JP4357571B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は空気調和機や冷凍機器に利用されるパラレルフロー型の熱交換器に関する。

上下２本のヘッダー管の間に複数の垂直な偏平チューブを配置し、偏平チューブ内部の冷媒通路を両ヘッダー管の内部に連通させたパラレルフロー型の熱交換器はカーエアコンなどに広く利用されている。その例を特許文献１、２に見ることができる。

パラレルフロー型熱交換器においては、各偏平チューブの冷媒流量を均等化することが熱交換性能向上の鍵を握る。特許文献１、２に記載されたパラレルフロー型熱交換器では、次のようにして各偏平チューブの冷媒流量の均等化を図っている。

特許文献１記載の熱交換器は、冷媒流入側容器（下部ヘッダー管）に挿入接続された伝熱管（偏平チューブ）の端部に、冷媒流通方向に対して斜めになるように傾斜部を形成し、伝熱管の挿入量の誤差による影響をなくして、液体冷媒が均等に伝熱管に分流するようにしている。あるいは、伝熱管の冷媒流入側容器側を水平方向に屈曲し、冷媒流入側容器に水平方向から挿入接続して、液体冷媒の液面に対する伝熱管の挿入量の誤差をなくし、
液体冷媒が均等に分流して伝熱管に流れるようにしている。

特許文献２記載の熱交換器は、一方のヘッダー管の中央部に熱媒体一括流通口を形成し、他方のヘッダー管の両端部には熱媒体分割流通口を形成して、適切な分流条件を形成している。
特許第３１３３８９７号公報 実開平６−１４７８２号公報

図１４は従来のパラレルフロー型熱交換器の概略構造を示す模型的垂直断面図である。熱交換器１は、共に水平な下部ヘッダー管２と上部ヘッダー管３を上下に間隔を置いて平行に配置し、下部ヘッダー管２と上部ヘッダー管３の間に垂直な偏平チューブ４を所定ピッチで複数配置したものである。偏平チューブ４はアルミニウム等熱伝導の良い金属を押出成型した細長い成型品であり、内部には冷媒Ｒを流通させる冷媒通路５が垂直に形成されている。冷媒通路５は上部ヘッダー管２の内部と下部ヘッダー管３の内部を連通させる。

下部ヘッダー管２及び上部ヘッダー管３と偏平チューブ４とは溶着により固定される。偏平チューブ４同士の間にはコルゲートフィン６が配置され、偏平チューブ４とコルゲートフィン６も溶着により固定される。偏平チューブ４と同様、下部ヘッダー管２及び上部ヘッダー管３とコルゲートフィン６も熱伝導の良い金属（例えば、アルミニウム）からなる。

下部ヘッダー管２は冷媒流入側であり、一端に入口パイプ７が接続される。上部ヘッダー管３は冷媒流出側であり、一端に出口パイプ８が接続される。入口パイプ７は下部ヘッダー管２と、出口パイプ８は上部ヘッダー管３と、それぞれ同心的に配置されており、冷媒は水平方向から下部ヘッダー管２に流入し、上部ヘッダー管３から水平方向に流出する。

特許文献１の例と同様、入口パイプ７と出口パイプ８は互いに対角線の位置に配置されている。入口パイプ７から液状の冷媒Ｒを流入させると、下部ヘッダー管２の内部では、右端の行き止まり部に近くなるほど液位が高まる傾向が生じ、それに比例して偏平チューブ４の冷媒流量が多くなる。この結果、各偏平チューブ４の冷媒流量は均等化しない。

