JP3076397B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はフィンチューブ型の熱交
換器に係り、特に、高所に設けた凝縮器と低所に設けた
蒸発器との間で冷媒を自然循環させることにより冷暖房
を行う空調システムで用いられる室内ユニットの熱交換
器に関する。

【０００２】

【従来の技術・発明の解決課題】上述のような空調シス
テムとして、特開昭６３−１１８５４６号公報に示され
たビル空調システムが知られている。この空調システム
においては、被空調室に設置される室内ユニットに熱交
換器が含まれている。この空調システムで冷房運転が行
われる場合には、例えばビルの屋上等に設置された凝縮
器から冷媒液が重力落下して室内ユニットの熱交換器に
その下側から流入する。熱交換器内で冷媒は室内空気と
熱交換し、吸熱して蒸発する。蒸発してガス化した冷媒
は、そのガス圧によって熱交換器内を上昇し、その冷媒
出口からさらに冷媒ガス管内を上昇して凝縮器へ還流す
る。この循環を繰り返すことによって冷媒の自然循環系
が形成され、ポンプや圧縮機等の駆動装置を用いずとも
冷房運転が続けられる。

【０００３】ところで、上述のように冷媒を自然循環さ
せるシステムでは、駆動装置がないので循環系内での圧
力損失を最小限に抑え、そして冷媒の流動を極力安定化
させることが重要である。この冷媒の流動を不安定にす
る大きな原因の一つに冷媒の液バック現象という問題が
ある。この液バック現象は、熱交換器内で冷媒が十分な
熱交換を行えないまま、すなわち冷媒が完全に蒸発せず
液相部分を含んだままで熱交換器から冷媒ガス管内へ流
出する現象である。尚、この液バック現象は冷媒自然循
環システムにおいてのみ生じる現象ではなく通常の冷凍
サイクル系においても生じ得る現象である。

【０００４】この液バック現象を防止するためには、熱
交換器の主コイル出口近辺で冷媒の完全ガス化を達成す
る必要がある。そのため、熱交換器の主コイル上部には
過熱部が確実に形成されるように、主コイルの大きさや
膨張弁サイズが選定されている。ところがこの過熱部
は、液バック現象防止のためには必要であるが、その他
の点に関しては後述するように、あまり好ましい作用を
なさない。

【０００５】一般に、熱交換器内へ流入する冷媒液の流
量は、熱交換器の冷媒入口に設けられた膨張弁の開度調
整によって制御される。また、冷媒出口には冷媒温度を
検知する感温筒が設けられており、膨張弁は感温筒の検
知温度に応じてその開度調整が行われる。通常は、感温
筒の検知温度が十分に高い場合には、熱交換器内の冷媒
ガス化が十分に行われていると判断できるので、膨張弁
の開度は熱交換器内への冷媒液流入量をそのまま保持す
るように一定に保たれる。しかしながら、液バック現象
が一旦生じると感温筒は液状冷媒の温度を検知するため
にその検知温度が低くなり、その結果、膨張弁は絞られ
て熱交換器内への冷媒流入が制限される。冷媒の流入制
限状態がしばらく続くと熱交換器内の冷媒液部分が減少
して過熱部が増大し、感温筒の検知温度が上昇して再び
膨張弁が開かれ、冷媒液が熱交換器内へ流入する。通常
の冷凍サイクル系で液バックが生じた場合には、上述の
過程で吹き出し空気温度が変動して不安定になるが、そ
れでも冷房運転続行は可能である。しかし自然循環シス
テムにおいて一旦液バック現象が起こると、冷媒の循環
を促進する力（冷媒ガス圧）が不足して循環停止の状態
に陥る恐れがある。

【０００６】これまでの冷媒自然循環システムで液バッ
ク現象防止のために採られてきた措置は、熱交換器内の
上部すなわち冷媒流出口の近辺で確実に過熱部が形成さ
れるように、熱交換器のコイル部の大きさに対して膨張
弁のサイズを通常の冷凍サイクル系における熱交換器よ
りもかなり小さめに設定するというものであった。しか
しながら、膨張弁サイズの設定が小さ過ぎるとコイルの
空気流路面積において過熱部の占める割合が必要以上に
高くなる。この過熱部における熱交換はほとんど期待で
きないので、過熱部の割合が増すと熱交換効率の低下を
招くことになる。したがって、冷媒自然循環システムで
は、過熱部が過大とならないように且つ確実に形成され
るように、特に膨張弁のサイズ選定が極めて難しい問題
となっている。

