JP2020176751A - 熱交換器およびそれを用いた冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換性能が高くコンパクトな熱交換器とそれを用いた冷凍システムの提供。【解決手段】エンドプレート３の端部にヘッダ流路用開口１１、１２を設けて第１流体の入口及び出口となるヘッダ流路管５、６を接続した熱交換器において、前記ヘッダ流路管５、６は前記エンドプレート３のヘッダ流路用開口１１、１２に直接嵌合させて接合した構成としている。これにより、ヘッダ流路管はエンドプレートのヘッダ流路用開口と略同等の径にすることができる。よって、入口ヘッダ流路管及び出口ヘッダ流路管を合わせた外寸を小さくし、プレートフィンの巾を縮小して熱交換器を小型化することができる。【選択図】図５

Description

本開示は熱交換器およびそれを用いた冷凍システムに関し、特に、プレートフィンを積層して構成したプレートフィン積層型の熱交換器とそれを用いた冷凍システムに関する。

特許文献１は、
そこで出願人は、フィンチューブ型熱交換器をプレートフィン積層型熱交換器に代えて使用することを開示している。

図１１は特許文献１記載のプレートフィン積層型熱交換器を示し、このプレートフィン積層型熱交換器は、複数の凹状溝１０１ａによって伝熱流路１０１を形成したプレートフィ１０２をエンドプレート１０３間に多数積層して構成してあり、前記伝熱流路１０１はプレートフィン１０２の他端部側でＵターンする形状として冷媒の入口あるいは出口となるヘッダ流路Ａ１０４及びヘッダ流路Ｂ１０５をプレートフィン１０２の一端部側に纏めた形としている。そして、上記ヘッダ流路Ａ１０４及びヘッダ流路Ｂ１０５にヘッダ流路管Ａ１０６、ヘッダ流路管Ｂ１０７を接続して構成している。

図１２は上記ヘッダ流路管Ａ１０６、ヘッダ流路管Ｂ１０７の接続構成を示し、上記ヘッダ流路管Ａ１０６、ヘッダ流路管Ｂ１０７は、エンドプレート１０３に設けたヘッダ流路用開口Ａ１０８、ヘッダ流路用開口Ｂ１０９の外周部に環状溝１１０を設け、この環状溝１１０にヘッダ流路管Ａ１０６、ヘッダ流路管Ｂ１０７の端部を嵌合させ、ロー付けしている。

特開２０１８−６６５３１号公報

本開示は熱交換器を小型化することを第１の目的とし、更には蒸発条件で使用している時であっても熱交換性能が高いコンパクトな熱交換器とそれを用いた冷凍システムを提供すること第２の目的としたものである。

本開示における熱交換器は、第１流体が流れる伝熱流路を有するプレートフィンをエンドプレート間に多数積層して接合一体化するとともに、前記エンドプレートの端部にヘッダ流路用開口を設けて第１流体の入口及び出口となるヘッダ流路管を接続した熱交換器であって、前記ヘッダ流路管は前記エンドプレートのヘッダ流路用開口に直接嵌合させて接合した構成としている。

これにより、入口及び出口のヘッダ流路管はエンドプレートのヘッダ流路用開口と略同等の径にすることができる。よって、入口ヘッダ流路管及び出口ヘッダ流路管を合わせた外寸を小さくし、プレートフィンの巾を縮小して熱交換器を小型化することができる。

本開示における熱交換器は、上記構成により、熱交換性能が高くてコンパクトな熱交換器とそれを用いた冷凍システムとすることができる。

本発明の実施の形態１におけるプレートフィン積層型熱交換器の外観を示す斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器を上下に分離した状態で示す分解斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器の要部側面図 図２のＡ−Ａ断面図 同プレートフィン積層型熱交換器のヘッダ流路管の接続構成を示す拡大断面図 同プレートフィン積層型熱交換器を構成するプレートフィンの平面図 同プレートフィン積層型熱交換器を構成するプレートフィンの分解斜視図 本発明の実施の形態１におけるプレートフィン積層型熱交換器の変形例を示す分解斜視図 本発明の実施の形態２における空気調和機の冷凍サイクル図 同空気調和機の室内機を示す概略断面図 本出願人が提案した従来のプレートフィン積層型熱交換器の分解斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器のヘッダ流路管の接続構成を示す断面図

第１の発明は、熱交換器であり、この熱交換器は、第１流体が流れる伝熱流路を有するプレートフィンをエンドプレート間に多数積層して接合一体化するとともに、前記エンドプレートの端部にヘッダ流路用開口を設けて第１流体の入口及び出口となるヘッダ流路管を接続した熱交換器であって、前記ヘッダ流路管は前記エンドプレートのヘッダ流路用開口に直接嵌合させて接合した構成としている。

