JPWO2016121115A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Abstract

熱交換器１００においては、第１熱交換ユニットは、平面状に形成された第３熱交換ユニットをＬ字曲げ加工により湾曲して構成され、第２熱交換ユニットは、平面状に形成された第４熱交換ユニットを、第３熱交換ユニットとは別に、Ｌ字曲げ加工により湾曲して構成され、第１熱交換ユニットと第２熱交換ユニットとを、筐体１７の隣接する２つの側面１８、１９の間のコーナー部２０に沿って相互に対向して配置している。

Description

本発明は、熱交換器および冷凍サイクル装置に関するものである。
冷凍サイクル装置を構成する熱交換器として、円形状の伝熱管を備えた熱交換器がある。しかし、熱交換器の高性能化を図る目的から、伝熱管の細径化が進み、近年では、扁平多穴管が伝熱管として使用されている熱交換器もある。
細径円管（たとえば直径４ｍｍなど）もしくは扁平多穴管を伝熱管として使用した場合、細径円管もしくは扁平多穴管の流路断面積は、通常の円管の流路断面積よりも小さくなる。このため、通常の円管の伝熱管が用いられる態様と同等のパス数で熱交換器を構成した場合、伝熱管内の圧力損失が増大し、冷凍サイクルの運転効率が低下する。
圧力損失の低減は、熱交換器のパス数を増やすことや、１パスの伝熱管長さを短縮させることで、実現可能である。例えば特許文献１に開示されているような従来の熱交換器のなかには、凝縮器として運転する際に、上部に設置された主熱交換器において、ヘッダにて冷媒を多分岐させて並行して流し、冷媒を凝縮させて、ガス冷媒から液相の割合が大きい二相冷媒へと相変化させ、反対側の折り返しヘッダで再合流したのち、下部に設置された副熱交換器において、パス数を減らして、流速を上げ、二相冷媒から液冷媒の過冷却処理を実施する。一方で、蒸発器として使用する際は、副熱交換器より冷媒が流入し、主熱交換器で二相冷媒をガス冷媒に蒸発させる。副熱交換器はパス数が少ないため圧力損失が大きく、空気との熱交換量は少ないが、冷媒温度を上げることが可能となり、下部に残留する凝縮水が根氷となり伝熱管またはフィンを破壊することを防ぐことができる。
国際公開第２０１３／１６１３１１号
多列の熱交換器が湾曲部を含む場合、熱交換器曲げ時のフィン座屈が発生しやすくなり、性能および製造性低下が生じてしまう。特に、扁平多穴管のような伝熱管を使用する熱交換器では、形状が扁平であるため、断面二次モーメントが大きくなり、熱交換器を曲げるのに必要な曲げモーメントが大きくなるため、フィン座屈の発生の問題が顕著となる。
本発明は、フィン座屈の発生を低減することができる、熱交換器を提供することを目的とする。
上述した目的を達成するため、本発明は、筐体に収納され、フィンと伝熱管とをそれぞれ有する第１熱交換ユニットと第２熱交換ユニットとを備える熱交換器であって、前記第１熱交換ユニットは、平面状に形成された第３熱交換ユニットをＬ字曲げ加工により湾曲して構成され、前記第２熱交換ユニットは、平面状に形成された第４熱交換ユニットを前記第３熱交換ユニットとは別にＬ字曲げ加工により湾曲して構成され、前記第１熱交換ユニットと前記第２熱交換ユニットとを前記筐体の隣接する２つの側面の間のコーナー部に沿って相互に対向して配置した。
また、同目的を達成するための本発明は、筐体に収納され、フィンと伝熱管とをそれぞれ有する第１熱交換ユニットと、第２熱交換ユニットとを備えており、前記第２熱交換ユニットは、前記２つの側面の間のコーナー部に沿うように配置される湾曲部とこの湾曲部に隣接する平面部とを備えており、前記第１熱交換ユニットは、平面状に形成されるとともに前記平面部に対向して配置される、熱交換器である。
本発明によれば、フィン座屈の発生を低減することができる、熱交換器を提供することができる。
