JP6104893B2 - 熱交換器、冷凍サイクル装置、空気調和機及び熱交換方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器及び熱交換方法に関するものである。

熱交換器の一形態として、パラレルフロー型熱交換器がある。この熱交換器は、一対のヘッダーパイプと、それらヘッダーパイプの間に設けられた複数の扁平管とを備えており、一方のヘッダーに流入した流体が、複数の扁平管を通って流れた後、他方のヘッダーパイプへと流出するように構成されていた。

かかるパラレルフロー型熱交換器は、一対のヘッダーパイプを鉛直上下方向に向けて配置した場合、重力の影響から、気液二相冷媒中の液冷媒が、相対的に下方に位置する扁平管に流れ易くなり、複数の扁平管に均等に冷媒を流通させるのが困難であった。

そこで、パラレルフロー型熱交換器の構成においては、一対のヘッダーパイプを水平に配置し、複数の扁平管の相互間で重力の影響を受けにくくする態様もある。

その一方で、空気調和機の既存の室外機においては、熱交換面を室外機の筐体の複数面に配置する構成がある。ここで、上述した一対のヘッダーパイプを水平に配置したパラレルフロー型熱交換器を、室外機の筐体の複数面で機能させようとした場合、各ヘッダーパイプを複数面に沿うように湾曲させなければならい。しかしながら、ヘッダーパイプを例えばＬ字状やＵ字状に湾曲させることは過大な荷重が掛かり、装置が大型化するとともに、コストが増加するという問題がある。

かかる問題に関連しては、例えば、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１に開示された熱交換器では、一対のヘッダーパイプを、複数面毎に分けて用意していた。

特開２０１０−１０７１０３号公報

しかし、上述した特許文献１に開示された熱交換器では、ある一面（第１面）において複数の扁平管を流れた冷媒を、その面（第１面）の流出側のヘッダーパイプに集合させた後、そこから、次の面（第２面）の流入側のヘッダーパイプに導き、その面（第２面）の複数の扁平管を流通させ、面の数に応じて、以降、順次同様に、次の面へと導く態様が採用されていた。

このため、複数の熱交換機能面の間で、上流・下流の関係が生じ、下流側の面ほど熱交換効率が低下する。また、複数の扁平管への分岐とその後の集合とを繰り返すこととなるので、第２面以降では、熱交換後の冷媒を再度、複数の扁平管へ好適に分岐できない恐れがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、複数の熱交換機能面を有しておりながら、冷媒への重力の影響を抑制できると共に各面での熱交換性能の低下を抑制することができる、熱交換器等を提供することを目的とする。

上述した目的を達成する本発明の熱交換器は、複数の熱交換機能面を有し、該熱交換機能面それぞれにおいて、上部ヘッダーパイプ及び下部ヘッダーパイプと、それら上下一対のヘッダーパイプの間に設けられた複数の熱交換パイプとを有し、前記複数の熱交換機能面は並列接続関係にあり、複数の前記下部ヘッダーパイプは、分流調整部を介して、下部集合管とつながっている。
さらに、同目的を達成する本発明の熱交換方法は、複数の面で熱交換を行う熱交換方法であって、複数の熱交換機能面それぞれにおいて、上部ヘッダーパイプ及び下部ヘッダーパイプと、それら上下一対のヘッダーパイプの間に設けられた複数の熱交換パイプとを用意し、前記複数の熱交換機能面を並列に接続し、複数の前記下部ヘッダーパイプは、分流調整部を介して、下部集合管とつなげておき、前記下部集合管内の冷媒を、前記分流調整部において前記複数の熱交換機能面に並列に分流させ、前記複数の熱交換機能面のそれぞれで熱交換を行わせ、複数の前記上部ヘッダーパイプから流出させて、上部側集合管に合流させる。

本発明によれば、複数の熱交換機能面を有しておりながら、冷媒への重力の影響を抑制できると共に各面での熱交換性能の低下を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器の構成を示す図である。 多孔管を説明するための下部ヘッダーパイプの斜視図である。 比較例としての下部ヘッダーパイプの液分配特性を示す図である。 本実施の形態１に関する多孔管内蔵型の下部ヘッダーパイプの液分配特性を示す図である。 実施の形態１に関し、ビル用マルチエアコン室外機の外観及び平面を示す図である。 実施の形態２に関し、パッケージエアコン室外機の外観及び平面を示す図である。

