JP2020173071A - 熱交換器用ヘッダ、熱交換器、および空気調和機 - Google Patents
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Abstract
Description
特に、熱交換器に気液二相の冷媒が流入する場合に、一部のチューブに液冷媒が集中すると、液冷媒が少ないチューブ周辺の伝熱領域を熱交換に十分に寄与させることができないため、熱交換器の全体としての性能が低下してしまう。
かかる積層型ヘッダに流入した冷媒は、各板における流入位置から上方と下方とに等しい長さの溝を流れて、溝の端部から次段の分岐流路に流入することを繰り返すことで、ヘッダの全体として多数の流れに分かれ、冷媒流が各チューブに流入する。
分配流路は、冷媒が通過する第1経路と、第1経路に対して少なくとも上下方向に離れ、略同一の高さに位置する複数の第2経路と、第1経路から複数の第2経路へと連続した分配空間と、を含む。
分配空間は、第1経路および複数の第2経路のそれぞれの位置を含む範囲に亘り延在している。
第1経路から複数の第2経路に分配され、複数の第2経路からそれぞれ流出した冷媒は、次段の分配流路の第1経路へ流入可能である。
そのため、熱交換器の伝熱領域の全体を熱交換に十分に寄与させて熱交換性能を向上させることができるとともに、熱交換器よりも下流に冷媒の流量を十分に確保することができる。
〔第1実施形態〕
図1〜図3を参照し、第1実施形態に係る熱交換器10について説明する。
図1(a)に示す熱交換器10は、例えば、図3に示す空気調和機の冷媒回路1を構成している。
冷媒回路1(図3)は、冷媒を圧縮する圧縮機2と、圧縮機2から吐出された冷媒と室外の空気(熱源)とを熱交換させる熱交換器10と、熱交換器10を経た冷媒の圧力を減少させる膨張弁等の減圧部4と、減圧部4を経た冷媒と室内空気(熱負荷)とを熱交換させる室内熱交換器5とを備えている。
チューブ31は、第1ヘッダ11と第2ヘッダ12との間を水平方向に延びており、上下方向D1(鉛直方向)に積層されている。なお、部材の寸法、組立の公差や、熱交換器10の設置姿勢等により、チューブ31が延びている方向が水平方向に対して若干傾斜していたり、チューブ31が積層される方向が上下方向D1に対して若干傾斜していたりしても許容される。
本実施形態では、入口10Aは第1ヘッダ11に設けられ、出口10Bは第2ヘッダ12に設けられている。
分配流路20によれば、液の分布が偏り易い気液二相の冷媒を、複数のチューブ31に対し、気相と液相とが均一な比率により混合した状態で、均等な流量にて分配することができる。
但し、分配流路20に冷媒が流入する向きはこれに限らず、他の向きであってもよい。例えば、図1(a)の紙面に対して直交する向きから冷媒が分配流路20に流入した後、チューブ31が延びている向きに流れの向きが転向し、分配流路20をチューブ31に向けて冷媒が流れるように構成されていてもよい。
本実施形態に限らず、第2ヘッダ12にも分配流路20が形成されていてもよい。その場合は、第1ヘッダ11および第2ヘッダ12の両方において、各ヘッダ11,12の入口と複数のチューブ31との間の1段以上の分配流路20により、分配流路20に流入した冷媒が複数のチューブ31へと分配されることとなる。
第2ヘッダ12においても、分配流路20が形成されている領域と、分配流路20が形成されていない例えば円筒状の空間を内包する領域とが存在していてもよい。
第1ヘッダ11のヘッダ本体110は、本実施形態のように一体に形成することもできるし、後述する図5および図6に示すように、複数のヘッダ部材に分割して構成することもできる。
ヘッダ本体110を一体に形成する場合は、例えば、金属粉体を用いた熱溶融積層造形を採用することができる。熱溶融積層造形によれば、例えば、図2に示すような二次元形状を含むスライスデータを使用し、レーザー等の照射により金属粉体を溶融させ、凝固させることでヘッダ本体110を一体に成形することができる。
なお、単一段における第2経路22の数は、2に限らず、3以上であってもよい。
なお、分配流路20が1段のみからなる場合は、次段が存在しない。その場合は、第2経路22,22に分配された冷媒をそれぞれチューブ31に流入させることができる。
