JPWO2015063858A1 - 熱交換器、及び、空気調和装置 - Google Patents

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Abstract

本発明に係る管継手は、貫通部71が形成され、貫通部71の一方の端部72に扁平管が接続され、貫通部71の他方の端部73にその扁平管と断面形状が異なる他の管が接続される管継手であって、一方の端部72の中心軸と他方の端部73の中心軸とが、互いに偏心されたものである。

Description

本発明は、管継手と、熱交換器と、空気調和装置と、に関するものである。
従来の管継手として、貫通部が形成され、その貫通部の一方の端部に扁平管が接続され、その貫通部の他方の端部に扁平管と断面形状が異なる管、例えば、円管が接続されるものがある。扁平管には、その長軸方向に複数の流路が形成される(例えば、特許文献1参照)。
特開2013−142454号公報(段落[0009]、図1、図2)
従来の管継手では、例えば、扁平管と断面形状が異なる管を通過する流体に、扁平管の長軸方向と平行な成分の慣性力が作用していると、その慣性力によって、扁平管に形成されたそれぞれの流路に流入する流体のバランスが変化する。特に、扁平管と断面形状が異なる管を通過する流体が、気液二相状態の冷媒である場合に、その現象は顕著となる。しかしながら、そのような管継手では、扁平管が接続される一方の端部の中心軸と、扁平管と断面形状が異なる管が接続される他方の端部の中心軸と、が同軸であるため、扁平管に形成されたそれぞれの流路に流入する流体のバランスの変化に対応することができない。つまり、そのような管継手では、扁平管の複数の流路に流入する流体のバランスを最適化することができないという問題点があった。
本発明は、上記のような課題を背景としてなされたものであり、扁平管の複数の流路に流入する流体のバランスを最適化することが可能な管継手を得ることを目的とする。また、本発明は、そのような管継手を備えた熱交換器を得ることを目的とする。また、本発明は、そのような熱交換器を備えた空気調和装置を得ることを目的とする。
本発明に係る管継手は、貫通部が形成され、該貫通部の一方の端部に扁平管が接続され、該貫通部の他方の端部に該扁平管と断面形状が異なる他の管が接続される管継手であって、前記一方の端部の中心軸と前記他方の端部の中心軸とが、互いに偏心されたものである。
本発明に係る管継手では、例えば、扁平管と断面形状が異なる管を通過する流体に、扁平管の長軸方向と平行な成分の慣性力が作用している場合でも、貫通部の一方の端部の中心軸と、貫通部の他方の端部の中心軸と、を互いに偏心させることで、扁平管に形成されたそれぞれの流路に流入する流体のバランスを最適化することができる。
実施の形態1に係る熱交換器の、斜視図である。 実施の形態1に係る熱交換器の、積層型ヘッダの分解した状態での斜視図である。 実施の形態1に係る熱交換器の、筒型ヘッダの斜視図である。 実施の形態1に係る熱交換器の、熱交換部及び分配合流部の接続を説明する図である。 実施の形態1に係る熱交換器の、熱交換部及び分配合流部の接続を説明する図である。 実施の形態1に係る熱交換器の変形例の、熱交換部及び分配合流部の接続を説明する図である。 実施の形態1に係る熱交換器の変形例の、熱交換部及び分配合流部の接続を説明する図である。 実施の形態1に係る熱交換器の変形例の、熱交換部及び分配合流部の接続を説明する図である。 実施の形態1に係る熱交換器の、風上側同心管継手及び風下側同心管継手の構造を示す図である。 比較例に係る熱交換器の、風上側同心管継手及び風下側同心管継手の構造を示す図である。 実施の形態1に係る熱交換器の、風上側偏心管継手及び風下側偏心管継手の構造を示す図である。 実施の形態1に係る熱交換器が適用される空気調和装置の、構成を示す図である。 実施の形態1に係る熱交換器が適用される空気調和装置の、構成を示す図である。 実施の形態1に係る熱交換器が蒸発器として作用する場合の、風下側伝熱管に流入する冷媒の液量分布を説明する図である。 実施の形態1に係る熱交換器が蒸発器として作用する場合の、風下側伝熱管に流入する冷媒の液量分布を説明する図である。 実施の形態1に係る熱交換器が凝縮器として作用する場合の、風上側伝熱管に流入する冷媒のガス量分布を説明する図である。 実施の形態1に係る熱交換器が凝縮器として作用する場合の、風上側伝熱管に流入する冷媒のガス量分布を説明する図である。 実施の形態2に係る熱交換器の、斜視図である。 実施の形態2に係る熱交換器の、熱交換部及び分配合流部の接続を説明する図である。 実施の形態2に係る熱交換器の、熱交換部及び分配合流部の接続を説明する図である。 実施の形態2に係る熱交換器の変形例の、熱交換部及び分配合流部の接続を説明する図である。 実施の形態2に係る熱交換器が適用される空気調和装置の、構成を示す図である。 実施の形態2に係る熱交換器が適用される空気調和装置の、構成を示す図である。
以下、本発明に係る管継手について、図面を用いて説明する。
なお、以下で説明する構成、動作等は、一例にすぎず、本発明に係る管継手は、そのような構成、動作等である場合に限定されない。また、各図において、同一又は類似するものには、同一の符号を付すか、又は、符号を付すことを省略している。また、細かい構造については、適宜図示を簡略化又は省略している。また、重複又は類似する説明については、適宜簡略化又は省略している。
また、以下では、本発明に係る管継手が、熱交換器を構成する部材である場合を説明しているが、本発明に係る管継手が、他の機器を構成する部材であってもよい。また、以下では、本発明に係る管継手を備えた熱交換器が、空気調和装置に適用される場合を説明しているが、そのような場合に限定されず、例えば、冷媒循環回路を有する他の冷凍サイクル装置に適用されてもよい。また、本発明に係る管継手を備えた熱交換器が、空気調和装置の室外熱交換器である場合を説明しているが、そのような場合に限定されず、空気調和装置の室内熱交換器であってもよい。また、空気調和装置が、暖房運転と冷房運転とを切り替えるものである場合を説明しているが、そのような場合に限定されず、暖房運転又は冷房運転のみを行うものであってもよい。
実施の形態1.
