特許 7132138 熱交換器及び冷凍サイクル装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-08-29

(45)【発行日】2022-09-06

(54)【発明の名称】熱交換器及び冷凍サイクル装置

(51)【国際特許分類】

   F28F 9/02 20060101AFI20220830BHJP

   F28F 9/22 20060101ALI20220830BHJP

   F25B 39/00 20060101ALI20220830BHJP

【ＦＩ】

F28F9/02 301D

F28F9/22

F25B39/00 E

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019010955

(22)【出願日】2019-01-25

(65)【公開番号】P2020118385

(43)【公開日】2020-08-06

【審査請求日】2021-09-21

(73)【特許権者】

【識別番号】505461072

【氏名又は名称】東芝キヤリア株式会社

(72)【発明者】

【氏名】小野寺 亜由美

(72)【発明者】

【氏名】畠田 崇史

(72)【発明者】

【氏名】岡田 成浩

(72)【発明者】

【氏名】是澤 亮輔

【審査官】河野 俊二

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１２７６１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１５４３３６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０２－２１９９６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５３３８１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１２３６９６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－１６９０６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／０９８８６０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｆ ９／０２

Ｆ２８Ｆ ９／２２

Ｆ２５Ｂ ３９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

上下方向に並列に配置された複数の伝熱管と、
前記伝熱管の両端部が接続される第１ヘッダ及び第２ヘッダと、
前記第１ヘッダの下部に前記伝熱管の端部側に対向して設けられ、冷媒が流出入する接続管と、
前記第１ヘッダ内に設けられ、前記第１ヘッダ内を前記接続管側の第１の空間と、前記伝熱管側の第２の空間とに仕切るとともに、上部に前記第１の空間と前記第２の空間を連通する連通部が形成された仕切板と、を備え、
前記仕切板は、前記第２の空間側に前記伝熱管側に向かって突き出し、冷媒を前記伝熱管に誘導する突起部を備えている、熱交換器。

【請求項2】

前記接続管は、前記第１の空間の上方向に向かって開口する孔を備える、請求項１に記載の熱交換器。

【請求項3】

前記突起部は、前記伝熱管側に最も突出する部分が各前記突起部から最も近い各前記伝熱管の高さ方向の中心よりも上側に位置する、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。

【請求項4】

前記仕切板は、長手方向に複数の開口部を有し、各前記開口部の断面積は、前記連通部の断面積よりも小さい、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の熱交換器。

【請求項5】

前記第１ヘッダは、上下両端がエンドキャップで閉塞され、少なくとも１つの前記エンドキャップは、仕切板位置決め溝を有する、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱交換器。

【請求項6】

請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の熱交換器と、圧縮機と、放熱器及び膨張装置を備えた冷凍サイクル装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

従来、空気調和機等の冷凍サイクル装置に用いられる熱交換器において、上下方向に並列配置される複数の伝熱管と、鉛直方向に延びて伝熱管の両端に接続された一対のヘッダを備えた熱交換器が知られている。熱交換器が蒸発器として機能するとき、熱交換器外部から一方のヘッダに流入した気液二相冷媒は、各伝熱管を通って他方のヘッダへ流通するように構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１５－１２７６１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、気体冷媒と液体冷媒の密度差によって、上方に位置する伝熱管と、下側に位置する伝熱管とで、冷媒の偏流が生じ、熱交換性能が低下してしまう。そこで、冷媒が流入される一方のヘッダ内に伝熱管が接続される側の空間と伝熱管が接続される側とは反対側の空間の２つの空間に仕切る仕切板を設け、冷媒流路を狭めることで冷媒をヘッダの上方まで到達させる構造が知られている。しかしながら、このような構造であっても、上方まで達した冷媒を各伝熱管へ均等に導くことは困難であった。

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、熱交換器の各伝熱管の冷媒の偏流を抑制し、熱交換性能の向上した熱交換器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を達成するために、実施形態の熱交換器は、上下方向に並列に配置された複数の伝熱管と、伝熱管の両端部が接続される第１ヘッダ及び第２ヘッダとで構成させている。第１ヘッダの下部には伝熱管の端部側に対向する位置に、それぞれ冷媒が流出入する接続管が設けられている。第１ヘッダ内は内部を接続管側の第１の空間と、伝熱管側の第２の空間とに仕切るとともに、上部に第１の空間と第２の空間を連通する連通部が形成された仕切板を備えている。仕切板は、第２の空間側に伝熱管側に向かって突き出し、冷媒を伝熱管に誘導する突起部を備えている。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１の実施形態による冷凍サイクル構成図である。

