熱交換器及製冷空調裝置的製作方法

2023-12-01 19:02:46

專利名稱：熱交換器及製冷空調裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及使低溫流體和高溫流體進行熱交換而從高溫流體向低溫流體傳遞熱 量的熱交換器。另外，還涉及使用了該熱交換器的製冷空調裝置。
背景技術：
以往的熱交換器具有具有供低溫流體流動的多個通孔的第一流路部；具有供高 溫流體流動的多個通孔的第二流路部；與第一流路部的兩端連接的第一集管；與第二流 路部的兩端連接的第二集管。第一流路部和第二流路部的長度方向(流體的流動方向)並 行，使各自的面彼此接觸地層疊，並且高溫流體及低溫流體的至少一方是氣液二相狀態的 流體，供氣液二相狀態的流體流動的入口集管的內徑比其他集管的內徑小，由此，通過氣體 流速的增加，通過管內的氣液的混合，使氣液均勻，氣液比率相等地將低溫流體分配到各通 孔，由此，能夠使流體的溫度效率最大化，獲得高的熱交換性能(例如，參照專利文獻I)。
現有技術文獻
專利文獻1:日本特開2008-101852號公報(0036段，圖1)
上述使用了以往的熱交換器的製冷空調裝置具有通過製冷劑配管連接壓縮機、散 熱器、流量控制機構及蒸發器而成的製冷劑迴路，以使HFC (氫氟碳化合物)類製冷劑、烴類 或二氧化碳等製冷劑在該製冷劑迴路中循環的方式構成。為提高製冷空調裝置的效率，提 高熱交換器的熱交換性能變得重要。
但是，在上述的以往的熱交換器中，當氣液二相狀態的製冷劑在低流量區域流過 入口集管時，氣液的混合變得不充分，成為氣液分離的流動。而且，被分配到流路部的各通 孔的氣液的比率變得不均等。因此，流路部的每個通孔中能夠有效地進行熱交換的流體的 流量發生過大或不足。因此，上述的以往的熱交換器存在溫度效率明顯降低，熱交換性能降 低的問題。另外，為彌補該熱交換性能的降低，存在必須超出需要地增大熱交換器的問題。 另一方面，與低流量區域相匹配地使集管徑過細時，在氣液二相狀態的製冷劑在高流量區 域流過入口集管的情況下，壓力損失上升，存在導致將流體向熱交換器輸送的驅動裝置的 動力增加的問題。像這樣，上述的以往的熱交換器難以在寬的運轉範圍內實現氣液的均等 分配並有效率地使熱交換器工作。發明內容
本發明是為解決上述問題而研發的，其目的是獲得緊湊且高性能的熱交換器及制 冷空調裝置。
本發明的熱交換器具有第一流路部，其具有多個供高溫流體流動的通孔；第二 流路部，其具有多個供低溫流體流動的通孔；管狀的第一入口集管，其連接於第一流路部的 一個端部；管狀的第一出口集管，其連接於第一流路部的另一個端部；管狀的第二入口集 管，其連接於第二流路部的一個端部；管狀的第二出口集管，其連接於第二流路部的另一個 端部，第一流路部和第二流路部設置成能夠經由設置在彼此之間的隔壁進行熱交換，從第一入口集管流入第一流路部的通孔的高溫流體及從第二入口集管流入第二流路部的通孔 的低溫流體中的至少一方是氣液二相狀態的流體，從氣液二相狀態的流體的入口集管向著 流路部的流入方向成為大致水平方向或比大致水平方向朝上的方向。另外，本發明的製冷空調裝置搭載了本發明的熱交換器。發明的效果根據本發明，能夠提供緊湊且高性能的熱交換器。另外，根據本發明，能夠提供緊 湊且高性能的製冷空調裝置。


圖I是表示本發明的實施方式I的熱交換器的圖。圖2是表示本發明的實施方式I的第二扁平管的另一例的縱剖視圖。圖3是表示本發明的實施方式I的熱交換器的傳熱特性的圖。圖4是表示本發明的實施方式I的熱交換器的其他傳熱特性的圖。圖5是表示本發明的實施方式I的熱交換器的其他傳熱特性的圖。圖6是表示本發明的實施方式2的熱交換器的一例的側視圖。圖7是表示本發明的實施方式3的製冷空調裝置的一例的製冷劑迴路圖。圖8是表示本發明的實施方式3的製冷空調裝置的另一例的製冷劑迴路圖。圖9是表示本發明的實施方式3的製冷空調裝置的又一例的製冷劑迴路圖。圖10是本發明的實施方式4的熱交換器的構造圖。圖11是表示本發明的實施方式4的熱交換器的另一例的構造圖。
