WO2017208558A1

WO2017208558A1 - 熱交換器

Info

Publication number: WO2017208558A1
Application number: PCT/JP2017/009897
Authority: WO
Inventors: 松田　和也; 石井　英二
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2017-03-13
Publication date: 2017-12-07
Also published as: DE112017002266T5; JP6678235B2; JPWO2017208558A1

Abstract

入口ヘッダと、出口ヘッダと、これらの間に配置された複数の伝熱管と、を備えた熱交換器であって、伝熱管の内部は、冷媒の流路であり、伝熱管の下端部は、入口ヘッダの内部に配置され、入口ヘッダの内部にある伝熱管は、伝熱管の内部にガス冷媒が流入するように設けられた貫通孔を有する。これにより、複数の伝熱管を有する熱交換器において、それぞれの伝熱管に分配して供給する冷媒の気液比の均一化を図るとともに、伝熱管入口で二相流を形成させて伝熱性能を高めることができる。

Description

熱交換器

　本発明は、気液二相流となる冷媒を用いる熱交換器に関する。

　近年、ヒートポンプシステムに用いられる熱交換器は、管外の通風抵抗低減および管内伝熱性能向上を目的として、伝熱管の細径化が進んでいる。細径化に伴って、伝熱管内の圧力損失が増加するため、複数の伝熱管を組み合わせて流路を並列に構成することで、圧力損失を低減させている。

　従来の熱交換器としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１では、複数の微小径の長孔を備える扁平型多穴管と、この扁平型多穴管を平行に複数配置しその両端を固定するヘッダと、前記扁平型多穴管と接触して配置されるコルゲートフィンとを有する、空冷式のマイクロチューブ型熱交換器が示されている。この特許文献１では、各長孔内を平行に冷媒が流れる構成となっている。

　また、その他の熱交換器の例として、例えば、特許文献２に記載されたものがある。この特許文献２では、上下方向に離設した入口ヘッダと出口ヘッダ間を複数本の伝熱細管で連結し、伝熱細管部にメッシュフィンを設けてなる多パス型熱交換器において、入口ヘッダ開口部と出口ヘッダ開口部とを所定の長さの気液分離筒で連結するとともに、気液分離筒上部に気液２相冷媒の供給管を接続した気液分離型熱交換器が示されている。

特開２００１－２６３８６１号公報特開平６－１１７７２８号公報

　特許文献１に記載されているような多並列の熱交換器では、入口側のヘッダから流入した気液二相流の冷媒が各長孔に分配される際に、均等な気液比で分配できない課題があった。このため、液冷媒が他の長孔に比べて少なく分配された長孔では、外部空気側からの熱で液冷媒がすぐに蒸発してしまい、長孔内の温度が上昇するために、熱交換性能が低下する問題があった。さらに、液冷媒が他の長孔に比べて多く分配された長孔では、液冷媒がすべて蒸発しきれないため、下流側の圧縮機で液圧縮が発生し、圧縮機が破損する可能性がある課題があった。

　また、特許文献２に記載されているような出入口ヘッダ間を気液分離器でバイパスさせる熱交換器では、伝熱管には液冷媒のみが流入するため、冷媒の分配は均一化できる。しかしながら、伝熱管入口付近においては、液単相状態であるために、二相流状態に比べて冷媒側の伝熱性能が低下し、外部空気側からの熱が冷媒に効率よく伝わらない課題があった。

　本発明の目的は、複数の伝熱管を有する熱交換器において、それぞれの伝熱管に分配して供給する冷媒の気液比の均一化を図り、かつ、伝熱管における伝熱性能を高めることにある。

　上記目的を達成するために、本発明の熱交換器は、入口ヘッダと、出口ヘッダと、これらの間に配置された複数の伝熱管と、を備え、伝熱管の内部は、冷媒の流路であり、伝熱管の下端部は、入口ヘッダの内部に配置され、入口ヘッダの内部にある伝熱管は、伝熱管の内部にガス冷媒が流入するように設けられた貫通孔を有する。

