JP3435626B2 - 空気調和機 - Google Patents
空気調和機Info
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Description
膨張弁、蒸発器を冷媒配管で連結した冷凍サイクルを形
成する空気調和機に係り、特に膨張弁で発生する冷媒流
動音を低減するのに好適な空気調和機に関する。
体内に小径の冷媒通路とこの冷媒通路の開口面積を絞り
調節する弁を持つ。絞られた開口面積は非常に狭く、こ
の狭い開口部分に気泡混じりの液冷媒が流入した場合、
その気泡によって冷媒の流れが一時的に阻止されるが、
その気泡が開口を通過した後、気泡が存在しない液冷媒
が開口に流入することで冷媒の流れが円滑化される。
脈動を伴う圧力変化が生じ、冷媒流動音が発生する。ま
た冷媒の流れが、気泡混じりの状態を気液二相流とよぶ
が、気液二相流において発生する冷媒流動音を低減すべ
く、次のような提案が特開平7−146032号公報に
示されている。
ることによって冷媒流量を調節する膨張弁において、次
の5つの膨張弁を提案している。
態を、微小な気泡に細分化状態にする手段を設けること
を特徴とする膨張弁。
管を数本通して配した膨張弁。
を、段階的に変えて階段形状としたオリフィスを配した
膨張弁。
を配置し、また円錐形状のオリフィスの内周にネジ切り
溝を配した膨張弁。
し、多層構造のオリフィスに防振材を配してなる膨張
弁。
032号公報に開示された技術では、膨張弁前後にオリ
フィス等を配置することで膨張弁に流入する冷媒の流れ
を改善し、急激な圧力脈動を伴う圧力変化を減衰させ、
圧力脈動により発生する冷媒流動音の低減が見込まれ
る。
続配管側のオリフィス形状を円錐にしたり、膨張弁の接
続配管側に多孔体および極細の管などを配置しているだ
けであって、膨張弁の絞り部側のオリフィスの形状が改
善されていない。そのため膨張弁の絞り部を通過し下流
側のオリフィスへ流出する冷媒が、直接オリフィス等の
端面に衝突してしまい冷媒の流れが乱れ、冷媒流動音
(衝突音)が発生する問題がある。
(弁棒)と非常に距離が近く、冷媒通路の内径を絞った
場合には冷媒の流速が急激に上がるために、直接冷媒が
膨張弁の弁棒に大きな力で衝突する。これにより弁棒を
振動させ異音が発生する問題がある。特に膨張弁の弁棒
に対して冷媒が水平に流入する場合には大きな振動とな
ることが多く、弁棒の損傷等も懸念される。
しくは段階的に変えているだけで、膨張弁の弁棒に対す
る冷媒の流入方向および冷媒の流速と乾き度等を考慮し
ていない。これでは冷媒が気液二相流の、気体と液体の
混合比(乾き度)、流れ方向、気体と液体の流速によって
大きく流動状態が異なる場合に対応できない。例えば空
気調和機の流量範囲において冷媒循環量が変化し、乾き
度が小さく、気体と液体の流速が低い場合には、気体と
液体が分離して流れるため大きな気泡が存在するチャー
ンフローやプラグフローといった流動形態となり間欠的
な冷媒流動音が発生する問題がある。
記(1)の膨張弁では、膨張弁前後に出入りする冷媒流
動状態を、微小な気泡に細分化状態にする手段として多
孔体を設けるているが、その多孔体自体が冷媒の流れを
阻止するため、かなり大きな抵抗となり理想的な冷凍サ
イクル状態にならずに、冷媒の流動状態の悪化が懸念さ
れる。また多孔体を設けることで冷凍サイクル内にゴミ
等の不純物が混入した場合、多孔体では不純物が詰まり
やすく、冷媒の流れを阻止する恐れがある。
列に配置した極細の管を数本通して配置しているが、極
細の管では上記(1)の多孔体と同様の問題が考えられ
る。さらに極細の管の設置が困難であり、設置のバラツ
キや固定不足による振動および異音の発生も懸念され
る。
リフィス部の内径を、段階的に小さくして階段形状とし
たオリフィスを配置しているが、オリフィス部の内径を
段階的に変えた場合、オリフィスの接続配管側内径と接
続配管の内径差が小さいため、冷媒通路内のエッジ(各
段の面)が小さくなる。このため冷媒通路内の小さなエ
ッジでは、気液二相流の冷媒状態に存在する気泡が壊さ
れることなく微細化されずに通過してしまう。すなわち
冷媒中の気泡が段階形状としたオリフィスの中心部の孔
