特開 2023-1419 熱交換器およびそれを用いた冷凍システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023001419

(43)【公開日】2023-01-06

(54)【発明の名称】熱交換器およびそれを用いた冷凍システム

(51)【国際特許分類】

   F28F 9/02 20060101AFI20221226BHJP

   F28D 9/00 20060101ALI20221226BHJP

   F25B 39/00 20060101ALI20221226BHJP

   F28F 9/16 20060101ALI20221226BHJP

【ＦＩ】

F28F9/02 301J

F28D9/00

F25B39/00 B

F28F9/16

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021102121

(22)【出願日】2021-06-21

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106116

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100131495

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 健児

(72)【発明者】

【氏名】奥村 拓也

(72)【発明者】

【氏名】名越 健二

【テーマコード（参考）】

3L065

3L103

【Ｆターム（参考）】

3L065CA17

3L103AA01

3L103BB38

3L103BB42

3L103CC17

3L103CC23

3L103DD15

3L103DD57

3L103DD70

(57)【要約】

【課題】熱交換性能を向上させた熱交換器とそれを用いた冷凍システムの提供。
【解決手段】流体の出入り口となる開口１４を備えたエンドプレート３ａと、前記エンドプレートのヘッダ流路用開口に接続した接続配管Ａ４とを備え、前記接続配管は曲げ管で形成するとともに、前記エンドプレートのヘッダ流路用開口側にビード１６付きの拡管部１５を設け、前記拡管部１５を前記エンドプレート３ａの開口１４に嵌合させて接合した構成としている。これにより、熱交換性能を向上させ事ができるとともに、接続配管のエンドプレートへの接合や接続配管へのシステム配管の接合のためのロウ付けを確実かつ手間の少ないものとすることができ、安価で信頼性が高く高性能な熱交換器とそれを用いた冷凍システムを提供することができる。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体の出入り口となる開口を備えたエンドプレートと、前記エンドプレートの開口に接続した接続配管とを備え、前記接続配管は曲げ管で形成するとともに、前記エンドプレートの開口側にビード付きの拡管部を設け、該拡管部を前記エンドプレートの開口に嵌合させて接合した熱交換器。

【請求項2】

冷凍サイクルを構成する熱交換器を、前記請求項１に記載の熱交換器とした冷凍システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は熱交換器およびそれを用いた冷凍システムに関し、特に、プレートフィンを積層して構成したプレートフィン積層型熱交換器の出入り口に設けてあるスリーブと接続配管との接続構成に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、プレートフィン積層型熱交換器を開示する。このプレートフィン積層型熱交換器は、一対のヘッダ流路と伝熱流路とを有する複数のプレートフィンを積層することにより構成している。そして、図１０に示すように、上記ヘッダ流路１０１には前記プレートフィン１０２の最外方に配置されているエンドプレート１０３の流体出入り口となるヘッダ流路用開口１０４に流入出管となるスリーブ１０５が設けてあり、このスリーブ１０５にそれぞれ接続配管１０６を接合して冷凍システム側のシステム配管へとロウ付けする形となっている。そして、上記構成からなるプレートフィン積層型熱交換器は、接続配管１０６からヘッダ流路１０１を介して伝熱流路（図示せず）へ流入した冷媒等の第１流体と前記プレートフィン１０２間の間隙を流れる空気等の第２流体との間で熱交換させる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８－６６５３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、上記接続配管の接合構成に起因して生じる課題を解消して熱交換性能及び信頼性を向上させた熱交換器およびそれを用いた冷凍システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示における熱交換器は、流体の出入り口となる開口を備えたエンドプレートと、前記エンドプレートの開口に接続した接続配管とを備え、前記接続配管は曲げ管で形成するとともに、前記エンドプレートの開口側にビード付きの拡管部を設け、前記拡管部を前記エンドプレートの開口に嵌合させて接合した構成としている。

【発明の効果】

【0006】

本開示における熱交換器は、上記構成により、接続配管の出代を小さくして熱交換器全体の面積を増大させ、且つ、接続配管に設けた拡管部の流れ減速効果により熱交換器内における流体分布の均一化を促進して、熱交換性能を向上させることができる。しかも上記接続配管とエンドプレートとの接合はロウ付け工数の少ない炉中ロウ付けが可能となり、且つ、接続配管とシステム配管とはトーチロウ付け時に生じる熱ロス等を低減して確実かつ強固なロウ付けを行うことができ、安価で信頼性が高く高性能な熱交換器とそれを用いた冷凍システムとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施の形態１におけるプレートフィン積層型熱交換器の外観を示す斜視図

