(57)【要約】複数の扁平管が短軸方向に第１の間隔でほぼ平行に配列され、扁平管の間にフィンが配置された熱交換部と、複数の扁平管の少なくとも一部の扁平管が、熱交換部の外側で、短軸方向に曲げられ、少なくとも一部の扁平管の端部が熱交換部より狭い第２の間隔でほぼ平行に配列した状態で、短軸方向とヘッダとの中心軸方向が同一方向となるように接続されたヘッダとを有する熱交換器を提供する。この熱交換器により、各々の扁平管に対して、より等しい条件で流体を分配できるので、熱交換効率を高めることができる。
2004025207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の扁平管が短軸方向に第１の間隔でほぼ平行に配列され、前記扁平管の間にフィンが配置された熱交換部と、
前記複数の扁平管の少なくとも一部の扁平管が、前記熱交換部の外側で、前記短軸方向に曲げられ、前記少なくとも一部の扁平管の端部が前記熱交換部より狭い第２の間隔でほぼ平行に配列した状態で、前記短軸方向とヘッダとの中心軸方向が同一方向となるように接続されたヘッダとを有する熱交換器。
【請求項２】
前記少なくとも一部の扁平管の端部は前記短軸方向に束ねられている、請求項１の熱交換器。
【請求項３】
前記少なくとも一部の扁平管の端部は、束ねられた状態で一体となり、前記ヘッダに接続されている、請求項１の熱交換器。
【請求項４】
前記少なくとも一部の扁平管の端部における、前記端部同士の隙間は、扁平管の前記短軸方向の径と同程度以下である、請求項１の熱交換器。
【請求項５】
前記少なくとも一部の扁平管の端部は、前記短軸方向にほぼ接して配列されている、請求項１の熱交換器。
【請求項６】
前記複数の扁平管の一方の端部が接続された第１のヘッダと、前記複数の扁平管の他方の端部が接続された第２のヘッダとを有し、これら第１のヘッダおよび第２のヘッダは、前記複数の扁平管の前記第１のヘッダおよび第２のヘッダの間の管長がほぼ等しくなるように前記熱交換部に対して配置されている、請求項１の熱交換器。
【請求項７】
前記複数の扁平管の一方の端部が接続された第１のヘッダと、前記複数の扁平管の他方の端部が接続された第２のヘッダとを有し、それら第１および第２のヘッダは前記熱交換部を挟んで対角な位置に配置されている、請求項１の熱交換器。
【請求項８】
前記熱交換部では、前記複数の扁平管が第１の方向に配列されており、
前記複数の扁平管の一部の一方の端部が接続された第１のヘッダと、前記複数の扁平管の他の一部の一方の端部が接続された第２のヘッダと、前記複数の扁平管の他方の端部が接続された第３のヘッダとを有し、前記第１および第２のヘッダは、前記熱交換部の外側の前記第１の方向の両端に配置され、前記第３のヘッダは前記熱交換部の外側の前記第１の方向の中央付近に配置されている、請求項１の熱交換器。
【請求項９】
複数の前記ヘッダと、それらのヘッダが接続された少なくとも１つの分配器とを有する、請求項１の熱交換器。
【請求項１０】
複数の扁平管が短軸方向に配列された熱交換部と、
前記複数の扁平管の少なくとも一部の扁平管の端部が前記短軸方向に束ねられた状態で接続されたヘッダとを有する熱交換器。
【請求項１１】
請求項１に記載の熱交換器と、この熱交換器に対し熱交換媒体を供給する手段とを有する熱交換システム。
【請求項１２】
請求項１０に記載の熱交換器と、この熱交換器に対し熱交換媒体を供給する手段とを有する熱交換システム。
【請求項１３】
複数の扁平管が短軸方向に配列された熱交換部と、前記複数の扁平管の少なくとも一部の扁平管の端部が前記短軸方向に束ねられた状態で接続されたヘッダとを有する熱交換器の製造方法であって、
前記少なくとも一部の扁平管の端部を束ねる第１の工程と、
束ねられた状態の前記端部を前記ヘッダに取り付ける第２の工程とを有する熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は冷凍あるいは冷却装置などに用いられる熱交換器およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】  冷凍装置やラジエータなどに用いられる熱交換器であって扁平管を用いたものが、特開２０００−２４９４２８号公報に開示されている。この蒸発器は、複数の扁平管と蛇行フィンとを備えており、扁平管が接続されたヘッダから冷媒が供給される。そして、入ってくる液体冷媒の分配を最適化するために噴射器がヘッダに配置されている。
熱交換器において、ヘッダに供給された流体または冷媒を各々のチューブに分配する場合、熱交換効率を高くするには、流体を各チューブに均等に分配することが重要である。図１４に示す冷凍装置における蒸発器（熱交換器）１００は、上下方向に延びた複数のフィン１０４に接触する複数のチューブ１０１が上下方向に並列に配列され、各々のチューブ１０１の両側の端部１０１ａが、それぞれ流入側ヘッダ１０２および流出側ヘッダ１０３に接続されている。
この熱交換器１００において、気体と液体が混在する２相状態の冷媒Ｆを流入側ヘッダ１０２に供給すると、ヘッダ１０２を介して各々のチューブ１０１に冷媒Ｆが分配され、チューブ１０１およびチューブ１０１に接続されているフィン１０４を介して外部流体との間で熱交換が行われ、反対側のヘッダ１０３に出力される。流入側ヘッダ１０２に供給された冷媒Ｆは、ヘッダ内において重力などの影響を受けるため、図１４にヘッダ１０２を透かして見せているように、気体状冷媒Ｆａと液体状冷媒Ｆｂの分布が不均一となり、気相と液相とに分離しやすく、下部側に設置されたチューブ１０１ｄに分配される冷媒Ｆは液体状冷媒Ｆｂの比率が高く、上部側に設置されたチューブ１０１ｕでは気体状冷媒Ｆａの比率が高くなる。
