JP2005016866A

JP2005016866A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2005016866A
Application number: JP2003184174A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Shimizu; 努清水; Takashi Sugio; 孝杉尾; Shoichi Yokoyama; 昭一横山; Shigeto Yamaguchi; 成人山口
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】熱交換器を蒸発器として利用した場合に、良好な分流状態を実現し、充分な熱交換量を得ることが可能なパラレルフロー熱交換器を提供することを目的とする。
【解決手段】水平に配置された前記上側ヘッダー５と前記下側ヘッダー２の間に挿入された複数の偏平管３を備え、前記偏平管３の間には固着されたフィン４を有し、前記下側ヘッダー２の一端には、冷媒が流入する接続管１が配置され、他方には、冷媒が流出する接続管６が配置され、前記流入管に流入した冷媒は、前記偏平管３を通過して、前記接続管６より冷媒が流出するように構成され、少なくとも一方のヘッダーパイプにヘッダーパイプ内径の１倍以上の長さの延長部７を配置し、この延長部７によって冷媒流れを安定化するものである。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ式空気調和機に利用される熱交換器に関するものであり、特に複数の伝熱管に分流される冷媒の分流量の均等化を狙った熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の空気調和機の冷凍サイクルを構成している熱交換器は、熱交換能力が小さい場合には、冷媒の循環量が少なく伝熱管内の圧力損失が小さい為、冷媒通路は単一で良いが、熱交換量が大きくなる場合には、冷媒の循環量が多く、複数の冷媒通路が必要となってくる。このように複数の冷媒通路が必要な場合、冷媒を複数の伝熱管に均等に分流して熱交換器の性能を最大限に発揮させる為の工夫が必要となる。
【０００３】
ここで、図８において、パラレルフロータイプの熱交換器を蒸発器に利用した場合について説明する。図８に示す従来例の場合、２は中空円筒状の下側ヘッダーで、右側は閉じてあり、蒸発器として使用される場合、冷媒が流入する接続管１に接合されている。下側ヘッダー２に流入した冷媒は各ヘッダーに連通する偏平管３に密着したフィン４を介して空気と熱交換を行い、更にガス化した冷媒は中空円筒状である上側ヘッダーより蒸発器の接続管６から流出する。
【０００４】
また、凝縮器として使用した場合は、冷凍サイクル中の四方弁によるサイクル切換え弁により蒸発器とは冷媒の流入方向が異なり、図８に示す従来例の場合、圧縮機より吐出された高温高圧の単相の過熱冷媒ガスが凝縮器の接続管６より上側ヘッダー５に流入して各ヘッダーに連通する偏平管３に密着したフィン４を介して空気と熱交換を行い、凝縮液化した冷媒は中空円筒状である下側ヘッダー２より凝縮器の接続管１から流出する。また、３は熱伝導性の良いアルミニウムや銅合金等の金属からなる偏平な断面外形を有する熱交換器用の偏平管で、内部に１本ないし数本の冷媒通路を有し、下側ヘッダー２と上側ヘッダー５とを連通するように、それらのヘッダーを橋絡して垂直に複数本取り付けられている。
【０００５】
また、複数の偏平管３には、均等に冷媒が分配されて分流状態を良好にし、性能を充分に発揮できるように様々な工夫がなされ、各偏平管の間には熱伝導性の良いアルミニウムや銅合金等の薄い金属板を波形に成形したフィン４が、複数の偏平管３のなす面に対して直角方向に無数のハニカム状の通気路を形成するように取り付けられて、空気と冷媒の熱交換を円滑に行われている。
【０００６】
従来このような空気調和機用の熱交換器の分流状態を良好にした構成例としては、ヘッダー内部の仕切り板をヘッダーの軸直角方向に対して傾斜させているものや、また、偏平管３の端面を傾斜させたものもある（例えば特許文献１、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６―１７４３３５号公報（第１―５頁、第１図）
【特許文献２】
