JP3705859B2 - 分配装置を備えた熱交換器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器を構成する複数のチューブに対して媒体を実質的に均一に分配して供給することが可能な分配装置を備えた熱交換器に属する。
【０００２】
【従来の技術】
熱交換器の性能は、熱交換器を構成する複数のチューブの外側を流通する流体側の熱伝達だけでなく、チューブ内を流通する流体の熱伝達、特に流体の分流に大きく影響を受ける。特に蒸発器においては、気液混合状態で蒸発器に導入された冷媒は、気相と液相のボイド率（気液二相流体中で気体の占める容積の割合）により、それぞれ慣性力が異なり、特定のチューブに液相の冷媒が集中し、また別のチューブに気相の冷媒が集中するというように蒸発器内で温度分布が生じ、この結果、大きな性能低下を招いている。
【０００３】
そこで、各チューブに均一に冷媒を分布させるものとして、図７に示すような分配装置を備えた蒸発器が発明されている。この蒸発器１００は、冷媒の分配、集合を司るタンク部１０１，１０２、及びタンク部１０１，１０２間を連通するチューブ部１０３を有する流路管（チューブ）１０４を複数積層して成っている。そして、複数のタンク部１０１で入口タンクが蒸発器１００の上端部に構成され、また、複数のタンク部１０２で出口タンクが蒸発器１００の下端部に構成されている。更に、冷媒の導入管１０５の一端に接続された絞り部１０６から分配部１０７を介して各タンク部１０１へ向けて、それぞれ一つのチューブ１０４にのみ連通する分配管（分配通路）１０８が設けられている。この従来例の場合、絞り部１０６、分配部１０７、及び分配管１０８で分配装置が構成されている。この分配装置により、各チューブ１０４に均一に冷媒を分配しようとするものである。
【０００４】
また、この蒸発器に対する多数の分配管の取り付け性の改善や引き回しスペースの簡略化の為に、図８、図９、及び図１０に示すように、多穴管１０９を分配管として熱交換器１００のタンク内に設けるものが、特開平４−１５５１９４号公報に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、絞り部を経た冷媒は、気液混合状態となり、適当に分配管を分配部に接続したのでは、冷媒は分配管に均一に分配されないという問題点があった。図８、図９、及び図１０に示す蒸発器においても、分配管の取り付け性の簡略化や引き回しスペースの削除については効果があるが、チューブへの冷媒の均一な分配は、多穴管１０９に冷媒が均一に導入されないことには成り立たないものである。しかしながら、特開平４−１５５１９４号公報には、多穴管１０９への冷媒の均一な導入手段については一切開示されていない。
【０００６】
それ故に、本発明の課題は、熱交換器を構成する複数のチューブに対して媒体を均一に分配することが可能な分配装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明によれば、複数のチューブと、該複数のチューブを互いに連通させるタンクと、分配装置とを有し、前記分配装置は、媒体のボイド率が異なる複数の領域を有する分配部と、該分配部から媒体を前記チューブに分配するための複数の分配通路とを有し、前記複数のチューブが複数のチューブ群に分かれるように、前記タンク内が複数の区域に仕切られ、前記複数の分配通路の一端は、それぞれ前記複数の領域に接続され、前記複数の分配通路の他端は、それぞれ前記複数の区域に接続され、更に、前記各領域のボイド率に応じて、前記各区域における前記チューブの本数を増減することにより、前記各チューブに供給される前記媒体の質量流量を実質的に均一にしたことを特徴とする分配装置を備えた熱交換器が得られる。
【０００８】
請求項２記載の発明によれば、前記各領域における分配通路の内断面積の和が、該各領域間において実質的に等しく設定されていることを特徴とする請求項１記載の分配装置を備えた熱交換器が得られる。
【００１０】
請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の分配装置を備えた熱交換器における媒体の分配設定方法であって、前記チューブ１本当たりの質量流量をｇ（ｋｇ／ｈ）とし、前記熱交換器内を流通する前記媒体の全質量流量をＧ（ｋｇ／ｈ）とし、前記各領域における分配通路の内断面積の和をＡＰｎ（ｍｍ２ ）とし、前記分配通路の総内断面積をＡＰ０（ｍｍ２ ）とし、前記各領域におけるボイド率をαｎとし、前記各区域における前記チューブの本数をＮｎとした場合に、前記ＡＰｎ、及び前記Ｎｎを、ｇ＝Ｇ×（ＡＰｎ／ＡＰ０）×（１／αｎ）×（１／Ｎｎ）の式に基づいて設定することを特徴とする分配装置を備えた熱交換器における媒体の分配設定方法が得られる。
【００１１】
【作用】
