JP2008008584A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒流入側ヘッダ管を流通する気液二相の冷媒を均等に分配して熱交換効率を向上させる熱交換器を提供する。
【解決手段】管軸方向を水平にして配設された冷媒流入側ヘッダ管及び冷媒流出側ヘッダ管と、該両ヘッダ管の間で垂直方向に平行に並べられ、かつ両端部が前記両ヘッダ管の管軸方向に一列に挿入接続された内部を冷媒が通過する複数の伝熱管とを備えた熱交換器において、冷媒流入側ヘッダ管に挿入接続される伝熱管と垂直に仕切板５を配置し、冷媒流入側ヘッダ管１の冷媒流路断面積を小さくし、その分冷媒流入管４から流入する冷媒の流速を速くし、冷媒の流れ方向下流側での冷媒のガス化を遅らせ、下流側の伝熱管３の端部と液冷媒とを接触させ、伝熱管３内に液冷媒を流入させ、管方向でほぼ均一に伝熱管に液冷媒を流通させることで、熱交換効率を向上させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、冷媒流入側ヘッダ管と冷媒流出側ヘッダ管の間に冷媒を平行に流通させる複数の伝熱管を備えた熱交換器に関するものである。

従来、空気調和機等の冷凍サイクルを構成する熱交換器（蒸発器）として、管軸方向を水平にして円筒状の冷媒流入側ヘッダ管及び冷媒流出側ヘッダ管を上下に配設し、上下の冷媒流入側ヘッダ管と冷媒流出側ヘッダ管との間に垂直方向に内部を冷媒が通過する複数の伝熱管を平行に並べ、その両端部を夫々ヘッダ管の管軸方向に一列に挿入接続し、伝熱管は内部を細かく区切り複数の冷媒流路が形成されたものが知られている（特許文献１参照）。

この特許文献１の熱交換器では、冷媒流入側ヘッダ管の端部に形成された冷媒流入管から気液二相状態の冷媒がヘッダ管内に流入し、冷媒流入側ヘッダ管内で分流されて伝熱管を通り、この伝熱管内で液冷媒が蒸発を行い気液が分離しながら冷媒流出側ヘッダ管へ流れ、冷媒流出側ヘッダ管内で分流された冷媒が合流し、冷媒流出側ヘッダ管の冷媒流出管から冷媒を流出するようになっている。

また、特許文献１の熱交換器では、伝熱管の端部に傾斜部を設けることにより、流通する気液二相の冷媒のうち伝熱管と液冷媒との接触を確実にし、伝熱管の挿入誤差による悪影響をなくして液冷媒を均等に分流可能とし、液冷媒の蒸発を効率よく行わせて熱交換効率を向上させるようにしている。
特許第３１３３８９７号公報

ところで、特許文献１に示すように、冷媒流入管から冷媒流入側ヘッダ管内に流入する冷媒は気液二相状態であり、この気液二相の冷媒は、図６（ａ）に示すように、冷媒流入側ヘッダ管内を流れる冷媒の流れ方向で下流側に向かうほど冷媒がガス化していくため、下流側端部付近の伝熱管ではガス化された冷媒ばかりが存在し、ガス冷媒ばかりが伝熱管を流通すると、当該伝熱管における熱交換効率が悪くなる。

特に、伝熱管として、内部を細かく区切り複数の冷媒流路が形成された扁平な伝熱管を使用した場合、伝熱管の幅に合わせて、これを挿入接続するヘッダ管も必然的に管径の大きなものを使用しなければならない。そのため、冷媒流入側ヘッダ管の内径も大きくなり、内部を流通する冷媒も気液二相に分離しやすくなり、上記不具合がより発生しやすくなるといった問題があった。

本発明は、上記に課題に鑑み、冷媒流入側ヘッダ管を流通する気液二相の冷媒を均等に分配して熱交換効率を向上させることができる熱交換器の提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明では、冷媒流入側ヘッダ管の管軸方向でほぼ均一に伝熱管に液冷媒を接触させるための手段を設けている。その一つは、冷媒流路断面積を減少させる手法である。すなわち、本発明では、管軸方向を水平にして配設された冷媒流入側ヘッダ管及び冷媒流出側ヘッダ管と、該両ヘッダ管の間で垂直方向に平行に並べられ、かつ両端部が前記両ヘッダ管の管軸方向に一列に挿入接続された内部を冷媒が通過する複数の伝熱管とを備えた熱交換器であって、冷媒流入側ヘッダ管に挿入接続される伝熱管と垂直に仕切板が配置されたことを特徴とする。

