JP7102686B2

JP7102686B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP7102686B2
Application number: JP2017099783A
Authority: JP
Inventors: 昌春深谷; 俊太郎伊藤
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2022-07-20
Anticipated expiration: 2037-05-19
Also published as: JP2018194251A

Description

本発明は、熱交換器、特に空気調和機に用いられる熱交換器に関する。

従来、伝熱管（扁平管）が上下方向に並列に並べられ、各扁平管の両端がヘッダに接続されている構造を持つ熱交換器が知られている。ヘッダ内では、各扁平管へ流入させるための冷媒の分流、または、各扁平管から流出した冷媒の合流がおこなわれる。この熱交換器を蒸発器として使用する場合は、ヘッダに接続される入口管からは液冷媒の割合が多い二相冷媒がヘッダ内に流入するが、液冷媒はガス冷媒よりも密度が大きく重いため下方の扁平管に流れやすくなる。一方、ガス冷媒は液冷媒よりも密度が小さく軽いため上方の扁平管に流れやすくなる。そのため、各扁平管内を流れる冷媒の流量や液とガスの割合に偏りが生じ、熱交換器の性能を十分に活かせない問題があった（図６参照）。

これに対し、特許文献１に示すように、ヘッダ１２内で入口管近くに絞り構造を設け、流入した冷媒が絞り構造を通過することによる速度増を利用して、ヘッダ１２の上部まで一様な二相冷媒を流すようにすることで、各扁平管１１内を流れる冷媒の流量や液とガスの割合の均一化を図る技術が開示されている（図７参照）。ヘッダ１２の内部は仕切板１２１によって、流入部１２２と流出部１２３に仕切られている。この絞り構造は、流入部１２２に設けられた、流通孔１２７ａを有する絞り部１２７によって実現されている。流通孔１２７ａは、図８に示すように、絞り部１２７の中央に同心円状（図８（ａ）参照）又は矩形状（図８（ｂ）参照）に形成されている。

しかし、特許文献１の技術では、空気調和機の負荷変動に伴い熱交換器に流入する冷媒の流量が低下する場合、絞り構造１２７を通過する二相冷媒の流速が遅くなり、流入部１２２内の上部に接続される扁平管１１に流れる二相冷媒はガス冷媒の割合が多くなって、その扁平管１１での熱交換量が小さくなり、熱交換器５の性能を十分に活かせなくなるという問題があった。換言すると、この絞り部１２７の流通孔１２７ａは大きさが一定であるため、冷媒の流量が少ない時、または上述の場合とは逆に冷媒の流量が多い時のよう冷媒の流量の変化に応じて各扁平管１１内を流れる冷媒の流量や液とガスの割合を均一化することが難しいという問題があった。

特開２０１６－５３４７３号公報

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、熱交換器に流入する冷媒の流量に応じて各扁平管内を流れる冷媒の流量や液とガスの割合の均一化を図る熱交換器を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、以下の構成によって把握される。
（１）本発明の第１の観点は、上下方向に配列された複数の扁平管と、前記複数の扁平管の一端と他端がそれぞれ接続された一対のヘッダと、前記一対のヘッダのうち第１ヘッダの内部に設けられ前記第１ヘッダの内部を冷媒が流入する流入部と前記冷媒が流出する流出部とに仕切る仕切り板と、前記流入部の前記仕切板がある一端側に設けられた第１入口管と、前記一端側とは反対側の他端側に設けられた第２入口管とを備え、前記第１流入管には前記第１流入管を流れる冷媒の流量を調整する流量調整手段が設けられ、前記流入部の内部には前記仕切板と前記第１入口管の間に第１流通孔を有する第１絞り部が設けられ、前記第１入口管と前記第２入口管の間に第２流通孔を有する第２絞り部が設けられることを特徴とする。

（２）上記（１）の構成において、前記第１絞り部にある第１流通孔の径が、前記第２絞り部にある第２流通孔の径よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、冷媒の流量に応じて各扁平管内を流れる冷媒の流量や液とガスの割合の均一化を図る熱交換器を提供することができる。

本発明の実施形態に係る熱交換器が適用される空気調和システムの構成を説明する図である。本発明の実施形態に係る熱交換器を説明する図であり、（ａ）は熱交換器の平面図、（ｂ）は熱交換器の正面図である。本発明の実施形態に係る熱交換器を説明する図であって、冷媒の流量が多い場合を示す図である。本発明の実施形態に係る熱交換器を説明する図であって、冷媒の流量が少ない場合を示す図である。図３及び図４における絞り構造を説明する図であって、（ａ）は第１絞り部、（ｂ）は第２絞り部を示す。従来の熱交換器を説明する図であって、絞り構造を有さない態様を示す図である。従来の熱交換器を説明する図であって、絞り構造を有する態様を示す図である。図７における絞り構造を説明する図であって、（ａ）は絞り部の一例、（ｂ）は絞り部の他の例を示す。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という）を、添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態の説明の全体を通して同じ要素には同じ番号を付している。

