JP2005061778A - 蒸発器 - Google Patents

Abstract

【課題】 蒸発効率を向上させ得るとともに、流通する冷媒の流動抵抗を格段と低下させることができる蒸発器を提供する。
【解決手段】 熱交換媒体の流通部内に配置され、当該流通部を複数の媒体流路に区画するとともに、当該区画した各媒体流路を熱交換媒体の流れ方向に対して直交する方向に所定間隔でオフセットするインナーフィン５ａを設けた蒸発器において、インナーフィン５ａが所定間隔でオフセットされた複数のルーバ部Ｒを有し、当該各ルーバ部Ｒの流通部を区画した壁面の熱交換媒体の流れ方向における上流側端部Ｒ１が、当該流れ方向に対して略くの字型に傾斜した形状でなるようにした。
【選択図】 図３

Description

本発明は蒸発器に関し、例えば自動車用空気調和装置等に用いられる蒸発器に適用して好適なものである。

従来、この種の蒸発器である熱交換器においては、入口側のタンクから熱交換媒体（例えば、冷媒）の流通部としてのチューブ内に流入した冷媒が、この流通部を通過する際に過熱され蒸発するようになっている。このため、この流通部内に図１０に示すような、冷媒流れ方向に対して直交する方向の断面が波形のインナーフィン１００を設け、当該インナーフィン１００によって、このチューブ内を複数の冷媒流路１０１に区画して冷媒に対する伝熱面積を拡大することで、伝熱効率（すなわち冷媒の蒸発効率）を向上することが図られている。

また、例えば特許文献１には、このインナーフィンとして図１１に示すように、冷媒流路１１１を冷媒流れ方向に対して直交する方向に所定間隔でオフセットするように成形したオフセットフィン１１０を用いることで、伝熱効率のより一層の向上を図る技術が開示されている。
特開平５−２３１７９２号公報

しかしながら、かかる特許文献１の技術においては、冷媒流路１１１内を通過する冷媒が液状である場合、この冷媒が表面張力によって図１２に示すように、オフセットフィン１１０とチューブ１１２との接合部近傍に集まり易く、この部分における液状冷媒の膜厚が厚くなり、冷媒に対する伝熱効率（蒸発効率）が低下する傾向にあり、逆にオフセットフィン１１０のチューブ１１２内を区画する壁面部では、前記液状冷媒の膜厚が薄くなり、冷媒に対する伝熱効率（蒸発効率）が高くなる傾向にある。

このため、前記オフセットフィン１１０とチューブ１１２との接合部近傍と、オフセットフィン１１０の壁面部とで冷媒に対する蒸発効率が異なり、熱交換器の性能を低下させる場合があった。

このような現象は、インナーフィン（オフセットフィン１１０）のフィンピッチが小さくなるほど顕著になり、液状冷媒の偏在が蒸発効率に及ぼす影響は大きくなる。

また、このようなオフセットフィン１１０の前記壁面部における冷媒流れ方向の上流側端部は、この冷媒流れに対して直線で形成されているため、冷媒流路１１１内を流れる冷媒が、このオフセットフィン１１０の上流側端部にほぼ垂直に衝突し、冷媒の流動抵抗が高くなる傾向があった。

しかも、この場合、前記オフセットフィン１１０とチューブ１１２との接合部近傍に集まった冷媒により、冷媒流路１１１における冷媒の通路断面積が小さくなるため、冷媒の流動抵抗がより一層高くなる問題があった。

そこで、本発明は上述した問題点に鑑みてなされたもので、蒸発効率を向上させ得るとともに、流通する熱交換媒体の流動抵抗を格段と低下させることができる蒸発器を提供するものである。

請求項１にあっては、熱交換媒体の流通部内に配置され、当該流通部を複数の媒体流路に区画するとともに、当該区画した各媒体流路を熱交換媒体の流れ方向に対して直交する方向に所定間隔でオフセットするインナーフィンを設けた蒸発器において、インナーフィンが所定間隔でオフセットされた複数のルーバ部を有し、当該各ルーバ部の流通部を区画した壁面の熱交換媒体の流れ方向における上流側端部が、当該熱交換媒体の流れ方向に向けて略くの字型に窪むように傾斜した形状でなるようにした。

