JP2019182226A - 蒸発器 - Google Patents

Abstract

【課題】固形蓄熱材を用いる構成としながらも、熱交換性能の低下が生じることのない蒸発器を提供する。【解決手段】蒸発器１０は、内部を冷媒が通る複数のチューブ２００と、チューブ２００の間に配置され、内部に固形蓄冷材ＣＭを収容する蓄冷材容器４００と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、冷媒との熱交換によって空気を冷却する蒸発器に関する。

空調装置における冷凍サイクルの一部として用いられる蒸発器は、液相の冷媒を内部で蒸発させてその温度を低下させ、当該冷媒との熱交換によって空気を冷却するものである。

車両用の空調装置においては、内燃機関の駆動力によってコンプレッサを動作させ、これにより冷媒を循環させている。このため、内燃機関が停止している状態においては冷媒の循環が停止した状態となるので、蒸発器を通過する空気の冷却を行うことができなくなる。

近年、一時停止の際において自動的に内燃機関を停止させる、所謂アイドルストップを行う車両が普及している。このような車両では、運転中において比較的頻繁に内燃機関が停止し、その度にコンプレッサが停止する。その際、上記のように空気の冷却が行われなくなってしまうと、車室内の温度が上昇し乗員に不快感を与えてしまうこととなる。

そこで、蓄冷機能を備えた構成の蒸発器が提案されており、既に実用化されている。例えば下記特許文献１に記載された蒸発器（蓄冷機能付きエバポレータ）では、潜熱蓄熱材が、複数のチューブの間となる位置に配置された構成となっている。上記の潜熱蓄熱材は、可塑性エラストマにパラフィンが固定されたものであり、その温度によらず全体が常に固形となっているものである。

内燃機関の駆動力によりコンプレッサが動作しているときには、蒸発器で低温となった冷媒との熱交換により、潜熱蓄熱材は冷却されて低温の状態となる。その後、アイドルストップが行われて冷媒の循環が停止した状態となっても、潜熱蓄熱材によってチューブが低温に維持される。このため、蒸発器を通過して車室内に吹き出される空気の冷却を、しばらくの間は継続して行うことが可能となる。

特開２０１５−１０７７６号公報

上記特許文献１に記載の蒸発器では、チューブとチューブの間のフィンが配置されている部分に、固形の潜熱蓄熱材を変形させながら埋め込んだ構成となっている。このため、例えばそれぞれのチューブが空気の流れ方向に沿って２本ずつ並んでいる場合には、変形した潜熱蓄熱材の一部がこれらチューブ間の隙間等にも入り込み、空気の流れを遮ってしまう可能性がある。その結果、蒸発器の熱交換性能が低下してしまう可能性がある。

本開示は、固形蓄熱材を用いる構成としながらも、熱交換性能の低下が生じることのない蒸発器を提供することを目的とする。

本開示に係る蒸発器は、冷媒との熱交換によって空気を冷却する蒸発器（１０）であって、内部を冷媒が通る複数のチューブ（２００）と、チューブの間に配置され、内部に固形蓄冷材（ＣＭ）を収容する蓄冷材容器（４００）と、を備える。

このような構成の蒸発器は、固形蓄冷材が蓄冷材容器の内部に収容されており、当該蓄冷材容器がチューブの間に配置されている。このため、固形蓄冷材を配置する過程で、変形した固形蓄冷材の一部が空気の流れる経路に入り込んでしまうことは無い。固形蓄冷材により空気の流れが遮られることが無いため、蒸発器の熱交換性能が低下してしまうことも無い。

尚、上記における「固形蓄冷材」とは、蒸発器における冷媒の蒸発が行われているか否かに関わらず、その全体形状が保たれるような（つまり固形であるような）蓄冷材のことである。例えば、固形蓄冷材として、蓄冷材であるパラフィンを内包するマイクロカプセルが、熱硬化性樹脂の内部に複数保持されているようなものが用いられてもよい。この場合、冷媒の蒸発が行われていないときには、マイクロカプセルの内部にあるパラフィンは液相となっている。しかしながら、マイクロカプセルを保持する熱硬化性樹脂は固体のままであるから、固形蓄冷材の全体形状は保たれることとなる。

本開示によれば、固形蓄熱材を用いる構成としながらも、熱交換性能の低下が生じることのない蒸発器が提供される。

図１は、第１実施形態に係る蒸発器の全体構成を示す図である。 図２は、第１実施形態に係る蒸発器の、チューブ及び蓄冷材容器の構成を示す断面図である。 図３は、第１実施形態に係る蒸発器の、蓄冷材容器の構成を示す斜視図である。 図４は、第２実施形態に係る蒸発器の、チューブ及び蓄冷材容器の構成を示す断面図である。 図５は、第２実施形態に係る蒸発器の、蓄冷材容器の構成を示す斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

