JP5573705B2

JP5573705B2 - 熱交換装置

Info

Publication number: JP5573705B2
Application number: JP2011016563A
Authority: JP
Inventors: 直史横山; 悟大倉
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: JP2012154603A

Description

本発明は、空気調和機等に使用される熱交換装置に関する。

一般に、空気調和機は室内機と室外機とを備えており、この室内機及び室外機にはそれぞれ空気と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器が設けられている。この熱交換器として、例えば、幅方向に並設された複数のフィンと、上下方向に多段に配置されるとともに前記複数のフィンを幅方向に貫通する複数の伝熱管とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載された熱交換器は、各伝熱管の一端側がそれぞれ分流キャピラリーを介して冷媒分流器に接続され、各伝熱管の他端側がそれぞれ連絡管を介してヘッダ管に接続されている。そして、熱交換器が凝縮器として使用される場合、圧縮機によって昇圧されたガス状の冷媒は、ヘッダ管及び連絡管を介して伝熱管に流入し、さらに伝熱管を流れる間に空気と熱交換を行って液状となり、分流キャピラリーを経て冷媒分流器に流入する。

また、特許文献１に記載された熱交換器の幅方向両側には、管板が設けられている。伝熱管は、通常、管板に形成された挿通孔に挿入されており、この挿通孔は伝熱管の外径よりも僅かに大きい内径に形成されている。そして、伝熱管が冷媒の圧力によって径方向に膨張したときに、伝熱管の外面を挿通孔の周縁に接触させることによって当該膨張を制限し、伝熱管の耐圧強度を高めるように構成されている。

特開平１０−２６７４６９号公報

多数のコンピュータ機器を設置しているコンピュータ室等においては、コンピュータ機器の発熱による室内温度の上昇を抑制するため、冬場であっても冷房運転が行われている。このような冬場の冷房運転では、室外機のヘッダ管に流入する冷媒の温度と外気で冷やされたヘッダ管の温度との温度差が非常に大きくなるので、冷媒が流入することによってヘッダ管が管軸方向へ大きく熱膨張する。また、冬場の冷房運転に限らず通常の夏場の冷房運転においても、ヘッダ管の長さが長いと前記温度差による熱膨張量が大きくなる。ヘッダ管には連絡管が直交状に接続されているため、ヘッダ管の熱膨張によって連絡管がヘッダ管の管軸方向に傾き、この連絡管に接続されている伝熱管も同様に傾く。このように伝熱管が傾くと、管板に形成された挿通孔内で伝熱管が移動して当該挿通孔の周縁に接触することがあり、この接触が繰り返し行われることによって伝熱管が損傷してしまうおそれがある。

ヘッダ管の熱膨張に伴って伝熱管が挿通孔の周縁に接触するのを防止するために、挿通孔の孔径を大きくすることも考えられるが、これでは冷媒の圧力による伝熱管の膨張を挿通孔によって制限することができなくなり、伝熱管の耐圧強度を確保するのが困難となる。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、ヘッダ管の熱変形に伴って伝熱管が管板の挿通孔周縁に接触するのを防止し、尚かつ伝熱管の耐圧強度をも確保することができる熱交換装置を提供することを目的とする。

本発明の熱交換装置は、複数の伝熱管を有する熱交換器と、この熱交換器が凝縮器として機能する場合にガス状冷媒が流入する前記伝熱管の端部に一端が接続される連絡管と、この連絡管の他端に交差状に接続されるヘッダ管と、いずれかの前記伝熱管の前記端部が挿通される複数の挿通孔を有する管板と、を備えている熱交換装置であって、
前記挿通孔は、前記ヘッダ管の管軸方向に沿った第１の方向についての第１の寸法が、前記ヘッダ管の管軸方向への熱変形に起因する前記伝熱管と前記挿通孔の周縁との接触を回避可能な寸法に設定され、前記管軸方向に直交する第２の方向についての第２の寸法が、前記第１の寸法よりも小さくされ、前記第２の方向についての端縁が、冷媒圧力によって径方向に膨張した前記伝熱管に接触することによって当該冷媒圧力を受けるように構成されており、
さらに、ヘッダ管の熱変形前の状態において、前記ヘッダ管の管軸方向の一方側に対応して配置された挿通孔は、その中心位置が前記伝熱管の中心位置に対して前記一方側に偏倚し、逆に、前記ヘッダ管の管軸方向の他方側に対応して配置された他の挿通孔は、その中心位置が前記伝熱管の中心位置に対して前記他方側に偏倚して配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、冷媒が流入することによってヘッダ管が熱変形し、伝熱管が挿通孔内で第１の方向に移動したとしても、伝熱管が挿通孔の周縁に接触することがなくなり、伝熱管の損傷を防止することができる。また、伝熱管が冷媒の圧力によって径方向に膨張した場合には、挿通孔の第２の方向の端縁に伝熱管が接触することによって膨張が制限されるため、伝熱管の耐圧強度を確保することも可能となる。

