JP2016176615A - パラレルフロー型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒循環量が少ない状態でも流速が確保できると共に、冷媒を適正に分流することができ、かつ、凝縮器として使用した場合の冷媒の滞留の防止が図れるパラレルフロー型熱交換器を提供すること。【解決手段】一対のヘッダーパイプ１１，１２と、両ヘッダーパイプに接続する互いに平行な複数の扁平状の熱交換チューブ２と、ヘッダーパイプ１２内の空間を上下に仕切る仕切板４ｂによって上下に区画される上側及び下側熱交換領域６Ａ，６Ｂと、を具備するパラレルフロー型熱交換器において、ヘッダーパイプ内を熱交換チューブ側空間１３と外側空間１４とに区画する隔壁２０を具備し、隔壁に、上側熱交換領域における最下位置の熱交換チューブより下方側に開口する冷媒流通孔２１ａと、ヘッダーパイプの長手方向に沿って適宜間隔をおいて設けられると共に、上側熱交換領域の上方側の開口面積が増大する複数の冷媒流通孔２１ｃ，２１ｄとが設けられている。【選択図】 図１

Description

この発明は、一対のヘッダーパイプと、両ヘッダーパイプに接続する互いに平行な複数の熱交換チューブと、を具備するパラレルフロー型熱交換器に関するものである。

一般に、パラレルフロー型熱交換器は、一対のヘッダーパイプと、両ヘッダーパイプに接続される複数の扁平状の熱交換チューブ（以下に扁平チューブという）を具備しており、空気調和機の屋外機として広く使用されている。このパラレルフロー型熱交換器を蒸発器として用いる場合、冷媒は熱交換器下部から流入し、上部から排出される。

従来のこの種のパラレルフロー型熱交換器において、複数の扁平チューブが上下に並び、ヘッダーパイプ内の空間を上下に仕切る仕切板によって、上側熱交換領域と下側熱交換領域に区分されており、冷媒は、下側熱交換領域を流れた後、ヘッダーパイプ内でターンし、上側熱交換領域へと流れる。その際、冷媒はヘッダーパイプ内で重力に逆らい鉛直方向に流れるため、気液二相冷媒中の液冷媒が下方に位置する扁平チューブに流れ易くなり、上側熱交換領域の上方に位置する扁平チューブ全体に冷媒を均等に分流することが困難である。

上記冷媒分流の課題に対し、ヘッダーパイプ内を分流空間と扁平チューブ側空間に仕切る圧力損失付加板（仕切板）を具備し、圧力損失付加板（仕切板）には、扁平チューブの数に１対１に対応するように、あるいは、扁平チューブの数の１／１０以上、扁平チューブの数以下の複数の微小開口が設けられる構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載のものにおいては、下側熱交換領域と上側熱交換領域を仕切る圧力損失付加板（仕切板）に設けられた流入開口を介して下側熱交換領域の扁平チューブが接続する空間と上側熱交換領域の分流空間とが連通されている。これにより、冷媒は下側熱交換領域の扁平チューブが接続する空間から上記流入開口を流れて上記分流空間に流れ、分流空間に上昇した冷媒は、各微小開口の高さ位置毎に分流し、各微小開口を介して各扁平チューブの内部流路に分流される。

特開２０１４−１２６２７３号公報（段落００６６〜００７０、図５〜図８）

しかしながら、特許文献１に記載のものにおいては、仕切板には、扁平チューブの数に１対１に対応するように、あるいは、扁平チューブの数の１／１０以上、扁平チューブの数以下の複数の微小開口が設けられる構造であるため、分流空間を流れる冷媒の一部は下方側の微小開口を介して扁平チューブ側空間に流れ込み、扁平チューブ側空間内で重力に逆らい鉛直方向に流れ、冷媒を均等に分流できない懸念がある。この現象は、特に冷媒循環量が少ない状態のときに生じる。

また、熱交換器を凝縮器として使用した場合、上側熱交換領域を流れる冷媒(液冷媒，冷凍機油)が上側熱交換領域の最下位置の扁平チューブに滞留して熱交換効率を低下させる懸念がある。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、冷媒循環量が少ない状態でも流速が確保できると共に、冷媒を適正に分流することができ、かつ、凝縮器として使用した場合の冷媒の滞留の防止が図れるパラレルフロー型熱交換器を提供することを課題とする。

