JP2011185549A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの低減化を図りながら、熱交換効率の向上を図ることができる熱交換器を提供すること。
【解決手段】一端部から流入した冷媒を、閉塞された他端部に向けて水平方向に沿って通過させる分配流路２４１２が内部に形成された分配ヘッダ２４１と、それぞれが上下方向に沿って延在する冷媒通路２４３１を有してなり、分配ヘッダ２４１の一端部から他端部に向けて所定の間隔毎にそれぞれの冷媒通路２４３１の入口となる上端開口２４３１ａが分配流路２４１２を臨む態様で分配ヘッダ２４１の下部に取り付けられた複数の冷媒管２４３とを備え、分配ヘッダ２４１から各冷媒管２４３の冷媒通路２４３１に冷媒を分配して冷媒通路２４３１を通過する冷媒と、自身の周囲を通過する流体との熱交換を行う熱交換器において、分配ヘッダ２４１には、該分配ヘッダ２４１の延在方向よりも傾斜させて冷媒を流入させる冷媒流入管２４１１が配設してある。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器に関し、より詳細には、自動販売機等において商品を冷却等するのに用いられる冷凍サイクルを構成する蒸発器等の熱交換器に関するものである。

従来、例えば缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を販売する自動販売機では、自動販売機本体である本体キャビネットの商品収容庫の内部（庫内）に冷凍サイクルの構成機器である蒸発器等の熱交換器が設けられている。

この種の熱交換器として、分配ヘッダと、複数の冷媒管と、合流ヘッダとを備えてなるものが知られている。分配ヘッダは、一端部に冷媒の流入口となる開口が形成され、他端部が閉塞されてなるもので、水平方向に沿って配設されている。この分配ヘッダの内部には、一端部から他端部に向けて水平方向に沿って冷媒を通過させる分配流路が形成されている。

冷媒管は、扁平状をなしており、冷媒の流路となる冷媒通路が複数並設されてなるものである。これら冷媒管は、自身の冷媒通路が上下方向に沿って延在するとともに、冷媒の入口となる上端開口が上記分配流路を臨む態様で、分配ヘッダの下部において一端部から他端部に向けて所定の間隔毎に取り付けられている。つまり、これら冷媒管は、それぞれの冷媒通路の上端開口が分配流路を臨む態様で分配ヘッダの下部から挿入して取り付けられている。

合流ヘッダは、上記分配ヘッダと平行となる態様で配設されている。この合流ヘッダは、一端部に冷媒の流出口となる開口が形成され、他端部が閉塞されてなるものである。この合流ヘッダの内部には、水平方向に沿って冷媒を通過させる合流流路が形成されている。そして、合流ヘッダの上部には、自身の合流流路に各冷媒管の冷媒通路の出口となる下端開口が臨む態様で冷媒管が取り付けられている。

このような熱交換器においては、分配ヘッダに流入した冷媒を、分配流路を通過させながら各冷媒管の冷媒通路に分配させて進入させ、該冷媒通路を通過させる冷媒と、自身の周囲を通過する流体との熱交換を行うようにしており、冷媒通路を通過した冷媒は、合流ヘッダの合流流路に至り、かかる合流流路を通過して流出口より流出する。

しかしながら、分配ヘッダに流入する冷媒は、気液二相冷媒であり、分配流路を通過する際に、該分配流路の内壁面の粘性抵抗及び重力等により分配流路の下部に液相冷媒が分離し、結果的に一部の冷媒管の冷媒通路に液相冷媒が集中してしまう、分配不良が発生してしまい、この結果、熱交換効率の低下を招来していた。

そこで、分配ヘッダの分配流路における気液分離を抑制させるために、例えば針金状のステンレス線材を屈曲させた気液拡散体を該分配流路内に設置したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−３９３０４号公報

ところが、上述したような特許文献１に提案されている熱交換器においては、分配流路に気液拡散体を必要とするために、部品点数の増大化を招来し、製造コストを増大させてしまう問題があった。また、気液拡散体による圧力損失増大により冷媒の流量を低減させてしまい、熱交換効率が低下させてしまう虞れがあった。