このため、上部に設置されたチューブ１０１ｕの内部では、少量の液体状冷媒Ｆｂが早期に蒸発し、流出側ヘッダ１０３に至るまでのチューブ１０１ｕの残りの区間では、液体状冷媒Ｆｂの潜熱を利用した熱交換ができず、加熱された気体状冷媒Ｆａのみが流れる。したがって、十分な熱交換性能が得られなくなる。逆に、下部に設置されたチューブ１０１ｄの内部では、必要以上の液体状冷媒Ｆｂが存在するため、十分な熱交換性能が得られるものの、冷媒が流出側ヘッダ１０３に達した時点でもなお蒸発しきれない液体状冷媒Ｆｂが残存することになる。これは、液体状冷媒Ｆｂが存在している状態の冷媒が熱交換器１００から出力されることになるので、熱交換システム全体の効率としては低下する。
特に、熱交換量の大きな熱交換器においては、数多くのチューブ１０１をヘッダ１０２および１０３に接続する必要があるため、ヘッダ１０２および１０３が長くなり、これらのヘッダの内部で冷媒Ｆの相状態が変わりやすい。したがって、全てのチューブ１０１に対して同じ相状態の冷媒Ｆを供給するのはよりいっそう難しくなる。
図１５に示す複数の扁平チューブ１２１を用いた熱交換器１２０においては、流入側ヘッダ１０２が水平となるように熱交換器１２０を設計することで重力の影響を小さくし、さらに、ヘッダ１０２の冷媒Ｆが供給される入口部分に噴流オリフィス１２５を設置することによりヘッダ内の冷媒Ｆの気液分布（相状態）を一定に保つようにしている。
しかしながら、このようなヘッダの構造は汎用的とは言えず、適用できる範囲は狭い。また、この方法は、ヘッダ内の冷媒の状態を均質にしようとするものであるが、ヘッダ内を通過する時間や距離が長ければ、それにより、冷媒Ｆの状態が重力などにより影響されることは免れず、均一な状態の冷媒を各チューブに供給することは不可能である。さらに、ヘッダ１０２に冷媒Ｆが流入する際の流量をはじめとする冷媒Ｆの状態でヘッダ１０２の内部の状態は大きく影響を受け、システムの全運転範囲にて常に最適な分配性能を得ることは困難である。したがって、扁平チューブを採用したことにより熱交換効率は向上するが、ヘッダから供給される冷媒の相状態がアンバランスになりやすいことを考慮すると扁平チューブを用いたことによるメリットを最大限に活かした熱交換器とはなっていない。また、噴流オリフィスを組み込む機構は、熱交換器の生産性を低下する要因となり、コストアップともなるので経済的にも好適な解決策であるとは言えない。
図１６（ａ）に示すように、熱交換用のチューブとして円形チューブまたは円形管１１１を用いた熱交換器１１０においては、冷媒分配器１１２を利用した解決策があるかもしれない。球形の冷媒分配器１１２の表面積を利用して数多くの円形チューブ１１１の端部１１１ａを接続できるので、冷媒分配器１１２が小さくなり、各チューブに供給される冷媒の状態が一定になりやすい。さらに、図１６（ｂ）に示すように、冷媒分配器１１２の内部に、各々のチューブ１１１へ冷媒を分配する同一の形状の分岐部分を形成することができる。このため、重力などの冷媒Ｆの相状態を変化させる要因を排除することができ、各々のチューブ１１１に相状態の均一な冷媒Ｆを分配できると予想される。
しかしながら、短軸と長軸との長さが異なる扁平管または扁平チューブの場合は、円形チューブのように三次元方向に曲げて取り回すことは不可能である。
そこで、本発明においては、複数の扁平チューブ（または扁平管）に対して、より均等な状態の冷媒または流体を分配できる熱交換器を提供することを目的としている。そして、多数の扁平チューブを用いた熱交換器において、さらに熱交換効率が高く、コンパクトで低コストの熱交換器を提供することを目的としている。また、扁平チューブを用いた熱交換器の生産性も向上できる熱交換器およびその製造方法を提供することを目的としている。
【発明の開示】
本発明においては、複数の扁平管が短軸方向に第１の間隔でほぼ平行に配列され、扁平管の間にフィンが配置された熱交換部と、複数の扁平管の少なくとも一部の扁平管が、熱交換部の外側で短軸方向に曲げられ、少なくとも一部の扁平管の端部が熱交換部より狭い第２の間隔でほぼ並列に配列した状態で、短軸方向とヘッダとの中心軸方向が同一方向となるように接続されたヘッダとを有する熱交換器を提供する。従来、ヘッダは、複数の配管に対して流体を分配するものであり、ヘッダを分配対象の配管の位置まで延ばすようにしているが、本発明においては、逆に、熱交換部の外側で扁平管を曲げて集合し、ヘッダを短縮するようにしている。したがって、本発明の熱交換器においては、流体がヘッダ内を通過する時間および距離が短くなり、流体がヘッダ内を通過する際の重力や流れの状態などによる影響が緩和され、複数の扁平管に対して、より均一な状態および／または条件で冷媒などの液体を供給することが可能になる。
円形管の場合、円形管を曲げて集合させても、管を並べるだけのヘッダ長は少なくとも必要であり、円形管の直径に対して、少なくとも配管の数の倍数分だけは長いヘッダが要求され、配管を曲げる工数に対して効果は薄い。これに対し、扁平管は、長軸径に対して短軸径が短く、数分の一程度である。したがって、扁平管は、短軸方向に集めると、長軸径と同じ長さで複数の扁平管を接続することが可能となり、配管の長軸径と同程度の範囲内で複数の配管に対して液体を分配することが可能となる。したがって、ヘッダは大幅に短くでき、複数の扁平管に対して、より均一な状態および条件で液体を供給できる。
扁平管を集めて、その長軸方向がヘッダの中心軸方向に向くようにヘッダに取り付けることも可能である。この場合、ヘッダは耐圧部材であり、断面が円形（管状）であることを考えると、ヘッダの壁面に対して垂直に扁平管を接続しようとすると扁平管はヘッダの半径方向に放射状に配置する必要がある。放射状に配置しないと、配管が接続された位置により配管の端部がヘッダの内部に突き出る長さが変わったり、配管の端部とヘッダの壁面とがなす角度が変わるので、ヘッダが短くなってもそれぞれの配管の開口近傍の流動条件が大幅に異なることになり、各配管に供給される液体の状態や条件が変わり易い。
