(57)【要約】【課題】幅広い冷媒流量範囲で熱交換器ヘッダ内の液冷媒の分配の偏りを防止し、省エネルギー性に優れた空気調和機を提供することを目的とする。【解決手段】略垂直に配置された二つのヘッダと、該ヘッダ間を略水平に接続する複数の伝熱管と、該伝熱管の伝熱面積を拡大するフィンと、を備え、前記ヘッダの内部は、略水平に配置された孔あき仕切板によって高さ方向に複数の区画に仕切られ、該複数の区画のうち最上段の区画には、冷媒が流入する主管が接続されている熱交換器。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略垂直に配置された二つのヘッダと、該ヘッダ間を略水平に接続する複数の伝熱管と、該伝熱管の伝熱面積を拡大するフィンと、を備えた熱交換器であって、
前記ヘッダの内部は、略水平に配置された孔あき仕切板によって高さ方向に複数の区画に仕切られ、
該複数の区画のうち最上段の区画には、冷媒が流入する主管が接続されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器において、
前記主管は、前記最上段の区画に接続された伝熱管のうち、最も高い位置に接続された伝熱管よりも高い位置で接続されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の熱交換器において、
前記ヘッダの各区画の下部には、前記主管と連通する配管が接続されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
請求項３に記載の熱交換器において、
前記配管は、各区画に接続された伝熱管のうち、最も低い位置にある伝熱管よりも低い位置に接続されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項５】
請求項３または４に記載の熱交換器において、
前記配管の流路断面積は、前記主管の流路断面積よりも小さいことを特徴とする熱交換器。
【請求項６】
請求項３ないし５の何れか一項に記載の熱交換器において、
前記配管は、前記ヘッダから前記主管に向けて、水平もしくは下り勾配で接続されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項７】
略垂直に配置された二つのヘッダと、該ヘッダ間を略水平に接続する複数の伝熱管と、該伝熱管の伝熱面積を拡大するフィンと、を備えた熱交換器であって、
前記ヘッダの内部は、略垂直に配置された隔壁によって伝熱管側空間と反対側空間に仕切られるとともに、該伝熱管側空間は、略水平に配置された孔あき仕切板によって高さ方向に複数の区画に仕切られ、
前記反対側空間の下部には、冷媒が流入する主管が接続されているとともに、
前記隔壁の上部には、前記伝熱管側空間の複数の区画のうち、最上段の区画と前記反対側空間を連通する主連通孔が設けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項８】
請求項７に記載の熱交換器において、
前記主連通孔は、最上段の区画に接続された伝熱管のうち、最も高い位置にある伝熱管よりも高い位置に設けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項９】
請求項７または８に記載の熱交換器において、
前記隔壁には、前記伝熱管側空間の各区画の下部と前記反対側空間と連通する副連通孔が設けられており、
前記副連通孔は、各区画に接続された伝熱管のうち、最も低い位置にある伝熱管よりも低い位置に設けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項１０】
請求項９に記載の熱交換器において、
前記副連通孔の流路断面積は、前記主連通孔の流路断面積よりも小さいことを特徴とする熱交換器。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の熱交換器において、
前記主管は、前記副連通孔のうち、最も低い位置にある副連通孔よりも低い位置で前記ヘッダに接続されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項１２】
室外機と室内機を備えた空気調和機であって、
前記室外機は、圧縮機と、熱交換器と、室外ファンと、絞り装置を有し、
