JP2020056511A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱フィンの伝熱面積を大きくすることなく、交換熱量を増大させることのできる熱交換器を提供する。【解決手段】伝熱フィン１００は、扁平チューブ２０の平坦面に面接触するチューブ接触部１０１を有し、チューブ接触部１０１には、空気の流れを変化させることで空気に対する熱の伝達を促進するための伝熱促進部１０３が形成されている。これにより、扁平チューブ２０の近傍を流通する空気の流れを変化させることで、空気に対する熱の伝達を促進することができる。【選択図】図７

Description

本発明は、例えば、車両用空気調和装置に用いられる熱交換器に関するものである。

従来、この種の熱交換器としては、第１流体が流通する複数の扁平チューブと、複数の扁平チューブの両端部が接続される一対のヘッダと、扁平チューブの外面に設けられ、波形形状に形成された伝熱フィンと、を備え、扁平チューブ内を流通する第１流体と扁平チューブ外を流通する第２流体とを熱交換するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

実公平０３−３２９４４号公報

前記熱交換器は、第１流体と第２流体との熱交換効率を向上させるために、伝熱フィンを介して第２流体に対する伝熱面積を大きくしている。前記熱交換器では、第２流体に対する伝熱面積をより大きくしようとする場合に、伝熱フィンの外形寸法が大きくなって大型化を招くおそれがある。また、前記熱交換器では、伝熱フィンの外形寸法を大型化させることなく第２流体に対する伝熱面積を大きくする場合に、伝熱フィンの間隔を小さくすることになる。伝熱フィンの間隔を小さくした熱交換器は、第２流体の流通抵抗が大きくなり、第２流体の流量が低下して熱交換の能力が低下したり、騒音が大きくなったりする可能性がある。

本発明の目的とするところは、伝熱フィンの伝熱面積を大きくすることなく、交換熱量を増大させることのできる熱交換器を提供することにある。

本発明の熱交換器は、第１流体が流通する扁平チューブと、扁平チューブの外面に設けられ、板状部材を屈曲することによって形成された伝熱フィンと、を備え、扁平チューブ内を流通する第１流体と扁平チューブ外を流通する第２流体とを熱交換する熱交換器であって、伝熱フィンは、扁平チューブの平坦面に面接触するチューブ接触部を有し、チューブ接触部には、第２流体の流れを変化させることで第２流体に対する熱の伝達を促進する伝熱促進部が形成されている。

これにより、扁平チューブの近傍を流通する第２流体の流れが変化することによって、扁平チューブの近傍において第２流体に対する熱の伝達が促進される。

本発明によれば、扁平チューブの近傍を流通する第２流体の流れを変化させることで、扁平チューブの近傍において第２流体に対する熱の伝達を促進することができるので、第２流体に対する伝熱フィンの伝熱面積を大きくすることなく、交換熱量を増大させることが可能となる。

本発明の一実施形態を示す熱交換器の全体斜視図である。 熱交換器の平面図である。 熱交換器を空気の流通方向上流側から見た図である。 熱交換器の側面図である。 ヘッダとヘッダ連通部材の分解側面図である。 ヘッダと扁平チューブの分解平面図である。 伝熱フィンの隙間を流れる空気の流通状態を説明する側面断面図である。 本発明の他の実施形態を示す熱交換器を空気の流通方向上流側から見た図である。 伝熱フィンの隙間を流れる空気の流通状態を説明する側面断面図である。

図１乃至図７は、本発明の一実施形態を示すものである。

本発明の熱交換器１は、例えば、車両の車室内に設けられた複数のシート毎に設けられ、シートに着座した乗員に向かって温度及び湿度を調整した空気を吹き出させる車両用空気調和装置に用いられるものである。

この車両用空気調和装置は、圧縮機、熱交換器１及び膨張弁等の機器が一体に形成された空調ユニットを備えている。空調ユニットは、例えば、シートの下部、車室の天井部、ドアトリム、車室内の幅方向中央部のアームレストの下部等に配置されている。空調ユニットから車室内に供給される空気は、シートの背もたれや座面、シートの下部、車室の天井部、車両のＢピラー等に設けられた吹出口から吹き出される。

熱交換器１は、空調ユニットにおいて、圧縮機から吐出された第１流体としての冷媒を凝縮する凝縮器として、及び、凝縮器から流出した後に膨張弁によって減圧した冷媒を蒸発させる蒸発器として用いられる。

