JP2024013036A - 熱交換器、及び冷媒サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本開示の実施形態に係る熱交換器100を備える冷媒サイクル装置1について説明する。冷媒サイクル装置1は、蒸気圧縮式のサイクルを実行することで、建物の室内等の空調対象空間(図示省略)の冷房を行う二元冷凍装置である。
熱交換器100は、冷媒と熱媒体との間で熱交換をさせるカスケードコンデンサである。熱交換器100は、冷媒の蒸発器、かつ、熱媒体の凝縮器として機能する。熱交換器100は、第1導入管150a、第1導出管150bと、第2導入管160a、第2導出管160bと、第1流路111と、第2流路121とを有する。
熱源側サイクル10は、熱源側圧縮機11と、熱源側熱交換器12と、熱源側膨張弁13と、熱交換器100の第1導入管150a、第1導出管150b、及び第1流路111とから構成される。熱源側サイクル10は、空調対象空間の外に設置される。
利用側サイクル20は、利用側圧縮機21と、利用側熱交換器22と、利用側膨張弁23と、熱交換器100の第2導入管160a、第2導出管160b、及び第2流路121とから構成される。利用側サイクル20は、空調対象空間に設置される。
冷媒サイクル装置1の運転中における、熱源側サイクル10及び利用側サイクル20の動作を説明する。冷媒サイクル装置1が運転を開始すると、制御部(図示省略)が、熱源側圧縮機11及び利用側圧縮機21を駆動し、熱源側膨張弁13及び利用側膨張弁23の開度を空調負荷に応じた適切な開度に設定する。
熱源側圧縮機11は、熱源側サイクル10における低圧気相の冷媒を第1吸入部11aから吸入し、高圧気相の冷媒として第1吐出部11bから吐出する。高圧気相である冷媒は、熱源側熱交換器12へ到達する。熱源側熱交換器12は、高圧気相の冷媒を凝縮させ高圧液相の冷媒とする。このとき、冷媒は、外気へ熱を放出する。高圧液相の冷媒は、熱源側膨張弁13へ到達する。適切な開度に設定された熱源側膨張弁13は、高圧液相の冷媒を減圧し低圧気液二相の冷媒とする。低圧気液二相の冷媒は、熱交換器100の第1導入管150aを通過して第1流路111に入る。熱交換器100は、低圧気液二相の冷媒を蒸発させ低圧気相の冷媒とする。このとき、冷媒は、熱交換器100の第2流路121を通る熱媒体から熱を吸収する。低圧気相の冷媒は、第1導出管150bを通過して第1流路111を出て、第1吸入部11aから熱源側圧縮機11に吸入される。
利用側圧縮機21は、利用側サイクル20における低圧気相の熱媒体を第2吸入部21aから吸入し、高圧気相の熱媒体として第2吐出部21bから吐出する。高圧気相の熱媒体は、熱交換器100の第2導入管160aを通過して第2流路121へ入る。熱交換器100は、高圧気相の熱媒体を凝縮させ高圧液相の熱媒体とする。このとき、熱媒体は、熱交換器100の第1流路111を通る冷媒へ熱を放出する。高圧液相の熱媒体は、第2導出管160bを通過して第2流路121を出て、利用側膨張弁23へ到達する。適切な開度に設定された利用側膨張弁23は、高圧液相の熱媒体を減圧し低圧気液二相の熱媒体とする。低圧気液二相の熱媒体は、利用側熱交換器22へ到達する。利用側熱交換器22は、低圧気液二相の熱媒体を蒸発させ低圧気相の熱媒体とする。このとき、熱媒体は、空調対象空間内の空気から熱を吸収する。低圧気相の熱媒体は、利用側熱交換器22を出て、第2吸入部21aから利用側圧縮機21に吸入される。
(2-1)全体構成
図2に示されるように、熱交換器100は、複数の第1伝熱プレート110と、複数の第2伝熱プレート120と、第1フレーム130と、第2フレーム140とを備えるプレート式熱交換器である。熱交換器100は、内部に、第1流路111と、第2流路121とが形成されている。
(2-2-1)第1伝熱プレート110
第1伝熱プレート110は、断面が波形に形成された波形フィンである。本実施形態では、図2及び図3に示されるように、第1伝熱プレート110の波形は、平面視において、頂部が、上方に向かって凸なヘリンボーンパターンを描くように形成される。
第2伝熱プレート120は、隣接して積層される第1伝熱プレート110とともに第1流路111及び第2流路121を形成する。第2伝熱プレート120は、第2接合領域120aと、2つの第2流通孔120bと、2つの第2貫通孔120cと、第2前面120saと、第2後面120sbとを有する。
