JP2009041876A - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷凍あるいは冷却装置などに用いられる熱交換器に関するものである。 The present invention relates to a heat exchanger used in a refrigeration or cooling device.
熱交換器において、熱交換効率を高くするためには、ヘッダに供給された熱交換媒体(冷媒)を熱交換用の複数のチューブに均等に分配することが重要である。熱交換器では、流入してくる熱交換媒体が気相および液相を含む二相の状態であることは多い。この場合、ヘッダの内部において、比重が大きく、重力の影響を受け易い液体成分と、比重が小さく、重力の影響を受け難い気体成分とが分離したり、それらの成分の混合比率が大きく変化することにより、熱交換用の複数のチューブへの冷媒分配が不均等(不均一)となり易い。このような熱交換媒体の分配の不均一は、ヘッダが鉛直方向となるような姿勢で熱交換器を使用する場合に顕著である。このため、熱交換媒体のチューブに対する分配をより均一にすることができる熱交換器が求められている。 In the heat exchanger, in order to increase the heat exchange efficiency, it is important to evenly distribute the heat exchange medium (refrigerant) supplied to the header to a plurality of tubes for heat exchange. In a heat exchanger, the inflowing heat exchange medium is often in a two-phase state including a gas phase and a liquid phase. In this case, in the header, a liquid component having a large specific gravity and easily affected by gravity is separated from a gas component having a small specific gravity and hardly affected by gravity, or the mixing ratio of these components greatly changes. Accordingly, the refrigerant distribution to the plurality of tubes for heat exchange is likely to be uneven (non-uniform). Such non-uniform distribution of the heat exchange medium is significant when the heat exchanger is used in such a posture that the header is in the vertical direction. For this reason, there is a need for a heat exchanger that can more uniformly distribute the heat exchange medium to the tubes.
熱交換媒体の分配の不均一を改善するため、熱交換器としては、特許文献1の従来技術として紹介されているような複数の分配管をそれぞれ異なる形状に3次元的に曲げてなるディストリビュータを備えたものが知られている。また、特許文献1には、複数の分配管を、液体冷媒が溜まる入口ヘッダの一部分に集中して配置した熱交換器が開示されている。
In order to improve the uneven distribution of the heat exchange medium, the heat exchanger is a distributor formed by bending a plurality of distribution pipes three-dimensionally into different shapes as introduced in the prior art of
さらに、特許文献2には、入口ヘッダと、出口ヘッダと、両ヘッダの間に延設された複数のチューブと、各隣接するチューブの間に介設された蛇行フィンとを備えた蒸発器が開示されている。この蒸発器では、入口ヘッダへの入口に、複数の冷媒噴射器が設けられている。複数の冷媒噴射器は、それぞれ、噴射オリフィスを有している。
ディストリビュータを備えた熱交換器では、複数の分配管を、それぞれ異なる形状であって、しかも、3次元的に複雑な形状に曲げる必要がある。このため、パーツの数が多く、その製造コストも高くなり易い。さらに、3次元的に曲がった形状の分配管を配置するためにはスペースが必要となるため、ヘッダおよび熱交換器が大型化し易い。 In a heat exchanger provided with a distributor, it is necessary to bend a plurality of distribution pipes into shapes that are different in shape and complicated in three dimensions. For this reason, there are many parts and the manufacturing cost tends to become high. Furthermore, since a space is required to arrange the distribution pipe having a three-dimensionally bent shape, the header and the heat exchanger are easily increased in size.
さらに、特許文献1に記載の熱交換器は、偏平分配管を用いた冷媒分配手段を備えたものであり、ヘッダの一部分、特に、液状冷媒が溜まり易いヘッダ下部分に偏平分配管を集中させて、液状冷媒を熱交換部に流入させるようにしている。このような構造の場合、複数の偏平分配管の入口の冷媒状態は均一に近づくが、チューブの長さの差によるチューブの圧力損失の差が生じるので、複数のチューブへの冷媒分配が必ずしも均一になるとは言えない。さらに、曲げ部を持った複数の偏平分配管を配置する構造となるため、シンプルな構成の熱交換器を提供することは難しい。
Furthermore, the heat exchanger described in
特許文献2に記載の蒸発器のように、ヘッダへの入口に噴射オリフィスを設けても、ヘッダ内の全体に均一に冷媒を分布するように噴射させることは困難であり、さらに、噴射量および分布は流量の影響を受け易い。典型的には、ヘッダを水平方向に配置したときの効果が認められるとしても、ヘッダを垂直あるいは鉛直方向に配置したときに冷媒の分布がヘッダ内部で変わりやすいことを根本的に解決できるものではない。
Like the evaporator described in
本発明の一態様は、複数のチューブと、複数のチューブに熱交換媒体を分配するための入口ヘッダと、複数のチューブから熱交換媒体を回収するための出口ヘッダとを有する、熱交換器である。この熱交換器において、入口ヘッダは、下側から上側に延びる往路と、上側から下側に延びる復路と、往路の上部および復路の上部を繋ぐ上連通路と、往路の下部および復路の下部を繋ぐ下連通路とを含み、複数のチューブは、復路に接続されている。複数のチューブのうちの最も上側にあるチューブの上側内面は、上連通路の下端部よりも下側に位置している。入口ヘッダは、さらに、往路の下部から、この入口ヘッダに流入する熱交換媒体を往路に上側に吹き出すための吐出機構を含む。 One aspect of the present invention is a heat exchanger having a plurality of tubes, an inlet header for distributing the heat exchange medium to the plurality of tubes, and an outlet header for recovering the heat exchange medium from the plurality of tubes. is there. In this heat exchanger, the inlet header includes an outward path extending from the lower side to the upper side, a return path extending from the upper side to the lower side, an upper communication path connecting the upper part of the forward path and the upper part of the return path, a lower part of the forward path, and a lower part of the return path. The plurality of tubes are connected to the return path. The upper inner surface of the uppermost tube among the plurality of tubes is located below the lower end portion of the upper communication path. The inlet header further includes a discharge mechanism for blowing the heat exchange medium flowing into the inlet header upward from the lower part of the outward path.
