トップ :: F 機械工学 照明 加熱 武器 爆破 :: F28 熱交換一般




【発明の名称】 放熱器又は蒸発器用のチューブ
【発明者】 【氏名】太田 稔

【氏名】山本 憲

【氏名】山内 芳幸

【氏名】小林 修

【氏名】沖ノ谷 剛
【要約】 【課題】超臨界冷凍サイクルに適した放熱器用及び蒸発器用のチューブを提供する。

【解決手段】放熱器用のチューブの相当直径Ｄを０．２５ｍｍ〜０．８ｍｍとし、蒸発器用のチューブの相当直径ｄｅを０．４６ｍｍ〜０．７２ｍｍとする。これにより、熱交換能力を高く維持することができるので、超臨界冷凍サイクルに適した放熱器用及び蒸発器用のチューブを得ることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルに適用される放熱器用のチューブであって、冷媒が流通する冷媒通路（１１１ａ）の相当直径（Ｄ）が略０．１５ｍｍ以上、略０．８ｍｍ以下であることを特徴とする放熱器用のチューブ。
【請求項２】 前記冷媒通路（１１１ａ）の断面形状は、略円形であることを特徴とする請求項１に記載の放熱器用のチューブ。
【請求項３】 高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルに適用される蒸発器用のチューブであって、冷媒が流通する冷媒通路（２１１ａ）の相当直径（ｄｅ）が略０．４６ｍｍ以上、略０．７２ｍｍ以下であることを特徴とする蒸発器用のチューブ。
【請求項４】 請求項３に記載の蒸発器用のチューブ（２１１）を複数本有する蒸発器であって、前記チューブ（２１１）間に配設されて、熱交換を促進するフィン（２１２）を有するとともに、前記フィン（２１２）の高さ寸法（ｈ）が５ｍｍ以上、８ｍｍ以下であることを特徴とする超臨界冷凍サイクル用の蒸発器。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルに適用される放熱器又は蒸発器用のチューブに関するもので、車両用冷凍サイクルに用いて有効である。
【０００２】
【従来の技術】フロンを冷媒とする通常の冷凍サイクル（以下、通常サイクルと呼ぶ。）の凝縮器用に適用されるチューブとして、例えば特公平５−８７７５２号公報に記載の発明では、冷媒が流通する冷媒通路の相当直径Ｄを０．０１５インチから０．０７インチの範囲としている。
【０００３】なお、相当直径Ｄとは、図１１に示すように、チューブの長手方向に延びる複数本の冷媒通路Ｔ１…Ｔｋ…Ｔｎを１つの円形断面を有する冷媒通路に換算したときの直径を言うものであり、具体的には、下記数式１により定義される。
【０００４】
【数１】Ｄ＝４×（Ｓ１＋…＋Ｓｋ＋…＋Ｓｎ）／（Ｌ１＋…Ｌｋ＋…＋Ｌｎ）
Ｓｋ：冷媒通路Ｔｋの通路断面積Ｌｋ：冷媒通路Ｔｋの濡れ縁長さ（冷媒通路の外周長さ）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、通常サイクルの高圧側（凝縮器）では、冷媒は温度一定で気相状態から液相状態に変化するのに対して、超臨界冷凍サイクルでは、相変化を伴わないで温度が変化していく。このため、凝縮器用に最適化された上記相当直径Ｄは、超臨界冷凍サイクルの放熱器に対しては、そのまま適用することができない。
【０００６】同様に、超臨界冷凍サイクルの蒸発器に対しても、凝縮器用に最適化された上記相当直径Ｄをそのまま適用することができない。
