(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の孔が形成された分配部材と、
一方側から他方側へ向かって徐々に内径が大きくなり、前記分配部材によって前記他方側の口が塞がれた分配配管であって、前記一方側の口から流入した流体を前記分配部材に形成された前記複数の孔から分配して流出させる分配配管と、
前記分配配管が形成する流路の中心線に沿って移動可能に、前記分配配管内に設けられた浮子であって、前記流体の流量が多くなるほど前記分配部材の方に移動し、前記流体の流量が少なくなるほど前記分配部材の反対の方に移動して、前記分配配管が形成する流路を流れる前記流体の流速を一定とする浮子と
を備えることを特徴とする分配器。
【請求項２】
前記浮子は、前記一方側から前記他方側へ向かって徐々に断面積が大きくなる形状である
ことを特徴とする請求項１に記載の分配器。
【請求項３】
前記浮子は、前記他方側を底面とする円錐形状である
ことを特徴とする請求項２に記載の分配器。
【請求項４】
前記浮子は、前記他方側に位置する場合に前記複数の孔を覆わず、前記一方側に位置する場合に前記分配配管の内壁に接触しない大きさである
ことを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の分配器。
【請求項５】
前記分配部材は、前記分配配管における前記他方側の口と同心の円上に、均等間隔で前記複数の孔が形成された
ことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の分配器。
【請求項６】
前記分配器は、さらに、
前記分配部材に取り付けられ、前記分配配管が形成する流路の中心線に沿って設けられた棒状のガイド
を備え、
前記浮子は、前記ガイドが貫通して設けられた
ことを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の分配器。
【請求項７】
前記分配器は、さらに、
前記分配部材に取り付けられた弾性体
を備え、
前記浮子は、前記弾性体を介して前記分配部材に取り付けられた
ことを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の分配器。
【請求項８】
圧縮機の吐出側と第１熱交換器とが配管により接続され、前記第１熱交換器とエジェクタの第１入口とが配管により接続され、前記エジェクタの出口と分配器の入口とが配管により接続され、前記分配器の出口と第２熱交換器とが配管により接続され、前記第２熱交換器と前記圧縮機の吸入側とが配管により接続されるとともに、前記第１熱交換器とエジェクタの第１入口との間の分岐点と減圧機構とが配管により接続され、前記減圧機構と第３熱交換器とが配管により接続され、前記第３熱交換器と前記エジェクタの第２入口とが配管により接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備え、
前記分配器は、
前記出口となる複数の孔が形成された分配部材と、
一方側から他方側へ向かって徐々に内径が大きくなり、前記分配部材によって前記他方側の口が塞がれた分配配管であって、前記入口となる前記一方側の口から流入した流体を前記分配部材に形成された前記複数の孔から分配して流出させる分配配管と、
前記分配配管が形成する流路の中心線に沿って移動可能に、前記分配配管内に設けられた浮子であって、前記流体の流量が多くなるほど前記分配部材の方に移動し、前記流体の流量が少なくなるほど前記分配部材の反対の方に移動して、前記分配配管が形成する流路を流れる前記流体の流速を一定とする浮子と
を備えることを特徴とするヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、冷媒等の流体を分配する分配器に関する。また、この発明は、分配器を備えるヒートポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、熱交換器と接続する冷媒配管に板ばねを備えて、熱交換器の各流路へ冷媒を分配する分配器についての記載がある。この分配器は、冷媒流量に応じて変形する板ばねにより流路面積を変化させ、冷媒流量に適した攪拌効果を得ることで熱交換器の各流路へ分配される冷媒流量の均一化を図っている。
