JP5153701B2 - 流体分配器及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体を所定の分配比率に分配する流体分配器及びその製造方法に関し、特に空気調和装置に備えられている冷凍サイクルで循環させる流体のうち気液二相状態の流体を所定の分配比率に分配する流体分配器及びその製造方法に関するものである。

従来から、空気調和装置に備えられている冷凍サイクルを循環する冷媒のうち気液二相状態の冷媒を所定の分配比率で分配するようにした冷媒分配器が存在する。そのようなものとして、「気液二相流体を衝突させ分流させるための平面を持つ分流生成部を内部に有する容器と、前記分流生成部の平面に鉛直方向から気液二相流体を衝突させ流体を散開させて分流し前記容器内面に液膜を形成する流入部と、前記容器内面の液膜形成部分に設けられ前記流入部により流入する流体の流れ方向と異なる流れ方向で流体を流出する複数の流出部とを備え、前記複数の流出部の流路断面積をそれぞれの液分配量に応じて変化させる気液二相分配器」が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開平１１−３１６０６６号公報（実施の形態１、第１図等）

特許文献１に記載されているような気液二相分配器は、容器内部に流入する流体に対して、容器内部を部分的に遮蔽する部材や、流体の流れを制御するガイドを備える必要がある。そのため、気液二相分配器本体自体が大型化してしまい、かつ、高価になってしまう。また、このような気液二相分配器では、構造が複雑となり、流路距離や流路断面積の変化が大きいものとなる。そのため、圧力損失等の影響を受けやすく、性能バラツキが大きくなってしまう。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、簡素な構造で流体を精度よく所定の分配比率に分配可能にした流体分配器及びその製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る流体分配器は、箱状の本体と、前記本体のいずれかの面に形成され、流体を前記本体内部に流入させる流入部と、前記本体の内部に形成され、前記流入部が形成された面と平行となる平面部を有し、前記流入部から流入した流体を平面部に衝突させて放射状に散開させる分配空間部と、前記分配空間部の周囲に一部が開口するように形成され、前記分配空間部で散開された流体を分配する複数の分配穴と、前記本体の前記流入部の形成面以外のいずれかの面に形成され、前記分配穴それぞれと連通し、前記分配穴を流れる流体を前記本体の外部に流出させる複数の流出部と、を有していることを特徴とする。

本発明に係る流体分配器の製造方法は、上記の流体分配器の製造方法であって、前記容器となる金属製の成形ブロックを作製する工程と、前記成形ブロックに前記流入部、前記流出部、前記分配空間部、及び、前記分配穴となる穴加工を施す工程と、前記穴加工が施された前記成形ブロックの前記流入部及び前記流出部に流体を導通させる配管を接続する工程と、前記配管が接続された前記成形ブロックを炉中ろう付する工程と、を有することを特徴とする。

本発明に係る流体分配器によれば、本体の内部に流入する流体に対して部分的に遮蔽する部材や流体の流れを制御するガイド等の補助部品を別途設ける必要がないため、構造を簡素化することができ、かつ、高精度で流体を均等に分配できる。

本発明に係る流体分配器の製造方法によれば、押出加工や鍛造などのネットシェイプ成形された成形ブロックを機械加工して、炉中ろう付することができるので、自動ライン製造が可能となり、生産性を向上することが可能になる。

実施の形態に係る流体分配器の概略構成を示す外観斜視図である。 流体分配器を正面から見た状態を示す正面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 流体分配器の分配角度と分配比率バラツキとの相関を示すグラフである。 流体分配器の分配長さと分配比率バラツキとの相関を示すグラフである。 実施の形態１に係る流体分配器の製造工程の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態に係る流体分配器１００の概略構成を示す外観斜視図である。図２は、流体分配器１００を正面から見た状態を示す正面図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。図４は、図２のＢ−Ｂ断面図である。図５は、流体分配器１００の分配角度６と分配比率バラツキとの相関を示すグラフである。図６は、流体分配器１００の分配長さ７と分配比率バラツキとの相関を示すグラフである。図１〜図６に基づいて、流体分配器１００の構成及び作用について説明する。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１に係る流体分配器１００は、空気調和装置等の冷凍サイクル装置に設けられ、流入した冷媒（気液二相冷媒）等の流体を所定の分配比率に複数に分配するものである。流体分配器１００は、金属製で六面体（基本的に箱状）の本体１で構成されている。この本体１は、流体が流れ込む容器としての機能を有している。この本体１には、流入部２と、３つの流出部３（流出部３ａ、流出部３ｂ、及び、流出部３ｃ）と、３つの弁体取付け穴４（弁体取付け穴４ａ、弁体取付け穴４ｂ、及び、弁体取付け穴４ｃ）と、分配空間部５と、が形成されている。なお、実施の形態１では、流入した流体を３分岐する場合を例に説明するが、これに限定するものではない。たとえば、流入した流体を４分岐以上に分岐するようにしてもよい。

