JP5100818B2 - 冷媒分配器、熱交換器及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

冷媒分配器、熱交換器及び冷凍サイクル装置 Download PDF

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本発明は、主として空気調和装置等の冷凍サイクル装置を構成する熱交換器において、例えば気液二相冷媒を分配して複数の伝熱管等に流入させる冷媒分配器等に関するものである。
例えば、空気調和装置等の冷凍サイクル装置において、冷媒回路を構成する蒸発器、凝縮器を、冷媒と熱交換対象との熱交換を行う熱交換器で構成する。このような熱交換器において、例えば、冷媒が流入する部分に冷媒分配器を備え、流入する冷媒を複数に分配して、伝熱管等を有する熱交換本体に供給して熱交換をさせる場合がある。このとき、冷媒分配器の分配に重力が影響し、偏りが発生することがあった。
このため、従来の熱交換器では、分配器入口部分の配管に螺旋溝を設け、重力よりも溝形状の作用による表面張力が支配的となるようにすることで、冷媒分配器の設置角度が分配特性に与える影響を小さくするようにしていた(例えば、特許文献1参照)。
特開2003−14337号公報(請求項1、第7図(b))
上記のような分配を行う場合、例えばロウ付け精度などの製造上の問題で冷媒入口管と冷媒出口管との管端部において、所定寸法の間隙をあけた場合、流動状態が重力の影響を受けて偏流し、分配性能が低下するということがあった。また、設置角度の影響を受けずに均等分配はできるものの、例えば熱交換器の熱負荷に応じた分配調整をすること等が難しいという課題があった。
本発明は上記のような従来の課題を解決するためになされたもので、例えば、重力の影響によらず冷媒の分配を行えるようにし、また、熱交換器の熱負荷の違いにも対応して冷媒を適切に分配できるような冷媒分配器等を提供する。
上記課題を解決するため、本発明の冷媒分配器は、冷媒が流入する冷媒流入口と、それぞれ冷媒流入口から等距離にあって、流入した冷媒が流出する複数の冷媒流出口と、冷媒流入口と複数の冷媒流出接続口との間に空間を形成し、さらに冷媒に毛細管力を発生させて冷媒流入口から各冷媒流出口に冷媒を導くための複数の突起と、冷媒流出口に対向して流路となる壁面に形成した液穴と、冷媒を均等にするために液穴間を連通させる溝とを備え、低圧力損失で、例えば熱交換器の熱負荷に応じた分配調整ができる冷媒分配器を提供する。
本発明によれば、冷媒の流路となる部分に複数の突起を設け、例えば重力方向(鉛直方向)において高い位置にある冷媒流出口には、突起間の毛細管力(表面張力)を利用して、重力に抗するように冷媒を流すようにしたので、重力の影響によらない冷媒の分配を実現することができる。このとき、毛細管力を利用して冷媒の分配を行うため、冷媒分配器における圧力損失を小さくすることができる。このため、高性能かつ低コストの熱交換器及び冷凍サイクル装置を提供することができる。
この発明の実施の形態1に係る冷媒分配器30の組立図である。 この発明の実施の形態1に係る上蓋4aの上面図である。 この発明の実施の形態1に係る分配部3を示す構造図である。 この発明の実施の形態1に係る底蓋4bの上面図である。 この発明の実施の形態1に係る冷媒分配器30の傾斜配置図である。 実施の形態2に係る冷媒分配器30を搭載した熱交換器の構造図である。 この発明の実施の形態3に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1における冷媒分配器30の構成例を示す模式図である。図1に示すように、本実施の形態に係る冷媒分配器30は、円盤形状の機器であり、大径の冷媒接続口1、小径の冷媒接続口2を有する上蓋(第1のプレート)4a、分配部(第2のプレート)3及び底蓋(第3のプレート)4bにより構成される。冷媒分配器30の内部には分配空間部が存在する。分配空間部は、冷媒接続口1と冷媒接続口2との間の流路となる。
