WO2005066567A1

WO2005066567A1 - 熱交換器

Info

Publication number: WO2005066567A1
Application number: PCT/JP2004/015924
Authority: WO
Inventors: Akihiko Takano
Original assignee: Valeo Thermal Systems Japan Coirporation
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2005-07-21
Also published as: US20070144719A1; JP2005188849A; US7290597B2; EP1710528A1; EP1710528A4

Abstract

本発明は、チューブ幅に対しタンクの内径寸法を小さくした熱交換器の構造としつつ、更に、冷媒分配性の維持とタンクの小型化、軽量化とを両立することができる熱交換器の数値関係をも提供することを目的とする。本発明は、熱交換器が、チューブ幅に対しタンクの内径寸法を小さくしていると共に当該タンクの通路断面の相当直径をＤｔ、入口部から前記各チューブの開口端に到達するまでの最長経路の寸法をＬとした場合に、１５≦Ｌ／Ｄｔ≦４２となるように設定されたものとなっている。

Description

明細書

熱交換器

技術分野

[0001] この発明は、冷凍サイクル、特に高圧冷媒を用いた冷凍サイクル一部を構成する熱交^^であって、一対のタンクと複数のチューブとを連通して構成されるものに関する。

背景技術

[0002] 一対のタンクを複数の扁平状のチューブで連通する構成の熱交は、しばしば高圧冷媒を冷却するコンデンサ等として用いられるが、このような熱交^^としては、タンクに形成されたチューブ挿入孔に扁平チューブの端部を挿入してろう付けする接合構造を採択し、かつチューブ挿入孔は扁平チューブの相対的に広い面積側の面が隣接する扁平チューブに向くようにタンクの径方向に沿って延びて開口しているものが公知である（例えば特許文献 1及び特許文献 2を参照。；)。すなわち、タンクの内径寸法は、タンクの軸方向から見たチューブの幅（以下、チューブ幅と略す。）と等 LV、かそれよりも大き、寸法を有して!/、た。

[0003] ところが、上記の様に、タンクの内径寸法を、前記チューブ幅と等、かそれよりも大きい寸法とした場合には、冷媒として C02冷媒等の高圧冷媒を用いたときに、タンクの強度を高めるために側壁の肉厚を厚くするにあたり、当該タンクの外形寸法を相対的に大きくする必要があるので、熱交換器が不必要に大型化し、重量増となるという不具合が考えられる。

[0004] これに対し、特許文献 3のように、タンクに対し軸方向に沿って延びる流通部と共に連通部を形成し、この連通部を流通部からチューブ挿入孔部位にかけてチューブ幅と同等になるまで暫時広がる形状とすることで、チューブ幅に対しタンクの流通部の内径寸法が小さくなるようにしたものが考えられて、る。

特許文献 1：特開平 8—145591号公報

特許文献 2 :特開 2001— 133076号公報

特許文献 3 :特開 2003— 314987号公報発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] し力しながら、特許文献 3に示すような構造では、例えばチューブ力も連通部を介して流通部に冷媒が流れる際に、連通路が絞りとなり、且つ、流路部の流路断面積が相対的に狭、ので冷媒の流れがほぼ一点に集中して、冷媒が円滑に流通部内に流れず流路抵抗を生じ、これに伴って冷媒分配性が悪化し、熱交換器の効率が悪ィ匕することが想定される。

[0006] すなわち、チューブ幅に対しタンクの内径寸法が小さいタイプの構造を採択した熱交^^の着想のみでは、タンクの細径化、軽量ィ匕が過ぎるなどの構造的な面から、冷媒分配性が悪化し、熱交換器の効率が悪化することも考えられる。

[0007] そこで、本発明は、チューブ幅に対しタンクの内径寸法を小さくした熱交^^の構造としつつ、更に、冷媒分配性の維持とタンクの小型化、軽量化とを両立することができる熱交^^の数値関係をも提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0008] 本発明に係る熱交^^は、一対のタンクと、この一対のタンク間に配置される複数のチューブと、これらのチューブ間に介在するフィンと力構成され、前記チューブの長手方向に沿った両側の開口端部位を前記タンクに形成される挿入孔に挿入することで前記一対のタンク同士が連通されると共に、前記タンクの軸方向から見た前記チユーブの所定部位の幅が前記タンクの通路断面の相当直径よりも大きい熱交換器において、前記タンクの通路断面の相当直径を Dt、冷媒入口から前記各チューブの開口端に到達するまでの最長経路の寸法を Lとした場合に、 15≤L/Dt≤42としたことを特徴とする（請求項 1)。前記タンクの軸方向から見た前記チューブの所定部位とは、前記チューブがねじられた構造をなしている場合には、チューブのうち長手方向の中央部位にあっては、タンクの軸方向から見た幅が通風方向力見た幅よりも広い部位で、両側の開口部位にあっては、通風方向から見た幅がタンクの軸方向力見た幅よりも広い部位である。

