JP2012021679A - 冷媒分配器、それを備えた熱交換器、及び、その熱交換器を搭載した空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】各流出管へ冷媒を均等に分配することができる冷媒分配器、それを備えた熱交換器、及び、その熱交換器を搭載した空気調和機を提供する。
【解決手段】内部が中空の充填塔１と、充填塔１において気液二相冷媒のうち液冷媒を、下方へ流下するに伴って充填塔１の水平断面の中心から外方向に広がるように分散させる充填材２と、充填塔１の上面からその内部に挿通し、充填塔１内部に気液二相冷媒を流入させる流入管３と、充填塔１の側面からその内部に挿通し、充填塔１の上部から下部にかけてその内部への差し込み長さが短くなるように配列されて設置され、充填塔１内の冷媒を流出させる複数の流出管４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器へ気液二相冷媒を均等に分配する冷媒分配器、それを備えた熱交換器、及び、その熱交換器を搭載した空気調和機に関する。

従来の熱交換器において、気液二相冷媒の各チャネル間での分配が偏ることによって、熱交換器内の熱伝達率が低下するため、流体入口マニホールド内に充填材を備えるものがある（例えば、特許文献１参照）。その熱交換器は、流体入口マニホールド、流体出口マニホールド、流体入口マニホールド及び流体出口マニホールドを連通するように構成された複数の熱伝達チャネル、並びに流体入口マニホールド内に位置する充填材を備えるものである。

特開２００８−５１６１８１号公報（請求項１、第５図）

しかしながら、特許文献１に係る熱交換器等のプレート型の従来の熱交換器は、各プレートが均等な熱負荷で熱交換するが、冷凍空調機器に使用される空気熱交換器では高さ方向及び幅方向に風速及び温度が異なるため、熱交換器の各冷媒流路で熱負荷が変化し、この場合、充填塔型の流体入口マニホールドに各流出管が単純に接続された構造では均一分配が実現できないという問題点があった。

また、毛細管を用いて各流出管への冷媒流量を調節することもできるが、冷媒の圧力損失が大きくなり、直列に接続される膨張弁の必要な開口面積が増加、すなわち、膨張弁が大型化し、装置全体のコストが増大するという問題点もあった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、各流出管へ冷媒を均等に分配することができる冷媒分配器、それを備えた熱交換器、及び、その熱交換器を搭載した空気調和機を提供することを目的とする。

本発明に係る冷媒分配器は、内部が中空の充填塔と、該充填塔内部に充填され、前記充填塔において気液二相冷媒のうち液冷媒を、下方へ流下するに伴って前記充填塔の水平断面の中心から外方向に広がるように分散させる充填材と、前記充填塔の上面からその内部に挿通し、前記充填塔内部に気液二相冷媒を流入させる流入管と、前記充填塔の側面からその内部に挿通し、前記充填塔の上部から下部にかけてその内部への差し込み長さが短くなるように配列されて設置され、前記充填塔内の冷媒を流出させる複数の流出管と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、充填塔に充填された充填材によって気液二相冷媒が充填塔の下方へ流下するに伴って径方向に均等に分散され、各流出管への液冷媒の流入を均等に分配することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷媒分配器５０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５０における気液二相冷媒の流れを説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る冷媒分配器５０の流出管４の形態図である。 本発明の実施の形態１に係る冷媒分配器５０が搭載された熱交換器１０の構成図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和機における冷凍サイクルの構成図である。 本発明の実施の形態２に係る冷媒分配器５０ａの構成図である。 本発明の実施の形態２に係る冷媒分配器５０ａにおける分散板５の構成図である。

実施の形態１．
（冷媒分配器５０の構成の概要）
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷媒分配器５０の構成図である。
図１で示される冷媒分配器５０は、主に空気調和機等に用いられる熱交換器に備えられるものであり、本実施の形態においては、空気調和機に搭載される熱交換器に備えられる例を示す。図１で示されるように、本実施の形態に係る冷媒分配器５０は、少なくとも、内部が中空となっている充填塔１、その充填塔１内部に充填されている充填材２、充填塔１の上面からその内部に挿通され、冷媒を充填塔１内部に送り込み、あるいは、送り出す流入管３、及び、充填塔１の側面からその内部に挿通され、上下方向に配列された複数の流出管４によって構成されている。