（空気調和機）
図１は、本発明の実施形態に係る熱交換器が適用される空気調和機の構成を示している。図１に示すように、空気調和機１は、室内機２と室外機３とを備えている。室内機２には、室内用の熱交換器４が設けられ、室外機３には、室外用の熱交換器５の他に、圧縮機６、膨張弁７、四方弁８が設けられている。

暖房運転時には、室外機３の圧縮機６から吐出された高温高圧のガス冷媒が四方弁８を介して室内機２の熱交換器４に流入する。暖房時には、室内用の熱交換器４は凝縮器として機能し、空気と熱交換した冷媒は冷却される。その後、冷却された冷媒は、室外機３の膨張弁７を通過することによって減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり室外用の熱交換器５へ流入する。室外用の熱交換器５は蒸発器として機能し、外気と熱交換した冷媒は加熱される。その後、加熱された冷媒は、四方弁８を介して圧縮機６に吸入される。上記でいう冷媒の冷却とは、状態変化（相変化）を伴う冷媒または熱媒体の場合は冷媒または熱媒体が凝縮することを示し、状態変化（相変化）を伴わない冷媒または熱媒体の場合は冷媒または熱媒体の温度が下がることを示している。以下に記載する冷却についても冷媒および熱媒体共に同じものである。上記でいう冷媒の加熱とは、状態変化（相変化）を伴う冷媒または熱媒体の場合は冷媒または熱媒体が蒸発することを示し、状態変化（相変化）を伴わない冷媒または熱媒体の場合は冷媒または熱媒体の温度が上がることを示している。以下に記載する加熱についても冷媒および熱媒体共に同じものである。

冷房運転時には、室外機３の圧縮機６から吐出された高温高圧のガス冷媒が四方弁８を介して熱交換器５に流入する。室外用の熱交換器５が凝縮器として機能し、外気と熱交換した冷媒は冷却される。その後、冷却された冷媒は、室外機３の膨張弁７を通過することによって減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり、室内用の熱交換器４へ流入する。室内用の熱交換器４は蒸発器として機能し、空気と熱交換した冷媒は加熱される。その後、加熱された冷媒は、四方弁８を介して圧縮機６に吸入される。

（熱交換器）
本実施形態の熱交換器は、室内機２の熱交換器４及び室外機３の熱交換器５に適用可能であるが、以下の説明では、暖房運転時に蒸発器として機能する、室外機３の熱交換器５に適用したものとして説明する。なお、本発明の熱交換器は扁平管を備えた熱交換器５を基に説明する。

図２は、本実施形態に係る熱交換器５を説明する図であり、図２（ａ）は熱交換器５の平面図、図２（ｂ）は熱交換器５の正面図を示している。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、熱交換器５は、側面（幅広面）１１ａが対向するように上下方向に配列された複数の扁平管１１と、扁平管１１の一端と他端のそれぞれに接続される左右一対のヘッダ１２と、扁平管１１とは交差する方向に扁平管１１と接合された複数のフィン１３と、を備えている。熱交換器５には、これらのほかに、冷媒が流出もしくは流入する冷媒配管（入口管２０、出口管３０）がヘッダ１２に設けられているが、これらについては図３以降を用いて説明するので、図２では省略する。

扁平管１１は、図２に示すように、空気流通方向と直交し図中の左右方向に延びた扁平な形状を有し、その内部には、空気流通方向に並ぶ複数の冷媒流路が並列状に形成されている。扁平管１１は、空気が通過するための隙間Ｓ１を介して上下方向に並列に配置され、その一端と他端がそれぞれ一対のヘッダ１２に接続される。具体的には、左右方向に沿う複数の扁平管１１を図中の上下方向に所定の配列ピッチで配列し、その両端をヘッダ１２に接続している。なお、扁平管１１は伝熱管であり、ここでは断面が扁平なものを例として挙げているが、本実施形態の適用にあたっては、扁平なものに限られるものではない。例えば、断面が円形なものであってもよい。

ヘッダ１２は、円筒形状を有しており、その内部には、熱交換器５に供給された冷媒を分岐させた後に複数の扁平管１１に流入させたり、複数の扁平管１１から流出した冷媒を合流させたりする冷媒流路（図示せず）が形成されている。なお、本実施形態ではヘッダを円筒形状にしているが本発明はこれに限定したものではなく、適宜形状を変更してもよい。

