JP4540815B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二酸化炭素等を冷媒とする冷凍サイクルのように、相変化の伴わない熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、二酸化炭素等を冷媒とする相変化の伴わない熱交換器としては、例えば,特開平１０−２８８４７６号公報が知られている。この公報では、図７に示すように、一対のヘッダータンクと、このヘッダータンク間にチューブ及びフィンの積層体を配置した熱交換器が知られている。この熱交換器は、入口１０５及び出口１０６を備えた第１ヘッダータンク１０１と、中空の第２ヘッダータンク１０２と、第１ヘッダータンク１０１と第２ヘッダータンク１０２間に積層配置されたチューブ１０３とフィン１０４とを備えている。更に、第１ヘッダータンク１０１には、このタンクを前後に仕切る仕切板１０７が設けられている。
【０００３】
熱交換媒体は、入口１０５から第１ヘッダータンク１０１の風下側ヘッダータンク１０１ａに導入され、矢印１０８に示すように、風下側のチューブ１０３内を流れ第２ヘッダータンク１０２に導かれる。そこからＵターンして、風上側のチューブ１０３内を流れ、第１ヘッダータンク１０１の風上側ヘッダータンク１０１ｂに導かれ、出口１０６から導出される。この公報に開示された熱交換器では、空気の流れに対して、チューブ内の熱交換媒体が前後方向のチューブ内でＵターンして流れる（カウンタフロー）ようになっている。この熱交換器では、例えば、図８のように熱交換媒体が矢印１０９に示すように単に上から下方向に蛇行して流れることに比べて、熱交換効率を改良できる。
【０００４】
しかし、最近では、車両用の熱交換器は、コンパクトな容積で且つ熱交換効率が向上したものが強く求められている。そのために、例えば図９に示したように、前後のチューブでＵターンさせるカウンタフローの考え方を取り入れ、且つチューブ内を上下に流れるようにすることが考えられる。
【０００５】
この熱交換器は、チューブとフィンを上下方向に複数積層し、その上下端部にエンドプレートを配置した積層体を両サイドのヘッダータンクに取り付けて構成された熱交換器を前後方向に並設したものである。風下側熱交換器２０１の左側ヘッダータンク２０３と風上側熱交換器２０２の左側ヘッダータンク２０４の上下方向中間位置に仕切板２０７，２０８が設けられている。左側ヘッダータンク２０３の上部ヘッダータンク部２０３ａに熱交換媒体の入口部２０９、左側ヘッダータンク２０４の上部ヘッダータンク部２０４ａに熱交換媒体の出口部２１０が設けられ、左側ヘッダータンク２０３の下部ヘッダータンク部２０３ｂと左側ヘッダータンク２０４の下部ヘッダータンク部２０４ｂとを連通する連通管２１１が設けられている。２０５、２０６は、それぞれ風下側熱交換器２０１の右側ヘッダータンク、風上側熱交換器２０２の右側ヘッダータンクを示す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この種の熱交換器では、風下側熱交換器２０１の入口部２０９から導入された熱交換媒体は、左側の上部ヘッダータンク部２０３ａから上部チューブを介して右側のヘッダータンク２０５に導かれ、右側のヘッダータンク２０５から下部チューブを介して左側の下側ヘッダータンク２０３ｂに導かれる。このように風下側熱交換器２０１内を流れた後、連通管２１１を通って風上側熱交換器２０２の左側の下部ヘッダータンク部２０４ｂに移され、下部チューブを介して右側のヘッダータンク２０６に導かれる。そこから上部チューブを介して左側の上部ヘッダータンク２０４ａに導かれ、出口部２１０から導出される。
【０００７】
