JP5709777B2 - 熱交換器及び冷凍空調装置 - Google Patents

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Description

本発明は、低温流体と高温流体とを熱交換させて高温流体から低温流体に熱を伝える熱交換器に関するものである。また、この熱交換器を用いた冷凍空調装置に関するものである。
低温流体と高温流体とを熱交換させる従来の熱交換器は、例えば、高温流体が流れる複数の貫通穴を有する扁平状の第1扁平管と、低温流体が流れる複数の貫通穴を有する扁平状の第2扁平管と、第1扁平管の両端に接続された第1ヘッダーと、第2扁平管の両端に接続された第2ヘッダーとを備え、第1の扁平管と第2の扁平管を互いに90度位相をずらして、交互に折りたたみ、それぞれの扁平面同士を接触させて両者で熱交換させ、高い熱交換性能を得ている。また、この従来の熱交換器は、それぞれの扁平管を90度位相をずらして積層しているので両端のヘッダーが干渉しあうことがない(例えば、特許文献1参照。)。
特開2001−174083号公報(要約、図1)
上述した従来の熱交換器は、低温流体と高温流体が互いに直交して流れる直交流形式のものとなっている。このため、上述した従来の熱交換器は、低温流体と高温流体が互いに対向して流れる対向流形式の熱交換器と比べ、熱交換効率が低下してしまうという問題点があった。また、上述した従来の熱交換器は、それぞれの流体の流量や温度等の動作条件に合わせて、各流体が流れる流路断面積、並列流路数、流路長さを自由に変えて、流体の圧力損失を低く、かつ伝熱性能が高くなるように、性能が最大となる最適設計をすることが困難であった。また、上述した従来の熱交換器においてこのような最適設計を行おうとした場合、ヘッダー構造が複雑となり、組立も困難となっていた。さらに、上述した従来の熱交換器は、ヘッダーと扁平管との接合が困難で、その接合強度が低いという問題点もあった。
本発明は、上記のような問題点の少なくとも1つを解決するためになされたものであり、コンパクトで、かつ流体の圧力損失が小さい高性能な熱交換器を得ることを第1の目的としている。
また、高性能でコンパクトな冷凍空調装置を得ることを第2の目的としている。
本発明に係る熱交換器は、第1流体が流れる第1貫通穴を有する扁平状の第1扁平管と、第2流体が流れる第2貫通穴を有する扁平状の第2扁平管と、を備え、前記第1扁平管と前記第2扁平管とが、前記第1貫通穴を流れる前記第1流体と前記第2貫通穴を流れる前記第2流体とが直交するように、互いの扁平面を接触して積層配置された熱交換器であって、前記第1扁平管は、前記第2扁平管の短軸方向に少なくとも1層配置されており(以下、当該第1扁平管を第1積層群の前記第1扁平管という)、前記第1積層群の前記第1扁平管は、前記第2扁平管の前記第2貫通穴の形成方向に複数配置され前記第2扁平管の前記第2貫通穴を流れる前記第2流体の平均流れ方向の下流側から上流側にかけて、前記第1流体が流れ、これら第1積層群を流れる前記第1流体の平均温度は、前記第2扁平管の前記第2貫通穴を流れる前記第2流体の平均流れ方向の下流側から上流流側にかけて、当該熱交換器に流入する前記第2流体の温度に近づき、前記第2扁平管は、前記第1扁平管の短軸方向に少なくとも1層配置されており(以下、当該第2扁平管を第2積層群の前記第2扁平管という)、前記第2積層群の前記第2扁平管は、前記第1扁平管の前記第1貫通穴の形成方向に複数配置されて、前記第1扁平管の前記第1貫通穴を流れる前記第1流体の平均流れ方向の下流側から上流側にかけて、前記第2流体が流れ、これら第2積層群を流れる前記第2流体の平均温度は、前記第1扁平管の前記第1貫通穴を流れる前記第1流体の平均流れ方向の下流側から上流側にかけて、当該熱交換器に流入する前記第1流体の温度に近づくように構成したものである。
また、本発明に係る冷凍空調装置は、本発明の上記熱交換器を搭載したものである。
本発明に係る熱交換器は、第1扁平管が、第2扁平管の短軸方向に少なくとも1層配置されており(以下、当該第1扁平管を第1積層群の第1扁平管という)、第1積層群の第1扁平管は、第2扁平管の第2貫通穴の形成方向に複数配置されている。そして、第1積層群を流れる第1流体の平均温度は、第2扁平管の第2貫通穴を流れる第2流体の平均流れ方向の下流側から上流側にかけて、第2流体の流入温度に近づくように構成されている。つまり、第1流体の流れを巨視的に見ると、第1流体の流れは、第2流体の平均流れ方向に対して対向流となっている。このため、本発明に係る熱交換器は、上述した直交流形式の従来の熱交換器と比べ、熱交換効率が向上する。一方、本発明に係る熱交換器は、第1扁平管と第2扁平管とが互いに直交するように積層されている。このため、第1扁平管を冷凍サイクル回路に接続する接続配管と、第2扁平管を冷凍サイクル回路に接続する接続配管とが、干渉することがない。
