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JP3131774B2 - 車両エアコン用の多重流動型凝縮器 - Google Patents

車両エアコン用の多重流動型凝縮器

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Publication number
JP3131774B2
JP3131774B2 JP10272351A JP27235198A JP3131774B2 JP 3131774 B2 JP3131774 B2 JP 3131774B2 JP 10272351 A JP10272351 A JP 10272351A JP 27235198 A JP27235198 A JP 27235198A JP 3131774 B2 JP3131774 B2 JP 3131774B2
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refrigerant
condenser
bypass passage
hydraulic diameter
flow
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龍 貴 安
尚 律 李
承 煥 金
相 沃 李
光 憲 呉
龍 鎬 金
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Hanon Systems Corp
Original Assignee
Halla Visteon Climate Control Corp
Hanon Systems Corp
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は車輌のエアコンシス
テムに用いるための多重流動型(multiflowtype)凝縮器
に関するもので、詳しくは凝縮過程で相変化された液冷
媒を、ヘッダに形成された隔室等の間に効率的にバイパ
スさせることによって、凝縮器の熱伝達効率を向上させ
得る高効率凝縮器に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車用凝縮器は、圧縮機から吐出され
る高温、高圧の気相冷媒を導入して外部空気との熱交換
を通して凝縮させた後、凝縮された液相の冷媒を膨張手
段を経て蒸発器に吐出させる機態を遂行する装置であっ
て、最近は自動車関連部品が小型、軽量化される趨勢に
よって、コンパクトでありながら熱交換性能が優れた多
様な形態の高効率凝縮器が開発されている。
【０００３】その代表的なものとしては、それぞれの内
部に形成された多重流路を有する複数の偏平チューブ等
の間に波状フィンを介在し、それぞれの偏平チューブの
両端を筒形状を成す一対のヘッダに連通、接続させるこ
とによって、流入パイプにより凝縮器に導入された冷媒
が、これ等のヘッダとチューブにより形成された流路を
通して流動しつつ、外部空気と熱交換されるようにした
多重流動型凝縮器がよく知られている。
【０００４】図１３を参照してこれをより詳細に説明す
ると、並列流動型凝縮器（６０）は、第１ヘッダ（６
１）、第２ヘッダ（６２）、多数の偏平チューブ（６
３）、及び隣接する偏平チューブの間にそれぞれ介在さ
れる多数の波状フィン（６４）から構成される。前記多
数の偏平チューブ（６３）のそれぞれの両端部は、前記
第１ヘッダ（６１）と第２ヘッダ（６２）に接続、連通
され、この偏平チューブが接続される前記ヘッダ等の内
部に、少なくとも１つのバッフル等（６５）が設置され
ていて、それぞれ多数の偏平チューブ（６３）によりな
る複数の流通路(pass)を形成する。
【０００５】従って、冷媒は凝縮器の内部をジグザグ形
態に流れるようになる。このような形態の凝縮器は、既
存のサーペンチン型(serpentine type) 凝縮器をさらに
小型、軽量化しつつ高性能化を実現したもので、最近の
自動車用空調システムには、このような形態の凝縮器が
広く採用されている。
【０００６】一般的に凝縮器内部を通過する冷媒は、圧
縮機から気相に導入された後、入口側から出口側に流動
しつつ凝縮器を通過し、外部空気との熱交換を通して気
相と液相とが共存する過程を経て、最終の出口側の領域
で液相に変化されて冷媒循環回路の他の構成要素に排出
される。すなわち、凝縮器の上部領域は気相の比重が大
きい冷媒が流れ、下部領域に行くほど凝縮された液相冷
媒の比重がだんだん大きくなり、凝縮器の全体からみる
と、二相の冷媒が共存しつつ流動する形態を示す。
【０００７】このように冷媒が相変化される過程で、主
に気相の冷媒が流れる領域に位置した偏平チューブの内
側壁面に生じた薄い液膜は、冷媒と空気との間の熱伝達
を妨害する熱抵抗として作用することは勿論、気相冷媒
の流速が液相冷媒の流速より相対的に速いことに起因し
て冷媒全体の流動抵抗として作用し、冷媒の入口側と出
口側との間にはシステムのエネルギー増大を伴う圧力降
下、すなわち圧力損失を誘発させるようになる。
【０００８】通常的に、凝縮器の性能を向上させるため
には、冷媒の熱交換が可能な伝熱面積を増加させ、冷媒
側の圧力降下を最小化させ得るように凝縮器を設計する
ことが重要である。冷媒の伝熱面積即ち、実際に冷媒が
通過するチューブの有効流路断面積を増大させる方案と
して、単位チューブの内部に形成される冷媒が流通され
る多数の内部流体通路の水力直径(hydraulic diameter)
を減少させる方案と、単位チューブはそのまま置いて、
冷媒の冷媒流通路数を増加させることによって、冷媒の
全体流路長さを長く形成する方案をあげることができ
る。
【０００９】まず、チューブの水力直径を減少させるた
めの方案として、米国特許第４，９９８，５８０号に開
示されている通り、それぞれのチューブの内側に波状形
状のスペーサー(spacer)を内蔵させて多数の流体流動路
