JP5197444B2

JP5197444B2 - 気液分離器とそれを搭載した冷凍サイクル装置

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Publication number: JP5197444B2
Application number: JP2009056492A
Authority: JP
Inventors: 泰城村上; 浩招牧野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: JP2010210142A

Description

この発明は、気液分離器とそれを搭載した空気調和機等の冷凍サイクル装置に関する。

圧縮機、四方弁、室外熱交換器、ブリッジ回路、膨張弁、気液分離器、室内熱交換器を順次配管によって接続した冷凍サイクルにおいて、気液分離器で分離した冷媒蒸気を圧縮機の吸入配管に戻す発明が公知である（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、冷房運転と暖房運転で、冷凍サイクルを流れる冷媒の方向を切り替えるために四方弁が使用され、冷房運転と暖房運転で冷媒が流れる方向が変わっても、気液分離器に流れる冷媒の方向を冷房運転と暖房運転で一定とするためにブリッジ回路が使用されている。
また、特許文献１の気液分離器は、流入配管が接続された第１容器と、冷媒液の流出配管が下部に、冷媒蒸気の流出配管が上部に接続された第２容器を備えており、第１容器の上部と第２容器の上部には、冷媒蒸気を通過させるための配管が設けられ、第１容器の下部と第２容器の下部には、冷媒液を通過させるための配管が設けられている。これにより、気液二相の冷媒が流入する第１容器で、冷媒液の液面が波立ったり、泡立ったりしても、第２容器内では冷媒液の液面の波立ちおよび泡立ちが抑制されるようにして、冷媒液が冷媒蒸気とともに流出するのを防止しようとしている。

特開２００８−７５８９４号公報（図３、図４等）

上記特許文献１に示す気液分離器においては、第１容器で波立ちや泡立ちが発生するため、たとえ第２容器を備えたとしても、第１容器で飛散した液滴が冷媒蒸気とともに気液分離器から流出するため、気液分離効率が低下するという問題があった。
また、第１容器において、流入した気液二相状態の冷媒速度を低下させて気液分離するか、泡立った状態の気液二相の冷媒から気泡状態の冷媒蒸気を浮上させて気液分離するため、流入配管の径に比べて第１容器の直径をかなり大きくする必要があり、気液分離器が大型化するという問題があった。
この発明は上記課題に対応したものであり、高い気液分離効率を有する小型の気液分離器を提供すること、またそのような気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

この発明の気液分離器は、第１の流路と第２の流路とを有し、前記第１の流路の鉛直方向における上端部と前記第２の流路の鉛直方向における上端部とが上部連結部で接続され、前記第１の流路の鉛直方向における下端部と前記第２の流路の鉛直方向における下端部とが下部連結部で接続されて、前記第１の流路、前記第２の流路、前記上部連結部、及び前記下部連結部によりループ状の流路が形成されており、前記第１の流路の途中に気液二相状態の流体が流入する流体流入路が接続され、前記上部連結部の最上部に気相流体が流出する蒸気流出路が接続され、下部連結部の最下部に液相流体が流出する液流出路が接続されており、前記第１の流路に接続する前記流体流入路の開口部と対向する前記第１の流路の側面に、内側から外側に突出する流路の突出部を設けたものである。

この発明の気液分離器により、高い気液分離効率を実現することが可能となる。また、この発明の気液分離器を用いた冷凍サイクル装置により、成績係数を向上することができる。

本発明の実施の形態１による気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置の構成図である。本発明の実施の形態１による気液分離器を示す図である。本発明の実施の形態１による気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの圧力とエンタルピの変化を示す図である。気液分離器を搭載しない冷凍サイクル装置の構成図である。本発明の実施の形態１による気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置の変形例を示す図である。本発明の実施の形態１による気液分離器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態１における気液分離器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態２による気液分離器を示す図である。本発明の実施の形態２による気液分離器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態３による気液分離器を示す図である。本発明の実施の形態３による気液分離器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態４による気液分離器を示す図である。本発明の実施の形態４による気液分離器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態５による気液分離器を示す図である。本発明の実施の形態５による気液分離器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態６による気液分離器を示す図である。本発明の実施の形態６における上部２分岐材および下部２分岐材の例を示す図である。本発明の実施の形態６による気液分離器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態７による気液分離器を示す図である。本発明の実施の形態７による気液分離器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態８による気液分離器を示す図である。本発明の実施の形態９による気液分離器を示す図である。本発明の実施の形態１０による気液分離器を示す図である。本発明の実施の形態１から１０による気液分離器の変形例を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置の構成を示したものである。冷凍サイクル装置の冷凍サイクル回路（冷媒回路）は、圧縮機１、冷房運転と暖房運転で冷媒の流れ方向を切り替える四方弁２、熱源側の第１熱交換器３、減圧器である例えば電動膨張弁４、気液分離器５、利用側の第２熱交換器６が順次配管によって接続された主回路を備える。また、バイパス配管１０を介して、電磁弁７、逆止弁８、キャピラリチューブ９が接続されたバイパス回路が、気液分離器５から圧縮機１の吸入側に接続されている。

