(57)【要約】【課題】ディストリビュータパイプ２１０やアキュームレータパイプ２２０の外寸を大きくすることなく耐圧性を向上させることのできる熱交換器を提供する。【解決手段】ディストリビュータパイプ２１０やアキュームレータパイプ２２０の内面を円筒にすると共に、外面を多角柱形状とした。これにより、ディストリビュータパイプ２１０やアキュームレータパイプ２２０は従来と同一外形寸法のまま同一搭載スペースで、内径を縮小したり多孔扁平チューブ１００の板厚を増加したりすることなく、応力が集中する多孔扁平チューブ１００接合部の耐圧を向上することができる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状部材（２１０、２２０）の側面に流体通路（１００）を差し込んで接合し、前記管状部材（２１０）から前記流体通路（１００）へ流体を分配する、もしくは前記流体通路（１００）から前記管状部材（２２０）へ流体を集合させるようにした熱交換器において、
前記管状部材（２１０、２２０）の内面を円筒にすると共に、外面を多角柱形状としたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記管状部材（２１０、２２０）において、管状壁面と一体として一方の端面を閉塞したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記流体通路（１００）として多孔扁平チューブ（１００）を用いたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記熱交換器を超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルに用いたことを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管状部材の側面に流体通路を差し込んで接合し、管状部材から流体通路へ流体を分配する、もしくは流体通路から管状部材へ流体を集合させるようにした熱交換器に関するもので、例えばその流体通路内部を流通する流体と外部を流通する流体との熱交換、もしくは流体通路内に複数の流体通路部を設けて流体通路内部を流通する流体同士での熱交換を行なわせる熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、二酸化炭素（ＣＯ２）等を冷媒に用いて高圧側（圧縮機吐出側）の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクル（以下、超臨界サイクルと呼ぶ。）の実用化が進み、この超臨界サイクルを用いた空調装置等の装置と、このような装置に用いられる熱交換器とがある。
【０００３】
一方、熱交換器の性能向上手段として多パス化がある。そのために、例えば、多数の流体通路孔が断面に配置された多孔扁平チューブ等を熱交換部に用いた熱交換器が知られている。このような多数の流体通路に流体を流通させるために、多孔扁平チューブの両端には流体を分配して供給するディストリビュータパイプと、流通した流体を集合させるアキュームレータパイプとが配置され、例えば本出願人が先に出願した特願２００２−６３７号に示す構造等がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
超臨界サイクルは、従来のフロン等を冷媒とした冷凍サイクルに対して高圧であるため、このディストリビュータパイプやアキュームレータパイプの部分においても耐圧性を保たなければならない。そのためには板厚増加が一般的な解決方法であるが、搭載スペースの関係より板厚を上げてパイプ部分の外寸を大きくすることができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、ディストリビュータパイプやアキュームレータパイプの外寸を大きくすることなく耐圧性を向上させることのできる熱交換器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では請求項１ないし請求項４に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１記載の発明では、管状部材（２１０、２２０）の側面に流体通路（１００）を差し込んで接合し、管状部材（２１０）から流体通路（１００）へ流体を分配する、もしくは流体通路（１００）から管状部材（２２０）へ流体を集合させるようにした熱交換器において、管状部材（２１０、２２０）の内面を円筒にすると共に、外面を多角柱形状としたことを特徴とする。
