JP2014219174A - 冷媒蒸発器 - Google Patents

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Abstract

【課題】冷凍サイクルを循環する冷凍機油の流量を確保するとともに、圧縮機作動直後における冷媒の分配性の悪化を抑制することができる冷媒蒸発器を提供する。
【解決手段】冷媒蒸発器1は、第2風下側タンク部23の内部に形成された第1冷媒集合部23aと第2風上側タンク部13の内部に形成された第2冷媒分配部13bとを連結すると共に、第2風下側タンク部23の内部に形成された第2冷媒集合部23bと第2風上側タンク部13の内部に形成された第1冷媒分配部13aとを連結して、冷媒の流れ方向を各熱交換コア部11、21のコア幅方向で入れ替える構成となっている。そして、第1風下側熱交換コア部21aからの冷媒を第2風上側熱交換コア部11bへ導く第1冷媒流路と、第2風下側熱交換コア部21bからの冷媒を第1風上側熱交換コア部11aへ導く第2冷媒流路とを接続する貫通穴132を備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、被冷却流体から吸熱して冷媒を蒸発させることで、被冷却流体を冷却する冷媒蒸発器に関する。
冷媒蒸発器は、外部を流れる被冷却流体(例えば、空気)から吸熱して、内部を流れる冷媒(液相冷媒)を蒸発させることで、被冷却流体を冷却する冷却用熱交換器として機能する。
この種の冷媒蒸発器としては、複数のチューブを積層して構成される熱交換コア部、および複数のチューブの両端部に接続された一対のタンク部を備える第1、第2蒸発部を被冷却流体の流れ方向に直列に配置し、各蒸発部における一方のタンク部同士を一対の連通部を介して連結する構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。
この特許文献1の冷媒蒸発器では、第1蒸発部の熱交換コア部を流れた冷媒を、各蒸発部の一方のタンク部および当該タンク部同士を連結する一対の連通部を介して第2蒸発部の熱交換コア部に流す際に、冷媒の流れを熱交換コア部の幅方向(左右方向)で入れ替える構成としている。つまり、冷媒蒸発器は、一対の連通部のうち、一方の連通部によって、第1蒸発部の熱交換コア部の幅方向一側を流れる冷媒を第2蒸発部の熱交換コア部の幅方向他側に流すと共に、他方の連通部によって第1蒸発部の熱交換コア部の幅方向他側を流れる冷媒を第2蒸発部の熱交換コア部の幅方向一側に流すように構成されている。
特許第4124136号公報
ところで、冷凍サイクル中には、冷媒だけでなく圧縮機を潤滑するための冷凍機油も封入されており、冷凍機油の一部は冷媒とともにサイクル内を循環している。上記特許文献1に記載の冷媒蒸発器を備える冷凍サイクルでは、サイクル内を循環する冷媒流量が少ない低流量連続運転時において、冷媒蒸発器の内部に冷凍機油の一部が停滞する可能性がある。この原因を以下説明する。
すなわち、第1蒸発部の熱交換コア部の幅方向一側を流れる冷媒を第2蒸発部の熱交換コア部の幅方向他側に流す冷媒通路A、および第1蒸発部の熱交換コア部の幅方向他側を流れる冷媒を第2蒸発部の熱交換コア部の幅方向一側に流す冷媒通路Bのうち、例えば冷媒流路Aに95%、冷媒流路Bに5%の冷媒および冷凍機油が流れるとする。この場合、冷媒流路Bでは冷媒流量が少ないため、早期に蒸発が完了し、熱交換に寄与しない過熱度を持った気相冷媒となります。この蒸発現象に伴って冷媒に溶け込んでいた冷凍機油も分離される。この蒸発現象が第1蒸発部の熱交換コア部を通過中に完了した場合、冷媒流路Bでは下方側のタンク部に溜まった冷凍器油を第2蒸発部の熱交換コア部において上昇させて外部へ流出させるのは困難になる。
そして、冷媒蒸発器の内部に冷凍機油の一部が停滞すると、サイクル内を循環する冷凍機油の流量が低下してしまい、圧縮機の内部摩耗による圧縮効率の低下や、圧縮機の耐久寿命の低下が発生するという問題がある。
ところで、固定容量型の圧縮機を搭載した冷凍サイクルを備える車両用空調装置においては、エンジン回転数や、冷媒蒸発器を通過する被冷却空気(車室内送風空気)の温度・湿度・流量等の種々の要因によって冷房能力が変化する。
このような車両用空調装置において、車室内温度を検出する内気温センサや、車室内へ吹き出す吹出空気温度を検出する吹出空気温度センサ等の検出信号により、乗員の冷房要求に対して冷房能力が過剰になった場合や、冷媒蒸発器に着霜(フロスト)が生じそうな場合を検知し、圧縮機の作動を一時的に停止(OFF)させる制御を行うものがある。また、圧縮機の作動を停止させることによって冷房能力が不足した場合には、再度圧縮機を作動(ONN)させて、所定の冷房状態を実現する制御を行う。
ところで、特許文献1の冷媒蒸発器では、各蒸発部の一方タンク部同士を連結する一対の連通部にて冷媒の流れ方向を入れ替える構成とすることによって、熱交換コア部の幅方向で熱負荷が異なるときでも、熱交換コア部の全面で良好な温度分布を実現できる。このとき、上述した冷媒流路A、Bをそれぞれ流れる冷媒流量は、熱負荷(熱交換量、冷媒圧損等)に応じてバランスが調整される。
しかしながら、低流量運転時には、極端な例では二つの冷媒流路のうち一方の冷媒流路に全ての冷媒が流れ、他方の冷媒流路に全く冷媒が流れない状態も存在してしまう。この状態で圧縮機の作動が停止すると、液相冷媒が全く流れない冷媒流路の下方側のタンク部には、液相冷媒がほとんど残留しないことになる。つまり、下方側のタンク部において、熱交換コア部の幅方向で残留冷媒量に差が生じる。