【０００３】
特許文献２には、複数の分流通路を設けた円錐台形状の回転体を内部に備えて、熱交換器の各流路へ冷媒を分配する分配器についての記載がある。この分配器は、回転体の分流通路を通って熱交換器の各流路へ分配される冷媒流量の均一化を図るとともに、低騒音化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２４６５３６号公報
【特許文献２】特開平１０−２４６５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された分配器は、冷媒の流路が流路方向に対して非対称となる。そのため、偏流が生じ、熱交換器の各流路へ流れる冷媒流量に偏差が生じてしまう。また、板ばねの根本に作用する応力により板ばねが破損する虞がある。
特許文献２に記載された分配器は、冷媒の圧力エネルギーが回転エネルギーに変換されるため、動力回収装置を備えたヒートポンプ装置では省エネルギー効果が低下してしまう。
この発明は、流体の流量が変化する場合であっても、ほぼ均等に流体を分配することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る分配器は、
複数の孔が形成された分配部材と、
一方側から他方側へ向かって徐々に内径が大きくなり、前記分配部材によって前記他方側の口が塞がれた分配配管であって、前記一方側の口から流入した流体を前記分配部材に形成された前記複数の孔から分配して流出させる分配配管と、
前記分配配管が形成する流路の中心線に沿って移動可能に、前記分配配管内に設けられた浮子と
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る分配器は、流体の流量に応じて浮子が移動し、分配配管内の流路面積が変化する。そのため、流体の流量が変化した場合における流体の流速の変化が抑えられ、流体の流動様式を一定に保つことが可能になる。その結果、流体の流量が変化した場合であっても、ほぼ均等に流体を分配することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る分配器１の平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ’断面図。
【図３】冷媒流量と浮子６の移動量との関係図。
【図４】浮子６の移動量と分配配管２内の環状の流路の流路面積との関係図。
【図５】冷媒流量と各孔９への冷媒の流入速度との関係図。
【図６】気液二相流体の流動様式線図。
【図７】スラグ流の説明図。
【図８】環状噴霧流の説明図。
【図９】実施の形態２に係る分配器１の平面図。
【図１０】図９のＢ−Ｂ’断面図。
【図１１】実施の形態３に係るヒートポンプ装置１１の構成図。
【図１２】エジェクタ１５の説明図。
【図１３】ヒートポンプ装置１１のモリエル線図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
以下の説明では、分配器１が分配する流体として、気液二相状態の冷媒を想定して説明するが、分配器１は気液二相状態の冷媒以外の流体を分配することも可能である。
【００１０】
実施の形態１に係る分配器１の構成について説明する。
図１は、実施の形態１に係る分配器１の平面図である。
図２は、図１のＡ−Ａ’断面図である。
実施の形態１に係る分配器１は、分配配管２、分配部材３、流出配管４、流入配管５、浮子６、ガイド７、ストッパー８を備える。
