JP2006097987A - 三方分岐管及びこれを用いたフィンチューブ型熱交換器 - Google Patents

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鉉永 金
Norie Nishiguchi
憲岐 西口
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Abstract

【課題】 気液2相流の流体を均一に分流できる安価な分岐管を提供するとともに、このような分岐管を用いることにより、冷媒の偏流を生ずることなく途中でパス数を増加したフィンチューブ型熱交換器を提供すること。
【解決手段】 二つの分岐管103、104から構成されるU字型ベンド部105に対し、一つの親管102を接続して三方分岐管101を構成する。そして、親管102をU字型ベンド部105の直線部105aに接続する。冷凍サイクル装置の蒸発器における冷媒流通路の途中で分岐する場合にこのような三方分岐管101を使用すると、気液2相流の冷媒流を均一に分流することができる。したがって、この三方分岐管を使って蒸発器出口の冷媒パス数を増加させると、蒸発器出口側の冷媒流通抵抗を減少させて冷凍能力を向上させることができる。
【選択図】 図2

Description

本発明は、三方分岐管に係り、特に冷媒などの気液2相流の流体を均一に二つの分岐管に分流できる三方分岐管に関する。また、本発明は、このような三方分岐管を用いたフィンチューブ型熱交換器に関する。
空気調和機等の冷凍サイクル装置にはフィンチューブ型熱交換器が一般的に用いられている。フィンチューブ型熱交換器は、小間隙で並列に多数配置されたアルミニウム製フィンに対し、銅管製ヘアピン型熱交換チューブを挿入し、隣接するヘアピン型熱交換チューブの端部間をUベンドで接続して冷媒流通回路を形成したものである。このようなフィンチューブ型熱交換器は、空気調和機において蒸発器や凝縮器として一般的に用いられている。ところで、フィンチューブ型熱交換器を蒸発器に用いると、出口側に行くに従いガス冷媒の割合が増加して流体の体積が増加するため、冷媒流通回路における出口側の冷媒流通抵抗が増加する。また、蒸発器の冷媒流通抵抗が増加すると、圧縮機の吸入圧力が低下してエネルギー効率が低下する。そこで、これを防止するため、冷媒流通回路の途中でパス数(冷媒流通回路数)を増加させることにより冷媒流通回路の冷媒流通抵抗を低下させて圧縮機の吸入圧力を高くし、圧縮機のエネルギー効率を高くする方法がしばしば採られていた。
また、フィンチューブ型熱交換器を凝縮器に用いると、出口側に行くに従い液冷媒の割合が増加し、冷媒流速が低下する。また、熱交換チューブ内の液冷媒量が増加して熱交換チューブの内表面が液冷媒で常時覆われるようになると、熱交換チューブの内表面における表面熱伝達係数が低下する。このため、凝縮器の出口側の冷媒流通回路の冷媒通過面積を入口側と同様の大きさにしていると、凝縮器出口側における冷媒流速が低下して熱交換性能が低下し、惹いては、液冷媒の過冷却度がとり難くなるという問題があった。そこで、凝縮器においては、出口側のパス数を減少させることにより、冷媒体積流量の減少に対応して凝縮器出口側の冷媒通過面積を小さくし液冷媒流の流速の低下を防止していた。また、このようにすることにより、熱交換チューブの内表面における表面熱伝達係数の低下を防止して、熱交換性能の低下を防止するとともに、過冷却度を増加させるという方法がしばしば採られていた。
図10は、このようなフィンチューブ型熱交換器を用いたヒートポンプ式冷凍サイクル装置としてのヒートポンプ式空気調和機の一例を示すものである。同図に示した空気調和機は、室外ユニット1と室内ユニット2とに分離されたヒートポンプ式分離型空気調和機である。室外ユニット1内には、圧縮機3、四路切換弁4、室外コイル5、室外ファン6などが収納され、室内ユニット2内には、電動膨張弁7、室内コイル8、クロスフロー型の室内ファン9などが収納されている。室外コイル5及び室内コイル8はそれぞれフィンチューブ型熱交換器として形成されている。そして、冷媒回路は、圧縮機3の吐出口及び吸入口が四路切換弁4の吐出ポート及び吸入ポートにそれぞれ接続されている。また、四路切換弁4の切換えポート間には室外コイル5、電動膨張弁7、室内コイル8が順次接続されて、四路切換弁4の切り換えにより冷媒を可逆流させるように構成されている。また、この空気調和機は、四路切換弁4の切換えにより、冷房運転時には図10に示す実線矢印のように冷媒を循環させ、暖房運転時には破線矢印のように冷媒を循環させるものとしている。また、上記のように冷媒回路が構成されていることにより、室外コイル5は冷房運転時には凝縮器とし作用し、暖房時には蒸発器として作用する。また、室内コイル8は冷房運転時には蒸発器として作用し、暖房時には凝縮器として作用する。
