JP2013120028A - 気液分離器および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、低コストに適した可逆式の気液分離器を提供する。
【解決手段】気液分離器１Ａは、密閉容器２の外部から内部に延びる３本の配管である第１配管３Ａ、第２配管３Ｂおよびガス出口管４を備えている。密閉容器２内に配置されたガイド部材５は、上覆い部２１との間に流入空間１１を形成するとともに、筒状部２２の内周面との間に二層流Ｆを通過させる流通路１５を形成する。第１配管３Ａおよび第２配管３Ｂは、どちらが気液二相流体を密閉容器２の内部へ流入させるときでも、他方が液溜まり１３の液を液出口穴（３１または３２）から密閉容器２の外部へ流出させるように構成されている。したがって、気液二相流体をガスと液に効率よく分離でき、かつ、第１配管および第２配管はその一方が流入管、他方が出口管として機能し、小型かつ低コストで双方向式を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型化に適した気液分離器およびこの気液分離器を用いた冷凍サイクル装置に関する。

従来から、旋回流による遠心力を利用して気液二相流体を液とガスに分離する気液分離器が知られている。このような気液分離器は、大きな遠心力を得るためにある程度の大きさが必要である。これに対し、近年では、表面張力を利用した気液分離器が提案されている。この表面張力を利用した気液分離器は、旋回流を形成する必要がなく、小型化が可能である（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、図１４に示すような気液分離器１００が開示されている。この気液分離器１００では、密閉容器１１０の頂きに、密閉容器１１０の内部へ気液二相流体を流入させる入口管１５１が接続されており、密閉容器１１０の側部に、密閉容器１１０内で分離された液を密閉容器１１０の外部へ流出させる液出口管１５２が接続されている。また、密閉容器１１０内で分離されたガスを密閉容器１１０の外部へ流出させるガス出口管１５３は、密閉容器１１０の底を貫通して延びている。

密閉容器１１０内には、当該密閉容器１１０の内部を流入空間１１１と拡大空間１１３に仕切るとともに、それらの間に密閉容器１１０の内周面に沿った環状の極小空間１１２を形成する仕切り板１２０が配設されている。すなわち、入口管１５１から流入空間１１１へ流入した気液二相流体は極小空間１１２を通じて拡大空間１１３に流れ込むようになっており、極小空間１１２から拡大空間１１３にかけては流路断面積が急拡大する。

さらに、仕切り板１２０の下方には、密閉容器１１０の内周面に沿う筒状の分離部材１３０が仕切り板１２０に接するように配設されている。この分離部材１３０は、径方向内側に開口する複数の縦溝を有している。このように、流路面積が急拡大する部分に縦溝があることにより、表面張力を利用した気液分離が可能となっている。すなわち、縦溝内に流入した気液二相流体中の液は表面張力により溝内に留められ、ガスのみが溝から流出する。分離部材１３０によって分離された液は、密閉容器１１０の下部に溜まり、液出口管１５２を通じて外部に排出される。一方、分離されたガスは、密閉容器１１０の中心に集められ、ガス出口管１５３を通じて外部に排出される。

国際公開第２００７／０５５３８６号公報

ところで、例えば空調に用いられる冷凍サイクル装置では、暖房運転と冷房運転とでヒートポンプ回路を流れる冷媒の向きが反転するため、双方向式の気液分離器が求められる。しかしながら、図１４に示す気液分離器１００では、流体の流れ方向が一方向のみであるため、流体の流れ方向が反転する箇所に使用することができない。

本発明は、このような事情に鑑み、小型化に適した双方向式の気液分離器およびこの気液分離器を用いた冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、上向きに噴射される気液二相流体を拡散させながら下向きに誘導することにより前記気液二相流体中に含まれる液を内側面に付着させて前記気液二相流体を液層とガスリッチ層の二層流に変換する上覆い部、前記液層を内周面に沿って流下させる筒状部、および、前記液層を保持して液溜まりを形成する下覆い部を含む密閉容器と、前記密閉容器内に配置され、前記上覆い部との間に流入空間を形成するとともに前記密閉容器の内周面との間に前記二層流を通過させる流通路を形成し、前記ガスリッチ層を前記密閉容器の内周面に沿って流下するようにガイドするガイド部材と、先端が前記流入空間内に開口するように前記下覆い部および前記ガイド部材を貫通して延び、前記液溜まりに浸る部分に液出口穴が設けられた第１配管と、先端が前記流入空間内に開口するように前記下覆い部および前記ガイド部材を貫通して延び、前記液溜まりに浸る部分に液出口穴が設けられた第２配管と、前記液層の表面張力によって前記ガスリッチ層から液が取り除かれたガスを前記密閉容器の外部に流出させるためのガス出口管とを備え、前記第１配管および前記第２配管は、どちらが前記気液二相流体を前記密閉容器の外部から前記流入空間へ流入させるときでも、他方が内部の前記液出口穴よりも上側に液面を形成しつつ前記液溜まりの液を前記液出口穴から前記密閉容器の外部へ流出させるように構成してある。

