JP6668469B2 - 冷媒分岐分配器を備えた熱交換器および冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Description

本発明は、冷媒分岐分配器を備えた熱交換器および冷凍サイクル装置に関し、特に、液冷媒とガス冷媒との二相状態の冷媒を液比率の異なる冷媒に分岐しうる冷媒分岐分配器を備えた熱交換器と、さらに、その熱交換器を備えた冷凍サイクル装置とに関するものである。
近年、空気調和装置(冷凍サイクル装置)としてのヒートポンプ装置またはカーエアコン等においては、熱交換効率を向上させるために、また、冷媒の充てん量を削減するために、伝熱管の細径化、または、伝熱管の扁平化が進められている。伝熱管が細径化されたことによって、流路の圧力損失は大きくなる。その圧力損失を低減するために、冷媒の経路数を増やした熱交換器が多く製品化されてきている。
一般に、空気の温度を下げるために熱交換器を用いる場合、その熱交換器は蒸発器(エバポレータ)として機能する。蒸発器としての熱交換器には、冷媒は、ガス冷媒と液冷媒とが混在した気液二相流の状態で流入する。ガス冷媒と液冷媒とでは、密度が数十倍程度異なる。
熱交換器に流入した二相状態の冷媒のうち、主に液冷媒が空気の熱を吸収して蒸発しガス冷媒となる。これにより、熱交換器からはガス冷媒(単相)が送り出されることになる。熱交換器を通過する空気は、液冷媒が相変化する際の潜熱(蒸発熱)が奪われることで冷気となる。
熱交換器では、熱交換器を流れる空気の風量が多い部分と少ない部分とが存在している。風量が多い熱交換器の部分と風量が少ない熱交換器の部分とでは、それぞれ相応の熱交換が行われ、風量が多い熱交換器の部分ほど、効率よく熱交換が行われることになる。
ガス冷媒の密度と液冷媒の密度とでは密度差があり、密度のより大きい液冷媒が熱交換器におけるより下段のパスに流れ込みやすくなる。このため、空気の風量が少ない熱交換器の部分に、液冷媒がより多く流れることがある。そのような場合には、液冷媒が完全に蒸発しきれずに残ってしまい、冷媒が、液冷媒とガス冷媒との二相状態で熱交換器から送り出されることになる。その結果、熱交換器における熱交換率が低下してしまうという問題がある。
このような問題を解消するために、さまざまな改善案が提案されている。たとえば、特許文献1では、熱交換器のパスに関する提案がなされている。特許文献2では、冷媒を分ける冷媒分配器に関する提案がなされている。
特開2015−87074号公報 特開2014−25660号公報
従来、熱交換器を蒸発器として使用する場合に、液冷媒とガス冷媒との二相状態の冷媒を、空気等と効率よく熱交換させることが求められている。
本発明は、そのような開発の一環としてなされたものであり、一つの目的は、二相状態の冷媒を効率よく熱交換させる冷媒分岐分配器を備えた熱交換器を提供することであり、他の目的は、そのような熱交換器を備えた冷凍サイクル装置を提供することである。
本発明に係る熱交換器は、冷媒分岐分配器を備えた熱交換器であり、第1分配器と第2分配器と第1熱交換器と第2熱交換器とを備えている。冷媒分配器は、第1流路、第2流路および第3流路と、分岐部とを備えている。分岐部は、第1流路に接続されるとともに、第2流路と第3流路とに接続され、第1流路から流入する液冷媒とガス冷媒とを含む冷媒を、第2流路と第3流路とに分岐する。液冷媒とガス冷媒との重量比における液冷媒の比率を液比率とする。第2流路に分岐した第1冷媒の第1液比率は、第3流路に分岐した第2冷媒の第2液比率よりも高い。第1分配器は第2流路に設けられ、第2流路に分岐した第1冷媒をさらに分配する。第2分配器は第3流路に設けられ、第3流路に分岐した第2冷媒をさらに分配する。第1熱交換器は第2流路に接続されている。第1熱交換器では、第1分配器によって分配された第1冷媒と第1流体との間で熱交換が行われる。第2熱交換器は第3流路に接続されている。第2熱交換器では、第2分配器によって分配された第2冷媒と第2流体との間で熱交換が行われる。第1流体の量は第2流体の量よりも多い。第2流路では、分岐部と第1分配器との間に第1膨張弁が設けられている。第3流路では、分岐部と第2分配器との間に第2膨張弁が設けられている。
本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記熱交換器を備えた冷凍サイクル装置である。
本発明に係る熱交換器によれば、冷媒分岐分配器によって、液比率の高い第1冷媒が第2流路に積極的に送り出され、液比率の低い第2冷媒が第3流路に積極的に送り出される。第3流路に接続された第2熱交換器では、第2分配器によってさらに分配された液比率の低い第2冷媒と第2流体との間で熱交換が行われる。第2流路に接続された第1熱交換器では、第1分配器によってさらに分配された液比率の高い第1冷媒と、第2流体の量よりも多い第1流体との間で熱交換が行われる。その結果、液比率の高い第2冷媒を効率的に熱交換させることができる。
本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、上記熱交換器を備えていることで、冷媒の熱交換を効率的に行うことができる。
