JP2011106738A - 熱交換器およびヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒流入ヘッダー管を流れる気液二相の冷媒を各伝熱管へ均等に分配すると同時に、製造時の組付け性の悪さや部品点数の多さなどを考慮し、コスト低減に有効な熱交換器を提供する。
【解決手段】冷媒が流れる冷媒流路を有し同じ長さの複数の伝熱管１、２と、前記複数の伝熱管の両端に接続される１対のヘッダー３、４とを備え、前記１対のヘッダーの少なくとも一方は、軸方向が前記伝熱管の軸方向の垂直な方向に対して傾斜している熱交換器。
【選択図】図４

Description

本発明は、低温流体または高温流体である第１の冷媒と第２の冷媒との熱交換を行う熱交換器に関するものである。また、この熱交換器を用いたヒートポンプシステムに関するものである。

従来、気液の比率が均等になるように気液二相状態の冷媒を分流することを目的とした熱交換器としては、例えば特許文献1に開示されるものがあり、これによると、「ヘッダー１２は、円筒管で構成されて水平方向に配設され、冷媒管１３は、ヘッダー１２の下側に垂直方向に延在して平行に並べられて、その上端がヘッダー１２内に挿入されて取り付けられている。各冷媒管１３のヘッダー１２内への挿入量は、ヘッダー１２の冷媒の入口側では大きく、奥に向かって順次小さくなっている。そして、上記挿入量が所定値以上の冷媒管１３のヘッダー１２内に挿入されている管壁（挿入管壁）の最下部には、複数の液抜き孔を設けている。こうして、ヘッダー１２の冷媒入口側に位置する冷媒管１３ほど冷媒に対する挿入管壁による抵抗を大きくして分離される液冷媒の量を多くし、ガス冷媒が優先的に流れ込んでガス冷媒量／液冷媒量の値が高くなることを防止する。」というものである。

従来の熱交換器においては、特許文献１にもあるように、冷媒流入管から熱交換器内へ流入する冷媒は気液二相状態であり、この気液二相の冷媒は入口ヘッダーから各伝熱管へ流入する際に、ヘッダーへの突き出し長さ（上記の挿入量に同じ）などの影響で、冷媒ガスと冷媒液の分配比率が悪くなる。この分配比率悪化の影響で、冷媒液が流れる管とそうでない管とが存在することになり、十分な熱交換を行うことができず、性能低下などの問題が発生する。
この分配比率を良くするために、ヘッダーへの突き出し長さを調整することがよく行われており、この突き出し長さを調整するために、伝熱管の長さで調整することが行われてきた。

特開平１０−１３２４２２号公報（第２頁、図１、図２）

ところが、この場合、伝熱管の長さで突き出し長さを調整するために、長さの異なる伝熱管が数種類必要となり、製造時の組付け性の悪さや部品点数の多さなどが懸念され、それに伴うコストの向上が課題となっている。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、ヘッダーから各伝熱管へ均等に分配して、熱交換効率を向上させるとともに、製造・コストの面でも優位性のある熱交換器を提供することを目的とする。また、この熱交換器を用いた各種のヒートポンプシステムを得ることを目的とする。

本発明に係る熱交換器は、冷媒が流れる冷媒流路を有し同じ長さの複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管の両端に接続される１対のヘッダーとを備え、前記１対のヘッダーの少なくとも一方は、軸方向が前記伝熱管の軸方向の垂直な方向に対して傾斜していることを特徴とするものである。