このように、本発明に係る熱交換器は、第1扁平管の接続配管と第2扁平管の接続配管が干渉せずにコンパクトに構成できる直交流形式のメリットを活かしながら、直交流形式のデメリットである熱交換効率を向上させることができ、結果として、コンパクト性と性能向上を両立させることができる。
また、本発明に係る冷凍空調装置は、本発明の上記熱交換器を搭載しているので、コンパクトで高性能な冷凍空調装置を得ることができる。
本発明の実施の形態1による熱交換器を示す図である。 図1に続く、本発明の実施の形態1による熱交換器を示す図である。 本発明の実施の形態1による熱交換器の別の一例を示す図である。 図3に続く、本発明の実施の形態1による熱交換器の別の一例を示す図である。 本発明の実施の形態2による冷凍空調装置の一例を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態2による冷凍空調装置の別の一例を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態2による冷凍空調装置のさらに別の一例を示す冷媒回路図である。
実施の形態1.
図1及び図2は本発明の実施の形態1による熱交換器10を示す図であり、図1(a)は正面図、図1(b)は水平断面図、図2(c)は図1(a)の矢印A方向から見た側面図、図2(d)は図1(a)の矢印B方向から見た側面図である。なお、図1(a)では、熱交換器10の理解を容易とするため、最前列に配置された第2扁平管2(図1(b)〜図2(d)において、紙面最上部に示された第2扁平管2)を透過して示している。
図1及び図2に示すように、第1扁平管1及び第2扁平管2は、それぞれ高温流体及び低温流体が流れる複数の貫通穴を有しており、扁平な面で互いに接触するように、かつそれぞれの長手方向が直交するように、交互に積層され、ロウ付け等で接合されている。ここで、第1扁平管1の長手方向とは、図1(a)に示すL1の方向である。この方向は、第1扁平管1の第1貫通穴11の形成方向であり、高温流体が流れる方向である。また、第2扁平管2の長手方向とは、図1(a)に示すL2の方向である。この方向は、第2扁平管2の第2貫通穴21の形成方向であり、低温流体が流れる方向である。
さらに詳しく熱交換器10について説明すると、本実施の形態1に係る熱交換器10は9本の第1扁平管1(第1扁平管1a,1b,1c,1d,1e,1f,1g,1h,1i)を備えている。なお以下では、各第1扁平管1を区別して記載する必要が有る場合、符号「1」の下にアルファベットを付して各第1扁平管1を示す。
第1扁平管1a,1b,1cは、同一層内において、第2扁平管2の長手方向に沿って配置されている。第1扁平管1d,1e,1f、及び第1扁平管1g,1h,1iも同様に、同一層内において、第2扁平管2の長手方向に沿って配置されている。また、第1扁平管1a,1d,1gは、積層方向(第1扁平管1の短軸方向であり、図1(a)に示すS方向)に並んで配置されている。同様に、第1扁平管1b,1e,1hも積層方向に並んで配置されており、第1扁平管1c,1f,1iも積層方向に並んで配置されている。
つまり、第1扁平管1a,1d,1gが本発明における同一の第1積層群となり、第1扁平管1b,1e,1hが本発明における同一の第1積層群となり、第1扁平管1c,1f,1iが本発明における同一の第1積層群となる。以下、図1及び図2に示す熱交換器10の説明では、第1扁平管1a,1d,1gを第1積層群101と称し、第1扁平管1b,1e,1hを第1積層群102と称し、第1扁平管1c,1f,1iを第1積層群103と称する。
また、各第1扁平管1の両端部には、流路形状を扁平形状から円形状に変換する変換継手3,4が接続されている。より詳しくは、図1(a)の紙面上側(つまり、図2(d)の紙面手前側)となる第1扁平管1の端部には、変換継手3が接続されている。また、図1(a)の紙面下側(つまり、図2(c)の紙面手前側)となる第1扁平管1の端部には、変換継手4が接続されている。これら、変換継手3,4は、一方の端部が第1扁平管1の端部に対応した扁平形状に形成され、他方の端部が円筒形状に形成されている。
