JP2012021682A - 熱交換器及びこの熱交換器を搭載したヒートポンプシステム - Google Patents

熱交換器及びこの熱交換器を搭載したヒートポンプシステム Download PDF

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Abstract

【課題】各伝熱管へ分配される冷媒の気液分配比率の偏りを是正して熱交換性能の低下を防止することができる熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器10は、第1冷媒が流れる冷媒流路が形成された複数の第1伝熱管1と、複数の第1伝熱管の両端部に接続された一対の第1ヘッダー3と、を備え、少なくとも第1ヘッダー3の一方には、複数の第1伝熱管1の端部が第1ヘッダー3の内部に突出して接続され、第1伝熱管1を、第1ヘッダー3の冷媒流れ上流側から下流側にかけて、第1伝熱管群、第2伝熱管群及び第3伝熱管群として複数の第1伝熱管1毎に分割した場合、第2伝熱管群に属する第1伝熱管1の突出長さ1aの平均値は、第1伝熱管群に属する第1伝熱管1の突出長さ1aの平均値及び第3伝熱管群に属する第1伝熱管1の突出長さ1aの平均値よりも短いものである。
【選択図】図4

Description

本発明は、第1冷媒と他の熱交換媒体とが熱交換を行う熱交換器に関するものである。また、この熱交換器を搭載したヒートポンプシステムに関するものである。
冷媒と他の熱交換媒体(例えば第2冷媒や空気等)とが熱交換を行う熱交換器として、冷媒が流れる冷媒流路が形成された複数の伝熱管と、これら複数の伝熱管の両端部に接続された一対のヘッダーと、を有するものがある。また、このような熱交換器には、ヘッダーから各伝熱管へ分配される冷媒の気液分配比率の向上を図ったものが提案されており、例えば「ヘッダ12は、円筒管で構成されて水平方向に配設される。冷媒管13は、ヘッダ12の下側に垂直方向に延在して平行に並べられ、その上端がヘッダ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12内への挿入量は、ヘッダ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。」(特許文献1参照)というものが提案されている。
特開平10−132422号公報(要約、図1)
ヘッダー内へ例えば気液二相状態の冷媒が流入した場合、伝熱管へ流入しなかった(分配されなかった)液冷媒は、慣性力によってヘッダーの奥側へ滞留することとなる。このとき、特許文献1に記載の熱交換器は、奧にいくほどヘッダー内部への伝熱管の突出長さを短くし、伝熱管側壁によって冷媒が受ける抵抗がヘッダーの奥側へいく程小さくしているため、ヘッダーの奥側へ配置された伝熱管により多くの液冷媒が流入してしまう。したがって、特許文献1に記載の熱交換器では、依然として各伝熱管へ分配される冷媒の気液分配比率に偏りが生じ、熱交換器の熱交換性能が低下してしまうという問題点があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、各伝熱管へ分配される冷媒の気液分配比率の偏りを是正して熱交換性能の低下を防止することができる熱交換器、及びこの熱交換器を搭載したヒートポンプシステムを提供することを目的とする。
本発明に係る熱交換器は、第1冷媒が流れる冷媒流路が形成された複数の第1伝熱管と、複数の第1伝熱管の両端部に接続された一対の第1ヘッダーと、を備え、少なくとも第1ヘッダーの一方には、複数の第1伝熱管の端部が第1ヘッダーの内部に突出して接続され、第1伝熱管を、第1ヘッダーの冷媒流れ上流側から下流側にかけて、第1伝熱管群、第2伝熱管群及び第3伝熱管群として複数の第1伝熱管毎に分割した場合、第2伝熱管群に属する第1伝熱管の第1ヘッダー内部への突出長さの平均値は、第1伝熱管群に属する第1伝熱管の第1ヘッダー内部への突出長さの平均値及び第3伝熱管群に属する第1伝熱管の第1ヘッダー内部への突出長さの平均値よりも短いものである。
また、本発明に係るヒートポンプシステムは、上記の熱交換器を搭載したものである。
ヘッダー内部への伝熱管の突出長さが同一となっている従来の熱交換器では、例えばヘッダー内に気液二相状態の冷媒が流入した場合、ヘッダーの冷媒流れ上流側(手前側)に配置された伝熱管及び冷媒流れ下流側(奥側)に配置された伝熱管に多くの液冷媒が流入していた。つまり、ヘッダー内部への伝熱管の突出長さが同一となっている従来の熱交換器では、例えばヘッダー内に気液二相状態の冷媒が流入した場合、ヘッダーの冷媒流れ上流側(手前側)に配置された伝熱管及び冷媒流れ下流側(奥側)に配置された伝熱管に液比率の高い冷媒が流入し、その間の伝熱管には液比率の低い冷媒が流入していた。このため、ヘッダー内部への伝熱管の突出長さが同一となっている従来の熱交換器は、各伝熱管へ分配される冷媒の気液分配比率に偏りが生じていた。
