WO2022208845A1 - 流路構造、これを備えた流路ブロックおよび冷凍サイクル装置 - Google Patents

流路構造、これを備えた流路ブロックおよび冷凍サイクル装置 Download PDF

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亮 堀江
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三菱電機株式会社
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    • F16K5/00Plug valves; Taps or cocks comprising only cut-off apparatus having at least one of the sealing faces shaped as a more or less complete surface of a solid of revolution, the opening and closing movement being predominantly rotary
    • F16K5/08Details
    • F16K5/10Means for additional adjustment of the rate of flow

Definitions

  • the present disclosure relates to a channel structure in which a flow control valve is connected to a pipe, a channel block and a refrigeration cycle device including the same.
  • This type of refrigeration cycle device heats or cools a heat medium such as water using a refrigeration cycle.
  • This type of refrigeration cycle device has a refrigerant circuit in which a refrigerant of the refrigeration cycle flows and a heat medium circuit in which a heat medium flows.
  • a flow control valve for control is connected (see Patent Document 1, for example).
  • an electric valve is used as a flow control valve.
  • a ball valve is used as an electric valve.
  • the cross-sectional shape of the flow path at the valve outlet changes in one direction within the range of the cross-sectional shape of the flow path at the valve outlet when fully open.
  • the cross-sectional shape of the valve outlet is circular, but when the opening is half open or less, it becomes an elliptical shape having a partial arc.
  • a flow rate control valve with such characteristics is used as a flow rate control valve for a liquid pipe in which a liquid fluid such as water flows. That is, when the fluid flows from the flow control valve whose opening degree is small to the pipe on the downstream side of the flow control valve, the flow channel expands rapidly. Then, in the downstream pipe, the pressure that causes noise due to the shape difference between the circular flow channel cross-sectional shape of the downstream pipe and the oval flow channel cross-sectional shape of the valve outlet of the flow control valve. There was a problem that an increase in the pressure amplitude of the pulsation occurred.
  • the present disclosure is intended to solve the above problems, and is capable of suppressing the pressure amplitude in the downstream pipe of the flow control valve when the valve opening degree of the flow control valve is half open or less.
  • An object of the present invention is to obtain a channel structure, a channel block having the same, and a refrigeration cycle device.
  • the flow channel structure according to the present disclosure is a flow channel structure in which a flow rate adjustment valve is connected to a liquid pipe through which a liquid fluid passes, and the liquid pipe is a connection end connected to the downstream side of the flow rate adjustment valve.
  • the flow control valve is a valve that has a valve body and adjusts the flow rate by changing the area of the valve outlet by the operation of the valve body, and the downstream side pipe has a connection end
  • the cross-section of the flow path of the portion excluding the part is circular, and the connection end of the downstream side pipe has an elliptical cross-section extending in one direction, and the long axis of the ellipse is along the longitudinal direction of the flow passage cross-sectional shape of the valve outlet when the opening degree of the flow control valve is half open or less.
  • the flow path block according to the present disclosure has the flow path structure embedded in the metal block, and the liquid pipe is integrated with the metal block.
  • a refrigeration cycle apparatus includes a heat medium circuit in which a heat medium circulates, and the heat medium circuit is provided with the above flow path structure.
  • the cross section of the flow passage at the end of the downstream pipe connected to the flow control valve is an ellipse extending in one direction, and the long axis of the ellipse is the opening of the flow control valve. along the longitudinal direction of the flow path cross-sectional shape of the valve outlet when the opening is half open or less.
  • FIG. 4 is a vertical cross-sectional view of the flow path structure according to Embodiment 1 when the valve opening degree is fully open;
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1;
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 1;
  • 4 is a vertical cross-sectional view of the flow channel structure according to Embodiment 1 when the valve opening degree is half open or less;
  • FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 4;
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 4;
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a difference in cross-sectional shape of the flow path of the connection end portion of the downstream side pipe between the flow path structure according to the first embodiment and the flow path structure of the comparative example;
  • FIG. 5 is a diagram showing pressure changes at valve outlets in the flow channel structure according to the first embodiment and the flow channel structure of the comparative example;
  • FIG. 5 is a flow velocity contour diagram showing a flow velocity distribution in a flow path cross section of a valve outlet in the flow path structure according to Embodiment 1 and the flow path structure of the comparative example.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram of measurement positions of the cross section of the flow path in FIG. 9 ;
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of a flow channel structure according to Embodiment 2;
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a channel block according to Embodiment 3;
  • FIG. 10 is a diagram showing an air conditioner that is an example of a refrigeration cycle apparatus according to Embodiment 4;
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of the flow path structure according to Embodiment 1 when the valve opening degree is fully open.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view along BB in FIG. Right and left in the following description mean directions when the flow path structure of FIG. 1 is viewed from the side. The dotted area in FIG. 3 indicates the cross section of the valve outlet when fully open.
  • FIG. 4 is a vertical cross-sectional view of the flow path structure according to Embodiment 1 when the valve opening degree is less than half open.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 4.
  • FIG. The dotted area in FIG. 6 shows the cross section of the valve outlet when the valve opening degree is half open or less.
  • the flow channel structure 1 of Embodiment 1 is part of the flow channel of the heat medium circuit in which the heat medium circulates in the refrigeration cycle device.
  • the liquid pipe 10 forming the flow path of the heat medium circuit is a circular tube having a substantially circular flow path cross-sectional shape.
  • the liquid pipe 10 is made of, for example, a copper pipe.
  • the heat medium flowing through the liquid pipe 10 is water or water containing antifreeze.
  • the flow path structure 1 is not limited to being provided in the liquid pipe 10 of the heat medium circuit, and may be provided in a flow path through which liquid fluid flows.
  • a flow rate adjustment valve 20 for adjusting the flow rate of the heat medium is connected to the liquid pipe 10 .