図２に気液分離器５の構造を示す。気液分離器５は、第１の流路としての第１縦配管１１、第２の流路としての第２縦配管１２、第１縦配管１１の上端部と第２縦配管１２の上端部を接続する上部連結部としての上部配管１３、第１縦配管１１の下端部と第２縦配管１２の下端部を接続する下部連結部としての下部配管１４を有している。気液分離器５は、これらの各配管によりループ状配管３０に形成されている。なお、この例では、上部配管１３は図面右下がりに湾曲しており、下部配管１４は左上がりに湾曲している。
また、ループ状配管３０の最上点と最下点を高さ方向にＨ１：Ｈ２の比に内分する位置に、第１縦配管１１と直交するように、流体流入路としての流体流入配管１５が設けられている。Ｈ１の高さは気液分離にとって十分な高さであればＨ１：Ｈ２の比は特にこだわる必要はないが、その比は、例えば２：１〜３：１ぐらいに設定することができる。
さらに、気液分離器５の最上点に位置する第２縦配管１２と上部配管１３の合流部に蒸気流出路としての蒸気流出配管１６が、気液分離器５の最下点に位置する第１縦配管１１と下部配管１４の合流部に液流出路としての液流出配管１７がそれぞれ設けられている。なお、図２に示すように、気液分離器５は、流体流入配管１５と対面する第１縦配管１１の側面に、内側から外側に突出する流路の突出部１８が形成されているのが好ましい。

次に、本実施の形態１に示す気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置の動作と効果について説明する。図３は実施の形態１に示す気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置と、気液分離器を備えていない従来の冷凍サイクル装置とにおけるエンタルピと圧力の関係を示した図である。図３において、実線は図２に示す気液分離器５を搭載した冷凍サイクル装置のエンタルピと圧力の関係を示しており、図３中のＡからＦが、図１に示す冷凍サイクル装置のアルファベットの各点に対応する。また、図４は、気液分離器を搭載しない冷凍サイクル装置の構成図であり、図３中の点線が図４の装置の動作に対応する。
ここでは、冷凍サイクル装置として空調機を考えるため、熱源側の第１熱交換器３が室外熱交換器、利用側の第２熱交換器６が室内熱交換器に相当する。

まず、冷凍サイクル装置が冷房運転をおこなう場合について説明する。図４に示す気液分離器を搭載しない冷凍サイクル装置では、圧縮機１により高圧になった冷媒蒸気（Ａ点）は、四方弁２により第１熱交換器３へ流入し、そこで凝縮されて冷媒液となる（Ｂ点）。その後、減圧器４で減圧されて気液二相状態の冷媒となった後（Ｃ点）、第２熱交換器６で蒸発して冷媒蒸気となり（Ｄ'点）、四方弁２を通って、圧縮機１に戻り、再び加圧される。以上のように、気液分離器を搭載しない冷凍サイクル装置では、減圧器４を通過した後の気液二相状態の冷媒が、第２熱交換器６へ流れ込むため、冷媒が第２熱交換器６を通過する際の圧力損失が大きくなる(図中の（PC−PD'）に相当)。

一方、実施の形態１に示す気液分離器５を搭載した図１に示す冷凍サイクル装置では、電磁弁７を開にして、バイパス配管１０に冷媒蒸気が流れるようにする。圧縮機１により高圧になった冷媒蒸気は（Ａ点）、四方弁２を介して第１熱交換器３へ流入し、そこで凝縮されて冷媒液となり（Ｂ点）、減圧器４で減圧されて気液二相状態の冷媒となった後（Ｃ点）、気液二相状態で気液分離器５へ流入する。

冷房運転の場合、図２に示すように、流体流入配管１５を介して第１縦配管１１に流入した気液二相状態の冷媒１９は、第１縦配管１１を横切って、突出部１８に進入して衝突する。このとき、流入した気液二相状態のうち、密度の大きな冷媒液２１ａは、慣性力を強く受けて突出部１８に溜まるようになり、反対に密度の小さな冷媒蒸気２０ａは突出部１８に入り込むことなく、冷媒液２１ａと分離されるようになる。これにより、流体流入配管１５を介して第１縦配管１１に流入した気液二相状態の冷媒は、突出部１８で衝突による衝撃が干渉され、効果的に気液分離され、突出部１８における冷媒液の波立ちや泡立ちが抑制される。

その後、冷媒液２１ａは重力を受けて、冷媒液２１ｂとなり、第１縦配管１１の下部から下部配管１４、第２縦配管１２の下部にかけて溜まり、液流出配管１７を介して流出するようになる。

また、冷媒液２１ｂが第１縦配管１１の下部に溜まることで、突出部１８で分離された冷媒蒸気２０ａが第１縦配管１１を通過しようとするときの流動抵抗が大きくなるため、冷媒蒸気２０ａは第１縦配管１１の上部へ向かい、上部配管１３を通って、蒸気流出配管１６から流出するようになる。なお、冷媒蒸気２０ａが第１縦配管１１を上昇する際、冷媒蒸気２０ａが冷媒液２１ａの一部である冷媒液２１ｃを引っ張り上げるため、冷媒液２１ｃが第１縦配管１１を上昇するようになる。しかし、流体流入配管１５の中心からループ状配管３０の最上点に至るまでの距離Ｈ１を大きくとることにより、冷媒液２１ｃは、重力落下し、蒸気流出配管１６から冷媒蒸気２０ａとともに流出することはない。また、冷媒液２１ｃが上部配管１３に到達した場合であっても、冷媒液２１ｃの密度が大きいため、冷媒液２１ｃは上部配管１３の底を通過するようになり、冷媒液２１ｄとなって第２縦配管１２を介して重力落下し、液流出配管１７から流出するようになる。

