JP2014098500A - 分流器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒の流速など、運転条件のバラつきによる影響を受けず、運転条件に応じた調整作業を必要とせずに、分流された冷媒の乾き度を均一にする。
【解決手段】気液二相冷媒を分離するための分離空間１が、断面略円形状の内向面１１及び内向面１１に対向する外向面１２により形成される第１分離空間１ａと、第１分離空間１ａの下流側において内向面１１のみにより形成される第２分離空間１ｂとにより形成され、内向面１１に、その周方向に沿って形成された螺旋状の凹凸２４が形成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、空気調和機などの冷凍サイクルに適用される、気液二相冷媒を気相冷媒及び液相冷媒に分離する分流器に関するものである。

従来の気液分離器としては、特許文献１に示すように、本体内部に流入した気液二相冷媒が、本体内部に設けられた螺旋状の流路によって旋回成分が与えられ、遠心力によって液冷媒及びガス冷媒に分離されるものがある。

しかしながら、特許文献１に記載された気液二相冷媒を遠心力のみによって液冷媒及びガス冷媒に分離するものでは、流速が遅い場合に、気液分離するための遠心力が得られず、気液分離効果を得ることができない。

このように、従来の遠心力のみを利用した気液分離器では、流体の適応流速幅が狭く、運転条件が限られてしまい、運転条件に応じて乾き度を均一に分流するためには、手間のかかる現物合せでの調整作業が必要になるという問題がある。また、遠心力のみを利用した気液分離器では、気液分離に必要な遠心力を得るために気液分離器が大型化してしまうという問題もある。

特開２００８−５１３４４号公報

そこで本発明は、冷媒の流速など、運転条件のバラつきによる影響を受けず、運転条件に応じた調整作業を必要とせずに、分流された冷媒の乾き度を均一にすることを所期課題とする。

すなわち本発明に係る分流器は、気液二相冷媒を、気相冷媒及び液相冷媒に分離する分流器であって、前記気液二相冷媒を分離するための分離空間と、前記分離空間の上流側に設けられた気液二相冷媒入口と、前記気液二相冷媒入口から導入された前記気液二相冷媒を前記分離空間に案内する案内面と、前記分離空間の下流側に設けられるとともに、前記分離空間により分離された気相冷媒を排出する気相冷媒出口と、前記分離空間の下流側に設けられるとともに、前記分離空間により分離された液相冷媒を排出する液相冷媒出口とを備え、前記分離空間が、断面が略円形状の内向面及び当該内向面に対向する外向面により形成される第１分離空間と、前記第１分離空間の下流側において前記内向面のみにより形成される第２分離空間とにより形成され、前記内向面に、その周方向に沿って形成された螺旋状の凹凸が形成されていることを特徴とする。

このようなものであれば、前記第１分離空間が、断面が略円形状の内向面及び当該内向面に対向する外向面により形成され、前記内向面に、その周方向に沿って形成された螺旋状の凹凸が形成されており、前記第１分離空間において冷媒が前記螺旋状の凹凸に沿った螺旋流となることにより、径方向外側を向く力、つまり遠心力を利用して気液二相冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離することができる。また、前記第２分離空間が、前記第１分離空間の下流側において前記内向面のみにより形成されており、前記内向面の前記凹凸の凹部において液体の表面最小化による液相冷媒の表面張力を利用して気液二相冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離することができる。したがって、遠心力及び表面張力の両方を利用して流体の適応流速幅及び適応冷媒量を広げることができ、運転条件のバラつきによる影響を受けにくくなり、運転条件の変化による調整作業を必要とせずに、分流された冷媒の乾き度を均一にすることができる。

導入された気液二相冷媒をスムーズに前記分離空間に案内するためには、前記案内面が、前記分離空間の中心軸方向上流側に向かうに連れて徐々に細くなることが望ましい。

導入された気液二相冷媒をよりスムーズに前記分離空間に案内するためには、前記案内面が、テーパ状であることが望ましい。

導入された気液二相冷媒をスムーズに前記分離空間に案内するとともに、螺旋流を発生させ、前記第１分離空間における気液分離効果を高めるためには、前記案内面に、螺旋流を発生させるための螺旋流発生部が設けられていることが望ましい。