上記課題を達成するために、この発明のパラレルフロー型熱交換器は、一対のヘッダーパイプと、上記両ヘッダーパイプに接続する互いに平行な複数の扁平状の熱交換チューブと、上記ヘッダーパイプ内の空間を上下に仕切る仕切板によって上下に区画される上側及び下側熱交換領域と、を具備するパラレルフロー型熱交換器であって、上記ヘッダーパイプ内を上記熱交換チューブ側と外側とに区画する隔壁を具備し、上記隔壁には、上記上側熱交換領域における最下位置の上記熱交換チューブより下方側に開口する冷媒流通孔と、上記ヘッダーパイプの長手方向に沿って適宜間隔をおいて設けられると共に、上記上側熱交換領域の上方側の開口面積が増大する複数の冷媒流通孔とが設けられている、ことを特徴とする（請求項１）。

このように構成することにより、仕切板によって区画された外側の空間を流れる冷媒は、上方側の面積が増大する複数の冷媒流通孔を介して熱交換チューブ側の空間内に上方側が多く流れるので、冷媒が重力に逆らって鉛直方向に流れるのを抑制でき、冷媒は上側熱交換領域の各熱交換チューブに分流される。

また、冷媒流通孔は、少なくとも熱交換領域における最下位置の熱交換チューブより下方側に開口するので、凝縮器として使用した場合、上側熱交換領域を流れる冷媒が上側熱交換領域の最下位置の熱交換チューブに滞留するのを防止することができる。

また、この発明において、上記隔壁は、上記ヘッダーパイプの一側に設けられたスリットを介してヘッダーパイプ内に挿入・固定される板状部材にて形成されるか（請求項２）、あるいは、断面が半円形状に形成された一対のヘッダーパイプ半体間に挟持・固定される板状部材にて形成されるのが好ましい（請求項３）。

このように構成することにより、ヘッダーパイプの長手方向の全長に渡って隔壁を容易に組み付けることができる。

加えて、この発明において、上記隔壁には、上記下側熱交換領域における最上位置の熱交換チューブと最下位置の熱交換チューブの高さ寸法を有する冷媒流通口が設けられているのが好ましい（請求項４）。

このように構成することにより、下側熱交換領域における熱交換チューブ側空間と外側空間とを連通する冷媒流通口の面積を広くすることができるので、冷媒の流通を円滑にすることができる。

この発明によれば、上記のように構成されているので、以下のような効果が得られる。

（１）請求項１に記載の発明によれば、冷媒が重力に逆らって鉛直方向に流れるのを抑制でき、冷媒は上側熱交換領域の各熱交換チューブに分流されるので、冷媒循環量が少ない状態でも流速が確保できると共に、冷媒を適正に分流することができる。特に、上側熱交換領域における熱交換チューブの数が多い場合においても、外側の空間を流れる冷媒の熱交換チューブ側空間への流れを円滑にすることができる。

また、凝縮器として使用した場合、上側熱交換領域を流れる冷媒が上側熱交換領域の最下位置の熱交換チューブに滞留するのを防止することができるので、熱交換効率の向上が図れる。

（２）請求項２，３に記載の発明によれば、ヘッダーパイプの長手方向の全長に渡って隔壁を容易に組み付けることができるので、上記（１）の機能を有する熱交換器の作製が容易にできる。

（３）請求項４に記載の発明によれば、下側熱交換領域における熱交換チューブ側空間と外側空間とを連通する冷媒流通口の面積を広くすることができるので、上記（１），（２）に加えて、更に冷媒の流通を円滑にすることができる。

この発明に係るパラレルフロー型熱交換器の第１実施形態の一部を断面で示す正面図である。 第１実施形態の要部を示す断面図（ａ）及び第１実施形態における隔壁を示す正面図（ｂ）である。 この発明に係るパラレルフロー型熱交換器の第２実施形態の要部を示す断面図（ａ）及び第２実施形態における隔壁を示す正面図（ｂ）である。 この発明における隔壁をヘッダーパイプに固定した状態の一例を示す断面図（ａ）及び隔壁をヘッダーパイプに固定した状態の別の例を示す断面図（ｂ）である。 図４（ａ）におけるヘッダーパイプ、隔壁及び熱交換チューブを示す分解斜視図である。 図４（ｂ）におけるヘッダーパイプ、隔壁及び熱交換チューブを示す分解斜視図である。

以下に、この発明に係るパラレルフロー型熱交換器の実施するための形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。ここでは、この発明に係るパラレルフロー型熱交換器を空気調和機の屋外機に適用する場合について説明する。

