(57)【要約】【課題】  熱交換器の上方の伝熱管と下方の伝熱管の冷媒の偏流を抑制し、熱交換量を増加させることが可能な熱交換器を提供する。【解決手段】上下方向に並列配置された複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管の両端に接続された第１ヘッダー及び第２ヘッダーと、を有する熱交換器であって、前記第１ヘッダーの下方に接続され、前記熱交換器外部と連通して前記熱交換器に冷媒を流入する接続管と、前記第１ヘッダー内の下方に位置し、回転軸を中心に回転する羽根車と、を備える熱交換器。【選択図】図４
2020020508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下方向に並列配置された複数の伝熱管と、
前記複数の伝熱管の両端に接続された第１ヘッダー及び第２ヘッダーと、を有する熱交換器であって、
前記第１ヘッダーの下方に接続され、前記熱交換器外部と連通して前記第１ヘッダー内に冷媒を流入する接続管と、
前記第１ヘッダー内の下方に位置し、回転軸を中心に回転する羽根車と、
を備える熱交換器。
【請求項２】
前記接続管は、前記第１ヘッダーに対して水平に接続され、
前記羽根車は、前記第１接続管から前記第１ヘッダーに流入される冷媒が衝突することにより回転する、
請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記回転軸は、前記第１ヘッダーの上下方向に延びるとともに、
前記羽根車の径方向の最大寸法は、前記第１ヘッダーの内径の半分より大きい
請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記回転軸には、前記羽根車の上方に間隔を有して補助羽根車が配置される
請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記羽根車を駆動する駆動装置を備え
請求項１又は請求項３、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、空気調和装置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、伝熱管の両端に接続された一対のヘッダーを備えた熱交換器、いわゆるパラレルフロー型熱交換器が知られている。このような熱交換器は、冷凍サイクル内を循環する冷媒が、熱交換器外部から一方のヘッダーに流入し、各伝熱管を通って他方のヘッダー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】
【特許文献１】特開２０１４−１４９０９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、熱交換器が蒸発器として機能するとき、一方のヘッダーに流入される冷媒は液相冷媒と気相冷媒とが混在した気液二相冷媒である。このような気液二相冷媒が伝熱管へ導かれるとき、液冷媒が上方の伝熱管に到達し難く、上方の伝熱管と下方の伝熱管とで、冷媒流量の偏りが生じてしまう。そのため、所望の熱交換器の性能を得ることができないという問題があった。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、熱交換器の上方の伝熱管と下方の伝熱管の冷媒の偏流を抑制し、熱交換量を増加させることが可能な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、上下方向に並列配置された複数の伝熱管と、複数の伝熱管の両端に接続された第１ヘッダー及び第２ヘッダーと、を有し、熱交換器外部と連通して第１ヘッダー内に冷媒を流入する接続管が、第１ヘッダーの下方に接続されている。第１ヘッダー内の下方には回転軸を中心に回転する羽根車を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る冷凍サイクル概略構成図である。
【図２】同実施形態に係る熱交換器である。
【図３】同実施形態に係る第１ヘッダーの横断面図である。
【図４】同実施形態に係る第１ヘッダー内の冷媒の流れを示す図である。
【図５】同実施形態に係る羽根車の種類を示す図である。
【図６】第２の実施形態に係る複数の羽根車を用いた熱交換器である。
【図７】第３の実施形態に係る羽根車の駆動方法を用いた熱交換器である。
【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７を参照して説明する。図１は、冷凍サイクル装置である空気調和装置１の概略構成図である。図中の実線矢印は冷房運転時の冷媒の流通方向を示し、破線矢印は暖房運転時の冷媒の流通方向を示している。
