(57)【要約】【課題】高い耐圧性能を確保しつつ、二酸化炭素冷媒使用に最適なカウンターフロー構成を、簡単な組み立て作業および高い加工精度をもって実現可能な熱交換器を提供する。【解決手段】押し出しまたは引き抜きにより全体が一体成形され、内部に複数の流体通路が並行して延びるように隔成されたヘッダと、端部が各流体通路に連通するようにヘッダに接続された複数のチューブとを備えた熱交換器において、ヘッダにおける、互いに隣接する流体通路に、それぞれ仕切りを設けるとともに、両仕切り間における両流体通路間の隔壁に、両流体通路を連通する連通路を設けたことを特徴とする熱交換器。連通路は、ヘッダを外部から後加工することにより設けることができ、後加工により生じたヘッダ外面の開口は、蓋部材設置または溶接により閉塞すればよい。【選択図】図１
2006145058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
押し出しまたは引き抜きにより全体が一体成形され、内部に複数の流体通路が並行して延びるように隔成されたヘッダと、端部が各流体通路に連通するように前記ヘッダに接続された複数のチューブとを備えた熱交換器において、前記ヘッダにおける、互いに隣接する流体通路の一方の第１の流体通路に、第１の仕切りを設け、他方の第２の流体通路に、前記第１の仕切りとは流体通路延在方向において異なる位置に第２の仕切りを設けるとともに、両仕切り間における第１の流体通路と第２の流体通路との間の隔壁に、両流体通路を連通する連通路を設けたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記連通路が、前記ヘッダを外部から後加工することにより設けられ、かつ、該後加工により生じたヘッダ外面の開口が、蓋部材設置または溶接により閉塞されている、請求項１の熱交換器。
【請求項３】
前記第１または第２の仕切りを構成する仕切り用部材に、前記ヘッダに流体を導入する入口パイプまたはヘッダから流体を導出する出口パイプまで延び、該入口パイプまたは出口パイプを支持するパイプ補強部が一体に設けられている、請求項１または２の熱交換器。
【請求項４】
前記蓋部材に、前記ヘッダに流体を導入する入口パイプまたはヘッダから流体を導出する出口パイプまで延び、該入口パイプまたは出口パイプを支持するパイプ補強部が一体に設けられている、請求項２の熱交換器。
【請求項５】
並設された複数のチューブとそれらの両端に連通されたヘッダ内流体通路とから構成される熱交換コア部が、複数、熱交換用外部空気の流れ方向に隣接配置されており、該隣接配置された複数の熱交換コア部に、流体が、熱交換用外部空気の流れ方向に対しカウンターフローとなるように流通される、請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項６】
用いられる流体が二酸化炭素である、請求項１〜５のいずれかに記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器、とくに二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクル用の放熱器等に好適な熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍サイクルに使用されてきたフロン系冷媒に代わる冷媒として、二酸化炭素が注目されている。冷媒として二酸化炭素を使用する場合には、フロン系冷媒を使用していた場合に比べ、熱交換器の構造的にも種々の変更が要求される。
【０００３】
たとえば、二酸化炭素用熱交換器では、二酸化炭素が凝縮しないという特質を有することから、いわゆるカウンターフローと呼ばれている冷媒の流し方が有効であることが知られている（たとえば、特許文献１、２）。すなわち、フロン系冷媒の冷凍サイクルでは、凝縮経路のほぼ全域において冷媒は気液混相状態にあるため、冷媒の温度はその凝縮温度に維持される。したがって、外部の熱交換用空気の流れ方向に対し垂直な面に沿って、凝縮経路を蛇行状に配置した、いわゆるクロスフロータイプの熱交換器を採用することにより、凝縮経路全域において、冷却用空気と冷媒との温度差を十分に確保でき、高い熱交換効率を得ることができる。