JP2009262027A

JP2009262027A - 気液分離装置

Info

Publication number: JP2009262027A
Application number: JP2008112884A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kubo; 貴司久保
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2009-11-12

Abstract

【課題】気液２相流の全流量範囲で気液分離性能を向上させ、圧力損失を低減し、コンパクトに構成する気液分離装置を提供する。
【解決手段】中心軸が重力方向に配置された円筒状の気液分離室３を有するケーシング５と、気液分離室３に回転自在に配置されたロータ７と、ロータ７に固定された複数の羽根９と、気液２相流をロータ７の回転方向に沿って羽根９に吹き付ける気液導入管１１と、分離した液体を外部に導く液体導出管１７と、分離した気体を外部に導く気体導出管２１とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、冷凍サイクル内のコンプレッサに用いられ、気液２相流を気体と液体に分離する気液分離装置に関する。

特許文献１に「サイクロン式気液分離装置」が記載されている。

この気液分離装置（オイルセパレータ）は、多数のフィンを円錐面に沿って固定した渦流発生体に吹き付けられた気液２相流の流れが、円錐面と各フィンとの間で流路面積が狭められて高速の渦流（サイクロン）に変換され、慣性力と遠心力によりケーシングの壁部と衝突して気体と液体とに分離するように構成されている。

また、この気液分離装置では、円筒状のケーシングが中心軸を重力方向に設置されており、気液２相流の導入管がケーシングと同軸配置され、気液２相流を上方から渦流発生体に向けて噴出させている。
特許公報第２９６５２５１号

特許文献１の気液分離装置は、気液２相流の高流量時に気液分離性能が最も高くなるように円錐面と各フィンの間の流路面積が設定されているから、気液２相流は、特に、低流量時では充分な流速と遠心力が得られず、気液分離性能が低下する。

また、サイクロン式と呼称してはいるが、実質的には気液２相流の流速を高めたときの、液体と気体の比重差（密度差）による遠心力の差を利用して気液を分離する方法であり、サイクロン式本来の機能は期待できない。

また、気液２相流の流れに対向して配置された渦流発生体が、流れに対する抵抗になっており、圧力損失がそれだけ大きい。

また、渦流発生体に気液２相流を噴出させる導入管をケーシングと同軸に配置したことにより、縦長の構造になっているから、配置場所が制限され易い。

そこで、この発明は、低流量から高流量までの広い範囲で高い気液分離性能が得られ、圧力損失が小さく、コンパクトに構成される気液分離装置の提供を目的としている。

請求項１の発明は、中心軸が重力方向に配置された円筒状の気液分離室を有するケーシングと、ケーシングの内部に回転自在に配置されたロータと、ロータ上に間隔を置いて支持された複数の羽根と、気液２相流を羽根に吹き付ける気液導入管と、気液分離室の下部に開口された液体導出管と、気液分離室の液体導出管より上方位置に開口された気体導出管とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載された気液分離装置であって、羽根は、多数の孔を有することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載された気液分離装置であって、ロータは、気体導出管の外周に回転自在に支持されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載された気液分離装置であって、羽根の下端面は、ロータに支持された基部から先端に向かって連続的に下方へ傾斜していることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載された気液分離装置であって、ケーシング内には、前記羽根の上方にバイパス用スペースが設けられており、羽根は、吹き付けられた気液２相流をバイパス用スペース側へ撥ね上げる方向に傾斜していることを特徴とする。

請求項１の気液分離装置は、羽根に吹き付けられる気液２相流の押圧力が弱い低流量時はロータがほぼ回転せず、気液２相流の押圧力が強くなる中流量時から高流量時はロータが回転するように設定される。

低流量時には、気液２相流は羽根と衝突（バッフル式）して気体と液体に分離され、気体は気体導出管から外部に排出され、液体は羽根に付着し自重で滴下して液体導出管から外部に排出される。

また、中流量時から高流量時には、気液２相流は羽根と衝突（バッフル式）して気液分離されると共に、羽根を回転させ、羽根の回転に伴い旋回流になって（サイクロン式）気液分離され、気液分離室の壁面との衝突によって分離がさらに促進され、気体は気体導出管から外部に排出され、液体は慣性力と遠心力とによって気液分離室の壁面に付着し、自重で滴下して液体導出管から外部に排出される。

このように、低流量から高流量までの広い範囲で複数の気液分離機能が得られ、気液分離性能が大幅に向上する。

また、羽根が回転することによって流路拡大と同等の効果が得られ、気液２相流の流れに対する抵抗と圧力損失が低減される。

また、気液２相流を羽根に吹き付ける気液導入管は、ケーシングの軸方向とほぼ直角に配置されるから、従来例と較べて軸方向に短縮され、配置場所の自由度が向上する。

請求項２の気液分離装置は、羽根に多数の孔を設けてメッシュ構造にしたことにより、吹き付けられた気液２相流が孔の目に捕らえられ（トラップされ）て気液が分離され（デミスタ式）、中流量以上では羽根の回転に伴う遠心力によって気液が分離されて分離機能が向上し、さらに、トラップされた液体は遠心力により次々に気液分離室の壁面に振り跳ばされて気液分離機能が継続する。

