(57)【要約】【課題】製造バラツキなどにより熱交換器に冷媒分配器を取り付ける際の取り付け角度に個体差が生じた場合や、前流のエルボなどによる偏流が生じた場合においても、偏流を解消し、設置角度が分配特性に与える影響を小さくすることによって、安定性を確保した空気調和機用熱交換器の冷媒分配器を提供する。【解決手段】流入管９と、この流入管９から分岐する複数の流出管１３１，１３２を備えた冷媒分配器において、流入管９は、平滑部１０１と、平滑部１０１より流路面積が大きく且つ内面溝構造を有する内面溝付容積部１０２で構成され、流路面積の大きい内面溝付容積部１０２で偏流を解消し、内面に設けた溝部１１により、冷媒が受ける重力よりも溝形状との作用による表面張力が支配的となるようにする。具体的には、冷媒分配器設置角度θに応じて最適な最小内径Ｄｍｉｎの流入管９と、最大溝幅Ｗｍａｘの溝部１１を構成する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒の流入管と、この流入管から分岐する複数の流出管を有する空気調和機用熱交換器の冷媒分配器において、
前記流入管は、平滑部と、この平滑部より流路面積が大きく且つ内面に溝が形成された内面溝構造を有する内面溝付容積部で構成されている
ことを特徴とする空気調和機用熱交換器の冷媒分配器。
【請求項２】
前記流入管は、重力方向軸と本冷媒分配器管軸との角度である設置角度θに応じて、管の最小内径および前記内面溝構造の最大溝幅を定める
ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機用熱交換器の冷媒分配器。
【請求項３】
前記流入管は、その最小内径をＤｍｉｎとし、その内面溝構造の最大溝幅をＷｍａｘとした場合に、前記設置角度θとＤｍｉｎおよびＷｍａｘの関係が、フロン系冷媒の場合には、θ≦９１／（Ｄｍｉｎ×Ｗｍａｘ）である
ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機用熱交換器の冷媒分配器。
【請求項４】
前記流入管は、その最小内径をＤｍｉｎとし、その内面溝構造の最大溝幅をＷｍａｘとした場合に、前記設置角度θとＤｍｉｎおよびＷｍａｘの関係が、自然系冷媒の場合には、θ≦１６６／（Ｄｍｉｎ×Ｗｍａｘ）である
ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機用熱交換器の冷媒分配器。
【請求項５】
前記流入管において、その最小内径Ｄｉで定義される中心部面積ＡＤと、その内面溝構造における１つ溝部面積ＡＷと、冷媒のボイド率αとの関係が、溝数Ｎとした場合、Ｎ≧ＡＤ／ＡＷ×（１−α）／αである
ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機用熱交換器の冷媒分配器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば家庭用のルームエアコンなどに適用される空気調和機用熱交換器の冷媒分配器に係り、特に熱交換器を効果的に作用させる空気調和機用熱交換器の冷媒分配器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、従来の空気調和機の冷凍サイクルの構成を示す図である。この図１０において、１は圧縮機である。この圧縮機１の運転動作により高温、高圧のガスとなって吐出したフロンなどの冷媒が、冷凍作用の冷房と、暖房作用のヒートポンプサイクル兼用の場合に、冷媒の流れる方向を切り替える四方弁２を介して凝縮熱交換器３の入口のＡ点に流れる。
【０００３】
