JP2013148309A - 冷媒分配器及びこれを備えた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分配器の上流側の冷媒配管内で冷媒が偏るような冷凍サイクル装置においても、気液二相の冷媒を所定の比率で安定して分配することが可能な分配器を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明の冷媒分配器は、気液二相冷媒が流入する流入通路と、流入通路に接続された分配通路と、分配通路に接続され気液二相冷媒が分配されて流出する複数の流出通路と、を備え、分配通路内に、分配通路に沿って配置され、気液二相冷媒から分離したガス冷媒が通過するガス冷媒通路と、ガス冷媒通路と分配通路との間に配置され、気液二相冷媒から分離した液冷媒に旋回流を生じさせる液冷媒旋回部と、ガス冷媒通路の下流側端部よりも下流側に、分配通路の内壁と間隙を有して配置され、ガス冷媒通路から流出したガス冷媒が衝突するガス冷媒衝突部と、を有し、ガス冷媒通路の下流側端部は、液冷媒旋回部の下流側端部よりも下流側に位置する。
【選択図】 図３（ｂ）

Description

本発明は、複数に分岐する冷媒管に気液二相の冷媒を分配する冷媒分配器及びこれを用いた冷凍サイクル装置に関する。

空気調和機、ヒートポンプ式給湯器等の冷凍サイクル装置は、圧縮機，電動弁等の絞り装置，凝縮器、及び蒸発器が、冷媒配管で接続された冷媒回路を有する。このような冷凍サイクル装置において、冷媒回路内を循環する冷媒が、熱交換器（凝縮器及び蒸発器）で吸熱又は放熱を繰り返すことにより、熱交換の対象となる空気，水等と熱交換する。

熱交換器の冷媒配管内における冷媒の圧力損失は、熱交換器の性能に大きく影響する。これに対して、熱交換器内の冷媒配管を冷媒分配器により複数の冷媒配管に分岐して、熱交換器内を流れる冷媒の圧力損失を低減させている。

しかしながら、特に気液二相の冷媒が流入する蒸発器では、分配器の上流で、配管の傾きにより液冷媒に偏った重力が加わったり、配管の湾曲部で液冷媒に遠心力が加わること等により、それら重力や遠心力が作用する方向に液冷媒の偏りが生じる。このような場合、各冷媒配管に対して気液二相の冷媒を所定の比率で安定して分配することが困難である。各冷媒配管に所定の比率で気液二相冷媒を分配できない場合、蒸発に寄与する液冷媒が過剰な冷媒配管と不足する（冷媒配管途中で液冷媒が枯渇する）冷媒配管が生じる。液冷媒が途中で枯渇すると、以降の熱交換器では熱交換できず、十分な性能を発揮することができない。従って、このような場合であっても、気液二相の冷媒を所定の比率で安定して分配することが必要である。

これに対して、従来の冷媒分配器として、分配器内部に、複数の螺旋状溝を外周に有し且つ中央に貫通穴を備えた棒状部材が挿入された冷媒分配器がある（特許文献１）。このような冷媒分配器によれば、冷媒が棒状部材の外周の螺旋溝及び中央の貫通穴を通過することにより、圧力降下を生じさせずに、冷媒を攪拌して、分配器内部での冷媒の分布を平均化させることができる。その結果、気液の偏りをなくして各冷媒配管に冷媒を分配することができる。

しかしながら、特許文献１の棒状部材下流側において冷媒を旋回流とするためには、棒状部材の外周面に設けた螺旋溝を通流する冷媒流に十分な運動量を与えなければならない。棒状部材の外周面に設けた螺旋溝を通過した冷媒流に十分な運動量がないと、螺旋溝を通過した冷媒流同士が表面張力によって干渉するとともに、棒状部材下流側の流路壁面と螺旋溝を通過した冷媒流との間に働く粘性により、螺旋溝に沿って与えられた速度成分（上流側の流れ方向に対する横向きの旋回成分）が衰退するため、十分な攪拌効果が得られにくい。また、中央の貫通穴を通過するガス冷媒が高速で分配管に流入するため、螺旋溝を通過した液冷媒が十分に旋回せずに（気液界面の乱れが減少し一様な冷媒となる程度まで十分に旋回せずに）、このガス冷媒が液冷媒を巻き込んで分配管に流出してしまう。さらに、冷凍サイクル装置においては、運転条件により、気液二相冷媒は様々な流動条件で運転することになるが、特に、気液二相冷媒が比較的乾き度が高い場合は、螺旋溝を通流する冷媒流の割合が少なくなるため、螺旋溝を通流する冷媒流に十分な運動量を与えることが困難となり、棒状部材下流側で攪拌効果が得られない可能性がある。

実公昭４７−３８５号公報

本発明は、分配器の上流側の冷媒配管内で冷媒が偏るような冷凍サイクル装置においても、気液二相の冷媒を所定の比率で安定して分配することが可能な分配器、及びこの分配器を備えた冷凍サイクル装置を提供することを課題とする。

本発明の冷媒分配器は、気液二相冷媒が流入する流入通路と、流入通路に接続された分配通路と、分配通路に接続され気液二相冷媒が分配されて流出する複数の流出通路と、を備え、分配通路内に、分配通路に沿って配置され、気液二相冷媒から分離したガス冷媒が通過するガス冷媒通路と、ガス冷媒通路と分配通路との間に配置され、気液二相冷媒から分離した液冷媒に旋回流を生じさせる液冷媒旋回部と、ガス冷媒通路の下流側端部よりも下流側に、分配通路の内壁と間隙を有して配置され、ガス冷媒通路から流出したガス冷媒が衝突するガス冷媒衝突部と、を有し、ガス冷媒通路の下流側端部は、液冷媒旋回部の下流側端部よりも下流側に位置する。

本発明によれば、ガス冷媒通路から流出してガス冷媒衝突部に衝突したガス冷媒が液冷媒旋回部の液冷媒流出口に向かうことにより、液冷媒旋回部から流出した液冷媒が分配通路内で十分に旋回して整流される。その結果、冷媒分配器から流出する気液二相冷媒も偏りなく分配される。従って、分配器の上流側の冷媒配管内で冷媒が偏るような冷凍サイクル装置においても、気液二相の冷媒を所定の比率で安定して分配することが可能となる。

