JP2013113559A - 二重管式熱交換器及びこれを備えた空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトに構成することが可能でありながら、気液二相冷媒に含まれる液冷媒が内管から流出するのを抑制し、液バック現象の発生を防止することができる二重管式熱交換器を提供する。
【解決手段】二重管式熱交換器３１は、高圧液冷媒を流動させる外管３２と、前記高圧液冷媒を減圧して得られる低圧の気液二相冷媒を流入させる入口側端部３３Ａ、及び圧縮機の吸引側に接続される出口側端部３３Ｂを有する内管３３と、を備えている。二重管式熱交換器３１は、上下方向に配設された複数の縦管３４Ａ，３４Ｂと、複数の縦管３４Ａ，３４Ｂの端部同士を接続する曲管３５とからなり、内管３３の出口側端部３３Ｂが、一の縦管３４Ｂの上端部に設けられ、内管３３の入口側端部３３Ａが、他の縦管３４Ａの上端部に設けられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、二重管式熱交換器及びこれを備えた空気調和装置に関する。

空気調和装置において、膨張弁に流入する前の高圧の液冷媒を過冷却する過冷却熱交換器を備えた冷媒回路が知られている。また、この過冷却熱交換器としては、下記特許文献１に開示されているように、高圧液冷媒を流動させる外管と、高圧液冷媒を減圧して得られる低圧の気液二相冷媒を流動させる内管とを備えた二重管式のものがある。具体的に、この特許文献１には、上下方向に配置された縦管形状の二重管式熱交換器と、逆Ｕ字形状の二重管式熱交換器とが開示されている。

特開２００３−７５０２６号公報

縦管形状の二重管式熱交換器は、空気調和装置における室外機のケーシング内に上下方向に広い配置スペースを確保する必要があるとともに、その上端部と下端部とにそれぞれ冷媒配管を接続しなければならないので、この冷媒配管の接続作業の際に二重管式熱交換器を上下反転させる工程が必要となり、作業が煩雑になるという欠点がある。

これに対して、逆Ｕ字形状の二重管式熱交換器は、上下方向に関してコンパクトに配置することができ、両端部がいずれも同じ側（下側）に配置されるため、冷媒配管の接続作業も容易になるという利点がある。しかし、内管の一方の端部（入口側端部）から流入した気液二相冷媒は、上向きに流れた後、Ｕ字状の湾曲部を経て下向きに流れ、他方の端部（出口側端部）から流出されるので、内管の内部で気液二相冷媒が十分に蒸発されなかった場合には、気液二相冷媒に含まれる液部分（液冷媒）が湾曲部を超えてしまうと内管内を下向きに流れて出口側端部から流出されやすくなり、圧縮機に流入してしまう可能性がある。このような現象は「液バック現象」と呼ばれ、圧縮機の性能低下の原因となるため、好ましくない。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、コンパクトに構成することが可能でありながら、気液二相冷媒に含まれる液冷媒が内管から流出するのを抑制し、液バック現象の発生を防止することができる二重管式熱交換器及び空気調和装置を提供することを目的とする。

（１）本発明は、高圧液冷媒を流動させる外管と、前記高圧液冷媒を減圧して得られる低圧の気液二相冷媒を流入させる入口側端部、及び圧縮機の吸引側に接続される出口側端部を有する内管と、を備えている二重管式熱交換器であって、
上下方向に配設された複数の縦管と、複数の縦管の端部同士を接続する曲管とからなり、
前記内管の出口側端部が、一の縦管の上端部に設けられ、
前記内管の入口側端部が、他の縦管の上端部に設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、内管の入口側端部から流入した気液二相冷媒は、内管を流れる間に外管を流れる高圧液冷媒と熱交換して蒸発し、ガス冷媒となって内管の出口側端部から流出する。この際、内管の出口側端部が一の縦管の上端部に形成されているので、気液二相冷媒が十分に蒸発されず液部分（液冷媒）が残った場合であっても、この液部分は一の縦管の内管内を上昇し難いため、出口側端部から流出され難くなる。そのため、圧縮機に液冷媒が収入してしまう「液バック現象」を防止することができる。
また、内管の入口側端部と出口側端部とがいずれも縦管の上端部に設けられるので、二重管式熱交換器を反転させることなく冷媒配管を接続することができ、配管接続作業を容易に行うことができる。

