JP2008051344A - 気液分離器及び該気液分離器を備えた冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで、且つ中間圧などの諸条件の影響を受けることなく分離効率の良い気液分離器を得る。
【解決手段】気液分離器（16）は、内部に螺旋状の流路（22）が形成された柱状の本体部（21）と、該螺旋状流路（22）の一端側に連通するように設けられた流入管（25）と、該螺旋状流路（22）内で分離されたガス冷媒及び液冷媒を流すためのガス流出管（26）及び液排出管（27）と、を備えている。上記本体部（21）は、円柱状の棒状部材（24）と、その外周を囲むように配設された有底円筒状の筒状部材（23）とからなる。上記棒状部材（24）の外周面上には、螺旋状に延びるネジ部（24a）が形成されていて、これにより、上記筒状部材（23）の内周面との間に上記螺旋状流路（22）が形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、気液二相流体を液流体とガス流体とに分離するための気液分離器、及び該気液分離器を有する冷媒回路を備えた冷凍装置に関するものである。

従来より、冷凍装置の冷媒回路上に、気液二相流体を液流体とガス流体とに分離するための気液分離器が設けられたものが知られている。

例えば、特許文献１には、冷凍装置として、暖房運転時に二段圧縮二段膨張冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた空気調和装置が開示されていて、該冷媒回路には、気液二相冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する気液分離器が設けられている。このような二段圧縮二段膨張冷凍サイクルの暖房運転では、高段側圧縮機から吐出した冷媒は、室内熱交換器で凝縮して室内空気を加熱する。そして、凝縮した冷媒は、中間膨張弁を通過して中間圧の気液二相状態となり、該気液分離器に導入されて、ガス冷媒と液冷媒とに分離される。液冷媒は、気液分離器から流出し、室外膨張弁で低圧まで減圧されて膨張した後に室外熱交換器で蒸発する。蒸発した冷媒は、低段側圧縮機に吸入されて圧縮され、中間圧の吐出冷媒となる。そして、該中間圧の吐出冷媒に気液分離器のガス冷媒が合流して高段側圧縮機に吸入され、高圧まで圧縮される。

なお、気液分離器は、上述のような二段圧縮二段膨張冷凍サイクルの冷媒回路に限らず、例えば単段圧縮単段膨張冷凍サイクルの冷媒回路において気液分離が必要とされる部分にも設けられる。

次に、上記気液分離器の一般的な構成について説明する。上記気液分離器は、一般的に、図８に示すように、円筒型の容器本体（100）を有していて、該容器本体（100）の頂部には、流入管（101）、液流出管（102）、及びガス流出管（103）が貫通して接続されている。上記容器本体（100）の内部は、下部の液冷媒貯留部（104）と上部のガス冷媒貯留部（105）とに分けられる。そして、上記液流出管（102）の開口端は、上記液冷媒貯留部（104）に位置付けられる一方、上記ガス流出管（103）の開口端は、ガス冷媒貯留部（105）に位置付けられ、上記流入管（101）の開口端は、液流出管（102）の開口端とガス流出管（103）の開口端との間に位置付けられている。
特開２００１−２３５２４５号公報

ところで、上記特許文献１に記載の気液分離器では、容器本体内に冷媒を一旦溜めることになるため、冷媒回路内で必要な冷媒の循環量が多くなるうえ、上述のような液冷媒及びガス冷媒の貯留スペースが確保できるような比較的容積の大きな容器が必要になり、比較的、広い設置スペースが必要となる。

また、上述のような構成の気液分離器では、ガス冷媒を積極的に分離する構成にはなっていないため、例えば、上記特許文献１のような二段圧縮二段膨張冷凍サイクルの冷媒回路において中間圧が低い場合などには、ガス冷媒が気液分離器内に残留して、液流出管から液流体に混入した状態で流れ出る可能性もある。逆に、上記中間圧が高い場合などには、気液分離器内の液流体が巻き上げられて、ガス流出管からガス流体とともに流れ出る可能性もある。

このように、上述のような構成の気液分離器では、比較的、広い設置スペースを必要とするうえ、条件によってはガス流体と液流体とに分離されない場合があり、分離効率のあまり良いものではなかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、コンパクトで、且つ中間圧などの諸条件の影響を受けることなく分離効率の良い気液分離器を得ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る気液分離器（16,16'）では、本体部（21）の内部に螺旋状の流路（22）を設けて、該螺旋状流路（22）の外周側に液流体が、内周側にガス流体がそれぞれ位置付けられるように分離し、該外周側及び内周側にそれぞれ連通する液流出管（27）及びガス流出管（26）から液流体及びガス流体を流出させるようにした。

具体的には、第１の発明は、気液二相流体を液流体とガス流体とに分離するための気液分離器を対象とし、内部に螺旋状の流路（22）が形成された本体部（21）と、上記螺旋状流路（22）の一端側に連通するように設けられた流入管（25）と、上記螺旋状流路（22）の他端側で且つ該螺旋状流路（22）の軸線方向から見て該螺旋状流路（22）の外周側部分に連通するように設けられ、上記螺旋状流路（22）内で分離された液流体を流出させる液流出管（27）と、上記螺旋状流路（22）の他端側で且つ上記軸線方向から見て該螺旋状流路（22）の内周側部分に連通するように設けられ、上記螺旋状流路（22）内で分離されたガス流体を流出させるガス流出管（26）と、を備えているものとする。

この構成により、気液分離器（16,16'）の本体部（21）内に流入管（25）から流入した気液二相流体は、螺旋状の流路（22）によって旋回成分が与えられ、その遠心力によって液流体とガス流体とに分離される。すなわち、比重の大きい液流体は、より大きな遠心力を受けることになるため、螺旋状流路（22）の外周側に集まる一方、比重の小さいガス流体はそれ以外の部分、つまり螺旋状流路（22）の内周側に集まることになる。例えば、断面視で流路内の外周側に液流体が環状に流れ、その内側をガス流体が流れるいわゆる環状流の場合（図３（a）参照）には、上記螺旋状流路（22）の外周側に液流体が集まって断面視で三日月状に流れることになり、流路のそれ以外の部分にガス流体が流れることになる（図３（b）参照）。