凝縮熱交換器３は、家庭用空気調和機の場合の冷房運転では、室外機内の熱交換器に相当する。ここで、熱交換器は、図１１に示すように、一定間隔で並設されたフィン４０に貫通した多くの伝熱管４１が熱的、又、機械的に結合するよう構成されたクロスフィンチューブ式の熱交換器である。冷媒は、伝熱管４１内を流れフィン４０間を流動する空気と熱交換する。
【０００４】
図１０において、凝縮熱交換器３の内部を流れ、高圧状態のままで空気との熱交換により放熱した冷媒は、凝縮作用により液化し、さらに過冷却（飽和液温度よりも低温になった状態）した後に、凝縮熱交換器３の外部Ｂ点に流れ出る。そして、電動式弁などの膨張部６により、等エンタルピ膨張した後、低温、低圧で、ガスと液が混在して気液二相流となった冷媒は、蒸発熱交換器５の入口Ｃ点に流れる。
【０００５】
蒸発熱交換器５内では、空気を冷却するため、冷媒よりも高温の空気からの吸熱作用により蒸発し、冷媒の乾き度｛＝ガス質量流量／（ガス質量流量＋液質量流量）｝が増しながら流れる。そして、Ｄ点から蒸発熱交換器５の出口部Ｅ点を経て、圧縮機１に戻る閉ループを構成する。
【０００６】
ここで、蒸発熱交換器５の内部では、熱交換器内の流動抵抗による損失が熱交換器の性能低下に大きく影響する。このため、一般的に蒸発熱交換器５内は、数本のパス７１、７２の組合せ、また７３、７４の組合せで示すように並列に分岐して流すように構成される。このため、気液二相流の冷媒を分岐させる冷媒分配器８１，８２が必要となる。
【０００７】
この冷媒分岐において、数十倍の密度比を持つ液冷媒とガス冷媒が混在するために、冷媒配管の内部で気液の自由界面が生じる。このため流動が極めて不安定であり、家庭用空気調和機の場合、コンパクトな筐体内に組み込まれる冷媒配管は急な曲がりを有することもあり、偏流が生じやすい。また、冷媒分配器８１，８２での偏流を解消しても、大量生産される熱交換器において冷媒分配器８１，８２の設置角度などの個体差によるバラツキが発生すると、液冷媒が受ける重力の作用が個々に異なり、熱交換器によって液冷媒が十分に流れるパス（例として、パス７３）と、枯渇するパス（例として、パス７４）が発生してしまう。
【０００８】
冷媒が蒸発熱交換器５の途中で枯渇した場合、その部位以降の熱交換器は冷媒と空気の熱交換ができず伝熱面積が活かせずに十分な性能を発揮できず省電力化できない。そのため、冷媒分配のバラツキの問題が空気調和機全体の性能に大きなバラツキとなって現れる。
【０００９】
また、サイクルドライ方式（室内熱交換器となる蒸発熱交換器の一部を凝縮熱交換器として働かせ、それぞれの出口空気を混合することにより、室内機の吹出し温度を下げない快適性を高めた再熱除湿）などの採用により蒸発熱交換器５の途中に冷媒分配器８２を設ける必要が生じた場合は、冷媒分配器８１の位置よりも冷媒の乾き度が高く、さらに少ない冷媒液量のため冷媒分配は難しい問題となっている。
【００１０】
図１２は、図１０に示したサイクル構成をモリエル線図上で表したものである。図１２中の破線がフロン系冷媒による一般的な空気調和機用冷凍サイクルを示し、反時計回りの動作を行う。図１２では図１０とＡからＥの記号を一致させている。
【００１１】
ここで、冷媒分配の問題となるのは、Ｃ点からＥ点までの低温、低圧の蒸発熱交換器部である。等エンタルピ膨張後の冷媒は、Ｃ点で蒸発熱交換器内に流動する。このＣ点近くには、飽和液線（乾き度＝０）があるように乾き度は比較的小さく、一般の家庭用空気調和機などの場合χ＝０．２前後である。この点では、冷媒液量が多いために冷媒液に旋回成分を与えるなどの工夫により重力よりも大きな力を発生させ冷媒分配が改善される場合がある。
【００１２】