これにより、入口及び出口のヘッダ流路管はエンドプレートのヘッダ流路用開口と略同等の径にすることができる。よって、入口ヘッダ流路管及び出口ヘッダ流路管を合わせた外寸を小さくし、プレートフィンの巾を縮小して熱交換器を小型化することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記エンドプレートのヘッダ流路用開口はその開口縁に座繰り部を設けるとともに、前記ヘッダ流路用開口に接続したヘッダ流路管はその内径を前記エンドプレートのヘッダ流路用開口の内径と同等もしくはそれより小さな径とした構成としている。

これにより、エンドプレートのヘッダ流路用開口の内周面と前記ヘッダ流路用開口に接続したヘッダ流路管の内周面との間に段差、つまり冷媒流れ方向に向き合う形の段差が生じることがなくなる。よって、ヘッダ流路管からヘッダ流路用開口へ流れる冷媒が縮流して気液二相冷媒の分流が悪化するのを防止でき、高い熱交換性能を維持することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記プレートフィンの伝熱流路は端部でＵターンさせてヘッダ流路用開口をプレートフィンの一端部側に纏め、この一端部側に纏めたヘッダ流路用開口それぞれに第１流体の入口及び出口となるヘッダ流路管を接続した構成としている。

これにより、プレートフィンの長さを短くして小型化を図りつつ伝熱流路長は長くして熱交換性能を高め、しかも、ヘッダ流路用開口をプレートフィンの一端部側に纏めてヘッダ流路用開口が隣接する形となっていても、当該ヘッダ流路用開口に接続した二つのヘッダ流路管は座繰り部に嵌合させる径でよいのでそれらを合わせた外寸は小さく維持でき、小型高性能な熱交換器とすることができる。

第４の発明は冷凍システムであり、この冷凍システムは冷凍サイクルを構成する熱交換器を前記第１または第２の発明に記載の熱交換器としたものである。

これにより、この冷凍システムは、小型且つ高性能な熱交換器を使用していることにより、省エネ性の高い高性能な冷凍システムとすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本実施の形態１のプレートフィン積層型熱交換器の外観を示す斜視図、図２は同プレートフィン積層型熱交換器を上下に分離した状態で示す分解斜視図、図３は同プレートフィン積層型熱交換器の要部側面図、図４は図２のＡ−Ａ断面図、図５はプレートフィン積層型熱交換器のヘッダ流路管の接続構成を示す拡大断面図、図６は同プレートフィン積層型熱交換器を構成するプレートフィンの平面図、図７は同プレートフィン積層型熱交換器を構成するプレートフィンの分解斜視図である。

本実施の形態のプレートフィン積層型熱交換器（以下、単に熱交換器と称す）１は、図１、図２に示すように、略長方形状のプレートフィン２をエンドプレート３間に複数積層してロウ材により接合一体化し熱交換コア部４を形成している。そして、蒸発器として用いる場合には入口となり凝縮器として用いる場合は出口となるヘッダ流路管Ａ５及びその逆となるヘッダ流路管Ｂ６が接続している。

上記熱交換コア部４の両側のエンドプレート３、３は、プレートフィン積層体を挟持した形でロー付けされ、ボルト・ナット若しくはカシメピン軸等の締結手段７によりその長手方向両端部を連結固定し、熱交換器としての剛性を保持している。

また、上記熱交換コア部４を構成するプレートフィン２は、図６に示すように、前記ヘッダ流路管Ａ５及びヘッダ流路管Ｂ６に繋がる一対のヘッダ流路Ａ８、ヘッダ流路Ｂ９を形成する開口Ａ８ａ、開口Ｂ９ａ、及び上記開口Ａ８ａと開口Ｂ９ａとの間を繋ぎ伝熱流路１０となる凹状溝１０ａを設けた一対のプレート２ａ、２ｂ（図７参照）を貼り合わせて形成している。

なお、上記前記伝熱流路１０は、本実施の形態では、略Ｕ字状に折り返して形成することにより、図１、図２、図６、図７に示すように、プレートフィン２に設けたヘッダ流路Ａ８、ヘッダ流路Ｂ９を一端部側に纏め、これに接続するヘッダ流路管Ａ５及びヘッダ流路管Ｂ６が隣接する形となっている。

次に、上記ヘッダ流路管Ａ５及びヘッダ流路管Ｂ６の接続構成を図４、図５を用いて説明する。なお、ヘッダ流路管Ａ５及びヘッダ流路管Ｂ６の接続構成は両者とも同じ構成なので、蒸発器と使用されるときに冷媒の入口側となるヘッダ流路管Ａ５の接続構成を中心に説明していく。