上記のように構成することにより、ヘッダーに気液二相状態で流入した冷媒を均一に分配すると同時に、伝熱管をヘッダーに挿入する際に、挿入穴を予め幅広に拡張しておくことで、組付け性が容易になり、伝熱管の長さを変えることなく突き出し長さを調整できるため、部品点数の削減や製造コスト低減などが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器の斜視図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 図１のＢ部における縦断面図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器のヘッダー接合部の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器を製作するための冶具の使用状態を示す上面図と断面図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器の製作方法を示すヘッダー接合部の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器のヘッダーの断面図である。 本発明の実施の形態１、実施の形態２及び実施の形態３に係る熱交換器を用いた温熱を利用するヒートポンプシステムを示す構成図である。 本発明の実施の形態１、実施の形態２及び実施の形態３に係る熱交換器を用いた温熱を利用するヒートポンプシステムの他の例を示す構成図である。 本発明の実施の形態１、実施の形態２及び実施の形態３に係る熱交換器を用いた冷熱を利用するヒートポンプシステムを示す構成図である。 本発明の実施の形態１、実施の形態２及び実施の形態３に係る熱交換器を用いた温熱及び冷熱を利用するヒートポンプシステムを示す構成図である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器のヘッダー接合部の断面図である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器のヘッダーの断面図である。 本発明の実施の形態３に係る熱交換器の第１扁平管または第２扁平管の断面形状例を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る熱交換器のヘッダー接合部の断面図である。 本発明の実施の形態４に係る熱交換器の斜視図である。

以下、本発明に係る熱交換器およびその熱交換器を用いたヒートポンプシステムの実施の形態を図面に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器１０の全体構成を示す斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図である。また、図３は熱交換器１０の伝熱管部分の断面図で、図１のＢ部における縦断面図である。各図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものを示し、このことは、明細書の全文において共通することである。

図１、図２に示すように、この熱交換器１０は、２系統の冷媒流路を有するマイクロチャンネル式熱交換器の例を示すものであり、冷媒が流れる冷媒流路を有しそれぞれ同じ長さを有する複数の伝熱管１、２と、各伝熱管１、２の両端に接続されるそれぞれ１対のヘッダー３、４とを備えている。各ヘッダー３、４に対する冷媒の流入・流出方向の一例を矢印で示してある。ここでは、伝熱管１を流れる第１冷媒と伝熱管２を流れる第２冷媒とが並行流となるように流れて熱交換をする場合を例示しているが、これに限られるものではなく対向流となるように冷媒を供給してもよい。
伝熱管１、２は、図３に示すように、断面形状が中空長円形状の扁平管で形成されている。このため、以下の説明では、伝熱管１を「第１扁平管１」、伝熱管２を「第２扁平管２」ということもある。ヘッダー３、４は断面形状を特に限定するものではないが、ここでは一端がそれぞれ閉鎖された円筒管で形成されている。

熱交換器１０の第２扁平管２は、熱伝導性の良い材質を用いる。例えば、アルミ合金、銅またはステンレスなどで構成され、平板をロール成形などで曲げた後、この平板の両端部である継ぎ目を電縫（溶接）して形成したり、円筒をロール成形もしくはプレス成形したり、または、押し出し成形もしくは引き抜き成形したりすることによって、第２扁平管２が製造される。
一方、熱交換器１０の第１扁平管１は、熱伝導性の良い材質、例えば、アルミ合金、銅及びステンレスなどで構成され、押し出し成形または引き抜き成形することによって製造される。

図２に示すように、第１ヘッダー３および第２ヘッダー４の円周側面には、それぞれ第１扁平管１または第２扁平管２の端部を差し込むための矩形状もしくは長穴状の差込穴５、６が設けられている。第１扁平管１はそれぞれ第１ヘッダー３の差込穴５に挿入され、第２扁平管２はそれぞれ第２ヘッダー４の差込穴６に挿入される。そして、第１扁平管１と第１ヘッダー３とを接続する第１ヘッダー接合部はアルミ−シリコン系などのろう材を用いてろう付けされ、第２扁平管２と第２ヘッダー４とを接続する第２ヘッダー接合部はアルミ−シリコン系などのろう材を用いてろう付けされる。なお、第１ヘッダー３および第２ヘッダー４は、後述するように、この熱交換器１０を搭載するヒートポンプ機器などの冷熱システムの冷媒回路に接続される。