図2は上蓋4aを上面側(冷媒流入出側)からみた図である。上蓋4aは、冷媒接続口1と冷媒接続口2とを有している。冷媒接続口1及び冷媒接続口2は、分配空間部(分配部3)に対して同じ側に設けられており、冷媒配管(図示せず)と接続して冷媒を流入出する。本実施の形態では、円盤形状の上蓋4aの中心部分を開口して冷媒接続口1としている。また、冷媒接続口1は、冷媒分配器30(分配部3)に冷媒を流入させるための流入口となるものとする。一方、冷媒接続口2は、冷媒接続口1を中心として各冷媒接続口2が等距離となるような位置に設けられている。また、本実施の形態では、2つの冷媒接続口2を組として冷媒接続口1(円盤形状中心)に対して点対称の位置に配置しているものとする。図2では8つの冷媒接続口2(4組の冷媒接続口2)を有している。そして、冷媒接続口2は、冷媒の流出口となり、例えば接続する熱交換対象と冷媒との熱交換を行う熱交換器の伝熱管(図示せず)に冷媒を流出するものとする。ここで、本実施の形態においては、重力方向と逆方向を上方向とし、冷媒分配器30の中心にある冷媒接続口1よりも上方向側を上部とする。また、重力方向を下方向とし、冷媒分配器30の中心にある冷媒接続口1よりも下方向側を下部とする。
また、上蓋4aには、冷媒分配器30の内部に位置し、外部からは見えない柱状突起5aの幅(ピッチ、配置関係)を、外部から判断できるように、上蓋4aの外表面に刻印(マーク)を付している。具体的には、例えば、図1及び図2に実線で示しているように、柱状突起5aのピッチがわかるように、中心から外周に向かって放射状の突起間隔表示20を記している。これにより、冷媒分配器30の設置方向を判断することができる。
図3は分配部3及び底蓋4bの内部構造を説明するための図である。図3は上面側から見た場合の図とA−A’断面及びB−B’断面からみた図とを併せて示している。つぎに、分配空間部に存在する柱状突起5a、溝9の形状等について図3に基づき説明する。分配部3は、柱状突起5a、中心突起5b及び均液穴10を有している。中心突起5bは円錐形状をなしており、冷媒接続口1から流入する冷媒を周縁に向けて分散させるものである。
柱状突起5aは、中心突起5bの周囲において、円盤中心から周縁に向かって放射状に設けられる。柱状突起5aは、重ね合わせたときに上蓋4aを支持し、壁(仕切り)となって空間を形成すると共に、隣り合う柱状突起5aとの間に流入した冷媒に毛細管力を発生させ、冷媒接続口2(特に上部における冷媒接続口2)に冷媒を導きやすくする。ここで、冷媒接続口2に至るまで、柱状突起5a間の幅(ピッチ)が広がらないようにする(一定にする)ため、円盤中心から周縁に向かって柱状突起5aの幅を広げている(例えば上面から見た場合には三角形となる)。また、上部側ほど(重力方向と反対方向に向かうほど)柱状突起5a間におけるピッチが狭くなるような配置にする。ここで、本実施の形態では、柱状突起5aとしたが、柱状突起5aと同様の機能を実現できれば、柱状に限るものではない。例えば、突起の上蓋4a側が錐状(三角錐)となるような突起としてもよい。また、柱状突起5a間の幅(ピッチ)については、柱状突起5aの幅のみで調整するだけでなく、柱状突起5aを設ける個数、個数と幅等によって調整するようにしてもよい。
均液穴10は冷媒接続口2に合わせて形成し、液体状の冷媒(液冷媒)を通過させる液穴(貫通穴)である。ただ、後述するメカニズムから、重力方向に対して垂直な水平方向に位置する冷媒接続口2には、例えば均液を目的とする均液穴10を設ける必要がないため、本実施の形態では形成していない。ここで、例えば上記のように柱状突起5aの個数により冷媒接続口2と連通するピッチの調整等をすると、冷媒接続口2及び均液穴10と連通しないピッチができる場合がある(図3では左右斜め上部分にある)。そこで、上蓋4aが装着されても、連通しないピッチに流れ込んだ液冷媒が滞留しないようにし、隣り合うピッチ間において連通できるようにする。例えば、上蓋4aの内面側(分配部3との対向面側)と柱状突起5aの上蓋4aとの対向面との間に一定の隙間を設けるようにし、冷媒接続口2と連通するピッチに液冷媒が流れるようにする。