突出部１８で分離された冷媒液２１ａが重力落下する際、冷媒蒸気２０ａの一部である冷媒蒸気２０ｂを巻き込む場合もあるが、巻き込まれた冷媒蒸気２０ｂは浮力を受けて下部配管１４を通過し、第２縦配管１２を上昇して蒸気流出配管１６から流出するようになる。

気液分離器５は、冷凍サイクル装置の中で以上のように作用して、高い気液分離効率で気液二相状態の冷媒を、冷媒蒸気と冷媒液に分離することができる。

そして、液流出配管１７から流出した冷媒液（Ｅ点）は、第２熱交換器６で蒸発して冷媒蒸気となる。一方、蒸気流出配管１６から流出した冷媒蒸気２０ｄ（Ｆ点）は、バイパス配管１０に設けられた電磁弁７、逆止弁８、キャピラリチューブ９を介した後、第２熱交換器６を通過した冷媒蒸気と合流し（Ｄ点）、四方弁２を介して圧縮機１に戻り、再び加圧される。

本実施の形態１に示す気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置では、第２熱交換器６に冷媒液のみを通過させるため、第２熱交換器の圧力損失が（PC−PD）に低下する。このため、圧縮機１の吸入圧力がPD'点から点PDに上昇し、圧縮機１が吸入圧力から吐出圧力まで圧縮するのに必要な仕事を減少させることができる。これにより、第２熱交換器６の蒸発能力と圧縮機１の入力の比で示される成績係数を向上することができる。

次に、冷凍サイクル装置が暖房運転をおこなう場合について説明する。
図１に示す気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置では、電磁弁７を閉じてバイパス配管１０に冷媒蒸気が通過しないようにする。圧縮機１により高圧になった冷媒蒸気は、四方弁２により第２熱交換器６へ流入し、そこで凝縮されて冷媒液となる。その後、液流出配管１７から気液分離器５へ流入して、冷媒液のまま流体流入配管１５から流出する。このとき、気液分離器５は冷媒液で満たされる。気液分離器５を通過した冷媒液は、減圧器４で減圧されて気液二相状態の冷媒になった後、第１熱交換器３で蒸発し、四方弁２を通って圧縮機１に戻り、再び加圧される。

なお、図４に示す気液分離器を搭載しない冷凍サイクル装置は、気液分離器５の通過がない点を除いて、気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置の動作と同様となる。

以上より、本実施の形態１に示す気液分離器５は、高い気液分離効率で気液二相状態の冷媒を分離することができる。しかも、気液分離器５は容器をもたない配管から構成されているため、気液分離器のコストを大幅に低減するとともに、気液分離器の小型化、薄型化を実現することができる。これにより、気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置全体をコンパクト化することもできる。

また、本実施の形態１の気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置では、暖房運転をする場合、気液分離器５が大きな容器をもたない配管で構成されているため、気液分離器５に溜まる冷媒量を大幅に削減することができる。ちなみに、先述した特許文献１の図４に示す気液分離器を図１に示す回路に搭載して暖房運転をおこなう場合、容器全体に冷媒液が溜まることになるため、冷媒が大量に必要となるとともに、コストが大幅に増加する。

また、特許文献１の図４に示す気液分離器では、同じ文献１の図３のようなブリッジ回路を設けて、冷房運転と暖房運転で運転が切り替わった場合であっても、気液分離器に流れ込む冷媒の流入方向を同一にする必要があり、ブリッジ回路の追加にともなうコストアップや装置全体の大型化を伴う。
一方、本実施の形態１に示す気液分離器を用いた場合には、ブリッジ回路を除いた冷凍サイクル装置を実現することが可能となり、冷凍サイクル装置の簡素化および低コスト化、冷媒量の削減を実現することができる。

勿論、本実施の形態１についても、特許文献１の図３と同様に、図５に示すようなブリッジ回路３１を設けて、冷房運転と暖房運転のいずれにおいても、流体流入配管１５を介して冷媒が気液分離器５に流れ込むようにして、冷媒を気液分離するようにしてもよい。この場合、冷房運転時には蒸発器として動作する第２熱交換器６の圧力損失を低減して、圧縮機１の圧縮仕事を減少させることができ、第２熱交換器６の蒸発能力と圧縮機１の入力の比で示される成績係数を向上することができる。また、暖房運転時には、蒸発器として動作する第１熱交換器３の圧力損失を低減して、圧縮機１の圧縮仕事を減少させることができ、第２熱交換器６の凝縮能力と圧縮機１の入力の比で示される成績係数を向上することができる。