  • the liquid pipe 10 has a upstream pipe 11 forming a flow channel on the upstream side of the flow control valve 20 and a downstream pipe 12 forming a flow channel on the downstream side of the flow control valve 20 .
  • the upstream pipe 11 is connected to the flow control valve 20 via a joint 30a
  • the downstream pipe 12 is connected to the flow control valve 20 via a joint 30b.
  • the flow control valve 20 is a valve that has a valve body 22 and adjusts the flow rate of the fluid by varying the area of the valve outlet 20a by operating the valve body 22 .
  • the valve body 22 has a channel 23 with a circular channel cross-sectional shape.
  • the flow path 23 is formed of a through hole penetrating from the inlet 23a to the outlet 23b.
  • the flow control valve 20 has a valve body 21 housing a valve body 22 .
  • the valve body 21 has a channel 21a with a circular channel cross-sectional shape.
  • the flow path 21a is formed by a through hole passing through the valve body 21. As shown in FIG.
  • the flow rate control valve 20 adjusts the flow rate by changing the posture of the valve body 22 in the valve body 21 to make the area of the valve outlet 20a variable.
  • a motor 24 is connected to the valve body 22 , and the attitude of the valve body 22 is changed by the motor 24 .
  • the movement of the valve body 22 changes the flow channel cross-sectional area of the valve outlet 20a and also changes the flow channel cross-sectional shape.
  • the cross-sectional shape of the valve outlet 20a is circular as indicated by dots in FIG.
  • the cross-sectional shape of the valve outlet 20a changes from circular to elliptical as shown by dots in FIG.
  • the opening degree of the flow control valve 20 is decreased, as shown in the dot portion of FIG. The shape is biased in one direction. In this example, valve outlet 20a is biased to the left.
  • Embodiment 1 shows an example in which the flow control valve 20 is configured as a ball valve. It may be glove type or butterfly type. Also, the flow control valve 20 may be a needle valve.
  • the flow channel structure 1 of Embodiment 1 has the characteristic that the cross-sectional shape of the flow channel at the valve outlet is biased in one direction within the range of the cross-sectional shape of the flow channel at the valve outlet when the valve is fully open when the opening is half open or less. It is a suitable flow path structure when using a flow control valve having
  • the joint 30a on the upstream pipe 11 side has a first joint pipe 31a and a second joint pipe 32a with a circular flow passage cross-sectional shape.
  • the joint 30 a connects the connecting end portion 11 a of the upstream pipe 11 to the flow control valve 20 to the valve body 21 .
  • the joint 30a is constructed by inserting one end of a first joint pipe 31a into the connection port of the valve body 21, and connecting the other end of the first joint pipe 31a protruding to the outside from the connection port to the upstream pipe.
  • the front-stream side pipe 11 is connected to the flow control valve 20 by collectively covering the connection end portion 11a of the pipe 11 with the second joint pipe 32a.
  • the joint 30b on the downstream pipe 12 side has a first joint pipe 31a and a second joint pipe 32a having a circular flow passage cross-sectional shape.
  • the joint 30 b connects the connecting end 12 a of the downstream pipe 12 to the flow control valve 20 to the valve body 21 .
  • the joint 30b on the downstream pipe 12 side includes one end of the first joint pipe 31b inserted into the connection port of the valve body 21, and the first joint pipe 31b protruding outside from the connection port.
  • the downstream pipe 12 is connected to the flow control valve 20 by collectively covering the end and the connection end 12a of the downstream pipe 12 with the second joint pipe 32b.
  • the cross-sectional shape of the flow path of the connection end portion 12a of the downstream side pipe 12 is an elliptical shape extending in one direction, as shown in FIGS.
  • the connection end portion 12a of the downstream pipe 12 has an oval cross-sectional shape, and the cross-sectional shape of the flow channel at portions other than the connection end portion 12a is circular.
  • the downstream pipe 12 is configured such that the connecting end portion 12a is an oval tube and the other portion is a circular tube.
  • the oval shape refers to a shape such as an elliptical shape that extends in one direction and has an arc-shaped portion.
  • the connecting end portion 12a of the downstream pipe 12 has an oval cross-sectional shape
  • the connecting end portion 12a and the valve body 21 to which the connecting end portion 12a is connected have different flow channel cross-sectional shapes. However, this shape difference is absorbed by the joint 30b.
  • the elliptical cross-sectional shape of the connection end 12a extends along the longitudinal direction of the cross-sectional shape of the flow path of the valve outlet 20a when the opening of the flow control valve 20 is half open or less.
  • the major axis of the elliptical shape extends along the longitudinal direction of the flow passage cross-sectional shape of the valve outlet 20a when the opening degree of the flow control valve 20 is half open or less.
  • the longitudinal length of the cross section of the connecting end portion 12a is longer than the diameter of the downstream side pipe 12 excluding the connecting end portion 12a.
  • the diameter of the downstream pipe 12 excluding the connection end 12 a is the same as the diameter of the upstream pipe 11 .
  • the longitudinal length of the cross section of the connecting end portion 12 a is longer than the diameter of the upstream pipe 11 .
  • this diameter is the diameter of the inner wall surface of the pipe.
  • the peripheral length of the inner wall surface of the connecting end portion 12a of the downstream pipe 12 is the same as the peripheral length of the inner wall surface of the portion of the downstream pipe 12 excluding the connecting end portion 12a.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the difference in channel cross-sectional shape of the connecting end portion of the downstream side pipe between the channel structure according to Embodiment 1 and the channel structure of the comparative example.
  • FIG. 8 is a diagram showing pressure changes at valve outlets in the flow channel structure according to the first embodiment and the flow channel structure of the comparative example.
  • the horizontal axis is time [sec]
  • the vertical axis is sensor detection pressure [kPa].
  • the solid line indicates the first embodiment
  • the dotted line indicates the comparative example.
