JP5763436B2 - パラレルフロー型熱交換器及びそれを搭載した空気調和機 - Google Patents

Description

本発明はサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器及びそれを搭載した空気調和機に関する。

２本のヘッダパイプの間に複数の偏平チューブを配置して偏平チューブ内部の冷媒通路をヘッダパイプの内部に連通させるとともに、偏平チューブ間にコルゲートフィン等のフィンを配置したパラレルフロー型の熱交換器は、カーエアコンや建物用空気調和機に広く利用されている。

パラレルフロー型熱交換器では、複数の偏平チューブに均等に冷媒が流れるようにすることが、熱交換効率向上を目指す上で重要な設計事項となる。冷媒の均等な分流を追求したパラレルフロー型熱交換器の例を特許文献１〜３に見ることができる。

特許文献１に記載されたパラレルフロー型熱交換器は、複数の冷媒流路を内部に有する偏平管を蛇行状に成形し、この偏平管の両端に入口側ヘッダ管と出口側ヘッダ管を取り付けている。入口側ヘッダ管の中には、貫通穴を有する複数の仕切板を適当な間隔をおいて設けられている。仕切板の持つオリフィス効果により、偏平管内の各流路にほぼ均一に冷媒を流すことができる。

特許文献２に記載されたパラレルフロー型熱交換器は、筒状中空ヘッダーと、該ヘッダーの冷媒流入室に連通接続された冷媒入口管と、前記冷媒流入室に連通接続された複数のチューブを備える。前記冷媒流入室を複数の流入仕切室に仕切り、前記冷媒入口管を対応個数の分岐管に分岐させ、各分岐管を前記各流入仕切室に接続して、前記各チューブに冷媒を均等に分流させる。

特許文献３に記載されたパラレルフロー型熱交換器は、水平なヘッダーに垂直なチューブを組み合わせた構成を備える。下側ヘッダー内には、その長さ方向に沿って、冷媒入口管に連通する冷媒分散用管体が配置される。冷媒分散用管体の周壁には複数個の冷媒分散孔が設けられており、冷媒入口管を通じて下側ヘッダー内に流入した液冷媒が、各チューブに均等に分配されるようになっている。

実開平１−１０２６６０号公報 特開平６−７４６０９号公報 特開平６−１５９９８３号公報

特許文献１、３に記載されているのは偏平チューブが垂直方向に配置されたダウンフロー方式のパラレルフロー型熱交換器、特許文献２に記載されているのは偏平チューブが水平方向に配置されたサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器である。サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器では、ヘッダパイプの下の方に液体の冷媒が溜まりやすいので、下の方の偏平チューブには液体の冷媒が多く流れるが、上の方の偏平チューブには液体の冷媒が少ししか流れないという現象が生じる。このため、熱交換器の下の方の領域では熱交換量を多くできるが、熱交換器の上の方の領域では熱交換量を多くできないというアンバランスが生じ、熱交換効率の向上が困難であった。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、それを蒸発器として用いた場合においても、どの高さにある偏平チューブにも液体の冷媒を均等に配分できるようにすることを目的とする。

本発明に係るパラレルフロー型熱交換器は、２本の垂直方向ヘッダパイプと、前記両ヘッダパイプを連結する複数の水平方向偏平チューブを備え、前記ヘッダパイプの内部に、前記偏平チューブの入口における冷媒滞留時間を引き延ばす流下抵抗体が配置され、前記偏平チューブ同士の間に配置された抵抗板が前記流下抵抗体を構成するものであり、前記ヘッダパイプの内部に、下端から上端に向けて冷媒パイプが挿入され、前記冷媒パイプの外周面と、前記ヘッダパイプの内周面との隙間に、前記抵抗板が配置されている。

上記構成のパラレルフロー型熱交換器において、前記抵抗板は冷媒通過開口部を備え、前記冷媒通過開口部の面積の大小によって流下抵抗が設定されるものであり、前記抵抗板は、上位のものほど流下抵抗小、下位のものほど流下抵抗大とされることが好ましい。