上記の冷媒回路は、従来一般的なものとして示したものである。この空気調和機における室内コイル8は、特許文献1に記載のものと同一の構成である。また、室外コイル5は、特許文献2の図8を参考にして記載したものであり、極く一般的なものである。上記室内コイル8は、隣接するヘアピン型熱交換チューブ11の端部をUベンド12により接続するフィン付チューブからなる熱交換器であって、図11に具体的に示すように、側面視くの字型に折れ曲がった形状を成している。また、冷房運転時の室内コイル入口側において冷媒分流器(冷房用冷媒分流器)13により二つの分流回路14、15に分流されている。また、一方の分流回路14は、途中において、隣接するヘアピン型熱交換チューブ11の端部をUベンド12で接続している側において、三方分岐管16を使ってさらに二つの分流回路14a、14bに分流され、蒸発器出口側のパス数(冷媒流通回路数)が増加している。また、この二つの分流回路14a、14bの冷媒流は冷房運転時の室内コイル出口側の配管接続部17において合流され、さらにもう一方の分流回路15と冷媒分流器(暖房用冷媒分流器)18を介して合流されている。なお、図11において実線矢印は冷房運転時における冷媒流れを示す。
このように、一方の分流回路14を二つの分流回路14a、14bに分流するのは室内コイル8出口側のパス数を増加させることにより、の冷媒流通回路における冷媒流通抵抗を軽減する機能を有するものである。
しかしながら、三方分岐管16は、図11に示されるように、U字型ベンド部の曲がり部の途中から分岐管16cを分岐した鞍型三方分岐管であるので、U字型ベンド部上方の入口配管16aから流入した気液2相流の冷媒は、斜め下方に向かう配管部分において、入口配管16aと一体となってU字型ベント部を形成する分岐管16bと、U字型ベント部と直交する分岐管16cとに分流される。このため、液冷媒が下方向の分岐管16bに流れやすく均一に分流されないという問題があった。なお、このような鞍型三方分岐管16の例として特許文献2及び特許文献3を掲げることができる。
一方、室外コイル5は、図12により具体的に示すように、隣接するヘアピン型熱交換チューブ21の端部をUベンド22により接続するフィン付チューブからなる熱交換器であって、側面視垂直型を成している。そして、凝縮器として作用する冷房運転時には、同図に実践矢印で示すように、上部から二つの分流回路23、24で冷媒が流入し、分流回路23、24の途中におけるUベンド22によるヘアピン型熱交換チューブ21の接続側において、前述の特許文献2或いは特許文献3に記載されているような鞍型三方分岐管25により、二つの分流回路23、24が一つの冷媒流通回路26に集合されている。凝縮器においてこのように冷媒流通回路を集合する場合は、前述の分岐管として使用される場合のような偏流などの問題がない。しかしながら、この例のヒートポンプ式空気調和機では、室外コイル5が暖房運転時に蒸発器として作用し、冷媒が逆方向に流通される。この場合の三方分岐管25は、斜め上方に向かう入口管25aが二つの分岐管25b、25cから構成される上下斜めに傾斜するU字型ベント部に接続される構成となっている。このため、図12における三方分岐管25の部分に破線矢印で示すように、入口管25aら気液2相流で流れてくる冷媒が、下方向に向かう分岐管25bと上方向に向かう分岐管24cとに分流されることになる。したがって、前述の室内コイル8の場合と同様に、下方向に向かう分岐管25bには液冷媒が多く流れ、上方向に向かう分岐管24cにはガス冷媒が多く流れることになり、均一に冷媒が分流されないという問題が生ずる。