この熱交換器によれば、熱交換媒体は、吐出機構により往路の上側に吹き出され、上連通路を通り、復路を流れながら、復路に接続されている複数のチューブに分配される。複数のチューブに分配されなかった熱交換媒体は、下連通路を通り、往路に戻る。この熱交換器によれば、入口ヘッダの内部において、熱交換媒体が循環しながら、復路において、復路に接続されている複数のチューブに分配される。 According to this heat exchanger, the heat exchange medium is blown out to the upper side of the forward path by the discharge mechanism, and is distributed to a plurality of tubes connected to the return path while flowing through the upper communication path and the return path. The heat exchange medium that has not been distributed to the plurality of tubes passes through the lower communication path and returns to the forward path. According to this heat exchanger, the heat exchange medium circulates inside the inlet header, and is distributed to the plurality of tubes connected to the return path in the return path.
この熱交換器によれば、入口ヘッダに流入する熱交換媒体が、往路および復路と吐出機構とにより、入口ヘッダの内部において熱交換媒体が強制的に循環する。このため、入口ヘッダの内部の熱交換媒体の状態を、より均一または均一に近い状態にできる。 According to this heat exchanger, the heat exchange medium flowing into the inlet header is forcibly circulated inside the inlet header by the forward path, the backward path, and the discharge mechanism. For this reason, the state of the heat exchange medium inside the inlet header can be made more uniform or nearly uniform.
さらに、この熱交換器によれば、吐出機構により、熱交換媒体を循環させ、さらに、入口ヘッダに流入する熱交換媒体を、上下に延びる往路の下部から上側に吹き出し、上下に延びる復路においてチューブに分配することにより、重力を利用して、熱交換媒体が複数のチューブに対して、より均一に分配されるようにしている。したがって、本発明の熱交換器は、典型的には、ヘッダを鉛直あるいは垂直方向に配置した熱交換器に適している。 Further, according to this heat exchanger, the heat exchange medium is circulated by the discharge mechanism, and the heat exchange medium flowing into the inlet header is blown upward from the lower part of the forward path extending up and down, and the tube in the return path extending up and down. Thus, the heat exchange medium is more evenly distributed to the plurality of tubes by utilizing gravity. Therefore, the heat exchanger of the present invention is typically suitable for a heat exchanger in which headers are arranged vertically or vertically.
すなわち、下側から上側に延びる往路を介し、上側から下側に延びる復路に熱交換媒体が供給される熱交換器においては、吐出機構により往路に上側に吹き出され、上連通路を通って、復路に至った熱交換媒体、典型的には液相の熱交換媒体が、自重(重力)により落下しながら復路の下部に達する。したがって、復路内の状態は安定し、復路に接続された複数のチューブに、ほぼ均等に熱交換媒体が分配される。 That is, in the heat exchanger in which the heat exchange medium is supplied to the return path extending from the upper side to the lower side via the outward path extending from the lower side to the upper side, the discharge mechanism blows the upper path to the upper path, passes through the upper communication path, The heat exchange medium that has reached the return path, typically a liquid-phase heat exchange medium, reaches the lower part of the return path while falling due to its own weight (gravity). Therefore, the state in the return path is stable, and the heat exchange medium is distributed almost evenly to the plurality of tubes connected to the return path.
また、ヘッダ内部で相分離した液相の熱交換媒体は、重力により下方に溜まることがある。往路と復路とを下連通路で連絡し、下側から上側に延びる往路において下側から熱交換媒体を上側に吹き出すことにより、下方に溜まった液相の熱交換媒体を吹き上げて再循環させることができる。したがって、復路の下側に繋がった下連通路において液相の熱交換媒体が溜まっても、復路に接続された複数のチューブに、ほぼ均等に熱交換媒体が分配される。 Further, the liquid-phase heat exchange medium phase-separated inside the header may accumulate downward due to gravity. By connecting the forward path and the return path with a lower communication path and blowing the heat exchange medium from the lower side to the upper side in the forward path extending from the lower side to the upper side, the liquid phase heat exchange medium accumulated below is blown up and recirculated. Can do. Therefore, even if the liquid phase heat exchange medium accumulates in the lower communication path connected to the lower side of the return path, the heat exchange medium is distributed almost evenly to the plurality of tubes connected to the return path.
上連通路の下端部よりも上側(上連通路)においては、往路から復路に至るときの熱交換媒体の動圧(運動エネルギー)が、複数のチューブに熱交換媒体を均等に分配するために障害となる可能性がある。したがって、複数のチューブのうちの最も上側にあるチューブの上側内面を、上連通路の下端部よりも下側にすることにより、復路に接続された複数のチューブに対し熱交換媒体が流入する条件がさらに一定になり、復路に至った熱交換媒体を、いっそう均等に、複数のチューブに分配することができる。 On the upper side (upper communication path) above the lower end of the upper communication path, the dynamic pressure (kinetic energy) of the heat exchange medium when going from the forward path to the return path distributes the heat exchange medium evenly to multiple tubes. It can be an obstacle. Therefore, the condition that the heat exchange medium flows into the plurality of tubes connected to the return path by setting the upper inner surface of the uppermost tube of the plurality of tubes below the lower end portion of the upper communication path. Becomes more constant, and the heat exchange medium that has reached the return path can be more evenly distributed to the plurality of tubes.
