JP6474226B2 - 熱交換器及びこれを備えた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の冷媒流路を有し、その各冷媒流路への冷媒流入量を、分配器と各冷媒流路との間にそれぞれ接続した複数の毛細管による圧力損失によって調整するようにした熱交換器及びこれを備えた冷凍サイクル装置に関する。

従来より熱交換器通過時の圧力損失の低減を目的として、熱交換器の冷媒流路を分配器によって複数に分岐させたものが知られている。また、このようなものにおいて、各冷媒流路への冷媒流入量を、分配器と各冷媒流路との間にそれぞれ接続した複数の毛細管の長さ・内径寸法によって調整するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−１２０１０７号公報（図１〜図３）

多くの場合、熱交換器内は、その分割された冷媒流路において、熱交換相手媒体の流入量のバラツキや各冷媒流路の経路取り及び長さの影響を受けるため、各冷媒流路における冷媒の熱交換量は均等にならない。そのため、熱交換器内は、その熱交換量の差に応じて、各冷媒流路における冷媒通過量を調整することが望まれている。その場合、各冷媒流路における冷媒通過量は均等ではない。

各冷媒流路における冷媒通過量は、特許文献１のように分配器と各冷媒流路との間にそれぞれ接続した各毛細管での圧力損失を調整することで、調整が可能である。すなわち、各冷媒流路における冷媒通過量は、各毛細管の長さ・内径寸法を調整することで、調整が可能である。しかしながら、各毛細管の長さの調整、各毛細管の内径寸法の調整といった圧力損失調整手法においては、それぞれにメリット、デメリットが存在する。

各毛細管の長さによる調整においては、長さといった明瞭な差異があるため、生産時に見分けやすく、管理も容易である。ただし、長い毛細管は、材料を多く消費する、スペースを必要とする、冗長な毛細管を収めるためにループさせた部分が振動しやすい、といったデメリットがある。

各毛細管の内径寸法による調整においては、各毛細管の長さを必要最低限に抑えることができるというメリットがあるが、内径寸法の差を外観上で識別することは容易でなく、目視に寄らないゲージなどの治具による特別な確認手段が必要となるため、生産上の管理が煩雑となる。

本発明は、毛細管の長大化を抑えつつ、生産管理の負担を軽減できる熱交換器及びこれを備えた冷凍サイクル装置を提供することを目的する。

本発明に係る熱交換器は、分配器で分流された熱交換量の異なる３つ以上の冷媒流路を有し、その各冷媒流路への冷媒流入量を、分配器と各冷媒流路との間にそれぞれ接続した３本以上の毛細管による圧力損失によって調整するようにした熱交換器において、３本以上の毛細管は、これらの内径寸法が２種類に限定され、内径寸法の大きな毛細管は、内径寸法の小さな毛細管に対して１．３倍〜１．６倍の内径寸法としたものであり、３本以上の毛細管は、３つ以上の冷媒流路の熱交換器が蒸発器として機能する場合において冷媒の流入側となる端部に接続され、３つ以上の冷媒流路の熱交換器が蒸発器として機能する場合において冷媒の流出側となる端部には、ヘッダが接続されており、３つ以上の冷媒流路における熱交換量の差は３倍以下であり、３本以上の毛細管の内、内径寸法が同じであり、接続される冷媒流路の熱交換量が異なる毛細管は、長さが異なるものである。
また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、少なくとも圧縮機、凝縮器、減圧器、及び蒸発器を有し、これらが冷媒配管によって閉ループ状に接続された冷凍サイクル装置であって、蒸発器として前記の熱交換器を用いたものである。

本発明の熱交換器によれば、複数の毛細管は、これらの内径寸法が２種類に限定され、内径寸法の大きな毛細管は、内径寸法の小さな毛細管に対して１．３倍〜１．６倍の内径寸法としたので、各毛細管の長さを必要最低限に抑えることができるとともに、管理すべき毛細管の種類が２種類だけとなって生産管理の負担を軽減することができる。
また、本発明の冷凍サイクル装置は、蒸発器として前記の熱交換器を備えたので、各毛細管の長さを必要最低限に抑えることができ、小型化が図れる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器を示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器の分岐された毛細管の内径比率と長さ比率を比較例と比較して示す表である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器を備えた冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。

実施の形態１．
まず、本発明の原理について説明する。
冷媒循環量に対する毛細管での圧力損失は、毛細管の長さに対しては正比例関係になり、また毛細管の内径寸法に対しては次の一般的で知られた４つの計算式を元に算出すると内径の−４．７５乗の比例関係となる。