特開平6−74603号公報、段落番号0020〜0029、図1 特開平7−174438号公報 特開2000−266428号公報
このように、従来の三方分岐管16、25は、分岐部となる配管部分が上下に傾斜して使用される場合には、気液2相流の流体流れを均一に分流できないという問題があった。
本発明は、このような背景に基づきなされたものであって、本発明の目的は、気液2相流の流体を均一に分流できる安価な分岐管を提供することにある。また、本発明の他の目的は、このような分岐管を用いることにより、冷媒の偏流を生ずることなく途中でパス数を増加したフィンチューブ型熱交換器を提供することにある。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、第1の発明に係る三方分岐管は、二つの分岐管から構成されるU字型ベンド部に対し、一つの親管を接続してなる三方分岐管であって、親管はU字型ベンド部の直線部に接続されていることを特徴とする。
また、第2の発明は、隣接するヘアピン型熱交換チューブの端部間をUベンドにより接続してなるフィンチューブ型熱交換器であって、冷媒流通回路の途中において親管を1本のヘアピン型熱交換チューブの端部に接続するとともに、二つの分岐管それぞれを他2本のヘアピン型熱交換チューブの端部にそれぞれ接続するように第1の発明に係る三方分岐管が使用されていることを特徴とする。
また、第3の発明は、第2の発明において、フィンチューブ型熱交換器は、冷凍サイクル装置における蒸発器であって、蒸発器出口側のパス数を増加するように、三方分岐管がヘアピン型熱交換チューブに接続されていることを特徴とする。
また、第4の発明は、フィンチューブ型熱交換器は、ヒートポンプ式冷凍サイクル装置において冷媒を可逆に循環させることにより蒸発器又は凝縮器として作用する熱交換器であって、蒸発器として作用する場合に、蒸発器出口側のパス数を増加するように、三方分岐管がヘアピン型熱交換チューブに接続されていることを特徴とする。
第1の発明に係る三方分岐管によれば、親管が二つの分岐管を構成するU字型ベンド部の直線部に接続されているので、水平配管が上下又は/及び左右に並列に配置された流体流通路に気液2相流の流体が流通させる場合において、一つの水平配管内を流通する気液2相流の流体を二つの分岐管に均一に分流することができる。
これを詳しく説明する。この三方分岐管を使用する場合は、一つの水平配管から、分流しようとする二つの水平配管に対し三方分岐管のU字型ベンド部を接続する。この場合本発明に係る三方分岐管であれば、U字型ベンド部の直線部が必ず水平に配置されることになる。したがって、親管からこの直線部に導かれた気液2相流の流体は水平配管において対立する2方向に(二つの分岐管に)分岐される。このため、液冷媒が配管底部に溜まり易い気液2相流であっても分流が均等に行われる。この結果、この三方分岐管を用いる限り、分岐管を接続する水平配管の位置及び親管を接続する水平配管の位置に関係なく分流を均一に行うことができる。
また、本発明に係る三方分岐管は単純な形状のU字型ベント部の直線部親管を接続するだけの簡単な構成であるので、安価に製造できる。
また、第2の発明によれば、フィンチューブ型熱交換器では通常熱交換チューブが水平に配置されているので、三方分岐管を構成する親管を1本のヘアピン型熱交換チューブの端部に接続するとともにU字形ベンド部を構成する二つの分岐管それぞれを他の2本のヘアピン型熱交換チューブの端部にそれぞれ接続すれば、一つのヘアピン型熱交換チューブを流通する流体を、この流体が気液2相流であっても、二つのヘアピン型熱交換チューブに対し均一に分流することができる。
また、第3の発明によれば、フィンチューブ型熱交換器は、冷凍サイクル装置における蒸発器であって、蒸発器出口側のパス数を増加するように、三方分岐管がヘアピン型熱交換チューブに接続されているので、ガス冷媒が増加する蒸発器出口側のパス数を増加して冷媒流通回路の冷媒通過面積を大きくすることができ、さらに冷媒を均一に分留することができる。したがって、蒸発器における冷媒流通抵抗を効率よく軽減することができる。