実施の形態1に係る熱交換器について説明する。
<熱交換器の構成>
以下に、実施の形態1に係る熱交換器の構成について説明する。
(熱交換器の概略構成)
以下に、実施の形態1に係る熱交換器の概略構成について説明する。
図1は、実施の形態1に係る熱交換器の、斜視図である。
図1に示されるように、熱交換器1は、熱交換部2と、分配合流部3と、を有する。
熱交換部2は、熱交換部2を通過する空気の通過方向(図中白抜き矢印)の、風上側に配設された風上側熱交換部21と、風下側に配設された風下側熱交換部31と、を有する。風上側熱交換部21は、複数の風上側伝熱管22と、その複数の風上側伝熱管22に、例えば、ロウ付け等で接合される複数の風上側フィン23と、を有する。風下側熱交換部31は、複数の風下側伝熱管32と、その複数の風下側伝熱管32に、例えば、ロウ付け等で接合される複数の風下側フィン33と、を有する。熱交換部2が、風上側熱交換部21及び風下側熱交換部31の2列で構成されてもよく、また、3列以上で構成されてもよい。
風上側伝熱管22及び風下側伝熱管32は、扁平管であり、長軸方向に複数の流路が形成される。複数の風上側伝熱管22及び複数の風下側伝熱管32のそれぞれは、一方の端部と他方の端部との間がヘアピン状に折り曲げられて、折返し部22a、32aが形成される。風上側伝熱管22及び風下側伝熱管32は、熱交換部2を通過する空気の通過方向(図中白抜き矢印)と交差する方向に、複数段配設される。複数の風上側伝熱管22及び複数の風下側伝熱管32のそれぞれの一方の端部と他方の端部とは、分配合流部3と対向するように並設される。
分配合流部3は、積層型ヘッダ51と、筒型ヘッダ61と、を有する。積層型ヘッダ51及び筒型ヘッダ61は、熱交換部2を通過する空気の通過方向(図中白抜き矢印)に沿うように、並設される。積層型ヘッダ51には、接続管52を介して、冷媒配管(図示せず)が接続される。筒型ヘッダ61には、接続管62を介して、冷媒配管(図示せず)が接続される。接続管52及び接続管62は、例えば、円管である。
積層型ヘッダ51は、風上側熱交換部21に接続され、内部に分配合流流路51aが形成される。分配合流流路51aは、熱交換部2が蒸発器として作用する場合に、冷媒配管(図示せず)から流入する冷媒を風上側熱交換部21の複数の風上側伝熱管22に分配して流出する分配流路となる。分配合流流路51aは、熱交換部2が凝縮器として作用する場合に、風上側熱交換部21の複数の風上側伝熱管22から流入する冷媒を合流して冷媒配管(図示せず)に流出する合流流路となる。積層型ヘッダ51は、本発明の「風上側に配設されたヘッダ」に相当する。
筒型ヘッダ61は、風下側熱交換部31に接続され、内部に分配合流流路61aが形成される。分配合流流路61aは、熱交換部2が凝縮器として作用する場合に、冷媒配管(図示せず)から流入する冷媒を風下側熱交換部31の複数の風下側伝熱管32に分配して流出する分配流路となる。分配合流流路61aは、熱交換部2が蒸発器として作用する場合に、風下側熱交換部31の複数の風下側伝熱管32から流入する冷媒を合流して冷媒配管(図示せず)に流出する合流流路となる。筒型ヘッダ61は、本発明の「風下側に配設されたヘッダ」に相当する。
(積層型ヘッダの構成)
以下に、実施の形態1に係る熱交換器の積層型ヘッダの構成について説明する。
図2は、実施の形態1に係る熱交換器の、積層型ヘッダの分解した状態での斜視図である。なお、図2では、積層型ヘッダ51の分配合流流路51aが、分配流路として機能する場合の冷媒の流れを、矢印で示している。
図2に示されるように、部分流路53aが形成された第1板状部材53と、部分流路54a_1〜54a_3が形成された複数の第2板状部材54_1〜54_3と、部分流路55aが形成された第3板状部材55と、が、部分流路56aが形成された複数のクラッド材56_1〜56_4を介して積層されることで、積層型ヘッダ51が構成される。クラッド材56_1〜56_4の両面又は片面には、ロウ材が塗布される。以下では、第1板状部材53と、複数の第2板状部材54_1〜54_3と、第3板状部材55と、複数のクラッド材56_1〜56_4と、を総称して、「板状部材」と記載する場合がある。
部分流路53a、55a、56aは、円形状の貫通穴である。部分流路54a_1〜54a_3のそれぞれは、一方の端部と他方の端部との重力方向における高さが互いに異なる、線状(例えば、Z字状、S字状等)の貫通溝である。部分流路53aには、接続管52を介して、冷媒配管(図示せず)が接続される。部分流路55aのそれぞれには、接続管57を介して、風上側伝熱管22が接続される。接続管57は、例えば、円管、楕円管等である。
クラッド材56_1の部分流路56aは、部分流路53aと対向する位置に形成される。クラッド材56_4の部分流路56aは、部分流路55aと対向する位置に形成される。部分流路54a_1〜54a_3の一方の端部及び他方の端部は、風上側熱交換部21に近い側に隣接して積層されるクラッド材56_2〜56_4の部分流路56aと対向する。部分流路54a_1〜54a_3の一方の端部と他方の端部との間の一部は、風上側熱交換部21に遠い側に隣接して積層されるクラッド材56_1〜56_3の部分流路56aと対向する。
板状部材が積層されると、部分流路53a、54a_1〜54a_3、55a、56aが連通され、分配合流流路51aが形成される。分配合流流路51aは、冷媒が図中矢印の方向に流れる際には、分配流路として機能し、冷媒が図中矢印と反対方向に流れる際には、合流流路として機能する。