図4は底蓋4bを上面側からみた図である。溝9は、基本的に対応する均液穴10間を液冷媒が流れるようにするために接続(連通)する。水平方向については、前述したように均液穴10を設けていないために溝9もない。ここで、特に限定するものではないが、例えば、重力方向に対する溝9の上下差(高低差)等により、各溝9の幅、深さ等を変化させるようにしてもよい。
つぎに、この冷媒分配器30の構造によって気液二相冷媒を均一に分配できるメカニズムについて説明する。気体状の冷媒(ガス冷媒)と液冷媒とが混合した気液二相冷媒が冷媒接続口1から分配空間部(分配部3)に流入する。このとき、乾き度や冷媒循環量にも依存するが、一般に、冷媒接続口1に流入する冷媒の流動状態は、上部の液膜が薄く、下部の液膜が厚い半環状流となる場合が多い。
分配部3に流入した液冷媒は、中心突起5bに衝突し、柱状突起5a間の毛細管力に応じて径方向に分散する。このため、柱状突起5a間のピッチが狭い上部においては、毛細管力が強くなり液冷媒が重力に抗して柱状突起5a間に保持される。一方、柱状突起5a間のピッチが広い下部では、重力により液冷媒が重力方向下方に流下しやすくなる。ここで、流速が大きく環状流となる場合、分配空間部では、慣性力が重力より支配的となり、柱状突起5a間に発生する毛細管力の差が相対的に小さくなる。この場合でも、中心突起5bへの衝突により液膜が径方向に破断・分散されるため、均等分配が実現できる。
また、下方に流下した液冷媒の一部は、均液穴10を通過し、図3中の点線及び図4中の実線で示される溝9を通じて上部に持ち上げられる。例えば、液冷媒の割合が少なくなる上部では均液穴10周辺の乾き度が大きく、同一流量で比較すると、柱状突起5a間を径方向へ流れる際の冷媒圧力損失が、下方に流下する場合と比較して増大する。従って、上部の均液穴10における冷媒の圧力が低下する。一方、下部の均液穴10は冷媒圧力損失が小さく、また液ヘッドにより圧力が上昇するため、溝9の両端に圧力差が生じる。この圧力差と溝9内の毛細管力によって、下部側の均液穴10から溝9に流れ出た液冷媒が溝9を伝って上部の均液穴10へ引き上げられる。このため、本実施の形態の冷媒分配器30においては、冷媒接続口2の位置(特に上下方向に対する位置)の影響を受けずに等乾き度に近い分配を実現することができる。
このように、本実施の形態の冷媒分配器30では、柱状突起5a間に生じる表面張力を利用して上部に液冷媒を保持させる第1の均液機能と、均液穴10と溝9とにより下部から上部へ液冷媒を引き上げる第2の均液機能により、均等な分配(冷媒中の気液の比率も含めて)を実現することができる。分配により分散された気液二相冷媒は複数の冷媒接続口2から流出し、例えば後述する熱交換器本体22へ流入する。このとき、柱状突起5a間や溝9内の毛細管力を利用するため、内部のオリフィスで噴霧流を形成する従来のディストリビュータに比べ、圧力損失が小さくなる。これにより冷媒回路における膨張弁(絞り装置、流量調整装置)を小型化でき、装置全体の低コスト化が図れる。
本実施の形態の冷媒分配器30では、所定の冷媒を表面張力作用により溝9内に保持することから、突起高さや突起数を一定とする条件では、液膜を薄くする必要がある。このため、分配部3の内径Dには最低限の大きさが必要であり、柱状突起5a間の幅Wには最大値(Wmax)が存在する。
図5は、重力方向に対して傾斜している冷媒分配器30の一例を表す図である。図5に示すように、冷媒分配器30は、重力に対して、傾斜角度θ傾斜しているものとする。図5のような状態で、安定的な冷媒分配を実現するためには、傾斜角度θ、最小内径D、柱状突起5aの間隔(ピッチ)Wの間に適切な関係が成立していなければならない。このような適切な関係を具体的に表すために、重力と表面張力との強さを表す指標として無次元数であるボンド数Boを用いる。ボンド数=重力/表面張力である。このボンド数を、図3〜図5に示した形状寸法及び物性値を用いて表すと、次式(1)のようになる。
