JP2017032244A

JP2017032244A - 冷凍サイクル装置

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Publication number: JP2017032244A
Application number: JP2015154992A
Authority: JP
Inventors: 桂子金川; Keiko Kanekawa; 崇史畠田; Takashi Hatada; 信哉小牟禮; Shinya Komure
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2015-08-05
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2035-08-05
Also published as: JP6523858B2

Abstract

【課題】下部ヘッダーに流れ込む二層流の冷媒を枝管へ均一、あるいは均等に分配して伝熱効率を向上可能な冷凍サイクル装置を提案する。
【解決手段】冷凍サイクル装置１は、上部ヘッダー３２と、上部ヘッダー３２よりも下方に配置される下部ヘッダー３３と、上部ヘッダー３２と下部ヘッダー３３とを接続する複数の枝管３５と、隣接する複数の枝管３５の間に設けられるフィン３６と、下部ヘッダー３３内に設けられる内管３７とを含んでいる。内管３７は、管壁４６の上半側に設けられる上冷媒調整孔４７と、管壁４６の下半側に設けられる下冷媒調整孔４８と、を有している。
【選択図】図４

Description

本発明に係る実施形態は、冷凍サイクル装置に関する。

パラレルフロー型熱交換器を備える冷凍サイクル装置が知られている。

従来のパラレルフロー型熱交換器は、下ヘッダーから複数の枝管に流入する冷媒の分流状態を改善するために、下ヘッダーへの冷媒入口と上部ヘッダーからの冷媒出口の位置関係を対角位置にすることで枝管を経由して上部ヘッダーへ向かう冷媒の流れを均一化、あるいは均等化する。

特開２００４−１７７０４１号公報

ところで、熱交換器内の冷媒は、気相と液相とを含む二層流になっており、下ヘッダーへの冷媒入口と上部ヘッダーからの冷媒出口の位置関係を対角位置にすることだけでは、冷媒を複数の枝管へ均一、あるいは均等に流通させることが難しい。

そこで、本発明は、下部ヘッダーに流れ込む二層流の冷媒を枝管へ均一、あるいは均等に分配して伝熱効率を向上可能な冷凍サイクル装置を提案する。

前記の課題を解決するため本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機と、凝縮器と、膨張装置と、蒸発器と、前記圧縮機と前記凝縮器と前記膨張装置と前記蒸発器とを接続して冷媒を流通させる冷媒管と、を備える冷凍サイクル装置において、前記蒸発器は、冷媒出口側となる上部ヘッダーと、前記上部ヘッダーよりも下方に配置され冷媒入口側となる下部ヘッダーと、前記上部ヘッダーと前記下部ヘッダーとを接続する複数の枝管と、隣接する前記枝管の間に設けられるフィンと、前記下部ヘッダー内に設けられる内管とを含み、前記内管は、管壁の上半側に設けられる上冷媒調整孔と、前記管壁の下半側に設けられる下冷媒調整孔と、を有する。

本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略的な図。本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の蒸発器の斜視図。本発明の実施形態に係る蒸発器の下部ヘッダーの縦断面図。本発明の実施形態に係る蒸発器の下部ヘッダーの横断面図。本発明の実施形態に係る熱交換器の下部ヘッダーの他の例の横断面図。本発明の実施形態に係る蒸発器の下部ヘッダーの他の例の横断面図。本発明の実施形態に係る蒸発器の下部ヘッダーの他の例の縦断面図。本発明の実施形態に係る蒸発器の下部ヘッダーの他の例の縦断面図。本発明の実施形態に係る蒸発器の下部ヘッダーの他の例の縦断面図。

本発明に係る冷凍サイクル装置の実施形態について、図１から図９を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略的な図である。

図１に示すように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１は、室外機２と、室内機３と、室外機２および室内機３の間に冷媒を循環させる冷媒管５と、を備えている。

室外機２は、圧縮機１１と、凝縮器１２と、膨張装置１３と、室外機ファン１５と、を備えている。

圧縮機１１の吸込側にはアキュムレータ１６が接続されている。圧縮機１１の吐出側にはマフラー１７が設けられている。

凝縮器１２の出口側には、ディストリビュータ１８、および膨張装置１３が順次に接続されている。

室内機３は、蒸発器２１と、室内機ファン２２と、を備えている。

冷媒管５は、圧縮機１１、マフラー１７、凝縮器１２、ディストリビュータ１８、膨張装置１３、蒸発器２１、およびアキュムレータ１６を順次に接続して冷媒を流通させる。

また、室外機２と室内機３とは、室外機２側のパックドバルブ２５、２６と室内機３側のパックドバルブ２７、２８とを冷媒管５で接続されている。
次に、蒸発器２１について詳細に説明する。

