあ
まり急激に増加しないが放熱量の側面においては従来技
術I に比してさらに低い結果が表れ、図11のグラフと
同一な結果を示している。
【0055】しかし、本発明による凝縮器の場合、放熱
量が増加しながら圧力降下量もあまり急激に増加しない
ことに表れ、同じ条件で流通路の数を多少拡張するとし
ても大きい問題がないことが分かる。さらに、図9乃至
図12に表れた結果を総合して見ると、凝縮器の性能
(放熱量及び圧力降下量の側面)は1.並列流動型凝縮器
で使用されるチューブの水力直径、2.チューブの水力直
径に対するバイパス通路の水力直径、3.流入パイプを通
して流入される流入冷媒の凝縮量を勘案した凝縮器全体
チューブ数対比入口側チューブの比、すなわち入口側流
通路(Pl)が占める面積等の3条件を、冷媒流通路の
数を考えて最適の状態に調和させて設計する時凝縮器の
性能改善効果があることが分かる。
【0056】すなわち、チューブの水力直径が大略1乃
至1.7mm以内であり、バイパス通路水力直径のチュ
ーブの水力直径に対する比、DhB/DhT値が大略
0.28乃至2.25範囲内であり、凝縮器の全体流通
路等に対する入口側の流通路が占める面積比率が大略3
0%乃至65%の場合、並列流動型凝縮器における性能
は、バイパス通路の有無に関係なく前記の3条件を満足
させ得なかった場合に対備して優れた性能を表した。例
えば、冷媒流通路が4個の凝縮器においては、チューブ
の水力直径が大略1.2乃至1.5mm以下であり、バ
イパス通路の水力直径のチューブの水力直径に対する
比、DhB/DhT値が大略0.45乃至1.85範囲内で
あり、入口側流通路のチューブが占める比率が大略40
%乃至55%範囲内の場合に最適の性能を表した。
【0057】
【発明の効果】本発明による熱交換器は、凝縮器全体チ
ューブ領域に対して入口領域の比とチューブの水力直径
とバイパス通路水力直径との相関関係を最適化すること
によって、同一大きさで放熱量の向上及び冷媒の圧力降
下の低減を図ることができる凝縮器を提供することがで
きるようになり、また凝縮器の設計条件を調整して多様
な形態の凝縮器を提供することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による凝縮器の正面図。
【図2】ヘッダパイプとバップル及びチューブの結合関
係を示す部分展開斜視図。
【図3】図1のII−II線に沿って切り取った本発明の一
実施の形態による断面図。
【図4】本発明の他の実施の形態によるバイパス通路を
示す断面図。
【図5】本発明のまた他の実施の形態によるバイパス通
路を示す断面図。
【図6】(a)(b)は、バイパス通路を形成する例を
概略的に示す説明図。
【図7】車輌用エアコンシステムの冷媒循環回路を示す
概略図。
【図8】図7の冷媒循環回路のp−h線図。
【図9】チューブの水力直径対比バイパス通路の大きさ
変化による放熱量と圧力降下量の関係を示すグラフ。
【図10】全体チューブの数対比と入口領域チューブの
数との比率変化による冷媒圧力降下対放熱量の関係を示
すグラフ。
【図11】チューブの水力直径変化による放熱量と圧力
降下量の関係を示すグラフ。
【図12】凝縮器の冷媒パス数の変化による冷媒圧力降
下対放熱量の関係を示すグラフ。
【図13】従来技術凝縮器の正面図。
【図14】従来技術凝縮器のバップル手段周囲の構成要
素等の拡大断面図。
【図15】(a)(b)は、図14のバップル手段の斜
視図及び分離斜視図である。
【符号の説明】
10:凝縮器 11:偏平チューブ 12:波状フィン 13:第1ヘッダパイプ 14:第2ヘッダパイプ 13a−c;隔室 19:バップル 25:バイパス手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金 承 煥 大韓民国 大田廣域市 大▲徳▼區 新一 洞 168 9−1番地 (72)発明者 李 相 沃 大韓民国 大田廣域市 大▲徳▼區 新一 洞 168 9−1番地 (72)発明者 呉 光 憲 大韓民国 大田廣域市 大▲徳▼區 新一 洞 168 9−1番地 (72)発明者 金 龍 鎬 大韓民国 大田廣域市 大▲徳▼區 新一 洞 168 9−1番地

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 それぞれのヘッダパイプは冷媒の流動路
    を決めるために相互に結合されるヘッダとタンクとを有
    し、前記のタンクとヘッダは大略半円及び楕円形状の断
    面を有し、相互に平行に配置され、また冷媒の流入口と
    流出口とを有する一対のヘッダパイプ;相互に等間隔で
    隔設され並列に配置され、それぞれはその両端部で前記
