JP5696069B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、膨張弁および冷媒分流器を備えた冷凍サイクル装置に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００９−２４９３７号公報（特許文献１）がある。この従来技術は、膨張弁と冷媒分流器とを一体化した冷媒分流室結合型膨張弁を提供するとともに、異なるパス数への対応を容易化することを目的とする。

この公報には、「弁本体を弁室部と分流室部とから構成する。弁室部は、筐体の内部が弁室とされ、弁室と冷媒分流室とを仕切る仕切壁を底壁とする。この筐体には、絞り部が内部に収められ、液管を接続する入口ポートが形成されている。分流室部は、上方が開放された筐体を有し、この筐体には、複数の分流管を接続するポートが形成されている。そして、上記構成の弁室部と分流室部とは別体に製作される。別体に製作された分流室部の上部が弁室部の仕切壁により閉塞されるように両者接合される。」と記載されている。

特開２００９−２４９３７号公報

しかし、特開２００９−２４９３７号公報に記載された従来技術は、弁室部と分流室部をろう付けもしくは溶接により接合した場合、加熱箇所と弁孔や弁棒などが近接するため、熱による弁孔などの変形を引き起こし、ひいては膨張弁の流量特性や耐久性に大きな影響を及ぼす恐れがある。また、上記のろう付けや溶接に代えて、弁室部と分流室部をねじ接合した場合、冷媒漏洩が発生する可能性がある。

また、膨張弁を備えた冷凍サイクル装置において、ゴミなどの異物の侵入に起因した膨張弁詰まりを防ぐために、膨張弁に接続する冷媒配管内にフィルタを設けている。しかし、上記特許文献に記載の膨張弁の構造によれば、フィルタの設置は容易ではない。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、冷凍サイクル装置の信頼性を向上するとともに、幅広い使用条件下で良好な分流特性を実現することを目的とする。

上記課題を達成するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器により凝縮された冷媒を減圧する膨張弁３と、該膨張弁３と別体に構成され、前記膨張弁３により減圧された冷媒を内部に形成された複数の流路に分流させる冷媒分流器４と、該冷媒分流器４により分流された冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備えた冷凍サイクル装置において、前記膨張弁３と冷媒分流器４はＬ／Ｄ＜１.２Ｇ^0.36 を満たすように配置する。ただし、Ｌ［ｍ］は膨張弁３の絞り域３００から冷媒分流器４の分岐域４００までの距離、Ｄ［ｍ］は膨張弁３の絞り域３００と分流器４の分岐域４００との間の流路内径、Ｇ［kg／（ｍ²ｓ）］は膨張弁３の絞り域３００と分流器４の分岐域４００との間の流路を流れる冷媒の質量速度である。

本発明によれば、簡単な構造の分流器を用いたとしても，冷媒分流器の設置姿勢や製造ばらつきなどの影響を受けずに、幅広い使用条件下で良好な分流特性を得られる。

本発明の実施例１に係わる膨張弁と分流器との接続形態を示す部分断面図である。 本発明の実施例１に係わる冷凍サイクル装置の構成図である。 可視化実験結果の一例であり、膨張弁下流における管内気液二相流の流動様相を示す。 管内気液二相流の流動状態が遷移する膨張弁の絞り域からの距離Ｌ_tと、管内径Ｄと、管内冷媒の質量速度Ｇとの関係を示すグラフである。 質量速度Ｇ＝５３０kg／（ｍ²ｓ）、乾き度ｘ＝０.１５の実験条件下における分流特性の測定結果であり、各分岐への冷媒の質量流量比の偏差を示す。 質量速度Ｇ＝５３０kg／（ｍ²ｓ）、乾き度ｘ＝０.１５の実験条件下における分流特性の測定結果であり、各分岐への冷媒の乾き度の偏差を示す。 質量速度Ｇ＝１８０kg／（ｍ²ｓ）、乾き度ｘ＝０.１５の実験条件下における分流特性の測定結果であり、各分岐への冷媒の質量流量比の偏差を示す。 質量速度Ｇ＝１８０kg／（ｍ²ｓ）、乾き度ｘ＝０.１５の実験条件下における分流特性の測定結果であり、各分岐への冷媒の乾き度の偏差を示す。 本発明の実施例１に係わる分流器の他の例を示す図であり、１２分岐のものの形状を示す。 本発明の実施例２に係わる冷凍サイクル装置の構成図である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面を用いて具体的に説明する。

