JP2008122010A - 冷媒分配器および冷媒分配器を備えた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】入口管に流入する気液二相流が乱れた冷媒流流れであっても、気液分離を確実に図り複数の出口管に安定した気液二相流の冷媒分配を行うこと。
【解決手段】気液二相冷媒流４０が送り込まれる入口管４２と、入口管の下流側で冷媒流を分配させる複数の出口管４３と、を備えた冷媒分配器において、入口管は管内面に液冷媒を流すように複数の溝４４を有し、入口管の入口近傍に筒状の冷媒流整流手段６１を内設し、整流手段の内側空間と、整流手段の外周部と前記入口管の内面との間の空間が、冷媒流の流路を形成する構成とする。また、筒状冷媒流整流手段の他の具体例として上流側端部にテーパ形状を形成する。さらに、冷媒流整流手段の別の具体例として、中央部で密構造、外周部で粗構造の格子形状とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば家庭用ルームエアコンなどに適用される空気調和機用熱交換器の冷媒分配器に係り、特に、熱交換器を効率的に作用させるものに関する。

図１は一般的な家庭用空気調和機の冷凍サイクルの構成を示す図である。図１において、１は圧縮機、２は四方弁、３は電動弁等の絞り装置、４は室内熱交換器、５は室外熱交換器である。家庭用空気調和機では、四方弁２を切替えることで室内熱交換器４を蒸発器、室外熱交換器５を凝縮器として使う冷房運転（実線矢印）と、室内熱交換器４を凝縮器、室外熱交換器５を蒸発器として使う暖房運転（破線矢印）を行なうことができる。

例えば、冷房運転では圧縮機１で圧縮された高温高圧の冷媒が、四方弁２を通過して室外熱交換器５に流入し、空気との熱交換により放熱し凝縮する。そして、電動弁等の絞り装置３により等エンタルピ膨張した後、低温低圧でガスと液が混在した気液二相流となって室内熱交換器４へ流入する。室内熱交換器４では、空気からの吸熱作用により冷媒が入口から出口にかけて乾き度χを増しながら蒸発する。そして、室内熱交換器４を出た冷媒は圧縮機１へ戻り、サイクルを構成する。因みに、乾き度χとは、冷媒ガス質量流量を冷媒全質量流量で除した値であり、すなわち、乾き度χ＝冷媒ガス質量流量／冷媒全質量流量である。

ここで、蒸発器として作用する室内熱交換器４内部では、熱交換器を構成する配管内の流動抵抗による損失が、蒸発器としての性能低下に大きく影響する。この損失を押さえるため、一般的に室内熱交換器４内で数本のパス１１，１２のように並列に分岐して冷媒を流すように構成される。これら複数のパスに気液二相流の冷媒を分配する冷媒分配器３１が必要となる。

気液二相流である冷媒は、ガス冷媒と液冷媒で数十倍の密度比があるため、流速が大きく異なり、気液の界面が乱れて冷媒の流動は不安定なものとなる。また、冷媒分配器上流の接続管の曲がり（湾曲部）による遠心力や、入口管の傾きによる重力の作用もこの冷媒の流動バラつきに影響を与える。あるいは、冷媒分配器上流にある接続管の曲がりの曲率が小さい場合や、二方弁など流れの方向が急激に変わる場合には、その直後の流れは、液膜が乱れ、気相が流れる管断面中心部に多数の液滴を伴うような流動状態となり、前記と同様に冷媒の流動バラつきに影響を与える。

更に、圧縮機回転数が可変であるインバータ駆動式ルームエアコンのように冷媒流量が小流量から大流量まで広範囲に変化する場合や、冷媒分配器３１の加工精度がバラついている場合には、冷媒分配器３１に流入する液冷媒の管断面における分布が大きく異なり、または大きく冷媒の流動がバラつくと言える。

このため、熱交換器において蒸発に寄与する液冷媒が十分に流れるパスと、不十分にしか流れず液冷媒が枯渇するパスが発生する。液冷媒がパス途中で枯渇した場合、その部位以降の熱交換器では熱交換ができず、十分な性能を発揮できない。つまり冷媒を十分に活用することができず、その不足分を冷媒流量の増加、すなわち圧縮機回転数を上げて冷媒流量を増加させ、必要な能力を得る必要がある。このようなことでは、圧縮機へ投入する無駄な仕事が増加するので省電力化できない。

