JP4480539B2 - 蒸発器 - Google Patents

Description

本発明は、二つの熱交換部を通風方向にならべて配置した蒸発器に関するものである。

特許文献１、２には、二つの熱交換部を通風方向にならべた蒸発器が開示されている。この蒸発器においては、各熱交換部は左右に２つのパス（熱交換通路群）に分割されている。蒸発器内を流通する冷媒は、入口→第１パス（入口側熱交換部の第１パス）→第２パス（入口側熱交換部の第２パス）→連通路→第３パス（出口側熱交換部の第１パス）→第４パス（出口側熱交換部の第２パス）→出口の順番に流れる。通風方向に沿って見ると、左半分では第１パスと第４パスが重なり合い且つ右半分では第２パスと第３パスとが重なり合っている。
実開平７−１２７７８号公報 特開平９−１７０８５０号公報

このような従来技術によれば、最上流の第１パスと最下流の第４パスとの熱交換により、最も冷却性の高い第１パスが最も高温の第４パスにより温められてしまい、冷却性能が低下してしまう。なお、５パス以上の蒸発器でも、もっとも温度差がある最上流のパスと最下流のパスが重ね合わされる。

本発明は上記点に鑑みてなされたもので、熱交換部を通風方向に向けて二層に積層した蒸発器であって、冷却性能を高くできる蒸発器の提供を目的とする。

請求項１の発明の蒸発器は、通風方向に互いに積層された冷媒入口側の熱交換部と冷媒出口側の熱交換部とを備え、前記各熱交換部は、縦方向に延在し且つ横方向に複数多段に積層される熱交換通路と、この複数多段の熱交換通路の上下両端に設けられ且つ熱交換通路からの冷媒を合流分配するタンクと、を備え、前記入口側熱交換部および前記出口側熱交換部は、熱交換通路の積層方向に向けて冷媒流れの第１パスと冷媒流れの第２パスとに区画され、前記入口側熱交換部の第１パスと前記出口側熱交換部の第１パスとが通風方向に対向配置され、且つ、前記入口側熱交換部の第２パスと前記出口側熱交換部の第２パスとが通風方向に対向配置され、前記入口側熱交換部の第２パスと前記出口側熱交換部の第１パスとが通風方向に干渉するように設定され、前記干渉部分に、前記入口側熱交換部の第２パスの出口であり且つ前記出口側熱交換部の第１パスの入口である連通路を設けたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の蒸発器であって、前記入口側熱交換部の第１パスと前記出口側熱交換部の第１パスとの冷媒流通方向が同一であり、且つ、前記入口側熱交換部の第２パスと前記出口側熱交換部の第２パスとの冷媒流通方向が同一であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載の蒸発器であって、前記入口側熱交換部は、第１パスの入口および出口が前記積層方向中央側にあり且つ第２パスの入口および出口が前記積層方向中央側にあることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載の蒸発器であって、蒸発器入口および蒸発器出口の一方に接続され且つ何れかのパスを貫通するインナーパイプを備えることで、前記蒸発器入口と前記蒸発器出口とが近接配置されていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４に記載の蒸発器であって、前記入口側熱交換部の第２パスを貫通し且つ前記蒸発器入口と前記入口側熱交換部の第１パスとを連通するインナーパイプを備え、前記入口側熱交換部の第２パスおよび前記出口側熱交換部の第２パスの側端部に、前記蒸発器入口および蒸発器出口が近接配置されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、最も温度差のある第１パスと第４パスとを重ね合わせない構造であるため、空気の冷却性能が向上する。また、入口側熱交換部から出口側熱交換部に冷媒を導入する連通路を、別部材で構成する必要がなくなる。結果、蒸発器の製造コストをさらに低減できる。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加え、さらに蒸発器の冷却性能が向上する。なぜなら、本発明のように通風方向に重ね合わされるパス同士において冷媒流通方向が順行する場合は、冷媒流通方向が逆行する場合に比べてパス同士の間での熱交換量が小さくなるからである。

