JP2010139196A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】偏平チューブに極力液体冷媒のみ流すようにして、偏流を抑制し、蒸発器の熱交換効率を向上させる。
【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の間に配置され、内部に設けた複数の冷媒通路５をヘッダパイプ２、３の内部に連通させた複数の偏平チューブ４を備える。気液二相冷媒の流入側となる下部ヘッダパイプ３の内部に気液分離器１０が配置される。気液分離器１０は気液二相冷媒を液体冷媒と気体冷媒に分離し、主として液体冷媒を偏平チューブ４に送る。気体冷媒は冷媒を圧縮する圧縮機１０２の吸込側に導入される。気液分離器１０は、周壁に多数のプリーツ１２を形成した液体冷媒捕集筒１１と、液体冷媒捕集筒１１の内部空間に突き出して、気体冷媒を外部に排出する排気管１８を備える。
【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４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型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。

熱交換器１はセパレート型空気調和機に搭載することができる。セパレート型空気調和機は室外機と室内機により構成され、室外機は圧縮機、四方弁、膨張弁、室外側熱交換器、室外側送風機などを含み、室内機は室内側熱交換器、室内側送風機などを含む。室外側熱交換器は、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷房運転時には凝縮器として機能する。室内側熱交換器は、暖房運転時には凝縮器として機能し、冷房運転時には蒸発器として機能する。

冷凍サイクルとしてヒートポンプサイクルを用いるセパレート型空気調和機の基本的構成を図９に示す。ヒートポンプサイクル１０１は、圧縮機１０２、四方弁１０３、室外側の熱交換器１０４、減圧膨張装置１０５、及び室内側の熱交換器１０６をループ状に接続したものである。圧縮機１０２、四方弁１０３、熱交換器１０４、及び減圧膨張装置１０５は室外機の筐体に収容され、熱交換器１０６は室内機の筐体に収容される。熱交換器１０４には室外側の送風機１０７が組み合わせられ、熱交換器１０６には室内側の送風機１０８が組み合わせられる。送風機１０７は多くの場合プロペラファンで構成され、送風機１０８は多くの場合クロスフローファンで構成される。熱交換器１０４または熱交換器１０６として、上記のパラレルフロー型熱交換器１を用いることができる。

図９は暖房運転時の状態を示す。この時は、圧縮機１０２から吐出された高温高圧の冷媒は室内側の熱交換器１０６に入ってそこで放熱し、凝縮する。熱交換器１０６を出た冷媒は減圧膨張装置１０５から室外側の熱交換器１０４に入ってそこで膨張し、室外空気から熱を取り込んだ後、圧縮機１０２に戻る。室内側の送風機１０８によって生成された気流が熱交換器１０６からの放熱を促進し、室外側の送風機１０７によって生成された気流が熱交換器１０４の吸熱を促進する。

図１０は冷房運転時あるいは除霜運転時の状態を示す。この時は四方弁１０３が切り換えられて暖房運転時と冷媒の流れが逆になる。すなわち、圧縮機１０２から吐出された高温高圧の冷媒は室外側の熱交換器１０４に入ってそこで放熱し、凝縮する。熱交換器１０４を出た冷媒は減圧膨張装置１０５から室内側の熱交換器１０６に入ってそこで膨張し、室内空気から熱を取り込んだ後、圧縮機１０２に戻る。室外側の送風機１０７によって生成された気流が熱交換器１０４からの放熱を促進し、室内側の送風機１０８によって生成された気流が熱交換器１０６の吸熱を促進する。

パラレルフロー型熱交換器については、その性能を高めるため、これまでにも様々な工夫がなされている。

例えば特許文献１記載のパラレルフロー型熱交換器では、冷媒流入側ヘッダ管の冷媒流入部に、流入するガス冷媒と液冷媒とを混合拡散して流通させる気液拡散体を配置し、複数の伝熱管に到達するまでのガス冷媒と液冷媒をほぼ均等に分配して、熱交換効率を向上させている。

特許文献２記載のパラレルフロー型熱交換器では、ヘッダー上流側に気液分離器を設け、冷媒を、液体もしくは液体割合が高い気液二相流と、気体もしくは気体割合が高い気液二相流に分離し、一方の気液二相流をヘッダーの一端から流入させ、他方の気液二相流をヘッダーの他端から流入させ、それらをヘッダー内で混合させることにより、乾き度・ボイド率が比較的均質である均質流の気液二相流を形成し、熱交換器伝熱面積を有効に活用し、安定した熱交換能力が得られるようにしている。
特開２００８−３９３０４号公報 特開平２−２８２６７０号公報

