JP5567935B2

JP5567935B2 - 冷媒分配器及び冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP5567935B2
Application number: JP2010183534A
Authority: JP
Inventors: 道治渡部; 豊榎津
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2010-08-19
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2030-08-19
Also published as: JP2012042121A

Description

本発明は冷媒分配器に関する。

ヒートポンプ給湯機又は空気調和装置における室内機や室外機に搭載される熱交換器は複数の流路構成となっており、熱交換器入口部に冷媒分配器を配置して各パスに冷媒を分配するようになっている。

この主の冷媒分配器に関する従来技術としては、例えば冷媒の分流には特開２０００-１１１２０５号公報がある。

特開２０００-１１１２０５号公報

上記特許文献１は冷媒の均一な分配は可能であるが、流路断面積の小さい流路を複数設けることであえて圧力損失を発生させているので、エネルギロスが避けられなかった。

本発明の目的は、シンプルな構造でありながら圧力損失を抑え、冷媒を均一に熱交換器に分配することが可能な冷媒分配器を提供することにある。

本発明は、流路分岐部の上流側に流入側冷媒流路を接続するとともに、前記流路分岐部の下流側に複数の流出側冷媒流路を接続し、前記流入側冷媒流路から流入した冷媒流を複数の前記流出側冷媒流路へと分配する冷媒分配器において、前記流入側冷媒流路の下流側でかつ前記流路分岐部の上流側に流路断面積最小部を有するノズル部を備え、加えて各流出側冷媒流路の周辺部と前記流路断面積最小部の下流側とを接続する帰還流路を備えたことを特徴とする。

また上記においては、前記流出側冷媒流路の入口部の周辺に接続されている前記帰還流路の入口部を前記流出側冷媒流路の入口部の外側と内側の両方に備えた構成が好ましい。

また上記においては、前記流路断面積最小部の下流側に接続されている前記帰還流路の出口部を前記流出側冷媒流路の本数以上備えた構成が好ましい。

また上記においては、前記帰還流路の出口部と前記帰還流路の入口部を前記ノズル部中心軸に対して同一方向に備えた構成が好ましい。

また上記においては、前記帰還流路の出口部と前記流出側冷媒流路の入口部を前記ノズル部中心軸に対して異なる方向に備えた構成が好ましい。

本発明によれば、シンプルな構造でありながら圧力損失を抑え、冷媒を均一に熱交換器に分配することが可能な冷媒分配器及び冷凍サイクル装置を提供できる。

一実施形態を備えた冷媒分配器の斜視図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図１のＢ−Ｂ断面図である。図１のＣ−Ｃ断面図である。本実施形態における冷媒の挙動を表す断面図である。本実施形態を備えた冷媒分配器の本体部材を表す斜視図である。本実施形態を備えた冷媒分配器の上蓋部材を表す斜視図である。本実施形態を備えた冷媒分配器の外側部材を表す斜視図である。本実施形態を備えた冷媒分配器の組み立て状態を表す斜視図である。他の実施形態を備えた帰還流路の入口部の断面図である。他の実施形態を備えた帰還流路の出口部の断面図である。一般的な冷凍サイクルを表した概略図である。一般的な分配器の構成図である。

近年、ヒートポンプ給湯機又は空気調和装置等の冷凍サイクル装置に搭載される蒸発器は熱効率を高めるために配管は細径化されているため複数の配管で構成されるようになってきている。そのため蒸発器に冷媒が流入される直前に取付けられた分配器で冷媒を複数の配管に流すために分流させている。

ところが現状の分配器の構造では均等分配をすることができないという問題がある。

現状の分配器で仮に冷媒分配が不均一となってしまうと、流量が少なくなった配管内の乾き現象が加速され、結果的にエネルギーのロスとなってしまいその分冷却性能の低下を招く。したがって、均等な冷媒の分配は必須である。

さて、上記特許文献１に記載された一般的な冷凍サイクルを図１２で説明し、一般的な分配器を図１３で説明する。

図１２は一般的な冷凍サイクルを表した概略図である。

図１３は一般的な分配器の構成図である。

図１２において、暖房運転の場合は矢印で示すように圧縮機１０１から吐出された高温高圧の冷媒は四方弁１０２を経由して室内熱交換器１０３に流入して凝縮するとともに室内の空気と熱交換して、室内を暖房する。室内熱交換器１０３で液体となった冷媒は膨張弁１０４から冷媒回路１０５の流入管１０６を通って分配器１０７に流入する。分配器１０７は冷媒を複数の流出管１０８で分配した後、複数の室外熱交換器１０９に供給される。複数の室外熱交換器１０９で蒸発した冷媒は四方弁１０２を経由して圧縮機１０１に戻る。

