JP2009270795A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】パラレルフロー型熱交換器を、気液二相状態で流入した冷媒を良好な混合状態で各偏平チューブに分配でき、且つ偏流改善にも役立つ構造とする。
【解決手段】熱交換器１は、間隔を置いて平行に配置された上部ヘッダパイプ２及び下部ヘッダパイプ３と、上部ヘッダパイプ２及び下部ヘッダパイプ３の間に複数配置され、内部に設けた冷媒通路５を上部ヘッダパイプ２及び下部ヘッダパイプ３の内部に連通させた偏平チューブ４と、偏平チューブ４間に配置されたコルゲートフィン６を備える。冷媒流入側である下部ヘッダパイプ３の内部には、各偏平チューブ４の冷媒流入部に、冷媒攪拌体１０を配置する。冷媒攪拌体１０はスチールウールからなる。
【選択図】図１

Description

本発明はパラレルフロー型の熱交換器に関する。

２本のヘッダパイプの間に複数の偏平チューブを配置して偏平チューブ内部の冷媒通路をヘッダパイプの内部に連通させるとともに、偏平チューブ間にコルゲートフィン等のフィンを配置したパラレルフロー型の熱交換器はカーエアコンや建物用空気調和機の室外側ユニットなどに広く利用されている。

パラレルフロー型熱交換器の一例を図７に示す。熱交換器１は、上部ヘッダパイプ２と下部ヘッダパイプ３を互いに間隔を置いてそれぞれ水平に、すなわち互いに平行する形で配置し、上部ヘッダパイプ２と下部ヘッダパイプ３の間に垂直に延びる偏平チューブ４を所定ピッチで複数配置したものである。偏平チューブ４はアルミニウム等熱伝導の良い金属を押出成型した細長い成型品であり、内部には冷媒を流通させる冷媒通路５が形成されている。冷媒通路５は断面形状及び断面面積の等しいものが図７の奥行き方向に複数個並び、そのため偏平チューブ４はハーモニカのような断面を呈している。各冷媒通路５は上部ヘッダパイプ２及び下部ヘッダパイプ３の内部に連通する。

偏平チューブ４同士の間にはコルゲートフィン６が配置される。上部ヘッダパイプ２及び下部ヘッダパイプ３と偏平チューブ４、及び偏平チューブ４とコルゲートフィン６はそれぞれ溶着またはロウ付けにより固定される。偏平チューブ４の他、上部ヘッダパイプ２、下部ヘッダパイプ３、及びコルゲートフィン６もアルミニウム等熱伝導の良い金属からなる。

下部ヘッダパイプ３の一端には冷媒流入口７が設けられている。上部ヘッダパイプ２には、冷媒流入口７と同じ側の端に、冷媒流出口８が設けられている。

上部ヘッダパイプ２と下部ヘッダパイプ３の間に多数の偏平チューブ４を設け、偏平チューブ４間にコルゲートフィン６を設けた構造であるから、パラレルフロー型熱交換器１の放熱（吸熱）面積は大きく、効率的に熱交換を行うことができる。

パラレルフロー型熱交換器の熱交換効率を向上させるため、これまでにも様々な工夫がなされている。特許文献１に記載された例では、冷媒流入側ヘッダパイプの冷媒流入部に、流入するガス冷媒と液冷媒とを混合拡散して流通させる気液拡散体が配置されており、流入した気液二相の冷媒は気液拡散体を通過する際に混合される。これにより、各偏平チューブにガス冷媒と液冷媒をほぼ均等に分配することができ、熱交換効率を向上させることができる。
特開２００８−３９３０４号公報

特許文献１記載のパラレルフロー型熱交換器では、気液拡散体から偏平チューブまで、冷媒が長い距離を流れねばならない場合、折角混合した冷媒が途中で再び気液分離してしまうことがある。また、ヘッダパイプの冷媒流入部からの距離や、冷却用空気の風速分布などが原因で生じる、偏平チューブ同士の間での冷媒流量の偏り、すなわち偏流に対しては、特許文献１記載の構成では十分に改善に寄与できない。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、パラレルフロー型熱交換器を、気液二相状態で流入した冷媒を良好な混合状態で各偏平チューブに分配でき、且つ偏流改善にも役立つ構造とすることを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、間隔を置いて平行に配置された複数のヘッダパイプと、前記複数のヘッダパイプの間に複数配置され、内部に設けた冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた偏平チューブとを備えた熱交換器において、前記複数のヘッダパイプのうち、冷媒流入側のヘッダパイプの内部には、前記各偏平チューブの冷媒流入部に、冷媒攪拌体を配置したことを特徴としている。