図１、図２に示す熱交換器１０は、図３に示すように、扁平状の第１扁平管１及び扁平状の第２扁平管２を有し、第１扁平管１の扁平面と第２扁平管２の扁平面とがアルミ−シリコン系などのろう材７を用いてろう付けされ接合されている。このため、第１扁平管１を流れる第１冷媒と第２扁平管２を流れる第２冷媒との熱交換効率が向上する。

図４は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器の要部を示す断面図であり、冷媒入口ヘッダー接合部の断面図である。また、図５は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器を製作するための冶具の使用状態を示す上面図（ａ）と断面図（ｂ）である。図６は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器の製作方法を示すヘッダー接合部の断面図である。図７は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器のヘッダーの断面図である。

図４に示すように、この熱交換器１０においては、複数の扁平状の第１扁平管１と、複数の扁平状の穴５を有する第１ヘッダー３とが、所定の角度８で傾いた状態で接合されている。または、図示は省略するが、複数の扁平状の第２扁平管２と、複数の扁平状の穴６を有する第２ヘッダー４とが、所定の角度８で傾いた状態で接合されている。すなわち、第１ヘッダー３の軸方向が、第１扁平管１の軸方向に垂直な方向に対して所定の角度８で傾斜している。または、第２ヘッダー４の軸方向が、第２扁平管２の軸方向に垂直な方向に対して所定の角度８で傾斜している。このため、第１扁平管１は、ヘッダー接続面からの突き出し長さ１ａが冷媒入口ヘッダーにおいては第１ヘッダー３の冷媒入口側から閉止端側に向かって徐々に短くなる。第２扁平管２についても同様である。また、図示はしていないが、冷媒出口ヘッダーでは、第１扁平管１および第２扁平管２の突き出し長さは閉止端側から冷媒出口側に向かって徐々に長くなる。

具体的な製作方法としては、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、各扁平管が等間隔に収まるような溝を有するくし歯状の冶具４０でワーク４１（この例では、第１扁平管１と第２扁平管２）を固定（接合）した状態で、挟み込みクランプ４２で挟み、数本のボルト４３で動かないように固定する。その後、図６（ａ）に示すように、第１ヘッダー３の有する扁平状の穴５が、第１扁平管１の外径寸法より所定の大きさ（前記の角度８に相当する大きさ）分だけ幅広に拡張されていて、その幅広に拡張された複数の扁平状の穴５に、複数の第１扁平管１を挿入した状態から、図６（ｂ）に示すように、穴５の隙間が小さくなるように矢印の方向に第１ヘッダー３を所定の角度８分だけ傾けて、第１扁平管１と第１ヘッダー３とを接合する。また、第２扁平管２と第２ヘッダー４についても上記と同様の方法で接合することができる。

以上のように、幅広に拡張した複数の扁平状の穴に扁平管を並列に束ねた状態で挿入することで、挿入作業が簡単になるため作業効率を向上することができ、かつ同等長さの扁平管を使用することが可能となるため、部品点数の削減やコスト低減に効果的である。また、ヘッダーの傾斜角度８は、好ましくは１度から２０度であり、第１ヘッダー３を傾斜させることにより各扁平管のヘッダー接続面からの突き出し長さ１ａが第１ヘッダー３の冷媒入口側から閉止端側に向かって徐々に短くなるように調整できるため、さらに作業効率を向上させることができる。

従来の熱交換器において、扁平管の突き出し長さが同一長さでは、ヘッダーの冷媒入口部に近い位置に配置された手前側の扁平管へ液冷媒が多く流れ、ヘッダーの冷媒入口部より遠い位置に配置された奥側の扁平管へはガス冷媒が多く流れるようになり、各扁平管への気液分配比率が悪かった。これに対して、本実施の形態では、上記のように構成したので、気液二相状態で流入した冷媒が、管内流速が速く、例えば図７に示すような環状流（５１は液冷媒、５２はガス冷媒）やスラグ流（図示せず）といった流動様式をとる際に、熱交換器の姿勢によらず、ヘッダーの冷媒入口部より手前側の扁平管へは抵抗が大きくなるため、分配される量を調整することができ、その分奥側の扁平管へ多くの液冷媒が流れるようになり、第１ヘッダー３と第２ヘッダー４に接合された第１扁平管１と第２扁平管２へ、気液分配比率を均一に分配することが可能となる。