図２は、本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の蒸発器の斜視図である。

図２に示すように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１の蒸発器２１は、多管式のパラレルフロー型熱交換器３１により構成されている。

熱交換器３１は、冷媒の出口側となる上部ヘッダー３２と、上部ヘッダー３２よりも下方に配置され、冷媒の入口側となる下部ヘッダー３３と、上部ヘッダー３２と下部ヘッダー３３とを接続する複数の枝管３５と、複数の枝管３５のうち隣接する枝管３５の間に設けられるフィン３６と、下部ヘッダー３３内に設けられる内管３７と、を備えている。

上部ヘッダー３２と下部ヘッダー３３とは、所定の距離を隔てて実質的に平行に延びている。上部ヘッダー３２および下部ヘッダー３３は、必ずしも水平に配置されている必要はなく、水平面に対して傾斜していても良い。

枝管３５は、等間隔に並んでいる。枝管３５は、上部ヘッダー３２および下部ヘッダー３３のそれぞれに接続される端部を備えている。枝管３５は、上部ヘッダー３２および下部ヘッダー３３に比べて管径の細い細管であっても良いし、並列に並ぶ多数の孔を有する扁平管であっても良い。

次いで、下部ヘッダー３３および内管３７について詳細に説明する。

図３は、本発明の実施形態に係る蒸発器の下部ヘッダーの縦断面図である。

図４は、本発明の実施形態に係る蒸発器の下部ヘッダーの横断面図である。
なお、図４および後述する図６から図９において、枝管３５は省略している。

図３および図４に示すように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１の蒸発器２１は、下部ヘッダー３３内に内管３７を備えている。

下部ヘッダー３３および内管３７は、いずれも円形の断面形状を有し、同心状に配置されている。下部ヘッダー３３の内径は、内管３７の外径よりも太い。つまり、下部ヘッダー３３と内管３７との間には、隙間が隔てられている。

下部ヘッダー３３および内管３７の一方の端部のぞれぞれは、円形の閉塞板４３ａ、４３ｂによって塞がれている。下部ヘッダー３３および内管３７の他方の端部は、下部ヘッダー３３と内管３７との間の隙間のみが環状の閉塞板４４によって塞がれている。内管３７の他方の端部は、熱交換器３１へ冷媒を導入する入口としての役割を担っている。

また、内管３７は、管壁４６の上半側に設けられる上冷媒調整孔４７と、管壁４６の下半側に設けられる下冷媒調整孔４８と、を有している。仮に内管３７が水平方向に延びている場合、上冷媒調整孔４７は、内管３７の管中心を含む水平面よりも上側に配置され、下冷媒調整孔４８は、内管３７の管中心を含む水平面よりも下側に配置されている。

上冷媒調整孔４７および下冷媒調整孔４８は複数あって、内管３７の全長に渡って所定の間隔で配置されている。上冷媒調整孔４７および下冷媒調整孔４８は、鉛直方向において実質的に同一直線状に配置されていることが好ましく、下部ヘッダー３３が水平面に対して傾斜している、ひいては内管３７が水平面に対して傾斜している場合であっても、鉛直方向において、実質的に同一直線状に配置されていることが好ましい。

内管３７は、二相流の流動様式線図であるベーカー（Baker）線図で表したとき、管内の冷媒が、成層流、波状流、またはスラグ流のいずれかになり、気相媒体と液相媒体とが重力方向に分離する内径ｄを有している。

成層流は気液界面が層状を呈し、波状流は気液速度により層状流における気液界面が波状を呈し、スラグ流は波状流の波高が高くなって内管３７の上側壁面に達して流れに気泡を形成し、この気泡間の液体スラグ部分に多数の小気泡を含む。

ここで、ベーカー（Baker）線図のパラメータは以下の通り。

λ＝［（ρｇ÷ρａ）×（ρｌ÷ρｗ）］^１／２
φ＝（σｗ÷σ）×［（μｌ÷μｗ）×（ρｗ÷ρｌ）^２］^１／３
Ｇｇ［kg/m²h］：気相冷媒の質量流速
Ｇｌ［kg/m²h］：液相冷媒の質量流速
ρ：密度
σ：表面張力
μ：粘性係数
各添え字ｇ、ｌ、ａ、ｗは、それぞれガス、液、空気、水を表している。

