JP2013185757A - 冷媒分配器およびヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒の均等分配性を向上することができる冷媒分配器およびこれを用いたヒートポンプ装置を得る。
【解決手段】一対の板状部材を互いに対向させ、該一対の板状部材の間を複数の隔壁４によって区分して複数の冷媒流路を形成した分配器本体と、一方の板状部材に形成され、複数の冷媒流路が連通する冷媒流入口５と、分配器本体の側面に形成され、各冷媒流路とそれぞれ連通する複数の伝熱管接続口６とを備え、複数の隔壁４の端部を、冷媒流入口５の周囲に均等に配置したものである。
【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ものである。

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、コストが低減でき、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。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、冷媒の均等分配性を向上することができる冷媒分配器およびこれを用いたヒートポンプ装置を得るものである。

本発明に係る冷媒分配器は、並列に配置された複数の伝熱管と接続され、流入した冷媒を前記複数の伝熱管に分配する冷媒分配器であって、一対の板状部材を互いに対向させ、該一対の板状部材の間を複数の隔壁によって区分して複数の冷媒流路を形成した分配器本体と、一方の前記板状部材に形成され、前記複数の冷媒流路が連通する冷媒流入口と、前記分配器本体の側面に形成され、前記各冷媒流路とそれぞれ連通する複数の伝熱管接続口と、を備え、前記複数の隔壁の端部を、前記冷媒流入口の周囲に均等に配置したものである。

本発明は、複数の隔壁の端部を冷媒流入口の周囲に均等に配置したので、冷媒の均等分配性を向上することができる。

本発明の実施の形態１を示す冷媒分配器の全体図である。 本発明の実施の形態１を示す冷媒分配器の構成図である。 本発明の実施の形態１を示す冷媒分配器のＣ−Ｃ断面図と構成法の説明図である。 本発明の実施の形態１を示す空気調和機の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１を示す冷媒分配器の流入口の気液二相流の現象説明図である。 本発明の実施の形態１を示す冷媒分配器の流入口の衝突液の変形例である。 本発明の実施の形態１を示す冷媒分配器の他の構成例を示す全体図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示す冷媒分配器の全体図である。
図１において、熱交換器１は、並列に複数配置されたアルミニウム製の伝熱管２と、間隔を空けて複数配列されたアルミニウム製のフィンとで構成されるフィンアンドチューブ型熱交換器である。この熱交換器１は、ロウ付け接合でアルミニウム製の伝熱管２とフィンとが接合される。冷媒分配器３は、熱交換器１の各伝熱管２の端部と接続され、冷媒流入口５から流入した冷媒を、隔壁４により区分した複数の冷媒流路を介して、熱交換器１の各伝熱管２に分配するものである。なお、伝熱管２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。

図２は、本発明の実施の形態１を示す冷媒分配器の構成図である。
図３は、本発明の実施の形態１を示す冷媒分配器のＣ−Ｃ断面図と構成法の説明図である。
図２、図３に示すように、冷媒分配器３は、平板状の上蓋３−１および下蓋３−２を互いに対向させて組み合わせることで構成されている。上蓋３−１および下蓋３−２には、上蓋３−１と下蓋３−２との間を複数の冷媒流路に区分する複数の隔壁４が形成されている。上蓋３−１と下蓋３−２とを組み合わせることで、上蓋３−１に形成された隔壁４−１と、下蓋３−２に形成された隔壁４−２とが合わさり冷媒流路が形成される。なお、上蓋３−１または下蓋３−２の何れかにのみ隔壁４を形成するようにしても良い。なお、上蓋３−１および下蓋３−２は、本発明における「一対の板状部材」に相当する。

