JP2019168171A

JP2019168171A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2019168171A
Application number: JP2018056696A
Authority: JP
Inventors: 金子　智; Satoshi Kaneko; 智金子
Original assignee: Sanden Holdings Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2019-10-03
Also published as: WO2019181246A1

Abstract

【課題】吹出空気の温度分布を均一化することができる２パスの熱交換器を提供することを目的とする。【解決手段】熱交換器は、１対のヘッダタンクと、１対のヘッダタンクを並列に接続する複数のチューブと、から成る少なくとも１つの熱交換モジュールと、それぞれのチューブ内に配置されたインナーフィン(40)と、を備え、複数のチューブは熱交換媒体のパスを形成しており、インナーフィンの熱交換媒体の流れ方向における単位長さ当たりの伝熱面積は、パスの少なくとも一部の区間において、熱交換媒体の流れ方向に減少している。【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器、特に、車両用空調装置の構成要素である蒸発器として好適な熱交換器に関する。

車両用空調装置は、主要構成要素として圧縮機、凝縮器、膨張器及び蒸発器を備え、これらの要素をこの順に冷媒配管で接続することにより構成されている。

空調装置の運転中、車内に配置された蒸発器には、付設されたファンによって車内または車外の空気が導入される。空気は、蒸発器において冷媒に気化熱を与えることにより冷却され、車内へ吹き出される。

このとき、蒸発器から吹き出す空気の温度にばらつきがあると、車内のある領域においては高温の空気が到達するために暑く感じられ、別のある領域においては低温の空気が到達するために寒く感じられ、全体として車内の快適性が損なわれる。

したがって、車内の快適性を向上させるためには、蒸発器から吹き出す空気（以下、吹出空気という。）の吹き出し面における温度分布を均一化することが求められる。

吹出空気の温度分布を均一化するために従来一般的に用いられてきた方法として、蒸発器における冷媒のパス（経路）の数を多くすること、すなわち多パス化がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−２３８２３５号公報

多パス化により、各パスを構成する配管の本数が少なくなるため、各配管に冷媒を均等に配分しやすくなり、吹出空気の温度分布を均一化することができる。また、各パスを構成する配管の本数が少ないため、各配管内の流速が大きくなり、熱伝達率を高めることができるというメリットも得られる。

しかしながら、多パス化により、上述したように各配管内の流速が大きくなるうえ、配管の全長が長くなり、また、配管のターン（転回）部分が多くなるため、全体として圧力損失が大きくなってしまうというデメリットがある。また、配管のターン部分を形成するために、ヘッダタンク内に仕切りを設ける必要があり、コスト増につながるというデメリットもある。

上述したデメリットを克服するためには、蒸発器における冷媒のパスの数を少なくする（例えば、２パスとする）ことが有効である。

図５は、一般的な２パスの蒸発器を示す概略説明図であり、（Ａ）は当該蒸発器の全体斜視図を、（Ｂ）は当該蒸発器を構成するチューブの全体斜視図を、（Ｃ）は当該チューブ内に配置されるインナーフィンの全体斜視図を、それぞれ示している。

図５（Ａ）に示すように、蒸発器１は、矢印Ａで示す空気の流れ方向に隣接して配置された第１熱交換モジュール１０及び第２熱交換モジュール２０を備えている。

空気の流れ方向において上流側に配置された第１熱交換モジュール１０は、１対のヘッダタンク１０Ｕ及び１０Ｌと、これら両ヘッダタンクを並列に接続する複数のチューブ１０Ｐを備えている。各チューブ１０Ｐは、図５（Ｂ）に示すように、薄板を曲げた後に両端部１０Ｐｅをろう付けすることにより扁平な断面形状を有するように製造されており、その内部には、伝熱面積を増大させることを目的として、図５（Ｃ）に示すような波板状のインナーフィン３０が配置されている。なお、図示は省略しているが、隣接するチューブ１０Ｐの間にはコルゲートフィンが配置されている。

