JP2012042128A - 熱交換器及びそれを搭載した空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】受け入れた冷媒が気液混合状態であっても、それを適切に分流させることができるパラレルフロー型熱交換器を提供する。
【解決手段】パラレルフロー型熱交換器１は、それぞれ垂直に配置された冷媒流入側ヘッダパイプ２及び冷媒流出側ヘッダパイプ３と、両ヘッダパイプ２、３を連結する複数の水平な偏平チューブ４を備える。冷媒流入側ヘッダパイプ２の内部には、下端から上端に向けて冷媒供給管１１が挿入される。冷媒供給管１１の側面１１ａの長さ方向には、偏平チューブ４に対面しない側の面に、複数の冷媒供給孔１３が垂直方向に所定ピッチで形成されている。冷媒流入側ヘッダパイプ２の上部にはガス抜き管１４が接続される。冷媒供給管１１の中で、ガス抜き管１４の入口に対面する箇所には冷媒供給孔１３は形成されていない。
【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。

パラレルフロー型熱交換器では、複数の偏平チューブに均等に冷媒が流れるようにすることが、熱交換効率向上を目指す上で重要な設計事項となる。冷媒の均等な分流を追求したパラレルフロー型熱交換器の例を特許文献１、２に見ることができる。

特許文献１に記載されたパラレルフロー型熱交換器は、筒状中空ヘッダーと、該ヘッダーの冷媒流入室に連通接続された冷媒入口管と、前記冷媒流入室に連通接続された複数のチューブを備える。前記冷媒流入室を複数の流入仕切室に仕切り、前記冷媒入口管を対応個数の分岐管に分岐させ、各分岐管を前記各流入仕切室に接続して、前記各チューブに冷媒を均等に分流させる。

特許文献２に記載されたパラレルフロー型熱交換器は、水平なヘッダーに垂直なチューブを組み合わせた構成を備える。下側ヘッダー内には、その長さ方向に沿って、冷媒入口管に連通する冷媒分散用管体が配置される。冷媒分散用管体の周壁には複数個の冷媒分散孔が設けられており、冷媒入口管を通じて下側ヘッダー内に流入した液冷媒が、各チューブに均等に分配されるようになっている。なお、冷媒分散用管体の周壁の中で、チューブに面する側にも冷媒分散孔が設けられているかどうかは不明である。

特開平６−７４６０９号公報 特開平６−１５９９８３号公報

パラレルフロー型熱交換器に流入する冷媒は、気液混合状態であることが多い。特許文献１記載のパラレルフロー型熱交換器の場合、流入仕切室に気液混合状態の冷媒が流入すると、あるチューブには液体が多く流れ、あるチューブには気体が多く流れるという、偏流の状態が生じ、熱交換効率が低下する。特許文献２記載のパラレルフロー型熱交換器でも、冷媒分散用管体から流出する冷媒が気液混合状態であった場合、偏流を防ぐすべがない。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、受け入れた冷媒が気液混合状態であっても、それを適切に分流させることができるパラレルフロー型熱交換器を提供することを目的とする。

本発明の好ましい実施形態によれば、パラレルフロー型熱交換器は、冷媒流入側ヘッダパイプ及び冷媒流出側ヘッダパイプと、前記両ヘッダパイプを連結する複数の偏平チューブを備えるサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器であって、前記冷媒流入側ヘッダパイプの内部に、下端から上端に向けて、または上端から下端に向けて冷媒供給管が挿入され、前記冷媒供給管の側面の長さ方向には、前記偏平チューブに対面しない側に、複数の冷媒供給孔が所定ピッチで形成されている。

本発明の好ましい実施形態によれば、上記構成のパラレルフロー型熱交換器において、前記冷媒流入側ヘッダパイプの上部にガス抜き管が接続されている。

本発明の好ましい実施形態によれば、上記構成のパラレルフロー型熱交換器において、
前記冷媒供給管の中で、前記ガス抜き管の入口に対面する箇所には前記冷媒供給孔が形成されていない。