請求項２にあっては、請求項１の熱交換媒体が気液２相の冷媒でなるようにした。

請求項１によれば、インナーフィンが熱交換媒体の流れ方向に対して直交する方向に所定間隔でオフセットされた複数のルーバ部を有し、当該各ルーバ部の壁面における熱交換媒体の流れ方向の上流側端部が、当該熱交換媒体の流れ方向に向けて略くの字型に窪むように傾斜した形状でなるようにしたことにより、流通する熱交換媒体の流動範囲を各ルーバ部における流通部との接合部近傍から、各ルーバ部における壁面中央側へと拡大させ、当該各ルーバ部に熱交換媒体を略均一に接触させることができ、かくして伝熱効率、すなわち蒸発効率を向上させることができるとともに、各ルーバ部を流通する熱交換媒体の流動抵抗を格段と低下させることができる蒸発器を実現することができる。

請求項２によれば、請求項１の熱交換媒体が気液２相の冷媒でなることにより、この冷媒の液相部分を、流通部と各ルーバ部とでなる媒体流路内に均一に接触させることができるとともに、この冷媒の液相部分が均一で接触してなる媒体流路内、すなわち周りが冷媒の液相部分で囲まれた媒体流路内に冷媒の気相部分を流通させることができ、冷媒の液相部分に対し、媒体流路側（すなわち、外側）から熱交換させつつ、当該媒体流路内の冷媒の気相部分が流通する側（すなわち、内側）から当該冷媒の気相部分によって前記熱交換を促進させることができるため、蒸発効率をより一層向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態について図面に基づき詳述する。

〔第１実施形態〕
図１〜図３は、本発明による蒸発器の第１実施形態を示し、図１は本実施形態による蒸発器としての熱交換器の概略構成を示す斜視図、図２は図１の熱交換器における縦（矢印ａ方向）断面を示す断面図、図３は図１の熱交換器の一部を拡大して示す分解斜視図である。

図１において１は、本実施形態による積層型の熱交換器を示し、コア２の左右方向（図中矢印ａ方向）両端部に一対のタンク３ａ、３ｂを取付けて構成されている。

このコア２は、図２および図３に示すように、複数（この場合、６枚）のプレート４１、４２、４３、４４、４５、４６と、これらプレート４１〜４６の端部（例えば、プレート４１、４２間においてはコア２の前後方向（図中矢印ｂ方向）両端部、プレート４２、４３間においてはコア２の前記左右方向両端部）に、それぞれ設けられる複数（この場合、各層毎に２本ずつ）のスペーサとしてのバー６ａ、６ａおよび６ｂ、６ｂとが交互に積層され、各層において熱交換媒体を流通する流通部であるチューブとして機能するように構成されている。

また、これらプレート４１〜４６間における各バー６ａ、６ａおよび６ｂ、６ｂ間には、それぞれ後述する矩形状に波形で形成され、チューブ内を複数の熱交換媒体流路に区画するルーバ部Ｒが、所定間隔ごとに当該熱交換媒体流路における熱交換媒体の流れ方向に対して直交する方向にオフセットされてなるオフセットフィンとしてのインナーフィン５ａおよびアウターフィン５ｂが介装されている。

このとき、図３に示すように、プレート４２と次段（すなわち、上方から３段目）のプレート４３との間の層は、その左右方向（前記矢印ａ方向）の両端部をバー６ｂ、６ｂにより閉塞され、当該バー６ｂ、６ｂ間に介装されたアウターフィン５ｂの各波形、すなわち各ルーバ部Ｒは前記前後方向（矢印ｂ方向）に延びており、この層は、その前後両側において外部に連通している。なお、プレート４４−４５間の層も同様に構成され、以下これらの層を偶数層と称する。

