(57)【要約】【課題】複数の冷媒パスに分岐させて冷媒を流す形態の熱交換器において、熱交換器出口における各冷媒パス内の冷媒の状態に応じて、冷媒分流器での冷媒分流を自律的に調整することで蒸発器性能の向上を図ることが可能な熱交換器を提供すること。【解決手段】複数の冷媒パスを有する熱交換器１は、冷媒パス入口管１１１、１１２を介して冷媒入口ヘッダー管１０へ接続されるとともに、冷媒パス出口管８１、８２を介して冷媒出口ヘッダー管８により合流するように構成され、冷媒パスから流出する冷媒の動圧を受け、冷媒入口ヘッダー管１０から各冷媒パスへの冷媒流入量を調整するように可動する動圧駆動式冷媒流量調整装置を備えた構成とした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒流路を複数に分割した冷媒パスと、前記複数の冷媒パス出口において冷媒を合流させる冷媒出口ヘッダー管と、前記冷媒出口ヘッダー管と隣接するように配置され前記複数の冷媒パス各々に冷媒を分配する冷媒入口ヘッダー管と、前記冷媒出口ヘッダー管内部に備えられ、一端において前記冷媒パスから流出する冷媒の動圧を受け、他端において前記冷媒入口ヘッダー管から各冷媒パスへの冷媒流入量を調整するように可動する動圧駆動式冷媒流量調整装置を備えたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１の構成に加え、冷媒パス出口と冷媒出口ヘッダー管を接続する曲管と、前記曲管の外側を流れる冷媒を導出する遠心分離管とを備え、前記動圧駆動式冷媒流量調整装置を前記遠心分離管端部に備えたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器およびこれを備えた空気調和機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の熱交換器は、特に空気調和機の用途に使用されるものでは、図５に示すように一定間隔で平行に並んで配置されて伝熱用の気体が流送される複数のフィンに、所定の段ピッチおよび列ピッチでフィンに直角に挿入された複数の伝熱管から構成されている。この熱交換器を蒸発器として作用させる場合、単一の冷媒パスで構成すると冷媒の流動抵抗が大きくなり蒸発圧力が低くなるため、冷凍サイクル性能が低下する等の問題が発生する。それを回避するために、１本の入口から複数の冷媒パスに分岐させて冷媒を流す形態を採用するのが一般的である。
【０００３】
しかし、熱交換器を冷凍サイクルに実装する場合、構造上の制約により、伝熱管本数や送風機等による伝熱用の気体の量に差が生じることを余儀なくされる場合がある。この場合には、各冷媒パスの熱交換量の差から流動抵抗の変化割合が異なることにより、冷媒分配に偏りが生じる。冷媒分配の偏りにより冷媒が不足気味となった冷媒パスでは、出口において過熱冷媒となり熱伝達性能が著しく低下する。また冷媒が多量に流れる冷媒パスにおいては、出口においても未蒸発の冷媒が多量に存在するため、結露や圧縮機損傷といった悪影響が危惧される。
【０００４】
そこで各冷媒パスには、熱交換器の伝熱面積を有効に作用させるため、各冷媒パスに応じた適正な冷媒量を流す手段として、冷媒分流器の筐体内部に移動可能なように開口板を入れ、開口板の端部に冷媒パスの冷媒圧力を導入し、冷媒パスの冷媒圧力差によって開口板を移動させるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図６は特許文献１に記載された従来の熱交換器を示すものである。図６において、熱交換器１は、フィン２および伝熱管３で構成される。複数の伝熱管を仮に２本の冷媒パスになるように、リターンベンド４で接続し、冷媒パスの出口近傍（圧力検出位置）の冷媒配管４１、４２に圧力管５１および５２を備えている。冷媒分流器６には、冷媒の入口部６１と出口部６２、および冷媒パス数に応じた圧力導入部６３１、６３２が設けられ、中空空間を有する筐体６Ａと、冷媒の流動する開口部７１を有する開口板７とから構成され、筐体６Ａの中空空間内には前記開口板７が移動可能に収納されている。複数の出口近傍に接続した圧力管５１、５２を、冷媒分流器の圧力導入部６３１、６３２と連通させるように構成されている。
【０００６】
