JP2020115069A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の冷媒流路で形成された複数の扁平管と、扁平管の両端部をそれぞれ接続する一対のヘッダーパイプと、で構成された熱交換器において、ヘッダーパイプ内の複数の扁平管を流れる冷媒量および気液冷媒の比率が均一にならないこと。【解決手段】ヘッダーパイプ３ｂは、蒸発器として機能する場合、複数の扁平管２へ冷媒が流出する冷媒流出区間１２において、扁平管２の接続側空間８と、扁平管２の非接続側空間９と、に区切る隔壁板１０と、非接続側空間９の鉛直方向中間位置より下方に冷媒が流入する冷媒流入口１１と、を有し、隔壁板１０は、冷媒流出区間１２の鉛直方向中間位置より上方に連通孔１３を備え、扁平管２の差込代は、直上の扁平管２と同等以上、かつ、最下段の扁平管２は最上段の扁平管２よりも長くなるように構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、一対のヘッダーパイプと、複数の冷媒流路をもつ複数の扁平管と、で構成され、複数の扁平管の間を流れる空気と、扁平管の冷媒流路の中を流れる冷媒とで熱交換を行う熱交換器に関するものである。

従来から、水平方向の左右に対峙する一対のヘッダーパイプと、複数の冷媒流路をもつ複数の扁平管と、扁平管同士の間に設けられる伝熱フィンと、で構成され、複数の扁平管の間を流れる空気と、扁平管の冷媒流路の中を流れる冷媒とで熱交換を行う熱交換器が知られている。

この種の熱交換器において、ヘッダーパイプ内の複数の扁平管を流れる冷媒量および気液冷媒の比率を均一化させるため、ヘッダーパイプ内に、複数の扁平管を複数の区間に分ける仕切板と、分かれた２つの区間の上側の区間の下方と、下側の区間の上方と、を連通させる接続管と、を設けた熱交換器が開示されている。（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載された従来の熱交換器である。

図６に示すように、熱交換器１００は、複数の冷媒流路で形成された複数の扁平管１０１と、扁平管１０１の両端部をそれぞれ接続する一対のヘッダーパイプ１０２ａ、１０２ｂで構成され、ヘッダーパイプ１０２ａ、１０２ｂには、複数の扁平管１０１を複数の区間に分ける仕切板１０３ａ、１０３ｂと、分かれた２つの区間に冷媒を通過させる接続管１０４と、を設けている。一方のヘッダーパイプ１０２ａには、冷媒配管１０５ａ、１０５ｂが接続されている。

接続管１０４は、他方のヘッダーパイプ１０２ｂにおいて、仕切板１０３ｂによって分かれた下側の区間の上方と、上側の区間の下方と、を接続している。

蒸発器として機能する場合、冷媒配管１０５ｂよりヘッダーパイプ１０２ａに流入した冷媒が扁平管１０１を通り、ヘッダーパイプ１０２ｂの下側の区間に流れる。ヘッダーパイプ１０２ｂの下側の区間に流れた冷媒は、接続管１０４を介して、ヘッダーパイプ１０２ｂの上側の区間へ流入するため、ヘッダーパイプ１０２ｂ内を上昇してターンする際の重力影響による冷媒の気液分離が抑制され、ヘッダーパイプ１０２ｂの上側の区間に接続された複数の扁平管１０１を流れる冷媒量および気液冷媒の比率が均一になるように配分することができる。

特開２０１６−５３４７３号公報

しかしながら従来の構成では、蒸発器として機能する場合、特に、冷媒循環量が少なく、冷媒流速が遅く、ガスと液とに分離しやすい部分負荷運転時においては、扁平管からヘッダーパイプ内に流入した気液二相冷媒の内、重力の影響により、密度の小さいガス冷媒がヘッダーパイプ内の上方に、密度の大きい液冷媒がヘッダーパイプ内の下方に偏りやすく、上側の扁平管にガス冷媒が、下側の扁平管に液冷媒が流れ、同一熱交換区間において
冷媒状態が不均一となる課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、複数の冷媒流路で形成された複数の扁平管と、扁平管の両端部をそれぞれ接続する一対のヘッダーパイプと、で構成された熱交換器において、複数の扁平管に均一に冷媒を流入させることを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、複数の冷媒流路を有する複数の扁平管と、扁平管の両端部をそれぞれ接続する一対のヘッダーパイプと、で構成された熱交換器において、少なくとも一方のヘッダーパイプは、蒸発器として機能する場合、複数の扁平管へ冷媒が流出する冷媒流出区間において、扁平管の接続側空間と、扁平管の非接続側空間と、を区切る隔壁板と、非接続側空間の鉛直方向中間位置より下方に冷媒が流入する冷媒流入口と、を有し、隔壁板は、冷媒流出区間の鉛直方向中間位置より上方に連通孔を備え、扁平管の差込代は、直上の扁平管と同等以上、かつ、最下段の扁平管は最上段の扁平管よりも長くなるように設けるものである。

