JP2003279275A

JP2003279275A - 熱交換器およびその熱交換器を用いた冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2003279275A
Application number: JP2002080328A
Authority: JP
Inventors: Fumitoshi Nishiwaki; 文俊西脇; Shozo Funakura; 正三船倉; Yuichi Kusumaru; 雄一薬丸
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2003-10-02

Abstract

(57)【要約】【課題】隣り合う伝熱チューブ間の熱伝導および冷媒
リークによる熱ロスを防止するとともに、接合面のクリ
アランスのばらつきによるろう付け面積の減少を防止
し、熱交換能力の低下を効果的に抑えるようにした熱交
換器、およびその熱交換器を使用し冷媒としてＣＯ２等
の冷凍サイクルの放熱側で超臨界状態となりうる冷媒を
用いることができる冷凍サイクル装置を提供することを
目的とする。【解決手段】１次側冷媒が流通する複数の貫通穴を有
する第１偏平チューブと、２次側冷媒が流通する複数の
貫通穴を有する第２偏平チューブとを備え、所定の間隔
に配設された第１偏平チューブの長手方向に対して、第
２偏平チューブの長手方向が直交するように所定の間隔
で第２偏平チューブを配設し、かつ重なり合う領域を熱
的に接合した熱交換器とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２本の偏平なチュ
ーブをろう付け接合することにより、各チューブ内を流
通する流体間で熱交換を行なう熱交換器およびその熱交
換器を用いた冷凍サイクル装置に関するもので、特に、
冷媒として二酸化炭素（以下ＣＯ２と記す）やエタン等
の冷凍サイクルの高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を
用いる場合に好適である。

【０００２】

【従来の技術】地球温暖化防止の観点から、地球温暖化
係数の小さなＣＯ２やエタン等を冷媒として用いる冷凍
サイクル装置が検討されている。ここで、ＣＯ２の臨界
温度は３１．１℃、臨界圧力は７．４ＭＰａ、エタンの
臨界温度は３２．２℃、臨界圧力は４．９ＭＰａである
ことから、これらの冷媒を用いた冷凍サイクル装置は高
圧側ラインが超臨界領域で用いられる場合が一般的であ
る。ＣＯ２を用いた場合、冷凍サイクル装置の作動圧力
は、低圧側圧力は３．５ＭＰａ程度、高圧側圧力は１０
ＭＰａ程度となるため、従来のＨＣＦＣ冷媒やＨＦＣ冷
媒を用いた場合に比較して、作動圧力が高くなり、特
に、高圧側圧力は、ＨＣＦＣ冷媒やＨＦＣ冷媒を用いた
冷凍サイクル装置の約１０倍となる。

【０００３】このような、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍サイ
クル装置の熱交換器として、特開２００１−３２４２９
１号公報には、図１１および図１２に示すような熱交換
器が提案されている。図１１は家庭用給湯器の熱交換器
の正面図であり、冷凍サイクルの圧縮機から吐出された
冷媒と給湯水とを熱交換する水熱交換器（放熱器）であ
る。また、図１２は図１１に示した水熱交換器の要部縦
断面図である。

【０００４】この水熱交換器は、給湯水（水）が流通す
る水チューブ１１と冷媒が流通する冷媒チューブ１２か
ら構成され、水チューブ１１および冷媒チューブ１２は
それぞれ内部に複数の流体通路を有している。水チュー
ブ１１は、２枚の板材１１ｂ、１１ｃを貼り合わせ、か
つ内部仕切り部（Ｐ）を複数箇所互い違いに設けて水の
流通通路を複数回蛇行させている。また、内部にインナ
ーフィン１１ａを設け、水側の伝熱促進を行なってい
る。一方、冷媒チューブ１２はその内部に複数の小さな
流体通路を有する偏平チューブである。１３は水チュー
ブ１１に給湯水を供給する供給水パイプであり、１４は
水チューブ１１から流出した給湯水を回収する回収水パ
イプであり、１５は冷媒チューブ１２に冷媒を供給する
流入ヘッダタンクであり、１６は冷媒チューブ１２から
流出した冷媒を回収する流出ヘッダタンクである。

【０００５】水チューブ１１は、冷媒チューブ１２の長
手方向全域に渡って長手方向が冷媒チューブ１２の長手
方向に対して直交するように配設された複数の水チュー
ブ本体１１ｄ、および水チューブ本体１１ｄの長手方向
端部にて隣り合う水チューブ本体１１ｄを接続して水の
流通方向を１８０度転向させる水チューブヘッダ１１ｅ
から成り、水チューブ本体１１ｄと冷媒チューブ１２が
ろう付け等の手段により熱的に接合している。