（２）上記構成において、２本の前記縦管を備えるとともに、これらの縦管の下端部同士が前記曲管により接続されていることが好ましい。
このような構成によって、二重管式熱交換器を簡素の構成することができるとともに、曲管部分を少なくすることで冷媒の圧力損失を小さくすることができる。

（３）本発明の空気調和装置は、圧縮機と、この圧縮機により圧縮された高圧ガス冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮された高圧液冷媒を減圧する減圧機構と、減圧された低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記凝縮器により凝縮された高圧液冷媒を前記減圧機構により減圧する前に過冷却する上記（１）又は（２）に記載の二重管式熱交換器と、を備えていることを特徴とする。

（４）上記空気調和装置において、前記二重管式熱交換器における複数の縦管の下端部に接続された曲管は、当該空気調和装置におけるケーシングの底フレーム上に支持部材を介して支持されていることが好ましい。
このような構成によって、比較的強度の高くなる曲管の部分において二重管式熱交換器を安定して支持することができる。

本発明によれば、コンパクトに構成することが可能でありながら、気液二相冷媒に含まれる液冷媒が内管から流出するのを抑制し、液バック現象の発生を防止することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る空気調和装置の冷媒回路を示す模式図である。 図１に示される空気調和装置の冷媒回路に設けられた二重管式熱交換器の概略図である。 本発明の第２の実施の形態に係る二重管式熱交換器の変形例を示す概略図である。 空気調和装置の冷媒回路の変形例を示す模式図である。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る室外機を有する空気調和装置の冷媒回路を示す模式図である。
空気調和装置１は、例えばビル用のマルチタイプの空気調和装置であり、１つ又は複数の室外機２に対して複数の室内機３が並列に接続され、冷媒が流通できるように、冷媒回路１０が形成されている。

室外機２には、圧縮機１１、四路切換弁１２、室外熱交換器１３、室外膨張弁１４、過冷却熱交換器３１等が設けられ、これらは冷媒配管によって接続されることによって冷媒回路を構成している。また、室外機２には送風ファン２３が設けられている。室内機３には、室内膨張弁１５および室内熱交換器１６等が設けられている。四路切換弁１２と室内熱交換器１６とはガス側冷媒連絡配管１７ａにより接続され、室外膨張弁１４と室内膨張弁１５とは液側冷媒連絡配管１７ｂにより接続されている。室外機２の内部冷媒回路の端末部には、ガス側閉鎖弁１８と液側閉鎖弁１９とが設けられている。ガス側閉鎖弁１８は四路切換弁１２側に配置されており、液側閉鎖弁１９は室外膨張弁１４側に配置されている。ガス側閉鎖弁１８にはガス側冷媒連絡配管１７ａが接続され、液側閉鎖弁１９には液側冷媒連絡配管１７ｂが接続される。

上記構成の空気調和装置１において、冷房運転を行う場合には、四路切換弁１２が図１において実線で示す状態に保持される。圧縮機１１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四路切換弁１２を経て室外熱交換器（凝縮器）１３に流入し、送風ファン２３の作動により室外空気と熱交換して凝縮・液化する。液化した冷媒は、全開状態の室外膨張弁１４を通過し、液側冷媒連絡配管１７ｂを通って各室内機３に流入する。室内機３において、冷媒は、室内膨張弁（減圧機構）１５で所定の低圧に減圧され、さらに室内熱交換器（蒸発器）１６で室内空気と熱交換して蒸発する。そして、冷媒の蒸発によって冷却された室内空気は、図示しない室内ファンによって室内に吹き出され、当該室内を冷房する。また、室内熱交換器１６で蒸発した冷媒は、ガス側冷媒連絡配管１７ａを通って室外機２に戻り、四路切換弁１２を経て圧縮機１１に吸い込まれる。