本実施形態に係る蒸発器１０の構成について説明する。蒸発器１０は、車両用空調装置として構成された冷凍サイクル（不図示）の一部を成す蒸発器（エバポレータ）である。蒸発器１０には、冷凍サイクルの一部に配置された不図示のコンプレッサにより冷媒が送り込まれる。コンプレッサは、車両に備えられた内燃機関の駆動力により動作する。蒸発器１０は、送り込まれた冷媒を内部で蒸発させながら、冷媒と空気との熱交換を行うことにより空気を冷却するものである。

図１に示されるように、蒸発器１０は、上部タンク１１０と、下部タンク１２０と、チューブ２００と、フィン３００と、蓄冷材容器４００と、接続部材１３０と、を備えている。本実施形態では、これらはいずれもアルミニウムによって形成されている。

図１においては、蒸発器１０を空気が通過する方向であって、図１の紙面手前側から奥側に向かう方向をｘ方向としてｘ軸を設定している。また、上部タンク１１０の長手方向であって、図１の左側から右側に向かう方向をｙ方向としてｙ軸を設定している。更に、下部タンク１２０から上部タンク１１０へと向かう方向をｚ方向としてｚ軸を設定している。図２においても同様にしてｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を設定している。

上部タンク１１０は、冷凍サイクルを循環する冷媒を一時的に貯留して当該冷媒をチューブ２００に供給したり、チューブ２００を通った冷媒を受け入れたりするための容器である。上部タンク１１０は、細長い棒状の容器として形成されている。上部タンク１１０は、その長手方向を水平方向に沿わせた状態で、蒸発器１０のうち上方側部分に配置されている。

下部タンク１２０は、上部タンク１１０と同様に、冷凍サイクルを循環する冷媒を一時的に貯留して当該冷媒をチューブ２００に供給したり、チューブ２００を通った冷媒を受け入れたりするための容器である。下部タンク１２０の形状は、上部タンク１１０の形状と概ね同一である。下部タンク１２０は、上部タンク１１０と同様にその長手方向を水平方向に沿わせた状態で、蒸発器１０のうち下方側部分に配置されている。

チューブ２００は、内部を冷媒が通るように構成された管である。チューブ２００は、扁平形状の断面を有する細長い配管であって、蒸発器１０に複数備えられている。図２に示されるように、チューブ２００の内部には、その長手方向に沿って冷媒の流れる流路ＦＰが形成されている。それぞれのチューブ２００は、その長手方向を鉛直方向（ｚ方向）に沿わせており、互いの主面を対向させた状態で積層配置されている。積層された複数のチューブ２００が並ぶ方向は、上部タンク１１０の長手方向と同じである。

それぞれのチューブ２００は、その一端が上部タンク１１０に接続されており、その他端が下部タンク１２０に接続されている。このような構成により、上部タンク１１０の内部空間と、下部タンク１２０の内部空間とは、それぞれのチューブ２００内の流路ＦＰによって連通されている。

冷凍サイクルを冷媒が循環しているときには、上部タンク１１０から下部タンク１２０に向かって（又はその逆方向に）冷媒が流れる。当該冷媒は、チューブ２００の内部に形成された流路ＦＰを通りながら、空気からの熱を受けて蒸発し液相から気相へと変化する。チューブ２００の周囲を流れる空気は、蒸発する冷媒によって熱を奪われてその温度を低下させる。当該空気は、低温の空調風として車室内に供給される。

フィン３００は、金属板を波状に折り曲げることにより形成されたものであって、それぞれのチューブ２００の間に配置されている。波状であるフィン３００のそれぞれの頂部は、チューブ２００の外表面に対して当接しており、且つろう接されている。このため、チューブ２００の周囲を流れる空気の熱は、チューブ２００を介して冷媒に伝達されるだけでなく、フィン３００及びチューブ２００を介しても冷媒に伝達される。つまり、フィン３００によって空気との接触面積が大きくなっており、冷媒と空気との熱交換が効率よく行われる。

フィン３００は、互いに隣り合う２本のチューブ２００の間に形成された空間の全体、すなわち、上部タンク１１０から下部タンク１２０に至るまでの全範囲に亘って配置されている。ただし、図１においてはその一部のみが図示されており、他の部分については図示が省略されている。

