JP5306279B2 - 冷媒分配器、及び、蒸発器 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルに用いられる複数の冷媒流路を有する蒸発器に装着される冷媒分配器に関する。本発明は、複数の冷媒流路に均等に冷媒を分配する冷媒分配器に関する。

蒸発器では、二相冷媒が分配ヘッダと接続している複数の並行冷媒流路に流入する。複数の並行冷媒流路の一部は分配ヘッダの冷媒流入口から遠い所に位置しており、分配性が悪い。冷媒流入口から遠い所に位置する並行冷媒流路は、冷媒流入口から近い所に位置する並行冷媒流路よりも多い量のガス冷媒を吸入する。この冷媒の分配量の違いは結果として蒸発器の性能に影響し、不均等な伝熱が行われる。

この問題に対してシステム性能を向上させるために蒸発器の容量を大きくするような対策は、システムのコストを上昇させる。

また、膨張機構と蒸発器の冷媒流入口とを連結する冷媒配管中に搭載されるディストリビュータも提案されているが、コスト面で高いだけでなく、設置スペースが大きいという課題がある。

複数の冷媒流路を有する蒸発器に対して冷媒を分配する方法としては、平３−１９５８７３号公報（特許文献１）、特開２００２−２２３１３号公報（特許文献２）に開示されているように、ヘッダを用いる方法がある。

特開平３−１９５８７３号公報 特開２００２−２２３１３号公報 実公平８−００９５７８号公報

特開平３−１９５８７３号公報では、ヘッダ分配器を二重管構成とし、複数の流出穴が複数の冷媒流路に向けて設けられ、この流出穴径を重力的に下方になるに従って順次小さくしている。

実公平８−００９５７８号公報に示されるヘッダ分配器は、円形の外管と、円形か四角形の内管とからとなる二重管の構造である。そして、内管において複数の冷媒流路の反対側に、上下方向に延びるスリットが形成され、スリットから冷媒が噴出される。

特開平３−１９５８７３号公報で開示される構成では、内管中に流入する冷媒は気液二相流であり、上下方向に非一様なパタンーの気液二相流として存在することが考えられる。このため、流出穴の大きさを上下方向に順次に異なるようにしても、それに相応するような形で冷媒が複数の流路に均等に分配されるとは限らない。

また、特開平３−１９５８７３号公報あるいは実公平８−００９５７８号公報で開示されるような構成では、流出穴やスリットから流出した液冷媒は必ずしも微粒化された液滴であるとは限らず、冷媒流路に吸込まれやすい形であるとは限らない。このため、流出穴やスリットから流出した液冷媒が重力により外管に溜まりやすくなることも考えられる。

この発明は、蒸発器の複数の冷媒流路の各冷媒流路に冷媒を均等に分配可能な冷媒分配器を提供することを目的とする。

この発明の冷媒分配器は、
流入した冷媒を複数の冷媒流出管の各冷媒流出管に流出させる冷媒分配器において、
長手方向に延びる内部空間が形成された中空の中空体であって、前記長手方向に、順次、前記冷媒流出管が取り付けられる中空体と、
前記中空体の長手方向の一方の端部となる中空体端部に取り付けられ、気液二相の二相冷媒を流入し、流入された前記二相冷媒を混合し、混合された二相冷媒を微粒化して径の異なる液滴が混在する液滴群に変換し、前記液滴群を前記中空体の前記内部空間に噴射する冷媒噴射部と
を備えたことを特徴とする。

この発明により、蒸発器の複数の冷媒流路の各冷媒流路に冷媒を均等に分配可能な冷媒分配器を提供できる。

実施の形態１の蒸発器１０００の外観図。 実施の形態１の冷媒混合・噴射機構１２０の平面図、正面図、底面図。 図２のＡ−Ａ断面図。 図２のＢ−Ｂ断面図。 実施の形態１の混合ベーン１２２の模式的な斜視図。 実施の形態１の冷媒混合・噴射機構１２０から噴射される液滴状態を示す図。

