JP7154427B2 - 熱交換器及び空気調和機 - Google Patents

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Description

本発明は、冷媒を分配する冷媒分配器を有する熱交換器及び空気調和機に関するものである。
従来の空気調和機の熱交換器は、特許文献1に記載されるように、1つのヘッダー管を有した冷媒分配器を備えている。
特開2008-286488号公報
空気調和機の冷媒として、可燃性冷媒又は強燃性冷媒が使用される場合には、冷媒漏洩時の安全性を確保するため、空気調和機の熱交換器の封入冷媒量を少なくすることが必要である。
特許文献1の冷媒分配器を有する熱交換器においては、ヘッダー管の管径がヘッダー管以外の冷媒配管よりも大きい。また、ヘッダー管に接続される熱交換器の伝熱管の数が多くなると、ヘッダー管の長さも、伝熱管の数に応じた長さが必要になる。そのため、冷媒分配器の容積が大きくなり、相応の封入冷媒量が必要となるという課題がある。
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あり、冷媒分配器の容積を減少させ、封入冷媒量を減少させることができる熱交換器及び空気調和機を得るものである。
本発明に係る熱交換器は、上部パスと、前記上部パスよりも下に設けられた下部パスと、前記上部パス及び前記下部パスに冷媒を分配する冷媒分配器と、を有し、前記冷媒分配器は、ヘッダー管と、分流器と、前記ヘッダー管と前記分流器とを接続する接続管と、を備え、前記ヘッダー管は、前記上部パスに接続された上側ヘッダー管と、前記下部パスに接続された下側ヘッダー管と、を含み、前記接続管は、前記上側ヘッダー管に接続された上側接続管と、前記下側ヘッダー管に接続された下側接続管と、を含み、前記上側ヘッダー管と、前記下側ヘッダー管とは、上下に間隔をあけて設けられていて、前記上側ヘッダー管の上下方向の寸法と、前記下側ヘッダー管の上下方向の寸法との合計は、前記冷媒分配器の上下方向の寸法よりも小さく、前記上側ヘッダー管の管径をφDhuとし、前記下側ヘッダー管の管径をφDhlとし、前記上側接続管の管径をφDjuとし、前記下側接続管の管径をφDjlとしたとき、φDhu>φDju及びφDhl>φDjlである。
本発明に係る熱交換器によれば、冷媒分配器が上側ヘッダー管と、下側ヘッダー管とを含むため、冷媒分配器が1つのヘッダー管を有している場合よりも冷媒分配器の容積を減少させ、封入冷媒量を減少させることができる。
実施の形態に係る空気調和機の冷媒回路構成を示す概略図である。 実施の形態に係る第1冷媒分配器を有する室外熱交換器の概略構成図である。 実施の形態に係る暖房運転時における室外熱交換器の第1冷媒分配器を説明するための図である。 比較例に係る第1冷媒分配器を有する室外熱交換器の概略構成図である。 比較例に係る暖房運転時における室外熱交換器の第1冷媒分配器を説明するための図である。
<空気調和機100の構成>
図1は、実施の形態に係る空気調和機100の冷媒回路構成を示す概略図である。図1に示すように、空気調和機100は、第1冷媒分配器1及び第2冷媒分配器22を有する室外熱交換器2と、圧縮機5と、室内熱交換器7と、膨張弁9とが冷媒配管12により接続されて構成されている。空気調和機100は、更に、冷房運転と暖房運転を切り替える機能を有する四方弁3と、サクションマフラー4とを有する。
第1冷媒分配器1は、室外熱交換器2の一方の側面に配置されている。第2冷媒分配器22は、第1冷媒分配器1同様、室外熱交換器2の一方の側面に配置されており、第1冷媒分配器1に隣接して設けられている。