本発明の場合、分配装置の分配部内におけるボイド率に差がある領域に、それぞれ分配通路（穴のように、管状を成さないものもあるので、穴状のもの、管状のものを纏めて分配通路と呼ぶ）の一端を接続してある（ボイド率の異なる各領域に接続された分配通路の本数は、１本に限らず複数本の場合もある）。こうすることで、ボイド率の分布が、流量、流速によって変化したとしても、常に各領域に接続された分配通路間において、ボイド率に差をつけることができる。
【００１２】
ボイド率の小さい領域に接続された分配通路の内断面積の和と、ボイド率の大きい領域に接続された分配通路の内断面積の和とを、実質的に等しく設定した場合、各領域に接続された分配通路内を流れる媒体の質量流量は、ボイド率の小さい領域に接続された分配通路の方が多く、逆にボイド率の大きい領域に接続された分配通路の方が少ない。このため、各チューブに均一な量の媒体を導入させるには、ボイド率の小さい領域に接続された分配通路と連通するチューブの本数を多くすれば良い。このために、熱交換器のタンク内を仕切って複数の区域を構成し、この区域により、複数のチューブを複数のチューブ群に分け、各区域にそれぞれ一の領域に接続された分配通路を接続し、その際に、ボイド率の小さい領域に接続された分配通路は、チューブ本数の多い区域に接続し、ボイド率の大きい領域に接続された分配通路は、チューブ本数の少ない区域に接続することで、各チューブにおける質量流量の均一化が可能と成る。尚、ボイド率の小さい領域の媒体は、液相に近いため、この領域に分配通路を通じて連通した区域のチューブの本数が多くても、この区域内のチューブには均一に媒体が供給される。
【００１３】
反対に、各区域のチューブの本数を実質的に均一にした場合、ボイド率の小さい領域に接続した分配通路の質量流量と、ボイド率の大きい領域に接続した分配通路の質量流量とを等しくしなければならない。このためには、ボイド率の小さい領域に接続した分配通路の内断面積の和を、ボイド率の大きい領域に接続した分配通路の内断面積の和よりも小さくすれば良い。こうすることにより、各分配通路の導入される媒体の質量流量を均一にでき、この結果、各チューブに均一に媒体が供給される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施形態による分配装置を備えた熱交換器を示し、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図、図２は図１に示す分配装置を備えた熱交換器の斜視図、図３は図１に示す分配装置を備えた熱交換器の冷媒の流れを示す説明図である。
【００１５】
図１乃至図３を参照して、本発明の第１の実施形態による熱交換器１は、複数のチューブ１０と、入口タンク１１と、出口タンク（入口タンク１１に並設されているので、図面上現れない）と、複数のフィン１３とを有している。
【００１６】
チューブ１０は、その内部に略Ｕ字状の冷媒通路を有するものである。複数のチューブ１０は、一定間隔で入口タンク１１、及び出口タンクに接続されているが、入口タンク１１に対しては、チューブ１０の下端部の一方側で接続され、出口タンクに対しては、チューブ１０の下端部の他方側で接続されている。これにより、図３に示す冷媒流路が構成される。
【００１７】
入口タンク１１内は、第１乃至第３の仕切り板１１０，１１１，１１２によって、第１乃至第３の区域１１３，１１４，１１５に仕切られている。これにより、複数のチューブ１０は、３つのチューブ群に分けられる。第１の区域１１３に接続されたチューブ群は、８本のチューブ１０からなり、第２の区域１１４に接続されたチューブ群は、４本のチューブ１０から成り、第３の区域１１５に接続されたチューブ群は、２本のチューブ１０から成る。
【００１８】
入口タンク１１内には、分配装置３が設けられている。この分配装置３は、分配部３０と、第１の乃至第３の分配通路３１，３２，３３とで構成されている。分配部３０は、入口タンク１１と後述する冷媒導入用タンク４との接合部の空間により構成されている。第１の分配通路３１は、第１乃至第３の仕切り板１１０，１１１，１１２を貫通している。第１の分配通路３１の一端は、図１（ｂ）に示すように、ボイド率α１（＝０．２）の領域（点線は、各領域の中央を示している）に接続され、また、第１の分配通路３１の他端は、第１の区域１１３に接続されている。第２の分配通路３２は、第２及び第３の仕切り板１１１，１１２を貫通している。第２の分配通路３２の一端は、ボイド率α２（＝０．４）の領域に接続され、また、第２の分配通路３２の他端は、第２の区域１１４に接続されている。第３の分配通路３３は、第３の仕切り板１１２に形成されている。第３の分配通路３３の一端は、ボイド率α３（＝０．８）の領域に接続され、また、第３の分配通路３３の他端は、第３の区域１１５に接続されている。本実施形態の場合、第１の分配通路３１の内断面積ＡＰ１、第２の分配通路３２の内断面積ＡＰ２、及び第３の分配通路３３の内断面積ＡＰ３は、実質的に同一に設定してある。
【００１９】