図２は、本実施例に係わる冷凍サイクル装置１００、例えばルームエアコンなどの構成図の例である。ここで、１は圧縮機、２は第１熱交換器、３は膨張弁、４は冷媒分流器、５は第２熱交換器、６は四方弁である。これらの要素機器は冷媒配管によって接続され冷凍サイクル装置１００を構成している。

第１熱交換器２が凝縮器、第２熱交換器５が蒸発器として作用し、冷媒が圧縮機１→第１熱交換器２→膨張弁３→冷媒分流器４→第２熱交換器５→圧縮機１の順（実線矢印で表示）に冷凍サイクル装置１００内を循環した場合、膨張弁３を通過した冷媒は気液二相状態となり、膨張弁３と冷媒分流器４を接続する冷媒配管９０を経由して、冷媒分流器４により分流される。

冷媒配管９０を流れる気液二相流の流動状態は、冷凍サイクル装置１００の使用条件、配管９０の設置姿勢や形状などに大きく影響される。多くの場合、この気液二相流は、小さい気泡を含む液体スラグと気体プラグが交互に存在するスラグ流やフロス流、または管壁に液膜が存在し気相の管断面中心部に多数の液滴を同伴している環状流であり、密度および流速の分布が不均一な状態にある。これは、気液二相流が冷媒分流器４で分流される際に各分岐への質量流量や乾き度（全質量流量中で気相が占める割合）が異なる大きな要因となる。

一方、冷媒分流器４での冷媒分流が適切でない場合、蒸発器として作用する第２熱交換器５ひいては冷凍サイクル装置１００の性能低下や圧縮機１への過剰な液戻りなどの問題が生じる恐れがあるため、気液二相流の分流が重要な課題である。

また、冷凍サイクル装置１００は、四方弁６により冷媒の流れ方向を切り替えることができる。この場合、第１熱交換器２が蒸発器、第２熱交換器５が凝縮器として作用し、冷媒は圧縮機１→第２熱交換器５→冷媒分流器４→膨張弁３→第１熱交換器２→圧縮機１の順（破線矢印で表示）に冷凍サイクル装置１００内を循環する。それに伴って、冷媒分流器４は冷媒を分流させる機能をしなくなり、代わりに凝縮器の第２熱交換器５を通過した液冷媒を合流させ、冷媒配管９０を介して膨張弁３へ送る。ただし、冷媒にゴミなどが混入した場合、これらの異物は膨張弁３へ侵入することによって、膨張弁詰まりひいては冷凍サイクル装置１００の故障が発生する可能性があるため、冷媒分流器４と膨張弁３との間にフィルタを設置する必要がある。

次に、上記課題を解決する手段について図１を用いて説明する。

図１は膨張弁３と冷媒分流器４との接続形態を示す部分断面図の例である。ここで、実線矢印は冷媒分流器４が冷媒を分流させる機能を果たした場合の冷媒流れを示している。また、７０は異物の膨張弁３への侵入を防ぐフィルタであり、８０ａと８０ｂと８０ｃと８０ｄは冷媒分流器４により分流された冷媒を第２熱交換器５へ送り出す分岐管である。

膨張弁３は、弁本体３３と、弁本体３３と第１熱交換器２を接続する第１接続管３１と、弁本体３３と冷媒分流器４を接続する第２接続管３２から構成されている。

弁本体３３の内部には、弁孔３４と、駆動装置の動作により軸方向に移動できるニードル３５が内蔵されている。この弁孔３４とニードル３５との間に、ドーナツ状の絞り域３００は形成されており、ここで第１接続管３１から流入した液冷媒が減圧され、気液二相状態となる。また、絞り域３００の流路面積は、冷凍サイクル装置１００の使用条件に応じて、ニードル３５を動かすことによって調節できる。