他方、暖房運転を行う場合には、四路切換弁１２が図１において破線で示す状態に保持される。圧縮機１１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四路切換弁１２を経て各室内機３の室内熱交換器（凝縮器）１６に流入し、室内空気と熱交換して凝縮・液化する。冷媒の凝縮によって加熱された室内空気は、室内ファンによって室内に吹き出され、当該室内を暖房する。室内熱交換器１６において液化した冷媒は、全開状態の室内膨張弁１５から液側冷媒連絡配管１７ｂを通って室外機２に戻る。室外機２に戻った冷媒は、室外膨張弁（減圧機構）１４で所定の低圧に減圧され、さらに室外熱交換器（蒸発器）１３で室外空気と熱交換して蒸発する。そして、室外熱交換器１３で蒸発した冷媒は、四路切換弁１２を経て圧縮機１１に吸い込まれる。

本実施の形態の過冷却熱交換器３１は、上述のような冷房運転の際に、室外熱交換器１３から流出した高圧の液冷媒を室内膨張弁１５によって減圧する前に過冷却するために使用される。本実施の形態において、過冷却熱交換器３１は、室外膨張弁１４と液側閉鎖弁１９との間の冷媒配管（ここでは、主冷媒配管２５と呼称する）に設けられている。
また、冷媒回路は、室外熱交換器１３において凝縮した冷媒（高圧液冷媒）の一部を主冷媒配管２５から分岐して、過冷却熱交換器３１に対して冷却源となる冷却冷媒を供給し、その後、圧縮機１１の吸入側に冷却冷媒を戻すバイパス冷媒回路２６を有している。具体的に、バイパス冷媒回路２６は、室外膨張弁１４と過冷却熱交換器３１との間の主冷媒配管２５から冷媒を分岐させ、過冷却熱交換器３１における冷却冷媒の入口に接続される分岐配管２７と、過冷却熱交換器３１における冷却冷媒の出口から圧縮機１１の吸入側に配管に合流する合流配管２８とを有する。

分岐配管２７には、冷媒を減圧するバイパス膨張弁２９が設けられている。バイパス膨張弁２９は電動弁等からなり、分岐配管２７を流れる高圧液冷媒を減圧して、低圧の気液二相冷媒にする。そして、室外熱交換器１３から室内膨張弁１５へ向けて流動する高圧液冷媒は、過冷却熱交換器３１において、低圧の気液二相冷媒によって過冷却される。気液二相冷媒に含まれる液部分（液冷媒）は高圧液冷媒との熱交換により蒸発し、ガス冷媒となって圧縮機１１に吸入される。

図２は、図１に示される空気調和装置の冷媒回路に設けられた過冷却熱交換器（二重管式熱交換器）の概略図である。本実施の形態の過冷却熱交換器３１は、二重管式の熱交換器とされている。すなわち、過冷却熱交換器３１は、図１及び図２に示されるように、冷媒回路の主冷媒配管２５に接続され、室外熱交換器１３から流出した高温高圧の液冷媒を流動させる外管３２と、バイパス冷媒回路２６に接続され、バイパス膨張弁２９によって減圧された冷却冷媒を流動させる内管３３とからなる二重管によって構成されている。より具体的に、内管３３は、一端部（入口側端部）３３Ａが分岐配管２７に接続され、他端部（出口側端部）３３Ｂが合流配管２８に接続されている。そして、外管３２を流動する高圧液冷媒と内管３３を流動する気液二相冷媒とは、互いに熱交換されることによって、高圧液冷媒は過冷却され、気液二相冷媒は液部分が蒸発することによってガス冷媒となる。