上記構成によると、冷媒流入側ヘッダ管に挿入接続される伝熱管と垂直に仕切板を配置したので、冷媒流入側ヘッダ管の冷媒流路断面積が小さくなり、冷媒流入側ヘッダ管の内圧が高くなる。その分、冷媒流入管から流入する冷媒の流速が速くなり、冷媒の流通方向で下流側での冷媒のガス化が遅れ、下流側の伝熱管の端部でも液冷媒と接触し、伝熱管内に液冷媒を流入させることができる。さらに、冷媒流入側ヘッダ管の内圧が高くなる分、冷媒流出側ヘッダ管との差圧が大きくなるため、伝熱管内への液冷媒の流入が容易になる。つまり、冷媒流入側ヘッダ管の管軸方向でほぼ均一に伝熱管に液冷媒を流通させることができ、熱交換効率を向上させることができる。

この場合、仕切板は冷媒流入側ヘッダ管の管方向に平行に配置してもよいが、冷媒流入側ヘッダ管内を流れる冷媒の流れ方向で下流側に向かうほど伝熱管に近付くように傾斜して配置してもよい。この構成によると、冷媒流入側ヘッダ管において、冷媒の流れ方向で下流側の伝熱管の端部でも、液冷媒と接触しやすくなり、伝熱管内に液冷媒を流入させることができるので、熱交換効率を向上させることができる。

また、仕切板は、平坦な形状であってもよいが、冷媒流通側中心部を凹ませた凹状断面とすることもできる。この構成によると、仕切板により冷媒流路面積が減少して気液二相の冷媒の流速が速くなると、冷媒流通側の凹部には液冷媒に比べて比重の軽いガス冷媒が集束し、その周囲には液冷媒が流れるようになる。そのため、冷媒流入側のヘッダ管に挿入される伝熱管の端部にはヘッダ管の管壁側を流れる液冷媒が流入しやすくなる。

仕切板による仕切り位置は、ヘッダ管を上下に仕切るならば、その位置は限定されないが、仕切板の幅が冷媒流入側ヘッダ管の内径（最大寸法）に設定されて管内面に接合されるのが好ましい。これは、ヘッダ管は板状部材に仕切板を挟み込みながらシーム溶接などにより接合して管形成するが、その際、仕切板の幅をヘッダ管の最大寸法に合わせれば、仕切板の位置決めが行い易くなるためである。

さらに、冷媒流入側ヘッダ管の始端側に冷媒流入管が接続される。この冷媒流入管は、仕切板により仕切られたヘッダ管内の空間のうち伝熱管側に接続される。これにより、気液二相の冷媒は確実に伝熱管側の流路を流通することになる。

また、上記仕切板と併用または単独で、冷媒流入側ヘッダ管を、その内部を流れる冷媒の流れ方向で下流側に向かうほど冷媒の流路断面積を小さく設定し、液冷媒と伝熱管の端部とを接触しやすくこともできる。

さらに、冷媒流入側ヘッダ管の管軸方向でほぼ均一に伝熱管に液冷媒を接触させるための本発明の別の手法として、冷媒流入側ヘッダ管内を流れる冷媒の流れ方向で下流側に向かうほど伝熱管の挿入代を大きく設定し、比重の重い液冷媒と伝熱管の端部とを接触しやすくする構成を採用することもできる。

以上のとおり、本発明によると、冷媒流入側ヘッダ管に挿入接続される伝熱管と垂直に配置した仕切板により、冷媒流入側ヘッダ管の冷媒流路断面積が小さくなり、その分、冷媒の流速が速くなる。また、冷媒流入側ヘッダ管の内圧が高くなり、伝熱管内への液冷媒の流入が容易になる。これらにより、液冷媒をヘッダ管の管方向でほぼ均一に伝熱管に流通させることができ、熱交換効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施形態を示す熱交換器の正面図、図２は図１の要部断面図、図３は図２の右側面断面図である。