を形成し、各流体流動路の水力直径を小さく形成する方
案があるが、これは流体流動路の水力直径が小さくなる
ほどそれに相応して冷媒の通過抵抗を増加させるので、
冷媒側の過度な圧力降下を誘発させるようになる。
【００１０】また、このように水力直径が小さい流体流
動路等を有するチューブを適用した凝縮器では、冷媒側
の過度な圧力降下を防止するために、冷媒の流通路の数
を少なく維持しなければならないので、水力直径が大き
いチューブを有するかまたは、より多い流通路を有する
凝縮器に比して冷媒が実際に流動することができる全体
の流路長さ、即ち偏平チューブそれぞれの長さが短くな
る。従って、’５８０特許では、冷媒の冷媒流通路数が
多くなると、例えば３個以上の冷媒流通路を有する場
合、冷媒側の圧力降下が過度に発生し、結果的にシステ
ムエネルギーを増加させることとなる。
【００１１】冷媒の全体の流路長さを増加させる方案と
しては、図１のようにヘッダパイプ内部に多数のバッフ
ルを設置し、流入パイプを通して導入された冷媒が一回
以上Ｕターンしつつ凝縮器の内部を流動することによっ
て、結果的にチューブの有効流路断面積を増大させる効
果を発揮することとなり、車両用エアコンシステムとし
てはこの形態の凝縮器が多く利用されている。
【００１２】このような形態の凝縮器では、冷媒が凝縮
器を通過する過程で発生する冷媒の流動時の相変化すな
わち、冷媒が気相から液相に相変化されて凝縮器の内部
を流れる時、液相が気相に比して比体積が小さく流速が
遅い点を勘案して、凝縮器の入口側流通路の有効断面積
（またはチューブ数）を相対的に大きくし、出口側流通
路に行くほど流路断面積を減少させることによって、入
口側流通路で最も大きい熱交換が行われることができる
ようにすると共に、相変化による冷媒の流動抵抗を減少
させるようになる。しかし、熱交換器の伝熱性能を向上
させるためにチューブの水力直径を極めて小さく設定す
るか、冷媒の流路長さを極めて長く設定する場合は、放
熱量は増大されるが凝縮器の入口側と出口側との間にお
ける冷媒流動抵抗が大きくなり、圧力降下量が増加する
ので、圧縮機の仕事量の増加をまねくことになる。
【００１３】これによって、水力直径が小さいチューブ
を利用した凝縮器は、冷媒の流路長さ、すなわち、Ｕタ
ーンする回数を最小化し、水力直径が比較的大きいチュ
ーブを利用した凝縮器は冷媒が少なくとも２回以上Ｕタ
ーンして流れるようにすることによって、冷媒の圧力降
下が過度に発生することを防止しつつ伝熱性能の向上を
図っている。
【００１４】一方、一対のヘッダパイプの内部に少なく
とも１つのバッフルを設置して、冷媒がジグザグ形態に
流動されるようにして、冷媒の流路長さを長く設定する
方式の凝縮器においては、流路長さの増加による冷媒の
圧力降下を最小化することと共に、各冷媒流通路を通過
しつつ液相に相変化された液相冷媒を凝縮器の出口側に
近接した所にバイパスさせるために、バッフル中央部に
バイパス通路を形成して伝熱性能をより向上させる技術
等が紹介されている。
【００１５】すなわち、米国特許第４，２４３，０９４
号をその一例としてあげてみると、この’０９４特許
は、一対の円筒型ヘッダパイプの間に平板フィンが介在
された多数のチューブを配置し、前記ヘッダパイプの内
部には毛細管作用をするように形成された小孔(bore)を
有する複数個のバッフルを設置することによって、各流
通路を通過しつつ液相に相変化された冷媒が、次の流通
路を経ずに同一ヘッダパイプ内の隣接する下流側の隔室
にバイパスされ得るように構成した凝縮器を例示してい
る。この’０９４特許によると、バッフルの中央部に形
成される比較的小さい孔の毛細管作用により、この孔を
通して気相の冷媒が通過することを効果的に遮断すると
同時に、液相の冷媒のみをバイパスさせると言及してい
る。
【００１６】しかし、’０９４特許は、冷媒流通路の数
またはチューブの水力直径とバイパス孔の大きさ及びこ
れらの間の相関関係に対して明確に提示していないの
で、冷媒流通路の数をどの程度に設定したら過度な圧力
降下なく所望する伝熱性能を得ることができるか、バイ
パス通路の大きさをどの程度の範囲に設定することが好
ましいか、また冷媒通路群の数またはチューブの水力直
径によっていかにバイパス通路を設定することが好まし
いか等に対する言及が全然ないので、実際品に適用する
ことは非常に難しいことが予測される。また、通常的に
流体流動時において、毛細管効果を達成するためには、
流体通路の直径を小さく長く設定しなければならないと
いうことは一般的に知られた事実であることを勘案する
時、バッフルに孔を加工する過程と、バッフルをヘッダ
内に設置する工程が非常に複雑になるという問題点があ
る。
【００１７】凝縮された液相冷媒をバイパスさせるまた
他の従来の技術として、日本国実開昭６３−１７３６８
８号があげられるが、図１４及び図１５（ａ）、（ｂ）
に図示のとおり、チューブ（７８）の両端が挿入される
一対の中孔ヘッダパイプ（７０）の内部に、上部部材
（７４）と網状部材（７７）、そして下部部材（７５）
とを順に積層させて構成したバッフル手段（７３）とを
設置することによって、ヘッダパイプ（７０）の内部空
間を上部隔室（７１）と下部隔室（７２）とに区画す
る。上部及び下部部材（７４、７５）のそれぞれにはホ
ール（７６）が提供され、前記バッフル手段（７３）の
網状部材（７７）を通して、上部隔室（７１）内の液冷
媒（８０）を下部隔室（７２）にバイパスさせる凝縮器
が提示されている。
【００１８】しかし、このような構成もまた米国特許第
４，２４３，０９４号のように、バッフル手段にバイパ
ス通路を形成した液冷媒をバイパスさせるという概略的
な主張であり、冷媒流通路の数とバイパス通路の大きさ
及びこれ等の間の関係等、凝縮器の伝熱性能と圧力降下
に関しては全然言及していないばかりでなく、バッフル
手段（７３）の製作と設置が複雑で、構成要素が多いと