その後、圧縮機を作動させると、圧縮機作動直後においては、上記タンク部における残留冷媒量の差により、第2蒸発部の熱交換コア部において液相冷媒が偏って分配され、冷媒蒸発器を通過する送風空気に温度分布が生じてしまうという問題がある。
本発明は上記点に鑑みて、冷凍サイクルを循環する冷凍機油の流量を確保するとともに、圧縮機作動直後における冷媒の分配性の悪化を抑制することができる冷媒蒸発器を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、被冷却流体の流れ方向に対して直列に配置された第1蒸発部(20)および第2蒸発部(10)を備え、第1蒸発部(20)および第2蒸発部(10)それぞれは、冷媒が流れる複数のチューブ(111、211)を積層して構成された熱交換コア部(11、21)を有し、第1蒸発部(20)における熱交換コア部(21)は、複数のチューブ(211)のうち、一部のチューブ群で構成される第1コア部(21a)、および残部のチューブ群で構成される第2コア部(21b)を有し、第2蒸発部(10)における熱交換コア部(11)は、複数のチューブ(111)のうち、被冷却流体の流れ方向において第1コア部(21a)の少なくとも一部と対向するチューブ群で構成される第3コア部(11a)、および被冷却流体の流れ方向において第2コア部(21b)の少なくとも一部と対向するチューブ群で構成される第4コア部(11b)を有し、さらに、第1コア部(21a)からの冷媒を第4コア部(11b)へ導く第1冷媒流路と、第2コア部(21b)からの冷媒を第3コア部(11a)へ導く第2冷媒流路とを接続する接続流路(132、35)を備えることを特徴とする。
これによれば、第1コア部(21a)からの冷媒を第4コア部(11b)へ導く第1冷媒流路と、第2コア部(21b)からの冷媒を第3コア部(11a)へ導く第2冷媒流路とを接続する接続流路(132、35)を設けることで、液相冷媒が、接続流路(132)を介して、第1冷媒流路(第4コア部(11b)側)と第2冷媒流路(第3コア部(11a)側)との間で移動可能となる。
このため、液相冷媒は、第1冷媒流路および第2冷媒流路のうち冷媒流量が多い方の冷媒流路から、冷媒流量の少ない他の冷媒流路へ、接続流路(132、35)を介して移動する。これにより、冷媒流量の少ない他の冷媒流路を流通する冷媒流量が増加するため、冷媒流量が少ない冷媒流路に滞留した冷凍機油を、液相冷媒によって押し流す(移動させる)ことができる。したがって、冷凍機油が冷媒蒸発器内に滞留することを抑制し、冷凍サイクルを循環する冷凍機油の流量を確保することが可能となる。
また、第1コア部(21a)からの冷媒を第4コア部(11b)へ導く第1冷媒流路と、第2コア部(21b)からの冷媒を第3コア部(11a)へ導く第2冷媒流路とを接続する接続流路(132、35)を設けることで、圧縮機の作動が停止した際に、冷媒蒸発器内に残留している液相冷媒が、接続流路(132)を介して、第1冷媒流路および第2冷媒流路間を移動可能となる。このため、第1冷媒流路の残留冷媒量と第2冷媒流路の残留冷媒量が均等になる。
これにより、圧縮機作動直後において、第4コア部(11b)および第3コア部(11a)を流れる冷媒流量が均等になり、圧縮機作動直後における冷媒の分配性の悪化を抑制することが可能となる。
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
本発明の実施形態に係る冷媒蒸発器の模式的な斜視図である。 図1に示す冷媒蒸発器の分解斜視図である。 実施形態における中間タンク部の模式的な斜視図である。 図3に示す中間タンク部の分解斜視図である。 実施形態に係る冷媒蒸発器における冷媒の流れを説明するための説明図である。 比較例に係る冷媒蒸発器の各熱交換コア部を流れる液相冷媒の分布を説明するための説明図である。 実施形態に係る冷媒蒸発器の各熱交換コア部を流れる液相冷媒の分布を説明するための説明図である。 比較例に係る冷媒蒸発器において、圧縮機の作動をOFFからONに切り替えた際の各熱交換コア部を流れる液相冷媒の分布を説明するための説明図である。 実施形態に係る冷媒蒸発器において、圧縮機の作動をOFFからONに切り替えた際の各熱交換コア部を流れる液相冷媒の分布を説明するための説明図である。 他の実施形態に係る冷媒蒸発器の分解斜視図である。
以下、本発明の一実施形態について図1〜図9を用いて説明する。本実施形態に係る冷媒蒸発器1は、車室内の温度を調整する車両用空調装置の蒸気圧縮式の冷凍サイクルに適用され、車室内へ送風する送風空気から吸熱して冷媒(液相冷媒)を蒸発させることで、送風空気を冷却する冷却用熱交換器である。なお、本実施形態では、送風空気が特許請求の範囲における「外部を流れる被冷却流体」に相当する。
冷凍サイクルは、周知の如く、冷媒蒸発器1以外に、図示しない圧縮機、放熱器(凝縮器)、膨張弁等を備えおり、本実施形態では、放熱器と膨張弁との間に受液器を配置するレシーバサイクルとして構成されている。また、冷凍サイクルの冷媒には、圧縮機を潤滑するための冷凍機油が混入されており、冷凍機油の一部は冷媒とともにサイクルを循環している。
ここで、図2では、後述する各熱交換コア部11、21におけるチューブ111、211、およびフィン112、212の図示を省略している。
図1、図2に示すように、本実施形態の冷媒蒸発器1は、送風空気の流れ方向(被冷却流体の流れ方向)Xに対して直列に配置された2つの蒸発部10、20を備えて構成されている。ここで、本実施形態では、2つの蒸発部10、20のうち、送風空気の空気流れ方向の風上側(上流側)に配置される蒸発部を風上側蒸発部10と称し、送風空気の流れ方向の風下側(下流側)に配置される蒸発部を風下側蒸発部20と称する。なお、本実施形態における風上側蒸発部10が、特許請求の範囲の「第2蒸発部」を構成し、風下側蒸発部20が、特許請求の範囲の「第1蒸発部」を構成している。