上蓋３−１の正面（下蓋３−２との対向面）には、隔壁４に区分された複数の冷媒流路の全てと連通する円形の冷媒流入口５が設けられている。そして、複数の隔壁４の端部を、冷媒流入口５の周囲に均等に配置している。即ち、冷媒流入口５の円周において、隣接する隔壁４間の間隔が均等になるように隔壁４の端部を配置している。
また、冷媒分配器３の側面には、熱交換器１の各伝熱管２が接続される複数の伝熱管接続口６が形成されている。この伝熱管接続口６は、隔壁４に区分された各冷媒流路とそれぞれ連通する。
冷媒分配器３は、アルミニウムにより形成されており、ロウ付け接合で上蓋３−１と下蓋３−２とが接合される。また同様に、ロウ付け接合でアルミニウム製の伝熱管２と伝熱管接続口６とが接合される。

このような構成により、冷媒流入口５で複数の冷媒流路に均等に分配された各冷媒が、冷媒分配器３内で再び混じり合うことはなく、均等に熱交換器１の各伝熱管２に流出される。
また、複数の隔壁４を、冷媒流入口５から伝熱管接続口６に向かって渦巻き状に形成している。このような構成により、隔壁４により区分された複数の冷媒流路の流動抵抗を低減させることができる。

次に、上記のような冷媒分配器３を用いた熱交換器１を有するヒートポンプ装置の一例を説明する。

図４は、本発明の実施の形態１を示す空気調和機の構成を示す図である。
図４に示すように、ヒートポンプ装置としての空気調和機は、圧縮機１０と、四方弁１１と、室外機に搭載された室外側熱交換器１２と、膨張手段である膨張弁１３と、室内機に搭載された室内側熱交換器１４とが順次冷媒配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路を備えている。
四方弁１１は、冷媒回路内の冷媒の流れる方向を切り替えることで、暖房運転、冷房運転の切り替えを行う。なお、冷房専用または暖房専用の空気調和機とする場合には四方弁１１を省略しても良い。
室外側熱交換器１２は、上述した冷媒分配器３を用いた熱交換器１に相当するものであり、冷房運転時には、冷媒の熱により空気等を加熱する凝縮器として機能し、暖房運転時には、冷媒を蒸発させその際の気化熱により空気等を冷却する蒸発器として機能する。
室内側熱交換器１４は、上述した冷媒分配器３を用いた熱交換器１に相当するものであり、冷房運転時には冷媒の蒸発器として機能し、暖房運転時には冷媒の凝縮器として機能する。
圧縮機１０は、蒸発器から排出された冷媒を圧縮し、高温にして凝縮器に供給する。
膨張弁１３は、凝縮器から排出された冷媒を膨張させ、低温にして蒸発器に供給する。

冷媒を分配する冷媒分配器３には均等分配性が求められている。特に、熱交換器１を蒸発器として使用する際には、流入する冷媒は気液二相流状態となり、熱交換器１の各伝熱管に均等に分配することが難しい。
また近年、熱交換器１の高性能化として、伝熱管の管径が小さくなり、管内側圧損が大きくなり、各伝熱管に分配する数（パス数）が多くなり、さらに分配性が崩れるので、分配器には均等分配性が強く求められる。

そこで、本発明の実施の形態１における冷媒分配器３は、冷媒流入口５に流入する冷媒二相流が、環状流または噴霧流状態となるように、冷媒流入口５の大きさ（内径）を設定している。
例えば、冷媒がＲ４１０Ａの場合、循環量Ｇｒ＝１００ｋｇ／ｈ、であれば、内径φ８ｍｍ以内であれば環状流状態になる。環状流状態であれば、二相流の液膜は管内壁に円状となり、内側にガスが流れる状態となる。

なお、冷媒二相流の流動状態である環状流と噴霧流は、冷媒の循環量、乾き度（ガス冷媒の質量流量比）、冷媒流入口５の内径をパラメータとして、二相流の流動様式線図であるベーカー線図から二相流の流動状態を判断することができる。
なお、本実施の形態においては、環状流または噴霧流状態となるように、冷媒流入口５の大きさ（内径）を設定する場合を説明したが、これに限らず、環状流または噴霧流状態となるように、冷媒の循環量と乾き度を設定するようにしても良い。例えば、冷媒の循環量、乾き度（ガス冷媒の質量流量比）、冷媒流入口５の内径をパラメータとして、所望の流動状態となるように、圧縮機１０と膨張弁１３を制御してもよい。

