WO2015189990A1

WO2015189990A1 - 熱交換器

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Publication number: WO2015189990A1
Application number: PCT/JP2014/065766
Authority: WO
Inventors: 裕樹宇賀神; 岡崎　多佳志; 石橋　晃; 厚志望月
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2015-12-17
Also published as: JP6300915B2; EP3156752B1; EP3156752A4; EP3156752A1; JPWO2015189990A1

Abstract

　この発明に係る熱交換器は、間隔を空けて並列に配置された複数の伝熱管と、複数の前記伝熱管の各下端部に接続され各前記伝熱管と連通し冷媒を分配する分配ヘッダーと、隣接した前記伝熱管間の各風路に設けられたフィンと、を備え、前記分配ヘッダーは、頂面が風上側から風下側に下向きに傾斜している。

Description

熱交換器

　この発明は、間隔を空けて並列に配置され垂直方向に延びた複数の伝熱管の各下端部が冷媒を分配する分配ヘッダーで接続された熱交換器に関する。

　従来、幅方向が前後方向を向くように左右方向に間隔をおいて配置された複数の偏平管と、隣り合う扁平管同士の間に配置されたコルゲートフィンと、各扁平管の下端部で接続され各扁平管と連通し冷媒を分配する分配ヘッダーと、を備え、扁平管を流通する冷媒と、ファンの回転によりコルゲートフィンを流通する空気との間で熱交換される熱交換管が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６－１７０６０１号公報（図１）

　上記熱交換器では、扁平管、コルゲートフィンで生じた霜が分配ヘッダーの頂面に流下した場合、この頂面は前後方向の中央部が最高位部であり、最高位部から前後両側に向かって徐々に低い、全体の断面形状が円弧状であるので、弧を沿って流下する水滴と風向きが対向し、円滑に分配ヘッダーから排水されないという問題点があった。

　この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、簡単な構造で分配ヘッダーでの排水性を高め、着霜を防止した熱交換器を得ることを目的とする。

　この発明に係る熱交換器は、間隔を空けて並列に配置された複数の伝熱管と、
　複数の前記伝熱管の各下端部で接続され各前記伝熱管と連通し冷媒を分配する分配ヘッダーと、
　隣接した前記伝熱管間の各風路に設けられた複数のフィンと、を備え、
　前記分配ヘッダーは、上面が風上側から風下側に下向きに傾斜している。

　この発明に係る熱交換器によれば、分配ヘッダーは、頂面が風上側から風下側に下向きに傾斜しているので、重力と風の力により頂面上の水滴は、より流下し易くなっており、分配ヘッダーからの排水性が向上し、分配ヘッダー自体の着霜耐力が向上する。

この発明の実施の形態１に係る熱交換器が組み込まれた空気調和器を示す回路図である。この発明の実施の形態１の熱交換器を風上側から視たときの図である。図２の熱交換器を示す要部斜視図である。図３の分配ヘッダーの内部構成を示す図である。図２の折り返しヘッダーを示す平断面図である。図３の分配ヘッダーでの水滴の状態を示す図である。この発明の実施の形態１の熱交換器の変形例を示す要部斜視図である。この発明の実施の形態１の熱交換器のさらに変形例を示す要部斜視図である。図８の熱交換器の水滴の挙動を示す要部側面図である。この発明の実施の形態２の熱交換器を示す要部側面図である。この発明の実施の形態３の熱交換器を示す要部側面図である。

　以下、この発明の各実施の形態の熱交換器について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

　実施の形態１．
　図１は、この実施の形態１の熱交換器１が組み込まれた空気調和装置５１を示す回路図である。
　なお、図１では、冷房運転時の冷媒の流れが実線の矢印で示され、暖房運転時の冷媒の流れが点線、除霜運転時の冷媒の流れが一点鎖線の矢印で示される。
　空気調和装置５１は、圧縮機５２と、この圧縮機５２に第１電磁弁６０Ａを介して接続された四方弁５３と、第１電磁弁６０Ｃを介して接続された絞り装置５５と、四方弁５３と第１電磁弁６０Ｂを介して接続された熱源側熱交換器５４と、この熱源側熱交換器５４と第１電磁弁６０Ｃを介して接続された絞り装置５５と、この絞り装置５５と一方が接続されているとともに他方が四方弁５３に接続された負荷側熱交換器５６と、を備えている。
　また、空気調和装置５１は、熱源側熱交換器５４に対向して設けられた熱源側ファン５７と、負荷側熱交換器５６に対向して設けられた負荷側ファン５８と、第２電磁弁６１と、制御装置５９と、を備えている。
　圧縮機５２、四方弁５３、熱源側熱交換器５４、絞り装置５５及び負荷側熱交換器５６は、冷媒配管を介してそれぞれ接続されて、冷媒循環回路が形成される。