熱交換器１は、図１に示すように、複数の熱交換ユニット１０を、冷媒と熱交換する第２流体としての空気の流通方向（図中に白抜き矢印で示す、以降、空気流通方向と記載する）に対して直交する方向（本実施形態では上下方向）に配置したものである。また、熱交換器１は、空気流通方向に対して直交する方向に配置された複数の熱交換ユニット１０のそれぞれの間、及び、両外側に位置する熱交換ユニット１０の外側に、後述する扁平チューブの外面に接触した状態で固定された複数の伝熱フィン１００を有している。

複数の熱交換ユニット１０は、図２及び図３に示すように、それぞれ、冷媒が流通する複数の扁平チューブ２０と、複数の扁平チューブ２０の両端部に接続される一対のヘッダ３０と、を有する。

複数の扁平チューブ２０は、扁平形状の管部材からなり、内部が図示しないインナフィンによって断面長手方向に複数の空間に仕切られている。複数の扁平チューブ２０は、それぞれ、空気流通方向と直交する方向に延びるとともに、断面の長手方向が空気流通方向に向けられている。また、複数の扁平チューブ２０は、それぞれ、空気流通方向に配置されている。本実施形態では、図２に示すように、一対のヘッダ３０に対して４本の扁平チューブ２０が接続されている。

一対のヘッダ３０は、それぞれ、両端が閉鎖された円筒形状の部材からなり、中心軸が空気流通方向に向けられている。一対のヘッダ３０には、それぞれ中心軸に沿って複数の扁平チューブ２０の端部が接続されている。

複数の熱交換ユニット１０は、隣り合う熱交換ユニット１０のヘッダ３０同士を連通させるとともに、ヘッダ３０内を中心軸方向に仕切ることによって、熱交換器１における冷媒の流通経路が形成されている。

ここで、一対のヘッダ３０は、図５及び図６に示すように、それぞれ、筒状部材３１と、筒状部材３１の両端部を閉鎖する一対の閉鎖部材３２と、筒状部材３１の内部を軸方向に仕切るための複数の仕切部材３３とを有している。

筒状部材３１には、中心軸方向に延びる長孔として設けられ、扁平チューブ２０の端部を接続するための複数のチューブ接続孔３１ａと、周方向に延びる長孔として設けられ、仕切部材３３を筒状部材３１の内部に挿入するための仕切部材挿入孔３１ｂと、円形状に形成され、隣り合う熱交換ユニット１０のヘッダ３０同士を連通させるための複数のヘッダ連通孔３１ｃと、が形成されている。

閉鎖部材３２は、円柱状の部材からなり、筒状部材３１の両端部に挿入された状態で、筒状部材３１の両端部を閉鎖する。

仕切部材３３は、周方向の半分が筒状部材３１の外径寸法と略同一の外径寸法に形成され、それ以外の周方向の半分が筒状部材３１の内径寸法と略同一の外径寸法に形成されている。仕切部材３３は、外径寸法が小さい部分を筒状部材３１の仕切部材挿入孔３１ｂに挿入することで、筒状部材３１の内部を軸方向に仕切る。

また、互いに隣り合う熱交換ユニット１０のヘッダ３０同士は、ヘッダ連通部材３４を介して連通される。ヘッダ連通部材３４は、矩形状に形成された板状部３４ａと、板状部３４ａの長手方向に配置され、板状部３４ａを貫通する一対の筒状部３４ｂと、を有している。ヘッダ連通部材３４は、板状部３４ａが互いに隣り合う筒状部材３１の間に挟まれた状態で、一対の筒状部３４ｂのそれぞれの両端部が筒状部材３１のヘッダ連通孔３１ｃに挿入される。

伝熱フィン１００は、金属板を波形に屈曲したコルゲートフィンである。伝熱フィン１００は、図３に示すように、波形の頂点部分が平面状に形成され、扁平チューブ２０の平坦面に面接触するチューブ接触部１０１と、チューブ接触部１０１の間に位置する中間部１０２と、を有している。チューブ接触部１０１には、伝熱フィン１００の隙間を流通する空気の流れを変化させることで空気に対する熱の伝達を促進するための伝熱促進部１０３が設けられている。

伝熱促進部１０３は、チューブ接触部１０１を切り起こすことによって形成された矩形状の突出片１０３ａを有している。突出片１０３ａの先端部は、扁平チューブ２０、伝熱フィン１００のチューブ接触部１０１及び中間部１０２に囲まれた空間において、空気流通方向上流側に向けられている。

熱交換器１は、複数の扁平チューブ２０、複数のヘッダ３０（筒状部材３１、閉鎖部材３２、仕切部材３３）、複数のヘッダ連通部材３４、複数の伝熱フィン１００の全ての部材を一体に組み付けた状態で、互いにロウ付けによって固定することで製造される。