フィン１３は、正面視において図中の左右方向に延びる扁平管１１と交差し、図中の上下方向に延在する平板形状を有している。このフィン１３は空気が通過するための隙間Ｓ１を介して図中の左右方向に並列に配置されている。具体的には、上下方向に延在する複数のフィン１３が、左右方向に所定の配列ピッチで配列されている。

（絞り構造）
次に、本実施形態に係る熱交換器５の絞り構造について、図３から図５を用いて説明する。なお、図３及び図４では、前述のとおり、冷媒が流出もしくは流入する冷媒配管（入口管２０、出口管３０）を図示するとともに、フィン１３については省略している。なお、熱交換器５が蒸発器として機能する場合を想定して冷媒の流れを図中の矢印で示している。

図３及び図４に示すように、熱交換器５の一対のヘッダ１２のうち一方の第１ヘッダ１２ａは、仕切り板１２１によって、熱交換器５が蒸発器として機能する際に冷媒が流入する側の流入部１２２と、冷媒が流出する側の流出部１２３とに仕切られている。そして、流入部１２２の内部には、絞り構造として、２つの絞り部すなわち仕切り板１２１のある一端側に設けられた第１絞り部１２４と、その反対側（図中、流入部１２２ひいては第１ヘッダ１２ａの下端１２６の側）の他端側に設けられた第２絞り部１２５とが設けられている。

第１絞り部１２４には中央部に円形の第１流通孔１２４ａ（図５（ａ）参照）が、第２絞り部１２５には中央部に円形の第２流通孔１２５ａ（図５（ｂ）参照）がそれぞれ設けられている。第１流通孔１２４ａの径は、第２流通孔１２５ａの径よりも大きい。また、第１流通孔１２４ａと第２流通孔１２５ａは上下方向に見て同心に配置されている。このようにすることで第２流通孔１２５ａを通過した冷媒の主流が、第１流通孔１２４ａの縁に当たって減速するのを防ぐことができる。第２流通孔１２５ａを通過する冷媒は、第２流通孔１２５ａより大きい径の第１流通孔１２４ａを通過する冷媒よりも大きな速度が与えられるため、これら２つの絞り部（流通孔）は、冷媒の流量に応じて冷媒に所望の速度を与えるために使い分けられる。すなわち、冷媒の流量が多い場合は、冷媒が第１絞り部１２４の第１流通孔１２４ａだけを通過するようにし、冷媒の流量が少ない場合は、冷媒が第２絞り部１２５の第２流通孔１２５ａを通過した後、第１絞り部１２４の第１流通孔１２４ａを通過するようにする。このようにすると、空気調和機１の負荷変動によって冷媒の流量が低下しても、冷媒を径の小さい第２絞り部１２４の第２流通孔１２４ａに通過させることによって所望の速度を冷媒に与えることができるため、流入部１２２の内部では下部から上部にわたって一様な二相冷媒が流れる。その結果、各扁平管１１内を流れる冷媒の流量や液とガスの割合の均一化を図ることができるため大きな偏流が起きなくなり、熱交換器５の性能を十分に活かせるようになる。

本実施形態では、上記のように冷媒が通過する絞り構造として第１絞り部１２４と第２絞り部１２５の２つを設けているが、それらを選択的に使い分ける構成として、流入部１２２と入口管２０との間に接続される冷媒配管を２つ設ける。すなわち、入口管２０は、流入部１２２に接続される手前で第１入口管２１と第２入口管２２とに分岐しており、第１ヘッダ１２ａには、第１入口管２１が接続される第１流入口２１ａが第１絞り部１２４と第２絞り部１２５の間に、第２入口管２２が接続される第２流入口２２ａが第２絞り部１２５と流入部１２２の下端１２６の間にそれぞれ配置されている。

これにより、第１入口管２１から流入した冷媒は第１絞り部１２４の第１流通孔１２４ａだけを通過し、第２入口管２２から流入した冷媒は第２絞り部１２５の第２流通孔１２５ａを通過した後、第１絞り部１２４の第１流通孔１２４ａを通過するようにできる。第１入口管２１には、第２入口管２２との分岐点よりも流入部１２２の側に流量調整手段である弁２１１が設けられており、この弁２１１の開閉操作によって、後述するように冷媒の流れを切り換える。弁２１１としては、例えば電磁弁が制御の観点から好適である。

第１入口管２１は主配管として機能し、冷媒の流量が多い場合には弁２１１が開放され、図３に示すように、冷媒は第１入口管２１を主に通過して第１ヘッダ１２ａの流入部１２２に流入する（図３の黒色矢印参照）。第２入口管２２は第１入口管２１よりも内径が細い配管によって構成されているため、弁２１１が開放されると、流体としての直進性と配管抵抗の差によって、ほとんどの冷媒は第１入口管２１の側に流れることになる。これに対し、冷媒の流量が少ない場合には弁２１１が閉鎖され、図４に示すように、冷媒は第２入口管２２のみを通過して第１ヘッダ１２ａの流入部１２２に流入する（図４の黒色矢印参照）。