一方、本発明に係る熱交換器は、液比率の高い冷媒が流入しやすい第1伝熱管群(第1ヘッダーの冷媒流れ上流側に配置される複数の第1伝熱管)及び第3伝熱管群(第1ヘッダーの冷媒流れ下流側に配置される複数の第1伝熱管)の突出長さに比べ、液比率の低い冷媒が流入しやすい第2伝熱管群(第1伝熱管群と第3伝熱管群との間に配置された複数の第1伝熱管)の突出長さを短くしている。このため、ヘッダー内を流れる冷媒は、第2伝熱管群と比べ、第1伝熱管群及び第3伝熱管群によって大きな抵抗を受ける。したがって、本発明に係る熱交換器は、液比率の低い冷媒が流入しやすい第2伝熱管群へ液冷媒が流入しやすくなるため、各第1伝熱管へ流入する(分配される)冷媒の気液分配比率の偏りを是正でき、熱交換性能の低下を防止することができる。
本発明の実施の形態1に係る熱交換器の外観斜視図である。 図1のA−A断面図である。 図2のB−B断面図である。 本発明の実施の形態1に係る熱交換器における第1伝熱管と第1ヘッダーとの接続部近傍を示した要部断面図である。 図4のC−C断面図である。 本発明の実施の形態1に係る熱交換器の別の一例を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態2に係るヒートポンプシステムの一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態2に係るヒートポンプシステムの別の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態2に係るヒートポンプシステムのさらに別の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態2に係るヒートポンプシステムのさらに別の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態3に係る熱交換器を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態4に係る熱交換器を示す要部断面図である。 図12のD−D断面図である。 本実施の形態5に係る熱交換器の一例を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態6に係る熱交換器を示す外観斜視図である。
以下、本発明の実施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に係る熱交換器の外観斜視図である。また、図2は図1のA−A断面図であり、図3は図2のB−B断面図である。なお、図において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、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及び図2に示すように、熱交換器10は、複数の第1伝熱管1、複数の第2伝熱管2、一対の第1ヘッダー3及び一対の第2ヘッダー4を備えている。
各第1伝熱管1は、扁平管であり、その内部に第1冷媒が流れる流路が形成されている。図3に示すように、第1伝熱管1の断面形状は、両側部が円弧状となった扁平形状となっている。これら第1伝熱管1は、熱伝導性の良い材質(例えば、アルミ合金、銅及びステンレス等)で形成されている。例えば、第1伝熱管1は、平板をロール成形等で曲げた後、この平板の両端部である継ぎ目を電縫(溶接)して形成される。また例えば、第1伝熱管1は、円筒形状の材質をロール成形又はプレス成形することにより形成される。また例えば、第1伝熱管1は、押し出し成形又は引き抜き成形等によって形成される。
各第2伝熱管2は、扁平管であり、その内部に第2冷媒が流れる流路が形成されている。図3に示すように、第2伝熱管2の断面形状は、両側部が円弧状となった扁平形状となっている。これら第2伝熱管2は、熱伝導性の良い材質(例えば、アルミ合金、銅及びステンレス等)で形成されている。例えば、第2伝熱管2は、平板をロール成形等で曲げた後、この平板の両端部である継ぎ目を電縫(溶接)して形成される。また例えば、第2伝熱管2は、円筒形状の材質をロール成形又はプレス成形することにより形成される。また例えば、第2伝熱管2は、押し出し成形又は引き抜き成形等によって形成される。