ΔＰ＝λ×Ｌ／Ｄ×（γ×Ｖ^２）／２・・・・・・・（１）

前記（１）式はダルシー・ワイスバッハの式である。
ここで、ΔＰは圧力損失、λは管摩擦係数、Ｌは管長さ、Ｄは毛細管の内径、γは流体密度、Ｖは管内流速を示す。λは下記（２）式で与えられる。

λ＝０．３１６４／Ｒｅ^０．２５・・・・・・・・・・（２）

前記（２）式はブラジウスの式である。
ここで、Ｒｅはレイノルズ数を示す。Ｒｅは下記（３）式で与えられる。

Ｒｅ＝（γ×Ｖ×Ｄ）／μ・・・・・・・・・・・・・・（３）

ここで、μは流体動粘度を示す。管内流速Ｖは下記（４）式で与えられる。

Ｖ＝Ｑ／（π×（Ｄ／２）^２）・・・・・・・・・・・（４）

ここで、Ｑは流体流量を示す。

各毛細管の内径寸法を２種類に限定した場合、次の背景から内径寸法の差異を１．３倍〜１．６倍の比率とすると効率が良い。

すなわち、熱交換器における各冷媒流路の熱交換量の差は、ほとんどの場合３倍以下の差異の中に収まる。逆にそれを超えるようなケースにおいては、毛細管による冷媒流量の振り分けよりも、冷媒流路の経路取りの振り分けが重要となる。

熱交換量に応じて冷媒流量で３倍の差異をつける必要がある場合、毛細管での圧力損失においては、最大９倍程度の差異をつける必要が生じる。毛細管での圧力損失の差は、毛細管の内径寸法や毛細管の長さによって調整できる。

各毛細管の内径寸法に１．６倍の差をつけると、前述のように圧力損失は−４．７５乗に比例するため、同一長さの毛細管であれば、約９．３倍の圧力損失差をつけることができる。そのため、内径の差異だけで、必要な最大圧力差に対応できる寸法関係となる。それ以上に内径寸法に差をつける場合は、圧力損失の大きい内径側（＝内径が小さい側）の毛細管とのバランスを取る、つまり圧力損失差を最大９倍程度に抑えるために、内径が大きい側（＝圧力損失の小さい側）の毛細管の長さを伸ばして、毛細管の長さによる圧力損失の増大を図る必要が生じてしまう。この場合、全体としての毛細管寸法が長くなるため、材料の消費量、構造上の必要スペースの拡大による大型化を招き、効率的ではない。

各毛細管の内径寸法に１．３倍の差をつけると、前述のように圧力損失は約−４．７５乗に比例するため、同一長さの毛細管であれば、約３．５倍の圧力損失差をつけることができる。それ以下の３倍程度の圧力損失差になると、毛細管の長さのみによる調整でも毛細管長さをさほど長くする必要がなくなるため、対処も容易となる。このため、敢えて内径寸法に差をつけて生産管理を煩雑化させる必要もなくなる。すなわち、毛細管の長さを抑えつつ各毛細管での圧力損失の差をつけるためには、各毛細管での圧力損失の調整を可能な限り毛細管の内径寸法の調整によって行い、圧力損失の微調整を毛細管の長さによって行うことが効率的である。

次に、図示実施の形態１により本発明を説明する。
図１は本発明の実施の形態１に係る熱交換器を示す構成図である。

本実施の形態１の熱交換器１０は、図１に示すように、左右一対の管板４ａ，４ｂの間に、多数の冷却フィン４が所定間隔で多層配置されているとともに、冷媒流路となる多段に形成した伝熱管１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅが前記多数の冷却フィン４にその板厚方向に貫通させた状態で取り付けられている。そして、各伝熱管１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの一端側（ここでは熱交換器が蒸発器として機能する場合において冷媒の流入側となる端部）が、それぞれ毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅを介して分配器２に接続されている。また、各伝熱管１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの他端側（ここでは熱交換器が蒸発器として機能する場合において冷媒の流出側となる端部）は、それぞれヘッダー３に接続されている。

図２は本発明の実施の形態１に係る熱交換器の分岐された毛細管の内径比率と長さ比率を比較例と比較して示す表である。

ここでは、各伝熱管１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅにおける熱交換量が最小、最大で３倍の差が開く状態として、各伝熱管１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの熱交換量を、伝熱管１ａでは３０％、伝熱管１ｂでは２５％、伝熱管１ｃでは２０％、伝熱管１ｄでは１５％、伝熱管１ｅでは１０％といった形で示している。これらの合計は１００％である。

また、ここでは、各毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅとして、最も短い毛細管の長さは構造制約条件のため定まっているとしてそれを元にした他の毛細管の長さがどのような比率になるかを示している。