[0009] そして、この発明に係る熱交は、前記タンク内の流路面積を Sとした場合に、 2 Omm²≤S≤50mm²としたことを特徴としている（請求項 2)。また、この発明に係る熱交換器は、前記タンク内の流路面積を s、前記タンクの内周の周長の寸法を P、周長の寸法力である場合の円の面積を Scとした場合に、 S≥Sc X O. 7であることを特徴としている（請求項 3)。更にまた、前記チューブのうち長手方向の中央部位にあつては、前記タンクの軸方向から見た幅が通風方向から見た幅よりも広ぐ両側の開口部位にあっては、通風方向力見た幅が前記タンクの軸方向から見た幅よりも広くなるように、前記チューブがねじられた構造をなして、る（請求項 4)。

発明の効果

[0010] 請求項 1に記載の発明によれば、チューブ幅に対しタンクの内径寸法を小さくした熱交換器に対し、優れた冷媒分配性とタンクの外形寸法の小型化、軽量化との両立を図るための数値関係を提供することができる。

[0011] 特に、請求項 2、 3に記載の発明によれば、タンクに対し圧損率及び耐圧性について許容することができる流路面積を備えたタンクを提供することができる。

[0012] 特に、請求項 4に記載の発明によれば、タンクに形成されるチューブ挿入孔も、当該タンクの径方向に沿った幅よりも軸方向に沿った幅の方が広、開口形状とすることが可能であるので、チューブの中央側部位のタンク軸方向側から見た幅は、タンクの径方向に沿った内幅よりも大きくすることが可能となる。しかるに、 C02冷媒などの高圧冷媒を用いるにあたって、タンクに対して、その外形状を大きくせずに側面の肉厚を相対的に厚くするために流入室 ·流出室の内幅を小さく細径ィ匕するにあたり、このような目的を達成することのできるタンクの寸法設定を採っても、チューブの中央側部位のタンク軸方向側力も見た幅は、その影響を受けることがない。よって、チューブは、冷媒の冷媒通路内の通過におヽて通路抵抗 (圧損率)の小さヽ寸法を確保することがでさる。

図面の簡単な説明

[0013] [図 1]図 1は、この発明に係る熱交^^の概略構成が示されているもので、図 1 (a)は当該熱交を上面力見た概略断面図、図 1 (b)は、当該熱交を正面力見た概略断面図である。

[図 2]図 2は、同上の熱交換器のチューブとタンクとの接続部分を示す要部拡大斜視図である。 [図 3]図 3は、同上の熱交^^のチューブとタンクとの接続部分に対しタンク軸方向側力見た状態を示す断面図である。

[図 4]図 4は、同上の熱交^^のチューブとタンクとの接続部分に対し通風方向側方力見た状態を示す断面図である。

[図 5]図 5は、同上の熱交換器におけるタンクの断面の相当直径の寸法で冷媒入口から前記各チューブの開口部に到達するまでの最長経路の寸法を割った際の数値の所定範囲を示すための特性線図である。

[図 6]図 6は、同上の熱交^^におけるタンクの円に対する潰れ度を圧損率及び耐圧性への許容値として示すための特性線図である。

符号の説明

[0014] 1 熱交換器

2 タンク

2a ヘッダ体

3 タンク

3a ヘッダ体

4 チューブ

4a 中央側部位

4b 開口端部位

5 フィン

6 蓋体

7 チューブ揷入孔

8 入口部

9 出口部

10 冷媒通路

発明を実施するための最良の形態

[0015] 以下、この発明の実施形態を図面により説明する。

[0016] 図 1から図 4に示される熱交^^ 1は、例えば車両用空調装置の冷凍サイクルであつて C02冷媒などの高圧冷媒を用いたものの一部を構成するコンデンサとして用いられるものである。この熱交^^ 1は、一対のタンク 2、 3と、この一対のタンク 2、 3を連通する複数のチューブ 4と、このチューブ 4間に挿入接合されたコルゲート状のフィン 5とを有して構成されている。そして、この熱交^^ 1は、通常のものにあっては、タンク 2、 3が図 1 (b)に示されるように上下に延びるように配置され、紙面に対して垂直に流れる空気がフィン 5を通過するようになって、る。

