JP2009174738A - Gas-liquid separator - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は気液二相状態の流体を気相流体と液相流体とに分離する気液分離器に関するものである。 The present invention relates to a gas-liquid separator that separates a gas-liquid two-phase fluid into a gas-phase fluid and a liquid-phase fluid.
従来、気液分離器として、特許文献１記載のものが知られている。特許文献１記載の気液分離器は、円筒形状の分離空間を有している。分離空間には、気液二相状態の冷媒が流入する流入管路の流入口が配置されている。また、分離空間の最下部には、液流出口が上向きに開口して配置されている。そして分離空間の上部には、ガス流出口が下向きに開口して配置されている。
Conventionally, the thing of
また、気液分離型熱交換器として、特許文献２記載のものが知られている。特許文献２記載の気液分離型熱交換器は、離設した入口ヘッダーと出口ヘッダーとを有する。入り口ヘッダーと出口ヘッダーとの間を複数本の伝熱細管で連結している。また、両ヘッダーの開口部を気液分離筒で連結している。気液分離筒の出口ヘッダー側付近には、気液二相状態の冷媒を供給する供給管が接続されている。また、出口ヘッダーには、ガス冷媒を吐出する出口が設けられている。
特許文献１記載のものでは、分離された液相流体は、飽和状態である。飽和状態の液相流体は、わずかな圧力損失で気泡が発生する状態である。よって、液相流体を要求する装置、例えば蒸発器が下流側に配置されている場合、気液分離器から吐出された液相流体は、下流側の装置の入口に至るまでに気液二相状態となる。蒸発器に流入する流体が気液二相状態であると、冷媒分布の悪化、蒸発効率の低下、吹き出し空気温度のムラなどが生じるといった問題点がある。
In the thing of
また、特許文献２記載のものでは、気液分離器と熱交換器とが一体的な構造を備えており、液相流体は、気液分離筒から入口ヘッダーへ供給される。しかし、供給される液相流体は、飽和状態である。よって、依然として、液冷媒が気液二相状態になりやすいという問題点がある。
Moreover, in the thing of
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、過冷却状態の流体を供給できる気液分離器を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a gas-liquid separator that can supply a supercooled fluid.
この発明に係る気液分離器は、気液二相状態の流体を旋回させ、液相流体と気相流体とに分離させる旋回面を有する円筒形状の容器を備えており、さらに、その旋回面には、突起部が形成されていることを特徴とする。 A gas-liquid separator according to the present invention includes a cylindrical container having a swirling surface that swirls a fluid in a gas-liquid two-phase state and separates the fluid into a liquid-phase fluid and a gas-phase fluid, and further includes the swirling surface. Is characterized in that a protrusion is formed.
突起部によって、旋回面を旋回する液相流体の流れは乱される。流れが乱されて、突起部の後流側へと巻き込まれた液相流体は局所的に減圧状態となる。減圧状態となった液相流体は、沸騰する。沸騰して生じた気泡は、旋回面に沿って旋回する液相流体の液膜外へ放出される。つまり、沸騰して液膜外へ放出された気泡の潜熱分、旋回する液相流体は過冷却をとることができる。過冷却状態の液相流体は、わずかな圧力損失では気泡が発生し難い。よって、液相流体を要求する装置、例えば蒸発器が下流側に配置されている場合、気液分離器から吐出された過冷却状態の液相流体は、蒸発器の入口に至るまで液相状態を保つことが可能になる。 The flow of the liquid phase fluid swirling on the swirling surface is disturbed by the protrusion. The liquid is disturbed and the liquid phase fluid entrained on the downstream side of the protrusion is locally decompressed. The liquid phase fluid that is in a depressurized state boils. Bubbles generated by boiling are discharged out of the liquid film of the liquid phase fluid swirling along the swirling surface. That is, the rotating liquid phase fluid can be supercooled by the latent heat of the bubbles boiled and released out of the liquid film. The supercooled liquid phase fluid is unlikely to generate bubbles with a slight pressure loss. Therefore, when an apparatus that requires a liquid phase fluid, such as an evaporator, is disposed downstream, the supercooled liquid phase fluid discharged from the gas-liquid separator is in a liquid phase state until reaching the inlet of the evaporator. Can be kept.
さらに、突起部は、鋭利な形状を備える先端部を有していることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the protrusion has a tip having a sharp shape.
ここで、鋭利な形状とは、小さな半径の曲面を先端に備える形状である。これにより、先端部に向かって流れる液相流体は、先端部の後流側へ小さな半径の曲面に沿って巻き込まれるため、さらに減圧された状態となる。さらに減圧された状態となった液相流体は、より多くの気泡を発生させて沸騰する。よって、より多くの潜熱を液相流体は得ることが可能になる。 Here, the sharp shape is a shape having a curved surface with a small radius at the tip. Thereby, since the liquid phase fluid which flows toward a front-end | tip part is wound in along the curved surface of a small radius to the back flow side of a front-end | tip part, it will be in the state further pressure-reduced. Furthermore, the liquid phase fluid that has been decompressed generates more bubbles and boils. Therefore, the liquid phase fluid can obtain more latent heat.