過冷却熱交換器３１は、Ｕ字状に湾曲した構造に形成されている。具体的に、過冷却熱交換器３１は、２つの縦管３４Ａ，３４Ｂと、この二つの縦管３４Ａ，３４Ｂの端部同士を繋ぐ曲管３５とからなっている。曲管３５は、２つの縦管３４Ａ，３４Ｂの下端部同士を接続している。したがって、冷媒の入口側端部３２Ａ，３３Ａ及び出口側端部３２Ｂ，３３Ｂは、２つの縦管３４Ａ，３４Ｂの上端部に設けられている。

過冷却熱交換器３１の内管３３には、バイパス膨張弁２９によって減圧された気液二相の冷却冷媒が入口側端部３３Ａから流入し、内管３３を流れる過程で外管３２を流れる高圧液冷媒と熱交換し、ガス冷媒となって出口側端部３３Ｂから流出する。しかしながら、高圧液冷媒との熱交換で気液二相冷媒の液部分が完全に蒸発されない場合に、当該液部分が出口側端部３３Ｂから流出してしまうと、圧縮機１１に吸引されて液バック現象が生じ、圧縮機１１の性能低下の原因となる。

本実施の形態では、内管３３の出口側端部３３Ｂが縦管３４Ｂの上端部に設けられているので、気液二相冷媒の液部分が蒸発せずに残ったとしても内管３３の出口側端部３３Ｂへ向けて上昇し難く、当該端部３３Ｂから流出し難くなっている。そのため、圧縮機１１への液バック現象を抑制することができる。また、気液二相冷媒の液部分は、曲管３５に残存している間に外管３２内の高圧液冷媒との間で熱交換し、やがてガス冷媒となって出口側端部３３Ｂから流出される。一方、２本の縦管３４Ａ，３４Ｂは、水平部分を備えない曲管３５によって接続されているので、２本の縦管３４Ａ，３４Ｂの間における気液二相冷媒の偏流（液部分とガス部分の上下分離）を可及的に抑制することができる。

また、過冷却熱交換器３１における外管３２の入口側端部３２Ａ及び出口側端部３２Ｂと、内管３３の入口側端部３３Ａ及び出口側端部３３Ｂとは、いずれも上下方向に関して同じ側（上側）に設けられているので、これらに対する冷媒配管の接続を、過冷却熱交換器３１を上下反転することなく行うことができる。したがって、過冷却熱交換器３１に対する冷媒配管の接続作業を作業性よく行うことができる。

過冷却熱交換器３１は、室外機２のケーシングにおける底フレーム４３上に支持部材４０を介して取り付けられている。この支持部材４０は、ゴムや合成樹脂等から形成され、ボルト及びナット等からなる固定具４２によって底フレーム４３に固定されている。支持部材４０の上面には、湾曲状に凹む嵌合凹部４１が形成されている。過冷却熱交換器３１は、曲管３５を嵌合凹部４１に嵌合させ、支持部材４０と曲管３５とを締結バンド等によって固定することで、支持部材４０に支持されている。過冷却熱交換器３１は、曲管３５の部分において比較的強度が高くなるため、支持部材４０により安定して過冷却熱交換器３１を支持することができる。

図３は、第２の実施の形態に係る過冷却熱交換器（二重管式熱交換器）を示す概略図である。
図３に示される過冷却熱交換器３１は、４本の縦管３４Ａ〜３４Ｄと、３本の曲管３５Ａ〜３５Ｃを備えている。そして、隣接する縦管３４Ａ〜３４Ｄの端部同士がそれぞれ曲管３５Ａ〜３５Ｃによって接続され、全体として略Ｗ字状に形成されている。また、外管３２及び内管３３の入口側端部３２Ａ，３３Ａ及び出口側端部３２Ｂ，３３Ｂは、縦管３４Ａ，３４Ｄの上端部に設けられている。また、過冷却熱交換器３１の下部側に配置された曲管３５Ａ，３５Ｃは、支持部材４０を介してケーシングの底フレーム４３に支持されている。したがって、本実施の形態の過冷却熱交換器３１は、図２に示される過冷却熱交換器３１と同様の作用効果を奏する。さらに、本実施の形態の過冷却熱交換器３１は、第１の実施の形態の過冷却熱交換器３１と比べて、配管長が同一である場合に上下方向に関してよりコンパクトに構成することが可能となる。ただし、本実施の形態では、曲管３５Ａ〜３５Ｃの数が多い分だけ冷媒の圧力損失が生じやすくなるため、この点においては第１の実施の形態の方が有利である。

