(57)【要約】【課題】  多数の伝熱管を有する熱交換器において、伝熱管と細線が編み込まれた熱交換部が円筒または円弧の形状をした熱交換器が提案されているが、その場、熱交換器自体の占有体積が増加する課題がある。また、伝熱管へ流入する冷媒の分配性が悪いという課題があった。さらに、伝熱管の管径が一様のため、オイル濃度の影響によって伝熱性能が劣化するという課題があった。【解決手段】  冷媒入口配管１と、オイル濃度制御器２と、第１の冷媒分配器３と、第２の冷媒分配器４と、第１の入口ヘッダ５と、第２の入口ヘッダ６と、出口ヘッダ７と、第１の伝熱管８と、第2の伝熱管９および伝熱フィン１０で構成される空間内部に送風機１２を収納し、熱交換を行うことにより、占有体積が減少されるので小型かつ高性能な熱交換器となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒入口配管と、
前記冷媒入口配管に接続したオイル濃度制御器と、
前記オイル濃度制御器に接続した第１の冷媒分配器および第２の冷媒分配器を配置し、
前記第１の冷媒分配器を第１の分配管に接続し、
前記第２の冷媒分配器を第２の分配管に接続し、
前記第１の分配管を第１の入口ヘッダに接続し、
前記第２の分配管を第２の入口ヘッダに接続し、
前記第１の入口ヘッダから出口ヘッダまで所定の間隔をおいて配置されたオイル濃度の高い冷媒を流す所定の管径の複数からなる第１の伝熱管を接続し、
前記第２の入口ヘッダから出口ヘッダまで所定の間隔をおいて配置されたオイル濃度の低い冷媒を流す所定の管径の複数からなる第２の伝熱管を接続し、
前記出口ヘッダに冷媒出口配管を接続し、
前記第１の複数の伝熱管に接続した第1の伝熱フィンを備え、
前記第2の複数の伝熱管に接続した第2の伝熱フィンを備え、
前記第１の入口ヘッダと、前記第２の入口ヘッダと、前記出口ヘッダと、前記第１の複数の伝熱管と、前記第2の複数の伝熱管と、前記第1の伝熱フィンおよび前記第２の伝熱フィンとで構成される熱交換部を曲面形状にし、
前記熱交換部で構成される空間内部に送風機を収納し、
前記第１の入口ヘッダで構成される空間内部に前記第1の冷媒分配器を収納し、
前記第2の入口ヘッダで構成される空間内部に前記第２の冷媒分配器を収納し、
前記熱交換部の筒状の所定の側面から空気を取り入れ、反対の側面から空気を流出させることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記冷媒入口配管に旋回流発生部を設け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】
本発明は空気調和機や冷凍システムなどの熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱交換器としては、細線を編みこんだ伝熱管の熱交換部が円筒状あるいは円弧状のものがあった（例えば、特許文献１参照）。図１５から図１８は、前記特許文献1 に記載された従来の熱交換器の熱交換部を示すものである。
【０００３】
図１５において、伝熱管１０１は、細線１０２によって編みこまれ、熱交換部１０３を構成していた。
【０００４】
図１６においては、熱交換部１０３を円筒状にして一端を入口ヘッダ１０４と接続し、他端を出口ヘッダ１０５と接続していた。
【０００５】
図１７および図１８においては、熱交換部１０３を円弧状にして一端を入口ヘッダ１０４と接続し、他端を出口ヘッダ１０５と接続していた。
【０００６】
また、熱交換器内に送風機を収納する空間を形成するものがあった（例えば、特許文献２参照）。図１９および図２０は、前記特許文献２に記載された従来の送風機を収納する空間を設けた熱交換器を示すものである。
【０００７】
図１９および図２０においては、空気調和器の室外機ユニットに設けられたコの字状の熱交換器１０６で構成される空間内部に送風機１０７を配置し、熱交換器を通過した空気を上方へ排気していた。
【０００８】