これに対し、前記３段目のプレート４３と４段目のプレート４４との間の層は、その前後方向（矢印ｂ方向）の両端部をバー６ａ、６ａにより閉塞され、当該バー６ａ、６ａ間に介装されたインナーフィン５ａの各ルーバ部Ｒは左右方向（矢印ａ方向）に延びており、この層は、その左右両側においてそれぞれタンク３ａ、３ｂ内に連通している。なお、プレート４１−４２間およびプレート４５−４６間の層も同様に構成され、以下これらの層を奇数層と称する。

このように、かかる熱交換器１では、これらバー６ａおよびインナーフィン５ａの組合わせとバー６ｂおよびアウターフィン５ｂの組合わせが交互に配設されており、このコア２を構成する各構成部品、すなわちプレート４１〜４６、インナーフィン５ａ、アウターフィン５ｂおよびバー６ａ、６ｂは、互いにろう材８を介して積層され、それぞれの接触部においてろう付されるようになっている。

因みに、図１および図２中符号７ａ、７ｂはタンク３ａ、３ｂの下部および上部に設けられる媒体出口用および媒体流入用の配管であり、当該媒体流入用配管７ａからタンク３ａに流入した熱交換媒体、例えば気液２層でなる冷媒は前記インナーフィン５ａを設けた前記奇数層を通って対向するタンク３ｂに達し、媒体出口用配管７ｂから流出するようになされている。

また、前記アウターフィン５ｂを設けた前記偶数層には他の熱交換媒体、例えば空気等が流通し、これら直交して流れる両熱交換媒体間にインナーフィン５ａ、アウターフィン５ｂおよびプレート４１〜４６を介して順次熱交換が行われるようになされている。

ここで、これらインナーフィン５ａおよびアウターフィン５ｂは図１および図３に示すように、それぞれルーバ部Ｒが所定間隔ごとに熱交換媒体の流れ方向に対して直交する方向にオフセットされて形成されているとともに、当該各ルーバ部Ｒにおける熱交換媒体の流れ方向の上流側端部Ｒ１が、当該熱交換媒体の流れ方向に向けて略くの字型に窪むように傾斜した形状で形成されている。

このように、インナーフィン５ａおよびアウターフィン５ｂにおけるルーバ部Ｒの上流側端部Ｒ１を略くの字型に傾斜させて形成することによって、流通する熱交換媒体の流れが曲げられ、図４に示すように、流通部としてのインナーフィン５ａ、アウターフィン５ｂ（すなわち、各ルーバ部Ｒ）における上下のプレート４１−４２、４２−４３、４３−４４、４４−４５、４５−４６との接合部近傍から、インナーフィン５ａ、アウターフィン５ｂ（すなわち、各ルーバ部Ｒ）における壁面中央側へと熱交換媒体の流動範囲を拡大させることができる。

特に、インナーフィン５ａにおいては、冷媒中の液相部分の流動範囲を拡大させることができるため、当該液相部分の冷媒を各ルーバ部Ｒにおける上下のプレート４１−４２、４３−４４、４５−４６と各ルーバ部Ｒとでなる冷媒流路内に
略均一に接触させて蒸発効率（伝熱効率）を向上させることができるとともに、冷媒中の気相部分を前記液相で囲まれた冷媒流路内を通して流通することにより、前記冷媒中の液相部分に対し、内側から効率的に熱交換を促進させることができる。

しかも、このとき、各ルーバ部Ｒにおける前記上流側端部Ｒ１が、冷媒流れ方向に向けて略くの字型に傾斜して形成されていることから、流通する冷媒の流動抵抗を格段と低下させることができる。

因みに、これらインナーフィン５ａ、アウターフィン５ｂの各ルーバ部Ｒは、熱交換器のサイズ等によって適宜設定されたサイズにより形成されるが、隣り合う一対の上流側端部Ｒ１間のピッチＰ１が1.0〜3.0〔mm〕程度、各層（例えば、プレート４１−４２間）における高さＴ１が1.0〜2.0〔mm〕程度、前記冷媒流れ方向における上流側端部Ｒ１間の長さＬ１が1.0〜10.0〔mm〕程度、上流側端部Ｒ１の傾斜角度Ｖ１が18〔°〕〜80〔°〕程度で形成されるのが好ましい。