実施の形態１．
（蒸気圧縮冷凍システム）
図１は蒸気圧縮冷凍システムに使用される蒸発器１０００を示す。蒸気圧縮冷凍システムは、凝縮器と蒸発器との二つの熱交換器を有する。膨張機構を通過する液冷媒は低温低圧にフラッシして二相冷媒となり、その中の液相の液滴はガス相冷媒中で運ばれる。液相がガス相中に均等に混合・分配されない場合には、蒸発器の性能は低下する。このシステムにおいて、混合・噴射機構１２０（冷媒噴射部）が、膨張機構の下流にある蒸発器１０００に備えられた冷媒分配器１００の冷媒入口の部分に搭載される。蒸発器１０００は図１に示すように冷媒流出管２１０ａ〜２１０ｈの８本を備える。

（冷媒混合・噴射機構１２０）
図１に示すように、冷媒分配器１００は、複数の冷媒流路（複数の冷媒流出管２１０）の入口と接続される容器１１０（中空体）と、前記容器１１０の一端に装着される混合・噴射機構１２０とを備える。なお、図１では容器１１０の内部の状態を模式的に示している。混合・噴射機構１２０が容器１１０の冷媒流入口に装着される。冷媒混合・噴射機構１２０は、冷媒を流入し、流入した冷媒を微粒化して噴射する。微粒化して噴射することで、容器１１０内に比較的均質な噴霧流を形成し、容器１１０内の液冷媒量の分布を均等化する。

図を参照して、混合・噴射機構１２０を説明する。
図２は、冷媒混合・噴射機構１２０の平面図、正面図、底面図を示す。
図３は、図２におけるＡ−Ａ断面を示す。なお、図３では、混合ベーン１２２は切断していない。
図４は、図２におけるＢ−Ｂ断面を示す。混合ベーン１２２の断面は模式的に表している。
図５は、混合ベーン１２２の模式的な斜視図である。
図６は、冷媒混合・噴射機構１２０から噴射される液滴の状態を示す図である。
図６の（ａ）は、冷媒混合・噴射機構１２０のＹ方向矢視（図１）である。
図６の（ｂ）は、側面図相当の冷媒混合・噴射機構１２０（ハウジング１２１の先端部分）を示している。
図６の（ｃ）は、冷媒混合・噴射機構１２０から噴射される微粒化された液滴の状態を示している。
図６の（ｄ）は、液滴の径の分布を示す。横軸が中心からの距離を示し、縦軸が液滴の径を示す。

混合・噴射機構１２０の動作を説明する。図３に示すように、混合・噴射機構１２０は、内部に先細流路（噴射部空間（１２１−３））を有すると共に出口断面に径の異なる複数の孔を有するハウジング１２１と、ハウジングの入口に配置された混合ベーン１２２とを備える構造である。ハウジング１２１は図３のＸ軸を回転軸とする回転体形状である。
また、図１、図３に示すように、流入配管２０はハウジング入口先端（流入配管接続部（１２１−１））と膨張機構とを接続する。膨張機構側から流入した二相冷媒１０は、蒸発器１０００に流入する時に、混合・噴射機構１２０を通って流れる。図３のＡ−Ａ断面、および図４のＢ−Ｂ断面に示すように、混合・噴射機構１２０内の混合ベーン１２２は、ハウジング１２１の本体セクション（ハウジング１２１の混合ベーン１２２の収納空間）の内径に合うように内挿される（混合ベーン１２２は内径に応じた外形）。

（液滴変換部（１２１−２））
ノズル（噴射部空間（１２１−３））では、混合ベーン１２２から出た二相冷媒は、先細流路で良く混合されて、均質な二相混合流となり加速される。均質な二相混合流は、ノズル出口の液滴変換部（１２１−２）の複数の穴を通って容器１１０（流入ヘッダ）の内部空間１１３に噴射される。図６に示すように、液滴変換部（１２１−２）には径の異なる複数の孔が設けられている。例えば、図２の平面図に示すように、中央部に孔を３箇所以上、中央部の円周方向の周りには中央部の孔より小さい径の孔を３箇所以上有する。

