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技術 熱交換器及びこれを備えた冷凍サイクル装置

出願人 三菱電機株式会社
発明者 井崎智伸高木昌彦
出願日 2014年10月15日 (4年9ヶ月経過) 出願番号 2014-210739
公開日 2016年5月16日 (3年2ヶ月経過) 公開番号 2016-080231
状態 特許登録済
技術分野 圧縮機、蒸発器、凝縮器、流体循環装置
主要キーワード 内径寸法差 管摩擦係数 最大圧力差 最低長 正比例関係 多層配置 マーキング色 熱容量差
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年5月16日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (4)

課題

毛細管の長大化を抑えつつ、生産管理の負担を軽減できるようにする。

解決手段

分配器2で分流された複数の冷媒流路1a,1b,1c,1d,1eを有し、その各冷媒流路1a,1b,1c,1d,1eへの冷媒流入量を、分配器2と各冷媒流路1a,1b,1c,1d,1eとの間にそれぞれ接続した複数の毛細管2a,2b,2c,2d,2eによる圧力損失によって調整するようにした熱交換器において、複数の毛細管2a,2b,2c,2d,2eは、これらの内径寸法が2種類に限定され、内径寸法の大きな毛細管は、内径寸法の小さな毛細管に対して1.3倍〜1.6倍の内径寸法とする。

概要

背景

従来より熱交換器通過時圧力損失の低減を目的として、熱交換器冷媒流路分配器によって複数に分岐させたものが知られている。また、このようなものにおいて、各冷媒流路への冷媒流入量を、分配器と各冷媒流路との間にそれぞれ接続した複数の毛細管の長さ・内径寸法によって調整するようにしたものがある(例えば、特許文献1参照)。

概要

毛細管の長大化を抑えつつ、生産管理の負担を軽減できるようにする。分配器2で分流された複数の冷媒流路1a,1b,1c,1d,1eを有し、その各冷媒流路1a,1b,1c,1d,1eへの冷媒流入量を、分配器2と各冷媒流路1a,1b,1c,1d,1eとの間にそれぞれ接続した複数の毛細管2a,2b,2c,2d,2eによる圧力損失によって調整するようにした熱交換器において、複数の毛細管2a,2b,2c,2d,2eは、これらの内径寸法が2種類に限定され、内径寸法の大きな毛細管は、内径寸法の小さな毛細管に対して1.3倍〜1.6倍の内径寸法とする。

目的

そのため、熱交換器内は、その熱交換量の差に応じて、各冷媒流路における冷媒通過量を調整することが望まれている

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

分配器分流された複数の冷媒流路を有し、その各冷媒流路への冷媒流入量を、前記分配器と前記各冷媒流路との間にそれぞれ接続した複数の毛細管による圧力損失によって調整するようにした熱交換器において、前記複数の毛細管は、これらの内径寸法が2種類に限定され、内径寸法の大きな毛細管は、内径寸法の小さな毛細管に対して1.3倍〜1.6倍の内径寸法としたことを特徴とする熱交換器。

請求項2

前記複数の毛細管は、外径寸法が同一寸法に統一されていることを特徴とする請求項1記載の熱交換器。

請求項3

前記複数の毛細管は、内径寸法毎に2分化して前記分配器に配置されていることを特徴とする請求項2記載の熱交換器。

請求項4

前記内径寸法の異なる2種類の毛細管は、種類毎に色の異なるマーキングが施されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱交換器。

請求項5

前記内径寸法の異なる2種類の毛細管のうち、一方の種類の毛細管にはマーキングが施されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱交換器。

請求項6

少なくとも圧縮機、凝縮器減圧器、及び蒸発器を有し、これらが冷媒配管によって閉ループ状に接続された冷凍サイクル装置であって、前記蒸発器として請求項1〜5のいずれか一項に記載の熱交換器を用いたことを特徴とする冷凍サイクル装置。

技術分野

0001

本発明は、複数の冷媒流路を有し、その各冷媒流路への冷媒流入量を、分配器と各冷媒流路との間にそれぞれ接続した複数の毛細管による圧力損失によって調整するようにした熱交換器及びこれを備えた冷凍サイクル装置に関する。

