JP2020148346A - 熱交換器及び空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘッダ、及びヘッダに接続されるガス管における冷媒の圧力損失を低減することができる熱交換器を提供することを目的とする。【解決手段】断面形状が矩形状のヘッダ２１と、ヘッダ２１の長手方向に並べて配置されヘッダ２１の一側面２１ａに端部が接続される複数の扁平管２３と、一側面２１ａに対向するヘッダ２１の他側面２１ｂに接続されるガス管２５と、を備えており、扁平管２３の空気流方向ａにおける中心Ｃ２をヘッダ２１の空気流方向ａにおける中心Ｃ１からずらした。【選択図】図３

Description

本開示は、熱交換器及び空気調和機に関する。

特許文献１には、マイクロチャネル式の熱交換器が開示されている。この熱交換器は、ヘッダと、ヘッダの長手方向に沿って並べられヘッダに端部が接続される複数の扁平管と、扁平管に接触する複数のフィンとを備えた熱交換部を備えている。特許文献１の熱交換器は、複数の熱交換部を空気の流れ方向に並べて備えている。

熱交換器が蒸発器として用いられ、扁平管からヘッダへガス状の冷媒が流入する場合、ヘッダにおける冷媒の圧力損失は空気調和機の性能低下につながるため、ヘッダの径（流路面積）を拡大することが望まれている。特許文献１記載の熱交換器は、各熱交換部のヘッダの位置を互いに扁平管の長手方向にずらすことによってヘッダの径を拡大可能なスペースを形成している。図７に例示するように、径が拡大されたヘッダ１２１は、その空気の流れ方向ａ（以下、「空気流方向」ともいう）における中心Ｃ１を、扁平管１２３の空気流方向における中心Ｃ２からずらした状態で、扁平管１２３に接続されている。

国際公開第２０１５／０２５７０２号公報

以上のように、径が拡大されたヘッダ１２１の前記中心Ｃ１と、扁平管１２３の前記中心Ｃ２とが空気流方向ａにずれていると、ヘッダ１２１内への扁平管１２３の挿入量Ｌが増大する。そのため、扁平管１２３がヘッダ１２１内を流れる冷媒の抵抗となり、ヘッダ１２１における冷媒の圧力損失の低減効果が損なわれる可能性がある。

本開示は、ヘッダ、及びヘッダに接続されるガス管における冷媒の圧力損失を低減することができる熱交換器を提供することを目的とする。

（１）本開示の熱交換器は、
断面形状が矩形状のヘッダと、
前記ヘッダの長手方向に並べて配置され前記ヘッダの一側面に端部が接続される複数の扁平管と、
前記一側面に対向する前記ヘッダの他側面に接続されるガス管と、を備えており、
前記扁平管の空気流方向における中心が、前記ヘッダの前記空気流方向における中心からずれている。

この構成によれば、ヘッダの断面形状が矩形状に形成されているので、扁平管の空気流方向における中心が、ヘッダの空気流方向における中心からずれていたとしても、ヘッダの一側面に対する扁平管の挿入量が増大することもない。そのため、ヘッダ内を流れる冷媒の圧力損失を低減することができる。

（２）好ましくは、前記ガス管の前記空気流方向における中心が、前記ヘッダの前記空気流方向における中心と一致している。
このような構成によって、ヘッダの空気流方向の長さと同程度までガス管の空気流方向の長さを拡大することができ、ガス管を流れる冷媒の圧力損失を低減することができる。

（３）好ましくは、前記ヘッダの断面形状が、前記空気流方向に長い長方形に形成される。
このような構成によって、ヘッダの断面形状が正方形又は扁平管の長手方向に長い長方形である場合と比べると、ヘッダの流路面積を維持しつつ、扁平管の長手方向におけるヘッダの長さを小さくすることができ、その分、熱交換器の有効長を大きくし、熱交換器の性能を高めることができる。

（４）好ましくは、前記扁平管の前記空気流方向における中心が、前記ヘッダの前記空気流方向における中心から前記空気流方向の上流側にずれている。
空気調和機等の筐体内に熱交換器が収容され、筐体の側壁に形成された空気取入口から熱交換器に空気が供給される場合、扁平管の空気流方向における中心が、ヘッダの空気流方向における中心から空気流方向の上流側にずれることによって、扁平管を筐体の側壁により近づけることができ、効率よく扁平管に空気を供給することができる。