また、第1経路21および第2経路22が、図2に示す例に限らず、チューブ31が延びている方向に対して傾斜した方向に延びていてもよい。
但し、図2に示す第1経路21および第2経路22は、一例であって、各経路が円形、楕円、矩形等の適宜な断面形状を呈するものであってよいし、第1経路21の径と第2経路22の径とが異なっていてもよい。
図2の(II-2)に示す例では、第1経路21に対して第2経路22,22が上方に位置しているが、第1経路21に対して第2経路22,22が下方に位置していてもよい。
(II-2)に示す分配空間23の紙面上の手前側には、(II-1)に示す第1経路21が位置しており、(II-2)に示す分配空間23の紙面奥側には、(II-3)に示す第2経路22が位置している。なお、図2の(II-2)には、分配空間23の範囲内に、第1経路21および第2経路22,22のそれぞれの位置を破線で示している。
分配空間23は、図2の紙面に対して直交する方向に奥行を有しており、第1経路21と第2経路22とが分配空間23を介して連通している。
冷媒圧力損失の均一化の観点より、複数の分配空間23−2,23−2に等しい容積が与えられることが基本的には好ましいが、その限りではない。
II-1〜II-3に示す第1段A1は、ヘッダ本体110における最初の段であるため、ヘッダ入口11A(図1(b))から第1経路21−1に冷媒が流入する。第1経路21−1(II-1)を通過して分配空間23−1(II-2)に流入した冷媒は、分配空間23−1を流れて略同一の高さに位置する第2経路22−1,22−1(II-3)に均等に分配され、第2経路22−1,22−1からそれぞれ次段の第1経路21−2(II-3)に至る。ここで、第1経路21−1と第2経路22−1,22−1との間に分配空間23−1が介在することで、圧力損失を抑えつつ、第1経路21から第2経路22,22へと冷媒を分配することができる。
つまり、図2の(II-3)に示す2つの第1経路21−2のうちの右側の第1経路21−2(R)から、図2の(II-3)の右下側に示す分配空間23−2(R)へと流入した冷媒は、その分配空間23−2(R)を流れ、(II-5)の下端近傍に示す2つの第2経路22−2(R),22−2(R)へと分配される。
上記の流れと並行して、図2の(II-3)に示す左側の第1経路21−2(L)から、図2の(II-3)の左上側に示す分配空間23−2(L)へと流入した冷媒は、その分配空間23−2(L)を流れ、(II-5)の上端近傍に示す2つの第2経路22−2(L),22−2(L)へと分配される。
以上より、第1段A1の第1経路21−1に流入した冷媒は、(II-5)に示すように第2段A2を終えた時点で、ヘッダ本体110全体として4つの流れに分かれる。
(II-7)に示す例では、略同一の高さに位置する一対の第2経路22−3,22−3が、ヘッダ本体110における上下方向D1の4箇所に分布している。4箇所のうち上側2箇所にある合計4つの第2経路22−3には、(II-5)の上端近傍において略同一の高さに位置する第1経路21−3,21−3のそれぞれから冷媒が分配される。
ここで、分配先である第2経路22−3の上下方向D1における位置の違いから、(II-6)に示すように、左右方向に隣り合う分配空間23−3,23−3のそれぞれの上下方向D1の長さが相違している。
最終段である第3段A3の第2経路22−3は、対応するチューブ連通空間112を介して、チューブ31と個別に連通している。複数のチューブ連通空間112は、複数のチューブ31の端部に接合されるチューブ取付部110Xにより閉じられている。チューブ取付部110Xには、複数のチューブ31がそれぞれ挿入される挿入孔110Yが形成されている。
こうした一連の冷媒経路の設定によれば、ヘッダ本体110の全体に亘り、各経路21,22と分配空間23を効率良く分布させて配置することができるので、ヘッダ本体110の体積を抑え、熱交換器10を小型化することができる。
第1実施形態のヘッダ本体110は、例えば図5に示すように、複数のヘッダ部材110A〜110Dおよびチューブ取付部材110Eに分割して構成することもできる。ヘッダ部材110A〜110Dおよびチューブ取付部材110Eは、金属板材を用いたプレス加工等により成形することができる。