以下、本発明に係る熱交換器及びその熱交換方法の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係る熱交換器の構成を示す図である。本実施の形態の熱交換器は、対象空間に対して据付けられ冷暖房を行う空気調和機の室外機として機能するものである。よって、冷房時、凝縮器として動作する場合は、冷媒は、図１において点線矢印で示されるように、上から下へと流れ、暖房時、蒸発器として動作する場合は、冷媒は、図１において実線矢印で示されるように、下から上へと流れるパラレルフロー型熱交換器である。

熱交換器１は、複数の熱交換機能面３を有する。なお、図１は、熱交換機能面３が３つである場合の例を示している。また、図１の例では、隣り合う熱交換機能面３が直交する方向を指向するように構成されている。

熱交換機能面３のそれぞれには、上部ヘッダーパイプ５と、下部ヘッダーパイプ７と、それら上下一対のヘッダーパイプ５，７の間に設けられた複数の熱交換パイプ９とが設けられている。熱交換パイプ９は、具体的には扁平管が用いられている。熱交換パイプ９の間には、フィン１１（具体的にはコルゲートフィン）が設けられている。

上部ヘッダーパイプ５のそれぞれには、上部連絡管１３の一端が接続されている。上部連絡管１３の他端側は、上部集合管１５につながっている。下部ヘッダーパイプ７のそれぞれは、後述する分流調整部１７を介して、下部集合管１９とつながっている。このように、複数の熱交換機能面３は、上部集合管１５と下部集合管１９との間で並列接続関係で配置されている。なお、図示は省略するが、隣り合う一対の熱交換機能面３の間は、熱交換される流体がバイパスしないように、金属プレート等の塞ぎ部材で覆われているものとする。

分流調整部１７は、複数の下部ヘッダーパイプ７に供給する冷媒の乾き度及び流量を調整するものである。なお、一例であるが、本実施の形態は、暖房時、冷媒が下から上へと流れる際に、気液二相冷媒を、複数の熱交換機能面３に均等な乾き度及び流量で供給する構成として説明する。

かかる乾き度及び流量の均等化を実現する構成の一例として、分流調整部１７は、ディストリビュータ２１と、少なくとも一つ（図示では２つ）の流量調整部２３とを含んでいる。ディストリビュータ２１は、その一端側が下部集合管１９に接続されており、他端側の複数の接続口はそれぞれ、対応する下部連絡管２５の一端に接続されている。また、下部連絡管２５の他端はそれぞれ、対応する下部ヘッダーパイプ７の集合側出入口７ａに接続されている。このように接続されたディストリビュータ２１は、複数の下部連絡管２５に均等な乾き度で冷媒を供給する。

流量調整部２３は、図示の一例では、毛細管が用いられている。流量調整部２３は、ディストリビュータ２１と、対応する下部ヘッダーパイプ７との間に、すなわち、下部連絡管２５に設けられるが、必ずしも全ての下部連絡管２５に配置しておく必要は無い。

熱交換機能面３のそれぞれにおいて、下部ヘッダーパイプ７の集合側出入口７ａと上部ヘッダーパイプ５の集合側出入口５ａとは、ヘッダーパイプの延びる方向において相互に逆方向に位置している。換言すると、下部ヘッダーパイプ７の集合側出入口７ａは、該下部ヘッダーパイプ７の一端側に設けられており、上部ヘッダーパイプ５の集合側出入口５ａは、上部ヘッダーパイプ５の他端側に設けられている。すなわち、集合側出入口５ａと集合側出入口７ａとの間の冷媒流通経路は、何れの熱交換パイプ９を経由しても概ね流路長が等しくなるように企図されている。

下部ヘッダーパイプ７のそれぞれの内部には、図２に示されるように、多孔管２７が設けられている。図２は、多孔管を説明するための下部ヘッダーパイプの斜視図であり、下部ヘッダーパイプ７の上方にあるべき複数の熱交換パイプ９及びその熱交換パイプ９との連通穴は図示省略している。

多孔管２７は、ブロック状またはパイプ状の部材であり、下部ヘッダーパイプ７内の空間の概ね中央あたりに、下部ヘッダーパイプ７の内面から浮いた状態で設けられている。また、多孔管２７には、多数の分配孔２９が設けられている。一例であるが、分配孔２９は、多孔管２７の概ね下部に配置されている。

かかる多孔管２７と下部ヘッダーパイプ７との組み合わせにより、二重管構造が得られている。よって、例えば、暖房時であれば、下部連絡管２５を流れる冷媒は、いったん、多孔管２７内に流入した後、多数の分配孔２９から奥行方向（図２紙面の左右方向）に均等に、多孔管２７の外に流出し、さらに、下部ヘッダーパイプ７内に均等に分散し、下部ヘッダーパイプ７の上面の図示省略した連通穴から複数の熱交換パイプ９に均等に供給される。

