JP2016102609A

JP2016102609A - ヘッダ及び熱交換器

Info

Publication number: JP2016102609A
Application number: JP2014240934A
Authority: JP
Inventors: 英幸森村; Hideyuki Morimura
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2016-06-02

Abstract

【課題】熱交換管に大きな加工を施すことなく、簡易な構成で複数の熱交換管に適切な量の液体の冷媒が分流され、熱交換効率を大幅に向上させることができるヘッダ及び熱交換器を提供する。【解決手段】複数の熱交換管とともに熱交換器を構成するものであり、冷媒流入口から流入した気液混合状態の冷媒を前記複数の熱交換管へと分流するヘッダであって、前記冷媒流入口と、前記複数の熱交換管の各導入口とが内部に開口する筐体と、少なくとも１つの導入口の近傍に配置されるように設けられ、前記筐体の内部を仕切る仕切り部材と、前記仕切り部材により形成され、前記導入口の近傍に所定量の液体の冷媒が溜められる液溜め部とを備えた。【選択図】図２

Description

本発明は、冷媒流入口から流入した気液混合状態の冷媒を複数の熱交換管へと分流するヘッダ、及び、このヘッダを用いた熱交換器に関するものである。

例えばマイクロチャネル熱交換器は、水平方向に延びる扁平多穴管として形成された複数の熱交換管を上下方向に所定間隔ごとに設けて、各熱交換管をヘッダに接続したものがある。

図９に示すように前記ヘッダ１００Ａは、上下方向に延びる筐体１Ａを具備し、前記筐体１Ａの内部において上部には外部から気液混合状態の冷媒が流入する冷媒流入口５Ａが設けてあり、前記複数の熱交換管の導入口３１Ａが上下方向に所定間隔ごとに並んで開口させてある。前記冷媒流入口５Ａから流入した気液混合状態の冷媒は重力により前記筐１Ａ体の上側から下側へと移動するとともに前記複数の熱交換器の各導入口３１Ａに導入されるように構成されている。

ところで、気体の冷媒に比べて液体の冷媒は比重が大きいため、上述した構成のヘッダ１００Ａでは前記筐体１Ａの内部において下方に液体の冷媒が貯まりやすい。このようにヘッダ１００Ａ内での冷媒の偏在してしまうので、前記筐体１Ａの内部において上方にある導入口３１Ａからは気体の冷媒が導入されやすく、下方にある導入口３１Ａに集中して液体の冷媒が導入されやすくなる。したがって、各熱交換管を流れる液体の冷媒の量は不均一となっており、性能に見合った適切な量の冷媒が各熱交換管に流れておらず、熱交換器としての熱交換効率が低下する原因となっている。

このような問題を解決するために特許文献１に記載の熱交換器では、ヘッダに挿入されている複数の熱交換管の各導入口について、様々な形状で異ならせることにより乱流を生じさせ、ヘッダ内での気体の冷媒と液体の冷媒の混合が促進されるように構成されている。

また、特許文献２に記載の熱交換器では、ヘッダの筐体内に挿入されている各熱交換管の端部を下方側へ曲げて、全ての導入口の高さがヘッダの筐体内の下方で揃うようにすることで、全ての熱交換管に均一に液体の冷媒が導入されるように構成されている。

しかしながら、特許文献１に記載の発明であっても根本的には筐体の下方に液体の冷媒が偏在してしまうことを解消することはできず、上方に配置された熱交換管には気体の冷媒が多く流れやすいという偏流の問題を解決できない。

また、特許文献２に記載の発明では、扁平多穴管として形成されている熱交換管について曲げ加工を施さなくてはならず、構造が複雑となってしまい、製造コストが高いものとなってしまう。

特開２０１０−９６４２５号公報特開２０１０−１０７０６８号公報

そこで、本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、熱交換管に大きな加工を施すことなく、簡易な構成で複数の熱交換管に適切な量の液体の冷媒が分流され、熱交換効率を大幅に向上させることができるヘッダ及び熱交換器を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、複数の熱交換管とともに熱交換器を構成するものであり、冷媒流入口から流入した気液混合状態の冷媒を前記複数の熱交換管へと分流するヘッダであって、前記冷媒流入口と、前記複数の熱交換管の各導入口とが内部に開口する筐体と、少なくとも１つの導入口の近傍に配置されるように設けられ、前記筐体の内部を仕切る仕切り部材と、前記仕切り部材により形成され、前記導入口の近傍に所定量の液体の冷媒が溜められる液溜め部とを備えたことを特徴とする。

