JP5229043B2 - 熱交換器 - Google Patents

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Description

本発明は、冷媒を空気や水などの流体と熱交換させる熱交換器に関するものである。
従来、特許文献1や特許文献2には、冷媒と空気と熱交換させるためのフィン・アンド・チューブ型の熱交換器が開示されている。この熱交換器は、等間隔に配置された多数のフィンと、これらフィンを貫通する伝熱管とによって構成されている。この熱交換器では、伝熱管は、蛇行する形状に形成されて冷媒流通路を構成している。そして、この熱交換器では、冷媒流通路内を流れる冷媒がフィンの間を通過する空気と熱交換する。
上記熱交換器は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷凍装置の冷媒回路に設けられる。この冷媒回路において、熱交換器は、冷媒を空気と熱交換させて蒸発させる蒸発器や、冷媒を空気と熱交換させて凝縮させる凝縮器として動作する。
蒸発器として動作する熱交換器では、通常、乾き度の低い気液二相冷媒が冷媒流通路へ流入する。冷媒流通路内では、流入した冷媒中の液冷媒が蒸発してゆくため、その下流側ほど冷媒の乾き度が高くなる。通常、蒸発器として動作する熱交換器の出口では、冷媒がガス単相状態(即ち、乾き度が「1」の状態)となる。
一方、凝縮器として動作する熱交換器では、通常、ガス単相冷媒が冷媒流通路へ流入する。冷媒流通路内では、流入した冷媒中のガス冷媒が凝縮してゆくため、その下流側ほど冷媒の乾き度が低くなる。通常、凝縮器として動作する熱交換器の出口では、冷媒が液単相状態(即ち、乾き度が「0」の状態)となる。
ここで、冷媒流通路内では、その冷媒流通路が途中で分岐したりしない限り、その始端から終端に亘って冷媒の質量流量は一定となる。一方、冷媒流通路内で冷媒が相変化すると、それに伴って冷媒流通路内における冷媒の体積流量が変化する。ガス冷媒の比体積は、液冷媒の比体積に比べて非常に大きい。このため、蒸発器として動作する熱交換器では、冷媒流通路内において液冷媒が蒸発してゆくため、下流側ほど冷媒の体積流量が多くなり、その結果、下流側に向かうにつれて冷媒の流速が次第に速くなってゆく。また、凝縮器として動作する熱交換器では、冷媒流通路へガス単相冷媒が流入するため、上流側において冷媒の体積流量が多くなり、その結果、上流側ほど冷媒の流速が速い状態となる。
また、一般に管内を流体が流れる際の圧力損失は、管内における流体の流速が高いほど大きくなる。このため、蒸発器や凝縮器として動作する熱交換器において、冷媒流通路の入口から出口に至るまでの冷媒の圧力損失は、冷媒流通路内を冷媒が液単相状態のままで流れる場合に比べて大きくなる。
特開2001−336859号公報 特開2008−121932号公報
しかしながら、従来の熱交換器は、蒸発器又は凝縮器として使用される場合において、その上流側及び下流側の冷媒流通路の通路の断面積をガス冷媒量に応じて変えることができない。このため、熱交換器が蒸発器として使用される場合には、熱交換器の下流側でガス冷媒が多くなって冷媒の圧力損失が大きくなる一方、凝縮器として使用される場合には、熱交換器の上流側でガス冷媒が多くなって冷媒の圧力損失が大きくなるという問題があった。
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、熱交換器の蒸発器と凝縮器を切り換えた場合に熱交換器を流れる冷媒の圧力損失を減少させることを目的とする。
第1の発明は、冷媒の流入通路(18)に入口側が接続される一方、冷媒の流出通路(19)に出口側が接続されて冷媒が通過する熱交換器であって、入口端が流入通路(18)に接続された第1熱交換部(42)と、第2熱交換部(43)と、出口端が流出通路(19)に接続された第3熱交換部(44)と、入口端が流入通路(18)に接続された第1補助流路(46)と、入口端が第1熱交換部(42)の出口側に接続され且つ出口端が第3熱交換部(44)の入口側に接続された第2補助流路(47)と、出口端が流出通路(19)に接続された第3補助流路(48)と、上記第1熱交換部(42)の出口端と第2熱交換部(43)の入口端とを接続し且つ第1補助流路(46)の出口端を閉鎖した第1状態と、上記第1熱交換部(42)の出口端を閉鎖し且つ第1補助流路(46)の出口端と第2熱交換部(43)の入口端とを接続した第2状態とに切り換わる第1の切換弁(51)と、上記第2熱交換部(43)の出口端と第3熱交換部(44)の入口端とを接続し且つ第3補助流路(48)の入口端を閉鎖した第3状態と、上記第3熱交換部(44)の入口端を閉鎖し且つ第3補助流路(48)の入口端と第2熱交換部(43)の出口端とを接続した第4状態とに切り換わる第2の切換弁(52)とを備えている。