実施の形態1に係る冷媒分配器を備えた室外ユニットを有する冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 同実施の形態において、室外ユニットを示す斜視図である。 同実施の形態において、室外熱交換器に送り込まれる風量と熱交換器との関係の一例を示す斜視図である。 同実施の形態において、一部の室外熱交換器における伝熱管の引き回し構造の一例と、一部の室外熱交換器と分岐分配部との接続関係の一例とを示す図である。 同実施の形態において、室外熱交換器と分岐分配部との接続関係の一例を示す図である。 同実施の形態において、室外ユニットに配置された分岐分配部を示す部分図である。 同実施の形態において、図6に示す断面線VII−VIIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 実施の形態2に係る、室外ユニットに配置された分岐分配部を含む冷媒分配器を示す部分図である。 同実施の形態において、図8に示す断面線IX−IXにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図8に示す断面線X−Xにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図8に示す断面線XI−XIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図8に示す断面線XII−XIIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、変形例に係る、室外ユニットに配置された分岐分配部を示す部分図である。 同実施の形態において、図13に示す断面線XIV−XIVにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図13に示す断面線XV−XVにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図13に示す断面線XVI−XVIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図13に示す断面線XVII−XVIIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 実施の形態3に係る、室外ユニットに配置された分岐分配部を示す部分図である。 同実施の形態において、分岐分配部に使用される第1例に係るオリフィスの、図18に示される断面線XIX−XIXにおける断面図である。 同実施の形態において、分岐分配部に使用される第2例に係るオリフィスの、図18に示される断面線XIX−XIXにおける断面図である。 同実施の形態において、分岐分配部に使用される第3例に係るオリフィスの、図18に示される断面線XIX−XIXにおける断面図である。 同実施の形態において、図18に示す断面線XXII−XXIIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図18に示す断面線XXIII−XXIIIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図18に示す断面線XXIV−XXIVにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 実施の形態4に係る、室外ユニットに配置された分岐分配部を含む冷媒分配器を示す部分図である。 同実施の形態において、図25に示す断面線XXVI−XXVIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図25に示す断面線XXVII−XXVIIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図25に示す断面線XXVIII−XXVIIIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図25に示す断面線XXIX−XXIXにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図25に示す断面線XXX−XXXにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図25に示す断面線XXXI−XXXIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図25に示す断面線XXXII−XXXIIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、変形例に係る、室外ユニットに配置された分岐分配部を示す部分図である。 同実施の形態において、図33に示す断面線XXXIV−XXXIVにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図33に示す断面線XXXV−XXXVにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図33に示す断面線XXXVI−XXXVIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図33に示す断面線XXXVII−XXXVIIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図33に示す断面線XXXVIII−XXXVIIIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図33に示す断面線XXXIX−XXXIXにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図33に示す断面線XL−XLにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 実施の形態5に係る、室外ユニットに配置された分岐分配部を示す部分図である。 同実施の形態において、図41に示す断面線XLII−XLIIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図41に示す断面線XLIII−XLIIIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図41に示す断面線XLIV−XLIVにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図41に示す断面線XLV−XLVにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図41に示す断面線XLVI−XLVIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図41に示す断面線XLVII−XLVIIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。 同実施の形態において、図41に示す断面線XLVIII−XLVIIIにおける、配管内の冷媒の分布の一例を示す断面図である。