  • the channel cross-sectional shape of the connecting end portion 120a of the downstream side pipe is circular.
  • the flow path cross-sectional shape of the connection end portion 120a is circular in this way, the flow path cross-sectional shape of the connection end portion 120a and the flow path cross-section of the valve outlet 20a when the opening degree of the flow rate adjustment valve 20 is half open or less.
  • this difference in shape generates a vortex, which causes a large pulsation in the downstream pipe and increases the pressure amplitude.
  • the flow channel cross section of the connecting end portion 12a of the downstream pipe 12 is an elliptical shape extending in one direction, and the long axis of the elliptical shape is , along the longitudinal direction of the flow passage cross-sectional shape of the valve outlet 20a when the opening degree of the flow control valve 20 is half open or less. Therefore, the shape difference between the flow path cross-sectional shape of the connecting end portion 12a and the flow path cross-sectional shape of the valve outlet 20a is reduced, the generation of vortex in the downstream pipe 12 is suppressed, and the flow inside the downstream pipe 12 is suppressed. Pressure pulsation is suppressed. Therefore, as shown in FIG. 8, the flow path structure 1 of the first embodiment can reduce the pressure amplitude, which is the fluctuation range of the pressure, compared to the comparative example. As a result, the flow path structure 1 of Embodiment 1 can reduce noise compared to the comparative example.
  • the length in the longitudinal direction of the cross section of the connecting end portion 12a of the downstream pipe 12 is longer than the diameter of the portion of the downstream pipe 12 excluding the connecting end portion 12a. Therefore, in the flow channel structure 1 of the first embodiment, the fluid flows dispersedly in the region of the extended portion because the length of the cross section of the flow channel of the connecting end portion 12a in the longitudinal direction is long. As a result, in the flow channel structure 1 of Embodiment 1, the flow velocity distribution at the connecting end portion 12a becomes more uniform than in the comparative example. Therefore, in the flow channel structure 1 of Embodiment 1, it is possible to make the flow velocity distribution uniform and suppress the local increase in the flow velocity.
  • the flow velocity in the liquid pipe 10 including the downstream pipe 12 exceeds 3 [m/s] on the average cross section, which is said to cause erosion and wear corrosion in the pipe due to the pipe design. It is required to keep it within the appropriate flow velocity, such as not to Since the flow path structure 1 of the first embodiment can suppress a local increase in the flow velocity that exceeds the appropriate flow velocity, it is possible to suppress thinning of the pipe wall due to erosion (wear corrosion).
  • FIG. 9 is a flow velocity contour diagram showing the flow velocity distribution in the cross section of the valve outlet in the flow path structure according to Embodiment 1 and the flow path structure of the comparative example.
  • darker dots indicate a higher flow velocity than lighter dots.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram of measurement positions of the flow velocity distribution in FIG.
  • the flow velocity distributions (1) to (7) in FIG. 9 correspond to the measurement positions (1) to (7) in FIG.
  • the flow velocity distribution at each position will be described by comparing the first embodiment and the comparative example.
  • the flow velocity distribution at this position is the same between the first embodiment and the comparative example.
  • the flow velocity distribution at this position is the same as (1) above.
  • This position is the position immediately after the fluid flows into the trailing pipe. is getting smaller.
  • the first embodiment has a smaller in-pipe flow velocity difference than the comparative example.
  • the peripheral length of the inner wall surface of the connecting end portion 12a of the downstream pipe 12 is equal to the peripheral length of the inner wall surface of the portion of the downstream pipe 12 excluding the connecting end portion 12a. is the same as If the peripheral length of the inner wall surface of the connection end portion 12a is shorter than the peripheral length of the inner wall surface of the portion of the downstream pipe 12 excluding the connection end portion 12a, the flow velocity of the fluid at the connection end portion 12a increases. , there is a possibility that wear corrosion will occur beyond the proper flow velocity.
  • the peripheral length of the inner wall surface of the downstream pipe 12 excluding the connection end 12a is designed so that the flow velocity of the fluid flowing through the downstream pipe 12 is within an appropriate flow velocity range.
  • connection end portion 12a of the downstream pipe 12 matches the circumference of the inner wall surface of the connection end portion 12a of the downstream pipe 12 to the circumference of the inner wall surface of the portion other than the connection end portion 12a of the downstream pipe 12, the connection end portion 12a can be It is possible to prevent the flow velocity of the fluid from exceeding an appropriate flow velocity, and to suppress abrasion corrosion.
  • the flow channel structure 1 of Embodiment 1 is a flow channel structure in which the flow control valve 20 is connected to the liquid pipe 10 through which liquid fluid passes.
  • the liquid pipe 10 includes a downstream pipe 12 having a connection end portion 12 a connected to the downstream side of the flow control valve 20 .
  • the flow control valve 20 is a valve that has a valve body 22 and adjusts the flow rate by varying the area of the valve outlet 20a by the operation of the valve body 22 .
  • the downstream pipe 12 has a circular cross-section except for the connection end 12a.
  • the connecting end portion 12a of the downstream pipe 12 has an elliptical cross-section extending in one direction, and the long axis of the elliptical shape is such that the opening degree of the flow control valve is half open or less. along the longitudinal direction of the flow passage cross-sectional shape of the valve outlet at the time of .
  • the length in the longitudinal direction of the cross section of the connecting end portion 12a of the downstream pipe 12 is longer than the diameter of the portion of the downstream pipe 12 excluding the connecting end portion 12a.
  • peripheral length of the inner wall surface of the connection end portion 12a of the downstream pipe 12 is the same as the peripheral length of the inner wall surface of the portion of the downstream pipe 12 excluding the connection end portion 12a.
  • Embodiment 2 relates to the radial position of the connection end 12 a of the downstream pipe 12 .