これに対し、二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍サイクルでは、とくに高圧回路側の放熱過程において、冷媒が相変化を伴わない超臨界状態で作動するため、冷媒温度は、放熱経路の入口側から出口側に向かうにつれ次第に低下していく。クロスフロータイプの熱交換器では、放熱経路の全域において、実質的に一定温度の冷却用空気が導入されるので、このクロスフロータイプの熱交換器を、二酸化炭素冷媒用冷凍サイクルのガスクーラー（放熱器）等として使用した場合には、冷媒と冷却用空気との温度差が経路の入口側では大きくなり、出口側では小さくなり、全体として高い熱交換効率が得られなくなる。そこで上記の如く、いわゆるカウンターフロータイプの熱交換器を使用することにより、経路全域において冷却用空気と冷媒との温度差を十分に確保できるようになり、熱交換効率を向上させることができる。
【０００４】
また、二酸化炭素冷媒は、その特質上、高圧で使用されることとなるため、熱交換器のヘッダ等には高い耐圧性能が要求されることになる。このような高耐圧性能を満たすヘッダ構造として、押し出しや引き抜きにより一体成形されたヘッダの構造が有効であることが知られており、とくに内部に２連の流体（冷媒）通路を形成する場合にも、高い耐圧性能を確保しつつ、製造加工性についても向上できることが知られている（たとえば、特許文献３）。
【特許文献１】特開２００１−１４７０９５号公報
【特許文献２】特開２００４−７７０７９号公報
【特許文献３】特開平１１−２２６６８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記特許文献３では、熱交換用外部空気流れ方向と交差する方向に、単に、同時に並行な冷媒流れを形成する構造を示しているにすぎない。また、上記特許文献２では、カウンターフロー構成は示されているものの、冷媒は、熱交換用外部空気流れ方向に対し、隣接配置された熱交換コア部を、単に蛇行状に流れる構成を示しているにすぎず、熱交換性能上、最適な冷媒流れ形態を示しているとは言いがたい。これに対し、上記特許文献１では、隣接配置された熱交換コア部のそれぞれの内部において、冷媒は往復するように流されているので、熱交換器全体として高い熱交換性能を得ることが可能である。
【０００６】
しかし、特許文献１に記載の構造では、一方の熱交換コア部のヘッダと、それに隣接配置された熱交換コア部のヘッダとは別々に構成されており、両ヘッダ間を外部パイプで連通させる構造となっており、特許文献３におけるような高いヘッダ耐圧性能を期待できないばかりか、熱交換器全体の組み立て作業が複雑になる。また、各ヘッダが個別に作成されるため、加工上、チューブ差し込み穴の寸法やピッチにばらつきが生じやすい。
【０００７】
そこで本発明の課題は、とくにヘッダ部の高い耐圧性能を確保しつつ、二酸化炭素冷媒を使用する場合に最適なカウンターフロー構成を、簡単な組み立て作業および高い加工精度をもって実現可能な熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る熱交換器は、押し出しまたは引き抜きにより全体が一体成形され、内部に複数の流体通路が並行して延びるように隔成されたヘッダと、端部が各流体通路に連通するように前記ヘッダに接続された複数のチューブとを備えた熱交換器において、前記ヘッダにおける、互いに隣接する流体通路の一方の第１の流体通路に、第１の仕切りを設け、他方の第２の流体通路に、前記第１の仕切りとは流体通路延在方向において異なる位置に第２の仕切りを設けるとともに、両仕切り間における第１の流体通路と第２の流体通路との間の隔壁に、両流体通路を連通する連通路を設けたことを特徴とするものからなる。
【０００９】
この熱交換器においては、押し出しまたは引き抜きにより（つまり、均一な所定肉厚にて容易に精度よく成形できる成形法により）一体成形された１本のヘッダ内に、隔壁により隔成された複数の流体通路（たとえば、２本の流体通路）が並行して延びるように形成されるので、各流体通路を有するヘッダを別々に形成する場合に比べ、簡単な構造で高い耐圧性能を容易に確保することができ、かつ、１本のヘッダに対して各流体通路に接続するチューブの差し込み穴を加工すればよいので、チューブ差し込み穴の寸法やピッチをより高精度に加工できるようになり、熱交換器全体としての寸法精度を向上することが可能になる。
【００１０】