一方、扁平管を放射状にヘッダに取り付けることは、ヘッダに開口を加工するのも難しく、工数がかかる作業となる。また、扁平管の曲げ角を一本一本決めることになるので、設計も時間がかかり、加工および組み立てにも手間がかかるので、量産に適さない。さらに、各々の配管をヘッダに取り付ける角度が異なるので、扁平管同士を密着して取り付けることは不可能であり、配管の数が増えると径の大きなヘッダが必要になる。
そこで、本発明においては、短軸方向とヘッダとの中心軸方向が同一方向となるように、扁平管をヘッダに接続する。この取り付け方法であると、扁平管の端部がヘッダの中心軸方向に並べられるので、配管の端部がヘッダの内部に突き出る長さを揃えることは簡単であり、また、配管の端部とヘッダの壁面とのなす角度などの条件も同じにできる。したがって、複数の扁平管に対して、ほぼ同じ条件あるいは状態で流体を供給することが可能となる。したがって、各々の扁平管に分配される熱交換媒体の相状態を均一にできると共に、各扁平管を通る熱交換媒体の流量を均等にできるので、小さなヘッダを採用したことによるメリットを十分に活かすことができ、熱交換器の熱交換効率を最大限に発揮させることが可能となる。
さらに、本発明の熱交換器と、この熱交換器に対し熱交換媒体を供給する手段とを有する熱交換システムにおいては、ヘッダに流入する熱交換媒体の状態が変わっても各扁平管に供給される熱交換媒体の状態がアンバランスになることがほとんどないので、システムの全運転範囲にて常に高い熱交換効率を得ることができる。
扁平管の短軸方向とヘッダとの中心軸方向が同一方向となるように、扁平管をヘッダに接続すると、端部をほぼ平行に配列することができる。逆に、端部を平行に配列することにより、ヘッダに対する複数の端部の条件が同じになるので、均等な条件で冷媒などの流体を分配することができる。そして、扁平な端部を短軸方向に平行に配置することにより、扁平な端部は長軸が平行になり、端部の間隔を狭くできる。これは、ヘッダが短くなるので、流体を同じ条件で分配する点でも好ましく、さらに、端部をヘッダに取り付ける工数を低減できる点でも好ましい。
たとえば、ヘッダに接続する少なくとも一部の扁平管の端部における、端部同士の隙間は、扁平管の短軸方向の径と同程度あるいはそれ以下にすることができる。また、少なくとも一部の扁平管の端部を、短軸方向にほぼ接するぐらいに狭くして配列することも可能である。そして、複数の扁平管の端部の間隔が狭くなると、それらの端部を１つに束ねた状態で取り扱うことが可能となる。ヘッダに取り付けられた後は、少なくともヘッダに取り付けられた部分で、複数の扁平管の端部は１つに束ねられて動かなくなる。端部における扁平管同士の間隔は、長さに対して非常に狭くなるので、束ねられた中の１つの扁平管になんらかの理由により力が働いて変形しようとしても、周りの扁平管がその変形を阻害することになり、ヘッダへの接続強度が実質的に増加し、信頼性の高い熱交換器を提供できる。
また、本発明の熱交換器は、熱交換部において第１の間隔で配置されていた扁平管をヘッダの近傍で第２の間隔に狭くするので、基本的に隣接する扁平管の熱交換部からヘッダまでの管長が異なる。したがって、振動あるいは共鳴する条件が隣接する扁平管で異なるので、車からの振動や、モータの振動が伝達されるような条件でも熱交換器が振動に共鳴する可能性は小さい。また、配管の一部が共鳴したとしても、端部においては配管が集合しているので、その共鳴による振動が周りの配管との干渉により減衰し、共鳴音の発生や、配管の損傷にまで発展することがない。
さらに、扁平管の端部をヘッダに取り付けるときに束ねておけば束ねた扁平管の端部を一括してヘッダに接続することが可能になり、個々のチューブの端部をヘッダに接続する工程が非常に簡単になる。また、短軸方向に束ねれば良いので、各々の扁平管をそれらが配列された方向に曲げるだけで個々の扁平管の端部を纏めることができ、扁平管のハンドリングも非常に容易である。円形管では端部を束ねてしまうと、束ねたときに中になる配管の端部はロウ付けのしようがない。逆に、一列に束ねようとしても、形状として束ねられるものでもないし、束ねたとしても各々の円形管の間に隙間が発生して面積効率は低い。扁平管は、短軸方向に束ねることは容易であり、また、束ねても端部の間に若干の隙間があれば個々の端部をロウ付けなどによりヘッダに接続できる。さらに、端部の間に隙間がほとんどない状態にすれば、隙間をロウなどの適当な素材で埋めるだけで複数の扁平管の端部を一体で、１つの端部としてヘッダに取り付けることも可能となる。
また、端部をほぼ隙間なく束ねることにより扁平管を接続する面積は少なくなるので、ヘッダも最もコンパクトになり、個々の扁平管に対してさらに均等な条件および状態で流体を分配することが可能となる。束ねることにより、複数の扁平管の端部を１つのチューブの端部として冷媒などの熱交換媒体を供給することが可能となり、各扁平管を通る熱交換媒体の状態を均質にすることができるということも可能である。
また、複数の扁平管が短軸方向に配列された熱交換部と、それらの扁平管の少なくとも一部の端部が短軸方向に束ねられた状態で接続された少なくとも１つのヘッダとを有する熱交換器においては、複数の端部を束ねることにより、それらの端部を一体となった状態でヘッダに接続できるので、ヘッダと複数の扁平管との接続箇所を１つまたは数箇所に激減でき、ヘッダとチューブの接続にかかる工数を少なくできる。このため、製造コストを下げることができる。また、扁平管の端部を短軸方向に束ねる際の扁平管の加工は、３次元の加工ではなく、短軸方向のみの２次元の加工で済み、加工がし難い長軸方向への曲げは発生しない。この点でも、本発明の熱交換器においては、扁平管の加工が非常に容易になる。したがって、扁平管の端部を１つ１つ隣接してヘッダに取り付けてもよいが、複数の扁平管の少なくとも一部の端部を束ね（第１の工程）、束ねられた状態の端部をヘッダに取り付ける（第２の工程）ことが望ましい。
