JP2008286488A - 冷媒分配器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒分配器において、低コスト及び省スペースを維持しつつ、冷媒分流の均一化の向上を図ること。
【解決手段】冷媒分配器５０は、冷媒を並列に流す多数の伝熱管３１を有し且つ蒸発器として動作する熱交換器３に接続され、多数の伝熱管３１に冷媒を分配して流すものである。この冷媒分配器５０は、多数の伝熱管３１の入口側に対向して長く延びるヘッダ５７と、このヘッダ５７から多数分岐されて直線状に延び且つ多数の伝熱管３１の入口側に接続される分岐管５８と、ヘッダ５７の入口側に接続され且つヘッダ５７の流路断面積より大きい流路断面積を有する均質流化部胴体５１、及びこの均質流化部胴体５１内の中間部に配置され且つ微細な孔を有する多孔体５３からなる均質流化部５０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷媒分配器に係り、主として空気調和機等で蒸発器として動作する熱交換器に冷媒を分配する冷媒分配器に好適なものである。

空気調和機に用いられる蒸発器として動作する熱交換器の冷媒入口側には、冷媒通路を複数に分流するための冷媒分配器が使用される。

従来の冷媒分配器として、特開２００２−２２３１３号公報（特許文献１）に示されたものがある。この冷媒分配器は、長手方向に多数の冷媒管接続口を有した容器と、この容器の一端から反対側近傍まで挿入された流入管とから構成し、容器と流入管との間に冷媒を流通させることにより、冷媒の流速を増加させて気相と液相の混合状態を保ち、下部の冷媒管と上部の冷媒管での冷媒を均等に分流させることができるようにしたものである。

また、従来の別の冷媒分配器として、特開２０００−３５６４３７号公報（特許文献２）に示されたものがある。この冷媒分配器は、容器状の均質流化部胴体と、この均質流化部胴体に冷媒を導く１つの入口管と、均質流化部胴体から分岐されて２つの蒸発器に冷媒を供給する２つの出口管と、均質流化部胴体内に配置され冷媒成分を均質化する焼結合金製整流板とを備えて構成されている。

特開２００２−２２３１３号公報 特開２０００−３５６４３７号公報

特許文献１の冷媒分配器において、容器の一端から反対側近傍まで挿入する流入管による大幅なコストアップを招くと共に、冷媒の流速を増加させることだけで冷媒を均等に分流させることは極めて難しい、という課題がある。特に、最近多く用いられるようになってきている冷媒循環量を制御させて運転を行う容量制御型の空気調和機においては、運転状態によって冷媒の流速が遅くなり、気液二相流が重力の影響を受けて、下部の分配管では液冷媒が多くなってしまう、という課題がある。

また、特許文献２の冷媒分配器では、２つの蒸発器に冷媒を供給する２つの出口管を均質流化部胴体から直接分岐しているため、均質流化部胴体から熱交換器の伝熱管部への距離が長くなること、出口管を曲げる必要がありその加工等が複雑化になることにより、コストアップを招くと共に、特許文献１の分流器に比べて、分流器の設置スペースが大きくなり、機器のコンパクト化が行えなくなる、という課題がある。

本発明の目的は、低コスト及び省スペースを維持しつつ、冷媒分流の均一化の向上を図ることができる冷媒分配器を提供することにある。

前述の目的を達成するための本発明の第１の態様は、冷媒を並列に流す多数の伝熱管を有し且つ蒸発器として動作する熱交換器に接続され、前記多数の伝熱管に冷媒を分配して流す冷媒分配器において、前記多数の伝熱管の入口側に対向して長く延びるヘッダと、前記ヘッダから多数分岐されて直線状に延び且つ前記多数の伝熱管の入口側に接続される分岐管と、前記ヘッダの入口側に接続され且つ前記ヘッダの流路断面積より大きい流路断面積を有する均質流化部胴体、及びこの均質流化部胴体内の中間部に配置され且つ微細な孔を有する多孔体からなる均質流化部とを備えたことにある。

係る本発明の第１の態様におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）前記多孔体をニッケル金属の焼結体またはデミスタ材の圧縮部材により構成したこと。
（２）前記均質流化部胴体内における前記多孔体の入口側に少なくとも網目フィルタを配置したこと。