熱交換器１の側面には、冷媒導入用タンク４、冷媒導出タンク５、絞り装置６、導入管７、及び導出管８が設けられている。冷媒導入用タンク４の上端部は、絞り装置６に接続され、冷媒導入用タンク４の下端部は、入口タンク１１に接続されている。冷媒導出用タンク５の下端部は、出口タンクに接続され、冷媒導出用タンク５の上端部は、導出管８に接続されている。絞り装置６は、導入管７に接続されている。
【００２０】
本実施形態において、全冷媒質量流量を、Ｇ（ｋｇ／ｈ）とし、各分配通路３１，３２，３３の内断面積を、ＡＰ１，ＡＰ２，ＡＰ３とし、分配通路３１，３２，３３の総内断面積を、ＡＰ０＝ＡＰ１＋ＡＰ２＋ＡＰ３とし、各チューブ群の本数を、Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３とし、分配部３０内の各領域におけるボイド率を、α１，α２，α３とすると、α１＝０．２の領域に接続された第１の分配通路３１と連通したチューブ１０の１本当たりの質量流量ｇ１（ｋｇ／ｈ）は、ｇ１＝Ｇ×ＡＰ１／ＡＰ０×（１／α１）×（１／Ｎ１）＝Ｇ×ＡＰ１／ＡＰ０×（１／０．２）×（１／８）＝Ｇ・ＡＰ１／１．６ＡＰ０と成る。同様に、α２＝０．４の領域に接続された第２の分配通路３２と連通したチューブ１０の１本当たりの質量流量ｇ２（ｋｇ／ｈ）、及びα３＝０．８の領域に接続された第３の分配通路３３と連通したチューブ１０の１本当たりの質量流量ｇ３（ｋｇ／ｈ）を求めると、ｇ２＝Ｇ・ＡＰ２／１．６ＡＰ０、ｇ３＝Ｇ・ＡＰ３／１．６ＡＰ０となる。上述のように、本実施形態では、ＡＰ１＝ＡＰ２＝ＡＰ３であるので、上記の式から明らかなように、ｇ１＝ｇ２＝ｇ３となる。即ち、各チューブ１０に均一に媒体が供給されることになる。
【００２１】
尚、本発明は、熱交換器の各チューブに供給される媒体の質量流量を均一にすることを特徴とするが、各チューブに供給される媒体の質量流量を厳密な意味で均一にする必要はなく、熱交換器の性能に差し障りのない程度に各チューブに供給される媒体の質量流量を均一にすれば良い。即ち、各チューブに供給される媒体の質量流量は、実質的に均一であれば良い。
【００２２】
図４は本発明の第２の実施形態による分配装置を備えた熱交換器を示し、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図である。本実施形態は、第１の実施形態と略同一であるので、第１の実施形態と構成の同じ部分については、第１の実施形態と同じ参照番号を付し、その説明を省略する。
【００２３】
本実施形態は、第１の実施形態と第１乃至第３の分配通路の構成が多少異なる。第１の実施形態では、第１及び第２の分配通路３１，３２をパイプで構成し、第３の分配通路３３を穴で構成し、更に、第１乃至第３の分配通路３１，３２，３３を別々に設けてあるが、本実施形態では、押出成形品を元にして、切削加工を施して、第１乃至第３の分配通路３１，３２，３３を一体に形成してある。但し、本実施形態では、第１乃至第３の区域１１３，１１４，１１５にそれぞれ接続されたチューブ群の本数、及び第１乃至第３の分配通路３１，３２，３３の内断面積は、第１の実施形態と同じに設定されている。
【００２４】
図５は本発明の第３の実施形態による分配装置を備えた熱交換器を示し、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線での断面図である。本実施形態は、第１の実施形態と略同一であるので、第１の実施形態と構成の同じ部分については、第１の実施形態と同じ参照番号を付し、その説明を省略する。
【００２５】
本実施形態の場合、チューブ１０は、１５本設けられている。また、入口タンク１１内は、仕切り板１１０，１１１，１１２により等分に仕切られている。従って、第１乃至第３の区域１１３，１１４，１１５にそれぞれ接続されたチューブ１０の本数は、５本づつであり、各区域１１３，１１４，１１５おいて等しく設定されている。このような構成の場合において、各チューブ１０に均一に媒体を供給するには、第１の乃至第３の分配通路３１，３２，３３の内断面積に差を与えなけれならない。本実施形態では、第１の分配通路３１の内断面積をＡＰ１、第２の分配通路３２の内断面積をＡＰ２、第３の分配通路３３の内断面積をＡＰ３とした場合、ＡＰ１＝ＡＰ２／２＝ＡＰ３／４の関係になるように設定してある。
【００２６】
本実施形態において、全冷媒質量流量を、Ｇ（ｋｇ／ｈ）とし、上述のように、各分配通路３１，３２，３３の内断面積を、ＡＰ１，ＡＰ２，ＡＰ３とし、分配通路３１，３２，３３の総内断面積を、ＡＰ０＝ＡＰ１＋ＡＰ２＋ＡＰ３とし、チューブ群の本数を、Ｎとし、分配部３０内の各領域におけるボイド率を、α１，α２，α３とすると、α１＝０．２の領域に接続された第１の分配通路３１と連通したチューブ１０の１本当たりの質量流量ｇ１（ｋｇ／ｈ）は、ｇ１＝Ｇ×ＡＰ１／ＡＰ０×（１／α１）×（１／Ｎ）＝Ｇ×ＡＰ１／ＡＰ０×（１／０．２）×（１／５）＝Ｇ・ＡＰ１／ＡＰ０と成る。同様に、α２＝０．４の領域に接続された第２の分配通路３２と連通したチューブ１０の１本当たりの質量流量ｇ２（ｋｇ／ｈ）、及びα３＝０．８の領域に接続された第３の分配通路３３と連通したチューブ１０の１本当たりの質量流量ｇ３（ｋｇ／ｈ）を求めると、ｇ２＝Ｇ・ＡＰ２／２ＡＰ０、ｇ３＝Ｇ・ＡＰ３／４ＡＰ０となる。上述のように、本実施形態では、ＡＰ１＝ＡＰ２／２＝ＡＰ３／４であるので、上記の式から明らかなように、ｇ１＝ｇ２＝ｇ３となる。即ち、各チューブ１０に均一に媒体が供給されることになる。
