JPWO2020039513A1 - 熱交換器及び空気調和装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置の構成図である。なお、図1の白抜き矢印は、暖房運転時の冷媒の流れ方向を示している。換言すると、図1の白抜き矢印は、室外熱交換器8が蒸発器として機能する際の冷媒の流れを示している。
空気調和装置1は、冷媒を圧縮する圧縮機4、凝縮器として機能する室内熱交換器6、冷媒を減圧して膨張させる絞り装置7、及び、蒸発器として機能する室外熱交換器8を備えている。圧縮機4、室内熱交換器6、絞り装置7及び室外熱交換器8が順次冷媒配管で接続され、冷凍サイクル回路が構成されている。なお、本実施の形態1では、室内熱交換器6を蒸発器として機能させ、室外熱交換器8を凝縮器として機能させるため、圧縮機4から吐出された冷媒の流路を切り替える四方弁5も備えている。
まず、空気調和装置1の暖房運転時の動作について説明する。圧縮機4で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、四方弁5を通って、凝縮器として機能する室内熱交換器6に流入する。室内熱交換器6に流入した高温高圧のガス冷媒は、室内空気に熱を供給しながら冷却され、低温の液冷媒となって室内熱交換器6から流出する。室内熱交換器6から流出した液冷媒は、絞り装置7で減圧されて低温低圧の気液二相冷媒となり、蒸発器として機能する室外熱交換器8の分配器20に流入する。室外熱交換器8の分配器20に流入した低温低圧の気液二相冷媒は、各伝熱管10に分配される。そして、各伝熱管10を流れる冷媒は、室外空気よって加熱されて蒸発し、低圧のガス冷媒となって各伝熱管10から流出する。各伝熱管10から流出した低圧のガス冷媒は、合流管16で合流した後に室外熱交換器8から流出する。室外熱交換器8から流出した低圧のガス冷媒は、四方弁5を通った後に圧縮機4に吸い込まれ、圧縮機4で高温高圧のガス冷媒に再び圧縮される。
上述のように、本実施の形態1に係る室外熱交換器8においては、伝熱管10のうちで上方に配置されている第1伝熱管11は、分配器20の第1分流部51と連通している。換言すると、空気調和装置1の低能力運転時のように冷凍サイクル回路内の冷媒循環量が小さい条件においてガス冷媒101のみが流れ込むことになりやすい第1伝熱管11は、分配器20の第1分流部51と連通している。そして、第1分流部51の第2流入口54は、最も上方で第1流路23と連通する第2分流部52の第2流入口54よりも下方で、第1流路23と連通している。このため、本実施の形態1に係る分配器20は、第1分流部51の第2流入口54の第1流路23との連通位置を、液面到達高さ102よりも低い位置にすることができる。このため、本実施の形態1に係る分配器20は、従来であればガス冷媒101のみが流れ込むこととなる第1伝熱管11に、気液二相冷媒を供給することができる。したがって、本実施の形態1に係る分配器20は、空気調和装置1の低能力運転時のように冷凍サイクル回路内の冷媒循環量が小さい条件において、蒸発器として機能する室外熱交換器8の熱交換性能の低下を抑制できる。
(液分配比)=[{(測定対象の分流部を流れる液冷媒の流量)×(分流部の数)/(本体部に流入した液冷媒の流量)}−1]×100
すなわち、分流部のそれぞれに均等に液冷媒が分配された場合、各分流部の液分配比は0%となる。また、液分配比が大きい分流部ほど液冷媒の流量が大きいことを示し、液分配比が小さい分流部ほど液冷媒の流量が小さいことを示している。また、液分配比が−100%とは、液冷媒が分流部に分配されていないことを示している。
(分流部高さ)={(測定対象の分流部の冷媒の流出口の高さ)/(冷媒の流出口が最も高い位置に配置された分流部の冷媒の流出口の高さ)}×100
すなわち、分流部高さの値が大きい分流部ほど、冷媒の流出口が高いこと、換言すると上方に配置された伝熱管に連通していることを示している。
(暖房運転能力)={(測定時の空気調和装置1の暖房運転能力)/(空気調和装置1に規定されている最大暖房能力)}×100
また、図7の縦軸に示す液面到達高さは、次式で定義されている。
