| 【発明の名称】 |
冷媒分流器 |
| 【発明者】 |
【氏名】佐々木 重幸
【氏名】工藤 光夫
【氏名】久保田 淳
【氏名】鹿園 直毅
【氏名】長澤 喜好
【氏名】松尾 一也
【氏名】小暮 博志
【氏名】森本 素生
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| 【要約】 |
【課題】分流器の姿勢が変化した場合においても、安定した分配特性が得られ圧力損失が小さく、さらに製造コストが安価な冷媒分流器構造の提供。
【解決手段】流入管と、この流入管から分岐する複数の流出管を備え、内面に複数の微細な溝を設けた冷媒分流器において、流入管の中心軸と流出管の中心軸とのなす角度を直角よりも大きくする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】流入管と、この流入管から分岐する複数の流出管を備え、内面に複数の微細な溝を設けた冷媒分流器において、流入管の入口部の中心軸と流出管の入口部の中心軸とのなす角度が直角よりも大きいことを特徴とすることを特徴とする冷媒分流器。
【請求項２】内面の複数の溝は管軸方向に平行または螺旋状の溝、または異なる方向の溝群の複合であることを特徴とする請求項１記載の冷媒分流器。
【請求項３】内面に微細な溝を設けた管と、流出管との接合部品をプレス成形品または削り出し品で構成することを特徴とする請求項１記載の冷媒分流器。
【請求項４】少なくとも２本以上の流出管は、同一流路断面積または異なる断面積の管で構成することを特徴とする請求項１記載の冷媒分流器。
【請求項５】内面に微細な溝を設けた管部が、入口部と出口部で異なる流路断面積を有することを特徴とする請求項１記載の冷媒分流器。
【請求項６】内面に微細な溝を設けた管部が、入口部から出口部に至るまでに管軸が曲がっていることを特徴とする請求項１記載の冷媒分流器。
【請求項７】内面に微細な溝を設けた管部の溝深さ、溝幅の一方、または両方が入口部と出口部で異なる寸法であることを特徴とする請求項１記載の冷媒分流器。
【請求項８】内面に微細な溝を設けた管部は、転造または電縫型の熱交換器用伝熱管であることを特徴とする請求項１記載の冷媒分流器。
【請求項９】流入管と、この流入管から分岐する複数の流出管を備え、内面に複数の微細な溝を設けた冷媒分流器において、内面に微細な溝を有する管の流路断面の円周上に流出管の開口部を配置したことを特徴とする冷媒分流器。
【請求項１０】内面に微細な溝を設けた管部は、転造または電縫型の熱交換器用伝熱管であることを特徴とする請求項９記載の冷媒分流器。
【請求項１１】流入管と、この流入管から分岐する複数の流出管を備え、内面に複数の微細な溝を設けた冷媒分流器において、内面に微細な溝を有する管の流路と同一方向に開口部を有する流出管を設けたことを特徴とする冷媒分流器。
【請求項１２】内面に微細な溝を設けた管部は、転造または電縫型の熱交換器用伝熱管であることを特徴とする請求項１１記載の冷媒分流器。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍サイクルを伴う空気調和機等に用いられる熱交換器に係り、その冷媒分流器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より用いられてきた家庭用空調機の室内機断面構造を図１２示す。室内機１０は、アルミ製の薄板材をプレス加工し、複数枚を所定の間隔で並べたフィン１１を銅製の伝熱管１２が貫通した熱交換器１３と、このフィン１１間に空気を流動させるための風量を発生させる貫流ファン１４、筐体１５などにより構成される。
【０００３】伝熱管１２内にフロン系冷媒等を封入した冷凍サイクルを構成し、温度差のある冷媒と空気を熱交換することにより、冷房や暖房また除湿等の室内の空調作用ができる。なお冷媒は、伝熱管１２内を流れるに伴って蒸発、凝縮等の相変化をし、気液二相の状態が伝熱管方向に変化しながら流れる。このとき、気液二相流の状態の指標となる冷媒乾き度［＝気相の質量流量／(気相＋液相の質量流量）］が変化する。
【０００４】熱交換器１３内を流れる冷媒は、特に熱交換器１３を蒸発作用させる場合（室内機が冷房や除湿運転条件）において、伝熱管内の冷媒の所定の蒸発、強制対流熱伝達率を確保した上で、冷媒流動時の圧力損失をできるだけ低減させることが性能向上の上で望ましい。
