JP2010139113A - 熱交換器並びに空調冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分配性能が高く、高い伝熱性能の熱交換器を得る。
【解決手段】主熱交換器７〜１２は複数平行に配置され、その間を空気が通過する開口部を有する板状フィン１と、この板状フィン１に垂直に挿入され、内部を作動冷媒が通過し、前記空気の通過方向に対して垂直方向の段方向へ複数段設けられるとともに空気の通過方向の列方向に複数列設けられた扁平管（伝熱管）と、で構成される。角ヘッダ２５はこの主熱交換器の列方向に隣り合う２つの扁平管の軸方向の端部を覆うように設けられ、２つの伝熱管の軸方向の端部の間にほぼ半円状の窪みである冷媒衝突部２９が設けられている。冷媒はこの冷媒衝突部２９の窪みに所定の速度で当たることにより、冷媒の気液が混合され、四方に散乱する。角ヘッダ毎に前記隣り合う２つの扁平管の間の中心より重力方向に対して上側に冷媒衝突部２９を配置したので、冷媒の速度が低くても重力の影響を受けにくくなる。
【選択図】図５

Description

この発明は、冷媒と気体等の流体間での熱交換を行うための熱交換器、並びにこの熱交換器を用いた空調冷凍装置に関するものであり、特に熱交換器を流れる冷媒の分配機能を有するヘッダに関する。

空調冷凍装置の熱交換器に用いられる扁平管が接続される円筒ヘッダにおいて、１つの冷媒流路から複数の冷媒流路に冷媒を分配する際、入口の液冷媒を旋回させることで、重力の影響を解消し液冷媒の偏りを抑える技術が開示されている（特許文献１参照）。
また、扁平管の空気流れ方向には、熱流束分布が存在するため、風上側よりも風下側に冷媒を多く供給し、熱伝達効率を向上させる技術が開示されている（特許文献２参照）。

また、空調冷凍装置の熱交換器に用いられる分配器において、１つの冷媒流路から２つの冷媒流路に液冷媒を分配する際に１つの流路の片側壁に凸部を設け、液冷媒の偏りを改善する技術が開示されている（特許文献３参照）。

特開２０００−１０５０２６号公報（第１０頁〜第１３頁，図３〜図４） 特開２００１−２１５０９６号公報（第１頁〜第５頁，図３、図４） 特開平８−７５３１６号公報（第１頁〜第３頁，図１〜図２）

上記特許文献１に記載された従来の方法では、分配器は、旋回流を設けるにはスプリング等の付帯部品を設ける必要があり、高精度の加工が必要となり加工コストの増加を招く。また、多条らせん溝を設けない場合にはスプリング等の別部品を挿入しなければならず、直材費と加工コスト増加を招くという問題があり、更に旋回流の程度が小さいため、十分な均等分配が出来ないという問題点があった。

また、上記特許文献２に記載された従来の分配ヘッダでは、扁平管内への液冷媒の分配において、偏りを持たせた分流を前提としているため、隣接する扁平管への液冷媒の均等分配が出来ないという問題点があった。

また、上記特許文献２に記載された従来の分配器は、ある一定の冷媒流量時は分配性能は改善するが、液冷媒の慣性力と重力の比率が循環量に対して変化する場合、均等分配が困難となるという問題があった。

本発明は、上で述べたような問題点を解決するためになされたものであり、冷媒分岐機構をヘッダ内で行うことで製造性が高くコストが安く、コンパクトなヘッダ及びこれを用いた熱交換器並びにそれを用いた空調冷凍装置を提供することを目的としている。