また、本発明の第２の態様は、冷媒を並列に流す多数の伝熱管を有し且つ蒸発器として動作する熱交換器に接続され、前記多数の伝熱管に冷媒を分配して流す冷媒分配器において、前記多数の伝熱管の入口側に対向して長く延びるヘッダと、前記ヘッダから多数分岐されて直線状に延び且つ前記多数の伝熱管の入口側に接続される分岐管と、前記ヘッダの入口側に接続され且つ前記ヘッダの流路断面積より大きい流路断面積を有する均質流化部胴体、この均質流化部胴体内の中間部に配置され且つ微細な孔を有する多孔体、前記多孔体の入口側に前記多孔体の入口面積より大きな流通面積を有すると共に前記多孔体の平均孔径よりも小さな網目径を有する入口側網目フィルタ、及び前記多孔体の出口側に前記多孔体の出口面積より大きな流通面積を有すると共に前記多孔体の平均孔径よりも小さな網目径を有する出口側網目フィルタからなる均質流化部とを備えたことにある。

係る本発明の第２の態様におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）前記入口側網目フィルタを入口側に円錐状に突出して形成し、前記出口側網目フィルタを出口側に円錐状に突出して形成したこと。

また、本発明の第３の態様は、冷媒を並列に流す多数の伝熱管を有し且つ蒸発器として動作する熱交換器に接続され、前記多数の伝熱管に冷媒を分配して流す冷媒分配器において、前記多数の伝熱管の入口側に対向して長く延びるヘッダと、前記ヘッダから多数分岐されて直線状に延び且つ前記多数の伝熱管の入口側に接続されると共に前記熱交換器へ通風される空気の風速分布に合わせて内径に差を持たせた分岐管と、前記ヘッダの入口側に接続され且つ前記ヘッダの流路断面積より大きい流路断面積を有する均質流化部胴体、及びこの均質流化部胴体内の中間部に配置され且つ微細な孔を有する多孔体からなる均質流化部とを備えたことにある。

係る本発明の冷媒分配器によれば、低コスト及び省スペースを維持しつつ、冷媒分流の均一化の向上を図ることができる。

以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の冷媒分配器を図１から図７を用いて説明する。

図１を参照しながら、本実施形態の冷媒分配器４０を用いた冷凍サイクルの概要を説明する。図１において、実線矢印は暖房運転時の冷媒の流れを示し、破線矢印は冷房運転時の冷媒の流れを示す。

暖房運転時の冷凍サイクルを説明すると、圧縮機１で圧縮されて高温高圧となったガス冷媒は、四方弁２を通過し、ガス阻止弁１０及びガス接続配管９を通って、室内機２００へと導かれる。室内機２００へ導かれた冷媒は、室内熱交換器８で室内送風機３１により送られた空気により冷却されて凝縮し、液冷媒となる。室内熱交換器８は暖房運転時に凝縮器として作用する。この液冷媒は、開状態の室内膨張弁７を通過し、液接続配管６及び液阻止弁５を通って、室外機１００へと戻される。

室外機１００へ戻された液冷媒は、室外膨張弁４により減圧、沸騰され、気液二相状態になる。この気液二相状態の冷媒は、均質流化部５０で二相流の気相と液相が微細化されて均一化され、液ヘッダ５７にて上方に送られながら、途中分岐されている液分岐管５８（図２参照）にて複数の流路に分岐される。各液分岐管５８に分岐された冷媒は、室外熱交換器３の各伝熱管３１（図２参照）に流入し、室外送風機３０により送られる室外空気により加熱されて、蒸発してガス冷媒となる。室外熱交換器３は暖房運転時に蒸発器として作用する。このガス冷媒は、四方弁２を通過して、アキュムレータ１１を通って圧縮機１に再び戻る。これによって、冷媒が循環するという一連のサイクルとなる。

ここで、冷凍サイクル内の冷媒にはＲ４１０ＡやＲ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ１３４ａ等のフロン系冷媒が一般的に使用されるが、地球温暖化効果が少ないＣＯ２やＮＨ３、ＨＣ系のイソブタンやプロパン等の冷媒等が用いられることもある。

そして、四方弁２を図１の実線のように切り替えることにより、冷媒の流路方向が切り替えられ、冷房運転とすることもできる。この場合には室外熱交換器３が凝縮器、室内熱交換器８が蒸発器として作用することとなる。

次に、図２及び図３を参照しながら、蒸発器として作用する暖房運転時における室外熱交換器３、室外冷媒分配器４０及び室外膨張弁４の構成及び動作について説明する。

室外熱交換器３は、図２に示すように、冷媒を並列に流す多数の伝熱管３１とフィン３２とから構成されるフィンチューブ型熱交換器と呼ばれるもので構成されている。伝熱管３１はＵ字状管で構成され、各伝熱管３１の入口側及び出口側は、一方の面に位置され、それぞれ上下に配列されている。

