JP7375492B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関する。

一般に、空気調和機の室外機及び室内機には、熱交換器が設けられる。熱交換器は、伝熱管の内部を流れる冷媒と、伝熱管の周囲に配置されたフィンの周囲を流れる空気との熱交換によって、蒸発器又は凝縮器として動作する。

熱交換器には、間隔を空けて多段に積層された伝熱管の列を複数並べ、列間で冷媒を往復させるものがある。具体的には、熱交換器の一端に冷媒の２つの流出入口が設けられ、一方の流出入口から流入した冷媒は、１つの列の伝熱管を流れて熱交換器の他端へ到達し、列間を接続する折り返しヘッダによって他の列の伝熱管へ折り返し、他方の流出入口が設けられた一端へ戻ることがある。このように、冷媒を往復させることにより、冷媒流路長が長くなり多くの冷媒を十分に蒸発させることができる。

特開２００６－１７４４２号公報 実開平２－１０９１８５号公報

ところで、伝熱管の列間を接続する折り返しヘッダは、２枚のプレートをロウ付けにより接合して形成されるのが一般的である。具体的には、平板形状の周縁部を有し、この平板形状の表面よりも凹む凹部が中央部に形成された２枚のプレートを、互いの凹部が対向するように向かい合わせ、周縁部をロウ付け代として貼り合わせることにより、折り返しヘッダが形成される。２枚のプレートが凹部を対向させて接合されるため、対向する凹部によって空間が形成される。このような空間は、多段に積層された伝熱管の段ごとに形成され、異なる列の同じ段に位置する一対の伝熱管が１つの空間によって接続される。

すなわち、２枚のプレートの凹部を対向するように向かい合わせて形成される１つの空間を介して、互いに逆方向に流れる冷媒の流路となる同じ段の一対の伝熱管が接続される。この空間を形成する一方のプレートの凹部の底部には、異なる列の同じ段にある一対の伝熱管の先端を挿通させる貫通孔が設けられている。伝熱管の先端は、このプレートの貫通孔を貫通して折り返しヘッダ内部の空間に到達する。そして、一対の伝熱管のうち一方の伝熱管から流出する冷媒は、折り返しヘッダに形成された空間を経由して、他方の伝熱管へ流入する。

しかしながら、折り返しヘッダによって伝熱管を接続するものにおいては、冷媒の流路が閉塞することがあるという問題がある。具体的には、折り返しヘッダを構成する一方のプレートに形成された貫通孔を貫通する伝熱管の先端が、他方のプレートの内壁面に当接する場合には、内壁面によって伝熱管の先端の端面が覆われる。結果として、伝熱管の端面において冷媒の流路が閉塞し、折り返しヘッダと伝熱管の間で冷媒の流出入が困難となる。

開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、伝熱管の端面において冷媒の流路の閉塞を抑制することができる熱交換器を提供することを目的とする。

本願が開示する熱交換器は、１つの態様において、冷媒の流路を備え断面が扁平形状の伝熱管と、伝熱管の先端に接続するヘッダとを有し、複数の伝熱管が積層されて設けられる熱交換器であって、ヘッダは、伝熱管を貫通させる貫通孔が形成された第１の板状部材と、第１の板状部材と接合される第２の板状部材と、第１の板状部材と第２の板状部材との間に形成される空間とを有し、第２の板状部材は、空間を介して貫通孔に対向する内壁面であって、貫通孔を貫通する伝熱管の端面の短手方向に沿って端面との距離が変化する形状の内壁面を有し、伝熱管は、端面の短手方向の一端を内壁面に当接させる。貫通孔は、複数の伝熱管の積層方向に沿う鉛直方向における空間の中心位置よりも下方に形成される。