本発明の好ましい実施形態によれば、上記構成のパラレルフロー型熱交換器において、
前記冷媒流入側ヘッダパイプはその上下端で前記冷媒供給管を支持する。

本発明の好ましい実施形態によれば、上記構成のパラレルフロー型熱交換器において、
前記複数の冷媒供給孔の合計面積と前記複数の偏平チューブの冷媒通路の合計面積がほぼ等しく設定されている。

本発明の好ましい実施形態によれば、上記構成のパラレルフロー型熱交換器が空気調和機の室内機または室外機に搭載される。

本発明によると、冷媒流入側ヘッダパイプの内部に、下端から上端または上端から下端に向けて冷媒供給管が挿入され、前記冷媒供給管の側面の長さ方向には、前記偏平チューブに対面しない側に、複数の冷媒供給孔が垂直方向に所定ピッチで形成されているから、冷媒供給孔から流出する冷媒が気液混合状態であった場合、偏平チューブに入る前に気体部分が浮力で上昇して冷媒流入側ヘッダパイプの上部に溜まり、気液分離が実現される。このため偏平チューブには主に液体の冷媒が流入することになり、偏平チューブ同士の間の冷媒分流が良好な形で進められるから、熱交換効率を高水準に維持することができる。

本発明の第１実施形態に係る熱交換器の正面図で、冷媒流入側ヘッダパイプの部分を断面で示したものである。 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。 図１のＢのレベルにおける冷媒流入側ヘッダパイプの水平断面図である。 図１のＣのレベルにおける冷媒流入側ヘッダパイプの水平断面図である。 本発明の第２実施形態に係る熱交換器の正面図で、冷媒流入側ヘッダパイプの部分を断面で示したものである。 本発明の第３実施形態に係る熱交換器の正面図で、冷媒流入側ヘッダパイプの部分を断面で示したものである。 図６のＤのレベルにおける冷媒流入側ヘッダパイプの水平断面図である。 図６のＥのレベルにおける冷媒流入側ヘッダパイプの水平断面図である。 本発明の第４実施形態に係る熱交換器の正面図で、冷媒流入側ヘッダパイプの部分を断面で示したものである。 本発明の第５実施形態に係る熱交換器の正面図で、冷媒流入側ヘッダパイプの部分を断面で示したものである。 図１０のＨのレベルにおける冷媒流入側ヘッダパイプの水平断面図である。 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。

パラレルフロー型熱交換器１はサイドフロー方式であり、２本のヘッダパイプ２、３と、その間に配置される複数の偏平チューブ４を備える。図１では、ヘッダパイプ２、３は垂直方向に延び、水平方向に間隔を置いて平行に配置されており、偏平チューブ４は水平方向に延び、垂直方向に所定ピッチで配置されている。実際に機器に搭載する段階では、パラレルフロー型熱交換器１は設計の要請に従って様々な角度に据え付けられるものであり、厳密な「垂直」「水平」が当てはまらなくなるケースが多いことは言うまでもない。

蒸発器として使用する場合（例えば、冷房運転時の室内機や暖房運転時の室外機）、ヘッダパイプ２は冷媒流入側ヘッダパイプとなり、ヘッダパイプ３は冷媒流出側ヘッダパイプとなる。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４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は冷媒流入側ヘッダパイプ２と冷媒流出側ヘッダパイプ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７が配置される。

冷媒流入側ヘッダパイプ２、冷媒流出側ヘッダパイプ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７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は冷媒流入側ヘッダパイプ２と冷媒流出側ヘッダパイプ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７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

冷媒流出側ヘッダパイプ３の内部は、３枚の仕切板８により４個の冷媒流出区画９に仕切られている。このようにしたのは冷媒の分流状態改善のためである。１個の冷媒流出区画９は６本の偏平チューブ４を受け持つ。また１個の冷媒流出区画９に１本の冷媒流出管１０が接続され、冷媒流出管１０の数は計４本となる。図示は省略しているが、４本の冷媒流出管１０は下流側で分流器などにより１本にまとめられる。