冷媒分流器４は絞り加工で作製されており、膨張弁３に接続する第１連結部４１と、第１連結部の下流側に設けられた直管部４２と、直管部４２の下流側に設けられた第２連結部４３と、第２連結部４３の下流側に設けられた分岐部４４から構成されている。また、第２連結部４３と分岐部４４との間に、冷媒が分かれる分岐域４００は形成されている。

第１連結部４１は、膨張弁３の第２接続管３２に整合するように形成されており、この中に挿入した第２接続管３２とろう付けで接合される。直管部４２は、第２接続管３２と等しい内径を有し、この中にフィルタ７０がかしめにて固定される。第２連結部４３は、直管部４２から分岐部４４に向かって流路面積が徐々に拡大する。分岐部４４は、三つ葉状をなし、この中に挿入した分岐管８０ａと８０ｂと８０ｃと８０ｄとろう付けで接合される。なお、本実施例では、分岐管８０ｄは冷媒分流器４と同軸上に設置されており、この外側に分岐管８０ａと８０ｂと８０ｃが冷媒分流器４の軸を中心とした円周上に等間隔に設けられている。

さらに図１では、Ｌは膨張弁３の絞り域３００から冷媒分流器４の分岐域４００までの距離を、Ｄは膨張弁３の第２接続管３２の内径を表している。

本発明では、膨張弁３と冷媒分流器４は、Ｌ／Ｄ＜１.２Ｇ^0.36を満たすように配置することが望ましい。ただし、Ｇは膨張弁３の第２接続管３２を流れる冷媒の質量速度である。以下、その理由について図３から図８を用いて説明する。

図３および図４は、膨張弁下流における気液二相流について、管内冷媒の質量速度Ｇを変化させ可視化実験を行った結果である。なお、可視化実験では、冷媒にＲ４１０Ａを使用し、その流れを垂直下降流とした。また、ガラス管の内径Ｄは８mmである。

図３は、可視化実験結果の一例であり、質量速度Ｇ＝１８０kg／（ｍ²ｓ）、乾き度ｘ＝０.１５の実験条件下での観察結果を示す。図３に示したように、膨張弁３の絞り域３００から６０mmほど下流までの領域において、気液二相流は旋回噴流状態にあり、白濁した様相を呈している。この場合、冷媒の気相と液相がよく混合しているため、この状態で冷媒を分流させると良好な分流特性は実現する可能性がある。これに対して、絞り域３００から約６０mm以降の領域においては、気液二相流は気泡環状流となり、管壁に液膜が形成し多数の微小気泡を同伴する様相を呈している。この場合、冷媒は気相と液相が分離した状態にあり、しかも管壁に沿う液膜の厚さが一様ではないため、良好な分流特性は期待できない。

そして図４は、以上のような観察結果に基づき、管内気液二相流の流動状態が遷移した膨張弁３の絞り域３００からの距離Ｌ_t（以下遷移距離）と、管内径Ｄと、管内冷媒の質量速度Ｇとの関係を整理した結果を示す。ここで、横軸は質量速度Ｇ［kg／（ｍ²ｓ）］、縦軸は遷移距離Ｌ_t［ｍ］と管内径Ｄ［ｍ］との比率を示している。また、図中の△印は可視化実験の観察結果を表しており、破線は観察結果に基づいた累乗近似曲線である。

図４より、遷移距離Ｌ_tは質量速度Ｇの増大に伴い長くなる傾向にあり、Ｌ_t／Ｄ＝１.２Ｇ^0.36を満足することがわかる。

上記の可視化実験結果によれば、膨張弁下流における冷媒の気相と液相がよく混合した状態を利用して、良好な分流特性を得るために、膨張弁３と冷媒分流器４はＬ／Ｄ＜１.２Ｇ^0.36を満たすように設置することが望ましい。

また、冷凍サイクル装置１００の使用条件によって質量速度Ｇが変動する場合、この質量速度の最小値Ｇ_minに合わせて、膨張弁３と冷媒分流器４はＬ／Ｄ＜１.２Ｇ_min ^0.36を満たすように設置することが望ましい。これにより、全ての使用条件下で、良好な分流特性は実現可能となる。