また、第4の発明によれば、ヒートポンプ式冷凍サイクル装置において冷媒を可逆に循環させることにより蒸発器又は凝縮器として作用するフィンチューブ型熱交換器であって、蒸発器として作用する場合に、蒸発器出口側のパス数を増加するように、三方分岐管がヘアピン型熱交換チューブに接続されているので、ガス冷媒が増加する蒸発器出口側の冷媒流通回路の冷媒通過面積を大きくすることができる。しかも、冷媒の分流が均一に行われる。これにより、蒸発器における冷媒流通抵抗を効率よく軽減することができる。また、凝縮器として作用するときは、液冷媒が増加して体積流量が減少する凝縮器出口側の冷媒流通回路の冷媒通過面積を減少させて、冷媒の流速を増大しているので、熱交換チューブ内表面の表面熱伝達係数を向上させることができる。したがって、熱交換能力を増加させるとともに、液冷媒の過冷却度を大きくすることができ、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上させることができる。
以下に、本発明を具体化した実施の形態に係る空気調和機について図面に基づいて説明する。まず、この空気調和機を説明するに当たり、図1〜図5に基づきこの空気調和機の概略を説明する。なお、図1は本発明の実施の形態に係る空気調和機における室内コイルの側面図であり、図2は同室内コイルに用いられている三方分岐管の斜視図であり、図3は同三方分岐管の図2におけるA矢視図であり、図4は同三方分岐管の図3におけるB矢視図であり、図5は同三方分岐管の図3におけるC矢視図である。なお、図1において従来の空気調和機と同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を省略する。
本実施の形態に係る空気調和機は、冷媒回路が図10に示した従来例と同一であり、従来例の空気調和機と比較すると、室内コイル8を後述する室内コイル100に変更し、室外コイル5を後述する室外コイル110に変更したものである。したがって、本実施の形態に係る空気調和機における室内コイル100は、前述の従来例の空気調和機と同様に、冷房運転時に蒸発器として作用し、暖房運転時に凝縮器として作用する。また、室外コイル110についても前述の従来例の空気調和機と同様に、冷房運転時に凝縮器として作用し、暖房運転時に蒸発器として作用する。以下、この本発明の特徴を備えた室内コイル100及び室外コイル110について順次説明する。
本発明の実施の形態に係る室内コイル100は、図12に示した従来の室内コイル8において三方分岐管16を本発明の三方分岐管101に変更したものである。
三方分岐管101は、図2〜図5に示すように、親管102と二つの分岐管103、104からなるものであって、二つの分岐管103、104は連続的に接続されて三方分岐管101におけるU字型ベント部105を構成している。また、親管102は、図2に示すようにU字型ベント部105の直線部105aに接続されており、この接続部を境にしてU字型ベント部105を分岐管103と分岐管104とに分岐しされている。なお、この実施の形態では、親管102は直線部105a及びU字型ベント部105を形成する平面に対し略直角に接続されている。三方分岐管101は、単純な形状のU字型ベント部105の直線部105aに親管を接続するだけの簡単な構成であるので、安価に製造することができる。
このように構成された室内コイル100では、冷房運転時実線矢印のように、圧縮機3から吐出された冷媒が室外コイル110で凝縮された後、電動膨張弁7で減圧されて低圧の気液2相流冷媒となって冷媒分流器13から導入される。室内コイル100に流入した気液2相流冷媒は、二つの分流回路14、15に分流される。分流された気液2相冷媒流は、室内空気と熱交換することにより気化され、冷媒分流器18にて合流されて、四路切換弁4を介して圧縮機3に戻る。
上記二つの分流回路14、15のうち分流回路14に分流された冷媒は、室内空気と熱交換して気化冷媒が増大した状態となったときに三方分岐管101に導かれる。三方分岐管101に導かれた気液2相流の冷媒は、親管102からU字型ベント部105の直線部105aに流入し、ここで分岐管103と分岐管104とに分岐される。この分岐は、U字型ベント部105の直線部105aにより行われるので、液相冷媒が配管内において下方に溜まり易い気液2相流であっても、均等に分岐される。このようにして、親管102から二つの分流回路14a、14bに対し均等に分流されるので、分流回路14a、14b間における偏流がなく、室内コイル出口側における冷媒流通抵抗を効率よく減少させることができる。このように、分流回路14を分流回路14a、14bに分岐して蒸発器出口側のパス数を増加したことにより、蒸発器出口側冷媒流通抵抗が減少し、室内コイル8の熱交換能力が増大する。また、空気調和機のエネルギー効率が向上する。