【０００７】
従来、耐圧形状として内外径ともに円形の丸管が有利であると思われていた。それは内側形状が円形状であるため、内圧による集中応力を受けなくてよいためであり、外側形状においても力の釣り合いから円形状が有利なためである。しかし、本発明の場合、管状部材（２１０、２２０）の側面に流体通路（１００）を差し込む形状であるため、流体通路（１００）の耐圧性を考慮しなければならない。
【０００８】
この場合、流体通路（１００）は内圧を受けて膨らむ応力だけでなく、管状部材（２１０、２２０）からの引っ張り応力を余計に受けてしまう。このため、流体通路（１００）単体における耐圧に比べ、管状部材（２１０、２２０）の側面に流体通路（１００）を差し込んだ部分での流体通路（１００）の耐圧が弱くなる。この管状部材（２１０、２２０）からの引っ張り応力を単に円筒の板厚を上げずに解決する方法として外面を多角柱形状としたものである。
【０００９】
図３は発生する応力を説明する説明図である。（ａ）は管単体の場合であり、内圧による管の円周方向に働く引っ張り応力はσ１＝ｐｒ／ｔ（ｐ：内圧、ｒ：半径、ｔ：板厚）となる。（ｂ）は従来の構造であり、流体通路（１００）は内圧を受けて膨らむ応力σ２に加えて上記の管からの引っ張り応力σ１を受けることとなる。
【００１０】
これに対して（ｃ）は本発明の構造であり、流体通路（１００）が内圧を受けて膨らむ応力σ２は同じであるが、外形を多角形形状とすることにより梁の効果から管状部材（２１０、２２０）の変形を抑えることができ、流体通路（１００）の接合面に対し垂直に働く力に対する断面２次モーメントＩ＝∫△Ｓｄｙ（△Ｓ：断面積）が増加し、これに伴い垂直方向の引っ張り応力σ１´を低く抑えることができる（σ１＞σ１´）。
【００１１】
図４は、（ａ）は従来の丸管、（ｂ）は八角管、（ｃ）は四角管で発生する応力をシミュレーションした図であり、この図からも外形を多角形形状とすることにより流体通路（１００）に対する応力が減少していることが解る。これにより、管状部材（２１０、２２０）は従来と同一外形寸法のまま（図３（ｂ）、（ｃ）でＨ寸法は同じ）同一搭載スペースで、内径を縮小したり流体通路（１００）の板厚を増加したりすることなく、応力が集中する管状部材（２１０、２２０）と流体通路（１００）との接合部の耐圧を向上することができる。
【００１２】
請求項２記載の発明では、管状部材（２１０、２２０）において、管状壁面と一体として一方の端面を閉塞したことを特徴とする。これにより、部品点数や組み付け工数を削減できることからコストを抑えることができるうえ、接合箇所を減らすことができることから信頼性が向上することができる。
【００１３】
請求項３記載の発明では、流体通路（１００）として多孔扁平チューブ（１００）を用いたことを特徴とする。これは本発明が、多孔扁平チューブ（１００）を用いて多パス化し、その多孔扁平チューブに流体を分配して供給するディストリビュータパイプと、流通した流体を集合させるアキュームレータパイプとを持つサーペンタインタイプの熱交換器において有効なことによる。
【００１４】
請求項４記載の発明では、上記熱交換器を超臨界サイクルに用いたことを特徴とする。これは本発明が、冷媒圧力の高い超臨界サイクルに用いる熱交換器において有効なことによる。尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る冷凍サイクルの説明図であり、空調装置等に用い、二酸化炭素（ＣＯ２）等の冷媒を用いて高圧側（コンプレッサ１０の吐出側）の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界サイクルである。
【００１６】
コンプレッサ１０で冷媒を圧縮し、ガスクーラ２０で冷却し、膨張弁３０で減圧し、エバポレータ４０で蒸発させる通常の冷凍サイクルに加え、システムの効率（性能）を向上させるため、ガスクーラ２０後の冷媒とエバポレータ４０後冷媒とを熱交換させる内部熱交換器５０を備えている。
【００１７】