充填塔１は、例えば、銅製のパイプ（例えば、直径１９［ｍｍ］）で構成され、その底部が閉塞され、また、上部から前述のように流入管３が挿通されている。
なお、充填塔１は、上記のような構成に限定されるものではなく、例えば、流入管３を銅管の絞り構造で形成された上部キャップと、銅管（例えば、直径１９［ｍｍ］）と、底部となる下部キャップとから構成され、この上部キャップ及び下部キャップを銅管にろう付接続される構成としてもよい。このような構成によって、図１で示される冷媒分配器５０と同等の機能を有する冷媒分配器を簡易に構成することができ、製造コストを削減することができる。

充填材２は、液分散性が良好であり、そのメッシュ径によって網目部の表面張力が調整できる鞍型のマクマホンパッキングである。マクマホンパッキングは、その代表的なものは図１で示されるように長さＬが１０［ｍｍ］以下（例えば、Ｌ＝３［ｍｍ］）であり、充填塔１の水平断面の直径方向に複数個（例えば、５個程度）存在するように、かつ、不規則型に、すなわち、充填時に方向がランダムとなるように配置されている。これによって、気液二相冷媒の充填塔１の断面方向の液分散性を確保することができる。
なお、充填材２としてマクマホンパッキングとしたが、これに限定されるものではなく、気液二相冷媒の充填塔１の断面方向の液分散性を有する異なる充填材を適用するものとしてもよい。

（充填塔１における気液二相冷媒の流れ）
図２は、本発明の実施の形態１に係る冷媒分配器５０における気液二相冷媒の流れを説明する図である。図２を参照しながら、冷媒分配器５０における気液二相冷媒の流れについて説明する。

ガス冷媒と液冷媒とからなる気液二相冷媒が、流入管３を流通して、充填塔１の上方からその内部に流入し、気液二相冷媒のうち液冷媒は、充填材２の液分散効果によって、充填塔１の水平断面の中心から外方向（以下、単に「径方向」という）に向かって分散する。充填塔１が、空塔であるとした場合、液冷媒は重力で下方に落下するが、本実施の形態に係る冷媒分配器５０の充填塔１においては、マクマホンパッキングである充填材２の表面張力を利用して径方向に均等に分散させることができる。分散された液冷媒は、ガス冷媒と共に気液二相冷媒として複数の流出管４へ流入し、後述する熱交換器１０へ供給される。ここで、充填塔１内部へ冷媒を上方から流入させる理由は、液冷媒の分配に対する重力の影響が大きくなる低流量時に、液冷媒が充填塔１の底部へ滞留するのを防止できるためである。本実施の形態に係る冷媒分配器５０においては、重力の影響を小さくするために、マクマホンパッキングである充填材２の鞍型形状による径方向への液分散力、及び充填材２のメッシュ形状による表面張力を活用しており、図２（ａ）で示されるように、液膜が充填塔１の下方へ流下するに従って径方向への分散度合いが大きくなる。これに対し、図２（ｂ）で示されるように、充填塔１に対する充填材として金網又は焼結金属等の規則型充填材を用いる場合、液滴又は液膜が径方向に分散されずに、底部に達してしまう。

（流出管４の構成）
図３は、本発明の実施の形態１に係る冷媒分配器５０の流出管４の形態図である。以下、図１及び図３を参照しながら、冷媒分配器５０の流出管４の形態について説明する。

図１及び図３で示されるように、複数の流出管４は、充填塔１の側面からその内部への先端の差し込み長さが高さ方向に変化するように設置されている。具体的には、充填塔１の上部から下部にかけて、差し込み長さが短くなるように設置されている。これによって、充填塔１の高さ方向の液冷媒の広がり方（分散度合い）に対応して、各流出管４への液冷媒の流入を均等に分配することができる。

また、図３で示されるように、充填塔１の内部に差し込まれた複数の流出管４の充填塔１内部における先端開口部は、斜めに切断されている。さらに、その切断面について流出管４の周方向角度が、充填塔１の高さ方向の設置されている位置に応じて、調整可能なように設置されている。このように、複数の流出管４の斜めに切断された切断面の流出管４の周方向角度を調整することによって、後述する熱交換器１０の高さ方向又は幅方向への吸い込み空気の温度又は風速が異なる場合においても、所望の液冷媒の流入量を各流出管４へ分配することができ、熱負荷に応じた分配が可能となる。また、冷媒分配器５０を充填塔型構造としたことによって、内部にオリフィスを有する従来のディストリビューター等と比較して圧力損失が低減し、装置全体について低コスト化を図ることができる。

なお、図３で示されるように、必ずしもすべての流出管４について、その先端開口部が斜めに切断されていることに限定されるものではなく、その一部が斜めに切断されている構成としてもよい。
また、前述のように流出管４は、その周方向角度が調整可能なように設置されているが、すべての流出管４について調整可能となっていることに限定されるものではなく、その一部が調整可能となっている構成としてもよい。

