JP2011237062A - 冷媒分配器、蒸発器及び冷媒分配方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロチャネル熱交換器において、マイクロチャネル管の複数の小径流路に均等に冷媒を流入させる手段を提供する。
【解決手段】流入ヘッダ１００は、冷媒が流入する内部空間１１１が形成され、かつ、内部空間１１１が長手方向に延びる中空の中空体であって、内部空間１１１に流入した冷媒が流入する複数の小径流路が並列に形成されたマイクロチャネル管２１０が長手方向に、順次、取り付けられる中空体１１０と、マイクロチャネル管２１０の複数の小径流路のそれぞれの冷媒流入口に挿入されることにより冷媒流入口から流入する流入冷媒に対して絞りとして作用する、冷媒流入口ごとの指形状の指形状体１ａ〜５ａを有する挿入機構１２０とを備えた。
【選択図】図４

Description

この発明は、空気調和・冷凍システムに用いられる並行流蒸発器に使用される冷媒分配器に関する。

並行流熱交換器（マイクロチャネル式熱交換器）は、空調、冷凍産業に広く用いられている。並行流熱交換器は、複数の並行冷媒流路を有する。一般的には、並行流熱交換器では、冷媒は分配された後、ヘッダ内での冷媒流動方向と垂直な方向の複数の流路に流れる。

冷凍システムの蒸発器内での冷媒分配の不均等は、良く知られている現象である。冷媒分配の不均等は広い作動条件に亘って蒸発器性能、システム性能を低下させる。冷媒分配の不均等は、複数の蒸発器流路内における流動抵抗の差、伝熱外表面における空気流量分布の不均等、不適切な熱交換器の向き、不適切な分配機構の設計に起因することがある。 このような冷媒分配の悪化は、並行流蒸発器の場合に特に顕著である。並行流熱交換器の性能に対するこのような現象の影響を減少させるためにトライした例はいままで多数ある。しかし、提案された技術の複雑さや非効率性と高コストの理由で成功した例はない。

近年、並行流熱交換器、ロウ付けアルミ熱交換器が大きく注目されてきた。並行流熱交換器が注目される主な理由には、優れた性能、高コンパクト化、改善された耐腐食性などが挙げられる。並行流熱交換器は多様な冷凍、空調関連の製品の凝縮器、蒸発器として応用されており、特に蒸発器としての応用が期待されている。冷媒の不均等分配は並行流熱交換器を蒸発器として応用する技術において、最も重要な課題である。

並行流熱交換器での冷媒の不均等分配は、複数の流路内部での圧力損失の差、流入・流出ヘッダでの圧力損失の差、不適切な分配機構の設計などにより発生する。ヘッダ内では、冷媒流路の距離の差、相分離、重力などが冷媒の不均等分配の主な因子である。熱交換器の内部では、熱伝達率の差、空気流量の分布、製造ばらつき、重力などが冷媒の不均等分配の支配的な因子である。さらに、最近は、熱交換器の性能向上は冷媒流路の小型化を可能にしているため、冷媒の分配性能は逆に悪くなる可能性がある。

特開２００１−０５０６８５号公報

マイクロチャネル熱交換器を蒸発器に用いる場合、ヘッダ分配器と接続するマイクロチャネルエレメントの各流路の伝熱外表面に対する空気風量が異なるため、冷媒分配が不均等になる現象が生じることがある。

この発明は、マイクロチャネル管に並列に形成された複数の小径流路に均等に冷媒を流入させる手段の提供を目的とする。

この発明の冷媒分配器は、
冷媒が流入する内部空間が形成され、かつ、前記内部空間が長手方向に延びる中空の中空体であって、前記内部空間に流入した冷媒が流入する複数の小径流路が並列に形成されたマイクロチャネル管が前記長手方向に、順次、取り付けられる中空体と、
少なくとも一つの前記マイクロチャネル管の前記複数の小径流路のそれぞれの冷媒流入口に挿入されることにより冷媒流入口から流入する流入冷媒に対して絞りとして作用する、前記冷媒流入口ごとの指形状の指形状体を有する挿入機構と
を備えたことを特徴とする。

この発明は、マイクロチャネル管の各冷媒流路に抵抗（指形状体）を設ける。この抵抗により、各冷媒流路の伝熱外表面での空気風量の違いと関係なく、気液二相冷媒が均等に分配されるようになる。その結果、熱交換器の性能が向上するとともに、圧縮機の吸入側が液圧縮となることを防止できる。

実施の形態１における蒸発器１０００の外観図。 実施の形態１におけるマイクロチャネル管２１０と液冷媒との関係を示す図。 実施の形態１における挿入機構１２０を示す図。 図１のＣ−Ｃ断面に相当する図。

実施の形態１．
図１〜図４を参照して実施の形態１の流入ヘッダ１００（冷媒分配器）及び流入ヘッダ１００を備えた蒸発器１０００を説明する。

（蒸発器１０００）
図１は蒸発器１０００の全体構成の概要を示す図である。蒸発器１０００（並行流熱交換器）は、流入ヘッダ１００、流出ヘッダ３００、流入ヘッダ１００と流出ヘッダ３００とを接続する複数のマイクロチャネル管２１０（並行流路）、冷媒の熱交換を促進させるフィン２２０を備える。通常、流入ヘッダ１００、流出ヘッダ３００は円筒形状であり、マイクロチャネル管２１０（流路）は扁平管である。