本願が開示する熱交換器の１つの態様によれば、伝熱管の端面において冷媒の流路の閉塞を抑制することができるという効果を奏する。

図１は、一実施の形態に係る熱交換器の構成を示す斜視図である。 図２は、Ｉ－Ｉ線断面を示す図である。 図３は、II－II線断面を示す図である。 図４は、折り返しヘッダの構成を示す図である。 図５は、III－III線断面を示す図である。 図６は、折り返しヘッダの形状の具体例を示す図である。 図７は、折り返しヘッダの変形例を示す図である。 図８は、他の実施の形態に係る折り返しヘッダの構成を示す図である。 図９は、さらに他の実施の形態に係る折り返しヘッダの構成を示す図である。

以下、本願が開示する熱交換器の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、一実施の形態にかかる熱交換器１００の構成を示す斜視図である。図１に示す熱交換器１００は、例えば空気調和機の室外機に設けられ、蒸発器又は凝縮器として動作する。熱交換器１００は、熱交換コア部１１０、第１ヘッダ１２０、第１流出入口１３０、第２ヘッダ１４０、第２流出入口１５０及び折り返しヘッダ１７０を有する。

熱交換コア部１１０は、平面視でＬ字形状を有し、多段に積層された伝熱管の列を二列有する。また、熱交換コア部１１０は、伝熱管の周囲に空気を誘導し、伝熱管内を流れる冷媒との熱交換を促進する複数のフィンを有する。具体的に、図２は、図１のＩ－Ｉ線断面を示す図であり、図３は、図１のII－II線断面を示す図である。なお、図１においては、熱交換コア部１１０が有する伝熱管及びフィンの詳細な図示を省略している。

図２に示すように、熱交換コア部１１０は、伝熱管１１１ａと、フィン１１２ａと、伝熱管１１１ｂと、フィン１１２ｂとを有する。熱交換コア部１１０は、伝熱管１１１ａが間隔を空けて多段に積層された列と伝熱管１１１ｂが間隔を空けて多段に積層された列とを有し、それぞれの列の同じ段の伝熱管１１１ａと伝熱管１１１ｂとが互いに近接して平行に伸びるように並んで配置されている。伝熱管１１１ａ、１１１ｂは、断面が扁平形状の扁平管であり、伝熱管１１１ａと伝熱管１１１ｂとは同一の断面形状を有する。すなわち、伝熱管１１１ａ、１１１ｂの断面は、長手方向と短手方向が互いに垂直となる形状を有する。

伝熱管１１１ａ、１１１ｂの断面において、長手方向には冷媒の複数の流路が並んでおり、この長手方向と同じ段の伝熱管１１１ａ、１１１ｂが並ぶ方向である列幅方向（以下単に「列幅方向」という）とが一致する。また、伝熱管１１１ａ、１１１ｂの断面の短手方向と、各列の伝熱管１１１ａ、１１１ｂが積層される方向（以下単に「積層方向」という）とが一致する。伝熱管１１１ａは、第１ヘッダ１２０から折り返しヘッダ１７０まで伸び、伝熱管１１１ｂは、第２ヘッダ１４０から折り返しヘッダ１７０まで伸びる。

伝熱管１１１ａ、１１１ｂは、積層方向に伸びる櫛形形状のフィン１１２ａ、１１２ｂを貫通する。すなわち、例えば図３に示すように、伝熱管１１１ａは、複数のフィン１１２ａを貫通し、伝熱管１１１ａの内部を流れる冷媒が複数のフィン１１２ａの間を通過する空気との間で効率的に熱交換するようになっている。同様に、伝熱管１１１ｂは、複数のフィン１１２ｂを貫通し、伝熱管１１１ｂの内部を流れる冷媒が複数のフィン１１２ｂの間を通過する空気との間で効率的に熱交換するようになっている。