  • the following description will focus on the differences of the second embodiment from the first embodiment, and the configurations not described in the second embodiment are the same as those in the first embodiment.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram of a channel structure according to Embodiment 2.
  • FIG. 11 the center of gravity G1 of the flow path cross-sectional shape of the valve outlet 20a when the opening degree of the flow control valve 20 is half open or less is the axis O eccentric to.
  • the radial position of the center of gravity G2 of the cross section of the connecting end portion 12a is eccentric in the same direction as the eccentric direction of the center of gravity G1 with respect to the axis O.
  • the connection end portion 12a of the downstream pipe 12 is radially eccentric with respect to the portion of the downstream pipe 12 other than the connection end portion 12a.
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the flow of fluid from the valve outlet 20a to the connection end 12a can be made more linear, so that the pressure amplitude can be further reduced. can.
  • Embodiment 3 the flow path of flow path structure 1 is formed in downstream pipe 12, but in Embodiment 3, the flow path of flow path structure 1 is It relates to a channel block formed in a metal block.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a channel block 40 according to Embodiment 3.
  • FIG. A channel block 40 according to the third embodiment has the channel of the channel structure 1 according to the first embodiment formed in a metal block.
  • the channel block 40 of Embodiment 2 has the channel structure 1 embedded in the metal block, and the liquid pipe 10 and the valve body 21 are integrated with the metal block. If the liquid pipe 10 and the valve main body 21 are made of the same material as the metal block, the liquid pipe 10 and the valve main body 21 are formed as one piece together with the metal block. In addition, in the channel block 40, the joints 30a and 30b, which are separate from the liquid pipe 10, are omitted.
  • Embodiment 4 relates to a refrigeration cycle apparatus including flow path structure 1 of Embodiment 1 or Embodiment 2 and flow path block 40 of Embodiment 3.
  • FIG. 4 an example in which the refrigeration cycle device is applied to an air conditioner will be described, but the refrigeration cycle device can also be applied to a water heater or the like having a similar refrigeration cycle.
  • FIG. 13 is a diagram showing an air conditioner that is an example of a refrigeration cycle apparatus according to Embodiment 4.
  • the air conditioner 50 has a heat pump chiller 60 that is a heat source device installed outdoors, a load side device 70 that is an indoor unit installed indoors, and a pump 80 .
  • FIG. 13 illustrates a case in which one heat pump chiller 60 and one load side device 70 are installed, the number of units installed is not limited.
  • the heat pump chiller 60 includes a compressor 61 whose operating capacity is variable by an inverter, a first heat exchanger 62, a pressure reducing device 63 such as an expansion valve, and a second heat exchanger 64.
  • the load side device 70 includes a third heat exchanger 71 and a blower 72 that blows air to the third heat exchanger 71 .
  • the compressor 61, the first heat exchanger 62, the decompression device 63 and the second heat exchanger 64 are connected by refrigerant pipes to form a refrigerant circuit A in which the refrigerant circulates.
  • the second heat exchanger 64 and the third heat exchanger 71 are connected by a heat medium pipe to form a heat medium circuit B in which the heat medium circulates.
  • the heat medium circuit B is provided with the flow path structure 1 or the flow path block 40 so that the flow rate of the heat medium flowing through the heat medium circuit B can be adjusted.
  • the air conditioner 50 exchanges heat between the refrigerant in the refrigerant circuit A and the heat medium circulating in the heat medium circuit B by the pump 80 in the second heat exchanger 64, and transfers the heat of the refrigerant to the heat medium circulating in the heat medium circuit B. supply.
  • the cold heat of the refrigerant is supplied to the heat medium circulating in the heat medium circuit B.
  • the heat medium circulating in the heat medium circuit B exchanges heat with the room air from the blower 72 in the third heat exchanger 71 and supplies cold heat to the room air. Thereby, the room is cooled.
  • the configuration of the refrigerant circuit A is not limited to that illustrated.
  • the refrigerant circuit A may be configured to supply the heat of the refrigerant to the heat medium circulating in the heat medium circuit B for heating, or may be provided with a four-way valve to control the flow direction of the refrigerant discharged from the compressor 61. It may be configured to allow switching, cooling or heating operation.
  • the air conditioner 50 includes the flow path structure 1 or the flow path block 40, the pressure amplitude in the downstream pipe 12 of the flow control valve 20 can be suppressed, and the noise in the downstream pipe 12 is reduced. be able to.

