JP4216736B2 - 蒸発器用インナーフィン - Google Patents

Description

本発明は蒸発器用インナーフィンに関し、例えば自動車用空気調和装置等に用いられる蒸発器に適用して好適なものである。

従来、熱交換器の一種であるこの種の蒸発器においては、入口側のタンクから熱交換媒体（例えば、冷媒）の流通部としてのチューブ内に流入した冷媒が、このチューブ内を通過する際に過熱され蒸発するようになっている。このとき、このチューブ内には、冷媒流れ方向に対して直交する方向の断面が波形のインナーフィンが設けられている。このため、このインナーフィンによって、チューブ内が複数の媒体流路、つまり冷媒流路に区画され、冷媒に対する伝熱面積を拡大することで、伝熱効率（すなわち冷媒の蒸発効率）を向上させることが図られている。

しかしながら、かかる技術においては、冷媒流路内を通過する冷媒の内、液相冷媒は、表面張力によってインナーフィンとチューブとの接合部近傍に集まり易く、この部分における液相冷媒の膜厚が厚くなり、冷媒に対する伝熱効率（蒸発効率）が低下する傾向にある。逆にインナーフィンの中央壁面部では、前記液相冷媒の膜厚が薄くなりすぎ、伝熱面が乾き冷却（蒸発）が減少するので、冷媒に対する伝熱効率（蒸発効率）が低くなる傾向にある。

このため、前記インナーフィンとチューブとの接合部近傍と、インナーフィンの壁面部とで冷媒に対する蒸発効率が異なり、蒸発器の性能を低下させる場合があった。このような現象は、インナーフィンのフィンピッチが小さくなるほど顕著になり、液相冷媒の偏在が蒸発効率に及ぼす影響は大きくなる。

従って、このような問題を解決する手法の１つとして、例えば、プレート状の金属材料を対向するように組み合わせてチューブを形成し、上述のようなインナーフィンを用いることなく、当該チューブ内面に凹凸を設けることによって、熱交換特性の均一化と熱交換器全体の強度向上を図る技術（例えば、特許文献１参照）や、管状の金属材料をチューブとして用い、当該チューブ内に螺旋状の突起（フィン）を一体形成することによって、伝熱効率のより一層の向上を図る技術（例えば、特許文献２参照）が考案されている。
特開２００３−５００９６号公報（第６頁および第７頁、第１図、第２図および第６図） 特開平９−７９７７９号公報（第３頁および第４頁、第１図および第２図）

ところが、特許文献１、２に記載の技術では、蒸発性能（伝熱効率）を高めるために、チューブに凹凸や突起を多く設ける必要があり、その場合、チューブ内における冷媒の通過断面積が減少し、通路抵抗が増加してしまうことが懸念される問題がある。

また、このように通路抵抗が増加すると、比例してエネルギー消費量も増加するため、燃費を悪化させる傾向となるおそれがある。

そこで、本発明は、前記した課題を解決すべくなされたものであり、低エネルギー消費量で、かつ、蒸発性能を格段と向上させ得る蒸発器用インナーフィンを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、重力方向の上下両方にタンク部を有する蒸発器における熱交換媒体の流通部内に配置され、当該流通部を複数の媒体流路に区画する蒸発器用インナーフィンにおいて、上記インナーフィンの少なくとも一方の面に、下方のタンク部に滞留する冷媒の液相を上方のタンク部に送るための溝を、上記熱交換媒体の流れ方向に向けて形成すると共に、該溝を下方のタンク部から上方のタンク部に亘り連続して複数形成したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の蒸発器用インナーフィンであって、上記溝が、上記熱交換媒体の流れ方向に沿って直線的または、当該熱交換媒体の流れ方向に対して蛇行してなることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の蒸発器用インナーフィンであって、上記溝が上記流通部との接合部間に設けられることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、少なくとも請求項１から請求項３の何れか一つに記載の蒸発器用インナーフィンであって、上記溝の幅が、２００〔μm〕以下であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、少なくとも請求項１から請求項４の何れか一つに記載の蒸発器用インナーフィンであって、上記溝の深さが、２０〔μm〕以下であることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、インナーフィンの少なくとも一方の面に、熱交換媒体の流れ方向に向けた溝を設けるようにしたことにより、この流通部に接続された下方のタンク部に滞留した熱交換媒体の液相を毛細管現象によってインナーフィン面上に運び、溝を伝って上方のタンク部へと送ることができるため、熱交換媒体の蒸発に伴う消費量を増加することなく、この熱交換媒体の蒸発を促進することができる。かくして、低消費量で、かつ、蒸発性能を格段と向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、溝が熱交換媒体の流れ方向に沿って直線的または、当該熱交換媒体の流れ方向に対して蛇行してなるようにしたことにより、用途にあわせて選択することで、直線的な場合、溝を流通する熱交換媒体の到達距離を長く伸ばすことができ、蛇行の場合、溝を流通する熱交換媒体の流通量を稼ぐことができる。

