JP2010139114A - 分配器並びに冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エジェクタ冷凍サイクルにおいて、冷房運転，暖房運転の運転モードによらず、熱交換器の冷媒分配器での圧力損失を増大させることなく冷媒を複数の伝熱管に均等分配できる分配器並びに冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】冷凍サイクル装置において、室外熱交換器１１または室内熱交換器７が蒸発器として機能するときの冷媒流入側と、凝縮器として機能するときの冷媒流出側に長手方向が略鉛直方向に設けられた鉛直管４１と鉛直管４１から略水平に分岐した分岐管４２とから成るヘッダ分配器２３において、伝熱管４４に流れる冷媒流量を制御する流量調整弁４３（冷媒流量制御機能）を各分岐管４２に設けた。また、分岐管の凝縮器入口側に第一温度計測器４７を設けた分岐管の蒸発器入口側に第二温度計測器４８を設け、温度計測器の検出結果に応じて流量調整弁を制御し、伝熱管４４に流れる冷媒流量を均等分配する。
【選択図】図７

Description

この発明は、例えばエジェクタを搭載した冷凍サイクル装置に用いられ、複数の伝熱管で構成された熱交換器が蒸発器として機能するときの入口側および熱交換器が凝縮器として機能するときの出口側（即ち、液冷媒側）に設けられ、伝熱管を流れる冷媒を均等に分配する分配器並びにこの分配器を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。

一般に、エジェクタを搭載した冷凍サイクルでは、減圧過程における膨張動力をエジェクタにより回収することで冷凍サイクルの高効率化を図ることができる。

エジェクタはノズル、混合部、ディフューザーで構成される。高圧冷媒はエジェクタへ流入したのち、エジェクタのノズル部で減圧され、混合部とディフューザーで昇圧される。このノズル部とディフューザーの昇圧効果を利用して、冷媒を吸引する。このエジェクタの吸引流量は、エジェクタでの昇圧量とエジェクタ出口とエジェクタ吸引までの冷媒の圧力損失と関係し、冷媒の圧力損失に比例してエジェクタの吸引流量は減少する。つまり、昇圧量が100kPaのエジェクタの場合、エジェクタ出口とエジェクタ吸引までの圧力損失を100kPa以下にする必要がある。また、この圧力損失が100kPaよりも0kPaに近づけるほどエジェクタの吸引流用は増大する。つまり、エジェクタを搭載する冷凍サイクルにおいて、圧力損失を低減させることは性能向上を図るための課題となる。

一方、複数本の伝熱管で構成される熱交換器には、熱交換器が蒸発器として機能するときの蒸発器入口側の伝熱管に、伝熱管よりも細い管径で構成される冷媒分配器（ディストリビューター）が接続され、このディストリビューターで生じる流動損失を熱交換器で生じる圧力損失より大きくすることで冷媒の均等分配を図っている。しかし、この様な形態の冷媒分配器をエジェクタ冷凍サイクルに直接適用すると圧力損失が増大し、エジェクタの吸引流量の低下要因となり、結果、冷凍サイクルの性能が悪化する。

従来の冷凍サイクル装置ではヘッダ型分配器と言われる分配器形態の一種で、複数の分岐管の端面が切り欠けられた分岐管を長手方向が略鉛直方向になるように設けられた鉛直管に複数挿入し、端面が切り欠かれて形成される開口の冷媒通流方向に対する投影面積を段階的又は連続的に異ならせて配置することで、分岐管に流れる冷媒分配量の均一化を図る技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

また、別の従来の冷凍サイクル装置では分配器内に取り付けたオリフィスを取り外し、気液二相における液冷媒の偏流を抑制するため、分配器内に液管と蒸気管を取り付け、液冷媒のみが蒸発器に流れる構造にすることで、冷媒分配量の均一化を図る技術が知られている（例えば、特許文献２を参照）。

特開２００７−１３９２３１号公報（第５頁〜第７頁、図２、図５〜図６、図８〜図９） 特開２００８−１９６７６２号公報（第１０頁〜１３頁、図１〜３）

しかしながら、例えば、特許文献１に示す従来の冷凍サイクル装置では、熱交換器が蒸発器として機能するとき、分配器を蒸発器入口側に取り付けた場合、分配器入口で冷媒が液単相で流入するため、鉛直管に取り付けた分岐管の最上段側と最下段側で水頭圧差（液ヘッド差）が生じ、液冷媒は下段側の分岐管に流れやすく、上段側に流れにくくなり、冷媒分配に偏流が生じる。

