JP4882504B2

JP4882504B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP4882504B2
Application number: JP2006136508A
Authority: JP
Inventors: 隆浩尾崎; 一成笠井; 育弘岩田
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2026-05-16
Also published as: JP2007309545A

Description

超臨界のガス冷媒を冷却するアルミニウム熱交換器などの熱交換器に関する。

従来、アルミニウム熱交換器では、冷媒が流れる冷媒流路と外部空気が流れる空気流路とが直交する形式（直交流型）が取られ、冷媒と外部空気とを熱交換させている。特許文献１の技術では、直交流型のアルミニウム熱交換器において、冷媒流れをターンさせることによって冷媒の流れと空気の流れとが対向する形式（向流型）に近い形式になるようにパス取りを実現させている。これにより、熱交換器全体において冷媒温度と外部空気との温度差が均一になるようにしており、熱交換の高効率化を図っている。
特開２００１−５０６８５号公報

しかし、特許文献１の技術では、凝縮器として機能する場合は冷媒温度がほぼ一定に保たれるため十分な性能を発揮できていたが、ＣＯ２冷媒を利用するような超臨界条件下のガスクーラとして機能する場合は冷媒温度が大きく変化するため十分な性能を発揮できないという問題がある。

また、ＣＯ２冷媒は通常のＨＦＣ冷媒より高い設計圧力であるため、冷媒管の肉厚を厚くするなどの対策をする必要がある。さらに、ＣＯ２冷媒は密度が大きいために流速が低下し易く、流速を上げるために小さい穴を疎に並べる必要がある。このため、熱伝導による熱抵抗損失の増大する恐れがある。

本発明の課題は、超臨界のガス冷媒を冷却する熱交換器の熱交換効率を改善することにある。

第１発明に係る熱交換器は、第１形成部材と、第２形成部材とを備える。第１形成部材は、超臨界冷媒が流通可能な冷媒流路を形成する。第２形成部材は、超臨界冷媒と熱交換する第１流体が流通可能な第１流体流通路を形成する。第１形成部材は、超臨界冷媒が流通可能な複数の冷媒流路孔を有する扁平型の扁平多孔管であって、複数の冷媒流路孔が冷媒流通路を構成している。第２形成部材は、アルミニウム製のコルゲートフィンであって、コルゲートフィンの複数の折り目部分が扁平多孔管の表面に接続されることによって、複数のフィン接続部を構成するとともに、複数のフィン接続部に沿って延びる第１流体流通路を形成している。そして、この熱交換器では、第１流体流通路が冷媒流通路を構成する扁平多孔管の冷媒流路孔が延びる方向である所定の第１方向に沿っており、かつ、超臨界冷媒の流れ方向と第１流体の流れ方向とが対向している。しかも、この熱交換器では、扁平多孔管及びコルゲートフィンを所定の一方向から見た断面において、複数のフィン接続部の少なくとも一部は、冷媒流路孔の位置に合うように配置されている。

従来、アルミニウム熱交換器などの熱交換器の形状は、空気の流れと冷媒の流れとが直交する形式である。この熱交換器では、凝縮器として機能する場合は冷媒温度がほぼ一定に保たれるために十分な性能を発揮しているが、ＣＯ２冷媒などの超臨界冷媒を利用するガスクーラとして機能する場合は冷媒温度が大きく変化するために十分に性能を発揮できていないという問題がある。

また、ＣＯ２冷媒などの超臨界冷媒の設計圧力は、通常のＨＦＣ冷媒の設計圧力より高いため、冷媒管の肉厚を厚くする必要がある。さらに、ＣＯ２冷媒は、密度が大きいために流速が低下し易いことから、流速を上げるために小さい穴を疎に並べる必要がある。このため、熱伝導による熱抵抗損失の増大する恐れがある。

これに対して、この熱交換器では、１本の扁平形状の冷媒流通管に複数の冷媒流路孔が設けられている扁平多孔管が備えられる。したがって、熱交換器全体としての冷媒流路断面積を大きくとることができ、所定の冷媒流量を確保し易くなる。また、熱交換面積を大きくすることができるため、効率よく熱交換を行うことができる。

しかも、この熱交換器では、アルミニウム製のコルゲートフィンが第２形成部材として第１流体通路を形成している。このため、冷媒が第１流体と熱交換する熱交換面積を大きくすることができ、効率よく熱交換を行うことができる。

そして、この熱交換器では、第１流体流通路が冷媒流通路を構成する扁平多孔管の冷媒流路孔が延びる方向である所定の第１方向に沿っており、かつ、超臨界冷媒の流れ方向と第１流体の流れ方向とが対向している。