更に、液冷媒が十分に流れるパスで十分冷却され潜熱が奪われた空気と、液冷媒が枯渇したパスでほとんど冷却されず潜熱が残った空気とが熱交換器下流で合流すると、室内ファンや風路で結露が生じ、吹出す空気に水滴が混じってしまう。このような室内ユニットの露付は、使用者の不快の原因となる。

また、室内機の吹出し温度を下げないようにした再熱除湿方式などを採用した場合、冷凍サイクルの構成は図２のようになる。すなわち、絞り装置３３を室内熱交換器４の冷媒パスの間に設け、この絞り装置により冷媒を減圧することで、パス２１，２２の部分を凝縮器、パス１１，１２の部分を蒸発器として作用させ、それぞれの出口温度を混合することにより、上述の再熱除湿方式を実現している。このとき、室内熱交換器４のパスの途中に冷媒分配器３２を設ける必要がある。冷房運転の際、この分配器３２では冷媒分配器３１よりも冷媒入口乾き度が高くなるため、極めて少量の液冷媒を分配しなければならない。このような高乾き度での液冷媒の分配は、低乾き度での分配に比べ入口の管形状や重力の影響を受けやすいので、難しい課題となっている。

このような冷媒分配に関する課題に対して、さまざまな対策が考えられてきた。

例えば、冷房運転時に蒸発器として作用する室内熱交換器４の入口に冷媒分配器を設置する場合、一般の家庭用空気調和機では冷媒入口乾き度χは比較的小さく、０．２前後である。このような場合、特許文献１に開示されているように、冷媒流に旋回成分を与え、重力よりも大きな遠心力を与えることで、重力の影響を少なくし冷媒分配の改善を図るものが従来提案されている。

しかし、液冷媒に旋回成分を与えるには大きな運動量が必要となり、冷媒流量が少ない場合には必要な運動量を確保することができない。また、再熱除湿方式を採用した場合など熱交換器の配管途中に冷媒分配器を設ける場合には、冷媒の乾き度が高く、旋回成分を与えるための液冷媒が極めて少量のため、旋回流を発生させることができない。このため、特許文献２に開示されているように、微細な溝による表面張力を作用させることで、重力の影響を少なくし冷媒分配の改善を図るものが従来提案されている。
特開２０００−１０５０２６号公報 特開２００３−０１４３３７号公報

上記特許文献１に示すように、冷媒流に旋回成分を与えることにより、入口管の傾きによる重力の作用をある程度低減することは可能であるが、冷媒流量が少ない場合や入口管の冷媒乾き度が高い場合などに、液冷媒の管断面方向の偏りを低減することができなかった。

一方、上記特許文献２に示すように、微細な溝による表面張力を作用させることで、冷媒流量が少ない場合や入口管の冷媒乾き度が高い場合などでも、重力や遠心力の影響による液冷媒の偏りを低減可能である。

しかし、冷媒分配器上流にある接続管の曲がりの曲率半径が小さい場合や、二方弁など流れの方向が急激に変わる場合には、その直後の流れは、液膜が乱れ、気相が流れる管断面中心部に多数の液滴を伴うような流動状態となり、微細な溝の効果を十分に得ることができない。すなわち、上述した場合には、分配する部分で安定した環状流にならず、分配比を保つことができない。更に、液冷媒の偏り方が流量の大小により異なるため、動作範囲が小流量から大流量というような広い流量範囲で分配比を保つことができないという課題が生じていた。

本発明の目的は、管内面に複数の溝を有する入口管の入口近傍に冷媒流の整流手段と出口管の入口近傍に内側管を設けることで、入口管に流入する気液二相流が乱れた冷媒流流れであっても、気液分離を確実に図り複数の出口管に安定した気液二相流の冷媒分配を行う冷媒分配器を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明は次のような構成を採用する。
気液二相冷媒流が送り込まれる入口管と、前記入口管の下流側で前記冷媒流を分配させる複数の出口管と、を備えた冷媒分配器において、前記入口管は管内面に液冷媒を流すように複数の溝を有し、前記入口管の入口近傍に筒状の冷媒流整流手段を内設し、前記整流手段の内側空間と、前記整流手段の外周部と前記入口管の内面との間の空間が、冷媒流の流路を形成する構成とする。

また、前記冷媒分配器において、前記筒状の冷媒流整流手段は上流側端部にテーパ形状を形成し、前記冷媒流が前記テーパ形状に衝突することによって、前記冷媒流の流れが前記入口管の管内面に向けられる構成とする。