　制御装置５９には、圧縮機５２、四方弁５３、絞り装置５５、熱源側ファン５７、負荷側ファン５８、第１電磁弁６０Ａ～Ｃ、第２電磁弁６１、各種センサ等が接続される。
　制御装置５９によって、四方弁５３の流路が切り替えられることで、冷房運転と暖房運転とが切り替えられる。熱源側熱交換器５４は、冷房運転時に凝縮器として作用し、暖房運転時に蒸発器として作用する。
　負荷側熱交換器５６は、冷房運転時に蒸発器として作用し、暖房運転時に凝縮器として作用する。
　第１電磁弁６０Ａ～Ｃは冷房運転時、暖房運転時は開いており、除霜運転時には閉じている。第２電磁弁６１は冷房運転時、暖房運転時は閉じており、除霜運転時には開いている。

　次に、上記空気調和装置５１における冷房運転時の冷媒の流れについて説明する。
　圧縮機５２から吐出される高圧高温のガス状態の冷媒は、第１電磁弁６０Ａ、四方弁５３、第１電磁弁６０Ｂを介して熱源側熱交換器５４に流入し、熱源側ファン５７によって供給される外気との熱交換によって凝縮することで高圧の液状態の冷媒となり、熱源側熱交換器５４から流出する。
　熱源側熱交換器５４から流出した高圧の液状態の冷媒は、第１電磁弁６０Ｃを介して絞り装置５５に流入し、低圧の気液二相状態の冷媒となる。絞り装置５５から流出する低圧の気液二相状態の冷媒は、負荷側熱交換器５６に流入し、負荷側ファン５８によって供給される室内空気との熱交換によって蒸発することで低圧のガス状態の冷媒となり、負荷側熱交換器５６から流出する。負荷側熱交換器５６から流出する低圧のガス状態の冷媒は、四方弁５３を介して圧縮機５２に吸入される。

　次に、暖房運転時の冷媒の流れについて説明する。
　圧縮機５２から吐出される高圧高温のガス状態の冷媒は、第１電磁弁６０Ａ、四方弁５３を介して負荷側熱交換器５６に流入し、負荷側ファン５８によって供給される室内空気との熱交換によって凝縮することで高圧の液状態の冷媒となり、負荷側熱交換器５６から流出する。負荷側熱交換器５６から流出した高圧の液状態の冷媒は、絞り装置５５に流入し、低圧の気液二相状態の冷媒となる。絞り装置５５から流出する低圧の気液二相状態の冷媒は、第１電磁弁６０Ｃを介して熱源側熱交換器５４に流入し、熱源側ファン５７によって供給される外気との熱交換によって蒸発することで低圧のガス状態の冷媒となり、熱源側熱交換器５４から流出する。熱源側熱交換器５４から流出する低圧のガス状態の冷媒は、第１電磁弁６０Ｂ、四方弁５３を介して圧縮機５２に吸入される。

　次に、除霜運転時の冷媒の流れについて説明する。
　圧縮機５２から吐出される高圧高温のガス状態の冷媒は、第２電磁弁６１を介して熱源側熱交換器５４に流入し、熱源側熱交換器５４に付着した霜を融かしながら熱交換することで、気液二相、あるいはガス状態の冷媒は、熱源側熱交換器５４から流出する。熱源側熱交換器５４から流出した高圧の気液二相、あるいはガス状態の冷媒は絞り装置５５に流入し、低圧の気液二相、あるいはガス状態の冷媒となる。絞り装置５５から流出する低圧の気液二相、あるいはガス状態の冷媒は、負荷側熱交換器５６を通過する。負荷側熱交換器５６を通過した低圧の気液二相、あるいはガス状態の冷媒は、四方弁５３を介して圧縮機５２に吸入される。