【０００７】本発明は、上記点に鑑み、超臨界冷凍サイクルに適した放熱器及び蒸発器用のチューブを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、発明者等は種々の検討を行ったところ、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルに適用される放熱器用のチューブにおいて、冷媒が流通する冷媒通路（１１１ａ）の相当直径（Ｄ）が略０．１５ｍｍ以上、略０．８ｍｍ以下とすれば、放熱能力を高く維持することができ、超臨界冷凍サイクルに適した放熱器用のチューブを得ることができることを発見した。
【０００９】また、超臨界冷凍サイクルに適用される蒸発器用のチューブにおいては、冷媒通路（２１１ａ）の相当直径（ｄｅ）が略０．４６ｍｍ以上、略０．７２ｍｍ以下とすれば、熱交換能力を高く維持することができ、超臨界冷凍サイクルに適した蒸発器用のチューブを得ることができることを発見した。
【００１０】なお、超臨界冷凍サイクル用の蒸発器においては、相当直径（ｄｅ）が略０．４６ｍｍ以上、略０．７２ｍｍ以下とし、かつ、フィン（２１２）の高さ寸法（ｈ）を５ｍｍ以上、８ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００１１】因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１２】
【発明の実施の形態】本実施形態は、本発明に係る放熱器用のチューブを二酸化炭素（ＣＯ2）を冷媒とする超臨界冷凍サイクルに適用したものであって、図１は本実施形態に係る放熱器１００の斜視図である。
【００１３】そして、図１中、１１１は冷媒が流通する複数本の偏平チューブ（以下、チューブと略す。）であり、これらチューブ１１１はアルミニウム合金を押し出し加工にて成形したものである。そして、チューブ１１１内には、図２に示すように、チューブ１１１の長手方向に延びるとともに、冷媒が流通する円形断面形状の冷媒通路１１１ａが複数本形成されており、これら冷媒通路１１１ａの相当直径Ｄは、０．１５ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下となるように選定されている。
【００１４】ここで、相当直径Ｄは、前述した数式１により定義されるものであるが、本実施形態では、複数本の冷媒通路１１１ａは、全て円形断面形状を有しているとともにその直径は全てｄ0であるので、相当直径Ｄは冷媒通路１１１ａの直径ｄ0に等しい。
【００１５】なお、複数本のチューブ１１１間には、図１に示すように、波状にローラ成形されたアルミニウム製のフィン１１２が配設されており、これらフィン１１２及びチューブ１１１により冷媒と空気との間で熱交換を行うコア部１１０が構成されている。
【００１６】また、１１３はコア部１１０の補強部材をなすサイドプレートであり、このサイドプレート１１３は、フィン１１２の表裏両面に被覆されたろう材によりチューブ１１１と共にフィン１１２にろう付け接合されている。そして、各チューブ１１１の長手方向両端には、チューブ１１１の長手方向と直交する方向に延びて各チューブ１１１に連通するヘッダタンク（以下、ヘッダと略す。）１２０が接合されている。
【００１７】因みに、図１中、右側のヘッダ１２０は各チューブ１１１に冷媒を分配するものであり、左側ののヘッダ１２０は各チューブ１１１から流出した冷媒を集合させるものである。また、１３１は超臨界冷凍サイクルの圧縮機（図示せず）側に接続するための接続ブロックであり、１３２は超臨界冷凍サイクルの減圧器（図示せず）側に接続するための接続ブロックである。
【００１８】次に、相当直径Ｄの放熱器１００の放熱能力について述べる。
【００１９】放熱器１００の放熱能力とは、チューブ１１１からコア部１１０を通過する空気へ移動する熱量であるので、放熱能力は、チューブ１１１と冷媒との熱伝達率αによって決定される。ここで、熱伝達率αは、下記数式２により表すことができる。
