JP2001074340A - 冷媒の均等分岐式冷媒配管とこれを用いた環境試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の蒸発器における温度分布の均一化を解
決するための分岐式冷媒配管を提供する。 【解決手段】 単一膨張弁１３から複数の蒸発器へ分岐
して接続する分岐部１１を備えた冷媒配管において、膨
張弁１３から流出する冷媒がプラグ流化もスラグ流化も
する以前の状態にある範囲内の位置に分岐部１１および
これに続く分岐管９ａ・９ｂを設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空調設備や冷蔵設
備等に用いられる液冷媒（液状冷却媒体）を単一膨張機
構から配管を用いて複数の蒸発器へ均等に分岐するため
の冷媒配管とこの種の冷媒配管を有し空調される空気を
循環させて試験室内を目的とする所望の環境に維持する
環境試験装置に関するもので、特に循環空気の温度分布
を改善する技術において有効に利用される。

【０００２】

【従来の技術】上記のような環境試験装置では、試験室
内の温度分布の乱れを小さくするために、試験室内への
空気吹き出し部にエアーレジスタを設けて空気流れを調
整している。このような温度分布の乱れは、加熱器及び
蒸発器の熱交換面温度のばらつきによっても生ずる。特
に空気流路に２台の蒸発器を並設するときには、それぞ
れの蒸発器間で冷媒流量が不均一になりやすく、冷却能
力に差ができて温度分布の乱れの大きな原因になってい
る。

【０００３】図３は冷媒の分岐が不均一になる蒸発器の
冷媒分岐配管の従来例における冷媒流れの状態を示す。
冷媒配管は、通常図３（ａ）に示すように、膨張弁１３
から格別な考慮なしに導設され、必要に応じて曲げられ
て分岐部１１’に至る共通管１９と、分岐部１１’から
二方向（図において左右）に分岐してそれぞれの蒸発器
に至る入口管９ａ’，９ｂ’とによって構成されてい
る。

【０００４】一般に冷媒配管における冷媒は、通常同図
（ｂ）に示すように、膨張弁１３までほぼ飽和液（液単
相流）Ａで到達し、膨張弁１３で膨張して液の一部分が
気化して小径の気泡が発生し始め、気液二相流のうち多
数の小気泡を持った気泡流Ｂになる。気泡流Ｂは管内を
進行するに従って、この気泡が互いに結合してある程度
大きな気泡になったプラグ流Ｃを経て、あるいは気泡流
Ｂから直接更に大径の気泡を持つスラグ流Ｄになり、こ
のように気液二相状態が変化する間に管外からの吸熱も
加わって気相部分が多くなり、管の中央を流速の速い気
体が流れ管壁側を流速の遅い液体が流れる環状噴霧流Ｅ
になる。

【０００５】そこで、膨張弁１３から分岐部１１’まで
不用意に導設したり、曲がり部１９ｍを設けたりする
と、分岐部１１’には、冷媒がプラグ流Ｃやスラグ流Ｄ
になったり環状噴霧流Ｅになって到達する。その結果、
大径気泡の偏在によってあるいは環状液の偏流によっ
て、分岐部１１’で気液比率の異なった分流になる。特
に、蒸発器まわりの配管スペースが制限されることが多
く、この場合には一般的に図３(ａ)）のように分岐部１
１’の手前（上流側）で共通管１９が曲げられた配管施
工になるため、曲がり部１９ｍで気液比率の不均一な流
れになり、重量単位での冷媒流量が一方の入口管９ａ’
側で増え、他方の入口管９ｂ’側で減少する。そして、
左右の蒸発器で冷却能力に差が生じ、循環空気の温度分
布が不均一になる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】信頼性の向上が重要な
課題となっている現在、環境試験装置の精度向上が要求
され、各蒸発器において温度分布の均一化が要求されて
いる。本発明の目的とするところは、その解決手段の一
つとして液冷媒の均等分岐するための分岐式冷媒配管と
これを用いた環境試験装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明に係る液冷媒の均等分岐冷媒配管は、液冷媒
（液状冷媒）を単一膨張機構（共通の膨張弁など）から
複数の蒸発器へ分岐して接続する分岐部を備えた冷媒配
管において、前記単一膨張機構から流出する液冷媒がプ
ラグ流化もスラグ流化もする以前の状態にある範囲内の
位置に前記分岐部を設けている。

【０００８】上記の構成を有する本発明の液冷媒の均等
分岐冷媒配管によれば、単一膨張機構から流出し膨張す
る液冷媒が、プラグ流化もスラグ流化もする以前の状態
いいかえれば単一液相流（図３(ｂ)のＡ）の状態または
気泡流（図３(ｂ)のＢ）の状態にある間に複数の蒸発器
へ分岐されるので、分岐部において気相（気体）部分と
液相（液体）部分とが偏在しにくく、両部分がほぼ均等
に分岐される。この結果、各蒸発器による冷却能力に差
が生じることがなく、均等に冷却される。

