JP2005300073A - 蒸発器 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷媒の液相とガス相をほぼ均一に複数の各チューブに均等に分配して、熱交換効率を格段と向上させることができる蒸発器を提供することを目的とする。
【解決手段】 複数の積層されたチューブ１０１と、この一端側が連通された入口側タンク１０３と、他端側が連通された出口側タンク１０４と、入口側タンク１０３に接続され冷媒を供給する冷媒入口パイプ１０５と、出口側タンク１０４に接続されチューブ１０１内を流通した冷媒を外部へ排出する冷媒出口パイプ１０６とを備え、入口側タンク１０３がチューブ１０１の下方に配置される蒸発器１００において、入口側タンク１０３を、偏平タンク部１０３ｂと、冷媒流通方向に直交する高さ方向の寸法が、偏平タンク部１０３ｂに比較して高い寸法で形成されるサイドタンク部１０３ａとで構成し、サイドタンク部１０３ａに冷媒入口パイプ１０５を、偏平タンク部１０３ｂにチューブ１０１を接続した。
【選択図】 図１

Description

本発明は熱交換器、より詳しくは自動車用空気調和装置等に用いられる蒸発器に関し、特に、複数のチューブ内に冷媒を供給する入口側タンクの構造に関するものである。

従来、この種の蒸発器としては、図７に示すような蒸発器３０がある。この蒸発器３０は、図７に示すように、積層された複数のチューブ３１と、このチューブ３１、３１間に配置された複数の波形フィン（図示省略する）と、複数のチューブ３１の下端が挿入されて接続された入口側タンク３２と、これら複数のチューブ３１の上端が挿入されて接続された出口側タンク（図示省略する）と、これら入口側タンク３２、出口側タンクの一端側に接続された冷媒入口パイプ３３、冷媒出口パイプ（図示省略する）とを備えている。

各チューブ３１内にはチューブ３１の長手方向に配置されたストレート状の冷媒通路（図示省略する）が形成され、この冷媒通路の一端が入口側タンク３２内に、冷媒通路の他端側が出口側タンク内にそれぞれ連通されている。

次に、前記蒸発器３０における冷媒の流れについて説明する。まず、冷媒入口パイプ３３から入口側タンク３２内に流入した冷媒（この場合、気液２相からなる冷媒）は、入口側タンク３２より各チューブ３１へと分配され、これら各チューブ３１の冷媒通路に送給される。

チューブ３１の冷媒通路に流入した冷媒は、ストレート状の経路に沿って上方へと流れ、この冷媒通路を流れる過程で外部の流体との間で熱交換が行われる。冷媒通路を流れた冷媒は、出口側タンク内に流入し、ここで他のチューブ３１の冷媒通路を流動して来た冷媒と合流した後に冷媒出口パイプより流出される。

しかしながら、上述のように冷媒入口パイプ３３を入口側タンク３２の一端側に単純に接続し、冷媒を１箇所より供給する構造では、冷媒の内で比重の小さいガス相が上方に滞留するため、入口側タンク３２において冷媒入口パイプ３３に近い位置に設けられたチューブ３１の冷媒通路に冷媒のガス相が多く、冷媒入口パイプ３３より遠い冷媒流通方向下流の位置に設けられたチューブ３１の冷媒通路に冷媒の液相が多く流入することになる。このように、複数のチューブ３１内において液相とガス相の比率の異なる冷媒が流れると、蒸発器３０の全域で効率的な熱交換を行うのが困難になってしまう。

かかる問題を解決する１つの手法として、例えば、図８および図９に示すような蒸発器１が考案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この蒸発器１は、図示しない送風機によって送風される空気流れ方向Ａに、２列配置された複数のチューブ２、３、４、５を有する。そして、これらのチューブ２〜５は全て断面偏平状の冷媒通路を構成し、それぞれ前記空気流れ方向Ａと直交する方向に並列配置されている。空気流れ方向Ａの下流側に配置されたチューブ２、３は冷媒入口側コア部Ｘの冷媒通路を構成し、空気流れ方向Ａの上流側に配置されたチューブ４、５は冷媒出口側コア部Ｙの冷媒通路を構成する。