また、特許文献２に示す従来の冷凍サイクル装置では、冷媒分配器は、蒸発器として機能する熱交換器を対象とした分配器であるが、この場合においても熱交換器を垂直設置した場合には、上段側と下段側のヘッド差による分配不良を解決することは難しい。

また、特許文献１、２に示される従来例において、冷房運転と暖房運転の両運転モードで運転可能なエジェクタ冷凍サイクルでは、室内熱交換器は冷房運転では蒸発器として機能し、暖房運転では凝縮器として機能する。また、室外熱交換器は冷房運転では凝縮器として機能し、暖房運転では蒸発器として機能する。したがって、分配器は室内および室外熱交換器の両熱交換器に取り付ける必要である。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、空調機、冷凍機、給湯器などを対象とする冷凍サイクル装置において、室外熱交換器および室内熱交換器を構成する複数の伝熱管に対して冷媒流量を均一に分配させる分配器並びにこの分配器を備えた冷凍サイクル装置を提供することを主な目的としている。また、冷房運転、暖房運転ならびに除霜運転時のいずれに対しても上記冷媒流量の均一分配が実現できることを目的とする。

この発明に係る分配器は、冷凍サイクル装置の一部を構成し複数の伝熱管を有する蒸発器の入口側または凝縮器の出口側に長手方向が略鉛直方向になるように設けられ、冷媒が流入する鉛直管と、鉛直管に上下方向に並べて略水平に接続され複数の伝熱管に対応して設けられた複数の分岐管と、複数の分岐管のそれぞれに設けられた流量制御弁と、分岐管の温度を検出する温度計測器と、温度計測器の検出結果に基づいて前記流量制御弁を制御する制御部と、を備えたものである。

この発明によれば、冷房運転と暖房運転および除霜運転において、分配器における冷媒の圧力損失を増加させることなく熱交換器を構成する伝熱管に冷媒を均等に分配でき、冷凍サイクルの性能向上を図ることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図１に示すように、冷凍サイクル装置は室外ユニット１と室内ユニット２から構成される。室外ユニット１と室外ユニット２は接続配管である蒸気管３、液管４で接続されて閉回路を形成し、冷媒が封入されている。

室外ユニット１には、圧縮機５、第一四方弁６、室外熱交換器１１、第二四方弁８、エジェクタ９、気液分離機１０が備えられている。

室内ユニット２には、室内熱交換器７が備えられている。また、図示は省略しているが、室外熱交換器１１、室内熱交換器７には複数の伝熱管が並設され、室内熱交換器７と室外熱交換器１１には、熱交換器が蒸発器として機能する場合の冷媒流入側に本発明の流量制御機能を備えた分配器が取り付けられ、熱交換器が凝縮器として機能する場合の冷媒流出側に本発明の流量制御機能が取り付けられ、もう一方には一般的なヘッダ分配器が取り付けられている。また、それぞれの室外熱交換器には送風機が備えられ、それぞれ室内外の空気との熱交換を促進、調整している。すなわち、この冷凍サイクル装置は、室内の冷房もしくは暖房を行う空気調和装置の一例である。

次に冷媒の流れについて説明する。
まず、暖房運転時の冷媒の流れについて説明する。
圧縮機５から吐出した高温高圧の蒸気冷媒は、第一四方弁６、蒸気管３を順次経由して室内熱交換器７へ流入し、室内に放熱して凝縮する。この凝縮によって生成された高圧液冷媒は液管４、第二四方弁８を順次通り、エジェクタ９に流入する。エジェクタ９では、エジェクタ９に流入した冷媒と室外熱交換器１１で蒸気となった冷媒が混合する。エジェクタ９の下流側に設けた気液分離機１０で気液二相状態の低圧冷媒は蒸気と液に分離され、蒸気冷媒は圧縮機５へ吸引され、液冷媒は第二四方弁、液管４を順次通り、室外側のヘッダで伝熱管に分配されて室外熱交換器１１へ流入する。室外熱交換器１１では外気から熱を吸収して蒸発し、蒸気となった各伝熱管内を流れる冷媒は下流のヘッダで集められた後、エジェクタ９に吸引される。

