JP2006275435A - 気液分離装置および空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 気液分離装置に分離機能と液相の分配機能とを兼ね備え、分離された気相の冷媒を圧縮機の吸入側に流入させ、液相の冷媒を複数の蒸発器に分配することにより、冷媒を均等に分配でき圧力損失の低減、熱交換器の小型化、冷媒音の低減が図れることができる気液分離装置および空気調和機を提供する。
【解決手段】 圧縮機２、凝縮器３、膨張機構４、複数の蒸発器５を主な構成部品として備え、これら構成部品を順次主配管で接続した空気調和装置であって、膨張機構と複数の蒸発器との間に、分離機能と液相の分配機能とを兼ね備えた気液分離装置７を設け、気液分離装置のガス出口管と、圧縮機の吸入側との間にバイパス配管を接続し、液相の冷媒を複数の蒸発器に分配する。
【選択図】図１

Description

本発明は、気液分離装置及びこれを備えた空気調和装置に係わり、より詳しくは、気液分離装置に分離機能と分離された液相冷媒の分配（分流）機能とを兼ね備え、分離された液相冷媒を蒸発器へ分配し、気相冷媒を圧縮機の吸入側に流入させるものに関する。

空気調和装置において、蒸発器として機能する熱交換器は液相又は気液混合状態の冷媒を気相の冷媒に変化させて送り出すもので、液相分と気相分とが混合して流れる熱交換路の流速が高すぎると、圧力損失が大きくなって熱交換能力が低下する。この圧力損失を抑制するために、蒸発器として機能する熱交換器の入口に気液分離装置を設置することが考えられている。

そこで冷凍サイクルにおいて、気液２相冷媒を分離し、気相分を圧縮機の吸入側に戻し、液相分を複数の蒸発器へ分配する技術として、図７に示すようなものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
図７に示す空気調和装置は、圧縮機２’、凝縮器３’、第１冷媒流量制御装置（この場合膨張弁）４’、複数個の熱交換器からなる蒸発器５’を主な構成部品とし、これら構成部品を主配管６’で順次接続したものである。

また、この空気調和装置において、１０’は第１冷媒流量制御装置４’と蒸発器５’との間に接続した気液分離器であり、１１’は第１バイパス配管である。この第１バイパス配管１１’は、第２冷媒流量制御装置（この場合キャピラリーチューブ）１２’を有し、この第２冷媒流量制御装置の一方を気液分離器１０’に接続し、他方を蒸発器５’から圧縮機２’に至る主配管６’に接続し、気液分離器１０’内のガス冷媒を圧縮機２’の吸入側にバイパスさせるためのものである。

図７において、圧縮機２’から吐出された高温高圧のガス冷媒は、凝縮器３’で空気などの冷却流体と熱交換して凝縮し、高温高圧の液冷媒に変化する。そして、第１冷媒流量制御装置４’により低温低圧の湿り蒸気（気液混合の冷媒）に変化し、気液分離器１０’に流入する。気液分離器１０’に流入した湿り蒸気は液冷媒とガス冷媒に分離され、液冷媒は主配管６’を通り蒸発器５’に供給され、蒸発器５’における圧力損失によって圧力が低下しながら空気などの被冷却物と熱交換して蒸発気化し、圧縮機２’に戻る。一方、第１バイパス配管１１’に流入したガス冷媒は、第２冷媒流量制御装置１２’でわずかに減圧され、蒸発器５’の出口の低圧ガス冷媒と合流して圧縮機２’に戻る。

上記のようなサイクルにおいて、気液分離器１０’で十分に液冷媒とガス冷媒の分離ができず、ガス冷媒と液冷媒との混合流体が第１バイパス配管１１’に流入した場合には、冷媒の流通抵抗が大きくなるため、第２冷媒流量制御装置１２’における冷媒の圧力損失は、上記混合流体の場合の方がガス冷媒のみの場合よりも大きくなる。したがって第１バイパス配管１１’に液冷媒が流出した場合、第２冷媒流量制御装置１２’において急激な圧力損失を生じ、第１バイパス配管１１’を流れる冷媒流量が急激に低下し、気液分離器１０’から第１バイパス配管１１’への液冷媒の流出が抑制される。

