(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
略平行に離間して冷媒の流路の一部をなす第１の壁部と第２の壁部とを有する扁平なチューブに冷媒を流通させて熱交換を行う熱交換器であって、
前記チューブには、相対する前記第１、第２の壁部の少なくともいずれか一方を外側から陥没させて前記流路側に突出する膨出部を形成するとともに該膨出部の頂部を他方に当接させることで、前記チューブの長さ方向に長径を向けた楕円形または長円形の柱状部が複数設けられ、
前記柱状部は、前記長さ方向に対して斜めに隣接するものどうしが、長さ方向に一部を重複させて配置され、前記第１の壁部および第２の壁部の両側に位置して前記流路の一部をなすとともに、前記長さ方向に対して前記柱状部の斜め前方および後方に位置する側壁部に、前記柱状部の半分割形状をなす半膨出部が設けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記柱状部の短径ｄ１、長径をｄ２、前記長さ方向に対して斜めに隣接する柱状部どうしの前記チューブの幅方向の中心間距離をｐ１、前記長さ方向の中心間距離をｐ２とすると、前記柱状部の断面形状が
２．０≦ｄ２／ｄ１≦３．０
を満たし、さらに各柱状部が
１．５≦ｐ１／ｄ１≦３．０
０．５≦ｐ２／ｄ２≦１．５
を満たして配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
略平行に離間して冷媒の流路の一部をなす第１の壁部と第２の壁部とを有する扁平なチューブに冷媒を流通させて熱交換を行う熱交換器であって、
前記チューブには、楕円形または長円形の柱状部が前記第１、第２の壁部間に複数設けられ、
該柱状部は長径を前記チューブの長さ方向に対して傾斜させて配置され、前記第１の壁部および第２の壁部の両側に位置して前記流路の一部をなすとともに、前記長さ方向に対して前記柱状部の斜め前方および後方に位置する側壁部に、前記柱状部の半分割形状をなす半膨出部が設けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
前記長径の前記長さ方向に対する傾斜角が±７゜以下に設定されていることを特徴とする請求項３記載の熱交換器。
【請求項５】
前記柱状部の短径ｄ１、長径をｄ２、前記長さ方向に対して斜めに隣接する柱状部どうしの前記チューブの幅方向の中心間距離をｐ１、前記長さ方向の中心間距離をｐ２とすると、前記柱状部の断面形状が
２．０≦ｄ２／ｄ１≦３．０
を満たし、各柱状部が
１．５≦ｐ１／ｄ１≦３．０
０．５≦ｐ２／ｄ２≦１．５
を満たし、さらに前記長さ方向に対して斜めに隣接するものどうしが、長さ方向に一部を重複させて配置されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
【請求項６】
略平行に離間して冷媒の流路の一部をなす第１の壁部と第２の壁部とを有する扁平なチューブに冷媒を流通させて熱交換を行う熱交換器であって、
前記チューブには、相対する前記第１、第２の壁部の少なくともいずれか一方を外側から陥没させて前記流路側に突出する膨出部を形成するとともに該膨出部の頂部を他方に当接させることで、楕円形または長円形の柱状部が複数設けられ、
該柱状部は、前記チューブの長さ方向に対して傾斜させて配置されるとともに、長径を前記長さ方向に対して斜めに隣接するものどうしが前記長さ方向に一部を重複させるようにして配置され、前記第１の壁部および第２の壁部の両側に位置して前記流路の一部をなすとともに、前記長さ方向に対して前記柱状部の斜め前方および後方に位置する側壁部に、前記柱状部の半分割形状をなす半膨出部が設けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項７】
前記長径の前記長さ方向に対する傾斜角が±７゜以下に設定されていることを特徴とする請求項６記載の熱交換器。
【請求項８】
略平行に離間して冷媒の流路の一部をなす第１の壁部と第２の壁部とを有する扁平なチューブに冷媒を流通させて熱交換を行う熱交換器であって、
前記チューブには、楕円形または長円形の柱状部が、前記第１、第２の壁部間において長径を前記チューブの長さ方向に向けて複数設けられ、
該柱状部は前記冷媒の流れ方向に進むに従って漸次密に配設されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項９】
略平行に離間して冷媒の流路の一部をなす第１の壁部と第２の壁部とを有する扁平なチューブに冷媒を流通させて熱交換を行う熱交換器であって、
前記チューブには、楕円形または長円形の柱状部が、前記第１、第２の壁部間において長径を前記チューブの長さ方向に向けて複数設けられ、
該柱状部は前記冷媒の流れ方向に進むに従って漸次疎に配設されていることを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器およびその製造方法に係り、特に車両用空気調和装置に適用可能な熱交換器およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両用空気調和装置に具備される熱交換器には熱交換器用チューブが使用されているが、これらは図１９や図２０に示すような形態のものに大別される。