上記第1の発明では、まず、第1の切換弁(51)を第1状態に設定して第2の切換弁(52)を第4状態に設定する。第1の切換弁(51)は、第1補助流路(46)の出口端を閉鎖して第1熱交換部(42)と第2熱交換部(43)とを接続する。そして、第2の切換弁(52)は、第3熱交換部(44)の入口端を閉鎖して第3補助流路(48)と第2熱交換部(43)とを接続する。流入通路(18)を流れる冷媒は第1熱交換部(42)に流入し、該第1熱交換部(42)の外部を流れる熱交換流体と熱交換を行う。第1熱交換部(42)を流出した冷媒は、その一部が第2熱交換部(43)に流入する一方、残りの冷媒は、第2補助流路(47)を通過して第3熱交換部(44)に流入する。第2熱交換部(43)に流入した冷媒は、該第2熱交換部(43)の外部を流れる熱交換流体と熱交換を行う。第2熱交換部(43)を流出した冷媒は第3補助流路(48)を通過して流出通路(19)に流入する。第3熱交換部(44)に流入した冷媒は、該第3熱交換部(44)の外部を流れる熱交換流体と熱交換を行う。第3熱交換部(44)を流出した冷媒は流出通路(19)に流入する。流出通路(19)では、第3補助流路(48)を流出した冷媒と第3熱交換部(44)を流出した冷媒とが合流する。
次に、第1の切換弁(51)を第2状態に設定して第2の切換弁(52)を第3状態に設定する。第1の切換弁(51)は、第1熱交換部(42)の出口端を閉鎖して第1補助流路(46)と第2熱交換部(43)を接続する。そして、第2の切換弁(52)は、第3補助流路(48)の入口端を閉鎖して第2熱交換部(43)と第3熱交換部(44)とを接続する。流入通路(18)を流れる冷媒は、その一部が第1熱交換部(42)に流入する一方、残りが第1補助流路(46)を通過して第2熱交換部(43)に流入する。第1熱交換部(42)に流入した冷媒は、該第1熱交換部(42)の外部を流れる熱交換流体と熱交換を行う。第1熱交換部(42)を流出した冷媒は、第2補助流路(47)を通過して第3熱交換部(44)に流入する。第2熱交換部(43)に流入した冷媒は、該第2熱交換部(43)の外部を流れる熱交換流体と熱交換を行う。第2熱交換部(43)を流出した冷媒は、第3熱交換部(44)に流入する。第3熱交換部(44)では、第2補助流路(47)を流出した冷媒と第2熱交換部(43)を流出した冷媒とが合流する。第3熱交換部(44)に流入した冷媒は、該第3熱交換部(44)の外部を流れる冷媒と熱交換を行う。
第2の発明は、上記第1の発明において、冷媒が吸熱する吸熱動作に、上記第1の切換弁(51)を第1状態に切り換えると共に、第2の切換弁(52)を第4状態に切り換える一方、冷媒が放熱する放熱動作に、上記第1の切換弁(51)を第2状態に切り換えると共に、第2の切換弁(52)を第3状態に切換制御器(53)とを備えている。
上記第2の発明では、吸熱動作時には、切換制御器(53)は、第1の切換弁(51)を第1状態に設定して第2の切換弁(52)を第4状態に設定する。第1の切換弁(51)は、第1補助流路(46)の出口端を閉鎖して第1熱交換部(42)と第2熱交換部(43)とを接続する。そして、第2の切換弁(52)は、第3熱交換部(44)の入口端を閉鎖して第3補助流路(48)と第2熱交換部(43)とを接続する。流入通路(18)から第1熱交換部(42)に冷媒が流入すると、第1熱交換部(42)に流入した冷媒は、該第1熱交換部(42)の外部を流れる熱交換流体から吸熱し、熱交換流体は冷却される。第1熱交換部(42)を流出した冷媒は、その一部が第2熱交換部(43)へ流入する一方、残りが第2補助流路(47)を通過して第3熱交換部(44)に流入する。第2及び第3熱交換部(43,44)へ流入した冷媒は、各熱交換部(43,44)の外部を流れる熱交換流体から吸熱し、熱交換流体は冷却される。そして、第2及び第3熱交換部(43,44)を流出した冷媒は、流出通路(19)で合流して流出される。
放熱動作時には、切換制御器(53)は、第1の切換弁(51)を第2状態に設定して第2の切換弁(52)を第3状態に設定する。第1の切換弁(51)は、第1熱交換部(42)の出口端を閉鎖して第1補助流路(46)と第2熱交換部(43)を接続する。そして、第2の切換弁(52)は、第3補助流路(48)の入口端を閉鎖して第2熱交換部(43)と第3熱交換部(44)とを接続する。流入通路(18)を通過する冷媒は、その一部が第1熱交換部(42)に流入する一方、残りが第1補助流路(46)を通過して第2熱交換部(43)に流入する。第1及び第2熱交換部(42,43)へ流入した冷媒は、各熱交換部(42,43)の外部を流れる熱交換流体へ放熱し、熱交換流体は加熱される。そして、第1及び第2熱交換部(42,43)を流出した冷媒は、第3熱交換部(44)の入口側で合流して第3熱交換部(44)に流入する。第3熱交換部(44)に流入した冷媒は、該第3熱交換部(44)の外部を流れる熱交換流体へ放熱し、熱交換流体は加熱される。第3熱交換部(44)を流出した冷媒は、流出通路(19)から流出される。
