JP2005180714A - 熱交換器およびそれに用いるインナーフィン - Google Patents

Abstract

【課題】 蒸発または凝縮による伝熱性能を高め、熱交換効率を格段と向上させることができる熱交換器およびそれに用いるインナーフィンを提供する。
【解決手段】 熱交換媒体の流通部２内に配置され、当該流通部２を複数の媒体流路に区画する側壁１２ａを有するインナーフィン１２を設けた熱交換器１において、上記インナーフィン１２の上記側壁１２ａに、上記熱交換媒体の流通方向に沿って延びる開口部１２ｂを穿設するようにしたことを特徴としている。
【選択図】 図３

Description

本発明は熱交換器およびそれに用いるインナーフィンに関し、例えば自動車用空気調和装置等の蒸発器およびそれに用いるインナーフィンに適用して好適なものである。

従来、この種の熱交換器である蒸発器においては、入口側のタンクから熱交換媒体（例えば、気液２相の冷媒）の流通部としてのチューブ内に流入した冷媒が、当該チューブ内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、この蒸発器ではチューブ内に、図１１に示すような冷媒流れ方向（図中矢印Ｆ１で示す）に対して直交する方向（図中矢印Ｆ２で示す）の断面が波形のインナーフィン１００を設け、図１２に示すように、このインナーフィン１００によって、チューブ１０１内を複数の冷媒流路１０２に区画して冷媒に対する伝熱面積を拡大することにより、冷媒の蒸発効率（つまり、伝熱効率）の向上が図られている。因みに、この場合、チューブ１０１は、２枚の略同形状でなるチューブプレート１０１ａ、１０１ｂが最中合わせに結合されて形成されている。

そして、このようなチューブ１０１内に冷媒を流通した場合、図１３に示すように、冷媒中の液層１０３が表面張力等によってインナーフィン１００の山側に溜まり、この部分における液層１０３の膜厚が厚くなるため、気層１０４によってインナーフィン１００の中央部が覆われ、すなわち冷媒が蒸発する領域が狭められ、冷媒に対する蒸発効率（すなわち、伝熱効率）が低下する傾向があった。

このため、近年、例えば図１４に示されるような特許文献１に記載される技術として、インナーフィン１００の傾斜した側壁１００ａに所定間隔でルーバ１０５を設け、これにより、冷媒流路１０２を流通する冷媒を風下側から風上側へ移動させて、各冷媒流路１０２に対し適切な量で分配することができ、伝熱効率を向上させ得るようにしたものが知られている。

なお、このルーバ１０５としては、例えば図１５に示すように、インナーフィン１００の側壁１００ａから三角状に打ち出し部１０６を形成し、この打ち出し部１０６の高さが最も高くなる側の側面に連通穴１０７を開口させるようにしてもよい。
特開平１１−２２３４２１号公報（第７図および第１１図）

しかしながら、かかる特許文献１の技術では、ルーバ１０５の開口部分において冷媒が膜状に覆ってしまい易く、この結果、インナーフィン１００に対して冷媒の液層１０３の膜厚を薄くする領域を拡大することが困難となり、蒸発効率（伝熱効率）を向上するのが難しくなる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、蒸発または凝縮による伝熱性能を高め、熱交換効率を格段と向上させることができる熱交換器およびそれに用いるインナーフィン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側壁を有するインナーフィンを設けた熱交換器において、上記インナーフィンの上記側壁に、上記熱交換媒体の流通方向に沿って延びる開口部を穿設するようにしたことを特徴としている。

請求項２にあっては、請求項１の開口部における上記熱交換媒体の流通方向に沿った端部が、上記熱交換媒体の流通方向に向けた凹凸形状でなることを特徴としている。

請求項３にあっては、請求項１の開口部における上記熱交換媒体の流通方向に沿った端部が、上記側壁の厚み方向に向けた凹凸形状でなるようにしたことを特徴としている。

請求項４にあっては、請求項３の開口部における上記端部が、上記熱交換媒体の流通方向に対して直線形状でなるようにしたことを特徴としている。

請求項５にあっては、請求項３の開口部における上記端部の凹凸方向が、上記側壁の厚み方向における任意の方向でなるようにしたことを特徴としている。

請求項６にあっては、熱交換媒体を用いて熱交換を行う熱交換器の上記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側壁を有するインナーフィンにおいて、上記側壁に、上記熱交換媒体の流通方向に沿って延びる開口部を穿設するようにしたことを特徴としている。