請求項３の気液分離装置は、気体導出管を利用してロータを支持したことにより、ロータの支持機構が不要になるから、部品点数が低減され、構成が簡素になり、それだけ低コストになる。

請求項４の気液分離装置は、羽根の下端部をロータ側の基部から先端に向かって連続的に下方へ傾斜させたことにより、液滴が羽根の基部から気体導出管の開口部まで流下し、吸い込まれて気体と混入することが防止される。

請求項５の気液分離装置は、吹き付けられた気液２相流の一部が羽根の傾斜により撥ね上げられてバイパス用スペースを流れるから、気液２相流の流れに対する抵抗と圧力損失がさらに低減される。特に、高流量時における流通抵抗と圧力損失が低減できる。

以下、本発明の実施形態を説明する。

図１〜図６は、本発明の一実施形態を示し、図１は気液分離装置１を透視した斜視図、図２は気液２相流の低流量時に気液分離装置１を透視した斜視図、図３は低流量時の状態を示す気液分離装置１の断面図、図４は気液２相流の中・高流量時に気液分離装置１を透視した斜視図、図５は中・高流量時の状態を示す気液分離装置１の断面図、図６は気液２相流の中・高流量時に気液分離装置１を透視した側面図である。

気液分離装置１は、冷凍サイクルを構成するコンプレッサ内で、且つ、その冷媒吐出ポート内に設置されている。気液分離装置１は、中心軸が重力方向に配置された円筒状の気液分離室３を有するケーシング５と、気液分離室３内で回転自在に支持されたロータ７と、ロータ７の周方向に間隔を置いて設けられた４枚の羽根９と、気液分離室３の周面に開口し、圧縮された気液二相流の冷媒を導く気液導入管１１と、気液分離室３に下面に開口し、コンプレッサに液体であるオイルを戻する液体導出管１７と、気液分離室３の液体導出管１７の開口１５より上方に開口し、気体である冷媒をコンプレッサ外に排出する気体導出管２１とを備えている。

ケーシング５の下部は、液体が自重で液体導出管１７の開口部１５に流下するように円錐状の漏斗部３５になっている。ケーシング５の上部、具体的には、羽根９よりも上方には、ドーナツ状のバイパス用スペース２９が設けられている。

気体導出管２１は、ケーシング５の漏斗部３５の中心である最下端に開口部１９を有する。

気液導入管１１は、気液分離室３の軸方向に対してほぼ直角に配置され、気液分離室３のほぼ円周面に開口部１３を有する。

気体導出管２１は、ケーシング５の上面中心から気液分離室３内に貫通され、気液分離室３の上下方向の中間位置に開口部１９を有する。

ロータ７は、円筒状に形成されており、気体導出管２１の外周に回転自在に支持されている。ここで、ロータ７が回転するか否かは、ロータ７と気体導出管２１の間の回転抵抗と、羽根９に吹き付けられる気液２相流の押圧力によって決定され、前記の回転抵抗は、気液２相流の押圧力が弱い低流量時ではロータ７がほぼ回転しないように、中流量時から高流量時は気液２相流の押圧力によってロータ７が回転するように設定されている。

各羽根９は、メッシュ加工された金属板で作られている。従って、羽根９は多数の孔２３を有する。各羽根９の下端面２５は、図６に詳述するように、ロータ７に支持された基部２７から先端に向かって連続的に下方へ傾斜している。又、各羽根９は、吹き付けられた気液２相流をバイパス用スペース２９側へ撥ね上げる方向に傾斜している。

次に、気液分離装置１の動作を説明する。

低流量時は、図２と図３のように、ロータ７はほとんど回転せず、吹き付けられた気液２相流は羽根９と衝突し、バッフル式の気液分離機能によって気液が分離され、さらに、多数の孔２３に捕らえられるデミスタ式の気液分離機能によって気液が分離され、気体は気体導出管２１の開口部１９に吸入されて外部に排出され、羽根９に付着した液体は自重で漏斗部３５に滴下し、液体導出管１７の開口部１５に流入して外部に排出される。