　本発明によれば、複数の伝熱管を有する熱交換器において、それぞれの伝熱管に分配して供給する冷媒の気液比の均一化を図るとともに、伝熱管入口で二相流を形成させて伝熱性能を高めることができる。

実施例１の熱交換器を示す斜視図である。図１の入口ヘッダ１１の内部構造を示す断面図である。実施例１のヒートポンプシステムを示す概略構成図である。実施例２の熱交換器を示す斜視図である。実施例２のヒートポンプシステムを示す概略構成図である。図４の入口ヘッダ１１の内部構造を示す断面図である。実施例３の熱交換器の入口ヘッダ付近を示す部分斜視図である。図７の入口ヘッダ１１の底部を示す部分断面図である。

　本発明は、冷媒の相変化を用いたヒートポンプにおいて、内部に低温の気液二相流の冷媒を流し、外部の高温熱源と熱交換を行うために用いられる熱交換器に関する。ヒートポンプは、冷蔵庫、給湯器、空気調和機等に適用される。

　以下、本発明の熱交換器に係る具体的な実施例について、図面を用いて説明する。各図において、同一符号を付した部分は、同一の或いは相当する部分を示している。

　本実施例１は、図１～図３を用いて説明する。

　まず、図１により、本実施例の熱交換器の構成を説明する。

　図１は、本実施例の熱交換器を示す斜視図である。

　図１において、熱交換器１は、入口ヘッダ１１、出口ヘッダ１２、複数の伝熱管１３、フィン１４、液配管１５、ガス配管１６、出口配管１７などを備えている。図１中のｇは、重力の方向を示している。入口ヘッダ１１と出口ヘッダ１２との間には、複数の伝熱管１３及びフィン１４が配置されている。フィン１４は、伝熱管１３の外部との伝熱特性を向上するためのものである。

　入口ヘッダ１１には、複数の伝熱管１３、液配管１５及びガス配管１６が接続されている。本実施例では、入口ヘッダ１１は、液配管１５及びガス配管１６から流入する冷媒を複数の伝熱管１３へ流すことができるように構成されている。そして、伝熱管１３を通過した冷媒は、出口ヘッダ１２を通過し、出口配管１７に流出するようになっている。

　図２は、図１の入口ヘッダ１１の内部構造を示す断面図である。図２は、図１の線分ＡＡ’を含む断面を矢印の方向に見たものである。図２中のｇは、図１と同様に重力方向を示している。

　図２においては、入口ヘッダ１１は、液溜部１１５とガス溜部１１６とに分けられている。伝熱管１３は、入口ヘッダ１１の上部からガス溜部１１６を貫通し、液溜部１１５に達している。伝熱管１３のガス溜部１１６の領域には、穴１３１（貫通孔）が設けられ、ガス冷媒が伝熱管１３に流入するようになっている。言い換えると、穴１３１（貫通孔）は、伝熱管１３の外壁面から内壁面に貫通している。

　なお、液配管１５及びガス配管１６は、入口ヘッダ１１内まで貫通していないが、液溜部１１５及びガス溜部１１６との位置関係を明瞭にするため、破線で示している。

　冷媒は、熱交換器１へ流入する前に、熱交換器１の上流側に配置された気液分離器により、液冷媒とガス冷媒とに分離される。分離された液冷媒は液配管１５から液溜部１１５へ、ガス冷媒はガス配管１６からガス溜部１１６へ、それぞれ流入し、伝熱管１３へ流れる。したがって、入口ヘッダ１１内に入った液冷媒及びガス冷媒は、入口ヘッダ１１内では気液分離されたままの状態となっている。入口ヘッダ１１内に流入した液冷媒は、伝熱管１３の下端部から伝熱管１３に流入する。一方、入口ヘッダ１１内に流入したガス冷媒は、穴１３１から伝熱管１３に流入する。