【０００９】
空気調和装置１は、圧縮機３、四方弁６、室外熱交換器７、膨張装置８、室内熱交換器９を備え、これらを順次冷媒配管２で接続し冷媒配管２内を冷媒が流通することで、冷凍サイクルを構成している。
圧縮機３は、圧縮機本体４とアキュムレータ５を備えている。アキュムレータ５は、気相冷媒を圧縮機本体４に供給する。圧縮機本体４は、アキュムレータ５から供給された気相冷媒を圧縮して高温高圧の気相冷媒にする。
【００１０】
このような空気調和装置１では、四方弁６により冷媒の流れを変えることで、冷房運転と暖房運転とを切り替えている。例えば、冷房運転では、圧縮機３で圧縮された冷媒は、四方弁６、室外熱交換器７、膨張装置８、室内熱交換器９の順に流れる。このとき、室外熱交換器７は凝縮器として機能し、室内熱交換器９は蒸発器として機能する。暖房運転では、冷媒は圧縮機３、四方弁６、室内熱交換機９、膨張装置８、室外熱交換器７の順に流れる。このとき、室内熱交換器９は凝縮器として機能し、室外熱交換器７は蒸発器として機能する。
【００１１】
次に室外熱交換器７について説明する。図２は本実施形態の室外熱交換器７であるパラレルフロー型熱交換器の正面図である。なお、以下の説明では、パラレルフロー型熱交換器の高さ方向を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】
パラレルフロー型熱交換器は、複数の伝熱管１０と、伝熱管１０の両端に接続される第１ヘッダー１１及び第２ヘッダー１２を備える。伝熱管１０はＸ方向に延在し、Ｚ方向に並列して配置されている。伝熱管１０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ている。第１ヘッダー１１及び第２ヘッダー１２はＺ方向に延在し、各伝熱管１０の−Ｘ方向の端部には第１ヘッダー１１が接続され、各伝熱管１０の＋Ｘ方向の端部には第２ヘッダー１２が接続されている。
【００１３】
隣り合う伝熱管１０の間にそれぞれフィン１３が配置されている。フィン１３には例えばコルゲートフィンが用いられる。第１ヘッダー１１と第２ヘッダー１２との間にＸ方向に延びて配置されている。フィン１３はろう付け等の手段により伝熱管１０に接続されている。室外熱交換器７では、各フィン１３と各伝熱管１０との間の隙間を熱交換空気がＹ方向に沿って通過する。このとき、伝熱管１０やフィン１３を介して、伝熱管１０内を流通する冷媒と熱交換空気とが熱交換される。なお、フィン１３はコルゲートフィンに限らず、プレートフィンであっても良い。
【００１４】
第１ヘッダー１１及び第２ヘッダー１２は、円筒形状で上下端部が閉塞されている。第１ヘッダー１１及び第２ヘッダー１２には、室外熱交換器７の外部の冷凍サイクルと接続される接続管１４，１５がそれぞれ設けられている。第１ヘッダー１１の下方には、−Ｘ方向に延びる接続管１４の一方の端部が接続されている。なお、本実施例では、この接続管１４を第１接続管と呼ぶ。また、第２ヘッダー１２の上方には、＋Ｘ方向に延びる第２接続管１５の一方の端部が接続されている。第１接続管１４の他方の端部は、膨張装置８とつながる冷媒配管２に接続されている。第２接続管１５の他方の端部は四方弁５とつながる冷媒配管２に接続される。
【００１５】
図３は図２のＡ−Ａ断面であり、第１ヘッダー１１の下方の内部構造を示している。第１ヘッダー１１に接続される伝熱管１０と第１接続管１４は、図３に示すように第１ヘッダー１１の円筒壁を貫通して接続されている。なお、第２ヘッダー１２に接続される伝熱管１０と第２接続管１５も同様に第２ヘッダー１２の円筒壁を貫通して接続されている。
【００１６】
第１ヘッダー１１の内部には、下方にＺ方向に延びる回転軸２１と、回転軸２１を中心に回転する羽根車２０が設けられている。羽根車２０は、例えば図３及び図５（ａ）に示すような小型のプロペラファンが用いられる。羽根車２０は、第１接続管１４から流入される冷媒の一部が当たる位置に配置され、羽根車２０に冷媒が衝突する衝撃で回転するようになっている。さらに、羽根車２０の径方向の最大の寸法Ｓは、第１ヘッダー１１の断面の内径Ｑの半分以上である。
【００１７】
上述したような室外熱交換器７において、空気調和装置１の暖房運転が行われるとき、冷媒は図４の矢印の方向に流れる。第１ヘッダー１１に接続される第１接続管１４から第１ヘッダー１１内部に気液二相冷媒が流入される。このとき冷媒が羽根車２０に衝突すると羽根車２０がその衝撃で回転を始める。回転軸２１はＺ方向に延びて設けられており、羽根車２０が回転すると、第１ヘッダー１１内に＋Ｚ方向に向かって旋回流が発生する。これにより、第１ヘッダー１１内の冷媒を第１ヘッダー１１内の上方へ導くことができる。さらに、旋回流により、冷媒は第１ヘッダー１１内の内壁に当たりながら上昇するため伝熱管１０に導かれやすくなる。したがって、第１ヘッダー１１の上方に位置する伝熱管１０へ冷媒を導くことができる。