空気の流れ方向において下流側に配置された第２熱交換モジュール２０も、同様に、１対のヘッダタンク２０Ｕ及び２０Ｌと、これら両ヘッダタンクを並列に接続する複数のチューブ（インナーフィンを含む。）（いずれも図示省略）及び隣接するチューブ間に配置されたコルゲートフィン（図示省略）を備えている。

冷媒は、ヘッダタンク２０Ｕの一端に接続された流入管Ｐｉから流入し、ヘッダタンク１０Ｕの一端に接続された流出管Ｐｅから流出する。

図６は、図５（Ａ）の蒸発器の内部における冷媒のパスを模式的に示す図である。
冷媒は、流入管Ｐｉからヘッダタンク２０Ｕに流入し、第２熱交換モジュール２０を構成する複数のチューブ内（第１パスＰ１）を図において下向きに流れた後、ヘッダタンク２０Ｌ内に流入する。ヘッダタンク２０Ｌとヘッダタンク１０Ｌは、内部において互いに連通しているので、ヘッダタンク２０Ｌ内に流入した冷媒はヘッダタンク１０Ｌ内へ移動する。冷媒は、その後、第１熱交換モジュール１０を構成する複数のチューブ内（第２パスＰ２）を図において上向きに流れた後、ヘッダタンク１０Ｕ内に流入し、流出管Ｐｅから流出する。

以上のように構成された蒸発器１からの吹出空気の温度分布は、各チューブの圧力損失を最適化するなどして冷媒の配分の均等化を図ることにより、図６において左右方向には概ね均一化することができる。しかしながら、図６において上下方向の温度分布を均一化することは難しく、各熱交換モジュール１０，２０のうち図６において上半分の領域、すなわち、第１パスＰ１の上流部分Ｐ１ｕ及び第２パスＰ２の下流部分Ｐ２ｄに対応する領域において温度が高くなる傾向がある。

このように、２パスの蒸発器は、圧力損失の低減及びコストの低減という点では有利であるが、吹出空気の温度分布の均一化という点では、改良の余地が残されている。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、吹出空気の温度分布を均一化することができる２パスの熱交換器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の熱交換器は、１対のヘッダタンクと、前記１対のヘッダタンクを並列に接続する複数のチューブと、から成る少なくとも１つの熱交換モジュールと、それぞれの前記チューブ内に配置されたインナーフィンと、を備え、前記複数のチューブは熱交換媒体のパスを形成しており、前記インナーフィンの前記熱交換媒体の流れ方向における単位長さ当たりの伝熱面積は、前記パスの少なくとも一部の区間において、前記熱交換媒体の流れ方向に減少していることを特徴とする。

好ましくは、前記インナーフィンの前記熱交換媒体の流れ方向における単位長さ当たりの伝熱面積は、前記パスのうち、より上流側の区間において前記熱交換媒体の流れ方向に減少しており、より下流側の区間において前記熱交換媒体の流れ方向に増加している。

好ましくは、前記インナーフィンの前記熱交換媒体の流れ方向における単位長さ当たりの伝熱面積の、前記パスに沿った分布は、前記熱交換モジュールの熱交換媒体流路における入口から出口までの距離の中間位置を基準として、その上流側と下流側が対称である。

好ましくは、前記熱交換器は、第１熱交換モジュール及び第２熱交換モジュールを備え、前記第１熱交換モジュールの前記複数のチューブは第１パスを、前記第２熱交換モジュールの前記複数のチューブは第２パスを、それぞれ形成しており、前記第１パスにおける前記熱交換媒体の流れ方向と、前記第２パスにおける前記熱交換媒体の流れ方向とは、互いに逆向きである。