特開平８―５１９４号公報（第１―５頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、パラレルフローの熱交換器において冷媒の分流状態を均一にしようとした場合、凝縮器として利用した場合は、圧縮機から吐出された単相の過熱冷媒ガスが図８に示す上側ヘッダー５に接続管６より流入し、各偏平管３を均一に流れて空気と熱交換した後、凝縮液化した冷媒は重力の影響を受けて下側ヘッダーに流れる為に各偏平管３を流れる冷媒の分流状態に大きな問題は見られないが、蒸発器として利用した場合に、液とガスが混在した二相の冷媒が図１０に示す下側ヘッダー２（拡大図）に流入し、気体状の冷媒８の他に低部に滞留している液体状の冷媒９が流れの慣性の影響で、蒸発器入口近傍と下流側になる右方において厚くなり、下側ヘッダー２の中央部に近いところで薄くなる傾向がある。よって、下側ヘッダー２から各偏平管３内を上昇して通過する冷媒の量が不均一となり、更には、冷凍サイクル中の粘性の高い冷凍機油も含まれる影響や、各偏平管を流れる冷媒に偏流が発生する影響、また、条件によっては蒸発器入口からもっとも経路的に距離が短くて抵抗が少なくなる蒸発器出口に近い図８の偏平管３ａ、３ｂ近傍を冷媒は優先的に通って接続管６に流れ出し、蒸発器入口から出口まで経路において距離的に最も遠くなる偏平管３ｅ、３ｆ近傍では、管路損失による抵抗が大きくなる為に流入する冷媒も減少する。図９の斜線部は他の部分よりも温度が高いことを示したものであり、図９の斜線部に示すように抵抗が大きく下流側となる右側の半分以上が冷媒流量低下に伴い冷媒過熱度が大きくなり、熱交換器の性能が大きく低下してしまうという課題を有していた。
【０００９】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、パラレルフローの熱交換器を蒸発器として利用した場合に、良好な分流状態を実現し、充分な熱交換量を得ることが可能なパラレルフロー熱交換器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
従来の課題を解決する為に、本発明は少なくとも一方のヘッダーパイプにヘッダーパイプ内径の１倍以上の長さの延長部を配置し、この延長部によって冷媒流れを安定化するものである。
【００１１】
【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て説明する。
【００１２】
図１は本発明の第一の実施の形態であり、例えばパラレルフローの熱交換器を蒸発器または凝縮器として利用した場合であり、熱交換器の構成と冷媒の流れ（図１中の矢印実線は蒸発器、矢印破線は凝縮器として利用した場合）を示し、また、この図１では蒸発器として利用した場合には接続管１が冷媒入口で、接続管６は冷媒出口となり、凝縮器として利用した場合は蒸発器の場合とは逆の流れ方となる。
【００１３】
上記図１に示す本実施の形態の熱交換器において、水平に距離を置いて平行に設置した、上側ヘッダー５と下側ヘッダー２および２つの上側ヘッダー５との間を垂直になるように配置された複数の偏平管３と、その偏平管３間の間には蛇行するように配置されたハニカム状のフィン４と、上側ヘッダー５パイプまたは下側ヘッダーパイプ２に接続された図示しない冷凍サイクルからの流出入口であり、熱交換器の冷媒の出入口となる接続管６または接続管１、接続管１と下側ヘッダー２との間にヘッダーパイプの内径の１倍以上の長さの延長部７により構成されており、この熱交換器が蒸発器として利用された場合を以下に説明すると、蒸発器入口は下側ヘッダー２に接続された接続管１となり、冷媒は延長部７、下側ヘッダー２および偏平管３を通過して、偏平管３に密着したフィン４を介して空気と熱交換し、更にガス化した冷媒は上側ヘッダー５に集結し、蒸発器出口となる接続管６を通って図示しない冷凍サイクルの圧縮機吸入へ導かれる。
【００１４】
図２は、蒸発器における熱交換器全体を赤外線測定器で温度分布を測定した結果を簡易的に示したものであり、図２中の斜線部は熱交換器の他の部分よりも温度が高く、冷媒がほとんど流れず本来の熱交換器としての役割を果たしていない部分であるが、従来例で説明した図９の蒸発器の温度分布に対して比較すると、ほとんど温度分布も均一で熱交換器として有効な面積も増大し、性能も大きく向上が見られる。これは、図１の熱交換器を例にして説明すると、蒸発器入口の接続管１から液とガスが混在した２相の冷媒が延長部７を介して下側ヘッダー２の左側から水平に流入するために、下側ヘッダー２に対し垂直に配置している各偏平管には均等に冷媒が流れるようになる。これは、図３に示すように接続管１から延長部７を介して下側ヘッダー２に流入する冷媒の流れは延長部７への流入直後には気体状の冷媒８のなかに液体状の冷媒９が分散して混合され、かつ気体状の冷媒８および液体状の冷媒９は様々な速度成分を持つ乱れた流れとなっているため流れが安定していないが、延長部７の出口までの区間で整流され下側ヘッダー２左側入口では長手方向の速度成分のみを持つことで慣性の影響が下流方向に働く為、図６に示すように下側ヘッダー２内部で下流側に向かうほど滑らかに冷媒液相が増加する傾向にあり、従来例で示した下側ヘッダー２内の冷媒の状態よりも冷媒液相が均一化されて、各偏平管３に流入する冷媒量も均一化される。また、延長部７については図４に示すように接続管１と下側ヘッダー２を滑らかに繋ぐディフューザー形状、図５に示すような２段以上の段階的に拡大する段付管形状とすることにより、さらに整流効果が向上し、且つ、接続管１と下側ヘッダー２での流路面積の急拡大による圧力損失が低減され、性能を向上させる効果も得られる。さらに、延長部７は、図６に示すように下側ヘッダー２内の伝熱管３の挿入代よりも高い突起部１０を配置することにより、伝熱管先端に冷媒流れが衝突することが防止でき、さらに性能を向上させる効果が得られる。さらに、図７の断面図に示すように延長部７の内部の冷媒流路を下側ヘッダー２の長手方向に連通する複数の流路に分割することにより、更なる整流効果が向上し、性能向上が可能となる。