いう問題点がある。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は前記の問題点
を勘案して案出されたもので、本発明の目的は、凝縮器
内の冷媒流通路の内、気相の冷媒が多量に流れる流通路
と液相の冷媒が多量に流れる流通路について、各冷媒流
通路の有効断面積を最適化することによって、凝縮器の
熱伝達効率を向上させると共に、冷媒側の圧力降下を最
小化させ得る多重流動型の高効率凝縮器を提供すること
にある。
【００２０】本発明の他の目的は、冷媒が流動するチュ
ーブの水力直径とバイパス通路の大きさを最適化するこ
とによって、液冷媒を効果的にバイパスさせ得る多重流
動型の高効率凝縮器を提供することにある。
【００２１】本発明のまた他の目的はバイパス通路を容
易に形成することができる多重流動型の高効率凝縮器を
提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め本発明の凝縮器は、略半円又は楕円形状の断面を有
し、相互に結合されて冷媒の流動路を形成するヘッダ及
びタンクからなり、冷媒の流入パイプ及び流出パイプが
連結されると共に相互に平行に配置された一対のヘッダ
パイプと；水力直径が略１ｍｍ乃至略１．７ｍｍとなっ
ている内部流体通路を多数有し、相互に等間隔で平行に
隔設されるように前記一対のヘッダパイプに両端部が連
結される多数の偏平チューブと；この偏平チューブの外
面及び隣接する偏平チューブ等の間に設けられる多数の
波状フィンと；前記それぞれのヘッダパイプの内部に設
置される少なくとも１つのバッフルとを備え；前記バッ
フルは、前記ヘッダパイプ内に形成されたスリットに挿
入される突起を有し、その外周面が前記ヘッダパイプの
内周面と接面することによりヘッダパイプの内部を複数
の隔室に区画し、当該区画によって前記冷媒の流入パイ
プと流出パイプとの間における一対のヘッダパイプと多
数の偏平チューブとにジグザグ形態の４個の冷媒流通路
を形成し；前記バッフルの少なくとも１つに相互に隣接
する隔室の間に凝縮された液相の冷媒を通過させるバイ
パス通路が形成され、このバイパス通路の水力直径の前
記偏平チューブの水力直径に対する比が略０．２８乃至
２．２５の範囲に設定されており；前記流入パイプが設
置される側のヘッダパイプの入口側における隔室と、こ
の隔室と対向する他側のヘッダパイプの隔室及びこれら
の隔室の間に連結されている多数の偏平チューブにより
形成される入口側冷媒流通路の断面積が、凝縮器全体の
冷媒流通路の断面積に対して略４５％乃至５５％の範囲
に設定されていることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明によ
る好ましい実施の形態を詳細に説明する。図１に図示さ
れた本発明の凝縮器（１０）は、相互に並列に整列され
る多数の偏平チューブ（１１）と隣接する偏平チューブ
（１１）の間に設置される多数の波状フィン（１２）と
を含む。偏平チューブ（１１）のそれぞれは、一端部で
第１ヘッダパイプ（１３）に、そして他端部で第２ヘッ
ダパイプ（１４）に連結される。凝縮器（１０）はまた
最外郭部に配置される一対のサイドプレート（２０、２
１）を含む。ヘッダパイプ（１３、１４）のそれぞれの
両端部は、ブラインドキャップ(blind cap) （１７、１
８）により密閉される。第１ヘッダパイプ（１３）の上
部には、流入パイプ（１５）が連結され、その下部には
流出パイプ（１６）が連結される。図１には流入及び流
出パイプ（１５、１６）の全てが第１ヘッダパイプ（１
３）に連結されるように図示されているが、例えば流入
パイプ（１５）は第１ヘッダパイプ（１３）に、流出パ
イプ（１６）は第２ヘッダパイプ（１４）に連結するこ
ともできる。このような流入／流出パイプの位置は冷媒
流通路の数によって決定される。
【００２４】第１及び第２ヘッダパイプ（１３、１４）
のそれぞれの内部にはバッフル（１９）が配置されて多
数の冷媒流通路を形成することになり、またそれぞれの
冷媒流通路は、多数の偏平チューブ（１１）によりな
る。図１では、４個の冷媒流通路（Ｐｌ、Ｐ２、Ｐ３、
Ｐ４）が形成される例を示しており、冷媒流通路の数は
バッフルの数を調節することによって変化させ得る。並
列流動型の凝縮器では、冷媒が流入パイプ（１５）を通
して第１ヘッダパイプ（１３）に流入された後、流出パ
イプ（１６）を通して排出されるまで、冷媒流路等をジ
グザグ形態に流動することとなる。また、ヘッダパイプ
（１３、１４）のそれぞれに形成されたバッフル（１
９）により、第１ヘッダパイプ（１３）には３個の隔室
（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）が、第２ヘッダパイプ（１
４）には２個の隔室（１４ａ、１４ｂ）が形成された例
を示している。
【００２５】図２は、ヘッダパイプ、バッフル及びチュ
ーブの結合関係を示す部分展開斜視囲であり、図３は図
１のII−II線に沿って切り取った本発明の一実施の形態
による断面図である。偏平チューブ（１１）は内壁など
により区画される多数の内部流体通路（１１ａ）を有す
る。ヘッダパイプ（１３、１４）のそれぞれは、ヘッダ
（２２）とタンク（２３）とからなり、ヘッダ（２２）
とタンク（２３）のそれぞれは、結合された状態で略楕
円形状の断面を形成するように切曲される。
【００２６】また、ヘッダパイプ（１３、１４）のそれ
ぞれは、２個の構成要素（ヘッダ及びタンク）から構成
せずに、円形の断面積を有するように（一体に形成）す
ることができる。それぞれのヘッダパイプが円形の断面
積を有する場合、ヘッダパイプはクラッド(clad)が被服
された板を用いてシーミング(seaming)するか押出等の
方法により製造する。
【００２７】ヘッダ（２２）には多数のスロット(slot
s) （２４）が形成されていて、このスロット等に偏平
チューブ（１１）が挿入される。バッフル（１９）はヘ
ッダパイプ等（１３、１４）の内部に位置するようにな