図７は、冷媒分流器内の冷媒の流れ方と分流器の動作についての説明図であり、横軸に冷媒の流動長さ（伝熱管本数に対応）を示し、最も左側が冷媒分流器６の位置で、右側は再度合流する位置を示している。縦軸はその位置における冷媒温度と冷媒圧力とをそれぞれ２本の冷媒パスＡ，Ｂをパラメータとして示している。図７（ａ）は冷媒パスＡ、Ｂの２本で冷媒温度および冷媒圧力が等しく冷媒の分配が良好の場合を示している。図７（ｂ）は、冷媒流動に偏流が生じ各冷媒パスで冷媒の過不足がある場合の特性を示している。
【０００７】
まず、図７（ａ），（ｂ）共に、冷媒分流器の入口部分と出口部分は冷媒パスＡ、冷媒パスＢ共に冷媒の圧力と温度とは同一である。次に、図７（ａ）の冷媒の分配が良好の場合には、冷媒は空気と熱交換しながら伝熱管３内を流動し、冷媒の圧力、温度が２本の冷媒パスＡ、Ｂで共に減少しながら熱交換器１の出口である冷媒の合流位置に向かって流れる。出口部では入口部と同様に連通するため、冷媒温度と圧力とは完全に同一となる。一
方、図７（ｂ）に示すように偏流が生じた場合は、冷媒パスと熱交換器１の出口部分では同一の圧力になるように各冷媒パスの冷媒流量と冷媒乾き度が自然に、かつ、安定な量の関係で定まる。このとき、著しい冷媒の偏流が起こると、熱交換器１の出口近傍では液冷媒の不足により枯渇した冷媒パスに温度上昇（過熱）が生じる（６では冷媒パスＡに液冷媒不足があることを示している）。また、このとき液冷媒が必要以上に存在する冷媒パスＢでは、冷媒圧力に差が生じることになる。
【０００８】
この差圧は、図７（ａ）に示した冷媒分流器６に接続された圧力管５１、５２により冷媒分流器内部に導かれ、空間６４と開口板７とで構成される圧力室Ａよりも他方の圧力室Ｂの圧力が高いため開口板７を圧力室Ａの方向に移動させる力として作用する。この作用により、図７（ｂ）に示すように、開口板７と冷媒出口部６２１、６２２とで構成される冷媒の流動開口部の面積が各冷媒パスで異なる。その結果、冷媒流量が十分な冷媒パスＢの開口面積が狭められ冷媒の流動が制限される。他方、冷媒が枯渇している冷媒パスＡでは開口面積が広がり冷媒が多く流れる。冷媒パスの状態が逆の場合には、上述とは逆の動作により各冷媒パスに常に望ましい冷媒量を流すことができるように構成されている。
【特許文献１】特開２００２−３０３４６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記従来の構成では、冷媒パスの出口近傍の冷媒圧力が冷媒分流器内部の冷媒圧力よりも低いために、冷媒分流器の筐体と開口板との隙間から冷媒パス出口近傍の圧力検出位置へ向かって冷媒の流れが生じるために、意図した差圧による動作が行われない、あるいは差圧が極めて微小であるために、冷媒分流器の筐体と開口板との摩擦抵抗により開口板が意図した動作をしないといった理由で、冷媒分流の改善による蒸発器性能の向上が図れないという課題を有していた。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、熱交換器出口における各冷媒パス内の冷媒の状態に応じて、冷媒分流器での冷媒分流を自律的に調整することで蒸発器性能の向上を図ることが可能な熱交換器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】
【００１１】
前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、複数の冷媒パス出口において冷媒を合流させる冷媒出口ヘッダー管と、冷媒出口ヘッダー管と隣接するように配置され複数の冷媒パス各々に冷媒を分配する冷媒入口ヘッダー管と、冷媒出口ヘッダー管内部に備えられ、一端において冷媒パスから流出する冷媒の動圧を受け、他端において冷媒入口ヘッダー管から各冷媒パスへの冷媒流入量を調整するように可動する動圧駆動式冷媒流量調整装置を備えたものである。
【００１２】
これによって、各冷媒パス出口における冷媒の乾き度に応じて変化する動圧により、当該冷媒パスへ流入する冷媒量を調整できるので、微差圧のために冷媒分流器内で意図した動作が行なわれないことがなくなるともに、摩擦抵抗により意図した動作をしないといった課題も解決することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の熱交換器は、冷媒流路を複数に分割した冷媒パスと、前記複数の冷媒パス出口において冷媒を合流させる冷媒出口ヘッダー管と、前記冷媒出口ヘッダー管と隣接するように配置され前記複数の冷媒パス各々に冷媒を分配する冷媒入口ヘッダー管と、前記冷媒出口ヘッダー管内部に備えられ、一端において前記冷媒パスから流出する冷媒の動圧を受け、他端において前記冷媒入口ヘッダー管から各冷媒パスへの冷媒流入量を調整するように可動する動圧駆動式冷媒流量調整装置を備えているので、各冷媒パス出口における冷媒
