(57)【要約】【課題】熱交換器の冷却能を向上させることができる熱交換器用蒸発器を提供する。【解決手段】冷媒が流通される冷媒流路３と、冷媒流路３内で該冷媒に接触する伝熱面２ａとを備え、伝熱面２ａに接触した該冷媒の少なくとも一部を液体から気体に相変化させる。伝熱面２ａは、１ｃｍ2当たりの比表面積が１５ｃｍ2以上であり、面粗度Ｒyが３０μｍ以上である凹凸面１３を備える。伝熱面２ａは、前記冷媒の流通方向に沿って線条をなして形成された凹凸面１３と、凹凸面１３，１３の間に線条をなして形成された非凹凸面１４とを備える。凹凸面１３の総面積は非凹凸面１４の総面積よりも広い。伝熱面２ａはアルミニウム系部材により形成されており、凹凸面１３は該アルミニウム系部材をエッチングすることにより形成されている。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が流通される冷媒流路と、該冷媒流路内で該冷媒に接触する伝熱面とを備え、該伝熱面に接触した該冷媒の少なくとも一部を液体から気体に相変化させる熱交換器用蒸発器において、
該伝熱面は、１ｃｍ2当たりの比表面積が１５ｃｍ2以上であり、かつ、該伝熱面の任意の２点間について測定された凹凸の平均値を基準としたときに該平均値に対する最大高さＲpと最大深さＲvとの和Ｒp＋Ｒvで示される面粗度Ｒyが３０μｍ以上である凹凸面を備えることを特徴とする熱交換器用蒸発器。
【請求項２】
前記伝熱面は、前記冷媒の流通方向に沿って線条をなして形成された前記凹凸面と、該凹凸面の間に線条をなして形成された非凹凸面とを備えることを特徴とする請求項１記載の熱交換器用蒸発器。
【請求項３】
前記凹凸面の総面積は前記非凹凸面の総面積よりも広いことを特徴とする請求項２記載の熱交換器用蒸発器。
【請求項４】
前記伝熱面はアルミニウム系部材により形成されており、前記凹凸面は該アルミニウム系部材をエッチングすることにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の熱交換器用蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒の少なくとも一部を液体から気体に相変化させる熱交換器用蒸発器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷媒が流通される冷媒流路と、該冷媒流路内で該冷媒に接触する伝熱面とを備える熱交換器用蒸発器が知られている。前記熱交換器用蒸発器では、前記伝熱面に接触した冷媒が液体から気体に相変化することにより、該伝熱面から該冷媒に熱伝達が行われる。
【０００３】
前記熱伝達では前記冷媒が液体から気体に相変化する際に気泡が生成されるが、一般に該気泡は該冷媒の沸点で生成するのではなく、沸点未満の温度で気泡核が生成し、該気泡核が気泡に成長する。そこで、熱交換器の冷却能を向上させるためには、気泡核が生成される温度を低くすることが有効であり、このために気泡核が生成する核生サイトとして前記伝熱面に凹凸を設けることが行われている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
前記凹凸は、機械加工等により、０．１ｍｍ以上のものを設けることができる。しかしながら、さらに熱交換器の冷却能を向上させることができる技術の開発が望まれる。
【特許文献１】特開２０００−１８８６７号公報
【特許文献２】特開平７−１９８２９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、かかる不都合を解消して、熱交換器の冷却能を向上させることができる熱交換器用蒸発器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる目的を達成するために、本発明者らは検討を重ねた結果、熱交換器の冷却能を向上させるためには、伝熱面に形成される凹凸をさらに微少なものにすると共に、該凹凸が特定の範囲の比表面積と、特定の範囲の面粗度とを併せ備えていることが有効であることを見出し、本発明に到達した。
【０００７】