このルーバ部Ｒの傾斜角度Ｖ１については、以下の理由から設定されている。すなわち、前記流動抵抗は図５に示す縦軸に流動抵抗率、横軸にルーバ部Ｒの傾斜角度Ｖ１をとって表すグラフから見てわかるように、ルーバ部Ｒの傾斜角度Ｖ１に応じて変化しており、傾斜角度Ｖ１が小さくなるほど流動抵抗が小さくなる傾向が見受けられる。

例えば傾斜角度Ｖ１が80〔°〕付近では、傾斜角度Ｖ１が90〔°〕（すなわち、ルーバ部Ｒに傾斜角度Ｖ１を設けない場合）における流動抵抗の約95〔%〕に低下しており、傾斜角度Ｖ１が60〔°〕付近では、約65〔%〕にまで低下している。このことから、ルーバ部Ｒの傾斜角度Ｖ１は約80〔°〕以下であることが好ましく、より好ましくは約75〔°〕以下の設定と考えられる。

その一方で、ルーバ部Ｒの傾斜角度Ｖ１を小さくすると、ルーバ部Ｒの下流側端部におけるルーバ部Ｒの傾斜の始まる根本部から傾斜の頂点となる中央部までの長さＬ２（以下、これを突出量Ｌ２と称する）が長くなる傾向があり、このように突出量Ｌ２が長くなると、各フィン５ａ、５ｂの温度が低下するため、冷媒に対する伝熱効率が低下してしまうおそれがある。従って、この突出量Ｌ２は有効な長さがあると言う理由から、各フィン５ａ、５ｂ（すなわちルーバ部Ｒ）の高さＴ１の約1.5倍までとすることが望ましい。

このことから、図６に示す縦軸にルーバ部Ｒの高さＴ１に対する突出量Ｌ２の比、横軸にルーバ部Ｒの傾斜角度Ｖ１をとって表すグラフによると、傾斜角度Ｖ１が約18〔°〕付近以下では突出量Ｌ２がルーバ部Ｒの高さの約1.5倍以上となるため、ルーバ部Ｒの傾斜角度Ｖ１は約18〔°〕以上であることが好ましい。

このように、この熱交換器１では、積層してなるコア２に介在するインナーフィン５ａ、アウターフィン５ｂの各ルーバ部Ｒにおける上流側端部Ｒ１を、熱交換媒体の流れ方向に向けて略くの字型に窪むように傾斜して形成したことにより、流通する熱交換媒体の流動範囲を各ルーバ部Ｒにおける上下のプレート４１−４２、４２−４３、４３−４４、４４−４５、４５−４６との接合部近傍から、各ルーバ部Ｒにおける壁面中央側へと拡大させ、当該各ルーバ部Ｒに熱交換媒体を略均一に接触させて蒸発効率（伝熱効率）を向上させることができるとともに、各ルーバ部Ｒを流通する熱交換媒体の流動抵抗を格段と低下させることができる。

また、この熱交換器１では、インナーフィン５ａ内を流通する熱交換媒体として気液２相の冷媒を用いることにより、この冷媒の液相部分を、各ルーバ部Ｒにおける上下のプレート４１−４２、４３−４４、４５−４６と各ルーバ部Ｒとでなる冷媒流路内に均一に接触させることができるとともに、この冷媒の液相部分が均一で接触してなる冷媒流路内、すなわち周りが冷媒の液相部分で囲まれた冷媒流路内に冷媒の気相部分を流通させることができ、冷媒の液相部分に対し、冷媒流路側（すなわち、外側）から熱交換させつつ、当該冷媒流路内の冷媒の気相部分が流通する側（すなわち、内側）から当該冷媒の気相部分によって前記熱交換を促進させることができるため、蒸発効率をより一層向上させることができる。

