JPWO2018189892A1 - 分配器、熱交換器、及び、冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
Description
複数の伝熱管に対して冷媒を均等に分配することが熱交換器の伝熱性能を確保する上で重要である。
特許文献1に記載の分配器は、ロウ材が塗布されない板状体であるベア材と、ロウ材が塗布された板状体であるクラッド材と、が交互に積層されて構成され、それらに形成された円形の貫通穴と、略Z字形状の貫通溝と、を連通させて分配流路を形成するようになっている。
本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記の熱交換器を、蒸発器及び凝縮器の少なくともいずれか一つとして備えるものである。
本発明に係る熱交換器は、上記の分配器を有しているので、流体を均質な状態で流すことができ、熱交換効率が向上したものとなる。
本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記の熱交換器を有しているので、熱交換器において各パスに均質な状態で冷媒を流すことができ、熱交換器の性能を最大限に引き出すことが可能になる。
なお、以下で説明する構成、動作等は、一例にすぎず、本発明に係る分配器、熱交換器、及び、冷凍サイクル装置は、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。
本発明の実施の形態1に係る分配器及び熱交換器について説明する。
<熱交換器1の構成>
以下に、実施の形態1に係る熱交換器1の概略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1の構成を概略的に示す図である。なお、図1では、流体の流れ方向を墨付き矢印で示している。また、以下では、流体の一例として冷媒を用いて説明する。
第1分配器2が、本発明の「分配器」に相当する。
第2分配器3の内部には、合流流路3aが形成される。合流流路3aの流入側には、複数の伝熱管4が接続される。合流流路3aの流出側には冷媒配管が接続される。
フィン5は、例えば、アルミニウム製である。伝熱管4とフィン5とは、例えばロウ付けで接合される。なお、図1では、伝熱管4が4本である場合を示しているが、そのような場合に限定されない。また、実施の形態1においては、伝熱管4が扁平管である場合を例に説明するものとする。
以下に、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、第1分配器2に流入して分配流路2aで分配され、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、ファン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、第2分配器3の合流流路3aに流入して合流し、冷媒配管に流出する。なお、熱交換器1において、冷媒は、逆流可能、つまり第2分配器3から第1分配器2に向かって流れることが可能である。
以下に、第1分配器2の構成について説明する。まず、第1分配器2が積層型ヘッダーである場合を例に説明する。
図2は、第1分配器2を分解した状態での斜視図である。
貫通穴12a_1が、冷媒が流入する流体入口部として機能する。
貫通穴12a_3の末端が、冷媒が流出する流体出口部として機能する。
貫通穴12a_4は、伝熱管挿入部2bとして機能するため、冷媒が流れない。
貫通穴13a_3は、伝熱管挿入部2bとして機能するため、冷媒が流れない。
なお、流路断面とは、流路を冷媒の流れと直交する方向で切った断面である。
なお、冷媒の流れ方向とは、貫通穴12a_1及び貫通穴13a_1を流れる冷媒の流れ方向である。
なお、第1分配器2では、分配流路2aが、1つの流体入口部に対して4つの流体出口部を有している場合を例に図示しているが、分岐数を4分岐に限定するものではない。
また、第1板状部材12及び第2板状部材13の積層枚数を図示している枚数に限定するものではない。
以下に、第1分配器2における冷媒の流れについて説明する。