このような熱交換器では、熱交換媒体の温度は、空気との熱交換によって入口から出口に向かって、徐々に低下する。その温度を順番に、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８とすると、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３＞Ｔ４＞Ｔ５＞Ｔ６＞Ｔ７＞Ｔ８となる。そして、前後のチューブの温度差を比較すると、（Ｔ1−Ｔ８）＞（Ｔ２−Ｔ７）＞（Ｔ３−Ｔ６）＞（Ｔ４−Ｔ５）となり、前後のチューブ間において、出入口部の温度差が一番大きく、それから遠い部分の温度差が極めて小さい。このように前後のチューブ間で、場所によって大きな差があり、バランスが悪く、全体として熱交換効率が悪い。
【０００８】
即ち温度差が小さい部分は、カウンタフローの効果が期待できない。逆に、温度差が大きい部分は、フィンを介して風下側チューブの熱が風上側チューブに伝達し、熱交換効率が悪くなる。
【０００９】
本発明は、上述したように熱交換媒体の流れ方が、熱交換効率に大きく関係することに着目して、熱交換媒体の前後のチューブ間での温度差のバラツキをできるだけ少なくする熱交換器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、一対のヘッダータンクと、これらヘッダータンク間に連結された列状の複数のチューブと、該チューブ間に配設されたフィンとによって構成された熱交換器を風の流れ方向に前後に並設してなる相変化の伴わない複合型熱交換器において、風下側熱交換器及び風上側熱交換器のヘッダータンク各々にヘッダータンク内を夫々チューブ列方向に一方側と他方側とに２分する仕切板がチューブ列方向に互いに位置ずれして設けられ、仕切板で仕切られた風下側熱交換器の一方のヘッダータンク部に熱交換媒体の入口が設けられ、仕切板で仕切られた風上側熱交換器の他方のヘッダータンク部に熱交換媒体の出口が設けられ、ずれた仕切板間に対応する風下側熱交換器の他方のヘッダータンク部と風上側熱交換器の一方のヘッダータンク部とのラップ部に連通路が形成され、チューブ内を流れる熱交換媒体が、風下側熱交換器の一方のヘッダータンク部から風下側熱交換器の一方側を流れて風下側熱交換器の他方側を流れたのち、風下側熱交換器の他方のヘッダータンク部に流れ、その後、連通路を介して風上側熱交換器の一方のヘッダータンク部に流れ、風上側熱交換器の一方側を流れてから他方側を流れたのち、風上側熱交換器の他方のヘッダータンク部に流れるようになっている構成である。この構成では、前後のチューブ間での、場所の違いによる温度差のバラツキをできるだけ少なくしたので、熱交換効率が向上できた。
【００１１】
また、長い接続管路を設けなくて良く、簡単な構造で両方のヘッダータンクを接続できる。従って、風下側熱交換器から風上側熱交換器への熱交換媒体の流れがスムーズに行なわれる。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１に記載の熱交換器において、風上側熱交換器と風下側熱交換器とのヘッダータンク間に空間を形成した構成であり、ヘッダータンク間での不用意な熱伝達を低減しているので、熱交換の偏りを少なくし、熱交換効率のバラツキを防止できる。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項２記載の熱交換器において、風上側熱交換器と風下側熱交換器とのヘッダータンクを別体に設け、該前後のヘッダータンクの一端開口部を塞ぐキャップを該前後ヘッダータンクが所定間隔で配置されるように一体に形成し、前後ヘッダータンクと該キャップを互いに接合することによって、前後ヘッダータンク間に一定の空間を形成するようにしたので、前後のヘッダータンクを安定して設定間隔に維持でき、組立ても容易なものである。