これら冷媒入口側コア部Ｘと冷媒出口側コア部Ｙの上方には、それぞれ冷媒入口６と冷媒出口７とが設けられ、膨張弁（図示省略する）等の減圧手段によって減圧され膨張した低温低圧の気液２相冷媒の流入と、蒸発器１にて蒸発したガス冷媒の流出とを行うようになっている。

チューブ２の上方には、冷媒入口側となるタンク８が配置され、チューブ２の下方には、冷媒出口側となるタンク９が配置されている。このとき、このタンク９は、チューブ２に並列配置されたチューブ３の下方にも接続され、このチューブ３に対しては冷媒入口側の役目を果たすようになっている。また、このチューブ３の上方にはタンク１０が配置され、冷媒出口側の役目を果たすようになっている。

一方、チューブ５の上方には冷媒入口側となるタンク１１が配置され、チューブ５の下方には、冷媒出口側となるタンク１２が配置されている。このとき、このタンク１２は、チューブ５に並列配置されたチューブ４の下方にも接続され、このチューブ４に対しては冷媒入口側の役目を果たすようになっている。また、このチューブ４の上方にはタンク１３が配置され、冷媒出口側の役目を果たすようになっている。

そして、タンク８とタンク１０との間は仕切り板１４が設けられることによって仕切られ、タンク１１とタンク１３との間は仕切り板１５が設けられることによって仕切られている。これに対して、下方のタンク９およびタンク１２は、仕切りなしで蒸発器１の幅方向全長に亘って１つの流路として連通している。このような配置において、各チューブ（２〜５）は、それぞれ対応するタンク（８〜１３）と連通している。

また、空気流れ方向Ａにおいて隣接する上部のタンク８とタンク１３との間、上部のタンク１０とタンク１１との間、および下部のタンク９とタンク１２との間には、いずれも蒸発器１の幅方向全長に亘って延びる仕切り壁１６、１７が形成されている。

但し、上部の仕切り壁１６のうち、タンク１０、タンク１１の間を仕切る右側の部位には、タンク１０、１１を直結するバイパス穴１８が複数個設けてあり、冷媒の行き来が可能となっている。

さらに、各チューブ２〜５の相互の間には波形に成形されたフィン（コルゲートフィン）１９が配置されるとともに、各チューブ２〜５の内部には波形に成形されたインナーフィン２０が配置されている。

ここで、この蒸発器１における冷媒の流れについて説明する。まず、冷媒入口６からタンク８内に流入した冷媒は、チューブ２の冷媒通路を流通し、この冷媒通路を流れる過程で外部の流体との間で熱交換が行われ、タンク９へと送給される（図８の矢印ａ）。

次に、このタンク９へ流入した冷媒は、タンク９内をチューブ３側へ流動し（図８の矢印ｂ）、この後、チューブ３の冷媒通路を流通して、この冷媒通路を流れる過程で外部の流体との間で熱交換が行われ、タンク１０へと送給される（図８の矢印ｃ）。このタンク１０へ流入した冷媒は、バイパス穴１８を介して空気流れ方向Ａに隣接するタンク１１へ送給（図８の矢印ｄ）された後、チューブ５の冷媒通路を流通し、この冷媒通路を流れる過程で外部の流体との間で熱交換が行われ、タンク１２へと送給される（図８の矢印ｅ）。

次に、このタンク１２へ流入した冷媒は、タンク１２内をチューブ４側へ流動（図８の矢印ｆ）し、この後、チューブ４の冷媒通路を流通して、この冷媒通路を流れる過程で外部の流体との間で熱交換が行われ、タンク１３へと送給される（図８の矢印ｇ）。このようにしてタンク１３に流入した冷媒は、タンク１３内を流動（図８の矢印ｈ）し、冷媒出口７から流出する。

