JP2007192447A - 蒸発器 - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素を含む非共沸性混合冷媒を使用しつつ、効率良く熱交換できる蒸発器を提供する。
【解決手段】本発明は、冷媒入口１４から流入された冷媒を蒸発させつつ冷媒出口１５まで導くようにした蒸発器を対象とする。冷媒として、二酸化炭素を含む非共沸性混合冷媒が用いられる。冷媒入口１４から冷媒出口１５までに至る冷媒経路の途中に、冷媒圧力を低下させるための圧力低下手段が設けられる。
【選択図】図９

Description

この発明は、冷媒として二酸化炭素を含む非共沸性混合冷媒が用いられる蒸発器およびその関連技術に関する。

図１６は自動車用エアコンの冷凍サイクルなどに多く採用されるマルチフロータイプまたはパラレルフロータイプと称される蒸発器を示す正面図である。同図に示すように、上下方向に沿う一対のヘッダー（１）（１）間に、両端部を両ヘッダー（１）（１）に連通接続した複数の熱交換チューブ（２）が上下方向に並列に配置されるとともに、チューブ（２）の各間にフィン（３）がそれぞれ配置されている。さらに一方のヘッダー（１）の下端部には冷媒入口ノズル（４）が設けられるとともに、上端部に冷媒出口ノズル（５）が設けられている。またヘッダー（１）の内部には、仕切プレート（６）が設けられて、熱交換チューブ（２）が複数のパスに区分けされている。そして冷媒入口ノズル（４）から流入された冷媒が、各パスを順に蛇行状に流通して、冷媒出口ノズル（５）から流出されるようになっている。

こうして冷媒が各パスを順に通って蛇行状に流通する間に、その冷媒と、熱交換チューブ（２）の各間を通過する空気との間で熱交換させて、冷媒を蒸発させる一方、空気を冷却するものである。

一方、自動車用エアコンの冷凍サイクルにおいては従来より、系内を循環する冷媒としてＲ１３４ａなどのフロン系冷媒が用いられているが、フロン系冷媒は、オゾン破壊物質、温暖化物質であることから、脱フロン化の空調技術として特許文献１に示すように、自然界に存在する二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を主冷媒として用いる冷凍サイクルが注目を集めている。
特開２００１−９９５２２号

しかしながら、特許文献１に示すように二酸化炭素冷媒を用いた冷凍サイクルにおいては、冷媒系内が、フロン系冷媒に比べて非常に高圧になるため、耐圧性を確保することが困難であり、所望の冷凍性能を得ることができないという問題があった。

このような技術背景の下、本発明者らは、日々研究を重ねた結果、自然界に存在する二酸化炭素を主体とした非共沸性混合冷媒を使用することによって、所望の冷凍性能を得ることができることを見出した。

ところが、二酸化炭素を含む非共沸性混合冷媒を用いた冷凍サイクルでは、その化学的特性から、蒸発過程において冷媒の蒸発温度が上昇することとなり、蒸発器の冷媒入口部と冷媒出口部とにおいて十数度〜数十度の温度差が生じ、温度分布にばらつきが生じる。

たとえば図１７に二酸化炭素とジメチルエーテル（ＤＭＥ）の割合が９０：１０である非共沸性混合冷媒を用いた冷凍サイクルのモリエル線図を示す。同図から理解できるように、ｄ点からａ点にかけての冷媒の蒸発過程においては、圧力が一定であるのに対し、蒸発温度は次第に上昇している。なお同冷凍サイクルにおいては、ｂ点からｃ点にかけての冷却（凝縮）過程においても、圧力が一定で温度が次第に降下している。

このように蒸発過程において温度勾配を有する非共沸性混合冷媒を、たとえば上記図１６に示すパラレルフロータイプの蒸発器にそのまま適用した場合、冷媒入口ノズル付近のコア部分（蒸発器の下部領域）では冷媒温度が低く、冷媒出口ノズル付近のコア部分（蒸発器の上部領域）では温度が高くなってしまう。このため冷媒温度の低い冷媒入口付近では空気との温度差を大きく確保できるものの、冷媒温度の高い冷媒出口付近では空気との温度差が小さくなるため、この冷媒出口付近での熱交換能力が著しく低下し、蒸発器全域において効率良く熱交換できないという問題が発生する。

この発明は、上記の実情に鑑みてなされたもので、二酸化炭素を含む非共沸性混合冷媒を使用しつつ、熱交換を効率良く行うことができる蒸発器およびその関連技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を要旨としている。

［１］ 冷媒入口から流入された冷媒を蒸発させつつ冷媒出口まで導くようにした蒸発器であって、
冷媒として、二酸化炭素を含む非共沸性混合冷媒が用いられる一方、
前記冷媒入口から前記冷媒出口までに至る冷媒経路の途中に、冷媒圧力を低下させるための圧力低下手段が設けられたことを特徴とする蒸発器。

［２］ 冷媒が、二酸化炭素を主成分とするジメチルエーテルとの混合冷媒によって構成される前項１に記載の蒸発器。

［３］ 並列に配置される一対のヘッダー間に、両端が両ヘッダーにぞれぞれ連通接続された複数の熱交換チューブが配置される一方、
前記冷媒入口および前記冷媒出口が前記ヘッダーに設けられ、
前記一対のヘッダーおよび前記複数の熱交換チューブによって前記冷媒経路が構成される前項１または２に記載の蒸発器。