【００２７】
図６は本発明の第４の実施形態による分配装置を備えた熱交換器を示し、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線での断面図である。本実施形態は、第３の実施形態と略同一であるので、第３の実施形態と構成の同じ部分については、第３の実施形態と同じ参照番号を付し、その説明を省略する。
【００２８】
本実施形態は、第３の実施形態と第１乃至第３の分配通路の構成が多少異なる。第３の実施形態では、第１及び第２の分配通路３１，３２をパイプで構成し、第３の分配通路３３を穴で構成し、更に、第１乃至第３の分配通路３１，３２，３３を別々に設けてあるが、本実施形態では、押出成形品を元にして、切削加工を施して、第１乃至第３の分配通路３１，３２，３３を一体に形成してある。但し、本実施形態では、第１乃至第３の区域１１３、１１４、１１５にそれぞれ接続されたチューブ群の本数、及び第１乃至第３の分配通路３１，３２，３３の内断面積は、第３の実施形態と同じに設定されている。
【００２９】
尚、第１乃至第４の実施形態において、タンク内の区画は３区画としてあるが、これに限られるものではなく、少なくとも２区画以上に区画されれば良い。
【００３０】
また、第１乃至第４の実施形態は、本発明をドロンカップと呼ばれる積層型熱交換器に適用したものであるが、本発明は、このタイプに限られるものではなく、タンク及び媒体が流通するチューブが存在する熱交換器に対して適用可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、熱交換器を構成する複数のチューブに対して媒体を均一に分配することができ、この結果、熱交換器において温度分布が少なくなり、この結果、熱交換器の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第１の実施形態による分配装置を備えた熱交換器を示し、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。
【図２】図２は図１に示す分配装置を備えた熱交換器の斜視図である。
【図３】図３は図１に示す分配装置を備えた熱交換器の冷媒の流れを示す説明図である。
【図４】図４は本発明の第２の実施形態による分配装置を備えた熱交換器を示し、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図である。
【図５】図５は本発明の第３の実施形態による分配装置を備えた熱交換器を示し、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線での断面図である。
【図６】図６は本発明の第４の実施形態による分配装置を備えた熱交換器を示し、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線での断面図である。
【図７】図７は従来の分配装置を備えた熱交換器の第１の例の正面図である。
【図８】図８は従来の分配装置を備えた熱交換器の第２の例の正面図である。
【図９】図９は従来の分配装置を備えた熱交換器の第３の例の要部の構成略図である。
【図１０】図１０は従来の分配装置を備えた熱交換器の第４の例の要部の構成略図である。
【符号の説明】
１ 熱交換器
３ 分配装置
４ 冷媒導入用タンク
５ 冷媒導出用タンク
６ 絞り装置
７ 導入管
８ 導出管
１０ チューブ
１１ 入口タンク
１３ フィン
３０ 分配部
３１ 第１の分配通路
３２ 第２の分配通路
３３ 第３の分配通路
１１３ 第１の区域
１１４ 第２の区域
１１５ 第３の区域
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器を構成する複数のチューブに対して媒体を実質的に均一に分配して供給することが可能な分配装置を備えた熱交換器に属する。
【０００２】
【従来の技術】
熱交換器の性能は、熱交換器を構成する複数のチューブの外側を流通する流体側の熱伝達だけでなく、チューブ内を流通する流体の熱伝達、特に流体の分流に大きく影響を受ける。特に蒸発器においては、気液混合状態で蒸発器に導入された冷媒は、気相と液相のボイド率（気液二相流体中で気体の占める容積の割合）により、それぞれ慣性力が異なり、特定のチューブに液相の冷媒が集中し、また別のチューブに気相の冷媒が集中するというように蒸発器内で温度分布が生じ、この結果、大きな性能低下を招いている。