第3の発明は、上記第1〜3の発明の何れか1つにおいて、上記第1及び第2の切換弁(51,52)は、三方弁で構成されている。
上記第3の発明では、第1の切換弁(51)は、三方弁に構成され、第1熱交換部(42)の出口端と第2熱交換部(43)の入口端とを接続し且つ第1補助流路(46)の出口端を閉鎖した第1状態と、上記第1熱交換部(42)の出口端を閉鎖し且つ第1補助流路(46)の出口端と第2熱交換部(43)の入口端とを接続した第2状態とに切り換わる。
また、第2の切換弁(52)は、第2熱交換部(43)の出口端と第3熱交換部(44)の入口端とを接続し且つ第3補助流路(48)の入口端を閉鎖した第3状態と、上記第3熱交換部(44)の入口端を閉鎖し且つ第3補助流路(48)の入口端と第2熱交換部(43)の出口端とを接続した第4状態とに切り換わる。
上記第1の発明では、第1〜3補助流路(46,47,48)と第1及び第2の切換弁(51,52)とを設けた。このため、熱交換器の下流側を流れる冷媒を第2及び第3熱交換部(43,44)の2つの冷媒流路に流入させる状態と、熱交換器の上流側を流れる冷媒を第1及び第2熱交換部(42,43)の2つの冷媒流路に流入させる状態とに切り換えることができる。つまり、熱交換器内でガス状態で存在する冷媒を2つの冷媒流路に流入させることができる。これにより、ガス冷媒が流通する冷媒流路の断面積が大きくなるため、冷媒流路でガス冷媒の流速を低下させることができる。この結果、熱交換器を流れる冷媒の圧力損失を減少させることができる。
上記第2の発明では、吸熱動作及び放熱動作に応じて第1の切換弁(51)及び第2の切換弁(52)を切り換える切換制御器(53)を設けた。このため、吸熱動作時において流出通路(19)から流出する前のガス冷媒を、第2及び第3熱交換部(43,44)の2つの冷媒流路に通過させる一方、放熱動作時において流入通路(18)から流入した冷媒を、第1及び第2熱交換部(42,43)の2つの冷媒流路に通過させることができる。つまり、吸熱動作時では、熱交換器の下流側に存在するガス冷媒を2つの冷媒流路に通過させることができると共に、放熱動作時では、熱交換器の上流側に存在するガス冷媒を2つの冷媒流路に通過させることができる。これにより、ガス冷媒が通過する冷媒流路の断面積が大きくなるため、冷媒流路でガス冷媒の流速を低下させることができる。この結果、熱交換器を流れる冷媒の圧力損失を減少させることができる。
上記第3の発明によれば、第1の切換弁(51)に三方弁を用いたため、第1補助流路(46)、第1熱交換部(42)及び第2熱交換部(43)の3つの冷媒流路を簡易的な構成でもって切り換えることができる。また、第2の切換弁(52)に三方弁を用いたため、第3補助流路(48)、第2熱交換部(43)及び第3熱交換部(44)の3つの冷媒流路を簡易的な構成でもって切り換えることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態では、図1に示すように、居室等の空気調和を行う空気調和装置(10)について説明する。
〈空気調和装置の構成〉
本実施形態に係る空気調和装置(10)は、室外機(12)と室内機(11)とを備えたセパレート型の空気調和装置である。この空気調和装置(10)には、閉回路である冷媒回路(15)が設けられている。
冷媒回路(15)には、高沸点成分である2,3,3,3−テトラフルオロ−1−プロペン(以下、「HFO−1234yf」という。)と、低沸点成分であるHFC−32(ジフルオロメタン)とによって構成された非共沸混合冷媒が充填されている。この冷媒回路(15)は、冷房サイクルと暖房サイクルとを選択的に実行できるように構成されている。冷媒回路(15)は、室内機(11)に設けられた利用側回路(17)と、室外機(12)に設けられた熱源側回路(16)と、コントローラ(53)とを備えている。上記利用側回路(17)には、室内熱交換器(24)が接続されている。上記熱源側回路(16)は、圧縮機(20)と、室外熱交換器(23)と、第1四路切換弁(21)と、第2四路切換弁(22)と、エジェクタ(30)と、エジェクタ用気液分離器(25)と、補助膨張弁(26)とが接続されている。
冷媒回路(15)において、圧縮機(20)の吐出側は、第1四路切換弁(21)の第1ポートに接続されている。第1四路切換弁(21)の第3ポートは、室外熱交換器(23)の一端に接続されている。室外熱交換器(23)の他端は、第2四路切換弁(22)の第1のポートに接続されている。第1四路切換弁(21)の第4のポートは、室内熱交換器(24)の一端に接続されている。室内熱交換器(24)の他端は、第2四路切換弁(22)の第2ポートに接続されている。