図１９に示すものはいわゆる伝縫管であり、この伝縫管１は、扁平な形状のチューブ２と、チューブ２の内部に開口部３から挿入される波形のインナーフィン４とから構成されており、インナーフィン４の波の各頂部４ａはチューブ２の内側面に溶接等により接着されている。
【０００３】
また、図２０に示すものは押し出し成形管であり、この押し出し成形管５は、チューブ状部６と仕切壁７とが一体的に押し出し成形されたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１９に示す伝縫管１を熱交換器に使用した場合、チューブ２の内部に波形のインナーフィン４が挿入されることにより伝熱面積が拡大して熱伝達率が向上するが、その製造過程においてはインナーフィン４の挿入やチューブ２内側面との溶接に多くの作業時間が必要となり、製造コストが増大するといった問題がある。
【０００５】
また、図２０に示す押し出し成形管５を熱交換器に使用した場合も、チューブ状部６の内部に仕切壁７が形成されることにより伝熱面積が拡大して熱伝達率が向上するが、その製造過程においては押し出し成形の技術を用いるため、チューブ状部６および仕切壁７の肉厚を薄く仕上げることが困難であり、使用する材料が増して製造コストが増大する。さらに、肉厚が厚くなる分だけ熱交換性能の向上が図れないといった問題もある。
【０００６】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、製造コストを抑えつつチューブの耐圧強度の向上を図るとともに、当該チューブを具備する熱交換器の熱交換性能を向上させることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、本発明に係る熱交換器は、略平行に離間して冷媒の流路の一部をなす第１の壁部と第２の壁部とを有する扁平なチューブに冷媒を流通させて熱交換を行う熱交換器であって、前記チューブには、相対する前記第１、第２の壁部の少なくともいずれか一方を外側から陥没させて前記流路側に突出する膨出部を形成するとともに該膨出部の頂部を他方に当接させることで、前記チューブの長さ方向に長径を向けた楕円形または長円形の柱状部が複数設けられ、前記柱状部は、前記長さ方向に対して斜めに隣接するものどうしが、長さ方向に一部を重複させて配置され、前記第１の壁部および第２の壁部の両側に位置して前記流路の一部をなすとともに、前記長さ方向に対して前記柱状部の斜め前方および後方に位置する側壁部に、前記柱状部の半分割形状をなす半膨出部が設けられていることを特徴としている。
【０００８】
この熱交換器において、チューブの長さ方向に対し斜めに隣接する柱状部どうしでは、冷媒の流れの上流側に位置する柱状部の後端部よりも、下流側に位置する柱状部の前端部が上流側に位置するので、上流側に位置する柱状部の後端部では低下傾向にある局所熱伝達率が下流側に位置する柱状部の前端部によって補われる。
【０００９】
また、上流側に位置する柱状部の後端部よりも、下流側に位置する柱状部の前端部が上流側に位置することで、チューブの断面がいかなる位置でも常に柱状部を含んだ形状となる。ここで、柱状部は第１の壁部に形成された膨出部と第２の壁部に形成された膨出部とが頂部どうしをろう付けされたもので、第１、第２の壁部を接合する役割を果たしており、しかも、柱状部はチューブの長さ方向に沿って規則的に配置され、頂部どうしの接合部分も広く確保されるため、チューブは長さ方向のいかなる断面をとっても第１の壁部と第２の壁部とが膨出部どうしで接着された状態となって接合強度が高められる。
【００１０】
なお、上記熱交換器では、前記第１の壁部および第２の壁部の両側に位置して前記流路の一部をなすとともに前記長さ方向に対して前記柱状部の斜め前方および後方に位置する側壁部に、前記柱状部の半分割形状をなす半膨出部が設けられることが望ましい。
第１、第２の壁部とともに流路の一部をなす側壁部は、柱状部の千鳥配置の関係から柱状部の斜め前方および後方に位置する部分で他よりも耐圧強度が低くなる場合がある。そこで、上記のように柱状部の半分割形状をなす半膨出部が設けられることで、第１、第２の壁部の接合部分が増えて接合強度が高められる。また、側壁部に半膨出部が設けられることで側壁部に沿う冷媒の流れに乱れが生じ、乱流効果が高まる。
【００１１】
また、本発明に係る熱交換器は、略平行に離間して冷媒の流路の一部をなす第１の壁部と第２の壁部とを有する扁平なチューブに冷媒を流通させて熱交換を行う熱交換器であって、前記チューブには、楕円形または長円形の柱状部が、前記第１、第２の壁部間において長径を前記チューブの長さ方向に向けて複数設けられ、該柱状部の短径ｄ１、長径をｄ２、前記長さ方向に対して斜めに隣接する柱状部どうしの前記チューブの幅方向の中心間距離をｐ１、前記長さ方向の中心間距離をｐ２とすると、
前記柱状部の断面形状が
２．０≦ｄ２／ｄ１≦３．０
を満たし、さらに各柱状部が
１．５≦ｐ１／ｄ１≦３．０
０．５≦ｐ２／ｄ２≦１．５
を満たして配置されていることを特徴としている。
【００１２】
この熱交換器においては、上記の条件を満たすように柱状部の断面形状および配置を規定することでより高い熱伝達率が得られる。
