JP2010107055A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】長手方向を上下方向として配置した偏平チューブ内の複数の冷媒通路に冷媒の対向流を形成するに際し、液状の冷媒が下方から確実に持ち上げられるようにする。
【解決手段】熱交換器１は、間隔を置いて平行に配置された２本のヘッダパイプ２、３と、ヘッダパイプ２、３の間に長手方向を上下方向として配置された複数の偏平チューブ４を備える。偏平チューブ４は内部に複数の冷媒通路５を有し、冷媒通路５をジグザグに縫うように、偏平チューブ４の一方の端から他方の端へ抜け、折り返して前記一方の端に戻る冷媒流が、１往復以上形成される。熱交換器１が凝縮器として用いられる場合、冷媒流は下降流からスタートする。そして下降流を通す冷媒通路に比べ、上昇流を通す冷媒通路は断面積が小さく設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明はパラレルフロー型の熱交換器に関する。

複数のヘッダパイプの間に複数の偏平チューブを配置して偏平チューブ内部の複数の冷媒通路をヘッダパイプの内部に連通させるとともに、偏平チューブ間にコルゲートフィン等のフィンを配置したパラレルフロー型の熱交換器はカーエアコンや建物用空気調和機の室外側ユニットなどに広く利用されている。

従来のパラレルフロー型熱交換器の一例を図８に示す。図８では紙面上側が垂直方向の上側、紙面下側が垂直方向の下側となる。熱交換器１は、２本の水平なヘッダパイプ２、３を垂直方向に間隔を置いて平行に配置し、ヘッダパイプ２、３の間に複数の垂直な偏平チューブ４を水平方向に所定ピッチで配置する。偏平チューブ４は金属を押出成型した細長い成型品であり、内部には冷媒を流通させる冷媒通路５が形成されている。偏平チューブ４は長手方向である押出成型方向を垂直にする形で配置されるので、冷媒通路５の冷媒流通方向も垂直になる。冷媒通路５は断面形状及び断面面積の等しいものが図８の奥行き方向に複数個並び、そのため偏平チューブ４の水平断面はハーモニカ状を呈している。各冷媒通路５はヘッダパイプ２、３の内部に連通する。隣り合う偏平チューブ４同士の間にはコルゲートフィン６が配置される。

ヘッダパイプ２と３、偏平チューブ４、及びコルゲートフィン６はいずれもアルミニウム等熱伝導の良い金属からなり、偏平チューブ４はヘッダパイプ２、３に対し、コルゲートフィン６は偏平チューブ４に対し、それぞれロウ付けまたは溶着で固定される。

図８に示す熱交換器１は、いわゆるダウンフロータイプのパラレルフロー型熱交換器である。上下のヘッダパイプ２、３の間に長手方向を上下方向とする多数の偏平チューブ４を設け、偏平チューブ４間にコルゲートフィン６を設けた構造であるから、熱交換器１の放熱（吸熱）面積は大きく、効率的に熱交換を行うことができる。下側のヘッダパイプである下部ヘッダパイプ３には一端に冷媒出入口７が設けられ、上側のヘッダパイプである上部ヘッダパイプ２には冷媒出入口７と対角をなす一端に冷媒出入口８が設けられている。なお、ここに示した冷媒出入口７と冷媒出入口８の位置関係は一例であって、これに限定されるものではない。例えば、上部ヘッダパイプ２が両端２箇所に冷媒出入口８を備える構成も可能である。

上記のようなパラレルフロー型熱交換器において、偏平チューブ内の複数の冷媒通路に冷媒の対向流を形成し、熱交換性能を高めるという提案もなされている。特許文献１、２にその例を見ることができる。
特開２００２−２０６８９０号公報 特開平９−１３８０８１号公報