【図2】同実施形態による熱交換器の正面図である。

【図3】同実施形態によるエンドキャップ斜視図である。

【図4】同実施形態による第１ヘッダの概略断面図である。

【図5】図４の要部拡大図である。

【図6】同実施形態及び従来の熱交換器の伝熱管の高さに対する冷媒流量比率を表すグラフである。

【図7】第２の実施形態による第１ヘッダの概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、発明を実施するための実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態の熱交換器及び冷凍サイクル装置について、図１乃至図６を参照して説明する。図１は、第１実施形態の冷凍サイクル装置である空気調和機１の冷凍サイクルの構成を示している。

【0009】

空気調和機１は、圧縮機２、四方弁５、室外熱交換器６、膨張装置７、室内熱交換器８を備えている。これらは順次冷媒配管９で接続され、冷凍サイクルを構成している。
圧縮機２は圧縮機本体３とアキュームレータ４を備えている。アキュームレータ４は気体冷媒と液体冷媒を分離し、気体冷媒を圧縮機本体３に供給する。圧縮機本体３は、アキュームレータ４から供給された冷媒を高温高圧の気相冷媒にする。

【0010】

四方弁５は圧縮機２から吐出された冷媒の流れを変えて、冷房運転と暖房運転を切り替えている。冷房運転時、図１中の実線矢印で示すように、圧縮機２から吐出された冷媒は、四方弁５を介して室外熱交換器６、膨張装置７、室内熱交換器８の順に流れる。このとき、室外熱交換器６は放熱器（凝縮器）として機能し、室内熱交換器８は吸熱器（蒸発器）として機能する。暖房運転時、図１中の破線矢印で示すように、冷媒は、圧縮機２、四方弁５、室内熱交換器８、膨張装置７、室外熱交換器６の順に流れる。室外熱交換器６は吸熱器（蒸発器）として機能し、室内熱交換器８は放熱器（凝縮器）として機能する。

【0011】

次に室外熱交換器６について説明する。図２は本実施形態の室外熱交換器６であるパラレルフロー型熱交換器（以下、熱交換器という。）の正面図である。なお、以下の説明では、熱交換器６の高さ方向を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、図中の矢印方向をプラス（＋）方向とし、矢印と反対の方向をマイナス（－）方向とする。＋Ｚ方向は重力方向上方とし、－Ｚ方向は重力方向下方とする。

【0012】

熱交換器６は、複数の伝熱管１１と、伝熱管１１の両端に接続する第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２を備えている。伝熱管１１はＸ方向に延在し、Ｚ方向にそれぞれ平行に配置されている。伝熱管１１には、例えば内部に複数の冷媒流路を有する扁平管が用いられる。第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２は、Ｚ方向に延在し、その側面に伝熱管１１が挿入される複数の伝熱管挿入孔２３，２４がＺ方向に並んで形成されている。第１ヘッダ２１の伝熱管挿入孔２３に伝熱管１１の＋Ｘ方向の端部１２が挿入され、第２ヘッダ２２の伝熱管挿入孔２４に伝熱管１１の－Ｘ方向の端部１３が挿入され、それぞれ連通している。

【0013】

隣り合う伝熱管１１の間に複数のフィン１４が配置されている。フィン１４には例えばプレートフィンが用いられる。フィン１４は第１ヘッダ２１と第２ヘッダ２２との間にＸ方向に複数配置されている。フィン１４はろう付け等の手段により伝熱管１１に接続されている。フィン１４はプレートフィンに限らずコルゲートフィン等であっても良い。

【0014】

第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２の上下両端には、エンドキャップ３１，３２が嵌めこまれて閉塞されている。図３はエンドキャップ３１を示し、エンドキャップ３１には第１ヘッダ２１の内部空間に面して直線状の仕切板位置決め溝３３が形成されている。
第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２には、伝熱管挿入孔２３，２４とは反対側であって、伝熱管１１の端部１２，１３と対向する位置に、Ｘ方向に延びて熱交換器６外部の冷媒配管９と接続される接続管３４，３５が設けられている。第１ヘッダ２１はその下部に接続管３４が設けられ、第２ヘッダ２２はその上部に接続管３５が設けられている。接続管３４，３５には、任意の位置に熱交換器６内に冷媒を流出入するための孔３６が形成されている。図４は、第１ヘッダ２１の概略断面図である。図４に示すように、本実施形態では、接続管３４の孔３６は第１ヘッダ２１の内部で＋Ｚ方向に開口している。また、この孔３６に加えて接続管３４の先端にＸ方向に開口する孔を設けても良い。