Bo=D×g×sinθ×(ρl−ρv)/(σ/W) …(1)
ここで、Boはボンド数、Dは内径、gは重力加速度を表す。また、ρlは液密度、ρvはガス密度、σは液冷媒の表面張力を表す。そして、Wは柱状突起5aの間隔、θは重力方向設置角度を表す。このようにして、(1)式を用いて内径D、間隔W、重力方向設置角度θの関係を表すことができる。また、突起高さH、突起数Nは、ボイド率α(=液体積流量/(液体積流量+ガス体積流量))の関係で決定される。
以上のように、実施の形態1の冷媒分配器30によれば、冷媒の流路となる分配空間部に柱状突起5aを設けるようにする。このとき、例えば上部側にいくほど、柱状突起5a間に流入する液冷媒に重力に抗する毛細管力が発生するように、柱状突起5a間の幅(ピッチ)を狭めるようにし、また、周縁部分ほど柱状突起5aが広がる形状として幅が変わらないようにする。そして、冷媒接続口1から流入した冷媒(特に液冷媒)を中心突起5bにより分散させ、例えば冷媒接続口1よりも上部においては、柱状突起5a間に生じる表面張力を利用して液冷媒を保持させるようにすることで、重力の影響によらず、等乾き度の気液二相冷媒の分配を実現することができる。さらに、柱状突起5aとは反対の面側に溝9を設け、重力方向において高低差のある均液穴10を連通させることで、下部側に流下した液冷媒を、上部側へ引き上げるようにすることにより、均等な分配を実現することができる。このようにして、柱状突起5a間や溝9内の毛細管力を利用して冷媒の分配を行うため、内部のオリフィスで噴霧流を形成する従来のディストリビュータ等での冷媒分配器と比較して圧力損失を小さくすることができる。これにより、例えば冷媒回路における膨張弁(絞り装置、流量調整装置)を小型化することができる等、適用範囲の広い冷媒分配器を提供することができる。また、上蓋4aに突起間隔表示20をすることで、例えば熱交換器の製造時に、冷媒分配器30を設置する方向を容易に判断することができ、設置ミス等を防ぐことができる。
ここで、本実施の形態では、上蓋4a、分配部3及び底蓋4bの3つのプレートにより冷媒分配器30を構成したが、特にこの構成に限定するものではない。例えば、厚みを有する円盤(円柱)に、外周側から微細ドリル等で穴を開ける等、微細加工を施すことで冷媒分配器を形成するようにしてもよい。
実施の形態2.
図6は冷媒分配器30を搭載した熱交換器21を表す図である。ここでは、蒸発器として動作する例を示している。本発明の冷媒分配器30は熱交換器21の冷媒流入口側に設置され、気液二相冷媒の液冷媒とガス冷媒とを適切に分配する。上述したように、冷媒接続口1から流入した気液二相冷媒は、冷媒分配器30で適正な流量、乾き度で分配されて各冷媒接続口2から流出し、熱交換器本体22に流入する。
熱交換器本体22では、周囲の空気(図示せず)との熱交換を行い、空気から熱を奪って蒸発し、ガス冷媒となって流出する。ガス冷媒は、流出管6、ヘッダ7を通って熱交換器21から流出する。ここで、熱交換器21(熱交換器本体22)の高さ方向において、熱交換に係る空気の風速分布や温度分布が一定にならない場合がある。このような場合には、柱状突起5a間のピッチ、溝9の幅や高さを変化させた冷媒分配器30により、各冷媒接続口2から流出する冷媒において、液冷媒、ガス冷媒の流量比を異ならせるようにするとよい。
以上のように、実施の形態2においては、冷媒分配器30における柱状突起5a間のピッチ、溝9の幅や高さを熱交換器の熱負荷に基づいて変化させることにより、熱負荷に合わせて各冷媒接続口2に対して、適正に気液二相冷媒を分配し、熱交換器本体22の伝熱面積等に応じて有効に熱交換を行うことができる。このため、高い熱交換性能を有する熱交換器21を提供することができる。
実施の形態3.