さらに、先端部は、旋回面の内側に形成される液膜の中に常に浸漬する形状を有していることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the tip portion has a shape that is always immersed in a liquid film formed on the inner side of the turning surface.
ここで、先端部が液膜の中に常に浸漬するとは、気液分離器の運転範囲において、先端部は液膜の中に常に浸漬しており、決して液膜の表面を越えて突出しないということである。これにより、先端部は、常に気泡を発生させることができる。 Here, the tip is always immersed in the liquid film. In the operating range of the gas-liquid separator, the tip is always immersed in the liquid film and never protrudes beyond the surface of the liquid film. That is. Thereby, the tip can always generate bubbles.
さらに、突起部は、液膜の表面近傍まで延び出す形状を備えていることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the protrusion has a shape extending to the vicinity of the surface of the liquid film.
これにより、先端部で発生する気泡は再凝縮されず、液膜外へ直ちに放出され易くなる。より多くの気泡が液膜外へ放出されると、その潜熱分、旋回する液相流体は過冷却をとることができる。 As a result, the bubbles generated at the tip are not recondensed, but are readily released out of the liquid film. When more bubbles are discharged out of the liquid film, the rotating liquid phase fluid can be supercooled by the latent heat.
さらに、突起部は、弾性素材で形成され、旋回面に沿って旋回する液相流体の上流側に向かって延び出す形状を備えていることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the protrusion is formed of an elastic material and has a shape that extends toward the upstream side of the liquid phase fluid swirling along the swirling surface.
ここで、弾性材料とは、撓み変形し易い材料である。液相流体が旋回することによって、突起部には荷重が掛かっている。荷重の大きさは、旋回する液相流体の流速に応じて変化する。また、荷重は、旋回する液相流体の下流方向に掛かる。一方、突起部は、上流側に延び出す形状を備えている。よって、突起部は、受ける荷重が変化することで、液膜の表面近傍まで延び出す形状を変化させることが可能になる。液相流体の流速が遅い場合、突起部は撓み変形し難い。よって、突起部は、旋回面に近い方向に延び出すことが可能になる。一方、液相流体の流速が速い場合、突起部は撓み変形し易い。よって、突起部は、旋回面から遠い方向に延び出すことが可能になる。また、液膜の厚さは、旋回する液相流体の流速が遅い場合、薄くなる。つまり、容器の内面から液膜の表面までの距離は、近くなる。一方、旋回する液相流体の流速が速い場合、厚くなる。つまり、容器の内面から液膜の表面までの距離は、遠くなる。従って、突起部は、変化する液膜の表面近傍まで常に延び出すことが可能になる。よって、先端部でより多く発生した気泡が再凝縮することを常に防止することが可能になる。 Here, the elastic material is a material that is easily bent and deformed. As the liquid phase fluid swirls, a load is applied to the protrusion. The magnitude of the load changes according to the flow velocity of the swirling liquid phase fluid. The load is applied in the downstream direction of the swirling liquid phase fluid. On the other hand, the protrusion has a shape that extends upstream. Therefore, the protrusion can change the shape extending to the vicinity of the surface of the liquid film by changing the load received. When the flow rate of the liquid phase fluid is low, the protrusion is difficult to bend and deform. Therefore, the protrusion can extend in a direction close to the turning surface. On the other hand, when the flow rate of the liquid phase fluid is high, the protrusion is easily bent and deformed. Therefore, the protrusion can be extended in a direction far from the turning surface. Further, the thickness of the liquid film becomes thin when the flow velocity of the rotating liquid phase fluid is slow. That is, the distance from the inner surface of the container to the surface of the liquid film is reduced. On the other hand, when the flow velocity of the swirling liquid phase fluid is fast, it becomes thick. That is, the distance from the inner surface of the container to the surface of the liquid film is increased. Accordingly, the protrusion can always extend to the vicinity of the surface of the changing liquid film. Therefore, it is possible to always prevent the bubbles generated more at the tip portion from recondensing.
さらに、容器は、突起部が形成された薄板を有していることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the container has a thin plate on which a protrusion is formed.
これにより、突起部の製造が容易になる。 Thereby, manufacture of a projection part becomes easy.
さらに、突起部は、薄板の材料のみを用いて形成されていることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the protrusion is formed using only a thin plate material.
これにより、製造コストを減らすことができる。 Thereby, manufacturing cost can be reduced.
また、突起部は、容器の材料のみを用いて形成されていてもよい。 Further, the protrusion may be formed using only the material of the container.
これにより、製造コストを減らすことができる。 Thereby, manufacturing cost can be reduced.
また、この発明に係る気液分離器を用いて、容器から流出された気相流体を圧縮する圧縮機と、圧縮機から供給される流体を放熱させる放熱器と、放熱器から供給される流体を気液二相状態にして容器に供給する膨張装置と、容器から流出された液相流体を蒸発させる蒸発器とを備えている冷凍サイクルを構成してもよい。 Moreover, using the gas-liquid separator which concerns on this invention, the compressor which compresses the gaseous-phase fluid which flowed out from the container, The heat radiator which radiates the fluid supplied from a compressor, The fluid supplied from a heat radiator You may comprise the refrigerating cycle provided with the expansion device which supplies a container to gas-liquid two-phase state, and the evaporator which evaporates the liquid phase fluid which flowed out from the container.
