JP5143040B2 - 気液分離器及びこの気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
また、このような冷凍サイクル装置に搭載された従来の気液分離器としては、例えば「気液分離器14は略円筒形状の分離空間18を有している。この分離空間18には、エジェクタ13から流出した気液2相状態の冷媒が流入(図中矢印IN)する流入管路17の流入口17aが配置されている。流入口17aは分離空間18の上下方向長さの中間よりもやや上側、かつ平面視(図3)において、分離空間18に流入する2相冷媒流れが分離空間18の外周接線方向となるように開口している。分離空間18の最下部には分離した液相冷媒が流出する液流出管路19が配置されており、この液流出管路19は後述する旋回流れSに向かう液流出口19aを有している。ガス流出管路20のガス流出口20aは分離空間18内の流入口17aよりも上方に位置している。」(例えば特許文献2参照)というものも提案されている。
しかしながら、例えば特許文献1に記載の気液分離器は、冷媒が鉛直下向きに大きな速度ベクトルを有した状態で容器底面に衝突する。このため、気液分離器に流入する冷媒の流量が増加した場合、筒状本体20の底面に溜まった液相冷媒が液滴となって飛散し、気液分離器の気液分離効率が低下するという問題点があった。
しかしながら、例えば特許文献2に記載の気液分離器は、冷房運転時と暖房運転時において冷凍サイクル装置内の冷媒の流れ方向が変わった場合、気液分離の動作を実行できないという問題点があった。
図1は、本発明の実施の形態1に係る気液分離器を用いたインジェクション可能な冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。この冷凍サイクル装置100は、空気調和機や、冷凍装置や、その他の熱交換をおこなうシステムを含む。ここでは、冷凍サイクル装置100を空気調和機に用いる場合を例に示す。なお、この図1には、冷凍サイクル装置100内を流れる冷媒の流れ方向を矢印で示している。ここで、黒塗りの矢印が、冷房運転時の冷媒の流れ方向を示す。白抜きの矢印が、暖房運転時の冷媒の流れ方向を示す。
また、気液分離器5と圧縮機1のインジェクションポート10とをバイパス配管22で接続することにより、インジェクション回路が形成される。このバイパス配管22には流量調整弁8が設けられている。
図2は、本発明の実施の形態1に係る気液分離器の縦断面模式図である。また、図3及び図4は、図2のA−A断面図である。なお、図3は、冷房運転時の気液分離器5内における気相冷媒14及び液相冷媒15の流れ方向を示している。図4は、暖房運転時の気液分離器5内における気相冷媒14及び液相冷媒15の流れ方向を示している。これら図2〜図4を用いて、本実施の形態1に係る気液分離器5の構造について説明する。
続いて、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置100の運転動作について説明する。まず、冷凍サイクル装置100の冷房運転動作について説明する。
容器13内を気液二相状態の冷媒が旋回するうちに、液相冷媒15よりも密度の小さい気相冷媒14は、気液二相状態の冷媒の上側を通過するようになる。また、気相冷媒14よりも密度の大きい液相冷媒15は、気液二相状態の冷媒の底側を通過するようになる。つまり、気相冷媒14よりも密度の大きい液相冷媒15は、第2流出入配管12の近傍を通過するようになる。このため、容器13の下部に設けられた第2流出入配管12からは、第2流出入配管12の近傍に存在する液相冷媒15のみが流出するようになる。
図7は、気液分離器を搭載しない従来の冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。この図7にA’,B’,C’及びD’で示す箇所での冷媒状態は、それぞれ図5に示すA’,B’,C’及びD’の冷媒状態である。
図8は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の暖房運転時における冷媒の変遷を示す圧力−エンタルピ線図である。この図8に示すE,B,F,G,K,H及びDの冷媒状態は、それぞれ図1にE,B,F,G,K,H及びDで示す箇所での冷媒状態である。以下、図1,図2,図4及びこの図8を用いて、冷凍サイクル装置100の暖房運転動作について説明する。
容器13内を気液二相状態の冷媒が旋回するうちに、液相冷媒15よりも密度の小さい気相冷媒14は、気液二相状態の冷媒の上側を通過するようになる。また、気相冷媒14よりも密度の大きい液相冷媒15は、気液二相状態の冷媒の底側を通過するようになる。つまり、気相冷媒14よりも密度の大きい液相冷媒15は、第1流出入配管11の近傍を通過するようになる。このため、容器13の下部に設けられた第1流出入配管11からは、第1流出入配管11の近傍に存在する液相冷媒15のみが流出するようになる。
また、第2流出入配管12(第1流出入配管11)は、第1流出入配管11(第2流出入配管12)に対して、容器13の中心軸を中心に略180°回転移動した位置に設けられているので、冷房運転時に容器13に流入した気液二相状態の冷媒の流れと暖房運転時に容器13に流入した気液二相状態の冷媒の流れとは、ほぼ等しくなる。したがって、冷房運転時と暖房運転時の双方において、気液分離器5は、ほぼ同等の高い気液分離効率を有することができる。
図10は、本実施の形態1に係る気液分離器を搭載した1段圧縮サイクルの冷凍サイクル装置の一例を示す冷媒回路図である。この図10に示す冷凍サイクル装置100は、冷房運転のみ気液分離器5で気液分離を行う冷凍サイクル装置である。暖房運転時は、気液分離器5が、第2熱交換器7で凝縮液化された高圧の液相冷媒を溜める容器となる。ここで、冷房運転時には、流量調整弁8の開度を調整して、気液分離器5で気液分離された気相冷媒をバイパス配管22に流す。暖房運転時には、流量調整弁8を閉じてバイパス配管22に冷媒を流さないようにする。1段圧縮サイクルの冷凍サイクル装置100に搭載される圧縮機1は、インジェクションポート10を備えていない。このため、バイパス配管22は、圧縮機1の吸入側に接続している。また、中間圧力を設定する必要がないため、第2減圧器6を搭載していない。