フィン１１２ａ、１１２ｂは、積層方向に伸び、櫛形形状の歯と歯の間に伝熱管１１１ａ、１１１ｂを挿通させる。すなわち、フィン１１２ａは、積層方向に１列に並ぶ複数の伝熱管１１１ａを挿通させ、フィン１１２ｂは、積層方向に１列に並ぶ複数の伝熱管１１１ｂを挿通させる。伝熱管１１１ａが伸びる方向において隣接するフィン１１２ａの間には間隔が空けられており、積層された伝熱管１１１ａと隣接するフィン１１２ａとによって仕切られる空間が空気の通路となる。この通路を通過する空気と伝熱管１１１ａ内を流れる冷媒との間で熱交換が行われる。同様に、伝熱管１１１ｂが伸びる方向において隣接するフィン１１２ｂの間には間隔が空けられており、積層された伝熱管１１１ｂと隣接するフィン１１２ｂとによって仕切られる空間が空気の通路となる。この通路を通過する空気と伝熱管１１１ｂ内を流れる冷媒との間で熱交換が行われる。

第１ヘッダ１２０及び第２ヘッダ１４０は、熱交換器１００の一端に設けられる。第１ヘッダ１２０は、積層方向に１列に並ぶ複数の伝熱管１１１ａに接続され、第２ヘッダ１４０は、積層方向に１列に並ぶ複数の伝熱管１１１ｂに接続される。

第１ヘッダ１２０は、熱交換器１００が蒸発器として機能する場合には冷媒の入口ヘッダとなり、第１流出入口１３０から流入する気液二相状態の冷媒を伝熱管１１１ａへ送出する。また、第１ヘッダ１２０は、熱交換器１００が凝縮器として機能する場合には冷媒の出口ヘッダとなり、伝熱管１１１ａから流入する気液二相状態の冷媒を第１流出入口１３０へ送出する。

第２ヘッダ１４０は、熱交換器１００が蒸発器として機能する場合には冷媒の出口ヘッダとなり、伝熱管１１１ｂから流入する気液二相状態の冷媒を第２流出入口１５０へ送出する。また、第２ヘッダ１４０は、熱交換器１００が凝縮器として機能する場合には冷媒の入口ヘッダとなり、第２流出入口１５０から流入する気液二相状態の冷媒を伝熱管１１１ｂへ送出する。

折り返しヘッダ１７０は、熱交換器１００の第１ヘッダ１２０及び第２ヘッダ１４０が設けられる一端とは反対の端部に設けられ、伝熱管１１１ａと伝熱管１１１ｂを接続する。すなわち、折り返しヘッダ１７０は、同じ段にある一対の伝熱管１１１ａと伝熱管１１１ｂの先端が共通して接続される空間を有し、伝熱管１１１ａの先端から流出する冷媒を伝熱管１１１ｂへ折り返して流入させ、伝熱管１１１ｂの先端から流出する冷媒を伝熱管１１１ａへ折り返して流入させる。

図４は、折り返しヘッダ１７０の構造を示す図である。図４は、折り返しヘッダ１７０を伝熱管１１１ａ、１１１ｂの側（すなわち、熱交換器１００の内側）から見た斜視図である。

折り返しヘッダ１７０は、２つの板状部材１７１、１７２を例えばロウ付けにより接合して形成されている。板状部材１７１の中央には伝熱管１１１ａ、１１１ｂの段ごとの凹部１７１ａが形成され、板状部材１７２の中央には伝熱管１１１ａ、１１１ｂの段ごとの凹部１７２ａが形成されている。そして、板状部材１７１、１７２は、伝熱管１１１ａ、１１１ｂの同じ段に対応する凹部１７１ａ、１７２ａが向かい合うように対向し、互いに向かい合う凹部１７１ａ、１７２ａによって図５に示す空間１７０ａが形成されるように接合されている。板状部材１７１、１７２を接合するロウ材は、板状部材１７２の表面に形成されたクラッド層に含まれており、このクラッド層が加熱されることにより、ロウ材が溶融して板状部材１７１と板状部材１７２を接合する。一方、板状部材１７１の表面にはクラッド層は形成されていない。すなわち、折り返しヘッダ１７０内に空間を形成する凹部１７１ａの内壁面には、加熱により溶融するクラッド層が設けられていない。なお、例えば板状部材１７１は、請求項における「第２の板状部材」に対応し、例えば板状部材１７２は、請求項における「第１の板状部材」に対応する。