比較例Ａは、全て同じ内径の毛細管を使用した場合であり、必要な圧力損失の比率に比例して長さが定まるため、熱交換量の少ない伝熱管１ｅの毛細管２ｅの長さが、最低長さの９倍と長くなっている。

実施例は、全体として毛細管長さが短くなるように毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅの内径寸法を２種類使用している。毛細管２ｅの内径に対して、他の毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄでは内径寸法が１．６倍となることで、毛細管２ｅにおける毛細管長さに対する圧力損失は９倍程度になっている。毛細管２ｅにおいて圧力損失をつけるために必要な長さが比較例Ａと比べて短縮されている。

比較例Ｂは、前述の実施例と同様に毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅの内径寸法を２種類使用しているが、本発明で定義している最大冷媒流量差３倍への対応に必要な内径差１．６倍を超えて内径寸法差をつけた事例を示している。内径寸法差を１．８倍とした結果、圧力損失差を９倍程度とするために、内径が大きく（＝圧力損失が小さく）かつ冷媒量が多い毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの必要長さを増さざるを得ない結果となっている。つまり、比較例Ｂは、各毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅの内径寸法に１．６倍を超えて差をつけても全体として毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅの長さの短縮にはつながらないことを示している。

また、実施例及び比較例Ｂのように内径の異なる２種類の毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅを使用する場合、その外径寸法を統一することで、分配器２への組み付け部位での受け手側の仕様を統一することができる。このため、さまざまな機種にて分配器２を共通化して使用することができる。

ここで、内径寸法の異なる毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅで外径寸法を統一するということは、各毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ間で肉厚に差が生じることを意味する。ろう付けによって分配器２へ毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅを組み付ける場合において、毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅの肉厚差による熱容量差の影響を考慮すると、同一肉厚毎にまとめて分配器２に配置することがよい。このようにすることで、ろう付けのあぶり時間調整などの製造上の調整が容易になる。

また、実施例及び比較例Ｂのように内径の異なる２種類の毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅを使用する場合、製造時の組立の際に外観を目視するだけで内径寸法の違いを判別できるように、マーキング有無や、マーキング色を異ならせればよい。

以上の構成を有する本実施の形態１の熱交換器１０において、熱交換器１０を通過する冷媒は、管板４ａ，４ｂの両側に配置された分配器２とヘッダー３との間を伝熱管１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに分岐して流れる。各伝熱管１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅでの冷媒流量は、分配器２と各伝熱管１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅとの間をつなぐ毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅにより調整される。

本実施の形態１の熱交換器１０によれば、複数の毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅは、これらの内径寸法が２種類に限定され、内径寸法の大きな毛細管は、内径寸法の小さな毛細管に対して１．３倍〜１．６倍の内径寸法としたので、各毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅの長さを必要最低限に抑えることができる。また、管理すべき毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅの種類が２種類だけとなって生産管理の負担を軽減することができる。

実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２に係る熱交換器を備えた冷凍サイクル装置、例えば空気調和機の冷房運転時における冷媒回路図であり、図中、前述の実施の形態１に相当する部分には同一符号を付してある。なお、説明にあたっては前述の図１を参照するものとする。
本実施の形態２の冷凍サイクル装置、例えば空気調和機は、図３に示すように、圧縮機３１と、圧縮機３１からの冷媒の流れを切換える四方切換弁３２と、冷房運転時には、内部の冷媒が熱を放散する放熱器（凝縮器）となり、暖房運転（加熱運転）時には、内部の冷媒が蒸発する蒸発器となる室外熱交換器１０Ａと、内部を通過する冷媒を減圧する電子膨張弁（減圧器）３３とを備えている。また、冷房運転（冷却運転）時には、内部の冷媒が蒸発する蒸発器となり、暖房運転時には、内部の冷媒が熱を放散する放熱器（凝縮器）となる室内熱交換器１０Ｂと、圧縮機３１の吸入側配管に接続されたアキュームレーター３４とを備えている。そして、圧縮機３１と、四方切換弁３２と、室外熱交換器１０Ａと、電子膨張弁３３と、室内熱交換器１０Ｂと、アキュームレーター３４とは、冷媒配管を介して順次接続されて構成されている。なお、アキュームレーター３４は、冷凍サイクル回路中の過剰な冷媒を貯留したり、圧縮機３１に冷媒液が多量に戻って圧縮機３１が破損したりするのを防止する働きがある。

本実施の形態２では、圧縮機３１、四方切換弁３２、室外熱交換器１０Ａ、電子膨張弁３３、及びアキュームレーター３４が、室外機３０に収容され、室内熱交換器１０Ｂが、室内機４０に収容されている。