上記構成のパラレルフロー型熱交換器において、前記抵抗板は前記冷媒パイプを通す切り込み部を備え、Ｕ字形状となっていることが好ましい。

本発明によれば、上記構成のパラレルフロー型熱交換器が空気調和機の室内機または室外機に搭載される。

ヘッダパイプの内部に、偏平チューブ入口における冷媒滞留時間を引き延ばす流下抵抗体が配置されているから、液体の冷媒といえども急速に流下することがなく、上から下までの偏平チューブに液体の冷媒を均等に分散させることができる。これにより、液体の冷媒の偏流が少なくなり、熱交換効率が向上する。

本発明の第１実施形態に係る熱交換器の要部断面正面図である。 図１のII−II線の箇所で切断した熱交換器の垂直断面図である。 第１実施形態に係る熱交換器のヘッダパイプの拡大水平断面図である。 第１実施形態に係る熱交換器のヘッダパイプの他の部位における拡大水平断面図である。 熱交換器のヘッダパイプの拡大水平断面図であって、抵抗板の変形実施態様を示すものである。 参考形態に係る熱交換器の部分拡大垂直断面図である。 本発明の第２実施形態に係る熱交換器の展開断面図である。 第２実施形態に係る熱交換器の展開しない状態の上面図である。 第２実施形態に係る熱交換器のヘッダパイプの拡大水平断面図である。 本発明に係る熱交換器を搭載した空気調和機の概略構成図で、暖房運転時の状態を示すものである。 本発明に係る熱交換器を搭載した空気調和機の概略構成図で、冷房運転時の状態を示すものである。

本発明の第１実施形態に係るサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器の構造を、図１を参照しつつ説明する。図１では紙面上側が垂直方向の上側、紙面下側が垂直方向の下側となる。

第１実施形態のサイドフロー方式パラレルフロー型熱交換器である熱交換器１は、２本の垂直方向ヘッダパイプ２、３と、その間に配置される複数の水平方向偏平チューブ４を備える。ヘッダパイプ２、３は水平方向に間隔を置いて平行に配置され、偏平チューブ４は垂直方向に所定ピッチで配置されている。実際に機器に搭載する段階では、パラレルフロー型熱交換器１は設計の要請に従って様々な角度に据え付けられるから、本明細書における「垂直方向」「水平方向」は厳格に解釈されるべきものではない。単なる方向の目安として理解されるべきである。

蒸発器として使用する場合（例えば、冷房運転時の室内機や暖房運転時の室外機）、ヘッダパイプ２は冷媒流入側ヘッダパイプとなり、ヘッダパイプ３は冷媒流出側ヘッダパイプとなる。以後第１実施形態では、ヘッダパイプ２を冷媒流入側ヘッダパイプとして、ヘッダパイプ３を冷媒流出側ヘッダパイプとして、説明を進める。

偏平チューブ４は金属を押出成型した細長い成型品であり、図２に示す通り、内部には冷媒を流通させる冷媒通路５が形成されている。偏平チューブ４は長手方向である押出成型方向を水平にする形で配置されるので、冷媒通路５の冷媒流通方向も水平になる。冷媒通路４は断面形状及び断面面積の等しいものが図２の左右方向に複数個並び、そのため偏平チューブ４の垂直断面はハーモニカ状を呈している。各冷媒通路５は冷媒流入側ヘッダパイプ２と冷媒流出側ヘッダパイプ３の内部に連通する。

隣り合う偏平チューブ４同士の間にはコルゲートフィン６が配置される。上下に並ぶコルゲートフィン６のうち、最上段のものと最下段のものの外側にはサイドプレート７が配置される。