このように上記螺旋状流路（22）内で外周側及び内周側に分離された液冷媒及びガス冷媒は、それぞれ、該螺旋状流路（22）の他端側で且つ軸線方向から見て外周側部分に連通する液流出管（27）及び該螺旋状流路（22）他端側の内周側部分に連通するガス流出管（26）によって、確実に分離された状態で本体部（21）から流れ出ることになる。

しかも、上記本体部（21）は、その内部に設けられた螺旋状の流路（22）を気液二相流体が流れることで液流体とガス流体とに分離されるため、上記従来例のように内部に液体を一端、溜め込む必要がなくなり、大きな容積を有する容器が不要になるとともに、冷媒回路（10,41）における冷媒の循環量も低減できる。

さらに、上述のように螺旋状流路（22）にすることで、気液分離器を細長い形状にすることが可能となり、これにより、気液分離器を例えば熱交換器の分流器やヘッダの横に設置するなど冷凍装置内にコンパクトに配置することができる。

したがって、上述の構成により、コンパクトで且つ気液二相流体を液流体とガス流体とに確実に分離でき、冷媒回路内の冷媒の循環量も低減することのできる気液分離器（16,16'）が得られる。

上述の構成において、上記本体部（21）の他端側は、上記軸線方向から見て上記螺旋状流路（22）の他端側を外周側部分と内周側部分とに区画するような二重管構造になっていて、該二重管の外周側部分が上記液流出管（27）に、内周側部分が上記ガス流出管（26）にそれぞれ連通しているものとする（第２の発明）。

これにより、上記本体部（21）の螺旋状流路（22）で外周側及び内周側に分離された液流体及びガス流体は、本体部（21）の他端側の二重管構造によって、液流体が二重管の外周側部分に、ガス流体が二重管の内周側部分に、それぞれ、確実に分離されて流れ、該外周側部分に連通する液流出管（27）及び該内周側部分に連通するガス流出管（26）によって、気液分離器（16,16'）から流れ出る。

すなわち、上述のような構成にすることで、上記螺旋状流路（22）で分離された液流体及びガス流体が混ざることなく、液流出管（27）及びガス流出管（26）にそれぞれ導かれるため、分離効率をより高めることができる。

また、上記本体部（21）は、棒状部材（24）と、該棒状部材（24）の外周面を覆うように配設される筒状部材（23）とからなり、上記棒状部材（24）の外周面及び筒状部材（23）の内周面のうち少なくとも一方の面には、軸線方向に螺旋状に延びる溝部（24a）が設けられていて、該棒状部材（24）の外周面と筒状部材（23）の内周面とによって上記螺旋状流路（22）が形成されるものとする（第３の発明）。

このように棒状部材（24）と筒状部材（23）とを組み合わせて本体部（21）を構成し、いずれか一方に溝部（24a）を設けて両者間に螺旋状の流路（22）が形成されるようにすることで、該本体部（21）内に螺旋状の流路（22）を確実且つ容易に形成することができる。

また、上記棒状部材（24）には、上記本体部（21）の他端側に向かって開口する中心穴（24b）が形成されているとともに、該中心穴（24b）と上記螺旋状流路（22）とを連通させる連通孔（24c）が設けられていてもよい（第４の発明）。

これにより、本体部（21）内の螺旋状流路（22）によって分離されたガス流体は、連通孔（24c）を介して棒状部材（24）の中心穴（24b）内に流れ込むようになるため、液流体とガス流体とが混ざらないように確実に分離した状態で流出管（26,27）側へ流すことができる。

特に、上記連通孔（24c）は、上記螺旋状流路（22）の一端側から他端側に向かうにつれて上記中心穴（24b）に近づくように該中心穴（24b）に対して斜めに設けられているのが好ましい（第５の発明）。こうすることで、螺旋状流路（22）の他端側から流入した気液二相流体を該流路（22）で液冷媒とガス冷媒とに分離した後、該分離されたガス流体を上記連通孔（24c）によって中心穴（24b）内により確実に導くことができるため、ガス流体をより確実に分離することができる。

また、上記棒状部材（24）の外周面上に、上記溝部としてのネジ部（24a）が形成されているのが好ましい（第６の発明）。このように、上記棒状部材（24）の外周面上にネジ部（24a）を形成することで、ネジ部（24a）の形成された棒状部材（24）に薄肉の筒状部材（23）を外側から嵌め込んでしぼり加工すれば、該棒状部材（24）のねじ山と筒状部材（23）の内周面とが確実且つ容易に密着して、両者（23,24）間に上記螺旋状流路（22）が確実に形成されるため、上述のような構成の気液分離器（16,16'）を容易に得ることができる。

第７の発明は、第１〜６の発明のいずれか一つに記載の気液分離器（16,16'）を有する冷媒回路（10）を備えた冷凍装置を対象とする。そして、上記冷媒回路（10）は、圧縮機（11）と凝縮器（13）と膨張機構（14）と蒸発器（12）とが順に接続されて単段圧縮単段膨張冷凍サイクルを行うように構成され、上記凝縮器（13）を流れた後に上記膨張機構（14）で減圧された気液二相冷媒が、上記気液分離器（16,16'）の本体部（21）に流入するように、上記気液分離器（16,16'）の流入管（25）が上記膨張機構（14）の下流側に接続され、上記気液分離器（16,16'）で分離された液冷媒が上記蒸発器（12）に供給されるように、上記気液分離器（16,16'）の液流出管（27）が上記蒸発器（12）の上流側に接続される一方、上記気液分離器（16,16'）で分離されたガス冷媒が上記圧縮機（11）の吸入側に供給されるように上記気液分離器（16,16'）のガス流出管（26）が該圧縮機（11）の吸入側に接続されているものとする。

この第７の発明では、第１〜６の発明に記載の気液分離器（16,16'）を有した冷媒回路（10）が単段圧縮単段膨張冷凍サイクルを行うので、上記膨張機構（14）で減圧された気液二相冷媒は上記気液分離器（16,16'）で液冷媒とガス冷媒とに確実に分離され、液冷媒は蒸発器（12）に、ガス冷媒は圧縮機（11）の吸入側に、それぞれ供給される。