(液面到達高さ)={(測定時に液冷媒が到達した分流部の冷媒の流入口の高さ)/(冷媒の流入口が最も高い位置に配置された分流部の冷媒の流入口の高さ)}×100
(熱交換器性能比)={(測定時の室外熱交換器の単位時間当たりの熱交換量)/(全ての伝熱管に気液比率が同じ気液二相冷媒を流し、室外熱交換器の伝熱フィンが配置されている範囲の全てにおいて均等量の熱交換を行った際の、室外熱交換器の単位時間当たりの熱交換量)}×100
すなわち、熱交換器性能が100%に近いほど、室外熱交換器の熱交換性能が理想値に近い状態となっている。
なお、図8の横軸に示す暖房運転能力の定義は、図7の横軸に示す暖房運転能力と同じである。
図9に示すように、室内熱交換器6が上述の分配器20を備えていてもよい。室内熱交換器6が蒸発器として機能する際、各伝熱管への液冷媒の分配能力が向上するため、室内熱交換器6の製造コストの増大を抑制しつつ、低能力運転から高能力運転までの広い空気調和装置1の運転条件において熱交換性能を維持できる。
図10に示すように、空気調和装置1は、絞り装置7と室外熱交換器8の分配器20との間に、室外熱交換器73を備えていてもよい。室外熱交換器8のみで室外機2での熱交換量を増やそうとした場合、分配器20の分流部50の数を増やし、伝熱管10の本数を増やすこととなる。この場合、本体部21の第1流路23の上下方向の長さを伸ばさなければならず、第1流路23での圧力損失が増大する。一方、図10のように室外熱交換器73及び室外熱交換器8を直列に接続して、室外機2での熱交換量を増やした場合、本体部21の第1流路23の上下方向の長さを伸ばす必要はなく、第1流路23での圧力損失を抑制できる。これにより、室外熱交換器8を流れる冷媒の蒸発温度の低下を抑制できるため、室外機2の性能が向上する。
第1分流部51の第2流入口54と本体部21の第1流路23との連通箇所は、最も上方で第1流路23と連通する第2分流部52の第2流入口54よりも下方で連通していれば、どこでもよい。例えば、図11に示すように、第1分流部51の第2流入口54は、伝熱管10の延びる方向つまり複数の伝熱フィン15が並ぶ方向と異なる方向に、本体部21の第1流路23と連通していてもよい。第1分流部51の第2流入口54と本体部21の第1流路23とをこのように連通することにより、第1分流部51が本体部21に対して複数の伝熱フィン15の並ぶ方向に突出する長さを抑制することができる。これにより、複数の伝熱フィン15の並ぶ方向において、分配器20の長さを短くすることができる。したがって、複数の伝熱フィン15の並ぶ方向において、図2で示した室外熱交換器8の長さと図11で示した室外熱交換器8の長さとが同じ場合、図11で示した室外熱交換器8は、図2で示した室外熱交換器8と比べ、伝熱管10の長さ及び伝熱フィン15の枚数を増大できる。すなわち、図11で示した室外熱交換器8は、図2で示した室外熱交換器8と比べ、伝熱面積を増大でき、熱交換性能を向上させることができる。
上述した室外熱交換器8の分配器20は、本体部21の延びる方向つまり第1流路23の延びる方向が垂直方向となっていた。これに限らず、第1流路23を通る冷媒の流れ方向が鉛直方向上向きの成分を有する構成となっていれば、本体部21の延びる方向つまり第1流路23の延びる方向は、図12に示すように垂直方向に対して傾いていてもよい。室外機2内において室外熱交換器8を斜めに配置できるため、室外熱交換器8の実装容積及び通風面積を拡大することができる。そして、これにより、室外熱交換器8の伝熱面積を増大でき、室外熱交換器8の通風抵抗を低減できるので、室外熱交換器8の熱交換性能の向上及び送風機9の空気動力の低減が可能となる。したがって、圧縮機4の消費電力及び送風機9の消費電力を低減でき、空気調和装置1の省エネルギー性を向上させることができる。
図13に示すように、一部の第2分流部52は、本体部21の天面から、第1流路23と連通していてもよい。本体部21の天面を構成する部品を削減でき、分配器20を構成する部品数を削減できる。
