JP3661275B2

JP3661275B2 - 積層型蒸発器

Info

Publication number: JP3661275B2
Application number: JP13545796A
Authority: JP
Inventors: 桂一吉井; 泰一相川; 友彦中村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1996-05-29
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2016-05-29
Also published as: JPH09318195A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷媒通路としてのチューブを金属薄板の積層構造により形成する積層型蒸発器に関するもので、自動車用空調装置の冷凍サイクルの冷媒蒸発器として好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、先に、特願平７−２７３２２１号の特許出願において、冷媒と空気とを熱交換させる熱交換部のチューブを金属薄板の積層構造により形成する積層型蒸発器において、熱交換部の冷媒通路の形態の改良により蒸発器吹出空気温度の均一化を図るものを提案している。
【０００３】
この先願のものでは、金属薄板の積層構造により形成されるチューブ内に風上側の冷媒通路と、風下側の冷媒通路を、金属薄板長手方向に並列に構成するとともに、金属薄板の両端部に、複数のチューブ相互の間を連通させて複数のチューブの冷媒通路に対する冷媒の分配、集合を行う冷媒入口側タンク部と冷媒出口側タンク部とを形成している。
【０００４】
そして、この冷媒入口側タンク部と冷媒出口側タンク部にて冷媒流れをＵターンさせるようにしている。さらに、金属薄板積層方向の一端部または両端部にエンドプレートを配置して、このエンドプレートと、金属薄板との間に、前記タンク部に連通する連通路を構成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記先願のものでは、金属薄板をプレス成形するための成形型の数を節約するために、チューブ内の風上側の冷媒通路と風下側の冷媒通路とを左右対称の同一形状にしていた。従って、風上側冷媒通路に通じる出口側タンク部と風下側冷媒通路に通じる入口側タンク部は同一の大きさになっていた。
【０００６】
このような構成による先願の蒸発器においては、本発明者らの試作検討により冷媒の流れ形態について精査したところ、冷房負荷の小さい条件下では、以下の理由から冷却能力の低下が発生することが判明した。
すなわち、上記のごとく出口側タンク部と入口側タンク部とを同一の大きさにした場合は、乾き度の大きい（比体積の大きい）冷媒が流れる出口側タンク部を冷媒出口側の圧力損失低減のために必要な大きさに設定すると、乾き度の小さい（比体積の小さい）冷媒が流れる入口側タンク部は必要以上の大きさになってしまう。そのため、冷房負荷の小さい条件下において、蒸発器への流入冷媒流量が減圧手段（温度式膨張弁）により絞られると、入口側タンク部では冷媒流速が大幅に低下する。
【０００７】
この冷媒流速の低下に伴って冷媒の液とガスとが分離してしまい、その結果、複数の風下側冷媒通路への冷媒分配が不均一となり、複数の風下側冷媒通路における熱交換効率が低下し、冷却能力の低下が発生する。
