JP5436531B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明はヒートポンプ装置、主として空気調和機等のヒートポンプ装置に関するものである。

従来の冷媒分配器は、熱交換器の複数冷媒経路に対して分流管を介して冷媒を分配するためのものであり、分流管が上下方向で適宜間隔で接続された密閉状の外管と外管内に挿入された有底の内管で構成され、内管には上下方向に延びるスリットを形成している（例えば、特許文献１参照）。
また、従来の別の冷媒分配器は、長手方向を垂直にした円筒状の外管と、外管の下端から上端近傍まで挿入された内管と、外管の周側面に垂直方向に等間隔で連続して接続された分流管とから構成されており、内管の側面には重力的に下方になるに従って径を小さくした流出孔が設けられている（例えば、特許文献２参照）。

実公平８−９５７８号公報（第１頁、第３図） 特開平３−１９５８７３号公報（第１頁、第１図）

従来の冷媒分配器において、内管に二相冷媒を流入させ、外管から各分流管に分配する場合、内管に流入した二相冷媒はスリットより外管内部に吹き出し、外管内部の冷媒分布を均一化して各パスに均等に冷媒を分配させるものであるが、内管に流入する二相冷媒は慣性力を有しており、質量の大きい液冷媒が内管の先端に集中して、外管内部に吹出すため、各分流管に不均一分配されるという課題があった。
また、内管にスリット加工をすると加工工程に時間がかかり、加工費が高くなるという課題があった。
さらに、下流側の熱交換器に風速分布などがあり、各パスの熱負荷が異なる場合は、熱負荷の大きいパスに多くの冷媒を流す必要があり、流量調整のために各パスの分流管の長さや内径を変えて調整する必要があるという課題があった。

また、従来の別の冷媒分配器において、内管に二相冷媒を流入させ、外管から各分流管に分配する場合、内管は流入口から重力的に上方になるに従って径を大きくした冷媒流出孔を有しているが、内管に流入する二相冷媒は慣性力を有しており、質量の大きい液冷媒が内管の先端に集中して、外管内部に吹き出すため、上部ほど液冷媒が多く流出し、各分流管に不均一分配されるという課題があった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、慣性力による冷媒分配の偏りを抑制するようにしたヒートポンプ装置を得ることを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ装置は、冷媒が流入する冷媒流入口を有し、該冷媒流入口とは反対側の端部が閉止された内管と、該内管を収容する外管と、該外管に所定の間隔を置いて設けられ、各パスに冷媒を流す複数の分流管とを備えた冷媒分配器を用いた熱交換器を有するヒートポンプ装置であって、前記冷媒分配器は、前記内管に管長さ方向に前記複数の分流管と同じ間隔で、複数の冷媒流出孔を形成し、前記冷媒流出孔は、円形であって、前記内管の周方向に、前記冷媒流出孔が複数設けられ、前記冷媒流出孔の孔径が前記分流管の下流のパスの熱負荷が大きいほど大きくなるようにし、前記冷媒流出孔の個数が前記冷媒流入口から離れるほど減少するようにしたものである。

本発明の冷媒分配器は、冷媒が流入する冷媒流入口を有し、該冷媒流入口とは反対側の端部が閉止された内管と、該内管を収容する外管と、該外管に所定の間隔を置いて設けられ、各パスに冷媒を流す複数の分流管とを備え、前記内管に管長さ方向に前記複数の分流管と同じ間隔で、複数の冷媒流出孔を形成し、前記冷媒流出孔の孔径が前記分流管の下流のパスの熱負荷が大きいほど大きくなるようにしたので、内管に二相冷媒を流入させ、外管から各分流管に二相冷媒を分配する場合、流入した二相冷媒を内管の閉止された端部で衝突させて均質化し、さらに液冷媒が多く分布する内管の閉鎖された端部に近いほど冷媒流出孔の径が小さいことにより、内管内部で慣性力による液冷媒の不均一分布があっても、外管の内部の液冷媒分布を均一化することが可能となり、各分流管より流出する二相冷媒を均質に分配することができるという効果がある。