すなわち、上述の冷媒回路（10）に第１〜６の発明に記載の気液分離器（16,16'）を設けることで、圧縮機（11）の吸入側に供給されるガス冷媒に液冷媒が混入するのを防止できると共に、蒸発器（12）に供給される液冷媒にガス冷媒が混入するのを防止できる。

第８の発明も、上記第７の発明と同様、第１〜６の発明のいずれか一つに記載の気液分離器（16,16'）を有する冷媒回路（41）を備えた冷凍装置を対象とする。そして、上記冷媒回路（41）は、低段側圧縮機（42）と高段側圧縮機（43）と凝縮器（13）と第１膨張機構（45）と第２膨張機構（44）と蒸発器（12）とが順に接続されて二段圧縮二段膨張冷凍サイクルを行うように構成され、上記凝縮器（13）を流れた後に上記第１膨張機構（45）で減圧された中間圧の気液二相冷媒が、上記気液分離器（16,16'）の本体部（21）に流入するように、上記気液分離器（16,16'）の流入管（25）が上記第１膨張機構（45）の下流側に接続され、上記気液分離器（16,16'）で分離された液冷媒が上記第２膨張機構（44）に供給されるように、上記気液分離器（16,16'）の液流出管（27）が上記第２膨張機構（44）の上流側に接続される一方、上記気液分離器（16,16'）で分離されたガス冷媒が高段側圧縮機（43）の吸入側に供給されるように上記気液分離器（16,16'）のガス流出管（26）が高段側圧縮機（43）の吸入側に接続されているものとする。

この第８の発明では、第１〜６の発明に記載の気液分離器（16,16'）を有した冷媒回路（41）が２段圧縮２段膨張冷凍サイクルを行うので、上記第１膨張機構（45）で中間圧に減圧された気液二相冷媒が高段側圧縮機（43）の吸入圧の影響を受けることなく、上記気液分離器（16,16'）で液冷媒とガス冷媒とに確実に分離され、液冷媒は第２膨張機構（44）を介して蒸発器（12）に、ガス冷媒は高段側圧縮機（43）の吸入側に、それぞれ供給される。

すなわち、上述の冷媒回路（10）に第１〜６の発明に記載の気液分離器（16,16'）を設けることで、上記第２膨張機構（44）を介して蒸発器（12）に供給される液冷媒にガス冷媒が混入するのを防止できると共に、上記高段側圧縮機（43）の吸入側に供給されるガス冷媒に液冷媒が混入するのを防止できる。

上記第１の発明によれば、本体部（21）の内部に螺旋状の流路（22）を設け、該螺旋状流路（22）の一端側から気液二相流体を流入させるとともに、他端側に対しては、該螺旋状流路（22）における中心軸の軸線方向から見て外周側部分に液流出管（27）を連通させる一方、内周側部分にはガス流出管（26）を連通させるようにしたため、上記螺旋状流路（22）によって気液二相流体を液流体とガス流体とに確実に分離することができるとともに、互いに混入することなく分離した状態で気液分離器（16,16'）から流出させることができる。また、螺旋状の流路（22）にすることで、従来のように流体を一旦、貯留可能な容積を有する容器が不要になり、気液分離器のコンパクト化及び冷媒回路における冷媒循環量の低減を図れる。したがって、上述のような構成にすることで、コンパクトで且つ分離効率の良い気液分離器が得られる。

また、上記第２の発明によれば、本体部（21）の他端側は、二重管構造になっていて、その外周側部分が液流出管（27）に、内周側部分がガス流出管（26）に、それぞれ連通しているため、上記螺旋状流路（22）内で分離された液流体及びガス流体は、互いに混ざることなく、液流出管（27）及びガス流出管（26）側に流れるため、分離効率をより向上することができる。

また、上記第３の発明によれば、本体部（21）を棒状部材（24）と筒状部材（23）とによって構成し、該棒状部材（24）の外周面または筒状部材（23）の内周面のいずれか一方に溝部（26a）を設けて、両者の間に螺旋状流路（22）が形成されるようにしたため、該螺旋状流路（22）を確実且つ容易に形成することができ、螺旋状流路（22）を有する気液分離器（16,16'）の組み立て作業性を向上することができる。

さらに、上記第４の発明によれば、本体部（21）を構成する棒状部材（24）に、該本体部（21）の他端側に向かって開口する中心穴（24b）を設け、該中心穴（24b）と螺旋状流路（22）とを連通孔（24c）によって連通させたため、該螺旋状流路（22）で分離され、該流路（22）の内周側に位置するガス流体を、上記連通孔（24c）を介して中心穴（24b）内に流すことができ、これにより、本体部（21）内でガス流体と液流体とに確実に分離することができる。しかも、分離された後、ガス流体は棒状部材（24）の中心穴（24b）内を螺旋状流路（22）の他端側へ向かって流れるため、該ガス流体と液流体とが混ざるのを確実に防止できる。したがって、さらに分離効率の良い気液分離器が得られる。

特に、上記第５の発明によれば、上記連通孔（24c）は、螺旋状流路（22）の一端側から他端側へ向かうにつれて中心穴（24b）に近づくように斜めに延びているため、該螺旋状流路（22）の一端側から流入して分離されたガス流体をよりスムーズに上記中心穴（24b）内に導き入れることができ、さらに分離効率を向上できる。

また、上記第６の発明によれば、上記本体部（21）を構成する棒状部材（24）の外周面上にネジ部（24a）を形成するようにしたため、その外側に薄肉の筒状部材（23）を嵌めてしぼり加工を行うことで、棒状部材（24）と筒状部材（23）との間に容易且つ確実に螺旋状流路（22）を形成することができる。したがって、上述のような螺旋状流路（22）を有する気液分離器（16,16'）の組み立て作業性を向上することができる。

また、上記第７の発明によれば、第１〜６の発明のいずれか一つに記載の気液分離器（16,16'）を有した冷媒回路（10）が単段圧縮単段膨張冷凍サイクルを行うようにしたために、膨張機構（14）で減圧された気液二相冷媒を上記気液分離器（16,16'）で液冷媒とガス冷媒とに確実に分離することができ、圧縮機（11）の吸入側に供給されるガス冷媒に液冷媒が混入するのを防止できると共に、蒸発器（12）に供給される液冷媒にガス冷媒が混入するのを防止できる。これにより、蒸発器（12）における蒸発能力の安定化、凝縮器（13）における凝縮能力の安定化を図れるので、装置としての信頼性の向上及び能力向上を図れる。

