JP2013050221A - 冷媒分配器およびそれを用いたヒートポンプ機器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒を複数の冷媒経路により均等に分配させることが可能な冷媒分配器およびそれを用いたヒートポンプ機器を提供することを目的とする。
【解決手段】冷媒が流入する冷媒流入部７１と、冷媒流入部７１の冷媒流れの下流側に設けられ、内部に形成された複数の孔（導流孔７２３）により冷媒を分流する冷媒分流部７２と、冷媒分流部７２の冷媒流れの下流側に設けられ、冷媒分流部７２により分流された冷媒を合流する冷媒合流部８１と、冷媒合流部８１と接続され、冷媒合流部８１で合流した冷媒が流出する複数の冷媒導出管６２と、を備えている。そして冷媒合流部８１は、冷媒分流部７２で分流された冷媒が衝突する衝突面（端面７３１）を冷媒分流部７２と対向する位置に備え、冷媒分流部７２により分流された冷媒は、衝突面（端面７３１）に衝突した後に複数の冷媒導出管６２を流れる冷媒分配器５４である。
【選択図】 図１

Description

本発明は冷媒分配器およびそれを用いたヒートポンプ機器に関する。

本技術分野の背景技術として、特開平８−２９０１８号公報（特許文献１）がある。この特許文献１には、冷媒分配器流入管の上流に衝突面を持つ圧力室と、複数の管軸中心方向へ向かう気液混合手段を設けることにより、冷媒液と冷媒蒸気に偏りのある冷媒気液二相流を均一化することが記載されている。

また、同様の均一化技術が特開２０００−１１１２０５号公報（特許文献２）に記載されている。この特許文献２には、一方に冷媒が流入する流入管が接続され他方に冷媒が流出する複数の流出管が接続され、流入管に連通された圧力室と、該圧力室から流出管に至る間に流出管の断面積よりも小さい断面積である冷媒流路が設けられた分配器において、冷媒を圧力室から流出管の本数より多い数となるように複数に分流し、扇状に配置された複数の冷媒流路と、各冷媒流路を合流してその後さらに分岐する合流分岐部と、合流分岐部によって分岐された冷媒流路を合流し各流出管に連通する出口合流部とを備えると記載されている。

特開平８−２９０１８号公報 特開２０００−１１１２０５号公報

しかし、上記特許文献１に記載の冷媒分配器は、分配器流入管の上流に設けられた気液混合手段によって均一化された気液二相状態の冷媒は、気液混合手段と冷媒分配器を接続する冷媒配管および冷媒分配器において、重力の影響により気相と液相との密度差に起因して気液分離が生じ、不均等な冷媒分配を引き起こす恐れがある。

また、特開２０００−１１１２０５号公報に記載された冷媒分配器は重力の影響を受けやすく、分配性能が設置状態への依存性が高いという欠点がある。すなわち、冷媒分配器の設置状態が鉛直方向に対して傾いた場合、冷媒の気相と液相との分布に偏りが生じ、冷媒液は重力方向において下方に位置する冷媒流路に多く流れる。

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、冷媒を複数の冷媒経路により均等に分配させることが可能な冷媒分配器およびそれを用いたヒートポンプ機器を提供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。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、冷媒が流入する冷媒流入部７１と、冷媒流入部７１の冷媒流れの下流側に設けられ、内部に形成された複数の孔（導流孔７２３）により冷媒を分流する冷媒分流部７２と、冷媒分流部７２の冷媒流れの下流側に設けられ、冷媒分流部７２により分流された冷媒を合流する冷媒合流部８１と、冷媒合流部８１と接続され、冷媒合流部８１で合流した冷媒が流出する複数の冷媒導出管６２と、を備えている。そして冷媒合流部８１は、冷媒分流部７２で分流された冷媒が衝突する衝突面（端面７３１）を冷媒分流部７２と対向する位置に備え、冷媒分流部７２により分流された冷媒は、衝突面（端面７３１）に衝突した後に複数の冷媒導出管６２を流れる冷媒分配器５４である。