＜第１実施形態＞
この発明に係るパラレルフロー型熱交換器１（以下に熱交換器１という）は、図１に示すように、それぞれアルミニウム（アルミニウム合金を含む）製部材からなる、一対のヘッダーパイプである第１のヘッダーパイプ１１，第２のヘッダーパイプ１２と、両ヘッダーパイプ１１，１２に接続する互いに平行な複数のアルミニウム製の扁平状の熱交換チューブ２と、上下に隣接する熱交換チューブ２間に介在されるアルミニウム製のコルゲートフィン３と、を具備している。この場合、熱交換チューブ２は扁平楕円状に形成されており、熱交換チューブ２の長手方向と直交する幅方向には複数の流体流路２ａが区画形成されている（図５Ａ，図５Ｂ参照）。

第１及び第２のヘッダーパイプ１１，１２は、アルミニウム製の円筒状の電縫管にて形成されており、上下開口端は、それぞれアルミニウム製の端部キャップ５によって閉塞されている。また、第１のヘッダーパイプ１１内の対応する中間部に仕切板４ａが設けられており、この仕切板４ａによって上下に上側空間１１ａと下側空間１１ｂが区画されている。

また、第２のヘッダーパイプ１２には、第２のヘッダーパイプ１２内を熱交換チューブ側空間１３と外側空間１４とに区画する隔壁２０を構成するアルミニウム（アルミニウム合金を含む）製の隔壁板２０ａがろう付けによって固定されている。熱交換チューブ側空間１３は、仕切板４ｂによって上下に上側空間１２ａと下側空間１２ｂが区画されている。これら上側空間１２ａと下側空間１２ｂは第１のヘッダーパイプ１１の仕切板４ａと対応した位置に設けられている。

区画された上側空間１１ａ，１２ａに接続する熱交換チューブ２によって上側熱交換領域６Ａが形成され、また、下側空間１１ｂ，１２ｂに接続する熱交換チューブ２によって下側熱交換領域６Ｂが形成されている。

上記隔壁２０すなわち隔壁板２０ａには、図２に示すように、少なくとも上側熱交換領域６Ａにおける最下位置の熱交換チューブ２より下方側に開口すると共に、上側熱交換領域６Ａにおける最上位置の熱交換チューブ２より上方側に開口し、かつ、上方側の開口面積が増大する冷媒流通孔２１Ａが隔壁板２０ａの中心線上に設けられている。

第１実施形態においては、冷媒流通孔２１Ａは、図２に示すように、上側熱交換領域６Ａにおける最下位置の熱交換チューブ２より下方側に開口する小口径の下部冷媒流通孔２１ａと、上側熱交換領域６Ａにおける最上位置の熱交換チューブ２より上方側に開口する下部冷媒流通孔２１ａより大口径の上側冷媒流通孔２１ｃと、外側空間１４における上側冷媒流通孔２１ｃの下方位置に設けられる上側冷媒流通孔２１ｃと同口径の上側冷媒流通孔２１ｄとで構成されている。

また、隔壁板２０ａには、下側熱交換領域６Ｂにおける最上位置の熱交換チューブ２と最下位置の熱交換チューブ２の高さ寸法を有する冷媒流通口２２が設けられている。このように、冷媒流通口２２を下側熱交換領域６Ｂにおける最上位置の熱交換チューブ２と最下位置の熱交換チューブ２の高さ寸法とすることにより、冷媒流通口２２の開口面積を広くすることができるので、下側空間１２ｂ内に合流する冷媒の外側空間１４への流通を円滑にすることができる。

上記のように形成される隔壁板２０ａは、図４（ａ）及び図５Ａに示すように、第２のヘッダーパイプ１２の一側に設けられたスリット１６を介して第２のヘッダーパイプ１２内に挿入され、ろう付けによって固定される。

なお、隔壁板２０ａの第２のヘッダーパイプ１２への固定は、必ずしも上記のようにする必要はなく、図４（ｂ）及び図５Ｂに示すように、断面が半円弧状に形成されたアルミニウム（アルミニウム合金を含む）製の一対のヘッダーパイプ半体１７間に挟持した状態でろう付け固定してもよい。