［４］ 前記ヘッダーの内部に設けられた仕切部材により、前記複数の熱交換チューブが複数のパスに区分けされ、それらの各パスを冷媒が順に蛇行状に流通するようにした前項３に記載の蒸発器。

［５］ 前記圧力低下手段は、前記ヘッダーの内部に設けられ、かつ流通する冷媒に流路抵抗を付与するバッフルプレートをもって構成される前項３または４に記載の蒸発器。

［６］ 前記バッフルプレートは、前記ヘッダーの内部を仕切る態様に設けられるプレート本体を有し、そのプレート本体にオリフィスが設けられる前項５に記載の蒸発器。

［７］ 前記圧力低下手段は、前記冷媒経路に沿って交互に設けられた第１および第２バッフルプレートにより構成され、
前記第１バッフルプレートは、前記ヘッダーの内部を仕切る態様に設けられるプレート本体を有し、そのプレート本体の外周に周方向に間隔をおいてオリフィスが複数設けられるとともに、
前記第２バッフルプレートは、前記ヘッダーの内部を仕切る態様に設けられるプレート本体を有し、そのプレートの中心にオリフィスが設けられる前項３または４に記載の蒸発器。

［８］ 並列に配置される一対のヘッダー間に、両端が両ヘッダーにぞれぞれ連通接続された複数の熱交換チューブが配置される一方、
前記冷媒入口および前記冷媒出口が前記ヘッダーに設けられ、
前記ヘッダーの内部に設けられた仕切部材により、前記複数の熱交換チューブが複数のパスに区分けされ、それらの各パスを冷媒が順に蛇行状に流通するよう構成され、
前記複数のパスのうち、冷媒流通方向に対し上流側のパスよりも下流側のパスの熱交換チューブ本数を減少させて、前記冷媒経路の経路断面を下流側に向かうに従って次第に小さくすることにより、冷媒に流路抵抗を付与して冷媒圧力を低下させるようにした前項１または２に記載の蒸発器。

［９］ 並列に配置される一対のヘッダー間に、両端が両ヘッダーにぞれぞれ連通接続された複数の熱交換チューブが配置される一方、
前記冷媒入口および前記冷媒出口が前記ヘッダーに設けられ、
前記ヘッダーの内部に設けられた仕切部材により、前記複数の熱交換チューブが３つ以上の複数のパスに区分けされ、それらの各パスを冷媒が順に蛇行状に流通するよう構成され、
前記複数のパスのうち、第１パスおよび最終パス間に設けられた中間パスが圧力低下手段として構成され、
前記中間パスは、その上流側のパスおよび下流側のパスに対し熱交換チューブ本数が少なく設定される前項１または２に記載の蒸発器。

［１０］ 前記熱交換チューブは、チューブ長さ方向に連続する複数の冷媒通路孔がチューブ幅方向に並列に設けられる前項３〜９いずれか１項に記載の蒸発器。

［１１］ 前記熱交換チューブは、隣合う冷媒通路孔間の仕切壁に、隣合う冷媒通路孔同士を連通する連通孔が形成されて、冷媒通路孔を流通する冷媒が、前記連通孔を介して冷媒通路孔間を行き来できるよう構成される前項１０に記載の蒸発器。

［１２］ 圧縮機によって圧縮された冷媒が冷却器によって冷却されるとともに、その冷却冷媒が減圧手段によって減圧されて蒸発器で蒸発されてから、前記圧縮機に戻る冷凍サイクルであって、
前記蒸発器が、前項１〜１１のいずれか１項に記載の蒸発器によって構成されたことを特徴とする冷凍サイクル。

［１３］ 前項１２に記載の冷凍サイクルを備えたことを特徴とする自動車用エアコン。

［１４］ 前項１２に記載の冷凍サイクルを備えたことを特徴とするルームエアコン。

［１５］ 冷媒入口から流入された冷媒を蒸発させつつ冷媒出口まで導くようにした蒸発器であって、
冷媒として、二酸化炭素を含む非共沸性混合冷媒が用いられる一方、
前記冷媒入口から前記冷媒出口までに至る冷媒経路の途中に、冷媒の圧力損失を増大させるための圧力損失増大手段が設けられたことを特徴とする蒸発器。

［１６］ 冷媒入口から流入された冷媒を蒸発させつつ冷媒出口まで導くようにした蒸発器であって、
冷媒として、二酸化炭素を含む非共沸性混合冷媒が用いられる一方、
前記冷媒入口から前記冷媒出口までに至る冷媒経路の途中に、冷媒に流路抵抗を付与するための流路抵抗付与手段が設けられたことを特徴とする蒸発器。

［１７］ 冷媒入口から流入された冷媒を蒸発させつつ冷媒出口まで導くようにした蒸発器の冷媒蒸発方法であって、
冷媒として、二酸化炭素を含む非共沸性混合冷媒を用いる一方、
前記冷媒入口から前記冷媒出口までに至る冷媒経路の途中で、冷媒圧力を低下させるようにしたことを特徴とする蒸発器の冷媒蒸発方法。