　液冷媒が伝熱管１３に流入する前に入口ヘッダ１１内で気化すると、複数の伝熱管１３における一様な冷媒分配に影響を与える。これを防止するため、入口ヘッダ１１は、外気となるべく熱交換せずに伝熱管１３へ冷媒を輸送するのがよい。したがって、入口ヘッダ１１の材質は、主に外気と熱交換を行う伝熱管１３と比べて熱伝導率の低い材料がよく、例えば樹脂材またはステンレス鋼が好適である。なお、入口ヘッダ１１を、伝熱管１３と同様、銅等の熱伝導率が高い材料で形成した場合であっても、入口ヘッダ１１の周囲を断熱材等で覆うことにより、入口ヘッダ１１における液冷媒の気化を防止することができる。

　次に、入口ヘッダ１１から伝熱管１３への冷媒の移動について説明する。

　伝熱管１３入口は、液溜部１１５とつながっているため、伝熱管１３の管入口（下端部）では、まず、液冷媒が流入する。その後、ガス溜部１１６内にある、伝熱管１３に設けた穴１３１からガス冷媒が伝熱管１３へ流入する。したがって、伝熱管１３内では、冷媒は、再び二相流として流れる。

　伝熱管１３は、入口ヘッダ１１と出口ヘッダ１２との間に配置されている。また、伝熱管１３の管外は、フィン１４と接続されており、フィン１４周囲の空気と伝熱管１３内部の冷媒とを熱交換させ、冷媒を気化することができる。このため、伝熱管１３は、熱伝導率の高い材料、例えば銅やアルミニウムが好適である。

　本実施例においては、伝熱管１３は、円管であるが、楕円形の管や四角形の管等、他の管形状としてもよい。また、棒材の長手方向に複数の長孔を設け、それぞれの長孔を管として伝熱管１３を構成してもよい。伝熱管１３は、入口途中でガス冷媒を導入できるよう、穴１３１が開けられている。穴１３１の形状や大きさ、数、位置は、本実施例に限定されるものではなく、液冷媒がガス溜部１１６へ逆流せず、かつ、冷媒が伝熱管１３内でスラグ流を形成して出口ヘッダ１２へ流れるように、伝熱管１３の内径、冷媒の流量、圧縮機の動力等に応じて適切に設計することができる。

　出口ヘッダ１２では、複数の伝熱管１３でガス化したガス冷媒が再合流し、出口配管１７へ流れる。出口ヘッダ１２へ流入する冷媒は、ガス単相であるため、入口ヘッダ１１のように液溜部とガス溜部のような区切りは必要ない。出口ヘッダ１２の材質は、液冷媒の気化を抑制する必要がないため、樹脂材やステンレス鋼で無くてもよく、断熱材も不要である。

　フィン１４は、高温空気からの熱を効率よく伝熱管１３内の冷媒へ伝える必要がある。
このため、フィン１４も、伝熱管１３と同様、アルミニウムや銅などの熱伝導率の高い材料で構成されることが望ましい。また、外部の空気とフィン１４との熱伝達率を向上させるために、フィン１４に溝やスリット等を設けてもよい。

　フィン１４と伝熱管１３との接続部では、熱を効率よく伝える必要がある。このために、例えば、あらかじめ開けたフィン１４の穴に伝熱管１３を挿入し、その後、伝熱管１３を拡管してフィン１４と伝熱管１３との接触部分の面圧を大きくするか、熱伝導性の高い接着剤やグリス等で接続部分の隙間を埋める、または溶接やロウ付け、はんだ付け等により一体化させるのが好ましい。本実施例では、冷媒は空気と熱交換するためにフィン１４を設けたが、例えば高温水や熱源と接続されたヒートシンク等、別の流体・固体と熱交換を行う場合も考えられる。その場合は、熱交換する高温媒体に応じて、フィン１４をシェルチューブ熱交換器のように流体を流す流路とすること、又はヒートシンクと一体化させることが好ましい。

　液配管１５、ガス配管１６及び出口配管１７は、熱交換器１と圧縮機や膨張弁等の他の装置とを接続するために設けられている。これらの材質は、無駄な熱侵入や熱放出がないよう、外部との熱交換のない断熱状態を維持できるものが好ましい。しかし、例えば一般の空気調和機等においては装置の位置や配管の長さが設置場所により異なる。したがって、断熱維持に加えて加工しやすい材料がよく、銅等の加工が容易な材料とし、外周を図示しない断熱材で囲むことでより、効率が高いヒートポンプシステムとすることができる。