この熱交換器では、複数のチューブのうちの最も下側にあるチューブの下側内面は、下連通路の上端部よりも上側に位置していることが好ましい。下連通路(下連通路の上端部よりも下側)に熱交換媒体の一部が溜まる状態になったとしても、最も下側にあるチューブをその領域(熱交換媒体が溜まる可能性がある領域)よりも上側にすることにより、復路に接続された複数のチューブに対し熱交換媒体が流入する条件がさらに一定になり、復路に至った熱交換媒体を、いっそう均等に、複数のチューブに分配できる。 In this heat exchanger, it is preferable that the lower inner surface of the lowermost tube among the plurality of tubes is located above the upper end portion of the lower communication path. Even if a part of the heat exchange medium accumulates in the lower communication path (below the upper end portion of the lower communication path), the region of the lowermost tube (the heat exchange medium may accumulate) The area where the heat exchange medium flows into the plurality of tubes connected to the return path becomes more constant, and the heat exchange medium that has reached the return path is more evenly distributed to the plurality of tubes. Can be distributed.
この熱交換器では、吐出機構の吐出端は、下連通路の上端部よりも下側に位置していてもよく、また、吐出機構の吐出端は、下連通路の上端部よりも上側に位置していてもよい。吐出機構の吐出端を、下連通路の上端部よりも上側に位置させることにより、往路に対して交差する方向から入口ヘッダに熱交換媒体を流入させることができる。この場合、入口ヘッダは、さらに、往路に対して交差する方向からこの入口ヘッダに熱交換媒体を流入させるための流入口を含むことが好ましい。 In this heat exchanger, the discharge end of the discharge mechanism may be located below the upper end portion of the lower communication path, and the discharge end of the discharge mechanism is higher than the upper end portion of the lower communication path. May be located. By disposing the discharge end of the discharge mechanism above the upper end of the lower communication path, the heat exchange medium can be introduced into the inlet header from the direction intersecting the forward path. In this case, it is preferable that the inlet header further includes an inlet for allowing the heat exchange medium to flow into the inlet header from a direction intersecting the outward path.
この熱交換器において、吐出機構の一例は、オリフィスを含むものである。また、吐出機構の他の例は、すでに入口ヘッダに流入された熱交換媒体の少なくとも一部を混合して吹き出すエジェクタ(エジェクタノズルを有するエジェクタ)を含むものである。 In this heat exchanger, an example of the discharge mechanism includes an orifice. In addition, another example of the discharge mechanism includes an ejector (an ejector having an ejector nozzle) that mixes and blows out at least a part of the heat exchange medium that has already flowed into the inlet header.
入口ヘッダは、その少なくとも一部を、2重管または多孔管(多重管、多流路管)により構成することができる。すなわち、入口ヘッダの一態様は、下側から上側に延びる往路と、上側から下側に延びる復路と、往路および復路を隔てる隔壁とを含む。この場合、隔壁の上端部は、上連通路の下端部に相当し、隔壁の下端部は、下連通路の上端部に相当する。 At least a part of the inlet header can be constituted by a double pipe or a perforated pipe (multiple pipe, multi-flow pipe). That is, one aspect of the inlet header includes an outward path extending from the lower side to the upper side, a return path extending from the upper side to the lower side, and a partition wall separating the forward path and the return path. In this case, the upper end of the partition corresponds to the lower end of the upper communication path, and the lower end of the partition corresponds to the upper end of the lower communication path.
したがって、本発明の他の態様は、複数のチューブと、複数のチューブに熱交換媒体を分配するための入口ヘッダと、複数のチューブから熱交換媒体を回収するための出口ヘッダとを有する熱交換器であって、この熱交換器においては、入口ヘッダは、下側から上側に延びる往路と、上側から下側に延びる復路と、往路および復路を隔てる隔壁とを含む。複数のチューブは、復路に接続されている。複数のチューブのうちの最も上側にあるチューブの上側内面は、隔壁の上端部よりも下側に位置している。入口ヘッダは、さらに、往路の下部から、この入口ヘッダに流入する熱交換媒体を往路に上側に吹き出すための吐出機構を含む。 Accordingly, another aspect of the present invention provides a heat exchange having a plurality of tubes, an inlet header for distributing the heat exchange medium to the plurality of tubes, and an outlet header for recovering the heat exchange medium from the plurality of tubes. In this heat exchanger, the inlet header includes an outward path extending from the lower side to the upper side, a return path extending from the upper side to the lower side, and a partition wall separating the forward path and the return path. The plurality of tubes are connected to the return path. The upper inner surface of the uppermost tube among the plurality of tubes is positioned below the upper end of the partition wall. The inlet header further includes a discharge mechanism for blowing the heat exchange medium flowing into the inlet header upward from the lower part of the outward path.
この熱交換器において、複数のチューブのうちの最も下側にあるチューブの下側内面は、隔壁の下端部よりも上側に位置していることが好ましい。 In this heat exchanger, it is preferable that the lower inner surface of the lowermost tube among the plurality of tubes is positioned above the lower end of the partition wall.
本発明のさらに他の態様は、上述した熱交換器と、この熱交換器に熱交換媒体を供給する装置(媒体供給システム)とを有する、システム(熱交換システム)である。そのようなシステム(熱交換システム)は、冷却サイクルまたは冷凍サイクル、およびそのようなサイクルを含む冷凍装置、冷却装置、空調装置、収納庫、ショーケースなどを含む。冷却サイクルまたは冷凍サイクルとして好適なシステムは、熱交換媒体との熱交換により外部流体を冷却する蒸発器と、蒸発器から回収された熱交換媒体を加圧する加圧装置と、加圧装置により加圧された熱交換媒体を冷却する凝縮器とを有するシステムである。 Yet another embodiment of the present invention is a system (heat exchange system) having the above-described heat exchanger and an apparatus (medium supply system) for supplying a heat exchange medium to the heat exchanger. Such systems (heat exchange systems) include refrigeration cycles or refrigeration cycles, and refrigeration equipment, refrigeration equipment, air conditioning equipment, storage, showcases, etc. including such cycles. A system suitable as a cooling cycle or a refrigeration cycle includes an evaporator that cools an external fluid by heat exchange with a heat exchange medium, a pressure device that pressurizes the heat exchange medium recovered from the evaporator, and a pressure device. And a condenser for cooling the compressed heat exchange medium.