凹部１７２ａには貫通孔が形成されており、伝熱管１１１ａ、１１１ｂの先端は、この貫通孔を貫通して凹部１７１ａ、１７２ａが形成する空間１７０ａに到達する。そして、凹部１７１ａ、１７２ａが形成する空間１７０ａを介して、伝熱管１１１ａと伝熱管１１１ｂの間で冷媒が折り返し可能になっている。すなわち、伝熱管１１１ａ、１１１ｂの先端の端面は、凹部１７１ａの内壁面によって覆われておらず、冷媒の流路が閉塞していない。以下、この点について具体的に説明する。

図５は、図４のIII－III線断面を示す図である。図５に示すように、伝熱管１１１ａの先端は、板状部材１７２の凹部１７２ａに形成された貫通孔１７２ｂを貫通し、折り返しヘッダ１７０の内部の空間１７０ａに到達する。貫通孔１７２ｂは、空間１７０ａの積層方向の中心高さＣからずれた位置（図５においては中心高さＣの下方）に形成されている。このため、伝熱管１１１ａは、中心高さＣから下方にずれた位置において凹部１７２ａを貫通する。

貫通孔１７２ｂに対向する位置においては、凹部１７１ａの内壁面１７１ｂが伝熱管１１１ａが伸びる方向に対して垂直ではなく、側面視で円弧状になっている。すなわち、内壁面１７１ｂは、伝熱管１１１ａの先端の端面１１５からの距離が一定ではなく、端面１１５の上端１１５ａと下端１１５ｂとでは、内壁面１７１ｂまでの距離が異なる。結果として、伝熱管１１１ａの端面１１５の短手方向の一端（ここでは下端１１５ｂ）が内壁面１７１ｂに当接し、伝熱管１１１ａの空間１７０ａへの挿入方向における位置決めをしている。

このように、貫通孔１７２ｂに対向する内壁面１７１ｂが、伝熱管１１１ａの端面１１５の短手方向に沿って端面１１５からの距離が変化する形状を有することにより、端面１１５の短手方向の一端（例えば下端１１５ｂ）が内壁面１７１ｂに当接しても、端面１１５全体が内壁面１７１ｂによって覆われることがない。このため、端面１１５において冷媒の流路が閉塞されることがなく、冷媒の流出入が妨げられることはない。また、上述したように、内壁面１７１ｂを含む凹部１７１ａの内壁面には、クラッド層が形成されていない。このため、伝熱管１１１ａが貫通孔１７２ｂを貫通した状態で、板状部材１７１、１７２を加熱してロウ付けしても、ロウ材が伝熱管１１１ａの端面１１５に付着することがなく、流路の閉塞を防止することができる。

なお、図５においては、空間１７０ａの積層方向の中心高さＣの下方に貫通孔１７２ｂが形成され、伝熱管１１１ａの端面１１５の下端１１５ｂが内壁面１７１ｂに当接するものとした。しかし、凹部１７２ａの貫通孔は、中心高さＣの上方に形成されても良く、伝熱管１１１ａの端面１１５の上端１１５ａが内壁面１７１ｂに当接しても良い。ただし、空間１７０ａの中心高さＣよりも下方に貫通孔１７２ｂが形成されることにより、伝熱管１１１ａの先端が空間１７０ａの下方に位置することとなり、空間１７０ａの下方を流れる液相状態の冷媒が早期に伝熱管１１１ａへ流入する。このため、空間１７０ａにおける冷媒の滞留を防止することができる。