前記熱交換器は、請求項１から請求項１１の何れか一項に記載の熱交換器であることを特徴とする空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関するものであり、特に、熱交換器のヘッダ間を接続する複数の伝熱管の各々に分配される、気液二相冷媒の偏りを小さくできる熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蒸気圧縮式の冷凍サイクルを用いた空気調和機では、冷凍サイクルの内部を流動する冷媒と室外空気あるいは室内空気の間で熱交換する熱交換器が用いられる。
【０００３】
この熱交換器として、例えば、内部に多数の微小流路を備えた扁平伝熱管を用いたものがある。この熱交換器は、両端に円筒状のヘッダを略垂直に設け、両ヘッダ間を多数の扁平伝熱管で接続し、各々の扁平伝熱管にフィンと呼ばれる拡大伝熱面をロウ付け等で固定したものである。熱交換器の内部に流れる冷媒は、入口配管を通じて一方のヘッダに流入したのち、各伝熱管に分岐して流れ、その内部を、外部を流れる空気と熱交換しつつ流下し、他方のヘッダで合流し、出口配管から流出する。
【０００４】
ところで、例えば、この熱交換器を蒸発器、すなわち、内部の冷媒を蒸発させて外側を流れる空気を冷却する用途で用いる場合、冷媒入口側のヘッダ内は気液二相状態であるため、重力の影響により液冷媒が下方に偏る傾向があり、上下方向に積層して設けられた各伝熱管に、吸熱作用のある液冷媒を偏りなく分配することが難しい。そして、この偏りが大きい場合、液冷媒の分岐割合の少ない上部の伝熱管では、液冷媒が早期に蒸発を完了してしまうため、伝熱管の内部の多くが、吸熱作用のほとんど無いガス冷媒で満たされてしまうことになる。すなわち、熱交換器の伝熱面積を有効に利用することができなくなり、機器の省エネルギー性が低下してしまう恐れがある。
【０００５】
このような課題を解決するための従来技術として、例えば、特許文献１の図１に示すものがある。この例では、ヘッダの内部に、上下に間隙を残して隔壁を設置し、ヘッダ内にループ状の冷媒流が発生するように冷媒の入口部を複数設けたものである。これにより、ヘッダ内部を気液二相流が循環して流れるため、液冷媒の良好な分配を実現しようとするものである。
【０００６】
しかし、特許文献１の構成では、冷凍サイクルの冷媒循環流量が小さい時など、冷媒流の持つ運動量が小さい場合にはヘッダ内のループ状の冷媒流が実現されず、密度の大きい液冷媒がヘッダの下部に溜まり、下部の伝熱管に液冷媒が偏って流れ、上部の伝熱管には液冷媒の良好な分配が実現できない可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−８５３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、幅広い冷媒流量範囲で熱交換器ヘッダ内の液冷媒の分配の偏りを防止し、省エネルギー性に優れた空気調和機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の課題は、略垂直に配置された二つのヘッダと、該ヘッダ間を略水平に接続する複数の伝熱管と、該伝熱管の伝熱面積を拡大するフィンと、を備えており、前記ヘッダの内部は、略水平に配置された孔あき仕切板によって高さ方向に複数の区画に仕切られ、該複数の区画のうち最上段の区画には、冷媒が流入する主管が接続されている熱交換器により達成される。
【００１０】
また、本発明の課題は、略垂直に配置された二つのヘッダと、該ヘッダ間を略水平に接続する複数の伝熱管と、該伝熱管の伝熱面積を拡大するフィンと、を備えており、前記ヘッダの内部は、略垂直に配置された隔壁によって伝熱管側空間と反対側空間に仕切られるとともに、該伝熱管側空間は、略水平に配置された孔あき仕切板によって高さ方向に複数の区画に仕切られ、前記反対側空間の下部には、冷媒が流入する主管が接続されているとともに、前記隔壁の上部には、前記伝熱管側空間の複数の区画のうち、最上段の区画と前記反対側空間を連通する主連通孔が設けられている熱交換器により達成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、幅広い冷媒流量範囲でヘッダ内の液冷媒の分配の偏りを防止し、省エネルギー性に優れた空気調和機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１の空気調和機の冷凍サイクルを示す図。
【図２】実施例１の空気調和機の室外熱交換器を示す斜視図。