蓄冷材容器４００は、冷凍サイクルを冷媒が循環しているときに蓄冷を行い、冷媒の循環が停止した後においてもチューブ２００等を低温に保つためのものである。蓄冷材容器４００は、細長い棒状の密閉容器として形成されている。図２に示されるように、蓄冷材容器４００の内部には空間ＳＰが形成されており、空間ＳＰには固形蓄冷材ＣＭが収容されている。

固形蓄冷材ＣＭは、パラフィンと熱硬化性の樹脂とを混合したものを、蓄冷材容器４００の内部に供給した後に加熱して硬化させたものである。熱硬化性の樹脂としては、例えばポリスチレンを用いることができる。また、熱硬化性の樹脂に替えて、熱硬化性のエラストマを用いることとしてもよい。熱硬化性のエラストマとしては、例えば、フェノールやエポキシを用いることができる。このように、固形蓄冷材ＣＭには熱硬化性の樹脂又は熱硬化性のエラストマが含まれている。

また、上記のようにパラフィンを熱硬化性の樹脂等にそのまま混合させてもよいのであるが、パラフィンを内部に収容する複数のマイクロカプセルを、熱硬化性の樹脂等に混合し保持させることとしてもよい。このようなマイクロカプセルとしては、例えば三木理研工業株式会社の蓄熱蓄冷マイクロカプセル（ＰＭＣＤ−５）等を用いることができる。

蓄冷材容器４００は、その長手方向をチューブ２００の長手方向に沿わせた状態で、互いに隣り合う２本のチューブ２００の間となる位置に配置されている。蓄冷材容器４００は、当該位置において隣のチューブ２００に接合（ろう接）されている。

図１に示されるように、チューブ２００とチューブ２００との間に形成された複数の空間には、その一部にフィン３００が配置されており、他の一部に蓄冷材容器４００が配置されている。蒸発器１０における蓄冷材容器４００の位置や個数は、図１に示されるものとは異なるものであってもよい。

チューブ２００によって蓄冷材容器４００が冷却されると、固形蓄冷材ＣＭの熱は蓄冷材容器４００を介してチューブ２００に伝えられる。冷凍サイクルを冷媒が循環しているときにおいては、固形蓄冷材ＣＭは蒸発する冷媒によって冷却されるので、熱硬化性の樹脂に保持されたパラフィンの一部が凝固した状態となる。

車両がアイドルストップの状態になると、冷凍サイクルのコンプレッサが停止した状態となる。このため、冷凍サイクルにおける冷媒の循環が行われなくなり、蒸発器１０における冷媒の蒸発も行われなくなる。

しかしながら、このときの固形蓄冷材ＣＭのパラフィンは凝固した状態となっているので、蓄冷材容器４００、及びその近傍に配置されているチューブ２００やフィン３００は、いずれも低温に維持されている。このため、冷凍サイクルにおける冷媒の循環が停止していても、蒸発器１０を通過する空気は冷却される。このように、蓄冷材容器４００が配置されていることにより、アイドルストップの状態に移行した後においても、蒸発器１０はその冷却性能をしばらくの間維持することができる。

接続部材１３０は、蒸発器１０に対して外部から供給される冷媒を受け入れたり、蒸発器１０を通過した後の冷媒を外部へ排出したりするための部材である。接続部材１３０は、上部タンク１１０の−ｙ方向側端部に対して接続されている。

本実施形態では、図１に示される上部タンク１１０及び下部タンク１２０のそれぞれが、ｘ軸に沿って２つずつ並ぶように配置されている。同様に、図１に示されるチューブ２００、及びフィン３００のそれぞれも、ｘ軸に沿って２つずつ並ぶように配置されている。図２において符号２０１が付されているのは、−ｘ方向側に配置された方のチューブ２００である。また、同図において符号２０２が付されているのは、ｘ方向側に配置された方のチューブ２００である。

ｘ軸に沿って並ぶ一対の下部タンク１２０は、それぞれの内部空間が互いに連通するように接続されている。これに対し、ｘ軸に沿って並ぶ一対の上部タンク１１０は、それぞれの内部空間が互いに連通しておらず、互いに分離されている。

接続部材１３０には、供給口１３１と、排出口１３２と、が形成されている。供給口１３１は、外部から供給される冷媒を受け入れる部分である。供給口１３１には、不図示の絞り弁から伸びる配管が接続される。当該配管から供給口１３１に供給された冷媒は、−ｘ方向側に配置された上部タンク１１０の内部へと供給される。

当該冷媒は、−ｘ方向側に配置されたチューブ２００の内部を通って、−ｘ方向側に配置された下部タンク１２０の内部へと供給される。その後、冷媒はｘ方向側に配置された下部タンク１２０の内部へと移動し、ｘ方向側に配置されたチューブ２００の内部を通って、ｘ方向側に配置された上部タンク１１０の内部へと供給される。