しかしながら、上記構成の場合、液冷媒は複数の蒸発器５’の手前で分配されるため、気液分離器１０’と分配器間の主配管６’内で周囲の温度により温められ、液冷媒が再蒸発し気相冷媒が混入し、均等に分配ができなくなり、冷媒の圧力損失も大きくなる。
そこで、冷媒を均等に分配でき圧力損失の低減、熱交換器の小型化、冷媒音の低減が図れる装置が望まれている。

特開２００２−６１９６６号公報（第３〜６頁、第１図）

本発明は上記の問題点に鑑み、気液分離装置に分離機能と液相冷媒の分配機能とを兼ね備え、分離された気相の冷媒を圧縮機の吸入側に流入させ、液相の冷媒を複数の蒸発器に分配することにより、冷媒を均等に分配でき圧力損失の低減、熱交換器の小型化、冷媒音の低減を図れることができる気液分離装置および空気調和装置を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するため、ケーシングと、同ケーシングに気液２相流となった冷媒を流入させる気液２相流入口管と、冷媒の液相分を流出させる液出口管及び冷媒の気相分を流出させるガス出口管とを備えた気液分離装置において、
前記液出口管を複数設けてなる構成となっている。

また、前記液出口管の冷媒流出口を、前記気液２相流入口管の冷媒流入方向と異なる方向としてなる構成となっている。

また、圧縮機、凝縮器、膨張機構、複数の蒸発器を備え、これらを順次配管接続した空気調和装置であって、前記膨張機構と前記複数の蒸発器との間に請求項１ないし２に記載の気液分離装置を備え、
前記気液分離装置の前記複数の液出口管と前記複数の蒸発器とをそれぞれ接続し、前記気液分離装置のガス出口管と、前記圧縮機の吸入側との間にバイパス配管を接続してなる構成となっている。

また、前記バイパス配管に冷媒流量調整機構を備えてなる構成となっている。

また、前記ケーシングに液面検知手段を設けるとともに、前記冷媒流量調整機構に電子膨張弁を用い、前記液面検知手段が検知した液冷媒の液面の高さに応じて、前記電子膨張弁の開度を制御してなる構成となっている。

また、圧縮機、四方弁、複数の第１熱交換器、膨張機構、複数の第２熱交換器を備え、これらを順次配管接続した空気調和装置であって、前記複数の第１熱交換器と前記膨張機構との間に請求項１ないし２に記載の機能を有する第１の気液分離装置を備えると共に、前記膨張機構と前記複数の第２熱交換器との間に請求項１ないし２に記載の機能を有する第２の気液分離装置を備え、前記第１の気液分離装置の複数の液出口管と前記複数の第１蒸発器とをそれぞれ接続し、前記第１の気液分離装置のガス出口管と前記四方弁との間に、第１冷媒流量調整機構を備えた第１バイパス配管を設ける一方、前記第２の気液分離装置の複数の液出口管と前記複数の第２蒸発器とをそれぞれ接続し、前記第２の気液分離装置のガス出口管と前記圧縮機の吸入側との間に、第２冷媒流量調整機構を備えた第２バイパス配管を設けてなる構成となっている。

また、冷房運転時に、前記第１冷媒流量調整機構を閉、前記第２冷媒流量調整機構を開とし、暖房運転時に、前記第１冷媒流量調整機構を開、前記第２冷媒流量調整機構を閉としてなる構成となっている。

圧縮機、四方弁、複数の第１熱交換器、膨張機構、第２熱交換器を備え、これらを順次配管接続した空気調和装置であって、前記複数の第１熱交換器と前記膨張機構との間に請求項１ないし２に記載の気液分離装置を備え、
前記気液分離装置の複数の液出口管と前記複数の蒸発器とをそれぞれ接続し、前記気液分離装置のガス出口管と前記四方弁との間に、冷媒流量調整機構を備えたバイパス配管を設けてなる構成となっている。