この発明に係る熱交換器は、複数平行に配置され、その間を空気が通過する開口部を有する板状フィンと、板状フィンに垂直に挿入され、内部を作動冷媒が通過し、空気の通過方向に対して垂直方向の段方向へ複数段設けられるとともに空気の通過方向の列方向に複数列設けられた伝熱管と、列方向に隣り合う２つの伝熱管の軸方向の端部を覆うように設けられ、２つの伝熱管の軸方向の端部の間にほぼ半円状の窪みである冷媒衝突部を有する少なくとも１つの角ヘッダと、を備え、角ヘッダ毎に隣り合う２つの伝熱管の間の中心より重力方向に対して上側に冷媒衝突部を配置したものである。

この発明によれば、分配性能が高く、高い伝熱性能の熱交換器を得ることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態1における熱交換器の縦断面図である。この実施の形態において熱交換器は前面上部に置かれた扁平管（伝熱管）を用いた主熱交換器9、10と前面下部に置かれた扁平管を用いた主熱交換器11、12、背面に置かれた扁平管を用いた主熱交換器7、8および空気流れ方向の１列目に配置される補助熱交換器４，５，６で構成される。

本実施の形態1において、空気流れ方向２列目と３列目に配置される主熱交換器について説明する。前面上部に配置される主熱交換器９,１０は、フィン1の積層方向のピッチFpはFp=0.0011mであり、フィン厚みFt=0.0001m、また空気の流れ方向のフィン幅はL＝0.0142m、熱交換器の段方向に隣接する伝熱管の距離DpはDp=0.0102ｍ、また、前面下部に配置される主熱交換器１１,１２はFp=0.0011mであり、フィン厚みFt=0.0001m、また空気のながれ方向のフィン幅はL＝0.0137m、熱交換器の段方向に隣接する伝熱管の距離DpはDp=0.0095m、また、前面下部に配置される主熱交換器7,8はFp=0.0011mであり、フィン厚みFt=0.0001m、また空気のながれ方向のフィン幅はL＝0.0137m、熱交換器の段方向に隣接する伝熱管の距離DpはDp=0.009mである。伝熱管は扁平形状とし、フィンカラーと伝熱管がロウ付けにより、完全接合されている。また、主熱交換器において、扁平管は千鳥状に配列され、列毎にフィンは分割されている。また、伝熱管内には耐圧を保持するため、隔壁が設けられており、管内は多数の室に分割されている。また、空気のながれ方向に平行な長軸径をdb=0.0105m、空気の流れ方向に対し前縁部の短軸径をdb=0.002２mとする。列数は２列の例である。また、スリットを１列につき２つ備えている。

円管を用いた補助熱交換器４、5、６は、フィン1の積層方向のピッチFpはFp=0.001３mであり、フィン厚みFt=0.0001m、また空気のながれ方向のフィン幅はL＝0.0127m、熱交換器の段方向に隣接する伝熱管の中心の距離DpはDp=0.0204、伝熱管は円形状とし、フィン前縁部まで、フィンカラーと伝熱管が機械拡管により、圧接合されている。

上記のように構成される扁平管を用いた熱交換器において、扁平管２および円管はアルミニウム合金製押し出し形材にて形成され、板状フィン１はアルミニウム合金製板材にて形成されている。このように熱交換器全てを同じ材質とすることで、腐食の耐力は向上する。

また、主熱交換器において扁平管を千鳥状に配列することで、扁平管前縁の熱伝達率が向上し、熱交換器性能は向上する。

また、主熱交換器において、２列目と３列目のフィンを分割することで、熱交換器の配置が室内機箱内において様々に対応でき、２列目のフィンにおける前縁効果（空気境界層分断効果）による熱伝達率向上も期待出来る。

図２は本実施の形態１の蒸発器として用いられた場合の冷媒流路を示す簡易説明図であり、図３はこの発明の実施の形態１の冷媒流路概略図である。冷房時、蒸発器として用いられる場合、冷媒は２パス部の補助熱交換器４，５，６を通り、合流後、３分岐する分配器を通過し、前面上部に配置される扁平管を用いた主熱交換器に付加される角ヘッダ内25で更に２分岐され、熱交換器を通過し、分配器により合流後、絞り弁２６を通過、6分岐する分配器を通過後、前面下部と背面に配置される扁平管を用いた主熱交換器に付加される角ヘッダ内で更に２分岐され、熱交換器を通過し、円柱状のヘッダを通過する。