エジェクタ(30)には、駆動流体が流れる駆動流路(31)と、駆動流路(31)から噴射する冷媒により吸引された吸引流体が流れる吸引流路(32)と、吸引流路(32)を流れる冷媒と該駆動流路(31)を流れる冷媒とを合流させて噴出する噴出流路(33)とが設けられている。エジェクタ(30)は、駆動流路(31)へ流入した駆動流体をエジェクタ(30)内に設けられたノズルで減圧させると共に加速させ、その加速により生じる負圧によって、吸引流体を吸引流路(32)内に吸引するように構成されている。また、エジェクタ(30)は、噴出流路(33)において吸引流体と駆動流体とを混合させて混合流体とし、この混合流体を該エジェクタ(30)内に設けられたディフューザで減速させると共に、昇圧させてから噴出させるように構成されている。
冷媒回路(15)において、第2四路切換弁(22)は、第3のポートがエジェクタ(30)の駆動流路(31)の入口に接続され、その第4のポートがエジェクタ(30)の吸引流路(32)の入口に接続されている。エジェクタ(30)の噴出流路(33)の出口は、エジェクタ用気液分離器(25)の側部に開口する冷媒流入口に接続されている。エジェクタ用気液分離器(25)の頂部にはガス流出口が開口しており、このガス流出口が圧縮機(20)の吸入側に接続される。また、エジェクタ用気液分離器(25)の底部には液流出口が開口しており、この液流出口が補助膨張弁(26)を介して第1四路切換弁(21)の第2ポートに接続される。
圧縮機(20)は、可変容量型のいわゆる全密閉型に構成されている。圧縮機(20)は、吸入側から吸入した冷媒を圧縮して吐出側へ吐出する。第1四路切換弁(21)及び第2四路切換弁(22)のそれぞれは、第1ポートと第3ポートが連通し且つ第2ポートと第4ポートが連通する冷媒回路(15)の第1状態(図1に実線で示す状態)と、第1ポートと第4ポートが連通し且つ第2ポートと第3ポートが連通する冷媒回路(15)の第2状態(図1に破線で示す状態)とに切り換え可能となっている。
上記室外熱交換器(23)は、図外の室外ファンによって吸い込まれた室外空気を冷媒と熱交換させる。室外熱交換器(23)は、冷媒回路(15)における第1四路切換弁(21)の第3ポートと第2四路切換弁(22)の第1ポートの間に設けられている。室外熱交換器(23)は、第1四路切換弁(21)の第3ポートと流入部(18)を介して接続されている。流入部(18)は、冷媒回路(15)を構成する冷媒管の一端部分であって、室外熱交換器(23)の冷媒の入口に接続される。流入部(18)は、本発明に係る流入通路を構成している。また、室外熱交換器(23)は、第2四路切換弁(22)の第1ポートと流出部(19)を介して接続されている。流出部(19)は、冷媒回路(15)を構成する冷媒管の一端部分であって、室外熱交換器(23)の冷媒の出口に接続される。この流出部(19)は、本発明に係る流出通路(19)を構成している。
上記室内熱交換器(24)は、図外の室内ファンによって吸い込まれた室内空気を冷媒と熱交換させる。室内熱交換器(24)は、冷媒回路(15)における第1四路切換弁(21)の第4ポートと第2四路切換弁(22)の第2ポートとの間に設けられている。室内熱交換器(24)は、第1四路切換弁(21)の第4ポートと流入部(18)を介して接続されている。流入部(18)は、冷媒回路(15)を構成する冷媒管の一端部分であって、室内熱交換器(24)の冷媒の入口に接続される。この流入部(18)は、本発明に係る流入通路を構成している。また、室内熱交換器(24)は第2四路切換弁(22)の第2ポートと流出部(19)を介して接続されている。流出部(19)は、冷媒回路(15)を構成する冷媒管の一端部分であって、室内熱交換器(24)の冷媒の出口に接続される。この流出部(19)は、本発明に係る流出通路(19)を構成している。
〈熱交換器の構成〉
図2に示すように、室内熱交換器(24)及び室外熱交換器(23)は、本発明に係る熱交換器を構成している。室外及び室内熱交換器(23,24)は、熱交換器本体(40)と、第1及び第2三方弁(51,52)とを備えている。
上記熱交換器本体(40)は、クロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器であって、冷媒を熱交換用流体である空気と熱交換させるように構成されている。この熱交換器本体(40)は、第1〜3熱交換部(42,43,44)と、第1〜3補助冷媒管(46,47,48)とで構成されている。
上記各熱交換部(42,43,44)は、多数のアルミニウム製のフィン(図示なし)と、該フィンを貫通する銅製の伝熱管(41)とによって構成されている。このフィンは、略長方形の板状に形成され、互いに対面する姿勢で一定の間隔を置いて配置されている。伝熱管(41)は、内部を冷媒が流通する冷媒流路を有する管状に形成され、その形状は、略U字状に形成されている。伝熱管(41)の直管部分には、フィンを貫通した状態でフィンに接合されている。尚、本実施形態では、伝熱管(41)の管の内側の断面積を冷媒流路の断面積とする。
