JP4084883B2 - 気液二相分配器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷凍・空調機に使用する気液二相分配器において、特に液の分配量を所定の比率に分配できる低圧力損失の分配器の構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図23は、例えば特公平7−81794号公報に記載の分配器である。図23において、1は流入管、2は流出管、12は流入する気液二相流体を示し、12aは気相部、12bは液相部である。13aおよび13bは出口流体、14aおよび14bは小孔である。
動作について説明する。流入管1は重量方向に対し垂直で、かつUベンド形状の流出管2の曲げ方向が上下方向となるように配置される場合において、流入管1から流入した気液二相流体は、2つの小孔14a,14bから一部蒸発を伴いながら噴霧状に混合された状態で均等に分かれてUベンド形状の流出管2に噴出する。小孔14a,14bから流出管2へ噴出された気液二相流体は、分配器の下側の流出管2bに液が偏ることなく分配される。
【0003】
また、図24は、特公平7−301472号公報に記載のヘッダ形状の分配器である。図中、1は流入管、2は流出管、20は円筒管、21は挿入管材である。9,11は、各々、円筒管9内部を流れる液および気泡である。係る構成の分配器では、流入管1から円筒管20に流入した気液二相流体は、漸次流出管2から流出する。ここで、挿入管材21が円筒管20内部に挿入されているので、円筒管20内の流路断面積は流れ方向に漸次小さくなり、流体が円筒の上部に流れて行っても流速が極端に減少することがない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前記のような従来の分配器のうち、特公平7−81794号公報に記載の分配器では、流入管1の流路断面積よりも小さい径の小孔を流体が通過する際に大きな圧力損失が生じるため、熱交換器単体性能が低下したり、低圧圧力損失の増加によって冷凍サイクルの成績係数を低下させるという問題点がある。
また、特開平7−301472号公報に記載のヘッダでは、流出管2から流出する気液の量によって、円筒管内の気液の流動様式が変化し、流出管2から流出する流量によって挿入管材21の形状を試行錯誤により決定しなければならず、挿入管材21の最適形状を求め難いという問題がある。
【0005】
この発明は、前記問題点を解消するためになされたもので、圧力損失が小さく、かつ、簡易な構成で気液を精度よく分配できる設計・製造が容易で低コストな気液二相分配器を得ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明の第1の発明に係る気液二相分配器は、流出する液体の方向における投影面が半円形もしくは半楕円形もしくは三角形の形状であって気液二相流体を衝突させ分流させるための平面を持つ分流生成部を内部に有する容器と、前記容器に開口して前記分流生成部の平面に鉛直方向から気液二相流体を衝突させることで液体を散開させて分流し前記容器内面に液膜を形成する流入部と、前記容器内面の液膜形成部分に開口して水平方向に並設され前記容器内面へ開口した部分から互いに同一方向であって前記流入部より流入する流体の流れ方向と異なる方向へ突出して延在し前記流入部により流入する流体の流れ方向と異なる流れ方向で流体を流出する複数の流出部とを備え、前記複数の流出部における前記容器内面へ開口した部分の流路断面積をそれぞれの液分配量に応じて変化させる構成としたものである。
【0007】