【０００３】
そこで、各チューブに均一に冷媒を分布させるものとして、図７に示すような分配装置を備えた蒸発器が発明されている。この蒸発器１００は、冷媒の分配、集合を司るタンク部１０１，１０２、及びタンク部１０１，１０２間を連通するチューブ部１０３を有する流路管（チューブ）１０４を複数積層して成っている。そして、複数のタンク部１０１で入口タンクが蒸発器１００の上端部に構成され、また、複数のタンク部１０２で出口タンクが蒸発器１００の下端部に構成されている。更に、冷媒の導入管１０５の一端に接続された絞り部１０６から分配部１０７を介して各タンク部１０１へ向けて、それぞれ一つのチューブ１０４にのみ連通する分配管（分配通路）１０８が設けられている。この従来例の場合、絞り部１０６、分配部１０７、及び分配管１０８で分配装置が構成されている。この分配装置により、各チューブ１０４に均一に冷媒を分配しようとするものである。
【０００４】
また、この蒸発器に対する多数の分配管の取り付け性の改善や引き回しスペースの簡略化の為に、図８、図９、及び図１０に示すように、多穴管１０９を分配管として熱交換器１００のタンク内に設けるものが、特開平４−１５５１９４号公報に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、絞り部を経た冷媒は、気液混合状態となり、適当に分配管を分配部に接続したのでは、冷媒は分配管に均一に分配されないという問題点があった。図８、図９、及び図１０に示す蒸発器においても、分配管の取り付け性の簡略化や引き回しスペースの削除については効果があるが、チューブへの冷媒の均一な分配は、多穴管１０９に冷媒が均一に導入されないことには成り立たないものである。しかしながら、特開平４−１５５１９４号公報には、多穴管１０９への冷媒の均一な導入手段については一切開示されていない。
【０００６】
それ故に、本発明の課題は、熱交換器を構成する複数のチューブに対して媒体を均一に分配することが可能な分配装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明によれば、複数のチューブと、該複数のチューブを互いに連通させるタンクと、分配装置とを有し、前記分配装置は、媒体のボイド率が異なる複数の領域を有する分配部と、該分配部から媒体を前記チューブに分配するための複数の分配通路とを有し、前記複数のチューブが複数のチューブ群に分かれるように、前記タンク内が複数の区域に仕切られ、前記複数の分配通路の一端は、それぞれ前記複数の領域に接続され、前記複数の分配通路の他端は、それぞれ前記複数の区域に接続され、更に、前記各領域のボイド率に応じて、前記各区域における前記チューブの本数を増減することにより、前記各チューブに供給される前記媒体の質量流量を実質的に均一にしたことを特徴とする分配装置を備えた熱交換器が得られる。
【０００８】
請求項２記載の発明によれば、前記各領域における分配通路の内断面積の和が、該各領域間において実質的に等しく設定されていることを特徴とする請求項１記載の分配装置を備えた熱交換器が得られる。
【００１０】
請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の分配装置を備えた熱交換器における媒体の分配設定方法であって、前記チューブ１本当たりの質量流量をｇ（ｋｇ／ｈ）とし、前記熱交換器内を流通する前記媒体の全質量流量をＧ（ｋｇ／ｈ）とし、前記各領域における分配通路の内断面積の和をＡＰｎ（ｍｍ２ ）とし、前記分配通路の総内断面積をＡＰ０（ｍｍ２ ）とし、前記各領域におけるボイド率をαｎとし、前記各区域における前記チューブの本数をＮｎとした場合に、前記ＡＰｎ、及び前記Ｎｎを、ｇ＝Ｇ×（ＡＰｎ／ＡＰ０）×（１／αｎ）×（１／Ｎｎ）の式に基づいて設定することを特徴とする分配装置を備えた熱交換器における媒体の分配設定方法が得られる。
【００１１】
【作用】
本発明の場合、分配装置の分配部内におけるボイド率に差がある領域に、それぞれ分配通路（穴のように、管状を成さないものもあるので、穴状のもの、管状のものを纏めて分配通路と呼ぶ）の一端を接続してある（ボイド率の異なる各領域に接続された分配通路の本数は、１本に限らず複数本の場合もある）。こうすることで、ボイド率の分布が、流量、流速によって変化したとしても、常に各領域に接続された分配通路間において、ボイド率に差をつけることができる。
【００１２】