このようなものであれば、前記仕切り部材によって前記熱交換管の導入口の近傍に所定量の液体の冷媒が溜められる液溜め部が形成されているので、例えば前記筐体の内部で液体の冷媒が偏在しやすい傾向があったとしても、前記導入口の近傍に液体の冷媒を存在させて熱交換管内に導入されやすくすることができる。したがって、複数の熱交換管に導入される液体の冷媒量を均一にして、全ての熱交換管で過熱状態になるのを防ぎ、効率よく熱交換を行うことが可能となる。

また、前記仕切り部材を設けるだけなので、前記熱交換管の端部について曲げ加工等のコストのかかる加工を施す必要がなく、簡単な構成でありながらも熱交換効率を向上させることができる。

本発明のヘッダによる各熱交換管へ均一に液体の冷媒を分流できる効果が顕著となる具体例としては、前記筐体が鉛直方向に延びるものであり、前記冷媒流入口が、前記筐体の内部において上方に開口しており、前記複数の熱交換管の各導入口が、前記筐体の上方から下方へと並んで配置されているものが挙げられる。このようなものであれば、前記筐体の下方側に重力により液体の冷媒が偏在しやすい傾向を緩和し、全ての熱交換管へ均一に液体の冷媒を供給する事が可能となる。

前記冷媒流入口から前記筐体の内部に流入した液体の冷媒が前記液溜め部を経由することなく、例えば前記筐体の下方へと直接流れてしまうのを防ぎ、所定量の液体の冷媒が前記導入口の近傍で確実に蓄えられるようにするには、前記筐体が、前記冷媒流入口が設けられる流入側内面と、前記流入側内面に対向し、前記複数の熱交換管が接続される接続側内面とを具備し、前記仕切り部材が、前記流入側内面と前記接続側内面との間にわたって設けられていればよい。

前記冷媒導入口から導入された冷媒が前記筐体内で流れている時間を長くし、複数の導入口のそれぞれに液体の冷媒が均一に導入されやすくするには、前記筐体内で冷媒が均一に流れていくようにするには、前記液溜め部からあふれた液体の冷媒が通過する通過部をさらに備え、複数組の前記仕切り部材及び前記通過部が前記筐体の上方から下方へと並んで配置されているとともに、隣接する通過部の水平方向の位置が異なっているものであればよい。

前記筐体内の冷媒の流れが各液溜め部を経由しやすくし、それぞれの液溜め部に所定量の液体の冷媒が確保されやすくするには、前記筐体内において前記冷媒流入口から当該冷媒流入口から最も遠い位置に配置された導入口に至るまでの冷媒流路が蛇行するように前記仕切り部材が設けられていればよい。

簡単な組み立て作業のみで前記筐体内に液溜め部を形成できるようにするには、前記筐体が、前記複数の熱交換管が接続される接続部材と、前記冷媒流入口が形成される流入側部材と、を具備し、複数の前記仕切り部材が一体化された仕切り構造体と、を備えたものであればよい。このようなものであれば３部品を組み立てるだけで任意の導入口の近傍に前記液溜め部を形成することができる。

より組立作業の工数を低減するには、前記流入側部材及び前記仕切り構造体が一体化されたものであればよい。

液溜め部を形成するための別の具体的な実施の態様としては、前記仕切り部材が、前記筐体の内部を仕切る板状部と、板状部を貫通するように設けられ、前記液溜め部からあふれた液体の冷媒が通過する通過部を形成する筒状部とを具備するものが挙げられる。

前記熱交換管について曲げ加工を施すことなく、簡単な切削のみで前記仕切り部材及び前記液溜め部を形成できるようにするには、前記熱交換管が扁平多穴状に形成され、前記筐体の内部に挿入される先端部の一部が削られており、前記先端部が前記仕切り部材及び前記液溜め部をなすように構成されていればよい。

