JP4899641B2

JP4899641B2 - 混合流体分離装置

Info

Publication number: JP4899641B2
Application number: JP2006149396A
Authority: JP
Inventors: 淳中村; 久保山　　公道
Original assignee: Fuji Electric Retail Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Retail Systems Co Ltd
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2026-05-30
Also published as: JP2007322001A

Description

本発明は、互いに比重の異なる複数の流体が混合した混合流体を分離するための混合流体分離装置に関するものである。

冷凍サイクルに使用される混合流体分離装置は、互いに比重の異なる気相冷媒および液相冷媒が混合した混合冷媒を一旦貯留するタンク形状の貯留部を備えている。この混合流体分離装置では、比較的比重の小さい気相冷媒が貯留部の上部に滞留する一方、比較的比重の大きい液相冷媒が貯留部の下部に滞留することになる。さらに貯留部の下部に滞留した液相冷媒は、両者の比重の差により分離し、上層に貯留する液冷媒と下層に貯留する機械油となる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１１１２１０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の混合流体分離装置では、混合冷媒を貯留させた状態で互いに比重の異なる流体を分離するものであるため、分離効率を高めるためには大型のタンクが必要となる。この結果、大型のタンクを設置するための大きなスペースが必要となり、設置個所が制限される等の問題を招来することになる。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、大型化を招来することなく混合流体を効率良く分離することのできる混合流体分離装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係る混合流体分離装置は、互いに比重の異なる複数の流体が混合した混合流体を分離するための装置であって、内部に混合流体を送流させる第一内管、および第一内管の外周を囲繞する第一外管を有し、前記第一内管の周壁に径外方向に向く複数の貫通孔を設けつつ、上下に向けた所定軸線の周りに第一内管および第一外管を共に螺旋状に形成した第一分離手段と、前記第一外管の下流に連通してあり上下方向に沿って配置した下端を閉塞して当該下端から所定高さの位置の側部に分岐配管を設けた第二外管、および前記第一内管の下流に連通してあり前記第二外管に沿って内挿して前記分岐配管よりも下方の位置の周壁に貫通孔を設けた第二内管を有し、分岐配管よりも上方の位置で第二内管および第二外管を共に螺旋状に形成した第二分離手段とを備え、前記第一分離手段の螺旋を所定傾斜とし、前記第二分離手段の螺旋を前記所定傾斜よりも緩く形成したことを特徴とする混合流体分離装置。

本発明に係る混合流体分離装置によれば、内部に混合流体を送流させる内管と、内管の外周を囲繞する外管とを有し、内管の周壁に径外方向に向く複数の貫通孔を設けつつ、内管および外管を共に螺旋状に形成した。このため、比重の大きな流体が貫通孔から外管に移動する分離流力を作用させ、比重の小さい流体を内管に残すため、混合流体を貯留させることなく効率的に分離することが可能となる。この結果、大型化を招来することなく混合流体を効率良く分離することができる。

特に、内管の周壁に径外方向に向く複数の貫通孔を設けてある。このため、内管に送流された混合流体が高流量の場合に螺旋による遠心力からなる分離流力を主に利用して螺旋の径外方向の貫通孔から外管に流体を移動させる。一方、内管に送流された混合流体が低流量の場合には、重力からなる分離流力を主に利用して鉛直方向の貫通孔から外管に流体を移動させる。この結果、流量に影響されずに混合流体を効率良く分離することができる。

また、本発明に係る混合流体分離装置によれば、上下方向に沿って配置した下端を閉塞して当該下端から所定高さの位置の側部に分岐配管を設けて内部に混合流体を送流させる外管と、外管に沿って内挿して分岐配管よりも下方の位置の周壁に貫通孔を設けて内部に他の流体を送流させる内管とを有し、分岐配管よりも上方の位置で内管および外管を共に螺旋状に形成した。このため、分岐配管よりも下側の閉塞部位に比較的比重の大きい流体を貯留しつつ、分岐配管から比較的比重の小さい流体を送流する。さらに、貯留した流体を貫通孔を介して内管に送流させる。特に、混合流体を螺旋状部分に貯めつつ送流させる。この結果、大型化を招来することなく混合流体を効率良く分離することができる。

