JP2018059673A - 熱交換器及びこれを用いたヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、運転条件の変化に対応可能で分岐管への分配性能が良好なヘッダを備えた熱交換器を提供することを目的とする。
【解決手段】筒状のヘッダ１０と、ヘッダ１０の側壁に接続される分岐管３０と、ヘッダ１０に接続される第一の流入配管１３ａと、ヘッダ１０に接続される第二の流入配管１３ｂまたは流出配管１５と、第一の流入配管１３ａと第二の流入配管１３ｂまたは流出配管１５のうち、少なくとも一つに流量を調整する手段１２ａ，１２ｂと、を備える熱交換器。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器及びこれを用いたヒートポンプ装置に関する。

特許文献１には、冷凍サイクルを構成する空気調和装置等において蒸発器としての機能を果たす熱交換器のヘッダの上流側に気液分離器を設け、ヘッダ上部より液体もしくは液体割合が高い気液二相を流入させ、ヘッダ下部より気体もしくは気体割合が高い気液二相流を流入させ、ヘッダ内に充填剤を挿入した構成が記載されている。
ヘッダ上部より流入する流体は液体割合が高いため、気液二相流の平均比重量が大きくヘッダ下部へ流入しようとする。また、ヘッダ下部より流入する流体は気体割合が高いため、気液二相流の平均比重量は小さく、高流速でヘッダ内上部まで流入しようとする。したがって、ヘッダ上部より流入する流体とヘッダ下部より流入する流体はよく混合し、乾き度・ボイド率が比較的均一である均質流の気液二相流を形成する。さらに、ヘッダ内に充填された金属メッシュによる毛細管現象により、液体はすみずみまで到達するので、より均質な気液二相流が実現でき、均等に各伝熱管に分流させることが可能と記載されている。

特開平２−２８２６７０公報

しかしながら、冷媒流量や乾き度といった運転条件により、ヘッダ上部より流入する流体とヘッダ下部より流入する流体のそれぞれの流速が異なり、気液混合の状態が異なる。したがって、運転条件の変化に対応できない。また、元々、ヘッダ上部は液体割合が高く、ヘッダ下部は気体割合が高いため、ヘッダ内の場所により気液の比率に偏りが生じやすい。

そこで、本発明は、運転条件の変化に対応可能で分岐管（伝熱管）への分配性能が良好なヘッダを備えた熱交換器を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る熱交換器は、筒状のヘッダと、前記ヘッダの側壁に接続される分岐管と、前記ヘッダに接続される第一の流入配管と、前記ヘッダに接続される第二の流入配管または流出配管と、前記第一の流入配管と前記第二の流入配管または前記流出配管のうち、少なくとも一つに流量を調整する手段と、を備える熱交換器。

本発明によれば、運転条件の変化に対応可能で分岐管への分配性能が良好なヘッダを備えた熱交換器を提供することができる。

実施例１に係る空気調和機のサイクル構成図である。 実施例１に係る熱交換器の図である。 実施例１に係る熱交換器のヘッダの断面図である。 実施例１に係る電磁弁のＯＮ／ＯＦＦ状態を示すタイムチャートである。 図４の所定の時間におけるヘッダ内に流入する冷媒を示す図である。 空調負荷が小さい場合の電磁弁のＯＮ／ＯＦＦ状態を示すタイムチャートである。 実施例２に係る熱交換器の図である。 実施例２に係る電磁弁のＯＮ／ＯＦＦ状態を示すタイムチャートである。 実施例２に係る電磁弁ＯＮ／ＯＦＦ時のヘッダ内の冷媒状態を示す図である。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は本実施例に係るヒートポンプ装置としての空気調和機のサイクル構成図である。冷房運転時は、圧縮機３より吐出された高温且つ高圧の冷媒は、四方弁４を介して凝縮器として働く室外熱交換器２に流入する。室外熱交換器２に流入した冷媒は、室外送風ファン２ｆによって送られる室外の空気と熱交換することで、凝縮されて液冷媒となる。液冷媒は、膨張弁５を通過することで低温低圧の気液二相冷媒になり、蒸発器として働く室内熱交換器１に流入する。室内熱交換器１に流入した低温低圧の気液二相冷媒は、室内送風ファン１ｆによって送られる室内の空気と熱交換し蒸発する。このとき、室内熱交換器１に送られた室内の空気は、室内熱交換器１に流入した低温低圧の気液二相冷媒によって冷却され、吹出口から室内に吐出される。吹出口から室内に吐出される空気は、吸込口における空気の温度よりも低いため、室内の温度を下げることができる。室内熱交換器１で熱交換された冷媒は四方弁４を介して再び圧縮機３に戻る。圧縮機３と室外熱交換器２と室外送風ファン２ｆと膨張弁５は室外機に配置され、室内熱交換器１と室内送風ファン１ｆは室内機に配置されている。