【００２０】
【数２】
α＝０．０２３・Ｒｅ0.8・Ｐｒ0.3・（λ／ｄ）
＝Ｃ1・（ｖ・ｄ／ν）0.8・（λ／ｄ）
但し、Ｃ1≡０．０２３・Ｐｒ0.3＝Ｃ1・ｖ0.8／ｄ0.2・λ／ν0.8Ｒｅ：レイノルズ数Ｐｒ：プラントル数ν：動粘度係数ｖ：冷媒の流速λ：冷媒の熱伝導率ｄ：冷媒通路の通路直径そして、上記数式２から明らかなように、通路直径ｄが大きくなるほど、熱伝達率αが小さくなるので、通路直径ｄが大きくなるほど、放熱能力が低下する。
【００２１】一方、冷媒通路１１１ａの圧力損失ΔＰは、下記数式３により表すことができる。
【００２２】
【数３】ΔＰ＝ｆ・ρ・ｖ2・Ｌ／ｄここで、冷媒通路内の摩擦係数ｆは下記数式４と表すことができる。
【００２３】
【数４】
ｆ＝０．０４６／Ｒｅ0.2＝Ｃ2／（ｖ・ｄ／ν）0.2但し、Ｃ2≡０．０４６ここで、数式４を数式３代入すれば、下記数式５が得られる。
【００２４】
【数５】
ΔＰ＝Ｃ2／（ｖ・ｄ／ν）0.2・ρ・ｖ2・Ｌ／ｄ＝Ｃ3・ｖ1.8・／ｄ1.2但し、Ｃ3≡Ｃ2・ρ・Ｌ・ν0.2したがって、通路直径ｄが大きくなるほど、冷媒通路１１１ａの圧力損失ΔＰが小さくなり、冷媒の流速ｖが小さくなるので、数式２より熱伝達率αが低下する。このため、通路直径ｄが大きくなるほど、放熱能力が低下する。
【００２５】そこで、発明者等は、上記熱伝達率αについての考察を基に、コア部１１０の幅寸法Ｗ（≒チューブ１１１の長径寸法）をパラメータとして、相当直径Ｄと放熱能力（性能）Ｑとの関係を電子計算機にてシミュレーションしたところ、図３に示すような結果を得た。
【００２６】次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００２７】上述の考察及び図３から明らかなように、冷媒通路１１１ａの相当直径Ｄは、０．１５ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下とすれば、放熱能力を高く維持することができ、超臨界冷凍サイクルに適した放熱器用のチューブを得ることができる。
【００２８】そこで、本実施形態では、相当直径Ｄは、略０．１５ｍｍ以上、略０．８ｍｍ以下とした。
【００２９】ところで、凝縮器用のチューブでは、一般的に、図４に示すように、矩形断面形状を有する冷媒通路１１１ｂが採用されている。これは、凝縮器用のチューブでは、冷媒通路１１１ｂ内を冷媒が流通しながら、冷媒が凝縮（液化）していくため、通路断面の矩形とすると、図４に示すように、冷媒通路１１１ｂ内の角部に液化した冷媒が溜まりやすいので、冷媒通路１１１ｂの内壁面に薄い液冷媒の膜を形成しやすく、気相冷媒を液化し易い。
【００３０】しかし、超臨界冷凍サイクルでは、前述のごとく、高圧側（放熱器１００内）で冷媒が相変化しないので、冷媒通路１１１ａの断面形状を矩形とする必要がない。
【００３１】また、冷媒通路を矩形状とすると、図５に示すように、各角部で発生した温度境界層が冷媒流れ後流側で重なってしまうため、熱伝達率αが低下してしまうという問題が新たに発生する。
【００３２】これに対して、本実施形態のごとく、冷媒通路１１１ａを円形状とすると、温度境界層が発生し難いので、熱伝達率αが低下してしまうことを防止できる。したがって、放熱能力を高く維持することができ、超臨界冷凍サイクルに適した放熱器用のチューブを得ることができる。
【００３３】（第２実施形態）本実施形態は、車両用空調装置の蒸発器に適用したものであって、図６（ａ）は本実施形態に係る蒸発器２００の斜視図であり、図２は蒸発器２００の正面図である。なお、この蒸発器２００は、車室内に吹き出す空気の通路を構成する空調ケーシング（図示せず）内に配設されて、空調ケーシング内を流通する空気を冷却するものである。
