JP2018048766A

JP2018048766A - パラレルフロー熱交換器、及び冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2018048766A
Application number: JP2016183920A
Authority: JP
Inventors: 元貴濱崎; Motoki Hamazaki; 崇史畠田; Takashi Hatada
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2018-03-29

Abstract

【課題】ヘッダ集合管底部への冷凍機油の溜まりこみを解消するパラレルフロー熱交換器、及び冷凍サイクル装置を提供すること。【解決手段】実施形態のパラレルフロー熱交換器は、一対のヘッダ集合管と、ヘッダ集合管の少なくとも一方に設けられ、内部をガス側ヘッダ集合部と液側ヘッダ集合部とに区画する仕切り板と、複数のヘッダ集合管を接続し、冷媒が流通する流体通路を備えた複数の扁平管と、隣接する扁平管相互間に設けられ熱交換空気が流通するフィンとを備えている。熱交換器が蒸発器として機能するときに、冷媒が液側ヘッダ集合部から扁平管と他方のヘッダ集合管を介して、流入するガス側ヘッダ集合部の底部に、ガス側ヘッダ集合部の冷媒の圧力より高い圧力の冷媒を導く導入部を設ける。【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、パラレルフロー熱交換器、及び冷凍サイクル装置に関する。

冷凍サイクル装置に用いられる、従来のパラレルフロー熱交換器は、一対のヘッダ集合管を備え、ヘッダ集合管に対して垂直方向に接続される複数の扁平管を備えている。このパラレルフロー熱交換器は内部を流れる冷媒を、外部を流れる空気と熱交換をさせる。パラレルフロー熱交換器が冷凍サイクルである空気調和機の室外機に収容されるとき、蒸発器あるいは凝縮器として機能する。また、上述した空気調和機の冷凍サイクルを構成する圧縮機には摺動を円滑にするための冷凍機油が封入されている。この冷凍機油は冷媒に混入し、圧縮機から吐出され、冷凍サイクル回路内を循環して、再び圧縮機へ戻る。しかしながら、上述した従来のパラレルフロー熱交換器では、冷媒に混入して流れる冷凍機油が熱交換器のヘッダ集合管内部に位置する、ガス側ヘッダ集合部の底部に溜まりこむ問題があった。

特許２０１５−５２４４５号公報特開２０１５−５２４４４号公報

上記先行技術文献では、パラレルフロー熱交換器が空気調和機の除霜運転時に凝縮器として機能するとき、冷凍機油が溜まり込むのを抑制するものであるが、蒸発器として機能するときは抑制することができなかった。
本発明が解決しようとする課題は、パラレルフロー熱交換器が蒸発器として機能するときでも、ガス側ヘッダ集合部の底部への冷凍機油の溜まり込みを解消するパラレルフロー熱交換器、及び冷凍サイクル装置を提供することである。

上記課題を達成するために、実施形態のパラレルフロー熱交換器は、並列に配置される一対のヘッダ集合管と、前記一対のヘッダ集合管の少なくとも一方に設けられ、内部をガス側ヘッダ集合部と液側ヘッダ集合部とに区画する仕切り板と、前記一対のヘッダ集合管を接続し、冷媒が流通する流体通路を備えた複数の扁平管と、隣接する前記扁平管相互間に設けられ熱交換空気が流通するフィンとを備えたパラレルフロー熱交換器において、前記パラレルフロー熱交換器が蒸発器として機能するときに、冷媒が前記液側ヘッダ集合部から前記扁平管と他方のヘッダ集合管を介して、流入する前記ガス側ヘッダ集合部の底部に、前記ガス側ヘッダ集合部の冷媒の圧力より高い圧力の冷媒を導く導入部を設ける。

第１の実施形態による、空気調和機の冷凍サイクル構成図。同実施形態による、パラレルフロー熱交換器の構成を示す正面図。同実施形態による、パラレルフロー熱交換器の拡大断面図。第２の実施形態による、パラレルフロー熱交換器の構成を示す正面図。第３の実施形態による、パラレルフロー熱交換器の構成を示す正面図。第４の実施形態による、空気調和機の冷凍サイクル回路図。同実施形態の変形例による、空気調和機の冷凍サイクル回路図。第５の実施形態による、パラレルフロー熱交換器の構成を示す正面図。同実施形態による、空気調和機の冷凍サイクル回路図。同実施形態の変形例による、空気調和機の冷凍サイクル回路図。