    一対のヘッダパイプに連結され、また多数の内部流体通
    路を有し、それぞれの内部流体通路の水力直径が大略1
    mm乃至大略1.7mmである多数の偏平チューブ;前
    記多数の偏平チューブの隣接するチューブ等の間にそれ
    ぞれ介在される多数の波状フィン;前記一対のヘッダパ
    イプのそれぞれの内部に少なくとも1つずつ設置される
    最小限に2個のバップル;前記バップル等のそれぞれ
    は、前記のヘッダパイプ等に提供されたそれぞれのスリ
    ットに挿入される突起を有し、前記バップル等のそれぞ
    れの外周面は、対応される前記ヘッダパイプ等の内周面
    と接面して、前記ヘッダパイプ等の内部を多数の隔室に
    区画することによって、冷媒が前記冷媒の流入口と流出
    口との間で、前記一対のヘッダパイプと多数の偏平チュ
    ーブ等とにより決められる多数の冷媒流路をジグザグ形
    態に流れるようにし;相互に隣接する前記の隔室等の間
    に冷媒の疎通路を提供して、主に凝縮された液相の冷媒
    を通過させるために、前記バップル等の少なくとも1つ
    にバイパス通路を形成し、このバイパス通路の水力直径
    の前記偏平チューブの水力直径に対する比は、大略0.
    28乃至2.25範囲であり;及び前記の冷媒が流入さ
    れる流入口が設置される一側ヘッダパイプの入口側の隔
    室と、この入口側隔室に対向する他側のヘッダパイプの
    隔室と、これ等の隔室の間に連結される多数の偏平チュ
    ーブ等により形成される入口側流通路の面積が、凝縮器
    全体の流通路等の面積に対して大略30%乃至65%の
    範囲であること;を含むことを特徴とする車輌エアコン
    用の多重流動型凝縮器。
  2. 【請求項2】 前記の冷媒流通路は3個に決められ、入
    口側流通路の面積が凝縮器全体の流通路等の面積に対し
    大略55%乃至65%の範囲であることを特徴とする請
    求項1記載の車輌エアコン用の多重流動型凝縮器。
  3. 【請求項3】 前記の冷媒流通路は4個に決められ、前
    記入口側流通路の面積が凝縮器全体流通路等の面積に対
    し大略40%乃至55%の範囲であることを特徹とする
    請求項1記載の車輌エアコン用の多重流動型凝縮器。
  4. 【請求項4】 前記の冷媒流通路は5個に決められ、入
    口側流通路の面積が凝縮器全体流通路等の面積に対し3
    0%乃至40%の範囲であることを特徴とする請求項1
    記載の車輌エアコン用の多重流動型凝縮器。
  5. 【請求項5】 前記バイパス通路は、前記バップル等の
    大略中心部にスクラッチングに形成されたことを特徴と
    する請求項1記載の車輌エアコン用の多重流動型凝縮
    器。
  6. 【請求項6】 前記のバイパス通路は、前記それぞれの
    バップルの外周面に少なくとも1つ以上形成されたこと
    を特徴とする請求項1記載の車輌エアコン用の多重流動
    型凝縮器。
  7. 【請求項7】 前記のバイパス通路は前記バップル等に
    形成され、前記の流入口から前記流出口側に行くほど、
    前記バイパス通路の数が漸次的に増加されることを特徴
    とする請求項1記載の車輌エアコン用の多重流動型凝縮
    器。
  8. 【請求項8】 前記のバイパス通路は前記バップル等に
    形成され、前記流入口から前記流出口側に行くほど、前
    記偏平チューブの水力直径に対するバイパス通路の水力
    直径比の範囲内で漸次的に増加されることを特徴とする
    請求項1記載の車輌エアコン用の多重流動型凝縮器。
  9. 【請求項9】 前記のバイパス通路は、前記ヘッダパイ
    プ等の内周面に少なくとも1つ以上形成されたことを特
    徴とする請求項1記載の車輌エアコン用の多重流動型凝
    縮器。
  10. 【請求項10】 前記のバイパス通路は前記流入口から
    前記流出口側に行くほど、前記偏平チューブの水力直径
    に対するバイパス通路の水力直径の比の範囲内で漸次的
    に増加されることを特徴とする請求項9記載の車輌エア
    コン用の多重流動型凝縮器。
  11. 【請求項11】 前記の突起は、前記ヘッダパイプの外
    周面に突出され、かしめ等の手段により前記ヘッダパイ
    プの外周面に圧着固定されたことを特徴とする請求項1
    記載の車輌エアコン用の多重流動型凝縮器。
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