JP6120978B2 - 熱交換器及びそれを用いた空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、被熱交換流体（例えば空気）の流通方向に対して冷媒の流通する伝熱管を複数列有する熱交換器に関するものである。

従来、熱交換器を通過する被熱交換流体（例えば空気）の流通方向に対して冷媒の流通する伝熱管（例えば扁平管等）を２列設けた熱交換器において、伝熱管の一端部に設けたヘッダ内で冷媒を伝熱管の列間で流通させるものが知られている。このような熱交換器は、蒸発器として用いられる場合、流通する被熱交換流体と冷媒とは並行流となり、また、凝縮器として用いられる場合は、流通する被熱交換流体と冷媒とは対向流となるように構成され、熱交換器効率を改善したものである（特許文献１を参照）。

特開２００３−２８７３９０号公報（第４図等を参照）

図８は、上記のような従来の熱交換器のヘッダー４の内部構造で、伝熱管の列間で冷媒を流通させる列渡し部分５を示した断面図である。図８（ａ）は列渡し部分５の断面形状が長方形の場合であり、図８（ｂ）は、列渡し部分５の断面形状が概ね平行四辺形の場合の液冷媒の流れ３を示している。列渡し部分５内では被熱交換流体である空気の風上側の多孔扁平管２から乾き度０．５程度の気液二相冷媒が流出し、風下列の多孔扁平管２へ冷媒流れ３のように流入する。図８（ａ）及び図８（ｂ）の両方の場合で気液二相冷媒中の液冷媒６は流出側伝熱管からの慣性力により風下列の多孔扁平管２近傍の風下側部に集中する。このため、列渡し部分５以降の伝熱管内で液冷媒の流量が不均一となり熱負荷の大きい風上側の多孔扁平管２の冷媒流路に液冷媒が流通せず、熱交換能力が低下するという問題があった。

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、列方向に並んだ伝熱管を冷媒流路である列渡し部分にて接続する際に、列渡し部以降の伝熱管に流入する液冷媒が伝熱管内で均一な流量分布、もしくは熱負荷に対し適正な流量分布となるような構成とし、熱交換器性能が良好となる熱交換器を得ることを目的とする。

本発明に係る熱交換器は、被熱交換媒体の通過方向である列方向に複数列配置され、内部流路に熱媒体が流通する複数の伝熱管と、前記列方向に隣接して配置された一対の前記伝熱管を接続する熱媒体流路としての列渡し部と、複数の前記伝熱管が接続されるヘッダーと、を備えた熱交換器において、前記列渡し部は、前記ヘッダー内に設けられていると共に、前記列渡し部内には、熱媒体流路に立設する冷媒仕切板が設けられ、前記冷媒仕切板は前記列方向と平行になるように設けられ、前記冷媒仕切板における前記列方向の両端部に前記熱媒体が流通する開口部が設けられるものである。

本発明に係る熱交換器によれば、列渡し部内に流通する熱媒体を案内する冷媒仕切板を設けたことで、列渡し部以降の伝熱管に流入する液冷媒が伝熱管内で均一な流量分布、もしくは熱負荷に対し適正な流量分布となり、熱交換器性能が良好となる熱交換器を得ることが可能となる。

実施の形態１に係る熱交換器の部分正面図である。 実施の形態１に係る熱交換器の多孔扁平管部断面図である。 実施の形態１に係る熱交換器が蒸発器として用いられる場合の列渡し部分５の断面図である。 実施の形態１に係る熱交換器が凝縮器として用いられる場合の列渡し部分５の断面図である。 実施の形態２に係る、熱交換器が蒸発器として用いられる場合の列渡し部分５の断面図である。 実施の形態２に係る熱交換器が凝縮器として用いられる場合の列渡し部分５の断面図である。 実施の形態１、２に係る熱交換器を利用した空調調和機の冷媒回路図である。 従来の熱交換器の列渡し部分５の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１、２を用いて実施の形態１に係る熱交換器の構造の概要を説明する。
図１は、実施の形態１に係る熱交換器の部分正面図である。
図２は、実施の形態１に係る熱交換器の扁平管部断面図である。