本発明の実施の形態１の冷媒分配器を示す断面図。 同冷媒分配器を用いた熱交換器を示す斜視図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 本発明の実施の形態２を示す冷媒分配器の断面図。 本発明の実施の形態３を示す冷媒分配器の横断面図。 本発明の実施の形態４の冷媒分配器を用いたルームエアコンの壁掛け型室内機を示す断面図。 同冷媒分配器を示す断面図。 同冷媒分配器を示す斜視図。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１の冷媒分配器を示す断面図、図２は同冷媒分配器を用いた熱交換器を示す斜視図である。
図１に示すように、流入する二相冷媒を分配する冷媒分配器１は、冷媒流入口１１を有する内管１２と、内管１２を収容する外管１３と、外管１３に所定の間隔を置いて設けられた複数の分流管１４とからなり、二重管構成となっている。
この実施の形態１では、図１に示すように、内管１２に管長さ方向に間隔を置いて複数の円形の冷媒流出孔１５が形成されている。これら複数の冷媒流出孔１５の孔径が３つの冷媒流出孔１５ａ、１５ｂ、１５ｃ毎に内管１２の冷媒流入口１１から段階的に離れるに従い小さくなっている（１５ａ＜１５ｂ＜１５ｃ）。これら冷媒流出孔１５ａ、１５ｂ、１５ｃと複数の分流管１４はほぼ同等の間隔で配置されている。
図２に示すように、冷媒分配器１の複数の分流管１４が、伝熱管とアルミフィンで構成される熱交換器３に接続されている。その熱交換器３にはガス冷媒が合流し流出するガス合流管２が接続されている。２１はガス合流管２に設けられた冷媒流出口である。

まず、図２を用いて、熱交換器３の動作を説明する。
図２中の矢印は、熱交換器３が蒸発器として使用されるときの冷媒の流れを示している。ガス冷媒と液冷媒が混合された二相冷媒は、冷媒分配器１の冷媒流入口１１より流入し、各分流管１４に分配される。
分配された二相冷媒は熱交換器３の各パスを構成する伝熱管に流入する。伝熱管に流入した二相冷媒は、伝熱管と一体化したアルミフィンを介して、熱交換器３を通過する白抜き矢印で示す空気４と熱交換し、ガス冷媒となって各パス出口よりガス合流管２の内部に流出し、合流して冷媒流出口２１より流出する。

次に、本実施の形態１の冷媒分配器１の内部の動作について図１を用いて説明する。
冷媒流入口１１より流入した二相冷媒は慣性力を持って内管１２の内部に流入し、内管１２の上部である閉止された端部に衝突し、ガス冷媒と液冷媒が混合して均質状態となるが、慣性力の影響で内管１２の上部に液冷媒が多く分布する。
内管１２の内部の二相冷媒は冷媒流出孔１５より流出するが、複数の冷媒流出孔１５の孔径が３つの冷媒流出孔１５ａ、１５ｂ、１５ｃ毎に内管１２の冷媒流入口１１より段階的に離れるに従い小さくなっており（１５ａ＜１５ｂ＜１５ｃ）、液冷媒が多く分布する内管１２の上部である閉止された端部側ほど液冷媒の流出を抑制するため、複数の冷媒流出孔より流出する液冷媒の量は均等化され、二相冷媒は高さ方向で均等に噴出する。
また、冷媒流出孔１５ａ、１５ｂ、１５ｃより流出した二相冷媒は外管１３の内壁に衝突し、均質化した状態となり、外管１３の内部で上下方向で均質で液冷媒の分布も均一化された状態となり、複数の分流管１４に二相冷媒を均等に分配することができる。

以上のように、本実施の形態１では、流入した二相冷媒を内管１２の上部である閉止された端部に衝突させて均質化し、さらに液冷媒が多く分布する内管１２の上部である閉止された端部側ほど冷媒流出孔１５ａ、１５ｂ、１５ｃの径を小さくして液冷媒の流出を抑制しているため、内管１２内部で慣性力による液冷媒の不均一分布があっても、外管１３の内部の液冷媒分布を均一化することが可能となり、各分流管１４より流出する二相冷媒を均質に分配することができる。
また、内管１２の冷媒流出孔１５は円形で構成しているため、プレスやドリルなどにより容易に加工することが可能であり、加工コストを安価に抑えることができる。
なお、本実施の形態１では、複数の冷媒流出孔１５の孔径が３つの冷媒流出孔１５ａ、１５ｂ、１５ｃ毎に内管１２の冷媒流入口１１より段階的に離れるに従い小さくなっているが、内管１２の複数の冷媒流出孔１５の孔径が内管１２の冷媒流入口１１から離れるに従い次第に小さくなるようにしても、上記と同様の作用、効果を有する。

