JP3158722B2

JP3158722B2 - 気液分離型熱交換器

Info

Publication number: JP3158722B2
Application number: JP26377192A
Authority: JP
Inventors: 浩幸山下; 克宏川端; 晃一安尾
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1992-10-01
Filing date: 1992-10-01
Publication date: 2001-04-23
Anticipated expiration: 2016-04-23
Also published as: JPH06117728A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、ヒートポンプ式の冷
凍サイクルに適用可能な気液分離型熱交換器に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】一般に大容量の熱交換器や複数本の細径
管(例えば、直径9.5mm以下)を伝熱管に用いた熱交換器
をヒートポンプ式冷凍サイクルに用いる場合には、熱交
換器の管内を流れる冷媒の圧力損失による冷媒温度の低
下を防止する観点から、特に蒸発器などにおいては伝熱
管を複数本使用する多パス式とし、１パス当たりの冷媒
循環量を減少させて圧力損失の増大を抑えることが試み
られている。ところが、蒸発器の入口側においては膨張
後の冷媒が気液二相状態となっていることから、気液比
率の制御が不能で冷媒を蒸発器の各パスに対して均一に
分配することが難しい。

【０００３】このため、各パス毎の冷媒循環量の不均一
により本来有している熱交換器の能力を十分に活用でき
ないという問題があった。

【０００４】このような問題を解決する手段の一つとし
て、例えば図３に示すように多パス分配が必要となる蒸
発器４の冷媒入口８上流側に気液分離器２０を設け、該
気液分離器２０において気液二相状態の冷媒をガス冷媒
と液冷媒とに分離させ、熱交換に対する貢献度の小さい
ガス冷媒はこれを蒸発器４をバイパスするバイパス管路
１８から蒸発器４の下流側に迂回させ、当該蒸発器４に
は液冷媒のみを単相状態で各パスに分配させることで、
気液比率を考慮することなく冷媒の均一な分配を実現す
るようにすることが考えられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記構成で
は、図３から明らかなように、膨張弁５から室内熱交換
器(蒸発器)４までの冷媒循環管路１４上に独立した気液
分離器２０が存在するようになるとともに、蒸発器４に
別途バイパス配管１８を並設しなければならないことに
なって、メッシュフィン本来の特徴を活かしたコンパク
ト化が図りにくくなる欠点が生じる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本願の請求項１および２
記載の発明の気液分離型熱交換器は、上記の問題を解決
し、システムのコンパクト化を可能にすることを目的と
してなされたもので、各々次のように構成されている。

【０００７】(１) 請求項１記載の発明の気液分離型熱
交換器の構成該請求項１記載の発明の気液分離型熱交換器は、例えば
図１および図２に示すように、上下方向に離設した入口
ヘッダー５２と出口ヘッダー５３間を複数本の伝熱細管
５４,５４・・・で連結する一方、上記複数本の伝熱細
管５４,５４・・・部にメッシュフィン５６,５６・・・
を設けてなる多パス型熱交換器において、上記下方側入
口ヘッダー５２の開口部と上記上方側出口ヘッダーの開
口部とを所定の長さの気液分離筒４２で連結するととも
に該気液分離筒４２の上部に気液２相冷媒の供給管１４
を接続したことを特徴とするものである。

【０００８】(２) 請求項２記載の発明の気液分離型熱
交換器の構成該請求項２記載の発明の気液分離型熱交換器は、上記請
求項１記載の発明の多パス型熱交換器が、ヒートポンプ
式空気調和装置の熱交換器４として構成されていること
を特徴とするものである。

【０００９】

【作用】本願の請求項１および２記載の発明の気液分離
型熱交換器は、上記のように構成されている結果、それ
ぞれ次のような作用を奏する。

【００１０】(１) 請求項１記載の発明の気液分離型熱
交換器の作用請求項１記載の発明の気液分離型熱交換器の構成では、
上下方向に離設した入口ヘッダー５２と出口ヘッダー５
３間を複数本の伝熱細管５４,５４・・・で連結する一
方、上記複数本の伝熱細管５４,５４・・・部にメッシ
ュフィン５６,５６・・・を設けてなる多パス型熱交換
器において、上記下方側入口ヘッダー５２の開口部と上
記上方側出口ヘッダー５３の開口部とを所定の長さの気
液分離筒４２で連結するとともに該気液分離筒４２の上
部に気液２相冷媒の供給管１４を接続しており、該気液
二相冷媒供給管を介して導入された気液二相冷媒を当該
気液分離筒４２内でガス冷媒と液冷媒との上下２層に分
離し、ガス冷媒を上記出口ヘッダー５３の一部を介して
バイパスさせるとともに液冷媒のみを上記入口ヘッダー
５２を介して上記伝熱細管５４,５４・・・に供給分配
するようになっている。

