(57)【要約】【課題】本発明は、流量分配の不均一を抑制するヘッダを備えた熱交換器、及びこれを備えたヒートポンプ装置を提供する。  【解決手段】鉛直方向に配置された筒状のヘッダ１０と、ヘッダ１０の鉛直方向の側壁に接続される分岐管３０と、分岐管３０の入口と対向するヘッダ１０の壁面であって、分岐管３０の入口よりも下部に配置されている突出部１１，１３と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向に配置された筒状のヘッダと、前記ヘッダの鉛直方向の側壁に接続される分岐管と、前記分岐管の入口と対向する前記ヘッダの壁面であって、前記分岐管の入口よりも下部に配置されている突出部と、を備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
底部に冷媒流入部を有する鉛直方向に配置された筒状のヘッダと、前記ヘッダの鉛直方向の側壁に接続される分岐管と、前記分岐管の入口と対向する前記ヘッダの壁面であって、前記分岐管の入口よりも前記ヘッダ内の上流に配置されている突出部と、を備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
鉛直方向に配置された筒状のヘッダと、前記ヘッダの鉛直方向の側壁に接続される分岐管と、前記ヘッダ内の側面に鉛直方向に交互に突出部と、を備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
前記突出部の間隔を上方ほど密にしたことを特徴する、請求項１乃至３のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項５】
前記突出部は板状であって、前記ヘッダ内の上方の前記突出部が、前記ヘッダ内の下方の前記突出部よりも板厚が厚いことを特徴する、請求項１乃至３のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項６】
前記突出部は板状部材をプレートの上に形成されており、該プレートが前記ヘッダ内に挿入されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の熱交換器
【請求項７】
請求項１乃至３のいずれかに記載の熱交換器を用いたことを特徴とするヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器及びこれを用いたヒートポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、冷凍サイクルを構成する蒸発器に、気液二相の冷媒を均等に分配する分流器に関するものとして、細管の上流の分流器本体内にメッシュと静翼とを配置する構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−２２００５４公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、複数の伝熱管（細管）を所定の間隔で鉛直方向に接続した筒状のヘッダ（分流器）の流入部にメッシュと静翼を配置することにより、メッシュ及び静翼の下流直後は冷媒の気液混合が図れる。しかし、そのすぐ下流で気液が均質でない本来の流動状態に戻り、伝熱管の分岐部での気液混合状態を維持できず、各伝熱管への流量分配の不均一を改善する効果が小さい。
【０００５】
そこで、本発明は、流量分配の不均一を抑制するヘッダを備えた熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明に係る熱交換器は、鉛直方向に配置された筒状のヘッダと、前記ヘッダの鉛直方向の側壁に接続される分岐管と、前記分岐管の入口と対向する前記ヘッダの壁面であって、前記分岐管の入口よりも前記ヘッダ内の上流に配置されている板状部材と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、流量分配の不均一を抑制するヘッダダを備えた熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１に係る空気調和機のサイクル構成図である。
【図２】実施例１に係る熱交換器の図である。
【図３】実施例１に係る熱交換器のヘッダの断面図である。
【図４】図３のＡ-Ａ断面図である。
【図５】図３のＢ-Ｂ断面図である。
【図６】突出部のない４分岐のヘッダの分配特性を表わす図である。
【図７】突出部のない４分岐のヘッダの内部流動状態を表わす図である。
【図８】突出部のある４分岐のヘッダの分配特性を突出部のない場合と比較した図である。
【図９】突出部のある４分岐のヘッダの内部流動状態を表わす図である。
【図１０】実施例２に係る熱交換器のヘッダの断面図である。
【図１１】図１０のＣ−Ｃ断面図である。
【図１２】図１０のＤ−Ｄ断面図である。
【図１３】実施例３に係る熱交換器のヘッダの断面図である。
【図１４】実施例４に係る熱交換器のヘッダの断面図である。
【図１５】実施例５に係る熱交換器のヘッダの断面図である。
【図１６】実施例５に係る突出部を形成するシートの図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、鉛直方向に配置された筒状のヘッダと、前記ヘッダの鉛直方向の側壁に接続される分岐管と、前記分岐管の入口と対向するヘッダの壁面であって、前記分岐管の入口よりも下部に配置されている突出部と、を備える。