冷媒流入側のヘッダパイプ２、冷媒流出側のヘッダパイプ３、偏平チューブ４、コルゲートフィン６、及びサイドプレート７はいずれもアルミニウム等熱伝導の良い金属からなり、偏平チューブ４はヘッダパイプ２、３に対し、コルゲートフィン６は偏平チューブ４に対し、サイドプレート７はコルゲートフィン６に対し、それぞれロウ付けまたは溶着で固定される。

ヘッダパイプ３には１本の冷媒パイプ８が接続される。ヘッダパイプ２の内部には、下端から上端に向けて冷媒パイプ９が挿入される。図３に示す通り、ヘッダパイプ２と冷媒パイプ９はいずれも断面円形で、同軸に配置される。冷媒パイプ９はヘッダパイプ２と同材質であり、ヘッダパイプ２の下端をなす鏡板１０にロウ付けまたは溶着で固定される。

冷媒パイプ９の上端すなわち先端は、ヘッダパイプ２の上端をなす鏡板１１に所定間隔を置いて対向している。冷媒パイプ９は先端のみに吐出口１２を有する。吐出口１２から吐出された冷媒は鏡板１１の下面に衝突する。

ヘッダパイプ２の内部には流下抵抗体２０が配置される。第１実施形態では偏平チューブ４同士の間に配置された抵抗板２１が流下抵抗体２０となる。抵抗板２１は、冷媒パイプ９の外周面とヘッダパイプ２の内周面との隙間を埋める形状、すなわちドーナツ形状となっている。抵抗板２１は冷媒パイプ９やヘッダパイプ２と同材質であり、冷媒パイプ９とヘッダパイプ２の一方または双方にロウ付けまたは溶着で固定される。

抵抗板２１は冷媒通過開口部２２を備える。第１実施形態の抵抗板２１では、冷媒パイプ９を取り巻くように計８個配置された円形の貫通孔が冷媒通過開口部２２を構成する。なお「８個」という数は単なる例示であり、発明を限定するものではない。

抵抗板２１は、冷媒通過開口部２２の面積の大小で流下抵抗が設定される。上位の抵抗板２１ほど流下抵抗小、下位の抵抗板２１ほど流下抵抗大とされる。図３に示すのは比較的上位にある抵抗板２１であり、直径の大きな貫通孔が明けられている。図４に示すのは比較的下位にある抵抗板２１であり、直径の小さな貫通孔が明けられている。

熱交換器１の機能は次の通りである。冷媒パイプ９に冷媒が送り込まれると、吐出口１２から冷媒が吐出される。吐出された冷媒は鏡板１１に衝突して向きを変え、ヘッダパイプ２の内部を流下する。流下抵抗体２０が存在しなければ、液体の冷媒は速い速度で流下し、ヘッダパイプ２の下部に溜まるところであるが、偏平チューブ４同士の間に流下抵抗体２０である抵抗板２１が存在するので、各偏平チューブ４の入口における冷媒滞留時間が引き延ばされ、上位の偏平チューブ４にも液体の冷媒が入ることになる。

抵抗板２１は、上位のものほど流下抵抗小、下位のものほど流下抵抗大とされているから、流下するにつれ冷媒量が減っていくにもかかわらず、下位の偏平チューブ４にも液体の冷媒が不足無く配分される。これにより、熱交換器１の上から下まで、液体の冷媒の偏流が少なくなり、熱交換効率が向上する。

抵抗板２１は、必ずしも１本の偏平チューブ４に対し１枚という配置である必要はない。複数本の偏平チューブ４毎に１枚の抵抗板２１という構成であっても構わない。冷媒通過開口部２２も貫通孔に限定されない。抵抗板２１の外縁または内縁に切欠あるいはノッチを入れ、それを冷媒通過開口部２２としてもよい。

図５に示す通り、抵抗板２１に冷媒パイプ９を通す切り込み部２１ａを形成して、抵抗板２１をドーナツ形状でなくＵ字形状としてもよい。このようにすれば、冷媒パイプ９が入っているヘッダパイプ２に抵抗板２１を横方向から挿入でき、抵抗板２１の取り付けが簡単になる。