そこで、本発明者らは、冷媒入口側タンク部と冷媒出口側タンク部における冷媒流れのＵターン数を増加させて、各Ｕターンごとの冷媒分配チューブ数を減少させ、これにより、冷媒流速を高めて冷媒の液とガスとの混合状態を維持することを検討したが、この対策では、冷媒の全流量が流れる流路長さの合計が長くなり、圧力損失の増大により蒸発器の平均蒸発圧力が上昇して、蒸発温度が上昇するので、冷却能力を低下させる。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みてなされたもので、熱交換部のチューブを金属薄板の積層構造により形成するとともに、このチューブ内に風上側の冷媒通路と、風下側の冷媒通路を、金属薄板長手方向に並列に構成する積層型蒸発器において、低負荷条件における冷却能力の低下を解消することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１、２記載の発明では、低負荷時に冷媒入口側タンク部（４３、４４、５３、６４、７３、７４）での冷媒流速が低下するという現象に注目して、冷媒入口側タンク部（４３、４４、５３、６４、７３、７４）における冷媒のＵターン数を冷媒出口側タンク部（４７、４８、５７、５８、６７、６８、７８）における冷媒のＵターン数より多くするという技術的手段を採用して、上記目的を達成しようとするものである。
【００１０】
このように、入口タンク側での冷媒Ｕターン数を出口タンク側での冷媒Ｕターン数より多くすることにより、入口タンク側では冷媒流れのＵターン数の増加により、各Ｕターンごとの冷媒分配チューブ数を減少させる。これにより、入口タンク側では、冷媒流量が絞られる冷房低負荷時においても、冷媒流速を高めて冷媒の液とガスとの混合状態を維持することができる。従って、入口タンク側の冷媒通路における冷媒の均一な蒸発を達成して、入口タンク側の冷媒通路における熱交換効率を向上し、冷却能力を向上できる。
【００１１】
また、請求項１記載の発明では、冷媒入口側タンク部（４３、４４、５３、６４、７３、７４）の断面積を冷媒出口側タンク部（４７、４８、５７、５８、６７、６８、７８）の断面積より大きくしたことを特徴としている。
この構成によれば、入口タンク側において、冷媒流れのＵターン数の増加により、冷媒の全流量が流れる流路長さの合計が長くなっても、入口タンクの断面積拡大により入口タンク側における過度な圧力損失の上昇を防止する。
【００１２】
一方、出口タンク側では、冷媒の乾き度が増加して冷媒の比体積が増加するので、冷媒流速が冷房低負荷時でも速く、冷媒の気液分離の問題が発生しにくい。そこで、出口タンク側では、冷媒流れのＵターン数を減らして、各Ｕターンごとの冷媒分配チューブ数を増加させている。これにより、出口タンク側では、冷媒の全流量が流れる流路長さの合計が短くなるので、冷媒の比体積の増加による、圧力損失の増大を抑制できる。また、このことから、出口タンクの断面積を入口タンクよりも小さくしても、冷媒流路長さの短縮により圧力損失への影響は僅かとなる。
【００１３】
以上の結果、蒸発器全体として、圧力損失の増加が少なくて、しかも各チューブへの冷媒分配の偏りが少なくなり、高性能な蒸発器が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１〜図７は本発明蒸発器を自動車用空調装置の冷凍サイクルにおける冷媒蒸発器に適用した場合を示している。
図１、図２は蒸発器１の全体構成を示しており、蒸発器１は図１（ｂ）の上下方向を上下にして、図示しない自動車用空調装置の室内ユニットケース内に設置される。蒸発器１の左右方向の一端側（右端側）には配管ジョイント８が配設され、この配管ジョイント８の入口パイプ８ａには、図示しない温度作動式膨張弁（減圧手段）で減圧され膨張した低温低圧の気液２相冷媒が流入するようになっている。
【００１５】
この蒸発器１は、図１（ｂ）に示すように多数のチューブ２を並列に形成し、このチューブ２内の冷媒通路を流れる冷媒とチューブ２の外部を流れる空調用送風空気とを熱交換させる熱交換部３を備えている。図中、矢印Ａは送風空気の流れ方向を示す。