請求項７にあっては、請求項６の開口部における上記熱交換媒体の流通方向に沿った端部が、上記熱交換媒体の流通方向に向けた凹凸形状でなることを特徴としている。

請求項８にあっては、請求項６の開口部における上記熱交換媒体の流通方向に沿った端部が、上記側壁の厚み方向に向けた凹凸形状でなることを特徴としている。

請求項１によれば、インナーフィンの側壁に熱交換媒体の流通方向に沿って延びる開口部を穿設するようにしたことにより、媒体流路を流通する熱交換媒体の膜がインナーフィンの開口部近傍で切れるため、当該開口部近傍に熱交換媒体が蒸発し易い部位、すなわち熱交換媒体の膜厚が薄くなる気液界面形状部を設けることができる。従って、インナーフィンにおける熱交換媒体の蒸発を促進させることができ、かくして、蒸発または凝縮による伝熱性能を高め、熱交換効率を格段と向上させることができる熱交換器を実現することができる。

また、各媒体流路を流通する熱交換媒体の一部がインナーフィンの開口部より隣り合う媒体流路へと流れるため、これら媒体流路間において熱交換媒体の分配が不均一になるのを低減することができる。

しかも、インナーフィンの側壁に開口部を設けていることから、この開口部を穿設した分、インナーフィンを軽量化でき、ひいては熱交換器の軽量化にも貢献することができる。

請求項２によれば、請求項１の開口部における上記熱交換媒体の流通方向に沿った端部が、上記熱交換媒体の流通方向に向けた凹凸形状でなるようにしたことにより、上記気液界面形状部を積極的に設けることができ、インナーフィンにおける熱交換媒体の蒸発をより一層促進させることができる。

請求項３によれば、請求項１の開口部における上記熱交換媒体の流通方向に沿った端部が、上記側壁の厚み方向に向けた凹凸形状でなるようにしたことにより、上記気液界面形状部を積極的に設けることができ、インナーフィンにおける熱交換媒体の蒸発をより一層促進させることができる。

請求項４によれば、請求項３の開口部における上記端部が、上記熱交換媒体の流通方向に対して直線形状でなるようにしたことにより、請求項３の効果を奏する開口部の形成を容易することができる。

請求項５によれば、請求項３の開口部における上記端部の凹凸方向が、上記側壁の厚み方向における任意の方向でなるようにしたことにより、請求項３の効果を奏する開口部を熱交換器の仕様や用途に合わせて容易に作製することができる。

請求項６によれば、熱交換媒体を用いて熱交換を行う熱交換器の上記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側壁を有する熱交換器用インナーフィンにおいて、上記側壁に、上記熱交換媒体の流通方向に沿って延びる開口部を穿設するようにしたことにより、媒体流路を流通する熱交換媒体の膜がインナーフィンの開口部近傍で切れるため、当該開口部近傍に熱交換媒体が蒸発し易い部位、すなわち熱交換媒体の膜厚が薄くなる気液界面形状部を設けることができる。従って、インナーフィンにおける熱交換媒体の蒸発を促進させることができ、かくして、蒸発または凝縮による伝熱性能を高め、熱交換効率を格段と向上させることができるインナーフィンを実現することができる。

また、各媒体流路を流通する熱交換媒体の一部が、開口部より隣り合う媒体流路へと流れるため、これら媒体流路間において熱交換媒体の分配が不均一になるのを低減することができる。

しかも、側壁に開口部を設けていることから、この開口部を穿設した分、インナーフィンを軽量化でき、ひいては、このインナーフィンを用いる熱交換器の軽量化にも貢献することができる。

請求項７によれば、請求項６の開口部における上記熱交換媒体の流通方向に沿った端部が、上記熱交換媒体の流通方向に向けた凹凸形状でなるようにしたことにより、上記気液界面形状部を積極的に設けることができ、熱交換媒体の蒸発をより一層促進させることができる。

請求項８によれば、請求項６の開口部における上記熱交換媒体の流通方向に沿った端部が、上記側壁の厚み方向に向けた凹凸形状でなるようにしたことにより、上記気液界面形状部を積極的に設けることができ、熱交換媒体の蒸発をより一層促進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。

図１〜図４は、本発明による蒸発器の一実施形態を示し、図１は本実施形態による蒸発器の概略構成を示す斜視図、図２は図１の蒸発器における流通部としてのチューブの概略構成を示す分解斜視図、図３は図２のチューブにおける内面図、図４は図２のチューブにおけるインナーフィンの概略構成を示す斜視図である。

