JP2020143835A - 熱交換器及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱管に供給される冷媒の均一化を図ることができる熱交換器及び冷凍サイクル装置を提供することである。【解決手段】実施形態の熱交換器は、第１ヘッダと、第２ヘッダと、複数の伝熱管と、仕切板と、を持つ。第１ヘッダ及び第２ヘッダは、鉛直方向に延在し、互いに間隔を有して配置されている。伝熱管は、第１ヘッダと第２ヘッダとの間に接続されている。接続管は、第１ヘッダに接続され、第１ヘッダの内部に気体冷媒及び液体冷媒を供給する。仕切板は、鉛直方向に延び、第１ヘッダの内部を接続管側の第１空間と伝熱管側の第２空間とに仕切る。接続管には、上部及び下部にそれぞれ上部開口部及び下部開口部が形成されている。仕切板の下方には、第１空間と第２空間とを連通する連通路が形成されている。仕切板には、第１空間と第２空間とを連通する連通孔が鉛直方向に複数形成されている。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、熱交換器及び冷凍サイクル装置に関する。

鉛直ヘッダ型熱交換器を冷媒蒸発器として使用し、ヘッダを用いて気液二相冷媒を熱交換チューブに供給する際に、気体冷媒と液体冷媒との密度差により、ヘッダ内では上方には気体冷媒が多く存在し下方には液体冷媒が多く存在する。このため、液体冷媒の供給量は、上方に位置する伝熱管の方が下方に位置する伝熱管よりも多くなり、伝熱管の配置高さによって液体冷媒の供給量が異なってしまい、熱交換器として十分な効果を発揮しない可能性があった。

特開２０１４−１２６２７３号公報

本発明が解決しようとする課題は、伝熱管に供給される冷媒の均一化を図ることができる熱交換器及び冷凍サイクル装置を提供することである。

実施形態の熱交換器は、第１ヘッダと、第２ヘッダと、複数の伝熱管と、仕切板と、を持つ。第１ヘッダ及び第２ヘッダは、鉛直方向に延在し、互いに間隔を有して配置されている。伝熱管は、第１ヘッダと第２ヘッダとの間に接続されている。接続管は、第１ヘッダに接続され、第１ヘッダの内部に気体冷媒及び液体冷媒を供給する。仕切板は、鉛直方向に延び、第１ヘッダの内部を接続管側の第１空間と伝熱管側の第２空間とに仕切る。接続管には、上部及び下部にそれぞれ上部開口部及び下部開口部が形成されている。仕切板の下方には、第１空間と第２空間とを連通する連通路が形成されている。仕切板には、第１空間と第２空間とを連通する連通孔が鉛直方向に複数形成されている。

一実施形態における冷凍サイクル装置の概略構成図。 一実施形態における熱交換器の正面図。 一実施形態に係る熱交換器の第１ヘッダと接続管との接続部分の構成を示す断面図。 図３のＡ−Ａ線断面図。 Ｂａｋｅｒの流動様式線図。 図３のＢ−Ｂ線断面図。

以下、実施形態の熱交換器及び冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。
図１は、冷凍サイクル装置の概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置である空気調和機１は、圧縮機２Ａ、アキュムレータ２Ｂ、四方弁３、室外熱交換器（熱交換器）４、膨張弁５、リキッドタンク６及び室内熱交換器７が冷媒流路８によって順次接続されて構成されている。なお、図１に示す例において、実線矢印は冷房時、破線矢印は暖房時の冷媒の流通方向を示している。

このような空気調和機１では、四方弁３により冷媒の流れ方向を変えることで、冷房運転や暖房運転等を行う。例えば、冷房運転では、冷媒流路８において、冷媒はアキュムレータ２Ｂ、圧縮機２Ａ、四方弁３、室外熱交換器４、膨張弁５、リキッドタンク６及び室内熱交換器７の順に流れる。このとき、室外熱交換器４を凝縮器として機能させ、室内熱交換器７を蒸発器として機能させ、室内を冷房する。
一方、暖房運転では、冷媒流路８において、冷媒はアキュムレータ２Ｂ、圧縮機２Ａ、四方弁３、室内熱交換器７、リキッドタンク６、膨張弁５及び室外熱交換器４の順に流れる。このとき、室内熱交換器７を凝縮器として機能させ、室外熱交換器４を蒸発器として機能させ、室内を暖房する。