この発明の第2の発明に係る気液二相分配器は、流入部,容器および流出部を構成する複数の流出口を有し、前記容器内部に液膜を形成し、前記容器に流入する流体の流れ方向と容器から流出する流体の流れ方向が異なる構成の分配器において、前記容器に設けた複数の流出口を取りまとめて共通の流出口を形成する合流部材を設置する構成としたものである。
【0008】
この発明の第3の発明に係る気液二相分配器においては、前記容器内部に流入する流体を分流する遮蔽部材を設けたものである。
【0009】
この発明の第4の発明に係る気液二相分配器においては、前記容器内部に流体の流れを制御するガイドを設けたものである。
【0010】
この発明の第5の発明に係る気液二相分配器においては、前記容器における互いに直交するXYZ軸方向の寸法のうち、ある2方向の寸法が他の1方向の寸法よりも小さい構成としたものである。
【0011】
この発明の第6の発明に係る気液二相分配器においては、シェル容器内部に前記容器を内蔵したものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1および図2は、この発明の実施の形態の一例を示す図で、図1は気液二相分配器の正面図、図2は気液二相分配器の側面図である。
【0013】
図1および図2において、1は流入管からなる流入部、2a,2b,2cは流出管からなる流出部、3は容器である。容器3の内部には気液二相流体を衝突させ分流させるための平面を持つ分流生成部3aが設けられている。15a,15bは容器3の側面部分を示し、側板と呼ぶ。側板15a,15bは円を円周軸方向に2分割した半円形状であり、容器3の下部には流入管1、側板15bには流出管2a,2b,2cが接続される。16は容器3内部に形成される液膜である。また、分配器は、流入管1が鉛直方向になるように設置する。
【0014】
動作について説明する。流入管1から容器3に流入した気液二相流体は、容器3の内面上部に設けられた分流生成部3aの平面にその鉛直方向から衝突し、その衝突により散開して容器3内壁に液膜を形成する分離流となる。ここで生じる液膜は、主に、容器3の対称性および表面張力の影響によって均一になる傾向がある。このため、容器3の側板15bに取付けられた流出管2a,2b,2cに流れ込む単位時間当たりの液量Ga,Gb,Gcの比率は、各分岐管入口部の液膜の厚さta,tb,tcと流出管2a,2b,2cの流路断面積Aa,Ab,Acの積の比率にほぼ比例する。
Ga:Gb:Gc=(ta・Aa):(tb・Ab):(tc・Ac)…(式1)
ここで、液膜が均一の場合(ta=tb=tcの場合)、流出管2a,2b,2cに流れ込む単位時間当たりの液量の比は、流出管2a,2b,2cの断面積の比にほぼ等しくなる。
Ga:Gb:Gc=Aa:Ab:Ac……………(式2)
【0015】
したがって、所定の液分配量の比と流出管2a,2b,2cの断面積の比を等しくすることによって、簡易な構成で任意比率の気液分配量を精度よく得ることが可能となり、容易に設計することができる。
【0016】
なお、この実施の形態では、流出管2が3本の場合について説明したが、流出管2は任意の本数でも同様の効果を有する。また、側板15a,15bの形状は、特に半円形状のみならず、図3および図4に示すような三角形または半楕円状等の形状でもよく、側板15は平面のみならず湾曲していてもかまわない。
更に、側板15の形状は、各流出管2a,2b,2cの分配量がほぼ均一の場合は左右対称形が望ましいが、各流出管2a,2b,2cの分配量の比率に偏りがある場合には、図4に示すような左右非対称形でもよい。
この分配器を冷凍サイクルに組み込み、複数の蒸発器に気液二相冷媒を分配する場合においては、各蒸発器に分配される液量を制御できることから、冷媒に非共沸混合冷媒を用いる場合にも、各蒸発器の負荷に応じて適切な混合比で分配できるので適用可能である。
【0017】
実施の形態2.
