JP2013139908A - 気液分離器及び冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気液分離器の気液分離効率を向上させる。
【解決手段】気液分離器（5）は、気液分離室（51d）に気液二相冷媒を流入させる流入管（52）と、気液分離室（51d）の気相部（51f）から気液分離処理した冷媒を流出させる第２流出管（54）とを備えている。流入管（52）には、エジェクタ（4）が接続される。そうして、第２流出管（54）とエジェクタ（4）の吸引部（42）とを連通管（55）を介して連通させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、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、及びそれを備えた冷凍装置に関する。

従来より、気液二相流体を気液分離することができる気液分離器が知られている。

例えば特許文献１には、表面張力作用により気液二相冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離することができる小形で高性能の気液分離器が開示されている。

特許第４２６８９９４号公報

ところで、冷凍装置に設けられる気液分離器は、とりわけ、気液分離効率が追求され、気液分離効率の高さが、冷凍装置の能力を左右する。しかしながら、前記特許文献１に開示された気液分離器は、高性能であるといっても小形であるため、気液分離効率が不十分になり、多くの液冷媒がガス冷媒と共に流出する虞がある。これを防止するには、気液分離器を大きくすることが考えられるが、こうすることで冷凍装置に気液分離器を設置するための広いスペースを確保しなければならなくなる。従って、小形に構成した場合であっても十分な気液分離効率を得ることができるように、気液分離器の気液分離効率を向上させる必要があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、例えば冷凍装置に利用される気液分離器の気液分離効率を向上させることである。

第１の発明は、冷媒が循環して冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）に接続される気液分離器であって、気液二相冷媒を旋回させて該気液二相冷媒を気液分離処理する気液分離室（51d）と、前記気液分離室（51d）に気液二相冷媒を流入させる流入管（52）と、前記気液分離室（51d）の液相部（51e）から液冷媒を流出させる第１流出管（53）と、前記気液分離室（51d）の気相部（51f）から気液分離処理した冷媒を流出させる第２流出管（54,154）とを備え、前記流入管（52）には、前記冷媒回路（10）からの気液二相冷媒を減圧加速するノズル部（41）と、該ノズル部（41）から噴射される冷媒流により冷媒を吸引する吸引部（42）と、前記ノズル部（41）から噴射される冷媒と前記吸引部（42）から吸引した冷媒とを混合して噴出させる噴出部（43,44）とを有するエジェクタ（4）が接続され、前記第２流出管（54,154）とエジェクタ（4）の吸引部（42）とは、連通管（55）を介して連通していることを特徴とする。

この構成によると、流入管（52）から気液分離室（51d）に気液二相冷媒が流入し、該気液分離室（51d）で気液二相冷媒が気液分離処理される。そうして、第１流出管（53）から液冷媒が気液分離室（51d）外に流出する一方、第２流出管（54,154）から気相部（51f）の冷媒が気液分離室（51d）外に流出する。ここで、気液分離室（51d）で気液二相冷媒をガス冷媒と液冷媒とに完全に分離することは、ほとんど不可能であり、特に、小形の気液分離器では気液分離効率が悪くなる。そのため、第２流出管（54,154）からは、ガス冷媒と共に液冷媒が流出することになる。

そうして、第２流出管（54,154）を流れる冷媒の一部が連通管（55）を通って吸引部（42）からエジェクタ（4）に流入する。エジェクタ（4）では、噴出部（43）で冷媒回路（10）からの気液二相冷媒と第２流出管（54,154）からの冷媒とが混合され、該混合された冷媒が噴出部（44）から流入管（52）に噴出される。ここで、噴出部（43）で冷媒回路（10）からの気液二相冷媒と第２流出管（54,154）からの冷媒とが混合されるため、エジェクタ（4）を介さずに直接、冷媒回路（10）から流入管（52）に冷媒が流入した場合に比べて、流入管（52）を流れる冷媒の流量が増加し、その結果、流入管（52）を流れる冷媒の流速が早くなる。そうして、流入管（52）から前記混合された冷媒が気液分離室（51d）に早い流速で流入し、該気液分離室（51d）で気液分離される。

第２の発明は、第１の発明において、前記第２流出管（154）は、上下方向に延びると共に上端が前記気液分離室（51d）の気相部（51f）に位置する第１出口部（154a）と、上下方向に延びると共に上端が前記気液分離室（51d）外に位置する第２出口部（154c）と、これら第１及び第２出口部（154a,154c）の下端同士を連結する下端連結部（154b）とを有し、前記連通管（55）は、前記第２流出管（54）の下端連結部（154b）に接続されていることを特徴とする。