また、気液二相冷媒流が送り込まれる入口管と、前記入口管の下流側で前記冷媒流を分配させる複数の出口管と、を備えた冷媒分配器において、前記入口管は管内面に液冷媒を流すように複数の溝を有し、前記入口管の入口近傍に格子状の冷媒流整流手段を設け、前記格子状冷媒流整流手段は、中央部で格子の粗密が密構造を形成し、外周部で格子の粗密が粗構造を形成する構成とする。

また、前記冷媒分配器において、前記冷媒流整流手段と隔たった下流側に、前記入口管と前記出口管の間に内側管を設け、前記内側管は、前記入口管の内径よりも小さい外径を有し、前記複数の出口管の入口に当接して設置される構成とする。

本発明によれば、管内面に溝のある入口管に流入する気液二相流に液滴を含んだ乱れがあっても、気液分離が確実に図られて安定した気液二相流の冷媒流を複数の出口管に冷媒分配することができる。

本発明の第１、第２及び第３の実施形態に係る冷媒分配器について図面を参照しながら以下詳細に説明する。

「第１の実施形態」
本発明の第１実施形態に係る冷媒分配器について、図３〜図７を参照しながら以下説明する。図３は本発明の第１の実施形態に係る冷媒分配器の全体構成を示す図である。図３において、４０は冷媒流、４１は接続管、４２は入口管、４３は出口管、４４は溝、４５は内側管、４６はフランジ、４６ａは分離された液の分配流路、４６ｂは分離された液の分配流路、４７はフランジの断面図、６０は整流手段６１の設置位置における断面図、６１は第１の実施形態における整流手段、６２は整流手段固定手段、をそれぞれ表す。

図３において、本発明の第１の実施形態に係る冷媒分配器は、気液二相状態の冷媒流４０が流入する接続管４１と、入口管４２と、複数の出口管４３を備え、接続管４１と入口管４２の間には環状の整流手段６１を設け、入口管４２の内面には複数の微細な螺旋溝４４が設けられている。

６０は整流手段６１の設置位置であるＡ−Ａ’断面で切断した図である。整流手段６１は、整流手段固定手段６２により入口管４２の管断面中心に固定される。このとき、接続管４１の内周と整流手段６１の外周の間を液膜が流れるように、整流手段６１の外径は入口管４２の最小内径よりも小さくする。本実施形態では、例えば図３に示すように整流手段６１の外周の一部分に複数の突起部６２を設けて螺旋溝の頂部と整流手段６１の外周の間を固定している。

また、入口管４２の出口部分に入口管４２の最小内径よりも小さい外径の内側管４５を設けることで、二重管部Ｘ（入口管４２の出口部分と内側管４５とからなる）を構成している。４６は内側管４５を固定するためのフランジであり、４７はフランジをＢ−Ｂ’断面で切断した図である。

図４は本実施形態における入口管上流側の接続管に流入する気液二相状態の冷媒流流動状態を示す図である。図５は本実施形態における接続管上流側に配置されたベント（曲がり管）と二方弁の冷媒流流動状態を示す図である。

本実施形態に係る冷媒分配器が、例えば空気調和機に用いられる際、接続管４１上流側が十分な長さの直管部分であれば、接続管４１に流入する気液二相状態の冷媒流４０の流動状態は図４（ａ）のようになる。すなわち、管内壁に液相が膜状に流れ、管断面中心部に気相が流れる環状流（ドーナツ状流れ）である。しかし、実際には図５に示すように接続管４１の上流に、ベント（曲がり管）や二方弁が設置される場合が多く、この場合には、図４（ｂ）に示すような、接続管４１における冷媒流の流動状態となる。

図５（ａ）はベント管内部、図５（ｂ）は二方弁内部の状態である。図５（ｂ）では弁体は省略してある。図５は水平な流れから垂直下向きへの流れを示している。図５に示すようにベントや二方弁などを通過した直後の冷媒は、流れの方向が急激に変わるために、液膜が乱れ、気相が流れる管断面中心部に多数の液滴を伴うような流動状態となる。このような流動状態で入口管に流入すると、螺旋溝部４４のみでは気液分離が完全に行なわれず、分離効率が低下し分配比がばらついてしまう。