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Abstract

流路構造は、液状の流体が通過する液配管に流量調整バルブが接続された流路構造である。液配管は、流量調整バルブの後流側に接続された接続端部を有する後流側配管を含んでいる。流量調整バルブは、弁体を有し、弁体の動作によりバルブ出口の面積を可変として流量を調整する弁である。後流側配管は、接続端部を除く部分の流路断面が円形状である。後流側配管の接続端部は、接続端部の流路断面が、一方向に延びた長円形状であり、長円形状の長軸が、流量調整バルブの開度が半開以下のときのバルブ出口の流路断面形状の長手方向に沿っている。

Description

流路構造、これを備えた流路ブロックおよび冷凍サイクル装置
 本開示は、配管に流量調整バルブが接続された流路構造、これを備えた流路ブロックおよび冷凍サイクル装置に関する。
 従来、冷凍サイクルを利用して水などの熱媒体を加熱または冷却する冷凍サイクル装置がある。この種の冷凍サイクル装置は、冷凍サイクルの冷媒が流れる冷媒回路と、熱媒体が流れる熱媒体回路とを有し、熱媒体回路を構成する配管には、熱媒体回路を流れる熱媒体の流量を制御する流量調整バルブが接続されている(たとえば、特許文献1参照)。
特開2019-20090号公報
 特許文献1では、流量調整バルブとして電動弁が用いられている。電動弁にはたとえばボールバルブなどが用いられるが、ボールバルブは、全開状態から閉じていくと、バルブ出口の流路断面形状が全開時のバルブ出口の流路断面形状の範囲内で一方向に偏った形状となる特性がある。具体的には、全開時にはバルブ出口の流路断面形状が円形状であるが、半開以下の開度では円形状の一部の円弧を有する長円形状となるといった具合である。
 このような特性を有する流量調整バルブを、水などの液状の流体が流れる液配管の流量調整バルブとして用いると、流量調整バルブの開度が小さい場合に以下の問題が生じる。すなわち、開度が小さくなっている流量調整バルブから流量調整バルブの後流側配管に流体が流れる際に、流路の急拡大が生じる。そして、後流側配管内において、後流側配管の円形の流路断面形状と流量調整バルブのバルブ出口の長円形状の流路断面形状との形状差に起因する、騒音の原因となる圧力脈動の圧力振幅の増大が生じるという問題があった。
 本開示は、上記のような課題を解決するためのものであり、流量調整バルブの弁開度が半開以下のときの流量調整バルブの後流側配管における圧力振幅を抑制することが可能な、流路構造、これを備えた流路ブロックおよび冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。
 本開示に係る流路構造は、液状の流体が通過する液配管に流量調整バルブが接続された流路構造であって、液配管は、流量調整バルブの後流側に接続された接続端部を有する後流側配管を含んでおり、流量調整バルブは、弁体を有し、弁体の動作によりバルブ出口の面積を可変として流量を調整する弁であり、後流側配管は、接続端部を除く部分の流路断面が円形状であり、後流側配管の接続端部は、接続端部の流路断面が、一方向に延びた長円形状であり、長円形状の長軸が、流量調整バルブの開度が半開以下のときのバルブ出口の流路断面形状の長手方向に沿っているものである。
 本開示に係る流路ブロックは、上記の流路構造が金属ブロック内に埋め込まれ、液配管が金属ブロックと一体となったものである。
 本開示に係る冷凍サイクル装置は、熱媒体が循環する熱媒体回路を備え、熱媒体回路に上記の流路構造が設けられたものである。
 本開示によれば、後流側配管の流量調整バルブとの接続端部の流路断面が、一方向に延びた長円形状であり、その長円形状の長軸が、流量調整バルブの開度が半開以下のときのバルブ出口の流路断面形状の長手方向に沿っている。これにより、後流側配管の接続端部の流路断面形状とバルブ出口の流路断面形状との形状差を小さくでき、流量調整バルブの弁開度が半開以下のときの後流側配管における圧力振幅を抑制することができる。
実施の形態1に係る流路構造において弁開度が全開の状態のときの縦断面図である。 図1のA-A断面図である。 図1のB-B断面図である。 実施の形態1に係る流路構造において弁開度が半開以下の状態のときの縦断面図である。 図4のA-A断面図である。 図4のB-B断面図である。 実施の形態1に係る流路構造と比較例の流路構造とにおける、後流側配管の接続端部の流路断面形状の違いを説明するための図である。 実施の形態1に係る流路構造および比較例の流路構造におけるバルブ出口の圧力変化を示す図である。 実施の形態1に係る流路構造および比較例の流路構造におけるバルブ出口の流路断面の流速分布を示す流速コンター図である。 図9の流路断面の計測位置の説明図である。 実施の形態2に係る流路構造の説明図である。 実施の形態3に係る流路ブロックの概略断面図である。 実施の形態4に係る冷凍サイクル装置の一例である空気調和機を示す図である。
 以下、本開示の実施の形態に係る流路構造について図面等を参照しながら説明する。なお、図1を含む以下の図面では、各構成部材の相対的な寸法の関係および形状等が実際のものとは異なる場合がある。また、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。
実施の形態1.
 図1は、実施の形態1に係る流路構造において弁開度が全開の状態のときの縦断面図である。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。以下の説明における右および左は、図1の流路構造を側面側から見た場合の方向を意味している。図3のドット領域は、全開時のバルブ出口の流路断面を示している。図4は、実施の形態1に係る流路構造において弁開度が半開以下の状態のときの縦断面図である。図5は、図4のA-A断面図である。図6は、図4のB-B断面図である。図6のドット領域は、弁開度が半開以下の場合のバルブ出口の流路断面を示している。
 実施の形態1の流路構造1は、冷凍サイクル装置において熱媒体が循環する熱媒体回路の流路の一部である。熱媒体回路の流路を構成する液配管10は、流路断面形状が概ね円形状の円管である。液配管10は、たとえば銅管で構成されている。液配管10を流れる熱媒体は、水または不凍液を含む水である。流路構造1は、熱媒体回路の液配管10に設けられることに限られたものではなく、液状の流体が流れる流路に設けられてもよい。
