JP2011085368A - 熱交換器及びそれを搭載した空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】サイドフロー方式のパラレルフロー熱交換器で冷媒温度を測定するにあたり、測定する冷媒温度が制御に有用なものであるようにする。
【解決手段】熱交換器１は、間隔を置いて平行に配置された２本の垂直なヘッダパイプ２、３と、ヘッダパイプ２、３の間に複数配置され、内部に設けた冷媒通路５をヘッダパイプ２、３の内部に連通させた水平な偏平チューブ４と、偏平チューブ４同士の間に配置されたコルゲートフィン６を備える。偏平チューブ４は１以上のターン数を構成するように編成されており、冷媒配管接続側のヘッダパイプ３の中で、気液二相状態の冷媒が流れる箇所に、冷媒温度検知用の感温素子１１を配置する。感温素子１１は金具１２によりヘッダパイプ３に取り付けられる。
【選択図】図１

Description

本発明はサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器及びそれを搭載した空気調和機に関する。

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複数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に広く利用されている。この種の熱交換器の例を特許文献１、２に見ることができる。

空気調和機において、冷媒が流れる熱交換器の温度に基づき動作制御を行うことも常用の技術手段である。そのような空気調和機の例を特許文献３に見ることができる。

通常、空気調和機の室内機の熱交換器には、特許文献４に見られるように、室外機に接続される補助配管が設置される。室外機には、冷媒配管の他に、電源線や信号線も接続する必要がある。冷媒配管と一緒にまとめやすくするため、通常は、電源線、信号線を接続する制御基板等を収納した電装ボックスが補助配管の横に配置される。

パラレルフロー型熱交換器では、複数の偏平チューブをいくつかのグループに分け、第１グループの偏平チューブを通じて第１のヘッダパイプから第２のヘッダパイプへ冷媒を流した後、第２グループの偏平チューブを通じて第２のヘッダパイプから第１のヘッダパイプに冷媒を戻し、第３グループの偏平チューブを通じて再び第１のヘッダパイプから第２のヘッダパイプへ冷媒を流すといった具合に、ジグザグの経路を辿る形で冷媒を流すことがしばしば行われる。第１のヘッダパイプと第２のヘッダパイプの間で冷媒が流れの方向を変える回数は、特許文献２に記載されているように、「ターン数」と呼称される。

特開昭６３−３４４６６号公報 特開平６−２１３５３４号公報 特開２００９−４１８２９号公報 特開２０００−２９７９４８号公報

空気調和機では、運転時の安全性を確保するために、熱交換器の内部の圧力を把握し、それに基づき制御を行う必要がある。実際には、圧力を直接測定する代わりに、冷媒の温度を測定して圧力を推測している。

熱交換器が凝縮器として用いられる場合、冷媒は過熱された気体の状態で流入し、熱交換が進むにつれ気液二相の状態となり、さらに凝縮が進むと過冷却状態となり液体の状態となる。冷媒は、気体、気液二相、液体の各状態で温度が異なる。圧力を推測するには温度の安定する気液二相状態の冷媒温度を測定する必要がある。

本発明は、水平な偏平チューブの中を冷媒が流れるいわゆるサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、測定する冷媒温度が制御に有用なものであるように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２本のヘッダパイプと、前記２本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サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、前記複数の偏平チューブは１以上のターン数を構成するように編成されており、前記２本のヘッダパイプの一方の中で、気液二相状態の冷媒が流れる箇所に、冷媒温度検知用の感温素子を配置したことを特徴としている。

この構成によると、冷媒凝縮温度または冷媒蒸発温度と見なせる気液二相状態の冷媒温度が測定されることになり、冷媒圧力を正確に推測することができる。

上記構成の熱交換器において、前記感温素子が配置された前記ヘッダパイプは、冷媒配管接続側のヘッダパイプであることが好ましい。

室外機と室内機からなる空気調和機の場合、冷媒配管と電源配線または信号線はひとまとめにして配管・配線されるのが一般的である。冷媒配管側のヘッダパイプに感温素子を配置することとすれば、感温素子への配線を楽に行える上、配線長さも短くて済み、資材コストを低減できる。

上記構成の熱交換器において、ターン数が、３以上の奇数に設定されていることが好ましい。

このようなターン数にしておけば、冷媒の入口と出口が同一のヘッダパイプに配置されることになり、そのヘッダパイプ中に気液二相状態の冷媒が流れる部分を確保することができる。