そこで、本発明は、冷媒が流通される冷媒流路と、該冷媒流路内で該冷媒に接触する伝熱面とを備え、該伝熱面に接触した該冷媒の少なくとも一部を液体から気体に相変化させる熱交換器用蒸発器において、該伝熱面は、１ｃｍ2当たりの比表面積が１５ｃｍ2以上であり、かつ、該伝熱面の任意の２点間について測定された凹凸の平均値を基準としたときに該平均値に対する最大高さＲpと最大深さＲvとの和Ｒp＋Ｒvで示される面粗度Ｒyが３０μｍ以上である凹凸面を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の熱交換器用蒸発器では、前記凹凸面が核生サイトとして作用することにより、気泡核が生成しやすくなる。従って、本発明の熱交換器用蒸発器によれば、より低い温度で該気泡核を生成させることができ、熱交換器の冷却能を向上させることができる。
【０００９】
ところで、前述のように気泡核が生成しやすくなると、前記伝熱面における気泡の生成密度が高くなり、前記冷媒の下流側への流通が妨げられることがある。この場合には、前記伝熱面にホットスポットが生じ、熱伝達が不均一になる。
【００１０】
そこで、本発明の熱交換器用蒸発器において、前記伝熱面は、前記冷媒の流通方向に沿って線条をなして形成された前記凹凸面と、該凹凸面の間に線条をなして形成された非凹凸面とを備えることを特徴とする。前記のように、線条をなして形成された前記凹凸面と非凹凸面とを交互に配置することにより、前記伝熱面にホットスポットが生じることを防止して、熱伝達を均一に行うことができる。
【００１１】
また、前記のように、線条をなして形成された前記凹凸面と非凹凸面とを交互に配置するときには、前記伝熱面にホットスポットが生じることを防止して、熱伝達を均一に行うために、該凹凸面の総面積が該非凹凸面の総面積よりも広いことが好ましい。
【００１２】
前記伝熱面は、熱伝導率が大きいことから、アルミニウム合金等のアルミニウム系部材により形成されていることが好ましい。このとき、前記凹凸面は前記アルミニウム系部材をエッチングすることにより形成することができる。
【００１３】
熱交換器用アルミニウムフィンにエッチングを施して、該アルミニウムフィンの親水性を向上させる技術は知られている（例えば特許文献２参照）。しかし、この技術は、アルミニウムフィンの親水性を向上させることによって、該アルミニウムフィン上に凝縮した水分が除去されやすくするものであって、エッチングにより生じた凹凸面を核生サイトとすることについては記載も示唆するものも無い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の熱交換器用蒸発器の構成を示す説明的断面図であり、図２は面粗度Ｒｙの定義を説明するグラフである。また、図３は図１に示す熱交換器用蒸発器の一構成例の平面図であり、図４は図１に示す熱交換器用蒸発器の他の構成例の平面図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態の熱交換器用蒸発器１は、アルミニウム合金製の蒸発器本体２と、蒸発器本体２に閉蓋されて冷媒流路３を形成するフッ素樹脂製蓋体４とからなり、蒸発器本体２の内面側が伝熱面２ａとなっている。冷媒流路３には冷媒を供給する流路入口３ａ、冷媒を排出する流路出口３ｂが接続されている。また、蒸発器本体２の外表面には、銅チップ５を介して、熱源としてセラミックヒーター６が配設されており、セラミックヒーター６は銅チップ５と反対側に温度測定用のシート型アルメル−クロメル熱電対７を備えている。
【００１６】
蒸発器本体２、蓋体４、銅チップ５、セラミックヒーター６、熱電対７は、両外側から各２枚のシリコンゴムシート８ａ，８ｂ、９ａ，９ｂで挟まれ、さらにシリコンゴムシート８ａ，８ｂ、９ａ，９ｂの外側からステンレス板１０ａ，１０ｂで挟まれている。そして、蒸発器本体２、蓋体４、銅チップ５、セラミックヒーター６、熱電対７は、ステンレス板１０ａ，１０ｂを貫通するボルト１１と、ボルト１１に螺着されたナット１２とによりボルト締めされ、全体が均一に圧着されている。
【００１７】
ここで、冷媒流路３に面した伝熱面２ａには、凹凸面が形成されている。凹凸面は、アルミニウム合金製の蒸発器本体２の伝熱面２ａをエッチングすることにより形成することができ、１ｃｍ2当たりの比表面積が１５ｃｍ2以上であり、かつ、面粗度Ｒyが３０μｍ以上になっている。