空気調和機の冷凍サイクル構成図。 再熱除湿を採用した空気調和機の冷凍サイクル構成図。 冷媒分配器の斜視図。 冷媒分配器の底面図。 図２（ｂ）のＡ−Ａ断面図。 整流手段の斜視図。 図３（ａ）の整流手段を用いた冷媒分配器の全体構成図。 流入通路上流側での気液二相状態の冷媒流動状態を示す図。 流入通路上流側に配置された曲がり管と二方弁の冷媒流動状態を示す図。 気液分離時の冷媒流動状態を摸式的に示す図。 気液分離後のガス冷媒の流動状態を摸式的に示す図。 ガス冷媒通路と各流出通路との位置関係を示す図。 液冷媒の旋回成分の発生プロセスを冷媒流線により摸式的に示した図。 気液界面が整流される様子を摸式的に表した図。 冷媒分配器を空気調和機の室内熱交換器の冷媒回路に適用した冷媒配管を示す図。 整流手段の斜視図。 図９（ａ）の整流手段を用いた冷媒分配器の全体構成図。 整流手段の正面図。 図１０（ａ）の整流手段を用いた冷媒分配器の全体構成図。

本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の第１の実施例について図１〜図９を用いて説明する。図１（ａ）は空気調和機の冷凍サイクル装置の構成図である。図１（ａ）における空気調和機は、圧縮機１，四方弁２，電動弁３等の絞り装置、室内熱交換器４、室外熱交換器５を、冷媒配管で環状に接続して冷媒回路を形成し、冷媒を循環させる。冷媒回路内を循環する冷媒が、室内熱交換器４及び室外熱交換器５で吸熱又は放熱を繰り返すことにより、熱交換の対象となる室内空気及び室外空気と熱交換する。

四方弁２を切り替えて冷媒流路を変更することにより、室内熱交換器４を蒸発器、室外熱交換器５を凝縮器として機能させる冷房運転（実線矢印）と、室内熱交換器４を凝縮器、室外熱交換器５を蒸発器として機能させる暖房運転（破線矢印）とを切り替えられる。例えば冷房運転では、圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス冷媒が、四方弁２を通過して室外熱交換器５に流入し、空気との熱交換により放熱して凝縮する。そして、電動弁等の絞り装置によりエンタルピ膨張した後、低温低圧でガスと液が混在した気液二相流となって、室内熱交換器４へ流入する。室内熱交換器４では、空気からの吸熱作用により冷媒が室内熱交換器４の入口から出口にかけて乾き度Ｘ（乾き度Ｘ＝ガス冷媒質量流量／冷媒全質量流量）を増しながら蒸発する。そして、室内熱交換器４を出た冷媒は圧縮機１へ戻る。

ここで、蒸発器として作用する室内熱交換器４内部では、熱交換器を構成する配管内の流動抵抗による損失が、蒸発器としての性能低下に大きく影響する。この損失を抑えるため、冷媒分配器冷媒分配器３１を用いて、室内熱交換器４内で複数のパス（（本）実施例では冷媒パス１１，パス１２の２パス）に気液二相の冷媒を分配する。

気液二相流である冷媒は、ガス冷媒と液冷媒とでは数十倍もの密度比があるため、流速が大きく異なり、気液界面が乱れて冷媒の流動が不安定になる。また、冷媒配管の傾きにより液冷媒に偏った重力が加わったり、配管の湾曲部で液冷媒に遠心力が加わること等により、それら重力や遠心力が作用する方向に液冷媒の偏りが生じる。さらに、冷媒分配器上流側の配管の曲がりの曲率が小さい場合や、二方弁等で流れの方向が急激に変わる場合には、その直後の流れでは液膜が乱れ、気相が流れる管断面中心部に多数の液敵が飛散するような流動状態となり、流動状態のバラつきに影響を与える。このような場合、各冷媒配管に対して気液二相の冷媒を所定の比率で安定して分配することが困難である。

気液二相冷媒の流動について図面を用いて説明する。図４は気液二相冷媒の流動状態を示す図である。冷媒分配器の流入通路４２の上流側が十分な長さの直管であれば、流入通路４２に流入する流入冷媒４０の流動状態は図４（ａ）に示すように、比較的整流された状態となる。即ち、冷媒配管内壁に沿って液相が膜状に流れ、冷媒配管断面中心部に気相が流れる環状流（ドーナツ状流れ）となる。

図５は曲がり管（ベンド）及び二方弁における気液二相冷媒の流動状態を示す図であり、図５（ａ）は曲がり管内部、図５（ｂ）は二方弁内部の流動状態を示している。図５に示すように、冷媒分配器の流入通路４２の上流側に曲がり管や二方弁が配置される場合、曲がり管や二方弁を通過した冷媒は、流れの方向が急激に変わるために液膜が乱れ、流入通路４２に流入する流入冷媒４０の流動状態は図４（ｂ）に示すように、気相が流れる冷媒配管断面中心部に多数の液滴が飛散するような複雑な流動状態となる。

次に、再熱除湿方式を採用した空気調和機の冷凍サイクル装置について説明する。図１（ｂ）は、再熱除湿方式を採用した空気調和機の冷凍サイクル装置の構成図である。図１（ｂ）における空気調和機は、圧縮機１，四方弁２，電動弁３等の絞り装置，室内熱交換器４，絞り装置３３，室外熱交換器５を、冷媒配管で環状に接続して冷媒回路を形成し、冷媒を循環させる。絞り装置３３は室内熱交換器４の冷媒パスの間に配置し、絞り装置３３により冷媒を減圧することで、室内熱交換器４のうち、冷媒パス２１，冷媒パス２２を凝縮器として機能させ、冷媒パス１１，１２を蒸発器として機能させ、冷媒パス２１，２２と、冷媒パス１１，１２とのそれぞれの出口温度を混合することにより再熱除湿する。このような再熱除湿方式を採用した空気調和機において冷媒パス１１，１２に分岐させるため、室内熱交換器４の途中に冷媒分配器３２を配置する。しかしながら、このような再熱除湿方式を採用した空気調和機における冷房運転時には、冷媒分配器３２では冷媒分配器３１よりも冷媒流の乾き度が高くなり、極めて少量の液冷媒を分配しなければならない。このような高乾き度での冷媒分配は、低乾き度の分配に比べ流入通路の形状や重力の影響を受けやすいので、各冷媒パス１１，１２に所定の比率で安定して分配することはより困難となる（尚、再熱除湿方式における冷媒分配器３２でなくても、運転条件によっては液冷媒が少量となる場合があり、このような冷凍サイクルに配置される冷媒分配器３１においても同様の課題が生じる。）。