【００１０】
また、底部に冷媒流入部を有する鉛直方向に配置された筒状のヘッダと、前記ヘッダの鉛直方向の側壁に接続される分岐管と、前記分岐管の入口と対向する前記ヘッダの壁面であって、前記分岐管の入口よりも前記ヘッダ内の上流に配置されている突出部と、を備える。
【００１１】
また、鉛直方向に配置された筒状のヘッダと、前記ヘッダの鉛直方向の側壁に接続される分岐管と、前記ヘッダ内の側面に鉛直方向に交互に突出部と、を備える。
【００１２】
これらにより、分岐管の入口位置との関係で、浮力に抗して気相の流れを変えることで、ヘッダ内全体で気液が混合されるため、流量分配の不均一を改善することができる。
【００１３】
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【実施例１】
【００１４】
図１は本実施例に係るヒートポンプ装置としての空気調和機のサイクル構成図である。冷房運転時は、圧縮機３より吐出された高温且つ高圧の冷媒は、四方弁４を介して凝縮器として働く室外熱交換器２に流入する。室外熱交換器２に流入した冷媒は、室外送風ファン２ｆによって送られる室外の空気と熱交換することで、凝縮されて液冷媒となる。液冷媒は、膨張弁５を通過することで低温低圧の二相冷媒になり、蒸発器として働く室内熱交換器１に流入する。室内熱交換器１に流入した低温低圧の二相冷媒は、室内送風ファン１ｆによって送られる室内の空気と熱交換し蒸発する。このとき、室内熱交換器１に送られた室内の空気は、室内熱交換器１に流入した低温低圧の二相冷媒によって冷却され、吹出口から室内に吐出される。吹出口から室内に吐出される空気は、吸込口における空気の温度よりも低いため、室内の温度を下げることができる。室内熱交換器１で熱交換された冷媒は四方弁４を介して再び圧縮機３に戻る。圧縮機３と室外熱交換器２と室外送風ファン２ｆと膨張弁５は室外機に配置され、室内熱交換器１と室内送風ファン１ｆは室内機に配置されている。
【００１５】
図２は本実施例に係る室内熱交換器１の図である。室内熱交換器１は、長手方向を鉛直方向に配置された円筒状のヘッダ１０、２０と、水平方向に所定の間隔で配置されるとともに、ヘッダ１０、２０の鉛直方向の側壁に接続される複数の伝熱管３０と、鉛直方向に所定の間隔で配置され伝熱管３０と接合された複数のフィン４０とから構成されている。冷房運転時は、ヘッダ２０の下方より気液二相の冷媒が流入し、冷媒はヘッダ２０で各伝熱管３０に分配され蒸発し、ヘッダ３０で合流し、上方より冷媒が流出する。
【００１６】
図３は本実施例に係るヘッダ１０の断面図である。円筒状のヘッダ１０の下部は冷媒が流入する開口部１６、上部は流出入がない閉止部１７を有し、側壁１５には分岐管（伝熱管）３０の端部３１がヘッダ１０の内部に突出しないか又はごくわずかしか突出しないように接続される。本実施例の分岐管３０は円管で、その本数は１０本である。また、分岐管３０の端部（入口）３１と対向する内壁面１５ａに、突出部１１が水平に分岐管３０と同じ高さ位置に配置されている。さらに、分岐管３０の端部３１側の内壁面１５ｂに、突出部１３が水平に分岐管３０同士の間隔で、上流側（鉛直下方）に２分の１の間隔をずらした高さ位置に配置されている。すなわち、突出部１１と１３はヘッダ１０の内部の壁面に、鉛直方向に対向する位置に交互に配置されている。また、突出部１１、１３は各分岐管３０の入口よりも上流に配置されている。
【００１７】
突出部１３は、本実施例では板状或いは平板状であり、ヘッダ１０の長手方向の壁面から略鉛直にヘッダ１０内に延在している。
【００１８】
図４、図５はそれぞれ図３のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図である。図３〜図５に示すように突出部１１、１３は半円板状で、側壁１５の切欠部１２、１４に挿入後、ロウ付けにより接合される。
【００１９】
次に本実施形態に係る実験結果について説明する。図６は突出部のない４分岐の長方形断面のヘッダの分配特性（各分岐の液相比率と入口乾き度）を表わす図である。蒸発器として働く熱交換器では冷却に寄与するのは蒸発潜熱をもつ液相冷媒であり、液相比率の分配比率が重要である。実験による各分岐の液相比率と入口の乾き度（気液二相流の気相比率）は、ヘッダ下流の各分岐管のヒータの加熱量と流量測定より推算した。ヘッダ入口の乾き度条件は０．２である。分岐Ｎｏ．は上から１〜４の順である。等分配の液相比率は０．２５である。分岐孔は扁平形状である。
【００２０】
図６において、液相比率は下側の３分岐（Ｎｏ．２〜４）に約３割ずつ分配され、一番上の分岐Ｎｏ．１には０．０６しか流れていない。また、この時の分岐入口の乾き度は、下側３分岐がほぼゼロで、気相がほとんど流入していないことを示している。
【００２１】
図７はこの時のヘッダの内部流動状態を表わす写真である。ヘッダ内の流動様式は、液相の流れの中を大小様々な気泡が流れるチャーン流と考えられる。また、液面が分岐Ｎｏ．１とＮｏ．２の間に存在し、上下に変動している。
【００２２】