図６は第１の実施形態における入口管の入口近傍に整流手段を設けることによる冷媒流動状態を模式的に表す図である。図６において、気液二相状態の冷媒流れ４０が整流手段６１を通過し、入口管４２へ流入する際、図６に示すように管断面中心を気相に伴って流れる液滴の一部が整流手段６１の上端部に衝突する。この衝突により管外周方向へ向かう液滴は、入口管４１内壁を流れる液膜へ直接付着する。また、管断面中心方向へ向かう液滴は管断面中心部の流れに合流する。そして、管断面中心部の流れは、管断面が接続管４１から整流手段６１で縮小し（整流手段の内径が接続管４１の内径より小さい）、次いで入口管４２で拡大する流路になっていることから、整流手段６１内部で縮流した後に入口管４２へ流入する際に拡大する流れとなる（図６に示す矢印を参照）。その流れに伴う液滴は入口管４２内壁を流れる液滴へ付着する。したがって、入口管４２へ流入する冷媒は安定した環状流となる。

本実施形態における整流手段６１は、管肉厚が厚いほど、液滴の液膜への付着する量は多くなるが、流れの抵抗となるため流動損失は増加する。このため、本実施形態を適用する入口乾き度、接続管４１までの管形状により整流手段６１の最適な寸法を定める必要がある。例えば、入口乾き度が高いほど管断面に存在する液相が少ないため液膜の厚さが薄く、液滴量が少ない。すなわち、本実施形態を適用する際の入口乾き度が高いほど管肉厚を薄くすることができ、整流手段による流動損失を大幅に増加させることなく、液滴は付着し、入口管４２へ流入する冷媒は安定した環状流（ドーナツ状流れ）となる。

また、整流手段６１下流における液滴の付着が十分に行なわれるように整流手段６１と二重管部Ｘとの距離を流量範囲に応じて、最適に配置する必要がある。すなわち、整流手段６１と二重管部Ｘとの距離は、整流手段通過後の液滴が液膜へ付着する範囲以上とする必要がある。流量が多いほど管断面中心部の気相の流速は速く、それに伴う液滴の流速も速くなり、整流手段通過後の液膜への付着範囲が広くなるため、整流手段６１と二重管部Ｘまでの距離を長くする必要がある。

上述したように、整流手段６１を通過した冷媒流４０は、入口管４２内を流動する際、内面に設けられた微細な螺旋溝４４部分での表面張力作用により、液冷媒が溝内に引き込まれる。ここで、液冷媒は溝間の隙間の間隔が細かいほど表面張力の作用を受けるため、微細な溝である方が好ましい。また、図３においてＡ−Ａ’断面で切断した図の斜線で示した溝部分の周方向の全断面積が単位時間、単位断面積当たりの液冷媒の体積流量よりも大きくなければならない。溝部の断面積が液冷媒の体積流量より小さいと溝部から液冷媒が溢れてしまい、溝による効果が小さくなってしまう。

冷媒流４０は、液冷媒が外周部（入口管４２の内壁）の溝内に引き込まれているため、入口管４２の管断面中心部分にガス冷媒が流れ、溝内４４を液冷媒が流れる環状流となる。

入口管４２の出口部分に到達した冷媒流４０は、内側管４５を有する二重管部Ｘを流動する。このとき冷媒流４０の中心部分のガス冷媒は内側管４５の内側Ｘ１へと流れ、外周部の液冷媒は溝部４４と内側管４５外周に挟まれた空間Ｘ２へと流れ、ガスと液とがほぼ分離される（図３を参照）。これは、溝部４４での表面張力により、液冷媒が溝部４４内に保持されるためである。従って、この表面張力により、入口管４２の重力方向の傾きによる影響を低減し得る（入口管４２が鉛直配置されていなくとも）。

内側管４５内部Ｘ１のガス冷媒に作用する圧力損失より内側管４５外周部Ｘ２の液冷媒に作用する圧力損失が大きい場合、冷媒が空間Ｘ２部分に溜まることとなり、冷媒液は内側管４５外周部の隙間Ｘ２より溢れる場合がある。こうなると溢れた液冷媒が内側管内部Ｘ１に入り込んでしまい、液冷媒とガス冷媒との分離がうまく行かなくなる。逆に、内側管４５内部Ｘ１のガス冷媒に作用する圧力損失より内側管４５外周部Ｘ２の液冷媒に作用する圧力損失が小さい場合、ガス冷媒が空間Ｘ２部分に入り込んでしまい、液冷媒とガス冷媒との分離がうまく行かなくなる。

したがって、内側管４５の外径は、螺旋溝４４内を流れる液冷媒を確実に外周部の隙間Ｘ２へ導くため、入口管の中心から溝の頂点までを半径とする径となる。また、内側管４５の長さは、その内部Ｘ１を流れるガス冷媒と外周部の隙間Ｘ２を流れる液冷媒の合流部までの圧力損失の差が０となる長さとなる。このように、内側管４５は、出口管４３の入口側に設置され、整流手段６１によって液冷媒とガス冷媒とを分離した冷媒流をその状態で保持したままそれぞれの出口管に送給する機能を有している。換言すると、内側管が存在しないと、液冷媒とガス冷媒が出口管の入口側でぶつかって再び混合状態となり得、規定された気液の割合で夫々の出口管に分配されないことが起こり得る。