本発明は、上記実情に鑑みて、製造コストの低減化を図りながら、熱交換効率の向上を図ることができる熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る熱交換器は、一端部から流入した冷媒を、閉塞された他端部に向けて水平方向に沿って通過させる分配流路が内部に形成された分配ヘッダと、それぞれが上下方向に沿って延在する冷媒通路を有してなり、前記分配ヘッダの一端部から他端部に向けて所定の間隔毎にそれぞれの冷媒通路の入口となる上端開口が前記分配流路を臨む態様で前記分配ヘッダの下部に取り付けられた複数の冷媒管とを備え、前記分配ヘッダから各冷媒管の冷媒通路に冷媒を分配して前記冷媒通路を通過する冷媒と、自身の周囲を通過する流体との熱交換を行う熱交換器において、前記分配ヘッダには、該分配ヘッダの延在方向よりも傾斜させて冷媒を流入させる冷媒流入管が配設してあることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る熱交換器は、上述した請求項１において、前記冷媒流入管は、前記分配ヘッダの一端部の下方側に設けられ、冷媒を分配ヘッダの他端部側に傾斜させて流入させることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る熱交換器は、上述した請求項１又は請求項２において、前記冷媒管は、前記分配ヘッダに対する挿入突出量が一定となる態様で取り付けたことを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係る熱交換器は、上述した請求項１〜３のいずれか一つにおいて、前記冷媒管は、複数の冷媒通路が並設されてなり、かつ扁平状をなすことを特徴とする。

本発明によれば、冷媒流入管が、分配ヘッダの延在方向よりも傾斜させて冷媒を流入させるので、冷媒が分配流路を螺旋状に一端部から他端部側に向けて流れ、該分配流路内での気液分離することを抑制することができる。従って、部品点数を増大させることなく、しかも冷媒が気液分離してしまうことを抑制して分配不良なく冷媒管に進入させることができる。よって、製造コストの低減化を図りながら、熱交換効率の向上を図ることができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態である熱交換器が蒸発器として適用された自動販売機の内部構造を正面から見た場合を示す断面図である。 図２は、図１に示した自動販売機の内部構造を示す断面側面図である。 図３は、図２に示した蒸発器（本発明の実施の形態である熱交換器）を模式的に示す説明図である。 図４は、図３に示した冷媒管を上方から見た場合を模式的に示す説明図である。 図５は、図３に示した蒸発器の要部を拡大して示す拡大断面側面図である。 図６は、分配ヘッダの内部の分配流路を流れる冷媒の様子を模式的に示す模式図である。 図７は、従来の熱交換器の要部を模式的に示す説明図である。 図８は、図７に示した熱交換器における冷媒管と、各冷媒管を通過する冷媒流量との関係を示す図表である。 図９は、本実施の形態の熱交換器の要部を模式的に示す説明図である。 図１０は、図９に示した熱交換器における冷媒管と、各冷媒管を通過する冷媒流量との関係を示す図表である。 図１１は、図９に示した熱交換器の要部を拡大して示す説明図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る熱交換器の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態である熱交換器が蒸発器として適用された自動販売機の内部構造を正面から見た場合を示す断面図である。ここで例示する自動販売機は、本体キャビネット１を備えている。

本体キャビネット１は、前面が開口した直方状の形態を成すものである。この本体キャビネット１には、その内部に例えば２つの断熱仕切板２によって仕切られた３つの独立した商品収容庫３が左右に並んだ態様で設けてある。この商品収容庫３は、缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を所望の温度に維持した状態で収容するためのもので、断熱構造を有している。

図２は、図１に示した自動販売機の内部構造を示す断面側面図である。かかる図２に示すように、本体キャビネット１の前面には、外扉４及び内扉５が設けてある。外扉４は、本体キャビネット１の前面開口を開閉するためのものであり、内扉５は、商品収容庫３の前面を開閉するためのものである。この内扉５は、上下に分割してあり、上側の扉５ａは商品を補充する際に開閉するものである。

上記商品収容庫３には、商品収納ラック６、搬出機構７及び搬出シュータ８が設けてある。商品収納ラック６は、商品を上下方向に沿って並ぶ態様で収納するためのものである。搬出機構７は、商品収納ラック６の下部に設けてあり、この商品収納ラック６に収納された商品群の最下位にある商品を１つずつ搬出するためのものである。搬出シュータ８は、搬出機構７から搬出された商品を外扉４に設けられた商品取出口４ａに導くためのものである。