また、室外熱交換器１０Ａと室内熱交換器１０Ｂは、いずれも図１のように各伝熱管１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの一端側（熱交換器が蒸発器として機能する場合において冷媒の流入側となる端部）が、それぞれ毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅを介して分配器２に接続されている。また、各伝熱管１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの他端側（熱交換器が蒸発器として機能する場合において冷媒の流出側となる端部）は、それぞれヘッダー３に接続されている。毛細管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅは、既述したように、これらの内径寸法が２種類に限定され、内径寸法の大きな毛細管は、内径寸法の小さな毛細管に対して１．３倍〜１．６倍の内径寸法となっている。

次に、以上のように構成された冷凍サイクル装置、例えば空気調和機の運転動作について、図３を用いて冷房運転動作、暖房運転動作の順で説明する。
冷房運転が開始されると、圧縮機３１から室外熱交換器１０Ａへ冷媒が流れるように四方切換弁３２が切り換えられる。これにより、圧縮機３１で圧縮された高温高圧の冷媒は、室外熱交換器１０Ａに流れ、凝縮し、液化した後、電子膨張弁３３で絞られ、低温低圧の二相状態となり、室内熱交換器１０Ｂへ流れ、蒸発し、ガス化して四方切換弁３２、アキュームレーター３４を通って再び圧縮機３１に戻る。すなわち、図３に破線矢印で示すように冷媒は循環する。

次に、暖房運転について説明する。暖房運転が開始されると、圧縮機３１から室内熱交換器１０Ｂへ冷媒が流れるように四方切換弁３２が切り換えられる。これにより、圧縮機３１で圧縮された高温高圧の冷媒は、室内熱交換器１０Ｂに流れ、凝縮し、液化した後、電子膨張弁３３で絞られ、低温低圧の二相状態となり、室外熱交換器１０Ａへ流れ、蒸発し、ガス化して四方切換弁３２、アキュームレーター３４を通って再び圧縮機３１に戻る。すなわち、冷房運転から暖房運転に変わると、室内熱交換器１０Ｂが蒸発器から凝縮器に変わり、室外熱交換器１０Ａが凝縮器から蒸発器に変わり、図３に実線矢印で示すように冷媒は循環する。

本実施の形態２の冷凍サイクル装置においては、蒸発器となる室外熱交換器１０Ａ又は室内熱交換器１０Ｂとして、前述の実施の形態１で説明した熱交換器１０を用いているので、各毛細管の長さを必要最低限に抑えることができ、小型化が図れる。

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ 伝熱管（冷媒流路）、２ 分配器、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ 毛細管、３ ヘッダー、４ 冷却フィン、４ａ，４ｂ 管板、１０ 熱交換器、１０Ａ 室外熱交換器、１０Ｂ 室内熱交換器、３０ 室外機、３１ 圧縮機、３２ 四方切換弁、３３ 電子膨張弁（減圧器）、３４ アキュームレーター、４０ 室内機。

Claims (6)

1. 分配器で分流された熱交換量の異なる３つ以上の冷媒流路を有し、その各冷媒流路への冷媒流入量を、前記分配器と前記各冷媒流路との間にそれぞれ接続した３本以上の毛細管による圧力損失によって調整するようにした熱交換器において、
   前記３本以上の毛細管は、これらの内径寸法が２種類に限定され、内径寸法の大きな毛細管は、内径寸法の小さな毛細管に対して１．３倍〜１．６倍の内径寸法としたものであり、
   前記３本以上の毛細管は、前記３つ以上の冷媒流路の前記熱交換器が蒸発器として機能する場合において冷媒の流入側となる端部に接続され、前記３つ以上の冷媒流路の前記熱交換器が前記蒸発器として機能する場合において前記冷媒の流出側となる端部には、ヘッダが接続されており、
   前記３つ以上の冷媒流路における前記熱交換量の差は３倍以下であり、
   前記３本以上の毛細管の内、前記内径寸法が同じであり、接続される前記冷媒流路の熱交換量が異なる毛細管は、長さが異なることを特徴とする熱交換器。
2. 前記３本以上の毛細管は、外径寸法が同一寸法に統一されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記３本以上の毛細管は、内径寸法毎に２分化して前記分配器に配置されていることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
4. 前記内径寸法の異なる２種類の毛細管は、種類毎に色の異なるマーキングが施されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記内径寸法の異なる２種類の毛細管のうち、一方の種類の毛細管にはマーキングが施されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 少なくとも圧縮機、凝縮器、減圧器、及び蒸発器を有し、これらが冷媒配管によって閉ループ状に接続された冷凍サイクル装置であって、
   前記蒸発器として請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器を用いたことを特徴とする冷凍サイクル装置。

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