【０００５】このため熱交換器を設計する場合、伝熱管１２内の管内流速をある程度の値に保持しながら、複数の冷媒流路（以下、冷媒パス）に分けて流すことが行われる。このような、１本あるいは少ない本数の冷媒配管を多くの配管に分流させる構造として冷媒分流器が必要となる。
【０００６】一般に、水や空気等の液体やガスの単相流（冷媒の場合は、乾き度が０か１）は、出口部でオリフィス等により圧力損失の差を支配的な大きさにすることにより比較的容易に流体を分配させることができる。
【０００７】しかし、冷凍サイクルに用いるフロン系冷媒は、熱交換器内を数十倍異なる密度比の冷媒蒸気と冷媒液が混在した気液二相となって流れる。そのため、熱交換器を設計する上で、複数本の伝熱管への冷媒の分配は難しい問題となっている。また、最近の空気調和機の省エネ化推進のため、熱交換器の高性能化，小型化、また環境へ配慮し省冷媒化の観点から伝熱管を細くする動きがあり、必然的にパス数も増える傾向にある。
【０００８】一方、冷媒分流器には複数の冷媒配管に均一に冷媒を流すことが必ずしも最適とはならない場合もある。これは、図１２に示す室内機において、背面熱交換器１３ｂから前面熱交換器１３ａに冷媒を導こうとした場合、貫流ファン１４と前面熱交換器１３ａとの位置関係や筐体１５構造により、図１２中の矢印で示すように、中パス部分での風速が他の、上や下パス部の熱交換器部に比べて大きいことがある。この場合、中パス部分に冷媒を多く流すことが性能向上の点から効果的である。
【０００９】また、図１２では各パスの伝熱管本数を８本に揃えた構成で示したが、熱交換器の構成上、各パスの伝熱管本数に違いがある場合などにも、すべての伝熱管を効果的に作用させるために最適な冷媒分配比率が存在する。
【００１０】ところで、この気液二相流を分配するため、気体と液体を混合し均質な流れとすることにより単相流的な扱いができるとした従来の発明に特開平7―12429号公報等の発明がある。均質な流体とするための駆動力として、冷媒の運動量を利用したもので、内面に比較的大きな溝形状または凹みを設けた配管内に冷媒を流すことにより、管壁面近傍では溝部に沿って冷媒が流れ、管軸方向に旋回する二次流れを生じる。この旋回する流れによって冷媒を均質化しようとする発明である。
【００１１】また、内面に溝または凹みにより生じた旋回流によって、出口配管での冷媒流速および流量の均一化を図ろうとする発明として特開平5―18638号公報等の発明がある。
【００１２】さらに、冷媒媒液に旋回流を与え遠心力により環状流化し、冷媒液を円周方向に均一な厚さとして分岐させようとする従来の発明として特開平6―317364 号公報等の発明がある。
【００１３】以上の発明においては、冷媒に旋回成分を与えるために圧力損失が増大し、冷凍サイクルにおける圧縮機に多くの負担がかかる。また、圧力損失の増大により冷房時の性能が低下するという問題がある。
【００１４】ところで、分岐後の冷媒質量流量の差によらず冷媒乾き度を均一にしようとする一例として、入口部における冷媒の二相状態の流動様式を環状流化することにより出口冷媒の乾き度が出口質量流量比の影響を受けにくいことがInternational Journal of Maltiphase Flow第１５巻、９６５―９７５頁に記述されている。
【００１５】この、環状流を形成するため流入管内面に微細な溝を設け、溝内部での表面張力作用を用いて環状流を形成しようとした発明に図１０記載の特開平10―318628号公報の発明がある。これは、図１０に示す構造において、入口部の流入管２１内部に設けた微細な溝５１内に冷媒液が、表面張力の作用により引き込まれ、液が管壁に張り付いて流れる環状流になりやすい。そして、環状流化した冷媒を分岐させ流出管３１より流出させようとする構成である。
【００１６】図１１にこの作用を図示化する。図１１（ａ）には２本の分岐管を備えた冷媒分流器の断面構造を示す。図１１（ａ）では環状流の液冷媒１１が重力作用等の影響により不均一を生じる。そこで、（ｂ）に示すように流入管内の微細な溝により液膜厚さの均一（δ１＝δ２）な冷媒液１１の環状流の流動様式を形成しようとするものである。