流入部１２２に流入した冷媒は、扁平管１１及び一対のヘッダ１２のうち他方の第２ヘッダヘッダ１２ｂを経由しつつ熱交換を行い、出口管３０を介して熱交換器５から外部へ流出する（図３及び図４の白色矢印参照）。

このように、本実施形態では冷媒の入口管２０を２つに分岐させたことで、第１入口管２１から流入部１２２に流入した冷媒は第１絞り部１２４に設けられている第１流通孔１２４ａだけを通過する。一方、第２入口管２２から流入部１２２に流入した冷媒は第２絞り部１２５の第２流通孔１２５ａと第１絞り部１２４の第１流通孔１２４ａの両方を通過する。なお、第１流通孔１２４ａと第２流通孔１２５ａの形状は図５（ａ）、（ｂ）に示した円形の他に、従来例として図８（ｂ）に示したような矩形状など円形以外の形状に形成されていてもよい。このとき、第１流通孔１２４ａの開口面積は第２流通孔１２５ａの開口面積より大きく形成される。

本実施形態の絞り構造は、前述したとおり、仕切り板１２１によって仕切られた流入部１２２に第１絞り部１２４と第２絞り部１２５の２つの絞り部を備えている。そして、第１絞り部１２４の第１流通孔１２４ａの径は、第２絞り部１２５の第２流通孔１２５ａの径よりも大きい。これによって、冷媒の流量に応じて、冷媒を流入部１２２の上部にまで吹き上げられ、流入部１２２内の冷媒の状態が一様な二相冷媒になる所望の速度を得られるように、絞り部を切り換えることが可能となる。そして、それぞれの絞り部に対応して入口管２０を２つに分岐させ、流量の多い場合には第１入口管２１から第１絞り部１２４に冷媒を誘導し、流量が少ない場合には第２入口管２２から第２絞り部１２５に冷媒を誘導する。

これによって、冷媒の流量に応じて流入部１２２内の冷媒の状態が一様な二相冷媒になる所望の速度が得られるように選択的に切り換え可能な絞り構造を提供することができる。そして、冷媒の流量が変わっても、各扁平管１１内を流れる冷媒の流量や液とガスの割合を均一にすることができ、各扁平管１１での熱交換能力を十分に発揮させることで熱交換器５の性能を十分に活かせるようになる。

（実施形態の効果）
上記のような構成としたことから、本実施形態は、以下の効果を奏する。
（１）絞り構造が第１絞り部１２４と第２絞り部１２５から構成され、それぞれが径の異なる第１流通孔１２４ａと第２流通孔１２５ａを有することから、流量に応じて流入部１２２内の冷媒の状態が一様な二相冷媒になる所望の速度を冷媒に付与することができる。
（２）冷媒の流量が少ない場合は径の小さい第２絞り部１２５を通過させることから、冷媒の状態を流入部１２２内で一様な二相冷媒にできる所望の速度にまで上げることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１…空気調和機
２…室内機
３…室外機
４…熱交換器（室内）
５…熱交換器（室外）
６…圧縮機
１１…扁平管
１２…ヘッダ
１２ａ…第１ヘッダ
１２１…仕切り板
１２２…流入部
１２３…流出部
１２４…第１絞り部
１２４ａ…第１流通孔
１２５…第２絞り部
１２５ａ…第２流通孔
１２６…下端（流入部ひいては第１ヘッダの）
２０…入口管
２１…第１入口管
２１１…弁
２２…第２入口管
３０…出口管

Claims

上下方向に配列された複数の扁平管と、
前記複数の扁平管の一端と他端がそれぞれ接続された一対のヘッダと、
前記一対のヘッダのうち第１ヘッダの内部に設けられ前記第１ヘッダの内部を冷媒が流入する流入部と前記冷媒が流出する流出部とに仕切る仕切り板と、
前記流入部の前記仕切り板がある一端側に設けられた第１入口管と、前記一端側とは反対側の他端側に設けられた第２入口管とを備え、
前記第１入口管には前記第１入口管を流れる冷媒の流量を調整する流量調整手段が設けられ、
前記流入部の内部には、前記仕切り板と前記第１入口管の間に第１流通孔を有する第１絞り部が設けられ、
前記第１入口管と前記第２入口管の間に第２流通孔を有する第２絞り部が設けられ、
前記第１絞り部にある第１流通孔の径が、前記第２絞り部にある第２流通孔の径よりも大きいことを特徴とする熱交換器。