（５）好ましくは、前記扁平管の表面に接触するフィンをさらに備えており、
前記空気流方向における前記ガス管の長さが、前記空気流方向における前記フィンの長さよりも大きい。
このような構成によって、ガス管の長さがより拡大されることになり、ガス管を流れる冷媒の圧力損失を低減することができる。

（６）本開示の空気調和機は、前記（１）〜（５）のいずれかに記載の熱交換器を有している。

（７）好ましくは、前記空気調和機は、平面視において矩形状に形成されかつ前記熱交換器が収容される筐体を備え、
前記熱交換器における扁平管が、前記筐体の隣接する２つの側壁の間の角部において折り曲げられるとともに、２つの前記側壁に沿って配置され、
前記扁平管は、その空気流方向における中心を、前記ガス側ヘッダの前記空気流方向における中心から前記側壁側へずらした位置に配置されている。
このような構成によって、筐体の側壁に形成された空気取入口から熱交換器に空気が供給される場合に、扁平管が、その空気流方向における中心を前記ガス側ヘッダの空気流方向における中心から前記側壁側へずらした位置に配置されることによって、扁平管を筐体の側壁により近づけることができ、効率よく空気を供給することができる。

第１の実施形態に係る空気調和機の内部を上方から見た概略的な平面図である。 熱交換器の概略的な正面図である。 図２のＡ−Ａ矢視断面図である。 図３のＢ−Ｂ矢視断面図である。 第２の実施形態に係る空気調和機の内部を上方から見た概略的な平面図である。 図３に相当する第２の実施形態に係る熱交換器の断面図である。 比較例に係る熱交換器の断面図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態を詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る空気調和機の内部を上方から見た概略的な平面図である。
空気調和機１０は、室外機と室内機とに分離されたセパレートタイプであり、図１には室外機１１が示されている。室外機１１は、筐体１２を備えている。筐体１２は、直方体形状に形成され、平面視（上面視）で矩形状に形成されている。筐体１２の内部は、区画壁１３によって機械室Ｓ１と、熱交換室Ｓ２とに区画されている。

筐体１２の機械室Ｓ１には、圧縮機１４が収容されている。機械室Ｓ１には、圧縮機１４の他、図示しない四路切換弁、アキュームレータ、オイルセパレータ、膨張弁等も収容される。

筐体１２の熱交換室Ｓ２には、熱交換器１５、及び、ファン１６等が収容されている。
熱交換室Ｓ２側に配置された筐体１２の２つの隣接する側壁１２ａ，１２ｂには、空気取入口１２ａ１，１２ｂ１が形成されている。ファン１６は、空気取入口１２ｂ１が形成された一方の側壁１２ｂに隣接した他の側壁１２ｃに対向して配置されている。この側壁１２ｃには、空気吹出口１２ｃ１が形成されている。ファン１６が作動すると、空気取入口１２ａ１，１２ｂ１から筐体１２内に空気が取り入れられ、空気吹出口１２ｃ１から排出される。図１に示す矢印ａは、筐体１２に取り入れられる空気の流れの方向を示す。以下、空気の流れの方向を、「空気流方向」ともいう。

熱交換器１５は、平面視でＬ字形状に形成されている。熱交換器１５は、空気取入口１２ａ１，１２ｂ１が形成された２つの側壁１２ａ，１２ｂの間の角部１２ｅの付近で屈曲し、２つの側壁１２ａ，１２ｂに沿って配置されている。

図２は、熱交換器１５の概略的な正面図である。
熱交換器１５は、マイクロチャネル型の熱交換器である。熱交換器１５は、一対のヘッダ２１，２２、伝熱管２３、及びフィン群２４を有している。これらはアルミニウム又はアルミニウム合金により形成されている。

ヘッダ２１，２２は、その長手方向を上下方向に向けた状態で配置されている。一対のヘッダ２１，２２は、ガス側ヘッダ２１及び液側ヘッダ２２からなる。ガス側ヘッダ２１には、ガス状の冷媒が流れる。ガス側ヘッダ２１には、ガス管２５が接続されている。液側ヘッダ２２には液状（又は気液二相）の冷媒が流れる。