具體實施例方式實施方式I圖I是表示本發明的實施方式I的熱交換器的圖，圖I (a)是立體圖，圖I (b)是 側視圖，圖I (C)表示第二入口集管和第二扁平管的連接部附近的剖視圖。此外，圖I (a) 所示的FH表示高溫流體的流動，圖I (a)所示的FC表示低溫流體的流動。另外,在本實施 方式I中，對低溫流體以氣液二相狀態流入第二集管的情況進行說明。另外，在以下的附圖 中，標註相同的附圖標記的部分是相同或相當的部分，這在說明書的全文中是通用的。在本實施方式I中，基於通過圖3 圖5所示的實驗獲得的知識，即，基於傳熱特 性優良的後述的姿態角a、í3、Y的範圍，在圖I所示的第二扁平管2的端部設置成為大致 水平的流入部2a，由此，能夠實現具有優良的傳熱特性的熱交換器10。S卩，在圖I中，以姿 態角a =90°將第二扁平管2連接到第二入口集管5。第一扁平管I分別沿長度方向(圖I (b)的左右方向)具有供高溫流體流動的多個 通孔。該通孔在第一扁平管I的寬度方向(圖I (b)的紙面正交方向)上並列設置。另外， 第二扁平管2分別沿長度方向(圖I (b)的左右方向)具有供低溫流體流動的多個通孔21。 該通孔21在第二扁平管2的寬度方向(圖I (b)的紙面正交方向)上並列設置。第一扁平 管I和第二扁平管2以第一扁平管I的扁平面和第二扁平管2中的熱交換部2c的扁平的 面相互接觸的方式層疊。另外，第一扁平管I及第二扁平管2以在扁平管1、2內流動的流 體的流動方向並行的方式層疊。第一扁平管I及第二扁平管2通過例如釺焊、粘接等被接合。例如，第一扁平管I及第二扁平管2都是鋁或鋁合金的情況下，釺焊所使用的焊料或助 焊劑採用鋁/矽類或氟化物類等的物質。另外，例如，第一扁平管I或第二扁平管2的一方 是鋁或鋁合金、而第一扁平管I或第二扁平管2的另一方是銅的情況下，釺焊所使用的焊料 或助焊劑採用鋅/鋁類或鋁/銫/氟化物類等的物質。此外，由於焊料和助焊劑的組合越 是前者的熔點及後者的活性化溫度接近的組合，焊料的流動性越好等，釺焊性提高，從而是 優選的。
第一扁平管I的長度方向的一個端部連接於管狀的第一入口集管3的側面，另一 個端部連接於管狀的第一出口集管4的側面。也就是說，形成於第一扁平管I的通孔構成 了供高溫流體流動的並列流路。第二扁平管2的長度方向的一個端部即流入部2a連接於 管狀的第二入口集管5的側面。第二扁平管2的長度方向的另一個端部即流出部2d連接 於管狀的第二出口集管6的側面。另外，流入部2a及流出部2d經由彎曲部2b與熱交換部 2c連接。也就是說，形成於第二扁平管2的通孔21構成了供低溫流體流動的並列流路。
另外，第一入口集管3、第一出口集管4、第二入口集管5及第二出口集管6以各自 的管軸方向和扁平管1、2的扁平面(也就是說，形成於扁平管1、2的通孔的並列方向)並行 的方式配置。
而且，與供低溫流體以氣液二相狀態流動的第二入口集管5連接的第二扁平管2 的流入部2a成為大致水平。也就是說，從第二入口集管5流入第二扁平管2的氣液二相狀 態的低溫流體的流路(換言之，流入部2a的通孔21)成為大致水平。
此外，第一扁平管I與本發明的「第一流路部」相當，第二扁平管2與本發明的「第 二流路部」相當。
高溫流體以第一入口集管3、第一扁平管1、第一出口集管4的順序流動，低溫流體 以第二入口集管5、第二扁平管2、第二出口集管6的順序流動，兩流體通過第一扁平管I和 第二扁平管2 (更詳細來說是熱交換部2c)的接觸部進行熱交換。也就是說，在第一扁平管 I的通孔中流動的高溫流體和在第二扁平管2的通孔中流動的低溫流體通過成為兩通孔之 間的隔壁的第一扁平管I及第二扁平管2的外輪廓部進行熱交換。