これにより、冷媒流入口の気液二相冷媒は、冷媒流出区間の非接続側空間へ流れ込み、確実に冷媒流出区間の上側まで吹き上がる。特に最小運転時やよりガス状態（ガスリッチ）の場合、低循環量のため吹き上がった冷媒は流速が低下し、連通孔から扁平管接続側へ流出する際に、隔壁板付近を流下する。冷媒を上方の連通孔から流下させる場合、液冷媒はヘッダーパイプの下方よりも上方に多く供給されるが、最上段の扁平管は、他の扁平管と比べて差込代が短いため、管内流路に流れ込む液冷媒は低減する。扁平管の差込代は、下方にかけて長くなるため、上段の扁平管に流れ込まなかった液冷媒は、直下の扁平管の上面（真上の扁平管よりも飛び出した面）にトラップされて、管内流路に流れ込みながら流下する。

本発明の熱交換器は、特に最小運転時など、冷媒が低循環量や、よりガス状態（ガスリッチ）の場合において、液冷媒はヘッダーパイプの下方よりも上方に多く供給されるのに対し、上方に接続された扁平管へ流入する液冷媒が過多になることを抑制しつつ、下方にかけて扁平管の差込代が長くなることから、液冷媒が扁平管の上面にトラップされて管内流路に流れ込む割合が増加するため、液冷媒を各扁平管へ満遍なく流すことが可能である。それにより、扁平管を流れる気液冷媒の比率のばらつきを低減し、冷媒状態を均一にすることができる。

本発明の実施の形態１の熱交換器の斜視図 本発明の実施の形態１のヘッダーパイプのｘ−ｙ平面の断面図 本発明の実施の形態１のヘッダーパイプのｘ−ｚ平面の断面図 熱交換器を適用した室外機の内部構造を示すｘ−ｚ正面図 熱交換器を適用した室外機の内部構造を示すｘ−ｙ正面図 従来の熱交換器のｘ−ｙ平面の断面図

第１の発明は、複数の冷媒流路を有する複数の扁平管と、扁平管の両端部をそれぞれ接続する一対のヘッダーパイプと、で構成された熱交換器において、少なくとも一方のヘッダーパイプは、蒸発器として機能する場合、複数の扁平管へ冷媒が流出する冷媒流出区間において、扁平管の接続側空間と、扁平管の非接続側空間と、を区切る隔壁板と、非接続側空間の鉛直方向中間位置より下方に冷媒が流入する冷媒流入口と、を有し、隔壁板は、冷媒流出区間の鉛直方向中間位置より上方に連通孔を備え、扁平管の差込代は、直上の扁
平管と同等以上、かつ、最下段の扁平管は最上段の扁平管よりも長くなるように設けた構造とする。

これにより、冷媒流入口の気液二相冷媒は、冷媒流出区間の非接続側空間へ流れ込み、確実に冷媒流出区間の上側まで吹き上がる。特に最小運転時やよりガス状態（ガスリッチ）の場合、低循環量のため吹き上がった冷媒は流速が低下し、連通孔から扁平管接続側へ流出する際に、隔壁板付近を流下する。冷媒を上方の連通孔から流下させる場合、液冷媒はヘッダーパイプの下方よりも上方に多く供給されるが、最上段の扁平管は、他の扁平管と比べて差込代が短いため、管内流路に流れ込む液冷媒は低減する。扁平管の差込代は、下方にかけて長くなるため、上段の扁平管に流れ込まなかった液冷媒は、直下の扁平管の上面（真上の扁平管よりも飛び出した面）にトラップされて、管内流路に流れ込みながら流下する。

従って、特に最小運転時など、冷媒が低循環量や、よりガス状態（ガスリッチ）の場合において、液冷媒はヘッダーパイプの下方よりも上方に多く供給されるのに対し、上方に接続された扁平管へ流入する液冷媒が過多になることを抑制しつつ、下方にかけて扁平管の差込代が長くなることから、液冷媒が扁平管の上面にトラップされて管内流路に流れ込む割合が増加するため、液冷媒を各扁平管へ満遍なく流すことが可能である。それにより、扁平管を流れる気液冷媒の比率のばらつきを低減し、冷媒状態を均一にすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の熱交換器の斜視図であり、ｘ方向は扁平管の流路を流れる冷媒の流動方向、ｙ方向はヘッダーパイプ軸方向、ｚ方向は空気流れ方向である。