流入部２は、本体１のいずれかの面（ここでは、下面として説明する）に形成されており、流体を導通する配管が接続可能になっている。この流入部２は、接続された配管を介して、流体をたとえば鉛直下方向から本体１の内部に流入させるようになっている。流出部３は、本体１のいずれかの面（流入部２の形成面に隣接しているいずれかの面）に形成されており、流体を導通する配管が接続可能になっている。流出部３は、それぞれ分配穴に連通し、分配空間部５で分岐された流体を、接続された配管に流出させるようになっている。なお、流出部３ａ、流出部３ｂ及び流出部３ｃは、流出部３ｂを中心に水平線上に並ぶように形成されている。

弁体取付け穴４は、本体１のいずれかの面（ここでは、上面として説明する）に形成されており、流出部３から流出させる流体の量を調整する弁体（図示省略）が着脱可能になっている。この弁体取付け穴４は、各分配穴の形成位置に対応した位置に形成されている。分配空間部５は、平面部となる上壁が本体１の下面と平行となるように本体１の内部に形成されており、流入部２から流入した流体を平面部に衝突させ、放射状に均等散開させるようになっている。また、分配空間部５は、均等散開させた流体を均等に分配するための複数個の分配穴（分配穴５ａ、分配穴５ｂ、及び、分配穴５ｃ）を有している。各分配穴は、分岐空間部５の中心点（図３に示す中心点Ｏ、つまり分配空間部５の流体流入方向における断面の中心点）から均等な角度、かつ、放射状に形成されている。この分配穴は、分岐空間部５に所定の流路断面積分だけ開口させるようにして形成されている。

分配穴の形成位置、つまり位置精度の必要性について詳細に説明する。
流入部２から分配空間部５に流入した流体は、分配空間部５の平面部（上壁表面）に衝突することで放射状に均等散開される。つまり、流体は、分岐空間部５に流入しながら拡散し、本体１の内壁に液膜を形成する環状流となる。ここで生じる液膜は、主に、分配空間部５の対称性及び表面張力の影響によって均一になる傾向がある。このため、本体１の流出部３ａ、流出部３ｂ、流出部３ｃに流れ込む単位時間当たりの液量Ｇａ、Ｇｂ、Ｇｃの比は、分岐空間部５の放射状に開口させた流路断面積分の比にほぼ等しくなる。なお、この実施の形態１では、流体を３分岐する場合について詳しく説明することとしている。

そこで、実施の形態１では、３分岐させる場合を例として、分配空間部５の中心点（図３に示す中心点Ｏ、つまり分配空間部５の流体流入方向における断面の中心点）から１２０±０．５°の分配角度６で、各分配穴の中心点（各分配穴の流体流入方向における断面の中心）が配置され、互いに隣り合うように分配穴５ａ、分配穴５ｂ、及び、分配穴５ｃを形成している。また、分配空間部５の中心軸線（中心点Ｏの流体流入方向における軸線）から各分配穴の中心軸線（各分配穴の中心点の点流体流入方向における軸線）までの距離、つまり分配長さ７は、２２〜２４ｍｍに設定している。