風上側蒸発部10および風下側蒸発部20の基本的構成は同一であり、それぞれ熱交換コア部11、21と、熱交換コア部11、21の上下両側に配置された一対のタンク部12、13、22、23を有して構成されている。
なお、本実施形態では、風上側蒸発部10における熱交換コア部を風上側熱交換コア部11と称し、風下側蒸発部20における熱交換コア部を風下側熱交換コア部21と称する。また、風上側蒸発部10における一対のタンク部12、13のうち、上方側に配置されるタンク部を第1風上側タンク部12と称し、下方側に配置されるタンク部を第2風上側タンク部13と称する。同様に、風下側蒸発部20における一対のタンク部22、23のうち、上方側に配置されるタンク部を第1風下側タンク部22と称し、下方側に配置されるタンク部を第2風下側タンク部23と称する。
本実施形態の風上側熱交換コア部11および風下側熱交換コア部21それぞれは、上下方向に延びる複数のチューブ111、211と、隣合うチューブ111、211の間に接合されるフィン112、212とが交互に積層配置された積層体で構成されている。なお、以下、複数のチューブ111、211および複数のフィン112、212の積層体における積層方向をチューブ積層方向と称する。
ここで、風上側熱交換コア部11は、複数のチューブ111のうち、一部のチューブ群で構成される第1風上側熱交換コア部11a、および残部のチューブ群で構成される第2風上側熱交換コア部11bを有している。なお、本実施形態における第1風上側熱交換コア部11aが、特許請求の範囲における「第3コア部」を構成し、第2風上側熱交換コア部11bが、特許請求の範囲における「第4コア部」を構成する。
本実施形態では、風上側熱交換コア部11を送風空気の流れ方向から見たときに、チューブ積層方向の右側に存するチューブ群で第1風上側熱交換コア部11aが構成され、チューブ積層方向の左側に存するチューブ群で第2風上側熱交換コア部11bが構成されている。
また、風下側熱交換コア部21は、複数のチューブ211のうち、一部のチューブ群で構成される第1風下側熱交換コア部21a、および残部のチューブ群で構成される第2風下側熱交換コア部21bを有している。なお、本実施形態における第1風下側熱交換コア部21aが、特許請求の範囲における「第1コア部」を構成し、第2風下側熱交換コア部21bが、特許請求の範囲における「第2コア部」を構成する。
本実施形態では、風下側熱交換コア部21を送風空気の流れ方向から見たときに、チューブ積層方向の右側に存するチューブ群で第1風下側熱交換コア部21aが構成され、チューブ積層方向の左側に存するチューブ群で第2風下側熱交換コア部21bが構成されている。なお、本実施形態では、送風空気の流れ方向から見たときに、第1風上側熱交換コア部11aおよび第1風下側熱交換コア部21aそれぞれが重合(対向)するように配置されると共に、第2風上側熱交換コア部11bおよび第2風下側熱交換コア部21bそれぞれが重合(対向)するように配置されている。
各チューブ111、211は、内部に冷媒が流れる冷媒通路が形成されると共に、その断面形状が送風空気の流れ方向に沿って延びる扁平形状となる扁平チューブで構成されている。
風上側熱交換コア部11のチューブ111は、長手方向の一端側(上端側)が第1風上側タンク部12に接続されると共に、長手方向の他端側(下端側)が第2風上側タンク部13に接続されている。また、風下側熱交換コア部21のチューブ211は、長手方向の一端側(上端側)が第1風下側タンク部22に接続されると共に、長手方向の他端側(下端側)が第2風下側タンク部23に接続されている。
各フィン112、212は、薄板材を波上に曲げて成形したコルゲートフィンであり、チューブ111、211における平坦な外面側に接合され、送風空気と冷媒との伝熱面積を拡大させるための熱交換促進手段を構成する。
チューブ111、211およびフィン112、212の積層体には、チューブ積層方向の両端部に、各熱交換コア部11、12を補強するサイドプレート113、213が配置されている。なお、サイドプレート113、213は、チューブ積層方向の最も外側に配置されたフィン112、212に接合されている。
第1風上側タンク部12は、一端側(送風空気の流れ方向から見たときの左側端部)が閉塞されると共に、他端側(送風空気の流れ方向から見たときの右側端部)にタンク内部から圧縮機(図示略)の吸入側に冷媒を導出するための冷媒導出口12aが形成された筒状の部材で構成されている。この第1風上側タンク部12は、底部に各チューブ111の一端側(上端側)が挿入接合される貫通穴(図示略)が形成されている。つまり、第1風上側タンク部12は、その内部空間が風上側熱交換コア部11の各チューブ111に連通するように構成されており、風上側熱交換コア部11の各コア部11a、11bからの冷媒を集合させる冷媒集合部として機能する。
第1風下側タンク部22は、一端側が閉塞されると共に、他端側にタンク内部に膨張弁(図示略)にて減圧された低圧冷媒を導入するための冷媒導入口22aが形成された筒状の部材で構成されている。この第1風下側タンク部22は、底部に各チューブ211の一端側(上端側)が挿入接合される貫通穴(図示略)が形成されている。つまり、第1風下側タンク部22は、その内部空間が風下側熱交換コア部21の各チューブ211に連通するように構成されており、風下側熱交換コア部21の各コア部21a、21bへ冷媒を分配する冷媒分配部として機能する。
