JP2008241064A

JP2008241064A - 空気調和機の気液分離器

Info

Publication number: JP2008241064A
Application number: JP2007078507A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kakuwa; 孝嘉久和; Masaru Yonezawa; 勝米澤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2008-10-09

Abstract

【課題】蒸発熱交換器中間に配置できる気液分離器の気液分離性能を運転状況によらず向上させることを目的とする。
【解決手段】蒸発熱交換器中間より導き出された入口配管２と、鉛直上側出口配管４と、鉛直下側出口配管３とを備えた気液分離器１を鉛直に立て、入口配管２からの気液二相冷媒を気液分離器１の側壁１２へ衝突、分散させることによって、液冷媒を鉛直下側出口配管３へ、ガス冷媒を鉛直上側出口配管４へ分離することができ、液冷媒は元の蒸発熱交換器１１へ戻し、ガス冷媒は熱交換器１１出口または圧縮機７吸入口へ戻すことによって、熱交換器１１での圧力損失を削減する気液分離器１において、金属金網５や発泡金属を気液分離器１内に配置することによって、気液分離性能を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は空気調和機の高性能化を目的とした蒸発用熱交換器途中に取り付けられる気液分離器に関するものである。

従来、この種の蒸発器に取り付けられたタイプの気液分離器としては、一般的に熱交換器入口に取り付けられている場合が多い（例えば、特許文献１参照）。

図３は、特許文献１に記載された従来の気液分離器を示すものである。図３に示すように、冷媒入口配管２から流入した気液混合冷媒は、気液分離器１の底面に衝突し側壁１２と外郭１３の間に液冷媒が溜まる。そして側壁１２を越えた液冷媒が隣のエリアに流入し、冷媒出口管３から吸引され熱交換器下流部へと流れる。このとき吸引される冷媒は液冷媒が中心となっている。そして、冷媒の気体成分は比重の軽さから気液分離器１内で上昇し上面に差し込まれたガス冷媒吸引配管４から吸引され、蒸発熱交換器出口管または圧縮機７吸入口に接続される。このような気液分離器１の場合、気液の分離性能は良好だが、液だまりの量が多く、冷媒量が増加してしまうという課題を同時に有している。

また熱交換器途中につけることで大きな性能向上を示す研究結果もあるが、具体的に熱交換器途中に取り付けられるが故に、気液分離器に工夫が示されているわけではない。

さらにこのような位置に取り付けられる他の気液分離器では、図４に示されるように冷媒入口２が気液分離器１中央部にあり、鉛直に立てられた気液分離器１で液は重力に従い下側へ、気体は上側へ分離される構成となっているが、気液分離性能を向上させようとすると、圧力損失が増大し効果が薄れてしまう。また圧力損失を減少させようとすると内径が大きくなることで容積が増大し、冷媒量が増加するという課題が、前述したような熱交換器入口にある場合よりも顕著であった。
特開２００２−８１８０３号公報

しかしながら、前記従来の気液分離器の構成では、圧力損失や冷媒量の増加を避けようとすると、圧縮機運転周波数が高い場合や液冷媒の量が多い場合には、気液を分離しきれず、ガス冷媒に液冷媒が混在してしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、蒸発熱交換器途中にも取り付け可能とした気液分離器の気液分離性能を向上させることを目的とする。

前期従来の課題を解決するために本発明は、蒸発熱交換器中間部より引き出した配管２を、鉛直方向に対して長く配置された配管１の側面に対して垂直に気液二相冷媒を衝突させ、比重の重い液冷媒を鉛直下方から、ガス冷媒を鉛直上方から吸引し、液冷媒は熱交換器下流側へ、ガス冷媒は蒸発熱交換器出口又は圧縮機７吸入口へと戻す構成において、入口配管２と鉛直上方からの出口管４の間に、格子状の金網や発泡金属５を配置する。

こうすることによって、従来のようにガス冷媒に液冷媒が混在してしまう場合においても液冷媒とガス冷媒を分離することができる。

本発明の空気調和機の気液分離器は、蒸発熱交換器途中に取り付けられて冷媒流速が早い場合や気液が混在してしまう場合においても、気液二相冷媒中からガス冷媒のみを分離することができる。