【００３４】図６（ａ）、７中、２１１は冷媒（流体）が流通する複数本のチューブであり、これら複数本のチューブ２１１間には、冷媒と空気との熱交換を促進する波状の冷却フィン（以下、フィンと略す。）２１２が配設されている。そして、このフィン２１２とチューブ２１１とがチューブ２１１の長手方向及び空気の流通方向と直交する方向（紙面左右方向）に交互に積層されて、冷媒と空気とを熱交換する熱交換コア（以下、コアと略す。）２１０が構成されている。
【００３５】ここで、チューブ２１１内には、図８に示すように、チューブ２１１の長手方向に延びるとともに、冷媒が流通する円形断面形状の冷媒通路２１１ａが複数本形成されており、これら冷媒通路２１１ａの相当直径ｄｅは、０．４６ｍｍ以上、０．７２ｍｍ以下となるように選定されている。
【００３６】ここで、相当直径ｄｅは、前述した数式１により定義されるものであるが、本実施形態では、複数本の冷媒通路２１１ａは、全て円形断面形状を有しているとともにその直径は全てｄ0であるので、相当直径ｄｅは冷媒通路２１１ａの直径ｄ0に等しい。
【００３７】なお、本実施形態では、チューブ２２１は、アルミニウム材を押し出し加工又は引き抜き加工にて一体成形されたものであり、このチューブ２２１は、図９に示すように、空気流れに直列に並んだ２本のチューブ２２１を２組として、フィン２２２とチューブ２２１との積層方向（紙面左右方向）に２列に並んでいる。
【００３８】また、チューブ２２１の長手方向両端側それぞれには、図６（ａ）、７に示すように、フィン２２２とチューブ２２１との積層方向に延びるとともに、各チューブ２２１の冷媒通路に連通する第２、２タンク２２２、２２２が接合されており、これらタンク２２２、２２２（以下、第２、２タンク２２２、２２２を総称してタンク２２０と総称する。）は、図９に示すように、空気流れに直列に並んだ一対のチューブ２２１それぞれに対応する（連通する）２つのタンク空間２２０ａ、２２０ｂが形成されている。
【００３９】なお、本実施形態に係るタンク２２０は、コア２２０側のコアプレート２２０ｃと、コアプレート２２０ｃとともにタンク空間２２０ａ、２２０ｂを構成するタンク本体２２０ｄとをろう付け接合することにより形成したものである。
【００４０】ところで、コア２２０のうち積層方向両端側には、図６（ａ）、７に示すように、チューブ２２１と平行な方向に延びるサイドプレート２３０が配設されており、このサイドプレート２３０の長手方向端部には、図６（ｃ）に示すように、タンク２２０の長手方向端部を閉塞するキャップ部２３２が形成されている。
【００４１】なお、サイドプレート２３０は、コア２２０のうち積層方向両端側に位置するフィン２２２を保護する（潰れることを防止する）とともに、ろう付け工程時にコア２２０をワイヤにて仮固定する際に、その両端側に位置するフィン２２２をチューブ２２１に押さえ付ける押圧治具を兼ねるものである。
【００４２】ここで、チューブ２２１及びサイドプレート２３０は、フィン２２２の表裏両面にクラッド（被覆）されたろう材によりろう付け接合され、チューブ２２１は、コアプレート２２０ｃの表裏両面にクラッド（被覆）されたろう材により、タンク本体２２０ｄと共にコアプレート２２０ｃにろう付け接合され、キャップ部２３２は、タンク２２０に塗布又は溶射等の手段により被覆されたろう材により接合されている。なお、ここで述べたろう付け方法は一例であり、その他の方法にろう付けしても良いことは、言うまでもない。