　熱源側熱交換器５４に暖房運転時の冷媒の流れ方向から霜が付着していき、霜が成長する。空気調和機は除霜するとき、冷媒は冷房運転時の流れ方向で行うため、霜が成長している部分の除霜が遅れてしまう。一方、前述したように冷媒を暖房運転時の流れ方向で行えば、高温のガスを成長している部分から流すことができるので除霜効率が上がり、除霜時間を短くすることができる。

　図２は、図１に示した熱源側熱交換器５４であって、この発明の実施の形態１の熱交換器１を風上側から視たときの図、図３は図２の熱交換器１を示す要部斜視図、図４は図３の分配ヘッダー２、７の内部構成を示す図、図５は図２の折り返しヘッダーを示す平断面図である。なお、図３においては、一対の扁平管４に挟まれたコルゲートフィン５、一対の扁平管６に挟まれたコルゲートフィン５のみを示しており、他の並列に配置された扁平管４，６及びコルゲートフィン５は省略されている。
　この熱交換器１は、矢印Ｃに示す風向に対して、鉛直方向から視て直角方向に配置された第１分配ヘッダー２と、この第１分配ヘッダー２と並設された第２分配ヘッダー７と、この第１分配ヘッダー２に下端部が接続され上端部が垂直方向に延びているとともに等間隔で複数配置された第１伝熱管である第１扁平管４と、第１分配ヘッダー２及び第２分配ヘッダー７と対向して設けられているととともに各第１扁平管４の上部が接続された折り返しヘッダー３と、上端部がこの折り返しヘッダー３に接続され下端部が第２分配ヘッダー７に接続されているとともに等間隔で複数配置された第２伝熱管である第２扁平管６と、隣接した第１扁平管４間、隣接した第２扁平管６間のぞれぞれの風路に設けられたコルゲートフィン５と、を備えている。

　第１分配ヘッダー２及び第２分配ヘッダー７は、同一形状で断面矩形状である。
　第１分配ヘッダー２は、水平方向に延びた、冷媒が流入する冷媒流入部２Ａを有する。この冷媒流入部２Ａには、冷媒配管が接続される。また、第１分配ヘッダー２は、内部に水平方向に延びた分配パイプ２Ｂが設けられている。この分配パイプ２Ｂには、冷媒流入部２Ａの先端部が垂直に接続されている。
　また、内部が中空の第２分配ヘッダー７は、水平方向に延びた、冷媒が流出する冷媒流出部７Ａを有する。この冷媒流出部７Ａには、冷媒配管が接続される。
　第１分配ヘッダー２には、第１扁平管４の下端部が挿入する複数の穴が形成されている。
　第２分配ヘッダー７には、各第２扁平管６の下端部が挿入する複数の穴が形成されている。
　第１分配ヘッダー２及び第２分配ヘッダー７は、それぞれ頂面が風上側から風下側に沿って下った傾斜面１０、１１を有している。この傾斜面１０、１１の始点は、第１分配ヘッダー２から垂直方向に延びた第１扁平管４の上側の接続点より高い。
　なお、各分配ヘッダー２、７の内部に、第１扁平管４、第２扁平管６のそれぞれの分配比率を調整するための仕切り板を設けるようにしてもよい。

　折り返しヘッダー３は、第１扁平管４及び第２扁平管６の各上端部が挿通する穴が形成されている。第１扁平管４と、第２扁平管６とはそれぞれ長手方向で対向している。この対の第１扁平管４及び第２扁平管６に隣接した対の第１扁平管４及び第２扁平管６との間には、仕切り壁８が設けられている。この仕切り壁８により、図５の矢印Ａの方向に冷媒が流れるように規制される。
　第１分配ヘッダー２、折り返しヘッダー３、第２分配ヘッダー７、第１扁平管４、第２扁平管６、コルゲートフィン５及び分配パイプ２Ｂは、例えば、アルミニウム製である。また、冷媒流入部２Ａ、及び冷媒流出部７Ａの本数はそれぞれ複数であってもよい。

　第１扁平管４及び第２扁平管６は、それぞれ内部に個別に垂直方向に延びた複数の流路４ａ、６ａを有する扁平管である。この矩形状をした第１扁平管４及び第２扁平管６は、長手方向が垂直方向であり、短手は風向に沿って配設されている。コルゲートフィン５と第１扁平管４との接合、コルゲートフィン５と第２扁平管６との接合は、それぞれロウ付けが好ましい。なお、第１扁平管４及び第２扁平管６の本数は、図２に示されている本数に限定されないのは勿論である。