伝熱管２３は、上下方向の厚さよりも、空気流方向ａ（図１参照）の長さが長い扁平管により構成されている。以下、伝熱管のことを扁平管２３という。扁平管２３は、ヘッダ２１，２２の長手方向である上下方向に並べて多数設けられている。扁平管２３の一端はガス側ヘッダ２１に連結され、扁平管２３の他端は液側ヘッダ２２に接続されている。

図３は、図２のＡ−Ａ矢視断面図である。図４は、図３のＢ−Ｂ矢視断面図である。
図４に示すように、扁平管２３は、空気流方向ａに並べて配置された複数の流路２３ａを有している。図１に示すように、一方のヘッダから扁平管２３に流入した冷媒は、各流路２３ａを流れ、他方のヘッダへ流入する。熱交換器１５が、蒸発器として用いられる場合、液側ヘッダ２２から気液二相冷媒が扁平管２３に流入し、各流路２３ａ内を冷媒が流れながら蒸発し、ガス状の冷媒となってガス側ヘッダ２１に流入する。ガス側ヘッダ２１に流入した冷媒は、ガス管２５へ流入し、その後、圧縮機１４に吸入される。

図３に示すように、フィン群２４は、扁平管２３の長手方向に並べて配置された多数のフィン２４ａからなる。ガス側ヘッダ２１とフィン群２４との間には間隔があけられている。図４に示すように、各フィン２４ａには、上下方向に間隔をあけて多数の溝２４ｂが形成されている。この溝２４ｂに扁平管２３が挿入され、扁平管２３にフィン２４ａが固定されている。フィン２４ａは、扁平管２３よりも空気流方向ａの上流側に突出する突出部２４ｃを備えている。

図３に示すように、ガス側ヘッダ２１は、断面形状が矩形状に形成されている。具体的に、ガス側ヘッダ２１の断面形状は、空気流方向ａに長い長方形に形成されている。ガス側ヘッダ２１の一方の長辺側の側面２１ａに扁平管２３が接続されている。ガス側ヘッダ２１の他方の長辺側の側面２１ｂにガス管２５が接続されている。

ガス側ヘッダ２１の空気流方向ａにおける中心Ｃ１と、扁平管２３の空気流方向ａにおける中心Ｃ２とは、空気流方向ａにずれている。本実施形態では、扁平管２３の前記中心Ｃ２が、ガス側ヘッダ２１の前記中心Ｃ１よりも空気流方向ａの上流側にずれている。そのため、扁平管２３を筐体１２の側壁１２ａにより近づけることができ、効率よく空気取入口１２ａ１から扁平管２３に空気を供給することができる。

扁平管２３を筐体１２の側壁１２ａにより近づけることができるので、図１に示す熱交換器１５の有効長Ｌ３を長くすることができる。ガス側ヘッダ２１の断面形状が、空気流方向ａに長い長方形に形成されるので、熱交換器１５の有効長Ｌ４も長くすることができる。なお、有効長とは、熱交換器１５のうち実質的に熱交換を行う部分、具体的には熱交換器１５のうち扁平管２３にフィン群２４が設けられた部分の長さをいう。図１における有効長Ｌ３は、２つの側壁１２ａ，１２ｃが対向する方向（図１の上下方向）において、液側ヘッダ２２側（図１における上側）のフィン群２４の端部から側壁１２ａ側（図１における下側）のフィン群２４の端部までの距離をいう。図１における有効長Ｌ４は、機械室Ｓ１と熱交換室Ｓ２とが並ぶ方向（図１の左右方向）において、ガス側ヘッダ２１側（図１における左側）のフィン群２４の端部から側壁１２ｂ側（図１における右側）のフィン群２４の端部までの距離をいう。