本発明によれば、冷媒を複数の冷媒経路により均等に分配させることが可能な冷媒分配器およびそれを用いたヒートポンプ機器を提供することができる。

本発明の実施例１に係わる冷媒分配器の構成を示す断面図である。 本発明の実施例１に係わる冷媒分流部の上面図と断面図である。 本発明の実施例１に係わる冷媒分配部の上面図と断面図である。 本発明の実施例１に係わる冷媒分配器内の冷媒の流れを示す説明図である。 本発明の実施例２に係わる冷媒分流部の上面図と断面図である。 本発明の実施例３に係わる冷媒分配器の構成を示す断面図である。 本発明の実施例３に係わる冷媒導出管に接続した状態の冷媒分配部の上面図である。 本発明の実施例１に係わるヒートポンプ機器の構成図である。 本発明の実施例４に係わるヒートポンプ機器の構成図である。

以下、図面を用いて実施の形態について具体的に説明する。

本実施例では、本発明に係わる冷媒分配器およびそれを用いたヒートポンプ機器の例を説明する。
まず、図８を用いて本実施例に係わるヒートポンプ機器、例えばパッケージエアコンやヒートポンプ給湯機器などについて説明する。ここで、５１は圧縮機、５２は凝縮器や放熱器（以下、冷却用熱交換器）、５３は減圧装置、５４は冷媒分配器、５５は蒸発器である。これらの要素機器は冷媒配管によって接続されヒートポンプ機器１００を構成している。

ヒートポンプ機器１００内の冷媒は、状態変化をしながら機器１００内を循環する。その流れ方向は、図８中の矢印で示されている。すなわち、圧縮機５１により圧縮され高圧高温の蒸気状態で吐出された冷媒は、冷却用熱交換器５２に流入し、その中で熱を放出し高圧中温の液体に変化する。その後、冷媒液は減圧装置５３を通過し低圧低温の気液二相状態となった後、冷媒分配器５４により分流され蒸発器５５に送られる。分流された気液二相状態の冷媒は、蒸発器５５内で周囲から熱を奪い低圧低温の蒸気状態となって、蒸発器５５の出口で合流し、再び圧縮機５１に吸入されサイクルを繰り返す。

一般的に、減圧装置５３と蒸発器５５の間に設けられた冷媒分配器５４の入口において、冷媒気液二相流の流動様式は、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、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噴霧流である。また、気液二相流は冷媒分配器５４に入る前に、冷媒配管途中の曲がり部で遠心力の影響を受け気相と液相との分布に偏りがある偏流となることが多い。

このように密度および流速の分布が不均一なままで気液二相流が分配されると、蒸発器５５ひいては蒸発器５５を搭載するヒートポンプ機器１００の性能低下や圧縮機５１への過剰な液戻りなどの問題を引き起こす可能性がある。これらの問題を回避するための一つの方法として、冷媒分配を行う前に冷媒中の気相と液相を十分に混合させるものがある。

次に、本実施例に係わる冷媒分配器５４の構成について図１から図３を用いて説明する。図１は冷媒分配器の構造を示す断面図、図２は冷媒分流部の上面図およびそのＡ−Ａ断面図、図３は冷媒分配部の上面図およびそのＣ−Ｃ断面図である。

図１では、６１は前記の減圧装置５３に接続され気液二相状態の冷媒を冷媒分配器５４に導入する冷媒導入管であり、６２は前記の蒸発器５５に接続され冷媒を送り出す４本の冷媒導出管である。
冷媒分配器５４の本体は、上記冷媒導入管６１に接続された冷媒流入部７１と、上記冷媒流入部７１の下流側に設けられた冷媒分流部７２と、上記冷媒分流部７２の下流側に設けられた冷媒分配部７３から構成されている。

冷媒流入部７１は漏斗状をなし、入口側から出口側に向かって流路面積が徐々に拡大する。冷媒流入部７１の入口側は内径が冷媒導入管６１の外径とほぼ等しく形成され、その中に冷媒導入管６１が挿入される。冷媒流入部７１の出口側は入口側より流路断面積が大きく、冷媒分流部７２とほぼ等しい外径を有し、冷媒分配部７３に整合する。

