JP2724275B2 - 気液二相流体分配器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はヘッダ室内に流入する
気液二相流体を複数の管に略均等に分配して流出させ、
かつ圧力損失が小さい気液二相流体分配器に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】第２３図は例えば縦型のシェルチュ―ブ
熱交換器の上部に形成された従来の気液二相流体分配器
を示したものである。

【０００３】この気液二相流体分配器１０１では、入口
配管１０３を介して気液二相流体が導入されるヘッダ室
１０５は、ヘッダ１０６と管板１０７とで構成され、管
板１０７には複数本の伝熱管１１１が取付けられてい
る。これら伝熱管１１１の上端はヘッダ室１０５内に開
口し、下端はシェル１１２の下段部に設けられた図示し
ない管板に支持されている。

【０００４】なお、図２３において符号g は重力方向を
示したものである。

【０００５】そして、上記気液二相流体分配器１０１で
は媒体Ａをヘッダ室１０５内に気液二相状態で流入させ
た場合、入口配管１０３近傍の伝熱管１１１a には、媒
体Ａの液相Ｌと気相Ｇとの速度差および密度差と重力と
の影響により、液相Ｌの液量が多くなり、入口配管１０
３からより離れている伝熱管１１１b には、逆に気相Ｇ
の流量が多くなる。このように、この気液二相流体分配
器１０１では、ヘッダ室１０５内の気液分離機能が十分
でないため、これら複数個の伝熱管１１１の内部に流れ
る気液二相流量が不均一になり伝熱性能が悪化するとい
う問題点があった。

【０００６】一方、図２４は、特開昭６２−２４５０５
８号公報に示される気液二相流体分配器１１３を示した
ものである。

【０００７】この分配器１１３では、ヘッダ室１１５の
上部にバッフル板１１７が配設されており、このバッフ
ル板１１７の周側に形成された凹部には孔１１９が形成
されている。また、ヘッダ室１１５と蒸発器１２１との
間に配設された管１２３，１２５，１２７には、高さの
異なる孔１２９，１３１，１３３がそれぞれ形成されて
いる。

【０００８】このように形成された気液二相流体分配器
１１３では、ヘッダ室１１５内に導入される気液二相流
体は、いったんバッフル板１１７上に収容され、ついで
バッフル板１１７の例えば孔１１９を介して下方に流出
する。そして液相Ｌは管１２３，１２５，１２７の孔１
２９，１３１，１３３を介して蒸発器１２１に供給され
る。また、気相Ｇは、管１２３，１２５，１２７の上部
開口を介して蒸発器１２１に供給される。従って、各孔
１２９，１３１，１３３の高さを同一にすれば各管１２
３，１２５，１２７に媒体を均等に分配して流出させる
ことが可能となる。

【０００９】このような気液二相流体分配器１１３で
は、気相Ｇおよび液相Ｌの分離機能は有するが、次のよ
うな問題がある。すなわち、バッフル板１１７の孔１１
９からヘッダ室１１５の下部への媒体の流れは高流速な
気液二相状態で噴出するため、圧力損失が大きくなって
しまう。さらに液相Ｌが動揺するので、孔１２３，１３
１，１３３を同高さにしても管１２３，１２５，１２７
を介して流出する液相Ｌの流量が不均等になる恐れもあ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
気液二相流体分配器では、気相と液相との速度差および
密度差と重力との影響により、各管からの分配流出を均
等に行なうことができなかった。また、特開昭６２−２
４５０５８号公報に記載のものを応用しても、圧力損失
は大きくなり、かつある程度均等に分配する効果はある
ものの、液相が動揺するため十分な均等分配は得られな
いものであった。