一方、暖房運転時は、室内コイル100に対し圧縮機3から吐出された高圧ガス冷媒が導かれる。この高圧ガス冷媒は、冷媒分流器18を介して分流回路14、15に分岐され、さらに、分流回路14に導入されたれ高圧ガス冷媒は配管接続部17において二つの分流回路14a、14bに分岐される。分流回路14a、14bは冷媒流通回路の途中において前述の三方分岐管101により合流される。すなわち、分流回路14aは分岐管103を介し、また、分流回路14bは分岐管104を介し親管102に流れて分流回路14に集合される。さらに、分流回路14、15は冷媒分流器13により集合されて、電動膨張弁7を介し、室外コイル110へ流れる。また、室外コイル110に流れた冷媒は蒸発気化して四路切換弁4を介し圧縮機3に戻る。上記においては、三方分岐管101は暖房運転時において集合管として作用するので、冷房時のような偏流の問題は生じない。
次に、室外コイル110について図6〜図9に基づき説明する。室外コイル110は、図9に示した従来の室外コイル5において三方分岐管25を本発明の三方分岐管111に変更したものである。なお、図6は本発明の実施の形態に係る空気調和機における室外コイルの側面図であり、図7は、同室外コイルに取り付けられた三方分岐管の取り付け状態における単体平面図であり、図8は同三方分岐管の図7におけるD矢視図であり、図9は同三方分岐管の図7におけるE矢視図である。なお、図7において従来の空気調和機と同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を省略する。
三方分岐管101は、図6及び図7〜図9に示すように、親管112と二つの分岐管113、114からなるものであって、二つの分岐管113、114は連続的に接続されて三方分岐管111におけるU字型ベント部115を構成している。また、親管112は、U字型ベント部115の直線部115aに接続されており、この接続部を境にしてU字型ベント部115を分岐管113と分岐管114とに分岐される。なお、この実施の形態では、親管112は直線部115a対し略直角に、かつ、U字型ベント部115を形成する平面に対しては約60度の傾斜角で接続されている。前述の三方分岐管101と比較すると、U字型ベント部115を形成する平面に対する角度が相違する。また、三方分岐管111は、前述の三方分岐管101と同様に、単純な形状のU字型ベント部105の直線部105aに親管を接続するだけの簡単な構成であるので、安価に製造することができる。
このように形成された室外コイル110では、暖房運転時、圧縮機3から吐出された冷媒が室内コイル100で凝縮された後、電動膨張弁7で減圧されて低圧の気液2相流冷媒となって下方から導入される(破線矢印参照)。室外コイル110に流入した気液2相流冷媒は、一つの冷媒流通回路26から三方分岐管111により二つの分流回路23、24に分岐される。そして、室外空気と熱交換して気化して冷媒分流器10(図10参照)にて合流され、四路切換弁4を介して圧縮機3に戻る。
ところで、上記三方分岐管25においては、親管112から流入する気液2相流の冷媒は、U字型ベント部115の直線部115aに流入し、ここで分岐管113と分岐管114とに分岐される。したがって、分岐作用がU字型ベント部115の直線部115aにて行われるので、液相冷媒が配管内において下方に溜まる気液2相流であっても、均等に分岐される。このように、親管112から二つの分流回路23、24に対し均等に分流されるので、分流回路23、24間における偏流がなく、室外コイル出口側における冷媒流通抵抗を効率よく減少させることができる。このように、冷媒流通回路26を二つの分流回路23、24に分岐して蒸発器出口側のパス数を増加しているので、分流回路23、24における蒸発器出口側の冷媒流通抵抗が減少し、室外コイル110の熱交換能力が増大する。また、空気調和機のエネルギー効率が向上する。