上記発明［１］における蒸発器によれば、冷媒をその圧力を低下させつつ、蒸発させるものであるため、蒸発開始時点から終了時点までの間、冷媒の蒸発温度をほぼ一定に調整することができる。このため蒸発器全域において冷媒と空気との間で所定の温度差を確保でき、蒸発器全域で効率良く熱交換できる。

上記発明［２］における蒸発器によれば、上記の効果をより確実に得ることができる。

上記発明［３］［４］によれば、上記の作用効果を有するマルチフロータイプまたはパラレルフロータイプの蒸発器を提供することができる。

上記発明［５］〜［７］における蒸発器によれば、混合冷媒を均等に混合できて、より一層効率良く熱交換することができる。

上記発明［８］［９］における蒸発器によれば、特別な部品を用いずに蒸発器を作製でき、部品点数の削減により、構造の簡素化およびコストの削減を図ることができる。

上記発明［１０］における蒸発器によれば、熱交換性能をより向上させることができる。

上記発明［１１］における蒸発器によれば、熱交換チューブ内で冷媒をより一層均等に混合することができ、熱交換性能をより一層向上させることができる。

上記発明［１２］によれば、上記と同様な作用効果を有する冷凍サイクルを提供することができる。

上記発明［１３］によれば、上記と同様な作用効果を有する自動車用エアコンを提供することができる。

上記発明［１３］によれば、上記と同様な作用効果を有するルームエアコンを提供することができる。

上記発明［１５］［１６］の蒸発器によれば、上記と同様に、同様の作用効果を奏する。

上記発明［１７］によれば、上記と同様な作用効果を有する蒸発器の冷媒蒸発方法を提供することができる。

図１はこの発明の第１実施形態である蒸発器（Ｅ１）を示す正面断面図、図２はその蒸発器（Ｅ１）のヘッダー部分を拡大して示す正面断面図、図３はその蒸発器（Ｅ１）を模式化して示す正面図である。

これらの図に示すように、この蒸発器（Ｅ１）は、離間して対峙した左右一対の垂直方向（上下方向）に沿うヘッダー（１１）（１１）が設けられる。一対のヘッダー（１１）（１１）間には、偏平な熱交換チューブ（１２）が、両端を両ヘッダー（１１）（１１）に連通接続した状態で、ヘッダー長さ方向（上下方向）に所定の間隔おきに並列状に多数配置される。さらに熱交換チューブ（１２）の各間にはコルゲートフィン（１３）がそれぞれ配置されている。

また一方側（左側)のヘッダー（１１）における上下方向中間位置には、仕切部材として仕切プレート（２０）が設けられている。この仕切プレート（２０）は図４に示すように孔のない閉塞板によって構成されており、この仕切プレート（２０）の位置でヘッダー（１１）が上下に仕切られて、仕切プレート（２０）よりも上側の複数の熱交換チューブ（１２）によって第１パス（Ｐ１）が形成されるとともに、下側の複数の熱交換チューブ（１２）によって第２パス（Ｐ２）が形成されている。

また一方側のヘッダー（１１）には、その上端に冷媒入口ノズル（１４）が設けられるとともに、下端に冷媒出口ノズル（１５）が設けられている。

そしてこの蒸発器（Ｅ１）においては基本的に、以下のように冷媒（Ｒ）が流通するものである。すなわち冷媒入口ノズル（１１ａ）から一方側ヘッダー（１１）の上半部に流入された冷媒（Ｒ）が、第１パス（Ｐ１）の各熱交換チューブ（１２）に導入されて、各熱交換チューブ（１２）を通って他方側（右側）のヘッダー（１１）に流入される。さらに他方側ヘッダー（１１）に流入された冷媒（Ｒ）は、そこで１８０度折り返されて、第２パス（Ｐ２）の各熱交換チューブ（１２）に導入される。続いて冷媒（Ｒ）は第２パス（Ｐ２）の各熱交換チューブ（１２）を通って一方側ヘッダー（１１）の下半部に導入されて、冷媒出口ノズル（１５）を介して流出されるものである。

なお本第１実施形態の蒸発器（Ｅ１）においては、冷媒入口ノズル（１４）から冷媒出口ノズル（１５）にかけての冷媒が流通する経路、すなわちヘッダー（１１）（１１）の内部や、熱交換チューブ（１２）の内部が、冷媒経路として構成されている。

本実施形態において、ヘッダー（１１）は、アルミニウムまたはアルミニウム合金製の丸パイプ部材をもって構成されている。

また各ヘッダー（１１）の内部には、隣合う熱交換チューブ（１２）の各間に対応する位置に、バッフルプレート（２１）（２２）がそれぞれ設けられている。

バッフルプレート（２１）（２２）は、圧力低下手段、圧力損失増大手段および流路抵抗付与手段を構成するものであり、第１バッフルプレート（２１）と、第２バッフルプレート（２２）とを有している。

