JP2011191047A - エアコン用熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】チューブの構成と配列により熱伝逹量を増大させることができるエアコン用熱交換器を提供する。
【解決手段】２つの側壁の間に該側壁の長さ方向に沿って間隔をあけて複数配設されるチューブと、上記側壁の一方に冷媒を流入させる冷媒流入管と、上記チューブと連通するように連結される冷媒流入管の第１、２の流入管とからなるエアコン用熱交換器において、第１の流入管からチューブの全長の０．４〜０．９の地点においてチューブの合流が行われる。室外熱交換器のチューブに合流されたチューブを適切に配設することで冷媒の流動による作動流体の状態（過熱蒸気、２相状態、過冷状態）の冷媒流速が好適に保持されるようにすることができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、エアコン用熱交換器に係り、より詳しくは、熱伝逹効率を増大させることができるエアコン用熱交換器に関する。

一般に、エアコンのうち冷・暖房を兼ねるガスヒートポンプシステムは、室内機と室外機とに分けられる。室内機には膨張弁と室内機用熱交換器が具備される。一方、室外機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機を駆動させるガスエンジンと、圧縮機から吐出される冷媒とガスエンジンから吐出される冷却水とを熱交換させる室外機用熱交換器とで構成される。冷房モードにおいて、室外機用熱交換器は凝縮器として機能し、室内機用熱交換器は蒸発器として機能する。また、暖房モードにおいて、室外機用熱交換器は蒸発器として機能し、室内機用熱交換器は凝縮器として機能する。

この種のガスヒートポンプシステムにおいては、膨張弁を通過する冷媒が低圧状態になって室内機用熱交換器（蒸発器として機能する場合）に流入され、室内機用熱交換器では、飽和状態の冷媒が周りから蒸発熱を受けて蒸発する。蒸発した低温・低圧の過熱蒸気は、外部から仕事（圧縮機仕事）を受けて圧縮されて高温・高圧の過熱蒸気状態になり、こうして圧縮された高温・高圧の過熱蒸気は、室外機用熱交換器（凝縮器として機能する場合）に流入されて凝縮される。

凝縮された冷媒が最初の状態に戻って膨張弁に流入されることで１サイクルをなす。
当該ガスヒートポンプシステムのような蒸気圧縮冷凍サイクルの必須な構成要素としては、常温で凝縮されやすいようにその圧力を昇圧させる圧縮機と、圧縮された蒸気から熱を放出することで液体に還元させる凝縮器と、凝縮器で液化された高圧の液体を必要とする低温に相当する飽和圧力まで減圧、膨張させる膨張弁と、液体の蒸発によって周りから熱を奪い取ることで冷凍作用をさせる蒸発器などがある。

上記蒸気圧縮冷凍サイクルを利用したガスヒートポンプシステムは、夏期には、室内機用熱交換器を蒸発器として使用し、室外機用熱交換器を凝縮器として使用して冷房運転を行い、冬期には、逆に室内機用熱交換器を凝縮器として使用し、室外機用熱交換器を蒸発器として使用して暖房運転を行うものである。

近来、使用者の要求に応じて選択的に冷房、暖房を遂行することができる冷・暖房兼用のヒートポンプシステムの普及が増加している。
この種のエアコンでは、熱交換器としてフィンチューブ（ｆｉｎ−ｔｕｂｅ）方式の熱交換器が広く使用されている。上記フィンチューブ式熱交換器は、所定の間隔をおいて並んで配置される複数のフィンと、この複数のフィンを貫通して設けられその内部を冷媒が流れるようにする複数のチューブ（伝熱管ともいう）とからなる。

このようなフィンチューブ式熱交換器では、空気がフィンとチューブとの間を通過することでチューブ内を流れる冷媒と空気間で熱交換が行われ、熱交換器での熱伝逹量はフィンとチューブの配列によって影響される。また、チューブの構造と設定も熱伝逹量及び熱伝逹メカニズムに影響を及ぼすようになる。