第2風上側タンク部13は、両端側が閉塞された筒状の部材で構成されている。この第2風上側タンク部13は、天井部に各チューブ111の他端側(下端側)が挿入接合される貫通穴(図示略)が形成されている。つまり、第2風上側タンク部13は、その内部空間が各チューブ111に連通するように構成されている。
また、第2風上側タンク部13の内部には、長手方向の中央位置に仕切部材131が配置されており、この仕切部材131によって、タンク内部空間が第1風上側熱交換コア部11aを構成する各チューブ111が連通する空間と、第2風上側熱交換コア部11bを構成する各チューブ111が連通する空間とに仕切られている。
ここで、第2風上側タンク部13の内部のうち、第1風上側熱交換コア部11aを構成する各チューブ111に連通する空間が、第1風上側熱交換コア部11aに冷媒を分配する第1冷媒分配部13aを構成し、第2風上側熱交換コア部11bを構成する各チューブ111に連通する空間が、第2風上側熱交換コア部11bに冷媒を分配する第2冷媒分配部13bを構成する。
第2風下側タンク部23は、両端側が閉塞された筒状の部材で構成されている。この第2風下側タンク部23は、天井部に各チューブ211の他端側(下端側)が挿入接合される貫通穴(図示略)が形成されている。つまり、第2風下側タンク部23は、その内部空間が各チューブ211に連通するように構成されている。
第2風下側タンク部23の内部には、長手方向の中央位置に仕切部材231が配置されており、この仕切部材231によって、タンク内部空間が第1風下側熱交換コア部21aを構成する各チューブ211が連通する空間と、第2風下側熱交換コア部21bを構成する各チューブ211が連通する空間とに仕切られている。
ここで、第2風下側タンク部23の内部のうち、第1風下側熱交換コア部21aを構成する各チューブ211に連通する空間が、第1風下側熱交換コア部21aからの冷媒を集合させる第1冷媒集合部23aを構成し、第2風下側熱交換コア部21bを構成する各チューブ211が連通する空間が、第2風下側熱交換コア部21bからの冷媒を集合させる第2冷媒集合部23bを構成する。
第2風上側タンク部13、および第2風下側タンク部23それぞれは、冷媒入替部30を介して連結されている。この冷媒入替部30は、第2風下側タンク部23における第1冷媒集合部23a内の冷媒を第2風上側タンク部13における第2冷媒分配部13bに導くと共に、第2風下側タンク部23における第2冷媒集合部23b内の冷媒を第2風上側タンク部13における第1冷媒分配部13aに導くように構成されている。すなわち、冷媒入替部30は、冷媒の流れを各熱交換コア部11、21においてコア幅方向に入れ替えるように構成されている。
具体的には、冷媒入替部30は、第2風下側タンク部23における第1、第2冷媒集合部23a、23bに連結された一対の集合部連結部材31a、31bと、第2風上側タンク部13における各冷媒分配部13a、13bに連結された一対の分配部連結部材32a、32bと、一対の集合部連結部材31a、31bおよび一対の分配部連結部材32a、32bそれぞれに連結された中間タンク部33と、を有して構成されている。
一対の集合部連結部材31a、31bそれぞれは、内部に冷媒が流通する冷媒流通路が形成された筒状の部材で構成されており、その一端側が第2風下側タンク部23に接続されると共に、他端側が中間タンク部33に接続されている。
一対の集合部連結部材31a、31bのうち、一方を構成する第1集合部連結部材31aは、一端側が第1冷媒集合部23aに連通するように第2風下側タンク部23に接続されており、他端側が後述する中間タンク部33内の第1冷媒流通路33aに連通するように中間タンク部33に接続されている。
また、他方を構成する第2集合部連結部材31bは、一端側が第2冷媒集合部23bに連通するように第2風下側タンク部23に接続されており、他端側が後述する中間タンク部33内の第2冷媒流通路33bに連通するように中間タンク部33に接続されている。
本実施形態では、第1集合部連結部材31aの一端側が、第1冷媒集合部23aのうち、仕切部材231に近い位置に接続され、第2集合部連結部材31bの一端側が、第2冷媒集合部23bのうち、第2風下側タンク部23の閉塞端に近い位置に接続されている。
一対の分配部連結部材32a、32bそれぞれは、内部に冷媒が流通する冷媒流通路が形成された筒状の部材で構成されており、その一端側が第2風上側タンク部13に接続されると共に、他端側が中間タンク部33に接続されている。
一対の分配部連結部材32a、32bのうち、一方を構成する第1分配部連結部材32aは、一端側が第1冷媒分配部13aに連通するように第2風上側タンク部13に接続されており、他端側が後述する中間タンク部33内の第2冷媒流通路33bに連通するように中間タンク部33に接続されている。すなわち、第1分配部連結部材32aは、中間タンク部33の第2冷媒流通路33bを介して、上述の第2集合部連結部材31bと連通している。
また、他方を構成する第2分配部連結部材32bは、一端側が第2冷媒分配部13bに連通するように第2風上側タンク部13に接続されており、他端側が後述する中間タンク部33内の第1冷媒流通路33aに連通するように中間タンク部33に接続されている。すなわち、第2分配部連結部材32bは、中間タンク部33の第1冷媒流通路33aを介して、上述の第1集合部連結部材31aと連通している。
本実施形態では、第1分配部連結部材32aの一端側が、第1冷媒分配部13aのうち、第2風上側タンク部13の閉塞端に近い位置に接続され、第2分配部連結部材32bの一端側が、第2冷媒分配部13bのうち、仕切部材131に近い位置に接続されている。