図5に、図2の各図と対応する位置であることを示すため、II-1等を付記している。図6でも同様である。
図5に示す例において、ヘッダ積層方向D2は、チューブ31が延びている方向に相当する。
第1ヘッダ部材110Aには、第1段A1の第1経路21−1と、同じく第1段A1の分配空間23−1とが形成されている。分配空間23−1は、第1ヘッダ部材110Aのチューブ31側の面から窪んだ凹部と、凹部の底に対向する第2ヘッダ部材110Bの面との間に区画される。この凹部の底に開口する第1経路21−1は、第1ヘッダ部材110Aを厚さ方向に貫通している。第1経路21−1は、分配空間23−1を介して、第2ヘッダ部材110Bの表面に開口した第2経路22−1と連通する。
最終ヘッダ部材110Dには、第3段A3の第2経路22−3と、複数のチューブ31の位置に分布したチューブ連通空間112とが形成されている。第2経路22−3は、複数のチューブ31の位置に分布している。
例えば、ヘッダ部材110A〜110Dが一体成形されており、一体成形されているヘッダ部材110A〜110Dに対して、別体のチューブ取付部材110Eが接合されていてもよい。
図6に示すヘッダ本体110は、2つの板状の第1ヘッダ部材110P,110Rと、第2ヘッダ部材110Qと、最終ヘッダ部材110Sと、チューブ取付部材110Eとを備えている。図6に示す例では、第2ヘッダ部材110Qの厚さ方向の両面側に分配空間23が形成されている。
第2ヘッダ部材110Qには、第1段A1の分配空間23−1および第2経路22−1と、次段の第1経路21−2および分配空間23−2とが形成されている。
分配空間23−1は、第1ヘッダ部材110Qの一面から窪んだ凹部と、凹部の底に対向する第1ヘッダ部材110Pとの間に区画される。この凹部の底に開口した第2経路22−1と、第1ヘッダ部材110Pの第1経路21−1とが分配空間23−1を介して連通する。
また、ヘッダ部材の数を増減させて、任意の回数だけ冷媒の流れを分岐させて、必要な分配数に適合させることができる。
次に、図7を参照し、第2実施形態に係る熱交換器用ヘッダについて説明する。図7に示す熱交換器用ヘッダのヘッダ本体200は、分配流路20の段数が第1実施形態のヘッダ本体110と異なることを除いて、第1実施形態のヘッダ本体110と同様に構成されている。第2実施形態の熱交換用ヘッダによっても、第1実施形態と同様に、冷媒の圧力損失を抑えつつ、複数のチューブ31に均等に冷媒を分配することができる。
第2実施形態のヘッダ本体200は、一体に成形することもできるし、図5および図6に示す例と同様に、積層される複数のヘッダ部材から構成することもできる。
なお、8本のチューブ31に冷媒を分配可能な第1実施形態のヘッダ本体110と、別の4本のチューブ31に冷媒を分配可能な第2実施形態のヘッダ本体200との双方を要素として含む熱交換用ヘッダを得ることもできる。
第2段A2は、図7の(VII-3)〜(VII-5)に示すように、第2経路22−1,22−1にそれぞれ連なる第1経路21−2を起点として、2系統の分配流路20からなる。各系統は、第1経路21−2、分配空間23−2、および第2経路22−2から構成されている。
(VII-5)に示すように、4つの第2経路22−2に分配された冷媒の流れは、(VII-6)に示すように、チューブ連通空間112を介して、挿入孔110Yに挿入される4つのチューブ31に個別に流入する。
図8は、冷媒の移動する経路が図7とは異なる例を示す。図8に示す構成も、ヘッダ本体210に流入した冷媒が4つのチューブ31に分配される点では図7に示す構成と同様である。
図8に示す構成では、第1段A1の分配空間23−1が、第1実施形態(図2)と比べて上下方向D1に長く形成されている。また、第2段A2の2つの系統のそれぞれの分配空間23−2が、ヘッダ本体210における異なる断面に配置されている。
