JP5328724B2 - 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

Description

本発明は、主として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。

空気調和機や冷凍装置などの冷凍サイクル装置の凝縮器または蒸発器として作用する熱交換器において、内部の冷媒流路を複数パスに分割した場合に、熱交換器の入口には各パスへ冷媒を分配する冷媒分配器が必要である。

また、例えば複数台の室外ユニットや室内ユニットを並列に接続してなるマルチ型空気調和機では、メインの冷媒流路から各ユニットへ冷媒を分配するためにも冷媒分配器が必要である。

一般に冷凍サイクル装置の膨張弁を通過した冷媒や蒸発器入口の冷媒は、ガス冷媒と液冷媒の気液二相の状態となっており、配管内を流れる冷媒の断面において密度分布が生じている。例えば流入配管に曲がりがある場合は遠心力の影響により、また、流入配管や冷媒分配器本体が水平に配置されている場合は重力の影響により、液冷媒が一方の管内面に偏って流れる偏流現象が生じる。

従って冷媒分配器には、前記のような偏流の現象が生じることなく、気液の分離を防止でき、冷媒を均質に混合して、冷媒分配器入口での気液質量流量比と冷媒分配器出口での気液質量流量比が均等の状態で冷媒を分配する機能が要求される。

ところで、伝熱管が銅管の場合は、冷媒分配器の分配部は銅もしくは黄銅を削り出しにて成型されたもの、流出管は銅管が使用され、分配部と流出管の接合はロウ付け接合され、その流出管は蒸発器の伝熱管にロウ付け接合される。また、伝熱管がアルミ管の場合は、冷媒分配器の分配部はアルミ、流出管もアルミとなり、分配部と流出管の接合はロウ付け接合される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２６６５６３号公報（段落[0023]、図３）

熱交換器の高効率化の代表例として、伝熱管の管径の縮小、マイクロチャネル化などが挙げられる。この場合、伝熱管の管径縮小により、蒸発器の冷媒の圧力損失が増大するので、冷媒流路数を増大する必要があり、冷媒分配器の流出管の本数が増える。

また、アルミロウ付けの場合、ロウ材の融点は約５９０℃で、母材は約６６０℃となり、ロウ材の融点とアルミ母材の融点が近くなり、バーナーロウ付けの場合、温度管理が難しくロウ付け性が悪化する。

また、流出管と分配部の熱容量差が大きいので、バーナーロウ付けで接合する場合、流出管の母材が溶けてしまうなど、温度管理が難しく、ロウ付け性が悪化する。つまり、アルミ製の冷媒分配器の分配部と流出管の接合は、ロウ材と母材の融点の差が近く、流出管の本数増大と、流出管と分配部の熱容量差が大きいので、製造性が難しいという問題があった。

本発明の技術的課題は、アルミ製分配部と複数のアルミ製流出管との接合が良好で、信頼性を向上させ得るようにすることにある。

本発明に係る冷媒分配器は、アルミ製流入管から流入した冷媒を複数のアルミ製流出管に分配するアルミ製分配部を備え、前記流出管を、それぞれ第１流出管と第２流出管で形成し、各第１流出管と分配部は炉中ロウ付けで接合し、各第１流出管と各第２流出管はそれぞれバーナーロウ付けで接合してなる冷媒分配器であって、第１流出管の管径をＤ[ｍ]、第１流出管の軸方向長さをＬ[ｍ]、肉厚ｔ[ｍ]とし、各第１流出管と各第２流出管とのバーナーロウ付けによる接合時に、各第１流出管と各第２流出管との接合部の温度がロウ材が溶ける温度となり、かつ各第１流出管と分配部の温度が再びロウ材が溶けない温度以下になる、
Ｌ≧ｓｑｒｔ（９６／５５×（ｔ−ｔ＾２／Ｄ））
の関係が成立するように第１流出管の管径に合わせて当該第１流出管の軸方向長さを設定したものである。