このように構成される一対の集合部連結部材31a、31bそれぞれは、冷媒入替部30における冷媒の流入口を構成し、一対の分配部連結部材32a、32bそれぞれは、冷媒入替部30における冷媒の流出口を構成している。
中間タンク部33は、両端側が閉塞された筒状の部材で構成されている。この中間タンク部33は、第2風上側タンク部13、および第2風下側タンク部23との間に配置されている。具体的には、本実施形態の中間タンク部33は、送風空気の流れ方向Xから見たときに、その一部(上方側の部位)が第2風上側タンク部13、および第2風下側タンク部23と重合し、他部(下方側の部位)が第2風上側タンク部13、および第2風下側タンク部23と重合しないように配置されている。
このように、中間タンク部33の一部を第2風上側タンク部13、および第2風下側タンク部23と重合しないように配置する構成とすれば、送風空気の流れ方向Xにおいて、第1蒸発部10および第2蒸発部20を近接した配置形態とすることができるので、中間タンク部33を設けることによる冷媒蒸発器1の体格の増大を抑制することが可能となる。
図3、図4に示すように、中間タンク部33の内部には、上方側に位置する部位に仕切部材331が配置されており、この仕切部材331によって、タンク内部の空間が第1冷媒流通路33aと第2冷媒流通路33bとに仕切られている。
第1冷媒流通路33aは、第1集合部連結部材31aからの冷媒を第2分配部連結部材32bへ導く冷媒流通路を構成している。一方、第2冷媒流通路33bは、第2集合部連結部材31bからの冷媒を第1分配部連結部材32aへ導く冷媒流通路を構成している。
ここで、本実施形態では、第1集合部連結部材31a、第2分配部連結部材32b、中間タンク部33における第1冷媒流通路33aが、特許請求の範囲に記載の「第1連通部」を構成している。また、第2集合部連結部材31b、第1分配部連結部材32a、中間タンク部33における第2冷媒流通路33bが、特許請求の範囲に記載の「第2連通部」を構成している。
図2に戻り、第2風上側タンク部13の仕切部材131には、その表裏を貫通する貫通穴132が形成されている。この貫通穴132により、第1冷媒分配部13aと第2冷媒分配部13bとが連通している。このため、本実施形態では、貫通穴132が、特許請求の範囲に記載の「連通部」を構成している。
次に、本実施形態に係る冷媒蒸発器1における冷媒の流れについて図5を用いて説明する。
図5に示すように、膨張弁(図示略)にて減圧された低圧冷媒は、矢印Aの如く第1風下側タンク部22の一端側に形成された冷媒導入口22aからタンク内部に導入される。第1風下側タンク部22の内部に導入された冷媒は、矢印Bの如く風下側熱交換コア部21の第1風下側熱交換コア部21aを下降すると共に、矢印Cの如く風下側熱交換コア部21の第2風下側熱交換コア部21bを下降する。
第1風下側熱交換コア部21aを下降した冷媒は、矢印Dの如く第2風下側タンク部23の第1冷媒集合部23aに流入する。一方、第2風下側熱交換コア部21bを下降した冷媒は、矢印Eの如く第2風下側タンク部23の第2冷媒集合部23bに流入する。
第1冷媒集合部23aに流入した冷媒は、矢印Fの如く第1集合部連結部材31aを介して中間タンク部33の第1冷媒流通路33aに流入する。また、第2冷媒集合部23bに流入した冷媒は、矢印Gの如く第2集合部連結部材31bを介して中間タンク部33の第2冷媒流通路33bに流入する。
第1冷媒流通路33aに流入した冷媒は、矢印Hの如く第2分配部連結部材32bを介して第2風上側タンク部13の第2冷媒分配部13bに流入する。また、第2冷媒流通路33bに流入した冷媒は、矢印Iの如く第1分配部連結部材32aを介して第2風上側タンク部13の第1冷媒分配部13aに流入する。
第2風上側タンク部13の第2冷媒分配部13bに流入した冷媒の大半は、矢印J1の如く風上側熱交換コア部11の第2風上側熱交換コア部11bを上昇する。第2風上側タンク部13の第2冷媒分配部13bに流入した冷媒の一部は、矢印J2の如く、貫通穴132を介して第2風上側タンク部13の第1冷媒分配部13aに流入する。
一方、第1冷媒分配部13aに流入した冷媒は、矢印Kの如く風上側熱交換コア部11の第1風上側熱交換コア部11aを上昇する。
第2風上側熱交換コア部11bを上昇した冷媒、および第1風上側熱交換コア部11aを上昇した冷媒は、それぞれ矢印L、Mの如く第1風上側タンク部12のタンク内部に流入し、矢印Nの如く第1風上側タンク部12の一端側に形成された冷媒導出口12aから圧縮機(図示略)吸入側に導出される。
上述したように、風下側熱交換コア部21の第1風下側熱交換コア部21aからの冷媒は、第2風下側タンク部23の第1冷媒集合部23a、第1集合部連結部材31a、中間タンク部33の第1冷媒流通路33a、第2分配部連結部材32bおよび第2風上側タンク部13の第2冷媒分配部13bを介して、風上側熱交換コア部11の第2風上側熱交換コア部11bに流入する。
したがって、本実施形態では、第1冷媒集合部23a、第1集合部連結部材31a、第1冷媒流通路33a、第2分配部連結部材32bおよび第2冷媒分配部13bが、特許請求の範囲に記載の「第1冷媒流路」を構成している。
また、風下側熱交換コア部21の第2風下側熱交換コア部21bからの冷媒は、第2風下側タンク部23の第2冷媒集合部23b、第2集合部連結部材31b、中間タンク部33の第2冷媒流通路33b、第1分配部連結部材32aおよび第2風上側タンク部13の第1冷媒分配部13aを介して、風上側熱交換コア部11の第1風上側熱交換コア部11aに流入する。
したがって、本実施形態では、第2冷媒集合部23b、第2集合部連結部材31b、第2冷媒流通路33b、第1分配部連結部材32aおよび第1冷媒分配部13aが、特許請求の範囲に記載の「第2冷媒流路」を構成している。