導入された気液二相冷媒をスムーズに前記分離空間に案内するとともに、螺旋流を発生させ、前記第１分離空間における気液分離効果を高める具体的な構成としては、前記螺旋流発生部が、スクリュー羽根であることが望ましい。

前記分離空間において、表面張力を最大限有効利用するためには、前記螺旋状の凹凸における凹部の断面が、略Ｖ字形状であることが望ましい。

前記気液二相冷媒入口が、前記分離空間の中心軸と同軸上に形成されることが望ましい。

部品点数を最小限にするとともに、分流器の構造をコンパクトにするためには、内部に断面略円形状の中空部を有し、中心軸方向一端側面に形成された気液二相冷媒入口と、中心軸方向他端側面に形成された前記気相冷媒出口及び前記液相冷媒出口とを有する分流器本体と、前記分流器本体の中空部に設けられ、軸方向一端側に前記案内面を有する案内部材とを備え、前記内向面が、前記中空部の内側周面により形成され、前記外向面が、前記内向面に対向する前記案内部材の外側周面により形成されることが望ましい。

分離後の前記気相冷媒及び前記液相冷媒を確実に分離した状態で分流器から排出するためには、前記気相冷媒出口が、前記他端側面における径方向内側に形成され、前記液相冷媒出口が、前記他端側面における径方向外側に形成されることが望ましい。

分離された液相冷媒を確実に排出するためには、前記液相冷媒出口が、複数形成されることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、前記第１分離空間が、断面が略円形状の内向面及び当該内向面に対向する外向面により形成され、前記内向面に、その周方向に沿って形成された螺旋状の凹凸が形成されており、前記第１分離空間において冷媒が前記螺旋状の凹凸に沿った螺旋流となることにより、径方向外側を向く力、つまり遠心力を利用して気液二相冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離することができる。また、前記第２分離空間が、前記第１分離空間の下流側において前記内向面のみにより形成されており、前記内向面の前記凹凸の凹部において液体の表面最小化による液相冷媒の表面張力を利用して気液二相冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離することができる。したがって、遠心力及び表面張力の両方を利用して流体の適応流速幅及び適応冷媒量を広げることができ、運転条件のバラつきによる影響を受けにくくなり、運転条件の変化による調整作業を必要とせずに、分流された冷媒の乾き度を均一にすることができる。

本発明の一実施形態に係る分流器を備えた空気調和機のブロック図。 本発明の一実施形態に係る分流器を示す断面図。 本発明の一実施形態に係る分流器を示す拡大断面図。 本発明の一実施形態に係る分離空間における凹部形状を示す断面図。 本発明の変形実施形態に係る分流器を示す断面図。 本発明の変形実施形態に係る分流器を示す断面図。 本発明の変形実施形態に係る分流器を示す断面図。 本発明の変形実施形態に係る案内部材を示す模式図。 本発明の変形実施形態に係る分流器を示す断面図。

以下に本発明に係る分流器の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る分流器１００は、図１に示すように、例えば空気調和機の冷凍サイクルにおいて、気液二相冷媒を気相冷媒及び液相冷媒に分離するものである。

本実施形態の分流器１００は、図２に示すように、気液二相冷媒を分離するための分離空間１と、分離空間１の上流側に設けられた気液二相冷媒入口２１ａと、気液二相冷媒入口２１ａから導入された気液二相冷媒を分離空間１に案内する案内面３２と、分離空間１の下流側に設けられるとともに、分離空間１により分離された気相冷媒を排出する気相冷媒出口２２ａと、分離空間１の下流側に設けられるとともに、分離空間１により分離された液相冷媒を排出する液相冷媒出口２２ｂとを備える。

分離空間１は、遠心力により気液二相冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する第１分離空間１ａと、表面張力により気液二相冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する第２分離空間１ｂとを有する。

この分離空間１において、第１分離空間１ａは、中心軸に直交する断面において略円形状の内向面１１及びこの内向面１１に対向する外向面１２により形成され、第２分離空間１ｂは、第１分離空間１ａの下流側において外向面１２が無くなり、内向面１１のみにより形成される。