第1フレーム130、及び第2フレーム140は、交互に積層された複数の第1伝熱プレート110及び複数の第2伝熱プレート120を、積層方向DSにおける両端で挟む金属製の板状部材である。
第1導入管150aは、冷媒を第1流路111に導入する配管である。第1導入管150aは、第1フレーム130の上方左側を貫通し、第1流路111と連通するように設けられる。より詳細には、第1導入管150aは、第1伝熱プレート110、第2伝熱プレート120、及び第1フレーム130を積層した場合に互いに連通する、上方左側に形成された第1流通孔110b及び第2貫通孔120cと連通するように形成される。
第2導入管160aは、熱媒体を第2流路121に導入する配管である。第2導入管160aは、第1フレーム130の上方右側を貫通し、第2流路121と連通するように設けられる。より詳細には、第2導入管160aは、第1伝熱プレート110、第2伝熱プレート120、及び第1フレーム130を積層した場合に互いに連通する、上方右側に形成された第2流通孔120b及び第1貫通孔110cと連通するように形成される。
図3に示されるように、第1伝熱プレート110と第2伝熱プレート120とが交互に積層されることで第1流路111と第2流路121とが積層方向DSに交互に形成される。より詳細には、第1伝熱プレート110と第2伝熱プレート120とが交互に積層されることで、第1伝熱プレート110の第1前面110saと第2伝熱プレート120の第2後面120sbとが対向する空間が第1流路111となる。また、第1伝熱プレート110と第2伝熱プレート120とが交互に積層されることで、第1伝熱プレート110の第1後面110sbと第2伝熱プレート120の第2前面120saとが対向する空間が第2流路121となる。
熱交換器100の第1導入管150aから導入された冷媒は、上側の第2貫通孔120c及び第1流通孔110bを通過して第1流路111に流入する。第1流路111に流入した冷媒は、第1流路111を下側の第1流通孔110bへ向かって流れる。下側の第1流通孔110bまで達した冷媒は、下側の第2貫通孔120cを通過して第1導出管150bから導出される。この間、第1流路111を流れる液状の冷媒は、第1伝熱プレート110又は第2伝熱プレート120を介して隣り合う第2流路121の熱媒体と熱交換を行って蒸発して、ガス状の冷媒となる。言い換えると、熱交換器100は冷媒の蒸発器として機能する。
熱交換器100において、第2流路121を流れる熱媒体は、上側の第2流通孔120bと、下側の第2流通孔120bとの間を、長手方向DLに沿って流れる。本実施形態では、熱媒体は、上側の第2流通孔120bから流入して、第2流路121を通過した後、下側の第2流通孔120bから流出する。上側の第2流通孔120bは、上側の第1貫通孔110cを介して第2導入管160aと連通する。下側の第2流通孔120bは、下側の第1貫通孔110cを介して第2導出管160bと連通する。熱交換器100で熱交換される前のガス状の熱媒体は、第2導入管160aから、上側の第2流通孔120bを通って、第2流路121に流入する。第2流路121を通過する過程で、ガス状の熱媒体は、熱交換されて液状となる。液状の熱媒体は、第2流路121から流出した後、下側の第2流通孔120bを通って、第2導出管160bに供給される。
(3-1)
従来、流体に熱交換をさせるための複数の熱交換流路と、熱交換流路の両端に接続される一対の分岐流路とが形成される金属板を備えるプレートフィン型熱交換器が用いられている。このような熱交換器では、熱交換器に流入する流体は、熱交換器の入口付近において分岐流路によって全ての熱交換流路に分流し、熱交換器の出口付近において分岐流路によって合流する。そのため、熱交換器の入口付近から出口付近まで、熱交換流路の数および断面積が一定である。熱交換流路において熱交換によってガス状の流体が液状の流体に相変化する場合、ガス状の流体が流れる入口付近の熱交換流路において圧力損失が大きくなり、熱交換器の性能が低下することがある。また、液状の流体が流れる出口付近の熱交換流路において流体の流速が小さくなり、熱伝達効率が低下することがある。
本実施形態の熱交換器100では、第2流路121において、ガス状の熱媒体が流入する入口側から、液状の熱媒体が流出する出口側に向かって熱媒体が流れる過程で、熱媒体の流れは徐々に分岐して、熱媒体が流れる流路要素131の数が徐々に増加する。