以下、発明を実施するための実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態のパラレルフロー熱交換器を図１乃至図３を参照して説明する。図１は、例えば、空気調和機に用いられる冷凍サイクル装置１Aの冷凍サイクル回路図である。
冷凍サイクル回路は圧縮機２、四方弁３、室内熱交換器４、膨張装置５、室外熱交換器６で構成されている。圧縮機２から四方弁３へ冷媒を流す冷媒配管を１０１とし、四方弁３と室内熱交換器４をつなぐ冷媒配管を１０２とし、室内熱交換器４と膨張装置５をつなぐ冷媒配管を１０３とし、膨張装置５と室外熱交換器６をつなぐ冷媒配管を１０４とし、室外熱交換器６と四方弁３をつなぐ冷媒配管を１０５とし、四方弁３から圧縮機２へ冷媒を流す冷媒配管を１０６とする。

圧縮機２、四方弁３、室外熱交換器６、膨張装置５は空気調和機の室外機に収容され、室内熱交換器４は室内機に収容される。

圧縮機２内には冷媒を圧縮するための機械部品である圧縮機構部を有している。圧縮機構部には摺動部を有する機械部品を備えており、この摺動を円滑にするための冷凍機油が封入されている。この冷凍機油は冷媒に一部混入し、冷凍サイクル回路内を移動する。

空気調和機が冷房運転を行うとき、室外熱交換器６は凝縮器として機能し、室内熱交換器４は蒸発器として機能する。図１に破線矢印で示すように、冷媒は圧縮機２、四方弁３、室外熱交換器６、膨張装置５、室内熱交換器４の順に移動する。圧縮機２で高温高圧のガスとなった冷媒が室外熱交換器６へ流れる。室外熱交換器６へ流れた冷媒は凝縮されて中温高圧の液冷媒となり、膨張装置５に運ばれる。膨張装置５では減圧されて、低温低圧の液とガス二相の冷媒となる。その後、室内熱交換器４へ送り込まれ、蒸発して低温低圧のガス冷媒となって圧縮機２へ戻るサイクルである。このとき、室外熱交換器６で外気へ放熱して凝縮し、室内熱交換器４で熱交換し冷却された空気がファンによって室内に吹き出し、室内を冷房する。

空気調和機が暖房運転を行うとき、室外熱交換器６は蒸発器として機能し、室内熱交換器４は凝縮器として機能する。図１に実線矢印で示すように、冷媒は圧縮機２、四方弁３、室内熱交換器４、膨張装置５、室外熱交換器６の順に移動する。このとき、室外熱交換器６で外気から吸熱し、室内熱交換器４では熱交換によって加熱された空気を室内に吹き出し、室内を暖房する。

室外熱交換器６は、図２及び図３に示すようにパラレルフロー熱交換器で形成されており、一対のヘッダ集合管である第一ヘッダ集合管２１、及び第二ヘッダ集合管３１と、ヘッダ集合管２１、３１に接続され、所定間隔毎に並列配置される複数の扁平管１２を備えている。熱交換を行うフィン１３には風下側に開口する扁平管挿入部１４が設けられ、複数のフィン１３の扁平管挿入部１４に扁平管１２を挿入して形成される。このとき、着霜の弊害を軽減するために、フィンが扁平管よりも風上側へ突き出すように設計されている。

図２に示すように、各扁平管１２には複数の流体通路１２ａが形成されている。各流体通路１２ａは、扁平管１２の伸長方向に延びる通路であって、各扁平管１２の幅方向に並列に配設されている。各扁平管１２に形成された複数の流体通路１２ａは、各々の一端が第一ヘッダ集合管２１の内部空間２４、２５に連通し、各々の他端が第二ヘッダ集合管３１の内部空間３４、３５に連通している。