また、太い伝熱管と細い伝熱管を組み合わせて熱交換器を形成するものがあった（例えば、特許文献３参照）。図２１および図２２は、前記特許文献３に記載された従来の太い伝熱管と細い伝熱管を組み合わせた熱交換器を示すものである。
【０００９】
図２１および図２２においては、伝熱管をその中を通される冷媒中の気体および気液二相流の気相成分が多い部分と、液体および気液二相流の液相成分の多いとに区分けし、前者の部分に管径の太い第1の伝熱管１０８を用いるとともに、後者の部分に前記第1の伝熱管よりも実質的に管径の細い第2の伝熱管１０９を用いていた。
【特許文献１】特開平８−３２０１９２号公報（第３４頁、図４０、図４３、図４４、図４６）
【特許文献２】特開昭５８−１２９１７６号公報（第３頁、図３、図４）
【特許文献３】特開昭６３−１３１９８９号公報（第４頁、図１、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記特許文献１の構成では、熱交換部が曲面形状となり、熱交換器が占有する体積が増加するという課題を有していた。また、入口ヘッダ１０４に接続されている冷媒入口配管が一箇所であるため、入口ヘッダ１０４から複数の伝熱管へ流入する冷媒の分配性が悪いという課題があった。また、伝熱管内を流れる冷媒に含まれるオイル濃度の影響によって、オイル液膜が伝熱管内壁に付着することにより伝熱性能が劣化するとい
う課題があった。さらに、冷媒とオイルを分離するためにオイル分離器を用いる場合、熱交換器の外部にオイル分離器を設置する必要があり、設置容積が増大するという課題があった。
【００１１】
また、前記特許文献２に記載の空気調和器の室外機ユニットの内部の上方に設置した送風機を用い、側面の熱交換器を通過させた気流を上方へ排気すると、気流の主流方向が途中で曲げられ、熱交換器を通過する気流分布が一様でなくなり、熱交換器の熱交換部における熱交換率に局所的な分布が生じ、熱交換器全体の性能を劣化させるという課題があった。
【００１２】
また、前記特許文献３に記載の熱交換器では、主に蒸発器において、液相状態の冷媒と気相状態の冷媒に適した管径の伝熱管を1パス内に配して熱交換を行うもので、オイルの影響による伝熱性能の低下は考慮されていないという課題があった。
【００１３】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、小型かつ熱伝達性能が高い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】
【００１４】
前記従来の課題を解決するために、請求項１に係る熱交換器は、
冷媒入口配管と、
前記冷媒入口配管に接続したオイル濃度制御器と、
前記オイル濃度制御器に接続した第１の冷媒分配器および第２の冷媒分配器を配置し、
前記第１の冷媒分配器を第１の分配管に接続し、
前記第２の冷媒分配器を第２の分配管に接続し、
前記第１の分配管を第１の入口ヘッダに接続し、
前記第２の分配管を第２の入口ヘッダに接続し、
前記第１の入口ヘッダから出口ヘッダまで所定の間隔をおいて配置されたオイル濃度の高い冷媒を流す所定の管径の複数からなる第１の伝熱管を接続し、
前記第２の入口ヘッダから出口ヘッダまで所定の間隔をおいて配置されたオイル濃度の低い冷媒を流す所定の管径の複数からなる第２の伝熱管を接続し、
前記出口ヘッダに冷媒出口配管を接続し、
前記第１の複数の伝熱管に接続した第1の伝熱フィンを備え、
前記第2の複数の伝熱管に接続した第2の伝熱フィンを備え、
前記第１の入口ヘッダと、前記第２の入口ヘッダと、前記出口ヘッダと、前記第１の複数の伝熱管と、前記第2の複数の伝熱管と、前記第1の伝熱フィンおよび前記第２の伝熱フィンとで構成される熱交換部を曲面形状にし、
前記熱交換部で構成される空間内部に送風機を収納し、
前記第１の入口ヘッダで構成される空間内部に前記第1の冷媒分配器を収納し、
前記第2の入口ヘッダで構成される空間内部に前記第２の冷媒分配器を収納し、