をそのまま通過することが多く、流れの改善効果が低
い。
錐形状のオリフィスを配置し、また前記円錐形状のオリ
フィスの内周にネジ切り溝を配置しているが、冷媒の流
れの中に大きな気泡が断続的に存在しているチャーンフ
ローやプラグフローとよばれる流動形態では、ネジ切り
溝に沿って冷媒をスムーズに導くことは困難であり、逆
にネジ切り溝によって冷媒の流れを乱すことが懸念され
る。
造のオリフィスとし、多層構造のオリフィスに防振材を
配置しているが、膨張弁の接続配管と多層構造のオリフ
ィスの接する部分に防振材があるため、膨張弁と接続配
管との剛性が大きく低下して、膨張弁自体を振動させる
恐れがあり、また振動の固有値により配管振動が大きく
なるという問題がある。
媒状態に密接に関係しており、特に冷媒の流れの中に大
きな気泡が断続的に存在しているチャーンフローやプラ
グフローが膨張弁に流入する場合、急激な圧力脈動を伴
う圧力変化も大きいため、間欠的に大きな冷媒流動音が
発生する。
の気液二相流の冷媒状態が原因で膨張弁から間欠的に発
生する冷媒流動音を低減する空気調和機を提供すること
にある。
に、本発明の空気調和機は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、
蒸発器を冷媒配管で連結して、気液二相流の冷媒を用い
る冷凍サイクルを形成する空気調和機において、(1)膨
張弁は、弁体と、この弁体内で上下に摺動可能な弁棒
と、弁体側面に形成された入口から弁棒までこの弁棒に
直交して延びる水平流路と、弁棒先端に対向する弁座
と、弁座から弁体面に形成された出口に至る垂直流路
と、水平流路入口に接続された入り側継ぎ手管と、垂直
流路出口に接続された出側継ぎ手管とから構成し、(2)
入り側継ぎ手管にオリフィスとオリフィスから末広がり
のテーパ穴を有する入り側オリフィス管をテーパ穴が膨
張弁側に位置するように接続し、出側継ぎ手管にオリフ
ィスとオリフィスから末広がりのテーパ穴を有する入り
側オリフィス管をテーパ穴が膨張弁側に位置するように
接続して入り側オリフィス管及び出側オリフィス管と弁
棒との距離をとり、入り側オリフィス管には冷房サイク
ル時に上流側となる冷媒配管を、出側オリフィス管には
下流側となる冷媒配管をそれぞれ接続し、かつ(3)入り
側オリフィス管のオリフィス径を出側オリフィス管のオ
リフィス径より大きくして弁棒に直交して流入する冷媒
の流速を落とすようにしたことを特徴とする。
径は、空気調和機おける流量範囲内で存在する気液二相
流のガス流速と液流速の比率により規定されるアニュラ
ーフローまたはバブルフローになるように選定すること
が好ましい。
継ぎ手管内に嵌入し、上流側冷媒配管をオリフィス管の
オリフィス側から継ぎ手管にわたって覆うように取り付
けて接合継ぎ手を構成してこの接合継ぎ手部をろう付け
し、また出側オリフィス管と出側継ぎ手管と下流側冷媒
配管の間に同様の接合継ぎ手を構成しろう付けすること
により、オリフィス管を配管内に固定することが好まし
い。
図面を参照して説明する。まず、本発明にかかる空気調
和機の冷凍サイクルについて図2を用いて説明する。冷
凍サイクルは、圧縮機1、四方弁2、室外熱交換器3、
膨張弁4、分流合流器8および室内熱交換器5を配管
6、7、11a、11b、11c、11d、分流管9
a、9b、9c、9d、で接続して構成されている。な
お、本実施の形態では膨張弁4と分流合流器8との間の
配管7は、ストレーナとオリフィス管を配管内に有する
ものである。
高温高圧のガス冷媒は、四方弁2を介して室外熱交換器
3に供給され、室外熱交換器3にてファン10aで送ら
れる空気によって冷却されて凝縮し、高圧の液冷媒とな
る。この液冷媒が膨張弁4に流入し、室内熱交換器5に
てファン10bで送られる室内空気から熱を奪い蒸発し
てガス冷媒となる。このガス冷媒は、四方弁を介して再
び圧縮機1に戻る。一方、暖房運転時には四方弁2で冷
媒の流れを逆方向にする。すなわち、冷媒は圧縮機1、
四方弁2、室内熱交換器5、膨張弁4、室外熱交換器
3、四方弁2、圧縮機1の順に流れる。
流入するが、空気調和機の運転条件や室内外の空気温度
条件により、また室内機と室外機との接続配管が長い場