室外熱交換器2と、四方弁3と、サクションマフラー4と、圧縮機5と、膨張弁9とは、室外機10に収容され、室内熱交換器7は室内機11に収容されている。室外機10と室内機11とを接続する冷媒配管12には、ガス管閉止弁6及び液管閉止弁8が設けられている。
<空気調和機100の動作>
空気調和機100の暖房運転時、室外熱交換器2は蒸発器として機能する。圧縮機5で圧縮されて高温高圧となったガス冷媒は、四方弁3を通過し、室内熱交換器7に流入する。そして、ガス冷媒は、室内熱交換器7を通りながら放熱して液冷媒となって室内熱交換器7から流出し、膨張弁9で減圧されて気液二相状態となる。気液二相状態となった冷媒は、室外熱交換器2の第2冷媒分配器22から室外熱交換器2内に流入し、室外熱交換器2内を流れながら蒸発してガス冷媒となって第1冷媒分配器1から流出する。そして、ガス冷媒は、四方弁3を通過し、サクションマフラー4を経て圧縮機5へと戻っていく。
空気調和機100は、四方弁3により流路を切り替えることで、冷房運転を行う。冷房運転時、室外熱交換器2は凝縮器として機能する。圧縮機5で圧縮されて高温高圧となったガス冷媒は、室外熱交換器2の第1冷媒分配器1から室外熱交換器2内に流入する。そして、ガス冷媒は、室外熱交換器2内を通りながら放熱して液冷媒となって室外熱交換器2から第2冷媒分配器22を介して流出し、膨張弁9で減圧されて気液二相状態となる。気液二相状態となった冷媒は、室内熱交換器7に流入し、室内熱交換器7を流れながら蒸発してガス冷媒となって室内熱交換器7から流出する。そして、ガス冷媒は、四方弁3を通過し、サクションマフラー4を経て圧縮機5へと戻っていく。
<第1冷媒分配器1を有する室外熱交換器の構成>
図2は、実施の形態に係る第1冷媒分配器1を有する室外熱交換器2の概略構成図である。図2において、矢印Aは、室外熱交換器2の上下方向を示している。図2に示すように、第1冷媒分配器1を有する室外熱交換器2は、室外熱交換器2の上下方向に延びる複数のフィン13と、複数のパスを有する。複数のパスは、上部パス14aと、上部パス14aよりも下に設けられた下部パス14bとを含む。上部パス14a及び下部パス14bは、冷媒が流れる流路を有する伝熱管である。上部パス14a及び下部パス14bは、それぞれが複数のフィン13と概ね垂直に交差するように複数のフィン13に挿通されている。
第1冷媒分配器1は、上側ヘッダー管16及び下側ヘッダー管17を含むヘッダー管と、上側接続管18及び下側接続管19を含む接続管と、分流器20とを有している。第1冷媒分配器1は、ヘッダー管により室外熱交換器2の上部パス14a及び下部パス14bに接続されている。図2では、簡単のため、第2冷媒分配器22の図示を省略しているが、第2冷媒分配器22も、室外熱交換器2の上部パス14a及び下部パス14bに接続されている。
上側ヘッダー管16と、下側ヘッダー管17とは、上下に間隔をあけて設けられている。上側ヘッダー管16の上下方向の寸法と、下側ヘッダー管17の上下方向の寸法との合計は、第1冷媒分配器1の上下方向の寸法よりも小さい。
上側ヘッダー管16には、室外熱交換器2の上部パス14a及び下部パス14bのうち、上部パス14aが接続されている。下側ヘッダー管17には、室外熱交換器2の上部パス14a及び下部パス14bのうち、下部パス14bが接続されている。
上側ヘッダー管16と上部パス14aのそれぞれとは、ろう付けにより接続され、下側ヘッダー管17と下部パス14bのそれぞれとは、ろう付けにより接続されている。
図2の室外熱交換器2は、上部パス14aの6本が上側ヘッダー管16に接続され、下部パス14bの4本が下側ヘッダー管17に接続された構成になっている。上部パス14a、及び、下部パス14bの数は限定されない。