【０００７】また、冷媒が例えばフロンである場合に
は、これが液体から気体に相変化するときは約４０倍に
も膨張する。過熱部における冷媒ガスの流速はかなり大
きく、そのため過熱部での圧力損失はかなり大きい。冷
媒自然循環システムでは、過熱部が過大になると冷媒の
自然循環を阻害する恐れもかなり高くなる。

【０００８】本発明は上述のごとき従来の技術的課題に
鑑み、これを有効に解決すべく創案されたものである。
したがって本発明の目的は、冷媒自然循環システムによ
る冷房運転が液バック現象で冷媒の自然循環停止を招く
ことがないように、しかも熱交換器内に確実に過熱部を
形成し、且つこの過熱部が主コイルにおける空気流路面
積を減少させることがなく、また過熱部における圧力損
失も十分に小さくでき、そのことによって膨張弁サイズ
の選定条件を緩和できる熱交換器を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る熱交換器
は、上述のごとき従来技術の課題を解決し、その目的を
達成するために以下のような構成を備えている。即ち、
空気流路中に、該空気流路の断面を横切って配置され、
凝縮器から流入した冷媒液と、該空気流路を流れる空気
との間で熱交換させて該冷媒液を蒸発させる主コイルを
備えており、さらに、上記主コイルよりも上記空気流路
中の上流側に配置され、該主コイルと連通されており、
該主コイルから流入する冷媒ガスと、該空気流路を流れ
る空気との間で熱交換させて該冷媒ガスを過熱状態にし
て流出させる補助コイルを備えている。そして、上記補
助コイルの主管断面積が上記主コイルの主管断面積より
も大きくされている。また、上記空気流路は、大略水平
方向に延びていてもよく、あるいは空気が上から下に向
かって流れるように大略垂直方向に延びていてもよい。

【００１０】

【作用および発明の効果】本発明に係る熱交換器では、
凝縮器から重力落下してきた冷媒液がまず主コイルに流
入し、その後さらに補助コイルを経て冷媒ガス管へ流出
する。主コイル内には冷媒液が満たされて主な熱交換が
この主コイルで行われる。その主コイルよりも補助コイ
ルの方が先に空気流と熱交換できる状態に配置されてい
るので、補助コイル内では冷媒のガス化は確実に行われ
る。したがって、過熱部は補助コイル内に確実に形成さ
れ、液バック現象は生じない。空気流路中にあっては補
助コイルを通過した空気がそのまま主コイルを通過する
ので、補助コイルにおける空気流路面積が主コイルにお
ける空気流路面積を狭くすることはない。また、補助コ
イルの主管断面積が大きくされているので、ガス化した
冷媒の流速を低く抑えることができ、したがって圧力損
失も少ない。そして、冷媒自然循環システムにおいてそ
の循環を阻害する可能性も低い。また、膨張弁のサイズ
選定条件も緩和される。特に、補助コイルと主コイルと
が上下に配置される場合には、補助コイルと主コイルと
の連通部よりも補助コイルの冷媒出口の方が高い位置と
なり、主コイル中の冷媒液が補助コイル内へ流入するこ
とがあっても必ずそのガス化が達成され、液バック現象
をより確実に防止できる。

【００１１】

【実施例】以下に本発明の一実施例に係る熱交換器につ
いて、図１から図４を参照して説明する。図１は本発明
に係る実施例の熱交換器の正面図、図２は図１の平面
図、図３は図１の左側面図、図４は図１の右側面図を示
す。この実施例では４列１４段の主コイル１と１列８段
の補助コイル２とを有しており、両コイル１,２が共通
のフィンプレート３で一体的に構成されている。冷媒液
管４は、この熱交換器よりも高い位置に設置されている
不図示の凝縮器からこの熱交換器まで配管され、各列の
主コイル１に対応して分岐され、各列主コイル１の最下
段に接続されている。したがって、冷媒は凝縮器から重
力落下してきて各列の主コイル１へ流入する。主コイル
１の各主管の外径寸法は９.５２mmである。各列主コイ
ル１の最上段の各主管は外径寸法１５.５mmの連通管５
に接続され、この連通管５は補助コイル２の最上段の主
管に接続されている。補助コイル２の主管の外径寸法は
１５.５mmである。冷媒ガスは補助コイル２の最下段の
主管から流出し、冷媒ガス管６に接続されて上述の凝縮
器へ還流する。

【００１２】この熱交換器は、空調装置の室内ユニット
としてファンと共に一つのケーシング内に設置される
が、このケーシング内でファンによって形成される空気
の流れは大略水平方向に延在し、この空気流路の中にこ
の熱交換器が配置される。その配置は、補助コイル２が
空気流路の上流側に、主コイル１が下流側それぞれ並べ
られる。すなわち、ファンの運転によってケーシング内
を流れる室内空気は、補助コイル２を通過した直後に主
コイル１を通過し、補助コイル２も主コイル１も同一の
通風路断面積を確保できる。

