JP2014081149A - 冷媒分配器及びこれを備える冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒分配器の上流側を流れる冷媒が乱れを伴うような冷凍サイクル装置においても、圧力損失を抑制しつつ、気液二相冷媒を所定の比率で安定して分配することができ、また、実装性に優れた冷媒分配器を提供する。
【解決手段】冷媒分配器は、分岐空間の流入通路４５と対向する位置に形成された窪み形状を有する混合部４６を備え、流入通路の内径をＤｉ[ｍｍ]、流入通路の流路断面積をＡｉ[ｍｍ²]、混合部の内径をＤｃ[ｍｍ]、分岐空間の面積をＡｖ[ｍｍ²]、分岐空間の高さをＨｖ[ｍｍ]、流出通路４８の外接円における面積をＡｐｏ[ｍｍ²]、流出通路の内接円における面積をＡｐｉ[ｍｍ²]とすると、Ａｉ／（π×Ｄｉ×Ｈｖ）≧０．５、Ａｖ／（Ａｐｏ−Ａｐｉ）≦２．０、Ｄｃ／Ｄｉ≦１．０、とする。
【選択図】図６

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、これを備える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、冷媒分配器の上流で、配管の傾きにより液冷媒に偏った重力が加わることや、配管の湾曲部で液冷媒に遠心力が加わること等により、液冷媒に偏りが生じる。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。

このような課題に対して、従来の冷媒分配器としては、冷媒分配器の本体内部に袋状の衝突壁部を形成したものがある（特許文献１）。この冷媒分配器では、入口部の流路正面に袋状の衝突壁部を内設し、袋状の衝突壁部における奥部の内径を入口部の内径よりも大きく設定する。これにより、入口部を流れる気液二相冷媒が、奥部の壁面に対して並行する速度成分を持って冷媒分配器に流入したとしても、入口部の正面に設けた袋状の衝突壁部によって気液を混合撹拌できるため、入口部における接続精度のバラツキや気液二相流の偏流を抑制することが可能となり、均一な冷媒分配が達成される。

しかしながら、特許文献１の冷媒分配器において、安定した冷媒分配を達成するためには、入口部を流れる気液二相冷媒のうち、液相の大部分を袋状の衝突壁部に衝突付着させる必要がある。例えば、入口部を流れる気液二相冷媒が液リッチである場合、入口部を通過した液膜が慣性力によって直進して、袋状の衝突壁部に衝突付着するため気液の混合撹拌が達成される。逆に、入口部を流れる気液二相冷媒がガスリッチである場合、入口部を流れる液膜は希薄であり、袋状の衝突壁部には、ガス冷媒の衝突および流出に伴って、定常的にガス冷媒の動圧が蓄積する。そのため、入口部を通過した液膜の大部分は、ガス冷媒の動圧に弾かれることから、袋状の衝突壁部の奥部に設けた壁面よって十分に混合撹拌されない状態で流出通路に分配される。すなわち、入口部を流れる気液二相冷媒が運転状態によって様々な流動様式となるような冷凍サイクル装置においては適用が困難となる。
この課題の解決策として、入口部の先端にノズルを設けることにより、液膜の大部分を液滴として気相に同伴させることで、液相を袋状の衝突壁部に衝突付着させることが可能となり冷媒分配の改善が達成される。この場合、冷媒分配が達成されたとしても、入口部の先端に設けたノズルの流路断面積変化に伴って圧力損失が発生するため、幅広い流量範囲で使用される冷凍サイクル装置への適用が困難になるとうい新たな課題が発生する。