の乾き度に応じて変化する動圧により、当該冷媒パスへ流入する冷媒量を調整できるので、微差圧のために冷媒分流器内で意図した動作が行なわれないことがなくなるともに、摩擦抵抗により意図した動作をしないといった課題も解決することが可能で、蒸発器性能の向上を図ることが可能な熱交換器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
第１の発明は、冷媒流路を複数に分割した冷媒パスと、前記複数の冷媒パス出口において冷媒を合流させる冷媒出口ヘッダー管と、前記冷媒出口ヘッダー管と隣接するように配置され前記複数の冷媒パス各々に冷媒を分配する冷媒入口ヘッダー管と、前記冷媒出口ヘッダー管内部に備えられ、一端において前記冷媒パスから流出する冷媒の動圧を受け、他端において前記冷媒入口ヘッダー管から各冷媒パスへの冷媒流入量を調整するように可動する動圧駆動式冷媒流量調整装置を備えたことにより、各冷媒パス出口における冷媒の乾き度に応じて変化する動圧により、当該冷媒パスへ流入する冷媒量を調整できるので、微差圧のために冷媒分流器内で意図した動作が行なわれないことがなくなるともに、摩擦抵抗により意図した動作をしないといった課題も解決することが可能で、蒸発器性能の向上を図ることが可能な熱交換器を提供することができる。
【００１５】
第２の発明は、特に、第１の発明の構成に加え、冷媒パス出口と冷媒出口ヘッダー管を接続する曲管と、前記曲管の外側を流れる冷媒を導出する遠心分離管とを備え、前記動圧駆動式冷媒流量調整装置を前記遠心分離管端部に備えたことで、各冷媒パス出口における未蒸発液冷媒を遠心分離して、比重の大きな液冷媒の動圧を利用することから、より精度良く当該冷媒パスへ流入する冷媒量を調整でき、第１の発明の作用を実現することができる。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における熱交換器の斜視図を示すものである。図１において、熱交換器１は、フィン２および伝熱管３で構成される。複数の伝熱管は仮に２本の冷媒パスになるように、リターンベンド４で接続され、各々の冷媒パスは冷媒パス入口管１１１、１１２を介して冷媒入口ヘッダー管１０へ接続されるとともに、冷媒パス出口管８１、８２を介して冷媒出口ヘッダー管８により合流するように構成される。冷媒パス出口管８１、８２は、曲管で構成され外周部において分岐し冷媒パス外周出口管９１、９２を構成している。
【００１８】
図２は、本発明の第１の実施の形態における熱交換器の一部断面図を示し、図３は図２中のｂ部の拡大図を示す。図２において、冷媒パス外周出口管９１、９２は、一端を曲管で構成された冷媒パス出口管８１、８２の外周部より分岐し、他端を冷媒入口ヘッダー管１０に垂直に接続されるとともに、途中でさらに分岐して冷媒出口ヘッダー管８に接続されている。冷媒パス外周出口管９１、９２の内部には、図３に示すように、動圧受け部１２１と一体構成された冷媒流量弁棒１２２が、バネ１４、および弁棒支持部１３を貫通し、入口ヘッダー管１０と冷媒パス入口管１１１、１１２の間に設けられた小孔１５と対をなして弁を構成する形で備えられている。
【００１９】
以上のように構成された熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。まず、本発明の第１の実施の形態における熱交換器は、蒸発器として作用する場合、凝縮器により凝縮された液冷媒が、図１に示す冷媒入口の矢印の方向に流入し、冷媒入口ヘッダー管１０、冷媒パス入口管１１１、１１２、伝熱管３、冷媒パス出口管８１、８２、冷媒出口ヘッダー管８の順に流れる過程で、伝熱管３により蒸発ガス化して冷媒出口の矢印の方向に
流出する。図４は、本発明の第１の実施の形態における熱交換器の動作説明図であり、図４（ａ）は冷媒パスへ冷媒が過剰に流入して、冷媒パス出口において未蒸発液冷媒が多量にある状態を示し、図４（ｂ）は冷媒パスへ流入する冷媒が少なく、冷媒パス出口においてほぼ完全にガス化した状態を示す。
【００２０】