上記構成の熱交換器において、前記感温素子は、感温素子挿入部とヘッダパイプ把持部を有する金具により前記ヘッダパイプに取り付けられることが好ましい。

この構成によると、ヘッダパイプに加工を施さなくても感温素子を容易に取り付けることができる。

また本発明は、上記構成の熱交換器を室内機に搭載した空気調和機であることを特徴としている。

この構成によると、室内機の熱交換器の冷媒圧力を正確に推測して適切に制御を行うことが可能な空気調和機を提供することができる。

また本発明は、上記構成の熱交換器を室外機に搭載した空気調和機であることを特徴としている。

この構成によると、室外機の熱交換器の冷媒圧力を正確に推測して適切に制御を行うことが可能な空気調和機を提供することができる。

本発明によると、熱交換器を流れる冷媒の圧力を正確に推測することが可能となり、各種制御を確実に行うことができる。空気調和機運転時の異常検知も容易になる。

本発明の実施形態を説明する熱交換器の模式的垂直断面図である。 図１のＡ−Ａ線の箇所で切断した熱交換器の垂直断面図である。 感熱素子取り付け手法を説明する熱交換器の部分正面図である。 感熱素子取り付け用金具の正面図である。 感熱素子取り付け用金具の上面図である。 本発明に係る熱交換器を搭載した空気調和機の概略構成図で、暖房運転時の状態を示すものである。 本発明に係る熱交換器を搭載した空気調和機の概略構成図で、冷房運転時の状態を示すものである。

本発明の実施形態に係るサイドフロー方式のパラレルフロー型の熱交換器の構造を、図１を参照しつつ説明する。図１では紙面上側が垂直方向の上側、紙面下側が垂直方向の下側となる。熱交換器１は、２本の垂直なヘッダパイプ２、３を水平方向に間隔を置いて平行に配置し、ヘッダパイプ２、３の間に複数の水平な偏平チューブ４を垂直方向に所定ピッチで配置している。偏平チューブ４は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。偏平チューブ４は長手方向である押出成型方向を水平にする形で配置されるので、冷媒通路５の冷媒流通方向も水平になる。冷媒通路５は断面形状及び断面面積の等しいものが図１の奥行き方向に複数個並び、そのため偏平チューブ４の垂直断面は、図２に示すようにハーモニカ状を呈している。各冷媒通路５はヘッダパイプ２、３の内部に連通する。隣り合う偏平チューブ４同士の間にはコルゲートフィン６が配置される。上下に並ぶコルゲートフィン６のうち、最上段のものと最下段のものの外側にはサイドプレート１０が配置される。

ヘッダパイプ２と３、偏平チューブ４、コルゲートフィン６、及びサイドプレート１０はいずれもアルミニウム等熱伝導の良い金属からなり、偏平チューブ４はヘッダパイプ２、３に対し、コルゲートフィン６は偏平チューブ４に対し、サイドプレート１０はコルゲートフィン６に対し、それぞれロウ付けまたは溶着で固定される。

熱交換器１はサイドフロー方式であり、冷媒出入口７、８はヘッダパイプ３の側にのみ設けられている。すなわちヘッダパイプ３が冷媒配管接続側のヘッダパイプである。ヘッダパイプ３の内部には上下方向に間隔を置いて２枚の仕切板９ａ、９ｃが設けられており、ヘッダパイプ２の内部には仕切板９ａ、９ｃの中間の高さのところに仕切板９ｂが設けられている。

熱交換器１を凝縮器として使用する場合、冷媒は図１に実線矢印で示すように上側の冷媒出入口７から流入する。冷媒出入口７から入った冷媒は、仕切板９ａでせき止められて偏平チューブ４経由でヘッダパイプ２に向かう。この冷媒の流れが左向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ２に入った冷媒は仕切板９ｂでせき止められて別の偏平チューブ４経由でヘッダパイプ３に向かう。これが１回目のターンであり、ターン後の冷媒の流れが右向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ３に入った冷媒は仕切板９ｃでせき止められてさらに別の偏平チューブ４経由で再びヘッダパイプ２に向かう。これが２回目のターンであり、ターン後の冷媒の流れが左向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ２に入った冷媒は折り返してさらに別の偏平チューブ４経由で再びヘッダパイプ３に向かう。これが３回目のターンであり、ターン後の冷媒の流れが右向きのブロック矢印で表現されている。冷媒は、最終的には冷媒出入口８から流出する。

このように、冷媒はターンを繰り返しつつジグザグの経路を辿って上から下に流れる。ここでは仕切板の数が３の場合を示したが、これは一例であり、仕切板の数と、その結果としてもたらされるターンの回数は、必要に応じ任意の数を設定することができる。

図１の構成では、冷媒出入口７と仕切板９ａの間の高さ領域に位置する複数の偏平チューブ４が一つのまとまった流路を構成し、仕切板９ａと仕切板９ｂの間の高さ領域に位置する複数の偏平チューブ４が別のまとまった流路を構成し、仕切板９ｂと仕切板９ｃの間の高さ領域に位置する複数の偏平チューブ４がさらに別のまとまった流路を構成し、仕切版９ｃと冷媒出入口８の間の高さ領域に位置する複数の偏平チューブ４がさらに別のまとまった流路を構成する。これらのまとまった流路を、説明した順序に従って「第１流路」「第２流路」「第３流路」「第４流路」と呼ぶことにする。

