JP2007139231A - 冷媒分配器及びそれを用いた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器の大きさや分配器の設置方法などによらず、気液二相冷媒を複数の流路へ均等に分配できるようにすること。
【解決手段】本発明の冷媒分配器は、冷凍サイクルの蒸発器へ導入する冷媒が流入される導入管１１の延在方向に分散配置して接続される複数の分岐管１０ａ〜１０ｂを備え、冷媒を蒸発器を構成する複数の伝熱管に分配する冷媒分配器であって、分岐管１０ａ〜１０ｂの少なくとも１本の先端が導入管１１の中に挿入され、挿入された分岐管１０ａ〜１０ｂの端面が切り欠かれていることを特徴とするものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷媒分配器及びそれを用いた空気調和機に関する。

一般に、空気調和機には、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を順に冷媒配管により接続して構成される冷凍サイクルが使用されている。

この冷凍サイクルにおいて、圧縮機に吸入された低圧のガス冷媒は、所定の高圧圧力に圧縮された後、凝縮器に導かれ、空気と熱交換して高圧液冷媒となる。この高圧液冷媒は、膨張弁に導かれて膨張された後、低圧二相冷媒となって蒸発器に送られ、空気と熱交換して低圧ガス冷媒となり、圧縮機に吸い込まれて再び圧縮され、上述の冷凍サイクルを循環する。

ところで、このような空気調和機の熱交換器に導入される冷媒の流路は、流動損失を低減させるため通常複数に分配して配置され、特に、蒸発器に導入される冷媒は気液二相の状態となっている。このため、気相冷媒と液相冷媒を各流路へ均等に分配することが熱交換器の性能を維持する上で重要となる。

そのため、例えば、オリフィスを介して縮流させた冷媒を気液混合室に導いて混合し、その混合冷媒を複数の分配管により導出させ、蒸発器を構成する複数の伝熱管へ導入するようにした分配器（ディストリビュータ）が開示されている（特許文献１参照）。これによれば、気液二相冷媒を予め気液混合室にて混合することができるため、気液二相冷媒を各分配管に均等に分配することができる。

一方、冷媒流路のヘッダの長手方向に複数の断面扁平の伝熱管を分散させて接続し、ヘッダ内の流路断面積が冷媒の流れ方向に向かって小さくなるように形成した冷媒分流器が開示されている（特許文献２参照）。これによれば、冷媒流路の減少に伴い冷媒の流速を増やすことができるため、気液二相冷媒が攪拌され、各伝熱管へ気液二相冷媒を均等に分流することができる。

特開平２−１７３６８号公報（第２頁、第１図） 特開平５−２６４１２６号公報（第３頁、第３−４図）

しかしながら、例えば、特許文献１のディストリビュータを冷凍サイクルの蒸発器入り側に配置すると、ディストリビュータの構造上、室内機や室外機のユニットサイズが大きくなるという問題がある。また、ディストリビュータは、１個の部品に複数の分岐管を集約させて接続しロー付けするため、加工が難しく、部品コストが高くなる。

一方、特許文献２の冷媒分流器は、通常、ヘッダを水平に設置して使用されるが、例えば、施工上の理由により垂直に設置して使用される場合、気液二相冷媒は重力の影響を受けて、密度の異なる気相と液相が上下に分離し、分流が不均一になるおそれがある。特に、流動抵抗の小さい断面円形の伝熱管を用いると、熱交換器での圧力損失が小さくなるため、その分ヘッダにおける冷媒への影響が大きくなり、均等分配が一層難しくなる。そのため、本構成の場合、蒸発器の高さを低く抑えて伝熱管の長さを短くするか、或いは、分配のアンバランスを考慮して熱交換面積を大きくする必要が生じ、例えば、設計上の自由度が制限される。

本発明は、熱交換器の大きさや分配器の設置方法などによらず、気液二相冷媒を複数の流路へ均等に分配できるようにすることを課題とする。

本発明者らは、先ず、気液混合冷媒の分配特性を検討するため、例えば、延在方向に所定間隔で複数の分岐管が接続された導入管を垂直に設置し、下方から気液混合冷媒を導入する方法により、各分岐管から排出される気液混合冷媒中の液冷媒比率について調査したところ、上方の下流側分岐管ほど液冷媒比率が高くなり、その分、ガス冷媒比率が高くなることを知見した。このことから、冷媒の分配特性を向上させるには、上流側分岐管の液冷媒比率を高くする必要がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決するため、冷凍サイクルの蒸発器へ導入する冷媒が流入される導入管と、この導入管の延在方向に分散配置して接続される複数の分岐管とを備え、冷媒を蒸発器を構成する複数の伝熱管に分配する冷媒分配器であって、分岐管の少なくとも１本の先端が導入管の中に挿入され、挿入された分岐管の端面が切り欠かれていることを特徴とする。