そして搬出シュータ８の下方域には蒸発器２４及びヒータＨが配設してある。蒸発器２４は背面ダクトＤの前面側に配設してあり、機械室９に配設された圧縮機２１、凝縮器２２、膨張機構２３と冷媒配管２５を通じて順次接続されて冷凍サイクル２０を形成している。圧縮機２１は、吸引口を通じて冷媒を吸引し、吸引した冷媒を圧縮して高温高圧の状態（高温高圧冷媒）にして吐出口より吐出するものである。凝縮器２２は、通過する冷媒を凝縮させるものである。より詳細に説明すると、圧縮機２１で圧縮され、かつ吐出口から吐出されて冷媒配管２５を通じて送出された冷媒を周囲空気と熱交換させて凝縮させるものである。膨張機構２３は、通過する冷媒を減圧して断熱膨張させるものである。

これら冷凍サイクル２０で冷媒を循環させることにより、圧縮機２１で圧縮された冷媒が凝縮器２２で凝縮され、その後に膨張機構２３で断熱膨張されて蒸発器２４を通過する。冷媒が蒸発器２４を通過する際に、該蒸発器２４が配設された商品収容庫３の内部空気との間で熱交換が行われて、自身が蒸発して内部空気を冷却する。蒸発した冷媒は圧縮機２１に吸引される。

冷却された内部空気は庫内送風ファンＦ１の駆動により商品収容庫３の内部を移動し、これにより該商品収容庫３の商品収納ラック６に収納された商品は所望の温度（例えば５℃）に冷却されることになる。

ヒータＨは、蒸発器２４の前面側に配設してある。このヒータＨは通電状態となることにより周囲空気を加熱するものである。ヒータＨにより加熱された空気は、庫内送風ファンＦ１の駆動により商品収容庫３の内部を移動し、これにより該商品収容庫３の商品収納ラック６に収納された商品は所望の温度（例えば５５℃）に加熱されることになる。

図３は、図２に示した蒸発器（本発明の実施の形態である熱交換器）２４を模式的に示す説明図である。ここで例示する蒸発器２４は、いわゆるマルチフロー型の熱交換器であり、分配ヘッダ２４１と、合流ヘッダ２４２と、複数の冷媒管２４３とを備えて構成してある。

分配ヘッダ２４１は、水平方向に沿って配設されている。この分配ヘッダ２４１の一端部には、冷媒流入管２４１１が配設してある。かかる冷媒流入管２４１１は、膨張機構２３の出口に連結された冷媒配管２５に接続されたもので、自身の軸方向が上下方向から分配ヘッダ２４１の他端部側に傾斜している。つまり、冷媒流入管２４１１は、冷媒を分配ヘッダ２４１の他端部側に傾斜させて流入させるものである。

一方、分配ヘッダ２４１の他端部は閉塞されている。この分配ヘッダ２４１の内部には、一端部から他端部に向けて冷媒流入管２４１１より流入した冷媒を水平方向に沿って通過させる分配流路２４１２が形成してある。

合流ヘッダ２４２は、上記分配ヘッダ２４１の下方域において、該分配ヘッダ２４１と平行となる態様で水平方向に沿って配設してある。この合流ヘッダ２４２の一端部には、冷媒の冷媒流出管２４２１が配設してあり、他端部は閉塞されている。かかる冷媒流出管２４２１は、圧縮機２１の吸引口に連結された冷媒配管２５に連結している。この合流ヘッダ２４２の内部には、一端部から他端部に向けて水平方向に沿って合流流路２４２２が形成してある。

図４は、図３に示した冷媒管２４３を上方から見た場合を模式的に示す説明図である。この図４にも示すように、冷媒管２４３は、扁平状をなしている。このような冷媒管２４３は、冷媒の流路となる複数の冷媒通路２４３１が上下方向に沿って延在する態様で並設されてなるもので扁平多穴管と称されるものである。それぞれの冷媒管２４３における冷媒通路２４３１の上端開口２４３１ａが冷媒の入口となるとともに、下端開口２４３１ｂが冷媒の出口となっている。