次に、上述した多孔管の効果について説明する。図３は、水平配置され内部に多孔管を持たない比較例としての下部ヘッダーパイプの液分配特性を示す図であり、図４は、水平配置された本実施の形態に関する多孔管内蔵型の下部ヘッダーパイプの液分配特性を示す図である。

また、図３及び図４のグラフ部分は、横軸に、パスＮｏ．すなわち下部ヘッダーパイプの奥行方向に並んだ熱交換パイプの流路番号（下部ヘッダーパイプ上面に垂直に差し込まれた２８本の扁平管の流路）を示し、縦軸に、それらパスＮｏ．毎の液分配比を示す。また、比較例及び本実施の形態の下部ヘッダーパイプそれぞれに関し、冷媒流量Ｇｒ［ｋｇ／ｈｏｕｒ］及び入口乾き度Ｘを変更した３つのｃａｓｅ１，２，３の実験結果を示す。

まず、図３に示す比較例において、冷媒流量Ｇｒが共に９０［ｋｇ／ｈｏｕｒ］で入口乾き度Ｘが異なるｃａｓｅ１，３では、冷媒が下部ヘッダーパイプ７’の奥に当ったまま、はね返る影響がみられず、そのまま熱交換パイプ９に流出し、そのため、下流域（パスＮｏ．２３〜２８）ほど液分配比率が多くなっていることが分かる。また、ｃａｓｅ１，３よりも多い流量１８０［ｋｇ／ｈｏｕｒ］のｃａｓｅ２では、豊富に供給される液冷媒の存在により、下部ヘッダーパイプ７’の奥ではね返る効果や流れが乱れる効果により、偏液特性はある程度、緩和される傾向がみられる。しかしながら、何れのｃａｓｅでも、横軸と平行に示す均等分配線の例からは、外れていることが分かる。

これに対し、図４に示す本実施の形態の多孔管内蔵型の下部ヘッダーパイプにおいては、冷媒流量・入口乾き度にかかわらず３つのｃａｓｅ１，２，３で、均等分配線にほぼ沿った良好な液分配特性が得られていることが分かる。これは、下部ヘッダーパイプ７内に多孔管２７を挿入しおき、その分配孔２９を多孔管２７の下向きに配置したことで、下部ヘッダーパイプ７の内面と多孔管２７の外面とで囲まれた環状領域にある冷媒の液膜が、多孔管２７の底から噴出される気泡により攪拌される作用が、入口乾き度や流量にかかわらず所望に得られているものであり、それにより、冷媒の均等分配が実現されている。

続いて、図１に示した上記熱交換器の具体的な適用例について説明する。本実施の形態は、複数の熱交換機能面３に対し、冷媒乾き度及び冷媒流量を均等に調整する態様を例示していたが、具体的な適用例としては、ビル用マルチエアコン室外機への適用を挙げる。図５は、ビル用マルチエアコン室外機の外観及び平面を示す図である。ビル用マルチエアコン室外機は、一般家庭用よりも大型であり高処理な装置として採用されている。

図５に示されるように、ビル用マルチエアコン室外機１０１は、筐体１０３の３面それぞれに熱交換機能面３が割り当てられており、平面視、それらの中央にプロペラファン１０５が配置されている。そして、筐体１０３の３つの側面それぞれから、矢印１０７に示されるように空気が筐体１０３内に吸込まれ、各熱交換機能面３で熱交換され、筐体１０３の上面に設けられたファンガード１０９に形成された吹出口から、矢印１１１に示されるように吐出される（トップフロータイプ）。

次に、このように構成された本実施の形態に係る熱交換器及び熱交換方法の作用について説明する。暖房運転時、室外機である熱交換器１は、蒸発器として動作し、ディストリビュータ２１に入った気液二相冷媒は、図示しないオリフィスを通過する際に均質な噴霧流となり、各下部連絡管２５に供給され、各流量調整部２３で流量を調整されて、対応する熱交換機能面３の下部ヘッダーパイプ７に流入する。下部ヘッダーパイプ７の集合側出入口７ａから流入した冷媒は、多孔管２７の分配孔２９から噴出し、各熱交換パイプ９に均等に分配される。多孔管２７では乾き度が大きい場合、微小な液滴が小穴から噴出し、乾き度が小さい場合、環状部に溜った液部へ気泡が噴出するため、乾き度や流量に依存せず、均等分配が実現される。冷媒は、各熱交換パイプ９を通過する際に図示しない空気と熱交換した後、上部ヘッダーパイプ５へ流入し、下部ヘッダーパイプ７の集合側出入口７ａとは逆側となる集合側出入口５ａから流出する。各集合側出入口５ａから流出した冷媒は、対応する上部連絡管１３を通り、上部集合管１５において合流する。なお、冷房運転時には、熱交換器１は、凝縮器として動作し、冷媒の流れが逆になる。