また、図２で説明した各配管のいくつかを適宜まとめて一体に形成すると、製造コストや製造効率を向上することが可能となる。例えば、上部配管１３と第１縦配管１１と液流出配管１７とを一体の配管で形成し、下部配管１４と第２縦配管１２と蒸気流出配管１６とを一体の配管で形成し、第１縦配管１１に流体流入配管１５と突出部１８とを形成するようにしてもよい。この場合、部品点数が減少できるとともに、接合箇所を削減することができ、製造コストを削減するとともに、製造効率を向上できる。

また、実施の形態１の気液分離器５を冷凍サイクル回路に設置した冷凍サイクル装置において、冷媒としては、Ｒ４１０Ａ等のフロン系冷媒の他、自然冷媒である二酸化炭素や炭化水素などが利用できる。この他、地球温暖化係数（ＧＷＰ：温室効果ガスである物質に対して地球の温暖化をもたらす程度を、二酸化炭素に係る当該程度に対する比を示す数値として国際的に認められた知見に基づき定められた係数）が低い冷媒であるテトラフルオロプロペンを冷凍サイクル装置に用いてもよい。
特に、本冷凍サイクル装置の場合、充填する冷媒量を抑えることができるため、可燃性を有する炭化水素や、テトラフルオロプロペンを冷媒に使用しても、冷媒漏洩時における燃焼を抑制することがきる。

なお、図６に示すように、上部配管１３と第１縦配管１１との合流部が最上部となるように形成し、この最上部に蒸気流出配管１６を設けてもよい。つまり、上部配管１３が第１縦配管１１または第２縦配管１２と合流する箇所で最上部を有するように形成し、その最上部に蒸気流出配管１６を設けてもよい。さらに、下部配管１４が第１縦配管１１または第２縦配管１２と合流する箇所で最下部を有するように形成し、その最下部に液流出配管１７を設けても、図２に示したものと同様の効果を奏する。

また、図６に示すように、蒸気流出配管１６と第１縦配管１１と液流出配管１７とを一体の配管で形成し、上部配管１３と第２縦配管１２と下部配管１４とを一体の配管で形成し、両者の配管を接合することでループ状配管３０を形成してもよい。この場合、蒸気流出配管１６と第１縦配管１１と液流出配管１７を一本の直管で形成することができ、流体流入配管１５と突出部１８を設置する配管に対して曲げ加工が無くなるため、流体流入配管１５と突出部１８の設置が容易となる。

突出部１８の形状や構造は特に限定されるものではないが、その流路断面積を流体流入配管１５の断面積と同等以上に設定することが好ましい。これにより、流体流入配管１５を通過して第１縦配管１１の側面から吹出した気液二相状態の冷媒１９は、突出部１８で一端衝突して気液分離されるようになるため、気液分離器５の気液分離効率が向上する。

また、突出部１８の流路突出長さは、流体流入配管１５を通過する流体の進行方向に対して直交する突出部１８の流路断面の直径以上とすることが好ましい。これにより、突出部１８に冷媒液２１ａを保持することが可能となり、流体流入配管１５から流入する気液二相状態の冷媒１９の衝突による衝撃が干渉され、突出部１８での気液分離が向上し、気液分離器５の気液分離効率が向上する。
なお、突出部１８の流路断面形状が円でない場合、（１）式による等価直径を用いて直径ｄとすることができる。
ｄ＝４×Ａ／ｌ（１）
ここで、Ａは突出部１８の流路断面積であり、ｌは突出部１８の流路断面の周長を示す。

また、図７に示すように、突出部１８に毛管力を有する構造３３を設けてもよい。これにより、突出部１８における冷媒液２１ａの保持力が向上し、流体流入配管１５から流入した気液二相状態の冷媒１９が突出部１８に衝突する際の衝撃力をより緩和することができる。このため、冷媒の乱れを抑えることで、気液分離効率をさらに向上させることができる。なお、毛管力を有する構造３３としては、多孔質体やメッシュを追加してもよいし、突出部１８に内面溝つき管を採用することで毛管力の機能を持たせるようにしてもよい。

また、気液分離器５から、圧縮機１の吸入側に接続されるバイパス配管１０に、電磁弁７、逆止弁８、キャピラリチューブ９を備える構成を示したが、これらに代えて流量調整弁を設けるようにしてもよい。

また、上部配管１３は右下がりに湾曲し、下部配管１４は左上がりに湾曲した構成を示したが、上部配管１３や下部配管１４は、湾曲せずにまっすぐであってもよい。

実施の形態２．
実施の形態２に示す気液分離器５は、図８のように、上部配管１３の中央部に最上点を有し、また、下部配管１４の中央部に最下点を有するようにループ状配管３０を形成し、最上点となる上部配管１３の中央部に蒸気流出配管１６を、最下点となる下部配管１４の中央部に液流出配管１７を配置したものである。
この構成によれば、突出部１８で分離された冷媒液２１ａが重力落下する際に、巻き込まれた冷媒蒸気２０ｂが、下部配管１４の上部を流れながら、下部配管１４に沿って、スムーズに第２縦配管１２へと進み、さらに上部配管１３を通って、蒸気流出配管１６から流出するようになる。