(4-1)変形例A
次に、変形例A~Dにおいて、上記実施形態の第2流路121の具体例について説明する。図7~8は、図6と同様の第2伝熱プレート120の平面図である。
図8において、距離L0は、上側の第2流通孔120bと、下側の第2流通孔120bとの間の長手方向DLの距離である。第2流通孔120bの位置は、第2流通孔120bの円形状の中心である。距離L0は、第1伝熱プレート110と第2伝熱プレート120との間の空間において、上側の第2流通孔120bから流入して下側の第2流通孔120bから流出する熱媒体が移動する長手方向DLの距離である。距離L2は、長手方向DLにおいて隣接する2つの流路領域の境界と、上側の第2流通孔120bとの間の長手方向DLの距離である。
上記実施形態において、各流路領域F1~F5のそれぞれの長手方向DLの長さは、距離L0の10%~50%であることが好ましい。距離L0は、上側の第2流通孔120bと、下側の第2流通孔120bとの間の長手方向DLの距離である。第2流通孔120bの位置は、第2流通孔120bの円形状の中心である。距離L0は、第1伝熱プレート110と第2伝熱プレート120との間の空間において、上側の第2流通孔120bから流入して下側の第2流通孔120bから流出する熱媒体が移動する長手方向DLの距離である。
上記実施形態において、値kを1≦k≦N-1を満たす整数であるとした場合、第k+1の流路領域の流路の数は、第kの流路領域の流路の数の2倍乃至4倍であることが好ましい。言い換えると、長手方向DLにおいて隣接する2つの流路領域の境界において熱媒体の流れが分岐する度に、熱媒体の流路の数は2倍~4倍に増加する。
上記実施形態において、第2流路121の流路領域F1~F5は、1又は複数の流路要素131を有する。流路要素131は、第1伝熱プレート110の第1後面110sbと第2伝熱プレート120の第2前面120saとが対向した空間に相当する。言い換えると、流路要素131において、第1伝熱プレート110は第2伝熱プレート120と接触していない。しかし、流路要素131において第1伝熱プレート110と第2伝熱プレート120とを互いに接触させるための補強要素を、第1伝熱プレート110及び第2伝熱プレート120の少なくとも一方に設けてもよい。補強要素は、第1伝熱プレート110及び第2伝熱プレート120の、流路要素131における強度を確保するための構成要素である。補強要素を設けることで、第1伝熱プレート110の第1後面110sbと第2伝熱プレート120の第2前面120saとが流路要素131において互いに接触して、第2流路121の流路断面積が低減することが抑制される。
上記実施形態において、第1流路111を流れる冷媒と第2流路121を流れる熱媒体とが並行流となるように熱交換器100が形成されている。しかし、第1流路111を流れる冷媒と第2流路121を流れる冷媒とが対向流となるように熱交換器100が形成されてもよい。例えば、第1流路111において、冷媒は、下側の第1流通孔110bから上側の第1流通孔110bに向かって流れ、第2流路121において、熱媒体は、上側の第2流通孔120bから下側の第2流通孔120bに向かって流れてもよい。
上記実施形態において、熱交換器100は、第2流路121において、熱媒体の流れが徐々に分岐して、熱媒体が流れる流路要素131の数が徐々に増加する分岐構造を有する。しかし、熱交換器100は、第1流路111において、第2流路121と同様の分岐構造を有してもよい。具体的には、第1流路111において、冷媒の流れが徐々に分岐して、冷媒が流れる空間(流路要素131に相当)の数が徐々に増加する分岐構造を有してもよい。
上記実施形態において、冷媒としてR1234zeを例示し、熱媒体として二酸化炭素を例示したが、冷媒及び熱媒体は、これに限定されない。
上記実施形態において、第1導入管150a、第1導出管150b、第2導入管160a、及び第2導出管160bの全ては、第1フレーム130に形成されている。しかし、第1導入管150a、第1導出管150b、第2導入管160a、及び第2導出管160bの少なくとも一部が、第2フレーム140に形成されてもよい。