これら各変換継手3は、第1扁平管1cに接続された変換継手3(以下、この変換継手を区別して示す場合、変換継手3aという)を除き、流路断面が円形状となったベンド管等の接続継手31,32で接続されている。より詳しくは、接続継手31は、積層方向(図1(b)のS方向)に隣接する変換継手3の円筒状端部同士を接続するものである。本実施の形態1では、3つの接続継手31a,31b,31cを備えている。また、接続継手32は、第2扁平管2の長手方向(図1(a)のL2方向)に隣接する変換継手3の円筒状端部同士を接続するものである。また、これら接続継手31,32が接続されていない変換継手3aは、熱交換器10から高温流体が流出する流出口となるものである。
また、各変換継手4は、第1扁平管1gに接続された変換継手4(以下、この変換継手を区別して示す場合、変換継手4aという)を除き、流路断面が円形状となったベンド管等の接続継手41,42で接続されている。より詳しくは、接続継手41は、積層方向(図1(b)のS方向)に隣接する変換継手4の円筒状端部同士を接続するものである。本実施の形態1では、3つの接続継手41a,41b,41cを備えている。また、接続継手42は、第2扁平管2の長手方向(図1(a)のL2方向)に隣接する変換継手4の円筒状端部同士を接続するものである。また、これら接続継手41,42が接続されていない変換継手4aは、熱交換器10へ高温流体が流入する流入口となるものである。
つまり、熱交換器10の各第1扁平管1は、変換継手3,4及び接続継手31,32,41,42によって、次のように接続されている。第1扁平管1gの一方の端部(変換継手4aが接続されていない側の端部)は、第1扁平管1dの一方の端部に接続されている。この第1扁平管1dの他方の端部は、第1扁平管1aの一方の端部に接続されている。この第1扁平管1aの他方の端部は、第1扁平管1bの一方の端部に接続されている。この第1扁平管1bの他方の端部は、第1扁平管1eの一方の端部に接続されている。この第1扁平管1eの他方の端部は、第1扁平管1hの一方の端部に接続されている。この第1扁平管1hの他方の端部は、第1扁平管1iの一方の端部に接続されている。この第1扁平管1iの他方の端部は、第1扁平管1fの一方の端部に接続されている。この第1扁平管1fの他方の端部は、第1扁平管1cの一方の端部(変換継手3aが接続されていない側の端部)に接続されている。
一方、第2扁平管2は、3層に積層されている。そして、各同一層内において、3本の第2扁平管が第1扁平管1の長手方向(図1(a)に示すL1)に沿って配置されている。また、各第2扁平管2の両端部には、流路形状を扁平形状から円形状に変換する変換継手5,6が接続されている。より詳しくは、図1(a)の紙面右側となる第2扁平管2の端部には、変換継手5が接続されている。また、図1(a)の紙面左側となる第2扁平管2の端部には、変換継手6が接続されている。これら、変換継手5,6は、一方の端部が第2扁平管2の端部に対応した扁平形状に形成され、他方の端部が円筒形状に形成されている。
これら各変換継手5,6は、例えば図示しないヘッダー等に接続されている。つまり、本実施の形態1に係る第2扁平管2は並列流路を構成しており、変換継手5から各第2扁平管2に流入した低温流体は、変換継手6を介して熱交換器10の外部へ流出することとなる。本実施の形態1に係る熱交換器10は、全第2扁平管2へ一斉に低温流体を分配して流しているので、同一層内の第2扁平管2を1つの扁平管で構成することも可能である。
続いて、図1及び図2を用い、このように構成された熱交換器10の流体流れについて説明する。なお、図1(a)に示すFC(斜線地の矢印)は低温流体の流れを示し、図1(a)に示すFH(ドット地の矢印)は高温流体の流れを示す。
まず、第2扁平管2を流れる低温流体の流れについて説明する。低温流体は、図示しないヘッダー等を介して、変換継手5から各第2扁平管2に流入する。各第2扁平管2に流入した低温流体は、第1扁平管1と第2扁平管2の接触面(扁平面)を介して、第1扁平管1を流れる高温流体に加熱され、変換継手6から第2扁平管2の外部へ流出する。つまり、低温流体は、図1(a)において、紙面右側から紙面左側の一方向に流れることとなる。