また、突出部１８で分離された冷媒蒸気２０ａが第１縦配管１１を上昇する際に引っ張られる冷媒液２１ｃは、上部配管１３の底を流れながら、上部配管１３に沿って、スムーズに第２縦配管１２へと進み、さらに下部配管１４を通って、液流出配管１７から流出するようになる。これにより、気液分離器５の気液分離効率が向上する。

なお、この気液分離器５を搭載した冷凍サイクルについては特に説明しないが、実施の形態２に示す気液分離器５を用いることで、実施の形態１と同様の効果が得られる。
また、ここでは、上部配管１３の中央部に最上点を、下部配管１４の中央部に最下点を設ける構造を示したが、図９に示すように、上部配管１３と下部配管１４をそれぞれ水平に配置し、それらの各中間部に、蒸気流出配管１６と液流出配管１７を設けてもよい。
また、上部配管１３と第１縦配管１１と下部配管１４と第２縦配管１２とを一体の配管を用いてループ状配管３０を形成し、このループ状配管３０に、流体流入配管１５、突出部１８、蒸気流出配管１６、液流出配管１７を形成するようにしてもよい。このようにすることで、部品点数を減少できるとともに、接合箇所を削減することができ、製造コストを削減するとともに、製造効率を向上することができる。

実施の形態３．
実施の形態３に示す気液分離器５は、図１０のように、上部配管１３の中央部に最上点を有し、また、下部配管１４と第１縦配管１１の合流部に最下点を有するようにループ状配管３０を形成し、最上点となる上部配管１３の中央部に蒸気流出配管１６を、最下点となる下部配管１４と第１縦配管１１の合流部に液流出配管１７を設置したものである。
この構成は実施の形態１の下半分と実施の形態２の上半分を組合せたような構成であり、実施の形態１、２と同様、高い気液分離効率を有する。
また、下部配管１４と第２縦配管１２と上部配管１３と第１縦配管１１と液流出配管１７とを一体の配管を用いてループ状配管３０を形成し、このループ状配管３０に流体流入配管１５、突出部１８、蒸気流出配管１６を形成するようにしてもよい。この場合、さらに部品点数を減少できるとともに、接合箇所を削減することができ、製造コストを削減するとともに、製造効率を向上することができる。

なお、図１１に示すように、上部配管１３の中央部に最上点を有し、また、下部配管１４と第２縦配管１２の合流部に最下点を有するようにループ状配管３０を形成し、最上点となる上部配管１３の中央部に蒸気流出配管１６を、最下点となる下部配管１４と第２縦配管１２の合流部に液流出配管１７を配置するようにしても、同様の効果を奏する。

実施の形態４．
実施の形態４に示す気液分離器５は、図１２のように、上部配管１３と第１縦配管１１との合流部に最上点を有し、また、下部配管１４の中央部に最下点を有するようにループ状配管３０を形成し、最上点となる上部配管１３と第１縦配管１１の合流部に蒸気流出配管１６を、最下点となる下部配管１４の中央部に液流出配管１７を配置したものである。
この構成は実施の形態１の上半分と実施の形態２の下半分とを組合せたような構成であり、実施の形態１、２と同様、高い気液分離効率を有する。
また、上部配管１３と第２縦配管１２と下部配管１４と第１縦配管１１と蒸気流出配管１６とを一体の配管を用いてループ状配管３０を形成し、このループ状配管３０に流体流入配管１５、突出部１８、液流出配管１７を形成するようにしてもよい。この場合、さらに部品点数を減少できるとともに、接合箇所を削減することができ、製造コストを削減するとともに、製造効率を向上することができる。

なお、図１３に示すように、上部配管１３と第２縦配管１２との合流部に最上点を有し、また、下部配管１４の中央部に最下点を有するようにループ状配管３０を形成し、最上点となる上部配管１３と第２縦配管１２の合流部に蒸気流出配管１６が、最下点となる下部配管１４の中央部に液流出配管１７が配置されるようにしても、上記とほぼ同様の効果が得られる。

実施の形態５．
実施の形態５に示す気液分離器５は、図１４に示すように、流体流入配管１５を第２縦配管１２と合流せずに交差（立体交差）するように配置したものである。この場合も実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
このような構成とすることにより、気液分離器５を冷凍サイクル装置に設置するときにスペース上の制約を受ける場合であっても、流体流入配管１５の直線部Ｌを長く設けることが可能となり、流体流入配管１５内を通過する気液二相状態の冷媒１９の助走区間を延長することができる。したがって、冷媒１９の流れ状態を安定化させて気液二相状態の乱れを減少することができるため、突出部１８での乱れをさらに抑制して、さらに気液分離効率を向上することができる。
また、図１５のように、流体流入配管１５の入口に曲げを設けて鉛直方向に向けると、気液分離器５の横幅寸法Ｗを小さくすることができ、気液分離器５のコンパクト化を図ることができる。