これにより、気液分離器から流出された過冷却状態の液相流体は、蒸発器の入口に至るまで液相状態を保つことが可能になる。よって、蒸発効率の向上が図れる。 Thereby, the supercooled liquid phase fluid that has flowed out of the gas-liquid separator can be kept in the liquid phase state until reaching the inlet of the evaporator. Therefore, the evaporation efficiency can be improved.
（第１実施形態）
まず、第１実施形態の構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態における冷凍サイクル１の構成図である。
(First embodiment)
First, the configuration of the first embodiment will be described. FIG. 1 is a configuration diagram of a
冷凍サイクル１は、気液分離器１００と、蒸発器１０１と、圧縮機１０２と、放熱器１０３と、膨張装置１０４とを備えている。蒸発器１０１の入口は、気液分離器１００の液相流体の出口に連結されている。圧縮機１０２の吸入口は、蒸発器１０１の出口に連結されている。放熱器１０３の入口は、圧縮機１０２の吐出口に連結されている。膨張装置１０４の入口は、放熱器１０３の出口に連結されている。そして、気液分離器１０１の入口は、膨張器１０４の出口に連結されている。また、気液分離器１００の気相流体の出口は、蒸発器１０１をバイパスして、蒸発器１０１と圧縮機１０２とを連結する連結管に連結されている。
The
次に気液分離器１００の構成について説明する。図２は、気液分離器１００の内部構造を示す縦断面図である。気液分離器１００は、容器１０と、気液吸入管２０と、液相流出管３０と、気相流出管４０とを備えている。本実施形態の気液分離器１００は、縦置き型である。
Next, the configuration of the gas-
容器１０は、上蓋部１１、筒部１２、下蓋部１３、および薄板５０を有している。筒部１２は、円筒形状である。筒部１２の軸Ｌ１は、重力方向に延びている。つまり、重力は、図２中の下方向に掛かっている。筒部１２の上には、筒部１２の上端を覆うように上蓋部１１が設けられている。一方、筒部１２の下には、筒部１２の下端を覆うように下蓋部１３が設けられている。上蓋部１１および下蓋部１３はともに環形状である。上蓋部１１には、気相流出管４０が挿入される貫通穴１１ａが形成されている。貫通穴１１ａは、上蓋部１１の中央に、筒部１２の軸Ｌ１と一致して形成されている。一方、下蓋部１３には、液相流出管３０が挿入される貫通穴１３ａが形成されている。貫通穴１３ａは、下蓋部１３の中央に、筒部１２の軸Ｌ１と一致して形成されている。そして、筒部１２には、気液流入管２０が挿入される貫通穴１２ａが形成されている。貫通穴１２ａは、周方向に長軸をもつ楕円形状である。また、貫通穴１２ａは、筒部１２において、可能な限り上側に形成されている。ここでいう可能な限り上側の配置とは、例えば、気液流入管２０と容器１０との組付加工上の制約から不可避な距離を貫通穴１２ａより上側に置いた配置をいう。不可避な距離は、例えば、気液流入管２０と容器１０とを固定するロウ付け加工を可能にする空間に起因して発生する。また、筒部１２は、筒部１２の縦方向の長さの半分程度の直径を備えている。また、本実施形態では、上蓋部１１、筒部１２、および下蓋部１３の厚さは、２ｍｍ（ミリメートル）〜３ｍｍ（ミリメートル）程度で形成されている。
The
薄板５０は、複数の突起部５１と円筒形状の基部５２とを有している。基部５２の外径は、筒部１２の内径と同じである。基部５２は、筒部１２の軸Ｌ１と同じ軸を備えている。さらに、基部５２は、筒部１２の縦方向の長さの半分程度の長さを縦方向に備え、筒部１２の内面の上側半分に重なって設けられている。よって、貫通穴１２ａよりも必ず高い位置まで、基部５２が延びて設けられている。また、基部５２には、貫通穴５２ａが形成されている。貫通穴５２ａは、貫通穴１２ａと同一の楕円形状であり、さらに、貫通穴１２ａに連通している。本実施形態の基部５２には、０．２ｍｍ（ミリメートル）程度の薄さのアルミ板が用られている。
The
次に突起部５１について、図３および図４を用いて説明する。図３は、薄板５０の部分拡大平面図である。図４は、図３中のＩＶ矢視図である。図２中の円筒形
状の薄板５０は、図３および図４中の平板形状の薄板５０を筒状に丸めたものである。
Next, the
薄板５０は、基部５２の一端面に、複数の突起部５１を備えている。複数の突起部５１は、気液分離器１００の運転範囲において、圧力損失よりも大きな過冷却度を液相流体に提供する形状を備えている。運転範囲とは、気液分離器１００が通常使用される範囲である。圧力損失とは、気液分離器１００から流出された液相流体が持つ圧力と、蒸発器１０１に流入する液相流体が持つ圧力との圧力差のことである。過冷却度とは、液相流体に気泡が生じるまでの圧力の低下量をいう。具体的には、以下のような形状を備えている。突起部５１は、基部５２から、０．２５πｒａｄ（ラジアン）（４５度）〜０．５πｒａｄ（ラジアン）（９０度）程度の仰角で三角形状に切り起こされた形状を備えている。つまり、基部５２には、突起部５１と同じ体積分の貫通穴５３が対になって形成されている。貫通穴５３の三角形状は、長さの等しい２つの長辺と、その長辺の半分程度の長さを備えた短辺との三辺で形成された二等辺三角形である。よって、突起部５１も同じ二等辺三角形の形状を備えている。突起部５１は、長辺に沿って素材の板に切り込みを入れ、２つ短辺を関節として切り起こされた形状を備えている。
The