まず、ｄ２／ｄ１の値が２．０を下回ると、柱状部の断面形状が楕円から円形に近くなって局所熱伝達率が低下するとともに抗力係数が増大してしまい、ｄ２／ｄ１の値が３．０を上回ると、前端部の曲率が小さくなり過ぎて剥離が起こり、局所熱伝達率が低下する。
【００１３】
ｐ１／ｄ１の値が１．５を下回ると、チューブの長さ方向に対して斜めに隣接する柱状部どうしの間隔が狭まって流路抵抗が増大してしまい、ｐ１／ｄ１の値が３．０を上回ると、斜めに隣接する柱状部どうしの間隔が広がって流路抵抗は減少するが、これに伴い柱状部間を流れる冷媒の流速が鈍化して熱伝達率が低下する。
また、ｐ２／ｄ２の値が０．５を下回ると、チューブの長さ方向に隣接する柱状部どうしの間隔が狭まって冷媒の流れが干渉し合い、流路抵抗が減少して熱伝達率が低下してしまい、ｐ２／ｄ２の値が１．５を上回ると、隣接する柱状部どうしの間隔が広がって柱状部より下流側の冷媒の流速が鈍化し熱伝達率が低下する。
【００１４】
また、本発明に係る熱交換器は、略平行に離間して冷媒の流路の一部をなす第１の壁部と第２の壁部とを有する扁平なチューブに冷媒を流通させて熱交換を行う熱交換器であって、前記チューブには、楕円形または長円形の柱状部が前記第１、第２の壁部間に複数設けられ、該柱状部は長径を前記チューブの長さ方向に対して傾斜させて配置され、前記第１の壁部および第２の壁部の両側に位置して前記流路の一部をなすとともに、前記長さ方向に対して前記柱状部の斜め前方および後方に位置する側壁部に、前記柱状部の半分割形状をなす半膨出部が設けられていることを特徴としている。
【００１５】
この熱交換器においては、柱状部が長径をチューブの長さ方向に対して傾斜させた状態に形成されることで、下流側に位置する柱状部の前端部が、上流側に位置する柱状部の後端部に対してチューブの幅方向にオフセットされた状態となる。これにより、下流側に位置する柱状部が上流側に位置する柱状部に対して冷媒の流れの '陰' とはならなくなり、前端部にぶつかる冷媒の量が増す。
【００１６】
なお、上記熱交換器では、前記長径の前記長さ方向に対する傾斜角が±７゜以下に設定されることが望ましい。傾斜角を０゜から大きくしていくと徐々に熱伝達率が向上し、±７゜付近で高い熱伝達率が得られるが、これを過ぎると冷媒の流れに剥離が起こり易くなり、熱伝達率が低下する。
【００１７】
また、本発明に係る熱交換器は、略平行に離間して冷媒の流路の一部をなす第１の壁部と第２の壁部とを有する扁平なチューブに冷媒を流通させて熱交換を行う熱交換器であって、前記チューブには、楕円形または長円形の柱状部が前記第１、第２の壁部間において長径を前記チューブの長さ方向に向けて複数設けられ、該柱状部は前記冷媒の流れ方向に進むに従って漸次密に配設されていることを特徴としている。
【００１８】
凝縮器として用いられる熱交換器では、冷媒が上流から下流に進むに従って乾き度を低下させるため、チューブの壁面に作用する圧力も漸次低下する。そこで、冷媒の流れ方向に進むに従って柱状部を漸次密に配設し、圧力の低下に合わせて流路の断面積を漸次小さくすると、チューブの壁面に作用する圧力をほぼ一定とすることが可能となる。これにより、チューブの長さ方向の全域において熱伝達率がほぼ一定の高い値に保たれ、圧力損失はほぼ一定の低い値に保たれる。
【００１９】
また、本発明に係る熱交換器は、略平行に離間して冷媒の流路の一部をなす第１の壁部と第２の壁部とを有する扁平なチューブに冷媒を流通させて熱交換を行う熱交換器であって、前記チューブには、楕円形または長円形の柱状部が前記第１、第２の壁部間において長径を前記チューブの長さ方向に向けて複数設けられ、該柱状部は前記冷媒の流れ方向に進むに従って漸次疎に配設されていることを特徴としている。
【００２０】
蒸発器として用いられる熱交換器では、冷媒が上流から下流に進むに従って乾き度を高めるため、チューブの壁面に作用する圧力も漸次高まる。そこで、冷媒の流れ方向に進むに従って柱状部を漸次疎に配設し、圧力の上昇に合わせて冷媒流路の断面積を漸次大きくすると、チューブの壁面に作用する圧力をほぼ一定とすることが可能となる。これにより、チューブの長さ方向の全域において熱伝達率がほぼ一定の高い値に保たれ、圧力損失はほぼ一定の低い値に保たれる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る熱交換器の第１実施形態を図１ないし図１３に示して説明する。図１に示すように、本実施形態における熱交換器１０は、扁平な形状を有する複数のチューブ１１と、これらのチューブ１１の両端に設けられてチューブ１１内の冷媒流路と連通する一対のヘッドパイプ１２，１３と、各チューブ１１間に配置されてその頂部がチューブ１１に接する波形フィン１４とを備えている。
【００２２】
一方のヘッドパイプ１２の内部は中央よりもやや下方に設けられた仕切板１５でふたつに分割されている。そして、ヘッドパイプ１２の上部には上方に位置する内部空間に連通するように冷媒流入管１６が取り付けられ、ヘッドパイプ１２の下部には下方に位置する内部空間に連通するように冷媒流出管１７が取り付けられている。
【００２３】