熱交換器１を蒸発器として使用する場合は、冷媒の流れが逆になる。すなわち冷媒は図１に点線矢印で示すように冷媒出入口８からヘッダパイプ３に入り、仕切板９ｃでせき止められて第４流路経由でヘッダパイプ２に向かい、ヘッダパイプ２では仕切板９ｂでせき止められて第３流路経由でヘッダパイプ３に向かい、ヘッダパイプ３では仕切板９ａでせき止められて第２流路経由で再びヘッダパイプ２に向かい、ヘッダパイプ２で折り返して第１流路経由で再びヘッダパイプ３に向かい、冷媒出入口７から点線矢印のように流出する。

熱交換器１の内部を流れる冷媒の温度を測定するため、サーミスタを金属製ケースに封入したものからなる感温素子１１が取り付けられる。感温素子１１は、ヘッダパイプ３の中で、第２流路または第３流路に対応する箇所に配置される。この箇所が選定されるのは、以下に述べる理由による。

熱交換器１を凝縮器として用いる場合、冷媒は上側の冷媒出入口７から過熱状態で流入し、その時の状態は気体である。その後第１流路の途中で熱交換が進むと気液二相状態の冷媒へと状態が変化し、徐々に凝縮する。冷媒の流出する第４流路の出口付近では、冷媒は過冷却状態であり、液体となっている。気液二相状態の冷媒の温度（二相温度）は、冷媒凝縮温度または冷媒蒸発温度と見なし得、制御の基準温度とするのに適しているので、二相温度を測定できる箇所に感温素子１１を配置する。

熱交換器１を蒸発器として用いる場合、冷媒は下側の冷媒出入口８から気液二相状態で流入する。その後気液二相状態のまま熱交換が進み、徐々に気化する。冷媒の流出する第１流路の出口付近では気液二相状態、もしくは気体状態である。気液二相状態の冷媒の温度（二相温度）は、冷媒蒸発温度と見なし得、制御の基準温度とするのに適しているので、二相温度を測定できる箇所に感温素子１１を配置する。

前述の通り、空気調和機の室内機の熱交換器には、室外機に接続される補助配管が設置される。室外機には、冷媒配管の他に、電源線や信号線も接続する必要がある。冷媒配管と一緒にまとめやすくするため、通常は、電源線、信号線を接続する制御基板等を収納した電装ボックスが補助配管の横に配置される。感温素子１１はこの電装ボックスから配線されることから、配線長さを考慮すると、熱交換器１の補助配管側に取り付けられることが好ましい。

サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器である熱交換器１においては、ヘッダパイプ３が冷媒配管接続側のヘッダパイプであり、冷媒配管の他、電源配線と信号線も近くに来ている。そのため、感温素子１１はヘッダパイプ３に取り付けるものとし、第２ターンに対応する箇所（仕切板９ａと仕切板９ｃの中間位置が好ましい）を感温素子１１の配置箇所とするのである。

ターンの数について考える。仮に１ターンしか存在しなければ、熱交換器１を凝縮器として使用する場合、一方のヘッダパイプに冷媒入口配管と冷媒出口配管が接続され、そのヘッダパイプのうち冷媒入口側は過熱状態の冷媒で満たされ、冷媒出口側は過冷却状態の冷媒で満たされるということになって、気液二相状態の冷媒がそのヘッダパイプに存在する余地がない。熱交換器１を凝縮器として使用する場合に、気液二相状態の冷媒が存在し得、また冷媒配管接続側のヘッダパイプから発した冷媒の流れを最終的には冷媒配管接続側のヘッダパイプに戻さねばならないという条件を満たすためには、ターン数が３以上の奇数であれば良いということになる。実施形態のターン数３というのは最小限要求を満たす数である。

感温素子１１は、図３から図５に示す金具１２を用いてヘッダパイプ３に取り付ける。金具１２はバネ性に富む鋼板からなり、感温素子１１を圧入する感温素子挿入部１３と、ヘッダパイプ３を抱きかかえるヘッダパイプ把持部１４を備えている。ヘッダパイプ把持部１４の入口部には、テーパ状に広がってヘッダパイプ３を誘い込む１対の案内片１５が形成されている。