この構成によると、気液分離室（51d）の気相部（51f）から気液分離処理された冷媒が第１出口部（154a）から第２流出管（154）に流入し、下端連結部（154b）を通って第２出口部（154c）から気液分離室（51d）外に流出する。ここで、冷媒が下端連結部（154b）を通過するときに、冷媒の流れ方向が大きく異なることになるため、第２流出管（154）を流れる冷媒から液冷媒が分離され、該分離された液冷媒が下端連結部（154b）に溜まる。そして、この下端連結部（154b）から冷媒が連通管（55）を介してエジェクタ（4）に吸引される。

第３の発明は、冷凍装置を対象とし、第１又は２の発明の気液分離器を備えていることを特徴とする。

第１の発明によれば、第２流出管（54,154）を流れる冷媒の一部が気液分離室（51d）に戻され、該気液分離室（51d）で気液分離処理されるから、気液分離器の気液分離効率が向上する。

また、流入管（52）から気液二相冷媒が早い速度で気液分離室（51d）に流入するため、該気液分離室（51d）に流入した気液二相冷媒が高速で旋回する。その結果、気液二相冷媒の旋回に伴う遠心力が大きくなり、気液分離器（5）の気液分離効率が向上する。

従って、気液分離器を小形に構成した場合であっても、十分な気液分離効率を得ることができる。

第２の発明によれば、液冷媒が溜まる下端連結部（154b）から第２流出管（154）を流れる冷媒がエジェクタ（4）に吸引されるから、液冷媒を多く含んだ冷媒が第２流出管（154）から気液分離室（51d）に戻されて気液分離される。従って、気液分離器の気液分離効率がさらに向上する。

第３の発明によれば、気液分離器を小形に構成することができるから、気液分離器を設置するためのスペースを小さくして冷凍装置をコンパクトにすることができる。

図１は、実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路図である。 図２は、気液分離器の斜視図である。 図３は、気液分離器の流入管にエジェクタが接続された状態を示す図である。 図４は、変形例に係る図３相当図である。

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。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。
《実施形態》
−全体構成−
図１は、本発明の実施形態に係る冷凍装置（1）の冷媒回路図である。この冷凍装置（1）は、冷媒が循環して蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を備えている。

冷媒回路（10）は、圧縮機（2）と、凝縮器（3）と、エジェクタ（4）と、気液分離器（5）と、膨張弁（6）と、蒸発器（7）とを備えている。

圧縮機（2）は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する流体機械であり、その吸入側が蒸発器（7）に接続されている一方、その吐出側が凝縮器（3）に接続されている。

凝縮器（3）は、例えばフィン・アンド・チューブ型熱交換器であり、図示しない凝縮用ファンによって送られる空気と当該凝縮器（3）内を流通する冷媒との間で熱交換を行う。凝縮器（3）は、前述したように、圧縮機（2）の吐出側に接続されていると共に、エジェクタ（4）に接続されている。

蒸発器（7）は、例えばフィン・アンド・チューブ型熱交換器であり、図示しない蒸発用ファンによって送られる空気と当該蒸発器（7）内を流通する冷媒との間で熱交換を行う。蒸発器（7）は、前述したように、圧縮機（2）の吸入側に接続されていると共に、膨張弁（6）に接続されている。

膨張弁（6）は、例えば開度調整可能な電動弁であり、冷媒を減圧する機能を有する。そして、膨張弁（6）は、前述したように、蒸発器（7）に接続されていると共に、気液分離器（5）に接続されている。

気液分離器（5）は、気液二相冷媒を旋回させて、該旋回に伴う遠心力によりガス冷媒と液冷媒とに分離する、いわゆるサイクロン式の気液分離器である。この気液分離器（5）は、図２、３に示すように、本体部（51）、流入管（52）、第１流出管（53）、第２流出管（54）を備えている。

本体部（51）は、円筒状の側壁（51a）と、該側壁（51a）の上端を閉塞する上蓋（51b）と、該側壁（51a）の下端を閉塞する下蓋（51c）とを備えた中空の円柱形状を有する。

本体部（51）の内部には、気液二相冷媒を上側から下側に旋回させながら導き、該旋回に伴う遠心力により該気液二相冷媒を気液分離処理する気液分離室（51d）が形成されている。そうして、気液分離室（51d）には、底部に液冷媒が溜まる液相部（51e）が、該液相部（51e）の上側に気相部（51f）が形成される。

流入管（52）は、気液二相冷媒を気液分離室（51d）に流入させるための管である。この流入管（52）は、一端が本体部（51）の側壁（51a）の上端側に対し接線方向に延びるように接続され、他端がエジェクタ（4）の後述するディフューザ部（44）に接続されている。

第１流出管（53）は、気液分離室（51d）の液相部（51e）から液冷媒を流出させるための管である。この第１流出管（53）は、気液分離室（51d）の液相部（51e）に突出するように、本体部（51）の側壁（51a）下端部に貫通接続されている。