また、第2風上側タンク部13の仕切部材131に形成された貫通穴132により、第1風下側熱交換コア部21aからの冷媒を第2風上側熱交換コア部11bへ導く「第1冷媒流路」と、第2風下側熱交換コア部21bからの冷媒を第1風上側熱交換コア部11aへ導く「第2冷媒流路」とが接続されている。したがって、本実施形態では、貫通穴132が、特許請求の範囲に記載の「接続流路」を構成している。
以上説明した本実施形態に係る冷媒蒸発器1では、第2風上側タンク部13の仕切部材131に、第2冷媒分配部13bと第1冷媒分配部13aとを連通させる貫通穴132が形成されている。このため、液相冷媒が、貫通穴132を介して、第2冷媒分配部13bと第1冷媒分配部13aとの間で移動可能となる。
したがって、液相冷媒は、第2冷媒分配部13bおよび第1冷媒分配部13aのうち冷媒流量が多い第2冷媒分配部13bから、冷媒流量が少ない第1冷媒分配部13aへ、貫通穴132を介して移動する。これにより、第1冷媒分配部13aを流通する冷媒流量が増加するため、冷媒流量が少ない第1冷媒分配部13aに滞留した冷凍機油を、液相冷媒によって押し流す(移動させる)ことができる。このため、冷凍機油が冷媒蒸発器1内に滞留することを抑制し、冷凍サイクルを循環する冷凍機油の流量を確保することが可能となる。
ここで、図6は、比較例に係る冷媒蒸発器1(第2風上側タンク部13の仕切部材131に貫通穴132が形成されていない冷媒蒸発器)の各熱交換コア部11、21を流れる液相冷媒の分布を説明するための説明図であり、図7は、本実施形態に係る冷媒蒸発器1の各熱交換コア部11、21を流れる液相冷媒の分布を説明するための説明図である。
図6(a)および図7(a)は、風上側熱交換コア部11を流れる液相冷媒の分布を示し、図6(b)および図7(b)は、風下側熱交換コア部21を流れる液相冷媒の分布を示し、図6(c)および図7(c)は、各熱交換コア部11、21を流れる液相冷媒の分布の合成を示している。なお、図6および図7は、冷媒蒸発器1を図1の矢印Y方向(送風空気の流れ方向Yの逆方向)から見たときの液相冷媒の分布を示すもので、図中の網掛部分で示す箇所が、液相冷媒が存する部分を示す。
まず、風下側熱交換コア部21を流れる液相冷媒の分布については、図6(b)および図7(b)で示すように、比較例に係る冷媒蒸発器1と本実施形態に係る冷媒蒸発器1とで同様であり、それぞれ第2風下側熱交換コア部21bにおける一部に液相冷媒が流れ難い箇所(図中右下方側の白抜き箇所)が生ずる。
また、比較例に係る冷媒蒸発器1における風上側熱交換コア部11を流れる液相冷媒の分布については、図6(a)に示すように、風上側熱交換コア部11の第1風上側熱交換コア部11aでは、第2風上側熱交換コア部11bよりも液相冷媒が流れ難くなっている。
また、図6に示すように、比較例に係る冷媒蒸発器1では、液相冷媒が流れ難くなっている第2風下側熱交換コア部21bおよび第1風上側熱交換コア部11aのそれぞれと連通する第2冷媒集合部23bおよび第1冷媒分配部13a内に、冷凍機油が滞留している(図中の点ハッチング参照)。
一方、本実施形態に係る冷媒蒸発器1では、図7(a)に示すように、第2風上側タンク部13の仕切部材131に形成された貫通穴132を介して、第2風上側タンク部13内の液相冷媒が、第2冷媒分配部13bから第1冷媒分配部13aへ流入する。このため、比較例に係る冷媒蒸発器1と比較して、風上側熱交換コア部11の第1風上側熱交換コア部11aに液相冷媒が流れ易くなっている。
このとき、第2冷媒分配部13bから流入した液相冷媒によって、第1冷媒分配部13aを流通する冷媒流量が増加するため、第1冷媒分配部13aに滞留した冷凍機油が液相冷媒によって押し流される。
また、図6(c)および図7(c)に示すように、比較例に係る冷媒蒸発器1および本実施形態に係る冷媒蒸発器1を送風空気の流れ方向Xから見たときに、それぞれ第2風上側熱交換コア部11bおよび第2風下側熱交換コア部21bにおける重合する部位の全域に液相冷媒が流れる。
ここで、図8は、比較例に係る冷媒蒸発器1(第2風上側タンク部13の仕切部材131に貫通穴132が形成されていない冷媒蒸発器)における、圧縮機の作動をOFFからONに切り替えた際の各熱交換コア部11、21を流れる液相冷媒の分布を説明するための説明図であり、図9は、本実施形態に係る冷媒蒸発器1における、圧縮機の作動をOFFからONに切り替えた際の各熱交換コア部11、21を流れる液相冷媒の分布を説明するための説明図である。
上述したように、冷媒蒸発器1の風上側熱交換コア部11において、第1風上側熱交換コア部11aは、第2風上側熱交換コア部11bよりも液相冷媒が流れ難くなっている。このため、図8(a)に示すように、比較例に係る冷媒蒸発器1では、圧縮機の作動を停止させた際に、第2風上側タンク部13において第2冷媒分配部13b内に液相冷媒が多く残留する一方(図中の点ハッチング参照)、第1冷媒分配部13a内に残留する液相冷媒量が少なくなる。
この状態で圧縮を作動させると、図8(c)に示すように、比較例に係る冷媒蒸発器1では、風上側熱交換コア部11の第1風上側熱交換コア部11aに液相冷媒が流れ難くなる。
そして、図8(c)に示すように、比較例に係る冷媒蒸発器1を送風空気の流れ方向Xから見たときに、第1風上側熱交換コア部11aおよび第1風下側熱交換コア部21aにおける重合する部位の一部に液相冷媒が流れ難い箇所(図中左側の白抜き箇所)が生ずる。