実施の形態1.
実施の形態1に係る冷媒分配器を備えた冷凍サイクル装置について説明する。はじめに、冷凍サイクル装置の構成について説明する。ここでは、冷凍サイクル装置として、ビル用マルチエアコンを一例として挙げる。
図1に示すように、冷凍サイクル装置1としてのビル用マルチエアコンでは、一つの室外熱交換器7に対して複数の室内熱交換器15a、15b、15c、15d(15)が接続されている。その室外熱交換器7および室内熱交換器15の他に、冷凍サイクル装置1は、圧縮機3、四方弁5a、5b、室内ファン19a、19b、19c、19d、膨張弁13a、13b、13c、13d、膨張弁9a、9b、冷媒分配器21a、21b、室外ファン17、アキュムレータ23を備えている。
さらに、冷凍サイクル装置1では、冷媒分配器21a、21bと膨張弁13との間に、分岐分配部11が設けられている。分岐分配部11については後述する。なお、分岐分配部11と冷媒分配器21a、21bとの間に設けられている膨張弁9a、9bは、必須ではなく、必要に応じて設けられる。
次に、ビル用マルチエアコンの動作として、暖房運転について説明する。圧縮機3を駆動させることによって、圧縮機3から高温高圧のガス状態の冷媒が吐出する。吐出した高温高圧のガス冷媒(単相)は、四方弁5a、5bを通り、複数の室内熱交換器15a、15b、15c、15dのそれぞれに流れ込む。
室内熱交換器15a〜15dのそれぞれには、室内ファン19a、19b、19c、19dによって空気が送り込まれる。室内熱交換器15a〜15dのそれぞれでは、送り込まれた空気と流れ込んだガス冷媒との間で熱交換が行われて、高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高圧の液冷媒(単相)になる。この熱交換によって、室内熱交換器15a〜15dが配置されている室内のそれぞれが暖房される。
次に、室内熱交換器15a〜15dから送り出された高圧の液冷媒は、膨張弁13a、13b、13c、13dを通過することで、低圧のガス冷媒と液冷媒との二相状態の冷媒になる。
その二相状態の冷媒は、室外ユニット25に流れ込む。室外ユニット25に流れ込んだ二相状態の冷媒は、分岐分配部11において、2つに分岐される。2つに分岐された冷媒のうち、一方の冷媒(冷媒A)は、膨張弁9aおよび冷媒分配器21aを経て配管47を流れて室外熱交換器7aに流れ込む。2つに分岐された冷媒のうち、他方の冷媒(冷媒B)は、膨張弁9bおよび冷媒分配器21bを経て配管48を流れて室外熱交換器7bに流れ込む。
室外熱交換器7a、7bでは、室外ファン17によって送り込まれた空気と流れ込んだ冷媒(冷媒A、冷媒B)との間で熱交換が行われて、二相状態の冷媒のうちの液冷媒が蒸発し、低圧のガス冷媒(単相)になる。室外ユニット25から送り出された低圧のガス冷媒は、四方弁5a、5bおよびアキュムレータ23を通って圧縮機3に流れ込む。圧縮機3に流れ込んだ低圧のガス冷媒は、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となって、再び圧縮機3から吐出する。以下、このサイクルが繰り返される。
次に、冷房運転について説明する。圧縮機3によって圧縮された高温高圧のガス冷媒は、四方弁5a、5bを通り、室外熱交換器7a、7bに流れ込む。室外熱交換器7a、7bでは、室外ファン17によって送り込まれた空気と流れ込んだガス冷媒との間で熱交換が行われて、高温高圧のガス冷媒は、凝縮して低温高圧の液冷媒(単相)になる。
低温高圧の液冷媒は、膨張弁13a〜13d等を通過することによって、低温低圧の液冷媒になる。低温低圧の液冷媒は、複数の室内熱交換器15a〜15dのそれぞれに流れ込む。室内熱交換器15a〜15dでは、室内ファン19a〜19dによって送り込まれた空気と流れ込んだ液冷媒との間で熱交換が行われて、低温低圧の液冷媒は、蒸発して低圧のガス冷媒(単相)になる。この熱交換によって、室内熱交換器15a〜15dが配置されている室内のそれぞれが冷房される。
室内熱交換器15a〜15dから送り出された低圧のガス冷媒は、四方弁5a、5bおよびアキュムレータ23を通って圧縮機3に流れ込む。圧縮機に流れ込んだ低圧のガス冷媒は、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となって、再び圧縮機から吐出する。以下、このサイクルが繰り返される。
上述した冷凍サイクル装置1では、室外ユニット25の室外熱交換器7は、暖房運転では蒸発器として機能し、冷房運転では凝縮器として機能する。ビル用マルチエアコンの室外ユニットとして、トップフロー型のファンを備えた室外ユニットがある。図2に示すように、トップフロー型の室外ユニット25では、筐体26の上面部に室外ファン17が取り付けられている。
筐体の4つの側面部のうち、3つの側面部(三方)に、空気を取り入れる空気取り入れ口27が設けられている。図3に示すように、その筐体26内には、室外熱交換器7が配置されている。室外熱交換器7は、3つの空気の取り入れ口(筐体の側面部)に対向するように配置されている。また、筐体26内には、分岐分配部11をはじめ、圧縮機(図示せず)等が配置されている。