冷媒流量を均等化するため、図１５に示すように、下部ヘッダー管２の内部に水平な仕切り板９を挿入することも行われるが、根本的な解決策とはなっていない。

特許文献２記載の熱交換器のように、下部ヘッダー管２の中央に下から入口パイプ７を接続し、上部ヘッダー管３の両端に水平な出口パイプ８を接続する構成とした場合、入口パイプ７に近い中央寄りの偏平チューブ４に対しては、冷媒Ｒが下部ヘッダー管２に流入するときの上向きの運動エネルギーを維持したまま流入するので流量が多くなる。しかしながら中央から離れた偏平チューブ４にはそのような上向きの運動エネルギーを持った冷媒Ｒが届かず、冷媒流量が少なくなってしまう。すなわち冷媒流量の均等化を実現するのは至難である。また、下部ヘッダー管２の下側から入口パイプ７が突き出すので、熱交換器１の下に来る部材（熱交換器１を収納するハウジングの底板など）に入口パイプ７が当たらない高さまで熱交換器１を持ち上げる必要があり、設置のために必要なスペースが大きくなる。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、パラレルフロー型熱交換器の各偏平チューブの冷媒流量均等化を、従来とは異なるアプローチで実現することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、冷媒流入側となる水平な下部ヘッダー管と、冷媒流出側となる水平な上部ヘッダー管と、前記両ヘッダー管の間に複数配置され、内部に設けた冷媒通路を前記両ヘッダー管の内部に連通させた垂直な偏平チューブとを備えた熱交換器において、前記下部ヘッダー管に液状の冷媒を流入させる入口パイプは、前記複数の偏平チューブの中で前記上部ヘッダー管から冷媒を流出させる出口パイプから離れた位置にある１対の偏平チューブの間に配置されるとともに、前記下部ヘッダー管の軸線と直交する面内で前記入口パイプは水平よりも上の方向から前記下部ヘッダー管に接続されていることを特徴としている。

この構成によると、入口パイプを出口パイプから離れた位置に置くという伝統的な構成を採用した上で、入口パイプを下部ヘッダー管に対し、水平よりも上の方向から接続することとしたため、冷媒は下部ヘッダー管の内部で上向きに反射して運動エネルギーを圧力に変換することになり、その圧力が下部ヘッダー管の内部全体に及ぶ。これにより、流入方向の運動エネルギーを持った冷媒が特定の偏平チューブに集中することが避けられ、偏平チューブ間の冷媒流量の均等化を図ることができる。

上記構成の熱交換器において、前記入口パイプは、それを挟む前記１対の偏平チューブの間を前記上部ヘッダー管近傍まで延びることが好ましい。

このような構成にすれば、入口パイプ自身を熱交換に役立て、熱交換効率を高めることができる。

上記構成の熱交換器において、前記入口パイプを挟む前記１対の偏平チューブの間に遮風板が設けられていることが好ましい。

このような構成にすれば、入口パイプを配置するため間隔を広げた偏平チューブ間を空気が通らなくなり、偏平チューブと熱交換を行うことなく無為に熱交換器を吹き抜ける空気の量を減らして、熱交換効率を高めることができる。

上記構成の熱交換器において、前記入口パイプを挟む前記１対の偏平チューブの間に、これら両偏平チューブと熱の授受を行う熱伝導板が設けられていることが好ましい。

このような構成にすれば、入口パイプを配置するため間隔を広げた偏平チューブ間を通る空気との間で熱交換を行うことができ、熱交換効率を高めることができる。

上記構成の熱交換器において、前記上部ヘッダー管の両端に前記出口パイプが設けられ、前記入口パイプは、前記下部ヘッダー管の中央部に位置する１対の偏平チューブの間に配置されることが好ましい。

このような構成にすれば、入口パイプから流入した冷媒は下部ヘッダー管の中央部の内壁面に上方から衝突するので、左右に分かれやすく、入口パイプの左右に並ぶ偏平チューブに均等に分流することになる。

本発明によると、出口パイプから離れた位置に置いた入口パイプを、下部ヘッダー管に水平よりも上の方向から接続することにより、流入方向の運動エネルギーを持った冷媒が特定の偏平チューブに集中することが避けられ、各偏平チューブの冷媒流量の均等化を図ることができる。

以下本発明の第１実施形態を図１及び図２に基づき説明する。図１は熱交換器の概略構造を示す模型的垂直断面図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図である。

