JP6641542B1 - 熱交換器及び冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
Description
<熱交換器100の構成>
図1は、本発明の実施の形態1に係る熱交換器100を示す概略構成図である。図1では、空間内にて互いに直交する方向がX方向、Y方向及びZ方向と定義されている。なお、図中のZ方向は、模式的にX方向及びY方向に対して斜上方向に表されている。
図1の矢印は、熱交換器100が蒸発器として機能する場合の冷媒の流れを表している。気液二相状態の冷媒は、流入管1を介し、冷媒分配器2に流入する。冷媒が冷媒分配器2に流入した後に、気液二相状態の冷媒が冷媒分配器2に接続された複数の扁平管3に流入管1から近い扁平管3へと順次分配されて行く。各扁平管3に分配された気液二相状態の冷媒は、フィン6を介して、周囲の空気と熱交換し、ガスリッチ又はガスの冷媒となり、ガスヘッダ4に流入する。ガスヘッダ4では、冷媒が複数の扁平管3から流入して合流する。冷媒は、ガスヘッダ4から流出管5を通り、熱交換器100から流出する。
図3は、比較例での等間隔配置された扁平管3のガスヘッダ4への接続部における冷媒流れを示す説明図である。図3の比較例は、実施の形態1の構成と対比するための構成である。図4は、本発明の実施の形態1に係る近接配置された扁平管3のガスヘッダ4への接続部における冷媒流れを示す説明図である。図3及び図4を用いて、発明者らの実験と解析とによって見出した圧力損失が低減するメカニズムを以下に説明する。図3及び図4中の矢印は、冷媒の流れを表している。なお、白矢印が冷媒の入力側を示し、黒矢印が冷媒の出力側を示す。また、図3及び図4中のハッチングの半円は、扁平管3の前後の渦領域15を表している。
図5は、本発明の実施の形態1に係るガスヘッダ4の流路断面積をAiと定義して扁平管3による閉塞面積をALと定義したときの関係を示す図である。図6は、本発明の実施の形態1に係る扁平管3がAL/Ai≧0.12となるときの圧力損失低減効果を示す図である。
図7は、本発明の実施の形態1に係る扁平管3のガスヘッダ4への差し込み長さをtinと定義して狭い部分の複数の扁平管3の間隔をtpと定義したときの関係を示す図である。
図8は、本発明の実施の形態1に係る扁平管3のガスヘッダ4への差し込み長さをtinと定義してガスヘッダ4の内径をDiと定義したときの渦領域15が重なり合う冷媒流れの流線を示す図である。図9は、本発明の実施の形態1に係る0.35≦tin/Di<1.00となるときの渦厚さδを示す図である。
冷媒の種類は、限定されない。しかし、ガスヘッダ4の内部を流れる冷媒は、HFO1234yf、HFO1234ze(E)などのオレフィン系冷媒、プロパン冷媒又はジメチルエーテル冷媒(DME)などのような飽和圧力がR32冷媒よりも低い低圧冷媒であるとより効果的である。また、これらは、当然、純冷媒のみに限定されない。ガスヘッダ4の内部を流れる冷媒は、HFO1234yf、HFO1234ze(E)などのオレフィン系冷媒、プロパン冷媒又はジメチルエーテル冷媒(DME)の少なくとも1つを組成に含む混合冷媒でも良い。
実施の形態1によれば、熱交換器100は、外部から熱が供給されて内部に流れる気液二相状態の冷媒がガス冷媒となる複数の扁平管3を備える。熱交換器100は、複数の扁平管3の一端部に接続されて複数の扁平管3から流出するガス冷媒が合流するガスヘッダ4を備える。熱交換器100は、空間内にて互いに直交する方向がX方向及びY方向と定義される。ガスヘッダ4は、Y方向に長手に延出されてY方向に冷媒の流れ方向を形成する。複数の扁平管3は、Y方向に間隔をあけて並んでいる。複数の扁平管3の先端のそれぞれには、ガスヘッダ4にX方向から挿入する接続部が設けられている。複数の接続部間の間隔は、狭い部分と広い部分とが混在して形成されている。