　次に、熱交換器１における冷媒の流れについて説明する。
　冷媒配管を流れる冷媒は、冷媒流入部２Ａを介して第１分配ヘッダー２に流入して分配され、複数の第１扁平管４の下端部から第１扁平管４の各流路４ａを上方向に向けて流れる。この冷媒は、第１扁平管４を流れる間、ファンによってコルゲートフィン５を流通する空気と熱交換する。
　第１扁平管４を流通する冷媒は、折り返しヘッダー３に達し、そこで折り返され、第２扁平管６の各流路６ａを流下する。この冷媒は、第１扁平管４を流れる間、ファンによってコルゲートフィン５を流通する空気と熱交換する。
　各第２扁平管６を流下した冷媒は、第２分配ヘッダー７で合流し、冷媒流出部７Ａを介して冷媒配管に流出する。なお、冷媒の流れ方向を、反対にすることも可能である。

　次に、上記構成の熱交換器１の効果について説明する。
　図６に示すように、第１分配ヘッダー２及び第２分配ヘッダー７に排水された水滴１２は、第１分配ヘッダー２、第２分配ヘッダー７の傾斜面１０、１１により、矢印Ｂの重力方向へ流れる。さらに、熱交換器１を流れる風は、矢印Ｃに示すように分配ヘッダー２，７の傾斜面１０、１１に沿って流れるため、重力と風の力により水滴１２は、より流れ易くなっている。そのため、排水性が向上し、ヘッダー２、７自体の着霜耐力が向上する。

　図７はこの発明の実施の形態１の熱交換器１の変形例を示す要部斜視図である。
　この変形例では、傾斜面１０、１１は、風上から風下側に向かって下った円弧形状である。
　この傾斜面１０の始点は、第１分配ヘッダー２から垂直方向に延びた第１扁平管４の上側の接続点より高く、傾斜面１１の始点は、第２分配ヘッダー７から垂直方向に延びた第２扁平管６の上側の接続点より高い。
　他の構成は、図３の熱交換器１と同じである。
　この変形例では、第１分配ヘッダー２及び第２分配ヘッダー７に排水された水滴１２は、傾斜面１０，１１の傾斜により重力方向へ流れる。さらに、分配ヘッダー２，７の頂面の傾斜面１０、１１は、流線型上になっているため、熱交換器１を流れる風は直線形状のものと比較してより分配ヘッダー２、７沿って流れるため、重力と風の力により水滴１２はより流れ易くなっている。
　そのため、分配ヘッダー２、７は、排水性が向上し、着霜耐力が向上する。

　図８はこの発明の実施の形態１の熱交換器１のさらに変形例を示す要部斜視図である。この変形例では、図３のものと頂面の傾斜面１０、１１は、同じ形状であるが、第１分配ヘッダー２と第２分配ヘッダー７とが対向する対向面は、下側に沿って互いに離間距離が大きい傾斜面１３、１４を有している点で異なる。
　他の構成は、図３の熱交換器１と同じである。

　例えば、熱交換器１を複数列に配置し、設置スペースの制約から第１分配ヘッダー２と第２分配ヘッダー７との距離が短くせざるを得ない場合がある。
　この場合、第１分配ヘッダー２及び第２分配ヘッダー７の頂面から流下する水滴１２が第１分配ヘッダー２と第２分配ヘッダー７との間で表面張力によってブリッジしてしまい、ブリッジした部位から霜が成長してしまう。
　これに対しては、第１分配ヘッダー２と第２分配ヘッダー７は、互いに対向する面に垂直方向に対して傾斜した傾斜面１３、１４を有しており、傾斜面１３、１４の下側に向かうに従って、互いの離間距離が大きくなる。
　従って、図９に示すように、それだけ第１分配ヘッダー２と第２分配ヘッダー７との間で水滴１２がブリッジしにくくなり、第１分配ヘッダー２及び第２分配ヘッダー７の着霜耐力が向上する。

　実施の形態２．
　図１０は、この発明の実施の形態２の熱交換器の要部を示す斜視図である。
　この実施の形態では、コルゲートフィン５は、前縁部が第１扁平管４、第２扁平管６の風上側の端面よりも風上側に突出している。
　また、コルゲートフィン５は、風上側から風下側に向かうに従って下側に傾斜してある。
　他の構成は、実施の形態１の熱交換器１と同じである。