これにより、密閉容器の上覆い部によって気液二相流体の向きが１８０度反転させられるため、そのときの慣性力によってガスと液とをある程度分離することができる。さらに、そのようにして形成された二層流が密閉容器の内周面に沿って流下するため、液層の表面張力によってガスと液とをほぼ完全に分離することができる。この構成により、気液分離器の小型化を図ることができる。

さらに、上記の構成によれば、第１配管および第２配管の一方が気液二相流体の流入管として機能するときには、他方が液の出口管として機能する。そして、第１配管と第２配管の機能は、どちらに気液二相流体を供給するかを選択するだけで、流体の性状によって自然と入れ替わる。これにより、小型化に適したシンプルな構成で双方向式を実現することができる。

本発明は、上記の構成により、ガスと液とをほぼ完全に分離することができ、気液分離器の小型化を図ることができるとともに、第１配管と第２配管の流出入機能は、どちらに気液二相流体を供給するかを選択するだけで、流体の性状によって自然と入れ替わるから、逆止弁などを用いた従来の双方向式の気液分離器と比べ、小型化に適したシンプルな構成で双方向式を実現することができる。

本発明の実施形態１に係る気液分離器の縦断面図 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った横断面図 （ａ）同実施の形態１における第１、第２配管に設けた円形の液出口穴を示す拡大図、（ｂ）長円径の液出口穴を示す拡大図 （ａ）同実施の形態１に設けた整流板の一例を示し板に穴をあけたパンチングメタルの整流板を示す拡大図、（ｂ）同実施の形態１に設けた整流板の他の例を示しメッシュの整流板を示す拡大図 本発明の実施の形態１に示す気液分離器を用いた冷凍サイクル装置の構成図 本発明の実施の形態２における気液分離器の縦断面図 本発明の実施の形態３における気液分離器縦断面図 本発明の実施の形態４に係る気液分離器の縦断面図 図８のＩＩ−ＩＩ線に沿った横断面図 （ａ）同実施の形態４に設けたバネ形状の充填材を示す拡大図、（ｂ）同実施の形態４に設けたメッシュ形状の充填材を示す拡大図 本発明の実施の形態５に係る気液分離器の縦断面図 図１１のＩＩ−ＩＩ線に沿った横断面図 （ａ）同実施の形態５に設けた発砲金属を示す拡大図、（ｂ）同実施の形態５に設けた金属たわしを示す拡大図 従来の気液分離器の縦断面図

第１の発明は、上向きに噴射される気液二相流体を拡散させながら下向きに誘導することにより前記気液二相流体中に含まれる液を内側面に付着させて前記気液二相流体を液層とガスリッチ層の二層流に変換する上覆い部、前記液層を内周面に沿って流下させる筒状部、および、前記液層を保持して液溜まりを形成する下覆い部を含む密閉容器と、前記密閉容器内に配置され、前記上覆い部との間に流入空間を形成するとともに前記密閉容器の内周面との間に前記二層流を通過させる流通路を形成し、前記ガスリッチ層を前記密閉容器の内周面に沿って流下するようにガイドするガイド部材と、先端が前記流入空間内に開口するように前記下覆い部および前記ガイド部材を貫通して延び、前記液溜まりに浸る部分に液出口穴が設けられた第１配管と、先端が前記流入空間内に開口するように前記下覆い部および前記ガイド部材を貫通して延び、前記液溜まりに浸る部分に液出口穴が設けられた第２配管と、前記液層の表面張力によって前記ガスリッチ層から液が取り除かれたガスを前記密閉容器の外部に流出させるためのガス出口管とを備え、前記第１配管および前記第２配管は、どちらが前記気液二相流体を前記密閉容器の外部から前記流入空間へ流入させるときでも、他方が内部の前記液出口穴よりも上側に液面を形成しつつ前記液溜まりの液を前記液出口穴から前記密閉容器の外部へ流出させるように構成してある。

これにより、密閉容器の上覆い部によって気液二相流体の向きが１８０度反転させられるため、そのときの慣性力によってガスと液とをある程度分離することができる。さらに、そのようにして形成された二層流が密閉容器の内周面に沿って流下するため、液層の表面張力によってガスと液とをほぼ完全に分離することができる。この構成により、気液分離器の小型化を図ることができる。加えて、上記の構成によれば、第１配管および第２配管の一方が気液二相流体の流入管として機能するときには、他方が液の出口管として機能する。そして、第１配管と第２配管の機能は、どちらに気液二相流体を供給するかを選択するだけで、流体の性状によって自然と入れ替わる。これにより、逆止弁などを用いた従来の双方向式の気液分離器と比べ、小型化に適したシンプルな構成で双方向式を実現することができる。