（流入ヘッダ１００）
図１では、便宜的に流入ヘッダ１００の内部を示している。流入ヘッダ１００は、円筒形状の容器である中空体１１０、マイクロチャネル管２１０の複数の小径流路に挿入される指形状の指形状体を有する挿入機構１２０（後述する）、挿入機構１２０を中空体１１０の内部で支持するプレート１３０（挿入機構支持部）を備える。中空体１１０（図１、図４）は、冷媒が流入する内部空間１１１が形成され、かつ、内部空間１１１が長手方向に延びる中空形状である。中空体１１０は、流入配管２０から内部空間１１１に流入した流入冷媒１０が流入する複数の小径流路が並列に形成されたマイクロチャネル管２１０が長手方向に、順次、取り付けられる。図１では８つのマイクロチャネル管２１０が取り付けられている。

（冷媒の流れ）
気液二相の二相流は、流入配管２０の接続する流路入口１１２から流入ヘッダ１００（中空体１１０）内部に入る。流入ヘッダ１００内部の冷媒は、液・ガス混合物の形で流入ヘッダ１００の流路入口１１２から入り、それぞれのマイクロチャネル管２１０（流路）を通り、流出ヘッダ３００に出て行き、流出配管３０から圧縮機に向かう。

（冷媒の分配）
図２は、図１におけるマイクロチャネル管２１０のＡ−Ａ断面を示す図である。最も上のマイクロチャネル管２１０を例として切断したが、どのマイクロチャネル管２１０についても以下の説明は当てはまる。流入ヘッダ１００から各マイクロチャネル管２１０（流路という場合もある）に流れる二相冷媒は、各流路の伝熱面を有効に利用し、圧縮機吸入部で冷媒の液圧縮とならないためには、各流路に均等に分配されるのが望ましい。しかし、図２に示すように、中空体１１０（ヘッダ分配器）と接続するマイクロチャネル管２１０（エレメント）の流路の伝熱外表面に対する空気風量は異なる。図２のＡ−Ａ断面には空気の流れ２１１と冷媒流路１〜５を示している。空気風量の違いのため、冷媒分配が不均等になる現象が生じる。図２のＢ−Ｂ断面は、それぞれの冷媒流路１〜５における冷媒流入口１ｂ〜５ｂの付近での、流入する液状冷媒１ｃ〜５ｃを表している。このＢ−Ｂ断面に示すように、空気風量の違いのため、液状冷媒の分配が不均等になる。すなわち、それぞれの冷媒流路１〜５と空気との伝熱量が異なるので、管内冷媒の蒸発量が異なってくるからである。実施の形態１では、このような冷媒分配の不均等解消のため、各冷媒流路への冷媒流れに抵抗を設ける。

（挿入機構１２０）
図３は、挿入機構１２０の構造を示す図である。図３に示すマイクロチャネル管２１０の冷媒流路１〜５の断面は長方型であるが、例示である。冷媒流路１〜５の断面は三角形、台形、円形など、他の断面形状でもよい。挿入機構１２０は、マイクロチャネル管２１０のそれぞれの冷媒流路１〜５（小径流路）のそれぞれの冷媒流入口１ｂ〜５ｂに挿入される指形状体１ａ〜５ａと、挿入機構本体部１２１とを備える。指形状体は、それぞれの冷媒流入口１ｂ〜５ｂから挿入されることにより流入する冷媒に対して絞りとして作用する。図３に示す指形状体は、冷媒流入口の挿入方向に進むにしたがって断面積が減少する形状である。図３では冷媒流路方向を法線とする面で切ると指形状体の断面は矩形となるが、一例である。断面は三角形、台形、円形など、他の断面形状でもよい。他の断面形状の場合も冷媒流入口の挿入方向に進むにしたがって断面積が減少する。図３のように、挿入機構１２０は複数の指形状体を有するくし形状である。挿入機構１２０は、冷媒流れの抵抗としてマイクロチャネル管２１０の入口に設けられ、指形状の個々の歯（指形状体）は傾斜した形をしている。すなわち幅Ｂ２が冷媒流路方向に進むに従って減少し、幅Ｂ１（Ｂ２＞Ｂ１）になる。エレメントの各流路の入口と歯との間隔は、冷媒の個々の流路での入口で最小ある。このように、抵抗は流れに対して、最初は大きく、段々小さくなる。また、各流路での指の長さは、マイクロチャネル管２１０の複数流路への流量が均等になるように設計される。歯は個々の冷媒流路に対して絞りとして作用する。図３ではそれぞれの指形状体の長さが異なり、指形状体１ａから〜指形状体５ａにいくに従って長くなる場合を示した。マイクロチャネル管２１０の冷媒流路１〜５に流れ込む冷媒の流量は、指形状体の長さと断面積とによって調整することができる。