図２は冷媒分流部７２で、入口側にある中心軸に垂直な面７２１に四つの導流孔７２３が円周上に等間隔に設けられていることを説明する図である。これらの導流孔７２３は軸線が冷媒分流部７２の中心軸線上で交差しており、冷媒分流部７２を貫通し、出口側にある凹状の円錐面７２２の中心で一つになる。

図３は冷媒分配部７３が円筒状をなしていることを説明する図である。冷媒分配部７３の入口側に円錐状の端面７３１を持つ円柱状の穴が設けられており、その中に冷媒分流部７２および冷媒流入部７１が組み込まれるように、穴の内径が冷媒流入部７１の出口側の外径および冷媒分流部７２の外径とほぼ等しく形成されている。出口側にある面７３２に四つの流出孔７３３は円周方向に等間隔に設けられており、これらの流出孔７３３が端面７３１まで貫通し、その中に４本の冷媒導出管６２が挿入される。

上記冷媒流入部７１と上記冷媒分流部７２と上記冷媒分配部７３は、上記冷媒導入管６１と同軸上に設けられている。また、冷媒分流部７２の面７２２と、冷媒分配部７３の面７３１との間に、図１に示した冷媒合流部８１が形成されている。なお、冷媒流入部７１は構造が簡単であるため絞り加工で、冷媒分流部７２および冷媒分配部７３は削り出しで作製する。

以上に説明した通り、本実施例の冷媒分配器５４は、冷媒が流入する冷媒流入部７１と、冷媒流入部７１の冷媒流れの下流側に設けられ、内部に形成された複数の孔（導流孔７２３）により冷媒を分流する冷媒分流部７２と、冷媒分流部７２の冷媒流れの下流側に設けられ、冷媒分流部７２により分流された冷媒を合流する冷媒合流部８１と、冷媒合流部８１と接続され、冷媒合流部８１で合流した冷媒が流出する複数の冷媒導出管６２と、を備えている。そして冷媒合流部８１は、冷媒分流部７２で分流された冷媒が衝突する衝突面（端面７３１）を冷媒分流部７２と対向する位置に備え、冷媒分流部７２により分流された冷媒は、衝突面（端面７３１）に衝突した後に複数の冷媒導出管６２を流れるものである。

これにより、まず冷媒流入部７１からの冷媒は、複数の孔（導流孔７２３）により分流され、冷媒合流部８１で合流することで冷媒同士が運動量の交換を行われるため、ガス冷媒及び液冷媒が混合され、均一な冷媒とすることができる。また、冷媒が冷媒分流部７２で混合されず、気液が分離していたとしても冷媒が衝突面（端面７３１）に衝突した後に冷媒導出管６２に流れるようにしているため、衝突によりさらにガス冷媒及び液冷媒の混合が可能となり、その分布に偏りのない冷媒を流すことが可能となる。すなわち冷媒合流部８１で合流した冷媒は、合流直後に面７３１に衝突し、この後すぐに複数の冷媒導出管６２で分流されることになる。これにより、冷媒合流部８１において重力の影響を受け、冷媒の気液分離が生じることなく、気液がよく混合したままの状態で冷媒導出管６２へ流れる。なお、本実施例では、冷媒分配器の断面は円形であるが、円形以外の形状、例えば矩形でもよい。

また、冷媒流入部７１は、冷媒流れの下流側に向かうにつれて流路面積が拡大するようにすることが望ましい。また、冷媒分流部７２には、複数の孔（導流孔７２３）を一つに合流する合流孔７２５が形成され、合流孔７２５で冷媒が合流した後に冷媒合流部８１に流れるようにすることが望ましい。さらに冷媒流入部７１は、冷媒を該冷媒流入部７１に導出する冷媒導入管６１と接続され、合流孔７２５は、冷媒導入管６１の冷媒流れ方向と直交する冷媒分流部７２の断面（図２の断面）の中心領域に形成されることが望ましい。このように導流孔７２３の軸線は中心（合流孔７２５）に向かって、冷媒分流部７２の中心軸線上で交差することで、流入部７１に入った冷媒が偏流の状態にある場合、導流孔７２３は冷媒（気液とも）の流れ方向を変えて中心に導くので、偏流の影響が緩和される。