(VIII-3)の左側に示す第2経路22−1は、(VIII-5)に示す第2系統の第1経路21−2(B)に連なっている。この第1経路21−2(B)から、(VIII-6)に示すように、分配空間23−2(B)を介して2つの第2経路22−2(B)へと冷媒が分配される。分配空間23−2(B)は、管壁114により、第1系統の第2経路22−2(A)とは隔てられている。
(VIII-7)に示すように、第2段A2の第1系統および第2系統のそれぞれの第2経路22−2(A)と第2経路22−2(B)とに分配された冷媒が、チューブ連通空間112を介して各チューブ31に流入する。
図9に示す非分配段は、第1実施形態にも適用することができる。
図9に示す(IX-1)〜(IX-3)は、図7に示す(VII-1)〜(VII-3)と同様である。図9の(IX-4)の左側に示す第1経路21−2からは、分配空間23−2を介して2つの第2経路22−2へと冷媒が分配されるのに対し、(IX-4)の右側に示す第1経路21−2からは、非分配空間25−2を介して1つの通過経路24−2へと冷媒が移動する。非分配段は、これらの第1経路21−2、通過経路24−2、および非分配空間25−2から構成されている。
したがって、図9に示す構成によれば、例えばファンにより熱交換器10に送られる風の風速分布の偏り等の理由からチューブ31が不等間隔に配置される場合にも対応することができる。
図9に示す非分配段は、第1実施形態にも適用することができる。
図10の(X-2)に示す分配空間23−1は、第1経路21−1の位置から水平方向に延びる水平部23Aと、水平部23Aの末端の近傍から第2経路22−1に向けて上下方向D1かつ水平方向に延在する分配部23Bとを備えている。
なお、水平部および分配部を備えた分配空間を第2段A2や第3段A3に設けることもできる。
図11の(XI-2)に示すように、第2経路22−1,22−1の流路断面積を異ならせることもできる。こうすることで、第1経路21−1から分配されて第2経路22−1,22−1をそれぞれ流れる冷媒の流量を調整可能である。したがって、例えば風速分布の偏りに起因して各チューブ31の流量を変える必要がある場合に対応することができる。
2 圧縮機
4 減圧部
5 室内熱交換器
10 熱交換器
10A 入口
10B 出口
11,12 熱交換器用ヘッダ
11A ヘッダ入口
20 分配流路
21 第1経路
22 第2経路
22X,22X 開口中心
23 分配空間
23A 水平部
23B 分配部
24 通過経路
25 非分配空間
31 チューブ
32 フィン
110,200,210 ヘッダ本体
110A,110C 第1ヘッダ部材
110B 第2ヘッダ部材
110D 最終ヘッダ部材
110E チューブ取付部材
110P,110R 第1ヘッダ部材
110Q 第2ヘッダ部材
110S 最終ヘッダ部材
110X チューブ取付部
110Y 挿入孔
111,113,115 壁
112 チューブ連通空間
114 管壁
A1 第1段
A2 第2段
A3 第3段
D1 上下方向
D2 ヘッダ積層方向
Claims (15)
- 積層される複数のチューブへと冷媒を分配する熱交換器用のヘッダであって、
前記ヘッダの外部から前記冷媒が流入するヘッダ入口が設けられるヘッダ本体と、
前記ヘッダ本体に形成され、前記ヘッダ入口と前記複数のチューブとの間で連結可能な1段以上の分配流路と、を備え、
前記分配流路は、
前記冷媒が通過する第1経路と、
前記第1経路に対して少なくとも上下方向に離れ、略同一の高さに位置する複数の第2経路と、
前記第1経路から前記複数の第2経路へと連続した分配空間と、を含み、
前記分配空間は、前記第1経路および前記複数の第2経路のそれぞれの位置を含む範囲に亘り延在しており、
前記第1経路から前記複数の第2経路に分配され、前記複数の第2経路からそれぞれ流出した前記冷媒は、次段の前記分配流路の前記第1経路へ流入可能である、
ことを特徴とする熱交換器用ヘッダ。 - 前記分配空間は、
前記上下方向と水平方向との双方に延在している、
請求項1に記載の熱交換器用ヘッダ。 - 前記ヘッダ本体には、前記複数のチューブの位置に分布したチューブ連通空間が形成され、
前記複数のチューブは、対応する前記チューブ連通空間を介して、最終段の前記分配流路の前記第2経路と連通している、
請求項1または2に記載の熱交換器用ヘッダ。 - 前記分配流路の単一段は、