また、図3に示すように、第1伝熱管1の扁平面と第2伝熱管2の扁平面とは、例えばアルミ−シリコン系等のろう材21によるろう付け等によって接合されている。つまり、本実施の形態1に係る熱交換器10は、第1伝熱管1を流れる第1冷媒と第2伝熱管2を流れる第2冷媒とが熱交換する熱交換器である。
一対の第1ヘッダー3は、一方の端部が閉塞された円筒形状をしている。第1ヘッダー3の開口した側の端部は、後述するヒートポンプシステムの冷媒回路に接続される。これら第1ヘッダー3は、第1伝熱管1の両端部に接続されている。より詳しくは、第1ヘッダー3の側面部には複数の差込穴3aが形成されており、これら差込穴3aに第1伝熱管1を差し込んで、第1伝熱管1と第1ヘッダー3とを接続する。第1伝熱管1と第1ヘッダー3との接合は、例えばアルミ−シリコン系等のろう材21によるろう付け等により行われる。第1伝熱管1が第1ヘッダー3に接続された状態においては、少なくとも一方の第1ヘッダー3内に第1伝熱管1の端部が突出するように、第1伝熱管1が第1ヘッダー3に接続されている。また、第1伝熱管1が第1ヘッダー3に接続された状態においては、第1伝熱管1の扁平面が第1ヘッダー3の管軸方向に沿うように、第1伝熱管1が第1ヘッダー3に接続されている。なお、第1伝熱管1の第1ヘッダー3内への突出長さについては、後述する。
一対の第2ヘッダー4は、一方の端部が閉塞された円筒形状をしている。第2ヘッダー4の開口した側の端部は、後述するヒートポンプシステムの冷媒回路に接続される。これら第2ヘッダー4は、第2伝熱管2の両端部に接続されている。より詳しくは、第2ヘッダー4の側面部には複数の差込穴4aが形成されており、これら差込穴4aに第2伝熱管2を差し込んで、第2伝熱管2と第2ヘッダー4とを接続する。第2伝熱管2と第2ヘッダー4との接合は、例えばアルミ−シリコン系等のろう材21によるろう付け等により行われる。なお、第2伝熱管2が第2ヘッダー4に接続された際、第2伝熱管2の第2ヘッダー4内への突出長さは任意である。例えば、第1伝熱管1と同じように、端部を第2ヘッダー4の内部へ突出させて、第2伝熱管2と第2ヘッダー4とを接続してもよい。例えば、第2伝熱管2の端部が第2ヘッダー4の内部に突出しないように、第2伝熱管2と第2ヘッダー4とを接続してもよい。
また、本実施の形態1に示す熱交換器10では、第1伝熱管1の長さと第2伝熱管2の長さを略同等にしている。このため、第1ヘッダー3と第2ヘッダー4が干渉しないように、第1伝熱管1の端部近傍が折り曲がっている。
次に、第1伝熱管1の第1ヘッダー3内への突出長さの詳細について説明する。
図4は、本発明の実施の形態1に係る熱交換器における第1伝熱管と第1ヘッダーとの接続部近傍を示した要部断面図である。また、図5は、図4のC−C断面図である。なお、図4に示す矢印61は、第1ヘッダー3内を流れる冷媒の流れ方向を示す。
図4に示すように、第1伝熱管1の第1ヘッダー3内への突出長さ1aは、第1ヘッダー3内を流れる冷媒の流れ方向上流側から下流側にかけて見た場合、第1伝熱管1の設置範囲において、流れ方向上流側から略中央部にかけて突出長さ1aが徐々に短くなっており、略中央部から流れ方向下流側にかけて突出長さ1aが徐々に長くなっている。
図5に示すように、第1ヘッダー3内に気液二相状態の冷媒が環状流となって流れる場合、液冷媒62は第1ヘッダー3の内周面を覆うように流れ、ガス冷媒63は液冷媒62よりも第1ヘッダー3の管軸側を流れる。このとき、ヘッダー内部への伝熱管の突出長さが同一となっている従来の熱交換器では、ヘッダーの冷媒流れ上流側に配置された伝熱管及び冷媒流れ下流側に配置された伝熱管に多くの液冷媒が流入していた。つまり、ヘッダー内部への伝熱管の突出長さが同一となっている従来の熱交換器では、ヘッダーの冷媒流れ上流側に配置された伝熱管及び冷媒流れ下流側に配置された伝熱管に液比率の高い冷媒が流入し、その間の伝熱管には液比率の低い冷媒が流入していた。このため、ヘッダー内部への伝熱管の突出長さが同一となっている従来の熱交換器は、各伝熱管へ分配される冷媒の気液分配比率に偏りが生じていた。
一方、本実施の形態1に係る熱交換器10は、上述のように、第1ヘッダー3内を流れる冷媒の流れ方向上流側から第1伝熱管1の設置範囲における略中央部にかけて突出長さ1aが徐々に短くなっており、この略中央部から流れ方向下流側にかけて突出長さ1aが徐々に長くなっている。つまり、第1ヘッダー3内を流れる冷媒は、突出長さ1aに応じた抵抗を受ける。そして、第1ヘッダー3内を流れる冷媒は、受ける抵抗が大きくなるとガス冷媒63が第1伝熱管1へ流入しやすくなり、受ける抵抗が小さくなると液冷媒62が第1伝熱管1へ流入しやすくなる。このため、本実施の形態1に係る熱交換器10は、各第1伝熱管1へ流入する(分配される)冷媒の気液分配比率の偏りを是正でき、熱交換性能の低下を防止することができる。