【０００６】次に図１１および図１２に示された熱交換
器の動作に関して説明する。冷凍サイクルの圧縮機（図
示せず）から吐出された高温高圧の冷媒は、冷媒チュー
ブ１２内を流入ヘッダタンク１５から流出ヘッダタンク
１６方向に（紙面下側から上側に）流通し、一方、給湯
水は供給水パイプ１３から回収水パイプ１４方向に（紙
面上側から下側に）蛇行しながら流通する。すなわち冷
媒流れと給湯水流れは対向するように流れ、高温の冷媒
と低温の給湯水の間で熱交換が行なわれ、給湯水が加熱
されていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】水チューブ１１は、２
枚の板材１１ｂ、１１ｃを貼り合わせることにより内部
仕切り部（Ｐ）を複数箇所互い違いに設けて水の流通通
路を複数回蛇行させているため、隣り合う（紙面上下方
向に）水チューブ１１が金属製の板材１１ｂ、１１ｃに
より連結されている構成となる。隣り合う水チューブ１
１内部を流れる給湯水には温度差が生じているため、隣
り合う水チューブ１１間の仕切り部（Ｐ）を通って熱伝
導ロスが生じることになる。高温の冷媒で加熱された給
湯水の熱量が低温側の給湯水に熱伝導し、その結果、水
温が低下することになり、熱交換能力が低下していた。

【０００８】また、水チューブ１１内には内部仕切り部
（Ｐ）を複数箇所互い違いに設けて、水の流通通路を内
部で複数回蛇行させているが、その仕切り部（Ｐ）の接
合面におけるクリアランスにばらつきが生じやすく、ク
リアランスの大きな部分がろう付けされない部分となっ
て内部リークが発生する場合があった。その結果、流体
が流通通路を短絡して流れてしまい充分に熱交換されな
いうちに通過してしまうことより、熱交換能力が低下し
ていた。

【０００９】また、水チューブ１１の内部仕切り部
（Ｐ）以外の領域をろう付け等により冷媒チューブ１２
と熱的に接合する場合、偏平な冷媒チューブ１２および
水チューブ１１の平面度が重要となるが、水チューブ１
１が板材１１ｂ、１１ｃをはり合わせ仕切り部（Ｐ）を
設けた一体構造であるため、仕切り部（Ｐ）を除いた水
チューブ全域での平面度を出すことが困難であった。平
面度が出ず、両チューブ接合面のクリアランスにばらつ
きが生じると、毛細管現象により融けたろう材がクリア
ランスの小さな部分に片寄ってしまい、クリアランスの
大きな部分がろう付けされない部分として大きなボイド
となってしまい、熱抵抗となるため、一方のチューブか
ら他方のチューブへの熱伝導率が低下し、熱交換能力が
低下していた。

【００１０】また、高温の冷媒チューブ１２と低温の水
チューブ１１を接合し、高温の冷媒チューブ１２の片側
伝熱面のみを利用し、給湯水を加熱する構成であるた
め、高温の冷媒チューブ１２のもう一方の伝熱面から外
部への放熱ロスが大きかった。このため、熱交換器の性
能が低いという課題があった。

【００１１】さらに、高圧のＣＯ２冷媒などの高圧冷媒
同士を熱交換する内部熱交換器等にはり合わせ構造の偏
平チューブを用いた場合、高圧が作用する面積が大きく
なるため高い耐圧強度が要求されるが、はり合わせ構造
のため耐圧強度を向上させることが困難となり、また、
構成できてもはり合わせ部からのリークが生じやすかっ
た。

【００１２】本発明は、上記従来の問題点に鑑みて成さ
れたものであり、隣り合う伝熱チューブ間の熱伝導およ
び冷媒リークによる熱ロスを防止するとともに、接合面
のクリアランスのばらつきによるろう付け面積の減少を
防止し、熱交換能力の低下を効果的に抑えるようにした
熱交換器、およびその熱交換器を使用し冷媒としてＣＯ
２やエタン等の冷凍サイクルの放熱側で超臨界状態とな
りうる冷媒を用いることができる冷凍サイクル装置を提
供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、1次側冷媒が流通する複数の貫通穴を有
する複数の第1偏平チューブと、２次側冷媒が流通する
複数の貫通穴を有する第２偏平チューブとを備え、第２
偏平チューブは、第1偏平チューブの長手方向全域に渡
って長手方向が前記第1偏平チューブの長手方向に対し
て例えば直交するように配設された複数の第２偏平チュ
ーブ本体、および前記第２偏平チューブ本体の長手方向
端部にて隣り合う第２偏平チューブ本体を接続して前記
２次側冷媒の流通方向を例えば１８０度転向させる第２
偏平チューブヘッダタンクから成り、第1偏平チューブ
と第２偏平チューブ本体が接合されていることを特徴と
する熱交換器である。