本発明によれば、気液分離装置に分離機能と液相冷媒の分配機能とを兼ね備え、分離された気相の冷媒を圧縮機の吸入側に流入させ、液相の冷媒を複数の蒸発器に分配することにより、気液分離器から分配器までの液相配管が無くなるので冷媒充填量が削減でき、液相配管での再蒸発も無くせるので気相冷媒の混合による不均一がなくなり、均等分配が可能となり、圧力損失の低減、熱交換器の小型化、冷媒音の低減が図れ、かつ、省エネ、省スペース化、コストダウン、組立作業の簡略化などが図ることができる気液分離装置および空気調和装置となる。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。
図１は本発明における冷凍サイクルの構成図、図２は本発明におけるバイパス配管に冷媒流路調整機構を設けた冷凍サイクルの構成図、図３は本発明における気液分離装置の断面図で、（Ａ）は基本の断面図、（Ｂ）は液出口管の冷媒流出口をケーシングの底面近傍に設けた図、（Ｃ）は（Ｂ）の変形図、（Ｄ）は液出口管の冷媒流出口を横方向に設けた図、およびケーシングの高さを説明する説明図である。

以下、本発明の実施例１について詳細に説明する。図１において、空気調和装置は、圧縮機２、凝縮器３、膨張機構４、複数の熱交換器からなる蒸発器５を主な構成部品とし、配管で順次接続したものである。
また、この空気調和装置において、７は膨張機構４と蒸発器５との間に接続した気液分離装置であり、８は一方を気液分離装置７に接続し、他方を蒸発器５から圧縮機２に至る主配管６に接続し、気液分離装置７内のガス（気相）冷媒を圧縮機２の吸入側にバイパスさせるためのバイパス配管である。

前記気液分離装置７は、気液２相冷媒を分離する機能と、分離された液相冷媒を分配（分流）する分配器の機能とを兼ね備え、分配された液相冷媒を複数の蒸発器５に分配するようになっている。
図３（Ａ）に示すように、気液分離装置７は、ケーシング７ａと、同ケーシング７ａの壁部に形成された開口にそれぞれ結合され、気相分と液相分とが混合して気液２相流となった冷媒を流入させる気液２相流入口管７ｂと、冷媒の液相分を流出させる複数の液出口管７ｃ及び冷媒の気相分を流出させるガス出口管７ｄとを備えている。

そして、前記気液２相流入口管７ｂとガス出口管７ｄとをケーシング７ａの頂部壁又はその近傍に接続すると共に、液出口管７ｃをケーシング７ａの底部壁又はその近傍に複数接続し、かつ、前記気液２相流入口管７ｂの冷媒流入口７ｂ１を、ガス出口管７ｄの冷媒流出口７ｄ１より下部に設けてなる構成となっている。

また、図３（Ｂ）に示すように、液出口管７ｃの冷媒流出口７ｃ１を前記ケーシング７ａの底面に向けて設け、かつ、液出口管７ｃをケーシング７ａの側面から引出す構成とすることにより、液出口管７ｃの冷媒流出口７ｃ１を、気液２相流入口管７ｂの冷媒流入方向と異なる方向とした構造になっているので、冷媒はケーシング７ａの底に一旦ぶつかってから液出口管７ｃ流れ込むことになり、流れ方向が１８０°変えられることで減速効果が得られ、いっそう気相冷媒が混入しにくくなる。

そして、冷媒流出口７ｃ１がケーシング７ａの底面に近づけられるので、液面の高さが低くなっても液相冷媒を液出口管７ｃにより流れ込ませることができる。また、液出口管７ｃをケーシング７ａの側面から引出せるので、熱交換器への配管の引きまわしが容易となる。更に、冷媒流出口７ｃ１の高さを各液出口管７ｃ毎に差をつけることで、液相冷媒の流れる量の調整が可能となる。つまり、風路変更や熱交換器改造などの大きな設計変更ができないときの熱交換量分布の微調整がケーシング７ａの変更により可能となる。