 液配管10には、熱媒体の流量を調整する流量調整バルブ20が接続されている。液配管10は、流量調整バルブ20の前流側の流路を構成する前流側配管11と、流量調整バルブ20の後流側の流路を構成する後流側配管12と、を有する。前流側配管11は継手30aを介して流量調整バルブ20に接続され、後流側配管12は継手30bを介して流量調整バルブ20に接続されている。
 流量調整バルブ20は、弁体22を有し、弁体22の動作によりバルブ出口20aの面積を可変して流体の流量を調整する弁である。弁体22は、流路断面形状が円形の流路23を有する。流路23は、流入口23aから流出口23bまで貫通する貫通孔で形成されている。流量調整バルブ20は、さらに具体的には、弁体22を収容する弁本体21を有する。弁本体21は、流路断面形状が円形の流路21aを有する。流路21aは、弁本体21を貫通する貫通孔で形成されている。流量調整バルブ20は、弁本体21内の弁体22の姿勢を変更することによりバルブ出口20aの面積を可変として流量を調整する。弁体22にはモータ24が連結され、モータ24により弁体22の姿勢が変更される。
 流量調整バルブ20は、弁体22の動作により、バルブ出口20aの流路断面積が変化するとともに流路断面形状が変化する。具体的には、流量調整バルブ20の開度が全開状態のとき、バルブ出口20aの流路断面形状は、図3のドット部分に示すように円形状である。しかし、流量調整バルブ20の開度を小さくしていくと、バルブ出口20aの流路断面形状は、図6のドット部分に示すように円形状から長円形状に変化する。また、流量調整バルブ20の開度を小さくしていくと、図6のドット部分に示すように、バルブ出口20aの流路断面形状が全開時のバルブ出口20aの流路断面形状の範囲内で一方向に偏った形状となる。この例では、バルブ出口20aが左側に偏っている。
 なお、図1~図6には流量調整バルブ20がボールバルブで構成された例を示したが、バルブの形状がボールタイプでなくとも同様の流路縮小が発生する構造であれば、たとえば、グローブタイプまたはバタフライタイプであってもよい。また、流量調整バルブ20はニードル弁であっても良い。本実施の形態1の流路構造1は、半開以下の開度において、バルブ出口の流路断面形状が全開時のバルブ出口の流路断面形状の範囲内で一方向に偏った形状となる特性を有する流量調整バルブを用いた場合に好適な流路構造である。
 前流側配管11側の継手30aは、流路断面形状が円形状の第1継手管31aと第2継手管32aとを有する。継手30aは、前流側配管11の流量調整バルブ20との接続端部11aを弁本体21に接続する。具体的には、継手30aは、第1継手管31aの一端部を弁本体21の接続口に挿入し、その接続口から外部に突出した第1継手管31aの他端部と前流側配管11の接続端部11aとをまとめて第2継手管32aで覆うことで前流側配管11を流量調整バルブ20に接続している。また、後流側配管12側の継手30bも同様に、流路断面形状が円形状の第1継手管31aと第2継手管32aとを有する。継手30bは、後流側配管12の流量調整バルブ20との接続端部12aを弁本体21に接続する。具体的には、後流側配管12側の継手30bは、第1継手管31bの一端部を弁本体21の接続口に挿入し、その接続口から外部に突出した第1継手管31bの他端部と後流側配管12の接続端部12aとをまとめて第2継手管32bで覆うことで後流側配管12を流量調整バルブ20に接続している。
 ところで、流量調整バルブ20の開度が半開以下の場合、図5に示すように、弁体22の流出口23bで流路断面積が急縮小され、その後、急拡大する。このため、流体の流れに乱れが生じ、後流側配管12の接続端部12aの流路断面が円形状であると、その円形状の流路断面形状と流量調整バルブ20のバルブ出口20aの長円形状の流路断面形状との形状差に起因する圧力振幅の増大が生じる。
 そこで、実施の形態1では、後流側配管12の接続端部12aの流路断面形状を、図3および図6に示すように一方向に延びた長円形状としている。なお、後流側配管12において流路断面形状が長円形状とされるのは接続端部12aだけであって、接続端部12a以外の部分の流路断面形状は円形状である。つまり、後流側配管12は、接続端部12aが長円管、それ以外の部分が円管で構成されている。ここで、長円形状とは、楕円形状など、一方向に延びて円弧状の部分を有する形状を指す。後流側配管12の接続端部12aの流路断面形状が長円形状であることで、接続端部12aと接続端部12aが接続される弁本体21との流路断面形状が異なるものとなるが、この形状差は継手30bによって吸収される。
 接続端部12aの流路断面の長円形状は、図6に示すように、流量調整バルブ20の開度が半開以下のときのバルブ出口20aの流路断面形状の長手方向に沿っている。具体的には、長円形状の長軸が、流量調整バルブ20の開度が半開以下のときのバルブ出口20aの流路断面形状の長手方向に沿っている。また、詳細図示されていないが、接続端部12aの流路断面の長手方向の長さは、後流側配管12の接続端部12aを除く部分の直径よりも長くなっている。後流側配管12の接続端部12aを除く部分の直径は、前流側配管11の直径と同じである。よって、接続端部12aの流路断面の長手方向の長さは、前流側配管11の直径よりも長くなっている。なお、この直径とは、配管の内壁面の直径である。また、後流側配管12は、接続端部12aの内壁面の周長が、後流側配管12の接続端部12aを除く部分の内壁面の周長と同じとなっている。
 次に、実施の形態1の流路構造1の作用および効果について比較例と比較して説明する。
 図7は、実施の形態1に係る流路構造と比較例の流路構造とにおける、後流側配管の接続端部の流路断面形状の違いを説明するための図である。図8は、実施の形態1に係る流路構造および比較例の流路構造におけるバルブ出口の圧力変化を示す図である。横軸は時間[sec]、縦軸はセンサ検知圧力[kPa]である。図8において、実線が実施の形態1を示し、点線が比較例を示している。