り、バッフル（１９）の外周面の形状は、ヘッダパイプ
など（１３、１４）の内周面の形状と同様に形成され
て、ヘッダパイプ（１３、１４）とバッフル（１９）と
が結合された状態で、バッフル（１９）の外周面はヘッ
ダパイプ（１３、１４）の内周面と接面するようにな
る。これとは別に、バッフル（１９）が位置するヘッダ
パイプ（１３、１４）の内周面に前記のバッフル（１
９）の挿入位置を固定するための所定深さの溝をヘッダ
パイプ（１３、１４）の内周面に沿って形成し、バッフ
ル（１９）外周面の大きさをヘッダパイプ（１３、１
４）の内周面より若干大きく形成して、バッフルの外周
面がこの溝に挿入されて、前記のヘッダパイプとバッフ
ルとが接面するように形成することもできる。バッフル
（１９）には、その外周面上の一部分から外側に延長さ
れる突起（２６）が形成され、この突起（２６）は、タ
ンク（２３）に形成されたスリット（２７）に挿入され
る。
【００２８】前記突起は、ヘッダパイプ（１３、１４）
の外部に所定長さ延長されるように形成することによっ
て、突起挿入用のスリット（２７）にバッフル（１９）
が結合された時、ヘッダパイプ（１３、１４）の外部に
突出された突起（２６）部分をかしめ(caulking)等の方
法により押さえ付けて、ヘッダパイプ（１３、１４）の
外表面に完全に圧搾されて固定させることによって、ブ
レージングのために製品を移送する過程で、バッフル
（１９）が所定の位置から離脱されないようにすると共
に、ブレージングの後に該当部位からのリークの発生を
最大限抑制することができるようにする。
【００２９】バッフル（１９）には最小限１つのバイパ
ス切取部（２５）が形成される。図３は本発明によるバ
イパス通路の一実施の形態を図示したもので、バッフル
（１９）の外周面には少なくとも１つのバイパス切取部
（２５）が形成され、前記切取部（２５）は、プレス加
工等によりバッフルの成形時に同時に成形することが好
ましい。前記バッフル（１９）がヘッダパイプ（１３、
１４）に結合された状態でバイパス通路（２５ａ）を形
成することによって、流入パイプ（１５）を通して流入
された気相の冷媒の内、凝縮過程を経ながら相変化され
た液相の冷媒を通過させるようになる。
【００３０】すなわち、バイパス通路はヘッダパイプ
（１３、１４）とバッフル（１９）により決められる隔
室（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１４ａ、１４ｂ）の内、
相互に隣接する隔室の間に冷媒の疎通路を提供して、各
冷媒流路を通過しながら凝縮された液相の冷媒の一部
を、隣接した隔室に直接通過させるようになる。前記の
バイパス通路（２５ａ）は、バッフルの中央部分に形成
することもできるが、バッフルの外周面に形成すること
が加工上にさらに有利である。すなわち、バッフル（１
９）の中央部分に形成する場合、バッフル（１９）を１
次加工した後、さらに所定大きさのバイパス通路を加工
しなければならない作業上の問題と、一定大きさ以下に
加工する場合、加工パンチが小さくなることによって加
工パンチの強度が弱くなり、寿命が短くなるという問題
点がある。
【００３１】しかし、バッフルの外周面にバイパス通路
を形成する場合は、加工パンチで一括作業を行いながら
金型のみを若干修正して、バッフル加工工程時に一気に
成形することが可能になるので加工が容易になり、冷媒
流動特性などを考えてバイパス通路の位置を変更しよう
とする時により有利である。図４は、本発明の他の実施
の形態によるバイパス通路を示す断面図であって、この
実施の形態では、ヘッダパイプ（１３または１４）の内
周面にバイパス通路（２８）を形成したものである。こ
の実施の形態におけるバイパス通路（２８）は、押出成
形やロール成形等によりヘッダパイプ（１３、１４）の
軸方向に沿ってその内周面に長く形成することもでき、
プレス加工等の方法によりバッフル（１９）が位置する
部分のみに形成することもできる。
【００３２】図５は、バイパス通路のまた他の実施の形
態を示す図面であり、図６の（ａ）（ｂ）は、それぞれ
バイパス通路を加工する方法についての概略説明図であ
る。バッフル（１９）の中心部分にバイパス通路を形成
する場合、加工上の問題点を補完し、冷媒をまた効率的
にバイパスさせ得る実施の形態を例示したものである。
ここにおいてはバイパス通路（２９）をその例としてラ
ンシング(Lancing)、バーリング(burring)、スクラッチ
ング(scratching)等の方法により形成している。すなわ
ち、バッフル（１９）からバイパス通路が形成される部
分を完全に切り取らず、折れた部分（１９ａ）を残して
おくことによって、この折れた部分（１９ａ）は、液冷
媒のバイパス通過時に案内役割を果たすようになり、パ
ンチング加工による前記の短所を解消することができる
長所がある。
【００３３】図７は、車輌用エアコンシステムの冷媒循
環回路を示す全体概略図である。冷媒循環回路（３５）
は通常的に圧縮機（３６）、凝縮器（３７）、膨張手段
（３８）及び蒸発器（３９）からなる。このような冷媒
循環回路（３５）で冷媒は圧縮機（３６）で圧縮され
て、略１５乃至２０ｋｇ／ｃｍ２程度の高温高圧状態に
圧縮されて凝縮器（３７）に送られる。圧縮機（３６）
からの高圧力は、凝縮器の冷媒流入口（Ｉ）部分に伝達
され、冷媒は凝縮器（３７）内の冷媒流通路（図４にお
いては４個の冷媒流通路）を経ながら冷媒は液相に相変
化し、冷媒流出口（Ｏ）を経て排出される。液相の冷媒
は、膨張器具（３８）を経ながら略２乃至５ｋｇ／ｃｍ
２の低温低圧の状態で蒸発器（３９）に流入し、周囲の
空気との間に熱交換が行われた後、さらに圧縮機（３
６）に送られて冷媒循環回路を循環するようになる。
【００３４】図８は、図７の冷媒循環回路の理想的なサ
イクル及び実際のサイクルを示すｐ−ｈ線図である。凝
縮器（３７）を流動する冷媒側で圧力降下（ｄＰｒ）が
発生しないことが理想的な冷媒循環サイクル（ＩＣ）で