また、図３（Ｃ）に示すように、液出口管７ｃの上部に、同液出口管７ｃの径より大きい鍋状の遮蔽体１４を設けた構成とすることにより、上記図４（Ａ）と同様に、減速効果が得られ、いっそう気相冷媒が混入しなくなり、かつ、液面の高さが低くなっても液相冷媒を液出口管７ｃにより流れこませることができる。また、ゴミや氷、スラッジなどの異物を液出口管７ｃの冷媒流出口７ｃ２に挟み込むことでの冷媒の流れの阻害の影響が小さくできる。

また、図３（Ｄ）に示すように、液出口管７ｃの側面に冷媒流出口７ｃを設けた構成とすることにより、上記図３（Ｂ）と同様に、減速効果が得られ、いっそう気相冷媒が混入しなくなり、かつ、液面の高さが低くなっても液相冷媒を液出口管７ｃにより流れこませることができる。また、液出口管７ｃの側面に穴を設けただけの簡単な構造なので、上記図３（Ｂ）よりも加工性、コスト、耐久性に優れている。更に、穴の大きさや数、方向を変えることで、より広範囲で正確な流量調整が可能となる。

また、図３（Ｄ）に示すように、気液分離装置７のケーシング７ａの高さＨをケーシング７ａの内容積の３乗根よりも大きくする構造，つまり、縦長形状とすることにより、気液分離効率を向上することが可能となる。

次に、図１により冷凍サイクルの動作について説明する。図１において、圧縮機２から吐出された高温高圧のガス冷媒は、凝縮器３で空気などの冷却流体と熱交換して凝縮し、高温高圧の液冷媒に変化する。そして、膨張機構４により低温低圧の湿り蒸気（気液混合の冷媒）に変化し、気液分離装置７に流入する。気液分離装置７に流入した湿り蒸気は液冷媒と気相（ガス）冷媒に分離され、液冷媒は気液分離装置７で分配され、各液相配管Ｐ１、Ｐ２を通して各蒸発器５に供給され、蒸発器５における圧力損失によって圧力が低下しながら空気などの被冷却物と熱交換して蒸発気化し、圧縮機２に戻る。一方、バイパス配管８に流入した気相（ガス）冷媒は、蒸発器５出口の低圧ガス冷媒と合流して圧縮機２に戻る。

この結果、気相冷媒は蒸発器５を流れなくなるので圧力損失の低減、冷媒流れ音の低減が図れる。また、気液分離装置７内の気相と液相の混在による冷媒の分配偏りがなくなるので熱交換効率が向上し熱交換器や送風機の小型化が図れる。更に、気液分離装置７に気液分離器の機能と分配器の機能を一体化させたことにより、従来例と比べて、気液分離器から分配器までの液相配管が無くなるので冷媒充填量が削減でき、液相配管での再蒸発も無くせるので気相冷媒の混合による不均一がなくなり、均等分配が可能になり省エネが図れる。また、省スペース化、コストダウン、組立作業の簡略化などにもなる。

また、前記ケーシング７ａに液面検知手段を設けるとともに、前記冷媒流量調整機構９に電子膨張弁を用い、液面検知手段が検知した液冷媒の液面の高さに応じて、電子膨張弁９の開度を制御してなる構成となっている。
以下、図４のフローチャートに基づいてこの制御方法について説明する。
図４において、液面検知手段は液冷媒の液面の上位の高さを検知する検知部１と、下位の高さを検知する検知部２表わすものとする。また、電子膨張弁９の開度は、全閉≦開度１＜開度２＜開度３≦全開とする。
まず、ステップＳＴ１で電子膨張弁９を初期化し、ＳＴ２で液冷媒の液面の高さを検知する。そして、ＳＴ３で検知部１で液面を検知したかどうか判断され、もしＹＥＳであれば、ＳＴ４で電子膨張弁９の出力を開度１にし、気相冷媒のバイパス配管への流出を抑え、液面を下げるようにする。もしＮＯであれば、ＳＴ５に進み検知部２で液面を検知したかどうか判断され、もしＹＥＳであれば、ＳＴ６で電子膨張弁９の出力を開度２にし、気相冷媒のバイパス配管への流出を増やし液面を上げる。もしＮＯであれば、ＳＴ６で電子膨張弁９の出力を開度３（全開又はそれに近い状態）とし、液面を上昇させ次にＳＴ２に戻る。