このため、本発明では、第１流体（例えば空気）の流れ方向と超臨界冷媒（例えばＣＯ２）の流れ方向とが対向するように第２形成部材を配置し、直交流から対向流にすることで、外部空気と冷媒との温度差を十分に確保することができる。このため、外部空気と冷媒との温度差を熱交換器全体において均一に近づけることができ、熱交換器の性能を改善することが可能となる。

しかも、この熱交換器では、扁平多孔管及びコルゲートフィンを所定の一方向から見た断面において、複数のフィン接続部のうちで少なくとも一部が、第１形成部材である扁平多孔管の内部の冷媒流路孔の位置と一致するように、第１形成部材と第２形成部材とを接続している。このように、フィン接続部と冷媒流路孔とが近い位置にあるために、熱伝導による熱抵抗損失を極力小さくすることができ、効率よく熱交換を行うことができる。

第２発明に係る熱交換器は、第１発明に係る熱交換器であって、冷媒流路孔の直径は、０．５ｍｍ未満である。

この熱交換器では、冷媒流路孔の直径を０．５ｍｍ未満としているため、ＣＯ２冷媒のような密度の大きい冷媒の流速を上げることができる。このため、効率よく熱交換を行うことができる。

第３発明に係る熱交換器は、第１または第２発明に係る熱交換器であって、冷媒流路孔の孔ピッチは、フィン接続部のフィン接続ピッチの整数倍である。

この熱交換器では、孔ピッチが、フィン接続ピッチの整数倍であるため、例えば冷媒流路孔がフィン接続部と１本おきに接続している場合でも、フィン接続部と冷媒流路孔との距離を短くできる。このため、熱伝導による熱抵抗損失をより小さくすることができ、効率よく熱交換を行うことができる。なお、ここに言う整数倍とは、１倍、２倍、３倍、４倍などである。

第４発明に係る熱交換器は、第１または第２発明に係る熱交換器であって、フィン接続部のフィン接続ピッチは、冷媒流路孔の孔ピッチの整数倍である。

この熱交換器では、フィン接続ピッチが、孔ピッチの整数倍であるため、例えばフィン接続部が冷媒流路孔と１本おきに接続している場合でも、フィン接続部と冷媒流路孔との距離を短くできる。このため、熱伝導による熱抵抗損失をより小さくすることができ、効率よく熱交換を行うことができる。なお、ここに言う整数倍とは、１倍、２倍、３倍、４倍などである。

第１発明に係る熱交換器では、熱交換器全体としての冷媒流路断面積を大きくとることができ、所定の冷媒流量を確保し易くなる。また、熱交換面積を大きくすることができるため、効率よく熱交換を行うことができる。また、冷媒が第１流体と熱交換する熱交換面積を大きくすることができ、効率よく熱交換を行うことができる。そして、第１流体（例えば空気）の流れ方向と超臨界冷媒（例えばＣＯ２）の流れ方向とが対向するように第２形成部材を配置し、直交流から対向流にすることで、外部空気と冷媒との温度差を十分に確保することができる。このため、外部空気と冷媒との温度差を熱交換器全体において均一に近づけることができ、熱交換器の性能を改善することが可能となる。しかも、フィン接続部と冷媒流路孔とが近い位置にあるために、熱伝導による熱抵抗損失を極力小さくすることができ、効率よく熱交換を行うことができる。

第２発明に係る熱交換器では、ＣＯ２冷媒のような密度の大きい冷媒の流速を上げることができる。このため、効率よく熱交換を行うことができる。

第３発明に係る熱交換器では、孔ピッチが、フィン接続ピッチの整数倍であるため、例えば冷媒流路孔がフィン接続部と１本おきに接続している場合でも、フィン接続部と冷媒流路孔との距離を短くできる。このため、熱伝導による熱抵抗損失をより小さくすることができ、効率よく熱交換を行うことができる。

第４発明に係る熱交換器では、フィン接続ピッチが、孔ピッチの整数倍であるため、例えばフィン接続部が冷媒流路孔と１本おきに接続している場合でも、フィン接続部と冷媒流路孔との距離を短くできる。このため、熱伝導による熱抵抗損失をより小さくすることができ、効率よく熱交換を行うことができる。