1つの前記第1経路と、
前記1つの第1経路から前記冷媒が分配される2つの前記第2経路と、
前記1つの第1経路から前記2つの第2経路へと連続した1つの前記分配空間とからなり、
前記ヘッダ本体の全体として、2段以上の前記分配流路を備える、
請求項1から3のいずれか一項に記載の熱交換器用ヘッダ。 - 前記ヘッダ本体は、
所定のヘッダ積層方向に積層される第1ヘッダ部材および第2ヘッダ部材を含み、
前記第1ヘッダ部材には、
同一段の前記第1経路と前記分配空間とが形成され、
前記第2ヘッダ部材には、
前記第1ヘッダ部材に形成された前記第1経路および前記分配空間と同一段の前記第2経路と、次段の前記第1経路および前記分配空間とが形成されている、
請求項1から4のいずれか一項に記載の熱交換器用ヘッダ。 - 前記ヘッダ本体は、
所定のヘッダ積層方向に積層される第1ヘッダ部材および第2ヘッダ部材を含み、
前記第1ヘッダ部材には、前記第1経路が形成され、
前記第2ヘッダ部材には、
前記第1ヘッダ部材に形成された前記第1経路と同一段の前記分配空間および前記第2経路と、次段の前記第1経路および前記分配空間とが形成されている、
請求項1から4のいずれか一項に記載の熱交換器用ヘッダ。 - 前記ヘッダ積層方向に前記第1ヘッダ部材および前記第2ヘッダ部材と積層される最終ヘッダ部材を含み、
前記最終ヘッダ部材には、
前記複数のチューブの位置に分布したチューブ連通空間と、前記複数のチューブの位置に分布した最終段の前記第2経路とが形成されている、
請求項5または6に記載の熱交換器用ヘッダ。 - 同一段の複数の前記分配空間は、前記ヘッダ本体における同一断面に存在している、
請求項1から7のいずれか一項に記載の熱交換器用ヘッダ。 - 同一段の複数の前記分配空間は、前記ヘッダ本体における異なる断面に存在している、
請求項1から7のいずれか一項に記載の熱交換器用ヘッダ。 - 前記複数のチューブがそれぞれ挿入される挿入孔が形成されたチューブ取付部を備え、
前記チューブ取付部により前記チューブ連通空間が閉じられる、
請求項3または7に記載の熱交換器用ヘッダ。 - 前記分配流路は、前記冷媒の分配が行われない非分配段を含み、
前記非分配段は、
前記第1経路と、
前記第1経路とは異なる位置にあり、前記冷媒が通過する通過経路と、
前記第1経路から前記通過経路へと連続した前記非分配空間とからなる、
請求項1から10のいずれか一項に記載の熱交換器用ヘッダ。 - 前記分配空間は、
前記第1経路の位置から水平方向に延びる水平部と、
前記水平部の末端の近傍から前記第2経路に向けて前記上下方向かつ前記水平方向に延在する分配部と、を含む、
請求項1から11のいずれか一項に記載の熱交換器用ヘッダ。 - 複数の前記第2経路のうちの少なくとも1つの流路断面積が、他の流路断面積と相違する、
請求項1から12のいずれか一項に記載の熱交換器用ヘッダ。 - 請求項1から13のいずれか一項に記載の熱交換器用ヘッダと、
前記複数のチューブと、
前記チューブに熱的に結合したフィンと、を備える、
ことを特徴とする熱交換器。 - 冷媒を圧縮する圧縮機と、
熱源である空気および前記冷媒を熱交換させる請求項14に記載の熱交換器と、
前記冷媒の圧力を減少させる減圧部と、
熱負荷である空気および前記冷媒を熱交換させる熱交換器と、を備える、
ことを特徴とする空気調和機。
Priority Applications (1)
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WO2014185391A1 (ja) * | 2013-05-15 | 2014-11-20 | 三菱電機株式会社 | 積層型ヘッダー、熱交換器、及び、空気調和装置 |
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CN114216166A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-03-22 | 青岛海信日立空调系统有限公司 | 一种空调器 |
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