分配合流流路51aが分配流路として機能する場合には、接続管52を介して部分流路53aに流入した冷媒は、部分流路56aを通過して、部分流路54a_1の一方の端部と他方の端部との間に流入し、クラッド材56_2の表面に当たって、2方向に分岐される。分岐された冷媒は、部分流路54a_1の一方の端部及び他方の端部から流出して、部分流路56aを介して、部分流路54a_2の一方の端部と他方の端部との間に流入し、クラッド材56_3の表面に当たって、2方向に分岐される。分岐された冷媒は、部分流路54a_2の一方の端部及び他方の端部から流出して、部分流路56aを介して、部分流路54a_3の一方の端部と他方の端部との間に流入し、クラッド材56_4の表面に当たって、2方向に分岐される。分岐された冷媒は、部分流路54a_3の一方の端部及び他方の端部から流出して、部分流路56a及び部分流路55aを介して、接続管57に流入する。
分配合流流路51aが合流流路として機能する場合には、接続管57を介して部分流路55aに流入した冷媒は、部分流路56aを通過して、部分流路54a_3の一方の端部及び他方の端部に流入し、部分流路54a_3の一方の端部と他方の端部との間に連通する部分流路56aに流入することで、合流される。合流された冷媒は、部分流路54a_2の一方の端部及び他方の端部に流入し、部分流路54a_2の一方の端部と他方の端部との間に連通する部分流路56aに流入することで、合流される。合流された冷媒は、部分流路54a_1の一方の端部及び他方の端部に流入し、部分流路54a_1の一方の端部と他方の端部との間に連通する部分流路56aに流入することで、合流される。合流された冷媒は、部分流路53aを介して、接続管52に流入する。
なお、第1板状部材53と第2板状部材54_1〜54_3と第3板状部材55とが、クラッド材56_1〜56_4を介さずに直接積層されてもよい。クラッド材56_1〜56_4を介して積層される場合には、部分流路56aが冷媒隔離流路として機能することとなって、部分流路53a、54a_1〜54a_3、55aを通過する冷媒同士の隔離が確実化される。また、第1板状部材53と第2板状部材54_1〜54_3と第3板状部材55とのそれぞれと、それに隣接して積層されるクラッド材56_1〜56_4と、が一体化された板状部材が、直接積層されてもよい。
(筒型ヘッダの構成)
以下に、実施の形態1に係る熱交換器の筒型ヘッダの構成について説明する。
図3は、実施の形態1に係る熱交換器の、筒型ヘッダの斜視図である。なお、図3では、筒型ヘッダ61の分配合流流路61aが、合流流路として機能する場合の冷媒の流れを、矢印で示している。
図3に示されるように、筒型ヘッダ61は、一方の端部と他方の端部とが閉塞された円筒部63が、軸方向が重力方向と平行になるように配設されたものである。円筒部63の軸方向が、重力方向と平行でなくてもよい。筒型ヘッダ61が、円筒部63の軸方向と積層型ヘッダ51の長手方向とが平行になるように配設されることで、分配合流部3が省スペース化される。なお、円筒部63は、例えば、断面が楕円状の筒部等であってもよい。
円筒部63の側壁には、接続管62を介して、冷媒配管(図示せず)が接続される。円筒部63の側壁には、複数の接続管64を介して風下側伝熱管32が接続される。接続管64は、例えば、円管、楕円管等である。円筒部63の内側は、分配合流流路61aである。分配合流流路61aは、冷媒が図中矢印の方向に流れる際には、合流流路として機能し、冷媒が図中矢印と反対方向に流れる際には、分配流路として機能する。
分配合流流路61aが合流流路として機能する場合には、複数の接続管64に流入した冷媒は、円筒部63の内側を通過して接続管62に流入することで、合流される。分配合流流路61aが分配流路として機能する場合には、接続管62に流入した冷媒は、円筒部63の内側を通過して複数の接続管64に流入することで、分配される。
円筒部63の周方向のうちの、接続管62が接続される方向と、複数の接続管64が接続される方向と、が一直線上にならないように、接続管62及び複数の接続管64が接続されるとよい。このように構成されることで、分配合流流路61aが分配流路として機能する場合の、複数の接続管64に流入する冷媒の均一性を向上させることが可能となる。
(熱交換部及び分配合流部の接続)
以下に、実施の形態1に係る熱交換器の熱交換部及び分配合流部の接続について説明する。
図4及び図5は、実施の形態1に係る熱交換器の、熱交換部及び分配合流部の接続を説明する図である。なお、図5は、図4におけるA−A線での断面図である。
図4及び図5に示されるように、風上側伝熱管22の一方の端部22bに、風上側同心管継手41Aが接合される。風上側伝熱管22の他方の端部22cに、風上側偏心管継手41Bが接合される。風下側伝熱管32の他方の端部32cに、風下側同心管継手42Aが接合される。風下側伝熱管32の一方の端部32bに、風下側偏心管継手42Bが接合される。
風上側同心管継手41Aには、積層型ヘッダ51の接続管57が接続される。風下側同心管継手42Aには、筒型ヘッダ61の接続管64が接続される。風上側偏心管継手41Bと風下側偏心管継手42Bとは、列渡り管43によって接続される。列渡り管43は、例えば、円弧状に曲げられた円管、楕円管等である。
図6は、実施の形態1に係る熱交換器の変形例の、熱交換部及び分配合流部の接続を説明する図である。なお、図6は、図4におけるA−A線に相当する線での断面図である。
なお、風上側伝熱管22及び風下側伝熱管32は、図5に示されるように、風上側伝熱管22の一方の端部22b及び他方の端部22cと、風下側伝熱管32の一方の端部32b及び他方の端部32cと、が、熱交換器1を側方視した状態において千鳥状になるように、配設されていてもよく、また、図6に示されるように、碁盤状になるように、配設されていてもよい。