パラレルフロー型熱交換器の偏平チューブには、気液二相冷媒を流すことが多い。しかしながら、気体と液体の混じった冷媒は、偏平チューブ同士の間で冷媒流量に偏りを生じる、いわゆる偏流を招くことになりやすい。また、気体が混じった流れは圧力損失が
大きく、冷媒循環の阻害要因となる。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、偏平チューブに極力液体冷媒のみ流すようにして、偏流を抑制し、蒸発器として使用する場合の熱交換効率を向上させ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、前記複数のヘッダパイプの中で気液二相冷媒の流入側となるヘッダパイプの内部に気液分離器を配置し、流入した気液二相冷媒の主として液体冷媒を前記偏平チューブに送ることを特徴としている。

この構成によると、偏平チューブを流れるのは主として液体冷媒であるから、ヘッダパイプに流入した気液二相冷媒がそのまま偏平チューブに流れるのに比べ、偏流が生じにくい。また、気体混じりの冷媒に比べ、偏平チューブ内での圧力損失が小さいから、冷媒の循環量が多くなり、熱交換性能が向上する。

上記構成の熱交換器において、前記気液分離器で液体冷媒から分離された気液二相冷媒の気体冷媒は、冷媒を圧縮する圧縮機の吸込側配管に導入されることが好ましい。

このような構成にすれば、気体冷媒は圧縮機で圧縮されて再び凝縮器で液化されるから、冷媒を無駄なく閉ループ内で循環させることができる。

上記構成の熱交換器において、前記気液分離器は、周壁に多数のプリーツを形成した筒形部材であって、内部に導入された気液二相冷媒の液体冷媒を液体の表面張力で前記プリーツの内側に集める液体冷媒捕集筒と、前記液体冷媒捕集筒の内部空間に突き出して、気液二相冷媒の気体冷媒を外部に排出する排気管とを備えることが好ましい。

このような構成にすれば、液体の表面張力という単純な物理現象を利用して気液分離が行われるから、気液分離器の構造が簡単になり、動作確実で故障の少ないものとすることができる。

上記構成の熱交換器において、前記液体冷媒捕集筒の内部と、当該気液分離器が配置されている前記ヘッダパイプの内部を連通させる貫通穴が、前記プリーツに分散形成されていることが好ましい。

このような構成にすれば、液体冷媒をヘッダパイプ内の各所に適切に分配することができる。

上記構成の熱交換器において、前記液体冷媒捕集筒の内部と、当該気液分離器が配置されている前記ヘッダパイプの内部を連通させる貫通穴が、液体冷媒捕集筒に固定されたエンドブラケットに形成されていることが好ましい。

このような構成にすれば、貫通穴を容易に形成することができる。

上記構成の熱交換器において、前記複数のヘッダパイプは略水平方向に延び、前記複数の偏平チューブは略垂直方向に延びる形に設置されることが好ましい。

このような構成にすれば、ダウンフロー型であるパラレルフロー型熱交換器の偏流問題を解決できる。

上記構成の熱交換器において、前記複数のヘッダパイプの中で、下部に位置するヘッダパイプの内部に前記気液分離器が配置されることが好ましい。

このような構成にすれば、この熱交換器を蒸発器として使用する場合、偏平チューブの下端から流入した液体冷媒が、偏平チューブの中を上昇するに従って気体の割合を増やして行くので、冷媒の上昇が促進され、冷媒循環量が増大する。

本発明によると、気液二相冷媒から液体を分離して偏平チューブに流すことにより、偏流を抑制するとともに冷媒循環量を増大し、熱交換性能を向上させることができる。

以下本発明の第１実施形態を図１から図５に基づき説明する。図１はパラレルフロー型熱交換器の部分断面図、図２は図１のＡ−Ａ線を断面箇所とする部分拡大断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線を断面箇所とする気液分離器の拡大断面図、図４は整流コーンの斜視図、図５は第１実施形態に係るパラレルフロー型熱交換器を搭載したセパレート型空気調和機の基本構成図である。なお、第１実施形態の構成の多くは図８から図１０に示した従来構造と共通するので、そのような共通の構成要素には図８から図１０で用いたのと同じ符号を付し、説明は省略する。

