JP2005516176A - 達磨型流路を有する熱交換器用チューブ及びこれを用いた熱交換器 - Google Patents
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Abstract
Description
これら凝縮器と蒸発器はいずれも、冷媒が通過する冷媒流路を有するチューブ(tube)と、このチューブ間に介在する波形の放熱フィン(corrugated fin)と、このチューブの両端が連通可能に設置されるヘッダタンクと、冷媒の流出入のためヘッダタンクに設置される流出入パイプとを含む。
これに係る従来技術の一例として、特開平11−159985号公報がある。
上記従来技術は図1及び図2に示すように、内部に冷媒流路を有する熱伝達管11を備えた熱交換器において、冷媒流路15,21は同一方向に並んでいる多角形または円形の断面を有する複数の単位流路のそれぞれを互いに連通可能に接合構成している。
通常熱交換器の性能を向上させる方法の一つとして、冷媒の熱交換が可能な伝熱面積を増大させる方法があり、さらにこの伝熱面積を増大させる方法として、水力直径(hydraulic diameter)を減少させる方法がある。
従来技術は図1及び図2に示すように、熱伝達管11の幅方向に多数の冷媒流路15、21を形成する。この際、各冷媒流路15、21の幅(w)と高さ(h)の比率が1を超える場合(即ち、w/h>1)、同一のサイズの熱伝達管を有する熱交換器11においては、水力直径を小さくすればするほど壁厚(t)が増加する。
壁厚(t)が増加するにつれ、熱伝達管11の重量が増加するのみならず、さらにその材料の製造単価が高くなるという問題点があった。
図3に示すように、多路偏平管5では一定間隔で並んでいる多数の楕円状の冷媒流路2aがy軸に対して所定角度(α)傾いている。
前述の従来技術には熱伝達効率が向上できない問題点があった。
即ち、前述の従来技術は、チューブ製造工程のうち押出工程において押出速度を一定値以上増加させると、チューブ外側面にピンホール(pin hole)が生じ、結果的に、熱交換器のろう付け工程時にこのピンホールがなかなか埋まらず、不良熱交換器を生産する原因となった。
良質の熱交換器を製造するためにはチューブの押出速度を一定値以上増加させることができず、生産性の低下をもたらす問題点があった。
はじめに、本発明の構造を説明する前に本発明が適用される熱交換器のうちコンデンサについて説明する。
コンデンサ100は図4に示すように、熱交換媒体が通過できるように内部に流路が形成された一対のヘッダタンク200、前記熱交換媒体を移動させる多数のチューブ300と、チューブ300間にそれぞれ介在する多数の放熱フィン400とから構成される。
本発明は前述したチューブ300に関するもので、チューブ300は図5に示すように、長さ(X軸)、高さ(Y軸)、幅(Z軸)方向にそれぞれ一定の長さを有する平らな本体350からなる。
本体350の長さ(X軸)方向に沿って、本体350の内部を貫いて冷媒流路340が形成される。
内側流路320は図6及び図7に示すように、所定の曲線321aを少なくとも一度以上変曲し、本体350の幅方向に突出する変曲点(折曲部)を形成し、この変曲点によって乱流促進手段321bを形成した第1曲線部と、幅方向に第1曲線部321と対称になっているとともに、第1曲線部321と緩やかに連結して閉曲面を形成する第2曲線部322とからなる。
第1、第2曲線部321、322をそれぞれ構成する曲線321a、322aの曲率は図12に示すように、円の曲率と大略同一である。
また他の実施例によれば、第1、第2曲線部321、322をそれぞれ構成する曲線321a、322aは図10及び図11に示すように、円の曲率を有する曲線と楕円の曲率を有する曲線とが任意の順序に連結されて構成されている。
内側流路320は高さ(Y軸)方向に形成されるが、幅(W1)と高さ(H1)の比率を1より小さくする。(即ち、W1/H1<1)
即ち、水力直径を小さくするほど壁厚が増加し、これにより従来技術の熱伝達管11の重量が増加するのみならず、さらにその材料費のため製造単価が高くなるという従来の問題点を根本的に解消することができる。
一方、外側流路330は内側流路320の最外側両端に位置しており、本体350の最両端部に隣接している曲線の一部が、本体350の両端部の断面と大略同一形状になっている第3曲線部331と、第3曲線部331の両端点を連結して閉曲面を形成する第4曲線部332とから構成される。
また、図12に示すように、第3曲線部331と第4曲線部332は左右対称になっている。
また、好ましくは第4曲線部332は円弧状になっている。
また、第4曲線部332は図13に示すように直線状になっている。