【図2】同プレートフィン積層型熱交換器の分解斜視図

【図3】同プレートフィン積層型熱交換器のプレートフィン積層体の積層状態を示す斜視図

【図4】同プレートフィン積層型熱交換器のプレートフィンを示す平面図

【図5】同プレートフィン積層型熱交換器の接続配管接合構成を示す断面図

【図6】同プレートフィン積層型熱交換器のエンドプレートと接続配管の断面図

【図7】同プレートフィン積層型熱交換器のビード形成方法を示す説明図

【図8】同プレートフィン積層型熱交換器を用いた冷凍システムの一例として示す空気調和機の冷凍サイクル図

【図9】同空気調和機の室内機を示す断面図

【図10】本開示に至る前のプレートフィン積層型熱交換器の接続配管接合構成を説明する概略図

【図11】同本開示に至る前のプレートフィン積層型熱交換器の課題を説明するための概略図

【発明を実施するための形態】

【0008】

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、プレートフィン積層型熱交換器等の熱交換器は、前記した如くプレートフィン１０２の最外方に配置されているエンドプレート１０３のヘッダ流路用開口１０４にスリーブ１０５を設け、接続配管１０６をロウ付け接合する構成となっており、エンドプレート１０３から接続配管１０６の出代Ｌが大きくなっている。そのため上記接続配管１０６の出代Ｌ分だけプレートフィンの積層枚数を少なくして熱交換器の全体面積を小さくせざるを得ず、接続配管１０６の出代Ｌを小さくして熱交換器の全体面積を増大させ熱交換性能を向上させる必要がある、という課題があった。

【0009】

また、上記熱交換性能の向上に加え、上記プレートフィン積層型の熱交換器は、流体として冷媒を用いヘッダ流路１０１が水平状態となるように設置されて使用される場合、ヘッダ流路１０１に流入する気液二相冷媒の慣性力の違いにより熱交換器本体部分で気相冷媒と液相冷媒が分離しがちであり、気液二相冷媒の分離を抑制して熱交換性能を更に向上させる必要がある、という課題もあった。

【0010】

また、上記構成では、スリーブ１０５と接続配管１０６との二つの管を必要とし、しかもその管は径の異なるものとなり、コスト増を招くという課題もあった。さらに、スリーブ１０５と接続配管１０６とはトーチロウ付けするため手間がかかり、更なるコスト増を招くとともに、上記トーチロウ付けは前記接続配管１０６の出代Ｌをできるだけ少なくするため短くしていることもあって、熱交換器本体部分と近い場所で行うことになる。そのため、図１１に示すように、アルミニウム等を材料とするエンドプレート１０３、プレートフィン１０２からなる熱交換器本体部分にトーチロウ付けの熱が吸収されてスリーブ１０５と接続配管１０６とのロウ付けが困難となり、確実かつ強固なロウ付けを可能として信頼性を向上させる必要がある、という課題もあった。

【0011】

本発明者らはこのような課題を発見し当該課題を解決するため本開示の主題を構成するに至った。

【0012】

そこで本開示は、上記課題を解消して安価で高性能かつ信頼性の高い熱交換器およびそれを用いた冷凍システムを提供する。

【0013】

以下、図面を参照しながら、プレートフィン積層型熱交換器の場合を例にしてその実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

【0014】

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

【0015】

（実施の形態１）
以下、図１～図７を用いて、実施の形態１を説明する。

【0016】

［１－１．構成］
本実施形態のプレートフィン積層型熱交換器（以下、単に熱交換器と称す）１は、図１、図２に示すように、短冊状のプレートフィン２ａを積層したプレートフィン積層体２の両側に平面視が略同一形状のエンドプレート３ａ、３ｂを接合一体化して構成している。そして、その端部に、凝縮器として用いる場合には入口となり蒸発器として用いる場合は出口となる接続配管Ａ４及びその逆となる接続配管Ｂ５とを有している。尚、上記接続配管Ａ４及び接続配管Ｂ５は図５～図７に示すように、略Ｌ字状に屈曲する曲げ管としてあり、その接合構成については後で詳述する。