ここで、第1ヘッダー3内を流れる気液二相状態の冷媒が環状流の場合、ヒートポンプシステムに搭載された際の熱交換器10の設置姿勢は、特に限定されるものではない。液冷媒62が第1ヘッダー3の内周面を覆うように流れるため、熱交換器10がいずれの設置姿勢となっていても上述のように各第1伝熱管1へ流入する(分配される)冷媒の気液分配比率の偏りを是正できる。つまり、第1伝熱管1が垂直方向に第1ヘッダー3へ接続されている状態(図4及び図5に示す状態)となるように熱交換器10が設置される場合に限らず、第1伝熱管1が垂直方向から傾くように第1ヘッダー3へ接続されている状態に熱交換器10が設置される場合でも、上述のように各第1伝熱管1へ流入する(分配される)冷媒の気液分配比率の偏りを是正できる。
また、第1ヘッダー3内を流れる気液二相状態の冷媒がスラグ流の場合等、第1ヘッダー3内を流れる冷媒の流速が速い場合も、液冷媒62が第1ヘッダー3の内周面を覆うように流れるため、熱交換器10がいずれの設置姿勢となっていても上述のように各第1伝熱管1へ流入する(分配される)冷媒の気液分配比率の偏りを是正できる。
また、第1ヘッダー3内を流れる冷媒の流速が遅い場合、第1ヘッダー3内を流れる気液二相状態の冷媒は、ガス冷媒63と液冷媒62が上下に分離した流れとなる。このような場合でも、第1伝熱管1が垂直方向に第1ヘッダー3へ接続されている状態(図4及び図5に示す状態)となるように熱交換器10を設置することにより、上述のように各第1伝熱管1へ流入する(分配される)冷媒の気液分配比率の偏りを是正できる。なお、第1ヘッダー3内をガス冷媒63と液冷媒62が上下に分離して流れる状態であっても、液冷媒62が流入しにくい第1伝熱管1(例えば第1伝熱管1の設置範囲における略中央部近傍の第1伝熱管1)の第1ヘッダー3内への突出部が液冷媒62に浸っている状態であれば、第1伝熱管1の第1ヘッダー3への接続方向を垂直方向から傾けてもよい。発明者らが鋭意検討したところ、第1ヘッダー3内をガス冷媒63と液冷媒62が上下に分離して流れる状態であっても、第1伝熱管1の管周方向に沿って垂直方向から約±30℃傾けて第1伝熱管1を第1ヘッダー3へ接続しても、各第1伝熱管1へ流入する(分配される)冷媒の気液分配比率の偏りを是正できた。
なお、本発明を実施するための突出長さ1aの調整は、図4に示す構成に限られるものではない。例えば以下のように突出長さ1aを調整しても、各第1伝熱管1へ流入する(分配される)冷媒の気液分配比率の偏りを是正できる。
図6は、本発明の実施の形態1に係る熱交換器の別の一例を示す要部断面図である。この図6は、第1伝熱管1と第1ヘッダー3との接続部近傍を示した要部断面図である。
図4では、第1伝熱管1の設置範囲の両端に配置された第1伝熱管1は、突出長さ1aが同じ長さとなっていた。これに限らず、第1伝熱管1の設置範囲の両端に配置された第1伝熱管1の突出長さ1aを異ならせてもよい。また、突出長さ1aが最も短くなる第1伝熱管1を、第1伝熱管1の設置範囲の略中央部からずらして配置してもよい。
図6(a)に示す熱交換器10は、冷媒の流れ方向下流側に配置された第1伝熱管の突出長さ1aが最も長くなっており、突出長さ1aが最も短くなる第1伝熱管1を冷媒の流れ方向上流側へずらして配置している。また、図6(b)に示す熱交換器10は、突出長さ1aが最も短くなる第1伝熱管1を冷媒の流れ方向上流側へずらして配置している。第1ヘッダー3の奥側(冷媒の流れ方向下流側)に液冷媒62が溜まりやすい場合、図6(a)や図6(b)に示すように熱交換器10を構成することで、各第1伝熱管1へ流入する(分配される)冷媒の気液分配比率の偏りを是正できる。
また例えば、第1伝熱管1の突出長さ1aを徐々に異ならせていく必要は、必ずしもない。例えば、第1ヘッダー3を流れる冷媒の流れ方向に沿って見たとき、流れ方向上流側に配置された第1伝熱管1の方が突出長さ1aが大きくなっている範囲において、流れ方向下流側に配置されている第1伝熱管1の突出長さ1aよりも突出長さ1aが短くなっている第1伝熱管1があってもよい。
つまり、第1伝熱管1を、第1ヘッダー3の冷媒流れ上流側から下流側にかけて、第1伝熱管群、第2伝熱管群及び第3伝熱管群として複数の第1伝熱管1毎に分割した場合、第2伝熱管群に属する第1伝熱管1の突出長さ1aの平均値が、第1伝熱管群に属する第1伝熱管1の突出長さ1aの平均値及び第3伝熱管群に属する第1伝熱管1の突出長さ1aの平均値よりも短ければよい。このように熱交換器10を構成することにより、各第1伝熱管1へ流入する(分配される)冷媒の気液分配比率の偏りを是正でき、熱交換性能の低下を防止することができる。
実施の形態2.
