JPWO2016071946A1 - 積層型ヘッダ、熱交換器、及び、空気調和装置 - Google Patents
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Abstract
Description
従来の積層型ヘッダでは、分岐流路で冷媒が繰り返して分岐するうちに分配流路内で液冷媒が偏った状態となり、積層型ヘッダの複数の出口で液冷媒が不均一に流出する。すると、熱交換器の各伝熱管に冷媒が不均一に供給され、熱交換性能が低下するという問題があった。
なお、以下では、本発明に係る積層型ヘッダ2が、熱交換器1に流入する冷媒を分配するものである場合を説明しているが、本発明に係る積層型ヘッダ2が、他の機器に流入する冷媒を分配するものであってもよい。また、以下で説明する構成、動作等は、一例に過ぎず、本発明に係る積層型ヘッダ2は、そのような構成、動作等である場合に限定されない。また、各図において、同一又は類似するものには、同一の符号を付すか、又は、符号を付すことを省略している。また、細かい構造については、適宜図示を簡略化又は省略している。また、重複又は類似する説明については、適宜簡略化又は省略している。
実施の形態1に係る熱交換器1について説明する。
<熱交換器の構成>
以下に、実施の形態1に係る熱交換器1の構成について説明する。
図1は、実施の形態1に係る熱交換器の構成を示す図である。
図1に示されるように、熱交換器1は、積層型ヘッダ2と、円筒型ヘッダ3と、複数の伝熱管4と、保持部材5と、複数のフィン6と、を有する。
以下に、実施の形態1に係る熱交換器1における冷媒の流れについて説明する。
冷媒配管を流れる冷媒は、例えば熱交換器1が蒸発器として機能する際に、冷媒流入部2Aを介して積層型ヘッダ2に流入して分配され、複数の冷媒流出部2Bを介して複数の伝熱管4に流出する。冷媒は、複数の伝熱管4において、例えば、送風機によって供給される空気等と熱交換する。複数の伝熱管4を流れる冷媒は、複数の冷媒流入部3Aを介して円筒型ヘッダ3に流入して合流し、冷媒流出部3Bを介して冷媒配管に流出する。なお、熱交換器1が凝縮器として機能する場合には冷媒は、この流れと逆方向に流れる。
以下に、実施の形態1に係る熱交換器1の積層型ヘッダ2の構成について説明する。
図2は、実施の形態1に係る積層型ヘッダにおける分解斜視図である。
第2板状体121、122、123、124、125の両面又は片面には、ロウ材が塗布される。第1板状体111、112、113、114、115、116は、第2板状体121、122、123、124、125を介して積層され、ろう付けにより一体に接合される。第1板状体111、112、113、114、115、116と、第2板状体121、122、123、124、125とは、例えば、厚さ1〜10mm程度であり、アルミニウム製である。
さらに、第1板状体113、114、及び、第2板状体122、123、124の第2流路11Aに対して対向する位置には第3流路12Aが4箇所開口している。
そして、第1板状体116と第2板状体125には、第4流路13Aが8箇所開口している。
また、第1板状体112に形成された第2分岐流路11Bの中央には、第2流路11Aが接続されるとともに、第2分岐流路11Bの両端部には、第3流路12Aが接続されている。
さらに、第1板状体115に形成された第3分岐流路12Bの中央には、第3流路12Aが接続されるとともに、第3分岐流路12Bの両端部には、第4流路13Aが接続されている。
このように第1板状体111、112、113、114、115、116、及び、第2板状体121、122、123、124、125を積層してろう付けすることで各流路を接続し分配流路を形成することができる。
次に、積層型ヘッダ2内の分配流路及び冷媒の流れについて説明する。
熱交換器1が蒸発器として機能する場合、気液二相流の冷媒が、第1板状体111の第1流路10Aから積層型ヘッダ2内に流入する。流入した冷媒は、第1流路10A内を直進し、第1板状体114の第1分岐流路10B内で第2板状体124の表面に衝突し、重力方向における上下に分流する。
分流した冷媒は第1分岐流路10Bの両端部まで進み一対の第2流路11A内に流入する。
分流した冷媒は第2分岐流路11Bの両端部まで進み4つの第3流路12A内に流入する。
分流した冷媒は第3分岐流路12Bの両端部まで進み8つの第4流路13A内に流入する。
なお、実施の形態1の分配流路では、3回分岐流路を通り、8分岐とした積層型ヘッダ2の例を示したが、分岐の回数は特段限定されない。
ここで、積層型ヘッダ2内の流路における液膜の状態について図3を用いて説明する。
図3は、実施の形態1に係る積層型ヘッダの分配流路の正面断面図及び側面断面図である。