すなわち、流体分配器１００では、鉛直下方向から流れ込む流体を衝突させて均等散開させる分配空間部５の平面部を、略等間隔で形成された分配穴５ａ、分配穴５ｂ、及び、分配穴５ｃと同じ流路内に、かつ、分配穴５ａ、分配穴５ｂ、及び、分配穴５ｃに近接するように設けている。したがって、流体分配器１００では、分配空間部５で均等散開された流体を均等に流出部３から流出することができる。なお、流体を４方向に均等分配する場合には、分配空間部５の中心点Ｏから９０±０．５°の分配角度６で４つの分配穴を形成すればよい。つまり、分配角度６を３６０°÷分配穴の個数で決定すればよい。なお、流体を均等に分配する場合を例に説明するが、分配量に多少の幅があっても均等に含まれているものとする。

図５では、横軸が分配角度異差（°）を、縦軸が分配比率のバラツキ（％）を、それぞれ表している。グラフ横軸の分配角度異差は、各分配穴に対する分配角度６の異差、たとえば分配穴５ａと分配穴５ｂとの分配角度６が１１９°である場合、均等角度１２０°に対しての角度の異差を１°として表している。グラフ縦軸の分配比率のバラツキは、理想としての分配比率（たとえば、３分岐する場合の均等な分配比率は３３．３％である）からのバラツキを表している。つまり、図５では、分配比率３３．３％を分配比率バラツキ０と表している。また、図５に示す菱形印８ａは分配穴５ａの分配比率バラツキの実測データ平均値を、四角印８ｂは分配穴５ｂの分配比率バラツキの実測データ平均値を、三角印８ｃは分配穴５ｃの分配比率バラツキの実測データ平均値を、それぞれ示している。

流体を３方向に放射状に均等分配する場合、分配空間部５の中心位置（中心点Ｏ）から１２０°間隔で配置することが望ましいことは周知となっている。加えて、実施の形態１に係る流体分配器１００の製品仕様（図５の縦軸で示す分配比率仕様１０）を満足するためには、分配角度６の加工精度を１２０±０．５°の範囲にすることが望ましいことが、実験により検証された（図５に示す実験データ）。図５に示すように、分配角度６の異差と分配比率のバラツキとの関係を実測した結果、分配穴５ａ、分配穴５ｂ、及び、分配穴５ｃの角度異差を１°以内にすることで分配比率仕様の±３％以内をクリアできることがわかった。

角度異差が大きくなると、それぞれの分配穴５ａ、分配穴５ｂ、分配穴５ｃとの接続部の断面積のバラツキが大きくなる。それにより、管内流速が変化し、それぞれの分配穴５ａ、分配穴５ｂ、分配穴５ｃでの流量差が生じると考えられる。このような要因により、分配比率仕様１０の±３％以内をクリアすることができないと考察される。したがって、分配角度６の加工精度を１２０±０．５°の範囲にすることで流体量の均等配分が可能となり、分配精度を向上することができることになる。

分配穴の分配長さ７について詳細に説明する。
図３に示すように、分配長さ７とは、分配空間部５の中心点Ｏから各分配穴の中心点までの距離のことである。流体分配器１００は、各分配穴の流路断面積及び分配長さ７が同じである。したがって、流体圧力損失の計算式（ΔＰ＝管摩擦係数λ×配管長さＬ÷配管内径ｄ×管内流体密度ｒ×管内流速Ｖ２÷２）から、中心点Ｏから各分配穴の中心点までの分配長さ７が同じ寸法で変化しても分配比率は変化しない。ただし、製造上の制約から、各分配穴に対する加工精度を同じにすることは非常に難しい。そのため、分配長さ７が長くなるほど、各分配穴の寸法のバラツキが大きくなり、分配精度の悪化が予測される。

図６では、横軸が分配長さ（ｍｍ）を、縦軸が分配比率のバラツキ（％）を、それぞれ表している。グラフ横軸の分配長さは、各分配穴に対する分配長さ７を表している。グラフ縦軸の分配比率のバラツキは、図５と同様である。また、図５に示す菱形印９ａは分配穴５ａの分配比率バラツキの実測データ平均値を、四角印９ｂは分配穴５ｂの分配比率バラツキの実測データ平均値を、三角印９ｃは分配穴５ｃの分配比率バラツキの実測データ平均値を、それぞれ示している。