各熱交換管に確実に液体の冷媒が導入されるようにするには、前記仕切り部材及び前記液溜め部が各導入口に設けられたものであればよい。

前記筐体内における液体の冷媒の偏在傾向に応じて、各熱交換管に均一に液体の冷媒が導入されるようにするには、前記仕切り部材及び前記液体部が各導入口のうちのいくつかにのみ設けられており、その設置間隔が前記冷媒流入口から離れるほど大きくなるように設定されていればよい。

本発明のヘッダと、複数の熱交換管とを具備する熱交換器であれば、全ての熱交換管で適切な熱交換が行われるので、従来よりも熱交換器としての熱交換効率を大幅に向上させることができる。

このように本発明のヘッダ及び熱交換器であれば、前記熱交換管の導入口の近傍に前記液溜め部が前記仕切り部材によって形成されているので、前記液溜め部に貯められた液体の冷媒を前記導入口から導入することができる。したがって、液体の冷媒が前記筐体内で偏って存在する傾向があり、本来であれば気体の冷媒のみが導入されやすい場所に前記導入口が開口している場合でも十分な量の液体の冷媒を導入させ、過熱状態となるのを防いで、効率の良い熱交を各熱交換管で実現できる。

本発明の第１実施形態に係るヘッダ及び熱交換器を示す模式的斜視図。第１実施形態におけるヘッダ内の構造及び冷媒の流れを示す模式図。第１実施形態における仕切り部材近傍の構造を示す模式的断面図。第１実施形態の変形例を示す模式的斜視図。第１実施形態の別の変形例を示す模式図。第１実施形態のさらに別の変形例を示す模式図。本発明の第２実施形態に係るヘッダ及び熱交換器を示す模式的斜視図。本発明の第３実施形態に係るヘッダ及び熱交換器を示す模式的斜視図。従来のマイクロチャネル熱交換器のヘッダの構造及び冷媒の偏在状態を示す模式図。

本発明の第１実施形態に係るヘッダ１００及び熱交換器２００について図１及び図２を参照しながら説明する。

第１実施形態の熱交換器２００は、空調機に用いられるマイクロチャネル熱交換器２００であって、図１に示すように複数の熱交換管３と、各熱交換管３の間に設けられたコルゲートフィン４と、前記複数の熱交換管３が接続され、外部から流入する冷媒が各熱交換管３へと分流されるヘッダ１００とを備えたものである。

前記熱交換管３は、水平方向に延びる扁平多穴管として形成してあり、上下方向に所定間隔毎に離間させて設けてある。より具体的には前記熱交換管３は、水平方向に延びるアルミ合金板の長手方向に並列に延びる小穴が複数並列に形成してあり、その上面及び底面が平面の伝熱面となるように構成してある。この熱交換管３の先端部は前記ヘッダ１００の内部に露出するように接続してあり、その先端に形成された冷媒の導入口３１が前記ヘッダ１００内で開口するようにしてある。

前記コルゲートフィン４は、アルミニウム合金薄板を折り曲げて形成したものであって、隣接する２つの熱交換管３の上面と底面との間に設けてある。なお、コルゲートフィン４は前記熱交換管３の上面と底面に対してろう付けしてある。

前記ヘッダ１００は、上下方向（鉛直方向）に延びる中空の概略直方体状に形成してあり、その側面部に前記複数の熱交換管３が上下方向に一列に並べて接続してある。このヘッダ１００は、概略直方体状の箱体である筐体１と、筐体１の内部を仕切り、冷媒の流路を形成する複数の仕切り部材２１を一体化した仕切り構造体２とを備えている。

前記筐体１は、一側面に前記複数の熱交換管３が接続される、対向する側面が開口した概略箱状をなす接続部材１１と、前記接続部材１１の開口部分の蓋をするとともに外部から冷媒を流入させるための冷媒流入口５が形成された流入側部材１２とから構成してある。前記接続部材１１の内部に前記仕切り構造体２が嵌め合われた後に、前記流入側部材１２による蓋がされ、ろう付けされることで前記筐体１は組み立てられる。また、前記流入側部材１２に形成された前記冷媒流入口５は前記筐体１の内部においてすべての前記熱交換管３よりも高い位置に配置されるように形成してある。