図３に示す本実施形態の構造、特にフランジ４６の流路穴構造では、液とガスとを分離して分配するので適切に分配することができる。分配比は、液冷媒の分配によってのみ制御すれば良く、ガス冷媒は気液合流後の流路の圧力損失により自動的に分配される。分配比を変えたいときは、分配する流路各々の総面積を変えるようにすれば良い。

図３では、穴４６ａ，４６ｂは互いに同一のものであるとしている。内側管４５を有する二重管部Ｘを通過した冷媒流４０は、フランジ４６に貫通している穴４６ａ，４６ｂから出口管４３に等分配される。なお、図３に示すフランジ断面図４７に示されている中央部の大きい穴からはそれぞれの出口管にガス冷媒が分配される。本実施形態では、フランジに貫通した穴により液冷媒を分配しているが、液冷媒の流路を径や長さを変えて流動抵抗を定めた別々の管路で構成しても良い。

図７は第１の実施形態に係る冷媒分配器を家庭用空気調和機の室内熱交換器の冷媒回路に適用した冷媒配管を示す図である。次に、図７を参照して、本実施形態に係る冷媒分配器を適用した家庭用空気調和機の室内熱交換器の構成と動作について説明する。図７において、本実施形態に係る冷媒分配器３１，３２は冷媒配管の途中に設けられている。

室内熱交換器は、空気と冷媒とを熱交換させるため、折り曲げられて配設された熱交換器２００，２０１，２０２がケーシング１１４内に配置されている。熱交換器２０１，２０２にはそれぞれ冷媒分配器３１，３２が設けられている。１１２は再熱除湿を行うための除湿弁、１１３は熱交換のための風量を供給する貫流ファンである。熱交換器２００，２０１，２０２はそれぞれ複数のフィンが紙面の垂直方向に重ねられており、このフィンを複数の伝熱管が貫通している。更に複数の伝熱管は、例えばＵ字状の接続管により接続され冷媒パスを構成する。

冷媒分配器３１は一つのパスを二つのパスへ分配する分配器であり、冷媒パス３１０は冷媒分配器３１により冷媒パス３１１，３１２の２パスに分配される。冷媒パス３１１，３１２は、熱交換器２００，２０１を通過後に合流して１パスとなり、除湿弁１１２が設けられている冷媒パス３２０に接続され、連続した冷媒回路を構成する。

また、冷媒分配器３２も冷媒分配器３１と同様に一つのパスを二つのパスへ分配する分配器であり、冷媒パス３２０を冷媒パス３２１，３２２の２パスに分配する。冷媒パス３２１，３２２は、熱交換器２０２を通過後に合流して１パスとなり、冷媒パス３２３に接続され、連続した冷媒回路を構成する。そして、冷媒パス３２３は図示しない室外機へと導かれ、圧縮機、室外熱交換器、減圧手段を経て、冷媒パス３１０として図７に戻ってくる。

次に、室内熱交換器の動作について説明する。冷房運転時、冷媒は図示しない室外機から、冷媒パス３１０へ流入する（実線矢印の方向）。流入した冷媒は冷媒分配器３１により冷媒パス３１１，３１２の２パスに分配され熱交換器２００，２０１で空気と熱交換する。その後冷媒パス３２０で１パスに合流し、除湿弁１１２を通過して冷媒分配器３２へ流入する。そして、再び冷媒パス３２１，３２２の２パスに分配され、熱交換器２０２で空気と熱交換する。

本実施形態に係る冷媒分配器を図２に示す冷媒分配器３２に適用した場合、冷媒パス３２０を通過する高乾き度（χ＝０．７前後）の気液二相冷媒は、接続管４１、整流手段６１および入口管４２の溝部４４で環状流化し、更に内側管４５で構成される二重管部Ｘ（Ｘ１，Ｘ２）で気液に分離される。その後、３２１，３２２の２パスに均等に分配され、熱交換器２０２で空気と熱交換する。