 図7に示すように、比較例は、後流側配管の接続端部120aの流路断面形状が円形状である。このように接続端部120aの流路断面形状が円形状である場合、接続端部120aの流路断面形状と、流量調整バルブ20の開度が半開以下のときのバルブ出口20aの流路断面形状との形状差が大きい。よって、この形状差によって渦流が発生して後流側配管内で大きな脈動が生じ、圧力振幅が増大する。
 これに対し、実施の形態1の流路構造1では、後流側配管12の接続端部12aの流路断面が、一方向に延びた長円形状であり、その長円形状の長軸が、流量調整バルブ20の開度が半開以下のときのバルブ出口20aの流路断面形状の長手方向に沿っている。このため、接続端部12aの流路断面形状とバルブ出口20aの流路断面形状との形状差が小さくなり、後流側配管12における渦流の発生が抑制され、後流側配管12内での圧力脈動が抑えられる。よって、図8に示すように、実施の形態1の流路構造1は、比較例に比べて圧力の変動幅である圧力振幅を低減できる。その結果、実施の形態1の流路構造1は、比較例に比べて騒音を低減できる。
 また、後流側配管12の接続端部12aの流路断面の長手方向の長さは、後流側配管12の接続端部12aを除く部分の直径よりも長くなっている。このため、実施の形態1の流路構造1では、接続端部12aの流路断面の長手方向の長さが長い分、その伸びた部分の領域にも流体が分散して流れることになる。その結果、実施の形態1の流路構造1では、接続端部12aにおける流速分布が、比較例に比べて均一となる。よって、実施の形態1の流路構造1では、流速分布を均一にして局所的に流速が高まることを抑制できる。後流側配管12を含む液配管10内の流速は、配管設計上、配管内のエロージョン(潰(かい)食)、摩耗腐食が生じるとされるたとえば断面平均で3[m/s]を超えないようにするなど、適正流速内とすることが求められている。実施の形態1の流路構造1は、適正流速を超えるような局所的な流速の高まりを抑制できるので、エロージョン(摩耗腐食)による配管減肉を抑制できる。
 図9は、実施の形態1に係る流路構造および比較例の流路構造におけるバルブ出口の流路断面の流速分布を示す流速コンター図である。図9においてドットが濃い方が薄い方よりも流速が速いことを示している。図10は、図9の流速分布の計測位置の説明図である。図9の(1)~(7)の流速分布は、図10の(1)~(7)の各計測位置に対応している。
 以下、各位置の流速分布について、実施の形態1と比較例とを比較して説明する。
(1)この位置の流速分布は、実施の形態1と比較例とで同様となっている。
(2)この位置の流速分布は、上記(1)と同様である。
(3)この位置では、後流の影響を受けて、流速に差が生じ始めている。
(4)この位置では、後流の影響を受けて、流路外周に沿って流速が均一化していく様子が見られる。
(5)この位置の流速分布は、実施の形態1と比較例とで大きな差がみられる。
(6)この位置は、後流側配管への流体の流入直後の位置であり、実施の形態1は比較例に比べて流速が全体的に十分に低下しているのと同時に、管内流速差が小さくなっている。
(7)上記(6)よりもさらに、実施の形態1は比較例に比べて管内流速差が小さくなっている。
 また、実施の形態1の流路構造1では、後流側配管12の接続端部12aの内壁面の周長が、後流側配管12の接続端部12aを除く部分の内壁面の周長と同じとなっている。仮に、接続端部12aの内壁面の周長が、後流側配管12の接続端部12aを除く部分の内壁面の周長よりも短いと、接続端部12aでの流体の流速が速くなり、適正流速を超えて摩耗腐食が生じる可能性がある。後流側配管12の接続端部12aを除く部分の内壁面の周長は、後流側配管12内を流れる流体の流速が、適正流速内となるように設計されている。このため、後流側配管12の接続端部12aを除く部分の内壁面の周長に後流側配管12の接続端部12aの内壁面の周長を合わせることで、接続端部12a部分で流体の流速が適正流速を超えることを避けることができ、摩耗腐食を抑制できる。
 以上説明したように、実施の形態1の流路構造1は、液状の流体が通過する液配管10に流量調整バルブ20が接続された流路構造である。液配管10は、流量調整バルブ20の後流側に接続された接続端部12aを有する後流側配管12を含んでいる。流量調整バルブ20は、弁体22を有し、弁体22の動作によりバルブ出口20aの面積を可変として流量を調整する弁である。後流側配管12は、接続端部12aを除く部分の流路断面が円形状である。後流側配管12の接続端部12aは、接続端部12aの流路断面が、一方向に延びた長円形状であり、長円形状の長軸が、流量調整バルブの開度が半開以下のときのバルブ出口の流路断面形状の長手方向に沿っている。
 これにより、流量調整バルブ20の開度が半開以下のときのバルブ出口20aの流路断面形状と後流側配管12の接続端部12aの流路断面形状との形状差を小さくでき、後流側配管12における圧力振幅を抑制することができる。
 そして、後流側配管12の接続端部12aの流路断面の長手方向の長さは、後流側配管12の接続端部12aを除く部分の直径よりも長い。これにより、流路構造1は、バルブ出口20aの流路断面における流速分布を均一化でき、摩耗腐食を抑制できる。
 また、後流側配管12の接続端部12aの内壁面の周長は、後流側配管12の接続端部12aを除く部分の内壁面の周長と同じである。これにより、接続端部12a部分で流体の流速が増速するのを抑制でき、摩耗腐食を抑制できる。
実施の形態2.
 実施の形態2は、後流側配管12の接続端部12aの径方向の位置に関する。以下、実施の形態2が実施の形態1と異なる点を中心に説明するものとし、実施の形態2で説明されていない構成は実施の形態1と同様である。
 図11は、実施の形態2に係る流路構造の説明図である。
 図11に示すように、流量調整バルブ20の開度が半開以下のときのバルブ出口20aの流路断面形状の重心G1は、後流側配管12の接続端部12aを除く部分の軸心Oに対して偏心している。接続端部12aの流路断面の重心G2の径方向の位置は、重心G1の軸心Oに対する偏心方向と同一方向に偏心している。これにより、後流側配管12の接続端部12aは、接続端部12a以外の後流側配管12部分に対して径方向に偏心している。
 実施の形態2によれば、実施の形態1と同様の効果が得られるとともに、バルブ出口20aから接続端部12aへの流体の流れをより直線状に近づけることができるので、より圧力振幅を低減できる。
実施の形態3.