上記フィンチューブ式熱交換器では、熱交換器の内部には、冷媒が気体状態で流れる部分と、２相状態（液体＋気体）で流れる部分と、液体で流れる部分とが存在するようになる。添付の図１ａは、凝縮器として使用される際の熱交換器チューブ内の流動メカニズム
を例示する図であって、チューブの長さ方向に沿って流動していく中で気体の冷媒が液体に相変化しながら周りに熱を放出する過程を示す。

また、図１ｂは、蒸発器として使用される際の熱交換器チューブ内の流動メカニズムを示す図であって、２相状態（液体＋気体）の冷媒がチューブの長さ方向に沿って流動していく中で気体に相変化しながら蒸発して周りから熱を奪い取る過程を示す。

熱交換器のチューブ径は、熱交換器内の圧力損失（圧力降下）を抑制するために気体が流動する付近の冷媒流速を基準に気体から液体への全領域にわたって気体側に好適なチューブ径になるように設計することが一般的である。このため、液体側に対しては、チューブ径が大径に設計される傾向がある。

しかしながら、熱交換器チューブ内の熱伝逹の観点からみると、熱交換器のチューブ径が小径であることが好ましい。このため、熱交換器の圧力降下（圧力損失）の観点と熱交換器チューブ内の熱伝逹メカニズムを考慮すると、熱交換器の液体側のチューブ径を気体側のチューブ径より小径に設計することが好ましいといえる。

特開2010-203726号公報 特開2010-197008号公報 特開2010-127612号公報

そこで、本発明は、上記のような従来の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、エアコンに利用される熱交換器においてチューブの構成と配列により熱伝逹量を増大させることである。

前述した目的を達成するための本発明によるエアコン用熱交換器は、２つの側壁の間に該側壁の長さ方向に沿って間隔をあけて複数配設されるチューブと、上記側壁の一方に冷媒を流入させる冷媒流入管と、上記冷媒流入管から延在して上記チューブと連通するように連結される第１、２の流入管と、上記第１、２の流入管から流入された冷媒が混合され、相変化された冷媒が排出される排出管と、を含み、上記第１、２の流入管と排出管とが一組として構成され、該一組をなす第１、２の流入管と排出管が冷媒流入管及び側壁の長さ方向に沿って複数組配設され、上記第１の流入管から上記排出管までのチューブの全長の０．４〜０．９の地点においてチューブの合流が行われる。

また、本発明において、上記チューブの合流が行われた後のチューブ内における液体領域／気体領域の総断面積の比は、０．２５〜０．５であることが好ましい。

このように、本発明による蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用する冷凍機またはエアコンでは、空冷式室外熱交換器のチューブに合流されたチューブを適切に配設することで冷媒の流動によって作動流体の状態（過熱蒸気、２相状態、過冷状態）が変わりながら、好適な冷媒流速が保持されるようにする効果が得られる。

一般的な熱交換器用チューブの凝縮過程を示す説明図である。 一般的な熱交換器用チューブの蒸発過程を示す説明図である。 本発明の熱交換器を示す斜視図である。 図２の正面図である。 図２の側面図である。 図３の平面図である。 図４のＡ部拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図２は、本発明の熱交換器を示す斜視図である。同図に示すように、本発明による熱交換器１００は、両方の側壁１１０ａ、１１０ｂの間に、該側壁１１０ａ、１１０ｂの長さ方向に沿って間隔をあけて複数のチューブ１２０が配設され、該側壁１１０の長さ方向（図２中の縦方向）には冷媒流入管１３０が設けられている。

上記冷媒流入管１３０には、長さ方向に一組をなす第１の流入管１３１と第２の流入管１３２とが設けられている。言い換えれば、第１、２の流入管１３１、１３２の下部に別途の一組をなす第１、２の流入管１３３、１３４が設けられる構造を有し、このような配列パターンで複数組の第１、２の流入管が設けられる。