〔第２実施形態〕
図７〜図９は、本発明による蒸発器の第２実施形態を示し、図７は本実施形態による蒸発器としての熱交換器の概略構成を示す斜視図、図８は図７の熱交換器における要部（コア）の断面を示す断面図、図９は図８におけるＡ−Ａ断面図である。

図７において１０は、本実施形態による積層型の熱交換器を示し、後述するコア１１を備えている。このコア１１は、図８および図９に示すように、略Ｕ字形の熱交換媒体である冷媒を流通する冷媒流路形成用凹部４１と、当該冷媒流路形成用凹部４１の上端に連なる一対のヘッダ形成用凹部４４とを有する略方形のプレート４０が、隣り合うもの同志相互に冷媒流路形成用凹部４１とヘッダ形成用凹部４４とを対向させた状態に順次積層されて接合されることにより、並列状の偏平管部１４と各偏平管部１４の上端に連なるヘッダ部１２とが形成されてなり、隣り合う偏平管部１４、１４の間には、図８における紙面上下方向に向けて波形のアウターフィン５ｂが介在されている。

各プレート１４における冷媒流路形成用凹部４１の略中央部には、図９における紙面上下方向に仕切用凸部４２が突設され、当該冷媒流路形成用凹部４１の上端より下端寄り部分まで延設されている。この仕切用凸部４２により、各偏平管部１４内には、仕切用凸部４２の左右に形成された垂直部４３ａと、左右の垂直部４３ａを連通する水平連通部４３ｂとによりなる略Ｕ字形の冷媒流路４３が形成されている。この水平連通部４３ｂには、例えば円形状の凸部４６が所定間隔で突設されている。また、前記一対のヘッダ形成用凹部４４の底壁には所要箇所を除いて、それぞれ略円形の冷媒通過孔４５が穿設されている。

熱交換器１０におけるコア１１の積層方向両外側には、サイドプレート１３がそれぞれ配置され、各サイドプレート１３と偏平管部１４との間にもアウターフィン５ｂが介在されている。

熱交換器１０における図７中左側の媒体流入用配管７ａより同側のヘッダ部１２に導入された冷媒は、これより偏平管部１４の内部に流入するが、ヘッダ部１２の所要箇所においてプレート４０における一方のヘッダ形成用凹部４４の底壁に冷媒通過孔４５が開口されておらず塞がれているために、冷媒は各偏平管部１４内の冷媒流路４３をＵ字形に流れ、さらに同箇所において他方のヘッダ形成用凹部４４の底壁に開口された冷媒通過孔４５から、その後のヘッダ部１２へと進み、熱交換器１０内を全体として蛇行状に流れて、最後のヘッダ部１２から媒体出口用配管７ｂへと排出されるようになされている。

各偏平管部１４内の冷媒流路４３には、左右一対のインナーフィン５ａが配設されている。各インナーフィン５ａは、それぞれルーバ部Ｒ（図３参照）が所定間隔ごとに冷媒流れ方向に対して直交する方向にオフセットされて形成されているとともに、当該各ルーバ部Ｒにおける冷媒流れ方向の上流側端部Ｒ１が、当該冷媒流れ方向に向けて略くの字型に窪むように傾斜した形状で形成されている。

このとき、各インナーフィン５ａの各ルーバ部Ｒは、熱交換器のサイズ等によって適宜設定されたサイズにより形成され、その詳細は上述した第１実施形態とほぼ同様に設定されるため、説明は省略する。

このように、この熱交換器１０では、積層してなるコア１１の偏平管部１４内に介在するインナーフィン５ａの各ルーバ部Ｒにおける上流側端部Ｒ１を、冷媒流れ方向に向けて略くの字型に窪むように傾斜して形成したことにより、流通する冷媒の流動範囲を各ルーバ部Ｒにおける隣り合うプレート４０、４０間の接合部近傍から、各ルーバ部Ｒにおける壁面中央側へと拡大させ、当該各ルーバ部Ｒに冷媒を略均一に接触させて蒸発効率（伝熱効率）を向上させることができるとともに、各ルーバ部Ｒを流通する冷媒の流動抵抗を格段と低下させることができる。