図２は本実施例に係る室内熱交換器１の図であり、図３はヘッダ１０の断面図である。室内熱交換器１は、長手方向を鉛直方向に配置された円筒状のヘッダ１０、２０と、水平方向に所定の間隔で配置されるとともに、ヘッダ１０、２０の鉛直方向の側壁に接続される複数の伝熱管３０と、鉛直方向に所定の間隔で配置され伝熱管３０と接合された複数のフィン４０とから構成されている。冷房運転時は、ヘッダ１０に気液二相の冷媒が流入し、冷媒はヘッダ１０で各伝熱管３０に分配され蒸発し、ヘッダ２０で合流し、上方より冷媒が流出する。

ヘッダ１０の上流の配管１１は二つに分岐し、片方が第一の電磁弁１２ａを介してヘッダ１０の下部と接続される第一の流入配管１３ａと接続され、他方が第二の電磁弁１２ｂを介してヘッダ１０の上部と接続される第二の流入配管１３ｂと接続される。電磁弁１２ａ、１２ｂは制御装置（図示せず）により、ＯＮ時に開き、ＯＦＦ時に閉じる構成となっていて、ＯＮ／ＯＦＦにより流量を調整する手段である。

図４は電磁弁１２ａ、１２ｂのＯＮ／ＯＦＦ状態を示すタイムチャートである。電磁弁１２ａ、１２ｂはパルス幅ｔ１と周期Ｔの比率であるデューティ比ｔ１／Ｔで弁を開く。２個の電磁弁１２ａと１２ｂの開閉動作は半周期ずれている。

図５は図４の所定の時間におけるヘッダ内１０に流入する冷媒を示す図である。時間ｔａでは、第一の電磁弁１２ａがＯＦＦで弁が閉じ、第二の電磁弁１２ｂがＯＮで弁が開き、ヘッダ１０の上部のみから冷媒が流入する。時間ｔｂでは、２個の電磁弁１２ａ、１２ｂともにＯＮで弁が開き、ヘッダ１０の上部及び下部から冷媒が流入する。時間ｔｃでは、第一の電磁弁１２ａがＯＮで弁が開き、第二の電磁弁１２ｂがＯＦＦで弁が閉じ、ヘッダ１０の下部のみから冷媒が流入する。

この時、ヘッダ１０内に流入する気液二相冷媒の運動量ベクトルが時間により変化するため、ヘッダ１０内で気液の混合が促進され、ヘッダ内全体にわたって気液の比率の均等化が図られ、伝熱管３０へ均等分配を図ることができる。

図６は、空調負荷が小さい場合の電磁弁１２ａ、１２ｂのＯＮ／ＯＦＦ状態を示すタイムチャートである。空調負荷が小さい場合、空調負荷に合わせて、制御装置（図示せず）は圧縮機３の回転速度を減少させ、冷媒流量が減少する。

この時、ヘッダ１０の下部から流入する冷媒は流速が遅くなり、重力の影響により、気液二相冷媒のうち液相がヘッダ１０内の上部まで到達しにくくなる。そこで、図６に示すように、ヘッダ１０の下部に接続される第一の電磁弁１２ａのデューティ比ｔ２／Ｔを、ヘッダ１０の上部に接続される第二の電磁弁１２ｂのデューティ比ｔ１／Ｔより小さくして、全体的にヘッダ１０の上部から流入する冷媒量を下部から流入する冷媒量より大きくすることにより、上側の伝熱管３０に流入する液相の減少を抑えることができる。

冷媒流量等の運転条件が変化しても、片側の電磁弁のデューティ比を変えることにより、ヘッダ内の場所による気液の比率の偏りを抑え、伝熱管への良好な分配を図ることができる。

冷媒流量の変化は、圧縮機回転速度と比例するので、制御装置の圧縮機回転速度の指令をもとに、電磁弁１２ａのパルス幅ｔ２を変えるようにすればよく、運転条件の変化に対応可能である。

なお、本実施例では、電磁弁のデューティ比を一定としたが、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御により、電磁弁の開閉状態を正弦波となるようにし、２個の電磁弁の開閉状態を半周期ずらすようにしても良い。これにより、ヘッダ内に流入する気液二相冷媒の運動量ベクトルの時間変化がきめ細かくなるため、気液の比率の均等化をより図ることができる。

また、本実施例では、ヘッダの長手方向を鉛直方向に配置した熱交換器に関して述べたが、ヘッダの長手方向を水平方向に配置した熱交換器に関しても、同様に、ヘッダ内に流入する気液二相冷媒の運動量ベクトルが時間により変化するため、ヘッダ内で気液の混合が促進され、ヘッダ内全体にわたって気液の比率の均等化が図られ、伝熱管へ均等分配を図ることができる。

また、本実施例では、ヘッダの長手方向の両端に流入配管を設けたが、第一の流入配管の位置と第二の流入配管の位置が離れていれば、同様な効果を得ることができ、ヘッダの両端以外に流入配管を設けても良い。

また、本実施例では、第一の流入配管と第二の流入配管にそれぞれ電磁弁を設けたが、コスト低減のため、片方の流入配管のみに電磁弁を設けても、電磁弁のＯＮ／ＯＦＦでヘッダ内に流入する気液二相冷媒の運動量ベクトルが時間により変化するため、ヘッダ内で気液の混合が促進され、ヘッダ内全体にわたって気液の比率の均等化の方向にもっていくことができる。