第２の発明は、第１の発明におけるガイド部材はその外周面が下向きに拡径するテーパー状としたものであり、液とガスの二層流をスムーズに流通路に流入させつつも、ガスリッチ層の流速を徐々に速めることができ、液層の表面張力によってガスリッチ層から液の取り除き効果が向上し、液とガスとに分離する効果がより向上する。

第３の発明は、第１または第２の発明における第１配管および前記第２配管は並行に配置されるとともに、それぞれに設けられた液出口穴は配管の並ぶ方向において互いに反対向きに開口された構成としてあり、第１配管および前記第２配管の液出口穴同士間での気液二相流体の短絡を抑止できる。

第４の発明は、第１〜第３の発明における第１配管および前記第２配管は互いに近接して配置され、ガス出口管は当該ガス出口管の先端が下向きに開口するように上覆い部およびガイド部材の天井部を貫通して延びる構成としてあり、第１配管、第２配管の近接によって密閉容器を小径化することができるとともに、ガス出口管の先端をガイド部材で囲まれる空間の最も上方位置に配置することが可能なので、密閉容器内で完全に分離しきれな
かったミスト状の液を分離空間において重力でガスから分離する効果をより顕著に得ることができる。

第５の発明は、第１〜第４の発明における密閉容器の内周面とガイド部材の外周面との間に形成される流通路の下方に、密閉容器内周面に沿う筒状の分離部材を配設した構成としてあり、小型で分離効率の高い構成を低コストに実現することができる。

第６の発明は、第１〜第５の発明におけるガイド部材より下方で、密閉容器の筒状部から下覆い部の空間内に位置し、少なくとも第１配管と第２配管が貫通してなる整流板を備えた構成としてあり、第１配管または第２配管の一方が気液二相流体の流入管として機能する場合に、気液二相流体の一部が液出口穴を迂回するように流れ、液出口穴から流出した場合でも密閉容器の下部に溜まっている液成分の発泡を抑制することができ、液溜まりの流動をより安定に保つことが可能となる。その結果、整流板がない場合に比べて、気液分離器の動作範囲（流量）を広く取ることが可能となる。

第７の発明は、第１〜第６の発明における密閉容器の下部の整流板の下に充填材を充填した構成としたものであり、第１あるいは第２配管の穴から一部吹き出されたガス層による液溜まり部の乱れを、より効果的に抑えることができ、さらに小型で分離効率の高い構成を低コストに実現することができる。

第８の発明は、第１〜第７の発明における充填材に、整流板と一体になった多孔質発泡材を用いた構成としてあり、充填材を整流板で押さえる必要がなく、液溜まり部の乱れを効果的に抑えることができ、構成の簡素化による低コスト化が実現できる。

第９の発明は、第８の発明における多孔質の発泡材の空隙率を略８０％以上としたものであり、密閉容器の内容積を稼ぎつつ、液溜まり部の攪拌防止を効果的に行うことが可能となる。

第１０の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機、室内の空気と冷媒との間で熱交換を行う室内熱交換器、冷媒を膨張させる第１膨張機構および第２膨張機構、ならびに室外の空気と冷媒との間で熱交換を行う室外熱交換器を含むとともに、上記第１〜第９発明のいずれか１項に記載の気液分離器であって、第１配管が前記第２膨張機構に接続され第２配管が前記第１膨張機構に接続された気液分離器を含むヒートポンプ回路と、前記圧縮機に冷媒の圧縮中に冷媒が注入されるように前記気液分離器の前記ガス出口管と前記圧縮機とを接続するインジェクション管と、前記ヒートポンプ回路に流れる冷媒の流れの方向を、暖房運転時に前記圧縮機から吐出された冷媒が前記室内熱交換器に導かれる第１方向に切り換え、冷房運転時に前記圧縮機から吐出された冷媒が前記室外熱交換器に導かれる第２方向に切り換える切換手段と、を備えた、冷凍サイクル装置であり、四方弁等を追加することなく簡単かつ安価な構成で高効率の冷凍サイクル装置を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下の実施形態によって限定されるものではない。

（実施形態１）
図１からび図４に、本発明の実施形態１に係る気液分離器１Ａを示す。この気液分離器１Ａは、鉛直方向に延びる密閉容器２と、密閉容器２の外部から内部に延びる３本の配管である第１配管３Ａ、第２配管３Ｂおよびガス出口管４とを備えている。本実施形態では、ガス出口管４が密閉容器２の中心軸上に配置されており、第１配管３Ａおよび第２配管３Ｂはガス出口管４を挟んで１８０度反対に位置している。

密閉容器２は、下向きに開口する半球状の上覆い部２１、円筒状の筒状部２２、および上向きに開口する半球状の下覆い部２３を含む。上覆い部２１は、上向きに噴射される気液二相流体を拡散させながら下向きに誘導することにより、気液二相流体中に含まれる液を内側面に付着させて、気液二相流体を液層Ｆ１とガスリッチ層Ｆ２の二層流Ｆに変換する。筒状部２２は、液層Ｆ１を内周面に沿って流下させる。下覆い部２３は、液層Ｆ１を保持して液溜まり１３を形成する。