[0017] このうち、タンク 2、 3は、ろう材をクラッドしたアルミ材を筒状に押出成形してヘッダ本体 2a、 3aを形成し、このヘッダ本体 2a、 3aの両端開口部を蓋体 6によって閉塞して成るもので、チューブ 4を挿入するチューブ挿入孔 7がその長手方向に沿って多数形成されている。なお、各チューブ挿入孔 7の形状は後述する。また、タンク 2、 3のへッダ本体 2a、 3aの肉厚は、 C02冷媒などの高圧冷媒を用いるので、通常のものの肉厚よりも相対的に厚くなつている。更に、タンク 2、 3は、この実施形態では、一方のタンク 2に冷媒の熱交換媒体が流入する入口部 8が、他方のタンク 3に冷媒を流出する出口部 9がそれぞれ形成されている。

[0018] 尚、図示しないが、積層されたチューブ 4とフィン 5とによって構成される熱交 1 の積層方向の両端において、タンク 2、 3間に固定されることで配置されるエンドプレートを有しても良い。

[0019] 従って、入口部 8から流入された冷媒は、この実施形態では、タンク 2内の最上流側に入り、このタンク 2内をその軸方向に沿って流れつつ当該タンク 2内力チューブ 4 を通ってタンク 3内に移動し、このタンク 3内をその軸方向に沿って流れてその最下流側に至り、そこから出口部 9を介して流出される。したがって、コンデンサとして用いられるこの熱交換器に流入される冷媒は、冷凍サイクルの圧縮機で圧縮されて相対的に高温高圧冷媒であり、チューブ 4を通過する際にフィン 5を通過する空気と熱交換することによって熱を放出し、相対的に低温低圧の冷媒となる。

[0020] これに対し、チューブ 4は、 C02冷媒などの高圧冷媒を用いるため、基本的形態については押出し成形により形成されるもので、特に図 2に示される様に、その内部には一方の開口端力も他方の開口端にかけて、例えば断面円状の冷媒通路 10が複数並列して形成されている。このチューブ 4は、図 3及び図 4に示されるように、その中央側部位 4aにおいては、タンクの軸方向側から見た幅 T1が通風方向側から見た幅 T3よりもその寸法を大きくした扁平形状であるのに対し、開口端からその近傍までの部位である開口端部位 4bにおいては、反対に、通風方向側から見た幅 T4がタンクの軸方向側から見た幅 T2よりもその寸法を大きくした扁平形状となっている。なお、幅 T1と T4、幅 Τ2と Τ3とは略同じ寸法である。このようなチューブ 4の幅 T1と Τ3、 Τ 2と Τ4の比率の変化は、例えば、図 2に示すように、チューブの中央側部位 4aに対し開口端部位 4bについて、後加工で約 90度の角度でひねりを加える形成を施すことにより生じているものである。

[0021] このような構成により、タンク 2、 3に形成されるチューブ挿入孔 7も、その径方向に沿った幅よりも軸方向に沿った幅の方が広い開口形状とすることが可能であるので、チューブ 4の中央側部位 4aの幅 T1及び開口端部位 4bの幅 T4は、図 3、図 4に示すように、タンク 2、 3の通路断面の相当直径 D りも大きくすることが可能となる。すなわち、 C02冷媒などの高圧冷媒を用いるにあたって、タンク 2、 3について、外形状を大きくせずに側面の肉厚を相対的に厚くするために流入室，流出室の内幅を小さく細径ィ匕する必要があるところ、このようなタンク 2、 3の寸法設定によってもチューブ 4 の中央側部位 4aの幅 T1及び開口端部位 4bの幅 T4は、その影響を受けることがない。よって、チューブ 4は、冷媒の冷媒通路 10内の通過において通路抵抗 (圧損率）の小さい幅 Tl、 Τ4を確保することができる。

[0022] ところで、タンク 2、 3の設計上の数値である力 C02冷媒などの高圧冷媒を用いるにあたって、以下のような値にするのが妥当である。

[0023] まず、最小チューブ流量を最大チューブ流量で割ったものを冷媒分配率とし、この数式で導き出された値を横軸とし、熱交 1の性能を縦軸とし、更に熱交 1の性能が MAXである場合の冷媒分配率を 1. 0とすることで、図 5 (b)に示すように、緩やかにやや上弦の円弧を描いて右上がりの特性線図が導き出される。そして、この特性線図によれば、熱交 1の性能として許容される最低限度を前記 MAXに対し 90%とした場合の冷媒分配率の数値は ocとなる。

