JP6038186B2 - 熱交換器及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和装置等の冷凍サイクル装置に用いられる熱交換器等に関するものである。

例えば、冷凍サイクル装置に用いられる熱交換器において、ヘッダ内に網状部材を挿入して、熱交換後に流出しようとする液冷媒のミスト化を防ぐことをはかった凝縮器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３５００００号公報（第１図）

ここで、例えば空気調和装置のような冷凍サイクル装置においては、熱交換器を、凝縮器としてだけでなく、蒸発器として機能させることがある。しかし、上記の特許文献１に述べたような従来の方法では、熱交換器を蒸発器として用い、液状の冷媒が流入する場合について手当てされていない。このため、熱交換器を蒸発器として機能させたときには、複数の伝熱管に液冷媒を均等分配させることが困難となっていた。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、複数の伝熱管に均一して冷媒を分配することができる熱交換器等を得ることを目的とするものである。

本発明に係る熱交換器は、互いに離間して配置され、管内を冷媒が通過する一対のヘッダと、一対のヘッダの間に配置され、一対のヘッダが有する複数の貫通孔からヘッダ内にそれぞれ両端が挿入され、内部を冷媒が通過する複数の伝熱管とを備える熱交換器であって、少なくとも蒸発器として機能する際の冷媒流入側となるヘッダの管内に、凹凸を有し、波状に形成した波状板を、ヘッダに沿って設け、波状板の波間のピッチＦｐとしたときに、ヘッダの管内における波状板と伝熱管の端部との間の距離δが、０＜δ＜Ｆｐを満たすように、波状板の幅とヘッダの管内における伝熱管の径とが同一となるように構成するものである。

少なくとも蒸発器として機能する際の冷媒流入側となるヘッダの管内に波状板を設けるようにしたので、重力等に影響されずに、液状の冷媒を各伝熱管に均等に分配し、通過させることができる。

本発明の実施の形態１の熱交換器の外観図である。 本発明の実施の形態１の熱交換器のヘッダの断面図である。 本発明の実施の形態１に係るガス冷媒１０と液冷媒１１の状態を示す説明図である。 本発明の実施の形態１の熱交換器の波状板４の外観図である。 本発明の実施の形態１に係る扁平管１と波状板４との距離を示す説明図。 本発明の実施の形態１に係る開口穴部９を有する波状板４の外観図である。 この本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による熱交換器の外観図である。ここで、図１における上方を「上側」とし、下方を「下側」として説明する。図１において、上側から下側に向かう方向が重力方向（鉛直方向）となる。

本実施の形態の熱交換器は、例えば空気調和装置の室外機に使用され、伝熱管として扁平管１を用いたアルミニウム（アルミニウム合金を含む）製の熱交換器である。扁平管１は、例えば断面外形が扁平形状、楔型形状の伝熱管である。そして、扁平管１を、扁平形状の短軸の方向となる重力方向に沿って、間隔を空けて複数列並べて構成する。このため、扁平形状における長軸が冷媒との熱交換対象となる流体（空気等）の流通方向に沿って設けられる。扁平管１内には、例えば隔壁によって区分された複数の冷媒流路が形成されている。

扁平管１の両端には一対の円筒状のヘッダが付設される。ヘッダは、伝熱管である扁平管１に流入した冷媒を分配し、扁平管１を通過した冷媒を集めて流出させるための管（筒）である。各ヘッダには扁平管１の端部を内部に挿入させるための貫通穴（図示せず）を有している。熱交換器を蒸発器として用いる場合、冷媒は、入口管６を通過して、内部に波状板４を具備したヘッダ（以下、入口ヘッダ３とする）に流入し、扁平管１を通過した後、例えば内部が空洞のヘッダ（以下、出口ヘッダ５とする）を通過して出口管７から流出する。また、図１では詳述していないが、冷媒との熱交換対象が空気の場合、扁平管１における熱交換を促すため、ヘッダと同じ方向に沿うように複数の板状のフィン２が設けられている。