本実施の形態１に係る熱交換器は、図１及び２に記載のようにフィンチューブ型の熱交換器である。熱交換器の伝熱管は水平方向に配置され、フィン１は垂直方向に配置されている。伝熱管の一端側にはヘッダー４が接続されている。ヘッダー４は、その軸方向が重力方向と平行となるように配置されている。伝熱管は多数の冷媒流路を平行に配置した多孔扁平管２であり、被熱交換流体である空気の流通方向に２列で配置されている。２列の多孔扁平管２は図２に示すように断面視において千鳥状に配置されている。

多孔扁平管２の内部には冷媒が流れ、多孔扁平管２の軸方向と直角にフィン１が設けられている。多孔扁平管２とフィン１は銅やアルミニウムなど伝熱性の高い金属等で形成されており、フィン１に切り欠かれた伝熱管挿入部に多孔扁平管２を挿入した状態でロー付けや半田付け、溶接等の工法で接合され互いに伝熱するようになっている。

フィン１は被熱交換流体である空気の流通方向の風上側に配置された第１フィン１ａと風下側に配置された第２フィン１ｂとから構成されている。

多孔扁平管２の１つのパスは、４本の多孔扁平管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを１ユニットとして構成される。多孔扁平管２ａ、２ｂは空気の流通方向の風上側に配置された第１フィン１ａを貫通し第１列を形成している。また、多孔扁平管２ｃ、２ｄは空気の流通方向の風下側に配置された第２フィン１ｂを貫通し第２列を形成している。そして多孔扁平管２ａ、２ｂは、第１フィン１ａ上で複数段、ヘッダー４の軸方向に積層されて配置され、また、多孔扁平管２ｃ、２ｄは、第２フィン１ｂ上で複数段、ヘッダー４の軸方向に積層されて配置されている。

ヘッダー４は概ね長方形の断面を持つ中空構造となっており、内部に冷媒流路を有している。冷媒流路は、多孔扁平管２ｂ、２ｃを列方向につなぐ列渡し部分５として形成されている。

この熱交換器を蒸発器として使用する場合、図１、２に記載された冷媒流れ３の矢印のように液冷媒が風上側の第１列である多孔扁平管２ａの一端部から流入し、多孔扁平管２ａの他端部からＵ字ベンド９を通って段間を移動し多孔扁平管２ｂの一端部に流入する。多孔扁平管２ｂの他端部はヘッダー４に接続されており、多孔扁平管２ｂから流出した冷媒はヘッダー４の列渡し部分５を通って列間を移動し第２列の多孔扁平管２ｃの一端部に流入する。多孔扁平管２ｃの一端部に流入した冷媒は、多孔扁平管２ｃの他端部からＵ字ベンド９を通って段間を移動し多孔扁平管２ｄの一端部に流入する。そして多孔扁平管２ｄの他端部から流出する。

また、この熱交換器を凝縮器として使用する場合は、ガス冷媒が第２列の多孔扁平管２ｄの他端部から流入し、蒸発器の場合とは逆の流路を辿り、第１列である多孔扁平管２ａの一端部から流出する。
このように形成された１ユニットのパスを複数段、ヘッダー４の軸方向に積層し、熱交換器が構成されている。

図３は、実施の形態１に係る熱交換器が蒸発器として用いられる場合の列渡し部分５の断面図である。
列渡し部分５は、略直方体形状の中空部としてヘッダー４内部に形成されている。この列渡し部分５には、多孔扁平管２ｂと多孔扁平管２ｃが接続されるとともに開口しており、第１列の多孔扁平管２ｂから流出した気液二相冷媒が列渡し部分５を通って多孔扁平管２ｂ、２ｃの列間を移動し、第２列の多孔扁平管２ｃの一端部に流入する。