具体的に分流器１００は、内部に中心軸に直交する断面において略円形状の中空部２０を有し、前記気液二相冷媒入口２１ａと、前記気相冷媒出口２２ａ及び前記液相冷媒出口２２ｂとを有する分流器本体２と、分流器本体２の中空部２０に設けられ、中心軸方向一端２１側に案内面３２を有する案内部材３とを備える。

分流器本体２は、前述した中空部２０を有するとともに、第１分離空間１ａ及び第２分離空間１ｂを形成する内向面１１となる内側周面２３を有するものである。図２に示すように、この分流器本体２は、上流側である中心軸方向一端２１側に、中空部２０に気液二相冷媒を導入する気液二相冷媒入口２１ａが形成されている。また、下流側である中心軸方向他端２２側に、気相冷媒を排出する気相冷媒出口２２ａと液相冷媒を排出する液相冷媒出口２２ｂとが形成されている。

気液二相冷媒入口２１ａは、中心軸方向一端２１側における分離空間１の中心軸と同軸上に形成され、気液二相冷媒を供給する気液二相冷媒用配管（不図示）に接続される気液二相冷媒用接続部ＭＬと連通している。この気液二相冷媒入口２１ａから導入された気液二相冷媒は分離空間１の中心軸方向に沿って案内面３２へ向かい、当該案内面３２により径方向外側に案内されて、分離空間１（第１分離空間１ａ）に流入する。

気相冷媒出口２２ａは、中心軸方向他端２２側における分離空間１の中心軸と同軸上、つまり径方向内側に形成され、液相冷媒出口２２ｂは、中心軸方向他端２２における径方向外側に形成されている。また、気相冷媒出口２２ａは、気相冷媒を蒸発器に供給する気相冷媒用配管（不図示）に接続される気相冷媒用接続部ＧＬに連通し、液相冷媒出口２２ｂは、液相冷媒を蒸発器に供給する液相冷媒用配管（不図示）に連通している。

分流器本体２の内側周面２３は、分離空間１を形成する内向面１１となるものであり、周方向に沿って形成された螺旋状の凹凸２４が形成されている。この螺旋状の凹凸２４は、分離空間１において冷媒を螺旋流となるようにガイドするものであり、気液二相冷媒入口２１ａから所定の間隔をとった位置から、液相冷媒出口２２ｂまで延びるように設けられている。

また、螺旋状の凹凸２４における凹部２４ａの断面は、液体の表面積最小化による表面張力を利用しやすいように略Ｖ字形状となっている。

案内部材３は、気液二相冷媒を分離空間１に案内するとともに、第２分離空間１ｂを形成する外向面１２となる外側周面３１を有するものである。図２に示すように、この案内部材３は、中空部２０における中心軸に直交する断面において略円形状の回転体形状をなす部材であり、外側周面３１が分流器本体２の内側周面２３に対向するとともに、中心軸方向一端２１側に案内面３２が形成されている。

外側周面３１は、少なくとも一部が螺旋状の凹凸２４に対向するように設けられ、この螺旋状の凹凸２４に対向する部分においては、螺旋状の凹凸２４の凸部２４ｂの頂部に接触している。これにより、内向面１１を形成する内側周面２３と外向面１２を形成する外側周面３１との間に螺旋状の第１分離空間１ａが形成される。

また、この案内部材３は、気液二相冷媒入口２１ａ近傍から、気相冷媒出口２２ａ及び液相冷媒出口２２ｂから所定の間隔をとった位置まで分離空間１の中心軸方向に沿って延びるように設けられている。したがって、案内部材３より下流側の中空部２０には、外向面１２を形成する外側周面３１が無くなり、内向面１１を形成する内側周面２３のみとなる。これにより、第１分離空間１ａの下流側には、内向面１１となる内側周面２３のみで形成される円柱状の第２分離空間１ｂが形成される。