また、気液２相流が中流量から高流量に増加すると、図４〜図６のように、吹き付けられた気液２相流は羽根９と衝突してロータ７と羽根９を矢印３７のように回転させると共に、羽根９と衝突するバッフル式の気液分離機能と、多数の孔２３に捕らえられるデミスタ式の気液分離機能とによって気液分離され、羽根９の回転に伴って旋回流になり、サイクロン式の気液分離機能によってさらに気液分離され、気液分離室３の円周壁と衝突することによって気液分離が促進され、気体は気体導出管２１から外部に排出され、液体は慣性力と遠心力とによって円周壁に付着し、自重で漏斗部３５に滴下し、液体導出管１７の開口部１５に流入して外部に排出される。

また、高流量時は、気液２相流が羽根９の傾斜によりバイパス用スペース２９へ撥ね上げられ、図６の矢印３９のように流れる。

以上、前記気液分離装置１では、ケーシング５内の気液分離室３に回転自在に配置されたロータ７と、ロータ７に間隔を置いて支持された複数の羽根９と、気液２相流を羽根９に吹き付ける気液導入管１１と、気液分離室３の下部に開口された液体導出管１７と、気液分離室３の液体導出管１７より上方位置に開口された気体導出管２１とを備えている。従って、低流量時には羽根９と衝突するバッフル式の気液分離機能により、また、羽根９が回転する中流量時から高流量時にはバッフル式気液分離機能とサイクロン式気液分離機能によって気液が分離され、さらに、羽根９に多数の孔２３を設けたことによるデミスタ式の気液分離機能が得られるから、全流量範囲で気液分離性能が大幅に向上している。

また、ロータ７を回転させることによって流路拡大と同等の効果が得られ、気液２相流の流れに対する抵抗と圧力損失が低減されている。

また、気液導入管１１をケーシング５の軸方向とほぼ直角に配置したことによって軸方向に短縮されており、配置場所の自由度が向上している。

また、気体導出管２１をロータ７の支持機構に利用したことによって部品点数が低減され、構成が簡素になり、それだけ低コストになっている。

また、ケーシング５内には、羽根９の上方にバイパス用スペース２９が設けられており、羽根９は、吹き付けられた気液２相流をバイパス用スペース２９側へ撥ね上げる方向に傾斜している、従って、吹き付けられた気液２相流の一部が羽根９の傾斜により撥ね上げられてバイパス用スペース２９を流れるから、気液２相流の流れに対する抵抗と圧力損失がさらに低減される。特に、高流量時における流通抵抗と圧力損失が低減できる。

また、羽根９の下端面２５を基部２７から先端に向けて連続的に下方へ傾斜させたので、液滴が基部２７からロータ７を伝って気体導出管２１の開口部１９まで流れ落ちて吸い込まれ、気体に混入することが防止される。

本発明の一実施形態を示し、気液分離装置を透視した斜視図である。本発明の一実施形態を示し、気液２相流の低流量時に気液分離装置を透視した斜視図である。本発明の一実施形態を示し、低流量時の状態を示す気液分離装置の断面図である。本発明の一実施形態を示し、気液２相流の中・高流量時に気液分離装置を透視した斜視図である。本発明の一実施形態を示し、中・高流量時の状態を示す気液分離装置の断面図である。本発明の一実施形態を示し、気液２相流の中・高流量時に気液分離装置を透視した側面図である。

符号の説明

１気液分離装置
３気液分離室
５ケーシング
７ロータ
９羽根
１１気液導入管
１７液体導出管
２１気体導出管
２５羽根の下端面
２９バイパス用スペース

Claims

中心軸が重力方向に配置された円筒状の気液分離室（３）を有するケーシング（５）と、前記ケーシング（５）の内部に回転自在に配置されたロータ（７）と、前記ロータ（７）上に間隔を置いて支持された複数の羽根（９）と、気液２相流を前記羽根（９）に吹き付ける気液導入管（１１）と、前記気液分離室（３）の下部に開口された液体導出管（１７）と、前記気液分離室（３）の前記液体導出管（１７）より上方位置に開口された気体導出管（２１）とを備えたことを特徴とする気液分離装置（１）。
請求項１に記載された気液分離装置（１）であって、
前記羽根（９）は、多数の孔（２３）を有することを特徴とする気液分離装置（１）。
請求項１または請求項２に記載された気液分離装置（１）であって、
前記ロータ（７）は、前記気体導出管（２１）の外周に回転自在に支持されていることを特徴とする気液分離装置（１）。
請求項３に記載された気液分離装置（１）であって、
前記羽根（９）の下端面（２５）は、前記ロータ（７）に支持された基部（２７）から先端に向かって連続的に下方へ傾斜していることを特徴とする気液分離装置（１）。
請求項１〜請求項４のいずれかに記載された気液分離装置（１）であって、
前記ケーシング（５）には、前記羽根（９）の上方にバイパス用スペース（２９）が設けられており、
前記羽根（９）は、吹き付けられた気液２相流を前記バイパス用スペース（２９）側へ撥ね上げる方向に傾斜していることを特徴とする気液分離装置（１）。