【００４３】因みに、サイドプレート２３０のうちキャップ部２３２以外の部位には、波トタン状に凹凸２３２に形成されており、この凹凸２３０によりサイドプレート２３０の曲げ剛性を高めるとともに、蒸発器２００を空調ケーシング内に配設（固定）した際に、凹凸２３２と空調ケーシングの内壁に設けられた凸部とが噛み合うことにより迷路構造（ラビリンス構造）を形成し、蒸発器２００と空調ケーシングの内壁との隙間から空気が漏れることを防止している。また、図６（ｂ）中、２３０ａは冷媒流入口であり、２３０ｂは冷媒流出口である。
【００４４】次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００４５】図１０は、蒸発器２００の外形寸法（高さＨ、幅Ｗ、厚みＴ）、蒸発器２００の通風抵抗、蒸発器２００内の圧力を一定とした場合において、フィン２１２のフィン高さｈをパラメータとして相当直径ｄｅと蒸発器２００の熱交換能力との関係をコンピュータシミレーションした結果であり、この図から明らかなように、実用的なフィン高さｈ範囲（５ｍｍ以上、８ｍｍ以下）では、冷媒通路２１１ａの相当直径ｄｅが略０．４６ｍｍ以上、略０．７２ｍｍ以下の範囲内に熱交換能力が最大となる相当直径ｄｅが存在することが判る。したがって、相当直径ｄｅが略０．４６ｍｍ以上、略０．７２ｍｍ以下に設定することが望ましい。
【００４６】因みに、二酸化炭素を冷媒とする超臨界冷凍サイクルの蒸発器用チューブの相当直径ｄｅとして、「ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＪＯＵＲＡＮＡＬ ＯＦＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ」のＶｏｌｕｍｅ２１ Ｎｕｍｂｅｒ ３ １９９８に０．７９ｍｍという記載があるが、この学会誌には、０．７９ｍｍ以下において、熱交換能力の最大値が存在するといった記載はなく、また、それを示唆する記載もない。そして、相当直径ｄｅが略０．４６ｍｍ以上、略０．７２ｍｍ以下とすることが望ましいという結論は、発明者等の検討により、今回初めて見い出されたものである。
【００４７】なお、図１０から明らかなように、フィン高さｈを５ｍｍとした場合には、相当直径ｄｅが略０．３ｍｍ以上、略０．７８ｍｍ以下に設定し、フィン高さｈを６ｍｍとした場合には、相当直径ｄｅが略０．３６ｍｍ以上、略０．７８ｍｍ以下に設定し、フィン高さｈを７ｍｍとした場合には、相当直径ｄｅが略０．４ｍｍ以上、略０．７８ｍｍ以下に設定すれば、フィン高さｈを８ｍｍ以上とした場合の最大熱交換能力の９９％レベルの性能を確保することができる。つまり、相当直径ｄｅを略０．４６ｍｍ以上、略０．７２ｍｍ以下に設定すれば、実用的なフィン高さである５ｍｍ以上、８ｍｍ以下において、その性能を十分に発揮することができる。
【００４８】（その他の実施形態）ところで、上述の実施形態では、二酸化炭素を冷媒としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、エチレン、エタン、酸化窒素等を冷媒とする超臨界サイクルの放熱器又は蒸発器にも適用することができる。
【００４９】また、冷媒通路１１１ａ、２１１ａは、上述の実施形態のごとく、丸状に限定されるものではなく、その他形状であってもよい。
【出願人】 【識別番号】０００００４２６０
【氏名又は名称】株式会社デンソー
【出願日】 平成１２年２月２５日（２０００．２．２５）
【代理人】 【識別番号】１００１０００２２
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 洋二 （外２名）
【公開番号】 特開２００１−１９４０８１（Ｐ２００１−１９４０８１Ａ）
【公開日】 平成１３年７月１７日（２００１．７．１７）
【出願番号】 特願２０００−５４４２５（Ｐ２０００−５４４２５）