次に、室外熱交換器４について説明する。
図２は、室外熱交換器４の正面図である。
図２に示すように、室外熱交換器４は、いわゆるヘッダ型熱交換器である。室外熱交換器４は、第１ヘッダ４１と、第２ヘッダ４２と、複数の熱交換チューブ（伝熱管）４３と、フィン４４と、を備えている。

なお、以下の説明では、各ヘッダ４１，４２の延在方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する２方向をそれぞれＸ方向及びＹ方向として説明する。また、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向のうち、図中矢印方向をプラス（＋）方向とし、矢印とは反対の方向をマイナス（−）方向として説明する。本実施形態において、室外熱交換器４は、Ｚ方向が重力方向（鉛直方向）に沿うようにして設置されている。この場合、＋Ｚ方向は重力方向上方に設定され、−Ｚ方向は重力方向下方に設定されている。

第１ヘッダ４１及び第２ヘッダ４２は、Ｚ方向（鉛直方向）に延びる管状とされている。第１ヘッダ４１と第２ヘッダ４２は、Ｘ方向に間隔を有した状態で、互いに平行に延在している。第１ヘッダ４１及び第２ヘッダ４２の上端部及び下端部は、それぞれエンドキャップ４１ｅ，４２ｅで閉塞されている。
なお、本実施形態では、第１ヘッダ４１及び第２ヘッダ４２は、例えばアルミニウムやアルミニウム合金等の材料で成形されている。具体的には、熱伝導率約２４０Ｗ／ｍＫのアルミニウムや、熱伝導率約１８０〜２３０Ｗ／ｍＫのアルミニウム合金が採用される。

熱交換チューブ４３は、Ｘ方向に延在するとともに、Ｚ方向に間隔を有して互い平行に配列されている。すなわち、各熱交換チューブ４３における−Ｘ方向端部は、第１ヘッダ４１にそれぞれ接続されている。各熱交換チューブ４３における＋Ｘ方向端部は、第２ヘッダ４２にそれぞれ接続されている。これにより、各熱交換チューブ４３は、各ヘッダ４１，４２間を並列接続している。なお、各熱交換チューブ４３には、例えばＹ方向を長軸方向とし、Ｙ方向に並んだ複数の冷媒流路を有する扁平管が用いられている。なお、各熱交換チューブ４３の断面形状は、適宜変更が可能である。本実施形態では、熱交換チューブ４３は、６本配列されている。

図２では、フィン４４は模式的に示しているが、フィン４４は例えばプレートフィンが用いられている。各フィン４４は、板状に形成され、厚さ方向をＸ方向に向けて配置されている。複数のフィン４４が、第１ヘッダ４１と第２ヘッダ４２との間に、Ｘ方向に間隔を有して複数配置されている。本実施形態では、フィン４４は、例えばアルミニウム等の熱伝導率に優れた材料で成形されている。

第１ヘッダ４１の下端部よりもわずかに上方には、第１接続管５１が接続されている。第１接続管５１は、Ｘ方向に延びる管状とされている。第１接続管５１は、第１ヘッダ４１の−Ｘ方向側に接続され、熱交換チューブ４３の端部４３ａ（図３参照。以下同じ。）と対向して配置されている。

第２ヘッダ４２の上端部よりもわずかに下方には、第２接続管５６が接続されている。第２接続管５６は、Ｘ方向に延びる管状とされている。

次に、第１ヘッダ４１の構成について詳細に説明する。
図３は、室外熱交換器４の第１ヘッダ４１と第１接続管５１との接続部分の構成を示す断面図であり、Ｘ方向及びＺ方向に沿う断面図である。図３では、フィン４４の図示を省略している。
図３に示すように、第１接続管５１の＋Ｘ方向側の端部５１ｅ（以下、単に端部５１ｅと称する）には、開口部（上部開口部）５２及び開口部（下部開口部）５３が形成されている。