次に図1に示す冷凍サイクル装置における冷房運転時の冷媒の流れについて説明する。圧縮機５から吐出された高温高圧の蒸気冷媒は、第一四方弁６を経由して室外熱交換器１１へ流入し、室外に放熱して凝縮する。この凝縮によって生成された高圧液冷媒は第二四方弁８を通り、エジェクタ９に流入する。エジェクタ９では、エジェクタ９に流入した冷媒と室内熱交換器７で蒸気となった冷媒が混合する。エジェクタ９の下流側に設けた気液分離機１０で気液二相状態の低圧冷媒は蒸気と液に分離され、蒸気冷媒は圧縮機５へ吸引され、液冷媒は第二四方弁８、液管４を順次通り、室内側のヘッダで伝熱管に分配されて室内熱交換器7へ流入する。室内熱交換器７では室内の空気から熱を吸収して蒸発し、蒸気となった各伝熱管内を流れる冷媒は下流のヘッダで集められた後、エジェクタ９に吸引される。

図２は本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の別の構成を示す図である。図２において、図１と同符号は同一または相当部分を示す。
図２に示す冷凍サイクル装置において、第二四方弁８と第二四方弁８の関連経路が削除され、代わりに圧力制御弁１４と圧力制御弁１４の関連経路が設けられている点以外は図１と同じである。

このように構成された本実施の形態１の冷凍サイクル装置における暖房運転時の冷媒の流れについて図２を用いて説明する。圧縮機５から吐出された高温高圧の蒸気冷媒は、第一四方弁６、蒸気管３を経由して室内熱交換器７へ流入し、室内に放熱して凝縮する。この高圧液冷媒は液管４を通り、室外ユニット１に流入する。暖房運転時、第一開閉弁１２、第二開閉弁１３を開放し、圧力制御弁１４を閉止することで、高圧液冷媒はエジェクタ９に流入する。エジェクタ９では、エジェクタ９に流入した冷媒と室外熱交換器１１で蒸気となった冷媒が混合する。エジェクタ９の下流側に設けた気液分離機１０で気液二相状態の低圧冷媒は蒸気と液に分離され、蒸気冷媒は圧縮機５へ吸引され、液冷媒は第二開閉弁１３を通り、室外熱交換器１１で外部から熱を吸収して蒸発し、蒸気となった冷媒はエジェクタ９に吸引される。

次に図２に示す冷凍サイクル装置における冷媒の流れについて説明する。
まず、冷房運転時の冷媒の流れについて説明する。冷房運転時は第一開閉弁１２と、第二開閉弁１３を閉止させる。
圧縮機５から吐出された高温高圧の蒸気冷媒は、第一四方弁６を経由して室外熱交換器１１へ流入し、室外に放熱して凝縮する。冷房運転時は第一開閉弁１２と第二開閉弁１３が閉止しているため、凝縮によって生成された高圧液冷媒は圧力制御弁１４によって減圧され低圧冷媒となる。この低圧冷媒は液管４を通過し、室内側のヘッダで伝熱管に分配されて室内熱交換器７に流入する。室内熱交換器７では室内の空気から熱を吸収して蒸発する。蒸気となった各伝熱管内を流れる冷媒は下流のヘッダで集められた後、エジェクタ９の吸引部、気液分離器１４を順次通過し、圧縮機５へ吸引される。

本実施の形態１において、空気調和機を本冷凍サイクル装置の一例として示したが、空調機に限らず、給湯器や冷凍機など冷凍サイクル装置でもよい。

次に、本発明の特徴である冷媒分配器の詳細について説明する。

図３は従来のヘッダ分配方式の分配器を搭載した熱交換機の構成を示す図であり、複数本の伝熱管２１を略水平に高さ方向（上下方向）に積み重ねて構成させた熱交換器２２の両端にヘッダ分配器２３が取り付けられており、このヘッダ分配器２３内で各伝熱管２１に冷媒が分配される。

続いて、図４を参照して従来のヘッダ分配器を、熱交換器が蒸発器として機能するときの蒸発器入口側に取り付けた場合について説明する。ヘッダ分配器２３は長手方向が略鉛直方向になるように設けられた鉛直管３１と分岐管３２で構成され、鉛直管３１には２本以上の分岐管が略水平に取り付けられて、各分岐管は伝熱管に接続されている。鉛直管３１から流入した冷媒は分岐管３１ａ〜３１ｈに分流されて伝熱管に流入する。