第２流出管（54）は、気液分離室（51d）の気相部（51f）から気液分離処理した冷媒を流出させるための管である。この第２流出管（54）は、一端が気液分離室（51d）の気相部（51f）に突出するように、本体部（51）の下蓋（51c）に貫通接続され、他端が圧縮機（2）の圧縮室（不図示）に接続されている。

エジェクタ（4）は、ノズル部（41）、吸引部（42）、混合部（43）、及びディフューザ部（44）を備えている。この混合部（43）及びディフューザ部（44）が噴出部を構成する。

ノズル部（41）は、凝縮器（3）に接続され、該凝縮器（3）で凝縮された冷媒を減圧加速する。

吸引部（42）は、連通管（55）を介して気液分離器（5）の第２流出管（54）と連通接続され、該第２流出管（54）を流れる冷媒の一部をエジェクタ（4）内に吸引する。この第２流出管（54）からエジェクタ（4）に吸引される冷媒量は、連通管（55）の内径の大きさを調整することにより、適宜に設定されている。

混合部（43）は、ノズル部（41）から噴射された冷媒と吸引部（42）から吸引された冷媒とを混合する。

ディフューザ部（44）は、気液分離器（5）の流入管（52）に接続され、混合部（43）で混合された冷媒を減速、昇圧させて流入管（52）に噴出する。

−運転動作−
本冷凍装置（1）は、以上のように構成されており、次に冷凍装置（1）の運転動作について説明する。

冷凍装置（1）が起動すると、冷媒回路（10）では、圧縮機（2）の運転が開始されると共に膨張弁（6）の開度が適宜の状態に設定され、冷媒が図１の矢印の方向に循環する。

具体的には、冷媒は、圧縮機（2）で圧縮されて高温高圧の状態となる。圧縮機（2）で圧縮された冷媒は、凝縮器（3）を流れると共に、前記凝縮用ファンによって送られる空気と熱交換して凝縮する。

凝縮器（3）で凝縮した冷媒は、エジェクタ（4）で中間圧まで減圧されて、気液二相冷媒となって気液分離器（5）の気液分離室（51d）に流入する。より詳しくは、凝縮器（3）で凝縮した冷媒は、エジェクタ（4）のノズル部（41）に流入して、該ノズル部（41）で減圧加速される。このノズル部（41）から噴射される冷媒の加速により生じる負圧によって、第２流出管（54）を流れる冷媒の一部が吸引部（42）からエジェクタ（4）内に吸引される。そうして、ノズル部（41）から噴射された冷媒は、混合部（43）で吸引部（42）から吸引された冷媒と混合され、ディフューザ部（44）で減速、昇圧されて流入管（52）に噴出される。ここで、混合部（43）で凝縮器（3）からの気液二相冷媒と第２流出管（54）からの冷媒とが混合されるため、エジェクタ（4）を介さずに直接、凝縮器（3）から流入管（52）に冷媒が流入した場合に比べて、流入管（52）を流れる冷媒の流量が増加し、その結果、流入管（52）を流れる冷媒の流速が早くなる。そうして、前記混合された冷媒は、流入管（52）から気液分離室（51d）に早い流速で流入する。

気液分離室（51d）に流入した気液二相冷媒は、下蓋（51c）側に旋回させられながら導かれ（図２の矢印参照）、この旋回に伴う遠心力により気液分離処理される。

気液分離処理された気相部（51f）の冷媒は、第２流出管（54）から気液分離室（51d）外に流出し、圧縮機（2）にインジェクションされる。これにより、圧縮機（2）の圧縮途中の圧縮室に対し中間圧のガス冷媒が供給される。ここで、第２流出管（54）を流れる冷媒の一部は、前述したように、ノズル部（41）から噴射される冷媒流により、連通管（55）を介してエジェクタ（4）に吸引され、流入管（52）から再び気液分離室（51d）に流入して気液分離される。

気液分離室（51d）の液冷媒は、第１流出管（53）から気液分離室（51d）外に流出する。そうして、液冷媒は、膨張弁（6）を流れ、該膨張弁（6）で低圧まで減圧される。膨張弁（6）で減圧された液冷媒は、蒸発器（7）を流れると共に、蒸発用ファンによって送られる空気と熱交換して蒸発する。そうして、蒸発した冷媒は、圧縮機（2）に吸引される。

−実施形態の効果−
本実施形態によれば、第２流出管（54）を流れる冷媒の一部が気液分離室（51d）に戻されて気液分離されるから、気液分離器（5）の気液分離効率が向上する。

また、流入管（52）から気液二相冷媒が早い速度で気液分離室（51d）に流入するため、該気液分離室（51d）に流入した気液二相冷媒が高速で旋回する。その結果、気液二相冷媒の旋回に伴う遠心力が大きくなり、気液分離器（5）の気液分離効率が向上する。