【0015】

第１ヘッダ２１の内部には、第１ヘッダ２１の内部空間を、接続管３４側の第１の空間２５と伝熱管１１側の第２の空間２６に仕切る仕切板４１が設けられている。接続管３４は、その先端が第１の空間２５で仕切板４１に当接するか、または仕切板４１に当たらない位置で固定されている。仕切板４１は、最も上（＋Ｚ方向）に位置にする伝熱管１１よりも高い箇所または同等の位置に連通部４２が形成されている。仕切板４１の第２の空間側には伝熱管１１に向かって突き出す複数の突起部４３が設けられている。複数の突起部４３は、＋Ｘ方向と－Ｘ方向に交互に傾斜するように形成され、＋Ｙ方向から見て各突起部４３は三角形になるように形成されている。図５は図４の要部拡大図である。仕切板４１の長手方向（Ｚ方向）における各伝熱管１１に向かう各突起部４３の頂点の高さは、その突起部４３から最も近いそれぞれの伝熱管１１の高さ方向の中心よりも上側に位置している。例えば、図５中の突起部４３ａの頂点の高さＨ１は、突起部４３ａから最も近い伝熱管１１ａの高さ方向の中心ｈ１よりも上側に位置している。同様に、突起部４３ｂの頂点の高さＨ２は伝熱管１１ｂの高さ方向の中心ｈ２よりも上側に位置している。なお、突起部４３の形状はこれに限定されない。また、突起部４３は各伝熱管１１に対して同じ数あっても良いし、例えば伝熱管１１の１つ置きに配置されるように伝熱管１１よりも少なくても良い。

【0016】

このように構成された仕切板４１は、第１ヘッダ２１の内周壁にろう付け等により固定される。さらに、図４に示すように、第１ヘッダ２１の上下両端を閉塞するエンドキャップ３１に形成された仕切板位置決め溝３３に、仕切板４１の上下端部が嵌り込んでいる。

【0017】

次に、熱交換器６の動作について説明する。以下の説明では、熱交換器６は蒸発器として機能する場合について説明する。図４中の矢印は第１ヘッダ２１内を流れる冷媒の流れ方向を示している。
まず、膨張装置７で減圧された気液二相冷媒は、接続管３４を通って第１ヘッダ２１に流入する。このとき、冷媒は接続管３４の孔３６から第１ヘッダ２１の第１の空間２５において＋Ｚ方向に向かって噴出される。冷媒は第１の空間２５を＋Ｚ方向に流れ、第１ヘッダの上方まで到達すると、仕切板４１に形成される連通部４２を通って第２の空間２６に流れる。連通部４２を通過した冷媒は、最も上（＋Ｚ方向）に位置する伝熱管１１に導かれるとともに、それ以外の冷媒は、第２の空間２６を下方（－Ｚ方向）に向かって流れる。冷媒は仕切板４１に設けられる突起部４３に沿って流れ、各伝熱管１１に導かれる。

【0018】

伝熱管１１を通過する過程で、気液二相冷媒は熱交換器６外部の空気を吸熱して冷却するとともに、気相冷媒に変化する。冷媒は第２ヘッダ２２に流入し、第２ヘッダ２２に設けられる接続管３５から熱交換器６外部へ排出されて、四方弁５へ流れる。

【0019】

このように、本実施形態の熱交換器８は、第１ヘッダ２１内に２つの空間に仕切る仕切板４１を配置し、仕切板４１の伝熱管１１と連通する第２の空間１９側に各伝熱管１１に冷媒を導く突起部４３を設ける構成とした。この構成によれば、第１の空間の冷媒流路が狭くなり、冷媒の流速が大きくなって第１ヘッダ２１の上方まで気相冷媒及び液相冷媒を到達させることができるとともに、第２の空間２６を流れる冷媒が、仕切板４１の突起部４３の形状に沿って下方に流れるので各伝熱管１１に冷媒を導きやすくなる。さらに、突起部４３の頂点の高さは、その突起部４３から最も近い伝熱管１１の高さ方向の中心よりも上側に位置し、突起部４３の形状に沿って流れる冷媒が伝熱管１１に導きやすい配置となっている。

【0020】

図６は、伝熱管１１の高さに対する冷媒供給量の関係を表すグラフである。図６中の実線は本実施形態の熱交換器６を示し、破線は仕切板４１を配置しない従来の熱交換器を示している。図６に示すように、従来の熱交換器では下方に位置する伝熱管への冷媒供給量は多く、上方に位置する伝熱管への冷媒供給量が少なかった。一方、本実施形態の熱交換器６では、仕切板４１の連通部４２に最も近い伝熱管１１への冷媒供給量が多く、ほとんどの伝熱管１１にほぼ均等に冷媒が供給されている。

【0021】

本実施形態では、仕切板４１の上部のみに第１の空間２５と第２の空間２６とを連通する連通部４２を形成したが、さらに仕切板４１の下部にも連通部を形成しても良い。この連通部は、第２の空間２６で伝熱管１１に導かれなった冷媒を第１の空間へ送り、接続管３４から流入される冷媒とともに再び上述した動作で、伝熱管１１に導くことができる。また、冷媒に溶け込んで流れてくる油も冷媒とともに伝熱管１１へ導くことができる。