また、本実施の形態１における別の構成について図３を用いて説明する。
図３は図１のＡ−Ａ線断面図を示している。ここでθは分流管１４の管中心線と内管１２に設けられた冷媒流出孔１５の孔中心線のなす角度であり、９０°〜２７０°の範囲内で冷媒流出孔１５が配設されている。
以上のように、分流管１４の中心線と内管１２の冷媒流出孔１５の中心線のなす角度θを９０°〜２７０°とすることによって、冷媒流出孔１５を流出する二相冷媒が広がって流出しても、必ず外管１３の内壁に衝突し、液冷媒が微細化してガス冷媒と均質に混合し、外管１３の内部を均質な冷媒分布とすることが可能となって、複数の分流管１４に二相冷媒を均等に分配することができる。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２を示す冷媒分配器の断面図である。
この実施の形態２において、上記実施の形態１と同様の構成は同一符号を付して重複した構成の説明を省略し、相違する構成について説明する。
この実施の形態２では、図４に示すように、内管１２Ａの径が冷媒流入口１１を離れるに従い次第に小さくなっている。なお、内管１２Ａに設けられる冷媒流出孔１５の径は皆同じである。

次に、本実施の形態２の冷媒分配器の動作について図４を用いて説明する。
冷媒流入口１１より流入した二相冷媒は慣性力を持って内管１２Ａの内部に流入し、内管１２Ａの上部である閉止された端部に衝突し、ガス冷媒と液冷媒が混合して均質状態となるが、慣性力の影響で内管１２Ａの上部である閉止された端部側ほど液冷媒の密度が多くなる傾向となる。
一方、内管１２Ａの径は冷媒流入口１１より離れるほど小さくなっており、複数の冷媒流出孔１５より流出する液冷媒の量は冷媒流入口１１より離れるほど少なくなり、上記の内管１２Ａの上部である閉止された端部側ほど液冷媒の密度が多くなることと相俟って複数の冷媒流出孔１５より流出する液冷媒の量は高さ方向で均等化され、二相冷媒は高さ方向で均等に噴出する。
このように複数の冷媒流出孔１５より流出する二相冷媒は高さ方向で均等に噴出し、さらに外管１３の内壁に衝突することで液冷媒が微細化してガス冷媒と均質に混合し、外管１３の内部を上下方向で均質な冷媒分布とすることが可能となり、複数の分流管１４に二相冷媒を均等に分配することができる。

以上のように、内管１２Ａの径を冷媒流入口１１より離れるほど小さくすることにより、複数の冷媒流出孔１５より流出する液冷媒の量は冷媒流入口１１より離れるほど少なくなり、上記の内管１２Ａの上部である閉止された端部側ほど液冷媒の密度が多くなることと相俟って複数の冷媒流出孔より流出する液冷媒の量は高さ方向で均等化され、これにより複数の冷媒流出孔１５より流出する二相冷媒は高さ方向で均等に噴出し、さらに外管１３の内壁に衝突することで液冷媒が微細化してガス冷媒と均質に混合し、外管１３の内部を上下方向で均質な冷媒分布とすることが可能となり、分流管１４より均等に熱交換器の各パスに分配することができる。

実施の形態３．
図５は本発明の実施の形態３を示す冷媒分配器の横断面図である。
上記の実施の形態１、２は、各分流管１４に均質な二相冷媒を均等に分配するために、内管１２の冷媒流出孔１５の径を上下方向で変えたり、位置を設定したり、内管１２の径を上下方向で変えたりしていたが、この実施の形態３はそれだけでは上下方向の液冷媒分布を十分均一にできない場合に、各パスの冷媒流量を適正に分配するようにしたものである。なお、実施の形態３において、実施の形態１と同様の構成は同一符号を付して重複した構成の説明を省略し、相違する構成について説明する。

本実施の形態３では、図５に示すように、内管１２Ｂが周方向に、例えば内管１２Ｂの冷媒流入口１１に一番近いところで、４つの円形の冷媒流出孔１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｇを有しており、内管１２Ｂの冷媒流入口１１より離れるほど、冷媒流出孔１５の個数が減少する構成となっている。
また、各冷媒流出孔１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｇの径は同じである。
さらに、これら冷媒流出孔１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｇと個数が減少した冷媒流出孔も、分流管１４の管中心線と内管１２に設けられた冷媒流出孔１５の孔中心線のなす角度θである９０°〜２７０°の範囲内に配設されている。