突起部５１には、先端部５１ａを備えている。先端部５１ａは、２つの長辺に囲まれた頂点であり、突起部５１の突出する方向の最先端の部分である。先端部５１ａは、鋭利な形状を備えている。鋭利な形状とは、小さな半径の曲面を先端に備えている形状である。先端部５１ａが備える曲面の半径をＲ１とすると、先端部５１ａはＲ１≦０．１ｍｍ（ミリメートル）を満たす曲面を備えて形成されている。図９に示すように、先端部５１ａから基部５２の一端面までの高さをＨとする。気液分離器１００の運転範囲における最少流量時の最小液膜厚さをｔ１ｍｉｎとする。先端部５１ａは、気液分離器１００の運転範囲において、最少流量時の最小液膜厚さｔ１ｍｉｎよりも低い高さＨで設けられている。
The
複数の突起部５１は、複数の行および複数の列を成して、等間隔に設けられている。突起部５１の図中横方向の並びを列とする。突起部５１の図中縦方向の並びを行とする。列上の間隔は、貫通穴５３の長辺らに囲まれた頂点から突起部５１の短辺までの距離Ｄ１である。行上の間隔は、突起部５１の短辺の長さの半分程度の距離Ｄ２である。複数の突起部５１は、これらの複数の行および複数の列を成して、基部５２の一端面の全面にムラなく設けられている。薄板５０は、基部５２のこれら複数の突起部５１が設けられた一端面を内面として、突起部５１が成す列方向を周方向として、突起部５１が成す行方向を軸方向として、筒状に丸められた形状を備えている。
The plurality of
気液流入管２０は、流入部２２を備えている。流入部２２は、筒部１２に形成された貫通穴１２ａおよび基部５２に形成された貫通穴５２ａに挿入されて、水平に配設されている。また、流入部２２は、基部５２の内部に突出していない。つまり、流入部２２は、基部５２の内周面に沿って一体的に開口する気液流入口２１を備えている。さらに、流入部２２は、気液流入口２１に近づくにつれて、流入部２２内の気液二相状態の流体が、流入部２２の軸と同じ方向に流れるような長さを備えている。また、流入部２２は、気液流入口２１から容器１０内に流入する気液二相状態の流体が、基部５２の内周接線方向に流れるように配設されている。流入部２２は、筒部１２の内径の６分の１程度の内径を備えている。
The gas-
液相流出管３０は、下蓋部１３に形成された貫通穴１３ａに挿入されている。液相流出管３０は、液相流出口３１を備えている。さらに、液相流出口３１は、筒部１２の軸Ｌ１と同じ軸を備えている配設されている。また、液相流出管３０は、下蓋部１３の下側から上側に向かって突出しない程度に延びて配設されている。さらに、液相流出管３０は、筒部１２の内径の４分の１程度の内径を備えている。
The liquid
気相流出管４０は、上蓋部１１に形成された貫通穴１１ａに挿入されて配設されている。気相流出管４０は、上蓋部１１から下側に突出した流出部４２を備えている。流出部４２は、筒部１２の軸Ｌ１と同じ軸を備えて配設されている。また、筒部１２の長さと比べて３分の１程度の長さを備えて配設されている。さらに、流出部４２は、筒部１２の内径の４分の１程度の内径を備えて形成されている。また、流出部４２は、気相流出口４１を有している。さらに、気相流出口４１は、筒部１２の軸Ｌ１と同じ軸を備えて配設されている。
The gas
次に、第１実施形態の作動について説明する。まず、第１実施形態の冷凍サイクル１の作動について説明をする。
Next, the operation of the first embodiment will be described. First, the operation of the
気液分離器１００で分離された液相流体は、蒸発器１０１、圧縮機１０２、放熱器１０３、膨張器１０４、そして気液分離器１００の順に循環する。一方、気液分離器１００で分離された気相流体は、蒸発器１０１をバイパスして、圧縮機１０２の上流側に合流され、蒸発器１０１から流出した流体とともに循環する。蒸発器１０１は、循環する流体を室内の空気と熱交換させて蒸発させる。蒸発させることで、室内の空気を冷やす。圧縮機１０２は、循環する流体を吸入圧縮して高温高圧の流体を吐出する。放熱器１０３は、循環する流体の熱を室外の空気と熱交換させて放熱させる。放熱させることで、循環する流体を凝縮させる。膨張装置１０４は、循環する流体を膨張させて低圧低温の流体を吐出する。
The liquid phase fluid separated by the gas-
次に、第１実施形態の気液分離器１００の作動について説明する。図５は、薄板５０の横断面図である。また、図６は、薄板５０の部分拡大横断面図である。
Next, the operation of the gas-
まず、流入部２２は、気液流入口２１に近づくにつれて、流入部２２内の気液二相状態の流体を、流入部２２の軸と同じ方向に流す。そして、流入部２２は、気液流入口２１から容器１０内に、基部５２の内周接線方向に、気液二相状態の流体を流入させる。このときの流入する流体の流量は、冷凍サイクル１の用途などに応じた所定範囲にわたって負荷に応じて変動する。例えば、自動車用空調装置の場合には、毎時４０ｋｇ（キログラム）〜毎時２５０ｋｇ（キログラム）程度の流量で流入する。また、気液二相状態の流体の液相流体と気相流体とは、体積比で１：９（１対９）程度の比で流入する。流入した気液二相状態の流体は、基部５２の内面に沿って旋回する。旋回する気液二相状態の流体は、遠心力および重力により、密度が高い液相流体と、密度の低い気相流体とに直ちに分離される。密度が高い液相流体は、基部５２の内面に沿って旋回する。さらに、液相流体は基部５２の内面に液膜を形成する。一方、密度の低い気相流体は、旋回運動を続けながら旋回中心である筒部１２の軸Ｌ１に集まる。
First, the
さらに、液膜内の突起部５１によって、基部５２の内面を旋回する液相流体の流れは乱される。流れが乱されて、突起部５１の後流側へと巻き込まれた液相流体は局所的に減圧状態となる。減圧状態となった液相流体は、沸騰する。沸騰して生じた気泡は、基部５２の内面に沿って旋回する液相流体の液膜外へ放出される。つまり、沸騰して液膜外へ放出された気泡の潜熱分、旋回する液相流体は過冷却状態になる。過冷却状態とは、わずかな圧力損失では気泡が発生し難い状態である。過冷却された液相流体は、旋回運動を続けながら、自重により、容器１０内の下方に溜まる。容器１０内の下方に溜まっている液相流体も旋回している。容器１０内の下方に溜まった液相流体は、液相流出口３１から液相流出管３０に流出する。気液分離器１００から流出した過冷却状態の液相流体は、蒸発器１０１の入口に至るまで液相状態を保つ。よって、蒸発器１０１には、液相流体のみが流入する。