図7及び図8は、実施の形態1に係る熱交換器の変形例の、熱交換部及び分配合流部の接続を説明する図である。なお、図7及び図8は、図4におけるA−A線に相当する線での断面図である。
また、図7及び図8に示されるように、風上側伝熱管22の他方の端部22cと、その風上側伝熱管22の隣の段の風上側伝熱管22の一方の端部22bと、が風上側段渡り管44と風上側同心管継手41Aとを用いて接続され、風下側伝熱管32の他方の端部32cと、その風下側伝熱管32の隣の段の風下側伝熱管32の一方の端部32bと、が風下側段渡り管45と風下側同心管継手42Aとを用いて接続されていてもよい。風上側段渡り管44及び風下側段渡り管45は、例えば、円弧状に曲げられた円管、楕円管等である。
また、風上側伝熱管22及び風下側伝熱管32の一方の端部と他方の端部との間がヘアピン状に折り曲げられて、折返し部22a、32aが形成されるのではなく、風上側伝熱管22の一方の端部と、それの隣の段の風上側伝熱管22の一方の端部と、が、風上側段渡り管44と風上側同心管継手41Aとを用いて接続され、風下側伝熱管32の一方の端部と、それの隣の段の風下側伝熱管32の一方の端部と、が、風下側段渡り管45と風下側同心管継手42Aとを用いて接続されることで、冷媒が折り返されてもよい。
(風上側同心管継手及び風下側同心管継手の構造の詳細)
以下に、実施の形態1に係る熱交換器の風上側同心管継手及び風下側同心管継手の構造の詳細について説明する。
図9は、実施の形態1に係る熱交換器の、風上側同心管継手及び風下側同心管継手の構造を示す図である。なお、図9では、風上側同心管継手41A及び風下側同心管継手42Aを正面視した状態での断面図と、それらを側面視した状態での断面図と、それらの上面図と、それらの下面図と、を示している。また、図9では、風上側同心管継手41A及び風下側同心管継手42Aの、一方の端部72及び他方の端部73に接続される管が、点線で図示される。また、図9では、積層型ヘッダ51の接続管57及び筒型ヘッダ61の接続管64が円管である場合を示している。
図9に示されるように、風上側同心管継手41A及び風下側同心管継手42Aには、貫通部71が形成される。貫通部71の一方の端部72の断面形状は、風上側伝熱管22又は風下側伝熱管32の断面形状に沿う形状である。貫通部71の他方の端部73の断面形状は、積層型ヘッダ51の接続管57又は筒型ヘッダ61の接続管64の断面形状に沿う形状である。一方の端部72の中心軸と、他方の端部73の中心軸と、は同軸である。
風上側同心管継手41A及び風下側同心管継手42Aを正面視した状態において、一方の端部72の内径(長軸方向の内径)をW1とすると、他方の端部73の内径D1は、D1≦W1である。また、風上側同心管継手41A及び風下側同心管継手42Aを側面視した状態において、一方の端部72の内径(短軸方向の内径)をW2とすると、他方の端部73の内径D2は、D2≧W2である。つまり、他方の端部73の断面形状の全周方向での内径D(D1、D2)は、W2≦D≦W1である。また、積層型ヘッダ51の接続管57及び筒型ヘッダ61の接続管64の流路断面積(d1×π/4)は、風上側伝熱管22及び風下側伝熱管32の流路断面積(w1×w2×流路数)と比較して大きい。なお、積層型ヘッダ51の接続管57及び筒型ヘッダ61の接続管64が、楕円管である場合には、D1>D2、又は、D1<D2となる。
このように構成されることで、D1を短くして風上側同心管継手41A及び風下側同心管継手42Aを小型化することと、D2を長くして流路断面積の大きい管を接合できるようにして、風上側同心管継手41A及び風下側同心管継手42Aを通過する冷媒に生じる圧力損失を低減することと、が両立される。また、W2≦D≦W1であることで、積層型ヘッダ51の接続管57及び筒型ヘッダ61の接続管64の、折り曲げの自由度等が向上される。
図10は、比較例に係る熱交換器の、風上側同心管継手及び風下側同心管継手の構造を示す図である。なお、図10では、風上側同心管継手41A及び風下側同心管継手42Aを正面視した状態での断面図を示している。また、図10では、風上側同心管継手41A及び風下側同心管継手42Aの、一方の端部72及び他方の端部73に接続される管が、点線で図示される。
また、貫通部71の、一方の端部72と他方の端部73との間の領域に、一方の端部72の内周面の断面形状を他方の端部73の内周面の断面形状に連続的に変化させる形状変換部74が形成される。図10に示されるように、貫通部71に、形状変換部74が形成されていない、つまり、一方の端部72と他方の端部73とが直接連通される場合には、一方の端部72の隅部で渦が生じ、風上側同心管継手41A及び風下側同心管継手42Aを通過する冷媒に圧力損失が生じてしまうこととなるが、貫通部71の、一方の端部72と他方の端部73との間の領域に、形状変換部74が形成されることで、そのような現象が抑制される。
そして、更に、積層型ヘッダ51の接続管57及び筒型ヘッダ61の接続管64が、他方の端部73と形状変換部74との境界まで挿入された状態で接合される。つまり、他方の端部73の内周面の、積層型ヘッダ51の接続管57及び筒型ヘッダ61の接続管64の外周面が接合される領域は、形状変換部74に隣接する。そのため、積層型ヘッダ51の接続管57及び筒型ヘッダ61の接続管64から流入する冷媒が、段差を介さずに風上側伝熱管22及び風下側伝熱管32に流入することとなり、圧力損失が生じることが更に抑制される。また、他方の端部73の軸方向の寸法を小さくすることが可能となり、風上側同心管継手41A及び風下側同心管継手42Aが小型化される。
(風上側偏心管継手及び風下側偏心管継手の構造の詳細)
以下に、実施の形態1に係る熱交換器の風上側偏心管継手及び風下側偏心管継手の構造の詳細について説明する。