<熱交換器100の構成>
図10は、本発明の実施の形態2に係る熱交換器100を示す概略構成図である。実施の形態2は、上記実施の形態1と同様の事項を省略し、その特徴部分のみを説明する。
なお、ここでガスヘッダ4の流路断面は、円形状である場合について説明した。しかし、ここでガスヘッダ4の流路断面は、後述のようにこれに限定するものではない。
図12は、本発明の実施の形態2に係る熱交換器100の別の一例を示す概略構成図である。冷媒分配器2は、ヘッダタイプのもの以外に、たとえば、図12に示すようにディストリビュータ16とキャピラリチューブ17とを用いた衝突型などの冷媒分配器でも良く、更には、冷媒分配器2の種類を特に限定するものではない。
<実施の形態2の効果>
実施の形態2によれば、複数の接続部間の間隔は、狭い部分と広い部分とが交互に形成されている。
<熱交換器100の構成>
図13は、本発明の実施の形態3に係る熱交換器100を示す概略構成図である。実施の形態3は、上記実施の形態1及び実施の形態2と同様の事項を省略し、その特徴部分のみを説明する。
実施の形態3によれば、折り曲げ部20の数は、ガスヘッダ4の流出管5と繋がった流出口に近い扁平管3ほど多い。
<熱交換器100の構成>
図14は、本発明の実施の形態4に係る扁平管3の端部の曲げ部を示す拡大図である。実施の形態4は、上記実施の形態1、実施の形態2及び実施の形態3と同様の事項を省略し、その特徴部分のみを説明する。
実施の形態4によれば、複数の接続部は、複数の扁平管3のうちいずれかの扁平管3の端部を曲げて構成されている。
<熱交換器100の構成>
図15は、本発明の実施の形態5に係る熱交換器100を示す概略構成図である。図16は、本発明の実施の形態5に係る扁平管3の端部の曲げ部を示す拡大図である。実施の形態5は、上記実施の形態1、実施の形態2、実施の形態3及び実施の形態4と同様の事項を省略し、その特徴部分のみを説明する。
実施の形態5によれば、仮想の中心線であるB−B線を挟んで対称な形状に構成された1群は、3以上の扁平管3によって構成されている。1群を構成した3以上の扁平管3は、1群のうち少なくともY方向の両端側の扁平管3の端部を仮想の中心線であるB−B線に近づける方向に曲げている。
<熱交換器100の構成>
図17は、本発明の実施の形態6に係る熱交換器100を示す概略構成図である。実施の形態6は、上記実施の形態1、実施の形態2、実施の形態3、実施の形態4及び実施の形態5と同様の事項を省略し、その特徴部分のみを説明する。
実施の形態6によれば、ガスヘッダ4内部には、仕切り7を有してバイパス流路が設けられている。
<熱交換器100の構成>
図18は、本発明の実施の形態7に係る熱交換器100を示す概略構成図である。図19は、本発明の実施の形態7に係るガスヘッダ4の第2開口部8と扁平管3との関係を図18のC−C線の断面にて示す説明図である。実施の形態7は、上記実施の形態1、実施の形態2、実施の形態3、実施の形態4、実施の形態5及び実施の形態6と同様の事項を省略し、その特徴部分のみを説明する。
<熱交換器100の構成>
図20は、本発明の実施の形態8に係る熱交換器100を示す概略構成図である。実施の形態8は、上記実施の形態1、実施の形態2、実施の形態3、実施の形態4、実施の形態5、実施の形態6及び実施の形態7と同様の事項を省略し、その特徴部分のみを説明する。
実施の形態8によれば、ガスヘッダ4は、狭い部分を形成した複数の接続部それぞれのうち少なくとも1つの領域にて区画して仕切られている。
<熱交換器100の構成>
図21は、本発明の実施の形態9に係る熱交換器100を示す概略構成図である。実施の形態9は、上記実施の形態1、実施の形態2、実施の形態3、実施の形態4、実施の形態5、実施の形態6、実施の形態7及び実施の形態8と同様の事項を省略し、その特徴部分のみを説明する。