さらに、上記第８の発明によれば、第１〜６の発明のいずれか一つに記載の気液分離器（16,16'）を有した冷媒回路（31）が二段圧縮二段膨張冷凍サイクルを行うようにしたために、上記第１膨張機構（45）で中間圧に減圧された気液二相冷媒を上記気液分離器（16,16'）で液冷媒とガス冷媒とに確実に分離することができ、高段側圧縮機（43）の吸入側に供給されるガス冷媒に液冷媒が混入するのを防止することができると共に、第２膨張機構（44）を介して蒸発器（12）に供給される液冷媒にガス冷媒が混入するのを防止することができる。これにより、蒸発器（12）における蒸発能力の安定化、凝縮器（13）における凝縮能力の安定化を図れるので、装置としての信頼性の向上を図れる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１に示すように、以下の説明では、単段圧縮単段膨張冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を備えた冷凍装置としての空気調和機（1）について説明する。

〈冷媒回路の構成〉
上記冷媒回路（10）は、図１に示すように、圧縮機（11）と室内熱交換器（12）と室外熱交換器（13）と膨張弁（14）と流量調整弁（15）と気液分離器（16）とを備えている。

上記圧縮機（11）の吐出側は、上記室外熱交換器（13）に接続されている一方、該圧縮機（11）には、上記室内熱交換器（12）及び気液分離器（16）から低圧のガス冷媒が流入するように構成されている。ここで、上記圧縮機（11）は、冷媒を圧縮するための流体機械であり、例えば高圧ドーム型のスクロール式圧縮機により構成されている。

上記室内熱交換器（12）は、室内に設置され、冷媒が蒸発して室内の冷却を行うものであり、上記図１の冷媒回路（10）において蒸発器を構成している。この室内熱交換器（12）は、例えば、フィン・アンド・チューブ型熱交換器であり、上述のとおり出口側が上記圧縮機（11）の吸入側に接続されていて、入口側は上記気液分離器（16）の液流出管（27）に接続されている。

上記室外熱交換器（13）は、上記室内熱交換器（12）と同様、例えば、フィン・アンド・チューブ型熱交換器であり、上記図１の冷媒回路（10）では、冷媒が凝縮する凝縮器を構成している。この室外熱交換器（13）は、入口側が上記圧縮機（11）の吐出側に接続されている一方、出口側は膨張弁（14）の入口側に接続されている。

上記膨張弁（14）及び流量調整弁（15）は、例えば開度調整可能な電動弁であり、該膨張弁（14）は、上記室外熱交換器（13）と気液分離器（16）との間に、上記流量調整弁（15）は、上記圧縮機（11）と気液分離器（16）との間に設けられている。上記膨張弁（14）は、上記室外熱交換器（13）で凝縮された液冷媒を減圧して気液二相状態にするためのものである。また、上記流量調整弁（15）は、気液分離器（16）で分離されたガス冷媒の上記圧縮機（11）への流入量を調整するためのものである。

上記気液分離器（16）は、気液二相状態の冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離するためのもので、分離されたガス冷媒を上記圧縮機（11）へ、液冷媒を上記室内熱交換器（12）へそれぞれ流すように、ガス流出管（26）が該圧縮機（11）に、液流出管（27）が室内熱交換器（12）の上流側にそれぞれ接続されている。

一般的に、気液分離器は、図８に示すように、容器内に一旦、冷媒を溜めた後、ガス冷媒と液冷媒とに分離するものが知られているが、このような構成のものでは、以下のような問題が生じる。

すなわち、冷媒を一旦、溜める必要があるため、或る程度の容積を有する容器が必要になり、比較的広い設置スペースを必要とする点、冷媒が容器内に溜まるため、その分、冷媒循環量が多くなる点、ガス冷媒の出口側（圧縮機側）の圧力条件等によっては、ガス冷媒と液冷媒とが混ざってしまう可能性があり、分離効率があまり良くない点、などが挙げられる。

これに対し、本発明では、上記気液分離器の構成を以下のような構成にすることで、上述のような問題点の解決を図るようにした。

〈気液分離器の構成〉
以下で、上記気液分離器（16）の概略構成を図２に基づいて説明する。

上記気液分離器（16）は、内部に螺旋状の流路（22）が形成された本体部（21）と、該本体部（21）の一端側に一体形成された冷媒の流入口としての流入管（25）と、該本体部の他端側に設けられたガス流出管（26）及び液流出管（27）と、を備えている。

上記本体部（21）は、有底円筒状の筒状部材（23）とその内部に配設される円柱状の棒状部材（24）とによって構成され、該棒状部材（24）の外周面上に形成されたネジ部（24a）と上記筒状部材（23）の内周面との間に上記螺旋状流路（22）が形成されるようになっている。

ここで、上記筒状部材（23）は、相対的に薄肉の円筒状部材であり、上記ネジ部（24a）の形成された棒状部材（24）に対してその外側に嵌め込んだ状態で、しぼり加工を行うことにより、該棒状部材（24）のネジ部（24a）が上記筒状部材（23）の内周面に密着した状態になる。これにより、上記本体部（21）内に上記螺旋状流路（22）を確実且つ容易に形成することができる。

上記流入管（25）は、本体部（21）の一端側に設けられていて、該本体部（21）内の螺旋状流路（22）の一端側に向けて気液二相状態の冷媒を流すように構成されている。この螺旋状流路（22）の一端側に向けて流れ込んだ冷媒は、上記本体部（21）の棒状部材（24）の外周面に当たって、該棒状部材（24）の外周面に形成されたネジ部（24a）に沿って、螺旋状流路（22）内を他端側へ流れることになる。

このとき、上記螺旋状流路（22）内を流れる気液二相状態の冷媒は、その流速及び乾き度（或いはボイド率）の関係から、図３（a）に示すように、液冷媒が環状になってその内側をガス冷媒が流れるいわゆる環状流になることがある。そうすると、上記螺旋状流路（22）内を流れる環状流の冷媒に旋回成分が加わって遠心力が作用すると、図３（b）に模式的に示すように比重の大きい液冷媒は外周側に偏ることになる。したがって、図４に示すように上記螺旋状流路（22）内では、比重の小さいガス冷媒は流路（22）の内周側に位置付けられて、気液二相状態の冷媒は液冷媒とガス冷媒とに分離される。

