JP2010038416A - 冷媒分流器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒分流器における冷媒の偏流を防止する。
【解決手段】冷媒分流器（2B）は、１つの流入ポート（21）と４つの流出ポート（22）とが設けられ、冷媒を収容する本体ケーシング（20）を備えている。冷媒分流器（2B）は、流入ポート（21）から流入した冷媒を本体ケーシング（20）に収容して、４つの流出ポート（22）から流出させる。冷媒分流器（2B）は、流入ポート（21）に設けられ、冷媒を減圧させるノズル（5）と、本体ケーシング（20）内に設けられ、ノズル（5）から噴射される冷媒によって回転駆動されるタービン羽根車（6）と、本体ケーシング（20）内に設けられ、タービン羽根車（6）によって回転駆動されて、本体ケーシング（20）内の冷媒を攪拌する攪拌器（7）とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒の流れを複数の流れに分流させる冷媒分流器に関するものである。

従来より、冷凍装置の冷媒回路において冷媒を分流させる冷媒分流器が知られている。

例えば、特許文献１には、１つ冷媒の流れを複数の冷媒の流れに分流させる冷媒分流器が記載されている。詳しくは、特許文献１に記載された冷媒分流器は、冷媒を収容する本体部を備えており、この本体部には１つの流入部と４つの流出部とが設けられている。このように構成された冷媒分流器は、該流入部から本体部に流入した冷媒を４つの流出部から流出させることで、冷媒を分流させている。
実開昭６０−２７７５号公報

しかしながら、前記の構成の冷媒分流器においては、冷媒の偏流が問題となる。すなわち、流入部から本体部へ流入した冷媒は、本体部内を成り行きで流通して、各流出部から流出していく。このとき、本体部に流入した冷媒がガス冷媒と液冷媒との二相冷媒であるとすると、各流出部における液冷媒とガス冷媒との比率は、本体部に対する流出部の配置や、冷媒流量や、冷媒の乾き度等によって変化する。そのため、条件によっては、ある流出部からは液冷媒が多く流出し、別の流出部からはガス冷媒が多く流出してしまい、流出部ごとに、ガス冷媒と液冷媒との比率が不均一になる。このように、前記の構成の冷媒分流器では、二相冷媒を均一に分流させることが困難である。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷媒分流器における冷媒の偏流を防止することにある。

本発明は、冷媒分流器に流入する冷媒のエネルギを利用して攪拌器を駆動し、冷媒分流器内の冷媒を攪拌するようにしたものである。

本発明は、少なくとも１つの流入部（21）と複数の流出部（22）とが設けられ、冷媒を収容する本体部（20）を備え、該流入部（21）から流入した冷媒を該本体部（20）に収容して、複数の該流出部（22）から流出させる冷媒分流器が対象である。そして、前記流入部（21）に設けられ、冷媒を減圧させるノズル（5）と、前記本体部（20）内に設けられ、前記ノズル（5）から噴射される冷媒によって回転駆動されるタービン羽根車（6）と、前記本体部（20）内に設けられ、前記タービン羽根車（6）によって駆動されて、該本体部（20）内の冷媒を攪拌する攪拌器（7）とを備えているものとする。

前記の構成の場合、前記本体部（20）に流入する冷媒は、ノズル（5）を通過して減圧される際に、その圧力エネルギが速度エネルギに変換される。速度エネルギが増大した冷媒は、ノズル（5）から噴射され、タービン羽根車（6）を回転駆動する。その結果、タービン羽根車（6）によって攪拌器（7）が駆動される。ここで、本体部（20）には、既にタービン羽根車（6）に向かって噴射された冷媒が本体部（20）の流出部（22）から流出されるまでの間、一時的に収容されており、該収容された冷媒が攪拌器（7）によって攪拌される。つまり、本体部（20）に流入した冷媒は、流出部（22）から流出する前に攪拌器（7）により攪拌されることになるため、該冷媒が二相冷媒であっても、ガス冷媒と液冷媒とが混合され、冷媒の偏流を防止することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記流出部（22）は、前記流入部（21）よりも下方に位置し、前記攪拌器（7）は、前記タービン羽根車（6）よりも下方に位置しているものとする。