Furthermore, the flow of the liquid phase fluid swirling on the inner surface of the
一方、液膜外に放出された気泡は、旋回作用によって分離された気相流体と混ざる。旋回中心である筒部１２の軸Ｌ１に集まった気相流体は、気相流出口４１から気相流出管４０に流出する。そして、気相流体は、蒸発器１０１をバイパスして、圧縮機１０２の上流側に合流する。
On the other hand, the bubbles released out of the liquid film are mixed with the gas phase fluid separated by the swirling action. The gas phase fluid collected on the axis L1 of the
本実施形態の気液分離器１００から流出する液相流体は、飽和状態でなく、過冷却状態である。このため、気液分離器１００から流出された過冷却状態の液相流体は、蒸発器１０１の入口に至るまで液相状態を保つことが可能になる。よって、蒸発器１０１の蒸発効率の向上が図れる。また、薄板５０に突起部５１を形成することで、突起部５１の製造が容易になる。また、突起部５１は、薄板５０の材料のみを用いて形成されている。よって、製造コストを減らすことができる。
The liquid phase fluid flowing out from the gas-
次に、複数の突起部５１が備える形状による効果について、図７〜図１２を用いて説明する。図７は、気液分離器１００で発生させることができる過冷却度と冷凍サイクル１が要求する過冷却度との関係を示すグラフである。横軸は気液分離器１００に流入する流体の流量を、縦軸は過冷却度を示している。冷凍サイクル１が要求する過冷却度を実線で、気液分離器１００で発生させることができる過冷却度を破線で示している。運転範囲とは、気液分離器１００が通常使用される範囲である。要求性能は、気液分離器１００に流入する流体の流量が増えるほど二次関数的に大きくなる。一方、実施形態の性能も、流量が増えるほど二次関数的に大きくなる。本実施形態の気液分離器１００は、ある流量より小さい範囲で運転されるため、要求性能よりも大きな過冷却度を発生させることができる。よって、複数の突起部５１は、圧力損失を考慮した要求性能よりも大きな過冷却度を液相流体に提供する形状を備えているため、確実に、蒸発器１０１の入口に液相状態の流体を流入させることができる。
Next, the effect by the shape with which the some
図８は、気液分離器１００の内径ｄによって変化する液膜厚さｔおよび遠心力を示すグラフである。横軸は遠心分離器の内径ｄを、右縦軸は遠心力を、左縦軸は液膜厚さｔを示している。気液分離器の内径ｄとは、気液二相状態の流体を旋回させる旋回面の直径のことである。遠心力とは、旋回する液相流体が受ける遠心力である。ここで示す液膜厚さｔとは、旋回面に形成される液膜の波打ちやばらつきなどが平均化された厚さである。気液分離器に流入する流体の多流量時、中流量時、および少流量時の液膜厚さｔの値を実線で、多流量時、中流量時、および少流量時の遠心力の値を破線で示している。遠心力は、気液分離器の内径ｄが大きくなるほど、反比例的に小さくなる。一方、遠心力が小さくなった液膜の厚さは、厚くなる。また、遠心力は、流量が多くなるほど大きくなる。一方、液膜の厚さは、流量が多くなるほど厚くなる。本実施形態の基部５２は、内径ｄ１を備えているので、基部５２の内面を旋回する液相流体が受ける遠心力が定まり、本実施形態における液膜厚さの範囲がｔ１からｔ２と決まる。液膜厚さｔ１は、本実施形態の最少流量時における平均化された液膜厚さである。液膜厚さｔ２は、本実施形態の最大流量時における平均化された液膜厚さである。
FIG. 8 is a graph showing the liquid film thickness t and the centrifugal force that change depending on the inner diameter d of the gas-
図９は、突起部５１および気液分離器１００の運転範囲における最少流量時の液膜を示す模式図である。また、図１０は、液膜の波打ちやばらつきなどを示すグラフである。横軸は気液分離器１００に流入する流体の流量を、縦軸は液膜厚さｔを示している。波打ちやばらつきなどが平均化された液膜厚さの挙動を実線で、波打ちやばらつきなどが考慮された最大液膜厚さの挙動、および最小液膜厚さの挙動を破線で示している。先端部５１ａから基部５２の一端面までの高さはＨである。また、気液分離器１００の運転範囲における最少流量時の最小液膜厚さはｔ１ｍｉｎである。複数の先端部５１ａは、気液分離器１００の運転範囲において、最少流量時の最小液膜厚さｔ１ｍｉｎよりも低い高さＨで設けられているため、確実かつ常に、先端部５１ａで気泡を発生させることができる。
FIG. 9 is a schematic diagram showing a liquid film at the minimum flow rate in the operating range of the