なお、この実施の形態１では、第１ヘッダー３及び第２ヘッダー４の両方が傾いている場合について説明したが、第１ヘッダー３及び第２ヘッダー４のいずれか一方が傾いており、他方は傾いていない場合でも良い。

本発明の実施の形態１に示す熱交換器１０は、温熱や冷熱を利用するヒートポンプシステムに搭載される。温熱を利用する場合、冷媒回路からの高温の第１冷媒を一方側の第１ヘッダー３を通じて第１扁平管１に供給し、他方側の第１ヘッダー３を通じて冷媒回路に戻す。一方、第２冷媒を一方側の第２ヘッダー４を通じて第２扁平管に供給し、他方側の第２ヘッダー４を通じて利用側の例えば暖房や給湯に適用する。第１冷媒と第２冷媒とは、第１扁平管１と第２扁平管２とを対向流または平行流となるように流れて熱交換される。

なお、図１に示す熱交換器１０では、冷媒流路面積は、第２扁平管２の方が第１扁平管１より大きくなっているが、必ずしもそうする必要はない。第１冷媒と第２冷媒との間に、比熱、密度などの熱物性値や流量、圧力条件、あるいは流体の性状度などに差がある場合には、冷媒流路面積を第１扁平管１と第２扁平管２とで異なるようにすれば良い。例えば、第１冷媒に二酸化炭素やフロン系の冷媒を用いて、第２冷媒に十分に水質管理されていない水道水などを用いる場合には、熱交換性能を向上するためや、冷媒流路内面へのスケール付着による圧力損失の増大を抑制するために、冷媒流路面積は、第２扁平管２の方が第１扁平管１より大きくした方が良い。

図８は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器１０を用いた温熱を利用するヒートポンプシステムを示す構成図である。
図８に示すとおり、ヒートポンプシステム２０は、第１冷媒が流れる第１冷媒回路２１、第２冷媒が流れる第２冷媒回路２２および第１冷媒と第２冷媒との熱交換を行う本発明の実施の形態１に示した熱交換器１０を有する。この例では、第１冷媒としてＲ４１０Ａ、第２冷媒として水を用いている。第１冷媒回路２１は、圧縮機２３、膨張弁２５、室外熱交換器２６、ファン２７を有し、第２冷媒回路２２は、利用側熱交換器２８およびポンプ２９を有する。熱交換器１０は、第１冷媒と第２冷媒とが熱交換を行うように第１冷媒回路２１と第２冷媒回路２２とを接続している。

第１冷媒回路２１においては、圧縮機２３で高温高圧となった第１冷媒は、熱交換器１０で第２冷媒と熱交換して凝縮される。さらに、第１冷媒は膨張弁２５で減圧され、室外熱交換器２６でファン２７からの空気と熱交換して蒸発し、圧縮機２３に戻る。第２冷媒回路２２においては、熱交換器１０で加熱された第２冷媒は、ポンプ２９で利用側熱交換器２８に供給されて放熱する。利用側熱交換器２８として例えばラジエーターや床暖房ヒーターなどを適用して暖房システムとして使用する。なお、本実施の形態のように、水を用いる場合は、第２扁平管２および第２ヘッダー４を耐食性材料で形成したり防食性被覆を施すなど、熱交換器１０の水の接液する部分は水に対する耐食性を有するように構成した方が望ましい。

図９は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器１０を用いた温熱を利用するヒートポンプシステムの他の例を示す構成図である。
図９に示すヒートポンプシステム２０Ａは、利用側熱交換器２８をタンク３０内に設置し、タンク３０内に給水される水を加熱して取水する給湯システムとして使用したものである。その他の構成および機能は、図８に示すヒートポンプシステム２０と同様である。

