JP2005241122A

JP2005241122A - 二相流分配器

Info

Publication number: JP2005241122A
Application number: JP2004050948A
Authority: JP
Inventors: Kenji Matsuda; 憲兒松田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】液相部及び気相部の間の境界面が不安定であっても、液相及び気相を均一な割合で複数の冷媒出口管へ流出するようにした二相流分配器を提供することにある。
【解決手段】冷媒を貯留する容器１の底面に冷媒入口管２を接続すると共に前記容器１の上面に複数の冷媒出口管３を接続して、前記冷媒入口管２を通じて前記容器１内に流入した気液二相流の冷媒を前記複数の冷媒出口管３へ分配して流出させる二相流分配器において、前記容器１は偏平な円筒形であり、前記容器底面１ａの少なくとも一部は液冷媒を前記冷媒入口管２の上端へ案内する形状を有し、前記冷媒入口管２より吹き上げられた冷媒が前記容器上面１ｂに衝突して混合・攪拌されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本願発明は、気液二相流の冷媒を複数に分配させる二相流分配器に関する。

冷凍及び空調装置においては、室内機や室外機の熱交換器は複数パスが形成されているので、入口部に冷媒分配器を配置して各パスに冷媒を分配している。特許文献１にその一例が開示されている。これを図６に示す。

図６に示す冷媒分配器は、冷媒を貯留する冷媒貯留部である容器０１の底面に冷媒入口管０２を接続し、容器０１の上面に複数の冷媒出口管０３を接続して構成される二相流分配器であり、冷媒入口管０２を通じて容器０１に流入した気液二相流の冷媒は複数の冷媒出口管０３へ分配して流出される。
また後述する様に、円管を流出する噴流の広がり特性に付いては、流出距離と速度分布の関係についての知見については非特許文献１が挙げられる。

特許文献１では、容器０１内に流入した気液二相流の冷媒は容器０１内において液相部（液冷媒）Ｌと気相部（ガス冷媒）Ｇとに分離されると説明されている。
特開２００１−５０６１３「水力学概論」、藤本武助著、(株)養賢堂発行、１９６２第９版

特許文献１では、容器０１内において液相部Ｌと気相部Ｇとに分離されると説明されていたが、実際には、液相部Ｌ及び気相部Ｇの間の界面が波打った状態となり、安定した状態で分離されていない。特に容器０１が小型の場合には、その傾向が著しく、容器０１内部では液相部Ｌと気相部Ｇが混ざり合った状態となる。

そのため、複数の冷媒出口管０３へは異なった液相と気相の割合で二相流が流入することとなり、分配管下流にある熱交換器への冷媒二相流の流量分配が不均一になり、以下の問題(1)(2)を生じる。
(1)熱交換器の能力が低下する。
(2)気相の割合が多いと熱交換器の一部に過熱領域が存在し、過熱領域から通った乾いた冷却された空気によって冷やされた送風機やユニット壁面に、過熱領域を通った湿った空気が接触して結露し、時間と共に結露が成長して、ユニットから外へ飛び出る。

本願発明は、上述した背景技術に鑑みてなされたものであり、液相部及び気相部の間の境界面が不安定であっても、均一な液相及び気相の割合で冷媒を複数の冷媒出口管へ流出するようにした二相流分配器を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の請求項１に係る二相流分配器は、冷媒を貯留する容器の底面に冷媒入口管を接続すると共に前記容器の上面に複数の冷媒出口管を接続して、前記冷媒入口管を通じて前記容器内に流入した気液二相流の冷媒を前記複数の冷媒出口管へ分配して流出させる二相流分配器において、前記容器は偏平な円筒形であり、前記容器底面の少なくとも一部は液冷媒を前記冷媒入口管へ案内する形状を有し、前記冷媒入口管より吹き上げられた冷媒が前記容器上面に衝突して混合・攪拌されることを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項２に係る二相流分配器は、請求項１において、前記冷媒入口管より吹き上げられる冷媒があまり広がらずに前記容器上面に衝突する程度に、前記冷媒入口管上端から前記容器上面までの距離を短くしたことを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項３に係る二相流分配器は、請求項１又は２において、前記容器上面に下向きに張り出す凸部を形成して、前記冷媒入口管から吹き上げられる冷媒を該凸部に衝突させて均一に分散させるようにしたことを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項４に係る二相流分配器は、請求項３において、前記凸部を円錐状とし、該凸部に衝突する冷媒を傾斜面に沿って流すことにより一層確実に均一に分散させるようにしたことを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項５に係る二相流分配器は、請求項１，２，３又は４において、前記容器底面の少なくとも一部は、前記冷媒入口管を中心として下向きに傾斜する円錐形状とすることにより、液冷媒を前記冷媒入口管上端に案内するようにしたことを特徴とする。