この熱交換部３は、図３〜図６に示す金属薄板４〜７の積層構造により形成されており、その具体的構造は基本的には、先願（特願平７−２７３２２１号）のものと同じでよいので、以下積層構造の概略を説明すると、熱交換部３では、金属薄板４〜７として、具体的にはアルミニュウム心材（Ａ３０００番系の材料）の両面にろう材（Ａ４０００番系の材料）をクラッドした両面クラッド材（板厚：０．６ｍｍ程度）を用い、この両面クラッド材を所定形状に成形して、これを２枚１組として多数組積層した上で、ろう付けにより接合することにより多数のチューブ２を並列に形成するものである。
【００１６】
そして、金属薄板４〜７を２枚１組として最中合わせの状態に接合することにより形成されるチューブ２は、その内部に風上側の冷媒通路２ａと風下側の冷媒通路２ｂとを、金属薄板長手方向に沿って平行に形成する。
図３に示す金属薄板４はチューブ２の大部分を構成する基本の薄板であり、その上下両端部には、上記冷媒通路２ａ、２ｂ相互の間をそれぞれ連通させる連通穴４１、４２を持った入口タンク部４３、４４、および連通穴４５、４６を持った出口タンク部４７、４８が形成されている。このタンク部４３、４４、４７、４８は金属薄板４の外方側へ突出する楕円筒状の突出部にて形成されている。
【００１７】
そして、入口タンク部４３、４４の断面積は、出口タンク部４７、４８の断面積より大きく設定してある。具体的設計例として、金属薄板４の幅（図３左右方向の幅）が５８ｍｍの場合、入口タンク部４３、４４の最小開口部の断面積は、１７２．４ｍｍ²で、出口タンク部４７、４８の最小開口部の断面積は１１７．８ｍｍ²である。従って、本例では、入口タンク部４３、４４の断面積は、出口タンク部４７、４８の断面積の約１．４６倍の大きさにしてある。
【００１８】
４９は風上側の冷媒通路２ａと風下側の冷媒通路２ｂとを仕切るセンターリブであり、本例では冷媒通路２ａと冷媒通路２ｂとを同一幅寸法となるように仕切っている。
金属薄板５、６、７も金属薄板４と同様の構成になっており、金属薄板５の相違点は断面積の大きい入口タンク部５３を一端側（上端側）に設けるのみで、他端側（下端側）では、入口タンク部の代わりに、入口タンク部の冷媒通路を遮断する仕切り部５２を形成している。
【００１９】
金属薄板６の相違点は断面積の大きい入口タンク部６４を一端側（下端側）に設けるのみで、他端側（上端側）では、入口タンク部の代わりに、入口タンク部の冷媒通路を遮断する仕切り部６１を形成している。
金属薄板７の相違点は断面積の小さい出口タンク部７８を一端側（下端側）に設けるのみで、他端側（上端側）では、出口タンク部の代わりに、出口タンク部の冷媒通路を遮断する仕切り部７５を形成している。金属薄板５、６、７の他の点は金属薄板４と同じであるので、各符号ごとの説明は省略する。
【００２０】
また、熱交換部３において、隣接するチューブ２の外面側相互の間隙にコルゲートフィン（フィン手段）１６を接合して空気側の伝熱面積の増大を図っている。このコルゲートフィン１６はＡ３００３のような、ろう材をクラッドしてないアルミニュウムベア材にて波形状に成形されている。
熱交換部３の金属薄板積層方向の一端部（右端部）に位置する金属薄板９およびこれに接合されるエンドプレート１０、さらに金属薄板積層方向の他端部（左端部）に位置する金属薄板１１およびこれに接合されるエンドプレート１２も、上記金属薄板４〜７と同様に両面クラッド材から成形されている。但し、これらの板材９、１０、１１、１２は強度確保のため、上記金属薄板４〜７より厚肉、例えば１ｍｍ程度にしてある。
【００２１】
図２（ａ）は左端部のエンドプレート１２を示すもので、エンドプレート１２は、その長手方向に沿って並列に形成され、外方側へ突出する複数の張出部１２ａを有し、この張出部１２ａと金属薄板１１との間に形成される空間により、上下両端のタンク部間の冷媒通路を連通させる連通路１３（図７参照）が形成される。複数の張出部１２ａの間に形成される接合部１２ｂは、金属薄板１１に当接し、金属薄板１１に接合される。
【００２２】