【００１４】また、本発明は、1次側冷媒が流通する複
数の貫通穴を有する複数の第1偏平チューブと、２次側
冷媒が流通する複数の貫通穴を有する第２偏平チューブ
とを備え、第２偏平チューブは、第1偏平チューブの長
手方向全域に渡って長手方向が第1偏平チューブの長手
方向に対して例えば直交するように配設され、かつ第1
偏平チューブの肉厚方向に第1偏平チューブを中間にし
て２つの第２偏平チューブで挟み込むように配設された
複数の第２偏平チューブ本体、および第２偏平チューブ
本体の長手方向端部にて隣り合う第２偏平チューブ本体
を接続して前記２次側冷媒の流通方向を例えば１８０度
転向させる第２偏平チューブヘッダタンクから成り、第
1偏平チューブと第２偏平チューブ本体が接合されてい
ることを特徴とする熱交換器である。

【００１５】また、本発明は、第１偏平チューブの相当
直径を、第２偏平チューブの相当直径より小さくしたこ
とを特徴とする熱交換器である。

【００１６】また、本発明は、1次側冷媒の圧力が、２
次側冷媒の圧力に比べて高いことを特徴とする熱交換器
である。

【００１７】また、本発明は、1次側冷媒は二酸化炭素
であることを特徴とする熱交換器である。

【００１８】また、本発明は、圧縮機、放熱器、減圧
器、吸熱器等からなる冷凍サイクルにおいて、放熱側で
超臨界状態となりうる冷媒を封入し、放熱器、吸熱器の
うちの少なくとも１つは、請求項１から４のいずれかに
記載の熱交換器を用いることを特徴とする冷凍サイクル
装置である。

【００１９】また、本発明は、圧縮機、放熱器、減圧
器、吸熱器等からなる冷凍サイクルにおいて、放熱側で
超臨界状態となりうる冷媒を封入し、放熱器出口から減
圧器入口までと吸熱器出口から圧縮機吸入部までとで熱
交換を行う補助熱交換器とを備え、放熱器、吸熱器、補
助熱交換器のうちの少なくとも１つは、請求項１から４
のいずれかに記載の熱交換器を用いることを特徴とする
冷凍サイクル装置である。

【００２０】また、本発明は、放熱側で超臨界状態とな
りうる冷媒として二酸化炭素を用い、冷凍機油としてポ
リアルキレングリコール油（ＰＡＧ油）を用いたことを
特徴とする冷凍サイクル装置である。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００２２】（実施の形態１）本発明の一実施の形態に
おける冷凍サイクル装置の概略構成を図１に示す。図１
において、２１は圧縮機、２２は放熱器、２３は減圧
器、２４は吸熱器であり、これらを配管接続することに
より冷凍サイクルを構成し、冷媒として放熱側（圧縮機
２１吐出部〜放熱器２２〜減圧器２３入口部）で超臨界
状態となりうる冷媒、例えばＣＯ２冷媒が封入されてい
る。

【００２３】本冷凍サイクル装置の動作について説明す
る。圧縮機２１で圧縮（本実施の形態では、例えば、約
１０ＭＰａ）されたＣＯ２冷媒は高温高圧状態となり、
放熱器２２へ導入される。放熱器２２では、ＣＯ２冷媒
は超臨界状態であるので気液二相状態とはならずに、水
などの二次側冷媒などに放熱して、減圧器２３で減圧
（本実施の形態では、例えば、約３．５ＭＰａ）され
て、低圧の気液二相状態となり吸熱器２４へ導入され
る。吸熱器２４では、空気や二次側冷媒などから吸熱し
てガス状態となり、再び圧縮機２１に吸入される。この
ようなサイクルを繰り返すことにより、放熱器２２で放
熱による加熱作用、吸熱器２４で吸熱による冷却作用を
行う。給湯器の場合、放熱器２２で加熱された二次側冷
媒である水はポンプ（図示せず）により循環して貯湯タ
ンク（図示せず）に貯蔵され、必要に応じて給湯され
る。

【００２４】次に、本実施の形態に係る熱交換器である
放熱器２２について述べる。図２は、本実施の形態に係
る熱交換器（放熱器２２）の概略構成図であり、図３は
図２に示した熱交換器（放熱器２２）の正面図、図４は
図２に示した熱交換器（放熱器２２）の横断面図（Ａ−
Ａ´断面図）である。また、図５および図６は図２に示
した熱交換器（放熱器２２）に用いた第１偏平チューブ
および第２偏平チューブの構成図である。

