JP2012002475A - 冷媒分配器及びこの冷媒分配器を用いたヒートポンプ装置 - Google Patents

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Tetsuji Nanatane
哲二 七種
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Abstract

【課題】各枝管への冷媒の分配量を均一にできるようにする。
【解決手段】冷媒を流すための複数の枝管6が所定間隔で接続された外管2と、複数の冷媒流出孔5a〜5jを有し、外管2内に収容され、上方が閉塞し、下方より冷媒が流入する内管3と、円筒状に形成され、外管2と内管3との間に挿入された金網4もしくは発泡金属と、を備え、金網4の表面張力効果、又は発泡金属の毛細管現象で液冷媒を内壁に均一に保持させ、外管2の各枝管6から均一に流出させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば空気調和機等のヒートポンプ装置に用いられる熱交換器に取り付けられ、冷媒を分配する冷媒分配器に関する。
冷凍空調機において、蒸発器の冷媒流路が複数となる場合、その冷媒入口側に分配器を用いて、冷媒流量をそれぞれの流路毎に均等にして、蒸発器の能力が最大限に発揮できるようにする必要がある。
冷媒分配器は、ディストリビューター型とヘッダー型に大別できる。そのうち、ヘッダー型冷媒分配器は、ディストリビューター型冷媒分配器に比べて構造が簡単で、コスト低減でき、さらには設置容積を小さくすることができると期待されている。しかし、ヘッダー型冷媒分配器は、ディストリビューター型冷媒分配器に比べて、各枝管への冷媒の流量分配が著しく不均等となる。そこで、ヘッダー内部に多孔質体を挿入して、ヘッダー内の下部に液冷媒が滞留することがなくなるようにしたものがある(例えば、特許文献1参照)。
また、ヘッダー管を二重管構造として、流入管である内管に、複数の孔を重力方向(上下方向)に沿って配置し、かつこれら孔は、下方に位置するものほど、径が小さくなるように設置して、液冷媒の分配量を均一にできるようにしたものが知られている(例えば、特許文献2参照)。
特開平1−312369号公報(第2頁、第1図) 特開平3−195873号公報(第3頁、第1図)
しかしながら、前述のようにヘッダー内部に多孔質体を挿入するようにしたものにあっては、多孔質体を、ヘッダーの形状に合わせて、重力方向に長く、側面方向に短い構造をとらざるを得ない。そのため、毛細管現象は重力方向よりも側面方向に大きく作用し、冷媒の流量が小さい場合は、ヘッダー内上部まで液冷媒は到達することができず、不均一な分配となる。さらに、多孔質体の材質によるが、液冷媒を保持できる量が決まっているので、その量を超えた液冷媒はヘッダー内の下部に溜まり、不均一な分配となる。
また、ヘッダー管を二重管構造として、流入管である内管に複数の孔を重力方向に沿って配置し、かつこれら孔は下方に位置するものほど径が小さくなるように設置したものにあっては、内管から液冷媒が均等に分配されるが、冷媒が枝管まで流れるまでに、外管の内壁に衝突し、外管の内壁を伝い落ち、下部に溜まり、不均一な分配となる。
本発明の技術的課題は、各枝管への冷媒の分配量を均一にできるようにすることにある。
本発明に係る冷媒分配器は、冷媒を流すための複数の枝管が所定間隔で接続された外管と、複数の冷媒流出孔を有し、前記外管内に収容され、上方が閉塞し、下方より冷媒が流入する内管と、円筒状に形成され、外管と内管との間に挿入された金網もしくは発泡金属と、を備えるものである。
本発明の冷媒分配器によれば、冷媒を流すための複数の枝管が所定間隔で接続された外管と、複数の冷媒流出孔を有し、前記外管内に収容され、上方が閉塞し、下方より冷媒が流入する内管と、円筒状に形成され、外管と内管との間に挿入された金網もしくは発泡金属と、を備えるので、内管では各冷媒流出孔より順次、二相冷媒が流出され、円筒状に形成され、外管の内壁に挿入された金網の表面張力効果、又は発泡金属の毛細管現象で液冷媒は内壁に均一に保持され、外管の各枝管から均一に流出される。その結果、冷媒液流量を熱交換器のそれぞれの流路毎に均等に流出させることができて、蒸発器の能力を最大限に発揮させることができる。
本発明の実施の形態1に係る冷媒分配器を用いた熱交換器の構成図である。 本発明の実施の形態1に係る冷媒分配器の構成を示す縦断面図である。 図2のA−A線矢視断面図である。 本発明の実施の形態1に係る冷媒分配器の金網の構成を示す斜視図である。 比較例1の冷媒分配器の冷媒流動状態を示す縦断面図である。 比較例2の冷媒分配器の冷媒流動状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1に係る冷媒分配器の冷媒流動状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態2に係る冷媒分配器の構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態3に係る冷媒分配器の構成を示す縦断面図である。
実施の形態1.