図１に示すように、通常、ヘッダ（入口ヘッダ３、出口ヘッダ５）は重力方向に対して平行（略平行であることも含む）となるように配置され、扁平管１は垂直（略垂直であることも含む）となるように配置される。このため、液状の冷媒（液冷媒）、液冷媒とガス状の冷媒（ガス冷媒）とが混在する２相冷媒が、重力方向とは反対向きにヘッダ内に流入する場合、液冷媒は、重力と冷媒の慣性力との影響を強く受ける。例えばヘッダ内に分配を調整する機構を設けない場合、冷媒流量が多い（冷媒の速度が速い）と慣性力の方が効く。このため、液冷媒は上側に位置する扁平管１に多く流れる。一方、冷媒流量が少ない（冷媒の速度が遅い）場合には、重力の方が効く。このため、液冷媒は下側に位置する扁平管１に多く流れる。このように、流入する冷媒の流量によって各扁平管１を流れる冷媒量が異なる。

図２は本発明の実施の形態１による図１のＡ−Ａ’線における断面図である。本実施の形態の熱交換器においては、入口ヘッダ３の内部（管内）に、扁平管１と平行となるように、凹凸を有するカーテン状（波状）の波状板４を付設する。ここで、入口ヘッダ３内における扁平管１の端部と波状板４との距離δは０≦δ≦Ｆｐ（波状板４のピッチＦｐ）となっている。

図３は本発明の実施の形態１による入口ヘッダ３内におけるガス冷媒及び液冷媒の状態を示す説明図である。液冷媒１１は、表面張力により波状板４の板間（谷間）に保持され、ガス冷媒１０は波状板４の外側を流れる。

ここで、波状板４が液冷媒１１を有効に保持し、液冷媒１１が上側に伝っていくようにするには、次式を満たすとよい。ここで、Ｂｏはボンド数、ρＬは液冷媒の密度、Ｆｐは波状板４のピッチ（間隔）、Ｆｔは板厚、σＬは液冷媒の表面張力、ｒは気液界面における液半径である。

［数１］
Ｂｏ＝ρＬ×（Ｆｐ−Ｆｔ）／（σＬ／ｒ）＜１

液半径ｒは波状板４における間隔Ｆｐ−Ｆｔの半分程度であると考えられるため、ｒ＝（Ｆｐ−Ｆｔ）／２として（１）式に代入し、さらにＦｐに係る式として変更すると次式で表される。このように（２）式を満たすＦｐとなるように波状板４を構成すれば液冷媒１１を有効に保持することができる。

［数２］
Ｆｐ＜（２×σＬ／ρＬ）^０．５ ＋Ｆｔ

ガス冷媒１０は、波状板４及び波状板４と扁平管１との間の隙間から扁平管１に流入する。一方、液冷媒１１は波状板４に保持されており、順次、扁平管１に流入していく。前述したように、入口ヘッダ３は重力方向に対して平行である（重力方向に沿っている）ため、液冷媒１１の動きは重力と冷媒の慣性力に影響を受ける。本実施の形態の熱交換器においては、液冷媒１１が波状板４に保持されつつ入口ヘッダ３内を流れる。例えば冷媒流量が多いときには、波状板４が流入した液冷媒１１の勢いを弱めつつ、保持した冷媒を上側まで行き渡るようにする。例えば冷媒流量が少ないときでも、波状板４において冷媒にかかる表面張力による保持力が効き、保持した冷媒が上側まで行き渡るようにする。このため、入口ヘッダ３のどの高さにおいても扁平管１への液冷媒１１の供給を平準にし、均一分配することができる。

図４は、本発明の実施の形態１における熱交換器に用いられる波状板４の外観図である。波状板４は入口ヘッダ３内に固定する必要があるため、波状板４の扁平管１の設置側とその反対側（波の山谷となる側）に一定間隔で、固定用の固定板８を付設している。このように一定間隔で固定板８を波状板４に付設することで、入口ヘッダ３内における冷媒の流動を妨げることなく、入口ヘッダ３内に波状板４を固定することが可能となる。