図5はこの発明の実施の形態の一例を示す図で、気液二相分配器の構成図である。
図において、1は流入管からなる流入部、2a,2b,2cは流出管からなる流出部、3は容器である。容器3の内部には気液二相流体を衝突させ分流させるための平面を持つ分流生成部3aが設けられている。4a〜4iは容器3の側面に開けられた複数の流出口、5は流出口4a〜4iが開けられた側板15と接合する合流板からなる合流部材、6は合流板5と接合する分配板からなる分配部材である。側板15は円を円周軸方向に2分割した半円形状であり、容器3の下部には流入管1、流出口4が開けられた側板15には合流板5および分配板6が順次接合され一体化した分配器となる。
【0018】
動作について説明する。流入管1から容器3に流入した気液二相流体は、容器3の内面上部に設けられた分流生成部3aの平面にその鉛直方向から衝突し、その衝突により散開して容器3内壁に液膜を形成する分離流となる。ここで生じる液膜は、容器3の対称性および表面張力の影響によって均一になる傾向がある。容器内壁を流れ落ちる液は、流出口4から容器3の外部へ流出する。
ここで、流出口4a〜4iに流れ込む液の流量は、例えば、図6に示すように分配量の平均値に対してばらつきがある。このばらつきは再現性があるので、このばらつきを前もって調べておき合流板5の穴の形状を決定する。
合流板5によって複数の流出口から流出する液を共通の流出口を構成することによって1つにまとめると、まとめられる液の流量は予め調べておいた流出口4a〜4iを組み合わせた流量が得られるので、図7に示すように分配管2a,2b,2cから流出する液流量La,Lb,Lcは、流出口4a〜4iの組み合わせ方によって任意に変化させることができる。
【0019】
したがって、容器3に合流板5および分配器6を接合することによって、分配量のばらつき誤差を軽減し、簡易な構成によって任意の気液の分配量を精度よく得ることが可能となる。
【0020】
実施の形態3.
図8および図9は、この発明の実施の形態の一例を示す図で、図8は気液二相分配器の正面図、図9は気液二相分配器の側面図である。図において、1は流入管からなる流入部、2a,2b,2cは流出管からなる流出部、3は容器である。容器3の内部には気液二相流体を衝突させ分流させるための平面を持つ分流生成部3aが設けられている。7は遮蔽板からなる遮蔽部材である。容器3は円を円周軸方向に2分割した形状である。また、22は容器3を構成する円弧部分である。
【0021】
動作について説明する。流入管1から容器3に流入した気液二相流体は、遮蔽板7に衝突し、遮蔽板7が流入する流体に対して容器3内部の中央部を部分的に遮蔽する形で、流体は左右に分流され容器内部の円弧部分22に沿って容器3の上部に流れ、さらに、容器3の上部に設けられた分流生成部3aに衝突した液は容器3の上部壁面に沿って流れ、その一部は重力によって下方へ落下する。落下する過程において、流出管入口付近を通過する液はそのまま流出管に流れ込み外部へ流出する。外部へ流出しなかった液は、遮蔽板7の上部へ流れ落ちて、流入管1から流れ込んだ液と合流し、再び、容器3の円弧に沿って容器3の上部へと流れる。
【0022】
図10には遮蔽板7を容器3内部に設置した場合と設置しない場合の液分配特性の変化を示す。図10において、横軸は分岐口の番号を示し、左側の分岐口を分岐口1、中央の分岐口を分岐口2、右側の分岐口を分岐口3とする。縦軸は各分岐口の分配液量の目標値を100とした場合の各分岐口への液分配量の割合を示す。図10のように、遮蔽板を設けることによって、中央の分岐口2への液量分配量が低下し、左右の液分配量が増加する。
【0023】
従って、遮蔽板7を設けることによって、左右両端に位置する流出管の液分配量を確保することが可能となり、流出管が多い場合でも精度よく分岐することが可能である。
【0024】
なお、遮蔽板7の設置位置は、各流出管2a,2b,2cの分配量がほぼ等しい場合は、左右対称の位置に設置することが望ましいが、各流出管2a,2b,2cの分配量が不均一の場合は、図11に示すように遮蔽板7を左右非対称な位置に設置したり、図12に示すように遮蔽板7に穴19をあけて、容器内部の液膜が均一になるように調節することも可能である。
【0025】
実施の形態4.