【００１１】そこでこの発明は、圧力損失を大きくしな
いで気液二相流体をより確実に均等分配流出させること
ができる気液二相流体分配器を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前述のごとき従来の問題
を鑑みて、本発明は、略水平に設けた底板上にヘッダを
設けて形成された密閉状のヘッダ室と、このヘッダ室に
水平方向から気液二相流体を導入するための入口配管
と、前記底板を上下に貫通し当該底板より前記ヘッダ室
内に突出した突出部分の上端を前記入口配管より低位置
でかつそれぞれ略同一高さ位置に備えた複数の管と、前
記入口配管と複数の管との間に位置し前記入口配管から
前記ヘッダ室に導入された気液二相流体を衝突させて気
相を上方に液相を下方に分離すると共に下部が液相内に
位置しかつ前記ヘッダ室の内周面との間に環状路を形成
した筒状の分離手段と、前記分離手段によって下方に分
離された液相が前記各管の周囲において静的な自由液面
を構成するように前記下方に分離された液相を受け溜め
るための受液手段と、を備えてなるものである。

【００１３】

【作用】上記構成により、入口配管からヘッダ室内に導
入された気液二相流体は分離手段に当接して気相および
液相を上下に分離される。そして液相は環状路に沿って
流れて環状路全周から均等的に流れて受液手段に受け溜
められて運動エネルギが減衰され、各管の周囲において
静的な自由液面を構成し、各管に均等に分配され、引い
ては気相も均等に分配される。

【００１４】

【実施例】以下、この発明の実施例を詳述する。

【００１５】図１は、この発明の気液二相流体分配器の
第一実施例を示したものである。この気液二相流体分配
器１は、従来同様、例えば、縦型のシェルチュ―ブ熱交
換器Ｈに一体的に設けたものである。しかし、他の装置
に適用することもできる。

【００１６】この気液二相流体分配器１は、密閉状のヘ
ッダ室３がヘッダ４と略水平な管板（底板材）５とで構
成され、管板５の下面は熱交換器のシェル７に取付けら
れている。また、この管板５には複数本の管９が取付け
られており、これらの管９の一端はヘッダ室３内に突出
部分９ａとなって突出してその上端が開口し、管９の他
端はシェル７内に延設されて熱交換器Ｈの伝熱管となっ
ている。伝熱管としての管９の下端は、シェル７内下部
の管板に取付けられている。前記管板５，管９の突出部
分９ａ及びヘッダ４の内周壁により液相Ｌが流下するの
を受け溜める受液手段を構成する。

【００１７】また、この気液二相流体分配器１では、ヘ
ッダ室３内に上下方向に開口した筒体（分離手段）１１
が配設されており、この筒体１１は気液二相流体を周面
に当てて気相Ｇと液相Ｌとに上下に分離する構成となっ
ている。筒体１１の下部１２は複数の管９を包囲するよ
うに形成され、下部１２が分離された液相Ｌ内に位置す
るようになっている。従って、筒体１１とヘッダ４の内
周壁との間には環状路が形成してあるものであり、しか
も筒体１１の下部１２はこの実施例で、分離された液相
Ｌを各管９の周囲へ徐々に供給して略静的な自有液面Ｓ
を形成する供給手段を構成する。

【００１８】このように形成された気液二相流体分配器
１では、媒体Ａが入口配管１５から気液二相状態でヘッ
ダ室３内に導入されると筒体１１の周面に当り、液相Ｌ
および液滴は運動エネルギが低減されるので、遠方に飛
散することなく下方へ流れ落ちる。流れ落ちた液相Ｌは
筒体１１の下部１２と管板５との間から徐々に複数の管
９の周囲へ供給される。従って、液相Ｌの運動エネルギ
はさらに減衰されて管９の周囲おいて、略静的な自由液
面Ｓを形成し、各管９の上部から液相Ｌが均等に流れ込
む。

【００１９】一方、媒体Ａが筒体１１に衝突したとき、
気相Ｇは液相から分離し破線で示す如く筒体１１の上方
へ導かれ、ヘッダ室３内に充満する。充満した気相Ｇは
各管９の上部から均等に流れ込む。

【００２０】したがって、この気液二相流体分配器１で
は、複数の管９内に圧力損失が大きくならずに気液二相
流が均等に分配され、熱交換器Ｈでの伝熱性能を向上さ
せることができる。媒体Ａの流量が増加しても筒体１１
により、上記効果を維持することができる。