特開平９−１５９３２０

本発明は、冷媒分配器の上流側を流れる冷媒が乱れを伴うような冷凍サイクル装置においても、圧力損失を抑制しつつ、気液二相冷媒を所定の比率で安定して分配することができ、また、実装性に優れた冷媒分配器、及びこの冷媒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入口管と、入口管から流入した気液二相冷媒を混合して分岐する分岐空間と、分岐空間で分岐された気液二相冷媒を流出する複数の出口管と、入口管と分岐空間とを接続する流入通路と、分岐空間と複数の出口管とをそれぞれ接続する複数の流出通路と、を備え、分岐空間は流入通路と対向する位置に形成された窪み形状を有する混合部を備え、流入通路の内径をＤｉ[ｍｍ]、流入通路の流路断面積をＡｉ[ｍｍ²]、混合部の内径をＤｃ[ｍｍ]、分岐空間の面積をＡｖ[ｍｍ²]、分岐空間の高さをＨｖ[ｍｍ]、流出通路の外接円における面積をＡｐｏ[ｍｍ²]、流出通路の内接円における面積をＡｐｉ[ｍｍ²]とすると、Ａｉ／（π×Ｄｉ×Ｈｖ）≧０．５、Ａｖ／（Ａｐｏ−Ａｐｉ）≦２．０、Ｄｃ／Ｄｉ≦１．０、とする。

本発明の冷媒分配器によれば、冷媒分配器の上流側を流れる冷媒が乱れを伴うような冷凍サイクル装置においても、圧力損失を抑制しつつ、気液二相冷媒を所定の比率で安定して分配することができ、また、実装性に優れた冷媒分配器、及びこの冷媒分配器を備えた冷凍サイクル装置を提供することができる。

（ａ）は空気調和器の冷凍サイクル構成図、（ｂ）は空気調和器の再熱除湿に対応した冷凍サイクルを示す図である。 分岐部上流側での気液二相状態の冷媒流動状態を示す図である。 分岐部上流側に配置されたベンド（曲がり管）とエルボ（二方弁）の冷媒流動状態を示す図である。 冷媒分配器を空気調和器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である。 （ａ）は冷媒分配器の斜視図、（ｂ）は冷媒分配器の底面図である。 （ａ）は図５（ｂ）のＡ-Ａ断面、（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ断面である。 気液二相冷媒の乾き度Ｘ[-]（質量分率)によるボイド率α[-]（体積分率）の変化を示すグラフである。 流入通路の内径および円筒状分岐空間の高さと、分配特性との関係を示すグラフである。 円筒状分岐空間の直径および流出通路の内径ならびにピッチ円直径と、分配特性との関係を示すグラフである。 流入通路の内径および円筒状混合部の直径と、分配特性との関係を示すグラフである。 （ａ）は本発明の冷媒分配器に係る解析結果であり気液分布を示す図、（ｂ）は冷媒分配器の速度分布の解析結果示す図、（ｃ）は図１１（ｂ）におけるＣ−Ｃ断面を示す図である。

本実施例の冷媒分配器は、気液二相冷媒が流入する入口管と、入口管から流入した気液二相冷媒を混合して分岐する分岐空間と、分岐空間で分岐された気液二相冷媒を流出する複数の出口管と、入口管と分岐空間とを接続する流入通路と、分岐空間と複数の出口管とをそれぞれ接続する複数の流出通路と、を備え、分岐空間は流入通路と対向する位置に形成された窪み形状を有する混合部を備え、流入通路の内径をＤｉ[ｍｍ]、流入通路の流路断面積をＡｉ[ｍｍ²]、混合部の内径をＤｃ[ｍｍ]、分岐空間の面積をＡｖ[ｍｍ²]、分岐空間の高さをＨｖ[ｍｍ]、流出通路の外接円における面積をＡｐｏ[ｍｍ²]、流出通路の内接円における面積をＡｐｉ[ｍｍ²]とすると、Ａｉ／（π×Ｄｉ×Ｈｖ）≧０．５、Ａｖ／（Ａｐｏ−Ａｐｉ）≦２．０、Ｄｃ／Ｄｉ≦１．０、とする。

Ａｉ／（π×Ｄｉ×Ｈｖ）≧０．５として、流入通路の内径Ｄｉに対して円筒状分岐空間４７の高さＨｖを低く設定することにより、ガスリッチ二相流となるにつれて、各パスへの分配量が平均化されて安定した冷媒分配が可能となる。また、Ａｖ／（Ａｐｏ−Ａｐｉ）≦２．０として、分岐空間の直径Ｄｖ、流出通路の内径Ｄｏ、ピッチ円直径Ｄｐを設定することにより、偏った状態の液膜が直接的に分配されることを防止するとともに、分岐空間４７外周に液ダマリが発生することを抑制する。また、Ｄｃ／Ｄｉ≦１．０として、混合部４６の直径Ｄｃを流入通路４８の内径Ｄｉ以下とすることで、幅広い流動様式の気液二相流に対して分岐部上流側で生じた偏流の影響を緩和することができる。