第１実施形態の熱交換器１は、図１６に示した従来構造と多くの部分が共通しているので、共通部分には図１６で用いたのと同じ符号を付し、重複説明は避けるものとする。第１実施形態が図１６の従来構造と異なるのは、入口パイプ７の配置方法である。入口パイプ７は出口パイプ８から離れた位置に置く。出口パイプ８は上部ヘッダー管３の両端にあるので、下部ヘッダー管２の中央部が出口パイプ８から離れた位置ということになる。ここまでは図１６の従来構造と同じであるが、本発明では、入口パイプ７を下部ヘッダー管２に下から接続するのでなく、上から接続した。そして入口パイプ７と偏平チューブ４との干渉を避けるため、下部ヘッダー管２の水平方向中央部に位置する１対の偏平チューブ４のみ間隔を広げ、その間に入口パイプ７を配置した。入口パイプ７の左右には同数ずつの偏平チューブ４が等間隔（所定ピッチ）で並ぶものとした。

第１実施形態の熱交換器１においては、入口パイプ７から流入した液状の冷媒Ｒは下部ヘッダー管２の上向きの内壁面で反射して運動エネルギーを圧力に変換することになり、その圧力が下部ヘッダー管２の内部全体に及ぶ。このため、流入方向の運動エネルギーを持った冷媒が特定の偏平チューブ４に集中することが避けられ、各偏平チューブ４の冷媒流量の均等化を図ることができる。

また、下部ヘッダー管２の下部から入口パイプ７が突き出さないので、熱交換器１の下面に他の部材を接近させることができ、熱交換器１を収納する機器のコンパクト化を図ることができる。

また、上部ヘッダー管３の両端に出口パイプ８が設けられ、入口パイプ７は、下部ヘッダー管２の中央部に位置する１対の偏平チューブ４の間に配置されているので、入口パイプ７から流入した冷媒Ｒは下部ヘッダー管２の中央部の内壁面に上方から衝突し、それから左右に分流することになる。この構成は冷媒Ｒが左右に分かれやすく、入口パイプ７の左右に並ぶ偏平チューブ４に均等に流れやすい。

入口パイプ７は下部ヘッダー管２に真上から接続する必要はない。図２に仮想線で示すように、下部ヘッダー管２の軸線と直交する面内で斜めに接続してもよい。水平よりも上の方向から（図２では下部ヘッダー管２の軸心を通る水平線を線分Ｈ−Ｈで示したが、その水平線よりも上の方向から）下部ヘッダー管２に接続されていればよい。

このように本発明によれば、パラレルフロー型熱交換器の設置に必要なスペースをコンパクトにまとめつつ、各偏平チューブの冷媒流量の均等化を実現することができる。

第１実施形態の変形態様を図３及び図４に示す。図３は熱交換器の概略構造を示す模型的垂直断面図、図４は図３のＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図である。

変形態様では、下部ヘッダー管２の内部の中ほどの高さのところに、端から端まで届く水平な仕切り板９を挿入した。このようにしておくと、下部ヘッダー管２の内部で冷媒Ｒが液相と気相の二相に分離したとしても、液相と気相の境界面の位置が高くなり、偏平チューブ４への液相冷媒Ｒの流入が滞らない。

また、次のような変形態様も考えられる。すなわち、入口パイプ７の左右に同数ずつの偏平チューブ４を等間隔で並べるのでなく、ピッチの広いところもあれば狭いところもあるように並べるのである。なおピッチの広狭は、入口パイプ７を挟んで左右対称の配置となっているのが好ましい。

図５に示すのは、入口パイプの接続角度が各偏平チューブ内の平均流量にどのように影響するかのシミュレーション結果のグラフである。入口パイプの両側に１４本ずつの偏平チューブが配置されるものとした。仕切り板の有無と接続角度によって（ａ）〜（ｅ）の５パターンを想定し、それぞれについてシミュレーションを行った。図６に（ａ）〜（ｅ）の各パターンにおける下部ヘッダー管の断面図を示す。なお接続角度は、入口パイプが偏平チューブと平行である状態（垂直な状態）を０°とし、入口パイプが偏平チューブと直角を成す角度（水平な状態）を９０°としている。