前記熱交換部の筒状の所定の側面から空気を取り入れ、反対の側面から空気を流出させ、熱交換を行う。
【００１５】
請求項２に係る熱交換器は、
前記冷媒入口配管に旋回流発生部を設け、冷媒に旋回流を起こし、冷媒に含まれるオイルを遠心力により管壁に付着させる。
【００１６】
本構成によって、オイル濃度の異なるように分岐した冷媒に適した冷媒配管を用いることにより、熱交換を最適に行うことができ、小型かつ高性能な熱交換器を提供することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の熱交換器によれば、小型かつ高性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】
【００１８】
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。
【００１９】
（実施の形態１）
図１から図４は、本発明の実施の形態１における熱交換器の正面図、側面図、および斜視透視図である。図５および図６は、冷媒分配器の正面図および斜視透視図である。図７は管径が細い管外径１ｍｍの場合での、オイル濃度０ｗｔ％および０．５ｗｔ％の場合の熱伝達係数の計算結果である。図８は管径が太い管外径６ｍｍの場合の、オイル濃度０ｗｔ％および０．５ｗｔ％の熱伝達係数の計算結果を示した図である。図7および図8では、管内壁熱伝達率が最大であると仮定している。
【００２０】
図１から図６において、冷媒入口配管１は、オイル濃度制御器２と接続し、オイル濃度制御器２でオイル濃度の高い冷媒とオイル濃度の低い冷媒に分離される。次に、オイル濃度制御器２に接続した第１の冷媒分配器３および第２の冷媒分配器４において、オイル濃度の高い冷媒は第１の冷媒分配器３に、オイル濃度の低い冷媒は第2の冷媒分配器４に分配される。冷媒入口配管１を通る冷媒としてＣＯ２を用い、その冷媒に含まれるオイルとしてＰＡＧ(ポリアルキレングリコール)オイルを用いた場合、図５のように、オイルを含んだ冷媒は管壁にオイル膜を形成しながらオイル濃度制御器２に流入する。オイル濃度制御器２は、オイル濃度の高い冷媒を第１の冷媒分配器３へ導く管径の太いオイル分離管２０と、オイル濃度の低い冷媒を第２の冷媒分配器４へ導く管径の細いオイル分離管２１によって構成される。オイル分離管２０とオイル分離管２１は2重の曲がり管とする構成により、オイル膜を含む管壁を流れる冷媒は、圧力損失が少なく、第１の冷媒分配器３へ導かれ、オイル濃度の低い冷媒は、第２の冷媒分配器４へ導かれる。このようにしてオイル濃度制御部２を通過した冷媒は、オイル濃度の高い冷媒とオイル濃度の低い冷媒とに勝手に分離される。オイル濃度制御器２に流入する冷媒とオイルの混合物において、オイルは冷媒に対して０．０１ｗｔ%以上かつ１０ｗｔ％以下程度で混合する。例えば、オイルが１ｗｔ％混合し、超臨界ＣＯ２中に飛沫同伴によって流れているオイル液滴がオイル全体の１／１０程度超臨界ＣＯ２とともに流れている場合を説明する。オイル液膜とオイル液滴を含む超臨界ＣＯ２が管径の太いオイル分離管２０と管径の細いオイル分離管２１の断面の面積比に応じて分離され、例えば、面積比が５０％の場合、オイル液滴を含む超臨界ＣＯ２の流量の半分程度に分離される。つまり、第１の冷媒分配器３へ飛沫同伴によって流れるオイル液滴と管壁にオイル膜を形成して流れる冷媒については、オイル濃度が０．９５ｗｔ％×２＝１．９ｗｔ％のオイルを含むことになり、一方、第２の冷媒分配器４へ飛沫同伴によって流れるオイル液滴のみを含む冷媒については、オイル濃度が１ｗｔ％×０．１×０．５×２＝０．１ｗｔ％程度のオイルを含むことになる。
【００２１】