この冷媒液に旋回成分を与える発明としては数多く提案されており、特開平５−１８６３８号公報、特開平６−３１７３６４号公報、特開平７−１２４２９号公報、特開２０００−１０５０２６号公報、特開２０００−２７４８８５号公報に記載の発明がある。これらは、冷媒分配器の分岐部前流の管内面にらせん状の溝を設け冷媒の流れに旋回成分を与え、冷媒の偏流を抑えるものである。
【００１３】
また、特開平８−６８５７５号公報に記載の発明は、分流器内部に小径の管の束を、らせん状に形成することによって冷媒が旋回し、これによって撹拌が行われ、冷媒分配が改善される発明である。特開平１１−１０１５３０号公報記載の発明は、絞り効果により撹拌、混合し、均質に冷媒を分配するものである。
【００１４】
一方、特開平１０−３１８６２８号公報、特開２０００−３２０９２９号公報に記載の発明は、液に旋回成分を与えるものではなく、液冷媒の表面張力の作用により溝内部に液冷媒を引き付け冷媒の偏流抑止を図るものである。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の特開平５−１８６３８号公報、特開平６−３１７３６４号公報、特開平７−１２４２９号公報、特開２０００−１０５０２６号公報、特開２０００−２７４８８５号公報に記載の発明は、液冷媒に旋回成分を与え冷媒分配を改善するものである。しかし、液冷媒に旋回成分を与えるには、大きな運動量が必要となるが、冷媒の循環量が小さい条件では運動量が大きくない。また、熱交換器の途中に設ける冷媒分配器においては冷媒の乾き度が高く、旋回成分を与える液冷媒の量が極めて少ないために旋回流が発生しないという問題があった。
【００１６】
例えば、家庭用空気調和機で用いられているＲ４１０Ａの冷媒において蒸発圧力１３００ｋＰａ、蒸発温度１６℃、乾き度０．６５程度の分岐位置における場合には、ガス冷媒が管断面の９３％を占め、液冷媒は７％程度しか存在しない条件となってしまう。
【００１７】
そのため、図１２のＤ点で示すように、蒸発熱交換器の途中でパス７３、７４へ分岐する場合には、高乾き度用の冷媒分配器の構造が求められている。前述した特開平１１−１０１５３０号公報記載の発明は、絞り効果により撹拌、混合し、均質に冷媒を分配するものであり、高乾き度における適正分配も可能であるが、流動抵抗による損失が大きく、熱交換器の性能低下を招くという問題がある。
【００１８】
さらに、上記の特開平１０−３１８６２８号公報、特開２０００−３２０９２９号公報に記載の発明は、液冷媒の表面張力の作用により溝内部に液冷媒を引き付け冷媒の偏流抑止を図るものである。しかしながら、分配器の内部構造により表面張力を作用させ液冷媒を保持することで、偏流を抑止することができても、冷媒が分配器に流入する前にすでに偏流していた場合、これを改善することは困難であるという問題がある。
【００１９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、製造バラツキなどにより熱交換器に冷媒分配器を取り付ける際の取り付け角度に個体差が生じた場合や、前流のエルボなどによる偏流が生じた場合においても、偏流を解消し、設置角度が分配特性に与える影響を小さくすることによって、安定性を確保した空気調和機用熱交換器の冷媒分配器を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の空気調和機用熱交換器の冷媒分配器は、冷媒の流入管と、この流入管から分岐する複数の流出管を有する空気調和機用熱交換器の冷媒分配器において、前記流入管は、平滑部と、この平滑部より流路面積が大きく且つ内面に溝が形成された内面溝構造を有する内面溝付容積部で構成されていることを特徴としている。
【００２１】