図５に示すように第１バッフルプレート（２１）は、ヘッダー（１１）の内部を仕切る態様に配置される円板状のプレート本体（２１ａ）を有し、そのプレート本体（２１ａ）の外周に周方向に等間隔おきに、冷媒流通用に小孔状のオリフィス（２１ｂ）が複数形成されている。

図６に示すように第２バッフルプレート（２２）は、ヘッダー（１１）の内部を仕切る態様に配置される円板状のプレート本体（２２ａ）を有し、そのプレート本体（２２ａ）の中心に、冷媒流通用に小孔状のオリフィス（２２ｂ）が形成されている。

そして図１，２に示すように各ヘッダー（１１）の内部における熱交換チューブ（１２）の各間に対応する位置に、バッフルプレート（２１）（２２）がそれぞれ取り付けられる。このとき第１および第２バッフルプレート（２１）（２２）は、ヘッダー（１１）の長さ方向に沿って交互に配置される。

図７に示すように熱交換チューブ（１２）は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の押出チューブをもって構成されており、高さ（厚み）寸法が幅寸法に比べて小さい偏平な断面形状を有している。

この熱交換チューブ（１２）には、長さ方向に連続して延び、かつ幅方向に複数並列に配置された冷媒通路孔（１２ａ）が設けられている。

なお本実施形態においては、熱交換チューブ（１２）として図１０，１１に示すように通路間連通型熱交換チューブを用いることもできる。この通路間連通型熱交換チューブ（１２）は、内部に複数の冷媒通路孔（１２ａ）が併設されるとともに、隣合う冷媒通路孔間の仕切壁（１２ｂ）に、隣合う冷媒通路孔同士を連通する複数の連通孔（１２ｃ）が形成されるものである。この通路間連通型熱交換チューブ（１２）を用いる場合には、チューブ内において、冷媒（Ｒ）が連通孔（１２ｃ）を介して冷媒通路間を行き来することにより、冷媒（Ｒ）がチューブ内を均等に分散するため、冷媒分布の偏りを防止でき、熱交換効率をさらに向上させることができる。

図１，２に示すようにコルゲートフィン（１６）は、アルミニウムまたはアルミニウム合金製の帯状板が波状に成形された成形部材によって構成されている。

以上の構成の蒸発器（Ｅ１）において、たとえばヘッダー（１１）やコルゲートフィン（１３）としては、芯材の少なくとも片面にろう材がクラッドされたアルミニウムブレージングシート製のものなどによって構成されている。そしてヘッダー（１１）、熱交換チューブ（１２）、フィン（１３）などの蒸発器構成部材が、蒸発器形状に仮組された後、その仮組製品が炉中にて一括ろう付けされることによって全体が接合一体化されて、蒸発器（Ｅ１）が製造されるものである。

本実施形態の蒸発器（Ｅ１）は、自動車用冷凍システムにおける冷凍サイクルなどに好適に用いられる。

すなわち図８に示すように、本実施形態において、自動車用冷凍サイクルを構成する冷媒回路は、上記の蒸発器（Ｅ１）の他に、圧縮機（ＣＰ）と、冷媒冷却器としてのガスクーラー（ＧＣ）と、減圧手段としての膨張弁（ＥＸ３）と、これらの機器を接続する冷媒管などの冷媒経路と、を備えている。そして圧縮機（ＣＰ）の冷媒出口がガスクーラー（ＧＣ）の冷媒入口に接続され、ガスクーラー（ＧＣ）の冷媒出口が膨張弁（ＥＸ）を介して蒸発器（Ｅ１）の冷媒入口ノズル（１４）に接続される。さらに蒸発器（Ｅ１）の冷媒出口ノズル（１５）が圧縮機（ＣＰ）の冷媒入口に接続される。

またこの冷凍サイクルにおいては、冷媒（Ｒ）として二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を主成分とする非共沸性混合冷媒が用いられる。たとえば本実施形態においては、９０質量％の二酸化炭素と１０質量％（重量％）のジメチルエーテル（ＤＭＥ）とが混合された非共沸性混合冷媒が用いられる。

なお本発明においては、混合冷媒における二酸化炭素とジメチルエーテルとの混合割合は特に限定されるものではないが、９９〜６０質量％の二酸化炭素と１〜４０質量％のジメチルエーテルとが混合された非共沸性混合冷媒を好適に用いることができる。

この構成の冷凍サイクルの動作を、図９のモリエル線図を用いて説明すると、まず冷媒（Ｒ）は圧縮機（ＣＰ）によって圧縮されて、図９のｂ点に示すように高温高圧の冷媒（Ｒ）となる。さらにこの高温高圧の冷媒（Ｒ）が、ガスクーラー（ＧＣ）を通って定圧状態で冷却されて、ｂ点からｃ点の状態に移行する。