図１において１は、本発明による熱交換器としての積層型の蒸発器を示し、積層された複数のチューブ２と、これらチューブ２同士の間に配置された複数のアウターフィン３と、一端側に配置されチューブ２に接続された熱交換媒体である冷媒入口パイプ４と、他端側に配置されチューブ２に接続された冷媒出口パイプ５とを備えている。

各チューブ２は、図２および図３に示すように、２枚の接合されたチューブプレート２ａ、２ｂより構成されている。各チューブ２の一端側には、中央部を境に左右一対のヘッダ室６ａ、６ｂが設けられ、各ヘッダ室６ａ、６ｂは長円形状の貫通孔７によって開口されている。

チューブ２の積層状態では、左右のそれぞれのヘッダ室６ａ、６ｂが貫通孔７を介してそれぞれ連通され、例えば左側のヘッダ室６ａの集合群に冷媒入口パイプ４が、例えば右側のヘッダ室６ｂの集合群に冷媒出口パイプ５がそれぞれ接続される。

各チューブ２内の一端側より他端側には、チューブ長手方向Ｌ１に沿って配置され、中央部を境に左右一対の直線通路部８、９と、チューブ幅方向Ｌ２に沿って配置され、２つの直線通路部８、９間を連通する方向変更通路部１０とからなるＵ字状の冷媒通路１１が設けられている。

一方の直線通路部８の上端側はヘッダ室６ａに、他方の直線通路部９の上端側はヘッダ室６ｂにそれぞれ連通されているとともに、各直線通路部８、９には波形のインナーフィン１２がそれぞれ配置されている。

方向変更通路部１０には、間隔を置いて複数の突起１３が突設されている。この各突起１３はチューブ幅方向Ｌ２に沿って配置され、かつチューブ２の他端側に向かうに従って前記チューブ幅方向Ｌ２の寸法が長く設定されている。この細長い突起１３は、主にチューブ２の耐圧強度の向上と冷媒の流れ規制とを図るために設けられている。

次に、積層型蒸発器１の冷媒流れを説明する。冷媒入口パイプ４から流入する冷媒は、各チューブ２のヘッダ室６ａに導かれ、各ヘッダ室６ａより下方の冷媒通路１１にそれぞれ流入される。

各冷媒通路１１に流入された冷媒は、まず一方の直線通路部８で、かつインナーフィン１２によって区画された複数の媒体流路内を分流して下方（図３における矢印ａの方向）に向かって流れ、方向変更通路部１０に流入する。

方向変更通路部１０に流入した冷媒は、突起１３の間の流路をほぼ水平方向（図３における矢印ｂの方向）に流れて他方の直線通路部９に導かれる。他方の直線通路部９に流入した冷媒は、インナーフィン１２によって区画された複数の媒体流路内を分流して上方（図３における矢印ｃの方向）に向かって流れ、ヘッダ室６ｂに流入する。ヘッダ室６ｂに流入した冷媒は、下流に向かう過程で他のチューブ２内を循環して来た冷媒と合流し、合流した冷媒は冷媒出口パイプ５より流出される。

さて、この実施形態の場合、積層型蒸発器１には上述した構成に加えて、図４に示すように、チューブ２（図２参照）内に配置されるインナーフィン１２の傾斜した側壁１２ａに、冷媒の流通方向（すなわち、図２におけるチューブ長手方向Ｌ１）に沿って延びる開口部１２ｂ（この実施形態の場合、矩形状でなる）が穿設されている。なお、この図４においては、便宜上、開口部１２ｂが１カ所のみ穿設されている場合を示しているが、本発明はこれに限ることはない。

このように、インナーフィン１２の側壁１２ａに開口部１２ｂを設けると、図５（ａ）に示すように、チューブ２内の前記各媒体流路を流通する冷媒の膜が、インナーフィン１２の開口部１２ｂ近傍で切れるため、当該開口部１２ｂ近傍に冷媒の膜厚が薄く、冷媒が蒸発し易い部位、すなわち気液界面形状部１４を設けることができる。

より詳しくは、図５（ｂ）に示すように、インナーフィン１２の側壁１２ａに設けられた開口部１２ｂ近傍では、側壁１２ａに膜状に張り付いた冷媒が隣り合う媒体流路へと流れていくため、この冷媒の膜が切れ、膜厚の薄い先端部分（つまり、前記気液界面形状部１４）が形成される。