請求項３の発明によれば、請求項１または２の発明の効果に加え、入口側熱交換部は中央側に冷媒の主流が位置することとなるため、冷媒の流通量が低流量でも高流量でも、蒸発器の中央部が冷えやすい。一般に送風路に配置された蒸発器は周縁部よりも中央部のほうがより多く空気が流通するため、より冷えた中央部を効率的に利用して、さらに蒸発器の冷却性能を向上できる。

請求項４の発明によれば、請求項３の発明の効果に加え、インナーパイプを利用することで蒸発器入口および蒸発器出口を隣接して設けることができる。つまり、蒸発器に接続する導入管と排出管との接続位置を隣接して設けることができ、導入管と排出管との接続位置が離れている場合に比べて配管接続作業を簡素化できる。また、導入管用のコネクタと排出管用のコネクタとを一体にできるため、部品点数が減り、製造コストが低減する。

請求項５の発明によれば、請求項４の発明と同様の効果が得られる。しかも、液密度の高く体積が小さい導入冷媒用にインナーパイプを利用する構造であるため、液密度が低くなり体積が大きくなった排出冷媒用にインナーパイプを利用する構造に比べ、インナーパイプの口径を小さく抑えることができる。これに伴ってインナーパイプを組み込むことによる蒸発器の大型化を、抑えることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

第１実施形態：図１〜図７は本発明の第１実施形態の蒸発器を説明する図である。

この第１実施形態の蒸発器１は、インストルメントパネルの内側に設置された自動車用空調装置の冷却用熱交換器として利用される。蒸発器１は、冷凍サイクルの一構成要素であって、内部を流れる冷媒を蒸発気化させて外側を通過する空気を冷却するものである。なお本発明の蒸発器は車両用空調装置に限られずその他の分野で利用できる。

蒸発器１は、図１、図２に示すように垂直方向に向けて配置されたチューブ３０をアウターフィン５３を介在させつつ水平方向Ｘに向けて複数多段に積層し、最外端の金属板５４、５７に強度補強用のサイドプレート５５および配管コネクタ５８等を付設して所定の蒸発器の形状とし、この状態で一体にろう付けすることで製造される。

使用されるチューブ３０は、図４に示すように、一対の金属板４０、４０をその間にインナーフィン６１、６１を挟み込んだ状態で最中合わせにして形成される。一対の金属板４０は、周縁の接合部４０ｂ同士および中央の仕切部４０ａ同士が接合される。チューブ３０内部には、中央部の仕切部３０ａを隔てて冷媒を流す２本の熱交換通路３１、３１が形成されている。また、各熱交換通路３１の両端部からは積層方向Ｘ外方に向けて筒状に突出するタンク部３２、３２が形成されている。これに対応して、チューブ３０を形成する各金属板４０、４０は、２本の熱交換通路用凹部４１、４１と４つのタンク部４２、４２、４２、４２とを備えている。なお、図５に示す仕切部４５および連通路３４を備える金属板４０Ａ、４０Ｂを、所定の積層位置の金属板４０の代わりに利用することで、後述する仕切部４５および連通路３４が形成される。なお、入口側熱交換部１０の仕切部４５には、インナーパイプ５９の内部通路が確保され且つ外側が密閉された状態でインナーパイプ５９が貫通している（図示せず）。

製造された蒸発器１は、図６に示すように冷媒の入口側の熱交換部１０と冷媒の出口側の熱交換部２０とが通風方向Ｙにならんだ構造である。入口側熱交換部１０は、上部タンク１１および下部タンク１２と、これら両タンク１１、１２を連通する複数の熱交換通路３１と、を備える。また、出口側熱交換部２０も同様に上部タンク２１および下部タンク２２と、これら両タンク２１、２２を連通する複数の熱交換通路３１と、を備える。なお、タンク１１、１２、２１、２２はチューブ３０のタンク部３２によって形成される。

入口側熱交換部１０の上部タンク１１は仕切部４５によって上部第１タンク部１１ａおよび上部第２タンク部１１ｂに区画され、これにより入口側熱交換部１０は左右に二つのパス（熱交換通路群）１０ａ、１０ｂに区画されている。また、出口側熱交換部２０の上部タンク２１も仕切部４５によって上部第１タンク部２１ａおよび上部第２タンク部２１ｂに区画され、これにより出口側熱交換部２０も左右に二つのパス（熱交換通路群）２０ａ、２０ｂに区画されている。