請求項３に記載の発明によれば、溝が流通部との接合部間に設けられるようにしたことにより、蒸発器用インナーフィンとチューブとの接合部には溝が設けられていないことから、これら蒸発器用インナーフィンとチューブとをろう付する際に、接合部に配設されるろう材が溝を伝って移動するのを防止でき、ろう付不良の発生を未然に回避することができるため、確実にろう付することができる。

請求項４に記載の発明によれば、溝の幅が２００〔μm〕以下となるようにしたことにより、当該溝を流通する熱交換媒体の到達距離を長く伸ばしつつ、その通路抵抗を最小限に抑えることができる。

請求項５に記載の発明によれば、溝の深さが２０〔μm〕以下となるようにしたことにより、当該溝を流通する熱交換媒体の到達距離、通路抵抗、流通量および、成形時のろう付による引張力に対する強度の全てにおいてバランスをとることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施の形態は、本発明の蒸発器用インナーフィンを、自動車用空気調和装置の蒸発器に適用した例である。

「蒸発器用インナーフィンの構成」
図１は本実施の形態における蒸発器用インナーフィンの概略構成を示す斜視図、図２は図１における蒸発器用インナーフィンの一部（Ａ部）を拡大して示す要部拡大斜視図、図３は図１における蒸発器用インナーフィンの概略構成を示す展開図である。

図１ないし図３に示すように、本実施の形態の蒸発器用インナーフィン１（以下、これを単にインナーフィン１と称する）は、例えば軽量かつ伝熱効率に優れたアルミニウム材料等を用いた合成金属からなり、少なくとも一方の面１ａ（この場合、他方の面１ｂも含む両面）に、熱交換媒体としての冷媒の流れ方向に向けた溝２が複数設けられている。この溝２は、後述するチューブ４（図８参照）との接合部３、３間にそれぞれ所定間隔で設けられ、本実施の形態の場合、前記冷媒の流れ方向（高さ方向）に沿って断面略コ字状の溝として直線的に形成されている。

因みに、この接合部３の領域を広く設けてしまうと、このインナーフィン１によって区画される媒体流路としての冷媒流路が狭まり、流通可能な冷媒流量を減少させてしまうため、本発明の効果を十分に発揮し難くするおそれがある。従って、この接合部３の領域は必要最低限に抑える必要がある。

このように、インナーフィン１に対して、冷媒の流れ方向に沿って直線的な溝２を設けることにより、チューブ４（図８参照）に接続された下方のタンク部５ａ（図８参照）に滞留してしまう冷媒の液相を、毛細管現象によってインナーフィン１の面１ａ、１ｂ上に運び、この溝２を伝って上方のタンク部５ｂ（図８参照）へと送ることができる。

従って、このインナーフィン１では、前記溝２を伝ってタンク部５ａの下方に滞留した液相をインナーフィン１のほぼ全面に渡ってまんべんなく行き渡らせることが可能となるから、蒸発作用に対する消費量を増加することなく、流通する冷媒の蒸発を促進させることができる。しかも、このインナーフィン１では、溝２は直線的に形成されていることから、この溝２を流通する冷媒の流通抵抗（摩擦抵抗）が低減され、当該冷媒の到達距離（すなわち、冷媒が溝２を伝って下方のタンク部５ａから上方のタンク部５ｂ方向へ移動する距離）を長く伸ばすことができる。

これに加えて、このインナーフィン１では、チューブ４（図８参照）との接合部３には溝２を形成しないようにしたことから、当該インナーフィン１とチューブ４とをろう付する際に、接合部３に配設されるろう材（図示省略する）が溝２を伝って移動するのを防止することができ、ろう付不良の発生を未然に回避することができるため、確実にろう付することができる。