【００２５】この熱交換器（放熱器２２）は、1次側冷
媒であるＣＯ２冷媒が流通する複数の貫通穴３０を有す
る４本の第1偏平チューブ３１と、２次側冷媒である水
が流通する複数の貫通穴３３を有する第２偏平チューブ
３２とを備え、所定の間隔（紙面の左右方向）に配設さ
れた第1偏平チューブ３１の長手方向に対して、第２偏
平チューブ３２の長手方向が直交するように所定の間隔
（紙面の上下方向）で第２偏平チューブ３２が配設さ
れ、かつ第1偏平チューブ３１の肉厚方向に第1偏平チュ
ーブ３１を中間にして第２偏平チューブ３２で挟み込む
ように配設された１２本の第２偏平チューブ本体３２
ａ、および第２偏平チューブ本体３２ａの長手方向端部
にて隣り合う（紙面の上下方向）第２偏平チューブ本体
３２ａを接続して２次側冷媒である水の流通方向を１８
０度転向させる第２偏平チューブヘッダタンク３２ｂか
ら成り、第1偏平チューブ３１と第２偏平チューブ本体
３２ａがろう付け等により熱的に接合されている。

【００２６】なお、1次側冷媒であるＣＯ２冷媒は、1次
側冷媒流入管３５から、1次側冷媒ヘッダタンク３６ａ
に流入した後、第1偏平チューブ３１に分岐供給され
る。第1偏平チューブ３１を流通したＣＯ２冷媒は、1次
側冷媒ヘッダタンク３６ｂに流入した後、1次側冷媒流
出管３７から流出する。一方、２次側冷媒である水は、
２次側冷媒流入管３８から、２次側冷媒ヘッダタンク３
９ａに流入した後、第２偏平チューブ本体３２ａに供給
される。第２偏平チューブ本体３２ａを流通する水は、
第２偏平チューブ本体３２ａの長手方向端部に設けられ
た第２偏平チューブヘッダタンク３２ｂに流入・流出
し、蛇行しながら流れた後、２次側冷媒ヘッダタンク３
９ｂに流入し、その後、２次側冷媒流出管４０から流出
する。このようにして、ＣＯ２冷媒と水冷媒は対向する
ように流れ、高温高圧のＣＯ２冷媒と低温の水冷媒の間
で熱交換が行なわれ、水冷媒の加熱が行なわれる。

【００２７】ＣＯ２冷媒が流通する第1偏平チューブ３
１は、アルミニウムもしくは銅製であり、押し出し加工
または引き抜き加工にて形成されたものである。超臨界
状態の高圧に対応するため、また管内の熱伝達率を向上
させるため、貫通穴３０の孔径は、約０．５ｍｍから
１．０ｍｍと細径化し、かつその断面を円形としてい
る。一方、水冷媒が流通する第２偏平チューブ３２はア
ルミニウムもしくは銅製であり、押し出し加工または引
き抜き加工にて形成されたものである。すなわち、従来
例で示した複数の部品を接合して構成した偏平チューブ
ではなく、一体構造の偏平チューブである。給湯用途の
場合、水冷媒の圧力はＣＯ２冷媒と比較して著しく低
く、耐圧強度が低くてすむため、また水冷媒の流量が大
きいにも拘わらず圧力損失を低減させる必要があるた
め、貫通穴３３の形状を概略四角形状として、その大き
さを□３ｍｍから□５ｍｍ程度と第1偏平チューブ３１
の貫通穴３０の径より大きくしている。すなわち、第1
偏平チューブ３１の相当直径を、第２偏平チューブ３２
の相当直径より小さくすることにより、耐圧強度および
管内熱伝達率の向上を図っている。なお、給湯水が流通
する第２偏平チューブ３２の材質は耐食性を向上させる
ため、ステンレス製であっても良い。

【００２８】また、冷凍サイクルの冷凍機油には、ＣＯ
２冷媒に対して相溶性が高いポリアルキレングリコール
油（ＰＡＧ油）を採用している。

【００２９】次に、本実施の形態に係る熱交換器である
放熱器２２および、その熱交換器（放熱器２２）を用い
た冷凍サイクル装置の特徴を述べる。

【００３０】本実施の形態に係る熱交換器においては、
ＣＯ２冷媒が流通する第1偏平チューブ３１の長手方向
に対して、水冷媒が流通する第２偏平チューブ３２の長
手方向が直交するように所定の間隔で第２偏平チューブ
３２を配設したため、（紙面上下方向に）隣り合う第２
偏平チューブ３２間の隙間が生じる構成となり、その結
果、隣り合う第２偏平チューブ３２間の熱伝導ロスが無
くなり、高温のＣＯ２冷媒で加熱された給湯水の水温が
低下することはなく、熱交換器の熱交換能力を高めるこ
とができる。また、第２偏平チューブ３２を２枚の板材
を貼り合わせる構成でなく、第２偏平チューブ３２を一
体構造としたため、従来例で述べたような隣り合うチュ
ーブ間の仕切り部がない構成となる。その結果、給湯水
が隣り合う第２偏平チューブ３２間を内部リークしてＣ
Ｏ２冷媒と充分に熱交換しないうちに通過してしまうこ
とはなくなり、熱交換能力の低下を防ぐことが可能とな
る。また、内部仕切り部を設ける場合に比べ、偏平チュ
ーブ間の隙間を小さくすることができるため、熱交換器
の小型化も可能となる。