図22は、本発明の実施の形態9に係る熱交換器100の別の一例を示す概略構成図である。図21では、ガスヘッダ4が内部にて3つに分割されていた。しかし、図22に示すように、分割領域を単に複数のガスヘッダ4が構成しても良い。
<冷凍サイクル装置101>
図23は、本発明の実施の形態10に係る熱交換器100を適用した冷凍サイクル装置101を示す冷媒回路図である。
実施の形態10によれば、冷凍サイクル装置101は、上記の熱交換器100を備える。
Claims (18)
- 外部から熱が供給されて内部に流れる気液二相状態の冷媒がガス冷媒となる複数の扁平管と、
前記複数の扁平管の一端部に接続されて前記複数の扁平管から流出するガス冷媒が合流するガスヘッダと、
を備える熱交換器であって、
空間内にて互いに直交する方向がX方向及びY方向と定義されたとき、
前記ガスヘッダは、Y方向に長手に延出されてY方向に冷媒の流れ方向を形成し、
前記複数の扁平管は、Y方向に間隔をあけて並び、
前記複数の扁平管の先端のそれぞれには、前記ガスヘッダにX方向から挿入する接続部が設けられ、
前記複数の接続部間の間隔は、狭い部分と広い部分とが混在して形成され、
前記狭い部分を形成した前記複数の接続部は、前記複数の扁平管のうちY方向の仮想の中心線を挟んで対称な形状の2以上の前記扁平管の群によって構成され、
前記仮想の中心線を挟んで対称な形状の2以上の扁平管の群のそれぞれの前記扁平管は、前記仮想の中心線から離れる方向に折り返す折り曲げ部を有する熱交換器。 - 前記複数の接続部以外の熱交換部分に、前記複数の扁平管に接続された複数のフィンを備え、
前記複数の扁平管は、前記熱交換部分にてY方向に等間隔に配置され、
前記複数の接続部の間隔は、最も狭い部分の間隔がtp1、最も広い部分の間隔がtp2、前記熱交換部分において前記複数の扁平管の隣り合う扁平管の短軸中心の距離である段ピッチがDpと定義されたとき、
tp1<Dpかつtp2>2×Dpが満たされる請求項1に記載の熱交換器。 - 外部から熱が供給されて内部に流れる気液二相状態の冷媒がガス冷媒となる複数の扁平管と、
前記複数の扁平管の一端部に接続されて前記複数の扁平管から流出するガス冷媒が合流するガスヘッダと、
を備える熱交換器であって、
空間内にて互いに直交する方向がX方向及びY方向と定義されたとき、
前記ガスヘッダは、Y方向に長手に延出されてY方向に冷媒の流れ方向を形成し、
前記複数の扁平管は、Y方向に間隔をあけて並び、
前記複数の扁平管の先端のそれぞれには、前記ガスヘッダにX方向から挿入する接続部が設けられ、
前記複数の接続部間の間隔は、狭い部分と広い部分とが混在して形成され、
前記複数の接続部は、前記複数の扁平管のうちいずれかの前記扁平管の端部をY方向に曲げて構成される熱交換器。 - 前記仮想の中心線を挟んで対称な形状に構成された1群は、2つの前記扁平管によって構成され、
1群を構成した前記2つの扁平管は、前記端部をY方向の前記仮想の中心線に近づける方向に曲げる請求項3に記載の熱交換器。 - 前記仮想の中心線を挟んで対称な形状に構成された1群は、3以上の前記扁平管によって構成され、
1群を構成した前記3以上の扁平管は、前記1群のうち少なくともY方向の両端側の前記扁平管の前記端部を前記仮想の中心線に近づける方向に曲げる請求項3に記載の熱交換器。 - 外部から熱が供給されて内部に流れる気液二相状態の冷媒がガス冷媒となる複数の扁平管と、
前記複数の扁平管の一端部に接続されて前記複数の扁平管から流出するガス冷媒が合流するガスヘッダと、
を備える熱交換器であって、
空間内にて互いに直交する方向がX方向及びY方向と定義されたとき、
前記ガスヘッダは、Y方向に長手に延出されてY方向に冷媒の流れ方向を形成し、
前記複数の扁平管は、Y方向に間隔をあけて並び、
前記複数の扁平管の先端のそれぞれには、前記ガスヘッダにX方向から挿入する接続部が設けられ、