あるが、実際には冷媒は凝縮器（３７）の冷媒流通路を
経ながら冷媒流動抵抗を受けることによって、凝縮器内
で所定の圧力降下（ｄＰｒ）を発生することとなる。実
冷媒循環サイクル（ＡＣ）すなわち、凝縮器（３７）の
入口側（Ｉ）と出口側（Ｏ）の圧力を測定した時、冷媒
側で所定の圧力降下が発生するようになるが、このよう
な圧力降下はバッフルにバイパス通路が形成されている
か否かには関係なく発生することになる。また、凝縮器
の前方から波状フィン（１２）を経て後方に通過するよ
うになる空気側でも圧力降下が発生するようになる。こ
のような冷媒側及び空気側での過度な圧力降下は、エア
コンシステムが必要とする圧縮機の仕事量を増加させ、
結局エアコンシステムのエネルギーを増加させることと
なる。
【００３５】従来のサーペンチン型の凝縮器から並列流
動型(parallel flow type)乃至多重流動型凝縮器に車輌
用凝縮器の設計が変わることによって、サーペンチン型
凝縮器で熱伝達効果の向上のために用いられた比較的大
きい単一チューブは多数の偏平チューブに代替されるよ
うになった。多数の偏平チューブの両端は隔設されて並
列に配置される一対のヘッダに連結されて冷媒の冷媒流
通路を形成するため、凝縮器内に流入された冷媒は、そ
れぞれの偏平チューブ内を並列に流動するようになる。
並列流動型凝縮器では、要求される性能を得るための方
法としては、偏平チューブの水力直径を一定範囲内に制
限するか、バッフル手段により凝縮器の内部を多数の冷
媒流通路を形成するように分割する。
【００３６】上述の如く、偏平チューブまたは偏平チュ
ーブのそれぞれの内部流体通路の水力直径を一定値以下
に維持する場合は、伝熱性能が増加するが、それぞれの
偏平チューブを通して流れる冷媒の通過抵抗が増加する
ことになり、それによって過度な圧力降下を伴い、結果
的に冷媒循環回路の全体から要求されるシステムエネル
ギーが増加するようになるので、この場合は冷媒流通路
の数は少なく維持する必要がある。これとは別に、偏平
チューブの水力直径が適切な範囲内にある時、即ち偏平
チューブの水力直径を略１ｍｍ以上に多少大きく設定す
る場合は、それぞれの偏平チューブを通過する冷媒の通
過抵抗は、１ｍｍ以下の水力直径を有する偏平チューブ
に比して低くなり、圧力降下は相対的に小さくなる。従
って、比較的小さい水力直径を有する偏平チューブに比
して多数の冷媒流通路を形成することができるようにな
り、結果的に冷媒の全体流路長さを増加することが可能
となって、伝熱性能も向上させ得る。
【００３７】水力直径は円形状でない断面を円の形状断
面の直径に換算して計算するもので、水力直径Ｄｈは下
記の式により示される。 Ｄｈ ＝ ４Ａ／Ｐ ここにおいて、Ａはチューブの断面積、Ｐは接水長さ(w
etted perimeter)を示す。
【００３８】本発明者は、上述した点を考慮すること
で、バイパス通路を有する凝縮器において、偏平チュー
ブの内部を流動する冷媒の流動抵抗を少なくして、冷媒
の圧力降下を最小化するために偏平チューブの水力直径
を一定範囲に制限し、冷媒の流動抵抗減少による偏平チ
ューブの伝熱性能の低下を防止するために、バイパス通
路の大きさを偏平チューブの水力直径によって最適化さ
せて、液相の冷媒を隣接する隔室にバイパスさせると同
時に、冷媒の流動位置別の流動特性を勘案して冷媒流通
路の有効断面積を最適化させて、全ての冷媒流通路で冷
媒が一定した流速で流動されつつ凝縮されるように設計
することによって、究極的に圧力降下が最小化されなが
らも凝縮器全体の伝熱性能を向上させ得る改善された凝
縮器の発明に至ったものである。
【００３９】本発明者は、前記のような凝縮器の最適化
のためまず初めに、チューブの水力直径が１ｍｍ以下の
場合は上述の如く過度な圧力降下が発生し冷媒流路を長
くすることができず、チューブの製作もまた難しく、
１．７ｍｍ以上の場合は、凝縮器性能を満足させるため
に冷媒流路を長くする必要があり、それによって凝縮器
が大型化されることから、水力直径の範囲を略１乃至
１．７ｍｍの範囲に設定した後、バッフルに約１ｍｍの
水力直径を有するバイパス通路を形成した凝縮器とバイ
パス通路を形成しない従来の一般的な凝縮器とを準備し
てテストを行った。
【００４０】実験の結果、バイパス通路を形成した凝縮
器は、バイパス通路を形成しない凝縮器に比して圧力降
下量は少なかったが、放熱量は多少劣るということを再
び確認することができた。これによって本発明者らは、
バイパス通路の水力直径とチューブの水力直径との相関
関係が性能にある程度の影響を及ぼし得るという事実を
類推し、これを確認するために前記チューブの水力直径
の範囲即ち１−１．７ｍｍ中、最低値０．５倍から最高
値２倍まで（略０．５ｍｍ乃至３．４ｍｍの範囲）をバ
イパス通路の水力直径として設定し、実験を行い図９の
ような実験結果を得た。
【００４１】図９を参照して説明すると、バイパス通路
の水力直径のチューブの水力直径に対する比、ＤｈＢ／
ＤｈＴ値が一定の範囲を超過又は未満の場合、（バイパ
ス通路を設けたにもかかわらず）凝縮器の全体性能がそ
のまま表れないことが分かる。放熱性能面ではバイパス
通路を形成したものが低くなり、圧力降下側面では少 な
からず改善されたことを示している。
【００４２】前記の実験結果を総合してみると、バイパ
ス通路の水力直径のチューブの水力直径に対する比、Ｄ
ｈＢ／ＤｈＴ値が過度に小さい場合（図９のとおり０．
２８以下）は、バイパス通路の加工の問題に加えて実質
的な液冷媒のバイパス効果が期待しにくく、その反面過
度に大きい場合（図９ののように２．２５以上）は、液
冷媒ばかりでなく気相冷媒の一部が同時にバイパスされ
る可能性が大きくなるので、バイパス通路を形成する本
来の目的を達成することが難しくなるという事実と、ま
たチューブの水力直径が比較的小さい場合（略１ｍｍ未
満）、また比較的大きい場合（略１．７ｍｍ超）は、一