【図３】実施例１のヘッダの断面と配管の接続状態を示す図。
【図４】実施例２のヘッダの断面と配管の接続状態を示す図。
【図５】実施例３のヘッダの断面と配管の接続状態を示す図。
【図６】実施例４のヘッダの断面と配管の接続状態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、実施例１の空気調和機１００の冷凍サイクルの構成図である。本実施例の空気調和機１００は、室外機１と室内機８が接続配管１２ａ、１２ｂによって接続されたものである。室外機１は、圧縮機２と、四方弁３と、室外熱交換器４と、室外ファンモータ５と、室外ファン６と、絞り装置７を備え、室内機８は、室内熱交換器９と、室内ファンモータ１０と、室内ファン１１を備えている。
【００１５】
次に、冷房運転中の動作を例に、空気調和機１００の各要素の作用を説明する。冷房運転時には、冷媒は図中の実線矢印の向きに流れる。まず、圧縮機２から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、四方弁３を経由したのちに室外熱交換器４に流れ、室外熱交換器４で外気に放熱することで凝縮し、高圧の液冷媒となる。この液冷媒は絞り装置７の作用で減圧され、低温低圧の気液二相状態となり、接続配管１２ａを通じて室内機８へ流れる。室内機８に入った気液二相冷媒は、室内熱交換器９で室内空気の熱を吸熱することで蒸発し、これにより室内冷房が実現される。室内機８で蒸発したガス冷媒は、接続配管１２ｂを通じて、室外機１へ戻り、四方弁３を通って再び圧縮機２で圧縮されることになる。これが冷房運転中の冷凍サイクルである。
【００１６】
一方、暖房運転時は、四方弁３により冷媒流路が切り替えられ、図中の破線矢印の方向に冷媒が流れる。まず、圧縮機２から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、四方弁３および接続配管１２ｂを通って室内機８に流れる。室内機８に入った高温のガス冷媒は、室内熱交換器９で室内空気に放熱することで室内暖房が実現される。このとき、ガス冷媒は凝縮し、高圧の液冷媒となる。その後、高圧の液冷媒は、接続配管１２ａを通って室外機１に流れる。室外機１に入った高圧の液冷媒は、絞り装置７の作用で減圧され、低温低圧の気液二相状態となり、室外熱交換器４に流れ、室外空気の熱を吸熱することで蒸発し、ガス冷媒となる。このガス冷媒は、四方弁３を通った後、圧縮機２で再び圧縮される。これが暖房運転中の冷凍サイクルである。
【００１７】
このように、室外熱交換器４、及び、室内熱交換器９内の冷媒の流れの向きは、冷房運転時と暖房運転時で逆向きになる。尚、本実施例では、冷媒としてはＲ３２を用いているが、Ｒ４１０Ａ等の別の冷媒を用いても良い。
【００１８】
次に、図２、図３を用いて、室外熱交換器４の詳細を説明する。図２は、室外熱交換器４の斜視図であり、図３は、室外熱交換器４の一方のヘッダ近傍の詳細構造を示す断面図である。なお、これらの図中の太実線矢印は、室外熱交換器４が蒸発器として作用する暖房運転時の冷媒の流れ（図１中の破線矢印）を示すものであり、絞り装置７側のヘッダ１３ａから四方弁３側のヘッダ１３ｂに向けて冷媒が流れる様子を示している。
【００１９】
図２に示すように、室外熱交換器４は、略垂直に配置された略円筒状の二つのヘッダ１３（１３ａ、１３ｂ）と、これらの両端の高さが異なるヘッダ１３間を略水平に接続する複数（本実施例では１２本）の扁平伝熱管１４と、扁平伝熱管１４の伝熱面積を拡大する多数のフィン１５から構成されており、扁平伝熱管１４を通過する冷媒が、室外ファン６から供給される空気と熱交換できるようになっている。
【００２０】
また、図３（ａ）の断面図に示すように、略円筒状のヘッダ１３ａの上部には後述する主管１６が接続されており、ヘッダ１３ａの内部は、孔あき仕切板１７によって、高さ方向に複数（図３では４つ）の区画に仕切られている。
【００２１】
図３（ａ）をＡ−Ａ断面で切断した、図３（ｂ）の上視図に示すように、孔あき仕切板１７の略中央部には孔部１７ａを設けており、この孔部１７ａによって隣接する区画が連通されている。なお、図３（ｂ）では、円形の孔部１７ａを１個設ける構成を示しているが、これに代え、矩形の孔や、複数の孔が設けられた構成としても良い。また、図３では、絞り装置７側のヘッダ１３ａの詳細構造のみを図示しているが、四方弁３側のヘッダ１３ｂを同様の構造としても良い。
【００２２】