このように、かかる蒸発器１によれば、複数のタンク８〜１３を設け、冷媒を熱交換させる熱交換サイクルを分割したことにより、冷媒に対する伝熱面積を拡大して効率的な熱交換を行うことができるため、熱交換効率（伝熱性能）の向上を図ることができる。
特開２００１−３２４２９０号公報（第３頁ないし第６頁、第１図参照）

しかしながら、かかる特許文献１の蒸発器１では、図９に示すように、チューブ２に対して冷媒入口側となるタンク８において、冷媒流通方向の上流側でガス相冷媒が少なくなり、下流側で液相冷媒が少なくなる。また、チューブ３に対して冷媒入口側となるタンク９においては、冷媒流通方向の上流側で液相冷媒が少なくなり、下流側でガス相冷媒が少なくなる。

さらに、チューブ５に対して冷媒入口側となるタンク１１では、タンク９からタンク１０への冷媒供給の不具合に準じて、冷媒流通方向の上流側でガス相冷媒が少なくなり、下流側で液相冷媒が少なくなる。また、チューブ４に対して冷媒入口側となるタンク１２においては、冷媒流通方向の上流側で液相冷媒が少なくなり、下流側でガス相冷媒が少なくなる。

このため、複数のチューブ２〜５内において液相とガス相の比率を均一にすることができず、蒸発器１の全域で効率的な熱交換を行うのが困難になってしまう未だ不十分な問題があった。

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あり、冷媒の液相とガス相とをほぼ均一に複数のチューブにそれぞれ均等に分配して、熱交換効率を格段と向上させることができる蒸発器を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、複数の積層されたチューブと、上記複数のチューブの一端側がそれぞれ挿入されて連通された入口側タンクと、上記複数のチューブの他端側がそれぞれ挿入されて連通された出口側タンクと、上記入口側タンクに接続され当該入口側タンク内に冷媒を供給する冷媒入口パイプと、上記出口側タンクに接続され上記複数のチューブ内を流通した冷媒を外部へ排出する冷媒出口パイプとを備え、上記入口側タンクが上記複数のチューブの下方に配置される蒸発器において、上記入口側タンクを、偏平タンク部と、上記冷媒の流通方向に直交する高さ方向の寸法が、上記偏平タンク部に比較して高い寸法で形成されるサイドタンク部とで構成し、上記サイドタンク部に上記冷媒入口パイプを接続するとともに、上記偏平タンク部に上記複数のチューブを接続したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の蒸発器であって、上記サイドタンク部が、上記冷媒入口パイプと一体で形成され、上記入口側タンクにおける冷媒流通方向全域に亘って設けられたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、冷媒入口パイプから入口側タンク内に流入した冷媒は、サイドタンク部内にて、比重の小さいガス相冷媒が上方側を、比重の大きな液相冷媒が下方側を流動する。このため、液相冷媒は偏平タンク部側へと広がり、偏平タンク部に挿入されたチューブ端面より液位が高くなっていく。一方、ガス相冷媒は流入圧力でサイドタンク部内に充満すると、液相冷媒をチューブ内に押し込むようにして偏平タンク部側へと広がり、さらにその液位を押し下げ、偏平タンク部内のチューブ端面がガス相冷媒で覆われるまで液位が下がるとガス相冷媒がチューブ端面近傍に存在する液相冷媒を巻き込んでチューブ内に流入するため、このチューブ内で液相冷媒とガス相冷媒とが混合された状態になる。

従って、各チューブに対して冷媒の液流量とガス流量とを均一にして分配することができ、かくして、この蒸発器における熱交換効率を格段と向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、サイドタンク部を冷媒入口パイプと一体で設けることによって、サイドタンク部を新たに設ける必要が無くなる分、部品点数を減らすことができるとともに、構成を簡易化できる。従って、その分、製造工程を簡略化することができ、結果として、製造費および材料費ともにコストの削減を図ることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施の形態は、本発明の蒸発器を、自動車用空気調和装置の蒸発器に適用した例である。