以下、図面に基づいて、本発明に係る熱交換器１の実施形態について説明する。

＜熱交換器の構成＞
図１は本発明の一実施形態に係る熱交換器１の概略図である。また、図２は熱交換器１の上部ヘッダ２側から下部ヘッダ５側を見た平面図である。上部ヘッダ２と下部ヘッダ５とについては後述する。熱交換器１は、空気調和装置、ヒートポンプ給湯機などの冷媒回路に組み込まれる装置の一つで、ＣＯ２冷媒などの超臨界冷媒を冷却するガスクーラである。熱交換器１は、主として、上部ヘッダ２、扁平多孔管３、コルゲートフィン４、および下部ヘッダ５から構成されている。ここで、熱交換器１は、扁平多孔管３の複数本（本実施形態では４本）を１列とした扁平多孔管列Ｇ１（本実施形態では２７列）をコルゲートフィン４と交互に積層させて形成さる。そして、その上部に冷媒を分配させる分配管である上部ヘッダ２を設け、下部に分配された冷媒を集合させる集合管である下部ヘッダ５を設けている。

上部ヘッダ２は、冷媒入口部２３から流入する冷媒を扁平多孔管３に分配可能であり、上部ヘッダ本体部２１と上部ヘッダ枝部２２とから構成されている。上部ヘッダ本体部２１と上部ヘッダ枝部２２とは、共に略円筒形状のパイプである。上部ヘッダ枝部２２は、上部ヘッダ本体部２１の側面に垂直に貫通されて接続されており、扁平多孔管３の断面に対して平行に延びている。また、上部ヘッダ枝部２２は、上部ヘッダ本体部２１を介して流入してきたＣＯ２冷媒を扁平多孔管３に供給しており、上部ヘッダ枝部２２の１本が１列の扁平多孔管列Ｇ１に対応して接続されている。

扁平多孔管３は、図３に示すように、複数の冷媒流路孔３１（本実施形態では９つ）を有する多穴構造となっており、上部ヘッダ２を介して冷媒入口部２３より流入したＣＯ２冷媒を各冷媒流路孔３１内に均等に分配して流通させ、下部ヘッダ５へ流出させている。また、本実施例において、冷媒流路孔３１の断面積は、直径が０．１ｍｍであり小さい。このため、冷媒密度の大きいＣＯ２冷媒などを用いる冷媒回路においても、所定の冷媒流速を確保している。

コルゲートフィン４は、波型形状のフィンであり、その折り目部分４２がフィン接続部４１として扁平多孔管３の冷媒流路孔３１と平行になるように扁平多孔管列３と交互に積層されている。また、コルゲートフィン４は、フィン接続部４１で冷媒流路孔３１の位置と一致するように、その折り目部分４２が扁平多孔管３の表面に熱溶着されている。すなわち、コルゲートフィン４は、コルゲートフィン４一枚の片側面に、扁平多孔管列３が有する冷媒流路孔３１の数と一致する数の折り目部分４２があり（本実施形態では、３６カ所）、この折り目部分４２がすべて冷媒流路孔３１の位置に一致するようにフィン接続部４１において接続されている。このように、コルゲートフィン４と扁平多孔管３とを接続することで断面形状が略三角形の空気流路６が形成されている。この空気流路６には、外部空気が流通可能となっている。また、扁平多孔管３とコルゲートフィン４とを介することで広い伝熱面積で熱交換させることが可能となり、扁平多孔管３内を通る冷媒と空気流路６を通る外部空気とを効率よく熱交換させることが可能となる。また、図１のように、空気流路６内を通る外部空気の流れ方向（白抜き矢印Ａ１）を、冷媒の流れ方向（白抜き矢印Ｒ１）と、対向するようにしている。これにより、外部空気とＣＯ２冷媒との温度差を大きく保つことができ、効率よく熱交換することができる。

下部ヘッダ５は、下部ヘッダ本体部５１と下部ヘッダ枝部５２とから構成されている。下部ヘッダ５は、上部ヘッダ２と同様に、下部ヘッダ本体部５１と下部ヘッダ枝部５２は、共に略円筒形状のパイプである。また、下部ヘッダ枝部５２は、下部ヘッダ本体部５１の側面に垂直に貫通されて接続されており、扁平多孔管３の断面に対して平行に延びている。また、下部ヘッダ枝部５２は、下部ヘッダ枝部５２の１本が１列の扁平多孔管列Ｇ１に対応して接続されており、上部ヘッダ２から複数の扁平多孔管３に分配供給された冷媒を、再び合流させ冷媒出口部５３から流出させている。