すると、この気液界面形状部１４では、冷媒の膜厚が薄くなることから当該冷媒が蒸発し易くなるため、この気液界面形状部１４と連接した冷媒の膜厚が厚い部分から次々と冷媒が循環されて、結果的に冷媒の蒸発が促進され、蒸発効率を向上することができる。

とりわけ、本実施形態では、インナーフィン１２の側壁１２ａに設けられた開口部１２ｂが、図６に示すように、冷媒の流通方向（図２におけるチューブ長手方向Ｌ１）に沿って延びる矩形状でなることから、冷媒が蒸発する蒸発線１２ｃを長く設けることができる利点をも有している。

従って、この蒸発器１では、冷媒流量比と熱交換性能比との関係を示す図７から見てわかるように、インナーフィン１２に開口部１２ｂを設けていない従来の蒸発器と比較して、蒸発効率、すなわち熱交換性能を格段と向上させることができる。

以上、説明したように、本発明によれば、インナーフィン１２の傾斜した側壁１２ａに、冷媒の流通方向に沿って延びる開口部１２ｂを穿設するようにしたことにより、前記各媒体流路を流通する冷媒の膜がインナーフィン１２の開口部１２ｂ近傍で切れるため、当該開口部１２ｂ近傍に冷媒が蒸発し易い気液界面形状部１４を設けることができる。従って、この蒸発器１では、インナーフィン１２における冷媒の蒸発を促進させることができ、かくして、蒸発または凝縮による伝熱性能を高め、熱交換効率を格段と向上させることができる。

また、このインナーフィン１２を用いた場合、各媒体流路を流通する冷媒の一部がインナーフィン１２の開口部１２ｂより隣り合う媒体流路へと流れるため、これら媒体流路間において冷媒の分配が不均一になるのを低減することができる。

しかも、インナーフィン１２の側壁１２ａに開口部１２ｂを設けていることから、この開口部１２ｂを穿設した分、インナーフィン１２を軽量化でき、ひいては蒸発器１の軽量化にも貢献することができる。

なお、本発明の蒸発器１を上述した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、上述の実施形態では、インナーフィン１２の側壁１２ａに設けられた開口部１２ｂが、冷媒の流通方向に沿って延びる矩形状でなるようにした場合について述べたが、インナーフィン１２の側壁１２ａに対し、図４との対応部分に同一符号を付して示す図８のように、冷媒の流通方向（チューブ長手方向Ｌ１）に沿った端部１５ａが、この流通方向に向けた凹凸形状でなる開口部１５を設けるようにしてもよい。

この場合、開口部１５における冷媒の流通方向に沿った端部１５ａに、前記気液界面形状部１４（図５参照）を積極的に設けることができ、インナーフィン１２における冷媒の蒸発をより一層促進させることができる利点を得ることができる。

また、例えばインナーフィン１２の側壁１２ａに対し、図４との対応部分に同一符号を付して示す図９のように、冷媒の流通方向（チューブ長手方向Ｌ１）に沿った端部１６ａ、１６ｂが、側壁１２ａの厚み方向（チューブ幅方向Ｌ２）に向けて凹凸形状でなる開口部１６を設けるようにしてもよい。

この場合、開口部１６における冷媒の流通方向に沿った端部１６ａ、１６ｂに、前記気液界面形状部１４（図５参照）を積極的に設けることができ、インナーフィン１２における冷媒の蒸発をより一層促進させることができる利点を得ることができる。

因みに、この開口部１６の形状は、図９に示すように、端部１６ａ、１６ｂを冷媒の流通方向（チューブ長手方向Ｌ１）における所定間隔で、側壁１２ａの厚み方向（チューブ幅方向Ｌ２）に向けて、それぞれ凹凸形状となるようにしてもよいが、図９との対応部分に同一符号を付した図１０（ａ）に示すように、端部１６ａ、１６ｂを前記側壁１２ａの厚み方向における互いに異なった方向に凹凸させ、かつ前記冷媒の流通方向には直線的となるような形状で形成してもよい。

この場合、開口部１６の端部１６ａ、１６ｂが、前記冷媒の流通方向には直線的で、かつ、前記側壁１２ａの厚み方向には、互いに異なった方向に凹凸した形状でなるため、前記気液界面形状部１４（図５参照）を積極的に設けることができ、インナーフィン１２における冷媒の蒸発をより一層促進させることができる利点を有するこれら端部１６ａ、１６ｂを、インナーフィン１２の開口部１６に容易に形成することができる。