開口部５２は、第１接続管５１の上部に形成されている。開口部５３は、第１接続管５１の下部に形成されている。

図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。
図４に示すように、開口部５２の開口面積は、開口部５３の開口面積よりも大きい。本実施形態では、Ｙ方向及びＺ方向に沿う断面で、開口部５２の周方向の長さを開口部５３の周方向の長さよりも大きくすることで、開口部５２の開口面積を開口部５３の開口面積よりも大きいしている。

図５は、Ｂａｋｅｒの流動様式線図である。
Ｂａｋｅｒの流動様式線図は、気液二相冷媒の流動様式を示す特性図である。縦軸及び横軸は、それぞれ冷媒の流動状態を表す値である。縦軸は冷媒の気相の質量流量の大きさを示し、横軸は冷媒の気相と液相の質量流量の比である。
Ｂａｋｅｒの流動様式線図のパラメータは以下のとおりである。
λ＝［（ρｇ÷ρａ）×（ρｌ÷ρｗ）］１／２
φ＝（σｗ÷σ）×［（μｌ÷μｗ）×（ρｗ÷ρｌ）２］１／２
Ｇｇ［ｋｇ／ｍ^２ｈ］：気相冷媒の質量流速
Ｇｌ［ｋｇ／ｍ^２ｈ］：液相冷媒の質量流速
ρ：密度
σ：表面張力
μ：粘性係数
各添え字ｇ、ｌ、ａ、ｗは、それぞれガス、液、空気、水を表している。

第一接続管５１内を流れる冷媒の流動様式は、Ｂａｋｅｒの流動様式線図を用いて算出し、気体冷媒Ｒ１及び液体冷媒Ｒ２が、図５に示す波状流及び成層流になることが好ましい。波状流は気液速度により層状流における気液界面が波状を呈している。成層流は気液界面が層状を呈している。第一接続管５１の内径は、気相冷媒の質量流速Ｇｇ及び液相冷媒の質量流速Ｇｌに影響し、Ｂａｋｅｒの流動様式線図の縦軸及び横軸上の位置を特定する。図４に示す第１接続管５１の直径（内周の直径）ａは、内部で気体冷媒Ｒ１と液体冷媒Ｒ２とに分離されるように設定することが好ましい。

図３に示すように、第１ヘッダ４１の＋Ｘ側には、接続部４１ａが複数設けられている。接続部４１ａは、Ｘ方向に延びる管状とされている。接続部４１ａに、熱交換チューブ４３の端部４３ａ近傍が内嵌され、ろう付け等によって固定されている。この接続部４１ａの構造により、熱交換チューブ４３を第１ヘッダ４１へ挿入する作業及びろう付け作業が容易となる。接続部４１ａが第１ヘッダ４１の内側に向かって形成されていて、熱交換チューブ４３の端部４３ａ近傍が接続部４１ａに外嵌され、ろう付け等によって固定される構成であってもよい。

第１ヘッダ４１の内部には、仕切板６１が設けられている。仕切板６１は、平板状に形成され、Ｚ方向に延びている。仕切板６１は、板面６１ａがＹ方向及びＺ方向に沿うように配置されている。

仕切板６１により、第１ヘッダ４１の内部空間は、−Ｘ側（第１接続管５１側）と＋Ｘ側（熱交換チューブ４３側）とに仕切られている。換言すると、第１ヘッダ４１の内部空間には、−Ｘ側の第１空間Ｓ１と＋Ｘ側の第２空間Ｓ２とに仕切られている。

図６は、図３のＢ−Ｂ線断面図。
図６に示すように、仕切板６１は、第１ヘッダ４１の内部において、Ｘ方向の中心よりも＋Ｘ側に配置されている。これにより、第１空間Ｓ１の容積は、第２空間Ｓ２の容積よりも大きい。第１空間Ｓ１の容積：第２空間Ｓ２の容積＝９：１〜８：１が好ましい。