（熱交換器１０の構成）
図４は、本発明の実施の形態１に係る冷媒分配器５０が搭載された熱交換器１０の構成図である。図４は、この熱交換器１０が蒸発器として動作する例を示している。
図４で示されるような、熱交換器１０が備える気液二相冷媒が流入する側の充填塔１、流入管３及び流出管４の構成は、図１で示される構成と同様である。また、熱交換器１０は、少なくとも、複数の流出管４が挿通されることによって冷媒が流入し、冷媒と外部の空気等との熱交換が実施される熱交換部９、その熱交換部９から冷媒を流出するための複数の流出管６、その流出管６を介して冷媒が流入するヘッダー７、及び、そのヘッダー７の上面からその内部に挿通され、ヘッダー７から冷媒を送り出し、あるいは、送り込むガス管８を備えている。以上の熱交換器１０の構成において、各流出管４に分配される液冷媒の流入量は、熱交換器１０の高さ方向又は幅方向への吸い込み空気の風速分布又は温度分布に応じて決定される。

（冷凍サイクルの構成）
図５は、本発明の実施の形態１に係る空気調和機における冷凍サイクルの構成図である。
本実施の形態に係る空気調和機は、室外機１００及び室内機１０１を備えており、図５で示されるように、冷凍サイクルは室外機１００及び室内機１０１において構成されている。

室外機１００は、少なくとも、圧縮機１１、四方弁１２、室外熱交換器１３及び膨張弁１４、並びに、これらを接続する冷媒配管によって構成されている。そして、室内機１０１は、少なくとも、室内熱交換器１５、並びに、この室内熱交換器１５から後述するガス延長配管１６及び液延長配管１７へ接続される冷媒配管によって構成されている。これらの室外機１００及び室内機１０１は、冷媒配管であるガス延長配管１６及び液延長配管１７によって接続されている。

図５で示されるように、本実施の形態に係る空気調和機の冷凍サイクルは、圧縮機１１、四方弁１２、室外熱交換器１３、膨張弁１４、液延長配管１７、室内熱交換器１５、ガス延長配管１６、四方弁１２、そして、再び圧縮機１１という順で冷媒配管によって接続された構成を備えている。ここで、室外熱交換器１３として、図４で示される熱交換器１０を適用しており、四方弁１２から、図４において前述したガス管８に接続され、そして、流入管３から膨張弁１４へ接続されている。

（冷凍サイクルの動作）
次に、図５を参照しながら本実施の形態に係る空気調和機の冷凍サイクル動作について説明する。

まず、冷房運転について説明する。この場合、四方弁１２は、予め、実線で示される流路に切り替えられているものとする。圧縮機１１によって圧縮され吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁１２を経由して、ガス管８を介して室外熱交換器１３へ流入する。この室外熱交換器１３へ流入したガス冷媒は、外部の空気と熱交換が実施されて凝縮し、流入管３を介して流出する。室外熱交換器１３から流出した冷媒は、膨張弁１４に流れ込み、この膨張弁１４によって膨張されて減圧し、低温低圧の気液二相冷媒となる。この気液二相冷媒は、室外機１００から液延長配管１７を介して流出し、室内機１０１の室内熱交換器１５へ流入する。この室内熱交換器１５へ流入した気液二相冷媒は、室内空気と熱交換が実施されて気化し、低温低圧のガス冷媒となって室内熱交換器１５から流出する。この室内熱交換器１５から流出したガス冷媒は、室内機１０１からガス延長配管１６を介して流出し、室外機１００の四方弁１２を経由して、圧縮機１１へ流入し、再び圧縮される。以上の動作が繰り返される。

ここで、室内熱交換器１５における図示しない気液二相冷媒の分配は、例えば、一般に用いられているオリフィスが内蔵されたディストリビューターと毛細管との組み合わせによって適正な分配が実現されている。

次に、暖房運転について説明する。この場合、四方弁１２は、予め、点線で示される流路に切り替えられているものとする。圧縮機１１によって圧縮され吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁１２を経由して、室外機１００からガス延長配管１６を介して流出し、室内機１０１の室内熱交換器１５へ流入する。この室内熱交換器１５へ流入したガス冷媒は、室内空気と熱交換が実施され凝縮し、室内熱交換器１５から流出する。室内熱交換器１５から流出した冷媒は、室内機１０１から液延長配管１７を介して流出し、室外機１００の膨張弁１４へ流れ込み、この膨張弁１４によって膨張されて減圧し、低温低圧の気液二相冷媒となる。この気液二相冷媒は、流入管３を介して室外熱交換器１３へ流入する。この室外熱交換器１３へ流入した気液二相冷媒は、外部の空気と熱交換が実施されて気化して低温低圧のガス冷媒となり、ガス管８を介して室外熱交換器１３から流出する。この室外熱交換器１３から流出したガス冷媒は、四方弁１２を経由して、圧縮機１１へ流入し、再び圧縮される。以上の動作が繰り返される。