第１の発明は鉛直方向に立てられた配管１に対して垂直に、室外熱交換器１１からの循環冷媒を衝突させ、鉛直下側から液冷媒を再び室外熱交換器１１へと循環冷媒を戻す。鉛直上側からはガス冷媒を室外熱交換器１１出口又は圧縮機吸入口へと逆止弁又は全閉可能な膨張弁１０又は二方弁を介して循環冷媒を戻す。このとき、冷媒入口配管２と上側の出口配管４の間の経路を、格子状の金属金網５で塞ぐことにより、ガス冷媒中に混在する液冷媒はこの金属金網５に付着し除去されるため、気液二相冷媒の液冷媒成分とガス冷媒成分を分離することが可能となり、効果的に気液を分離し、熱交換器１１の冷媒圧損を減少させることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の、冷媒入口配管２と上側の出口配管４の間の経路を、スポンジ状の発泡金属５で塞ぐことにより、ガス冷媒中に混在する液冷媒はこの発泡金属５に付着し除去されるため、気液二相冷媒の液冷媒成分とガス冷媒成分を分離することが可能となり、効果的に気液を分離し、熱交換器１１の冷媒圧損を減少させることができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における気液分離器１の断面図を示すものである。この図において左から流入する気液二相の冷媒は入口配管２を通って気液分離器１に突入する。入口配管２は気液分離器１に対して垂直に取り付けられ、気液分離器１の垂直方向に対して中央部に位置する。本発明の実施の形態１では、気液分離器１は高さ３００ｍｍ、内径は１２ｍｍ、入口配管２は内径７．９ｍｍである。入口配管２は気液分離器１の中央部以外の位置にあっても良い。例えば鉛直下側１／３である場合でも問題はない。

以上のように構成された気液分離器１について、以下その動作、作用を説明する。

気液分離器１に突入した気液二相冷媒は側壁１２に衝突し、主として上下方向に分散する。下方向に分散した冷媒は気液分離器１の下側に滞留し、鉛直下側出口配管３から元の蒸発熱交換器１１の下流側へと戻っていく。衝突して上側へと分散した冷媒は重力の影響によって、比重の重い液冷媒は下方向へ落下し、気液分離器１の下側へ滞留する。ガス冷媒は比重が軽いためそのままとどまり、鉛直上側出口配管４から吸引され、元の蒸発熱交換器１１の出口管または圧縮機７吸入管へと戻る。このような原理によって気液二相冷媒からガス冷媒が分離される。

しかしながら、冷媒循環量が多い場合、例えば暖房低温（外気温度が２度以下等の場合）で運転した場合には圧縮機７運転周波数はその上限周波数まで（本発明では１２０Ｈｚ以上）上昇する。このときの冷媒循環量は、定格能力運転時に対して２倍以上の循環量がある。そのために水平方向に進入する冷媒が気液分離器１の側壁１２へ衝突した場合には気液が混合した状態で激しく上下へ分散する。このときの冷媒の流速は定格能力運転時に対して２倍程度あるため重力に打ち勝って気液が分離しないまま激しく上昇する成分が存在する。そのため気液混合冷媒は、容易に鉛直上側出口配管４へ到達し、気液分離ができないまま液冷媒成分を多く混合した状態のまま流出してしまうという課題を有していた。

このとき従来の冷凍サイクルでは、例えば鉛直上側出口配管４と室外熱交換器１１出口又は圧縮機７吸入口をつなぐ配管上に二方弁又は全閉可能な膨張弁１０を配置し、あらか
じめ定められた圧縮機周波数以上で運転した場合には、冷凍サイクルを閉塞し、気液分離は行わず鉛直下側出口配管３からすべての循環冷媒を流出させる方式を採用している例がある。しかしながらこのような方式では、最も圧力損失が大きな高循環量時には気液分離ができないという大きな課題を有していた。

またこのとき、鉛直上側出口配管４へとつながる経路を絞り込み、膨張弁１０によって抵抗をつけた場合には、循環量が少なく、気液分離が正常に行われる場合にも抵抗がついてしまい、ガス冷媒の分離量が低下してしまうという欠点を有していた。

つまりこの気液分離器１に求められる特性は、冷媒循環量の少ない場合にはガス冷媒の循環に対する抵抗が小さく、冷媒循環量が増加し、液成分が増加した場合には抵抗が大きくなる鉛直上側出口配管４の構成という事になる。そこで本発明の実施の形態１では、このような構成の気液分離器１を得ることを目的とした。

本発明の実施の形態１では室外ユニットで膨張弁１０によって気液二相冷媒となった後、蒸発器である室外熱交換器１１に流入した二相冷媒を熱交換器中間部分において分岐し、入口配管２を通って気液分離器１へと導く。上記記述の通り、気液分離器１中央部に接続された入口配管２によって二相冷媒は気液分離器１の側壁１２に衝突、分散し、鉛直上側から比重の軽いガス冷媒が、鉛直下側からは比重の重い液冷媒が流出する。ガス冷媒は図２に示されるように室外熱交換器１１の出口へと接続される。ガス冷媒は吸熱能力の低い（顕熱のみ）冷媒であるため、熱交換器を素通りしても熱交換能力は低下しない。逆に熱交換の後半部分を通過する冷媒量が体積ベースで大きく減少するため、圧力損失が減少し圧縮機７の消費電力が減少する。この場合、ガス冷媒が減少する領域は熱交換器の半分に過ぎないが、素通りするガス冷媒の量が、従来の気液分離器１よりも大きいため、同等またはそれ以上の効果を得ることができる。その結果、本発明の実施の形態では約０．１ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力損失の減少を得ることができた。また図２に示されるように、気液分離器１と熱交換器１１出口の間には逆止弁６が設けられ、逆冷凍サイクル（この図の場合冷房運転時）の場合には冷媒が逆流しないようになっている。また図には示していないが、逆止弁６の前後に流れを安定させるためにキャピラリーチューブをつける場合もある。あるいは逆止弁５と前記キャピラリーチューブを兼用して、全閉型の膨張弁１０を取り付けることによっても同様の効果を得ることができる。またガス冷媒の出口を熱交換器出口ではなく圧縮機７吸入口に接続しても同様の効果を得ることができる。