この構成によれば、例えば、各分岐管へ分配される気液二相冷媒において、液冷媒比率が少ない分岐管の位置に、端面が切り欠かれた分岐管を挿入することで、導入管内を流れる液冷媒を切り欠きの開口部によって効率的に捕捉することができる。これにより、切り欠きが形成される分岐管に導入される冷媒の液冷媒比率が高くなるため、熱交換器の大きさや分配器の設置方法などによらず、各分岐管へ気液二相冷媒を均等に分配することができ、蒸発器の熱交換効率を向上させることができる。

この場合において、導入管には端面が切り欠かれた分岐管を複数挿入し、端面が切り欠かれて形成される開口の冷媒通流方向に対する投影面積を段階的又は連続的に異ならせて配置する。すなわち、この分岐管の投影面積は、液冷媒の捕捉量に相関し、通常、各分岐管において投影面積が最大のとき、液冷媒が最も多く捕捉される。このため、分岐管の接続位置などに応じて適宜投影面積を異ならせることにより、気液冷媒をより均等に分配することができる。

また、導入管に挿入された分岐管は、例えば、端面が切り欠かれて形成される開口の軸中心の回転位相を段階的又は連続的に異ならせて配置するようにしてもよい。これによれば、例えば、同一形状の分岐管を複数使用し、回転位相によって投影面積を調整することができるため、構造が簡単になり、製造コストを抑えることができる。

また、分岐管は、導入管への挿入深さ、切り欠かれて形成される開口の軸中心の回転位相、端面の切り欠き形状のうち、少なくとも一つを互いに異ならせて配置するようにしてもよい。

本発明によれば、熱交換器の大きさや分配器の設置方法などによらず、気液二相冷媒を複数の分岐管へ均等に分配することができる。

以下、本発明を適用してなる冷媒分配器及び空気調和機の第１の実施形態について図を参照して説明する。なお、本発明の冷媒分配器は、以下、適宜ヘッダと称して説明する。

図１は、本発明を適用してなるヘッダの外観を示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ方向の部分断面図である。図３は、本発明を適用してなるヘッダを備えた蒸発器を有する冷凍サイクルのサイクル系統図である。図４は、従来構成のヘッダの部分断面図である。

本実施形態の冷凍サイクルは、図３に示すように、室外機３０と室内機４０を備えて構成される。室外機３０には、圧縮機３１、四方弁３２、室外熱交換器３４、室外膨張弁３７、レシーバ３８が冷媒配管により順次接続されて設けられ、室外熱交換器３４の近傍には室外ファン３５が配置されている。室外熱交換器３４では、図示しない複数の伝熱管が並設され、伝熱管の両端には室外ガスヘッダ３３と室外液ヘッダ３６が接続されている。

室内機４０には、室内熱交換器４４、室内膨張弁４７が冷媒配管により接続されて設けられ、室内熱交換器４４の近傍には室内ファン４５が配置されている。室内熱交換器４４では図示しない複数の伝熱管が並設され、伝熱管の両端には、室内ガスヘッダ４３と室内液ヘッダ４６が接続されている。そして、四方弁３２と室内ガスヘッダ４３、及び、レシーバ３８と室内膨張弁４７がそれぞれ冷媒配管で接続されることにより冷凍サイクルが構成され、その中には冷媒が封入されている。

本実施形態において、本冷凍サイクルの構成は一例に過ぎず、例えば、室外機３０，室内機４０，圧縮機３１は、１台でも複数台でもよい。また、圧縮機３１の入り側にはアキュムレータが有ってもよく、レシーバ３８や室内膨張弁４７は無くてもよい。