図13および図14は、この発明の実施の形態の一例を示す図で、図13(a)は気液二相分配器の上面図、図13(b)は気液二相分配器の正面図、図14は気液二相分配器の側面図である。
図において、1は流入管からなる流入部、2a,2b,2cは流出管からなる流出部、3は容器である。容器3の内部には気液二相流体を衝突させ分流させるための平面を持つ分流生成部3aが設けられている。7は遮蔽板からなる遮蔽部材、8はガイドである。側板15は円を円周軸方向に2分割した半円形状である。遮蔽板7は容器3内部において流入管1の近傍に配置されるのに対し、ガイド8は容器3内部において、上部に配置されるものである。16は容器3内部に形成される液膜、22は容器3を構成する円弧部分である。
【0026】
動作について説明する。流入管1から容器3に流入した気液二相流体は、遮蔽板7に衝突し左右に分流され容器内部の円弧部分22に沿って容器3の上部に流れ、さらに、容器3の上部に設けられた分流生成部3aに衝突した液は容器3の上部壁面に沿って流れ、その一部は重力によって下方へ落下する。この際、ガイド8を設置し容器3の上部を流れる液の流路抵抗を変えることによって、容器3の上部の任意の位置から流れ落ちる液量を制御することが可能となる。
【0027】
従って、ガイド8を設置し、液膜が厚くなる部分の流路抵抗、例えば、ガイド8と側板15との間隔を調整することによって、容器3の上部から流れ落ちる液量を制御することができるので、容器内壁面を流れる液膜を均一化することが可能であり、これによって分配管の流路断面積の比を所定の液分配量の比として決定する場合の液分配量の精度が改善できる。さらに、ガイド8の形状変更によって故意に液分配量を調節することもできる。
【0028】
なお、ガイド8と容器3上部の内面とのスペースは、必ずしも必要とは限らない。また、各流出管2a、2b、2cの各分配量がほぼ等しい場合は、ガイド8の設置位置を左右対称の位置に設置することが望ましいが、各流出管2a、2b、2cの分配量が不均一の場合は、図15に示すようにガイド8を左右非対称の位置に設置したり、図16に示すようにガイド8に穴19を開けることによって、容器3内部の液膜16を均一にすることも可能である。
【0029】
実施の形態5.
図17は、この発明の実施の形態の一例を示す図で、気液二相分配器の構成図である。
図において、1は流入管からなる流入部、2a,2b,2cは流出管からなる流出部、3は容器である。また、容器3の側面に平行な方向をX軸、容器3の側面に垂直な方向をY軸、鉛直方向をZ軸とし、容器3のX,Y,Z軸方向の寸法をx,y,zとする。
【0030】
容器3に内圧がかかる場合、容器3の側面26,上面27および円弧面28には曲げ応力が発生する。ここで、最大応力は、(x,y)(y,z)(z,x)の3つの組合せの中で、小さい方の数が一番大きくなる組合せの面で発生する。例えば、x>z>yとすると、(z,x)の面で最大応力が発生する。
ここで、最大応力δmax、Z方向の寸法zおよび板厚tの間には次の関係式が成り立つ。
δmax ∝ z2/t2 ………………………………(式3)
(式3)から、δmax 一定において、zの寸法を小さくすると、板厚を薄くすることができる。
【0031】
従って、容器3において互いに直交するXYZ軸方向の寸法のうち、ある2方向の寸法が他の1方向の寸法よりも小さくすることによって、分配器の内圧強度が高まり、分配器を薄肉・軽量・コンパクト化することができる。
【0032】
実施の形態6.
図18および図19は、この発明の実施の形態の一例を示す図で、図18は気液二相分配器の構成図、図19は気液二相分配器を構成するプレートの形状を示す図である。
図19において、23は流出管2を接合する流出板、24は容器3の中空部分となる流路板、25は容器3の中空部分にふたをする板である。
【0033】
流出板23および流路板24はプレス加工によって穴を打ち抜き、次に流出板23、流路板24および側板25を重ね合わせて炉中ろう付けを行い、一体化し分配器を製造する。
【0034】
この結果、分配器を製造する際、板を所定の形状にプレス加工するラインと、プレス加工した板を重ね合わせて炉中ろう付けするラインを直列につなぐことによって、分配器を自動ラインで製造することが可能となり、生産性を向上させることができる。
【0035】
実施の形態7.