上述した室外ユニット25では、室外ファン17が筐体26の上面部に取り付けられている。このため、室外熱交換器7では、室外ファン17との距離が短いほど空気の圧力損失が低くなり、室外ファン17との距離が長いほど空気の圧力損失は高くなる。すなわち、室外熱交換器7の上部から下部に向かって圧力損失が徐々に高くなり、室外熱交換器7aを通過する空気の風量が相対的に多く、室外熱交換器7bを通過する空気の風量が相対的に少ない(図3の矢印参照)。
その室外熱交換器7aと配管との接続関係の一例を図4に示す。図4に示すように、室外熱交換器7aは、たとえば、3列の室外熱交換器7aa、7ab、7acから構成される。3列の室外熱交換器7aa、7ab、7acのそれぞれには、伝熱管(図示せず)が取り付けられている。冷媒分配器21aから分岐させた複数の配管47は、1列目の室外熱交換器7aの対応する伝熱管のそれぞれに接続されている。
一つの冷媒パスは、1列目の室外熱交換器7aaの伝熱管から2列目の室外熱交換器7abの伝熱管および3列目の室外熱交換器7acの伝熱管を経て冷媒分配器29に繋がっている。図1および図3に示すように、室外熱交換器7aの下方に配置される室外熱交換器7bについても、冷媒分配器21bから分岐させた複数の配管48が接続されている(図5参照)。
室外熱交換器7を蒸発器として機能させる場合には、二相状態の冷媒のうち、液冷媒を効率よく蒸発させてガス冷媒にするために、空気の風量がより多い室外熱交換器7aへ流すことが求められる。図5に示すように、そのため、室外ユニット25には、分岐分配部11が設けられている。
分岐分配部11では、暖房運転時において、室内熱交換器15から流れてきた二相状態の冷媒が、2系統の冷媒(冷媒A、冷媒B)に分岐される。液冷媒とガス冷媒との重量比において、液冷媒の比率を液比率とする。冷媒Aは、液比率の高い冷媒である。冷媒Bは、液比率の低い冷媒である。分岐分配部11では、液比率の高い冷媒Aと、液比率の低い冷媒Bとにマクロ的に分配される。冷媒Aが冷媒分配器21aによってミクロ的にさらに分配されて、風量の多い室外熱交換器7aへ送られる。冷媒Bが冷媒分配器21bによってさらにミクロ的に分配されて、風量の少ない室外熱交換器7bへ送られる。
その分岐分配部11の具体的な構造の第1例について説明する。図6に示すように、分岐分配部11は、曲がり配管33を含む配管41(第1流路)、分岐配管31(分岐部)、配管43(第2流路)および配管44(第3流路)を備えている。配管41を流れてきた二相状態の冷媒は、曲がり配管33を流れることで、液冷媒の分布に偏りが生じる。すなわち、遠心力によって、曲がり配管33の外周側の内壁面に沿って流れる液冷媒の量が、内周側の内壁面に沿って流れる液冷媒の量よりも多くなる。
これにより、曲がり配管33を流れた直後の配管41内では、曲がり配管33の外周側に対応する領域に、液比率の高い冷媒(冷媒A)が流れ、曲がり配管33の内周側に対応する領域に、液比率の低い冷媒(冷媒B)が流れる。その状態で配管41を流れた冷媒は、分岐配管31によって冷媒Aと冷媒Bとに分配される。分配された冷媒Aは、配管43、冷媒分配器21aおよび配管47を流れて室外熱交換器7aへ送られる。一方、冷媒Bは配管44、冷媒分配器21bおよび配管48を流れて室外熱交換器7bへ送られる。
こうして、室外ユニット25では、風量のより多い室外熱交換器7aへ、液比率の高い冷媒Aが流れ込み、風量のより少ない室外熱交換器7bへ、液比率の低い冷媒Bが流れ込むことになる。これにより、二相状態の冷媒と空気との熱交換を効率よく行うことができる。
従来、風量のより多い室外熱交換器7aへ、液比率の高い冷媒を流す手法として、室外熱交換器7a、7bに繋がる配管の長さまたは配管の内径等に変えることによって圧力損失を調整する手法がある。つまり、ミクロ的に冷媒を分配する手法がある。ところが、この手法では、配管の本数が増えると、配管の長さを調整することが困難になってくる。また、配管を引き回すための領域も必要になる。さらに、配管の引き回しも複雑になる。
このような手法に対して、上述した分岐分配部11を用いた手法では、曲がり配管33と分岐配管31だけで、簡単な構造をもって、風量のより多い室外熱交換器7aへ液比率の高い冷媒を送り込むことができる。
なお、配管41のうち、曲がり配管33から分岐配管31までの直線部分の長さLは、配管41内の液冷媒が偏った不均一な分布(図7参照)をもって、分岐配管31に流れ込む長さに設定しておく必要がある。ここで、曲がり配管の内径φをDとすると、直線部分の長さLは、L<10×Dという関係を満たす必要がある。直線部分の長さLが、L≧10×Dの場合には、液冷媒が偏った不均一な分布から、液冷媒が、配管41の内壁にほぼ均一に環状に分布する状態に戻ってしまう。このため、室外熱交換器7aへより多くの液冷媒を送り込むことができなくなる。
また、冷媒分配器21a、21bと分岐分配部11との間に、図1に示すように、膨張弁9a、9bを設けてもよい。特に、膨張弁9aの開度を調整することによって、過度の液冷媒が配管43に流れるのを阻止することができる。
実施の形態2.
ここでは、冷媒分岐分配器を成す分岐分配部の第2例について説明する。図8に示すように、分岐分配部11は、アルファベットの「T」の形状に似たT字型分岐配管35a(35)(分岐部)を備えている。T字型分岐配管35aには、一方向に延在する部分(配管部分A)と、その配管部分Aから、一方向とほぼ直交する方向に分岐する部分(配管部分B)とが設けられている。
配管部分Aには、曲がり配管33を含む配管43(第2流路)が接続されている。その配管43に冷媒分配器21aが接続され、さらに、その冷媒分配器21aに複数の配管47が接続されている。一方、配管部分Bには、配管44(第3流路)が接続されている。その配管44に冷媒分配器21bが接続され、さらに、その冷媒分配器21bに複数の配管48が接続されている。複数の配管47は、室外熱交換器7aに接続され、複数の配管48は、室外熱交換器7bに接続されている(図3参照)。