［実験による考察］
ここで、実際にインナーフィン１を用いたときの冷媒の流れを調べてみた。図４は、前記溝２の幅ｗ（図２参照）と冷媒の到達距離との関係を表すグラフ、図５は、溝２の幅ｗ毎の摩擦抵抗に対する冷媒の到達距離を表すグラフ、図６は、溝２の深さｔ（図２参照）と冷媒の到達距離との関係を表すグラフ、図７は、溝２の深さｔ毎の摩擦抵抗に対する冷媒の到達距離を表すグラフである。因みに、この場合、摩擦抵抗に対する冷媒の到達距離とは、下方のタンク部５ａ（図８参照）中の冷媒を、どれだけ早く大量に、どれ位高い位置まで到達させられるかを示すものとしている。

これら図４および図５から見てわかるように、溝２の幅ｗが小さくなると、前記冷媒の到達距離は長く伸びている。逆に、溝２の幅ｗが大きくなると、前記冷媒の到達距離は短くなるものの、冷媒に対する摩擦抵抗は低くなっている。また、このとき、冷媒が伝っている有効な溝２の本数は減少している。

従って、これらの要因を解析すると、溝２の幅ｗは１００〔μm〕においてピーク値を有し、２００〔μm〕を超えると溝２の幅ｗが０〔μm〕、すなわち溝２を設けない従来のインナーフィンにおける値より低下することから、溝２の幅ｗは２００〔μm〕以下とすることが好ましいことがわかった。

また、図６および図７から見てわかるように、溝２の深さｔが浅くなると、前記冷媒の到達距離は長く伸びているが、冷媒の摩擦抵抗は大きくなっている。逆に、溝２の深さが深くなると、前記冷媒の到達距離は短くなっている。さらに、インナーフィン１においては、溝２の深さｔを深くすると、フィン強度が低下し、成形時やろう付時における引張力に対して弱くなってしまう。

従って、これらの要因を解析すると、溝２の深さｔは、概ね２０〔μm〕以下とすることが好ましいことがわかった。

そして、図８（ａ）および（ｂ）に示すように、実際にインナーフィン１を用いて冷媒を流通させたときの蒸発器６においては、下方のタンク部５ａに滞留した冷媒の液相が、チューブ４内のインナーフィン１に設けられた溝２を伝って上方のタンク部５ｂへと送給される際、図中Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３で示す各位置において、それぞれ、表面張力によって、インナーフィン１とチューブ４との接合部３近傍に冷媒が集まり易い傾向は見受けられるものの、上方のタンク部５ｂ側へと冷媒を運び、蒸発を促進させることができている。因みに、図８（ｂ）では、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、図８（ａ）中のＰ１〜Ｐ３のそれぞれの位置における冷媒を示しており、インナーフィン１とチューブ４との接合部３近傍には、ろう付によるフィレット７が形成されている。

以上、説明したように、本実施の形態によるインナーフィン１によれば、インナーフィン１の少なくとも一方の面１ａに、冷媒の流れ方向に向けた溝２を設けるようにしたことにより、チューブ４に接続された下方のタンク部５ａに滞留した冷媒の液相を毛細管現象によってインナーフィン１の面１ａ上に運び、溝２を伝って上方のタンク部５ｂへと送ることができるため、冷媒の蒸発に伴う消費量を増加することなく、この冷媒の蒸発を促進させることができる。かくして、低エネルギー消費量で、かつ、蒸発性能を格段と向上させることができる。

また、このインナーフィン１によれば、溝２が冷媒の流れ方向に沿って直線的に設けられることにより、溝２を流通する冷媒の到達距離を長く伸ばすことができる。

さらに、このインナーフィン１によれば、溝２がチューブ４との接合部３、３間に設けられることにより、インナーフィン１とチューブ４との接合部３には溝２が設けられていないことから、これらインナーフィン１とチューブ４とをろう付する際に、接合部３に配設されるろう材が溝２を伝って移動するのを防止でき、ろう付不良の発生を未然に回避することができるため、確実にろう付することができる。