本実施の形態2では、実施の形態1で示した熱交換器10を搭載したヒートポンプシステムの一例について示す。なお、本実施の形態2において、特に記述しない項目については実施の形態1と同様とする。
実施の形態1で示した熱交換器10は、例えば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、冷媒回路から供給される高温の第1冷媒を一方の第1ヘッダー3を通じて第1伝熱管1に供給し、他方の第1ヘッダー3を通じて冷媒回路に戻す。一方、第2冷媒は、一方の第2ヘッダー4を通じて第2伝熱管2に供給される。第2伝熱管2を流れる第2冷媒は、第1伝熱管1を流れる高温の第1冷媒によって加熱され、他方の第2ヘッダー4を通じて利用側の負荷へ供給される。利用側の負荷へ供給された第2冷媒は、例えば暖房等に用いられる。第2冷媒として水を使用する場合、給湯に用いてもよい。第1伝熱管1を流れる第1冷媒の流れ方向と第2伝熱管2を流れる第2冷媒の流れ方向とは、対向流又は平行流となっている。
なお、熱交換器10をヒートポンプシステムに搭載する際、第1伝熱管1及び第2伝熱管2の冷媒流路面積は、使用冷媒の種類や動作環境等に応じて適宜決定すればよい。より詳しくは、第1冷媒と第2冷媒との間において比熱や密度等の熱物性値が異なる場合、第1伝熱管1を流れる第1冷媒の流量と第2伝熱管2を流れる冷媒の流量が異なる場合、第1伝熱管1を流れる第1冷媒の圧力条件と第2伝熱管2を流れる冷媒の圧力条件が異なる場合、又は第1伝熱管1を流れる第1冷媒と第2伝熱管2を流れる冷媒の性状度が異なる場合等、第1伝熱管1の冷媒流路面積と第2伝熱管2の冷媒流路面積とを異ならせればよい。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等を用いる場合、熱交換性能を向上させるためや、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、第1伝熱管1の冷媒流路面積よりも第2伝熱管2の冷媒流路面積を大きくするとよい。
以下、図面を用いて、実施の形態1で示した熱交換器10を搭載したヒートポンプシステムの一例の構成について示す。
図7は、本発明の実施の形態2に係るヒートポンプシステムの一例を示す構成図である。
図7に示すヒートポンプシステム100は、第1冷媒が流れる第1冷媒回路、第2冷媒が流れる第2冷媒回路、及び第1冷媒と第2冷媒とが熱交換を行う熱交換器10を有する。なお、図7に示すヒートポンプシステム100は、第1冷媒としてR410Aを用い、第2冷媒として水を用いている。第1冷媒回路は、圧縮機31、膨張弁33、室外熱交換器34及びファン39を有している。第2冷媒回路は、利用側熱交換器35及びポンプ36を有している。
第1冷媒回路においては、圧縮機31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。熱交換器10で凝縮した第1冷媒は、膨張弁33で減圧され、室外熱交換器34へ流入する。室外熱交換器34へ流入した第1冷媒は、ファン39から供給された空気と熱交換して蒸発し、圧縮機31に戻る。一方、第2冷媒回路においては、熱交換器10で加熱された第2冷媒は、ポンプ36で利用側熱交換器35に供給されて放熱する。利用側熱交換器35として例えばラジエーターや床暖房ヒーター等を適用し、暖房を行う。なお、第2冷媒として水を用いる場合、第2伝熱管2及び第2ヘッダー4を耐食性材で形成する等、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8は、本発明の実施の形態2に係るヒートポンプシステムの別の一例を示す構成図である。
図8に示すヒートポンプシステム101は、利用側熱交換器35をタンク38内に設置したものであり、タンク内に供給された水を加熱して取り出す給湯システムとして使用したものである。なお、その他の構成及び機能は、図7に示したヒートポンプシステム100と同様である。
図7及び図8に示すように、利用側熱交換器35において暖房又は給湯する際にヒートポンプシステムを用いることにより、従来のボイラーを熱源とした暖房システムや給湯システムに比べて、省エネルギー化を図ることができる。また、これらヒートポンプシステムに実施の形態1で示した熱交換器10を搭載することにより、各第1伝熱管1へ分配される冷媒の気液分配比率の偏りに起因する熱交換性能の低下を防止することができる。このため、利用側熱交換器35において暖房又は給湯する際、これらヒートポンプシステムに実施の形態1で示した熱交換器10を搭載することにより、従来の熱交換器を搭載したヒートポンプシステムよりもさらに省エネルギー化を図ることができる。