熱交換器１は、図８に示したものと同様、ダウンフロー型のパラレルフロー型熱交換器であって、複数のヘッダパイプは略水平方向に延び、複数の偏平チューブは略垂直方向に延びる。下部ヘッダパイプ３の内部には気液分離器１０が配置される。気液分離器１０は下部ヘッダパイプ３の内部のほぼ端から端まで届く細長い筒形状となっており、中心軸を下部ヘッダパイプ３の中心軸に一致させる形で配置されている。

気液分離器１０の主体をなすのは液体冷媒捕集筒１１である。液体冷媒捕集筒１１は、周壁に多数のプリーツ１２を形成した筒形部材であって、アルミニウムの薄板等から形成される。液体冷媒捕集筒１１には、その内部と下部ヘッダパイプ３の内部を連通させる貫通穴１３が、適所に分散形成される。貫通穴１３は、液体冷媒捕集筒１１の軸線方向に所定間隔で、プリーツ１２毎に形成される。

液体冷媒捕集筒１１の両端にはキャップ状に成形された合成樹脂製または金属製のエンドブラケット１４、１５が固定される。図２にはエンドブラケット１４と液体冷媒捕集筒１１の固定箇所が示されている。この箇所において、エンドブラケット１４にはプリーツ１２の形状に合わせた放射状の開口部が形成されている。この開口部にプリーツ１２をぴったりとはめ込んだ状態で、接着や溶着といった常用の固定手法により、液体冷媒捕集筒１１とエンドブラケット１４は気密（液密）に固定される。エンドブラケット１５と液体冷媒捕集筒１１の固定箇所も同様の構造である。

エンドブラケット１４の端面には外側に向かって突き出すパイプ状の冷媒流入口１６が形成される。冷媒流入口１６は下部エンドブラケット３の冷媒出入口７に内側から気密（液密）に差し込まれる。

エンドブラケット１５の端面には内側に向かって突き出すスリーブ１７が形成される。下部ヘッダパイプ３の端面を貫通する排気管１８が外側からスリーブ１７に差し込まれる。排気管１８は液体冷媒捕集筒１１の内部空間に所定長さ突き出す。排気管１８が下部ヘッダパイプ３を貫通する箇所と、排気管１８がエンドブラケット１５に差し込まれる箇所には、いずれも適切な気密（液密）処置が施される。

エンドブラケット１４の側ではエンドブラケット１４の冷媒流入口１６が下部ヘッダパイプ３の冷媒出入口７に差し込まれ、エンドブラケット１５の側では下部ヘッダパイプ３を貫通する排気管１８がエンドブラケット１５に差し込まれることにより、気液分離器１０は下部ヘッダパイプ３の中心に保持固定されることになる。

エンドブラケット１４の内部には、冷媒流入口１６から流れ込む冷媒流に対向する形で整流コーン２０が固定される。整流コーン２０は、円筒と円錐を組み合わせた形状のコーン本体２１と、所定間隔を置いてコーン本体２１を囲む取付用リング２２と、コーン本体２１と取付用リング２２を連結する放射状のスポーク２３を備える。

熱交換器１が蒸発器として使用され、下部ヘッダパイプ３から気液二相冷媒が流入するという設定で説明を続ける。図１ではブロック矢印が気液二相媒の流れを表し、実線の矢印が液体の冷媒流れを表し、点線の矢印が気体の冷媒流れを表す。流入口１６から気液分離器１０に流入した気液二相冷媒は、整流コーン２０により液体冷媒捕集筒１１の内周方向へと誘導され、プリーツ１２の内部をエンドブラケット１５の方に流れる。

プリーツ１２の内部を流れる過程で、気液二相冷媒のうちの液体冷媒が表面張力でプリーツ１２の先端部分に集結する。逆説的に言えば、表面張力による液体冷媒の集結が生じる程度にプリーツ１２の頂角を鋭角にし、そのような形状のプリーツ１２を密集状態で配置する。プリーツ１２に液体冷媒が集まる反動で、気体冷媒は液体冷媒捕集筒１１の中心部分に集まる。

プリーツ１２の先端部分に集結した液体冷媒は貫通穴１３を通じて気液分離器１０の外綿と下部ヘッダパイプ３の内面の間の空間に流出し、偏平チューブ４に流入する。気液分離器１０の内部に残る気体冷媒は排気管１８を通じて下部ヘッダパイプ３の外に排出される。

気液分離器１０に気液二相冷媒を通すことにより、偏平チューブ４を流れるのは主として液体冷媒となり、下部ヘッダパイプ３に流入した気液二相冷媒がそのまま偏平チューブ４に流れるという構成に比べ、偏流が生じにくい。また、気体混じりの冷媒に比べ、偏平チューブ４内での圧力損失が小さいから、冷媒の循環量が多くなり、熱交換性能が向上する。