また、例えば凹部１７２ａの貫通孔が中心高さＣ付近に形成される場合でも、貫通孔に対向する内壁面１７１ｂが、端面１１５の短手方向に沿って端面１１５からの距離が変化する形状であれば良い。要するに、空間１７０ａを介して凹部１７２ａの貫通孔に対向する内壁面１７１ｂと端面１１５との間の距離が、端面１１５の短手方向に沿って変化すれば、端面１１５全体が内壁面１７１ｂによって覆われることがなく、冷媒の流路の閉塞を抑制することができる。

図６は、積層方向に垂直な平面による折り返しヘッダ１７０の断面を示す図である。図６に示すように、伝熱管１１１ａ、１１１ｂは、凹部１７２ａにおいて板状部材１７２を貫通して折り返しヘッダ１７０の内部の空間１７０ａに到達する。そして、伝熱管１１１ａの先端の端面１１５は、短手方向の一端が内壁面１７１ｂに当接するため、端面１１５全体が凹部１７１ａに覆われることなく、伝熱管１１１ａの先端が位置決めされる。同様に、伝熱管１１１ｂの先端も、端面が覆われることなく位置決めされる。このように、伝熱管１１１ａ、１１１ｂの端面の短手方向の一端を凹部１７１ａの内壁面１７１ｂに当接させて伝熱管１１１ａ、１１１ｂの位置決めをすることにより、伝熱管１１１ａ、１１１ｂの折り返しヘッダ１７０への挿入深さを揃えることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、２つの板状部材を接合して形成される折り返しヘッダの一方の板状部材を伝熱管の先端が貫通し、伝熱管の先端の端面に対向する他方の板状部材の内壁面は、端面の短手方向に沿って端面からの距離が変化する形状を有する。このため、伝熱管の端面の一端が板状部材の内壁面に当接して伝熱管の先端が位置決めされると、端面全体が内壁面によって覆われることがない。結果として、伝熱管の先端において冷媒の流路の閉塞を抑制することができる。

なお、上記一実施の形態においては、板状部材１７１、１７２の双方に凹部１７１ａ、１７２ａが形成されるものとしたが、伝熱管１１１ａ、１１１ｂが貫通する板状部材は、平板であっても良い。すなわち、例えば図７に示すように、板状部材１７１と平板の板状部材１７３とが接合されて折り返しヘッダ１７０が形成されても良い。図７において、図５と同じ部分には同じ符号を付す。

図７に示す構造では、板状部材１７３に貫通孔１７３ａが形成され、伝熱管１１１ａの先端は、貫通孔１７３ａを貫通して折り返しヘッダ１７０の内部の空間に到達する。貫通孔１７３ａに対向する凹部１７１ａの内壁面１７１ｂは、伝熱管１１１ａの端面１１５の短手方向に沿って端面１１５からの距離が変化する形状を有するため、図７の構成においても、端面１１５全体が内壁面１７１ｂによって覆われることはない。このため、伝熱管１１１ａの先端において冷媒の流路が閉塞せず、冷媒の流出入が可能である。また、一方の板状部材１７３を平板とするため、貫通孔１７３ａを形成するための加工が容易になり、折り返しヘッダ１７０の製造を容易にすることができる。

（他の実施の形態）
上記一実施の形態の他にも、折り返しヘッダ１７０の形状は、様々に変更することが可能である。図８は、他の実施の形態に係る折り返しヘッダ１７０の構成を示す図である。図８は、図６と同様に、積層方向に垂直な平面による折り返しヘッダ１７０の断面を示す図であり、図６と同じ部分には同じ符号を付す。図８に示す折り返しヘッダ１７０は、凹部１７１ａの列幅方向の端部に傾斜部１７１ｃを有する。すなわち、凹部１７１ａの列幅方向の端部には、伝熱管１１１ａの端面１１５の長手方向に沿って端面１１５との間の距離が変化する傾斜部１７１ｃが形成されている。そして、端面１１５の長手方向の一端が傾斜部１７１ｃの内壁面に当接する。