【００１７】しかしながら、一般的な家庭用空調機等で使用される冷媒循環量は数１０kg/h程度必要であり、冷媒の運動量が比較的大きい。そのため、図１１（ｂ）に示すように流入管から流出管への連通部に至る管壁６１で液と蒸気が激しく衝突し混ざり合うためことが想像され、微細化した気液が再び混合されるため流出管３１での分配特性は改善されないと考えられる。これは、流出管内または流入管から流出管に至る連通管６１に微細な溝を形成したとしても、改善されるものではないと想像する。さらに、液冷媒の衝突により圧力損失が増大する構造であるという問題があった。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようとする課題は、分流器の姿勢が変化した場合においても、安定した分配特性が得られ圧力損失が小さく、さらに製造コストが安価な冷媒分流器構造を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するために、本発明による冷媒分流器は、流入管と、この流入管から分岐する複数の流出管を備え、内面に複数の微細な溝を設けた冷媒分流器において、流入管の中心軸と流出管の入口部の入口部中心軸とのなす角度を直角よりも大きくするものである。
【００２０】さらに、内面の複数の溝は管軸方向に平行または螺旋状の溝、または異なる方向の溝群の複合とするものである。
【００２１】さらに、内面に溝を設けた管と流出管との接合部品をプレス成形品または削り出し品で構成するものである。
【００２２】さらに、少なくとも２本以上の流出管は、同一流路断面積または異なる断面積で構成するものである。
【００２３】さらに、内面に微細な溝を設けた管部が、入口部と出口部で異なる流路断面積を有するものである。
【００２４】さらに、内面に微細な溝を設けた管部が、入口部から出口部に至るまでに管軸が曲げるものである。
【００２５】さらに、内面に微細な溝を設けた管部の溝深さ、溝幅の一方、または両方が入口部と出口部で異なる寸法とするものである。
【００２６】さらに、内面に微細な溝を設けた管部は、転造または電縫型の熱交換器用伝熱管とするものである。
【００２７】さらに、流入管と、この流入管から分岐する複数の流出管を備え、内面に複数の微細な溝を設けた冷媒分流器において、内面に微細な溝を有する管の流路断面の円周上に流出管の開口部を配置するものである。
【００２８】さらに、流入管と、この流入管から分岐する複数の流出管を備え、内面に複数の微細な溝を設けた冷媒分流器において、内面に微細な溝を有する管の流路と同一方向に開口部を有する流出管を設けるものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の内容を図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明による冷媒分流器を示す。気液二相状態の冷媒１が流入する流入管２と複数の流出管３を備え、分流器４の内面には複数の微細な溝５が設けられている。分流器４と流出管３は接続部６を介してロウ付けにより接合される。流入管２より流入する気液二相流の冷媒１は、分流器４内部に導かれ、複数の流出管３内を流れ分流器全体から流出される。
【００３０】なお、分流器４の中心軸と流出管３の中心軸は、角度Φにより接合され、角度Φは直角（９０度）よりも大きいことが本発明の特徴である。
【００３１】図２を用いて分流器４内部の流れを説明する。図２は、冷媒分流器４の管断面を冷媒流入管２側から見たものである。冷媒は紙面の手前から奥方向に向かって流れる。流入管より流入した冷媒は、冷媒液が分流器４内を流動する際、管壁との接触を繰り返すうちに、表面張力作用により微細な溝５内に引き込まれる。
【００３２】ここで、溝の寸法は主に溝幅Ｗｇの寸法により冷媒が表面張力作用を受けるため、微細な溝である方が望ましい。また、溝深さHgと溝幅Wgおよび溝数Ｎで規定される容積の方が冷媒液の体積流量から算出される単位時間当たりの冷媒液体積よりも大きい方が溝内部に完全に冷媒液が引き込まれるため冷媒液が安定に流動する。冷媒液が外周部の溝内に引き込まれるため、分流器４の中心部分は冷媒蒸気のみが流れる領域となる。冷媒液はこの冷媒蒸気とのせん断力が駆動力となって微細な溝５内を冷媒流出管３方向に導かれる。
【００３３】冷媒流出管３の開口部３′が分流器４と同一方向、紙面垂直方向に開口して配置しているため、冷媒液の気相と液相が混合されることなく流出管３内に安定に導かれる。表面張力が支配的に作用して冷媒を環状流化するため、分流器４の設置角度による重力の作用を受けずに各溝内の冷媒量が均一化し流出管から流出する。その結果、安定した分配特性が得られる。また、液冷媒の衝突が少ないため、圧力損失の増大を防ぐことができ冷房時の性能の低下を抑えることができる。さらに、構造の簡単な部品で冷媒分流器を構成するため製造コストが安価である。さらに、複数の流出管３の開口部３′に占有する溝数Ｎに応じて所定の比率で冷媒を分配できる。