上記実施形態において、冷媒サイクル装置1は、熱源側サイクル10と利用側サイクル20とを有する二元冷凍装置である。しかし、冷媒サイクル装置1は、冷媒を循環させる蒸気圧縮式のサイクルを1つのみ有する冷凍装置であってもよい。例えば、冷媒サイクル装置1は、熱源側圧縮機11、熱源側熱交換器12、熱源側膨張弁13、及び利用側熱交換器22のそれぞれに相当する要素から構成される冷媒サイクルを有してもよい。この場合、冷媒の凝縮器として機能する熱源側熱交換器12は、上記実施形態の第2流路121と同様の分岐構造を有してもよい。
100 :熱交換器
110 :第1伝熱プレート(部材)
120 :第2伝熱プレート(部材)
120b :上側の第2流通孔(第1開口)
120b :下側の第2流通孔(第2開口)
131 :流路要素(流路)
DL :長手方向(第1方向)
DS :積層方向(第2方向)
F1 :第1の流路領域
F2 :第2の流路領域
F5 :第5の流路領域(第Nの流路領域)
Claims (10)
- 第1開口(120b)と第2開口(120b)との間を第1方向(DL)に流体が流れる熱交換器であって、
前記第1開口と前記第2開口との間において前記第1方向に沿って隣り合って配置されるN個(Nは、2以上の整数である。)の流路領域を形成する部材(110,120)を備え、
前記N個の流路領域のそれぞれは、前記流体が流れる流路(131)を有し、
前記N個の流路領域のうち前記第1方向において前記第1開口の側から1番目に位置する第1の流路領域(F1)の前記流路の数および断面積は、前記N個の流路領域のうち前記第1方向において前記第1開口の側からN番目に位置する第Nの流路領域(F5)の前記流路の数および断面積と異なる、
熱交換器(100)。 - 前記N個の流路領域のうち前記第1方向において前記第1開口の側からi番目に位置する第iの流路領域の前記流路の数は、前記N個の流路領域のうち前記第1方向において前記第1開口の側からj番目(i,jは、1≦i<j≦Nを満たす整数である。)に位置する第jの流路領域の前記流路の数より少なく、
前記第iの流路領域の前記流路の断面積は、前記第jの流路領域の前記流路の断面積より大きい、
請求項1に記載の熱交換器。 - 前記第1の流路領域の前記流路の数は、1である、
請求項1または2に記載の熱交換器。 - 前記N個の流路領域のうち前記第1方向において前記第1開口の側から2番目に位置する第2の流路領域(F2)と前記第1の流路領域との境界と、前記第1開口との間の前記第1方向の距離L1、および、前記第1開口と前記第2開口との間の前記第1方向の距離L0は、
0.2×L0≦L1≦0.8×L0の関係式を満たす、
請求項3に記載の熱交換器。 - 前記N個の流路領域のうち前記第1方向において隣接する2つの流路領域の境界と、前記第1開口との間の前記第1方向の距離L2、および、前記第1開口と前記第2開口との間の前記第1方向の距離L0は、
0.2×L0≦L2≦0.8×L0の関係式を満たす、
請求項4に記載の熱交換器。 - 前記N個の流路領域のうち前記第1方向において前記第1開口の側からk番目(kは、1≦k≦N-1を満たす整数である。)に位置する第kの流路領域と、前記N個の流路領域のうち前記第1方向において前記第1開口の側からk+1番目に位置する第k+1の流路領域との境界において、前記流路は分岐し、
前記第k+1の流路領域の前記流路の数は、前記第kの流路領域の前記流路の数の2倍乃至4倍である、
請求項1または2に記載の熱交換器。 - 前記N個の流路領域のそれぞれの前記第1方向の長さは、前記第1開口と前記第2開口との間の前記第1方向の距離の10%~50%である、
請求項1または2に記載の熱交換器。 - 前記第1方向と交差する第2方向(DS)に積層される複数の前記部材を備え、
前記N個の流路領域は、前記第2方向に隣接する前記部材の間に形成される、
請求項1または2に記載の熱交換器。 - 前記流体である第1媒体が流れる前記流路を有する前記N個の流路領域と、前記流体である第2媒体が流れる前記流路を有する前記N個の流路領域とが前記第2方向に交互に積層され、
前記第1媒体は、前記第1開口から前記第2開口に向かって前記流路を流れ、
前記第2媒体は、前記第2開口から前記第1開口に向かって前記流路を流れる、
請求項8に記載の熱交換器。 - 請求項1または2に記載の熱交換器を備える、
冷媒サイクル装置(1)。
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