【００１８】
前記比表面積は、窒素ガスの吸着量から求めるＢＥＴ法により測定した値である。また、前記面粗度Ｒyは、例えば接触式面粗度計により伝熱面２ａの任意の２点間について測定された凹凸の値から、次のようにして算出された値である。
【００１９】
まず、伝熱面２ａの任意の２点Ａ，Ｂ間について凹凸を測定すると、図２に示すラインＬのようなグラフが得られる。そこで次に、ラインＬについて、凹凸の平均値ｍを算出する。そして、平均値ｍを基準として最大高さＲpと最大深さＲvとを求め、両者の和Ｒp＋Ｒvを面粗度Ｒyとする。
【００２０】
前記エッチングはそれ自体公知の方法により行うことができる。例えば、塩化第二鉄水溶液を用いる場合には、処理液濃度５〜３０重量％、処理温度１５〜４０℃、処理時間１〜５分の範囲で、適宜条件を設定すればよい。
【００２１】
蒸発器１では、流路入口３ａから供給され、冷媒流路３に流通せしめられる液状の冷媒が、冷媒流路３内で伝熱面２ａに接触することにより、セラミックヒーター６から入力される熱と熱交換することにより加熱されて、該冷媒の一部が気化する。そして、加熱された液状の冷媒と、気化した冷媒の蒸気とは、流路出口３ｂから排出される。
【００２２】
このとき、伝熱面２ａには前記凹凸面が形成されているので、前記冷媒は該凹凸面を核生サイトとして、より低い温度で気泡核を生成することができる。この結果、蒸発器１を熱交換器に用いたときに、該熱交換器において優れた冷却能を得ることができる。
【００２３】
蒸発器１では、図２に示すように、凹凸面１３は、比表面積と面粗度とが前記条件を満たすものであれば、伝熱面２ａの全面に形成されていてもよいが、図３に示すように、凹凸面１３が伝熱面２ａに前記冷媒の流通方向に沿って線条をなして形成されており、凹凸面１３，１３の間に凹凸の無い非凹凸面１４が線条をなして形成されていることが好ましい。図３に示すようにすることにより、前記冷媒の下流側への流通を妨げることがなく、伝熱面２ａにホットスポットが生じることを防止して、熱伝達を均一に行うことができる。
【００２４】
次に、本発明の実施例と比較例とを示す。
【実施例１】
【００２５】
実施例１〜６の熱交換器用蒸発器１は、図１に示す構成で、２４ｍｍ×２０ｍｍ×１ｍｍのアルミニウム合金（Ａ５０５２）材からなる蒸発器本体２と、２４ｍｍ×２０ｍｍ×３．２ｍｍのフッ素樹脂製蓋体４との間に冷媒流路３を形成した。蒸発器本体２とフッ素樹脂製蓋体４との間には、１ｍｍの間隔が設けられている。尚、流路入口３ａ、流路出口３ｂは、外径３．１８ｍｍ、内径１．５ｍｍである。
【００２６】
蒸発器本体２は、内面側を研磨して鏡面仕上げした後、冷媒流路３に面する伝熱面２ａとなる領域を塩化第２鉄水溶液でエッチングし、図３に示すように１１ｍｍ×１２ｍｍの凹凸面１３を形成した。凹凸面１３は、前記エッチングの条件を、処理液濃度５〜３０重量％、処理温度１５〜４０℃、処理時間１〜５分の範囲で調整することにより、１ｃｍ2当たりの比表面積が１５ｃｍ2以上、かつ、面粗度Ｒyが３０μｍ以上となるようにされており、１１８μｍの深さを備えている。尚、前記深さは、凹凸面１３の幅方向中央部において、冷媒の流通方向に沿って１０ヶ所の深さを測定した平均値である。
【００２７】
また、蒸発器本体２の外表面には、２３ｍｍ×１４ｍｍ×１．５ｍｍの銅チップ５を介して、１０ｍｍ×２０ｍｍ×１．７５ｍｍのセラミックヒーター６を配設し、セラミックヒーター６の銅チップ５と反対側に１９．１ｍｍ×９．４ｍｍ×０．３ｍｍのシート型アルメル−クロメル熱電対７を配設した。銅チップ５は、蒸発器本体２の外表面に対する接触面の大きさが１４ｍｍ×１４ｍｍとなっており、冷媒の流通方向に沿って中央部と、該中央部から上流側、下流側それぞれ４ｍｍの位置の３ヶ所に、側面から中心部まで直径０．３ｍｍの穴が穿設されており、熱電対を挿入して中心部の温度を測定できるようになっている。
【００２８】
蒸発器本体２、蓋体４、銅チップ５、セラミックヒーター６、熱電対７は、厚さ２ｍｍのシリコンゴムシート８ａ，８ｂ、９ａ，９ｂで挟まれ、さらにステンレス板１０ａ，１０ｂで挟まれて、ボルト１１、ナット１２とによりボルト締めされ、全体が均一に圧着されている。