これら冷媒管２４３は、分配ヘッダ２４１の下部及び合流ヘッダ２４２の上部において一端部から他端部に向けて所定の間隔毎に平行に取り付けてある。より詳細に説明すると、これら冷媒管２４３は、自身の冷媒通路２４３１における上端開口２４３１ａが分配ヘッダ２４１の分配流路２４１２を臨む態様で分配ヘッダ２４１の下部から挿入して取り付けてあるとともに、自身の冷媒通路２４３１における下端開口２４３１ｂが合流ヘッダ２４２の合流流路２４２２を臨む態様で合流ヘッダ２４２の上部から挿入して取り付けてある。

また、これら冷媒管２４３の外表面には、フィン２４４が配設してある。フィン２４４は、冷媒管２４３の冷媒通路２４３１を通過する冷媒と、蒸発器２４の周囲の空気（流体）との熱交換を促進させるためのものである。

図５は、図３に示した蒸発器２４の要部を拡大して示す拡大断面側面図である。この図５に示すように、分配ヘッダ２４１と合流ヘッダ２４２との間に取り付けられる冷媒管２４３は、上下方向の長さがいずれも等しいものであり、分配ヘッダ２４１に対する挿入突出量ｄが一定となる態様で取り付けてある。

以上のような構成を有する蒸発器２４においては、膨張機構２３で断熱膨張した冷媒が冷媒流入管２４１１を通じて分配流路２４１２に流入することになる。ここで、冷媒流入管２４１１は、冷媒を分配ヘッダ２４１の他端部側に傾斜させて流入させるものであるから、図６の（ａ）に示すように、分配ヘッダ２４１が円筒状をなすものであれば、冷媒流入管２４１１から流入した冷媒（気液二相冷媒）は、分配ヘッダ２４１の分配流路２４１２の内壁面に沿って螺旋状に流れることになる。また、図６の（ｂ）に示すように、分配ヘッダ２４１が四角筒状をなすものであれば、冷媒流入管２４１１から流入した冷媒（気液二相冷媒）は、分配ヘッダ２４１の分配流路２４１２の内壁面に沿って螺旋状に流れることになる。

このように冷媒が分配流路２４１２を螺旋状に一端部から他端部側に向けて流れるので、該分配流路２４１２内で気液に分離してしまうことを抑制することができる。従って、部品点数を増大させることなく、しかも冷媒が気液分離してしまうことを抑制して分配不良なく冷媒管２４３に進入させることができる。よって、製造コストの低減化を図りながら、熱交換効率の向上を図ることができる。

また、上記蒸発器２４によれば、冷媒管２４３の分配ヘッダ２４１に対する挿入突出量ｄが一定となる態様で取り付けてあるので、分配流路２４１２を通過する冷媒（気液二相冷媒）を冷媒管２４３で順次せき止めることで、分離される液相冷媒の流速を低下させることができ、しかも液相冷媒の液面高さを高くすることができる。よって、上端開口２４３１ａが冷媒流入管２４１１近傍の冷媒管２４３の冷媒通路２４３１に対して液相冷媒の流入を促進することができ、これにより分配ヘッダ２４１から冷媒管２４３の冷媒通路２４３１に流入する冷媒の均一化を図ることができる。このように分配ヘッダ２４１から冷媒管２４３の冷媒通路２４３１に流入する冷媒の均一化を図ることができるので、熱交換量の増大化を図ることができる。

以下において、従来例との数値解析結果を比較しながら本実施の形態である熱交換器の優位性について説明する。

図７は、従来の熱交換器を示すもので、分配ヘッダ４４１の一端面に冷媒流入管４４１１を配設し、分配ヘッダ４４１の延在方向に沿って冷媒を流入させるようにしている。このような熱交換器において膨張機構２３で断熱膨張した冷媒を冷媒流入管４４１１から分配ヘッダ４４１の分配流路４４１２に流入させると、該冷媒流入管４４１１の近くでは流速が大きいために、冷媒管４４３の冷媒通路４４３１に進入せず、冷媒流入管４４１１から離隔した特定の冷媒管４４３の冷媒通路４４３１に進入する冷媒が集中してしまう（図８（イ）参照）。