般的にチューブの水力直径に対するバイパス通路の水力
直径を反比例関係に設定することが好ましいが、その中
間範囲の水力直径を有するチューブに対しては後述のと
おり、冷媒流通路の有効断面積を考慮してバイパス通路
の水力直径を設定しなければならないことを確認した。
【００４３】バイパス通路の形状においても、本発明者
らは図２、３に示すように、バッフル（１９）に切取部
（２５）を形成してヘッダパイプ（１３、１４）と結合
するか、または図４のようにヘッダパイプ（１３、１
４）の内壁面を利用して形成するか、または図５、６の
ようにスクラッチ形状にバッフルを裂く方法等によって
バイパス通路を形成した凝縮器でも類似した結果を得
た。これはバイパス通路の形状と形成位置によって凝縮
器の性能には大きい影響を及ぼさないと解釈することが
できる。一方、下部側の冷媒流通路に行くほど液冷媒量
が多くなることに鑑みても、冷媒流入パイプ（１５）に
隣接した第１ヘッダパイプ（１３）の上部隔室（１３
ａ）とそれと隣接した中部隔室（１３ｂ）との間の冷媒
の疎通路を提供するバイパス通路の大きさ及び数は、中
部隔室（１３ｂ）と下部隔室（１３ｃ）との間の冷媒の
疎通を提供するバイパス通路の大きさ及び数より少ない
方が好ましいものと推察される。
【００４４】しかし、（予想に反して）下部冷媒流通路
側に向かって漸次的にバイパス通路の大きさを大きくす
るか、または生産性及び作業性等の理由で、バイパス通
路の大きさを同じに形成するとしても性能にはあまり影
響を及ぼさないことをテスト結果から確認することがで
きた。従って、バイパス通路の形態は、凝縮器の全体的
な性能には大きい影響を及ぼさないものと判断される。
図９の曲線Ａ、Ｂが示しているように、凝縮された液冷
媒をバイパスさせることは放熱性能より圧力降下の改善
に主眼点を置くものであって、バイパス通路が形成され
た凝縮器は、バイパス通路を形成しない凝縮器に比して
圧力降下量は少なからず改善される反面放熱性能が劣る
が、偏平チューブの水力直径に対するバイパス通路の水
力直径の比率を最適化することによって、一定した範囲
で放熱性能をある程度改善させ得る事実を確認すること
ができた。
【００４５】従って、本発明者らは、本発明による凝縮
器の放熱性能をバイパス通路を形成しない凝縮器より向
上させるために、チューブ及びバイパス通路からなる凝
縮器だけでなくバイパス通路を有する凝縮器（全般）に
適合するように、冷媒流通路の有効断面積を連関させな
ければならないことを類推し、これを確認するために冷
媒の流動位置別の流動特性、すなわち相変化の程度と冷
媒の流速などを考えて冷媒流通路を変化させながら実験
した結果、圧力降下の面で優れた効果が表れ、バイパス
通路を形成しない凝縮器より放熱性能面でも優れた凝縮
器が得られた。
【００４６】図１０乃至図１２は、偏平チューブの水力
直径とバイパス通路の水力直径及び冷媒流通路の数を変
化させながら実験した結果を示している。図１０は、バ
イパス通路の水力直径とチューブの水力直径に対する
比、即ち図９の実験結果に基づいてＤｈＢ／ＤｈＴ値を
略０．２８力至２．２５の範囲に設定した状態で、凝縮
器全体のチューブ数に対し入口側の冷媒流通路を形成す
るチューブ数を増加させながら放熱量及び圧力降下量を
測定した結果を示すグラフであって、実験に用いられた
凝縮器は４個の冷媒流通路を有し、バイパス通路の水力
直径とチューブの水力直径に対する比、ＤｈＢ／ＤｈＴ
が０．９５である凝縮器を用いた。
【００４７】グラフを参照すると、入口側の冷媒流通路
のチューブ数が全体チューブ数に対して４０％以下の場
合は、従来技術及び本発明の実験結果の全てにおいて、
放熱量（Ｑ：ＫＷ）が多少劣り、圧力降下量（ｄＰｒ：
Ｐａ）は多少増加するものであった。しかし、本発明の
凝縮器及び従来技術の凝縮器を表わすそれぞれ曲線Ｃ、
Ｅ及びＤ、Ｆが示すように、全体チューブ数に対する入
口側冷媒流通路の断面積が占める比率が略４０％乃至５
５％の場合、（２個の冷媒流通路の）既存のバイパス通
路を有する凝縮器に比して、本発明の凝縮器は放熱量及
び圧力降下量の面において多少優れた性能を示してい
る。
【００４８】また、３個の冷媒流通路と５個の冷媒流通
路を有する凝縮器に対する実験結果では、３個の冷媒流
通路の場合、入口側冷媒流通路の断面積が略５５％乃至
６５％において、５個冷媒冷媒流通路の場合は大略３０
％力至４５％において最適の性能を示した。これは入口
側冷媒流通路内の冷媒の相変化の程度が放熱性能に相当
な影響を及ぼし、入口側領域の比が大きくなることによ
って液相の冷媒がバイパスされる流量と、バイパスされ
ず再凝縮される気相の冷媒が流れる冷媒流通路との相関
関係を最適に設定した場合のみに放熱性能において優れ
た結果を示すことが確認できた。
【００４９】すなわち、凝縮器の流入パイプ側に入って
くる気相の冷媒は、比体積の大きさのために入口側冷媒
流通路で最も多い量の冷媒が凝縮されるので、凝縮され
た液相の冷媒をバイパスさせない場合、気相の冷媒と液
相の冷媒の不均一な流速の差異により圧力降下が発生
し、上述のように冷媒流動の抵抗要素として作用する
が、凝縮された液相の冷媒を適切にバイパスさせる場合
は、液冷媒がバイパスされることにより、チューブ側を
循環する気相冷媒の流動を円滑にし、下部冷媒流通路側
においても入口側の流速と大きな差異なく流れ得るよう
になり、総合的に凝縮器の性能が向上するものと判断さ
れる。
【００５０】凝縮器の設計条件を前記のように設定した
場合、圧力降下量を効率的に維持しつつ放熱量も増加さ
せ得るので、チューブの水力直径を小さくしながらも、
冷媒流通路の数をある程度増加させ得るようになり、ま
た水力直径が大きいチューブを用いる場合は、例えば冷
媒流通路の数を増やすとしても（すなわち、冷媒の全体
流路長さを増加させても）圧力降下量を許容範囲以内に
抑えることができるようになる。このような事実は同一
サイズの凝縮器の場合、本発明による凝縮器が従来技術