【００２１】図２はこの発明の第２実施例を示したもの
である。この気液二相流体分配器１７は、図１における
筒体１１に代えて円錐台形状の筒体１９に形成したもの
である。

【００２２】このように筒体１９を形成することによ
り、入口配管１５と筒体１９との間の気相Ｇの通路２０
を拡大することができる。従って気相Ｇによる圧力損失
が減少し、ヘッダ室３を大きくすることなく気相Ｇの流
量を増加させることができる。

【００２３】筒体１９に代えて図３に示した如く、円錐
台形状の上部２１a に円筒形状の下部２１b を合致させ
た筒体２１とした場合でも、図２の気液二相流体分配器
１７と同様の作用効果を有する。

【００２４】図４はこの発明の第３実施例を示したもの
で、この気液二相流体分配器２３は図１に示した筒体１
１の上部に、湾曲した斜面を有する蒸気整流筒２５を設
けたものである。

【００２５】このような蒸気整流筒２５を設けた気液二
相流体分配器２３では、媒体Ａから分離した気相Ｇが蒸
気整流筒２５に沿って流れると共に拡大された通路２０
を通りスム―ズに上昇し、筒体１１の開口内へ導かれる
ので、気相Ｇによる圧力損失をより減少させることがで
きる。

【００２６】図５はこの発明の第４実施例を示したもの
である。

【００２７】この気液二相流体分配器２７では、円筒形
状の筒体２９の下端に受液板３１を設けたものであり、
この受液板３１は、ヘッダ４に取付けられている。この
受液板３１には複数の孔３２が形成され、この孔３２に
は複数の液導入管３１a ，３１b ，…が取付けられて受
液板上下を貫通する貫通路３４が形成されている。これ
ら液導入管３１a ，３１b ，…の下端は、管板５に近接
して対向している。このように形成された気液二相流体
分配器２７では、入口配管１５から気液二相状態でヘッ
ダ室３内に導入された媒体Ａは筒体２９の周面に当るこ
とによって気相Ｇおよび液相Ｌに分離される。液相Ｌ
は、一旦受液板３１上に溜まり、その後受液板３１から
貫通路３４を介して管板５上に導かれる。従って、液相
Ｌの運動エネルギば受液板３１上で一旦減衰され、液導
入管３１a ，３１b の下端から管９の周囲へ減衰状態で
徐々に供給され、より静的な自由液面Ｓを構成すること
ができる。

【００２８】また、複数の貫通路３４から均等量ずつ管
９のまわりに落下するので、液相Ｌの流量が増加して
も、各管９の内部に流れ込む液相Ｌの量をより均等にす
る効果をも有する。

【００２９】このように、筒体２９の下端を管９に対し
て上方に位置させる場合には、筒体２９の径を小さくす
ることができ、そのため、ヘッダ４と筒体２９との空間
３０が大きくなる。その結果、媒体Ａは気液分離しやす
くなり、筒体２９の高さを低くすることができ、ヘッダ
４をコンパクト化する効果と、通路３０が大きくなるこ
とから気相Ｇによる圧力損失が小さくなる効果とを有す
る。

【００３０】図６はこの発明の第５実施例を示したもの
である。

【００３１】この気液二相流体分配器３３では、図５に
示した液導入管３１a ，３１b ，…及び孔３２を省き、
受液板３１の端縁に液導入筒３５を取付けたものであ
る。この液導入筒３５の下端は管板５上に近接してい
る。そして、受液板３１とヘッダ４との間に貫通路３４
が設けられている。

【００３２】このような気液二相流体分配器３３であっ
ても前記気液二相流体分配器２７と略同様の作用効果を
有する。

【００３３】図７はこの発明の第６実施例を示したもの
である。

【００３４】この気液二相流体分配器４１は、図６に示
した液導入筒３５と管９との間に筒状の液整流壁４３を
配置したものである。

【００３５】気相Ｇの流量が増加していくと、貫通路３
４内には媒体Ａが気液二相流として流れる虞れがある。
その場合、管板５上に溜っている液相Ｌの自由液面Ｓが
乱れてしまうが、この液整流壁４３を設けることによ
り、液相Ｌは液整流壁４３の上端を通過した後、液整流
壁４３内に流れ込むので、略静的な自由液面Ｓを形成す
ることができる。気相Ｇの流量が増加しても均等に分配
することができる。