一方、図8及び図12に示すように、内側流路320の乱流促進手段321b、322bを相互連結する複数の仮想線I2と、本体350を高さ方向に二等分する仮想線I1とが一致するように、乱流促進手段321b、322bを形成する。
また、図10に示すように、内側流路320の乱流促進手段321b、322bを相互連結する複数の仮想線I2が、本体350を高さ方向に二等分する仮想線I1を中心としてその上下に位置するように、乱流促進手段321b、322bを形成する。
一方、本発明の内外側流路320、330の水力直径(Dh)は0.55mm以上1.55mm以下である。即ち、0.55mm≦Dh≦1.55mmを満足させる。
前記の水力直径を形成しても、内側流路320の内面と本体350の外面との間の厚さのうち、高さ方向の最薄厚さt1を増加せず一定に維持することができる。
ここで、上記式を満足させる理由は、最長距離L2が一定値以上であれば、乱流促進手段321b、322bの突出高さが高くなり、結局押出金型の製造が難しく、構造的に脆弱であるのみならず、乱流促進手段321b、322bが容易に破損してしまう恐れを抱えているからである。
また、乱流促進手段321b、322bの頂点から曲線に対する接線を引くと、その接線間の角(α)が80°超過160°未満になるようにする。即ち、80°<α<160°を満足させる。
前記のような実地例において、外側流路330の内面と本体350の外側面との間の厚さのうち幅方向の最薄厚さtを、内側流路320の内面と本体350の外側面との間の厚さのうち高さ方向の最薄厚さt1の1.25倍以上とする。即ち、t≧1.25t1を満足させる。
前記のような実施例において、内側流路320間の幅方向の厚さのうち最薄厚さt2を0.15mm以上0.35mm以下とする。即ち、0.15mm ≦t2≦0.35mmを満足させる。
一方、内側流路320間の幅方向の厚さのうち最薄厚さt2を、外側流路330の内面と本体350の外側面との間の厚さのうち幅方向の最薄厚さt以下とする。即ち、t2≦tを満足させる。
以上の式を満足させると、チューブ製造工程中の押出工程進行時に押出速度が増加しても、チューブ外側面のピンホール(pin hole)発生を根本的に防止することができる。
従って、ピンホールが生成しないので、チューブの押出速度が増加して生産性が向上する。
以上、本発明のチューブ及びこれを利用した熱交換器の一実施例について説明した。
二酸化炭素は、第1、作動圧縮比が低くて体積効率に優れており、第2、熱伝達特性に極めて優れて、2次流体である空気の入口温度と冷媒の出口温度との間の差が既存の冷媒に比べて小さいので、冷媒としての利点が大きいのみならず、熱ポンプへの適用可能性も高い。
同図に示すように、まず、流入口610から流入した二酸化炭素冷媒は第1ヘッダタンク620の内部通路621から、それに形成された多数のスロット(図示せず)に流れ込み、第2ヘッダタンク630の内部通路631と連結された第1チューブ632を通過して第2ヘッダタンク630の内部通路631に流動する。
このような過程を経ながら二酸化炭素冷媒の出口温度は外部流入空気の入口温度に近づく。
一方、第1ヘッダタンク632の内部通路621に流入した二酸化炭素冷媒は流出口610aから外部に流出する。
前記のような二酸化炭素冷媒を利用した熱交換器 600 の構成要素である第1、第2チューブ632、633は図4、図5、図6、図7、図16、図17に示すように、長さ(X軸)、高さ(Y軸)、幅(Z軸)方向にそれぞれ一定長さを有する平らな本体350からなる。本体350の長さ(X軸)方向に沿って本体350の内部を貫いて冷媒流路340が形成される。
内側流路320は図6及び図7に示すように、所定の曲線321aを少なくとも一度以上変曲し、本体350の幅方向に突出する変曲点を形成し、この変曲点によって乱流促進手段321bを形成した第1曲線部321と、幅方向に第1曲線部321と対称になっているとともに、第1曲線部321と緩やかに連結されて閉曲面を形成する第2曲線部322とからなる。
第2曲線部322の場合にも第1曲線部321と同様に所定の曲線322aを少なくとも一度以上変曲し、本体350の幅方向に突出する変曲点を形成し、この変曲点によって乱流促進手段322bを形成する。
上記構成の本発明のチューブを採択することにより、二酸化炭素冷媒の圧力による応力が冷媒流路340のいずれの一部に集中せずに、さらに引張応力の集中現象も防止することができる。
そして、十分な耐圧強度を確保できるので、二酸化炭素冷媒用として極めて有効である。
さらに、図16及び図17に示すように、内側流路320間の幅方向の厚さのうち最薄厚さt2を内側流路320の内面と本体350の外側面との間の厚さのうち高さ方向の最薄厚さt1以上とする。即ち、t2≧t1を満足させることができる。
従って、上記式t2≧t1を満足するチューブを製造した場合は、代替冷媒として二酸化炭素を使用する熱交換器に適用することができる。