本発明の熱交換器では、複数の扁平管の一方の端部が接続された第１のヘッダと、複数の扁平管の他方の端部が接続された第２のヘッダとを設け、これら第１のヘッダおよび第２のヘッダを、複数の扁平管の第１のヘッダおよび第２のヘッダの間の管長がほぼ等しくなるように熱交換部に対して配置することが望ましい。このような配置を採用することにより、各々の扁平管における圧力損失をさらに均等にすることが可能となり、各々の扁平管に供給される熱交換媒体の状態および量をさらに均等にすることが可能となる。複数の扁平管の一方の端部が接続された第１のヘッダと、複数の扁平管の他方の端部が接続された第２のヘッダとを有する熱交換器においては、それら第１および第２のヘッダを、熱交換部を挟んで対角な位置に配置することにより、ヘッダ間の各扁平管の管長をほぼ等しくできる。たとえば、熱交換部に対する熱交換媒体の入出力が反対側になるような熱交換器である。
また、複数の扁平管の一部の一方の端部が接続された第１のヘッダと、複数の扁平管の他の一部の一方の端部が接続された第２のヘッダと、複数の扁平管の他方の端部が接続された第３のヘッダとを有する熱交換器においては、第１および第２のヘッダを、熱交換部の隅に配置し、第３のヘッダは中央部に配置することにより、ヘッダ間の扁平間の管長をほぼ等しくできる。すなわち、第１のヘッダおよび第２のヘッダを、扁平管が第１の方向に配列された熱交換部の外側の第１の方向の両端に配置し、第３のヘッダを熱交換部の外側の第１の方向の中央付近に配置した熱交換器である。このような熱交換器は、たとえば、熱交換部に対する熱交換媒体の入出力が同じ側になるような熱交換器である。
また、本発明は、複数のヘッダが設けられた熱交換器であって、さらに、それらのヘッダが接続された少なくとも１つの分配器を有する熱交換器にも適用可能であり、分配器と複数のヘッダとの間の配管は円形管で行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明に係る熱交換器の概略を示す図である。
図２は、本例の熱交換器を採用した熱交換システムの概略を示す図である。
図３は、本例の熱交換器を、ヘッダを取り外した状態で示す図である。
図４は、熱交換器の扁平管の端部を拡大して示す図である。
図５は、扁平管を曲げ加工する様子を示す図である。
図６は、扁平管の端部が束ねられた状態でヘッダに接続される熱交換器を示す図である。
図７は、本発明に係る熱交換器の製造方法を示すフローチャートである。
図８は、扁平チューブを束ねてヘッダに接続する場合に適した扁平チューブの形状を説明するための図である。
図９（ａ）は、熱交換器の異なる例を示す図であり、図９（ｂ）はヘッダを取り外した状態を示す図である。
図１０（ａ）は、２系列の扁平チューブを異なるヘッダに取り付けた熱交換器の概要を示す図であり、図１０（ｂ）はヘッダの中心軸に垂直な断面を示す図であり、図１０（ｃ）はヘッダの中心軸に平行な断面を示す図である。
図１１（ａ）は、２系列の扁平チューブを同一のヘッダに取り付けた熱交換器の概要を示す図であり、図１１（ｂ）はヘッダの中心軸に垂直な断面を示す図である。
図１２は、Ｕターンヘッダを用いた熱交換器の例を示す図である。
図１３は、熱交換器のさらに異なる例を示す図である。
図１４は、従来の熱交換器を示す図である。
図１５は、噴流オリフィスをヘッダに組み込んだ熱交換器を示す図である。
図１６は、円形チューブと冷媒分配器を用いた熱交換器を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下に図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。図１に本発明に係る熱交換器の概要を示してある。本例の熱交換器１は、プレートフィン型熱交換器と称されるものであり、一定の間隔をあけて平行に配置された複数のプレート状のフィン２と、これらのフィン２に対し並列に貫通した状態で取り付けられた複数本の扁平管３とを備えており、これらにより熱交換部４が構成されている。また、この熱交換器１では、複数の扁平管３の両側の端部５および６は、熱交換部４における扁平管３の第１の間隔（ピッチ）より狭い第２の間隔でほぼ平行に配列され、左右に位置するヘッダ７および８にそれぞれ接続されている。流入側のヘッダ７の供給口９から供給された冷媒、熱媒体などの熱交換媒体（以降では内部流体）Ｆがそれぞれの扁平管３を通って流出側のヘッダ８の出力口１０に導かれ、その間に熱交換器１の外部を流れる空気などの外部流体Ｂとの間で熱交換が行われる。
フィン２は、外部流体Ｂとの接触面積を高めて熱交換効率を向上するためのものであり、扁平管３を採用することにより管自体による熱交換面積も大きくなる。したがって、扁平管３を採用した熱交換器１の熱交換効率は高い。さらに、本発明を適用することにより各扁平管３に対してほぼ同じ条件で、状態が同じ内部流体Ｆを供給できるので、各扁平管３を通過する内部流体の条件を均等にすることができ、熱交換効率がさらに高い熱交換器１を提供できる。
図２に、本例の熱交換器１を採用した熱交換システム５０を示してある。この熱交換システム５０は、空気調和装置や、冷凍装置などに採用される熱交換サイクルである。たとえば、空調システムであるとすると、本例の熱交換器は、液状の冷媒Ｆと空気Ｂとの熱交換を行い、空気を冷却するエバポレータ１ｘと、圧縮された気体状の冷媒Ｆと空気Ｂとの熱交換を行い、冷媒Ｆを液状にするコンデンサ１ｙとして利用することが可能である。そして、冷媒Ｆを巡回してこれらの熱交換器１ｘおよび１ｙに供給するために、熱交換システム５０は、コンプレッサ５１を備えている。さらに、熱交換システム５０は、冷媒Ｆを一時的に蓄えるレシーバ５２と、エバポレータ１ｘに供給される冷媒を膨張させる膨張弁５３などの機器を備えている。熱交換器１のヘッダ７および８は、いずれが入力または出力であっても良く、たとえば、エバポレータ１ｘでは、下部ヘッダ７ｘが流入ヘッダとなり、上部ヘッダ８ｘが排出ヘッダとなっている。一方、コンデンサ１ｙでは、上部ヘッダ８ｙが流入ヘッダとなり、下部ヘッダ７ｙが排出ヘッダとなっている。