【００１１】したがって、各伝熱細管５４,５４・・・
に分配供給される冷媒は、ガス冷媒との比率を問題にし
なくても良い液冷媒のみとなり、圧損も少なく均一に分
配できるようになる。

【００１２】その結果、熱交換部の熱交換能力を十分に
発揮させることができ、熱交換性能も向上する。

【００１３】(２) 請求項２記載の発明の気液分離型熱
交換器の作用請求項２記載の発明の気液分離型熱交換器の構成では、
上記請求項１記載の発明の多パス型熱交換器が、図３に
例示したようなヒートポンプ式空気調和装置の熱交換器
４として構成されている。

【００１４】したがって、例えば冷房運転時において、
圧縮機から吐出される高温高圧のガス冷媒は、先ず凝縮
器に流入し、該凝縮器において凝縮されて液冷媒とな
る。そして、この液冷媒が、膨張弁において減圧膨張さ
れ、気液二相冷媒となって上記蒸発器４の気液分離筒４
２内に流入する。

【００１５】気液分離筒４２においては、気液二相冷媒
が、その冷媒の流動圧を受けて拡散状態で流入する。こ
のため、該気液二相冷媒は、流路面積の急拡大に伴う流
速の低下によりスムーズに気液分離される。そして、分
離された冷媒は一旦気液分離筒４２の低部に溜り、ここ
から蒸発器４の分配器部である入口ヘッダー部５３側に
流出せしめられる。これに対して、分離されたガス冷媒
は、バイパス管路としての出口ヘッダー部５２一端を介
して上記蒸発器４の伝熱管部をバイパスしてその下流側
に速やかに流出される。

【００１６】従って、該熱交換器(この場合は蒸発器)４
においては、分配器としての機能を果たす入口ヘッダー
部５３に液冷媒のみが単相状態で導入されることから、
例えば、冷媒が気液二相状態で導入される場合に比し
て、はるかに効果的な各パスへの冷媒の均一分配が実現
され、圧損も低下する。この結果、該熱交換器において
は、熱交換にほとんど貢献しないガス冷媒が流れず各パ
ス部での冷媒の圧力損失も小さいことも手伝って、より
高い熱交換性能が確保される。

【００１７】

【発明の効果】したがって、本願発明の気液分離型熱交
換器によると、均一な液冷媒の供給による熱交換性能向
上効果を実現し得て、しかも気液分離筒が蒸発器自体に
一体に組込まれるようになるとともにバイパス管が不要
となるので、システム自体をコンパクト化することが可
能となる。

【００１８】

【実施例】

(１) 第１実施例先ず図１は、本願発明の第１実施例に係る気液分離型メ
ッシュフィン熱交換器の構成を示している。

【００１９】本実施例の気液分離型熱交換器は、例えば
多パス方式のメッシュフィン型熱交換器(蒸発器)の入口
ヘッダー部側と出口ヘッダー部側間に、液冷媒とガス冷
媒とを相互に分離する気液分離筒(器)を組込んだことを
特徴とするものである。

【００２０】すなわち、図１において、先ず符号５２は
当該メッシュフィン型室内熱交換器(蒸発器)のガス冷媒
出口ヘッダー、また５３は液冷媒入口ヘッダーであり、
該出口ヘッダー５２および入口ヘッダー５３の一端は上
下方向に立設された気液分離筒４２の上下に各々連通し
て接続一体化されている。