 上記実施の形態1および実施の形態2では、流路構造1の流路が後流側配管12内に形成された形態を示したが、実施の形態3は、流路構造1の流路が金属ブロック内に形成された流路ブロックに関する。
 図12は、実施の形態3に係る流路ブロック40の概略断面図である。
 実施の形態3の流路ブロック40は、実施の形態1の流路構造1の流路が金属ブロック内に形成されたものである。実施の形態2の流路ブロック40は、金属ブロック内に流路構造1が埋め込まれ、液配管10および弁本体21が金属ブロックと一体となったものである。液配管10および弁本体21と金属ブロックとが同じ材料であれば、液配管10および弁本体21は、金属ブロックとともに1部品となって形成されることになる。なお、流路ブロック40においては、液配管10とは別体の継手30aおよび継手30bは省略される。
 実施の形態3によれば、実施の形態1および実施の形態2と同様の効果を得ることができる。
実施の形態4.
 実施の形態4は、実施の形態1または実施の形態2の流路構造1ならびに実施の形態3の流路ブロック40を備えた冷凍サイクル装置に関する。実施の形態4では、冷凍サイクル装置を空気調和機に適用した例を説明するが、同様の冷凍サイクルを備えた給湯機等にも適用することができる。
 図13は、実施の形態4に係る冷凍サイクル装置の一例である空気調和機を示す図である。
 空気調和機50は、室外に設置される熱源機であるヒートポンプチラー60と、室内に設置される室内機である負荷側装置70と、ポンプ80と、を有する。なお、図13ではヒートポンプチラー60および負荷側装置70がそれぞれ1台ずつ設置されている場合を例示したが、設置台数を限定するものではない。
 ヒートポンプチラー60は、インバータにより運転容量が可変な圧縮機61と、第1熱交換器62と、膨張弁などの減圧装置63と、第2熱交換器64と、を備えている。負荷側装置70は、第3熱交換器71と、第3熱交換器71に送風する送風機72と、を備えている。
 圧縮機61、第1熱交換器62、減圧装置63および第2熱交換器64は冷媒配管で接続され、冷媒が循環する冷媒回路Aを構成している。また、第2熱交換器64および第3熱交換器71が熱媒体配管で接続され、熱媒体が循環する熱媒体回路Bを構成している。熱媒体回路Bには流路構造1または流路ブロック40が設けられており、熱媒体回路Bを流れる熱媒体の流量が調整可能となっている。
 空気調和機50は、冷媒回路Aの冷媒とポンプ80により熱媒体回路Bを循環する熱媒体とを第2熱交換器64で熱交換させ、熱媒体回路Bを循環する熱媒体に冷媒の熱を供給する。ここでは、冷媒の冷熱が熱媒体回路Bを循環する熱媒体に供給される。熱媒体回路Bを循環する熱媒体は第3熱交換器71にて送風機72からの室内空気と熱交換し、冷熱を室内空気に供給する。これにより、室内が冷房される。なお、冷媒回路Aの構成は図示のものに限定されない。たとえば、冷媒回路Aは、冷媒の温熱を、熱媒体回路Bを循環する熱媒体に供給して暖房する構成としてもよいし、四方弁を設けて圧縮機61から吐出された冷媒の流れ方向を切り替え、冷房または暖房運転可能な構成としてもよい。
 空気調和機50は、流路構造1または流路ブロック40を備えているので、流量調整バルブ20の後流側配管12における圧力振幅を抑制することでき、後流側配管12における騒音を低減することができる。
 以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
 1 流路構造、10 液配管、11 前流側配管、11a 接続端部、12 後流側配管、12a 接続端部、20 流量調整バルブ、20a バルブ出口、21 弁本体、21a 流路、22 弁体、23 流路、23a 流入口、23b 流出口、24 モータ、30a 継手、30b 継手、31a 第1継手管、31b 第1継手管、32a 第2継手管、32b 第2継手管、40 流路ブロック、50 空気調和機、60 ヒートポンプチラー、61 圧縮機、62 第1熱交換器、63 減圧装置、64 第2熱交換器、70 負荷側装置、71 第3熱交換器、72 送風機、80 ポンプ、120a 接続端部、A 冷媒回路、B 熱媒体回路、G1 重心、G2 重心、O 軸心。

Claims (6)

  1.  液状の流体が通過する液配管に流量調整バルブが接続された流路構造であって、
     前記液配管は、前記流量調整バルブの後流側に接続された接続端部を有する後流側配管を含んでおり、
     前記流量調整バルブは、弁体を有し、前記弁体の動作によりバルブ出口の面積を可変として流量を調整する弁であり、
     前記後流側配管は、前記接続端部を除く部分の流路断面が円形状であり、
    前記後流側配管の前記接続端部は、前記接続端部の流路断面が、一方向に延びた長円形状であり、前記長円形状の長軸が、前記流量調整バルブの開度が半開以下のときの前記バルブ出口の流路断面形状の長手方向に沿っている流路構造。
  2. 前記後流側配管の前記接続端部の前記流路断面の長手方向の長さが、前記後流側配管の前記接続端部を除く部分の直径よりも長い請求項1記載の流路構造。
  3.  前記後流側配管の前記接続端部の内壁面の周長が、前記後流側配管の前記接続端部を除く部分の内壁面の周長と同じである請求項1または請求項2記載の流路構造。
  4.  前記流量調整バルブの開度が半開以下のときの前記バルブ出口の流路断面形状の重心G1が、前記後流側配管の前記接続端部を除く部分の軸心Oに対して偏心しており、前記後流側配管の前記接続端部の前記流路断面の重心G2が、前記重心G1の前記軸心Oに対する偏心方向と同一方向に偏心している請求項1~請求項3のいずれか一項に記載の流路構造。
  5.  請求項1~請求項4のいずれか一項に記載の流路構造が金属ブロック内に埋め込まれ、前記液配管が前記金属ブロックと一体となった流路ブロック。
  6.  熱媒体が循環する熱媒体回路を備え、前記熱媒体回路に請求項1~請求項4のいずれか一項に記載の流路構造が設けられた冷凍サイクル装置。
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