JP2011085324A - 冷媒分配器及びこの冷媒分配器を用いたヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘッダー内部のループ状流路に流入する二相冷媒を減圧させることなくループ状流路内に循環流を形成でき、熱交換器の伝熱性能を損なうことなく良好な二相冷媒の分配を実現できるようにする。
【解決手段】内部にループ状流路１９が形成されたヘッダー１５と、ヘッダーのループ状流路の少なくとも一部に接続された複数の冷媒分流管１７と、分岐ジョイント１２を介し分岐されてヘッダーのループ状流路内にそれぞれ挿入接合され、それぞれの噴出流によってループ状流路内に同じ方向の循環流を発生させる複数のヘッダー流入管１３，１４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば空気調和機等のヒートポンプ装置に用いられる熱交換器に取り付けられ、冷媒を分配する冷媒分配器に関する。

従来より、熱交換器の複数冷媒経路に対して分流管を介して冷媒を分配する冷媒分配器は知られている。また、このようなものにおいて、ヘッダー内部をループ状流路で構成し、冷媒を強制的に循環させるために、ループ状流路の入口の絞り部で流入冷媒を減圧させ、ループ状流路の一部の冷媒を絞り部に吸引するエジェクタを有している（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第ＷＯ２００７／０９４４２２号パンフレット（図２）

しかしながら、前述のようにヘッダー内部をループ状流路で構成し、冷媒を強制的に循環させるために、ループ状流路の入口の絞り部で流入冷媒を減圧させ、ループ状流路の一部の冷媒を絞り部に吸引するエジェクタを有しているものにあっては、二相冷媒を流入させ各分流管に分配する場合、以下のような問題が発生する。すなわち、ループ状流路の内部の冷媒を強制循環させるために、冷媒分配器に流入する冷媒をエジェクタの絞り部に通し減圧加速させて静圧を下げ、ループ状流路内の冷媒の一部を吸引させることが必要である。しかし、例えば再熱除湿機能を有するルームエアコンの室内熱交換器のように、２分割された熱交換器を直列に接続する構成で、下流側の熱交換器に従来のエジェクタによる強制循環方式の冷媒分配器を適用すると、共に蒸発器で使用される冷房運転の場合に、上流側の熱交換器を流出した二相冷媒が下流側の熱交換器に流入すると、絞り部で圧力損失が発生し、熱交換器の伝熱性能を悪化させるという難点があった。

本発明の技術的課題は、ヘッダー内部のループ状流路に流入する二相冷媒を減圧させることなくループ状流路内に循環流を形成でき、熱交換器の伝熱性能を損なうことなく良好な二相冷媒の分配を実現できるようにすることにある。

本発明に係る冷媒分配器は、内部にループ状流路が形成されたヘッダーと、ヘッダーのループ状流路の少なくとも一部に接続された複数の冷媒分流管と、ジョイントを介し分岐されてヘッダーのループ状流路内にそれぞれ挿入接合され、それぞれの噴出流によってループ状流路内に同じ方向の循環流を発生させる複数のヘッダー流入管と、を備えるものである。

本発明の冷媒分配器によれば、複数のヘッダー流入管を、これらの噴出流によってループ状流路内に同じ方向の循環流を発生させ得るように、ヘッダーのループ状流路内に挿入接合しているので、例えば再熱除湿機能を有するルームエアコンの室内熱交換器のような２分割された熱交換器を直列に接続する構成において、下流側の熱交換器に本発明の冷媒分配器を適用すると、共に蒸発器で使用される冷房運転の場合においても、上流側の熱交換器を流出した二相冷媒が、下流側の熱交換器に流入する際、減圧されることなく気液分離器内部で循環流を形成し、均一分配を実現できる。このため、圧力損失による熱交換器の伝熱性能の悪化を防止することが可能となり、ヒートポンプ装置の効率を低下させず、高効率な運転を実現することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷媒分配器を示す正面断面図およびＡ−Ａ線矢視断面図である。 本発明の実施の形態１に係る冷媒分配器を用いた熱交換器を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る冷媒分配器を用いた熱交換器を有するヒートポンプ装置を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態２に係る冷媒分配器を示す正面断面図である。 本発明の実施の形態３に係る冷媒分配器を示す正面断面図である。 本発明の実施の形態４に係る冷媒分配器を示す正面断面図である。