【００２１】これら出口ヘッダー５２および入口ヘッダ
ー５３間には、それらの長手方向に所定の間隔を置いて
複数の伝熱細管５４,５４・・が相互に平行に連結され
ており、該伝熱細管５４,５４・・・に対して前後方向
に複数枚のメッシュフィン５６,５６・・・が取付けら
れている。また、上記出口ヘッダー５２の長手方向中間
部には圧縮機１側へのガス冷媒循環管路１２が接続され
ている。さらに、上記出口ヘッダー５２の上記気液分離
筒４２との接続部付近には、逆流防止用の絞り４３が設
けられている。

【００２２】そして、上記気液分離筒４２内には、上方
側から上記膨張弁５を介した冷媒循環管路１４の先端部
１４aが挿入接続され、矢印方向に気液二相状態の冷媒
流が導入されるようになっている。

【００２３】したがって、上記気液分離筒４２内に導入
された気液二相冷媒は、その重量差により当該分流筒２
２内で図示の如く上下２層に分離され、上層側ガス冷媒
は上記絞り４３を介して出口ヘッダー５２を通り、ショ
ートサーキットして循環管路１２から圧縮機吸入側に速
やかに戻される。つまり、室内熱交換器(蒸発器)４をバ
イパスすることになる。

【００２４】他方、下層側液冷媒は、入口ヘッダー５３
を介して複数本の伝熱細管５４,５４・・・に均一に分
配され、メッシュフィン５６,５６・・・を介して空気
流と効果的に熱交換されて蒸発しガス冷媒となった後、
出口ヘッダー５２を介して上記冷媒循環管路１２に供給
される。

【００２５】このように、本実施例の構成では、薄形化
の可能な上記メッシュフィン型室内熱交換器を例えば蒸
発器として使用する場合、その入口ヘッダー５３上流部
分の気液分離筒４２に気液分離器としての機能を持た
せ、該部分で分離されたガス冷媒を出口ヘッダー５２を
図２のバイパス管路１８として利用してバイパスさせる
とともに、液冷媒のみを下方側入口ヘッダー５３から各
伝熱細管５４,５４・・・に分配するようにしているか
ら、圧力損失も小さく各伝熱細管５４,５４・・・部に
均一に液冷媒のみを分配し得るようになり、熱交換能力
も向上する。又図３のようなバイパス管路１８が不要と
なり、ヘッダー部の構造も簡単で済むようになる。従っ
て、システムのコンパクト化が可能となる。

【００２６】(２) 第２実施例次に、図２は、本願発明の第２実施例に係る気液分離型
メッシュフィン熱交換器の構成および作用を示してい
る。

【００２７】本実施例の気液分離型メッシュフィン熱交
換器は、特に上記した図３のようなヒートポンプサイク
ルに適するように、冷房運転時の液面制御機能および暖
房運転時のガス冷媒逆流防止機能を備えて構成されてお
り、例えば多パス方式のメッシュフィン型熱交換器(蒸
発器)の入口ヘッダー部側と出口ヘッダー部側間に、内
部にフロート機構を備えて液冷媒とガス冷媒とを相互に
分離する気液分離筒(器)を組込んだことを特徴とするも
のである。

【００２８】すなわち、図２において、先ず符号５２は
当該メッシュフィン型室内熱交換器(蒸発器)のガス冷媒
出口ヘッダー、また５３は液冷媒入口ヘッダーであり、
該出口ヘッダー５２および入口ヘッダー５３の一端は上
下方向に立設された気液分離筒４２の上下に各々連通し
て接続一体化されている。

【００２９】これら出口ヘッダー５２および入口ヘッダ
ー５３間には、それらの長手方向に所定の間隔を置いて
複数の伝熱細管５４,５４・・が相互に平行に連結され
ており、該伝熱細管５４,５４・・・に対して前後方向
に複数枚のメッシュフィン５６,５６・・・が取付けら
れている。また、上記出口ヘッダー５２の長手方向中間
部には圧縮機１側へのガス冷媒循環管路１２が接続され
ている。

【００３０】そして、上記気液分離筒４２内には、上方
側から上記膨張弁５を介した冷媒循環管路１４が接続さ
れ、矢印方向に気液二相状態の冷媒流が導入されるよう
になっている。

【００３１】一方、該気液分離器筒４２内の上下に所定
の長さを有する気液分離室内には、上下垂直方向に液面
制御部４０を形成するフロートパイプ５１が貫通せしめ
られている。