背景技術

0002

従来より熱交換器通過時の圧力損失の低減を目的として、熱交換器の冷媒流路を分配器によって複数に分岐させたものが知られている。また、このようなものにおいて、各冷媒流路への冷媒流入量を、分配器と各冷媒流路との間にそれぞれ接続した複数の毛細管の長さ・内径寸法によって調整するようにしたものがある(例えば、特許文献1参照)。

先行技術

0003

特開平7−120107号公報(図1図3

発明が解決しようとする課題

0004

多くの場合、熱交換器内は、その分割された冷媒流路において、熱交換相手媒体の流入量のバラツキや各冷媒流路の経路取り及び長さの影響を受けるため、各冷媒流路における冷媒の熱交換量は均等にならない。そのため、熱交換器内は、その熱交換量の差に応じて、各冷媒流路における冷媒通過量を調整することが望まれている。その場合、各冷媒流路における冷媒通過量は均等ではない。

0005

各冷媒流路における冷媒通過量は、特許文献1のように分配器と各冷媒流路との間にそれぞれ接続した各毛細管での圧力損失を調整することで、調整が可能である。すなわち、各冷媒流路における冷媒通過量は、各毛細管の長さ・内径寸法を調整することで、調整が可能である。しかしながら、各毛細管の長さの調整、各毛細管の内径寸法の調整といった圧力損失調整手法においては、それぞれにメリットデメリットが存在する。

0006

各毛細管の長さによる調整においては、長さといった明瞭な差異があるため、生産時に見分けやすく、管理も容易である。ただし、長い毛細管は、材料を多く消費する、スペースを必要とする、冗長な毛細管を収めるためにループさせた部分が振動しやすい、といったデメリットがある。

0007

各毛細管の内径寸法による調整においては、各毛細管の長さを必要最低限に抑えることができるというメリットがあるが、内径寸法の差を外観上で識別することは容易でなく、目視に寄らないゲージなどの治具による特別な確認手段が必要となるため、生産上の管理が煩雑となる。

0008

本発明は、毛細管の長大化を抑えつつ、生産管理の負担を軽減できる熱交換器及びこれを備えた冷凍サイクル装置を提供することを目的する。

課題を解決するための手段

0009

本発明に係る熱交換器は、分配器で分流された複数の冷媒流路を有し、その各冷媒流路への冷媒流入量を、分配器と各冷媒流路との間にそれぞれ接続した複数の毛細管による圧力損失によって調整するようにした熱交換器において、複数の毛細管は、これらの内径寸法が2種類に限定され、内径寸法の大きな毛細管は、内径寸法の小さな毛細管に対して1.3倍〜1.6倍の内径寸法としたものである。
また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、少なくとも圧縮機、凝縮器減圧器、及び蒸発器を有し、これらが冷媒配管によって閉ループ状に接続された冷凍サイクル装置であって、蒸発器として前記の熱交換器を用いたものである。

発明の効果

0010

本発明の熱交換器によれば、複数の毛細管は、これらの内径寸法が2種類に限定され、内径寸法の大きな毛細管は、内径寸法の小さな毛細管に対して1.3倍〜1.6倍の内径寸法としたので、各毛細管の長さを必要最低限に抑えることができるとともに、管理すべき毛細管の種類が2種類だけとなって生産管理の負担を軽減することができる。
また、本発明の冷凍サイクル装置は、蒸発器として前記の熱交換器を備えたので、各毛細管の長さを必要最低限に抑えることができ、小型化が図れる。

図面の簡単な説明

0011

本発明の実施の形態1に係る熱交換器を示す構成図である。
本発明の実施の形態1に係る熱交換器の分岐された毛細管の内径比率長さ比率を比較例と比較して示す表である。
本発明の実施の形態2に係る熱交換器を備えた冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。

実施例

0012

実施の形態1.
まず、本発明の原理について説明する。
冷媒循環量に対する毛細管での圧力損失は、毛細管の長さに対しては正比例関係になり、また毛細管の内径寸法に対しては次の一般的で知られた4つの計算式を元に算出すると内径の−4.75乗の比例関係となる。

0013

ΔP=λ×L/D×(γ×V2)/2・・・・・・・(1)

0014

前記(1)式はダルシー・ワイスバッハの式である。
ここで、ΔPは圧力損失、λは管摩擦係数、Lは管長さ、Dは毛細管の内径、γは流体密度、Vは管内流速を示す。λは下記(2)式で与えられる。