しかしながら、図４のヘッダ分配器では水頭圧により、鉛直管の流れ方向に沿ってρghの圧力差が生る。ρは冷媒密度、gは重力加速度、hは鉛直導入管入口から分岐管までの高さであり、分岐管までに液冷媒を持ち上げるためにはこの水頭圧差に相当する位置にエネルギを必要とする。このことから、エネルギ消費の小さい方向、すなわち、熱交換器の下段側の分岐管により多くの液冷媒が流れるため、伝熱管の冷媒流量に偏りが生じる。

次に従来のヘッダ分配器での分配特性について図を用いて説明する。図５は従来のヘッダ型分配器を熱交換器が蒸発器として機能する場合の冷媒流入側に取り付けたときの伝熱管の流れ方向の温度分布を示す図であり、伝熱管の入口、中間および出口の温度分布を示している。熱交換器の入口では伝熱管温度は一律であるが、熱交換器出口では伝熱管３２ｈの温度が最も高く、下段側に行くほど伝熱管出口温度は低下し、３２ａが最も温度が低い。この温度分布の偏りは冷媒流量の偏りによるものであり、これは液ヘッド差に起因するものである。

さらに、除霜運転時での室外熱交換器の分配特性について図を用いて説明する。図６は従来のヘッダを有する除霜運転開始時からの伝熱管出口温度を時系列に示したデータであり、このとき熱交換器は凝縮器として機能する。熱交換器の最下段の伝熱管温度が他の伝熱管温度よりも温度上昇する時間が最も長い（遅れる）。つまり、これは凝縮した冷媒が伝熱管から円滑に排出されず、伝熱管に滞留していることを示す。

図７は本発明の実施の形態１における分配器及び分配器間の構成を示す系統図である。
本実施の形態１の分配器は図７に示すように、長手方向が略鉛直方向になるように設けられた鉛直管４１に対して略水平に接続された分岐管４２、流量制御弁４３、伝熱管４４が順次接続され、もう一方の伝熱管の端部は分岐管４５と長手方向が略鉛直方向になるように設けられた鉛直管４６が接続された構成である。図７では分岐管４８を４本記載しているが、これは一例にすぎず、分岐管４３の本数は何本でもよい。また、分岐管４５には第一温度計測器４７が、分岐管４２には第二温度計測器が取り付けられている。

次に冷媒の流れを説明する。図７において、破線は熱交換器が凝縮器として機能した場合の冷媒の流れ方向を示し、実線は熱交換器が蒸発器として機能した場合の冷媒の流れ方向を示す。熱交換器が蒸発器として機能する場合、冷媒は鉛直管４１から流入し、分岐管４２で分流したのち流量制御弁４３、伝熱管４４、分岐管４５を順次通り、鉛直管４６で合流したのち流出する。熱交換器が凝縮器として機能する場合は、冷媒は鉛直管４６から流入し、分岐管４５で分流し、伝熱管４４、流量制御弁４３、分岐管４２を通り、鉛直管４１で合流し、流出する。

図８は本発明の実施の形態１における制御系の構成を示すブロック図である。図８に示すように制御系は、演算制御を行う制御部８１と各種データ類を一時記憶するメモリ８２と制御用プログラムや各種固定テーブル類を格納するＲＯＭ８３と、これらを接続し、これらの間でデータ信号や制御信号が相互に乗り合う入出力バス８４と、弁の開度に応じて各分岐管を流れる冷媒の流量をそれぞれ制御する流量制御弁４３（４３ａ〜４３ｄ）と、制御部８１からの指令に応じて流量制御弁４３（４３ａ〜４３ｄ）を駆動してその開度が指令通りになるように制御する流量制御弁駆動手段４３１（４３１ａ〜４３１ｄ）と、分岐管４５の入口側の温度を検知する第一温度計測器４７及びこの第一温度計測器４７の出力信号を制御部８１（制御手段を構成する）が処理できるディジタル信号に変換する温度検出部４７１と、分岐管４２の入口側の温度を検知する第二温度計測器４８及びこの第二温度計測器４８の出力信号を制御部８１が処理できるディジタル信号に変換する温度検出部４８１と、を備えている。