実施の形態６．
実施の形態６に示す気液分離器５は、図１６に示すように、上部配管１３を上部２分岐材２２で形成し、下部配管１４を下部分岐材２３で形成したものである。ここで、流体流入配管１５と突出部１８は、第２縦配管１２と干渉しないよう、第１縦配管１１の中心軸と第２縦配管１２の中心軸を含む平面に対して垂直となるように形成されている。この場合も実施の形態１と同様の効果を奏する。
上部２分岐材２２および下部２分岐材２３の例としては、図１７に示すように、型押し加工して、２分岐部分が隣接するように加工したようなものが考えられる。この場合、上部２分岐材２２および下部２分岐材２３の２分岐部分に流体流入配管１５と突出部１８を有する第１縦配管１１と、第２縦配管１２を挿入してロウ付けし、上部２分岐材２２および下部２分岐材２３の残りの箇所に、蒸気流出配管１６と液流出配管１７を挿入してロウ付けすることで、気液分離器５を形成することが可能である。
この構造によれば、気液分離器５の製造を大幅に簡略化することができるとともに、低コスト化を実現できる。また、気液分離器５の横幅寸法Ｗをより小さくすることができ、気液分離器５の大幅なコンパクト化を実現することができる。

また、図１８に示すように、第２縦配管１２を複数個設けて、上部多分岐材２４と下部多分岐材２５により接続してもよい。これにより、上部多分岐材２４で分岐される第２縦配管１２の断面積が増加するため、冷媒蒸気２０ａに引っ張られて上昇する冷媒液２１ｃが、上部多分岐材２４で気液分離され易くなる。また、下部多分岐材２５で分岐される第２縦配管１２の断面積が増加するため、冷媒液２１ｂに巻き込まれた、冷媒蒸気２０ｂが、下部多分岐材２５で気液分離され易くなる。よって、第２縦配管１２を複数個設けることにより、気液分離効率をさらに向上することができる。
なお、実施の形態１から５に示した気液分離器５について、第２縦配管１２を複数個設けるようにした場合であってもよく、同様の効果が得られる。

実施の形態７．
実施の形態７に示す気液分離器５は、図１９に示すように、流体流入配管１５と第２縦配管１２を合流するように交差させたものである。ここでは、実施の形態６で説明した図１６の気液分離器５において、流体流入配管１５と突出部１８を、第１縦配管１１の中心軸と第２縦配管１２の中心軸を含む平面と平行となるように配置し、流体流入配管１５と第２縦配管１２を合流するように交差させた例を示す。
流体流入配管１５内の気液二相状態の冷媒１９が、第２縦配管１２を横切って通過する際、第２縦配管１２が連通した空間となるため、一部の冷媒１９が冷媒液２１ｂと冷媒蒸気２０ｃに分離される。ただし、流体流入配管１５を通過する気液二相状態の冷媒１９は慣性力が大きいため、大半の冷媒１９は、第２縦配管１２を横切って、さらに第１縦配管１１も横切って、突出部１８に進入して衝突する。このとき、流入した気液二相状態の冷媒のうち、密度の大きな冷媒液２１ａは、慣性力を強く受けて突出部１８に溜まるようになり、反対に密度の小さな冷媒蒸気２０ａは突出部１８に入り込むことなく、冷媒液２１ａと分離されるようになる。これにより、流体流入配管１５を介して第１縦配管１１に流入した気液二相状態の冷媒は、突出部１８で効果的に気液分離され、突出部１８における冷媒液の波立ちや泡立ちが抑制される。

また、冷媒液２１ｂが第１縦配管１１の下部に溜まることで、突出部１８で分離された冷媒蒸気２０ａが第１縦配管１１を通過しようとするときの流動抵抗が大きくなるため、冷媒蒸気２０ａは第１縦配管１１の上部へ向かい、上部２分岐材２２を通って、蒸気流出配管１６から流出するようになる。なお、冷媒蒸気２０ａが第１縦配管１１を上昇する際、冷媒蒸気２０ａが冷媒液２１ａの一部である冷媒液２１ｃを引っ張り上げるため、冷媒液２１ｃが第１縦配管を上昇するようになる。しかし、流体流入配管１５の中心からループ上配管３０の最上点に至るまでの距離Ｈ１を大きくとることにより、冷媒液２１ｃは重力落下して、蒸気流出配管１６から冷媒蒸気２０ａとともに流出しなくなる。また、冷媒液２１ｃが上部２分岐材２２に到達した場合であっても、冷媒液２１ｃの密度が大きいため、冷媒液２１ｃは上部２分岐材２２の底を通過するようになり、冷媒液２１ｄとなって第２縦配管１２を介して重力落下し、再び、流体流入配管１５から流入する気液二相状態の冷媒１９と合流し、突出部１８で分離される。

さらに、突出部１８で分離された冷媒液２１ａが重力落下する際に、冷媒蒸気２０ｂを巻き込む場合もあるが、巻き込まれた冷媒蒸気２０ｂは浮力を受けて下部２分岐材２３を通過し、第２縦配管１２を介して、再び、流体流入配管１５から流入する気液二相状態の冷媒１９と合流し、突出部１８で分離される。
このように、流体流入配管１５と第２縦配管１２を合流するように交差させたことで、気液分離される箇所が増えるため、気液分離効率をさらに向上することができる。

また、図２０に示すように、第２縦配管１２を複数個設けて、上部多分岐材２４と下部多分岐材２５で接続してもよい。第２縦配管１２の数が多いほど、気液分離される箇所が増えるため、気液分離効率を向上させることができる。