この暖房運転時（すなわち、室外熱交換器１３が蒸発器として機能する場合）において、図４で示される熱交換器１０である室外熱交換器１３は、その高さ方向又は幅方向への吸い込み空気の温度又は風速が異なる場合においても、熱負荷に応じて、複数の流出管４に適正に分配することができ、室外熱交換器１３の伝熱面積を有効に利用することができるため、冷凍サイクルの効率が向上する。

（実施の形態１の効果）
以上のような図１で示される構成の冷媒分配器５０のように、充填塔１にマクマホンパッキングである充填材２を充填させることによって、気液二相冷媒の断面方向（径方向）の均等な液分散性を確保でき、その液膜が充填塔１の下方へ流下するに従って径方向への分散度合いが大きくなることになる。

また、複数の流出管４は、充填塔１の上部から下部にかけて、差し込み長さが短くなるように設置されており、さらに、上記のように、気液二相冷媒が充填塔１の下方へ流下するに伴って径方向に均等に分散されるので、各流出管４への液冷媒の流入を均等に分配することができる。

また、充填塔１の内部に差し込まれた複数の流出管４の充填塔１内部における先端開口部が斜めに切断され、かつ、周方向角度が調整可能なように設置されていることによって、熱交換器１０の高さ方向又は幅方向への吸い込み空気の温度分布又は風速分布が異なる場合においても、所望の液冷媒の流入量を各流出管４へ分配することができ、熱負荷に応じた分配が可能となる。

また、冷媒分配器５０を充填塔型構造としたことによって、毛細管のような絞り機構がなく、内部にオリフィスを有する従来のディストリビューター等と比較して圧力損失が低減し、膨張弁１４を小型化でき、装置全体について低コスト化を図ることができる。

そして、熱交換器１０を蒸発器として空気調和機に適用することによって、その高さ方向又は幅方向への吸い込み空気の温度又は風速分布が異なる場合においても、熱負荷に応じて、複数の流出管４に適正に分配することができ、熱交換器１０の伝熱面積を有効に利用することができるため、冷凍サイクルの効率を向上させた空気調和機を得ることができる。

なお、図１で示されるように、複数の流出管４は、充填塔１の上部から下部にかけて、差し込み長さが長くなるように設置するものとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、熱交換器１０の高さ方向又は幅方向への吸い込み空気の温度分布又は風速分布等が既知である場合等に、それに対応するように各差し込み長さを調整することによって流入する液冷媒を調整するものとしてもよい。

実施の形態２．
本実施の形態に係る冷媒分配器について、実施の形態１に係る冷媒分配器５０の構成及び動作と相違する点を中心に説明する。

（冷媒分配器５０ａの構成の概要）
図６は、本発明の実施の形態２に係る冷媒分配器５０ａの構成図であり、図７は、同冷媒分配器５０ａにおける分散板５の構成図である。
図６で示されるように、本実施の形態に係る冷媒分配器５０ａは、少なくとも、内部が中空となっている充填塔１、その充填塔１内部に充填されている充填材２、充填塔１の上面からその内部に挿通され、冷媒を充填塔１内部に送り込み、あるいは、送り出す流入管３、充填塔１の側面からその内部に挿通され、上下方向に配列された複数の流出管４ａ、及び、充填塔１の内部において高さ方向に一定間隔に設置され、その内部を仕切る複数の分散板５によって構成されている。

分散板５は、図７で示されるように、中心部に複数の開口部５ａ（例えば、図７においては４個）を有し、これによって、充填塔１の内壁面に沿って流下しようとする液冷媒を中心に寄せ集め、この開口部５ａを通過した部分から均一に液冷媒を再分散させる働きをする。このように、分散板５を充填塔１の高さ方向に一定期間で設置することによって、気液二相冷媒のうち液冷媒が充填塔１の内壁面に沿って偏流するのを抑制することができ、径方向の均一な液分散性を確保することができる。
なお、図７で示される分散板５は、その中心部に４つの開口部５ａを有する構成としているが、これに限定されるものではなく、均一に分散させることができる場合であればどのような形状及び数でもよく、また、開口部５ａが必ずしも分散板５の中心部に設けられることが要されるものでもない。