図２に示すように、ガス管２５は、ガス側ヘッダ２１の上下方向の複数箇所に接続されている。図３に示すように、ガス管２５は、ガス側ヘッダ２１と空気流方向における中心Ｃ１を一致させた位置に配置されている。ガス管２５の直径（空気流方向ａの長さ）Ｄは、ガス側ヘッダ２１の空気流方向ａにおける長さ（幅）Ｌ１よりも若干小さいが、フィン２４ａの空気流方向ａの長さ（幅）Ｌ２よりも大きい。このように、ガス側ヘッダ２１の断面形状を空気流方向ａに長い長方形とすることで、ガス管２５の直径Ｄを、フィン２４ａの長さＬ２よりも大きくなるように拡大することができる。これにより、ガス管２５を流れる冷媒の圧力損失を低減することができる。

＜第２の実施形態＞
図５は、第２の実施形態に係る空気調和機の内部を上方から見た概略的な平面図である。
本実施形態の空気調和機１０は、熱交換器１５の構造が第１の実施形態とは異なっている。本実施形態の熱交換器１５は、室外機１１に収容された扁平管２３が空気流方向ａに２列に配置されている。空気流方向ａの上流側に配置された第１列の扁平管２３Ａの機械室Ｓ１側の一端には、液側ヘッダ２２が接続されている。空気流方向ａの下流側に配置された第２列の扁平管２３Ｂの機械室Ｓ１側の一端には、ガス側ヘッダ２１が接続されている。

双方の列の扁平管２３の他端同士は、連結ヘッダ２６によって連結されている。連結ヘッダ２６は、一方の列の扁平管２３から流入する冷媒を合流させた後、他方の列の扁平管２３へ冷媒を流すために用いられる。

図６は、図３に相当する第２の実施形態に係る熱交換器の断面図である。
第２列の扁平管２３Ｂの一端は、第１列の扁平管２３Ａの一端よりもフィン群２４から大きく機械室Ｓ１側へ突出している。そのため、第１列の扁平管２３Ａに接続された液側ヘッダ２２と、第２列の扁平管２３Ｂに接続されたガス側ヘッダ２１とは、扁平管２３Ａ，２３Ｂの長手方向に位置をずらして配置されている。ガス側ヘッダ２１は、その空気流方向ａにおける中心Ｃ１を、扁平管２３Ｂの空気流方向ａにおける中心Ｃ２から空気流方向ａの上流側にずらした位置に配置されている。これにより、ガス側ヘッダ２１と液側ヘッダ２２とが、扁平管２３Ａ，２３Ｂの長手方向に重なった配置となり、熱交換器１５全体の空気流方向ａの長さ（幅）Ｌ５を小さくすることができ、熱交換器１５の小型化を図ることができる。

＜実施形態の作用効果＞
上述した各実施形態の熱交換器１５は、断面形状が矩形状のガス側ヘッダ２１と、ガス側ヘッダ２１の長手方向に並べて配置されかつガス側ヘッダ２１の一側面２１ａに端部が接続される複数の扁平管２３と、一側面２１ａに対向するガス側ヘッダ２１の他側面２１ｂに接続されるガス管２５とを備える。扁平管２３は、その空気流方向ａにおける中心Ｃ２を、ガス側ヘッダ２１の空気流方向ａにおける中心Ｃ１からずらした位置に配置されている。

以上のように、ガス側ヘッダ２１の断面形状が矩形状に形成されるので、扁平管２３が、その空気流方向ａにおける中心Ｃ２を、ガス側ヘッダ２１の空気流方向ａにおける中心Ｃ１に対して空気流方向ａにずらした状態で配置されたとしても、ガス側ヘッダ２１に対する扁平管２３の挿入量が増大しない。そのため、ガス側ヘッダ２１内を流れる冷媒の圧力損失を低減することができる。

上述した各実施形態では、ガス側ヘッダ２１の他側面２１ｂに接続されるガス管２５は、ガス側ヘッダ２１と空気流方向ａにおける中心Ｃ１を一致させた位置に配置されているので、ガス側ヘッダ２１の空気流方向ａの長さＬ１と同程度までガス管２５の直径Ｄを拡大することができ、ガス管２５を流れる冷媒の圧力損失を低減することができる。

上述の実施形態では、ガス側ヘッダ２１の断面形状が、空気流方向ａに長い長方形に形成される。そのため、ガス側ヘッダ２１の流路面積を維持しつつ、扁平管２３の長手方向におけるガス側ヘッダ２１の長さＬ６を小さくすることができる。これにより、図１及び図５に示す熱交換器１５の有効長Ｌ４を大きくし、熱交換器１５の性能を高めることができる。