案内面３２は、中心軸方向一端２１側に向かうに連れて徐々に細くなるテーパ形状をなし、気液二相冷媒入口２１ａの中心軸と同心円状となるように形成されている。

ここで、分離空間１において働く力、気液分離作用を説明する。

第１分離空間１ａは、螺旋状の凹凸２４により冷媒が螺旋流となることにより、この冷媒に働く径方向外側を向く力、つまり遠心力を利用でき、気液二相冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離することができる。

また、第１分離空間１ａから第２分離空間１ｂに切替る部分では、分離空間１における冷媒の流路が急に拡大することになり、液体の表面積最小化による表面張力により液相冷媒は凹部２４ａに保持されるように流動し、気相冷媒は凹凸２４から離れる方向、つまり径方向内側に流動する。したがって、第１分離空間１ａから第２分離空間１ｂに切替る部分では、前述した遠心力に加えて流路拡大による拡散力を利用することができ、気液二相冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離することができる。

第２分離空間１ｂでは、断面略Ｖ字状の凹部２４ａに保持された液相冷媒には前述した表面積最小化による表面張力、及び、螺旋流による遠心力が働く。また、外向面１２を形成する外側周面３１が無いため、気相冷媒には径方向内側に向く力である重力が働く。したがって、第２分離空間１ｂでは、遠心力、表面張力に加えて重力を利用することができ、気液二相冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離することができる。

次に、分流器１００における冷媒の流れを説明する。

図２に示すように、分流器本体２の中空部に気液二相冷媒入口２１ａから流入した気液二相冷媒は、案内面３２によって径方向外側に案内され、第１分離空間１ａに流入する。第１分離空間１ａに流入した気液二相冷媒は、螺旋状の凹凸２４にガイドされることにより螺旋流となり、遠心力が働く。

次に、第１分離空間１ａから第２分離空間１ｂに変わる部分では、流路拡大による拡散力が働き、液相冷媒は径方向外側、つまり凹部２４ａに保持されるように流動し、気相冷媒は径方向内側、つまり凹凸２４から離れる方向へ流動する。

第２分離空間１ｂにおいては、液相冷媒には遠心力及び表面張力が作用するため、液相冷媒は凹部２４ａに保持されたまま液相冷媒出口２２ｂに向かう。気相冷媒には流路拡大による拡散力及び重力が作用するため、気相冷媒は第２分離空間１ｂの中心軸付近、つまり径方向内側を流れて気相冷媒出口２２ａに向かう。このように分離された気相冷媒は気相冷媒出口２２ａから排出され、液相冷媒は液相冷媒出口２２ｂから排出される。

ここで、分離空間１において、気相冷媒及び液相冷媒に生じる力としては、図３に示すように、
（１）重力＝ｍ×ｇ
（２）流路拡大による拡散力＝（１−Ｓ１／Ｓ２）^２×ρ×ｖ^２／２
（３）表面張力による保持力＝２×Ｓｔ／Ｒ
（４）遠心力＝ρ×ｖ×（ｌｏｇｒ１−ｌｏｇｒ２）
ここで、
ｍ ：冷媒質量
ｇ ：重力加速度
ρ ：密度
ｖ ：速度
Ｓｔ：表面張力
Ｒ ：曲率半径
Ｓ１：第１分離空間１ａ流路面積
Ｓ２：第２分離空間１ｂ流路面積
ｒ１：内側周面２３最大半径（凹部２４ａでの半径）
ｒ２：内側周面２３最小半径（凸部２４ｂでの半径）である。

前記４種類の力のうち、重力項及び拡散力は径方向内側、つまり内側周面２３から離れる方向の力であり、遠心力及び表面張力は径方向外側、つまり内側周面２３に向かう方向の力である。したがって、気相冷媒では、（重力項＋拡散力）＞（遠心力＋表面張力）となり、液相冷媒では、（重力項＋拡散力）＜（遠心力＋表面張力）となった場合に気相冷媒と液相冷媒が分離する。