図９は、本実施の形態の一つである熱交換器を示すもので、分配ヘッダ２４１の一端部の下方側に冷媒流入管２４１１が配設してあり、かかる冷媒流入管２４１１は、冷媒を分配ヘッダ２４１の他端部側に傾斜させて流入させるものである。また、図９に示すように、冷媒管２４３の分配ヘッダ２４１に対する挿入突出量ｄが一定となる態様で取り付けてある。

このような熱交換器においては、膨張機構２３で断熱膨張した冷媒を冷媒流入管２４１１から分配ヘッダ２４１の分配流路２４１２に流入させると、冷媒が分配流路２４１２の内壁面を螺旋状に流れることで、冷媒が特定の冷媒管２４３に集中してしまうことを抑制して、分散させながら各冷媒管２４３の冷媒通路２４３１へ冷媒を通過させることができる（図１０（ハ）参照）。

また、分配ヘッダ２４１に対する冷媒管２４３の挿入突出量ｄを一定にしたことで、図１１に示すように、突出する冷媒管２４３への流れによる粘性作用で下方（重力方向）への流れが発生し、しかも冷媒管２４３間の液滞留部の液面が上昇し、各冷媒管２４３への液相冷媒の流入を促進することができる。この結果、分配流路２４１２の上流側における冷媒管２４３への冷媒の流量を増大させることができ、結果的に分配ヘッダ２４１から冷媒管２４３の冷媒通路２４３１に流入する冷媒の均一化を図ることができる（図１０（ロ）参照）。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。

上述した実施の形態では、分配ヘッダ２４１に対して冷媒管２４３を挿入していたが、本発明においては、冷媒管が分配流路に突出させなくても良い。これによっても分配流路を冷媒が螺旋状に流れることができ、冷媒が特定の冷媒管に集中してしまうことを抑制して、分散させながら各冷媒管の冷媒通路へ冷媒を通過させることができる。

また上述した実施の形態では、冷媒流入管２４１１が分配ヘッダ２４１の一端部の下方側に配設してあったが、本発明においては、冷媒流入管は、分配ヘッダの延在方向よりも傾斜させて冷媒を流入させることができれば、配設個所は特に限定されない。

以上のように、本発明に係る熱交換器は、自動販売機等において商品を冷却等するのに用いられる冷凍サイクルを構成する蒸発器に有用である。

１ 本体キャビネット
３ 商品収容庫
２０ 冷凍サイクル
２１ 圧縮機
２２ 凝縮器
２３ 膨張機構
２４ 蒸発器
２４１ 分配ヘッダ
２４１１ 冷媒流入管
２４１２ 分配流路
２４２ 合流ヘッダ
２４２１ 冷媒流出管
２４２２ 合流流路
２４３ 冷媒管
２４３１ 冷媒通路
２４３１ａ 上端開口
２４３１ｂ 下端開口
２４４ フィン
２５ 冷媒配管
Ｆ１ 庫内送風ファン
Ｈ ヒータ

Claims (4)

1. 一端部から流入した冷媒を、閉塞された他端部に向けて水平方向に沿って通過させる分配流路が内部に形成された分配ヘッダと、
   それぞれが上下方向に沿って延在する冷媒通路を有してなり、前記分配ヘッダの一端部から他端部に向けて所定の間隔毎にそれぞれの冷媒通路の入口となる上端開口が前記分配流路を臨む態様で前記分配ヘッダの下部に取り付けられた複数の冷媒管と
   を備え、前記分配ヘッダから各冷媒管の冷媒通路に冷媒を分配して前記冷媒通路を通過する冷媒と、自身の周囲を通過する流体との熱交換を行う熱交換器において、
   前記分配ヘッダには、該分配ヘッダの延在方向よりも傾斜させて冷媒を流入させる冷媒流入管が配設してあることを特徴とする熱交換器。
2. 前記冷媒流入管は、前記分配ヘッダの一端部の下方側に設けられ、冷媒を分配ヘッダの他端部側に傾斜させて流入させることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記冷媒管は、前記分配ヘッダに対する挿入突出量が一定となる態様で取り付けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記冷媒管は、複数の冷媒通路が並設されてなり、かつ扁平状をなすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の熱交換器。

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