本発明の実施の形態１の冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１の室外熱交換器の斜視図である。 本発明の実施の形態１の個別曲げ態様を説明する平面図である。 説明例としての同時曲げ態様を説明する図である。 本発明の実施の形態２の第１の曲げ態様を説明する平面図である。 本発明の実施の形態２の第２の曲げ態様を説明する平面図である。 本発明の実施の形態３の熱交換器の特徴を説明する平面図である。
以下、本発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１の冷凍サイクル装置の構成を示す図である。冷凍サイクル装置１は、冷媒が循環する回路３を備えている。回路３は、少なくとも、圧縮機５と、室外熱交換器１００と、膨張部７と、室内熱交換器９とを含んでいる。
冷凍サイクル装置１は、暖房運転、および、冷房運転（除霜運転）の両方を行うことができ、回路３には、この運転の切り替えを行う四方弁１１が設けられている。また、図１においては、冷房運転（除霜運転）時の冷媒の流れが、点線矢印で示されており、暖房運転時の冷媒の流れが、実線矢印で示されている。
冷房運転時における冷媒の流れる向きを基準に回路３の構成要素を説明する。本願明細書では、冷房運転時における冷媒の流れる向きを基準に、入口および出口に文言を用いている。
まず、圧縮機５の出口は、四方弁１１を介して、室外熱交換器１００の入口につながっている。室外熱交換器１００の出口は、膨張部７の入口につながっている。膨張部７は、例えば、膨張弁で構成されている。
膨張部７の出口は、室内熱交換器９の入口につながっている。室内熱交換器９の出口は、四方弁１１を介して、圧縮機５の入口につながっている。
また、図中、矢印Ｗは、冷媒との熱交換を行う流体の流れを示している。具体的な例としては、矢印Ｗは、冷媒との熱交換を行う空気の流れを示している。なお、後述する図２〜図７においても同様である。
室内熱交換器９の風上側には、ファン９ａが設けられている。このファン９ａによって、室内熱交換器９に対する空気の流れが積極的に生み出されている。これら室内熱交換器９およびファン９ａは、室内機１５のケース内に収納されており、室内機１５は、室内空間に配置されている。
一方、室外熱交換器１００の風上側には、ファン１００ａが設けられている。このファン１００ａによって、室外熱交換器１００に対する空気の流れＷが積極的に生み出されている。室外熱交換器１００、ファン１００ａ、圧縮機５、膨張部７、および、四方弁１１は、室外機のケース１７内に収納されている。
図１および図２に基づき、室外熱交換器１００の詳細について説明する。図２は、室外熱交換器の斜視図である。なお、図の明瞭性を優先し、図１には、後述するフィンが図示省略されている。
室外熱交換器１００は、第１熱交換ユニットである風上列（第１列）１０１と、第２熱交換ユニットである風下列（第２列）１０２とを備えている。風上列１０１は、複数のアルミ製の風上伝熱管（第１伝熱管）１１１と、複数の風上伝熱管１１１に交差する複数のアルミ製の風上フィン（第１フィン）１１３とを備えている。風下列１０２は、複数のアルミ製の風下伝熱管（第２伝熱管）１１２と、複数の風下伝熱管１１２に交差する複数のアルミ製の風下フィン（第２フィン）１１４とを備えている。複数の風上伝熱管１１１および複数の風下伝熱管１１２はそれぞれ、扁平管であるか、または、直径が４ｍｍ以下の円管である。
風上列１０１と、風下列１０２とは、冷媒との熱交換を行う空気の流れＷに沿う方向すなわち整列方向に並んでいる。
風上列１０１は、風下列１０２よりも、室外機のケース（筐体）１７の空気取り入れ面１７ａに近い。別言すると、風下列１０２は、風上列１０１よりも、室外機のケース（筐体）１７に設けられた空気排出面１７ｂに近い。つまり、第１熱交換ユニットは、筐体に収納されるファンの動作によって発生する気流に対して第２熱交換ユニットよりも風上に配置されている。
