JP2018059668A - 蒸発器及び冷媒回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の伝熱管を備えた構成において、冷媒の流出を抑制しつつ、ヘッダ内に潤滑油が溜まってしまうことを抑える。【解決手段】熱交換器10Aは、鉛直方向に間隔をあけて複数が設けられ、一方側の端部に向かって冷媒が流通する伝熱管11と、前記鉛直方向に延びて複数の伝熱管11の前記一方側の端部がそれぞれ接続されて、下端部20sから冷媒配管4が接続された上端部20tに向かって冷媒が流通するヘッダ20Aと、ヘッダ20Aの下端部20sと冷媒配管4とを連通するバイパス管30と、を備える。バイパス管30の長さは、ヘッダ20Aの下端部20sから上端部20tを通って冷媒配管4のバイパス管30が接合された部位に至る流路の長さよりも長くされている。【選択図】図1
Description
本発明は、蒸発器及び冷媒回路に関する。
冷凍システムや空調システムを構成する蒸発器は、伝熱管を流れる冷媒と、伝熱管の周囲の空気との間で熱交換が行われる。このような蒸発器として、例えば、鉛直方向に間隔を空けて配置された複数本の伝熱管を備えた構造がある。このような蒸発器では、上流側から流れてきた冷媒は、蒸発器入口側のヘッダを介して複数本の伝熱管に分岐して流れ込む。各伝熱管の終端は、鉛直方向に延びる蒸発器出口側のヘッダに接続されている。伝熱管で熱交換がなされた冷媒は、各伝熱管から蒸発器出口側のヘッダに流れ込んで合流する。蒸発器出口側のヘッダは、冷媒の流通方向の下流側に設けられた配管に接続されている。この配管を通して冷媒は、アキュムレータや圧縮機に送られる。
このような蒸発器を備えた冷凍システムや空調システムの冷媒回路では、冷媒とともに潤滑油が流れている。潤滑油は、冷媒とともに冷媒回路を循環し、圧縮機の軸受等を潤滑している。この潤滑油は、ヘッダの底部に、液冷媒とともに溜まることがある。そこで、特許文献1には、一端を冷媒戻り配管に連通させ、他端をヘッダ管内に溜まった潤滑油内に配置した油戻し管を設けた熱交換器が記載されている。このような熱交換器においては、冷媒戻り配管内で開口した油戻し管の一端の周辺(エジェクタ部)に、ガス冷媒が流れる際に局部的に低圧空間が形成される。これにより、ヘッダ管の底部に溜まった潤滑油が吸い上げられ、ガス冷媒とともに圧縮機に送られている。
しかしながら、特許文献1に開示されたような構成においては、油戻し管を介して潤滑油だけでなく、多くの冷媒も油戻し管を介して流れる可能性がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、複数の伝熱管を備えた構成において、冷媒の流出を抑制しつつ、ヘッダ内に潤滑油が溜まってしまうことを抑えることが可能な蒸発器及び冷媒回路を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明の第一態様に係る蒸発器は、鉛直方向に間隔をあけて複数が設けられ、一方側の端部に向かって冷媒が流通する伝熱管と、前記鉛直方向に延びて複数の前記伝熱管の前記一方側の端部がそれぞれ接続されて、下端部から冷媒配管が接続された上端部に向かって冷媒が流通するヘッダと、前記ヘッダの前記下端部と前記冷媒配管とを連通するバイパス管と、を備え、前記バイパス管の長さは、前記ヘッダの前記下端部から前記上端部を通って前記冷媒配管の前記バイパス管が接合された部位に至る流路の長さよりも長くされている。
本発明の第一態様に係る蒸発器は、鉛直方向に間隔をあけて複数が設けられ、一方側の端部に向かって冷媒が流通する伝熱管と、前記鉛直方向に延びて複数の前記伝熱管の前記一方側の端部がそれぞれ接続されて、下端部から冷媒配管が接続された上端部に向かって冷媒が流通するヘッダと、前記ヘッダの前記下端部と前記冷媒配管とを連通するバイパス管と、を備え、前記バイパス管の長さは、前記ヘッダの前記下端部から前記上端部を通って前記冷媒配管の前記バイパス管が接合された部位に至る流路の長さよりも長くされている。
このような構成によれば、ヘッダの下端部の潤滑油を、上端部を通すことなく下端部からバイパス管を通して、冷媒配管に冷媒を送ることができる。これによって、ヘッダの下端部に潤滑油が留まってしまうことを抑えることができる。加えて、ヘッダの上端部を通る流路長よりもバイパス管が長いことで、バイパス管内を流通する冷媒の流量は、ヘッダの上端部を流通する冷媒の流量よりも抑えられる。したがって、バイパス管を介してヘッダ内の液冷媒が過度に流出してしまうことを抑制できる。
また、本発明の第二態様に係る蒸発器では、第一態様において、前記バイパス管は、前記ヘッダの前記下端部における流路断面積よりも小さい流路断面積を有するようにしてもよい。
このように構成することで、ヘッダの下端部から上端部に向かう冷媒の流量よりも、バイパス管を通る冷媒の流量を抑えられる。したがって、バイパス管を介してヘッダ内の液冷媒が過度に流出してしまうことを効果的に抑制できる。
また、本発明の第三態様に係る蒸発器では、第一態様または第二態様において、前記バイパス管は、螺旋状に巻き回された螺旋状部を有するようにしてもよい。