　次に、本実施例のヒートポンプシステムの構成と動作について図３を用いて説明する。

　図３は、本実施例のヒートポンプシステムの概略構成を示したものである。

　本図に示すように、ヒートポンプシステム１０は、熱交換器１、凝縮器２、膨張弁３、圧縮機４、気液分離器５等から構成されている。

　凝縮器２は、空気や水等の外部作動流体と、圧縮機４により圧縮された冷媒とを熱交換させることにより、冷媒を再凝縮させるものである。再凝縮した冷媒は、膨張弁３に送られる。膨張弁３は、凝縮器２で再凝縮した冷媒を断熱膨張させる。断熱膨張した冷媒は、気液二相流となり、気液分離器５へ流入する。気液分離器５では、冷媒は、液とガスとに分離され、液配管１５及びガス配管１６を通って熱交換器１へ流入する。なお、図３においては、気液分離器５を熱交換器１の外部に配置しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、気液分離器５を熱交換器１の内部に配置してもよい。また、気液分離器５は、図１の入口ヘッダ１１に付設してもよい。さらに、気液分離器５は、図１の入口ヘッダ１１と一体化してもよい。

　図２に示すように、熱交換器１に流入した液冷媒は、複数の伝熱管１３に均等に分配された後、穴１３１から流入したガス冷媒とスラグ流を形成し、高温空気と熱交換して気化する。その後、気化した冷媒は、出口ヘッダ１２及び出口配管１７で再び合流し、圧縮機４により圧縮された後、再度凝縮器２へ流入する。

　本実施例によれば、気液分離器５により液とガスとに分離された冷媒が、熱交換器１の液溜部１１５およびガス溜部１１６に分けて入れられ、各伝熱管１３内の冷媒が均等に送られる。このため、伝熱管１３を無駄なく機能させることができ、熱交換器１の効率を高めることができる。

　さらに、伝熱管１３の穴１３１からガス冷媒を再導入することで、伝熱管１３内に気液二相のスラグ流を形成することができる。スラグ流では、液単相流と比較して、スラグ気泡と伝熱管１３壁面との間の薄い液膜層で蒸発が起きるため、熱伝達率が大きくなる。したがって、高温空気からの熱が効率よく液冷媒へ伝わり、伝熱性能の高い熱交換器とすることができる。

　伝熱管１３を流れる液冷媒への熱伝達性を向上するためには、伝熱管１３の管径が小さいほどよく、伝熱管１３が円管の場合には、その内径は、１．０ｍｍ以下にすることが好ましく、０．５ｍｍ以下とすることが更に好ましい。また、伝熱管１３が円管以外の場合には、その水力等価直径（冷媒流路の直径）は、１．０ｍｍ以下とすればよい。この場合も、０．５ｍｍ以下とすれば更に好ましい。なお、本明細書においては、円管の内径及び円管以外の水力等価直径をともに「内径」と呼ぶことにする。

　管径を小さくするのに伴って、冷媒の流動に伴う圧力損失の増加や、伝熱管１３が閉塞する可能性がある。したがって、管径の下限は、使用する冷媒の物性からこれらの影響を考慮して決める必要がある。

　なお、ヒートポンプシステム１０は、その能力によって冷媒の循環量を定める必要がある。例えば、数百Ｗ程度の小型のヒートポンプシステムであれば、図１に示す伝熱管１３のそれぞれの長さは、液冷媒の圧力損失の観点から、２００ｍｍ以下が望ましく、１００ｍｍ以下が更に望ましい。

　また、熱交換器１が若干傾き、入口ヘッダ１１が水平を保っていない場合であっても、本実施例においては、液溜部１１５とガス溜部１１６とに分けられているため、液冷媒の均一分配を維持することができる。