の凝縮器（バイパス通路の有無とは関係なく）に比して
より優れた性能を有することになり、これは言い換えれ
ば同一の性能を得るために凝縮器を設計する場合より小
型化された凝縮器が提供できる。
【００５１】図１１は、前記において設定したチューブ
の水力直径範囲の略１乃至１．７ｍｍにおいてチューブ
の水力直径を変化させた時、放熱性能（Ｑ：ＫＷ）と圧
力降下量（ｄＰｒ：Ｐａ）の変化推移を示したグラフで
あって、従来技術Ｉはバイパス通路のない一般的な凝縮
器であり、従来技術ＩＩは従来技術Ｉにバイパス通路を
形成した凝縮器を示す。グラフを参照すると、冷媒流通
路が４個の従来技術の凝縮器において入口側冷媒流通路
の断面積は、凝縮器全体の冷媒流通路断面積の略３０％
乃至４０％であるが、冷媒流通路に沿って流れながら凝
縮された冷媒がバイパスされ得るように、一定大きさの
バイパス通路を形成して実験した結果(Prior Art II)
は、バイパス通路のない(Prior Art I) 従来の凝縮器に
比して圧力降下量が相当低くなったが、放熱性能はバイ
パス通路のない凝縮器より劣り、バイパス通路がある凝
縮器の全体的な性能がバイパス通路を形成しない凝縮器
より劣ることを示す。
【００５２】しかし、本発明によってバイパス通路を形
成した図１の凝縮器で、入口側冷媒流通路（Ｐｌ）の断
面積を凝縮器の全体の冷媒流通路の断面積の略３０−６
５％に設定した場合、チューブの水力直径が増加するこ
とによって、放熱量は従来技術Ｉ、ＩＩに比して優れた
性能を示し、圧力降下量は従来技術Ｉに比して優れる
が、従来技術ＩＩに比しては多少劣るものであった。本
発明による凝縮器が従来技術ＩＩに比して圧力降下量が
多少大きい理由は、従来技術ＩＩの入口側領域が、本発
明による凝縮器の入口領域より小さいので、気相の冷媒
が液相冷媒と共にバイパスされる量が、本発明による凝
縮器より多いものと判断される。
【００５３】すなわち、図１１のグラフから一般的に用
いられるチューブの水力直径に関係なく、入口側の冷媒
流通路における凝縮量と、バイパス通路及び偏平チュー
ブの水力直径の比は、相互に相関関係があることが明ら
かとなり、入口側冷媒流通路における凝縮量、すなわち
入口側冷媒流通路の断面積を図１０に示した範囲内に設
定する時、凝縮器は最適の性能を示すことが判明した。
すなわち、バイパス通路とチューブ水力直径の比を最適
化し、入口側の冷媒流通路のチューブ数を凝縮器に形成
される全体の冷媒流通路の数を一定範囲に設定すること
により、要望する放熱量と圧力降下量を得ることができ
るということを意味する。
【００５４】図１２は図１１の条件で、冷媒流通路の数
を変えながら実験した結果の傾向を示したグラフであっ
て、冷媒流通路の数が増加するほど、放熱量と圧力降下
量とが同時に増加する。従来技街Ｉは、バイパス通路の
ない一般的な凝縮器であり、従来持術ＩＩは、バイパス
通路を有しているが、入口領域の断面積を本発明のそれ
より小さく設定した従来の凝縮器を示している。図１２
から、冷媒流通路の数が増加するほど放熱量は増加する
が、圧力損失も大きくなるので、冷媒流通路の数を過度
に多く設定することには問題が伴うことが分かる。すな
わち従来技術Ｉの場合、放熱量は増加するが圧力降下量
も急激に増加し、従来技術ＩＩの場合圧力降下量はあま
り急激に増加しないが放熱量の面においては従来技術Ｉ
に比して低い結果が表れ、図１１のグラフと同様の結果
を示している。
【００５５】しかし、本発明による凝縮器の場合、放熱
量が増加し、かつ、圧力降下量も急激に増加しないこと
から、同じ条件で冷媒流通路の数を多少拡張するとして
も大きい問題がないことが分かる。さらに、図９乃至図
１２に表れた結果を総合すると、凝縮器の性能（放熱量
及び圧力降下量）は１．並列流動型凝縮器で使用される
チューブの水力直径、２．チューブの水力直径に対する
バイパス通路の水力直径、３．流入パイプを通して流入
する冷媒の凝縮量を勘案した凝縮器全体のチューブ数と
入口側チューブ数の比、すなわち入口側冷媒流通路（Ｐ
ｌ）が占める断面積等の３条件を、冷媒流通路の数を考
慮に加え最適の状態に調和させる時凝縮器の性能改善効
果があることが分かる。
【００５６】すなわち、チューブの水力直径が略１乃至
１．７ｍｍの範囲内であり、バイパス通路水力直径とチ
ューブの水力直径に対する比、ＤｈＢ／ＤｈＴ値が略
０．２８乃至２．２５の範囲内であり、凝縮器全体の冷
媒流通路等に対する入口側冷媒流通路の占める断面積比
が略３０％乃至６５％の場合、並列流動型凝縮器におけ
る性能は、バイパス通路の有無に関係なく前記の３条件
を満足させ得なかった場合に対して優れた性能を表し
た。例えば、冷媒流通路が４個の凝縮器においては、チ
ューブの水力直径が略１．２乃至１．５ｍｍ以下であ
り、バイパス通路水力直径のチューブ水力直径に対する
比、ＤｈＢ／ＤｈＴの値が略０．４５乃至１．８５の範
囲内であり、入口側冷媒流通路のチューブが占める断面
積比率が略４０％乃至５５％の範囲内の場合に最適の性
能を示した。
【００５７】
【発明の効果】本発明による熱交換器は、凝縮器全体の
チューブ領域に対する入口領域の比とチューブの水力直
径とバイパス通路水力直径との相関関係を最適化するこ
とによって、同一の大きさで放熱量の向上及び冷媒の圧
力降下の低減を図ることが可能な凝縮器を提供すること
ができ、また凝縮器の設計条件を調整して多様な形態の
凝縮器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による凝縮器の正面図である。
【図２】ヘッダパイプとバッフル及びチューブの結合関
係を示す部分展開斜視図である。
【図３】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って切り取った本発明
の一実施の形態による断面図で ある。
【図４】本発明の他の実施の形態によるバイパス通路を
示す断面図である。
【図５】本発明のまた他の実施の形態によるバイパス通