暖房運転時に気液二相冷媒の入口となる主管１６は、ヘッダ１３ａ内の最上段区画の上部に接続されており、その接続位置は、当該区画に含まれる何れの扁平伝熱管１４よりも高い位置となっている。
【００２３】
主管１６を介してヘッダ１３ａに供給された気液二相冷媒は、密度の小さいガスと、密度の大きい液が共存した冷媒であり、密度の大きい液冷媒は重力の影響により下側に溜まりやすく、また、上側に上昇しにくいものであるが、本実施例では、主管１６がヘッダ１３ａの最も高い位置に接続され、扁平伝熱管１４が主管１６よりも下方に接続される構造であるため、冷媒循環流量が小さく、液冷媒の上昇が期待できない状況でも、上側の主管１６から下側の扁平伝熱管１４に効率よく液冷媒を供給することができる。
【００２４】
これに加え、本実施例のヘッダ１３ａでは、孔あき仕切板１７を用いて内部を複数区画に区切っているため、液冷媒が重力の影響で下方に移動する際に、孔部１７ａの通過に時間を要するため、冷媒循環流量の大小に拘らず、各区画に液冷媒が留まる時間を延長することができ、上方区画に接続された扁平伝熱管１４への液冷媒の供給量を増加させることができる。これにより、孔あき仕切板１７を用いない構成に比べ、各扁平伝熱管１４への気液二相冷媒の供給量を均一化することが可能となる。
【００２５】
以上で説明したように、本実施例の構成によれば、冷媒循環流量の大小に拘らず、各扁平伝熱管１４への液冷媒の分配の偏りを抑制でき、何れの扁平伝熱管１４においても、同程度の吸熱作用を確保できるため、室外熱交換器４全体としての効率を高めた、省エネルギー性に優れた空気調和機を提供することができる。
【実施例２】
【００２６】
次に、本発明の実施例２の空気調和機について説明する。冷凍サイクルの構成や動作に関しては実施例と同一であるので重複する説明は省略し、以下では、実施例１との違いを中心に説明する。
【００２７】
図４は、実施例２の室外熱交換器４のヘッダ１３ａ近傍の断面図である。実施例１のヘッダ１３ａとの違いは、孔あき仕切板１７により区切られた区画のそれぞれの下部に、主管１６と連通する配管１６ａが接続されていることである。各配管１６ａの接続位置は、当該区画の最下段の扁平伝熱管１４よりも低い位置である。また、配管１６ａの内径を、主管１６の内径よりも小さくしているため、配管１６ａの流路断面積は、主管１６の流路断面積よりも小さくなっている。また、配管１６ａは、ヘッダ１３ａから主管１６に向けて水平もしくは下り勾配で接続されており、上り勾配の部分が存在しないようになっている。
【００２８】
室外熱交換器４を蒸発器として使用する暖房運転時には、実施例１で説明した構成、作用によって、各伝熱管への液冷媒の分配の偏りを防止できる。
【００２９】
一方、室外熱交換器４を凝縮器として使用する冷房運転時には、図４の矢印に示すように、扁平伝熱管１４からヘッダ１３ａに流入した液冷媒は、配管１６ａを経由して主管１６に流出されるため、ヘッダ１３ａ内の各区画での液冷媒が滞留、すなわち、冷媒流動の停滞を防止できる。なお、配管１６ａは、ヘッダ１３ａから主管１６に向かう途上に上り勾配部分が存在しないので、液冷媒の流れが阻害されず、スムーズな冷媒流を得ることができる。
【００３０】
以上で説明したように、本実施例の室外熱交換器４によれば、凝縮器として使用する場合、上述した作用によって、冷媒流動の停滞を防止できることに加え、蒸発器として使用する場合においても、各伝熱管への液冷媒の分配の偏りを防止し、省エネルギー性に優れた空気調和機を提供することができる。
【実施例３】
【００３１】
次に、実施例３の空気調和機について、実施例２との違いを中心として説明する。なお、上述した実施例と共通する点については、重複説明を省略する。
【００３２】
図５は、実施例３の室外熱交換器４のヘッダ１３ａの断面図である。実施例２との違いは、実施例２（図４）では、４本の配管１６ａのそれぞれでヘッダ１３ａと主管１６を接続していたが、本実施例では、配管１６ａ同士を合流させた後に主管１６に接続させている。本実施例でも、各々の配管１６ａの流路断面積は、主管１６の流路断面積よりも小さくなっており、ヘッダ１３ａから主管１６に向かう配管１６ａの経路途上に上り勾配部分が存在していない。
【００３３】
そのため、実施例２と同様に、凝縮器として作用する場合に冷媒の流動が阻害されることを防止しつつ、蒸発器として作用する場合に各伝熱管への液冷媒の分配の偏りを防止し、省エネルギー性に優れた空気調和機を提供することができる。