〔第１の実施の形態〕
図１〜図３は本発明による第１の実施の形態における蒸発器を示し、図１は本実施の形態における蒸発器の概略構成を示す斜視図、図２は図１の蒸発器における幅方向の断面を示す断面図、図３は図１の蒸発器における長手方向の断面を示す断面図である。

蒸発器１００は、図１〜図３に示すように、積層された複数のチューブ１０１と、このチューブ１０１、１０１間に配置された波型形状の複数のアウターフィン１０２と、前記複数のチューブ１０１の下方端部が挿入されることによって接続された入口側タンク１０３と、前記複数のチューブ１０１の上方端部が挿入されることによって接続された出口側タンク１０４と、入口側タンク１０３に接続された冷媒入口パイプ１０５と、出口側タンク１０４に接続された冷媒出口パイプ１０６とを備えている。

本実施の形態の場合、蒸発器１００は、かかる構成に加えて、入口側タンク１０３が、サイドタンク部１０３ａと偏平タンク部１０３ｂとで構成されている。このサイドタンク部１０３ａは、冷媒の流通方向に直交する高さ方向（チューブ１０１の長手方向）の寸法が、前記偏平タンク部１０３ｂの高さ寸法に比較して高い寸法で形成されており、サイドタンク部１０３ａには冷媒入口パイプ１０５が接続されるとともに、偏平タンク部１０３ｂには各チューブ１０１が接続されている。また、これらサイドタンク部１０３ａと偏平タンク部１０３ｂとは連通している。

次に、図２でこの蒸発器１００における冷媒の流れについて説明する。まず、入口側タンク１０３内に流入した冷媒のうち、比重の小さいガス相冷媒がこの入口側タンク１０３におけるサイドタンク１０３ａ内の上方側を、比重の大きな液相冷媒（図２中グレー表示で示す）が下方側を流動する。そして、液相冷媒は偏平タンク部１０３ｂ側へと広がり、その液位が偏平タンク部１０３ｂに挿入されたチューブ１０１下端面より高くなっていく。

一方、ガス相冷媒は流入圧力でサイドタンク部１０３ａ内に充満すると、液相冷媒をチューブ１０１内に押し込むようにして偏平タンク部１０３ｂ側へと広がり、さらにその液位を押し下げる。そして、図３に示すように、偏平タンク部１０３ｂ内のチューブ１０１端面がガス相冷媒で覆われるまで液位が下がると、ガス相冷媒がチューブ１０１端面近傍に存在する液相冷媒を巻き込んでチューブ１０１内に流入するため、このチューブ１０１内で液相冷媒とガス相冷媒とが混合された状態になる。

従って、この蒸発器１００では、各チューブ１０１に対して冷媒の液流量とガス流量とを均一にして分配することができる。

以上、説明したように、この蒸発器１００では、入口側タンク１０３を、高さの高いサイドタンク部１０３ａとこれよりも高さの低い偏平タンク部１０３ｂとで構成し、サイドタンク部１０３ａに冷媒入口パイプ１０５を、偏平タンク部１０３ｂに複数のチューブ１０１を、それぞれ接続するようにしたことにより、入口側タンク１０３内における冷媒の液流量とガス流量とを均一にして各チューブ１０１へと均等に分配することができる。かくして、この蒸発器１００における熱交換効率を格段と向上させることができる。

〔第２の実施の形態〕
図４ないし図６は本発明による第２の実施の形態による蒸発器を示し、図４は本実施の形態における蒸発器の概略構成を示す斜視図、図５は図４の蒸発器における幅方向の断面を示す断面図、図６は図４の蒸発器における長手方向の断面を示す断面図である。