0015

λ=0.3164/Re0.25・・・・・・・・・・(2)

0016

前記(2)式はブラウスの式である。
ここで、Reはレイノルズ数を示す。Reは下記(3)式で与えられる。

0017

Re=(γ×V×D)/μ・・・・・・・・・・・・・・(3)

0018

ここで、μは流体動粘度を示す。管内流速Vは下記(4)式で与えられる。

0019

V=Q/(π×(D/2)2)・・・・・・・・・・・(4)

0020

ここで、Qは流体流量を示す。

0021

各毛細管の内径寸法を2種類に限定した場合、次の背景から内径寸法の差異を1.3倍〜1.6倍の比率とすると効率が良い。

0022

すなわち、熱交換器における各冷媒流路の熱交換量の差は、ほとんどの場合3倍以下の差異の中に収まる。逆にそれを超えるようなケースにおいては、毛細管による冷媒流量の振り分けよりも、冷媒流路の経路取りの振り分けが重要となる。

0023

熱交換量に応じて冷媒流量で3倍の差異をつける必要がある場合、毛細管での圧力損失においては、最大9倍程度の差異をつける必要が生じる。毛細管での圧力損失の差は、毛細管の内径寸法や毛細管の長さによって調整できる。

0024

各毛細管の内径寸法に1.6倍の差をつけると、前述のように圧力損失は−4.75乗に比例するため、同一長さの毛細管であれば、約9.3倍の圧力損失差をつけることができる。そのため、内径の差異だけで、必要な最大圧力差に対応できる寸法関係となる。それ以上に内径寸法に差をつける場合は、圧力損失の大きい内径側(=内径が小さい側)の毛細管とのバランスを取る、つまり圧力損失差を最大9倍程度に抑えるために、内径が大きい側(=圧力損失の小さい側)の毛細管の長さを伸ばして、毛細管の長さによる圧力損失の増大を図る必要が生じてしまう。この場合、全体としての毛細管寸法が長くなるため、材料の消費量、構造上の必要スペースの拡大による大型化を招き、効率的ではない。

0025

各毛細管の内径寸法に1.3倍の差をつけると、前述のように圧力損失は約−4.75乗に比例するため、同一長さの毛細管であれば、約3.5倍の圧力損失差をつけることができる。それ以下の3倍程度の圧力損失差になると、毛細管の長さのみによる調整でも毛細管長さをさほど長くする必要がなくなるため、対処も容易となる。このため、敢えて内径寸法に差をつけて生産管理を煩雑化させる必要もなくなる。すなわち、毛細管の長さを抑えつつ各毛細管での圧力損失の差をつけるためには、各毛細管での圧力損失の調整を可能な限り毛細管の内径寸法の調整によって行い、圧力損失の微調整を毛細管の長さによって行うことが効率的である。

0026

次に、図示実施の形態1により本発明を説明する。
図1は本発明の実施の形態1に係る熱交換器を示す構成図である。

0027

本実施の形態1の熱交換器10は、図1に示すように、左右一対管板4a,4bの間に、多数の冷却フィン4が所定間隔多層配置されているとともに、冷媒流路となる多段に形成した伝熱管1a,1b,1c,1d,1eが前記多数の冷却フィン4にその板厚方向に貫通させた状態で取り付けられている。そして、各伝熱管1a,1b,1c,1d,1eの一端側(ここでは熱交換器が蒸発器として機能する場合において冷媒の流入側となる端部)が、それぞれ毛細管2a,2b,2c,2d,2eを介して分配器2に接続されている。また、各伝熱管1a,1b,1c,1d,1eの他端側(ここでは熱交換器が蒸発器として機能する場合において冷媒の流出側となる端部)は、それぞれヘッダー3に接続されている。

0028

図2は本発明の実施の形態1に係る熱交換器の分岐された毛細管の内径比率と長さ比率を比較例と比較して示す表である。

0029

ここでは、各伝熱管1a,1b,1c,1d,1eにおける熱交換量が最小、最大で3倍の差が開く状態として、各伝熱管1a,1b,1c,1d,1eの熱交換量を、伝熱管1aでは30%、伝熱管1bでは25%、伝熱管1cでは20%、伝熱管1dでは15%、伝熱管1eでは10%といった形で示している。これらの合計は100%である。