また、冷媒分流部７２の複数の孔（導流孔７２３）のそれぞれの冷媒入口（図２参照）は、冷媒導入管６１の冷媒流れ方向と直交する冷媒分流部７２の断面（図２の断面）の円周上に等間隔に形成されることが望ましい。

また衝突面（端面７３１）は、冷媒分流部７２から衝突面（端面７３１）への方向に凹状に形成されることが望ましい。衝突面（端面７３１）に衝突した冷媒が気液に分離していた場合に、衝突面（端面７３１）が平らであったり、あるいは反対方向に凹状となっていると重力の関係上（重力は図１の上から下にかかる）、液冷媒が下方向に落ちてしまい、流れることができない虞がある。そこで本実施例においては、上記したように衝突面（端面７３１）を冷媒分流部７２から衝突面（端面７３１）への方向に凹状に形成することで、液冷媒を凹状の衝突面を流れ、冷媒導出管６２に流れるようにすることができる。なお、この衝突面（端面７３１）の冷媒流れ方向の断面図は図１に示すように、三角形状であってもよいし、あるいは半円形状に形成するようにして下方向に凹状となるようにすればよい。なお、この衝突面（端面７３１）は図１では冷媒流れ方向の断面図を示しているが、図１で三角形状の場合に実際の形状は円錐状であり、また図１で半円形状の場合に実際の形状は球状をなすものである。

また、冷媒合流部８１は、冷媒分流部７２側の面７２２が衝突面（端面７３１）から冷媒分流部７２への方向に凹状に形成されることが望ましい。
冷媒分流部７２にある導流孔７２３について、出口が面７２２の中心で一つになれば、面７２１での孔位置に制限がなく、その孔数が二つ以上であればよい。また、面７２２は凹球面でもよい。冷媒分配部７３にある複数の流出孔７３３については、本実施例では孔軸線が冷媒分配部７３の中心軸線と平行しているが、冷媒分配部７３の中心軸から外側に向かって放射状に配置されてもよい。そして、流出孔７３３の孔数は二つ以上であればよい。

図４を用いて以上に説明した冷媒分配器５４内の冷媒の流れを説明し、さらにその効果を説明する。冷媒導入管６１から流入した気液二相状態の冷媒は冷媒分流部７２の面７２１に突き当たることによって撹拌され、気相と液相が混合される。その後、冷媒は冷媒分流部７２の四つの導流孔７２３に流れ込み分流される。分流された冷媒は、流路断面積の減少に伴い流速が上がった後、導流孔７２３の出口において衝突し運動量の交換を行い、気相と液相の混合がさらに促進される。冷媒分流部７２の出口で合流した冷媒はすぐ下流にある冷媒分配部７３の面７３１に突き当たり、冷媒中の気相と液相が冷媒合流部８１において撹拌混合されるとともに、円錐状の面７３１に沿って滑らかに分流方向に導かれ、四つの流出孔７３３へ流れる。

たとえ冷媒合流部（混合室）８１で若干の気液分離が生じたとしても、冷媒液が冷媒分流部７２の凹形の円錐面７２２に沿って中心方向に流れ導流孔７２３の出口から噴出した冷媒と混合されることによって再度撹拌されるので、良好な混合状態となる。また、冷媒配管途中に曲がり部などの原因で冷媒分配器５４に流入した冷媒が偏流状態にあったとしても、導流孔７２３による冷媒の分流と合流によって、偏流の影響が緩和される。