なお、上覆い部２１および下覆い部２３は、必ずしも半球状である必要はなく、例えば円盤状の主壁とこの主壁の周縁部から立ち上がる周壁とからなる桶状であってもよい。また、上覆い部２１および下覆い部２３の高さも、特に限定されるものではなく、任意に設定可能である。

密閉容器２内には、ガイド部材５が筒状部２２の上部と対応する位置に配置されている。ガイド部材５は、上覆い部２１との間に流入空間１１を形成するとともに、筒状部２２の内周面との間に二層流Ｆを通過させる流通路１５を形成する。そして、ガイド部材５は、ガスリッチ層Ｆ２を筒状部２２の内周面に沿って流下するようにガイドする。ガイド部材５の下方には、分離空間１２が形成されている。換言すれば、ガイド部材５は、密閉容器２の内部を流入空間１１と分離空間１２とが筒状部２２の内周面に沿った環状の極小空間のみで連通するように仕切っている。

ガイド部材５は、天井部５１およびこの天井部５１の周縁から垂れ下がる側壁部５２を有する下向きに開口する軸対称な容器状の形状をなしており、ガス出口管４の先端は、ガイド部材５で囲まれる空間内に位置している。天井部５１は、円盤状であり、フラットなガイド部材５の上面を構成している。側壁部５２は、筒状部２２の内周面と対向する、下向きに拡径するテーパー状のガイド部材５の外周面を構成している。ただし、ガイド部材５の上面は、必ずしもフラットである必要はなく、ガイド部材５の外周面と連続するようなドーム状の曲面であってもよいし、円錐面であってもよい。また、ガイド部材５の形状は、必ずしも軸対称である必要はないし、必ずしも容器状である必要はない。

ガス出口管４は、液層Ｆ１の表面張力によってガスリッチ層Ｆ２から液が取り除かれたガスを密閉容器２の外部に流出させるためのものである。具体的に、ガス出口管４は、当該ガス出口管４の先端が上向きに開口するように密閉容器２の下覆い部２３を貫通して延びている。本実施形態では、ガス出口管４が鉛直方向に延びているが、ガス出口管４は、密閉容器２の筒状部２２およびガイド部材５の側壁部５２を貫通するように水平方向に延びていてもよい。また、ガイド部材５の天井部５１と密閉容器２の上覆い部２１を貫通して鉛直方向に延びていてもよい（図６）。

第１配管３Ａおよび第２配管３Ｂは、先端が流入空間１１内に開口するように密閉容器２の下覆い部２３およびガイド部材５の天井部５１を貫通して延びている。第１配管３Ａおよび第２配管３Ｂは、例えば液溜まり１３中で略９０度折れ曲がっていてもよいが、ストレートでもよい。実施形態では、第１配管３Ａおよび第２配管３Ｂは、鉛直方向に延びている。

第１配管３Ａには、液溜まり１３に浸る部分に液出口穴３１が設けられ、第２配管３Ｂには、液溜まり１３に浸る部分に液出口穴３２が設けられている。そして、第１配管３Ａおよび第２配管３Ｂは、どちらが気液二相流体を密閉容器２の外部から流入空間１１へ流入させるときでも、他方が内部の液出口穴（３１または３２）よりも上側に液面を形成しつつ液溜まり１３の液を液出口穴（３１または３２）から密閉容器２の外部へ流出させるように構成されている。

具体的には、液出口穴３１，３２が、液溜まり１３の液面が降下した場合でもその液面よりも下方に位置するように、密閉容器２の底に近い位置に設けられている。

加えて上記第１配管３Ａの液出口穴３１と第２配管３Ｂの液出口穴３２とは第１配管３Ａと第２配管３Ｂとが並ぶ方向において互いに反対向きに開口している。

ここで、密閉容器２内では流入空間１１と分離空間１２の間以外では圧力損失がないと仮定し、液出口穴３１，３２の位置から液溜まり１３の液面までの高さをｈ_a［ｍ］、液出口穴３１，３２の位置から第１配管３Ａ、第２配管３Ｂの先端までの高さをｈ_b［ｍ］、液の密度をρ_a［ｋｇ／ｍ³］、ガスの密度をρ_b［ｋｇ／ｍ³］とする。

第１配管３Ａを通じて気液二相流体が導入されるときには、第２配管３Ｂの内部は液溜まり１３の液面高さ近傍まで液出口穴３２から流入した液に満たされ、これにより第２配管３Ｂ内に液面が形成される。逆に、第２配管３Ｂを通じて気液二相流体が導入されるときには、第１配管３Ａの内部は液溜まり１３の液面高さ近傍まで液出口穴３１から流入した液に満たされ、これにより第１配管３Ａ内に液面が形成される。

