JP2013002773A - 熱交換器及びそれを搭載した空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】受け入れた冷媒が気液混合状態であっても、それを適切に気液混合させて分流させることができるサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器を提供する。
【解決手段】パラレルフロー型熱交換器１は、垂直方向に配置された冷媒流入側ヘッダパイプ２及び冷媒流出側ヘッダパイプ３と、これら両ヘッダパイプを連結する複数の水平方向偏平チューブ４を備える。冷媒流入側ヘッダパイプ２の内部に、下端から上端に向けて、または上端から下端に向けて、冷媒供給パイプ９が挿入される。冷媒供給パイプ９は冷媒流入側ヘッダパイプ２の端部に形成された衝突面１３に所定間隔を置いて対向する吐出口１２を有する。
【選択図】図１

Description

本発明はサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器及びそれを搭載した空気調和機に関する。

２本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に広く利用されている。

パラレルフロー型熱交換器では、複数の偏平チューブに均等に冷媒が流れるようにすることが、熱交換効率向上を目指す上で重要な設計事項となる。冷媒の均等な分流を追求したパラレルフロー型熱交換器の例を特許文献１、２に見ることができる。

特許文献１に記載されたパラレルフロー型熱交換器は、筒状中空ヘッダーと、該ヘッダーの冷媒流入室に連通接続された冷媒入口管と、前記冷媒流入室に連通接続された複数のチューブを備える。前記冷媒流入室を複数の流入仕切室に仕切り、前記冷媒入口管を対応個数の分岐管に分岐させ、各分岐管を前記各流入仕切室に接続して、前記各チューブに冷媒を均等に分流させる。

特許文献２に記載されたパラレルフロー型熱交換器は、水平なヘッダーに垂直なチューブを組み合わせた構成を備える。下側ヘッダー内には、その長さ方向に沿って、冷媒入口管に連通する冷媒分散用管体が配置される。冷媒分散用管体の周壁には複数個の冷媒分散孔が設けられており、冷媒入口管を通じて下側ヘッダー内に流入した液冷媒が、各チューブに均等に分配されるようになっている。

特開平６−７４６０９号公報 特開平６−１５９９８３号公報

パラレルフロー型熱交換器に流入する冷媒は、気液混合状態であることが多い。特許文献１記載のパラレルフロー型熱交換器の場合、流入仕切室に気液混合状態の冷媒が流入すると、あるチューブには液体が多く流れ、あるチューブには気体が多く流れるという、偏流の状態が生じ、熱交換効率が低下する。また特許文献１記載のパラレルフロー型熱交換器は構造が複雑であり、実現にはコストがかかる。

特許文献２に記載のパラレルフロー型熱交換器はダウンフロー方式であり、それをサイドフロー方式に転換すると偏流が発生する。すなわち、重力の影響で気体の冷媒は上へ、液体の冷媒は下へと流れるが、ダウンフロー方式ではチューブの方向が重力の方向に一致しているので、気体と液体が分離するのはヘッダーの断面の内径の範囲でしかない。従って、重力の影響で気液分離するといったことは少ない。

しかしながらサイドフロー方式の場合、ヘッダパイプの軸方向において気体と液体が分離する。そのため気体と液体の分離が進みやすい。特許文献２に記載のパラレルフロー型熱交換器のようにヘッダー内の冷媒分散用管体に冷媒分散孔を設けたとしても、ヘッダーの内部で分離した気体と液体の冷媒は重力の影響を受け、下側のチューブには液体の冷媒ばかりが行き、上側のチューブには気体の冷媒ばかりが行くことになってしまう。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、受け入れた冷媒が気液混合状態であっても、それを適切に気液混合させて分流させることができるサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器を提供することを目的とする。

本発明に係るパラレルフロー型熱交換器は、垂直方向に配置された冷媒流入側ヘッダパイプ及び冷媒流出側ヘッダパイプと、前記両ヘッダパイプを連結する複数の水平方向偏平チューブを備え、前記冷媒流入側ヘッダパイプの内部に、下端から上端に向けて、または上端から下端に向けて、冷媒供給パイプが挿入され、前記冷媒供給パイプは前記冷媒流入側ヘッダパイプの端部に形成された衝突面に所定間隔を置いて対向する吐出口を有する。

上記構成のパラレルフロー型熱交換器において、前記吐出口は前記冷媒供給パイプの先端にのみ形成されていることが好ましい。

上記構成のパラレルフロー型熱交換器において、前記衝突面は前記冷媒供給パイプの軸線に直交する平面であることが好ましい。

上記構成のパラレルフロー型熱交換器において、前記衝突面は前記吐出口に対し凸面となっていることが好ましい。

上記構成のパラレルフロー型熱交換器において、前記凸面は先端部が前記吐出口に入り込むことが好ましい。

上記構成のパラレルフロー型熱交換器において、前記衝突面は前記吐出口に対し凹面となっていることが好ましい。

上記構成のパラレルフロー型熱交換器において、前記冷媒供給パイプは、前記冷媒流入側ヘッダパイプの中で、前記偏平チューブから遠ざかる方向に偏って配置されていることが好ましい。