次に、本実施の形態１における制御部８１による分岐管の冷媒流量制御について説明する。
まず、熱交換器が蒸発器として機能する場合の分岐管の流量冷媒制御について説明する。
図９は本発明の実施の形態１において熱交換器が蒸発器として機能するときの制御部８１による冷媒流量制御のフローチャートである。図９に示すように冷凍サイクルの運転開始時、制御部８１は流量制御弁４３をすべて開放状態にする（ステップＳ９０１）。運転を開始したのち第一温度計測器４７での測定値がすべて同じならば、流量制御弁の開放度を保持する（ステップＳ９０２〜Ｓ９０３）。この測定温度に差がある場合、最も低い温度を測定した流路の流量制御弁を絞り冷媒の流量を減らす（ステップＳ９０２〜Ｓ９０４）。上記制御を測定温度が一定になるまで繰り返すことで冷媒の均等分配が可能となる。

次に、熱交換器が凝縮器として機能する場合の分配器の流量冷媒制御について説明する。
図１０は本発明の実施の形態１において熱交換器が凝縮器として機能するときの制御部８１による冷媒流量制御のフローチャートである。図１０に示すように冷凍サイクルの運転開始時、制御部８１は流量制御弁４３をすべて開放状態にする（ステップＳ１００１）。運転開始したのち第二温度計測器４８の温度測定値がすべて同じならば、流量制御弁の開放度を保持する（ステップＳ１００２〜Ｓ１００３）。この温度に差がある場合、最も高い温度を測定した流路に接続する流量制御弁を絞り冷媒の流量を減らす（ステップＳ１００２〜Ｓ１００４）。上記制御を温度測定値が一定になるまで繰り返すことで冷媒の均等分配が可能となる。

また、上記実施の形態１において、第一温度計測器と第二温度計測器を最上段の分岐管と最下段の分岐管に１つずつ取り付け、これらの温度測定値より流量制御弁を制御してもよい。
この場合、熱交換器が蒸発器として機能する場合、制御部８１は、最上段側の流量制御弁４３ｄを開放状態に保ち、最上段から下段側に進むに連れて段階的に流量制御弁を絞るように各流量制御弁４３ｄ〜４３ａの駆動手段４３１ｄ〜４３１ａをそれぞれ制御する。
熱交換器が凝縮器として機能する場合、制御部８１は、最下段側の流量制御弁４３ａを開放状態にし、最下段から上段側に進むに連れて段階的に流量制御弁を絞るように各流量制御弁４３ａ〜４３ｄの駆動手段４３１ａ〜４３１ｄをそれぞれ制御する。

実施の形態２．
次に本発明の実施の形態２を説明する。
図１１は本発明の実施の形態２における分配器及び分配器間の構成を示す系統図である。
本実施の形態２の分配器は図１１に示すように長手方向が略鉛直方向になるように設けられた鉛直管５１と略水平方向に取り付けた４本の冷媒配管５２ａ〜５２ｄ、との間に、熱交換器が蒸発器として機能する伝熱管の入口側に、水頭圧差による冷媒の均等分配不良を改善するための第一キャピラリーチューブ５３a〜５３ｄと、熱交換器が凝縮器として機能するときの熱交換器出口側に、液冷媒の滞留を改善するための第二のキャピラリーチューブ５４ａ〜５４ｄを設け、運転状態により流路を切り替えるための第一流路制御弁５５ａ〜５５ｄおよび第二流路制御弁５６ａ〜５６ｄを構成することで、冷媒流量を制御したものである。第一キャピラリーチューブ５３ａ〜５３ｄの長さは熱交換器最下段から上方へ進むに連れて段階的に短くなり、第二キャピラリーチューブ５４ａ〜５４ｄは熱交換器最下段から上方へ進むに連れて段階的に長くなる。分岐管５２の本数は何本でもよく、分岐管５２ａ〜５２ｄの外管径は、気密性を確保するため鉛直管５１よりも小さく設計する必要がある。

次に冷媒の流れを説明する。熱交換器が蒸発器として機能する場合、冷媒は鉛直管５１を上昇し、分岐管５２、第一キャピラリーチューブ５３、流路制御弁５５を順次通り、伝熱管５７で冷媒は蒸発し、長手方向が略鉛直方向になるように設けられた鉛直管５８で合流する。このとき第二キャピラリーチューブ５４には逆流阻止用の第二流路制御弁５６（逆止弁）が設けられているので流れない。
熱交換器が凝縮器として機能する場合、冷媒は鉛直管５８を上昇した後で分岐し、伝熱管５７ａ〜５７ｄで凝縮した後、第二流路制御弁５６、第二キャピラリーチューブ５４、分岐管５２を順次通り、鉛直管５１で合流する。このとき第一キャピラリーチューブ５３には逆流阻止用の第一流路制御弁５５（逆止弁）が設けられているので流れない。