図11は、実施の形態1に係る熱交換器の、風上側偏心管継手及び風下側偏心管継手の構造を示す図である。なお、図11では、正面視した状態での、風上側偏心管継手41B及び風下側偏心管継手42Bの断面と、その周辺部材を図示している。
風上側偏心管継手41B及び風下側偏心管継手42Bは、風上側同心管継手41A及び風下側同心管継手42Aと同様の構成を有するが、図11に示されるように、一方の端部72の中心軸と、他方の端部73の中心軸と、が互いに偏心していることが相違する。その偏心量Zは、風上側伝熱管22及び風下側伝熱管32の長軸方向の外径をW3とすると、0<Z<W3/2である。風上側偏心管継手41Bの貫通部71の他方の端部73の中心軸と、風下側伝熱管32の中心軸と、の間の距離が、風上側偏心管継手41Bの貫通部71の一方の端部72の中心軸と、風下側伝熱管32の中心軸と、の間の距離と比較して短くなるように偏心される。また、風下側偏心管継手42Bの貫通部71の他方の端部73の中心軸と、風上側伝熱管22の中心軸と、の間の距離が、風下側偏心管継手42Bの貫通部71の一方の端部72の中心軸と、風上側伝熱管22の中心軸と、の間の距離と比較して短くなるように偏心される。
<熱交換器が適用される空気調和装置の構成>
以下に、実施の形態1に係る熱交換器が適用される空気調和装置の構成について説明する。
図12及び図13は、実施の形態1に係る熱交換器が適用される空気調和装置の、構成を示す図である。なお、図12は、空気調和装置91が暖房運転する場合を示している。また、図13は、空気調和装置91が冷房運転する場合を示している。
図12及び図13に示されるように、空気調和装置91は、圧縮機92と、四方弁93と、室外熱交換器(熱源側熱交換器)94と、絞り装置95と、室内熱交換器(負荷側熱交換器)96と、室外ファン(熱源側ファン)97と、室内ファン(負荷側ファン)98と、制御装置99と、を有する。圧縮機92と四方弁93と室外熱交換器94と絞り装置95と室内熱交換器96とが冷媒配管で接続されて、冷媒循環回路が形成される。四方弁93は、他の流路切替装置であってもよい。
室外熱交換器94は、熱交換器1である。熱交換器1は、室外ファン97の駆動によって生じる空気流れの風上側に積層型ヘッダ51が配設され、風下側に筒型ヘッダ61が配設されるように、設けられる。室外ファン97は、熱交換器1の風上側に設けられてもよく、また、熱交換器1の風下側に設けられてもよい。
制御装置99には、例えば、圧縮機92、四方弁93、絞り装置95、室外ファン97、室内ファン98、各種センサ等が接続される。制御装置99によって、四方弁93の流路が切り替えられることで、暖房運転と冷房運転とが切り替えられる。
<熱交換器及び空気調和装置の動作>
以下に、実施の形態1に係る熱交換器、及び、その熱交換器が適用される空気調和装置の動作について説明する。
(暖房運転時の熱交換器及び空気調和装置の動作)
以下に、図12を用いて、暖房運転時の冷媒の流れについて説明する。
圧縮機92から吐出される高圧高温のガス状態の冷媒は、四方弁93を介して室内熱交換器96に流入し、室内ファン98によって供給される空気との熱交換によって凝縮することで、室内を暖房する。凝縮した冷媒は、高圧の過冷却液状態となり、室内熱交換器96から流出し、絞り装置95によって、低圧の気液二相状態の冷媒となる。低圧の気液二相状態の冷媒は、室外熱交換器94に流入し、室外ファン97によって供給される空気と熱交換を行い、蒸発する。蒸発した冷媒は、低圧の過熱ガス状態となり、室外熱交換器94から流出し、四方弁93を介して圧縮機92に吸入される。つまり、暖房運転時には、室外熱交換器94は、蒸発器として作用する。
室外熱交換器94において、冷媒は、積層型ヘッダ51の分配合流流路51aに流入して分配され、風上側同心管継手41Aを通過して、風上側熱交換部21の風上側伝熱管22に流入する。風上側伝熱管22に流入した冷媒は、風上側偏心管継手41B、列渡り管43、及び風下側偏心管継手42Bを順に通過して、風下側熱交換部31の風下側伝熱管32に流入する。風下側伝熱管32に流入した冷媒は、風下側同心管継手42Aを通過して、筒型ヘッダ61の分配合流流路61aに流入して合流される。
(冷房運転時の熱交換器及び空気調和装置の動作)
以下に、図13を用いて、冷房運転時の冷媒の流れについて説明する。
圧縮機92から吐出される高圧高温のガス状態の冷媒は、四方弁93を介して室外熱交換器94に流入し、室外ファン97によって供給される空気と熱交換を行い、凝縮する。凝縮した冷媒は、高圧の過冷却液状態、もしくは、低乾き度状態となり、室外熱交換器94から流出し、絞り装置95によって、低圧の気液二相状態となる。低圧の気液二相状態の冷媒は、室内熱交換器96に流入し、室内ファン98によって供給される空気との熱交換によって蒸発することで、室内を冷却する。蒸発した冷媒は、低圧の過熱ガス状態となり、室内熱交換器96から流出し、四方弁93を介して圧縮機92に吸入される。つまり、冷房運転時には、室外熱交換器94は、凝縮器として作用する。
室外熱交換器94において、冷媒は、筒型ヘッダ61の分配合流流路61aに流入して分配され、風下側同心管継手42Aを通過して、風下側熱交換部31の風下側伝熱管32に流入する。風下側伝熱管32に流入した冷媒は、風下側偏心管継手42B、列渡り管43、及び風上側偏心管継手41Bを順に通過して、風上側熱交換部21の風上側伝熱管22に流入する。風上側伝熱管22に流入した冷媒は、風上側同心管継手41Aを通過して、積層型ヘッダ51の分配合流流路51aに流入して合流される。
<熱交換器の作用>
以下に、実施の形態1に係る熱交換器の作用について説明する。