図５は、本発明の実施の形態１における熱交換器に用いられる波状板４と扁平管１との間隔を示す説明図である。液冷媒１１及びガス冷媒１０は、波状板４と扁平管１の間からも扁平管１に供給される。この際、液冷媒１１を波状板４と扁平管１の間に保持させるためには、波状板４と扁平管１の距離δは、（２）式から、ピッチＦｐ程度となる。また、波状板４の幅と扁平管１の長軸方向の長さ（幅）を一致させるようにすると、波状板４に保持された液冷媒１１を斑なく扁平管１に流入させることができる。

図６は、本発明の実施の形態１における熱交換器に用いられる開口穴部９を持つ波状板４の外観図である。図３に示されるように、液冷媒１１は波状板４に保持されるが、波状板４に、複数の微小の開口穴部９を設けることにより、すべての板間の液冷媒が扁平管１側に流動できるようになる。このため、扁平管１が複数の冷媒流路（マイクロチャネル）を持つ場合においても、各冷媒流路に流入する冷媒を均一に分配することができる。

以上のように、実施の形態１の熱交換器によれば、蒸発器となるときの冷媒流入側となる入口ヘッダ３に波状板４を設けるようにしたので、重力、慣性力に影響されることなく、重力方向（上下方向）に配された扁平管１に液冷媒を均一に供給することができる。また、波状板４を入口ヘッダ３内に挿入し、固定するだけでよいので、製造を容易に行うことができる。そして、熱交換器の伝熱管を扁平管１によって構成することで、コンパクトな熱交換器を得ることができる。

実施の形態２．
図７は本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図７の冷凍サイクル装置は、圧縮機３３、凝縮器３４、絞り装置３５及び蒸発器３６を配管接続して冷媒回路（冷媒循環回路）を構成している。また、送風機３７は、それぞれ送風機用モータ３８の駆動により、凝縮器３４、蒸発器３６を通過する冷媒と空気との熱交換を促すために空気の流れを形成する。

圧縮機３３は冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。ここで、例えばインバータ回路等により回転数を制御し、冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成するとよい。熱交換器を有する凝縮器３４は、例えば送風機３７から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮させて液状の冷媒にする（凝縮液化させる）ものである。

また、絞り装置３５は、冷媒を減圧して膨張させるものである。例えば電子式膨張弁等の流量制御手段で構成するが、例えば、感温筒を有する膨張弁、毛細管（キャピラリ）等の冷媒流量調節手段等で構成してもよい。蒸発器３６は、空気等との熱交換により冷媒を蒸発させて気体（ガス）状の冷媒にする（蒸発ガス化させる）ものである。

例えば、蒸発器３６、凝縮器３４の少なくとも一方に、実施の形態１において説明した熱交換器を用いることができる。これにより、実施の形態２の装置においては、伝熱性能を向上させることができる。伝熱性能が向上することにより、エネルギー効率がよく、省エネルギーの冷凍サイクル装置を得ることができる。

ここで、エネルギー効率は、次式（１）及び（２）で構成されるものである。
暖房エネルギー効率＝室内熱交換器（凝縮器）能力／全入力 …（１）
冷房エネルギー効率＝室内熱交換器（蒸発器）能力／全入力 …（２）

次に、冷凍サイクル装置の各構成機器における動作等を、冷媒回路を循環する冷媒の流れに基づいて説明する。まず、圧縮機３３は、冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。吐出した冷媒は凝縮器３４へ流入する。凝縮器３４は、送風機３７から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化させる。凝縮液化した冷媒は絞り装置３５を通過する。絞り装置３５は、通過する凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は蒸発器３６に流入する。蒸発器３６は、送風機３７から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を蒸発ガス化する。蒸発ガス化した冷媒を圧縮機３３が吸入する。