この熱交換器１０においては、チューブ１１を流通する冷媒は矢印Ａで示すように、仕切板１５より上の領域ａではヘッドパイプ１２からヘッドパイプ１３に向けて流れ、仕切板１５より下の領域ｂではヘッドパイプ１３からヘッドパイプ１２に向けて流れるようになっている。
【００２４】
図２に示すように、チューブ１１には、平板２０を折り曲げ加工することにより略平行に離間して第１の壁部２１と第２の壁部２２とが形成されており、これら第１の壁部２１と第２の壁部２２とに囲まれた部分に冷媒流路２３が形成されている。
【００２５】
また、チューブ１１には、相対する第１の壁部２１、第２の壁部２２の壁面を外側から陥没させて複数のディンプル２４が形成されており、これらディンプル２４を形成することによって冷媒流路２３側には複数の膨出部２５が形成されている。
【００２６】
これら膨出部２５は、頂部２５ａを平面視するとチューブ１１の長さ方向（図中の矢印Ａ方向）を長径とする楕円形をなし、さらに、図３に示すように相対するものどうしで頂部２５ａを当接させることで、第１の壁部２１と第２の壁部との間に設けられて楕円形の断面形状をなす柱状部２６の体をなしている。なお、柱状部２６の断面形状は楕円形に限らず、長円形であってもよい。また、柱状部２６は中実であってもよい。
【００２７】
また、各膨出部２５は、図４に示すようにＡ方向に対して斜めに隣接するものどうしがＡ方向に一部を重複させて千鳥状に配置されており、各柱状部２６もこれに準じた配置となっている。
【００２８】
図２に示すように、チューブ１１には、熱交換を行う空気の流入方向（図中の矢印Ｂ方向）に対する前縁部３０および後縁部３１が設けられており、これら前縁部３０および後縁部３１には、所定の薄さに形成されて流入空気のチューブ１１まわりの流れを整流する機能を有するスプリッタプレート部３２，３３が形成されている。
【００２９】
図１および図５に示すように、チューブ１１の両端はヘッドパイプ１２，１３に挿入されるが、チューブ１１の両端部には、スプリッタプレート部３２，３３の一部を切除するようにして切欠部３４，３５がそれぞれ形成されている。
【００３０】
一方、ヘッドパイプ１２，１３には、チューブ１１の端部の形状に一致しチューブ１１を挿入可能なように複数のチューブ挿入穴３６が形成されている。これらチューブ挿入穴３６の両側には、一部を切除されたスプリッタプレート部３２，３３を挿入可能なように溝部３７が形成されている。
【００３１】
ここで、チューブ挿入穴３６の幅ｗ1は、切欠部３４，３５が形成された部分のチューブ１１の幅ｗ2とほぼ同じ大きさに設定され、スプリッタプレート部３２，３３を含めたチューブ１１の幅ｗ3は、チューブ挿入穴３６の幅ｗ1よりも大きく設定されている。これにより、チューブ１１の端部をチューブ挿入穴３６に挿入すると、切欠部３４，３５の段がヘッドパイプ１２，１３に突き当たってそれ以上の挿入が阻止されるようになっている。
【００３２】
次に、上記のような構造の熱交換器１０の製造方法を図６を参照して説明する。
まず、図６(ａ)に示すように、チューブ１１を製作するための平板２０を用意し、この平板２０に、後にチューブ１１の内側面および外側面となる両面にろう付け用のろう材をクラッドする。さらに、あらかじめ切欠部３４，３５となる部分を平板２０の端部に形成する。
【００３３】
次に、図６(ｂ)に示すように、平板２０をプレス成形またはロール成形し、冷媒流路２３となる部分に膨出部２５を形成し、前縁部３０となる部分には折り曲げ代４０を形成し、後縁部３１となる部分にはろう付け部４１，４１を形成する。続いて、図６(ｃ)に示すように、折り曲げ代４０に沿って平板２０を折り曲げ加工する。折り曲げられた平板２０は、折り曲げ代４０、ろう付け部４１，４１、膨出部２５の頂部２５ａどうしを当接させて扁平な形状のチューブ１１となる。
【００３４】
次に、図６(ｄ)に示すように、チューブ挿入穴３６を有するヘッドパイプ１２，１３を用意する。そして、チューブ挿入穴３６にチューブ１１の端部を挿入するとともに、各チューブ１１間に波形フィン１４を配置して熱交換器１０を組み立てる。この後、組み立てられた熱交換器１０を加熱炉（図示略）に入れ、所定の温度で一定時間加熱すると、平板２０にクラッドされたろう材が溶解し、熱交換器１０の各部、すなわち折り曲げ代４０、ろう付け部４１，４１、膨出部２５の頂部２５ａどうし、チューブ１１の両端部とチューブ挿入穴３６、チューブ１１と波形フィン１４の当接部分がそれぞれろう付けされ、熱交換器１０が完成する。
【００３５】
上記のように構成された熱交換器１０においては、冷媒流路２３内に配置された柱状部２６の断面形状が、Ａ方向を長径とする楕円形をなすことで、熱伝達率の向上と流路抵抗の低減とが図られている。詳述すると、冷媒の流れが最初にぶつかる柱状部２６の前端部では側面の曲率が小さいので、前端部に沿って流れる冷媒の流速が加速され、局所熱伝達率が向上する。そして、前端部を過ぎ後端部に至るまでは側面の曲率が大きいので、流れの剥離が起こり難くなって形状抵抗が小さく抑えられ、流路抵抗が低減する。
【００３６】
ここで、流れ場の中に長径を流れ方向に一致させて配置された楕円断面を有する柱状体について、側面の流路長ｓ／ｄ２（ｓ：柱状体先端のよどみ点から側面に沿う長さ）と局所熱伝達率Ｎu／Ｒe1/2（Ｎu：ヌッセルト数、Ｒe：レイノルズ数）との関係を図７に、レイノルズ数Ｒeと流れの抵抗を示す抗力係数ＣDとの関係を図８に示す。なお、各図には、比較の対象として円形断面を有する柱状体の局所熱伝達率、抗力係数をそれぞれ示している。