本発明の冷媒分配器によれば、アルミ製分配部とアルミ製の各第１流出管とを炉中ロウ付けで接合するようにしているので、温度管理が容易となり、分配部と各第１流出管とを良好に接合でき、信頼性の高い冷媒分配器を提供できる。
また、Ｌ≧ｓｑｒｔ（９６／５５×（ｔ−ｔ＾２／Ｄ））の関係が成立するように第１流出管の管径に合わせて当該第１流出管の軸方向長さを設定しているので、各第１流出管と各第２流出管をそれぞれバーナーロウ付けで接合しても、各第１流出管と分配部の温度を再びロウ材が溶けない温度以下にすることができる。さらに、これを実現するための第１流出管の軸方向長さを、第１流出管の管径に合わせて明確に導き出すことができる。

本発明の実施の形態に係る冷媒分配器を用いた熱交換器の構成図である。 本発明の実施の形態に係る冷媒分配器の縦断面図およびＡ−Ａ線矢視断面図である。 本発明の実施の形態に係る冷媒分配器の分配部の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る冷媒分配器の第１流出管３の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る冷媒分配器の製造手順を示すフローチャートである。

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に係る冷媒分配器を用いた熱交換器の構成図、図２はその冷媒分配器の縦断面図およびＡ−Ａ線矢視断面図である。

本実施の形態の冷媒分配器２は、図１のように伝熱管５とフィン１１で構成されるフィンアンドチューブ型の熱交換器１に流入する二相冷媒を分配するものであり、詳細については後述する。熱交換器１を通過したガス冷媒は、ガスヘッダー８で合流し流出するようになっている。伝熱管５とフィン１１は、いずれもアルミまたはアルミ合金で構成されている。なお、伝熱管５は、円管、扁平管、その他どのような形状であっても採用可能である。

次に、本実施の形態の冷媒分配器を用いたフィンアンドチューブ型の熱交換器１の機能について説明する。ガス冷媒と液冷媒が混合された二相冷媒は、冷媒分配器２で複数の流出管に分配される。分配された二相冷媒は、熱交換器１の各パスを構成する伝熱管５に流入する。伝熱管５に流入した二相冷媒は、伝熱管５と一体化したフィン１１を介して、熱交換器を通過する空気と熱交換し、ガス冷媒となって各パス出口よりガスヘッダー８の内部で合流し、出口ガスとなって流出する。

冷媒分配器２は、図２のようにアルミ製の流入管７とアルミ製の分配部６と複数の流出管とを備え、各流出管が、軸方向長さＬのアルミ製の第１流出管３とこれに接続されたアルミ製の第２流出管４で構成されている。そして、分配部６には、ここでは４個の流出孔が設けられ、各流出孔にそれぞれ第１流出管３が接続されている。

ここで、第１流出管３と分配部６の接続部１０の接合方法について説明する。第１流出管３と分配部６は、炉中ロウ付け法で接合される。炉中ロウ付け法とは、一般的にノコロックロウ付け法と呼ばれ、非腐食性のフッ化物系フラックスを用いて、炉中内に窒素ガスを導入しヒーターで炉内の温度をコントロールしてロウ付けする接合方法である。

また、ノコロックロウ付け法以外の炉中ロウ付け法として、真空ロウ付け法と呼ばれる接合方法がある。この真空ロウ付け法は、炉内を高真空状態として酸素の供給をなくすことで、再酸化を防止してロウ付けする接合方法である。

ノコロックロウ付け法や真空ロウ付け法は、炉の中で温度管理を行いながらロウ付けすることができるので、信頼性の高いロウ付け法といえる。

炉中ロウ付け以外には、バーナーロウ付け法がある。バーナーロウ付け法は、炉中ロウ付けのノコロックロウ付け法と同様にフッ化物フラックスを接合部に塗布してロウ材を接合部に設置した後に、バーナーでロウ材を融点５９０℃まで上昇させ、ロウ材を溶かして接合する接合方法である。ガスバーナーは、都市ガス、プロパン、アセチレンと酸素の混合ガス等を用いる。バーナーロウ付けは、大気中で行い、バーナーで接合部を直接、温度上昇させるので、温度調節が難しく、アルミ相互のロウ付けの場合は、融点近くになった時のアルミの色に変化がなく、ロウ材と母材の融点差が小さいので、ロウ付け性が難しい。ロウ付けがうまくいかず、未接合部ができた場合は、中を流れる冷媒が外気に流出してしまう。また、第１流出管３は複数本（ここでは４本）あり、さらに分配部６と第１流出管３との間の熱容量差が大きく、構造的にも複雑な形状となっており、バーナーロウ付けで接合するには非常に難しい。そのため、分配部６と第１流出管３をロウ付けした後に、第１流出管３と第２流出管４との接合部９をバーナーロウ付けする。