図４に示すように、仕切板６１には、板厚方向（Ｘ方向）に貫通する連通孔６２がＺ方向に沿って複数形成されている。連通孔６２は、仕切板６１の板面６１ａを正面視して、円形状をなしている。本実施形態では、各連通孔６２の面積は、同一である。本実施形態では、連通孔６２の直径は、約１ｍｍ程度とされているが、直径の長さは適宜設定可能である。

図３に示すように、連通孔６２により、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とは連通されている。各連通孔６２は、対応する熱交換チューブ４３の端部４３ａと対向する位置に配置されている。

仕切板６１の下端部６１ｄと第１接続管５１の端部５１ｅとは、接合されている。仕切板６１の下端部６１ｄは、第１ヘッダ４１の下端部（下方のエンドキャップ）４１ｅに到達していない。換言すると、仕切板６１の下方には、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とを連通する連通路Ｓ３が形成されている。

仕切板６１の下端部６１ｄは、複数の熱交換チューブ４３のうち最も低い位置に配置された熱交換チューブ４３ｄよりも低い位置に配置されている。

次に、上述した室外熱交換器４の作用を説明する。以下の説明では、室外熱交換器４を蒸発器として機能させる場合について説明する。
まず、膨張弁５で減圧された冷媒（気体冷媒Ｒ１及び液体冷媒Ｒ２）は、気液二相冷媒となって第１接続管５１から第１ヘッダ４１の内部に流通する。第１ヘッダ４１の内部を流通した冷媒は、第１ヘッダ４１の内部を＋Ｚ方向に流通しながら各熱交換チューブ４３に分配される。熱交換チューブ４３内を流通する冷媒は、第２ヘッダ４２内に流通する。

また、本実施形態の室外熱交換器４において、熱交換空気は、フィン４４と熱交換チューブ４３との間の隙間を通って室外熱交換器４をＹ方向に通過する。そして、熱交換空気は、室外熱交換器４を通過する際に、熱交換チューブ４３やフィン４４を介して、熱交換チューブ４３内を流通する冷媒と熱交換される。このとき、室外熱交換器４内に供給された冷媒は、熱交換チューブ４３を流通する過程で熱交換空気から吸熱することで蒸発し、熱交換空気を冷却する。

ここで、第１接続管５１内を流通する気体冷媒Ｒ１の質量速度と液体冷媒Ｒ２の質量速度とが同じになるように設定することが好ましい。また、Ｂａｋｅｒの流動様式線図のパラメータより、第１接続管５１の直径ａは、内部で気体冷媒Ｒ１と液体冷媒Ｒ２とに分離されるように設定することが好ましい。これらにより、複数の熱交換チューブ４３における分配特性を安定させることができる。

気体冷媒Ｒ１は、第１接続管５１の上部の開口部５２を通過して、第１ヘッダ４１の内部の第１空間Ｓ１に導入される。第１空間Ｓ１は、気体冷媒Ｒ１で充満される。液体冷媒Ｒ２は、第１接続管５１の下部の開口部５３を通過して、連通路Ｓ３を通過して、第１ヘッダ４１の内部の第２空間Ｓ２に導入される。第２空間Ｓ２は、液体冷媒Ｒ２で充満される。

第１空間Ｓ１の内部の気体冷媒Ｒ１は、仕切板６１の連通孔６２を通過して、第２空間Ｓ２へ流入する。このとき、気体冷媒Ｒ１は、第２空間Ｓ２の内部の液体冷媒Ｒ２を押し出して、第１ヘッダ４１に接続された熱交換チューブ４３内に気体冷媒Ｒ１及び液体冷媒Ｒ２が均一に供給される。