図１１は、先端部で発生させることができる過冷却度を示すグラフである。横軸は気液分離器に流入する流体の流量を、縦軸は過冷却度を示している。先端部が備える曲面の半径をＲとする。曲面の半径Ｒが大きな先端部の過冷却度を実線で、曲面の半径Ｒが小さな先端部の過冷却度を破線で示している。過冷却度は、気液分離器に流入する流体の流量が増すにつれて、二次関数的に大きくなる。また、先端部が備える曲面の半径Ｒが小さいと、過冷却度も大きい。 FIG. 11 is a graph showing the degree of supercooling that can be generated at the tip. The horizontal axis indicates the flow rate of the fluid flowing into the gas-liquid separator, and the vertical axis indicates the degree of supercooling. Let R be the radius of the curved surface provided at the tip. The degree of supercooling at the tip portion where the radius R of the curved surface is large is indicated by a solid line, and the degree of supercooling at the tip portion where the radius R of the curved surface is small is indicated by a broken line. The degree of supercooling increases as a quadratic function as the flow rate of the fluid flowing into the gas-liquid separator increases. Further, when the radius R of the curved surface provided at the tip is small, the degree of supercooling is also large.
図１２は、先端部が備える曲面の半径Ｒの閾値を示すグラフである。横軸は先端部が備える曲面の半径Ｒを、縦軸は過冷却度を示している。多流量時における過冷却度を実線で、少流量時における過冷却度を破線で示している。図１１と同じく、先端部が備える曲面の半径Ｒが小さくなるに連れて、過冷却度は大きくなる。また、気液分離器に流入する流体が少流量時と比べて多流量時の方が過冷却度は高い。さらに、先端部が備える曲面の半径Ｒは、ある大きさ以上の値をとると過冷却度が急激に小さくなるといった閾値が存在する。少流量時における閾値Ｒｃは、０．１ｍｍ（ミリメートル）である。多流量時における閾値Ｒｄは、少流量時における閾値Ｒｃよりも大きい。ここで、閾値の値は、先端部の加工工程上の制約から不可避な公差を考慮して、公差範囲において、確実に高い過冷却度が期待できる値を閾値としている。具体的には、曲面の半径Ｒが大きくなるにつれて過冷却度が急激に小さくなる手前の過冷却度の変化量がまだ小さい領域の曲面の半径Ｒを閾値としている。よって、複数の先端部５１ａは、０．１ｍｍ（ミリメートル）以下の半径の曲面を備えて形成されているため、いかなる流量時おいても確実に、高い過冷却度を得ることができる。
FIG. 12 is a graph showing the threshold value of the radius R of the curved surface provided in the tip portion. The horizontal axis indicates the radius R of the curved surface provided at the tip, and the vertical axis indicates the degree of supercooling. The degree of supercooling at a high flow rate is indicated by a solid line, and the degree of supercooling at a low flow rate is indicated by a broken line. As in FIG. 11, the degree of supercooling increases as the radius R of the curved surface provided at the tip decreases. Further, the degree of supercooling is higher when the fluid flowing into the gas-liquid separator is at a high flow rate than at a low flow rate. Furthermore, there exists a threshold value that the degree of supercooling rapidly decreases when the radius R of the curved surface provided at the tip portion takes a value greater than a certain value. The threshold value Rc at the time of a small flow rate is 0.1 mm (millimeter). The threshold value Rd at the time of a high flow rate is larger than the threshold value Rc at the time of a low flow rate. Here, the threshold value is set to a value at which a high degree of supercooling can be reliably expected in the tolerance range in consideration of an inevitable tolerance due to restrictions on the machining process of the tip portion. Specifically, the radius R of the curved surface in the region where the amount of change in the degree of supercooling before the degree of supercooling rapidly decreases as the radius R of the curved surface increases is used as a threshold value. Therefore, since the plurality of