左端部の金属薄板１１の上下の端部には、連通穴（図示せず）を有するタンク部１１ａと連通穴（図示せず）を有するタンク部１１ｂが形成されている。ここで、タンク部１１ａ、１１ｂは図１に示すように、金属薄板１１の幅方向に沿って延びる細長の椀状部から形成されている。
張出部１２ａで構成される連通路１３の下端部は金属薄板１１の下端部のタンク部１１ｂの連通穴を介して、図３の金属薄板４の下端部の入口タンク４４の連通穴４２と連通する。そして、連通路１３の上端部は金属薄板１１の上端部のタンク部１１ａの連通穴を介して、図３の金属薄板４の上端部の出口タンク４７の連通穴４５と連通する。
【００２３】
右端部の金属薄板９は上記左端部の金属薄板１１と略同一形状であるので、詳細な説明は省略する。また、右端部のエンドプレート１０は、図２（ｂ）に示すように、配管ジョイント８の設置部位にて上下に２分割された張出部１０ａ、１０ｂを有し、この張出部１０ａ、１０ｂの内側と右端部の金属薄板９との間に形成される空間により連通路１４、１５（図７参照）を形成している。下側の張出部１０ｂは複数個並列に形成されており、この複数の張出部１０ｂの間に形成される接合部１０ｃは、金属薄板９に当接し、金属薄板９に接合される。
【００２４】
上側の張出部１０ａは１つの椀状の突出部からなり、この上側の張出部１０ａで構成される連通路１４は、金属薄板９の出口タンク９ａ（図１（ａ）（ｂ）参照）の連通穴（図示せず）を介して金属薄板４の上側出口タンク４７の連通穴４５と連通するとともに、配管ジョイント８の冷媒出口パイプ８ｂに連通する。下側の張出部１０ｂで構成される連通路１５の上端部は、配管ジョイント８の冷媒入口パイプ８ａに連通し、連通路１５の下端部は、金属薄板９の入口タンク９ｂの連通穴（図示せず）を介して金属薄板４の下側入口タンク４４の連通穴４２に連通する。
【００２５】
なお、配管ジョイント８はＡ６０００番系のアルミニュウムベア材にて冷媒入口パイプ８ａと冷媒出口パイプ８ｂを一体成形してあり、この両パイプ８ａ、８ｂの通路端部をエンドプレート１０の穴部（図示せず）内に嵌入してろう付けしている。この配管ジョイント８の冷媒入口パイプ８ａには、図示しない膨張弁の出口側冷媒配管が連結され、また、冷媒出口パイプ８ｂには、蒸発器で蒸発したガス冷媒を圧縮機（図示せず）側へ吸入させる圧縮機吸入配管が連結される。
【００２６】
図７は蒸発器１内における冷媒通路の構成を示す概要図であり、金属薄板４、５、６、７の下側入口タンク４４、６４、７４を３分割する途中位置に２箇所仕切り部５２を設けてある。すなわち、この２箇所の仕切り位置に、仕切り部５２を有する金属薄板５を配設している。これにより、金属薄板４、５、６、７の下側入口タンク４４、６４、７４が第１入口タンク部ａと第２入口タンク部ｂと第３入口タンク部ｃとに仕切られている。
【００２７】
また、金属薄板４、５、６、７の上側入口タンク４３、５３、７３を２等分する途中位置に仕切り部６１を設けてある。すなわち、この２等分の仕切り位置に、仕切り部６１を有する金属薄板６を配設している。これにより、金属薄板４、５、６、７の上側入口タンク４３、５３、７３が第１入口タンク部ｄと第２入口タンク部ｅとに仕切られている。
【００２８】
また、金属薄板４、５、６、７の上側出口タンク４７、５７、６７を２等分する途中位置に仕切り部７５を設けてある。すなわち、この２等分の仕切り位置に、仕切り部７５を有する金属薄板７を配設している。これにより、金属薄板４、５、６、７の上側出口タンク４７、５７、６７が第１出口タンク部ｆと第２出口タンク部ｇとに仕切られている。
【００２９】
以上により、蒸発器１内を冷媒が次の経路により流れる。すなわち、冷媒は、冷媒入口パイプ８ａ→連通路１５→下側入口タンク４４、６４、７４の第１入口タンク部ａ→チューブ２の冷媒通路２ｂ→上側入口タンク４３、５３、７３の第１入口タンク部ｄ→チューブ２の冷媒通路２ｂ→下側入口タンク４４、６４、７４の第２入口タンク部ｂ→チューブ２の冷媒通路２ｂ→上側入口タンク４３、５３、７３の第２入口タンク部ｅ→チューブ２の冷媒通路２ｂ→下側入口タンク４４、６４、７４の第３入口タンク部ｃ→→連通路１３→上側出口タンク４７、５７、６７の第１出口タンク部ｆ→チューブ２の冷媒通路２ａ→下側出口タンク４６、５６、６６、７６→チューブ２の冷媒通路２ａ→上側出口タンク４７、５７、６７の第２出口タンク部ｇ→連通路１４→冷媒出口パイプ８ｂの経路で流れる。