上側ヘッダー管16は、上側ヘッダー管16の下部に接続された上側接続管18により分流器20に接続されている。下側ヘッダー管17は、下側ヘッダー管17の下部に接続された下側接続管19により分流器20に接続されている。上側ヘッダー管16の下部は、上側ヘッダー管16の中間位置よりも下をいう。下側ヘッダー管17の下部は、下側ヘッダー管17の中間位置よりも下をいう。
上側ヘッダー管16と、上側接続管18との接続位置は、上側ヘッダー管16の最下部であると望ましい。また、下側ヘッダー管17と、下側接続管19との接続位置は、下側ヘッダー管17の最下部であると望ましい。
分流器20には、上側接続管18及び下側接続管19が接続されている。分流器20は、下側ヘッダー管17の上端と下端との間の高さ位置に設けられている。分流器20は、四方弁3に至る冷媒配管12に接続されている。上側接続管18及び下側接続管19を通った冷媒は、分流器20において合流する。また、冷媒配管12を通った冷媒は、分流器20において上側接続管18及び下側接続管19に分流する。
上側接続管18の管径φDjuは、上側ヘッダー管16の管径φDhuよりも小さく、下側接続管19の管径φDjlは、下側ヘッダー管17の管径φDhlよりも小さく、φDhu>φDju、及び、φDhl>φDjlの関係が成り立つ。管径とは、上側接続管18、上側ヘッダー管16、下側接続管19、下側ヘッダー管17のそれぞれの全長に亘る領域の管径の平均値をいう。また、管径とは、上側接続管18、上側ヘッダー管16、下側接続管19、下側ヘッダー管17のそれぞれの内径をいう。
ここで、上側ヘッダー管16の管径φDhuは、例えば、20mmである。下側ヘッダー管17の管径φDhlは、例えば、15mmである。上側接続管18の管径φDjuは、例えば、10mmであり、下側接続管19の管径φDjlは、例えば、5mmである。
ヘッダー管の管径は、冷媒の流量により決定される。図2では、上部パス14aの数が下部パス14bの数よりも多いため、上側ヘッダー管16の管径φDhuが、下側ヘッダー管17の管径φDhlよりも大きい。
<室外熱交換器2における冷媒の流れ>
図3は、暖房運転時における第1冷媒分配器1の冷媒の流れを説明するための図である。図3において、冷媒の流れ方向を矢印Rで示している。以下、図1~図3を参照して説明する。暖房運転時、蒸発器として機能する室外熱交換器2には、膨張弁9において減圧された気液二相冷媒が流入する。液冷媒は、室外熱交換器2を流れながら空気により加熱されて蒸発し、気相に変化する。冷媒が気相に変化すると、冷媒に溶解した冷凍機油21は冷媒よりも密度が高いため、気相の冷媒から分離された状態となる。冷凍機油21は、気相の冷媒と共に室外熱交換器2の上部パス14a及び下部パス14bを通過する。
室外熱交換器2の上部パス14aを通った気相の冷媒は、第1冷媒分配器1の上側ヘッダー管16に流入する。室外熱交換器2の下部パス14bを通った気相の冷媒は、第1冷媒分配器1の下側ヘッダー管17に流入する。
上側ヘッダー管16に流入した冷媒は、続けて上側接続管18を通り、下側ヘッダー管17に流入した冷媒は、続けて下側接続管19を通る。上側接続管18及び下側接続管19を通った冷媒は、分流器20において合流し、冷媒配管12に流出する。
図3に示すように、室外熱交換器2の上部パス14aを気相の冷媒と共に通った冷凍機油21は、上側ヘッダー管16に流入し、上側ヘッダー管16の下方に落ちる。室外熱交換器2の下部パス14bを気相の冷媒と共に通った冷凍機油21は、下側ヘッダー管17に流入し、下側ヘッダー管17の下方に落ちる。上側ヘッダー管16の下方に落ちた冷凍機油21は、上側ヘッダー管16の下部に接続された上側接続管18を通り、下側ヘッダー管17の下方に落ちた冷凍機油21は、下側ヘッダー管17の下部に接続された下側接続管19を通る。そして、冷凍機油21は、分流器20で合流し、冷媒配管12に流出する。