図８および図９に示すように、本発明の実施の形態１に係る熱交換器１０を用いたヒートポンプシステム２０、２０Ａを熱源として利用側熱交換器２８で暖房または給湯することで、従来のボイラを熱源とした暖房または給湯システムに比べて省エネ効果がある。

図１０は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器１０を用いた冷熱を利用するヒートポンプシステムを示す構成図である。
図１０に示すヒートポンプシステム２０Ｂにおいても、第１冷媒としてＲ４１０Ａ、第２冷媒として水を用いている。圧縮機２３で高温高圧となった第１冷媒は、室外熱交換器２６でファン２７からの空気と熱交換して凝縮される。さらに、第１冷媒は膨張弁２５で減圧され、熱交換器１０で第２冷媒と熱交換して蒸発し、圧縮機２３に戻る。熱交換器１０で冷却された第２冷媒は、ポンプ２９で利用側熱交換器２８に供給される。このヒートポンプシステム２０Ｂは、利用側熱交換器２８として例えば空気熱交換器などを適用して冷房システム、あるいは冷水パネルなどによる輻射冷房システムとして使用しても良い。

図１１は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器１０を用いた温熱および冷熱を利用するヒートポンプシステムを示す構成図である。
図８および図１０のヒートポンプシステム２０、２０Ｂは、それぞれ温熱または冷熱を専用に利用する例を示した。図１１に示すヒートポンプシステム２０Ｃは、四方弁２４（切替装置の一例）を用いることにより、第１冷媒回路２１における第１冷媒の流れ方向を切り替え、温熱と冷熱を切り替えて利用できるように構成したものである。四方弁２４は第１冷媒回路２１における圧縮機２３と室外熱交換器２６との間に設けられ、第１冷媒の流れ方向を切り替えるものである。また、図９の給湯システム２０Ａにおいても上記と同様に冷媒回路を変更（図示せず）することや、四方弁（図示せず）を用いることで、給湯専用の利用のみならず、冷水専用、あるいは給湯と冷水とを切り替えて利用できる。

本実施の形態では、第１扁平管１の冷媒としてＲ４１０Ａ、第２扁平管２の冷媒として水を用いた。冷媒の種類はこれに限らず、第１冷媒として他のフロン系冷媒、または二酸化炭素、炭化水素などの自然冷媒としても良い。また、第２冷媒は、フロン系冷媒、もしくは二酸化炭素、炭化水素などの自然冷媒、または、水道水、蒸留水、ブラインなどの水を用いても良い。

実施の形態２．
図１２は、本発明の実施の形態２に係る熱交換器のヘッダー接合部の断面図であり、図１３は、本発明の実施の形態２に示す熱交換器のヘッダーの断面図である。
実施の形態２に係る熱交換器１０Ａにおいて、図１２に示すように、各伝熱管１の端面は、管軸方向に垂直な方向に対して傾斜しており、かつ、ヘッダーの入口側に向かって傾斜している点が実施の形態１と異なる。その他の構成及び機能は、実施の形態１に示す熱交換器１０と同様である。扁平管傾斜端部１ｂの切断傾斜角度９において、好ましくは０度より大きく６０度以下とすることで、より気液の分配比率を向上させることができる。なお、扁平管傾斜端部１ｂの突き出し長さ１ａは、当該扁平管傾斜端部１ｂの高い方または低い方のいずれか一方の長さで定める。