第２流出管４は、熱交換器１の伝熱管５に接続されるものであって、その軸方向長さは第１流出管３の軸方向長さＬに比べて非常に長い。また、分配部６で冷媒二相流は均等に分配されるが、熱交換器１の各パスに流れた冷媒の出口ガスの温度が一定になるように、第２流出管４の長さ、穴径を調整する必要があるので、第２流出管４はそれぞれの長さ、穴径が異なっている。さらに、第２流出管４の軸方向長さが非常に長いのに、炉中ロウ付けの場合、炉の中に一度にたくさんのものを入れることができないため、製造効率が悪化する。したがって、第１流出管３と第２流出管４の接合部９は、バーナーロウ付けとすることが望ましい。

すなわち、分配部６と第１流出管３の接合部１０に関しては、接合箇所がたくさんあり、さらに熱容量差が異なるので、バーナーロウ付けでは未接合部ができるなど製造性が悪化する。第１流出管３と第２流出管４の接合部９に関しては、どちらも同じ円管の接続であり、熱容量差も小さいのでバーナーロウ付けでも問題無く接合することができる。

ここで、第１流出管３の長さＬについて考察する。第１流出管３と第２流出管４をバーナーロウ付けする際、第１流出管３を介して熱伝導により、第１流出管３と分配部６のロウ付け部（接合部１０）がロウ材の融点より高くなると、再びロウ材が溶けてしまう問題が起きる。そのため、第１流出管３と第２流出管４をバーナーロウ付けする際に第１流出管３を介して第１流出管３と分配部６のロウ付け部（接合部１０）に伝わる熱がロウ材の融点である約５９０℃以下になるように、第１流出管３の長さＬを設定する必要がある。その導出法を以下に示す。

第１流出管３の管径φ＝Ｄ[ｍ]、肉厚ｔ[ｍ]、長さＬ[ｍ]とする。第１流出管３と第２流出管４の接合部９の温度はロウ材の融点５９０[℃]となる。第１流出管３と分配部６の温度は、再びロウ材が溶けないようにするために、５５０[℃]以下になるように設定する。
管径Ｄと肉厚ｔは耐圧強度Ｐ[ＭＰa]により、以下の式より設定する。ただし、σは引張強度であり、アルミの焼きなまし後○材（管材）の場合、１００[Ｎ/mm＾２]となる。
Ｐ＝（２×σ×ｔ）／（Ｄ−０．８×ｔ）
耐圧強度Ｐは、冷媒R410Aの場合、約２０ＭＰａ確保できればよいので、
２０≦（２００ｔ）／（Ｄ−０．８ｔ）
２０Ｄ−１６ｔ≦２００ｔ
ｔ≧０．０９３Ｄ
第１流出管３と第２流出管４の接合部９から第１流出管３と分配部６の接合部１０までの熱交換量Ｑ１は熱伝導により以下の式で計算できる。
Ｑ１＝断面積Ａ[ｍ＾２]×熱伝導率λ[Ｗ／（ｍＫ）]×温度差[Ｋ]／長さＬ[ｍ]
＝{Ｄ＾２／４×π−（Ｄ−２ｔ）＾２／４×π}×２４０×（５９０−５５０）／Ｌ
＝９６００×π×ｔ×（Ｄ−ｔ）／Ｌ
また、空気温度２０[℃]、対流伝達率１０[Ｗ／ｍ＾２・Ｋ]とすると、第１流出管３の外周面と空気との熱交換量Ｑ２は以下の式で表される。
Ｑ２＝外周面積Ａ[ｍ＾２]×熱伝達率１０[Ｗ／ｍ＾２・Ｋ]×温度差[Ｋ]
＝Ｄ×π×Ｌ×１０×{（５９０＋５５０）／２−２０}
＝Ｄ×π×Ｌ×１０×５５０
＝５５００×π×Ｄ×Ｌ
ここで、Ｑ１＝Ｑ２であるので、
Ｌ＝ｓｑｒｔ（９６／５５×（ｔ−ｔ＾２／Ｄ））
となる。
例えば、Ｄ＝０．００６[ｍ]の場合では、Ｌ＝０．００２[ｍ]より長ければ、第１流出管３と第２流出管４をバーナーロウ付けする際に第１流出管３と分配部６の接合部１０の温度が５５０℃以下となり、第１流出管３と分配部６の接合部１０のロウ材が再び溶けてしまうことはない。逆に、第１流出管３の長さＬが０．００２[ｍ]より短いと融点に近づくので、第１流出管３と分配部６の接合部１０のロウ材が再び溶けてしまう可能性がある。