また、本発明に係る混合流体分離装置によれば、内部に混合流体を送流させる第一内管、および第一内管の外周を囲繞する第一外管を有し、第一内管の周壁に径外方向に向く複数の貫通孔を設けつつ、上下に向けた所定軸線の周りに第一内管および第一外管を共に螺旋状に形成した第一分離手段と、第一外管の下流に連通してあり上下方向に沿って配置した下端を閉塞して当該下端から所定高さの位置の側部に分岐配管を設けた第二外管、および第一内管の下流に連通してあり第二外管に沿って内挿して分岐配管よりも下方の位置の周壁に貫通孔を設けた第二内管を有し、分岐配管よりも上方の位置で第二内管および第二外管を共に螺旋状に形成した第二分離手段とを備え、第一分離手段の螺旋を所定傾斜とし、第二分離手段の螺旋を所定傾斜よりも緩く形成した。このため、第一分離手段では、比重の大きな流体が貫通孔から外管に移動する分離流力を作用させ、比重の小さい流体を内管に残す。また、第二分離手段では、分岐配管よりも下側の閉塞部位に比較的比重の大きい流体を貯留しつつ、分岐配管から比較的比重の小さい流体を送流し、さらに貯留した流体を貫通孔を介して内管に送流させる。この結果、混合流体を貯留させることなく効率的に分離する。大型化を招来することなく混合流体を効率良く分離することができる。特に、第一分離手段の螺旋を所定傾斜とし、第二分離手段の螺旋を所定傾斜よりも緩く形成したことにより、第二分離手段の傾斜を緩く形成した分、混合流体を螺旋状部分に貯めつつ送流させ、かつ、装置全体の高さを低く抑えることで、装置の小型化を図ることができる。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る混合流体分離装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

まず、本発明に係る混合流体分離装置を適用する冷媒回路について説明する。図１は本発明に係る混合流体分離装置を適用した冷媒回路を例示する概略図である。図１に示すように冷媒回路は、主に、圧縮機５１、ガスクーラ（放熱器）５２、エジェクタ５３、混合流体分離装置５４、蒸発器５５および内部熱交換器５６を接続して、冷媒を循環可能な冷媒循環経路を形成したものである。循環させる冷媒としては、例えばＨＦＣ冷媒（ハイドロフルオロカーボン）または二酸化炭素を使用している。特に、二酸化炭素は、不燃性、不腐食性を有し、さらにオゾン層への影響が少ない冷媒であり、冷媒回路に使用するのに適している。

圧縮機５１は、気相冷媒を圧縮して高温高圧の状態としてガスクーラ５２に供給するものである。圧縮機５１としては、レシプロ圧縮機、ロータリー圧縮機、スクロール圧縮機などがある。また、これらの圧縮能力を調整可能なインバータ圧縮機などがある。そして、冷媒回路を配設する対象、環境、あるいは、冷媒回路のコストなどに見合う圧縮機を適宜適用すればよい。

ガスクーラ５２は、圧縮機５１から供給される高温高圧の気相冷媒を放熱させるためのものである。ガスクーラ５２は、例えば銅管とアルミフィンとで構成したフィンチューブタイプのものを使用してある。図１には明示しないが、ガスクーラ５２には、ガスクーラファンが設けてある。ガスクーラファンは、ガスクーラ５２を送風によって冷却するためのものであり、ファンモータによって駆動される。

エジェクタ５３は、ガスクーラ５２から供給される液相冷媒を利用した吸引作用によって蒸発器５５側からの冷媒を吸引するとともに、昇圧作用によって圧縮機５１に至る吸入圧を上昇させるものである。図１に示すように、エジェクタ５３は、二相流噴射型エジェクタを使用してあり、ノズル部５３１、混合部５３２およびディフューザ部５３３からなる。ノズル部５３１は、ガスクーラ５２を介した高圧の冷媒を減圧して加速することで蒸発器５５を介した低圧の冷媒を吸引する。このノズル部５３１は、高圧の冷媒を減圧するためのノズル径を調節するノズル弁５３１ａを有している。混合部５３２は、高圧冷媒に対して低圧冷媒を混合する。ディフューザ部５３３は、混合した混合冷媒を昇圧して吐出する。

混合流体分離装置５４は、エジェクタ５３から供給される混合流体としての混合冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離し、混合流体として油を含む液相冷媒をさらに液相冷媒と油とに分離するためのものである。そして、混合流体分離装置５４は、分離した気相冷媒および油を一緒に圧縮機５１に帰還させる一方で、液相冷媒を蒸発器５５に供給する。