第１配管３Ａを通じて気液二相流体が導入されるときには、液出口穴３２基準で第２配管３Ｂ内の圧力をＰ_INとしたとき、第２配管３Ｂの先端からガスが流入すると仮定すると、Ｐ_INは流入空間１１の圧力Ｐ_bを用いて、
Ｐ_IN＝ρ_bｇｈ_b＋Ｐ_b ・・・（式１）
と表せる。また、液出口穴３２基準で液溜り１３内の圧力をＰ_OUTとしたとき、Ｐ_OUTは分離空間１２の圧力Ｐ _a を用いて、
Ｐ_OUT＝ρ_aｇｈ_a＋Ｐ_a＋ρ_bｇ（ｈ_b−ｈ_a） ・・・（式２）
と表せる。また、流入空間１１と分離空間１２の間の圧力損失ΔＰの関係から、
Ｐ_a＝Ｐ_b−ΔＰ ・・・（式３）
となる。これらの式１〜３からＰ_aおよびＰ_bを消去すると、
Ｐ_OUT−Ｐ_IN＝ｇｈ_a（ρ_a―ρ_b）−ΔＰ ・・・（式４）
となる。第２配管３Ｂの先端からガスが流入せずに液出口穴３２から液が流出して第２配管３Ｂ内で液面が形成されるには、Ｐ_OUT＞Ｐ_INである必要があるので、以下の式５が導かれる。なお、この式５は、第２配管３Ｂを通じて気液二相流体が導入されるときでも同じである。

ｇｈ_a（ρ_a―ρ_b）−ΔＰ＞０ ・・・（式５）
従って、流入空間１１と分離空間１２の間の圧力損失ΔＰ、すなわちガイド部材５と密閉容器２の筒状部２２の内周面との間に形成される流通路１５およびその近傍で発生する圧力損失ΔＰが式５を満たすように、ガイド部材５の形状および液出口穴３１，３２の位置を設計すればよい。

液出口穴３１、３２の形状は、図３（ａ）に示すように円形でもよいが、図３（ｂ）に示すように長円形でもよい。液出口穴３１の面積は第１配管３Ａの流路断面積以下、液出口穴３２の面積は第２配管３Ｂの流路断面積以下に設定される。

さらに整流板７が、ガイド部材５より下方で、密閉容器２の筒状部２２から下覆い部２３の空間内に配設されており、第１配管３Ａと第２配管３Ｂが貫通する構成になっている。この整流板７は、例えば図４の（ａ）で示すようにメッシュ構造、あるいは同図（ｂ）で示す板に複数個穴を開けた構成とすればよい。

次に、気液分離器１Ａの動作を説明する。なお、第１配管３Ａを通じて気液二相流体が導入される場合と第２配管３Ｂを通じて気液二相流体が導入される場合とでは、第１配管
３Ａと第２配管３Ｂの機能が逆になるだけであるので、以下では、第１配管３Ａを通じて気液二相流体が導入される場合のみ説明する。

気液二相流体は、第１配管３Ａを通じて密閉容器２の内部に導かれる。第１配管３Ａには横向きに液出口穴３１が設けられているが、流れは慣性により直進しようとするため、大半の気液二相流体が第１配管３Ａの先端から流入空間１１へと流入する。

流入空間１１は上覆い部２１によって上方から覆われているため、流入空間１１へ流入した気液二相流体は周囲に拡散する。このとき、気液二相流体は、上覆い部２１に衝突してもよいし、上覆い部２１に衝突しなくてもよい。その後、気液二相流体は、徐々に下向きに向きを変えながら二層流Ｆへと変化する。すなわち、密閉容器２の上覆い部２１によって気液二相流体の向きが１８０度反転させられるため、そのときの遠心力（慣性力）によってガスと液とをある程度分離することができる。

上覆い部２１によって形成された二層流Ｆは、流通路１５を通過し、筒状部２２の内周面に沿って流下する。このとき、ガスリッチ層Ｆ２の流下速度は液層Ｆ１の流下速度よりも速いため、ガスリッチ層Ｆ２は液層Ｆ１の表面上を擦るように流れる。そのため、液層Ｆ１の表面張力によってガスリッチ層Ｆ２から液の大半が取り除かれ、二層流Ｆが液とガスとに分離される。

分離されたガスは、分離空間１２内で上昇し、ガイド部材５で囲まれる空間内で下向きに向きを変える。このとき、ガス中に僅かに混入するミスト状の液が遠心力や重力で取り除かれる。その後、ガスは、ガス出口管４から密閉容器２の外部へと排出される。

一方、分離された液は、筒状部２２の内周面上をそのまま流下し、液溜まり１３を形成した後、第２配管３Ｂに横向きに設けられた液出口穴３２から第２配管３Ｂへと流入し、密閉容器２の外部へと排出される。このとき、上述したように第２配管３Ｂの内部は液溜まり１３の液面高さ近傍まで液出口穴３２から流入した液に満たされるため、その液が第２配管３Ｂを閉塞する作用により、流入空間１１内の気液二相流体は第２配管３Ｂを通じて密閉容器２の外部へと流出することはできない。