室外冷媒分配器４０は、室外熱交換器３の多数の伝熱管３１に冷媒を分配して流すためのものであり、図２に示すように、液ヘッダ５７、液分岐管５８、均質流化部５０、ガスヘッダ７０及びガス分岐管７１を備えている。

液ヘッダ５７は、多数の伝熱管３１の入口側に対向して上下に長く延びるように配置されている。液ヘッダ５７の流路断面積は、室外熱交換器３及び液分岐管５８の流路断面積より大きく設定されている。液分岐管５８は、液ヘッダ５７から多数分岐されて直線状に延び、その先端部が各伝熱管３１の入口側に接続されている。

均質流化部５０は、図２及び図３に示すように、液ヘッダ５７の入口側に接続され且つ液ヘッダ５７の流路断面積より大きい流路断面積を有する均質流化部胴体５１と、この均質流化部胴体５１内の中間部に配置され且つ微細な孔を有する多孔体５３とからなっている。多孔体５３は、カシメ部５５ａ、５５ｂにより均質流化部胴体５１との間に隙間のないように固定されている。このため、流入口５２から流入する気液二相冷媒はすべて多孔体５３を通過し、流出口５４から液ヘッダ５７へ流出する。ここで、多孔体５３はニッケル金属の焼結体や、デミスタ材の圧縮部材により構成されており、気孔および間隙の大きさ１〜０.３ｍｍ程度に成形されたものである。

ガスヘッダ７０は、多数の伝熱管３１の出口側に対向して上下に長く延びるように配置されている。ガスヘッダ７０の流路断面積は、室外熱交換器３及び液分岐管５８の流路断面積より大きく設定されている。ガス分岐管７１は、ガスヘッダ７０から多数分岐されて直線状に延び、その先端部が各伝熱管３１の出口側に接続されている。液ヘッダ５７とガスヘッダ７０とは左右に隣接して配置されている。

暖房運転時に室外機１００に流入した液冷媒は、室外膨張弁４を通過するときに減圧、沸騰されて気液二相状態になる。この気液二相状態の冷媒は、均質流化部５０で二相流の気相と液相が微細化されて均一化され、その後液ヘッダ５７を通して上方に送られながら、途中分岐されている液分岐管５８にて複数の流路に分岐される。液分岐管５８の入口では気液二相流が微細化された状態を保っているため、下部から上部までの液分岐管５８のいずれにおいても乾き度（液相と気相の質量流量比）が等しくなる。そのため、室外熱交換器３を通る室外空気が均一な風速分布の場合においては、冷媒の流量および乾き度が等分配であれば、熱交換器出口のガス分岐管７１での冷媒状態はどの流路においても、ほぼ同じ比エンタルピーの冷媒状態になり、結果として、熱交換器の熱交換量を最大にすることが可能となる。

なお、室外熱交換器３を通る室外空気が不均一な風速分布である場合においては、その分布に合わせて液分岐管５８の内径に差を持たせることや、一流路ごとの室外熱交換器３の伝熱管３１長さに差をつけることにより容易に冷媒分配を調整することが可能となる。

次に、均質流化部５０の有無による液ヘッダ５７内の流動様式の違いを図４から図７を参照しながら説明する。図４及び図５が均質流化部５０を有しない場合であり、図６及び図７が均質流化部５０を有する本実施形態の場合である。

図４は均質流化部５０を有しない場合の液ヘッダ５７及び各液分岐管５８ａ〜５８ｆ内の流動様式を模式的に示し、図５は均質流化部５０を有しない場合の各液分岐管５８ａ〜５８ｆの乾き度及び流量を示す。

室外膨張弁４で減圧、沸騰して二相流となった冷媒は、図４に示すように液ヘッダ５７内を上昇する。ここでの流動様式は液とガスのそれぞれの質量流束（単位：ｋｇ／ｍｓ^２）の大きさにより、環状流またはチャーン流、あるいはスラグ流の状態で流れている。冷媒流速が早いほど環状流になりやすく、遅いほど間欠的な流れであるチャーン流またはスラグ流になりやすい。

このため、液ヘッダ５７の一番下部に位置する液分岐管５８ａでは、液冷媒の割合が多くなり、上部に位置する液分岐管５８ｆではガス冷媒の割合が多くなる。即ち、図５に示すように、下部に位置する液分岐管５８ａの流量が多く、乾き度が高くなっており、上部に位置する液分岐管では逆に流量が少なく、乾き度が大きくなる。従って、均質流化部５０を有しない場合の冷媒分配器では、液分岐管５８ａ〜５８ｆへの乾き度分配を均等にすることができない。