ここで、具体的に分流器１００の寸法の例を示す。対応する記号は図３又は図４に示す。本実施形態の分流器１００は、
内側周面２３の直径Ｄｉ＝３５ｍｍ、
第１分離空間１ａの高さ寸法Ｌｃｈ＝５ｍｍ、
第２分離空間１ｂの高さ寸法Ｌｐ＝１５（１５〜２０）ｍｍ、
凹部２４ａの幅寸法Ｃｗ＝２ｍｍ、
凹部２４ａの深さ寸法Ｃｈ＝１．５ｍｍ
としてある。

このように設定した分流器１００に対して、冷媒循環量１５０ｋｇ／ｈの場合、
液相冷媒側が、
（重力項＋拡散力）＜（遠心力＋表面張力）となる。
具体的には、１．０＜１３，２（ｋｇ／ｍ^２）となる。
気相冷媒側が、
（重力項＋拡散力）＞（遠心力＋表面張力）となる。
具体的には、１４．３＞０．０（ｋｇ／ｍ^２）となる。

また、同じ分流器１００に対して、冷媒循環量４５０ｋｇ／ｈの場合、
液相冷媒側が、
（重力項＋拡散力）＜（遠心力＋表面張力）となる。
具体的には、８．０＜７３，３（ｋｇ／ｍ^２）となる。
気相冷媒側が、
（重力項＋拡散力）＞（遠心力＋表面張力）となる。
具体的には、１２８．６＞０．６（ｋｇ／ｍ^２）となる。

以上のように、いずれの場合においても、気相冷媒では、（重力項＋拡散力）＞（遠心力＋表面張力）となり、液相冷媒では、（重力項＋拡散力）＜（遠心力＋表面張力）となるため、分離空間１において気相冷媒と液相冷媒が分離する。

このような分流器１００であれば、分流器１００における第１分離空間１ａが、断面が略円形状の内向面１１及び当該内向面１１に対向する外向面１２により形成され、内向面１１に、その周方向に沿って形成された螺旋状の凹凸２４が形成されており、第１分離空間１ａにおいて冷媒が螺旋状の凹凸２４に沿った螺旋流となることにより、径方向外側に向かう力、つまり遠心力を利用して気液二相冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離することができる。また、第２分離空間１ｂが、第１分離空間１ａの下流側において内向面１１のみにより形成されており、内向面１１の凹凸２４の凹部２４ａにおいて液体の表面最小化による液相冷媒の表面張力を利用して気液二相冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離することができる。したがって、遠心力及び表面張力の両方を利用して流体の適応流速幅及び適応冷媒量を広げることができ、運転条件のバラつきによる影響を受けにくくなり、運転条件の変化による調整作業を必要とせずに、分流された冷媒の乾き度を均一にすることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、案内面３２に、螺旋流を発生させるための螺旋流発生部３３が設けられているものでも良い。これならば、導入された気液二相冷媒をスムーズに分離空間１に案内するとともに、螺旋流を発生させ、分離空間１における気液分離効果を高めることができる。

螺旋流発生部３３の具体的な構成としては、図５に示すように、螺旋流発生部３３が、スクリュー羽根であるものが考えられる。

液相冷媒出口が、複数形成されたものでも良い。これならば、分離された液相冷媒を確実に排出することができる。

分流器１００と、気相冷媒出口２２ａから排出された気相冷媒及び液相冷媒出口２２ｂから排出された液相冷媒を混合する混合器とを備える空気調和機が考えられる。これならば、蒸発器入口における冷媒の乾き度をより精度良く調節することができる。

気液二相冷媒入口２１ａは、分離空間１の中心軸方向を向いている必要は無く、例えば、図６に示すように、分離空間１の径方向を向いて形成されているものでも良い。

図７に示すように、分流器本体２の内側周面２３に螺旋状の凹凸２４が形成されず、中空部２０に、内側周面に螺旋状の凹凸２４を有する別の筒体４が設けられる構成であっても良い。これならば、筒体４を交換するだけで更なる流体の適応流速幅及び適応冷媒量の拡大を図ることができる。

案内面３２は必ずしもテーパ形状でなくても良く、図８に示すように、断面略円弧状のものや、断面略階段状のものでも良い。

内向面１１を形成する内側周面２３と外向面１２を形成する外側周面３１とが必ずしも接しているものでなくても良く、図９に示すように、第１分離空間１ａから第２分離空間１ｂに変わる部分において流路拡大による拡散力が利用できる程度のものであれば、内側周面２３と外側周面３１とが離れているものでも良い。