図５のグラフからは次のような傾向が見てとれる。すなわち、（ｃ）（ｄ）（ｅ）の「仕切り無し」の場合、入口パイプ近傍の偏平チューブ（チューブ位置１３〜１６）では、入口パイプ角度が大きいほどチューブ内平均流量が増加している。入口パイプ７から離れた偏平チューブ（チューブ位置５〜１０、１９〜２４）では、入口パイプ角度が大きいほどチューブ内平均流量が減少している。理想的なのは、全ての偏平チューブの平均流量が同一になることであるが、それに近いのが（ｄ）の入口パイプ角度３０°の場合、ということになる。

第２実施形態を図７及び図８に示す。図７は熱交換器の概略構造を示す模型的垂直断面図、図８は図７のＣ−Ｃ線に沿って切断した断面図である。

第２実施形態は、第１実施形態に次のような改変を加えたものである。すなわち第２実施形態では、入口パイプ７は、それを挟む１対の偏平チューブ４の間を上部ヘッダー管３の近傍まで延びている。このようにすることにより、入口パイプ７とその傍らを通り過ぎる空気との間で熱交換を行わせ、熱交換器１の熱交換効率を高めることができる。

第３実施形態を図９及び図１０に示す。図９は熱交換器の概略構造を示す模型的垂直断面図、図１０は図９のＤ−Ｄ線に沿って切断した断面図である。

第３実施形態は、第１実施形態に次のような改変を加えたものである。すなわち第３実施形態では、入口パイプ７を挟む１対の偏平チューブ４の間に遮風板１０を設けた。図に示す遮風板１０は矩形の平板であって、下部ヘッダー管２及び上部ヘッダー管３と偏平チューブ４との溶着部の肉盛りや、下部ヘッダー管２、上部ヘッダー管３、及び偏平チューブ４の形状不整により取り付けが阻害されないよう、四隅は角を落とし、四辺には肉盗みを施した形状である。遮風板１０には偏平チューブ４等と同じ材質のものを使用し、溶着により固定することとするのがよい。

遮風板１０があることにより、入口パイプ７を配置するため間隔を広げた偏平チューブ４間を空気が通りにくくなる。この場合、間隔を広げた偏平チューブ４間で空気の通り抜けが可能なのは偏平チューブ４に沿った遮風板１０の肉盗み部分等のみであり、空気流量が大幅に絞られる。これにより、偏平チューブ４と熱交換を行うことなく無為に熱交換器１を吹き抜ける空気の量が減り、熱交換効率が向上する。なお、肉盗み部のような隙間は必要不可欠という訳ではなく、間隔を広げた偏平チューブ４間を隙間無く遮風板１０で塞ぐ構成であってもよい。

遮蔽板１０の水平断面を、風上側に凸となるアーチ形状としてもよい。このようにすれば、遮蔽板１０の表面に沿って風がスムーズに流れ、通風抵抗が減少する。その結果、熱交換効率が向上する。

第４実施形態を図１１及び図１２に示す。図１１は熱交換器の概略構造を示す模型的垂直断面図、図１２は図９のＥ−Ｅ線に沿って切断した断面図である。

第４実施形態は、第１実施形態に次のような改変を加えたものである。すなわち第４実施形態では、入口パイプ７を挟む１対の偏平チューブ４の間に、これら両偏平チューブと熱の授受を行う熱伝導板１１を設けた。図に示す熱伝導板１１は幅広のコルゲートフィンとなっている。

熱伝導板１１を設けることにより、入口パイプ７を配置するため間隔を広げた偏平チューブ４間を通る空気との間で熱交換を行うことができ、熱交換効率を高めることができる。

第５実施形態を図１３に示す。図１３は熱交換器の概略構造を示す模型的垂直断面図である。

第５実施形態では出口パイプ８が上部ヘッダー管３の右端にのみ設けられている。そして入口パイプ７は、出口パイプ８から離れた位置、すなわち下部ヘッダー管２の左端に近い位置にある１対の偏平チューブ４の間に配置されている。入口パイプ７は上部ヘッダー管３の近傍まで延びている。