図7は実施の形態3に係る冷凍サイクル装置の構成例を表す図である。ここで、図7では冷凍サイクル装置として空気調和装置を示している。図7において、図1等において説明したものについては、同様の動作を行うものとする。図7の空気調和装置は、室外ユニット(室外機)40と室内ユニット(室内機)50とをガス延長配管16、液延長配管17により配管接続する。室外ユニット40は、圧縮機11、四方弁12、室外熱交換器13及び膨張弁14を有している。また、室内ユニット50は、室内熱交換器15、ディストリビュータ18及び毛細管19を有している。
圧縮機11は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。ここで、特に限定するものではないが、圧縮機11はたとえばインバータ回路等により、運転周波数を任意に変化させることにより、圧縮機11の容量(単位時間あたりの冷媒を送り出す量)を変化させることができるようにしてもよい。四方弁12は、たとえば冷房運転時と暖房運転時とによって冷媒の流れを切り換えるための弁である。
本実施の形態における室外熱交換器13は、上述した実施の形態2における熱交換器21である。このため、実施の形態1等で説明した冷媒分配器30は室外熱交換器13が有している。室外熱交換器13は、冷媒と空気(室外の空気)との熱交換を行う。たとえば、暖房運転時においては蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させ、気化させる。また、冷房運転時においては凝縮器として機能し、冷媒を凝縮して液化させる。このとき、冷媒分配器30は、冷房時における室外熱交換器13の冷媒流出口側(暖房時の室外熱交換器13の冷媒流入口側)に設置される。
絞り装置(流量制御手段)等の膨張弁14は冷媒を減圧して膨張させるものである。たとえば電子式膨張弁等で構成した場合には、制御手段(図示せず)等の指示に基づいて開度調整を行う。室内熱交換器15は、例えば空調対象となる空気と冷媒との熱交換を行う。暖房運転時においては凝縮器として機能し、冷媒を凝縮して液化させる。また、冷房運転時においては蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させ、気化させる。ディストリビュータ18は、冷媒の分配、合流を行う手段である。また、毛細管(キャピラリ)19は、室内熱交換器15における冷媒流量の調整を行う。
最初に、冷凍サイクル装置における冷房運転について冷媒の流れに基づいて説明する。冷房運転においては、実線で示す接続関係となるように四方弁12を切り替える。圧縮機11により圧縮されて吐出した高温、高圧のガス冷媒は、四方弁12を通過し、さらにヘッダ7、流出管6を通り、室外熱交換器13に流入する。そして、室外熱交換器13内を通過して、室外の空気と熱交換することで凝縮、液化した冷媒(液冷媒)は、冷媒分配器30を通過して膨張弁14へ流入する。膨張弁14で減圧されて気液二相状態となった冷媒は室外ユニット40から流出する。ここで、冷房運転時においては、冷媒分配器30は、上述した実施の形態における機能とは異なり、冷媒を合流させる機器として機能することになる。合流する冷媒は液冷媒であり、分配、圧力損失等については、特に考慮しなくてもよい。
室外ユニット40を流出した気液二相冷媒は、液延長配管17を通過して室内ユニット50に流入する。そして、オリフィスが内蔵されたディストリビュータ18と毛細管19とにより分配され、室内熱交換器15に流入する。室内熱交換器15内を通過して、例えば空調対象の空気と熱交換することで蒸発、ガス化した冷媒(ガス冷媒)は、室内ユニット50から流出する。
室内ユニット50から流出したガス冷媒はガス延長配管16を通過して室外ユニット40に流入する。そして、四方弁12を通過して再度圧縮機11に吸入される。以上のようにして空気調和装置の冷媒が循環し、空気調和(冷房)を行う。
次に暖房運転について冷媒の流れに基づいて説明する。暖房運転においては、点線で示す接続関係となるように四方弁12を切り替える。圧縮機11により圧縮されて吐出した高温、高圧のガス冷媒は、四方弁12を通過して室外ユニット40から流出する。室外ユニット40を流出したガス冷媒は、ガス延長配管16を通過して室内ユニット50に流入する。