前記の構成の場合、本体部（20）に収容された冷媒は、本体部（20）内を飛散していたり、本体部（20）の下方に溜まっていたりする。ここで、前記攪拌器（7）は、前記タービン羽根車（6）よりも下方に位置しているため、該本体部（20）内において比較的下方に位置することになる。つまり、攪拌器（7）は、本体部（20）の下方に貯留されている冷媒を容易に攪拌することができる。さらに、本体部（20）の下方には流出部（22）が設けられているため、攪拌器（7）を比較的下方に配置することによって、該流出部（22）から流出する直前の冷媒を攪拌することができる。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記攪拌器（7）は、基端部が前記タービン羽根車（6）に接合された攪拌部材（70）を有しており、前記攪拌部材（70）は、前記タービン羽根車（6）と共に回転するものとする。

前記の構成の場合、攪拌器（7）を構成する攪拌部材（70）は、前記タービン羽根車（6）と一体に回転する。つまり、タービン羽根車（6）によって駆動される攪拌器（7）を簡単な構成で実現することができる。

第４の発明は、圧縮機（11）と、放熱器（12）と、第１〜第３の何れか１つの冷媒分流器（2B）と、蒸発器（14）とが配管（10）で接続されて、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた冷凍装置が対象である。そして、前記ノズル（5）は、前記蒸発器（14）の上流側に設けられ、該蒸発器（14）に流入する冷媒を減圧させる膨張機構として機能するものとする。

通常、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいては、蒸発器（14）において冷媒を蒸発させるべく、該蒸発器（14）の前段で冷媒を膨張機構で減圧させる。前記の構成では、前記ノズル（5）をこの膨張機構として機能させることによって、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて必要な、蒸発器（14）の前段での冷媒の減圧時に増大する該冷媒の速度エネルギを有効に利用して、攪拌器（7）を駆動することができる。

本発明によれば、冷媒分流器の本体部（20）に流入する冷媒の速度エネルギをノズル（5）によって増大させて、速度エネルギが増大した該冷媒でタービン羽根車（6）を回転させて攪拌器（7）を駆動することによって、冷媒のエネルギを有効に活用して、冷媒の偏流を防止することができる。

第２の発明によれば、前記流出部（22）及び前記攪拌器（7）を比較的下方に配置することによって、本体部（20）の下方に貯留される冷媒を攪拌し易い構成にすることができると共に、流出部（22）から流出する直前の冷媒を攪拌することができ、冷媒の偏流をより確実に防止することができる。

第３の発明によれば、攪拌部材（70）を前記タービン羽根車（6）に回転不能に取り付けることによって、該タービン羽根車（6）に回転駆動されて冷媒を攪拌可能な攪拌器（7）を簡易に構成することができる。

第４の発明によれば、前記ノズル（5）を、前記蒸発器（14）に流入する冷媒を減圧させる膨張機構として機能させることによって、冷媒を減圧させる際に増大する速度エネルギを有効に活用して、タービン羽根車（6）、ひいては攪拌器（7）を駆動することができる。その結果、攪拌器（7）を駆動するための電力を外部から供給する必要がなく、冷凍装置に必要な電力を抑制することができる。さらには、膨張機構を別途設ける必要がなく、部品点数を削減することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の実施形態に係る冷媒分流器（2B）は、図３に示すように、冷凍装置（1）に設けられている。

冷凍装置（1）は、圧縮機（11）、放熱器（12）、流量制御弁（13）及び蒸発器（14）が冷媒配管（10）を介して順に接続された冷媒回路を備え、該冷媒回路を冷媒（例えば、二酸化炭素）が循環して、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行うように構成されている。

前記放熱器（12）及び蒸発器（14）はそれぞれ、複数の冷媒流通路を有する熱交換器（3A,3b）と、該熱交換器（3A,3B）の上流側に設けられた冷媒分流器（2A,2B）と、該熱交換器（3A,3b）の下流側に設けられた合流管（4A,4B）とを有している。

放熱器用及び蒸発器用熱交換器（3A,3B）は、同様の構成をしている。具体的には、放熱用及び蒸発器用熱交換器（3A,3B）は、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器であって、それぞれが伝熱管からなる複数の冷媒流通路を有している。本実施形態の熱交換器（3A,3B）は、互いに並列接続される４つの冷媒流通路を有している。

放熱器用及び蒸発器用冷媒分流器（2A,2B）は、その基本的な構成は同様である。具体的には、放熱器用及び蒸発器用冷媒分流器（2A,2B）は、１つの流入ポートから流入した冷媒を４つの流出ポートから流出させることで、１つの流れを４つの流れに分流させる。尚、蒸発器用冷媒分流器（2B）のさらに具体的な構成については後述する。