次に、暖房運転における冷媒の流れを説明する。先ず、圧縮機３１で圧縮された高圧ガス冷媒は、四方弁３２を通り室内機４０へ送られる。そして高圧ガス冷媒は、室内ガスヘッダ４３にて室内熱交換器４４の各伝熱管流路へ分配され、室内空気と熱交換し、凝縮して高圧液冷媒となる。ここで、高圧ガスは単相状態のためヘッダによる分配でも十分に均等分配が可能である。室内熱交換器４４にて凝縮した液冷媒は室内液ヘッダ４６で集合され室内膨張弁４７を通り室外機３０へ送られる。集合管はヘッダでも従来技術のディストリビュータでも機能上差はない。室外機３０へ送られた液冷媒は、レシーバ３８を通り室外膨張弁３７で絞られ低圧二相冷媒となる。この二相冷媒は本発明の室外液ヘッダ３６にて室外熱交換器３４の各伝熱管流路へ均等分配され、室外空気と熱交換し、蒸発して低圧ガス冷媒となる。本実施形態の室外液ヘッダ３６は、例えば、従来技術のディストリビュータとほぼ同等の分配性能を有し、熱交換器の小型化や部品コスト低減に適している。室外熱交換器３４にて蒸発した低圧ガス冷媒は室外ガスヘッダ３３で集合した後、四方弁３２を通り圧縮機３１へ送られ、再び循環する。

次に、冷房運転における冷媒の流れを説明する。圧縮機３１で圧縮された高圧ガス冷媒は、四方弁３２を通り室外ガスヘッダ３３にて室外熱交換器３４の各伝熱管流路へ分配され、室外空気と熱交換し、凝縮して高圧液冷媒となる。ここで、高圧ガスは単相状態のためヘッダによる分配でも十分に均等分配が可能である。室外熱交換器３４にて凝縮した液冷媒は室外液ヘッダ３６で集合され室外膨張弁３７、レシーバ３８を通り室内機４０へ送られる。集合管はヘッダでも従来技術のディストリビュータでも機能上差はない。室内機４０へ送られた液冷媒は、室内膨張弁４７で絞られ低圧二相冷媒となる。この二相冷媒は本発明の室内液ヘッダ４６にて室内熱交換器４４の各伝熱管流路へ均等分配され、室内空気と熱交換し、蒸発して低圧ガス冷媒となる。本実施形態の室内液ヘッダ４６は、例えば、従来技術のディストリビュータとほぼ同等の分配性能があり、熱交換器の小型化や部品コスト低減に適している。室内熱交換器４４にて蒸発した低圧ガス冷媒は室内ガスヘッダ４３で集合され、室外機３０へ送られる。そして四方弁３２を通り圧縮機３１へ送られ、再び循環する。

次に、本発明の特徴となるヘッダとして、室外液ヘッダ３６と室内液ヘッダ４６の構成を詳細に説明する。

本実施形態のヘッダは、図１，２に示すように、一端がＵ字型に折り曲げられた導入管１１の長手方向に７本の分岐管１０ａ〜１０ｇが所定間隔で接続されて構成される。分岐管１０の本数は何本でもよい。また、分岐管１０は導入管１１の外周に形成される開口に気密に挿入されるため、分岐管１０の外径は、導入管１１の外径よりも小さく設計する必要がある。図１の矢印は、分岐管１０ａ〜１０ｇが蒸発器の伝熱管と接続される場合の冷媒の流れ方向である。本実施形態においては、導入管１１に流入した気液二相冷媒は分岐管１０ａの下側（上流側）で垂直上昇流となるが、冷媒の流れの方向は上昇流でも下降流でもよい。

図２に示すように、導入管１１の内部に挿入された分岐管１０ａ〜１０ｇの端部は、一部が斜めに切り欠かれており（切り欠き部を８で示す）、切り欠かれて形成される開口部は、冷媒の流れを受け止める方向、つまり冷媒の上流側となる下側へ向けて配置されている。導入管１１への冷媒の流入口は、図のように下側でもよいし、上側でもよい。また、分岐管１０ａ〜１０ｇの導入管１１内への突込み量９は、所定長さに統一されていてもよく、接続位置に応じて異なっていてもよい。また、例えば、導入管１１の上部と下部の両端面を閉止して、側面の導入口から気液二相冷媒を流入させるようにしてもよく、導入口の高さも任意でよい。この場合、導入管１１に流入された冷媒は一度導入管１１の内周面に衝突した後、上昇流と下降流に分流するため、導入口の上側に配置される分岐管１０は、開口部を下側へ向けて配置し、導入口の下側に配置される分岐管１０は、開口部を上側へ向けて配置するようにする。

図４に示すように、従来のヘッダは、導入管１３と７本の分岐管１２ａ〜１２ｇから構成されており、導入管１３へ挿入される分岐管１２ａ〜１２ｇの突込み量は、図２の突込み量９と比べて僅かであり、しかも、端面には切り欠きが形成されていないため、導入管１３内を流れる冷媒の垂直上昇流を乱す効果は殆ど無い。