好ましくは、前記熱交換器は、単一の前記熱交換モジュールを備える２パスの熱交換器である。

好ましくは、前記熱交換器は、単一の前記熱交換モジュールを備える１パスの熱交換器である。

本発明の熱交換器によれば、冷媒の乾き度と熱伝達率との関係に起因して熱伝達率が低くなる傾向にある領域において、チューブの内部に配置されるインナーフィンの単位長さ当たりの伝熱面積を他の領域と比較して相対的に大きく設定しているので、冷媒の流れ方向において熱伝達率が平準化され、吹出空気の温度分布が均一となるという優れた効果を得ることができる。

本発明の蒸発器において、チューブ内に配置されるインナーフィンを示す概略説明図であり、（Ａ）は全体斜視図を、（Ｂ）は３面図を、それぞれ示している。本発明の蒸発器におけるインナーフィンの単位長さ当たりの伝熱面積の分布を示す概略説明図であり、（Ａ）は第１実施例を、（Ｂ）は第２実施例を、それぞれ示している。本発明の蒸発器における冷媒の流れ方向における熱伝達率の分布を、従来技術の蒸発器と比較して示す概略説明図である。本発明を適用可能な蒸発器の他の態様を模式的に示す概略説明図であり、（Ａ）は１つの熱交換モジュールのみを備える２パスの蒸発器を、（Ｂ）は１パスの蒸発器を、それぞれ示している。一般的な２パスの蒸発器を示す概略説明図であり、（Ａ）は当該蒸発器の全体斜視図を、（Ｂ）は当該蒸発器を構成するチューブの全体斜視図を、（Ｃ）は当該チューブ内に配置されるインナーフィンの全体斜視図を、それぞれ示している。図５（Ａ）の蒸発器の内部における冷媒のパスを模式的に示す図である。冷媒が流れる管路内の局所熱伝達率と冷媒の乾き度との関係を模式的に示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

まず、図６に示した２パスの蒸発器１において、第１パスＰ１の上流部分Ｐ１ｕ（以下、第１区間Ｚ１という。）及び第２パスＰ２の下流部分Ｐ２ｄ（以下、第４区間Ｚ４という。）に対応する領域での吹出空気の温度が、第１パスＰ１の下流部分Ｐ１ｄ（以下、第２区間Ｚ２という。）及び第２パスＰ２の上流部分Ｐ２ｕ（以下、第３区間Ｚ３という。）に対応する領域と比較して高くなる原因を考察する。

一般に、蒸発器に流入する冷媒の乾き度は0.3〜0.4であるが、当該乾き度は、蒸発器内を流れ下るにしたがって単調に増加し、蒸発器を流出する際には実質的に1.0（僅かな過熱状態）となる。

一方、冷媒が流れる管路内の局所熱伝達率と冷媒の乾き度との間には、図７に示すような関係があることが知られている。同図は、冷媒の乾き度（横軸；Ｘ）と局所熱伝達率（縦軸；α）の関係を模式的に示すグラフである。

同図から明らかなように、乾き度が０〜約0.9の範囲では、乾き度の増加と共に熱伝達率は単調に増加（上昇）するが、乾き度が約0.9を超える範囲において、熱伝達率は急激に減少（低下）する。これは、乾き度が0.7〜0.9の範囲になると、ある時点で、それまで少なくとも部分的に液相の冷媒と接触していた伝熱面が全て気相の冷媒で覆われるようになり、熱伝達の態様が、相変化を伴う沸騰熱伝達から気相単相の熱伝達へと遷移する結果、熱伝達が急激に減少すること（いわゆる、ドライアウト）によるものである。

図７のグラフには、図６に示した蒸発器１の各パスにおける冷媒の乾き度を対応付けて示しているが、第１区間Ｚ１及び第４区間Ｚ４における平均的な熱伝達率は、第２区間Ｚ２及び第３区間Ｚ３における平均的な熱伝達率と比較して、低くなっていることが分かる。これが、上述した吹出空気の不均一な温度分布の原因であると考えられる。