本発明は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、適宜変更することが可能である。
例えば、本発明の過冷却熱交換器（二重管式熱交換器）３１は、図４に示される冷媒回路にも適用することができる。この冷媒回路において、過冷却熱交換器３１は、室外熱交換器１３から流出する高圧液冷媒と、室内膨張弁１５によって減圧され、室内熱交換器１６において一部が蒸発した気液二相冷媒との間で熱交換を行うように構成されている。なお、この冷媒回路においては、暖房運転の際にも好適に過冷却熱交換器３１によって高圧液冷媒の過冷却を行うことができる。

図３に示される過冷却熱交換器３１は、複数の縦管３４Ａ〜３４Ｄ及び曲管３５Ａ〜３５Ｃが平面視で一直線状に配設されているが、例えば、平面視で四角形状や略Ｚ字状に配設されていてもよい。また、過冷却熱交換器３１は、６本以上の縦管（５本以上の曲管）を備えていてもよい。

１ 空気調和装置
２ 室外機
１０ 冷媒回路
１１ 圧縮機
１２ 四路切換弁
１３ 室外熱交換器
１４ 室外膨張弁
１５ 室内膨張弁
１６ 室内熱交換器
３１ 過冷却熱交換器（二重管式熱交換器）
３２ 外管
３３ 内管
３３Ａ 入口側端部
３３Ｂ 出口側端部
３４Ａ〜３４Ｄ 縦管
３５ 曲管
３５Ａ〜３５Ｃ 曲管
４０ 支持部材
４３ 底フレーム

Claims (4)

1. 高圧液冷媒を流動させる外管（３２）と、前記高圧液冷媒を減圧して得られる低圧の気液二相冷媒を流入させる入口側端部（３３Ａ）、及び圧縮機の吸引側に接続される出口側端部（３３Ｂ）を有する内管（３３）と、を備えている二重管式熱交換器（３１）であって、
   上下方向に配設された複数の縦管（３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ）と、複数の縦管（３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ）の端部同士を接続する曲管（３５，３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ）とからなり、
   前記内管（３３）の出口側端部（３３Ｂ）が、一の縦管（３４Ｂ，３４Ｄ）の上端部に設けられ、
   前記内管（３３）の入口側端部（３３Ａ）が、他の縦管（３４Ａ）の上端部に設けられていることを特徴とする二重管式熱交換器。
2. ２本の前記縦管（３４Ａ，３４Ｂ）を備えるとともに、これらの縦管（３４Ａ，３４Ｂ）の下端部同士が前記曲管（３５）により接続されている、請求項１に記載の二重管式熱交換器。
3. 圧縮機（１１）と、この圧縮機（１１）により圧縮された高圧ガス冷媒を凝縮する凝縮器（１３，１６）と、凝縮された高圧液冷媒を減圧する減圧機構（１５，１４）と、減圧された低圧冷媒を蒸発させる蒸発器（１６，１３）と、前記凝縮器（１３，１６）により凝縮された高圧液冷媒を前記減圧機構（１５，１４）により減圧する前に過冷却する請求項１又は２に記載の二重管式熱交換器（３１）と、を備えていることを特徴とする空気調和装置。
4. 前記二重管式熱交換器（３１）における複数の縦管（３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ）の下端部に接続された曲管（３５）が、当該空気調和装置におけるケーシングの底フレーム（４３）上に支持部材（４０）を介して支持されている、請求項３に記載の空気調和装置。

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