蒸発器として用いられる場合、絞り弁２６の前に前面上部の主熱交換器を冷媒が流れることで、重力方向に対する冷媒の偏りが大きく、凝縮水が垂れやすい前面上部主熱交換器に冷媒出口が配置されない。よって、信頼性の高い熱交換器が形成出来る。また、本実施の形態１では、扁平管の両端に角ヘッダを用いており、冷媒入り口部で２分岐され、分配器における分岐数の倍の分岐数で熱交換器を冷媒が通過する。角ヘッダの冷媒入り口内部に窪みを有した冷媒衝突部２９を用いており、冷媒入り口から入ってきた冷媒はここで衝突し、四方に散乱することで気液の混合が効率良く行われ、冷媒分岐のばらつきを抑えることが出来る。これにより、分配器の分岐数を低減出来、分配器のコンパクト化、低コスト化が実現出来る。

図４（ａ）は、蒸発器の場合の冷媒の流れを示すヘッダの分解斜視図である。また、図４（ｂ）は、冷媒入口を有するヘッダ室内の冷媒の流れを示す側面断面図であり、図４（ｃ）はこのヘッダ室内の冷媒の流れを正面から見た部分断面図である。冷媒は、ヘッダの冷媒入口に水平に接続された冷媒入口配管を通ってヘッダ室内に入った後、ほぼ半円状の窪みである冷媒衝突部に衝突して四方に散乱することで気液が混合され、重力方向に窪みの中心からほぼ等距離にある隣り合う２本の扁平管に配分される。
この場合、冷媒入口を隣り合う２本の扁平管の中間部に配置した場合には液冷媒が重力に対して上側より下部の扁平管により多く配分されて冷媒の偏りが発生し、熱交換器の能力が発揮しにくい。

図５は、冷媒入口及び窪みを重力方向に隣り合う２本の扁平管の間の中心より重力方向に対して上側に配置した場合の角ヘッダの部分断面図である。図５（ａ）は冷媒入口を有するヘッダ室内の冷媒の流れを示す側面断面図であり、図５（ｂ）はこのヘッダ室内の冷媒の流れを正面から見た部分断面図である。図４では液冷媒が重力に対して上側より下側の扁平管により多く配分されて冷媒の偏りが発生するが、図５で示す例では、冷媒入口から重力方向に対して上側の扁平管までの距離が、冷媒入口から重力方向下側の扁平管までの距離よりも短くなり、より多くの冷媒が重力方向に対して上側の扁平管に配分されるため、冷媒入口及び窪みの配置位置を適当に調整することにより、液冷媒が隣り合う２本の扁平管に均等に配分される。

なお、図１１に示すように冷媒入口配管を斜め下から冷媒入口に接続させてもよい。この場合には、冷媒入口配管を通過した冷媒は斜め上方に発射されるため、冷媒衝突部で衝突した後は、より多くの液冷媒が重力方向に対して上側へ散乱された状態で気液が攪拌される。
そこで、冷媒入口の位置および冷媒入口配管の傾きを調整することにより、液冷媒が隣り合う２本の扁平管に均等に配分される。

実施の形態２．
実施の形態１では冷媒入口及び窪みを重力方向に隣り合う２本の扁平管の間の中心より重力方向に対して上側に配置することで冷媒の均一配分を行う形態について説明したが、扁平管（伝熱管）の突き出し量を変えても冷媒の均一配分が可能である。ここでは、このような形態について説明する。
図６は、この発明の実施の形態２における角ヘッダを示す部分断面図であり、重力方向に対して下側の扁平管のヘッダへの突き出し量を重力方向の上部の扁平管の突き出し量よりも大きくした場合の角ヘッダの部分断面図である。液冷媒は冷媒衝突部の壁を有するヘッダ底面のベース壁25aに沿って移動するため、冷媒衝突部で衝突し四方に散乱した冷媒の一部は重力方向下部の扁平管の外周部に当たり、当該扁平管内には入らないため液冷媒は重力方向下部の扁平管へ入りにくくなる。よって、突き出し量を適当に調整することにより、液冷媒が隣り合う２本の扁平管に均等に配分される。