図１において、熱交換器１は、複数の扁平管２と、一対のヘッダーパイプ３ａ、３ｂと、を備えている。

一方のヘッダーパイプ３ａには、冷媒配管４ａ、４ｂがそれぞれ接続されている。これら各冷媒配管４ａ、４ｂは、冷媒の流入口または流出口として機能するように構成されている。

ヘッダーパイプ３ａ内には、冷媒配管４ａ、４ｂの高さ方向（ｙ方向）の間の位置に、複数の扁平管２を複数の区間に分ける仕切板５が設けられている。

ヘッダーパイプ３ａ、３ｂは、例えば、アルミニウムなどの金属材料を押出成型することにより、円筒状に形成されている。

複数の扁平管２は、ヘッダーパイプ３ａ、３ｂの軸方向（ｙ方向）に沿って、互いが平行になるように、それぞれ水平方向（ｘ方向）に配置されている。

複数の扁平管２同士の間には、上下に連続する波状に形成された複数のフィン６が構成されており、複数のフィン６の間を流れる空気と、複数の扁平管２の中を流れる冷媒と、で熱交換を行う。

なお、冷媒としては、例えば、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２およびＲ３２を含む混合冷媒などが用いられる。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図（本発明の実施の形態１のヘッダーパイプのｘ−ｙ平面の断面図）、図３は、図２のＢ−Ｂ断面図（本発明の実施の形態１のヘッダーパイプのｘ−ｚ平面の断面図）、である。

扁平管２内に設けられた複数の冷媒流路７は、ヘッダーパイプ３ａ、３ｂの内部に連通されている。

他方のヘッダーパイプ３ｂ内には、蒸発器として機能する場合、複数の扁平管２へ冷媒が流出する冷媒流出区間１２において、複数の扁平管２の接続側空間８と、複数の扁平管２の非接続側空間９と、に区切るヘッダーパイプ３ｂの軸方向（ｙ方向）に延びた隔壁板１０と、非接続側空間９のヘッダーパイプ３ｂの軸方向（ｙ方向）で中間位置より下方に冷媒が流入する冷媒流入口１１と、が設けられている。

隔壁板１０は、冷媒流出区間１２に設けられ、ヘッダーパイプ３ｂの軸方向（ｙ方向）に対して中間位置より上方に位置する連通孔１３を備えている。

扁平管２は、同一の冷媒流出区間１２において、接続側空間８に突出する扁平管２の差込代は、直上の扁平管２と同等以上、かつ、最下段の扁平管２は最上段の扁平管２よりも長くなるように構成されている。

以上のように構成された熱交換器について、蒸発器として機能する場合には、ヘッダーパイプ３ｂの冷媒流入口１１の冷媒が、冷媒流出区間１２の非接続側空間９に流れ、ヘッダーパイプ３ｂを＋ｙ方向へ上昇し、隔壁板１０の上端にある連通孔１３を通り、冷媒流出区間１２における扁平管２の接続側空間８に循環する。

次に、本実施形態の利用について、本実施形態の熱交換器１を空気調和装置の室外機２０に利用した場合を例に説明する。

図４は、本実施形態の熱交換器１を適用した室外機２０の内部構造を示すｘ−ｚ平面図であり、図５は、本実施形態の熱交換器１を適用した室外機２０の内部構造を示すｘ−ｙ平面図である。

図４、図５に示すように、室外機２０は、圧縮機２１と、切替弁２２と、室外膨張弁２３と、送風機２４と、熱交換器１と、を備えている。室外機２０と室内機（図示せず）は、液管２５と、ガス管２６とで接続している。

熱交換器１のヘッダーパイプ３ａ、３ｂは、冷媒配管４ａを介して切替弁２２と、冷媒配管４ｂを介して、室外膨張弁２３と、それぞれ接続している。

まず、冷房運転を行う場合は、熱交換器１は凝縮器として機能する。

室外機２０の圧縮機２１から送られるガス冷媒は、切替弁２２を介して、冷媒配管４ａから、ヘッダーパイプ３ａの中に流入される。このガス冷媒は、仕切板５によって区切られた冷媒配管４ａの接続側のヘッダーパイプ３ａの内部を通り、複数の扁平管２内の複数の冷媒流路７に流入され、水平方向（＋ｘ方向、＋ｚ方向）に流れ、ヘッダーパイプ３ｂの上側の区間の冷媒流出区間１２における扁平管２の接続側空間８に流出する。