以下、図示実施形態により本発明を説明する。
図1は本発明の実施の形態1に係る冷媒分配器を用いた熱交換器の構成図、図2は本実施の形態に係る冷媒分配器の構成を示す縦断面図である。
本実施の形態の冷媒分配器すなわち二相冷媒を分配する冷媒分配器1は、図1のように伝熱管とフィンで構成されるフィンアンドチューブ型熱交換器7に流入する二相冷媒9を分配するものであり、詳細については後述する。熱交換器7を通過したガス冷媒は、ガス合流管8で合流し、流出するようになっている。伝熱管とフィンは、いずれもアルミまたはアルミ合金で構成されている。なお、伝熱管は、円管、扁平管、その他どのような形状であっても採用可能である。
冷媒分配器1は、図2のように外管2と、冷媒流出孔5a〜5jを有し、外管2内に収容され、上方が閉塞した内管3と、円筒状に形成されて外管2と内管3との間に挿入された金網4と、外管2にロウ付け接合された枝管6とを備えている。冷媒流出孔5a〜5jと枝管6は、ほぼ同等の間隔で配置されている。
ここで、本実施の形態における各部品の寸法について説明する。外管2の外径φD1はφ12.7mm、枝管6の外径φD2はφ5mm、内管3の外径φD3はφ7mm、内管3に設けられた冷媒流出孔5a〜5jの径φD4はここではいずれもφ5mmである。前述した寸法は一例であって、これに限定されるものでなく、それ以外の寸法でも本実施の形態と同様な効果を期待できる。
図3は図2のA−A線矢視断面図であり、冷媒流出孔5aの周方向の設置位置の配置例として(a)、(b)、(c)の3パターンが示されている。(a)は周方向に1箇所のみ設置したものである。また、冷媒流出孔5aの枝管6に対する設置角度θは何度でも構わない。(b)は周方向に2箇所設置したものであり、(a)と同様に枝管6に対する設置角度θは何度でも構わない。(c)は周方向に4箇所設置したものであり、(a)、(b)と同様に枝管6に対する設置角度θは何度でも構わない。
図4は本実施の形態に係る円筒状に形成された金網の構成図である。金網4は金属の線材を織り込み網状にしたもので、多くの産業分野で広く使われている。ここで使用する金網4の仕様は、平織タイプのもので、1インチ内に100から200メッシュの網目があるものを用いればよい。また、金網4をここでは一重のものを使用しているが、二重に重ね合わせてもよい。金網4の円筒曲げ加工方法としては、例えば金網4を丸棒などの冶具を用いて、これに巻き付ける等により、容易に円筒状に加工することができる。また、金網4の他に発泡金属を用いてもよく、この場合でも本実施の形態と同様な効果を奏する。
ヒートポンプ装置(図示せず)は、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器(前記熱交換器7)とを備えている。圧縮機から吐出された高温高圧のガス冷媒は凝縮器を流れ、凝縮器を通過する空気と熱交換して高圧液状態となって流出する。凝縮器を流出した高圧液冷媒は膨張弁で減圧されて低圧二相冷媒となり、熱交換器7に流入する。熱交換器7に流入した低圧二相冷媒は熱交換器7を通過する空気と熱交換し、低圧ガス冷媒となり、圧縮機に吸入される。
次に、図1を用いて熱交換器7の動作について詳述する。図中の矢印は、蒸発器として使用されるときの冷媒の流れを示している。ガス冷媒と液冷媒が混合された二相冷媒9は、冷媒分配器1の内管3の下部より流入し、各枝管6に分配される。分配された二相冷媒9は熱交換器7の各パスを構成する伝熱管に流入する。伝熱管に流入した二相冷媒9は、伝熱管と一体化したアルミフィンを介して、熱交換器7を通過する空気と熱交換し、ガス冷媒となって各パス出口よりガス合流管8の内部で合流し、出口ガス冷媒10となって流出する。