第1流入口22が形成される箇所は、本体部21の下端に限定されるものではなく、本体部21の側面に形成されてもよい。これにより、絞り装置7と第1流入口22とを接続する冷媒配管を、本体部21の下方に配置する必要がなくなる。空気調和装置1の構成によっては、複数の分配器20を上下方向に並べ、これらの分配器20を絞り装置7に対して並列接続することも考えられる。例えば、1つの分配器20が有する分流部50の数を減らして、各伝熱管10に供給する液冷媒の分配比の偏差を低減し、室外熱交換器8の熱交換性能を向上させようとする場合、複数の分配器20を上下方向に並べることが考えられる。このように複数の分配器20を上下方向に並べる際、本体部21の側面に第1流入口22を形成することにより、隣接する分配器20を上下方向に近づけて配置することができる。このため、複数の分配器20の上下方向の設置スペースを低減することができる。したがって、室外熱交換器8の伝熱管10を高密度に実装することができ、室外熱交換器8の伝熱性能を向上させることができる。
本実施の形態2では、第2分流部52を2つ以上備える場合の、第1分流部51の第2流入口54の好適な位置について説明する。なお、本実施の形態2において、特に記述しない項目については実施の形態1と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
本実施の形態3では、第1伝熱管11を2つ以上備える場合の、第1分流部51の構成の一例について説明する。なお、本実施の形態3において、特に記述しない項目については実施の形態1又は実施の形態2と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
本実施の形態3に係る室外熱交換器8は、少なくとも2つの第1伝熱管11を備えている。なお、図18は、2つの第1伝熱管11を備えた室外熱交換器8を一例として示している。そして、本実施の形態3に係る室外熱交換器8の分配器20の第1分流部51の少なくとも1つは、少なくとも2つの第1伝熱管11と連通している。詳しくは、第1分流部51には、1つの第2流入口54及び少なくとも2つの流出口55が形成されている。そして、流出口55のそれぞれに、異なる第1伝熱管11が連通している。なお、本実施の形態3では、第1伝熱管11側の端部が複数の流路に分割された分岐管26によって、第1分流部51を構成している。
分配器20は、第1分流部51の第2流入口54と第2分流部52の第2流入口54との位置関係が上述のようになっていれば、種々の構成とすることができる。本実施の形態4では、分配器20の具体的な構成の一例について説明する。なお、本実施の形態4において、特に記述しない項目については実施の形態1〜実施の形態3のいずれかと同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
本実施の形態4に係る分配器20は、第3管状部材30を備えている。第3管状部材30の内部は、仕切り壁34により、上部空間31と下部空間32とに仕切られている。また、分配器20は、上部空間31と下部空間32とを連通する連通部33と、下部空間32と第2伝熱管12のいずれかとを連通させる少なくとも1つの第4管状部材60と、上部空間31と第1伝熱管11のいずれかとを連通させる少なくとも1つの第5管状部材61とを備えている。なお、本実施の形態4では、連通部33は管状部材で形成されている。
実施の形態4で示した連通部33は、管状部材でなくともよい。本実施の形態5のように連通部33を形成してもよい。なお、本実施の形態5において、特に記述しない項目については実施の形態4と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
本実施の形態5に係る分配器20においては、第3管状部材30と連通部33とが一体成形品となっている。詳しくは、第3管状部材30は、断面U字状の2部材を向かい合わせて接合することで構成されている。そして、第3管状部材30の断面U字状の構成部材の1つの側方には、連通部33となる管状部が、当該構成部材と一体形成されている。また、第3管状部材30と連通部33との間を仕切る壁38には、連通部33の内部と第3管状部材30内の下部空間32とを連通する貫通孔38aと、連通部33の内部と第3管状部材30内の上部空間31とを連通する貫通孔38bとが形成されている。すなわち、貫通孔38aが、第1分流部51の第2流入口54となっている。