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項２記載の熱交換器において、風上側熱交換器と風下側熱交換器とのヘッダータンクを別体に設け、熱交換器の端面に配置されるエンドプレートを風上側熱交換器と風下側熱交換器とに対して一体に設け、該エンドプレートにヘッダータンクの挿入穴に挿入される端部を前後に所定間隔を開けて設け、該風上側及び風下側のヘッダータンクが一定空間を開けて配置されるようにしたので、組立て時に前後のヘッダータンク同士を設定間隔に維持できるとともに安定して且つ簡単に設定間隔に維持できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の第１実施例を図面に基づいて説明する。図１は、この実施例の熱交換器１を示す図である。図１に示すように、複数の扁平チューブ２と放熱用の波状フィン３が交互に積層され、この積層された扁平チューブ２及び波状フィン３の上下にエンドプレート４が設けられ、これらの複数の扁平チューブ２及びエンドプレート４の各端部２ａ、４ａが両側のヘッダータンク５，６（７，８）に接続されて熱交換器１が構成されている。このような熱交換器が、風下側及び風上側に前後に並列配置されている。なお、各ヘッダータンク５と７、６と８の上下の開口部はキャップ部材１４、１５により閉塞されている。
【００１６】
図１では、前後の熱交換器１ａ、１ｂの左側のヘッダータンク５及び７の上下方向の中間位置に仕切板９及び１０が設けられている。風下側熱交換器１ａの上部ヘッダータンク部５ａに熱交換媒体の入口１１が設けられ、風上側熱交換器１ｂの下部ヘッダ−タンク部７ｂに熱交換媒体の出口１２が設けられている。風下側熱交換器１ａの仕切板９が風上側熱交換器１ｂの仕切板１０よりも上方に位置して設置されている。そのために、風下側熱交換器１ａの下部ヘッダータンク部５ｂと風上側熱交換器１ｂの上部ヘッダータンク部７ａとが前後方向に見て、一部ラップして配置されている。このラップしたヘッダータンク部５ｂ、７ａ同士をお互いに連通する連通管１３が設けられている。この連通管１３により、風下側熱交換器１ａから風上側熱交換器１ｂに熱交換媒体が流れるようになっている。
【００１７】
図２に示すように、この実施例の熱交換器においてチューブ内の熱交換媒体の温度を、上流側から順番にＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８とすると、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３＞Ｔ４＞Ｔ５＞Ｔ６＞Ｔ７＞Ｔ８となる。そして、前後のチューブの温度差を比較すると、（Ｔ1−Ｔ５）≒（Ｔ２−Ｔ６）≒（Ｔ３−Ｔ７）≒（Ｔ４−Ｔ８）となる。前後のチューブ間において、どこをとっても似たような温度差となり、場所によるバラツキがほとんどない。チューブ全体にわたって熱交換がほぼ均等に行なわれるので、熱交換効率が良い。
【００１８】
この実施例では、風下側熱交換器１ａの上部ヘッダータンク５ａに入口１１、風上側熱交換器１ｂの下部ヘッダータンク７ｂに出口１２を設ける構成であったが、この構成に限らず、風下側熱交換器１ａの下部ヘッダータンク５ｂに入口１１、風上側熱交換器１ｂの上部ヘッダータンク７ａに出口１２を設ける構成であっても良い。
【００１９】
また、チューブの上半分と下半分との２ヶ所で仕切っているが、上半分・下半分のヘッダータンク部分に更に仕切板を設けて、更にチューブ内を熱交換媒体が蛇行するようにしても良い。
【００２０】
この実施例では、図３に示すように、前後のヘッダータンク５・７、６・８は別体で形成されている。そして、ヘッダータンク５と７、ヘッダータンク６と８に対するキャップ部材１４、１５が一体で形成されている。前後のヘッダータンク５と７をキャップ部材１４に、ヘッダータンク６と８をキャップ部材１５に取り付けることにより、前後のヘッダータンク５・７、６・８が、所定間隔を維持して組付けられる。
【００２１】
図４は他の実施例に関し、図３と同様な図を示す。上下のエンドプレート４０の端部４０ａが所定間隔を開けて突出して形成されている。この端部４０ａが前後のヘッダータンクの挿入穴に挿入されることにより、前後のヘッダータンクに一定の間隔が維持されて、組み立てられる。組立て時にヘッダータンクを所定間隔開けることができるので、特別作業が増えることなく組み立てられる。誰でも安定してヘッダータンク同士を設定間隔開けて組み立てることができる。