なお、熱交換器１を組み付ける場合は、少なくともコルゲートフィン３はろう材が皮材として貼り合わされたブレージングシートにて形成されるか、熱交換チューブ２の表面にろう材を塗布したものを用いて、第１及び第２のヘッダーパイプ１１，１２、熱交換チューブ２、コルゲートフィン３及び隔壁板２０ａをろう付けにより一体成形する。なお、熱交換チューブ２は、ヘッダーパイプ１１，１２の側面に設けられた挿入用スリット１８内嵌挿された状態でろう付けされる（図５Ａ，図５Ｂ参照）。

上記のように構成される第１実施形態において、液状又は気液状の冷媒が第２冷媒流通管１５ｂから第１のヘッダーパイプ１１の下側空間１１ｂ内に流入すると、冷媒は下側熱交換領域６Ｂの各熱交換チューブ２の流体流路２ａを流れる間に室外空気から吸熱して蒸発し、気液混合状態となって第２のヘッダーパイプ１２の下側空間１２ｂで合流する。下側空間１２ｂで合流した冷媒は、冷媒流通口２２から外側空間１４内に流れて外側空間１４内を上昇し、上昇中に気液分離された冷媒は、冷媒流通孔２１Ａ（下部冷媒流通孔２１ａ及び上側冷媒流通孔２１ｃ，２１ｄ）から熱交換チューブ側空間１３の上側空間１２ａに流れる。この際、下部冷媒流通孔２１ａに対して上側冷媒流通孔２１ｃ，２１ｄが大口径に形成されているので、外側空間１４内に流れて上昇中に気液分離された冷媒の多くは上側冷媒流通孔２１ｃ，２１ｄから熱交換チューブ側空間１３の上方側に流れる。したがって、冷媒は重力に逆らうことなく、上側熱交換領域６Ａの各熱交換チューブ２に適正に分流（分配）される。上側熱交換領域６Ａの各熱交換チューブ２の流体流路２ａを流れる冷媒は、第１のヘッダーパイプ１１の上側空間１１ａで合流する。そして、上側空間１１ａで合流した冷媒は第１冷媒流通管１５ａから流出する。

＜第２実施形態＞
第２実施形態は、隔壁板２０ａに設けられる冷媒流通孔２１Ｂを、小口径の下部冷媒流通孔２１ａと、下部冷媒流通孔２１ａより大口径の口径の異なる複数（例えば２個）の上側冷媒流通孔２１ｅ，２１ｆとで構成した場合である。

この場合、図３に示すように、冷媒流通孔２１Ｂは、上側熱交換領域６Ａにおける最下位置の熱交換チューブ２より下方側に開口する小口径の下部冷媒流通孔２１ａと、上側熱交換領域６Ａにおける最上位置の熱交換チューブ２より上方側に開口する下部冷媒流通孔２１ａより大口径の上側冷媒流通孔２１ｅと、外側空間１４における上側冷媒流通孔２１ｅの下方位置に設けられる下部冷媒流通孔２１ａより大口径であって上側冷媒流通孔２１ｅより小口径の上側冷媒流通孔２１ｆとで構成されている。

なお、第２実施形態において、その他は第１実施形態と同じであるので、同一部分には同一符号を付して説明は省略する。

上記のように構成される第２実施形態において、液状又は気液状の冷媒が第２冷媒流通管１５ｂから第１のヘッダーパイプ１１の下側空間１１ｂ内に流入すると、冷媒は下側熱交換領域６Ｂの各熱交換チューブ２の流体流路２ａを流れる間に室外空気から吸熱して蒸発し、気液混合状態となって第２のヘッダーパイプ１２の下側空間１２ｂで合流する。下側空間１２ｂで合流した冷媒は、冷媒流通口２２から外側空間１４内に流れて外側空間１４内を上昇し、上昇中に気液分離された冷媒は、冷媒流通孔２１Ｂ（下部冷媒流通孔２１ａ及び上側冷媒流通孔２１ｅ，２１ｆ）から熱交換チューブ側空間１３の上側空間１２ａに流れる。この際、下部冷媒流通孔２１ａに対して上側冷媒流通孔２１ｅ，２１ｆが大口径に形成され、かつ、上方側の上側冷媒流通孔２１ｅが上側冷媒流通孔２１ｆより大口径に形成されているので、外側空間１４内に流れて上昇中に気液分離された冷媒の多くは上側冷媒流通孔２１ｅ，２１ｆから熱交換チューブ側空間１３の上方側に流れる。したがって、冷媒は重力に逆らうことなく、上側熱交換領域６Ａの各熱交換チューブ２に適正に分流（分配）される。上側熱交換領域６Ａの各熱交換チューブ２の流体流路２ａを流れる冷媒は、第１のヘッダーパイプ１１の上側空間１１ａで合流する。そして、上側空間１１ａで合流した冷媒は第１冷媒流通管１５ａから流出する。