【００３１】また、ＣＯ２冷媒が流通する第1偏平チュ
ーブ３１と水冷媒が流通する第２偏平チューブ３２の重
なり合う面積だけをろう付け接合するため、各接合部の
面積は第1偏平チューブ３１および第２偏平チューブ３
２の幅の領域となり、非常に小さくなる。その結果、各
接合部の平面度を高くすることが容易となり、また接合
面のクリアランスを均一にすることも容易になる。した
がって、接合部が均一にろう付けされ、ボイドが形成さ
れることが無いため、接合面に熱抵抗が生じることはな
く、第1偏平チューブ３１および第２偏平チューブ３２
間の熱伝導率が向上して、熱交換能力を高めることがで
きる。

【００３２】また、本実施の形態では、第２偏平チュー
ブ３２に複数の部品を接合して構成した偏平チューブで
はなく、押し出し加工または引き抜き加工にて構成した
一体型の偏平チューブを用いたため、製造が容易にな
り、低コスト・高信頼性化を図ることが可能となる。

【００３３】また、第1偏平チューブ３１、第２偏平チ
ューブ３２とも、チューブ幅１５ｍｍから５０ｍｍ程度
の偏平チューブを用い、複数本、所定間隔に配設するこ
とにより熱交換器を構成できるため、大きな幅の偏平チ
ューブを製造する必要は無く、容易に熱交換器を製造す
ることが可能となる。

【００３４】さらに、本実施の形態では、高温のＣＯ２
冷媒が流通する第1偏平チューブ３１の肉厚方向に第1偏
平チューブ３１を中間にして加熱すべき低温の水冷媒が
流通する第２偏平チューブ３２で挟み込むように熱交換
器を構成としたため、高温の第1偏平チューブ３１か
ら、外部への放熱ロスを減少させ、高温のＣＯ２冷媒の
持っている熱量を有効活用することが可能となり、熱交
換能力を高めることができる。

【００３５】また、水冷媒が流通する第２偏平チューブ
３２の貫通穴３３の形状は概略四角形状としたが、図７
に示すように、貫通穴４３の内面に細かな溝４４を設け
た第２偏平チューブ４２とした場合、水冷媒側の管内熱
伝達率が向上するため、熱交換器の熱交換能力を一層高
めることができる。

【００３６】また、本実施の形態では、第1偏平チュー
ブ３１内に設けた貫通穴３０の断面形状を円形とした
が、相当直径が約０．５ｍｍから１．０ｍｍであれば、
断面形状に拘わらず同様な効果が得られる。

【００３７】さらに、本実施の形態に係る冷凍サイクル
装置においては、上述の熱交換器を放熱器２２として用
い、高圧状態のＣＯ２冷媒を相当直径の小さな第1偏平
チューブ３１に流し、耐圧強度を必要としない水などの
２次側冷媒を相当直径の大きな第２偏平チューブ３２に
流すことで、１次側冷媒としてＣＯ２等の冷凍サイクル
の高圧側で超臨界状態となりうる冷媒を用い熱交換性能
の高い冷凍サイクルを実現することが可能となる。

【００３８】なお、低圧状態の冷媒が流れる吸熱器２４
についても、上述の熱交換器を用いることが可能である
ことは明らかである。

【００３９】また、本実施の形態では、有極性油である
ポリアルキレングリコール油（ＰＡＧ油）を冷凍機油と
して用いているため、圧縮機２１からＣＯ２冷媒ととも
にサイクル中に吐出された冷凍機油は、ＣＯ２冷媒に対
して溶解しやすい。その結果、放熱器２２の冷媒流路を
構成する偏平チューブ３１の貫通穴３０の管内壁面上に
熱抵抗となる油膜が形成され伝熱性能が低下することは
なく、超臨界状態のＣＯ２冷媒が持つ高い熱伝達率を有
効に利用することができる。また、貫通穴３０の管内壁
面上に油膜が形成されず、かつ油滴として流動すること
がないため、圧力損失の増大を招くこともない。このた
め、管内熱伝達率が非常に高く、かつ圧力損失による性
能の低下を押さえることができ、小型で高性能な放熱器
とすることができる。

【００４０】また、上述の実施形態では、遷臨界ヒート
ポンプ式給湯器に、本発明に係る熱交換器を適応した
が、本発明の適応対象はこれに限定されるものではな
く、遷臨界ヒートポンプ式カーエアコンにおいて２次冷
媒として水冷媒を採用するヒートポンプ等のその他のヒ
ートポンプにも適応することができる。また、本発明に
より給湯される温水は飲料用、暖房用、加熱用等のその
用途は限定されるものではない。