合その圧力損失により、冷房運転時では室外熱交換器3
で、暖房運転時では室内熱交換器5で完全に凝縮しきれ
ずに、気液二相流状態の冷媒になる場合がある。さらに
室内熱交換器5の大きさ等により、分流合流器8と室内
熱交換器5を結ぶ分流管9の本数が多くなる場合、各分
流管9の冷媒流動状態および乾き度等が均一になりにく
く、冷媒分配の悪化がみられる。
に密接に関係しており、特に冷媒の流れの中に大きな気
泡が断続的に存在しているチャーンフローやプラグフロ
ーが膨張弁4に流入する場合、急激な圧力脈動を伴う圧
力変化も大きいため、間欠的に大きな冷媒流動音が発生
する。
分が、図2の破線で囲んだ部分12であり、図1にその
詳細を示す。図1は本発明の空気調和機を特徴づけるオ
リフィス管を備えた、膨張弁回りの流路構造を示す図で
ある。図1中の破線で囲んだ部分が膨張弁4である。膨
張弁4は、弁体16と、弁体16内で上下に摺動する弁
棒17と、弁体16上に設置され弁棒17を駆動するモ
ータ15と、弁体16の側面に形成された入口から弁棒
17までこの弁棒17に直交して延びる水平流路16a
と、水平流路16aとつながり弁棒17先端に対向する
弁座16bと、弁座16bから降下して弁体16下面の
出口に至る垂直流路16cと、水平流路16a入口に入
り側継ぎ手管としての継ぎ手管13を介して接続された
入り側オリフィス管としてのオリフィス管20と、垂直
流路16c出口に出側継ぎ手管としての継ぎ手管14を
介して接続された出側オリフィス管としてのオリフィス
管21と、から構成されている。オリフィス管20には
上流側の配管6が接続され、オリフィス管21には下流
側の冷媒配管7が接続されている。なお、上記の上下流
及び出入口は冷房サイクルにおける冷媒流れに対応する
ものである。暖房サイクルでは冷媒流れは逆方向となる
ので、上下流および出入口はそれぞれ互いに反対とな
る。図1において、冷媒は、冷房運転時には配管6側か
ら流入し、暖房運転時には配管7側から膨張弁4に流入
している。また、配管7には冷媒流動音の低減効果を向
上させるため、ストレーナ22、オリフィス部材18、
19を設置している。
4に接続されている配管は、図1に示すように、配管の
曲がり部分が必ず存在する。また配管の設置スペース上
の制約から配管の曲がり部分の曲率半径が非常に小さい
場合がある。この時、配管の曲がり部分で流れる冷媒の
流動形態が変化して、特に気液二相流では曲がり部分に
気泡が滞留する。また配管の曲がり部分の曲率半径が非
常に小さい場合には冷媒の流れを阻害しやすくなり、曲
がり部分に滞留した気泡が大きくなり、それが液冷媒に
より押し出され圧力変動および流量変動を生じさせる。
この圧力変動および流量変動を受けた乱れた冷媒が、膨
張弁4の弁座16b/弁棒17間の絞り部に流入する
と、間欠的な冷媒流動音が発生する。そのため配管の曲
がり部分の曲率半径を大きくするか、曲がり部分後の直
線配管を長くして、流れを改善することが望ましいがス
ペース上不可能な場合が多い。
れる継ぎ手管13と冷媒配管6との間にオリフィス管2
0を、また膨張弁4出口に接続される継ぎ手管14と冷
媒配管7の間にオリフィス管21を設置する。オリフィ
ス管20は、接続されている配管6、7の内径より一段
と絞られたオリフィス20aと、それに続くテーパ穴2
0bを有している。オリフィス管21も同様にオリフィ
ス21aおよびテーパ穴21bを有している。そしてオ
リフィス管20、21は、テーパ穴が膨張弁4の弁座1
6b/弁棒17間の絞り部側になるように、配置され
る。
リフィス管20を通過する際に、冷媒通路を管6内径か
ら一段絞ったオリフィス20aの口をのぞかせ、大きな
表面積をもつ先端面により、気泡が壊され微細化する。
さらに、オリフィス20aにおいて冷媒流路の断面積を
減少させることにより冷媒の流速を上げ、管内壁側に液
相が、そして管中心付近に気相が存在するアニュラーフ
ローの形態に移行することができ、気泡の均一化を促進
する。これは冷媒の流れの中に大きな気泡が断続的に存
在しているチャーンフローやプラグフローとは異なり、
微細な気泡が均一に連続的に存在しているため、圧力変
動が小さくなり膨張弁4を通過する際の間欠的な冷媒流