なお、本実施の形態1では、第1流出入配管11の端部に形成された第1流出入口11a及び第2流出入配管12の端部に形成された第2流出入口12aは、容器13の側壁の略接線方向に向かって設けられているとしたが、第1流出入口11aおよび第2流出入口12aは、第1流出入配管11および第2流出入配管12の軸方向に傾斜していてもよく、容器13の側壁に沿って曲面となっていてもよい。
実施の形態1では、気相流出配管9を、容器13の上部の略中央部に配置した。実施の形態1に示す以外の方法で気相流出配管9を容器13に配置しても、本発明を実施することが可能である。なお、本実施の形態2において、特に記述しない項目については実施の形態1と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
実施の形態1及び実施の形態2に示す以外の方法で第1流出入配管11及び第2流出入配管12を容器13に配置しても、本発明を実施することが可能である。なお、本実施の形態3において、特に記述しない項目については実施の形態1又は実施の形態2と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
また、本実施の形態3では気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置100を説明しなかったが、実施の形態3に示す気液分離器5を冷凍サイクル装置100に搭載することで、実施の形態1と同様の効果が得られることは明らかである。
第1流出入配管11及び第2流出入配管12は、容器13の上部を貫通するように配置してもよい。なお、本実施の形態4において、特に記述しない項目については実施の形態1〜実施の形態3と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
気相流出配管9は、容器13の側壁を貫通するように配置してもよい。なお、本実施の形態5において、特に記述しない項目については実施の形態1〜実施の形態4と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
気相流出配管9は、容器13の側壁の接線方向に沿って配置してもよい。なお、本実施の形態6において、特に記述しない項目については実施の形態1〜実施の形態5と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
第1流出入配管11及び第2流出入配管12は、以下のように容器13に配置してもよい。なお、本実施の形態7において、特に記述しない項目については実施の形態1〜実施の形態6と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
また、第1流出入配管11及び第2流出入配管12は、以下のように容器13に配置してもよい。なお、本実施の形態8において、特に記述しない項目については実施の形態1〜実施の形態7と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
実施の形態9では、液滴捕獲部23を容器13の上部近傍に配置した。特に記述しない項目については実施の形態1〜実施の形態8と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
図25は、本発明の実施の形態9に係る気液分離器の別の一例を示す縦断面模式図である。液滴捕獲部23は、気相流出配管9(より詳しくは気相流出配管9の気相流出口9a近傍)に設けられている。このように液滴捕獲部23を設けても、気相冷媒14中に液滴冷媒が飛散した際、気相冷媒14のみが気相流出配管9から流出するようになる。したがって、液滴捕獲部23を容器13内に設けたことにより、気液分離器5の気液分離効率をさらに向上させることができる。なお、液滴捕獲部23を容器13の上部付近で気相流出配管9の下となる位置と気相流出配管9との両方に設けてもかまわない。この場合、気相冷媒14中に飛散した液滴冷媒が液滴捕獲部23で捕獲される確率が増加するため、気液分離器5の気液分離効率をさらに向上することができる。
図26は、本発明の実施の形態10に係る気液分離器を用いたインジェクション可能な冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。また、図27は、本実施の形態10に係る気液分離器の縦断面模式図である。特に記述しない項目については実施の形態1〜実施の形態9と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
続いて、本実施の形態10に係る冷凍サイクル装置100の運転動作について説明する。まず、冷凍サイクル装置100の冷房運転動作について説明する。
また、例えば、図31に示すように、渦巻き状にした配管を液相の冷媒が存在する容器13の底部に配置することで冷媒−冷媒熱交換器24を形成することができる。この場合、容器13の底部で旋回する冷媒液と、冷媒−冷媒熱交換器24を流れる低温低圧の気液二相状態または気相の冷媒とが効率よく熱交換され、冷媒−冷媒熱交換器24における熱交換量が増加する。また、旋回流れを乱す影響が少ないため、気液分離器5の気液分離効率も向上する。