分配配管２は、下側から上側へ向かって徐々に内径が大きくなる配管であり、内部に円錐台形の流路を形成する配管である。分配部材３は、分配配管２の内径が大きい方の口を塞ぐように設けられる円形の板状部材である。分配部材３は、分配配管２の内径が大きい方の口と同心の円上に均等間隔で複数の孔９が形成されている。流出配管４は、各孔９に取り付けられた配管である。流入配管５は、分配配管２の内径が小さい方の口に取り付けられた配管である。浮子６は、分配配管２内において、分配配管２が形成する流路の中心線に沿って移動可能に設けられる。浮子６は、分配配管２の内径が小さい側から大きい側へ向かって徐々に断面積が大きくなる形状である。浮子６は、例えば、分配配管２の内径が小さい側を頂点とし、分配配管２の内径が大きい側を底面とする円錐形である。ガイド７は、分配部材３に取り付けられ、分配配管２が形成する流路の中心線上に設けられた棒状の部材である。ストッパー８は、ガイド７における分配部材３とは逆側の端部に設けられた部材である。
浮子６は、中心部に形成された孔をガイド７が貫通することによって、上述したように分配配管２が形成する流路の中心線に沿って移動可能となる。浮子６は、分配部材３側へ移動し、分配部材３に接する場合であっても、各孔９を完全に塞ぐことのない大きさである。また、浮子６は、ストッパー８側へ移動し、ストッパー８に接する場合であっても、分配配管２の内壁に接することのない大きさである。
【００１１】
実施の形態１に係る分配器１の動作について説明する。
分配器１は、流出配管４側を上、流入配管５側を下にして用いられる。分配器１は、流入配管５から分配配管２へ流入した冷媒を、各孔９を介して各流出配管４へ分配して流出させる。
流入配管５から分配配管２へ冷媒が流入してこない場合、浮子６はストッパー８に接する状態である。流入配管５から分配配管２へ冷媒が流入すると、冷媒により浮子６が上（分配部材３側）へ移動する。分配配管２へ流入した冷媒は、浮子６と分配配管２の内壁との間に形成される環状の流路を通って、各孔９を介して各流出配管４へ分配して流出させる。
【００１２】
図３は、冷媒流量と浮子６の移動量（浮子６のストッパー８からの移動量）との関係図である。図３において、横軸は冷媒流量を示し、縦軸は浮子６の移動量を示す。
浮子６には、冷媒圧力により下から上への力が作用し、浮子６の自重により上から下への力が作用する。そのため、浮子６は、両方の力が均衡する位置で停止する。したがって、冷媒流量が多い場合、冷媒の運動量が大きいため、下から上へ向かって浮子６に作用する力が大きくなり、浮子６の移動量は大きくなる。一方、冷媒流量が少ない場合、冷媒の運動量が小さいため、下から上へ向かって浮子６に作用する力が小さくなり、浮子６の移動量は小さくなる。
【００１３】
図４は、浮子６の移動量と分配配管２内の流路面積（浮子６と分配配管２の内壁との間に形成される環状の流路の面積）との関係図である。図４において、横軸は浮子６の移動量を示し、縦軸は流路面積を示す。
浮子６の移動量が大きくなるほど、流路面積は大きくなる。したがって、冷媒流量が多くなるほど、流路面積は大きくなる。
【００１４】
図５は、冷媒流量と各孔９への冷媒の流入速度との関係図である。図５において、横軸は冷媒流量を示し、縦軸は各孔９への冷媒の流入速度を示す。なお、図５では、浮子６を設けた場合の関係を実線で示し、浮子６を設けない場合の関係を破線で示す。
分配配管２における冷媒の速度Ｕは、冷媒の質量流量Ｗと、分配配管２内の流路面積Ａと、冷媒の密度ρとを用いて、“Ｕ＝Ｗ／（Ａ×ρ）”で表される。なお、流路面積Ａは、浮子６が設けられている場合、浮子６と分配配管２の内壁との間に形成される環状の流路の流路面積である。
浮子６を設けない場合、流路面積Ａは一定であるため、冷媒流量（質量流量Ｗ）が多くなると、冷媒の速度Ｕは速くなる。一方、浮子６が設けられている場合、上述した通り、冷媒流量が多くなるほど、環状の流路の流路面積Ａは大きくなる。そのため、冷媒流量が変化しても、冷媒の速度Ｕはほぼ一定になる。
【００１５】
図６は、気液二相流体の流動様式線図である。図６において、横軸はガスと液との流量比率を示し、縦軸はガスの質量流量を示す。なお、ガスと液との流量比率は無次元であり、ガスの質量流量の単位はｋｇ／ｍ２ｓ（ｋｇはキログラム、ｍ２は平方メートル、ｓは秒）である。