次に、第1扁平管1を流れる高温流体の流れについて説明する。各第1扁平管1を流れる高温流体は、第1扁平管1と第2扁平管2の接触面(扁平面)を介して、第2扁平管2を流れる低温流体に冷却されるが、各第1扁平管1内を次のような順序で流れる。つまり、変換継手4aを介して第1扁平管1gに流入した高温流体は、第1扁平管1d,1aの順で、低温流体の流れ方向の最下流側となる第1積層群101を流れる。第1積層群101の第1扁平管1aを流出した高温流体は、低温流体の流れ方向において第1積層群101よりも上流側となる第1積層群102の第1扁平管1bに流入する。第1積層群102の第1扁平管1bに流入した高温流体は、第1扁平管1e,1hの順で、第1積層群102を流れる。第1積層群102の第1扁平管1hを流出した高温流体は、低温流体の流れ方向において第1積層群102よりも上流側となる第1積層群103の第1扁平管1iに流入する。第1積層群103の第1扁平管1iに流入した高温流体は、第1扁平管1f,1cの順で第1積層群103を流れ、変換継手3aから熱交換器10の外部に流出する。
つまり、低温流体の流れ方向に沿って見ると、最下流側に配置された第1積層群101を流れる高温流体の温度が、第1積層群101よりも上流側となる第1積層群102を流れる高温流体の温度よりも高くなっている。また、第1積層群102を流れる高温流体の温度が、第1積層群102よりも上流側となる第1積層群103を流れる高温流体の温度よりも高くなっている。すなわち、高温流体は、低温流体の流れ方向の下流側ほど温度が高く、低温流体の流れ方向の上流側ほど温度が低くなっている。換言すると、高温流体は、低温流体の流れ方向の上流側ほど、熱交換器10に流入する低温流体の温度に近づいている。つまり、本実施の形態1に係る熱交換器10においては、高温流体の流れを巨視的にみると、低温流体の流れと対向流になっている。
このように、本実施の形態1に係る熱交換器10は、高温流体の流れを巨視的にみると、低温流体の流れと対向流になっている。このため、直交流形式の従来の熱交換器と比べ、熱交換効率を向上させることができる。一方、本実施の形態1に係る熱交換器10は、第1扁平管1及び第2扁平管2を、それぞれの長手方向が直交するように積層配置している。このため、第1扁平管1を接続する接続配管(変換継手3,4、及び接続継手31,32,41,42)と、第2扁平管2を接続する接続配管(変換継手5,6)とが、干渉しない。
したがって、本実施の形態1に係る熱交換器10は、第1扁平管1の接続配管と第2扁平管2の接続配管が干渉せずにコンパクトに構成できる直交流形式のメリットを活かしながら、直交流形式のデメリットである熱交換効率を向上させることができ、結果として、コンパクト性と性能向上を両立させることができる。
また、本実施の形態1に係る熱交換器10は、流路断面形状を扁平形状から円形状に変換する変換継手3,4を用いて、第1扁平管1の両端の流路断面形状を円形状にしている。このため、変換継手3,4を接続する接続継手として、ベンド管のような流路断面が円形状の接続継手31,32,41,42を使用することができる。また、本実施の形態1に係る熱交換器10は、上述のように第1扁平管1を接続する接続配管(変換継手3,4、及び接続継手31,32,41,42)と第2扁平管2を接続する接続配管(変換継手5,6)とが干渉しないため、変換継手3,4、及び接続継手31,32,41,42の組み立て(接合)も容易となる。このため、管の一端から流体を流入させ複数の側面から流出させるヘッダーのようなもので各第1扁平管1を接続する場合に比べて、接合部の接合強度を向上させることができる。
なお、変換継手3,4と接続継手31,32,41,42を一体で構成してもよい。さらに、一対の第1扁平管1、変換継手(変換継手3,4のうちの一方)、及び接続継手(接続継手31,32,41,42のいずれか)を一体で構成したヘアピン管を用いてもい。このように、複数の部品を一体で構成すれば、部品点数を削減でき、組立ての簡素化を図ることができる。
また、接続継手は、積層方向(図1(b)のS方向)に隣接する変換継手3,4を接続する接続継手31,41や、同一層内で隣接する変換継手3,4を接続する32,42に限定されるものではない。例えば、図3及び図4に示すように、積層方向に隣接せず、同一層内でも隣接しない第1扁平管1を接続する接続継手を用いてもよい。
図3及び図4は本発明の実施の形態1による熱交換器10の別の一例を示す図であり、図3(a)は正面図、図3(b)は水平断面図、図4(c)は図3(a)の矢印A方向から見た側面図、図4(d)は図3(a)の矢印B方向から見た側面図である。なお、図3(a)では、熱交換器10の理解を容易とするため、最前列に配置された第2扁平管2(図3(b)〜図4(d)において、紙面最上部に示された第2扁平管2)を透過して示している。