0030

また、ここでは、各毛細管2a,2b,2c,2d,2eとして、最も短い毛細管の長さは構造制約条件のため定まっているとしてそれを元にした他の毛細管の長さがどのような比率になるかを示している。

0031

比較例Aは、全て同じ内径の毛細管を使用した場合であり、必要な圧力損失の比率に比例して長さが定まるため、熱交換量の少ない伝熱管1eの毛細管2eの長さが、最低長さの9倍と長くなっている。

0032

実施例は、全体として毛細管長さが短くなるように毛細管2a,2b,2c,2d,2eの内径寸法を2種類使用している。毛細管2eの内径に対して、他の毛細管2a,2b,2c,2dでは内径寸法が1.6倍となることで、毛細管2eにおける毛細管長さに対する圧力損失は9倍程度になっている。毛細管2eにおいて圧力損失をつけるために必要な長さが比較例Aと比べて短縮されている。

0033

比較例Bは、前述の実施例と同様に毛細管2a,2b,2c,2d,2eの内径寸法を2種類使用しているが、本発明で定義している最大冷媒流量差3倍への対応に必要な内径差1.6倍を超えて内径寸法差をつけた事例を示している。内径寸法差を1.8倍とした結果、圧力損失差を9倍程度とするために、内径が大きく(=圧力損失が小さく)かつ冷媒量が多い毛細管2a,2b,2c,2dの必要長さを増さざるを得ない結果となっている。つまり、比較例Bは、各毛細管2a,2b,2c,2d,2eの内径寸法に1.6倍を超えて差をつけても全体として毛細管2a,2b,2c,2d,2eの長さの短縮にはつながらないことを示している。

0034

また、実施例及び比較例Bのように内径の異なる2種類の毛細管2a,2b,2c,2d,2eを使用する場合、その外径寸法を統一することで、分配器2への組み付け部位での受け手側仕様を統一することができる。このため、さまざまな機種にて分配器2を共通化して使用することができる。

0035

ここで、内径寸法の異なる毛細管2a,2b,2c,2d,2eで外径寸法を統一するということは、各毛細管2a,2b,2c,2d,2e間で肉厚に差が生じることを意味する。ろう付けによって分配器2へ毛細管2a,2b,2c,2d,2eを組み付ける場合において、毛細管2a,2b,2c,2d,2eの肉厚差による熱容量差の影響を考慮すると、同一肉厚毎にまとめて分配器2に配置することがよい。このようにすることで、ろう付けのあぶり時間調整などの製造上の調整が容易になる。

0036

また、実施例及び比較例Bのように内径の異なる2種類の毛細管2a,2b,2c,2d,2eを使用する場合、製造時の組立の際に外観を目視するだけで内径寸法の違いを判別できるように、マーキング有無や、マーキング色を異ならせればよい。

0037

以上の構成を有する本実施の形態1の熱交換器10において、熱交換器10を通過する冷媒は、管板4a,4bの両側に配置された分配器2とヘッダー3との間を伝熱管1a,1b,1c,1d,1eに分岐して流れる。各伝熱管1a,1b,1c,1d,1eでの冷媒流量は、分配器2と各伝熱管1a,1b,1c,1d,1eとの間をつなぐ毛細管2a,2b,2c,2d,2eにより調整される。

0038

本実施の形態1の熱交換器10によれば、複数の毛細管2a,2b,2c,2d,2eは、これらの内径寸法が2種類に限定され、内径寸法の大きな毛細管は、内径寸法の小さな毛細管に対して1.3倍〜1.6倍の内径寸法としたので、各毛細管2a,2b,2c,2d,2eの長さを必要最低限に抑えることができる。また、管理すべき毛細管2a,2b,2c,2d,2eの種類が2種類だけとなって生産管理の負担を軽減することができる。