内管３７の内径ｄは、気相冷媒の質量流速Ｇｇおよび液相冷媒の質量流速Ｇｌに影響し、ベーカー（Baker）線図の一方の軸（縦軸）Ｇｇ／λ［kg/m²h］および他方の軸（横軸）Ｇｌλφ／Ｇｇ［無次元数］上の位置を特定する。

ところで、内管３７に上冷媒調整孔４７および下冷媒調整孔４８のいずれか一方しか設けられていない場合には、内管３７から下部ヘッダー３３内に流れ込む冷媒は、下部ヘッダー３３の長手方向においてもっぱら気相冷媒が過多な部分と、もっぱら液相冷媒が過多な部分とに分かれてしまう。例えば、内管３７に上冷媒調整孔４７しかない場合には、内管３７の入口側、つまり上流側ではもっぱら気相冷媒が下部ヘッダー３３内に流れ込み、内管３７の奥側、つまり下流側ではもっぱら液相冷媒が下部ヘッダー３３内に流れ込む。反対に、内管３７に下冷媒調整孔４８しかない場合には、内管３７の入口側、つまり上流側ではもっぱら液相冷媒が下部ヘッダー３３内に流れ込み、内管３７の奥側、つまり下流側ではもっぱら気相冷媒が下部ヘッダー３３内に流れ込む。このような冷媒の流れの態様、すなわち、内管３７から下部ヘッダー３３内に流れ込む冷媒が、下部ヘッダー３３の長手方向においてもっぱら気相冷媒が過多な部分と、もっぱら液相冷媒が過多な部分とに分かれてしまうことは、複数の枝管３５のうちにもっぱら気相冷媒が流れるものと、もっぱら液相冷媒が流れるものとを生じてしまい、冷媒の均一、あるいは均等な分流にならず、熱交換器３１の性能を低下させる。

そこで、本実施形態に係る内管３７の上冷媒調整孔４７は、内管３７から下部ヘッダー３３内へ気相冷媒を流出させる一方で、下冷媒調整孔４８は、内管３７から下部ヘッダー３３内へ液相冷媒を流出させる。

つまり、熱交換器３１は、内管３７に導入される冷媒のうち、気相冷媒を上冷媒調整孔４７から下部ヘッダー３３内へ導入し、液相冷媒を下冷媒調整孔４８から下部ヘッダー３３内へ導入することで、下部ヘッダー３３の長手方向における各所で、気相冷媒と液相冷媒とをほぼ均一、あるいは均等に分配する。

また、熱交換器３１は、下部ヘッダー３３の長手方向において気相冷媒と液相冷媒とをほぼ均一、あるいは均等に分配されるため、複数の枝管３５のそれぞれへも、気相冷媒と液相冷媒とをほぼ均一、あるいは均等に導くことができる。この結果、熱交換器３１の伝熱面積が有効に活用され、ひいては熱交換器３１の伝熱性能が向上する。また、熱負荷変動時における未蒸発冷媒が圧縮機１１へ戻ることが防止されて、冷凍サイクル装置１の信頼性が向上し、快適性が確保される。

次に、実施形態に係る冷凍サイクル装置１の他の例を説明する。なお、各例で説明する熱交換器３１Ａおよび３１Ｂにおいて、熱交換器３１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図５は、本発明の実施形態に係る熱交換器の下部ヘッダーの他の例の横断面図である。

図５に示すように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１の熱交換器３１Ａの上冷媒調整孔４７および下冷媒調整孔４８は、内管３７の長手方向において、隣接する２つの枝管３５の中央部に配置されている。

枝管３５は、等間隔に並んで下部ヘッダー３３に接続されているので、上冷媒調整孔４７および下冷媒調整孔４８は、実質的に枝管３５と同じ間隔で、等間隔に並ぶことになる。

熱交換器３１Ａは、上冷媒調整孔４７および下冷媒調整孔４８を隣接する２つの枝管３５の中央部に配置することで、内管３７から下部ヘッダー３３内に流れ込む気相冷媒および液相冷媒が枝管３５へ到達するまでの流路において、気相冷媒と液相冷媒とを下部ヘッダー３３の周方向に攪拌させる流路長を確保して、複数の枝管３５間で冷媒を均一、あるいは均等に分配する。

図６は、本発明の実施形態に係る蒸発器の下部ヘッダーの他の例の横断面図である。

図７から図９は、本発明の実施形態に係る蒸発器の下部ヘッダーの他の例の縦断面図である。

図６に示すように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１の熱交換器３１Ｂは、下部ヘッダー３３内に内管３７を支える台座５１を備えている。

台座５１は、下部ヘッダー３３の底部に内管３７の下部を支えている。台座５１は、内管３７および下部ヘッダー３３の周方向に拡がる扇形状の板体であって、内管３７および下部ヘッダー３３の長手方向に板厚を有している。