図3及び図4に示すように、積層方向に隣接せず、同一層内でも隣接しない第1扁平管1同士(例えば、第1扁平管1aと第1扁平管1e)が、変換継手4を介して、斜めに配置された接続継手43により接続されている。
このように構成された熱交換器10では、高温流体は次のように流れる。なお、低温流体の流れは、図1及び図2に示した熱交換器10と同じとなるため、説明を省略する。
変換継手4aを介して第1扁平管1gに流入した高温流体は、第1扁平管1hに流入する。第1扁平管1hから流出した高温流体は、接続継手43を介して第1扁平管1dに流入し、その後、第1扁平管1eに流入する。第1扁平管1eから流出した高温流体は、接続継手43を介して第1扁平管1aに流入し、その後、第1扁平管1bに流入する。第1扁平管1bから流出した高温流体は、第1扁平管1c,1ccの順で流れる。第1扁平管1ccから流出した高温流体は、接続継手43を介して第1扁平管1fに流入し、その後、第1扁平管1ffに流入する。第1扁平管1ffから流出した高温流体は、接続継手43を介して第1扁平管1iに流入し、その後、第1扁平管1iiに流入する。第1扁平管1iiに流入した高温流体は、変換継手3aから熱交換器10の外部に流出する。
つまり、図3及び図4に示す熱交換器10においては、高温流体は、隣接する第1積層群に跨がりながら、第1扁平管1を流れている。しかしながら、同一層内の第1扁平管1を流れる高温流体の流れを見ると、低温流体の流れ方向の下流側ほど温度が高く、低温流体の流れ方向の上流側ほど温度が低くなっている。つまり、低温流体の流れ方向に沿って見ると、低温流体の流れ方向の下流側に配置された第1積層群を流れる高温流体の平均温度は、低温流体の流れ方向の上流側に配置された第1積層群を流れる高温流体の平均温度よりも高くなっている。つまり、図3及び図4に示す熱交換器10においても、高温流体の流れを巨視的にみると、低温流体の流れと対向流になっている。
したがって、図3及び図4に示す熱交換器10においても、第1扁平管1の接続配管と第2扁平管2の接続配管が干渉せずにコンパクトに構成できる直交流形式のメリットを活かしながら、直交流形式のデメリットである熱交換効率を向上させることができ、結果として、コンパクト性と性能向上を両立させることができる。
また、接続継手43を用いて第1扁平管同士を接続することにより、接続する第1扁平管1の端部間の距離を長くすることができる。このため、接続継手43の曲率半径を比較的大きくすることができ、曲げ加工が比較的容易となる。
以上、図1〜図4の熱交換器10で示した配管構成は、あくまでも本発明を実施するための一例である。つまり、図1及び図2に示した熱交換器10においては、第1扁平管1を流れる高温流体は、低温流体の流れ方向の下流側に配置された第1積層群を流れるものほど温度が高く、低温流体の流れ方向の上流側に配置された第1積層群を流れるものほど温度が低くなっていた。かつ、図1及び図2に示した熱交換器10においては、同一層内に配置された第1扁平管1内を流れる高温流体は、低温流体の流れ方向の下流側に配置された第1扁平管1を流れるものほど温度が高く、低温流体の流れ方向の上流側に配置された第1扁平管1を流れるものほど温度が低くなっていた。また、図3及び図4に示した熱交換器10においては、同一層内に配置された第1扁平管1内を流れる高温流体は、低温流体の流れ方向の下流側に配置された第1扁平管1を流れるものほど温度が高く、低温流体の流れ方向の上流側に配置された第1扁平管1を流れるものほど温度が低くなっていた。しかしながら、これに限らず、低温流体の流れ方向の下流側に配置された第1積層群を流れる高温流体の平均温度が、低温流体の流れ方向の上流側に配置された第1積層群を流れる高温流体の平均温度よりも高くなっていればよい。つまり、低温流体の流れ方向の上流側に配置された第1積層群を流れる高温流体の平均温度が、低温流体の流れ方向の下流側に配置された第1積層群を流れる高温流体の平均温度よりも、熱交換器10に流入する低温流体の温度に近づいていればよい。このように高温流体が流れるように各第1扁平管1を接続することにより、巨視的な高温流体の流れは、低温流体の流れと対向流になる。