動音を低減することができる。またオリフィス20aで
改善された冷媒の流れが乱れぬ内に、オリフィス20a
に続くテーパ孔20bによってスムーズに膨張弁4の弁
座16b/弁棒17間の絞り部へ供給することができ効
果が大きい。逆に、膨張弁4の絞り部から下流側のオリ
フィス21へ流出する冷媒は、オリフィス管21の端面
に衝突することなく、入口面積の大きいテーパ孔21b
により導かれるため、冷媒の衝突音を緩和することがで
きる。
4に接続されている冷媒配管6、7と膨張弁の継ぎ手管
13、14の間に設置することにより、オリフィス20
a、21aと膨張弁4の絞り部(弁棒17)との距離が
とれ、「冷媒通路の内径を絞った場合、急激な冷媒の流
速アップにより、直接冷媒が膨張弁4の弁棒17に大き
な力で衝突する」という問題を解決することができ、弁
棒17からの振動および異音をなくすことができる。
リフィス径を、膨張弁4への冷媒の流入方向により変え
たことを示す。前述のように、膨張弁4の弁棒17に対
して冷媒が水平に流入する場合には大きな振動となるこ
とが多いため、膨張弁4の弁棒17に対して冷媒が水平
に流入する(本実施の形態では冷房時の冷媒の流れ)場
合は、膨張弁4の弁棒17に対して冷媒が垂直に流入す
る(同暖房時の冷媒の流れ)場合よりも、冷媒の流速を
落とすように、オリフィス管20のオリフィス径(d1)
をオリフィス管21のそれ(d2)より大きくして、弁棒
17への負担を緩和する。
で存在する気液二相流のガス流速と液流速の比率により
規定されるアニュラーフロー、バブルフローになるよう
にオリフィス径を選定した図である。定性的には、アニ
ュラーフローは、液流速が小さくガス流速が大きい場合
で、中心に多数の小さい気泡が存在し、周囲(管内面側)
に液が存在する流動形態である。バブルフローは、液流
速が大きくガス流速が小さい場合に、小さい気泡が多く
全体的に均一に存在する流動形態である。
液二相流のガス流速と液流速の比率により規定される、
間欠的な冷媒流動音発生領域(液流速、ガス流速共に小
さい場合に、大きな気泡が断続的に存在するチャーンフ
ロー、プラグフロー)を避け、冷媒流動音が発生しない
領域(アニュラーフロー、バブルフロー)の状態になる
ようにオリフィス径を選定することにより、空気調和機
の流量範囲の相違による冷媒流動音発生を防ぐことがで
きる。
性を向上したオリフィス管(19、20)の形状および
設置を示した図である。オリフィス管の材質が、膨張弁
に接続されている冷媒配管6、7および膨張弁の継ぎ手
管13、14の材質と異なる場合、例えばオリフィス管
の材質が真鍮で、冷媒配管および継ぎ手管の材質がそれ
ぞれ銅である場合、熱伝導率の相違からろう付け性が悪
い。このためオリフィス管を膨張弁に接続されている冷
媒配管6、7と膨張弁の継ぎ手管13、14で完全に覆
い、配管内部に固定できる形状とした。すなわち、図4
に示すように、オリフィスとそれに続くテーパ穴を有す
るオリフィス管の長手方向の中央部外周につばを設け、
該つばに当接しテーパ穴側の外周を覆うように継ぎ手管
を取付け、さらにオリフィス側にはオリフィス管からつ
ばを経て継ぎ手管を覆うように先端を拡管した冷媒配管
を取付け、三者をろう付け(23)する。あるいはつばを
設ける代わりに、オリフィス管を、オリフィス側を太く
テーパ穴側を細く加工して段付きとし、テーパ穴側に継
ぎ手管を取付け、オリフィス側にはオリフィス管から継
ぎ手管まで覆うように拡管した冷媒配管を取付け、そし
て三者をろう付けしてもよい。これによりオリフィス管
の材質に関係なくろう付け性を向上でき、ろう付け不良
による冷媒漏れ等もなくすことができる。
接続されている冷媒配管より内径を一段絞り、膨張弁の
絞り部側にテーパ孔を設けたオリフィス管を、膨張弁に
接続されている冷媒配管と膨張弁の継ぎ手管の間に設置
することで冷媒通路内にオリフィス管のオリフィス側端
面で大きな面積の端面を形成し、気液二相流状態の、特
に冷媒の流れの中の大きな気泡を壊し微細化する。さら
に、オリフィスにより冷媒通路の断面積を減少させるこ
とにより冷媒の流速を上げ、管壁に液相、管中心付近に
気相が存在する環状流の流動形態に移行することがで
き、気泡の均一化を促進する。これにより圧力変動が小