【００３２】そして、上記第４の冷媒循環管路１４から
は、冷房運転時において上記膨張弁５を介した気液２相
状態の冷媒流が下方に向けて導入され、その重量差を利
用してガス冷媒と液冷媒とが図示のように上下２層に分
離される。

【００３３】上記フロートパイプ５１は、上記出口ヘッ
ダー５２のガス冷媒をバイパスさせるためのバイパス管
路部５２ＢＰの基端部５２aと上記入口ヘッダー５３の
基端部５３aとをコ字状に相互に連通一体化させる構造
となっており、その上下両端部は細径部４６a,４６bに
形成されている。そして、その内部には、上下両端部が
円錐形状の弁体部４７b,４７aとなった所定長さの円柱
体形状のフロート４７が上記気液分離室内の液冷媒の液
面位の変化に応じて上下移動自在に嵌挿されている。さ
らに該フロートパイプ５１の上下両端部には、各々複数
の開孔４９,４９・・および５０,５０・・が形成されて
おり、同フロートパイプ５１内のフロート室とフロート
パイプ５１外の気液分離室とがフロート位置、換言する
と、液冷媒の液面位置に応じて連通せしめられるように
なっている。

【００３４】他方、上記フロートパイプ５１の上記上端
側細径部４６a上端側内には逆止弁を形成する球体弁で
あるボール４８が遊嵌されており、該ボール４８は所定
位置上方側の上昇位置規制用凸部４５によって上昇位置
が規制されている。該ボール４８の比重は、上記ガス冷
媒の比重よりも若干重い比重に設定されている。また、
上記フロート４７の比重は、ガス冷媒と液冷媒の比重の
中間の比重に設定されている。

【００３５】したがって、今例えばヒートポンプサイク
ルの冷房運転が開始されたすると、先ず図に示すよう
に、上記第４の冷媒循環管路１４を介して矢印方向に気
液２相状態の冷媒流が順次導入されるようになり、その
重量差(比重差)により液冷媒が下層部に溜って行く一
方、ガス冷媒が上層部に留るようになり、ガス冷媒と液
冷媒は上下２層に確実に分離される。

【００３６】しかし、上記冷房運転を開始してから所定
時間が経過するまでは、未だ液冷媒の液面位も低いの
で、上記フロートパイプ５１内のフロート４７はフロー
ト室下端まで下降していて、その本体部により上記フロ
ートパイプ５１下端側の開孔５０,５０・・・を閉塞す
る。従って、上記入口ヘッダー５３には未だ液冷媒が供
給されない。一方、上記フロートパイプ５１上端側の開
孔部４９,４９・・・は開放されているので、上記分離
されたガス冷媒は当該開孔４９,４９・・・を介して出
口ヘッダー５２の上記バイパス管路部５２ＢＰ側には流
れて行きバイパスされる。

【００３７】次に、上記運転の開始から所定の時間が経
過して、例えば図に示すようになった定常状態では液冷
媒の液面位が同図示のように略気液分離室の中間位置に
達し、フロート４７はフロートパイプ５１のの上端側開
孔４９,４９・・・と下端側開孔５０,５０・・・との中
間に位置するようになるので、上記気液分離室内低部の
液冷媒は下端側開孔５０,５０・・・を介して上記入口
ヘッダー５３側に圧力差に応じて流出して行くようにな
る一方、上部側のガス冷媒は同フロートパイプ５１の上
端側開孔４９,４９・・・を介してフロート室に入り十
分な圧力差により上記ボール４８を十分に浮上させるこ
とにより上記バイパス管路１８側に効率良く流出して行
く。このようにして、連続的な気液分離が行われ、上述
した各伝熱細管５４,５４・・(パス)に均一な液冷媒の
分配が行われて本来の良好な熱交換性能が発揮される。

【００３８】他方、さらに負荷変動等により冷媒流量が
増大した冷房運転時などにおいて、液面位が上昇しすぎ
ると、上記フロート４７もフロートパイプ５１内のフロ
ート室上端まで上昇して、その本体部が上記フロートパ
イプ５１上端側の開孔４９,４９・・・を閉塞する。こ
の結果、気液分離室内上層側ガス冷媒の上記バイパス管
路部５２ＢＰ側への流出は停止され、気液分離室内の内
圧が高くなり、液冷媒の流出速度が上昇して速やかに液
面位が下がり、やがて再びガス冷媒の流出が始まるよう
になる。このようにして、本実施例では、負荷変動によ
り冷媒流量や乾き度が変化したような場合でも、常に液
面位の変動を一定の範囲内に抑制することができ、常に
良好な熱交換性能を維持し得るようになる。