実施の形態１．
以下、図示実施形態により本発明を説明する。
図１は本発明の実施の形態１に係る冷媒分配器を示す正面断面図およびＡ−Ａ線矢視断面図、図２は本実施の形態に係る冷媒分配器を用いた熱交換器を示す斜視図、図３は本実施の形態に係る冷媒分配器を用いた熱交換器を有するヒートポンプ装置を示す冷媒回路図であり、ルームエアコンで一般的に用いられている再熱除湿機能を有するものである。

本実施の形態に係る冷媒分配器すなわち二相冷媒を分配する冷媒分配器１は、図１のように冷媒流入口１１と、ヘッダー１５と、２分岐の分岐ジョイント１２と、分岐ジョイント１２で分岐した冷媒をヘッダー１５の上部に流入させるヘッダー流入管（以下「上部ヘッダー流入管」という）１３と、分岐ジョイント１２で分岐した冷媒をヘッダー１５の下部に流入させるヘッダー流入管（以下「下部ヘッダー流入管」という）１４と、ヘッダー１５の内部に縦長のループ状流路１９を形成する隔壁１６と、各パスに冷媒を分岐する冷媒分流管１７とを備えている。

これを更に詳述すると、ヘッダー１５は、その内部の上下両端に、ループ状流路１９の折返し部を有している。そして、分岐ジョイント１２により分岐された２本のヘッダー流入管のうち、上部ヘッダー流入管１３が、ヘッダー１５のループ状流路１９の上端折返し部１９ａに挿入接合され、下部ヘッダー流入管１４が、ヘッダー１５のループ状流路１９の下端折返し部１９ｂに挿入接合されており、これらヘッダー流入管１３，１４の噴出流によってループ状流路１９内に同じ方向（図１の正面断面図で見て時計回り方向）の冷媒循環流を発生させることができるように構成されている。

なお、分岐ジョイント１２の２つの流出口の合計面積は冷媒流入口１１の面積に対し同等以上としている。また、上部ヘッダー流入管１３と下部ヘッダー流入管１４の合計管内面積は冷媒流入口１１の管内面積に対し同等以上としている。

熱交換器３は、図２のように流入する二相冷媒を分配する冷媒分配器１と、ガス冷媒が合流し流出するガス合流管２と、熱交換部となる伝熱管すなわち冷媒分流管１７およびアルミフィン２０とで構成される。図２中の矢印４は熱交換器３に流入する気流の方向を示す。

ヒートポンプ装置は、図３のように圧縮機５と、凝縮器６と、膨張弁７と、上流側熱交換器８と、再熱除湿弁９と、バイパス弁１０と、下流側熱交換器となる熱交換器３とを備えている。

次に、動作について説明する。まず、図３を用いてヒートポンプ装置の再熱除湿運転動作について説明する。圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は凝縮器６を流れ、凝縮器６を通過する空気と熱交換して高圧二相状態となって流出する。凝縮器６を流出した高圧二相冷媒はほぼ全開の膨張弁７を通過した後、上流側熱交換器８に流入する。上流側熱交換器８に流入した高圧二相冷媒は上流側熱交換器８を通過する室内空気と熱交換し、高圧液冷媒となって再熱除湿弁９に流入する。このときバイパス弁１０は閉止された状態である。再熱除湿弁９に流入した高圧液冷媒は、減圧されて低圧二相冷媒となり、熱交換器３に流入する。熱交換器３に流入した低圧二相冷媒は、熱交換器３を通過する室内空気と熱交換し、低圧ガス冷媒となり、圧縮機５に吸入される。

次に、冷房運転の動作について図３を用いて説明する。圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は凝縮器６を流れ、凝縮器６を通過する空気と熱交換して高圧液状態となって流出する。凝縮器６を流出した高圧液冷媒は膨張弁７で減圧されて低圧二相冷媒となり、上流側熱交換器８に流入する。上流側熱交換器８に流入した低圧二相冷媒は上流側熱交換器８を通過する室内空気と熱交換し、乾き度の高い低圧二相冷媒となって、全開のバイパス弁１０を介し熱交換器３に流入する。熱交換器３に流入した乾き度の高い低圧二相冷媒は、熱交換器３を通過する室内空気と熱交換し、低圧ガス冷媒となり、圧縮機５に吸入される。