図3は、第1分配器2の展開図である。図4は、第1分配器2の縦断面図である。
なお、図3及び図4では、冷媒の流れ方向を墨付き矢印で示している。また、図4では、説明の便宜上、板状体の厚さを概略的に均一として図示している。また、図4では、冷媒の流れ方向に沿って切った断面を示している。
図5は、比較例としての従来の分配器(以下、分配器2Xと称する)での冷媒の流れを説明するための分解斜視図である。図6は、分配器2Xでの冷媒の流れを説明するための模式図である。まず、図5及び図6に基づいて、分配器2Xでの冷媒の流れを説明する。なお、図5及び図6では、第1分配器2の構成に相当する分配器2Xの各構成には、末尾に「X」を付記し、第1分配器2の構成と区別するものとする。また、図5及び図6では、冷媒の流れを破線矢印で表している。
なお、図8では、端部120と端部121とを接続する部分を仮想線L1として図示し、端部120と端部121とを接続している部分と直交する部分を仮想線L2として図示している。
更に詳述すると、中間流路として機能する貫通穴13a_2は、端部120から流入した冷媒を、隣接して積層される第1板状部材12_3の表面に当てて向きを変えてから端部120から流出させるようになっている。
図9は、熱交換器1の製造方法の流れを説明した図である。図10は、ロストワックス法を用いた第1分配器2の縦断面図である。まず、ロストワックス法を用いた第1分配器2の製造方法について説明する。
その後、ステップ4において、第1分配器2に伝熱管4を接続し、その他の組み付け及び加工を行って熱交換器1が完成することになる。
以下に、第1分配器2における冷媒の流れについて説明する。図11は、図9の製造方法により完成した第1分配器2の冷媒の流れを示す縦断面図である。図11では、図4に示す第1分配器2の構成又は部分に対応する構成又は部分には同じ符号を用いて図示している。また、図11では、破線を用いて図4に示す第1分配器2の板状体との対応関係を示している。また、図11では、説明の便宜上、板状体の厚さを概略的に均一として図示している。また、図11では、冷媒の流れ方向に沿って切った断面を示している。さらに図11では、冷媒の流れ方向を墨付き矢印で示している。
冷媒配管を流れてきた冷媒は、第1分配器2の貫通穴12a_1を流体入口部として、第1分配器2の内部に流入する。貫通穴12a_1から流入した冷媒は、貫通穴13a_1を流れて、貫通穴12a_2の中心に流入する。貫通穴12a_2の中心に流入した冷媒は、2方向(左右方向)に分岐し、貫通穴12a_2の端部に流れる。貫通穴12a_2の端部に至った冷媒は、貫通穴13a_2の一方の端部に流入する。
以上のように、第1分配器2では、渡り流路として機能する貫通穴13a_2を形成することによって、分岐流路として機能する下流側の貫通穴13a_2においても、均質に混ざった気液二相状態で分岐することが可能になる。したがって、第1分配器2によれば、上流側の分岐流路及び下流側の分岐流路の双方において液膜の偏りが解消され、冷媒の分配比率を所定量(目標値)にでき、優れた分配性能を実現できる。
本発明の実施の形態2に係る分配器について説明する。
本実施の形態2では実施の形態1との相違点を中心に説明し、実施の形態1と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
なお、実施の形態2に係る分配器を備えた熱交換器については、実施の形態1で説明した熱交換器1と同様であるため、説明を省略する。また、実施の形態2に係る分配器を、第1分配器2Aと称するものとする。
以下に、第1分配器2Aの構成について説明する。ここでは、第1分配器2Aが積層型ヘッダーである場合を例に説明する。ただし、第1分配器2Aが一体型ヘッダーであってもよく、この場合は、図9を参考に第1分配器2Aを製造すればよい。
図12は、第1分配器2Aでの冷媒の流れを説明するための分解斜視図である。図13は、第1分配器2Aでの冷媒の流れを説明するための模式図である。なお、図12及び図13では、冷媒の流れを破線矢印で表している。