図３（ａ）に、本例の熱交換器１の各ヘッダ７および８を外した状態を示してある。また、図３（ｂ）に、取り外したヘッダ７と扁平管の端部を拡大して示してある。熱交換部４では、各々の扁平チューブまたは扁平管３は第１の方向である短軸方向Ａに第１の間隔Ｐ１で配列されている。扁平管３の間にフィン２が設けられた熱交換部４から外側に出た扁平管３の部分２１および２２は、ヘッダ７および８に向かって、短軸方向Ａに上および下にそれぞれ曲げられている。熱交換部４の図面の左側の部分２１においては、各々の扁平管３の端部５は下方を向いて第１の間隔Ｐ１より狭い第２の間隔Ｐ２で水平方向に並ぶ、または並列となるように纏められ、複数の扁平管の端部５が短軸方向に集められた部分１１が形成されている。熱交換部４の図面の右側の部分２２においては、各々の扁平管３の端部６は上方を向いて間隔Ｐ１より狭い間隔Ｐ２で水平方向に並ぶ、または並列となるように纏められ、複数の扁平管の端部６が短軸方向に集められた部分１２が形成されている。これらの部分１１および１２においては、扁平管３の端部５および６がそれぞれ間隔Ｐ２で短軸方向に重ねて配置された状態となっている。なお、熱交換部４における短軸方向は上下方向であり、扁平管３を熱交換部４の外側で曲げて集めた部分１１および１２における扁平管３の短軸方向は水平方向になるが、短軸方向として同一の符号Ａを用いることとする。
本例の熱交換器１においては、各々の扁平管３の端部５が、それぞれのヘッダ７および８に設けたほぼ長方形の接合穴または取付穴１３に接続される。各々の扁平管３の左側の下に向いた端部５は、流入側ヘッダ（第１のヘッダ）７に上向きに設けられた取付穴１３に接続され、右側の上を向いた端部６は、流出側ヘッダ（第２のヘッダ）８に下向きに設けられた取付穴１３に接続される。これらの取付穴１３は、扁平管３の端部５の断面と同じあるいは若干大きなサイズになっており、取付穴１３に端部５の先を挿入した後に、ロウ付けにて扁平管３がヘッダ７あるいは８に固定される。複数の端部５をヘッダ７および８に取り付けるために、ヘッダ７および８には、複数の取付穴１３が狭い間隔で並列に配置された接続領域１４が設けられている。
ヘッダ７および８は、耐圧構造のためほぼ円柱状をしており、各々の扁平管３の端部５および６は短軸方向Ａに狭い間隔Ｐ２で、短軸方向Ａがヘッダ７および８の中心軸方向Ｃと平行になるように配置されている。図４に示すように、本例の熱交換器１では、短軸の外径が１．９ｍｍの扁平管３を使用し、扁平管３の間隔Ｐ２（短軸方向の中心から中心まで距離）を扁平管３の短軸の外径の約２倍の３．７ｍｍとし、扁平管３の間の隙間Ｐ３を扁平の短軸の外径とほぼ同じ１．８ｍｍとしている。したがって、各ヘッダ７および８は、狭い間隔Ｐ２で配列された部分１１および１２を接合する程度のサイズまたは長さがあれば良い。したがって、熱交換部４において間隔Ｐ１で配列された端部を曲げることなくヘッダに接合する場合に比べ、ヘッダ７および８は非常に短くなる。このため、ヘッダ内部で内部流体Ｆの状態が変動するのを抑制でき、また、扁平管３の端部同士の距離が短くなるので、各扁平管３に対して相状態などの状態がほぼ同じで、ヘッダと扁平管３との接続状態をほぼ同じ条件で内部流体Ｆを供給できる。
すなわち、扁平管の端部５および６は短軸方向Ａとヘッダ７および８の中心軸方向Ｃが一致あるいは平行な状態でヘッダ７および８にそれぞれ接続されている。これにより、たとえば、一方の配管の端部５に着目すると、複数の扁平管の端部５は、ヘッダ７の周面７ｓを貫通する部分の条件（形状、角度、配管の端部がヘッダに突き出た長さなど）は同じになり、ヘッダ７から各々の扁平管３に対して冷媒Ｆを同じ条件で供給できる。さらに、ヘッダ７は短く、扁平管３が短軸方向に並列されているので隣接する端部５の距離は短軸の長さ程度と非常に短い。このため、複数の扁平管３の端部５の間で冷媒Ｆの状態が変化することはなく、同じ条件で同じ状態の冷媒を複数の配管３に供給できる。
各扁平管３に供給される冷媒の条件および状態が均質化されれば、各扁平管３における熱交換の条件も同一になるので、すべての扁平管３に熱交換負荷を均等に分配し、熱交換器１の熱交換効率を向上できる。このため、扁平管を採用した熱交換器１の熱交換効率をさらに向上でき、また、システム５０に採用したときに熱交換器１ｘまたは１ｙに流入する内部流体Ｆの状態が変わったときでも、大きく熱交換器１の性能が劣化したりすることがなく、運転条件の範囲で安定した性能を発揮させることが可能となる。
その一方で、隣接する扁平管３の間に扁平管３の短軸の寸法と同等の間隔を設けておくことが可能であり、その隙間を用いてロウ付けなどの端部とヘッダとの接合作業も十分に行うことができる。また、熱交換器１では、複数の扁平管３の端部５は、平行になっており、曲げ加工が容易であり、ロウ付け作業も容易である。
ヘッダ７を例にすると、また、ヘッダ７に接続する扁平管の端部５における、端部同士の隙間は、扁平管の短軸方向の径と同程度あるいはそれ以下になっているので、これら複数の端部５は１つに束ねられた状態を示すことがある。たとえば、ヘッダ７の接続領域１４に取り付けられた複数の扁平管３の１つの扁平管になんらかの理由により力が働いて変形しようとしても、接続領域１４に束ねられた状態で固定されている周りの扁平管３がその変形を阻害することになり、各々の端部５のヘッダ７に対する接続強度が実質的に増加していることになる。したがって、信頼性の高い熱交換器を提供できる。
また、熱交換器１では、隣接する扁平管の熱交換部２からヘッダ７までの管長が異なる。したがって、振動あるいは共鳴する条件が隣接する扁平管３で異なるので、車からの振動や、モータの振動が伝達されるような条件でも熱交換器１が振動に共鳴する可能性は小さい。また、配管の一部が共鳴したとしても、端部５においては配管が集合しているので、その共鳴による振動が周りの配管との干渉により減衰し、共鳴音の発生や、配管の損傷にまで発展することがない。