【0022】

また、本実施形態では、第１ヘッダ２１の上下両端を閉塞するエンドキャップ３１に仕切板位置決め溝３３が形成されている。仕切板位置決め溝３３に仕切板４１の端部が嵌めこまれ、さらに仕切板４１の側面が第１ヘッダ２１の内周壁にろう付け等で固定される。したがって、製造時には仕切板４１の位置を精度良く設定でき、ろう付け等の工程を容易にすることができる。

【0023】

また、本実施形態の構造は、折り返しのある熱交換器の冷媒の入り口ヘッダである第１ヘッダに加え、折り返し部分のヘッダにも適用することができる。例えば、第１ヘッダ２１及び第２ヘッダ２２の内部をそれぞれ上下方向に２つの空間に仕切る仕切板と、第２ヘッダの上側の空間と下側の空間を接続する接続管を備える。そして、第１ヘッダ２１の下側の空間に上述した第１の空間と第２の空間に仕切る仕切板４１を設け、さらに、第２ヘッダ２２の上側の空間に、接続管側の空間と伝熱管側の空間とに仕切る仕切板を設ける。熱交換器６に流入した冷媒は、上述した流れで第１ヘッダ２１の下側の空間から伝熱管１１を通って第２ヘッダ２２の下側の空間に流れる。冷媒は、第２ヘッダ２２の下側の空間から接続管を通って第２ヘッダ２２の上側の空間に導かれる。第２ヘッダ２２の上側の空間では、冷媒は上述した第１ヘッダ２１の流れと同様に、接続管側の空間を上方に流れ、伝熱管側１１の空間を仕切板に設けられる突起部に沿って下方に流れるため、第１ヘッダ２１の上側の空間と連通する伝熱管１１に導かれやすくなっている。この場合、エンドキャップ３１の他にヘッダの内周壁や、上下の空間を仕切る仕切板などに仕切板位置決め溝を設け、仕切板４１をはめ込んで位置決めするのが好ましい。

【0024】

（第２の実施形態）
第２の実施形態について、図７に基づいて説明する。第２の実施形態において、第１の実施形態と同一の部分については同一の符号を付して説明を省略する。第２の実施形態の熱交換器６は、仕切板４１に複数の開口部４４がＺ方向に並んで形成されている。各開口部４４の断面積は仕切板１１の連通部４２の断面積よりも小さく形成されている。

【0025】

接続管３４を通って第１ヘッダ２１の第１の空間２５に流入された冷媒は、第１の実施形態と同様に上方に導かれる。第２の実施形態の熱交換器６では、冷媒が第１の空間２５の上方に向かう過程で、複数の開口部４４から第２の空間２６へ冷媒が流れる。これにより、隣り合う伝熱管１１，１１の間に冷媒が滞留することによってできる渦の発生を抑制し、熱交換器６の性能を向上することができる。
また、冷媒が複数の高さ位置で伝熱管１１と連通する第２の空間２６に吐出されるため、各伝熱管１１に均等に冷媒を導きやすくなる。

【0026】

なお、本実施形態の開口部４４は、図７に示すとおり、仕切板４１の突起部４３の下部に形成しているが、各突起部４３の頂点に形成しても良く、開口部４４の位置やその数は限定されない。開口部４４を伝熱管１１の端部に向かい合う位置に設けることで、冷媒をより伝熱管１１に導きやすくなる。

【0027】

以上説明した少なくとも一つの実施形態の熱交換器６によれば、第１ヘッダ２１内の空間を仕切板４１で２つの空間に仕切ることで、冷媒流路である第１の空間２５が狭くなり、冷媒の流速が大きくなることで第１ヘッダ２１の上方まで冷媒を到達させることができる。そして、第２の空間２６では、冷媒は仕切板４１の突起部４３の形状に沿って下方に流れ、各伝熱管１１に導くことができる。各伝熱管１１へ冷媒を均等に分配しやすくなり、冷媒が低循環量や中循環量であっても冷媒偏流を抑制することでき、熱交換性能の向上を図ることができる。なお、室内熱交換器８に適応した場合にも、同様の効果を得ることができる。

【0028】

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。これらの実施形態は、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。この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。

【符号の説明】

【0029】

１…空気調和機、２…圧縮機、５…四方弁、６…室外熱交換器、７…膨張装置、８…室内熱交換器、９…冷媒配管、１１…伝熱管、１４…フィン、２１…第１ヘッダ、２２…第２ヘッダ、２５…第１の空間、２６…第２の空間、３１，３２…エンドキャップ、３３…仕切板位置決め孔、３４，３５…接続管、３６…孔、４１…仕切板、４２…連通部、４３…突起部、４４…開口部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】