上記第1〜3熱交換部(42,43,44)は、熱交換器本体(40)の冷媒流れの上流側から下流側に向かって第1熱交換部(42)、第2熱交換部(43)及び第3熱交換部(44)の順に配置されている。各熱交換部(42,43,44)では、上側が入口端となり、下側が出口端となっている。具体的に、第1熱交換部(42)は、入口端が流入部(18)に接続され、出口端が後述する第1三方弁(51)の第1ポートに接続されている。第2熱交換部(43)は、入口端が第1三方弁(51)の第2ポートに接続され、出口端が第2三方弁(52)の第2ポートに接続されている。第3熱交換部(44)は、入口端が第2三方弁(52)の第3ポートに接続され、出口端が流出部(19)に接続されている。
上記第1〜3補助冷媒管(46,47,48)は、流入部(18)、第1〜3熱交換部(42,43,44)及び流出部(19)に接続されるものであって、本発明に係る第1〜3補助流路を構成している。各補助冷媒管(46,47,48)は、内部を冷媒が流通する管状の配管に形成されている。具体的に、第1補助冷媒管(46)は、入口端が流入部(18)に接続され、出口端が第1三方弁(51)の第3ポートに接続されている。第2補助冷媒管(47)は、入口端が第1熱交換部(42)の出口側に接続され、出口端が第3熱交換部(44)の入口端に接続されている。第3補助冷媒管(48)は、入口端が第2三方弁(52)の第1ポートに接続され、出口端が流出部(19)に接続されている。
上記第1三方弁(51)は、第1熱交換部(42)、第2熱交換部(43)及び第1補助冷媒管(46)の接続状態を切り換えるためのものであって、本発明に係る第1の切換弁を構成するものである。第1三方弁(51)は、切り換え可能な三方弁に構成されている。第1三方弁(51)は、第1〜3ポートを有し、第1ポートが第1熱交換部(42)の出口端に接続され、第2ポートが第2熱交換部(43)の入口端に接続され、第3ポートが第1補助冷媒管(46)の出口端に接続されている。つまり、第1三方弁(51)は、第1熱交換部(42)の出口端と第2熱交換部(43)の入口端とを接続し且つ第1補助冷媒管(46)の出口端を閉鎖した第1状態と、第1熱交換部(42)の出口端を閉鎖し且つ第1補助冷媒管(46)の出口端と第2熱交換部(43)の入口端とを接続した第2状態とに切り換わるよう構成されている。
上記第2三方弁(52)は、第2熱交換部(43)、第3熱交換部(44)及び第3補助冷媒管(48)の接続状態を切り換えるためのものであって、本発明に係る第2の切換弁を構成するものである。第2三方弁(52)は、第1〜3ポートを有し、第1ポートが第3補助冷媒管(48)の入口端に接続され、第2ポートが第2熱交換部(43)の出口端に接続され、第3ポートが第3熱交換部(44)の入口端に接続されている。つまり、第2三方弁(52)は、第2熱交換部(43)の出口端と第3熱交換部(44)の入口端とを接続し且つ第3補助冷媒管(48)の入口端を閉鎖した第3状態と、第3熱交換部(44)の入口端を閉鎖し且つ第3補助冷媒管(48)の入口端と第2熱交換部(43)の出口端とを接続した第4状態とに切り換わるよう構成されている。
上記コントローラ(53)は、第1及び第2三方弁(51,52)の開閉を制御するものであって、本発明に係る切換制御器を構成している。具体的に、このコントローラ(53)は、冷媒回路(15)に接続されている。コントローラ(53)は、空気調和装置(10)が冷房運転を行う際には、まず、室内熱交換器(24)の第1三方弁(51)を第1状態に設定する一方、第2三方弁(52)を第4状態に設定する。次に、室外熱交換器(23)の第1三方弁(51)を第2状態に設定する一方、第2三方弁(52)を第3状態に設定する。また、コントローラ(53)は、空気調和装置(10)が暖房運転を行う際には、まず、室内熱交換器(24)の第1三方弁(51)を第2状態に設定する一方、第2三方弁(52)を第3状態に設定する。次に、室外熱交換器(23)の第1三方弁(51)を第1状態に設定する一方、第2三方弁(52)を第4状態に設定する。
−運転動作−
空気調和装置(10)の運転動作について説明する。この空気調和装置(10)は、冷房運転と暖房運転とを切り換えて行う。冷房運転中において、冷媒回路(15)では、室外熱交換器(23)が凝縮動作を行い、室内熱交換器(24)が蒸発動作を行う。また、暖房運転中において、冷媒回路(15)では、室内熱交換器(24)が凝縮動作を行い、室外熱交換器(23)が蒸発動作を行う。
〈空気調和装置の冷房運転〉