そこで、本発明の蒸発器においては、上述したように一般的に熱伝達率が低くなる傾向にある第１区間Ｚ１（第１パスＰ１の上流部分Ｐ１ｕ）及び第４区間Ｚ４（第２パスＰ２の下流部分Ｐ２ｄ）に対応する領域におけるチューブ内の熱伝達率を、他の部位（第２区間Ｚ２及び第３区間Ｚ３）に対応する領域と比較して相対的に高めることを目的として、チューブ内に配置されるインナーフィンの形状を改良した。これについて、以下で詳述する。

図１は、本発明の蒸発器において、チューブ内に配置されるインナーフィンを示す概略説明図であり、（Ａ）は全体斜視図を、（Ｂ）は３面図を、それぞれ示している。

インナーフィン４０は、インナーフィン３０（図５（Ｃ）参照）と同様に波板状に形成されているが、その厚さ方向（波板の波の高さ方向；図におけるＺ方向）の両面に、複数の凹部４０Ｒが交互に形成されている。

凹部４０Ｒは、インナーフィン４０の幅方向（波板の波の進行方向；図におけるＸ方向）の全域にわたって延びており、図１（Ｂ）に示すように、それぞれ深さｄを有している。また、凹部４０Ｒは、図１（Ｂ）に示すように、インナーフィン４０の長手方向（図におけるＹ方向）においてピッチｐで配置されている。

なお、凹部４０Ｒは、凹部が形成されていない（すなわち、インナーフィン３０と同様の形状の）波板に対して工具を厚さ方向に押し付け、波板の波の頂部を潰すことにより形成される。

このような凹部４０Ｒを形成することにより、インナーフィン４０の流動抵抗は増加し、その結果、インナーフィン４０が配置されたチューブ内の熱伝達率は高くなる。また、インナーフィン４０の流動抵抗は、凹部４０Ｒの深さｄが大きいほど、また、ピッチｐが小さい（すなわち、長手方向における凹部４０Ｒの配置密度が高い）ほど、大きくなる。

そこで、本発明の蒸発器では、凹部４０Ｒの深さｄ及びピッチｐのうち少なくとも一つを調整することにより、第１区間Ｚ１（第１パスＰ１の上流部分Ｐ１ｕ）及び第４区間Ｚ４（第２パスＰ２の下流部分Ｐ２ｄ）に対応する領域におけるインナーフィン４０の流動抵抗を、第２区間Ｚ２及び第３区間Ｚ３に対応する領域と比較して、相対的に大きく設定している。これは、冷媒（熱交換媒体）の流れ方向における単位長さ当たりのインナーフィン４０の伝熱面積を、第１区間Ｚ１及び第４区間Ｚ４に対応する領域において、第２区間Ｚ２及び第３区間Ｚ３に対応する領域と比較して、相対的に大きく設定していると表現することもできる。

具体的には、第１区間Ｚ１（第１パスＰ１の上流部分Ｐ１ｕ）及び第４区間Ｚ４（第２パスＰ２の下流部分Ｐ２ｄ）に対応する領域において、凹部４０Ｒの深さｄは相対的に大きく、凹部４０Ｒのピッチｐは相対的に小さく、それぞれ設定される。

インナーフィン４０の単位長さ当たりの伝熱面積の分布は、例えば図２（Ａ）（第１実施例）に示すように、第１区間Ｚ１及び第２区間Ｚ２（第１パスＰ１の全域）にわたって減少し、第２区間Ｚ２と第３区間Ｚ３の境界部（第１パスＰ１と第２パスＰ２の境界部）で最小となった後、第３区間Ｚ３及び第４区間Ｚ４（第２パスＰ２の全域）にわたって増加するようなものとすることができる。具体的には、第１区間Ｚ１及び第２区間Ｚ２においては、凹部４０Ｒの深さｄを徐々に小さく、または凹部４０Ｒのピッチｐを徐々に大きくすることで、図２（Ａ）のようにインナーフィン４０の単位長さ当たりの伝熱面積を冷媒の流れ方向に減少させることができる。また、第３区間Ｚ３及び第４区間Ｚ４においては、凹部４０Ｒの深さｄを徐々に大きく、または凹部４０Ｒのピッチｐを徐々に小さくすることで、図２（Ａ）のようにインナーフィン４０の単位長さ当たりの伝熱面積を冷媒の流れ方向に増加させることができる。