図７は、スラグ流の説明図である。図８は、環状噴霧流の説明図である。図７、図８において、白抜き部分はガス冷媒を示し、斜線部分は液冷媒を示す。
流動様式は、気液二層流における気相部分と液相部分との流れの状態を表すものである。流動様式には、図６に示すように、波状流、層状流、スラグ流、環状噴霧流、せん状流、気泡流等がある。代表的な流動様式としては、スラグ流や環状噴霧流がある。図７に示すように、スラグ流は、砲弾型の気泡と液冷媒とが不規則に流れる流動様式である。図８に示すように、環状噴霧流は、管壁面を液冷媒が流れ、管中央部をガス冷媒と液滴とが流れる。スラグ流となるか環状噴霧流となるかは冷媒の速度に強く依存し、速度が遅いとスラグ流となり、速度が早いと環状噴霧流となる。
分配器１は、上述したように、冷媒流量が変化しても、冷媒の速度をほぼ一定にすることができる。そのため、分配器１は、例えば、冷媒流量が変化しても、常に環状噴霧流とすることが可能である。冷媒が環状噴霧流となった場合、大部分の液冷媒が管壁面（分配配管２の内壁面）に沿って流れるため、液冷媒をほぼ均等に各孔９へ分配することが可能になる。
【００１６】
以上のように、実施の形態１に係る分配器１は、冷媒の流量が変化した場合であっても、液冷媒をほぼ均等に各孔９へ分配することが可能である。
また、実施の形態１に係る分配器１は、浮子６が流路抵抗となるものの、従来の分配器に比べ抵抗が小さい。そのため、実施の形態１に係る分配器１は、圧力損失が小さい。また、一般に冷媒流量が多くなると圧力損失が大きくなる。しかし、実施の形態１に係る分配器１は、冷媒流量が多くなると、浮子６が移動し流路面積が大きくなる。そのため、冷媒流量が多くなった場合における圧力損失を小さくすることができる。
【００１７】
なお、上記説明では、浮子６は、円錐形であるとした。しかし、浮子６は、例えば、円錐形の頂点付近を球面状とした形状であってもよいし、円錐台形であってもよい。また、上記説明では、浮子６は、分配配管２の内径が小さい側から大きい側へ向かって徐々に断面積が大きくなる形状であるとした。しかし、これに限らず、浮子６は、例えば、円筒形であってもよい。また、浮子６のストッパー８側の形状を流線形状としてもよい。流線形状とすることにより、冷媒が浮子６に衝突する際に発生する騒音を軽減することができる。
【００１８】
実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１に係る分配器１とは少し構成を代えた分配器１について説明する。なお、実施の形態２では、実施の形態１に係る分配器１と同様の構成については、同一の符号を付して、説明を省略する。
【００１９】
実施の形態２に係る分配器１の構成について説明する。
図９は、実施の形態２に係る分配器１の平面図である。
図１０は、図１のＢ−Ｂ’断面図である。
実施の形態２に係る分配器１は、ガイド７、ストッパー８に代えて、弾性体１０を備える点が、図１、図２に示す実施の形態１に係る分配器１と異なる。また、実施の形態１では、浮子６は円錐形であるとしたが、実施の形態２では、浮子６は頂点を球面状にした円錐形としている。浮子６は、実施の形態１で説明したように、他の形状であってもよい。
弾性体１０は、分配部材３の中心部に取り付けられており、分配配管２が形成する流路の中心線に沿って弾性変形する。図１０では、弾性体１０はバネとしているが、弾性体１０は他の弾性を有する物体であってもよい。浮子６は、弾性体１０を介して分配部材３に取り付けられる。浮子６は、弾性体１０が変形することにより、分配配管２が形成する流路の中心線に沿って移動可能である。
【００２０】
実施の形態２に係る分配器１の動作について説明する。
分配器１は、流出配管４側を上、流入配管５側を下にして用いられる。分配器１は、流入配管５から分配配管２へ流入した冷媒を、各孔９を介して各流出配管４へ分配して流出させる。