蒸発器１の左上端には、配管を接続する蒸発器入口７および蒸発器出口８が設けられている。蒸発器入口７は入口側熱交換部１０の上部タンク１１の左端に位置し、蒸発器出口８は出口側熱交換部２０の上部タンク２１の左端に位置する。

蒸発器入口７には、左側の上部第２タンク部１１ｂを貫通し上部第１タンク部１１ａに連通するインナーパイプ５９が接続されている。このインナーパイプ５９により、蒸発器入口に近い左側のパスが第２パス１０ｂとなり、蒸発器入口７から遠い右側のパスが第１パス１０ａとなっている。通風方向Ｙからみて入口側熱交換部１０の第２パス１０ｂと第３パス（出口側熱交換部２０の第１パス２０ａ）とは一部が重なり合っており、この重なり合う部分６０で、入口側熱交換部１０の左側の上部第２タンク部１１ｂと出口側熱交換部２０の右側の上部第１タンク部２１ａとが連通路３４によって連通している。この連通路３４は入口側熱交換部１０の出口を構成し且つ出口側熱交換部２０の入口を構成する。

これにより蒸発器入口７から入口側熱交換部１０に導入される冷媒は、インナーパイプ５９により上部第２タンク部１１ｂ内を貫通して上部第１タンク部１１ａに導入され、上部第１タンク部１１ａ→第１パス１０ａ→下部タンク１２→第２パス１０ｂ→上部第２タンク部１１ｂという順で流れ、最終的に連通路３４を通じて出口側熱交換部２０に導入される。連通路３４から出口側熱交換部２０に導入された冷媒は、上部第１タンク部２１ａ→第３パス（出口側熱交換部２０の第１パス２０ａ）→下部タンク２２→第４パス（出口側熱交換部２０の第２パス２０ｂ）→上部第２タンク部２１ｂという順で流れ、最終的に蒸発器出口８から蒸発器１外に導出される。

このような構成により、通風方向Ｙに対向するパス同士は冷媒の流通方向が同一となっている。つまり、入口側熱交換部１０の第１パス１０ａと第３パス（出口側熱交換部２０の第１パス２０ａ）とは冷媒の流通方向が同一で、また、入口側熱交換部１０の第２パス１０ｂと第４パス（出口側熱交換部２０の第２パス２０ｂ）とは冷媒の流通方向が同一となっている。

「効果」
次に、第１実施形態の効果をまとめる。

（ｉ）この第１実施形態によれば、第１パス（入口側熱交換部１０の第１パス１０ａ）と第３パス（出口側熱交換部２０の第１パス２０ａ）とが通風方向Ｙに対向し、且つ第２パス（入口側熱交換部１０の第２パス１０ｂ）と第４パス（出口側熱交換部２０の第２パス２０ｂ）とが通風方向Ｙに対向した構造である。そのため、最も温度差のある第１パス１０ａと第４パス２０ｂとが重ならない構造であり、蒸発器１の冷却性能が向上する。つまり、第１パス１０ａと最も温度差がある第４パス２０ｂとが重なる従来構造では、冷却性能が最も高い第１パス１０ａが無駄に第４パス２０ｂを冷却してしまうことで空気を冷却する量が減ってしまうが、この第１実施形態の蒸発器１では第１パス１０ａが他のパスを冷却する量が減ることで冷却性能が向上する。

（ｉｉ）また、この第１実施形態によれば、右半部で、第１パス（入口側熱交換部１０の第１パス１０ａ）と第３パス（出口側熱交換部２０の第１パス２０ａ）とが通風方向Ｙに対向し、且つ、左半部で、第２パス（入口側熱交換部１０の第２パス１０ｂ）と第４パス（出口側熱交換部２０の第２パス２０ｂ）とが通風方向Ｙに対向した構造である。そのため、従来構造の蒸発器１００のように冷媒流量（高流量、中流量、低流量）の変化に応じて右左の温度分布傾向が逆転せずに、従来構造の蒸発器１００に比べて取り扱いが容易となる。