次に、図７，８を用いて、従来のヘッダと本実施形態のヘッダにおける冷媒の分配特性を比較して説明する。図７は、図４に相当する従来ヘッダにおいて各分岐管から導出される気液二相冷媒中の液冷媒流量を示す図であり、図８は、図２に相当する本実施形態のヘッダにおいて各分岐管から導出される気液二相冷媒中の液冷媒流量を示す図である。

図から明らかなように、従来ヘッダにおいては、導入管１３内の冷媒の垂直上昇流の分配は、下流の分岐管に向かうほど液冷媒流量が増加している。特に、分岐管１２ｆ、１２ｇへの液冷媒流量の集中は極端であり、均等に分配されていない。これに対し、本実施形態のヘッダでは、下流での液冷媒流量の増加傾向が緩和され分配特性が改善されている。これは、分岐管１０ａ〜１０ｇの切り欠きによる開口部が冷媒の流れを受け止めるように、分岐管１０ａ〜１０ｇが冷媒の上流側に向けて導入管１１に挿入されているためである。つまり、上昇する液冷媒が分岐管１０ａ〜１０ｇの開口部に効率的に捕捉されるため、分岐管１０ａ〜１０ｇには液冷媒が流れ易くなる。特に、上流側の分岐管１０ａ〜１０ｃに流入する液冷媒流量は、図７の分岐管１２ａ〜１２ｃの液冷媒流量と比べて増加している。これにより、下流側分岐管１０ｆ、１０ｇの液冷媒流量は、図７の分岐管１２ｆ、１２ｇの液冷媒流量と比べて減少し、結果として分配特性が改善される。

次に、本発明を適用してなるヘッダの第２の実施形態について図を用いて説明する。
図５は、本実施形態のヘッダの構成を示す部分断面図である。

図に示すように、本実施形態のヘッダは、導入管１５と８本の分岐管１４ａ〜１４ｈとから構成され、導入管１５の端面には分岐管１４ｈが挿入されている。また、液冷媒の分配量が少ない、例えば、上流側分岐管１４ａ〜１４ｅの先端には切り欠きを形成し、切り欠きによる液冷媒流量の効果が比較的少ない、下流側分岐管１４ｆ〜１４ｈには、切り欠きをつけずに、流量分配を調整する。

また、分岐管の軸方向を基準とする切り欠きの角度（切り欠きが無い場合は９０°と表記する）も、例えば、上流側分岐管１４ａを３０°、１４ｂと１４ｃを４５°、１４ｄと１４ｅを６０°のように、連続的、或いは段階的に変化させるようにしてもよい。このように、切り欠き角度を変化させると、切り欠きによる開口部の冷媒流れ方向に対する投影面積が変化し、その投影面積は冷媒中の液冷媒量の捕捉量と相関することから、例えば、特定の分岐管の切り欠き角度を変化させることにより、液冷媒の分配量を微調整することができ、図２のヘッドと比べてより均等に液冷媒を分配することが可能となる。

次に、本発明を適用してなるヘッダの第３の実施形態について図を用いて説明する。
図６は、本実施形態のヘッダの構成を説明する図であり、右図は左図のＢ−Ｂ方向の断面を軸中心の回転位相の角度で表した図である。なお、図の矢印は、開口部の法線を表している。

図に示すように、本実施形態のヘッダは、導入管１７と７本の分岐管１６ａ〜１６ｇとから構成される。分岐管１６ａ〜１６ｇには、図２の分岐管１０ａ〜１０ｇと同様、切り欠きによる開口部が形成されるが、冷媒の流れ方向に対する開口部の投影面積が軸中心の回転位相の角度により変化する。すなわち、最も上流側の分岐管１６ａは、開口部が冷媒の流れ方向の上流側へ完全に向くように配置して投影面積が最大となり、開口部の全面で冷媒の流れを受け止めるように配置されているのに対し、分岐管１６ｂ、１６ｃは流れ方向に対し、開口部が斜めに配置されるため、開口部の投影面積が順次小さくなる。これにより、液冷媒の流量分配を調整できるため、図２のヘッドと比べて液冷媒をより均等に分配することが可能となる。また、図５のヘッドように、切り欠きの有無や形状が異なる分岐管を用意する必要が無いため、部品点数が少なくなり、経済的である。

次に、本発明を適用してなるヘッダの第４の実施形態について図を用いて説明する。
図９は、本実施形態のヘッダの構成を示す部分断面図である。

図に示すように、本実施形態のヘッダは、導入管１９と７本の分岐管１８ａ〜１８ｇから構成され、分岐管１８ａ〜１８ｇには、図２の分岐管１０ａ〜１０ｇと異なる形状の切り欠きが形成されている。ここで、分岐管１０ａ〜１０ｇは、パイプの端面から軸に対し一定の角度で斜めに切断して作製されるのに対し、分岐管１８ａ〜１８ｇは、パイプの側面を一定の深さで端面から軸に対し平行に削ることにより作製される。そして、この切り欠きにより形成される開口部を冷媒の流れ方向の上流側へ向けることにより、液冷媒を受け止めることが可能となる。