　本実施例２は、図４～図６を用いて説明する。

　図４は、本実施例２の熱交換器を示す斜視図である。

　図４に示すように、本実施例では、冷媒が流入する前に気液分離を行わず、冷媒を入口配管１８から熱交換器１へ流入させる点が実施例１と異なる。この違いに対応して、図３の気液分離器５は、後述の図５に示すとおり、本実施例においては用いていない。また、入口ヘッダ１１の内部構造は、後述の図６に示すとおりとしている。その他の構成は、実施例１と同様である。

　図５は、本実施例のヒートポンプシステム１０の構成を示したものである。

　本図に示すように、実施例１で用いている気液分離器は、用いていない。このため、冷媒は、気液二相流状態のまま熱交換器１へ流入する。

　本実施例におけるヒートポンプシステム１０の動作は、次のとおりである。

　図５において、圧縮機４で昇圧された冷媒は、凝縮器２に流れ、凝縮され、液化する。
液冷媒は、膨張弁３で断熱膨張し、気液二相流となる。その後、熱交換器１へ流入する。
熱交換器１において気化した冷媒は、再び、圧縮機４で昇圧され、凝縮器２に送られる。

　図６は、図４の入口ヘッダ１１の内部構造を示したものである。図６は、図４の線分ＡＡ’を含む断面を矢印の方向に見たものである。図６中のｇは、図４と同様に重力方向を示している。

　図６においては、入口ヘッダ１１の内部に仕切りはなく、冷媒貯留部１８１が設けられている。入口ヘッダ１１の上部を貫通した複数の伝熱管１３は、冷媒貯留部１８１の液冷媒が溜まる部分に達するように配置されている。また、それぞれの伝熱管１３には、ガス冷媒が溜まる部分に穴１３１が設けられ、ガス冷媒が伝熱管１３に流入するようになっている。言い換えると、通常、入口ヘッダ１１内に流入する液冷媒は、入口ヘッダ１１内ですべてが蒸発することはなく、入口ヘッダ１１内に蓄積されるため、定常運転に達するまでには、冷媒の液面が伝熱管１３の下端部より高くなる。よって、伝熱管１３の下端部は、入口ヘッダ１１の内部に配置されていれば、液冷媒が伝熱管１３の下端部から流入することになる。そして、入口ヘッダ１１の内部にある伝熱管１３は、伝熱管１３の内部にガス冷媒が流入するように設けられた穴１３１（貫通孔）を有するため、ガス冷媒が穴１３１から流入することにより、一旦分離された液冷媒とガス冷媒とが再度合流する。これにより、二相のスラグ流を形成することができ、液単相流と比較して、熱伝達率を大きくすることができる。なお、伝熱管１３の下端部は、入口ヘッダ１１の底面に近いほど望ましい。冷媒貯留部１８１に蓄積される液冷媒が早期に伝熱管１３の下端部に達するようになるからである。なお、入口ヘッダ１１が水平に設置されることを前提として、すべての伝熱管１３の下端部は、同じ高さとすることが望ましい。これにより、冷媒貯留部１８１に蓄積される液冷媒の液面がほぼ同時にすべての伝熱管１３の下端部に達するようになる。

　図５に示す膨張弁３を通過した気液二相流の冷媒は、入口配管１８から冷媒貯留部１８１へ流入する。入口配管１８は、入口ヘッダ１１内まで貫通していないが、入口ヘッダ１１における接続位置を明瞭にするため、破線で示している。また、冷媒の液面も破線で示している。図６に示すように、定常的な運転時には、冷媒の液面が伝熱管１３の下端部より高く、かつ、穴１３１より低い位置となるように、冷媒貯留部１８１の体積が冷媒の循環量に比べて十分大きい構成とし、伝熱管１３の下端部及び穴１３１の位置を設定している。このような構成とすることによって、冷媒貯留部１８１内においては、冷媒が気液密度差により自動的に分離される。

　また、図６においては、入口配管１８は、冷媒貯留部１８１の側面部のうち上部に接続している。このように配置したほうが、入口配管１８から冷媒貯留部１８１に流入する液冷媒が冷媒貯留部１８１の下部に溜まっている液冷媒の液面を乱すことが少ないと考えられる。