本発明の実施例について図１〜図１１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って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，パス１３，パス１４の４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差があるため、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ることや、配管の湾曲部で液冷媒に遠心力が加わること等により、液冷媒に偏りが生じる。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偏ったり壁面から剥離したりすることによって、気液界面の状態が乱れ、気相が流れる管断面中心部に多数の液滴が飛散するような流動状態となる。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２は気液二相冷媒の流動状態を示す図である。冷媒分配器に接続する入口通路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２（ａ）（ｂ）に示すように、比較的整流された状態となる。即ち、液相が冷媒配管内壁に沿って均一な厚さの膜状として流れ、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３はベンド（曲がり管）及びエルボ（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３（ａ）は曲がり管内部、図４（ｂ）は二方弁内部の流動状態を示す。図３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３（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１１，１２，１３，１４を蒸発器として機能させ、冷媒パス２１，２２と、冷媒パス１１，１２，１３，１４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１１，１２，１３，１４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流入時の気液界面における乱れの影響を受けやすくなるため、各冷媒パス１１，１２，１３，１４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、冷媒分配器の上流側で、液冷媒に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４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。

本実施例において、本発明の冷媒分配器を３２とする。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冷媒分配器である。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３２１，３２２，３２３，３２４の４パスに分配される。冷媒パス３２１，３２２，３２３，３２４は熱交換器２０２を通過後に合流して１パスの冷媒パス３２５となる。その後、冷媒パス３２５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。

室内空気調和機では、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３２１，３２２，３２３，３２４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３２について図５を用いて詳細に説明する。図５（ａ）は冷媒分配器の斜視図、図２（ｂ）は冷媒分配器の底面図である。図５（ａ）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入口管（入口通路）４２と、入口管（入口通路）４２に接続された冷媒分配器本体４３と、冷媒分配器本体４３に接続され流入した気液二相冷媒４０が分配されて流出する複数の出口管（出口通路）４４とを備える。入口通路４２は、冷媒分配器本体４３の流入通路４５に接続される。流入通路４５の下流側に円筒状混合部４６及び円筒状分岐空間４７を備え、円筒状分岐空間４７の内部に複数設けられた流出通路４８によって、分岐した気液二相冷媒４１が出口管（流出通路）４４を経て、熱交換器の各冷媒パスへと分配される。

図６（ａ）は図５（ｂ）のＡ−Ａ断面、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ断面である。
入口管（入口通路）４２の内径をＤｒ［ｍｍ］、流入通路４５の内径をＤｉ［ｍｍ］、長さをＬｉ[ｍｍ]、断面積をＡｉ[ｍｍ²]とする。また、円筒状混合部４６の直径をＤｃ［ｍｍ］、高さをＨｃ[ｍｍ]とし、円筒状分岐空間４７の直径をＤｖ［ｍｍ］、高さをＨｖ[ｍｍ]とする。また、冷媒分配器本体を軸として周方向に等間隔で設けた流出通路４８の直径をＤｏ［ｍｍ］、ピッチ円直径をＤｐ［ｍｍ］、ピッチ円における外接円の直径をＤｐｏ[ｍｍ]、ピッチ円における内接円の直径をＤｐｉ[ｍｍ]、分岐数をｎ[-]とする。

また、本実施例では、分岐部上流側が直角曲げ部４９によって構成される。そのため、直角曲げ部４９によって流れが屈曲した後、分岐部に差し掛かるまでの直線距離を短く設定した場合、分岐部上流側を流れる気液二相冷媒の気液界面は、図３（ｂ）に示すように液相が偏って乱れを伴う状態となっている。これに対し、本発明における冷媒分配器を適用した場合の冷媒分配について、実験結果を用いて詳細に述べる。