前記仕切り構造体２は、前記複数の熱交換管３と同数の仕切り部材２１を具備するものであり、隣接する仕切り部材２１はその水平方向の向きがそれぞれ互い違いになるように設けてある。前記仕切り部材２１は、図２の組立後の模式図に示すように概略Ｌ字状に形成されたブロック体であって、前記各導入口３１の下側に配置してある。より具体的には、前記仕切り部材２１は水平方向に延びる長辺部と、上下方向に延びる短辺部とを有しており、前記筐体１の内面及び前記仕切り部材２１の上側面により所定量の液体の冷媒を貯留することができる液溜め部２２を形成する。また、前記短辺部の外側には隙間が形成することにより、前記液溜め部２２からあふれた液体の冷媒が筐体１内のより下側へと流れる通過部２３を形成してある。図２の図面視において前記各通過部２３は上側から下側に進むにつれて左右交互に表れるので、前記冷媒流入口５から流入した冷媒はジグザグに蛇行しながら当該冷媒流入口５から最も遠い流入口のある前記筐体１内の最下層まで流れることになる。また、前記液溜め部２２からあふれた液体の冷媒が下側へと移動することになるので、前記筐体１内部の最下層に液体の冷媒が到達している状態では、図２に示すように各液溜め部２２に所定量の液体の冷媒が貯留されている状態となっている。

前記筐体１の内部は、前記流入側部材１２の内側面であり、前記冷媒流入口５が開口する流入側内面１２ａと、前記接続部材１１の内面であって前記流入側内面１２ａと対向しており前前記複数の熱交換管３の流入口が開口する接続側内面１１ａとを具備している。前記仕切り構造体２は図３の部分断面図に示すように前記流入側内面１２ａと前記接続側内面１１ａとの間に略隙間なく挟持してある。すなわち、前記仕切り部材２１は前記流入側内面１２ａと前記接続側内面１１ａとの間に亘って設けてある。したがって、前記流入側内面１２ａ、前記接続側内面１１ａ、及び、前記仕切り部材２１の上面側により凹部を形成して前記液溜め部２２を形成することができる。

また、図１及び図２からわかるように第１実施形態では各仕切り部材２１は前記複数の熱交換管３と同様に等間隔で上下方向に並んで設けてある。１つの仕切り部材２１について注目すると前記仕切り部材２１は前記熱交換管３の先端部の底面から下方向に所定距離離間させて設けてある。より具体的には、前記熱交換管３の導入口３１の略下側半分が前記液溜め部２２における最大の液位よりも下側に位置し、前記熱交換管３の導入口３１の略上側半分が液体の冷媒で完全に封鎖されないように前記仕切り部材２１の位置を設定してある。すなわち、液体と気体の冷媒の両方を前記導入口３１へ効率よく導入できるように前記仕切り部材２１の位置は設定してある。

このように第１実施形態のヘッダ１００は構成されているので、前記仕切り部材２１により形成された前記液溜め部２２により各熱交換管３の導入口３１の近傍に液体の冷媒を所定量溜めておくことができ、各熱交換管３に均一に液体の冷媒を導入する事ができる。

すなわち、従来であればヘッダ１００の下方に液体の冷媒が偏在し、各熱交換管３において不均一な熱交換しか行えなかったのに対して、第１実施形態のヘッダ１００であればこのような問題を解決できる。

したがって、第１実施形態の熱交換器２００であれば各熱交換管３で過熱状態となるのを防ぎ、適切な量の液体の冷媒を供給することができるので、従来よりも熱交換効率を向上させることができる。

また、第１実施形態のヘッダ１００であれば、各熱交換管３に均一に液体の冷媒を導入するために各熱交換管３に対して曲げ加工等の特別な加工を施す必要がなく従来品をそのまま使用することができる。したがって、簡単な構成の熱交換管３を用いながらも、液体の冷媒の偏在に関する問題を解決することができる。