【００２２】
図５は更に他の実施例に関し、図３と同様な図を示す。上下のエンドプレート５０の端部５０ａに、突起部５１を設けて、この突起部５１でもって、前後のヘッダータンクの設定間隔を維持するようしたものである。この実施例でも、組立て時にヘッダータンクを一定間隔開けて取り付けることができる。
【００２３】
図６は別の実施例に関する。熱交換器６１は風下側熱交換器６１ａ及び風上側熱交換器６１ｂからなり、風下側熱交換器６１ａ及び風上側熱交換器６１ｂはそれぞれ、図示してないが、長尺なチューブが立てて横方向に並設され、このチュ−ブ間にフィンが配置され、左右の端部にエンドプレートが配置され、上端部及び下端部に上部タンク部、下部タンク部が設けられている。風下側熱交換器６１ａ及び風上側熱交換器６１ｂの上部タンク部６２、６３には、それぞれ仕切板６４，６５が設けられている。それぞれ、上部タンク部６２は左側タンク部６２ａ、右側タンク部６２ｂに区切られ、上部タンク部６３は左側タンク部６３ａ、右側タンク部６３ｂに区切られている。風下側熱交換器６１ａの仕切板６４が風上側熱交換器６１ｂの仕切板６５より左側にずれて位置している。
図６により、この熱交換媒体（冷媒）の流れを説明する。冷媒は、入口６６から風下側熱交換器６１ａの左タンク部６２ａに導入され、熱交換器６１ａの左半分側を下降し、下部タンク部６９ａを右方向に流れ、右半分を上昇し、右タンク部６２ｂ内を左方向に流れる。そして、連通部６８を通って、風上側熱交換器６１ｂの左タンク部６３ａに移る。さらに左タンク部６３ａ内から熱交換器６１ｂの左半分側を下降し、下部タンク部６９ｂを右方向に流れ、右半分を上昇し、右タンク部６３ｂ内から出口６７を通って流出される。
【００２４】
このように、チューブとフィンが左右に積層された熱交換器であっても、第１実施例と同様に、風下側熱交換器及び風上側熱交換器の温度差は、どの部分でも似たような温度差である。
【００２５】
【発明の効果】
本発明では、風下側熱交換器及び風上側熱交換器のヘッダータンク各々にヘッダータンク内を夫々チューブ列方向に２分する仕切板を設け、風下側熱交換器の分割された一方のヘッダータンク部に熱交換媒体の入口を設け、風下側熱交換器の分割された他方のヘッダータンク部と風上側熱交換器の分割された一方のヘッダータンク部とを連通し、風上側熱交換器の分割された他方のヘッダータンク部に熱交換媒体の出口を設けることによって、熱交換媒体が風下側熱交換器内を一方から他方に向けてＵターンして流れ、風上側熱交換器も風下側熱交換器と同様に一方から他方に向けてＵターンして流れるようにしたので、風下側熱交換器と風上側熱交換器との互いのチューブ間の温度差に場所によってバラツキが生じるのを抑制することができた。それによって、熱交換効率を向上することができた。
【００２６】
風下側熱交換器の仕切板の位置が風上側熱交換器の仕切板の位置より上下或いは左右方向にずれて設けられたものでは、風下側熱交換器の他方のヘッダータンク部と風上側熱交換器の一方のヘッダータンク部とが風の流れ方向に見てラップするので、このラップ部分同士を連通することで風下側熱交換器のヘッダータンクと風上側熱交換器のヘッダータンク同士を連通することができ、接続構造が簡単であり、かつ風下側熱交換器から風上側熱交換器への熱交換媒体の流れがスムーズである。
【００２７】
風上側熱交換器と風下側熱交換器とのヘッダータンク間に空間を形成した場合には、ヘッダータンク間での不用意な熱伝達を低減できるので、熱交換の偏りを少なくし、熱交換効率のバラツキを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を適用した熱交換器の概略図を示す。
【図２】 本発明を適用した熱交換器の熱交換媒体のフロー及び温度変化を示す図である。
【図３】 本発明のヘッダータンク部の部分拡大図である。