風上列１０１において、複数の風上伝熱管１１１は、整列方向に直交する上下方向Ｙに並んでいる。同様に、風下列１０２において、複数の風下伝熱管１１２も、整列方向に直交する上下方向Ｙに並んでいる。
複数の風上フィン１１３は、平面視、複数の風上伝熱管１１１と交差している。同様に、複数の風下フィン１１４は、平面視、複数の風下伝熱管１１２と交差している。
複数の風上伝熱管１１１の入口端は、共通の風上入口ヘッダ（風上第１ヘッダ）１０３に接続されており、複数の風上伝熱管１１１の出口端は、共通の風上出口ヘッダ（風上第２ヘッダ）１０５に接続されている。また、複数の風下伝熱管１１２の入口端は、共通の風下入口ヘッダ（風下第１ヘッダ）１０４に接続されており、複数の風下伝熱管の１１２出口端は、共通の風下出口ヘッダ（風上第２ヘッダ）１０６に接続されている。
風上入口ヘッダ１０３と、風下入口ヘッダ１０４とは、複数の（本実施の形態１では２本の）入口分配管１２１を介して、入口集合管１２３の分岐部に接続されている。また、風上出口ヘッダ１０５と、風下出口ヘッダ１０６とは、複数の（本実施の形態１では２本の）出口分配管１２５を介して、出口集合管１２７の分岐部に接続されている。
風上伝熱管１１１、風上フィン１１３、風上入口ヘッダ１０３および風上出口ヘッダ１０５は、ろう付け接合により一体とされている。同様に、風下伝熱管１１２、風下フィン１１４、風下入口ヘッダ１０４および風下出口ヘッダ１０６もまた、ろう付け接合により一体とされている。
次に、上述した本実施の形態１の冷凍サイクル装置の動作について説明する。まず、暖房運転について説明する。暖房運転時は、図中、点線矢印で示したように冷媒が流れる。圧縮機５から送出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁１１を通過し、室内熱交換器９へ流入する。室内熱交換器９へ流入した冷媒は、室内空気との熱交換により冷却されたのち、膨張部７へ流入し、減圧される。減圧された低温の冷媒は、室外熱交換器１００へ流入する。
室外熱交換器１００へ流入した冷媒は、図１に示す出口集合管１２７、分岐部を経て、風上出口ヘッダ１０５および風下出口ヘッダ１０６に流入する。風上出口ヘッダ１０５および風下出口ヘッダ１０６に流入した冷媒は、それぞれ、複数の風上伝熱管１１１および複数の風下伝熱管１１２に分かれて流れる。そして、冷媒は、風上伝熱管１１１および風下伝熱管１１２を流れる間、ファン１００ａにより送出された空気により加熱されて蒸発する。
その後、蒸発した冷媒は、風上入口ヘッダ１０３および風下入口ヘッダ１０４で合流し、さらに、分岐部を経て、入口集合管１２３で合流する。室外熱交換器１００を流出した冷媒は、四方弁１１を通って、圧縮機５へ戻る。すなわち、本実施の形態１における室外熱交換器１００は、冷媒と熱交換する流体（空気）の流れとほぼ平行な方向（整列方向）に複数の列を有し、冷媒と熱交換する流体（空気）の流れとほぼ直交する方向に関して、複数の列にわたって、全ての伝熱管内の冷媒の流れが同一方向に設定されている。つまり、室外熱交換器１００は、多列直行流タイプの熱交換器である。
本実施の形態１では、風上列１０１は、第１湾曲部１０１ａを含み、風下列１０２は、第２湾曲部１０２ａを含む。そして、第１湾曲部１０１ａの湾曲内側と、第２湾曲部１０２ａの湾曲内側とは、共に、風下列１０２の一面１４０側にある。すなわち、風上列１０１と風下列１０２とは、対向して湾曲されている。