図9は、本発明の実施の形態2に係るヒートポンプシステムのさらに別の一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102は、圧縮機31の冷媒吐出方向が図7で示したヒートポンプシステム100と異なる。なお、その他の構成は、図7で示したヒートポンプシステム100と同様である。図9に示すヒートポンプシステム102においても、第1冷媒としてR410Aを用い、第2冷媒として水を用いている。
第1冷媒回路においては、圧縮機31で高温高圧となった第1冷媒は、室外熱交換器34に流入し、ファン39から供給された空気と熱交換して凝縮される。室外熱交換器34で凝縮された第1冷媒は、膨張弁33で減圧され、熱交換器10へ流入する。熱交換器10へ流入した第1冷媒は、第2冷媒と熱交換して蒸発し、圧縮機31に戻る。一方、第2冷媒回路においては、熱交換器10で冷却された第2冷媒は、ポンプ36で利用側熱交換器35に供給されて吸熱する。利用側熱交換器35として例えば空気熱交換器等を適用し、冷房を行う。なお、利用側熱交換器35として冷水パネル等を適用し、ヒートポンプシステム102を輻射冷房システムとして使用しても勿論よい。
ヒートポンプシステムに実施の形態1で示した熱交換器10を搭載したヒートポンプシステム102においては、各第1伝熱管1へ分配される冷媒の気液分配比率の偏りに起因する熱交換性能の低下を防止することができる。このため、利用側熱交換器35において冷房する際、従来の熱交換器を搭載したヒートポンプよりも省エネルギー化を図ることができる。
なお、図8のヒートポンプシステム101(給湯システム)においても、図9で示したヒートポンプシステム102のように圧縮機31の冷媒吐出方向を変更してもよい。このようにヒートポンプシステムを構成することにより、冷水を供給することが可能となる。
図10は、本発明の実施の形態2に係るヒートポンプシステムのさらに別の一例を示す構成図である。
図7で示したヒートポンプシステム100及び図9で示したヒートポンプシステム102は、それぞれ温熱又は冷熱を専用に利用するものであった。これに対し、図10に示すヒートポンプシステム103のように四方弁32を設けることにより、温熱と冷熱を切り替えて利用できる。
なお、図8のヒートポンプシステム101(給湯システム)においても、図10で示したヒートポンプシステム103のように四方弁32を設けてもよい。このようにヒートポンプシステムを構成することにより、湯と冷水を切り替えて供給することが可能となる。
ここで、上述のように、本実施の形態2で示したヒートポンプシステムは、第1冷媒としてR410Aを用い、第2冷媒として水を用いた。冷媒の種類はこれに限らず、本実施の形態2で示したヒートポンプシステムは、第1冷媒及び第2冷媒として種々の冷媒を用いることが可能である。例えば、第1冷媒として、他のフロン系冷媒、二酸化炭素や炭化水素等の自然冷媒を用いてもよい。また例えば、第2冷媒として、フロン系冷媒、二酸化炭素や炭化水素等の自然冷媒、水道水や蒸留水やブライン等の水を用いてもよい。
実施の形態3.
実施の形態1に係る熱交換器10を例えば以下のように構成してもよい。そして、以下のように構成した熱交換器10を、例えば実施の形態2で示したようなヒートポンプシステムに搭載してもよい。なお、本実施の形態3において、特に記述しない項目については実施の形態1又は実施の形態2と同様とする。
図11は、本発明の実施の形態3に係る熱交換器を示す要部断面図である。この図11は、第1伝熱管1と第1ヘッダー3との接続部近傍を示した要部断面図である。
図11に示すように、本実施の形態3に係る熱交換器10は、第1ヘッダー3の冷媒流れ上流側から下流側にかけて反らせるように、第1ヘッダー3が形成されている。このため、各第1伝熱管1の端部の位置を揃えても、第1ヘッダー3の反り量によって第1伝熱管1の突出長さ1aを調整することができる。
このように構成された熱交換器10においては、第1伝熱管1の突出長さ1aを容易に調整することができる。
実施の形態4.