また、図1〜図4で示した熱交換器10は、第1扁平管1に流れる第1流体を高温流体とし、第2扁平管2に流れる第2流体を低温流体とした。しかしながら、これに限らず、第1扁平管1に流れる第1流体を低温流体とし、第2扁平管2に流れる第2流体を高温流体としてもよい。この場合、高温流体の流れ方向の上流側に配置された第1積層群を流れる低温流体の平均温度が、高温流体の流れ方向の下流側に配置された第1積層群を流れる低温流体の平均温度よりも高くなっていればよい。つまり、高温流体の流れ方向の上流側に配置された第1積層群を流れる低温流体の平均温度が、高温流体の流れ方向の下流側に配置された第1積層群を流れる低温流体の平均温度よりも、熱交換器10に流入する高温流体の温度に近づいていればよい。このように低温流体が流れるように各第1扁平管1を接続することにより、巨視的な低温流体の流れは、高温流体の流れと対向流になる。
また、図1〜図4で示した熱交換器10は、第2扁平管2を流れる第2流体の流れ方向を一方向としたが、第2扁平管2を流れる第2流体も巨視的に第1扁平管1を流れる第1流体と対向流となるように、各第2扁平管2を接続してもよい。このとき、各第1扁平管1を流れる第1流体の向きは第1扁平管1毎に異なっている。このため、第1扁平管1の一方の端部から他方の端部へ流れる第1流体の流量と、第1扁平管1の他方の端部から一方の端部へ流れる第1流体の流量とを比較し、流量の多いほうの流れを「第1扁平管1を流れる第1流体の平均流れ方向」とすればよい。例えば、図1及び図2に示した熱交換器10では、5本の第1扁平管1(第1扁平管1a,1c,1e,1g,1i)の第1流体の流れ方向が、図1(a)において紙面上方向となっている。また、4本の第1扁平管1(第1扁平管1b,1d,1f,1h)の第1流体の流れ方向が、図1(a)において紙面下方向となっている。このため、図1及び図2に示した熱交換器10では、図1(a)における紙面上方向を、「第1扁平管1を流れる第1流体の平均流れ方向」とすればよい。
そして、積層方向に並んで配置された各第2扁平管2を同一の第2積層群とした場合、「第1扁平管1を流れる第1流体の平均流れ方向」の上流側に配置された第2積層群を流れる第2流体の平均温度が、「第1扁平管1を流れる第1流体の平均流れ方向」の下流側に配置された第2積層群を流れる第2流体の平均温度よりも、熱交換器10に流入する第1流体の温度に近づいていればよい。このように各第2扁平管2を接続することにより、第2扁平管2を流れる第2流体の巨視的な流れは、「第1扁平管1を流れる第1流体の平均流れ方向」に対して対向流になる。
また、図1〜図4で示した熱交換器10は、第1扁平管1及び第2扁平管2を積層方向に複数配置したが、積層方向に配置する第1扁平管1及び第2扁平管2は、それぞれ少なくとも1つあればよい。
実施の形態2.
実施の形態1の熱交換器10は、例えば空気調和装置、貯湯装置及び冷凍機等の冷凍空調装置に搭載される。以下に、実施の形態1の熱交換器10を搭載した冷凍空調装置の一例について説明する。
図5は、本発明の実施の形態2による冷凍空調装置の一例を示す冷媒回路図である。
図5に示す冷凍空調装置は、第1圧縮機50、第1放熱器51、第1減圧装置52、第1冷却器53が順に配管で接続された第1冷媒回路を有している。第1冷媒回路は、高温流体である第1冷媒が循環し、蒸気圧縮式冷凍サイクルで動作するように構成されている。また、第1冷媒回路の第1放熱器51と第1減圧装置52との間に熱交換器10が配置されており、第1扁平管1の変換継手4aは第1放熱器51と接続され、第1扁平管1の変換継手3aは第1減圧装置52と接続されている。
また、この冷凍空調装置は、熱交換器10、第2圧縮機60、第2放熱器61、第2減圧装置62が順に配管で接続された第2冷媒回路を有している。第2扁平管2の変換継手6は第2圧縮機60と接続され、第2扁平管2の変換継手5は第2減圧装置62と接続されている。第2冷媒回路は、低温流体である第2冷媒が循環し、蒸気圧縮式冷凍サイクルで動作するように構成されている。第1冷媒、第2冷媒ともに、二酸化炭素、HFC系冷媒、HC系冷媒、HFO系冷媒、アンモニア等の冷媒が用いられる。本実施の形態2では、第1冷媒に二酸化炭素が用いられている。
第1冷媒は、第1圧縮機50によって圧縮され、高温高圧の超臨界流体となって吐出される。高温高圧の超臨界流体となった第1冷媒は、第1放熱器51に送られ、第1放熱器51で空気等と熱交換して温度が低下し、高圧の超臨界流体になる。高圧の超臨界流体となった第1冷媒は、熱交換器10によって冷却されて温度が低下した後、第1減圧装置52に流入して減圧され、低温低圧の気液二相流状態に変化し、第1冷却器53に送られる。低温低圧の気液二相流状態となった第1冷媒は、第1冷却器53で空気等と熱交換して蒸発し、第1圧縮機50に戻る。