次に第１実施形態の変形例について説明する。

第１実施形態では、前記ヘッダ１００は、前記接続部材１１、前記流入側部材１２、前記仕切り構造体２の３つの部品で構成していたが、図４に示すように前記流入側部材１２と前記仕切り構造体２を一体化し、２つの部品で構成してもよい。このようなものであれば、部品点数及び組立工数を減らして製造コストを低減できる。

また、図５に示すように前記冷媒流入口５の位置は必ずしも前記ヘッダ１００の内部においてどの熱交換管３の導入口３１よりも高い位置に設定する必要はなく、前記ヘッダ１００の内部において上方にあればよい。すなわち、図５に示すように上から２段目と３段目の熱交換管３の導入口３１の間に前記冷媒流入口５を設けた場合でも、流入する冷媒の勢いによって液体の冷媒のうちの一部は上方へと舞い上がり、上から１段目と２段目の熱交換管３の導入口３１に液体の冷媒は導入される。また、中央部又は下方にある熱交換管３の導入口３１については前記仕切り部材２１が設けられて前記液溜め部２２が形成されているので、同様に液体の冷媒を十分に供給することができる。したがって、図５のような変形例であっても各熱交換管３に適切な量の液体の冷媒を流し、効率よく熱交換を行うことができる。

さらに第１実施形態では、全ての熱交換管３の導入口３１に対してそれぞれ前記仕切り部材２１を設けて、前記液溜め部２２を形成していたが、図６（ａ）に示すように一部の導入口３１に対してのみ仕切り部材２１及び液溜め部２２を設けるようにしても構わない。また、ヘッダ１００の下方に液体の冷媒が偏りがちであることを考慮して、図６（ｂ）に示すように仕切り部材２１の設置間隔を上方向から下方向に進むにつれて大きくするようにしても構わない。

これらのようなものであっても、前記ヘッダ１００の下方に液体の冷媒が偏在する傾向を緩和し、各熱交換管３を流れる液体の冷媒の量を均一化して、熱交換効率を従来と比較して向上させることができる。

次に第２実施形態のヘッダ１００及び熱交換器２００について図７を参照しながら説明する。なお、第１実施形態で説明した部材と対応する部材については同じ符号を付すこととする。

第２実施形態のヘッダ１００は、第１実施形態と比較して前記仕切り部材２１の構造を異ならせてある。より具体的には、前記仕切り部材２１が、前記筐体１の内部を水平方向に仕切る板状部と、板状部を貫通するように設けられ、前記液溜め部２２からあふれた液体の冷媒が通過する通過部２３を形成する上下方向に延びる筒状部とを具備する。

第２実施形態では前記流入側部材１２に前記仕切り部材２１自体を取り付けてあり、２つの仕切り部材２１が形成してある。第２実施形態では、前記板状部の上面から前記筒状部の上面までの間の空間が液溜め部２２として機能することになる。つまり、１段目の仕切り部材２１で形成された液溜め部２２で前記筒状部の上面まで液体の冷媒が貯留されると、次の２段目の仕切り部材２１に液体の冷媒が流入する。２段目の仕切り部材２１及び液溜め部２２において同じ現象が生じることにより前記筐体１の最下層にも液体の冷媒が貯留されることになる。

このようなものであっても、第１実施形態と同様に各熱交換管３の導入口３１に液体の冷媒を均一に導入して熱交換器２００としての熱交換効率を向上させることができる。

次に第３実施形態について図８を参照しながら説明する。なお、第１実施形態で説明した部材と対応する部材については同じ符号を付すこととする。

第３実施形態では、前記熱交換管３の先端部について切削加工することにより第１実施形態の前記仕切り部材２１及び前記液溜め部２２に相当する部分を形成するようにしている。

より具体的には、図８に示すように前記熱交換管３の先端部の上面を削り取り、導入口３１の前に受け皿部分を形成している。このようなものであれば、別途仕切り部材２１をパーツとして用意することなく、従来のヘッダ１００の構成を略そのまま利用しながら本発明の効果を享受する事が可能となる。

最後にその他の実施形態について説明する。

前記各実施形態では、マイクロチャネル型の熱交換を示したがその他の熱交換器に対して本発明を適用する事も可能である。より具体的には、前記熱交換管は扁平多穴管に限られるものではなく、例えば円筒管等様々なものであってもよい。