このように構成することで、バイパス管の長さを確保しつつ、バイパス管の設置スペースを小さく抑えることができる。
また、本発明の第四態様に係る蒸発器では、第一態様から第三態様の何れか一つにおいて、前記バイパス管は、前記バイパス管内の前記冷媒の流通を制御する弁部材をさらに備えるようにしてもよい。
このように構成することで、バイパス管を介して冷媒配管へ送られる潤滑油や冷媒の液相(液冷媒)の量やタイミングを調整することができる。
また、本発明の第五態様に係る蒸発器では、第四態様において、前記弁部材を開閉制御するコントローラをさらに備え、前記コントローラは、前記冷媒配管の下流側に設けられる圧縮機の起動からの経過時間、又は前記冷媒の過熱度に基づいて、前記弁部材の開閉を制御するようにしてもよい。
このように構成することで、例えば、圧縮機の起動からの経過時間が短い場合や、冷媒の過熱度が低い場合等、冷媒が液化しやすい状態のときには、液冷媒がバイパス管を通って圧縮機に到達しないよう、弁体を閉じてバイパス管の流通を遮断することができる。
また、本発明の第六態様に係る蒸発器では、第五態様において、前記コントローラは、前記圧縮機の起動時に前記弁部材を閉じ、前記バイパス管の流通を遮断させ、前記圧縮機を起動してから予め定めた一定時間が経過後、又は前記冷媒の過熱度が予め定めた基準値以上となった場合に、前記弁部材を開き、前記バイパス管の流通を開放させるようにしてもよい。
このように構成することで、圧縮機の起動直後の冷媒が液化しやすい状態のときには、液冷媒がバイパス管を通って圧縮機に到達しないよう、弁体を閉じてバイパス管を遮断することができる。
また、本発明の第七態様に係る蒸発器は、鉛直方向に間隔をあけて複数が設けられ、一方側の端部に向かって冷媒が流通する伝熱管と、前記鉛直方向に延びて複数の前記伝熱管の前記一方側の端部がそれぞれ接続されて、上端部から冷媒配管が接続された下端部に向かって冷媒が流通するヘッダと、を備える。
このように、ヘッダを、上端部から冷媒配管が接続された下端部に向かって冷媒が流通する構成とすることで、ヘッダにおいては、冷媒が重力方向と同じ上方から下方に向かって流れる。また、ヘッダは、下端部において、複数の伝熱管から流れ込んだ冷媒が合流している。したがって、ヘッダの下端部では、冷媒の流速が高まる。これによって、ヘッダの下端部に重力によって溜まった潤滑油は、冷媒の流れとともに、ヘッダの下端部から冷媒配管を通って円滑に流れる。その結果、ヘッダの下端部に潤滑油が溜まることを抑えることができる。
本発明の第八態様に係る冷媒回路は、第一態様から第七態様のいずれか一つの蒸発器を備える。
本発明によれば、多複数の伝熱管を備えた構成において、冷媒が流れ込むことを抑えつつ、ヘッダ内に潤滑油が溜まってしまうことを抑えることが可能となる。
以下、添付図面を参照して、本発明による蒸発器、冷媒回路を実施するための形態を説明する。しかし、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。
(第一実施形態)
図1は、本発明の第一実施形態に係る蒸発器、冷媒回路の構成を示す模式図である。
図1に示すように、本実施形態の冷媒回路100Aは、空調システム1の室外機(図示無し)に備えられている。空調システム1は、冷媒回路100Aを備えている。冷媒回路100Aは、熱交換器(蒸発器)10Aと、入口側配管2と、アキュムレータ3と、出口側配管(冷媒配管)4と、圧縮機5とを有している。
図1は、本発明の第一実施形態に係る蒸発器、冷媒回路の構成を示す模式図である。
図1に示すように、本実施形態の冷媒回路100Aは、空調システム1の室外機(図示無し)に備えられている。空調システム1は、冷媒回路100Aを備えている。冷媒回路100Aは、熱交換器(蒸発器)10Aと、入口側配管2と、アキュムレータ3と、出口側配管(冷媒配管)4と、圧縮機5とを有している。
熱交換器10Aは、暖房運転時に蒸発器として機能する。熱交換器10Aは、冷媒の流通方向上流側である入口側に、室内機(図示無し)から送られてくる冷媒の流路となる入口側配管2が接続されている。熱交換器10Aは、冷媒の流通方向下流側である出口側に、アキュムレータ3を介して圧縮機5に冷媒を送り出す出口側配管(冷媒配管)4が接続されている。熱交換器10Aは、複数本(本実施形態では、例えば3本)の伝熱管11と、ディストリビュータ12と、複数本のキャピラリチューブ13と、ヘッダ20Aと、油戻し管(バイパス管)30と、を備えている。
複数の伝熱管11は、入口側配管2にディストリビュータ12及び複数のキャピラリチューブ13を介してそれぞれ接続されている。言い換えると、入口側配管2を通して流れてくる冷媒の流路は、ディストリビュータ12及び複数のキャピラリチューブ13を介し、複数の伝熱管11に分岐している。これにより、冷媒は、複数の伝熱管11内を流通して熱交換される。複数の伝熱管11は、熱交換器10Aにおいて、鉛直方向に間隔を空けて並設されている。伝熱管11は、立ち上がり部111と、下部管部112と、屈曲部113と、上部管部114と、有している。伝熱管11は、立ち上がり部111と、下部管部112と、屈曲部113と、上部管部114とが一体に形成された配管である。