図５は、本発明の実施の形態１を示す冷媒分配器の流入口の気液二相流の現象説明図である。図５（ａ）は、冷媒流入口５を側面からみた断面図であり、図５（ｂ）は、冷媒流入口５を正面からみた模式図である。
図５に示すように、冷媒流入口５から流入した冷媒は、冷媒流入口５との対向面となる下蓋３−２の冷媒衝突壁Ｄに衝突する。上述したような環状流状態の場合には、二相流の液膜は管内壁に円状となり、内側にガスが流れる状態となり冷媒衝突壁Ｄに衝突する。冷媒流入口５の円周に均等に隔壁４の端部がそれぞれ形成されているので、二相流の液が冷媒衝突壁Ｄに衝突すると、隔壁４で形成された複数の冷媒流路に分配され、その隔壁４で形成された冷媒流路を通り、熱交換器１の伝熱管２に流出される。
このように、冷媒が均等分配された場合、熱交換器１の各パスの乾き状態が一定となり、本実施の形態における冷媒分配器３を用いた熱交換器１の熱交換性能は損失することはない。仮に、不均等分配された場合、熱交換器１の各パスの乾き状態がバラバラとなり、熱交換性能を有効に発揮することができない。

次に、冷媒流入口５との対向面となる下蓋３−２の冷媒衝突壁Ｄの形状について説明する。
図６は、本発明の実施の形態１を示す冷媒分配器の流入口の衝突液の変形例である。
図６に示すように、冷媒流入口５との対向面である冷媒衝突壁Ｄを、凹状、凸状、または球状に窪ませるようにしても良い。
衝突面の形を凹状に窪ませることにより、衝突後の冷媒がより攪拌され噴霧流化されるので、均等分配性が増す。また衝突面の形を凸状または球状にすることにより、冷媒は衝突しないで各冷媒流路に流入され、圧力損失が低減する。

次に、本実施の形態における冷媒分配器３を熱交換器１に取り付ける製造手順について説明する。
本実施の形態においては、冷媒分配器３（上蓋３−１および下蓋３−２）はアルミニウムにより形成されている。このようにオールアルミニウム製にすることにより、アルミニウム製のフィンとアルミニウム製の伝熱管２のロウ付け時に、同時に冷媒分配器３と伝熱管２とのロウ付けも可能となり、製造効率が向上する。

アルミニウム製の伝熱管２とフィンは炉中で接合される。炉内はアルミロウ材の融点の６００℃付近に温度調整が容易であり、トーチロウ付け法に比べて温度調整が容易である。そのため、本実施の形態における冷媒分配器３の上蓋３−１および下蓋３−２を、伝熱管２に沿うようにはめ込んだ状態とし、さらに、上蓋３−１と下蓋３−２の接合面にはロウ材のブレージングシートを間にはめ込む。

こうすることで、アルミニウム製のフィンと伝熱管２とを炉中ロウ付けするときに、合わせて冷媒分配器３も一緒にロウ付けできるので、製造効率が向上する。
アルミニウム製のフィン、伝熱管２、および冷媒分配器３は、熱容量差が小さいので同時にロウ付け可能である。このように、アルミニウム製のフィンと伝熱管２のロウ付けの後に、冷媒分配器３をトーチロウ付けすることに比べて飛躍的に製造効率が向上する。
また、ディストリビューターとキャピラリーチューブを設置する方式に比べてコンパクトに設置することができる。