冷房運転時における空気調和装置(10)の動作について、図1を参照しながら説明する。冷房運転時には、第1四路切換弁(21)と第2四路切換弁(22)の両方が冷媒回路(15)の第1状態(図1に実線で示す状態)に設定される。この状態で圧縮機(20)を運転すると、冷媒回路(15)では、図1に実線の矢印で示すように冷媒が循環し、冷凍サイクルが行われる。その際、冷媒回路(15)では、室外熱交換器(23)が凝縮器となり、室内熱交換器(24)が蒸発器となる。
圧縮機(20)から吐出された高圧冷媒は、第1四路切換弁(21)を経て室外熱交換器(23)に流入し、室外空気へ放熱して凝縮する。室外熱交換器(23)から流出した高圧冷媒(駆動流体)は、第2四路切換弁(22)を経てエジェクタ(30)の駆動流路(31)に流入する。駆動流路(31)に流入した高圧冷媒は、ノズルによって減圧されると共に加速される。この高圧冷媒の加速により生じる負圧によって、室内熱交換器(24)から流出した低圧冷媒(吸引流体)がエジェクタ(30)内の吸引流路(32)に吸い込まれる。エジェクタ(30)において、加速された高圧冷媒と吸引された低圧冷媒とは、噴出流路(33)の上流側で合流する。合流した冷媒は、ディフューザにおいて減速されると共に昇圧され、その後に噴出流路(33)から噴出する。
エジェクタ(30)から噴出した冷媒は、エジェクタ用気液分離器(25)に流入する。エジェクタ用気液分離器(25)内では、流入した気液二相状態の冷媒が、液冷媒とガス冷媒とに分離される。エジェクタ用気液分離器(25)内の液冷媒は、補助膨張弁(26)を通過する際に減圧され、その後に第1四路切換弁(21)を経て室内熱交換器(24)に流入する。室内熱交換器(24)では、流入した冷媒が室内空気から吸熱して蒸発する。室内熱交換器(24)から流出した冷媒は、第2四路切換弁(22)を通過後にエジェクタ(30)内の吸引流路(32)に吸い込まれる。一方、エジェクタ用気液分離器(25)のガス冷媒は、圧縮機(20)に吸入される。圧縮機(20)に吸入されたガス冷媒は、所定の圧力まで圧縮されて高圧冷媒となり、その後に圧縮機(20)から吐出される。
−熱交換器の動作−
まず、上述した空気調和装置(10)の冷房運転時での室外及び室内熱交換器(23,24)の動作について説明する。
冷房運転時には、図1及び図2に示すように、室外熱交換器(23)は凝縮器として動作する一方、室内熱交換器(24)は蒸発器として動作する。コントローラ(53)は、室外熱交換器(23)の第1三方弁(51)を第2状態に設定する一方、第2三方弁(52)を第3状態に設定すると共に、室内熱交換器(24)の第1三方弁(51)を第1状態に設定する一方、第2三方弁(52)を第4状態に設定する。
具体的には、図2(B)に示すように、圧縮機(20)から吐出された高圧冷媒は、第1四路切換弁(21)を通過して流入部(18)を介して室外熱交換器(23)に流入する。尚、このとき室外熱交換器(23)に流入する高圧冷媒はガス状態となっている。室外熱交換器(23)では、流入部(18)から流入したガス冷媒の一部が、第1熱交換部(42)に流入する一方、残りが第1補助冷媒管(46)を通過して第2熱交換部(43)に流入する。このとき、流入部(18)から室外熱交換器(23)に流入したガス冷媒は、第1熱交換部(42)及び第2熱交換部(43)の2つの冷媒流路(2パス)に分配されるため、冷媒流路の断面積が大きくなり、その流速が低下する。第1熱交換部(42)及び第2熱交換部(43)では、ガス冷媒が室外熱交換器(23)の外部の空気へ放熱して凝縮する。第1熱交換部(42)を流出した冷媒は第2補助冷媒管(47)を介して第3熱交換部(44)に流入する。また、第2熱交換部(43)を流出した冷媒は、第3熱交換部(44)に流入する。そして、第3熱交換部(44)に流入した冷媒は、室外熱交換器(23)の外部の空気へ放熱して凝縮する。第3熱交換部(44)の冷媒は、流出部(19)から流出して第2四路切換弁(22)、エジェクタ(30)、補助膨張弁(26)及び第1四路切換弁(21)を経て流入部(18)を介して室内熱交換器(24)に流入する。尚、このとき室内熱交換器(24)に流入する低圧冷媒は液状態となっている。室内熱交換器(24)では、図2(A)に示すように、流入部(18)から流入した液冷媒が、全て第1熱交換部(42)に流入する。第1熱交換部(42)では、液冷媒が室内熱交換器(24)の外部の空気から吸熱して蒸発する。第1熱交換部(42)を流出した冷媒は、その一部が第2熱交換部(43)に流入する一方、残りが第2補助冷媒管(47)を通過して第3熱交換部(44)に流入する。このとき、第1熱交換部(42)から流出した冷媒は、第2熱交換部(43)及び第3熱交換部(44)の2つの冷媒流路(2パス)に分配されるため、冷媒流路の断面積が大きくなり、その流速が低下する。第2熱交換部(43)及び第3熱交換部(44)では、冷媒が室内熱交換器(24)の外部の空気から吸熱して蒸発する。第2熱交換部(43)を流出した冷媒は、第3補助冷媒管(48)を通過して流出部(19)から流出する。また、第3熱交換部(44)の冷媒は、流出部(19)から流出する。