なお、これ以外の室外ユニットの構成および冷凍サイクル装置の構成については、図1および図3に示す構成と同様なので、必要である場合を除き、その説明を繰り返さないこととする。
上述した分岐分配部11では、配管41(第1流路)を流れてきた二相状態の冷媒が、T字型分岐配管35aに流れ込むと、慣性によって、一方向に延在する配管部分Aには、より多くの液冷媒が流れることになる。これにより、図9に示すように、配管部分Aに接続されている配管43には、液比率の高い冷媒(冷媒A)が流れ込む。
一方、配管部分Aから分岐する配管部分Bには、より多くのガス冷媒が流れることになる。これにより、図10に示すように、配管部分Bに接続されている配管44には、液比率の低い冷媒(冷媒B)が流れ込む。
配管43を流れる、液比率の高い二相状態の冷媒(冷媒A)は、曲がり配管33を流れる。このとき、冷媒Aに含まれる液冷媒の分布に偏りが生じる。すなわち、前述したように、遠心力によって、曲がり配管33の外周側の内壁面に沿って流れる液冷媒の量が、内周側の内壁面に沿って流れる液冷媒の量よりも多くなる。
これにより、図11に示すように、曲がり配管33を流れた直後の配管43内では、外周側に対応する領域に、液比率の高い冷媒(冷媒AA)が流れ、内周側に対応する領域に、液比率の低い冷媒(冷媒AB)が流れる。
配管43を流れる冷媒(冷媒AA、冷媒AB)は、その状態で冷媒分配器21aに流れ込む。冷媒分配器21aでは、流れ込んだ冷媒が、複数の配管47に分配される。このとき、図12に示すように、複数の配管47のうち、曲がり配管の外周側に対応する位置に配置されている配管47には、液比率の高い冷媒AAが流れ込む。一方、曲がり配管の内周側に対応する位置に配置されている配管47には、液比率の低い冷媒ABが流れ込む。
分配された冷媒AAおよび冷媒ABは、配管47を流れて室外熱交換器7aへ送られる。一方、冷媒Bは配管48を流れて室外熱交換器7bへ送られる。こうして、室外ユニット25では、風量のより多い室外熱交換器7aへ、液比率の高い冷媒A(冷媒AA、冷媒AB)が流れ込み、風量のより少ない室外熱交換器7bへ、液比率の低い冷媒Bが流れ込むことになる。
特に、室外熱交換器7aでは、液比率の高い冷媒AAが、室外熱交換器7aにおける、風量の相対的に多い上部のパスに流され、液比率の低い冷媒ABが、室外熱交換器7aにおける、風量の相対的に少ない下部のパスに流される(図5参照)。これにより、冷媒と空気との熱交換をより効率的に行うことができる。
(変形例)
ここでは、T字型分岐配管の変形例について説明する。図13に示すように、変形例に係るT字型分岐配管35b(分岐部)では、一方向に延在する部分(配管部分A)から、2つの分岐する部分(配管部分B、配管部分C)が設けられている。配管部分Cには配管45(第4流路)が接続されている。その配管45に冷媒分配器21cが接続され、さらに、その冷媒分配器21cに複数の配管49が接続されている。複数の配管49は、たとえば、配管48とともに、室外熱交換器7bに接続されている。
なお、これ以外のT字型分岐配管35b等の構成については、図8に示す構成と同様であり、また、室外ユニットの構成および冷凍サイクル装置の構成については、図1および図3に示す構成と同様である。このため、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
上述した分岐分配部11では、配管41(第1流路)を流れてきた二相状態の冷媒が、T字型分岐配管35bに流れ込むと、配管部分Aに接続されている配管43(第2流路)には、前述したように、慣性によって液冷媒51が流れやすく、液比率の高い冷媒(冷媒A)が流れ込む。
一方、配管部分Aから分岐する配管部分Bおよび配管部分Cには、液冷媒が流れにくく、液比率の低い冷媒(冷媒B)が流れることになる。配管部分Bと配管部分Cとでは、冷媒の流れの上流側に位置する配管部分Cへガス冷媒が流れ込みやすく、配管部分Cへは、液比率の低い冷媒が流れ込み、冷媒の流れの下流側に位置する配管部分Bへは、液比率の高い冷媒が流れ込むことになる。
これにより、図14に示すように、配管部分Cに接続されている配管45には、液比率の低い冷媒(冷媒BB)が流れ込む。図15に示すように、配管部分Bに接続されている配管44(第3流路)には、液比率の高い冷媒(冷媒BA)が流れ込む。
配管45を流れる冷媒(冷媒BB)は、冷媒分配器21cに流れ込む。冷媒分配器21cでは、流れ込んだ冷媒が複数の配管49に分配される。配管44を流れる冷媒(冷媒BA)は、冷媒分配器21bに流れ込む。冷媒分配器21bでは、流れ込んだ冷媒が複数の配管48に分配される。
なお、前述したように、配管43を流れる冷媒Aは、冷媒分配器21aによって複数の配管47に分配される。図16に示すように、曲がり配管33を流れた直後の配管43内では、外周側に対応する領域に、液比率の高い冷媒(冷媒AA)が流れ、内周側に対応する領域に、液比率の低い冷媒(冷媒AB)が流れる。
また、図17に示すように、複数の配管47のうち、曲がり配管の外周側に対応する位置に配置されている配管47には、液比率の高い冷媒AAが流れ込む。曲がり配管の内周側に対応する位置に配置されている配管47には、液比率の低い冷媒ABが流れ込む。冷媒AAおよび冷媒ABは、配管47を流れて室外熱交換器7aへ送られる。
一方、分配された冷媒B(冷媒BB、冷媒BA)は、配管48、49を流れて室外熱交換器7bへ送られる。こうして、室外ユニット25では、風量のより多い室外熱交換器7aへ、液比率の高い冷媒Aが流れ込み、風量のより少ない室外熱交換器7bへ、液比率の低い冷媒B(冷媒BB、冷媒BA)が流れ込むことになる。
特に、室外熱交換器7bでは、液比率の高い冷媒BAが、室外熱交換器7bにおける、風量の相対的に多い上部のパスに流され、液比率の低い冷媒BBが、室外熱交換器7bにおける、風量の相対的に少ない下部のパスに流される(図5参照)。これにより、冷媒と空気との熱交換をより効率的に行うことができる。
実施の形態3.