各冷媒配管に所定の比率で気液二相冷媒を分配できない場合、蒸発に寄与する液冷媒が過剰な冷媒配管と不足する（冷媒配管途中で液冷媒が枯渇する）冷媒配管が生じる。液冷媒が過剰になると蒸発に寄与しない冷媒が生じ、十分な性能を発揮できない。また、液冷媒が途中で枯渇すると以降の熱交換器では熱交換できず、同様に、十分な性能を発揮できない。性能が不足する分は、圧縮機回転数を上げて冷媒循環量を増加させて補うことになるが、圧縮機への無駄な電気入力が増加する。また、液冷媒が流れる冷媒パスで十分冷却され潜熱が奪われた空気と、液冷媒が枯渇した冷媒パスでほとんど冷却されずに潜熱が残った空気とが、熱交換器下流側で合流すると、室内ファンや風路で結露が生じ、吹き出す空気に水滴が混在し、使用者の不快の原因となる。

従って、分配器上流で液冷媒の偏りが生じている場合や、さらに、分配される液冷媒が少量の場合であっても、気液二相の冷媒を所定の比率で安定して分配することが必要となる。

図８は、図１の冷凍サイクル装置を家庭用の空気調和機に適用した場合の室内熱交換器における冷凍サイクルを示す図である。室内熱交換器は室内空気と冷媒とを熱交換させるための熱交換器２００，２０１，２０２が室内機筐体１１４内に配置され、熱交換器２０１，２０２の入口にはそれぞれ冷媒分配器３１，３２が配置され、再熱除湿運転を行うための除湿弁（二方弁）１１２が熱交換器２００と熱交換器２０２との間に配置される。熱交換器２００，２０１，２０２はそれぞれ複数のフィンが紙面垂直方向に重ねられ、このフィンを冷媒管が貫通する。また、熱交換器２００，２０１，２０２の下流側には風量を供給するための貫流ファン１１３が配置される。

冷媒分配器３１は冷媒パスに流れる冷媒を、下流側で分岐する複数の冷媒パスに分配する分配器である。本実施例においては、冷媒パス３１０は冷媒分配器３１により、冷媒パス３１１，３１２の２パスに分配される。冷媒パス３１１，３１２は熱交換器２００，２０１を通過後に合流して１パスとなり、除湿弁１１２が配置された冷媒パス３２０に接続される。１パスの冷媒パス３２０は冷媒分配器３２により、冷媒パス３２１，３２２の２パスに分配される。冷媒パス３１１，３１２は熱交換器２０２を通過後に合流して１パスの冷媒パス３２３となる。その後冷媒パス３２３は、図示しない室外機（圧縮機，室外熱交換器，減圧手段）を経て、再び冷媒パス３１０へ導かれる。

空気調和機１は、白色矢印で示すように、貫流ファン１１３を動作させることにより、空気調和機の上面等に配置された空気吸込口から室内空気を吸い込み、熱交換器２００，２０１，２０２で加熱，冷却，除湿して、空気調和機の前面下部に配置された空気吹出口から室内に吹き出すことにより、室内を空気調和する。このとき、例えば再熱除湿運転では、冷媒は図示しない室外機から、冷媒パス３１０へ流入する（実線矢印の方向）。流入した冷媒は冷媒分配器３１により冷媒パス３１１，３１２の２パスに分配され、凝縮器として機能する熱交換器２００，２０１において室内空気と熱交換する。その後、冷媒パス３２０で１パスに合流し、除湿弁１１２で減圧されて冷媒分配器３２へと流入する。そして、再び冷媒パス３２１，３２２に分配され、蒸発器として機能する熱交換器２０２で空気と熱交換する。

次に、本実施例の冷媒分配器について説明する。図２（ａ）は冷媒分配器の斜視図、図２（ｂ）は冷媒分配器の底面図、図２（ｃ）は図２（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。図２に示すように、本実施例の冷媒分配器は、気液二相冷媒が流入する流入通路（流入管）４２と、流入通路４２に接続された分配通路４９と、分配通路に接続され流入した気液二相冷媒が分配されて流出する複数の流出通路（流出管）４３とを備える。分配通路４９は、テーパ状に拡径した（下流側に向かい流路面積が増大する）流路面積拡大通路４４を介して、流入通路４２と接続される。また、分配通路４９内には、分配通路４９に沿って配置され気液二相冷媒から分離したガス冷媒が通過するガス冷媒通路（ガス冷媒管）５１と、ガス冷媒通路５１と分配通路４９との間に配置され気液二相冷媒から分離した液冷媒に旋回流を生じさせる液冷媒旋回部５０と、ガス冷媒通路５１の下流側端部５３よりも下流側に、分配通路の内壁と間隙を有して配置されガス冷媒通路から流出したガス冷媒が衝突するガス冷媒衝突部４６とを有する。ここで、ガス冷媒通路（ガス冷媒管）５１は、液冷媒旋回部５０を貫通し、内部に気液二相冷媒から分離したガス冷媒が通過する筒状部材である。

流入通路４２から流入した気液二相の流入冷媒４０は、分配通路４９において整流され、流出冷媒４１として複数の流出通路４３に分配されて流出する。本実施例の冷媒分配器における冷媒の分配について、以下、図２（ｃ），図３，図６，図７を用いて詳細に説明する。