以下、本発明の実施例２について詳細に説明する。図５に示すように、実施例２はヒートポンプエアコンに適用したものである。
図５において、圧縮機２、四方弁２Ａ、複数の第１熱交換器３ａ、膨張機構４、複数の第２熱交換器５ａを主な構成部品として備え、これら構成部品を順次主配管で接続した空気調和装置であって、複数の第１熱交換器３ａと膨張機構４との間に請求項１ないし５に記載の第１の気液分離装置７ａを備えると共に、膨張機構４と複数の第２熱交換器５ａとの間に請求項１ないし２に記載の第２の気液分離装置７ｂを備え、
前記第１の気液分離装置７ａの複数の液出口管と複数の第１蒸発器３ａとをそれぞれ接続し、第１の気液分離装置７ａのガス出口管と四方弁２Ａとの間に、第１冷媒流量調整機構９ａを備えた第１バイパス配管８ａを設ける一方、第２の気液分離装置７ｂの複数の液出口管と複数の第２蒸発器５ａとをそれぞれ接続し、第２の気液分離装置７ｂのガス出口管と圧縮機２の吸入側との間に、第２冷媒流量調整機構９ｂを備えた第２バイパス配管８ｂを設けてなる構成となっている。

そして、冷房運転時に、第１冷媒流量調整機構９ａを閉、第２冷媒流量調整機構９ｂを開とし、暖房運転時に、第１冷媒流量調整機構９ａを開、第２冷媒流量調整機構９ｂを閉としてなる構成となっている。
即ち、冷房運転時は第１熱交換器３ａが凝縮器として動作し、第２熱交換器５ａが蒸発器として動作する。また、暖房運転時は第１熱交換器３ａが蒸発器として動作し、第２熱交換器５ａが凝縮器として動作する。
本発明における気液分離装置は凝縮器に対しては、分配（分流）器としてのみ機能し、蒸発器に対して気液分離機能と分配機能との両方の機能を行う。よって、冷房運転時は第２の気液分離装置７ｂが、暖房運転時は第１の気液分離装置７ａが本発明の適用となる。尚、動作については、上記実施例の内容と同一であるため省略する。

以下、本発明の実施例３について詳細に説明する。図６に示すように、実施例３はヒートポンプエアコンで、上記実施例２に対し膨張機構４と、複数の第１熱交換器３ａとの間にのみ気液分離装置を備えたものである。
図６において、圧縮機２、四方弁２Ａ、複数の第１熱交換器３ａ、膨張機構４、第２熱交換器５ａを備え、これらを順次配管接続した空気調和装置であって、複数の第１熱交換器３ａと膨張機構４との間に請求項１ないし２に記載の気液分離装置７ｃを備え、
前記気液分離装置７ｃの複数の液出口管と複数の蒸発器３ａとをそれぞれ接続し、気液分離装置７ｃのガス出口管と四方弁２Ａとの間に、冷媒流量調整機構９ｃを備えたバイパス配管８ｃを設けてなる構成となっている。
即ち、暖房運転時に第１熱交換器３ａが蒸発器として動作し、気液分離装置７ｃが本発明の適用となる。尚、動作については、上記実施例の内容と同一であるため省略する。

上記に説明したように、本発明によれば、気液分離装置７に分離機能と液相の分配機能とを兼ね備え、分離された気相の冷媒を圧縮機の吸入側に流入させ、液相の冷媒を複数の蒸発器５に分配することにより、冷媒を均等に分配でき圧力損失の低減、熱交換器の小型化、冷媒音の低減が図ることができる気液分離装置および空気調和機となる。

本発明における冷凍サイクルの構成図である。 本発明におけるバイパス配管に電子膨張弁を設けた冷凍サイクルの構成図である。 本発明における気液分離装置の断面図で、（Ａ）は基本の断面図、（Ｂ）は液出口管の冷媒流出口をケーシングの底面近傍に設けた図、（Ｃ）は（Ｂ）の変形図、（Ｄ）は液出口管の冷媒流出口を横方向に設けた図、及び気液分離装置の高さを示す説明図である。 本発明における気液分離装置の制御方法を説明するフローチャートである。 本発明による第２の実施例を示す冷凍サイクルの構成図である。 本発明による第３の実施例を示す冷凍サイクルの構成図である。 従来例による冷凍サイクルの構成図である。