この構成によると、気液二相状態の冷媒は、偏平チューブの冷媒通路に入る直前で攪拌される。このため、ヘッダパイプの冷媒流入部から遠く離れた偏平チューブにも気液混合状態の良好な冷媒を供給することができ、熱交換器全体の熱交換効率を向上させることができる。

上記構成の熱交換器において、どの偏平チューブに配置されるものであるかに応じて前記冷媒攪拌体の流通抵抗に差をつけることが好ましい。

このような構成にすれば、そのままにしておくと冷媒流量が多くなってしまう偏平チューブには流通抵抗の大きい冷媒攪拌体を組み合わせ、逆にそのままにしておくと冷媒流量が少なくなってしまう偏平チューブには流通抵抗の小さい冷媒攪拌体を組み合わせて、偏平チューブ毎の冷媒流量を均等化し、熱交換量を均等化することができる。これにより、温度分布の偏りが是正され、熱交換器全体の有効利用が可能となって、熱交換効率が向上する。

上記構成の熱交換器において、前記冷媒攪拌体は素材の集合からなり、集合の粗密により前記流通抵抗の差を得ることが好ましい。

このような構成にすれば、流通抵抗に差のある何通りもの冷媒攪拌体を容易に製作することができる。

上記構成の熱交換器において、前記冷媒攪拌体がスチールウールからなることが好ましい。

このような構成にすれば、冷媒攪拌体を簡便に、また安価に調達することができる。

本発明によると、気液二相状態の冷媒は偏平チューブの冷媒通路に入る直前で攪拌されるから、ヘッダパイプの冷媒流入部から遠く離れた偏平チューブにも気液混合状態の良好な冷媒を供給することができ、熱交換器全体の熱交換効率を向上させることができる。また、冷媒攪拌体の流通抵抗に差をつけることにより、冷媒の偏流問題を改善できる。

以下本発明の第１実施形態を図１に基づき説明する。図１はパラレルフロー型熱交換器の概略構造を示す垂直断面図である。なお、図７に示した従来構造の熱交換器と機能的に共通する要素には図７で用いたのと同じ符号を付し、説明は省略する。第２実施形態以下の実施形態についても同様とする。

熱交換器１は、冷媒流入側である下部ヘッダパイプ３の内部に冷媒攪拌体１０を備えている。冷媒攪拌体１０は、気液二相状態で流入する冷媒を攪拌し、気相冷媒と液相冷媒を混合させるためのものである。冷媒攪拌体１０にはステンレススチールの線材を素材とするスチールウールを用いる。各偏平チューブ４の冷媒流入部に１個ずつ冷媒攪拌体１０を配置する。冷媒攪拌体１０は下部ヘッダパイプ３の内径にほぼ等しい直径の円筒体に成形されている。

冷媒流入口７から流入した気液二相状態の冷媒は、各偏平チューブ４の冷媒通路５に入る直前で攪拌され、ガス冷媒と液冷媒が良く混合した状態で冷媒通路５を流れる。このため、特定の冷媒通路５ではガス冷媒が多く、他の特定の冷媒通路５では液冷媒が多いといった不均衡が生じにくく、各偏平チューブ４にガス冷媒と液冷媒がほぼ均等に分配され、熱交換器１全体としての熱交換効率が向上する。

また、冷媒攪拌体１０としてスチールウールを用いたので、冷媒攪拌体１０を簡便且つ安価に調達することができる。なお冷媒攪拌体１０として用いることができるのはスチールウールに限られない。有孔セラミック、有孔焼結金属、連続気泡の発泡樹脂なども使用可能である。