気液分離器１０において気液分離の役割を担うのは、周壁に多数のプリーツ１２を形成した液体冷媒捕集筒１１であって、液体の表面張力という単純な物理現象を利用して気液分離が行われるから、気液分離器１０の構造が簡単になり、動作確実で故障の少ないものとすることができる。

また、液体冷媒捕集筒１１の内部と、下部ヘッダパイプ３の内部を連通させる貫通穴１３が、液体冷媒捕集筒１１の軸線方向に所定間隔で、プリーツ１２毎に分散形成されているから、液体冷媒を下部ヘッダパイプ３内の各所に適切に分配することができる。

熱交換器１が、図５に示すセパレート型空気調和機の室外機に熱交換器１０４として搭載されている場合には、暖房運転時に排気管１８を通じて排出される気体の冷媒を、配管１０９を通じて圧縮機１０２の吸込側配管に導入することができる。このようにすれば、冷媒の気体冷媒を圧縮機１０２で圧縮して再び室内側の熱交換器１０６で液化することができるから、冷媒を無駄なく閉ループ内で循環させることができる。なお、配管１０９には電磁弁１１０を設けておくことが好ましい。冷房運転時においては、室外側の熱交換器１０４が凝縮器となり、気体から液体へと冷媒の状態が変化するため、気液分離を行う必要がない。従って電磁弁１１０は、冷房運転時は閉じ、暖房運転時に開くように制御される。

本発明の第２実施形態を図６と図７に示す。図６はパラレルフロー型熱交換器の部分断面図、図７は図６のＣ−Ｃ線を断面箇所とする部分拡大断面図である。

第１実施形態と第２実施形態の相違点は、液体冷媒捕集筒１１の内部と下部ヘッダパイプ３の内部を連通させる貫通穴の位置にある。すなわち第２実施形態では、エンドブラケット１５に複数の貫通穴２５が形成されている。この構成は貫通穴の形成が容易であるという特徴を有する。

プリーツ１２への貫通穴１３の形成と、エンドブラケット１５への貫通穴２５の形成は、排他的な関係にはない。必要があれば、両方同時に実施して構わない。

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部分断面図 図１のＡ−Ａ線を断面箇所とする部分拡大断面図 図１のＢ−Ｂ線を断面箇所とする気液分離器の拡大断面図 整流コーンの斜視図 １実施形態に係るパラレルフロー型熱交換器を搭載したセパレート型空気調和機の基本構成図 第２施形態に係るパラレルフロー型熱交換器の部分断面図 図６のＣ−Ｃ線を断面箇所とする部分拡大断面図 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 セパレート型空気調和機の基本構成図 セパレート型空気調和機の基本構成図であって、図９と異なる状態を示すもの

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
７、８ 冷媒出入口
１０ 気液分離器
１１ 液体冷媒捕集筒
１２ プリーツ
１３ 貫通穴
１４、１５ エンドブラケット
１６ 冷媒流入口
１８ 排気管
２０ 整流コーン
２５ 貫通穴

Claims (7)

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、
   前記複数のヘッダパイプの中で気液二相冷媒の流入側となるヘッダパイプの内部に気液分離器を配置し、流入した気液二相冷媒の主として液体冷媒を前記偏平チューブに送ることを特徴とする熱交換器。
2. 前記気液分離器で液体冷媒から分離された気液二相冷媒の気体冷媒は、冷媒を圧縮する圧縮機の吸込側配管に導入されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記気液分離器は、周壁に多数のプリーツを形成した筒形部材であって、内部に導入された気液二相冷媒の液体冷媒を液体の表面張力で前記プリーツの内側に集める液体冷媒捕集筒と、前記液体冷媒捕集筒の内部空間に突き出して、気液二相冷媒の気体冷媒を外部に排出する排気管とを備え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. 前記液体冷媒捕集筒の内部と、当該気液分離器が配置されている前記ヘッダパイプの内部を連通させる貫通穴が、前記プリーツに分散形成されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記液体冷媒捕集筒の内部と、当該気液分離器が配置されている前記ヘッダパイプの内部を連通させる貫通穴が、液体冷媒捕集筒に固定されたエンドブラケットに形成されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
6. 前記複数のヘッダパイプは略水平方向に延び、前記複数の偏平チューブは略垂直方向に延びる形に設置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 前記複数のヘッダパイプの中で、下部に位置するヘッダパイプの内部に前記気液分離器が配置されることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。

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