実施の形態３．
実施の形態２では扁平管（伝熱管）の突き出し量を変えることで冷媒の均一配分を行う形態について説明したが、冷媒衝突部の窪みから上側扁平管までの間に液冷媒を上部へ誘導する溝を設けても冷媒の均一配分が可能である。ここでは、このような形態について説明する。
図７は、この発明の実施の形態３における角ヘッダを示す部分断面図であり、冷媒衝突部２９から重力方向に対して上側の扁平管までの間のベース壁２５ａに液冷媒を上部へ誘導する溝を設けた場合の角ヘッダの部分断面図である。図７（ａ）は角ヘッダの側面断面図であり、図７（ｂ）は角ヘッダ内を正面から見た図である。図７（ａ）、（ｂ）に示すように溝の下部は前方へ突出しており大きな抵抗となるため下方へ進めないが、溝の上部は突出していないため、抵抗が少なく液冷媒はベース壁２５ａに沿って上方へ移動することができる。従って、ベース壁２５ａに沿って流れる液冷媒は重力方向に対して上側に誘導されるため、上昇の力と重力とが相殺される。よって、溝の位置を適当に調整することにより液冷媒が隣り合う２本の扁平管に均等に配分される。
また、図７（ｃ）に示すように扁平管の液冷媒誘導溝４０に接触する部位に外周から内部へ（図では下から上方へ）行くに連れて幅が狭まるように形成された断面が三角の開口部２０を設けてもよい。これにより、下方から上方へ進入する冷媒を効率良く受け取ることができ、逆方向即ち、上から下の方向へは冷媒が落ちにくいため、誘導溝の位置を適当に調整することにより冷媒は上下の扁平管に均等に配分される。

実施の形態４．
実施の形態３では冷媒衝突部の窪みから上側扁平管までの間に液冷媒を上部へ誘導する溝を設けることで冷媒の均一配分を行う形態について説明したが、冷媒衝突部より重力方向の下側の扁平管までの間のベース壁２５ａに三角形状の凸部を設けても冷媒の均一配分が可能である。ここでは、このような形態について説明する。
図８は、この発明の実施の形態４における角ヘッダを示す部分断面図であり、冷媒衝突部より重力方向の下側の扁平管までの間のベース壁２５ａに三角形状の凸部を設けた場合の角ヘッダの部分断面図である。図８（ａ）は、冷媒入口を有するヘッダ室内の冷媒の流れを示す側面断面図であり、図８（ｂ）はこのヘッダ室内の冷媒の流れを正面から見た部分断面図である。液冷媒は冷媒衝突部２９の壁を有するヘッダ底面のベース壁２５ａに沿って移動する。このとき、重力方向の下側へ移動した液冷媒の一部は凸部によって進行を妨げられるため、液冷媒は重力方向の下側の扁平管へ入りにくくなる。よって、凸部の取り付け位置を適当に調整することにより液冷媒が隣り合う２本の扁平管に均等に配分される。