【0017】

上記プレートフィン積層体２の両側のエンドプレート３ａ、３ｂは、プレートフィン積層体２を挟持した形でロウ付けされ、締結手段７によりその長手方向両端部を連結固定し、熱交換器としての剛性を保持している。

【0018】

また、プレートフィン２ａは、図３に示すように、一対のプレート６ａ、６ｂをロウ付け等により接合して冷媒等の第１流体（以下、冷媒と称する）が流れる伝熱流路８を有する構成としてあり、多数積層して各プレートフィン２ａ同士の間に空気等の第２流体（以下、空気と称する）が流れる積層間隔を形成している。そして、上記プレートフィン２ａに設けた前記伝熱流路８を流れる冷媒と各プレートフィン２ａ同士の間の積層間隙を流れる空気との間で熱交換する。

【0019】

なお、上記プレートフィン２ａを構成する一対のプレート６ａ、６ｂは、接続配管Ａ４及び接続配管Ｂ５に繋がるヘッダ流路Ａ９およびヘッダ流路Ｂ１０となるヘッダ流路用開口Ａ９ａ、Ｂ１０ａ及びその開口縁に設けたリング状凹溝９ｂ、１０ｂと、前記ヘッダ流路Ａ９およびヘッダ流路Ｂ１０を繋ぐ流路形成用凹溝８ａを有している。そして、上記一対のプレート６ａ、６ｂを向かい合わせにロウ付けして、ヘッダ流路Ａ９およびヘッダ流路Ｂ１０、ヘッダ流路Ａ９およびヘッダ流路Ｂ１０間を繋ぐ伝熱流路８を形成している。

【0020】

また、上記伝熱流路８は図４に示すように、入り口側となる一方のヘッダ流路Ａ９から引き出した伝熱流路８の他端部側を数回折り返して出口側となる他端部側のヘッダ流路Ｂ１０に繋ぐように構成し、隣接する流路間には熱移動を防止するためスリット１１が形成している。更に、上記構成のプレートフィン２ａを積層して構成したプレートフィン積層体２のプレートフィン２ａは、当該プレートフィン２ａの伝熱流路８の長手方向に沿って適宜設けた複数の突起１２（図３参照）によって空気が流れる積層間隔を形成している。

【0021】

次に図５～図７を用いて上記熱交換器１における接続配管Ａ４，Ｂ５の接合構成について説明する。なお、上記接続配管Ａ４，Ｂ５の接合構成は同じ構成なので、接続配管Ａ４を例にして説明していく。

【0022】

上記接続配管Ａ４は従来のスリーブと接続配管を一体にした構成としてあり、前述した通り略Ｌ字状に形成している。そして上記接続配管Ａ４は、図６に示すように、エンドプレート３ａの流体出入り口となる開口１４に嵌合させる側の端部に拡管部１５を設けるともにその外周部にビード１６を形成し、拡管部１５を前記開口１４に嵌合させ、エンドプレート３ａとビード１６との間に介在させたリングロウ１７を溶融させて炉中ロウ付けにより接合している。そして、上記接続配管Ａ４の他端部側には、図５に示すように、冷凍システム側のシステム配管１８をトーチロウ付けにより接合している。

【0023】

なお、上記接続配管Ａ４、エンドプレート３ａ及びプレートフィン２ａはアルミニウム若しくはアルミニウム合金等の熱伝導性が高く軽量な金属で形成されている。

【0024】

［１－２．動作］
次に上記のように構成したプレートフィン積層型熱交換器について、その作用効果を説明する。

【0025】

本実施形態の熱交換器は、例えば蒸発条件で使用されている時、接続配管管Ａ４から気相状態の液冷媒がプレートフィン積層体２の入り口側のヘッダ流路Ａ９内に流入する。ヘッダ流路Ａ９内に流入した気相冷媒は、各プレートフィン２ａの伝熱流路８を流れ、出口側のヘッダ流路Ｂ１０を介して接続配管Ｂ５より冷凍システムの冷媒回路へと流出する。

【0026】

そして、上記伝熱流路８を流れる間にプレートフィン積層体２のプレートフィン積層間隔を通り抜ける空気と熱交換し、気相冷媒は順次液相化してヘッダ流路Ｂ１０から流出する。