熱交換器1では、風上側偏心管継手41B及び風下側偏心管継手42Bにおいて、一方の端部72の中心軸と他方の端部73の中心軸とが、互いに偏心される。そのため、風上側伝熱管22及び風下側伝熱管32に流入する流体のそれぞれのバランスが、最適化される。
図14及び図15は、実施の形態1に係る熱交換器が蒸発器として作用する場合の、風下側伝熱管に流入する冷媒の液量分布を説明する図である。なお、図14では、冷媒の流れ方向を黒塗り矢印で示している。
つまり、熱交換部2が蒸発器として作用する場合においては、図14及び図15に示されるように、冷媒は、室外ファン97の駆動によって生じる空気流れと並行流になる関係で、つまり、風上側伝熱管22から風下側伝熱管32に流れ、列渡り管43から風下側偏心管継手42Bに気液二相状態で流入する。列渡り管43を通過する気液二相状態の冷媒は、遠心力の影響を受け、密度の大きい冷媒が外側を流れ、密度の小さい冷媒が内側を流れることとなる。そのため、風下側偏心管継手42Bにおいて、一方の端部72の中心軸と他方の端部73の中心軸との偏心量Zが、Z=0である場合には、風下側偏心管継手42Bに流入した液冷媒は、風下側伝熱管32のL点側に、S点側と比較して多く流入することとなる。
それに対し、熱交換器1では、風下側偏心管継手42Bにおいて、一方の端部72の中心軸と他方の端部73の中心軸との偏心量Zが、Z>0であるため、風下側偏心管継手42Bに流入した液冷媒は、風下側伝熱管32のS点側に多く流入することとなる。熱交換器1が蒸発器として作用する場合、室外ファン97の駆動によって生じる空気流れの風上側の熱負荷(熱交換量)が大きいため、風下側伝熱管32のS点側、つまり風上側の流路に液冷媒が多く流れるように、扁平管の流路穴に分配されることで、液冷媒の蒸発が促進され、熱交換効率が向上される。更に、列渡り管43の曲率半径を小さくすることが可能となって、熱交換部2の容積を拡大することができるため、熱交換効率が更に向上される。そして、熱交換効率の向上に伴って、冷凍サイクルの運転効率が向上され、省エネ性能が向上される。また、冷凍サイクルの性能を維持しつつ、熱交換器1を省スペース化することも可能である。
図16及び図17は、実施の形態1に係る熱交換器が凝縮器として作用する場合の、風上側伝熱管に流入する冷媒のガス量分布を説明する図である。なお、図16では、冷媒の流れ方向を黒塗り矢印で示している。
また、熱交換部2が凝縮器として作用する場合においては、図16及び図17に示されるように、冷媒は、室外ファン97の駆動によって生じる空気流れと対向流になる関係で、つまり、風下側伝熱管32から風上側伝熱管22に流れ、列渡り管43から風上側偏心管継手41Bに気液二相状態で流入する。列渡り管43を通過する気液二相状態の冷媒は、遠心力の影響を受け、密度の大きい冷媒が外側を流れ、密度の小さい冷媒が内側を流れることとなる。そのため、風上側偏心管継手41Bにおいて、一方の端部72の中心軸と他方の端部73の中心軸との偏心量Zが、Z=0である場合には、風上側偏心管継手41Bに流入した液冷媒は、風上側伝熱管22のL点側に、S点側と比較して多く流入することとなる。
それに対し、熱交換器1では、風上側偏心管継手41Bにおいて、一方の端部72の中心軸と他方の端部73の中心軸との偏心量Zが、Z>0であるため、風上側偏心管継手41Bに流入したガス冷媒は、液冷媒がS点側に多く流入する分、風上側伝熱管22のL点側に多く流入することとなる。熱交換器1が凝縮器として作用する場合、室外ファン97の駆動によって生じる空気流れの風上側の熱負荷(熱交換量)が大きいため、風上側伝熱管22のL点側、つまり風上側の流路にガス冷媒が多く流れるように、扁平管の流路穴に分配されることで、ガス冷媒の凝縮が促進され、熱交換効率が向上される。更に、列渡り管43の曲率半径を小さくすることが可能となって、熱交換部2の容積を拡大することができるため、熱交換効率が更に向上される。そして、熱交換効率の向上に伴って、冷凍サイクルの運転効率が向上され、省エネ性能が向上される。また、冷凍サイクルの性能を維持しつつ、熱交換器1を省スペース化することも可能である。
また、熱交換器1では、風上側同心管継手41A、風下側同心管継手42A、風上側偏心管継手41B及び風下側偏心管継手42Bにおいて、一方の端部72の長軸方向の内径をW1、短軸方向の内径をW2とすると、他方の端部73の断面形状の全周方向での内径D(D1、D2)が、W2≦D≦W1であるため、小型化することと、圧力損失を低減することとが両立される。そのため、熱交換部2と分配合流部3との間隔を狭くして、熱交換部2の容積を拡大することができ、熱交換効率が向上される。そして、熱交換効率の向上に伴って、冷凍サイクルの運転効率が向上され、省エネ性能が向上される。また、冷凍サイクルの性能を維持しつつ、熱交換器1を省スペース化することも可能である。
また、熱交換器1では、風上側同心管継手41A、風下側同心管継手42A、風上側偏心管継手41B及び風下側偏心管継手42Bにおいて、貫通部71の一方の端部72と他方の端部73との間の領域に、形状変換部74が形成され、他方の端部73の内周面の、積層型ヘッダ51の接続管57、筒型ヘッダ61の接続管64、及び列渡り管43の外周面が接合される領域が、形状変換部74に隣接するため、小型化することと、圧力損失を低減することとが両立される。そのため、熱交換部2と分配合流部3との間隔を狭くして、熱交換部2の容積を拡大することができ、熱交換効率が向上される。そして、熱交換効率の向上に伴って、冷凍サイクルの運転効率が向上され、省エネ性能が向上される。また、冷凍サイクルの性能を維持しつつ、熱交換器1を省スペース化することも可能である。
実施の形態2.