冷媒流入側ヘッダパイプ２の内部には、下端から上端に向けて冷媒供給管１１が挿入される。冷媒供給管１１の先端はキャップ１２で閉塞され、袋小路状になっており、この部分は冷媒流入側ヘッダパイプ２の上端を外側に突き抜けている。冷媒供給管１１は冷媒流入側ヘッダパイプ２と同材質であり、冷媒流入側ヘッダパイプ２の下端をなす鏡板及び上端をなす鏡板にロウ付けまたは溶着で固定される。

上記のように冷媒流入側ヘッダパイプ２は、その上下端で冷媒供給管１１を支持するから、冷媒供給管１１は冷媒流入側ヘッダパイプ２に対し所定の位置を保ち、冷媒流入側ヘッダパイプ２の中で傾いたりしない。このため、冷媒供給管１１が偏平チューブ４に接近し過ぎて冷媒通路５を塞いでしまうような事態は発生しない。

冷媒供給管１１は断面円形のパイプであり、円筒面である長さ方向の側面１１ａには冷媒供給孔１３が形成される。図４に示すように、冷媒供給孔１３は側面１１ａの中で偏平チューブ４に対面しない三方の面に１個ずつ形成され、これら３個の冷媒供給孔１３が１組となったものが、側面１１ａの長さ方向に、偏平チューブ４と同じ高さ、同じピッチで形成されている。

冷媒流入側ヘッダパイプ２の上部にはガス抜き管１４が接続される。ガス抜き管１４は最上位の偏平チューブ４と並ぶ高さに、偏平チューブ４と一直線上に並ぶ形で配置されている。冷媒供給孔１３は、通常は図４に示す通り冷媒供給管１１の三方に形成されているが、ガス抜き管１４に並ぶ高さのところでは、図３に示す通り、偏平チューブ４からもガス抜き管１４からも９０°隔たった位置に２個だけ形成されている。すなわち、冷媒供給管１１の中で、ガス抜き管１４の入口に対面する箇所には冷媒供給孔１３は形成されていない。

上記のように複数設けられた冷媒供給孔１３の合計面積と、偏平チューブ４の冷媒通路５の合計面積は、ほぼ等しくなるように設計されている。これは、冷媒供給管１１が冷媒の流動の妨げにならないようにするためである。

パラレルフロー型熱交換器１の機能は次の通りである。冷媒供給管１１に冷媒が送り込まれると、冷媒供給孔１３から冷媒が流出する。冷媒供給孔１３が形成されているのは偏平チューブ４に対面しない側の側面１１ａなので、冷媒が気液混合状態であったとしても、気体の冷媒がいきなり冷媒通路５に流入するようなことはない。

気液混合状態の冷媒は、冷媒流入側ヘッダパイプ２の内壁に当たって偏平チューブ４の方に向きを変える間に気体部分が浮力で上昇し、冷媒流入側ヘッダパイプ２の上部に溜まる。このようにして気液分離が実現され、冷媒通路５には主に液体の冷媒が流入することになり、偏平チューブ４同士の間の冷媒分流が良好な形で進められるから、熱交換効率を高水準に維持することができる。

冷媒流入側ヘッダパイプ２の上部に溜まる気体の冷媒はガス抜き管１４から流出するので、冷媒流入側ヘッダパイプ２の内部に過大な量の気体が滞留することはない。また冷媒供給管１１は、ガス抜き管１４に対面する箇所には冷媒供給孔１３を有していないから、冷媒供給孔１３から流出する液体の冷媒がガス抜き管１４に飛び込みにくくなり、そこから排出されてしまう可能性が低減する。