なお、ここでは、実施の形態６に示す気液分離器５を用いて、流体流入配管１５と第２縦配管１２を合流するように交差させた例を示したが、実施の形態１から５に示す気液分離器５について、流体流入配管１５と第２縦配管１２を交差させるようにした場合であってもよく、同様の効果を奏することができる。

実施の形態８．
実施の形態８に示す気液分離器５は、図２１に示すように、流体流入配管１５と対向する第１縦配管１１の側面に、突出部１８を設けない態様としたものである。実施の形態１でも説明したように、突出部１８を設けるのがより好ましいのであるが、それが無くても気液分離は以下のようにして実現できる。この場合、気液分離器５の第１縦配管１１は、流体流入配管１５と同等径かそれよりも若干大きな径を有する配管で形成するのが好ましい。
図２１の気液分離器５において、流体流入配管１５を通過した気液二相状態の冷媒１９は、第１縦配管１１の壁面に衝突することにより、慣性力の大きな冷媒液が第１縦配管１１に付着して気液分離される。このとき、第１縦配管１１が容器ではなく、その断面積が小さいことから、泡立ちを生じることなく冷媒蒸気２０ａは上方に、冷媒液２１ｂは下方に進むようになる。
また、気液分離器５の形状に起因して、冷媒蒸気２０ａに引っ張られた冷媒液２１ｃがループ状配管３０を重力落下したり、冷媒液２１ｂに引き込まれた冷媒蒸気２０ｂがループを上昇するため、この場合にも高い気液分離効率を実現することが可能となる。
なお、ここでは実施の形態６に示す気液分離器５に突出部１８を設けない例を示したが、実施の形態１〜５、７に示す気液分離器５に突出部１８を設けない構造とした場合にも、この場合と同様の効果が得られる。

実施の形態９．
実施の形態９に示す気液分離器５は、図２２に示すように、第１板部材２６と第２板部材２７の表面に、実施の形態１の図２で示したような第１縦配管１１、第２縦配管１２、上部配管１３、下部配管１４、流体流入配管１５、突出部１８、蒸気流出配管１６、液流出配管１７に相当する流路を対称に形成し、第１板部材２６と第２板部材２７に形成した各流路が対面するようにそれら２つの板部材２６、２７を接合することで、各流路を形成したものである。
これにより、気液分離器５を構成する備品点数を少なくすることができる。また、炉中ロウ付けなどにより、第１板部材２６と第２板部材２７を一度に接合して気液分離器５を形成することが可能となるため、製造が容易となる。
なお、第１板部材２６と第２板部材２７に各流路を形成する方法は、切削、鍛造、鋳造であってもよい。
また、第１板部材２６と第２板部材２７のどちらか一方に流路を形成し、他方をその流路の蓋部材として利用してもよい。

また、板部材の積層による流路の形成においては、２枚の板部材に限られるものではなく、複数の板部材を積層して上記の流路を形成するようにしてもよい。
なお、ここでは、板部材の流路を実施の形態１の気液分離器５に適用する例に示したが、実施の形態２から８に示す気液分離器５に適用しても、同様の効果が得られる。

実施の形態１０．
実施の形態１０に示す気液分離器５は、図２３に示すように、板部材２９の端面から板部材の平面方向に沿う内部に穴あけ加工をおこなって、その板部材の内部に流路を形成したものである。この場合、穴あけ加工後、不要となった開口箇所にはめくら部材２８を設ける。これにより、板部材２９に、第１縦配管１１、第２縦配管１２、上部配管１３、下部配管１４、流体流入配管１５、突出部１８、蒸気流出配管１６、液流出配管１７に相当する流路を形成することができる。
例えば、図中の白抜き矢印で示す位置から穴加工をおこなった後、めくら部材２８を２箇所設けることで、板部材２９に冷媒が通過する流路を形成している。
これにより、接合箇所が、めくら部材２８のみとなるため、気液分離器５の接合箇所が大幅に削減され、製造が容易となる。また、穴加工のみとなるため、製造コストを低減することができる。

板部材２９に穴あけ加工を実施する位置や、めくら部材２８を設置する位置は任意であり、実施の形態１から８で示したような気液分離器５の流路を形成すればよい。なお、上部配管１３、下部配管１４等にあった曲線形状は、それを直線形状に置き換えて穴あけ加工をおこなう。
また、めくら部材２８を取り付ける箇所にネジ山加工を行い、めくら部材２８をねじ込んで固定してもよい。この場合、気液分離器５の溶接やロウ付けが不要となり、製造が大幅に容易となるとともに、製造コストを低減することができる。

ところで、実施の形態１から１０に示した気液分離器５において、各流路の断面積は特に限定されるものではない。したがって、図２４に示すように、各流路の断面積を流路毎に変更するようにしてもかまわない。ただし、同一径の配管で気液分離器５を形成する方が、配管の種類を統一化できるため、部品管理がし易くなる。
また、上記各実施の形態では、本発明の気液分離器を冷凍サイクル装置に用い、そこで使用される冷媒を気液分離する例を挙げて説明したが、本発明の気液分離器は、冷媒の他にも、各種流体の気液分離に適用することができる。