また、互いに隣接する流体通路の一方の第１の流体通路、他方の第２の流体通路に、それぞれ、第１の仕切り、第２の仕切りを設けるので、第１の流体通路を用いて構成する第１の熱交換コア部、第２の流体通路を用いて構成する第２の熱交換コア部のそれぞれにおいて、流体を往復させる経路構成を採ることができ、熱交換器全体として高い熱交換性能を達成できる。
【００１１】
そして、第１の仕切りと第２の仕切りを流体通路延在方向において互いにずらして配置し、その間における両流体通路間の隔壁に両流体通路を連通する連通路を設けたので、外部連通路は不要になり、簡単な組み立て作業で所望の熱交換器を実現できる。とくに、並設された複数のチューブとそれらの両端に連通されたヘッダ内流体通路とから構成される熱交換コア部が、複数、熱交換用外部空気の流れ方向に隣接配置されており、該隣接配置された複数の熱交換コア部に、流体が、熱交換用外部空気の流れ方向に対しカウンターフローとなるように流通される場合にも、目標とするカウンターフロータイプの熱交換器を容易にしかも確実に実現できるようになる。すなわち、用いられる流体が二酸化炭素である冷凍サイクルに最適なカウンターフロータイプの熱交換器を実現できるようになる。
【００１２】
上記連通路は、上記ヘッダを外部から後加工する（たとえば、ヘッダの外面から穴開け加工や切削加工を行い、上記隔壁に上記連通路として機能する貫通穴等を加工する）ことにより設けることができ、該後加工により生じたヘッダ外面の開口は、蓋部材設置または溶接により閉塞すればよい。つまり、ヘッダ外部側からの加工により、簡単に所望の連通路を設けることができる。
【００１３】
また、本発明においては、上記構成に加えて、上記第１または第２の仕切りを構成する仕切り用部材に、ヘッダに流体を導入する入口パイプまたはヘッダから流体を導出する出口パイプまで延び、該入口パイプまたは出口パイプを支持するパイプ補強部が一体に設けられている構成を採用することができる。あるいは、上記蓋部材に、ヘッダに流体を導入する入口パイプまたはヘッダから流体を導出する出口パイプまで延び、該入口パイプまたは出口パイプを支持するパイプ補強部が一体に設けられている構成を採用することができる。このように、仕切り用部材や蓋部材を利用して、入口パイプや出口パイプを補強することが可能であり、熱交換器全体としての強度向上をはかることもできる。
【発明の効果】
【００１４】
このように、本発明によれば、高い耐圧性能を有し、とくに二酸化炭素冷媒を使用する場合に最適なカウンターフロー構成を、簡単な組み立て作業および高い加工精度をもって実現可能な熱交換器を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る熱交換器１を示している。熱交換器１は、一対のヘッダ２、３と、両端部が各ヘッダ２、３に接続され連通された複数のチューブ４と、チューブ４間に設けられたフィン５とを有している。ヘッダ２、３は、図２にも示すように、それぞれ、押し出しまたは引き抜きにより全体が一体成形され、内部に複数の流体通路（本実施態様では２本の流体通路）６、７が並行して延びるように隔成された構造に構成されており、横断面形状が、図２（Ａ）または（Ｂ）に示すようなめがね形状に形成されている。ヘッダ２、３のうち、一方のヘッダ２には、熱交換用外部空気の流れ方向８に対し下流側に位置する流体通路（第１の流体通路）６に対して、流体（たとえば、冷媒）を導入する入口パイプ９が設けられており、上流側に位置する流体通路（第２の流体通路）７に対して、流体を導出する出口パイプ１０が設けられている。そして、第１の流体通路６内には第１の仕切り１１が、第２の流体通路７内には第２の仕切り１２が、それぞれ設けられており、両仕切り１１、１２間における第１の流体通路６と第２の流体通路７との間の隔壁１３（図２に図示）に、両流体通路６、７を連通する連通路１４が設けられている。また、各チューブ４は、内部が、第１の流体通路６側に連通する内部通路と第２の流体通路７側に連通する内部通路とに区画されており、各内部通路に互いに独立に流体が流通されるようになっている。つまり、並設された複数のチューブ４の一方の内部通路とその両端部が連通されたヘッダ２、３の第１の流体通路６とにより、熱交換用外部空気の流れ方向８の下流側に一つの熱交換コア部１５が構成され、複数のチューブ４の他方の内部通路とその両端部が連通されたヘッダ２、３の第２の流体通路７とにより、熱交換用外部空気の流れ方向８の上流側に別の熱交換コア部１６が構成され、これら熱交換コア部１５、１６が熱交換用外部空気の流れ方向８に隣接配置された構成となっている。