立ち上がり部111は、ディストリビュータ12側から鉛直方向の上方に向かって延びている。立ち上がり部111の端部(伝熱管11の他方側の端部)は、キャピラリチューブ13に接続されている。
下部管部112は、立ち上がり部111と連続している。下部管部112は、熱交換器10A内で横方向に向かって水平に延びている。
屈曲部113は、下部管部112と連続している。屈曲部113は、U字状に屈曲している。
上部管部114は、屈曲部113と連続している。上部管部114は、横方向に向かって水平に延びている、上部管部114は、下部管部112に対して鉛直方向の上方に離間して位置している。上部管部114の終端(伝熱管11の一方側の端部)115は、ヘッダ20Aに接続されている。
本実施形態の熱交換器10Aは、複数の伝熱管11として、鉛直方向の下方から順に、第一伝熱管11Aと、第二伝熱管11Bと、第三伝熱管11Cとを備えている。第一伝熱管11A、第二伝熱管11B、及び第三伝熱管11Cは、それぞれ鉛直方向に離れて配置されている。第一伝熱管11A、第二伝熱管11B、及び第三伝熱管11Cは、同じ管径d1を有する配管である。
キャピラリチューブ13は、伝熱管11と、ディストリビュータ12との間に設けられている。キャピラリチューブ13は、伝熱管11よりも流路断面積が小さく、螺旋状をなしている。本実施形態では、複数のキャピラリチューブ13として、第一伝熱管11Aとディストリビュータ12とを接続する第一キャピラリチューブ13Aと、第二伝熱管11Bとディストリビュータ12とを接続する第二キャピラリチューブ13Bと、第三伝熱管11Cとディストリビュータ12とを接続する第三キャピラリチューブ13Cとを有している。
ヘッダ20Aは、複数の伝熱管11の側方に配置されている。ヘッダ20Aは、鉛直方向の下方から上方に向かって延びている。ヘッダ20Aは、鉛直方向の下端部20sから上端部20tに向かって冷媒が流通する。ヘッダ20Aは、複数の伝熱管11の終端115がそれぞれ鉛直方向に離間して接続されている。ヘッダ20Aの上端部20tは、出口側配管4が接続されている。本実施形態のヘッダ20Aは、鉛直方向にわたって一定の管径をなす配管である。ヘッダ20Aは、第一伝熱管11Aの管径d1以上の管径D10を有している(d1≦D10)。
出口側配管4は、一方の端部がヘッダ20Aの上端部20tと接合されている。出口側配管4は、U字状に湾曲したリターン部22を有する。出口側配管4は、ヘッダ20Aと接続されていない側である他方の端部が冷媒の液相(液冷媒)を回収するアキュムレータ3と接続されている。
油戻し管30は、ヘッダ20Aの下端部20sと、出口側配管4とを連通させている。油戻し管30は、ヘッダ20Aの下端部20sと、出口側配管4のリターン部22よりも下流側であってアキュムレータ3と接続されている箇所よりも上流側の部分に接続されている。油戻し管30は、ヘッダ20Aの下端部20sにおける流路断面積よりも小さい流路断面積を有している。具体的には、本実施形態の油戻し管30は、最下段の第一伝熱管11Aの管径d1、及びヘッダ20Aの管径D10よりも小さな管径d31を有している。油戻し管30の長さは、ヘッダ20Aの下端部20sから上端部20tを通って出口側配管4の油戻し管30が接合された部位に至る流路の長さよりも長くされている。つまり、油戻し管30は、ヘッダ20Aの下端部20sから上端部20tを経て出口側配管4の油戻し管30の終端30eが接続された部分までに至る流路長よりも、長い管長を有しているのが好ましい。このため、油戻し管30は、螺旋状に巻き回された螺旋状部30rを有したキャピラリチューブによって形成して長さを確保することが好ましい。
このような構成の熱交換器10Aを備えた空調システム1において、暖房運転を行うときには、室内機側から入口側配管2を通して冷媒が送られてくる。この際、冷媒には、圧縮機5の軸受等を潤滑する潤滑油が混在している。
潤滑油が混在した冷媒は、入口側配管2からディストリビュータ12を介し、第一キャピラリチューブ13A、第二キャピラリチューブ13B、及び第三キャピラリチューブ13Cにそれぞれ分岐して流れ込む。第一キャピラリチューブ13Aに流れ込んだ冷媒は、気液混合の二相状態で、第一伝熱管11Aに流れ込む。同様に、第二キャピラリチューブ13Bに流れ込んだ冷媒は第二伝熱管11Bに、第三キャピラリチューブ13Cに流れ込んだ冷媒は第三伝熱管11Cに、それぞれ流れ込む。第一伝熱管11A、第二伝熱管11B、及び第三伝熱管11Cのそれぞれにおいて、冷媒は、周囲の空気と熱交換することで、その少なくとも一部が気化(蒸発)する。第一伝熱管11A、第二伝熱管11B、及び第三伝熱管11Cを流通して熱交換された冷媒は、それぞれの終端115からヘッダ20A内に流れ込み、ヘッダ20A内を上端部20tに向かって流れる。
最下段の第一伝熱管11Aからヘッダ20A内に流れ込んだ冷媒は上端部20tに向かって流れる。下から2段目の第二伝熱管11Bからヘッダ20A内に流れ込んだ冷媒は、第一伝熱管11Aから流れ込んだ冷媒と合流する。さらに、最上段の第三伝熱管11Cからヘッダ20A内に流れ込んだ冷媒は、第一伝熱管11A及び第二伝熱管11Bから流れ込んだ冷媒と合流する。このようにしてヘッダ20A内で合流した冷媒は、上端部20tから出口側配管4に送られる。その後、冷媒は、リターン部22を経て、アキュムレータ3、圧縮機5へと順次送られる。