これにより、冷凍機油21は上側ヘッダー管16及び下側ヘッダー管17のいずれにも滞留せず、圧縮機5に戻る事ができる。なお、分流器20の高さ位置は、出来るだけ下部に設けるとよい。
<比較例に係る第1冷媒分配器1Aを有する室外熱交換器2の構成との比較>
図4は、比較例に係る第1冷媒分配器1Aを有する室外熱交換器2の概略構成図である。図4に示すように、比較例に係る室外熱交換器2は、第1冷媒分配器1Aを有する点で、実施の形態に係る第1冷媒分配器1を有する室外熱交換器2と相違する。比較例に係る室外熱交換器2は、実施の形態に係る室外熱交換器2と同様、複数のフィン13と、複数のパス14とから構成されている。複数のパス14の数も、実施の形態に係る室外熱交換器2のパスの数と同じであり、その他の構成も、実施の形態に係る室外熱交換器2と同じである。
比較例に係る第1冷媒分配器1Aは、1つのヘッダー管15を備えている。ヘッダー管15には、室外熱交換器2の複数のパス14全てが接続されている。図4では、10本のパス14全てが接続されている。ヘッダー管15の上下方向の中間には、冷媒配管12が接続されている。比較例に係る第1冷媒分配器1Aは、上側接続管18、下側接続管19及び分流器20を備えていない。
比較例に係る第1冷媒分配器1Aのヘッダー管15には、室外熱交換器2の全てのパス14から冷媒が流入するため、実施の形態のようにヘッダー管を上側ヘッダー管16及び下側ヘッダー管17に分割した場合よりもヘッダー管15当たりの冷媒の流量が多い。そのため、比較例に係るヘッダー管15の管径φDhは、実施の形態に係る上側ヘッダー管16の管径φDhu及び下側ヘッダー管17の管径φDhlよりも大きい。
また、実施の形態に係る第1冷媒分配器1は、上側ヘッダー管16に接続される上側接続管18の管径φDjuが上側ヘッダー管16の管径φDhuよりも小さい。下側ヘッダー管17に接続される下側接続管19の管径φDjlが、下側ヘッダー管17の管径φDhlよりも小さい。
従って、ヘッダー管15の管径φDhuと、上側ヘッダー管16の管径φDhuと、上側接続管18の管径φDjuとの間には、φDh>φDhu>φDjuの関係が成り立つ。ヘッダー管15の管径φDhuと、下側ヘッダー管17の管径φDhlと、下側接続管19の管径φDjlとの間には、φDh>φDhl>φDjlの関係が成り立つ。
また、比較例に係る第1冷媒分配器1Aのヘッダー管15の上下方向の寸法は、実施の形態に係る上側ヘッダー管16の上下方向の寸法と下側ヘッダー管17の上下方向の寸法とを合計した寸法よりも長い。
そのため、実施の形態に係る第1冷媒分配器1の容積は、比較例に係る第1冷媒分配器1Aの容積よりも小さくなり、封入される冷媒量を、比較例に係る第1冷媒分配器1Aに封入される冷媒量より少なくすることができる。
比較例に係る第1冷媒分配器1Aでは、ヘッダー管15に、室外熱交換器2の複数のパス14の全てに接続されるためパス14の全てがろう付けされる。実施の形態に係る第1冷媒分配器1では、上側ヘッダー管16に接続される上部パス14aの数がヘッダー管15に接続されるパス14の数よりも少ない。下側ヘッダー管17に接続される下部パス14bの数がヘッダー管15に接続されるパス14の数よりも少ない。これに伴い、上側ヘッダー管16にろう付けされる上部パス14a、及び、下側ヘッダー管17にろう付けされる下部パス14bの数が、ヘッダー管15にろう付けされるパス14の数よりも少なくなる。その結果、実施の形態に係る室外熱交換器2の製造が比較例に係る室外熱交換器2の製造よりも容易となる。
<比較例に係る室外熱交換器2における冷媒の流れ>