したがって、本発明のさらに他の態様は、熱交換媒体との熱交換により外部流体を冷却する蒸発器と、蒸発器から回収された熱交換媒体を加圧する加圧装置と、加圧装置により加圧された熱交換媒体を冷却する凝縮器とを有するシステムである。このシステムにおいて、蒸発器および/または凝縮器は、上述した熱交換器である。 Accordingly, still another aspect of the present invention provides an evaporator that cools the external fluid by heat exchange with the heat exchange medium, a pressurizer that pressurizes the heat exchange medium recovered from the evaporator, and a pressurizer. And a condenser for cooling the compressed heat exchange medium. In this system, the evaporator and / or condenser is the heat exchanger described above.
図1に、熱交換器を含むシステム50を示している。このシステム(熱交換システム)50の一例は、空気調和装置、冷凍装置である。また、このシステム50は、冷却サイクルあるいは冷凍サイクルと呼ばれる熱交換サイクルを有するその他のシステムであっても良い。なお、図1は、システム50を模式的に示すものであり、エバポレータ100(熱交換器300a)のチューブ4の数などは例示である。
FIG. 1 shows a
システム(熱交換システム)50が、空調システムであるとすると、このシステム50は、液状(液体)の熱交換媒体(以下、冷媒という)Rと、外部流体(たとえば、室外の空気)Fとの間で、熱交換を行う。システム50は、冷媒Rとの熱交換により、外部流体(たとえば、室内の空気)Gを冷却するエバポレータ(蒸発器)100と、圧縮された気体状(気相)の冷媒Rと外部流体Fとの熱交換を行い、冷媒Rを液状(液相)にするコンデンサ(凝縮器)200を有している。
If the system (heat exchange system) 50 is an air conditioning system, the
また、このシステム50は、冷媒Rを巡回させて、熱交換器300aであるエバポレータ100に冷媒Rを供給する装置(媒体供給システム)55を有している。エバポレータ100に冷媒Rを供給する媒体供給システム55には、コンデンサ200が含まれる。このシステム50は、媒体供給システム55として、コンデンサ200に加え、冷媒Rを加圧するコンプレッサ51と、冷媒Rを一時的に蓄えるアキュムレータ52と、エバポレータ100に供給する冷媒Rを膨張させる膨張弁53とを有している。このシステム50では、エバポレータ100に流入した冷媒Rが、このエバポレータ100の流出口(冷媒出口)6から流出され、アキュムレータ52、コンプレッサ51、コンデンサ200、膨張弁53を通って、エバポレータ100の流入口(冷媒入口)5から、再びこのエバポレータ100内に流入するように循環する。
Further, the
エバポレータ100の典型的なものは、流入口(冷媒入口)5を含む入口ヘッダ1と、流出口(冷媒出口)6を含む出口ヘッダ2と、熱交換部9とを有している。入口ヘッダ1および出口ヘッダ2は、それぞれ上下方向に延びており、互いに平行となるように配置されている。熱交換部9は、冷媒Rと空気Gなどとの間で熱交換を行い、空気Gなどを冷却するためのものである。熱交換部9は、入口ヘッダ1と出口ヘッダ2とを連通させるように水平方向に互いに平行に配置された複数のチューブ4と、これらチューブ4と直交するように上下方向に延びた複数のフィン3とを備えている。エバポレータ100は、複数のチューブ4がU字またはS字のように配置されたものであっても良く、図1に示したものに限られない。
A
図2に、本発明の第1の実施形態にかかる熱交換器300aの入口ヘッダ1およびチューブ4の部分の概略を縦方向の断面により示している。図3に、図2中のIII-III線に沿って切断した断面図を示している。図4に、図2の熱交換器300aの入口ヘッダの構造を展開して示している。この熱交換器300aは、上記システム50のエバポレータ100として用いることができ、エバポレータとして用いられた場合を例に以下では説明する。なお、この熱交換器300aは、上記システム50のコンデンサ200として用いてもよい。
In FIG. 2, the outline of the part of the
図2および図4に示すように、本例では、チューブ4として、断面が扁平な扁平管を、18本用いている。なお、チューブ4の数は、任意である。チューブ4は、断面が円形のものであってもよい。また、チューブ4は、その内部が複数に分割された多孔管(多重管)であっても良い。フィン3の典型的なものは、互いに平行に配置され、チューブ4が貫通するように取り付けられた複数のプレート状のフィンである。フィン3は、チューブ4の間を蛇行しながら接続するコルゲートタイプのフィン、チューブ4から突き出たフィン状あるいはピン状のフィンなどであっても良い。
As shown in FIGS. 2 and 4, in this example, as the
入口ヘッダ1は、熱交換部9の複数のチューブ4に冷媒Rを分配(分流)するための分配器としての機能を備えている。出口ヘッダ2は、それぞれのチューブ4から冷媒Rを回収する機能を備えている。各チューブ4は、それぞれ、その一端が入口ヘッダ1と接続され、その他端が出口ヘッダ2と接続されている。複数のチューブ4として、扁平管を採用することにより、チューブ自体による熱交換面積を大きくすることができる。また、フィン3を設けることにより、空気Gなどとの熱交換面積(接触面積)をさらに高めて熱交換効率を向上できる。着氷、着霜などの影響を避けるために、フィン3を省略したり、フィン3の占める面積を減らすことも可能である。
The