蒸発器１１０は、図４〜図６に示すように、積層された複数のチューブ１１１と、このチューブ１１１、１１１間に配置された波型形状の複数のアウターフィン１１２と、前記複数のチューブ１１１の下方端部が挿入されることによって接続された入口側タンク１１３と、前記複数のチューブ１１１の上方端部が挿入されることによって接続された出口側タンク１１４と、入口側タンク１１３に接続された冷媒入口パイプ１１５と、出口側タンク１１４に接続された冷媒出口パイプ１１６とを備えている。

本実施の形態の場合、蒸発器１１０は、かかる構成に加えて、入口側タンク１１３が、サイドタンク部１１３ａと偏平タンク部１１３ｂとで構成されている。このサイドタンク部１１３ａは、冷媒入口パイプ１１５と一体に形成された略パイプ形状からなり、入口側タンク１１３における冷媒の流通方向の全域に亘って設けられている。

かかるサイドタンク部１１３ａは、偏平タンク部１１３ｂと連結した下端部を、この偏平タンク部１１３ｂの内部と連通するように開口している。つまり、サイドタンク部１１３ａは、偏平タンク部１１ｂに対して下端部を開口させた略半円弧形状として形成され、冷媒入口パイプ１１５から流入した冷媒をその下端部の開口から偏平タンク部１１３ｂへと流通させる。なお、このサイドタンク部１１３ａは、偏平タンク部１１３ｂに対してその上面からその円弧部を突出させるようにして一体化されている。従って、このサイドタンク部１１３ａは、冷媒の流通方向に直交する高さ方向（チューブ１１１の長手方向）の寸法が、前記偏平タンク部１１３ｂの高さ寸法に比較して高い寸法になっている。

一方、偏平タンク部１１３ｂには、前記複数のチューブ１１１が接続されている。また、これらサイドタンク部１１３ａと偏平タンク部１１３ｂとは連通している。

次に、図６でこの蒸発器１１０における冷媒の流れについて説明する。まず、入口側タンク１１３内に流入した冷媒のうち、比重の小さいガス相冷媒がこの入口側タンク１１３におけるサイドタンク１１３ａ内の上方側を、比重の大きな液相冷媒が下方側を流動する。そして、液相冷媒は偏平タンク部１１３ｂ側へと広がり、
その液位が偏平タンク部１１３ｂに挿入されたチューブ１１１端面より高くなっていく。

一方、ガス相冷媒は流入圧力でサイドタンク部１１３ａ内に充満すると、液相冷媒をチューブ１１１内に押し込むようにして偏平タンク部１１３ｂ側へと広がり、さらにその液位を押し下げる。そして、偏平タンク部１１３ｂ内のチューブ１１１端面がガス相冷媒で覆われるまで液位が下がると、ガス相冷媒がチューブ１１１端面近傍に存在する液相冷媒を巻き込んでチューブ１１１内に流入するため、このチューブ１１１内で液相冷媒とガス相冷媒とが混合された状態になる。

従って、この蒸発器１１０では、各チューブ１１１に対して冷媒の液流量とガス流量とを均一にして分配することができる。

以上、説明したように、この蒸発器１１０では、入口側タンク１１３を、高さの高いサイドタンク部１１３ａとこれよりも高さの低い偏平タンク部１１３ｂとで構成し、サイドタンク部１１３ａに冷媒入口パイプ１１５を、偏平タンク部１１３ｂに複数のチューブ１１１を、それぞれ接続するようにしたことにより、入口側タンク１１３内における冷媒の液流量とガス流量とを均一にして各チューブ１１１へと均等に分配することができる。かくして、この蒸発器１１０における熱交換効率を格段と向上させることができる。

しかも、この場合、サイドタンク部１１３ａを冷媒入口パイプ１１５と一体で形成することによって、サイドタンク部１１３ａを新たに設ける必要が無くなる分、部品点数を減らすことができるとともに、構成を簡易化できる。従って、その分、製造工程を簡略化することができ、結果として、製造費および材料費ともにコストの削減を図ることができる。