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。図１３は、容器２１０の横断面の斜視図である。また、図１４は、容器２１０の横断面図である。ただし、突起部２１１は、多数あり、図中では省略してある。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. FIG. 13 is a perspective view of a cross section of the
容器２１０の内面には、旋回する液相流体を乱すための突起部２１１が形成されている。突起部２１１は、容器２１０の内面から径方向内側に向かって突出した形状を備えている。また、突起部２１１は、多量の気泡を発生させるための先端部２１１ａを有している。先端部２１１ａは、線形状を備えている。線形状は、容器２１０の軸と平行して延びている。また、突起部２１１は、容器２１０のみの材料で形成されているため、製造コストを減らすことができる。
A
（第３実施形態）
次に、第３実施形態の構成について説明する。図１５は、薄板３５０の部分拡大横断面図である。図１６は、薄板３５０の部分拡大横断面図である。ただし、図１５は、旋回する液相流体の少流量時であり、図１６は、多流量時の部分拡大横断面図である。
(Third embodiment)
Next, the configuration of the third embodiment will be described. FIG. 15 is a partially enlarged cross-sectional view of the
気液分離器３００は、薄板３５０を備えている。薄板３５０には、弾性素材が用られている。本実施形態では、薄板３５０にステンレスが用いられている。薄板３５０は、複数の突起部３５１と基部３５２とを有している。突起部３５１は、基部３５２の内面に沿って旋回する液相流体の上流側に向かって延び出す形状を備えている。基部３５２には、突起部５３１と同じ体積分の貫通穴３５３が形成されている。突起部３５１は、突出する方向の最先端の部分に先端部３５１ａを備えている。先端部３５１ａは、０．１ｍｍ（ミリメートル）以下の半径の曲面を有する鋭利な形状を備えている。ただし、薄板３５０に用いられている弾性素材の弾性係数および突起部３５１が備える延び出す形状は、先端部３５１ａが液膜から決して飛び出さない数値および形状を備えている。
The gas-liquid separator 300 includes a
ここで、弾性材料とは、撓み変形し易い材料である。液相流体が旋回することによって、突起部３５１には荷重が掛かっている。荷重の大きさは、旋回する液相流体の流速に応じて変化する。荷重は、旋回する液相流体の下流方向に掛かっている。よって、突起部３５１は、受ける荷重が変化することで、液膜の表面近傍まで延び出す形状を変化させることが可能になる。液相流体の流速が遅い場合、突起部３５１は撓み変形し難い。よって、突起部３５１は、基部３５２の内面に近い方向に延び出すことが可能になる。一方、液相流体の流速が速い場合、突起部３５１は撓み変形し易い。よって、突起部３５１は、基部３５２の内面から遠い方向に延び出すことが可能になる。また、液膜の厚さは、旋回する液相流体の流速が遅い場合、薄くなる。つまり、基部３５２の内面から液膜の表面への距離は、近くなる。一方、旋回する液相流体の流速が速い場合、厚くなる。つまり、基部３５２の内面から液膜の表面への距離は、遠くなる。従って、先端部３５１ａは、変化する液膜の表面近傍まで常に延び出すことが可能になる。よって、先端部３５１ａでより多く発生した気泡を、液膜外へ直ちに放出し易くなる。より多くの気泡が液膜外へ放出されると、その潜熱分、旋回する液相流体は過冷却をとることができる。
Here, the elastic material is a material that is easily bent and deformed. Due to the swirling of the liquid phase fluid, a load is applied to the
（他の実施形態）
上記第１実施形態の冷凍サイクル１は、気液分離器１００で分離された液相流体が、直接的に蒸発器１０１に流入する構成を備えている。ここでいう直接的とは、気液分離器と蒸発器との間に他の機器が設けられていない配置である。しかし、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、図１７に示すような、気液分離器で分離された液相流体が、蒸発器に間接的に流入する構成のサイクルを用いてもよい。図１７は、他の実施形態における二段圧縮サイクル４の構成図である。二段圧縮サイクル４は、気液分離器４００と蒸発器４０１と圧縮機４０２と放熱器４０３と膨張弁４０４とを備えている。さらに、圧縮機４０２は、第１圧縮部４０２ａと第２圧縮部４０２ｂとを備えており、膨張装置４０４は、第１膨張部４０４ａと第２膨張部４０４ｂとを備えている。二段圧縮サイクル４は、気液分離器４００と蒸発器４０１との間に、第２膨張部４０４ｂが設けられている間接的な配置である。気液分離器４００から流出される液相流体が過冷却をとると、蒸発器４０１の入口の流体のエンタルピーを小さくすることができる。よって、冷凍効果の向上を図ることができる。また、図１８に示すようなサイクルを構成してもよい。図１８は、他の実施形態におけるエジェクタサイクル５の構成図である。エジェクタサイクル５は、気液分離器５００と蒸発器５０１と圧縮機５０２と放熱器５０３と膨張装置５０４とを備えている。さらに、膨張装置は、第１膨張装置５０４ａと第２膨張装置であるエジェクタ５０４ｂとを備えている。気液分離器５００から流出される液相流体が過冷却をとると、蒸発器５０１の入口の流体のエンタルピーを小さくすることができる。よって、冷凍効果の向上を図ることができる。