蒸発器５５は、混合流体分離装置５４から供給される液相冷媒を蒸発させて、周囲の熱を吸収することによって周囲温度を冷却するためのものである。この蒸発器５５は、例えば自動販売機、冷蔵庫、冷凍ショーケース・冷蔵ショーケース、あるいは飲料ディスペンサなどにおける断熱構造の冷却庫の内部に配置される。特に、図１は自動販売機についてのサイクルを示しており、複数の商品収容庫（冷却庫）をそれぞれ独立して冷却するために、各商品収容庫に配置する蒸発器５５（５５ａ，５５ｂ，５５ｃ）が記載されている。蒸発器５５ａ，５５ｂ，５５ｃは、混合流体分離装置５４から３方に分岐したそれぞれの経路に並列して接続してある。また、分岐した各経路において各蒸発器５５ａ，５５ｂ，５５ｃの入口側には、開閉弁としての電磁弁５５１ａ，５５１ｂ，５５１ｃがそれぞれ設けてある。そして、各電磁弁５５１ａ，５５１ｂ，５５１ｃを選択的に開放することで、各蒸発器５５ａ，５５ｂ，５５ｃに混合流体分離装置５４からの液相冷媒が供給される。また、各蒸発器５５ａ，５５ｂ，５５ｃの出口側の経路は、互いに集合してエジェクタ５３におけるノズル部５３１の吸入側に接続してある。

なお、内部熱交換器５６は、エジェクタ５３に供給される高圧の液相冷媒と低圧の気相冷媒との相互の熱交換を行うためのものである。内部熱交換器５６は、ガスクーラ５２とエジェクタ５３との間、および蒸発器５５とエジェクタ５３との間に設けてある。

また、上述した冷媒回路において、図１に示すように、混合流体分離装置５４と蒸発器５５との間であって、混合流体分離装置５４の出口側で各蒸発器５５（５５ａ，５５ｂ，５５ｃ）に分岐する以前の部位には、電子膨張弁５７が設けてある。

次に、混合流体分離装置５４について説明する。図２は本発明に係る混合流体分離装置を示す構成図、図３は図２で示す気液分離部の断面図である。

図２に示すように混合流体分離装置５４は、気液分離部（第一分離手段）５４１および液油分離部（第二分離手段）５４２を備えている。気液分離部５４１は、内管（第一内管）５４１１と外管（第一外管）５４１２とを有している。内管５４１１は、管部材からなり、その上流端５４１１ａを冷媒回路におけるエジェクタ５３の吐出側（ディフューザ部５３３）に接続してある。また、内管５４１１の管壁（周壁）には、貫通孔５４１１ｂが設けてある。この貫通孔５４１１ｂは、図３に示すように内管５４１１の径外方向（例えば図３における上下左右方向）に向く態様で複数設けてあり、かつ内管５４１１の延在方向に沿って複数設けてある。一方、外管５４１２は、管部材からなり、内管５４１１の貫通孔５４１１ｂを設けた部位を囲繞しつつ、内管５４１１の上流端５４１１ａ側に位置する上流端５４１２ａを閉塞して内管５４１１と共に２重配管構造をなしている。この気液分離部５４１は、上下に向けた所定軸線Ｏの周りに内管５４１１および外管５４１２を螺旋状に形成してある。

液油分離部５４２は、内管（第二内管）５４２１と外管（第二外管）５４２２とを有している。内管５４２１および外管５４２２は、管部材からなり外管５４２２に内管５４２１を内挿した２重管構造をなしている。外管５４２２には、その下流端５４２２ａ側において、上下方向（特に鉛直方向）に沿って配置した下端から所定高さ上方の位置の側部に連通した分岐配管（方向転換部）５４２３が設けてある。この分岐配管５４２３は、冷媒回路における電子膨張弁５７に接続してある。また、外管５４２２には、その下流端５４２２ａ側において、上下方向（特に鉛直方向）に沿って配置した下端を閉塞してなる貯留部５４２２ｂが設けてある。すなわち、ここでの貯留部５４２２ｂは、外管５４２２の閉塞した下流端５４２２ａから、分岐配管５４２３の下方に至り設けた閉塞域からなる。一方、外管５４２２に内挿されている内管５４２１の下流端５４２１ａ側は、貯留部５４２２ｂに至り、当該貯留部５４２２ｂを通過して外管５４２２の閉塞した下端より外管５４２２の外側に引き出して設けてある。また、分岐配管５４２３よりも下方の位置であって貯留部５４２２ｂを通過する内管５４２１の内壁には、貫通孔５４２１ｂが設けてある。また、外管５４２２の外側に引き出された内管５４２１の下流端５４２１ａは、冷媒回路における圧縮機５１の吸入側に接続してある。この液油分離部５４２は、分岐配管５４２３よりも上方の位置で、上記所定軸線Ｏの周りに内管５４２１および外管５４２２を螺旋状に形成してある。