図３に分配部６の変形例を示す。図３に示すように、分配部６の流出孔は２個、６個、１０個の例が示してあるが、これ以外に何個の流出孔が備えてあっても構わない。

図４に流出管の変形例を示す。前述した仕様と異なる点は第１流出管３の形状であり、第１流出管３と第２流出管４との接合部９（図２参照）間の間隔が広くなるように、外側に大きく曲がった形状を有している点に特徴を有している。これにより、第１流出管３と第２流出管４の接合部９相互の間隔が広くなるので、バーナーロウ付けが容易となる。

さらに、第１流出管３の変形例として軸方向長さＬを第１流出管３相互で異ならせる構造にすれば、さらに接合部９相互の間隔が大きくとれるので、バーナーロウ付けが容易となる。

また、熱交換器１の出口パスのガス温度が一定になるように、各第１流出管３の内径を異ならせた構造にすれば、第２流出管４の内径を調節する必要がなくなり、同じ内径の仕様の第２流出管４を用いることができ、内径が異なる仕様の円管を揃える手間が省け、製造効率を一層向上させることができる。

図５に本発明の製造工程を示すフローチャートを示す。まず、分配部６と第１流出管３を炉中ロウ付けする。その後、第１流出管３と第２流出管４をバーナーロウ付けする。これにより、アルミ製の製造性の高い冷媒分配器を提供することができ、延いてはヒートポンプ装置の信頼性を高めることができる。

１ 熱交換器、２ 冷媒分配器、３ 第１流出管、４ 第２流出管、５ 伝熱管、６ 分配部、７ 流入管、８ ガスヘッダー、９ 第１流出管と第２流出管との接合部、１０ 分配部と第１流出管との接合部、１１ フィン。

Claims (4)

1. アルミ製流入管から流入した冷媒を複数のアルミ製流出管に分配するアルミ製分配部を備え、前記流出管を、それぞれ第１流出管と第２流出管で形成し、各第１流出管と分配部は炉中ロウ付けで接合し、各第１流出管と各第２流出管はそれぞれバーナーロウ付けで接合してなる冷媒分配器であって、
   第１流出管の管径をＤ[ｍ]、第１流出管の軸方向長さをＬ[ｍ]、肉厚ｔ[ｍ]とし、各第１流出管と各第２流出管とのバーナーロウ付けによる接合時に、各第１流出管と各第２流出管との接合部の温度がロウ材が溶ける温度となり、かつ各第１流出管と分配部の温度が再びロウ材が溶けない温度以下になる、
   Ｌ≧ｓｑｒｔ（９６／５５×（ｔ−ｔ＾２／Ｄ））
   の関係が成立するように第１流出管の管径に合わせて当該第１流出管の軸方向長さを設定したことを特徴とする冷媒分配器。
2. 各前記第１流出管の軸方向長さをそれぞれ異ならせたことを特徴とする請求項１記載の冷媒分配器。
3. 各前記第１流出管の内径を、下流のガス温度が一定となるようにそれぞれ異ならせたことを特徴とする請求項１又は２記載の冷媒分配器。
4. 請求項１〜３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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