次に、冷媒分配器内部の動作について説明する。図7に示す本実施の形態の冷媒分配器1の内部の動作をより明確に説明するために、比較例1として図5に外管2に円筒状に形成された金網4だけを挿入した冷媒分配器14を、比較例2として図6に内管3と外管2との二重管構造だけ(金網無し)の冷媒分配器17を挙げ、これらと比較しながら説明する。
まず、図5により比較例1の冷媒分配器14の冷媒流動状態について説明する。図5では各枝管6から流出する液冷媒15の流出量16を矢印の長さで模式的に表現している。二相冷媒の流れは、両相(液相と気相)の種類、流路条件及び流量に応じて極めて多様な状況を示す。空調機に用いられている冷媒の循環量は50〜1000kg/h、乾き度(ガス冷媒の質量流量比)0.2、冷媒分配管の内径は10〜50mmである。これらの条件より、二相流の流動様式線図であるBaker線図から二相流の流動状態を判断すると、その状態の二相冷媒は管壁に液膜があり、気相のコアー部には液滴が含まれる環状流となる。環状流の二相冷媒9が冷媒分配器14の外管2内に流入すると、液冷媒15は金網4に衝突し、上方向には進行せずに下部の枝管6に集中して液冷媒15は流出する。上部の枝管6には液冷媒15は流出しない。また、入口部を上下逆転した場合には、上部の枝管6に集中して液冷媒15が流出される。つまり、外管2内に円筒状に形成された金網4だけを挿入した場合は、液冷媒15は入口部に近い枝管6ばかりに集中して流出され、不均等な冷媒分配器となる。
次に、図6により比較例2の冷媒分配器17の冷媒流動状態について説明する。図6でも各枝管6から流出する液冷媒15の流出量16を矢印の長さで模式的に表現している。冷媒分配器17は、外管2と、下方に位置するものほど、径が小さくなるように配置した冷媒流出孔18a〜18jを有する内管3とを備えている。二相冷媒9は内管3の下部より流入する。内管3からは各冷媒流出孔18a〜18jより順次、二相冷媒9が流出される。しかしながら、二相冷媒9は枝管6に到達するまでに外管2の内壁に衝突し、外管2の下部に溜まる。このため、液冷媒15は枝管6の下部に集中して流出される。
また、冷媒循環量が大きい場合は、内管3の下部より流入した二相冷媒9が内管3の上部に衝突し、内管上部に設けられた冷媒流出孔より液冷媒15が多く流出されてしまう。つまり、外管2の内壁に衝突しなくとも、上部に設けられた枝管から液冷媒15が多く流出されてしまう。
このように、冷媒流出孔18a〜18jを下方に位置するものほど、径が小さくなるように配置しても、単純に内管3と外管2の二重管構造にした場合は、液冷媒15が上部もしくは下部ばかりに集中して流出され、不均等な冷媒分配器となる。
次に、図7により本実施の形態の冷媒分配器1の冷媒流動状態について説明する。図7でも各枝管6から流出する液冷媒15の流出量16を矢印の長さで模式的に表現している。二相冷媒9は内管3の下部より流入する。内管3からは各冷媒流出孔5a〜5jより順次、二相冷媒9が流出される。さらに、円筒状に形成されて外管2の内壁に挿入された金網4の表面張力効果で、液冷媒15は外管2の内壁に均一に保持され、各枝管6から均一に流出される。その結果、冷媒液流量を熱交換器7のそれぞれの流路毎に均等に流出させることができて、蒸発器の能力を最大限に発揮させることができる。
以上のように、流入した二相冷媒9を内管3の流出孔5a〜5jから流出させ、円筒状に形成されて外管2の内壁に挿入した金網4の表面張力効果で液冷媒15を均一に保持できるので、各枝管6より流出する二相冷媒を均一に分配することができ、蒸発器の能力を最大限に発揮することができ、延いてはこの冷媒分配器1を用いた熱交換器7を有するヒートポンプ装置の高効率な運転を実現することができる。
なお、内管3の冷媒流出孔5a〜5jは円形で構成することで、プレスやドリルなどにより容易に加工することが可能となり、加工コストを安価に抑えることができる。金網、発泡金属についても単純に円筒状に丸めて挿入すれば良いので製作が容易である。
実施の形態2.