さらに、この開口部１６の形状は、図９との対応部分に同一符号を付した図１０（ｂ）に示すように、各端部１６ａ、１６ｂが、前記冷媒の流通方向には直線的で、かつ、前記側壁１２ａの厚み方向には、互いに同一方向に突出した凹凸形状でなるようにしてもよい。

この場合、前記気液界面形状部１４（図５参照）を積極的に設けることができ、インナーフィン１２における冷媒の蒸発をより一層促進させることができる利点を有する開口部１６を熱交換器の仕様や用途に合わせて容易に作製することができる。

さらに、上述した実施形態においては、蒸発器１のチューブ２における方向変更通路部１０に複数の細長い突起１３を設けるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限ることなく、例えば図３との対応部分に同一符号を付した図１０に示すように、チューブ２の方向変更通路部１０に円状や方形状等（この場合、円状）でなる突起２０を多数突設するようにしてもよい。

本発明にかかる蒸発器の一実施形態における概略構成を示す斜視図である。 図１の蒸発器におけるチューブの概略構成を示す分解斜視図である。 図２のチューブにおける内面を示す平面図である。 図２のチューブにおけるインナーフィンの概略構成を示す斜視図である。 本実施形態によるインナーフィンを設けたチューブ内の冷媒の流通状態の説明に供する断面図である。 本実施形態によるインナーフィンの開口部における冷媒の状態の説明に供する平面図である。 本発明にかかる蒸発器と従来の蒸発器との熱交換性能を比較して示すグラフである。 他の実施形態におけるインナーフィンの概略構成を示す斜視図である。 他の実施形態におけるインナーフィンの概略構成を示す斜視図である。 他の実施形態におけるインナーフィンの要部を拡大して示す概略構成図である。 他の実施形態におけるチューブの概略構成を示す平面図である。 従来のインナーフィンを示す斜視図である。 図１１のインナーフィンをチューブ内に配置した状態を示す拡大断面図である。 図１１のインナーフィンをチューブ内に設けた状態における冷媒の流通状態の説明に供する断面図である。 従来のチューブ内の概略構成を示す断面図である。 従来のインナーフィンの概略構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ 蒸発器（熱交換器）
２ チューブ（流通部）
１２ インナーフィン
１２ａ 側壁
１２ｂ、１５、１６ 開口部
１２ｃ 蒸発線
１４ 気液界面形状部
１５ａ、１６ａ、１６ｂ 端部
Ｌ１ チューブ長手方向（流通方向）

Claims (8)

1. 熱交換媒体の流通部（２）内に配置され、当該流通部（２）を複数の媒体流路に区画する側壁（１２ａ）を有するインナーフィン（１２）を設けた熱交換器（１）において、
   上記インナーフィン（１２）の上記側壁（１２ａ）に、上記熱交換媒体の流通方向（Ｌ１）に沿って延びる開口部（１２ｂ、１５、１６）を穿設したことを特徴とする熱交換器。
2. 上記開口部（１５）における上記熱交換媒体の流通方向（Ｌ１）に沿った端部（１５ａ）が、上記熱交換媒体の流通方向（Ｌ１）に向けた凹凸形状でなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 上記開口部（１６）における上記熱交換媒体の流通方向（Ｌ１）に沿った端部（１６ａ、１６ｂ）が、上記側壁（１２ａ）の厚み方向に向けた凹凸形状でなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 上記端部（１６ａ、１６ｂ）が、上記熱交換媒体の流通方向（Ｌ１）に対して直線形状でなることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 上記端部（１６ａ、１６ｂ）の凹凸方向が、上記側壁（１２ａ）の厚み方向における任意の方向でなることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
6. 熱交換媒体を用いて熱交換を行う熱交換器（１）の上記熱交換媒体の流通部（２）内に配置され、当該流通部（２）を複数の媒体流路に区画する側壁（１２ａ）を有するインナーフィン（１２）において、
   上記側壁（１２ａ）に、上記熱交換媒体の流通方向（Ｌ１）に沿って延びる開口部（１２ｂ、１５、１６）を穿設したことを特徴とするインナーフィン。
7. 上記開口部（１５）における上記熱交換媒体の流通方向（Ｌ１）に沿った端部（１５ａ）が、上記熱交換媒体の流通方向（Ｌ１）に向けた凹凸形状でなることを特徴とする請求項６に記載のインナーフィン。
8. 上記開口部（１６）における上記熱交換媒体の流通方向（Ｌ１）に沿った端部（１６ａ）が、上記側壁（１２ａ）の厚み方向に向けた凹凸形状でなることを特徴とする請求項６に記載のインナーフィン。
   

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