0039

実施の形態2.
図3は本発明の実施の形態2に係る熱交換器を備えた冷凍サイクル装置、例えば空気調和機冷房運転時における冷媒回路図であり、図中、前述の実施の形態1に相当する部分には同一符号を付してある。なお、説明にあたっては前述の図1を参照するものとする。
本実施の形態2の冷凍サイクル装置、例えば空気調和機は、図3に示すように、圧縮機31と、圧縮機31からの冷媒の流れを切換え四方切換弁32と、冷房運転時には、内部の冷媒が熱を放散する放熱器(凝縮器)となり、暖房運転加熱運転)時には、内部の冷媒が蒸発する蒸発器となる室外熱交換器10Aと、内部を通過する冷媒を減圧する電子膨張弁(減圧器)33とを備えている。また、冷房運転(冷却運転)時には、内部の冷媒が蒸発する蒸発器となり、暖房運転時には、内部の冷媒が熱を放散する放熱器(凝縮器)となる室内熱交換器10Bと、圧縮機31の吸入側配管に接続されたアキュームレーター34とを備えている。そして、圧縮機31と、四方切換弁32と、室外熱交換器10Aと、電子膨張弁33と、室内熱交換器10Bと、アキュームレーター34とは、冷媒配管を介して順次接続されて構成されている。なお、アキュームレーター34は、冷凍サイクル回路中の過剰な冷媒を貯留したり、圧縮機31に冷媒液が多量に戻って圧縮機31が破損したりするのを防止する働きがある。

0040

本実施の形態2では、圧縮機31、四方切換弁32、室外熱交換器10A、電子膨張弁33、及びアキュームレーター34が、室外機30に収容され、室内熱交換器10Bが、室内機40に収容されている。

0041

また、室外熱交換器10Aと室内熱交換器10Bは、いずれも図1のように各伝熱管1a,1b,1c,1d,1eの一端側(熱交換器が蒸発器として機能する場合において冷媒の流入側となる端部)が、それぞれ毛細管2a,2b,2c,2d,2eを介して分配器2に接続されている。また、各伝熱管1a,1b,1c,1d,1eの他端側(熱交換器が蒸発器として機能する場合において冷媒の流出側となる端部)は、それぞれヘッダー3に接続されている。毛細管2a,2b,2c,2d,2eは、既述したように、これらの内径寸法が2種類に限定され、内径寸法の大きな毛細管は、内径寸法の小さな毛細管に対して1.3倍〜1.6倍の内径寸法となっている。

0042

次に、以上のように構成された冷凍サイクル装置、例えば空気調和機の運転動作について、図3を用いて冷房運転動作、暖房運転動作の順で説明する。
冷房運転が開始されると、圧縮機31から室外熱交換器10Aへ冷媒が流れるように四方切換弁32が切り換えられる。これにより、圧縮機31で圧縮された高温高圧の冷媒は、室外熱交換器10Aに流れ、凝縮し、液化した後、電子膨張弁33で絞られ、低温低圧二相状態となり、室内熱交換器10Bへ流れ、蒸発し、ガス化して四方切換弁32、アキュームレーター34を通って再び圧縮機31に戻る。すなわち、図3破線矢印で示すように冷媒は循環する。

0043

次に、暖房運転について説明する。暖房運転が開始されると、圧縮機31から室内熱交換器10Bへ冷媒が流れるように四方切換弁32が切り換えられる。これにより、圧縮機31で圧縮された高温高圧の冷媒は、室内熱交換器10Bに流れ、凝縮し、液化した後、電子膨張弁33で絞られ、低温低圧の二相状態となり、室外熱交換器10Aへ流れ、蒸発し、ガス化して四方切換弁32、アキュームレーター34を通って再び圧縮機31に戻る。すなわち、冷房運転から暖房運転に変わると、室内熱交換器10Bが蒸発器から凝縮器に変わり、室外熱交換器10Aが凝縮器から蒸発器に変わり、図3実線矢印で示すように冷媒は循環する。

0044

本実施の形態2の冷凍サイクル装置においては、蒸発器となる室外熱交換器10A又は室内熱交換器10Bとして、前述の実施の形態1で説明した熱交換器10を用いているので、各毛細管の長さを必要最低限に抑えることができ、小型化が図れる。

0045

1a,1b,1c,1d,1e伝熱管(冷媒流路)、2分配器、2a,2b,2c,2d,2e毛細管、3ヘッダー、4冷却フィン、4a,4b管板、10熱交換器、10A室外熱交換器、10B室内熱交換器、30室外機、31圧縮機、32四方切換弁、33電子膨張弁(減圧器)、34アキュームレーター、40室内機。

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