図６に示すように、中央領域（１２１−６）の径の大きい第１孔（１２１−４）から噴射された液滴は径が大きく（例えば図６の（ｃ），（ｄ））、運動量が大きい。このため、容器１１０下部の流路（例えば冷媒流出管２１０ａ、２１０ｂ等）には吸込まれず、上部（下流部）にまで流れ上部の流路（例えば冷媒流出管２１０ｇ、２１０ｈ等）に吸込まれる。
一方、外側領域（１２１−７）に形成された円周方向の周りの複数の第２孔（１２１−５）（小径孔）から噴射された二相冷媒中の液滴は径が小さく（例えば図６の（ｄ））、運動量が小さい。このため、ガス冷媒とともに容器１１０（流入ヘッダ）の下部（上流部）の流路（例えば冷媒流出管２１０ａ、２１０ｂ等）に吸込まれる。

液滴変換部（１２１−２）の孔の径と数とは、上部（容器１１０内部における冷媒の下流側）と下部（容器１１０における冷媒の上流側）での冷媒流路に流れる冷媒量が均等になるように設計される。

冷媒分配器１００の構成をさらに詳しく説明する。冷媒分配器１００は、図１に示すように、容器１１０（中空体）と、混合・噴射機構１２０（冷媒噴射部）とを備える。容器１１０は、長手方向に延びる内部空間１１３が形成された中空体である。容器１１０は、長手方向に、順次、冷媒流出管２１０ａ〜２１０ｈが取り付けられる。図１に示すように、混合・噴射機構１２０は、容器１１０の長手方向の一方の端部となる中空体端部に取り付けられ、気液二相の二相冷媒１０を流入する。混合・噴射機構１２０は、流入された二相冷媒１０を混合し、混合された二相冷媒を微粒化して径の異なる液滴が混在する液滴群に変換する。そして、混合・噴射機構１２０は、この液滴群を容器１１０の内部空間１１３に噴射する。

図３に示すように、混合・噴射機構１２０は、ハウジング１２１と混合ベーン１２２とを備える。図１、図３に示すように、ハウジング１２１は、容器１１０の一方の端部１１１から他方の端部１１２の方向に延びる空間である噴射部空間（１２１−３）が形成されている。ハウジング１２１は、二相冷媒１０の流入配管２０が接続される流入配管接続部（１２１−１）を有し、流入配管接続部（１２１−１）から流入した二相冷媒１０を微粒化して液滴群に変換して内部空間１１３に噴射する液滴変換部（１２１−２）とを有する。
混合ベーン１２２は、噴射部空間（１２１−３）において流入配管接続部（１２１−１）の近傍に配置される。混合ベーン１２２は、流入配管接続部（１２１−１）から流入する二相冷媒１０の流れを液滴変換部（１２１−２）に向かう旋回流に変換する。図５に示すように、混合ベーン１２２は、ベースとなる中実の円柱（１２２−１）に、複数枚の羽（１２２−２）が取り付けられた形状である。流入配管２０から流入する二相冷媒１０が羽と羽との間を通過することで、液滴変換部（１２１−２）に向かう旋回流となる。
ハウジング１２１は、混合ベーン１２２を流出して液滴変換部（１２１−２）までに至る二相冷媒の流路が、容器１１０の他方の端部１１２の方向に向かうにしたがって次第に流路断面の減少する先細り形状である。

図６に示すように、ハウジング１２１の液滴変換部（１２１−２）は、混合ベーン１２２によって旋回流に変換された二相冷媒を通過させることにより、二相冷媒を微粒化された液滴群に変換する複数の孔を有する。これらの複数の孔は、径の異なる孔が混在する。液滴変換部（１２１−２）は、容器１１０の他方の端部１１２から一方の端部１１１の方向に見て、中央領域（１２１−６）に複数の第１孔（１２１−４）が形成されており、また、中央領域（１２１−６）を囲む外側領域（１２１−７）に複数の第１孔（１２１−４）のどの第１孔よりも径の小さい複数の第２孔（１２１−５）が形成されている。