図３に示されるように、本実施の形態１では、風上列１０１と、風下列１０２とは、個別に湾曲されている。図３は、本発明の実施の形態１の個別曲げ態様を説明する平面図である。図３を用いてより具体的に説明すると、第１熱交換ユニットである変形後の風上列１０１は、第３熱交換ユニットである平面状の変形前の風上列１０１’をＬ字曲げ加工により湾曲して構成されている。また、第２熱交換ユニットである変形後の風下列１０２は、第４熱交換ユニットである平面状の変形前の風下列１０２’ をＬ字曲げ加工により湾曲して構成されており、すなわち、第２熱交換ユニットは、第３熱交換ユニットとは別に、第４熱交換ユニットをＬ字曲げ加工により湾曲して構成されている。そして、第１熱交換ユニットである変形後の風上列１０１と、第２熱交換ユニットである変形後の風下列１０２とは、筐体１７の隣接する２つの側面１８、１９（図１参照）の間のコーナー部２０（図１参照）に沿って相互に対向して配置される。このような構成により、図２に示されるような多列のパラレルフロー熱交換器の場合、ヘッダにより冷媒分配を行うため、伝熱管を列間で接続することがなく、ヘッダ同士のみを接続することで熱交換器を構成することができる。このため、図３に示されるように、風上列１０１と、風下列１０２とを、別々にＬ曲げすることが可能になる。そして、別々にＬ曲げすることで、風上列および風下列を同時にＬ曲げする場合に発生する列間の圧縮力および摩擦力の影響を低減させることができる。また、曲げに必要な曲げモーメントの大きさは列数に比例するため、一列ずつＬ曲げすることで、曲げモーメントの大きさを低減させることもできる。
また、複数列を同時にＬ曲げする場合、図４に示すように、列間の隙間を開けることができず、列同士が接触する。特に、曲げるために力のかかりやすい曲げ部においては、接触の程度が大きくなる。その場合、フィン座屈の発生し、接触部において熱損失が生じてしまい、熱交換器効率が低下する。しかしながら、本実施の形態１のように、各列を個別に曲げる態様では、それぞれの形状を組み合わせた際に、列同士が接触しないように調整（例えば、それぞれの列の湾曲部の曲率半径を調整）することで、そのような熱損失を低減することが可能となり、熱交換器を効率よく使用することができる。
以上に説明した本実施の形態１によれば、曲げに伴う列間の圧縮力および摩擦力の影響を低減させ、フィン座屈の発生を低減することができる、熱交換器を提供することが可能となる。
実施の形態２．
次に、図５および図６に基づいて、本発明の実施の形態２について説明する。図５は、本実施の形態２の第１の曲げ態様を説明する平面図である。図６は、本実施の形態２の第２の曲げ態様を説明する平面図である。なお、本実施の形態２は、以下に説明する部分を除いては、上述した実施の形態１と同様であるものとする。
本実施の形態２における第１の態様では、図５に示されるように、第２熱交換ユニットである風下列（第２列）２０２のみが曲げられており、第１熱交換ユニットである風上列（第１列）２０１は曲げられていない。すなわち、風下列２０２は、風下湾曲部２０２ａを含んでいる一方、風上列２０１は、湾曲部を含んでなく、つまり、平面視、真っ直ぐ延びている。
また、本実施の形態２における第２の態様も、図６に示されるように、風下列（第２列）２０２のみが曲げられており、風上列（第１列）２０１は曲げられていない。すなわち、風下列２０２は、風下湾曲部２０２ａを含んでいる一方、風上列２０１は、湾曲部を含んでなく、つまり、平面視、真っ直ぐ延びている。さらに、第２の態様では、風上列２０１の延長長さＬ１は、風下列２０２のストレート部の延長長さＬ２（風下湾曲部２０２ａの反対側の端部から曲げ開始部２０２ｂまでの長さ）と同じかあるいは短い。逆に言えば、第１の態様では、図５に示されるように、風上列２０１の延長長さは、風下列２０２のストレート部の延長長さよりも長い。
また、本実施の形態２の第１の態様および第２の態様ともに、風下列２０２は、風下側に湾曲して延びている。
別言すると、本実施の形態２の第１の態様および第２の態様ともに、第２熱交換ユニットは、筐体１７の２つの側面１８、１９の間のコーナー部２０に沿うように配置される湾曲部（風下湾曲部２０２ａ）と、この湾曲部に隣接する平面部とを備えており、第１熱交換ユニットは、平面状に形成されるとともに平面部に対向して配置される。