また、ヘッダ20Aの下端部20sに重力によって溜まった潤滑油は、ヘッダ20Aの上端部20tを通らず、油戻し管30を通して、リターン部22よりも下流側の出口側配管4の途中にバイパスされる。ここで、油戻し管30では、ヘッダ20A側と、アキュムレータ3側との差圧によって、潤滑油が下端部20s側から出口側配管4側に向かって流れる。
上述したような熱交換器10A、冷媒回路100A、及び空調システム1によれば、ヘッダ20Aの下端部20sの潤滑油を、油戻し管30を通して、出口側配管4に送ることができる。したがって、潤滑油は、ヘッダ20Aの上端部20tを通ることなく下端部20sから油戻し管30を介して出口側配管4に直接排出される。これによって、ヘッダ20Aの下端部20sに潤滑油が留まってしまうことを抑えることができる。
また、油戻し管30は、ヘッダ20Aの下端部20sから上端部20tを介して出口側配管4の油戻し管30の終端30eが接続された部分までに至る流路長よりも長く形成されている。そのため、油戻し管30内を流通する冷媒及び潤滑油の流量は、ヘッダの上端部20tを流通する冷媒及び潤滑油の流量よりも抑えられる。その結果、多くの冷媒の液相(液冷媒)や潤滑油が油戻し管30を通ってアキュムレータ3に流れ込んでしまうことが抑えられる。したがって、油戻し管30を介してヘッダ20A内の液冷媒が過度に流出してしまうことを抑制できる。これらにより、複数の伝熱管11を備えた構成において、冷媒の流出を抑制しつつ、ヘッダ20A内に潤滑油が溜まってしまうことを抑えることができる。
また、油戻し管30は、最下段の第一伝熱管11Aの管径d1、及びヘッダ20Aの管径D10よりも小さな管径d31で形成されている。つまり、ヘッダ20Aの下端部20sにおける流路断面積よりも小さい流路断面積で形成されている。そのため、ヘッダ20Aの下端部20sから上端部20tに向かう液冷媒や潤滑油の流量よりも、油戻し管30を通る液冷媒や潤滑油の流量を抑えられる。したがって、油戻し管30を介してヘッダ20A内の液冷媒が過度に流出してしまうことを効果的に抑制できる。
また、油戻し管30は、螺旋状に巻き回された螺旋状部30rを有する。そのため、油戻し管30の長さを確保しつつ、油戻し管30の設置スペースを小さく抑えることができる。
(第二実施形態)
次に、本発明に係る蒸発器、蒸発器の制御方法、冷媒回路の第二実施形態について説明する。なお、以下に説明する第二実施形態においては、上記第一実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。第二実施形態では、バイパス管が弁部材を有する点で第一実施形態と異なっている。
次に、本発明に係る蒸発器、蒸発器の制御方法、冷媒回路の第二実施形態について説明する。なお、以下に説明する第二実施形態においては、上記第一実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。第二実施形態では、バイパス管が弁部材を有する点で第一実施形態と異なっている。
図2は、上記蒸発器の第二実施形態に係る蒸発器、冷媒回路の構成を示す模式図である。
図2に示すように、油戻し管30には、油戻し管30内の冷媒及び潤滑油の流通を制御する二方弁(弁部材)32が設けられている。二方弁32は、開閉されることで、油戻し管30を通って潤滑油がヘッダ20CをバイパスすることをON/OFFすることができる。したがって、二方弁32は、適宜開閉されることで、油戻し管30を通して液冷媒及び潤滑油をヘッダ20Aの下端部20sからアキュムレータ3に向かって流すか否かを適宜切り換えることができる。
図2に示すように、油戻し管30には、油戻し管30内の冷媒及び潤滑油の流通を制御する二方弁(弁部材)32が設けられている。二方弁32は、開閉されることで、油戻し管30を通って潤滑油がヘッダ20CをバイパスすることをON/OFFすることができる。したがって、二方弁32は、適宜開閉されることで、油戻し管30を通して液冷媒及び潤滑油をヘッダ20Aの下端部20sからアキュムレータ3に向かって流すか否かを適宜切り換えることができる。
上述したような熱交換器10B及び冷媒回路100Bによれば、上記第一実施形態と同様の作用効果に加えて、油戻し管30を介して潤滑油や冷媒の液相(液冷媒)の出口側配管4へのバイパスを二方弁32によって切り替えることができる。そのため、油戻し管30を介して出口側配管4へ送られる潤滑油や冷媒の液相(液冷媒)の量やタイミングを調整することができる。
(第三実施形態)
次に、本発明に係る蒸発器及び冷媒回路の第三実施形態について説明する。なお、以下に説明する第三実施形態においては、上記第一実施形態及び第二実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。第三実施形態では、コントローラを有する点で第二実施形態と異なっている。