パラレルフロー型熱交換器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１２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の構成要素として用いることができる。熱交換器１０６は、３個の熱交換器１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃを送風機１０８を覆う屋根のように組み合わせたものであり、熱交換器１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃのいずれかをパラレルフロー型熱交換器１とすることができる。冷媒中の気体の割合の高さが問題となるような箇所にパラレルフロー型熱交換器１を用いるのがよい。

図１２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１３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。

パラレルフロー型熱交換器１は、室外機の熱交換器１０４としても使用可能である。

図５から図１１までに、本発明の他の実施形態を示す。第１実施形態と共通する構成要素には第１実施形態の説明で用いた符号をそのまま付し、説明は省略する。

本発明の第２実施形態を図５に示す。第２実施形態が第１実施形態と異なるのは、冷媒供給官１１が、冷媒流入側ヘッダパイプ２の内部に上端から下端に向けて挿入されている点である。

第１実施形態と同様、冷媒供給管１１には、側面１１ａの中で偏平チューブ４に対面しない三方の面に冷媒供給孔１３が形成されている。冷媒供給孔１３は偏平チューブ４と同じ高さのところにある。ガス抜き管１４に並ぶ高さのところでは、冷媒供給孔１３は偏平チューブ４からもガス抜き管１４からも９０°隔たった位置に２個だけ形成されている。すなわちガス抜き管１４のレベルにおける冷媒流入側ヘッダパイプの断面は図３と同一である。

冷媒供給管１１が冷媒流入側ヘッダパイプ２の上端から下端に向かっていると、下端から上端に向かうのに比べ、重力の影響により液体の冷媒が隅々まで行きやすい。すなわち、二相状態の冷媒がヘッダパイプ２の下端まで届くと、ガス冷媒がヘッダパイプ２の上端に溜まることが減少するため、ヘッダパイプ２の上端にも二相状態の冷媒が供給されやすくなる。第１実施形態のように冷媒供給管１１がヘッダパイプ２の下端から上端に向かう構成では、冷媒の気体部分が浮上しやすいため、上部の偏平チューブ４には液体の冷媒が行きにくい。もちろん、ガス抜き管１４でガス抜きをするので第１実施形態の構成でも効果は高いが、第２実施形態の方がさらに効果がある。

本発明の第３実施形態を図６から図８に示す。第３実施形態が第１実施形態と異なるのは冷媒供給孔１３の配置である。すなわち第３実施形態では、冷媒供給管１１の側面１１ａの中で、偏平チューブ４から１８０°隔たった位置にのみ冷媒供給孔１３が形成されている。第１実施形態と同様、冷媒供給孔１３は偏平チューブ４と同じ高さのところに配置されている。冷媒供給管１１の中で、ガス抜き管１４の入口に対面する箇所には冷媒供給孔１３は形成されていない。

冷媒供給管１１に冷媒が送り込まれると、冷媒供給孔１３から冷媒が流出する。冷媒供給孔１３が形成されているのは偏平チューブ４と反対側の側面１１ａのみなので、冷媒が気液混合状態であったとしても、気体の冷媒がいきなり冷媒通路５に流入するようなことはない。

気液混合状態の冷媒は、冷媒流入側ヘッダパイプ２の、偏平チューブ４が差し込まれたのと反対側の内壁に当たる。その後冷媒の流れが偏平チューブ４の方に向きを変える間に気体部分が浮力で上昇し、冷媒流入側ヘッダパイプ２の上部に溜まる。このようにして気液分離が実現され、冷媒通路５には主に液体の冷媒が流入することになり、偏平チューブ４同士の間の冷媒分流が良好な形で進められるから、熱交換効率を高水準に維持することができる。

本発明の第４実施形態を図９に示す。第４実施形態は第３実施形態の変形態様である。

第４実施形態では、冷媒供給管１１の中で、ガス抜き管１４に並ぶ高さのところに、冷媒供給孔１３が、偏平チューブ４からもガス抜き管１４からも９０°隔たった位置に２個だけ形成されている。すなわち図９の中でＦのレベルにおける冷媒流入側ヘッダパイプの断面は図３と同一である。この構成により、最上位の偏平チューブ４に対する冷媒の配分を改善することができる。