（実施の形態２の効果）
以上のような構成のように、分散板５を充填塔１の高さ方向に一定期間で設置することによって、気液二相冷媒のうち液冷媒が充填塔１の内壁面に沿って偏流するのを抑制することができ、径方向の均一な液分散性を確保することができる。
なお、上記のように分散板５を充填塔１の高さ方向に一定間隔で設置するものとしているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、一定間隔ではなくても上記の効果を得ることはできる。

また、分散板５に設けた開口部５ａの穴径又は穴数によって開口率を調整することができるので、液冷媒の径方向の液分散性を調整することができる。

なお、分散板５を充填塔１の高さ方向に一定間隔に複数設置するものとしているが、これに限定されるものではなく、例えば、充填塔１の内部に１つの分散板５が設置される構成としてよい。

また、充填塔１の内部における分散板５によって仕切られて形成される個々の空間（以下、「仕切り空間」という）において、実施の形態１と同様に、複数の流出管４ａは、各仕切り空間の上部から下部にかけて、差し込み長さが短くなるように設置されているものとしてもよい。これによって、各仕切り空間の高さ方向の液冷媒の広がり方（分散度合い）に対応して、各流出管４ａへの液冷媒の流入を均等に分配することができる。

また、実施の形態１のように、充填塔１の内部に差し込まれた複数の流出管４ａの充填塔１内部における先端開口部を、斜めに切断するものとし、その切断面について流出管４ａの周方向角度が、調整可能なように設置される構成としてもよい。これによって、冷媒分配器５０ａが搭載される熱交換器の高さ方向又は幅方向への吸い込み空気の温度又は風速が異なる場合においても、所望の液冷媒の流入量を各流出管４ａへ分配することができ、熱負荷に応じた分配が可能となる。

１ 充填塔、２ 充填材、３ 流入管、４、４ａ、６ 流出管、５ 分散板、５ａ 開口部、７ ヘッダー、８ ガス管、９ 熱交換部、１０ 熱交換器、１１ 圧縮機、１２ 四方弁、１３ 室外熱交換器、１４ 膨張弁、１５ 室内熱交換器、１６ ガス延長配管、１７ 液延長配管、５０、５０ａ 冷媒分配器、１００ 室外機、１０１ 室内機。

Claims (8)

1. 内部が中空の充填塔と、
   該充填塔内部に充填され、前記充填塔において気液二相冷媒のうち液冷媒を、前記充填塔の水平断面の中心から外方向に広がるように分散させ、前記液冷媒が下方へ流下するに従ってその分散度合いを大きくする充填材と、
   前記充填塔の上面からその内部に挿通し、前記充填塔内部に気液二相冷媒を流入させる流入管と、
   前記充填塔の側面からその内部に挿通し、前記充填塔の上部から下部にかけて配列されて設置され、前記充填塔内の冷媒を流出させる複数の流出管と、
   を備えた
   ことを特徴とする冷媒分配器。
2. 複数の前記流出管は、前記充填塔の上部から下部にかけてその内部への差し込み長さが短くなるように配列されて設置された
   ことを特徴とする請求項１記載の冷媒分配器。
3. 内部が中空の充填塔と、
   該充填塔内部に充填され、前記充填塔において気液二相冷媒のうち液冷媒を、前記充填塔の水平断面の中心から外方向に広がるように分散させる充填材と、
   前記充填塔の上面からその内部に挿通し、前記充填塔内部に気液二相冷媒を流入させる流入管と、
   前記充填塔の側面からその内部に挿通し、前記充填塔の上部から下部にかけて配列されて設置され、前記充填塔内の冷媒を流出させる複数の流出管と、
   １つ以上の開口部を有し、前記充填塔の上下方向に仕切り空間を形成するために仕切る１つ以上の分散板と、
   を備え、
   前記充填材は、前記仕切り空間において気液二相冷媒のうち液冷媒を、下方へ流下するに従って分散度合いを大きくする
   ことを特徴とする冷媒分配器。
4. 複数の前記流出管は、前記各仕切り空間の上部から下部にかけてその内部への差し込み長さが短くなるように配列されて設置された
   ことを特徴とする請求項３記載の冷媒分配器。
5. 前記充填材は、前記充填塔内部において、その方向がランダムとなるように充填されたマクマホンパッキングである
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の冷媒分配器。
6. 複数の前記流出管のうち少なくとも一部が、前記充填塔に挿通された先端部が斜めに切断され、かつ、その周方向に位置調整可能なように設置された
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の冷媒分配器。
7. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載の冷媒分配器を備えた
   ことを特徴とする熱交換器。
8. 請求項７記載の熱交換器を搭載した
   ことを特徴とする空気調和機。

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