室外熱交換器13内を通過して、例えば空調対象の空気と熱交換することで凝縮、液化した冷媒は、ディストリビュータ18と毛細管19とを通過して室内ユニット50から流出する。
室内ユニット50から流出した冷媒は液延長配管17を通過して室外ユニット40に流入する。そして、膨張弁14で減圧されて気液二相状態となった冷媒は、実施の形態1等で説明したように、冷媒接続口1を通過して冷媒分配器30へ流入し、適正に分配され、室外熱交換器13に流入する。そして、室外熱交換器13内を通過して、室外の空気と熱交換することで蒸発、ガス化した冷媒(液冷媒)は、流出管6、ヘッダ7を通り、四方弁12を通過して再度圧縮機11に吸入される。以上のようにして空気調和装置の冷媒が循環し、空気調和(暖房)を行う。
以上のように、実施の形態3の空気調和装置(冷凍サイクル装置)においては、上述した冷媒分配器30を室外熱交換器13に設けることにより、例えば暖房運転時に室外熱交換器13に流入する気液二相冷媒を適正に分配することができ、熱交換の効率を向上させることができる。これにより、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。また、柱状突起5a間や溝9内の表面張力を利用した分配を行うことで、冷媒分配器30における圧力損失を小さくすることができるので、膨張弁14等の小型化をはかることで、製造等のコストを低減することができる。
1 冷媒接続口(大径)、2 冷媒接続口(小径)、3 分配部、4a 上蓋、4b 底蓋、5a 柱状突起、5b 中心突起、6 流出管、7 ヘッダ、9 溝、10 均液穴、11 圧縮機、12 四方弁、13 室外熱交換器、14 膨張弁、15 室内熱交換器、16 ガス延長配管、17 液延長配管、18 ディストリビュータ、19 毛細管、20 突起間隔表示、21 熱交換器、22 熱交換器本体、30 冷媒分配器、40 室外ユニット、50 室内ユニット。

Claims (6)

  1. 冷媒が流入する冷媒流入口と、
    それぞれ前記冷媒流入口から等距離にあって、流入した前記冷媒が流出する複数の冷媒流出口と、
    冷媒流入口と複数の冷媒流出口との間に流路となる空間を形成し、前記冷媒に毛細管力を発生させて前記冷媒流出口に前記冷媒を導くための複数の突起と、
    前記冷媒流出口に対向して前記流路となる壁面に形成した液穴と、
    冷媒を均等にするために前記液穴間を連通させる溝と
    を備えることを特徴とする冷媒分配器。
  2. 前記突起間の冷媒に発生させる毛細管力に基づいて各突起間の幅を設定することを特徴とする請求項1に記載の冷媒分配器。
  3. 前記冷媒流入口及び複数の冷媒流出口を有する第1のプレートと、
    前記複数の突起及び前記液穴を有する第2のプレートと、
    前記溝を有する第3のプレートとを有し、
    前記第2のプレートにおいて前記突起を有する面の裏面側と前記第3のプレートの前記溝を有する面とを接合して形成することを特徴とする請求項1又は2に記載の冷媒分配器。
  4. 前記突起の配置関係を示す印を外面に有することを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の冷媒分配器。
  5. 請求項1〜のいずれかに記載の冷媒分配器と、
    該冷媒分配器の分配に係る気液二相状の冷媒を通過させる複数の伝熱管と
    を備えることを特徴とする熱交換器。
  6. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
    熱交換により前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
    凝縮された冷媒を減圧させるための膨張手段と、
    請求項に記載の熱交換器を有し、減圧した前記冷媒と空気とを熱交換して前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
    を配管接続して冷媒を循環させる冷媒回路を構成することを特徴とする冷凍サイクル装置。
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