図5は、比較例に係る暖房運転時における第1冷媒分配器1Aの冷媒の流れを説明するための図である。図5において、冷媒の流れ方向を矢印Rで示している。比較例に係る室外熱交換器2が蒸発器として機能する場合、室外熱交換器2の複数のパス14を通った気相の冷媒と、冷媒から分離された冷凍機油21とが、ヘッダー管15に流入する。そのうち、気相の冷媒は、ヘッダー管15を通り冷媒配管12に流出する。一方、気相の冷媒と共にヘッダー管15に流入した冷凍機油21は、ヘッダー管15の下部に落ちる。ヘッダー管15の下部に落ちた冷凍機油21は、ヘッダー管15の下部と冷媒配管12との高低差により、ヘッダー管15の下部から冷媒配管12へと搬送されずにヘッダー管15の下部に滞留し得る。
実施の形態のように、上側ヘッダー管16と、上側接続管18とが、上側ヘッダー管16の下部で接続し、下側ヘッダー管17と、下側接続管19とが、下側ヘッダー管17の下部で接続していると、冷凍機油21が滞留せず、冷媒配管12から流出する。その結果、圧縮機5の冷凍機油不足を回避でき、圧縮機5の性能が低下することが抑制される。
<実施の形態の効果>
以上説明した、本実施の形態に係る室外熱交換器2によれば、上部パス14aに第1冷媒分配器1の上側ヘッダー管16が接続され、上側ヘッダー管16と分流器20とが上側接続管18により接続されている。下部パス14bに第1冷媒分配器1の下側ヘッダー管17が接続され、下側ヘッダー管17と分流器20とが下側接続管19により接続されている。また、上側接続管18の管径φDjuは、上側ヘッダー管16の管径φDhuよりも小さく、下側接続管19の管径φDjlは、下側ヘッダー管17の管径φDhlよりも小さい。
そのため、1本のヘッダー管15を有する第1冷媒分配器1Aよりも、第1冷媒分配器1の容積が小さくなる。これにより、室外熱交換器2に1本のヘッダー管15を有する第1冷媒分配器1Aが設けられている場合よりも、第1冷媒分配器1が使用された冷媒回路に封入される封入冷媒量を減少させることができる。また、近年、空気調和機100に使用される冷媒として、地球温暖化を防止するため、可燃性冷媒であるR32等が実用化され、強燃性冷媒であるR290の実用化も検討されている。空気調和機100に可燃性冷媒が用いられている場合においても、第1冷媒分配器1により冷媒封入量を減少できるので冷媒漏洩時の安全性を確保することが容易となる。
また、冷媒としてR290などを用いると冷凍サイクルの作動圧が低くなるため、室外熱交換器2のパスの数を増加させて室外熱交換器2の圧力損失を低減させることが必要となる。第1冷媒分配器1では、上部パス14aが上側ヘッダー管16に、下部パス14bが下側ヘッダー管17に、それぞれ分かれて接続される。そのため、室外熱交換器2のパスの数が増加しても、上側ヘッダー管16あたりに接続される上部パス14aの数、及び、下側ヘッダー管17あたりに接続される下部パス14bの数は増加させなくてもよい。従って、第1冷媒分配器1を有することにより、圧力損失が減少し、冷媒封入量が低減され、且つ、製造が容易な室外熱交換器2を得ることができる。
また、上側接続管18は、上側ヘッダー管16の下部に接続され、下側接続管19は、下側ヘッダー管17の下部に接続されている。冷媒に搬送された冷凍機油21が上側ヘッダー管16に流入し、上側ヘッダー管16の下部に落ちた場合には、上側ヘッダー管16の下部に接続された上側接続管18から容易に流出できる。冷媒に搬送された冷凍機油21が下側ヘッダー管17に流入し、下側ヘッダー管17の下部に落ちた場合には、下側ヘッダー管17の下部に接続された下側接続管19から容易に流出できる。このため、冷凍機油21が上側ヘッダー管16又は下側ヘッダー管17に滞留することがない。特に、R290冷媒などを用いた場合、冷凍機油21の密度が冷媒よりも高いため冷媒から分離し易いが、このような場合にも、冷凍機油21が上側ヘッダー及び下側ヘッダー管17の下部に滞留を抑制することができる。