ここで、第１配管３Ａの液出口穴３１から気液二相流体の一部が液溜まり１３へ流出してフォーミングが発生し液面が乱れるが、筒状部２２から下覆い部２３に配設された整流板７を設けることによりフォーミングが抑制され、液面の乱れも低減される。

以上説明したように、本実施形態では、上覆い部２１による気液二相流体の向きの反転および液層Ｆ１の表面張力によってガスと液とをほぼ完全に分離することができるため、気液分離器１Ａの小型化を図ることができる。

しかも、第１配管３Ａおよび第２配管３Ｂの一方が気液二相流体の流入管として機能するときには、他方が液の出口管として機能する。そして、第１配管３Ａと第２配管３Ｂの機能は、どちらに気液二相流体を供給するかを選択するだけで、流体の性状によって自然に入れ替わる。これにより、小型化に適したシンプルな構成で双方向式を実現することができる。さらには、密閉容器２内でアクチュエータなどによって流路を切り替える必要がないので、逆止弁などを用いた従来の双方向式の気液分離器と比べ、低コスト化を図ることが可能である。

また、第１配管３Ａの液出口穴３１と第２配管３Ｂの液出口穴３２とは第１配管３Ａと第２配管３Ｂとが並ぶ方向において互いに反対向きに開口しているので、液出口穴３１，３２間での気液二相流体の短絡を抑止できる。

また、ガイド部材５の外周面が下向きに拡径するテーパー状であるので、二層流Ｆをスムーズに流通路１５に流入させつつも、ガスリッチ層Ｆ２の流速を徐々に速めることができる。

さらに、ガス出口管４の先端が上向きに開口しているので、ガイド部材５で囲まれる空間内では、ガスの流れが上向きから下向きに変更される。これにより、流れの向き変更に伴う遠心力をさらに利用してガス中に僅かに混入する液をより精度良く取り除くことができる。

また、第１配管３Ａおよび第２配管３Ｂが実質的にストレートであれば、液出口穴３１，３２を液溜まり１３の最深部付近に設けることが可能であり、液面高さが変動した場合でも、液出口穴３１，３２の位置から液溜まり１３の液面までの高さｈ_aを十分に確保することができる。これにより、気液分離器１Ａの分離性能の安定性を向上させることができる。

また、筒状部２２から下覆い部２３に配設された整流板７を設けることによりフォーミングを抑制することができ、液面の乱れも低減され、分離性能の向上を図ることができる。

次に、図５を参照して、気液分離器１Ａを用いた冷凍サイクル装置９を説明する。

この冷凍サイクル装置９は、室内の暖房および冷房を行う空調に用いられるものであり、冷媒を循環させるヒートポンプ回路９０と、冷媒をバイパスするインジェクション管９７とを備えている。

ヒートポンプ回路９０は、冷媒を圧縮する圧縮機９１、室内の空気と冷媒との間で熱交換を行う室内熱交換器９３、冷媒を膨張させる第１膨張機構９４および第２膨張機構９５、ならびに室外の空気と冷媒との間で熱交換を行う室外熱交換器９６を含む。気液分離器１Ａは、第１配管３Ａが第２膨張機構９５に接続され第２配管３Ｂが第１膨張機構９４に接続されるようにヒートポンプ回路９０に組み込まれている。

圧縮機９１は、低段作動室と高段作動室とが内部流路で接続された構成を有している。インジェクション管９７は、圧縮機９１に冷媒の圧縮中に冷媒が注入されるように気液分離器１Ａのガス出口管４と圧縮機９１の内部流路とを接続している。

さらに、ヒートポンプ回路９０には、切換手段として四方弁９２が設けられている。四方弁９２は、ヒートポンプ回路９０に流れる冷媒の流れの方向を、暖房運転時に圧縮機９１から吐出された冷媒が室内熱交換器９３に導かれる第１方向に切り換え、冷房運転時に圧縮機９１から吐出された冷媒が室外熱交換器９６に導かれる第２方向に切り換える。すなわち、暖房運転では、冷媒が室外熱交換器９６で吸熱して室内熱交換器９３で放熱し、冷房運転では、冷媒が室内熱交換器９３で吸熱して室外熱交換器９６で放熱する。なお、本発明の切換手段は四方弁９２に限られるものではなく、例えばブリッジ回路などであってもよい。