図６に参考形態を示す。第１実施形態と機能的に共通する構成要素には第１実施形態の説明で使用したのと同じ符号を付し、説明は省略する。この扱いは図７から図９に示す第２実施形態でも同様とする。

参考形態は、流下抵抗体２０の構成が第１実施形態と異なる。ここで流下抵抗体２０となっているのは繊維状物質の集合体２３である。繊維状物質の集合体２３としては、例えばスチールウールを用いることができる。この形式の流下抵抗体２０であっても、各偏平チューブ４の入口における冷媒滞留時間が引き延ばされ、各偏平チューブ４に液体の冷媒が均等に配分される。

図７から図９に第２実施形態を示す。第２実施形態の熱交換器１は、いずれもサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器である熱交換器１Ａ、１Ｂを合体させた構造が特徴となっている。熱交換器１Ａ、１Ｂは、図８に示す通り、上から見て前後に重なる形に配置される。図７はそれを展開した状態で示している。なお熱交換器１Ａが風上側、熱交換器１Ｂが風下側となる。

熱交換器１Ａにおいては一方のヘッダパイプを２Ａ、他方のヘッダパイプを３Ａとする。熱交換器１Ｂにおいては一方のヘッダパイプを２Ｂ、他方のヘッダパイプを３Ｂとする。

ヘッダパイプ２Ａの内部は、１枚の仕切板Ｐ１により２個の区画Ｓ１、Ｓ３に仕切られている。仕切板Ｐ１は複数の偏平チューブ４を複数のグループに区分するものでもある。合計２４本の偏平チューブ４は、区画Ｓ１と区画Ｓ３に１２本ずつ接続される。

ヘッダパイプ３Ａの内部には仕切板はなく、全体が１個の区画Ｓ２となっている。

ヘッダパイプ２Ｂの内部は、１枚の仕切板Ｐ２により２個の区画Ｓ４、Ｓ６に仕切られている。仕切板Ｐ２は複数の偏平チューブ４を複数のグループに区分するものでもある。合計２４本の偏平チューブ４は、区画Ｓ４と区画Ｓ６に１２本ずつ接続される。

ヘッダパイプ３Ｂの内部には仕切板はなく、全体が１個の区画Ｓ５となっている。

上記した偏平チューブ４の総数、各ヘッダパイプ内部の仕切板の数とそれによって仕切られる区画の数、及び仕切板によって区分される偏平チューブグループ毎の偏平チューブ４の数は、いずれも単なる例示であり、発明を限定するものではない。

区画Ｓ１には水平方向に延びる冷媒パイプ９が接続される。区画Ｓ６には水平方向に延びる冷媒パイプ８が接続される。冷媒パイプ９と冷媒パイプ８の「水平方向」も、偏平チューブ４の「水平方向」と同じ意味で用いられている。

区画Ｓ３と区画Ｓ４は連結パイプ１３で連結される。図８に示す通り、連結パイプ１３は上から見るとＵ字形に曲がっている。

熱交換器１Ｂのヘッダパイプ３Ｂの内部には流下抵抗体２０が配置される。第１実施形態の抵抗板２１と同じような構造の抵抗板２４が流下抵抗体２０を構成する。但し、図９に示す通り、抵抗板２４には冷媒パイプを通すための中心孔は存在せず、単なる円板形状である。抵抗板２４には同一円周上に複数の円形貫通孔が形成され、これが冷媒通過開口部２５を構成する。抵抗板２４の外縁に切欠あるいはノッチを入れ、それを冷媒通過開口部２５としてもよい。

抵抗板２４は、冷媒通過開口部２５の面積の大小で流下抵抗が設定される。上位の抵抗板２４ほど流下抵抗小、下位の抵抗板２４ほど流下抵抗大とされる。貫通孔、切欠、ノッチなどの大きさに差をつけることにより、流下抵抗の大小を設定できる。