上記ガス流出管（26）及び液流出管（27）は、上述のようにして螺旋状流路（22）で分離されたガス冷媒及び液冷媒を気液分離器（16）の本体部（21）から外部へ流すための管である。上記ガス流出管（26）は、本体部（21）の他端部において、上記螺旋状流路（26）の軸線方向から見て該螺旋状流路（22）の内側部分に連通するように設けられている。一方、上記液流出管（27）は、本体部（21）の他端部において、上記螺旋状流路（22）の軸線方向から見て該螺旋状流路（22）の外側部分に連通するように設けられている。

具体的には、上記本体部（21）の他端側には、筒状部材（23）の内側に管部材（28）が配設されていて、上記螺旋状流路（22）の他端側を軸線方向から見て外周側部分と内周側部分とに分けるような二重管構成になっている。そして、上記筒状部材（23）と管部材（28）との間、すなわち二重管の外側部分が上記液流出管（27）の端部に、上記管部材（28）の内部、すなわち二重管の内側部分が上記ガス流出管（26）の端部になっている。本実施形態では、この二重管部分を流出管（26,27）の端部としているが、この限りではなく、該二重管部分に上記流出管（26,27）を構成する別の管部材を接続するようにしてもよい。

なお、特に図示しないが、上記ガス流出管（26）及び液流出管（27）は、上記本体部（21）から離れるに従ってそれぞれ分岐して、該ガス流出管（26）が上記圧縮機（11）の吸入側に接続され、液流出管（27）が上記室内熱交換器（12）の上流側に接続される。

このように、上記本体部（21）の他端側を二重管構造にすることで、該本体部（21）内の螺旋状流路（22）で分離されたガス冷媒及び液冷媒が互いに混ざることなく該本体部（21）から流れ出るようにすることができ、気液分離器（16）の分離効率をより向上することができる。

−運転動作−
次に、上記空気調和機（1）の運転動作について説明する。

上記空気調和機（1）を起動すると、冷媒回路（10）では、圧縮機（11）の運転が開始され、各膨張弁（14,15）の開度が適宜設定され、冷媒が図１の矢印の方向に循環する。

具体的には、上記圧縮機（11）から吐出された高圧の冷媒は、室外熱交換器（13）を流れて、室外空気に放熱して凝縮する。そして、凝縮した冷媒は、膨張弁（14）を流れて、減圧され、気液二相状態の冷媒となる。

上記気液二相状態の冷媒は、気液分離器（16）の流入管（25）を介して本体部（21）内の螺旋状流路（22）の一端側に流れ込んで、該螺旋状流路（22）内を他端側に向けて流れる。この際、気液二相状態の環状流になっている冷媒には、旋回成分が加わって、該冷媒中の液冷媒はより大きい遠心力を受けて軸線方向から見て上記螺旋状流路（22）の外周側に位置付けられる（図４参照）。一方、比重の小さいガス冷媒は、軸線方向から見て該螺旋状流路（22）の内周側に位置付けられる。すなわち、上記螺旋状流路（22）内を気液二相状態の環状流の冷媒が流れることで、遠心力によって該冷媒は液冷媒とガス冷媒とに確実に分離されることになる。

上述のようにして分離された液冷媒及びガス冷媒は、上記本体部（21）の他端側の二重管構造によって、二重管の外周側部分には液冷媒が、内周側部分にはガス冷媒がそれぞれ流れる。そして、この二重管の外管と繋がっている液流出管（27）内を流れて液冷媒は室内熱交換器（12）へ、内管と繋がっているガス流出管（27）内を流れてガス冷媒は流量調整弁（15）を介して圧縮機（11）の吸入側へ、それぞれ流れる。

上記室内熱交換器（12）へ流入した液冷媒は、該熱交換器（12）を流れる際に、室内空気から吸熱して蒸発し、室内空気を冷却する。そして、蒸発した冷媒は、圧縮機（11）に吸入され、該圧縮機（11）内で高圧の状態にされた後、吐出される。

−実施形態１の効果−
以上、説明したように、この実施形態１では、気液分離器（16）の本体部（21）内に螺旋状流路（22）を設けるようにしたため、該螺旋状流路（22）内を気液二相状態の冷媒が流れる際に該冷媒の受ける遠心力によって、液冷媒とガス冷媒とに確実に分離することができる。しかも、上記螺旋状流路（22）内を冷媒が流れることによって液冷媒とガス冷媒とに分離されるため、従来構成のように容器内に冷媒を溜め込む必要がなくなり、従来のものに比べて気液分離器全体をコンパクトにすることができ、さらに、冷媒回路（10）内の冷媒循環量を低減することもできる。

また、上記気液分離器（16）は、全体として円筒状の細長い構造体なので、例えば熱交換器の分流器やヘッダの横に設置でき、空気調和機（1）にコンパクトに配置することができるため、従来のような広い設置スペースが不要になる。

また、上記本体部（21）は、外周面上にネジ部（24a）の設けられた棒状部材（24）と該棒状部材（24）を覆う筒状部材（25）とによって構成され、該棒状部材（24）のネジ部（24a）と筒状部材（25）の内周面との間に上記螺旋状流路（22）が形成されるため、螺旋状流路（23）を内部に有する気液分離器を確実且つ容易に得ることができる。

さらに、上述のように、棒状部材（24）の外周面にネジ部（24a）を設ける一方、上記筒状部材（25）を薄肉円管状の部材とすることで、該筒状部材（25）内に棒状部材（24）を挿入した状態でしぼり加工等を行えば、該筒状部材（25）の内周面と棒状部材（24）のネジ部（24a）とを確実且つ容易に密着させることができ、上記螺旋状流路（22）をより容易且つ確実に得ることができる。したがって、上述のように内部に螺旋状流路（22）の形成された気液分離器（16）の組み立て作業性を向上することができる。