このように液相冷媒が分布する比較例に係る冷媒蒸発器1では、液相冷媒が流れ難い箇所にて冷媒が送風空気から顕熱分を吸熱するだけで送風空気を充分に冷却することができない。この結果、冷媒蒸発器1を通過する送風空気に温度分布が生じてしまうこととなる。
これに対し、本実施形態に係る本実施形態に係る冷媒蒸発器1では、図9(a)に示すように、第2風上側タンク部13の仕切部材131に形成された貫通穴132を介して、第2風上側タンク部13内の液相冷媒が、第2冷媒分配部13bから第1冷媒分配部13aへ流入する。これにより、第2風上側タンク部13において、第2冷媒分配部13bの残留液相冷媒量と第1冷媒分配部13aの残留液相冷媒量が均一化される。
この状態で圧縮機を作動させると、図9(c)に示すように、本実施形態に係る冷媒蒸発器1では、風上側熱交換コア部11の各風上側熱交換コア部11a、11bでは、チューブ積層方向に均等に液相冷媒が流れ易くなっている。つまり、本実施形態に係る冷媒蒸発器1は、風上側熱交換コア部11の各コア部11a、11bへの液相冷媒の分配の偏りが抑制されることとなる。
そして、図9(e)に示すように、本実施形態に係る冷媒蒸発器1を送風空気の流れ方向Xから見たときに、第2風上側熱交換コア部11bおよび第2風下側熱交換コア部21bにおける重合する部位の全域に液相冷媒が流れる。
このように液相冷媒が分布する本実施形態に係る冷媒蒸発器1では、各熱交換コア部11、21のいずれかによって、冷媒が送風空気から顕熱および潜熱を吸熱するので、送風空気を充分に冷却することが可能となる。この結果、冷媒蒸発器1を通過する送風空気に温度分布が生じてしまうことが抑制される。
なお、圧縮機作動直後には、冷凍サイクルの膨張弁が閉じているので、風下側蒸発部20に冷媒が直ぐには流入せず、圧縮機に近い側の風上側蒸発部10内の冷媒がまず吸入される。このため、風下側蒸発部20では冷媒と送風空気との熱交換がほとんど行われず、風上側蒸発部10において冷媒と吹出空気との熱交換が行われることになる。したがって、圧縮機作動直後においては、風上側蒸発部10の風上側熱交換コア部11における液相冷媒の分布が、冷媒蒸発器1を通過する送風空気の温度分布に大きな影響を与える。
ところで、本実施形態の冷媒蒸発器1は、風下側蒸発部20の熱交換コア部21a、21bを流れた冷媒を、冷媒入替部30を介して風上側蒸発部10の熱交換コア部11a、11bに流す際に、冷媒の流れを熱交換コア部の幅方向(左右方向)で入れ替える構成としている。この構成によれば、熱交換コア部11a、11b、21a0、21bおいて液相冷媒が偏って分配されることを抑制し、冷媒蒸発器1を通過する送風空気に温度分布が生じることを抑制できる。
これに対し、本実施形態のように、第2風上側タンク部13の仕切部材131に形成された貫通穴132を形成すると、貫通穴132の構成によっては、上述した送風空気の温度分布抑制効果が低減する可能性がある。このため、使用する冷媒の種類や流量(流速)、貫通穴132の断面積や位置等を適宜設定することで、送風空気の温度分布抑制効果を得つつ、冷凍機油の流量確保効果および圧縮機作動直後における冷媒の分配性の悪化抑制効果を得ることができる。
冷媒蒸発器1内部の冷媒は気液二相状態であり、その流速に応じて流動様式が変化する。例えば、冷媒としてHFC系冷媒であるR134aを採用した場合、高流速域においては噴霧流となり、気液混合状態となる。一方、低流速域においては層状流となり、気液分離状態となる。このため、冷媒の流動様式によって同じ断面積の貫通穴132を通過する際の圧力損失が変化し、通過流量も変化する。
具体的には、噴霧流は圧力損失が高くなり、層状流は圧力損失が低くなる。特に、層状流では、気液分離した気相冷媒と液相冷媒のうち、液相冷媒の方がさらに圧力損失が低くなるため、貫通穴132を通過しやすい傾向がある。
したがって、冷媒が噴霧流となる状態で使用する場合は、貫通穴132の断面積を大きくしても、当該貫通穴132を通過する際の圧力損失が大きいので、貫通穴132を通過する冷媒流量が少なくなり、送風空気の温度分布抑制効果を維持することができる。
一方、冷媒が層状流となる状態で使用する場合は、貫通穴132を通過する冷媒流量が顕著に変化するので、送風空気の温度分布抑制効果と冷凍機油の流量確保効果および圧縮機作動直後における冷媒の分配性の悪化抑制効果とのバランスを考慮して、貫通穴132の仕様を設定する。
また、冷凍機油および液相冷媒は、第2風上側タンク部13における重力方向下方側に滞留しやすい。このため、冷凍機油および液相冷媒の液面に応じて、貫通穴132の設置位置を設定する。なお、この場合、第2風上側タンク部13の断面積等により冷凍機油および液相冷媒の液面高さを調整してもよい。
(他の実施形態)
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。
(1)上述の実施形態では、第1風下側熱交換コア部21aからの冷媒を第2風上側熱交換コア部11bへ導く第1冷媒流路と、第2風下側熱交換コア部21bからの冷媒を第1風上側熱交換コア部11aへ導く第2冷媒流路とを接続する接続流路として、第2風上側タンク部13の仕切部材131に形成された貫通穴132を採用した例について説明したが、接続流路はこれに限定されない。
例えば、接続流路として、図10に示すように、第1分配部連結部材32aと第2分配部連結部材32bとを接続する接続部35を設けてもよい。また、接続流路としては、第1集合部連結部材31aと第2集合部連結部材31bとを接続する接続部を設けてもよい。また、中間タンク部33において、第1冷媒流通路33aと第2冷媒流通路33bとを連通させる連通穴を設けてもよい。
