JP2008008599A - 気液二相流体の分配器 - Google Patents

Abstract

【課題】多様な流動様式で流入する二相冷媒を、極小の圧力損失で各配管へ均等に供給することが可能な分配器を提供する。
【解決手段】入口管から流入した気液二相流体を複数の分配管に分配する気液二相流体の分配器であって、上部が円筒状となっている円筒状容器と、前記円筒状容器の上部の円形断面に対して接線方向に接続された前記入口管と、前記円筒状容器の下部に接続された前記分配管と、を備えていることを特徴とする気液二相流体の分配器。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和装置等の冷媒回路に配設されて二相冷媒を複数の熱交換器等に分配する分配器に関し、特に、均一な混合割合の二相冷媒を均等に分岐する構造に関する。

従来より、図４に示すように、冷媒圧縮機１０２、冷媒凝縮器１０３、エジェクタ１０４、室内熱交換器１０５の第１冷媒蒸発器１１３および気液分離器１０６を冷媒配管１０７によって順次環状に接続していると共に、気液分離器１０６の液相冷媒側とエジェクタ１０４の吸引部１０８とを室内熱交換器１０５の第２冷媒蒸発器１１４を配したバイパス配管１０９によって接続している冷凍サイクル１００が提案されている（特許文献１）。

ここで、エジェクタ４は、図５に示すように、室内熱交換器１０５の側面に取り付けられている。エジェクタ４は、図６に示すように、冷媒凝縮器１０３で凝縮液化された液相冷媒をノズル１１０より噴出することによって、吸引部１０８より気相冷媒を吸引して、ディフューザ１１１内で液相冷媒と気相冷媒を混合すると共に昇圧した後に、後記する分配器１１２を介して第１冷媒蒸発器１３へ気液二相状態の冷媒（以下、「二相冷媒」と言う）を送るものである。分配器１１２は、図１２に示すように、エジェクタ１０４より流出した気液二相状態の冷媒を第１冷媒蒸発器１１３の複数本のチューブの各々に均等に分配する配管である。

この分配器１１２の役割は、多様な流動状態（スラグ流、ミスト流、環状流等）で流入する二相冷媒を各配管へ均等に供給することである。しかし、ノズル１１０より噴出した冷媒は、その気液割合や流速次第では、重力の影響で下方分配管１１２ａには、液相の多い冷媒が通過し、上方分配管１１２ｂには、気相の多い冷媒が通過する。これにより、分配器１１２はその役割を完全には果たしていなかった。

また、エジェクタの下流で圧力損失が発生するとエジェクタによる昇圧効果が減殺される。このため、エジェクタ下流での圧力損失は極力回避すべきである。それにもかかわらず、ディフューザ１１１から分配管１１２へ直接流入するため、流路断面積が大きく絞られる方向へ変化し、この絞り効果により、圧力損失が発生していた。なお、周知のように膨張弁サイクルでは、エジェクタサイクルに比し、分配器部での圧力損失分が膨張弁の絞り量にて調節されるので圧力損失の影響は少ない。
一方、二相冷媒の分配器としては、特許文献２、３に開示されるものがあるが、気液を分離した後、液体を上方へ持ち上げ搬送するためエネルギロスが生じる。また、これらは、旋回部径より大きい径を有する下流側の円形上面や、液膜保持用の緩い傾斜の円垂面が必要となるため、極めて大きく実用的ではない容器となり、いずれもその役割を果たすには不完全なものであった。

特許第３２６５６４９号公報 特開２００３−２１４１６３号公報 特開２００３−２１４１６３号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、多様な流動様式で流入する二相冷媒を圧力損失無しに各配管へ均等に供給することが可能な分配器を提供することである。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の気液二相流体の分配器を提供する。
請求項１に記載の発明によれば、気液二相流体の分配器は、上部が円筒状となっている円筒状容器と、前記円筒状容器の上部の円形断面に対して接線方向に接続された入口管と、前記円筒状容器の下部に接続された分配管と、を備えていることを特徴とする。

入口管が、円筒状容器の円形断面に対して接線方向に接続されているため、二相流体は円筒状容器内で周知の遠心分離作用により入口流動様式に関係なく気相と液相に分離される。液相は、円筒状容器の内面で薄い液膜を形成し、その重力により滴下することと冷媒旋回流の作用とが相まって均一な液膜厚さを形成する。均一な厚さを形成した液膜は、旋回しながら下方へ流動して円筒状容器の下部に配設された複数の分配管に至る。この分配管内では、均一な厚さを形成した液膜と気相冷媒が流入するため、気液が均等に混合された二相流体が形成されて流動することとなる。そして、二相流体は、容器内でその重力により移動するのでエネルギロス（圧力損失）は極めて小さい。

請求項２に記載の発明によれば、気液二相流体の分配器は、円筒状容器の下部が、逆円錐形状に形成されていることを特徴とする。二相流体は容器の内面に沿って旋回流を形成しながら重力により容器下方に向けて流動する際に、遠心分離作用により発生した逆円錐面上の液膜はその遠心力に対し逆円錐面により上向きの分力が作用するので、その落下速度が緩和される。さらには、逆円錐面により（周速がほぼ一定であるので、半径ｒが小さくなる分）角速度ωが上昇し、遠心力ｍｒω^２が大きくなり、遠心分離作用が助長される。そのため一層均一な厚さの液膜が逆円錐面上を旋回しながら落下していくこととなる。