次に、本発明に係る蒸発器及び冷媒回路の第三実施形態について説明する。なお、以下に説明する第三実施形態においては、上記第一実施形態及び第二実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。第三実施形態では、コントローラを有する点で第二実施形態と異なっている。
図3は、上記蒸発器の第三実施形態に係る蒸発器、冷媒回路の構成を示す模式図である。図4は、上記蒸発器の第三実施形態に係るコントローラによる二方弁の開閉制御の流れを示す図である。
図3に示すように、第三実施形態の熱交換器10Cは、二方弁32を開閉制御するコントローラ33をさらに備えている。
コントローラ33は、出口側配管4の下流側に設けられる圧縮機5の起動からの経過時間、又は冷媒の過熱度に基づいて、二方弁32の開閉を制御する。図4に示すように、本実施形態のコントローラ33は、圧縮機5の起動時に二方弁を閉じた状態とする(ステップS101)。これにより、コントローラ33は、油戻し管30内の液冷媒及び潤滑油の流通を遮断させる。コントローラ33は、圧縮機5を起動してから予め定めた一定時間が経過後に、二方弁を開かせる(ステップS102)。これにより、コントローラ33は、油戻し管30内の液冷媒及び潤滑油の流通を開放させる。
なお、二方弁32を開くタイミングは、タイマーによって予め設定した一定時間をカウントして、本実施形態のように圧縮機5の起動から一定時間の経過後としてもよいが、これに限定されるものではない。二方弁32を開くタイミングは、ヘッダ20A等に、サーミスタ、圧力センサ等を設けることによって、冷媒の過熱度を検出し、検出された過熱度に応じて、二方弁32を開くタイミングを決定することもできる。この際、冷媒の過熱度が起動から一定時間の経過後に相当する予め定めた基準値以上となった場合に、二方弁32を開くことが好ましい。
上述したような熱交換器10C及び冷媒回路100Cによれば、上記第二実施形態と同様の作用効果に加えて、油戻し管30を介して出口側配管4へ送られる潤滑油や冷媒の液相(液冷媒)の量やタイミングをコントローラ33によって圧縮機5の起動に合わせて調整することができる。したがって、圧縮機5の起動直後の冷媒が液化しやすい状態のときには、二方弁32を閉じることによって油戻し管30内の流通を遮断することができる。そのため、冷媒が液化しやすい状態となっている場合に多くの液冷媒が油戻し管30を通ってアキュムレータ3から圧縮機5に到達してしまうことを防ぐことができる。そして、圧縮機5が起動して一定時間が経過後のように、ヘッダ20A内の冷媒の過熱度が高まって液冷媒がガス化した後に、油戻し管30を介して潤滑油をアキュムレータ3に送ることができる。
(第四実施形態)
次に、本発明に係る蒸発器、蒸発器の制御方法、冷媒回路の第三実施形態について説明する。なお、以下に説明する第四実施形態においては、上記第一実施形態から第三実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。第四実施形態では、ヘッダの構造が第一実施形態と異なっている。
次に、本発明に係る蒸発器、蒸発器の制御方法、冷媒回路の第三実施形態について説明する。なお、以下に説明する第四実施形態においては、上記第一実施形態から第三実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。第四実施形態では、ヘッダの構造が第一実施形態と異なっている。
図5は、上記蒸発器の第四実施形態に係る蒸発器、冷媒回路の構成を示す模式図である。
図5に示すように、第四実施形態のヘッダ20Dは、上端部20tにおける流路断面積よりも、複数の伝熱管11のうち最下段に位置する第一伝熱管11Aが接続された部分の流路断面積が小さい。
図5に示すように、第四実施形態のヘッダ20Dは、上端部20tにおける流路断面積よりも、複数の伝熱管11のうち最下段に位置する第一伝熱管11Aが接続された部分の流路断面積が小さい。
本実施形態のヘッダ20Dは、鉛直方向の下端部20sから上端部20tに向かって、接続される伝熱管11の数が増加するにしたがって流路断面積が段階的に大きくなるよう形成されている。この実施形態では、ヘッダ20Dは、下方から上方に向かって、管径(外径)及び内径が互いに異なる複数(本実施形態では3本)の配管部材31を互いに接合することで構成されている。本実施形態では、鉛直方向の下端部20s側から順に、第一配管部材31A、第二配管部材31B、及び第三配管部材31Cを有している。本実施形態のヘッダ20Dは、第一配管部材31A、第二配管部材31B、及び第三配管部材31Cは、互いにロウ付け、溶接等の接合手段によって互いに接合されて形成されている。
第一配管部材31Aは、最も鉛直方向の下方に位置している。第一配管部材31Aは、最下段の第一伝熱管11Aの終端115が接続されている。第一配管部材31Aは、ヘッダ20Dの下端部20sを形成するよう鉛直方向の下方の端部が閉塞された有底筒状の配管である。第一配管部材31Aは、鉛直方向にわたって一定の管径をなす配管である。第一配管部材31Aは、伝熱管11Aの管径d1と同径または同径以上の管径D11を有している(d1≦D11)。第一配管部材31Aの管径D11は、油戻し管30の管径d31よりも大きい(d31<D11)。