以下、より具体的に説明する。冷媒は、蒸発が起こる気液相では温度が低いが気相になると温度が急激に高くなる。そのため、パス内の冷媒温度は図１１に示すように冷媒流量（高流量、中流量、低流量）によって大きく異なる。つまり、冷媒流量が低流量の時（＝冷媒の乾き度ＳＨが高い時）は、第１パスで気液混合冷媒の蒸発気化が進み第２パス以降ではほぼ気化冷媒となるため、第１パスは低温で、第２パス以降は急激に温度が上昇する。冷媒流量が中程度の時（＝冷媒の乾き度ＳＨが中程度の時）は、第１パスおよび第２パスで気液混合冷媒の蒸発気化が進み第３パスおよび第４パスではほぼ気化冷媒となるため、第１パスおよび第２パスが低温で、第３パス以降は急減に温度が上昇する。冷媒流量が高流量の時（＝冷媒の乾き度ＳＨが低い時）は、気液混合冷媒は第１パスおよび第２パスおよび第３パスで蒸発気化が進み第４パスでほぼ気化冷媒となるため、第１パスおよび第２パスおよび第３パスの温度はほぼ同等で、第４パスで急激に温度が上昇する。

このような冷媒の特性により、図１２の従来構造の蒸発器１００では、冷媒流量が低流量の時は、唯一低温の第１パス１０１が存在する左半分の温度ＴＬが右半分の温度ＴＲよりも低温となる（図１２ａ）。冷媒流量が中程度の時は、第１パス１０１および第２パス１０２の温度はほぼ同等で且つ第３パス１０３が第４パス１０４より低温であるため、左半分の温度ＴＲが右半分の温度ＴＲがよりも高温となる（図１２ｂ）。冷媒流量が高流量の時は、第１パス１０１および第２パス１０２および第３パス１０３の温度はほぼ同等で且つ第４パス１０４で急激に温度が上昇するため、左半分の温度ＴＬが右半分の温度ＴＲよりも高温となる（図１２ｃ）。このように従来構造の蒸発器１００では、冷媒流量（高流量、中流量、低流量）に応じて左右の温度分布傾向が逆転し、蒸発器１００の取り扱いが難しい。

一方、図７に示すように第１実施形態の蒸発器１では、冷媒流量が低流量の時は、唯一低温の第１パス１０ａが右半分に存在するため、左半分の温度ＴＬが右半分の温度ＴＲよりも高温となる（図７ａ）。冷媒流量が中量の時は、第１パス１０ａおよび第２パス１０ｂの温度はほぼ同等で且つ第３パス２０ａが第４パス２０ｂより低温となるため、左半分の温度ＴＬが右半分の温度ＴＲよりも高温となる（図７ｂ）。冷媒流量が高流量の時は、第４パス２０ｂのみが温度が高いため、第４パス２０ｂがある左半分の温度ＴＬが右半分の温度ＴＲよりも高温となる（図７ｃ）。このように第１実施形態の蒸発器１は、冷媒流量（高流量、中流量、低流量）に関わらず常に温度分布傾向が逆転せず、蒸発器１の取り扱いが容易となる。なお、温度分布傾向が逆転しなければ、左右のいずれが低温でもよいしまた左右方向に傾斜していてもよい。

（ｉｉｉ）また、この第１実施形態では、入口側熱交換部１０の第１パス１０ａと第３パス（出口側熱交換部２０の第１パス２０ａ）との冷媒流通方向が同一であり、且つ、前記入口側熱交換部１０の第２パス１０ｂと第４パス（前記出口側熱交換部２０の第２パス２０ｂ）との冷媒流通方向が同一である。そのため、蒸発器１の冷却性能がさらに向上する。これは、通風方向に重ね合わされるパス同士において冷媒流通方向が順行する場合は、冷媒流通方向が逆行する場合に比べてパス同士の間での熱交換量が小さくなることによる。

（ｉｖ）また、この第１実施形態では、入口側熱交換部１０は、第１パス１０ａの入口および出口が中央側にあり且つ第２パス１０ｂの入口および出口が中央側にある。そのため、入口側熱交換部１０は中央側に冷媒の主流が位置することとなり、冷媒流量に関わらず蒸発器１の中央部が冷える。一般に蒸発器の周縁部よりも蒸発器の中央部のほうがより多く空気が流通するので、冷えた蒸発器１中央部を効率的に利用でき、さらに蒸発器１の冷却性能を向上できる。