積層型ヘッダ2内の冷媒の分配流路は、図3に示すように直角に曲折するとともに、複数の分岐を繰り返すことで複数の冷媒流出部2Bに接続されている。冷媒が分配流路を流れる際には、図3に示すように冷媒の液膜が流路の曲折部分や分岐部分で遠心力により流路の外側方向に偏って多量に存在するように流れる。この状態で次の分岐流路に冷媒が流入すると分岐流路の一方に偏って多くの液冷媒が流入し、複数の伝熱管4に均一に気液二相冷媒を分配することができなくなる。
具体的には、第1流路10A、第2流路11A、第3流路12Aを一定長さ確保した構成となっている。
このように冷媒の流路の曲折部分や分岐部分から次の分岐流路に流入するまでの間に一定距離の直線部分Sを形成することで、これら直線部分Sで液膜の偏りが均一化され、次に流入する分岐流路で均一に気液二相冷媒が分配される。
直線部分Sの流路の気液二相流の圧力損失ΔPは次式(1)で表される。
図4は、実施の形態1に係る各伝熱管への冷媒分配比と、L/D(L:直線部分Sの長さ[m]、D:流路の内径[m])との関係を示したグラフである。
図4からわかるように流路の直線部分の長さLは長いほど液膜の整流効果があるが、5<L/Dの範囲では整流効果の増加が横ばいとなっている。また、L/Dを大きくすると積層型ヘッダ2が大型化する。
また、分岐部分での冷媒分流比を実用上、熱交換器1の性能に支障をきたさない値である48%以上とするために、L/Dの値を2以上とすることが望ましいことがわかる。
なお、少なくとも第1流路10A、第2流路11A、第3流路12Aのうちのいずれか1つの直線部分Sの長さを2≦L/D≦5の範囲で確保することでも、その直線部分Sの下流の各分岐流路で均等に冷媒を分岐することができる。
また、少なくとも第1分岐流路10Bと第2分岐流路11Bとの間の第2流路11Aの直線部分Sの長さL2を2≦L2/D2≦5の範囲で確保することで、第1流路10Aと第3流路12Aの長さは第2流路11Aより長くなるため必要十分な整流効果を得ることができる。
よって、特に第3分岐流路12Bの上流側に位置する第3流路の直線部分Sの長さL3を2≦L3/D3≦5の範囲で確保することで、第3分岐流路12Bで冷媒を均一に分岐することが可能になる。
以下に、実施の形態1に係る熱交換器1の使用態様の一例について説明する。
なお、以下では、実施の形態1に係る熱交換器1が、空気調和装置20に使用される場合を説明しているが、そのような場合に限定されず、例えば、冷媒循環回路を有する他の冷凍サイクル装置に使用されてもよい。また、空気調和装置20が、冷房運転と暖房運転とを切り替えるものである場合を説明しているが、そのような場合に限定されず、冷房運転又は暖房運転のみを行うものであってもよい。
なお、図5では、冷房運転時の冷媒の流れが点線の矢印で示され、暖房運転時の冷媒の流れが実線の矢印で示される。
図5に示されるように、空気調和装置20は、圧縮機21と、四方弁22と、室外熱交換器(熱源側熱交換器)23と、絞り装置24と、室内熱交換器(負荷側熱交換器)25と、室外ファン(熱源側ファン)26と、室内ファン(負荷側ファン)27と、制御装置28と、を有する。圧縮機21と四方弁22と室外熱交換器23と絞り装置24と室内熱交換器25とが冷媒配管で接続されて、冷媒循環回路が形成される。
圧縮機21から吐出される高圧高温のガス状態の冷媒は、四方弁22を介して室外熱交換器23に流入し、室外ファン26によって供給される空気と熱交換を行い、凝縮する。凝縮した冷媒は、高圧の液状態となり、室外熱交換器23から流出し、絞り装置24によって、低圧の気液二相状態となる。低圧の気液二相状態の冷媒は、室内熱交換器25に流入し、室内ファン27によって供給される空気との熱交換によって蒸発することで、室内を冷却する。蒸発した冷媒は、低圧のガス状態となり、室内熱交換器25から流出し、四方弁22を介して圧縮機21に吸入される。
圧縮機21から吐出される高圧高温のガス状態の冷媒は、四方弁22を介して室内熱交換器25に流入し、室内ファン27によって供給される空気との熱交換によって凝縮することで、室内を暖房する。凝縮した冷媒は、高圧の液状態となり、室内熱交換器25から流出し、絞り装置24によって、低圧の気液二相状態の冷媒となる。低圧の気液二相状態の冷媒は、室外熱交換器23に流入し、室外ファン26によって供給される空気と熱交換を行い、蒸発する。蒸発した冷媒は、低圧のガス状態となり、室外熱交換器23から流出し、四方弁22を介して圧縮機21に吸入される。
実施の形態1に係る積層型ヘッダ2では、第1流路10A、第2流路11A、第3流路12Aによる直線部分Sの長さL1、L2、L3を一定長さ以上確保するために第1板状体113及び第2板状体122、123を複数枚積層して直線部分Sの長さLを確保したが、この変形例では1枚の第2板状体123の厚みにより第1流路10A、第2流路11A、第3流路12Aの長さを調整する例である。
なお、その他の分配流路の構成は実施の形態1に係る積層型ヘッダ2と同様である。
また、この変形例に係る積層型ヘッダ2を使用した熱交換器1や、熱交換器1の使用態様などは実施の形態1に係る積層型ヘッダ2と同様である。