一方、第2冷媒は、第2圧縮機60によって圧縮され、高温高圧の蒸気となって吐出される。高温高圧の蒸気となった第2冷媒は、第2放熱器61に送られ、第2放熱器61で空気等と熱交換して温度が低下し、高圧の液体になる。高圧の液体となった第2冷媒は、第2減圧装置62で減圧され、低温の気液二相流状態に変化し、熱交換器10に送られる。低温の気液二相流状態となった第2冷媒は、熱交換器10で加熱され蒸気となり、第2圧縮機60に戻る。
このように構成された冷凍空調装置においては、第1放熱器51を流出した冷媒の過冷却度を大きく確保することができ、冷凍空調装置の効率を大幅に向上することができる。
なお、第1冷媒回路を流れる第1冷媒として、HFC系冷媒、HC系冷媒、HFO系冷媒又はアンモニアを用いた場合においても、第1放熱器51を流出した冷媒の過冷却度を大きく確保することで、冷凍空調装置の効率が向上する。第1冷媒回路の第1冷媒が二酸化炭素であって、臨界点以上で放熱する場合、冷凍空調装置の効率が特に向上する。
なお、本実施の形態2では、第2冷媒回路は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの場合を示したが、第2冷媒を水やエチレングリコール水溶液等のブライン(不凍液)、第2圧縮機60をポンプで構成してもよい。
図6は、本発明の実施の形態2による冷凍空調装置の別の一例を示す冷媒回路図である。
図6に示す冷凍空調装置は、図5に示す冷凍空調装置の構成から第1放熱器51を省略し、第1圧縮機50から吐出された高温高圧の蒸気である第1冷媒を全て熱交換器10で冷却している。つまり、図6に示す冷凍空調装置は、いわゆる二次ループ形冷凍空調装置となっている。この場合、熱交換器10は第1放熱器51として用いられる。図6に示す冷凍空調装置では、熱交換器10において必要熱交換量が大きくなり、冷凍空調装置全体に占める容積割合が第1放熱器51を設けた場合よりも大きくなる。熱交換器10がコンパクトとなることによって、冷凍空調装置全体がコンパクトとなる効果が一層高まる。
図7は、本発明の実施の形態2による冷凍空調装置のさらに別の一例を示す冷媒回路図である。
図7に示す冷凍空調装置は、第1圧縮機50、第1放熱器51、第1減圧装置52及び第1冷却器53が順に接続された冷媒回路を備えている。また、図7に示す冷凍空調装置は、バイパス配管72を備えている。バイパス配管72は、一端が第1放熱器51と第1減圧装置52との間に接続され、他端が第1圧縮機50における冷媒の圧縮工程の途中に設けられたインジェクションポート73、又はここでは図示しないが圧縮機30と第1冷却器53との間に接続されている。
熱交換器10は、冷媒回路における第1放熱器51と第1減圧装置52との間であり、バイパス配管72の途中となる位置に配置されている。熱交換器10は、第1扁平管1の変換継手4aと第1放熱器51とが接続され、第1扁平管1の変換継手3aと第1減圧装置52とが接続されている。また、熱交換器10は、第2扁平管2の変換継手5とバイパス減圧装置71とが接続され、第2扁平管2の変換継手6とインジェクションポート73、又はここでは図示しないが圧縮機30と第1冷却器53との間とが接続されている。
バイパス減圧装置71で減圧された冷媒(低温流体)は、低温の気液二相流状態に変化し、熱交換器10で第1放熱器51から流出した冷媒(高温流体)と熱交換し、第1圧縮機50のインジェクションポート73に送られる。なお、図7に示す冷凍空調装置においては、HFC系冷媒、HC冷媒、HFO系冷媒、アンモニア、二酸化炭素等の冷媒が用いられる。
このように構成された冷凍空調装置においても、第1放熱器51を流出した冷媒の過冷却度を大きく確保することができ、冷凍空調装置の効率を大幅に向上することができる。
また、図7に示す冷凍空調装置においては、熱交換器10からインジェクションポート73に流入する低温流体の飽和温度(気液平衡温度)が高いほど、第1圧縮機50の効率が高くなり、所要動力も小さくできる。図7に示すように第1放熱器51の出口を冷却すると、特に外気温度が高く第1放熱器51出口における高温流体の温度が比較的高い場合、熱交換器10において高温流体と低温流体との温度差を十分大きくとれる。このため、インジェクションポート73に流入する低温流体の温度を高めに維持でき、第1圧縮機50の高い効率を確保することができる。
なお、バイパス配管72の他端が第1圧縮機50と第1冷却器53との間に接続される場合、熱交換器10を用いない場合に比べ、冷凍効果を低下させることなく、第1冷却器53を流れる冷媒流量を低下させることができる。特に、第1圧縮機50と第1冷却器53の間の配管長が長い場合、圧力損失の増加に伴う性能の低下を抑制することができ、有用である。