流出した冷媒は、隔壁板１０の上方の連通孔１３を介して、隔壁板１０で区切られた扁平管２の非接続側空間９を−ｙ方向に下降し、ヘッダーパイプ３ｂの冷媒流入口１１を介
して、ヘッダーパイプ３ｂの下側の区間に流入する。

流入した冷媒は、複数の扁平管２内の複数の冷媒流路７を介して水平方向（−ｚ方向、−ｘ方向）に流れる。冷媒は、扁平管２において、送風機２４により送られた空気と熱交換をすることで放熱して凝縮される。

凝縮した冷媒は、仕切板５によって区切られた冷媒配管４ｂの接続側のヘッダーパイプ３ａの空間に流出し、冷媒配管４ｂから室外膨張弁２３、液管２５を通り、室内機に流出される。

室内機に流れた凝縮した冷媒は、室内熱交換器（図示せず）で空気と熱交換をすることで吸熱し蒸発する。蒸発した冷媒は、ガス管２６を通り、切替弁２２を介して、圧縮機２１に循環する。

暖房運転を行う場合は、熱交換器１は蒸発器として機能する。

室外機２０の圧縮機２１から送られるガス冷媒は、切替弁２２を介して、ガス管２６を通り、室内機に流出される。

室内機に流れたガス冷媒は、室内機に設けられた室内熱交換器で空気と熱交換をすることで放熱し凝縮する。

凝縮した冷媒は、液管２５、室外膨張弁２３を通り、気液二相冷媒となり、冷媒配管４ｂから、仕切板５によって区切られた冷媒配管４ｂの接続側のヘッダーパイプ３ａの内部を通り、複数の扁平管２内の複数の冷媒流路７に流入され、水平方向（＋ｘ方向、＋ｚ方向）に流れ、ヘッダーパイプ３ｂの下側の区間に流出する。

ヘッダーパイプ３ｂに流入してきた気液二相冷媒は、ヘッダーパイプ３ｂの冷媒流入口１１を介して冷媒流出区間１２の扁平管２の非接続側空間９へ流れ込んで、ヘッダーパイプ３ｂ内を隔壁板１０に沿って＋ｙ方向へ上昇する。上昇した気液二相冷媒は、隔壁板１０の連通孔１３を介して、扁平管２の接続側空間８へ上方から流れ込む。

扁平管２の接続側空間８に流入した冷媒は、複数の扁平管２内の複数の冷媒流路７を介して水平方向（−ｚ方向、−ｘ方向）に流れる。冷媒は、扁平管２において、送風機２４により送られた空気と熱交換をすることで吸熱して蒸発される。

蒸発した冷媒は、仕切板５によって区切られた冷媒配管４ａの接続側のヘッダーパイプ３ａの空間に流出し、冷媒配管４ａから切替弁２２を介して、圧縮機２１に循環する。

以上のように、本実施の形態において、熱交換器１は、複数の冷媒流路７を有する扁平管２と、複数の扁平管２を水平方向に設置し、扁平管２の両端部をそれぞれ接続する一対のヘッダーパイプ３ａ、３ｂと、を備え、複数の扁平管２を、ヘッダーパイプ３ａ、３ｂの軸方向に沿って、互いに平行に接続される。

ヘッダーパイプ３ｂは、蒸発器として機能する場合、複数の扁平管２へ冷媒が流出する冷媒流出区間１２において、複数の扁平管２の接続側空間８と、複数の扁平管２の非接続側空間９と、に区切るヘッダーパイプ３ｂの軸方向（ｙ方向）に延びた隔壁板１０と、非接続側空間９のヘッダーパイプ３ｂの軸方向（ｙ方向）で中間位置より下方に冷媒が流入する冷媒流入口１１と、を有し、隔壁板１０は、ヘッダーパイプ３ｂの軸方向（ｙ方向）に対して中間位置より上方に位置する連通孔１３を備えており、扁平管２は、同一の冷媒
流出区間１２において、接続側空間８に突出する扁平管２の差込代は、直上の扁平管２と同等以上、かつ、最下段の扁平管２は最上段の扁平管２よりも長くなるように構成されている。