特許文献１、２の例のように、偏平チューブ内の複数の冷媒通路に冷媒の対向流を形成する場合、偏平チューブがその長手方向を上下方向として配置されていると、冷媒流は下降流と上昇流の組み合わせとなる。この熱交換器を凝縮器として用いる場合には、下部ヘッダパイプに溜まる液状の冷媒をどのように持ち上げるかが問題になる。本発明はこの点に鑑みなされたものであり、長手方向を上下方向として配置した偏平チューブ内の複数の冷媒通路に冷媒の対向流を形成するに際し、液状の冷媒が下方から確実に持ち上げられるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、間隔を置いて平行に配置された複数のヘッダパイプと、前記複数のヘッダパイプの間に複数配置され、内部に設けた複数の冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた偏平チューブとを備えた熱交換器において、前記偏平チューブは長手方向を上下方向として配置され、その内部には、当該偏平チューブの一方の端から他方の端へ抜け、折り返して前記一方の端に戻る冷媒流が、前記複数の冷媒通路を縫うように１往復以上形成されており、且つ、当該熱交換器が凝縮器として用いられる場合、前記冷媒流は下降流からスタートするとともに、下降流を通す冷媒通路断面積に比べ、上昇流を通す冷媒通路断面積が小さく設定されていることを特徴としている。

この構成によると、上昇流を通す冷媒通路断面積が小さいため、上昇流は勢いよく噴き上がり、液化した冷媒であっても力強く持ち上げる。このため、冷媒中の液体部分が多くなってもそれが下部ヘッダパイプに滞留せず、冷媒のスムーズな循環が生じ、熱交換効率を向上できる。

上記構成の熱交換器において、前記偏平チューブの中で、冷媒流の最下流部分が存在する側が、偏平チューブ同士の間を通り抜ける気流の風上側となることが好ましい。

このような構成にすれば、凝縮の最終段階を迎えた冷媒が、未だ偏平チューブから熱を与えられていない新鮮な空気と熱交換を行うこととなり、凝縮度を高めることができる。

上記構成の熱交換器において、前記冷媒流が下流に向かうにつれ、下降流を通す冷媒通路断面積が逓減することが好ましい。

このような構成にすれば、凝縮が進んで冷媒の体積が減少するのに合わせて冷媒通路断面積も減るから、速度を緩めることなく下流側に向かって冷媒を流すことができる。

上記構成の熱交換器において、前記ヘッダパイプ内に設けた仕切りにより、下降流を通す冷媒通路と上昇流を通す冷媒通路が区分されることが好ましい。

このような構成にすれば、下降流を通す冷媒通路と上昇流を通す冷媒通路を簡単に区分することができる。

上記構成の熱交換器において、前記偏平チューブの端に固定されるキャップにより、下降流を通す冷媒通路と上昇流を通す冷媒通路が区分されることが好ましい。

このような構成にすれば、下降流を通す冷媒通路と上昇流を通す冷媒通路を簡単に区分することができる。

本発明によると、長手方向を上下方向として配置した偏平チューブ内の複数の冷媒通路に、下降流と上昇流という形で冷媒の対向流を形成するにあたり、下降流を通す冷媒通路断面積に比べ、上昇流を通す冷媒断面積を小さく設定したことにより、上昇流は勢いよく噴き上がることになり、冷媒中の液体部分が多くなってもそれが下部ヘッダパイプに滞留せず、冷媒のスムーズな循環が生じ、熱交換効率を向上できる。

以下本発明の第１実施形態を図１及び図２に基づき説明する。図１はパラレルフロー型熱交換器の中間部を省略した垂直断面図で、図４のＡ−Ａ断面に相当する。図２は偏平チューブの水平断面図である。なお図４に示した従来構造と共通する構成要素には図４で用いたのと同じ符号を付し、説明は省略する。

偏平チューブ４は長手方向を上下方向として配置される。図１では偏平チューブ４は垂直状態となっているが、傾斜状態であっても構わない。上部ヘッダパイプ２の方が下部ヘッダパイプ３よりも高い位置にあるという関係さえ維持されればよい。偏平チューブ４の間を通り抜ける気流は、図１に矢印で示すように、右方から左方に向かって吹く。