【００３４】なお、図２（ａ）のように各流出管の開口部３′は占有する溝数が少ない場合よりも図２（ｂ）のように多くの溝数を占有する方が、冷媒液が接続部６の壁面に衝突する部位が減るため、さらに良い分配特性結果が得られる。
【００３５】図３は、図１における発明において分流器４内部の溝を流れ方向に螺旋状に形成したものである。図３の構造における螺旋溝は、微細な寸法であり冷媒に旋回成分を与える程の大きさではない。流入管２と分流器４との接合部２′において、拡管または絞り等の塑性加工を行う上での剛性を高め、分流器４の拡管割れ等の不具合を防ぐ目的である。
【００３６】図４は、本発明における他の実施例を示し、冷媒分流器４と流出管３との接合部６を示す。接合部６の流出管挿入部６′に流出管を入れ、分流器４と共に隙間が生じないようにロウ付けする。接合部６は、図のように板材をプレス加工した構成であっても本発明の効果は達成され非常に安価に製造できる。すべてロウ付けでなく、密閉性が保持できればネジ接合式であっても構わない。
【００３７】図５は、接合部６を削り出しにより製作したもので、図４におけるプレス成形品では、寸法交差による製造ばらつきがあり、分配特性に悪影響を与える場合には効果がある。
【００３８】図６は、本発明の他の実施例を示す。図１から図４における発明では、図６（ａ）に示すように分流器４に対して３本の流出管３で示したが、図６（ｂ）では５本の例で示すように２本以上の流出管３を備える場合すべてに本発明は適用できる。図６（ｃ）は、複数の流出管３の径が異なっている場合であり、このような構成であっても本発明は達成される。またこの場合、開口部の流路断面積を変えることにより占有する微細な溝の数を流出管ごとに個々に変えられるため、流出管３における冷媒の分配比率をあらかじめ設定することができる。
【００３９】図７は本発明の他の実施例を示し、分流器４と流入管２との接合部４′では細く、流出管接続部４″では太くした（ΦＤout＞ΦＤin）ものである。このような構成により流出管３の本数が多い場合にも本発明を適用できる。
【００４０】図８は、本発明の他の実施例を示し、分流器４を途中で角度θ曲げて構成したものである。冷媒液は、溝５内部に引き込まれているため、分流器４を曲げても冷媒液には表面張力が支配的に作用するため、曲げ部における遠心力の作用を受けにくく安定した分配特性が得られる。図８のような構成により、高密度実装化が進む家庭用空気調和機の室内機内部での分流器の実装の自由度が増す。
【００４１】図９は、本発明の他の実施例を示し、分流器４内部での流れ方向に溝深さＨｇに変化を持たせたものである。入口部での溝深さを出口部でのそれよりも低くしている。このような構成により、図１の発明よりも分流器４の管軸方向の入口部から流出部に至る間に順次溝内に冷媒液が引き込まれるため、各溝内には安定を保ちながら等量の冷媒液が引き込まれてゆく。また、図９では溝深さを変化させているが、溝幅Ｗｇを変化させることでも本効果は達成される。
【００４２】以上の発明において、冷媒分流器４内面のみ微細な溝５を設けた構成で示したが、流出管３内面に微細な溝を設けた場合においても本発明の効果は達成される。この場合、流出管３が曲がって配置される場合に液冷媒が流出管の管壁で衝突した際の液の飛び散りを抑制でき、より低い圧力損失の冷媒分流器構造となる。
【００４３】
【発明の効果】本発明によれば、分流器の姿勢が変化した場合においても、安定した分配特性が得られ圧力損失が小さく、さらに製造コストが安価な冷媒分流器を構成できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
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| 【出願日】 |
平成１１年５月６日（１９９９．５．６） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７５０９６
【弁理士】
【氏名又は名称】作田 康夫
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３２０９２９（Ｐ２０００−３２０９２９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１１月２４日（２０００．１１．２４） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１２５５８０ |
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