このように、ＣＯ２冷媒は、上部ヘッダ２の冷媒入口部２３から上部ヘッダ２に流入し、上部ヘッダ枝部２２を経て、扁平多孔管３の冷媒流路孔３１に分配供給される。そして、冷媒流路孔３１に供給されたＣＯ２冷媒は、下部ヘッダ５で再び合流し、冷媒出口部５３から流出している。また、外部空気は、複数の下部ヘッダ枝部５２の間を抜けて、コルゲートフィン４と扁平多孔管３とで構成されている空気流路６を通り、複数の上部ヘッダ枝部２２の間を通過している。そして、扁平多孔管３の冷媒流路孔３１に流入してきたＣＯ２冷媒と、コルゲートフィン４と扁平多孔管３とで形成されている空気流路６を通過する外部空気とが熱交換されている。

なお、熱交換器１を構成する上部ヘッダ２、扁平多孔管３、コルゲートフィン４、下部ヘッダ５等は、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成される。特に、上部ヘッダ２、扁平多孔管３、および下部ヘッダ５は押出形材で、コルゲートフィン４は板材から形成される。また、各部品は、組み立てた後、ろう付け接合により接合されている。

＜特徴＞
（１）
この熱交換器１では、外部空気の流れ方向Ａ１とＣＯ２冷媒の流れ方向Ｒ１とが対向するように扁平多孔管３とコルゲートフィン４とを配置し、熱交換器１の構造を向流型にすることで、外部空気とＣＯ２冷媒との温度差を十分に確保することができる。このため、外部空気と冷媒との温度差を熱交換器１全体において均一に近づけることができ、効率よく熱交換を行うことができる。これにより、熱交換器１の性能を改善することが可能となる。

（２）
この熱交換器１では、１本の扁平多孔管３に複数本の冷媒流路孔３１（本実施形態では９本）が設けられている。したがって、熱交換器１全体としての冷媒流路断面積を大きくとることができ、所定の冷媒流量を確保することができる。また、熱交換面積を大きくすることができるため、効率よく熱交換を行うことができる。さらに、冷媒流路孔の直径を０．５ｍｍ未満（本実施形態では０．１ｍｍ）としているため、密度の大きいＣＯ２冷媒のような冷媒の流速を上げることができる。このため、効率よく熱交換を行うことができる。

（３）
この熱交換器１では、アルミニウム製のコルゲートフィン４が扁平多孔管３とフィン接続部４１により接続されている。また、複数のフィン接続部４１（本実施例では３６カ所）のうちで少なくとも一部（本実施例では全部）が、扁平多孔管３内部の冷媒流路孔３１の位置と一致するように、コルゲートフィン４と扁平多孔管３とを接続している。このように、フィン接続部４１と冷媒流路孔３１とを近い位置に配置することができ、熱伝導による熱抵抗損失を極力小さくすることができる。このため、効率よく熱交換を行うことができる。

＜変形例＞
以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。

（１）
上記実施の形態では、フィン接続部４１の数と冷媒流路孔３１の数とが同数であり、フィン接続部４１の位置と冷媒流路孔３１の位置とが一致するように扁平多孔管３の表面に熱溶着されているが、フィン接続部４１の数と冷媒流路孔３１の数とが同数で全て一致するように配置されていなくとも良い。

例えば、図４のように、フィン接続部４１ａの数が冷媒流路孔３１ａの数の２倍で、かつ、フィン接続部４１ａのフィン接続ピッチＰｆ１が冷媒流路孔３１ａの孔ピッチＰｈ１の２倍になるように接続されていても良い。すなわち、扁平多孔管３ａとコルゲートフィン４ａとは、フィン接続部４１ａが１本おきに冷媒流路孔３１ａと一致するように接続され空気流路６ａを形成する（変形例Ａ）。この熱交換器１ａでは、孔ピッチＰｈ１がフィン接続ピッチＰｆ１の整数倍であるため、変形例Ａのように、冷媒流路孔３１ａがフィン接続部４１ａと１本おきに接続している場合でも、フィン接続部と冷媒流路孔とを近い位置に配置できる。このため、熱伝導による熱抵抗損失をより小さくすることができ、効率よく熱交換を行うことができる。

また、変形例Ａとは逆に、図５のように、冷媒流路孔３１ｂの数がフィン接続部４１ｂの数の２倍で、かつ、孔ピッチＰｈ２がフィン接続ピッチＰｆ２の２倍になるように接続されていても良い。すなわち、扁平多孔管３ｂとコルゲートフィン４ｂとは、冷媒流路孔３１ｂが１本おきにフィン接続部４１ｂと一致するように接続され空気流路６ｂを形成する（変形例Ｂ）。この熱交換器１ｂでは、フィン接続ピッチＰｆ２が孔ピッチＰｈ２の整数倍であるため、変形例Ｂのように、フィン接続部４１ｂが冷媒流路孔３１ｂと１本おきに接続している場合でも、フィン接続部と冷媒流路孔とを近い位置に配置できる。このため、熱伝導による熱抵抗損失をより小さくすることができ、効率よく熱交換を行うことができる。