このとき鉛直上側出口配管４はガス冷媒のみを流出させるために配置されている。それ故、鉛直下側出口配管３よりも配管径を小さくすることで、液冷媒は全て鉛直下側出口配管３へと流れるように設定されている。本発明の実施の形態１では鉛直下側出口配管３の配管径ΦＣ_１を７．９ｍｍとし鉛直上側出口配管４の配管径ΦＣ_２を６．４ｍｍとした。

ここで衝突し下側へと分散した冷媒には液冷媒だけではなく、ガス成分も混入しているが、この気液分離器１の目的は、完全に気液を分離することではなく、液体を混ぜることなくガス成分を取り除くことにあるので問題にはならないが、冷媒循環量が多い場合、例えば暖房低温（外気温度が２度以下等の場合）で運転した場合には圧縮機７運転周波数はその上限周波数まで（本発明では１２０Ｈｚ以上）上昇するため、ガス冷媒に液冷媒が混在してしまう場合がある。

本発明では、このような課題に対して、ガス冷媒の経路である入口配管２と鉛直上側出口配管４の間を格子状の金属金網５で塞ぐことによって、ガス冷媒に液冷媒が混じった場合には、この金網５に液冷媒が付着し格子状の網目が塞がる。そのため金網を通過するガス冷媒に抵抗が自然に増加し、通過する冷媒量を減少させることで、液冷媒が熱交換することなく熱交換器１１出口または圧縮機７吸入口へ素通りすることが抑制される。

このような現象は、ガス冷媒に液冷媒がほとんど混じっていない場合には発生せず、従来どおりの気液分離が可能である。また液冷媒の混合量が多い場合には、より金網に付着する冷媒量が多くなり通過する冷媒量をさらに減少させることが可能である。

格子状の金属金網を配置する最大の利点は、冷媒の循環量に応じて自然に開閉する弁の役割を果たすことにあり、電磁弁等が無くても冷媒流量を調整することができる。

また格子状の金属金網の代わりに発泡金属を用いても同様の効果を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる空気調和機の気液分離器は、蒸発熱交換器途中に取り付けられて冷媒流速が早い場合や気液が混在してしまう場合においても、気液二相冷媒中からガス冷媒のみを分離することができるので、ヒーポン給湯器やヒーポン乾燥機等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における気液分離器の断面図本発明の実施の形態１における冷凍サイクル図従来の実施の形態における気液分離器の断面図従来の他の実施の形態における気液分離器の断面図

符号の説明

１気液分離器
２入口配管
３鉛直下側出口配管
４鉛直上側出口配管
５金属金網又は発泡金属
６逆止弁
７圧縮機
８四方弁
９室内熱交換器
１０膨張弁
１１室外熱交換器
１２側壁
１３外郭

Claims

室外熱交換器を蒸発器として使用する冷凍サイクルにおいて、室外熱交換器を構成する冷媒配管の途中に組み込まれ、鉛直方向に立てられた配管に垂直方向から熱交換器から循環冷媒を衝突させ、鉛直下側から再び室外熱交換器へと循環冷媒を戻し、鉛直上側からは室外熱交換器出口又は圧縮機吸入口へと逆止弁又は全閉可能な膨張弁又は二方弁を介して循環冷媒を戻す構成とした気液分離器において、前記循環冷媒を衝突させる入口配管と鉛直上側の出口配管の間に格子状の金属金網を配置した気液分離器。
室外熱交換器を蒸発器として使用する冷凍サイクルにおいて、室外熱交換器を構成する冷媒配管の途中に組み込まれ、鉛直方向に立てられた配管に垂直方向から熱交換器から循環冷媒を衝突させ、鉛直下側から再び室外熱交換器へと循環冷媒を戻し、鉛直上側からは室外熱交換器出口又は圧縮機吸入口へと逆止弁又は全閉可能な膨張弁又は二方弁を介して循環冷媒を戻す構成とした気液分離器において、前記循環冷媒を衝突させる入口配管と鉛直上側の出口配管の間にスポンジ状の発泡金属を配置した気液分離器。