この図６では、隣り合う流出部３ａ、流出部３ｂ、流出部３ｃの穴径を１２ｍｍに設定した場合の実施例を示している。図６に示すように、分配長さと分配比率のバラツキの関係を実測した結果、分配穴５ａ、分配穴５ｂ、分配穴５ｃの分配比率のバラツキを分配比率仕様１０の±３％以内にするためには、分配長さ７を２２〜２４ｍｍにする必要があることがわかった。なお、分配長さと分配比率のバラツキの関係とを実測するにあたり、横一列に配置された流出部３の配管径が重なることを防ぎ、かつ、各流出部３の耐圧仕様をクリアするための壁厚を考慮した最小限の寸法として、分配長さ７を２２ｍｍ以上に設定している。

ここでは、分配長さと分配比率のバラツキとの関係について、各流出部３の穴径を１２ｍｍに設定した場合の実施例を説明したが、これに限定するものではなく、製品仕様によっては、流体の分配量を変化させるため、流路断面積を変化させる必要が生じることになる。この製品仕様の変化により、配管径を１６〜３５ｍｍ程度に変化させることがあるが、配管径が重なることを防ぎ、かつ、各流出部３の耐圧仕様をクリアするための壁厚を考慮した最小限の分配長さ７も、配管径の変化に伴い、変化させる必要があることは言うまでもない。

実験後、分配角度６と分配長さ７とを合わせて部品図面に反映した試作品に対して、分配比率のバラツキを実測した結果、分配比率仕様１０の±３％以内をクリアできることがわかった。したがって、図５及び図６のグラフから、分配空間部５の中心点Ｏから各分配穴の中心点までの分配長さ７を最小限に短縮できることで、圧力損失の影響を小さくでき、分配精度を向上できる。

流体分配器１００の作用について説明する。
本体１に形成された流入部２から配管を介して鉛直上向きに気液二相冷媒等の流体が流入する。この流体は、分配空間部５に流入し、分配空間部５の平面部（上壁表面）に衝突し、放射状に均等散開される。たとえば、流体分配器１００のように流体を３方向に均等分配する場合、上述したように分配空間部５の中心点Ｏから１２０±０．５°の分配角度６、かつ、分配長さ７が２２〜２４ｍｍの範囲で分配穴５ａ、分配穴５ｂ、及び、分配穴５ｃを形成する。また、本体１には、各分配穴に対応して弁体取付け穴４が形成されている。この弁体取付け穴４には、弁体が取り付けられるようになっている。

したがって、弁体を取り付けた状態で流体分配器１００が利用されることになる。分配空間部５で均等散開され、各分配穴に均等分配された流体は、弁体取付け穴４に取り付けられた弁体の作用により、流量が調整されて各流出部３から外部（流出部３に接続されている配管）に流出される。なお、図示省略の弁体は、分配穴から流出部３に至るまでの流路を開閉することで流体量を調整するものであり、たとえば電子式膨張弁などで構成するとよい。たとえば、３つの弁体のうち２つを開動作、１つを閉動作することで各流出部３から流出させる流体の流量を調整することができる。したがって、流体分配器１００が搭載される冷凍サイクル装置等の製品の稼動状況に合わせて流体流量の最適制御を実行できる。

以上のように流体分配器１００は構成されているので、簡素な構造で流体を精度よく均等に分配することができる。つまり、流体分配器１００では、本体１の内部に流入する流体に対して部分的に遮蔽する部材や流体の流れを制御するガイド等の補助部品を別途設ける必要がないため、構造を簡素化することができ、かつ、高精度で流体を均等に分配できるのである。また、構造の簡素化に伴い、流体分配器１００では、加工工数の低減、及び、小型軽量化が実現できる。さらに、分配長さ７を最小限に短縮しているので、圧力損失の影響を小さくでき、更に分配精度の向上に寄与できる。

なお、実施の形態１では、本体１が直方体のような箱状である場合を例に説明したが、本体１の一部を切除するようにしてもよい。こうすることにより、部材質量の低減による低コスト化が可能になる。流体分配器１００には、分配量バラツキ、耐圧、及び、耐食等の仕様が設定されている。その中でも特に耐圧仕様を満足するためには、本体１の基になる成形ブロックに形成された各々の穴（たとえば、流入部２や流出部３等）に対して、最小限の壁面肉厚を考慮すればよい。したがって、六面体構造の本体１の余肉部分が切除可能となるのである。六面体の流体分配器１００の余肉を切除した構造に対して、鍛造などのネットシェイプ成形をすることで、加工工数が増加することなく、軽量化を実現でき、加えて成形ブロックの熱容量を低減できるので炉中ろう付でのろう付性を向上することもできる。