入口ヘッダ1は、この入口ヘッダ1に流入された冷媒Rの少なくとも一部を循環させることが可能な循環経路(循環管路)10を備えている。循環経路10は、下側から上側に延びる往路31と、上側から下側に延びる復路32とを含み、往路31の上部31aおよび復路32の上部32aは上連通路33により繋がれており、往路31の下部31bおよび復路32の下部32bは下連通路34により繋がれている。
The
具体的には、入口ヘッダ1は、内管41と外管42を備えた2重管43により構成されている。外管42は、押し出しと切削とにより形成された、断面が半円状の2つの部材44aおよび44bにより構成されている。外側の部材44aには、断面が半円状の部材44cが取り付けられ、内管41を構成している。外側の部材(チューブ4が接続されていない部材)44aと内部部材44cとの間(内管41の内部)が往路31となり、内部部材44cと内側の部材(チューブ4が接続された部材)44bとの間が復路32となる。内部部材44cは、往路31および復路32を隔てる隔壁35として機能する。本例では、往路31の断面積、復路32の断面積、上連通路33の断面積、および下連通路34の断面積が、ほぼ等しくなるように、入口ヘッダ1は形成されている。
Specifically, the
復路32を構成する内側の部材44bには、複数の扁平チューブ4がほぼ等間隔に接続されている。これら扁平チューブ4は、出口ヘッダ2に繋がっている。2重管43の上部および下部(外管42を構成する2つの部材44aおよび44bの両端部)には、上側キャップ45および下側キャップ46が設けられている。上側キャップ45および下側キャップ46と、隔壁となる内部部材44cの上端および下端との間が、それぞれ上連通路33および下連通路34となり、内管41と外管42とを繋いでいる。すなわち、往路31である内管41と、復路32である外管42とは、入口ヘッダ1の上部の上連通路33および下部の下連通路34において連通している。
A plurality of
入口ヘッダ1は、さらに、往路31の下部31bから、この入口ヘッダ1に流入する冷媒Rを、この往路31に、上側に吹き出すための吐出機構11を備えている。本例の吐出機構11は、オリフィス(ノズル、絞り部)12を含む。オリフィス12の近傍に、下連通路34に繋がった経路の端が見えており、オリフィス12から入口ヘッダ1に流入する冷媒Rを吹き出すことにより、すでに入口ヘッダ1に流入している冷媒Rの少なくとも一部を吸引し、入口ヘッダ1に流入する冷媒Rと、すでに入口ヘッダ1に流入している冷媒Rの少なくとも一部とを混合して、往路31に上側に吹き出す。
The
具体的には、内管41の下端部、すなわち、往路31の下部に、冷媒Rの流入口5と吐出機構11とを含む吐出ノズル(吐出ノズル部材、冷媒Rを吐出することにより復路32から冷媒Rを吸引するためのノズル部材)13が設けられている。吐出ノズル部材13は、例えば、鍛造により形成されている。吐出ノズル部材13は、往路31に対して交差、例えば、直交する方向に延び、冷媒Rの流入管59(図1参照)を接続するための管接続部分13aと、この管接続部分13aの前方に設けられた吐出部分13bとを有している。吐出部分13bは、管接続部分13aの前方下部から、上方向に延びるように設けられている。吐出部分13bの上部がオリフィス12となり、オリフィス12の上面が吐出端15となっている。
Specifically, at the lower end of the
吐出ノズル部材13の管接続部分13aは、往路31に対して交差、例えば、直交する方向から、入口ヘッダ1に冷媒Rを流入させるための流入口5となる。また、吐出部分13bの外面と内管41(内部部材44c)との間の隙間14は、下連通路34に繋がり、すでに入口ヘッダ1に流入している冷媒Rの少なくとも一部、すなわち、復路32を流通した冷媒Rの少なくとも一部を吸引して、この冷媒R(すでに入口ヘッダ1に流入している冷媒Rの少なくとも一部)と、入口ヘッダ1に流入する冷媒Rとを混合させるための吸引部となる。
The
この吐出ノズル部材13は、オリフィスにより差圧を発生させて、ヘッダ1に流入する冷媒Rを往路31の内部に上側に吹き出す吐出機構11を含む。すなわち、吐出機構11は差圧発生機構13として機能している。さらに、往路31の下部31bから、上側に向かって吹き出された冷媒Rの吸引力により、復路32から既存の(流入済の)冷媒Rを、吸引部14を介して、往路31に吸引し、ヘッダ1に流入する冷媒Rとともに、往路31の内部に上側に吹き出す。
The
熱交換器の入口ヘッダの下側に冷媒を流入するための配管を接続する場合、入口ヘッダの下方に冷媒配管をアレンジするスペースが必要となり、熱交換器の他の部分の下側がデッドスペースとなりやすい。この熱交換器300aでは、入口ヘッダ1に冷媒Rを側方から流入させるため、冷媒配管を入口ヘッダ1の側方にアレンジできる。このため、入口ヘッダ1の下側を含めた熱交換器の下側がデッドスペースとなりにくい。このため、この熱交換器300aを用いることにより、システム50をコンパクトにアレンジできる。
When connecting a pipe for injecting refrigerant to the lower side of the inlet header of the heat exchanger, a space for arranging the refrigerant pipe is required below the inlet header, and the lower side of the other part of the heat exchanger becomes a dead space. Cheap. In this
図5は、図2中の円Vで囲まれた領域を拡大して示している。図6は、図2中の円VIで囲まれた領域を拡大して示している。 FIG. 5 is an enlarged view of the area surrounded by the circle V in FIG. FIG. 6 shows an enlarged view of a region surrounded by a circle VI in FIG.