　なお、液冷媒の液面の乱れを抑制するためには、入口配管１８から冷媒貯留部１８１に流入する液冷媒に対してじゃま板（図示していない。）となる仕切りを設けることにより、一旦、入口配管１８から冷媒貯留部１８１に流入する液冷媒の流れの向きを曲げ、液冷媒が蛇行するようにしてもよい。この場合、入口配管１８の接続位置は、冷媒貯留部１８１の側面部のうち上部としなくても、液冷媒の液面を安定させることができる。

　上記以外の構成は、実施例１と同様である。

　本実施例のように気液分離器を設けない構成においても、実施例１と同様な効果を得ることができる。

　なお、本実施例の入口ヘッダ１１（図６）に、実施例１の気液分離器５、液配管１５及びガス配管１６（図３）を付設してもよい。この場合、冷媒は、液とガスとに分離された状態で、仕切りのない入口ヘッダ１１に流入するが、入口ヘッダ１１における液配管１５の接続位置をガス配管１６の接続位置の下方とすることにより、入口ヘッダ１１において気液が分離した状態が保たれる。

　本実施例３は、図７及び図８を用いて説明する。

　図７は、本実施例の熱交換器の入口ヘッダ付近を示す部分斜視図である。本図においては、入口ヘッダ１１の内部がわかるように、入口ヘッダ１１の入口配管１８の接続部よりも内側における入口ヘッダ１１の断面を示している。

　本実施例では、冷媒貯留部１８１の下側に凸部１８２が設けられている。伝熱管１３の下端部は、凸部１８２の上面部より下方に配置されている。言い換えると、伝熱管１３の下端部は、凸部１８２の間の溝１８３に挿入されている。

　図８は、図７の入口ヘッダ１１の底部（入口ヘッダ１１の内側）を示す部分断面図である。

　図８においては、凸部１８２は、１つ１つが直方体形状を有し、これらの間に格子状の溝１８３が形成されている。凸部１８２の間の溝１８３（本図においては２つの溝１８３が交わる部位）には、伝熱管１３が配置されている。

　なお、凸部１８２は、入口ヘッダ１１の底部とともに鋳造により作製してもよいし、板状部材をプレス成形することにより作製してもよい。プレス成形は、入口ヘッダ１１を軽量化できる点で望ましい。

　このような構成とすることで、実施例２に比べて冷媒が少ない場合でも、冷媒の液面を伝熱管１３入口より上方に維持することができる。したがって、ヒートポンプシステム１０（図５）に封入する冷媒量を低減することができる。

　なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例を含むものである。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。さらに、上述した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

　１：熱交換器、２：凝縮器、３：膨張弁、４：圧縮機、５：気液分離器、１０：ヒートポンプシステム、１１：入口ヘッダ、１２：出口ヘッダ、１３：伝熱管、１４：フィン、１５：液配管、１６：ガス配管、１７：出口配管、１８：入口配管、１１５：液溜部、１１６：ガス溜部、１３１：穴、１８１：冷媒貯留部、１８２：凸部、１８３：溝。

Claims

　入口ヘッダと、
　出口ヘッダと、
　これらの間に配置された複数の伝熱管と、を備え、
　前記伝熱管の内部は、冷媒の流路であり、
　前記伝熱管の下端部は、前記入口ヘッダの内部に配置され、
　前記入口ヘッダの内部にある前記伝熱管は、前記伝熱管の内部にガス冷媒が流入するように設けられた貫通孔を有する、熱交換器。
　請求項１に記載の熱交換器であって、
　さらに、気液分離器を備えた、熱交換器。
　請求項１又は２に記載の熱交換器であって、
　前記入口ヘッダは、液溜部とガス溜部とを有し、
　前記伝熱管の下端部は、前記液溜部の内部に配置され、
　前記貫通孔は、前記ガス溜部の内部に設けられている、熱交換器。
　請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
　前記伝熱管の内径は、１．０ｍｍ以下である、熱交換器。
　請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
　前記入口ヘッダの底部には、凸部が設けられている、熱交換器。