【００２９】
次に、冷媒として冷却水を流量２ｇ／分、入口温度９５℃で冷媒流路３に流通すると共に、セラミックヒーター６に５０Ｗの電力を供給して、純銅チップ５の温度を測定し、熱交換器用蒸発器１の冷却能力を評価した。結果を表１に示す。
【００３０】
また、ＢＥＴ法により測定した凹凸面１３の比表面積と、接触式面粗度計により測定した凹凸面１３の面粗度とを表１に併せて示す。
〔比較例１〕
比較例１の熱交換器用蒸発器１は、蒸発器本体２の内面側を研磨して鏡面仕上げした後、エッチングを行わず、伝熱面２ａに凹凸面１３を全く形成しなかった以外は、実施例１〜６と全く同一の構成を備えている。従って、本比較例では、伝熱面２ａは前記鏡面仕上げしたままの状態となっている。
【００３１】
次に、実施例１〜６と全く同一にして、交換器用蒸発器１の冷却能力を評価した。結果を表１に示す。
【００３２】
また、ＢＥＴ法により測定した伝熱面２ａの比表面積と、接触式面粗度計により測定した伝熱面２ａの面粗度とを表１に併せて示す。
〔比較例２〜５〕
比較例２〜５の熱交換器用蒸発器１は、前記エッチングの条件を調整することにより、凹凸面１３の１ｃｍ2当たりの比表面積が１５ｃｍ2未満、または、面粗度Ｒyが３０μｍ以上となるようにした以外は、実施例１〜６と全く同一の構成を備えている。
【００３３】
次に、実施例１〜６と全く同一にして、交換器用蒸発器１の冷却能力を評価した。結果を表１に示す。
【００３４】
また、ＢＥＴ法により測定した凹凸面１３の比表面積と、接触式面粗度計により測定した凹凸面１３の面粗度とを表１に併せて示す。
【００３５】
【表１】
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表１から、１ｃｍ2当たりの比表面積が１５ｃｍ2以上、かつ、面粗度Ｒyが３０μｍ以上となっている凹凸面１３を備える熱交換器用蒸発器１（実施例１〜６）は、凹凸面１３が形成されていない場合（比較例１）に対してはもちろんのこと、凹凸面１３の１ｃｍ2当たりの比表面積が１５ｃｍ2以上であるが面粗度Ｒyが３０μｍ未満の場合（比較例２，３）、面粗度Ｒyが３０μｍ以上であるが１ｃｍ2当たりの比表面積が１５ｃｍ2未満である場合（比較例４，５）と比較しても、純銅チップ５の各部の温度が低く、優れた冷却能力を備えていることが明らかである。
【実施例２】
【００３６】
実施例７，８の熱交換器用蒸発器１は、蒸発器本体２の内面側を研磨して鏡面仕上げした後、冷媒流路３に面する伝熱面２ａとなる領域に所定形状のマスキングを施して塩化第２鉄水溶液でエッチングし、図４に示すように、前記冷媒の流通方向に沿って線条をなす凹凸面１３と、凹凸面１３，１３間で線条をなしている非凹凸面１４とを形成した以外は、実施例１〜６と全く同一の構成を備えている。尚、非凹凸面１４は、前記鏡面仕上げしたままの状態であり、実質的に平滑な面となっている。
【００３７】
実施例７，８の熱交換器用蒸発器１における凹凸面１３の幅、深さ、線条の本数、非凹凸面１４の幅を、表２に示す。尚、前記深さは、凹凸面１３の幅方向中央部において、冷媒の流通方向に沿って１０ヶ所の深さを測定した平均値である。
【００３８】
【表２】
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表２から、実施例７，８の熱交換器用蒸発器１では、凹凸面１３の総面積が非凹凸面１４の総面積よりも狭くなっていることがわかる。
【００３９】
次に、実施例１〜６と全く同一にして、実施例７，８の交換器用蒸発器１の冷却能力を評価した。結果を表３に示す。
【００４０】
また、ＢＥＴ法により測定した凹凸面１３の比表面積と、接触式面粗度計により測定した凹凸面１３の面粗度とを表３に併せて示す。
【００４１】
【表３】
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表３から、１ｃｍ2当たりの比表面積が１５ｃｍ2以上、かつ、面粗度Ｒyが３０μｍ以上となっている凹凸面１３を冷媒の流通方向に沿って線条をなして形成し、凹凸面１３，１３間に線条をなす非凹凸面１４を形成した熱交換器用蒸発器１（実施例７，８）は、伝熱面２ａとなる領域全てを凹凸面１３とした場合（実施例１〜６）よりもさらに優れた冷却能力を備えていることが明らかである。