図４（ａ）において、伝熱管３により蒸発しきらないまま冷媒パス出口管８１、８２へ流出した液冷媒は、遠心力により曲管の外側を流れるので、比重の大きい冷媒は冷媒パス外周出口管９１、９２へ分流され、比重の小さい冷媒はそのまま曲管を流れて冷媒出口ヘッダー管８へ至る。冷媒パス外周出口管９１、９２の端部では、比重の大きな冷媒が動圧受け部１２１に衝突した後、冷媒出口ヘッダー管８へ至る。大きな動圧を受けた動圧受け部１２１は、バネ１４の反力に優り、冷媒流量弁棒１２２を小孔１５を塞ぐ方向へ動かす。冷媒入口ヘッダー管１０を流れる液冷媒は、小孔１５を介して冷媒パス入口管１１１、１１２へ流れるが、その流量は減少する。
【００２１】
図４（ｂ）においては、伝熱管３により蒸発した冷媒が冷媒パス出口管８１、８２へ流出するので、冷媒パス外周出口管９１、９２へ流れる冷媒は比重が小さい。冷媒パス外周出口管９１、９２の端部では、比重の小さい冷媒が動圧受け部１２１に衝突するので、バネ１４の反力の方が優り、冷媒流量弁棒１２２は小孔１５から離れる方向へ動く。冷媒入口ヘッダー管１０を流れ小孔１５を介して冷媒パス入口管１１１、１１２へ流れる液冷媒の流量は増加する。
【００２２】
以上のように、本実施の形態においては、冷媒パス出口の冷媒が湿り気味で比重が大きい場合は、当該冷媒パス入口に流入する冷媒量を減少させるように作用し、逆に冷媒パス出口の冷媒が乾き気味で比重が小さい場合は、当該冷媒パス入口に流入する冷媒量を増加させるように作用するので、各冷媒パス出口の冷媒の状態を適正に保ち、蒸発器性能を向上させることができる。
【００２３】
また、本実施の形態においては、動圧受け部１２１に加わる動圧とバネ１４の反力とバランスさせる形態で構成したが、冷媒流量弁棒１２２と弁棒支持部１３間の隙間を介して洩れる冷媒の静圧と動圧受け部１２１に加わる動圧をバランスさせる構成としても同様の効果を実現することが可能である。
【００２４】
また、本実施の形態においては、冷媒パス数を２とした場合を例に説明したが、各構成要素は、冷媒パス毎に独立して構成されることから、さらに複数の冷媒パスへの展開も容易に実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、冷媒パス出口の冷媒の状態に応じて、冷媒分流器での冷媒分流を自律的に調整することが可能なるので、空気調和機以外の冷凍サイクル装置においても、構造上の制約により、伝熱管本数や送風機等による伝熱用の気体の量に差が生じることを余儀なくされる複数の冷媒パスを備えた熱交換器の性能向上の手段に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器の斜視図
【図２】本発明の実施の形態１における熱交換器の一部断面図
【図３】図２の要部拡大図
【図４】本発明の実施の形態１における熱交換器の動作説明図（ａ）冷媒パス出口において未蒸発液冷媒が多量にある状態を示す図、（ｂ）冷媒パス出口においてほぼ完全にガス化した状態を示す図
【図５】従来の熱交換器の斜視図
【図６】従来の熱交換器の構成図
【図７】従来の熱交換器の動作説明図（ａ）冷媒の分配が良好の場合の特性を示す図、（ｂ）各冷媒パスで冷媒の過不足がある場合の特性を示す図
【符号の説明】
【００２７】
１  熱交換器
２  フィン
３  伝熱管
４  リターンベンド
４１  圧力検出位置
４２  圧力検出位置
５１  圧力管
５２  圧力管
６  冷媒分流器
６Ａ  筐体
６Ｂ  冷媒分流器出口部
６Ｃ  冷媒分流器入口部
６Ｄ  冷媒噴射穴
６１  冷媒入口
６２１  冷媒出口
６２２  冷媒出口
６３１  圧力導入部
６３２  圧力導入部
６４  空間
７  開口板
７１  開口部
８１  冷媒パス出口管
８２  冷媒パス出口管
９１  冷媒パス外周出口管
９２  冷媒パス外周出口管
１０  冷媒入口ヘッダー管
１１１  冷媒パス入口管
１１２  冷媒パス入口管
１２１  動圧受け部
１２２  冷媒流量弁棒
１３  弁棒支持部
１４  バネ
１５  小孔
【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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【図７】
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