図２（ｃ），図６，図７において、気液二相状態の流入冷媒４０が流入通路４２を経て、分配通路に流入する。流入冷媒４０はさらに、テーパ状に拡径した（下流側に向かい流路面積が増大した）流路面積拡大通路４４に流入する。流路面積拡大通路４４に流入した気液二相冷媒は、拡径した流路によって減速されガス冷媒の圧力が上昇する。液冷媒の表面張力とガス冷媒の昇圧によって液冷媒が流路面積拡大通路４４の流路壁面に押し付けられるため、環状流の液膜が流路面積拡大通路４４の壁面に沿って円周方向に広がる。そのため、流路面積拡大通路４４の壁面に付着した液冷媒６１が液膜を形成するとともに、流路面積拡大通路４４の中心部にガス冷媒６０が流れるので、気液二相の冷媒を液冷媒６１とガス冷媒６０に分離することができる。

ここで、ガス冷媒通路５１を分配通路４９に沿って（中心部に）位置するので、流路面積拡大通路４４の中心部に流れるガス冷媒６０がガス冷媒通路５１内を通過する。特に、ガス冷媒通路５１の上流側端部５２を、流路面積拡大通路４４内又は前記流路面積拡大通路４４よりも下流側に位置させることにより、流路面積拡大通路４４で分離したガス冷媒６０及び液冷媒６１をそれぞれ効率的にガス冷媒通路５１と気液分離域４５に導くことができる。また、流入通路４２の内径ＩＤ１とガス冷媒通路５１の外径ＯＤ２とがＩＤ１≧ＯＤ２となるように設定することによっても、流路面積拡大通路４４で分離したガス冷媒６０及び液冷媒６１をそれぞれ効率的にガス冷媒通路５１と気液分離域４５に導くことができる。さらに、ガス冷媒通路５１の上流側端部と最短距離となる流路面積拡大部４４との隙間Ｌ１を、流入通路４２から流入する流入冷媒４０の平均的な液冷媒の液膜厚さと同等以上にする。これにより、分離した液冷媒６１がガス冷媒通路５１に流入するのを抑制できる。尚、ガス冷媒通路５１内壁に螺旋状の溝（螺旋溝）を形成することもできる。ガス冷媒通路５１内壁の螺旋溝により、液冷媒がガス冷媒通路５１に流入し多数の液滴が存在する場合であっても、ガス冷媒通路５１の内壁に設けた螺旋溝によって整流され液膜を形成する。

一方、流路面積拡大通路４４によりガス冷媒６０と分離した液冷媒６１は、流路面積拡大通路４４の壁面を伝って気液分離域４５へ流入する。さらに、気液分離域４５へ流入した液冷媒６１は、液冷媒旋回部５０の上流側端部に達する。以上により、主に、ガス冷媒６０はガス冷媒通路５１に流入し、液冷媒６１は気液分離域４５を経て液冷媒旋回部５０に流入する。

尚、ガス冷媒通路５１の上流側端部は、液冷媒旋回部５０の上流側端部よりも上流側に位置することが望ましい。ガス冷媒通路５１の上流側端部を液冷媒旋回部５０の上流側端部よりも上流側に位置させることにより、乾き度が低く液冷媒の割合が大きい場合であっても、分離した液冷媒６１は気液分離域５０に溜まり、ガス冷媒通路５１に流入することなく、液冷媒旋回部５０に流入する。

分離された液冷媒が流入する液冷媒旋回部５０について説明する。図３は液冷媒旋回部５０の斜視図である。液冷媒旋回部５０は、気液二相冷媒から分離した液冷媒６１が通過する螺旋状の液冷媒流路５５を有する。例えば、図３に示すように、液冷媒旋回部５０は外周面に形成された螺旋溝と分配通路４９の内壁とにより、螺旋状の液冷媒流路５５を形成する。気液分離域４５から流入した液冷媒６１が液冷媒旋回部５０の螺旋状に形成された液冷媒流路５５を通過することにより、液冷媒６１に旋回成分の運動量を付与する。その後、旋回成分を付与された液冷媒６１は液冷媒旋回部５０から冷媒整流域４８に流入する。

ガス冷媒通路５１の下流側端部よりも下流側に、分配通路４９の内壁と間隙を有して配置されガス冷媒通路５１から流出したガス冷媒６０が衝突するガス冷媒衝突部４６を配置する。図６（ｂ）はガス冷媒通路５１下流側での冷媒の流動状態を摸式的に示す図である。分離したガス冷媒６０に多数の液滴がする場合においては、ガス冷媒通路５１の内壁に設けた螺旋溝によって整流され液膜を形成する。仮に、飛散する液滴が螺旋溝によって整流されずにガス冷媒通路５１から流出しても、ガス冷媒衝突部４６の円周方向に均一な凹み形状によって整流される。ガス冷媒衝突部４６に衝突し整流されたガス冷媒６０は流れ方向を変え、冷媒整流域４８へと解放される。

ここで、ガス冷媒の流れ方向と垂直の面に投影したガス冷媒通路５１の投影部が、ガス冷媒の流れ方向と垂直の面に投影したガス冷媒衝突部４６の投影部に全て重なるように配置する。このように配置することにより、ガス冷媒通路５１から流出するガス冷媒６０は、ガス冷媒衝突部４６に衝突して冷媒整流域４８に流入する。ガス冷媒の流れ方向と垂直の面に投影したガス冷媒通路５１の投影部が、ガス冷媒の流れ方向と垂直の面に投影したガス冷媒衝突部４６の投影部に重ならない場合、ガス冷媒通路５１から流出するガス冷媒６０の一部がガス冷媒衝突部４６に衝突せずに流出通路４３に向かう流れを形成する。これにより、後述するように、液冷媒に旋回成分を与えるガス冷媒の運動量及び圧力を減少させ、冷媒整流域４８において液冷媒に旋回成分を付与することが困難となる。