ヘッダ管は、冷媒の流入によって予め決まった方向に熱変形し、この熱変形に伴って伝熱管も挿通孔内で予め決まった方向に移動する。したがって、ヘッダの管軸方向の一方側と他方側に対応して配置された挿通孔と伝熱管との関係を上記のように設定することによって、ヘッダ管の熱変形に伴って伝熱管が挿通孔の周縁に接触するのを適切に防止することができる。

また、前記ヘッダ管の熱変形前の状態において、前記挿通孔の前記第１の方向についての一端縁が、冷媒圧力によって径方向に膨張した前記前記伝熱管に接触することによって当該冷媒圧力を受けるように構成されていてもよい。
これによって、伝熱管の径方向への膨張を確実に制限し、伝熱管の耐圧強度をより高めることができる。

前記挿通孔は、長円形状に形成されていてもよいし、楕円形状に形成されていてもよい。

本発明によれば、ヘッダ管の熱変形に伴って伝熱管が管板の挿通孔周縁に接触するのを防止し、伝熱管の耐圧強度をも好適に確保することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る熱交換装置を含む空気調和装置を示す構成図である。熱源側熱交換器を示す概略図である。伝熱管、連絡管、及びヘッダ管の接続箇所を拡大して示す正面図（一部断面図）である。管板の挿通孔と伝熱管との関係を示す図である。図４のＶ−Ｖ矢視断面図である。本発明の第２の実施の形態における管板の挿通孔と伝熱管との関係を示す図である。本発明の第３の実施の形態における管板の挿通孔と伝熱管との関係を示す図である。

《第１の実施の形態》
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る熱交換装置を含む空気調和装置を示す構成図である。
空気調和装置１０は、冷媒の循環により蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路１１を備えている。冷媒回路１１は、圧縮機１２、熱源側熱交換器１３、膨張機構（膨張弁）１４、及び利用側熱交換器１５を順次冷媒配管１６によって接続してなる。圧縮機１２及び前記熱源側熱交換器１３は空気調和装置１０の室外機に内蔵され、膨張機構１４及び利用側熱交換器１５は空気調和装置１０の室内機に内蔵される。

冷媒配管１６には、四路切換弁１８が設けられている。この四路切換弁１８を切り換えることによって圧縮機１２から吐出される冷媒を熱源側熱交換器１３と利用側熱交換器１５とに切り換えて供給し、冷房運転と暖房運転とを切り換えることが可能となっている。

具体的に、冷房運転時には、四路切換弁１８を実線のように切り換えることによって、冷媒を実線矢印で示す方向に流す。これにより、圧縮機１２から吐出された冷媒を熱源側熱交換器１３に供給し、膨張機構１４を通過した冷媒を利用側熱交換器１５に供給する。この際、熱源側熱交換器１３は凝縮器として機能して高温高圧のガス状冷媒を凝縮・液化させ、利用側熱交換器１５は蒸発器として機能して低温低圧の液状冷媒を蒸発・気化させる。

また、暖房運転時には、四路切換弁１８を点線のように切り換えることによって冷媒の流れを反転させ、これによって圧縮機１２から吐出された冷媒を利用側熱交換器１５に供給し、膨張機構１４を通過した冷媒を熱源側熱交換器１３に供給する。この際、利用側熱交換器１５は凝縮器として機能して高温高圧のガス状冷媒を凝縮・液化させ、熱源側熱交換器１３は蒸発器として機能して低温低圧の液状冷媒を蒸発・気化させる。なお、本実施の形態の空気調和装置は冷房運転のみを行うものであってもよく、この場合、四路切換弁１８を省略するとともに、冷媒を実線矢印で示す方向に流すように構成すればよい。