また、上記本体部（21）の他端側（流入管（25）の設けられた一端側とは反対側）を二重管構造にすることで、該本体部（21）内の螺旋状流路（23）で分離されたガス冷媒と液冷媒とを確実に分離した状態でガス流出管（26）及び液流出管（27）内に流すことができ、気液分離器（16）の分離効率をさらに向上することができる。

また、上記図１に示すような単段圧縮単段膨張冷凍サイクルに、上述のような構成を有する気液分離器（16）を設けることで、膨張弁（14）で気液二相状態になった冷媒の気液分離性能が向上するので、室内熱交換器（12）における蒸発能力と、室外熱交換器（13）における凝縮能力とが安定化し、これにより、運転の安定化を図ることができる。この結果、空気調和機（1）の信頼性を向上することができる。

〈実施形態の変形例１〉
上記実施形態では、気液二相状態の環状流の冷媒が螺旋状流路（22）内を流れると、液冷媒が外周側に、ガス冷媒が内周側にそれぞれ位置付けられ、その状態で流出管（26,27）に流れるようになっているが、この限りではなく、図５に示すように、気液分離器（16'）の棒状部材（24）に中心穴（24b）を設け、この中心穴（24b）内にガス冷媒を流すようにしてもよい。なお、上記実施形態１と同じ部分には同じ符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。

具体的には、図５に示すように、気液分離器（16'）を構成する棒状部材（24）に、螺旋状流路（22）の出口側（本体部（21）の他端側）に開口する中心穴（24b）を設ける。また、上記棒状部材（24）の外周面に形成されたネジ部（24a）の谷部分に、上記中心穴（24b）と螺旋状流路（22）とを連通させるような複数の連通孔（24c,24c,…）を形成する。

上記中心穴（24b）は、螺旋状流路（22）の出口側にのみ開口していて、該中心穴（24b）の底部近傍に、上記連通孔（24c,24c,…）が複数、設けられている。また、この連通孔（24c,24c,…）は、それぞれ、上記螺旋状流路（22）の一端側から他端側に向かうにつれて上記中心穴（24b）に近づくように斜めに設けられている。

これにより、上記螺旋状流路（22）内で分離され、該流路（22）の内周側に位置付けられるガス冷媒は上記連通孔（24c,24c,…）から中心穴（24b）に容易に流れ込んで、該中心穴（24b）内を上記螺旋状流路（22）の出口側に流れるため、ガス冷媒を確実に分離することができ、気液分離器（16）の分離効率を向上することができる。

しかも、上述のように、ガス冷媒のみを棒状部材（24）の中心穴（24b）に流すことで、本体部（21）の他端側の二重管部分に流入する際に液冷媒と混ざるのを確実に防止することができる。

なお、上記中心穴（24b）の底部の位置は、分離効率の観点から上記螺旋状流路（22）内でガス冷媒と液冷媒とに分離される位置よりも出口側の位置であるのが好ましいが、これに限らず、それよりも入口側の位置であってもよいし、上記棒状部材（24）を貫通していてもよい。

〈実施形態の変形例２〉
上記実施形態では、室内での冷房運転を対象とした冷媒回路（10）に気液分離器（16）を設けるようにしているが、この限りではなく、図６に示すように、冷暖房運転の切換が可能な冷媒回路（31）に上述のような気液分離器（16,16'）を設けるようにしてもよい。なお、上記実施形態と同じ部分には同じ符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。

具体的には、図６に示す空気調和機（30）の冷媒回路（31）では、図１の構成に加えて、四路切換弁（32）、第１及び第２膨張弁（33,34）、ブリッジ回路（39）を構成する逆止弁（35,36,37,38）を備えている。そして、圧縮機（11）、四路切換弁（32）、熱源側熱交換器である室外熱交換器（13）、第１膨張弁（33）、ブリッジ回路（39）、第２膨張弁（34）、利用側熱交換器である室内熱交換器（12）が配管によって順に接続されている。

すなわち、上記冷媒回路（31）は、四路切換弁（32）の切換によって正サイクルである冷房サイクルの運転と逆サイクルである暖房サイクルの運転とに切り換わるように構成されている。つまり、前記四路切換弁（51）が図６の実線の状態になると、上記冷媒回路（31）は、室外熱交換器（13）で冷媒が凝縮する冷房サイクルの運転で冷媒が循環する。また、前記四路切換弁（32）が図６の破線の状態になると、上記冷媒回路（31）は、室内熱交換器（12）で冷媒が凝縮する暖房サイクルの運転で冷媒が循環する。

このように、上記冷媒回路（31）内を循環する冷媒の循環方向が切り替わるのに対応して、どちらの循環方向であっても気液分離器（16,16'）が機能するように、該気液分離器（16,16'）の周りにはブリッジ回路（39）が組まれている。

上記ブリッジ回路（39）は、４つの逆止弁（35,36,37,38）の組み合わせによって構成されたもので、上記図６に示すように、上記気液分離器（16,16'）の流入管（25）及び液流出管（27）には、それぞれ、上記室内熱交換器（12）及び室外熱交換器（13）の両方から冷媒が流出入可能なように配管が接続されている。そして、上記４つの逆止弁（35,36,37,38）のうち、上記流入管（25）に接続される２つの配管にそれぞれ設けられる逆止弁（35,36）は、冷媒が該流入管（25）に向かう方向にのみ流れるように配置され、上記液流出管（27）に接続される２つの配管にそれぞれ設けられる逆止弁（37,38）は、冷媒が該液流出管（27）から熱交換器（12,13）側にのみ流れるように配置されている。

これにより、上記冷媒回路（31）で冷媒の循環方向が切り替わっても、上記気液分離器（16）の流入管（25）に必ず冷媒が流れ込む一方、該気液分離器（16）で分離された液冷媒は、液流出管（27）から低圧側の熱交換器に向かって流れることになる。

なお、上記気液分離器（16）で分離されたガス冷媒は、上記実施形態と同様、該気液分離器（16）のガス流出管（26）から流量調整弁（15）を介して上記圧縮機（11）の吸入側に供給される。ここで、上記ガス冷媒は、上記第１膨張弁（33）によって中間圧まで若しくは低圧まで減圧されている。