このようにして形成された分岐管１８ａ〜１８ｇは、各々の挿入深さ２０を異ならせて液冷媒の流量分配を調整するようにしてもよい。また、例えば、切り欠き長さ２２が同じでも、切り欠き深さ２１を変えることで開口部の面積を変化させ、分岐管毎に流量分配の調整を行うことができる。さらに、図６と同様、各々の分岐管１８ａ〜１８ｇにおいて開口部の軸中心の回転位相を段階的又は連続的に変化させることで、液冷媒の流量分配を調整することができる。

以上述べたように、上記実施形態によれば、導入管内に挿入された分岐管の端面に切り欠きを形成しているため、その切り欠きによる開口部から気液二相冷媒中の液冷媒を効率的に捕捉することができる。そして、その切り欠きによる開口部の冷媒の流れ方向に対する投影面積を変化させることにより、各分岐管に気液二相冷媒を均等に分配することができ、蒸発器における熱交換効率を向上させることができる。加えて、熱交換器の小型化や部品コストの低減を図ることができる。

また、本実施形態の分岐管では、導入管への侵入深さ、切り欠きによる開口部の軸中心の回転位相、切り欠き形状のうち、少なくとも一つを変化させることにより、分岐管への液冷媒の取り込み量を調整し、気液二相冷媒を一層均等に分配することができる。

なお、本実施形態のヘッダは、室外熱交換器及び室内熱交換器の蒸発器として使用される熱交換器へ気液二相冷媒を均等に分配するための冷媒分配器、つまり液ヘッダに適用する例を説明したが、これに限定されるものではなく、他の冷媒分配器としても用いることができるのはいうまでもない。

本発明を適用してなる第１の実施形態のヘッダの外観を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ方向の部分断面図である。 本発明を適用してなるヘッダを備えた蒸発器を有する冷凍サイクルの一実施形態を示すサイクル系統図である。 従来構成のヘッダの部分断面図である。 本発明を適用してなる第２の実施形態のヘッダの構成を示す部分断面図である。 本発明を適用してなる第３の実施形態のヘッダの構成を説明する図であり、右図は左図のＢ−Ｂ方向の断面を軸中心の回転位相の角度で表した図である。 図４の従来ヘッダにおいて各分岐管から導出される気液二相冷媒中の液冷媒流量を示す図である。 本発明を適用してなるヘッダにおいて各分岐管から導出される気液二相冷媒中の液冷媒流量を示す図である。 本発明を適用してなる第４の実施形態のヘッダの構成を示す部分断面図である。

符号の説明

１０，１２，１４，１６，１８ 分岐管
１１，１３，１５，１７，１９ 導入管
３３ 室外ガスヘッダ
３４ 室外熱交換器
３６ 室外液ヘッダ
４３ 室内ガスヘッダ
４４ 室内熱交換器
４６ 室内液ヘッダ

Claims (5)

1. 冷凍サイクルの蒸発器へ導入する冷媒が流入される導入管と、該導入管の延在方向に分散配置して接続される複数の分岐管とを備え、前記冷媒を前記蒸発器を構成する複数の伝熱管に分配する冷媒分配器であって、
   前記分岐管の少なくとも１本の先端が前記導入管の中に挿入され、挿入された該分岐管の端面が切り欠かれていることを特徴とする冷媒分配器。
2. 前記端面が切り欠かれた前記分岐管を複数有し、該分岐管は、前記端面が切り欠かれて形成される開口の冷媒通流方向に対する投影面積を段階的又は連続的に異ならせてなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒分配器。
3. 前記端面が切り欠かれた前記分岐管を複数有し、該分岐管は、前記端面が切り欠かれて形成される開口の軸中心の回転位相を段階的又は連続的に異ならせてなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒分配器。
4. 前記端面が切り欠かれた前記分岐管を複数有し、該分岐管は、前記導入管への挿入深さ、前記切り欠かれて形成される開口の軸中心の回転位相、前記端面の切り欠き形状のうち、少なくとも一つが互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の冷媒分配器。
5. 前記冷媒分配器を介して前記蒸発器へ冷媒を導入する冷凍サイクルを備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の空気調和機。
   

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