【０００９】上記の目的を達成するために本発明の環境
試験装置（請求項２）は、試験室内を所期の環境条件に
維持するように空調された空気を循環させる環境試験装
置において、単一膨張機構から前記空気を循環させる経
路内に並列的に設置された複数の蒸発器へ分岐して接続
する分岐部を備えた冷媒配管を有し、前記単一膨張機構
から流出した冷媒がプラグ流化もスラグ流化もする以前
の状態にある範囲内の位置に前記分岐部を設けている。

【００１０】請求項２記載の環境試験装置によれば、請
求項１の発明の基本理念に基づき、単一膨張機構から流
出した冷媒は、分岐部で各蒸発器に対し気液比率がほぼ
同一の分流となって流入することから、各蒸発器におけ
る冷却能力に差が生じず、空調された空気を循環させる
環境試験装置内が全体にわたり均一な温度に維持され
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明を適用した環境試験
装置の全体構成の一例を示す説明図である。図１(ａ)に
示すように、環境試験装置は、空調室１内で空調される
空気を循環させて試験室２内を所期の環境条件に維持す
る装置であり、矢印で示す方向に空気が循環される。そ
の空気循環経路中の空調室１内に、図示のように上下２
段の蒸発器（４ａ＋４ｂ、３ａ＋３ｂ）を設け、更にそ
れらの上下の各蒸発器４ａ・３ａ／４ｂ・３ｂがそれぞ
れ２群の蒸発器群に分離されており、第１蒸発器群（４
ａ、３ａ）と第２蒸発器群（４ｂ、３ｂ）とを構成す
る。その空気循環経路中の空調室１の下部入口付近に加
湿器５ａが、また空調室１内の上下方向のほぼ中間位置
から加湿器５ｂ、加熱器６、送風機７が上方にかけて順
に配設され、エアーレジスタ８が上端出口付近に設けら
れている。下蒸発器３ａ・３ｂへの冷媒供給管１５が下
蒸発器用膨張弁（膨張機構）１３に接続されている。

【００１２】図２(ａ)に示すように膨張弁１３から分岐
管９ａ、９ｂによって分岐し、図１(ｂ)に示すように分
岐管９ａは蒸発器３ａに、分岐管９ｂは蒸発器３ｂにそ
れぞれ接続され、冷媒の戻りは、分岐戻り管１７ａ・１
７ｂから共通の冷媒戻り管１７によって冷凍機（図示せ
ず）に戻るようになっている。上蒸発器４ａ・４ｂへも
同様に冷媒供給管１６が上蒸発器用の膨張弁１４に接続
され、該膨張弁１４から分岐管１０ａ、１０ｂに分岐
し、分岐管１０ａは蒸発器４ａに、分岐管１０ｂは蒸発
器４ｂにそれぞれ接続され、冷媒の戻りは分岐戻り管１
８ａ・１８ｂから共通の冷媒戻り管１８によって図示を
省略した冷凍機に戻る。

【００１３】一般に膨張弁１３（１４）を出た後の冷媒
は、図２（ａ）〜図２（ｂ）に示すように外部からの熱
の侵入効果もあって、微細な気泡が次第に増加し、それ
らが互いに結合して比較的大きな気泡となってプラグ流
Ｃ（図３(ｂ)）がスラグ流Ｄ（図３(ｂ)）となり、遂に
は管中央部はガス流となり管壁に沿って液相を生じる環
状噴霧流Ｅ（図３(ｂ)）となる。そこで、プラグ流Ｃや
スラグ流Ｄあるいは環状噴霧流Ｅ（図３(ｂ)）になった
状態で分岐したり、図３（ａ）のように曲がり部１９ｍ
を設けたりすると、その曲がりによってプラグ流化やス
ラグ流化して気液の比重差が大きくなるために大きな偏
流を生じ、結果として図３（ａ）に示すように分岐部１
１に於いて気液が偏流を起こして冷媒の質量が不均一な
配分となってしまう。

【００１４】本発明はこのような点に着目し、気液相分
布の均一性を優先させて膨張弁１３と分岐部１１とを配
置することを目標とし、この目標を達成するための一実
施例を図面に基づいて下記に説明する。

【００１５】通常の冷媒配管に近似した配管系を用いて
膨張弁通過後の冷媒の状態変化に関して発明者等が行っ
た実験例では、断熱条件等によっても異なるが、冷媒が
環状噴霧流Ｅ（図３(ｂ)）になるにはほぼ配管径ｄの５
０倍以上の距離Ｌ（図２(ｂ)）を必要とし、その１／３
程度即ち配管径ｄの１５倍程度までの距離ｌでは、冷媒
がプラグ流Ｃ（図３(ｂ)）やスラグ流Ｄ（図３(ｂ)）に
到達することはないという結果が得られた。このような
結果から、冷媒が膨張弁１３（１４）を出てから配管径
ｄの１０倍程度の位置に分岐部１１を設けることが望ま
しいということが認められる。