多孔扁平管２ｂと多孔扁平管２ｃとの位置関係は、図３に示すように第１列目の多孔扁平管２ｂに対して第２列目の多孔扁平管２ｃがヘッダー４の軸方向にずれて配置されている。
そしてヘッダー４の軸方向における多孔扁平管２ｂと多孔扁平管２ｃとの間には列渡し部分５内を水平方向に仕切る冷媒仕切板７が設置されている。

この冷媒仕切板７は多孔扁平管２ｂと多孔扁平管２ｃとが開口している列渡し部分５の側壁と、該側壁に対向する側壁の２面に跨がって取り付けられ支持されている。そして多孔扁平管２ｂと多孔扁平管２ｃとが並んでいる列方向の中心位置に冷媒仕切板７が配置されることで多孔扁平管２ｂの下部に第１開口部７ａが形成され、多孔扁平管２ｃの上部に第２開口部７ｂが形成された構成となっている。

このように構成した冷媒仕切板７は、第１列の多孔扁平管２ｂから流出した気液二相冷媒が第２列の多孔扁平管２ｃの一端部に流入する最短ルートの邪魔をし、冷媒の流路を２分割する。
すると、列渡し部分５内で被熱交換流体の流通方向の風上側と風下側との２流路から多孔扁平管２ｃに気液二相冷媒中の液冷媒６が流入することとなり、多孔扁平管２ｃの冷媒流路に満遍なく液冷媒６が供給されることとなる。
したがって、多孔扁平管２ｃの各冷媒流路に十分な液冷媒６が均等に流入し蒸発することで、蒸発器としての熱交換性能が向上する。

なお、実施の形態１において冷媒仕切板７は、板状のものを記載したが冷媒の流通抵抗になるものであればよく、例えば目の細かいメッシュ板や列渡し部分５の側壁に形成される突状部などでもよい。また、冷媒仕切板７はヘッダー４と一体として成形されても別体として取り付けられてもよい。さらに、その材質はヘッダー４と同一材料で形成されることが好ましく、例えば銅板、アルミニウム板、樹脂製の板などがあげられる。

次に、図４は、実施の形態１に係る熱交換器が凝縮器として用いられる場合の列渡し部分５の断面図である。
熱交換器が凝縮器としとして機能する場合、熱交換器の多孔扁平管２に流通する冷媒の流通方向は上記蒸発器とは逆方向となる。
すると、冷媒仕切板７は第２列の多孔扁平管２ｃから流出した冷媒が第１列の多孔扁平管２ｂの一端部に流入する最短ルートの邪魔をし、冷媒の流路を２分割する。
列渡し部分５内で被熱交換流体の流通方向の風上側と風下側との２流路から多孔扁平管２ｂに液冷媒６が流入することとなり、多孔扁平管２ｂの冷媒流路に均等にガス冷媒と液冷媒６が供給されることとなる。
そうすると、多孔扁平管２ｂの各冷媒流路にガス冷媒と液冷媒６が均等に流入しガス冷媒は凝縮することとなるので、各冷媒流路で均等に凝縮作用が起こり、凝縮器としての熱交換性能が向上する。

実施の形態２．
実施の形態２に係る熱交換器のうち実施の形態１と相違する部分のみ説明する。
図５は、実施の形態２に係る、熱交換器が蒸発器として用いられる場合の列渡し部分５の断面図である。

列渡し部分５は、断面が略平行四辺形形状の中空部としてヘッダー４内部に形成されている。この列渡し部分５には、実施の形態１と同様に多孔扁平管２ｂと多孔扁平管２ｃが接続されるとともに開口しており、第１列の多孔扁平管２ｂから流出した気液二相冷媒が列渡し部分５を通って多孔扁平管２ｂ、２ｃの列間を移動し、第２列の多孔扁平管２ｃの一端部に流入する構成となっている。