図７は、乾き度Ｘ[-]（気相の質量分率）によるボイド率α[-]（気相の体積分率）の変化を示す。ボイド率α[-]の算出式は、スミスによる近似式を使用した。算出式は、乾き度Ｘ[-]（気相の質量分率）と各相の密度ρ[ｋｇ／ｍ³]による関数であり、流量には依存しない。本発明の冷媒分配器に係り、分岐部上流側を流れる気液二相流のボイド率αが０．７０〜０．９６[-]の範囲について、蒸発に寄与する液相の分配比率をもとに標準偏差を算出して、冷媒分配器の分配特性を評価した。例えば、本実施例のように分岐数ｎ＝４[-]であれば、均一に分配された場合、分岐した各冷媒管に２５％ずつ分配されることから標準偏差は０[％]となる。

図８は、Ｄｒ＝６．６[ｍｍ]、Ｌｉ＝９．０[ｍｍ]、Ｄｉ＝７．０[ｍｍ]、Ｄｏ＝４．０[ｍｍ]、Ｄｖ＝２０．０[ｍｍ]、Ｄｃ＝０．０[ｍｍ]、Ｈｃ＝０．０[ｍｍ]、Ｄｐ＝１３．５[ｍｍ]とし、流入通路４５の内径Ｄｉ[ｍｍ]および円筒状分岐空間４７の高さＨｖ[ｍｍ]と、分配特性との関係を示す。図７より、流入通路４５の面積をＡｉ[ｍｍ²]として、
Ａｉ／（π×Ｄｉ×Ｈｖ）≧０．５・・・（数２）
とすることで、流入通路４５の内径Ｄｉ[ｍｍ]に対して円筒状分岐空間４７の高さＨｖ[ｍｍ]を低く設定することにより、ガスリッチ二相流（例えば、ボイド率α＞０．８５[-]）となるにつれて、各パスへの分配量が平均化されて安定した冷媒分配が可能となる。

図９は、Ｄｒ＝６．６[ｍｍ]、Ｌｉ＝９．０[ｍｍ]、Ｄｉ＝７．０[ｍｍ]、Ｄｃ＝０．０[ｍｍ]、Ｈｃ＝０．０[ｍｍ]、Ｈｖ＝２．０[ｍｍ] とし、円筒状分岐空間４７の直径Ｄｖ[ｍｍ]および流出通路４８の内径Ｄｏ[ｍｍ]ならびにピッチ円直径Ｄｐ[ｍｍ]と、分配特性との関係を示す。ここで、図６（ｂ）に示した、円筒状分岐空間の直径Ｄｖ[ｍｍ]、外接円の直径Ｄｐｏ[ｍｍ]、内接円の直径Ｄｐｉ[ｍｍ]より、円筒状分岐空間４７の面積をＡｖ[ｍｍ²]、ピッチ円における外接円の面積をＡｐｏ[ｍｍ²]、ピッチ円における内接円の面積をＡｐｉ[ｍｍ²]として、
Ａｖ／（Ａｐｏ−Ａｐｉ）≦２．０・・・（数３）
となるように、円筒状分岐空間４７の直径Ｄｖ[ｍｍ]、流出通路４５の内径Ｄｏ[ｍｍ]、ピッチ円直径Ｄｐ[ｍｍ]を設定することで、例えば直角曲げ部４９等によって偏った状態の液膜が直接的に分配されることを防止する。同時に、円筒状分岐空間４７外周に液ダマリが発生することを抑制する。

図１０は、Ｄｒ＝６．６[ｍｍ]、Ｌｉ＝９．０[ｍｍ]、Ｄｉ＝７．０[ｍｍ]、Ｄｏ＝４．０[ｍｍ]、Ｄｖ＝２０．０[ｍｍ]、Ｈｖ＝２．０[ｍｍ] 、Ｄｐ＝１３．５[ｍｍ]とし、流入通路４５の内径Ｄｉ[ｍｍ]および円筒状混合部４６の直径Ｄｃ[ｍｍ]と、分配特性との関係を示す。なお、Ｄｃ＝０．０[ｍｍ]は、凹形状の円筒状混合部を持たない場合である。それ以外では、Ｈｃ＝２．０[ｍｍ](Ｈｖ／Ｈｃ＝１．０[-])とした。図１０より、液リッチ二相流（例えば、ボイド率α＜０．８５[-]）では、凹形状の円筒状混合部を設けることによって分配量を平均化することができる。よって、
Ｄｃ／Ｄｉ≦１．０・・・（式４）
として、円筒状混合部４６の直径Ｄｃ[ｍｍ]を流入通路４８の内径Ｄｉ[ｍｍ]以下とすることで、（式２）（式３）に加え、幅広い流動様式の気液二相流に対して分岐部上流側で生じた偏流の影響を緩和することが可能となる。