放熱器用冷媒分流器（2A）の流入ポートは、冷媒配管（10）を介して圧縮機（11）の吐出ポートと接続されている一方、その流出ポートは、複数の冷媒配管（10）を介して放熱器用熱交換器（3A）の上流端と接続されている。また、蒸発器用冷媒分流器（2B）の流入ポートは、冷媒配管（10）を介して流量制御弁（13）と接続されている一方、その流出ポートは、複数の冷媒配管（10）を介して蒸発器用熱交換器（3B）の上流端と接続されている。

放熱器用及び蒸発器用合流管（4A,4B）は、その基本的な構成は同様である。具体的には、放熱器用及び蒸発器用合流管（4A,4B）は、４つの流入ポートから流入した冷媒を１つの流出ポートから流出させることで、４つの流れを１つの流れに合流させる。

放熱器用合流管（4A）の流入ポートは、複数の冷媒配管（10）を介して放熱器用熱交換器（3A）の下流端と接続されている一方、その流出ポートは、冷媒配管（10）を介して流量制御弁（13）に接続されている。また、蒸発器用合流管（4B）の流入ポートは、複数の冷媒配管（10）を介して蒸発器用熱交換器（3B）の下流端と接続されている一方、その流出ポートは、冷媒配管（10）を介して圧縮機（11）の吸入ポートと接続されている。

ここで、蒸発器用冷媒分流器（2B）について詳しく説明する。

蒸発器用冷媒分流器（2B）は、図１，２に示すように、１つの流入ポート（21）と４つの流出ポート（22,22,…）とが設けられ、冷媒を収容する本体ケーシング（20）と、該流入ポート（21）に設けられ、冷媒を減圧させるノズル（5）と、本体ケーシング（20）内に設けられ、ノズル（5）から噴射される冷媒によって回転駆動されるタービン羽根車（6）と、本体ケーシング（20）内に設けられ、タービン羽根車（6）によって駆動されて、該本体ケーシング（20）内の冷媒を攪拌する攪拌器（7）とを備えている。本体ケーシング（20）が本体部を構成し、流入ポート（21）が流入部を構成し、流出ポート（22）が流出部を構成する。

前記本体ケーシング（20）は、円筒状に形成された容器である。本体ケーシング（20）の側周面の上部に１つの流入ポート（21）が設けられている一方、その底面に４つの流出ポート（22,22,…）が設けられている。４つの流出ポート（22,22,…）は、底面の重心を中心とする所定の円周上において互いに等間隔に配置されている。尚、図１においては、４つの流出ポート（22,22,…）全てを表示すべく、実際の配置とは異ならせて、これらを模式的に図示している。

前記タービン羽根車（6）は、円盤状の羽根車本体（61）と、羽根車本体（61）の外周面に設けられた複数の羽根部（62,62,…）とを有している。羽根部（62,62,…）は、羽根車本体（61）の外周において、周方向に間隔を開けて配列され、半径方向に立設されている。

タービン羽根車（6）の軸心には、回転シャフト（63）が回転不能に取り付けられている。つまり、タービン羽根車（6）が回転すると、回転シャフト（63）も一体となって回転する。この回転シャフト（63）は、本体ケーシング（20）内において該本体ケーシング（20）の長手方向に延びるように配設され、２つの軸受（23,23）で回転自在に支持されている。尚、回転シャフト（63）が軸部材を構成する。

前記ノズル（5）は、本体ケーシング（20）の流入ポート（21）に設置されており、該流入ポート（21）に接続される冷媒配管（10）と連通している。このノズル（5）は、その内部流路に絞り部（52）を有して、該内部流路を通過する冷媒を減圧するように、即ち、通過する冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換するように構成されている。

詳しくは、ノズル（5）には、下流側に向かって先細状に形成された、即ち、内径が下流側に向かって徐々に小さくなっていく先細状流路（51）と、該先細状流路（51）の下流端に位置し、内径が最も小さくなった絞り部（52）と、該絞り部（52）から下流側に向かって末広がり状に形成された、即ち、内径が絞り部（52）から下流側に向かって徐々に大きくなっていく末広がり状流路（53）とで構成された内部流路が形成されている。すなわち、このノズル（5）は、いわゆるラバルノズルである。

尚、ノズル（5）はラバルノズルに限られるものではなく、絞り部（52）によって流体を減圧させる構成であれば、任意のノズルを採用することができる。

このように構成されたノズル（5）は、タービン羽根車（6）の外周面に対して該タービン羽根車（6）の回転方向前方に向かって冷媒を噴射し、噴射される冷媒がタービン羽根車（6）の羽根部（62）に当たるように配設されている。