第１実施例と異なる部分について説明し、第１実施例と重複する部分については説明を省略する。図７は、実施例２に係る室内熱交換器１Ａの図である。ヘッダ１０の上部は、ヘッダ１０の上部に接続された流出配管１５、電磁弁１６、接続配管１７を介して、ヘッダ２０の上部と接続された流出配管１８と、接続される。この流出配管１５、電磁弁１６、接続配管１７の流路抵抗は、伝熱管３０の並列流路の抵抗より十分小さい構成となっている。冷媒は、ヘッダ１０の下方より流入し、ヘッダ１０で各伝熱管３０に分配され蒸発し、ヘッダ３０で合流し、上方より冷媒が流出する。

図８は、電磁弁１６のＯＮ／ＯＦＦ状態を示すタイムチャートである。電磁弁１６はパルス幅ｔ’と周期Ｔ’の比率であるデューティ比ｔ’／Ｔ’で弁を開く。

電磁弁１６がＯＦＦで弁が閉じている時、熱交換器1Ａの流入側のヘッダ１０内の上部または流出配管１６内の圧力は、伝熱管３０内を流れる冷媒の圧力損失分、流出側のヘッダ２０内の上部または流出配管１８内の圧力より高くなっている。また、この時、図９の電磁弁１６がＯＦＦ時の図のように、重力の影響により、気液二相冷媒のうち、ヘッダ１０内下部には気相を含んだ液相比率が大きい領域が存在し、上部には気相の比率が大きい領域が存在する。

この状態から、電磁弁１６をＯＮして弁を開くと、伝熱管３０での流路抵抗より、電磁弁１６側の流路抵抗が小さいため、ヘッダ１０内上部の気相比率が大きい領域の冷媒が電磁弁１６側の流路に流れ出そうとする。この時、図９の電磁弁１６がＯＮ時の図のように、気相比率が大きい領域の冷媒が流出した分だけ、液相比率が大きい領域の液面が上昇する。

その直後、また、図８のタイムチャートに示すように、電磁弁１６をＯＦＦして弁を閉じると、ヘッダ１０内の冷媒は、図９の電磁弁１６がＯＦＦ時の状態に戻ろうとする。

このように電磁弁１６のＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返すことにより、ヘッダ１０内の気液二相冷媒の運動量ベクトルが時間により変化し、ヘッダ１０内の液面は上下に変動して、気液の混合が促進され、ヘッダ内全体にわたって気液の比率の均質化が図られ、伝熱管３０へ均等分配を図ることができる。

空調負荷が小さい場合、空調負荷に合わせて制御装置（図示せず）は圧縮機３の回転速度を減少させ、冷媒流量が減少する。この時、ヘッダ１０内に流入する気相の流速が減少し、液相を持ち上げようとする力も減少するため、液面が低下する。図９に示す気相比率が大きい領域の大きさが大きくなる。また、冷媒流量が減少したため、伝熱管３０の圧力損失も減少するため、電磁弁１６を開いた場合、電磁弁１６側の流路に流体を流そうとする圧力差も減少する。これらのことから、この時、電磁弁のデューティ比ｔ’／Ｔ’を長くして、電磁弁１６側が流通する時間比率を増加することにより、液面の上昇の促進を図る。これにより、ヘッダ１０内の液面の上下運動を十分に行い、気液の混合を促進し、ヘッダ内全体にわたって気液の比率の均質化を図り、伝熱管３０へ均等分配を図ることができる。

冷媒流量の変化は、圧縮機回転速度と比例するので、制御装置の圧縮機回転速度の指令をもとに、電磁弁１６のパルス幅ｔ’を変えるようにすればよく、運転条件の変化に対応可能である。

１，１Ａ 室内熱交換器
１０，２０ ヘッダ
１２ａ，１２ｂ，１６ 電磁弁
３０ 伝熱管（分岐管）

Claims (5)

1. 筒状のヘッダと、前記ヘッダの側壁に接続される分岐管と、前記ヘッダに接続される第一の流入配管と、前記ヘッダに接続される第二の流入配管または流出配管と、前記第一の流入配管と前記第二の流入配管または前記流出配管のうち、少なくとも一つに流量を調整する手段と、を備えることを特徴とする熱交換器。
2. 筒状のヘッダと、前記ヘッダの側壁に接続される分岐管と、前記ヘッダに接続される第一の流入配管と、前記ヘッダに接続される第二の流入配管と、前記第一の流入配管と前記第二の流入配管に流量を調整する手段と、を備えることを特徴とする熱交換器。
3. 鉛直方向に配置された筒状のヘッダと、前記ヘッダの側壁に接続される分岐管と、前記ヘッダ下部に接続される流入配管と、前記ヘッダ上部と前記分岐管より下流部とに接続される流出配管と、前記流出配管に流量を調整する手段と、を備えることを特徴とする熱交換器。
4. 流量調整手段は所定のデューティ比で弁の開閉を行うことを特徴する、請求項1乃至３のいずれかに記載の熱交換器
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の熱交換器を用いたことを特徴とするヒートポンプ装置。

Images