次に、本実施の形態３の冷媒分配器の動作について図６を用いて説明する。
冷媒流入口１１より流入した二相冷媒は慣性力を持って内管１２Ｂの内部に流入し、内管１２Ｂの上部である閉止された端部に衝突し、ガス冷媒と液冷媒が混合して均質状態となるが、慣性力の影響で内管１２Ｂの上部である閉止された端部側ほど液冷媒の密度が多くなる傾向となる。
一方、内管１２Ｂの冷媒流出孔１５は冷媒流入口１１より離れるほど個数が少なくなっており、複数の冷媒流出孔より流出する液冷媒の量は冷媒流入口１１より離れるほど少なくなり、上記の内管１２Ｂの上部である閉止された端部側ほど液冷媒の密度が多くなることと相俟って複数の冷媒流出孔より流出する液冷媒の量は均等化され、二相冷媒は高さ方向で均等に噴出する。
さらに、外管１３の内壁に衝突することで液冷媒が微細化してガス冷媒と均質に混合し、外管１３内部を上下方向で均質な冷媒分布とすることができ、複数の分流管１４に二相冷媒を均等に分配することができる。

以上のように、内管１３Ｂの冷媒流出孔１５は冷媒流入口１１より離れるほど個数を少なくすることにより、複数の冷媒流出孔より流出する液冷媒の量は冷媒流入口１１より離れるほど少なくなり、上記の内管１２Ｂの上部である閉止された端部側ほど液冷媒の密度が多くなることと相俟って複数の冷媒流出孔より流出する液冷媒は高さ方向で均等に噴出し、さらに外管１３の内壁に衝突することで液冷媒が微細化してガス冷媒と均質に混合し、外管１３内部を上下方向で均質な冷媒分布とすることが可能となり、分流管１４より均等に熱交換器の各パスに分配することができる。

実施の形態４．
図６は本発明の実施の形態４の冷媒分配器を用いたルームエアコンの壁掛け型室内機を示す断面図、図７は同冷媒分配器を示す断面図、図８は同冷媒分配器を示す斜視図である。
上記の実施の形態１〜３は、各分流管に均質な二相冷媒を均等に分配するようにしたものであるが、この実施の形態４は熱交換器に風速分布があるような場合に、各パスの熱負荷に合わせて冷媒流量を適正に分配するようにしたものである。
この実施の形態４の冷媒分配器１Ａを用いたヒートポンプ装置の一例として、図６に示すようなルームエアコンの壁掛け型室内機がある。

図６に示すように、壁掛け型室内機５は、上部に空気吸込口５１が設けられ、内部に送風機５２が配設され、下部前方に空気吹出口５３が設けられている。
さらに、壁掛け型室内機５の内部の前方にはくの字型に熱交換器３ａ、３ｂが配置されており、壁掛け型室内機５の内部の上部後方にはもう１つの熱交換器３ｃが配置されている。
そして、この実施の形態４の冷媒分配器１Ａは熱交換器３ａ、３ｂに合わせて屈曲した形状に形成されている。なお、４ｂ、４ｃは気流の方向を示している。

図７及び図８に示すように、この実施の形態４の屈曲した冷媒分配器１Ａは、冷媒流入口１１Ａを有する屈曲した内管１２Ｃと、内管１２Ｃを収容する屈曲した外管１３Ａと、外管１３Ａに所定の間隔を置いて設けられた複数の分流管１４Ａ、１４Ｂとからなり、二重管構成となっている。
内管１２Ｃの屈曲部より上に配置される複数の冷媒流出孔１５ｈの径は、屈曲部より下の冷媒流出孔１５ｉの径に比べて大きくなっている。これら冷媒流出孔１５ｈ、１５ｉと分流管１４Ａ、１４Ｂとはほぼ同等の間隔で配置されている。

次に、本実施の形態４の冷媒分配器１Ａを用いたルームエアコンの壁掛け型室内機５の冷房運転時の動作を図６〜図８に基づいて説明する。
冷房運転時は壁掛け型室内機５の内部に配設された熱交換器３ａ，３ｂには冷媒分配器１Ａによって均等分配された二相冷媒が流れる。熱交換器３ａ，３ｂより下流側に送風機５２が配設されており、送風機５２が回転することによって、空気吸込口５１より室内の空気４ｂを吸引する。
吸引された空気は熱交換器３ａ、３ｂを通過し、熱交換器３ａ，３ｂの内部を流れる低温の二相冷媒と熱交換して低温空気となって送風機５２に吸込され、送風機５２の内部を通過した後、空気吹出口５３に流出し、室内空間に吹出される。