前記複数の接続部間の間隔は、狭い部分と広い部分とが混在して形成され、
前記狭い部分を形成した前記複数の接続部は、前記複数の扁平管のうちY方向の仮想の中心線を挟んで対称な形状の2以上の前記扁平管の群によって構成され、
1群を構成した前記扁平管は、前記扁平管の他端部をY方向にて前記仮想の中心線から離れる方向に折り返す折り曲げ部を有する熱交換器。 - 前記折り曲げ部の数は、前記ガスヘッダの流出口に近い前記扁平管ほど多い請求項6に記載の熱交換器。
- 前記複数の扁平管のうち前記複数の接続部以外の熱交換部分は、Y方向に等間隔に並ぶ請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 外部から熱が供給されて内部に流れる気液二相状態の冷媒がガス冷媒となる複数の扁平管と、
前記複数の扁平管の一端部に接続されて前記複数の扁平管から流出するガス冷媒が合流するガスヘッダと、
を備える熱交換器であって、
空間内にて互いに直交する方向がX方向及びY方向と定義されたとき、
前記ガスヘッダは、Y方向に長手に延出されてY方向に冷媒の流れ方向を形成し、
前記複数の扁平管は、Y方向に間隔をあけて並び、
前記複数の扁平管の先端のそれぞれには、前記ガスヘッダにX方向から挿入する接続部が設けられ、
前記複数の接続部間の間隔は、狭い部分と広い部分とが混在して形成され、
前記扁平管の前記端部における前記ガスヘッダへの差し込み長さがtin、前記狭い部分を形成した前記複数の接続部を有する前記扁平管の距離がtpと定義されたとき、
前記複数の接続部のうち最も狭い部分に近接する2つの前記扁平管の距離は、tp<2.0×tinが満たされる熱交換器。 - 前記扁平管の前記端部における前記ガスヘッダへの差し込み長さがtin、前記ガスヘッダの冷媒流路に対する直交断面の内径がDiと定義されたとき、
0.35≦tin/Di<1.00の関係が満たされる請求項9に記載の熱交換器。 - 前記ガスヘッダの内部には、仕切りを有してバイパス流路が設けられる請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記バイパス流路の冷媒流路に対する第1開口部は、前記ガスヘッダに差し込まれた前記扁平管の開口端部とX方向にて一部が重なる請求項11に記載の熱交換器。
- 前記バイパス流路の冷媒流路に対する第2開口部は、前記狭い部分を形成した前記複数の接続部の1組に対して少なくとも1つX方向にて重なって設けられる請求項11又は請求項12に記載の熱交換器。
- 前記ガスヘッダの内部を流れる冷媒は、オレフィン系冷媒、プロパン冷媒又はジメチルエーテル冷媒のいずれかである請求項1〜請求項13のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記ガスヘッダの内部を流れる冷媒は、オレフィン系冷媒、プロパン冷媒又はジメチルエーテルの少なくとも1つを組成に含む混合冷媒である請求項1〜請求項13のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記複数の扁平管の他端部に接続されて前記複数の扁平管に気液二相状態の冷媒を分配する冷媒分配器を備える請求項1〜請求項15のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記ガスヘッダは、前記狭い部分を形成した前記複数の接続部それぞれのうち少なくとも1つの領域にて区画して仕切られる請求項1〜請求項16のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 請求項1〜請求項17のいずれか1項に記載の熱交換器を備える冷凍サイクル装置。
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