上述のような冷暖房運転切換可能な冷媒回路（31）に、上述のような構成の気液分離器（16,16'）を設けた場合でも、該気液分離器（16,16'）によって気液二相状態の冷媒を確実に液冷媒とガス冷媒とに分離することができる。

その他の構成、作用及び効果は、実施形態１と同じである。

〈実施形態の変形例３〉
上記実施形態では、単段圧縮単段膨張冷凍サイクルの冷媒回路（10）に気液分離器（16）を設けるようにしているが、この限りではなく、図７に示すように、二段圧縮二段膨張冷凍サイクルの冷媒回路（41）に上記気液分離器（16,16'）を設けるようにしてもよい。なお、上記実施形態と同じ部分には同じ符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。

上記冷媒回路（41）は、図７に示すように、低段側圧縮機（42）、高段側圧縮機（43）、蒸発器としての冷凍熱交換器（12）、凝縮器としての室外熱交換器（13）、第２膨張機構としての主膨張弁（44）、第１膨張機構としての中間膨張弁（45）、気液分離器（16,16'）を備えている。

上記低段側圧縮機（42）の吐出側は、高段側圧縮機（43）の吸入側に接続されている。上記低段側圧縮機（42）及び高段側圧縮機（43）は、上記実施形態と同様、例えば、高圧ドーム型のスクロール式圧縮機である。

上記冷凍熱交換器（12）は、庫内に設置され、冷媒の蒸発により庫内の冷却を行うものであり、蒸発器を構成している。この冷凍熱交換器（12）は、例えば、フィン・アンド・チューブ型熱交換器によって構成されている。そして、上記冷凍熱交換器（12）は、出口側が低段側圧縮機（42）の吸入側に接続されている一方、入口側は主膨張弁（44）の出口側に接続されている。この主膨張弁（44）は、開度調整可能な電子膨張弁であり、本発明の第１膨張機構を構成している。

上記室外熱交換器（13）は、室外に設置されていて、冷媒が凝縮するものであり、凝縮器を構成している。この室外熱交換器（43）は、上記冷凍熱交換器（12）と同様、例えばフィン・アンド・チューブ熱交換器によって構成されている。上記室外熱交換器（13）は、入口側が高段側圧縮機（43）の吐出側に接続されている一方、出口側は中間膨張弁（45）の入口側に接続されている。この中間膨張弁（45）は、開度調整可能な電子膨張弁であり、本発明における第２膨張機構を構成している。

次に、上記冷凍装置（40）の運転動作について説明する。

上記冷凍装置（40）を起動すると、冷媒回路（41）では、各圧縮機（42,43）の運転が開始され、各膨張弁（44,45）の開度が適宜設定され、冷媒が図７の矢印の方向に循環する。

具体的には、高段側圧縮機（43）から吐出した高圧の冷媒は、室外熱交換器（13）を流れ、室外空気に対して放熱して凝縮する。凝縮した冷媒は、中間膨張弁（45）を流れて、中間圧まで減圧され、気液二相状態の冷媒となる。気液分離器（16）で気液二相状態の冷媒からガス冷媒及び液冷媒を分離する様子は、上記実施形態と同じなので、説明を省略する。

上記気液分離器（16）で分離された液冷媒は、主膨張弁（16'）を通過して、低圧まで減圧されて膨張する。そして、膨張した冷媒は、冷凍熱交換器（12）を流れる際に、庫内空気から吸熱して蒸発し、庫内空気を冷却する。その後、蒸発した冷媒は、低段側圧縮機（42）に吸入され、中間圧まで圧縮されて吐出される。

一方、上記気液分離器（16）で分離されたガス冷媒は、上記中間圧の吐出冷媒に供給され、高段側圧縮機（43）に吸入される。

このように２段圧縮２段膨張冷凍サイクルの冷媒回路（41）において、上記実施形態１の気液分離器（16）を設けることにより、該冷媒回路（41）内の冷媒を確実に分離して、液冷媒のみを冷凍熱交換器（12）へ流す一方、ガス冷媒のみを中間圧の吐出冷媒に供給することができるため、装置全体の効率向上を図ることができる。

なお、この変形例では、庫内の冷凍運転を行う冷凍装置（40）としたが、気液分離器を有して２段圧縮２段膨張冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた冷凍装置であればどのような構成のものであってもよい。例えば、室内の冷房運転又は暖房運転を行う冷凍装置であってもよく、さらに、冷暖房運転切換可能な冷凍装置や、単段圧縮単段膨張運転と２段圧縮２段膨張運転が切換可能な冷凍装置であってもよい。

上記気液分離器（16,16'）のその他の構成、作用及び効果は、上記実施形態及び各変形例と同じである。

《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

上記実施形態では、凝縮器としての室外熱交換器（13）と膨張器としての室内熱交換機（12）との間に膨張弁（14）を一つだけ設けているが、該室内熱交換器（12）と気液分離器（16）との間に膨張弁をもう一つ設けるようにしてもよい。この場合、室外熱交換器（13）で凝縮した冷媒は上記膨張弁（14）で減圧されて中間圧の気液二相状態になり、気液分離器（16）でガス冷媒と液冷媒に分離された後、上記もう一つの膨張弁を液冷媒が通過する際に低圧状態にまで減圧される。また、上記気液分離器（16）で分離されたガス冷媒は圧縮機（11）に対して中間圧で供給される。これにより、いわゆるガスインジェクション回路が構成され、空調能力の向上を図れる。

また、上記実施形態では、気液分離器（16）の本体部（21）を筒状部材（23）と棒状部材（24）とによって構成し、両者間に螺旋状流路（22）を形成するようにしているが、この限りではなく、例えばブロック状の本体部内に螺旋状流路を形成するなど、本体部の内部に螺旋状流路が形成されれば、どのような方法によって形成してもよい。

されに、上記実施形態では、気液分離器（16）の本体部（21）を構成する棒状部材（24）及び筒状部材（23）のうち該棒状部材（24）の外周面にネジ部（24a）を設けるようにしているが、この限りではなく、上記筒状部材（23）の内周面にネジ部を設けるようにしてもよいし、上記棒状部材（24）の外周面及び筒状部材（23）の内周面の両方にネジ部を設けるようにしてもよい。