【００３７】
図７によると、楕円断面を有する柱状体の前端部（よどみ点付近）における局所熱伝達率は、円形断面を有する柱状体に比べて格段に高い値を示すことがわかる。また、前端部を過ぎ後端部に至るまでの間においても楕円断面を有する柱状体の局所熱伝達率は、円形断面を有する柱状体の局所熱伝達率よりも常に高い値を示すことがわかる。
【００３８】
図８によると、楕円断面を有する柱状体の抗力係数は、任意のレイノルズ数に対して円形断面を有する柱状体の抗力係数よりも常に低い値（約１／２）を示すことがわかる。
【００３９】
なお、柱状部２６の断面形状は、図４に示すように短径をｄ１、長径をｄ２とすると、
２．０≦ｄ２／ｄ１≦３．０ … （I）
を満たすことが望ましい。式（I）において、ｄ２／ｄ１の値が２．０を下回ると、柱状部２６の断面形状が楕円から円形に近くなって局所熱伝達率が低下するとともに抗力係数が増大してしまい、ｄ２／ｄ１の値が３．０を上回ると、前端部の曲率が小さくなり過ぎて剥離が起こり、局所熱伝達率が低下するからである。
【００４０】
また、熱交換器１０においては、冷媒流路２３内に配置された各柱状部２６が千鳥状に配置されることで、冷媒流路２３を流れる冷媒が網の目のようになって流れて交わりの箇所に位置する柱状部２６の前端部に効率よくぶつかるようになり、熱伝達率の向上が図られる。
【００４１】
式（I）を満たす断面形状をなす柱状部を設けたチューブ（後述するチューブ１１Ａと同形状）と従来の押し出し成形チューブとの熱交換性能を比較するため、両者について冷媒循環量と熱伝達率との関係を図９に、冷媒循環量と冷媒に生じる圧力損失との関係を図１０に示す。両図によると、柱状部を設けたチューブは、押し出し成形チューブと比較して圧力損失の上昇もみられるが、それにも増して熱伝達率が格段に上昇することがわかる。
【００４２】
また、各柱状部２６は、図４に示すようにＡ方向に対して斜めに隣接するものどうしのチューブの幅方向（図中の矢印Ｂ方向）の中心間距離距離をｐ１、Ａ方向の中心間距離をｐ２とすると、
１．５≦ｐ１／ｄ１≦３．０ … （II）
０．５≦ｐ２／ｄ２≦１．５ … （III）
を満たして千鳥状に配置されることが望ましい。式（II）において、ｐ１／ｄ１の値が１．５を下回ると、Ａ方向に対して斜めに隣接する柱状部２６どうしの間隔が狭まって流路抵抗が増大してしまい、ｐ１／ｄ１の値が３．０を上回ると、斜めに隣接する柱状部２６どうしの間隔が広がって流路抵抗は減少するが、これに伴い柱状部２６間を流れる冷媒の流速が鈍化して熱伝達率が低下するからである。
式（III）においては、ｐ２／ｄ２の値が０．５を下回ると、Ａ方向に隣接する柱状部２６どうしの間隔が狭まって両柱状部２６まわりの流れが干渉して流路抵抗が減少して熱伝達率が低下してしまい、ｐ２／ｄ２の値が１．５を上回ると、Ａ方向に隣接する柱状部２６どうしの間隔が広がって柱状部２６後方の冷媒の流速が鈍化し熱伝達率が低下するからである。
【００４３】
ここで、各柱状部２６の配置を図１１に示すように異ならせた４タイプのチューブ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄについて、冷媒循環量と熱伝達率との関係を図１２に、冷媒循環量と冷媒に生じる圧力損失との関係を図１３に示す。なお、柱状部２６の断面形状はいずれのタイプもすべて同一（ｄ２／ｄ１＝３．０／６．１）としてある。
【００４４】
図１２によると、チューブ１１Ａ（ｐ１／ｄ１＝２．０、ｐ２／ｄ２＝１．２０…）、チューブ１１Ｂ（ｐ１／ｄ１＝１．５、ｐ２／ｄ２＝１．１５…）、チューブ１１Ｃ（ｐ１／ｄ１＝２．０、ｐ２／ｄ２＝１．１５…）、の各タイプを用いた場合は、任意の冷媒循環量に対する熱伝達率がすべて同じような値を示し、チューブ１１Ｄ（ｐ１／ｄ１＝１．２６…、ｐ２／ｄ２＝１．１５…）を用いた場合は、任意の冷媒循環量に対する熱伝達率が他のタイプを用いた場合よりも常に高い値を示すことがわかる。
【００４５】
図１３によると、チューブ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，の各タイプを用いた場合は、任意の冷媒循環量に対する圧力損失がほぼ同様の値を示し、チューブ１１Ｄを用いた場合は、任意の冷媒循環量に対する圧力損失が他のタイプを用いた場合よりもやや高い値を示すが、その差は僅かであることがわかる。
【００４６】
さらに、熱交換器１０においては、Ａ方向に対して斜めに隣接する柱状部２６どうしが一部を重複させるように配置されることで、熱伝達率の向上とチューブ１１の耐圧強度の向上が図られている。詳述すると、柱状部２６側面の局所熱伝達率は、前端部で最も高く後端部に向かうにつれて低くなるのであるが、斜めに隣接する柱状部２６どうしでは、上流側に位置する柱状部２６の後端部よりも、下流側に位置する柱状部２６の前端部が上流側に位置するので、上流側に位置する柱状部２６の後端部では低下傾向にある局所熱伝達率が、下流側に位置する柱状部２６の前端部によって補われるようになり、これによってチューブ１０全体として熱伝達率を平均的に向上させることができる。