第1、熱交換媒体の作動圧力による応力が冷媒流路の一部分に集中せずに均等に分散して十分な耐圧強度が確保され、熱交換媒体を二酸化炭素に十分代替することができる。
第2、熱交換器の性能を向上させる方法の一つである伝熱面積を増大させる方法として水力直径を小さく形成しても、チューブ厚さを一定に維持することができ、これによりチューブの重量減少及び製造単価を減らすことができる。
第3、本発明に係るチューブをコンデンサに適用する場合、冷媒流路内に互いに対向している乱流促進手段によって冷媒の流速を増大させることができ、よって、冷媒の乱流化を促進し、凝縮液膜厚を薄くすることで、熱伝達効率を向上させることができる。
第4、乱流促進手段が幅方向に互いに対向しているので、冷媒流路を通過する冷媒の乱流化をさらに促進させ、伝熱性能を向上させることができる。
Claims (41)
- 長さ、高さ、幅方向にそれぞれ一定の長さを有する平らな本体(350)と、前記長さ方向に沿って前記本体(350)を貫いて形成された冷媒流路(340)を有する熱交換器用チューブにおいて、
前記冷媒流路(340)は、所定の曲線(321a)を少なくとも一度以上変曲し、前記本体(350)の幅方向に突出する変曲点を形成し、この変曲点によって乱流促進手段(321b)を形成した第1曲線部と、幅方向に前記第1曲線部(321)と対称になっているとともに、前記第1曲線部(321)と緩やかに連結されて閉曲面を形成する第2曲線部(322)と、からなる多数の内側流路(320)と;
前記内側流路(320)の最外側両端に位置する複数の外側流路(330)と;
を含むことを特徴とする達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。 - 前記外側流路(330)は、 前記本体(350)の最両端部に隣接している曲線の一部が、前記本体(350)の両端部の断面と大略同一形状になっている第3曲線部(331)と、前記第3曲線部(331)の両端点を連結して閉曲面を形成する第4曲線部(332)とからなることを特徴とする請求項1記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 前記第4曲線部(332)は、前記内側流路(320)の第1曲線部(321)または第2曲線部(322)のいずれかと同一の形状に形成されることを特徴とする請求項2記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 前記第3曲線部(331)と第4曲線部(332)は左右対称になっていることを特徴とする請求項2記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 前記第4曲線部(332)は円弧状になっていることを特徴とする請求項2記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 第4曲線部(332)は直線状になっていることを特徴とする請求項2記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 前記第1、第2曲線部(321)(322)をそれぞれ構成する曲線(321a)(322a)の曲率は円の曲率と同一であることを特徴とする請求項1記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 前記第1、第2曲線部(321)(322)をそれぞれ構成する曲線(321a)(322a)の曲率は楕円の曲率と同一であることを特徴とする請求項1記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 前記第1、第2曲線部(321)(322)をそれぞれ構成する曲線(321a)(322a)は円の曲率を有する曲線と楕円の曲率を有する曲線とが任意の順序に連結されて構成されることを特徴とする達磨型流路を有する請求項1記載の熱交換器用チューブ。
- 前記内側流路(320)の乱流促進手段(321b)(322b)を相互連結する複数の仮想線(I2)と、前記本体(350)を高さ方向に二等分する仮想線(I1)とが一致するように、前記乱流促進手段(321b)(322b)が形成されたことを特徴とする請求項1記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 前記内側流路(320)の乱流促進手段(321b)(322b)を相互連結する複数の仮想線(I3)と、前記本体(350)を高さ方向に二等分する仮想線(I1)とが一定角度に交合するように、前記乱流促進手段(321b)(322b)が形成されたことを特徴とする請求項1記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 