図１１は、本実施例の冷媒分配器に係り、同心円状の液膜（偏流無し）を投下した場合の解析結果を示しており、図１１（ａ）は気液分布、図１１（ｂ）は速度分布、図１１（ｃ）は図１１（ｂ）におけるＣ−Ｃ断面を示す。

図１１（ａ）より、冷媒分配器に流入する気液二相冷媒がガスリッチである場合、流入通路４５を流れる液膜５０の大部分が、円筒状混合部４６の凹窪み形状によって混合撹拌されることなく、円筒状分岐空間４７へ流動する様子が確認できる。

図１１（ｂ）より、流入通路４５の中心を流れる液滴を含んだガス冷媒が、円筒状混合部４６の頭頂部５２によって淀むことで、気液混合されて均一に撹拌される。円筒状混合部４６によって混合撹拌された状態から円筒状分岐空間４７の流出通路側壁面５４を伝って放射状に流動する。一連の流動場は、流入通路の内径Ｄｉ[ｍｍ]と円筒状分岐空間４７の高さＨｖ[ｍｍ]を（式２）のように定義することによって発生する。これにより、ガス冷媒の衝突および流出に伴う動圧が、円筒状混合部４６内部に常時蓄積する状態となり、液膜５０が円筒状混合部４６に侵入することを妨げる。そのため、液膜５０が流出通路４８を避けるように、急激に屈折する流れ場５１となり、流入通路側壁面５３を伝って円筒状分岐空間４７の内部で濡れ広がりながら放射状に流動する。

また、円筒状混合部４６の頭頂部５２によって混合撹拌されたガス冷媒および液滴は、本体中心軸を起点として、円筒状分岐空間４７の流出通路側壁面５４を伝って放射状に流動する。その際、流出通路４８に干渉しない方向に流動する流れは直進するため、円筒状分岐空間４７の外周壁面に衝突して、再び混合撹拌された状態５５となる。

以上の現象は、図１１（ｃ）に示す図１１（ｂ）のＣ−Ｃ断面における速度分布からも確認することができる。図１１（ｃ）より、円筒状分岐空間４７の内部では、円筒状分岐空間４７の流入通路側壁面５３を伝って放射状に流動する液冷媒５１と、円筒状分岐空間４７の流出側通路５４を伝った後に、円筒状混合部の外周壁面に衝突して混合撹拌されたガス冷媒および液滴５５が対向する速度成分をもつ。これら対向する速度成分が、冷媒分配器の本体軸を中心として、円筒状分岐空間４７の壁面近傍で周方向に作用することにより、気液混合が促進されるため安定した冷媒分配が可能となる。対向する速度成分によって気液混合を促進された冷媒は、流出通路４８に向かって分散された流れ５６となり、これらが再合流した状態５７となって各流出通路４８に分配される。

その際、円筒状武器空間４７と流出通路４８との間に距離５８が長い場合、再合流した状態５７の流れ方向が、局所的に中心軸方向へ向かうため、渦状の流れ５９が発生して分配量の平均効果を阻害する。そのため、円筒状分岐空間４７の外周に流出通路４８を正接させることが理想となる。しかし、円筒状分岐空間４７の直径Ｄｖ[ｍｍ]、流出通路４８の直径Ｄｏ[ｍｍ]、流出通路４８のピッチ円直径Ｄｐ[ｍｍ]を、（式３）のように定義することで、隙間５８に依存することなく、渦状の流れ５９を抑制することができるため、安定した冷媒分配が達成される。ひいては、冷媒分配器本体のコンパクト化や加工プロセスの汎用化に寄与することができる。