図20および21はこの発明の実施の形態の一例を示す図で、図20は気液二相分配器の側面図、図21は気液二相分配器の正面図である。
図中、1は流入管からなる流入部、2は流出管からなる流出部、3は容器、10a,10bはシェルであり、これらを接合して圧力容器17とする。また、圧力容器17の内部には、容器3を内蔵する。18は容器3内部と圧力容器17の内部を均圧する均圧孔である。
【0036】
容器3に内圧がかかる場合には、均圧孔18を通じて容器3内部と外部が均圧するので、容器3には大きな内圧はかからず、圧力容器17に内圧力がかかる。したがって、容器3には分配機能を満たす最小限度の強度を持たせるだけの設計をすればよい。また、圧力容器17のシェル10a,10bを薄肉化することができる。
【0037】
したがって、圧力容器17に容器3を内蔵することによって、内圧が生じる分配器において分配器を軽量化することが可能となる。
【0038】
実施の形態8.
図22は冷凍サイクル中に本分配器を組み込んだ場合の冷凍サイクルの冷媒回路を示す。図中、29は圧縮機、30は凝縮器、31は高圧レシーバ、32は絞り装置、34a〜34cは蒸発器、35は低圧レシーバであり、これらを順次接続して冷凍サイクルを構成する。また、高圧レシーバ31内部は仕切り板33によって2つの空間に分割され、分割された1つの空間は液溜めの機能を持たせ、残りの空間には分配器を内蔵し均圧孔18を通して分配器内外を均圧することによって分配器の耐圧機能を果たす。
【0039】
したがって、高圧レシーバ31に液溜めの機能と分配器の耐圧機能とを持たせることによって、生産性を高め、かつ、製造コストを削減することが可能となる。
なお、この実施の形態では、分配器を高圧レシーバに内蔵する例を示したが、同様な構造を用いて分配器を低圧レシーバや圧縮機に内蔵することも可能である。
【0040】
【発明の効果】
第1の発明の分配器によれば、所定の液膜が形成される容器内面の液膜形成部分に開口して水平方向に並設された流出口の面積によって液の分配量を決定できるので、簡易な構成で液を所定の比率で精度よく分配できかつ圧力損失を小さくすることができる。また、分配器の設計も容易にできる。
【0041】
第2の発明の分配器によれば、複数の流出口を組合わせて共通の流出口を形成する構成によって、液の分配精度を高めることができる。
【0042】
第3の発明の分配器によれば、容器内部に遮蔽部材を設置することによって、左右両端の流出管への液分配量を確保することができ、流出口が多くなる場合において分配精度を高めることができる。
【0043】
第4の発明の分配器によれば、容器内部にガイドを設置することによって容器内部の流路抵抗を変化させ、分配器内壁面に形成される液膜を均一化することによってより精度よく液を分配することができる。
【0044】
第5の発明の分配器によれば、分配器に内圧がかかる場合において、容器における互いに直交するXYZ軸方向の寸法のうち、ある2方向の寸法が他の1方向の寸法よりも小さくすることによって、内圧強度が高まり、薄肉・軽量化することができる。
【0045】
第6の発明の分配器によれば、分配器に内圧がかかる場合において、分配器を耐圧シェルに内蔵することによって、耐圧強度を高めかつ軽量化することができる。また、冷凍サイクルに本分配器を用いる場合には、分配器を高圧レシーバ等の圧力容器に内蔵することによって、生産性を高め、製造コストを低減することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1を示す分配器の正面図。
【図2】 この発明の実施の形態1を示す分配器の側面図。
【図3】 この発明の実施の形態1を示す分配器に多角形状の側板を適用した場合の正面図。
【図4】 この発明の実施の形態1を示す分配器に左右非対称形の側板を適用した場合の正面図。
【図5】 この発明の実施の形態2を示す分配器の構成図。
【図6】 この発明の実施の形態2における流出口4から流出する液量の比率を示す図。
【図7】 この発明の実施の形態2における液分配量の比率を示す図。
【図8】 この発明の実施の形態3を示す分配器の正面図。
【図9】 この発明の実施の形態3を示す分配器の側面図。