【実施例４】
【００３４】
次に、実施例４について説明する。なお、上述した実施例と共通する点については、重複説明を省略する。
【００３５】
図６は実施例４の室外熱交換器４のヘッダ１３ａの断面図である。図６（ａ）に示すように、本実施例のヘッダ１３ａは、最下部に主管１６が接続されており、また、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、略垂直に配置された隔壁１８によって、主管１６側の空間と、扁平伝熱管１４側の空間に仕切られている。扁平伝熱管１４側の空間は、実施例１等と同様に、孔あき仕切板１７によって複数区画に区分けされている。さらに、図６（ｃ）に示すように、隔壁１８には、最上部に主連通孔１８ａが設けられ、各区画の下部に相当する位置に副連通孔１８ｂが設けられている。
【００３６】
図６（ａ）の太実線矢印は、暖房運転を行っている場合、すなわち室外熱交換器４が蒸発器として作用している場合の気液二相冷媒の流れの向きを示している。ここに示すように、暖房運転時に気液二相冷媒の主要な供給口となる主連通孔１８ａは、ヘッダ１３ａ内の最上段区画に含まれる何れの伝熱管よりも高い位置に設けられている。また、各区画に対応して設けられた副連通孔１８ｂの高さは、各区画の最も低い位置にある伝熱管より低くなっている。また、副連通孔１８ｂの流路断面積は、主連通孔１８ａの流路断面積よりも小さくなっている。さらに、主管１６とヘッダ１３ａの接続部は、最も低い位置にある副連通孔１８ｂより低い位置に設けられている。
【００３７】
実施例１の説明で述べた通り、内部を流動する気液二相冷媒は、密度の小さいガスと、密度の大きい液が共存している状態であり、密度の大きい液は重力の作用により下側に溜まりやすく、また、上側に上昇しにくい。しかしながら、本実施例においては、主連通孔１８ａが、最上部の扁平伝熱管１４よりも高い位置に設けられているため、冷媒循環流量が小さく、液冷媒の上昇が期待できない状況でも、各扁平伝熱管１４に液冷媒を供給することができる。
【００３８】
また、本実施例においては、隔壁１８により仕切られた、ヘッダ１３の伝熱管が接続されている側の区画が孔あき仕切板１７にて高さ方向に複数の区画に区切られているため、液冷媒が重力の作用により、ヘッダ下部に直接落下することを防いでおり、液冷媒が各区画に留まる時間を延長させている。これにより、各伝熱管に液冷媒を略均一に分配することが可能となる。
【００３９】
また、冷房運転時であって、室外熱交換器４が凝縮器として作用する場合、すなわち、冷媒の流動方向が図６（ａ）の太矢印の反対の方向になっている場合には、各扁平伝熱管１４からヘッダ１３ａに流入した気液二相冷媒の液冷媒は、副連通孔１８ｂを介して主管１６に流れ込むため、ヘッダ１３ａ内の各区画の下部に液冷媒が溜まり、冷媒の流動が阻害されることを防止できる。すなわち、凝縮器として作用する場合に冷媒の流動が阻害されることを防止しつつ、蒸発器として作用する場合に各伝熱管への液冷媒の分配の偏りを防止し、省エネルギー性に優れた空気調和機を提供することができる。
【００４０】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、本実施例は扁平伝熱管１４が１２本の熱交換器となっているが、伝熱管の数がこれ以外でも適用可能である。また、本発明は、熱交換器が、複数の熱交換器ブロックの組み合わせで構成されている場合に、任意のブロックに適用することも可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１００  空気調和機、
１    室外機、
２    圧縮機、
３    四方弁、
４    室外熱交換器、
５    室外ファンモータ、
６    室外ファン、
７    絞り装置、
８    室内機、
９    室内熱交換器、
１０    室内ファンモータ、
１１    室内ファン、
１２ａ、１２ｂ    接続配管、
１３、１３ａ、１３ｂ    ヘッダ、
１４    扁平伝熱管、
１５    フィン、
１６    主管、
１６ａ    配管、
１７    孔あき仕切板、
１７ａ  孔部、
１８    隔壁、
１８ａ  主連通孔、
１８ｂ  副連通孔
【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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