次に、図１及び図２を用いて、冷房運転時の熱交換器および冷媒分配器の動作について説明する。前述のように乾き度の高い二相冷媒は、冷媒流入口１１より熱交換器３に流入する。冷媒流入口１１より流入した二相冷媒は、分岐ジョイント１２で分配され、一方は上部ヘッダー流入管１３に、他方は下部ヘッダー流入管１４に流れる。上部ヘッダー流入管１３に流入した二相冷媒は、ヘッダー１５とヘッダー１５の内部の隔壁１６により形成されたループ状流路１９の上端折返し部１９ａより流入し、また下部ヘッダー流入管１４に流入した二相冷媒は、ヘッダー１５とヘッダー１５の内部の隔壁１６により形成されたループ状流路１９の下端折返し部１９ｂより流入することで、ループ状流路１９の中で冷媒循環流を生成する。これにより、二相冷媒は、ループ状流路１９の中でガス冷媒と液冷媒が均質状態で流動し、高さ方向に複数配置された冷媒分流管１７からは、位置にかかわらず同じボイド率の二相冷媒が分流され、熱交換器３の各パスを構成する伝熱管すなわち冷媒分流管１７に均等分配される。冷媒分流管１７に流入した二相冷媒は、冷媒分流管１７と一体化したアルミフィン２０を介して、熱交換器３を通過する空気４と熱交換し、ガス冷媒となって各パス出口よりガス合流管２内部に流出し、合流して冷媒流出口２１より流出する。

以上のように、本実施の形態によれば、ヘッダー１５内部に絞り部を有することなく、流入した二相冷媒をヘッダー１５内部で循環させて均質化し、複数配置された冷媒分流管１７より流出する二相冷媒を均質に分配することができる。このため、再熱除湿機能を有するルームエアコンの室内熱交換器のような２分割された熱交換器８，３を直列に接続する構成において、下流側の熱交換器３に適用し、共に蒸発器で使用される冷房運転の場合においても、上流側の熱交換器８を流出した二相冷媒が、下流側の熱交換器３に流入する際、減圧されることなく、均一分配を実現できる。そして、圧力損失による熱交換器の伝熱性能の悪化を防止することが可能となり、ヒートポンプ装置の効率を低下させることなく、高効率な運転を実現することができる。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２に係る冷媒分配器を示す正面断面図であり、図中、前述の実施の形態１と同一部分には、同一符号を付してある。なお、説明に当っては前述の図２及び図３を参照するものとする。

本発明の実施の形態に係る冷媒分配器１Ａは、ヘッダー１５のループ状流路１９の下端折返し部１９ｂに挿入接合される下部ヘッダー流入管１４Ａの管径を、ヘッダー１５のループ状流路１９の上端折返し部１９ａに挿入接合される上部ヘッダー流入管１３Ａの管径よりも小さくなるように構成したものである。なお、上部ヘッダー流入管１３Ａと下部ヘッダー流入管１４Ａの合計管内面積は冷媒流入口１１の管内面積に対し同等以上としている。それ以外の構成は前述の実施の形態１と同様である。

次に、本実施の形態に係る冷媒分配器の冷房運転時の冷媒分配器の動作について図４に基づき図２及び図３を参照しながら説明する。乾き度の高い二相冷媒は、冷媒流入口１１より流入する。冷媒流入口１１より流入した二相冷媒は、分岐ジョイント１２で分配され、一方は上部ヘッダー流入管１３Ａに、他方は下部ヘッダー流入管１４Ａに流れる。上部ヘッダー流入管１３Ａに流入した二相冷媒は、ヘッダー１５とヘッダー１５の内部の隔壁１６により形成されたループ状流路１９の上端折返し部１９ａより流入し、また下部ヘッダー流入管１４Ａに流入した二相冷媒は、ヘッダー１５とヘッダー１５の内部の隔壁１６により形成されたループ状流路１９の下端折返し部１９ｂより流入することで、ループ状流路１９の中で冷媒循環流を生成する。