図４、図５において、熱交換コア部４のエンドプレート３にはプレートフィン２のヘッダ流路Ａ８及びヘッダ流路Ｂ９に対応してヘッダ流路用開口Ａ１１、ヘッダ流路用開口Ｂ１２が形成している。そして、上記ヘッダ流路用開口Ａ１１、ヘッダ流路用開口Ｂ１２は、その開口縁に座繰り部１３が形成している。

一方、上記ヘッダ流路用開口Ａ１１、ヘッダ流路用開口Ｂ１２に接続するヘッダ流路管Ａ５とヘッダ流路管Ｂ６は上記ヘッダ流路用開口Ａ１１、ヘッダ流路用開口Ｂ１２の座繰り部１３に嵌合し、その外周をロー材でロー付けしている。

ここで、上記ヘッダ流路管Ａ５とヘッダ流路管Ｂ６は、図５に示すように、その内径Ф１をエンドプレート３のヘッダ流路用開口Ａ１１、ヘッダ流路用開口Ｂ１２の開口径Ф２と同等かそれより小さな径としている。

上記のように構成した本実施の形態の熱交換器１は、エンドプレート３のヘッダ流路用開口Ａ１１、ヘッダ流路用開口Ｂ１２にヘッダ流路管Ａ５とヘッダ流路管Ｂ６を直接嵌合させて接合しているので、ヘッダ流路管Ａ５とヘッダ流路管Ｂ６はエンドプレート３のヘッダ流路用開口Ａ１１、ヘッダ流路用開口Ｂ１２と略同等の径にすることができる。よって、ヘッダ流路管Ａ５とヘッダ流路管Ｂ６を合わせた外寸を小さくし、プレートフィン３の巾を縮小して熱交換器を小型化することができる。

また、この熱交換器は、蒸発器として使用している時、冷媒はヘッダ流路管Ａ５から流入し、エンドプレート３のヘッダ流路用開口Ａ１１を介してヘッド流路Ａ８に入り、これに繋がる伝熱流路１０に分流して並行に流れＵターンして折り返しもう一方のヘッダ流路Ｂ９、エンドプレート３のヘッダ流路用開口Ｂ１２を介しヘッダ流路管Ｂ６から流出する。一方、第２流体である空気は、熱交換コア部４のプレートフィン２積層間の隙間を通り抜ける。これにより第１流体である冷媒と第２流体である空気との熱交換が行われる。

ここで、上記ヘッダ流路管Ａ５からエンドプレート３のヘッダ流路用開口Ａ１１へと流入する気液二相冷媒は、図５に示すようにヘッダ流路管Ａ５の内径Ф１がエンドプレート３のヘッダ流路用開口Ａ１１の開口径Ф２と同等か小さくしているから、冷媒の流れ方向に向き合う形の段差が生じることがなくなる。

よって、ヘッダ流路管Ａ５から流入する気液二相冷媒がエンドプレート３のヘッダ流路用開口Ａ１１で縮流されることがなくなり、円滑にヘッダ流路Ａ８へと流れる。したがって、気液二相冷媒がエンドプレート３のヘッダ流路用開口Ａ１１で縮流されることによって生じる熱交換性能の低下を防止することができ、高性能なる熱交換器とすることができる。

また、前記伝熱流路１０をＵターンさせて冷媒の流入流出口となるヘッダ流路Ａ８とヘッダ流路Ｂ９をプレートフィン２の一端部側に纏めたことにより、ヘッダ流路管Ａ５とヘッダ流路管Ｂ６が隣接する形となるとしても、当該二つの管を合わせた外寸は前記した如く小さく維持できる。そして、上記伝熱流路１０をＵターンさせたことによって、プレートフィン２の長さを短くしつつ伝熱流路長を長く確保して熱交換性能を高めることができる。

よって、熱交換器１は上記縮流防止効果とＵターン化効果が合わさって、より小型高性能な熱交換器とすることができる。

なお、上記熱交換器１は伝熱流路１０がＵターンする形態のもので説明したが、これは図８に示すようにプレートフィン２の一端側にヘッダ流路管Ａ５、反対側にヘッダ流路管Ｂ６を設けてこれらの間を繋ぐ伝熱流路１０は一方向のみのものであってもよく、この場合もヘッダ流路管Ａ５、ヘッダ流路管Ｂ６の接続構成は前記した構成とすればよい。これにより小型化を促進しつつ、気液二相冷媒の縮流を防止して熱交換性能の低下を抑制し、熱交換器の高性能化を図ることができる。