偏平チューブ４の内部には、７個の冷媒通路５が図の左右方向に並ぶ形で形成されている。「７個」という数は単なる構成例であり、発明を限定するものではない。この７個の冷媒通路５は、上部ヘッダパイプ２の内部に設けられた２個の仕切り１０、１１と、仕切り１０、１１の間に位置する形で下部ヘッダパイプ３の内部に設けられた１個の仕切り１２により、４区分に分けられている。その４区分とは、上部ヘッダパイプ２の図１における左端から仕切り１０までの第１区分１３、仕切り１０から仕切り１２までの第２区分１４、仕切り１２から仕切り１１までの第３区分１５、及び仕切り１１から上部ヘッダパイプ２の図１における右端までの第４区分１６である。第１区分１３には３個の冷媒通路５が含まれ、第２区分１４には１個の冷媒通路５が含まれ、第３区分１５には２個の冷媒通路が含まれ、第４区分１６には１個の冷媒通路５が含まれる。

仕切り１０、１１は上部ヘッダパイプ２の長手方向の端から端まで達し、仕切り１２は下部ヘッダパイプ３の長手方向の端から端まで達する。仕切り１０、１１により、上部ヘッダパイプ２の内部空間は第１空間２ａ、第２空間２ｂ、第３空間２ｃの３空間に区分される。仕切り１２により、下部ヘッダパイプ３の内部空間は第１空間３ａと第２空間３ｂに区分される。上部ヘッダパイプ２の第１空間２ａと第３空間２ｃにそれぞれ冷媒出入口が設けられる。

熱交換器１を凝縮器として使用する場合は、図示しない冷媒出入口を通じて上部ヘッダパイプ２の第１空間２ａに冷媒を流入させる。気体が主体の冷媒は、偏平チューブ４の上端から第１区分１３に含まれる３個の冷媒通路５に入り、その中を下降流となって下って行く。下降途中で冷媒は、偏平チューブ４同士の間を通り抜ける気流との間で熱交換を行い、一部が凝縮して液状となる。液体部分の割合を増やした冷媒は第１区分１３に含まれる冷媒通路５を通り抜け、下部ヘッダパイプ３の第１空間３ａに入る。

下部ヘッダパイプ３の第１空間３ａに入った冷媒流はそこで折り返し、偏平チューブ４の下端から第２区分１４に含まれる冷媒通路５に入り、その中を上昇流として上って行く。第２区分１４に含まれる冷媒通路５は１本だけであり、第１区分１３に比べ冷媒通路断面積（冷媒通路断面積＝各区分に含まれる全冷媒通路の個別断面積の総和）が小さいので、上昇流は勢いよく噴き上がる。そのため冷媒中の液体部分も第１空間３ａに滞留することなく持ち上げられる。上昇途中で冷媒は、偏平チューブ４同士の間を通り抜ける気流との間で熱交換を行い、さらに液体部分の割合を増やす。液体部分の割合を増やした冷媒は第２区分１４に含まれる冷媒通路５を通り抜け、上部ヘッダパイプ２の第２空間２ｂに入る。

上部ヘッダパイプ２の第２空間２ｂに入った冷媒流はそこで折り返し、偏平チューブ４の上端から第３区分１５に含まれる冷媒通路５に入り、その中を下降流として下って行く。第３区分１５に含まれる冷媒通路５は２本であり、第１区分１３に比べ冷媒通路断面積が減少している。凝縮が進んで冷媒の体積が減少したのに合わせて冷媒通路断面積も減っているから、速度を緩めることなく冷媒の流れの下流側に向かって冷媒を流すことができる。下降途中で冷媒は、偏平チューブ４同士の間を通り抜ける気流との間で熱交換を行い、さらに液体部分の割合を増やす。液体部分の割合を増やした冷媒は第３区分１５に含まれる冷媒通路５を通り抜け、下部ヘッダパイプ３の第２空間３ｂに入る。