【００３６】図８はこの発明の第７実施例を示したもの
である。

【００３７】この気液二相流体分配器４５では、第６図
の第５実施例の液導入筒３５を省いたものである。

【００３８】このように形成された気液二相流体分配器
４５では、筒体２９に衝突することによって分離された
液はいったん受液板３１上に溜まった後、貫通路３４を
介し、ヘッダ４内面に沿って管板５上に流れ出る。従っ
て、略静的な自由液面Ｓが形成され、同様な効果を奏す
る。

【００３９】図９はこの発明の第８実施例に係る筒体５
１を示したもので、この筒体５１の下端には図８に示し
た受液板３７の代わりに、外縁が低くなる傾斜した受液
板５３が設けられている。

【００４０】このような受液板５３が設けられた筒体５
１では、受液板５３の下面につく液滴を受液板５３の外
縁へ導くことができ、液滴が管９内に直接入ることを防
止する効果がある。

【００４１】図１０はこの発明の第９実施例を示したも
のである。

【００４２】この気液二相流体分配器５５は、図５に示
した受液板３１の液導入管３１a ，３１b ，…を省いた
ものである。従って、略同様な効果を奏する。

【００４３】図１１(a),(b) はこの発明の第１０実施例
を示したもので、管板５に配設された管９の上部断面と
その上面を示したものである。この実施例では、管９の
管板５から突き出た部分に、スリット５９を設けてあ
る。

【００４４】管９の内部に流入する液相Ｌの流量は液面
高さ h₁ に依存するので、スリット５９を設けると流入
する液流量が大きく変動しても、管９の内部に流入する
液相Ｌの流量の変動は小さくてすむという効果がある。

【００４５】図１２(a),(b) はこの発明の第１１実施例
を示したもので、この実施例では図１１に示した管９の
上部に、スリット５９に代えて孔６１を形成している。
このように孔６１を形成しても図１１と同等の作用効果
を有する。

【００４６】図１３はこの発明の第１２実施例を示した
もので、この実施例では、管９を管板５から突き出ない
ように設け、さらに、管板５上にスリット５９を備えた
スリット管６１を取付けている。このようにスリット管
６１を取付けることにより、管板５からスリット５９ま
での高さ h₂ を確実に設定することができ、より均等に
各管９内に液相Ｌを分配することができる。

【００４７】図１４はこの発明の第１３実施例を示した
もので、この実施例では、管９を管板５から突き出ない
ように取付け、さらに管板５上にスリット管６１を備え
た位置決め板６３を設置している。このような位置決め
板６３を設置しても図１３と同様の作用効果を有し、さ
らに位置決め板６３の裏側からスリット管６１を取付ら
れるのでスリット管６１が長くても、容易に溶接するこ
とができる。

【００４８】図１５はこの発明の第１４実施例を示した
もので、この実施例では、管板５から突き出すように取
付た管９に、管９より細いスリット管６５が接続されて
いる。気液二相流体分配器のコンパクト化を図りたい場
合には、複数の管９のピッチをできるだけ小さくするこ
とが望ましいがピッチを小さくすると複数のパイプ９の
間の液相Ｌの流れが悪くなる。そこで、スリット管６５
を管９より細くすると、液流路が広くなり、液相Ｌの流
れが良くなるので、管９のピッチを小さくできる効果を
有する。