さらに、インナーフィン４０の単位長さ当たりの伝熱面積は、図２（Ｂ）（第２実施例）に示すように、段階的（ないし離散的）に変化させてもよい。なお、段階的（ないし離散的）な変化の態様として、同図に例示したもの以外に種々の態様が適用可能であることは、言うまでもない。

いずれの場合も、単位長さ当たりの伝熱面積の分布を、第２区間Ｚ２と第３区間Ｚ３の境界部（第１パスＰ１と第２パスＰ２の境界部）、換言すれば全熱交換モジュールの熱交換媒体流路における入口から出口までの距離の中間位置を基準として、その上流側と下流側が対称となるように設定することにより、第１区間Ｚ１及び第２区間Ｚ２（第１パスＰ１）を構成するチューブ、並びに、第３区間Ｚ３及び第４区間Ｚ４（第２パスＰ２）を構成するチューブのそれぞれの内部に配置されるインナーフィン４０の形状を共通化することができ、製造のうえで有利である。

ただし、単位長さ当たりの伝熱面積の分布を、全熱交換モジュールの熱交換媒体流路における入口から出口までの距離の中間位置を基準として、その上流側と下流側が非対称となるように設定することも可能である。この場合、単位長さ当たりの伝熱面積が最小となる位置は、第２区間Ｚ２と第３区間Ｚ３の境界部（第１パスＰ１と第２パスＰ２の境界部）より上流側または下流側となる。

以上に例示した、蒸発器の全パスを通じたインナーフィン４０の単位長さ当たりの伝熱面積の変化は、蒸発器の入口から出口までの間において、より上流側における減少領域と、より下流側における増加領域とを含むもの、と表現することができる。

ここで、インナーフィン４０の単位長さ当たりの伝熱面積の分布を図２（Ａ）に示すように設定した本発明の蒸発器における、冷媒の流れ方向の熱伝達率の分布を、図３に示す。

本発明の蒸発器においては、凹部のないインナーフィン（すなわち、インナーフィン３０と同様の形状のインナーフィン）を採用した従来技術の蒸発器と比較して、全体的に熱伝達率が高く、かつ、冷媒の流れ方向において熱伝達率が平準化されていることが分かる。

このように、本発明の蒸発器によれば、冷媒の乾き度と熱伝達率との関係に起因して熱伝達率が低くなる傾向にある領域において、チューブの内部に配置されるインナーフィンの単位長さ当たりの伝熱面積を他の領域と比較して相対的に大きく設定しているので、冷媒の流れ方向において熱伝達率が平準化され、吹出空気の温度分布が均一となるという効果を得ることができる。

なお、以上においては、２パスの蒸発器として、空気の流れ方向に隣接して配置された２つの熱交換モジュールを備えるものについて説明したが、図４（Ａ）に模式的に示すように、１つの熱交換モジュールのみを備え、一方のヘッダタンク（図示した実施例においては、図において上部に示されたもの）の内部に仕切りＰＴが設けられた蒸発器にも、本発明は適用可能である。この場合においても、第１区間Ｚ１（第１パスＰ１の上流部分Ｐ１ｕ）及び第４区間Ｚ４（第２パスＰ２の下流部分Ｐ２ｄ）に対応する領域におけるインナーフィンの単位長さ当たりの伝熱面積を、第２区間Ｚ２（第１パスＰ１の下流部分Ｐ１ｄ）及び第３区間Ｚ３（第２パスＰ２の上流部分Ｐ２ｕ）に対応する領域と比較して、相対的に大きく設定すればよい。