（挿入機構支持部）
図４は、流入ヘッダ１００内に、挿入機構１２０とマイクロチャネル管２１０が装着されている様子を示す図である。図４は図１のＣ−Ｃ断面に相当する図である。挿入機構１２０は、マイクロチャネル管２１０に装着される位置を保持するために、流入ヘッダ１００内（中空体１１０内）の内部構造物を利用する。内部構造物は、中空体１１０内において中空体１１０の長手方向における一方の端部から他方の端部に向かうプレート１３０である。プレート１３０は、中空体１１０内にロウ付けなどにより固定される。挿入機構１２０はプレート１３０の面にロウ付け固定される。マイクロチャネル管２１０は、マイクロチャネル管２１０を固定するために中空体１１０に開けられた穴に対してロウ付け固定される。

図１では、各マイクロチャネル管２１０ごとに挿入機構１２０を設けた。各マイクロチャネル管２１０ごとに挿入機構１２０を設けることが好ましいが、少なくとも一つのマイクロチャネル管２１０に挿入機構１２０を設けてもよい。

実施の形態１の流入ヘッダ１００は、マイクロチャネル管２１０の各冷媒流路の流入口の近傍に抵抗を設けることで、各冷媒流路の伝熱外表面での空気風量の違いによらず、気液二相冷媒を均等に分配できる。その結果、熱交換器の性能が向上するとともに、圧縮機の吸入側が液圧縮となることを防止することができる。

また、実施の形態１の流入ヘッダ１００を備えた蒸発器により、不均等な伝熱を防止できるので、効率低下を抑制できる。

以上では挿入機構１２０を備えた流入ヘッダ１００を説明したが、挿入機構１２０を備えた流入ヘッダ１００の機能を冷媒分配方法として把握することも可能である。

１，２，３，４，５ 冷媒流路、１ａ，２ａ，３ａ，４ａ，５ａ 指形状体、１ｂ，２ｂ，３ｂ，４ｂ，５ｂ 冷媒流入口、１ｃ，２ｃ，３ｃ，４ｃ，５ｃ 液状冷媒、１０ 流入冷媒、１００ 流入ヘッダ、１１０ 中空体、１１１ 内部空間、１１２ 流路入口、１２０ 挿入機構、１２１ 挿入機構本体部、１３０ プレート、１０００ 蒸発器、２０ 流入配管、２１０ マイクロチャネル管、２１１ 空気の流れ、２２０ フィン、３０ 流出配管、３００ 流出ヘッダ。

Claims (7)

1. 冷媒が流入する内部空間が形成され、かつ、前記内部空間が長手方向に延びる中空の中空体であって、前記内部空間に流入した冷媒が流入する複数の小径流路が並列に形成されたマイクロチャネル管が前記長手方向に、順次、取り付けられる中空体と、
   少なくとも一つの前記マイクロチャネル管の前記複数の小径流路のそれぞれの冷媒流入口に挿入されることにより冷媒流入口から流入する流入冷媒に対して絞りとして作用する、前記冷媒流入口ごとの指形状の指形状体を有する挿入機構と
   を備えたことを特徴とする冷媒分配器。
2. 前記挿入機構は、
   それぞれの指形状体の長さが異なることを特徴とする請求項１記載の冷媒分配器。
3. 前記挿入機構は、
   それぞれの指形状体が、挿入方向に進むにしたがって断面積が減少することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の冷媒分配器。
4. 前記冷媒分配器は、さらに、
   前記内部空間に配置され、前記挿入機構を支持する挿入機構支持部
   を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷媒分配器。
5. 前記挿入機構支持部は、
   前記中空体の前記内部空間に配置され、前記中空体の長手方向における一方の端部から他方の端部に向かうプレートであることを特徴とする請求項４記載の冷媒分配器。
6. 流入した冷媒を分配する冷媒分配器を備えた蒸発器において、
   前記冷媒分配器は、
   冷媒が流入する内部空間が形成され、かつ、前記内部空間が長手方向に延びる中空の中空体であって、前記内部空間に流入した冷媒が流入する複数の小径流路が並列に形成されたマイクロチャネル管が前記長手方向に、順次、取り付けられる中空体と、
   少なくとも一つの前記マイクロチャネル管の前記複数の小径流路のそれぞれの冷媒流入口に挿入されることにより冷媒流入口から流入する流入冷媒に対して絞りとして作用する、前記冷媒流入口ごとの指形状の指形状体を有する挿入機構と
   を備えたことを特徴とする蒸発器。
7. 冷媒が流入する内部空間が形成され、かつ、前記内部空間が長手方向に延びる中空の中空体であって、前記内部空間に流入した冷媒が流入する複数の小径流路が並列に形成されたマイクロチャネル管が前記長手方向に、順次、取り付けられる中空体を備えた冷媒分配器の前記複数の小径流路の各小径流路に略均等に冷媒を流入させる冷媒分配方法であって、
   前記複数の小径流路のそれぞれの冷媒流入口から流入するそれぞれの流入冷媒に対して絞り作用を加えることを特徴とする冷媒分配方法。

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