ボイド率の小さい領域に接続された分配通路の内断面積の和と、ボイド率の大きい領域に接続された分配通路の内断面積の和とを、実質的に等しく設定した場合、各領域に接続された分配通路内を流れる媒体の質量流量は、ボイド率の小さい領域に接続された分配通路の方が多く、逆にボイド率の大きい領域に接続された分配通路の方が少ない。このため、各チューブに均一な量の媒体を導入させるには、ボイド率の小さい領域に接続された分配通路と連通するチューブの本数を多くすれば良い。このために、熱交換器のタンク内を仕切って複数の区域を構成し、この区域により、複数のチューブを複数のチューブ群に分け、各区域にそれぞれ一の領域に接続された分配通路を接続し、その際に、ボイド率の小さい領域に接続された分配通路は、チューブ本数の多い区域に接続し、ボイド率の大きい領域に接続された分配通路は、チューブ本数の少ない区域に接続することで、各チューブにおける質量流量の均一化が可能と成る。尚、ボイド率の小さい領域の媒体は、液相に近いため、この領域に分配通路を通じて連通した区域のチューブの本数が多くても、この区域内のチューブには均一に媒体が供給される。
【００１３】
反対に、各区域のチューブの本数を実質的に均一にした場合、ボイド率の小さい領域に接続した分配通路の質量流量と、ボイド率の大きい領域に接続した分配通路の質量流量とを等しくしなければならない。このためには、ボイド率の小さい領域に接続した分配通路の内断面積の和を、ボイド率の大きい領域に接続した分配通路の内断面積の和よりも小さくすれば良い。こうすることにより、各分配通路の導入される媒体の質量流量を均一にでき、この結果、各チューブに均一に媒体が供給される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施形態による分配装置を備えた熱交換器を示し、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図、図２は図１に示す分配装置を備えた熱交換器の斜視図、図３は図１に示す分配装置を備えた熱交換器の冷媒の流れを示す説明図である。
【００１５】
図１乃至図３を参照して、本発明の第１の実施形態による熱交換器１は、複数のチューブ１０と、入口タンク１１と、出口タンク（入口タンク１１に並設されているので、図面上現れない）と、複数のフィン１３とを有している。
【００１６】
チューブ１０は、その内部に略Ｕ字状の冷媒通路を有するものである。複数のチューブ１０は、一定間隔で入口タンク１１、及び出口タンクに接続されているが、入口タンク１１に対しては、チューブ１０の下端部の一方側で接続され、出口タンクに対しては、チューブ１０の下端部の他方側で接続されている。これにより、図３に示す冷媒流路が構成される。
【００１７】
入口タンク１１内は、第１乃至第３の仕切り板１１０，１１１，１１２によって、第１乃至第３の区域１１３，１１４，１１５に仕切られている。これにより、複数のチューブ１０は、３つのチューブ群に分けられる。第１の区域１１３に接続されたチューブ群は、８本のチューブ１０からなり、第２の区域１１４に接続されたチューブ群は、４本のチューブ１０から成り、第３の区域１１５に接続されたチューブ群は、２本のチューブ１０から成る。
【００１８】
入口タンク１１内には、分配装置３が設けられている。この分配装置３は、分配部３０と、第１の乃至第３の分配通路３１，３２，３３とで構成されている。分配部３０は、入口タンク１１と後述する冷媒導入用タンク４との接合部の空間により構成されている。第１の分配通路３１は、第１乃至第３の仕切り板１１０，１１１，１１２を貫通している。第１の分配通路３１の一端は、図１（ｂ）に示すように、ボイド率α１（＝０．２）の領域（点線は、各領域の中央を示している）に接続され、また、第１の分配通路３１の他端は、第１の区域１１３に接続されている。第２の分配通路３２は、第２及び第３の仕切り板１１１，１１２を貫通している。第２の分配通路３２の一端は、ボイド率α２（＝０．４）の領域に接続され、また、第２の分配通路３２の他端は、第２の区域１１４に接続されている。第３の分配通路３３は、第３の仕切り板１１２に形成されている。第３の分配通路３３の一端は、ボイド率α３（＝０．８）の領域に接続され、また、第３の分配通路３３の他端は、第３の区域１１５に接続されている。本実施形態の場合、第１の分配通路３１の内断面積ＡＰ１、第２の分配通路３２の内断面積ＡＰ２、及び第３の分配通路３３の内断面積ＡＰ３は、実質的に同一に設定してある。
【００１９】
熱交換器１の側面には、冷媒導入用タンク４、冷媒導出タンク５、絞り装置６、導入管７、及び導出管８が設けられている。冷媒導入用タンク４の上端部は、絞り装置６に接続され、冷媒導入用タンク４の下端部は、入口タンク１１に接続されている。冷媒導出用タンク５の下端部は、出口タンクに接続され、冷媒導出用タンク５の上端部は、導出管８に接続されている。絞り装置６は、導入管７に接続されている。
【００２０】