このとき、除湿弁１１２と冷媒分配器３２を結ぶ接続管４１内が短く、液膜が乱れ、管断面中心に液滴が流れるような状態でも、整流手段６１により液滴が液膜に付着するため、冷媒の流れの乱れによる影響が低減し、安定した環状流が入口管４２へ流入する。ついで、入口管４２へ流入した冷媒流は、溝部４４側の空間Ｘ２と内側管４５の内側Ｘ１とで、主に表面張力を用いることにより、液冷媒とガス冷媒を分離するため、入口管４２の重力方向の傾きや、接続管の曲がり（湾曲部）での遠心力による影響を低減できる。

従って、微細な溝を有する入口管の上流の冷媒流が、環状流の気相側に液滴が飛散するような乱れた流動状態であっても、幅広い流量範囲で最適な分配比で冷媒分配を行うことが可能となる。ひいては、必要以上に圧縮機を運転する必要がなくなり電気入力が低減する。更に、分配比の悪化による室内ユニットへの露付などの不具合が解消される。

以上の説明では、本実施形態として、１パスを２パスに分ける分配器についてその動作を説明したが、出口管が３パス、４パスと多パスになった場合においても同様の効果が得られる。また、本実施形態においては室内熱交換器の冷媒配管の途中に冷媒分配器を適用した場合を説明したが、例えば再熱除湿を行わない場合についても適用できる。このとき、除湿弁は不要となるため、室内熱交換器の入口から出口までの全てが２パスの場合のように、入口の冷媒の乾き度が低い場合（湿り度が高い場合）においても、整流手段６１の外径、肉厚、長さと、入口管４２の溝部４４の形状および内径と、内側管４５の外径および肉厚とを入口冷媒状態に応じて最適化することにより、同様の効果が得られる。

「第２の実施形態」
本発明の第２の実施形態に係る冷媒分配器における整流手段について、図８を参照しながら以下説明する。図８は本発明の第２の実施形態に係る冷媒分配器における他の整流手段の構成を示す図である。

図８に示す整流手段７１は、気液二相状態の冷媒流４０が流入する接続管４１と、入口管４２の間の管断面中心に設置される（図３に示す配置と同様）。接続管４１と、入口管４２および入口管４２下流側の形態は第１の実施形態と同様である。また、その気液分離の効果および熱交換器に組み込んだ際の効果も第１の実施形態と同様である。

図８に示す整流手段７１の流れの上流側端部は流れの上流側に向けて、管外周から管断面中心方向へテーパ状となっている。気液二相状態の冷媒流４０が接続管４１から整流手段７１に達すると、整流手段７１の上流側端部に衝突して管外周方向へ向かい、入口管４１内壁を流れる液膜へ付着する。

また、管断面中心部の液滴は、管断面が接続管４１から整流手段７１で縮小し、入口管４２で拡大する流路になっていることから、整流手段７１内部で縮流した後、入口管４２へ流入する際に拡大する流れとなる。その流れに伴う液滴は入口管４１内壁を流れる液滴へ付着する（入口管４２の内面には第１の実施形態と同様に溝が形成されている）。したがって、入口管４２へ流入する冷媒は安定した環状流となる。

本実施形態における整流手段７１は、管肉厚が厚いほど、液滴の付着する量は多くなるが、流れの抵抗となるため整流手段による流動損失は増加する。このため、使用する入口乾き度、接続管４１までの管形状により整流手段７１の最適な寸法を定める必要がある。例えば、第１の実施形態と同様に入口乾き度が高いほど管断面に存在する液相が少ないため液膜の厚さが薄く、液滴量が少ない。すなわち、本実施形態を適用する際の入口乾き度が高いほど管肉厚を薄くすることができ、整流手段による流動損失を大幅に増加させることなく、液滴は付着し、入口管４２へ流入する冷媒は安定した環状流となる。

また、整流手段７１下流における液滴の付着が十分に行なわれるように整流手段７１と二重管部Ｘとの距離を流量範囲に応じて、最適な配置にする必要がある。すなわち、整流手段７１と二重管部Ｘとの距離は、整流手段通過後の液滴が液膜へ付着する範囲以上とする必要がある。流量が多いほど管断面中心部の気相の流速は速く、それに伴う液滴の流速も速くなり、整流手段通過後の液膜への付着範囲が広くなるため、整流手段７１と二重管部Ｘまでの距離を長くする必要がある。

上述したように整流手段７１を構成することで第１の実施形態のメリットに加え、管肉厚が厚くても、テーパ部を設けることで管断面中心部の気相の流れを大きく乱すことなく、液滴の一部を外周側へ導くことができるので、整流手段による流動損失を低減し、入口管の上流の冷媒流が、環状流の気相側に液滴が飛散するような乱れた流動状態であっても、幅広い流量範囲で最適な分配比で冷媒分配を行うことが可能となる。