この熱交換器300aにおいて、ヘッダ1に接続された複数のチューブ4のうちの最も上側にあるチューブ4aの上側内面4sは、上連通路33の下端部33a(隔壁35の上端部35a)よりも、距離d1だけ、下側に位置(シフト)している。また、この熱交換器300aにおいて、複数のチューブ4のうちの最も下側にあるチューブ4bの下側内面4tは、下連通路34の上端部34a(隔壁35の下端部35b)よりも、距離d2だけ、上側に位置(シフト)している。さらに、吐出機構11の吐出端15、すなわち、オリフィス12の吐出端は、下連通路34の上端部34aよりも、距離d3だけ、上側に位置している。本例では、オリフィス12の吐出端15は、複数のチューブ4のうちの最も下側にあるチューブ4bの下側内面4tよりも上側に位置している(d2<d3)。
In the
この熱交換器300aは、以下のように機能(作用)する。熱交換システム50の蒸発器として適用された熱交換器300aにおいては、コンプレッサ51、膨張弁53などの作用により、液相、または、気体と液体が混在する2相状態の冷媒Rが流入口5から入口ヘッダ1に流入する(供給される)。入口ヘッダ1において、流入する冷媒Rは、吐出機構11のオリフィス12により、往路31の下部31bから上側に吹き出される。冷媒Rがオリフィス12を介して入口ヘッダ1の内部に流入することにより、オリフィス12の前後で差圧が発生し、流入する冷媒Rは、勢いよく往路31に吹き出される。また、オリフィス12により往路31の内部は減圧されるので、吹き出された冷媒Rは、液相と気相とを含む2相流となる。
The
吐出機構11により往路31に上側に吹き出された冷媒Rは、往路31および上連通路33を通り、復路32に接続されている複数のチューブ4に分配される。さらに、複数のチューブ4に分配されなかった冷媒Rは、往路31に上側に向かって吹き出された冷媒Rによって発生する吸引力により、下連通路34および吸引部14を介して、往路31に吸引され、吹き出された冷媒Rと混合される。このため、ヘッダ1に流入する冷媒Rとともに、往路31の内部に上側に吹き出される。
The refrigerant R blown upward to the
この熱交換器300aによれば、往路31および復路32を含む循環経路10、および吐出機構11を備えており、入口ヘッダ1に流入する冷媒Rを、上下に延びる往路31の下部から上側に吹き出し、上下に延びる復路32において複数のチューブ4に分配することにより、従来であれば、気相および液相が分離される要因となる重力を逆に利用して、冷媒Rが複数のチューブ4に対して、より均一に分配されるようにしている。
According to this
まず、下側から上側に延びる往路において冷媒Rを分配する場合を仮定すると、重力に逆らって冷媒R、特に液状の冷媒Rを往路の終端(上部)まで到達させるために、吐出機構は十分な速度で冷媒Rを吹き出す必要がある。したがって、往路においては、冷媒Rが高速で吹き出されることによる動圧(運動エネルギー、圧力変動)、重力、さらに、出口ヘッダが負圧であればチューブを介して吸引力が働き、往路の状態は複雑になり、往路の内圧は大きく変動しやすい。 First, assuming that the refrigerant R is distributed in the forward path extending from the lower side to the upper side, the discharge mechanism is sufficient to cause the refrigerant R, particularly the liquid refrigerant R, to reach the end (upper part) of the forward path against gravity. It is necessary to blow out the refrigerant R at a speed. Accordingly, in the forward path, the dynamic pressure (kinetic energy, pressure fluctuation) due to the refrigerant R being blown out at high speed, gravity, and if the outlet header is negative pressure, the suction force works through the tube, and the state of the forward path Is complicated, and the internal pressure of the outward path is likely to fluctuate greatly.
これに対し、本例では、往路31の上部31aと下部31bとを接続する復路32を設けて循環経路10を構成し、復路32において冷媒Rを分配している。この場合、往路31の上部31aに達した冷媒Rは復路32に流れ込む。したがって、往路で分配するときのように、往路の上部において冷媒Rが滞流したり、往路において、冷媒Rが重力により逆流したりすることはない。
On the other hand, in this example, the
さらに、上部32aから下部32bに延びる復路32においては、上連通路33を通って、復路32に至った冷媒R、典型的には液相の冷媒Rは、自重(重力)により落下しながら復路32の終端(下部)32bに達する。このため、冷媒Rが高速で吹き出されたことに起因する動圧の影響は少ない。したがって、復路32において冷媒Rを分配する状態は、往路において冷媒Rを分配すると仮定した状態に比較すると安定しており、復路32に接続された複数のチューブ4に、均等に冷媒Rが分配され易くなる。
Further, in the
また、ヘッダ1の内部で気相と分離した液相の冷媒Rは、上下に延びる復路32において自重(重力)により下方に溜まる可能性がある。往路31と復路32とを下連通路34により連絡し、下から上に延びる往路31において下側31bから冷媒Rを上に吹き出すことにより、復路32の下側32b(下連通路34)に溜まった液相の冷媒Rを吹き上げて再循環できる。したがって、復路32において液相の冷媒Rが下側32bに溜まることを抑制できるため、この点でも、復路32に接続された複数のチューブ4に、ほぼ均等に冷媒Rが分配され易いといえる。
Further, the liquid-phase refrigerant R separated from the gas phase inside the
このように、この熱交換器300aによれば、入口ヘッダ1の内部を冷媒Rの少なくとも一部が強制的に循環されるため、軸長の長く、縦(鉛直方向または垂直方向)に延びたパイプ状の入口ヘッダ1であっても、その内部においてスタティックな状態でヘッド差(重力)により液相と気相とが分離するような状態の発生を未然に防止できる。
Thus, according to this
この循環系において、復路32の上連通路33(上連通路33の下端部33aよりも上側)においては、上連通路33の下端部33aよりも上連通路33の方向に、往路31側から復路32側に動圧(運動エネルギー)が働く。このため、複数のチューブ4のうちの最も上側にあるチューブ4aの上側内面4sが、上連通路33の下端部33aよりも上側に位置していると、そのような位置にあるチューブに、より多くの冷媒Rが流入する。
In this circulation system, in the upper communication path 33 (above the
この熱交換器300aでは、複数のチューブ4のうちの最も上側にあるチューブ4aを、その上側内面4sが、上連通路33の下端部33a(隔壁35の上端部35a)よりも下側となるように、復路32に接続している。このため、最も上側にあるチューブ4aを含む全てのチューブ4は、動圧(運動エネルギー)の影響を受け難く、チューブ4aを含む全てのチューブ4に、ほぼ均等に、冷媒Rが分配される。
In this
また、この熱交換器300aにおいては、吐出機構11の吐出端15が、下連通路34の上端部34aよりも上側に位置しており、下連通路34に冷媒Rが溜まる可能性がある。しかしながら、下連通路34の上端部34a(隔壁35の下端部35b)まで液相の冷媒Rが溜まると、下連通路34が液状の冷媒Rにより封鎖された状態になるので、液状の冷媒Rが往路31に強制的に吸い込まれ、液面が低下する。したがって、この熱交換器300aにおいては、下連通路34の上端部34a(隔壁35の下端部35b)が冷媒Rの液面の上限となる。このため、複数のチューブ4のうちの最も下側にあるチューブ4bの下側内面4tが、下連通路34の上端部34aよりも下側に位置していると、下連通路34に溜まった液相の冷媒Rが流れこむおそれがある。