以上のように構成された熱交換器１において、冷媒は、図１の実線の矢印で示すように、最も下側に位置する熱交換ユニット１０の一方のヘッダ３０の空気流通方向下流側の端部から流入し、最も下側に位置する熱交換ユニット１０の一方のヘッダ３０の空気流通方向上流側の端部から流出する。

具体的には、最も下側の熱交換ユニット１０の一方のヘッダ３０の空気流通方向下流側から流入した冷媒は、各熱交換ユニット１０の空気流通方向最下流側に位置する扁平チューブ２０を順に上側に向かって流通する。また、最も上側の熱交換ユニット１０の一方のヘッダ３０の空気流通方向最下流側に流入した冷媒は、各熱交換ユニット１０の空気流通方向最下流側から二番目の扁平チューブ２０を順に下側に向かって流通する。最も下側の熱交換ユニット１０の一方のヘッダ３０に流入した冷媒は、各熱交換ユニット１０の空気流通方向最下流側から三番目の扁平チューブ２０を順に上側に向かって流通する。最も上側の熱交換ユニット１０の一方のヘッダ３０に流入した冷媒は、各熱交換ユニット１０の空気流通方向最上流側の扁平チューブ２０を順に下側に向かって流通し、熱交換器１から流出する。

このとき、一方のヘッダ３０から他方のヘッダ３０に向かって扁平チューブ２０を流通した冷媒は、上側または下側に隣り合う熱交換ユニット１０の扁平チューブ２０を流通する際に、他方のヘッダ３０から一方のヘッダ３０に向かって扁平チューブを流通する。このように、熱交換器１内を上下方向に流通する冷媒は、一対のヘッダ３０の間で蛇行しながら流通する。

また、冷媒と熱交換する空気は、図７に示すように、伝熱フィン１００の隙間を流通する際に、チューブ接触部１０１に沿って流通する空気が突出片１０３ａに接触し、扁平チューブ２０の近傍における空気の流れが乱れることになる。これにより、扁平チューブ２０に沿って流通する空気は、流れが乱れることで、扁平チューブ２０及び伝熱フィン１００に対する熱の伝達が促進され、扁平チューブ２０内を流通する冷媒と空気との熱交換量が増加する。

このように、本実施形態の熱交換器によれば、伝熱フィン１００は、扁平チューブ２０の平坦面に面接触するチューブ接触部１０１を有し、チューブ接触部１０１には、空気の流れを変化させることで空気に対する熱の伝達を促進するための伝熱促進部１０３が形成されている。

これにより、扁平チューブ２０の近傍を流通する空気の流れを変化させることで、空気に対する熱の伝達を促進することができるので、伝熱フィン１００の伝熱面積を大きくすることなく、交換熱量を増大させることが可能となる。

また、伝熱促進部１０３は、チューブ接触部１０１の一部を切り起こすことによって形成されている。

これにより、別部品を取り付けることなく、伝熱促進部１０３を形成することが可能となり、部品点数の低減を図ることが可能となる。

また、伝熱促進部１０３は、突出片１０３ａの先端部が空気の流通方向と反対の方向に向けられている。

これにより、突出片１０３ａに接触した空気の流れが乱れることによって空気が撹拌されて、空気と扁平チューブ２０との間の熱の伝達を促進することが可能となる。

また、一対のヘッダ３０が、それぞれ空気流通方向に延びるように設けられ、複数の熱交換ユニット１０が、互いに空気流通方向と直交する方向に配置されている。

これにより、ヘッダ３０の径方向の寸法を大きくすることなく、幅方向寸法の大きな扁平チューブ２０をヘッダ３０に接続することが可能となるので、空気の流路におけるヘッダ３０の占める割合を最小限とすることができ、設置スペースが限られる場合においても必要な熱交換の能力を発揮させることが可能となる。

図８及び図９は、本発明の他の実施形態を示すものである。

本実施形態の伝熱促進部１０３は、図８及び図９に示すように、伝熱フィン１００のチューブ接触部１０１及び中間部１０２を切り起こすことによって形成された三角形状の突出片１０３ｂを有している。突出片１０３ｂの先端部は、扁平チューブ２０、伝熱フィン１００のチューブ接触部１０１及び一対の中間部１０２に囲まれた空間において、空気流通方向に向けられている。また、突出片１０３ｂは、扁平チューブ２０、伝熱フィン１００のチューブ接触部１０１及び中間部１０２に囲まれた空間において、空気流通方向に向かって上り傾斜になるとともに、チューブ接触部１０１及び中間部１０２のそれぞれの面において幅方向の一方から他方に向かって上り傾斜になっている。また、扁平チューブ２０、伝熱フィン１００のチューブ接触部１０１及び一対の中間部１０２によって囲まれた空間に突出する突出片１０３ｂは、チューブ接触部１０１、チューブ接触部１０１の幅方向一方に位置する中間部１０２、他方に位置する中間部１０２の順に、空気流通方向に互いに異なる位置に設けられている。