第一ヘッダ集合管２１内は上部の第一ガス側ヘッダ集合部２１ａと、下部の第一液側ヘッダ集合部２１ｂに区画される。すなわち、第一ヘッダ集合管２１の管内部には中途部に仕切り板２２が設けられており、これにより上方の第一ガス側ヘッダ集合部２１ａと、下方の第一液側ヘッダ集合部２１ｂとに区画されている。
仕切り板２２には、バイパス孔２２ａが設けられている。バイパス孔２２は、室外熱交換器６が蒸発器として機能するとき、圧力の高い第一液側ヘッダ集合部２１ｂから、圧力の低い第一ガス側ヘッダ集合部２１ａの底部へ冷媒を導入する導入部となるバイパス通路である。このバイパス孔２２ａは、第一ガス側ヘッダ集合部２１ａと第一液側ヘッダ集合部２１ｂ間を冷媒が移動するためのものであるが、扁平管１２への冷媒供給不足が発生しない程度の穴径であり、扁平管１２一本当たりの流体通路１２ａの総断面積をＡ１とし、バイパス孔２２ａの断面積をＡ２とした場合、Ａ１＞Ａ２となるのが好ましい。これにより、第一ガス側ヘッダ集合部２１ａへの過剰な量の冷媒導入を防ぎ、扁平管１２への冷媒供給を行うので、パラレルフロー熱交換器は能力を下げることなく運転する。第一ヘッダ集合管２１内は、第一ガス側ヘッダ集合部２１ａに連通空間２４があり、第一液側ヘッダ集合部２１ｂに複数の部分空間２５がある。第二ヘッダ集合管３１内は、第二ガス側ヘッダ集合部３１ａに複数の部分空間３４があり、第二液側ヘッダ集合部３１ｂに複数の部分空間３５がある。この部分空間３５は各熱交換領域１４、１５において、扁平管１２の流体通路１２ａに連通する。

第一ガス側ヘッダ集合部２１ａの連通空間２４にはガス冷媒配管２３が接続されており、第一液側ヘッダ集合部２１ｂの各空間２５には膨張装置５から分流器９に接続された分流配管８が接続されている。第二ガス側ヘッダ集合部３１ａの各空間３４と第二液側ヘッダ集合部３１ｂの各空間３５は接続用配管３２によって接続されている。

空気調和機が暖房運転を行うとき、室外熱交換器６は蒸発器として機能する。圧縮機２から吐出された冷媒は前述した冷凍サイクル回路を移動して、低温低圧の液とガス二相の冷媒となって、分流配管８から第一液側ヘッダ集合部２１ｂの各空間２５に流入する。さらに、冷媒は、補助熱交換領域１５、第二液側ヘッダ集合部３１ｂ、接続用配管３２、第二ガス側ヘッダ集合部３１ａ、主熱交換領域１４を順に通りながら、ガス冷媒へと相変化する。このとき、冷媒に混入して流れる冷凍機油の一部が残り、第一ガス側ヘッダ集合部２１ａの底部に下降していく。ここで、第一ヘッダ集合管２１は第一ガス側ヘッダ集合部２１ａと第一液側ヘッダ集合部２１ｂとで冷媒にわずかながら圧力差を生じている。このため、第一ガス側ヘッダ集合部２１ａと第一液側ヘッダ集合部２１ｂの仕切り板２２にバイパス孔２２ａを設けることで、圧力の高い第一液側ヘッダ集合部２１ｂから圧力の低い第一ガス側ヘッダ集合部２１ａへ冷媒が噴出する。第一ガス側ヘッダ集合部２１ａへ噴出した冷媒は、第一ガス側ヘッダ集合部２１ａの底部へ下降してくる冷凍機油２８を上方へ飛ばし、ガス冷媒配管２３から再び冷凍サイクル回路内に戻すことでガス側ヘッダ集合部２１ａの底部への冷凍機油２８溜まりを解消することができる。冷凍機油２８を冷凍サイクル内に確実に戻すために、飛ばされた冷凍機油２８が届く位置にガス冷媒配管２３を設置することが好ましい。

前述したように、本実施形態のパラレルフロー熱交換器から成る室外熱交換器６は、凝縮器として機能するときは、冷凍機油２８を第一液側ヘッダ集合部２１ｂへ流入させ冷凍サイクル回路内に戻すことで油２８溜まりを解消することができる。蒸発器として機能するときも、第一ガス側ヘッダ集合部２１ａに接続されるガス冷媒配管２３に流入させ冷凍サイクル回路内に戻すので、油２８溜まりを解消する。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について図４に基づいて説明する。第１の実施形態と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。このことは、後述する第３の実施形態から第６の実施形態についても同様とする。