なお、変形例Ａにおいて、フィン接続ピッチＰｆ１が孔ピッチＰｈ１の２倍になるように接続されているとしたが、２倍に限らず、３倍、４倍、５倍などでも構わない。また、変形例Ｂの場合についても同様に、２倍に限らず、３倍、４倍、５倍などでも構わない。

（２）
上記実施の形態では、上部ヘッダ２が上部ヘッダ本体部２１と上部ヘッダ枝部２２とで構成されていたが、これに限らず、上部ヘッダ本体部に直接扁平多孔管３が接続するような構成でも構わない。また、下部ヘッダ５の場合も同様に、下部ヘッダ５が下部ヘッダ本体部５１と下部ヘッダ枝部５２とで構成されていたが、これに限らず、下部ヘッダ本体部に直接扁平多孔管３が接続するような構成でも構わない。

（３）
上記実施の形態では、上部ヘッダ２、扁平多孔管３、および下部ヘッダ５は押出形材で、製造されるとしているが、これに限らず、圧延、鍛造、鋳造などであっても良い。また、コルゲートフィン４の製造方法についても同様である。さらに、各部品の組み立て方法もろう付け接合に限らず、溶接、リベット接合、ボルト接合などであっても良い。

本発明に係る熱交換器は、熱交換器の熱交換効率を上げることができ、超臨界のガス冷媒を冷却するアルミニウム熱交換器等として有用である。

本実施形態に係る熱交換器の概略図。本実施形態に係る熱交換器の上部ヘッダ側から下部ヘッダ側を見た平面図。本実施形態に係るフィン接続部の拡大図。変形例Ａに係るフィン接続部の拡大図。変形例Ｂに係るフィン接続部の拡大図。

１，１ａ，１ｂ熱交換器
３，３ａ，３ｂ扁平多孔管（第１形成部材）
４，４ａ，４ｂコルゲートフィン（第２形成部材）
６，６ａ，６ｂ空気流通路（第１流体流通路）
３１，３１ａ，３１ｂ冷媒流路孔
４１，４１ａ，４１ｂフィン接続部
Ｐｆ１，Ｐｆ２フィン接続ピッチ
Ｐｈ１，Ｐｈ２孔ピッチ
Ａ１空気の流れ方向（第１流体の流れ方向）
Ｒ１ＣＯ２冷媒の流れ方向（超臨界冷媒の流れ方向）

Claims

超臨界冷媒が流通可能な冷媒流通路を形成する第１形成部材（３，３ａ，３ｂ）と、
前記超臨界冷媒と熱交換する第１流体が流通可能な第１流体流通路（６，６ａ，６ｂ）を形成する第２形成部材（４，４ａ，４ｂ）と、
を備え、
前記第１形成部材は、前記超臨界冷媒が流通可能な複数の冷媒流路孔（３１，３１ａ，３１ｂ）を有する扁平型の扁平多孔管であって、前記複数の冷媒流路孔が前記冷媒流通路を構成しており、
前記第２形成部材は、アルミニウム製のコルゲートフィンであって、前記コルゲートフィンの複数の折り目部分（４２）が前記扁平多孔管の表面に接続されることによって、複数のフィン接続部（４１，４１ａ，４１ｂ）を構成するとともに、前記複数のフィン接続部に沿って延びる前記第１流体流通路を形成しており、
前記第１流体流通路が前記冷媒流通路を構成する前記扁平多孔管の冷媒流路孔が延びる方向である所定の第１方向に沿っており、かつ、前記超臨界冷媒の流れ方向（Ｒ１）と前記第１流体の流れ方向（Ａ１）とが対向しており、
前記扁平多孔管及び前記コルゲートフィンを前記所定の一方向から見た断面において、複数の前記フィン接続部の少なくとも一部は、前記冷媒流路孔の位置に合うように配置されている、
熱交換器（１，１ａ，１ｂ）。
前記冷媒流路孔の直径は、０．５ｍｍ未満である、
請求項１に記載の熱交換器（１，１ａ，１ｂ）。
前記冷媒流路孔の孔ピッチ（Ｐｈ１）は、前記フィン接続部のフィン接続ピッチ（Ｐｆ１）の整数倍である、
請求項１または２に記載の熱交換器（１，１ａ）。
前記フィン接続部のフィン接続ピッチ（Ｐｆ２）は、前記冷媒流路孔の孔ピッチ（Ｐｈ２）の整数倍である、
請求項１または２に記載の熱交換器（１，１ｂ）。