上記一組をなす第１の流入管１３１、１３３と第２の流入管１３２、１３４を介して気体状態の冷媒（凝縮器の場合）がチューブ１２０内に流入される。
図６に示すように、上記第１の流入管１３１、１３３と第２の流入管１３２、１３４を介して流入された気体状態の冷媒は、複数のチューブと合流部１２１、１２２を通過しながら混合されて相変化が発生し、相変化された冷媒は、排出管１４１、１４２から排出される。

上記合流部１２１、１２２は、一組をなす第１、２の流入管ごとに１つずつ連結、形成されており、第１、２の流入管１３１、１３２には合流部１２１が形成され、他の第１、２の流入管１３３、１３４には合流部１２２が形成され、このような第１、２の流入管と合流部が繰り返し冷媒流入管１３０と側壁１１０ａの長さ方向に沿って複数設けられる。また、合流部１２１、１２２を通った冷媒が排出される排出管１４１も合流部ごとに１本ずつ形成されている。

言い換えれば、第１、２の流入管１３１、１３２と、該第１、２の流入管１３１、１３２が連結され形成される合流部１２１と、排出管１４１とが一組をなし、このような組が繰り返し複数設けられる。

本実施形態における熱交換器は、エアコンにおいて蒸発器と凝縮器として使用される空冷式のフィンチューブ式熱交換器を例に挙げて説明する。
ここで、本発明は、図６に示すように、第１の流入管１３１から排出管１４１までのチューブの全長は、合流される前の上記第１の流入管１３１に連結されたチューブの全長（Ｌ１×Ｎ１）と、合流された後の上記排出管１４１まで連結されたチューブの全長（Ｌ２×Ｎ２）、及び上記各チューブを連結するために使用されたた曲管部の全長（Ｃ×Ｎ３）とを足し合わせた値である。これを数式にて表すと、次式１のとおりである。

（数１）
Ｌ＝Ｌ１×Ｎ１＋Ｌ２×Ｎ２＋Ｃ×Ｎ３
上記式中、Ｌは、第１の流入管１３１から排出管１４１までのチューブの全長、Ｌ１は、合流される前のチューブの長さ（図５において横方向に配置される１列のチューブ長さ）、Ｌ２は、合流された後のチューブの長さであり、ここで、Ｌ１＝Ｌ２である。また、
Ｎ１はＬ１の本数、Ｎ２はＬ２の本数である。

上記数式１を、図６を参照してより具体的に説明すると、第１の流入管１３１を通って流入された冷媒は、チューブ１２０のうち図面を貫通して奥側に連結されたチューブａ１を通過しながら、反対側の側壁１１０ｂに到逹するようになる。次いで、冷媒は反対側の側壁１１０ｂから曲管部Ｃを通って再びチューブａ２を通過し、曲管部Ｃを通って次のチューブａ３に流れていく。このような方式で第１の流入管１３１を介して流入された冷媒は、順次チューブａ１、ａ２、…、ａ１２を通過しながら、合流部１２１に至るようになる。

一方、第２の流入管１３２を介して流入された冷媒は、図面を貫通して奥側に連結されたチューブｂ１を通過しながら、反対側の側壁１１０ｂに到逹するようになる。次いで、冷媒は反対側の側壁１１０ｂから曲管部Ｃを通って再びチューブｂ２を通過し、再び曲管部Ｃを通って次のチューブｂ３に流れていく。このような方式で第２の流入管１３２を介して流入された冷媒は、順次チューブｂ１、ｂ２、…、ｂ８を通過しながら、合流部１２１に至るようになる。

第１の流入管１３１と第２の流入管１３２を介して流入された冷媒は、合流部１２１で混合され相変化（凝縮器として使用される場合、気体状態から液体状態に変化し、蒸発器として使用される場合、凝縮器と逆に変化する）を起こしながら、排出管１４１に向けて流れていく。混合された冷媒は、前述のような方式と同様な方式でチューブｃ１、ｃ２、…、ｃ１０の内部を通過していき、排出管１４１から排出される。