本発明の第５実施形態を図１０及び図１１に示す。第５実施形態が第１実施形態と異なるのは冷媒供給孔１３の配置である。すなわち第５実施形態では、冷媒供給管１１の側面１１ａの中で、偏平チューブ４からもガス抜き管１４からも９０°隔たった位置に２個ずつの冷媒供給孔１３が形成されている。冷媒供給孔１３は偏平チューブ４と同じ高さのところに配置されている。冷媒供給管１１の中で、ガス抜き管１４の入口に対面する箇所には冷媒供給孔１３は形成されていない。すなわち図１０のＧのレベルにおける冷媒流入側ヘッダパイプの断面は図３と同一である。

冷媒供給管１１に冷媒が送り込まれると、冷媒供給孔１３から冷媒が流出する。冷媒供給孔１３が形成されているのは偏平チューブ４から９０°隔たった側面１１ａなので、冷媒が気液混合状態であったとしても、気体の冷媒がいきなり冷媒通路５に流入するようなことはない。

気液混合状態の冷媒は、冷媒流入側ヘッダパイプ２の内壁に当たって偏平チューブ４の方に向きを変える間に気体部分が浮力で上昇し、冷媒流入側ヘッダパイプ２の上部に溜まる。このようにして気液分離が実現され、冷媒通路５には主に液体の冷媒が流入することになり、偏平チューブ４同士の間の冷媒分流が良好な形で進められるから、熱交換効率を高水準に維持することができる。

上記各実施形態では冷媒供給管１１の円周上に冷媒供給孔１３を９０°ピッチで配置したが、９０°ピッチ以外のピッチ、例えば１２０°ピッチも可能であり、また、同じ角度を組み合わせるのでなく異なる角度を組み合わせることも可能である。冷媒供給管１１における高さの違いに応じて冷媒供給孔１３の角度ピッチを異ならせてもよい。要は、冷媒供給孔１３が、そこから流出した冷媒が偏平チューブ４の冷媒通路５に直接流入するのでなく、一旦冷媒流入側ヘッダパイプ２の内壁に接触してから冷媒通路５に流入する角度に設けられていればよい。

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 冷媒流入側ヘッダパイプ
３ 冷媒流出側ヘッダパイプ
４ 偏平チューブ
５ 冷媒通路
６ コルゲートフィン
７ サイドプレート
１０ 冷媒流出管
１１ 冷媒供給管
１１ａ 長さ方向の側面
１３ 冷媒供給孔
１４ ガス抜き管

Claims (6)

1. 冷媒流入側ヘッダパイプ及び冷媒流出側ヘッダパイプと、前記両ヘッダパイプを連結する複数の偏平チューブを備え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、
   前記冷媒流入側ヘッダパイプの内部に、下端から上端に向けて、または上端から下端に向けて冷媒供給管が挿入され、前記冷媒供給管の側面の長さ方向には、前記偏平チューブに対面しない側に、複数の冷媒供給孔が所定ピッチで形成されていることを特徴とするパラレルフロー型熱交換器。
2. 前記冷媒流入側ヘッダパイプの上部にガス抜き管が接続されていることを特徴とする請求項１に記載のパラレルフロー型熱交換器。
3. 前記冷媒供給管の中で、前記ガス抜き管の入口に対面する箇所には前記冷媒供給孔が形成されていないことを特徴とする請求項２に記載のパラレルフロー型熱交換器。
4. 前記冷媒流入側ヘッダパイプはその上下端で前記冷媒供給管を支持することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のパラレルフロー型熱交換器。
5. 前記複数の冷媒供給孔の合計面積と前記複数の偏平チューブの冷媒通路の合計面積がほぼ等しく設定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のパラレルフロー型熱交換器。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のパラレルフロー型熱交換器を室内機または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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