ここでは、冷媒分岐分配器を成す分岐分配部の第3例について説明する。図18に示すように、分岐分配部11は、T字型分岐配管35a(35)(分岐部)の手前(上流側)の配管41(第1流路)にオリフィス39を備えている。オリフィス39では、冷媒の流れを遮る遮蔽部に、冷媒を流す開口部が設けられている。そのオリフィス39の開口部の面積(流路断面積)は、配管41の流路断面積よりも狭い。
オリフィス39の第1例を図19に示す。このオリフィス39では、冷媒の流れを遮る遮蔽部39aに、同心円状に略円形状の開口部39bが形成されている。オリフィス39の第2例を図20に示す。このオリフィス39では、冷媒の流れを遮る遮蔽部39aに、略半円形状の開口部39bが形成されている。このオリフィス39では、遮蔽部39aは、T字型分岐配管35aに配管44(第3流路)が接続されている周方向位置に配置されている。
オリフィス39の第3例を図21に示す。このオリフィス39では、冷媒の流れを遮る遮蔽部39aに、略円形状の開口部39bが形成されている。略円形状の開口部39bは、開口部39bの中心がオリフィス39の中心から外れるように、遮蔽部39aに形成されている。このオリフィス39では、遮蔽部39aは、T字型分岐配管35aに配管44が接続されている周方向位置に配置されている。
なお、これ以外のT字型分岐配管35a等の構成については、図8に示す構成と同様であり、また、室外ユニットの構成および冷凍サイクル装置の構成については、図1および図3に示す構成と同様である。このため、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
上述した分岐分配部11では、配管41を流れる二相状態の冷媒は、T字型分岐配管35aに流れ込む前に、オリフィス39の遮蔽部39aによって、液冷媒が配管41の内壁から剥がされる。また、流路断面積の狭い開口部39bを冷媒が通過することで、冷媒の流速が増加する。これにより、T字型分岐配管35aの一方向に延在する配管部分Aには、より多くの液冷媒が流れやすくなる。特に、二相状態の冷媒の流量が少ないような場合に、配管部分Aに流れ込む液冷媒の量を増やすことができる。
一方、配管部分Aから分岐する配管部分Bには、手前で液冷媒が配管41の内壁から剥がされることで、オリフィスがない場合と比べて、液冷媒が流れ込みにくくなり、その分、より多くのガス冷媒が流れ込みやすくなる。これにより、図22に示すように、配管部分Bに接続されている配管44には、液比率の低い冷媒(冷媒B)が流れ込む。
特に、図20または図21に示されるオリフィス39の遮蔽部39aを、T字型分岐配管35aに配管44が接続されている周方向位置に配置することで、配管44に流れ込む液冷媒の量を効果的に減らすことができ、その分、配管43(第2流路)に流れ込む液冷媒の量を増やすことができる。
前述したように、配管43に流れ込んだ液比率の高い冷媒は、曲がり配管33を流れることで、図23に示すように、液比率の高い冷媒(冷媒AA)と、液比率の低い冷媒(冷媒AB)とに分配される。分配された冷媒AAおよび冷媒ABは、冷媒分配器21aによってさらに分配される。図24に示すように、分配された冷媒AAおよび冷媒ABは、配管47を流れて室外熱交換器7aへ送られる。一方、冷媒Bは配管48を流れて室外熱交換器7bへ送られる。こうして、室外ユニット25では、冷媒と空気との熱交換をより効率的に行うことができる。
実施の形態4.
ここでは、冷媒分岐分配器を成す分岐分配部の第4例について説明する。図25に示すように、分岐分配部11は、アルファベット「Y」の形状に似たY字型分岐配管37a(37)(分岐部)を備えている。Y字型分岐配管37aでは、一の配管が二股に分岐している。二股に分岐した一方の分岐配管部分に配管43が接続され、他方の分岐配管部分に配管44が接続されている。Y字型分岐配管37aは、配管43が下方に、配管44が上方に位置するように配置されている。配管43、44は、曲がり配管33を含む。
なお、これ以外の室外ユニットの構成および冷凍サイクル装置の構成については、図1および図3に示す構成と同様なので、必要である場合を除き、その説明を繰り返さないこととする。
上述した分岐分配部11では、配管41(第1流路)を流れてきた二相状態の冷媒(図26参照)が、Y字型分岐配管37aに流れ込む。Y字型分岐配管37aに流れ込んだ冷媒は、配管43(第2流路)と配管44(第3流路)とに分配される。このとき、図27に示すように、下方に配置されている配管43には、重力によって、液冷媒が流れやすく、液比率の高い冷媒(冷媒A)が流れ込む。一方、図28に示すように、上方に配置されている配管44には、液冷媒は流れにくく、液比率の低い冷媒(冷媒B)が流れ込む。
配管43を流れる冷媒は、曲がり配管33を流れ、冷媒分配器21aによってさらに分配される。分配された冷媒は、配管47を流れて室外熱交換器7aへ送られる。一方、配管44を流れる冷媒は、曲がり配管33を流れ、冷媒分配器21bによってさらに分配される。分配された冷媒は、配管48を流れて室外熱交換器7bへ送られる。
配管43の曲がり配管33を流れた直後の配管43内の冷媒の分布を図29に示し、配管44の曲がり配管33を流れた直後の配管44内の冷媒の分布を図30に示す。配管47内の冷媒の分布を図31に示し、配管48内の冷媒の分布を図32に示す。
図27〜図32に示されるように、Y字型分岐配管37aに流れ込んだ冷媒は、分岐分配部11によって、液比率の高い冷媒と液比率の低い冷媒とに分配される。液比率の高い冷媒は室外熱交換器7aに流れ込み、液比率の低い冷媒は室外熱交換器7bに流れ込む。