なお、本実施の形態での液油分離部５４２は、気液分離部５４１の２重配管構造をなしたまま、当該気液分離部５４１の下流側に連続して形成してある。すなわち、内管（第一内管）５４１１と内管（第二内管）５４２１とを一連の管部材で構成してあり、かつ外管（第一外管）５４１２と外管（第二外管）５４２２とを一連の管部材で構成してある。そして、気液分離部５４１での螺旋を水平線Ｌに対して所定傾斜θ１とし、液油分離部５４２での螺旋を前記所定傾斜θ１よりも緩い傾斜θ２としてある。

以下、上記混合流体分離装置５４の作用について説明する。冷媒回路のエジェクタ５３は、一定の流速で混合冷媒を気液分離部５４１の内管５４１１に供給する。

気液分離部５４１の螺旋状の部位を通過する混合冷媒には、分離流力が作用する。分離流力としては、遠心力，慣性力，重力，圧力差などがある。この分離流力は、図３に示すように、気相冷媒に比べて比重の大きい液相冷媒を内管５４１１の曲率半径外側方向に偏らせる。そして、液相冷媒は、内管５４１１に設けた貫通孔５４１１ｂを介して外管５４１２に移送される。これに対して比重の小さい気相冷媒は、内管５４１１内に留まることになる。この結果、混合冷媒が分離し、気相冷媒が内管５４１１に送流される一方、液相冷媒が外管５４１２に送流される。なお、混合冷媒には、圧縮機５１において機械的摩擦を緩和するための冷凍機油（油）が含まれている。この冷凍機油は、気相冷媒に比べて比重が大きいため、液相冷媒とともに外管５４１２に送流される。

液油分離部５４２では、上記気液分離部５４１の外管５４１２に連通する外管５４２２の螺旋状部分に液相冷媒および冷凍機油が送流される一方、気液分離部５４１の内管５４１１に連通する内管５４２１の螺旋状部分に気相冷媒が送流される。そして、外管５４２２において、比較的比重の大きい冷凍機油は慣性力および重力の作用によって貯留部５４２２ｂに貯留される。一方、比較的比重の小さい液相冷媒は分岐配管５４２３に送流される。また、外管５４２２の貯留部５４２２ｂには、貫通孔５４２１ｂを設けた内管５４２１が通過しており、この内管５４２１には上述のごとく気相冷媒が送流されている。このため、貯留部５４２２ｂに貯留した冷凍機油は、貫通孔５４２１ｂから内管５４２１の内部に移動して気相冷媒とともに内管５４２１の内部に送流される。

このように、上述した混合流体分離装置５４では、気液分離部５４１において、内管５４１１を螺旋状に形成しているので、内管５４１１の内部を送流する混合冷媒に分離流力（遠心力など）を作用させることになる。この分離流力は、エジェクタ５３から混合冷媒が高速で吐出されることで、この吐出速度を利用して適宜得られる。

そして、液相冷媒と気相冷媒とを分離させる構成として内管５４１１と外管５４１２とを２重管構造とし、この２重管を螺旋状に形成し、内管５４１１に貫通孔５４１１ｂを設けたことで、分離流力によって比較的比重の大きい液相冷媒が外管５４１２に移動して送流される一方、比較的比重の小さい気相冷媒が内管５４１１に残って送流される。この結果、液相冷媒と気相冷媒とを分離することができる。この場合、気相冷媒と液相冷媒とがそれぞれ内管５４１１と外管５４１２とに分離して送流されるので、気相冷媒と液相冷媒（および冷凍機油）とを液油分離部５４２に対して容易に移送することが可能である。

特に、気液分離部５４１において、内管５４１１に設けた貫通孔５４１１ｂは、内管５４１１の径外方向に向く態様で複数設けてある。このため、混合冷媒が低流量である場合、遠心力および慣性力が小さくなって分離性能が低下するが、このような場合であっても図３に示すように下方に向く貫通孔５４１１ｂから比較的比重の大きい液相冷媒および冷凍機油を外管５４１２に移動させることになる。この結果、混合冷媒が低流量であっても気相冷媒と液相冷媒（および冷凍機油）との分離性能を維持することが可能になる。

また、上述した混合流体分離装置５４では、液油分離部５４２において、外管５４２２の下流端５４２２ａを閉塞した貯留部５４２２ｂを設け、この貯留部５４２２ｂの上方である外管５４２２の側部に分岐配管５４２３を設けた。このため、比較的比重の大きい冷凍機油が貯留部５４２２ｂに貯留し、比較的比重の小さい液相冷媒が分岐配管５４２３に送流される。この結果、液相冷媒と冷凍機油とを分離することができる。この場合、管部材に貯留部５４２２ｂを有するため、従来例のごとく液相冷媒を貯留するためのタンク型形状の貯留部を備える必要がなく、液油分離部５４２を設置するためのスペース効率を向上することが可能になる。