　この実施の形態では、フィン５の前縁部が扁平管４、６の風上側より風上側に出ているので、コルゲートフィン５の前縁部にある水滴１２は、滴下するときに扁平管４，６に伝わることなく滴下し、コルゲートフィン５での排水性が向上する。
　また、コルゲートフィン５は、風上側から風下側へ下側に向けて傾斜しているので、重力と風の両方の力で排水され、コルゲートフィン５での排水性がさらに向上する。

　実施の形態３。
　図１１は、この発明の実施の形態３の熱交換器１の要部を示す側面図である。
　この実施の形態では、接合部１５で両側が扁平管４，６によりろう付けされたフィン５は、風上から風下に下側に向いて傾斜している。
　また、扁平管４、６には、コルゲートフィン５との接合部１５に沿って傾斜して直線状に延びた排水溝９が形成されている。
　他の構成は、実施の形態２の熱交換器１と同じである。

　この実施の形態では、コルゲートフィン５からの水滴１２は、第１扁平管４及び第２扁平管６に伝わり、重力によって排水溝９に溜まっていく。排水溝９に溜まった水滴１２は、重力と風の両方の力によって押し出されるので、第１扁平管４及び第２扁平管６での排水性が向上する。

　なお、上記各実施の形態では、熱交換器が空気調和装置に使用される場合を説明したが、勿論空気調和装置に用途が限定されるものではなく、例えば冷媒循環回路を有する他の冷凍サイクル装置に使用されてもよい。
　また、空気調和装置が、冷房運転と暖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、冷房運転又は暖房運転のみを行うものであってもよい。
　また、コルゲートフィン５は一例であり、コルゲート状に限定されるものではない。
　第１扁平管４及び第２扁平管６は一例であり、扁平状に限定されない。

　１　熱交換器、２　第１分配ヘッダー、２Ａ　冷媒流入部、　２Ｂ　分配パイプ、３　折り返しヘッダー、４　第１扁平管（第１伝熱管）、５　コルゲートフィン、６　第２扁平管（第２伝熱管）、７　第２分配ヘッダー、７Ａ　冷媒流出部、８　仕切り壁、９　排水溝、１５　接合部、５１　空気調和装置、５２　圧縮機、５３　四方弁、５４　熱源側熱交換器、５５　絞り装置、５６　負荷側熱交換器、５７　熱源側ファン、５８　負荷側ファン、５９　制御装置、６０Ａ～Ｃ　第１電磁弁、６１　第２電磁弁。

Claims

　間隔を空けて並列に配置された複数の伝熱管と、
　複数の前記伝熱管の各下端部で接続され各前記伝熱管と連通し冷媒を分配する分配ヘッダーと、
　隣接した前記伝熱管間の各風路に設けられた複数のフィンと、を備え、
　前記分配ヘッダーは、頂面が風上側から風下側に下向きに傾斜している熱交換器。
　傾斜した前記頂面である前記傾斜面は、中間部において上側に突出した円弧上である請求項１に記載の熱交換器。
　前記分配ヘッダーは、風向に向かって少なくとも２列配列され、互いに対向した対向面は、下側に沿って離間距離が大きくなる傾斜面である請求項１または２に記載の熱交換器。
　前記フィンの前記風上側の端面は、前記伝熱管の前記風上側の端面より前記風上側に突出している請求項１～３の何れか１項に記載の熱交換器。
　前記フィンは、前記風上側から前記風下側に下向きに傾斜して設けられている請求項１～４の何れか１項に記載の熱交換器。
　前記伝熱管は、前記フィンとの接合部の面に、前記風上側から前記風下側に下向きに傾斜した溝が形成されている請求項１～５の何れか１項に記載の熱交換器。
　前記伝熱管は、複数の流路を有し長手方向が垂直方向である扁平管である請求項１～６の何れか１項に記載の熱交換器。
　前記フィンは、コルゲートフィンである請求項１～７の何れか１項に記載の熱交換器。
　前記熱交換器は、空気調和装置の熱源側熱交換器であり、この熱源側熱交換器では、前記冷媒の流れ方向が除霜時と暖房時とで同じである請求項１～８の何れか１項に記載の熱交換器。