また、実施の形態1又は実施の形態3に係る熱交換器10を例えば以下のように構成してもよい。そして、以下のように構成した熱交換器10を、例えば実施の形態2で示したようなヒートポンプシステムに搭載してもよい。なお、本実施の形態4において、特に記述しない項目については実施の形態1〜実施の形態3と同様とする。
図12は、本発明の実施の形態4に係る熱交換器を示す要部断面図である。また、図13は、図12のD−D断面図である。なお、図12は、第1伝熱管1と第1ヘッダー3との接続部近傍を示した要部断面図である。
図12及び図13に示すように、本実施の形態4に係る熱交換器10は、第1ヘッダー3の内部に突出した第1伝熱管1の端部に傾斜部1bが形成されている。より詳しくは、第1ヘッダー3の内部に突出した第1伝熱管1の端部には、第1伝熱管1の管軸方向と垂直な面に対して所定角度αだけ傾斜するように、開口部が形成されている。そして、この開口部は、第1ヘッダー3の冷媒流れ上流側に向かって開口している。
このように構成された熱交換器10においては、従来の熱交換器においてはガス冷媒が流入しやすかった第1伝熱管1(例えば、実施の形態1で示した第2伝熱管群の第1伝熱管1)により液冷媒が流入しやすくなり、各第1伝熱管1へ流入する(分配される)冷媒の気液分配比率の偏りをより是正できる。
実施の形態5.
実施の形態1〜実施の形態4で示した第1伝熱管1においては、第1伝熱管1の形状に限らず、その他の形状の第1伝熱管1においても本発明を実施することができる。なお、本実施の形態5において、特に記述しない項目については実施の形態1〜実施の形態4と同様とする。
図14は、本実施の形態5に係る熱交換器の一例を示す要部断面図である。この図14は、第1伝熱管1の管軸方向が紙面直交方向となるように切断した要部断面図である。
実施の形態1〜実施の形態4で示した熱交換器10の第1伝熱管1においては、図14(a)に示すように、第1伝熱管1の管軸方向と垂直な面で切断した断面形状は、両側部が円弧状となった扁平形状となっていた。そして、第1伝熱管1が第1ヘッダー3に接続された状態においては、第1伝熱管1の扁平面が第1ヘッダー3の管軸方向に沿うように、第1伝熱管1が第1ヘッダー3に接続されていた。
しかしながら、例えば図14(b)のように、第1伝熱管1の形状を形成してもよい。図14(b)で示した第1伝熱管1においては、第1伝熱管1の管軸方向と垂直な面で切断した断面形状は、略長方形状となっている。そして、第1伝熱管1が第1ヘッダー3に接続された状態においては、第1伝熱管1の扁平面が第1ヘッダー3の管軸方向に沿うように、第1伝熱管1が第1ヘッダー3に接続されている。
このように第1伝熱管1を構成しても、実施の形態1〜実施の形態4で示したように第1伝熱管1の突出長さ1aを調整することにより、各第1伝熱管1へ流入する(分配される)冷媒の気液分配比率の偏りを是正でき、熱交換器10の熱交換性能の低下を防止することができる。
また例えば、図14(c)のように、第1伝熱管1の形状を形成してもよい。図14(c)で示した第1伝熱管1においては、図14(a)と同様に、第1伝熱管1の管軸方向と垂直な面で切断した断面形状は、両側部が円弧状となった扁平形状となっている。そして、第1伝熱管1が第1ヘッダー3に接続された状態においては、第1伝熱管1の扁平面が第1ヘッダー3の管軸方向に沿うように、第1伝熱管1が第1ヘッダー3に接続されている。さらに、図14(c)で示した第1伝熱管1は、第1冷媒の流路が第1ヘッダー3の管軸方向に沿って複数の流路に分割されている。なお、図14(b)で示した第1伝熱管1の流路を、第1ヘッダー3の管軸方向に沿って複数の流路に分割しても勿論よい。
このように第1伝熱管1を構成しても、実施の形態1〜実施の形態4で示したように第1伝熱管1の突出長さ1aを調整することにより、各第1伝熱管1の冷媒流路(微小流路)へ流入する(分配される)冷媒の気液分配比率の偏りを是正でき、熱交換器10の熱交換性能の低下を防止することができる。また、第1冷媒の流路を複数に分割することにより、第1冷媒の伝熱面積が拡大するので、熱交換器10の熱交換性能を向上することや熱交換器10を小型化することも可能となる。
なお、本実施の形態5では第1伝熱管1の形状に着目して示したが、第2伝熱管2の形状も、本実施の形態5で示した第1伝熱管1と同様の形状にしてもよい。
実施の形態6.