以上説明したように、本発明は、例えば単段圧縮単段膨張冷凍サイクルの冷媒回路や二段圧縮二段膨張冷凍サイクルの冷媒回路を備えた冷凍装置に気液分離器を設ける場合などに特に有用である。

本発明の実施形態に係る単段圧縮単段膨張冷凍サイクルの冷媒回路の概略構成を示す冷媒回路図である。 気液分離器の本体部の筒状部材を断面にした縦断面図である。 （a）気液二相状態の冷媒の環状流の様子を示す説明図、（b）環状流の冷媒に遠心力を付与した場合の冷媒の流れを示す説明図である。 図２におけるIV-IV線断面図である。 変形例１に係る気液分離器の図２相当図である。 冷暖房運転切換可能に構成された空気調和機の図１相当図である。 二段圧縮二段膨張冷凍サイクルの冷媒回路を備えた冷凍装置の図１相当図である。 従来の気液分離器の縦断面図である。

符号の説明

1 空気調和装置（冷凍装置）
10,41 冷媒回路
11 圧縮機
12 室内熱交換器（蒸発器）
13 室外熱交換器（凝縮器）
14 膨張弁（膨張機構）
16,16' 気液分離器
21 本体部
22 螺旋状流路
23 筒状部材
24 棒状部材
24a ネジ部（溝部）
24b 中心穴
24c 連通孔
25 流入管
26 ガス流出管
27 液流出管
40 冷凍装置
42 低段側圧縮機
43 高段側圧縮機
44 主膨張弁（第２膨張機構）
45 中間膨張弁（第１膨張機構）

Claims (8)

1. 気液二相流体を液流体とガス流体とに分離するための気液分離器であって、
   内部に螺旋状の流路（22）が形成された本体部（21）と、
   上記螺旋状流路（22）の一端側に連通するように設けられた流入管（25）と、
   上記螺旋状流路（22）の他端側で且つ該螺旋状流路（22）の軸線方向から見て該螺旋状流路（22）の外周側部分に連通するように設けられ、上記螺旋状流路（22）内で分離された液流体を流出させる液流出管（27）と、
   上記螺旋状流路（22）の他端側で且つ上記軸線方向から見て該螺旋状流路（22）の内周側部分に連通するように設けられ、上記螺旋状流路（22）内で分離されたガス流体を流出させるガス流出管（26）と、
   を備えていることを特徴とする気液分離器。
2. 請求項１において、
   上記本体部（21）の他端側は、上記軸線方向から見て上記螺旋状流路（22）の他端側を外周側部分と内周側部分とに区画するような二重管構造になっていて、該二重管の外周側部分が上記液流出管（27）に、内周側部分が上記ガス流出管（26）にそれぞれ連通していることを特徴とする気液分離器。
3. 請求項１または２において、
   上記本体部（21）は、棒状部材（24）と、該棒状部材（24）の外周面を覆うように配設される筒状部材（23）とからなり、
   上記棒状部材（24）の外周面及び筒状部材（23）の内周面のうち少なくとも一方の面には、軸線方向に螺旋状に延びる溝部（24a）が設けられていて、該棒状部材（24）の外周面と筒状部材（23）の内周面とによって上記螺旋状流路（22）が形成されることを特徴とする気液分離器。
4. 請求項３において、
   上記棒状部材（24）には、上記本体部（21）の他端側に向かって開口する中心穴（24b）が形成されているとともに、該中心穴（24b）と上記螺旋状流路（22）とを連通させる連通孔（24c）が設けられていることを特徴とする気液分離器。
5. 請求項４において、
   上記連通孔（24c）は、上記螺旋状流路（22）の一端側から他端側に向かうにつれて上記中心穴（24b）に近づくように該中心穴（24b）に対して斜めに設けられていることを特徴とする気液分離器。
6. 請求項３〜５のいずれか一つにおいて、
   上記棒状部材（24）の外周面上に、上記溝部としてのネジ部（24a）が形成されていることを特徴とする気液分離器。
7. 請求項１〜６のいずれか一つに記載の気液分離器（16,16'）を有する冷媒回路（10）を備えた冷凍装置であって、
   上記冷媒回路（10）は、圧縮機（11）と凝縮器（13）と膨張機構（14）と蒸発器（12）とが順に接続されて単段圧縮単段膨張冷凍サイクルを行うように構成され、
   上記凝縮器（13）を流れた後に上記膨張機構（14）で減圧された気液二相冷媒が、上記気液分離器（16,16'）の本体部（21）に流入するように、上記気液分離器（16,16'）の流入管（25）が上記膨張機構（14）の下流側に接続され、
   上記気液分離器（16,16'）で分離された液冷媒が上記蒸発器（12）に供給されるように、上記気液分離器（16,16'）の液流出管（27）が上記蒸発器（12）の上流側に接続される一方、
   上記気液分離器（16,16'）で分離されたガス冷媒が上記圧縮機（11）の吸入側に供給されるように上記気液分離器（16,16'）のガス流出管（26）が該圧縮機（11）の吸入側に接続されていることを特徴とする冷凍装置。
8. 請求項１〜６のいずれか一つに記載の気液分離器（16,16'）を有する冷媒回路（41）を備えた冷凍装置であって、
   上記冷媒回路（41）は、低段側圧縮機（42）と高段側圧縮機（43）と凝縮器（13）と第１膨張機構（45）と第２膨張機構（44）と蒸発器（12）とが順に接続されて二段圧縮二段膨張冷凍サイクルを行うように構成され、
   上記凝縮器（13）を流れた後に上記第１膨張機構（45）で減圧された中間圧の気液二相冷媒が、上記気液分離器（16,16'）の本体部（21）に流入するように、上記気液分離器（16,16'）の流入管（25）が上記第１膨張機構（45）の下流側に接続され、
   上記気液分離器（16,16'）で分離された液冷媒が上記第２膨張機構（44）に供給されるように、上記気液分離器（16,16'）の液流出管（27）が上記第２膨張機構（44）の上流側に接続される一方、
   上記気液分離器（16,16'）で分離されたガス冷媒が高段側圧縮機（43）の吸入側に供給されるように上記気液分離器（16,16'）のガス流出管（26）が高段側圧縮機（43）の吸入側に接続されていることを特徴とする冷凍装置。

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