【0027】

このように動作する本実施形態の熱交換器１は、エンドプレート３ａの開口１４に接続配管Ａ４を直接嵌合させて接合しているので、スリーブを介して接合するものに比べ接続配管Ａ４の出代Ｌをスリーブの突出寸法分だけ小さくすることができる。これにより、プレートフィン２ａの積層枚数を増やして熱交換器１の全体面積を増大させ熱交換性能を向上させることができる。

【0028】

また、上記接続配管Ａ４の熱交換器接合側端部は拡管しているので、接続配管Ａ４から熱交換器１へ気液二相冷媒が流入する際、その気液二相冷媒の流速を減速させることができる。これにより、熱交換器１をヘッダ流路Ａ９が水平状態となるように設置した場合、ヘッダ流路Ａ９に流入する気液二相冷媒の慣性力を下げることができ、その結果として熱交換器本体部分での気相冷媒と液相冷媒の分離が抑制され、冷媒の分布ムラを低減して熱交換性能を向上させることができる。

【0029】

また、接続配管Ａ４に拡管部１５を設けたことにより拡管部１５と小径部１９との間に段差部２０が形成されることになる。したがって、図７に示すように、上記段差部２０を掴みしろとして拡管部１５に圧縮力を加えてビード１６を形成することができ、略Ｌ字状の曲げ管であっても容易にビード１６を形成することができる。

【0030】

また、上記接続配管Ａ４は従来熱交換器のスリーブと接続配管を一体構成としているので、コスト増要因となる部品点数の削減を図ることができるとともに、エンドプレート３ａへの接合端部となる拡管部１５の外周にはビード１６を設けているので、エンドプレート３ａとビード１６との間にリングロウ１７を介在させて炉中ロウ付けすることができ、ロウ付け工数の大幅な削減が可能となる。

【0031】

そしてこの時、熱交換器１を横向き設置、つまりプレートフィン２ａが図５に示すように縦方向となるように設置して炉中ロウ付けすれば、接続配管Ａ４のビード１６とエンドプレート３ａの開口１４の口縁との間で溶融しリングロウ１７が、その表面張力によって管外周に略均等に回り込み固形化する。したがって、接続配管Ａ４は管外周を均一にロウ材でエンドプレート３ａの開口１４に接合でき、その接合は確実かつ強固なものとすることができる。そして、プレートフィン２ａが縦方向となるので、プレートフィン２ａの面が横向きとなる場合に懸念されるプレートフィン自体の自重による変形も防止することができる。

【0032】

一方、上記接続配管Ａ４には反対側端部にシステム配管１８をトーチロウ付けにより接合するが、そのトーチロウ付けは従来熱交換器のスリーブ部分でのトーチロウ付けに比べエンドプレート３ａの開口１４、すなわち熱交換器本体部分から遠く離れた場所でトーチロウ付けを行うことになる。したがって、トーチロウ付けの熱が熱交換器本体部分に吸収されるのを抑制でき、確実なロウ付けが可能となる。

【0033】

［１－３．効果等］
以上のように、本開示のプレートフィン積層型熱交換器は、流体の出入り口となる開口１４を備えたエンドプレート３ａと、前記エンドプレート３ａの開口１４に接続した接続配管Ａ４とを備え、前記接続配管Ａ４は曲げ管で形成するとともに、前記エンドプレート３ａの開口１４側にビード１６付きの拡管部１５を設け、前記拡管部１５を前記エンドプレート３ａの開口１４に嵌合させて接合した構成としている。

【0034】

これによって、接続配管Ａ４の出代を小さくしてその分熱交換器の全体面積を増大させることができるとともに、拡管部による流速の減速効果により熱交換器内における流体の分布をより均一なものとすることができ、熱交換性能を向上させことができる。しかも接続配管Ａ４のエンドプレート３ａへの接合は炉中ロウ付けでき、且つ、接続配管Ａ４へのシステム配管１８のトーチロウ付け等は熱交換器本体部分から離れたところで行うことができ、確実かつ強固なロウ付けを可能として信頼性の高いものとすることができる。加えて、部品点数の減少と炉中ロウ付けによるロウ付け工数の削減等によってコスト増も抑制することができる。よって、安価で高性能かつ信頼性の高い熱交換器とそれを用いた冷凍システムとすることができる。