以上のように構成された熱交換器において、冷媒と熱交換する空気は、図９に示すように、伝熱フィン１００の隙間を流通する際に、チューブ接触部１０１に設けられた突出片１０３ｂ、チューブ接触部１０１の幅方向一方に位置する突出片１０３ｂ、幅方向他方に位置する突出片１０３ｂの順に接触することで、渦を巻くように流通することになる。これにより、伝熱フィン１００の隙間を流通する空気は、渦を巻くように流通することで、扁平チューブ２０及び伝熱フィン１００に対する熱伝熱が促進され、扁平チューブ２０内を流通する冷媒と空気との熱交換量が増加する。

このように、本実施形態の熱交換器によれば、前記実施形態と同様に、扁平チューブ２０の近傍を流通する空気の流れを変化させることで、空気に対する熱の伝達を促進することができるので、伝熱フィン１００の伝熱面積を大きくすることなく、交換熱量を増大させることが可能となる。

また、伝熱促進部１０３は、突出片１０３ｂの先端部が空気の流通方向に向けられている。

これにより、伝熱フィン１００の隙間を流通する空気を、突出片１０３ｂに沿って流通させることで、所定の方向に案内することが可能となり、伝熱フィン１００に対して空気を効率的に接触させて熱の伝達を促進することが可能となる。

また、伝熱促進部１０３は、波形形状の頂部と共に、頂部と頂部との間の中間部１０２に形成されている。

これにより、伝熱フィン１００の隙間を流通するより多くの空気を、目的の方向に案内することが可能となり、伝熱フィン１００に対して空気をより効率的に接触させることが可能となる。

尚、前記実施形態では、本発明の熱交換器を車両用空気調和装置に適用したものを示したが、これに限られるものではない。例えば、建物の室内のための空気調和装置や、冷凍ショーケース及び冷蔵ショーケース等に用いられる熱交換器に、本発明を適用することが可能である。

また、前記実施形態では、冷媒と空気とを熱交換する熱交換器に対して本発明を適用したものを示したが、これに限られるものではない。例えば、水や不凍液と空気とを熱交換する熱交換器に本発明を適用してもよい。

また、前記実施形態では、伝熱促進部１０３として伝熱フィン１００を切り起こすことによって突出片１０３ａ，１０３ｂを形成するようにしたものを示したが、これに限られるものではない。扁平チューブ２０の近傍や伝熱フィン１００に沿って流通する空気の流れを変化させるものであれば、例えば、伝熱フィンに一体に設けられた突起や、伝熱フィンの面に設けられた窪みを伝熱促進部としてもよい。

１…熱交換器、１０…熱交換ユニット、２０…扁平チューブ、３０…ヘッダ、１００…伝熱フィン、１０１…チューブ接触部、１０２…中間部、１０３…伝熱促進部、１０３ａ，１０３ｂ…突出片。

Claims (6)

1. 第１流体が流通する扁平チューブと、扁平チューブの外面に設けられ、板状部材を屈曲することによって形成された伝熱フィンと、を備え、扁平チューブ内を流通する第１流体と扁平チューブ外を流通する第２流体とを熱交換する熱交換器であって、
   伝熱フィンは、扁平チューブの平坦面に面接触するチューブ接触部を有し、
   チューブ接触部には、第２流体の流れを変化させることで第２流体に対する熱の伝達を促進する伝熱促進部が形成されている
   熱交換器。
2. 伝熱促進部は、チューブ接触部の一部を切り起こすことによって形成されている
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 伝熱促進部は、切り起こされた部分の先端部が第２流体の流通方向と反対の方向に向けられている
   請求項２に記載の熱交換器。
4. 伝熱促進部は、切り起こされた部分の先端部が第２流体の流通方向に向けられている
   請求項２に記載の熱交換器。
5. チューブ接触部は、波形形状に形成された伝熱フィンの頂部に配置され、
   伝熱促進部は、波形形状の頂部と共に、頂部と頂部との間の中間部に形成されている
   請求項１乃至４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 扁平チューブと、扁平チューブの両端部に接続される一対のヘッダと、を有する複数の熱交換ユニットを備え、
   扁平チューブは、断面の長手方向が第２流体の流通方向に向くように設けられ、
   一対のヘッダは、それぞれ長手方向が第２流体の流通方向に延びるように設けられ、
   複数のヘッダは、互いに第２流体の流通方向と直交する方向に配置されている
   請求項１乃至５のいずれかに記載の熱交換器。

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