本実施の形態においては、下部ヘッダー流入管１４Ａの管径が、上部ヘッダー流入管１３Ａの管径よりも小さくなるように構成されているため、下部ヘッダー流入管１４Ａよりループ状流路１９内に流入する二相冷媒１０１の流速は、上部ヘッダー流入管１３Ａよりループ状流路１９内に流入する二相冷媒１０２の流速よりも速く、下部ヘッダー流入管１４Ａの流入部の静圧は低下し、隔壁１６を挟む一方（右側）の流路内の冷媒の一部１０３を下端折返し部１９ｂを介して他方（左側）の流路内に吸引する効果が促進される。これにより、ループ状流路１９内の循環が促進され、ループ状流路１９内の二相冷媒はより均質化され、高さ方向に複数配置された冷媒分流管１７からは、位置にかかわらず同じボイド率の二相冷媒が分流され、熱交換器３の各パスを構成する伝熱管（冷媒分流管１７）に均等分配することができる。これにより熱交換器３の効率が向上し、延いてはヒートポンプ装置の高効率な運転を実現することができる。

実施の形態３．
図５は本発明の実施の形態３に係る冷媒分配器を示す正面断面図であり、図中、前述の実施の形態１と同一部分には、同一符号を付してある。なお、説明に当っては前述の図２及び図３を参照するものとする。

本発明の実施の形態に係る冷媒分配器１Ｂは、ヘッダー１５の内部の隔壁１６Ａの上部を上部折返し部１９ａの下流側に屈曲させ、ループ状流路１９の上部折り返し後の流路面積が次第に拡大する面積拡大部１９ｃとして構成することで、冷媒循環を促進させ、各パスを構成する伝熱管（冷媒分流管１７）に二相冷媒を均質に分配できるようにしたものである。それ以外の構成は前述の実施の形態１と同様である。

次に、本実施の形態に係る冷媒分配器の冷房運転時の冷媒分配器の動作について図５に基づき図２及び図３を参照しながら説明する。乾き度の高い二相冷媒は、冷媒流入口１１より流入する。冷媒流入口１１より流入した二相冷媒は、分岐ジョイント１２で分配され、一方は上部ヘッダー流入管１３に、他方は下部ヘッダー流入管１４に流れる。上部ヘッダー流入管１３に流入した二相冷媒は、ヘッダー１５とヘッダー１５の内部の隔壁１６Ａにより形成されたループ状流路１９の上端折返し部１９ａより流入し、また下部ヘッダー流入管１４に流入した二相冷媒は、ヘッダー１５とヘッダー１５の内部の隔壁１６により形成されたループ状流路１９の下端折返し部１９ｂより流入することで、ループ状流路１９の中で冷媒循環流を生成する。

本実施の形態においては、ヘッダー１５の内部の隔壁１６Ａの上部を上部折返し部１９ａの下流側に屈曲させて、ループ状流路１９の上部折り返し後の流路面積が次第に拡大するように構成しているので、上部ヘッダー流入管１３よりループ状流路１９内に流入する二相冷媒１０２は、下部ヘッダー流入管１４より流入しループ状流路１９を上昇する二相冷媒１０４と合流し下降するが、隔壁１６Ａの屈曲形状により形成されたループ状流路１９の面積拡大部１９ｃを通過することにより、二相冷媒の流速が低減する。流速が低減すると、静圧が上昇するため、下部ヘッダー流入管１４の流入部との差圧が拡大し、二相冷媒の循環が促進される。

このように、本実施の形態においては、隔壁１６ａの屈曲形状により形成されたループ状流路１９の面積拡大部１９ｃにより、ループ状流路１９の上部折り返し後の二相冷媒の流速を低減することができて、静圧を上昇させることができるため、下部ヘッダー流入管１４の流入部との差圧が拡大し、二相冷媒の循環を促進することができる。このため、ループ状流路１９内の二相冷媒は、より均質化され、高さ方向に複数配置された冷媒分流管１７からは、位置にかかわらず同じボイド率の二相冷媒が分流され、熱交換器３の各パスを構成する伝熱管に均等分配される。これにより、熱交換器３の効率が向上し、延いてはヒートポンプ装置の高効率な運転を実現することができる。

実施の形態４．
図６は本発明の実施の形態４に係る冷媒分配器を示す正面断面図であり、図中、前述の実施の形態１と同一部分には、同一符号を付してある。なお、説明に当っては前述の図２及び図３を参照するものとする。