図５から図８は、図１に示した構造を持つ絞り加工の冷媒分流器４（４分岐）を用いて、管内冷媒の質量速度Ｇを変化させ（１８０〜５３０kg／（ｍ²ｓ））分流特性を測定した結果の一部を示す。

図５と図６は、質量速度Ｇ＝５３０kg／（ｍ²ｓ）、乾き度ｘ＝０.１５の実験条件下での測定結果であり、各分岐への冷媒の質量流量比（分岐ｉへの質量流量と全質量流量との比）および乾き度の偏差を示す。そして図７と図８は、質量速度Ｇ＝１８０kg／（ｍ²ｓ）、乾き度ｘ＝０.１５の実験条件下での測定結果であり、各分岐への冷媒の質量流量比および乾き度の偏差を示す。なお、質量流量比の偏差とは、分岐ｉへ流れる冷媒の実際流量比と等流量分配時の理想流量比（すなわち２５％）との差を意味する。乾き度の偏差とは、分岐ｉへ流れる冷媒の実際乾き度と等乾き度分配時の理想乾き度との差を意味する。

また、図５から図８では、●印はＬ／Ｄ＝７.５、θ＝０°の条件下での結果を、○印はＬ／Ｄ＝７.５、θ＝１５°の条件下での結果を、◆印はＬ／Ｄ＝３７.５、θ＝０°の条件下での結果を、◇印はＬ／Ｄ＝３７.５、θ＝１５°の条件下での結果を示している。ただし、Ｌ／Ｄ＝７.５は、質量速度Ｇ＝１８０kg／（ｍ²ｓ）、乾き度ｘ＝０.１５の実験条件下における冷媒流動状態の遷移位置（図３参照）であり、全ての実験条件に対してＬ／Ｄ＜１.２Ｇ^0.36を満たしている。しかし、Ｌ／Ｄ＝３７.５は、全ての実験条件に対してＬ／Ｄ＜１.２Ｇ^0.36を満たさない。また、θは冷媒分流器４の軸が鉛直方向に対して傾いた角度を示しており、θ＝１５°の場合には分岐管８０ａが鉛直方向において一番下になる。

図５から図８に示したように、冷媒分流器４の設置姿勢が鉛直の場合、Ｌ／Ｄ＝７.５（●）としたときはＬ／Ｄ＝３７.５（◆）としたときよりも、分岐間の質量流量比および乾き度の差異が小さい。また、冷媒分流器４が鉛直方向に対して１５°傾いた場合、Ｌ／Ｄ＝３７.５（◇）としたときには分流特性が大きく変化するのに対して、Ｌ／Ｄ＝７.５（○）としたときには分流特性の変化がほとんど見られなかった。

これらの結果から、膨張弁下流における管内冷媒の質量速度Ｇに対応した遷移距離Ｌ_tないしはそれ以下の距離で冷媒分流器４を設け、気液二相流を気液がよく混合した状態で分流させることによって、簡単な構造を持つ絞り加工の分流器を用いたとしても，分流器の設置姿勢などの影響を受けずに、幅広い使用条件下で良好な分流特性は得られることがわかる。したがって、膨張弁３と冷媒分流器４はＬ／Ｄ＜１.２Ｇ^0.36を満たすように設置することが望ましい。

また、本発明では、膨張弁３と冷媒分流器４はＬ／Ｄ＞１.５を満たすように配置することが望ましい。これにより、膨張弁３と冷媒分流器４をろう付けする際、加熱箇所が第２接続管３２にあり、弁本体３３と一定の距離をとることができるため、熱による弁孔などの変形が発生することを防止できる。それと同時に、冷媒分流器４の直管部４２内に異物の膨張弁３への侵入を防ぐフィルタ７０の設置も可能となる。

また、本発明では、冷媒分流器４の内部に形成された複数の流路のうち少なくとも一つは他の流路よりも内側に設けられることが望ましい。これにより、冷媒分流器４をコンパクトに作製できるため、設置スペースを削減できるうえに、製品の原価低減にも寄与できる。しかも、図５から図８に示したように、冷媒分流器４と同軸上に設置された分岐管８０ｄへの冷媒は、円周上に等間隔に設けられた分岐管８０ａと８０ｂと８０ｃへの冷媒と、質量流量および乾き度がほぼ同じであるため、分流特性を害する心配がない。