案内面３２を有する部材と、外向面１２を形成する外側周面３１を有する部材が、それぞれ別体であっても良い。

凹凸２４は必ずしも凹部２４ａが隙間無く連続して配置されたものに限られず、螺旋状になっているものであれば、隣り合う凹部２４ａの間が離れているものでも良い。また、凹部２４ａの断面は略Ｖ字形状に限られず、例えばＵ字状やコの字状であっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・分流器
１ ・・・分離空間
１１ ・・・内向面
１２ ・・・外向面
１ａ ・・・第１分離空間
１ｂ ・・・第２分離空間
２ ・・・分流器本体
２０ ・・・中空部
２１ ・・・中心軸方向一端
２１ａ・・・気液二相冷媒入口
２２ ・・・中心軸方向他端
２２ａ・・・気相冷媒出口
２２ｂ・・・液相冷媒出口
２３ ・・・内側周面
２４ ・・・凹凸
２４ａ・・・凹部
２４ｂ・・・凸部
３ ・・・案内部材
３１ ・・・外側周面
３２ ・・・案内面
３３ ・・・螺旋流発生部
４ ・・・筒体
ＭＬ ・・・気液二相冷媒用接続部
ＧＬ ・・・気相冷媒用接続部

Claims (11)

1. 気液二相冷媒を、気相冷媒及び液相冷媒に分離する分流器であって、
   前記気液二相冷媒を分離するための分離空間と、
   前記分離空間の上流側に設けられた気液二相冷媒入口と、
   前記気液二相冷媒入口から導入された前記気液二相冷媒を前記分離空間に案内する案内面と、
   前記分離空間の下流側に設けられるとともに、前記分離空間により分離された気相冷媒を排出する気相冷媒出口と、
   前記分離空間の下流側に設けられるとともに、前記分離空間により分離された液相冷媒を排出する液相冷媒出口とを備え、
   前記分離空間が、断面が略円形状の内向面及び当該内向面に対向する外向面により形成される第１分離空間と、前記第１分離空間の下流側において前記内向面のみにより形成される第２分離空間とを有し、
   前記内向面に、その周方向に沿って形成された螺旋状の凹凸が形成された分流器。
2. 前記案内面が、前記分離空間の中心軸方向上流側に向かうに連れて徐々に細くなる請求項１記載の分流器。
3. 前記案内面が、テーパ状である請求項２記載の分流器。
4. 前記案内面に、螺旋流を発生させるための螺旋流発生部が設けられている請求項１、２又は３記載の分流器。
5. 前記螺旋流発生部が、スクリュー羽根である請求項４記載の分流器。
6. 前記螺旋状の凹凸における凹部の断面が、略Ｖ字形状である請求項１乃至５の何れか記載の分流器。
7. 前記気液二相冷媒入口が、前記分離空間の中心軸と同軸上に形成された請求項１乃至６の何れか記載の分流器。
8. 内部に断面略円形状の中空部を有し、中心軸方向一端側面に形成された気液二相冷媒入口と、中心軸方向他端側面に形成された前記気相冷媒出口及び前記液相冷媒出口とを有する分流器本体と、
   前記分流器本体の中空部に設けられ、中心軸方向一端側に前記案内面を有する案内部材とを備え、
   前記内向面が、前記中空部の内側周面により形成され、
   前記外向面が、前記内向面に対向する前記案内部材の外側周面により形成される請求項１乃至７の何れか記載の分流器。
9. 前記気相冷媒出口が、前記他端側面における径方向内側に形成され、
   前記液相冷媒出口が、前記他端側面における径方向外側に形成された請求項８記載の分流器。
10. 前記液相冷媒出口が、複数形成された請求項９記載の分流器。
11. 請求項１乃至１０の何れか記載の分流器と、
    前記液相冷媒出口から排出された液相冷媒及び前記気相冷媒出口から排出された気相冷媒を混合する混合器とを備える空気調和機。