In the
この熱交換器300aでは、複数のチューブ4のうちの最も下側にあるチューブ4bを、その下側内面4tが、下連通路34の上端部34a(隔壁35の下端部35b)よりも上側となるように、復路32に接続している。このため、チューブ4bを含む全てのチューブ4に、ほぼ均等に、冷媒Rを分配できる。
In this
以上のように、この熱交換器300aによれば、冷媒Rを、均等に、複数のチューブ4に分配することができる。また、入口ヘッダ1の内部、特に復路32においては、いったん復路32の上部に到達した液相の冷媒Rが重力により落下するので、冷媒Rの液相および気相の比率が復路32の全体において一定になりやすく、冷媒Rの状態が気液混合の状態も含めて均質化される。そして、この熱交換器300aによれば、動圧の影響をできるだけ避け、さらに、液状の冷媒Rが溜まる領域の影響をできるだけ避けるように複数のチューブ4を復路32に配置している。このため、冷媒Rの状態および量を含めて、冷媒Rを各チューブ4により均一(均等)に分配できる。
As described above, according to the
このように各チューブ4に均一に分配された冷媒Rは、複数のチューブ4や複数のフィン3を介して、空気Gなどと熱交換を行い、出口ヘッダ2に出力され、流出口6からシステム50の系内に流出される。したがって、各チューブ4における熱交換負荷が均一化され、熱交換効率が良好な熱交換器300aが得られる。さらに、各チューブに対して冷媒を均一に分配するために複数の分配管をそれぞれ異なる形状に2次元あるいは3次元的に曲げたりする必要はなく、シンプルでコンパクトな構成で、熱交換効率の良好な熱交換器を比較的安価にて提供できる。また、各チューブ4の形状を同じにすることができるので、各チューブ4における圧力損失差の発生を防止でき、この点でも、熱交換効率を向上できる。
The refrigerant R uniformly distributed to each
さらに、熱交換器300aは、小型化が容易であるため、この熱交換器300aを備えた冷却システム50をコンパクトにアレンジできる。また、この熱交換器300aは、差圧による吸引効果(エジェクタ効果)を利用するような吐出機構11を採用しているので、熱交換器に一般に用いられている動力源、例えばコンプレッサ51の動力の他、新たな動力源を必要としない。したがって、経済的である。しかも、膨張弁53による圧損の一部を吐出機構11に割り当てることにより、システム50の経済性を損なうことなく、熱交換効率の向上を図ることができる。また、吐出機構11による膨張(圧力損失)が十分であれば、膨張弁53を省略することも可能である。
Furthermore, since the
図7に、本発明の第2の実施形態にかかる熱交換器300bを示している。この熱交換器300bも、上述のような熱交換システム50のエバポレータ100および/またはコンデンサ200として使用できる。
FIG. 7 shows a
この熱交換器300bでは、往路31の下側に、流入口5が設けられており、往路31と流入口5との間に、オリフィス(ノズル、絞り部)12を含む吐出機構11が設けられている。また、この熱交換器300bでは、下連通路34が吸引部14となる。他の構成は、上述した第1の実施形態と同様であるため、重複する説明は、図面に同符号を付して省略する。
In this
なお、この熱交換器300bでは、下連通路34より下側にオリフィス12があり、下連通路34に冷媒Rは溜まり難い。したがって、複数のチューブ4のうちの最も下側にあるチューブ4bを、その下側内面4tが、下連通路34の上端部34aよりも下側となるように、復路32に接続しても、複数のチューブ4に冷媒Rを均一に分配することに対する影響は小さい。
In this
図8に、本発明の第3の実施形態にかかる熱交換器300cを示している。この熱交換器300cも、上述のような熱交換システム50のエバポレータ100および/またはコンデンサ200として使用できる。
FIG. 8 shows a
この熱交換器300cでは、往路31の下側に、流入口5が設けられており、往路31と流入口5との間に、吐出機構11が設けられている。本例の吐出機構11は、エジェクタノズル(絞り部)16aを備えるエジェクタ16を含んでいる。
In this
また、この熱交換器300cでは、循環経路10は、往路31をなす第1の直管部61と、復路をなす第2の直管部62と、第1の直管部61の上部31aと第2の直管部62の上部32aとを繋ぐように略水平に延びて、上連通路33をなす第1の接続部63とを含めた、U字型のパイプを備えている。そのU字型の下部開放側を繋ぐように(第1の直管部61の下部31bと第2の直管部62の下部32bとを繋ぐように)、下連通路34をなす第2の接続部64が、略水平に延びている。
In the
本例では、下連通路34が吸引部14となる。また、第1の直管部61の内壁(第2の直管部62側の壁)と、復路をなす第2の直管部62の内壁(第1の直管部61側の壁)とが、隔壁35に相当する。他の構成は、上述した第1の実施形態と同様であるため、重複する説明は、図面に同符号を付して省略する。この熱交換器300cにおいても、複数のチューブ4に冷媒Rを均一に分配できる。
In this example, the
本実施形態では、熱交換部がプレート状のフィンを備える熱交換器を例に挙げて説明したが、フィンの形状はプレート状に限定されるものではない。また、熱交換部は、冷媒(熱交換媒体)と空気などの外部流体との間で熱交換を行うことが可能なものであればよく、熱交換部の形状や構成も、これらに限定されるものではない。また、入口ヘッダおよび出口ヘッダをそれぞれ複数備えた熱交換器であっても良い。さらに、吐出機構は、オリフィス(絞り部)およびエジェクタノズルに限らず、それに類する機能を発揮する部材を含むものであれば良く、たとえば、吐出口の面積が絞られたノズルなどであっても良い。また、本発明の熱交換器は、復路に複数のチューブを接続してなるものであるが、復路とともに往路に複数のチューブを接続してなるものを排除するものではない。 In the present embodiment, the heat exchanger having the plate-like fins as the heat exchanger has been described as an example, but the fin shape is not limited to the plate shape. Moreover, the heat exchange part should just be able to perform heat exchange between refrigerant | coolants (heat exchange medium) and external fluids, such as air, and the shape and structure of a heat exchange part are also limited to these. It is not something. Further, it may be a heat exchanger provided with a plurality of inlet headers and outlet headers. Furthermore, the discharge mechanism is not limited to the orifice (throttle portion) and the ejector nozzle, but may be any one that includes a member that exhibits a similar function, such as a nozzle having a reduced discharge port area. . Moreover, although the heat exchanger of this invention connects a some tube to a return path, it does not exclude what connects a some tube to an outward path with a return path.