蒸発器の冷媒を流量制御に用いられる第一キャピラリーチューブの理想的な長さを決定する方法について図１２の計算モデルを用いて説明する。熱交換器を蒸発器として使用する場合、点A-点Bi間(iは最下段からの分岐管番号)の圧力損失ΔPiは、
ΔPi＝ρg(i-1)Δh+ΔPcapi
ρ：冷媒の液密度 [kg/m³]
g：重力加速度 [m/s²]
Δh：分岐管の略鉛直方向の間隔 [m]
ΔPcapi：第一キャピラリーチューブにおける圧力損失
であらわされる。さらに、第一キャピラリーチューブでの圧力損失ΔPcapiは単相流における圧力損失の式より、
ΔPcapi=λ・ρ・u² ・Lcapi/（2・dcap）
λ：管摩擦係数 [-]
ρ：冷媒の液密度 [kg/m³]
u ：第一キャピラリーチューブを流れる冷媒の平均速度 [m/s]
Lcapi：第一キャピラリーチューブの長さ
g：重力加速度 [m/s²]
dcap：キャピラリーチューブの内径 [m]
であらわせる。

第一キャピラリーチューブ長さLcapiは、ΔPi（i=1〜4）の値がすべて一致するように決める。したがって、第一キャピラリーチューブ長さLcapiは、
Lcapi＝（ρg(Ｎ-ｉ)Δh）/｛λ・ρ・u² /（2・dcap）｝
但し、Ｎは最上段のパス番号
で表せる。このモデルでは分岐管の略鉛直方向に均等間隔としているが、この間隔が不均等の場合でも最下段の分岐管位置Aを原点とした略鉛直方向の距離を直接用いて求めてもよい。

このモデルにより算出される第一キャピラリーチューブの長さは、熱交換器の最下段の分岐管に取り付けられるものが最も長く、上段側程短くなる。最下段の伝熱管を流れる冷媒流量は、このキャピラリーチューブが流動抵抗となり、従来のヘッダ分配器の場合と比べて冷媒流量を抑制できる。また、熱交換器上段側にいくほどキャピラリーチューブの流動抵抗は低下するが、その一方で液ヘッドによる圧力損失が増大するため、その結果、液ヘッド差とキャピラリーチューブの圧力損失がバランスをとり、各伝熱管に冷媒を均等に分配できる。

このキャピラリーチューブは、熱交換器最下部と最上部の液ヘッド差に起因する冷媒の不均一分配を改善するために取り付けたものであり、キャピラリーチューブでの流動抵抗は従来のディストリビューター分配器でのそれよりも低いため、エジェクタ吸引流量を確保できる。

次に熱交換器を凝縮器として使用する場合の流量制御機能について説明する。
図１３は、本発明の実施の形態２における分配器の凝縮器用キャピラリーチューブの長さを表す図である。図１３に示すように熱交換器を凝縮器として使用する場合、熱交換器の下段側伝熱管に滞留する液冷媒の流れを円滑に排出させる必要がある。これは熱交換器下段側の流動抵抗を熱交換器最上段側の流路抵抗より小さくすることで冷媒流量を均等化でき、蒸発器として機能する場合と同様にキャピラリーチューブの長さで流量を制御できる。厳密には、凝縮器の流量制御を制御する第二キャピラリーチューブの長さは、蒸発器の流量制御に用いられる第一キャピラリーチューブ長さを決定する方法と同様にモデル化しても求められる。しかしながら、長さの異なるキャピラリーチューブを凝縮器用と蒸発器用とで複数準備すると、取り付け時に作業者の混乱を招き、また、熱交換機ユニット内に無駄なスペースが発生する。例えば、８本のキャピラリーチューブの長さがすべて異なるとすると、どれを第一キャピラリーチューブの２段目あるいは３段目にしてどれを第二キャピラリーチューブの２段目あるいは３段目とするか作業者は混乱してしまう。そこで、例えば、図１３のように熱交換器最上段である４段目に取り付けた第一キャピラリーチューブLcap1と同じ寸法形状のキャピラリーチューブを第二キャピラリーチューブとして最下段(1段目)に取り付け、３段目を２段目に、２段目を３段目として取り付ける。これにより、熱交換器を凝縮器として使用する場合における熱交換器下段側伝熱管内の液冷媒を円滑に流せることができ、また、上記問題を回避できる。