第２の実施形態のパラレルフロー熱交換器は、図４で示すように、第一液側ヘッダ集合部２１ｂから第一ガス側ヘッダ集合部２１ａへの冷媒のバイパス通路として、連通管２２ｂを設けた。第１の実施形態と同様に、パラレルフロー熱交換器から成る室外熱交換器６が蒸発器として機能するとき、第一ガス側ヘッダ集合部２１ａの底部へ流出した冷媒は、冷凍機油２８を上方へ飛ばし、ガス冷媒配管２３から再び冷凍サイクル回路に戻すことで第一ガス側ヘッダ集合部２１ａの底部への冷凍機油２８溜まりを解消することができる。また、上記のようにヘッダ集合管の外部に別途、連通管２２ｂを設けることにより、液側・ガス側ヘッダ集合管の任意の位置で冷媒を流動させることが可能となる。例えば、第一液側ヘッダ集合管２１ｂの最上部以外の空間２５と、第一ガス側ヘッダ集合管２１ａの下端等の油２８溜まり部を接続することが可能となり、設計の自由度を増大させつつ冷凍機油２８溜まりを解消することができる。さらに、パラレルフロー熱交換器のガス側・液側での熱干渉を防止するため、第一ヘッダ集合管を液側ヘッダ管とガス側ヘッダ管とに分離し、別体のヘッダ集合管として構成した場合でも、液側ヘッダ集合部の任意の位置とガス側ヘッダ集合部の油２８溜まり部を連通管により接続し、ガス側ヘッダ集合部の冷凍機油２８溜まりを解消する構成としてもよい。

（第３の実施形態）
次に第３の実施形態について説明する。本実施形態は図５に示すように室外熱交換器６を、第２の実施形態のパラレルフロー熱交換器の連通管２２ｂに制御弁２６を配置したパラレルフロー熱交換器として用いたものである。第２の実施形態のパラレルフロー熱交換器から成る室外熱交換器６においては、蒸発器として機能するときに、第一液側ヘッダ集合部２１ｂから第一ガス側ヘッダ集合部２１ａへの冷媒の流出が常に行われている。この状態では、補助熱交換領域１５及び主熱交換領域１４を流れる冷媒の循環量が減少してしまい、熱交換量が減少して、冷凍サイクルとしての性能低下を招く虞がある。第３の実施形態では連通管２２ｂに開閉可能な制御弁２６を配置する。制御弁２６は所定時間毎に開閉し、連通管２２ｂからの冷媒の流出量を制御して、冷凍サイクルとしての性能の低下を抑制しつつ、第一ガス側ヘッダ集合部２１ａ底部への冷凍機油２８溜まりを防止することが可能である。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。図６及び図７は、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態いずれかのパラレルフロー熱交換器から成る室外熱交換器６を含む冷凍サイクル装置１Ｂ，１Ｃの冷凍サイクル回路を示す図である。室外熱交換器６は蒸発器として機能しているものとする。本実施形態は、冷凍サイクル回路内に二重管構造７を有している。

図６の冷凍サイクル装置１Ｂにおいて、二重管構造７は四方弁３と凝縮器として機能している室内熱交換器４とをつなぐ冷媒配管１０２と、蒸発器として機能している室外熱交換器６と四方弁３とをつなぐ冷媒配管１０５に設けられている。第１の実施形態、第２の実施形態、及び第３の実施形態において、蒸発器として機能している室外熱交換器６から流出される冷媒は、低温低圧の液とガス二相の冷媒となる可能性があるため、圧縮機２への液バックを発生する虞がある。そこで四方弁３から室内熱交換器４に向かう高温高圧のガス冷媒と熱交換させ、ガス冷媒に相変化することにより、単相ガス状態で圧縮機２へ戻す構成としている。

図７の冷凍サイクル装置１Ｃにおいて、二重管構造７は室内熱交換器４と膨張装置５とをつなぐ冷媒配管１０３と、室外熱交換器６と四方弁３とをつなぐ冷媒配管１０５に設けられている。図６の構成と同様に、二重管構造７は室外熱交換器６から流出する液とガス二相の冷媒を、室内熱交換器４から流出する中温高圧のガス冷媒と熱交換させることにより、単相ガス状態で圧縮機２へ戻す。

すなわち、単相ガス状態で圧縮機２へ戻すことにより、液バックによる圧縮機２の故障リスクを回避することができる。

（第５の実施形態）
次に第５の実施形態について説明する。図８に示すパラレルフロー熱交換器である室外熱交換器６は、第一ガス側ヘッダ集合部２１ａの底部の導入部に室外熱交換器６の入口側と圧縮機２の出口側の冷媒配管とつながる冷媒配管１０７が接続されている。また、この冷媒配管は制御弁２７を備えている。