続いてその低温高圧冷媒（Ｒ）が、膨張弁（ＥＸ）により減圧膨張されて、ｃ点からｄ点の状態に移行して、低温低圧冷媒（Ｒ）となる。

そしてこの低温低圧冷媒（Ｒ）が蒸発器（Ｅ１）に導入されて蒸発されるものである。ここで本実施形態の蒸発器（Ｅ１）は、その両ヘッダー（１１）（１１）の内部に、外周にオリフィス（２１ｂ）が形成された第１バッフルプレート（２１）と、中央にオリフィス（２２ｂ）が形成された第２バッフルプレート（２１）（２２）とを交互に配置するものである。このため冷媒入口ノズル（１４）を介して蒸発器（Ｅ１）に流入された冷媒（Ｒ）は、ヘッダー（１１）内では、バッフルプレート（２１）（２２）のオリフィス（２１ｂ）（２２ｂ）を通過することによって、流路抵抗が付与されて圧力損失が増大し、冷媒自体の圧力が次第に低下される一方、熱交換チューブ（１２）を通過する間には、空気と熱交換することによって蒸発していく。

このように冷媒（Ｒ）は次第に圧力を低下させつつ、空気と熱交換して蒸発するものであるため、冷媒（Ｒ）の蒸発温度を蒸発器全域においてほぼ均一に調整することができる。すなわち図９のモリエル線図から理解できるように、蒸発過程において、冷媒（Ｒ）の圧力と蒸発温度との間には、冷媒圧力が低下するに従って蒸発温度が低下するという関係が成立している。

そこで本実施形態の蒸発器（Ｅ１）においては、上記したように冷媒（Ｒ）がその圧力を次第に低下させつつ、蒸発するものであるため、蒸発過程において冷媒（Ｒ）は図９のｄ点からａ’点の状態に移行するようになり、冷媒（Ｒ）が等温曲線に沿って右肩下がりの挙動をとるようになる。つまり蒸発過程においては、冷媒（Ｒ）の乾き度にかかわらず、蒸発温度がほぼ一定に保たれて、蒸発器全域においてほぼ均等な温度分布を得ることができる。従って蒸発器全域において冷媒（Ｒ）と空気との間で所定の温度差を確保できるため、蒸発器全域において効率良く熱交換することができる。

なお従来の蒸発器（図１６参照）が適用された冷凍サイクルでは既述したように、二酸化炭素とジメチルエーテルとの混合冷媒の蒸発過程では図９の破線（図１７の実線）に示すように、圧力が一定であり、冷媒の蒸発温度が次第に上昇するため、冷媒入口付近での冷媒温度は低く、冷媒出口付近での冷媒温度は高くなり、蒸発器の温度分布にばらつきが生じてしまい、蒸発器全域において効率良く熱交換することは困難である。

一方、蒸発器（Ｅ１）において蒸発した高温低圧の冷媒（Ｒ）は、圧縮機（ＣＰ）に戻されて圧縮されることにより、ａ’点からｂ点の状態に移行する。以下同様な動作が繰り返されるものである。

以上のように、本第１実施形態の蒸発器（Ｅ１）によれば、冷媒（Ｒ）をその圧力を低下させつつ、蒸発させるものであるため、蒸発開始時点から終了時点まで冷媒（Ｒ）の蒸発温度をほぼ一定に調整することできる。このため蒸発器全域において冷媒（Ｒ）と空気との間で所定の温度差を確保でき、蒸発器全域で効率良く熱交換でき、熱交換性能を向上させることができる。

また本第１実施形態の蒸発器（Ｅ１）においては、ヘッダー（１１）内に、圧力低下手段などとして、外周にオリフィス（２１ｂ）が設けられた第１バッフルプレート（２１）と、中央にオリフィス（２２ｂ）が設けられた第２バッフルプレート（２２）とを交互に配置するものであるため、冷媒（Ｒ）は第１および第２バッフルプレート（２１）（２２）を交互に通過することにより、離合集散を繰り返して混合冷媒（Ｒ）を均等に混ぜ合わせながら、冷媒全域に偏りなく流路抵抗を付与することができる。従って冷媒圧力をバランス良く低下させることができ、蒸発過程での冷媒の蒸発温度をより一層的確に制御できて、より一層効率良く熱交換させることができる。

また本実施形態は、冷媒（Ｒ）として、自然界に存在する二酸化炭素およびジメチルエーテルの混合冷媒を用いるものであるため、フロン系冷媒に比べて、環境への負荷が小さく、地球温暖化などの環境問題にも十分に対処することができる。

さらに本実施形態における二酸化炭素を主成分とするジメチルエーテルとの混合冷媒は、二酸化炭素単独の冷媒と比較して、作動圧力が低いため、冷凍サイクルの高圧域における冷媒圧力を低下させることができ、冷媒の循環をスムーズに行えて、冷凍性能をより一層向上させることができる。

また本第１実施形態において、熱交換チューブ（１２）として図１０，１１に示すように通路間連通型熱交換チューブを用いる場合には、チューブ内において、冷媒（Ｒ）が連通孔（１２ｃ）を介して冷媒通路間を行き来することにより、冷媒（Ｒ）がチューブ内を均等に分散するため、冷媒分布の偏りを有効に防止でき、熱交換効率をさらに向上させることができる。

図１２はこの発明の第２実施形態である蒸発器（Ｅ２）を示す正面断面図、図１３はその蒸発器（Ｅ２）を模式化して示す正面図である。両図に示すようにこの蒸発器（Ｅ２）は、一対のヘッダー（１１）（１１）間に、熱交換チューブ（１２）が、両端を両ヘッダー（１１）（１１）に連通接続した状態で、上下方向に所定の間隔おきに並列状に多数配置される。さらに熱交換チューブ（１２）の各間にはコルゲートフィン（１３）がそれぞれ配置されている。