排出口１３２は、冷媒を外部に排出する部分である。排出口１３２には、不図示の圧縮機へと伸びる配管が接続される。蒸発器１０において熱交換に供された冷媒は、上記のようにｘ方向側に配置された上部タンク１１０の内部へと供給された後、接続部材１３０の排出口１３２から排出される。尚、蒸発器１０の内部において冷媒が流れる経路は、上記とは異なるものであってもよい。

チューブ２００及び蓄冷材容器４００の具体的な構成について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２は、蓄冷材容器４００及びこれに接合された４つのチューブ２００を、ｚ軸に垂直な面で切断した場合の断面を示すものである。

チューブ２００は、アルミニウムの押し出し成形によって形成された管となっている。チューブ２００は、−ｙ方向側及びｙ方向側のそれぞれの外表面が概ね平坦な面となっている。それぞれの面の法線はｙ軸に沿っている。蒸発器１０を通過する空気は当該面に沿って流れる。チューブ２００のうち、上記の平坦な面を構成する部材の厚さ、すなわち、隣の蓄冷材容器４００が接合される平坦な板状部分の厚さが、図２では「Ｔ１」として示されている。

チューブ２００の内部には、複数の内柱２１０が形成されている。それぞれの内柱２１０は、ｙ軸に沿って伸びるように形成された板状の柱となっており、ｘ軸に沿って等間隔に並ぶように形成されている。先に述べた流路ＦＰは、これらの内柱２１０によって複数の流路に分かれている。

蓄冷材容器４００は、ｚ軸に沿って伸びるように形成された、概ね直方体状の容器である。既に述べたように、本実施形態におけるそれぞれチューブ２００は、ｘ軸に沿って２本ずつ並ぶように配置されている。これに対し、蓄冷材容器４００は、−ｘ方向側に配置されたチューブ２００（２０１）の−ｘ方向側端部から、ｘ方向側に配置されたチューブ２００（２０２）のｘ方向側端部まで伸びるように配置されている。つまり、一つの蓄冷材容器４００が、符号２０１が付された−ｘ方向側のチューブ２００と、符号２０２が付されたｘ方向側のチューブ２００と、の両方に対して接合されている。

蓄冷材容器４００のうちチューブ２００に対向する面４１０には、チューブ２００に向かって突出する複数の突起４１１が形成されている。それぞれの突起４１１は、ｙ軸に沿って見た場合の形状が円形の突起である。突起４１１の先端は平坦な面となっており、チューブ２００の表面に当接した状態でろう接されている。

蓄冷材容器４００の厚さは、突起４１１の先端部分を含めてその全体が均一となっている。図２では、当該厚さが「Ｔ２」として示されている。Ｔ２はＴ１よりも小さい。つまり、本実施形態では、蓄冷材容器４００を構成する部材の板厚が、チューブ２００を構成する部材の板厚よりも薄くなっている。これにより、蓄冷材容器４００の容積が大きくなっており、より多くの固形蓄冷材ＣＭを内部に収容することが可能となっている。

尚、蓄冷材容器４００を構成する部材の板厚を上記のように薄くすると、蓄冷材容器４００の一部が破損してしまうことも考えられる。しかしながら、本実施形態では蓄冷材として固形蓄冷材ＣＭが用いられているので、蓄冷材容器４００が破損しても、破損個所から蓄冷材が外部に漏れ出てしまうことは無い。

図３には、蓄冷材容器４００の外観が斜視図により示されている。尚、同図においては、面４１０に形成された突起４１１の図示が省略されている。

図３に示されるように、蓄冷材容器４００の側面４２０（面４１０に対して垂直な面であって、ｘ方向側の面）のうち上端部近傍には、供給口４２１が形成されている。供給口４２１は、固形蓄冷材ＣＭを蓄冷材容器４００の内部に供給するための開口である。

固形蓄冷材ＣＭは、熱硬化性の樹脂が熱硬化する前の状態（つまり全体が液体の状態）で、供給口４２１から蓄冷材容器４００の内部へと供給され充填される。その後、蓄冷材容器４００が加熱され、熱硬化性の樹脂が熱硬化することにより、固形蓄冷材ＣＭの全体が固形の状態となる。

固形蓄冷材ＣＭの全体が固形の状態となった後も、供給口４２１は外部に開放されたままとなっている。本実施形態では、蓄冷材として固形蓄冷材ＣＭが用いられるので、開放された供給口４２１から蓄冷材が外部に漏れ出てしまうことは無い。供給口４２１を塞ぐ必要が無いので、蒸発器１０の製造コストを低減することができる。