また、分流器20の高さ位置を、下側ヘッダー管17の上端よりも低くすることで、上側ヘッダー管16を流れる冷凍機油21は、上側ヘッダー管16より下方の分流器20に流入することとなるため、冷凍機油21の移動が容易になる。
また、第1冷媒分配器1は、室内熱交換器7に設けられていてもよい。第1冷媒分配器1は、室内熱交換器7が蒸発器として機能する場合に冷媒の出口側に設けられているとよい。
なお、ヘッダー管は、上側ヘッダー管16及び下側ヘッダー管17に限定されず、2つの上側ヘッダー管16と1つの下側ヘッダー管17などのように3分割されていてもよく、更に多数に分割されていてもよい。
1、1A 第1冷媒分配器、2 室外熱交換器、3 四方弁、4 サクションマフラー、5 圧縮機、6 ガス管閉止弁、7 室内熱交換器、8 液管閉止弁、9 膨張弁、10 室外機、11 室内機、12 冷媒配管、13 フィン、14 パス、14a 上部パス、14b 下部パス、15 ヘッダー管、16 上側ヘッダー管、17 下側ヘッダー管、18 上側接続管、19 下側接続管、20 分流器、21 冷凍機油、22 第2冷媒分配器、100 空気調和機。

Claims (6)

  1. 上部パスと、
    前記上部パスよりも下に設けられた下部パスと、
    前記上部パス及び前記下部パスに冷媒を分配する冷媒分配器と、を有し、
    前記冷媒分配器は、
    ヘッダー管と、
    分流器と、
    前記ヘッダー管と前記分流器とを接続する接続管と、を備え、
    前記ヘッダー管は、前記上部パスに接続された上側ヘッダー管と、前記下部パスに接続された下側ヘッダー管と、を含み、
    前記接続管は、前記上側ヘッダー管に接続された上側接続管と、前記下側ヘッダー管に接続された下側接続管と、を含み、
    前記上側ヘッダー管と、前記下側ヘッダー管とは、上下に間隔をあけて設けられていて、
    前記上側ヘッダー管の上下方向の寸法と、前記下側ヘッダー管の上下方向の寸法との合計は、前記冷媒分配器の上下方向の寸法よりも小さく、
    前記上側ヘッダー管の管径をφDhuとし、前記下側ヘッダー管の管径をφDhlとし、前記上側接続管の管径をφDjuとし、前記下側接続管の管径をφDjlとしたとき、
    φDhu>φDju及びφDhl>φDjlである
    熱交換器。
  2. 前記上側ヘッダー管に接続された前記上部パスのパス数と、前記下側ヘッダー管に接続された前記下部パスのパス数とは異なっており、
    前記上側ヘッダー管と前記下側ヘッダー管のうち、接続された前記パス数が多い方の管径は、接続された前記パス数が少ない方の管径よりも大きい
    請求項1記載の熱交換器。
  3. 前記上側ヘッダー管と前記上側接続管との接続位置は、
    前記上側ヘッダー管の下部であり、
    前記下側ヘッダー管と前記下側接続管との接続位置は、
    前記下側ヘッダー管の下部である
    請求項1又は2に記載の熱交換器。
  4. 前記分流器と前記上側接続管との接続位置、及び、前記分流器と前記下側接続管との接続位置は、
    前記下側ヘッダー管の上端よりも下である
    請求項1~3のいずれか一項に記載の熱交換器。
  5. 前記上側ヘッダー管、前記下側ヘッダー管、前記上側接続管及び前記下側接続管の管径は、
    前記上側ヘッダー管、前記下側ヘッダー管、前記上側接続管及び前記下側接続管の全長に亘る領域における管径の平均値である
    請求項1~のいずれか一項に記載の熱交換器。
  6. 請求項1~のいずれか一項に記載の熱交換器と、圧縮機と、膨張弁と、を備えた空気調和機であって、
    前記冷媒分配器は、
    前記熱交換器が蒸発器として機能している場合、前記上部パス及び前記下部パスの出口に接続されている
    空気調和機。
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