図8は本発明の実施の形態2に係る冷媒分配器の構成を示す縦断面図であり、図中、前述の実施の形態1と同一部分には、同一符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態の冷媒分配器18は、内管3の内面に、螺旋溝19を形成して、内管3の流出孔5a〜5jから均一に液冷媒が流出されるようにした点が、実施の形態1のものと異なっている。それ以外の構成は前述の実施の形態1と同様である。
次に動作について説明する。二相冷媒9は、内管3の下部より流入し、内管3の螺旋溝19で攪拌されて環状流(管壁に液膜があり、気相のコアー部には液滴が含まれている)から、噴霧流(壁面上に連続した液膜がなく気相中に液滴が含まれる流れ)になる。噴霧流になった二相冷媒9は、内管3の各流出孔5a〜5jから均一に流出される。流出孔5a〜5jより流出した液冷媒は、外管2の内壁に挿入された金網4の表面張力効果で均一に保持され、各枝管6から均一に流出される。その結果、冷媒液流量を熱交換器7のそれぞれの流路毎に均等に流出させることができて、蒸発器の能力を最大限に発揮させることができ、延いてはこの冷媒分配器18を用いた熱交換器を有するヒートポンプ装置の高効率な運転を実現することができる。
実施の形態3.
図9は本発明の実施の形態3に係る冷媒分配器の構成を示す縦断面図であり、図中、前述の実施の形態1と同一部分には、同一符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態の冷媒分配器20は、内管3の冷媒流出孔21a〜21jを、内管上下方向中間に位置するものから上下方向に離れるに従って径が小さくなるように構成したものであり、それ以外の構成は前述の実施の形態1と同様である。
ここで、本実施の形態における各冷媒流出孔の具体的な寸法について説明する。冷媒流出孔21aはφ2mm、21bはφ2.7mm、21cはφ3.3mm、21dはφ4.3mm、21eはφ5mm、21fはφ5mm、21gはφ4.3mm、21hはφ3.3mm、21iはφ2.7mm、21jはφ2mmである。前述した寸法は一例であって、これに限定されるものでなく、上下方向中間位置から上下方向に離れるに従って冷媒流出孔を小さくすればよいものである。
次に動作について説明する。二相冷媒9は内管3の下部より流入する。重力の影響で上方向の慣性力は次第に小さくなり、液冷媒は下部の冷媒流出孔からたくさん流出しやすいが、本実施例では内管上下方向の中間位置から下方向に離れるに従って冷媒流出孔が小さくなっているので、液冷媒が下部に集中することがなくなって、液冷媒が各冷媒流出孔21a〜21jから均一に流出する。
また、二相冷媒9の循環量が大きい場合は、内管3の上部に衝突し、下方向に逆流する。そのため、上部の冷媒流出孔21a、21b、21cからの液冷媒流出量が大きくなるのを、上下方向中間位置から上方向に離れるに従って冷媒流出孔が小さくなっているので、液冷媒が上部に集中することがなくなって、液冷媒が各冷媒流出孔21a〜21jから均一に流出する。
このように、各冷媒流出孔21a〜21jより流出される液冷媒量が均一化される。冷媒流出孔21a〜21jより流出した液冷媒は外管2の内壁に挿入された金網4の表面張力効果で液冷媒が均一に保持され、各枝管6から均一に流出される。その結果、冷媒液流量を熱交換器7のそれぞれの流路毎に均等に流出させることができて、蒸発器の能力を最大限に発揮させることができ、延いてはこの冷媒分配器20を用いた熱交換器7を有するヒートポンプ装置の高効率な運転を実現することができる。
本発明の活用例として、二相冷媒を均等に分配することで熱交換性能を向上し、性能を向上することが必要なヒートポンプ装置の熱交換器に使用することができる。
1,18,20 冷媒分配器、2 外管、3 内管、4 金網、5a〜5j、21a〜21j 冷媒流出孔、6 枝管、7 熱交換器、8 ガス合流管、9 二相冷媒、10 出口ガス冷媒、14 比較例1の冷媒分配器、15 液冷媒、16 液冷媒の流出量、17 比較例2の冷媒分配器、18a〜18j 比較例2の冷媒流出孔、19 螺旋溝。

Claims (4)

  1. 冷媒を流すための複数の枝管が所定間隔で接続された外管と、
    複数の冷媒流出孔を有し、前記外管内に収容され、上方が閉塞し、下方より冷媒が流入する内管と、
    円筒状に形成され、前記外管と前記内管との間に挿入された金網もしくは発泡金属と、
    を備えることを特徴とする冷媒分配器。
  2. 前記内管は、内面に螺旋溝が形成されていることを特徴とする請求項1記載の冷媒分配器。
  3. 前記内管の複数の冷媒流出孔は、上下方向に沿って配置され、かつ上下方向の中間に位置する冷媒流出孔から上下方向に離れるに従って冷媒流出孔の径が小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項1記載の冷媒分配器。
  4. 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の冷媒分配器を用いた熱交換器を有するヒートポンプ装置。
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