以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

例えば、上述した第１および第２の実施の形態では、蒸発器１００、１１０において、図１、図４に示したように、入口側タンク１０３、１１３をチューブ１０１、１１１の下方側に、出口側タンク１０４、１１４をチューブ１０１、１１１の上方側に配置す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、入口側タンクをチューブの上方側に、出口側タンクをチューブの下方側に配置するようにしてもよい。但し、この場合、サイドタンク部の突出方向は、前記第１および第２の実施の形態の突出方向と正反対の下方に位置する出口側タンク方向に向かって形成しなければならない。

これにより、上述した第１および第２の実施の形態における蒸発器１００、１１０と同様に、入口側タンクに接続された各チューブに対し、冷媒の液流量とガス流量とを均一にして分配することができる。

また、上述した第１および第２の実施の形態では、各チューブ１０１、１０１間または１１１、１１１間にアウターフィン１０２、１１２が配設される蒸発器１００、１１０について述べたが、本発明はこれに限らず、蒸発器としては、例えば、前記アウターフィンを設けない蒸発器においても広く適用することができる。なお、この場合においても、上述の蒸発器１００、１１０とほぼ同様の効果を得ることができる。さらに、チューブの冷媒通路内にインナーフィンを設けるようにした蒸発器においても同様である。

本発明による第１の実施の形態における蒸発器の概略構成を示す斜視図である。 図１の蒸発器における幅方向の断面を示す断面図である。 図１の蒸発器における長手方向の断面を示す断面図である。 本発明による第２の実施の形態における蒸発器の概略構成を示す斜視図である。 図４の蒸発器における幅方向の断面を示す断面図である。 図４の蒸発器における長手方向の断面を示す断面図である。 従来の蒸発器における概略構成を示す断面図である。 従来の他の蒸発器の概略構成を示す斜視図である。 図８の蒸発器における冷媒流れを示す概念図である。

符号の説明

１００、１１０…蒸発器
１０１、１１１…チューブ
１０２、１１２…アウターフィン
１０３、１１３…入口側タンク
１０３ａ、１１３ａ…サイドタンク部
１０３ｂ、１１３ｂ…偏平タンク部
１０４、１１４…出口側タンク
１０５、１１５…冷媒入口パイプ
１０６、１１６…冷媒出口パイプ

Claims (2)

1. 複数の積層されたチューブ（１０１、１１１）と、上記複数のチューブ（１０１、１１１）の一端側がそれぞれ挿入されて連通された入口側タンク（１０３、１１３）と、上記複数のチューブ（１０１、１１１）の他端側がそれぞれ挿入されて連通された出口側タンク（１０４、１１４）と、上記入口側タンク（１０３、１１３）に接続され当該入口側タンク（１０３、１１３）内に冷媒を供給する冷媒入口パイプ（１０５、１１５）と、上記出口側タンク（１０４、１１４）に接続され上記複数のチューブ（１０１、１１１）内を流通した冷媒を外部へ排出する冷媒出口パイプ（１０６、１１６）とを備え、上記入口側タンク（１０３、１１３）が上記複数のチューブ（１０１、１１１）の下方に配置される蒸発器（１００、１１０）において、
   上記入口側タンク（１０３、１１３）を、偏平タンク部（１０３ｂ、１１３ｂ）と、
   上記冷媒の流通方向に直交する高さ方向の寸法が、上記偏平タンク部（１０３ｂ、１１３ｂ）に比較して高い寸法で形成されるサイドタンク部（１０３ａ、１１３ａ）とで構成し、
   上記サイドタンク部（１０３ａ、１１３ａ）に上記冷媒入口パイプ（１０５、１１５）を接続するとともに、上記偏平タンク部（１０３ｂ、１１３ｂ）に上記複数のチューブ（１０１、１１１）を接続した
   ことを特徴とする蒸発器。
2. 請求項１に記載の蒸発器（１１０）であって、
   上記サイドタンク部（１１３ａ）が、上記冷媒入口パイプ（１１５）と一体で形成され、上記入口側タンク（１１３）における冷媒流通方向全域に亘って設けられた
   ことを特徴とする蒸発器。