本実施形態において、全冷媒質量流量を、Ｇ（ｋｇ／ｈ）とし、各分配通路３１，３２，３３の内断面積を、ＡＰ１，ＡＰ２，ＡＰ３とし、分配通路３１，３２，３３の総内断面積を、ＡＰ０＝ＡＰ１＋ＡＰ２＋ＡＰ３とし、各チューブ群の本数を、Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３とし、分配部３０内の各領域におけるボイド率を、α１，α２，α３とすると、α１＝０．２の領域に接続された第１の分配通路３１と連通したチューブ１０の１本当たりの質量流量ｇ１（ｋｇ／ｈ）は、ｇ１＝Ｇ×ＡＰ１／ＡＰ０×（１／α１）×（１／Ｎ１）＝Ｇ×ＡＰ１／ＡＰ０×（１／０．２）×（１／８）＝Ｇ・ＡＰ１／１．６ＡＰ０と成る。同様に、α２＝０．４の領域に接続された第２の分配通路３２と連通したチューブ１０の１本当たりの質量流量ｇ２（ｋｇ／ｈ）、及びα３＝０．８の領域に接続された第３の分配通路３３と連通したチューブ１０の１本当たりの質量流量ｇ３（ｋｇ／ｈ）を求めると、ｇ２＝Ｇ・ＡＰ２／１．６ＡＰ０、ｇ３＝Ｇ・ＡＰ３／１．６ＡＰ０となる。上述のように、本実施形態では、ＡＰ１＝ＡＰ２＝ＡＰ３であるので、上記の式から明らかなように、ｇ１＝ｇ２＝ｇ３となる。即ち、各チューブ１０に均一に媒体が供給されることになる。
【００２１】
尚、本発明は、熱交換器の各チューブに供給される媒体の質量流量を均一にすることを特徴とするが、各チューブに供給される媒体の質量流量を厳密な意味で均一にする必要はなく、熱交換器の性能に差し障りのない程度に各チューブに供給される媒体の質量流量を均一にすれば良い。即ち、各チューブに供給される媒体の質量流量は、実質的に均一であれば良い。
【００２２】
図４は本発明の第２の実施形態による分配装置を備えた熱交換器を示し、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図である。本実施形態は、第１の実施形態と略同一であるので、第１の実施形態と構成の同じ部分については、第１の実施形態と同じ参照番号を付し、その説明を省略する。
【００２３】
本実施形態は、第１の実施形態と第１乃至第３の分配通路の構成が多少異なる。第１の実施形態では、第１及び第２の分配通路３１，３２をパイプで構成し、第３の分配通路３３を穴で構成し、更に、第１乃至第３の分配通路３１，３２，３３を別々に設けてあるが、本実施形態では、押出成形品を元にして、切削加工を施して、第１乃至第３の分配通路３１，３２，３３を一体に形成してある。但し、本実施形態では、第１乃至第３の区域１１３，１１４，１１５にそれぞれ接続されたチューブ群の本数、及び第１乃至第３の分配通路３１，３２，３３の内断面積は、第１の実施形態と同じに設定されている。
【００２４】
図５は本発明の第３の実施形態による分配装置を備えた熱交換器を示し、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線での断面図である。本実施形態は、第１の実施形態と略同一であるので、第１の実施形態と構成の同じ部分については、第１の実施形態と同じ参照番号を付し、その説明を省略する。
【００２５】
本実施形態の場合、チューブ１０は、１５本設けられている。また、入口タンク１１内は、仕切り板１１０，１１１，１１２により等分に仕切られている。従って、第１乃至第３の区域１１３，１１４，１１５にそれぞれ接続されたチューブ１０の本数は、５本づつであり、各区域１１３，１１４，１１５おいて等しく設定されている。このような構成の場合において、各チューブ１０に均一に媒体を供給するには、第１の乃至第３の分配通路３１，３２，３３の内断面積に差を与えなけれならない。本実施形態では、第１の分配通路３１の内断面積をＡＰ１、第２の分配通路３２の内断面積をＡＰ２、第３の分配通路３３の内断面積をＡＰ３とした場合、ＡＰ１＝ＡＰ２／２＝ＡＰ３／４の関係になるように設定してある。
【００２６】
本実施形態において、全冷媒質量流量を、Ｇ（ｋｇ／ｈ）とし、上述のように、各分配通路３１，３２，３３の内断面積を、ＡＰ１，ＡＰ２，ＡＰ３とし、分配通路３１，３２，３３の総内断面積を、ＡＰ０＝ＡＰ１＋ＡＰ２＋ＡＰ３とし、チューブ群の本数を、Ｎとし、分配部３０内の各領域におけるボイド率を、α１，α２，α３とすると、α１＝０．２の領域に接続された第１の分配通路３１と連通したチューブ１０の１本当たりの質量流量ｇ１（ｋｇ／ｈ）は、ｇ１＝Ｇ×ＡＰ１／ＡＰ０×（１／α１）×（１／Ｎ）＝Ｇ×ＡＰ１／ＡＰ０×（１／０．２）×（１／５）＝Ｇ・ＡＰ１／ＡＰ０と成る。同様に、α２＝０．４の領域に接続された第２の分配通路３２と連通したチューブ１０の１本当たりの質量流量ｇ２（ｋｇ／ｈ）、及びα３＝０．８の領域に接続された第３の分配通路３３と連通したチューブ１０の１本当たりの質量流量ｇ３（ｋｇ／ｈ）を求めると、ｇ２＝Ｇ・ＡＰ２／２ＡＰ０、ｇ３＝Ｇ・ＡＰ３／４ＡＰ０となる。上述のように、本実施形態では、ＡＰ１＝ＡＰ２／２＝ＡＰ３／４であるので、上記の式から明らかなように、ｇ１＝ｇ２＝ｇ３となる。即ち、各チューブ１０に均一に媒体が供給されることになる。
【００２７】
図６は本発明の第４の実施形態による分配装置を備えた熱交換器を示し、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線での断面図である。本実施形態は、第３の実施形態と略同一であるので、第３の実施形態と構成の同じ部分については、第３の実施形態と同じ参照番号を付し、その説明を省略する。