特に、液油分離部５４２において、分岐配管５４２３よりも上方の位置で内管５４２１および外管５４２２を共に螺旋状に形成してある。このため、貯留部５４２２ｂに至る以前の螺旋部分に液相冷媒および冷凍機油を貯えることになるので、気液分離部５４１で分離された液相冷媒および冷凍機油を貯留する貯留容積をタンク型とすることなく得ることが可能になる。さらに、液油分離部５４２の螺旋の傾斜θ２を気液分離部５４１の螺旋の所定傾斜θ１よりも緩く形成したことで、液油分離部５４２を設置するためのスペース効率をさらに向上することが可能になる。ここで、気液分離部５４１では、外管５４１２に分離した液相冷媒および冷凍機油を重力によって下方に送流するために所定傾斜θ１（以上）の傾斜を必要とする。一方、液油分離部５４２では、分離した液相冷媒および冷凍機油を貯留するため、その螺旋の傾斜θ２に所定傾斜θ１程の傾斜を必要としない。

そして、貯留部５４２２ｂを通過する内管５４２１の周壁に貫通孔５４２１ｂを設けてあるので、分離した冷凍機油を内管５４２１の内部に移動させて、内管５４２１の内部を送流する気相冷媒に合わせて冷凍機油を一緒に圧縮機５１に送流させることができる。これにより、冷凍機油を圧縮機５１に供給することができ、圧縮機５１の磨耗等による損傷を防止することができる。

さらに、液相冷媒の逆流する分岐配管５４２３を蒸発器５５側に接続しているので、冷凍サイクルを効率よく作動させることができる。また、内管５４２１の下流端５４２１ａを圧縮機５１に接続しているので、圧縮機５１への液相冷媒の送流がないため、圧縮機５１での液圧縮による故障を防止することができる。

なお、上述した実施の形態で説明した混合流体分離装置は、混合流体として液相冷媒と気相冷媒との混合物、並びに液相冷媒と冷凍機油との混合物を例示しているが、その他の互いに比重の異なる混合流体を分離する場合にも適用することが可能である。

本発明に係る混合流体分離装置を適用した冷媒回路を例示する概略図である。本発明に係る混合流体分離装置を示す構成図である。図２で示す気液分離部の断面図である。図２に示す液油分離部の作用を示す断面図である。

符号の説明

５１圧縮機
５２ガスクーラ（放熱器）
５３エジェクタ
５３１ノズル部
５３１ａノズル弁
５３２混合部
５３３ディフューザ部
５４混合流体分離装置
５４１気液分離部
５４１１内管
５４１１ａ上流端
５４１１ｂ貫通孔
５４１２外管
５４１２ａ上流端
５４２液油分離部
５４２１内管
５４２１ａ下流端
５４２１ｂ貫通孔
５４２２外管
５４２２ａ下流端
５４２２ｂ貯留部
５４２３分岐配管
５５（５５ａ，５５ｂ，５５ｃ）蒸発器
５５１（５５１ａ，５５１ｂ，５５１ｃ）電磁弁
５６内部熱交換器
５７電子膨張弁（膨張弁）
Ｌ水平線
Ｏ所定軸線
θ１所定傾斜
θ２傾斜

Claims

互いに比重の異なる複数の流体が混合した混合流体を分離するための装置であって、
内部に混合流体を送流させる第一内管、および第一内管の外周を囲繞する第一外管を有し、前記第一内管の周壁に径外方向に向く複数の貫通孔を設けつつ、上下に向けた所定軸線の周りに第一内管および第一外管を共に螺旋状に形成した第一分離手段と、
前記第一外管の下流に連通してあり上下方向に沿って配置した下端を閉塞して当該下端から所定高さの位置の側部に分岐配管を設けた第二外管、および前記第一内管の下流に連通してあり前記第二外管に沿って内挿して前記分岐配管よりも下方の位置の周壁に貫通孔を設けた第二内管を有し、分岐配管よりも上方の位置で第二内管および第二外管を共に螺旋状に形成した第二分離手段と
を備え、前記第一分離手段の螺旋を所定傾斜とし、前記第二分離手段の螺旋を前記所定傾斜よりも緩く形成したことを特徴とする混合流体分離装置。