図６は本実施形態の均質流化部５０を有する場合の液ヘッダ５７及び液分岐管５８ａ〜５８ｆ内の流動様式を模式的に示し、図７は本実施形態均質流化部５０を有する場合の各液分岐管５８ａ〜５８ｆの乾き度及び流量を示す。

室外膨張弁４で減圧、沸騰して二相流となった冷媒は、均質流化部５０により気液二相流の気泡と液とが混合された均質流になり、図６に示すように液ヘッダ５７に流入し、液ヘッダ５７内を上昇する。特に均質流化部胴体５１は液ヘッダ５７の流路断面積より大きい流路断面積を有しているので、冷媒の流速を遅くして気液二相流の気泡と液との混合を確実に行うと共に、液ヘッダ５７での冷媒の流速を速くして混合状態の維持を可能としている。

このため、下部に位置する液分岐管５８ａにおいても、上部に位置する液分岐管５８ｆにおいても、均質な気液混合状態の冷媒が分配される。即ち、図７に示すように、流量および乾き度が分配管の位置によらずほぼ一定になることが分かる。なお、冷媒循環量を制御させて運転を行う容量制御型の空気調和機において、冷媒の流速が遅い場合でも、流量および乾き度を分配管の位置によらず一定にすることができる。

このようにして、本実施形態の冷媒分配器４０によれば、低コスト及び省スペースを維持しつつ、冷媒分流の均一化の向上を図ることができる。熱交換器の分流が多くなる従って、冷媒分配が悪化するか、若しくは冷媒分配器のコストが大幅に上昇する従来の冷媒分配器に対して、本実施形態では低コストで分配性能が良好な冷媒分配器を提供することが可能である。

なお、蒸発器として作用する冷房運転時における室内熱交換器８、室内冷媒分配器６０及び室内膨張弁８の構成及び動作は、室外側の対応機器の構成及び動作と基本的に同一のため、重複する説明を省略する。
（第２〜第４実施形態）
次に、本発明の第２〜第４実施形態について図８〜図１０を用いて説明する。この第２〜第４実施形態は、以下に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一である。

第２実施形態では、図８に示すように、多孔体５３の上流と下流に網目フィルタ５６ａ、５６ｂを設置したものである。具体的には、多孔体５３の入口側に多孔体５３の入口面積より大きな流通面積を有すると共に多孔体５３の平均孔径よりも小さな網目径を有する入口側網目フィルタ５６ａ、及び多孔体５３の出口側に多孔体５３の出口面積より大きな流通面積を有すると共に多孔体５３の平均孔径よりも小さな網目径を有する出口側網目フィルタ５６ｂを設置したものである。入口側網目フィルタ５６ａは入口側に円錐状に突出して形成され、出口側網目フィルタ５６ｂは出口側に円錐状に突出して形成されている。この網目フィルタ５６ａ、５６ｂは多孔体５３の平均孔径の大きさ１〜０.３ｍｍよりも細かい網目径ものが用いられ、たとえば１００メッシュ（０.２５４ｍｍピッチ）のものが用いられる。

このように網目フィルタ５６ａ、５６ｂを設けたものでは、冷凍サイクル内の金属紛等のコンタミが多孔体の間隙に詰まることを防止することが可能となる。

第３実施形態では、図９に示すように、液ヘッダ５７の上部から気液二相流を流入させる構造に冷媒分配器５０を用いたものである。この場合においても、第１実施形態のように下部から流入させた場合と同様に、液分岐管５８が上部にあっても下部にあっても、冷媒の乾き度および流量をほぼ等分配にすることが可能である。

第４実施形態では、図１０に示すように、液ヘッダ５７の中央部から気液二相流を流入させる構造に冷媒分配器５０を用いたものである。この場合においても、第１、第２実施形態のように下部や上部から流入させた場合と同様に、液分岐管５８の上下位置に関わらず、冷媒の乾き度および流量をほぼ等分配にすることが可能である。