【００４７】
また、斜めに隣接する柱状部２６どうしでは、上流側に位置する柱状部２６の後端部よりも、下流側に位置する柱状部２６の前端部が上流側に位置するので、チューブ１０はＡ方向に対し垂直な断面がいかなる箇所でも常に柱状部２６を含んだ形状となる。ここで、柱状部２６は図３にも示すように第１の壁部２１に形成された膨出部２５と第２の壁部２２に形成された膨出部２５とが頂部２５ａどうしをろう付けされたもので、柱状部２６が第１、第２の壁部２１，２２を接合する役割を果たしている。しかも、柱状部２６はＡ方向に沿って規則的に配置され、頂部２５ａどうしの接合部分も広く確保される。そのため、チューブ１０はＡ方向のいかなる断面をとっても第１の壁部２１と第２の壁部２２とが膨出部２５どうしで接着された状態となって接合強度が高められ、平板２０の板厚が薄くても十分な耐圧強度が確保される。
【００４８】
次に、本発明に係る熱交換器の第２実施形態を図１４に示して説明する。なお、上記第１実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
図１４に示すように、本実施形態におけるチューブ１１には、楕円形をなす膨出部４２が、長径をＡ方向に対して傾斜角θだけ傾斜させた状態に形成され、相対するものどうしで頂部４２ａを当接させることで柱状部４３の体をなしている。また、各膨出部４２は、Ａ方向に対して斜めに隣接するものどうしがＡ方向に一部を重複させるようにして千鳥状に配置されており、各柱状部４３もこれに準じた配置となっている。
【００４９】
上記のように構成されたチューブ１１を具備する熱交換器においては、斜めに隣接する柱状部４３どうしがＡ方向に一部を重複させるように配置されることで熱伝達率の向上とチューブ１１の耐圧強度の向上が図られることに加えて、膨出部４２が長径をＡ方向に対して傾斜角θだけ傾斜させた状態に形成されることで、下流側に位置する柱状部４３の前端部が、上流側に位置する柱状部４３の後端部に対してＢ方向にオフセットされた状態となって冷媒の流れの '陰' とはならなくなり、前端部にぶつかる冷媒の量が増し、これによって熱伝達率が向上する。
【００５０】
なお、傾斜角θは±７゜以下に設定されることが望ましい。傾斜角を０゜から大きくしていくと徐々に熱伝達率が向上して効果が現れるが、±７゜を過ぎると剥離が起こり易くなり、熱伝達率が低下するからである。
【００５１】
次に、本発明に係る熱交換器の第３実施形態を図１５および図１６に示して説明する。なお、上記各実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
図１５に示すように、本実施形態におけるチューブ１１には、第１、第２の壁部２１，２２の両側に位置して冷媒流路２３の一部をなす側壁部４４に、柱状部２６の半分割形状をなす柱状部４５が設けられている。柱状部４５は、第１、第２の壁部２１，２２をそれぞれ陥没させて形成した半膨出部４６を頂部どうしで当接させることで柱状部４５の体をなしている。
【００５２】
柱状部４５は、正に楕円形をなして千鳥状に配置された柱状部２６のうち、Ａ方向に隣接する柱状部２６ａ間に配置され、これら柱状部２６ａに対して斜めに隣接する柱状部２６ｂとＢ方向に配列された状態に形成されている。
【００５３】
上記のように構成されたチューブ１１を具備する熱交換器においては、チューブ１１の側壁部４４に半分割形状の柱状部４５が設けられることで、チューブ１１の耐圧強度および熱伝達率の向上が図られている。詳述すると、正に楕円形をなして千鳥状に配置される柱状部２６は、例えば本実施形態では、Ｂ方向から見て１個または２個ずつ配列され、さらにそれらがＡ方向に交互に配列されている。ここで、チューブ１１について、柱状部２６ｂが配置された箇所の断面と、柱状部２６ａが２個配列された箇所の断面とを比較すると、前者は後者に比べて第１、第２の壁部２１，２２間の接合部分が小さく接合強度が低いことがわかる。これは、柱状部２６ｂが配置された箇所の耐圧強度が、柱状部２６ａが２個配列された箇所よりも低いことを示している。そこで、上記のように柱状部２６ｂが配置された箇所に半分割形状の柱状部４５を設けると、第１、第２の壁部２１，２２間の接合部分が拡大して接合強度が増し、柱状部２６ａが２個配列された箇所と同程度に耐圧強度が高められる。
また、柱状部４５を設けることにより、側壁部４４に沿う冷媒の流れに乱れが生じ、乱流効果が高まって熱伝達率の向上が図られる。
【００５４】
図１６には、類似の実施形態として、蒸発器として用いられる積層型熱交換器を構成する冷媒流通部４７を示す。冷媒流通部４７には、上端に設けられた冷媒入口４８から下端を往復して上端に設けられた冷媒出口４９に抜けるＵ字型の冷媒流路５０が形成されている。冷媒流路５０には、図１５のチューブ１１と同様に半分割形状の柱状部４５が配設されており、これによって冷媒流通部４７の耐圧強度および熱伝達率の向上が図られている。
【００５５】
次に、本発明に係る熱交換器の第４実施形態を図１７に示して説明する。なお、上記各実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