一方、冷房運転の場合は点線の矢印のように四方弁１０２の切り替えによって冷媒は逆流するので室内熱交換器１０３が蒸発器となるため室内を冷房することができる。

図１３において、矢印で示すように流入管１０６に流入した冷媒は圧力室１０７ａに入り、この圧力室１０７ａから複数に分岐された冷媒流路１０７ｂに流入する。流入した冷媒合流分岐１０７ｃで一旦合流する（図１３では冷媒合流分岐１０７ｃが２箇所設けられている）。冷媒合流分岐１０７ｃを出た冷媒は出口合流部１０７ｄで合流して流出管１０８を通って室外熱交換器１０９へと流れる。

このような分配器１０７は、均一な冷媒の分配は可能であるものの、流路断面積の小さい流路を複数設けているので圧力損失が大きく、エネルギロスが発生してしまう。しかも、構造が複雑となり、その分製作コストの高騰に繋がる。

そこで、本発明の発明者らはフルイディクス（流体素子）を応用し、シンプルな構造でエネルギロスの少ない分配器を種々検討した結果以下のごとき実施例を得た。

本発明の一実施例を図１から図９を用いて説明する。

図１は一実施形態を備えた冷媒分配器の斜視図である。

図２は図１のＡ−Ａ断面図である。

図３は図１のＢ−Ｂ断面図である。

図４は図１のＣ−Ｃ断面図である。

図５は本実施形態における冷媒の挙動を表す断面図である。

図６は本実施形態を備えた冷媒分配器の本体部材を表す斜視図である。

図７は本実施形態を備えた冷媒分配器の上蓋部材を表す斜視図である。

図８は本実施形態を備えた冷媒分配器の外側部材を表す斜視図である。

図９は本実施形態を備えた冷媒分配器の組み立て状態を表す斜視図である。

図１において、１つの流入側冷媒流路１と複数の流出側冷媒流路２が冷媒分配器本体３に接続されている。本実施例では流出側冷媒流路２が３つの場合を示している。

図２において、流入側冷媒流路１の下流にはノズル部７が配置されている。ノズル部７は流路断面積がゆるやかに減少する縮流部４と流路断面積最小部６、そして流路断面積が急拡大する流路拡大部５を有している。流路拡大部５の下流側には突起部８を有した流路分岐部９が接続されており、さらに下流側には３本の流出側冷媒流路２が接続されている（なお、図２は図１をＡ−Ａ線で断面しているので流出側冷媒流路が２本のみ見えている）。１１は外側入り口部、１２は内側入り口分、１０は帰還流路、１３は出口部であるが、その詳細は後で述べる。

図３は帰還流路１０の入口部が接続されている流出側冷媒流路２の入口面の断面図である。図４は帰還流路１０の出口部１３が接続されている流路断面積最小部６の下流側の流路断面図である。

図３において、３本の流出側冷媒流路２の中心点は流路分岐部９を中心とした１つの円上に１２０度ごとに配置されている。図２に示した流路分岐部９の突起部８を中心として３つの流出側冷媒流路２が取り付けられている。これらの流出側冷媒流路２の中心点を結ぶ円の外側と内側には、それぞれ帰還流路１０の外側入口部１１と内側入口部１２が位置している。

帰還流路１０の外側入口部１１および内側入口部１２は、それぞれ流出側冷媒流路２の入口部と同一平面上に設置されている。帰還流路１０は主冷媒流路の外側を通って、図２に示す流路断面積最小部６の下流側に設置した帰還流路１０の出口部１３へと接続されている。

図４において、１本の帰還流路１０を構成する帰還流路１０の外側入口部１１と内側入口部１２と出口部１３は、ノズル部７の中心軸に対して同一方向にある。本例では帰還流路１０の本数が６本であるため、図４の主冷媒流路の中心点と図３における流路分岐部９の中心点のそれぞれを中心として６０度ごとに帰還流路１０の出口部１３と外側入口部１１および内側入口部１２が配置されている。

主冷媒流路での冷媒流の挙動を図５に従って説明する。

図５において、流入側冷媒流路１の下流側は縮流部４となっており、流路断面積が徐々に小さくなる。連続の式で表される関係により、流路断面積が小さくなると流速が増加するため、流入側冷媒流路１から流入した冷媒流は、動圧が増加すると同時に静圧が低下する。静圧はやがて流路断面積最小部６で最小となり、同時に冷媒流の持つ運動量が最大となる。運動量が大きくなると慣性力が強まるため、流路断面積最小部６の下流側の流路拡大部５では流れが壁面に沿って拡大せずに剥離を起こす。

これにより、冷媒流は流路拡大部５の中心部のみ流速が速い墳流状態となる。流路拡大部５を通過した冷媒墳流１４Aはその下流側にある流路分岐部９（図２に示す）に到達し、冷媒墳流１４Aが突起部８に衝突することで冷媒流が３本の流出側冷媒流路３へと分岐する。