「第３の実施形態」
本発明の第３の実施形態に係る冷媒分配器における整流手段について、図９を参照しながら以下説明する。図９は本発明の第３の実施形態に係る冷媒分配器における整流手段の別の構成を示す図である。

図９に示す整流手段８１は、気液二相状態の冷媒流４０が流入する接続管４１と入口管４２の間の管断面に設置される。接続管４１と、入口管４２および入口管４２下流側の形態は第１の実施形態と同様である。また、その気液分離の効果および、熱交換器に組み込んだ際の効果も第１の実施形態と同様である。

第３の実施形態における整流手段は、図３に示す円筒体構造とは異なり、管内面に螺旋状溝を設けた入口管４２の入口近傍に全断面に亘った格子状構造体からなり、さらに、この格子には粗密を形成し、管中央部の開口率は管外周部のそれよりも小さくする。すなわち、中央部は密にし外周部にかけて粗にする。このような整流手段の構造によって、格子状構造体の中央部ではその密格子形状によって液滴を含んだガス冷媒流はその流速が外周部との比較で遅くなり、中央部の格子に衝突した液滴は、流速の速い外周部に引き寄せられ、次いで入口管内面の螺旋溝を流れる液滴に付着することとなる。したがって、入口管４２へ流入する冷媒は安定した環状流となる。

整流手段８１の格子間隔が小さいほど、格子の太さが太いほど、大流量時の液滴の付着量は多くなるが、整流手段による流動損失は増加する。このため、使用する入口乾き度、流量範囲により格子の粗密程度や太さを定める必要がある。また、使用する流量範囲に応じて整流手段８１下流における液滴の付着が十分に行なわれるよう整流手段８１と二重管部Ｘとの距離をとる必要がある。

例えば、第１の実施形態と同様に入口乾き度が高いほど管断面に存在する液相が少ないため液膜の厚さが薄く、液滴量が少ない。すなわち、本実施形態を適用する際の入口乾き度が高いほど格子の密度を粗にすることができ、整流手段による流動損失を大幅に増加させることなく、液滴は付着し、入口管４２へ流入する冷媒は安定した環状流となる。

また、整流手段８１下流における液滴の付着が十分に行なわれるよう整流手段８１と二重管部Ｘとの距離を流量範囲に応じて、最適な配置にする必要がある。すなわち、整流手段８１と二重管部Ｘとの距離は、整流手段通過後の液滴が液膜へ付着する範囲以上とする必要がある。流量が多いほど管断面中心部の気相の流速は速く、それに伴う液滴の流速も速くなり、整流手段通過後の液膜への付着範囲が広くなるため、整流手段８１と二重管部Ｘまでの距離を長くする必要がある。

図９に示すように整流手段８１を構成することで第１の実施形態のメリットに加え、より簡単な構造で、入口管の上流の冷媒流が環状流の気相側に液滴が飛散するような乱れた流動状態であっても、幅広い流量範囲で最適な分配比で冷媒分配を行うことが可能となる。

図９に示すように、入口管の入口近傍に粗密形状の格子状整流手段を設けることで、液滴を含んだ気液二相流の乱れた冷媒流が送られてきた場合においても、第１と第２の実施形態と同様に、微細な溝を有する入口管の上流の冷媒流が環状流の気相側に液滴が飛散するような乱れた流動状態であっても、幅広い流量範囲で最適な分配比で冷媒分配を行うことが可能となる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る冷媒分配器は、次のような構成を備え、機能乃至効果を奏することを特徴とするものである。すなわち、入口管と、この入口管から分岐する複数の出口管を備え、入口管の内面に複数の微細な溝を設けた冷媒分配器において、入口管の最小内径よりも小さい外径の内側管を有する二重管部を、入口管と出口管の間に、入口管出口側で複数の出口管入口に接するように設けるとともに、入口管の入口付近に構成された入口管内壁付近と中心付近が流路である筒状（環状）の整流手段、または、流れの上流側端部に管外周から管断面中心方向へテーパ状である筒状（環状）の整流手段、あるいは粗密形成だれた格子状の整流手段を設けたことを特徴とする。

本実施形態に係る冷媒分配器が上述のような特徴を具備することによって、気液二相流が乱れた流れであっても、入口管の入口付近に構成された冷媒流の整流手段に液滴が通過することで液膜に付着し、安定した環状流とする。さらに、溝付管の内面溝により環状流化した気液二相流を、二重管部により外周側に溝部内の液冷媒を流し、内周側に中心を流れるガス冷媒を流すように維持形成する。