ここで本第２実施形態においては、１８本の熱交換チューブ（１２）が設置されており、この１８本の熱交換チューブ（１２）が４つのパス（Ｐ１）〜（Ｐ１）に区分けされる。すなわち一方側（右側）ヘッダー（１１）における上から６本目の熱交換チューブ（１２）および７本目の熱交換チューブ（１２）間と、他方側（左側）ヘッダー（１１）における上から１１本目の熱交換チューブ（１２）および１２本目の熱交換チューブ（１２）間と、一方側ヘッダー（１１）における下から３本目の熱交換チューブ（１２）および下から４本目の熱交換チューブ（１２）間と、にそれぞれ仕切プレート（２０）が取り付けられている。これにより熱交換チューブ（１２）が、上側（上流側）から順に、チューブ数が６本の第１パス（Ｐ１）と、チューブ数が５本の第２パス（Ｐ２）と、チューブ数が４本の第３パス（Ｐ３）と、チューブ数が４本の第４パス（Ｐ４）と、に区分けされる。

なお本第２実施形態において、ヘッダー（１１）にバッフルプレート（２１）（２２）は設けられてない。

本第２実施形態において他の構成は、上記第１実施形態と実質的に同様であるため、同一または相当部分に同一符号を付して、重複説明は省略する。

この第２実施形態の蒸発器（Ｅ２）において、圧縮機、ガスクーラーおよび膨張弁を通った低温低圧の冷媒（Ｒ）は、冷媒入口ノズル（１４）から流入されて、第１〜第４パス（Ｐ１）〜（Ｐ４）を順に通過しながら、空気との間で熱交換して蒸発し、冷媒出口ノズル（１５）から流出される。この蒸発過程において、第１〜第４パス（Ｐ１）〜（Ｐ４）はチューブ本数が次第に少なくてっているため、冷媒（Ｒ）の流路断面積（経路断面積）が下流側に向かうに従って次第に小さくなる。このため冷媒（Ｒ）は、第１〜第４パス（Ｐ１）〜（Ｐ４）を順に通過する間に、流路抵抗が付与されて圧力損失が増大し、減圧されていく。

このように冷媒（Ｒ）をその圧力を低下させつつ、蒸発させることができ、蒸発開始時点から終了時点まで冷媒（Ｒ）の蒸発温度をほぼ一定に調整することできる。従って上記第１実施形態と同様に、蒸発器全域において冷媒（Ｒ）と空気との間で所定の温度差を確保でき、蒸発器全域で効率良く熱交換でき、熱交換性能を向上させることができる。

また本実施形態の蒸発器（Ｅ２）は、バッフルプレートなどを用いずに、パラレルフローないしマルチフロータイプの熱交換器構成部品だけで作製できるため、部品点数を削減できて、構造の簡素化およびコストの削減を図ることができる。

なお本実施形態においては、冷媒（Ｒ）の流路断面積を下流側に向かうに従って減少させるという構造が、圧力低下手段、圧力損失増大手段および流路抵抗付与手段を構成するものである。

図１４はこの発明の第３実施形態である蒸発器（Ｅ３）を示す正面断面図、図１５はその蒸発器（Ｅ３）を模式化して示す正面図である。両図に示すようにこの蒸発器（Ｅ３）は、一対のヘッダー（１１）（１１）間に、熱交換チューブ（１２）が、両端を両ヘッダー（１１）（１１）に連通接続した状態で、並列状に多数配置されるとともに、熱交換チューブ（１２）の各間にはコルゲートフィン（１３）がそれぞれ配置されている。

またヘッダー（１１）内には、仕切プレート（２０）が取り付けられて、多数の熱交換チューブ（１２）が第１〜第３の３つのパス（Ｐ１）〜（Ｐ３）に区分けされている。ここで本実施形態において、第２パス（Ｐ２）は１本の熱交換チューブ（１２）によって構成されて、前後パス（Ｐ１）（Ｐ３）のチューブ本数に比較して少なく設定されている。

さらに一方側ヘッダー（１１）の上端部には、第１パス（Ｐ１）に対応して、冷媒入口ノズル（１４）が設けられるとともに、他方側ヘッダー（１１）の下端部には、第３パス（最終パスＰ３）に対応して、冷媒出口ノズル（１５）が設けられている。

なお本実施形態においては、第２パス（Ｐ２）によって圧力低下手段、圧力損失増大手段および流路抵抗付与手段が構成されている。

その他の構成は、上記実施形態と実質的に同様であるため、同一または相当部分に同一符号を付して、重複説明は省略する。

この蒸発器（Ｅ３）において、冷媒入口ノズル（１４）から流入された冷媒（Ｒ）は、第１パス（Ｐ１）を通って一部が蒸発した後、第２パス（Ｐ２）を通過する。このとき第２パス（Ｐ２）は１本の熱交換チューブ（１２）によって構成しているため、冷媒の流路断面が極端に小さくなる。このため第２パス（Ｐ２）を通過する冷媒（Ｒ）は、流路抵抗が付与されて圧力損失が増大し、減圧される。こうして減圧された冷媒（Ｒ）は、第３パス（Ｐ３）を通って残りの未蒸発冷媒が蒸発して、冷媒出口ノズル（１５）から流出される。