帰還流路１０での冷媒流の挙動について説明する。

流路分岐部９の流路断面積は流路断面積最小部６よりも大きいため、静圧が高い状態にある。流路断面積最小部６の下流側と流路分岐部９は帰還流路１０で接続されているため、帰還流路１０の外側入口部１１と内側入口部１２の静圧は流路断面積最小部６の静圧に近くなる。

これにより、流路分岐部９で分岐した冷媒墳流１４Aの一部は流出側冷媒流路２へと流れずに、静圧の低い帰還流路１０の外側入口部１１と内側入口部１２へと流入し、やがて流路断面積最小部６の下流側に接続している帰還流路１０の出口部１３から流出する。

冷媒分配に不均一が発生し、ノズル部７から流出した冷媒墳流１４Aが流出側冷媒流路２Aへと向かって偏向する場合の動作について、図５を用いて説明する。
流出側冷媒流路２Aへと向かって冷媒流路１４Aが偏向すると、流出側冷媒流路２Aの冷媒流量が多くなり、３つの流出側冷媒流路２の冷媒流量に不均一が生じる。冷媒流量に不均一が発生すると、６本の帰還流路１０へと流入する冷媒流量比が変化する。帰還流路１０へと流入した冷媒流はやがて流路断面積最小部６の下流側に設けた帰還流路１０の出口部１３から流出する。この時、６本の帰還流路１０の出口部１３それぞれの流量比が異なっているため、流量の多い帰還流路１０の出口部１３からの冷媒流は運動量が大きく、流量の少ない帰還流路１０の出口部１３からの冷媒流は運動量が小さくなる。

これにより、流路断面積最小部６から流出した冷媒墳流１４Bは、６本の帰還流路１０の出口部１３から流出する冷媒流の運動量比に応じた流体力を受ける。ここで、流量の多い帰還流路１０の出口部１３から流出する冷媒流の流出方向は冷媒墳流１４Bの偏向方向と向かい合っているため、偏向した冷媒墳流１４Bはノズル部７の中心軸上に戻されるような修正力を受けることになる。この一連の動作により、冷媒墳流１４Aの向きは常に３つの流出側冷媒流路２へと均等に冷媒が分配されるよう調整される。

帰還流路１０の内側入口部１２について説明する。

帰還流路１０の外側入口部１１のみを設けた場合、冷媒墳流１４Bが大きく偏向しなければ、冷媒墳流１４Bの向きを修正するだけの十分な帰還流路１０の流量差は得られない。結果的に冷媒墳流１４Bは大きく振動することになり、分配が均一に戻るまでの応答時間が遅くなる。

これに対して、帰還流路１０の外側入口部１１に加えて内側入口部１２を設けているので、冷媒墳流１４Aがわずかに偏向しただけでも帰還流路１０の流量差を大きくすることが可能となる。これにより、帰還流路１０の外側入口部１１のみを設置した場合よりも素早く冷媒分配の均一化を実現する。

帰還流路１０の本数について説明する。

一般的に、帰還流路１０を用いて冷媒墳流の制御をおこなう装置は流路が二次元的な構造となっており、多くの場合で流出側冷媒流路は２本で、流出側冷媒流路の本数と帰還流路の本数は同数である。しかし、本例では流出側冷媒流路２の本数以上の６本の帰還流路１０を設け、流路拡大部５の内壁面のどの部分へ向かって冷媒墳流１４Aが曲がったとしても、大きな修正力が得られるようにしている。

冷媒分配器本体３の構成を図６から図９を用いて説明する。

本例に示す冷媒分配器本体３は本体部材１５、上蓋部材１６、外側部材１７の３つの部材で構成されている。本体部材１５は図２に示すように縮流部４、流路断面積最小部６、流路拡大部５で構成されるノズル部７を有し、流路拡大部５の下流端が開放された形状となっている。流路断面積最小部６の下流側内壁面と本体部材１５の外壁面は帰還流路１０を構成する６つの穴が貫通している。上蓋部材１６は円板に流路分岐部９となる突起部８を加えた構成となっており、表面には流出側冷媒流路２の入口部となる３つの穴と、帰還流路１０の外側入口部１１と内側入口部１２となる１２箇所の穴があいている。

外側部材１７は円柱の内側をくりぬいた形状に、帰還流路１０を構成する６本の溝と、流出側冷媒流路２を接続するための３つの穴を加えた構成となっている。

図９に示すように本体部材１５に上蓋部材１６で蓋をし、さらにその外から外側部材１７を被せるだけで、複雑な形状の冷媒分配器をきわめて単純な構造で得ることが可能となる。