実施の形態２.
図７は、実施の形態１に係る流体分配器１００の製造工程の流れを示すフローチャートである。図７に基づいて、実施の形態２の特徴部分である流体分配器１００の製造工程について説明する。

本体１を形成するための金属材料を用意し、押出加工や鍛造で成形ブロックを作製する（ステップＳ１０１）。この成形ブロックに対して、弁体取付け穴４や流入部２、流出部３等を機械加工で仕上げる（ステップＳ１０２）。また、別工程で配管（流入部２に接続する配管及び流出部３に接続する配管）を加工する（ステップＳ１０３）。そして、ブロック配管組立を行ない、穴加工が施された成形ブロックと別工程で加工された配管とを組み立てる（ステップＳ１０４）。その後、炉中ろう付する（ステップＳ１０５）。こうすることで、成形ブロックと配管とが一体化した流体分配器１００が完成する。

この結果、流体分配器１００を製造する際、押出加工や鍛造などのネットシェイプ成形された成形ブロックを機械加工して、炉中ろう付することができるので、自動ライン製造が可能となり、生産性を向上できる。

１ 本体、２ 流入部、３ 流出部、３ａ 流出部、３ｂ 流出部、３ｃ 流出部、４ 弁体取付け穴、４ａ 弁体取付け穴、４ｂ 弁体取付け穴、４ｃ 弁体取付け穴、５ 分配空間部、５ａ 分配穴、５ｂ 分配穴、５ｃ 分配穴、６ 分配角度、７ 分配長さ、８ａ 菱形印、８ｂ 四角印、８ｃ 三角印、９ａ 菱形印、９ｂ 四角印、９ｃ 三角印、１０ 分配比率仕様、１００ 流体分配器。

Claims (8)

1. 箱状の本体と、
   前記本体のいずれかの面に形成され、流体を前記本体内部に流入させる流入部と、
   前記本体の内部に形成され、前記流入部が形成された面と平行となる平面部を有し、前記流入部から流入した流体を平面部に衝突させて放射状に散開させる分配空間部と、
   前記分配空間部の周囲に一部が開口するように形成され、前記分配空間部で散開された流体を分配する複数の分配穴と、
   前記本体の前記流入部の形成面以外のいずれかの面に形成され、前記分配穴のそれぞれと連通し、前記分配穴を流れる流体を前記本体の外部に流出させる複数の流出部と、を有する
   ことを特徴とする流体分配器。
2. 前記分配穴を３つ形成するものにおいて、
   前記分配穴は、
   前記分配空間部の流体流入方向における断面の中心点から１２０±０．５°の分配角度で形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の流体分配器。
3. 前記複数の流出部は、
   直線上に配置されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の流体分配器。
4. 前記分配空間部の中心軸線から前記分配穴の中心軸線までの距離を２２〜２４ｍｍとしている
   ことを特徴とする請求項３に記載の流体分配器。
5. 前記本体の前記流入部の形成面及び前記流出部の形成面以外のいずれかの面に形成され、前記流出部から流出させる流体の量を調整する弁体が着脱可能になっている弁体取付け穴を形成している
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の流体分配器。
6. 前記弁体取付け穴は、
   前記本体内部に形成された前記分配穴のそれぞれに対応した位置に形成されている
   ことを特徴とする請求項５に記載の流体分配器。
7. 前記箱状の本体に代えて、前記箱状の余肉部分を切除した本体を備えている
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の流体分配器。
8. 前記請求項１〜７のいずれか一項に記載の流体分配器の製造方法であって、
   前記本体となる金属製の成形ブロックを作製する工程と、
   前記成形ブロックに前記流入部、前記流出部、前記分配空間部、及び、前記分配穴となる穴加工を施す工程と、
   前記穴加工が施された前記成形ブロックの前記流入部及び前記流出部に流体を導通させる配管を接続する工程と、
   前記配管が接続された前記成形ブロックを炉中ろう付する工程と、を有する
   ことを特徴とする流体分配器の製造方法。

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