次に、第１の冷媒分配器３に接続したリング形状の第１の入口ヘッダ５と、リング形状の出口ヘッダ７まで所定の間隔をおいて管径の太い複数の第１の伝熱管８を配置する。また、第2の冷媒分配器４に接続したリング形状の第２の入口ヘッダ６と、出口ヘッダ７まで所定の間隔をおいて管径の細い複数の第２の伝熱管９を配置する。したがって、第１の伝熱管８にはオイル濃度の高い冷媒が流入し、第２の伝熱管９にはオイル濃度の低い冷媒が流入する。出口ヘッダ７には、冷媒出口配管７０を接続する。
【００２２】
また、第1の冷媒分配器３および第２の冷媒分配器４からそれぞれ第１の入口ヘッダ５および第２の入口ヘッダ６へ接続する第１の分配管３０および第２の分配管３１は、放射状に配置することにより、分配性の均一化を行うことができる。
【００２３】
さらに、第１の伝熱管８および第２の伝熱管９には伝熱フィン１０を備え、入口ヘッダ５と、出口ヘッダ７と、第１の伝熱管８と、第２の伝熱管９および伝熱フィン１０で構成される熱交換部１１を筒形状の曲面形状にする。
【００２４】
また、前記筒形状の内部に配置され、前記側面の第１の方向Ａから空気を取り入れ、前記第１の方向Ａとは別の前記側面の第２の方向Ｂに前記空気を排出する送風機１０とを有する。送風機１０は支持体１４によって支えられながら回転する。
【００２５】
本発明の熱交換器は、熱交換部の内部に送風機を設置することにより省スペースを実現しながら、熱交換部の一側面から空気を取り入れ熱交換器の他の側面に空気を排出する構成となっているため、いずれの側面においても効率よく、熱交換を行うことができる（実施の形態１の構成）。
【００２６】
かかる構成によれば熱交換部１１によって形成される空間内部に送風機１２を設置することにより、占有体積が減少されるので小型かつ高性能な熱交換器となる。
【００２７】
また、図７および図８において、管径の違いとオイル濃度の影響により、伝熱性能の低下が異なることを示している。一般的に管径が太いと伝熱性能の絶対値は管径が細い場合に比べて低いが、オイル濃度０ｗｔ％に比べて低下率が低く、オイル濃度の影響は少ない。管径が細いと伝熱性能の絶対値は管径が太い場合に比べて高いが、オイル濃度０ｗｔ％に比べてオイルが０．５ｗｔ％程度でも含まれると低下率が大きい。したがって、管径が細い場合は、オイルが含まれないほど伝熱性能は顕著に良い。また、オイル濃度が高い場合、冷媒に対して粘性係数の大きいオイルによって圧力損失が大きくなるため、太い管を採用することによって圧力損失の増大を回避することができる。したがって、かかる構成により、オイル濃度の大小により冷媒を分離し、オイル濃度と伝熱管の管径に適した冷媒を伝熱管に流すことにより、トータルとしての伝熱性能をより効果的に上げることが可能となる。
【００２８】
また、送風機１２として、例えばクロスフローファンを用いると、ファンの回転羽根と熱交換部１１が並行かつ近距離にあるため、熱交換部１１を通過する風速が、均一かつ風速の減衰がない状態を維持することができ、伝熱性能を上げるとともに、回転駆動動力を必要以上に上げることがないため省エネ性の向上につながる。
【００２９】
なお、本実施の形態において、送風機１２として、シロッコファンなどの送風機としても良い。
【００３０】
また、伝熱フィン１０として、プレートフィン、スリットフィン、ルーバーフィン、コルゲートフィン、細線編込みフィンなどの伝熱フィンを用いた構成としても良い。
また、第１の分配管３０および第2の分配管３１をなくして、直接的に第１の冷媒分配器３と第１の入口ヘッダ５を接続し、第２の冷媒分配器４と第２の入口ヘッダ６を接続しても同様の冷媒の分配均一性は確保できる。
【００３１】
また、第１の入口ヘッダ５と、第２の入口ヘッダ６と、出口ヘッダ７を、例えば、円弧状や、多角柱などのリング形状以外の形状としても良い。
【００３２】
また、遮蔽板１００を熱交換部１１の側面に配置することにより、気流を無駄なく、熱交換器内を通過させることができる。
【００３３】
図２は、本発明の実施の形態１における熱交換器の側面図である。
【００３４】
図２において、第１の入口ヘッダ５および第2の入口ヘッダ６は、2重のリング形状で構成される。第1の冷媒分配器３および第２の冷媒分配器４は第１の入口ヘッダ５および第2の入口ヘッダ６に囲まれた空間内部に収納する。