請求項３に記載の発明によれば、気液二相流体の分配器は、入口管が、前記円筒状容器に接続される直前で湾曲していることを特徴とする。この湾曲部が遠心分離作用を発生させる機能を有するので、その分、遠心分離作用を発生させる円筒状容器を小さくすることが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、冷凍サイクルは、エジェクタの下流に請求項１から３のいずれか１項に記載の分配器を備えることを特徴とする。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明に係る分配器の第１実施形態を模式図で表したものであり、図１（ａ）は、分配器の上面図を、図１（ｂ）は分配器の側面断面図を表している。図１において、符号１０は第１実施形態の分配器、１は円筒状容器、２は入口管、３は分配管、である。

入口管２は、円筒状容器１の上部の円形断面に対して接線方向に接続されている。円筒状容器１の下部には、複数の分配管３が周方向に均等な角度で分割された位置に接続され、径方向に延びている。すなわち、複数の分配管３は、相互の間隔が均等距離となるように円筒状容器１に接続されている。

そして、気液二相冷媒（例えば、液相の気相に対する比は約０.３容積％）は入口管２より円筒状容器１内にその外周部接線方向から流入して、円筒状容器１内で旋回する過程でこれに作用する遠心力により気体ａと液体ｂに分離し、重い液体ｂは外周側に、軽い気体ａは中央部に集まる。気体ａは旋回しながら移動する過程で均一圧力となって流出口３ａから分配管３に流入する。

一方、液体ｂは、円筒壁１ａの内面に沿って旋回しかつその重力により自由落下し、旋回しながら液膜を形成し、進むに従って表面張力作用により液膜の厚さが全周に亘って均一な厚さとなって各分配管３に流入する。なお、液相体積割合０.３容積％のとき液膜厚さは約０.１ｍｍ程度である。液体ｂは、自由落下することによりエネルギロスが無く、下方へ移動することが可能となる。

こうして、分配管３付近では、液体ｂは全周にわたって均一厚さの薄膜となり、また、気体ａは全周に亘って均一圧力となって各分配管３に流入するので、気液二相冷媒は各々均等に分配される。逆に、分配管３の取付位置の間隔を不等とすれば、各分配管３への分配比率を変えることも可能である。

（第２実施形態）
図２は本発明に係る分配器の第２実施形態の側面断面図を模式図で表したものである。上面図は、図１（ａ）と同じになるので掲載を省略する。第２実施形態の分配器は、円筒状容器のみが第１実施形態と異なる。したがって、第１実施形態の部分で実質的に同じ部分については、同じ参照符号を付すことによりその説明を省略する。

図２において、符号２０は第２実施形態の分配器、２１は上部２１ｂが円筒状で下部２１ｃが逆円錐状となった容器（以下、「上部円筒状容器」と言う）である。

二相冷媒が容器２１の内面２１ａに沿って旋回流を形成しながら容器２１下方に向けて流動する際に、遠心分離作用により発生した逆円錐面上の液膜は、その遠心力に対し逆円錐面２１ｃにより上向きの分力が作用するので、その落下速度が緩和される。さらには、逆円錐面により角速度ωが上昇し遠心分離作用が助長される。そのため一層均一な厚さの液膜が逆円錐面上を旋回落下していくこととなる。

なお、円錐の切断頂部付近（すなわち、分配管接続部付近）の円形断面の直径Ｄ２は、入口管内径Ｄ１より大きいことが好ましい。絞り効果による圧力損失を避けるためである。また円錐の傾斜角は、容器入口における流速、冷媒の乾き度、Ｄ１、Ｄ２等のパラメータにより最適値が設定される。

こうして、分配管３付近では、液体ｂは全周に亘って一層均一な厚さの薄膜となり、また、気体ａは全周に亘って均一圧力となって各分配管３に流入するので、気液二相冷媒はより均等に分配される。

（第３実施形態）
図３は本発明に係る分配器の第３実施形態の上面図を模式図で表したものである。側面断面図は、図１（ｂ）と同じになるので掲載を省略する。第３実施形態の分配器は、入口管のみが第１実施形態と異なる。したがって、第１実施形態の部分で実質的に同じ部分については、同じ参照符号を付すことによりその説明を省略する。

図２において、符号３０は第３実施形態の分配器、３２は入口管である。入口管３２は、円筒状容器１に接続される直前で湾曲している湾曲部３２ａを有する。この湾曲部３２ａが遠心分離作用を発生させる機能を有するので、その分、円筒状容器１を小さくすることが可能となる。

本発明に係る分配器の第１実施形態を模式図で表したものである。 本発明に係る分配器の第１実施形態を模式図で表したものである。 本発明に係る分配器の第１実施形態を模式図で表したものである。 従来のエジェクタを備えた冷凍サイクルである。 図４のサイクルを構成する室内熱交換器の斜視図である。 図４のサイクルを構成するエジェクタと分配器である。

符号の説明

１ 円筒状容器
２ 入口管
３ 分配管
１０ 第１実施形態の分配器

Claims (4)

1. 入口管（２、３２）から流入した気液二相流体を複数の分配管（３）に分配する気液二相流体の分配器であって、
   上部が円筒状となっている円筒状容器（１、２１）と、
   前記円筒状容器の上部の円形断面に対して接線方向に接続された前記入口管（２、３２）と、
   前記円筒状容器の下部に接続された前記分配管（３）と、を備えていることを特徴とする気液二相流体の分配器（１０、２０、３０）。
2. 前記円筒状容器（２１）の下部（２１ｃ）が、逆円錐形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の分配器（２０）。
3. 前記入口管（３２）が、前記円筒状容器（１、２１）に接続される直前で湾曲していることを特徴とする請求項１または２に記載の分配器。
4. エジェクタの下流に請求項１から３のいずれか１項に記載の分配器を備えていることを特徴とする冷凍サイクル。

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