なお、台座５１は、枝管３５の下冷媒調整孔４８を避けている限りにおいて、内管３７および下部ヘッダー３３の長手方向の何れの箇所に配置されていても良い。

また、台座５１は、内管３７および下部ヘッダー３３の長手方向において、必ずしも等間隔に設けられている必要はなく、不等間隔に設けられていても良いし、複数あっても、単数であっても良い。

また、台座５１は、図７から図９に示すように、冷媒を流通させる孔５２を有していても良い。孔５２は、台座５１の中央部に設けられていても良く（図７）、内管３７側の縁に達してしても良く（図８）、下部ヘッダー３３の底面側の縁に達していても良い（図示省略）。

さらに、孔５２は、内管３７と下部ヘッダー３３との間に架け渡される複数の脚５３、５３の隙間として確保されていても良い（図９）。

このように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１は、管壁４６の上半側に設けられる上冷媒調整孔４７と、管壁４６の下半側に設けられる下冷媒調整孔４８と、を有する内管３７を下部ヘッダー３３内に備えることによって、下部ヘッダー３３からそれぞれの枝管３５に導かれる気相冷媒と液相冷媒とをほぼ均一、あるいは均等に分配し、熱交換器３１の伝熱面積を有効に活用し、ひいては熱交換器３１の伝熱性能を向上できる。

また、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１は、熱負荷変動時における未蒸発冷媒が圧縮機１１へ戻ることを防止して、信頼性が向上させ、快適性を確保できる。

さらに、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１は、二相流の流動様式線図であるベーカー（Baker）線図で表したとき、管内の冷媒が、成層流、波状流、またはスラグ流のいずれかになり、気相媒体と液相媒体とが重力方向に分離する内径ｄを有する内管３７を備えることによって、熱負荷変動時に複数の枝管３５における分配特性をより安定させることができる。

さらにまた、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１は、上冷媒調整孔４７および下冷媒調整孔４８を、隣接する枝管３５の中央部に配置することによって、複数の枝管３５における分配の均一性、あるいは均等性をより高めることができる。

また、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１は、下部ヘッダー３３内に内管３７を支える台座５１を備えることによって、熱交換器３１のサイズが大型化しても、内管３７の撓みを抑制し、複数の枝管３５への冷媒の分配の偏りを抑えて均一性、均等性を高め、ひいては分離悪化による性能低下や、製造のばらつきによる信頼性の悪化を抑制できる。

したがって、本実施形態の冷凍サイクル装置１によれば、下部ヘッダー３３に流れ込む二層流を枝管３５へ均一、あるいは均等に分配して伝熱効率を向上できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…冷凍サイクル装置、２…室外機、３…室内機、５…冷媒管、１１…圧縮機、１２…凝縮器、１３…膨張装置、１５…室外機ファン、１６…アキュムレータ、１７…マフラー、１８…ディストリビュータ、２１…蒸発器、２２…室内機ファン、２５、２６、２７、２８…パックドバルブ、３１、３１Ａ、３１Ｂ…熱交換器、３２…上部ヘッダー、３３…下部ヘッダー、３５…枝管、３６…フィン、３７…内管、４３、４４…閉塞板、４６…管壁、４７…上冷媒調整孔、４８…下冷媒調整孔、５１…台座、５２…孔、５３…脚。

Claims

圧縮機と、凝縮器と、膨張装置と、蒸発器と、前記圧縮機と前記凝縮器と前記膨張装置と前記蒸発器とを接続して冷媒を流通させる冷媒管と、を備える冷凍サイクル装置において、
前記蒸発器は、冷媒出口側となる上部ヘッダーと、前記上部ヘッダーよりも下方に配置され冷媒入口側となる下部ヘッダーと、前記上部ヘッダーと前記下部ヘッダーとを接続する複数の枝管と、隣接する前記枝管の間に設けられるフィンと、前記下部ヘッダー内に設けられる内管とを含み、
前記内管は、管壁の上半側に設けられる上冷媒調整孔と、前記管壁の下半側に設けられる下冷媒調整孔と、を有する冷凍サイクル装置。
前記内管は、二相流の流動様式線図であるベーカー（Baker）線図上で表したとき、管内の冷媒が、成層流、波状流、またはスラグ流のいずれかになる内径を有する請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
前記上冷媒調整孔および前記下冷媒調整孔は、前記内管の長手方向において、前記隣接する枝管の中央部に配置されている請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
前記下部ヘッダー内に前記内管を支える台座を備える請求項１から３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。