第二配管部材31Bは、第一配管部材31Aの鉛直方向の上方に配置されている。第二配管部材31Bは、下から2段目の第二伝熱管11Bの終端115が接続されている。第二配管部材31Bは、両端が開口した筒状の配管である。第二配管部材31Bは、鉛直方向にわたって一定の管径をなす配管である。第二配管部材31Bの鉛直方向の下方の端部は、第一配管部材31Aの鉛直方向の上方の端部と接合されている。本実施形態では、第二配管部材31Bの鉛直方向の下方の端部の内周面と第一配管部材31Aの上方の端部の外周面とが摺接するように嵌まり込んで接合されている。第二配管部材31Bは、直下の第一配管部材31Aの管径D11以上の管径D12を有している(D11<D12)。
第三配管部材31Cは、第二配管部材31Bの鉛直方向の上方に配置されている。第三配管部材31Cは、下から3段目の第三伝熱管11Cの終端115が接続されている。第三配管部材31Cは、両端が開口した筒状の配管である。第三配管部材31Cは、鉛直方向にわたって一定の管径をなす配管である。第三配管部材31Cの下方の端部は、第二配管部材31Bの鉛直方向の上方の端部と接合されている。本実施形態では、第三配管部材31Cの鉛直方向の下方の端部の内周面と第二配管部材31Bの上方の端部の外周面とが摺接するように嵌まり込んで接合されている。第三配管部材31Cの上方の端部は、出口側配管4の端部と接合されている。第三配管部材31Cは、直下の第二配管部材31Bの管径D12以上の管径D13を有している(D12<D13)。したがって、ヘッダ20Dは、下端部20sを形成する第一配管部材31A、第二配管部材31B、上端部20tを形成する第三配管部材31Cの順で段階的に管径が大きくなっている。
ここで、複数の伝熱管11と複数の配管部材31とのそれぞれに対する鉛直方向の接合位置については本実施形態によって何ら限定するものではないが、本実施形態では複数の伝熱管11の終端115は、鉛直方向に隣接する配管部材31同士の接合部に対して鉛直方向に間隔をあけた位置で配管部材31に接合されている。つまり、配管部材31同士の接合部に対し、鉛直方向に離間した位置に配管部材31との接合部が形成されることが好ましい。
上述したような熱交換器10D及び冷媒回路100Dによれば、第一配管部材31Aの管径D11が上段側の第二配管部材31Bの管径D12及び第三配管部材31Cの管径D13よりも小さく、ヘッダ20Dの中で流路断面積が最も小さい。つまり、最下段の第一伝熱管11Aが接続されている第一配管部材31Aの流路断面積がヘッダ20Dの上端部20tに対して最も小さくされている。そのため、上述した第一実施形態と同様の作用効果に加えて、ヘッダ20Dの下端部20sにおける冷媒の流速を、流路断面積を小さくしなかった場合に比べて高めることができる。そのため、最下段の第一伝熱管11Aからしか冷媒が流れこまず、内部を流通する冷媒の流量が少ない第一配管部材31A内において、流速が遅くなり過ぎてしまうことが抑えられる。その結果、第一配管部材31A内の冷媒及び潤滑油が上端部20t側に向かって流される。これによって、冷媒に含まれる潤滑油がヘッダ20Dの下端部20sに溜まることを抑えることができる。その結果、複数の伝熱管11を備えた熱交換器10Aにおいて、ヘッダ20D内に潤滑油が溜まってしまうことを抑えることができる。
また、上端部20tにおける流路断面積よりも、第一伝熱管11Aが接続された部分の流路断面積が大きくなるようにヘッダ20Aを構成することで、ヘッダ20Dに潤滑油を案内するためのガイドや溝を形成することなく、潤滑油が溜まることを抑えることができる。したがって、内部に潤滑油が溜まってしまうことを抑えたヘッダ20Dを簡易且つ低コストに製造することが可能となる。
また、ヘッダ20Dの上端部20tに対し、最下段の第一伝熱管11Aが接続された部分の流路断面積を小さくするには、例えばヘッダ20Dの下端部20sから上端部20tに向かって流路断面積が漸次大きくなるようにテーパ状に形成することもできる。これに対し、第一配管部材31A、第二配管部材31B、及び第三配管部材31Cを設けて接続される伝熱管の数が増える度にヘッダ20Dの流路断面積が段階的に大きくされている。そのため、ヘッダ20D内を流通する冷媒及び潤滑油の流量の増加に伴って生じる流速の変化を抑えることができる。そのため、下端部20sから上端部20tに向かう間の流速の変化を抑え、流速の変化によりヘッダ20D内の流れが乱れてしまうことを抑えられる。これにより、ヘッダ20D内から潤滑油を排出することが可能な流速を下端部20sから上端部20tにわたって確保できる。
さらに、ヘッダ20Dは、内径が互いに異なる第一配管部材31A、第二配管部材31B、及び第三配管部材31Cを鉛直方向に並べて接合されることで構成されている。これにより、三本の配管部材31を繋げるだけで、下端部20sから上端部20tに向かって流路断面積が段階的に大きくなるヘッダ20Dを簡易かつ低コストに製作することができる。