具体的には、貫通穴12a_3は、流路断面Z字状に貫通形成されている分岐部135の中間部に連通する流入流路107を有している。つまり、同一板(第1板状部材12_3)内に、分岐流路として機能する分岐部135と、分岐部135に冷媒を流入させる流入流路107と、が形成されている。
なお、第2板状部材13_3の貫通穴13a_3は、貫通穴12a_3の端部130、端部131と対向する位置に形成される。
それ以外の構成については、実施の形態1と同様である。
次に、第1分配器2Aにおける冷媒の流れについて説明する。
図12及び図13に示すように、第1分配器2Aに流入した冷媒は、貫通穴12a_1、貫通穴13a_1を流れて、上流側分岐流路として機能する貫通穴12a_2の分岐部115に流入する。分岐部115に流入した冷媒は、隣接して積層される第2板状部材13_2の表面に当たって2方向(左右方向)に分岐し、貫通穴12a_2の端部110、端部111に流れる。貫通穴12a_2の端部110、端部111に至った冷媒は、中間流路として機能する第2板状部材13_2の貫通穴13a_2の端部120に流入する。
以上のように、第1分配器2Aでは、実施の形態1に係る第1分配器2の構成に加え、渡り流路として機能する貫通穴13a_2の下流側の貫通穴12a_3に流入流路107を設けるようにした。つまり、第1分配器2Aでは、冷媒が板状部材に衝突する衝突部を複数箇所設けるようにした。こうすることによって、気液二相冷媒の気相と液相をより均質化でき、貫通穴12a_3での分配比率を所定量(目標値)、例えば50%:50%に分流させることが可能になる。したがって、第1分配器2Aによれば、上流側の分岐流路及び下流側の分岐流路の双方において液膜の偏りが解消され、冷媒の分配比率を所定量(目標値)にでき、優れた分配性能を実現できる。
本発明の実施の形態3に係る分配器について説明する。
本実施の形態3では実施の形態1、2との相違点を中心に説明し、実施の形態1、2と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
なお、実施の形態3に係る分配器を備えた熱交換器については、実施の形態1で説明した熱交換器1と同様であるため、説明を省略する。また、実施の形態3に係る分配器を、第1分配器2Bと称するものとする。
以下に、第1分配器2Bの構成について説明する。ここでは、第1分配器2Bが積層型ヘッダーである場合を例に説明する。ただし、第1分配器2Bが一体型ヘッダーであってもよく、この場合は、図9を参考に第1分配器2Bを製造すればよい。
図14は、第1分配器2Bでの冷媒の流れを説明するための分解斜視図である。図15は、第1分配器2Bの第1板状部材12_3に形成される貫通穴12a_3の形状を模式的に示すと模式図である。なお、図14では、冷媒の流れを破線矢印で表している。
つまり、第1分配器2Bでは、流入流路107を重力方向に対して傾斜させている点で、実施の形態2と相違している。
それ以外の構成については、実施の形態1、2と同様である。
次に、第1分配器2Bにおける冷媒の流れについて説明する。
図14及び図15に示すように、第1分配器2Bに流入した冷媒は、貫通穴12a_1、貫通穴13a_1を流れて、上流側分岐流路として機能する貫通穴12a_2の分岐部115に流入する。分岐部115に流入した冷媒は、隣接して積層される第2板状部材13_2の表面に当たって2方向(左右方向)に分岐し、貫通穴12a_2の端部110、端部111に流れる。貫通穴12a_2の端部110、端部111に至った冷媒は、中間流路として機能する第2板状部材13_2の貫通穴13a_2の端部120に流入する。
以上のように、第1分配器2Bでは、実施の形態2に係る第1分配器2Aの構成に加え、流入流路107を重力方向に対して傾斜させるようにした。つまり、第1分配器2Bでは、冷媒が板状部材に衝突する衝突部を複数箇所設けるようにするとともに、分配比率を調整可能にしている。こうすることによって、気液二相冷媒の気相と液相をより均質化でき、貫通穴12a_3での分配比率を所定量(目標値)に調整することが可能になる。したがって、第1分配器2Bによれば、上流側の分岐流路及び下流側の分岐流路の双方において液膜の偏りが解消され、冷媒の分配比率を所定量(目標値)にでき、優れた分配性能を実現できる。