（実施の形態２）
この実施の形態２は、前記実施形態の熱交換器を用いて構成した冷凍システムである。

本実施の形態では冷凍システムの一例として空気調和機を説明する。図９は空気調和機の冷凍サイクル図、図１０は同空気調和機の室内機を示す概略断面図である。

図３０、図３１において、この空気調和装置は、室外機５１と、室外機５１に接続された室内機５２から構成されている。室外機５１には、冷媒を圧縮する圧縮機５３、冷房暖房運転時の冷媒回路を切り替える四方弁５４、冷媒と外気の熱を交換する室外熱交換器５５、冷媒を減圧する減圧器５６が配設されている。また、室内機５２には、冷媒と室内空気の熱を交換する室内熱交換器５７と、室内送風機５８とが配設されている。そして、前記圧縮機５３、四方弁５４、室内熱交換器５７、減圧器５６、室外熱交換器５５を冷媒回路で連結してヒートポンプ式冷凍サイクルを形成している。

本実施形態による冷媒回路には、テトラフルオロプロペンまたはトリフルオロプロペンをベース成分とし、ジフルオロメタンまたはペンタフルオロエタンまたはテトラフルオロエタンを、地球温暖化係数が５以上、７５０以下となるように、望ましくは３５０以下、さらに望ましくは１５０以下となるようにそれぞれ２成分混合もしくは３成分混合した冷媒を使用している。

上記空気調和機は、冷房運転時には、四方弁５４を圧縮機５３の吐出側と室外熱交換器５５とが連通するように切り換える。これにより、圧縮機５３によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁５４を通って室外熱交換器５５に送られる。そして、外気と熱交換して放熱し、高圧の液冷媒となり、減圧器５６に送られる。減圧器５６では減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、室内機５２に送られる。室内機５２では、冷媒は室内熱交換器５７に入り室内空気と熱交換して吸熱し、蒸発気化して低温のガス冷媒となる。この時室内空気は冷却されて室内を冷房する。さらに冷媒は室外機５１に戻り、四方弁５４を経由して圧縮機５３に戻される。

暖房運転時には、四方弁５４を圧縮機５３の吐出側と室内機５２とが連通するように切り換える。これにより、圧縮機５３によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁５４を通り、室内機５２に送られる。高温高圧の冷媒は室内熱交換器５７に入り、室内空気と熱交換して放熱し、冷却され高圧の液冷媒となる。この時、室内空気は加熱されて室内を暖房する。その後、冷媒は減圧器５６に送られ、減圧器５６において減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、室外熱交換器５５に送られて外気と熱交換して蒸発気化し、四方弁５４を経由して圧縮機５３へ戻される。

上記のように構成された空気調和機は、その室外熱交換器５５或いは室内熱交換器５７に前記各実施の形態で示した小型高性能な熱交換器を使用することにより、省エネ性の高い高性能な冷凍システムとすることができる。

本発明は、上記実施の形態の説明から明らかなように、入口ヘッダ流路管及び出口ヘッダ流路管を合わせた外寸を小さくし、プレートフィンの巾を縮小して熱交換器を小型化することができる。よって、家庭用及び業務用エアコン等に用いる熱交換器や各種冷凍機器等に幅広く利用でき、その産業的価値は大なるものがある。

１ 熱交換器
２ プレートフィン
２ａ、２ｂ プレート
３ エンドプレート
４ 熱交換コア部
５ ヘッダ流路管Ａ
６ ヘッダ流路管Ｂ
７ 締結手段
８ ヘッダ流路Ａ
９ ヘッダ流路Ｂ
１０ 伝熱流路
１０ａ 凹状溝
１１ ヘッダ流路用開口Ａ
１２ ヘッダ流路用開口Ｂ
１３ 座繰り部
５１ 室外機
５２ 室内機
５３ 圧縮機
５４ 四方弁
５５ 室外熱交換器
５６ 減圧器
５７ 室内熱交換器

Claims (4)

1. 第１流体が流れる伝熱流路を有するプレートフィンをエンドプレート間に多数積層して接合し一体化するとともに、前記エンドプレートの端部にヘッダ流路用開口を設けて前記第１流体の入口及び出口となるヘッダ流路管を接続した熱交換器であって、前記ヘッダ流路管は前記エンドプレートのヘッダ流路用開口に直接嵌合させて接合した構成とした熱交換器。
2. 前記エンドプレートの前記ヘッダ流路用開口はその開口縁に座繰り部を設けるとともに、前記ヘッダ流路用開口に接続した前記ヘッダ流路管は、その内径を前記エンドプレートの前記ヘッダ流路用開口の内径と同等もしくはそれより小さな径とした請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記プレートフィンの前記伝熱流路は端部でＵターンさせて前記ヘッダ流路用開口をプレートフィンの一端部側に纏め、この一端部側に纏めた前記ヘッダ流路用開口のそれぞれに前記第１流体の入口及び出口となる前記ヘッダ流路管を接続した請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 冷凍サイクルを構成する熱交換器を前記第１〜３のいずれかに記載の熱交換器とした冷凍システム。

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