また、この熱交換器１０では、インナーフィン５ａ内を流通する熱交換媒体として気液２相の冷媒を用いることにより、この冷媒の液相部分を、各ルーバ部Ｒにおける隣り合うプレート４０、４０と各ルーバ部Ｒとでなる冷媒流路４３内に均一に接触させることができるとともに、この冷媒の液相部分が均一で接触してなる冷媒流路４３内、すなわち周りが冷媒の液相部分で囲まれた冷媒流路４３内に冷媒の気相部分を流通させることができ、冷媒の液相部分に対し、冷媒流路４３側（すなわち、外側）から熱交換させつつ、当該冷媒流路４３内の冷媒の気相部分が流通する側（すなわち、内側）から当該冷媒の気相部分によって前記熱交換を促進させることができるため、蒸発効率をより一層向上させることができる。

なお、本発明の熱交換器１を上述した第１および第２実施形態を例に取って説明したが、本発明はこれに限ることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種実施形態を採用することができる。

例えば、上述の第１実施形態では、プレート４２−４３間、プレート４４−４５間、すなわち偶数層のバー６ｂ間にオフセットフィンでなるアウターフィン５ｂを設けるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、これら偶数層のバー６ｂ間にアウターフィン５ｂを設けなくてもよい。この場合、部品点数を削減でき、生産面におけるコストを低減できる利点を得ることができる。一方、上述した第１実施形態の熱交換器１の前記偶数層のバー６ｂ間に、第２実施形態の熱交換器１０におけるアウターフィン５ｂ（すなわち、単に熱交換媒体の流通方向と垂直方向に波形のフィン）を設けた場合、上述した第１実施形態とほぼ同様に偶数層における熱交換媒体の流通抵抗を増やし、熱交換効率を向上し得る利点を得ることができる。

本発明にかかる熱交換器の第１実施形態における概略構成を示す斜視図である。 図１の熱交換器における縦断面を示す断面図である。 図１の熱交換器における要部を分解して示す斜視図である。 図１の熱交換器における冷媒の流通状態を示す拡大断面図である。 本発明にかかる冷媒の流動抵抗率とルーバ部の傾斜角度との関係を示す曲線グラフである。 本発明にかかるルーバ部の高さに対する突出量の比とルーバ部の傾斜角度との関係を示す曲線グラフである。 本発明にかかる熱交換器の第２実施形態における概略構成を示す斜視図である。 図７の熱交換器における要部（コア）の断面を示す断面図である。 図８におけるＡ−Ａ断面図である。 従来のインナーフィンを示す斜視図である。 従来のオフセットフィンを示す斜視図である。 図１１のオフセットフィンにおける冷媒の流通状態を示す拡大断面図である。

符号の説明

１、１０・・・熱交換器（蒸発器）
２、１１・・・コア
４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６・・・プレート
５ａ・・・インナーフィン
５ｂ・・・アウターフィン
Ｒ・・・ルーバ部
Ｒ１・・・上流側端部
Ｌ２・・・突出量
Ｔ１・・・高さ
Ｖ１・・・傾斜角度

Claims (2)

1. 熱交換媒体の流通部内に配置され、当該流通部を複数の媒体流路に区画するとともに、当該区画した各媒体流路を上記熱交換媒体の流れ方向に対して直交する方向に所定間隔でオフセットするインナーフィン（５ａ）を設けた蒸発器（１、１０）において、
   上記インナーフィン（５ａ）が上記所定間隔でオフセットされた複数のルーバ部（Ｒ）を有し、
   当該各ルーバ部（Ｒ）の上記流通部を区画した壁面の上記熱交換媒体の流れ方向における上流側端部（Ｒ１）が、
   当該熱交換媒体の流れ方向に向けて略くの字型に窪むように傾斜した形状でなる
   ことを特徴とする蒸発器（１、１０）。
2. 上記熱交換媒体が気液２相の冷媒でなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の蒸発器（１、１０）。
   

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