以上の実施例では、４分岐の冷媒分流器４を用いた場合について述べた。しかし、本発明に係わる冷媒分流器４の分岐数に制限がなく、二つ以上であればよい。例えば、図９に示したような１２分岐のものでもよい。また、冷媒分流器４の作製方法について、安価な絞り加工のほうが望ましいが、切削加工やプレス加工などでもよい。

図１０に、実施例２に係わる冷凍サイクル装置１０１、例えばパッケージエアコンなどの構成図の例を示す。ここで、１は圧縮機、２は第１熱交換器、３ａと３ｂは膨張弁、４ａと４ｂは冷媒分流器、５は第２熱交換器、６は四方弁、９１は接続配管である。ただし、第１熱交換器２と第２熱交換器５はともに多パス構造を持つ。

第１熱交換器２が凝縮器、第２熱交換器５が蒸発器として作用する場合、図中の実線矢印で示したように、第１熱交換器２を経て分流器４ａで合流した液冷媒は、膨張弁３ａおよび接続配管９１を通過し、膨張弁３ｂにより減圧され気液二相状態となった後、分流器４ｂにより分流され、第２熱交換器５へ流れる。

一方、冷凍サイクル装置１０１内の冷媒の流れ方向が四方弁６により切り替えられるにしたがって、第１熱交換器２が蒸発器、第２熱交換器５が凝縮器として作用する場合、図中の破線矢印で示したように、第２熱交換器５を経て分流器４ｂで合流した液冷媒は、膨張弁３ｂおよび接続配管９１を通過して、膨張弁３ａにより減圧され気液二相状態となった後、分流器４ｂにより分流され、第１熱交換器２へ流れる。

本実施例では、膨張弁３ａと分流器４ａはＬ／Ｄ＜１.２Ｇ_a ^0.36を、そして、膨張弁３ｂと分流器４ｂはＬ／Ｄ＜１.２Ｇ_b ^0.36を満たすように設置することが望ましい。ただし、Ｇ_aは分流器４ａが膨張弁３ａ通過後の冷媒を分流させるときの質量速度、Ｇ_bは分流器４ｂが膨張弁３ｂ通過後の冷媒を分流させるときの質量速度である。

これにより、冷凍サイクル装置１０１は、冷媒の流れ方向にかかわらず、全ての使用条件下で、良好な分流特性が実現できる。

３ 膨張弁
４ 冷媒分流器
３００ 絞り域
４００ 分岐域

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   該圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
   該凝縮器により凝縮された冷媒を減圧する膨張弁と、
   該膨張弁と別体に構成され、前記膨張弁により減圧された冷媒を内部に形成された複数の流路に分流させる分流器と、
   該分流器により分流された冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備え、
   前記膨張弁と分流器は次式を満たすように配置されたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
   Ｌ／Ｄ＜１.２Ｇ^0.36
   ただし、
   Ｌ［ｍ］：膨張弁の絞り域から分流器の分岐域までの距離
   Ｄ［ｍ］：膨張弁の絞り域と分流器の分岐域との間の流路内径
   Ｇ［kg／（ｍ²ｓ）］：膨張弁の絞り域と分流器の分岐域との間の流路を流れる冷媒の質量速度
2. 請求項１記載の冷凍サイクル装置において、
   前記分流器は次式を満たすように配置されたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
   Ｌ／Ｄ＞１.５
   ただし、
   Ｌ［ｍ］：膨張弁の絞り域から分流器の分岐域までの距離
   Ｄ［ｍ］：膨張弁の絞り域と分流器の分岐域との間の流路内径
3. 請求項１記載の冷凍サイクル装置において、
   前記分流器の内部に形成された複数の流路のうち少なくとも一つは、他の流路よりも内側に設けられたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
4. 請求項１記載の冷凍サイクル装置において、
   前記分流器は絞り加工により形成されたことを特徴とする冷凍サイクル装置。