本実施形態における熱交換器は、外気に熱を放出して冷媒を凝縮させる凝縮器として用いられるものである。図１７に示すように、この熱交換器に用いられるチューブ１１に形成された膨出部２５は、Ａ方向に進むに従って個々の断面の大きさが相似形を保ちながら拡大されて漸次密に配設され、柱状部２６もこれに準じて漸次密に配設されており、Ａ方向に対し垂直な冷媒流路２３の断面積は、下流に位置する箇所ほど小さくなっている。
【００５６】
凝縮器として用いられる熱交換器では、冷媒が上流から下流に進むに従って乾き度を低下させるので（ガス状相に対して液状相が増加する）、チューブ１１の壁面に作用する圧力も漸次低下する。そこで、上記のように構成されたチューブ１１を具備する熱交換器においては、圧力の低下に合わせて冷媒流路２３の断面積を漸次小さくすることにより、チューブ１１の壁面に作用する圧力がほぼ一定となる。これにより、チューブ１１の長さ方向の全域において熱伝達率がほぼ一定の高い値に保たれる。また、チューブ１１の長さ方向の全域において圧力損失がほぼ一定の低い値に保たれる。
【００５７】
上記のチューブ１１においては、相似形を保ちながらも柱状部２６の大きさを個々に拡大することで、冷媒流路２３の断面積が下流に向けて漸次小さくなるように構成したが、例えば、相似形をくずして柱状部２６の大きさを変化させてもよいし、柱状部２６の大きさは変化させずにＡ方向に進むに従って配列を変化させてもよい。
【００５８】
次に、本発明に係る熱交換器の第５実施形態を図１８に示して説明する。なお、上記各実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
本実施形態における熱交換器は、外気から熱を奪って冷媒をガス化させる蒸発器として用いられるものである。図１８に示すように、熱交換器１０は、略矩形の平板５１，５２を重ね合わせて接合して形成された冷媒流通部５３が積層されて構成されている。冷媒流通部５３には、平板５１，５２の外周部および中央部を接合することで、上端に設けられた冷媒入口５４から下端を往復して上端に設けられた冷媒出口５５に抜けるＵ字型の扁平チューブ状の冷媒流路５６が形成されている。
【００５９】
冷媒流路５６は、平板５１，５２の中央部を接合されて両側の流路を仕切る仕切部５７の下端５７ｂが平板５１，５２の両側縁から等距離に配置されるとともに上端５７ａが冷媒入口５４寄りに配置されて仕切部５７の上端が冷媒入口５４側に傾いた状態に形成されている。これにより、冷媒の流れ方向に垂直な冷媒流路５６の断面積は、上流に位置する箇所ほど小さく、下流に位置する箇所ほど大きくなっている。
【００６０】
また、冷媒流路５６には、相対する平板５１，５２の壁面を外側から陥没させることで複数の膨出部５８が形成され、さらに相対する膨出部５８の頂部どうしを当接させることで複数の柱状部５９が設けられている。
【００６１】
各柱状部５９は、隣接するものどうしが冷媒の流れ方向の距離および流れ方向に直交する方向の距離を一定に保って配置されている。このため、冷媒流路２３の断面積は、下流に位置する箇所ほど大きくなっている。
【００６２】
蒸発器として用いられる熱交換器では、冷媒が上流から下流に進むに従って乾き度を高めるので（液状相に対してガス状相が増加する）、冷媒流通部５３の壁面に作用する圧力も漸次高まる。そこで、上記のように構成された冷媒流通部５３を具備する熱交換器においては、圧力の上昇に合わせて冷媒流路５６の断面積を漸次大きくすることにより、冷媒流通部５３の壁面に作用する圧力がほぼ一定となる。これにより、冷媒の流れ方向の全域において熱伝達率がほぼ一定の高い値に保たれる。また、冷媒の流れ方向の全域において圧力損失がほぼ一定の低い値に保たれる。
【００６３】
上記の冷媒流通部５３においては、隣接する柱状部５９どうしを一定間隔に配置することで、冷媒流路５６の断面積が下流に向けて漸次大きくなるように構成したが、例えば、配置は変えずに個々の柱状部５９を下流に位置するものほど縮小してもよいし、柱状部５９の大きさは変化させずに下流方向に進むに従って数を減らすように配列して漸次疎に配設してもよい。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る熱交換器によれば、冷媒の流れの上流側に位置する柱状部の後端部よりも、下流側に位置する柱状部の前端部が上流側に配置され、上流側に位置する柱状部の後端部では低下傾向にある局所熱伝達率が下流側に位置する柱状部の前端部によって補われるので、チューブ全体として熱伝達率を平均的に向上させることができる。
【００６５】
また、下流側に位置する柱状部の前端部が上流側に配置されることで、チューブは長さ方向のいかなる断面をとっても第１の壁部と第２の壁部とが膨出部どうしで接着された状態となって接合強度が高められるので、チューブの耐圧強度を高めることができる。
【００６６】
さらに、第１、第２の壁部とともに流路の一部をなす側壁部に、柱状部の半分割形状をなす半膨出部が設けられることで、第１、第２の壁部の接合部分が増えて接合強度が高められる。また、側壁部に半膨出部が設けられることで側壁部に沿う冷媒の流れに乱れが生じ、乱流効果が高まるので、熱伝達率を向上させることができる。
【００６７】