（ｖ）また、この第１実施形態では、インナーパイプ５９を利用することで蒸発器入口７および蒸発器出口８が隣接配置されている。このため、これらが離れている構造に比べて配管（導入管と排出管）の接続作業が簡素化する。また、導入管用のコネクタと排出管用のコネクタとを一体にできるため、部品点数が減り、製造コストが低減する。

（ｖｉ）また、この第１実施形態では、液密度が高く体積が小さい導入冷媒用にインナーパイプ５９を利用する構造であるため、図９に示す第３実施形態の蒸発器３００ように液密度が低くなり体積が大きくなった排出冷媒用にインナーパイプ３０１を利用する構造に比べ、インナーパイプ５９の口径を小さく抑えられる。これに伴ってインナーパイプを組み込むことによる蒸発器の大型化を抑えることができる。

（ｖｉｉ）また、この第１実施形態では、第２パス（入口側熱交換部１０の第２パス１０ｂ）と第３パス（出口側熱交換部２０の第１パス２０ａ）とが通風方向に干渉するように設定され、この干渉部分６０に、入口側熱交換部１０の出口であり且つ出口側熱交換部２０の入口である連通路３４が設けられている。そのため、連通路を別部材で設ける必要がなく、結果、製造コストが低減する。

以下、本発明のその他の実施形態を説明する。以下の実施形態では第１実施形態と同一または類似の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

第２実施形態：図８は第２実施形態を示すものである。

この第２実施形態の蒸発器２００は、蒸発器入口７および蒸発器出口８および仕切部４５およびインナーパイプ５９および連通路３４のの位置設定によって第１パス１０ａが上昇流、第２パス１０ｂが下降流、第３パス２０ａが上昇流、第４パス２０ｂが下降流であり第１実施形態と冷媒流通方向が逆になっている点を除いては第１実施形態と同様の構成である。そのため、この第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。

第３実施形態：図９は第３実施形態を示すものである。

この第３実施形態の蒸発器３００は、蒸発器入口７および蒸発器出口８の位置を変更し且つインナーパイプ３０１を排出用に用いている点を除いては第１実施形態と同様の構成である。そのため、この第３実施形態によれば第１実施形態と同様の効果が得られる。

以上のように第１〜第３実施形態によれば、最も温度差のある第１パス（入口側熱交換部１０の第１パス１０ａ）と第４パス（出口側熱交換部２０の第２パス２０ｂ）とが通風方向Ｙに重ならない構造であるため、冷却性能が向上する。

なお、図１０に示す第４実施形態の蒸発器４００のようにインナーパイプを利用しない構造であっても、第１パスと第３パスが対向し第２パスと第４パスとが対向する構造であれば本発明の範囲内に含まれる。この第４実施形態では、蒸発器４００の上端中央部に蒸発器入口７および蒸発器出口８がされている。そして、第３パス（出口側熱交換部２０の第１パス２０ａ）の入口および出口が中央部に位置し且つ第４パス（出口側熱交換部の第２パス２０ｂ）の入口および出口が中央部に位置するため、出口側熱交換部２０を流通する冷媒の主流が中央に集まるため、さらに冷却性能が向上する利点もある。

図１は第１実施形態の蒸発器の風上側から見た正面図。 図２は同蒸発器の上面図。 図３は図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図。 図４はチューブを示す図であって、図４ａは分解状態の斜視図、図４ｂは組立状態の斜視図。 図５は連通路および仕切部を備えるチューブを示す図であって、図５ａは分解状態の斜視図、図５ｂは組立状態の斜視図。 図６は同蒸発器を概略的に示す分解斜視図。 図７は第１実施形態の蒸発器の冷媒流量と温度分布の関係を示す図であって、図７ａは低流量時、図７ｂは中流量時、図７ｃは高流量時の温度分布を示す図。 図８は第２実施形態の蒸発器を示す概略図。 図９は第３実施形態の蒸発器を示す概略図。 図１０は第４実施形態の蒸発器を示す概略図。 図１１は冷媒流量と４つのパスにおける冷媒温度の関係を示す図。 図１２は比較例の蒸発器の冷媒流量と温度分布の関係を示す図であって、図１２ａは低流量時、図１２ｂは中流量時、図１２ｃは高流量時の温度分布を示す図。