下部ヘッダパイプ３の第２空間３ｂに入った冷媒流はそこで折り返し、偏平チューブ４の下端から第４区分１６に含まれる冷媒通路５に入り、その中を上昇流として上って行く。第４区分１６に含まれる冷媒通路５も第２区分１４と同じく１本だけであり、第１区分１３と第３区分１５に比べ冷媒通路断面積が小さいので、上昇流は勢いよく噴き上がる。そのため冷媒中の液体部分も第２空間３ｂに滞留することなく持ち上げられる。上昇途中で冷媒は、偏平チューブ４同士の間を通り抜ける気流との間で熱交換を行い、さらに液体部分の割合を増やす。液体部分の割合を増やした冷媒は第４区分１６に含まれる冷媒通路５を通り抜けて上部ヘッダパイプ２の第３空間２ｃに入り、図示しない冷媒出入口を通じて流出する。

図１の例では、冷媒流は下降流からスタートし、下降流―上昇流―下降流―上昇流と複数の冷媒通路５をジグザグに縫うように２往復して上昇流で終わったが、往復回数は任意である。１往復以上すればよい。「１往復半」「２往復半」といった終わり方でも構わない。

また図１の例では、偏平チューブ４の図において右側の部分に冷媒流の最下流部分が存在し、この部分が、偏平チューブ４同士の間を通り抜ける気流の風上側となっている。これにより、凝縮の最終段階を迎えた冷媒が、未だ偏平チューブ４から熱を与えられていない新鮮な空気と熱交換を行うこととなり、凝縮度を高めることができる。

図３に本発明の第２実施形態を示す。図３はパラレルフロー型熱交換器の中間部を省略した垂直断面図である。

第２実施形態でも、偏平チューブ４の中の７個の冷媒通路５を第１区分１３（冷媒通路数３）、第２区分１４（冷媒通路数１）、第３区分１５（冷媒通路数２）第４区分１６（冷媒通路数１）に分けるのであるが、そのように区分するのにキャップ１７、１８を使用する。キャップ１７は偏平チューブ４の下端に固定され、第１区分１３に属する３個の冷媒通路５と、第２区分１４に属する１個の冷媒通路５をカバーする。キャップ１８は偏平チューブ４の上端に固定され、第２区分１４に属する１個の冷媒通路５と、第３区分１５に属する２個の冷媒通路５をカバーする。また第１区分１３と第４区分１６を隔てる仕切り１９が上部ヘッダパイプ２の内部に設けられ、この仕切り１９により、上部ヘッダパイプ２の内部空間は第１空間２ｄと第２空間２ｅに区分される。そして第１空間２ｄと第２空間２ｅにそれぞれ冷媒出入口が設けられる。

このように２個のキャップ１７、１８を用いて複数の冷媒通路５を４区分に分けることができる。１本の偏平チューブ４に対し１個のキャップ１７と１個の１８を組み合わせるのを基本とするが、複数の偏平チューブ４を横断的にカバーするキャップを用いることも可能である。第２実施形態は、冷媒流が下降流からスタートし、下降流―上昇流―下降流―上昇流と複数の冷媒通路５をジグザグに縫うように２往復して上昇流で終わるという点は第１実施形態と変わるところがない。

図４及び図５に本発明の第３実施形態を示す。図４はパラレルフロー型熱交換器の中間部を省略した垂直断面図である。図５は偏平チューブの水平断面図である。

第３実施形態は、上部ヘッダパイプ２の内部で長手方向の端から端まで達する仕切り１０、１１と、下部ヘッダパイプ３の内部で長手方向の端から端まで達する仕切り１２とにより、偏平チューブ４の内部の複数の冷媒通路５を４区分に分ける点は第１実施形態と同じであるが、冷媒通路５の数が第１実施形態と異なる。すなわち冷媒通路５は総数８個となっており、この８個の冷媒通路５は、第１区分１３に対し３個、第２区分１４に対し２個、第３区分１５に対し２個、第４区分１６に対し１個と振り分けられる。

第１区分１３に含まれる冷媒通路５の数に比べ第２区分１４に含まれる冷媒通路５の数は少ない。また第３区分１５に含まれる冷媒通路５の数に比べ第４区分１６に含まれる冷媒通路５の数は少ない。すなわち、上昇流を通す冷媒通路断面積は、その直前に存在する下降流を通す冷媒通路断面積に比べ、常に小さくなっている。このため、冷媒中の液体部分の割合が凝縮により増えて行っても、それに応じて上昇流の勢いが強くなり、冷媒を確実に持ち上げることができる。