符号の説明

２ 圧縮機
２Ａ ４方弁
３ 凝縮器
３ａ 第１熱交換器
４ 膨張機構
５ 蒸発器
５ａ 第２熱交換器
６ 主配管
７ 気液分離装置
７ａ ケーシング
７ｂ 気液２相流入口管
７ｃ 液出口管
７ｄ ガス出口管
８，８ａ，８ｂ，８ｃ バイパス配管
９，９ａ，９ｂ，９ｃ 冷媒流量調整機構（電子膨張弁）

Claims (8)

1. ケーシングと、同ケーシングに気液２相流となった冷媒を流入させる気液２相流入口管と、冷媒の液相分を流出させる液出口管及び冷媒の気相分を流出させるガス出口管とを備えた気液分離装置において、
   前記液出口管を複数設けてなることを特徴とする気液分離装置。
2. 前記液出口管の冷媒流出口を、前記気液２相流入口管の冷媒流入方向と異なる方向としてなることを特徴とする請求項１に記載の気液分離装置。
3. 圧縮機、凝縮器、膨張機構、複数の蒸発器を備え、これらを順次配管接続した空気調和装置であって、前記膨張機構と前記複数の蒸発器との間に請求項１ないし２に記載の気液分離装置を備え、
   前記気液分離装置の前記複数の液出口管と前記複数の蒸発器とをそれぞれ接続し、前記気液分離装置のガス出口管と、前記圧縮機の吸入側との間にバイパス配管を接続してなることを特徴とする空気調和装置。
4. 前記バイパス配管に冷媒流量調整機構を備えてなることを特徴とする請求項３に記載の空気調和装置。
5. 前記ケーシングに液面検知手段を設けるとともに、前記冷媒流量調整機構に電子膨張弁を用い、前記液面検知手段が検知した液冷媒の液面の高さに応じて、前記電子膨張弁の開度を制御してなることを特徴とする請求項３または４に記載の空気調和装置。
6. 圧縮機、四方弁、複数の第１熱交換器、膨張機構、複数の第２熱交換器を備え、これらを順次配管接続した空気調和装置であって、前記複数の第１熱交換器と前記膨張機構との間に請求項１ないし２に記載の機能を有する第１の気液分離装置を備えると共に、前記膨張機構と前記複数の第２熱交換器との間に請求項１ないし２に記載の機能を有する第２の気液分離装置を備え、
   前記第１の気液分離装置の複数の液出口管と前記複数の第１蒸発器とをそれぞれ接続し、前記第１の気液分離装置のガス出口管と前記四方弁との間に、第１冷媒流量調整機構を備えた第１バイパス配管を設ける一方、前記第２の気液分離装置の複数の液出口管と前記複数の第２蒸発器とをそれぞれ接続し、前記第２の気液分離装置のガス出口管と前記圧縮機の吸入側との間に、第２冷媒流量調整機構を備えた第２バイパス配管を設けてなることを特徴とする空気調和装置。
7. 冷房運転時に、前記第１冷媒流量調整機構を閉、前記第２冷媒流量調整機構を開とし、暖房運転時に、前記第１冷媒流量調整機構を開、前記第２冷媒流量調整機構を閉としてなることを特徴とする請求項６に記載の空気調和装置。
8. 圧縮機、四方弁、複数の第１熱交換器、膨張機構、第２熱交換器を備え、これらを順次配管接続した空気調和装置であって、前記複数の第１熱交換器と前記膨張機構との間に請求項１ないし２に記載の気液分離装置を備え、
   前記気液分離装置の複数の液出口管と前記複数の蒸発器とをそれぞれ接続し、前記気液分離装置のガス出口管と前記四方弁との間に、冷媒流量調整機構を備えたバイパス配管を設けてなることを特徴とする空気調和装置。

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