【００２８】
本実施形態は、第３の実施形態と第１乃至第３の分配通路の構成が多少異なる。第３の実施形態では、第１及び第２の分配通路３１，３２をパイプで構成し、第３の分配通路３３を穴で構成し、更に、第１乃至第３の分配通路３１，３２，３３を別々に設けてあるが、本実施形態では、押出成形品を元にして、切削加工を施して、第１乃至第３の分配通路３１，３２，３３を一体に形成してある。但し、本実施形態では、第１乃至第３の区域１１３、１１４、１１５にそれぞれ接続されたチューブ群の本数、及び第１乃至第３の分配通路３１，３２，３３の内断面積は、第３の実施形態と同じに設定されている。
【００２９】
尚、第１乃至第４の実施形態において、タンク内の区画は３区画としてあるが、これに限られるものではなく、少なくとも２区画以上に区画されれば良い。
【００３０】
また、第１乃至第４の実施形態は、本発明をドロンカップと呼ばれる積層型熱交換器に適用したものであるが、本発明は、このタイプに限られるものではなく、タンク及び媒体が流通するチューブが存在する熱交換器に対して適用可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、熱交換器を構成する複数のチューブに対して媒体を均一に分配することができ、この結果、熱交換器において温度分布が少なくなり、この結果、熱交換器の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第１の実施形態による分配装置を備えた熱交換器を示し、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。
【図２】図２は図１に示す分配装置を備えた熱交換器の斜視図である。
【図３】図３は図１に示す分配装置を備えた熱交換器の冷媒の流れを示す説明図である。
【図４】図４は本発明の第２の実施形態による分配装置を備えた熱交換器を示し、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図である。
【図５】図５は本発明の第３の実施形態による分配装置を備えた熱交換器を示し、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線での断面図である。
【図６】図６は本発明の第４の実施形態による分配装置を備えた熱交換器を示し、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線での断面図である。
【図７】図７は従来の分配装置を備えた熱交換器の第１の例の正面図である。
【図８】図８は従来の分配装置を備えた熱交換器の第２の例の正面図である。
【図９】図９は従来の分配装置を備えた熱交換器の第３の例の要部の構成略図である。
【図１０】図１０は従来の分配装置を備えた熱交換器の第４の例の要部の構成略図である。
【符号の説明】
１ 熱交換器
３ 分配装置
４ 冷媒導入用タンク
５ 冷媒導出用タンク
６ 絞り装置
７ 導入管
８ 導出管
１０ チューブ
１１ 入口タンク
１３ フィン
３０ 分配部
３１ 第１の分配通路
３２ 第２の分配通路
３３ 第３の分配通路
１１３ 第１の区域
１１４ 第２の区域
１１５ 第３の区域
Claims (3)
- 複数のチューブと、該複数のチューブを互いに連通させるタンクと、分配装置とを有し、前記分配装置は、媒体のボイド率が異なる複数の領域を有する分配部と、該分配部から媒体を前記チューブに分配するための複数の分配通路とを有し、前記複数のチューブが複数のチューブ群に分かれるように、前記タンク内が複数の区域に仕切られ、前記複数の分配通路の一端は、それぞれ前記複数の領域に接続され、前記複数の分配通路の他端は、それぞれ前記複数の区域に接続され、更に、前記各領域のボイド率に応じて、前記各区域における前記チューブの本数を増減することにより、前記各チューブに供給される前記媒体の質量流量を実質的に均一にしたことを特徴とする分配装置を備えた熱交換器。
- 前記各領域における分配通路の内断面積の和が、該各領域間において実質的に等しく設定されていることを特徴とする請求項１記載の分配装置を備えた熱交換器。
- 請求項１又は２に記載の分配装置を備えた熱交換器における媒体の分配設定方法であって、前記チューブ１本当たりの質量流量をｇ（ｋｇ／ｈ）とし、前記熱交換器内を流通する前記媒体の全質量流量をＧ（ｋｇ／ｈ）とし、前記各領域における分配通路の内断面積の和をＡＰｎ（ｍｍ２ ）とし、前記分配通路の総内断面積をＡＰ０（ｍｍ２ ）とし、前記各領域におけるボイド率をαｎとし、前記各区域における前記チューブの本数をＮｎとした場合に、前記ＡＰｎ、及び前記Ｎｎを、ｇ＝Ｇ×（ＡＰｎ／ＡＰ０）×（１／αｎ）×（１／Ｎｎ）の式に基づいて設定することを特徴とする分配装置を備えた熱交換器における媒体の分配設定方法。
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