〈空気調和装置の暖房運転〉
暖房運転時における空気調和装置(10)の動作について、図1を参照しながら説明する。暖房運転時には、第1四路切換弁(21)と第2四路切換弁(22)の両方が冷媒回路(15)の第2状態(図1に破線で示す状態)に設定される。この状態で圧縮機(20)を運転すると、冷媒回路(15)では、図1に破線の矢印で示すように冷媒が循環し、冷凍サイクルが行われる。その際、冷媒回路(15)では、室内熱交換器(24)が凝縮器となり、室外熱交換器(23)が蒸発器となる。
圧縮機(20)から吐出された高圧冷媒は、第1四路切換弁(21)を経て室内熱交換器(24)に流入し、室内空気へ放熱して凝縮する。室内熱交換器(24)から流出した高圧冷媒(駆動流体)は、第2四路切換弁(22)を経てエジェクタ(30)の駆動流路(31)に流入する。駆動流路(31)に流入した高圧冷媒は、ノズルにより減圧されると共に加速される。この高圧冷媒の加速により生じる負圧によって、室外熱交換器(23)から流出した低圧冷媒(吸引流体)がエジェクタ(30)内の吸引流路(32)に吸い込まれる。エジェクタ(30)において、加速された高圧冷媒と吸引された低圧冷媒とは、噴出流路(33)の上流側で合流する。合流した冷媒は、ディフューザで減速されると共に昇圧され、その後に噴出流路(33)から噴出する。
エジェクタ(30)から噴出した冷媒は、エジェクタ用気液分離器(25)に流入する。エジェクタ用気液分離器(25)内では、流入した気液二相状態の冷媒が、液冷媒とガス冷媒に分離される。エジェクタ用気液分離器(25)内の液冷媒は、補助膨張弁(26)を通過する際に減圧され、その後に第1四路切換弁(21)を経て室外熱交換器(23)に流入する。室外熱交換器(23)では、流入した冷媒が室外空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器(23)から流出した冷媒は、第2四路切換弁(22)を通過後にエジェクタ(30)内の吸引流路(32)に吸い込まれる。一方、エジェクタ用気液分離器(25)のガス冷媒は、圧縮機(20)に吸入される。圧縮機(20)に吸入されたガス冷媒は、所定の圧力まで圧縮されて高圧冷媒となり、その後に圧縮機(20)から吐出される。
−熱交換器の動作−
次に、上述した空気調和装置(10)の暖房運転時での室外及び室内熱交換器(23,24)の動作について説明する。
暖房運転時には、図1及び図2に示すように、室内熱交換器(24)は凝縮器として動作する一方、室外熱交換器(23)は蒸発器として動作する。コントローラ(53)は、室内熱交換器(24)の第1三方弁(51)を第2状態に設定する一方、第2三方弁(52)を第3状態に設定すると共に、室外熱交換器(23)の第1三方弁(51)を第1状態に設定する一方、第2三方弁(52)を第4状態に設定する。
具体的には、図2(B)に示すように、圧縮機(20)から吐出された高圧冷媒は、第1四路切換弁(21)を通過して流入部(18)を介して室内熱交換器(24)に流入する。尚、このとき室内熱交換器(24)に流入する高圧冷媒はガス状態となっている。室内熱交換器(24)では、流入部(18)から流入したガス冷媒の一部が、第1熱交換部(42)に流入する一方、残りが第1補助冷媒管(46)を通過して第2熱交換部(43)に流入する。このとき、流入部(18)から室内熱交換器(24)に流入したガス冷媒は、第1熱交換部(42)及び第2熱交換部(43)の2つの冷媒流路(2パス)に分配されるため、冷媒流路の断面積が大きくなり、その流速が低下する。第1熱交換部(42)及び第2熱交換部(43)では、ガス冷媒が室内熱交換器(24)の外部の空気へ放熱して凝縮する。第1熱交換部(42)を流出した冷媒は第2補助冷媒管(47)を介して第3熱交換部(44)に流入する。また、第2熱交換部(43)を流出した冷媒は、第3熱交換部(44)に流入する。そして、第3熱交換部(44)に流入した冷媒は、室内熱交換器(24)の外部の空気へ放熱して凝縮する。第3熱交換部(44)の冷媒は、流出部(19)から流出して第2四路切換弁(22)、エジェクタ(30)、補助膨張弁(26)及び第1四路切換弁(21)を経て流入部(18)を介して室外熱交換器(23)に流入する。尚、このとき室外熱交換器(23)に流入する低圧冷媒は液状態となっている。室外熱交換器(23)では、図2(A)に示すように、流入部(18)から流入した液冷媒が、全て第1熱交換部(42)に流入する。第1熱交換部(42)では、液冷媒が室外熱交換器(23)の外部の空気から吸熱して蒸発する。第1熱交換部(42)を流出した冷媒は、その一部が第2熱交換部(43)に流入する一方、残りが第2補助冷媒管(47)を通過して第3熱交換部(44)に流入する。このとき、第1熱交換部(42)から流出した冷媒は、第2熱交換部(43)及び第3熱交換部(44)の2つの冷媒流路(2パス)に分配されるため、冷媒流路の断面積が大きくなり、その流速が低下する。第2熱交換部(43)及び第3熱交換部(44)では、冷媒が室外熱交換器(23)の外部の空気から吸熱して蒸発する。第2熱交換部(43)を流出した冷媒は、第3補助冷媒管(48)を通過して流出部(19)から流出する。また、第3熱交換部(44)の冷媒は、流出部(19)から流出する。