また、前記流入管は、重力方向軸と本冷媒分配器管軸との角度である設置角度θに応じて、管の最小内径および前記内面溝構造の最大溝幅を定めることを特徴としている。
【００２２】
また、前記流入管は、その最小内径をＤｍｉｎとし、その内面溝構造の最大溝幅をＷｍａｘとした場合に、前記設置角度θとＤｍｉｎおよびＷｍａｘの関係が、フロン系冷媒の場合には、θ≦９１／（Ｄｍｉｎ×Ｗｍａｘ）であることを特徴としている。
【００２３】
また、前記流入管は、その最小内径をＤｍｉｎとし、その内面溝構造の最大溝幅をＷｍａｘとした場合に、前記設置角度θとＤｍｉｎおよびＷｍａｘの関係が、自然系冷媒の場合には、θ≦１６６／（Ｄｍｉｎ×Ｗｍａｘ）であることを特徴としている。
【００２４】
また、前記流入管において、その最小内径Ｄｉで定義される中心部面積ＡＤと、その内面溝構造における１つ溝部面積ＡＷと、冷媒のボイド率αとの関係が、溝数Ｎとした場合、Ｎ≧ＡＤ／ＡＷ×（１−α）／αであることを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る空気調和機用熱交換器の冷媒分配器の構成を示す図である。
【００２７】
この図１において、９は気液二相流の冷媒が流入する流入管である。１０１は流入管９の入口にある平滑部、１０２は流入管９の出口にあり平滑部１０１より流路面積が大きく且つ内面溝構造を有する内面溝付容積部である。１１は流入管９の内面溝付容積部１０２の内面に設けられた溝部である。１２は流入管９と２本の流出管１３１と１３２を結合する結合部である。なお、図１では、流出管１３１と１３２により２本のパスに分岐する構造で示したが２本よりも多いパス構成であっても構わない。図１中に冷媒分配器の軸方向の重力に対する傾斜角度θを示す。従来は、この傾斜角度θの熱交換器への取り付けにおける個体差のバラツキにより冷媒分配が大きな影響を受けていた。
【００２８】
蒸発熱交換器の一部から、乾き度の高まった冷媒は、流入管９の平滑部１０１から内面溝付容積部１０２に流入する。そして、内面溝付容積部１０２の溝部１１内の全てに等量の液冷媒が表面張力作用により引き込まれる。そして、結合部１２を経た後に２本の流出管１３１，１３２に流れ出る。
【００２９】
図２に、流入管９の内面に設けられた溝部１１の構造を示す。図２（ａ）には溝部１１の管断面を表し、紙面垂直方向に気液二相の冷媒が流動するものとする。（ｂ）には、理解しやすい様に溝部１１を拡大し、本来円弧状の管を直線に展開して表した。最小内径Ｄｉから多くの溝が掘り込まれた形状をなす。ここで、１つの溝幅の最大値を最大溝幅Ｗｍａｘと定義する。
【００３０】
図３は冷媒分配器の動作を説明するための図である。熱交換器の途中で冷媒の乾き度が高まった冷媒１４は、環状流となり管壁面に流れやすく、ガス冷媒はその中央部を高速に流れる性質を持つ。しかし、前流部に曲がりなどがあると、液膜厚さが不均一な偏流となる。そこで、冷媒１４を平滑部１０１から流路面積の大きい内面溝付容積部１０２に流入させることで、偏流は緩衝され、液膜厚さが均一となる。
【００３１】
また、内面溝付容積部１０２内に設けられた溝部１１の効果により、大量生産時に冷媒分配器設置角度θがバラツキ、重力の影響を受けやすい状況であっても、液冷媒１４は表面張力が効果的に作用する溝寸法の溝部１１内では、重力よりも表面張力効果が大きくなり、安定な冷媒分配が実現できる。
【００３２】
次に、表面張力が効果的な溝寸法を決定する。重力と表面張力との強さを表す指標として無次元数であるボンド数Ｂｏを用いる。ボンド数Ｂｏは、図２の形状寸法を用いると、下式（１）のように表すことができる。
【００３３】
Ｂｏ≡Ｄｉ×ｇ×ｓｉｎθ×（ρ１−ρｖ）／（σ／Ｗｍａｘ）　…（１）
但し、Ｂｏ：ボンド数