従って、気液分離器（5）を小形に構成した場合であっても、十分な気液分離効率を得ることができる。

さらに、気液分離器（5）を小形に構成することができるから、気液分離器（5）を設置するためのスペースを小さくして冷凍装置（1）をコンパクトにすることができる。

《変形例》
本変形例は、図４に示すように、第２流出管の構成が上記実施形態と異なる。そこで、第２流出管の構成を中心に説明する。尚、図４において、上記実施形態と同様の構成については同一の符号を付している。

第２流出管（154）は、上下方向に延びると共に上端が気液分離室（51d）の気相部（51f）に位置する第１出口部（154a）と、上下方向に延びると共に上端が気液分離室（51d）外に位置する第２出口部（154c）と、これら第１及び第２出口部（154a,154c）の下端同士を連結する湾曲形状の下端連結部（154b）とを有するＵ字管である。

そうして、エジェクタ（4）の吸引部（42）と第２流出管（154）の下端連結部（154）とが連通管（55）で連通接続されている。

この構成によると、気液分離処理された気相部（51f）の冷媒は、第１出口部（154a）から第２流出管（154）に流入し、下端連結部（154b）を通って第２出口部（154c）から気液分離室（51d）外に流出する。ここで、冷媒が下端連結部（154b）を通過するときに、冷媒の流れ方向が大きく異なることになるため、第２流出管（154）を流れる冷媒から液冷媒が分離され、該分離された液冷媒が下端連結部（154b）の底部に溜まる。そして、この下端連結部（154b）から第２流出管（154）を流れる冷媒の一部が連通管（55）を介してエジェクタ（4）に吸引される。エジェクタ（4）に吸引された冷媒は、気液分離室（51d）に戻されて気液分離される。このように、液冷媒が溜まる下端連結部（154b）から第２流出管（154）を流れる冷媒がエジェクタ（4）に吸引されるから、液冷媒を多く含んだ冷媒が第２流出管（154）から気液分離室（51d）に戻される。従って、気液分離器の気液分離効率がさらに向上する。
《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

即ち、上記実施形態においては、冷媒循環方向が一定の冷媒回路を備えた冷凍装置としたが、これに限られず、例えば冷媒循環方向を切り換えることができる冷媒回路を備えた冷凍装置としてもよい。

本発明は、気液分離器の気液分離効率を向上させることができる点で有用である。

１ 冷凍装置
１０ 冷媒回路
２ 圧縮機
３ 凝縮器
４ エジェクタ
４１ ノズル部
４２ 吸引部
４３ 混合部（噴出部）
４４ ディフューザ部（噴出部）
５ 気液分離器
５１ 本体部
５１ｄ 気液分離室
５１ｅ 液相部
５１ｆ 気相部
５２ 流入管
５３ 第１流出管
５４、１５４ 第２流出管
５５ 連通管
１５４ａ 第１出口部
１５４ｂ 下端連結部
１５４ｃ 第２出口部

Claims (3)

1. 冷媒が循環して冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）に接続される気液分離器であって、
   気液二相冷媒を旋回させて該気液二相冷媒を気液分離処理する気液分離室（51d）と、
   前記気液分離室（51d）に気液二相冷媒を流入させる流入管（52）と、
   前記気液分離室（51d）の液相部（51e）から液冷媒を流出させる第１流出管（53）と、
   前記気液分離室（51d）の気相部（51f）から気液分離処理した冷媒を流出させる第２流出管（54,154）とを備え、
   前記流入管（52）には、前記冷媒回路（10）からの気液二相冷媒を減圧加速するノズル部（41）と、該ノズル部（41）から噴射される冷媒流により冷媒を吸引する吸引部（42）と、前記ノズル部（41）から噴射される冷媒と前記吸引部（42）から吸引した冷媒とを混合して噴出させる噴出部（43,44）とを有するエジェクタ（4）が接続され、
   前記第２流出管（54,154）とエジェクタ（4）の吸引部（42）とは、連通管（55）を介して連通していることを特徴とする気液分離器。
2. 請求項１に記載の気液分離器であって、
   前記第２流出管（154）は、上下方向に延びると共に上端が前記気液分離室（51d）の気相部（51f）に位置する第１出口部（154a）と、上下方向に延びると共に上端が前記気液分離室（51d）外に位置する第２出口部（154c）と、これら第１及び第２出口部（154a,154c）の下端同士を連結する下端連結部（154b）とを有し、
   前記連通管（55）は、前記第２流出管（154）の下端連結部（154b）に接続されていることを特徴とする気液分離器。
3. 請求項１又は２に記載の気液分離器を備えていることを特徴とする冷凍装置。

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