上述の第１の実施形態では、扁平管２３が、その空気流方向ａにおける中心Ｃ２を、ガス側ヘッダ２１の空気流方向ａにおける中心Ｃ１から空気流方向ａの上流側にずらした位置に配置されている。言い換えると、扁平管２３は、その中心Ｃ２を、ガス側ヘッダ２１の前記中心Ｃ１から側壁１２ａ側にずらした位置に配置されている。そのため、扁平管２３を筐体１２の側壁１２ａにより近づけることができ、空気取入口１２ａ１から効率よく扁平管２３に空気を供給することができる。

上述の各実施形態では、空気流方向ａにおけるガス管２５の長さ（直径）Ｄが、空気流方向ａにおけるフィン２４ａの長さＬ２よりも大きい。これにより、ガス管２５の長さＤがより拡大されることになり、ガス管２５を流れる冷媒の圧力損失を低減することができる。

なお、本開示は、以上の例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
上述した各実施形態において、ガス側ヘッダ２１は、断面形状が長方形に形成されていたが、正方形に形成されていてもよい。
上述した各実施形態において、熱交換器１５は、扁平管２３を３列以上備えていてもよい。

上述した各実施形態では、熱交換器１５は、平面視で筐体１２の２つの隣接する側壁１２ａ，１２ｂに沿うようにＬ字状に形成されていたが、１つの側壁又は３つ以上の側壁に沿うように形成されていてもよい。
上述した各実施形態では、室外機１１は、ファン１６によって筐体１２の側壁１２ｃから空気を吹き出していたが、筐体１２の上面から空気を吹き出す構成であってもよい。

１０ ：空気調和機
１２ ：筐体
１２ａ ：側壁
１２ｅ ：角部
１５ ：熱交換器
２１ ：ガス側ヘッダ
２１ａ ：一側面
２１ｂ ：他側面
２３ ：扁平管
２３Ａ ：扁平管
２３Ｂ ：扁平管
２４ａ ：フィン
２５ ：ガス管
ａ ：空気流方向

Claims (7)

1. 断面形状が矩形状のヘッダ（２１）と、
   前記ヘッダ（２１）の長手方向に並べて配置され前記ヘッダ（２１）の一側面（２１ａ）に端部が接続される複数の扁平管（２３）と、
   前記一側面（２１ａ）に対向する前記ヘッダ（２１）の他側面（２１ｂ）に接続されるガス管（２５）と、を備えており、
   前記扁平管（２３）の空気流方向における中心（Ｃ２）が、前記ヘッダ（２１）の前記空気流方向における中心（Ｃ１）からずれている、熱交換器。
2. 前記ガス管（２５）の前記空気流方向における中心（Ｃ１）が、前記ヘッダ（２１）の前記空気流方向における中心（Ｃ１）と一致している、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記ヘッダ（２１）の断面形状が、前記空気流方向に長い長方形に形成される、請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記扁平管（２３）の前記空気流方向における中心（Ｃ２）が、前記ヘッダ（２１）の前記空気流方向における中心（Ｃ１）から前記空気流方向の上流側にずれている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記扁平管（２３）の表面に接触するフィン（２４ａ）をさらに備えており、
   前記空気流方向における前記ガス管（２５）の長さが、前記空気流方向における前記フィン（２４ａ）の長さよりも大きい、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器（１５）を有している、空気調和機。
7. 平面視において矩形状に形成されかつ前記熱交換器（１５）が収容される筐体（１２）を備え、
   前記熱交換器（１５）における扁平管（２３）が、前記筐体（１２）の隣接する２つの側壁（１２ａ，１２ｂ）の間の角部において折り曲げられるとともに、２つの前記側壁（１２ａ，１２ｂ）に沿って配置され、
   前記扁平管（２３）は、その空気流方向における中心（Ｃ１）を、前記ガス側ヘッダ（２１）の前記空気流方向における中心（Ｃ１）から前記側壁（１２ａ）側へずらした位置に配置されている、請求項６に記載の空気調和機。
   

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