前記内側流路(320)の乱流促進手段(321b)(322b)を相互連結する複数の仮想線(I2)が、前記本体(350)を高さ方向に二等分する仮想線(I1)を中心としてその上下に位置するように、前記乱流促進手段(321b)(322b)が形成されたことを特徴とする請求項1記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 前記第1曲線部(321)を構成する曲線(321a)のうち、隣接した2つの曲線のそれぞれの中心点を連結した線分の長さ(L1)を前記各曲線間の最長距離(L2)で割った値が0.3以上0.8以下である次の式、0.3≦L1/L2≦0.8を満足することを特徴とする請求項5記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 内外側流路(320)(330)の水力直径(Dh)は0.55mm以上1.55mm以下である次の式、0.55mm≦Dh≦1.55mmを満足することを特徴とする請求項1記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 前記乱流促進手段(321b)(322b)の頂点から前記曲線に対する接線を引くと、その接線間の角(α)が80°超160°未満になるようにする次の式、80°<α<160°を満足することを特徴とする請求項1記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 前記外側流路(330)の内面と前記本体(350)の外側面との間の厚さのうち幅方向の最薄厚さ(t)を、前記内側流路(320)の内面と前記本体(350)の外側面との間の厚さのうち高さ方向の最薄厚さ(t1)より1.25倍以上とする次の式、t≧1.25t1を満足することを特徴とする請求項15記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 前記内側流路(320)の乱流促進手段(321b)(322b)を相互連結する複数の仮想線(I2)と、前記本体(350)の高さ方向に連結する仮想線(I5)とが直交することを特徴とする請求項1記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 前記内側流路(320)間の幅方向厚さのうち最薄厚さ(t2)を0.15mm以上0.35mm以下とする次の式、0.15mm ≦t2≦0.35mmを満足することを特徴とする請求項17記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 前記内側流路(320)間の幅方向厚さのうち最薄厚さ(t2)を、前記外側流路330の内面と前記本体350の外側面との間の厚さのうち幅方向の最薄厚さ(t)以下とする次の式、t2≦tを満足することを特徴とする請求項1記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 前記内側流路320間の幅方向厚さのうち最薄厚さ(t2)を、前記内側流路(320)の内面と前記本体(350)の外側面との間の厚さのうち高さ方向の最薄厚さ(t1)以下とする次の式、t2≦t1を満足することを特徴とする請求項1記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 所定の曲線(321a)を少なくとも一度以上変曲し、前記本体(350)の幅方向に突出する変曲点を形成し、この変曲点によって乱流促進手段(321b)を形成した第1曲線部と、幅方向に前記第1曲線部(321)と対称になっているとともに、前記第1曲線部(321)と緩やかに連結されて閉曲面を形成する第2曲線部(322)と、からなる多数の内側流路(320)と、前記内側流路(320)の最外側両端に位置する複数の外側流路(330)と、を含み、一定間隔で多数が並んでいる熱交換媒体を流動させることを特徴とする達磨型流路を有する熱交換器用チューブ(300)と;
前記チューブ(330)間に配置される放熱フィン(400)(634)と;
前記チューブ(300)の両端が連通可能に設置され、一定間隔で対向配置されるとともに、前記熱交換媒体が移動する一対のヘッダタンク(200)と;を含むことを特徴とする熱交換器。 - 前記熱交換媒体として二酸化炭素を使用することを特徴とする請求項21記載の熱交換器。
- 前記外側流路(330)は、前記本体(350)の最両端部に隣接している曲線の一部が、前記本体(350)の両端部の断面と大略同一形状になっている第3曲線部(331)と、前記第3曲線部(331)の両端点を連結して閉曲面を形成する第4曲線部(332)とからなることを特徴とする請求項21または請求項22のいずれかに記載の熱交換器。