図６（ｃ）は図６（ｂ）を底面から見た図であり、ガス冷媒通路５１と各流出通路４３との位置関係を示している。本実施においては、さらに、｛ＩＤ２／２−（Ｌ２−ＩＤ３／２）｝＞０となるように設定する。図６（ｃ）に示すように、底面から見たガス冷媒通路５１の流路投影部と各流出通路４３の流路投影部とが干渉しないような開口位置関係とする。底面から見たガス冷媒通路５１の流路投影部と各流出通路４３の流路投影部とが干渉する場合、ガス冷媒通路５１から流出するガス冷媒６０の一部がガス冷媒衝突部４６に衝突せずに流出通路４３に向かう流れを形成する。これにより、後述するように、液冷媒に旋回成分を与えるガス冷媒の運動量及び圧力を減少させ、冷媒整流域４８において液冷媒に旋回成分を付与することが困難となる。

次に、液冷媒旋回部５０から流出した液冷媒６１に旋回力を付与するプロセスについて説明する。図７（ａ）は液冷媒の旋回成分の発生プロセスを流線により摸式的に示した図であり、図７（ｂ）は冷媒分配器により気液界面の乱れを低減する様子を摸式的に示した図である。流入通路４２へ流入した気液二相の流入冷媒４０は上述したようにガス冷媒６０と液冷媒６１に分離され、液冷媒６１は液冷媒旋回部５０を経て冷媒整流域４８に流入し、ガス冷媒６０はガス冷媒通路５１を経てガス冷媒衝突部４６に衝突して液冷媒６１とは反対方向から冷媒整流域に流入する。

流入通路４２へ流入する流入冷媒４０のガス冷媒の質量割合を示す乾き度が０.７程度である場合、体積割合を示すボイド率は０.９５程度（ある区間の配管における内容積のうち９５％をガス冷媒によって占める）となり、冷媒配管内を流れるガス冷媒６０と液冷媒６１の体積流速の速度比は数倍から数十倍となる。

即ち、流入通路４２やガス冷媒通路５１の管断面中心部を流れるガス冷媒６０の流速は、分配通路４９等の壁面に沿って流れる液冷媒６１の流速に比べて高速で流動する。従って、冷媒分配器上流側で分離したガス冷媒６０はガス冷媒通路５１を経て液冷媒流６１よりも先に冷媒分配器下流側の冷媒整流域４８に到達するとともに、ガス冷媒通路５１から流出したガス冷媒６０はガス冷媒衝突部４６に衝突して液冷媒６１とは反対方向から冷媒整流域４８に流入するので、冷媒整流域４８は常にガス冷媒６２によって満たされ一定の圧力を保つ。

冷媒分配器上流側で分離した液冷媒６１は、液冷媒旋回部５０に設けた螺旋状の液冷媒流路５５を通過して冷媒整流域４８に到達する。液冷媒６１は、螺旋状の液冷媒流路５５に沿って流れ方向を変えることにより、冷媒整流域４８に到達した際には旋回成分を有する液冷媒６３となる。一方、上述したように、ガス冷媒６０は液冷媒流６１よりも先に冷媒整流域４８に到達するとともに、ガス冷媒６０はガス冷媒衝突部４６に衝突して液冷媒６１とは反対方向から冷媒整流域４８に流入して、冷媒整流域４８は常にガス冷媒６２によって満たされ一定の圧力を保つ。

このようなガス冷媒６２は、冷媒整流域４８に到達した液冷媒６１に対して、旋回成分（分配通路の周方向成分）と垂直方向に向かう直進成分（分配通路の軸方向成分、流入通路４２から流出通路４３の方向に向かう速度成分）と逆向きの速度成分（流出通路４３から流入通路４２の方向に向かう速度成分）を付与する。

従って、冷媒整流域４８から流出した液冷媒６１が、液冷媒旋回部５０で付与された旋回成分により、冷媒整流域４８内においてその内壁を周方向に十分に旋回した後に流出通路４３に流入する。冷媒整流域４８内壁を十分に旋回することにより、液冷媒６１には遠心力がかかり続け、液冷媒はこの遠心力により分配通路内で乱れが抑制され整流される。その結果、流出通路４３に流入する気液二相冷媒も偏りなく分配される。従って、分配器の上流側の冷媒配管内で冷媒が偏るような冷凍サイクル装置においても、気液二相の冷媒を所定の比率で安定して分配することが可能となる。冷媒分配器上流側の流入冷媒４０が乱れを伴う状態であっても、図７（ｂ）に示すように、冷媒分配器本体を正面として、略円筒状の分配通路４９の中心軸を通過するどの断面においても、分配通路４９の下流側で左右対称の気液界面６４が定常的に形成され、各流出通路４３に分配される気液二相冷媒は均質な混合状態となる。

一方、ガス冷媒６０をガス冷媒衝突部４６に衝突させて液冷媒６１と反対方向から冷媒整流域４８に流入させない場合、ガス冷媒通路５１を通過したガス冷媒６０は高速で液冷媒６１を巻き込んで流出通路４３に流入するため、液冷媒旋回部５０を通過した液冷媒６１は十分に旋回せずに（気液界面の乱れが減少し均一な冷媒となる程度まで旋回せずに）流出してしまう。

ここで、本実施例においては、ガス冷媒６０が流出するガス冷媒通路５１の下流側端部は液冷媒旋回部５０の下流側端部よりも下流側に位置する（つまり、ガス冷媒通路５１の下流側端部が液冷媒旋回部５０よりも突き出た構造とする）。ガス冷媒通路５１の下流側端部が液冷媒旋回部５０よりも突き出た構造とすることにより、液冷媒旋回部５０の下流側端部に、ガス冷媒通路５１と分配通路４９との囲まれた冷媒整流域４８を形成できるとともに、ガス冷媒通路５１の下流側に位置するガス冷媒衝突部によりガス冷媒を冷媒整流域４８の下流側から流入させて液冷媒６１に直進成分と逆向きの速度成分を付与することができる。その結果、上述したように、液冷媒旋回部から流出した液冷媒が分配通路内で十分に旋回して整流される。