これは、フロン冷媒等の場合、コンプレッサ１０から吐出された高温高温のガスはガスクーラ２０に相当する凝縮器（コンデンサ）で飽和温度以下まで冷すことができるが、ＣＯ２冷媒の場合、その物性ゆえ、ガスクーラ２０で飽和温度以下まで下げることができない。
【００１８】
そのため内部熱交換器５０でガスクーラ２０下流の高温高圧冷媒とエバポレータ４０下流の低温低圧冷媒とを熱交換させ、ガスクーラ２０下流の冷媒温度を下げることで、膨張弁３０前の冷媒の温度を下げることができ、その結果エバポレータ４０前後におけるエンタルピ差を稼ぐことができるためである。
【００１９】
本実施形態は、その内部熱交換器５０に本発明の熱交換器を用いたもので、図２（ａ）は本発明の実施形態における熱交換器を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図である。図２（ｂ）に示すように、流体通路である多孔扁平チューブ１００には多数の流体通路孔１００ａが形成されており、その多数の流体通路孔１００ａが偏平状の断面の厚み方向に複数の列状に配置されている。
【００２０】
本実施形態では、アルミニウム材の押出成形で２列の流体通路孔１００ａを一体成形した多列形成チューブ１００を熱交換器の熱交換部に用い、片面側の列を低圧流体通路１１０として低温低圧冷媒を流通させ、もう片面側の列を高圧流体通路１２０として高温高圧冷媒を流通させて熱交換を行なっている。
【００２１】
多孔扁平チューブ１００の両端近傍には、低圧流体通路１１０に連通する図示しない切り込みを多孔扁平チューブ１００の幅方向に渡って所定深さだけ切り込んで設けている。また、反対の高圧流体通路１２０側面にも、その高圧流体通路１２０に連通する図示しない切り込みを多孔扁平チューブ１００の幅方向に渡って所定深さだけ切り込んで設けている。
【００２２】
この両面の切り込みの位置は、多孔扁平チューブ１００の長手方向に対して少しずらして設けてあり、図２（ａ）に示すように、各切り込みの回りに管状部材であるアルミニウム製のパイプ材（本実施形態では外面が四角柱となった管）２１０・２２０を２本づつ挿入して接合している。低圧流体通路１１０と連通する切り込みの回りに接合したパイプ材は低圧側のヘッダパイプ（タンク）となり、高圧流体通路１２０と連通する切り込みの回りに接合したパイプ材は高圧側のヘッダパイプ（タンク）となる。
【００２３】
また、両流体通路とも一方のヘッダパイプが多孔扁平チューブ１００へ冷媒を分配するディストリビュータパイプ２１０となり、他方のヘッダパイプが多孔扁平チューブ１００からの冷媒を集合させるアキュームレータパイプ２２０となる。図５の（ａ）は本発明の第１実施形態におけるディストリビュータ・アキュームレータを示す側面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＢ−Ｂ断面図である。
【００２４】
各ディストリビュータパイプ２１０・アキュームレータパイプ２２０とも、側面に多孔扁平チューブ１００を差し込むスリット２３０が開けられていると共に、流体出入口となる部分には配管接続ブロック２４０が接合され、流体出入口とならない反対側にはキャップ２５０が接合されて封止される。尚、上記に構成した部分は組み合わせたうえ治具により保持され、ロウ付け用加熱炉内に搬入されて一体ろう付けされる。また、多孔扁平チューブ１００の両端の切断部はろう材１６０が盛られて両流体通路１１０・１２０とも封止される。
【００２５】
以上の構成において本実施形態の両冷媒の流れ経路を説明すると、図２（ａ）中の矢印に示すように、図示しないエバポレータ４０からの低圧冷媒が一方の低圧側のディストリビュータパイプ２１０内に流入し、一方の切り込みから低圧流体通路１１０に分配される。そして、低圧流体通路１１０を熱交換しながら流れ、他方の切り込みから他方の低圧側のアキュームレータパイプ２２０内に流れ出して集合され、そこから図示しない下流側構成部品へ流出する。
【００２６】
また、図示しないガスクーラ２０からの高圧冷媒が一方の高圧側のディストリビュータパイプ２１０内に流入し、一方の切り込みから高圧流体通路１２０に分配される。そして、高圧流体通路１２０を熱交換しながら流れ、他方の切り込みから他方の高圧側のアキュームレータパイプ２２０内に流れ出して集合され、そこから図示しない下流側構成部品へ流出する。尚、図２（ａ）から分かるように、低圧冷媒の流れと高圧冷媒の流れは対向流となっているが、平行流であっても良い。
【００２７】