この実施形態の蒸発器（Ｅ３）においては、冷媒（Ｒ）を蒸発させる途中で減圧するものであるため、上記と同様に、蒸発過程での冷媒（Ｒ）の蒸発温度をほぼ一定に調整することができる。このため上記と同様に、蒸発器全域において冷媒（Ｒ）と空気との間で所定の温度差を確保でき、蒸発器全域で効率良く熱交換でき、熱交換性能を向上させることができる。

さらに本第３実施形態の蒸発器（Ｅ３）は、上記第２実施形態と同様、バッフルプレートなどを用いずに、パラレルフローないしマルチフロータイプの熱交換器構成部品だけで作製できるため、部品点数を削減できて、構造の簡素化およびコストの削減を図ることができる。

なお上記実施形態においては、オリフィスを有するバッフルプレートなどを圧力低下手段、圧力損失増大手段および流路抵抗付与手段として用いているが、本発明において、これらの圧力低下手段等は上記のものだけに限られることはない。たとえば冷媒経路内にオリフィスチューブやキャピラリーチューブなどの細管を設けて、その細管などを圧力低下手段等として構成したり、チューブ径やパイプ径を途中で小さくして、小径部を圧力低下手段等として構成することも可能である。

また本発明においては、多種類の圧力低下手段等を併用して用いても良い。たとえば第１実施形態のバッフルプレートを、第２実施形態や第３実施形態の蒸発器に採用するようにしても良い。

また言うまでもなく、本発明においては、熱交換チューブの設置数や、各パスのチューブ数などは上記のものだけに限定されることはない。

また上記実施形態においては、本発明の蒸発器を、自動車用エアコンの冷凍システムに用いる場合を例に挙げて説明したが、それだけに限られず、本発明においては、ルームエアコンなどの他の冷凍システムに用いるようにしても良い。

この発明の蒸発器およびその関連技術は、例えば自動車用エアコンの冷凍システムに採用可能である。

この発明の第１実施形態である蒸発器を示す正面断面図である。 第１実施形態における蒸発器のヘッダー部分を拡大して示す正面断面図である。 第１実施形態の蒸発器を模式化して示す正面図である。 第１実施形態の蒸発器に適用された仕切プレートを示す平面図である。 第１実施形態の蒸発器に適用された第１バッフルプレートを示す平面図である。 第１実施形態の蒸発器に適用された第２バッフルプレートを示す平面図である。 第１実施形態の蒸発器に適用された熱交換チューブを示す断面図である。 第１実施形態の蒸発器が採用された冷凍サイクルの回路図である。 第１実施形態の冷凍サイクルにおけるモリエル線図である。 本発明の蒸発器に適用可能な通路間連通型熱交換チューブを示す分解して示す斜視図である。 本発明の蒸発器に適用可能な通路間連通型熱交換チューブを示す図であって、同図（ａ）は側面断面図、同図（ｂ）は正面断面図である。 この発明の第２実施形態である蒸発器を示す正面断面図である。 第２実施形態の蒸発器を模式化して示す正面図である。 この発明の第３実施形態である蒸発器を示す正面断面図である。 第３実施形態の蒸発器を模式化して示す正面図である。 従来の蒸発器を示す正面図である。 二酸化炭素およびジメチルエーテルの混合冷媒を用いた従来の冷凍サイクルにおけるモリエル線図である。

符号の説明

１１…ヘッダー
１２…熱交換チューブ
１２ａ…冷媒通路孔
１２ｂ…仕切壁
１２ｃ…連通孔
１４…冷媒入口ノズル（冷媒入口）
１５…冷媒出口ノズル（冷媒出口）
２０…仕切プレート（仕切部材）
２１，２２…バッフルプレート（圧力低下手段）
２１ａ，２２ａ…プレート本体
２１ｂ，２２ｂ…オリフィス
ＣＰ…圧縮機
Ｅ１〜Ｅ３…蒸発器
ＥＸ…膨張弁（減圧手段）
ＧＣ…ガスクーラー（冷媒冷却器）
Ｐ１〜Ｐ４…パス
Ｒ…冷媒

Claims (17)