多孔扁平管２ｂと多孔扁平管２ｃとの位置関係は、図５に示すように第１列目の多孔扁平管２ｂは列渡し部分５の上辺近傍に設けられ、第２列目の多孔扁平管２ｃは列渡し部分５の下辺近傍に設けられている。
そして、多孔扁平管２ｂの周囲と多孔扁平管２ｃの周囲には列渡し部分５内を水平方向に仕切る第１冷媒仕切板８ａと第２冷媒仕切板８ｂとが設置されている。
この第１冷媒仕切板８ａと第２冷媒仕切板８ｂとは、多孔扁平管２ｂと多孔扁平管２ｃとが開口している列渡し部分５の側壁と、該側壁に対向する側壁の２面に跨がって取り付けられ支持されている。

第１冷媒仕切板８ａは、多孔扁平管２ｂを囲うように設けられ、列渡し部分５内で被熱交換流体の流通方向の風上側で下方に開く第１開口部８ｃを有している。また、第２冷媒仕切板８ｂは、多孔扁平管２ｃを囲うように設けられ、列渡し部分５内で被熱交換流体の流通方向の風下側で上方に開く第２開口部８ｄを有している。

このように構成した第１冷媒仕切板８ａ、第２冷媒仕切板８ｂは、第１列の多孔扁平管２ｂから流出した気液二相冷媒が第２列の多孔扁平管２ｃの一端部に流入する最短ルートの邪魔をし、列渡し部分５内の冷媒流れ３の流路をＳ字状に形成する。

すると、多孔扁平管２ｂから流出した気液二相冷媒中の液冷媒６は、第２冷媒仕切板８ｂの第２開口部８ｄから多孔扁平管２ｃの周囲に流入し、第２冷媒仕切板８ｂの最深部である、被熱交換流体の流通方向の風上側に集中して液だまりを形成する。蒸発器の場合、多孔扁平管２ｃの風上側は熱負荷が高く、液冷媒が多く供給される方が熱交換器性能は向上する。よって、上記の熱交換器の構成により多孔扁平管２ｃの風上側の液冷媒量が風下側よりも相対的に多くなり熱交換器性能を向上させることができる。

次に、図６は、実施の形態２に係る熱交換器が凝縮器として用いられる場合の列渡し部分５の断面図である。
熱交換器が凝縮器としとして機能する場合、熱交換器の多孔扁平管２に流通する冷媒の流通方向は上記蒸発器とは逆方向となる。
すると、第１冷媒仕切板８ａ、第２冷媒仕切板８ｂは、第２列の多孔扁平管２ｃから流出した気液二相冷媒が第１列の多孔扁平管２ｂの一端部に流入する最短ルートの邪魔をし、列渡し部分５内の冷媒流れ３をＳ字状に形成する。

多孔扁平管２ｃから流出した気液二相冷媒中の液冷媒６は、第１冷媒仕切板８ａの第１開口部８ｃから多孔扁平管２ｂの周囲に流入し、第１冷媒仕切板８ａの最深部である被熱交換流体の流通方向の風下側に集中し多孔扁平管２ｂに流入する。凝縮器の場合、多孔扁平管２ｂの風上側は熱負荷が高く、ガス冷媒が多く供給される方が熱交換器性能は向上する。よって、上記の熱交換器の構成により多孔扁平管２ｂの風上側のガス冷媒量が風下側よりも相対的に多くなり熱交換器性能を向上させることができる。

図７は、実施の形態１、２に係る熱交換器を利用した空調冷凍装置の冷媒回路図である。図７に示す冷媒回路は、圧縮機３３、凝縮熱交換器３４、絞り装置３５、蒸発熱交換器３６、送風機モータ３８によって駆動される送風機３７により構成されている。上述の実施の形態１、２に係る熱交換器を凝縮熱交換器３４または蒸発熱交換器３６、もしくは両方に用いることにより、エネルギ効率の高い空調冷凍装置を実現することが出来る。
ここで、エネルギ効率は、次式で構成されるものである。
暖房エネルギ効率＝室内熱交換器（凝縮器）能力／全入力
冷房エネルギ効率＝室内熱交換器（蒸発器）能力／全入力