また、第一配管部材31A、第二配管部材31B、及び第三配管部材31C同士の接合部と、第一配管部材31A、第二配管部材31B、及び第三配管部材31Cと第一伝熱管11A、第二伝熱管11B、及び第三伝熱管11Cとの接合部とがそれぞれ鉛直方向に離れている。そのため、複数の配管部材31同士の接合作業(ロウ付け、溶接等)と、各配管部材31と伝熱管11との接合作業(ロウ付け、溶接等)とを行うためのスペースをそれぞれ確保できる。これにより、ヘッダを製造する際の接合作業を容易に行うことができる。
さらに、第一配管部材31Aの管径D11が第一伝熱管11Aの管径d1と同じとされている。これにより、第一伝熱管11Aから第一配管部材31Aに冷媒及び潤滑油が流れ込んだ際に、流速が低下してしまうことが抑えられる。これによって、潤滑油を排出することが可能な流速を第一配管部材31Aでより確保し易くなる。
なお、ヘッダ20Dが備える配管部材31の数は、本実施形態のように第一配管部材31A、第二配管部材31B、及び第三配管部材31Cの三つであることに限られるものではない。配管部材31は、二つ以上であればよく、例えば四つであってもよい。
また、一つ配管部材31に一つの伝熱管11が接続されることに限定されるものではない。例えば、ヘッダ20Dを構成する第一配管部材31A、第二配管部材31B、及び第三配管部材31Cには、二本以上の伝熱管11が接合されていてもよい。
(第五実施形態)
次に、本発明に係る蒸発器及び冷媒回路の第五実施形態について説明する。なお、以下に説明する第五実施形態においては、上記第一実施形態から第四実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。
次に、本発明に係る蒸発器及び冷媒回路の第五実施形態について説明する。なお、以下に説明する第五実施形態においては、上記第一実施形態から第四実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。
図6は、上記蒸発器の第五実施形態に係る蒸発器、冷媒回路の構成を示す模式図である。
図6に示すように、空調システム1を構成する熱交換器10Eでは、ヘッダ20Eは、鉛直方向の上端部20tから下端部20sに向かって冷媒を流通させる。ヘッダ20Eは、複数の伝熱管11の終端115がそれぞれ鉛直方向に離間して接続されている。ヘッダ20Eの下端部20sは、出口側配管4Eが接続されている。第五実施形態のヘッダ20Eの上端部20tは、閉塞されている。ヘッダ20Eは、鉛直方向にわたって一定の管径をなす配管である。ヘッダ20Eは、伝熱管11Aの管径d1以上の管径D10を有している(d1≦D10)。
図6に示すように、空調システム1を構成する熱交換器10Eでは、ヘッダ20Eは、鉛直方向の上端部20tから下端部20sに向かって冷媒を流通させる。ヘッダ20Eは、複数の伝熱管11の終端115がそれぞれ鉛直方向に離間して接続されている。ヘッダ20Eの下端部20sは、出口側配管4Eが接続されている。第五実施形態のヘッダ20Eの上端部20tは、閉塞されている。ヘッダ20Eは、鉛直方向にわたって一定の管径をなす配管である。ヘッダ20Eは、伝熱管11Aの管径d1以上の管径D10を有している(d1≦D10)。
第五実施形態の出口側配管4Eは、一方の端部がヘッダ20Eの下端部20sと接合されている。第五実施形態の出口側配管4Eは、二段回にわたってU字状に湾曲したリターン部22Eを有する。出口側配管4Eは、ヘッダ20Eと接続されていない側の端部が冷媒の液相(液冷媒)を回収するアキュムレータ3と接続されている。
このような構成の熱交換器10Eを備えた空調システム1において、暖房運転を行うときには、第一伝熱管11A、第二伝熱管11B、及び第三伝熱管11Cのそれぞれにおいて、冷媒は、周囲の空気と熱交換することで、その少なくとも一部が気化(蒸発)する。第一伝熱管11A、第二伝熱管11B、及び第三伝熱管11Cを流通して熱交換された冷媒は、それぞれの終端115からヘッダ20E内に流れ込み、ヘッダ20E内を下端部20sに向かって流れる。
最上段の第三伝熱管11Cからヘッダ20E内に流れ込んだ冷媒は下端部20sに向かって流れる。上から2段目の第二伝熱管11Bからヘッダ20E内に流れ込んだ冷媒は、第三伝熱管11Cから流れ込んだ冷媒と合流する。さらに、最下段の第一伝熱管11Aからヘッダ20E内に流れ込んだ冷媒は、第三伝熱管11C及び第二伝熱管11Bから流れ込んだ冷媒と合流する。このようにしてヘッダ20E内で合流した冷媒は、下端部20sから出口側配管4Eに送られる。その後、冷媒は、リターン部22Eを経て、アキュムレータ3、圧縮機5へと順次送られる。
上述したような熱交換器10E及び冷媒回路100Eによれば、ヘッダ20E内においては、冷媒が上方から下方に向かって流れ、ヘッダ20Eの下端部20sに出口側配管4Eを構成するリターン部22Eが接続されている。このようなヘッダ20Eにおいては、冷媒が重力方向と同じ上方から下方に向かって流れる。また、下端部20sにおいては、第一伝熱管11A、第二伝熱管11B、及び第三伝熱管11Cから流れ込んだ冷媒が合流しており、冷媒の流速が高まっている。これによって、ヘッダ20Eの下端部20sに重力によって溜まった潤滑油は、冷媒の流れとともに、ヘッダ20Eからリターン部22Eを通ってアキュムレータ3側に向かって円滑に流れる。その結果、ヘッダ20Eの下端部20sに潤滑油が溜まることを抑えることができる。