上記本発明の実施の形態２は、本発明の実施の形態１における流量制御弁、温度計測器および流量制御弁の制御機能を除いたものであり、製作コストを削減できる。

以上のように、本発明の実施の形態１および実施の形態２によれば、室外熱交換器が蒸発器と機能した場合と凝縮器と機能した場合の両方において、熱交換器の伝熱管に冷媒を均等に分配でき、また、室内熱交換器も同様に蒸発器として機能した場合と凝縮器として機能した場合の両方において、熱交換器の伝熱管に冷媒を均等に分配できる。

また、均等分配を実現するうえでの流動損失は最小にしているため、分配器での圧力損失は小さく、エジェクタの吸引流量を確保でき、高効率な運転を行うことができる。

なお、以上の実施の形態では、エジェクタを含む冷凍サイクル装置について説明したが、エジェクタを含まない冷凍サイクル装置に適用することも可能である。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の別の構成を示す図である。 従来のヘッダ分配方式の分配器を搭載した熱交換機の構成を示す図である。 従来のヘッダの部分断面図である。 従来のヘッダ型分配器を蒸発器の冷媒流入側に取り付けたときの伝熱管の流れ方向の温度分布を示す図である。 従来構造のヘッダを有する除霜運転時における室外熱交換器の伝熱管温度の時系列データである。 本発明の実施の形態１における分配器及び分配器間の構成を示す系統図である。 本発明の実施の形態１における制御系の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１において熱交換器が蒸発器として機能するときの制御部８１による冷媒流量制御のフローチャートである。 本発明の実施の形態１において熱交換器が凝縮器として機能するときの制御部８１による冷媒流量制御のフローチャートである。 本発明の実施の形態２における分配器及び分配器間の構成を示す系統図である。 本発明の実施の形態２における分配器の蒸発器用キャピラリーチューブ長さを決定する計算モデル図である。 本発明の実施の形態２における分配器の凝縮器用キャピラリーチューブの長さを表す図である。

符号の説明

１：室外ユニット、２：室内ユニット、３：蒸気管、４：液管、５：圧縮機、６：第一四方弁、７：室内熱交換器、８：第二四方弁、９：エジェクタ、１０：気液分離器、１１：室外熱交換器、１２：第一開閉弁、１３：第二開閉弁、１４：圧力制御弁、２１、４４、５７：伝熱管、２２、４９、５９：熱交換器、２３：ヘッダ分配器、３１、５１、４１、４６、５８：鉛直管、３２、４２、４５、５２：分岐管、４３：流量制御弁、４７：第一温度計測器、４８：第二温度計測器、５１ 鉛直管、５２、５２ａ〜ｄ 冷媒配管、５３：第一キャピラリーチューブ、５４：第二キャピラリーチューブ、５５：第一流路制御弁、５６：第二流路制御弁、５９ 熱交換器、６０：第一流量制御ユニット、６１：第二流量制御ユニット。

Claims (13)