図２は、熱源側熱交換器を示す概略図である。熱源側熱交換器１３は、いわゆるクロスフィン型のフィンアンドチューブ式熱交換器であり、アルミニウム製のフィン２３と銅製の伝熱管２４とを備えている。伝熱管２４は、冷媒が空気と熱交換しながら流通するための冷媒流路を形成しており、上下方向に複数並設されている。各伝熱管２４は、左右方向に延びるとともに、左右方向の両側で約１８０度湾曲することによって蛇行している。また、各伝熱管２４は、左右方向に並設された複数のフィン２３を直交状に貫通している。複数のフィン２３からなるフィン群の左右方向の両側には管板３０が設けられており、この管板３０には、伝熱管２４の端部が挿通されている。

各伝熱管２４の液側の端部は、それぞれ分流キャピラリー３４を介して分流器２６に接続されている。また、各伝熱管２４のガス側の端部は、それぞれ連絡管（拡路連絡管）２７の一端に接続され、各連絡管２７の他端はヘッダ管２８に接続されている。連絡管２７は左右方向に沿って配置され、ヘッダ管２８は、連絡管２７に接続された部分が上下方向に沿って配置されており、ヘッダ管２８と連絡管２７とは直交状（交差状）に接続されている。

冷房運転時、冷媒は矢印ａで示す方向に流れてヘッダ管２８に流入するとともに、各連絡管２７を経て各伝熱管２４に流入し、各伝熱管２４を通過する過程で凝縮・液化し、分流キャピラリー３４を経て分流器２６へ流入する。

図３は、伝熱管２４、連絡管２７、及びヘッダ管２８の接続箇所を拡大して示す正面図（一部断面図）である。管板３０には挿通孔３１が形成され、この挿通孔３１に伝熱管２４の端部が挿通されている。図４は、管板の挿通孔と伝熱管との関係を示す図（図３のIV−IV矢視断面図）であり、この挿通孔３１は、上下方向に長い長円形状に形成されている。すなわち、この挿通孔３１の上下方向（第１の方向）の寸法（第１の寸法）ｙは、幅方向（第２の方向）の寸法（第２の寸法）ｘよりも大きく形成されている。また、挿通孔３１の上端部及び下端部は幅方向寸法ｘを直径とする半円弧形状に形成され、挿通孔３１の上下方向中途部の幅方向両側は上下方向に沿った直線形状に形成されている。また、図３及び図４に示されるように、挿通孔３１の周縁には、熱交換器１５のフィン２３側に向けて屈曲する鍔部３２が形成されている。この挿通孔３１及び鍔部３２は、管板３０にバーリング加工を施すことによって形成される。

図５は、図４のＶ−Ｖ断面図である。図４及び図５に示されるように、挿通孔３１の幅方向寸法ｘは、挿通孔３１に挿通される伝熱管２４の直径ｄよりもやや大きい寸法とされている。また、伝熱管２４の両側には、それぞれ挿通孔３１の幅方向寸法ｘと伝熱管２４の直径ｄとの寸法差ｓの略半分の隙間（＝ｓ／２）が均等に形成されている。

空気調和装置１０が停止した状態（冷媒の流れが停止した状態）では、挿通孔３１の上下方向の中心位置が、伝熱管２４の上下方向の中心位置と略一致するように、管板３０に挿通孔３１が形成されている。

冷房運転時、熱源側熱交換器１３に接続されるヘッダ管２８には、圧縮機１２によって昇圧された高温のガス状冷媒が流入する。特に、冬場に空気調和装置が停止した状態から冷房運転が開始されると、ヘッダ管２８に流入する冷媒の温度と、外気によって冷やされたヘッダ管２８の温度との差が非常に大きくなり、ヘッダ管２８に冷媒が流入することによってヘッダ管２８の温度が急激に上昇し、ヘッダ管２８が管軸Ｏ方向に大きく熱膨張する。