本発明の第１実施形態の冷媒分配器を備えた空気調和機の冷凍サイクルの構成図である。 図１の空気調和機の暖房運転時における室外熱交換器、室外冷媒分配器及び室外膨張弁を示す説明図である。 図２の冷媒分配器における均質流化部の断面図である。 均質流化部を有しない冷媒分配器の内部流動状態を説明する図である。 均質流化部を有しない冷媒分配器の特性図である。 図２の均質流化部を有する冷媒分配器の内部流動状態を説明する図である。 図２の均質流化部を有する冷媒分配器の特性図である。 本発明の第２実施形態の冷媒分配器における均質流化部の断面図である。 本発明の第３実施形態の空気調和機の暖房運転時における室外熱交換器、室外冷媒分配器及び室外膨張弁を示す説明図である。 本発明の第４実施形態の空気調和機の暖房運転時における室外熱交換器、室外冷媒分配器及び室外膨張弁を示す説明図である。

符号の説明

１…圧縮機、２…四方弁、３…室外熱交換器、４…室外膨張弁、５…液阻止弁、６…液側接続配管、７…室内膨張弁、８…室内熱交換器、９…ガス側接続配管、１０…ガス阻止弁、１１…アキュムレータ、３１…伝熱管、３２…フィン、４０…室外冷媒分配器、５０…均質流化部、５１…均質流化部胴体、５２…流入口、５３…多孔体、５４…流出口、５５ａ、５５ｂ…カシメ、５６ａ、５６ｂ…フィルタ、５７…液ヘッダ、５８ａ〜５８ｆ…液分岐管、６０…室内冷媒分配器、７０…ガスヘッダ、７１…ガス分配管、１００…室外機、２００…室内機。

Claims (6)

1. 冷媒を並列に流す多数の伝熱管を有し且つ蒸発器として動作する熱交換器に接続され、前記多数の伝熱管に冷媒を分配して流す冷媒分配器において、
   前記多数の伝熱管の入口側に対向して長く延びるヘッダと、
   前記ヘッダから多数分岐されて直線状に延び且つ前記多数の伝熱管の入口側に接続される分岐管と、
   前記ヘッダの入口側に接続され且つ前記ヘッダの流路断面積より大きい流路断面積を有する均質流化部胴体、及びこの均質流化部胴体内の中間部に配置され且つ微細な孔を有する多孔体からなる均質流化部とを備えたことを特徴とする冷媒分配器。
2. 請求項１の冷媒分配器において、前記多孔体をニッケル金属の焼結体またはデミスタ材の圧縮部材により構成したことを特徴とする冷媒分配器。
3. 請求項１の冷媒分配器において、前記均質流化部胴体内における前記多孔体の入口側に少なくとも網目フィルタを配置したことを特徴とする冷媒分配器。
4. 冷媒を並列に流す多数の伝熱管を有し且つ蒸発器として動作する熱交換器に接続され、前記多数の伝熱管に冷媒を分配して流す冷媒分配器において、
   前記多数の伝熱管の入口側に対向して長く延びるヘッダと、
   前記ヘッダから多数分岐されて直線状に延び且つ前記多数の伝熱管の入口側に接続される分岐管と、
   前記ヘッダの入口側に接続され且つ前記ヘッダの流路断面積より大きい流路断面積を有する均質流化部胴体、この均質流化部胴体内の中間部に配置され且つ微細な孔を有する多孔体、前記多孔体の入口側に前記多孔体の入口面積より大きな流通面積を有すると共に前記多孔体の平均孔径よりも小さな網目径を有する入口側網目フィルタ、及び前記多孔体の出口側に前記多孔体の出口面積より大きな流通面積を有すると共に前記多孔体の平均孔径よりも小さな網目径を有する出口側網目フィルタからなる均質流化部とを備えたことを特徴とする冷媒分配器。
5. 請求項４の冷媒分配器において、前記入口側網目フィルタを入口側に円錐状に突出して形成し、前記出口側網目フィルタを出口側に円錐状に突出して形成したことを特徴とする冷媒分配器。
6. 冷媒を並列に流す多数の伝熱管を有し且つ蒸発器として動作する熱交換器に接続され、前記多数の伝熱管に冷媒を分配して流す冷媒分配器において、
   前記多数の伝熱管の入口側に対向して長く延びるヘッダと、
   前記ヘッダから多数分岐されて直線状に延び且つ前記多数の伝熱管の入口側に接続されると共に前記熱交換器へ通風される空気の風速分布に合わせて内径に差を持たせた分岐管と、
   前記ヘッダの入口側に接続され且つ前記ヘッダの流路断面積より大きい流路断面積を有する均質流化部胴体、及びこの均質流化部胴体内の中間部に配置され且つ微細な孔を有する多孔体からなる均質流化部とを備えたことを特徴とする冷媒分配器。

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