こうして、ノズル（5）により冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して、該冷媒をタービン羽根車（6）に対して噴射することによって、タービン羽根車（6）を回転させて、回転シャフト（63）を介して回転動力を出力する。つまり、ノズル（5）とタービン羽根車（6）とは、ペルトンタービンを構成する。

前記攪拌器（7）は、複数の線条部材によって形成された骨組部材（20）で構成されている。この骨組部材（20）は、概略円錐状に形成されている。詳しくは、骨組部材（70）は、円錐の底部を構成する円形体（71）と、円錐の頂点から放射状に延びて該円形体（71）に接合された複数の直線体（72,72,…）とを有している。そして、骨組部材（70）は、円錐の頂点部分が回転シャフト（63）の下端に接合されている。この骨組部材（70）が攪拌部材を構成する。

このように構成された攪拌器（7）は、タービン羽根車（6）の回転シャフト（63）と一体的に回転して、本体ケーシング（20）内に収容された冷媒を攪拌する。このとき、攪拌器（7）の円形体（71）は、本体ケーシング（20）の底部に位置しており、攪拌器（7）は、本体ケーシング（20）内の、特に底部近傍の冷媒を攪拌する。

尚、攪拌器（7）は、このような構成に限られるものではなく、タービン羽根車（6）によって駆動され且つ本体ケーシング（20）内の冷媒を攪拌できる構成であれば、任意の構成を採用することができる。

−運転動作−
このように構成された冷凍装置（1）において、圧縮機（11）を駆動すると、圧縮機（11）から臨界圧力よりも高圧となった冷媒（二酸化炭素）が吐出される。該圧縮機（11）から吐出された冷媒は、放熱器用冷媒分流器（2A）を介して放熱器（12）に流入する。すなわち、該冷媒は、放熱器用冷媒分流器（2A）によって４つの流れに分流され、放熱器（12）の熱交換器（3A）の４つの冷媒流通路それぞれに導かれる。この熱交換器（3A）では、冷媒が室外空気に放熱して冷却される。各冷媒流通路で冷却された冷媒は、放熱器用合流管（4A）で合流する。

放熱器用合流管（4A）で合流した冷媒は、冷媒配管（10）内を流通し、流量制御弁（13）を介して流量が調節された後、蒸発器用冷媒分流器（2B）を介して蒸発器（14）に流入する。すなわち、該冷媒は、蒸発器用冷媒分流器（2B）によって４つの流れに分流され、蒸発器（14）の熱交換器（3B）の４つの冷媒流通路それぞれに導かれる。このとき、蒸発器用冷媒分流器（2B）に流入する冷媒は、ノズル（5）によって減圧され、ガス冷媒と液冷媒との二相冷媒になる。熱交換器（3B）では、冷媒が室内空気から吸熱して蒸発する。こうして、冷却された室内空気は室内へ供給される。各冷媒流通路で蒸発した冷媒は、蒸発器用合流管（4B）で合流し、冷媒配管（10）を介して圧縮機（11）へ戻る。

ここで、蒸発器用冷媒分流器（2B）の本体ケーシング（20）内に流入する冷媒は、ノズル（5）を通過することによって、その圧力エネルギが速度エネルギに変換されて速度エネルギが増大した状態で、タービン羽根車（6）に向かって噴射される。噴射された冷媒は、タービン羽根車（6）の羽根部（62,62,…）に衝突し、その際の衝撃によって、タービン羽根車（6）が軸心回りに回転する。タービン羽根車（6）が回転すると、該タービン羽根車（6）と一体的に回転シャフト（63）が回転し、さらには、回転シャフト（63）に固定された攪拌器（7）が回転する。ここで、本体ケーシング（20）内には、既にタービン羽根車（6）に衝突し、流出ポート（22,22,…）から流出していく直前の二相冷媒が一時的に収容されている。つまり、本体ケーシング（20）に収容されている二相冷媒は、回転する攪拌器（7）によって攪拌されることになる。その結果、ガス冷媒と液冷媒とが均一に混ざり合い、その状態で、各流出ポート（22）から熱交換器（3B）へ流出していく。

したがって、本実施形態によれば、蒸発器用冷媒分流器（2B）によって分流される二相冷媒を攪拌器（7）で攪拌することによって、ガス冷媒と液冷媒とを均一に混合させた状態で冷媒を分流させることができる。つまり、冷媒の偏流を防止することができる。