図５に扁平管３の熱交換部４より外側の部分２１および２２を短軸方向Ａに曲げる前の状態を実線で示し、曲げた後の状態を破線で示してある。この熱交換器１においては、ヘッダ７および８は熱交換部４を挟んで対角な位置に配置されている。したがって、各々の扁平管３においては、ヘッダ７からヘッダ８の管長が、ほぼ等しくなっている。最も上に位置する扁平管３ｕは、フィン２から突き出た左側（外側）の部分２１が他の扁平管３に比べて最も長くなるが、フィン２から突き出た右側（外側）の部分２２が他の扁平管３に比べて最も短くなり、他の扁平管３と長さがほぼ等しくなっている。同様に、最も下に位置する扁平管３ｄは、フィン２から突き出た左側の部分２１が他の扁平管３に比べて最も短くなるが、フィン２から突き出た右側の部分２２が他の扁平管３に比べて最も長くなる。ヘッダ７および８を対角線状に配置することにより、他の扁平管３においても、各々の扁平管３は、上から下に配置された順番に、左側の部分２１が短くなり、右側の部分２２が長くなるので、扁平管３の管長としてはほぼ等しくなる。
複数の扁平管の端を寄せ集めてヘッダに接続するだけであれば、左右のヘッダ７および８を上、下または中央などに揃えて配置することも可能であるが、その場合は、扁平管の長さが不均一になり圧力損失が各扁平管で異なりやすい。これに対し、本例の熱交換器１では、各々のヘッダ７および８は熱交換部４を挟んで対角な位置に配置することにより、各々のヘッダ７および８の流入側ヘッダ７から流出側ヘッダ８に至る管長をほぼ等しくでき、各々の扁平管３における内部流体Ｆの圧力損失をほぼ等しくできる。したがって、各扁平管３に流れる内部流体Ｆの流量は均等になりやすい。このため、ヘッダ７および８をコンパクトにすることにより各扁平管３を流れる内部流体Ｆの状態を均一にし易くなるのに加えて、各扁平管３の管長を等しくすることにより、各扁平管３の圧力損失をほぼ均一にすることができ、各扁平管３における熱交換の条件をさらに均一にすることが可能となる。したがって、さらに、熱交換効率が高く、安定した性能を発揮することができる熱交換器を提供できる。
図６に、扁平管３の端部５および６を束ねた状態で一体としてヘッダ７および８に接続する熱交換器１ａを示してある。この熱交換器１ａでは、複数の扁平管３の端部５および６においては、隣接する扁平管の端部５あるいは６がほぼ接した状態まで端部の間隔Ｐ２が狭められており、複数の配管の端部５あるいは６が短軸方向に纏められて構成された接続部分１１および１２を１つの接続部分（端部）として取り扱うことができる。すなわち、これらの束ねられた部分１１および１２においては、扁平管３の端部５および６がそれぞれ積層された状態でほぼ隙間なく纏められているので、ほぼ四角形の断面を備えた１つの擬似配管の端部として取り扱いできる状態となり、その擬似配管の中に複数の端部５および６がそれぞれほぼ隙間なく配置された状態となっている。
この熱交換器１ａにおいては、ほぼ四角形の擬似配管状に束ねられた部分１１および１２が、それぞれのヘッダ７および８に一体に接続されるので、接続領域１４にほぼ四角形の接合穴または取付穴１３が形成される。そして、束ねられた部分１１あるいは１２を構成する個々の端部５または６をヘッダ７または８にそれぞれ独立して接続するのではなく、束ねられた状態１１および１２が、一体で、または一括してヘッダ７または８にそれぞれ接続される。
この熱交換器１ａでは、端部５および６を接続する領域１４を最もコンパクトにでき、束ねた部分１１および１２を接合する程度の非常に小さなサイズのヘッダ７および８を採用できる。このため、ヘッダから複数の扁平管に対し、さらに均等に内部流体Ｆの分配できる。
図７は、熱交換器１ａの製造方法の概略の流れを示すフローチャートである。本例の熱交換器１ａの製造工程は、フィン２から外側に出た部分２１および２２を短軸方向Ａに曲げる第１の工程３１と、各々のチューブ３の端部５および６をヘッダ７および８に接合する第２の工程３２との、主に２つの段階に分けることが可能である。まず、第１の工程３１では、図５に示したように、平行に配列された複数のフィン２に対して複数の扁平管３を貫通させる。このとき、上述したように、管長の等しい扁平管３を、外側の突き出し量が異なるように組み立てる。そして、図５に破線で示したように、フィン２から外側に突き出た部分２１および２２のうち、左側に突き出た部分２１を下に向けて曲げる。このとき、複数のチューブ３の端部５を短軸方向Ａに束ね、ヘッダに接続するための一体化された接続部分１１を形成する。一方、右側に突き出た部分２２を上に向けて曲げ、複数のチューブ３の端部６を短軸方向Ａに束ね、一体化された接続部分１２を形成する。
次に、第２の工程３２では、接続部分１１および１２をヘッダ７および８の取付穴１３に接合する。これにより、熱交換器１ａが製造される。すなわち、本例では、複数のチューブ３の端部５および６を個々に接続するのではなく、束ねた接続部分１１および１２を一括して取付穴１３に挿入してヘッド７および８とチューブ３との接合を行うことができる。このため、ヘッダ７および８には端部５および６を接合するための単一な穴１３があれば良く、個々の扁平チューブの端部を接合するための複数の穴をヘッダに設ける必要がない。これにより、複数の扁平チューブを接合する際の工数を削減できる。また、接合するために必要なヘッダのサイズも小さくなる。