上記構成のパラレルフロー型熱交換器において、前記冷媒供給パイプの外周面と、前記冷媒流入側ヘッダパイプの内周面との隙間に、冷媒拡散体が配置されていることが好ましい。

本発明によれば、上記構成のパラレルフロー型熱交換器が空気調和機の室内機または室外機に搭載される。

冷媒供給パイプの吐出口から吐出された冷媒が衝突面に衝突することにより、気体と液体の混合が良くなる。また冷媒が衝突面に衝突することで冷媒はきれいに拡散し、各偏平チューブへの分流が良くなり、熱交換効率が向上する。

本発明の第１実施形態に係る熱交換器の要部断面正面図である。 図１のII−II線の箇所で切断した熱交換器の垂直断面図である。 冷媒流入側ヘッダパイプの拡大水平断面図である。 冷媒流入側ヘッダパイプの部分拡大垂直断面図である。 冷媒流入側ヘッダパイプの他例を示す部分拡大垂直断面図である。 冷媒流入側ヘッダパイプの他例を示す部分拡大垂直断面図である。 冷媒流入側ヘッダパイプの他例を示す部分拡大垂直断面図である。 冷媒流入側ヘッダパイプの他例を示す部分拡大垂直断面図である。 本発明の第２実施形態に係る熱交換器の要部断面正面図である。 第２実施形態の熱交換器における冷媒流入側ヘッダパイプの拡大水平断面図である。 本発明の第３実施形態に係る熱交換器の要部断面正面図である。 冷媒流入側ヘッダパイプの他例を示す拡大水平断面図である。 本発明に係る熱交換器を搭載した空気調和機の概略構成図で、暖房運転時の状態を示すものである。 本発明に係る熱交換器を搭載した空気調和機の概略構成図で、冷房運転時の状態を示すものである。

本発明の第１実施形態に係るサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器の構造を、図１を参照しつつ説明する。図１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。

パラレルフロー型熱交換器１はサイドフロー方式であり、２本の垂直方向ヘッダパイプ２、３と、その間に配置される複数の水平方向偏平チューブ４を備える。ヘッダパイプ２、３は水平方向に間隔を置いて平行に配置され、偏平チューブ４は垂直方向に所定ピッチで配置されている。実際に機器に搭載する段階では、パラレルフロー型熱交換器１は設計の要請に従って様々な角度に据え付けられるから、本明細書における「垂直方向」「水平方向」は厳格に解釈されるべきものではない。単なる方向の目安として理解されるべきである。

蒸発器として使用する場合（例えば、冷房運転時の室内機や暖房運転時の室外機）、ヘッダパイプ２は冷媒流入側ヘッダパイプとなり、ヘッダパイプ３は冷媒流出側ヘッダパイプとなる。以後本明細書では、ヘッダパイプ２を冷媒流入側ヘッダパイプとして、ヘッダパイプ３を冷媒流出側ヘッダパイプとして、説明を進める。

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、図２に示す通り、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水平にする形で配置されるので、冷媒通路５の冷媒流通方向も水平になる。冷媒通路４は断面形状及び断面面積の等しいものが図２の左右方向に複数個並び、そのため偏平チューブ４の垂直断面はハーモニカ状を呈している。各冷媒通路５は冷媒流入側ヘッダパイプ２と冷媒流出側ヘッダパイプ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。上下に並ぶコルゲートフィン６のうち、最上段のものと最下段のものの外側にはサイドプレート７が配置される。

冷媒流入側ヘッダパイプ２、冷媒流出側ヘッダパイプ３、偏平チューブ４、コルゲートフィン６、及びサイドプレート７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は冷媒流入側ヘッダパイプ２と冷媒流出側ヘッダパイプ３に対し、コルゲートフィン６は偏平チューブ４に対し、サイドプレート７はコルゲートフィン６に対し、それぞれロウ付けまたは溶着で固定される

冷媒流出側ヘッダパイプ３には１本の冷媒流出パイプ８が接続される。冷媒流入側ヘッダパイプ２の内部には、下端から上端に向けて冷媒供給パイプ９が挿入される。図３に示す通り、冷媒流入側ヘッダパイプ２と冷媒供給パイプ９はいずれも断面円形で、同軸に配置される。冷媒供給パイプ９は冷媒流入側ヘッダパイプ２と同材質であり、冷媒流入側ヘッダパイプ２の下端をなす鏡板１０にロウ付けまたは溶着で固定される。