【００３５】
かかる構成によれば、無駄な空間を有効活用することができ、小型な熱交換器を提供することが可能になる。
【００３６】
図９は、本発明の実施の形態１における伝熱フィンの一部の一構成例を示す正面図である。
【００３７】
図９において、第１の伝熱管８には直径4mm以上の管径の太い伝熱管を配置し、第２の伝熱管９には直径4mm以下の管径の細い伝熱管を配置する。また、管径の太い第１の伝熱管８にはプレートフィン８０を配置し、管径の細い第２の伝熱管９には編込み細線a８１および編込み細線b８２を配置する。
【００３８】
かかる構成によれば、伝熱管の管径に適した伝熱性能の高い熱交換器を提供することが可能になる。
【００３９】
なお、第１の伝熱管８に用いる伝熱フィンには、管径の太い伝熱管に適し、環境条件に適した伝熱フィンを用いれば良く、例えばスリットフィン、プレートフィン、ルーバーフィン、コルゲートフィンなどを用いることにより、より伝熱性能を向上させることができる。
【００４０】
また、第２の伝熱管９に用いる伝熱フィンには、管径の細い伝熱管に適し、環境条件に適した伝熱フィンを用いればよく、例えばマイクロチューブフィンなどを用いることにより、より伝熱性能を向上させることができる。
【００４１】
図１０から図１３は、熱交換部１１を構成する伝熱フィンの実施例である。
【００４２】
図１０は、太い第１の伝熱管８を外側に配置し、プレートフィン８０を設け、細い第2の伝熱管９を内側に配置して、編込み細線a８１および編込み細線b８２を設けても、同様の高い伝熱性能が得られる熱交換器を提供することができる。
【００４３】
また、図１１は、太い第１の伝熱管８を内側に配置し、編込み細線a８１および編込み細線b８２を設け、細い第2の伝熱管９を外側に配置して、編込み細線a８１および編込み細線b８２を設けても、同様の高い伝熱性能が得られる熱交換器を提供することができる。
【００４４】
また、図１２は、太い第１の伝熱管８を内側に配置し、細線a８３および細線b８４を設け、細い第2の伝熱管９を外側に配置して、細線a８３および細線b８４を設けることにより、製作が容易で安価な熱交換器を提供することができる。
【００４５】
また、図１３は、太い第１の伝熱管８を内側に配置し、波状細線a８５および波状細線b８６を設け、細い第2の伝熱管９を外側に配置して、波状細線a８５および波状細線b８６を設けることにより、編込み細線熱交換器と同様に伝熱性能が高く、製作が容易で安価な熱交換器を提供することができる。
【００４６】
以上では、管径の太い第1の伝熱管の内径を６ｍｍとしたが、伝熱管の内径は、４ｍｍから７ｍｍ程度とするのが望ましい。また、管径の細い第1の伝熱管の内径を１ｍｍとしたが、伝熱管の内径は、１ｍｍから４ｍｍ程度とするのが望ましい。このサイズの伝熱管
を用いることにより、空気との熱交換が活性化され、より熱交換効率がアップする。
【００４７】
（実施の形態２）
図１4は、本発明の実施の形態２における熱交換器の斜視図である。図１4において、図１から図１３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００４８】
図１４において、冷媒入口配管１を流れる冷媒がオイル濃度制御器２に流入する直前に、旋回流発生部１３を配置する。旋回流発生部１３には、冷媒入口配管１内にねじり板４０を設け、また管壁に螺旋溝４１を設ける（実施の形態２の構成）。
【００４９】
かかる構成によれば、オイルの含む冷媒が旋回流を生じ、遠心力によって冷媒より密度の高いオイルはより管壁に移動し、オイルより密度の低い冷媒はより管中心を流れる。オイル濃度の高い冷媒は第1の冷媒分配器３へ導かれ、オイル濃度の低い冷媒は第２の冷媒分配器4へ導かれることにより、オイル分離性能を向上させ、伝熱性能の高い熱交換器を提供することが可能になる。
【００５０】