本発明の実施の形態4に係る冷凍サイクル装置について説明する。
<冷凍サイクル装置100の構成>
以下に、本実施の形態4に係る冷凍サイクル装置100の概略構成について説明する。
図16は、実施の形態4に係る冷凍サイクル装置100の冷媒回路構成の一例を概略的に示す回路構成図である。なお、本実施の形態4では実施の形態1〜3との相違点を中心に説明し、実施の形態1〜3と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。また、図16では、冷房運転時の冷媒の流れを破線矢印で示し、暖房運転時の冷媒の流れを実線矢印で示し、空気の流れを白抜き矢印で示している。
次に、冷凍サイクル装置100の動作について、冷媒の流れとともに説明する。ここでは、熱交換流体が空気であり、被熱交換流体が冷媒である場合を例に、冷凍サイクル装置100の動作について説明する。
そのため、冷凍サイクル装置100によれば、第1熱交換器103及び第2熱交換器105において各パスに均質な状態で冷媒を流すことができ、熱交換器の性能を最大限に引き出すことが可能になり、熱交換効率が向上したものとなる。
また、作動流体としては空気および冷媒の例を示したが、これに限定するものではなく、他の気体、液体、気液混合流体を用いても、同様の効果を発揮する。つまり、作動流体は変化するものであり、どの場合であっても効果を奏することになる。
さらに、冷凍サイクル装置100のその他の例としては、給湯器や冷凍機、空調給湯複合機などがあり、いずれの場合であっても熱交換器の性能を最大限に引き出すことが可能になり、熱交換効率が向上したものとなる。
Claims (10)
- 流体入口部から流入した流体を複数の流体出口部に分配する分配器であって、
上流側分岐流路と、前記上流側分岐流路よりも前記複数の流体出口部側にある下流側分岐流路と、を有する複数の分岐流路と、
前記上流側分岐流路と前記下流側分岐流路との間にあり、前記上流側分岐流路と前記下流側分岐流路とを接続する中間流路と、を有し、
前記中間流路は、
前記上流側分岐流路と接続している一方の端部と、前記下流側分岐流路と接続している他方の端部と、を有し、
前記一方の端部から流入した流体の流れを、向きを変えてから前記他方の端部から流出させる
分配器。 - 前記中間流路は、
前記一方の端部と前記他方の端部とを接続している部分の流路長さが、
前記一方の端部と前記他方の端部とを接続している部分と直交する部分の流路幅の2倍以上となっている
請求項1に記載の分配器。 - 前記下流側分岐流路は、
流体を2方向に分岐する分岐部と、
前記分岐部の中間部に連通する流入流路と、を有し、
前記流入流路は、
前記中間流路の他方の端部と接続する流体入口側の端部と、前記分岐部に接続する流体出口側の端部と、を有し、
前記流体入口側の端部から流入した流体の流れを、向きを変えてから前記他方の端部から流出させる
請求項1又は2に記載の分配器。 - 前記流入流路は、
前記流体入口側の端部と、前記流体出口側の端部と、が重力方向に並ぶように形成されている
請求項3に記載の分配器。 - 前記流入流路は、
前記流体入口側の端部と、前記流体出口側の端部と、が異なる重力方向に位置するように形成されている
請求項3に記載の分配器。 - 前記流入流路は、
前記流体入口側の端部と前記流体出口側の端部とを流れる流体の流れ方向が、
前記流体出口側の端部と接続している部分における前記分岐部を流れる流体の流れ方向に対して、直交していない
請求項5に記載の分配器。 - 前記流体入口部、前記分岐流路、及び、前記複数の流体出口部は、
貫通穴がそれぞれ形成された複数枚の板状体を積層して構成される
請求項1〜6のいずれか一項に記載の分配器。 - 請求項1〜7のいずれか一項に記載の分配器と、
前記分配器の前記複数の流体出口部から流出する前記流体が流入する複数の伝熱管と、
を備えた
熱交換器。 - 前記複数の伝熱管は、円管又は扁平管である
請求項8に記載の熱交換器。 - 請求項8又は9に記載の熱交換器を、蒸発器及び凝縮器の少なくともいずれか一つとして備える
冷凍サイクル装置。
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