実施の形態1〜実施の形態5では、第1冷媒と第2冷媒とが熱交換する熱交換器10について説明した。これに限らず、第1冷媒と空気とが熱交換する熱交換器においても本発明を実施することができる。なお、本実施の形態6において、特に記述しない項目については実施の形態1〜実施の形態5と同様とする。
図15は、本発明の実施の形態6に係る熱交換器を示す外観斜視図である。
本実施の形態6に係る熱交換器10は、第2伝熱管2及び第2ヘッダー4に替えて、フィン71が設けられている。つまり、第1伝熱管1を流れる第1冷媒は、フィン71を介して、フィン71の周囲の空気と熱交換する。
このように構成された熱交換器10においても、実施の形態1〜実施の形態5で示したように第1伝熱管1の突出長さ1aを調整することにより、各第1伝熱管1へ流入する(分配される)冷媒の気液分配比率の偏りを是正でき、熱交換器10の熱交換性能の低下を防止することができる。
1 第1伝熱管、1a 突出長さ(第1伝熱管)、1b 傾斜部、2 第2伝熱管、3 第1ヘッダー、3a 差込穴、4 第2ヘッダー、4a 差込穴、10 熱交換器、21 ろう材、31 圧縮機、32 四方弁、33 膨張弁、34 室外熱交換器、35 利用側熱交換器、36 ポンプ、38 タンク、39 ファン、61 矢印(冷媒流れ方向)、62 液冷媒、63 ガス冷媒、71 フィン、100〜103 ヒートポンプシステム。

Claims (11)

  1. 第1冷媒が流れる冷媒流路が形成された複数の第1伝熱管と、
    複数の前記第1伝熱管の両端部に接続された一対の第1ヘッダーと、
    を備え、
    少なくとも前記第1ヘッダーの一方には、複数の前記第1伝熱管の端部が前記第1ヘッダーの内部に突出して接続され、
    前記第1伝熱管を、前記第1ヘッダーの冷媒流れ上流側から下流側にかけて、第1伝熱管群、第2伝熱管群及び第3伝熱管群として複数の前記第1伝熱管毎に分割した場合、
    前記第2伝熱管群に属する前記第1伝熱管の前記第1ヘッダー内部への突出長さの平均値は、前記第1伝熱管群に属する前記第1伝熱管の前記第1ヘッダー内部への突出長さの平均値及び前記第3伝熱管群に属する前記第1伝熱管の前記第1ヘッダー内部への突出長さの平均値よりも短いことを特徴とする熱交換器。
  2. 前記第1伝熱管の前記第1ヘッダー内部への突出長さは、
    前記第1ヘッダーの冷媒流れ上流側から所定の箇所にかけて徐々に短くなり、前記第1ヘッダーの該所定の箇所から冷媒流れ下流側にかけて徐々に長くなっていることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  3. 複数の前記第1伝熱管の端部が内部に突出して接続された前記第1ヘッダーは、
    当該第1ヘッダーの冷媒流れ方向上流側から下流側にかけて反っている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. 複数の前記第1伝熱管は、
    前記第1ヘッダー内部へ突出した側の端部の開口部が当該第1伝熱管の管軸と垂直な面に対して傾斜して形成されており、かつ、当該開口部が前記第1ヘッダーの冷媒流れ方向上流側に向かって開口していることを特徴とする請求項1〜請求項3の何れか一項に記載の熱交換器。
  5. 前記第1伝熱管は扁平管であり、
    前記第1伝熱管は、前記第1伝熱管の扁平面が前記第1ヘッダーの管軸方向に沿うように設けられていることを特徴とする請求項1〜請求項4の何れか一項に記載の熱交換器。
  6. 前記第1伝熱管は、前記第1ヘッダーの管軸方向に沿って、複数の冷媒流路が形成されていることを特徴とする請求項5に記載の熱交換器。
  7. 第2冷媒が流れる冷媒流路が形成された複数の第2伝熱管と、
    複数の前記第2伝熱管の両端部に接続された一対の第2ヘッダーと、
    を備え、
    複数の前記第2伝熱管は扁平管であり、
    前記第1伝熱管と前記第2伝熱管とは、互いの扁平面が接合して設けられていることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の熱交換器。
  8. 請求項1〜請求項7の何れか一項に記載の熱交換器を搭載したことを特徴とするヒートポンプシステム。
  9. 複数の前記第1伝熱管は、これら前記第1伝熱管の端部が内部に突出された側の前記第1ヘッダーに対して、垂直方向から傾いた方向に接続されてい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. 複数の前記第1伝熱管の端部が内部に突出された側の前記第1ヘッダーに流れる冷媒は、気液二相状態で流れる場合、環状流又はスラグ流として流れることを特徴とする請求項8又は請求項9に記載のヒートポンプシステム。
  11. 複数の前記第1伝熱管は、これら前記第1伝熱管の端部が内部に突出された側の前記第1ヘッダーに対して、垂直方向に接続されてい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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