流入配管５から分配配管２へ冷媒が流入してこない場合、浮子６は自重により弾性体１０を伸ばし、流入配管５側に位置した状態となる。流入配管５から分配配管２へ冷媒が流入すると、浮子６が冷媒に押され弾性体１０を縮めて、浮子６が上（分配部材３側）へ移動する。分配配管２へ流入した冷媒は、浮子６と分配配管２の内壁との間に形成される環状の流路を通って、各孔９を介して各流出配管４へ分配して流出させる。
【００２１】
これにより、実施の形態１に係る分配器１と同様に、冷媒流量が変化しても、冷媒の速度はほぼ一定になる。そのため、分配器１は、例えば、冷媒流量が変化しても、常に環状噴霧流とすることが可能である。したがって、実施の形態２に係る分配器１は、実施の形態１に係る分配器１と同様の効果を奏する。
また、実施の形態２に係る分配器１は、浮子６の重さだけでなく、弾性体１０の弾性力により、浮子６の移動量を制御できる。そのため、例えば、浮子６の重さに対して、冷媒により浮子６に与えられる力が過大となる場合であっても、浮子６の移動量を弾性体１０で制御することができる。したがって、実施の形態１に係る分配器１よりも広い範囲の冷媒流量に対して、冷媒の均等配分をすることができる。
【００２２】
実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態１，２に係る分配器１を用いたヒートポンプ装置１１について説明する。
【００２３】
実施の形態３に係るヒートポンプ装置１１の構成について説明する。
図１１は、実施の形態３に係るヒートポンプ装置１１の構成図である。
実施の形態３に係るヒートポンプ装置１１は、冷媒が循環する冷媒回路１２を備える。冷媒回路１２は、圧縮機１３の吐出側１３ｂと放熱器１４（第１熱交換器）とが配管により接続され、放熱器１４とエジェクタ１５の第１入口１５ａとが配管により接続され、エジェクタ１５の出口１５ｃと分配器１６の入口１６ａとが配管により接続され、分配器１６の出口１６ｂと蒸発器１７（第２熱交換器）とが配管により接続され、蒸発器１７と圧縮機１３の吸入側１３ａとが配管により接続される。また、冷媒回路１２は、放熱器１４とエジェクタ１５の第１入口１５ａとの間の分岐点Ｚと膨張弁１８（減圧機構）とが配管により接続され、膨張弁１８と蒸発器１９（第３熱交換器）とが配管により接続され、蒸発器１９とエジェクタ１５の第２入口１５ｂとが配管により接続される。
ここで、分配器１６は、実施の形態１，２に係る分配器１であり、分配器１６の入口１６ａは流入配管５であり、出口１６ｂは各流出配管４である。つまり、エジェクタ１５の出口１５ｃと流入配管５とが配管により接続される。また、各流出配管４と蒸発器１７の各冷媒流路とが接続される。
圧縮機１３は、インバータ制御により、冷房負荷又は暖房負荷に応じてモータの回転数が制御され、冷媒回路１２を循環する冷媒流量が制御される。
【００２４】
エジェクタ１５について説明する。
図１２は、エジェクタ１５の説明図である。図１２では、（ａ）にエジェクタ１５の構成を示し、（ｂ）にエジェクタ１５内における冷媒の圧力変化を示す。なお、図１２（ｂ）において、横軸はエジェクタ１５の第１入口１５ａからの距離を示し、縦軸は、冷媒の圧力を示す。
エジェクタ１５は、ノズル２０、混合部２１、ディヒューザ２２を備える。ノズル２０は、減圧部２０ａ、喉部２０ｂ、末広部２０ｃを備える。
ノズル２０は、放熱器１４から流出し、第１入口１５ａから流入した高圧の冷媒（駆動冷媒、圧力Ｐｇ）を減圧部２０ａで減圧膨張させて喉部２０ｂで音速とし、末広部２０ｃで超音速として減圧、加速させる。これにより、ノズル２０は、超高速の気液二相の駆動冷媒（圧力Ｐｉ）を混合部２１へ放出する。この超高速の駆動冷媒と第２入口１５ｂの冷媒（吸引冷媒、圧力Ｐｅ）との圧力差ΔＰｓｕｃにより、吸引冷媒が吸引される。ノズル２０の出口、つまり混合部２１の入口から超高速の駆動冷媒と低速の吸引冷媒とが混ざり合い始め、互いの運動量交換により圧力が回復（上昇）する。さらにディヒューザ２２において、流路が拡大することにより、混合された冷媒が減速し、動圧が静圧に変換されて圧力が上昇する。そして、圧力が上昇した冷媒（圧力Ｐｊ）が出口１５ｃから流出する。つまり、第２入口１５ｂの吸引冷媒と出口１５ｃから流出する冷媒とには、圧力差ΔＰがある。