以上説明したように、本発明の熱交換器及びそれによる熱交換方法によれば、次のような利点が得られている。まず、熱交換機能面のそれぞれにおいて、ヘッダーパイプが水平方向を指向しているため、冷媒流通に対し重力の影響を抑制することができ、複数の熱交換パイプへ冷媒を均等に分配することができる。さらに、そのようにヘッダーパイプを水平配置しておりながらも、ヘッダーパイプの湾曲形成が困難であるという実情に阻害されることなく複数の面に熱交換機能を発揮させることが可能となっている。さらに、複数の面それぞれで熱交換を行っておりながら、冷媒の流通は、複数の熱交換機能面に対して並列に分流させているので、複数の熱交換機能面の相互間で、上流・下流の関係が生じることがなく、熱交換機能面それぞれにおいて、良好な熱交換効率を維持することができる。特に、本実施の形態では、ディストリビュータと流量調整部とを介して冷媒の乾き度及び流量を各熱交換機能面の条件に応じて所望に調整した後に、その熱交換機能面に分配供給するので、すべての熱交換機能面で極めて良好な熱交換性能を得ることができる。また、熱交換器全体においてみて、一度、複数の熱交換パイプにて熱交換を行った冷媒が集合され、さらに再度、複数の熱交換パイプに分流される流路を有しないため、複数の熱交換パイプに均等に冷媒を供給できなくなるといった問題も生じない。このように、本実施の形態に係る熱交換器及び熱交換方法によれば、複数の熱交換機能面を有しておりながらも、冷媒への重力の影響を抑制できると共に各面での熱交換性能の低下を抑制することが可能となっている。

また、各熱交換機能面では、下部ヘッダーパイプの出入口と上部ヘッダーパイプの出入口とが反対側に配置されているので、冷媒は、何れの熱交換パイプを通っても圧力損失がほぼ等しくなり、すなわち、気液二相流の均一分配が実現できる。また、多孔管を下部ヘッダーパイプ内に設けることにより、分配孔から微小液滴や気泡が二重構造の環状部に噴射されることなり、それによっても、気液二相冷媒の均一分配が促進される。さらに、本実施の形態では、熱交換パイプへの分配数を多くし分配回数は低く（上記例では分配数は一回限り）抑えているので、複数の熱交換機能面を用意すべく極めて多数の熱交換パイプを用いておりながらも、その熱交換パイプの本数の割には、冷媒圧力損失を低く抑えることが可能となっている。よって、特に、低圧冷媒（冷媒圧損の大きい冷媒など）、例えばＨＦＯ１２３４ｙｆ，ＨＦＯ１２３４ｚｅ又はＲ１３４ａも有効に活用することができる。

実施の形態２．
図６に基づいて本発明の実施の形態２について説明する。上記実施の形態１では、複数の熱交換機能面に対し、冷媒乾き度を均等に調整し、各熱交換機能面で異なる熱負荷（主に熱交換部の通過風速に依存する）に応じて冷媒流量を変更する態様を例示していたが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、複数の熱交換機能面において冷媒乾き度及び／又は冷媒流量が異なるように調整する態様も含むものである。具体的な適用例としては、パッケージエアコン室外機への適用を挙げる。図６は、パッケージエアコン室外機の外観及び平面を示す図である。

図６に示されるように、パッケージエアコン室外機２０１は、筐体２０３の側面及び背面それぞれに熱交換機能面３が割り当てられている。プロペラファン２０５の回転により、筐体２０３の側面及び背面それぞれから、矢印２０７に示されるように空気が筐体２０３内に吸込まれ、各熱交換機能面３で熱交換され、筐体２０３の正面に設けられた吹出口から、矢印２１１に示されるように吐出される。

このような本実施の形態２によっても、実施の形態１同様、複数の熱交換機能面を有しておりながらも、冷媒への重力の影響を抑制できると共に各面での熱交換性能の低下を抑制することができる。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