このため、複数の第１孔及び第２孔により、二相冷媒１０を径の大小の液滴に変換することができる。よって、この実施の形態１の冒頭で述べたように、液滴の運動量の違いを利用して、各冷媒流路に均等に冷媒を分配することができる。

以上の実施の形態１の冷媒分配器１００によれば、蒸発器の複数の冷媒流路の各冷媒流路に冷媒を均等に分配可能な冷媒分配器を提供できる。

また、実施の形態１の冷媒分配器１００を備えた蒸発器１０００により、不均等な伝熱を防止できるので、効率低下を抑制できる。

１０ 二相冷媒、１００ 冷媒分配器、１１０ 容器、１１１ 一方の端部、１１２ 他方の端部、１１３ 内部空間、１２０ 混合・噴射機構、１２１ ハウジング、１２１−１ 流入配管接続部、１２１−２ 液滴変換部、１２１−３ 噴射部空間、１２１−４ 第１孔、１２１−５ 第２孔、１２１−６ 中央領域、１２１−７ 外側領域、１２２ 混合ベーン、１０００ 蒸発器、２０ 流入配管、２１０ 冷媒流出管。

Claims (3)

1. 流入した冷媒を複数の冷媒流出管の各冷媒流出管に流出させる冷媒分配器において、
   長手方向に延びる内部空間が形成された中空の中空体であって、前記長手方向に、順次、前記冷媒流出管が取り付けられる中空体と、
   前記中空体の長手方向の一方の端部となる中空体端部に取り付けられ、気液二相の二相冷媒を流入し、流入された前記二相冷媒を混合し、混合された二相冷媒を微粒化して径の異なる液滴が混在する液滴群に変換し、前記液滴群を前記中空体の前記内部空間に噴射する冷媒噴射部と
   を備え、
   前記冷媒噴射部は、
   前記中空体の前記一方の端部から前記中空体の他方の端部の方向に延びる空間である噴射部空間が形成されたハウジングであって、前記一方の端部の側に前記二相冷媒の流入配管が接続される流入配管接続部と、前記他方の端部の側に前記流入配管接続部から流入した前記二相冷媒を微粒化して前記液滴群に変換して前記中空体の前記内部空間に噴射する液滴変換部とを有するハウジングと、
   前記噴射部空間において前記流入配管接続部の近傍に配置され、前記流入配管接続部から流入する前記二相冷媒の流れを前記液滴変換部に向かう旋回流に変換するベーンと
   を備え、
   前記ハウジングは、
   前記ベーンを流出して前記液滴変換部に前記旋回流として向かう前記二相冷媒の流路が、前記中空体の前記他方の端部の方向に向かうにしたがって次第に流路断面の減少する先細り形状であり、
   前記ハウジングの前記液滴変換部は、
   前記ベーンによって旋回流に変換された前記二相冷媒を通過させることにより前記二相冷媒を微粒化された前記液滴群に変換する複数の孔であって、径の異なる孔が混在する複数の孔が形成されたことを特徴とする冷媒分配器。
2. 前記ハウジングの前記液滴変換部は、
   前記中空体の前記他方の端部から前記一方の端部の方向に見て、中央領域に複数の第１
   孔が形成され、前記中央領域を囲む前記中央領域の外側領域に前記複数の第１孔のどの第１孔よりも径の小さい複数の第２孔が形成されたことを特徴とする請求項１記載の冷媒分配器。
3. 流入した冷媒を複数の冷媒流出管の各冷媒流出管に流出させる冷媒分配器を備えた蒸発器において、
   前記冷媒分配器として、請求項１または２のいずれかに記載の冷媒分配器を備えた蒸発器。

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