本実施形態の熱交換器は、空気調和機などの冷凍サイクルを構成する熱交換器、例えば、蒸発器として使用されるものであって、管軸方向を水平にして円筒状の中空体で形成された冷媒流入側ヘッダ管１及び冷媒流出側ヘッダ管２を配設し、冷媒流入側ヘッダ管１と冷媒流出側ヘッダ管２との間に垂直方向に内部を冷媒が通過する複数の扁平な伝熱管３を平行に並べ、その両端部を夫々当該両ヘッダ管１、２の管軸方向に一列に挿入接続したものである。

冷媒流入側ヘッダ管１は、円筒状のアルミパイプ製のものであって、その両端が閉塞され、一側管端部に管周壁から冷媒流入管４がろう付けなどにより接続される。冷媒流入側ヘッダ管１の内径は、扁平な伝熱管３の端部を挿入してヘッダ管１と伝熱管３の内部流通路６との間で冷媒が流通できる大きさに設定される。したがって、冷媒流入側のヘッダ管１では、冷媒流入管４から流入した気液二相の冷媒が冷媒の流れ方向で下流側においてガス冷媒と液冷媒に分離しやすくなり、すべての伝熱管３への分流性能が悪化する（図６（ａ）参照）。

そこで、本実施形態では、冷媒流入側ヘッダ管１に挿入接続される伝熱管３とは垂直に仕切板５を配置し、この仕切板５により冷媒流路１０の断面積を減少させ、冷媒の流通方向で下流側においても上流側と変わらない液冷媒量を確保しつつ、下流側の伝熱管３の端部においても液冷媒と伝熱管３とを接触させやすくしている。

仕切板５は、アルミニウム製の板状部材であって、その幅が冷媒流入側ヘッダ管１の内径（最大寸法）に設定され、管内壁にろう付けなどにより接合され、ヘッダ管１を上下に仕切っている。したがって、仕切板５は、ヘッダ管１の管軸方向と平行に配置された状態となっている。

そして、冷媒流入側のヘッダ管１では、仕切板５よりも上側の通路が冷媒流路１０として機能し、下側の通路１０ａは冷媒が流通しない単なる空間として存在する。そのため、冷媒流入側ヘッダ管１は、断面半円状、あるいは横長矩形断面形状であってもよいが、ヘッダ管１の強度を考えると断面円形が好ましい。

したがって、本実施形態では、冷媒流入側のヘッダ管１として円筒状のものを採用することとし、扁平な伝熱管３を挿入して冷媒を流通させることから、ヘッダ管１の断面積が大きくなり、流通する気液二相の冷媒が分離しやすくなるので、これを解消するためにヘッダ管１の内部を仕切板５で仕切る構成とした。

なお、冷媒流入側ヘッダ管１は、板状部材をロール成形により管状に成形してシーム溶接したものであり、その成形途中に仕切板５を挿入しつつ、ろう付け接合している。

伝熱管３は、図３に示すように、内部に複数の流路が平行に形成された管状で、かつ扁平なアルミ管であって、押し出し成形により形成される。その厚みは１ｍｍ程度、幅は６ｍｍ〜１６ｍｍ程度に設定される。この伝熱管３はその厚みとほぼ同程度の間隔をおいてヘッダ管１，２の管方向に沿って平行に配置される。

そして、伝熱管３の下方には冷媒流入側ヘッダ管１を水平にして下側に配置し、伝熱管３の上側には冷媒流出側ヘッダ管２を配置し、冷媒流入管４から流入した冷媒を冷媒流入側ヘッダ管１から伝熱管３を通して下側から上側に流通させ、冷媒流出側のヘッダ管２で合流させて、その端部にある冷媒流出管７から排出する。その間に伝熱管３において外部の空気と熱交換し、外気を冷やして冷風として送り出す。