例えば、上述した多孔管においては、多数の分配孔が下向きにあるものとして説明したが、分配孔の形成態様は、これに限定されず、分配孔の配向、数、穴形状は、適宜、改変することが可能である。また、上述した分流調整部の構成も、あくまでも一例であり、適宜改変することができる。例えば、Ｙ字分岐管や低圧損ディストリビュータ等、複数の出口側分岐路の高さ位置を相互に異ならせ、重力の影響で液相の分流の割合を変化させ、乾き度及び流量を同時に調整する態様の分流調整部を用いることも可能である。

１ 熱交換器、３ 熱交換機能面、５ 上部ヘッダーパイプ、７ 下部ヘッダーパイプ、５ａ，７ａ 集合側出入口、９ 熱交換パイプ、１７ 分流調整部、１９ 下部集合管、２１ ディストリビュータ、２３ 流量調整部、２５ 下部連絡管、２７ 多孔管、２９ 分配孔。

Claims (7)

1. 上部ヘッダーパイプ及び下部ヘッダーパイプと、それら上下一対のヘッダーパイプの間に設けられた複数の熱交換パイプとを有する熱交換機能面を複数備え、
   前記複数の熱交換機能面は、並列接続関係にあるとともに、筐体の複数面に沿って配置されており、
   複数の前記下部ヘッダーパイプは、分流調整部を介して、下部集合管とつながっており、
   複数の前記下部ヘッダーパイプはそれぞれ、その内部に、下部に分配孔を備えた多孔管を有しており、
   前記分流調整部は、ディストリビュータと、少なくとも一つの流量調整部とを含んでおり、
   前記ディストリビュータは、前記下部集合管と前記複数の下部ヘッダーパイプとの間に設けられて、前記複数の下部ヘッダーパイプの前記多孔管に供給する冷媒の乾き度を均等にし、
   前記少なくとも一つの流量調整部は、前記ディストリビュータと、対応する前記下部ヘッダーパイプとの間に配置されており、
   前記ディストリビュータから前記多孔管内に流入したときの冷媒は、前記多孔管内から前記分配孔を通って前記多孔管の外に流出して前記下部ヘッダーパイプ内に分散する、
   熱交換器。
2. 前記熱交換機能面それぞれにおいて、前記下部ヘッダーパイプの集合側出入口は、該下部ヘッダーパイプの一端側に設けられており、前記上部ヘッダーパイプの集合側出入口は、該上部ヘッダーパイプの他端側に設けられている、請求項１の熱交換器。
3. 低圧冷媒であるＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ又はＲ１３４ａを用いる、請求項１または２の熱交換器。
4. 請求項１〜３の何れか一項の前記熱交換器を含む冷凍サイクル装置。
5. 請求項１〜３の何れか一項の前記熱交換器を含む空気調和機。
6. 複数の面で熱交換を行う熱交換方法であって、
   複数の熱交換機能面それぞれにおいて、上部ヘッダーパイプ及び下部ヘッダーパイプと、それら上下一対のヘッダーパイプの間に設けられた複数の熱交換パイプとを用意し、
   複数の前記下部ヘッダーパイプはそれぞれ、その内部に、下部に分配孔を備えた多孔管を有しており、
   前記複数の熱交換機能面を、並列に接続するとともに、筐体の複数面に沿って配置し、 複数の前記下部ヘッダーパイプは、分流調整部を介して、下部集合管とつなげておき、
   前記分流調整部は、ディストリビュータと、少なくとも一つの流量調整部とを含んでおり、
   前記少なくとも一つの流量調整部は、前記ディストリビュータと、対応する前記下部ヘッダーパイプとの間に配置されており、
   前記下部集合管内の冷媒を、前記分流調整部において前記複数の熱交換機能面に並列に分流させ、前記複数の熱交換機能面のそれぞれで熱交換を行わせ、複数の前記上部ヘッダーパイプから流出させて、上部側集合管に合流させ、
   前記ディストリビュータは、前記下部集合管と前記複数の下部ヘッダーパイプとの間に設けられて、前記複数の下部ヘッダーパイプの前記多孔管に供給する冷媒の乾き度を均等にし、
   前記ディストリビュータから前記多孔管内に流入したときの冷媒を、前記多孔管内から前記分配孔を通って前記多孔管の外に流出させ、前記下部ヘッダーパイプ内に分散させる、
   熱交換方法。
7. 低圧冷媒であるＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ又はＲ１３４ａを用いる、請求項６の熱交換方法。

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