本発明の実施の形態に係る冷媒分配器１Ｃは、上部ヘッダー流入管１３Ｂの先端の噴出口部を、ループ状流路１９の内部で末広がり状に拡径するディフューザー１８として構成することで、冷媒循環を促進させ、各パスを構成する伝熱管（冷媒分流管１７）に二相冷媒を均質に分配できるようにしたものである。それ以外の構成は前述の実施の形態１と同様である。

次に、本実施の形態に係る冷媒分配器の冷房運転時の冷媒分配器の動作について図５に基づき図２及び図３を参照しながら説明する。乾き度の高い二相冷媒は冷媒流入口１１より流入する。冷媒流入口１１より流入した二相冷媒は分岐ジョイント１２で分配され、一方は上部ヘッダー流入管１３Ｂに、他方は下部ヘッダー流入管１４に流れる。上部ヘッダー流入管１３Ｂに流入した二相冷媒は、ヘッダー１５とヘッダー１５の内部の隔壁１６により形成されたループ状流路１９の上部より流入し、また下部ヘッダー流入管１４に流入した二相冷媒は、ヘッダー１５とヘッダー１５の内部の隔壁１６により形成されたループ状流路１９の下部より流入することで、ループ状流路１９の中で循環流を生成する。

このように、本実施の形態においては、上部ヘッダー流入管１３Ｂの先端に形成されたディフューザー１８により、二相冷媒の流速を低減することができて、静圧を上昇させることができるため、下部ヘッダー流入管１４の流入部との差圧が拡大し、二相冷媒の循環を促進することができる。このため、ループ状流路１９内の二相冷媒は、より均質化され、高さ方向に複数配置された冷媒分流管１７からは、位置にかかわらず同じボイド率の二相冷媒が分流され、熱交換器３の各パスを構成する伝熱管に均等分配される。これにより、熱交換器３の効率が向上し、延いてはヒートポンプ装置の高効率な運転を実現することができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 冷媒分配器、３ 熱交換器、１２ 分岐ジョイント、１３，１３Ａ，１３Ｂ 上部ヘッダー流入管、１４，１４Ａ 下部ヘッダー流入管、１５ ヘッダー、１７ 冷媒分流管、１８ ディフューザー（噴出口）、１９ ループ状流路、１９ａ 上端折返し部、１９ｂ 下端折返し部、１９ｃ ループ状流路の面積拡大部。

Claims (6)

1. 内部にループ状流路が形成されたヘッダーと、
   前記ヘッダーの前記ループ状流路の少なくとも一部に接続された複数の冷媒分流管と、
   分岐ジョイントを介し複数本に分岐されて前記ヘッダーの前記ループ状流路内にそれぞれ挿入接合され、それぞれの噴出流によって該ループ状流路内に同じ方向の冷媒循環流を発生させる複数のヘッダー流入管と、
   を備えることを特徴とする冷媒分配器。
2. 前記ヘッダーは、その内部の上下両端に前記ループ状流路の折返し部を有する縦長に形成され、
   前記分岐ジョイントは、２分岐の分岐ジョイントであり、この２分岐の分岐ジョイントにより分岐された２本の前記ヘッダー流入管のうちの１本は、前記ヘッダーの前記ループ状流路の上端折返し部に挿入接合され、他の１本は、前記ヘッダーの前記ループ状流路の下端折返し部に挿入接合されていることを特徴とする請求項１記載の冷媒分配器。
3. 前記ヘッダーの前記ループ状流路の下端折返し部に挿入接合されるヘッダー流入管の管径は、前記ヘッダーの前記ループ状流路の上端折返し部に挿入接合されるヘッダー流入管の管径よりも小さいことを特徴とする請求項２記載の冷媒分配器。
4. 前記ヘッダーの前記ループ状流路の上端折返し部に挿入接合されるヘッダー流入管は、その噴出口が、該ループ状流路の内部で末広がり状に拡径して形成されていることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の冷媒分配器。
5. 前記ループ状流路は、上端折返し部で折り返した後、流路面積が拡大するように構成されていることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の冷媒分配器。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の冷媒分配器を用いたヒートポンプ装置。

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