＜その他実施形態＞
上記第１，第２実施形態では、冷媒流通孔２１Ａ，２１Ｂを構成する下部冷媒流通孔２１ａ及び上側冷媒流通孔２１ｃ〜２１ｆが円形に形成される場合について説明したが、これら冷媒流通孔２１ａ，２１ｃ〜２１ｆは必ずしも円形である必要はなく、少なくとも上側熱交換領域６Ａにおける最下位置の熱交換チューブ２より下方側に開口すると共に、上側熱交換領域６Ａにおける最上位置の熱交換チューブ２より上方側に開口し、かつ、上方側の開口面積が増大するものであれば、例えば縦長あるいは横長の楕円形状、矩形状であってもよい。

上記実施形態では、この発明に係る熱交換器を蒸発器に適用した場合について説明したが、この発明に係る熱交換器を凝縮器に適用することができる。凝縮器に適用する場合は、第１実施形態を例にとって説明すると、ガス状の冷媒は第１冷媒流通管１５ａから第１のヘッダーパイプ１１の上側空間１１ａ内に流入した後、以下のような順で流れる。上側熱交換領域６Ａ→第２のヘッダーパイプ１２の熱交換チューブ側空間１３内の上側空間１２ａ→冷媒流通孔２１Ａ（上側冷媒流通孔２１ｃ，２１ｄ、下部冷媒流通孔２１ａ）→外側空間１４→冷媒流通口２２→下側熱交換領域６Ｂ→第１のヘッダーパイプ１１の下側空間１１ｂ→第２冷媒流通管１５ｂから流出する。

この発明に係る熱交換器を凝縮器に適用した場合、上側熱交換領域６Ａを流れる冷媒が上側熱交換領域６Ａの最下位置の熱交換チューブ２に滞留するのを防止することができるので、熱交換効率の向上が図れる。

なお、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に凝縮器に適用することができる。

２ 熱交換チューブ
４ａ，４ｂ 仕切板
６Ａ 上側熱交換領域
６Ｂ 下側熱交換領域
１１ 第１のヘッダーパイプ
１２ 第２のヘッダーパイプ
１３ 上側熱交換領域
１４ 下側熱交換領域
１４Ａ 第１の下側熱交換領域
１６ スリット
１７ ヘッダーパイプ半体
２０ 隔壁
２１Ａ，２１Ｂ 冷媒流通孔
２１ａ 下部冷媒流通孔
２１ｃ〜２１ｆ 上部側冷媒流通孔
２２ 冷媒流通口

Claims (4)

1. 一対のヘッダーパイプと、上記両ヘッダーパイプに接続する互いに平行な複数の扁平状の熱交換チューブと、上記ヘッダーパイプ内の空間を上下に仕切る仕切板によって上下に区画される上側及び下側熱交換領域と、を具備するパラレルフロー型熱交換器であって、
   上記ヘッダーパイプ内を上記熱交換チューブ側と外側とに区画する隔壁を具備し、
   上記隔壁には、上記上側熱交換領域における最下位置の上記熱交換チューブより下方側に開口する冷媒流通孔と、上記ヘッダーパイプの長手方向に沿って適宜間隔をおいて設けられると共に、上記上側熱交換領域の上方側の開口面積が増大する複数の冷媒流通孔とが設けられている、ことを特徴とするパラレルフロー型熱交換器。
2. 請求項１に記載のパラレルフロー型熱交換器において、
   上記隔壁は、上記ヘッダーパイプの一側に設けられたスリットを介してヘッダーパイプ内に挿入・固定される板状部材にて形成されている、ことを特徴とするパラレルフロー型熱交換器。
3. 請求項１に記載のパラレルフロー型熱交換器において、
   上記隔壁は、断面が半円形状に形成された一対のヘッダーパイプ半体間に挟持・固定される板状部材にて形成されている、ことを特徴とするパラレルフロー型熱交換器。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のパラレルフロー型熱交換器において、
   上記隔壁には、上記下側熱交換領域における最上位置の熱交換チューブと最下位置の熱交換チューブの高さ寸法を有する冷媒流通口が設けられている、ことを特徴とするパラレルフロー型熱交換器。

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