実施の形態５．
実施の形態４では冷媒衝突部より重力方向の下側の扁平管までの間のベース壁２５ａに三角形状の凸部を設けることで冷媒の均一配分を行う形態について説明したが、冷媒入口配管の冷媒入口付近に発泡金属を取り付けても冷媒の均一配分が可能である。ここでは、このような形態について説明する。
図９は、この発明の実施の形態５における角ヘッダを示す部分断面図であり、冷媒入口配管の冷媒入口付近に発泡金属を取り付けた場合の角ヘッダの部分断面図を示している。蒸気冷媒と液冷媒は冷媒入口部の発泡金属部で混合されるため、液冷媒は蒸気冷媒と同様に液滴となって搬送され、隣り合う２本の扁平管に均等に配分され易い。
冷媒入口部に挿入されるものは発泡金属に限る必要はなく、例えば焼結金属もしくは、網目状のメッシュであっても良く、この場合も発泡金属の場合と同様の効果を奏するのはいうまでもない。

図１０は空調冷凍装置の冷媒回路図である。図１０に示すように冷媒回路は、圧縮機３３、凝縮熱交換器３４、絞り装置３５、蒸発熱交換器３６、送風機３７より構成されている。上述の各実施の形態における熱交換器を凝縮熱交換器３４または蒸発熱交換器３６、もしくは両方に用いることにより、エネルギ効率の高い空調冷凍装置を実現することが出来る。
ここで、エネルギ効率は、次式で構成されるものである。
暖房エネルギ効率=室内熱交換器（凝縮器）能力／全入力
冷房エネルギ効率=室内熱交換器（蒸発器）能力／全入力

なお、上述の実施の形態１で述べた分配機能を有するヘッダおよびこれを用いた熱交換器については、ＨＣＦＣ（Ｒ２２）やＨＦＣ（Ｒ１１６、Ｒ１２５、Ｒ１３４ａ、Ｒ１４、Ｒ１４３ａ、Ｒ１５２ａ、Ｒ２２７ｅａ、Ｒ２３、Ｒ２３６ｅａ、Ｒ２３６ｆａ、Ｒ２４５ｃａ、Ｒ２４５ｆａ、Ｒ３２、Ｒ４１，ＲＣ３１８などや、これら冷媒の数種の混合冷媒Ｒ４０７Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０７Ｄ、Ｒ４０７Ｅ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０Ｂ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ５０７Ａ、Ｒ５０８Ａ、Ｒ５０８Ｂなど）、ＨＣ（ブタン、イソブタン、エタン、プロパン、プロピレンなどや、これら冷媒の数種混合冷媒）、自然冷媒（空気、炭酸ガス、アンモニアなどや、これら冷媒の数種の混合冷媒）、またこれら冷媒の数種の混合冷媒など、どんな種類の冷媒を用いても、その効果を達成することが出来る。

また、作動流体として、空気と冷媒の例を示したが、他の気体、液体、気液混合流体を用いても、同様の効果を奏する。

また、伝熱管とフィンは異なった材料を用いていることが多いが、伝熱管とフィンに銅、伝熱管とフィンにアルミなど、同じ材料を用いることで、フィンと伝熱管のロウ付けが可能となり、フィン部と伝熱管の接触熱伝達率が飛躍的に向上し、熱交換能力が大幅に向上する。また、リサイクル性も向上させることができる。

本発明の実施の形態1における熱交換器の縦断面図である。 本実施の形態１の蒸発器として用いられた場合の冷媒流路を示す簡易説明図である。 この発明の実施の形態１の冷媒流路概略図である。 この発明の実施の形態1の角ヘッダを示す外観図である。 本発明の実施の形態1における冷媒入口及び窪みを重力方向に隣り合う２本の扁平管の間の中心より重力方向に対して上側に配置した場合の角ヘッダの部分断面図である。 この発明の実施の形態２における角ヘッダを示す部分断面図である。 この発明の実施の形態３における角ヘッダを示す部分断面図である。 この発明の実施の形態４における角ヘッダを示す部分断面図である。 この発明の実施の形態５における角ヘッダを示す部分断面図である。 この発明の実施の形態１〜５の角ヘッダが用いられる冷凍サイクルの回路説明図である。 本発明の実施の形態1における冷媒入口配管を斜め下から冷媒入口に接続させた場合の角ヘッダの部分断面図である。