こうして、室外ユニット25では、風量のより多い室外熱交換器7aへ、液比率の高い冷媒Aが流れ込み、風量のより少ない室外熱交換器7bへ、液比率の低い冷媒Bが流れ込むことになる。その結果、冷媒と空気との熱交換をより効率的に行うことができる。
(変形例)
ここでは、Y字型分岐配管の変形例について説明する。図33に示すように、変形例に係るY字型分岐配管37b(37)(分岐部)では、冷媒の流れる方向(たとえばX方向)に対して、その方向成分(X方向成分)を有する態様で冷媒を分岐させる部分(配管部分A)と、その方向成分とは逆向きの方向成分(−X方向成分)を有する態様で冷媒を分岐させる部分(配管部分B)とが設けられている(図33に示されたベクトル参照)。
Y字型分岐配管37bは、構造的には、冷媒が流れ込んでくる一方向に延在する部分(配管部分A)と、その一方向と交差する他の方向に延在する部分(配管部分B)と、その他の方向と反対方向に延在する部分(配管部分C)とを含む。
上述した分岐分配部11では、配管41(第1流路)を流れてきた二相状態の冷媒(図34参照)が、Y字型分岐配管37bに流れ込む。Y字型分岐配管37bに流れ込んだ冷媒は、配管43(第2流路)と配管44(第3流路)とに分配される。このとき、図35に示すように、配管43には、慣性力によって液冷媒が流れやすく、配管43には、液比率の高い冷媒(冷媒A)が流れ込む。一方、図36に示すように、配管44には、液冷媒は流れにくく、液比率の低い冷媒(冷媒B)が流れ込む。
配管43を流れる冷媒は、曲がり配管33を流れ、冷媒分配器21aによってさらに分配される。分配された冷媒は、配管47を流れて室外熱交換器7aへ送られる。一方、配管44を流れる冷媒は、曲がり配管33を流れ、冷媒分配器21bによってさらに分配される。分配された冷媒は、配管48を流れて室外熱交換器7bへ送られる。
配管43の曲がり配管33を流れた直後の配管43内の冷媒の分布を図37に示し、配管44の曲がり配管33を流れた直後の配管44内の冷媒の分布を図38に示す。配管47内の冷媒の分布を図39に示し、配管48内の冷媒の分布を図40に示す。
特に、Y字型分岐配管37bには、冷媒の流れる方向(X方向)に対して、その方向成分(X方向成分)を有する態様で冷媒を分岐させる部分(配管部分A)を有していることで、冷媒の流量が少ない場合であっても、慣性力によって、液冷媒が流れやすく、液比率の高い冷媒を配管部分Aから配管43へ流すことができる。
これにより、室外ユニット25では、風量のより多い室外熱交換器7aへ、液比率の高い冷媒Aが流れ込み、風量のより少ない室外熱交換器7bへ、液比率の低い冷媒Bが流れ込むことになる。その結果、冷媒と空気との熱交換をより効率的に行うことができる。
実施の形態5.
ここでは、冷媒分岐分配器を成す分岐分配部の第5例について説明する。図41に示すように、分岐分配部11は、筒状体36(分岐部)を備えている。筒状体36の側面に配管41(第1流路)が接続されている。筒状体36の下面部に配管43(第2流路)が接続されている。筒状体36の上面部に配管44(第3流路)が接続されている。配管43、44は、曲がり配管33を含む。
なお、これ以外の室外ユニットの構成および冷凍サイクル装置の構成については、図1および図3に示す構成と同様なので、必要である場合を除き、その説明を繰り返さないこととする。
上述した分岐分配部11では、配管41を流れてきた二相状態の冷媒(図42参照)が、筒状体36に流れ込む。流れ込んだ冷媒のうち、密度の高い液冷媒は、重力によって筒状体36内の下部に集まり、密度の低いガス冷媒は、筒状体36内の上部に集まる。
筒状体36の下部に集まった、液冷媒を多く含む冷媒は、曲がり配管33を含む配管43を流れ、冷媒分配器21aによってさらに分配される。分配された冷媒は、配管47を流れて室外熱交換器7aへ送られる。一方、筒状体36の上部に集まった、ガス冷媒を多く含む冷媒は、曲がり配管33を含む配管44を流れ、冷媒分配器21bによってさらに分配される。分配された冷媒は、配管48を流れて室外熱交換器7bへ送られる。
筒状体36を流れ出た直後の配管43内の冷媒の分布を図43に示し、筒状体36を流れ出た直後の配管44内の冷媒の分布を図44に示す。配管43の曲がり配管33を流れた直後の配管43内の冷媒の分布を図45に示し、配管44の曲がり配管33を流れた直後の配管44内の冷媒の分布を図46に示す。配管47内の冷媒の分布を図47に示し、配管48内の冷媒の分布を図48に示す。
図43〜図48に示されるように、配管41を流れる冷媒は、筒状体36および曲がり配管33等によって、液比率の高い冷媒と液比率の低い冷媒とに分配される。液比率の高い冷媒は室外熱交換器7aに流れ込み、液比率の低い冷媒は室外熱交換器7bに流れ込む。
こうして、室外ユニット25では、風量のより多い室外熱交換器7aへ、液比率の高い冷媒Aが流れ込み、風量のより少ない室外熱交換器7bへ、液比率の低い冷媒Bが流れ込むことになる。これにより、冷媒と空気との熱交換をより効率的に行うことができる。
なお、各実施の形態において説明した分岐分配部については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。たとえば、実施の形態3において説明したオリフィスを、他の実施の形態の分岐分配部に適用してもよい。また、冷凍サイクル装置として、ビル用マルチエアコンを例に挙げて説明したが、これ以外に、たとえば、ヒートポンプ装置またはカーエアコン等の冷凍サイクル装置にも適用することが可能である。