実施の形態2に係る熱交換器について説明する。
なお、実施の形態1と重複又は類似する説明は、適宜簡略化又は省略している。
<熱交換器の構成>
以下に、実施の形態2に係る熱交換器の構成について説明する。
(熱交換器の概略構成)
以下に、実施の形態2に係る熱交換器の概略構成について説明する。
図18は、実施の形態2に係る熱交換器の、斜視図である。
図18に示されるように、熱交換部2は、風上側熱交換部21のみを有する。風上側伝熱管22は、熱交換部2を通過する空気の通過方向(図中白抜き矢印)と交差する方向に、複数段配設される。複数の風上側伝熱管22のそれぞれは、一方の端部と他方の端部との間がヘアピン状に折り曲げられて、折返し部22aが形成される。複数の風上側伝熱管22のそれぞれの一方の端部と他方の端部とは、積層型ヘッダ51と対向するように並設される。
積層型ヘッダ51は、風上側熱交換部21に接続され、内部に分配合流流路51aが形成される。分配合流流路51aは、熱交換部2が蒸発器として作用する場合に、冷媒配管(図示せず)から流入する冷媒を風上側熱交換部21の複数の風上側伝熱管22に分配して流出する分配流路となる。分配合流流路51aは、熱交換部2が凝縮器として作用する場合に、風上側熱交換部21の複数の風上側伝熱管22から流入する冷媒を合流して冷媒配管(図示せず)に流出する合流流路となる。
筒型ヘッダ61は、風上側熱交換部21に接続され、内部に分配合流流路61aが形成される。分配合流流路61aは、熱交換部2が凝縮器として作用する場合に、冷媒配管(図示せず)から流入する冷媒を風上側熱交換部21の複数の風上側伝熱管22に分配して流出する分配流路となる。分配合流流路61aは、熱交換部2が蒸発器として作用する場合に、風上側熱交換部21の複数の風上側伝熱管22から流入する冷媒を合流して冷媒配管(図示せず)に流出する合流流路となる。
(熱交換部及び分配合流部の接続)
以下に、実施の形態2に係る熱交換器の熱交換部及び分配合流部の接続について説明する。
図19及び図20は、実施の形態2に係る熱交換器の、熱交換部及び分配合流部の接続を説明する図である。なお、図20は、図19におけるB−B線での断面図である。
図19及び図20に示されるように、風上側伝熱管22の一方の端部22b及び他方の端部22cのそれぞれに、風上側同心管継手41Aが接合される。風上側伝熱管22の一方の端部22bに接合された風上側同心管継手41Aには、積層型ヘッダ51の接続管57が接続される。風上側伝熱管22の他方の端部22cに接合された風上側同心管継手41Aには、筒型ヘッダ61の接続管64が接続される。
図21は、実施の形態2に係る熱交換器の変形例の、熱交換部及び分配合流部の接続を説明する図である。なお、図21は、図19におけるB−B線に相当する線での断面図である。
図21に示されるように、風上側伝熱管22の他方の端部22cと、その風上側伝熱管22の隣の段の風上側伝熱管22の一方の端部22bと、が風上側段渡り管44と風上側同心管継手41Aとを用いて接続されていてもよい。
<熱交換器及び空気調和装置の動作>
以下に、実施の形態2に係る熱交換器、及び、その熱交換器が適用される空気調和装置の動作について説明する。
(暖房運転時の熱交換器及び空気調和装置の動作)
図22は、実施の形態2に係る熱交換器が適用される空気調和装置の、構成を示す図である。なお、図22は、空気調和装置91が暖房運転する場合を示している。
以下に、図22を用いて、暖房運転時の冷媒の流れについて説明する。
室外熱交換器94において、冷媒は、積層型ヘッダ51の分配合流流路51aに流入して分配され、風上側同心管継手41Aを通過して、風上側熱交換部21の風上側伝熱管22に流入する。風上側伝熱管22に流入した冷媒は、風上側同心管継手41Aを通過して、筒型ヘッダ61の分配合流流路61aに流入して合流される。
(冷房運転時の熱交換器及び空気調和装置の動作)
図23は、実施の形態2に係る熱交換器が適用される空気調和装置の、構成を示す図である。なお、図23は、空気調和装置91が冷房運転する場合を示している。
以下に、図23を用いて、冷房運転時の冷媒の流れについて説明する。
室外熱交換器94において、冷媒は、筒型ヘッダ61の分配合流流路61aに流入して分配され、風上側同心管継手41Aを通過して、風上側熱交換部21の風上側伝熱管22に流入する。風上側伝熱管22に流入した冷媒は、風上側同心管継手41Aを通過して、積層型ヘッダ51の分配合流流路51aに流入して合流される。
<熱交換器の作用>
以下に、実施の形態2に係る熱交換器の作用について説明する。
熱交換器1では、実施の形態1に係る熱交換器1と同様に、風上側同心管継手41Aにおいて、一方の端部72の長軸方向の内径をW1、短軸方向の内径をW2とすると、他方の端部73の断面形状の全周方向での内径D(D1、D2)が、W2≦D≦W1であるため、小型化することと、圧力損失を低減することとが両立される。そのため、熱交換部2と分配合流部3との間隔を狭くして、熱交換部2の容積を拡大することができ、熱交換効率が向上される。そして、熱交換効率の向上に伴って、冷凍サイクルの運転効率が向上され、省エネ性能が向上される。また、冷凍サイクルの性能を維持しつつ、熱交換器1を省スペース化することも可能である。
また、熱交換器1では、実施の形態1に係る熱交換器1と同様に、風上側同心管継手41Aにおいて、貫通部71の一方の端部72と他方の端部73との間の領域に、形状変換部74が形成され、他方の端部73の内周面の、積層型ヘッダ51の接続管57、筒型ヘッダ61の接続管64の外周面が接合される領域が、形状変換部74に隣接するため、小型化することと、圧力損失を低減することとが両立される。そのため、熱交換部2と分配合流部3との間隔を狭くして、熱交換部2の容積を拡大することができ、熱交換効率が向上される。そして、熱交換効率の向上に伴って、冷凍サイクルの運転効率が向上され、省エネ性能が向上される。また、冷凍サイクルの性能を維持しつつ、熱交換器1を省スペース化することも可能である。
以上、実施の形態1及び実施の形態2について説明したが、本発明は各実施の形態の説明に限定されない。例えば、各実施の形態の全部又は一部を組み合わせることも可能である。
1 熱交換器、2 熱交換部、3 分配合流部、21 風上側熱交換部、22 風上側伝熱管、22a 折返し部、22b 一方の端部、22c 他方の端部、23 風上側フィン、31 風下側熱交換部、32 風下側伝熱管、32a 折返し部、32b 一方の端部、32c 他方の端部、33 風下側フィン、41A 風上側同心管継手、41B 風上側偏心管継手、42A 風下側同心管継手、42B 風下側偏心管継手、43 列渡り管、44 風上側段渡り管、45 風下側段渡り管、51 積層型ヘッダ、51a 分配合流流路、52、57 接続管、53 第1板状部材、54_1〜54_3 第2板状部材、55 第3板状部材、56_1〜56_4 クラッド材、53a、54a_1〜54a_3、55a、56a 部分流路、61 筒型ヘッダ、61a 分配合流流路、62、64 接続管、63 円筒部、71 貫通部、72 一方の端部、73 他方の端部、74 形状変換部、91 空気調和装置、92 圧縮機、93 四方弁、94 室外熱交換器、95 絞り装置、96 室内熱交換器、97 室外ファン、98 室内ファン、99 制御装置。