Ｄｉ：最小内径
ｇ：重力加速度
ρ１：液密度
ρｖ：ガス密度
σ：液冷媒表面張力
Ｗｍａｘ：最大溝幅
θ：重力方向設置角度
である。
【００３４】
上式（１）において、ボンド数Ｂｏが１よりも小さな範囲が重力作用よりも表面張力作用が大きいことになる。この結果、重力方向の設置角度θと溝寸法の関係が定まる。
【００３５】
図４は、上式（１）に物性値を代入して算出した最小内径Ｄｍｉｎ（単位：ｍｍ）と最大溝幅Ｗｍａｘ（単位：ｍｍ）の積の逆数を横軸とし、許容設置角度θ（度）を縦軸とした関係を示す図である。
【００３６】
設置角度θよりも冷媒分配器を傾けて設置した場合は、溝部１１に液冷媒１４が保持されないために、内面溝構造の効果は得られない。また、図４に、グラフ中のパラメータとして、家庭用空気調和機で多用されている代替冷媒のＲ４１０Ａの他、冷媒Ｒ４０７Ｃ，Ｒ１３４ａ，Ｒ２２，Ｒ３２と、２つの自然系冷媒ＣＯ２，プロパンの結果も示す。なお、各冷媒とも空気調和機として蒸発条件の最低温度と考えられるマイナス２０℃における物性値を用いて算出した。これよりも温度が高い条件で用いる場合には、グラフ中の線の勾配は緩やかになる。本発明においては、各冷媒の傾向を１次近似し係数として次式（２）で与えることにする。
【００３７】
θ≦Ｃ／（Ｄｍｉｎ×Ｗｍａｘ）　…（２）　冷媒Ｒ４１０Ａに関してはＣ＝８０、Ｒ３２ではＣ＝９１、プロパンではＣ＝１６６の傾きよりも、右側の範囲を本発明の特許請求の範囲とする。フロン系冷媒では、Ｒ３２のＣ＝９１を代表として用いる。また、自然系冷媒ではプロパンのＣ＝１６６を代表の係数とし、各直線の下側の領域を本発明の特許請求範囲とする。
【００３８】
図５は、本実施の形態の効果を表すもので、冷媒分配器による適正分配との偏差を適正分配に対する割合で示してある。実験条件は冷媒循環量が６２ｋｇ／ｈ、分配器入口での乾き度が０．６５である。従来の冷媒分配器（容積部なし）が適正分配の１０％もずれているのに対し、本発明の冷媒分配器（容積部あり）では２％以下に抑えることができている。
【００３９】
次に、図６に本発明の他の実施の形態１による溝部の詳細図を示す。図５までの実施の形態においては、溝部１１の形状を一般的な空気調和機用伝熱管で多用されている台形１３１としたが、表面張力作用を得るために、矩形１３２や三角溝１３３、また半円形断面１３４の溝であっても本発明の効果は達成される。なお、本実施の形態における実験は内面溝構造として図７に示すように、ネジレ角β＝０から８度のものを用いて十分な効果が得られている。一般的な伝熱管で多用されているネジレ角β＝２０度程度のものと比較すると本実施の形態の効果は、旋回流の効果ではないことが理解できるが、ネジレ角が２０度程度の場合においても本発明の効果が達成されることは言うまでも無い。
【００４０】
図８は、本発明の他の実施の形態２に係る冷媒分配器の一部断面図であり、結合部１２の断面図で示した。
【００４１】
図８（ａ）は、流入管９と流出管１３１，１３２の管端部を接触させ、間隙を無くしたＬ＝０の形状を示している。このような構成により、流入管９の内面溝付容積部１０２内の溝部１１を流れ出る液冷媒１４を流出管１３１，１３２に導き易くなる。また、図８（ｂ）に示すように、流入管９と結合部１２、また、結合部１２と流出管１３１，１３２のロウ付け精度などの製造上管端部を接触させることが難しい場合には、液冷媒１４が流出管１３１，１３２に導ける範囲で管端部を所定寸法Ｌの間隙をあけても構わない。
【００４２】
次に、図９は、本発明の冷媒分配器を冷媒配管の途中に用いた家庭用空気調和機の室内熱交換器の冷媒パス構成図である。
【００４３】