さくなり、膨張弁を通過する際の間欠的な冷媒流動音の
低減に著しい効果を上げることができる。また、オリフ
ィス管で改善された冷媒の流れが乱れぬ内に、オリフィ
ス管のテーパ孔によってスムーズに膨張弁の絞り部へ供
給することができ効果が大きい。逆に膨張弁の絞り部か
ら下流側のオリフィス管へ流出される際に発生する冷媒
の衝突音は、オリフィス管のテーパ孔によって緩和する
ことができる。また、オリフィス管を膨張弁に接続され
ている冷媒配管と膨張弁の継ぎ手管の間に設置すること
で、オリフィス管と膨張弁の絞り部(弁棒)との距離が
とれ、急激な冷媒の流速アップによる弁棒からの振動お
よび異音がなくなる。これらの効果により膨張弁部の圧
力変動が大幅に低減され、膨張弁に接続されている冷媒
配管の振動を防ぐことで、他の配管部から発生する冷媒
流動音も低減することが可能となる。また膨張弁の弁棒
に対する冷媒の流入方向および空気調和機の流量範囲に
おいて存在する気液二相流のガス流速と液流速の比率に
より規定される、間欠的な冷媒流動音発生領域(チャー
ンフロー・プラグフロー)を避け、冷媒流動音が発生し
ない領域(アニュラーフロー、バブルフロー)の状態に
なるようにオリフィス管の内径を選定することで、冷媒
流動音の低減効果をより一層上げ、空気調和機における
静音性、快適性を向上することができる。
ブチルシート等の防振材や防音材の貼付が不要とでき、
コスト低減および作業性向上をさせる。
続されている冷媒配管および膨張弁の継ぎ手管の材質と
異なる場合にも、オリフィス管を膨張弁に接続されてい
る冷媒配管と膨張弁の継ぎ手管で完全に覆い、配管内部
に固定できる形状とし、オリフィス管の材質に関係なく
ろう付け性を向上でき、ろう付け不良による冷媒漏れ等
もなくすことができる。
張弁回りの冷媒流路構造を示す図である。
クルを示すブロック図である。
液二相流のガス流速と液流速の比率で規定されるアニュ
ラーフロー、バブルフローとの関係を示す図である。
ろう付け接合部の形状を示す図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を冷媒
配管で連結して、気液二相流の冷媒を用いる冷凍サイク
ルを形成する空気調和機において、膨張弁は、弁体と、
該弁体内で上下に摺動可能な弁棒と、弁体側面に形成さ
れた入口から弁棒まで該弁棒に直交して延びる水平流路
と、弁棒先端に対向する弁座と、該弁座から弁体下面に
形成された出口に至る垂直流路と、水平流路入口に接続
された入り側継ぎ手管と、垂直流路出口に接続された出
側継ぎ手管とから構成し、前記 入り側継ぎ手管にオリフィスとオリフィスから末広
がりのテーパ穴を有する入り側オリフィス管をテーパ穴
が膨張弁側に位置するように接続し、前記出側継ぎ手管
にオリフィスとオリフィスから末広がりのテーパ穴を有
する入り側オリフィス管をテーパ穴が膨張弁側に位置す
るように接続して、前記入り側オリフィス管及び出側オ
リフィス管と前記弁棒との距離をとり、 前記 入り側オリフィス管には冷房サイクルでは上流側と
なる冷媒配管を接続し、前記出側オリフィス管には下流
側となる冷媒配管を接続し、前記入り側オリフィス管の
オリフィス径を前記出側オリフィス管のオリフィス径よ
りも大きくして前記弁棒に直交して流入する前記冷媒の
流速を落とすようにしたことを特徴とする空気調和機。 - 【請求項2】 入り側オリフィス管のオリフィス径は、
空気調和機おける流量範囲内で存在する気液二相流のガ
ス流速と液流速の比率により規定されるアニュラーフロ
ーまたはバブルフローになるように選定したことを特徴
とする請求項1記載の空気調和機。 - 【請求項3】 入り側オリフィス管のテーパ穴側を継ぎ
手管内に嵌入し、上流側冷媒配管をオリフィス管のオリ
フィス側から継ぎ手管にわたって覆うように取り付けて
接合継ぎ手を構成して該接合継ぎ手部をろう付けし、ま
た出側オリフィス管と出側継ぎ手管と下流側冷媒配管の
間に入り側オリフィス管側と同様の接合継ぎ手を構成し
てろう付けしたことを特徴とする請求項1または2に記
載の空気調和機。
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