接合の方法は幾つかある。代表的な方法は、束ねた接続部分１１および１２を、ヘッダ７および８の取付穴１３に挿入して仮組した後に、高温炉内にいれてフィン２、扁平管３およびヘッダを一体でろう付けする方法である。また、扁平管３を機械的に拡管してフィン２と接合する方法もあるが、この場合は、フィン２と扁平管３を接合した後に、扁平管３の端部が接続部分１１および１２とヘッダ７および８を接合する工程を専用の工程で行うことになる。この場合も、ろう付けなどにより、束ねられた接続部分１１および１２を一体でヘッダ７および８に取り付けることが可能である。したがって、扁平管とヘッダの接続箇所は非常に少なく、本例であれば扁平管の数に影響されず各ヘッダ当たり１箇所になる。このため、円形管を冷媒分配器に接続する熱交換器と比較すると、接続箇所を減らすことができ、熱交換器１ａの生産性を高めることができる。
前者の方法であれば、接続箇所が多くても、ヘッダとチューブの接合も含めて高温炉内を用いて一体でろう付けできるので、接続工程が大幅に増加するということはない。しかしながら、個々のチューブをヘッダに仮組する過程を考えると、円形チューブであるとチューブの数だけのヘッダに対してチューブを仮組する必要がある。これに対し、本例の熱交換器１ａであれば、ヘッダに対するチューブの仮組もチューブの数ではなく、束ねた端部の単位、すなわち２箇所ですむ。したがって、前者の接合方法であっても、本発明を採用することにより熱交換器の生産性を高めることができる。
また、第１の工程３１において、扁平管３の端部５および６を短軸方向に束ねることは、長軸方向に曲げる必要がないので、扁平管の加工としては容易である。すなわち、本例の熱交換器１ａは、扁平管に対し３次元の曲げ加工を行うことなく、短軸方向の２次元的な曲げ加工を行うだけで、複数の扁平管を小さなヘッダに対して接続することができる。したがって、この点でも本発明を採用した熱交換器の生産性は高くなる。
束ねた扁平管３とヘッダ７および８との接続部は、ろう、半田、接着剤（以下では、これらを纏めてシール剤とする）によって気密を確保することが可能である。さらに、扁平管３とヘッダの取付穴１３との間の隙間に加え、束ねた扁平チューブ同士の隙間もシール材で埋めて、十分な気密性能を得ることが望ましい。このためには、隙間の幅Ｐ３を３ｍｍ以下にすることが望ましいと考えられる。つまり、要求される扁平管３の断面形状を、束ねた扁平チューブ同士の最大隙間が３ｍｍ以下となるようにすることが望ましい。
図８（ａ）に示すように、扁平管３の断面が楕円の場合、つまり、チューブ同士が円弧状の断面である曲面で束ねる場合、チューブ間の最大隙間Ｌｍａｘは扁平チューブ長軸方向の両端となる。したがって、扁平管３の短軸径をａ、長軸方向の中央部での隙間Ｌｍｉｎとすれば、Ｌｍａｘ＝ａ／２＋Ｌｍｉｎ＋ａ／２≦３ｍｍとなり、理想的にＬｍｉｎ＝０とすれば、ａ≦３ｍｍが得られる。これは、図８（ｂ）に示すように、扁平管３の断面が長円、または、図８（ｃ）に示すようなこれに準ずる形状である場合も同様である。チューブ同士を束ねる際には各々のチューブ３の端部５および６を一定の隙間で束ねるが、断面が完全な長方形でない限り、チューブの長軸方向の両端における隙間が最大となる。したがって、扁平管３を束ねて接続する場合に適する扁平管３の断面形状は短軸径が３ｍｍ以下となるようにすることが望ましい。
このような熱交換器１ａでは、扁平管３を採用しているがゆえにこれらを短軸方向に束ねると、各々のチューブ３の端部を隙間の少ない状態で纏めることができる。すなわち、ろうや接着剤などのシール材で気密性を確保できる程度の隙間に各々のチューブ３の端部を束ねることができ、その束ねた部分１１および１２は非常にコンパクトになる。そして、ヘッダ側においては、この束ねた部分１１および１２を接合するための単一の取付穴１３を設けるだけで良く、複数の扁平管３を接続することができる。したがって、表面積が少なく、容積が小さなヘッダ７および８を採用することができる。したがって、従来、円形チューブに対して取り回しが難しく、コンパクトに纏めることが不可能であった扁平チューブを用いた熱交換器において、その扁平であることを利用して束ねることにより、円形チューブを用いた熱交換器よりもコンパクトで熱交換効率がさらに高い熱交換器を提供することができる。
なお、複数の扁平チューブの端部を熱交換部４の間隔Ｐ１より狭い間隔Ｐ２で並列に配列し、端部５および６の短軸方向Ａとヘッダ７および８の中心軸方向Ｃが同一方向となるようにヘッダに接続する本発明の方式は、上記に説明した例に限定されることはなく、様々なバリエーションが考えられる。たとえば、図９（ａ）に上記と異なる方向にヘッダが取り付けられた状態を示し、図９（ｂ）にヘッダを外した状態を示してある。この熱交換器１ｂは、扁平管３の端部５が横向きに揃えられ、端部５が垂直方向に束ねられている。そして、中心軸Ｃが垂直方向になったヘッダ７に対し、接続部分１１が、端部５の短軸方向Ａとヘッダ７の中心軸方向Ｃが同一方向となるように接続されている。この例では、配管３の端部５は、接続プレート１８により束ねられており、接続プレート１８をヘッダ７の取付穴１３にロウ付けすることにより複数の扁平管３を一括してヘッダ７に取付けできる。また、接続プレート１８を用いて取り付ける場合は、個々の端部５を接続プレート１８の裏側（ヘッダ７の内面になる側）からロウ付けすることが可能であり、端部５をさらに接近して配置することが可能となる。
図１０（ａ）は、２系統の複数の扁平管３が短軸方向Ａにそれぞれ配列された回路２７ａおよび２７ｂを備えた熱交換器１ｃを示している。この熱交換器１ｃでは、それぞれの回路２７ａおよび２７ｂの接続部分１１ａおよび１１ｂが異なるヘッダ７ａおよび７ｂに接続されている。さらに、各々のヘッダ７ａおよび７ｂが円形チューブ２５により単一の冷媒分配器１９に接続されている。分配器１９と複数のヘッダ７とを組み合わせることにより、より多くの扁平管３にほぼ均等に冷媒を分配することができる。
図１０（ｂ）および１０（ｃ）に断面で、複数の扁平管３の端部５を短軸方向Ａに重ねて、それがヘッダ７ａの中心軸方向Ｃと一致するようにヘッダ７ａの外壁７ｗに取り付けた様子を示してある。接続部分１１ａを構成するすべての配管３の端部５は、壁面７ｗに対して同じ状態で取り付けられ、ヘッダ７ａを流れる流体がほぼ同じ状態および条件ですべての配管３に分配される。