さらに、図４（Ｂ）に模式的に示す１パスの蒸発器にも、本発明は適用可能である。この場合においても、同様に、第１区間Ｚ１（全パス区間の最上流部分）及び第４区間Ｚ４（全パス区間の最下流部分）に対応する領域におけるインナーフィンの単位長さ当たりの伝熱面積を、第２区間Ｚ２（全パス区間の中間部分のうち上流側の部分）及び第３区間Ｚ３（全パス区間の中間部分のうち下流側の部分）に対応する領域と比較して、相対的に大きく設定すればよい。

なお、本発明に従って単位長さ当たりの伝熱面積を冷媒の流れ方向に変化させたインナーフィン４０をチューブ内に配置すると、当該チューブの何れの側で単位長さ当たりの伝熱面積が大きく設定されているのか外観からは確認できなくなり、チューブの組み付け方向を誤る虞がある。

そこで、チューブには、何れの側で単位長さ当たりの伝熱面積が大きく設定されているのかを外観から確認できるような目印を付けておくことが望ましい。例えば、薄板を曲げた後に両端部をろう付けすることによりチューブを製造する際、ろう付けされた部分（図５（Ｂ）における１０Ｐｅ）の１または複数箇所をかしめることにより凹部を形成し、これを目印とすることができる。

なお、パス数が偶数の場合は、２パスの場合と同様に、単位長さ当たりの伝熱面積を冷媒の流れ方向において対称とすることができる。パス数が奇数の場合は、１パスの場合と同様に、単位長さ当たりの伝熱面積が中間位置において最小値となるようにしてもよいし、中間位置付近のヘッダタンク部において最小値となるようにしてもよい。

なお、以上においては、チューブ内に配置されるインナーフィンとして、波板状に形成されたものを例示したが、例えば、いわゆるオフセットフィンを用いることもできる。この場合にも、当該オフセットフィンの形状・寸法を調整することにより、単位長さ当たりの伝熱面積を冷媒の流れ方向に変化させればよい。

１０第１熱交換モジュール（熱交換モジュール）
２０第２熱交換モジュール（熱交換モジュール）
１０Ｕ，１０Ｌ，２０Ｕ，２０Ｌヘッダタンク
１０Ｐチューブ
４０インナーフィン
Ｐ１第１パス
Ｐ２第２パス

Claims

１対のヘッダタンクと、前記１対のヘッダタンクを並列に接続する複数のチューブと、から成る少なくとも１つの熱交換モジュールと、
それぞれの前記チューブ内に配置されたインナーフィンと、を備え、
前記複数のチューブは熱交換媒体のパスを形成しており、
前記インナーフィンの前記熱交換媒体の流れ方向における単位長さ当たりの伝熱面積は、前記パスの少なくとも一部の区間において、前記熱交換媒体の流れ方向に減少していることを特徴とする熱交換器。
前記インナーフィンの前記熱交換媒体の流れ方向における単位長さ当たりの伝熱面積は、前記パスのうち、より上流側の区間において前記熱交換媒体の流れ方向に減少しており、より下流側の区間において前記熱交換媒体の流れ方向に増加していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記インナーフィンの前記熱交換媒体の流れ方向における単位長さ当たりの伝熱面積の、前記パスに沿った分布は、前記熱交換モジュールの熱交換媒体流路における入口から出口までの距離の中間位置を基準として、その上流側と下流側が対称であることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
第１熱交換モジュール及び第２熱交換モジュールを備え、
前記第１熱交換モジュールの前記複数のチューブは第１パスを、前記第２熱交換モジュールの前記複数のチューブは第２パスを、それぞれ形成しており、
前記第１パスにおける前記熱交換媒体の流れ方向と、前記第２パスにおける前記熱交換媒体の流れ方向とは、互いに逆向きであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
単一の前記熱交換モジュールを備える２パスの熱交換器であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
単一の前記熱交換モジュールを備える１パスの熱交換器であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。