端面１１５の短手方向の一端は、上記一実施の形態と同様に、端面１１５の短手方向に沿って端面１１５からの距離が変化する凹部１７１ａの内壁面１７１ｂに当接する。すなわち、図８に示す構造においては、端面１１５の長手方向の一端の短辺が傾斜部１７１ｃの内壁面に当接し、端面１１５の短手方向の一端の長辺が凹部１７１ａの内壁面１７１ｂに当接することにより、伝熱管１１１ａの先端が位置決めされる。このように、端面１１５の２辺によって伝熱管１１１ａが位置決めされることにより、折り返しヘッダ１７０と伝熱管１１１ａの位置関係をより正確にすることができる。伝熱管１１１ｂについても同様である。

図９は、さらに他の実施の形態に係る折り返しヘッダ１７０の構成を示す図である。図９は、図６、８と同様に、積層方向に垂直な平面による折り返しヘッダ１７０の断面を示す図であり、図６、８と同じ部分には同じ符号を付す。図９に示す折り返しヘッダ１７０は、板状部材１７１、１７２に挟まれる間挿板状部材１７５を有する。間挿板状部材１７５は、板状部材１７１、１７２の凹部１７１ａ、１７２ａ以外の平坦な部分に挟まれて接合される。板状部材１７１、１７２が間挿板状部材１７５を挟んで接合されることにより、凹部１７１ａ、１７２ａが形成する空間１７０ａを広くすることが可能である。

また、間挿板状部材１７５の端面を凹部１７１ａ、１７２ａが形成する空間１７０ａに露出させ、間挿板状部材１７５の内部には、伝熱管１１１ａ、１１１ｂとは異なる冷媒の流路を形成しても良い。こうすることにより、空間１７０ａに露出する間挿板状部材１７５の端面において冷媒を流出入させ、伝熱管１１１ａ、１１１ｂとは異なる冷媒の循環経路を形成することができる。

１１０ 熱交換コア部
１１１ａ、１１１ｂ 伝熱管
１１２ａ、１１２ｂ フィン
１１５ 端面
１２０ 第１ヘッダ
１３０ 第１流出入口
１４０ 第２ヘッダ
１５０ 第２流出入口
１７０ 折り返しヘッダ
１７０ａ 空間
１７１、１７２、１７３ 板状部材
１７１ａ、１７２ａ 凹部
１７１ｂ 内壁面
１７１ｃ 傾斜部
１７２ｂ、１７３ａ 貫通孔
１７５ 間挿板状部材

Claims (4)

1. 冷媒の流路を備え断面が扁平形状の伝熱管と、前記伝熱管の先端に接続するヘッダとを有し、複数の前記伝熱管が積層されて設けられる熱交換器であって、
   前記ヘッダは、
   前記伝熱管を貫通させる貫通孔が形成された第１の板状部材と、
   前記第１の板状部材と接合される第２の板状部材と、
   前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との間に形成される空間とを有し、
   前記第２の板状部材は、
   前記空間を介して前記貫通孔に対向する内壁面であって、前記貫通孔を貫通する前記伝熱管の端面の短手方向に沿って前記端面との距離が変化する形状の内壁面を有し、
   前記伝熱管は、
   前記端面の短手方向の一端を前記内壁面に当接させ、
   前記貫通孔は、
   前記複数の伝熱管の積層方向に沿う鉛直方向における前記空間の中心位置よりも下方に形成される
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記第１の板状部材は、
   平板形状であり、
   前記第２の板状部材は、
   前記第１の板状部材から離れる方向に凹む凹部を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第２の板状部材は、
   前記空間を介して前記貫通孔に対向する内壁面に、前記貫通孔を貫通する前記伝熱管の端面の長手方向に沿って前記端面との距離が変化する傾斜部をさらに有する
   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. 前記第１の板状部材は、
   前記第２の板状部材と接合される接合面に接合材を含むクラッド層を有し、
   前記第２の板状部材は、
   少なくとも前記空間に面する内壁面に前記クラッド層を有さない
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１つに記載の熱交換器。

Images