続いて本発明の第２実施形態を図２に基づき説明する。図２はパラレルフロー型熱交換器の概略構造を示す垂直断面図である。

第２実施形態が第１実施形態と異なるのは、冷媒攪拌体１０の構造である。すなわち、第１実施形態では１本の偏平チューブ４に１個の冷媒攪拌体１０を対応させたが、第２実施形態では、偏平チューブ列の左端に位置する偏平チューブ４から右端に位置する偏平チューブ４までカバーする、１個の長い冷媒攪拌体１０を設けることとした。この構成であっても、冷媒通路５に入る直前で冷媒を攪拌し、ガス冷媒と液冷媒を良く混合させて冷媒通路５に流すことができる。このため、各偏平チューブ４にガス冷媒と液冷媒がほぼ均等に分配され、熱交換器１全体としての熱交換効率が向上する。

第１実施形態の構成では１本の偏平チューブ４に対し１個の冷媒攪拌体１０を配置する必要があり、組み立て作業の工数が多かったが、第２実施形態ではその工数を大幅に削減することができる。

続いて本発明の第３実施形態を図３に基づき説明する。図３はパラレルフロー型熱交換器の概略構造を示す垂直断面図である。

第２実施形態では１個の冷媒攪拌体１０が全ての偏平チューブ４をカバーしていたが、第３実施形態では第２実施形態の冷媒攪拌体１０を複数に分割し、１個の冷媒攪拌体１０が偏平チューブ列の一定区間ずつをカバーするものとした。図３では１個の冷媒攪拌体１０が３本ないし２本の偏平チューブ４をカバーしている。この構成でも冷媒は冷媒通路５に入る直前で攪拌され、ガス冷媒と液冷媒が良く混じった状態で冷媒通路５を通過する。このため、各偏平チューブ４にガス冷媒と液冷媒がほぼ均等に分配され、熱交換器１全体としての熱交換効率が向上する。

続いて本発明の第４実施形態を図４に基づき説明する。図４はパラレルフロー型熱交換器の概略構造を示す垂直断面図である。

第４実施形態は、第１実施形態と同様、１本の偏平チューブ４に対し１個の冷媒攪拌体１０を配置しているが、次の点が第１実施形態と異なる。すなわち第４実施形態では、冷媒攪拌体１０を構成するスチールウールの密度が、冷媒流入口７に近い冷媒攪拌体１０では疎であり、冷媒流入口７から遠ざかるにつれ密となっている。このため、冷媒流入口７に近い冷媒攪拌体１０は流通抵抗が比較的小さく、冷媒流入口７から遠い冷媒攪拌体１０は流通抵抗が比較的大きい。

下部ヘッダパイプ３の内部では、右端の行き止まり部に近くなるほど圧力が高まり、それに比例して偏平チューブ４の冷媒流量が多くなる傾向が生じる。この傾向をそのままにしておけば、各偏平チューブ４の冷媒流量は不均等となる。第４実施形態では、そのままにしておくと冷媒流量が多くなってしまう偏平チューブ４には比較的流通抵抗の大きい冷媒攪拌体１０が組み合わせられ、逆にそのままにしておくと冷媒流量が少なくなってしまう偏平チューブ４には比較的流通抵抗の小さい冷媒攪拌体１０が組み合わせられるから、偏平チューブ４毎の冷媒流量を均等化し、熱交換量を均等化することができる。これにより、温度分布の偏りが是正され、熱交換器１全体の有効利用が可能となって、熱交換効率が向上する。

冷媒攪拌体１０として、素材であるステンレス線材の集合からなるスチールウールを用いれば、様々な圧縮力で圧縮することにより、素材の集合の粗密度が異なる、すなわち流通抵抗に差がある何通りもの冷媒攪拌体１０を、容易に製作することができる。有孔セラミックや有孔燒結金属も素材の集合であり、これらも粗密度の差で流通抵抗を異ならせることができる。