図９の冷凍サイクル装置１Ｄにおいて、室外熱交換器６に接続された冷媒配管１０７は、四方弁３と凝縮器として機能する室内熱交換器４とをつなぐ冷媒配管１０２に接続される。冷媒配管１０７に備えられている制御弁２７が開くと、高圧のガス冷媒がパラレルフロー熱交換器から成る室外熱交換器６の第一ガス側ヘッダ集合部２１ａの底部に噴出する。噴出した冷媒は第１の実施形態及び第２の実施形態と同様に第一ガス側ヘッダ集合部２１ａの底部に下降する冷凍機油２８が溜まるのを防止することが可能となる。

図１０に示す冷凍サイクル装置１Ｅのように、冷媒配管１０７は、凝縮器として機能している室内熱交換器４と膨張装置５をつなぐ冷媒配管１０３、または膨張装置５と蒸発器として機能している室外熱交換器６をつなぐ冷媒配管１０４と接続してもよい。前者においては、減圧機能を備えた開閉弁１０により冷媒を低温化させてから、二重管構造７を通して熱交換させ、ガス冷媒に相変化させた冷媒を室外熱交換器６の第一ガス側ヘッダ集合部２１ａに噴出すると、圧縮機２への液バックを防ぐことができる。ここで、減圧機能を備えた開閉弁１０は、開度調節可能なパルスモータバルブや開度調節機能のない開閉弁とキャピラリチューブとを組み合わせたもの等、種々の構成を用いてもよい。

以上説明した少なくとも一つの実施形態のパラレルフロー熱交換器、及び冷凍サイクル装置によれば、圧力高低差を利用した冷媒の流動から、冷凍機油２８を冷凍サイクル回路に戻すことにより、冷凍機油２８がパラレルフロー熱交換器内に溜まることを解消することが可能となる。
なお、本実施形態のパラレルフロー熱交換器は、空気調和機の室内熱交換器にも適用することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

２…圧縮機、４…室内熱交換器、５…膨張装置、６…室外熱交換器、１２…扁平管、１２ａ…流体通路、１３…フィン、２１ａ…第一ガス側ヘッダ集合部、２１ｂ…第一液側ヘッダ集合部、２２…仕切り板、２２ａ…バイパス孔、２２ｂ…連通管、２６…制御弁、３１ａ…第二ガス側ヘッダ集合部、３１ｂ…第二液側ヘッダ集合部

Claims

並列に配置される一対のヘッダ集合管と、前記一対のヘッダ集合管の少なくとも一方に設けられ、内部をガス側ヘッダ集合部と液側ヘッダ集合部とに区画する仕切り板と、前記一対のヘッダ集合管を接続し、冷媒が流通する流体通路を備えた複数の扁平管と、隣接する前記扁平管相互間に設けられ熱交換空気が流通するフィンとを備えたパラレルフロー熱交換器において、前記パラレルフロー熱交換器が蒸発器として機能するときに、冷媒が前記液側ヘッダ集合部から前記扁平管と他方のヘッダ集合管を介して、流入する前記ガス側ヘッダ集合部の底部に、前記ガス側ヘッダ集合部の冷媒の圧力より高い圧力の冷媒を導く導入部が設けられたことを特徴とするパラレルフロー熱交換器。
前記導入部は、前記ガス側ヘッダ集合部の底部と、前記液側ヘッダ集合部とを連通するバイパス通路であること特徴とする請求項１に記載のパラレルフロー熱交換器。
前記バイパス通路は、前記仕切り板に設けられ、前記ガス側ヘッダ集合部と前記液側ヘッダ集合部とを連通するバイパス孔であることを特徴とする請求項２に記載のパラレルフロー熱交換器。
前記バイパス通路は、前記ガス側ヘッダ集合部の底部と前記液側ヘッダ集合部とを連通する連通管であることを特徴とする請求項２に記載のパラレルフロー熱交換器。
前記連通管に、開閉可能な制御弁を配置したことを特徴とする請求項４に記載のパラレルフロー熱交換器。
圧縮機と、膨張装置と、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のパラレルフロー熱交換器を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
圧縮機と、膨張装置と、請求項１に記載のパラレルフロー熱交換器と、冷媒配管とを備え、前記パラレルフロー熱交換器が蒸発器として機能するときの前記パラレルフロー熱交換器の入口側と前記圧縮機間の冷媒配管と、前記パラレルフロー熱交換器の導入部とを連通するバイパス回路を設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置。