空気と冷媒とを熱交換するため、概略、上部熱交換器５０１、下部熱交換器５０２、および横流ファン１５０により構成される。冷房運転の場合は、冷媒は上部熱交換器５０１を２パスに冷媒分配器８１０により分岐して流れ、サイクルドライ弁１６０を通過するために一旦１本にまとまる。そして、下部熱交換器５０２内を２パスで流動する。
【００４４】
通常の冷房運転の場合、サイクルドライ弁１６０は全開となり、除湿運転時のみ絞り込まれる構成である。また、通常の冷房運転の場合、冷媒分配器８２０の前流部配管９００の少なくとも冷媒分配器部に近い位置を内面溝付構造にする。冷媒分配器８２０の流出管は、下部熱交換器５０２内の７３０、７４０で示す２本のパスに流れる。冷媒分配器８２０の前流部では、溝形状によって液冷媒が表面張力の作用により全て溝部１１に引き込まれる。これにより、液冷媒が受ける重力よりも表面張力が大きくなる。その結果、大量生産時の熱交換器において、分配器自体の重力方向の設置角度に対して、多少個体差を持って設置された場合においても分配特性の安定性が高まる。
【００４５】
なお、図８までで説明した発明において、冷媒分配器８２０からの冷媒の流れ方向を重力方向に対して冷媒の流れが上昇流となる構成で示したが、流出管が下側の配置となる下降流であっても本発明の効果は達成される。また、本発明の構造では、絞りなどの大きな流動抵抗はほとんどないため、圧力損失による性能低下を抑止することができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、前流部の冷媒配管における曲がりなどによる偏流が生じた場合や、製造バラツキなどにより熱交換器に冷媒分配器を取り付ける際の取り付け角度に個体差が生じた場合においても、偏流を解消し、設置角度が分配特性に与える影響を小さくすることによって、安定性を確保し、圧力損失によ看性能低下を抑止した冷媒分配器を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る空気調和機用熱交換器の冷媒分配器の構成を示す図である。
【図２】上記冷媒分配器の流入管の内面に設けられた溝部の構造を示す図である。
【図３】上記冷媒分配器の動作を説明するための図である。
【図４】上記流入管の最小内径Ｄｍｉｎと最大溝幅Ｗｍａｘの積の逆数を横軸とし、許容設置角度θを縦軸とした関係を示す図である。
【図５】本発明と従来の冷媒分配器による適正分配との偏差を適正分配に対する割合で示す図である。
【図６】本発明の他の実施の形態１に係る冷媒分配器における溝部の構造を示す図である。
【図７】上記流入管における内面溝展開図である。
【図８】本発明の他の実施の形態２に係る冷媒分配器の一部断面図である。
【図９】本発明の冷媒分配器を冷媒配管の途中に用いた家庭用空気調和機の室内熱交換器の冷媒パス構成図である。
【図１０】従来の空気調和機の冷凍サイクルの構成を示す図である。
【図１１】従来の空気調和機の熱交換器の構成を示す外観斜視図である。
【図１２】従来の空気調和機の冷凍サイクルを表したモリエル線図である。
【符号の説明】
１　圧縮機
２　四方弁
３　凝縮熱交換器
５，５０１，５０２　蒸発熱交換器
６　膨張部
９，９００　流入管
１１　溝部
１２　結合部
１４　液冷媒
４０　フィン
４１　伝熱管
７１，７２，７３，７４　冷媒パス
８１，８２，８２０　冷媒分配器
１０１　平滑部
１０２　内面溝付容積部
１３１，１３２　流出管
１５０　横流ファン
１６０　サイクルドライ弁
θ　冷媒分配器設置角度
【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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