抵抗板２４は、区画Ｓ５に接続される偏平チューブ４の全てに対して配置されるのではない。区画Ｓ５と区画Ｓ６の両方に接続される１２本の偏平チューブ４に対してのみ配置される。また抵抗板２４は、必ずしも１本の偏平チューブ４に対し１枚という配置である必要はない。複数本の偏平チューブ４毎に１枚の抵抗板２４という構成であっても構わない。

区画Ｓ１と区画Ｓ２を連結する１２本の偏平チューブ４は冷媒流路Ａを形成する。区画Ｓ２と区画Ｓ３を連結する１２本の偏平チューブ４は冷媒流路Ｂを形成する。区画Ｓ４と区画Ｓ５を連結する１２本の偏平チューブ４は冷媒流路Ｃを形成する。区画Ｓ５と区画Ｓ６を連結する１２本の偏平チューブ４は冷媒流路Ｄを形成する。

熱交換器１を蒸発器として用いる場合、冷媒パイプ９を通じて区画Ｓ１に冷媒を供給すると、冷媒は冷媒流路Ａを通って区画Ｓ２に向かう。区画Ｓ２に入った冷媒はそこで折り返し、冷媒流路Ｂを通って区画Ｓ３に向かう。区画Ｓ３に入った冷媒は連結パイプ１３を通じて区画Ｓ４に移動する。区画Ｓ４に入った冷媒は冷媒流路Ｃを通って区画Ｓ５に向かう。区画Ｓ５に入った冷媒はそこで折り返し、冷媒流路Ｄを通って区画Ｓ６に向かう。区画Ｓ６に入った冷媒は冷媒パイプ８より流出する。

冷媒流路Ｃから区画Ｓ５に入った冷媒は、冷媒流路Ｄを構成する偏平チューブ４へと向かう。流下抵抗体２０が存在しなければ、液体の冷媒は速い速度で流下し、ヘッダパイプ３Ｂの下部に溜まるところであるが、冷媒流路Ｄを構成する偏平チューブ４に対し、流下抵抗体２０である抵抗板２４が設けられているので、各偏平チューブ４の入口における冷媒滞留時間が引き延ばされ、上位の偏平チューブ４にも液体の冷媒が入ることになる。

抵抗板２４は、上位のものほど流下抵抗小、下位のものほど流下抵抗大とされているから、流下するにつれ冷媒量が減っていくにもかかわらず、下位の偏平チューブ４にも液体の冷媒が不足無く配分される。これにより、冷媒流路Ｄの上から下まで、液体の冷媒の偏流が少なくなり、熱交換効率が向上する。

熱交換器１を凝縮器として用いる場合は、冷媒パイプ９が冷媒を流出させるパイプとなる。出口側である冷媒パイプ９が風上側になるため、冷媒の出口温度を、過冷却要素の多いものとすることができる。風上と風下の関係が逆であると、熱交換器１を通過する空気は風上側の熱交換器１Ｂで温められた状態で、風下側の熱交換器１Ａと熱交換するため、温度差が少なくなり、冷媒の出口温度が上昇してしまう。つまり過冷却を取ることができず、熱交換量が少なくなる。熱交換器１Ａを風上側、熱交換器１Ｂを風下側としたのにはこのような理由がある。

熱交換器１はセパレート型空気調和機に搭載することができる。セパレート型空気調和機は室外機と室内機により構成され、室外機は圧縮機、四方弁、膨張弁、室外側熱交換器、室外側送風機などを含み、室内機は室内側熱交換器、室内側送風機などを含む。室外側熱交換器は、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷房運転時には凝縮器として機能する。室内側熱交換器は、暖房運転時には凝縮器として機能し、冷房運転時には蒸発器として機能する。