冷媒流出側ヘッダ管２は、円筒状のアルミパイプ製のものであって、板状部材をロール成形により管状に成形してシーム溶接したものである。冷媒流出側ヘッダ管２の一側は閉塞され、他側の管端には冷媒流出管７がろう付けなどにより接合される。冷媒流出側ヘッダ管２の内径は、扁平な伝熱管３の端部を挿入して伝熱管３の内部流通路６との間で冷媒を合流させることができる大きさに設定される。

これらの冷媒流入側ヘッダ管１、冷媒流出側ヘッダ管２および伝熱管３は、すべてアルミニウム製のものであって、これにより軽量化と共に生産コストの低減が図られている。

なお、図示の熱交換器では、多数の伝熱管３を配置して冷媒流通量を多くし、かつ熱交換効率を良好なものにしているが、これとは別に、伝熱管３にそれぞれ熱交換を効率よく行うためのフィン（図示略）を固着する構成を採用してもよい。

上記構成の熱交換器においては、冷媒流入管４から気液二相の冷媒が冷媒流入側ヘッダ管１内に流入すると、仕切板５よりも上側の通路を流れ、気液混合した冷媒が管方向に配列された各伝熱管３の端部と接触し、伝熱管３の内部流通路６を通って伝熱管３内を上昇し、冷媒流出側ヘッダ管２に送られ、ここで合流して冷媒流出管７から排出される。この間、主に液冷媒は伝熱管部において外気と熱交換し、外気を冷やして冷風として送り出す一方、冷媒自体は熱交換されてガス化し、冷媒流出側ヘッダ管２に送られる。

この際、冷媒流入側ヘッダ管１を上下に仕切る仕切板５により、ヘッダ管１の冷媒流路断面積が減少し、その分、冷媒流入管から流入する冷媒の流速が速くなる。そのため、冷媒の流通方向で下流側での冷媒のガス化も遅れ、下流側の伝熱管３の端部は液冷媒と接触して、伝熱管内に液冷媒を流入させることができる。さらに、冷媒流入側ヘッダ管１の内圧が高くなる分、冷媒流出側ヘッダ管２との差圧が大きくなるため、伝熱管３内への液冷媒の流入が容易になる。つまり、冷媒流入側ヘッダ管１の管軸方向でほぼ均一に伝熱管３に液冷媒を流通させることができ、熱交換効率を向上させることができる。

図４は本発明の第２実施形態である熱交換器の要部断面図である。図に示すように、本実施形態では、仕切板５が冷媒流入側ヘッダ管１内を流れる冷媒の流れ方向で下流側に向かうほど伝熱管３に近付くように下流側が上側に傾斜して配置される。

仕切板５は第１実施形態のように冷媒流入側ヘッダ管１の管方向に平行に配置してもよいが、冷媒流入側ヘッダ管１内を流れる冷媒の流れ方向で下流側に向かうほど伝熱管３に近付くように上側に傾斜して配置すると、下流側の伝熱管３の端部でも、より液冷媒と接触し、伝熱管３内に液冷媒を流入させることができ、熱交換効率を向上させることができる。

図５は本発明の第３の実施形態を示す冷媒流入側ヘッダ部の右側面断面図である。図に示すように、本実施形態では、仕切板５は、その冷媒流通側中心部が凹んだ凹状断面とされる。

この構成によると、仕切板５により冷媒流路面積が減少して気液二相の冷媒の流速が速くなると、冷媒流通側の凹部９には液冷媒に比べて比重の軽いガス冷媒８ｂが集束し、その周囲には液冷媒８ａが流れるようになる。そのため、冷媒流入側ヘッダ管１に挿入される伝熱管３の端部には、ヘッダ管１の管壁側を流れる液冷媒８ａが流入しやすくなり、熱交換効率を向上させることができる。

図６は本発明の第４の実施形態を示すヘッダ部の断面図であって、同図（ａ）は冷媒のガス化によりヘッダの端部で伝熱管の下端が液面に未到達であることを示し、同図（ｂ）は同図（ａ）の熱交換器を改善してヘッダ１の冷媒の流れ方向で下流側の端部に向かうほど伝熱管３の挿入代Ａを大きくした断面図である。

図に示すように、本実施形態では、冷媒流入側ヘッダ管１を流通する気液二相の冷媒を均等に分配して熱交換効率を向上させるために、冷媒流入側ヘッダ管１の内部を流れる冷媒の流れ方向で下流側に向かうほど、伝熱管３の挿入代Ａを大きく設定したものである。