一方、冷房運転時は、室外コイル110に対し圧縮機3から吐出された高圧ガス冷媒が四路切換弁4を介して導かれる。室外コイル110に導かれた高圧ガス冷媒は、冷媒分流器10を介して分流回路23、24に分岐される(実線矢印参照)。分流回路23、24を流通するガス冷媒は室外空気と熱交換して次第に液相冷媒量を増していく。このため、熱交換チューブ21内の表面部が液冷媒で覆われるとともに、循環体積が減少して流速が低下する。このため、熱交換チューブの内表面における熱伝達係数が低下し、熱交換能力が低下する。これを防止するため、三方分岐管111で集合させることにより凝縮器出口側における冷媒流通経路の冷媒通過面積を減少させている。この結果、冷房運転時における凝縮器出口側の熱交換性能が改善され、過冷却度もとり易くなり、空気調和機のエネルギー効率の改善を図ることができる。なお、室外コイル110で凝縮した液冷媒は前述のように電動膨張弁7を介し室内コイル100へ流れる。また、上述のような三方分岐管111が集合管として作用するときは、前述の偏流のような問題がない。
以上は、本発明に係る三方分岐管を冷凍サイクル装置としての空気調和機におけるフィンチューブ型熱交換器に、特に、蒸発器として作用するフィンチューブ型熱交換器に使用する場合に2相流流体を均等に分流できることについて述べたが、本発明は、これに限定されるものではなく、本発明に係る三方分岐管を他の用途に使用してもよい。
本発明の実施の形態に係る空気調和機における室内コイルの側面図である。 同室内コイルに用いられている三方分岐管の斜視図である。 同三方分岐管の図2におけるA矢視図である。 同三方分岐管の図3におけるB矢視図である。 同三方分岐管の図3におけるC矢視図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和機における室外コイルの側面図である。 同室外コイルに取り付けられた三方分岐管の取り付け状態における単体平面図である。 同三方分岐管の図7におけるD矢視図である。 同三方分岐管の図7におけるE矢視図である。 従来公知のフィンチューブ型熱交換器を用いた空気調和機の一例を示す冷媒回路図である。 同空気調和機における室内コイルの詳細図である。 同空気調和機における室外コイルの詳細図である。
符号の説明
11 ヘアピン型熱交換チューブ、12 Uベンド、26 冷媒流通回路、100 室内コイル、101 三方分岐管、102 親管、103 分岐管、104 分岐管、105 U字型ベント部、105a 直線部、110 室外コイル、111 三方分岐管、112 親管、113 分岐管、114 分岐管、115 U字型ベント部、115a 直線部。

Claims (4)

  1. 二つの分岐管を構成するU字型ベンド部に対し、一つの親管を接続してなる三方分岐管であって、親管はU字型ベンド部の直線部に接続されていることを特徴とする三方分岐管。
  2. 隣接するヘアピン型熱交換チューブの端部間をUベンドにより接続してなるフィンチューブ型熱交換器であって、冷媒流通回路の途中において親管を1本のヘアピン型熱交換チューブの端部に接続するとともに、二つの分岐管それぞれを他2本のヘアピン型熱交換チューブの端部にそれぞれ接続するように請求項1記載の三方分岐管が使用されていることを特徴とするフィンチューブ型熱交換器。
  3. フィンチューブ型熱交換器は、冷凍サイクル装置における蒸発器であって、蒸発器出口側のパス数を増加するように、三方分岐管がヘアピン型熱交換チューブに接続されていることを特徴とする請求項2記載のフィンチューブ型熱交換器。
  4. フィンチューブ型熱交換器は、ヒートポンプ式冷凍サイクル装置において冷媒を可逆に循環させることにより蒸発器又は凝縮器として作用する熱交換器であって、蒸発器として作用する場合に、蒸発器出口側のパス数を増加するように、三方分岐管がヘアピン型熱交換チューブに接続されていることを特徴とする請求項2記載のフィンチューブ型熱交換器。
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