仮に、ガス冷媒通路５１の下流側端部が液冷媒旋回部５０の下流側端部よりも下流側に位置しない場合、ガス冷媒通路５１と分配通路４９とに囲まれた冷媒整流域４８が形成されず、ガス冷媒の一部はガス冷媒通路５１通過後に拡散して液冷媒６１を巻き込んで流出通路４３にそのまま流入してしまう。また、ガス冷媒衝突部４６により衝突したガス冷媒を冷媒整流域４８の下流側から流入させるためには、ガス冷媒衝突部４６をガス冷媒通路５１の下端側端部にできるだけ近接させることが好ましい。しかしながら、ガス冷媒通路５１の下流側端部が液冷媒旋回部５０の下流側端部よりも下流側に位置しない場合、ガス冷媒衝突部４６をガス冷媒通路５１の下端側端部に近接させると、ガス冷媒衝突部４６は液冷媒旋回部５０の下端部にも近接することになり、ガス冷媒通路５１と分配通路４９とに囲まれた冷媒整流域４８が形成できず、さらには、ガス冷媒通路５１から流出したガス冷媒６２は下方向ではなく横方向から（径方向に向かって）液冷媒旋回部５０から流出した液冷媒６１に衝突してしまう。以上より、ガス冷媒６０が流出するガス冷媒通路５１の下流側端部は液冷媒旋回部５０の下流側端部よりも下流側に位置させる。

尚、本実施の冷媒分配器では、液冷媒に旋回成分を与えるに際して、気液二相流の速度比の関係から、ガス冷媒６２の体積流量及び運動量の増加に伴って液冷媒６１の旋回成分が高まるため、冷媒分配器に流入する冷媒流の乾き度が高く極めて少量の液冷媒を分配しなければならない場合においても、均質な混合状態の気液二相媒流を各流出通路４３に分配することができる。

また、本実施例の冷媒分配器では、上述したプロセスにより、流入する冷媒流の流れ方向（冷媒分配器本体の姿勢）が重力に対し垂直下降流，垂直上昇流、又は水平流の何れの場合においても同様の効果を発揮する。例えば、各流出通路４３が重力に対し上下関係となる水平流の場合、冷媒配管下部に液冷媒及び液膜が偏ることから、重力方向に対し下に位置する流出通路４３に液冷媒が流れ込む。本実施例における冷媒分配器では、水平流であっても、ガス冷媒通路から流出してガス冷媒衝突部に衝突したガス冷媒が液冷媒旋回部の液冷媒流出口に向かうことにより、液冷媒旋回部から流出した液冷媒を分配通路内で十分に旋回して整流することができる。従って、流入通路４２の流入方向や冷媒分配器本体の姿勢に依存することなく、冷媒分配器内部で重力による液膜の偏りや液滴による乱れを低減でき、均質な混合状態で安定して各流出通路４３に分配することが可能となる。

本実施例の冷媒分配器を図１（ｂ）に示す再熱除湿を採用した冷凍サイクル装置の冷媒分配器３２に適用した場合を例にして説明する。除湿弁１１２と冷媒分配器３２を結ぶ流入通路４２の距離が短い場合、又は、上流側の配管が曲がり管等の湾曲部で構成される場合、気液二相冷媒の流動状態が乱れ、気液界面中に液滴が流れる状態や、液膜が遠心力の作用する方向へ偏って流れるような状態となる。このような状態で冷媒分配器３２に冷媒が流入する場合においても、冷媒パスを通過する高乾き度（Ｘ＝０.７程度）の気液二相冷媒は、上述したように、ガス冷媒通路から流出したガス冷媒６２によって液冷媒６１に旋回成分を与えることにより気液界面の乱れが低減される。その後、冷媒パス３２１，３２２の２パスに均一な混合状態の冷媒が安定して均等に分配され、熱交換器２０２で空気と熱交換する。従って、冷媒分配器３１，３２の上流側の冷媒流が乱れた流動状態であっても、幅広い流量範囲で所定の比率で安定して分配することができる。ひいては、必要以上に圧縮機を運転する必要がなくなり、電気入力も低減することができる。更に、分配比の悪化に伴う室内ユニットへの露付などの不具合が解消される。

以上、本実施例においては、１パスを２パスに分配する冷媒分配器についてその動作を説明したが、流出通路が３パス以上等の多分配の構成となった場合においても、ガス冷媒通路５１を中心に円周方向に等間隔で配置することにより、各流出通路に均等に安定して冷媒を分配することができる。また、多分配の流出通路を、ガス冷媒通路５１を中心に円周方向に（等間隔ではない）所定の間隔で配置することにより、各流出通路に所定の割合で安定して冷媒を分配することができる。

さらに、本実施例の冷媒分配器は、再熱除湿の有無に関係なく、分配器の上流側の冷媒配管内で冷媒が偏るような場合であっても、何れの冷凍サイクル装置にも適用することができる。このような場合、適用する冷凍サイクル装置に合わせて、液冷媒旋回部５０における液冷媒流路５５の流路数，流路幅，回転ピッチや、ガス冷媒通路５１の内径、上流側端部５２及び下流側端部５３の配置等を調整することができる。

以上、本実施例の冷媒分配器は、気液二相冷媒が流入する流入通路と、流入通路に接続された分配通路と、分配通路に接続され気液二相冷媒が分配されて流出する複数の流出通路と、を備え、分配通路内に、分配通路に沿って配置され、気液二相冷媒から分離したガス冷媒が通過するガス冷媒通路と、ガス冷媒通路と分配通路との間に配置され、気液二相冷媒から分離した液冷媒に旋回流を生じさせる液冷媒旋回部と、ガス冷媒通路の下流側端部よりも下流側に、分配通路の内壁と間隙を有して配置され、ガス冷媒通路から流出したガス冷媒が衝突するガス冷媒衝突部と、を有し、ガス冷媒通路の下流側端部は、液冷媒旋回部の下流側端部よりも下流側に位置する。本実施例の冷媒分配器によれば、ガス冷媒通路から流出してガス冷媒衝突部に衝突したガス冷媒が液冷媒旋回部の液冷媒流出口に向かうことにより、液冷媒旋回部から流出した液冷媒が分配通路内で十分に旋回して整流される。その結果、冷媒分配器から流出する気液二相冷媒も偏りなく分配される。従って、分配器の上流側の冷媒配管内で冷媒が偏るような冷凍サイクル装置においても、気液二相の冷媒を所定の比率で安定して分配することが可能となる。