そして、攪拌器（7）を駆動する動力を冷媒のエネルギから得ているため、冷凍装置（1）に外部から供給する電力量を増大させることなく、攪拌器（7）を駆動することができる。

さらに、蒸発器（14）の上流側においては冷媒を減圧させる必要があるが、ノズル（5）を膨張機構として機能させることによって、冷媒を減圧させる際に増大する運動エネルギを効率良く利用して、タービン羽根車（6）を回転させて攪拌器（7）を駆動することができる。また、ノズル（5）を膨張機構として機能させることによって、膨張弁等の別の膨張機構を冷媒回路中に別途設ける必要がない。

さらにまた、本体ケーシング（20）内においては、ノズル（5）から噴射されたり、タービン羽根車（6）に衝突したりして飛散している冷媒や、本体ケーシング（20）の底部へ落下している冷媒や、該底部に貯留している冷媒等が存在する。このような本体ケーシング（20）内において、攪拌器（7）をタービン羽根車（6）よりも下方に位置させることによって、本体ケーシング（20）内の冷媒のうち底部に貯留されている冷媒を攪拌し易いように構成することができる。また、本体ケーシング（20）の底面には複数の流出ポート（22,22,…）が設けられているため、流出ポート（22,22,…）から流出していく直前の冷媒を攪拌器（7）で攪拌することができ、冷媒の偏流をより効果的に防止することができる。

《その他の実施形態》
本発明は、前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

具体的には、前記実施形態では、本体ケーシング（20）はその長手方向が鉛直上下方向を向き且つ流出部（22,22,…）が下方に位置するように配置されているが、これに限られるものではない。例えば、本体ケーシング（20）はその長手方向が鉛直上下方向を向くものの、流出部（22,22,…）が上方に位置するように配置されていてもよい。あるいは、本体ケーシング（20）はその長手方向が水平方向を向くように配置されたり、斜め方向を向くように配置されたりしてもよい。

また、前記冷媒回路中には、流量制御弁（13）を設けているが、ノズル（5）にニードル弁等の弁機構を設けて、流量制御弁（13）を省略してもよい。

さらに、前記冷媒分流器（2B）は、熱交換器の上流に設けられる構成に限られず、冷媒回路中において、冷媒の流れを複数の流れに分流させる場所であれば、任意の場所に配置することができる。

尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、冷媒の流れを複数の流れに分流させる冷媒分流器について有用である。

本発明の実施形態に係る冷媒分流器の縦断面図である。 冷媒分流器の横断面図である。 冷媒回路の全体構成を示す配管図である。

符号の説明

1 冷凍装置
10 冷媒配管（配管）
11 圧縮機
12 放熱器
14 蒸発器
2B 冷媒分流器
20 本体ケーシング（本体部）
21 流入ポート（流入部）
22 流出ポート（流出部）
5 ノズル
6 タービン羽根車
63 回転シャフト（軸部材）
7 攪拌器
70 骨組部材（攪拌部材）

Claims (4)

1. 少なくとも１つの流入部（21）と複数の流出部（22）とが設けられ、冷媒を収容する本体部（20）を備え、該流入部（21）から流入した冷媒を該本体部（20）に収容して、複数の該流出部（22）から流出させる冷媒分流器であって、
   前記流入部（21）に設けられ、冷媒を減圧させるノズル（5）と、
   前記本体部（20）内に設けられ、前記ノズル（5）から噴射される冷媒によって回転駆動されるタービン羽根車（6）と、
   前記本体部（20）内に設けられ、前記タービン羽根車（6）によって駆動されて、該本体部（20）内の冷媒を攪拌する攪拌器（7）とを備えていることを特徴とする冷媒分流器。
2. 請求項１において、
   前記流出部（22）は、前記流入部（21）よりも下方に位置し、
   前記攪拌器（7）は、前記タービン羽根車（6）よりも下方に位置していることを特徴とする冷媒分流器。
3. 請求項１又は２において、
   前記攪拌器（7）は、基端部が前記タービン羽根車（6）に接合された攪拌部材（70）を有しており、
   前記攪拌部材（70）は、前記タービン羽根車（6）と共に回転することを特徴とする冷媒分流器。
4. 圧縮機（11）と、放熱器（12）と、請求項１乃至３の何れか１つに記載の冷媒分流器（2B）と、蒸発器（14）とが配管（10）で接続されて、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた冷凍装置であって、
   前記ノズル（5）は、前記蒸発器（14）の上流側に設けられ、該蒸発器（14）に流入する冷媒を減圧させる膨張機構として機能することを特徴とする冷凍装置。

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