このように、入口管の上流の冷媒流が環状流の気相側に液滴が飛散するような乱れた流動状態であっても、溝付管による旋回成分が支配的な高流量・低乾き度の領域だけでなく、溝付管により旋回成分が生じない低流量・高乾き度の領域においても、入口管上流の接続管の曲がり（湾曲部）での遠心力による液冷媒の偏りや重力の影響を低減し、幅広い流量範囲で最適な分配比で冷媒分配を行うことが可能となる。ひいては、必要以上に圧縮機を運転する必要がなくなり電気入力が低減する。更に、分配比の悪化による室内ユニットへの露付などの不具合が解消される。また、気液を分離する作用を利用して、本実施形態に係る冷媒分配器を空気調和機に適用することによって、冷媒分配器で主として液冷媒だけを回収して室内熱交換器に導入し、ガス冷媒は室内熱交換器を通さずに圧縮機に戻すようにすれば、空気調和機を高効率で、信頼性を確保しつつ（圧縮機に余分な液が混入しないので）運転することができる。

一般的な家庭用空気調和機の冷凍サイクルの構成を示す図である。 一般的な家庭用空気調和機の再熱除湿に対応した冷凍サイクルの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る冷媒分配器の全体構成を示す図である。 第１の実施形態における入口管上流側の接続管に流入する気液二相状態の冷媒流流動状態を示す図である。 第１の実施形態における接続管上流側に配置されたベント（曲がり管）と二方弁の冷媒流流動状態を示す図である。 第１の実施形態における入口管の入口近傍に整流手段を設けることによる冷媒流動状態を模式的に表す図である。 第１の実施形態に係る冷媒分配器を家庭用空気調和機の室内熱交換器の冷媒回路に適用した冷媒配管を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷媒分配器における整流手段の他の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る冷媒分配器における整流手段の別の構成を示す図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 電動弁等の絞り装置
４ 室内熱交換器
５ 室外熱交換器
１１，１２，２１，２２ 冷媒パス
３１，３２ 冷媒分配器
４０ 冷媒流
４１ 接続管
４２ 入口管
４３ 出口管
４４ 溝
４５ 内側管
４６ フランジ
４６ａ 分離された液の分配流路
４６ｂ 分離された液の分配流路
４７ フランジの断面図
６０ 整流手段６１の設置位置における断面図
６１ 第１の実施形態における整流手段
６２ 整流手段固定手段
７１ 第２の実施形態における整流手段
８１ 第３の実施形態における整流手段
１１２ 除湿弁
１１３ 貫流ファン
１１４ 室内機筐体
２００，２０１，２０２ 熱交換器
３１０，３１１，３１２，３２０，３２１，３２２，３２３ 冷媒パス

Claims (5)

1. 気液二相冷媒流が送り込まれる入口管と、前記入口管の下流側で前記冷媒流を分配させる複数の出口管と、を備えた冷媒分配器において、
   前記入口管は管内面に液冷媒を流すように複数の溝を有し、
   前記入口管の入口近傍に筒状の冷媒流整流手段を内設し、
   前記整流手段の内側空間と、前記整流手段の外周部と前記入口管の内面との間の空間が、冷媒流の流路を形成する
   ことを特徴とする冷媒分配器。
2. 請求項１において、
   前記筒状の冷媒流整流手段は上流側端部にテーパ形状を形成し、
   前記冷媒流が前記テーパ形状に衝突することによって、前記冷媒流の流れが前記入口管の管内面に向けられる
   ことを特徴とする冷媒分配器。
3. 気液二相冷媒流が送り込まれる入口管と、前記入口管の下流側で前記冷媒流を分配させる複数の出口管と、を備えた冷媒分配器において、
   前記入口管は管内面に液冷媒を流すように複数の溝を有し、
   前記入口管の入口近傍に格子状の冷媒流整流手段を設け、
   前記格子状冷媒流整流手段は、中央部で格子の粗密が密構造を形成し、外周部で格子の粗密が粗構造を形成する
   ことを特徴とする冷媒分配器。
4. 請求項１、２または３において、
   前記冷媒流整流手段と隔たった下流側に、前記入口管と前記出口管の間に内側管を設け、
   前記内側管は、前記入口管の内径よりも小さい外径を有し、前記複数の出口管の入口に当接して設置される
   ことを特徴とする冷媒分配器。
5. 請求項１、２、３または４に記載の冷媒分配器を室内熱交換器の冷媒経路に適用することを特徴とする空気調和機。

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