なお、上述の実施の形態１、２で述べた熱交換器およびそれを用いた空調冷凍装置については、例えばＲ４１０Ａ、Ｒ３２、ＨＦＯ１２３４ｙｆ等の冷媒においてその効果を達成することができる。

また、作動流体として、空気と冷媒の例を示したが、他の気体、液体、気液混合流体を作動流代として採用することが可能である。

なお、上述の実施の形態１、２で述べた熱交換器およびそれを用いた空調冷凍装置については、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、相溶性、非相溶性にかかわらずどんな冷凍機油についても採用が可能である。

また、熱交換器のヘッダー４は、その軸方向が重力方向と平行となるように配置されているものを例としたが、軸方向を水平方向に平行に配置してもよい。
ヘッダー４の軸方向を水平方向に平行に配置することで液冷媒が重力の影響が無効化され、液冷媒がヘッダー４内で滞留する現象が少なくなる。すると、熱交換器が蒸発器として機能する場合に実施の形態１または２に係るヘッダー４の構成を採用することで、多孔扁平管２ｃの各冷媒流路に十分な液冷媒６が均等に流入する効果がより顕著になる。よって、蒸発器としての熱交換性能が向上する。
さらに熱交換器が凝縮器として機能する場合にも実施の形態１または２に係るヘッダー４の構成を採用することで、多孔扁平管２ｂの各冷媒流路にガス冷媒と液冷媒６とが均等に流入し凝縮器としての熱交換性能が向上する。

１ フィン、１ａ 第１フィン、１ｂ 第２フィン、２ 多孔扁平管、２ａ 多孔扁平管、２ｂ 多孔扁平管、２ｃ 多孔扁平管、２ｄ 多孔扁平管、３ 冷媒の流れ、４ ヘッダー、５ 列渡し部、６ 液冷媒、７ 冷媒仕切板、７ａ 第１開口部、７ｂ 第２開口部、８ａ 第１冷媒仕切板、８ｂ 第２冷媒仕切板、８ｃ 第１開口部、８ｄ 第２開口部、９ Ｕ字ベンド、３３ 圧縮機、３４ 凝縮熱交換器、３５ 絞り装置、３６ 蒸発熱交換器、３７ 送風機、３８ 送風機モータ。

Claims (8)

1. 被熱交換媒体の通過方向である列方向に複数列配置され、内部流路に熱媒体が流通する複数の伝熱管と、前記列方向に隣接して配置された一対の前記伝熱管を接続する熱媒体流路としての列渡し部と、複数の前記伝熱管が接続されるヘッダーと、を備えた熱交換器において、
   前記列渡し部は、前記ヘッダー内に設けられていると共に、
   前記列渡し部内には、熱媒体流路に立設する冷媒仕切板が設けられ、
   前記冷媒仕切板は前記列方向と平行になるように設けられ、前記冷媒仕切板における前記列方向の両端部に前記熱媒体が流通する開口部が設けられることを特徴とする熱交換器。
2. 前記一対の伝熱管は前記列方向に垂直な方向に離間して配置され、前記冷媒仕切板は前記列方向に垂直な方向において前記一対の伝熱管の間に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記冷媒仕切板は平板形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記列渡し部は直方体形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記列渡し部の断面形状は平行四辺形形状を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 前記伝熱管の軸方向に対して垂直な方向にフィンが設置されたフィンチューブ型であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 前記伝熱管は、前記熱媒体が流通する流路を複数備えた多孔扁平管であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換器。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換器を有することを特徴とする空気調和機。

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