以上、本実施例においては、１パスを４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４パスの場合に限らず、他分岐数での構成となった場合においても同様に、冷媒分配器４８の本体軸を中心に流出通路４８を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４８を、分配器３２の本体軸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や、流出通路４８の流路断面積を各個所で任意に設定することで、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、冷媒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、流入通路４５の内径Ｄｉ[ｍｍ]、円筒状混合部４６の直径Ｄｃ[ｍｍ]、円筒状分岐空間４７の直径Ｄｖ[ｍｍ]、流出通路４８の内径Ｄｏ[ｍｍ]、円筒状分岐空間４７の高さＨｖ[ｍｍ]を調整することができる。

以上、本実施例によれば、本実施例の冷媒分配器によれば、冷媒分配器の上流側を流れる冷媒が乱れを伴うような冷凍サイクル装置においても、圧力損失を抑制しつつ、気液二相冷媒を所定の比率で安定して分配することができる。つまり、分岐部上流側を流れる気液二相冷媒の流量や乾き度による影響を受けることなく、冷媒分配器本体に設けた円筒状混合部と円筒状分岐空間によって気液混合を促進することができるため安定した冷媒分配が可能となる。また、分岐部上流側の直線距離が短い場合においても、同様の気液混合効果を発揮する。ひいては、分岐部上流側に縮流となる流路断面積変化（Ｄｒ＞Ｄｉ）を持たないことから、流量増加に伴う圧力損失の増大を抑制する。よって、幅広い流量条件で使用される冷凍サイクル装置に適用することが可能となり、本体がコンパクトでありながら安定した冷媒分配ができる。

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、１１，１２，２１，２２，３１０，３１１，３１２，３２０，３２１，３２２，３２３，３２４，３２５：冷媒パス、３１，３２：冷媒分配器、４０：流入冷媒、４１：流出冷媒、４２：入口管（入口通路）、４３：冷媒分配器本体、４４：出口管（出口通路）、４５：流入通路、４６：円筒状混合部、４７：円筒状分岐空間、４８：流出通路、４９：直角曲げ部（エルボ）、５０：同心円状の液膜、５１：放射状に流動する液冷媒、５２：円筒状混合部の頭頂部、５３：円筒状分岐空間内部の流入通路側壁面、５４：円筒状分岐空間内部の流出通路側壁面、５５：混合撹拌されたガス冷媒および液滴、５６：分散された流れ、５７：再合流した状態、５８：円筒状分岐空間と流出通路との距離、５９：渦状の流れ、１１２：除湿弁、１１３：貫流ファン、１１４：室内機筐体、２００，２０１，２０２：熱交換器

Claims (4)

1. 気液二相冷媒が流入する入口管と、
   前記入口管から流入した気液二相冷媒を混合して分岐する分岐空間と、
   前記分岐空間で分岐された気液二相冷媒を流出する複数の出口管と、
   前記入口管と前記分岐空間とを接続する流入通路と、
   前記分岐空間と複数の前記出口管とをそれぞれ接続する複数の流出通路と、を備え、
   前記分岐空間は前記流入通路と対向する位置に形成された窪み形状を有する混合部を備え、
   前記流入通路の内径をＤｉ[ｍｍ]、前記流入通路の流路断面積をＡｉ[ｍｍ²]、前記混合部の内径をＤｃ[ｍｍ]、前記分岐空間の面積をＡｖ[ｍｍ²]、前記分岐空間の高さをＨｖ[ｍｍ]、前記流出通路の外接円における面積をＡｐｏ[ｍｍ²]、前記流出通路の内接円における面積をＡｐｉ[ｍｍ²]とすると、
   Ａｉ／（π×Ｄｉ×Ｈｖ）≧０．５
   Ａｖ／（Ａｐｏ−Ａｐｉ）≦２．０
   Ｄｃ／Ｄｉ≦１．０
   である冷媒分配器。
2. 請求項１において、入口管の内径をＤｒ[ｍｍ]とすると、Ｄｒ≦Ｄｉである冷媒分配器。
3. 請求項１又は２において、前記分岐部上流側が曲げ部によって構成される冷媒分配器。
4. 圧縮機と、室外熱交換器と、膨張弁と、請求項１乃至３の何れかに記載の冷媒分配器と、室内熱交換器と、を冷媒配管で接続した冷凍サイクル装置。