【００１５】
なお、上記熱交換器中の説明は、あくまでも本旨の意図に合うように、図１に示す熱交換器の一例を用いた場合を説明する為に接続管１、６および延長部７の位置を特定しているが、特に位置は限定されるものではなく左右逆側でも構わないものであり、熱交換器の形態により位置は異なっても構わない。
【００１６】
また、上記下側ヘッダー２や上側ヘッダー５および接続管１、６は円筒の代わりに、四角や楕円、多角形やその他の形状を用いても問題無いがその場合は、ヘッダーパイプの内径は、ヘッダーパイプ断面の内面長さと同じ長さの円筒内径の１倍以上の長さの接続部７とすればよい。また、接続管の先端の形状は冷媒の分流状態を改善するのに工夫されたものを用いても構わないものであり同様の効果を得ることができる。
【００１７】
なお、上記各実施の形態では偏平チューブを用いているため、管の肉厚が同等でも、管径が小さいため、耐圧が大きくなり、特に圧力の高い二酸化炭素冷媒を用いる時に、上記各実施の形態の熱交換器が有効である。
【００１８】
また、偏平チューブの管内容積が小さいため、冷媒量を減らすことができ、可燃性冷媒であるＨＣ冷媒等を用いる時、上記各実施の形態の熱交換器が有効である。
【００１９】
【発明の効果】
上記から明らかなように、本発明は、蒸発器としても利用する熱交換器の場合で冷媒が、各偏平管に流れる冷媒の分流を均一化することができるもので、この構成によれば、熱交換器性能を最大限に引き出す信頼性の高い熱交換器を提供することを可能にするという効果を奏する。
【００２０】
また、本発明は、複雑な加工や大型化させることも無く、熱交換器の性能向上を図るもので、この構成によれば、収納性やコンパクト化を図りながら高性能の熱交換器を提供することを可能にする効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の熱交換器の斜視図
【図２】同一実施形態の熱交換器の温度分布の概略を示す図
【図３】同一実施形態の熱交換器の下側ヘッダー内部の冷媒状態図
【図４】同一実施形態の熱交換器の下側ヘッダー部の斜視図
【図５】同一実施形態の熱交換器の下側ヘッダー部の斜視図
【図６】同一実施形態の熱交換器の下側ヘッダー部の斜視図
【図７】同一実施形態の熱交換器の延長部の断面図
【図８】従来の熱交換器の斜視図
【図９】従来の熱交換器の温度分布の概略を示す図
【図１０】従来の熱交換器の下側ヘッダー内部の冷媒状態図
【符号の説明】
１接続管
２下側ヘッダー
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ偏平管
４フィン
５上側ヘッダー
６接続管
７延長部
８気体状の冷媒
９液体状の冷媒
１０突起部

Claims

互いに間隔をおいて平行にほぼ水平方向に配置された一対のヘッダーパイプと、前記一対のヘッダーパイプとの間に挿入された複数の伝熱管を備え、前記伝熱管の間には固着されたフィンを有し、前記一対のヘッダーパイプの一方の一端には、冷媒の流入管がヘッダーパイプの長手方向となるよう配置され、他方には、冷媒の流出管がヘッダーパイプの長手方向となるよう配置され、前記流入管に流入した冷媒は、前記伝熱管を通過して、前記流出管より冷媒が流出することにより前記一対のヘッダーパイプ間を冷媒が移動するように構成されており、少なくとも一方のヘッダーパイプにヘッダーパイプ内径の１倍以上の長さの延長部を配したことを特徴とする熱交換器。
前記延長部を前記流入管の位置より離れるに従い拡大するディフューザー形状で構成されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
前記延長部を前記流入管の位置より離れるに従い２段以上の段階的に拡大する段付管形状で構成されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
前記延長部に前記伝熱管の前記ヘッダーパイプへの挿入代よりも長い突起部を配置したこと特徴とする請求項１記載の熱交換器。
前記延長部内の冷媒流路を長手方向に連通する複数の流路に分割して構成されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。