次に、本実施の形態４の壁掛け型室内機５に用いられている冷媒分配器１Ａの動作について図６を用いて詳細に説明する。
冷媒流入口１１Ａより流入した二相冷媒は内管１２Ｃの内部に流入するが、内管１２Ｃの上部である閉止された端部に衝突し、ガス冷媒と液冷媒が混合して均質状態となる。
均質となった二相冷媒は冷媒流出孔１５ｈ、１５ｉより流出し、外管１３Ａの内部に流出する。冷媒流出孔１５ｈ、１５ｉを流出した冷媒は外管１３Ａの内壁に衝突し、更に均質化した状態となり、外管１３Ａの内部で上下方向で均質な二相冷媒が分布する状態となり、複数の分流管１４Ａ、１４Ｂに二相冷媒が分配される。

ここで、ルームエアコンの壁掛け型室内機５は、意匠性を考慮して前面をパネルとしている場合があり、この場合、空気吸込口５１は室内機５の上面のみに配設されている。 このような構成においては、空気吸込口５１より吸込まれた空気は、上部に設置される熱交換器３ａを通過しやすく、下部に設置される熱交換器３ｂを通過しにくくなり、熱交換器３ａ，３ｂの前面風速に風速分布が発生する。
これにより、前面風速が早い上部の熱交換器３ａの熱負荷は、前面風速の遅い下部の熱交換器３ｂの熱負荷よりも大きいため、二相冷媒を均等に分配すると、上部の熱交換器３ａは冷媒不足で十分な能力が出せず、下部の熱交換器３ｂは熱負荷に対して冷媒流量が多すぎる状態となり、能力不足や液冷媒しきれない液冷媒が下流に流れ、冷凍サイクルの信頼性が低下するなどの問題が発生する。

本実施の形態４の冷媒分配器１Ａは、内管１２Ｃの屈曲部より上に配置される冷媒流出孔１５ｈの径を、屈曲部より下の冷媒流出孔１５ｉの径に比べて大きくしているため、外管１３Ａ内部の冷媒分布は屈曲部より上部の方が下部よりも多くなり、冷媒分配量は屈曲部よりも上部の分流管１４Ａ側に多く、下部の分流管１４Ｂ側が少なくなり、上記前面風速が早い上部の熱交換器３ａの熱負荷は、前面風速の遅い下部の熱交換器３ｂの熱負荷よりも大きいことと相俟って下流の熱交換器３ａ，３ｂの熱負荷に対して適正な冷媒流量を実現することができる。

以上のように、内管１２Ｃの屈曲部より上に配置される冷媒流出孔１５ｈの径を、屈曲部より下の冷媒流出孔１５ｉの径に比べて大きくしているため、冷媒分配量は屈曲部よりも上部の分流管１４Ａ側に多く、下部の分流管１４Ｂ側を少なくすることが可能となり、前面風速が早い上部の熱交換器３ａの熱負荷は、前面風速の遅い下部の熱交換器３ｂの熱負荷よりも大きいことと相俟って分流管１４Ａ，１４Ｂの径や長さを変えることなく、下流の熱交換器３ａ，３ｂの熱負荷に対して適正な冷媒流量を実現することができる。
なお、この実施の形態４では、ヒートポンプ装置として、ルームエアコンを例に説明をしたが、その他の空調機やヒートポンプ給湯機、チラーなどに用いても同様の効果が得られる。
本発明の活用例として、二相冷媒を均等に分配することで熱交換性能を向上し、性能を向上することが必要なヒートポンプ装置の熱交換器に使用することができる。

１ 冷媒分流器、２ ガス合流管、３ 熱交換器、４ 空気、１１ 冷媒流入口、１２ 内管、１３ 外管、１４ 分流管、１５ 冷媒流出孔、１５ａ〜１５ｃ 冷媒流出孔。

Claims (1)

1. 冷媒が流入する冷媒流入口を有し、該冷媒流入口とは反対側の端部が閉止された内管と、
   該内管を収容する外管と、
   該外管に所定の間隔を置いて設けられ、各パスに冷媒を流す複数の分流管と
   を備えた冷媒分配器を用いた熱交換器を有するヒートポンプ装置であって、
   前記冷媒分配器は、
   前記内管に管長さ方向に前記複数の分流管と同じ間隔で、複数の冷媒流出孔を形成し、
   前記冷媒流出孔は、円形であって、
   前記内管の周方向に、前記冷媒流出孔が複数設けられ、
   前記冷媒流出孔の孔径が前記分流管の下流のパスの熱負荷が大きいほど大きくなるようにし、
   前記冷媒流出孔の個数が前記冷媒流入口から離れるほど減少するようにした
   ことを特徴とするヒートポンプ装置。

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