- 前記第4曲線部(332)は、前記内側流路(320)の第1曲線部(321)または第2曲線部(322)のいずれかと同一の形状に形成されることを特徴とする請求項23記載の熱交換器。
- 前記第3曲線部部(331)と第4曲線部(332)はそれぞれ左右対称になっていることを特徴とする請求項23記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 前記第4曲線部(332)は円弧状になっていることを特徴とする請求項23記載の熱交換器。
- 第4曲線部(332)は直線状になっていることを特徴とする請求項23記載の熱交換器。
- 前記第1、第2曲線部(321)(322)をそれぞれ構成する曲線(321a)(322a)の曲率は円の曲率と同一であることを特徴とする請求項21または請求項22のいずれかに記載の熱交換器。
- 前記第1、第2曲線部(321)(322)をそれぞれ構成する曲線(321a)(322a)の曲率は楕円の曲率と同一であることを特徴とする請求項21または請求項22のいずれかに記載の熱交換器。
- 前記第1、第2曲線部(321)(322)をそれぞれ構成する曲線(321a)(322a)は円の曲率を有する曲線と楕円の曲率を有する曲線とが任意の順序に連結されて構成されることを特徴とする請求項21または請求項22のいずれか記載の熱交換器。
- 前記内側流路(320)の乱流促進手段(321b)(322b)を相互連結する複数の仮想線(I2)と、前記本体(350)を高さ方向に二等分する仮想線(I1)とが一致するように、前記乱流促進手段(321b)(322b)が形成されたことを特徴とする請求項21または請求項22のいずれかに記載の熱交換器。
- 前記内側流路(320)の乱流促進手段(321b)(322b)を相互連結する複数の仮想線(I3)と、前記本体(350)を高さ方向に二等分する仮想線(I1)とが一定角度に交合するように、前記乱流促進手段(321b)(322b)が形成されたことを特徴とする請求項21または請求項22のいずれかに記載の熱交換器。
- 前記内側流路(320)の乱流促進手段(321b)(322b)を相互連結する複数の仮想線(I2)が、前記本体(350)を高さ方向に二等分する仮想線(I1)を中心としてその上下に位置するように、前記乱流促進手段(321b)(322b)が形成されたことを特徴とする請求項21または請求項22のいずれかに記載の熱交換器。
- 前記第1曲線部(321)を構成する曲線(321a)のうち、隣接した2つの曲線のそれぞれの中心点を連結した線分の長さ(L1)を前記各曲線間の最長距離(L2)で割った値が0.3以上0.8以下である次の式、0.3≦L1/L2≦0.8を満足することを特徴とする請求項26記載の熱交換器。
- 内外側流路(320)(330)の水力直径(Dh)は0.55mm以上1.55mm以下である次の式、0.55mm≦Dh≦1.55mmを満足することを特徴とする請求項21または請求項22のいずれかに記載の熱交換器。
- 前記乱流促進手段(321b)(322b)の頂点から前記曲線に対する接線を引くと、その接線間の角(α)が80°超160°未満になるようにする次の式、80°<α<160°を満足することを特徴とする請求項21または請求項22のいずれかに記載の熱交換器。
- 前記外側流路(330)の内面と前記本体(350)の外側面との間の厚さのうち幅方向の最薄厚さ(t)を、前記内側流路(320)の内面と前記本体(350)の外側面との間の厚さのうち高さ方向の最薄厚さ(t1)より1.25倍以上とする次の式、t≧1.25t1を満足することを特徴とする請求項36記載の熱交換器。
- 前記内側流路(320)の乱流促進手段(321b)(322b)を相互連結する複数の仮想線(I2)と、前記本体(350)の高さ方向に連結する仮想線(I5)とが直交することを特徴とする請求項21または請求項22のいずれかに記載の熱交換器。
- 前記内側流路(320)間の幅方向の厚さのうち最薄厚さ(t2)を0.15mm以上0.35mm以下とする次の式、0.15mm≦t2≦0.35mmを満足することを特徴とする請求項38記載の達磨型流路を有する熱交換器用チューブ。
- 前記内側流路(320)間の幅方向の厚さのうち最薄厚さ(t2)を、前記外側流路330の内面と前記本体350の外側面との間の厚さのうち幅方向の最薄厚さ(t)以下とする次の式、t2≦tを満足することを特徴とする請求項21または請求項22のいずれかに記載の熱交換器。
- 前記内側流路320間の幅方向の厚さのうち最薄厚さ(t2)を、前記内側流路(320)の内面と前記本体(350)の外側面との間の厚さのうち高さ方向の最薄厚さ(t1)以下とする次の式、t2≦t1を満足することを特徴とする請求項22記載の熱交換器。
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