さらに、このインナーフィン１によれば、溝２の幅が２００〔μm〕以下となるようにしたことにより、当該溝２を流通する冷媒の到達距離を長く伸ばしつつ、その通路抵抗を最小限に抑えることができる。

さらに、このインナーフィン１によれば、溝２の深さが２０〔μm〕以下となるようにしたことにより、当該溝２を流通する冷媒の到達距離、通路抵抗、流通量および、成形時のろう付による引張力に対する強度の全てにおいてバランスをとることができる。

「その他の実施の形態」
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

上述した実施の形態では、インナーフィン１の少なくとも一方の面１ａに、熱交換媒体としての冷媒の流れ方向に沿って直線的に溝２を設けるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限ることなく、要は冷媒の流れ方向に向けた溝であれば、例えば、図９に示すように、蒸発器用インナーフィン１０の少なくとも一方の面１０ａに冷媒の流れ方向に対してジグザグ形状に蛇行してなる溝１１を設けるようにしてもよい。この場合、上述と同様な効果を奏することができるとともに、溝１１を流通する冷媒の流通量を増加させることができる利点を得ることができる。なお、この場合においても、チューブとの接合部１２の領域は、冷媒流路を確保する観点から必要最低限に抑える必要がある。

本実施の形態における蒸発器用インナーフィンの概略構成を示す斜視図である。 図１における蒸発器用インナーフィンの一部（Ａ部）を拡大して示す要部拡大斜視図である。 図１における蒸発器用インナーフィンの概略構成を示す展開図である。 蒸発器用インナーフィンにおける溝の幅と冷媒の到達距離との関係を表す図である。 蒸発器用インナーフィンにおける溝の幅毎の摩擦抵抗に対する冷媒の到達距離を表す図である。 蒸発器用インナーフィンにおける溝の深さと冷媒の到達距離との関係を表す図である。 蒸発器用インナーフィンにおける溝の深さ毎の摩擦抵抗に対する冷媒の到達距離を表す図である。 図１における蒸発器用インナーフィンを用いた蒸発器を示す概略図であり、（ａ）はこの蒸発器における縦断面図、（ｂ）はこの蒸発器における横断面図である。 他の実施の形態における蒸発器用インナーフィンの概略構成を示す平面図である。

符号の説明

１、１０…蒸発器用インナーフィン
１ａ、１ｂ、１０ａ…面
２、１１…溝
３、１２…接合部
４…チューブ（流通部）
５ａ、５ｂ…タンク部
６…蒸発器
７…フィレット
ｗ…幅
ｔ…深さ

Claims (5)

1. 重力方向の上下両方にタンク部（５ｂ、５ａ）を有する蒸発器（６）における熱交換媒体の流通部（４）内に配置され、当該流通部（４）を複数の媒体流路に区画する蒸発器用インナーフィン（１）において、
   上記インナーフィン（１）の少なくとも一方の面（１ａ、１ｂ）に、下方のタンク部（５ａ）に滞留する冷媒の液相を上方のタンク部（５ｂ）に送るための溝（２）を、上記熱交換媒体の流れ方向に向けて形成すると共に、該溝（２）を下方のタンク部（５ａ）から上方のタンク部（５ｂ）に亘り連続して複数形成した
   ことを特徴とする蒸発器用インナーフィン。
2. 請求項１に記載の蒸発器用インナーフィン（１）であって、
   上記溝（２）が、上記熱交換媒体の流れ方向に沿って直線的または、当該熱交換媒体の流れ方向に対して蛇行してなる
   ことを特徴とする蒸発器用インナーフィン。
3. 請求項１または請求項２に記載の蒸発器用インナーフィン（１）であって、
   上記溝（２）が上記流通部（４）との接合部（３、３）間に設けられる
   ことを特徴とする蒸発器用インナーフィン。
4. 少なくとも請求項１から請求項３の何れか一つに記載の蒸発器用インナーフィン（１）であって、
   上記溝（２）の幅（ｗ）が、２００〔μm〕以下である
   ことを特徴とする蒸発器用インナーフィン。
5. 少なくとも請求項１から請求項４の何れか一つに記載の蒸発器用インナーフィン（１）であって、
   上記溝（２）の深さ（ｔ）が、２０〔μm〕以下である
   ことを特徴とする蒸発器用インナーフィン。