(2)上述の実施形態では、冷媒入替部30を一対の集合部連結部材31a、31b、一対の分配部連結部材32a、32b、および中間タンク部33で構成する例を説明したが、これに限らず、例えば、冷媒入替部30の中間タンク部33を廃し、各連結部材31a、31b、32a、32b同士を直接接続するように構成してもよい。
(3)上述の実施形態では、冷媒蒸発器1として、送風空気の流れ方向から見たときに、第1風上側熱交換コア部11aおよび第1風下側熱交換コア部21aが重合するように配置されると共に、第2風上側熱交換コア部11bおよび第2風下側熱交換コア部21bが重合するように配置される例について説明したが、これに限られない。冷媒蒸発器1としては、送風空気の流れ方向から見たときに、第1風上側熱交換コア部11aおよび第1風下側熱交換コア部21aの少なくとも一部が重合するように配置したり、第2風上側熱交換コア部11bおよび第2風下側熱交換コア部21bの少なくとも一部が重合するように配置したりしてもよい。
(4)上述の実施形態の如く、冷媒蒸発器1における風上側蒸発部10を風下側蒸発部20よりも送風空気の流れ方向Xにおける上流側に配置することが望ましいが、これに限らず、風上側蒸発部10を風下側蒸発部20よりも送風空気の流れ方向Xにおける下流側に配置するようにしてもよい。
(5)上述の実施形態では、各熱交換コア部11、21を複数のチューブ111、211とフィン112、212で構成する例を説明したが、これに限らず、複数のチューブ111、211だけで各熱交換コア部11、21を構成するようにしてもよい。また、各熱交換コア部11、21を複数のチューブ111、211とフィン112、212で構成する場合、フィン112、212は、コルゲートフィンに限らずプレートフィンを採用してもよい。
(6)上述の実施形態では、冷媒蒸発器1を車両用空調装置の冷凍サイクルに適用する例について説明したが、これに限らず、例えば、給湯機等に用いられる冷凍サイクルに適用してもよい。
10 風上側蒸発部(第2蒸発部)
11 風上側熱交換コア部(熱交換コア部)
11a 第1風上側熱交換コア部(第3コア部)
11b 第2風上側熱交換コア部(第4コア部)
20 風下側蒸発部(第1蒸発部)
21 風下側熱交換コア部(熱交換コア部)
21a 第1風下側熱交換コア部(第1コア部)
21b 第2風下側熱交換コア部(第2コア部)
132 貫通穴(接続流路、連通部)

Claims (3)

  1. 外部を流れる被冷却流体と冷媒との間で熱交換を行う冷媒蒸発器であって、
    前記被冷却流体の流れ方向に対して直列に配置された第1蒸発部(20)および第2蒸発部(10)を備え、
    前記第1蒸発部(20)および前記第2蒸発部(10)それぞれは、冷媒が流れる複数のチューブ(111、211)を積層して構成された熱交換コア部(11、21)を有し、
    前記第1蒸発部(20)における前記熱交換コア部(21)は、前記複数のチューブ(211)のうち、一部のチューブ群で構成される第1コア部(21a)、および残部のチューブ群で構成される第2コア部(21b)を有し、
    前記第2蒸発部(10)における前記熱交換コア部(11)は、前記複数のチューブ(111)のうち、前記被冷却流体の流れ方向において前記第1コア部(21a)の少なくとも一部と対向するチューブ群で構成される第3コア部(11a)、および前記被冷却流体の流れ方向において前記第2コア部(21b)の少なくとも一部と対向するチューブ群で構成される第4コア部(11b)を有し、
    さらに、前記第1コア部(21a)からの冷媒を前記第4コア部(11b)へ導く第1冷媒流路と、前記第2コア部(21b)からの冷媒を前記第3コア部(11a)へ導く第2冷媒流路とを接続する接続流路(132、35)を備えることを特徴とする冷媒蒸発器。
  2. 前記第1蒸発部(20)および前記第2蒸発部(10)それぞれは、前記複数のチューブ(111、211)の両端部に接続され、前記複数のチューブ(111、211)を流れる冷媒の集合あるいは分配を行う一対のタンク部(12、13、22、23)を有し、
    前記第1蒸発部(20)における前記一対のタンク部(22、23)のうち、一方のタンク部(23)は、前記第1コア部(21a)からの冷媒を集合させる第1冷媒集合部(23a)、前記第2コア部(21b)からの冷媒を集合させる第2冷媒集合部(23b)を含んで構成され、
    前記第2蒸発部(10)における前記一対のタンク部(12、13)のうち、一方のタンク部(13)は、前記第3コア部(11a)に冷媒を分配させる第1冷媒分配部(13a)、前記第4コア部(11b)に冷媒を分配させる第2冷媒分配部(13b)を含んで構成され、
    前記第1蒸発部(20)および前記第2蒸発部(10)は、前記第1冷媒集合部(23a)の冷媒を前記第2冷媒分配部(13b)に導く第1連通部(31a、32b、33a)、および、前記第2冷媒集合部(23b)の冷媒を前記第1冷媒分配部(13a)に導く第2連通部(31b、32a、33b)を介して連結されており、
    前記接続流路は、前記第1冷媒集合部(23a)、前記第2冷媒分配部(13b)および前記第1連通部(31a、32b、33a)のうちいずれか1つと、前記第2冷媒集合部(23b)、前記第1冷媒分配部(13a)および前記第2連通部(31b、32a、33b)のうちいずれか1つとを連通させる連通部(132、35)であることを特徴とする請求項1に記載の冷媒蒸発器。
  3. 前記連通部(132)は、前記第2冷媒分配部(13b)と前記第1冷媒分配部(13a)とを連通させることを特徴とする請求項2に記載の冷媒蒸発器。
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