図３に示されるように、ヘッダ管２８が白抜き矢印の方向に熱膨張した場合、これに伴って連絡管２７が２点鎖線で示すように傾き、この連絡管２７に接続された伝熱管２４も同様に傾いて挿通孔３１内を上下方向に移動する。この場合でも、本実施の形態における挿通孔３１は、ヘッダ管２８の熱膨張に伴って伝熱管２４が上下方向に移動したとしても、挿通孔３１の上下の周縁に接触しないようにその上下方向寸法ｙが設定されている。したがって、ヘッダ管２８の熱膨張に伴って伝熱管２４が挿通孔３１の周縁に接触することはなく、当該接触に起因して伝熱管２４が損傷してしまうこともない。

また、ヘッダ管２８には、圧縮機１２によって昇圧された冷媒が流入するため、連絡管２７を介して伝熱管２４に流入する冷媒の圧力も高い状態となり、伝熱管２４は冷媒の圧力によって径方向に膨張する。図４及び図５に示されるように、挿通孔３１は、冷媒の圧力によって伝熱管２４が膨張したときに、伝熱管２４の幅方向両端部が挿通孔３１の周縁に接触するように、その幅方向寸法ｘが設定されている。したがって、冷媒の圧力を挿通孔３１（管板３０）によって受けることが可能となり、伝熱管２４の耐圧強度を高めることができる。

挿通孔３１の寸法ｘ，ｙの一例を挙げると、伝熱管２４の直径ｄが約８．５ｍｍである場合、挿通孔３１の幅方向寸法ｘは伝熱管２４の直径ｄよりも約０．４ｍｍ（＝ｓ）大きい寸法に形成することができる。また、挿通孔３１の上下方向寸法ｙは、幅方向寸法ｘよりも約４．５ｍｍ大きい寸法に形成することができる。

熱交換器１３のヘッダ管２８は、図２に示されるように、上下方向の中央位置Ｃよりも上側の領域においては上方に熱膨張し、下側の領域においては下方に熱膨張する傾向にある。また、ヘッダ管２８は、上下方向の中央位置Ｃから上下方向に離れた領域ほど、熱膨張量が大きくなっている。本実施の形態では、図４に示されるように、挿通孔３１の上下方向の中心位置が、伝熱管２４の上下方向の中心位置と一致するように挿通孔３１が形成されているので、挿通孔３１内で伝熱管２４が上下のいずれに移動しても挿通孔３１の周縁との接触が防止される。したがって、本実施の形態の挿通孔３１は、ヘッダ管２８の中央位置Ｃよりも上側及び下側のどちらの領域に形成される挿通孔にも適用することができる。

本実施の形態の挿通孔３１は、管板３０に形成される全ての挿通孔に適用することが可能であるが、全ての挿通孔３１が上下方向に長く形成されていると、ヘッダ管２８が上下方向に振動したときに管板３０によって当該振動を抑制することができなくなるという欠点がある。そのため、ヘッダ管２８の熱膨張が大きい領域、すなわち、中央位置Ｃよりも上方及び下方に離れた領域に形成される挿通孔のみ本実施の形態の挿通孔３１を適用し、中央位置Ｃの近傍の挿通孔は、従来と同様の真円形状の挿通孔を適用することがより好適である。

《第２の実施の形態》
図６は、本発明の第２の実施の形態における管板の挿通孔と伝熱管との関係を示す図である。
本実施の形態の挿通孔３１は、空気調和装置が停止した状態で、上下方向の中心位置α２が伝熱管２４の中心位置α１よりも上方に配置されている。そのため、伝熱管２４は、ヘッダ管２８の熱膨張に伴って挿通孔３１内を上方に移動したときに、挿通孔３１の周縁との接触が防止される。したがって、本実施の形態の挿通孔３１は、図２に示されるように、ヘッダ管２８の上下方向の中央位置Ｃよりも上側の領域に形成される挿通孔に好適に適用することができる。

また、挿通孔３１の下端縁は伝熱管２４に対してわずかな隙間（ｓ／２）をあけて配置されている。したがって、冷媒の圧力によって伝熱管２４が径方向に膨張した場合には、伝熱管２４は、挿通孔３１の幅方向端縁及び下端縁に接触することによって膨張が制限される。したがって、第１の実施の形態の熱交換器１３と比較して、伝熱管２４の耐圧強度をより高めることができる。