また、前記ヘッダは上下方向（鉛直方向）に延びるように設けられるものに限られず、例えば水平方向に延びて載置されるようなものであってもよい。このようなものであっても前記仕切り部材及び前記液溜め部により液体の冷媒が偏在するのを防ぎ、各熱交換管に均一に液体の冷媒を供給できる。

仕切り部材を設ける数については、熱交換器や空調機としての構成に基づいて設定すればよく、少なくとも１つの熱交換管の導入口に対して設ければよい。

前記仕切り部材は、前記熱交換管が接続されている側から突出させたものであればよく、完全に前記筐体内を封止するように設けなくてもよい。要するに導入口の近傍に液体の冷媒が所定量貯留されるような空間を形成し、液溜め部としての機能を発揮できるものであればよい。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の組み合わせや変形を行っても構わない。

２００・・・熱交換器
１００・・・ヘッダ
１・・・筐体
１１・・・接続部材
１２・・・流入側部材
２・・・仕切り構造体
２１・・・仕切り部材
２２・・・液溜め部
２３・・・通過部
３・・・熱交換管
３１・・・導入口
４・・・コルゲートフィン
５・・・冷媒流入口

Claims

複数の熱交換管とともに熱交換器を構成するものであり、冷媒流入口から流入した気液混合状態の冷媒を前記複数の熱交換管へと分流するヘッダであって、
前記冷媒流入口と、前記複数の熱交換管の各導入口とが内部に開口する筐体と、
少なくとも１つの導入口の近傍に配置されるように設けられ、前記筐体の内部を仕切る仕切り部材と、
前記仕切り部材により形成され、前記導入口の近傍に所定量の液体の冷媒が溜められる液溜め部とを備えたことを特徴とするヘッダ。
前記筐体が鉛直方向に延びるものであり、
前記冷媒流入口が、前記筐体の内部において上方に開口しており、
前記複数の熱交換管の各導入口が、前記筐体の上方から下方へと並んで配置されている請求項１記載のヘッダ。
前記筐体が、前記冷媒流入口が設けられる流入側内面と、前記流入側内面に対向し、前記複数の熱交換管が接続される接続側内面とを具備し、
前記仕切り部材が、前記流入側内面と前記接続側内面との間にわたって設けられている請求項１又は２記載のヘッダ。
前記液溜め部からあふれた液体の冷媒が通過する通過部をさらに備え、
複数組の前記仕切り部材及び前記通過部が前記筐体の上方から下方へと並んで配置されているとともに、隣接する通過部の水平方向の位置が異なっている請求項２又は３記載のヘッダ。
前記筐体内において前記冷媒流入口から当該冷媒流入口から最も遠い位置に配置された導入口に至るまでの冷媒流路が蛇行するように前記仕切り部材が設けられている請求項１乃至４いずれかに記載のヘッダ。
前記筐体が、前記複数の熱交換管が接続される接続部材と、前記冷媒流入口が形成される流入側部材と、を具備し、
複数の前記仕切り部材が一体化された仕切り構造体と、を備えた請求項１乃至５いずれかに記載のヘッダ。
前記流入側部材及び前記仕切り構造体が一体化された請求項６記載のヘッダ。
前記仕切り部材が、前記筐体の内部を仕切る板状部と、板状部を貫通するように設けられ、前記液溜め部からあふれた液体の冷媒が通過する通過部を形成する筒状部とを具備する請求項１乃至３いずれかに記載のヘッダ。
前記熱交換管が扁平多穴状に形成され、前記筐体の内部に挿入される先端部の一部が削られており、
前記先端部が前記仕切り部材及び前記液溜め部をなすように構成されている請求項１乃至８いずれかに記載のヘッダ。
前記仕切り部材及び前記液溜め部が各導入口に設けられた請求項１乃至９いずれかに記載のヘッダ。
前記仕切り部材及び前記液体部が各導入口のうちのいくつかにのみ設けられており、その設置間隔が前記冷媒流入口から離れるほど大きくなるように設定されている請求項１乃至９いずれかに記載のヘッダ。
請求項１乃至１１いずれかに記載のヘッダと、
複数の熱交換管とを具備する熱交換器。