なお、詳細な図示は省略するが、本実施の形態２の第１の態様および第２の態様ともに、実施の形態１と同様、風上列２０１は、複数の風上伝熱管と、複数の風上伝熱管に交差する複数の風上フィンとを備えており、風下列２０２は、複数の風下伝熱管と、複数の風下伝熱管に交差する複数の風下フィンとを備えている。
このように構成された本実施の形態２によれば、列間Ｌ曲げ部に発生する圧縮力および摩擦力を低減することができ、フィン座屈の発生を低減することができる、熱交換器を提供することが可能となる。また、そのような熱交換器を多列（２列）同時に製造することが可能となる。また、風下列のみを曲げることから、熱交換器の延長幅（延長長さ）を調整することが容易となる。
さらに、熱交換器の炉中ろう付け時に、風上列のヘッダと風下列のヘッダとの接合が可能となり、トーチろう付けの点数を減少させることができ、生産性の向上を図ることができる。
実施の形態３．
次に、図７に基づいて、本発明の実施の形態３について説明する。図７は、本発明の実施の形態３の熱交換器の特徴を説明する平面図である。なお、本実施の形態３は、以下に説明する部分を除いては、上述した実施の形態１と同様であるものとする。
本実施の形態３では、図７に示されるように、第１熱交換ユニットである風上列３０１の延びる長さが、第２熱交換ユニットである風下列３０２の延びる長さよりも短いことを特徴とする。別言すると、第１熱交換ユニットは、筐体１７の２つの側面１８、１９の一方である第１の側面１８に対向する第１の平面部を有し、第２熱交換ユニットは、第１の側面１８に対向する第２の平面部を有し、第１の平面部の延びる長さ（水平方向長さ）は、第２の平面部の延びる長さ（水平方向長さ）よりも短い。
なお、図７は、上述した実施の形態１の特徴に対して、本実施の形態３の特徴を適用した図である。つまり、最終的に、風上列と風下列との双方が曲げられている熱交換器に対して実施した場合である。よって、上述した実施の形態２の特徴（風下列のみ曲げる態様）に対して、本実施の形態３の特徴を提供した場合は、図５に示した内容、あるいは、図６に示した内容となる。図６に示した内容によれば、第２熱交換ユニットの平面部の延びる長さ（水平方向長さ）は、第１熱交換ユニットの延びる長さ（水平方向長）さよりも長い。
本実施の形態３によれば、上記実施の形態１または２の利点が得られることに加え、次のような利点も得られる。まず、多列のパラレルフロー熱交換器では、冷媒流れが直交流となり、風下列に流入する空気は、既に、風上列で冷媒との熱交換を受けているので、風下列に流入する空気と冷媒との温度差またはエンタルピ差は、風上列に流入する空気と冷媒との温度差またはエンタルピ差に比べて小さくなり、熱交換量に差が発生し、伝熱管の出口側の冷媒の状態を揃えられない問題が生じ得る。すなわち、各列において熱交換器として有効に使用できない領域が生じ、熱交換器効率が低下する問題が生じ得る。
これに対して、本実施の形態３では、風上列延びる長さが、風下列の延びる長さよりも短いことから、風上列での圧力損失を風下列の圧力損失よりも小さくし、風上列により多くの冷媒を流すことができるようになる。さらに、風下列の伝熱面積が、風上列の伝熱面積おりも大きくなる。このため、風下列に流入する空気と冷媒との温度差またはエンタルピ差と、風上列に流入する空気と冷媒との温度差またはエンタルピ差との間の不均一の程度を、軽減することが可能となる。よって、伝熱管の出口側の冷媒の状態が、列間で揃っている状況に近づけることができ、熱交換器効率の向上を図ることができる。
以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。
上述した実施の形態では、空気調和機である冷凍サイクル装置として説明してきたが、本発明は、これに限定されるものではなく、圧縮機、膨張部、室内熱交換器、室外熱交換器を含む冷凍回路を備えた冷凍サイクル装置に広く適用することができる。よって、例えば、本発明は、給湯器である冷凍サイクル装置として実施することも可能である。