【図10】 この発明の実施の形態3を示す分配器の分配特性図。
【図11】 この発明の実施の形態3を示す分配器において遮蔽板を左右非対象に設置した場合の正面図。
【図12】 この発明の実施の形態3の遮蔽板形状の一例を示す図。
【図13】 この発明の実施の形態4を示す分配器の上面図ならびに正面図。
【図14】 この発明の実施の形態4を示す分配器の側面図。
【図15】 この発明の実施の形態4を示す分配器においてガイドを左右非対象に設置した場合の正面図。
【図16】 この発明の実施の形態4のガイド形状の一例を示す図。
【図17】 この発明の実施の形態5を示す分配器の寸法を示す図。
【図18】 この発明の実施の形態6を示す分配器の構成図。
【図19】 この発明の実施の形態6を示す分配器を構成する板素材の平面図。
【図20】 この発明の実施の形態7を示す分配器の側面図。
【図21】 この発明の実施の形態7を示す分配器の正面図。
【図22】 この発明の実施の形態8を示す冷媒回路図。
【図23】 従来例を示す分配器の構成図。
【図24】 別の従来例を示す分配器の構成図。
【符号の説明】
1 流入管からなる流入部、2 流出管からなる流出部、3 容器、3a 分流生成部、4 流出口、5 合流板からなる合流部材、6 流出板、7 遮蔽板からなる遮蔽部材、8 ガイド、9 液、10a、10b シェル、11 気泡、12 気液二相流体、13 出口流体、14 小孔、15 側板、16 液膜、17 圧力容器、18 均圧孔、19 穴、20 円筒管、21 挿入管材、22 円弧、23 分配板、24 流炉板、25 板、26 側面、27 上面、28 円弧面、29 圧縮機、30 凝縮器、31 高圧レシーバ、32 絞り装置、33 仕切り板、34a〜34c 蒸発器、35 低圧レシーバ。
Claims (6)
- 流出する液体の方向における投影面が半円形もしくは半楕円形もしくは三角形の形状であって気液二相流体を衝突させ分流させるための平面を持つ分流生成部を内部に有する容器と、前記容器に開口して前記分流生成部の平面に鉛直方向から気液二相流体を衝突させることで液体を散開させて分流し前記容器内面に液膜を形成する流入部と、前記容器内面の液膜形成部分に開口して水平方向に並設され前記容器内面へ開口した部分から互いに同一方向であって前記流入部より流入する流体の流れ方向と異なる方向へ突出して延在し前記流入部により流入する流体の流れ方向と異なる流れ方向で流体を流出する複数の流出部とを備え、前記複数の流出部における前記容器内面へ開口した部分の流路断面積をそれぞれの液分配量に応じて変化させることを特徴とする気液二相分配器。
- 流入部,容器および流出部を構成する複数の流出口を有し、前記容器内部に液膜を形成し、前記容器に流入する流体の流れ方向と容器から流出する流体の流れ方向が異なる構成の分配器において、前記容器に設けた複数の流出口を取りまとめて共通の流出口を形成する合流部材を設置することを特徴とする請求項1に記載の気液二相分配器。
- 前記容器内部に流入する流体に対し前記容器内部を部分的に遮蔽する遮蔽部材を設けたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の気液二相分配器。
- 前記容器内部に流体の流れを制御するガイドを設けたことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の気液二相分配器。
- 前記容器における互いに直交するXYZ軸方向の寸法のうち、ある2方向の寸法が他の1方向の寸法よりも小さいことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の気液二相分配器。
- 圧力容器内部に前記容器を内蔵したことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の気液二相分配器。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP12440598A JP4084883B2 (ja) | 1998-05-07 | 1998-05-07 | 気液二相分配器 |
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