本発明の第２の実施例について図９を用いて説明する。図９（ａ）は冷媒分配器の整流手段の斜視図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）の整流手段を用いた冷媒分配器の全体構成図である。本実施例のガス冷媒通路７１は、ガス冷媒通路７１の上流側と下流側にそれぞれ縮管構造を備える。基本的構造は実施例１と同様であるので、実施例１と異なる点について説明する。

図９（ａ）に示すように、本実施例のガス冷媒通路７１は、ガス冷媒通路本体部７９と、ガス冷媒通路本体部７９より上流側に位置しガス冷媒通路本体部７９よりも流路面積が小さい上流側縮管部７２と、ガス冷媒通路本体部７９より下流側に位置しガス冷媒通路本体部７９よりも流路面積が小さい下流側縮管部７４とを備える。

まず、上流側縮管部７２について説明する。上述したように、上流側縮管部７２は、ガス冷媒通路本体部７９より上流側に位置し、ガス冷媒通路本体部７９よりも流路面積が小さい。また、ガス冷媒通路７１の上流側端部７３（上流側縮管部７２の上流側端部７３）は、流入通路４２内に位置する。ガス冷媒通路７１の上流側端部７３が、流入通路４２内に位置することにより、冷媒分配器上流側で流入通路４２とガス冷媒通路７１が二重管構造となる。

流入通路４２の内径とガス冷媒通路７１の上流側端部７３の外径との間隙Ｌ３を、例えば、流入する気液二相状態の冷媒流４０における平均的な液膜厚さと同等以上に設定することで、流入通路４２とガス冷媒通路７１とで形成される二重管構造により気液が分離される。二重管構造を設けるための固定手段を気液分離部近傍に必要としないため、コンパクトでシンプルな構造にすることができる。

ここで、気液二相の流入冷媒４０の乾き度が低い場合から高い場合、即ち、液膜が比較的厚く気液界面が緩やかに変動する流動状態から液膜が薄く管断面中心部に液滴が飛散するような流動状態までの幅広い流量範囲で冷媒分配器を使用する場合について検討する。

本実施例の冷媒分配器では、ガス冷媒通路から流出してガス冷媒衝突部に衝突したガス冷媒が液冷媒旋回部の液冷媒流出口に向かうことにより、液冷媒旋回部から流出した液冷媒が分配通路内で十分に旋回して整流される。従って、ガス冷媒の体積流量が大きく冷媒整流域４８下流を一定の圧力で保つことができ、且つ、ガス冷媒流の運動量が分離した液冷媒の運動量を上回ることが望ましい。

流入する冷媒流４０の乾き度が高い場合においては冷媒整流域４８で発生する旋回成分によって気液界面の乱れを低減する効果が高い。しかしながら、乾き度が低い場合は、流入する冷媒流４０のうちガス冷媒が占める質量及び体積の割合が少ないため、旋回成分を発生させる主要因であるガス冷媒の圧力と運動量を確保することが困難な場合がある。

すなわち、液膜厚さに対する隙間Ｌ３を、乾き度が低い状態の冷媒流を基準に最適化することで幅広い流量範囲に対し効率的な気液分離及び気液整流が可能となる。第１の実施例では、拡径した流路による昇圧を用いて気液を分離するため、ガス冷媒の一部が気液分離域４５に混入してしまう。それに対し、本実施形態においては、流入通路４２内部で二重管構造を設けることによって、流入方向に対する投影形状が環状に仕切られた状態となり、この流路を環状流の液膜部分に相当するように設定する。従って、冷媒流が二重管に差し掛かる際、流路面積に著しい変化がないため、各相の流速と圧力とが定常的になるため、より安定して環状の流路によって気液が分離される。そのため、簡単な寸法設定によって精度良く気液を分離することができ、各相の速度比を確保することが可能となる。なお、ガス冷媒通路７１に流入する冷媒に液滴が含まれる場合であっても、第１の実施例と同様にガス冷媒衝突部４６によって整流される。

また、各相の運動量について上述した要件を満たすための手段として、ガス冷媒通路７１の下流側に縮管部を設けることによって、ガス冷媒通路７１の下流側縮管部７４を流出する冷媒流の流速を高めることができる。よって、液冷媒に旋回成分を与えるために必要となるガス冷媒の運動量を補うことができる。本来、縮管することは冷媒流動の抵抗となるが、ガス冷媒通路７１を流れる冷媒のほとんどはガス冷媒であり、ガス単相に近い状態であることから、オリフィスのように気液二相冷媒を縮流する場合と比べて加速しやすく運動量を補うことができ、且つ、損失となりにくい。

尚、本実施例においては、ガス冷媒通路７１は、上流に向かい流路面積が減少する上流側縮管部７２と、この上流側縮管部よりも下流側に位置し、下流に向かい流路面積が減少する下流側縮管部７４とをそれぞれ設けるが、上流側縮管部７２又は下流側縮管部７４の何れかを備えるようにしてもよい。上流側縮管部７２又は下流側縮管部７４の何れかを備えることにより、上述した上流側縮管部７２又は下流側縮管部７４の効果を奏することができる。

本発明の第３の実施例について図１０を用いて説明する。図１０（ａ）は冷媒分配器の整流手段の正面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の整流手段を用いた冷媒分配器の全体構成図である。本実施例の液冷媒旋回部は螺旋状に成形された平板を有し、この平板と分配通路の内壁とにより、螺旋状の冷媒流路を液冷媒旋回部に形成する。基本的構造は第１の実施例と同様であるので、第１の実施例と異なる点について説明する。

図１０（ａ）に示す液冷媒旋回部８０は、１つ又は複数の螺旋状に成形された平板によって液冷媒流路８１を形成する。液冷媒旋回部から流出した液冷媒が分配通路内でより旋回して整流される。