上記数式１において、チューブの長さＬ１とＬ２は同じであり、図５から確認することができる。また、チューブの本数Ｎ１は、図６を参照するとき、ａ１、…、ａ１２に該当することからＮ１＝１２となり、チューブの本数Ｎ２は、ｃ１、…、ｃ１０に該当することからＮ２＝１０となる。また、曲管部の本数Ｎ３は、合流される前のチューブａ１、ａ２、…、ａ１２をそれぞれ連結する部分と、合流された後のチューブｃ１、ｃ２、…、ｃ１０をそれぞれ連結する部分の総本数である。

図６に示した第１の流入管１３１、第２の流入管１３２、及び排出管１４１の位置及び曲管部Ｃの配置は、説明のために任意に作成されたもので、種々の変形が可能である。
上記冷媒流入管１３０の第１の流入管１３１及び第２の流入管１３２に連結されたチューブが合流されるまでに流れるチューブの本数は異なってもよい。
また、上記第１、２の流入管１３１、１３２に連結されたチューブは、気体チューブである。

また、本発明では、冷房運転の際に室外熱交換器が凝縮器として使用される場合、第１の流入管１３１から排出管１４１までのチューブの全長の０．４〜０．９の地点で合流が行われるように設けられることが好ましい。

また、合流された後のチューブ内における液体領域／気体領域の総断面積の比は、０．２５〜０．５の値を有する。
上記実施形態では、それぞれ１本の第１の流入管１３１、第２の流入管１３２、及び排出管１４１を中心に説明したが、本発明の技術的思想はこれに制限されず、複数本の第１の流入管、第２の流入管、及び排出管が使用されていてよい。

先に簡単に説明したように、熱交換器が凝縮器として機能する際には、冷媒がチューブ内を気体状態から液体状態に変化しながら流れていき、熱交換器が蒸発器として機能する際には、冷媒が液体状態から気体状態に相変化しながら流れていき、また、気体の冷媒が
熱交換器チューブ内を流れていく際の圧力損失は、液体状態の冷媒が流れていく際のそれよりも顕著に大きい。これは、気体状態の比体積が液体状態の比体積よりも遥かに大きいことから、同じ面積のチューブ内を流れる場合、気体の流速が液体の流速より相当に速いためである。

このため、気体が流れる気体管の流動面積よりも液体が流れる液チューブの総断面積を小さくすることで最適の設計が可能となり、また、熱交換器のチューブが小径であると、熱交換効率が良くなるため、上記のような条件（チューブの合流地点、液体領域／気体領域の総断面積の比）下で熱交換器を製造することが好ましい。

本発明は、便宜上添付の例示図に基づいて本発明の実施形態を説明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範疇内で種々の変形及び修正が可能であり、このような変形及び修正は、本発明の特許請求の範囲内に含まれることは自明な事実である。

１００ 熱交換器
１１０ａ、１１０ｂ 側壁
１２０ チューブ
１３０ 冷媒流入管
１３１、１３３ 第１の流入管
１３２、１３４ 第２の流入管
１４１、１４２排出管

Claims (2)

1. ２つの側壁の間に該側壁の長さ方向に沿って間隔をあけて配設される複数のチューブと、前記側壁の一方に冷媒を流入させる冷媒流入管と、前記冷媒流入管から延在して上記チューブと連通するように連結される第１、２の流入管と、前記第１、２の流入管から流入された冷媒が混合され、相変化された冷媒が排出される排出管と、を含み、前記第１、２の流入管と排出管とが一組として構成され、該一組をなす第１、２の流入管と排出管が冷媒流入管及び側壁の長さ方向に沿って複数組配設されるエアコン用熱交換器において、
   前記一組の第１の流入管から前記排出管までのチューブの全長の０．４〜０．９の地点においてチューブの合流が行われ,
   ここで、前記チューブの全長は、合流が行われる前の前記第１の流入管に連結されたチューブの全長と、合流されてから前記排出管までに連結されたチューブの全長と、前記各チューブを連結するのに使用された曲管部の全長との和であることを特徴とするエアコン用熱交換器。
2. チューブの合流が行われた後のチューブ内における液体領域／気体領域の総断面積の比は、０．２５〜０．５であることを特徴とする請求項１に記載のエアコン用熱交換器。

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