さらに、製造上のばらつきで冷媒分流部７２または冷媒分配部７３の中心軸と冷媒分配器５４の中心軸との不一致に起因して冷媒分流部７２から噴出した冷媒流が冷媒分配器５４の中心軸に対して傾いたとしても、冷媒液が円錐状の面７３１に衝突し、中心方向に跳ね返ることによって、その影響は軽減される。要するに、冷媒分流部７２の面７２１および冷媒分配部７３の面７３１への衝突、ならびに冷媒分流部７２の導流孔７２３による分流および出口での合流によって、冷媒中の気相と液相が十分に混合された状態で冷媒分配を行うため、冷媒分配器の入口での冷媒状態、冷媒分配器の設置姿勢および製造ばらつきなどの影響を受けにくくなり、幅広い使用条件下で冷媒を複数の冷媒経路に均等に分配させることが可能となる。

以上、冷媒分配器５４は冷媒が垂直上昇流となるように設置された場合について述べた。しかし、本発明に係わる冷媒分配器５４の設置姿勢に制限がなく、例えば冷媒が垂直下降流や水平流になるような設置状態でも使用可能である。

本実施例は実施例１と異なるのが冷媒分流部７２のみであるため、冷媒分配器５４の構成図および冷媒分流部７２以外の構成要素についての説明を省略する。図５に冷媒分流部７２の上面図とそのＢ−Ｂ断面図を示す。なお、図中の符号は図２に示された符号と同一である。

図５に示したように、四つの導流孔７２３の出口で合流した冷媒をさらに縮流させるために、冷媒分流部７２の中心にオリフィス孔７２４を設けている。オリフィス孔７２４の設置により、気液二相状態の冷媒がさらに加速するにしたがって、冷媒合流部８１における撹拌作用がさらに増大し、気相と液相の混合は促進される。

図６は本実施例に係わる冷媒分配器５４の構成を示す断面図、図７は冷媒導出管６２に接続した状態の冷媒分配部７３の上面図である。本実施例は実施例１と異なるのが冷媒導出管６２の本数と冷媒分配部７３のみであるため、気液分配部７３以外の構成要素に図１と同一の符号を付け、これらの要素についての説明を省略する。

本実施例で用いられる冷媒分配部７３は、漏斗状の外筒７３ａと、キャップ状の内筒７３ｂからなる。外筒７３ａは入口側から出口側に向かって流路面積が縮小し、入口側の中に冷媒分流部７２および冷媒流入部７１が組み込まれるように、内径が冷媒流入部７１出口側の外径および冷媒分流部７２の外径とほぼ等しく形成されている。内筒７３ｂは外筒７３ａと同軸上に設けられており、その間に冷媒導出管６２が挿入され、ろう付けで固定される。なお、外筒７３ａの出口側および内筒７３ｂの寸法は、冷媒導出管６２の本数および外径に応じて決定される。

冷媒分配部７３の作製については、別個に作製された外筒７３ａと内筒７３ｂをろう付けで接合される。ただし、最終的に図６に示した形態になれば、プレス加工で一体作製してもよく、その作製方法は問わない。

本実施例は実施例１に比べて材料の使用量が少なくなることから、省資源に貢献できる。また、実施例１に係わる冷媒分配部７３の作製が削り出しであるのに対して、本実施例に係わる冷媒分配部７３はプレス加工または絞り加工で作製可能であるため、製品の原価低減に寄与できる。

図９に、本実施例に係わるヒートポンプ機器、例えば複数の室内機を持つマルチエアコンなどの構成を示す。５１は圧縮機、５２は冷却用熱交換器、５３と５６ａと５６ｂと５６ｃと５６ｄは減圧装置、５４は冷媒分配器、５５ａと５５ｂと５５ｃと５５ｂは蒸発器である。これらの要素機器は冷媒配管によって接続され、ヒートポンプ機器１０１を構成している。

実施例１に係わるヒートポンプ機器１００では冷媒分配器５４を用いて１台の蒸発器５５が持つ複数の冷媒経路に冷媒を分配させるのに対して、本実施例では冷媒分配器５４を用いて４台の蒸発器（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ）に冷媒を分配させる。ここで、冷却用熱交換器５２と冷媒分配器５４を直接に接続し、個々の蒸発器（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ）の負荷に応じて個々の減圧装置（５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ）で減圧してもよいが、機器１０１内の冷媒封入量を削減するために、減圧装置５３を用いて一旦減圧してから冷媒を４台の蒸発器（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ）に分配させる方法とした。