路を示す断面図である。
【図６】（ａ）（ｂ）は、バイパス通路を形成する例を
概略的に示す説明図である。
【図７】車輌用エアコンシステムの冷媒循環回路を示す
概略図である。
【図８】図７の冷媒循環回路のｐ−ｈ線図である。
【図９】バイパス通路の水力直径と偏平チューブの水力
直径との比率変化による放熱量と圧力降下量の関係を示
すグラフである。
【図１０】全体チューブの数に対する入口領域チューブ
の数の比率変化による冷媒圧力降下及び放熱量の関係を
示すグラフである。
【図１１】チューブの水力直径変化による放熱量と圧力
降下量の関係を示すグラフ。
【図１２】凝縮器の冷媒流通路数の変化による冷媒圧力
降下及び放熱量の関係を示すグラフである。
【図１３】従来技術凝縮器の正面図である。
【図１４】従来技術凝縮器のバッフル手段周囲の構成要
素等の拡大断面図である。
【図１５】（ａ）（ｂ）は、図１４のバッフル手段の斜
視図及び分離斜視図であるである。
【符号の説明】
１０ 凝縮器 １１ 偏平チューブ １２ 波状フィン １３ 第１ヘッダパイプ １４ 第２ヘッダパイプ １３ａ、１３ｂ、１３ｃ 隔室 １９ バッフル ２５ バイパス切取部 ２５ａ、２８、２９ バイパス通路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 李 相 沃 大韓民国 大田廣域市 大▲徳▼區 新 一洞 168 ９−１番地 (72)発明者 呉 光 憲 大韓民国 大田廣域市 大▲徳▼區 新 一洞 168 ９−１番地 (72)発明者 金 龍 鎬 大韓民国 大田廣域市 大▲徳▼區 新 一洞 168 ９−１番地 (56)参考文献 特開 昭63−271099（ＪＰ，Ａ) 特開 昭47−44338（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−49783（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F25B 39/04 B60H 1/32 613 F28D 1/053 F28F 9/02 301

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 略半円又は楕円形状の断面を有し、相互
    に結合されて冷媒の流動路を形成するヘッダ及びタンク
    からなり、冷媒の流入パイプ及び流出パイプが連結され
    ると共に相互に平行に配置された一対のヘッダパイプ
    と、 水力直径が略１ｍｍ乃至略１．７ｍｍとなっている内部
    流体通路を多数有し、相互に等間隔で平行に隔設される
    ように前記一対のヘッダパイプに両端部が連結される多
    数の偏平チューブと、 この偏平チューブの外面及び隣接する偏平チューブ等の
    間に設けられる多数の波状フィンと、 前記それぞれのヘッダパイプの内部に設置される少なく
    とも１つのバッフルとを備え、 前記バッフルは、前記ヘッダパイプ内に形成されたスリ
    ットに挿入される突起を有し、その外周面が前記ヘッダ
    パイプの内周面と接面することによりヘッダパイプの内
    部を複数の隔室に区画し、当該区画によって前記冷媒の
    流入パイプと流出パイプとの間における一対のヘッダパ
    イプと多数の偏平チューブとにジグザグ形態の４個の冷
    媒流通路を形成し、 前記バッフルの少なくとも１つに相互に隣接する隔室の
    間に凝縮された液相の冷媒を通過させるバイパス通路が
    形成され、このバイパス通路の水力直径の前記偏平チュ
    ーブの水力直径に対する比が略０．２８乃至２．２５の
    範囲に設定されており、 前記流入パイプが設置される側のヘッダパイプの入口側
    における隔室と、この隔室と対向する他側のヘッダパイ
    プの隔室及びこれらの隔室の間に連結されている多数の
    偏平チューブにより形成される入口側冷媒流通路の断面
    積が、凝縮器全体の冷媒流通路の断面積に対して略４５
    ％乃至５５％の範囲に設定されていることを特徴とする
    車輌エアコン用の多重流動型凝縮器。
  2. 【請求項２】 前記バイパス通路は、前記バッフルの略
    中心部にスクラッチングにより形成されたことを特徴と
    する請求項１記載の車輌エアコン用の多重流動型凝縮
    器。
  3. 【請求項３】 前記バイパス通路は、前記それぞれのバ
    ッフルの外周面に少なくとも１つ形成されたことを特徴
    とする請求項１記載の車輌エアコン用の多重流動型凝縮
    器。
  4. 【請求項４】 前記バイパス通路は前記バッフルに形成
    され、前記流入パイプから前記流出パイプ側に行くほ
    ど、前記バイパス通路の数が漸次的に増加することを特
    徴とする請求項１記載の車輌エアコン用の多重流動型凝
    縮器。
  5. 【請求項５】 前記バイパス通路は前記バッフルに形成
    され、前記流入パイプから前記流出パイプ側に行くほ
    ど、前記バイパス通路の水力直径の前記偏平チューブの
    水力直径に対する比の範囲内で前記バイパス通路の水力
    直径が漸次的に増加されることを特徴とする請求項１記
    載の車輌エアコン用の多重流動型凝縮器。
  6. 【請求項６】 前記バイパス通路は、前記それぞれのヘ
    ッダパイプの内周面に少なくとも１つ形成されたことを
    特徴とする請求項１記載の車輌エアコン用の多重流動型
    凝縮器。
  7. 【請求項７】 前記バイパス通路は前記流入パイプから
    前記流出パイプ側に行くほど、前記バイパス通路の水力
    直径の前記偏平チューブの水力直径に対する比の範囲内
    で前記バイパス通路の水力直径が漸次的に増加されるこ
    とを特徴とする請求項６記載の車輌エアコン用の多重流
    動型凝縮器。
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