【００３９】また、一方暖房運転に切替えられた時に
は、液冷媒が上記と逆方向に流れる一方、上記バイパス
管路部５２ＢＰ側のガス冷媒が上記フロートパイプ５１
側に流入しようとするが、本実施例では上記バイパス管
路部５２ＢＰの基端部で逆止弁機能を果たすボール４８
が設けられているために、該場合には、球体弁であるボ
ール４８が当該バイパス管路部５２ＢＰの基端部を閉塞
し、液冷媒だけがスムーズに上記各伝熱細管５４,５４
・・に分配され、入口ヘッダー５３、フロートパイプ５
１から第４の冷媒循環管路１４側に流れるようになる。

【００４０】このように、本実施例の構成でも上記第１
実施例同様に、薄形化の可能な上記メッシュフィン型室
内熱交換器を例えば蒸発器として使用する場合、その入
口ヘッダー５３上流部分の気液分離筒４２に気液分離器
としての機能を持たせ、該部分で分離されたガス冷媒を
出口ヘッダー５２を図２のバイパス管路１８として利用
してバイパスさせるとともに、液冷媒のみを下方側入口
ヘッダー５３から各伝熱細管５４,５４・・・に分配す
るようにしているから、圧力損失も小さく各伝熱細管５
４,５４・・・部に均一に液冷媒のみを分配し得るよう
になり、熱交換能力も向上する。又図３のようなバイパ
ス管路１８が不要となり、ヘッダー部の構造も簡単で済
むようになる。従って、システムのコンパクト化が可能
となる。

【００４１】さらに、本実施例によると、上記の如くコ
ンパクトな構成となりながら２相冷媒の気液分離を効率
的、且つ安定的に行うことができるようになるととも
に、特に低圧力損失条件下においても暖房時など的確な
逆止弁作用が得られるようになり、ヒートポンプ式冷凍
サイクルにも十分に適用可能にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本願発明の第１実施例に係る気液分離
型メッシュフィン熱交換器の構成を示す正面図である。

【図２】図２は、本願発明の第２実施例に係る気液分離
型メッシュフィン熱交換器の構成を示す正面図である。

【図３】図３は、従来の一般的な空気調和機のヒートポ
ンプ式冷凍システムの構成を示す冷凍回路図である。

【符号の説明】

１１は室内熱交換器、１２,１４は冷媒循環管路、４２
は気液分離筒、５２は入口ヘッダー、５３は出口ヘッダ
ー、５４は伝熱細管、５６はメッシュフィンである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−89902（ＪＰ，Ａ) 特開平３−91663（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−189794（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−56782（ＪＰ，Ａ) 特開平１−121688（ＪＰ，Ａ) 特開平４−84097（ＪＰ，Ａ) 特開平１−121689（ＪＰ，Ａ) 実開昭56−45750（ＪＰ，Ｕ) 実開昭57−196957（ＪＰ，Ｕ) 実公昭51−20917（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 39/00 F25B 43/00 F28D 15/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】上下方向に離設した入口ヘッダー(５２)
と出口ヘッダー(５３)間を複数本の伝熱細管(５４),(５
４)・・・で連結する一方、上記複数本の伝熱細管(５
４),(５４)・・・部にメッシュフィン(５６),(５６)・
・・を設けてなる多パス型熱交換器において、上記下方
側入口ヘッダー(５２)の開口部と上記上方側出口ヘッダ
ーの開口部とを所定の長さの気液分離筒(４２)で連結す
るとともに該気液分離筒(４２)の上部に気液２相冷媒の
供給管(１４)を接続したことを特徴とする気液分離型熱
交換器。
【請求項２】上記多パス型熱交換器が、ヒートポンプ
式空気調和装置の熱交換器であることを特徴とする請求
項１記載の気液分離型熱交換器。