符号の説明

１…蒸発器
７…蒸発器入口
８…蒸発器出口
１０…入口側熱交換部
１０ａ…第１パス
１０ｂ…第２パス
１１…上部タンク
１２…下部タンク
２０…出口側熱交換部
２０ａ…第３パス（出口側熱交換部の第１パス）
２０ｂ…第４パス（出口側熱交換部の第２パス）
２１…上部タンク
２２…下部タンク
３１…熱交換通路
３４…連通路
５９…インナーパイプ
６０…干渉部分
２００…蒸発器
３００…蒸発器
４００…蒸発器
Ｘ…積層方向
Ｙ…通風方向

Claims (5)

1. 通風方向（Ｙ）に互いに積層された冷媒入口側の熱交換部（１０）と冷媒出口側の熱交換部（２０）とを備え、前記各熱交換部（１０、２０）は、縦方向に延在し且つ横方向に複数多段に積層された熱交換通路（３１）と、この複数多段の熱交換通路（３１、３１、・・）の上下両端に設けられ熱交換通路からの冷媒を合流分配するタンク（１１、１２、２１、２２）と、を備え、
   前記入口側熱交換部（１０）および前記出口側熱交換部（２０）は、それぞれ熱交換通路の積層方向（Ｘ）に向けて冷媒流れの上流側の第１パス（１０ａ、２０ａ）と冷媒流れの下流側の第２パス（１０ｂ、２０ｂ）とに区画され、
   前記入口側熱交換部の第１パス（１０ａ）と前記出口側熱交換部の第１パス（２０ａ）とが通風方向（Ｙ）に対向配置され、且つ、前記入口側熱交換部の第２パス（１０ｂ）と前記出口側熱交換部の第２パス（２０ｂ）とが通風方向（Ｙ）に対向配置され、
   前記入口側熱交換部の第２パス（１０ｂ）と前記出口側熱交換部の第１パス（２０ａ）とが通風方向に干渉するように設定され、前記干渉部分（６０）に、前記入口側熱交換部の出口であり且つ前記出口側熱交換部の入口である連通路（３４）が設けられていることを特徴とする蒸発器（１、２００、３００、４００）。
2. 請求項１に記載の蒸発器（１、２００、３００、４００）であって、
   前記入口側熱交換部の第１パス（１０ａ）と前記出口側熱交換部の第１パス（２０ａ）との冷媒流通方向が同一であり、且つ、前記入口側熱交換部の第２パス（１０ｂ）と前記出口側熱交換部の第２パス（２０ｂ）との冷媒流通方向が同一であることを特徴とする蒸発器（１、２００、３００、４００）。
3. 請求項１または２に記載の蒸発器（１、２００、３００、４００）であって、
   前記入口側熱交換部（１０）は、第１パス（１０ａ）の入口および出口が前記積層方向（Ｘ）中央側にあり且つ第２パス（１０ｂ）の入口および出口が前記積層方向（Ｘ）中央側にあることを特徴とする蒸発器（１、２００、３００、４００）。
4. 請求項３に記載の蒸発器（１、２００、３００、４００）であって、
   蒸発器入口（７）および蒸発器出口（８）の一方に接続され且つ何れかのパス（１０ａまたは１０ｂまたは２０ａまたは２０ｂ）を貫通するインナーパイプ（５９、３０１）を備え、前記蒸発器入口（７）と前記蒸発器出口（８）とが近接配置されていることを特徴とする蒸発器（１、２００、３００）。
5. 請求項４に記載の蒸発器（１、２００、３００）であって、
   前記入口側熱交換部の第２パス（１０ｂ）を貫通し且つ前記蒸発器入口（７）と前記入口側熱交換部の第１パス（１０ａ）とを連通するインナーパイプ（５９）を備えて、前記入口側熱交換部の第２パス（１０ｂ）および前記出口側熱交換部の第２パス（２０ｂ）の端部に、前記蒸発器入口（７）および蒸発器出口（８）が近接配置されていることを特徴とする蒸発器（１）。