【００４１】（実施の形態２）本発明の一実施の形態に
おける冷凍サイクル装置の概略構成を図８に示す。図８
においては、図１と同じ構成要素については同一の符号
を付し、説明を省略する。図８において、５０は放熱器
２２出口〜減圧器２３入口の間の冷媒と吸熱器２４出口
〜圧縮機２１吸入部の間の冷媒を熱交換させる内部熱交
換器（補助熱交換器）である。

【００４２】本冷凍サイクル装置の動作について説明す
る。圧縮機２１で圧縮（本実施の形態では、例えば、約
１０ＭＰａ）されたＣＯ２冷媒は高温高圧状態となり、
放熱器２２へ導入される。放熱器２２では、ＣＯ２冷媒
は超臨界状態であるので気液二相状態とはならずに、水
やブラインなどの二次側冷媒や外気などに放熱して、内
部熱交換器５０を経て、減圧器２３で減圧（本実施の形
態では、例えば、約３．５ＭＰａ）されて気液二相状態
となり吸熱器２４へ導入される。吸熱器２４では、空気
などから吸熱してガス状態となり、内部熱交換器５０を
経て、再び圧縮機２１に吸入される。このようなサイク
ルを繰り返すことにより、放熱器２２で放熱による加熱
作用、吸熱器２４で吸熱による冷却作用を行う。ここ
で、内部熱交換器５０では、放熱器２２を出て減圧器２
３に向かう比較的高温の冷媒と、吸熱器２４を出て圧縮
機２１に向かう比較的低温の冷媒とで熱交換が行われ
る。このため、放熱器２２を出た冷媒が冷却されて減圧
器２３で減圧されるため、吸熱器２４入口でのエンタル
ピが減少して、吸熱器２４の入口と出口でのエンタルピ
差が大きくなり、吸熱能力（冷却能力）が増大する。

【００４３】次に、本実施の形態に係る熱交換器である
内部熱交換器５０について述べる。図９は、本実施の形
態に係る熱交換器（内部熱交換器５０）の概略構成図で
あり、図１０は図９に示した熱交換器（内部熱交換器５
０）の横断面図（Ｂ−Ｂ´断面図）である。実施の形態
１と同じ構成要素については同一の符号を付し、説明を
省略する。

【００４４】実施の形態１と異なるのは、第２偏平チュ
ーブ５２として、実施の形態１の第１偏平チューブ３１
と同様に、内部に約１．０ｍｍ程度の円形の貫通穴５３
を設けた偏平チューブを用いた点である。第２偏平チュ
ーブ５２はアルミニウムもしくは銅製であり、押し出し
加工または引き抜き加工にて形成されたものである。第
1偏平チューブ３１は、実施の形態１と同様に、アルミ
ニウムもしくは銅製であり、押し出し加工または引き抜
き加工にて形成されたものである。超臨界状態の高圧に
対応するため、また管内の熱伝達率を向上させるため、
貫通穴３０の孔径は、約０．５ｍｍと細径化し、かつそ
の断面を円形としている。

【００４５】内部熱交換器５０では、放熱器２２を出て
減圧器２３に向かう比較的高温高圧の冷媒と、吸熱器２
４を出て圧縮機２１に向かう比較的低温低圧の冷媒とで
熱交換を行なうため、第２偏平チューブ５２の耐圧強度
は第１偏平チューブ３１の耐圧強度より比較的低くてす
む。このため、第２偏平チューブ５２の貫通穴５３の相
当直径を第１偏平チューブ３１の貫通穴３０より大きく
している。

【００４６】また、高温の第１偏平チューブ３１の片面
のみを、第２偏平チューブ５２と接合し、伝熱面として
有効利用している点が実施の形態１と異なる。

【００４７】次に、本実施の形態に係る熱交換器である
内部熱交換器５０および、その熱交換器（内部熱交換器
５０）を用いた冷凍サイクル装置の特徴を述べる。

【００４８】本実施の形態に係る熱交換器においては、
第1偏平チューブ３１、第２偏平チューブ５２ともに、
内部にそれぞれ約０．５ｍｍと１．０ｍｍ程度の円形の
細い貫通穴３０、５３を設けた偏平チューブとし耐圧強
度を高めたため、第1偏平チューブ３１には放熱器２２
を出て減圧器２３に向かう比較的高温高圧の冷媒を流
し、第２偏平チューブ５２には吸熱器２４を出て圧縮機
２１に向かう比較的低温低圧（従来ＨＦＣ冷媒の低圧に
比べれば著しく高い）の冷媒を流し、その間で熱交換を
行なうことが可能となる。また、第２偏平チューブ５２
がはり合わせ構造でないため、冷媒リークの心配も全く
ない。したがって、高圧側で超臨界状態となるＣＯ２等
の冷媒が流れる内部熱交換器に適応可能な熱交換器を実
現することができる。