【００１６】
このように構成された熱交換器１においては、流体（たとえば、冷媒）は、熱交換器１内を、図１の矢印で示すように流れる。すなわち、入口パイプ９から導入された流体は、ヘッダ２の上部に位置する第１の流体通路６から、熱交換用外部空気流れ方向８下流側の熱交換コア部１５の上部に配置されたチューブ４の一方の内部通路を通してヘッダ３の上部に位置する第１の流体通路６内に送られ、該第１の流体通路６内を流下した後、ヘッダ３の下部に位置する第１の流体通路６から熱交換コア部１５の下部に配置されたチューブ４の一方の内部通路を通してヘッダ２の下部に位置する第１の流体通路６内に戻される。ヘッダ２の第１の流体通路６内に戻された流体は、連通路１４を通してヘッダ２の上部に位置する第２の流体通路７内に送られ、そこから熱交換用外部空気流れ方向８上流側の熱交換コア部１６の上部に配置されたチューブ４の他方の内部通路を通してヘッダ３の上部に位置する第２の流体通路７内に送られ、該第２の流体通路７内を流下した後、ヘッダ３の下部に位置する第２の流体通路７から熱交換コア部１６の下部に配置されたチューブ４の他方の内部通路を通してヘッダ２の下部に位置する第２の流体通路７内に戻され、出口パイプ１０から排出される。このように、流体の流れは、熱交換用外部空気流れ方向８下流側の熱交換コア部１５で往復した後、熱交換用外部空気流れ方向８上流側の熱交換コア部１６を往復し、熱交換器１全体で見た場合、熱交換用外部空気流れ方向８に対してカウンターフローとなる。
【００１７】
この熱交換器１においては、ヘッダ２、３は、押し出しまたは引き抜きにより、内部に第１、第２の流体通路６、７を有する断面形状にて、それぞれ一体成形される。一体成形であるから、第１、第２の流体通路６、７を構成する壁は、容易にかつ精度よくしかも均一な所望厚みに形成され、ヘッダ２、３の高い耐圧性能、強度が容易に実現される。とくに、二酸化炭素冷媒を使用する場合に求められる高耐圧性能も容易に達成されることになる。また、第１、第２の流体通路６、７を備えた１本のヘッダ２またはヘッダ３に対して、区画された内部通路を有するチューブ４の差し込み穴を加工すればよいので、チューブ４の差し込み穴の寸法やピッチを高精度に加工できる。その結果、熱交換器１全体の寸法精度も向上される。
【００１８】
また、隣接配置された熱交換コア部１５、１６のそれぞれにおいて流体が往復するように流通されるので、熱交換器１全体として高い熱交換性能が得られる。この流体の流通経路は、ヘッダ２内部に設けられた連通路１４を介して熱交換用外部空気流れ方向８下流側の熱交換コア部１５から熱交換用外部空気流れ方向８上流側の熱交換コア部１６へと流体を送る経路とされているので、二酸化炭素冷媒を使用する場合に最適なカウンターフローが、コンパクトな構造の熱交換器１で効率よく達成される。
【００１９】
このようなカウンターフローを構成するために必要な連通路１４は、図３〜５に示すような方法、あるいは図６〜８に示すような方法で簡単に設けることができる。図３〜５に示す方法においては、図３に示すように、ヘッダ２を外部から加工、とくに、外部から穴開け加工し、隔壁１３に貫通穴を形成してこれを連通路１４とする。この穴開け加工では、ヘッダ２の外面にも貫通穴１７が生じることになるが、この貫通穴１７は、図４、図５に示すように、適当な蓋部材１８で閉塞、あるいは閉塞後溶接すればよい。貫通穴１７のサイズによっては、蓋部材１８を用いることなく、単に溶接で閉塞することも可能である。連通路１４は、図示例では一つだけ設けてあるが、必要に応じて、複数設けることができる。複数設ける場合には、第１、第２の仕切り１１、１２間部分の隔壁１３に対して、ヘッダ２の長手方向に配列することが好ましい。連通路１４を複数設けることにより、流体の必要十分な連通量を確保できる。第１、第２の仕切り１１、１２については、図４、図５に示すような従来方法により、切削加工等により仕切り設置用空間１９、２０を形成した後、仕切り用部材２１、２２を挿入、固定し、隙間を溶接等によって塞ぐことにより、容易に設けることができる。
【００２０】