冷媒供給パイプ９の上端すなわち先端は、冷媒流入側ヘッダパイプ２の上端をなす鏡板１１に所定間隔を置いて対向している。冷媒供給パイプ９は先端のみに吐出口１２を有する。吐出口１２から吐出された冷媒は鏡板１１の下面に衝突する。すなわち鏡板１１の下面は冷媒を衝突させる衝突面１３となる。衝突面１３は冷媒供給パイプ９の軸線に直交する平面である。吐出口１２を冷媒供給パイプ９の先端のみに形成したことにより、流入する冷媒を全て衝突面１３に衝突させることができる。

パラレルフロー型熱交換器１の機能は次の通りである。冷媒供給パイプ９に冷媒が送り込まれると、吐出口１２から冷媒が吐出される。吐出された冷媒は衝突面１３に衝突する。衝突により気液混合が行われる。気液混合された冷媒は冷媒供給パイプ９の外周面と冷媒流入側ヘッダパイプ２の内周面との隙間を流下して偏平チューブ４の冷媒通路５に向かう。冷媒はきれいに拡散し、熱交換効率が向上する。上部から気液混合冷媒が流れることにより、たとえ、冷媒流入側ヘッダパイプ２の内部で一部気液分離したとしても、上部では気液混合冷媒となっているため液体の冷媒が冷媒通路５へと流れやすく、下部では気液分離してしまった液体の冷媒が冷媒通路５へと流れやすく、上下で液体の冷媒の流量のバランスがとれ、熱交換効率の低下が防がれる。また、冷媒流入側ヘッダパイプ２の内部に冷媒供給パイプ９が入り込むことにより冷媒流入側ヘッダパイプ２の内容積が減り、液冷媒の滞留が減少することも、熱交換効率の向上に有効に働く。

図１では冷媒流入側ヘッダパイプ２の下端から冷媒供給パイプ９が挿入されているが、冷媒流入側ヘッダパイプ２の上端から冷媒供給パイプ９が挿入される構成としてもよい。この場合、下側の鏡板１０の上面が衝突面１３を構成することになる。

冷媒が下側の鏡板１０の衝突面１３に衝突することによっても気液混合が行われる。気液混合された冷媒は冷媒供給パイプ９の外周面と冷媒流入側ヘッダパイプ２の内周面との隙間を上昇して偏平チューブ４の冷媒通路５に向かう。十分に気液混合された冷媒が上昇して行くことにより、全ての偏平チューブ４に対して液体の冷媒がきれいに拡散する。これにより上下で液体の冷媒の流量のバランスがとれ、熱交換効率の低下が防がれる。

衝突面１３の形状の形状は平面に限定される訳ではない。図５から図８に例示するような、様々な形状が可能である。

図５に示す衝突面１３は吐出口１２に対し凸面となっている。具体的には三角錐、四角錐、円錐などといった錐状体が凸面を構成し、その先端が吐出口１２に向けられている。凸面の先端に当たった冷媒は速やかに混合、拡散して冷媒流入側ヘッダパイプ２の内周面に達し、そこで流れ方向を下向きに転換する。

図６に示す衝突面１３は図５の凸面の変形例である。ここでは凸面が細く形成されており、凸面の先端が吐出口１２に入り込んでいる。この構造では、冷媒供給パイプ９が振れた場合、吐出口１２の内面が衝突面１３に当たり、振れ幅が抑えられる利点がある。また、冷媒が確実に凸面に衝突するので、冷媒が拡散し易い。冷媒流入側ヘッダパイプ２の内部に冷媒供給パイプ９が入り込むことにより冷媒流入側ヘッダパイプ２の内容積が減り、液冷媒の滞留が減少することも、熱交換効率の向上に有効に働く。

図７に示す衝突面１３も吐出口１２に対し凸面となっているが、その凸面は球面の一部である。凸面の中心に当たった冷媒は速やかに混合、拡散して冷媒流入側ヘッダパイプ２の内周面に達し、そこで流れ方向を下向きに転換する。

図８に示す衝突面１３は吐出口１２に対し凹面となっている。その凹面は球面の一部である。凹面の中心に当たった冷媒は、混合、拡散しつつ流れ方向を下向きに転換して行く。

図９及び図１０には冷媒流入側ヘッダパイプ２の内部における冷媒供給パイプ９の配置に関する変形実施態様を示す。この実施態様では、冷媒供給パイプ９は、冷媒流入側ヘッダパイプ２の中で偏平チューブ４から遠ざかる方向に偏って配置されている。これにより冷媒通路５と冷媒供給パイプ９との間隔が広くなり、冷媒通路５に冷媒が流入しやすくなる。