今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明は、熱交換器を備えた冷凍サイクル装置に有効に利用される。
1 冷凍サイクル装置、3 圧縮機、5a、5b 四方弁、7、7a、7b、7aa、7ab、7ac 室外熱交換器、9a、9b 膨張弁、11 分岐分配部、13a、13b、13c、13d 膨張弁、15、15a、15b、15c、15d 室内熱交換器、17 室外ファン、19a、19b 室内ファン、21a、21b 冷媒分配器、23 アキュムレータ、25 室外ユニット、26 筐体、27 空気取り入れ口、31 分岐配管、33 曲がり配管、35、35a、35b、35c T字型分岐配管、36 筒状体、37、37a、37b Y字型分岐配管、39 オリフィス、39a 遮蔽部、39b 開口部、41、43、44、45、47、48、49 配管、51 液冷媒、53 ガス冷媒。

Claims (15)

  1. 冷媒分岐分配器を備えた熱交換器であって、
    前記冷媒分岐分配器は、
    第1流路、第2流路および第3流路と、
    前記第1流路に接続されるとともに、前記第2流路と前記第3流路とに接続され、前記第1流路から流入する液冷媒とガス冷媒とを含む冷媒を、前記第2流路と前記第3流路とに分岐する分岐部と
    を備え、
    前記液冷媒と前記ガス冷媒との重量比における前記液冷媒の比率を液比率とすると、
    前記第2流路に分岐した第1冷媒の第1液比率は、前記第3流路に分岐した第2冷媒の第2液比率よりも高く、
    前記第2流路に設けられ、前記第2流路に分岐した前記第1冷媒をさらに分配する第1分配器と、
    前記第3流路に設けられ、前記第3流路に分岐した前記第2冷媒をさらに分配する第2分配器と、
    前記第2流路に接続され、前記第1分配器によって分配された前記第1冷媒と第1流体との間で熱交換が行われる第1熱交換器と、
    前記第3流路に接続され、前記第2分配器によって分配された前記第2冷媒と第2流体との間で熱交換が行われる第2熱交換器と
    を備え、
    前記第1流体の量は前記第2流体の量よりも多く、
    前記第2流路では、前記分岐部と前記第1分配器との間に第1膨張弁が設けられ、
    前記第3流路では、前記分岐部と前記第2分配器との間に第2膨張弁が設けられた、熱交換器。
  2. 前記第1流路は、湾曲している第1曲がり部を含み、
    前記第2流路は、前記分岐部における、前記第1曲がり部の外周側に対応する第1位置に接続され、
    前記第3流路は、前記分岐部における、前記第1曲がり部の内周側に対応する第2位置に接続された、請求項1記載の熱交換器。
  3. 前記第1流路は、前記第1曲がり部と前記分岐部との間に直線部を備え、
    前記直線部の長さLは、前記第1流路の内径をDとすると、L<10×Dに設定された、請求項2記載の熱交換器。
  4. 前記分岐部は、
    前記第1流路が接続されている前記分岐部の部分から、前記第1流路が延在する第1方向に延在する第1延在部と、
    前記第1延在部から、前記第1方向と交差する第2方向に分岐して延在する第2延在部と
    を含み、
    前記第2流路は、前記第1延在部に接続され、
    前記第3流路は、前記第2延在部に接続された、請求項1記載の熱交換器。
  5. 前記第2流路は、第2曲がり部を含む、請求項4記載の熱交換器。
  6. 前記第1流路内にはオリフィスが配置された、請求項4記載の熱交換器。
  7. 前記分岐部は、
    前記第1流路が接続されている前記分岐部の部分から、前記第1流路が延在する第1方向と交差する第3方向に分岐して延在する第3延在部と、
    前記第1流路が接続されている前記分岐部の部分から、前記第1方向および前記第3方向と交差する第4方向に分岐して延在する第4延在部と
    を少なくとも含み、
    前記分岐部は、前記第3延在部を上にし、前記第4延在部を下にした状態で配置され、
    前記第2流路は、前記第4延在部に接続され、
    前記第3流路は、前記第3延在部に接続された、請求項1記載の熱交換器。
  8. 前記第2流路は、第3曲がり部を含む、請求項7記載の熱交換器。
  9. 前記第1流路内にオリフィスが配置された、請求項7記載の熱交換器。
  10. 前記分岐部は、
    前記第1流路が接続されている前記分岐部の部分から、前記第1流路が延在する第1方向と交差する第3方向に分岐して延在する第3延在部と、
    前記第1流路が接続されている前記分岐部の部分から、前記第3方向とは反対の第4方向に分岐して延在する第4延在部と
    を少なくとも含み、
    前記第2流路は、前記第3延在部に接続され、
    前記第3流路は、前記第4延在部に接続された、請求項1記載の熱交換器。
  11. 前記第2流路は第4曲がり部を含む、請求項10記載の熱交換器。
  12. 前記第1流路内にオリフィスが配置された、請求項10記載の熱交換器。
  13. 前記分岐部は、筒状体を含み、
    前記筒状体は、上面部、下面部および側面部を含み、
    前記側面部に前記第1流路が接続され、
    前記下面部に前記第2流路が接続され、
    前記上面部に前記第3流路が接続された、請求項1記載の熱交換器。
  14. 前記第2流路は、第5曲がり部を含む、請求項13記載の熱交換器。
  15. 請求項1〜14のいずれか1項に記載の熱交換器を備えた、冷凍サイクル装置。
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