符号の説明

１ 板状フィン、２ 扁平管、３ 円管、４ 円管を用いた補助熱交換器、５ 円管を用いた補助熱交換器、６ 円管を用いた補助熱交換器、７ 扁平管を用いた主熱交換器、８ 扁平管を用いた主熱交換器、９ 扁平管を用いた主熱交換器、１０ 扁平管を用いた主熱交換器、１１ 扁平管を用いた主熱交換器、１２ 扁平管を用いた主熱交換器、１３ 送風機、１４ ケーシング、１５ 前面パネル、１６ お掃除ボックス、１７ フィルター、１８ 天面パネル、１９ 主熱交換器間の隙間、２０ 開口部、２４ 3分岐分配器、２５ 角ヘッダ、２５ａ ベース壁、２６ 絞り弁、２７ ６分岐分配器、２８ 円柱状ガスヘッダ、２９ 冷媒衝突部、３０ 接続配管、３３ 圧縮機、３４ 凝縮熱交換器、３５ 絞り装置、３６ 蒸発熱交換器、３７ 送風機、３８ 送風機用モータ、３９ 冷媒入口、４０ 液冷媒誘導溝、４１ 凸部、４２ 焼結金属。

Claims (9)

1. 複数平行に配置され、その間を空気が通過する開口部を有する板状フィンと、
   この板状フィンに垂直に挿入され、内部を作動冷媒が通過し、前記空気の通過方向に対して垂直方向の段方向へ複数段設けられるとともに前記空気の通過方向の列方向に複数列設けられた伝熱管と、
   列方向に隣り合う２つの前記伝熱管の軸方向の端部を覆うように設けられ、前記２つの伝熱管の軸方向の端部の間にほぼ半円状の窪みである冷媒衝突部を有する少なくとも１つの角ヘッダと、を備え、
   前記角ヘッダ毎に前記隣り合う２つの伝熱管の間の中心より重力方向に対して上側に前記冷媒衝突部を配置したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記角ヘッダは、前記伝熱管の端部と対向する側の壁面に前記隣り合う２つの伝熱管の間の中心より重力方向に対して上側に形成された冷媒流入口を備え、この冷媒流入口に冷媒を流す冷媒入口配管を水平に接続することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記角ヘッダは、前記伝熱管の端部と対向する側の壁面に形成された冷媒流入口を備え、この冷媒流入口に冷媒を流す冷媒入口配管を斜め下から接続することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
4. 前記冷媒入口配管の出口付近の内壁に焼結金属を取り付けたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記角ヘッダ毎に２つの前記伝熱管の内、重力方向に対して上側の伝熱管の突き出し量を他方の伝熱管の突き出し量よりも小さくすることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
6. 前記角ヘッダの前記冷媒衝突部側にこの冷媒衝突部より重力方向に突起を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱交換器。
7. 複数平行に配置され、その間を空気が通過する開口部を有する板状フィンと、
   この板状フィンに垂直に挿入され、内部を作動冷媒が通過し、前記空気の通過方向に対して垂直方向の段方向へ複数段設けられるとともに前記空気の通過方向の列方向に複数列設けられた伝熱管と、
   列方向に隣り合う２つの前記伝熱管の軸方向の端部を覆うように設けられた少なくとも１つの角ヘッダと、を備え、
   前記角ヘッダは前記隣り合う２つの伝熱管側にこの２つの伝熱管の間の中心より重力方向に対して上側に液冷媒誘導溝を設けた部材を有することを特徴とする熱交換器。
8. 前記角ヘッダ毎に２つの前記伝熱管の内、重力方向に対して上側の伝熱管の前記液冷媒誘導溝と接する部位に上方に行くに連れて幅が狭くなる開口部を形成したことを特徴とする請求項７記載の熱交換器。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の熱交換器を備えたことを特徴とする空調冷凍装置。

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