感温素子挿入部１３の中で、ヘッダパイプ把持部１４から最も遠い箇所には小半径の屈曲部１６が形成されている。屈曲部１６は金具１２の把持力維持に役立つ。

感温素子挿入部１３とヘッダパイプ把持部１４の境界には感温素子１１の外面に沿うように湾曲した保持片１７が形成されている。保持片１７は、感温素子１１を保持する役割だけでなく、感温素子１１をヘッダパイプ３に接触させないという役割も担う。感温素子１１の金属製ケースの材料には、熱伝導の良さと加工のしやすさから銅が用いられることが多いが、銅がアルミニウム製のヘッダパイプ３に接触すると、電食作用によりアルミニウムが侵食され、ヘッダパイプ３に穴が開く危険がある。保持片１７が存在すれば、それがヘッダパイプ３と感温素子１１の間に介在することにより、アルミニウムと銅の接触が避けられ、電食問題を回避できる。

熱交換器１はセパレート型空気調和機に搭載することができる。セパレート型空気調和機は室外機と室内機により構成され、室外機は圧縮機、四方弁、膨張弁、室外側熱交換器、室外側送風機などを含み、室内機は室内側熱交換器、室内側送風機などを含む。室外側熱交換器は、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷房運転時には凝縮器として機能する。室内側熱交換器は、暖房運転時には凝縮器として機能し、冷房運転時には蒸発器として機能する。

冷凍サイクルとしてヒートポンプサイクルを用いるセパレート型空気調和機の基本的構成を図６に示す。ヒートポンプサイクル１０１は、圧縮機１０２、四方弁１０３、室外側の熱交換器１０４、減圧膨張装置１０５、及び室内側の熱交換器１０６をループ状に接続したものである。圧縮機１０２、四方弁１０３、熱交換器１０４、及び減圧膨張装置１０５は室外機の筐体に収容され、熱交換器１０６は室内機の筐体に収容される。熱交換器１０４には室外側の送風機１０７が組み合わせられ、熱交換器１０６には室内側の送風機１０８が組み合わせられる。送風機１０７はプロペラファンを含み、送風機１０８はクロスフローファンを含む。

本発明に係るサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器１は、室内機の熱交換器１０６として用いることができる。熱交換器１０６は、２個の熱交換器１をくの字形に組み合わせている。

図６は暖房運転時の状態を示す。この時は、圧縮機１０２から吐出された高温高圧の冷媒は室内側の熱交換器１０６に入ってそこで放熱し、凝縮する。熱交換器１０６を出た冷媒は減圧膨張装置１０５から室外側の熱交換器１０４に入ってそこで膨張し、室外空気から熱を取り込んだ後、圧縮機１０２に戻る。室内側の送風機１０８によって生成された気流が熱交換器１０６からの放熱を促進し、室外側の送風機１０７によって生成された気流が熱交換器１０４の吸熱を促進する。

図７は冷房運転時あるいは除霜運転時の状態を示す。この時は四方弁１０３が切り換えられて暖房運転時と冷媒の流れが逆になる。すなわち、圧縮機１０２から吐出された高温高圧の冷媒は室外側の熱交換器１０４に入ってそこで放熱し、凝縮する。熱交換器１０４を出た冷媒は減圧膨張装置１０５から室内側の熱交換器１０６に入ってそこで膨張し、室内空気から熱を取り込んだ後、圧縮機１０２に戻る。室外側の送風機１０７によって生成された気流が熱交換器１０４からの放熱を促進し、室内側の送風機１０８によって生成された気流が熱交換器１０６の吸熱を促進する。

上記のように室内機の熱交換器１０６として熱交換器１を使用することにより、熱交換器１０６を流れる冷媒の圧力を正確に推測することが可能となり、各種制御を確実に行うことができる。空気調和機運転時の異常検知も容易になる。

熱交換器１を、室外機の熱交換器１０４として用いることもできる。このようにしても、熱交換器１０４を流れる冷媒の圧力を正確に推測することが可能となり、各種制御を確実に行うことができる。空気調和機運転時の異常検知も容易になる。

以上、本発明の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。

本発明はサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器に広く利用可能である。

１ 熱交換器
２、３ 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
９ａ、９ｂ、９ｃ 仕切板
１１ 感温素子
１２ 金具

Claims (6)

1. 間隔を置いて平行に配置された２本のヘッダパイプと、前記２本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サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、
   前記複数の偏平チューブは１以上のターン数を構成するように編成されており、前記２本のヘッダパイプの一方の中で、気液二相状態の冷媒が流れる箇所に、冷媒温度検知用の感温素子を配置したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記感温素子が配置された前記ヘッダパイプは、冷媒配管接続側のヘッダパイプであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記ターン数が、３以上の奇数に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記感温素子は、感温素子挿入部とヘッダパイプ把持部を有する金具により前記ヘッダパイプに取り付けられ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。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器を室内機に搭載したことを特徴とする空気調和機。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器を室外機に搭載したことを特徴とする空気調和機。

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