図６及び図７から、液面より下にある分岐孔（分岐Ｎｏ．２〜４）に気相の非常に少ない冷媒がほぼ等しく分配されていることがわかる。これは浮力の影響により、気相が流れの向きを変えて側面の分岐孔にほとんど流入せず、そのまま上昇するためである。
【００２３】
液相比率の分配改善のためには、気相がほとんど流入しない下側の分岐孔に気相を流入させる工夫が必要である。そのため、分岐孔の反対側面に突出部を設け、浮力に抗して気相の流れを分岐孔の方向に変えるとともに、分岐孔側の側面にも突出部を設け、単純な上昇流を抑えることにより気液混合することを考案した。
【００２４】
図８は、突出部のある４分岐のヘッダの分配特性を突出部のない場合と比較した図である。突出部を設けることにより、一番上の分岐Ｎｏ．１の液相比率が約０．０６から０．１９に改善している。また、下側の３分岐（分岐Ｎｏ．２〜４）の入口乾き度はほぼゼロから０．１〜０．１８に改善している。
【００２５】
図９は、この時のヘッダの内部流動状態を表わす写真である。浮力による気相の鉛直上向きの流れに障害物となる交互の突出部を設置することにより気液が混合され、ヘッダ内全体にわたって気液の比率が均等化されたと考えられる。
【００２６】
本実施例のヘッダ１０においても、実験と同様に、浮力に抗して気相の流れを変える交互の突出部１１、１３を設けることにより、ヘッダ内全体で気液が混合され、流量分配の不均一を改善することができる。
【実施例２】
【００２７】
次に、実施例２について説明する。本実施例では実施例１と異なる部分について説明し、実施例１と重複する部分については説明を省略する。図１０は、実施例２に係る熱交換器のヘッダの断面図である。ヘッダ１０Ａの側壁１５には分岐管５０の端部５１がヘッダ１０Ａの内部に半径分突出すように接続される。また、分岐管５０と対応する内壁面１５ａに、突出部１１が分岐管５０どうしの間隔で、上流側（鉛直下方）に２分の１の間隔をずらした高さ位置に配置されている。すなわち、突出部１１と分岐管５０はヘッダ１０Ａの内部の壁面に、鉛直方向に対向する位置に交互に配置されている。また、突出部１１は各分岐管５０の入口よりも上流に配置されている。
【００２８】
図１１、図１２はそれぞれ図１０のＣ−Ｃ断面図、Ｄ−Ｄ断面図である。分岐管５０は図１１、１２に示すように扁平管で、その幅はヘッダ１０Ａの内径よりやや小さく、分岐管５０がヘッダ１０Ａ内部に突出している面積はヘッダ１０Ａの内断面の半分近くを占める。
【００２９】
本実施例では、実施例１の分岐管３０側に設けた突出部１３の代わりに、分岐管５０をヘッダ１０Ａの内断面の略半分突出すことにより、浮力による気相の鉛直上向きの流れに対し障害物なり、気液が混合され、実施例１と同様な効果が得られる。また、実施例１と比較して、別途の突出部１３を少なくできるので、製作費用を抑えることができる。
【実施例３】
【００３０】
図１３は、実施例３に係る熱交換器のヘッダの断面図である。ヘッダ１０Ｂの突出部１１、１３の配置を上流側のヘッダ下半分で粗く、下流側のヘッダ上半分で密にしたものである。すなわち、突出部１１，１３の間隔を上方ほど密にしている。冷媒は開口部１６から流入し、下の分岐管３０から順に冷媒が分流していくため、ヘッダ１０Ｂ内の冷媒は上に行くほど減速する。冷媒の速度が遅いほど、突出部１１、１３による気液混合の効果が小さくなる。したがって、冷媒速度が遅くなるヘッダ上部ほど、突出部１１、１３の設定密度を大きくすることにより、気液混合の効果を得ることができる。
【実施例４】
【００３１】
図１４は、実施例４に係る熱交換器のヘッダの断面図である。ヘッダ１０Ｃは、実施例３のヘッダＢの上半分で突出部１１，１３を密に設置する代わりに、板厚の大きい突出部６０、６１を設けている。すなわち、突出部１１，１３は板状であって、ヘッダ１０Ｃ内の上方の突出部１１，１３が、ヘッダ１０Ｃ内の下方の突出部１１，１３よりも板厚が厚い。これにより、ヘッダ１０Ｃの上半分の内容積が小さくなることにより、冷媒速度が増加し、突出部への衝突による気液混合の効果を得ることができる。
【実施例５】
【００３２】
図１５は、実施例５に係る熱交換器のヘッダの断面図である。ヘッダ１０Ｄは、実施例２の突出部１１の代わりに、突出部７１を形成するシート７０（プレート）を挿入することにより、突出部を構成している。すなわち、突出部７１は板状部材をシート７０（プレート）の上に形成されており、該シート７０がヘッダ１０Ｄ内に挿入されている。図１６に示すように、シート７０は長方形の板で、長手方向に所定の間隔で設置された突出部７１となる半円が弧の一部７２を残して切断され、弧の一部７２で垂直に曲げられる。シート７０は長手方向と垂直方向に丸められ、ヘッダ１０Ｄの下方より挿入される。
【００３３】
本実施例では、ヘッダの側壁に切欠部を設け、そこに突出部を挿入し、ロウ付けする作業を無くすことができるので、製作費を抑えることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  室内熱交換器
１０，１０Ａ，１０Ｂ,１０Ｃ，１０Ｄ  ヘッダ
１１，１３，６０，６１，７１  突出部
１５ａ，１５ｂ  内壁面
３０  伝熱管（分岐管）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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