1. 冷凍サイクル装置の一部を構成し複数の伝熱管を有する蒸発器の、入口側に長手方向が略鉛直方向になるように設けられ、冷媒が流入する鉛直管と、
   該鉛直管に上下方向に並べて略水平に接続され前記複数の伝熱管に対応して設けられた複数の分岐管と、
   該複数の分岐管のそれぞれに設けられた流量制御弁と、
   前記分岐管の温度を検出する温度計測器と、
   該温度計測器の検出結果に基づいて前記流量制御弁を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする分配器。
2. 冷凍サイクル装置の一部を構成し複数の伝熱管を有する凝縮器の、出口側に長手方向が略鉛直方向になるように設けられ、冷媒が流入する鉛直管と、
   該鉛直管に上下方向に並べて略水平に接続され前記複数の伝熱管に対応して設けられた複数の分岐管と、
   該複数の分岐管のそれぞれに設けられた流量制御弁と、
   前記分岐管の温度を検出する温度計測器と、
   該温度計測器の検出結果に基づいて前記流量制御弁を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする分配器。
3. 前記制御部は、前記鉛直管に流入した冷媒が前記複数の分岐管に均等に分配されるように前記流量制御弁を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分配器。
4. 冷凍サイクル装置の一部を構成し複数の伝熱管を有する蒸発器の、入口側に長手方向が略鉛直方向になるように設けられ、冷媒が流入する第一の鉛直管と、
   該第一の鉛直管に上下方向に並べて略水平に接続され前記複数の伝熱管に対応して設けられた複数の第一の分岐管と、
   該複数の第一の分岐管毎に設けられた第一のキャピラリーチューブと第一の流路制御弁で構成される複数の第一の流量制御ユニットと、
   前記冷凍サイクル装置の一部を構成し複数の伝熱管を有する凝縮器の、出口側に長手方向が略鉛直方向になるように設けられ、冷媒が流入する第二の鉛直管と、
   該第二の鉛直管に上下方向に並べて略水平に接続され前記複数の伝熱管に対応して設けられた複数の第二の分岐管と、
   該複数の第二の分岐管毎に設けられた第二のキャピラリーチューブと第二の流路制御弁で構成される複数の第二の流量制御ユニットと、を備えたことを特徴とする分配器。
5. 前記第一キャピラリーチューブの長さは上記蒸発器の最下段側の伝熱管で最長であり、
   前記蒸発器を構成する伝熱管の上段側に進むに連れて段階的に短くなることを特徴とする請求項４に記載の分配器。
6. 上記第二キャピラリーチューブの長さは上記凝縮器の最下段側の伝熱管で最段であり、
   前記凝縮器を構成する伝熱管の上段側に向かって進むに連れて段階的に長くなることを特徴とする請求項４に記載の分配器。
7. 蒸発器を備え、
   該蒸発器は請求項１記載の分配器を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
8. 凝縮器を備え、
   該凝縮器は請求項２記載の分配器を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
9. 凝縮器と蒸発器を備え、
   該蒸発器および前記凝縮器は請求項３〜６のいずれかに記載の分配器を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
10. 圧縮機，第一の四方弁，凝縮器，第二の四方弁，エジェクタ，気液分離器及び蒸発器が順次配管で環状に接続され、
    前記エジェクタは前記凝縮器，前記第二の四方弁を順次流れた冷媒が流入する第一の入口と前記蒸発器からの冷媒が流入する第二の入口を備え、
    前記エジェクタの出口と前記気液分離器が接続され、
    前記気液分離器には蒸気冷媒が流出する第一の出口と液冷媒が流出する第二の出口を備え、
    前記気液分離器の第一の出口と前記圧縮機が接続され、
    前記気液分離機の第二の出口と前記蒸発器の入口側が接続され、
    前記蒸発器の出口側と前記エジェクタの第二の入口とが接続されたことを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
11. 前記第一の四方弁と前記第二の四方弁の流路を切り替えることで冷房運転と暖房運転を行うことを特徴とする請求項１０に記載の冷凍サイクル装置。
12. 圧縮機，四方弁，凝縮器，第一の開閉弁，エジェクタ，気液分離器，第二の開閉弁及び蒸発器が順次冷媒配管で環状に接続され、
    前記エジェクタは前記凝縮器からの冷媒が流入する第一の入口と前記蒸発器から冷媒が流入する第二の入口を備え、
    前記エジェクタの出口と前記気液分離器が接続され、
    前記気液分離器には蒸気冷媒が流出する第一の出口と液冷媒が流出する第二の出口を備え、
    前記気液分離器の第一の出口と前記圧縮機が接続され、
    前記気液分離機の第二の出口と前記蒸発器の入口側が接続され、
    前記蒸発器出口と前記エジェクタの第二の入口とが接続され、
    前記凝縮器出口側と前記蒸発器入口側とが冷媒配管で接続され、
    前記凝縮器出口側と前記蒸発器入口側とを接続する前記冷媒配管に圧力制御弁を備え、
    前記第一の開閉弁は、前記凝縮器の出口側と前記エジェクタの第一の入口とを接続し、
    前記第二の開閉弁は、前記気液分離器の第二の出口と前記蒸発器の入口側とを接続することを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
13. 前記第一開閉弁と前記第二開閉弁の開閉制御と圧力制御弁による圧力制御により，冷房運転と暖房運転を行うことを特徴とする請求項１２に記載の冷凍サイクル装置。

Images