【００４９】図１６はこの発明の第１５実施例を示すも
ので、ヘッダ室内部の平面を示している。この実施例で
は複数の管９に設けたスリット５９が内側に向くように
形成されている。入口配管１５から流入した媒体Ａは筒
体６７に衝突し、液Ｌは管板５上を流れ、スリット５９
から管９の内部に入るが、液相Ｌの流量が大きくなり、
かつ、スリット５９が外側を向いていた場合、管９の内
部に入る液相Ｌの流量は、液面高さだけでなく、液相Ｌ
の流速にも依存する。したがって、このようにスリット
５９を内側に向けることにより、液相Ｌの流速の影響を
受けずに均等に分配できる効果を有する。

【００５０】図１７はこの発明の第１６実施例を示すも
のであり、管板５から突き出ている管９に管外面に複数
の溝加工を施した中空の管７１を取付けたものである。

【００５１】このようにすると、媒体Ａの気相Ｇは管外
に複数の溝加工を施した中空の管７１の中を通り、液相
Ｌは管９の内側と溝との隙間を流れるので、管９の内側
と溝との隙間や溝深さを替えたり、溝加工を施した中空
の管７１の差し込み深さや溝の数を変化させることによ
り、管板５上に溜る液面高さを容易に調整することがで
き、幅広い流量に対処できる効果を有する。また、管９
を伝熱管として用いる場合は、液相Ｌが管９の内面に沿
って流れるので、管９の内面全てに液膜を作ることがで
き、伝熱性能を向上させる効果を有する。

【００５２】図１８はこの発明の第１７実施例を示すも
のであり、第１６実施例の管９を内面溝付き管７３に代
えたものである。

【００５３】このようにすると第１６実施例の効果の他
に、管外に複数の溝加工を施した中空の管７１の溝深さ
が浅くてもよく、管７１の肉厚をうすくすることができ
るので、管７１の内径を大きくして気相Ｇによる圧力損
失を減少することができる効果も有する。

【００５４】図１９はこの発明の第１８実施例を示すも
のであり、図２０は図１９の分解斜視図である。

【００５５】この構成は、管板５または管９にスリット
管６１を取付け、このスリット管６１の内側に中空のフ
ランジ付パイプ７５を設置したものである。液相Ｌはス
リット管６１から流れ込み、スリット管６１と中空の管
７５の間を流れ管９に入る。スリット５９もスリット長
さｌを変化させることにより、第１６実施例と同様の効
果を持ち、さらにスリット幅Ｗを変化させることによ
り、ごみ等の異物が詰まるのを防止でき、保守点検の回
数を減少させる効果も有する。

【００５６】図２１はこの発明の第１９実施例を示すも
のである。

【００５７】この構成は第１６実施例の管９と管外に複
数の溝加工を施した中空の管７１とを固定具としての割
ピン７７で固定したものである。管９と管外に複数の溝
加工を施した中空の管７１を溶接などで固定する場合
は、製作上各管９のピッチを大きくしなければならない
が、このようにすることにより管９のピッチを大きくす
る必要が無いので、コンパクトな気液二相流体分配器に
する効果を有する。

【００５８】図２２はこの発明の第２０実施例に係る気
液二相流体分配器７９を示すものであり、第７実施例の
筒体２９を受液板３１から下方へ突き出ないようにし、
複数の管９のまわりに液相Ｌに浮かぶ浮板８１を設け、
さらに管９に孔８３を設けたものである。こうすること
により、液面Ｓには波が立ちにくくなり、かつ液面も一
様になるので、更によく液相Ｌを各管９に均等に分配さ
せることができる効果を有する。

【００５９】

【発明の効果】以上のごとき実施例の説明より理解され
るように、本発明においては、底板を上下に貫通してヘ
ッダ室内に突出した複数の管における突出部分の上端は
入口配管より低位置で略同一高さに設けてあり、上記入
口配管と複数の上記管との間には、前記入口配管からヘ
ッダ室に導入された気液二相流体を衝突させて気相を上
方に液相を下方に分離すると共に下部が液相内に位置し
かつ上記ヘッダ室の内周面との間に環状路を形成した筒
状の分離手段が設けてある。そして、上記分離手段によ
って下方に分離された液相が前記各管の周囲に至ると
き、静的な自由液面を構成するように上記液相を受け溜
めるための受液手段が設けてある。