【実施例３】
【００４２】
実施例９〜１３の熱交換器用蒸発器１は、凹凸面１３の総面積が非凹凸面１４の総面積よりも広くなっている以外は、実施例７，８全く同一の構成を備えている。
【００４３】
実施例９〜１３の熱交換器用蒸発器１における凹凸面１３の幅、深さ、線条の本数、非凹凸面１４の幅を、表４に示す。尚、前記深さは、凹凸面１３の幅方向中央部において、冷媒の流通方向に沿って１０ヶ所の深さを測定した平均値である。
【００４４】
【表４】
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表４から、実施例９〜１３の熱交換器用蒸発器１では、凹凸面１３の総面積が非凹凸面１４の総面積よりも広くなっていることがわかる。
【００４５】
次に、実施例１〜６と全く同一にして、実施例９〜１３の交換器用蒸発器１の冷却能力を評価した。結果を表６に示す。
【００４６】
また、ＢＥＴ法により測定した凹凸面１３の比表面積と、接触式面粗度計により測定した凹凸面１３の面粗度とを表６に併せて示す。
〔比較例６〜９〕
比較例６〜９の熱交換器用蒸発器１は、前記エッチングの条件を調整することにより、凹凸面１３の１ｃｍ2当たりの比表面積が１５ｃｍ2未満、または、面粗度Ｒyが３０μｍ以上となるようにした以外は、実施例９〜１２と全く同一の構成を備えている。比較例６〜９の熱交換器用蒸発器１における凹凸面１３の幅、深さ、線条の本数、非凹凸面１４の幅を、表５に示す。尚、前記深さは、凹凸面１３の幅方向中央部において、冷媒の流通方向に沿って１０ヶ所の深さを測定した平均値である。
【００４７】
【表５】
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表５から、比較例６〜９の熱交換器用蒸発器１では、凹凸面１３の総面積が非凹凸面１４の総面積よりも広くなっていることがわかる。
【００４８】
次に、実施例１〜６と全く同一にして、交換器用蒸発器１の冷却能力を評価した。結果を表６に示す。
【００４９】
また、ＢＥＴ法により測定した凹凸面１３の比表面積と、接触式面粗度計により測定した凹凸面１３の面粗度とを表６に併せて示す。
【００５０】
【表６】
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表６から、１ｃｍ2当たりの比表面積が１５ｃｍ2以上、かつ、面粗度Ｒyが３０μｍ以上となっている凹凸面１３を備える熱交換器用蒸発器１（実施例９〜１３）は、凹凸面１３の１ｃｍ2当たりの比表面積が１５ｃｍ2以上であるが面粗度Ｒyが３０μｍ未満の場合（比較例６，７）、面粗度Ｒyが３０μｍ以上であるが１ｃｍ2当たりの比表面積が１５ｃｍ2未満である場合（比較例８，９）と比較して、純銅チップ５の各部の温度が低く、優れた冷却能力を備えていることが明らかである。
【００５１】
また表６から、１ｃｍ2当たりの比表面積が１５ｃｍ2以上、かつ、面粗度Ｒyが３０μｍ以上となっている凹凸面１３を冷媒の流通方向に沿って線条をなして形成し、凹凸面１３，１３間に線条をなす非凹凸面１４を形成し、さらに凹凸面１３の総面積が非凹凸面１４の総面積よりも広くなっている熱交換器用蒸発器１（実施例９〜１３）は、凹凸面１３の総面積が非凹凸面１４の総面積よりも狭くなっている場合（実施例７，８）よりもさらに優れた冷却能力を備えていることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の熱交換器用蒸発器の構成を示す説明的断面図。
【図２】面粗度Ｒｙの定義を説明するグラフ。
【図３】図１に示す熱交換器用蒸発器の一構成例の平面図。
【図４】図１に示す熱交換器用蒸発器の他の構成例の平面図。
【符号の説明】
【００５３】
１…熱交換器用蒸発器、  ２ａ…伝熱面、  ３…冷媒流路、  １３…凹凸面、  １４…非凹凸面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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