図１１には分流の改善に役立つ別の構造が示されている。すなわち、冷媒供給パイプ９の外周面と、冷媒流入側ヘッダパイプ２の内周面との隙間に、気液拡散体１４が配置されている。気液拡散体１４としては、例えばスチールウールを用いることができる。図１１には冷媒流入側ヘッダパイプ２の上部しか示されていないが、気液拡散体１４は、冷媒供給パイプ９の先端より少し下がった箇所から、冷媒流入側ヘッダパイプ２の下端まで詰め込まれるものである。

冷媒供給パイプ９の外周面と冷媒流入側ヘッダパイプ２の内周面との隙間に気液拡散体１４を配置することにより、一部の偏平チューブ４に冷媒が集中するという傾向が抑えられ、各偏平チューブ４への冷媒分配が一層平準化される。

図９及び図１１に描かれた衝突面１３は平面状であるが、それが凸面であっても凹面であっても良いことは言うまでもない。

図１２には、偏平チューブ４の中で、冷媒流入側ヘッダパイプ２に接続される端部分の形状に関する改善例を示す。ここでは偏平チューブ４の端面が冷媒流入側ヘッダパイプ２の内周面と同一曲率の曲面とされており、冷媒流入側ヘッダパイプ２の内周面から偏平チューブ４が突き出していない。これにより、冷媒流入側ヘッダパイプ２の内部における軸線方向の冷媒流れをスムーズにすることができる。冷媒流出側ヘッダパイプ３にも同様の構造を適用できる。

図１２においても、図９及び図１０に示した変形実施態様と同様、冷媒供給パイプ９を冷媒流入側ヘッダパイプ２の中で偏平チューブ４から遠ざかる方向に偏って配置することができる。そのようにすることで冷媒通路５と冷媒供給パイプ９との間隔が広くなり、冷媒通路５に冷媒が流入しやすくなる。

パラレルフロー型熱交換器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１３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はプロペラファンを含み、送風機１０８はクロスフローファンを含む。

本発明に係るサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器１は、室内機の熱交換器１０６の構成要素として用いることができる。熱交換器１０６は、３個の熱交換器１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃを送風機１０８を覆う屋根のように組み合わせたものであり、熱交換器１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃのいずれかをパラレルフロー型熱交換器１とすることができる。

図１３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１４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１は、室外機の熱交換器１０４としても使用可能である。

以上、本発明の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。例えば、冷媒供給パイプの先端部が逆Ｕ字状になっており、その逆Ｕ字の頂点部が鏡板と対向する場合、その頂点部に吐出口を設けるような形状も可能である。

本発明はサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器に広く利用可能である。

１ パラレルフロー型熱交換器
２ 冷媒流入側ヘッダパイプ
３ 冷媒流出側ヘッダパイプ
４ 偏平チューブ
５ 冷媒通路
６ コルゲートフィン
７ サイドプレート
８ 冷媒流出パイプ
９ 冷媒供給パイプ
１０、１１ 鏡板
１２ 吐出口
１３ 衝突面
１４ 冷媒拡散体

Claims (9)

1. 垂直方向に配置された冷媒流入側ヘッダパイプ及び冷媒流出側ヘッダパイプと、前記両ヘッダパイプを連結する複数の水平方向偏平チューブを備えるサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、
   前記冷媒流入側ヘッダパイプの内部に、下端から上端に向けて、または上端から下端に向けて、冷媒供給パイプが挿入され、前記冷媒供給パイプは前記冷媒流入側ヘッダパイプの端部に形成された衝突面に所定間隔を置いて対向する吐出口を有することを特徴とするパラレルフロー型熱交換器。
2. 前記吐出口は前記冷媒供給パイプの先端にのみ形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパラレルフロー型熱交換器。
3. 前記衝突面は前記冷媒供給パイプの軸線に直交する平面であることを特徴とする請求項１または２に記載のパラレルフロー型熱交換器。
4. 前記衝突面は前記吐出口に対し凸面となっていることを特徴とする請求項１または２に記載のパラレルフロー型熱交換器。
5. 前記凸面は先端部が前記吐出口に入り込むことを特徴とする請求項４に記載のパラレルフロー型熱交換器。
6. 前記衝突面は前記吐出口に対し凹面となっていることを特徴とする請求項１または２に記載のパラレルフロー型熱交換器。
7. 前記冷媒供給パイプは、前記冷媒流入側ヘッダパイプの中で、前記偏平チューブから遠ざかる方向に偏って配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のパラレルフロー型熱交換器。
8. 前記冷媒供給パイプの外周面と、前記冷媒流入側ヘッダパイプの内周面との隙間に、冷媒拡散体が配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のパラレルフロー型熱交換器。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のパラレルフロー型熱交換器を室内機または室外機に搭載したことを特徴とする空気調和機。

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