《第３の実施の形態》
図７は、本発明の第３の実施の形態における挿通孔の正面図である。本実施の形態は、第２の実施の形態とは逆に、空気調和装置が停止した状態で、挿通孔３１の上下方向の中心位置α２が伝熱管２４の中心位置α１よりも下方に配置されている。そのため、伝熱管２４は、ヘッダ管２８の熱膨張に伴って挿通孔３１内を下方に移動したときに、挿通孔３１の周縁との接触が防止される。したがって、本実施の形態の挿通孔３１は、ヘッダ管２８の上下方向の中央位置Ｃよりも下側の領域に形成される挿通孔に好適に適用することができる。

また、挿通孔３１の上端縁は伝熱管２４に対してわずかな隙間（ｓ／２）をあけて配置されている。したがって、冷媒の圧力によって伝熱管２４が径方向に膨張した場合には、伝熱管２４は、挿通孔３１の幅方向端縁及び上端縁に接触することによって膨張が制限される。したがって、第１の実施の形態の熱交換器１３と比較して、伝熱管２４の耐圧強度をより高めることができる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で適宜設計変更可能である。
例えば、上記実施の形態の挿通孔３１は、長円形状に形成されていたが、楕円形状に形成されていてもよい。また、挿通孔３１は、長方形状に形成されていてもよい。
また、本発明は、暖房運転時に凝縮器として機能する利用側熱交換器１５にも採用することが可能であり、特に、利用側熱交換器１５のヘッダ管２８の長さが長い場合に本発明が有用である。

また、管板３０は、熱交換器１３の上下方向の全体に亘って設けられていなくてもよく、上下方向の一部のみに対応して設けられていてもよい。この場合、管板３０には、管板３０の範囲に対応して配置された伝熱管２４の端部を挿通させる１又は複数の挿通孔３１が形成されていればよい。

１０：空気調和装置
１３：熱源側熱交換器
２４：伝熱管
２７：連絡管
２８：ヘッダ管
３０：管板
３１：挿通孔

Claims

複数の伝熱管（２４）を有する熱交換器（１３）と、この熱交換器（１３）が凝縮器として機能する場合にガス状冷媒が流入する前記伝熱管（２４）の端部に一端が接続される連絡管（２７）と、この連絡管（２７）の他端に交差状に接続されるヘッダ管（２８）と、いずれかの前記伝熱管（２４）の前記端部が挿通される複数の挿通孔（３１）を有する管板（３０）と、を備えている熱交換装置であって、
前記挿通孔（３１）は、前記ヘッダ管（２８）の管軸方向に沿った第１の方向についての第１の寸法（ｙ）が、前記ヘッダ管（２８）の管軸方向への熱変形に起因する前記伝熱管（２４）と前記挿通孔（３１）の周縁との接触を回避可能な寸法に設定され、前記管軸方向に直交する第２の方向についての第２の寸法（ｘ）が、前記第１の寸法（ｙ）よりも小さくされ、前記第２の方向についての端縁が、冷媒圧力によって径方向に膨張した前記伝熱管（２４）に接触することによって当該冷媒圧力を受けるように構成されており、
さらに、ヘッダ管（２８）の熱変形前の状態において、前記ヘッダ管（２８）の管軸方向の一方側に対応して配置された挿通孔（３１）は、その中心位置（α２）が前記伝熱管（２４）の中心位置（α１）に対して前記一方側に偏倚し、逆に、前記ヘッダ管（２８）の管軸方向の他方側に対応して配置された他の挿通孔（３１）は、その中心位置（α２）が前記伝熱管（２４）の中心位置（α１）に対して前記他方側に偏倚して配置されていることを特徴とする熱交換装置。
前記ヘッダ管（２８）の熱変形前の状態において、前記挿通孔（３１）の前記第１の方向についての一端縁が、冷媒圧力によって径方向に膨張した前記前記伝熱管（２４）に接触することによって当該冷媒圧力を受けるように構成されている、請求項１に記載の熱交換装置。
前記挿通孔（３１）が長円形状に形成されている請求項１又は２のいずれか１項に記載の熱交換装置。
前記挿通孔（３１）が楕円形状に形成されている請求項１又は２のいずれか１項の記載の熱交換装置。