以上のように、本実施形態に係る蒸発器１０は、内部を冷媒が通る複数のチューブ２００と、チューブ２００の間に配置され、内部に固形蓄冷材ＣＭを収容する蓄冷材容器４００と、を備える。

このような構成に替えて、固形蓄冷材ＣＭを蓄冷材容器４００の内部に収容することなく、チューブ２００の間に直接配置することも考えられる。しかしながら、そのような構成においては、配置時において変形した固形蓄冷材ＣＭの一部が、ｘ軸に沿って並ぶチューブ２００の間の隙間（図２では符号ＧＰが付されている部分）等にも入り込み、空気の流れを遮ってしまう可能性がある。その結果、蒸発器１０の熱交換性能が低下してしまう可能性がある。

しかしながら、本実施形態に係る蒸発器１０では、固形蓄冷材ＣＭが蓄冷材容器４００の内部に収容されており、当該蓄冷材容器４００がチューブ２００の間に配置されている。このため、変形した固形蓄冷材ＣＭの一部が、上記のように空気の流れる経路に入り込んでしまうことは無い。このように、蒸発器１０は固形蓄冷材ＣＭを用いる構成でありながら、その熱交換性能の低下が生じることはない。

第２実施形態について、図４及び図５を参照しながら説明する。以下では、第１実施形態と異なる点について主に説明し、第１実施形態と共通する点については適宜説明を省略する。図４は、本実施形態に係る蓄冷材容器４００やチューブ２００の構成を示す断面図であって、図２に対応して描かれたものである。図５は、本実施形態に係る蓄冷材容器４００の外観を示す斜視図であって、図３に対応して描かれたものである。

本実施形態では、蓄冷材容器４００の面４１０に突起４１１が形成されておらず、チューブ２００は面４１０に当接した状態で接合されている。また、それぞれの面４１０には、矩形の開口４１２が２つずつ形成されている。

開口４１２は、蓄冷材容器４００のうちチューブ２００に当接する部分に形成されている。開口４１２は、面４１０に接合される２本のチューブ２００に対応するように、ｘ軸に沿って２つ並ぶように形成されている。図５において符号４１２１が付されている開口４１２は、図４において符号２０１が付されたチューブ２００により塞がれるものである。図５において符号４１２２が付されている開口４１２は、図４において符号２０２が付されたチューブ２００により塞がれるものである。

それぞれの開口４１２は、チューブ２００によってその全体が覆われている。蓄冷材容器４００のうちチューブ２００に対してろう接されている範囲は、開口４１２の周囲全体に亘る範囲となっている。つまり、蓄冷材容器４００は、開口４１２の周囲においてチューブ２００に対しろう接されている。このため、供給口４２１から熱硬化前の固形蓄冷材ＣＭが供給されても、開口４１２から固形蓄冷材ＣＭが漏れ出てしまうことは無い。

以上のような態様でも、第１実施形態について説明したものと同様の効果を奏する。尚、本実施形態では、突起４１１が形成されていない分、蓄冷材容器４００のｙ方向における寸法が大きくなっている。これにより、より多くの固形蓄冷材ＣＭが蓄冷材容器４００の内部に収容されているので、蓄冷材容器４００による蓄冷機能が高くなるという効果も得られる。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１０：蒸発器
２００：チューブ
４００：蓄冷材容器
ＣＭ：固形蓄冷材

Claims (6)

1. 冷媒との熱交換によって空気を冷却する蒸発器（１０）であって、
   内部を冷媒が通る複数のチューブ（２００）と、
   前記チューブの間に配置され、内部に固形蓄冷材（ＣＭ）を収容する蓄冷材容器（４００）と、を備える蒸発器。
2. 前記固形蓄冷材には熱硬化性の樹脂又は熱硬化性のエラストマが含まれている、請求項１に記載の蒸発器。
3. 前記蓄冷材容器を構成する部材の板厚が、前記チューブを構成する部材の板厚よりも薄くなっている、請求項１又は２に記載の蒸発器。
4. 前記蓄冷材容器のうち前記チューブに当接する部分には開口（４１２）が形成されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蒸発器。
5. 前記蓄冷材容器は、前記開口の周囲において前記チューブに対しろう接されている、請求項４に記載の蒸発器。
6. 前記蓄冷材容器には、前記樹脂又は前記エラストマが熱硬化する前の前記固形蓄冷材を、前記蓄冷材容器の内部に供給するための供給口（４２１）が形成されており、前記供給口が外部に開放されたままとなっている、請求項２に記載の蒸発器。

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