【００１８】
また、回転軸２１と羽根車２０を第１ヘッダー１１内の下方に設けることで、第１ヘッダー１１に流入する液相冷媒と気相冷媒を撹拌する。これにより気液二相冷媒の分配を均一化させることができる。
【００１９】
羽根車２０の形状は上述した形態に限らない。本実施形態では図５（ａ）のプロペラファンを用いたが、図５（ｂ）の形状のプロペラファンを用いることもできる。さらにプロペラファンに限らず、冷媒を第１ヘッダーの上方へ導けるものであれば良い。したがって、回転軸２１も羽根車２０の特長に合わせてＺ方向、Ｘ方向、Ｙ方向のどの方向に延びて設けても良い。
【００２０】
（第２の実施形態）
第２の実施形態の熱交換器として図６を参照して説明する。第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
図６は、回転軸２１を第１ヘッダー１１の上端部から下端部まで延ばし、回転軸２１の上下方向に間隔を存して複数の補助羽根車２２が設けている。このような形状とすることで、ヘッダー長が長い場合であっても、第１ヘッダー１１の中間箇所で冷媒流速を増速させることができ、より上方の伝熱管１０まで冷媒を均一に分配することができる。
【００２１】
さらに、このとき羽根車２０及び補助羽根車２２は、それぞれの高さごとに異なる形状の羽根車２０を複数用いても良い。例えば、回転軸２１の下方には図５（ａ）の羽根車を用いて、上方には図５（ｂ）の羽根車を用いることができる。第１ヘッダー１１内の流路形状に適した種類または大きさの羽根車２０を用いることで、伝熱管１１へ導く冷媒の均一化を図ることができる。
【００２２】
（第３の実施形態）
第３の実施形態として図７を参照して説明する。第１、第２の実施形態は、限定はしないが、固定した回転軸２１の周りを羽根車２０及び補助羽根車２２が回転するのに対し、第３の実施形態は、回転軸２１に羽根車２０が固定されている。
第１の実施形態及び第２の実施形態では、羽根車２０に冷媒が衝突する衝撃で羽根車２０を回転させる構成としたが、図７に示すように第１ヘッダー１１の外部に回転軸２１と連結した回転駆動装置２３を設けて、回転軸２１の回転に伴って羽根車２０を回転させている。なお、回転駆動装置２３は第１ヘッダー１１の内部に設けても良い。例えば、第１ヘッダー１１内に磁石を設け、回転軸２１が磁力で回転するような構成であっても良い。回転駆動装置２３を設けることで、羽根車２０は自動的に回転するため、第１接続管１４から流入される冷媒が羽根車２０に衝突する位置に羽根車２０を設けなくても良い。
【００２３】
本実施形態では、空気調和装置１の暖房運転時の室外熱交換器７の流れについて説明した。冷房運転が行われるときには、冷媒は第２ヘッダー１２の第２接続管１５から気相冷媒が流入され、伝熱管１０内を流通するとき熱交換空気と熱交換する過程で気液二相冷媒となって第１ヘッダー１１に流れる。冷媒は第１ヘッダー１１の第１接続管１４から室外熱交換器７外部の冷凍サイクルへ流出すが、本実施形態の羽根車は回転体であるため、抵抗とならずに、冷媒を流出することができる。
【００２４】
本実施形態では、空気調和装置１の室外熱交換器７として説明したが、室内熱交換器９に上述した構造を用いることもできる。
【００２５】
以上説明した少なくとも１つの実施形態の熱交換器によれば、第１ヘッダー１１内の下方に、羽根車２０を設け、第１ヘッダー１１内の冷媒を上方の伝熱管１０まで到達させることができるので、熱交換器の上方の伝熱管１０と下方の伝熱管１０の冷媒の偏流を抑制し、熱交換量を増加させることが可能となる。さらに、羽根車２０を第１ヘッダー１１内の下方に設けることで、液相冷媒と気相冷媒とが撹拌され、気液二相冷媒の分配を均一化させることができる。
【００２６】
本発明のいくつか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】
【００２７】
１…冷凍サイクル、２…冷媒配管、３…圧縮機、６…四方弁、７…室外熱交換器、８…膨張装置、９…室内熱交換器、１０…伝熱管、１１…第１ヘッダー、１２…第２ヘッダー、１３…フィン、１４…第１接続管、１５…第２接続管、２０…羽根車、２１…回転軸、２２…補助羽根車、２３…回転駆動装置、Ｓ…羽根車の最大の寸法、Ｑ…第１ヘッダーの内径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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