図６〜８に示す方法においては、図６、図７に示すように、ヘッダ２を外部から、第１、第２の流体通路６、７の周りの部分および隔壁１３を部分的に切削加工等によって削り取り、形成された空間２３のヘッダ２外壁部に相当する部分を塞ぐように、蓋部材２４を挿入固定あるいは挿入固定後溶接すればよい。蓋部材２４を設けることにより、図８に示すように、所定の第１、第２の流体通路６、７が形成されつつ、その間に連通路２５が形成される。連通路２５の流路断面の大きさは、必要に応じて適宜変更可能であり、また、連通路２５の数も、必要に応じて複数とすることができる。
【００２１】
本実施態様では、上記の如く、連通路１４、２５や第１、第２の仕切り１１、１２を構成するために、外部から蓋部材１８、２４や仕切り用部材２１、２２を挿入、固定するようにしているので、これら部材に、入出口パイプ９、１０の補強機能を持たせることが可能である。つまり、これら部材に、入出口パイプ９、１０の補強用ブラケットを兼用させることが可能である。
【００２２】
たとえば図９、図１０に、第１の仕切り１１を構成する仕切り用部材を用いて入口パイプ９を補強する場合の例を示すように、仕切り用部材３１を入口パイプ９まで延びる部材に形成し、その端部に入口パイプ９を支持するパイプ補強部３２を設けて入口パイプ９を補強し、他端側は仕切り設置用空間１９に挿入、固定して第１の仕切り１１を構成すればよい。すなわち、仕切り用部材３１がパイプ補強部一体型仕切り用部材に構成されている。図示は省略するが、出口パイプ１０側でも同様の構成を採用できる。また、連通路１４、２５形成後の開口を閉塞する蓋部材１８、２４に入出口パイプ９、１０の補強用ブラケットを兼用させることも可能である。
【００２３】
なお、上記実施態様は、１本のヘッダ２または３内に２つの流体通路６、７を設けた場合について説明したが、流体通路通路は３つ以上設けることも可能である。その場合には、ヘッダ２の第３の流体通路以降にも上記同様の仕切りを設け、上記熱交換コア部１５、１６に加えて、さらに熱交換コア部を隣接配置していけばよい。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明に係る熱交換器は、高い耐圧性能を有し、精度よく製作できるとともに、コンパクトな構成にて容易にカウンターフロー形態とすることができるので、とくに二酸化炭素を冷媒として用いる熱交換器として最適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施態様に係る熱交換器の概略斜視図である。
【図２】図１の熱交換器のヘッダの断面形状例を示す横断面図である。
【図３】ヘッダ内に連通路を形成する方法の一例を示すヘッダの横断面図である。
【図４】連通路加工後のヘッダ外面開口の閉塞および仕切り設置の方法の一例を示すヘッダの部分斜視図である。
【図５】連通路周りの構造を示すヘッダの部分縦断面図である。
【図６】ヘッダ内に連通路を形成する方法の別の例を示すヘッダおよび蓋部材の横断面図である。
【図７】図６に示した部分の斜視図である。
【図８】蓋部材の挿入、固定後のヘッダの横断面図である。
【図９】入口パイプ補強方法の一例を示すヘッダの仕切り部分およびパイプ補強部一体型仕切り用部材の斜視図である。
【図１０】図９のパイプ補強部一体型仕切り用部材取り付け後の入口パイプ周りの斜視図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  熱交換器
２、３  ヘッダ
４  チューブ
５  フィン
６  第１の流体通路
７  第２の流体通路
８  熱交換用外部空気の流れ方向
９  入口パイプ
１０  出口パイプ
１１  第１の仕切り
１２  第２の仕切り
１３  隔壁
１４、２５  連通路
１５  熱交換用外部空気の流れ方向下流側の熱交換コア部
１６  熱交換用外部空気の流れ方向上流側の熱交換コア部
１７  貫通穴
１８、２４  蓋部材
１９、２０  仕切り設置用空間
２１、２２  仕切り用部材
２３  削り取りにより形成された空間
３１  仕切り用部材（パイプ補強部一体型仕切り用部材）
３２  パイプ補強部
【図１】
2006145058.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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