本発明は、交換器と、空気調和装置と、に関するものである。
本発明は、上記のような課題を背景としてなされたものであり、扁平管の複数の流路に流入する流体のバランスを最適化することが可能な管継手をえた熱交換器を得ることを目的とする。また、本発明は、そのような熱交換器を備えた空気調和装置を得ることを目的とする。
本発明に係る熱交換器は、貫通部が形成され、該貫通部の一方の端部に扁平管が接続され、該貫通部の他方の端部に該扁平管と断面形状が異なる他の管が接続され管継手と、前記管継手の前記一方の端部に、少なくとも一方の端部が接続された前記扁平管と、該扁平管の風上側又は風下側に配設された他の扁平管と、を有する熱交換部と、を備え、前記扁平管に接続された前記管継手の、前記一方の端部の中心軸と前記他方の端部の中心軸とは、互いに偏心しており、前記扁平管に接続された前記管継手の前記他方の端部と、前記他の扁平管と、が列渡り管で接続され、前記扁平管に接続された前記管継手の前記他方の端部の中心軸と、前記他の扁平管の中心軸と、の間の距離は、前記扁平管に接続された前記管継手の前記一方の端部の中心軸と、前記他の扁平管の中心軸と、の間の距離と比較して短い、ことを特徴とするものである。

Claims (13)

  1. 貫通部が形成され、該貫通部の一方の端部に扁平管が接続され、該貫通部の他方の端部に該扁平管と断面形状が異なる他の管が接続される管継手であって、
    前記一方の端部の中心軸と前記他方の端部の中心軸とが、互いに偏心された、
    ことを特徴とする管継手。
  2. 前記他方の端部の、中心軸と垂直な断面での全周方向の内径Dは、前記一方の端部の、長軸方向の内径W1以下で、且つ、短軸方向の内径W2以上である、
    ことを特徴とする請求項1に記載の管継手。
  3. 前記一方の端部の内周面に、前記扁平管の外周面が接合され、
    前記他方の端部の内周面に、前記他の管の外周面が接合され、
    前記貫通部の、前記一方の端部と前記他方の端部との間の領域に、該一方の端部の内周面の断面形状を該他方の端部の内周面の断面形状に連続的に変化させる形状変換部が形成され、
    前記他方の端部の内周面の、前記他の管の外周面が接合される領域は、前記形状変換部に隣接する、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の管継手。
  4. 貫通部が形成され、該貫通部の一方の端部に扁平管が接続され、該貫通部の他方の端部に該扁平管と断面形状が異なる他の管が接続される管継手であって、
    前記一方の端部の内周面に、前記扁平管の外周面が接合され、
    前記他方の端部の内周面に、前記他の管の外周面が接合され、
    前記貫通部の、前記一方の端部と前記他方の端部との間の領域に、該一方の端部の内周面の断面形状を該他方の端部の内周面の断面形状に連続的に変化させる形状変換部が形成され、
    前記他方の端部の内周面の、前記他の管の外周面が接合される領域は、前記形状変換部に隣接する、
    ことを特徴とする管継手。
  5. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の管継手と、
    前記管継手の前記一方の端部に、少なくとも一方の端部が接続された前記扁平管と、該扁平管の風上側又は風下側に配設された他の扁平管とを有する熱交換部と、
    を備え、
    前記扁平管に接続された前記管継手の前記他方の端部と、前記他の扁平管と、が列渡り管で接続され、
    前記扁平管に接続された前記管継手の前記他方の端部の中心軸と、前記他の扁平管の中心軸と、の間の距離は、前記扁平管に接続された前記管継手の前記一方の端部の中心軸と、前記他の扁平管の中心軸と、の間の距離と比較して短い、
    ことを特徴とする熱交換器。
  6. 前記熱交換部が蒸発器として作用する場合に、
    前記他の扁平管は、前記扁平管の風上側に配設された、
    ことを特徴とする請求項5に記載の熱交換器。
  7. 前記熱交換部が凝縮器として作用する場合に、
    前記他の扁平管は、前記扁平管の風下側に配設された、
    ことを特徴とする請求項5又は6に記載の熱交換器。
  8. 貫通部が形成され、該貫通部の一方の端部に扁平管が接続され、該貫通部の他方の端部に該扁平管と断面形状が異なる他の管が接続された管継手と、
    前記管継手の前記一方の端部に、少なくとも一方の端部が接続された前記扁平管が、風上側と風下側とに配設された熱交換部と、
    前記熱交換部に接続され、風上側に配設されたヘッダ及び風下側に配設されたヘッダと、
    を備え、
    前記風上側に配設された扁平管に接続された前記管継手の前記他方の端部と、前記風下側に配設された扁平管に接続された前記管継手の前記他方の端部と、が列渡り管で接続され、
    前記列渡り管は、前記熱交換部と、前記風上側に配設されたヘッダと、前記風下側に配設されたヘッダと、の間に配設され、
    前記管継手は、前記他方の端部の、中心軸と垂直な断面での全周方向の内径Dが、前記一方の端部の、長軸方向の内径W1以下で、且つ、短軸方向の内径W2以上である、
    ことを特徴とする熱交換器。
  9. 前記列渡り管の流路断面積は、前記扁平管の流路断面積と比較して大きい、
    ことを特徴とする請求項5〜8のいずれか一項に記載の熱交換器。
  10. 請求項4に記載の管継手と、
    前記管継手の前記一方の端部に、少なくとも一方の端部が接続された前記扁平管が設けられた熱交換部と、
    冷媒を分配して流出する分配流路、又は、冷媒を合流して流出する合流流路が形成され、前記管継手の前記他方の端部に、該分配流路の出口側の接続管又は該合流流路の入口側の接続管が接続されたヘッダと、
    を備えたことを特徴とする熱交換器。
  11. 貫通部が形成され、該貫通部の一方の端部に扁平管が接続され、該貫通部の他方の端部に該扁平管と断面形状が異なる他の管が接続された管継手と、
    前記管継手の前記一方の端部に、少なくとも一方の端部が接続された前記扁平管が設けられた熱交換部と、
    冷媒を分配して流出する分配流路、又は、冷媒を合流して流出する合流流路が形成され、前記管継手の前記他方の端部に、該分配流路の出口側の接続管又は該合流流路の入口側の接続管が接続されたヘッダと、
    を備え、
    前記管継手は、前記他方の端部の、中心軸と垂直な断面での全周方向の内径Dが、前記一方の端部の、長軸方向の内径W1以下で、且つ、短軸方向の内径W2以上である、
    ことを特徴とする熱交換器。
  12. 前記接続管の流路断面積は、前記扁平管の流路断面積と比較して大きい、
    ことを特徴とする請求項10又は11に記載の熱交換器。
  13. 請求項5〜12のいずれか一項に記載の熱交換器を備えた、
    ことを特徴とする空気調和装置。
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