これにより、冷媒流入口１１の気液二相冷媒は、冷媒流出区間１２の非接続側空間９へ流れ込み、確実に冷媒流出区間１２の上側まで吹き上がる。特に最小運転時やよりガス状態（ガスリッチ）の場合、低循環量のため吹き上がった冷媒は流速が低下し、連通孔１３から接続側空間８へ流出する際に、隔壁板１０付近を流下する。冷媒を上方の連通孔１３から流下させる場合、液冷媒はヘッダーパイプ３ｂの下方よりも上方に多く供給されるが、最上段の扁平管２は、他の扁平管２と比べて差込代が短いため、管内流路に流れ込む液冷媒は低減する。扁平管２の差込代は、下方にかけて長くなるため、上段の扁平管２に流れ込まなかった液冷媒は、直下の扁平管２の上面（真上の扁平管２よりも飛び出した面）にトラップされて、管内流路に流れ込みながら流下する。

従って、特に最小運転時など、冷媒が低循環量や、よりガス状態（ガスリッチ）の場合において、液冷媒はヘッダーパイプ３ｂの下方よりも上方に多く供給されるのに対し、上方に接続された扁平管２へ流入する液冷媒が過多になることを抑制しつつ、下方にかけて扁平管２の差込代が長くなることから、液冷媒が扁平管２の上面にトラップされて管内流路に流れ込む割合が増加するため、液冷媒を各扁平管２へ満遍なく流すことが可能である。それにより、扁平管２を流れる気液冷媒の比率のばらつきを低減し、冷媒状態を均一にすることができる。

また、別部材として接続管を用いることなく、ヘッダーパイプ３ｂ内において液冷媒を優先的に流すことが可能となるため、ヘッダーパイプ３ｂの内容積の増大を抑制でき、ヘッダーパイプ３ｂ内に必要な冷媒量を削減することができる。

なお、実施例では、熱交換器１を１列設置しているが、例えば、空気流れ方向（ｚ方向）に２つ以上でもよく、また、重力方向（ｙ方向）に２つ以上の熱交換器１を重ねた構成を用いた場合でも、同様の効果を得られる事は言うまでもない。

また、実施例では、複数のフィン６が、複数の扁平管２同士の間に上下に連続する波状に形成された構成としているが、互いが平行になるように、複数の扁平管２に直角に挿入されるよう板状に形成された構成とした場合でも、同様の効果を得られる事は言うまでもない。

また、実施例では、扁平管２の差込代はヘッダーパイプ３ｂの軸方向（ｙ方向）の上方から下方にかけて、同じ割合で次第に長くなる構成としているが、異なる割合で次第に長くなるような構成とした場合でも、同様の効果を得られる事は言うまでもない。

本発明は、扁平管利用の熱交換器において、ヘッダーパイプ内の冷媒流出区間を複数の分配室に区切り、かつ、連通孔をそれぞれの分配室の上方に設けることで、気液二相冷媒を複数の扁平管に冷媒量および気液冷媒の比率が均一になるように配分することができる熱交換器分流器であり、冷凍機、空気調和装置、給湯空調複合装置などの用途に適用できる。

１ 熱交換器
２ 扁平管
３ａ、３ｂ ヘッダーパイプ
４ａ、４ｂ 冷媒配管
５ 仕切板
６ フィン
７ 冷媒流路
８ 接続側空間
９ 非接続側空間
１０ 隔壁板
１１ 冷媒流入口
１２ 冷媒流出区間
１３ 連通孔
２０ 室外機
２１ 圧縮機
２２ 切替弁
２３ 室外膨張弁
２４ 送風機
２５ 液管
２６ ガス管
１００ 熱交換器
１０１ 扁平管
１０２ａ、１０２ｂ ヘッダーパイプ
１０３ａ、１０３ｂ 仕切板
１０４ 接続管
１０５ａ、１０５ｂ 冷媒配管

Claims (1)

1. 複数の冷媒流路を有する複数の扁平管と、前記扁平管の両端部をそれぞれ接続する一対のヘッダーパイプと、で構成された熱交換器において、少なくとも一方の前記ヘッダーパイプは、蒸発器として機能する場合、前記複数の扁平管へ冷媒が流出する冷媒流出区間において、前記扁平管の接続側空間と、前記扁平管の非接続側空間と、を区切る隔壁板と、前記非接続側空間の鉛直方向中間位置より下方に冷媒が流入する冷媒流入口と、を有し、前記隔壁板は、前記冷媒流出区間の鉛直方向中間位置より上方に連通孔を備え、前記扁平管の差込代は、直上の前記扁平管と同等以上、かつ、最下段の前記扁平管は最上段の前記扁平管よりも長いことを特徴とした熱交換器。
   

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