【００４９】また、高温の第１偏平チューブ３１の片面
のみを、第２偏平チューブ５２と接合し、伝熱面として
有効利用しているため、熱交換器の大きさを小さくする
ことができ、小型コンパクトで低コストな内部熱交換器
５０を実現できる。

【００５０】さらに、実施の形態１で説明した以下の効
果が得られることは言うまでもない。すなわち、本実施
の形態に係る熱交換器においては、第1偏平チューブ３
１の長手方向に対して、第２偏平チューブ５２の長手方
向が直交するように所定の間隔で第２偏平チューブ５２
を配設したため、（紙面上下方向に）隣り合う第２偏平
チューブ５２間の隙間が生じる構成となり、その結果、
隣り合う第２偏平チューブ５２間の熱伝導ロスが無くな
り、熱交換器の熱交換能力を高めることができる。ま
た、第２偏平チューブ５２を２枚の板材を貼り合わせる
構成でなく、第２偏平チューブ５２を一体構造としたた
め、従来例で述べたような隣り合うチューブ間の仕切り
部がない構成となる。その結果、隣り合う第２偏平チュ
ーブ５２間を内部リークして冷媒同士が充分に熱交換し
ないうちに通過してしまうことはなくなり、熱交換能力
の低下を防ぐことが可能となる。

【００５１】また、第1偏平チューブ３１と第２偏平チ
ューブ５２の重なり合う面積だけをろう付け接合するた
め、各接合部の面積は第1偏平チューブ３１および第２
偏平チューブ５２の幅の領域となり、非常に小さくな
る。その結果、各接合部の平面度を高くすることが容易
となり、また接合面のクリアランスを均一にすることも
容易になる。したがって、接合部が均一にろう付けさ
れ、ボイドが形成されることが無いため、接合面に熱抵
抗が生じることはなく、第1偏平チューブ３１および第
２偏平チューブ５２間の熱伝導率が向上して、熱交換能
力を高めることができる。

【００５２】また、本実施の形態では、第２偏平チュー
ブ５２に複数の部品を接合して構成した偏平チューブで
はなく、押し出し加工または引き抜き加工にて構成した
一体型の偏平チューブを用いたため、製造が容易にな
り、低コスト・高信頼性化を図ることが可能となる。

【００５３】また、第1偏平チューブ３１、第２偏平チ
ューブ５２とも、チューブ幅１５ｍｍから５０ｍｍ程度
の偏平チューブを用い、複数本、所定間隔に配設するこ
とにより熱交換器を構成できるため、大きな幅の偏平チ
ューブを製造する必要は無く、容易に熱交換器を製造す
ることが可能となる。

【００５４】さらに、本実施の形態に係る冷凍サイクル
装置においては、上述の熱交換器を内部熱交換器５０と
して用い、放熱器２２を出て減圧器２３に向かう高圧状
態の冷媒は、高い耐圧強度を有する第1偏平チューブ３
１を流し、比較的耐圧強度を必要としない、吸熱器２４
を出て圧縮機２１に向かう低圧状態の冷媒を第２偏平チ
ューブ５２に流すことで、冷媒としてＣＯ２やエタン等
の冷凍サイクルの放熱側で超臨界状態となりうる冷媒を
用いることができ、内部熱交換器５０で、放熱器２２を
出て減圧器２３に向かう比較的高温の冷媒と、吸熱器２
４を出て圧縮機２１に向かう比較的低温の冷媒とで熱交
換できるため、放熱器２２を出た冷媒が冷却されて減圧
器２３で減圧され、吸熱器２４入口でのエンタルピが減
少して、吸熱器２４の入口と出口でのエンタルピ差が大
きくなり、吸熱能力（冷却能力）を増大させた冷凍サイ
クルを実現することが可能となる。

【００５５】なお、放熱器２２や吸熱器２４について
も、上述の熱交換器を用いることが可能であることは明
らかである。

【００５６】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように本
発明によれば、1次側冷媒が流通する複数の貫通穴を有
する第1偏平チューブと、２次側冷媒が流通する複数の
貫通穴を有する第２偏平チューブとを備え、所定の間隔
に配設された第1偏平チューブの長手方向に対して、第
２偏平チューブの長手方向が例えば直交するように所定
の間隔で第２偏平チューブが配設された構成とし、かつ
重なり合う小さな領域だけをろう付けする構成としたた
め、隣り合う偏平チューブ間の熱伝導および冷媒リーク
による熱ロスを防止するとともに、接合面のクリアラン
スのばらつきによるろう付け面積の減少を防止し、熱交
換能力の低下を効果的に抑えるようにした熱交換器、お
よびその熱交換器を使用し冷媒としてＣＯ２やエタン等
の冷凍サイクルの放熱側で超臨界状態となりうる冷媒を
用いることができる冷凍サイクル装置を実現することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装
置の概略構成図