ここで、上述の冷凍サイクル装置については、ＨＣＦＣ（Ｒ２２）やＨＦＣ（Ｒ１１６、Ｒ１２５、Ｒ１３４ａ、Ｒ１４、Ｒ１４３ａ、Ｒ１５２ａ、Ｒ２２７ｅａ、Ｒ２３、Ｒ２３６ｅａ、Ｒ２３６ｆａ、Ｒ２４５ｃａ、Ｒ２４５ｆａ、Ｒ３２、Ｒ４１、ＲＣ３１８など、これら冷媒の数種の混合冷媒Ｒ４０７Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０７Ｄ、Ｒ４０７Ｅ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０Ｂ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ５０７Ａ、Ｒ５０８Ａ、Ｒ５０８Ｂなど）、ＨＣ（ブタン、イソブタン、エタン、プロパン、プロピレンなど、これら冷媒の数種混合冷媒）、自然冷媒（空気、炭酸ガス、アンモニアなど、これら冷媒の数種の混合冷媒）、ＨＦＯ１２３４ｙｆ等の低ＧＷＰ冷媒、またこれら冷媒の数種の混合冷媒などを用いてもよい。特にＲ４１０Ａ、Ｒ４１０Ａと設計圧力及び物性値が近いＲ３２において、その効果をより効率的に達成することができる。

また、作動流体として、空気と冷媒とを例に示したが、他の気体、液体、気液混合流体を用いるようにしても、同様の効果を奏することができる。

また、上述の実施の形態１で述べた熱交換器を室内機で用いた場合においても同様な効果を奏することができる。

ここで、実施の形態１、実施の形態２で述べた熱交換器及び冷凍サイクル装置については、鉱油系、アルキルベンゼン油系、エステル油系、エーテル油系、フッ素油系など、冷媒と油が混じり合うかどうかにかかわらず、どんな冷凍機油についても、その効果を達成することができる。

本発明の活用例として、露飛びしにくく、熱交換性能を向上し、省エネルギー性能を向上することが必要なヒートポンプ装置に使用することが出来る。

１ 扁平管、２ フィン、３ 入口ヘッダ、４ 波状板、５ 出口ヘッダ、６ 入口管、７ 出口管、８ 固定板、９ 開口穴部、１０ ガス冷媒、１１ 液冷媒、１２ 気泡、３３ 圧縮機、３４ 凝縮器、３５ 絞り装置、３６ 蒸発器、３７ 送風機、３８ 送風機用モータ。

Claims (6)

1. 互いに離間して配置され、管内を冷媒が通過する一対のヘッダと、
   該一対のヘッダの間に配置され、前記一対のヘッダが有する複数の貫通孔から前記ヘッダ内にそれぞれ両端が挿入され、内部を前記冷媒が通過する複数の伝熱管とを備える熱交換器であって、
   少なくとも蒸発器として機能する際の冷媒流入側となる前記ヘッダの管内に、凹凸を有し、波状に形成した波状板を、前記ヘッダに沿って設け、
   前記波状板の波間のピッチＦｐとしたときに、前記ヘッダの管内における前記波状板と前記伝熱管の端部との間の距離δが、
   ０＜δ＜Ｆｐ
   を満たすように、前記波状板の幅と前記ヘッダの管内における前記伝熱管の径とが同一となるように構成する熱交換器。
2. 前記波状板は、波間において前記冷媒を流通可能にする複数の開口穴部を有する請求項１記載の熱交換器。
3. 前記波状板は、液冷媒の密度ρＬ、板厚Ｆｔ、前記液冷媒の表面張力σＬとしたときに、波間のピッチＦｐが、
   Ｆｐ＜（２×σＬ／ρＬ）０．５ ＋Ｆｔ
   を満たすように構成する請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記波状板に対して、前記伝熱管と対向する面とその反対側の面に、前記ヘッダ内に前記波状板を固定する固定板を付設する請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記伝熱管を扁平管とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
   熱交換により前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
   凝縮に係る前記冷媒を減圧させるための絞り装置と、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器で構成し、減圧に係る前記冷媒との熱交換により前記冷媒を蒸発させる蒸発器と
   を配管接続して冷媒回路を構成する冷凍サイクル装置。

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