図１０（ａ）における角度θは、ガス冷媒通路５１（分配通路４９）の中心軸と液冷媒流路８１とによってなされる角度である。この角度θを鋭角に設定すると、分離した液冷媒流６１が液冷媒流路８１を経て冷媒整流域４８に流入する際に、角度θが鈍角な場合に比べ強い旋回成分を有する。また、気液分離域４５に液冷媒のみならずガス冷媒が多く混入する場合においても、液冷媒流路８１内で遠心力が発生し、液冷媒流路８１内の外側に液冷媒が流れ、液冷媒流路８１内の内側にガス冷媒が流れる流動状態となる。従って、冷媒整流域４８に液冷媒６１が流出する際はガス冷媒と分離して冷媒整流域４８壁面を旋回するので、気液分離域４５にガス冷媒が多く混入する場合においても、液冷媒旋回部から流出した液冷媒が分配通路内で旋回して整流される。

また、複数の液冷媒旋回部８０によって液冷媒流路８１を形成した場合、分離した液冷媒６１が複数の液冷媒流路８１によって細分化されるので、各液冷媒流路８１に流れる流量の片寄りが低減される。

尚、螺旋状流路である液冷媒流路８１の流路幅や回転ピッチを調整することができる。

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 電動弁
４ 室内熱交換器
５ 室外熱交換器
１１，１２，２１，２２，３１０，３１１，３１２，３２０，３２１，３２２，３２３ 冷媒パス
３１，３２ 冷媒分配器
４０ 流入冷媒
４１ 流出冷媒
４２ 流入通路
４３ 流出通路
４４ 流路面積拡大通路
４５ 気液分離域
４６ ガス冷媒衝突部
４７ 液冷媒旋回流路
４８ 冷媒整流域
４９ 分配通路
５０，８０ 液冷媒旋回部
５１，５４，７１ ガス冷媒通路
５２ ガス冷媒通路の上流側端部
５３ ガス冷媒通路の下流側端部
５５，８１ 液冷媒流路
６０ 分離したガス冷媒流
６１ 分離した液冷媒流
６２ 解放されたガス冷媒流
６３ 旋回成分を与えられた液冷媒流
６４ 気液界面
７２ 上流側縮管部
７３ 上流側端部
７４ 下流側縮管部
７５ 下流側端部
１１２ 除湿弁
１１３ 貫流ファン
１１４ 室内機筐体
２００，２０１，２０２ 熱交換器

Claims (13)

1. 気液二相冷媒が流入する流入通路と、前記流入通路に接続された分配通路と、前記分配通路に接続され気液二相冷媒が分配されて流出する複数の流出通路と、を備え、
   前記分配通路内に、
   前記分配通路に沿って配置され、気液二相冷媒から分離したガス冷媒が通過するガス冷媒通路と、
   前記ガス冷媒通路と前記分配通路との間に配置され、気液二相冷媒から分離した液冷媒に旋回流を生じさせる液冷媒旋回部と、
   前記ガス冷媒通路の下流側端部よりも下流側に、前記分配通路の内壁と間隙を有して配置され、前記ガス冷媒通路から流出したガス冷媒が衝突するガス冷媒衝突部と、を有し、
   前記ガス冷媒通路の下流側端部は、前記液冷媒旋回部の下流側端部よりも下流側に位置する冷媒分配器。
2. 請求項１において、前記ガス冷媒通路は、前記液冷媒旋回部を貫通し、内部にガス冷媒が通過する筒状部材である冷媒分配器。
3. 請求項１又は２において、ガス冷媒の流れ方向と垂直の面に投影した前記ガス冷媒通路の投影部が、ガス冷媒の流れ方向と垂直の面に投影した前記ガス冷媒衝突部の投影部に全て重なる冷媒分配器。
4. 請求項１乃至３の何れかにおいて、前記ガス衝突部は、前記ガス冷媒通路から流出するガス冷媒に対して凹状に形成された冷媒分配器。
5. 請求項１乃至４の何れかにおいて、前記流入通路は、下流側に向かい流路面積が増大する流路面積拡大通路を介して、前記分配通路と接続される冷媒分配器。
6. 請求項５において、前記ガス冷媒通路の上流側端部は、前記流路面積拡大通路内に位置する冷媒分配器。
7. 請求項１乃至６の何れかにおいて、前記ガス冷媒通路の上流側端部は、前記液冷媒旋回部の上流側端部よりも上流側に位置する冷媒分配器。
8. 請求項１乃至７の何れかにおいて、前記液冷媒旋回部は、気液二相冷媒から分離した液冷媒に旋回流を生じさせる螺旋状の液冷媒流路を有する冷媒分配器。
9. 請求項８において、前記液冷媒旋回部は外周面に螺旋溝を有し、前記螺旋溝と前記分配通路の内壁とにより、螺旋状の前記液冷媒流路を形成する冷媒分配器。
10. 請求項８において、前記液冷媒旋回部は螺旋状に成形された平板を有し、前記平板と前記分配通路の内壁とにより、螺旋状の前記冷媒流路を形成する冷媒分配器。
11. 請求項１乃至１０の何れかにおいて、
    前記ガス冷媒通路は、ガス冷媒通路本体部と、前記ガス冷媒通路本体部より上流側に位置し、気液二相冷媒から分離したガス冷媒が流入する上流側縮管部と、を有し、
    前記上流側縮管部は、前記ガス冷媒通路本体部よりも、流路面積が小さく、
    前記上流側縮管部の上流側端部は、前記流入通路内に位置する冷媒分配器。
12. 請求項１乃至１０の何れかにおいて、
    前記ガス冷媒通路は、ガス冷媒通路本体部と、前記ガス冷媒通路本体部より下流側に位置し、前記ガス冷媒通路本体部を通過したガス冷媒が流出する下流側縮管部と、を有し、
    前記下流側縮管部は、前記ガス冷媒通路本体部よりも、流路面積が小さい冷媒分配器。
13. 圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを、冷媒配管で接続して構成され、冷房運転時における前記蒸発器の入口に請求項１乃至１２の何れかに記載の冷媒分配器を備えた凍サイクル装置。