このように、本実施形態では、室外熱交換器４は、第１ヘッダ４１と、第２ヘッダ４２と、複数の熱交換チューブ４３と、仕切板６１と、を備えている。第１ヘッダ４１及び第２ヘッダ４２は、鉛直方向に延在し、互いに間隔を有して対向配置されている。熱交換チューブ４３は、第１ヘッダ４１と第２ヘッダ４２との間に接続されている。第１接続管５１は、第１ヘッダ４１に接続され、第１ヘッダ４１の内部に気体冷媒Ｒ１及び液体冷媒Ｒ２を供給する。仕切板６１は、鉛直方向に延び、第１ヘッダ４１の内部を第１接続管５１側の第１空間Ｓ１と熱交換チューブ４３側の第２空間Ｓ２とに仕切る。第１接続管５１には、上部及び下部にそれぞれ開口部５２及び開口部５３が形成されている。仕切板６１の下方には、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とを連通する連通路Ｓ３が形成されている。仕切板６１には、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とを連通する連通孔６２が鉛直方向に複数形成されている構成とした。

この構成によれば、気体冷媒Ｒ１は、第１接続管５１の開口部５２から第１空間Ｓ１に導入されやすくなる。液体冷媒Ｒ２は、第１接続管５１の開口部５３から連通路Ｓ３を通過して第２空間Ｓ２に導入されやすくなる。このように、気体冷媒Ｒ１と液体冷媒Ｒ２とを意図的に相分離させて、第１空間Ｓ１から仕切板６１の連通孔６２を通過した気体冷媒Ｒ１により、第２空間Ｓ２の液体冷媒Ｒ２が気体冷媒Ｒ１とともに熱交換チューブ４３に導入されるため、熱交換チューブ４３に供給される冷媒の均一化ができる。

本実施形態では、開口部５２の開口面積は、開口部５３の開口面積よりも大きい構成とした。
この構成によれば、気体冷媒Ｒ１が開口部５２を通過して第１空間Ｓ１に導入されることを促進するとともに、気体冷媒Ｒ１が開口部５３を通過して第２空間Ｓ２に導入されることを抑制することができる。よって、第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２を通過して熱交換チューブ４３に供給される冷媒の均一化ができる。

本実施形態では、第１接続管５１の直径ａは、第１接続管５１の内部で気体冷媒Ｒ１と液体冷媒Ｒ２とに分離されるように設定されている構成とした。
この構成によれば、第１接続管５１の内部で、冷媒が気体冷媒Ｒ１と液体冷媒Ｒ２とに分離されているため、第１空間Ｓ１に気体冷媒Ｒ１が導入されるとともに第２空間Ｓ２に液体冷媒Ｒ２が導入されることが促進される。よって、第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２を通過して熱交換チューブ４３に供給される冷媒の均一化ができる。

本実施形態では、第１空間Ｓ１の容積は、第２空間Ｓ２の容積よりも大きい構成とした。
この構成によれば、供給される冷媒の容積は気体冷媒Ｒ１の方が液体冷媒Ｒ２よりも大きいため、第１空間Ｓ１の容積を第２空間Ｓ２の容積よりも大きくすることで、第１空間Ｓ１に気体冷媒Ｒ１が導入されるとともに第２空間Ｓ２に液体冷媒Ｒ２が導入されることが促進される。よって、第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２を通過して熱交換チューブ４３に供給される冷媒の均一化ができる。

本実施形態では、各連通孔６２は、対応する熱交換チューブ４３の端部４３ａと対向する位置に配置されている構成とした。
この構成によれば、連通孔６２を通過した気体冷媒Ｒ１が液体冷媒Ｒ２を熱交換チューブ４３側に押し出す。このため、第２空間Ｓ２において渦の発生が抑制されるため、熱交換チューブ４３に供給される冷媒の均一化ができる。

そして、本実施形態では、上述した室外熱交換器４を蒸発器または凝縮器として機能させることで、熱交換チューブ４３に供給される冷媒の均一化を図ることができる空気調和機１を提供できる。