本発明に係る熱交換器によれば、柱状部が長径をチューブの長さ方向に対して傾斜させた状態に形成されることで、下流側に位置する柱状部の前端部が上流側に位置する柱状部の後端部に対してチューブの幅方向にオフセットされた状態となって冷媒の流れの '陰' とはならず、前端部に冷媒がぶつかる割合が増すので、熱伝達率を向上させることができる。
【００６８】
本発明に係る熱交換器によれば、これを凝縮器として用いる場合、チューブに設ける柱状部を冷媒の流れ方向に進むに従って漸次密に配設し、チューブの壁面に作用する圧力の低下に合わせて流路の断面積を漸次小さくすることで、チューブの壁面に作用する圧力をほぼ一定とすることが可能となる。これにより、チューブの長さ方向の全域において熱伝達率をほぼ一定の高い値に保ち、さらにチューブの長さ方向の全域において圧力損失をほぼ一定の低い値に保つことができる。
【００６９】
また、熱交換器を蒸発器として用いる場合、チューブに設ける柱状部を冷媒の流れ方向に進むに従って漸次疎に配設し、チューブの壁面に作用する圧力の上昇に合わせて冷媒流路の断面積を漸次大きくすることで、チューブの壁面に作用する圧力をほぼ一定とすることが可能となる。これにより、チューブの長さ方向の全域において熱伝達率をほぼ一定の高い値に保ち、さらにチューブの長さ方向の全域において圧力損失をほぼ一定の低い値に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る熱交換器の第１実施形態を示す正面図である。
【図２】  図１に示した熱交換器に使用されるチューブの斜視図である。
【図３】  図２におけるIII−III線矢視断面図である。
【図４】  図２におけるIV−IV線矢視断面図である。
【図５】  ヘッダパイプへのチューブの差し込み部を示す平断面図である。
【図６】  図１に示した熱交換器の製造方法を示す工程図である。
【図７】  流れ場に置かれた楕円断面を有する柱状体について側面の流路長と局所熱伝達率との関係を示す図表である。
【図８】  流れ場に置かれた楕円断面を有する柱状体についてレイノルズ数と抗力係数との関係を示す図表である。
【図９】  楕円断面を有する柱状部を設けたチューブと従来の押し出し成形チューブとについて冷媒循環量と熱伝達率との関係を示す図表である。
【図１０】  楕円断面を有する柱状部を設けたチューブと従来の押し出し成形チューブとについて冷媒循環量と冷媒に生じる圧力損失との関係を示す図表である。
【図１１】  柱状部の配置を異ならせた４タイプのチューブを示す平面図である。
【図１２】  図１１に示した４タイプのチューブについて冷媒循環量と熱伝達率との関係を示す図表である。
【図１３】  図１１に示した４タイプのチューブについて冷媒循環量と冷媒に生じる圧力損失との関係を示す図表である。
【図１４】  本発明に係る熱交換器の第２実施形態を示す図であって、当該熱交換器に具備されるチューブを示す平面図である。
【図１５】  本発明に係る熱交換器の第３実施形態を示す図であって、当該熱交換器に具備されるチューブを示す平面図である。
【図１６】  第３実施形態に示した熱交換器に類似する実施形態を示す図であって、蒸発器として使用される熱交換器に具備される冷媒流通部を示す側面図である。
【図１７】  本発明に係る熱交換器の第４実施形態を示す図であって、当該熱交換器に具備されるチューブを示す平面図である。
【図１８】  本発明に係る熱交換器の第５実施形態を示す図であって、蒸発器として使用される熱交換器に具備される冷媒流通部を示す側面図である。
【図１９】  従来の熱交換器に使用される伝縫管の一例を示す斜視図である。
【図２０】  従来の熱交換器に使用される押し出し成形管の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０  熱交換器
１１  チューブ
１２，１３  ヘッドパイプ
１４  波形フィン
２０  平板
２１  第１の壁部
２２  第２の壁部
２３  冷媒流路
２４  ディンプル
２５  膨出部
２５ａ  頂部
２６  柱状部
【図１】
0004175443.tif 000002
【図２】
0004175443.tif 000003
【図３】
0004175443.tif 000004
【図４】
0004175443.tif 000005
【図５】
0004175443.tif 000006
【図６】
0004175443.tif 000007
【図７】
0004175443.tif 000008
【図８】
0004175443.tif 000009
【図９】
0004175443.tif 000010
【図１０】
0004175443.tif 000011
【図１１】
0004175443.tif 000012
【図１２】
0004175443.tif 000013
【図１３】
0004175443.tif 000014
【図１４】
0004175443.tif 000015
【図１５】
0004175443.tif 000016
【図１６】
0004175443.tif 000017
【図１７】
0004175443.tif 000018
【図１８】
0004175443.tif 000019
【図１９】
0004175443.tif 000020
【図２０】
0004175443.tif 000021