実施の形態３．
図１４は、第１扁平管１及び第２扁平管２の断面形状例を示すものである。図１４（ａ）は扁平形状、図１４（ｂ）は長方形状、図１４（ｃ）は多孔扁平管形状である。
図１４の（ａ）、（ｂ）に示す伝熱管の場合は１つの冷媒流路を有するものであるが、図１４（ｃ）に示す伝熱管の場合は仕切壁１１で区画された複数の並列に並んだ冷媒流路を有するものである。
また、図１５は、本発明の実施の形態３に係る熱交換器のヘッダー接合部の断面図である。
本発明の実施の形態３に係る熱交換器１０Ｂにおいて、図１４に示すように、伝熱管は扁平状であり、扁平面とヘッダーの軸方向とが平行である点および図１４（ｃ）に示すように、伝熱管はヘッダーの軸方向に配列される複数の冷媒流路を有する点が実施の形態１および実施の形態２と異なる。その他の構成及び機能は、実施の形態１および実施の形態２に示す熱交換器と同様である。上記構成により、複数の微小流路に対しても気液分配比率を均等に分配することが可能となる。

実施の形態４．
図１６は、本発明の実施の形態４に係る熱交換器の全体構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態４に係る熱交換器１０Ｃにおいて、図１６に示すようにフィン１２などを用いた空気熱交換器である点が実施の形態１から３と異なる。その他の構成及び機能は、実施の形態１から３に示す熱交換器と同様である。

１ 第１扁平管（伝熱管）、１ａ 第１扁平管突き出し長さ、１ｂ 第１扁平管傾斜端部、２ 第２扁平管（伝熱管）、３ 第１ヘッダー、４ 第２ヘッダー、５、６ 差込穴、７ ろう材、８ ヘッダー傾斜角度、９ 扁平管端部傾斜角度、１０、１０Ａ、１０Ｂ 熱交換器、１１ 仕切壁、１２ フィン、２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ ヒートポンプシステム、２１ 第１冷媒回路、２２ 第２冷媒回路、２３ 圧縮機、２４ 四方弁、２５ 膨張弁、２６ 室外熱交換器、２７ ファン、２８ 利用側熱交換器、２９ ポンプ、３０ タンク、４０ 冶具、４１ ワーク、４２ 挟み込みクランプ、４３ ボルト、５１ 液冷媒、５２ ガス冷媒。

Claims (10)

1. 冷媒が流れる冷媒流路を有し同じ長さの複数の伝熱管と、
   前記複数の伝熱管の両端に接続される１対のヘッダーとを備え、
   前記１対のヘッダーの少なくとも一方は、軸方向が前記伝熱管の軸方向に垂直な方向に対して傾斜していることを特徴とする熱交換器。
2. 前記伝熱管のヘッダー接続面からの突き出し長さは、前記ヘッダーの入口側から閉止端側に向かうに従って短くなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 各伝熱管の端面は、管軸方向に垂直な方向に対して傾斜しており、かつ、前記ヘッダーの入口側に向かって傾斜していることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記伝熱管は、扁平状であり、扁平面と前記ヘッダーの軸方向とが平行であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記伝熱管は、前記ヘッダーの軸方向に配列される複数の冷媒流路を有することを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記伝熱管は、第１冷媒が流れる扁平状の第１扁平管と第２冷媒が流れる扁平状の第２扁平管とを有し、
   前記第１扁平管の扁平面と前記第２扁平管の扁平面とが接合されていることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
7. 前記ヘッダーは、各伝熱管の端部が挿入される複数の穴を外周側面に有し、かつ、前記各穴が前記ヘッダーの傾斜角度分だけ前記伝熱管の外径寸法より幅広に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換器。
8. 少なくとも圧縮機、膨張弁、および室外熱交換器を有する第１冷媒回路と、
   利用側熱交換器、およびポンプを有する第２冷媒回路とを備え、
   前記第１冷媒回路の第１冷媒と前記第２冷媒回路の第２冷媒とが熱交換を行うように両冷媒回路を接続する請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換器を備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。
9. 前記第１冷媒回路は、前記圧縮機と前記室外熱交換器との間に冷媒の流れ方向を切り替えるための切替装置を有することを特徴とする請求項８に記載のヒートポンプシステム。
10. 前記第２冷媒回路は、内部に前記利用側熱交換器が設置された給湯タンクを有することを特徴とする請求項８に記載のヒートポンプシステム。

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