上述のように、分配器20は、第1分流部51の第2流入口54と第2分流部52の第2流入口54との位置関係が上述のようになっていれば、種々の構成とすることができる。このため、本実施の形態6のように分配器20を構成してもよい。なお、本実施の形態6において、特に記述しない項目については実施の形態1〜実施の形態5のいずれかと同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
図26に示すように、第2分流部52の第2流路53と第1分流部51の第2流路53とを接続し、第2分流部52の第2流入口54と第1分流部51の第2流入口54とを共通化してもよい。
本実施の形態7では、上部側の風速が下部側の風速よりも大きくなる蒸発器に好適な分配器20の一例について説明する。なお、本実施の形態7において、特に記述しない項目については実施の形態1〜実施の形態6のいずれかと同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
軸流送風機によって横方向に吹き出された空気と熱交換する蒸発器に対して、上下方向に配置された2つの分配器20で、各伝熱管に液冷媒を分配することが考えられる。このような場合、各分配器20を本実施の形態8のように構成するとよい。なお、本実施の形態8において、特に記述しない項目については実施の形態1〜実施の形態7のいずれかと同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
横方向に空気を吹き出す軸流送風機71が上下方向に複数配置されている場合、各軸流送風機71に対して、回転軸71aを基準に分配器41及び分配器42を設ければよい。これにより、室外熱交換器8が蒸発器として機能する際、風速分布に合わせて各伝熱管10に液冷媒を分配することができ、室外熱交換器8の熱交換性能を向上させることができる。
Claims (14)
- 上下方向に規定の間隔を空けて配置された複数の伝熱管と、
複数の前記伝熱管に冷媒を分配する分配器と、
を備え、
前記分配器は、
冷媒の第1流入口と、該第1流入口から流入した冷媒が上方向に流れる第1流路とが形成された本体部と、
第2流入口において前記第1流路と連通し、流出口において前記伝熱管のいずれかと連通する第2流路が形成された複数の分流部と、
を備え、
前記分流部のうちの少なくとも2つは、前記第1流入口よりも上方で前記第2流入口が前記第1流路と連通しており、
前記第1流入口よりも上方で前記第2流入口が前記第1流路と連通する前記分流部の前記流出口と連通する前記伝熱管のうち、上から少なくとも1番目までの前記伝熱管を第1伝熱管とし、
前記第1流入口よりも上方で前記第2流入口が前記第1流路と連通する前記分流部の前記流出口と連通する前記伝熱管のうち、前記第1伝熱管よりも下方に配置されている前記伝熱管を第2伝熱管とし、
前記流出口が前記第1伝熱管と連通する前記分流部を第1分流部とし、
前記流出口が前記第2伝熱管と連通する前記分流部を第2分流部とした場合、
前記第1分流部の前記第2流入口は、最も上方で前記第1流路と連通する前記第2分流部の前記第2流入口よりも下方で、前記第1流路と連通している熱交換器。 - 前記本体部は、内部が前記第1流路となる第1管状部材であり、
前記分流部のそれぞれは、内部が前記第2流路となる第2管状部材である請求項1に記載の熱交換器。 - 前記第2管状部材における前記第2流入口となる側の端部は、前記第1管状部材の側面から前記第1管状部材の内部に突出しており、
前記第1分流部となる前記第2管状部材の前記端部の前記第1管状部材の内部への突出長さは、前記第2分流部となる前記第2管状部材の前記端部の前記第1管状部材の内部への突出長さよりも短い請求項2に記載の熱交換器。 - 前記第2分流部となる前記第2管状部材における前記第2流入口となる側の端部は、前記第1管状部材の側面から前記第1管状部材の内部に突出しており、
前記第1分流部となる前記第2管状部材の前記端部は、前記第1管状部材の内部に突出していない請求項2に記載の熱交換器。 - 前記第1分流部となる前記第2管状部材は、前記第2流入口となる側の端部が前記第1管状部材の上端から前記第1流路に挿入されており、
前記第2分流部となる前記第2管状部材の前記第2流入口を通り、前記第1流路を流れる冷媒の流れ方向と垂直な仮想平面のうち、前記第1分流部の前記第2流入口よりも上方に配置されている仮想平面を第1平面とした場合、