また、本発明のシステムは、空調に限らず、ラジエータ、各種冷却装置、各種冷凍装置など、多種多様な熱交換を機能の一部として含む装置、システムを含む。 The system of the present invention is not limited to air conditioning, but includes devices and systems that include various types of heat exchange as part of their functions, such as radiators, various cooling devices, and various refrigeration devices.
1 入口ヘッダ、 2 出口ヘッダ、 4 チューブ
4a 最も上側にあるチューブ、 4s 最も上側にあるチューブの上側内面
4b 最も下側にあるチューブ、 4t 最も下側にあるチューブの下側内面
11 吐出機構、 12 オリフィス、 16 エジェクタ
31 往路、 31a 往路の上部、 31b 往路の下部
32 復路、 32a 復路の上部、 32b 復路の下部
33 上連通路、 33a 上連通路の下端部
34 下連通路、 34a 下連通路の上端部
35 隔壁、 35a 隔壁の上端部、 35b 隔壁の下端部
50 システム(熱交換システム)、 51 コンプレッサ(加圧装置)
100 エバポレータ(蒸発器)、 200 コンデンサ(凝縮器)
300a、300b、300c 熱交換器、 R 冷媒(熱交換媒体)
DESCRIPTION OF
100 evaporator (evaporator), 200 condenser (condenser)
300a, 300b, 300c heat exchanger, R refrigerant (heat exchange medium)
Claims (10)
前記複数のチューブに熱交換媒体を分配するための入口ヘッダと、
前記複数のチューブから熱交換媒体を回収するための出口ヘッダとを有する、熱交換器であって、
前記入口ヘッダは、下側から上側に延びる往路と、上側から下側に延びる復路と、前記往路の上部および前記復路の上部を繋ぐ上連通路と、前記往路の下部および前記復路の下部を繋ぐ下連通路とを含み、
前記複数のチューブは、前記復路に接続され、
前記複数のチューブのうちの最も上側にあるチューブの上側内面は、前記上連通路の下端部よりも下側に位置しており、
前記入口ヘッダは、さらに、前記往路の下部から、当該入口ヘッダに流入する熱交換媒体を前記往路に上側に吹き出すための吐出機構を含む、熱交換器。 Multiple tubes,
An inlet header for distributing a heat exchange medium to the plurality of tubes;
A heat exchanger having an outlet header for recovering a heat exchange medium from the plurality of tubes,
The inlet header connects the forward path extending from the lower side to the upper side, the return path extending from the upper side to the lower side, the upper communication path connecting the upper part of the forward path and the upper part of the return path, and the lower part of the forward path and the lower part of the return path Including the lower communication passage,
The plurality of tubes are connected to the return path,
The upper inner surface of the uppermost tube among the plurality of tubes is located below the lower end of the upper communication path,
The inlet header further includes a discharge mechanism for blowing a heat exchange medium flowing into the inlet header upward from the lower part of the forward path to the forward path.
前記複数のチューブに熱交換媒体を分配するための入口ヘッダと、
前記複数のチューブから熱交換媒体を回収するための出口ヘッダとを有する、熱交換器であって、
前記入口ヘッダは、下側から上側に延びる往路と、上側から下側に延びる復路と、前記往路および前記復路を隔てる隔壁とを含み、
前記複数のチューブは、前記復路に接続され、
前記複数のチューブのうちの最も上側にあるチューブの上側内面は、前記隔壁の上端部よりも下側に位置しており、
前記入口ヘッダは、さらに、前記往路の下部から、当該入口ヘッダに流入する熱交換媒体を前記往路に上側に吹き出すための吐出機構を含む、熱交換器。 Multiple tubes,
An inlet header for distributing a heat exchange medium to the plurality of tubes;
A heat exchanger having an outlet header for recovering a heat exchange medium from the plurality of tubes,
The inlet header includes an outward path extending from the lower side to the upper side, a return path extending from the upper side to the lower side, and a partition wall separating the forward path and the return path,
The plurality of tubes are connected to the return path,
The upper inner surface of the uppermost tube among the plurality of tubes is located below the upper end of the partition wall,
The inlet header further includes a discharge mechanism for blowing a heat exchange medium flowing into the inlet header upward from the lower part of the forward path to the forward path.
前記蒸発器および/または前記凝縮器は、請求項1ないし8のいずれかに記載の熱交換器である、システム。 An evaporator that cools an external fluid by heat exchange with the heat exchange medium, a pressure device that pressurizes the heat exchange medium recovered from the evaporator, and a heat exchange medium that is pressurized by the pressure device is cooled. A system having a condenser,
The system according to claim 1, wherein the evaporator and / or the condenser is a heat exchanger according to claim 1.
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