また、上述した実施の形態においては、室外熱交換器は２列の熱交換器として説明しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、３列以上の熱交換器に適用することも可能である。その場合、本発明は、上記の風下列が、３列以上の熱交換器における最も風下側の列であるものとして、実施される。
本発明を適用する熱交換器は、主熱交換器部と、副熱交換器部とを備えるものでもよい。その場合、凝縮器として運転する際には、上部に設置された主熱交換器において、ヘッダにて冷媒を多分岐させて並行して流し、冷媒を凝縮させて、ガス冷媒から液相の割合が大きい二相冷媒へと相変化させ、反対側の折り返しヘッダで再合流したのち、下部に設置された副熱交換器において、二相冷媒から液冷媒の過冷却処理を実施する。一方で、蒸発器として使用する際は、副熱交換器より冷媒が流入し、主熱交換器で二相冷媒をガス冷媒に蒸発させる。
１ 冷凍サイクル装置、３ 回路、５ 圧縮機、７ 膨張部、９ 室内熱交換器、１７ 筐体、１８、１９ 側面、２０ コーナー部、１００ 室外熱交換器、１０１、２０１、３０１ 風上列（第１熱交換ユニット）、１０１’ 風上列（第３熱交換ユニット）、１０２、２０２、３０２ 風下列（第２熱交換ユニット）、１０２’ 風下列（第４熱交換ユニット）、１０１ａ 第１湾曲部、１０２ａ 第２湾曲部、１０３ 風上入口ヘッダ（風上第１ヘッダ）、１０４ 風下入口ヘッダ（風下第１ヘッダ）、１０５ 風上出口ヘッダ（風上第２ヘッダ）、１０６ 風下出口ヘッダ（風上第２ヘッダ）、１１１ 風上伝熱管（第１伝熱管）、１１２ 風下伝熱管（第２伝熱管）、１１３ 風上フィン（第１フィン）、１１４ 風下フィン（第２フィン）、１４０ 一面。

Claims (5)

  1. 筐体に収納され、フィンと伝熱管とをそれぞれ有する第１熱交換ユニットと第２熱交換ユニットとを備える熱交換器であって、
    前記第１熱交換ユニットは、平面状に形成された第３熱交換ユニットをＬ字曲げ加工により湾曲して構成され、
    前記第２熱交換ユニットは、平面状に形成された第４熱交換ユニットを前記第３熱交換ユニットとは別にＬ字曲げ加工により湾曲して構成され、
    前記第１熱交換ユニットと前記第２熱交換ユニットとを前記筐体の隣接する２つの側面の間のコーナー部に沿って相互に対向して配置した、
    熱交換器。
  2. 前記第１熱交換ユニットは、前記筐体に収納されるファンの動作によって発生する気流に対して前記第２熱交換ユニットよりも風上に配置され、
    前記第１熱交換ユニットは前記２つの側面の一方である第１の側面に対向する第１の平面部を有し、
    前記第２熱交換ユニットは前記第１の側面に対向する第２の平面部を有し、
    前記第１の平面部の水平方向長さは、前記第２の平面部の水平方向長さよりも短い、
    請求項１の熱交換器。
  3. 筐体に収納され、フィンと伝熱管とをそれぞれ有する第１熱交換ユニットと、第２熱交換ユニットとを備えており、
    前記第２熱交換ユニットは、前記２つの側面の間のコーナー部に沿うように配置される湾曲部とこの湾曲部に隣接する平面部とを備えており、
    前記第１熱交換ユニットは、平面状に形成されるとともに前記平面部に対向して配置される、
    熱交換器。
  4. 前記第１熱交換ユニットは、前記筐体に収納されるファンの動作によって発生する気流に対して前記第２熱交換ユニットよりも風上に配置され、
    前記平面部の水平方向長さは前記第１熱交換ユニットの水平方向長さよりも長い、
    請求項３に記載の熱交換器。
  5. 圧縮機と、室外熱交換器と、膨張部と、室内熱交換器とを含む回路を備え、
    前記室外熱交換器は、請求項１〜４の何れか一項の熱交換器である、
    冷凍サイクル装置。
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