[0024] 次に、前述の冷媒分配率を縦軸とし、冷媒入口となる入口部 8の端部から各チューブ 4の開口部へ到達するまでの寸法を Lとし、タンク断面、すなわち、タンク 2、 3の通路断面の相当直径を前述の如く Dtとし、前記 Lを Dtで割って導き出された値を横軸とする。この場合、図 1のように、入口部 8がタンク 2の軸方向の途中に配置されている場合に、入口部 8の開口端力も積層方向の最上部側のチューブ 4の開口部までの最長経路寸法を L1、入口部 8の開口端力積層方向の最下部側のチューブ 4の開口端部までの寸法を L2とした場合に、 L1よりも L2の方が数値として大きいときには、この L2の数値を上記 Lの数値として用いる。これにより、図 5 (a)に示すように、途中まで緩やかに右下がりに下降し、途中から相対的に急に右下がりに下降する特性線図が導き出される。そして、この特性線図によれば、冷媒分配率が前述の αである場合の LZDtの数値は、 42となる。これに対し、冷媒分配率が 1である場合の LZDtの数値は 0から 15である力 15未満の範囲は、冷媒分配率が 1のまま推移するので特に必要のない範囲であるから、数値 15が導き出される。

[0025] 以上により、タンク 2、 3は、冷媒分配性とタンク 2、 3の外形寸法の小型化、軽量化との両立を図るためには、入口部 8の開口端力積層方向の最上部側のチューブ 4の開口部までの最長経路寸法 L、及びタンク 2、 3の流入室'流出室の内幅の相当直径 Dtについて、 LZDtとした場合に、 15以上 42以下の範囲の数値になるよう各々相対的に設定すべきとなる。

[0026] また、タンク 2、 3の形状は必ずしも円（真円）に限定されるものではないが、タンク 2 、 3が円に対して潰れるにつれてその流入路、流出路の流路面積も円の場合よりも暫時減少するので、図 6の一点鎖線に示される様に、 C02冷媒などの高圧冷媒がタンク 2、 3内を流れる際の通路抵抗 (圧損率)が相対的に高くなる。その一方で、同じく図 6の実線に示されるように、タンク 2、 3が円に対して潰れるにつれて C02冷媒などの高圧冷媒に対する耐圧性も低くなる。このため、タンク 2、 3の円に対しての潰れ度を、円を 1とした場合に 0. 7までとすることが、図 6の 2つの特性線図との関係で、タンク 2、 3の耐圧性、圧損率に対する許容性への限度として導き出される。

[0027] しかるに、タンク 2、 3の内周の周長の寸法を所定値 Pとし、周長の寸法が Pである場合の円の面積を Scとし、タンク 2、 3内の流路面積を Sとした場合に、タンク 2、 3の流路面積 Sは、同じ周長の寸法力である円である場合の流路面積 Scに 0. 7を掛けた値と等しいかそれよりも大きいことが好ましぐ更に、この Sの値は、 20mm²よりも大きく 50mm²よりも小さいことが望ましい。尚、この実施形態では、チューブ 4に対しねじり構造とした場合として説明したが必ずしもこれに限定されず、チューブ 4の幅 Tl (T4)がタンクの通路断面の相当直径 D tよりも大きいものであれば、上記数値は当てはまるものである。

Claims

請求の範囲

[1] 一対のタンクと、この一対のタンク間に配置される複数のチューブと、これらのチューブ間に介在するフィンとから構成され、前記チューブの長手方向に沿った両側の開口端部位を前記タンクに形成される挿入孔に挿入することで前記一対のタンク同士が連通されると共に、前記タンクの軸方向から見た前記チューブの所定部位の幅が前記タンクの通路断面の相当直径よりも大き!/、熱交翻にぉ、て、

前記タンクの通路断面の相当直径を Dt、冷媒入口から前記各チューブの開口端に到達するまでの最長経路の寸法を Lとした場合に、 15≤ L/Dt≤ 42としたことを特徴とする熱交^^。

[2] 前記タンク内の流路面積を Sとした場合に、 20mm²≤S≤50mm²としたことを特徴とする請求項 1に記載の熱交^^。

[3] 前記タンク内の流路面積を S、前記タンクの内周の周長の寸法を P、周長の寸法が P である場合の円の面積を Scとした場合に、 S≥Sc X 0. 7であることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の熱交換器。

[4] 前記チューブのうち長手方向の中央部位にあっては、前記タンクの軸方向力見た幅が通風方向から見た幅よりも広ぐ両側の開口部位にあっては、通風方向から見た幅が前記タンクの軸方向から見た幅よりも広くなるように、前記チューブがねじられた構造をなしていることを特徴とする請求項 1、 2又は 3に記載の熱交^^。