この構成においては、比重の重い液冷媒８ａが冷媒の流れ方向で下流側において下位部分にしか存在していなくても、伝熱管３の端部入口と接触することになり、これにより液冷媒を伝熱管３に送ることができ、熱交換効率を向上させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正・変更を加えることができるのは勿論である。例えば、仕切板５と併用または単独で、冷媒流入側ヘッダ管１を、その内部を流れる冷媒の流れ方向で下流側に向かうほど冷媒の流路断面積を小さく設定する。具体的には下流側に向かうほど小径に形成されたヘッダ管であってもよい。また、上記実施形態では、ヘッダ管はアルミニウム製のもので説明したが、例えば、銅製などの熱伝導性のよい材質で形成されていてもよいことは勿論である。

本発明の実施形態を示す熱交換器の正面図 図１の要部断面図 図２の右側面断面図 本発明の第２実施形態である熱交換器の要部断面図 本発明の第３の実施形態を示すヘッダ部の右側面断面図 本発明の第４の実施形態を示すヘッダ部の断面図であって、同図（ａ）は冷媒のガス化によりヘッダの端部で伝熱管の下端が液面に未到達であることを示し、同図（ｂ）は（ａ）の熱交換器を改善してヘッダの端部に向かうほど伝熱管の挿入代を大きくした断面図

符号の説明

１ 冷媒流入側ヘッダ管
２ 冷媒流出側ヘッダ管
３ 伝熱管
４ 冷媒流入管
５ 仕切板
６ 内部流通路
７ 冷媒流出管
８ａ 液冷媒
８ｂ ガス冷媒
９ 凹部

Claims (9)

1. 管軸方向を水平にして配設された冷媒流入側ヘッダ管及び冷媒流出側ヘッダ管と、該両ヘッダ管の間で垂直方向に平行に並べられ、かつ両端部が前記両ヘッダ管の管軸方向に一列に挿入接続され内部を冷媒が通過する複数の伝熱管とを備えた熱交換器であって、前記冷媒流入側ヘッダ管に挿入接続される伝熱管と垂直に仕切板が配置されたことを特徴とする熱交換器。
2. 仕切板が冷媒流入側ヘッダ管内を流れる冷媒の流れ方向で下流側に向かうほど伝熱管に近付くように傾斜して配置されたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記仕切板は、その冷媒流通側中心部が凹んだ凹状断面であ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. 前記仕切板は、その幅が冷媒流入側ヘッダ管の内径に設定されて管内面に接合されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換器。
5. 冷媒流入側ヘッダ管の始端側に冷媒流入管が接続され、該冷媒流入管は、仕切板により仕切られたヘッダ管内の空間のうち伝熱管側に接続されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 管軸方向を水平にして配設された冷媒流入側ヘッダ管及び冷媒流出側ヘッダ管と、該両ヘッダ管の間で垂直方向に平行に並べられ、かつ両端部が前記両ヘッダ管の管軸方向に一列に挿入接続された内部を冷媒が通過する複数の伝熱管とを備えた熱交換器であって、冷媒流入側ヘッダ管は、その内部を流れる冷媒の流れ方向で下流側に向かうほど冷媒の流路断面積が小さく設定されたことを特徴とする熱交換器。
7. 管軸方向を水平にして配設された冷媒流入側ヘッダ管及び冷媒流出側ヘッダ管と、該両ヘッダ管の間で垂直方向に平行に並べられ、かつ両端部が前記両ヘッダ管の管軸方向に一列に挿入接続された内部を冷媒が通過する複数の伝熱管とを備えた熱交換器であって、冷媒流入側ヘッダ管内を流れる冷媒の流れ方向で下流側に向かうほど伝熱管の挿入代が大きく設定されたことを特徴とする熱交換器。
8. 前記冷媒流入側ヘッダ管は円筒状に形成されていることを特徴とする請求項１、６または７に記載の熱交換器。
9. 前記伝熱管が扁平に形成されていることを特徴とする請求項１、６または７に記載の熱交換器。

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