以上のように本実施の形態においては、平板状の上蓋３−１と下蓋３−２との間を複数の隔壁４によって区分して複数の冷媒流路を形成し、複数の隔壁４の端部を、冷媒流入口５の周囲に均等に配置した。このため、熱交換器１の各伝熱管２への均等分配性を向上することができる。
また、複数の隔壁４を冷媒流入口５から伝熱管接続口６に向かって渦巻き状に形成したので、冷媒流路の流動抵抗を低減させることができる。
また、冷媒分配器３内には隔壁４により複数の冷媒流路が形成されているので、冷媒衝突壁Ｄで均等に分配された各冷媒が冷媒分配器３内で再び混じり合うことはなく、均等に熱交換器１の各伝熱管２に流出される。
また、冷媒衝突壁Ｄの形を凹状に窪ませることにより、衝突後の冷媒がより攪拌され噴霧流化されるので、均等分配性を向上することができる。また冷媒衝突壁Ｄの形を凸状または球状にすることにより、冷媒は衝突しないで各流路に流入され、圧力損失が低減することができる。

また、冷媒分配器３をアルミニウムにより形成することで、熱交換器１のアルミニウム製のフィンと伝熱管２のロウ付け時に、同時に、冷媒分配器３と伝熱管２とのロウ付けも可能となり、製造効率を向上させることができる。
また、冷媒分配器３は、平板状の上蓋３−１および下蓋３−２を互いに対向させて組み合わせることで構成されているので、ディストリビューターとキャピラリーチューブを設置する方式に比べてコンパクトに設置することができる。

なお、本実施の形態では、複数の隔壁４を渦巻き状に形成した場合を説明したが、本発明はこれに限るものではない。隔壁４の形状を変更して、冷媒分配器３内に形成される各流路の抵抗を変化させて、熱交換器１の各パスの熱負荷に合わせた分流比に調節することも可能である。例えば図７に示すように、冷媒流入口５を、冷媒分配器３の側面のうち伝熱管接続口６を形成しない側面に設け、各隔壁４を直線状に形成してもよい。

本発明の活用例として、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 熱交換器、２ 伝熱管、３ 冷媒分配器、３−１ 上蓋、３−２ 下蓋、４ 隔壁、５ 冷媒流入口、６ 伝熱管接続口、１０ 圧縮機、１１ 四方弁、１２ 室外側熱交換器、１３ 膨張弁、１４ 室内側熱交換器、Ｄ 冷媒衝突壁。

Claims (6)

1. 並列に配置された複数の伝熱管と接続され、流入した冷媒を前記複数の伝熱管に分配する冷媒分配器であって、
   一対の板状部材を互いに対向させ、該一対の板状部材の間を複数の隔壁によって区分して複数の冷媒流路を形成した分配器本体と、
   一方の前記板状部材に形成され、前記複数の冷媒流路が連通する冷媒流入口と、
   前記分配器本体の側面に形成され、前記各冷媒流路とそれぞれ連通する複数の伝熱管接続口と、
   を備え、
   前記複数の隔壁の端部を、前記冷媒流入口の周囲に均等に配置した
   ことを特徴とする冷媒分配器。
2. 前記複数の隔壁を、前記冷媒流入口から前記伝熱管接続口に向かって渦巻き状に形成した
   ことを特徴とする請求項１記載の冷媒分配器。
3. 前記板状部材における前記冷媒流入口との対向面である冷媒衝突壁を、凹状、凸状、または球状に窪ませた
   ことを特徴とする請求項１または２記載の冷媒分配器。
4. 前記一対の板状部材は、アルミニウムにより形成された
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の冷媒分配器。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の冷媒分配器を用いた熱交換器を有する
   ことを特徴とするヒートポンプ装置。
6. 圧縮機、凝縮器、膨張手段、および蒸発器を順次配管で接続し冷媒を循環させる冷媒回路を備え、
   前記熱交換器を前記蒸発器として用い、
   前記冷媒分配器の前記冷媒流入口に流入する冷媒が、環状流または噴霧状流となるように、前記冷媒流入口の大きさを設定した
   ことを特徴とする請求項５記載のヒートポンプ装置。

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