此外，在本實施方式I中，分別通過多條第一扁平管I及第二扁平管2構成熱交換 器10，但各扁平管1、2的數量不限於本實施方式I的數量。也可以使一條第一扁平管I和 一條第二扁平管2沿扁平面交替地並列而構成並列流路。另外，在本實施方式I中，第一扁 平管I和第二扁平管2以在各自的管內流動的流體的流動方向並行的方式接觸，但也可以 以成為正交的方式接觸。另外，也可以摺疊第一扁平管1、第二扁平管2來層疊第一扁平管 I和第二扁平管2。另外，在圖1 (c)中，第二扁平管2的流入部2a的端部與第二入口集管 5的內表面大致一致，但第二扁平管2的流入部2a的端部也可以向第二入口集管5的內部 關出地構成。
在本實施方式I所示的熱交換器10中，與供氣液二相流體流動的第二入口集管5 連接的第二扁平管2的端部成為大致水平。也就是說，從第二入口集管5向各通孔21流 出的氣液二相流體的流出方向(換言之，流入各通孔21的氣液二相流體的流入方向)成為 大致水平。更詳細來說，本實施方式I的情況下，在第二入口集管5內，即使製冷劑的流速 降低而成為氣液上下分離的流動，液體也會滯留在從第二入口集管5的底部至第二扁平管 2的流入部附近，氣液邊界面剛好形成在向著第二扁平管2的流入部附近，因此氣液的分配變得良好。也就是說，例如，在製冷劑從水平地配置的第二入口集管5鉛直朝下地向各第二 扁平管2流出的情況下，在第二入口集管5內形成液面之前，有選擇地僅液體變得容易向上 遊側的第二扁平管2流出，因此氣液的分配惡化。但是，本實施方式1的熱交換器10的與 第二入口集管5連接的第二扁平管2的端部當然是成為大致水平。因此，能夠以氣液比率 變得均等的方式將低溫流體分配到第二扁平管2的各通孔21，能夠使流體的溫度效率最大 化，進而能夠使壓力損失最小化，所以能夠提高熱交換器10的熱交換性能。因此，在本實施 方式1所示的熱交換器10中，能夠得到緊湊且高性能的熱交換器。此外，關於與其他的集管3、4、6連接的扁平管的端部，只要不流入氣液二相流體， 不需要特別地作成水平。另外，在本實施方式1中，在第二入口集管5的外部，使第二扁平管2彎曲而形成 了流入部2a，但如圖2所示，也可以以不擾亂第二入口集管5內的氣液的流動的程度，在第 二入口集管5的內部使第二扁平管2彎曲而形成流入部2a。在本實施方式1的熱交換器10中，即使熱交換器10的方向上下顛倒，與第二入口 集管5連接的第二扁平管2的流入部2a也保持大致水平。因此，氣液的分配不會惡化。因 此，本實施方式1的熱交換器10還能夠發揮在設置上的自由度和配管的連接操作性的自由 度增加的效果。—般來說，氣液二相流體向扁平管的各通孔的分配特性因從集管向各通孔流出的 流體的流出方向(換言之，流入各通孔的流體的流入方向)而大幅度變化。因此，通過實驗調 查了該方向對熱交換器10的傳熱特性(即，氣液二相流體的分配特性)帶來的影響(圖3 圖5)。在圖3 圖5所示的實驗中，作為高溫流體使熱水在第一扁平管1中流動，作為低溫 流體使氣液二相狀態的低溫氟利昂製冷劑在第二扁平管2中流動。而且，使用各流體的出 入口溫度、式1及式2，測定了熱交換器10的傳熱特性KA (W/K)。[式1]
權利要求
1.一種熱交換器，其特徵在於，具有第一流路部，上述第一流路部具有多個供高溫流體流動的通孔；第二流路部，上述第二流路部具有多個供低溫流體流動的通孔；管狀的第一入口集管，上述第一入口集管連接於上述第一流路部的一個端部；管狀的第一出口集管，上述第一出口集管連接於上述第一流路部的另一個端部； 管狀的第二入口集管，上述第二入口集管連接於上述第二流路部的一個端部；管狀的第二出口集管，上述第二出口集管連接於上述第二流路部的另一個端部，上述第一流路部和上述第二流路部配置成能夠經由設置在彼此之間的隔壁進行熱交換，從上述第一入口集管流入上述第一流路部的通孔的上述高溫流體以及從上述第二入口集管流入上述第二流路部的通孔的上述低溫流體中的至少一方是氣液二相狀態的流體， 設從垂直方向開始的朝向下方的角度α為正時，上述氣液二相狀態的流體從入口集管向流路部流入的方向為-110°〈姿態角α〈110°。