【００１６】また、膨張弁１３（１４）と分岐部１１の
間を接続する共通管１９（図３(ａ)）には、できるだけ
曲がり部１９ｍを設けないようにすることが好ましい。
冷媒の流れの方向が曲がり部１９ｍで変化させられるこ
とにより、プラグ流Ｃ（図３(ｂ)）やスラグ流Ｄ（図３
(ｂ)）が発生しやすくなるからである。

【００１７】さらに、図４の(ａ)(ｂ)に対比して示すよ
うに、膨張弁１３から流出した冷媒を左右に略直角に分
岐する場合に、略直角の箇所よりやや上流側で滑らか
（緩やか）に分岐させることにより、図４(ａ)のように
一種の助走流域ｓを設けるようにすれば、管内流体は２
分されても助走流域ｓがあるために、冷媒の流れに乱れ
が発生しにくく、この結果として分岐された後の管内抵
抗に差異が生じないので、流体（冷媒）の分岐が均等に
なるものと考えられる。一方、図４(ｂ)のように、助走
流域ｓを設けないで、分岐部１１’で左右にほぼ直角に
分岐すると、分岐管９ａ’・９ｂ’に於ける符号ｈで示
す箇所で冷媒の流域の圧力が急激に変化して不安定な流
れとなる。この結果として、分岐部１１’でプラグ流Ｃ
（図３(ｂ)）あるいはスラグ流Ｄ（図３(ｂ)）となって
均一な分岐ができなくなるおそれがある。

【００１８】結局、図２(ａ)に示すように、膨張弁１３
の出口から曲がり部のない真っすぐな共通管１９を、共
通管１９の管径ｄの１５倍以下の距離、好ましくは１０
倍程度の範囲内の長さとして分岐部１１を設ける。ま
た、分岐部１１では冷媒の流れの速度や方向ができるだ
け変化しないように下流側にかけて緩やかな傾斜角度で
二股状に分岐させて分岐管９ａ・９ｂを構成するととも
に、各分岐管９ａ・９ｂは助走流域ｓ（図４(ａ)）とし
ての直管部分９ｓを設けたのち、それぞれ略直角に屈曲
させて左右に分岐させるものである。なお、本例では、
左右に２つに分岐させているが、３つ以上に分岐させる
場合にも同様の構成により実施することができる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明に係る冷媒の均等分岐式冷媒配管とこれを用いた
環境試験装置には、次のような優れた効果がある。

【００２０】すなわち、本発明によれば単一の膨張機構
を出た後で分岐しても、冷媒が均等に分流されるので、
複数の蒸発器の冷却能力が均等となり、結果的に均一な
環境条件を小型の環境試験装置で達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る均等分岐式冷媒配管を備
えた環境試験装置の一例を示す全体構成の説明図であ
る。

【図２】図２（ａ）は本発明の実施例に係る分岐式冷媒
配管と冷媒の分岐状態を断面で表した正面図、図２
（ｂ）は膨張弁を出た冷媒が変化する状態と膨張弁から
の距離との関係を表す断面図である。

【図３】図３（ａ）は冷媒の分岐が不均一になる蒸発器
の冷媒分岐配管の従来例とこの分岐配管における冷媒流
れの状態を断面で表した正面図である。図３（ｂ）は膨
張弁に入る前の冷媒の状態と膨張弁を出た冷媒が変化す
る状態とを順に示す管内断面図である。

【図４】図４（ａ）は本発明の実施例に係る分岐式冷媒
配管と管内の冷媒の流れを表した説明図、図４（ｂ）は
従来の一般的な分岐式冷媒配管と管内の冷媒の流れを表
した説明図である。

【符号の説明】

１ 空調室 ２ 環境試験装置の試験室 ３ａ・３ｂ・４ａ・４ｂ 蒸発器 ５ａ・５ｂ 加湿器 ６ 加熱器 ７ 送風機 ８ エアーレジスタ ９ａ・９ｂ・１０ａ・１０ｂ 分岐管 １１ 分岐部 １３ 膨張弁（膨張機構） １９ 共通管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒を単一膨張機構から複数の蒸発器へ
   分岐して接続する分岐部を備えた冷媒配管において、 前記単一膨張機構から流出する冷媒がプラグ流化もスラ
   グ流化もする以前の状態にある範囲内の位置に前記分岐
   部を設けたことを特徴とする冷媒の均等分岐式冷媒配
   管。
2. 【請求項２】 試験室内を所期の環境条件に維持するよ
   うに空調された空気を循環させる環境試験装置におい
   て、 単一膨張機構から前記空気を循環させる経路内に並列的
   に設置された複数の蒸発器へ分岐して接続する分岐部を
   備えた冷媒配管を有し、 前記単一膨張機構から流出した冷媒がプラグ流化もスラ
   グ流化もする以前の状態にある範囲内の位置に前記分岐
   部を設けたことを特徴とする環境試験装置。