図１４に示すような従来の気液分離器１００を暖房運転と冷房運転とで冷媒の流れの向きが逆転する冷凍サイクル装置９に用いる場合は、気液分離器１００への冷媒の流入方向を一定にするための四方弁をさらに追加する必要がある。これに対し、双方向式の気液分離器１Ａを冷凍サイクル装置９に用いれば、そのような四方弁を追加する必要がなく、膨張行程の途中で気液分離器１Ａからガス冷媒を圧縮行程の途中に注入するインジェクショ
ンサイクルを実現することができる。これにより、冷媒の蒸発潜熱を用いて低温側熱源と熱交換する冷房運転時の室内熱交換器９３や暖房運転時の室外熱交換器９６の冷媒配管の圧力損失低減や、圧縮機９１の圧縮動力低減等による冷凍サイクル装置９の高効率化を実現することができる。しかも、圧縮行程の途中に注入される冷媒による冷却効果で、圧縮比の高くなる低外気温時の吐出温度を抑制することができる。これにより、圧縮機９１の回転数の上限を緩和することができるので、暖房能力の向上を図ることができる。

また、液出口穴３１，３２が小さく、かつ、冷媒の循環量が大きな場合には、液側の戻りが低下し、気液分離を達成するのが困難となる。その場合、単純に液出口穴３１，３２を大きくすると、液側の戻りが改善するが、今度は気液二相流体の流入側において、液出口穴３１，３２からの気液二相流体の流出量が増え、液溜まり１３内の液の安定性が失われ、気液分離性能を保てなくなる恐れがある。

そこで、本実施形態のように、ガイド部材５１より下方で、密閉容器２の筒状部２２から下覆い部２３の空間内に位置し、少なくとも第１配管３Ａと第２配管３Ｂが貫通してなる整流板を設けたことによって液溜まり１３内の液面安定性を向上することができ、液出口穴３１，３２をより大きくとることが可能となる。すなわち、気液分離器の流量に対する操作範囲を広げることが可能となる。

（実施の形態２）
気液分離器１Ａの構成は、上述したものに限らず、種々の変形が可能である。例えば、図６や図７に示す構成を採用することも可能である。なお、実施形態１と同一構成部分には同一符号を付して、その説明を省略する。これらの点は、後述する実施形態３〜４でも同様である。

図６に示す気液分離器１Ｂでは、第１配管３Ａおよび第２配管３Ｂが、互いに近接して配置されており、ガス出口管４が、当該ガス出口管４の先端が下向きに開口するように上覆い部２１およびガイド部材５の天井部５１を貫通して延びている。

この構成によれば、第１配管３Ａおよび第２配管３Ｂを互いに近接して配置することができるため、密閉容器２を小径化することができる。また、ガス出口管４の先端をガイド部材５で囲まれる空間の最も上方位置に配置することが可能なので、密閉容器２内で完全に分離しきれなかったミスト状の液を分離空間１２において重力でガスから分離する効果をより顕著に得ることができる。

（実施の形態３）
図７に示す気液分離器１Ｃでは、筒状部２２の内周面とガイド部材５の外周面との間に形成される流通路１５の下方に、筒状部２２の内周面に沿う筒状の分離部材６が配設されている。分離部材６としては金属や樹脂からなるメッシュ材が用いられており、分離部材６の上部と側壁部５２が概接触している。

本実施形態のように、分離部材６としてメッシュ材を用いれば、小型で分離効率の高い構成を低コストに実現することができる。メッシュ材は予め円筒状に形成されていてもよいし、帯状にカットしたメッシュ材を例えば２重または３重に円筒状に巻いて密閉容器２の内側に嵌め込んでもよい。

（実施形態４）
図８から図１０に示す実施形態４に係る気液分離器は、実施形態１の気液分離器１Ａと比べて、密閉容器２内の整流板７から下に充填材８が配設されていてこの充填材８が異なるだけであり、以下では充填材８のみについて説明する。

本実施形態では、密閉容器２の筒状部２２から下覆い部２３近傍に配置された整流板７の下方に、バネ状の充填材８が配設されている。

本実施形態のように、充填材８を用いれば、第１配管３Ａの穴３１から一部吹き出されたガス層により液溜まり１３の乱れを、整流板をつける以上に抑えることができ、さらに小型で分離効率の高い構成を低コストに実現することができる。

ここで充填材８にはバネ形状の図１０（ａ）を用いたが、メッシュ形状の図１０（ｂ）の充填材を用いてもよい。

（実施形態５）
図１１から図１３に示す実施形態５に係る気液分離器は、密閉容器２の筒状部２２から下覆い部２３の位置に、整流板と一体になった多孔質発泡材９が充填されている点が実施の形態１と異なる。

本実施形態のように、充填材と整流板が一体構成となっている多孔質発泡材９を用いれば、実施形態４の充填材による構成と比べて、充填材を整流板で押さえる必要がなく、液溜まり１３の乱れをさらに抑えることができ、構成の簡素化、しいては低コスト化で実現することができる。さらに、多孔質発泡材９として空隙率を概ね８０％以上にすることにより、密閉容器２の内容積を稼ぎつつ、液溜まり部１３の攪拌防止を効果的に行うことが可能となる。

図１３に本発明の実施形態５で用いた充填材を示す。ここでは（ａ）の多孔質発泡材９を用いたが、（ｂ）の金属たわしなどを使用してもよい。また、金属製に限らず、樹脂を用いてもよい。