【００１３】熱交換器内には、主コイル１内に液状の冷
媒が大略満たされる程度に冷媒の流入量が制御され、室
内空気との主な熱交換はこの主コイル１で行われる。し
たがって、室内空気の流路を横切る主コイル１の全面積
が熱交換に利用できる。主コイル１内で熱交換した結果
ガス化した冷媒は、連通管５を通って補助コイル２内へ
流入する。主コイル１から幾らかオーバーフローする冷
媒液が補助コイル２内へ流入することもあり得るが、こ
れは僅かな量であり、しかも補助コイル２の方が主コイ
ル１よりも空気流路の上流側に配置されているので、そ
の程度の液状冷媒は補助コイル２内で完全にガス化され
る。このように、補助コイル２は主コイル１における熱
交換面積を減少させることなく確実に過熱部を形成し、
冷媒の液バック現象を防止する。しかも補助コイル２の
主管断面積は主コイル１のそれよりも大略３倍に大きく
されているので、ガスの流速が過大になることもなく、
圧力損失は、冷媒を自然循環させるのに十分な程度にま
で抑えられる。これらの総合的効果として、膨張弁のサ
イズ選定条件が従来よりもはるかに緩和される。

【００１４】上述の実施例では、ケーシング内の空気流
路が大略水平方向に延びる場合について述べたが、例え
ば室内空気が上から下へ流れるように空気流路が大略垂
直に延びる場合には、補助コイルと主コイルとを上下に
配置することも可能である。そのように構成するれば、
高さ位置に関しては、下から順に主コイルの冷媒液の流
入口、主コイルと補助コイルとの間の連通管、補助コイ
ルの冷媒ガス流出口と高い位置へあがって行くので、上
述のような主コイルから補助コイルへの液状冷媒のオー
バーフローが生じることはなく、自然循環を行う冷媒に
とって最も理想的な流動に合った管内経路が形成され
る。また、上述の実施例では、補助コイルが１本で構成
されている場合について図示されているが、複数本に分
岐させることによって全体としてその断面積が主コイル
のそれより大きくなっていてもよい。さらに、上述の各
実施例では、いずれも冷房運転を行う場合についてのみ
説明したが、暖房用コイルと併設されていてもよいのは
勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る実施例の熱交換器の正面図であ
る。

【図２】 図１の平面図である。

【図３】 図１の左側面図である。

【図４】 図１の右側面図である。

【符号の説明】

１ 主コイル ２ 補助コイル ３ フィンプレート ４ 冷媒液管 ５ 連通管 ６ 冷媒ガス管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 張 智幸 大阪府大阪市北区南森町１丁目４番５号 新晃工業株式会社内 (72)発明者 光吉 茂昭 大阪府大阪市北区南森町１丁目４番５号 新晃工業株式会社内 (72)発明者 井上 良則 大阪府大阪市中央区本町四丁目１番13号 株式会社竹中工務店内 (72)発明者 杉浦 修史 大阪府大阪市中央区本町四丁目１番13号 株式会社竹中工務店内 (72)発明者 徳永 研介 大阪府大阪市中央区本町四丁目１番13号 株式会社竹中工務店内 (72)発明者 楠本 望 大阪府大阪市中央区本町四丁目１番13号 株式会社竹中工務店内 (56)参考文献 特開 昭63−297947（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−188421（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F24F 1/00 391

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気流路中に、該空気流路の断面を横切
   って配置され、凝縮器から流入した冷媒液と、該空気流
   路を流れる空気との間で熱交換させて該冷媒液を蒸発さ
   せる主コイル(1)と、 上記主コイル(1)よりも上記空気流路中の上流側に配置
   され、該主コイル(1)と連通されており、該主コイル(1)
   から流入する冷媒ガスと、該空気流路を流れる空気との
   間で熱交換させて該冷媒ガスを過熱状態にして流出させ
   る補助コイル(2)とを備え、 上記補助コイル(2)の主管断面積が上記主コイル(1)の主
   管断面積よりも大きくされたことを特徴とする熱交換
   器。
2. 【請求項２】 上記空気流は大略水平方向に流れ、上記
   主コイル(1)および補助コイル(2)が前後に並んで配置さ
   れている請求項１記載の熱交換器。
3. 【請求項３】 上記空気流は上から下へ大略垂直方向に
   流れ、上記主コイル(1)および補助コイル(2)が上下に並
   んで配置されている請求項１記載の熱交換器。