【００３０】
ところで、上記のごとく風上側の上下の出口タンク４７、５７、６７、４８、５８、６８、７８および風下側の上下の入口タンク４３、５３、７３、４４、６４、７４の双方において、冷媒流れをＵターンさせているが、本実施形態においては、風上側の上下の出口タンク側には１つの仕切り部７５のみを配置し、一方、風下側の上下の入口タンクには３つの仕切り部５２、５２、６１を配置している。
【００３１】
このため、入口タンク４３、５３、７３、４４、６４、７４における冷媒のＵターン数が出口タンク４７、５７、６７、４８、５８、６８、７８における冷媒のＵターン数より多くなっている。具体的は、本例では、入口タンク側での冷媒Ｕターン数は３回であり、出口タンク側での冷媒Ｕターン数は１回である。
このように、入口タンク側での冷媒Ｕターン数を出口タンク側での冷媒Ｕターン数より多くすることにより、入口タンク側では冷媒流れのＵターン数の増加により、各Ｕターンごとの冷媒分配チューブ数を減少させる。これにより、入口タンク側では、冷媒流量が絞られる冷房低負荷時においても、冷媒流速を高めて冷媒の液とガスとの混合状態を維持することができる。従って、入口タンク側の冷媒通路２ｂにおける冷媒の均一な蒸発を達成して、入口タンク側の冷媒通路２ｂにおける熱交換効率を向上できる。
【００３２】
但し、入口タンク側では冷媒流れのＵターン数の増加により、冷媒の全流量が流れる流路長さの合計が長くなるので、チューブ内圧力損失が過度に上昇する恐れがある。そこで、風下側の上下の入口タンク４３、５３、７３、４４、６４、７４の断面積を、風上側の上下の出口タンク４７、５７、６７、４８、５８、６８、７８の断面積よりも大きくして（例えば、１．４６倍の大きさにして）、上記の過度な圧力損失の上昇を防止する。
【００３３】
一方、出口タンク側では、冷媒の乾き度が増加して冷媒の比体積が増加するので、冷媒流速が冷房低負荷時でも速く、冷媒の気液分離の問題が発生しにくい。そこで、出口タンク側では、冷媒流れのＵターン数を減らして、各Ｕターンごとの冷媒分配チューブ数を増加させている。これにより、出口タンク側では、冷媒の全流量が流れる流路長さの合計が短くなるので、冷媒の比体積の増加による、圧力損失の増大を抑制できる。また、このことから、出口タンクの断面積を入口タンクよりも小さくしても、冷媒流路長さの短縮により圧力損失への影響は僅かとなる。
【００３４】
以上の結果、蒸発器１全体として、圧力損失の増加が少なくて、しかも各チューブへの冷媒分配の偏りが少なくなり、高性能な蒸発器１が得られる。
次に、本実施形態の冷媒蒸発器の製造方法を簡単に説明すると、蒸発器１は図１、２に示す状態に積層して仮組付した後、その仮組付状態を適宜の治具にて保持して、ろう付け炉内に仮組付体を搬入する。次に、このろう付け炉内にて、仮組付体をアルミニュウム両面クラッド材のろう材の融点まで加熱して、蒸発器１各部の接合箇所を一体ろう付けする。
（他の実施形態）
なお、本発明の要部は入口タンク部と出口タンク部における冷媒流れのＵターン数の設定にあるから、熱交換部３における冷媒通路構成は図７に示す例に限定されることなく、種々変更してもよいことは勿論である。
【００３５】
例えば、上記実施形態では、冷媒の入口、出口パイプ８ａ、８ｂを有する配管ジョイント８を蒸発器右側端部の上下中間部位に設置しているため、連通路１４、１５を必要としているが、金属薄板９のタンク部９ａ、９ｂの部位に、冷媒の入口、出口パイプ８ａ、８ｂを直接、設置することも可能であり、この場合は連通路１４、１５を形成するエンドプレート１０が不要になる。