前記第1分流部となる前記第2管状部材は、前記第1平面を貫通している請求項2に記載の熱交換器。 - 前記分配器は、
内部が上部空間と下部空間とに仕切られた第3管状部材と、
前記上部空間と前記下部空間とを連通する連通部と、
前記下部空間と前記第2伝熱管のいずれかとを連通させる少なくとも1つの第4管状部材と、
前記上部空間と前記第1伝熱管のいずれかとを連通させる少なくとも1つの第5管状部材と、
を備え、
前記第3管状部材における前記下部空間が形成されている範囲が前記本体部となり、
前記下部空間が前記第1流路となり、
前記第4管状部材が前記第2分流部となり、
前記連通部、前記第3管状部材における前記上部空間が形成されている範囲、及び前記第5管状部材が前記第1分流部となり、
前記連通部と前記下部空間との連通箇所が前記第1分流部の前記第2流入口となっている請求項1に記載の熱交換器。 - 前記第3管状部材と前記連通部とは一体成形品である請求項6に記載の熱交換器。
- 前記第1伝熱管を少なくとも2つ備え、
前記第1分流部の少なくとも1つは、1つの前記第2流入口及び少なくとも2つの前記流出口が形成され、少なくとも2つの前記第1伝熱管と連通している請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の熱交換器。 - 前記第1流路を流れる冷媒の流れ方向と垂直な断面において、
前記第1分流部の前記第2流入口に流れ込む冷媒の流れ方向は、前記第2分流部の前記第2流入口に流れ込む冷媒の流れ方向と異なる請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の熱交換器。 - 前記分配器は、
前記第1流入口、前記第1流路、前記第2分流部の前記第2流入口、前記第2分流部の前記第2流路、前記第1分流部の前記第2流入口、及び前記第1分流部の前記第2流路が形成された第1板状部材と、
前記第1板状部材の一方の側面に設けられ、前記第2分流部の前記第2流入口と連通する前記第2分流部の前記流出口、及び前記第1分流部の前記第2流入口と連通する前記第1分流部の前記流出口が形成された第2板状部材と、
前記第1板状部材の他方の側面に設けられた第3板状部材と、
を備え、
前記第3板状部材、前記第1板状部材及び前記第2板状部材が積層されて、前記分配器が構成されている請求項1に記載の熱交換器。 - 前記分配器は、
前記第2分流部を少なくとも2つ備え、
前記第2流入口が最も低い位置に配置された前記第2分流部の前記第2流入口を基準とし、
前記第2流入口が最も高い位置に配置された前記第2分流部の前記第2流入口の前記基準からの高さを第1高さとし、
前記第1分流部の前記第2流入口の前記基準からの高さを第2高さとした場合、
前記第2高さを前記第1高さで除算した値である高さ比は、0.5よりも大きく1よりも小さい請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載の熱交換器。 - 蒸発器として機能する請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載の熱交換器と、
前記熱交換器に空気を供給する送風機とを備えた空気調和装置。 - 前記送風機は、前記熱交換器の上方に設けられて該送風機の上方へ空気を吹き出す軸流送風機、あるいは、前記熱交換器の側方に設けられた遠心送風機であり、
前記熱交換器として請求項5に記載の熱交換器を備えた請求項12に記載の空気調和装置。 - 前記送風機は、側方へ空気を吹き出す軸流送風機であり、
前記熱交換器は、前記軸流送風機の回転軸の下方になる位置と、前記回転軸よりも上方となる位置とに、別々の前記分配器が配置されており、
前記回転軸の下方に配置されている前記分配器は、全ての前記分流部の前記第2流入口が前記第1流入口よりも上方で前記第1流路と連通しており、
前記回転軸の上方に配置されている前記分配器は、一部の前記分流部の前記第2流入口が前記第1流入口よりも下方で前記第1流路と連通している請求項12に記載の空気調和装置。
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