−実施形態の効果−
本実施形態では、室外及び室内熱交換器(23,24)が第1〜3補助冷媒管(46,47,48)と第1及び第2三方弁(51,52)とを設けた。また、空気調和装置(10)の蒸発動作及び凝縮動作に応じて室外及び室内熱交換器(23,24)の第1三方弁(51)及び第2三方弁(52)を切り換えるコントローラ(53)を設けた。これらのため、蒸発動作時において流出部(19)から流出する前のガス冷媒を、第2熱交換部(43)及び第3熱交換部(44)の2つの冷媒流路に通過させる一方、凝縮動作時において流入部(18)から流入した冷媒を、第1熱交換部(42)及び第2熱交換部(43)の2つの冷媒流路に通過させることができる。つまり、蒸発動作時では、室外及び室内熱交換器(23,24)の下流側に存在するガス冷媒を2つの冷媒流路に通過させることができると共に、凝縮動作時では、室外及び室内熱交換器(23,24)の上流側に存在するガス冷媒を2つの冷媒流路に通過させることができる。これにより、ガス冷媒が通過する冷媒流路の断面積が大きくなるため、第1〜3熱交換部(42,43,44)においてガス冷媒の流速を低下させることができる。この結果、室外及び室内熱交換器(23,24)を流れる冷媒の圧力損失を減少させることができる。
〈その他の実施形態〉
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
上記実施形態では、室内熱交換器(24)及び室内熱交換器(24)に対して熱交換器本体(40)を一つずつ設けるようにしたが、本発明は、例えば室内熱交換器(24)に対して2以上の複数個の熱交換器本体(40)を直列に接続するようにしてもよい。
尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
以上説明したように、本発明は、冷媒を空気や水などの流体と熱交換させる熱交換器について有用である。
実施形態に係る冷媒回路を示す配管系統図である。 (A)は実施形態に係る蒸発動作時の熱交換器を示す配管図であり、(B)実施形態に係る凝縮動作時の熱交換器を示す配管図である。
18 流入部
19 流出部
42 第1熱交換部
43 第2熱交換部
44 第3熱交換部
46 第1補助冷媒管
47 第2補助冷媒管
48 第3補助冷媒管
51 第1三方弁
52 第2三方弁
53 コントローラ

Claims (3)

  1. 冷媒の流入通路(18)に入口側が接続される一方、冷媒の流出通路(19)に出口側が接続されて冷媒が通過する熱交換器であって、
    入口端が流入通路(18)に接続された第1熱交換部(42)と、
    第2熱交換部(43)と、
    出口端が流出通路(19)に接続された第3熱交換部(44)と、
    入口端が流入通路(18)に接続された第1補助流路(46)と、
    入口端が第1熱交換部(42)の出口側に接続され且つ出口端が第3熱交換部(44)の入口側に接続された第2補助流路(47)と、
    出口端が流出通路(19)に接続された第3補助流路(48)と、
    上記第1熱交換部(42)の出口端と第2熱交換部(43)の入口端とを接続し且つ第1補助流路(46)の出口端を閉鎖した第1状態と、上記第1熱交換部(42)の出口端を閉鎖し且つ第1補助流路(46)の出口端と第2熱交換部(43)の入口端とを接続した第2状態とに切り換わる第1の切換弁(51)と、
    上記第2熱交換部(43)の出口端と第3熱交換部(44)の入口端とを接続し且つ第3補助流路(48)の入口端を閉鎖した第3状態と、上記第3熱交換部(44)の入口端を閉鎖し且つ第3補助流路(48)の入口端と第2熱交換部(43)の出口端とを接続した第4状態とに切り換わる第2の切換弁(52)とを備えている
    ことを特徴とする熱交換器。
  2. 請求項1において、
    冷媒が吸熱する吸熱動作に、上記第1の切換弁(51)を第1状態に切り換えると共に、第2の切換弁(52)を第4状態に切り換える一方、冷媒が放熱する放熱動作に、上記第1の切換弁(51)を第2状態に切り換えると共に、第2の切換弁(52)を第3状態に切り換える切換制御器(53)とを備えている
    ことを特徴とする熱交換器。
  3. 請求項1又は2において、
    上記第1及び第2の切換弁(51,52)は、三方弁に構成されている
    ことを特徴とする熱交換器。
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