以下に、実施の形態1に係る積層型ヘッダ2の変形例の構成について説明する。
図6は、実施の形態1に係る積層型ヘッダにおける変形例を示す分解斜視図である。
積層型ヘッダ2は、例えば第1板状体111、112、114、115、116と、この各第1板状体の間に挟み込まれる第2板状体121、123、124、125とで構成されている。
第2板状体121、123、124、125の両面又は片面には、ロウ材が塗布される。第1板状体111、112、114、115、116は、第2板状体121、123、124、125を介して積層され、ろう付けにより一体に接合される。
また、その他の効果については実施の形態1に係る積層型ヘッダ2と同様である。
実施の形態1に係る積層型ヘッダ2では、分配流路において第1流路10A、第2流路11A、第3流路12A、第4流路13Aを冷媒が対向して反対向きに流れる構成とした。
これに対して、比較例では、第1流路10A、第2流路11A、第3流路12A、第4流路13Aを冷媒が同一方向に流れる構成となっている。
以下に、実施の形態1に係る積層型ヘッダ2の比較例の構成について説明する。
実施の形態1に係る積層型ヘッダに対する比較例を示す分解斜視図である。
積層型ヘッダ2は、例えば第1板状体111、112、113、114、115、116、117、118、119と、この各第1板状体の間に挟み込まれる第2板状体121、122、123、124、125、126、127、128とで構成されている。
第2板状体121、122、123、124、125、126、127、128の両面又は片面には、ロウ材が塗布される。第1板状体111、112、113、114、115、116、117、118、119は、第2板状体121、122、123、124、125、126、127、128を介して積層され、ろう付けにより一体に接合される。
Claims (9)
- 1つの第1開口と、複数の第2開口と、前記第1開口と前記第2開口とを接続する分配流路と、を有し、複数の板状体を積層して形成された積層型ヘッダであって、
前記分配流路は、直線形状となる第1流路と、該第1流路を複数の流路に分岐する第1分岐流路と、該第1分岐流路で分岐した前記複数の流路に接続し直線形状となる第2流路と、該第2流路を複数の流路に分岐する第2分岐流路と、該第2分岐流路で分岐した前記複数の流路に接続し直線形状となる第3流路と、を有し、
前記分配流路に流入した冷媒は、前記第1流路と前記第2流路とを対向して逆方向に流れるとともに、前記第2流路と前記第3流路とを対向して逆方向に流れる構成となる積層型ヘッダ。 - 前記第1分岐流路は、1枚の第1分岐板状体に形成され、
前記第2分岐流路は、1枚の第2分岐板状体に形成され、
前記第1分岐板状体と前記第2分岐板状体との間には、複数の板状体が積層されて前記分配流路が形成されている請求項1に記載の積層型ヘッダ。 - 前記第1分岐流路は、1枚の第1分岐板状体に形成され、
前記第2分岐流路は、1枚の第2分岐板状体に形成され、
前記第1分岐板状体と前記第2分岐板状体との間には、1枚の板状体が配置されて前記分配流路が形成されている請求項1に記載の積層型ヘッダ。 - 前記第2流路は、内径寸法D2の円形断面形状、かつ、軸方向の長さ寸法L2の直線形状として形成され、
D2/L2の値が2≦D2/L2≦5の範囲となる請求項1〜3のいずれか1項に記載の積層型ヘッダ。 - 前記第2流路は、内径寸法D3の円形断面形状、かつ、軸方向の長さ寸法L3の直線形状として形成され、
D3/L3の値が2≦D3/L3≦5の範囲となる請求項1〜3のいずれか1項に記載の積層型ヘッダ。 - 前記第1流路は、内径寸法D1の円形断面形状、かつ、軸方向の長さ寸法L1の直線形状として形成され、
前記第2流路は、内径寸法D2の円形断面形状、かつ、軸方向の長さ寸法L2の直線形状として形成され、
前記第3流路は、内径寸法D3の円形断面形状、かつ、軸方向の長さ寸法L3の直線形状として形成され、
D1/L1、D2/L2、D3/L3の値が2以上5以下の範囲となる請求項1〜3のいずれか1項に記載の積層型ヘッダ。 - 前記第1流路は、内径寸法D1の円形断面形状、かつ、軸方向の長さ寸法L1の直線形状として形成され、
前記第2流路は、内径寸法D2の円形断面形状、かつ、軸方向の長さ寸法L2の直線形状として形成され、
前記第3流路は、内径寸法D3の円形断面形状、かつ、軸方向の長さ寸法L3の直線形状として形成され、
少なくともD1/L1、D2/L2、D3/L3のいずれか1つの値が2以上5以下の範囲となる請求項1〜3のいずれか1項に記載の積層型ヘッダ。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の積層型ヘッダと、
前記複数の第2開口のそれぞれに接続された複数の伝熱管と、
を備えた熱交換器。 - 請求項8に記載の熱交換器を備えた空気調和装置。
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