【図２】本発明の実施の形態１に用いる熱交換器の構成
図

【図３】本発明の実施の形態１に用いる熱交換器の正面
図

【図４】本発明の実施の形態１に用いる熱交換器の横断
面図

【図５】本発明の実施の形態１の熱交換器に用いる伝熱
管の構成図

【図６】本発明の実施の形態１の熱交換器に用いる伝熱
管の構成図

【図７】本発明の実施の形態１の熱交換器に用いる伝熱
管の構成図

【図８】本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装
置の概略構成図

【図９】本発明の実施の形態２に用いる熱交換器の構成
図

【図１０】本発明の実施の形態２に用いる熱交換器の横
断面図

【図１１】従来の熱交換器の正面図

【図１２】従来の熱交換器の要部縦断面図

【符号の説明】

２１圧縮機２２放熱器２３減圧器２４吸熱器３０，３３，４３，５３貫通穴３１第１偏平チューブ３２，４２，５２第２偏平チューブ３２ａ，５２ａ第２偏平チューブ本体３２ｂ第２偏平チューブヘッダタンク３５１次側冷媒流入管３６ａ，３６ｂ１次側冷媒ヘッダタンク３７１次側冷媒流出管３８２次側冷媒流入管３９ａ，３９ｂ２次側冷媒ヘッダタンク４０２次側冷媒流出管４４溝５０内部熱交換器

フロントページの続き (72)発明者薬丸雄一大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 3L103 AA35 BB43 CC03 DD32

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 1次側冷媒が流通する複数の貫通穴を有
する複数の第1偏平チューブと、２次側冷媒が流通する
複数の貫通穴を有する第２偏平チューブとを備え、前記
第２偏平チューブは、前記第1偏平チューブの長手方向
全域に渡って長手方向が前記第1偏平チューブの長手方
向に対して交わるように配設された複数の第２偏平チュ
ーブ本体、および前記第２偏平チューブ本体の長手方向
端部にて隣り合う前記第２偏平チューブ本体を接続して
前記２次側冷媒の流通方向を転向させる第２偏平チュー
ブヘッダタンクから成り、前記第1偏平チューブと前記
第２偏平チューブ本体が接合されていることを特徴とす
る熱交換器。
【請求項２】 1次側冷媒が流通する複数の貫通穴を有
する複数の第1偏平チューブと、２次側冷媒が流通する
複数の貫通穴を有する第２偏平チューブとを備え、前記
第２偏平チューブは、前記第1偏平チューブの長手方向
全域に渡って長手方向が前記第1偏平チューブの長手方
向に対して交わるように配設され、かつ前記第1偏平チ
ューブの肉厚方向に前記第1偏平チューブを中間にして
２つの前記第２偏平チューブで挟み込むように配設され
た複数の第２偏平チューブ本体、および前記第２偏平チ
ューブ本体の長手方向端部にて隣り合う前記第２偏平チ
ューブ本体を接続して前記２次側冷媒の流通方向を転向
させる第２偏平チューブヘッダタンクから成り、前記第
1偏平チューブと前記第２偏平チューブ本体が接合され
ていることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】第１偏平チューブの相当直径を、第２偏
平チューブの相当直径より小さくしたことを特徴とする
請求項１または２記載の熱交換器。
【請求項４】 1次側冷媒の圧力が、２次側冷媒の圧力
に比べて高いことを特徴とする請求項１または２記載の
記載の熱交換器。
【請求項５】 1次側冷媒は二酸化炭素であることを特
徴とする請求項１から４のいずれかに記載の記載の熱交
換器。
【請求項６】圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器等から
なる冷凍サイクルにおいて、前記放熱器、前記吸熱器の
うちの少なくとも１つは、請求項１から４のいずれかに
記載の熱交換器を用いることを特徴とする冷凍サイクル
装置。
【請求項７】圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器等から
なる冷凍サイクルにおいて、前記放熱器出口から前記減
圧器入口までと前記吸熱器出口から前記圧縮機吸入部ま
でとで熱交換を行う補助熱交換器とを備え、前記放熱
器、前記吸熱器、前記補助熱交換器のうちの少なくとも
１つは、請求項１から４のいずれかに記載の熱交換器を
用いることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項８】放熱側で超臨界状態となりうる冷媒を封
入し、前記冷媒として二酸化炭素を用い、冷凍機油とし
てポリアルキレングリコール油（ＰＡＧ油）を用いたこ
とを特徴とする請求項６または７記載の冷凍サイクル装
置。