以上説明した各実施の形態の気液分離器はその所期の目的を達成する範囲において種々の変形が可能であるとともに、それらを組み合わせた構成とすることも可能であり、いずれの形態でも冷凍サイクル装置に適用可能である。

１Ａ〜１Ｇ 気液分離器
１１ 流入空間
１２ 分離空間
１３ 液たまり
２ 密閉容器
２１ 上覆い部
２２ 筒状部
２３ 下囲い部
３Ａ 第１配管
３Ｂ 第２配管
３１，３２ 液出口穴
４ ガス出口管
５ ガイド部材
６ 分離部材
７ 整流板
８ 充填材
９ 冷凍サイクル装置
９０ ヒートポンプ回路
９１ 圧縮機
９２ 四方弁
９３ 室内熱交換器
９４ 第１膨張機構
９５ 第２膨張機構
９６ 室外熱交換器
９７ インジェクション管

Claims (10)

1. 上向きに噴射される気液二相流体を拡散させながら下向きに誘導することにより前記気液二相流体中に含まれる液を内側面に付着させて前記気液二相流体を液層とガスリッチ層の二層流に変換する上覆い部、前記液相を内周面に沿って流下させる筒状部、および、前記液層を保持して液溜まりを形成する下覆い部を含む密閉容器と、
   前記密閉容器内に配置され、前記上覆い部との間に流入空間を形成するとともに前記密閉容器の内周面との間に前記二層流を通過させる流通路を形成し、前記ガスリッチ層を前記密閉容器の内周面に沿って流下するようにガイドするガイド部材と、
   先端が前記流入空間内に開口するように前記下覆い部および前記ガイド部材を貫通して延び、前記液溜まりに浸る部分に液出口穴が設けられた第１配管と、
   先端が前記流入空間内に開口するように前記下覆い部および前記ガイド部材を貫通して延び、前記液溜まりに浸る部分に液出口穴が設けられた第２配管と、
   前記液層の表面張力によって前記ガスリッチ層から液が取り除かれたガスを前記密閉容器の外部に流出させるためのガス出口管とを備え、
   前記第１配管および前記第２配管は、どちらが前記気液二相流体を前記密閉容器の外部から前記流入空間へ流入させるときでも、他方が内部の前記液出口穴よりも上側に液面を形成しつつ前記液溜まりの液を前記液出口穴から前記密閉容器の外部へ流出させるように構成された、気液分離器。
2. ガイド部材はその外周面が下向きに拡径するテーパー状である請求項１に記載の気液分離器。
3. 第１配管および前記第２配管は並行に配置するとともに、それぞれに設けられた液出口穴は配管の並ぶ方向において互いに反対向きに開口された請求項１または２に記載の気液分離器。
4. 第１配管および前記第２配管は互いに近接して配置され、ガス出口管は当該ガス出口管の先端が下向きに開口するように上覆い部およびガイド部材の天井部を貫通して延びている請求項１〜３のいずれか１項に記載の気液分離器。
5. 密閉容器の内周面とガイド部材の外周面との間に形成される流通路の下方に、密閉容器内周面に沿う筒状の分離部材を配設した請求項１〜４のいずれか１項に記載の気液分離器。
6. ガイド部材より下方で、密閉容器の筒状部から下覆い部の空間内に位置し、少なくとも第１配管と第２配管が貫通してなる整流板を備えている請求項１〜５のいずれか１項に記載の気液分離器。
7. 密閉容器の整流板の下に充填材を充填した請求項１〜６のいずれか１項に記載の気液分離器。
8. 充填材に、整流板と一体になった多孔質発泡材を用いた請求項１〜７のいずれか１項に記載の気液分離器。
9. 多孔質の発泡材の空隙率は略８０％以上にした請求項８に記載の気液分離器。
10. 冷媒を圧縮する圧縮機、室内の空気と冷媒との間で熱交換を行う室内熱交換器、冷媒を膨張させる第１膨張機構および第２膨張機構、ならびに室外の空気と冷媒との間で熱交換を行う室外熱交換器を含むとともに、上記請求項１〜８のいずれか１項に記載の気液分離器であって、第１配管が前記第２膨張機構に接続され第２配管が前記第１膨張機構に接続さ
    れた気液分離器を含むヒートポンプ回路と、
    前記圧縮機に冷媒の圧縮中に冷媒が注入されるように前記気液分離器の前記ガス出口管と前記圧縮機とを接続するインジェクション管と、
    前記ヒートポンプ回路に流れる冷媒の流れの方向を、暖房運転時に前記圧縮機から吐出された冷媒が前記室内熱交換器に導かれる第１方向に切り換え、冷房運転時に前記圧縮機から吐出された冷媒が前記室外熱交換器に導かれる第２方向に切り換える切換手段と、
    を備えた、冷凍サイクル装置。