冷媒入口管より流出する冷媒二相流は容器内壁により攪拌されながら、容器内に充満する。この時、冷媒が液冷媒とガス冷媒に分離されると、液冷媒が重力の影響を受けて容器底面に沿って流れ、冷媒入口管上端へ移動し、冷媒入口管から流入する冷媒により吹き上げられて容器上面に衝突し、再び攪拌されて容器内を充満する。このような現象により冷媒入口管から流出した二相流は約均一になって容器内を充満しながら冷媒出口管より出て行く。これによって、容器から冷媒出口管へ流出する冷媒は液相及び気相の混合割合が均一となる。

また、容器の偏平の程度として、冷媒入口管上端から前記容器上面までの距離を短くすると、冷媒入口管より吹き上げられる冷媒があまり広がらずに容器上面に衝突するので好都合である。

更に、容器上面に下向きに張り出す凸部を形成すれば、冷媒入口管から吹き上げられる冷媒が凸部に衝突して均一に分散することになる。特に、凸部として円錐状とすれば、冷媒が傾斜面に沿って流れるのでより一層確実に均一に拡散することになる。

また、容器底面の少なくとも一部は、冷媒入口管を中心として下向きに傾斜する円錐形状とすれば、液冷媒が冷媒入口管上端に確実に案内されることになる。

本発明を実施するための最良の形態を図１に示す。図１（ａ）（ｂ）は、二相流分配器の平面図、断面図である。

図１（ａ）（ｂ）に示すように、冷媒貯留部１に下方から冷媒入口管２が接続されると共に冷媒貯留部１に上方から冷媒出口管３（図中では、１６本）が接続されている。
冷媒入口管２は冷媒貯留部１の底面１ａの中心部に配置されるのに対し、冷媒出口管３は冷媒貯留部１の上面１ｂに放射状に配置されている。

冷媒貯留部１は、冷媒入口管２と複数の冷媒出口管３とを繋ぎ、冷媒を貯留する偏平な円筒状の容器である。
冷媒貯留部１の形状が偏平な程度として、冷媒入口管２から吹き上げられる冷媒が余り広がることなく、天井に衝突して十分に混合・攪拌される程度が望ましい。

即ち、冷媒入口管２の上端から容器上面までの距離δがあまり大きいと、冷媒入口管２から吹き上げられた二相流冷媒が容器上面に衝突せず攪拌されにくくなる。
また、冷媒入口管２の内径Ｄが小さいと、冷媒入口管２から吹き上げられた二相流冷媒が容器上面に衝突せず攪拌されにくくなる。

つまり、距離δは小さいほうが望ましく、内径Ｄは大きいほうが望ましい。
そこで、冷媒入口管２の上端から容器上面までの距離δと、冷媒入口管２の内径Ｄの比（δ／Ｄ）に着目すると、噴流の広がりを抑制する観点から、目安として、（δ／Ｄ）≦５とすることが推奨される（非特許文献１の第１４０ページ、７．２図（ａ）参照）。

このようにすると、冷媒入口管２から吹き上げられた冷媒が容器上面１ｂに衝突して混合・撹拌されて容器内を充満し、約均一になって冷媒出口管３より流出するため、容器１から冷媒出口管３に流出する冷媒は混合割合が均一となる。
なお、冷媒貯留部１の底面１ａは、液冷媒が重力により冷媒入口管２へ流れ込むように、冷媒入口管２を中心としてわずか下向きに傾く円錐形状となっている。

本発明の実施例１に係る二相流分配器は、冷媒貯留部１の形状が偏平な程度として、一例として、冷媒入口管２の上端から容器上面までの距離δと、冷媒入口管内径Ｄの比（δ／Ｄ）に着目し、（δ／Ｄ）≦２としたものである。

従って、（δ／Ｄ）≦５とする場合に比較して、冷媒入口管２から吹き上げられる冷媒が余り広がることなく、天井に衝突して一層確実に混合・攪拌されるという効果も奏する。
本実施例においても、その他の構成は、図１に示す構造と同一であり、同様の作用効果を奏する。

本発明の実施例２に係る二相流分配器を図２に示す。
本実施例は、冷媒入口管２から吹き上げられる冷媒を均一に分散させるように改良したものである。
即ち、冷媒入口管２から吹き上げられる冷媒が容器上面１ｂに衝突しても必ずしも容器１内に均一に分散するとはいえない。
また、冷媒入口管２を流れる冷媒は中心ほど高速な流速分布となるとはいえない場合もある。