【図４】 本発明の他の実施例を示し、図３と同様な図である。
【図５】 本発明の更に他の実施例を示し、図３と同様な図である。
【図６】 本発明の別の実施例を示し、熱交換媒体（冷媒）の流れを説明する模式図である。
【図７】 従来の熱交換器を示す概略図である。
【図８】 従来の別の熱交換器を示す概略図である。
【図９】 風上側及び風下側に熱交換器を重ねて配置した場合の冷媒流れを示す模式図である。
【符号の説明】
１ 熱交換器
１ａ 風下側熱交換器
１ｂ 風上側熱交換器
２ 扁平チューブ
２ａ 端部
３ 波状フィン
４ エンドプレート
４ａ 端部
５ 左ヘッダータンク
５ａ 上部ヘッダータンク部
５ｂ 下部ヘッダータンク部
６ 右ヘッダータンク
７ 左ヘッダータンク
７ａ 上部ヘッダータンク部
７ｂ 下部ヘッダータンク部
８ 右ヘッダータンク
９ 仕切板
１０ 仕切板
１１ 入口
１２ 出口
１３ 連通管
１４ キャップ部材
１５ キャップ部材
４０ エンドプレート
４０ａ 端部
５０ エンドプレート
５０ａ 端部
５１ 突起部
６１ 熱交換器
６１ａ 風下側熱交換器
６１ｂ 風上側熱交換器
６２ 風下側上部タンク部
６２ａ 左側タンク部（一方）
６２ｂ 右側タンク部（他方）
６３ 風上側上部タンク部
６３ａ 左側タンク部（一方）
６３ｂ 右側タンク部（他方）
６４ 仕切板
６５ 仕切板
６６ 入口
６７ 出口
６８ 連通部
６９ａ 下部タンク部
６９ｂ 下部タンク部

Claims (4)

1. 一対のヘッダータンクと、これらヘッダータンク間に連結された列状の複数のチューブと、該チューブ間に配設されたフィンとによって構成された熱交換器を風の流れ方向に前後に並設してなる相変化の伴わない複合型熱交換器において、風下側熱交換器及び風上側熱交換器のヘッダータンク各々にヘッダータンク内を夫々チューブ列方向に一方側と他方側とに２分する仕切板がチューブ列方向に互いに位置ずれして設けられ、仕切板で仕切られた風下側熱交換器の一方のヘッダータンク部に熱交換媒体の入口が設けられ、仕切板で仕切られた風上側熱交換器の他方のヘッダータンク部に熱交換媒体の出口が設けられ、ずれた仕切板間に対応する風下側熱交換器の他方のヘッダータンク部と風上側熱交換器の一方のヘッダータンク部とのラップ部に連通路が形成され、チューブ内を流れる熱交換媒体が、風下側熱交換器の一方のヘッダータンク部から風下側熱交換器の一方側を流れて風下側熱交換器の他方側を流れたのち、風下側熱交換器の他方のヘッダータンク部に流れ、その後、連通路を介して風上側熱交換器の一方のヘッダータンク部に流れ、風上側熱交換器の一方側を流れてから他方側を流れたのち、風上側熱交換器の他方のヘッダータンク部に流れるようになっていることを特徴とする熱交換器。
2. 風上側熱交換器と風下側熱交換器とは両者のヘッダータンク間に空間を形成して配置されてなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 風上側熱交換器と風下側熱交換器とのヘッダータンクを別体に設け、該前後のヘッダータンクの一端開口部を塞ぐキャップを該前後ヘッダータンクが所定間隔で配置されるように一体に形成し、前後ヘッダータンクと該キャップを互いに接合することによって、前後ヘッダータンク間に一定の空間を形成するようにしたことを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
4. 風上側熱交換器と風下側熱交換器とのヘッダータンクを別体に設け、熱交換器の端面に配置されるエンドプレートを風上側熱交換器と風下側熱交換器とに対して一体に設け、該エンドプレートにヘッダータンクの挿入穴に挿入される端部を前後に所定間隔を開けて設け、該風上側及び風下側のヘッダータンクが一定空間を開けて配置されるようにしたことを特徴とする請求項２記載の熱交換器。

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