１圧縮機、２四方弁、３第１熱交換器、４減圧器、５気液分離器、６第２熱交換器、７電磁弁、８逆止弁、９キャピラリチューブ、１０バイパス配管、１１第１縦配管（第１の流路）、１２第２縦配管（第２の流路）、１３上部配管（上部連結部）、１４下部配管（下部連結部）、１５流体流入配管（流体流入路）、１６蒸気流出配管（蒸気流出路）、１７液流出配管（液流出路）、１８突出部、１９気液二相冷媒、２０冷媒蒸気、２１冷媒液、２２上部２分岐材、２３下部２分岐材、２４上部多分岐材、２５下部多分岐材、２６第１板部材、２７第２板部材、２８めくら部材、２９板部材、３０ループ状配管、３１ブリッジ回路、３２毛管力構造。

Claims

第１の流路と第２の流路とを有し、
前記第１の流路の鉛直方向における上端部と前記第２の流路の鉛直方向における上端部とが上部連結部で接続され、前記第１の流路の鉛直方向における下端部と前記第２の流路の鉛直方向における下端部とが下部連結部で接続されて、前記第１の流路、前記第２の流路、前記上部連結部、及び前記下部連結部によりループ状の流路が形成されており、
前記第１の流路の途中に気液二相状態の流体が流入する流体流入路が接続され、前記上部連結部の最上部に気相流体が流出する蒸気流出路が接続され、下部連結部の最下部に液相流体が流出する液流出路が接続されており、
前記第１の流路に接続する前記流体流入路の開口部と対向する前記第１の流路の側面に、内側から外側に突出する流路の突出部を設けたことを特徴とする気液分離器。
第１の流路と第２の流路とを有し、
前記第１の流路の鉛直方向における上端部と前記第２の流路の鉛直方向における上端部とが上部連結部で接続され、前記第１の流路の鉛直方向における下端部と前記第２の流路の鉛直方向における下端部とが下部連結部で接続されて、前記第１の流路、前記第２の流路、前記上部連結部、及び前記下部連結部によりループ状の流路が形成されており、
前記第１の流路の途中に気液二相状態の流体が流入する流体流入路が接続され、前記上部連結部の最上部に気相流体が流出する蒸気流出路が接続され、下部連結部の最下部に液相流体が流出する液流出路が接続されており、
前記第２の流路の少なくとも１つ以上と前記流体流入路が合流して交差するようにされており、
前記第１の流路に接続する前記流体流入路の開口部と対向する前記第１の流路の側面に、内側から外側に突出する流路の突出部を設けたことを特徴とする気液分離器。
第１の流路と第２の流路とを有し、
前記第１の流路の鉛直方向における上端部と前記第２の流路の鉛直方向における上端部とが上部連結部で接続され、前記第１の流路の鉛直方向における下端部と前記第２の流路の鉛直方向における下端部とが下部連結部で接続されて、前記第１の流路、前記第２の流路、前記上部連結部、及び前記下部連結部によりループ状の流路が形成されており、
前記第１の流路の途中に気液二相状態の流体が流入する流体流入路が接続され、前記上部連結部の最上部に気相流体が流出する蒸気流出路が接続され、下部連結部の最下部に液相流体が流出する液流出路が接続されており、
前記第２の流路の少なくとも１つ以上と前記流体流入路が立体交差するようにされており、
前記第１の流路に接続する前記流体流入路の開口部と対向する前記第１の流路の側面に、内側から外側に突出する流路の突出部を設けたことを特徴とする気液分離器。
前記流体流入路を通過する流体の進行方向に対して直交する前記突出部の流路断面積が、前記流体流入路の断面積以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の気液分離器。
前記突出部の流路突出長さを、前記流体流入路を通過する流体の進行方向に対して直交する前記突出部の流路断面の直径以上としていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の気液分離器。
前記突出部に毛管力を有する構造を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の気液分離器。
前記第２の流路を複数有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の気液分離器。
前記各流路を配管により形成したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の気液分離器。
前記第１の流路、前記第２の流路、前記上部連結部、前記下部連結部、前記流体流入路、前記蒸気流出路、及び前記液流出路のうちの少なくとも３つ以上を、一体形成していることを特徴とする請求項８に記載の気液分離器。
前記上部連結部及び前記下部連結部の少なくとも一方が、分岐部が隣接している１つの分岐材により形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の気液分離器。
前記第１の流路、前記第２の流路、前記上部連結部、前記下部連結部、前記流体流入路、前記蒸気流出路、及び前記液流出路が、複数の板部材を積層して形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の気液分離器。
前記第１の流路、前記第２の流路、前記上部連結部、前記下部連結部、前記流体流入路、前記蒸気流出路、及び前記液流出路が、板部材の平面に沿って穴あけ加工された内部穴により形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の気液分離器。
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の気液分離器を冷凍サイクル回路に配置したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記冷凍サイクル回路を流れ、前記気液分離器に流れこむ冷媒の向きが、冷房運転と暖房運転で同一であることを特徴とする請求項１３に記載の冷凍サイクル装置。
前記冷凍サイクル回路を流れる冷媒が、炭化水素またはテトラフルオロプロペンであることを特徴とする請求項１３または１４に記載の冷凍サイクル装置。