1. 冷媒入口から流入された冷媒を蒸発させつつ冷媒出口まで導くようにした蒸発器であって、
   冷媒として、二酸化炭素を含む非共沸性混合冷媒が用いられる一方、
   前記冷媒入口から前記冷媒出口までに至る冷媒経路の途中に、冷媒圧力を低下させるための圧力低下手段が設けられたことを特徴とする蒸発器。
2. 冷媒が、二酸化炭素を主成分とするジメチルエーテルとの混合冷媒によって構成される請求項１に記載の蒸発器。
3. 並列に配置される一対のヘッダー間に、両端が両ヘッダーにぞれぞれ連通接続された複数の熱交換チューブが配置される一方、
   前記冷媒入口および前記冷媒出口が前記ヘッダーに設けられ、
   前記一対のヘッダーおよび前記複数の熱交換チューブによって前記冷媒経路が構成される請求項１または２に記載の蒸発器。
4. 前記ヘッダーの内部に設けられた仕切部材により、前記複数の熱交換チューブが複数のパスに区分けされ、それらの各パスを冷媒が順に蛇行状に流通するようにした請求項３に記載の蒸発器。
5. 前記圧力低下手段は、前記ヘッダーの内部に設けられ、かつ流通する冷媒に流路抵抗を付与するバッフルプレートをもって構成される請求項３または４に記載の蒸発器。
6. 前記バッフルプレートは、前記ヘッダーの内部を仕切る態様に設けられるプレート本体を有し、そのプレート本体にオリフィスが設けられる請求項５に記載の蒸発器。
7. 前記圧力低下手段は、前記冷媒経路に沿って交互に設けられた第１および第２バッフルプレートにより構成され、
   前記第１バッフルプレートは、前記ヘッダーの内部を仕切る態様に設けられるプレート本体を有し、そのプレート本体の外周に周方向に間隔をおいてオリフィスが複数設けられるとともに、
   前記第２バッフルプレートは、前記ヘッダーの内部を仕切る態様に設けられるプレート本体を有し、そのプレートの中心にオリフィスが設けられる請求項３または４に記載の蒸発器。
8. 並列に配置される一対のヘッダー間に、両端が両ヘッダーにぞれぞれ連通接続された複数の熱交換チューブが配置される一方、
   前記冷媒入口および前記冷媒出口が前記ヘッダーに設けられ、
   前記ヘッダーの内部に設けられた仕切部材により、前記複数の熱交換チューブが複数のパスに区分けされ、それらの各パスを冷媒が順に蛇行状に流通するよう構成され、
   前記複数のパスのうち、冷媒流通方向に対し上流側のパスよりも下流側のパスの熱交換チューブ本数を減少させて、前記冷媒経路の経路断面を下流側に向かうに従って次第に小さくすることにより、冷媒に流路抵抗を付与して冷媒圧力を低下させるようにした請求項１または２に記載の蒸発器。
9. 並列に配置される一対のヘッダー間に、両端が両ヘッダーにぞれぞれ連通接続された複数の熱交換チューブが配置される一方、
   前記冷媒入口および前記冷媒出口が前記ヘッダーに設けられ、
   前記ヘッダーの内部に設けられた仕切部材により、前記複数の熱交換チューブが３つ以上の複数のパスに区分けされ、それらの各パスを冷媒が順に蛇行状に流通するよう構成され、
   前記複数のパスのうち、第１パスおよび最終パス間に設けられた中間パスが圧力低下手段として構成され、
   前記中間パスは、その上流側のパスおよび下流側のパスに対し熱交換チューブ本数が少なく設定される請求項１または２に記載の蒸発器。
10. 前記熱交換チューブは、チューブ長さ方向に連続する複数の冷媒通路孔がチューブ幅方向に並列に設けられる請求項３〜９いずれか１項に記載の蒸発器。
11. 前記熱交換チューブは、隣合う冷媒通路孔間の仕切壁に、隣合う冷媒通路孔同士を連通する連通孔が形成されて、冷媒通路孔を流通する冷媒が、前記連通孔を介して冷媒通路孔間を行き来できるよう構成される請求項１０に記載の蒸発器。
12. 圧縮機によって圧縮された冷媒が冷却器によって冷却されるとともに、その冷却冷媒が減圧手段によって減圧されて蒸発器で蒸発されてから、前記圧縮機に戻る冷凍サイクルであって、
    前記蒸発器が、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の蒸発器によって構成されたことを特徴とする冷凍サイクル。
13. 請求項１２に記載の冷凍サイクルを備えたことを特徴とする自動車用エアコン。
14. 請求項１２に記載の冷凍サイクルを備えたことを特徴とするルームエアコン。
15. 冷媒入口から流入された冷媒を蒸発させつつ冷媒出口まで導くようにした蒸発器であって、
    冷媒として、二酸化炭素を含む非共沸性混合冷媒が用いられる一方、
    前記冷媒入口から前記冷媒出口までに至る冷媒経路の途中に、冷媒の圧力損失を増大させるための圧力損失増大手段が設けられたことを特徴とする蒸発器。
16. 冷媒入口から流入された冷媒を蒸発させつつ冷媒出口まで導くようにした蒸発器であって、
    冷媒として、二酸化炭素を含む非共沸性混合冷媒が用いられる一方、
    前記冷媒入口から前記冷媒出口までに至る冷媒経路の途中に、冷媒に流路抵抗を付与するための流路抵抗付与手段が設けられたことを特徴とする蒸発器。
17. 冷媒入口から流入された冷媒を蒸発させつつ冷媒出口まで導くようにした蒸発器の冷媒蒸発方法であって、
    冷媒として、二酸化炭素を含む非共沸性混合冷媒を用いる一方、
    前記冷媒入口から前記冷媒出口までに至る冷媒経路の途中で、冷媒圧力を低下させるようにしたことを特徴とする蒸発器の冷媒蒸発方法。

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