2.如權利要求1所述的熱交換器，其特徵在於，設從垂直方向開始的朝向下方的角度 α為正時，上述氣液二相狀態的流體從入口集管向流路部流入的方向為-80°〈姿態角 α <-100° 或 80°〈姿態角 α〈100。。
3.如權利要求1所述的熱交換器，其特徵在於，上述氣液二相狀態的流體從入口集管向流路部流入的方向成為大致水平方向或比大致水平方向朝上的方向。
4.如權利要求1所述的熱交換器，其特徵在於，設從水平開始朝向上方的角度為正時， 上述氣液二相狀態的流體從入口集管向流路部流入的方向為正的範圍。
5.如權利要求1所述的熱交換器，其特徵在於，設從水平開始朝向上方的角度為正時， 上述氣液二相狀態的流體從入口集管向流路部流入的方向成為大致水平方向。
6.如權利要求1 5中任一項所述的熱交換器,其特徵在於,與供上述氣液二相狀態的流體流動的入口集管連接的流路部的端部在供上述氣液二相狀態的流體流動的該入口集管的內部彎曲。
7.如權利要求1 5中任一項所述的熱交換器,其特徵在於,與供上述氣液二相狀態的流體流動的入口集管連接的流路部的端部在供上述氣液二相狀態的流體流動的該入口集管的外部彎曲。
8.一種熱交換器，其特徵在於，具有第一流路部，上述第一流路部並列設置多個供高溫流體流動的通孔並垂直或水平地配置；第二流路部，上述第二流路部並列設置多個供低溫流體流動的通孔並垂直或水平地配置；管狀的第一入口集管，上述第一入口集管連接於上述第一流路部的一個端部並水平地配置；管狀的第一出口集管，上述第一出口集管連接於上述第一流路部的另一個端部並水平地配置；管狀的第二入口集管，上述第二入口集管連接於上述第二流路部的一個端部並水平地配置；管狀的第二出口集管，上述第二出口集管連接於上述第二流路部的另一個端部並水平地配置，上述第一流路部、上述第二流路部、上述第一入口集管、上述第一出口集管、上述第二入口集管及上述第二出口集管一體地形成，上述第一流路部和上述第二流路部以能夠經由設置在彼此之間的隔壁進行熱交換的方式，對齊彼此的通孔的並列設置方向地配置，從上述第一入口集管流入上述第一流路部的通孔的上述高溫流體以及從上述第二入口集管流入上述第二流路部的通孔的上述低溫流體中的至少一方是氣液二相狀態的流體， 在沿該入口集管的中心軸方向觀察供上述氣液二相狀態的流體流動的入口集管的狀態下，供上述氣液二相狀態的流體流動的入口集管的中心軸位於與該入口集管和連接於該入口集管的流路部的連接部一致的位置，或位於比該連接部遠離未與該入口集管連接的流路部的位置。
9.一種製冷空調裝置，其特徵在於，搭載了權利要求廣8中任一項所述的熱交換器。
全文摘要
本發明的熱交換器(10)具有第一扁平管(1)，具有多個供高溫流體流動的通孔；第二扁平管(2)，具有多個供低溫流體流動的通孔(21)；管狀的第一入口集管(3)，被連接在第一扁平管(1)的一個端部；管狀的第一出口集管(4)，被連接在第一扁平管(1)的另一個端部；管狀的第二入口集管(5)，被連接在第二扁平管(2)的一個端部；管狀的第二出口集管(6)，被連接在第二扁平管(2)的另一個端部，第一扁平管(1)和第二扁平管(2)以扁平面相互接觸的方式層疊地配置。從第二入口集管(5)流入第二扁平管(2)的通孔(21)的低溫流體是氣液二相狀態的流體，從第二入口集管(5)至第二扁平管(2)的通孔(21)的低溫流體的流入方向成為大致水平方向或比大致水平方向朝上的方向。
文檔編號F25B39/04GK103069245SQ20118003841
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月5日 優先權日2010年8月5日
發明者吉村壽守務, 中宗浩昭, 酒井瑞朗, 池田宗史 申請人:三菱電機株式會社