第５実施形態の熱交換器１においても、入口パイプ７から流入した液状の冷媒Ｒは下部ヘッダー管２の上向きの内壁面で反射して運動エネルギーを圧力に変換することになり、その圧力が下部ヘッダー管２の内部全体に及ぶ。このため、流入方向の運動エネルギーを持った冷媒が特定の偏平チューブ４に集中することが避けられ、各偏平チューブ４の冷媒流量の均等化を図ることができる。

また、下部ヘッダー管２の下部から入口パイプ７が突き出さないので、熱交換器１の下面に他の部材を接近させることができ、熱交換器１を収納する機器のコンパクト化を図ることができる。

以上、本発明の各実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。例えば、第２実施形態に第３実施形態を組み合わせることが考えられる。すなわち、入口パイプ７はそれを挟む１対の偏平チューブ４の間を上部ヘッダー管３の近傍まで延び、その１対の偏平チューブ４の間に遮風板１０が設けられることとするのである。第２実施形態と第４実施形態（熱伝導板）の組み合わせも可能である。その他、構成に矛盾をきたさない限り、各実施形態の構成を種々組み合わせて実施することができる。

本発明はパラレルフロー型熱交換器に広く利用可能である。

第１実施形態に係る熱交換器の概略構造を示す模型的垂直断面図 図１のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図 第１実施形態の変形態様に係る熱交換器の概略構造を示す模型的垂直断面図 図３のＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図 入口パイプの接続角度が偏平チューブ内の平均流量に与える影響のシミュレーション結果のグラフ 図５のシミュレーションにおける（ａ）〜（ｅ）の各パターンの下部ヘッダー管の断面図 第２実施形態に係る熱交換器の概略構造を示す模型的垂直断面図 図７のＣ−Ｃ線に沿って切断した断面図 第３実施形態に係る熱交換器の概略構造を示す模型的垂直断面図 図９のＤ−Ｄ線に沿って切断した断面図 第４実施形態に係る熱交換器の概略構造を示す模型的垂直断面図 図１１のＥ−Ｅ線に沿って切断した断面図 第５実施形態に係る熱交換器の概略構造を示す模型的垂直断面図 従来の熱交換器の概略構造を示す模型的垂直断面図 従来の他の熱交換器の概略構造を示す模型的垂直断面図 従来のさらに他の熱交換器の概略構造を示す模型的垂直断面図

符号の説明

１ 熱交換器
２ 下部ヘッダー管
３ 上部ヘッダー管
４ 偏平チューブ
５ 冷媒通路
６ コルゲートフィン
７ 入口パイプ
８ 出口パイプ
９ 仕切り板
１０ 遮風板
１１ 熱伝導板

Claims (5)

1. 冷媒流入側となる水平な下部ヘッダー管と、冷媒流出側となる水平な上部ヘッダー管と、前記両ヘッダー管の間に複数配置され、内部に設けた冷媒通路を前記両ヘッダー管の内部に連通させた垂直な偏平チューブとを備えた熱交換器において、
   前記下部ヘッダー管に液状の冷媒を流入させる入口パイプは、前記複数の偏平チューブの中で前記上部ヘッダー管から冷媒を流出させる出口パイプから離れた位置にある１対の偏平チューブの間に配置されるとともに、前記下部ヘッダー管の軸線と直交する面内で前記入口パイプは水平よりも上の方向から前記下部ヘッダー管に接続されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記入口パイプは、それを挟む前記１対の偏平チューブの間を前記上部ヘッダー管近傍まで延びることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記入口パイプを挟む前記１対の偏平チューブの間に遮風板が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記入口パイプを挟む前記１対の偏平チューブの間に、これら両偏平チューブと熱の授受を行う熱伝導板が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
5. 前記上部ヘッダー管の両端に前記出口パイプが設けられ、前記入口パイプは、前記下部ヘッダー管の中央部に位置する１対の偏平チューブの間に配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器。

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