本発明の第２の実施形態を図１０と図１１を用いて説明する。

第２の実施例は、第１の実施例と帰還流路１０の入口部１１,１２および出口部１３の位置が異なっている。

図１０は流出側冷媒流路２の入口部の流路断面図である。

流出側冷媒流路２の外側入口部１１と内側入口部１２は３つの流出側冷媒流路２の外側と内側に設置される。

図１１は帰還流路１０の出口部１３が接続されている流路断面積最小部６の下流側の流路断面図である。

図１０、図１１において、帰還流路１０の出口部１３は、ノズル中心軸に対して帰還流路１０の入口部１１,１２と異なる方向に設置されている。図１０と図１１を比較すると、帰還流路１０は、流出側冷媒流路２Aと隣り合った別の流出側冷媒流路２Cに最も近い１対の帰還流路１０の外側入口部１１Dと内側入口部１２Eが出口部１３Bに接続する構成となっている。本例では、流出側冷媒流路の数が３つなので、帰還流路の本数も３本となる。また、帰還流路１０の出口部１３は、帰還流路１０の入口部１１,１２の位置を主冷媒流路の中心を基準として、反時計回りに６０度回転させた位置に配置する。

冷媒分配に不均一が発生した場合の動作を図１０,図１１に従って説明する。

冷媒噴流が流出側流路２Cへ向かって偏向し、冷媒分配に不均一が発生すると、帰還流路１０の入口部１１D,１２Eから流入する冷媒流の流量が増加する。これにより、帰還流路１０の入口部１１D,１２Eと繋がっている出口部１３Bから流出する冷媒流量が多くなる。帰還流路１０の出口部１３Bから流出した冷媒流は冷媒噴流を押し、冷媒噴流は流出側冷媒流路２Aへ向かって曲がるような力を受ける。以上の仕組みにより、冷媒噴流は３つの流出側冷媒流路を回転するように偏向するため、３つの流出側冷媒流路の時間平均流量が等しくなり、結果として均等分配が達成される。

以上のごとく、本実施形態によればノズル部から流出した冷媒墳流が意図せずにノズル部下流側の内壁面に向かって偏向する。その結果、複数の流出側冷媒流路から流出する冷媒流量に不均一が発生した場合、各流出側冷媒流路の流量比に対応して帰還流路の流量比が変化する。各帰還流路の流量比が変化すると、冷媒流量が多い帰還流路の出口部からの冷媒流がノズル部出口の冷媒墳流を押すため、ノズル部から流出する冷媒墳流の向きが修正される。この動作により、ノズルから流出する冷媒墳流は常に各流出側冷媒流路に対して均等に分配される。加えて、上記従来に比べて流路断面積が小さくなる部分が短いため、圧力損失を必要最小限に抑え、エネルギロスを低減させることができる。

このように本実施形態によれば、フルイディクス（流体素子）の効果を最大限に発揮した冷媒分配器を提供できる。

１…流入側冷媒流路、２…流出側冷媒流路、３…冷媒分配器本体、４…縮流部、５…流路拡大部、６…流路断面積最小部、７…ノズル部、８…突起部、９…流路分岐部、１０…帰還流路、１１…帰還流路の外側入口部、１２…帰還流路の内側入口部、１３…帰還流路の出口部、１４…冷媒墳流、１５…本体部材、１６…上蓋部材、１７…外側部材。

Claims

流路分岐部の上流側に流入側冷媒流路を接続するとともに、前記流路分岐部の下流側に複数の流出側冷媒流路を接続し、前記流入側冷媒流路から流入した冷媒流を複数の前記流出側冷媒流路へと分配する冷媒分配器において、
前記流入側冷媒流路の下流側でかつ前記流路分岐部の上流側に流路断面積最小部を有するノズル部を備え、加えて各流出側冷媒流路の周辺部と前記流路断面積最小部の下流側とを接続する帰還流路を備え、更に前記流路断面積最小部の下流側に接続されている前記帰還流路の出口部を前記流出側冷媒流路の本数以上備えたことを特徴とする冷媒分配器。
請求項１記載の冷媒分配器において、
前記流出側冷媒流路の入口部の周辺に接続されている前記帰還流路の入口部を前記流出側冷媒流路の入口部の外側と内側の両方に備えたことを特徴とする冷媒分配器。
請求項１記載の冷媒分配器において、
前記帰還流路の出口部と前記帰還流路の入口部を前記ノズル部中心軸に対して同一方向に備えたことを特徴とする冷媒分配器。
請求項１記載の冷媒分配器において、
前記帰還流路の出口部と前記流出側冷媒流路の入口部を前記ノズル部中心軸に対して異なる方向に備えたことを特徴とする冷媒分配器。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷媒分配器を有することを特徴とする冷凍サイクル装置。