以下ヒートポンプ機器１０１内の冷媒の流れについて説明する。圧縮機５１により圧縮され高圧高温の蒸気状態で吐出された冷媒は、冷却用熱交換器５２に流入し、その中で熱を放出し高圧中温の液体に変化する。その後、冷媒液は減圧装置５３を通過し気液二相状態となった後、冷媒分配器５４により分流される。分流された気液二相状態の冷媒は、減圧装置（５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ）で蒸発器（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ）それぞれの負荷に応じてさらに減圧され、蒸発器（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ）に流れ込み、その中で周囲から熱を奪い低圧低温の蒸気状態となる。蒸発器（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ）を出た冷媒蒸気は合流し再び圧縮機５１に吸入されサイクルを繰り返す。

本実施例では、冷媒気液二相流が分配器５４によって均一な気液混合状態となるので、各減圧装置での減圧量が異なっても、等しい気液の割合で分配できる。

６１ 冷媒導入管
６２ 冷媒導出管
７１ 冷媒流入部
７２ 冷媒分流部
７３ 冷媒分配部
８１ 冷媒合流部
７２３ 導流孔

Claims (9)

1. 冷媒が流入する冷媒流入部と、
   前記冷媒流入部の冷媒流れの下流側に設けられ、内部に形成された複数の孔により冷媒を分流する冷媒分流部と、
   該冷媒分流部の冷媒流れの下流側に設けられ、前記冷媒分流部により分流された冷媒を合流する冷媒合流部と、
   該冷媒合流部と接続され、前記冷媒合流部で合流した冷媒が流出する複数の冷媒導出管と、を備え、
   前記冷媒合流部は、前記冷媒分流部で分流された冷媒が衝突する衝突面を前記冷媒分流部と対向する位置に備え、
   前記冷媒分流部により分流された冷媒は、前記衝突面に衝突した後に前記複数の冷媒導出管を流れることを特徴とする冷媒分配器。
2. 請求項１に記載の冷媒分配器において、
   前記冷媒流入部は、冷媒流れの下流側に向かうにつれて流路面積が拡大することを特徴とする冷媒分配器。
3. 請求項１に記載の冷媒分配器において、
   前記冷媒分流部には、前記複数の孔を一つに合流する合流孔が形成され、該合流孔で冷媒が合流した後に前記冷媒合流部に流れることを特徴とする冷媒分配器。
4. 請求項３に記載の冷媒分配器において、
   前記冷媒流入部は、冷媒を該冷媒流入部に導出する冷媒導入管と接続され、
   前記合流孔は、前記冷媒導入管の冷媒流れ方向と直交する前記冷媒分流部の断面の中心領域に形成されることを特徴とする冷媒分配器。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の冷媒分配器において、
   前記冷媒分流部の前記複数の孔のそれぞれの冷媒入口は、前記冷媒導入管の冷媒流れ方向と直交する前記冷媒分流部の断面の円周上に等間隔に形成されることを特徴とする冷媒分配器。
6. 請求項１〜４の何れかに記載の冷媒分配器において、
   前記衝突面は、前記冷媒分流部から該衝突面への方向に凹状に形成されることを特徴とする冷媒分配器。
7. 請求項６に記載の冷媒分配器において、
   凹状に形成された前記衝突面の冷媒流れ方向の断面図は、三角形状又は半円形状に形成されることを特徴とする冷媒分配器。
8. 請求項１〜４の何れかに記載の冷媒分配器において、
   前記冷媒合流部は、前記冷媒分流部側の面が前記衝突面から前記冷媒分流部への方向に凹状に形成されることを特徴とする冷媒分配器。
9. 圧縮機、熱交換器および減圧装置を備えたヒートポンプ機器において、
   請求項１から８の何れかに記載の冷媒分配器により分配し、前記熱交換器に流入させることを特徴とするヒートポンプ機器。