次に、本実施形態での特徴を述べる。まず、ディストリビュータパイプ２１０・アキュームレータパイプ２２０の内面を円筒にすると共に、外面を多角柱形状としている。これにより、ディストリビュータパイプ２１０・アキュームレータパイプ２２０は従来と同一外形寸法のまま同一搭載スペースでよく、内径を縮小したり多孔扁平チューブ１００の板厚を増加したりすることなく、応力が集中するディストリビュータパイプ２１０・アキュームレータパイプ２２０と多孔扁平チューブ１００との接合部の耐圧を向上することができる。
【００２８】
また、流体通路として多孔扁平チューブ１００を用いている。これは本発明が、多孔扁平チューブ１００を用いて多パス化し、その多孔扁平チューブ１００に流体を分配して供給するディストリビュータパイプと、流通した流体を集合させるアキュームレータパイプとを持つサーペンタインタイプの熱交換器において有効なことによる。また、本発明の熱交換器を超臨界サイクルに用いている。これは本発明が、冷媒圧力の高い超臨界サイクルに用いる熱交換器において有効なことによる。
【００２９】
（第２実施形態）
図６は本発明の第２実施形態におけるディストリビュータ・アキュームレータを示す側面図である。本実施形態での特徴は、ディストリビュータパイプ２１０・アキュームレータパイプ２２０において、管状壁面と一体として一方の端面を閉塞した（図６中２６０部）ことのみ第１実施形態と異なる。これにより、部品点数や組み付け工数を削減できることからコストを抑えることができるうえ、接合箇所を減らすことができることから信頼性が向上することができる。
【００３０】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、ディストリビュータパイプ２１０・アキュームレータパイプ２２０の側面に多孔扁平チューブ１００を差し込む場合について説明したが、配管接続ブロック２４０等をパイプ側面に差し込む場合についても適用できる。また、差し込む多孔扁平チューブ１００や配管接続ブロック２４０等の差し込み形状・差し込み方向・差し込み数等は問わない。また、差し込みは上述の実施形態のように反対側へ貫通していなくとも良い。
【００３１】
また、上述の実施形態は、二酸化炭素を冷媒とする超臨界サイクルであったが、例えば、エチレン、エタン、酸化窒素等の超臨界域で使用する冷媒であっても良い。また、多角形形状は四角の他に六角や八角であっても良い。また、流体を折り返す目的のヘッダタンクにも適用できる。
【００３２】
また、上述の実施形態では、多孔扁平チューブ１００内に複数の流体通路孔１００ａを設けて多孔扁平チューブ１００の内部を流通する冷媒同士で熱交換を行なう内部熱交換器に本発明を適用した場合について説明したが、これに限定されることなく、流体通路１００の内部を流通する流体と外部を流通する流体との熱交換を行なう熱交換器であっても良く、本発明は種々な用途の流体間の熱交換を行なう熱交換器一般に広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る冷凍サイクルの説明図である。
【図２】（ａ）は本発明の実施形態における熱交換器を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図である。
【図３】発生する応力を説明する説明図であり、（ａ）は管単体の場合、（ｂ）は従来の構造、（ｃ）は本発明の構造である。
【図４】発生する応力を解析した図であり、（ａ）は従来の丸管、（ｂ）は八角管、（ｃ）は四角管である。
【図５】（ａ）は本発明の第１実施形態におけるディストリビュータ・アキュームレータを示す側面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態におけるディストリビュータ・アキュームレータを示す側面図である。
【符号の説明】
１００  多孔扁平チューブ、流体通路
２１０  ディストリビュータパイプ（管状部材）
２２０  アキュームレータパイプ（管状部材）
【図１】
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【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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