【００３６】
また、図３〜図６の金属薄板４〜７では、センターリブ４９、５９、６９、７９をそれぞれ金属薄板幅方向の中央に設定して、冷媒通路２ａ、２ｂの幅を同一に設定することにより、この冷媒通路２ａ、２ｂ内に上記センターリブに対して左右対称となるインナーフィン（図示せず）を配設可能としているが、上記センターリブを金属薄板幅方向の中央から左右にずれた位置に設定してもよい。
【００３７】
また、冷媒通路２ａ、２ｂ内にインナーフィンを設ける代わりに、金属薄板４〜７に適宜の形状からなるリブ、あるいはディンプルを冷媒流れ方向に沿って形成し、冷媒側の伝熱効率を高めるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態を示す蒸発器の上面図、（ｂ）は同蒸発器の正面図、（ｃ）は同蒸発器の下面図である。
【図２】（ａ）は図１の蒸発器の左側面図、（ｂ）は同蒸発器の右側面図である。
【図３】図１の蒸発器に用いられるチューブ用の金属薄板の正面図である。
【図４】図１の蒸発器に用いられるチューブ用の別の金属薄板の正面図である。
【図５】図１の蒸発器に用いられるチューブ用のさらに別の金属薄板の正面図である。
【図６】図１の蒸発器に用いられるチューブ用のさらに別の金属薄板の正面図である。
【図７】本発明の一実施形態における蒸発器の冷媒通路構成を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１…蒸発器、２…チューブ、２ａ…風上側の冷媒通路、
２ｂ…風下側の冷媒通路、３…熱交換部、
４、５、６、７、９、１１…金属薄板、
４３、４４、５３、６４、７３、７４…冷媒入口側タンク部、
４７、４８、５７、５８、６７、６８、７８…冷媒出口側タンク部、
５２、６１、７５…仕切り部。

Claims

チューブ（２）内を流れる冷媒と前記チューブ（２）の外部を流れる空気とを熱交換させて、冷媒を蒸発させる熱交換部（３）を有し、
この熱交換部（３）のチューブ（２）を金属薄板（４、５、６、７）の積層構造により多数個並列形成し、
前記チューブ（２）内には、前記金属薄板（４、５、６、７）の長手方向と平行に風上側の冷媒通路（２ａ）と風下側の冷媒通路（２ｂ）とを並列に形成し、
前記金属薄板（４、５、６、７）の長手方向の両端部に、前記チューブ（２）相互の冷媒通路（２ａ、２ｂ）を連通させる冷媒入口側タンク部（４３、４４、５３、６４、７３、７４）と、冷媒出口側タンク部（４７、４８、５７、５８、６７、６８、７８）とをそれぞれ形成し、
前記冷媒入口側タンク部（４３、４４、５３、６４、７３、７４）は、前記両冷媒通路（２ａ）、（２ｂ）のいずれか一方に連通し、前記冷媒出口側タンク部（４７、４８、５７、５８、６７、６８、７８）は、前記両冷媒通路（２ａ）、（２ｂ）の他方に連通しており、
かつ、前記冷媒入口側タンク部（４３、４４、５３、６４、７３、７４）および前記冷媒出口側タンク部（４７、４８、５７、５８、６７、６８、７８）においてそれぞれ冷媒がＵターンして流れるようになっており、
前記冷媒入口側タンク部（４３、４４、５３、６４、７３、７４）における冷媒のＵターン数を前記冷媒出口側タンク部（４７、４８、５７、５８、６７、６８、７８）における冷媒のＵターン数より多くし、
前記冷媒入口側タンク部（４３、４４、５３、６４、７３、７４）の断面積を前記冷媒出口側タンク部（４７、４８、５７、５８、６７、６８、７８）の断面積より大きくしたたことを特徴とする積層型蒸発器。
前記冷媒入口側タンク部（４３、４４、５３、６４、７３、７４）は、前記金属薄板（４、５、６、７）の風下側に配置されて前記風下側の冷媒通路（２ｂ）に連通し、
前記冷媒出口側タンク部（４７、４８、５７、５８、６７、６８、７８）は、前記金属薄板（４、５、６、７）の風上側に配置されて前記風上側の冷媒通路（２ａ）に連通していることを特徴とする請求項１に記載の積層型蒸発器。