上述した実施形態では、仕切板６１に形成された複数の連通孔６２の面積は、同一であるが、この構成のみに限られない。例えば、複数の連通孔６２のうち、下方の連通孔６２の面積よりも上方の連通孔６２の面積の方が大きくてもよい。この場合には、第１空間Ｓ１に導入された気体冷媒Ｒ１の多くが下方の連通孔６２を通過して第２空間Ｓ２に導入されるのが抑制され、第１空間Ｓ１の内部に気体冷媒Ｒ１が充満されやすい。また、連通孔６２が配置される高さに応じて連通孔６２の面積が大きくなる構成であってもよい。また、連通孔６２の形状は、円形に限られず、例えばＹ方向又はＺ方向を長軸方向とする楕円形であってもよい。

また、全ての連通孔６２が、対応する熱交換チューブ４３の端部４３ａと対向する位置に配置されているが、この構成のみに限られない。複数の連通孔６２のうち少なくとも一の連通孔６２が、熱交換チューブ４３の端部４３ａと対向する位置に配置されていてもよい。

また、上述した実施形態では、熱交換器が室外熱交換器４に採用された構成について説明したが、この構成のみに限られない。熱交換器は、室内熱交換器７に採用されていてもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、仕切板６１は鉛直方向に延び、第１ヘッダ４１の内部を第１接続管５１側の第１空間Ｓ１と熱交換チューブ４３側の第２空間Ｓ２とに仕切るとともに、第１接続管５１には上部及び下部にそれぞれ開口部５２及び開口部５３が形成され、仕切板６１には第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とを連通する連通孔６２が鉛直方向に複数形成されている構成を持つ。これにより、気体冷媒Ｒ１は第１接続管５１の開口部５２から第１空間Ｓ１に導入され、液体冷媒Ｒ２は第１接続管５１の開口部５３から仕切板６１の連通路を流通して第２空間Ｓ２に導入される。このように、気体冷媒Ｒ１と液体冷媒Ｒ２とを意図的に相分離させて、第１空間Ｓ１から仕切板６１の連通孔６２を通過した気体冷媒Ｒ１により、第２空間Ｓ２の液体冷媒Ｒ２を熱交換チューブ４３に導入することができるため、熱交換チューブ４３に供給される冷媒の均一化ができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…空気調和機（冷凍サイクル装置）、４…室外熱交換器（熱交換器）、７…室内熱交換器、４１…第１ヘッダ、４２…第２ヘッダ、４３…熱交換チューブ（伝熱管）、４４…フィン、５１…第１接続管（接続管）、５２…開口部（上部開口部）、５３…開口部（下部開口部）、５６…第２接続管、６１…仕切板、６２…連通孔、Ｒ１…気体冷媒、Ｒ２…液体冷媒、Ｓ１…第１空間、Ｓ２…第２空間、Ｓ３…連通路

Claims (6)

1. 鉛直方向に延在し、互いに間隔を有して対向配置された第１ヘッダ及び第２ヘッダと、
   前記第１ヘッダと前記第２ヘッダとの間に接続された複数の伝熱管と、
   前記第１ヘッダに接続され、前記第１ヘッダの内部に気体冷媒及び液体冷媒を供給する接続管と、
   鉛直方向に延び、前記第１ヘッダの内部を前記接続管側の第１空間と前記伝熱管側の第２空間とに仕切る仕切板と、を備え、
   前記接続管には、上部及び下部にそれぞれ上部開口部及び下部開口部が形成され、
   前記仕切板の下方には、前記第１空間と前記第２空間とを連通する連通路が形成され、
   前記仕切板には、前記第１空間と前記第２空間とを連通する連通孔が鉛直方向に複数形成されている、
   熱交換器。
2. 前記上部開口部の開口面積は、前記下部開口部の開口面積よりも大きい、
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記接続管の直径は、前記接続管の内部で前記気体冷媒と前記液体冷媒とに分離されるように設定されている、
   請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記第１空間の容積は、前記第２空間の容積よりも大きい、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 複数の前記連通孔のうち少なくとも一の前記連通孔は、前記伝熱管の端部と対向する位置に配置されている、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の熱交換器を備えた冷凍サイクル装置。

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