図１１（ａ）に、１つのヘッダ７ｃの中心軸Ｃに対して扁平管３の長軸方向が一致あるいは平行するように２つの接続部分１１ａおよび１１ｂを接続した熱交換器６０を示してある。単一のヘッダ７ｃで複数系統の扁平管３の端部を接続できる。しかしながら、図１１（ｂ）に示すように、複数の端部５が短軸方向に並列した接続部分１１ａが取り付けられたヘッダ７ｃの断面を考えると、端部５の先端がヘッダ７ｃの内部に突き出た長さが異なり、また、ヘッダ７ｃの外壁７ｗとそれぞれの端部５との角度も異なる。したがって、接続部分１１ａの上下の扁平管３には、ヘッダ７ｃの外壁７ｗの近傍を流れる流体しか分配されない。また、流体が壁面７ｗに沿って流れている場合は、流体の流れる向きと端部５の開口の向きも配管毎に異なるので、上下に隣接して端部５が配置されていたとしてもヘッダ７ｃから各配管３に流入する冷媒の条件および状態は異なる。破線で示すように半径方向に端部５を取り付ければ、配管毎の相違は緩和されるが、取付けに手間がかかり、配管アレンジが複雑になり、また、端部５を束ねることも難しくなる。
図１２に示す熱交換器１ｄは、３つのＵターンヘッダ（第３のヘッダ）２６ａ、２６ｂおよび２６ｃを用いることにより、流入側ヘッダ７から供給された冷媒Ｆを流入側ヘッダ７と同一の方向に設けられた流出側ヘッダ８に循環させるようにした例である。この熱交換器１ｄでは、短軸方向Ａに配列された複数の扁平管３を短軸方向Ａに４つの区分Ｒ１〜Ｒ４に分け、それぞれの扁平管３の端部５および６を短軸方向Ａに狭い間隔Ｐ２で纏めた、または集めた部分１５ａ〜１５ｅを形成してＵターンヘッダ２６ａ、２６ｂ、２６ｃおよびヘッダ７および８に接続している。まず、フィン２から右側（外側）に突き出た部分において、最も下に位置する区分Ｒ１の扁平管３の端部６を集めた部分１５ｄは流入側ヘッダ７に接続され、区分Ｒ１およびＲ２は、集めた部分１５ａが取り付けられたヘッダ２６ａで連絡され、区分Ｒ２およびＲ３は、集めた部分１５ｃが取り付けられたヘッダ２６ｂで連絡され、区分Ｒ３およびＲ４は、集められた部分１５ｂが取り付けられたヘッダ２６ｃで連絡され、最も上に位置する区分Ｒ４の扁平管３の端部６が集められた部分１５ｅは、流出側ヘッダ８に接続されている。したがって、熱交換器１ｄでは、熱交換部４の外側の短軸方向（第１の方向）Ａの下部（端または隅）からヘッダ７に供給された冷媒Ｆは、白抜きの矢印で示すように、扁平管３、Ｕターンヘッダ２６ａ、扁平管３、Ｕターンヘッダ２６ｂ、扁平管３、Ｕターンヘッダ２６ｃ、扁平管３の順に流れ、熱交換部４の外側の短軸方向（第１の方向）Ａの上部（端または隅）に配置された流出側ヘッダ８に至る。
このような構成により、Ｕターンヘッダを利用して流路が形成された熱交換器１ｄにおいても、流入側ヘッダ７から流出側ヘッダ８に至る管長を全て等しくすることが可能である。また、Ｕターンヘッダを用いた熱交換器は本形態に限定されず、たとえば、１つのＵターンヘッダを用いた熱交換器は、複数の扁平チューブの一部の一方の端部が接続された第１のヘッダ（流入側ヘッダ）と、他の一部の一方の端部が接続された第２のヘッダ（流出側ヘッダ）と、複数の扁平管の他方の端部が接続された第３のヘッダ（Ｕターンヘッダ）とを有し、第１および第２のヘッダが熱交換部の外側の第１の方向の両端に配置され、第３のヘッダが熱交換部の外側の第１の方向の中央付近に配置された構成となる。
図１３に示す熱交換器１ｅは、図１２に示した熱交換器１ｄにおける４つの区分Ｒ１〜Ｒ４のうち、上側の２つの区分Ｒ１およびＲ２と、下側の２つの区分Ｒ３およびＲ４で扁平管３を一旦連結ヘッダに接続し、連結ヘッダを、単一の流入側ヘッダ７ｃと流出側ヘッダに接続した例である。この熱交換器１ｅでは、短軸方向Ａに配列された複数の扁平管３を短軸方向Ａに４つの区分Ｒ１〜Ｒ４に分け、それぞれの扁平管３の端部５および６を短軸方向Ａに狭い間隔Ｐ２で集めた部分１５ａ〜１５ｄを形成している。流入側の部分１５ａおよび１５ｂは異なる連結ヘッダ７ａおよび７ｂに接続され、流出側の部分１５ｃおよび１５ｄは異なる連結ヘッダ８ａおよび８ｂに接続されている。流入側の２つの連結ヘッダ７ａおよび７ｂは単一のヘッダ７ｃに接続配管または分配配管２８により接続され、ヘッダ７ｃに供給された冷媒Ｆが２つの連結ヘッダ７ａおよび７ｂに分配されて、各々の連結ヘッダ７ａおよび７ｂから各々の扁平管３に供給される。一方、流出側の２つの連結ヘッダ８ａおよび８ｂは単一のヘッダ８ｃに接続配管または分配配管２９により接続され、連結ヘッダ８ａおよび８ｂに流出した冷媒Ｆが単一のヘッダ８ｃに流出する。このような熱交換器１ｅであれば、個々のヘッダ７ａ〜７ｃ、８ａ〜８ｃのサイズを小さくすることができ、ヘッダの内部における冷媒の相状態をいっそう均一にできる。
なお、本発明は、プレート状のフィン２を持つ熱交換部を説明したが、フィンの形状はプレート状に限定されずに、扁平チューブを用いた熱交換器であれば適用可能である。
【産業上の利用可能性】  本発明により、コンパクトで、より熱交換効率の高い、扁平管を用いた熱交換器を提供することが可能であり、空調、ラジエータ、各種冷却装置、各種冷凍装置などのすべての熱交換装置に本発明を適用することができる。
【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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【図７】
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【図９】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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