(Other embodiments)
The
また、上記第１実施形態では、複数の突起部５１は、複数の行および複数の列を成して、等間隔に設けられている。しかし、例えば、千鳥形状に配列されていてもよい。
In the first embodiment, the plurality of
また、上記第１実施形態では、薄板５０にアルミを用いている。しかし、例えば、薄板に硬度の高いＰＰＳなどの樹脂を用いてもよい。
In the first embodiment, aluminum is used for the
また、上記第３実施形態では、薄板３５０にステンレスを用いている。しかし、薄板に流れに対してたわみが発生する材料、例えば、硬度の低い樹脂を用いてもよい。
In the third embodiment, stainless steel is used for the
また、上記第１実施形態では、突起部５１は、基部５２から三角形状に切り起こされた形状を備える。しかし、例えば、突起部は、三角形状ではなく、四角形状や半円形状に切り起こされた形状を備えていてもよい。また、切り起こされた形状でなくてもよく、掘り起こされた形状、つまり、貫通穴５３が形成されなくてもよく、突起部と同じ体積のくぼみが形成されていてもよい。
In the first embodiment, the
また、上記第１実施形態では、基部５２は、筒部１２の縦方向の長さの半分程度の長さを縦方向に備えている。しかし、例えば、筒部の縦方向の長さと等しい長さでもよい。
Moreover, in the said 1st Embodiment, the
また、上記第１実施形態では、複数の突起部５１は、基部５２の内面の全面にムラなく設けられている。しかし、複数の突起部は、少なくとも気液流入口付近の旋回面に設けられていればよい。ここで、気液流入口付近の旋回面とは、気液流入管の流入部の内径と同じ幅を軸方向に備えており、気液流入口と同じ高さの位置に配置された周状の面である。気液流入口付近の液相流体は、筒部の下方と比べて旋回する速度が速い。旋回する速度が速い液相流体は、先端部の後流側へ勢いよく巻き込まれる。そのため、さらに減圧された状態となる。よって、突起部が少なくとも気液流入口付近の旋回面に設けられていることで、液相流体は、十分な過冷却をとることが可能となる。 また、上記第１実施形態では、容器１０は、筒部１２の径方向内側に薄板５０を有している。しかし、例えば、薄板の代わりに、鉄条網のような複数のとげを備える針金が筒状に巻かれたものを筒部１２の径方向内側に有していてもよい。
In the first embodiment, the plurality of
１０ 容器
２０ 気液流入管
３０ 液相流出管
４０ 気相流出管
５０ 薄板
５１ 突起部
５１ａ 先端部
５２ 基部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記旋回面には、突起部が形成されていることを特徴とする気液分離器。 It comprises a cylindrical container having a swirling surface that swirls a fluid in a gas-liquid two-phase state and separates it into a liquid phase fluid and a gas phase fluid,
A gas-liquid separator, wherein a protrusion is formed on the swivel surface.
さらに、前記突起部は、前記旋回面に沿って旋回する液相流体の上流側に向かって延び出す形状を備えていることを特徴とする請求項４記載の気液分離器。 The protrusion is made of an elastic material,
5. The gas-liquid separator according to claim 4, wherein the protrusion has a shape extending toward an upstream side of the liquid phase fluid swirling along the swirling surface.
前記容器から流出された気相流体を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から供給される流体を放熱させる放熱器と、
前記放熱器から供給される流体を気液二相状態にして前記容器に供給する膨張装置と、
前記容器から流出された液相流体を蒸発させる蒸発器とを備えていることを特徴とする冷凍サイクル。 A refrigeration cycle using the gas-liquid separator according to any one of claims 1 to 8,
A compressor for compressing the gaseous fluid flowing out of the container;
A radiator that dissipates the fluid supplied from the compressor;
An expansion device for supplying the fluid supplied from the radiator to the container in a gas-liquid two-phase state;
A refrigeration cycle comprising: an evaporator for evaporating the liquid phase fluid flowing out of the container.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2008
- 2008-01-22 JP JP2008011639A patent/JP2009174738A/en not_active Withdrawn
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