続いて本発明の第５実施形態を図５に基づき説明する。図５はパラレルフロー型熱交換器の概略構造を示す垂直断面図である。

第５実施形態は、第２実施形態に第４実施形態の思想を適用したものである。すなわち第５実施形態では、偏平チューブ列の左端に位置する偏平チューブ４から右端に位置する偏平チューブ４までカバーする、１個の長い冷媒攪拌体１０の中で、所定の偏平チューブ４に対応する箇所に、高抵抗部１０ａを形成した。高抵抗部１０ａは、冷媒攪拌体１０を部分的に圧縮するか、別部品である冷媒攪拌体をその箇所にはめ込むことにより構成できる。高抵抗部１０ａの流通抵抗は、冷媒流入口７に近い高抵抗部１０ａほど小さく、冷媒流入口７から遠い高抵抗部１０ａほど大きい。

第５実施形態の構成では、そのままにしておくと冷媒流量が多くなってしまう偏平チューブ４には流通抵抗の大きい高抵抗部１０ａを組み合わせ、逆にそのままにしておくと冷媒流量が少なくなってしまう偏平チューブ４には、流通抵抗の小さい高抵抗部１０ａを組み合わせるか、あるいは高抵抗部１０ａを組み合わせないこととすることにより、偏平チューブ４毎の冷媒流量を均等化し、熱交換量を均等化することができる。これにより、温度分布の偏りが是正され、熱交換器１全体の有効利用が可能となって、熱交換効率が向上する。

続いて本発明の第６実施形態を図６に基づき説明する。図６はパラレルフロー型熱交換器の概略構造を示す垂直断面図である。

第６実施形態は第３実施形態に第４実施形態の思想を適用したものである。すなわち第６実施形態では、偏平チューブ列の一定区間ずつをカバーする冷媒攪拌体１０の流通抵抗が、冷媒流入口７に近い冷媒攪拌体１０では流通抵抗が比較的小さく、冷媒流入口７から遠い冷媒攪拌体１０では流通抵抗が比較的大きくなるようにした。この構成によっても偏平チューブ４毎の冷媒流量が均等化され、熱交換量が均等化する。これにより、温度分布の偏りが是正され、熱交換器１全体の有効利用が可能となって、熱交換効率が向上する。

これまでの説明では、熱交換器１は水平な上部ヘッダパイプ２と下部ヘッダパイプ３を備え、上部ヘッダパイプ２と下部ヘッダパイプ３の間には複数の偏平チューブ４が垂直に配置されているものとしてきたが、熱交換器１の形式はこれに限定されない。偏平チューブが斜めに傾いていてもよい。ヘッダパイプの数が２本を超えるもの、例えば上部ヘッダパイプ、中間ヘッダパイプ、下部ヘッダパイプの３本のヘッダパイプを備え、側面形状が「く」の字になっているパラレルフロー型熱交換器であってもよい。あるいは、ヘッダパイプが垂直で偏平チューブが水平なパラレルフロー型熱交換器であってもよい。

以上、本発明の各実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明はパラレルフロー型熱交換器に広く利用可能である。

第１実施形態に係る熱交換器の概略構造を示す垂直断面図 第２実施形態に係る熱交換器の概略構造を示す垂直断面図 第３実施形態に係る熱交換器の概略構造を示す垂直断面図 第４実施形態に係る熱交換器の概略構造を示す垂直断面図 第５実施形態に係る熱交換器の概略構造を示す垂直断面図 第６実施形態に係る熱交換器の概略構造を示す垂直断面図 従来の熱交換器の概略構造を示す垂直断面図

符号の説明

１ パラレルフロー型熱交換器
２ 上部ヘッダパイプ
３ 下部ヘッダパイプ
４ 偏平チューブ
５ 冷媒通路
６ コルゲートフィン
７ 冷媒流入口
８ 冷媒流出口
１０ 冷媒攪拌体

Claims (4)

1. 間隔を置いて平行に配置された複数のヘッダパイプと、前記複数のヘッダパイプの間に複数配置され、内部に設けた冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた偏平チューブとを備えた熱交換器において、
   前記複数のヘッダパイプのうち、冷媒流入側のヘッダパイプの内部には、前記各偏平チューブの冷媒流入部に、冷媒攪拌体を配置したことを特徴とする熱交換器。
2. どの偏平チューブに配置されるものであるかに応じて前記冷媒攪拌体の流通抵抗に差をつけることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記冷媒攪拌体は素材の集合からなり、集合の粗密により前記流通抵抗の差を得ることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記冷媒攪拌体がスチールウールからなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器。

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