以上のように、コンパクトで高性能な熱交換器10を搭載することにより、上述のような効果を有しつつ、コンパクトな冷凍空調装置を得ることができる。
1(1a〜1ii) 第1扁平管、11 第1貫通穴、101〜103 第1積層群、2 第2扁平管、21 第2貫通穴、3 変換継手、31,32 接続継手、4 変換継手、41〜43 接続継手、5 変換継手、6 変換継手、10 熱交換器、50 第1圧縮機、51 第1放熱器、52 第1減圧装置、53 第1冷却器、60 第2圧縮機、61 第2放熱器、62 第2減圧装置、71 バイパス減圧装置、72 バイパス配管、73 インジェクションポート。

Claims (8)

  1. 第1流体が流れる第1貫通穴を有する扁平状の第1扁平管と、
    第2流体が流れる第2貫通穴を有する扁平状の第2扁平管と、
    を備え、
    前記第1扁平管と前記第2扁平管とが、前記第1貫通穴を流れる前記第1流体と前記第2貫通穴を流れる前記第2流体とが直交するように、互いの扁平面を接触して積層配置された熱交換器であって、
    前記第1扁平管は、前記第2扁平管の短軸方向に少なくとも1層配置されており(以下、当該第1扁平管を第1積層群の前記第1扁平管という)、
    前記第1積層群の前記第1扁平管は、前記第2扁平管の前記第2貫通穴の形成方向に複数配置され前記第2扁平管の前記第2貫通穴を流れる前記第2流体の平均流れ方向の下流側から上流側にかけて、前記第1流体が流れ、
    これら第1積層群を流れる前記第1流体の平均温度は、前記第2扁平管の前記第2貫通穴を流れる前記第2流体の平均流れ方向の下流側から上流流側にかけて、当該熱交換器に流入する前記第2流体の温度に近づき、
    前記第2扁平管は、前記第1扁平管の短軸方向に少なくとも1層配置されており(以下、当該第2扁平管を第2積層群の前記第2扁平管という)、
    前記第2積層群の前記第2扁平管は、前記第1扁平管の前記第1貫通穴の形成方向に複数配置されて、前記第1扁平管の前記第1貫通穴を流れる前記第1流体の平均流れ方向の下流側から上流側にかけて、前記第2流体が流れ、
    これら第2積層群を流れる前記第2流体の平均温度は、前記第1扁平管の前記第1貫通穴を流れる前記第1流体の平均流れ方向の下流側から上流側にかけて、当該熱交換器に流入する前記第1流体の温度に近づくことを特徴とする熱交換器。
  2. 前記第2扁平管の前記第2貫通穴を流れる前記第2流体の平均流れ方向の下流側に配置された前記第1積層群の前記第1扁平管から、前記第2扁平管の前記第2貫通穴を流れる前記第2流体の平均流れ方向の上流側に配置された前記第1積層群の前記第1扁平管にかけて、前記第1流体が流れることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  3. 前記第1扁平管の前記第1貫通穴を流れる前記第1流体の平均流れ方向の下流側に配置された前記第2積層群の前記第2扁平管から、前記第1扁平管の前記第1貫通穴を流れる前記第1流体の平均流れ方向の上流側に配置された前記第2積層群の前記第2扁平管にかけて、前記第2流体が流れることを特徴とする請求項又は請求項に記載の熱交換器。
  4. 前記第1扁平管及び前記第2扁平管のうちで複数設けられた扁平管は、接続される扁平管同士の端部が接続配管で接続されていることを特徴とする請求項1〜請求項のいずれか一項に記載の熱交換器。
  5. 前記接続配管は、
    一方の端部が前記複数設けられた扁平管の端部に対応した扁平形状に形成され、他方の端部が円筒形状に形成された複数の変換継手と、
    複数の前記変換継手の円筒形状の端部同士を接続する、流路断面が円形状の接続継手と、
    で構成されたことを特徴とする請求項に記載の熱交換器。
  6. 前記変換継手と前記接続継手が一体で構成されていることを特徴とする請求項に記載の熱交換器。
  7. 前記複数設けられた扁平管は、積層方向に隣接せず、同一層内でも隣接していない扁平管同士が前記接続配管で接続されていることを特徴とする請求項〜請求項のいずれか一項に記載の熱交換器。
  8. 請求項1〜請求項のいずれか一項に記載の熱交換器を搭載したことを特徴とする冷凍空調装置。
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