冷凍サイクルとしてヒートポンプサイクルを用いるセパレート型空気調和機の基本的構成を図９に示す。ヒートポンプサイクル１０１は、圧縮機１０２、四方弁１０３、室外側の熱交換器１０４、減圧膨張装置１０５、及び室内側の熱交換器１０６をループ状に接続したものである。圧縮機１０２、四方弁１０３、熱交換器１０４、及び減圧膨張装置１０５は室外機の筐体に収容され、熱交換器１０６は室内機の筐体に収容される。熱交換器１０４には室外側の送風機１０７が組み合わせられ、熱交換器１０６には室内側の送風機１０８が組み合わせられる。送風機１０７はプロペラファンを含み、送風機１０８はクロスフローファンを含む。

本発明に係る熱交換器１は、室内機の熱交換器１０６の構成要素として用いることができる。熱交換器１０６は、３個の熱交換器１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃを、送風機１０８を覆う屋根のように組み合わせたものであり、熱交換器１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃのいずれかを熱交換器１とすることができる。

図９は暖房運転時の状態を示す。この時は、圧縮機１０２から吐出された高温高圧の冷媒は室内側の熱交換器１０６に入ってそこで放熱し、凝縮する。熱交換器１０６を出た冷媒は減圧膨張装置１０５から室外側の熱交換器１０４に入ってそこで膨張し、室外空気から熱を取り込んだ後、圧縮機１０２に戻る。室内側の送風機１０８によって生成された気流が熱交換器１０６からの放熱を促進し、室外側の送風機１０７によって生成された気流が熱交換器１０４の吸熱を促進する。

図１０は冷房運転時あるいは除霜運転時の状態を示す。この時は四方弁１０３が切り換えられて暖房運転時と冷媒の流れが逆になる。すなわち、圧縮機１０２から吐出された高温高圧の冷媒は室外側の熱交換器１０４に入ってそこで放熱し、凝縮する。熱交換器１０４を出た冷媒は減圧膨張装置１０５から室内側の熱交換器１０６に入ってそこで膨張し、室内空気から熱を取り込んだ後、圧縮機１０２に戻る。室外側の送風機１０７によって生成された気流が熱交換器１０４からの放熱を促進し、室内側の送風機１０８によって生成された気流が熱交換器１０６の吸熱を促進する。

熱交換器１は、室外機の熱交換器１０４としても使用可能である。

以上、本発明の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。

本発明はサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器に広く利用可能である。

１ 熱交換器
２、３、２Ａ、３Ａ、２Ｂ、３Ｂ ヘッダパイプ
４ 偏平チューブ
５ 冷媒通路
６ コルゲートフィン
７ サイドプレート
８ 冷媒流出パイプ
９ 冷媒パイプ
２０ 流下抵抗体
２１ 抵抗板
２２ 冷媒通過開口部
２３ 繊維状物質の集合体
２４ 抵抗板
２５ 冷媒通過開口部

Claims (4)

1. ２本の垂直方向ヘッダパイプと、前記両ヘッダパイプを連結する複数の水平方向偏平チューブを備えるサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、
   前記ヘッダパイプの内部に、前記偏平チューブの入口における冷媒滞留時間を引き延ばす流下抵抗体が配置され、
   前記偏平チューブ同士の間に配置された抵抗板が前記流下抵抗体を構成するものであり、
   前記ヘッダパイプの内部に、下端から上端に向けて冷媒パイプが挿入され、前記冷媒パイプの外周面と、前記ヘッダパイプの内周面との隙間に、前記抵抗板が配置されていることを特徴とするパラレルフロー型熱交換器。
2. 前記抵抗板は冷媒通過開口部を備え、前記冷媒通過開口部の面積の大小によって流下抵抗が設定されるものであり、
   前記抵抗板は、上位のものほど流下抵抗小、下位のものほど流下抵抗大とされることを特徴とする請求項１に記載のパラレルフロー型熱交換器。
3. 前記抵抗板は前記冷媒パイプを通す切り込み部を備え、Ｕ字形状となっていることを特徴とする請求項１または２に記載のパラレルフロー型熱交換器。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のパラレルフロー型熱交換器を室内機または室外機に搭載したことを特徴とする空気調和機。

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