【0035】

（実施の形態２）
以下、図８、図９を用いて、実施の形態２を説明する。

【0036】

［２－１．構成］
図８は実施の形態１における熱交換器を用いて構成した空気調和機の冷凍サイクル図、図９は同空気調和機の室内機を示す概略断面図である。

【0037】

図８、図９において、この空気調和機は、室外機５１と、室外機５１に接続された室内機５２から構成されている。室外機５１には、冷媒を圧縮する圧縮機５３、冷房暖房運転時の冷媒回路を切り替える四方弁５４、冷媒と外気の熱を交換する室外熱交換器５５、冷媒を減圧する減圧器５６、室外送風機５９が配設されている。また、室内機５２には、冷媒と室内空気の熱を交換する室内熱交換器５７と、室内送風機５８とが配設されている。そして、前記室内熱交換器５７に実施の形態１で例示したプレートフィン積層型熱交換器を用い、圧縮機５３、四方弁５４、室内熱交換器５７、減圧器５６、室外熱交換器５５を冷媒回路で連結してヒートポンプ式冷凍サイクルを形成している。

【0038】

［２－２．動作］
上記構成からなる空気調和機は、冷房運転時には、四方弁５４を圧縮機５３の吐出側と室外熱交換器５５とが連通するように切り換える。これにより、圧縮機５３によって圧縮された冷媒は高温高圧の気相冷媒となって四方弁５４を通って室外熱交換器５５に送られる。そして、外気と熱交換して放熱し、高圧の液相冷媒となり、減圧器５６に送られる。減圧器５６では減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、室内機５２に送られる。室内機５２では、冷媒は室内熱交換器５７に入り室内空気と熱交換して吸熱し、蒸発気化して低温のガス冷媒となる。この時室内空気は冷却されて室内を冷房する。さらに冷媒は室外機５１に戻り、四方弁５４を経由して圧縮機５３に戻される。

【0039】

一方、暖房運転時には、四方弁５４を圧縮機５３の吐出側と室内機５２とが連通するように切り換える。これにより、圧縮機５３によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁５４を通り、室内機５２に送られる。高温高圧の冷媒は室内熱交換器５７に入り、室内空気と熱交換して放熱し、冷却され高圧の液冷媒となる。この時、室内空気は加熱されて室内を暖房する。その後、冷媒は減圧器５６に送られ、減圧器５６において減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、室外熱交換器５５に送られて外気と熱交換して蒸発気化し、四方弁５４を経由して圧縮機５３へ戻される。

【0040】

［２－３．効果等］
本開示の冷凍システムは、室内熱交換器５７に前記実施の形態１で示した熱交換器を用いているので、安価で高性能かつ信頼性の高い冷凍システムとすることができる。

【0041】

［他の実施形態］
以上、本発明に係る熱交換器及びそれを用いた冷凍システムについて、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。例えば、熱交換器はプレートフィン積層型熱交換器に限定されるものではなくこれに類する構造を持つ熱交換器であればよい。また、第１流体は冷媒、第２流体は空気とした場合を例示したが、これに限定されるものではない。また、冷凍システムとして空気調和機を例示したが第２流体を水としたヒートポンプ給湯器であってもよいものである。つまり、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれるものである。

【産業上の利用可能性】

【0042】

本発明は、上記実施の形態の説明から明らかなように、安価で信頼性が高く高性能な熱交換器とそれを用いた冷凍システムを提供することができる。よって、家庭用及び業務用エアコンやヒートポンプ給湯器等に用いる熱交換器や各種冷凍機器等に幅広く利用でき、その産業的価値は大なるものがある。

【符号の説明】

【0043】

１ 熱交換器
２ プレートフィン積層体
２ａ プレートフィン
３ａ、３ｂ エンドプレート
４ 接続配管Ａ
５ 接続配管Ｂ
６ａ プレート
６ｂ プレート
７ 締結手段（ボルト・ナット）
８ 伝熱流路
８ａ 流路形成用凹溝
８ｂ 伝熱流路導出部
９ ヘッダ流路Ａ
１０ ヘッダ流路Ｂ
１０ａ 伝熱流路導出部
１１ スリット
１２ 突起
１４ 開口
１５ 拡管部
１６ ビード
１７ リングロウ
１８ システム配管
１９ 小径部
２０ 段差部
５１ 室外機
５２ 室内機
５３ 圧縮機
５４ 四方弁
５５ 室外熱交換器
５６ 減圧器
５７ 室内熱交換器
５８ 室内送風機
５９ 室外送風機

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】