また、このようなヘッダ20Eは、第一実施形態から第四実施形態で示したヘッダ20A及びヘッダ20Dを、鉛直方向の上下を変えて逆に設ければよいので、簡易且つ低コストで製造することができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
例えば、熱交換器10A〜10Eが備える伝熱管11の数は、本実施形態のように第一伝熱管11A、第二伝熱管11B、及び第三伝熱管11Cの三つであることに限られるものではない。例えば、伝熱管11は、二つだけあってもよく、あるいは四つ以上設けられていてもよい。
さらに、一例として、冷媒回路を備える空調システム1を例示したが、これに限らず、冷媒回路を備える冷凍システムにおいても同様の構成を適用できる。
1 空調システム
2 入口側配管
3 アキュムレータ
4、4E 出口側配管(冷媒配管)
5 圧縮機
10A、10B、10C、10D、10E 熱交換器(蒸発器)
100A、100B、100C、100D、100E 冷媒回路
11 伝熱管
11A 第一伝熱管
11B 第二伝熱管
11C 第三伝熱管
111 立ち上がり部
112 下部管部
113 屈曲部
114 上部管部
115 終端(一方側の端部)
12 ディストリビュータ
13 キャピラリチューブ
13A 第一キャピラリチューブ
13B 第二キャピラリチューブ
13C 第三キャピラリチューブ
20A、20D、20E ヘッダ
20s 下端部
20t 上端部
22、22E リターン部
30 油戻し管(バイパス管)
30e 終端
30r 螺旋状部
31 配管部材
31A 第一配管部材
31B 第二配管部材
31C 第三配管部材
32 二方弁(弁部材)
33 コントローラ
2 入口側配管
3 アキュムレータ
4、4E 出口側配管(冷媒配管)
5 圧縮機
10A、10B、10C、10D、10E 熱交換器(蒸発器)
100A、100B、100C、100D、100E 冷媒回路
11 伝熱管
11A 第一伝熱管
11B 第二伝熱管
11C 第三伝熱管
111 立ち上がり部
112 下部管部
113 屈曲部
114 上部管部
115 終端(一方側の端部)
12 ディストリビュータ
13 キャピラリチューブ
13A 第一キャピラリチューブ
13B 第二キャピラリチューブ
13C 第三キャピラリチューブ
20A、20D、20E ヘッダ
20s 下端部
20t 上端部
22、22E リターン部
30 油戻し管(バイパス管)
30e 終端
30r 螺旋状部
31 配管部材
31A 第一配管部材
31B 第二配管部材
31C 第三配管部材
32 二方弁(弁部材)
33 コントローラ
Claims (8)
- 鉛直方向に間隔をあけて複数が設けられ、一方側の端部に向かって冷媒が流通する伝熱管と、
前記鉛直方向に延びて複数の前記伝熱管の前記一方側の端部がそれぞれ接続されて、下端部から冷媒配管が接続された上端部に向かって冷媒が流通するヘッダと、
前記ヘッダの前記下端部と前記冷媒配管とを連通するバイパス管と、
を備え、
前記バイパス管の長さは、前記ヘッダの前記下端部から前記上端部を通って前記冷媒配管の前記バイパス管が接合された部位に至る流路の長さよりも長くされている蒸発器。 - 前記バイパス管は、前記ヘッダの前記下端部における流路断面積よりも小さい流路断面積を有する請求項1に記載の蒸発器。
- 前記バイパス管は、螺旋状に巻き回された螺旋状部を有する請求項1または2に記載の蒸発器。
- 前記バイパス管は、前記バイパス管内の前記冷媒の流通を制御する弁部材をさらに備える請求項1から3のいずれか一項に記載の蒸発器。
- 前記弁部材を開閉制御するコントローラをさらに備え、
前記コントローラは、前記冷媒配管の下流側に設けられる圧縮機の起動からの経過時間、又は前記冷媒の過熱度に基づいて、前記弁部材の開閉を制御する請求項4に記載の蒸発器。 - 前記コントローラは、前記圧縮機の起動時に前記弁部材を閉じ、前記バイパス管の流通を遮断させ、
前記圧縮機を起動してから予め定めた一定時間が経過後、又は前記冷媒の過熱度が予め定めた基準値以上となった場合に、前記弁部材を開き、前記バイパス管の流通を開放させる請求項5に記載の蒸発器。 - 鉛直方向に間隔をあけて複数が設けられ、一方側の端部に向かって冷媒が流通する伝熱管と、
前記鉛直方向に延びて複数の前記伝熱管の前記一方側の端部がそれぞれ接続されて、上端部から冷媒配管が接続された下端部に向かって冷媒が流通するヘッダと、
を備える蒸発器。 - 請求項1から7のいずれか一項に記載の蒸発器を備える冷媒回路。
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EP3306234B1 (en) | 2019-05-01 |
EP3306234A1 (en) | 2018-04-11 |
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