【００６０】したがって、本発明によれば、入口配管か
らヘッダ室に導入された気液二相流体を気相と液相に確
実に分離することができるものである。そして、上記液
相は、筒状の分離手段とヘッダ室内周面との間の環状路
に沿って流れて環状路全周から前記各管の周囲に至るも
のであり、前記入口配管からの気液二相流に脈動がある
場合であってもその影響を抑制できるものである。ま
た、各管の液相流入口が入口配管より低位置に設けてあ
ること、及び各管の周囲において静的な自由液面を形成
する構成であることにより、圧力損失を大きくすること
なしに分離された液相を各管に均等に分配することがで
き、引いては気相も各管に均等に分配することができる
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明の気液二相流体分配器の第１実
施例を示す縦断面図である。

【図２】図２はこの発明の第２実施例を説明する縦断面
図である。

【図３】図３は図１および図２に示した筒体の他の例を
示す縦断面図である。

【図４】図４はこの発明の第３実施例を説明する縦断面
図である。

【図５】図５はこの発明の第４実施例を説明する縦断面
図である。

【図６】図６はこの発明の第５実施例を説明する縦断面
図である。

【図７】図７はこの発明の第６実施例を説明する縦断面
図である。

【図８】図８はこの発明の第７実施例を説明する縦断面
図である。

【図９】図９はこの発明の第８実施例を説明する縦断面
図である。

【図１０】図１０はこの発明の第９実施例を説明する縦
断面図である。

【図１１】図１１はこの発明の第１０実施例を説明する
縦断面図である。

【図１２】図１２はこの発明の第１１実施例を説明する
縦断面図である。

【図１３】図１３はこの発明の第１２実施例を説明する
縦断面図である。

【図１４】図１４はこの発明の第１３実施例を説明する
縦断面図である。

【図１５】図１５はこの発明の第１４実施例を説明する
縦断面図である。

【図１６】図１６はこの発明の第１５実施例を説明する
縦断面図である。

【図１７】図１７はこの発明の第１６実施例を説明する
縦断面図である。

【図１８】図１８はこの発明の第１７実施例を説明する
縦断面図である。

【図１９】図１９はこの発明の第１８実施例を説明する
縦断面図である。

【図２０】図２０は図１９の分解斜視図である。

【図２１】図２１はこの発明の第１９実施例である。

【図２２】図２２はこの発明の第２０実施例を説明する
断面図である。

【図２３】図２３は従来の気液二相流体分配器の縦断面
図である。

【図２４】図２４は従来の気液二相流体分配器の縦断面
図である。

【符号の説明】

１，１７，２３，２７，３３，４１，４５，５５，７９
気液二相流体分配器 ３ ヘッダ室 ４ ヘッダ ５ 管板 ９ 管 ９ａ 管の突出部分（受液手段） １１，２１，２５，２９，５１，６７ 筒体（分離手
段） １２ 筒体の下部（供給手段） ３１，５３ 受液板（減衰手段） ３４ 貫通路（減衰手段） ４３ 液整流板（減衰手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村田 圭治 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式 会社東芝 総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭47−2483（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−85749（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 略水平に設けた底板上にヘッダを設けて
   形成された密閉状のヘッダ室と、 このヘッダ室に水平方向から気液二相流体を導入するた
   めの入口配管と、 前記底板を上下に貫通し当該底板より前記ヘッダ室内に
   突出した突出部分の上端を前記入口配管より低位置でか
   つそれぞれ略同一高さ位置に備えた複数の管と、 前記入口配管と複数の管との間に位置し前記入口配管か
   ら前記ヘッダ室に導入された気液二相流体を衝突させて
   気相を上方に液相を下方に分離すると共に下部が液相内
   に位置しかつ前記ヘッダ室の内周面との間に環状路を形
   成した筒状の分離手段と、 前記分離手段によって下方に分離された液相が前記各管
   の周囲において静的な自由液面を構成するように前記下
   方に分離された液相を受け溜めるための受液手段と、 を備えてなることを特徴とする気液二相流体分配器。