なお、オイル分離管２０およびオイル分離管２１に傾斜を設け、第２の冷媒分配器4へ流入する箇所に傾斜部２２を設けることにより、低圧力損失の効果が得られる。
【００５１】
実施形態１及び２をまとめると、要するに本発明の熱交換器は、
冷媒入口配管に接続して設けられ、冷媒入口配管より流入した冷媒とオイルの混合物を、オイルを高濃度に含む第１の冷媒と、前記第１の冷媒よりもオイルを低濃度に含む第２の冷媒とに分離するオイル濃度制御器と、
前記オイル濃度制御器で分離された第１の冷媒を流通させ、前記第１の冷媒と空気との間で熱交換を行う第１の伝熱管と、
前記オイル濃度制御器で分離された第２の冷媒を流通させ、前記第２の冷媒と空気との間で熱交換を行い、前記第１の伝熱管よりも管外径の小さい第２の伝熱管と、
前記第１の伝熱管及び前記第２の伝熱管に接続され、前記第１の伝熱管を流れた第１の冷媒と、前記第２の伝熱管を流れた第２の冷媒を混合し、冷媒出口配管に接続されている出口ヘッダとを有する熱交換器である。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明にかかる熱交換器は、小型かつ高性能性を有し、空調機器用などの凝縮器、蒸発器等として有用である。またそれ以外の熱利用等に関する用途にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器の正面図
【図２】本発明の実施の形態１および実施の形態２における熱交換器の側面図
【図３】本発明の実施の形態１における熱交換器の側面図
【図４】本発明の実施の形態１における熱交換器の斜視透視図
【図５】本発明の実施の形態１における冷媒分配器の正面図
【図６】本発明の実施の形態１における冷媒分配器の斜視透視図
【図７】本発明の実施の形態１における管径の細い場合のオイル濃度の影響による伝熱性能の相関図
【図８】本発明の実施の形態２における管径の太い場合のオイル濃度の影響による伝熱性能の相関図
【図９】本発明の実施の形態１における伝熱フィンの正面図
【図１０】本発明の実施の形態１における伝熱フィンの正面図
【図１１】本発明の実施の形態１における伝熱フィンの正面図
【図１２】本発明の実施の形態１における伝熱フィンの正面図
【図１３】本発明の実施の形態１における伝熱フィンの正面図
【図１４】本発明の実施の形態２における冷媒分配器の斜視図
【図１５】従来の熱交換器の形状を示す正面図
【図１６】従来の熱交換器の形状を示す斜視図
【図１７】従来の熱交換器の形状を示す斜視図
【図１８】従来の熱交換器の形状を示す斜視図
【図１９】従来の熱交換器の形状を示す図
【図２０】従来の熱交換器の形状を示す図
【図２１】特許文献３に記載の熱交換器の斜視図
【図２２】特許文献３に記載の熱交換器の側面図
【符号の説明】
【００５４】
１  冷媒入口配管
２  オイル濃度制御器
３  第１の冷媒分配器
４  第２の冷媒分配器
５  第１の入口ヘッダ
６  第２の入口ヘッダ
７  出口ヘッダ
８  第１の伝熱管
９  第２の伝熱管
１０  伝熱フィン
１１  熱交換部
１２  送風機
１３  旋回流発生部
１４  支持体
２０  第１のオイル分離管
２１  第２のオイル分離管
２２  傾斜部
３０  第１の分配管
３１  第２の分配管
４０  ねじり板
４１  螺旋溝
７０  冷媒出口配管
８０  プレートフィン
８１  編込み細線a
８2  編込み細線b
８3  細線a
８4  細線b
８5  波状細線a
８6  波状細線b
１００  遮蔽板
１０１  伝熱管
１０２  細線
１０３  熱交換部
１０４  入口ヘッダ
１０５  出口ヘッダ
１０６  熱交換器
１０７  送風機
１０８  管径の太い第1の伝熱管
１０９  管径の細い第２の伝熱管
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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