図６及び図７に本発明の第４実施形態を示す。図６はパラレルフロー型熱交換器の中間部を省略した垂直断面図である。図７は偏平チューブの水平断面図である。

第４実施形態は、上部ヘッダパイプ２の内部で長手方向の端から端まで達する仕切り１０、１１と、下部ヘッダパイプ３の内部で長手方向の端から端まで達する仕切り１２とにより、偏平チューブ４の内部の複数の冷媒通路５を第１区分１３、第２区分１４、第３区分１５、第４区分１６の４区分に分ける点は第１実施形態と同じであるが、各区分に含まれる冷媒通路５の数はいずれも１個とした。その代わり、冷媒通路５の断面積に区分毎に差をつけた。すなわち、第１区分１３の冷媒通路５は最も断面積が大きく、第２区分１４の冷媒通路５の断面積はそれよりも小さい。第３区分１５の冷媒通路５の断面積は第２区分１４の冷媒通路５の断面積と同じで、第４区分１６の冷媒通路５の断面積はそれよりも小さい。ここでも上昇流を通す冷媒通路断面積はその直前に存在する下降流を通す冷媒通路断面積に比べ常に小さくなっている。このため、冷媒中の液体部分の割合が凝縮により増えて行っても、それに応じて上昇流の勢いが強くなり、冷媒を確実に持ち上げることができる。

第３実施形態と第４実施形態では、複数の冷媒通路を４区分に分けるのにヘッダパイプの内部で長手方向の端から端まで達する仕切りを用いたが、第２実施形態のようなキャップを用いてそれを実現することもできる。

以上、本発明の各実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明はパラレルフロー型熱交換器に広く利用可能である。

第１実施形態に係るパラレルフロー型熱交換器の中間部を省略した垂直断面図 第１実施形態に係るパラレルフロー型熱交換器の偏平チューブの水平断面図 第２実施形態に係るパラレルフロー型熱交換器の中間部を省略した垂直断面図 第３実施形態に係るパラレルフロー型熱交換器の中間部を省略した垂直断面図 第３実施形態に係るパラレルフロー型熱交換器の偏平チューブの水平断面図 第４実施形態に係るパラレルフロー型熱交換器の中間部を省略した垂直断面図 第４実施形態に係るパラレルフロー型熱交換器の偏平チューブの水平断面図 従来のパラレルフロー型熱交換器の概略構造を示す垂直断面図

符号の説明

１ 熱交換器
２ 上部ヘッダパイプ
３ 下部ヘッダパイプ
４ 偏平チューブ
５ 冷媒通路
６ コルゲートフィン
１０、１１、１２ 仕切り
１３ 第１区分
１４ 第２区分
１５ 第３区分
１６ 第４区分
１７、１８ キャップ

Claims (5)

1. 間隔を置いて平行に配置された複数のヘッダパイプと、前記複数のヘッダパイプの間に複数配置され、内部に設けた複数の冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた偏平チューブとを備えた熱交換器において、
   前記偏平チューブは長手方向を上下方向として配置され、その内部には、当該偏平チューブの一方の端から他方の端へ抜け、折り返して前記一方の端に戻る冷媒流が、前記複数の冷媒通路を縫うように１往復以上形成されており、且つ、当該熱交換器が凝縮器として用いられる場合、前記冷媒流は下降流からスタートするとともに、下降流を通す冷媒通路断面積に比べ、上昇流を通す冷媒通路断面積が小さく設定されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記偏平チューブの中で、冷媒流の最下流部分が存在する側が、偏平チューブ同士の間を通り抜ける気流の風上側となることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記冷媒流が下流に向かうにつれ、下降流を通す冷媒通路断面積が逓減することを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記ヘッダパイプ内に設けた仕切りにより、下降流を通す冷媒通路と上昇流を通す冷媒通路が区分されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記偏平チューブの端に固定されるキャップにより、下降流を通す冷媒通路と上昇流を通す冷媒通路が区分されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器。

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