【００２５】
ヒートポンプ装置１１の動作について説明する。
図１３は、ヒートポンプ装置１１のモリエル線図である。図１３において、横軸は冷媒の比エンタルピを示し、縦軸は冷媒の圧力を示す。なお、図１３のａからｈまでの各点は、図１１、図１２のａからｈまでの各点と対応しており、図１１、図１２の各点における冷媒の状態を示す。また、図１３では、分配器１６を従来の分配器とした場合の状態を破線で示す。
圧縮機１３から吐出した状態ａの冷媒（高温高圧のガス冷媒）は、放熱器１４において外気との熱交換により冷却され、状態ｂになる。状態ｂの冷媒は、分岐部Ｚにおいて分流する。
分岐部Ｚで分流したうちの一方の冷媒は、膨張弁１８において減圧膨張され、状態ｃになる。状態ｃの冷媒は、蒸発器１９において外気との熱交換により加熱され、状態ｄになる。状態ｄの冷媒は、吸引冷媒としてエジェクタ１５の第２入口１５ｂへ流れる。
分岐部Ｚで分流したうちの他方の冷媒は、駆動冷媒としてエジェクタ１５の第１入口１５ａからノズル２０へ流入する。ノズル２０へ流入した冷媒は、減圧膨張され状態ｅになり、ノズル２０から放出される。状態ｅの冷媒は、混合部２１において状態ｄの冷媒と混合され、状態ｆの冷媒になる。状態ｆの冷媒は、混合部２１及びディヒューザ２２において昇圧され、状態ｇになる。状態ｇの冷媒は、分配器１６において蒸発器１７の各流路へ均等分配され、蒸発器１７において外気との熱交換により加熱され、状態ｈになる。状態ｈの冷媒は、圧縮機１３において圧縮され、状態ａの冷媒になる。
【００２６】
図１３に示すように、分配器１６へ流入する冷媒は、気液二相の冷媒である。したがって、実施の形態１で説明したように、分配器１６における冷媒の流動様式を環状噴霧流とすることで、液冷媒を均等に分配することができる。その結果、蒸発器１７における熱交換効率を高めることができる。
また、実施の形態１で説明したように、実施の形態１，２に係る分配器１は従来の分配器に比べ圧力損失が小さい。そのため、分配器１６として、実施の形態１，２に係る分配器１を用いた場合、従来の分配器を用いた場合（図１３の破線参照）と比較して、圧縮機１３が吸入する冷媒の圧力を高くすることができる。
【００２７】
以上のように、実施の形態３に係るヒートポンプ装置１１は、冷媒の流量が変化した場合であっても、蒸発器１７の各流路へ冷媒を均等に分配することができる。そのため、蒸発器１７における熱交換効率を高めることができる。また、実施の形態３に係るヒートポンプ装置１１は、冷媒の流量が変化した場合であっても、圧力損失を抑えて、蒸発器１７の各流路へ冷媒を分配することができる。そのため、圧縮機１３が吸入する冷媒の圧力を高くすることができる。
したがって、ヒートポンプ装置１１は、効率的な冷凍サイクルを構成し、省エネルギー化を図ることができる。
【００２８】
なお、上記説明では、実施の形態１，２に係る分配器１を用いたヒートポンプ装置として、エジェクタ１５を備える構成について説明した。しかし、圧縮機と、放熱器と、膨張弁と、蒸発器とが順に配管により接続され、蒸発器の入口に実施の形態１，２に係る分配器１を設けたヒートポンプ装置であっても、ある程度の省エネルギー化を図ることができる。
【符号の説明】
【００２９】
１  分配器、２  分配配管、３  分配部材、４  流出配管、５  流入配管、６  浮子、７  ガイド、８  ストッパー、９  孔、１０  弾性体、１１  ヒートポンプ装置、１２  冷媒回路、１３  圧縮機、１４  放熱器、１５  エジェクタ、１６  分配器、１７  蒸発器、１８  膨張弁、１９  蒸発器、２０  ノズル、２１  混合部、２２  ディヒューザ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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