また、冷媒−冷媒熱交換器24を容器13の内側ではなく、容器13の外側に配置してもよい。例えば、図32に示すように、容器13の側壁外側で、液相の冷媒が存在する容器13の底部付近に配管を巻きつけて、ロウ付けして固定することにより、冷媒−冷媒熱交換器24を形成することができる。この場合、冷媒−冷媒熱交換器24を容器13の外側に設けるようにしたので、冷媒−冷媒熱交換器24を気液分離器5に設置する際の加工が容易になる。また、冷媒−冷媒熱交換器24を容器13の底部付近に設けるようにしたので、容器13の底部で旋回する冷媒液と、冷媒−冷媒熱交換器24を流れる低温低圧の気液二相状態または気相の冷媒とが容器13の壁面を介して効率よく熱交換され、冷媒−冷媒熱交換器24における熱交換量が増加する。
また、例えば、図33に示すように、容器13の底面外側に、配管をロウ付けして固定することにより、冷媒−冷媒熱交換器24を形成することができる。この場合、冷媒−冷媒熱交換器24の加工が容易となることや、冷媒−冷媒熱交換器24における熱交換量が増加することに加えて、第1流出入配管11と第2流出入配管12を容器13の側面に配置する場合であっても、これらの配管に干渉することなく、冷媒−冷媒熱交換器24を配置することが可能となる。
Claims (16)
- 円筒容器と、
前記円筒容器に接続される、第1の流出入口を有する第1の流出入配管、第2の流出入口を有する第2の流出入配管及び気相流出口を有する気相流出配管とを備え、
前記第1の流出入配管の端部及び前記第2の流出入配管の端部が前記円筒容器の下部に配置され、
前記第1の流出入配管の端部の軸方向及び前記第2の流出入配管の端部の軸方向は、前記円筒容器の側壁の接線方向に沿うように設けられ、
前記第1の流出入口及び前記第2の流出入口は、
前記第1の流出入口及び前記第2の流出入口の一方を通って前記円筒容器に流入した流体により形成される旋回流れと、前記円筒容器から前記第1の流出入口及び前記第2の流出入口の他方へ流入する流体の流れとが、前記第1の流出入口及び前記第2の流出入口の他方において対向するように設けられていることを特徴とする気液分離器。 - 前記第1の流出入配管の端部は、
前記第2の流出入配管の端部に対して、前記円筒容器の中心軸を中心に所定角度回転移動した位置に設けられ、
該所定角度は、気液分離効率に応じて定められることを特徴とする請求項1に記載の気液分離器。 - 前記第1の流出入配管の端部は、
前記第2の流出入配管の端部に対して、前記円筒容器の中心軸を中心に180°回転移動した位置に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の気液分離器。 - 前記第1の流出入配管及び前記第2の流出入配管は、
前記円筒容器の側壁、前記円筒容器の底面部、又は前記円筒容器の上面部を貫通して配置されていることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の気液分離器。 - 前記気相流出配管は、
前記円筒容器の側壁、前記円筒容器の底面部、又は前記円筒容器の上面部を貫通して配置されていることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の気液分離器。 - 前記気相流出配管が、前記円筒容器の側壁を貫通して配置されている場合、
前記気相流出配管の端部の軸方向は、該側壁の接線方向に沿うように配置されていることを特徴とする請求項5に記載の気液分離器。 - 前記円筒容器及び前記気相流出口が形成された配管の少なくとも一方に、液滴捕獲部が設けられたことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の気液分離器。
- 前記円筒容器に熱交換器を設けたことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の気液分離器。
- 前記熱交換器の少なくとも一部は、前記円筒容器内の液相の流体が存在する底部に配置されることを特徴とする請求項8に記載の気液分離器。
- 前記熱交換器は、前記円筒容器の内部に側壁から離間して設置されたことを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の気液分離器。
- 前記熱交換器は、前記円筒容器の側壁の外側又は底面の外側に設置されたことを特徴とする請求項8に記載の気液分離器。
- 前記請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載の気液分離器を搭載したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
- 請求項8〜請求項11のいずれか一項に記載の気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置であって、
蒸発器となる熱交換器から流出した流体が、前記円筒容器に設けた熱交換器の一端に流入し、
前記円筒容器に設けた熱交換器の他端から流出した流体が、圧縮機の吸入側に流入することを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 前記冷凍サイクル装置は、2段圧縮サイクルの冷凍サイクル装置であることを特徴とする請求項12又は請求項13に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記冷凍サイクル装置の圧縮機は、低段側の圧縮機及び高段側の圧縮機が直列に配管接続された2段式の圧縮機であり、
前記気相流出口は、バイパス配管を介して、前記低段側の圧縮機と前記高段側の圧縮機とを接続する中間冷媒回路に接続され、
前記気液分離器で分離された気相流体は、前記バイパス配管を介してインジェクションされることを特徴とする請求項14に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記流体に自然冷媒である二酸化炭素を用いたことを特徴とする請求項15に記載の冷凍サイクル装置。
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