例えば、図５に示すように、冷媒入口管２が水平から垂直上向きに折り曲げられた形状である場合、冷媒がカーブして流れるため、冷媒入口管２内で冷媒の流速に偏りが生じ（図中矢印で示す）、同様に、流量も偏りが生じる。そのため、冷媒入口管２から吹き上げられる冷媒が容器上面１ｂに衝突しても容器１内で不均一に分散されてしまう。
そこで、本実施例では、容器上面１ｂに下向きに張り出す台形状凸部１ｃを形成したものである。

台形状凸部１ｃは、冷媒入口管２内での冷媒の流速の偏りに応じて、冷媒入口管１の直上にではなく、冷媒入口管２から吹き上げられる冷媒を均一に分散させるよう、冷媒入口管１からオフセットした位置に配置すると良い。
このようにすると、冷媒の流速・流量に偏りがあっても、台形状凸部１ｃに冷媒が衝突することにより、冷媒を均一に分散させることが可能である。

また、台形状凸部１ｃを設けることにより、冷媒入口管２上端から容器上面１ｂまでの距離を短くするという効果も奏する。
本実施例においても、その他の構成は、図１に示す構造と同一であり、同様の作用効果を奏する。

本発明の実施例３に係る二相流分配器を図３に示す。
本実施例は、実施例２を更に改良して冷媒を均一に分散させるようにしたものである。
即ち、容器上面１ｂには、台形状凸部１ｃに代えて円錐状凸部１ｄを形成したものである。

このようにすると、冷媒入口管２から吹き上げられる冷媒が円錐状凸部１ｄに衝突した際、傾斜面に沿って流れるため、一層確実に冷媒を均一に分散させることが可能となる。
本実施例においても、その他の構成は、図２に示す構造と同一であり、同様の作用効果を奏する。

本発明の実施例４に係る二相流分配器を図４に示す。
本実施例は、液冷媒を確実に冷媒入口管２の上端に集められるようにしたものである。
即ち、冷媒入口管２の接続する冷媒貯留部１の底面１ａ中央部を部分的に冷媒入口管２を中心とする下向きの円錐状底面１ｅとしたものである。

このようにすると、ガス冷媒と分離した液冷媒が重力の影響により円錐状底面１ｅに沿って流れ、冷媒入口管２上端へ確実に移動するため、冷媒入口管２から流入する冷媒により吹き上げられて、容器上面に衝突し、再び混合・攪拌されて容器内を充満することとなる。
本実施例においても、その他の構成は、図１に示す構造と同一であり、同様の作用効果を奏する。

本発明は、気液二相流の冷媒を複数に分配させる二相流分配器として、例えば、マルチシステムの冷凍機、エアコンに利用可能なものである。

本発明の最良の形態に係る二相流分配器の平面図及び断面図である。本発明の実施例１に係る二相流分配器の断面図である。本発明の実施例２に係る二相流分配器の断面図である。本発明の実施例３に係る二相流分配器の断面図である。冷媒入口管内の速度分布を示す説明図である。背景技術に係る二相流分配器の断面図である。

符号の説明

１冷媒貯留部（容器）
１ａ容器底面
１ｂ容器上面
１ｃ台形状凸部
１ｄ円錐状凸部
１ｅ円錐状底面
２冷媒入口管
３冷媒出口管

Claims

冷媒を貯留する容器の底面に冷媒入口管を接続すると共に前記容器の上面に複数の冷媒出口管を接続して、前記冷媒入口管を通じて前記容器内に流入した気液二相流の冷媒を前記複数の冷媒出口管へ分配して流出させる二相流分配器において、前記容器は偏平な円筒形であり、前記容器底面の少なくとも一部は液冷媒を前記冷媒入口管へ案内する形状を有し、前記冷媒入口管より吹き上げられた冷媒が前記容器上面に衝突して混合・攪拌されることを特徴とする二相流分配器。
前記冷媒入口管より吹き上げられる冷媒があまり広がらずに前記容器上面に衝突する程度に、前記冷媒入口管上端から前記容器上面までの距離を短くしたことを請求項１記載の二相流分配器。
前記容器上面に下向きに張り出す凸部を形成して、前記冷媒入口管から吹き上げられる冷媒を該凸部に衝突させて均一に分散させるようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の二相流分配器。
前記凸部を円錐状とし、該凸部に衝突する冷媒を傾斜面に沿って流すことにより一層確実に均一に分散させるようにしたことを特徴とする請求項３記載の二相流分配器。
前記容器底面の少なくとも一部は、前記冷媒入口管を中心として下向きに傾斜する円錐形状とすることにより、液冷媒を前記冷媒入口管上端に案内するようにしたことを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の二相流分配器。